(57)【要約】  交換結合用非磁性層として用いられるＲｕ層の薄膜を維持したまま、耐熱性を改善し、高温でのアニールを経てもＲｕ層が良好に交換結合磁界を発現し、ＭＲ比の高いトンネル磁気抵抗薄膜を提供する。  トンネル磁気抵抗薄膜において、交換結合用非磁性層５を介して積層される第一磁化固定層４及び第二磁化固定層６の少なくとも一方を、互いに異なる磁性材料からなる２層以上の積層構造とする。
2008155996.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反強磁性層、
トンネルバリア層、
前記反強磁性層側に位置し、磁性体及びボロン原子を含有する第一磁化固定層、
前記トンネルバリア層側に位置し、磁性体及びボロン原子を含有する第二磁化固定層、
前記第一磁化固定層と前記第二磁化固定層との間に位置する交換結合用非磁性層、
及び
磁化自由層を有し、
前記第一磁化固定層は、前記反強磁性層側に位置する反強磁性層側の層と前記交換結合用非磁性層側に位置する交換結合用非磁性層側の層とを有し、該反強磁性層側の層と該交換結合用非磁性層側の層とがそれぞれ含有するボロン原子のａｔｏｍｉｃ％で表される含有率が互いに異なることを特徴とするトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項２】
前記トンネルバリア層が、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を含んだ酸化マグネシウム膜である請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項３】
前記第一磁化固定層の反強磁性層側の層が含有するボロン原子の含有率は、前記第一磁化固定層の交換結合用非磁性層側の層が含有するボロン原子の含有率より大きい値である請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項４】
前記第一磁化固定層の反強磁性層側の層は、５０ａｔｏｍｉｃ％以上のコバルト原子、５ａｔｏｍｉｃ％以上のボロン原子及び鉄原子を含有する合金であって、前記第一磁化固定層の交換結合用非磁性層側の層は、５０ａｔｏｍｉｃ％以上のコバルト原子及び５ａｔｏｍｉｃ％未満のボロン原子及び鉄原子を含有する合金からなる請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項５】
前記第二磁化固定層の交換結合用非磁性層側の層が含有するボロン原子の含有率は、前記第二磁化固定層のトンネルバリア層側の層が含有するボロン原子の含有率より大きい値である請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項６】
前記第二磁化固定層は、前記交換結合用非磁性層側に位置する交換結合用非磁性層側の層及び前記トンネルバリア層側に位置するトンネルバリア層側の層を有する積層体構造を有し、該交換結合用非磁性層側の層は、５０ａｔｏｍｉｃ％以上のコバルト原子、１５ａｔｏｍｉｃ％以上のボロン原子及び鉄原子を含有する合金であり、該トンネルバリア層側の層は、４０ａｔｏｍｉｃ％以上の鉄原子、５ａｔｏｍｉｃ％以上のボロン原子及び１５ａｔｏｍｉｃ％以下のコバルト原子を含有するアモルファス合金からなる請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項７】
前記交換結合用非磁性層は、Ｒｕ原子、Ｒｈ原子及びＩｒ原子からなる群の中から選択される少なくとも一種を含有する金属又は合金からなり、その膜厚は、１ｎｍ以下である請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項８】
ロボット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され、コバルト原子、鉄原子及びボロン原子を含有した第一磁性体ターゲット、該第一磁性体ターゲット中のボロン原子と異なる含有率のボロン原子、コバルト原子及び鉄原子を含有した第二磁性体ターゲット、実質的にボロン原子を含有していないコバルト及び鉄原子を含有した第三磁性体ターゲット、反強磁性体を含有した反強磁性体ターゲット及び非磁性体を含有した交換結合用非磁性体ターゲットを備えた第１のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲット及び／又はマグネシウムターゲットを備えた第２のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、磁化自由層を成膜するように為した第３のスパッタリング成膜チャンバ、並びに、
前記第１のスパッタリング成膜チャンバにおいて、基板の上に、前記反強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により反強磁性層を成膜し、該反強磁性層の上に前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、第二磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第二磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、非磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により交換結合用非磁性層を成膜し、該交換結合用非磁性層の上に、前記第三磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第三磁性体の磁化固定層を成膜し、
前記第２のスパッタリング成膜チャンバにおいて、第三磁性体の磁化固定層の上に、酸化マグネシウムターゲット及び／又は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酸化マグネシウム層又は金属マグネシウム層及び酸化マグネシウム層の積層体からなるトンネルバリア層を成膜し、
前記第３のスパッタリング成膜チャンバにおいて、トンネルバリア層の上に、磁化自由層を成膜するように為した搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【請求項９】
前記第一磁性体ターゲット中のボロン原子含有率は、前記第二磁性体ターゲット中のボロン原子含有率より大きい値である請求項９に記載の磁性多層膜作製装置。
【請求項１０】
ロボット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され、コバルト原子、鉄原子及びボロン原子を含有した第一磁性体ターゲット、該第一磁性体ターゲット中のボロン原子と異なる含有率のボロン原子、コバルト原子及び鉄原子を含有した第二磁性体ターゲット、反強磁性体を含有した反強磁性体ターゲット及び非磁性体を含有した交換結合用非磁性体ターゲットを備えた第１のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置され、コバルト原子、鉄原子及びボロン原子を含有した第三磁性体ターゲット、該第三磁性体ターゲット中のボロン原子と異なる含有率のボロン原子、コバルト原子及び鉄原子を含有した第四磁性体ターゲットを備えた第２のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲット及び／又はマグネシウムターゲットを備えた第３のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、磁化自由層を成膜するように為した第４のスパッタリング成膜チャンバ、並びに、
