(57)【要約】【課題】  熱安定性にすぐれ、ＭＲ比の高い磁気抵抗素子を提供すること。【解決手段】  磁気抵抗素子は、マンガンを有する層で形成した反強磁性層と、反強磁性層側に位置し、強磁性体及び白金族系金属を有する層で形成した第一磁化固定層、強磁性体を有する層で形成した第二磁化固定層及び該第一磁化固定層と該第二磁化固定層との間に位置する第一非磁性中間層を有する積層磁化固定層と、強磁性体を有する層で形成した磁化自由層と、積層磁化固定層と前記磁化自由層との間に位置する第二非磁性中間層と、を有する。【選択図】  図１
2010123978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反強磁性層と、
第一磁化固定層、第一非磁性中間層及び第二磁化固定層を有する積層構造の積層磁化固定層と、
第二非磁性中間層と、
磁化自由層と、を有する磁気抵抗素子の製造方法であって、
マンガン（Ｍｎ）を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記反強磁性層を成膜する第１の工程と、
前記第１の工程の後で、白金族系金属を含有するターゲット及び強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第一磁化固定層を成膜する第２の工程と、
前記第２の工程の後で、非磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第一非磁性中間層を成膜する第３の工程と、
前記第３の工程の後で、強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第二磁化固定層を成膜する第４の工程と、
前記第４の工程の後で、非磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第二非磁性中間層を成膜する第５の工程と、
前記第５の工程の後で、強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記磁化自由層を成膜する第６の工程と、
前記第６の工程の後で、前記反強磁性層と、前記第一磁化固定層、前記第一非磁性中間層及び前記第二磁化固定層を有する積層構造の前記積層磁化固定層と、前記第二非磁性中間層と、並びに、前記磁化自由層と、を加熱炉で加熱処理を行なう工程を有する第７の工程と、
を有することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項２】
反強磁性層と、
第一磁化固定層、第一非磁性中間層及び第二磁化固定層を有する積層構造の積層磁化固定層と、
第二非磁性中間層と、
磁化自由層と、を有する磁気抵抗素子の製造方法であって、
マンガン（Ｍｎ）を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記反強磁性層を成膜する第１の工程と、
前記第１の工程の後で、白金族系金属及び強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第一磁化固定層を成膜する第２の工程と、
前記第２の工程の後で、非磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第一非磁性中間層を成膜する第３の工程と、
前記第３の工程の後で、強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第二磁化固定層を成膜する第４の工程と、
前記第４の工程の後で、非磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第二非磁性中間層を成膜する第５の工程と、
前記第５の工程の後で、強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記磁化自由層を成膜する第６の工程と、
前記第６の工程の後で、前記反強磁性層と、前記第一磁化固定層、前記第一非磁性中間層及び前記第二磁化固定層を有する積層構造の積層強磁性固定層と、前記第二非磁性中間層と、並びに、前記磁化自由層と、を加熱炉で加熱処理を行なう工程を有する第７の工程と、
を有することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトンネル磁気抵抗素子及び巨大磁気抵抗素子などの磁気抵抗素子の製造方法に関し、特に磁気ディスク駆動装置の磁気ヘッド及び磁気ランダムアクセスメモリに用いることができるトンネル磁気抵抗素子及び巨大磁気抵抗素子などの磁気抵抗素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気ディスク駆動装置の磁気ヘッドには、巨大磁気抵抗素子やトンネル磁気抵抗素子が用いられてきた。
