(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁性層と、該第１磁性層の上面に形成されたトンネル障壁層と、該トンネル障壁層の上面に形成された第２磁性層と、を包含する磁気トンネル接合を形成し、赤外線ランプを使用して前記磁気トンネル接合を２００〜６００℃の温度範囲で１０秒〜１０分間の間急速熱処理を施すことで、前記トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トンネル障壁層と前記第１、第２磁性層間の界面を均一化させることを特徴とする磁気トンネル接合の製造方法。
【請求項２】
前記急速熱処理は、磁場を加えながら行うことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合の製造方法。
【請求項３】
前記急速熱処理を施した後、１０秒〜１０分間冷却す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の製造方法。
【請求項４】
前記急速熱処理は、２５０〜３００℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合の製造方法。
【請求項５】
前記急速熱処理を施した後、追加的に熱処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合の製造方法。
【請求項６】
前記第１磁性層は固定層で、前記第２磁性層は自由層で、前記第１磁性層の下面には前記第１磁性層のスピン方向を固定させる反強磁性層が形成されてい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の製造方法。
【請求項７】
前記反強磁性層は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ及びＮｉＯ中の何れか一つにより構成されることを特徴とする請求項６に記載の磁気トンネル接合の製造方法。
【請求項８】
前記反強磁性層がＦｅＭｎの場合は２００〜４００℃の温度範囲内で、また、前記反強磁性層がＩｒＭｎまたはＰｔＭｎの場合は３００〜６００℃の温度範囲内で、それぞれ熱処理を施すことを特徴とする請求項７に記載の磁気トンネル接合の製造方法。
【請求項９】
前記反強磁性層は、強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる合成反強磁性体であることを特徴とする請求項６に記載の磁気トンネル接合の製造方法。
【請求項１０】
前記第１磁性層及び第２磁性層は、スピン方向を制御し得る保磁力が相互異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、磁気トンネル接合の製造方法に係るもので、詳しくは、急速熱処理を施すことで電磁気的特性及び熱的安定性を向上し得る、磁気トンネル接合の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）の核心技術は、安定的で優れた磁気抵抗特性を示す薄膜素材の開発技術と、従来の半導体回路及び工程を利用した集積工程技術と、に大別される。最近、研究が活発に行なわれているトンネル磁気抵抗（tunneling magnetoresistance；以下、ＴＭＲと略称する）効果とは、強磁性体／絶縁体（半導体）／強磁性体の構造を有する接合において、強磁性体の相対的な磁化方向によって磁気トンネル接合における電流（以下、トンネル電流と称す）が変化する現象をいう。トンネル磁気抵抗効果を示す磁気抵抗薄膜素子、即ち、磁気トンネル接合素子は、磁気ディスクドライブの磁界センサーだけでなく、優れた特性の不揮発性の磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory；以下、ＭＲＡＭと略称する）素子に最も適合した薄膜素子として脚光を浴びている。
【０００３】
このような従来の磁気トンネル接合素子においては、図７に示したように、基板１１と、下部リード１２と、シード層（seed layer）ｌ３と、反強磁性層１４と、第１磁性層１５と、トンネル障壁層1６と、第２磁性層１７と、上部リード１８と、により構成されている。
即ち、従来の磁気トンネル接合は、絶縁層または酸化層（一般にＡｌ2Ｏ3）からなる前記トンネル障壁層１６を前記第１磁性層１５及び第２磁性層１７で挟むサンドイッチ構造になっている。一般に、前記反強磁性層１４は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎまたはＮｉＯにより構成される。
【０００４】
