(57)【要約】【課題】  ＭＲ比が大きく磁歪が最小限となるような磁気トンネル接合素子を得る。【解決手段】  ＭＲＡＭ等に用いられるＭＴＪエレメント３６において、ＮｉＦｅからなるフリー層５０の上に形成されたキャップ層５４を、非磁性のＮｉＦｅＸ層５１およびＴａ層５２からなる２層構造とする。あるいは、キャップ層５４を、ＮｉＦｅＸ層、Ｔａ層およびＲｕ層からなる３層構造とする。元素Ｘは、ＮｉおよびＦｅよりも酸化電位が大きい元素（Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＮｂおよびＴａ等）である。ＮｉＦｅＸ層５１は、ＮｉＦｅターゲットおよびＸターゲットの並列スパッタリングにより形成する。ＭＲＡＭ用途の場合、元素ＸをＭｇとし、ＮｉＦｅＭｇ層中のＭｇ含有量が５０原子％以上になるようにすると、フリー層５０から酸素を除去する酸素ゲッタリングパワーが増大する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気デバイスの上部導電層と下部導電層との間に設けられた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子であって、
フリー層の上に形成された非磁性のＮｉ（ニッケル）Ｆｅ（鉄）Ｘ層と、前記ＮｉＦｅＸ層の上に形成されたタンタル（Ｔａ）層とを含む複合キャップ層を備え、
前記元素Ｘが、ニッケルおよび鉄よりも大きな酸化電位を有する元素である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記磁気デバイスが、ニッケル鉄からなるフリー層を有するＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）素子、またはコバルト鉄（ＣｏＦｅ）層上にニッケル鉄層を積層してなるフリー層を有するＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）読出ヘッドであり、かつ、前記ＮｉＦｅＸ層が前記ニッケル鉄層の上に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記下部導電層の上に順に積層されたシード層、反強磁性ピンニング層、シンセティックピンド層およびトンネルバリア層をさらに備え、
前記トンネルバリア層の上に前記フリー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素子。
【請求項４】
前記元素Ｘは、マグネシウム（Ｍｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコ
ニウム（Ｚｒ）またはタンタル（Ｔａ）である
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記元素Ｘはマグネシウムであり、前記磁気デバイスはＮｉR ＦｅS ＭｇT なる組成の
層（但し、Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００、４０≦Ｒ≦７０、７≦Ｓ≦１２、４０≦Ｔ≦５５（以上の各単位は原子％）、Ｒ／Ｓ＝４／１）を含むＭＲＡＭ素子である
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６】
前記元素Ｘはマグネシウムであり、前記磁気デバイスはＮｉR ＦｅS ＭｇT なる組成
の層（但し、Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００、４０≦Ｒ≦７０、７≦Ｓ≦１２、２０≦Ｔ≦３０（以上の各単位は原子％）、Ｒ／Ｓ＝９／１）を含むＴＭＲ読出ヘッドである
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ＮｉＦｅＸ層は１ｎｍないし３ｎｍの膜厚を有し、前記タンタル層は３ｎｍないし１０ｎｍの膜厚を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
前記タンタル層の上に、３ｎｍないし１０ｎｍの膜厚を有するルテニウム（Ｒｕ）層をさらに備えた
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９】
前記ＮｉＦｅＸ層の膜厚とＮｉＦｅＸ層中の元素Ｘの含有量（原子％）とを変化させることにより調整可能な磁歪および抵抗変化率（ｄＲ／Ｒ）を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項１０】
磁気デバイスの上部導電層と下部導電層との間に設けられた磁気トンネル接合素子であって、
フリー層の上に形成された非磁性のＮｉＦｅＸ層を含むキャップ層を備え、
前記元素Ｘが、ニッケルおよび鉄よりも大きな酸化電位を有する元素である
ことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項１１】
基板上に磁気トンネル接合素子を形成する方法であって、
磁気トンネル接合積層構造におけるフリー層を形成するステップ（ａ）と、
前記フリー層の上に、このフリー層に接するように設けられた非磁性のＮｉＦｅＸ層（但し、元素Ｘはニッケルおよび鉄よりも大きな酸化電位を有する元素）とその上に設けられたタンタル層とを含むキャップ層を形成するステップ（ｂ）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１２】
前記基板をＭＲＡＭ構造の下部導電体またはＴＭＲ読出ヘッドの下部シールドとし、
前記磁気トンネル接合積層構造を、前記基板上に順に形成されたシード層、反強磁性層、ピンド層およびトンネルバリア層を含むように形成し、かつ、
