(57)【要約】      （修正有）【課題】量産時、ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭの完成品間で、ＭＲＡＭのメモリー特性にバラツキあり、不良品発生頻度が高かった。このバラツキは、量産時のＴＭＲ素子のＭＲ比がウエハー製品間で一定値に維持されず、変動していたことが原因していたので、バラツキを抑制する製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】低周波成分カットフィルターにより低周波成分をカットした高周波電力印加の下で、酸化マグネシウムを有するターゲットをスパッタリングすることによって酸化マグネシウムの薄膜結晶膜１２２を成膜し、そして磁性金属（好ましくは強磁性体）のターゲットをスパッタリングすることによって磁性金属薄膜１２３を成膜する工程及び該工程を実行する制御プログラムを備えた成膜スパッタリング装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低周波成分カットフィルターにより低周波成分をカットした高周波電力印加の下で、酸化マグネシウムを有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって酸化マグネシウムの薄膜結晶膜を成膜し、そして磁性金属を有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって磁性金属薄膜を成膜する工程を有することを特徴とする磁性媒体の製造法。
【請求項２】
前記低周波成分の周波数は、５０００ＫＨｚ以下の範囲に設定されている請求項１に記載の磁性媒体の製造法。
【請求項３】
前記低周波成分の周波数は、１０ＫＨｚ〜３０００ＫＨｚの範囲に設定されている請求項１に記載の磁性媒体の製造法。
【請求項４】
前記高周波成分の周波数は、ラジオ周波数〜３ＧＨｚの範囲に設定されている請求項１に記載の磁性媒体の製造法。
【請求項５】
第一強磁性体膜を成膜する第一工程、前記第一強磁性体膜の上に、低周波成分カットフィルターにより低周波成分をカットした高周波電力印加の下で、酸化マグネシウムを有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって酸化マグネシウムの薄膜結晶膜を成膜する第二工程、及び第二強磁性体層を成膜する第三工程を用いて、トンネル磁気抵抗効果素子を形成する工程を有する、ことを特徴とする磁性媒体の製造法。
【請求項６】
前記低周波成分の周波数は、５０００ＫＨｚ以下の範囲に設定されている請求項５に記載の磁性媒体の製造法。
【請求項７】
前記低周波成分の周波数は、１０ＫＨｚ〜３０００ＫＨｚの範囲に設定されている請求項５に記載の磁性媒体の製造法。
【請求項８】
前記高周波成分の周波数は、ラジオ周波数〜３ＧＨｚの範囲に設定されている請求項５に記載の磁性媒体の製造法。
【請求項９】
動作実行時、低周波成分カットフィルターにより低周波成分をカットした高周波電力印加の下で、酸化マグネシウムを有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって酸化マグネシウムの薄膜結晶膜を成膜し、そして磁性金属を有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって磁性金属薄膜を成膜する工程を実行する制御プログラムを記憶した記憶媒体を備えた成膜装置。
【請求項１０】
前記低周波成分の周波数は、５０００ＫＨｚ以下の範囲に設定されている請求項９に記載の成膜装置。
【請求項１１】
前記低周波成分の周波数は、１０ＫＨｚ〜３０００ＫＨｚの範囲に設定されている請求項９に記載の成膜装置。
【請求項１２】
前記高周波成分の周波数は、ラジオ周波数〜３ＧＨｚの範囲に設定されている請求項１１に記載の成膜装置。
【請求項１３】
動作実行時、第一強磁性体膜を成膜する第一工程、前記第一強磁性体膜の上に、低周波成分カットフィルターにより低周波成分をカットした高周波電力印加の下で、酸化マグネシウムを有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって酸化マグネシウムの薄膜結晶膜を成膜する第二工程、及び第二強磁性体層を成膜する第三工程を用いて、トンネル磁気抵抗効果素子を形成する工程を実行する制御プログラムを記憶した記憶媒体を備えた成膜装置。
【請求項１４】
前記低周波成分の周波数は、５０００ＫＨｚ以下の範囲に設定されている請求項１３に記載の成膜装置。
【請求項１５】
前記低周波成分の周波数は、１０ＫＨｚ〜３０００ＫＨｚの範囲に設定されている請求項１３に記載の成膜装置。
【請求項１６】
前記高周波成分の周波数は、ラジオ周波数〜３ＧＨｚの範囲に設定されている請求項１３に記載の成膜装置。