【０００３】
巨大磁気抵抗素子は反強磁性層、強磁性固定層、非磁性伝導層、強磁性自由層を有し、トンネル磁気抵抗素子は反強磁性層、強磁性固定層、トンネルバリア層、強磁性自由層を有している。
【０００４】
巨大磁気抵抗素子やトンネル磁気抵抗素子において、強磁性固定層に使われる強磁性材料としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも１種の元素を用いることができる。また反強磁性層に使われる反強磁性材料としてはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどＭｎに貴金属元素を添加したものを用いることができる。
【０００５】
しかしながら、従来の磁気抵抗素子は、熱に対する安定性が悪く、例えば、３００℃の温度以上で、磁気抵抗素子が加熱に曝されると、そのＭＲ（magnetoresistive）比が著しく低下してしまう問題が存していた。
【０００６】
特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に記載された磁気抵抗素子においては、ある程度の熱安定性の改善が見られるものの、未だに、実用に耐えるのに十分なＭＲ比は、達成させていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−６７４１８号公報(米国特許第６,０５２,２６３号)
【特許文献２】特開２００３−２５８３３５号公報
【特許文献３】特開２００３−３０４０１２号公報
【特許文献４】特開２００５−２０３７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らの研究及び解析によれば、磁気抵抗素子の熱に対する不安定性の原因は、以下のとおりである、ことが判明した。
【０００９】
例えば、磁気ヘッドの製造工程では、トンネル磁気抵抗素子は、反強磁性層であるＰｔＭｎ層を磁化させるため、成膜後に数Ｔ（テスラ）の強磁場中にて２５０〜３００℃の熱処理を数時間行っている。また、磁気ランダムアクセスメモリにおいては、成膜後の強磁場中での熱処理以外にさらに後工程において３００℃を超える熱処理が行われる。このような熱処理工程においては、上記した反強磁性層中のマンガン（Ｍｎ）がこの加熱処理時の熱によって他の層、例えば、強磁性固定層やトンネルバリア層にまで拡散し、そこで、強磁性固定層の磁気特性を劣化させたり、トンネルバリア層のトンネルバリア効果を劣化させてしまい、この結果、磁気抵抗素子のＭＲ比を低下させていた。
【００１０】
また、強磁性固定層やトンネルバリア層は、微結晶、多結晶又は単結晶のような結晶構造であることが好ましく、この結晶性強磁性固定層や結晶性トンネルバリア層が拡散されてきたマンガン（Ｍｎ）による悪影響を受け、この結果、ＭＲ比を低下させると、推察される。
【００１１】
特に、強磁性固定層が基板側に位置するコバルト鉄（ＣｏＦｅ）を含有した結晶性第１強磁性固定層、その上のルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性中間層及び結晶性コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含有した結晶性第２強磁性固定層の３層を持つＳＡＦ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ａｎｔｉ−Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ：反平行結合素子）構造体の強磁性固定層を用いた場合では、反強磁性層中のマンガン（Ｍｎ）の熱拡散による悪影響を受け、その結果、磁気抵抗素子としてのＭＲ比を低下させていた。
【００１２】
上記した熱拡散現象は、巨大磁気抵抗素子においても同様に発生している。
【００１３】
本発明の目的は、熱安定性にすぐれ、ＭＲ比の高い磁気抵抗素子、例えば、トンネル磁気抵抗素子及び巨大磁気抵抗素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成する本発明の一つの側面にかかる磁気抵抗素子の製造方法は、反強磁性層と、
第一磁化固定層、第一非磁性中間層及び第二磁化固定層を有する積層構造の積層磁化固定層と、
第二非磁性中間層と、
磁化自由層と、を有する磁気抵抗素子の製造方法であって、
