(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
この基体と反対側の面に露出するように形成されたタンタル（Ｔａ）からなる第１のキャップ層を有する導電リード層と、
ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなるシード層と、
反強磁性材料からなるピンニング層と、このピンニング層の側から順に第１の強磁性層、結合層、第２の強磁性層を有すると共に前記第１の強磁性層および第２の強磁性層が互いに逆平行の磁化方向を示すように構成されたシンセティック反強磁性ピンド層とを含んでなる下部導電層と、
完全な単層構造とならない程度に前記第２の強磁性層の表面に吸着された酸素原子の集合体からなる酸素界面活性層と、
アモルファス層と酸化アルミニウム平滑層との積層構造からなり、かつ平滑な表面を有するトンネルバリア層と、
強磁性フリー層と第２のキャップ層とを含んでなる上部導電層と
を順に備え、
前記アモルファス層および酸化アルミニウム平滑層は、いずれも均質な化学量論組成を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）からなり、
前記酸化アルミニウム平滑層を構成する酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）は、均質な結晶粒径を有するアルミニウム平滑層がラジカル酸化法によって酸素原子を取り込むことにより酸化されたものである
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記シード層は、クロム（Ｃｒ）の原子数の割合が３５％以上４５％以下であるニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記ピンニング層は、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みを有する白金マンガン合金（ＭｎＰｔ）層、または、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有するイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）層である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記結合層はルテニウム（Ｒｕ）を含むものであり、
前記第１および第２の強磁性層はコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含むものであり、
少なくとも前記第２の強磁性層は、鉄（Ｆｅ）を２５％含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含むものである
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記結合層はルテニウム（Ｒｕ）を含むものであり、
前記第１の強磁性層はコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含むものであり、
前記第２の強磁性層は鉄（Ｆｅ）を１０％含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）と鉄（Ｆｅ）を６０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）とを含む複合材料からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
前記結合層は０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みを有し、
前記第１の強磁性層は１．８ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の物理的厚みを有し、
前記第２の強磁性層は１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の物理的厚みを有する
ことを特徴とする請求項４に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
前記結合層は０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の物理的厚みを有し、
前記第１の強磁性層は１．８ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の物理的厚みを有し、
前記第２の強磁性層は、０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の物理的厚みを有し、鉄（Ｆｅ）を２５％含有する１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の物理的厚みをなすコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）と同等の磁気厚みを有するものである
ことを特徴とする請求項５に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
前記アモルファス層および酸化アルミニウム層に含まれる酸素原子の少なくとも一部は、前記酸素界面活性層から移動したものである
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項９】
前記トンネルバリア層は、物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成された０．７ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するアルミニウム平滑層をラジカル酸化法によって酸化処理することにより得られる酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）平滑層を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１０】
前記強磁性フリー層は、
０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有すると共に鉄（Ｆｅ）を２５％含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）層と、
２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有すると共に鉄（Ｆｅ）を２０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層と
からなる２層構造である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１１】
前記強磁性フリー層は、
０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有すると共に鉄（Ｆｅ）を６０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層と、
２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有すると共に鉄（Ｆｅ）を２０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層と
