(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、第１強磁性層、第２強磁性層、および前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に配置された非磁性層を含み、前記第１強磁性層の磁化方向と前記第２強磁性層の磁化方向との相対角度の相違により抵抗値が相違する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記基板上に、少なくとも、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層および前記非磁性層を形成する成膜工程と、
前記成膜工程の後に行う３３０〜３８０℃、６０分以上の予備熱処理工程と、前記予備熱処理工程の後に行う４００〜４５０℃での熱処理工程と、を含む磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記多層膜が反強磁性層をさらに含み、前記成膜工程において、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層および前記非磁性層とともに前記反強磁性層を形成する請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記成膜工程の後であって前記予備熱処理工程の前に、２５０℃以上３３０℃未満での磁場中熱処理工程をさらに含む請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記予備熱処理工程を無磁界中で行う請求項１〜３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記予備熱処理工程の後、３３０℃未満に温度を下げることなく、前記熱処理工程を行う請求項１〜４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記予備熱処理工程が、３３０〜３８０℃の範囲内にある所定温度で１０分〜３００分保持する期間を含む請求項１〜５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
前記予備熱処理工程が、０．１７〜１℃／分で昇温する期間を含む請求項１〜６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
前記熱処理工程が、４００〜４５０℃、１０分以上の熱処理である請求項１〜７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
前記非磁性層が、絶縁層である請求項１〜８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
前記予備熱処理工程および前記熱処理工程から選ばれる少なくとも一方を、Ｈ２、Ｏ２、Ｏ３、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＡｒおよびＸｅから選ばれる少なくとも１種を含む雰囲気中、または減圧下、で行う請求項１〜９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサー、磁気ヘッド、磁気抵抗効果メモリー（磁気ランダム・アクセス・メモリー、ＭＲＡＭ）等に用いる磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象である。磁性層と非磁性層とを交互に積層した構造を有する多層膜（磁性層／非磁性層／磁性層／非磁性層／・・・）から得られる大きな磁気抵抗効果は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と呼ばれている。ＧＭＲ素子では、非磁性層として、Ｃｕ、Ａｕ等からなる導電層が用いられる。電流を膜面に平行に流して用いられるＧＭＲ素子は、ＣＩＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎ  Ｐｌａｎｅ−ＧＭＲ）素子と呼ばれ、電流を膜面に垂直に流して用いられるＧＭＲ素子は、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｐｌａｎｅ−ＧＭＲ）素子と呼ばれている。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子と比較して、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）は大きいが抵抗値が小さい。
【０００３】
大きな動作磁界を必要としない磁気抵抗効果素子として、スピンバルブ型素子が知られている。この素子では、非磁性層を挟持するように自由磁性層と固定磁性層とが積層されており、自由磁性層の磁化回転に伴って生じる両磁性層の磁化方向が為す角度の相対的な変化が利用される。スピンバルブ型のＧＭＲ素子としては、例えば、反強磁性材料であるＦｅＭｎからなる磁化回転制御層を、Ｎｉ−Ｆｅ／Ｃｕ／Ｎｉ−Ｆｅ多層膜に積層した素子が提案されている。この素子は、動作磁界が小さく、直線性にも優れているが、ＭＲ比が小さい。磁性層にＣｏＦｅ強磁性材料、反強磁性層にＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ強磁性材料をそれぞれ用いることによって、ＭＲ比を向上させたスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子も報告されている。
