(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る磁化の向きが固定された固定磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由磁化層と、前記固定磁化層及び前記自由磁化層の間に挟まれる絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果素子の製造方法において、
シリコンの表面を酸化してＳｉＯ２とした前記基板を準備する工程と、
前記基板上にＣｒからなる下地層、ＰｔＭｎからなる反強磁性層及び軟質磁性の強磁性層を積層し前記固定磁化層となる層を形成する工程と、
前記固定磁化層となる層の上に前記絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層の上に前記自由磁化層を形成する工程と、
前記固定磁化層となる層、前記絶縁層及び前記自由磁化層が積層された素子の雰囲気温度を室温から一定の高温まで上昇させ、その高温雰囲下の状態にて同素子に１時間だけ磁界を加え、その後、同素子の雰囲気温度を室温まで低下させ、前記固定磁化層となる層の磁化の向きを固定する工程と、を含んだことを特徴とする磁気トンネル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、磁気ヘッドや磁気センサとして利用される、固定磁化層と自由磁化層とこれらの間に挟まれた絶縁層とを有する磁気トンネル効果素子の製造方法に係り、特に、固定磁化層の固定された磁化が反転し難く、且つ磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きい磁気トンネル効果素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、外部磁界に対する感度が良好な磁気トンネル効果素子として、磁気トンネル効果を利用した磁気トンネル効果素子（ＴＭＲ素子）が注目されている。この素子は、基板上に形成されて磁化の向きが固定された固定磁化層と、固定磁化層の上に形成される絶縁層と、絶縁層の上に形成されて磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由磁化層とからなっている。
【０００３】
前記固定磁化層は、例えばＦｅＭｎからなる反強磁性層とＣｏＦｅからなる軟質磁性の磁性層とからなり、前記軟質磁性の磁性層の磁化は前記反強磁性層との間に生じる交換結合（交換結合磁界Ｈｅｘ）により所定の向きに固定されている。
【０００４】
このＴＭＲ素子の抵抗値は、固定磁化層の磁化の向きと、自由磁化層の磁化の向きの相対的な関係に依存して変化する。即ち、素子の抵抗値は、固定磁化層の磁化の向きと自由磁化層の磁化の向きが同じ場合に最小となり、それらの向きが１８０°異なる場合に最大となる。外部磁界はこのように変化する抵抗値に基づいて検出されるので、自由磁化層の磁化の向きは外部磁界の変化に応じて容易に変化する一方で、使用温度環境下において固定磁化層の磁化の向きが外部磁界に関わらず確実に固定されていることが要求される。このため、固定磁化層の反強磁性層として、ブロッキング温度（交換結合磁界Ｈｅｘが発生し得る上限温度）の高い材料であるＰｔＭｎを用いることが検討されている。
【０００５】
図５は、上記ＰｔＭｎを反強磁性層として用いた固定磁化層の概略断面図である。図５に示したように、固定磁化層１０１は、表面がＳｉＯ２で被覆されたＳｉウエハの基板１００上に形成され、この基板１００の上に形成されたＴａからなる下地層１０１ａと、下地層１０１ａの上に形成された前記ＰｔＭｎからなる反強磁性層１０１ｂと、反強磁性層１０１ｂの上に形成されたＮｉＦｅからなる強磁性層１０１ｃとを備えている。このように下地層１０１ａにＴａを使用するのは、ＰｔＭｎの（１１１）面の配向性を向上させることができ、その結果、交換結合磁界Ｈｅｘを大きくできるからである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＰｔＭｎからなる反強磁性層１０１ｂに上記交換結合磁界Ｈｅｘを付与するために、高温アニ−ル処理（成膜後の素子を高温環境下にて所定の磁場中に放置する処理）を実施し、これにより同ＰｔＭｎを規則合金化している。しかしながら、高温アニ−ル処理は（トンネル）絶縁膜等の他の膜に悪影響を及ぼすため、結果として製造される素子の磁気抵抗変化率が低下してしまうという問題がある。従って、本発明の目的は、交換結合磁界Ｈｅｘが温度により変化し難く、かつ、磁気抵抗変化率が大きい磁気トンネル効果素子を製造する方法を提供することにある。