からなる２層構造である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１２】
基体を用意する工程と、
前記基体上に金属層とタンタル（Ｔａ）からなる第１のキャップ層とを順に形成したのち、前記第１のキャップ層をスパッタエッチングすることにより導電リード層を形成する工程と、
スパッタエッチングされた前記第１のキャップ層の上に、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなるシード層を形成する工程と、
前記シード層の上に反強磁性材料からなるピンニング層を形成する工程と、
前記ピンニング層の上に、第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とを順に積層することによりシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程と、
前記第２の強磁性層の上面に、完全な単層構造とならない程度に吸着された酸素原子の集合体からなる酸素界面活性層を形成する工程と、
前記酸素界面活性層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に強磁性フリー層を形成する工程と、
前記強磁性フリー層の上に第２のキャップ層を形成する工程と、
全体を磁場中において加熱処理することにより、前記シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を設定すると共に前記トンネルバリア層の均質性を向上させる工程と
を含み、
前記トンネルバリア層を形成する工程は、
真空蒸着装置を用いて前記酸素界面活性層の上にアルミニウム膜を形成することにより、前記酸素界面活性層からアルミニウム膜への酸素原子の移動および吸着を引き起こして化学量論的にＡｌ2 Ｏ3 となるアモルファス層を形成すると共に、平滑な表面を有し、かつ、均質な寸法の結晶粒からなるアルミニウム平滑層を前記アモルファス層の上に形成する工程と、
ラジカル酸化法を用いて前記アルミニウム平滑層を酸化処理することにより、厚み方向において前記アモルファス層に達すると共に化学量論的にＡｌ2 Ｏ3 となる酸化アルミニウム平滑層を形成する工程と
を含む
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１３】
クロム（Ｃｒ）の原子数の割合が３５％以上４５％以下であるニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）を用いて前記シード層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１４】
８ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みをなすように前記第１のキャップ層を形成したのち、スパッタエッチングにより２ｎｍ以上３ｎｍ以下の厚みとなるようにエッチング処理する
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１５】
白金マンガン合金（ＭｎＰｔ）を用いて１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みを有するように、またはイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）を用いて５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有するように前記ピンニング層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１６】
ルテニウム（Ｒｕ）を含む材料により前記結合層を形成し、
コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含む材料により前記第１の強磁性層を形成し、
鉄（Ｆｅ）を２５％含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含む材料により前記第２の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１７】
ルテニウム（Ｒｕ）を含む材料により前記結合層を形成し、
コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含む材料により前記第１の強磁性層を形成し、
鉄（Ｆｅ）を１０％含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）と、鉄（Ｆｅ）を６０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）とを含む複合材料により前記第２の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１８】
０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みを有するように前記結合層を形成し、
１．８ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有するように前記第１の強磁性層を形成し、
１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するように前記第２の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項１６に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１９】
０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みを有するように前記結合層を形成し、
１．８ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有するように前記第１の強磁性層を形成し、
鉄（Ｆｅ）を２５％含有する、１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の物理的厚みをなすコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）と同等の磁気厚みを有し、かつ、０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の物理的厚みを有するように前記第２の強磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項１７に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２０】
０．０２ｓｃｃｍ以上０．０４ｓｃｃｍ以下の割合で酸素ガスを供給し、２．６６６×１０-5 Ｐａ（２×１０-7 ｔｏｒｒ）の気圧となるように保持された室内において少なくとも２分間に亘って前記第２の強磁性層の表面をスパッタリングすることにより、前記酸素界面活性層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２１】
０．５ｐｐｍ未満の酸素を含む第１のアルゴンガスと、４００ｐｐｍ以上６００ｐｐｍ以下の酸素を含む第２のアルゴンガスとを混合することにより、１．３３３×１０-7 Ｐａ以上１．３３３×１０-6 Ｐａ以下（１０-9 ｔｏｒｒ以上１０-8 ｔｏｒｒ以下）の酸素分圧であると共に全圧が５．３３２×１０-2 Ｐａ（０．４×１０-3 ｔｏｒｒ）である混合ガスを生成し、これを成膜室内に供給する工程と、