前記磁気トンネル接合において、電流は、各層に電流が平行に流れる巨大磁気抵抗（giant magnetoresistance；ＧＭＲ）構造とは異なって前記各層に対して垂直に流れる。従って、前記第１、第２磁性層１５、１７のスピン方向（磁化方向）が同じ方向であると、抵抗が小さくて電流のトンネル確率が高く、一方、スピン方向（磁化方向）が正反対であると、抵抗が大きくて電流のトンネル確率が小さい。即ち、トンネル電流は、前記各磁性層１５、１７の相対的磁気スピン方向に依存する。このように、磁気スピンの方向によってトンネル電流が変化する（即ち、接合の抵抗値が変化する）性質を利用して、該当ビットが“０”であるかまたは“１”であるかを判別することができる。従って、外部から磁気トンネル接合に磁場を掛けて、ビットを記録または読出すことができる。
【０００５】
磁気トンネル接合は、保磁力の異なる２つの磁性層を利用してスピンの方向を制御し得る仮想スピンバルブ（pseudo spin valve）型と、反強磁性層の交換バイアス磁場を利用して２つの磁性層中何れか１つの層のスピン方向を固定させることで、他の磁性層のスピン方向を調節し得る交換バイアス型とに区分される。
前記ＭＲＡＭの動作時、一つのセルは、ビット線またはワード線中の一つだけで選択されるケースが多く、このようなセルは反復的に干渉を受ける。従って、磁気的クリープ現象が生じて磁化が中間状態になるか、または、完全に磁化反転が発生する可能性がある。このような場合にはメモリ素子のエラーを誘発するため、反強磁性層によるスピン方向（磁化方向）の強力な固定が要求される。そのため、前記反強磁性層１４を合成反強磁性材料（強磁性層／非磁性層／強磁性層）により構成して、前記第１磁性層１５のスピン方向（磁化方向）を固定する効果を増大させている。
【０００６】
且つ、磁気トンネル接合素子の開発において最も重大なことの一つとして、ＴＭＲ比率を増加させることが挙げられる。なぜならば、前記ＴＭＲ比率は、ＭＲＡＭの出力、密度及び速度に大いに影響を及ぼす重要な要素であるからである。また、磁気トンネル接合素子の開発において、記録のための磁化の反転及び熱的安定性も非常に重要である。一般に、４〜６インチのウエハにおいて、ＴＭＲ比率及び磁気トンネル接合の抵抗（抵抗に接合面を乗算した比抵抗（Ｒ×Ａ：ここで、Ｒは抵抗、Ａは接合面の面積））は比較的良好な分布を示すが、磁気トンネル接合の磁化反転が発生する磁場はかなり不均一である。このように不均一な磁場は、磁気トンネル接合素子の大きさの減少に伴って、特に、１μｍ2以下で一層増加することが観察される。その理由としては、磁区による複雑な磁化反転挙動及びエッチング工程により製造される微細パターン化された素子形状の不均一性が主要要因として推定されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、従来の磁気トンネル接合の製造方法においては、磁気トンネル接合に磁場を加えながら長時間の間熱処理を施すことで、磁気トンネル接合のＴＭＲ比及び交換磁気異方性（Ｈex）を向上させると共に、磁気スピン方向が制御される自由層の磁化反転時の矩形性（squareness）を向上させていたため、製造費用が増加するという不都合な点があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、短時間の熱処理だけで磁気トンネル接合のＴＭＲ比率及び交換磁気異方性Ｈexを向上させ、自由層の磁化反転時の矩形性を向上させると共に、磁気トンネル接合の熱的安定性を向上し得る、磁気トンネル接合の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法においては、第１磁性層と、該第１磁性層の上面に形成されたトンネル障壁層と、該トンネル障壁層の上面に形成された第２磁性層と、を包含する磁気トンネル接合を形成し、赤外線ランプを使用して前記磁気トンネル接合を２００〜６００℃の温度範囲で１０秒〜１０分間の間急速熱処理を施すことで、前記トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トンネル障壁層と前記第１、第２磁気層間の界面を均一化させることを特徴とする。
【００１０】
前記急速熱処理は、磁場を加えながら行うとよい。
前記急速熱処理を施した後、１０秒〜１０分間冷却させ、素子の特性を向上させるために前記急速熱処理を施した後、追加的に従来の熱処理を施すこともできる。
【００１１】
本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法により製造された磁気トンネル接合は、前記第１磁性層は磁気スピン方向を固定する固定層で、前記第２磁性層は磁気スピン方向が制御される自由層で、前記第１磁性層の下面には当該第１磁性層のスピン方向を固定させる反強磁性層が形成された交換バイアス型で、また、前記第１磁性層及び第２磁性層は、スピン方向を制御し得る保磁力が相互異なる仮想スピンバルブ型である。