【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（ＭＲＡＭ）及び磁気センサーに用いられる磁性媒体、好ましくは、トンネル磁気抵抗素子（さらに好ましくは、スピンバルブ型トンネル磁気抵抗素子）に代表される磁性媒体及び記憶媒体を備えた成膜スパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４及び非特許文献５には、結晶性酸化マグネシウム膜をトンネルバリヤ膜として用いたトンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子（以下、ＴＭＲ素子ともいう）が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１８４６５号公報
【特許文献２】国際公開番号をＷＯ２００５／０８８７４５号公報
【特許文献３】特開２００６−０８１１６号公報
【特許文献４】米国公開ＵＳ２００６／００５６１１５号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｄ．Ｄｊａｙａｐｒａｗｉｒａら著「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」，８６，０９２５０２（２００５）
【非特許文献２】Ｃ．Ｌ．Ｐｌａｔｔら著「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」８１（８），１５  Ａｐｒｉｌ  １９９７
【非特許文献３】Ｗ．Ｈ．Ｂｕｔｌｅｒら著「Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｖｏｌ．６３，０５４４１６）８，Ｊａｎｕａｒｙ  ２００１
【非特許文献４】湯浅新治ら著「Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ    Ｐｈｙｓｉｃｓ」Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．４８，ｐｐ５８８−５９０，２００４年４月２日発行
【非特許文献５】Ｓ．Ｐ．Ｐａｒｋｉｎら著「２００４  Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ  Ｇｒｏｕｐ」Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｐｐ８６２−８８７，２００４年１０月３１日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の技術課題は、量産時、ＴＭＲ素子を用いた各種製品（例えば、ＭＡＲＭ、磁気ヘッド、磁気ディスク等）の完成品間で、これら各種製品の性能（例えば、ＭＲＡＭのメモリー特性等）にバラツキあり、不良品発生頻度が高かった。この性能バラツキは、量産時のＴＭＲ素子のＭＲ比が完成品間（一ウエハー基板毎にＴＭＲ素子を形成した一完成品毎の間）で一定値に維持されず、変動していたことが原因していた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、第一に、低周波成分カットフィルターにより低周波成分をカットした高周波電力印加の下で、酸化マグネシウムを有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって酸化マグネシウムの薄膜結晶膜を成膜し、そして磁性金属を有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって磁性金属薄膜を成膜する工程を有する磁性媒体の製造法であり、又、動作実行時、該工程を実行させる制御プログラムを記憶した記憶媒体を備えた成膜パッタリング装置である。
【０００６】
本発明は、第二に、第一強磁性体膜を成膜する第一工程、前記第一強磁性体膜の上に、低周波成分カットフィルターにより低周波成分をカットした高周波電力印加の下で、酸化マグネシウムを有するターゲットをマグネトロンスパッタリングすることによって酸化マグネシウムの薄膜結晶膜を成膜する第二工程、及び第二強磁性体層を成膜する第三工程を用いて、トンネル磁気抵抗効果素子を形成する工程を有する磁性媒体の製造法であり、又、動作実行時、該工程を実行させる制御プログラムを記憶した記憶媒体を備えた成膜スパッタリング装置である。
【０００７】
ＴＭＲ素子を備えた磁性媒体（例えば、ＭＲＡＭ）の量産時に、５０００ＫＨｚ以下の低周波数成分を含む高周波電源を用いたマグネトロンスパッタリング装置を用いた場合には、所定のＭＲ比（例えば、１２０％以上のＭＲ比）以下の不良品磁性媒体（例えば、８０％のＭＲ比）が生産されてしまう頻度が高くなることがあった。このため、ＭＲＡＭ、磁気ヘッドや磁気ディスクなどの完成品量産時の製造コストが高くなっていた。
【０００８】
本発明者の知見によれば、上記の現象は、高周波電源中に低周波数成分が存在していると、マグネトロンスパッタリング装置に装着したカソードマグネットの磁力線が低周波数成分の影響を受けて、安定に維持されず、不安定な磁力線軌跡を生じる、ことが原因していた。特に、マグネトロンスパッタリング装置に装着したＭｇＯターゲットの基板側表面上で発現する磁力線が周期的に変動し、この結果、基板上に堆積するスパッタ粒子量も周期的に変動することが原因していた。
