(57)【要約】  高いＭＲ比と低い磁歪を兼ね備えたトンネル磁気抵抗薄膜を提供する。  磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造であるトンネル磁気抵抗薄膜とする。
2008155995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造であることを特徴とするトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項２】
前記第一磁化自由層は、（Ｃｏ100-x-yＮｉxＦｅy）100-zＢz（ｘ、ｙ、ｚはａｔｏｍｉｃ％）で示される組成がｘ＋ｙ＜１００、０≦ｘ≦３０、１０≦ｙ＜１００、０＜ｚ≦６である請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項３】
前記磁化固定層の保磁力Ｈcpと、前記磁化自由層の保磁力Ｈcfとは、Ｈcp＞Ｈcfの関係を満たす請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項４】
さらに、前記磁化固定層に隣接して反強磁性層を有し、該磁化固定層の磁化は、該反強磁性層との交換結合によって一軸方向に固定され、且つ磁化固定層と反強磁性層の間の交換結合磁界Ｈexと、磁化自由層の保磁力Ｈcfとは、Ｈex＜Ｈcfの関係を満たしている請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項５】
前記磁化固定層は、第一磁化固定層及び第二磁化固定層を有し、さらに、該第一磁化固定層と第二磁化固定層との間に交換結合用非磁性層を有し、該磁化固定層の磁化は、反強磁性層との交換結合によって一軸方向に固定され、該第一磁化固定層と第二磁化固定層とは、反強磁性結合している積層フェリ固定層であり、第一磁化固定層と第二磁化固定層の間の反強磁性結合磁界Ｈex*と磁化自由層の保磁力Ｈcfとが、Ｈex*＞Ｈcfの関係を満たしている請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項６】
磁化自由層、トンネルバリア層及び磁化固定層を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、体心立方構造を有し、（００１）配向し、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金層或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金層からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項７】
前記磁化自由層は、（Ｃｏ100-x-yＮｉxＦｅy）100-zＢz（ｘ、ｙ、ｚはａｔｏｍｉｃ％）で示される組成がｘ＋ｙ＜１００、０≦ｘ≦３０、１０≦ｙ＜１００、０＜ｚ≦６である請求項６に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項８】
磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層がこの順に積層された積層体を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造であることを特徴とするトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項９】
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲット或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【請求項１０】
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子のうち少なくとも２種成分を含有した第一磁性体ターゲット、及び前記４種成分のうちの該第一磁性体ターゲットで用いていない成分を少なくとも含有する第二磁性体ターゲットを用いた２元同時スパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【請求項１１】
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、金属のマグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、前記マグネシウム層を（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層に為す酸化処理チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子のうち少なくとも２種成分を含有した第一磁性体ターゲット、及び前記４種成分のうちの該第一磁性体ターゲットで用いていない成分を少なくとも含有する第二磁性体ターゲットを用いた２元同時スパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【請求項１２】
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、金属のマグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、前記マグネシウム層を（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層に為す酸化処理チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲット或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッド、磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子及び磁気センサーに用いられるトンネル磁気抵抗薄膜及び磁性多層膜作製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファスＣｏＦｅＢを強磁性電極としＮａＣｌ構造のＭｇＯをトンネルバリア層としたトンネル磁気抵抗薄膜は室温で２００％以上の巨大なＭＲ比（磁気抵抗変化率）を示す。そのため、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の記憶素子、磁気センサーへの応用が期待されている。従来のアモルファスＣｏＦｅＢを強磁性電極としＭｇＯをトンネルバリア層としたトンネル磁気抵抗薄膜は、磁化自由層が正の大きな磁歪を持ったＣｏＦｅＢ単層であったため、デバイス動作をさせた際にノイズの原因となっていた。【０００３】