マンガン（Ｍｎ）を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記反強磁性層を成膜する第１の工程と、
前記第１の工程の後で、白金族系金属を含有するターゲット及び強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第一磁化固定層を成膜する第２の工程と、
前記第２の工程の後で、非磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第一非磁性中間層を成膜する第３の工程と、
前記第３の工程の後で、強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第二磁化固定層を成膜する第４の工程と、
前記第４の工程の後で、非磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第二非磁性中間層を成膜する第５の工程と、
前記第５の工程の後で、強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記磁化自由層を成膜する第６の工程と、
前記第６の工程の後で、前記反強磁性層と、前記第一磁化固定層、前記第一非磁性中間層及び前記第二磁化固定層を有する積層構造の前記積層磁化固定層と、前記第二非磁性中間層と、並びに、前記磁化自由層と、を加熱炉で加熱処理を行なう工程を有する第７の工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
あるいは、本発明の他の側面にかかる磁気抵抗素子の製造方法は、反強磁性層と、
第一磁化固定層、第一非磁性中間層及び第二磁化固定層を有する積層構造の積層磁化固定層と、
第二非磁性中間層と、
磁化自由層と、を有する磁気抵抗素子の製造方法であって、
マンガン（Ｍｎ）を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記反強磁性層を成膜する第１の工程と、
前記第１の工程の後で、白金族系金属及び強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第一磁化固定層を成膜する第２の工程と、
前記第２の工程の後で、非磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第一非磁性中間層を成膜する第３の工程と、
前記第３の工程の後で、強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第二磁化固定層を成膜する第４の工程と、
前記第４の工程の後で、非磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記第二非磁性中間層を成膜する第５の工程と、
前記第５の工程の後で、強磁性体を含有するターゲットを用いたスパッタリング法により、前記磁化自由層を成膜する第６の工程と、
前記第６の工程の後で、前記反強磁性層と、前記第一磁化固定層、前記第一非磁性中間層及び前記第二磁化固定層を有する積層構造の積層強磁性固定層と、前記第二非磁性中間層と、並びに、前記磁化自由層と、を加熱炉で加熱処理を行なう工程を有する第７の工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熱安定性の高い、よりＭＲ比の高い磁気抵抗素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係わるトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に係わるトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【図３】本発明の磁気抵抗素子の製造装置の概略的な構成を示す図である。
【図４】実施例１に係わるトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【図５】本発明の巨大磁気抵抗素子の断面図である。
【図６】図５の素子の温度依存性を示す特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。
【００１９】
図１は本発明の第１実施形態に係わるトンネル磁気抵抗素子の断面図である。
【００２０】