本発明者の知見によれば、上記低周波成分を高周波電源からカットすることで、上記した原因を解消することができた。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭ、ヘッドや磁気ヘッド等の完成品の量産時、完成品間での性能バラツキ（ＭＲＡＭや磁気ディスク等のメモリー特性、ヘッドのセンサー感度等）を小さい変動範囲以内に抑制することができ、この結果、完成品の不良率を大幅に低減させることができ、低コストでの量産を可能にした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のＴＭＲ素子で用いたマグネシウム酸化物の結晶層は、カラム状結晶（又は針状結晶、柱状結晶等を含む）の集合体によって形成された結晶構造を有する。また、結晶領域内に部分的なアモルファス領域を含む結晶−アモルファス混合領域の構造物も、本発明の概念に包含される。
この結晶層は、（００１）結晶面が一方の臨界面から他方の臨界面に亘る膜厚方向において単結晶のカラム状単結晶集合体からなる結晶状態であるのが好ましい（カラム状単結晶とは、一単位カラムが単結晶状態である）。
【００１１】
本発明で用いたマグネシウム酸化物のカラム状単結晶の平均的な直径は、１０ｎｍ以下であり、好ましくは、２ｎｍ〜５ｎｍの範囲であり、その膜厚は、１０ｎｍ以下であり、好ましくは０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲である。
【００１２】
又、本発明は、結晶状態の酸化マグネシウム層に換えて、カラム状単結晶の酸化マグネシウムボロン層及びカラム状単結晶の酸化亜鉛マグネシウム層を用いることができる。
【００１３】
本発明で用いた磁性金属薄膜（第一強磁性体層及び第二強磁性体層）は、好ましくは、Ｃｏ（コバルト）Ｆｅ（鉄）Ｂ（ボロン）合金、Ｃｏ（コバルト）Ｆｅ（鉄）合金、Ｃｏ（コバルト）Ｆｅ（鉄）Ｎｉ（ニッケル）合金、Ｃｏ（コバルト）Ｆｅ（鉄）Ｎｉ（ニッケル）Ｂ（ボロン）合金及びＮｉＦｅ（ニッケル鉄）合金からなる合金群より少なくとも１種を選択することができる。
本発明で用いた磁性金属薄膜（第一強磁性体層及び第二強磁性体層）の結晶層は、カラム状結晶（又は針状結晶、柱状結晶等を含む）の集合体によって形成された結晶構造を有する。また、結晶領域内に部分的なアモルファス領域を含む結晶−アモルファス混合領域の構造物も、本発明の概念に包含される。
【００１４】
本発明で用いたアモルファス状態は、ナノ結晶状態（格子間隔が１．０ｎｍ以下、好ましくは０．５ｎｍ以下であって、その格子配列が規則性を持っている状態）を含むものである。
本発明で用いた磁性金属薄膜（第一強磁性体層及び第二強磁性体層）のカラム状結晶は、各カラム毎において、膜厚方向で、（００１）結晶面が優先的に配向した単結晶であることが好ましい。本発明で用いたカラム状単結晶の平均的な直径は、１０ｎｍ以下であり、好ましくは、２ｎｍ〜５ｎｍの範囲であり、その膜厚は、１０ｎｍ以下であり、好ましくは０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲である。
本発明で用いた磁性金属薄膜としては、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる金属群より選択された少なくとも１種の金属を含有した薄膜、特に、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる金属群より選択された少なくとも１種の金属及びＢを含有した薄膜である。この際のＢ原子は、前記合金中、３０atmic%以下、好ましくは、０．０１atmic%〜２０atmic%の範囲の含有量である。
【００１５】
本発明のスパッタリング装置は、高周波電源に接続するロウパスフィルターが用いられ、このロウパスフィルターは、高周波電源の高周波電力から、低周波５０００ＫＨｚ以下の範囲、好ましくは、１０ＫＨｚ〜３０００ＫＨｚの範囲の低周波数成分をカットすることができる。高周波電源の投入電力は、１００ワット〜３０００ワット、好ましくは２００ワット〜２０００ワットで、周波数は１ＭＨｚ〜３ＧＨｚ、好ましくは、５ＭＨｚ〜２ＧＨｚである。
【００１６】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る磁性媒体１０の積層構造の一例を示し、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）１２を用いた磁性媒体１０の積層構造を示している。この磁性媒体１０によれば、基板１１の上にＴＭＲ素子１２を用い、このＴＭＲ素子１２を含め、例えば、９層の多層膜が形成されている。この９層の多層膜では、最下層の第１層「Ｔａ（タンタル）」から最上層の第９層「Ｒｕ（ルテニウム）」に向かった多層膜構造体となっている。
【００１８】
図１に図示したとおり、図中の「ＰｔＭｎ（１５）」、「ＣｏＦｅ（２．５）」、非磁性「Ｒｕ（０．８５）」、「ＣｏＦｅＢ（３）」、非磁性「ＭｇＯ（１．５）」、「ＣｏＦｅＢ（３）」、非磁性「Ｔａ（１０）」及び非磁性「Ｒｕ（７）」の順序で磁性層及び非磁性層が積層されている。
１１は、ウエハー基板、ガラス基板やサファイヤ基板などの基板である。１２は、ＴＭＲ素子で、第一強磁性体層１２１、トンネルバリヤ層１２２及び第２強磁性体層１２３によって構成されている。
