(57)【要約】【課題】工程数が比較的少なく、なおかつＲＡの均一性に優れた特性を有するとともに、低ＲＡにおいて高ＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗素子の製造方法および製造装置を提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態は、第１強磁性層、トンネルバリア層、および第２強磁性層を有するトンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、前記トンネルバリア層を作製する工程が、金属ターゲットに電力を投入してプラズマを形成することで該金属ターゲットをスパッタして前記第１強磁性層の上に第１の金属層を成膜する工程であって、成膜の初期段階と後期段階のうち、いずれか一方の段階だけ酸素ガスを導入せずに、他方の段階だけ酸素ガスを導入することで酸素ドープされた第１の金属層を形成する工程と、前記酸素ドープされた第１の金属層を酸化処理して金属酸化物層とする工程と、前記金属酸化物層の上に第２の金属層を成膜する工程とを有する。【選択図】図６
2014003313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性層、トンネルバリア層、および第２強磁性層を有するトンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、
前記トンネルバリア層を作製する工程が、
金属ターゲットに電力を投入してプラズマを形成することで該金属ターゲットをスパッタして前記第１強磁性層の上に第１の金属層を成膜する工程であって、成膜の初期段階と後期段階のうち、いずれか一方の段階だけ酸素ガスを導入せずに、他方の段階だけ酸素ガスを導入することで酸素ドープされた第１の金属層を形成する工程と、
前記酸素ドープされた第１の金属層を酸化処理して金属酸化物層とする工程と、
前記金属酸化物層の上に第２の金属層を成膜する工程と
を有することを特徴としたトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１および第２の金属層がＭｇ（マグネシウム）であることを特徴とした請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１および第２の金属層の成膜方法が、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）のうち少なくとも１種類をスパッタリングガスの主成分とするスパッタリング法であることを特徴とした請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１の金属層の成膜中に酸素をドープする方法として、前記スパッタリングガスに３０％以下の酸素ガスを混合することを特徴とした請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１の金属層の成膜中に酸素をドープする方法として、スパッタリングガスの導入口と酸素ガスの導入口を個別に設け、スパッタリングガスの流量と酸素ガスの流量を独立に制御することを特徴とした、請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項６】
前記酸素ドープされた第１の金属層を酸化処理する方法として、０．０１〜１０Ｔｏｒｒの範囲の酸素圧力雰囲気に曝露することを特徴とした請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項７】
前記酸素ドープされた第１の金属層を酸化処理する方法として、活性酸素種を用いたラジカル酸化であることを特徴とした請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の金属層がＭｇであって、その膜厚が０．１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下であることを特徴とした請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１の金属層を成膜する工程において、前記金属ターゲットにプラズマ発生のための電力を印加し続けることを特徴とする請求項１に記載のトンネル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、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッドおよび磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子および磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶性のＭｇＯをトンネルバリア層としたトンネル磁気抵抗素子は、室温で２００％以上の巨大なＭＲ比（磁気抵抗変化率）を示すことから、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、磁気センサへの応用が期待されている。従来のＭｇＯをトンネルバリア層としたトンネル磁気抵抗素子においては、ＭｇＯトンネルバリア層の形成には、ＭｇＯの焼結ターゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタリング法が用いられていた（特許文献１、非特許文献１〜５）。しかしながら、ＭｇＯ焼結ターゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタリングによるＭｇＯ形成方法では、規格化トンネル抵抗値（ＲＡ）のバラツキが生じやすいという問題があり、デバイス製造時の歩留まりを著しく低下させる恐れがあった。