本実施形態のトンネル磁気抵抗素子は、下部電極層１１、反強磁性層１２、第一強磁性固定層（第一磁化固定層）１３、第一非磁性中間層１４、第二強磁性固定層（第二磁化固定層）１５、第二非磁性中間層（トンネルバリア層）１６、強磁性自由層（磁化自由層）１７、上部電極層１８の順に積層されて構成される。成膜は、例えば、ＤＣスパッタリング法によって行われる。ここで、第一強磁性固定層１３は反強磁性層１２との交換結合により磁気モーメントが一方向に固定されている。さらに第二強磁性固定層１５は第一非磁性中間層１４を介した反強磁性的交換結合により第一強磁性固定層１３と反平行方向に磁気モーメントが固定されている。このような第一強磁性固定層１３、第一非磁性中間層１４及び第二強磁性固定層１５の３層を持った積層磁化固定層は、上記のＳＡＦ構造体を形成している。
【００２１】
また、本発明の実施形態にかかる強磁性固定層は、第一強磁性固定層１３、第一非磁性中間層１４及び第二強磁性固定層１５からなる３層構成に限定されるものではなく、１層の強磁性層で構成しても良く、また、４層以上の積層構造であってもよい。
【００２２】
本発明で用いる反強磁性層１２の材料としては、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）等が用いられる。反強磁性層１２は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、イオンビーム蒸着法やエピタキャル法等を用いた成膜法によって得られる。
本発明で用いる第一強磁性固定層１３としては、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから成る金属群から選択された少なくとも１種の金属と白金族系金属とを含有した下記一般式Ａに示す合金を用いることができる。
【００２３】
一般式Ａ
（ＦｅａＣｏｂＮｉｃ）d（Ｍ）e
（但し、０≦ａ＜１００、０≦ｂ＜１００、０≦ｃ＜１００、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００、９９．５≧d≧５０、０．５≦e≦５０、d＋e＝１００）  Ｍは、白金族系金属を示す。）
本発明で用いる白金族系金属としては、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｈ）及びロジウム（Ｒｕ）からなる白金系元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素（これら元素の合金を含む）の金属を用いることが出来る。特に、本発明では、上記白金族系金属として、白金（Ｐｔ）を用いることが好ましい。
【００２４】
合金中の白金族系金属の添加量は、０．５原子％〜５０原子％で、好ましくは、１０原子％〜４０原子％である。
【００２５】
本発明の実施形態では、ＣｏＦｅ系合金またはＣｏＦｅＮｉ系合金を用いた第一強磁性固定層１３は、上記白金族元素から選ばれる少なくとも１種類の元素からなる金属を添加含有させることで、上記の反強磁性層１２中のＭｎの熱拡散を抑制でき、この結果、下述の第二強磁性固定層１５及び第二非磁性中間層（トンネルバリア層）１６への拡散を抑制することができる。
【００２６】
また、本発明で用いる第一強磁性固定層１３には、ボロン（Ｂ）を前記一般式Ａに示す合金中に０．５原子％〜３０原子％、好ましくは、５原子％〜２５原子％を含有させることができる。
【００２７】
本発明では、上記の一般式Ａに示す合金又はこの合金にＢ（ボロン）を含有した合金は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、イオンビーム蒸着法やエピタキャル法等を用いて成膜される。成膜された第一強磁性固定層１３は、アモルファス、微結晶若しくは多結晶の非単結晶構造又は単結晶構造とすることができる。特に、本発明では、第一強磁性固定層１３が多結晶構造の強磁性体によって形成されていることが、効果を高める上で、有利である。本発明によれば、第一強磁性固定層１３にＳＡＦ（Synthetic antiferromagnet）構造を用いることによって、トンネル磁気抵抗素子の熱安定性を向上させることができる。
【００２８】
本発明で用いる第二強磁性固定層１５としては、好ましくは、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから成る金属群から選択された少なくとも１種の金属を含有する合金、又は合金とボロン（Ｂ）とを含有した下記一般式Ｂに示す合金を用いることができる。
【００２９】
一般式Ｂ
（ＦｅxＣｏyＮｉz）ｍ（B）ｎ
（但し、０≦ｘ＜１００、０≦ｙ＜１００、０≦ｚ＜１００、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００、ｍ＋ｎ＝１００、０≦ｎ＜３０、７０＜m≦１００）   