前記第１のスパッタリング成膜チャンバにおいて、基板の上に、前記反強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により反強磁性層を成膜し、該反強磁性層の上に前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、第二磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第二磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、非磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により交換結合用非磁性層を成膜し、
前記第２のスパッタリング成膜チャンバにおいて、前記交換結合用非磁性層の上に、前記第三磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第三磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、前記第四磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第四磁性体の磁化固定層を成膜し、
前記第３のスパッタリング成膜チャンバにおいて、第四磁性体の磁化固定層の上に、酸化マグネシウムターゲット及び／又は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酸化マグネシウム層又は金属マグネシウム層及び酸化マグネシウム層の積層体からなるトンネルバリア層を成膜し、
前記第４のスパッタリング成膜チャンバにおいて、トンネルバリア層の上に、磁化自由層を成膜するように為した搬送機構、
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】
前記第一磁性体ターゲット中のボロン原子含有率は、前記第二磁性体ターゲット中のボロン原子含有率より大きい値である請求項１０に記載の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（好ましくは、スピンバルブ型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】
非特許文献１には、アモルファスＣｏＦｅＢを強磁性電極とし、ＮａＣｌ構造のＭｇＯ膜をトンネルバリア層としたスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜が開示されている。係るトンネル磁気抵抗薄膜は、第一磁化固定層としてＣｏＦｅ層、第二磁化固定層としてアモルファスのＣｏＦｅＢ層が用いられている。そして、高温アニールによってアモルファスＣｏＦｅＢから体心立方構造のＣｏＦｅが晶出し、（００１）配向したＭｇＯ層とＣｏＦｅ（００１）［１１０］／／ＭｇＯ（００１）［１００］のエピタキシャル関係が実現する。これにより、理論通りの高いＴＭＲ（トンネル磁気抵抗；Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果が得られる（非特許文献２参照）。【０００３】
しかしながら、交換結合用非磁性層として一般的に用いられているＲｕ層は第一磁化固定層と第二磁化固定層の間で高い交換結合磁界を発現するようにその膜厚が薄く設定されている。具体的には、非特許文献３に開示されているように、ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ  Ｋｉｔｔｅｌ  Ｋａｓｕｙａ  Ｙｏｓｉｄａ）相互作用の２ｎｄピークと言われる０．７乃至０．９ｎｍである。そのため、３６０℃よりも高い温度や、３６０℃でも長時間のアニールを行うことによって、その薄いＲｕ層が第一磁化固定層や第二磁化固定層と拡散し、交換結合磁界を発現しなくなるという問題があった（非特許文献２参照）。【０００４】
また、そのＲｕ層は反強磁性層として用いられているＭｎ合金からなる反強磁性層からのＭｎの熱拡散を防止するという効果が報告されている（非特許文献４参照）。【０００５】
リーらの報告によれば、Ｒｕ層の膜厚を厚くすることによって耐熱性が上がることがわかっており、さらに高温アニールをすることによってＭＲ比（磁気抵抗変化率）がより増加することがわかっている。【０００６】
しかしながら、Ｒｕ膜厚の増加はＲＫＫＹ相互作用に基づく交換結合磁界を低下させてしまうため実用的ではなかった。とりわけ、磁気ランダムアクセスメモリの製造工程には３５０℃を超える高温プロセスが存在するため、上記の問題は深刻であった。【０００７】
【非特許文献１】Ｄ．Ｄ．ジャヤプラウィラ（Ｄｊａｙａｐｒａｗｉｒａ）ら、「アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，８６，０９２５０２（２００５）
【非特許文献２】Ｙ．Ｓ．チョイ（Ｃｈｏｉ）ら，「アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，１０１，０１３９０７（２００７）
【非特許文献３】長谷川他、「日本応用磁気学会誌」、ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．９，１２３９（２０００）
【非特許文献４】Ｙ．Ｍ．リー（Ｌｅｅ）ら，「アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，８９，０４２５０６（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、ＭＲ比の高いスピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜を提供することにある。より具体的には、交換結合用非磁性層として用いられるＲｕ層の薄膜を維持したまま、耐熱性を改善し、高温でのアニールを経てもＲｕ層が良好に交換結合磁界を発現する構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１は、
反強磁性層、
トンネルバリア層、
前記反強磁性層側に位置し、磁性体及びボロン原子を含有する第一磁化固定層、
前記トンネルバリア層側に位置し、磁性体及びボロン原子を含有する第二磁化固定層、
前記第一磁化固定層と前記第二磁化固定層との間に位置する交換結合用非磁性層、
及び
磁化自由層を有し、
前記第一磁化固定層は、前記反強磁性層側に位置する反強磁性層側の層と前記交換結合用非磁性層側に位置する交換結合用非磁性層側の層とを有し、該反強磁性層側の層と該交換結合用非磁性層側の層とがそれぞれ含有するボロン原子のａｔｏｍｉｃ％で表される含有率が互いに異なることを特徴とするトンネル磁気抵抗薄膜である。【００１０】
本発明においては、以下の構成を好ましい態様として含む。【００１１】
前記トンネルバリア層が、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を含んだ酸化マグネシウム膜である。【００１２】
前記第一磁化固定層の反強磁性層側の層が含有するボロン原子の含有率は、前記第一磁化固定層の交換結合用非磁性層側の層が含有するボロン原子の含有率より大きい値である。【００１３】
前記第一磁化固定層の反強磁性層側の層は、５０ａｔｏｍｉｃ％以上のコバルト原子、５ａｔｏｍｉｃ％以上のボロン原子及び鉄原子を含有する合金であって、前記第一磁化固定層の交換結合用非磁性層側の層は、５０ａｔｏｍｉｃ％以上のコバルト原子及び５ａｔｏｍｉｃ％未満のボロン原子及び鉄原子を含有する合金からなる。【００１４】
前記第二磁化固定層の交換結合用非磁性層側の層が含有するボロン原子の含有率は、前記第二磁化固定層のトンネルバリア層側の層が含有するボロン原子の含有率より大きい値である。【００１５】