【０００３】
このような問題を回避するためにＭｇＯ焼結ターゲットを用いないで、ＭｇＯトンネルバリア層を形成する方法がいくつか知られている。
【０００４】
ＴｓａｎｎらはＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、第１に、金属Ｍｇ層を成膜し、第２に、酸素ドープした金属Ｍｇ層を積層し、第３に、その積層体を酸化処理するという３段階の形成方法を提案している（特許文献２）。
赴らはＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、第１Ｍｇ層を成膜し、前記第１Ｍｇ層を自然酸化法によってＭｇＯ層とし、前記ＭｇＯ層の上に第２Ｍｇ層を成膜するという３段階の形成方法と、第１Ｍｇ層を成膜し、前記第１Ｍｇ層上に反応性スパッタによってＭｇＯ層を形成し、前記ＭｇＯ層の上に第２Ｍｇ層を成膜するという３段階の形成方法を提案している（特許文献３）。
【０００５】
洪らはＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、第１Ｍｇ層を成膜し、前記第１Ｍｇ層をラジカル酸化によって第１ＭｇＯ層とし、前記第１ＭｇＯ層をアニールして（００１）結晶配向性を持たせ、前記第１ＭｇＯ層の上に第２Ｍｇ層を成膜し、前記第２Ｍｇ層を自然酸化して第２ＭｇＯ層とするという５段階の形成方法を提案している。洪らはまた、第１Ｍｇ層を成膜し、前記第１Ｍｇ層をラジカル酸化によって第１ＭｇＯ層とし、前記第１ＭｇＯ層の上に第２Ｍｇ層を成膜し、前記第２Ｍｇ層をラジカル酸化して第２ＭｇＯ層とし、前記第２ＭｇＯ層の上に第３Ｍｇ層を成膜するという５段階の形成方法も提案している（特許文献４）。
【０００６】
三浦らはＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、第１Ｍｇ層を成膜し、前記第１Ｍｇ層を自然酸化し、前記第１Ｍｇ層の上に第２Ｍｇ層を成膜し、前記第２Ｍｇ層を前記第１Ｍｇ層の酸化時よりも低い酸素圧力で自然酸化するという４段階の形成方法を提案している（特許文献５）。
【０００７】
ＤａｖｅらはＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、金属Ｍｇをプラズマ酸化する方法、金属Ｍｇをラジカル酸化する方法、Ａｒと酸素の比を５：３とした反応性スパッタリング、ＭｇＯ焼結ターゲットを用いたＲＦスパッタリングの４種類の方法を紹介している（非特許文献６）。ＯｈらもまたＭｇＯトンネルバリア層の形成方法として、金属Ｍｇをラジカル酸化する方法を紹介している（非特許文献７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−０８０１１６号公報
【特許文献２】米国特許第６，８４１，３９５号
【特許文献３】特開２００７−１４２４２４号公報
【特許文献４】特開２００７−１７３８４３号公報
【特許文献５】特開２００７−３０５７６８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｄ．Ｄ．Ｄｊａｙａｐｒａｗｉｒａら「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ」，８６，０９２５０２（２００５）
【非特許文献２】Ｊ．Ｈａｙａｋａｗａら、「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」，４４，Ｌ５８７（２００５）
【非特許文献３】Ｋ．Ｔｓｕｎｅｋａｗａら、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ」，８７，０７２５０３（２００５）
【非特許文献４】Ｓ．Ｉｋｅｄａら、「Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」，４４，Ｌ１４４２（２００５）
【非特許文献５】Ｙ．Ｎａｇａｍｉｎｅら、「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ」，８９，１６２５０７（２００６）
【非特許文献６】Ｒ．Ｗ．Ｄａｖｅら、「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ」，４２，１９３５（２００６）