ところで、巨大磁気抵抗効果を利用した現世代の磁気抵抗薄膜では、高いＭＲ比を得るために第一磁化自由層としてＣｏＦｅ合金を用いている。しかしながら、それもまた正の磁歪が大きいため第二磁化自由層として負の磁歪を持ったＮｉＦｅを積層し、磁化自由層全体として磁歪を実用可能なレベルまで小さくしていた。【０００４】
同様の効果を期待して、従来のアモルファスＣｏＦｅＢを強磁性電極としＭｇＯをトンネルバリア層としたトンネル磁気抵抗薄膜におけるＣｏＦｅＢ磁化自由層の上にＮｉＦｅを積層するとＭＲ比が極端に低下するという問題があった。その原因としては後工程の高温アニール処理においてアモルファスのＣｏＦｅＢが結晶化する際、ＮｉＦｅ層側から結晶化することが考えられる。【０００５】
このような問題を解決するために、例えば、特許文献１には、ＣｏＦｅＢ磁化自由層にＮｉを添加して単層状態のまま磁歪を下げるという技術が開示されている。また特許文献２には、第一磁化自由層と第二磁化自由層の間に非磁性の拡散防止層を挿入した構成が開示されている。【０００６】
【特許文献１】特開２００７−９５７５０号公報
【特許文献２】特開２００６−３１９２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、高いＭＲ比と低い磁歪を兼ね備えたトンネル磁気抵抗薄膜及び磁性多層膜作製装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１のトンネル磁気抵抗薄膜は、
磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造であることを特徴とする。【０００９】
本発明の好ましい態様において、前記第一磁化自由層は、（Ｃｏ100-x-yＮｉxＦｅy）100-zＢz（ｘ、ｙ、ｚはａｔｏｍｉｃ％）で示される組成がｘ＋ｙ＜１００、０≦ｘ≦３０、１０≦ｙ＜１００、０＜ｚ≦６である。【００１０】
本発明の好ましい態様において、前記磁化固定層の保磁力Ｈcpと、前記磁化自由層の保磁力Ｈcfとは、Ｈcp＞Ｈcfの関係を満たしている。【００１１】
本発明の好ましい態様において、さらに、前記磁化固定層に隣接して反強磁性層を有し、該磁化固定層の磁化は、該反強磁性層との交換結合によって一軸方向に固定され、且つ磁化固定層と反強磁性層の間の交換結合磁界Ｈexと、磁化自由層の保磁力Ｈcfとは、Ｈex＜Ｈcfの関係を満たしている。【００１２】
本発明の好ましい態様において、前記磁化固定層は、第一磁化固定層及び第二磁化固定層を有し、さらに、該第一磁化固定層と第二磁化固定層との間に交換結合用非磁性層を有し、該磁化固定層の磁化は、反強磁性層との交換結合によって一軸方向に固定され、該第一磁化固定層と第二磁化固定層とは、反強磁性結合している積層フェリ固定層であり、第一磁化固定層と第二磁化固定層の間の反強磁性結合磁界Ｈex*と磁化自由層の保磁力Ｈcfとが、Ｈex*＞Ｈcfの関係を満たしている。【００１３】
本発明の第２のトンネル磁気抵抗薄膜は、
磁化自由層、トンネルバリア層及び磁化固定層を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、体心立方構造を有し、（００１）配向し、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金層或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金層からなることを特徴とする。【００１４】
本発明の好ましい態様において、前記磁化自由層は、（Ｃｏ100-x-yＮｉxＦｅy）100-zＢz（ｘ、ｙ、ｚはａｔｏｍｉｃ％）で示される組成がｘ＋ｙ＜１００、０≦ｘ≦３０、１０≦ｙ＜１００、０＜ｚ≦６である。【００１５】
本発明の第３のトンネル磁気抵抗薄膜は、
磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層がこの順に積層された積層体を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造であることを特徴とする。【００１６】
本発明の第１の磁性多層膜作製装置は、
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲット或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする。【００１７】
本発明の第２の磁性多層膜作製装置は、
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子のうち少なくとも２種成分を含有した第一磁性体ターゲット、及び前記４種成分のうちの該第一磁性体ターゲットで用いていない成分を少なくとも含有する第二磁性体ターゲットを用いた２元同時スパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする。【００１８】
本発明の第３の磁性多層膜作製装置は、
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、金属のマグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、前記マグネシウム層を（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層に為す酸化処理チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子のうち少なくとも２種成分を含有した第一磁性体ターゲット、及び前記４種成分のうちの該第一磁性体ターゲットで用いていない成分を少なくとも含有する第二磁性体ターゲットを用いた２元同時スパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする。【００１９】
本発明の第４の磁性多層膜作製装置は、
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、金属のマグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、前記マグネシウム層を（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層に為す酸化処理チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲット或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする。【００２０】