また、上記の第二強磁性固定層１５は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｈ）又はロジウム（Ｒｕ）などの白金系元素からなる白金族系金属を添加含有させることができる。この際、白金族系金属の合金中での含有量は、０．５原子％〜３０原子％、好ましくは、５原子％〜２５原子％である。特に、白金族系金属のうち、白金（Ｐｔ）を用いるのが好ましい。
【００３０】
本発明で用いる第一非磁性中間層１４としては、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、クロム（Ｃｒ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）等又はその合金を用いることができる。また、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、クロム（Ｃｒ）若しくはイリジウム（Ｉｒ）等又はその合金で成膜した第一の層と銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）又はその合金で成膜した第二の層とからなる積層体を用いることもできる。本発明で用いる第一非磁性中間層１４は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、イオンビーム蒸着法やエピタキャル法等を用いた成膜法によって得られる。本発明のトンネル磁気抵抗素子では、第二非磁性中間層１６は、トンネルバリア層として機能する。トンネルバリア層としては、アモルファス、微結晶、多結晶等の非単結晶構造又は単結晶構造の酸化マグネシウム（（Ｍｇ）f（Ｏ）g：ｆ＋ｇ＝１００  ４０＜ｆ＜６０    ６０＞g＞４０）を用いることができる。トンネルバリア層は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、イオンビーム蒸着法やエピタキャル法等を用いた成膜法によって得られる。
本発明のトンネルバリア層で用いる多結晶又は単結晶の酸化マグネシウムは、その層内において、その膜厚方向で、その層界面に平行な（１００）面の結晶で形成されるのが好適である。
【００３１】
本発明の巨大磁気抵抗素子では、第二非磁性中間層１６は、銅（Ｃｕ）などの非磁性体を用いることができる。
【００３２】
本発明で用いる強磁性自由層１７としては、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）からなる元素群から選択された少なくとも１種の元素を含有した合金、例えば、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）合金、コバルト鉄ニッケル（ＣｏＦｅＮｉ）合金を含有する強磁性体ターゲットを用いたスパッタリン法などにより得られる。
【００３３】
また、本発明では、強磁性自由層１７に、ボロン（Ｂ）を含有させることができ、また、前述した白金族系金属を添加含有させることができる。
【００３４】
図２は、本発明の第二実施形態で、前述の第一実施形態中のＳＡＦ構造の別の態様を表している。
【００３５】
図２に図示するＳＡＦ構造における第一強磁性固定層１３は、第三強磁性層２１と第四強磁性層２２との積層構造体で、第二強磁性固定層１５は、第五強磁性層２３と第六強磁性層２４との積層構造体である。
【００３６】
第三強磁性層２１は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから成る金属群から選択された少なくとも１種の金属と白金族系金属とを含有した一般式Ａに示す合金を用いることができる。この合金中の白金族系金属の添加量は、０．５原子％〜５０原子％で、好ましくは、１０原子％〜４０原子％である。
【００３７】
第二実施形態では、ＣｏＦｅ系合金またはＣｏＦｅＮｉ系合金を用いた第三強磁性層２１は、上記白金族元素から選ばれる少なくとも１種類の元素からなる金属を添加含有させることで、反強磁性層１２中のＭｎの熱拡散を抑制でき、この結果、下述の第二強磁性固定層１５及び第二非磁性中間層１６への拡散を抑制することができる。
【００３８】
また、本発明で用いる第三強磁性層２１には、ボロン（Ｂ）を前記一般式Ａに示す合金中に０．５原子％〜３０原子％、好ましくは、５原子％〜２５原子％を含有させることができる。
【００３９】
第二実施形態では、上記した一般式Ａに示す合金又はこの合金にＢ（ボロン）を含有した合金は、スパッタリング法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、イオンビーム蒸着法やエピタキャル法等を用いて成膜される。