１３は、第１層（Ｔａ：タンタル層）の下電極層（下地層）であり、１４は、第２層（ＰｔＭｎ層）の反強磁性体層である。１５は第３層（ＣｏＦｅ層）の強磁性体層で、１６は第４層（Ｒｕ層）の交換結合用非磁性体層で、１２１は第５層（結晶性ＣｏＦｅＢ）の強磁性体層で、これら第３層、第４層及び第５層とから成る層は、磁化固定層１９である。
実質的な磁化固定層１９は、第５層の結晶性ＣｏＦｅＢ層から成る強磁性体層１２１であり、第一強磁性体層に相当する。
１２２は、第６層（ＭｇＯ：結晶マグネシウム酸化物）のトンネルバリア層で、絶縁層である。
本発明で用いたトンネルバリア層１２２は、単一の結晶マグネシウム酸化物層であってもよい。
【００１９】
図６は、６１は、ＭｇＯ（マグネシウム酸化物）のカラム状結晶６２の集合体からなる結晶構造の模式斜視図である。
カラム状結晶６２は、針状結晶又は柱状結晶等の概念を包含する概念である。また、多結晶領域のうちの一部に、カラム状結晶６２の集合体６１間の部分的なアモルファス領域を含む結晶−アモルファス混合領域の構造物であっても良い。
本発明で用いたマグネシウム酸化物のカラム状結晶は、各カラム毎において、膜厚方向で、（００１）結晶面が優先的に配向した単結晶であることが好ましい。言い換えれば、カラム一単位結晶は、単結晶（カラム状単結晶）となっている。
本発明で用いたマグネシウム酸化物のカラム状単結晶の平均的な直径は、１０ｎｍ以下であり、好ましくは、２ｎｍ〜５ｎｍの範囲であり、その膜厚は、１０ｎｍ以下であり、好ましくは０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲である。
【００２０】
１２３は、第７層（ＣｏＦｅＢ）の結晶強磁性体層であり、磁化自由層であり、第二強磁性体層に相当する。
第７層１２３は、上記のほかに、カラム状結晶群の集合体からなる結晶ＮｉＦｅ（ニッケル鉄合金）を用いた結晶強磁性体層であってもよい。
結晶強磁性体層１２１と１２３とは、中間に位置するトンネルバリア層１２２と隣接させて設けることが好ましい。製造装置においては、これら３層は、真空を破ることなく、順次、積層される。
１７は第８層（Ｔａ：タンタル）の電極層で、１８は第９層（Ｒｕ：ルテニウム）のハードマスク層である。第９層は、ハードマスクとして用いられた際には、トンネル磁気抵抗効果素子から除去されていてもよい。
【００２１】
上記磁化固定層のうちの第５層である結晶強磁性体層１２１（ＣｏＦｅＢ）とトンネルバリア層１２２である第６層の結晶ＭｇＯ層と磁化自由層である第７層の結晶強磁性体層１２３（ＣｏＦｅＢ）とによって、ＴＭＲ素子部１２が形成される。
結晶強磁性体層１２１（ＣｏＦｅＢ）及び結晶強磁性体層１２３は、前述の図６に図示したカラム状結晶構造６１と同一のものであってもよい。
【００２２】
図１において、各層の括弧中の数値は、各層の厚みを示し、単位は「ｎｍ（ナノメートル）」である。当該厚みは一例であって、これに限定されるものではない。
【００２３】
次に、図２を参照して、上記の積層構造を有する磁気抵抗素子１０を製造する装置と製造方法を説明する。図２は時期抵抗素子１０を製造する装置の概略的な平面図であり、本装置は複数の磁性層及び非磁性層を含む多層膜を作製することのできる装置であり、量産型スパッタリング成膜装置である。
【００２４】
図２に示された磁性多層膜作製装置２００は、クラスタ型製造装置であり、スパッタリング法に基づく３つの成膜チャンバを備えている。本装置２００では、図示しないロボット搬送装置を備える搬送チャンバ２０２が中央位置に設置している。磁気抵抗素子製造のための製造装置２００の搬送チャンバ２０２には、２つのロードロック・アンロードロックチャンバ２０５及び２０６が設けられ、それぞれにより基板（例えば、シリコン基板を用いる）１１の搬入及び搬出が行われる。これらのロードロック・アンロードロックチャンバ２０５及び２０６を交互に、基板の搬入搬出を実施することによって、タクトタイムを短縮させ、生産性よく磁気抵抗素子を作製できる構成となっている。
【００２５】
磁気抵抗素子製造のための製造装置２００では、搬送チャンバ２０２の周囲に、３つの成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃと、１つのエッチングチャンバ２０３とが設けられている。エッチングチャンバ２０３では、ＴＭＲ素子１０の所要表面をエッチング処理する。各チャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ及び２０３と搬送チャンバ２０２との間には、開閉自在なゲートバルブ２０４が設けられている。なお、各チャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ及、２０２には、図示しない真空排気機構、ガス導入機構、電力供給機構などが付設されている。
【００２６】
