(57)【要約】【課題】  トンネル磁気抵抗層を構成する各層の一連の形成に際して各層界面が大気による影響を受けないようにしたトンネル磁気抵抗素子の形成方法を提供すること。【解決手段】  第１磁性層４と第２磁性層６とでトンネル障壁層５を挟んだ構造のトンネル磁気抵抗層３を備えたトンネル磁気抵抗素子の形成方法であって、基板１上に第１配線２を形成する工程と、第１配線２に第１磁性層４が接続するように、第１磁性層４とトンネル障壁層５と第２磁性層６とを同じマスク７を用いて真空下で順次形成する工程と、トンネル磁気抵抗層３の少なくとも側面の一部を覆う絶縁層８を形成する工程と、第２磁性層６表面に接続する第２配線１０を形成する工程とを有する。【選択図】        図１
2006093223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁性層と、第２磁性層と、これら第１磁性層と第２磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層とを含むトンネル磁気抵抗層を備えたトンネル磁気抵抗素子の形成方法であって、
基板上に第１配線を形成する工程と、
前記第１配線に前記第１磁性層が接続するように、前記第１磁性層と前記トンネル障壁層と前記第２磁性層とを同じマスクを用いて真空下で順次形成する工程と、
前記トンネル磁気抵抗層の少なくとも側面の一部を覆う絶縁層を形成する工程と、
前記第２磁性層表面に接続する第２配線を形成する工程と、
を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子の形成方法。
【請求項２】
前記トンネル磁気抵抗層を形成する前に、前記第１配線表面にＲｕ膜を形成する工程を有す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形成方法。
【請求項３】
前記絶縁層を形成する工程は、アルミニウムターゲットをスパッタしてアルミニウム層を形成する工程と、酸素プラズマ又は酸素ラジカル雰囲気下で前記アルミニウム層を酸化する工程とを有す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形成方法。
【請求項４】
前記マスクはメタルマスクであ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形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ヘッドやＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）などに応用されるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistive）素子の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
厚さ１〜２ｎｍ以下の非常に薄い絶縁層（トンネル障壁層）を２層の強磁性層で挟んだ素子をトンネル磁気抵抗素子という。絶縁層は通常電流を通さないが、絶縁層が非常に薄いときトンネル効果によってわずかに電流が流れる。また、２つの強磁性層の磁化の相対的な向きが平行なときの素子の電気抵抗（ＲP）と、逆向きなときの電気抵抗（ＲA）とは異なる値をとり、通常ＲA＞ＲPとなる。この現象はトンネル磁気抵抗効果と呼ばれる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ＭＲＡＭに用いられるトンネル磁気抵抗素子の形成方法が開示されている。その素子を図４に示す。
【特許文献１】特開２０００−３３１４７２号公報
【０００４】
その素子の形成方法としては、先ず、基板上に第１磁性層用マスクを設置して、第１磁性層３１としてＦｅを、真空下にある成膜室内でスパッタ成膜する。
【０００５】
次に、基板を成膜室から大気下に取り出し、第１磁性層用マスクを基板から取り外して、トンネル障壁層用マスクに付け代える。そして、その基板を成膜室内に搬入して、第１磁性層３１の中心にトンネル障壁層３２を形成する。これは、酸素ガスを用いた反応性スパッタにより酸化アルミニウムを形成する。
【０００６】
次に、基板を成膜室から大気下に取り出し、トンネル障壁層用マスクを基板から取り外して、第２磁性層用マスクに付け代える。そして、その基板を成膜室内に搬入して、第１磁性層３１と直交する方向であって、トンネル障壁層３２の中心上を通るように、第２磁性層３３としてＣｏをスパッタ成膜する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