本発明において、「結晶配向」の定義として、本願明細書に記載する「体心立方構造」及び「面心立方構造」では、下記の６つの結晶面は等価である。【００２１】
【化１】
2008155995.tif 000003
【００２２】
本願明細書の中では、膜面に垂直方向を結晶軸のｃ軸と定義し、上記の６つの結晶面配向を全て（００１）配向と表現する。【００２３】
また、ＭｇＯトンネルバリア層が（００１）配向していることの証明として、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折（θ−２θ法）において、２θ＝４３°付近のみに（２００）回折ピークが現れれば（００１）配向であることが間接的にわかる。また、より直接的な確認方法としては、透過型電子顕微鏡により断面像を観察し、その格子間隔から（００１）配向を確認することができる。その時、ＭｇＯ層に電子線を照射し、その回折パターンを解析することによって、より明確に（００１）配向を確認することができる。【００２４】
同様に、「体心立方構造」の第一磁化自由層の（００１）配向もＣｕＫα線を用いたＸ線回折によって間接的に知ることができ、（００１）配向の場合は２θ＝６５．５°付近のみに回折ピークが現れる。【００２５】
第二磁化自由層がＮｉとＦｅを主とした「面心立方構造」である場合は、ＣｕＫα線を用いたＸ線回折によって間接的に知ることができ、２θ＝４４．５°、５１．９°、７６．５°、９３．１°付近に回折ピークが現れる。結晶の配向性によって、上記の全てのピークが同時に現れる場合もあれば、ある一つのピークしか現れない場合もある。面心立方構造であることをより明確に知るためには例えば透過型電子顕微鏡により試料断面に電子線を照射し、その回折パターンを解析することによって、面心立方構造を確認することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明のトンネル磁気抵抗薄膜においては、高いＭＲ比を得るために正の磁歪を持ったＣｏＮｉＦｅＢ磁化自由層を用いたにもかかわらず、磁歪を下げるために負の磁歪を持ったＮｉＦｅ合金を積層してもＭＲ比が低下しない。よって、高いＭＲ比と低い磁歪を兼ね備えたトンネル磁気抵抗薄膜が提供され、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッドやＭＲＡＭの記憶素子、磁気センサーへ適用して良好な特性を得ることができる。【００２７】
また、本発明のトンネル磁気抵抗薄膜は、ＭＲ比の熱に対する安定性を大幅に改善することができる。【００２８】
本発明の装置は、高い生産性を持って、高ＭＲ比の熱に対する安定性の優れたトンネル磁気抵抗薄膜を生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のトンネル磁気抵抗薄膜の実施形態の断面模式図である。
【図２】本発明のトンネル磁気抵抗薄膜を製造するためのスパッタリング装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図３】ＭＲＡＭの構成を示す図である。
【図４】図３のＭＲＡＭの１メモリセルの断面模式図である。
【図５】図３のＭＲＡＭの１メモリセルの等価回路図である。
【図６】本発明の実施例１と比較例のトンネル磁気抵抗薄膜のＭＲ比のアニール温度依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  基板
２  緩衝層
３  反強磁性層
４  磁化固定層
４ａ  第一磁化固定層
４ｂ  第二磁化固定層
５  交換結合用非磁性層
６  トンネルバリア層
７  磁化自由層
７ａ  第一磁化自由層
７ｂ  第二磁化自由層
７ｃ  第三磁化自由層
８  保護層
９  交換結合用非磁性層
２０  真空搬送室
２１，２２，２３  スパッタリング室
２１ａ  Ｔａターゲット
２１ｂ  ＰｔＭｎターゲット
２１ｃ  Ｃｏ70Ｆｅ30ターゲット
２１ｄ  Ｒｕターゲット
２１ｅ  Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20ターゲット
２２ａ  ＭｇＯターゲット
２２ｂ  Ｍｇターゲット
２２ｃ  未装着ターゲット
２２ｄ  未装着ターゲット
２２ｅ  未装着ターゲット
２３ａ  Ｔａターゲット
２３ｂ  Ｃｏ70Ｆｅ30ターゲット
２３ｃ  Ｒｕターゲット
２３ｄ  Ｃｏ56Ｆｅ24Ｂ20ターゲット
２３ｅ  Ｎｉ83Ｆｅ17ターゲット
２５  基板前処理室
２６  酸化処理室
２７  ロードロック室
２８  搬送ロボット
４２  書き換え用ワード線
４３  ビット線
４４  読み出し用ワード線
４５  ＴＭＲ素子
４６  トランジスタ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。【００３２】
図１（ａ）は本発明のトンネル磁気抵抗薄膜の好ましい実施形態の断面模式図である。【００３３】
本発明のトンネル磁気抵抗薄膜は、トンネルバリア層を磁化固定層と磁化自由層とで挟持してなる積層体を有する。本発明において好ましくは、上記積層体において磁化固定層に隣接して反強磁性層を配置し、磁化固定層の磁化が該反強磁性層との交換結合によって一軸方向に固定されているスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜とすることが好ましい。図１（ａ）はこの反強磁性層を備え、該反強磁性層を緩衝層を基板側に配置して積層したボトム型のスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜の構成例である。【００３４】
図中、１は基板、２は緩衝層、３は反強磁性層、４は磁化固定層、５は交換結合用非磁性層、６はトンネルバリア層、７は磁化自由層、８は保護層である。【００３５】
本発明の構成上の特徴は、トンネルバリア層６に接する第一磁化自由層７ａが、ＣｏＮｉＦｅＢ合金からなり、その組成が好ましくは特定の範囲内にある。即ち、（Ｃｏ100-x-yＮｉxＦｅy）100-zＢz（ｘ、ｙ、ｚはａｔｏｍｉｃ％）で示される組成が、ｘ＋ｙ＜１００、０≦ｘ≦３０、１０≦ｙ＜１００、０＜ｚ≦６である。尚、本発明に係るトンネルバリア層６に接する第一磁化自由層７ａにおいては、ｘ＝０、即ちＮｉが含まれないＣｏＦｅＢも含まれるが、便宜上、トンネルバリア層６に隣接する磁化自由層７ａの場合に限り、ｘ＝０の場合も含めてＣｏＮｉＦｅＢと記す。【００３６】