前記第二磁化固定層は、前記交換結合用非磁性層側に位置する交換結合用非磁性層側の層及び前記トンネルバリア層側に位置するトンネルバリア層側の層を有する積層体構造を有し、該交換結合用非磁性層側の層は、５０ａｔｏｍｉｃ％以上のコバルト原子、１５ａｔｏｍｉｃ％以上のボロン原子及び鉄原子を含有する合金であり、該トンネルバリア層側の層は、４０ａｔｏｍｉｃ％以上の鉄原子、５ａｔｏｍｉｃ％以上のボロン原子及び１５ａｔｏｍｉｃ％以下のコバルト原子を含有するアモルファス合金からなる。【００１６】
前記交換結合用非磁性層は、Ｒｕ原子、Ｒｈ原子及びＩｒ原子からなる群の中から選択される少なくとも一種を含有する金属又は合金からなり、その膜厚は、１ｎｍ以下である。【００１７】
また、本発明の第２は、
ロボット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され、コバルト原子、鉄原子及びボロン原子を含有した第一磁性体ターゲット、該第一磁性体ターゲット中のボロン原子と異なる含有率のボロン原子、コバルト原子及び鉄原子を含有した第二磁性体ターゲット、実質的にボロン原子を含有していないコバルト及び鉄原子を含有した第三磁性体ターゲット、反強磁性体を含有した反強磁性体ターゲット及び非磁性体を含有した交換結合用非磁性体ターゲットを備えた第１のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲット及び／又はマグネシウムターゲットを備えた第２のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、磁化自由層を成膜するように為した第３のスパッタリング成膜チャンバ、並びに、
前記第１のスパッタリング成膜チャンバにおいて、基板の上に、前記反強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により反強磁性層を成膜し、該反強磁性層の上に前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、第二磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第二磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、非磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により交換結合用非磁性層を成膜し、該交換結合用非磁性層の上に、前記第三磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第三磁性体の磁化固定層を成膜し、
前記第２のスパッタリング成膜チャンバにおいて、第三磁性体の磁化固定層の上に、酸化マグネシウムターゲット及び／又は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酸化マグネシウム層又は金属マグネシウム層及び酸化マグネシウム層の積層体からなるトンネルバリア層を成膜し、
前記第３のスパッタリング成膜チャンバにおいて、トンネルバリア層の上に、磁化自由層を成膜するように為した搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置である。【００１８】
本発明においては、前記第一磁性体ターゲット中のボロン原子含有率は、前記第二磁性体ターゲット中のボロン原子含有率より大きい値である構成を好ましい態様として含む。【００１９】
本発明の第３は、
ロボット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され、コバルト原子、鉄原子及びボロン原子を含有した第一磁性体ターゲット、該第一磁性体ターゲット中のボロン原子と異なる含有率のボロン原子、コバルト原子及び鉄原子を含有した第二磁性体ターゲット、反強磁性体を含有した反強磁性体ターゲット及び非磁性体を含有した交換結合用非磁性体ターゲットを備えた第１のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置され、コバルト原子、鉄原子及びボロン原子を含有した第三磁性体ターゲット、該第三磁性体ターゲット中のボロン原子と異なる含有率のボロン原子、コバルト原子及び鉄原子を含有した第四磁性体ターゲットを備えた第２のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲット及び／又はマグネシウムターゲットを備えた第３のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、磁化自由層を成膜するように為した第４のスパッタリング成膜チャンバ、並びに、
前記第１のスパッタリング成膜チャンバにおいて、基板の上に、前記反強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により反強磁性層を成膜し、該反強磁性層の上に前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、第二磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第二磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、非磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により交換結合用非磁性層を成膜し、
前記第２のスパッタリング成膜チャンバにおいて、前記交換結合用非磁性層の上に、前記第三磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第三磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、前記第四磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第四磁性体の磁化固定層を成膜し、
前記第３のスパッタリング成膜チャンバにおいて、第四磁性体の磁化固定層の上に、酸化マグネシウムターゲット及び／又は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酸化マグネシウム層又は金属マグネシウム層及び酸化マグネシウム層の積層体からなるトンネルバリア層を成膜し、
前記第４のスパッタリング成膜チャンバにおいて、トンネルバリア層の上に、磁化自由層を成膜するように為した搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置である。【００２０】
本発明においては、前記第一磁性体ターゲット中のボロン原子含有率は、前記第二磁性体ターゲット中のボロン原子含有率より大きい値である構成を好ましい態様として含む。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高い温度領域でのアニール下において、大きなＭＲ比とすることが可能となる。【００２２】
また、本発明によれば、高い温度領域でのアニール下において、高い交換結合磁界（Ｈex*）の数値及び高い飽和磁界（Ｈs*）の数値が得られる。【００２３】
特に、本発明によれば、３５０℃以上の高温プロセスを必須とする磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の製造工程に有利に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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の実施形態の断面模式図である。
【図３】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４】ＭＲＡＭの構成を示す図である。
【図５】図４のＭＲＡＭの１メモリセルの断面模式図である。
【図６】図４のＭＲＡＭの１メモリセルの等価回路図である。