【０００７】
【本発明の概要】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、基板と、前記基板上に形成される磁化の向きが固定された固定磁化層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化する自由磁化層と、前記固定磁化層及び前記自由磁化層の間に挟まれる絶縁層とを含んでなる磁気トンネル効果素子の製造方法において、シリコンの表面を酸化してＳｉＯ２とした前記基板を準備する工程と、前記基板上にＣｒからなる下地層、ＰｔＭｎからなる反強磁性層及び軟質磁性の強磁性層を積層し前記固定磁化層となる層を形成する工程と、前記固定磁化層となる層の上に前記絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の上に前記自由磁化層を形成する工程と、前記固定磁化層となる層、前記絶縁層及び前記自由磁化層が積層された素子の雰囲気温度を室温から一定の高温まで上昇させ、その高温雰囲下の状態にて同素子に１時間だけ磁界を加え、その後、同素子の雰囲気温度を室温まで低下させ、前記固定磁化層となる層の磁化の向きを固定する工程と、を含んだことにある。
【０００９】
図１は、反強磁性層にＰｔＭｎを使用するとともに下地層に従来のＴａを使用した固定磁化層、及び反強磁性層にＰｔＭｎを使用するとともに下地層に本発明に基づいてＣｒを使用した固定磁化層のそれぞれについて、反強磁性層により磁化の向きが固定される強磁性層の膜厚が異なり、且つ高温アニール処理を１時間又は３時間施した複数の試料を準備し、これらの各交換結合磁界Ｈｅｘを測定した結果を示すグラフである。
【００１０】
図１から明らかなように、下地層に従来のＴａを用いた固定磁化層にあっては、高温アニール処理を１時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘは、同処理を３時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘの１／２以下の大きさとなった。これに対し、本発明にしたがって下地層にＣｒを用いた固定磁化層にあっては、高温アニール処理を１時間施した場合と３時間施した場合の何れにおいても略等しい大きさの交換結合磁界Ｈｅｘが得られ、しかも同交換磁界Ｈｅｘの大きさは下地層をＴａとして高温アニール処理を３時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさと同等となった。即ち、本発明に基づき下地層をＣｒとすれば、大きな交換結合磁界Ｈｅｘを有する固定磁化層を短時間（例えば、１時間）の高温アニール処理により得ることができることが解った。従って、本発明によれば、高温アニール処理を長時間施すことによる他の膜の劣化を回避することができるので、磁気抵抗変化率の高い磁気トンネル効果素子を得ることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による磁気トンネル効果素子の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図２はかかる磁気トンネル効果素子の概略断面図であり、この素子は、シリコン表面を深さ４５０ｎｍまで酸化してＳｉＯ２とした基板１０の上に順に積層された固定磁化層１１、絶縁層１２、自由磁化層１３、及びダミー膜１４を備えている。なお、上記基板１０は、例えば、ガラス、又は石英等から構成することもできる。
【００１２】