本発明は、ＣｏＮｉＦｅＢ合金中に、さらに、微量（１ａｔｏｍｉｃ％以下、好ましくは０．０５ａｔｏｍｉｃ％以下）の添加成分として、他の金属、例えば、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、ＨｆやＰ等の他、ＣやＳｉなどを含有させることができる。【００３７】
本発明の酸化マグネシウム層は、微量（１ａｔｏｍｉｃ％以下、好ましくは０．０５ａｔｏｍｉｃ％以下）の添加成分、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｐなどの金属やＮ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｓｉ、Ｃなどを含有することができる。【００３８】
また、（００１）配向したＭｇＯ結晶粒を含んだＭｇＯ膜上にＣｏＮｉＦｅＢ膜を積層すると、該ＣｏＮｉＦｅＢ膜は（００１）配向した体心立方構造を有し、係る構成を有する磁気抵抗薄膜は本発明の効果が高い。よって、下記に示すように、トンネルバリア層６として、（００１）配向したＭｇＯ結晶粒を含んだＭｇＯ膜を用い、その上に第一磁化自由層７ａとしてＣｏＮｉＦｅＢ膜を積層した構成が本発明には用いられる。【００３９】
本発明において、磁化自由層７は、図１に示すように、互いに磁性材料の異なる２層以上の積層膜からなる構成が好ましく適用される。図１（ａ）は磁化自由層７を７ａ、７ｂの２層構成とした例であり、図１（ｂ）は７ａ、７ｂ、７ｃの３層構成とした例である。尚、図１（ｂ）の９は交換結合用非磁性層である。このように、磁化自由層７を複数層構成とした場合、トンネルバリア層６に接する第一磁化自由層７ａは上記したように、特定の組成のＣｏＮｉＦｅＢからなる。また、第一磁化自由層７ａ以外の磁化自由層７ｂ、７ｃの少なくとも１層は、Ｎｉを５０ａｔｏｍｉｃ％以上含む面心立方構造のＮｉＦｅ合金（ＮｉＦｅ）からなることが好ましい。該ＮｉＦｅは、好ましくは磁歪が負となるようにＮｉ含有量を８２ａｔｏｍｉｃ％以上に設定する。図１（ｂ）の構成においては、第二磁化自由層７ｂをＮｉを５０ａｔｏｍｉｃ％以上含む面心立方構造のＮｉＦｅで構成し、第三磁化自由層７ｃとしてはＣｏＦｅ合金（ＣｏＦｅ）やＣｏＮｉＦｅ合金（ＣｏＮｉＦｅ）でも良い。交換結合用非磁性層９としては、Ｒｕが好ましく用いられる。【００４０】
図１（ａ）における第一磁化自由層７ａと第二磁化自由層７ｂの膜厚は、より高いＭＲ比が得られ、磁歪が０に近づくようにそれぞれ設定する。第一磁化自由層７ａは１乃至３ｎｍ、第二磁化自由層７ｂは１乃至５ｎｍが好ましい。【００４１】
本発明において、互いに異なる磁性材料からなることは、磁性材料の構成元素が異なる、構成元素の組み合わせが異なる、構成元素の組み合わせが同じで組成比が異なる場合のいずれもが含まれる。【００４２】
また、本発明において、上記したＣｏＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ等の合金は、それぞれに挙げた元素のみで１００ａｔｏｍｉｃ％となる場合はもちろん、本発明の効果に影響を与えない範囲で微量の他元素を含む場合も含むものとする。例えば、ＮｉとＦｅ以外に微量の他元素を含む場合でも、ＮｉとＦｅのみで１００ａｔｏｍｉｃ％となる場合と本発明の効果において同じレベルである場合には、ＮｉＦｅに含まれるものとする。【００４３】
本発明において、トンネルバリア層６としては、（００１）配向したＭｇＯ結晶粒を含んだＭｇＯ膜が用いられる。係るＭｇＯ膜の配向性は、Ｘ線回折により確認することができる。即ち、Ｘ線回折（θ−２θ法）において、２θ＝４３°付近に（２００）回折ピークが現れれば（００１）配向であることが間接的にわかる。また、より直接的な確認方法としては、透過型電子顕微鏡により断面像を観察し、その格子間隔から（００１）配向を確認することができる。その時、ＭｇＯ層に電子線を照射し、その回折パターンを解析することによって、より明確に（００１）配向を確認することができる。【００４４】
トンネルバリア層６としては、Ｍｇ／ＭｇＯの２層膜も用いることができる。係るＭｇ／ＭｇＯ膜はツネカワらがアプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．），８７，０７２５０３（２００５）に報告している。ＭｇＯ膜及びＭｇ／ＭｇＯの２層膜の膜厚はトンネル磁気抵抗薄膜のトンネル接合抵抗値（ＲＡ）に応じて変わるが、磁気ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリに必要とされるＲＡ値は１乃至１００００Ωμｍ2であるため、典型的には１乃至２ｎｍの間である。【００４５】
本発明で用いるＭｇＯは、１：１の化学論量比であっても良く、非化学論量比であっても良い。【００４６】
本発明に係る磁化固定層４は、図１に示すように、第一磁化固定層４ａと第二磁化固定層４ｂとで交換結合用非磁性層５を挟持し、第一磁化固定層４ａと第二磁化固定層４ｂとが反強磁性結合している積層フェリ固定層であることが好ましい。第一磁化固定層４ａにはＣｏＦｅが、第二磁化固定層４ｂにはＣｏＦｅＢが好ましく用いられ、これら磁化固定層４ａ，４ｂ間に挟持される交換結合用非磁性層５としてはＲｕが好ましく用いられる。係るＲｕ層の膜厚はＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ  Ｋｉｔｔｅｌ  Ｋａｓｕｙａ  Ｙｏｓｉｄａ）相互作用によってＣｏＦｅ層とＣｏＦｅＢ層の間に反強磁性結合が現れる膜厚にする必要がある。実用的には２ｎｄピークと呼ばれる、０．７乃至０．９ｎｍが好ましい。【００４７】
尚、磁化固定層４が積層フェリ固定層ではないスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜の場合には、磁化固定層４にはアモルファスのＣｏＦｅＢを使うことによって同等の効果が得られる。その膜厚は１乃至５ｎｍが好ましい。【００４８】
また、本発明においては、反強磁性層３が無い場合は磁化固定層４の保磁力Ｈcpと、磁化自由層７の保磁力Ｈcfとが、Ｈcp＞Ｈcfの関係を満たすことが好ましい。反強磁性層３がありかつ磁化固定層４が積層フェリ固定層ではない場合は磁化固定層４と反強磁性層３の間の交換結合磁界ＨexはＨex＞Ｈcfの関係を満たすことが好ましい。反強磁性層３がありかつ磁化固定層４が積層フェリ固定層である場合は第一磁化固定層４ａと第二磁化固定層４ｂの間の反強磁性結合磁界Ｈex*がＨex*＞Ｈcfの関係を満たすことが好ましい。【００４９】