【図７】本発明の実施例１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。
【図８】本発明の実施例１のトンネル磁気抵抗薄膜の第一磁化固定層と第二磁化固定層間の交換結合磁界とその飽和磁界のアニール温度依存性を示す図である。
【図９】トンネル磁気抵抗薄膜における、交換結合用非磁性層を介した第一磁化固定層と第二磁化固定層間の交換結合磁界とその飽和磁界の定義を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  基板
２  緩衝層
３，１３  反強磁性層
４，１４  第１磁化固定層
４ａ，１４ａ  反強磁性層側の層
４ｂ，１４ｂ  交換結合用非磁性層側の層
５  交換結合用非磁性層
６，１６  第２磁化固定層
６ｃ，１６ｃ  交換結合用非磁性層側の層
６ｄ，１６ｄ  トンネルバリア層側の層
７，１７  トンネルバリア層
８  磁化自由層
９  保護層
２０  真空搬送室
２１，２２，２３，２４  スパッタリング室
２１ａ  Ｃｏ70Ｆｅ20Ｂ10ターゲット
２１ｂ  Ｔａターゲット
２１ｃ  ＰｔＭｎターゲット
２１ｄ  Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20ターゲット
２１ｅ  Ｒｕターゲット
２２ａ  Ｃｏ70Ｆｅ30ターゲット
２２ｂ  ＰｔＭｎターゲット
２２ｃ  Ｃｏ64Ｆｅ16Ｂ20ターゲット
２２ｄ  Ｒｕターゲット
２２ｅ  Ｃｏ22Ｆｅ66Ｂ12ターゲット
２３ａ  ＭｇＯターゲット
２３ｂ  Ｍｇターゲット
２４ａ  Ｔａターゲット
２４ｂ  Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20ターゲット
２４ｃ  Ｒｕ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  基板搬送用ロボット
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】
【００２６】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。【００２７】
図１及び図２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。【００２８】
本発明のトンネル磁気抵抗薄膜は、少なくとも反強磁性層、第一磁化固定層、交換結合用非磁性層、第二磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層からなる積層体である。該積層体内において、反強磁性層、第一磁化固定層、交換結合用非磁性層、第二磁化固定層、トンネルバリア層、磁化自由層は当該順序で積層されている。【００２９】
図１（ａ）は、反強磁性層３を基板１側に配置したボトム型であり、図１（ｂ）は磁化自由層８を基板１側に配置したトップ型である。さらに、本発明においては、図２に示すように、磁化自由層８を挟んで両側にトンネルバリア層、第二磁化固定層、交換結合用非磁性層、第一磁化固定層、反強磁性層を磁化自由層８側から順に積層したデュアル型も好ましく適用される。【００３０】
本発明の構成上の特徴は、第一磁化固定層４，１４と第二磁化固定層６，１６の少なくとも一方が互いに異なる磁性材料からなる２層以上の積層体で構成されていることにある。図１及び図２の例においては、第一磁化固定層４，１４と第二磁化固定層６，１６の両方が２層構成の場合である。尚、便宜上、第一磁化固定層４，１４の、反強磁性層３，１３に接する側４ａ，１４ａをａ層、交換結合用非磁性層５，１５に接する側４ｂ，１４ｂをｂ層と呼ぶ。また、第二磁化固定層６，１６の、交換結合用非磁性層５，１５に接する側６ｃ，１６ｃをｃ層、トンネルバリア層７，１７に接する側６ｄ，１６ｄをｄ層と呼ぶ。【００３１】
本発明において、互いに異なる磁性材料からなるとは、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。【００３２】
本発明において好ましい磁性材料の組み合わせとしては、第一磁化固定層４，１４の反強磁性層側の層４ａ，１４ａがＣｏを５０ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｂを５ａｔｏｍｉｃ％以上含むＣｏＦｅＢ合金（ＣｏＦｅＢ）である。これに対して、交換結合用非磁性層側の層４ｂ，１４ｂはＣｏを５０ａｔｏｍｉｃ％以上含むＣｏＦｅ合金（ＣｏＦｅ）またはＣｏを５０ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｂを５ａｔｏｍｉｃ％未満含むＣｏＦｅＢが好ましい。反強磁性層側の層４ａ及び１４ａ、並びに、交換結合用非磁性層側の層４ｂ及び１４ｂには、微量の他の成分、例えば、Ｎｉ（ニッケル）やＣ（カーボン）等を含有することができる。【００３３】
また、第二磁化固定層６，１６の交換結合用非磁性層側の層６ａ，１６ａはＣｏを５０ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｂを１５ａｔｏｍｉｃ％以上含むＣｏＦｅＢが好ましい。これに対して、トンネルバリア層側の層６ｄ，１６ｄはＦｅを４０ａｔｏｍｉｃ％以上、Ｂを５ａｔｏｍｉｃ％以上１５ａｔｏｍｉｃ％以下含むアモルファスのＣｏＦｅＢが好ましい。交換結合用非磁性層側の層６ａ及び１６ａ、並びに、トンネルバリア層側の層６ｄ及び１６ｄには、微量の他の成分、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎ（窒素）やＣ（カーボン）等を含有することができる。【００３４】
尚、本発明において、好ましくは、磁化自由層８で用いるＣｏＦｅＢ合金やＣｏＦｅ合金にも、該合金構成元素の１００ａｔｏｍｉｃ％とすることができるが、微量の他元素（例えば、Ｎｉ、Ｎ、Ｃ等）を含むことができる。【００３５】
第一磁化固定層４，１４の膜厚は、反強磁性層３，１３と第一磁化固定層４，１４の間に作用する交換結合磁界（Ｈex）が１ｋＯｅ以上になるような膜厚が好ましい。具体的には、反強磁性層３，１３と第一磁化固定層４，１４に用いる材料によっても異なるが典型的には２．５ｎｍ以下が用いられる。また、第一磁化固定層４，１４のａ層４ａ，１４ａとｂ層４ｂ，１４ｂの膜厚比は１：１の均等な比にする必要性はなく、不均等な膜厚比であっても薄い方の膜厚が０．５ｎｍ以上あれば同様の効果が期待できる。【００３６】
第二磁化固定層６，１６の総膜厚は、交換結合用非磁性層５，１５を介した第一磁化固定層４，１４と第二磁化固定層６，１６間の交換結合磁界（Ｈex*）が１ｋＯｅ以上になるような膜厚が好ましい。具体的には、第一磁化固定層４，１４と交換結合用非磁性層５，１５と第二磁化固定層６，１６に用いる材料によっても異なるが、典型的には３ｎｍ以下である。また、第二磁化固定層６，１６において、ｃ層６ｃ，１６ｃとｄ層６ｄ，１６ｄの膜厚比は必ずしも１：１の均等な比にする必要性はなく、不均等な膜厚比であっても薄い方の膜厚が０．５ｎｍ以上あれば同様の効果が期待できる。【００３７】
本発明のトンネル磁気抵抗薄膜において、トンネルバリア層７，１７としては、（００１）配向したＭｇＯ結晶粒を含んだＭｇＯ膜が好ましく用いられる。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。【００３８】
トンネルバリア層７，１７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。【００３９】
また、本発明に係る交換結合用非磁性層５，１５は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒの中から選択される一種もしくは２種以上からなる合金からなり、膜厚が１ｎｍ以下であることが好ましい。Ｒｕ層の膜厚はＲＫＫＹ相互作用によって第一磁化固定層４，１４と第二磁化固定層６，１６の間に反強磁性結合が現れる膜厚にする必要があり、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。【００４０】
