(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗メモリ用の磁気トンネル接合素子を製造する方法において、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種の磁性金属を有する下磁性層の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上にＦｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種の磁性金属を有する上磁性層を形成する工程とを有し、前記バリア膜を形成する工程は、膜厚が５Å以上のＡｌ膜を形成した後に、このＡｌ膜を１０乃至１００Ｔｏｒｒの酸素分圧及び１０乃至１００Ｗの高周波プラズマの印加電力で１回のプラズマ酸化時間を５分以下としてプラズマ酸化してプラズマ酸化膜を得る工程を２回以上繰り返してプラズマ酸化膜を積層することにより、膜厚が１００Å以下で、前記下磁性層との界面よりも前記上磁性層との界面で酸素濃度が高いと共に前記各プラズマ酸化膜に対応して前記上磁性層側の酸素濃度が高く膜厚方向に２以上の酸素濃度のピークを有し、下磁性層とバリア膜との界面におけるＡｌ膜の残存及び酸素による下磁性層の浸食が防止されたバリア膜を形成するものであり、磁気トンネル接合部の磁気トンネル抵抗変化率が３０％以上であり、バリア膜の絶縁抵抗が１ｋΩ・μｍ２以上５０ｋΩ・μｍ２以下である磁気トンネル接合素子を製造することを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項２】
磁気抵抗メモリ用の磁気トンネル接合素子を製造する方法において、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種の磁性金属を有する下磁性層の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上にＦｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種の磁性金属を有する上磁性層を形成する工程とを有し、前記バリア膜を形成する工程は、膜厚が５Å以上のＡｌ膜を形成した後に、このＡｌ膜を雰囲気温度が１５乃至７０℃の大気中で１回の大気酸化時間を１０時間以下として酸化して酸化膜を得る工程を２回以上繰り返して酸化膜を積層することにより、膜厚が１００Å以下で、前記下磁性層との界面よりも前記上磁性層との界面で酸素濃度が高いと共に前記各プラズマ酸化膜に対応して前記上磁性層側の酸素濃度が高く膜厚方向に２以上の酸素濃度のピークを有し、下磁性層とバリア膜との界面におけるＡｌ膜の残存及び酸素による下磁性層の浸食が防止されたバリア膜を形成するものであり、磁気トンネル接合部の磁気トンネル抵抗変化率が３０％以上であり、バリア膜の絶縁抵抗が１ｋΩ・μｍ２以上５０ｋΩ・μｍ２以下である磁気トンネル接合素子を製造することを特徴とする磁気トンネル接合素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）用の素子として好適である磁気トンネル接合素子及びその製造方法に関し、特に、磁気トンネル抵抗出力を高めることができる磁気トンネル接合素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、磁気トンネル接合を使用した磁気ヘッド及びＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）についての種々の開発が進められている（ＵＳＰ ５６５０９５８等）。図７は従来の磁気トンネル接合素子を示す断面図である。基板２１の上に下磁性層２２及びバリア膜２３が積層されており、バリア膜２３の上にコンタクトホール２４ａを有する絶縁膜２４が形成されている。また、コンタクトホール２４ａの内部におけるバリア膜２３の上には、上磁性層２５が形成されており、上磁性層２５及び絶縁膜２４の上には、コンタクトホール２４ａを埋設するように配線層２６が形成されている。
【０００３】