その理由はトンネル磁気抵抗効果を発現するために外部磁界Ｈを印加することによって磁化自由層の磁化のみを反転させ、磁化固定層と磁化自由層の磁化が互いに平行または反平行となる状態を実現する必要があるからである。そのような状態を実現する外部磁界Ｈの大きさはＨcp＞Ｈ＞ＨcfまたはＨex＞Ｈ＞ＨcfまたはＨex*＞Ｈ＞Ｈcfを満たさねばならない。そのため、ＨcpまたはＨexまたはＨex*はＨcfよりも大きければ、大きいほど良い。【００５０】
本発明に係る反強磁性層３としては、ＰｔＭｎが好ましく用いられ、強い反強磁性結合が現れる膜厚が必要とされるため１０乃至３０ｎｍが好ましい。ＰｔＭｎの他、ＩｒＭｎやＩｒＭｎＣｒ、ＮｉＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＲｕＲｈＭｎ、ＯｓＭｎ等も好ましく用いられる。【００５１】
本発明において好ましくは、前記磁化自由層が互いに磁性材料が異なる２層以上の積層膜からなり、トンネルバリア層に隣接する第一磁化自由層が前記ＣｏＮｉＦｅＢ合金からなり、該第一磁化自由層以外の磁化自由層の少なくとも１層がＮｉを５０ａｔｏｍｉｃ％以上含む面心立方構造のＮｉＦｅ合金からなる。【００５２】
次に、本発明のトンネル磁気抵抗薄膜の製造方法について説明する。本発明のトンネル磁気抵抗薄膜は、基板１側から順に所望の膜を積層すればよい。【００５３】
図２は、本発明のトンネル磁気抵抗薄膜の製造に使用しうるスパッタリング装置の構成を模式的に示す平面図である。係る装置においては、基板搬送用のロボット（基板搬送装置）２８が２機搭載された真空搬送室（搬送チャンバ）２０と、真空搬送室２０に接続されたスパッタリング室（成膜チャンバ）２１乃至２３と、基板前処理室２５と酸化処理室（酸化処理チャンバ）２６とロードロック室２７から構成される。ロードロック室２７を除く全ての部屋は２×１０-6Ｐａ以下の真空室であり、各真空室間の基板の移動は真空搬送ロボット２８によって真空中にて行われる。２１ａ〜２１ｅ、２２ａ〜２２ｅ及び２３ａ〜２３ｅは、ターゲットである。【００５４】
スピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜を形成するための基板は、初め大気圧にされたロードロック室２７に配置され、ロードロック室２７を真空排気した後、真空搬送ロボット２８によって所望の真空室に搬送される。【００５５】
一例として、後述する実施例で作製した、磁化固定層として積層フェリ固定層を有するボトム型のスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜を製造する場合を例に挙げて説明する。【００５６】
各層の構成は、Ｔａターゲット２１ａを用いたスパッタリング室２１でのスパッタリング成膜によってＴａ（１０ｎｍ）緩衝層２が成膜され、ＰｔＭｎターゲット２１ｂを用いたスパッタリング室２１でのスパッタリング成膜によってＰｔＭｎ（１５ｎｍ）反強磁性層３が積層され、Ｃｏ70Ｆｅ30ターゲット２１ｃを用いたスパッタリング室２１でのスパッタリング成膜によって磁化固定層４のＣｏＦｅ層４ａが積層され、Ｒｕターゲット２１ｄを用いたスパッタリング室２１でのスパッタリング成膜によって磁化固定層４のＲｕ層５が積層され、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20ターゲット２１ｅを用いたスパッタリング室２１でのスパッタリング成膜によって磁化固定層４のＣｏＦｅ層４ｂが積層され、ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなる積層フェリ固定層である磁化固定層４が積層される。【００５７】
スパッタリング室２２は、ＭｇＯターゲット２２ａ及びＭｇターゲット２２ｂを用いたスパッタリング室である。ターゲット２２ｃ〜２２ｅは、ターゲットを未装着にしている。スパッタリング室２２による成膜によって（００１）配向の結晶性ＭｇＯ（１．５ｎｍ）トンネルバリア層６が積層される。本実施例では、Ｍｇ層とＭｇＯ層の積層構造のトンネルバリア層６を用いた。結晶性ＭｇＯは、膜厚方向において全膜厚に渡り単結晶構造であって、面方向において単結晶構造（デバイス面積にわたり一様に単結晶）であってもよく、また、多結晶構造（デバイス面積内で多数の結晶粒で構成された結晶状態）であっても良い。また、ＭｇＯ層の単層トンネルバリア層６を用いることも可能である。【００５８】
また、本発明の好ましい態様においては、金属Ｍｇ層を積層した後、このＭｇ層まで積層した中間性媒体を酸化処理室２６に搬送し、この酸化処理室２６で金属Ｍｇ層を酸化することにより（００１）配向した結晶性ＭｇＯトンネルバリア層６を形成することができる。【００５９】
スパッタリング室２３は、Ｔａターゲット２３ａ、Ｃｏ70Ｆｅ30ターゲット２３ｂ、Ｒｕターゲット２３ｃ、Ｃｏ56Ｆｅ24Ｂ20ターゲット２３ｄ及びＮｉ83Ｆｅ17ターゲット２３ｅが用いられている。【００６０】
Ｔａターゲット２３ａは、保護層８の成膜に用いられる。Ｃｏ56Ｆｅ24Ｂ20ターゲット２３ｄ及びＮｉ83Ｆｅ17ターゲット２３ｅを用いた２元同時スパッタリングにより、体心立方構造で、（００１）配向のＣｏＦｅＮｉＢ合金からなる磁化自由層７ａを積層し、さらに、Ｎｉ83Ｆｅ17ターゲット２３ｅを用いたスパッタリングにより面心立方構造のＮｉＦｅ合金よりなる磁化自由層７ｂを積層し、続いて、Ｒｕターゲット２３ｃを用いたスパッタリングによりＲｕよりなる交換結合用非磁性層９を積層し、続いて、Ｃｏ70Ｆｅ30ターゲット２３ｂを用いたスパッタリングによりＣｏＦｅ合金よりなる磁化自由層７ｃを積層する。【００６１】
次いで、Ｔａターゲット２３ａ及びＲｕターゲット２３ｃを用いたスパッタリングにより、磁化自由層７側のＴａ層（１０ｎｍ）とＲｕ層（７ｎｍ）との積層構造の保護層８が前記磁化自由層７の上に積層される。【００６２】
尚、（  ）内は膜厚を示す。【００６３】
ＰｔＭｎ層はアニールによって規則化し反強磁性が発現するように、Ｐｔ含有量が４７乃至５１（ａｔｏｍｉｃ％）となるようにスパッタリングターゲットの組成と成膜条件（ガス種、ガス圧、投入電力）を調整する。【００６４】