成膜された第三強磁性層２１は、アモルファス、微結晶若しくは多結晶の非単結晶構造又は単結晶構造とすることができる。
特に、第二実施形態では、第三強磁性層２１が多結晶構造の強磁性体によって形成されていることが、効果を高める上で、有利である。
本第二実施形態で用いた第四強磁性層２２、第五強磁性層２３及び第六強磁性層２４としては、好ましくは、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから成る金属群から選択された少なくとも１種の金属を含有する合金、又は合金とボロン（Ｂ）とを含有した前記一般式Ｂに示す合金を用いることができる。
【００４０】
また、第二実施形態では、第四強磁性層２２、第五強磁性層２３及び第六強磁性層２４のうち少なくとも一つの層中に、好ましくは、全層中に、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｈ）又はロジウム（Ｒｕ）などの白金系元素からなる白金族系金属を添加含有させることができる。この際、白金族系金属の合金中での含有量は、０．５原子％〜３０原子％、好ましくは、５原子％〜２５原子％である。特に、白金族系金属のうち、白金（Ｐｔ）を用いるのが好ましい。
【００４１】
次に、図３を参照して、上記の積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子を製造する装置と製造方法を説明する。図３は、トンネル磁気抵抗素子を製造する装置の概略的な平面図であり、本装置は複数の磁性膜を含む多層膜を作製することのできる装置であり、量産用のスパッタリング成膜装置である。
【００４２】
図３に示された磁性多層膜作製装置３０はクラスタ型装置であり、スパッタリング法に基づく複数の成膜チャンバを備えている。磁性多層膜作製装置３０では、図示しないロボット搬送装置を備える搬送チャンバ３２が中央位置に設置されている。磁性多層膜作製装置３０の搬送チャンバ３２には、２つのロード/アンロードチャンバ３５及び３６が設けられ、それぞれにより基板（シリコン基板）３１の搬入/搬出が行われる。これらのロード及びアンロードチャンバ３５及び３６を交互に使用することによって、生産性よく多層膜を作製できる構成となっている。
【００４３】
上記の磁性多層膜作製装置３０では、搬送チャンバ３２の周囲に、例えば、３つの成膜チャンバ３７Ａ、３７Ｂ及び３７Ｃと１つのエッチングチャンバ３８と１つの酸化チャンバ３９が設けられている。エッチングチャンバ３８ではトンネル磁気抵抗素子の所要表面をエッチング処理する。酸化チャンバ３９では金属膜を酸化して酸化膜のトンネルバリア層を形成する。各チャンバ(37A, 37B, 37C, 38, 39)と搬送チャンバ３２との間には各チャンバ(37A, 37B, 37C, 38, 39)を隔離しかつ必要に応じて開閉自在であるゲートバルブ４０が設けられている。なお、各チャンバには、図示しない真空排気機構、ガス導入機構、電力供給機構などが付設されている。
【００４４】
磁性多層膜作製装置３０の成膜チャンバ３７Ａ、３７Ｂ及び３７Ｃの各々ではスパッタリング法により基板３１の上に前述した各磁性膜を下側から順次に堆積する。例えば成膜チャンバ３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃの天井部には、それぞれ、適当な円周の上に配置された４基または５基のターゲット（タンタル（Ｔａ）４１，銅（Ｃｕ）４２，コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）４３，ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）４４，コバルト鉄（Ｃo９０Ｆｅ１０）４５）、（白金マンガン（ＰｔＭｎ）５１，コバルト鉄白金（ＣｏＦｅＰｔ）５２，ルテニウム（Ｒｕ）５３，コバルト鉄（Ｃo９０Ｆｅ１０）５４，コバルト鉄（Ｃo７０Ｆｅ３０）５５）、（酸化マグネシウム（ＭｇＯ）６１，ニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）６２，マグネシウム（Ｍｇ）６３，アルミニウム（Ａｌ）６４）が配置される。さらに当該円周と同軸上に位置する基板ホルダ上に基板３１が配置される。
【００４５】