固定磁化層１１は、検出すべき外部磁界によっては磁化の向きが変化しないように形成される硬質磁性の磁性層であって、基板１０の直上に形成された膜厚１０ｎｍのＣｒからなる下地層１１ａと、この下地層１１ａの上に形成された膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層１１ｂと、この反強磁性層１１ｂの上に形成された膜厚１０ｎｍのＮｉＦｅからなる軟質磁性の強磁性層（下磁性層）１１ｃとから構成されている。軟質磁性の強磁性層１１ｃは、反強磁性層１１ｂとの間に生じる交換結合（交換結合磁界Ｈｅｘ）によりその磁化の向きが固定されている。このため、反強磁性層１１ｂは固定層（ピン層）と呼ばれ、軟質磁性の強磁性層１１ｃは被固定層（ピンド層）と呼ばれる。なお、上記下地層１１ａは、ダミー膜１４上に形成される図示しない上部電極とともに、固定磁化層１１、絶縁層１２、及び自由磁化層１３に対して直流電圧を印加し、これらの層１１〜１３の呈する抵抗値Ｒを測定するように機能する下部電極を兼ねている。
【００１３】
絶縁層１２は、絶縁材であるＡｌ２Ｏ３からなり、その膜厚は２ｎｍとされている。自由磁化層１３は、磁化の向きが外部磁界に応じて容易に変化するように形成される軟質磁性の磁性層であって、絶縁層１２の上に形成された膜厚４０ｎｍのＮｉＦｅからなり、固定磁化層１１、絶縁層１２とともに磁気トンネル接合構造を形成している。ダミー膜１４は、自由磁化層１３の上に形成され、膜厚３０ｎｍのＭоからなっている。
【００１４】
次に、上記磁気トンネル効果素子の製造方法について説明する。まず、上記ＳｉＯ２／Ｓｉからなる基板１０をスパッタ装置のチャンバ内にセットし、同チャンバ内を１×１０−７Ｔｏｒｒ以下まで排気する。そして、例えば、純度が９９．９９９９％のＡｒガスをチャンバ内の圧力が４ｍＴｏｒｒになるまで同チャンバ内に導入した後、スパッタリングにより膜厚が１０ｎｍのＣｒ膜を下地層１１ａとして成膜する。次いで、いずれもスパッタリングにより、下地層１１ａの上に反強磁性層１１ｂとしてのＰｔＭｎ膜を膜厚３０ｎｍとなるように成膜し、反強磁性層１１ｂの上に軟質磁性の強磁性層１１ｃとしてのＮｉＦｅ膜を膜厚１０ｎｍとなるように成膜する。
【００１５】
次に、軟質磁性の磁性層１１ｃの上に、スパッタリングにより膜厚が２ｎｍのＡｌ膜を成膜し、この状態の素子を処理室に移動させてＡｌ膜の酸化処理を行ってＡｌ２Ｏ３からなる絶縁層１２を形成する。そして、絶縁層１２の上に、スパッタリングにより膜厚が４０ｎｍのＮｉＦｅ膜を自由磁化層１３として成膜し、自由磁化層１３の上に、スパッタリングにより膜厚が３０ｎｍのＭо膜をダミー膜１４として成膜する。
【００１６】
その後、高温アニール処理（高温雰囲気下での磁場中アニール処理、熱処理）を施す。この処理は、ＰｔＭｎからなる反強磁性層１１ｂを規則化することにより同着磁された軟質磁性の強磁性層１１ｃの磁化の向きを固定させるため（即ち、交換結合磁界Ｈｅｘを大きくするため）に行う処理である。
【００１７】
具体的には、上記層構造（膜構成）を有する素子をチャンバ内にセットし、同チャンバ内の真空度を２×１０−４以下の高真空度とする。次いで、図３に示したように、チャンバ内の温度を１時間で室温から２７０℃まで上昇させ、その後、１時間だけ温度を２７０℃一定に維持する。この温度一定期間において、前記素子の固定磁化層１１となるべき層の強磁性膜１１ｃの磁化が飽和するために必要な大きさ、またはそれ以上の大きさを有する磁界（例えば、２ｋ（Ｏｅ））を同素子に付与する。この温度が一定の高温であって所定の磁場中に素子を放置している時間を高温アニール処理時間といい、この時間が長いと素子を構成するトンネル絶縁膜１２等が劣化して、結果的に得られる磁気トンネル効果素子の特性（磁気抵抗変化率）が低下する。高温アニール処理時間の経過後は、５時間をかけて室温まで冷却する。
【００１８】
次に、上記実施形態に係る磁気トンネル効果素子の作動及び特性について図４を参照しながら説明する。図４は、上記磁気トンネル効果素子について、外部磁界Ｈに対する抵抗値Ｒの変化を測定した結果を示すグラフである。この測定結果を、同測定の時間的順序に沿って説明すると、まず外部磁界Ｈを３００（Ｏｅ）まで上昇させて抵抗値Ｒの測定を開始し、同外部磁界を０（Ｏｅ）に向けて低下させる。この状態においては、固定磁化層１１と自由磁化層１３の磁化の向きは同一向きとなっているので、抵抗値は最小値Ｒｍｉｎ（５．０（Ω））近傍の値となっている。
【００１９】