磁気抵抗素子製造のための製造装置２００は、成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃを備えている。これら装置２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの各々には、マグネトロンＤＣ高周波スパッタリング法、又はマグネトロン高周波高周波スパッタリング法を用いて、基板１１の上に、真空を破らずに、前述した第１層から第９層までの各膜を順次に堆積することができる。
【００２７】
成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃの天井部には、それぞれ、適当な円周の上に配置された４基または５基のカソード（３１、３２、３３、３４及び３５）、カソード（４１、４２、４３、４４及び４５）、カソード（５１、５２、５３及び５４）が配置される。さらに当該円周と同軸上に位置する基板ホルダ上に基板１１が配置される。
上記カソード（３１、３２、３３、３４及び３５）、カソード（４１、４２、４３、４４及び４５）及びカソード（５１、５２、５３及び５４）には、装着したターゲットは、背後に、回転型マグネット又は揺動型マグネットを配置したマグネトロンスパッタリング装置とするのが好ましい。
また、電力投入手段２０７Ａ、２０７Ｂおよび２０７Ｃから、上記カソードにラジオ周波数（ＲＦ周波数）のような高周波電力又はＤＣ（直流）電力が印加される。
高周波電力としては、１ＭＨｚ〜３ＧＨｚの範囲、好ましくは、５ＭＨｚ〜２ＧＨｚの範囲の周波数及び１００Ｗ（ワット）〜３０００Ｗ（ワット）の範囲、好ましくは、２００Ｗ（ワット）〜２０００Ｗ（ワット）の範囲の電力を用いることができる。
【００２８】
本発明は、ＴＭＲ素子１２を構成している強磁性体層１２１及び１２３の成膜に当り、マグネトロンＤＣスパッタリング法を適用し、トンネルバリア層の結晶マグネシウム酸化物層１２２の成膜に当り、マグネトロン高周波スパッタリング法を適用する。
【００２９】
上記において、例えば、カソード３１には、Ｔａ（タンタル）ターゲットが装着される。カソード３２には、ＰｔＭｎ（白金マンガン合金）ターゲットが装着される。カソード３３には、ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン合金）ターゲットが装着される。カソード３４には、ＣｏＦｅ（コバルト鉄合金）ターゲットが装着される。カソード３５には、Ｒｕ（ルテニウム）ターゲットが装着される。
【００３０】
カソード４１には、ＭｇＯ（マグネシウム酸化物）ターゲット、又はＭｇ（マグネシウム金属）ターゲットが装着される。Ｍｇ（マグネシウム金属）ターゲットを用いる時は、酸化性ガスとともに、反応性スパッタリングを実施するための反応性スパッタリング用チャンバ（図示せず）を搬送チャンバ２０２に接続することができる。
また、Ｍｇ（マグネシウム金属）ターゲットを用いたスパッタリングにより、結晶マグネシウム層を成膜した後、酸化性ガス（例えば、酸素ガス、オゾンガス、水蒸気等）を用いた酸化チャンバ（図示せず）にて、この結晶マグネシウム合金層を結晶マグネシウム酸化物層に化学変化させることができる。
【００３１】
また、別の実施例では、カソード４１にＭｇＯ（マグネシウム酸化物）ターゲットを装着し、カソード４２にＭｇ（マグネシウム金属）ターゲットを装着することも出来る。
この際、カソード４３〜４５にはターゲットを未装着とすることができ、また、カソード４３〜４５にも、ＭｇＯ（マグネシウム酸化物）ターゲット、又はＭｇ（マグネシウム金属）ターゲットが装着することも出来る。
【００３２】
カソード５１には、ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン合金）ターゲットが装着される。カソード５２には、Ｔａ（タンタル）ターゲットが装着される。カソード５３には、Ｒｕ（ルテニウム）ターゲットが装着される。
また、カソード５４は、ターゲットを未装着とすることができる。又は、ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン合金）ターゲット、Ｔａ（タンタル）ターゲット、又はＲｕ（ルテニウム）ターゲットをリザーブ用として適宜装着することができる。
【００３３】
上記カソード（３１、３２、３３、３４及び３５）、カソード（４１、４２、４３、４４及び４５）、並びに、カソード（５１、５２、５３及び５４）に装着した各ターゲットの各面内方向と基板の面内方向とは、互いに、非平行に配置することが、好ましい。該非平行な配置を用いることによって、基板径より小径のターゲットを回転させながら、スパッタリングすることによって、高効率で、かつ、ターゲット組成と同一組成の磁性膜及び非磁性膜を堆積させることができる。
上記非平行な配置は、例えば、ターゲット中心軸と基板中心軸との交差角を４５°以下、好ましくは５°〜３０°となる様に、両者を非平行に配置することができる。
また、この際の基板は、１０ｒｐｍ〜５００ｒｐｍの回転数、好ましくは、５０ｒｐｍ〜２００ｒｐｍの回転数を用いることができる。
【００３４】