【０００４】
より高いＭＲ比を得るために、非磁性層に絶縁性材料を用い、膜面に垂直に電流を流す素子も提案されている。この素子では、絶縁層である非磁性層（トンネル層）を確率的に透過するトンネル電流を利用した磁気抵抗効果、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が利用される。ＴＭＲ素子では、絶縁層を挟持する磁性層のスピン分極率が高いほど、大きなＭＲ比を期待できる。これに従うと、磁性層としては、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金等の磁性金属、ハーフメタリック強磁性体等が適している。
【０００５】
磁気抵抗効果素子をＣＭＯＳ上に作製してＭＲＡＭデバイスとして応用する研究も進んでいる。ＣＭＯＳプロセスでは、４００〜４５０℃という高温での熱処理工程が実施される。しかし、４００℃以上で熱処理を行うと、磁気抵抗効果素子のＭＲ比が低下するという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高温での熱処理、具体的には４００〜４５０℃での熱処理、を行っても特性の劣化が抑制された磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板と、この基板上に形成された多層膜とを含み、この多層膜が、第１強磁性層、第２強磁性層、および第１強磁性層と第２強磁性層との間に配置された非磁性層を含み、第１強磁性層の磁化方向と第２強磁性層の磁化方向との相対角度の相違により抵抗値が相違する磁気抵抗効果素子の製造方法を提供する。本発明の製造方法は、基板上に、少なくとも、第１強磁性層、第２強磁性層および非磁性層を形成する成膜工程と、この成膜工程の後に行う３３０〜３８０℃で６０分以上、例えば６０分〜３００分、好ましくは６０分〜１８０分、の予備熱処理工程と、この予備熱処理工程の後に行う４００〜４５０℃での熱処理工程と、を含む。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、上記予備熱処理工程を実施することにより、これに続いて実施される上記熱処理工程における磁気抵抗効果素子の特性の劣化を抑制できる。
【０００９】
本発明は、多層膜が反強磁性層をさらに含む磁気抵抗効果素子に適用してもよい。この場合は、上記成膜工程において、第１強磁性層、第２強磁性層および非磁性層とともに反強磁性層を形成するとよい。
【００１０】
反強磁性層を形成する場合は、上記成膜工程の後であって上記予備熱処理工程の前に、２５０℃以上３３０℃未満での磁場中熱処理工程をさらに実施してもよい。この磁場中熱処理は、反強磁性層による磁性層の一方の磁化方向の固定に必要とされる場合がある。反強磁性層に含まれる反強磁性材料は、例えばＭｎを含んでいてもよい。
【００１１】
上記予備熱処理工程は、磁場中で実施してもよいが、無磁界中で行ってもよい。
【００１２】
本発明の製造方法では、上記予備熱処理工程の後、３３０℃未満に温度を下げることなく、上記熱処理工程を行うことが好ましい。これによると、短時間で効率よく素子を製造することができる。
【００１３】
上記予備熱処理工程における温度プロファイルは、特に制限されず、３３０〜３８０℃の範囲内にある時間が上記範囲にあればよい。上記予備熱処理工程は、１回の期間で行ってもよく、複数の期間に分けて行ってもよい。
【００１４】
温度プロファイルの一例では、上記範囲内にある時間が、３３０〜３８０℃の範囲内にある所定温度で１０分〜３００分、好ましくは１５分〜３０分保持する期間を含んでいてもよい。この温度プロファイルを用いると、歩留まりよく安定した素子を製造することができる。所定温度で保持する期間は、複数回に分けて実施してもよい。
【００１５】
このような温度プロファイルの別の一例としては、３３０℃から３８０℃へと徐々に昇温するプロファイルが挙げられる。温度プロファイルは、０．１７〜１℃／分、好ましくは０．２５〜１℃／分、で昇温する期間を含んでいてもよい。
【００１６】
上記予備熱処理工程の後に実施される上記熱処理工程では、４００〜４５０℃で保持する時間が、例えば１０分以上、好ましくは１０分〜３０分である。
【００１７】
本発明の方法は、ＧＭＲ素子にも適用できるが、非磁性層が絶縁層であるＴＭＲ素子の製造に特に適している。
【００１８】
本発明の方法では、予備熱処理工程および熱処理工程から選ばれる少なくとも一方を、Ｈ２、Ｏ２、Ｏ３、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＡｒおよびＸｅから選ばれる少なくとも１種を含む雰囲気中、または減圧下（例えば１０−３〜１０−５Ｐａ）、で行うとよい。減圧下で熱処理すると、優れた特性を有する素子を得ることができる。なお、４００℃以上の高温領域における熱処理は、Ｈ２雰囲気中で行うことが好ましい。
【００１９】
上記予備熱処理工程による特性抑制の理由は、現時点で十分に明らかではないが、この工程において、例えばＴＭＲ素子では、以下の変化が生じている可能性がある。
【００２０】
例えば酸化物層を絶縁層とするＴＭＲ素子では、絶縁層との界面において、磁性層は酸化により、部分的にスピン分極率が小さくなっていると考えられる。３５０℃程度での熱処理工程では、絶縁層と磁性層との界面で酸素の受け渡しが行われ、磁性層側の酸素が絶縁層側へ移動していると思われる。この酸素の移動により、界面近傍の磁性層はスピン分極率の高い磁性材料となり、絶縁層は緻密となってバリア特性が向上する。磁性層におけるスピン分極率の向上、絶縁層におけるバリア特性の向上は、ＭＲ比の改善に寄与する。