【非特許文献７】Ｓ．Ｃ．Ｏｈら、「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ」，４２，２６４２（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
単に金属Ｍｇを酸化してＭｇＯトンネルバリア層を形成しようとすると、非特許文献６や非特許文献７に紹介されているように、数１００Ω・μｍ２以下のＲＡを得ることは困難である。これは金属Ｍｇが酸素雰囲気に曝されると表面に不動態皮膜が形成されて、それより深く酸化が進行しにくくなるためと考えられている。
【００１１】
そのため、特許文献４や特許文献５には、金属Ｍｇの成膜と酸化を２回繰り返すことによって上記問題を解決する方法が提案されている。しかしながら金属Ｍｇの成膜と酸化を２回繰り返す方法では、成膜チャンバーと酸化処理チャンバーを行ったり来たりして生産のスループットを著しく低下させてしまうという問題がある。もしくは、繰り返し搬送によるスループット低下を避けるために金属Ｍｇの成膜チャンバーと酸化処理チャンバーを２チャンバーずつ設ける方法が考えられるが、その場合には装置コストの増加、設置面積の増加などによりデバイスの生産コストを増加させてしまうという問題が生じる。
【００１２】
特許文献２と特許文献３の方法においては比較的工程数が少なく済み、スループットや生産コストの問題は解消される。しかしながら、低ＲＡ領域におけるＭＲ比が４０％以下と、ＭｇＯトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗素子の性能が十分に発揮されていない。また、歩留まりに大きく影響するＲＡのバラツキについての実施例がないため、生産に適したプロセスかどうか不明である。
【００１３】
本発明は、工程数が比較的少なく、なおかつＲＡの均一性に優れた特性を有するとともに、低ＲＡにおいて高ＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗素子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような目的を達成するために、本発明の一態様は、第１強磁性層、トンネルバリア層、および第２強磁性層を有するトンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、前記トンネルバリア層を作製する工程が、金属ターゲットに電力を投入してプラズマを形成することで該金属ターゲットをスパッタして前記第１強磁性層の上に第１の金属層を成膜する工程であって、成膜の初期段階と後期段階のうち、いずれか一方の段階だけ酸素ガスを導入せずに、他方の段階だけ酸素ガスを導入することで酸素ドープされた第１の金属層を形成する工程と、前記酸素ドープされた第１の金属層を酸化処理して金属酸化物層とする工程と、前記金属酸化物層の上に第２の金属層を成膜する工程とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＲＡのバラツキが少なく、低ＲＡにおいて高ＭＲ比が得られるトンネル磁気抵抗素子の製造方法および製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のトンネル磁気抵抗素子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。
【図２】本実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の断面模式図である。
【図３】本発明の製造方法および製造装置を用いて作製したトンネル磁気抵抗素子の膜構成図である。
【図４】本実施例によるトンネルバリア層の形成フローである。
【図５】図５ａ、および図５ｂは、本トンネル磁気抵抗素子のＭＲ比およびＲＡを酸化時間に対してプロットしたグラフである。
【図６】第１の金属層成膜時に酸素をドープする際、成膜の初期と最後に酸素ガスの混合を止めた場合のトンネルバリア層の形成フローである。
【図７】金属Ｍｇ層成膜時の投入Ｐｏｗｅｒとシャッター開閉とＡｒガス導入と酸素ガス導入の概略タイムチャートである。
【図８】本方法によって作製したトンネル磁気抵抗素子のＲＡとＭＲ比の関係を示したグラフである。
【図９】実施例３に係るトンネル磁気抵抗素子において、ラジカル酸化の酸化時間のみを１００秒とした時のＲＡの基板面内分布を示したグラフである。
【図１０】実施例４に係るトンネル磁気抵抗素子であって、ラジカル酸化の酸化時間のみを２０秒とした時のＲＡの基板間バラツキを示したグラフである。
【図１１】実施例１の磁気トンネル素子において、第２の金属Ｍｇ層の膜厚を変えた時のＭＲ比を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は、本発明のトンネル磁気抵抗素子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２０と、真空搬送室２０に接続されたスパッタリング室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から構成されている。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。