前記成膜室内のベースプレッシャーを６．６６５×１０-7 Ｐａ（５×１０-9 ｔｏｒｒ）とし、前記混合ガス中において前記第２の強磁性層の表面をスパッタリングすることにより前記酸素界面活性層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２２】
前記トンネルバリア層を形成する工程では、
０．５リットルの酸素ガスをプラズマチャンバ内に配置されたイオン化電極へ供給し、
前記イオン化電極に５００ワット以上８００ワット以下の電力を供給することにより、前記酸素ガスを局所的にイオン化させる工程と、
酸素分子、酸素原子、酸素イオンおよび酸素ラジカルからなる酸素種のシャワーを形成するように、前記イオン化した酸素ガスを網目状の金属部材を通過させる工程と、
前記アルミニウム層に向けて前記酸素種のシャワーを放出する工程と
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２３】
０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有し鉄（Ｆｅ）を２５％含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）層と、２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有し鉄（Ｆｅ）を２０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層とを積層することにより、２層構造をなす前記強磁性フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２４】
０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有し鉄（Ｆｅ）を６０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層と、２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有し鉄（Ｆｅ）を２０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）層とを積層することにより、２層構造をなす前記強磁性フリー層を形成する
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル効果を示す磁気トンネル接合素子およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ；magnetic tunnel junction）素子は、上部磁性層と下部磁性層との間に極薄の誘電体層（トンネルバリア層）が設けられた構造をなし、上部磁性層および下部磁性層の互いの磁化方向に応じて、トンネルバリア層を通過するスピン分極したトンネリング電流の抵抗値が変化するようになっている。電子は下部磁性層を通過する際に、その磁化方向によってスピン分極する。電子が下部磁性層からトンネルバリア層を介して上部磁性層へとトンネリングする確率は、上部磁性層の磁化方向に依存する。すなわち、トンネリングの確率は電子の持つスピンに依存し、トンネル電流は上部磁性層の磁化方向と下部磁性層の磁化方向との相対的な関係に依存する。ＭＴＪ素子における２つの強磁性層のうちの一方はピンド層であり、固定された磁化方向を有し、他方のフリー層が外部磁場に応じて変化する磁化方向を示すようになっている。フリー層の磁化方向が連続して動くことができる場合、外部磁界を連続的に変化させることによって可変抵抗として動作するデバイスとなる。フリー層の磁化方向がピンド層の磁化方向と平行または逆平行の２つの向きのいずれかのみに限定される場合には、低抵抗状態（トンネリング確率の高い状態）または高抵抗状態（トンネリング確率の低い状態）を形成するスイッチとして振る舞い、データの格納および検索を行うＭＲＡＭなどに使用することができる。
【０００３】
現在、ＭＴＪ素子は、磁気ランダムアクセスメモリ（magnetic random access memory；ＭＲＡＭ）における磁気メモリ素子としての利用がなされている。例えばGallagher等はダイオードと連結されたＭＴＪ素子を備えたＭＲＡＭアレイについて開示している（特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第５６４０３４３号明細書
【０００４】
情報メモリ素子として使用したとき、書き込み電流は、フリー層の磁化方向に対して作用し、ピンド層の磁化方向と互いに平行または逆平行をなすように方向付けする。ここで、低抵抗状態を二値情報におけるゼロに対応させ、高抵抗状態を二値情報における１に対応させる。その後、センシング電流をＭＴＪ素子に流すと、ＭＴＪ素子は磁化方向が平行か逆平行かに応じて（０か１かに応じて）高抵抗または低抵抗を示すこととなる。一般的には、フリー層の磁化方向の反転動作は、互いに直交する２つの電流線に書き込み電流を流すことによって生じる。これらの２つの電流線は互いに異なる階層に配置されるものである。一方の電流線はディジット線またはワード線と呼ばれ、ＭＴＪ素子との間に誘電体材料を挟むことによりＭＴＪ素子から電気的に孤立するように構成されている。他方の電流線はビット線と呼ばれ、ＭＴＪ素子の上面と電気的に連結しており、書き込み動作（フリー層の磁化方向を変化させる動作）および読み出し動作（高抵抗または低抵抗のいずれかを検出する動作）を行う際に用いられる。ワード線は、電流磁場がフリー層の磁化困難軸に平行な方向に発生するような方向に延在している。一方のビット線は、フリー層の磁化容易軸と平行なスイッチング磁場を形成するような方向に延在している。これら２つの電流線は、しきい値（フリー層およびピンド層の磁化方向における平行状態から逆平行状態（またはその逆）への遷移に必要な磁場）をちょうど上回るような合成磁場を形成するように、ＭＴＪ素子が配置された箇所において互いに直交している。このＭＴＪ素子をＭＲＡＭセルに用いる場合、その迅速な応答性を得るためには、より高い抵抗変化率（ＤＲ／Ｒ）が必要となる。ここで、ＤＲはフリー層の磁化方向が反転したときの抵抗変化量を意味し、Ｒはフリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向とが互いに平行にあるときの最小の抵抗値を意味する。また、安定した動作のためには、ＭＴＪ素子の接合抵抗ＲＡ（Ａは、ＭＴＪ素子の断面積）が十分に制御されていなければならない。ＭＴＪ素子を備えたＭＲＡＭセルがメモリの基本素子として用いられる場合、複数のＭＲＡＭセルがアレイ状に構成され、データの記憶および検出を行う素子としてＣＭＯＳと組み合わされた集積回路を構成する。高い抵抗変化率を有するＭＲＡＭセルまたはＭＲＡＭアレイを実現するには、高精度な接合抵抗を得るため、より薄く、かつ平坦性の高い高品質な膜によりＭＴＪ素子が構成されていることが要求される。
【０００５】
標準的なＭＲＡＭセルにおいては、ＭＴＪ素子（ピンド層／トンネルバリア層／フリー層）が下部導電層としてのビット線の上に形成されている。ビット線は、例えば「タンタル（Ｔａ）／銅（Ｃｕ）／タンタル（Ｔａ）」または「ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）／ルテニウム（Ｒｕ）／タンタル（Ｔａ）」といった積層構造をなしている。トンネルバリア層は、酸化アルミニウムが一般的である。これまで、トンネルバリア層の形成時におけるアルミニウムの酸化制御について様々な試みがなされてきている。一般的な形成方法においてトンネルバリア層を形成する際には、まず下部磁性層の上に、例えば物理蒸着法（ＰＶＤ：physical vapor deposition）によりアルミニウム膜を形成する。この場合、多結晶のアルミニウム膜が形成される。このアルミニウム膜の厚みに応じて異なった酸化方法が採用される。例えば、自然酸化法（natural oxidation：ＮＯＸ）や、プラズマ酸化法、ラジカル酸素酸化法（radical oxygen oxidation：ＲＯＸ）などである。