このように構成された磁気トンネル接合素子を、例えば記憶素子に適用した場合には、“０”又は“１”の信号を上磁性層２５及び下磁性層２２のスピンの向きに対応させることにより、信号を記憶することができる。
【０００４】
ところで、このような磁気トンネル接合を利用した磁気ヘッド及びＭＲＡＭ等を作製するためには、高い磁気抵抗変化率を有する磁気トンネル接合部を有する素子の作製が必要となっている。特に、ＭＲＡＭに形成される磁気トンネル接合部においては、磁気トンネル抵抗変化率が３０％以上であると共に、各素子間の絶縁抵抗のばらつきよりも大きいことが必要であるとされている。また、熱ノイズを低減させるために、バリア膜２３の絶縁抵抗が５０ｋΩ・μｍ2以下であることが要求される。これらのうち、磁気抵抗変化率は、バリア膜２３の下側及び上側に存在する下磁性層２２及び上磁性層２５の分極率と、バリア膜２３の膜質に依存している。
【０００５】
磁性層については、一般的に、Ｃｏ−Ｆｅ系等のＦｅを含有する磁性材料を使用して形成することにより、高い分極率を得ることができることが公知である。従って、Ｃｏ−Ｆｅ系等のＦｅを含有する磁性材料からなる磁性層を有する磁気トンネル接合素子を形成すると、高い磁気トンネル抵抗変化率を得ることができる。
【０００６】
一方、バリア膜の膜質については、上下の磁性層の磁気的及び電気的相互作用を十分に遮蔽することができる性質を有するバリア膜を形成すると、磁気トンネル接合部の抵抗変化率を高めることができる。バリア膜の材料としては、従来より、例えば、Ａｌ2Ｏ3等の酸化物系の材料からなるバリア膜を有する磁気トンネル接合素子が開示されている（特開平９−２６０７４３号公報）。このようなバリア膜は、例えば、下磁性層の上に金属膜を作製した後に、この金属膜を自然酸化することにより形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バリア膜の形成工程として金属膜の酸化工程を有する場合には、金属膜の表面から酸化が進行する構造であるので、酸化膜の成長が金属膜と下磁性層との界面まで到達せずに停止して、金属層が残留するという問題点がある。磁気トンネル接合部においては、金属膜の酸化が不十分であって、バリア膜と磁性層との界面に非磁性金属層が残留すると、磁気トンネル抵抗変化率が著しく低下する。また、自然酸化により緻密な酸化膜（バリア膜）を形成する必要がある場合には、酸化に長時間を要することがある。
【０００８】
更に、均質なバリア膜を形成しようとすると、下磁性層とバリア膜との界面において、下磁性層が酸化されることがあり、これにより、バリア膜の膜厚方向に膜質の不均一性が生じやすくなる。一般に、Ｆｅ、Ｃｏ又はＮｉ等を含有する磁性材料からなる磁性層は酸化されやすいので、このような下磁性層が局所的に酸化された場合には、磁性層中の酸素の存在によりその分極率が著しく低下して、磁気トンネル抵抗変化率が低下する。従って、Ｆｅ、Ｃｏ又はＮｉ等を含有する磁性層と、酸化物系材料からなるバリア膜とを組み合わせて、磁気トンネル接合部を形成することは困難である。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、金属膜の残存及び下磁性層の侵食が生じることなく容易にバリア膜を形成することができ、これにより、磁気トンネル抵抗変化率を高めることができる磁気トンネル接合素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁気トンネル接合素子の製造方法は、磁気抵抗メモリ用の磁気トンネル接合素子を製造する方法において、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種の磁性金属を有する下磁性層の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上にＦｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種の磁性金属を有する上磁性層を形成する工程とを有し、前記バリア膜を形成する工程は、膜厚が５Å以上のＡｌ膜を形成した後に、このＡｌ膜を１０