【００１８】
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。
【００１９】
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について説明する。
図２は本実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の断面模式図である。
【００２０】
図２を参照して各層の具体的構成を説明する。下部電極層２は、Ｔａ（５ｎｍ）／ＣｕＮ（２０ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）／ＣｕＮ（２０ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）の積層構造を有する。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であり、４ｂのＣｏＦｅＢが第１強磁性層に相当する。トンネルバリア層６がＭｇＯ（１．５ｎｍ）である。磁化自由層７がＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）で、第２強磁性層に相当する。保護層８としては、Ｔａ（８ｎｍ）／Ｃｕ（３０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（７ｎｍ）の積層構造を使用する。尚、（ ）内は膜厚を示す。
【００２１】
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、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）を調整して、Ｐｔ含有量が４７〜５１（ａｔｏｍｉｃ％）となるようにＰｔＭｎ層を形成する。
【００２２】
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（タンタル）、Ｃｕ（銅）を、スパッタリング室２２には、Ｃｏ７０Ｆｅ３０（コバルト−鉄）、ＰｔＭｎ（プラチナ−マンガン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｃｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０（コバルト−鉄−ボロン）を、スパッタリング室２３にはＭｇをそれぞれスパッタリングターゲット２１ａ〜２１ｂ、２２ａ〜２２ｄ、２３ａとして配置する。また、スパッタリング室２４にはＴａ、Ｃｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０、Ｍｇ、Ｒｕ、Ｃｕをスパッタリングターゲット２４ａ〜２４ｅとして配置する。
【００２３】
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。
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、基板１をスパッタリング室２１に搬送して、Ｔａ／ＣｕＮ／Ｔａ／ＣｕＮ／Ｔａの積層構造からなる下部電極層２を成膜する。この時、ＣｕＮの成膜時にはＣｕターゲットを用い、スパッタリングガスとしてＡｒの他に微量の窒素を添加することによってＣｕＮを形成している。その後、基板をスパッタリング室２２に移動してＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕからなる反強磁性層３及びＣｏＦｅＢからなる磁化固定層４（第１強磁性層）を成膜する。なお、ここで、反強磁性層３としてＰｔＭｎの代わりにＩｒＭｎ（イリジウム−マンガン）を用いてもよく、その場合はＩｒＭｎ層の下地層９としてＲｕ層を用いるのが好ましい。そのような場合、スパッタリング室２２で成膜される膜構成は、Ｒｕ／ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢとなる。
【００２４】
次に、トンネルバリア層の形成方法を説明する。第１強磁性層となるＣｏＦｅＢまでをスパッタリング室２２で成膜した後、基板１をスパッタリング室２３に移動して酸素をドープしながら金属Ｍｇを成膜する。酸素のドープ方法の例としては、スパッタリングガスとしてＡｒと酸素を用いる。なお、ここで、混入させる酸素ガスは、スパッタリングガスの３０％以下にすることが好ましい。これは、Ｍｇターゲットの表面酸化を抑制するためである。
【００２５】
それぞれ個別のガス導入口を真空室に設けており、Ａｒと酸素の流量を個別に制御しながらガスを導入する。酸素ドープ時における酸素ガスの導入のタイミングとしては、スパッタリングガスのＡｒの導入タイミングと常に同じにする必要はなく、Ａｒの導入タイミングより遅らせたり、Ａｒの停止タイミングよりも早めたりしても良い。
【００２６】