さらに、本発明に係る反強磁性層３，１３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。【００４１】
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。【００４２】
図１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２４と、基板前処理室２５と酸化処理室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。【００４３】
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。【００４４】
一例として、後述する実施例で作製したボトム型の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。各層の構成は、緩衝層２がＴａ（１０ｎｍ）、反強磁性層３がＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、交換結合用非磁性層５がＲｕ（０．８５ｎｍ）、トンネルバリア層７がＭｇＯ（１ｎｍ）、磁化自由層８がＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）とする。また、保護層９はＴａ（１０ｎｍ）／Ｒｕ（７ｎｍ）である。尚、（  ）内は膜厚を示す。また、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20の下付数字はａｔｏｍｉｃ％を示す（以下、同様）。【００４５】
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。反強磁性層３にＩｒＭｎを用いる場合には、Ｉｒの含有量が１８乃至３０ａｔｏｍｉｃ％となるようにスパッタリングターゲットの組成及び成膜条件（ガス種、ガス圧、投入電力）を調整する。膜厚はできるだけ高いＨexを得るために４乃至１５ｎｍが好ましい。また、緩衝層２であるＴａとＩｒＭｎ層の間にｆｃｃ構造を持ったＩｒＭｎの（１１１）配向を促進するためのシード層としてＲｕ層を用いるとより効果的であり、その膜厚は１乃至５０ｎｍが好ましい。【００４６】
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Ｃｏ70Ｆｅ20Ｂ10スパッタリングターゲット２１ａ、Ｔａスパッタリングターゲット２１ｂ、ＰｔＭｎスパッタリングターゲット２１ｃ、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20スパッタリングターゲット２１ｄ、及びＲｕスパッタリングターゲット２１ｅが配置されている。スパッタリング室２２にはＣｏ70Ｆｅ30スパッタリングターゲット２２ａ、ＰｔＭｎスパッタリングターゲット２２ｂ、Ｃｏ64Ｆｅ16Ｂ20スパッタリングターゲット２２ｃ、Ｒｕスパッタリングターゲット２２ｄ及びＣｏ22Ｆｅ66Ｂ12スパッタリングターゲット２２ｅを配置する。また、スパッタリング室２３にはＭｇＯスパッタリングターゲット２３ａとＭｇスパッタリングターゲット２３ｂを配置する。スパッタリング室２４にはＴａスパッタリングターゲット２４ａ、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20スパッタリングターゲット２４ｂ、Ｒｕスパッタリングターゲット２４ｃを配置する。ここで、スパッタリング室２１又は２２を用いた同一のスパッタリング室において、反強磁性層３、第一磁化固定層４又は１４、交換結合用非磁性層５及び第二磁化固定層６又は１６を積層成膜することができる。【００４７】
また、スパッタリング室２１及び２２の両方を用いたスパッタリングにより、図１及び図２に図示する反強磁性層３、第一磁化固定層４又は１４、交換結合用非磁性層５及び第二磁化固定層６又は１６からなる積層体を成膜することができる。【００４８】
（成膜例）
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、スパッタリング室２１内で、Ｔａ（緩衝層２）／ＰｔＭｎ（反強磁性層３）／第一磁化固定層４／Ｒｕ（交換結合用非磁性層５）／第二磁化固定層６までを積層成膜する（第１プロセス）。【００４９】
また、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を物理的に除去し、その後、スパッタリング室２１に搬送して、スパッタリング室２１内で、Ｔａ（緩衝層２）を成膜する。次いで、Ｔａ（緩衝層２）付き基板１をスパッタリング室２２に移動して、スパッタリング室２２内で、ＰｔＭｎ（反強磁性層３）／第一磁化固定層４／Ｒｕ（交換結合用非磁性層５）／第二磁化固定層６までを積層成膜する（第２プロセス）。【００５０】
上記第１プロセス及び第２プロセスの場合において、第二磁化固定層６まで成膜した後は、スパッタリング室２３に移動してトンネルバリア層７としてＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜またはＭｇ（マグネシウム）／ＭｇＯ（酸化マグネシウム）の２層膜を成膜する。【００５１】
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２３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７形成後、スパッタリング室２４に搬送して、ＣｏＦｅＢ（磁化自由層８）／Ｔａ（保護層９）／Ｒｕ（保護層９）を成膜して、ロードロック室２７に帰す。【００５２】
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。適切な温度と時間については、定性的にはアモルファスＣｏＦｅＢ層の結晶化エネルギー以上且つ、交換結合用非磁性層として使われる極薄Ｒｕ層が熱拡散によって劣化するエネルギー以下であることである。典型的には２５０℃以上３６０℃以下であるが、前記エネルギーとの関係から、低温の場合には５時間以上の長時間が、高温の場合には２時間以下の短時間が好ましい。【００５３】
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。【００５４】
図４はＭＲＡＭの構造を模式的に示す図であり、図５はその１メモリセルの断面模式図、図６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。【００５５】
ＭＲＡＭのメモリセルは、図５、図６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。【００５６】
ＴＭＲ素子４５は、図１（ａ）に示すトンネルバリア層７の両側の強磁性層（第二磁化固定層６及び磁化自由層８）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６と磁化自由層８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６と磁化自由層８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。【００５７】
図４のＭＲＡＭにおいては、図５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】
【００５８】
（実施例１）