本発明の主要な素子部であるＴＭＲ素子部１２の成膜条件を述べる。磁化固定層（第５層のＣｏＦｅＢ層）である強磁性体層１２１は、ＣｏＦｅＢ組成比（atomic：原子比）６０／ＤＣ２０／２０のターゲットを用い、Ａｒ（アルゴンガス）圧力０．０３Ｐａで、マグネトロンＤＣスパッタリング（ 成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ）によりスパッタレート０．６４nm  /secで成膜した。この時のＣｏＦｅＢ層（強磁性体層１２１）は、アモルファス構造を有していた。
【００３５】
続いて、図７に図示するロウパスフィルターを用いたマグネトロン高周波ＲＦスパッタリング装置（
成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｂ）を用いて、ＭｇＯ組成比（atomic：原子比）５０／５０のターゲットを用い、スパッタガスとしてＡｒ（アルゴンガス）を用い、好適な範囲０．０１〜０．４Ｐａの圧力範囲のうち、０．２Ｐａの圧力を用いて、マグネトロン高周波ＲＦスパッタリング（１３．５６ＭＨｚ）により、第６層のＭｇＯ層であるトンネルバリア層１２２を成膜した。この際、ＭｇＯ層（トンネルバリア層１２２）は、カラム状結晶の集合体よりなる結晶構造であった。
また、この際のマグネトロンＲＦスパッタリング（１３．５６ＭＨｚ）の成膜レートは、０．１４nm  /secであった。
【００３６】
さらに続けて、マグネトロンＤＣスパッタリング装置（
成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｃ）に換えて、磁化自由層（第７層のＣｏＦｅＢ層）である強磁性体層１２３を成膜した。
この際、第７層のＣｏＦｅＢ層（強磁性体層１２３）は、アモルファス構造であることを確認した。
この実施例では、ＭｇＯ膜の成膜速度は０．１４nm  /secであったが、０．０１nm〜１．０nm  /secの範囲で成膜しても問題ない。
【００３７】
成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ、２０１Ｂ及び２０１Ｃのそれぞれでスパッタリング成膜を行って積層が完了した磁気抵抗素子１０は、熱処理炉において、アニーリング処理を実施した。
このとき、アニーリング温度及び時間は、約３００℃及び４時間で、８ｋＯｅの磁場中で、アニーリングを実施した。
この結果、アモルファス構造の第５層及び第７層のＣｏＦｅＢ層は、図６に図示したカラム状結晶６２の集合体６１よりなる結晶構造であったことが確認された。
このアニーリング工程により、磁性媒体子１０は、ＴＭＲ効果を持ったトンネル磁気抵抗効果素子として作用することができる。
また、このアニーリング工程により、第２層のＰｔＭｎ層である反強磁性体層１４には、所定の磁化が付与されていた。
【００３８】
図７は、本発明のマグネトロン高周波スパッタリング装置の概略図である。図中、７０１はスパッタリングチャンバ、７０２は高周波電源投入部、７０２１はブロッキングコンデンサ、７０２２は周知の整合回路、７０２３は高周波電源、７０３はロウパスフィルタ、７０４はスパッタリング用ＤＣ（直流）電源、７０５はマグネットユニット、７０６はカソード電極、７０７はターゲット（結晶ＭｇＯ層形成のためのＭｇＯターゲット）、７０８は周知の加熱機構、７０９は基板ホールダ（アノード電極）、７１０は基板（ウエハー、ガラス基板等）、７１１はスパッタリングガス（Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｋｒガス等の不活性ガス）供給系、７１２はスパッタリングガス導入系、７１３は真空排気系（ポンプ）、７１４はプラズマ生成空間である。
【００３９】
図３は、本発明装置のブロック図である。図中、３０１は図２中の搬送チャンバ２０２に相当する搬送チャンバ、３０２は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａに相当する成膜チャンバ、３０３は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｂに相当する成膜チャンバ、３０４は成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ｃに相当する成膜チャンバ、３０５はロードロック・アンロードロックチャンバ２０５及び２０６に相当するロードロック・アンロードロックチャンバ、３０６は記憶媒体３１２を内蔵した中央演算器（ＣＰＵ）である。符号３０９〜３１１は、ＣＰＵ３０６と各処理チャンバ３０１〜３０５とを接続するバスラインで、各処理チャンバ３０１〜３０５の動作を制御する制御信号がＣＰＵ３０６より各処理チャンバ３０１〜３０５に送信される。
【００４０】
本発明の一実施例では、ロードロック・アンロードロックチャンバ３０５内の基板（図示せず）は、搬送チャンバ３０１に搬出される。この基板搬出工程は、ＣＰＵ３０６が記憶媒体３１２に記憶させた制御プルグラムに基づいて演算し、この演算結果に基づく制御信号が、バスライン３０７及び３１１を通して、ロードロック・アンロードロックチャンバ３０５及び搬送チャンバ３０１に搭載した各種装置（例えば、図示していないゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等）の実行を制御することによって実施される。
【００４１】