前記フリー層を前記トンネルバリア層の上に形成する
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１３】
前記フリー層をニッケル鉄層とし、前記ＮｉＦｅＸ層をこのニッケル鉄からなるフリー層の上に形成する
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１４】
前記ステップ（ｂ）を、２つのターゲットを並行スパッタ（co-sputtering ）することが可能な少なくとも１つのチャンバーを有するスパッタリングシステムを用いて行う
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１５】
ニッケル鉄ターゲットと元素Ｘからなるターゲットとを並行スパッタすることで前記ＮｉＦｅＸ層を形成する
ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１６】
前記元素Ｘはマグネシウム（Ｍｇ）であり、
３０ワットないし８０ワットのフォワードパワー（forward power ）をマグネシウムターゲットに印加すると共に、１００ワットないし５００ワットのフォワードパワーをニッケル鉄ターゲットに印加することにより、ＮｉR ＦｅS ＭｇT なる組成の層（但し、Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００、４０≦Ｒ≦７０、７≦Ｓ≦１２、２０≦Ｔ≦５５（以上の各単位は原子％））を成膜する
ことを特徴とする請求項１５に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１７】
前記元素Ｘは、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブまたはタンタルである
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１８】
前記ＮｉＦｅＸ層を１ｎｍないし３ｎｍの膜厚に形成し、前記タンタル層を３ｎｍないし１０ｎｍの膜厚に形成する
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項１９】
前記タンタル層の上に、３ｎｍないし１０ｎｍの膜厚を有するルテニウム層をさらに形成する
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２０】
前記ＮｉＦｅＸ層の膜厚とＮｉＦｅＸ層中の元素Ｘの含有量（原子％）とを変化させることにより磁歪および抵抗変化率（ｄＲ／Ｒ）を調整する
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２１】
磁気トンネル接合素子は、フリー層を有するＭＲＡＭ構造の一部をなすものであり、
前記元素Ｘはマグネシウムであり、かつ、
ＮｉＦｅＸ層中の元素Ｘの含有量が４０原子％ないし５５原子％である
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子の形成方法。
【請求項２２】
基板上に磁気トンネル接合素子を形成する方法であって、
フリー層の上に、このフリー層に接するように設けられた非磁性のＮｉＦｅＸ層（但し、元素Ｘはニッケルおよび鉄よりも大きな酸化電位を有する元素）を含むキャップ層を形成する
ことを特徴とする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、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction ）素子およびその形成方法に係わり、特に、２層または３層構造のキャップ層を有し、磁歪を最小化しつつ優れた磁気抵抗効果を発現することができる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】
ＭＴＪ技術とシリコンＣＭＯＳ(complementary metal oxide semiconductor) 技術とを統合して実現される磁気抵抗効果ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory ）は、ＳＲＡＭ(Static Random Access Memory) 、ＤＲＡＭ(Dinamic Random Access Memory)およびフラッシュメモリ等の既存の半導体メモリと激しく競合する重要な新興技術である。ＭＲＡＭ素子は、一般に、第１の水平面内において互いに平行に配列された複数の第１の導電線と、第１の水平面の上方にある第２の水平面内において互いに平行に、かつ第１の導電線と直交して配列された複数の第２の導電線と、第１の導電線と第２の導電線との間の両ラインが交差する位置に設けられたＭＴＪ素子とを備えている。第１の導電線はワード線であり、第２の導電線はビット線である。但し、その逆の場合もある。あるいは、第１の導電線が区分されたラインとしての下部電極であり、第２の導電線がビット線（またはワード線）である場合もある。通常、第１の導電線の下方には、トランジスタやダイオードを含む他の素子のみならず、ＭＲＡＭアレイの中から読み出しまたは書き込み対象の特定のＭＲＡＭセルを選択するのに用いられる周辺回路が存在する。
【０００３】