乃至１００Ｔｏｒｒの酸素分圧及び１０乃至１００Ｗの高周波プラズマの印加電力で１回のプラズマ酸化時間を５分以下としてプラズマ酸化してプラズマ酸化膜を得る工程を２回以上繰り返してプラズマ酸化膜を積層することにより、膜厚が１００Å以下で、前記下磁性層との界面よりも前記上磁性層との界面で酸素濃度が高いと共に前記各プラズマ酸化膜に対応して前記上磁性層側の酸素濃度が高く膜厚方向に２以上の酸素濃度のピークを有し、下磁性層とバリア膜との界面におけるＡｌ膜の残存及び酸素による下磁性層の浸食が防止されたバリア膜を形成するものであり、磁気トンネル接合部の磁気トンネル抵抗変化率が３０％以上であり、バリア膜の絶縁抵抗が１ｋΩ・μｍ２以上５０ｋΩ・μｍ２以下である磁気トンネル接合素子を製造することを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る他の磁気トンネル接合素子の製造方法は、磁気抵抗メモリ用の磁気トンネル接合素子を製造する方法において、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種の磁性金属を有する下磁性層の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上にＦｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種の磁性金属を有する上磁性層を形成する工程とを有し、前記バリア膜を形成する工程は、膜厚が５Å以上のＡｌ膜を形成した後に、このＡｌ膜を雰囲気温度が１５乃至７０℃の大気中で１回の大気酸化時間を１０時間以下として酸化して酸化膜を得る工程を２回以上繰り返して酸化膜を積層することにより、膜厚が１００Å以下で、前記下磁性層との界面よりも前記上磁性層との界面で酸素濃度が高いと共に前記各プラズマ酸化膜に対応して前記上磁性層側の酸素濃度が高く膜厚方向に２以上の酸素濃度のピークを有し、下磁性層とバリア膜との界面におけるＡｌ膜の残存及び酸素による下磁性層の浸食が防止されたバリア膜を形成するものであり、磁気トンネル接合部の磁気トンネル抵抗変化率が３０％以上であり、バリア膜の絶縁抵抗が１ｋΩ・μｍ２以上５０ｋΩ・μｍ２以下である磁気トンネル接合素子を製造することを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、下磁性層の上にバリア膜を形成する工程として、金属膜を形成した後に、この金属膜を上述のいずれかの方法により酸化する工程を２回以上繰り返して、酸化膜を積層するものとしている。これにより、下磁性層とバリア膜との界面における金属膜の残存、又は酸素による下磁性層の浸食が発生することを防止することができるので、両磁性層の分極率を損なうことなく磁気トンネル抵抗変化率を例えば３０％以上に向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る磁気トンネル接合素子の製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例に係る磁気トンネル接合素子を示す断面図である。図１に示すように、熱酸化処理Ｓｉ基板１の上に、Ｆｅ70Ｃｏ30からなる下磁性層２が２００Åの膜厚で選択的に形成されている。また、下磁性層２の上に第１のＡｌ−Ｏバリア膜３が選択的に形成されており、第１のＡｌ−Ｏバリア膜３の上に、第２のＡｌ−Ｏバリア膜４及びＦｅ50Ｃｏ50からなる上磁性層５が積層されている。更に、これらの下磁性層２、第１のＡｌ−Ｏバリア膜３、第２のＡｌ−Ｏバリア膜４及び上磁性層５を覆う領域に、ＳｉＯ2からなる絶縁膜６が形成されている。
【００１８】
絶縁膜６には、下磁性層２に接する領域に下磁性層２の表面を露出する開口部６ａが設けられていると共に、上磁性層５に接する領域に上磁性層５の表面を露出する開口部６ｂが設けられている。更にまた、開口部６ａ及び６ｂを埋設するように、下磁性層２に電気的に接続されたＣｕ電極７ａと上磁性層５に電気的に接続されたＣｕ電極７ｂとが形成されている。このようにして、ＭＲＡＭの磁気トンネル接合素子が構成されている。