続いて、外部磁界Ｈを負の値となるように変化させる。外部磁界Ｈの値が負とは、同外部磁界Ｈの向きと固定磁化層１１の固定された磁化の向きとが１８０度異なることを意味している。図４から明らかなように、外部磁界が０〜略−１００（Ｏｅ）の領域においては、抵抗値Ｒは最大値Ｒｍａｘを示している。この状態においては、固定磁化層１１の磁化の向きは安定していて、同固定磁化層１１の磁化の向きと自由磁化層１３の磁化の向きは逆向きとなっている。
【００２０】
更に、外部磁界Ｈを負方向に変化させると、外部磁界Ｈにより固定磁化層１１の固定された磁化の向きの反転が始まり、抵抗値Ｒが最大値Ｒｍａｘから低下する。抵抗値Ｒが最大値Ｒｍａｘから低下し始める磁界の大きさが交換結合磁界Ｈｅｘである。そして、外部磁界Ｈが略−３００（Ｏｅ）となると、固定磁化層１１の固定された磁化の向きが完全に反転するために抵抗値Ｒは極めて小さな値となる。次いで、外部磁界Ｈを−３００（Ｏｅ）から正の向きに増大すると、抵抗値Ｒは次第に増大し、同外部磁界Ｈが０（Ｏｅ）となったとき極大値をとる。そして、外部磁界Ｈが正の値となると、再び抵抗値は略最小値Ｒｍｉｎとなる。
【００２１】
このように、磁気トンネル効果素子の抵抗値Ｒは変化するが、通常の使用状態においては、外部磁界Ｈを交換結合磁界Ｈｅｘ以下の範囲（この例では、−Ｈｅｘ以上、即ち−１００（Ｏｅ）以上の範囲）で使用するため、抵抗値Ｒの大きさにより外部磁界Ｈの方向を検出することができる。
【００２２】
次に、上記実施形態に係る磁気トンネル効果素子の固定磁化層の交換結合磁界と高温アニール処理時間との関係について、従来の磁気トンネル効果素子との比較しながら説明する。
【００２３】
図１は、反強磁性層にＰｔＭｎを使用するとともに、下地層に従来のＴａを使用した固定磁化層、及び上記実施形態のように下地層にＣｒを使用した固定磁化層のそれぞれにつき、前記反強磁性層ＰｔＭｎにより磁化の向きが固定されるＮｉＦｅからなる磁性層の膜厚を異ならせるとともに高温アニール処置を１時間又は３時間施した試料について、その交換結合磁界Ｈｅｘを測定した結果を示している。
【００２４】
図１から明らかなように、下地層に従来のＴａを用いた固定磁化層にあっては、高温アニール処理を１時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘは、同処理を３時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘの１／２以下の大きさとなった。これに対し、上記実施形態の下地層にＣｒを用いた固定磁化層にあっては、高温アニール処理を１時間施した場合と３時間施した場合の何れにおいても略等しい大きさの交換結合磁界Ｈｅｘが得られ、しかも同交換磁界Ｈｅｘの大きさは下地層をＴａとして高温アニール処理を３時間施した場合に得られる交換結合磁界Ｈｅｘの大きさと同等となった。
【００２５】
以上説明したように、上記実施形態によれば、高温アニール処理時間を通常の３時間に対して非常に短時間である１時間とすることで十分に大きな交換結合磁界Ｈｅｘを有する固定磁化層を得ることができるので、高温アニール処理中における他の膜の劣化を極力回避することができる。従って、上記実施形態の磁気トンネル効果素子は、大きな交換結合磁界Ｈｅｘを有するとともに、磁気抵抗変化率を高く維持するものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気トンネル効果素子における固定磁化層の交換結合磁界の変化を、従来の磁気トンネル効果素子の固定磁化層の交換結合磁界の変化と比較して示したグラフである。
【図２】本発明による磁気トンネル効果素子の概略断面図である。
【図３】高温アニール処理におけるチャンバ内の温度の変化を示した図である。
【図４】図２に示した磁気トンネル効果素子の外部磁界に対する抵抗値の変化を示したグラフである。
【図５】従来の磁気トンネル効果素子の固定磁化層の概略断面図である。
【符号の説明】
１０…基板、１１…固定磁化層、１１ａ…下地層、１１ｂ…反強磁性層、１１ｃ…軟質磁性の強磁性層、１２…絶縁層（トンネル絶縁膜）、１３…自由磁化層、１４…ダミー膜。
【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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