次に、基板１を酸化処理室２６に移動し酸化処理を行う。酸化処理の方法としては自然酸化とラジカル酸化のどちらを用いても良い。自然酸化の場合は、酸素雰囲気の圧力を０．０１〜１０Ｔｏｒｒに維持し、所定の時間放置する。ラジカル酸化の場合は、酸素雰囲気の中で電極に高周波を印加して酸素プラズマを発生させ、長さ１０ｍｍ程度、直径１ｍｍ程度の穴が複数個空いたシャワープレートを通過させることによってプラズマ中の荷電粒子以外の粒子（活性酸素種および酸素）を基板に照射させる。
【００２７】
次いで、基板１をスパッタリング室２４に移動し、Ｍｇ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａ／Ｒｕを成膜する。Ｍｇの膜厚は０．１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下とすることが好ましい。こうすることにより、図１１を用いて後述するように、１００％以上のＭＲ比を発現することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
なお、上述の実施形態においては、スパッタリングガスとして、Ａｒ（アルゴン）を主成分としたが、これに限定されるものではなく、例えば、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｘｅ（キセノン）のうち少なくとも１種類を主成分とするスパッタリングガスを用いても良い。
【実施例】
【００３０】
次に本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００３１】
（実施例１）
図３は、本発明に係る製造方法および製造装置を用いて作製したトンネル磁気抵抗素子の膜構成図である。反強磁性層３として厚さ７ｎｍのＩｒＭｎを用い、その下地層９として５ｎｍのＲｕ層を使用した以外は、図２の膜構成と同じである。
【００３２】
図４を参照して、本実施例に係るトンネルバリア層の形成方法を説明する。
図４は、本実施例によるトンネルバリア層の形成フローである。
ステップＳ４０１においては、前述した実施形態と同様にして、第１強磁性層までを成膜した。
ステップＳ４０３においては、第１強磁性層となるＣｏＦｅＢ層の上に、１．２ｎｍの金属Ｍｇを１５ｓｃｃｍのＡｒガスと５ｓｃｃｍの酸素を独立に導入した雰囲気中で成膜した（混合した酸素濃度は２５％である）。次いでステップＳ４０５においては、酸化処理室で０．１Ｔｏｒｒまたは１Ｔｏｒｒの酸素雰囲気に６０〜６００秒放置して酸化処理した。
最後に、ステップＳ４０７においては、Ａｒガスを１５ｓｃｃｍのみ導入した雰囲気中で０．２ｎｍの金属Ｍｇを成膜した。その後、ステップＳ４０９においては、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａ／Ｒｕまで成膜してトンネル磁気抵抗素子の成膜を終了した。
【００３３】
本トンネル磁気抵抗素子は成膜後に磁場中アニール炉に入れ、真空中で１Ｔの磁場を印加しながら３６０℃で２時間の磁場中アニール処理を行った。
【００３４】
図５ａ、および図５ｂは、本トンネル磁気抵抗素子のＭＲ比およびＲＡを酸化時間に対してプロットしたグラフである。図５ａに示すように、いずれの酸化条件においても１００％を超えるＭＲ比が得られていることがわかる。図５ｂに示すように、ＲＡについては、いずれの酸化条件においても酸化時間が増すにつれてＲＡが増大しているが、０．１Ｔｏｒｒの低圧条件の方が１Ｔｏｒｒの高圧条件に比べて約半分の値に低くなっている。最も低いＲＡが得られたのは、０．１Ｔｏｒｒ条件で６０秒の酸化処理を行った時で、２．６Ωμｍ２のＲＡで１２１％のＭＲ比を達成している。
【００３５】
なお、ＭＲ比とＲＡは、１２端子プローブを用いたＣｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ（ＣＩＰＴ）法によって測定した。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。
【００３６】
（実施例２）
図６は、第１の金属層成膜時に酸素をドープする際、成膜の初期と最後に酸素ガスの混合を止めた場合のトンネルバリア層の形成フローを示している。この時、第１の金属層を酸化する方法としてラジカル酸化を用いた。トンネル磁気抵抗素子の膜構成は、図２の膜構成を用いた。
【００３７】
以下に、図６を参照してトンネルバリア層の形成フローを説明する。
ステップＳ６０１においては、前述した実施形態と同様にして、第１強磁性層までを成膜した。
ステップＳ６０３においては、以下の３つの工程を経て、第１強磁性層上に第１の金属層を成膜した。すなわち第１の金属層の成膜初期段階は、酸素ガスを導入せずに、Ａｒガス雰囲気で第１の金属層を成膜した（第１の金属層の下部層）。成膜中期段階において、Ａｒガスと酸素ガスを導入した雰囲気で第１の金属層を成膜した（第１の金属層の中間層）。さらに成膜後期段階は、酸素ガスを導入せずに、Ａｒガス雰囲気で第１の金属層を成膜した（第１の金属層の上部層）。こうすることにより、第１強磁性層および第２強磁性層が酸化されてしまうことを抑制することができる。