図３に示した装置を用いて、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）、交換結合用非磁性層５がＲｕ（０．８５ｎｍ）、トンネルバリア層７がＭｇＯ（１ｎｍ）、磁化自由層８がＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）とした。また、保護層９はＴａ（１０ｎｍ）／Ｒｕ（７ｎｍ）とした。第一磁化固定層４の反強磁性層側の層４ａにはＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20（１．２５ｎｍ）を、交換結合用非磁性層側の層４ｂにはＣｏ70Ｆｅ20Ｂ10（１．２５ｎｍ）を、第二磁化固定層６にはＣｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）の単層を用いた。【００５９】
一方、比較例として、第一磁化固定層４の反強磁性層側の層４ａには、Ｃｏ70Ｆｅ20Ｂ10（２．５ｎｍ）を用い、交換結合用非磁性層側の層４ｂには、Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（１．２５ｎｍ）とした以外は、上記と同じ構成のトンネル磁気抵抗薄膜を作製した。【００６０】
本例の場合、緩衝層２のＴａからトンネルバリア層８の成膜前までの工程（第二磁化固定層６までの工程）を図３に示すスパッタリング室２１の中で連続して実施した。【００６１】
図７と図８は、夫々、アニール時間を２時間固定のままアニール温度を２７０℃から４００℃の範囲において、変化させた時のＭＲ比と交換結合磁界を示している。【００６２】
図７の図中、特性曲線７１は本発明例の特性を示し、７２は上記比較例の特性を示している。【００６３】
図７の特性比較によれば、比較例はアニール温度３８０℃を境に、ＭＲ比の急激な減少が見える。一方、本発明例は４００℃付近まで、安定で、高いＭＲ比を維持している。【００６４】
図８は、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗薄膜の磁化曲線において、交換結合用非磁性層５を介した第一磁化固定層４と第二磁化固定層６間の交換結合磁界（Ｈex*）とその飽和磁界（Ｈs*）のアニール温度依存性を示している。Ｈex*とＨs*の定義は図９に示す。【００６５】
図８の図中、特性曲線８１は本発明例の交換結合磁界（Ｈex*）を示し、特性曲線８２は比較例の交換結合磁界（Ｈex*）を示している。【００６６】
図８の図中、特性曲線８３は本発明例の飽和磁界（Ｈs*）を示し、特性曲線８４は比較例の飽和磁界（Ｈs*）を示している。【００６７】
図８によれば、交換結合磁界Ｈex*は本発明例が比較例と比較し、高温領域で高い値を示している。飽和磁界Ｈs*は本発明例が比較例と比較し、低温側でも高い値を示す効果が得られる。【００６８】
尚、本例において、ＭＲ比、Ｈs*、Ｈex*の測定方法は以下の通りである。【００６９】
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。【００７０】
Ｈs*、Ｈex*：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。【００７１】
（実施例２）
前記実施例１の本発明例で用いた第二磁化固定層６（Ｃｏ60Ｆｅ20Ｂ20（３ｎｍ）の単層）に換えて、第二磁化固定層６の交換結合用非磁性層側の層６ｃにＣｏ64Ｆｅ16Ｂ20（膜厚：１．５ｎｍ）を用い、トンネルバリア層側の層６ｄにＣｏ22Ｆｅ66Ｂ12（膜厚：１．５ｎｍ）を用いた以外は、実施例１の本発明例と同様の層構成とした。【００７２】
本例は、基板１の上にＴａ層（緩衝層２）を図３のスパッタリング室２１で成膜し、Ｔａ層付き基板１をスパッタリング室２２に移送し、このスパッタリング室２２で、第一磁化固定層２から第二磁化固定層６までを連続的に成膜した。【００７３】
本例のトンネル磁気抵抗薄膜において、実施例１と同様に２時間のアニール時間でアニール温度を変えていった場合のＭＲ比と交換結合磁界を調べたところ、実施例１と同様に比較例と比較し、高温のアニール温度でも高いＭＲ比、と交換結合磁界と飽和磁界とが確認された。【００７４】
（実施例３）
図２に図示したトンネル磁気抵抗薄膜において、第一磁化固定層４及び第二磁化固定層６として、前記実施例２で用いた第二磁化固定層６と同一のものを用い、その他の層は、実施例１と同一ものを用いた。【００７５】
尚、本例では、基板１の上にＴａ層（緩衝層２）を図３のスパッタリング室２１で成膜し、同じく、図３のスパッタリング室２１で、第一磁化固定層４から第二磁化固定層６までのプロセスを実施し、トンネルバリア層８をスパッタリング室２３で成膜し、第二磁化固定層１６から第一磁化固定層１４までのプロセスをスパッタリング室２２で実施した。【００７６】
本例は、前記実施例１と同様の結果が得られた。
【図１】
2008155996.tif 000003
【図２】
2008155996.tif 000004
【図３】
2008155996.tif 000005
【図４】
2008155996.tif 000006
【図５】
2008155996.tif 000007
【図６】
2008155996.tif 000008
【図７】
2008155996.tif 000009
【図８】
2008155996.tif 000010
【図９】
2008155996.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月16日(2010.2.16)
【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】
反強磁性層、
トンネルバリア層、
前記反強磁性層側に位置し、磁性体及びボロン原子を含有する第一磁化固定層、
前記トンネルバリア層側に位置し、磁性体及びボロン原子を含有する第二磁化固定層、
前記第一磁化固定層と前記第二磁化固定層との間に位置する交換結合用非磁性層、
及び
磁化自由層を有し、
前記第一磁化固定層は、前記反強磁性層側に位置する反強磁性層側の層と前記交換結合用非磁性層側に位置する交換結合用非磁性層側の層とを有し、該反強磁性層側の層が、６０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなり、該交換結合用非磁性層側の層が、７０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１０ａｔｏｍｉｃのボロン原子とからなり、
前記交換結合用非磁性層がＲｕ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２】
前記トンネルバリア層が、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を含んだ酸化マグネシウム膜である請求項１に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項３】
前記第二磁化固定層は、６０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる請求項１または２に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項４】
前記第二磁化固定層は、前記交換結合用非磁性層側に位置する交換結合用非磁性層側の層及び前記トンネルバリア層側に位置するトンネルバリア層側の層を有する積層体構造を有し、該交換結合用非磁性層側の層が、６４ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、１６ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなり、該トンネルバリア層側の層が、２２ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、６６ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１２ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる請求項１または２に記載のトンネル磁気抵抗薄膜。