【０００６】
ＭＲＡＭセルに用いられる一般的なトンネルバリア層としは、自然酸化法（in-situ酸化法）によって形成された０．７ｎｍから１．０ｎｍ程度の厚みをなすものが一般的である。この場合、数ｋΩμｍ2の接合抵抗ＲＡが得られることとなる。一方、プラズマ酸化法の場合、強力な酸素プラズマイオンが、下地となっている強磁性材料からなるピンド層にダメージを与えることとなる。最近ではラジカル酸化法が用いられることが多い。
【０００７】
このラジカル酸化法では、シャワーキャップと呼ばれる金属メッシュを敷くことによりアルミニウム膜をプラズマから保護する。その場合、活性酸素および中性酸素（neutral oxygen）のみが基体上のアルミニウム膜に到達することとなる。最初の段階では、酸素がアルミニウム結晶粒の表面を均等に覆うので、その結果、アモルファス構造となる。酸化はアルミニウム膜の表面から開始され、良好な酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を形成することとなる。酸化は次第に表面からアルミニウム層と下部電極層との界面へ向かうように進んでいく。結晶粒の内部への進行と比べて、結晶粒界に沿ってより速く酸素拡散が進んでいくことが一般に知られている。その結果、酸素拡散は一定速度で進まず、アルミニウム膜を通過する際の空間的な広がりに依存することとなる。いくつかの酸化方法に関する議論が、Y,Andoらによってなされている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】「種種の酸化方法によって形成される強磁性トンネル接合に好適な薄い絶縁層の成長メカニズム（Growth mechanisms of thin insulating layer on ferromagnetic tunnel junctions prepared using various oxidation methods）」ジャーナル・オブ・フィジックス．Ｄ．：アプライド・フィジックス（J.Phys.D.:Appl.Phys.）、第３５巻、2415-2421ページ、２００２年。
【０００８】
なお、プラズマ酸化法によって形成した酸化層については、Heejae Shim等によって議論されている（例えば、非特許文献２参照）。
【非特許文献２】「Ｎ2Ｏプラズマによって形成されたトンネルバリア層を有する磁気トンネル接合素子（Magnetic tunnel junctions with a tunnel barrier formed by N2O plasma）」アプライド・フィジックス・レターズ（Appl.Phys.Lett）、第８３巻、第２２号、4583ページ、２００３年１２月１日。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、酸素原子が不足した酸化状態、すなわち化学量論的にＡｌ2ＯX（Ｘ＜３）となっている状態が、例えば自然酸化法によって酸化処理を行った場合に、アルミニウム膜における下部磁性層との界面近傍（表面と反対側）において観察される。この場合、接合抵抗ＲＡが低く、絶縁破壊電圧や抵抗変化率も低い値を示すこととなる。一方、トンネルバリア層内に酸素原子が過剰に存在した酸化状態では、酸素がトンネルバリア層から下部磁性層にまで拡散する。その結果、接合抵抗ＲＡを著しく増大させることができる。しかし、抵抗変化率は減少してしまう。このため、適量の酸素原子が取り込まれた状態（例えば、化学量論的にＡｌ2Ｏ3となっている状態）のトンネルバリア層を備えたＭＴＪ素子およびそのようなＭＴＪ素子を容易に形成可能な方法が望まれる。
【００１０】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、より良好な磁化特性を発現する磁気トンネル接合素子およびそ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】
【００１１】
本発明の磁気トンネル接合素子は、基体と、この基体と反対側の面に露出するように形成されたタンタル（Ｔａ）からなる第１のキャップ層を有する導電リード層と、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなるシード層と、反強磁性材料からなるピンニング層ならびに、このピンニング層の側から順に第１の強磁性層、結合層、第２の強磁性層を有すると共に第１の強磁性層および第２の強磁性層が互いに逆平行の磁化方向を示すように構成されたシンセティック反強磁性ピンド層とを含んでなる下部導電層と、完全な単層構造とならない程度に第２の強磁性層の表面に吸着された酸素原子の集合体からなる酸素界面活性層と、アモルファス層と酸化アルミニウム平滑層との積層構造からなり、かつ平滑な表面を有するトンネルバリア層と、強磁性フリー層および第２のキャップ層を含んでなる上部導電層とを順に有するようにしたものである。
ここで、アモルファス層および酸化アルミニウム平滑層は、いずれも均質な化学量論組成を有するＡｌ2 Ｏ3からなり、そのうち酸化アルミニウム平滑層を構成するＡｌ2 Ｏ3 は、均質な結晶粒径を有するアルミニウム平滑層がラジカル酸化法によって酸素原子を取り込むことにより酸化されたものである
【００１２】
本発明の磁気トンネル接合素子では、シンセティック反強磁性ピンド層と強磁性フリー層との間に、均質な結晶粒径を有するアルミニウム膜が酸素原子を取り込むことにより酸化された均質な化学量論組成を有する酸化アルミニウムからなり、かつ表面が平滑なトンネルバリア層を備えるようにしたので、接合抵抗が十分に確保されつつ、より大きな抵抗変化量が得られる。
【００１３】
本発明の磁気トンネル接合素子の形成方法は、以下の（Ａ）〜（Ｊ）の各工程を含むようにしたものである。
（Ａ）基体を用意する工程。
（Ｂ）基体上に金属層とタンタル（Ｔａ）からなる第１のキャップ層とを順に形成したのち、その第１のキャップ層をスパッタエッチングすることにより導電リード層を形成する工程。
（Ｃ）スパッタエッチングされた第１のキャップ層の上に、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなるシード層を形成する工程。
（Ｄ）シード層の上に反強磁性材料からなるピンニング層を形成する工程。
（Ｅ）ピンニング層の上に、第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とを順に積層することによりシンセティック反強磁性ピンド層を形成する工程。
（Ｆ）第２の強磁性層の上面に、完全な単層構造とならない程度に吸着された酸素原子の集合体からなる酸素界面活性層を形成する工程。
（Ｇ）酸素界面活性層の上にトンネルバリア層を形成する工程。
（Ｈ）トンネルバリア層の上に強磁性フリー層を形成する工程。
（Ｉ）強磁性フリー層の上に第２のキャップ層を形成する工程。
（Ｊ）全体を磁場中において加熱処理することにより、シンセティック反強磁性ピンド層の磁化方向を設定すると共にトンネルバリア層の均質性を向上させる工程。
ここで（Ｇ）のトンネルバリア層を形成する工程は、さらに、以下の（ａ）および（ｂ）の各工程を含むものである。