【００３８】
以下、上記ステップＳ６０３をより詳細に説明する。
まず初めに、スパッタリング室２３の中で第１強磁性層となるＣｏＦｅＢ層の上に１．２ｎｍの金属Ｍｇ（第１の金属層）を成膜する。
この１．２ｎｍの金属Ｍｇ層成膜時の投入Ｐｏｗｅｒとシャッター開閉とＡｒガス導入と酸素ガス導入の概略タイムチャートを図７に示す。まず初めにＭｇターゲットのついたカソードへのパワー投入と真空チャンバー内へのＡｒガスの導入をほぼ同時に行いプラズマを発生させる。投入するパワーはＤＣ５０Ｗ，導入するＡｒガスの流量は１００ｓｃｃｍである。このプリスパッタ時間においては、ターゲットと基板の間に配置されたシャッターは閉じているので、基板には膜が付着しない。
【００３９】
次に、シャッターを開けて成膜を開始する。膜厚が０．６ｎｍに達したら（第１の金属層の下部層に相当する）、５ｓｃｃｍ（酸素濃度＝４．７６％）の酸素ガスを導入し、Ｍｇ層に微量の酸素をドープする。Ｍｇ層の膜厚が１．０ｎｍに達したら（第１の金属層の中間層に相当する）酸素の導入を停止する。引き続き、残りの０．２ｎｍのＭｇ層をＡｒ雰囲気中で成膜し（第１の金属層の上部層に相当する）、１．２ｎｍの第１の金属層の成膜を完了する。
【００４０】
なお、本実施例においては、第１の金属層の成膜初期段階と成膜後期段階において、酸素を導入せず、Ａｒ雰囲気で第１の金属層を成膜したが、必ずしも両段階で行う必要はなく、どちらか一方の成膜段階だけ酸素を導入せず、Ａｒ雰囲気で第１の金属層を成膜する方法を採用してもよい。
【００４１】
次に、ステップＳ６０５においては、基板を酸化処理室２６へ移動しラジカル酸化する。ラジカル酸化時には真空チャンバー内に７００ｓｃｃｍの酸素ガスを導入し、電極に３００ＷのＲＦパワーを投入した。酸化時間は１０秒とした。
【００４２】
最後に、ステップＳ６０７もおいては、基板をスパッタリング室２４に移動し、０．３ｎｍの金属Ｍｇ（第２の金属層に相当する）を成膜する。次いでステップＳ６０９においては、前述の実施形態と同様にして、第２強磁性層以降を成膜した。
【００４３】
図８は、本方法によって作製したトンネル磁気抵抗素子のＲＡとＭＲ比の関係を示したグラフである。比較のために、第１の金属Ｍｇ層成膜時に酸素を導入しない場合のデータもプロットした。第１の金属Ｍｇ層成膜時に酸素を導入し、金属Ｍｇ層に酸素をドープすることによって、２．５Ωμｍ２の低ＲＡで８６％の高ＭＲ比を達成することができた。
【００４４】
（実施例３）
図９は、実施例２で使用したトンネル磁気抵抗素子の膜構成およびＭｇＯトンネルバリアの形成方法と同様のトンネル磁気抵抗素子において、ラジカル酸化の酸化時間のみを１００秒とした時のＲＡの基板面内分布を示したグラフである。横軸は直径３００ｍｍウエハの中心からの距離である。比較のためにＭｇＯの焼結ターゲットからＲＦスパッタリングによってダイレクトにＭｇＯトンネルバリアを形成したトンネル磁気抵抗素子のＲＡ分布も載せた。これによれば、本発明の方法によって形成したトンネル磁気抵抗素子のＲＡ分布は１．６％であり、ＭｇＯ焼結ターゲットのＲＦスパッタリングによる方法のＲＡ分布９．４％よりも明らかに良い結果であることがわかる。
【００４５】
（実施例４）
図１０もまた実施例２で使用したトンネル磁気抵抗素子の膜構成およびＭｇＯトンネルバリアの形成方法と同様のトンネル磁気抵抗素子であって、ラジカル酸化の酸化時間のみを２０秒とした時のＲＡの基板間バラツキを示したグラフである。横軸は連続処理した基板の枚数である。比較のためにＭｇＯの焼結ターゲットからＲＦスパッタリングによってダイレクトにＭｇＯトンネルバリアを形成したトンネル磁気抵抗素子のＲＡバラツキも載せた。これによれば、本発明の方法によって形成したトンネル磁気抵抗素子の基板間ＲＡバラツキは１．３％であり、ＭｇＯ焼結ターゲットのＲＦスパッタリングによる方法のＲＡバラツキ６．７％よりも明らかに良い結果であることがわかる。
【００４６】
（実施例５）
図１０は、実施例１の磁気トンネル素子において、第２の金属Ｍｇ層の膜厚を変えた時のＭＲ比を示したグラフである。第２の金属Ｍｇ層を成膜することによって著しくＭＲ比が増大することがわかった。本結果から第２に金属層として成膜する金属Ｍｇ層の膜厚は０．１ｎｍ以上０．６ｎｍ以下が好ましい。こうすることにより、１００％以上のＭＲ比を実現することができる。
【図１】
2014003313.tif 000003
【図２】
2014003313.tif 000004
【図３】
2014003313.tif 000005
【図４】
2014003313.tif 000006
【図５】
2014003313.tif 000007
【図６】
2014003313.tif 000008
【図７】
2014003313.tif 000009
【図８】
2014003313.tif 000010
【図９】
2014003313.tif 000011
【図１０】
2014003313.tif 000012
【図１１】
2014003313.tif 000013