【００２１】
４００℃以上の高温の熱処理では、絶縁層と磁性層との間の酸素の受け渡しとともに、他の原子、例えば反強磁性層に由来するＭｎが拡散していると考えられる。Ｍｎ等の拡散は、絶縁層の緻密性を損ない、バリア特性を低下させ、場合によっては、絶縁層のリークの原因ともなる。また、磁性層側に酸素等を残存させ、磁性層のスピン分極率の向上を妨げる。
【００２２】
しかし、４００℃以上で熱処理する前に３３０〜３８０℃で所定時間だけ熱処理すると、酸素の受け渡しによる改善がＭｎ等の拡散による劣化を上回り、その結果、非磁性層の緻密化を先行させることができる。非磁性層が緻密化すると、Ｍｎ等の原子が拡散しがたくなるため、磁気抵抗効果素子の劣化が抑制される。
【００２３】
図１に、スピンバルブ型の磁気抵抗効果素子の断面を例示する。この素子では、基板５上に、反強磁性層４、強磁性層（固定層）３、非磁性層２、強磁性層１がこの順に積層されている。
【００２４】
【実施例】
熱酸化膜付Ｓｉ基板（３インチφ）上に、多元マグネトロンスパッタリング法を用いて、Ｃｕからなる下地層を５０ｎｍ、ＰｔＭｎからなる反強磁性層を２０ｎｍ、ＣｏＦｅからなる強磁性層（固定層）を２ｎｍ、Ａｌ２Ｏ３からなるトンネル層２を１ｎｍ、ＣｏＦｅからなる強磁性層（自由層）を２ｎｍ、この順に積層し、素子面積が３０μｍ×３０μｍから２μｍ×２μｍまでのＴＭＲ素子を作製した。この素子を、２８０℃、５ｋＯｅ（１Ｏｅ＝７９．６Ａ／ｍ）の磁界中で３時間熱処理し、反強磁性層に一軸異方性を付与し、反強磁性層に接する強磁性層の磁化方向を固定した。
【００２５】
こうして作製した素子について、様々な熱処理条件を行い、その後のＭＲ比を測定した。
【００２６】
なお、ＭＲ比は、ＴＭＲ素子に、最大１ｋＯｅの磁界を印加して直流４端子法を用いて評価し、ＭＲ比は最大抵抗値をＲｍａｘ、最小抵抗値をＲｍｉｎとして次式により求めた。
【００２７】
ＭＲ比＝｛（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ｝×１００（％）
熱処理条件は、図２〜図６に示した温度プロファイルのいずれかを適用し、各温度および時間を（表１）に示すように設定した。各温度プロファイルにおいて、所定時間（ｔ４―ｔ３）の高温（Ｔ１）での熱処理は、いずれも４００℃、３０分とした。図中、傾きが一定の線分で表示したプロファイルは、昇温速度が一定であることを示す。例えば、図２では、１７．４分をかけて５０℃上昇させたが（平均昇温速度２．８７℃／分）昇温プロセスの前半部分では４．１４℃／分の、後半部分では１℃／分の昇温速度をそれぞれ適用した。
【００２８】
３３０〜３８０℃での予備熱処理、４００℃での熱処理とも、１０−５Ｐａに減圧した無磁界中で行った。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
なお、上記磁界中での熱処理の後、更なる熱処理を行わずに測定した上記素子のＭＲ比は、３８％程度であった。
【００３１】
（表１）に示したとおり、３３０〜３８０℃での予備熱処理の時間を６０分以上としたサンプルでは、４００℃という高温で熱処理してもＭＲ比は大きく低下しなかった。
【００３２】
本発明は、上記に限らず、各種の磁気抵抗効果素子に適用が可能である。例えば、反強磁性層には、ＰｔＭｎに代えて、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ等の反強磁性材料を用いてもよい。固定層、自由層にも、従来から知られている各種の磁性材料を用いることができる。例えば固定層には積層フェリを、自由層にはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系強磁性材料を用いてもよい、非磁性層に、ＡｌＮ等の非酸化物材料を用いても構わない。基板も、上記熱酸化基板に代えて、例えばＡｌＴｉＣ等の多結晶基板を用いてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、高温、具体的には４００〜４５０℃で熱処理しても、特性の劣化が抑制された磁気抵抗効果素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により製造される磁気抵抗効果素子の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の方法を実施するための温度プロファイルの一例を示す図である。
【図３】本発明の方法を実施するための温度プロファイルの別の一例を示す図である。
【図４】本発明の方法を実施するための温度プロファイルのまた別の一例を示す図である。
【図５】本発明の方法を実施するための温度プロファイルのさらに別の一例を示す図である。
【図６】本発明の方法を実施するための温度プロファイルのまたさらに別の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  強磁性層（自由層）
２  非磁性層
３  強磁性層（固定層）
４  反強磁性層
５  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003609820.tif 000005
【図４】
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【図５】
0003609820.tif 000007
【図６】
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