上記のような膜構成を効率的に成膜するために、次のようにスパッタリングターゲットを各スパッタリング室に配置する。スパッタリング室２１にはＴａ、ＰｔＭｎ、Ｃｏ70Ｆｅ30、Ｒｕ、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20を、スパッタリング室２２にはＭｇＯとＭｇをスパッタリングターゲット２１ａ乃至２１ｅ、２２ａ乃至２２ｂとして配置する。また、スパッタリング室２３にはＴａ、Ｃｏ70Ｆｅ30、Ｒｕ、Ｃｏ56Ｆｅ24Ｂ20、Ｎｉ83Ｆｅ17をスパッタリングターゲット２３ａ乃至２３ｅとして配置する。【００６５】
本発明において最も複雑な膜構成である積層フェリ構造を持ったスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜は、次のようにして形成される。【００６６】
初めに、基板１を基板前処理室２５に搬送し、逆スパッタエッチングにより、大気中で汚染された表面層の約２ｎｍを物理的に除去する。その後、スパッタリング室２１に搬送して、Ｔａ／ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢまで成膜する。その後、スパッタリング室２２に移動してトンネルバリア層６としてＭｇＯ膜、またはＭｇ／ＭｇＯの２層膜を成膜する。【００６７】
また、ＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、スパッタリング室２２で金属Ｍｇ膜を成膜し、その後酸化処理室２６に基板を搬送してラジカル酸化法や自然酸化法などによってＭｇ層を酸化処理してＮａＣｌ構造のＭｇＯ膜を形成してもよい。トンネルバリア層６形成後、スパッタリング室２３に搬送して、ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ／Ｔａ／Ｒｕを成膜して、ロードロック室２７に帰す。この時、Ｂ濃度の異なるＣｏＦｅＢ層を作製するために、ＣｏＦｅＢとＣｏＦｅのターゲットを同時に放電する２元同時スパッタリング法を用いる。【００６８】
この後、作製したトンネル磁気抵抗薄膜は、磁場中アニール炉に入れ、強さ８ｋＯｅ以上の一方向に平行な磁場を印加しながら、真空中にて所望の温度と時間でアニール処理を行う。経験的には２５０℃以上３６０℃以下であり、低温の場合には５時間以上の長時間を、高温の場合には２時間以下の短時間が好ましい。【００６９】
本発明のトンネル磁気抵抗薄膜は、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッド、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の記憶素子及び磁気センサーに好ましく用いられる。以下に本発明のトンネル磁気抵抗薄膜を用いたＭＲＡＭを例に挙げて説明する。【００７０】
図３はＭＲＡＭの構造を模式的に示す図であり、図４はその１メモリセルの断面模式図、図５は１メモリセルの等価回路図である。ＭＲＡＭにおいて、４２は書き換え用ワード線、４３はビット線、４４は読み出し用ワード線、４５は磁気抵抗素子である。多数のメモリセルのそれぞれは、複数のビット４３と読み出し用ワード線４４の各交点位置に配置され、格子状の位置関係に配置され、それぞれが１ビットの情報を記憶する。【００７１】
ＭＲＡＭのメモリセルは、図４、図５に示す如く、ビット線４３と読み出し用ワード線４４の交点位置において、１ビットの情報を記憶する磁気抵抗（ＴＭＲ）素子４５と、スイッチ機能を有するトランジスタ４６とから構成される。本発明のトンネル磁気抵抗薄膜は上記ＴＭＲ素子４５として用いられる。【００７２】
ＴＭＲ素子４５は、図１（ａ）に示すトンネルバリア層６の両側の強磁性層（第二磁化固定層４ｂ及び磁化自由層７）との間に所要電圧を印加して一定電流を流した状態において、外部磁場をかける。第二磁化固定層４ｂと磁化自由層７の磁化の向きが平行で同じである時（平行状態）、ＴＭＲ素子４５の電気抵抗は最小になり、第二磁化固定層４ｂと磁化自由層７の磁化の向きが平行で反対である時（反平行状態）、ＴＭＲ素子４５の電気抵抗は最大になる。このように、外部磁場によってＴＭＲ素子４５に平行状態と反平行状態を作り出すことにより、抵抗値変化として「１」もしくは「０」の情報の記憶を行うことができる。【００７３】
図３のＭＲＡＭにおいては、図４に示すように、読み出し用ワード線４４と平行に、即ちビット線４３と交差して書き換え用ワード線４２がＴＭＲ素子４５の下方に配置されている。よって、ビット線４３と書き換え用ワード線４２とに電流を流すことによって磁界が誘起され、ビット線４３と書き換え用ワード線４２との交点にあたるメモリセルのＴＭＲ素子４５の磁化自由層のみが両者からの磁界の影響を受けて磁化反転する。他のメモリセルのＴＭＲ素子４５は両者の磁界の影響を全く受けないか、もしくはビット線４３及び書き換え用ワード線４２のいずれか一方の磁界の影響しか受けないため、磁化自由層が磁化反転しない。このようにして、所望のメモリセルのＴＭＲ素子４５の磁化自由層のみ磁化反転させて書き込みを行う。読み出しの際には、ＴＭＲ素子４５の下方に位置するトランジスタ４６のゲートが読み出し用ワード線４４の役割を担う。ビット線４３と読み出し用ワード線４４の交点に位置するメモリセルのＴＭＲ素子４５のみに電流が流れるため、その時の電圧を検出することによって、係るＴＭＲ素子４５の抵抗値を測定し、「１」もしくは「０」の情報を得ることができる。
【実施例】
【００７４】
（実施例１）
図２に示した装置を用いて、図１（ａ）に示した膜構成のボトム型のスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜を作製した。本例では、緩衝層２がＴａ（１０ｎｍ）、反強磁性層３がＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、磁化固定層４がＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなる積層フェリ固定層、トンネルバリア層６がＭｇＯ（１５ｎｍ）である。また、磁化自由層７としては、成膜されたままの状態で体心立方構造となるＣｏＮｉＦｅＢを初めに成膜し、次に面心立方構造のＮｉＦｅを成膜した。保護層８としては、Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｒｕ（７ｎｍ）の積層構造を使用した。【００７５】
さらに、第一磁化自由層７ａには（Ｃｏ70Ｆｅ30）96Ｂ4を用い、第二磁化自由層７ｂには、Ｎｉを８３ａｔｏｍｉｃ％含んだ面心立方構造のＮｉ83Ｆｅ17を用いた。また、第一磁化自由層７ａとして、（Ｃｏ70Ｆｅ30）80Ｂ20、Ｃｏ70Ｆｅ30をそれぞれ用いた磁気抵抗薄膜を作製した。【００７６】