第１磁性層、トンネル障壁層、第２磁性層を含むトンネル磁気抵抗層において、大きなトンネル磁気抵抗効果を発現させるためには、各層間の界面を清浄に保つことが望ましい。しかし、特許文献１の形成方法では、各層の形成ごとにマスク交換を行っており、このマスク交換のたびに基板が大気下に取り出され、各層の表面が大気にさらされるため、各層間の界面を清浄に保つことが困難である。また、大気にさらされることによって形成される酸化膜の性質は、そのときの大気の温度や湿度などによって左右されるために、各層間の界面の品質を一定に制御することが難しく、素子性能にばらつきが生じやすい。
【０００８】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、トンネル磁気抵抗層を構成する各層の一連の形成に際して各層間の界面が大気による影響を受けないようにしたトンネル磁気抵抗素子の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のトンネル磁気抵抗素子の形成方法は、第１磁性層と、第２磁性層と、これら第１磁性層と第２磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層とを含むトンネル磁気抵抗層を備えたトンネル磁気抵抗素子の形成方法であって、基板上に第１配線を形成する工程と、第１配線に第１磁性層が接続するように、第１磁性層とトンネル障壁層と第２磁性層とを同じマスクを用いて真空下で順次形成する工程と、トンネル磁気抵抗層の少なくとも側面の一部を覆う絶縁層を形成する工程と、第２磁性層表面に接続する第２配線を形成する工程と、を有する。
【００１０】
ここで、第１配線は第１磁性層と電気的に接続される電極として機能し、第２配線は第２磁性層と電気的に接続される電極として機能する。絶縁層は、第２配線と第１磁性層との間、および第２配線とトンネル障壁層との間の短絡を防止する役割を担う。
【００１１】
そして、トンネル磁気抵抗層を構成する第１磁性層、トンネル障壁層、第２磁性層の一連の形成に際しては、これらに共通の同じマスクを用いて、真空下にある同じ成膜室内で形成していく。したがって、トンネル磁気抵抗層の形成中にマスク交換の必要がなく、各層間の界面が大気にさらされて酸化などの汚染を受けることがない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、トンネル磁気抵抗層を構成する各層間の界面が大気にさらされて酸化などの汚染を受けることがないので、トンネル磁気抵抗素子の性能の低下を防げる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［第１の実施形態］
以下、図１、図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の形成方法について説明する。
【００１４】
先ず、図１（Ａ）に示すように、ガラス基板や半導体基板などの基板１上に、アルミニウムや銅あるいはその他の金属を材料とする第１配線２を形成する。例えば、第１配線パターンが形成された第１配線用マスクを基板１に付けて成膜室内に搬入し、真空にされたその成膜室内で蒸着法やスパッタ法により第１配線２は形成される。
【００１５】
次いで、第１配線２を形成した基板１を成膜室から成膜室の外、すなわち大気下に取り出した後、第１配線用マスクを基板１から取り外し、図１（Ｂ）に示すトンネル磁気抵抗層用マスク７を付けて成膜室内に搬入する。
【００１６】
トンネル磁気抵抗層用マスク７は、例えばＣｒ、ＳＵＳなどからなるメタルマスクである。特に、磁性を有するＳＵＳ４３０を用いれば磁石で基板１に固定でき取り扱いが容易になる。トンネル磁気抵抗層用マスク７には、選択的に開口７ａが形成されてトンネル磁気抵抗層パターンが形成されている。そして、そのトンネル磁気抵抗層用マスク７を用いて、真空にされた成膜室内で蒸着法やスパッタ法により、第１磁性層４、トンネル障壁層５、第２磁性層６を含むトンネル磁気抵抗層３が形成される。第１磁性層４、トンネル障壁層５、第２磁性層６は、平面形状及び平面寸法が同じであり、それら各層は平面方向の位置を一致させて厚さ方向に積層される。よって、各層に共通のパターンが形成された１枚の同じマスク７を用いることができる。したがって、各層の形成ごとにマスク交換を行う必要がなく、第１磁性層４、トンネル障壁層５、第２磁性層６は、その順番で、真空下にある成膜室内で大気にさらされることなく続けて形成される。