【００１２】
前記反強磁性層は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ及びＮｉＯ中何れか一つにより構成するとよく、前記反強磁性層がＦｅＭｎの場合は２００〜４００℃の温度範囲内で、また、前記反強磁性層がＩｒＭｎまたはＰｔＭｎの場合は３００〜６００℃の温度範囲内で、それぞれ熱処理を施すとよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に対し、図面を用いて説明する。
本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法においては、第１磁性層と、第１滋性層の上面に形成されたトンネル障壁層と、該トンネル障壁層の上面に形成された第２磁性層と、を包含する磁気トンネル接合を形成し、赤外線ランプを使用して前記接合を２００〜６００℃の温度範囲で１０秒〜１０分間の間急速熱処理を施すことで、前記トンネル障壁層内の元素を再分布させ、該トンネル障壁層と前記第１、第２磁性層間の界面を均一化させることを特徴とする。
【００１４】
前記急速熱処理は、磁場を加えながら行われることを特徴とする。
前記急速熱処理を施した後、１０秒〜１０分間冷却させ、素子の特性を向上させるために前記急速熱処理を施した後、追加的に従来の熱処理を施してもよい。
本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法により製造された磁気トンネル接合は、前記第１磁性層は磁気スピン方向を固定する固定層で、前記第２磁性層は磁気スピン方向が制御される自由層で、前記第１磁性層の下面には該第１磁性層のスピン方向を固定させる反強磁性層が形成された交換バイアス型で、また、前記第１磁性層及び第２磁性層は、スピン方向を制御し得る保磁力が相互異なる仮想スピンバルブ型である。
【００１５】
前記反強磁性層は、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ及びＮｉＯ中何れか一つにより構成し、前記反強磁性層がＦｅＭｎの場合は２００〜４００℃の温度範囲内で、また、前記反強磁性層がＩｒＭｎまたはＰｔＭｎの場合は３００〜６００℃の温度範囲内で、それぞれ熱処理を施すことを特徴とする。
次の表１は、従来の熱処理（conventional thermal anneal：ＣＴＡ）条件及び本発明に係る急速熱処理（rapid thermal anneal：ＲＴＡ）条件の一例をそれぞれ示している。
【００１６】
【表１】
0004498660.tif 000002
【００１７】
表１において、本発明に係る急速熱処理（ＲＴＡ）は、総処理時間が２分未満で、従来の熱処理（ＣＴＡ）よりも短時間で磁気トンネル接合の特性を電磁気的及び熱的に最適化することができる。
図１は、表１に示した従来の熱処理（ＣＴＡ）条件及び本発明に係る急速熱処理（ＲＴＡ）条件によりそれぞれ熱処理を施した磁気トンネル接合における熱処理温度によるＴＭＲ比及び交換磁気異方性（Ｈex）の変化をそれぞれ示したグラフである。図から明らかなように、従来の熱処理（ＣＴＡ）を施した場合、温度が２３０℃まで増加するに伴ってＴＭＲ比も継続して増加して４０％に達する。
【００１８】
その理由は、熱処理によりトンネル障壁のＡｌ酸化層（Ａｌ2Ｏ3）から酸素の再分布及び均一化が生じて、酸化層がトンネル化のための最適化された構造を有するようになるからであると判断される。しかし、２３０℃以上の温度ではＴＭＲ比が急激に減少し、その理由は未だ明確にされてないが、反強磁性層のマンガン（Ｍｎ）が拡散して酸化層または固定層に悪影響を与えるからであると推定されている。
【００１９】
一方、本発明に係る急速熱処理（ＲＴＡ）を施した場合は、２５０〜３００℃の温度範囲で４６％のＴＭＲ比を表す。
また、抵抗は、従来の熱処理及び本発明に係る急速熱処理の両方共に、温度によって数ｋΩから数百Ωに減少する。
そして、交換磁気異方性（Ｈex）は、従来の熱処理を施した場合、２３０℃までは１８０Ｏｅから２３０Ｏｅまで増加し、その後、急激に減少する。一方、本発明に係る急速熱処理を施した場合は、２５０〜３００℃の温度範囲で最高値の２３０Ｏｅを示し、その後、温度増加に従って極めて徐々に減少する。
【００２０】
また、磁気トンネル接合の断面を比較してみると、本発明に係る急速熱処理が施される以前の磁気トンネル接合においては、図２（Ａ）に示したように、トンネル障壁層のＡｌ酸化層は、上下の磁性層との界面に屈曲があって明確に確認されない。一方、本発明に係る急速熱処理が施された磁気トンネル接合においては、図２（Ｂ）に示したように、トンネル障壁層の酸化層の上下界面が比較的明確に現れ、トンネル障壁層の酸化層の酸素の再分布及び均一化が向上して、トンネル障壁層の酸化層の各界面が明確に形成されたことを示している。従って、トンネル効果も非常に向上する。