（ａ）真空蒸着装置を用いて酸素界面活性層の上にアルミニウム膜を形成することにより、酸素界面活性層からアルミニウム膜への酸素原子の移動および吸着を引き起こして化学量論的にＡｌ2 Ｏ3 となるアモルファス層を形成すると共に、平滑な表面を有し、かつ、均質な寸法の結晶粒からなるアルミニウム平滑層をアモルファス層の上に形成する工程。
（ｂ）ラジカル酸化法を用いてアルミニウム平滑層を酸化処理することにより、厚み方向においてアモルファス層に達すると共に化学量論的にＡｌ2 Ｏ3 となる酸化アルミニウム平滑層を形成する工程。
【００１４】
本発明の磁気トンネル接合素子の形成方法では、酸素界面活性層の上にアルミニウム膜を形成したのち、酸素界面活性層からアルミニウム膜への酸素原子の移動および吸着を引き起こすことにより、化学量論的にＡｌ2Ｏ3となるアモルファス層を形成し、そのアモルファス層の上に平滑な表面を有し、かつ均質な寸法の結晶粒からなるアルミニウム平滑層を形成し、さらにラジカル酸化法を用いて上記アルミニウム平滑層を酸化処理することにより化学量論的にＡｌ2Ｏ3となる酸化アルミニウム平滑層を形成するようにしたので、均質化された化学量論組成の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなるトンネルバリア層が、より確実に形成されることとなる。
【００１５】
本発明の磁気トンネル接合素子およびその形成方法では、クロム（Ｃｒ）の原子数の割合が３５％以上４５％以下であるニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）を用いてシード層を構成することが望ましい。
【００１６】
本発明の磁気トンネル接合素子およびその形成方法では、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みを有する白金マンガン合金（ＭｎＰｔ）層、または５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有するイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）層をピンニング層とすることが望ましい。
【００１７】
本発明の磁気トンネル接合素子およびその形成方法では、ルテニウム（Ｒｕ）を用いて０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みを有するように結合層を構成し、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含む材料により１．８ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有するように第１の強磁性層を構成することが望ましい。第２の強磁性層については、鉄（Ｆｅ）を２５％含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含む材料により１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有するように構成してもよいし、あるいは、鉄（Ｆｅ）を１０％含有するコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）と、鉄（Ｆｅ）を６０％含有するニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）とを含む複合材料により０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するように構成することもできる。
【００１８】
本発明の磁気トンネル接合素子の形成方法では、０．０２ｓｃｃｍ以上０．０４ｓｃｃｍ以下の割合で酸素ガスを供給し、２．６６６×１０-5Ｐａ（２×１０-7ｔｏｒｒ）の気圧となるように保持された室内において少なくとも２分間に亘って第２の強磁性層の表面をスパッタリングすることにより、酸素界面活性層を形成することが望ましい。また、トンネルバリア層を形成する工程では、０．５リットルの酸素ガスをプラズマチャンバ内に配置されたイオン化電極へ供給し、イオン化電極に５００ワット以上８００ワット以下の電力を供給することにより酸素ガスを局所的にイオン化させる工程と、酸素分子、酸素原子、酸素イオンおよび酸素ラジカルからなる酸素種のシャワーを形成するように、イオン化した酸素ガスを網目状の金属部材を通過させる工程と、アルミニウム層に向けて酸素種のシャワーを放出する工程とを含んでいることが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の磁気トンネル接合素子によれば、シンセティック反強磁性ピンド層と強磁性フリー層との間に、均質な結晶粒径を有するアルミニウム膜が酸素原子を取り込むことにより酸化された均質な化学量論組成を有する酸化アルミニウムからなると共に表面が平滑なトンネルバリア層を備えるようにしたので、十分な接合抵抗と、より大きな抵抗変化量とを得ることができる。よって、抵抗変化率を向上を図ることができる。
【００２０】
本発明の磁気トンネル接合素子の形成方法によれば、酸素界面活性層を酸素原子の供給源として利用し、その酸素界面活性層と隣接するアルミニウム膜へ酸素原子を拡散させるようにしたので、均質化された化学量論組成の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなるトンネルバリア層をより確実に形成することができる。したがって、接合抵抗と、抵抗変化量とが共に向上し、より大きな抵抗変化率を発現する磁気トンネル接合素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気トンネル接合素子の構成について説明する。図１は、本実施の形態の磁気トンネル接合素子（以下、ＭＴＪ素子という。）における積層断面構成を拡大して示したものである。
【００２３】
図１に示したように、本実施の形態のＭＴＪ素子は、基体１上に、導電リード層１０と、シード層２０と、下部導電層３０と、酸素界面活性層（ＯＳＬ：oxygen surfactant layer）４０と、トンネルバリア層５０と、上部導電層６０とが順に形成されたものである。下部導電層３０は、ピンニング層３１と、シンセティック反強磁性ピンド層（以下、ＳｙＡＰ層という。）３２とをシード層２０の側から順に備えている。ＯＳＬ４０およびトンネルバリア層５０を介して下部電極層３０と反対側に設けられた上部導電層６０は、フリー層６１と、キャップ層（第２のキャップ層）６２とを有している。
【００２４】
基体１は、例えばシリコン（Ｓｉ）やそのほかの半導体からなり、トランジスタやダイオードなどのデバイスを含むように構成されている。
【００２５】
導電リード層１０は、例えば、このＭＴＪ素子に対して積層方向にセンシング電流を流す際の電流経路となるものであり、基体１に埋設されたトランジスタやダイオードなどと接続されている。この導電リード層１０は、非磁性かつ導電性の材料からなる層が複数積層された積層構造をなしている。具体的には、基体１の側から、タンタル層１１とルテニウム層１２とタンタル層１３とが順に積層されたＴａ／Ｒｕ／Ｔａという構成となっている。タンタル層１３は、本発明の第１のキャップ層に相当する一具体例である。タンタル層１３は、例えば２ｎｍ以上３ｎｍ以下の厚みを有している。
【００２６】
シード層２０は、例えばニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなるものであり、その上に形成されるピンニング層３１の結晶成長を促進させる機能を有している。ＮｉＣｒとしては、クロム（Ｃｒ）の原子数の割合が全体の３５％以上４５％以下であるものを用いることが望ましい。