図６は本例で作製した磁気抵抗薄膜のＭＲ比のアニール温度依存性を示す図である。第二磁化自由層７ｂはいずれの場合も負の磁歪を持ったＮｉ83Ｆｅ17を用いており、磁化自由層７全体の磁歪を下げるように工夫している。【００７７】
図６は、本例について、各テスト試料をアニールした時のＭＲ比を測定し、これによって、各試料毎のＭＲ比に関するアニール依存性を示したものである。
「▽」は、第一磁化自由層としてＣｏＦｅＢ合金を用い、第二磁化自由層をブランクとした比較試料である。
「◇」は、第一磁化自由層としてＣｏＦｅＮｉＢ合金を用い、第二磁化自由層をブランクとした比較試料である。
「□」は、第一磁化自由層としてＣｏ70Ｆｅ30を用い、第二磁化自由層としてＮｉ83Ｆｅ17を用いた比較試料である。
「△」は、第一磁化自由層として（Ｃｏ70Ｆｅ30）80Ｂ20用い、第二磁化自由層としてＮｉ83Ｆｅ17を用いた本発明試料である。
「○」は、第一磁化自由層として（Ｃｏ70Ｆｅ30）96Ｂ4を用い、第二磁化自由層としてＮｉ83Ｆｅ17を用いた本発明試料である。【００７８】
図６から明らかなように、本発明例は、比較例と比較して、高いＭＲ比を示していると共に、ＭＲ比が温度に依存しない熱安定性に顕著な効果を示していることがわかる。【００７９】
また、本例におけるＨex*は１０００Ｏｅ、Ｈcfは５Ｏｅであり、Ｈex*＞Ｈcfの関係を満たしていた。【００８０】
尚、本例において、ＭＲ比、Ｈex*、Ｈcfの測定方法は以下の通りである。【００８１】
ＭＲ比：１２端子プローブのＣｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ（ＣＩＰＴ）法を用いた。ＣＩＰＴ法の測定原理はＤ．Ｃ．Ｗｏｒｌｅｄｇｅ，Ｐ．Ｌ．Ｔｒｏｕｉｌｌｏｕｄ，「アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，８３（２００３），８４−８６に記載されている。【００８２】
Ｈex*、Ｈｃｆ：振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用い、得られた磁化曲線から求めた。ＶＳＭの測定原理は例えば、「実験物理学講座６  磁気測定Ｉ」、近桂一郎、安岡弘志編、丸善東京、２０００年２月１５日発行に示されている。【００８３】
（実施例２）
図１（ｂ）に示した膜構成のボトム型のスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜を作製した。本例では、磁化自由層７として、実施例１の本発明試料と同様のＣｏＮｉＦｅＢ／ＮｉＦｅ膜の磁化自由層の上に交換結合用非磁性層９としてＲｕ膜（２ｎｍ）を、次いで磁化自由層７ｃとしてＮｉＦｅ膜（３ｎｍ）を積層した以外は実施例１と同様とした。【００８４】
得られた磁気抵抗薄膜は、実施例１と同様に高いＭＲ比と低い磁歪に加えて耐熱性も向上していた。【００８５】
（実施例３）
磁化固定層４をアモルファスＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）とした以外は実施例１と同様にして本発明試料を用いたボトム型のスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜を作製した。【００８６】
得られた磁気抵抗薄膜は、実施例１と同様に高いＭＲ比と低い磁歪に加えて耐熱性も向上していた。
【図１】
2008155995.tif 000004
【図２】
2008155995.tif 000005
【図３】
2008155995.tif 000006
【図４】
2008155995.tif 000007
【図５】
2008155995.tif 000008
【図６】
2008155995.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月6日(2009.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層、トンネルバリア層及び磁化自由層を有し、該トンネルバリア層を該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置させた積層構造を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造を有する、ことを特徴とするトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項２】
前記第一磁化自由層は、（Ｃｏ１００−ｘ−ｙＮｉｘＦｅｙ）１００−ｚＢｚ（ｘ，ｙ，ｚはａｔｏｍｉｃ％）で示される組成がｘ＋ｙ＜１００、０≦ｘ≦３０、１０≦ｙ＜１００、０＜ｚ≦６である請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項３】
前記磁化固定層の保磁力Ｈｃｐと、前記磁化自由層の保磁力Ｈｃｆとは、Ｈｃｐ＞Ｈｃｆの関係を満たす請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項４】
さらに、前記磁化固定層に隣接して反強磁性層を有し、該磁化固定層の磁化は、該反強磁性層との交換結合によって一軸方向に固定され、且つ磁化固定層と反強磁性層の間の交換結合磁界Ｈｅｘと、磁化自由層の保磁力Ｈｃｆとは、Ｈｅｘ＜Ｈｃｆの関係を満たしている請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項５】
前記磁化固定層は、第一磁化固定層及び第二磁化固定層を有し、さらに、該第一磁化固定層と第二磁化固定層との間に交換結合用非磁性層を有し、該磁化固定層の磁化は、反強磁性層との交換結合によって一軸方向に固定され、該第一磁化固定層と第二磁化固定層とは、反強磁性結合している積層フェリ固定層であり、第一磁化固定層と第二磁化固定層の間の反強磁性結合磁界Ｈｅｘ＊と磁化自由層の保磁力Ｈｃｆとが、Ｈｅｘ＊＞Ｈｃｆの関係を満たしている請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
磁化固定層、トンネルバリア層及び磁化自由層がこの順に積層された積層体を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造を有する、ことを特徴とするトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項９】