上記において、ターゲット（４１，４２，４３，４４，４５）、（５１，５２，５３，５４，５５）、（６１，６２，６３，６４）としては、成膜する層の材料に応じて選択される。第一強磁性固定層１３のターゲット５２としては、例えば、コバルト鉄白金（ＣｏＦｅＰｔ）ターゲットであっても良く、またターゲット５２を白金（Ｐｔ）ターゲットとし、ターゲット５５をコバルト鉄（Ｃｏ７０Ｆｅ３０）ターゲットとしたコスパッタリング法、またはターゲット５２を白金（Ｐｔ）ターゲットとし、ターゲット５４をコバルト鉄（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）ターゲットとしたコスパッタリング法によっても良い。
【００４６】
また、ターゲット４１の材料は下地電極層および上部電極層のための「Ｔａ」であり、ターゲット４３の材料は第二強磁性固定層１５のための「ＣｏＦｅＢ」であってもよい。またターゲット５１の材料は、反強磁性層１２のための「ＰｔＭｎ」ターゲットであってもよい。また、ターゲット５３の材料は、第一非磁性中間層１４のための「Ｒｕ」ターゲットであっても良い。さらにターゲット６１の材料は、トンネルバリア層となる第二非磁性中間層１６のための「ＭｇＯ」ターゲットであっても良い。また、ターゲット６３および６４は酸化処理によってトンネルバリア層を形成する際の前駆体となる金属層のための「Ｍｇ」および「Ａｌ」ターゲットであっても良い。
【００４７】
上記の複数のターゲットは、効率よくかつ適切な組成の磁性膜を堆積させるために、好適には各基板に向くように傾斜して設けられるが、基板面に平行な状態で設けられてもよい。また、複数のターゲットと基板とは相対的に回転するような構成に基づいて配置されている。上記の構成を有する磁性多層膜作製装置３０において、各成膜チャンバ３７Ａ、３７Ｂ及び３７Ｃを利用して、基板３１の上に、図１に示した磁性多層膜がスパッタリング法により順次に成膜される。
【００４８】
以上説明した実施形態ではトンネル磁気抵抗素子について説明したが、本発明は、第二非磁性中間層１６として、前述のトンネルバリア層を銅（Ｃｕ）などの非磁性伝導層に変えることで、巨大磁気抵抗素子を構成することができる。
【００４９】
成膜チャンバ３７Ａ、３７Ｂ及び３７Ｃのそれぞれでスパッタリング成膜を行って積層が完了したトンネル磁気抵抗素子は、熱処理炉において、アニーリング処理が行われる。このとき、アニーリング温度は例えば約２００℃〜４００℃であり、例えば８ｋＯｅ（６４ ＫＡ／ｍ）の磁場中で、例えば４時間アニーリング処理が行われる。これにより、トンネル磁気抵抗素子の反磁性層であるＰｔＭｎに所要の磁化が与えられる。
【００５０】
次に本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００５１】
（実施例１）
図４は本発明のトンネル磁気抵抗素子の実施例１の構成を示す断面図である。本実施例のトンネル磁気抵抗素子は、ボトムタイプ構造のトンネル磁気抵抗素子であり、図１に示した構成に対応している。
【００５２】
図４において、Ｔａ層７１-1(ターゲット４１を使用)、ＣｕＮ層７１-2(ターゲット４２を使用)、Ｔａ層７１-3(ターゲット４１を使用)は下部電極層を構成し、厚さはそれぞれ、５ｎｍ、２０ｎｍ、３ｎｍである。ＰｔＭｎ層７２(ターゲット５１を使用)は反強磁性層で、厚さは１５ｎｍである。（Ｃｏ70Ｆｅ30）100-XＰｔX層７３(ターゲット５２とターゲット５５とのコ・スパッタリングターゲットを使用)は第一強磁性固定層で、厚さは２．５ｎｍである。Ｒｕ層７４(ターゲット５３を使用)は非磁性層（非磁性中間層）で、厚さは０．８５ｎｍである。Ｃｏ70Ｆｅ30層７５(ターゲット５５を使用)は第二強磁性固定層で、厚さは２．５ｎｍである。ＡｌＯX層７６(ターゲット６４を使用)は第二非磁性中間層（トンネルバリア層）で、厚さは１．２ｎｍである。（Ｃｏ70Ｆｅ30）80Ｂ20層７７(ターゲット４３を使用)は強磁性自由層で、厚さは３ｎｍである。Ｔａ層７８-1(ターゲット４１を使用)、Ｒｕ層７８-2(ターゲット５３を使用)は上部電極層を構成し、厚さはそれぞれ、１０ｎｍ、７ｎｍである。本実施例では第一強磁性固定層に下記表１に示す添加量（原子％）で白金（Ｐｔ）を添加した。
【００５３】
AlOx層７６は、Aｌ層を成膜した後、図３に図示する酸化チャンバ３９にて酸化処理が施される。
【００５４】
AlOx層７６に換えて、酸化マグネシウム(MgO)のトンネルバリア層７６としてもよい。この際、ターゲット６４を酸化マグネシウム(MgO)ターゲット又は金属マグネシウムターゲットを用いることができる。金属マグネシウムターゲットを用いた際には、金属マグネシウム層を酸化するため、酸化チャンバ３９にて酸化処理が施される。
【００５５】
次に、得られたトンネル磁気抵抗素子をアニールチャンバに移し、そこで、２７０℃、３００℃及び３３０℃のアニール処理を施し、夫々の温度でのＭＲ（％）を測定した。この結果を下記表１に示す。