【００１９】
次に、図１に示す磁気トンネル接合素子の第１の製造方法について説明する。先ず、予めアセトンにより洗浄した６インチの熱酸化処理Ｓｉ基板１をマグネトロンスパッタ装置に取り付ける。このスパッタ装置には、予め、Ｆｅ70Ｃｏ30からなる３インチのターゲット、Ｆｅ50Ｃｏ50からなる３インチのターゲット、Ａｌからなる３インチのターゲット、ＳｉＯ2からなる３インチのターゲット、及びＣｕからなる３インチのターゲットが配設されている。
【００２０】
次いで、スパッタ装置の真空チャンバを１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下でＲＦ電源を使用して、Ｓｉ基板１を２００Ｗの電力で５分間洗浄する。その後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下において、ＤＣ電源を使用して、電力を１００Ｗ、成膜速度を６０Å／分として、Ｓｉ基板１上にＦｅ70Ｃｏ30膜を２００Åの膜厚で成膜する。その後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下において、ＤＣ電源を使用して、電力を２０Ｗ、成膜速度を２４Å／分として、Ｆｅ70Ｃｏ30膜上に第１のＡｌ膜を１０Åの膜厚で成膜する。その後、基板１を真空容器内に移動させた後、５０Ｔｏｒｒの酸素雰囲気下において、５０ＷのＲＦ（Radio frequency）プラズマにより第１のＡｌ膜に対して２分間の酸化処理を実施する。これにより、第１のＡｌ−Ｏ膜が得られる。
【００２１】
その後、再度、所定の真空度を保った搬送用チャンバに基板１を一旦移した後、スパッタ装置の真空チャンバ内に設置し、真空チャンバ内を１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で、ＤＣ電源を使用して、電力を２０Ｗ、成膜速度を２４Å／分として、第１のＡｌ−Ｏ膜上に第２のＡｌ膜を１０Åの膜厚で成膜する。その後、基板１を真空容器内に移動させた後、５０Ｔｏｒｒの酸素雰囲気下において、５０ＷのＲＦプラズマにより第２のＡｌ膜に対して２分間の酸化処理を実施する。これにより、第２のＡｌ−Ｏ膜が得られる。なお、真空容器と真空チャンバとは同一のチャンバであってもよい。
【００２２】
その後、再度、スパッタ装置の真空チャンバ内に基板１を設置し、真空チャンバ内を１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で、ＤＣ電源を使用して、電力を１００Ｗ、成膜速度を７５Å／分として、第２のＡｌ−Ｏ膜上にＦｅ50Ｃｏ50膜を２００Åの膜厚で成膜する。
【００２３】
その後、フォトリソグラフィ技術を使用して、有機レジスト膜からなるＭＲＡＭ下磁性膜用マスクパターンを基板上に形成し、イオンミリング装置を使用して、Ｆｅ70Ｃｏ30膜を所望の形状にエッチングすることにより、下磁性層２を得る。その後、アセトン及びイソプロピルアルコールにより、下磁性膜用マスクパターンを除去する。その後、フォトリソグラフィ技術を使用して、有機レジスト膜からなるＭＲＡＭ磁気トンネル接合部用マスクパターンを基板上に形成し、イオンミリング装置を使用して、第１及び第２のＡｌ−Ｏ膜並びにＦｅ50Ｃｏ50膜を所望の形状にエッチングすることにより、第１のＡｌ−Ｏバリア膜３、第２のＡｌ−Ｏバリア膜４及び上磁性層５を得る。その後、アセトン及びイソプロピルアルコールにより、磁気トンネル接合部用マスクパターンを除去する。
【００２４】
その後、先のスパッタ装置の真空容器内に基板１を設置し、真空容器内を１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、５ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下でＲＦ電源により、電力を１ｋＷ、成膜速度を１２０Å／分として、ＳｉＯ2絶縁膜を１０００Åの膜厚で成膜することにより、ＳｉＯ2からなる絶縁膜６を得る。
【００２５】