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲット或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【請求項１０】
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子のうち少なくとも２種成分を含有した第一磁性体ターゲット、及び前記４種成分のうちの該第一磁性体ターゲットで用いていない成分を少なくとも含有する第二磁性体ターゲットを用いた２元同時スパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【請求項１１】
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、金属のマグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、前記マグネシウム層を（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層に為す酸化処理チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子のうち少なくとも２種成分を含有した第一磁性体ターゲット、及び前記４種成分のうちの該第一磁性体ターゲットで用いていない成分を少なくとも含有する第二磁性体ターゲットを用いた２元同時スパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【請求項１２】
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、金属のマグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、前記マグネシウム層を（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層に為す酸化処理チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲット或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した合金であって、体心立方構造の（００１）配向した結晶性第一磁化自由層を成膜し、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した合金であって面心立方構造のＦｅＮｉ合金からなる第二磁化自由層を成膜するように為した第２成膜チャンバ、
並びに、
基板の上に、前記酸化マグネシウム層に隣接して前記第一磁化自由層を積層し、該第一磁化自由層に隣接して前記第二磁化自由層を積層するように為した真空搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
［０００６］
特許文献１：特開２００７−９５７５０号公報
特許文献２：特開２００６−３１９２５９号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００７］
本発明の課題は、高いＭＲ比と低い磁歪を兼ね備えたトンネル磁気抵抗薄膜及び磁性多層膜作製装置を提供することにある。
課題を解決するための手段
［０００８］
本発明の第１のトンネル磁気抵抗薄膜は、
磁化固定層、トンネルバリア層及び磁化自由層を有し、該トンネルバリア層を該磁化固定層と該磁化自由層との間に位置させた積層構造を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造を有する、ことを特徴とする。
［０００９］
本発明の好ましい態様において、前記第一磁化自由層は、（Ｃｏ１００−ｘ−ｙＮｉｘＦｅｙ）１００−ｚＢｚ（ｘ、ｙ、ｚはａｔｏｍｉｃ％）で示される組成がｘ＋ｙ＜１００、０≦ｘ≦３０、１０≦ｙ＜１００、０＜ｚ≦６である。
［００１０］
本発明の好ましい態様において、前記磁化固定層の保磁力Ｈｃｐと、前記磁化自由層の保磁力Ｈｃｆとは、Ｈｃｐ＞Ｈｃｆの関係を満たしている。
［００１１］
本発明の好ましい態様において、さらに、前記磁化固定層に隣接して反強磁性層を有し、該磁化固定層の磁化は、該反強磁性層との交換結合によって一軸方向に固定され、且つ磁化固定層と反強磁性層の間の交換結合磁界Ｈｅｘと、磁化自由層の保磁力Ｈｃｆとは、Ｈｅｘ＜Ｈｃｆの関係を満たしている。
［００１２］
本発明の好ましい態様において、前記磁化固定層は、第一磁化固定層及び第二磁化固定層を有し、さらに、該第一磁化固定層と第二磁化固定層との間に交換結合用非磁性層を有し、該磁化固定層の磁化は、反強磁性層との交換結合によって一
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
軸方向に固定され、該第一磁化固定層と第二磁化固定層とは、反強磁性結合している積層フェリ固定層であり、第一磁化固定層と第二磁化固定層の間の反強磁性結合磁界Ｈｅｘ＊と磁化自由層の保磁力Ｈｃｆとが、Ｈｅｘ＊＞Ｈｃｆの関係を満たしている。
［００１３］
［００１４］
［００１５］
本発明の第２のトンネル磁気抵抗薄膜は、
磁化固定層、トンネルバリア層及び磁化自由層がこの順に積層された積層体を有するトンネル磁気抵抗薄膜であって、
前記トンネルバリア層は、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム膜であり、
前記磁化自由層は、Ｃｏ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造或いはＣｏ原子、Ｎｉ原子、Ｆｅ原子及びＢ原子を含有した体心立方構造の（００１）配向した合金からなる第一磁化自由層と、Ｆｅ原子及びＮｉ原子を含有した面心立方構造の合金からなる第二磁化自由層との積層構造を有する、ことを特徴とする。
［００１６］
本発明の第１の磁性多層膜作製装置は、
基板搬送装置を備えた搬送チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲットを用いたスパッタリング法により、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を有する酸化マグネシウム層を成膜するように為した第１成膜チャンバ、
【国際調査報告】
2008155995.tif 000010
2008155995.tif 000011