【００５６】
【表１】
2010123978.tif 000003
【００５７】
表１によれば、白金（Ｐｔ）非添加の時は、アニール処理温度が上がるにつれてＭＲ（％）は低下していた。Ｐｔを添加することでＭＲ比の低下率が小さくなることが分かる。そして、特に白金（Ｐｔ）を添加することで、ＭＲ（％）の温度依存性が改善されていた。特に、白金（ＰＴ）の添加量が１８原子％を超えると、ＭＲ（％）の低下率を大幅に小さくすることができた。白金（Ｐｔ）の添加量の上限は、特に限定されないが、５０原子％が上限とするのが良い。
【００５８】
（実施例２）
実施例１で用いた白金（Ｐｔ）に換え、イリジウム（Ｉｒ）、Ｏｓ（オスミウム）、パラジウム（Ｐｄ）、Ｒｈ（ロジウム）及びＲｕ（ルテニウム）を夫々用いて、同様のトンネル磁気抵抗素子を作成し、実施例１と同様の温度依存性の試験を行なった。この結果、実施例１同様に、夫々温度依存性が改善された。
【００５９】
（実施例３）
実施例１で用いた第二強磁性固定層であるＣｏ70Ｆｅ30層７５をＣｏ７０Ｆｅ２０Ｐｔ１０層に変えた他は、実施例１と同様の方法で、トンネル磁気抵抗素子を作成し、実施例１と同様の方法で、温度依存性を試験した。この結果は、下記表２のとおりであった。
【００６０】
【表２】
2010123978.tif 000004
【００６１】
（比較例１）
実施例３で用いた第一強磁性固定層である（Ｃｏ70Ｆｅ30）100-XＰｔX層７３を白金非含有のＣｏ70Ｆｅ30層に換えた他は、上記実施例３と同様に、トンネル磁気抵抗素子を作成し、実施例１と同様の温度依存性を試験した。この結果は、下記表３のとおりであった。
【００６２】
【表３】
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【００６３】
（実施例４）
図５は本発明の巨大磁気抵抗素子の実施例の構成を示す断面図である。本実施例の巨大磁気抵抗素子は、ボトムタイプ構造の巨大磁気抵抗素子である。
【００６４】
図５において、ニッケル鉄クロム（ＮｉＦｅＣｒ）層５０１(ターゲット６２を使用)は下部電極層で、厚さは４ｎｍである。白金マンガン（ＰｔＭｎ）層５０２(ターゲット５１を使用)は反強磁性層で、厚さは１２ｎｍである。コバルト鉄白金（Ｃｏ90Ｆｅ10）100-XＰｔX層５０３(ターゲット５２(CoFePt)とターゲット５４とのコ・スパッタリングターゲットを使用)は第一強磁性固定層で、厚さは１．８ｎｍである。ルテニウム（Ｒｕ）層５０４(ターゲット５３を使用)は第一非磁性中間層で、厚さは０．９ｎｍである。コバルト鉄（Ｃｏ90Ｆｅ10層）５０５(ターゲット５４を使用)は第二強磁性固定層で、厚さは２．２ｎｍである。銅（Ｃｕ）層５０６(ターゲット４２を使用)は第二非磁性中間層で、厚さは２ｎｍである。コバルト鉄（Ｃｏ90Ｆｅ10層）５０７(ターゲット４５を使用)は強磁性自由層で、厚さは１．３ｎｍである。ニッケル鉄（Ｎｉ83Ｆｅ17層）５０８-1(ターゲット４４を使用)、銅（Ｃｕ）層５０８-2(ターゲット４２を使用)、タンタル（Ｔａ層）５０８-3(ターゲット４１を使用)は上部電極層を構成し、厚さはそれぞれ、２．５ｎｍ、６ｎｍ、３ｎｍである。本実施例では第一強磁性固定層に白金（Ｐｔ）を添加した。この素子を３００℃の温度でアニールし、この時のＭＲ（％）を測定した。この結果を図６に示す。
【００６５】
図６は、成膜後に、０．８Ｔの高磁場中にて、４時間の熱処理（３００℃）を施した巨大磁気抵抗素子のＭＲ（％）と、第一強磁性固定層への白金（Ｐｔ）添加量との関係を示す図である。白金（Ｐｔ）を添加するにつれてＭＲ（％）が上昇し、８原子％で約１６．０％のＭＲ（％）が得られる。そして、白金（Ｐｔ）含有量が１２〜２４原子％付近で約１６．３％のＭＲ（％）が得られた。白金（Ｐｔ）を添加しない場合のＭＲ％（１５．５％）から約０．８％の増大である。白金（Ｐｔ）添加量の上限は強磁性層として好ましい範囲で規定されるが、ほぼ５０ａｔ％が上限となる。したがって、白金（Ｐｔ）Ｐｔ添加量は０原子％を超え、５０原子％以下、好ましくは８原子％以上、５０原子％以下、さらに好ましくは１２原子％以上、２４原子％以下である。
【００６６】
本発明のトンネル磁気抵抗素子及び巨大磁気抵抗素子は、磁気ディスク駆動装置の磁気ヘッド及び磁気ランダムアクセスメモリに用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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