【請求項５】
ロボット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され、６０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる第一磁性体ターゲット、７０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１０ａｔｏｍｉｃのボロン原子とからなる第二磁性体ターゲット、反強磁性体を含有した反強磁性体ターゲット及びＲｕターゲットを備えた第１のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲット及びマグネシウムターゲットの少なくとも一つを備えた第２のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、磁化自由層を成膜するように為した第３のスパッタリング成膜チャンバ、並びに、
前記第１のスパッタリング成膜チャンバにおいて、基板の上に、前記反強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により反強磁性層を成膜し、該反強磁性層の上に前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、第二磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第二磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、Ｒｕターゲットを用いたスパッタリング法により交換結合用非磁性層を成膜し、該交換結合用非磁性層の上に、前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、
前記第２のスパッタリング成膜チャンバにおいて、第一磁性体の磁化固定層の上に、酸化マグネシウムターゲット及びマグネシウムターゲットの少なくとも一つを用いたスパッタリング法により酸化マグネシウム層又は金属マグネシウム層及び酸化マグネシウム層の積層体からなるトンネルバリア層を成膜し、
前記第３のスパッタリング成膜チャンバにおいて、トンネルバリア層の上に、磁化自由層を成膜するように為した搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置。
【請求項６】
ロボット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され、反強磁性体を含有した反強磁性体ターゲットを備えた第１のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置され、６０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる第一磁性体ターゲット、７０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１０ａｔｏｍｉｃのボロン原子とからなる第二磁性体ターゲット、６４ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、１６ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる第三磁性体ターゲット、２２ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、６６ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１２ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる第四磁性体ターゲット、及びＲｕターゲットを備えた第２のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲット及びマグネシウムターゲットの少なくとも一つを備えた第３のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、磁化自由層を成膜するように為した第４のスパッタリング成膜チャンバ、並びに、
前記第１のスパッタリング成膜チャンバにおいて、基板の上に、前記反強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により反強磁性層を成膜し、
前記第２のスパッタリング成膜チャンバにおいて、前記反強磁性層の上に前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、第二磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第二磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、Ｒｕターゲットを用いたスパッタリング法により交換結合用非磁性層を成膜し、該交換結合用非磁性層の上に、前記第三磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第三磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、前記第四磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第四磁性体の磁化固定層を成膜し、
前記第３のスパッタリング成膜チャンバにおいて、第四磁性体の磁化固定層の上に、酸化マグネシウムターゲット及びマグネシウムターゲットの少なくとも一つを用いたスパッタリング法により酸化マグネシウム層又は金属マグネシウム層及び酸化マグネシウム層の積層体からなるトンネルバリア層を成膜し、
前記第４のスパッタリング成膜チャンバにおいて、トンネルバリア層の上に、磁化自由層を成膜するように為した搬送機構、
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】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の第１は、
反強磁性層、
トンネルバリア層、
前記反強磁性層側に位置し、磁性体及びボロン原子を含有する第一磁化固定層、
前記トンネルバリア層側に位置し、磁性体及びボロン原子を含有する第二磁化固定層、
前記第一磁化固定層と前記第二磁化固定層との間に位置する交換結合用非磁性層、
及び
磁化自由層を有し、
前記第一磁化固定層は、前記反強磁性層側に位置する反強磁性層側の層と前記交換結合用非磁性層側に位置する交換結合用非磁性層側の層とを有し、該反強磁性層側の層が、６０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなり、該交換結合用非磁性層側の層が、７０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１０ａｔｏｍｉｃのボロン原子とからなり、
前記交換結合用非磁性層がＲｕからなることを特徴とするトンネル磁気抵抗薄膜である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
前記トンネルバリア層が、（００１）配向した酸化マグネシウム結晶粒を含んだ酸化マグネシウム膜である。
前記第二磁化固定層は、６０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