【００２７】
ピンニング層３１は、反強磁性材料により構成され、ＳｙＡＰ層３２の磁化方向のピンニングを行うように機能するものである。反強磁性材料として白金マンガン合金（ＭｎＰｔ）を用いて構成するようにした場合には、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。また、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）を用いて構成するようにした場合には、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。
【００２８】
ＳｙＡＰ層３２は、ピンニング層３１の側から順に下部強磁性層（第１の強磁性層）３２１と結合層３２２と上部強磁性層（第２の強磁性層）３２３とが積層されたものである。ここで、下部強磁性層３２１および上部強磁性層３２３は、互いに逆平行の磁化方向を示すように構成されている。下部および上部強磁性層３２１，３２３はコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を含むものであり、少なくとも上部強磁性層３２３は、鉄（Ｆｅ）を２５％含有するコバルト鉄合金（これ以降、ＣｏＦｅ（２５％）と記す）により構成されていることが望ましい。この場合、下部強磁性層３２１は１．８ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の厚みを有しており、上部強磁性層３２３は１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みを有していることが望ましい。あるいは、上部強磁性層３２３については、鉄（Ｆｅ）を１０％含有するコバルト鉄合金（これ以降、ＣｏＦｅ（１０％）と記す）と鉄（Ｆｅ）を６０％含有するニッケル鉄合金（これ以降、ＮｉＦｅ（６０％）と記す）とを含む複合材料により構成されていてもよい。その場合、上部強磁性層３２３は、１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の（物理的な）厚みをなすＣｏＦｅ（２５％）と同等の磁気厚み（magnetic thickness）を有し、かつ、０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の（物理的な）厚みを有していることが望ましい。結合層３２２はルテニウム（Ｒｕ）を含むものであり、例えば０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の厚みを有している。
【００２９】
ＯＳＬ４０は、上部強磁性層３２３の表面に吸収（吸着）された酸素原子の集合体からなるものである。
【００３０】
トンネルバリア層５０は、アモルファス層５１と酸化アルミニウム層５８とが順に積層された構造を有し、その表面が平滑であり、均質な化学量論組成を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）により構成されている。特に酸化アルミニウム層５８における酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）は、均質な結晶粒径を有するアルミニウム層が酸素原子を取り込むことにより酸化されてなるものである。具体的には、酸化アルミニウム層５８は、例えば物理蒸着法（ＰＶＤ）によって形成された０．７ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有するアルミニウム層５３（後出）をラジカル酸化法によって酸化処理することにより得られるものである。アモルファス層５１および酸化アルミニウム層５８に含まれる酸素原子の少なくとも一部は、ＯＳＬ４０から移動したものである。
【００３１】
フリー層６１は、例えば、ＣｏＦｅ（２５％）からなる第１層と、ＮｉＦｅ（２０％）からなる第２層との２層構造をなしている。ここで、第１層は、例えば０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みを有し、第２層は、例えば２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みを有している。あるいは、フリー層６１は、ＮｉＦｅ（６０％）からなる第１層と、ＮｉＦｅ（２０％）からなる第２層との２層構造であってもよい。その場合、第１層については０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の厚みとし、第２層については２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下の厚みとするとよい。
【００３２】
キャップ層（第２のキャップ層）６２は、例えばタンタル（Ｔａ）などの非磁性導電性材料からなり、ＭＴＪ素子を構成する他の層（フリー層６１、トンネルバリア層５０、下部導電層３０など）を保護するものである。キャップ層６２は、例えば１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みを有している。
【００３３】
以上説明した本実施の形態のＭＴＪ素子における２つの構成例（Ａ），（Ｂ）を以下にまとめて示す。
（Ａ）「ＢＬ／Ｔａ（ＳＥ）／ＮｉＣｒ／ＭｎＰｔ／ＣｏＦｅ（１０％）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（２５％）／ＯＳＬ／Ａｌ（ＲＯＸ）／ＣｏＦｅ（２５％）-ＮｉＦｅ（２０％）／Ｔａ」
（Ｂ）「ＢＬ／Ｔａ（ＳＥ）／ＮｉＣｒ／ＭｎＰｔ／ＣｏＦｅ（１０％）／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（１０％）-ＮｉＦｅ（６０％）／ＯＳＬ／Ａｌ（ＲＯＸ）／ＮｉＦｅ（６０％）-ＮｉＦｅ（２０％）／Ｔａ」
ここで、「ＢＬ」は下部導電層を表し、Ｔａ（ＳＥ）はスパッタエッチングされたタンタル層を表し、Ａｌ（ＲＯＸ）はラジカル酸化法により酸化処理されたアルミニウム層を表す。
【００３４】
以上のような構造をなす本実施の形態のＭＴＪ素子では、全体に亘って究極的に均質化されたＡｌ2Ｏ3からなる高品質なトンネルバリア層５０を備えるようにしたので、十分な接合抵抗と、より大きな抵抗変化量とを得ることができる。したがって、より微弱な信号磁界を検知することが可能であり、高集積化したＭＲＡＭセルアレイに搭載されるＭＲＡＭセルのＭＴＪ素子として好適である。
【００３５】
本実施の形態のＭＴＪ素子では、ＣｏＦｅを含む上部強磁性層３２３が均質かつ化学量論組成の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなるトンネルバリア層５０と近接配置されているので、より高い抵抗変化率ＤＲ／Ｒを得やすい構造となっている。また、上部強磁性層３２３を構成する材料としてＣｏＦｅ（２５％）を用いた場合には、ＣｏＦｅ（１０％）を用いた場合よりも高い抵抗変化率ＤＲ／Ｒがもたらされる。これは、ＣｏＦｅ（２５％）の場合、Ａｌ2Ｏ3との界面においてスピン分極が顕著に起こることに起因すると考えられる。さらに、ＮｉＦｅ（６０％）を上部強磁性層３２３に用いた場合には、よりいっそう高い抵抗変化率ＤＲ／Ｒが得られる。これは、ニッケル（Ｎｉ）と酸素（Ｏ）との結合エネルギーがコバルト（Ｃｏ）と酸素（Ｏ）との結合エネルギーよりも弱いので、アニール工程において、上部強磁性層としてＣｏＦｅを用いた場合よりもＮｉＦｅを用いた場合のほうが、より酸素の放出が起こりやすいためと推定される。