その後、フォトリソグラフィ技術を使用して、有機レジスト膜からなる上下電極取り出し孔用マスクパターンを基板上に形成し、イオンミリング装置を使用して絶縁膜６に開口部６ａ及び６ｂを設ける。その後、アセトン及びイソプロピルアルコールにより、上下電極取り出し孔用マスクパターンを除去する。
【００２６】
その後、スパッタ装置の真空チャンバ内に基板１を設置し、真空チャンバ内を１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で、ＤＣ電源を使用して、電力を１００Ｗ、成膜速度を１００Å／分として、Ｃｕ膜を３０００Åの膜厚で成膜する。その後、フォトリソグラフィ技術を使用して、有機レジスト膜からなる上電極用マスクパターンを基板上に形成し、イオンミリング装置を使用して、上電極を形成する。その後、アセトン及びイソプロピルアルコールにより、上電極用マスクパターンを除去し、ＭＲＡＭ用の磁気トンネル素子を得る。
【００２７】
次に、図１に示す磁気トンネル接合素子の第２の製造方法について説明する。先ず、予めアセトンにより洗浄した６インチの熱酸化処理Ｓｉ基板１をマグネトロンスパッタ装置に取り付ける。このスパッタ装置には、予め、Ｆｅ70Ｃｏ30からなる３インチのターゲット、Ｆｅ50Ｃｏ50からなる３インチのターゲット、Ａｌからなる３インチのターゲット、ＳｉＯ2からなる３インチのターゲット、及びＣｕからなる３インチのターゲットが配設されている。
【００２８】
次いで、スパッタ装置の真空チャンバを１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下でＲＦ電源を使用して、Ｓｉ基板１を２００Ｗの電力で５分間洗浄する。その後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下において、ＤＣ電源を使用して、電力を１００Ｗ、成膜速度を６０Å／分として、Ｓｉ基板１上にＦｅ70Ｃｏ30膜を２００Åの膜厚で成膜する。その後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下において、ＤＣ電源を使用して、電力を２０Ｗ、成膜速度を２４Å／分として、Ｆｅ70Ｃｏ30膜上に第１のＡｌ膜を１０Åの膜厚で成膜する。その後、基板１をスパッタ装置から取り出し、３０℃の大気中に８時間放置して酸化処理を行う。これにより、第１のＡｌ−Ｏ膜が得られる。
【００２９】
その後、再度、スパッタ装置に基板１を設置し、真空チャンバ内を１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で、ＤＣ電源を使用して、電力を２０Ｗ、成膜速度を２４Å／分として、第１のＡｌ−Ｏ膜上に第２のＡｌ膜を１０Åの膜厚で成膜する。その後、基板１をスパッタ装置から取り出し、３０℃の大気中に８時間放置して酸化処理を行う。これにより、第２のＡｌ−Ｏ膜が得られる。
【００３０】
その後、再度、スパッタ装置の真空チャンバ内に基板１を設置し、真空チャンバ内を１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で、ＤＣ電源を使用して、電力を１００Ｗ、成膜速度を７５Å／分として、第２のＡｌ−Ｏ膜上にＦｅ50Ｃｏ50膜を２００Åの膜厚で成膜する。
【００３１】
その後、フォトリソグラフィ技術を使用して、有機レジスト膜からなるＭＲＡＭ下磁性膜用マスクパターンを基板上に形成し、イオンミリング装置を使用して、Ｆｅ70Ｃｏ30膜を所望の形状にエッチングすることにより、下磁性層２を得る。その後、アセトン及びイソプロピルアルコールにより、下磁性膜用マスクパターンを除去する。その後、フォトリソグラフィ技術を使用して、有機レジスト膜からなるＭＲＡＭ磁気トンネル接合部用マスクパターンを基板上に形成し、イオンミリング装置を使用して、第１及び第２のＡｌ−Ｏ膜並びにＦｅ50Ｃｏ50膜を所望の形状にエッチングすることにより、第１のＡｌ−Ｏバリア膜３、第２のＡｌ−Ｏバリア膜４及び上磁性層５を得る。その後、アセトン及びイソプロピルアルコールにより、磁気トンネル接合部用マスクパターンを除去する。
【００３２】