【００１７】
第１磁性層４は、第１配線２の表面の一部分（図１（Ｂ）に図示の例では第１配線２の表面の中央部分）の上に形成され、さらにその表面と基板１との段差を埋めるように第１配線２の側面も覆っている（図１（Ｂ）の［ｄ］−［ｄ］断面図参照）。これによって、第１磁性層４は第１配線２と電気的に接続している。第２磁性層６はトンネル磁気抵抗層３の最上層を構成し、トンネル障壁層５は第１磁性層４と第２磁性層６との間に挟まれている。
【００１８】
第１磁性層４、トンネル障壁層５、第２磁性層６を含むトンネル磁気抵抗層３は多層構造であり、例えば、第１配線２側から順に、Ｔａ層／ＮｉＦｅ層／ＩｒＭｎ層／ＣｏＦｅ層／酸化アルミニウム層／ＮｉＦｅ層／Ｔａ層となっている。
【００１９】
ここで、酸化アルミニウム層はトンネル障壁層５であり、その形成は、先ず、アルミニウムターゲットをスパッタして第１磁性層４上にアルミニウム層を形成する。そして、成膜室内に導入された酸素を含むガスをプラズマ化させて生成される酸素ラジカルを用いてアルミニウム層を酸化する。これにより、アルミニウム層を容易にトンネル障壁層５として機能する絶縁層にすることができる。この酸化は、大気下にさらされることによる酸化ではないため、大気の温度や湿度に左右されることなく、トンネル障壁層５の品質を一定に制御することができる。
【００２０】
次いで、トンネル磁気抵抗層３を形成した基板１を成膜室から成膜室の外、すなわち大気下に取り出した後、トンネル磁気抵抗層用マスク７を基板１から取り外し、図２（Ｃ）に示す絶縁層用マスク９を付けて成膜室内に搬入する。
【００２１】
絶縁層用マスク９は、選択的に開口９ａ、９ｂが形成された、例えばＣｒ、ＳＵＳなどからなるメタルマスクである。特に、磁性を有するＳＵＳ４３０を用いれば磁石で基板１に固定でき取り扱いが容易になる。そして、その絶縁層用マスク９を用いて、真空にされた成膜室内で絶縁層８を形成する。絶縁層８は、直方体形状のトンネル磁気抵抗層３の２側面を覆うように形成される。この２側面は、図２（Ｄ）に示すように、後の工程で形成される第２配線１０が横切る方向に位置する２つの側面３ａ、３ａである。この絶縁層８によって、第２配線１０と第１磁性層４との短絡及び第２配線１０とトンネル障壁層５との短絡が防止される。
【００２２】
絶縁層８の形成は、先ず、アルミニウムターゲットをスパッタして、トンネル磁気抵抗層３の上述した２側面３ａ、３ａを覆うと共にトンネル磁気抵抗層３の上面の一部にかかるように薄いアルミニウム層を形成する。そして、成膜室内に導入された酸素を含むガスをプラズマ化させて生成される酸素ラジカルを用いてアルミニウム層を酸化する。これにより、アルミニウム層を容易に絶縁層にすることができる。この酸化は、大気下にさらされることによる酸化ではないため、大気の温度や湿度に左右されることなく、絶縁層８の品質を一定に制御することができる。
【００２３】
以上のように、絶縁層８はアルミニウム層をスパッタ成膜した後に酸化することで形成するので、アルミニウム層が厚いと酸化不十分となって第２配線１０が第１磁性層４やトンネル障壁層５と短絡するおそれがある。したがって、アルミニウム層は、非常に薄く、例えば１０Å〜３０Åほどにされる。
【００２４】
次いで、絶縁層８を形成した基板を成膜室から成膜室の外、すなわち大気下に取り出した後、絶縁層用マスク９を基板から取り外し、第２配線パターンが形成された第２配線用マスクを基板１に付けて成膜室内に搬入し、真空にされたその成膜室内で蒸着法やスパッタ法により、アルミニウムや銅あるいはその他の金属を材料とする第２配線１０が形成される。
【００２５】
第２配線１０は、第２磁性層６の表面に接続されて、第１配線２の延在方向に直交する方向に延在し、さらに図２（Ｄ）の［ｈ］−［ｈ］断面図に示されるように、絶縁層８の表面形状に沿って基板１まで延びている。第２配線１０とトンネル磁気抵抗層３の側面との間には絶縁層８が介在しており、第２配線１０はトンネル磁気抵抗層３の側面に接触していない。したがって、第２配線１０は、第１磁性層４及びトンネル障壁層５と接触していないので、第２配線１０と第１磁性層４との短絡及び第２配線１０とトンネル障壁層５との短絡が防止され、第１磁性層４に接続する第１配線２と、第２磁性層６に接続する第２配線１０との間に電圧をかけた際に良好なトンネル磁気抵抗効果が得られる。
【００２６】