搬送チャンバ３０１に搬送された基板は、成膜チャンバ３０２に搬出される。成膜チャンバ３０２に搬入された基板は、ここで、図１の第１層１３、第２層１４、第３層１５、第４層１６及び第５層１２１が順次積層される。この段階での第５層１２１のＣｏＦｅＢ層は、好ましくは、アモルファス構造となっている。別の実施例では、この段階での第５層１２１のＣｏＦｅＢ層は、多結晶構造であってもよい。
上記第１層から第５層までの積層プロセスは、ＣＰＵ３０６内で、記憶媒体３１２に記憶させた制御プルグラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７及び３０８を通して、搬送チャンバ３０１及び成膜チャンバ３０２に搭載した各種装置（例えば、図示していないカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等）の実行を制御することによって実施される。
【００４２】
上記第５層までの積層膜を持った基板は、一旦、搬送チャンバ３０１に戻され、その後成膜チャンバ３０３に搬入される。
成膜チャンバ３０３内で、上記第５層１２１のアモルファスＣｏＦｅＢ層の上に、第６層１２２として、結晶マグネシウム酸化物の成膜を実行する。
第６層１２２の成膜は、ＣＰＵ３０６内で、記憶媒体３１２に記憶させた制御プルグラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７及び３０９を通して、搬送チャンバ３０１及び成膜チャンバ３０３に搭載した各種装置（例えば、図示していないカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等）の実行を制御することによって実施される。
【００４３】
上記第６層１２２までの積層膜を持った基板は、再度、一旦、搬送チャンバ３０１に戻され、その後成膜チャンバ３０４に搬入される。
成膜チャンバ３０４内で、上記第６層１２２の結晶マグネシウム酸化物層の上に、第７層１２３、第８層１７及び第９層１８が順次積層される。この段階での第７層１２３のＣｏＦｅＢ層は、好ましくは、アモルファス構造となっている。
【００４４】
第９層１８までの積層成膜工程は、ＣＰＵ３０６内で、記憶媒体３１２に記憶させた制御プルグラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７及び３１０を通して、搬送チャンバ３０１及び成膜チャンバ３０４に搭載した各種装置（例えば、図示していないカソードへの電力投入機構、基板回転機構、ガス導入機構、排気機構、ゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等）の実行を制御することによって実施される。
【００４５】
本発明で用いる記憶媒体３１２としては、ハードディスク媒体、光磁気ディスク媒体、フレキシブルディスク媒体、フラッシュメモリやＭＲＡＭ等の不揮発性メモリ全般を挙げることができ、プログラム格納可能な媒体を含むものである。
【００４６】
また、本発明は、上記第５層１２１及び第７層１２３のアモルファスＣｏＦｅＢ層をアニーリングにより、結晶化を促すため及び第２層１４のＰｔＭｎ層の磁気付与を促すために、第１層〜第９層からなる積層膜をアニーリング炉（図示せず）に搬入することができる。
上記記憶媒体３１２には、アニーリング炉での工程を実施するための制御プログラムが記憶されていて、該制御プログラムに基づく、ＣＰＵ３０６の演算により得た制御信号によって、アニーリング炉内の各種装置（図示せず、例えば、ヒータ機構、排気機構、搬送機構等）を制御し、アニーリング工程を実行することができる。
【００４７】
本発明の比較例として、図７に図示したロウパスフィルター７０３の使用を省略したほかは、上記実施例と全く同一の方法で、１００サンプルのＴＭＲ素子を製造し、１００サンプルのＭＲ比分布（平均値、最大値及び最小値）を測定した。
測定の結果、平均ＭＲ比は１２６％で、最大ＭＲ比は１５８％で、最小ＭＲ比は９８％であった。又、平均ＭＲ比の±５％以内のサンプル数は３２サンプル数であった。
尚、ＭＲ比は、外部磁界に応答して磁性膜または磁性多層膜の磁化方向が変化するのに伴って、膜の電気抵抗も変化する現象（磁気抵抗効果 ＜Magneto-Resistive
effect：ＭＲ効果＞）に関するパラメータで、その電気抵抗の変化率を磁気抵抗変化率（ＭＲ比）としたものである。
【００４８】
これに対し、本発明は、測定の結果、平均ＭＲ比は比較実験とほぼ同等の１２５％で、最大ＭＲ比は１３２％で、最小ＭＲ比は１１８％であった。又、平均ＭＲ比の±５％以内のサンプル数は９１サンプル数であった。
【００４９】
また、本発明では、上記第５層１２１及び第７層１２３として、上述のＣｏＦｅＢ合金層に換えて、ＣｏＦｅＴａＺｒ（コバルト鉄タンタルジルコニウム）合金層、ＣｏＴａＺｒ（コバルタンタルジルコニウム）合金層、ＣｏＦｅＮｂＺｒ（コバルト鉄ニオブジルコニウム）合金層、ＣｏＦｅＺｒ（コバルト鉄ジルコニウム）合金層、ＦｅＴａＣ（鉄タンタル炭素）合金層、ＦｅＴａＮ（鉄タンタル窒素）合金層、又はＦｅＣ（鉄炭素）合金層などの結晶強磁性体層を用いることができる。
【００５０】