【００２１】
図３は、本発明に係る急速熱処理が施された磁気トンネル接合における熱処理時間による酸化層の厚さ及び高さの変化をそれぞれ示したグラフで、該グラフは、３００℃におけるシモンズ（Simmons）モデルから電流−電圧曲線を分析して得られたものである。同グラフから分かるように、トンネル障壁層の酸化層の厚さ及び高さは、本発明に係る急速熱処理が施されてから初期１０秒以内に急速に変化し、初期１０秒以後の酸化層の厚さ及び高さの変化は、熱処理時間に伴って極めて徐々に行なわれることが分かる。
【００２２】
図４は、熱処理を施す以前の磁気トンネル接合（図の（ａ））、３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合（図の（ｂ））、３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された後、更に３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合（図の（ｃ））のそれぞれにおける、ＴＭＲ比曲線及び磁化履歴曲線（Ｍ）の変化を示したグラフで、同グラフから分かるように、図の（ｃ）の場合が図の（ｂ）の場合よりもＴＭＲ比及び交換磁気異方性（Ｈex）が遥かに向上する。磁気モーメントの変化から、本発明に係る急速熱処理及び従来の熱処理が施された磁気トンネル接合（図の（ｃ））は、熱処理が施されていない磁気トンネル接合（図の（ａ））の磁気モーメントと類似する。即ち、３００℃で従来の熱処理によって劣化される磁気トンネル接合は、本発明に係る急速熱処理によっては３００℃でもそれほど劣化されないことが分かる。
【００２３】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、熱処理を行う前後のトンネル障壁層及びマンガン（Ｍｎ）分布変化をそれぞれ示した図で、（Ａ）が熱処理を施す以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）が３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｃ）が３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された後、更に３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合である。図５（Ａ）から分かるように、本発明に係る急速熱処理を施すと、過酸化されたトンネル障壁層（ＡｌＯx）で酸素の再分布及び均一化が行なわれてトンネル効果が向上される。一方、従来の熱処理を施す場合も、適切な温度条件下では類似する効果が得られる。しかし、温度が高い場合は、図５（Ｂ）に示されたように、反強磁性層（ＦｅＭｎ）のマンガン（Ｍｎ）が固定層に存在する点欠陥（図中、＋で示す）などによりトンネル障壁層に容易に拡散して、磁気トンネル接合素子のトンネル現象に致命的な影響を与える。しかし、本発明に係る急速熱処理を施した場合は、短時間（約数十秒）以内に過酸化されたトンネル障壁層から酸素の再分布及び均一化が発生すると同時に、マンガン（Ｍn）の拡散経路として作用する固定層に存在する点欠陥などが本発明に係る急速熱処理によって消滅されるので、従来の熱処理によるマンガン（Ｍｎ）の拡散を防止することができる。このようなマンガン（Ｍｎ）の拡散防止メカニズムによる本発明に係る急速熱処理の熱安定性向上の様子を図５（Ｃ）に示した。
【００２４】
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、オージェ電子分光法分析グラフであって、（Ａ）が熱処理を施す以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）が３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｃ）が３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｄ）が３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された後、更に３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合の場合である。図６の（Ｃ）と（Ｂ）、（Ｄ）とを比較してみると、図６の太線（Ｍｎ）に着目すると、スパッター時間６０分地点で、（Ｂ）は略平らな傾向を示すのに対して、（Ｃ）は上方に持ち上がった部分が生じている。