その後、スパッタ装置の真空チャンバ内に基板１を設置し、真空チャンバ内を１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、５ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で、ＲＦ電源を使用して、電力を１ｋＷ、成膜速度を１２０Å／分として、ＳｉＯ2絶縁膜を１０００Åの膜厚で成膜することにより、ＳｉＯ2からなる絶縁膜６を得る。その後、フォトリソグラフィ技術を使用して、有機レジスト膜からなる上下電極取り出し孔用マスクパターンを基板上に形成し、イオンミリング装置を使用して、絶縁膜６に開口部６ａ及び６ｂを設ける。その後、アセトン及びイソプロピルアルコールにより、上下電極取り出し孔用マスクパターンを除去する。
【００３３】
その後、再度フォトリソグラフィ技術を使用して、レジスト膜からなるＣｕ電極用マスクパターンを基板上に形成する。その後、スパッタ装置の真空チャンバ内に基板１を設置し、真空チャンバ内を１．０×１０-7Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で、ＤＣ電源を使用して、電力を１００Ｗ、成膜速度を１００Å／分として、Ｃｕ膜を３０００Åの膜厚で成膜する。その後、ことにより、ＳｉＯ2からなる絶縁膜６を得る。その後、アセトン及びイソプロピルアルコールを使用して、Ｃｕ電極用マスクパターンを除去することにより、ＭＲＡＭ用の磁気トンネル接合素子が得られる。
【００３４】
このようにして形成された磁気トンネル接合素子について、バリア膜の構造を以下に詳細に説明する。図２乃至図４は縦軸にＸ線電子分光法（ＸＰＳ）による相対強度をとり、横軸にバリア膜表面からの深さをとって、バリア膜の膜厚方向におけるＡｌ、Ｏ及びＣｏの濃度分布を示すグラフ図である。但し、図２は本実施例に示すように、５０Åの膜厚のＡｌ膜の形成及び酸化処理を２回実施することにより形成した１００Åの膜厚のバリア膜について示している。また、図３及び図４は、夫々、従来のプラズマ酸化法、自然酸化法により形成した１００Åの膜厚のバリア膜について示している。
【００３５】
図２に示すように、本実施例においては、膜厚方向における酸素濃度が一定ではなく、バリア膜の表面から５０Åの深さの領域で酸素濃度が上昇している。また、１段ずつの酸化の深さは約５０Åであり、磁性層への酸素の混入は殆どない。また、図３に示すように、従来のプラズマ酸化法を使用してＡｌ膜を酸化すると、プラズマ酸化法は酸化力が極めて強いので、バリア膜を酸化させるだけでなく、下磁性層に多量の酸素を混入させてしまう。従って、Ｆｅ90Ｃｏ10の分極率を有効に利用することができず、磁気トンネル抵抗変化率が低下する。更に、図４に示すように、従来の自然酸化法を使用してＡｌ膜を酸化すると、緻密な酸化膜が形成されるが、約５０Å以上の酸化膜の形成は不可能となる。従って、バリア膜内に多量の金属Ａｌが残存し、バリア膜と磁性層との界面が形成されないので、磁気トンネル抵抗変化率は減少する。
【００３６】
このように、本実施例においては、Ａｌ膜を形成した後にこのＡｌ膜をプラズマ酸化又は大気酸化する工程を２回繰り返すことにより、バリア膜を形成している。これにより、図２に示すように、下磁性層とバリア膜との界面におけるＡｌ膜の残存、又は酸素による下磁性層の浸食が発生することを防止することができるので、両磁性層の分極率を高めることができ、磁気トンネル抵抗変化率を向上させることができる。
【００３７】
なお、磁気トンネル接合素子を製造する方法として、Ａｌ膜を形成した後にこのＡｌ膜を酸化して酸化膜を得る工程を複数回繰り返して、純酸化雰囲気中でバリア膜を形成する多段酸化法を利用することは公知である（P.K.Wong.et.al., High conductance magnetoresistive tunnel junctions with multiply oxidized barrier, J.Appl.Phys.,Vol.83,No.11,June 1998）。しかし、この多段酸化法のみを使用しても、バリアの絶縁抵抗が１ｋΩ・μｍ2以上とならず、十分な磁気抵抗変化率を発現させることができない。