また、本発明では、上記第４層１６のＲｕ（ルテニウム）層に換えて、Ｒｈ（ロジウム）層又はＩｒ（イリジウム）層を用いることができる。
また、本発明では、上記第２層１４のＰｔＭｎ（白金マンガン合金）層に換えて、ＩｒＭｎ（イリジウムマンガン合金）層、ＩｒＭｎＣｒ（イリジウムマンガンクロム合金）層、ＮｉＭｎ（ニッケルマンガン合金）層、ＰｄＰｔＭｎ（鉛白金マンガン合金）層、ＲｕＲｈＭｎ（ルテニウムロジウムマンガン合金）層やＯｓＭｎ（オスニウムマンガン）等も好ましく用いられる。又、その膜厚は、１０〜３０ｎｍが好ましい。
【００５１】
本発明の別の実施例では、上記第５層１２１の多結晶ＣｏＦｅＢ合金層を結晶ＣｏＦｅＢ合金層と結晶ＣｏＦｅ合金層（基板側に位置させる）との二積層膜とすることができる。
基板側に位置する上記結晶ＣｏＦｅ合金層は、スパッタリング法により、第４層のＰｔＭｎ合金層の上に、結晶状態での成膜が可能である。
本発明者らは、上記結晶ＣｏＦｅ合金層の成膜に続くＣｏＦｅＢ層は、スパッタリング成膜直後（アニーリング工程前）でアモルファス構造であることを確認した。
本発明は、さらに、上記アモルファス構造のＣｏＦｅＢ層をアニーリングすることにより、エピタキシャル多結晶構造に相変化させることができる。
【００５２】
図４は、本発明の磁気抵抗素子をメモリ素子として用いたＭＲＡＭ（Magnetoresistive
Random Access Memory：強誘電体メモリ）４０１の模式図である。ＭＲＡＭ４０１において、４０２は本発明のメモリ素子、４０３はワード線、４０４はビット線である。多数のメモリ素子４０２のそれぞれは、複数のワード線４０３と複数のビット線４０４の各交点位置に配置され、格子状の位置関係に配置される。多数のメモリ素子４０２のそれぞれが１ビットの情報を記憶することができる。
【００５３】
図５は、ＭＲＡＭ４０１のワード線４０３とビット線４０４の交点位置において、１ビットの情報を記憶するＴＭＲ素子１０と、スイッチ機能を有するトランジスタ５０１とで構成した等価回路図である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、量産可能で実用性が高く、かつ超高集積化が可能なＭＲＡＭのメモリ素子として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】本発明の磁気抵抗素子のための製造装置の模式図である。
【図３】本発明装置のブロック図である。
【図４】本発明のＭＲＡＭの模式斜視図である。
【図５】本発明のＭＲＡＭの等価回路図である。
【図６】本発明で用いたカラム状結晶構造の模式斜視図である。
【図７】本発明のマグネトロン高周波スパッタリング装置
【符号の説明】
【００５６】
１０    磁性媒体
１１    基板
１２    ＴＭＲ素子部
１２１  強磁性体層（第５層）
１２２  トンネルバリア層（第６層）
１２３  強磁性体層（第７層；磁化自由層）
１３    下電極層（第１層;下地層）
１４    反強磁性層（第２層）
１５    強磁性体層（第３層）
１６    交換結合用非磁性層（第４層）
１７    上電極層（第８層）
１８    ハードマスク層（第９層）
１９    磁化固定層
２００  磁気抵抗素子作成装置
２０１Ａ成膜チャンバ
２０１Ｂ成膜チャンバ
２０１Ｃ成膜チャンバ
２０２  搬送チャンバ
２０３  エッチングチャンバ
２０４  ゲートバルブ
２０５  ロードロック・アンロードロックチャンバ
２０６  ロードロック・アンロードロックチャンバ
３１〜３５  カソード
４１〜４５  カソード
５１〜５４  カソード
２０７Ａ  電力投入部
２０７Ｂ  電力投入部
２０７Ｃ  電力投入部
３０１  搬送チャンバ
３０２  ３０３  ３０４  成膜チャンバ
３０５  ロードロック・アンロードロックチャンバ
３０６  中央演算器（ＣＰＵ）
３０７〜３１１  バスライン
３１２  記憶媒体
４０１  ＭＲＡＭ
４０２  メモリ素子
４０３  ワード線
４０４  ビット線
５０１  トランジスタ
６１    カラム状結晶群の集合体
６２    カラム状結晶
７０１  スパッタリングチャンバ
７０２  高周波電源投入部
７０２１  ブロッキングコンデンサ
７０２２  整合回路
７０２３  高周波電源
７０３  ロウパスフィルタ
７０４  スパッタリング用ＤＣ（直流）電源
７０５  マグネットユニット
７０６  カソード電極
７０７  ターゲット
７０８  加熱機構
７０９  基板ホールダ（アノード電極）
７１０  基板（ウエハー、ガラス基板等）
７１１  スパッタリングガス供給系
７１２  スパッタリングガス導入系
７１３  真空排気系
７１４  プラズマ生成空間
【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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【図６】
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【図７】
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