【００３６】
続いて、図１に加え、図２から図５を参照して、本実施の形態のＭＴＪ素子の形成方法について説明する。本実施の形態では、ＭＴＪ素子を構成する全ての層を真空チャンバなどの成膜室内において例えばＰＶＤ法により成膜する。さらに、酸化処理については、所定の雰囲気となるように制御可能な酸化処理用チャンバ内において行う。具体的には、例えば、真空ＰＶＤチャンバおよびプラズマ酸化用チャンバの双方を備えたアネルバ社製７１００装置（Anelva 7100 system）を使用する。当然のことながら、他の同様の装置を用いることも可能である。
【００３７】
まず図２に示したように、基体１を用意し、その上にＰＶＤ法などにより導電リード層１０を形成する。ここでは、タンタル層１１とルテニウム層１２とタンタル層１３とを順に積層する。タンタル層１３については、当初、例えば８ｎｍから１０ｎｍ程度の厚みをなすように形成し、そののち、厚み方向にエッチングを施すことによって、例えば２ｎｍ以上３ｎｍ以下の厚みとなるように平滑化および厚みの均一化を図るようにする。
【００３８】
次に図３に示したように、導電リード層１０の上にシード層２０を形成する。ここでは、クロム（Ｃｒ）の含有率が全体の３５％以上４５％以下であるＮｉＣｒを用いてシード層２０を形成することが好ましい。
【００３９】
さらに、シード層２０の上に、例えばピンニング層３１と、３層構造のＳｙＡＰ層３２とを順に形成することによって下部導電層３０を形成する。ピンニング層３１については、例えばＭｎＰｔを用いて１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みとなるように形成する。あるいは、ＩｒＭｎを用いて５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有するように形成することもできる。ＳｙＡＰ層３２は、ピンニング層３１の上に下部強磁性層３２１と結合層３２２と上部強磁性層３２３とを順に積層することによって得られる。下部強磁性層３２１については、ＣｏＦｅ（１０％）を用いて、例えば１．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下（特に２．５ｎｍ）の厚みとなるように形成する。結合層３２２については、ルテニウム（Ｒｕ）を用いて、例えば０．７ｎｍ以上０．８ｎｍ以下（特に０．７５ｎｍ）の厚みとなるように形成することが望ましい。さらに、上部強磁性層３２３については、ＣｏＦｅ（２５％）を用いて、例えば１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成することが望ましい。あるいは、ＣｏＦｅ（１０％）とＮｉＦｅ（６０％）との混合材料により上部強磁性層３２３を形成するようにしてもよい。この場合、０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の物理的厚みとすることで、ＣｏＦｅ（２５％）で１．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の厚みとなるように形成した場合と同等の磁気膜厚となるようにするとよい。
【００４０】
続いてＯＳＬ４０を、酸化処理用チャンバの内部で上部強磁性層３２３を酸化することにより形成する。具体的には、少量の酸素を混合したアルゴンガスを酸化処理用チャンバの室内に供給しながら、上部強磁性層３２３の表面をスパッタリングすることによってＯＳＬ４０を形成する。スパッタリングされた上部強磁性層３２３の上層部分において少量の酸素が効率的に移動し、拡散することがわかっている。この場合、２．６６６×１０-5Ｐａ（２×１０-7ｔｏｒｒ）という非常に低い圧力下で、０．０２ｓｃｃｍ以上０．０４ｓｃｃｍ以下の流量を維持しながら少なくとも２分以上（好ましくは５分間）行うようにする。その結果、完全な単層構造とならない程度の酸素が上部強磁性層３２３の表面に付着することとなる。
【００４１】
ＯＳＬ４０を形成する工程では、０．５ｐｐｍ未満の酸素を含む第１のアルゴンガスと、４００ｐｐｍ以上６００ｐｐｍ以下の酸素を含む第２のアルゴンガスとを混合することにより、１．３３３×１０-7Ｐａ以上１．３３３×１０-6Ｐａ以下（１０-9ｔｏｒｒ以上１０-8ｔｏｒｒ以下）の酸素分圧であると共に全体の気圧が５．３３２×１０-2Ｐａ（０．４×１０-3ｔｏｒｒ）である混合ガスを形成し、その混合ガスを成膜室内に供給しつつ、成膜室内のベースプレッシャーを６．６６５×１０-7Ｐａ（５×１０-9ｔｏｒｒ）とし、上部強磁性層３２３の表面をスパッタリングすることによりＯＳＬ４０を形成するようにしてもよい。なお、ＣｏＦｅ単体またはＣｏＦｅ−ＮｉＦｅ複合材料のいずれを用いて上部強磁性層３２３を形成した場合であっても、アルゴンと酸素との混合ガス中でスパッタリングを行うことによりＯＳＬ４０を形成することが可能である。
【００４２】
ＯＳＬ４０を形成したのち、図４に示したように、薄く、平滑なトンネルバリア層５０を形成する。具体的には、まず、ＯＳＬ４０の上に、アルミニウム膜を０．７ｎｍ以上１．０ｎｍ以下（好ましくは０．９ｎｍ）の厚みとなるように形成する。この際、酸素とＣｏＦｅとの反応性（reactivety）よりも酸素とアルミニウムとの反応性のほうが強いので、ＯＳＬ４０に含まれる酸素がアルミニウム膜へ移動（拡散）し、アルミニウム原子によって吸着されるので、界面領域に非常に薄いアモルファス層５１が形成されることとなる。このアモルファス層５１は実質的に化学量論組成の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）となっている。さらに、アルミニウム膜の形成を続けると、ＯＳＬ４０からアルミニウム膜へ移動する酸素原子が底をつき、アモルファス層５１を覆うようにアルミニウム層（アルミニウム平滑層）５３が形成されることとなる。アルミニウム層５３は、非常に小さな粒径の結晶層である。アルミニウム層５３と面する部分のアモルファス層５１が、アルミニウムの結晶粒成長を阻害するからである。
【００４３】
続いて、ラジカル酸化法を用いてアルミニウム層５３を酸化処理することにより、図５に示したように、厚み方向においてアモルファス層５１に達すると共に化学量論的にＡｌ2Ｏ3となる酸化アルミニウム層（酸化アルミニウム平滑層）５８を形成する。なお、ラジカル酸化法そのものについては、従来より周知の手法である。ラジカル酸化法とは、プラズマ酸化用チャンバ内で実施されるプラズマ酸化であり、ここでは酸素ラジカルや酸素原子、プラズマによって生成された酸素イオンなどのシャワーによってアルミニウム層５３を酸化処理する。具体的には、０．５リットルの酸素ガスをプラズマ酸化用チャンバ内に配置されたイオン化電極へ供給し、そのイオン化電極に５００ワット以上８００ワット以下の電力を供給することにより、酸素ガスを局所的にイオン化させる。そののち、酸素分子、酸素原子、酸素イオンおよび酸素ラジカルからなる酸素種のシャワーを形成するように、イオン化した酸素ガスをグリッド状（網目状）の金属部材（シャワーキャップ）を通過させ、アルミニウム層５３に向けて上記の酸素種のシャワーを放出するようにする。シャワーキャップはアルミニウム層５３とイオン化電極との間に配置されている。イオン化電極によって形成された酸素種（酸素原子、酸素分子、酸素ラジカルおよび酸素イオン）は、シャワーキャップを通過してアルミニウム層５３の表面に達したときにエネルギーを失うこととなる。このようなラジカル酸化法による酸化処理により、小さな粒径からなる結晶性のアルミニウム層５３が良質な酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）層５８となり、アモルファス層５１と共にトンネルバリア層５０を構成することとなる。このように形成されたトンネルバリア層５０は、十分に均質な成分となっている。