【００３８】
本発明においては、下磁性層とバリア膜との界面におけるＡｌ膜の残存、及び酸素による下磁性層の浸食を完全に防止するので、下磁性層にも、高い分極率を得ることができるＦｅ、Ｃｏ又はＮｉ等を含有する磁性材料を使用することができる。従って、優れた特性を有する磁気トンネル接合素子を得ることができる。
【００３９】
上述の本実施例においては、Ｃｏ−Ｆｅ系の磁性層及びＡｌ−Ｏからなるバリア膜を有する磁気トンネル接合素子について説明したが、本発明においては、磁性層及びバリア膜の材料はこれに限定されるものではない。例えば、磁性層の材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうち、少なくとも１種を含有する合金、金属間化合物、酸化物並びに窒化物を使用することができる。また、本発明において、下磁性層及び上磁性層の膜厚が、夫々５Å未満であると、連続膜が形成されずに、島状に不連続な層が形成されることがある。一方、下磁性層及び上磁性層の膜厚が、夫々５００Åを超えると、膜表面が荒れてバリア膜又は層間絶縁膜の均質性が乱れることがある。従って、本発明において、下磁性層及び上磁性層の膜厚は、夫々５乃至５００Åとすることが好ましい。
【００４０】
更に、本発明においては、各段階におけるＡｌ膜の膜厚が５Å未満であると、連続膜が形成されずに、島状に不連続なＡｌ膜が形成されることがある。一方、バリア膜の総膜厚が１００Åを超えると、バリア膜の障壁を超えるトンネル電流が流れなくなることがある。従って、本発明においては、各段階におけるＡｌ膜の膜厚は５Å以上、バリア膜の総膜厚は１００Å以下とすることが好ましい。なお、バリア膜をより一層薄く形成して、トンネル電流の透過率を上昇させると、磁気トンネル抵抗変化率を高めることができる。従って、バリア膜の総膜厚が１０乃至２０Åであると、より一層好ましい。
【００４１】
更にまた、本発明におけるＡｌ膜のプラズマ酸化条件については、酸素の分圧が１０Ｔｏｒｒ未満であると、安定なプラズマ状態を得ることができず、Ａｌ膜の酸化が不十分となってバリア膜として不完全なものとなることがある。一方、酸素の分圧が１００Ｔｏｒｒを超えると、過剰の酸化によってバリア膜の抵抗が上昇して、バリア膜の絶縁抵抗が５０ｋΩ・μｍ2以下とならないことがある。また、高周波プラズマの出力が１０Ｗ未満であると、Ａｌ膜の酸化が不十分となってバリア膜が不完全なものとなることがある。一方、高周波プラズマの出力が１００Ｗを超えると、過剰の酸化によってバリア膜の抵抗が上昇し、バリア膜の絶縁抵抗が５０ｋΩ・μｍ2以下とならないことがある。更に、プラズマ酸化時間が５分を超えると、過剰の酸化によってバリア膜の抵抗が上昇して、バリア膜の絶縁抵抗が５０ｋΩ・μｍ2以下とならないことがある。従って、プラズマ酸化によりバリア膜を形成する際には、酸素の分圧を１０乃至１００Ｔｏｒｒとすることが好ましく、また、高周波プラズマの出力を１０乃至１００Ｗとすることが好ましく、プラズマ酸化時間を５分以下としたバリア膜を積層することが望ましい。
【００４２】
また、本発明におけるＡｌ膜の大気中酸化条件については、雰囲気温度が１５℃未満であると、Ａｌ膜の酸化が不十分となってバリア膜として不完全なものとなることがある。一方、雰囲気温度が７０℃を超えると、過剰の酸化によってバリア膜の抵抗が上昇し、バリア膜の絶縁抵抗が５０ｋΩ・μｍ2以下とならないことがある。大気中酸化の場合には、大気に触れた瞬間に酸化が進行してバリア膜が形成される場合がある一方で、大気中酸化時間が１０時間を超えると、過剰の酸化によってバリア膜の抵抗が上昇し、バリア膜の絶縁抵抗が５０ｋΩ・μｍ2以下とならないことがある。従って、大気中酸化によりバリア膜を形成する際には、雰囲気温度が１５乃至７０℃の大気中で酸化することが好ましく、大気中酸化の時間を１０時間以下としたバリア膜を積層することが望ましい。
【００４３】