これは、トンネル障壁層側にマンガン（Ｍｎ）が拡散された結果である。また、（Ｄ）は、（Ｂ）と比較して上方に少し持ち上がったプロファイルを示すが、（Ｃ）に比べれば持ち上がりが小さいことが分かる。このことから、従来の熱処理だけを施したときは、本発明に係る急速熱処理を施したときよりもマンガン（Ｍｎ）の拡散が一層目立つことが分かる。即ち、オージェ電子分光法分析は、本発明に係る急速熱処理による熱安定性向上を直接的に示している。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法においては、磁気トンネル接合のＴＭＲ比を著しく向上し得るという効果がある。
そして、本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法においては、従来の熱処理方法よりも遥かに短時間で効果的に磁気トンネル接合の特性を最適化し得る効果がある。
【００２６】
且つ、本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法においては、トンネル障壁層の酸化層の屈曲を減少させてトンネル効果を向上し得る効果がある。
また、本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法においては、トンネル障壁層の酸化層に及ぼす熱処理の効果が非常に短時間で現れるようにして、酸化層を効果的に最適化し得る効果がある。
【００２７】
更に、本発明に係る磁気トンネル接合の製造方法においては、急速熱処理方法に加えて従来の熱処理方法を施すことで、ＴＭＲ比及び交換磁気異方性を著しく向上し得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の熱処理条件及び本発明に係る急速熱処理条件によりそれぞれ熱処理を施した磁気トンネル接合における熱処理温度によるＴＭＲ比及び交換磁気異方性（Ｈex）の変化を示したグラフである。
【図２】磁気トンネル接合の断面図を示し、（Ａ）は本発明に係る急速熱処理が施される以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）は本発明に係る急速熱処理が施された磁気トンネル接合である。
【図３】本発明に係る急速熱処理が施された磁気トンネル接合における熱処理時間による酸化層の厚さ及び高さの変化を示したグラフである。
【図４】熱処理を施す以前の磁気トンネル接合、３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合及び３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された後更に３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合のそれぞれにおけるＴＭＲ比曲線及び磁化履歴曲線（Ｍ）の変化を示したグラフである。
【図５】熱処理を行う前後のトンネル障壁層及びマンガン（Ｍｎ）分布変化を示した図で、（Ａ）は熱処理を施す以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）は３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｃ）は３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された後更に３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合である。
【図６】オージェ電子分光法分析グラフであり、（Ａ）は熱処理を施す以前の磁気トンネル接合、（Ｂ）は３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｃ）は３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合、（Ｄ）は３００℃で本発明に係る急速熱処理が施された後更に３００℃で従来の熱処理が施された磁気トンネル接合である。
【図７】磁気トンネル接合素子の構造例を示した断面図である。
【符号の説明】
１４    反強磁性層
１５    第１磁性層
１６    トンネル障壁層
１７    第２磁性層
【図１】
0004498660.tif 000003
【図２】
0004498660.tif 000004
【図３】
0004498660.tif 000005
【図４】
0004498660.tif 000006
【図５】
0004498660.tif 000007
【図６】
0004498660.tif 000008
【図７】
0004498660.tif 000009