【００４４】
次に、トンネルバリア層５０の上にフリー層６１を形成する。例えば、ＮｉＦｅ（６０％）からなる第１層とＮｉＦｅ（２０％）からなる第２層との２層構造とする。この場合、第１層は０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下（特に１．０ｎｍ）の厚みとすることが好ましく、第２層は２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下（特に３．０ｎｍ）の厚みとすることが好ましい。あるいは、ＣｏＦｅ（２５％）からなる第１層およびＮｉＦｅ（２０％）からなる第２層を有する２層構造のフリー層６１を形成することもできる。この場合、第１層は０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下（特に１．０ｎｍ）の厚みとすることが好ましく、第２層は２．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下（特に３．０ｎｍ）の厚みとすることが好ましい。
【００４５】
こののち、フリー層６１の上にタンタル（Ｔａ）などを用いてキャップ層６２を形成する。ここでは、例えば１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下となるようにキャップ層６２を形成する。
【００４６】
最後に、全体を磁場中において加熱処理することにより、ＳｙＡＰ層３２における下部および上部強磁性層３２１，３２３の磁化方向を設定すると共にトンネルバリア層５０の均質性を向上させるようにする。具体的には、１０ｋＯｅ（２．５×１０6／π  Ａ／ｍ）の磁場中において５時間に亘って２８０℃の温度を加える。このように長時間に亘って高温下に置くことにより、トンネルバリア層５０の内部に存在する酸素原子の十分な拡散が生じ、あるいは、上部強磁性層３２３に含まれる酸素原子のトンネルバリア層５０への移動が生じ、酸化状態の均質化が進むこととなる。よって、トンネルバリア層５０は時間の経過と共に均質化され、より完全なものに近づくこととなる。また、下部強磁性層３２１および上部強磁性層３２３は、この磁場中の加熱処理により、互いに逆平行の磁化方向を示すように設定される。以上により、本実施の形態のＭＴＪ素子が完成する。
【００４７】
本実施の形態のＭＴＪ素子の形成方法では、ＯＳＬ４０上に設けられたアルミニウム膜が、ＯＳＬ４０からの酸素供給により容易に酸化し、直ちにＡｌ2Ｏ3を形成することとなる。当初、アモルファスの酸化アルミニウムからなるアモルファス層５１が形成されるので、上部強磁性層３２３上におけるアルミニウムのエピタキシャル成長が阻害される。すなわち、結晶粒のさらなる成長を促進するようなサブレイヤーが存在し得ない。その結果、結晶粒はとても小さな粒径にとどまるので、アモルファス層５１の上に形成されるアルミニウム層５３は非常に平滑となる。さらに、本実施の形態におけるＭＴＪ素子の形成方法によれば、ラジカル酸化法を用いてアルミニウム層５３の表面にプラズマを供給する一方で、その表面と反対側に設けたＯＳＬ４０から酸素を供給することにより、アルミニウム層５３に対してその両面から酸化処理を施すことができる。このような操作により、均質な化学量論組成を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）からなるトンネルバリア層５０を得ることができる。
【００４８】
このように、本実施の形態では、トンネルバリア層５０が平滑であると共に特にフリー層６１と上部強磁性層３２３との両界面において化学量論的にＡｌ2Ｏ3である酸化アルミニウムにより構成されることとなる。このため、両方の界面近傍において対称的にスピン分極が生じ、その結果、より高い抵抗変化率ＤＲ／Ｒおよび絶縁破壊電圧が得られる。
【００４９】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００５０】
ここでは、酸素供給源としてのＯＳＬの機能を実験的に論証するため、下記のような単純化した積層構造（Ｃ）を形成し、その磁化特性について調査した。
【００５１】
（Ｃ）Ｔａ５／Ｒｕ１／ＣｏＦｅ（２５％）３／ＯＳＬ／ＮｉＣｒ５
【００５２】
積層構造（Ｃ）において、「Ｔａ５／Ｒｕ１／ＣｏＦｅ（２５％）３」は下部導電層である。そのうち「Ｔａ／Ｒｕ」は導電リード層であり、「ＣｏＦｅ」はピンド層である。なお、各層の名称と共に付した数値は、各層の厚み（ｎｍ）である。積層構造（Ｃ）は、上記実施の形態において説明した形成方法に基づいて作製した。
【００５３】
ここでは、３つの異なった酸素流量条件において、ＣｏＦｅ層を酸素雰囲気中に所定時間暴露することにより酸化処理をおこない、その結果、その飽和磁化Ｂｓがどのように変化したかについて調査した。その結果を表１に示す。表１には、酸素流量（ｓｃｃｍ）と、暴露時間ｔ（ｓｅｃ．）と、飽和磁化Ｂｓと保磁力Ｈｃと飽和磁化の変化量を示す。
【００５４】
【表１】
0004732781.tif 000002
【００５５】
表１には、酸化処理を行わない比較例と共に、酸素流量をそれぞれ０．０２，０．０４，０．３０ｓｃｃｍとした実施例１〜３を示す。暴露時間については、実施例１，２では３００秒間とし、実施例３では３０秒間とした。その結果、比較例と基準として、実施例１，２では飽和磁化Ｂｓが上昇し、保磁力Ｈｃが低下した。一方で、実施例３では、飽和磁化Ｂｓが低下し、保磁力Ｈｃが上昇した。
【００５６】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本発明の一具体例であり、本発明は、上記の内容に限定されるものではない。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明と一致する限り、好ましい具体例に対応して行われる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施の形態としての磁気トンネル接合素子における断面構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した磁気トンネル接合素子を形成する際の一工程を表す断面図である。
【図３】図２に続く一工程を表す断面図である。
【図４】図３に続く一工程を表す断面図である。
【図５】図４に続く一工程を表す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…基体、１０…導電リード層、１１…第１タンタル層、１２…ルテニウム層、１３…第２タンタル層（第１のキャップ層）、２０…シード層、３０…下部導電層、３１…反強磁性ピンニング層、３２…シンセティック反強磁性ピンド層（ＳｙＡＰ層）、３２１…下部強磁性層、３２２…結合層、３２３…上部強磁性層、４０…酸素界面活性層（ＯＳＬ）、５０…トンネルバリア層、５１…アモルファス層、５３…アルミニウム層、５８…酸化アルミニウム層、６０…上部導電層、６１…フリー層、６２…キャップ層（第２のキャップ層）。
【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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