なお、トンネル磁気抵抗層３において、第２配線１０が横切らない方向に位置する２つの側面３ｂ、３ｂ（図２（Ｄ）参照）は、第２配線１０が第２磁性層６の幅を越えて側面３ｂ、３ｂ側に及ばない限り第２配線１０と短絡する心配はないので、その側面３ｂ、３ｂは絶縁層８で覆わなくてもよい。
【００２７】
以上述べたように本実施形態によれば、第１磁性層４、トンネル障壁層５、第２磁性層６は、これらの形成に共通な一つのマスク７を用いて、真空下にある同じ成膜室内で形成するので、第１磁性層４、トンネル障壁層５、第２磁性層６を順に形成する一連の工程において、従来のようにマスク交換に伴ってそれら各層間の界面が大気にさらされることがない。この結果、トンネル磁気抵抗層３の各層間の界面が大気下で汚染されることに起因するトンネル磁気抵抗素子の性能の低下を防げる。また、トンネル磁気抵抗層３の形成中に、大気下における不安定な温度や湿度の影響を受けないので安定した品質のトンネル磁気抵抗層３を形成できる。
【００２８】
例えば、１枚のマスク７に２１個のトンネル磁気抵抗素子分のトンネル磁気抵抗層パターンを形成して、上述した方法にて、２１個のトンネル磁気抵抗素子を一度に形成したところ、すべてのトンネル磁気抵抗素子で良好なトンネル抵抗値及びトンネル磁気抵抗効果を確認できた。また、２１個のトンネル磁気抵抗素子間でのトンネル抵抗値のばらつきも小さく品質の安定性も確認できた。さらに、各トンネル磁気抵抗素子の磁気抵抗比［（ＲA−ＲP）／ＲP×１００％］（ＲPは第１及び第２磁性層間での磁化の相対的な向きが平行なときのトンネル抵抗値を、ＲAは逆向きなときのトンネル抵抗値を示す）を測定したところ、成膜後の熱処理なしのもので最大２７.６％の磁気抵抗比が得られた。
【００２９】
また、トンネル磁気抵抗層３の各層の一連の形成に際して、各層を形成するごとにマスク交換をする必要がないので、マスク費用及び手間の軽減、さらに時間短縮が図れる。
【００３０】
［第２の実施形態］
上述したトンネル磁気抵抗素子の形成方法において、図１（Ａ）に示す第１配線２の形成工程と、図１（Ｂ）に示すトンネル磁気抵抗層３の形成工程との間には、第１配線用マスクを基板１から取り外してトンネル磁気抵抗層用マスク７を基板１に付けるというマスク交換が必要なため、第１配線２の形成後に基板１は大気下に取り出される。このとき、第１配線２の表面が酸化を受け、その酸化を受けた第１配線２の表面に第１磁性層４が形成されると、第１配線２と第１磁性層４との間に酸化膜が介在され、これら間の抵抗値の増大を生じトンネル磁気抵抗素子の性能が低下するおそれがある。
【００３１】
そこで、この第２の実施形態では、第１配線２を形成した後、そのまま第１配線用マスクを用いて真空下（大気に取り出されることなく）で、図３に示すように、第１配線２の上にＲｕ（ルテニウム）膜１１ａをスパッタ成膜する。このＲｕ膜１１ａの成膜後に、第１配線用マスクからトンネル磁気抵抗層用マスク７への交換のために基板１が大気下に取り出され、Ｒｕ膜１１ａが大気にさらされて酸化されても、酸化ルテニウムは金属導電性を有するため、第１配線２と第１磁性層６間の抵抗増大を生じさせずにトンネル抵抗素子の性能を低下させない。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００３３】
上記実施形態ではマスク７、９はメタルマスクとしたが、レジストやＳｉＯ2などの絶縁膜をマスクとして用いて、トンネル磁気抵抗層３や絶縁層８のパターニングを行ってもよい。
【００３４】
また、トンネル磁気抵抗層３をすべて覆うように絶縁層８を形成し、その後に、フォトリソグラフィ及びエッチングによって、第２磁性層６の表面に臨む開口を絶縁層８に形成し、その開口を埋めるようにして第２配線１０を第２磁性層６の表面に接触させて形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子の形成工程を示す図である。
【図２】図１に続く工程を示す図である。
【図３】図１の（Ａ）の後に追加される本発明の第２の実施形態に係る工程を示す。
【図４】従来例のトンネル磁気抵抗素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…基板、２…第１配線、３…トンネル磁気抵抗層、４…第１磁性層、５…トンネル障壁層、６…第２磁性層、７…マスク、８…絶縁層、９…マスク、１０…第２配線、１１ａ…Ｒｕ膜。
【図１】
2006093223.tif 000003
【図２】
2006093223.tif 000004
【図３】
2006093223.tif 000005
【図４】
2006093223.tif 000006