更にまた、上述の本実施例においては、スパッタ法により各層を成膜したが、本発明においては、各層の成膜方法については特に限定するものではなく、例えば、真空蒸着法、分子線エピタキシー法及びＭＯＣＶＤ法等を使用することができる。また、本発明においては、酸化方法についても、酸素を含有するガス雰囲気下でプラズマ酸化又は大気中酸化する方法の他に、純酸素雰囲気下でプラズマ酸化する方法等を使用することができる。また、プラズマ酸化と大気中酸化とを組み合わせて酸化を行ってもよい。
【００４４】
更にまた、本発明方法により製造される磁気トンネル接合素子は、ＭＲＡＭのみに適用されるものではなく、磁気トンネル接合素子を利用する磁気ヘッド等にも適用することができる。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の実施例方法により製造した磁気トンネル接合素子について、その比較例と比較して具体的に説明する。本実施例方法により製造した図１に示す構造の磁気トンネル接合素子について、定電流電源及び磁界発生装置を使用した磁場中直流四端子法により、磁気抵抗特性を評価した。但し、実施例Ｎｏ．１は、１０Åの膜厚のＡｌ膜を形成してこれをプラズマ酸化した後、再度１０Åの膜厚のＡｌ膜を形成してこれをプラズマ酸化することにより、総膜厚が２０Åのバリア膜を形成したものである。一方、比較例Ｎｏ．２は、２Åの膜厚のＡｌ膜を形成してこれをプラズマ酸化した後、再度２Åの膜厚のＡｌ膜を形成してこれをプラズマ酸化することにより、総膜厚が４Åのバリア膜を形成したものである。
【００４６】
図５及び図６は縦軸に磁気トンネル接合素子の素子抵抗をとり、横軸に外部磁場をとって、素子抵抗と外部磁場との関係を示すグラフ図である。但し、図５は実施例Ｎｏ．１の磁気トンネル接合素子について評価した結果を示し、図６は比較例Ｎｏ．２の磁気トンネル接合素子について評価した結果を示す。図５に示すように、実施例Ｎｏ．１は３８．８ｋΩ・μｍ2の素子抵抗が得られ、磁気トンネル抵抗変化率は３１．２％となった。一方、図６に示すように、比較例Ｎｏ．２については有効なバリア膜を形成することができず、磁気トンネル抵抗変化を確認することができなかった。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、金属膜を形成した後にこの金属膜をプラズマ酸化又は大気中酸化する工程を２回以上繰り返すことによりバリア膜を形成するので、バリア膜の両面における磁性層の分極率が損われることがなく、これにより、磁気トンネル抵抗変化率が３０％以上であると共に、絶縁抵抗が５０ｋΩ・μｍ2以下である磁気トンネル接合素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例に係る磁気トンネル接合素子を示す断面図である。
【図２】  縦軸にＸ線電子分光法による相対強度をとり、横軸にバリア膜表面からの深さをとって、バリア膜の膜厚方向におけるＡｌ、Ｏ及びＣｏの濃度分布を示すグラフ図である。
【図３】  縦軸にＸ線電子分光法による相対強度をとり、横軸にバリア膜表面からの深さをとって、バリア膜の膜厚方向におけるＡｌ、Ｏ及びＣｏの濃度分布を示すグラフ図である。
【図４】  縦軸にＸ線電子分光法による相対強度をとり、横軸にバリア膜表面からの深さをとって、バリア膜の膜厚方向におけるＡｌ、Ｏ及びＣｏの濃度分布を示すグラフ図である。
【図５】  縦軸に磁気トンネル接合素子の素子抵抗をとり、横軸に外部磁場をとって、素子抵抗と外部磁場との関係を示すグラフ図である。
【図６】  縦軸に磁気トンネル接合素子の素子抵抗をとり、横軸に外部磁場をとって、素子抵抗と外部磁場との関係を示すグラフ図である。
【図７】  従来の磁気トンネル接合素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１；Ｓｉ基板    ２，２２；下磁性層    ３，４，２３；バリア膜    ５，２５；上磁性層    ６，２４；絶縁膜    ６ａ，６ｂ；開口部    ７ａ，７ｂ；Ｃｕ電極    ２１；基板    ２４ａ；コンタクトホール    ２６；配線層
【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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