前記第二磁化固定層は、前記交換結合用非磁性層側に位置する交換結合用非磁性層側の層及び前記トンネルバリア層側に位置するトンネルバリア層側の層を有する積層体構造を有し、該交換結合用非磁性層側の層が、６４ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、１６ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなり、該トンネルバリア層側の層が、２２ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、６６ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１２ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
また、本発明の第２は、
ロボット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され、６０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる第一磁性体ターゲット、７０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１０ａｔｏｍｉｃのボロン原子とからなる第二磁性体ターゲット、反強磁性体を含有した反強磁性体ターゲット及びＲｕターゲットを備えた第１のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲット及びマグネシウムターゲットの少なくとも一つを備えた第２のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、磁化自由層を成膜するように為した第３のスパッタリング成膜チャンバ、並びに、
前記第１のスパッタリング成膜チャンバにおいて、基板の上に、前記反強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により反強磁性層を成膜し、該反強磁性層の上に前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、第二磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第二磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、Ｒｕターゲットを用いたスパッタリング法により交換結合用非磁性層を成膜し、該交換結合用非磁性層の上に、前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、
前記第２のスパッタリング成膜チャンバにおいて、第一磁性体の磁化固定層の上に、酸化マグネシウムターゲット及びマグネシウムターゲットの少なくとも一つを用いたスパッタリング法により酸化マグネシウム層又は金属マグネシウム層及び酸化マグネシウム層の積層体からなるトンネルバリア層を成膜し、
前記第３のスパッタリング成膜チャンバにおいて、トンネルバリア層の上に、磁化自由層を成膜するように為した搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置である。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の第３は、
ロボット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され、反強磁性体を含有した反強磁性体ターゲットを備えた第１のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置され、６０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる第一磁性体ターゲット、７０ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１０ａｔｏｍｉｃのボロン原子とからなる第二磁性体ターゲット、６４ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、１６ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、２０ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる第三磁性体ターゲット、２２ａｔｏｍｉｃ％のコバルト原子と、６６ａｔｏｍｉｃ％の鉄原子と、１２ａｔｏｍｉｃ％のボロン原子とからなる第四磁性体ターゲット、及びＲｕターゲットを備えた第２のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、酸化マグネシウムターゲット及びマグネシウムターゲットの少なくとも一つを備えた第３のスパッタリング成膜チャンバ、
前記搬送チャンバとゲートバルブを介して接続配置し、磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により、磁化自由層を成膜するように為した第４のスパッタリング成膜チャンバ、並びに、
前記第１のスパッタリング成膜チャンバにおいて、基板の上に、前記反強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により反強磁性層を成膜し、
前記第２のスパッタリング成膜チャンバにおいて、前記反強磁性層の上に前記第一磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第一磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、第二磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第二磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、Ｒｕターゲットを用いたスパッタリング法により交換結合用非磁性層を成膜し、該交換結合用非磁性層の上に、前記第三磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第三磁性体の磁化固定層を成膜し、該磁化固定層の上に、前記第四磁性体ターゲットを用いたスパッタリング法により第四磁性体の磁化固定層を成膜し、
前記第３のスパッタリング成膜チャンバにおいて、第四磁性体の磁化固定層の上に、酸化マグネシウムターゲット及びマグネシウムターゲットの少なくとも一つを用いたスパッタリング法により酸化マグネシウム層又は金属マグネシウム層及び酸化マグネシウム層の積層体からなるトンネルバリア層を成膜し、
前記第４のスパッタリング成膜チャンバにおいて、トンネルバリア層の上に、磁化自由層を成膜するように為した搬送機構、
を有することを特徴とする磁性多層膜作製装置である。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図３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２４と、基板前処理室２５と酸化処理室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。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
尚、本例では、基板１の上にＴａ層（緩衝層２）を図３のスパッタリング室２１で成膜し、同じく、図３のスパッタリング室２２で、第一磁化固定層４から第二磁化固定層６までのプロセスを実施し、トンネルバリア層８をスパッタリング室２３で成膜し、第二磁化固定層１６から第一磁化固定層１４までのプロセスをスパッタリング室２２で実施した。
【国際調査報告】
2008155996.tif 000012
2008155996.tif 000013
2008155996.tif 000014
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