図８は、薄い絶縁層によって隔てられた２つの強磁性層を含んで構成された積層構造を有し、トンネル磁気抵抗効果（tunneling magneto-resistance (TMR) effect ）に基づいて動作するＭＴＪ素子の断面構造を表すものである。ＭＲＡＭ素子においては、ＭＴＪエレメント１は、例えば第１の導電線としての下部電極２と、第２の導電線としての上部電極９との間に設けられている。下部電極２は、通常、シード層／導電層／キャップ層というという３層構造を有する。具体的には、例えば、タンタル（Ｔａ）／銅（Ｃｕ）／タンタル、窒化タンタル（ＴａＮ）／Ｔａ／ＴａＮ、または、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）／ルテニウム（Ｒｕ）／Ｔａという構造である。下部層３は、通常、例えばＮｉＣｒやＴａ／ＮｉＣｒからなる１つ以上のシード層で構成されるが、これは、円滑かつ緻密な結晶成長を促進するためのものである。下部層３の上には、白金マンガン（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）等からなる反強磁性（ＡＦＭ）のピンニング層４が形成されている。ピンニング層４の上には、強磁性のピンド層５が設けられている。このピンド層５
は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）層を含む複数層からなる複合層として構成される。ピンド層５の上には、薄いトンネルバリア層６が設けられている。このトンネルバリア層６は、通常、酸化アルミニウム（ＡｌＯx ）、酸化チタンアルミニウム（ＡｌＴｉＯｘ）、または結晶化された酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の誘電体材料で構成される。トンネルバリア層６の上には、強磁性のフリー層７が形成されている。このフリー層７には、ＮｉＦｅが好適に用いられる。その低いスイッチング磁界（Ｈｃ）とスイッチング磁界の均一性（σＨc ）によって実証されるように、再現性および信頼性の高いスイッチング特性を有するからである。ＭＴＪエレメント１の最上層は、キャップ層８である。このようなＭＴＪ積層構造は、ボトム型スピンバルブ構造と呼ばれる。このような構成ではなく、トップ型スピンバルブ構造と呼ばれる構成にすることもできる。この場合には、シード層の上にフリー層を形成し、さらにその上に、トンネルバリア層、ピンド層、ピンニング層およびキャップ層を順次積層する。
【０００４】
ピンド層５は、ｙ方向に磁化された隣接するピンド層４との間の交換結合によってｙ方向に固定された磁気モーメントを有する。フリー層７は、ピンド層５の磁気モーメントに対して平行または反平行の磁気モーメントを有する。トンネルバリア層６は、非常に薄いので、これを通過する電流の値は、伝導電子の量子力学トンネル効果によって決定される。フリー層７の磁気モーメントは外部磁界に応じて変化し、このフリー層７の磁気モーメントとピンド層５の磁気モーメントとの間の相対的方向角によって、トンネル電流、ひいてはトンネル接合の電気抵抗値が決まる。センス電流１０がＭＴＪ積層構造と垂直な方向に上部電極９から下部電極２へと流れたとき、フリー層７とピンド層５の磁気モーメントが平行ならば、より低い電気抵抗値が検出され（記憶状態“１”）、フリー層７とピンド層５の磁気モーメントが反平行ならば、より高い電気抵抗値が検出される（記憶状態“０”）。
【０００５】
読出動作時には、上方から下方へと面垂直方向にセルを流れるセンス電流によってＭＴＪ素子の磁気状態（抵抗値レベル）を検出することにより、ＭＲＡＭセルに記憶された情報が読み出される。書込動作時には、ＭＴＪエレメントの上方または下方で互いに交差するビット線およびワード線にそれぞれビット線電流およびワード線電流を流すことで生ずる外部磁界によってフリー層の磁気状態を適宜に変化させることにより、情報がＭＲＡＭセルに書き込まれる。ある種のＭＲＡＭアーキテクチャーには、上部電極または下部電極が読出動作と書き込動作の両方に関与するようになっているものもある。
【０００６】
ＭＴＪエレメントが高い性能をもつかどうかは、「ｄＲ／Ｒ」として規定されるＭＲ比（抵抗変化率）の値が高いか否かで決まる。ここで、「Ｒ」はＭＴＪエレメントの最小の電気抵抗値であり、「ｄＲ」は、フリー層の磁気状態を変化させたときに観測される電気抵抗の変化値である。３０％を越えるＭＲ比と、１×１０-6以下の低い磁歪（λs ）とを有することが望ましい。このような結果は、（ａ）フリー層の磁化およびスイッチングを良好に制御すること、（ｂ）大きな交換磁界および高い熱的安定性をもつピンド層の磁化を良好に制御すること、および（ｃ）トンネルバリア層に欠陥がないこと、という３つの条件によって達成される。トンネルバリアの良好な性質（例えば、特定の接合面積抵抗値（接合面積と抵抗値との積；ＲＡ）や高い破壊電圧（Ｖｂ））を得るためには、ピンホールのない均質なトンネルバリア層を形成する必要がある。このようなトンネルバリア層の均質性は、ＡＦＭ（反強磁性）層およびピンド層を、平滑に、かつ緻密に詰まった状態に結晶成長させることで促進される。大きい面積「Ａ」に対しては、約１００００［Ω・μｍ2 ］という高いＲＡ値が許容されるが、小さい面積「Ａ」に対しては、１０００［Ω・μｍ2 ］以下という、より小さいＲＡ値が求められる。さもないと、抵抗「Ｒ」が大きすぎるため、ＭＴＪエレメントに接続されたトランジスタの比抵抗（resistivity ）とのマッチングに支障が生ずるからである。
【０００７】
図９に示したように、ＭＴＪエレメント１は、上部導電体１９を有するＭＲＡＭセル１１における下部導電体１６の上に配設される。基板１２は、スタッド１４によって下部導電体１６に接続されたトランジスタ（図示せず）を含んでいる。ＭＴＪエレメント１の下方には、第１の絶縁層１５の内部にワード線１３が形成されている。この第１の絶縁層１５は、通常、基板上に積層された２層以上の誘電体層からなる複合層である。ＭＴＪエレメント１は、下部導電体１６の上に設けられた第２の絶縁層１７の中に形成され、キャップ層１８を介して上部導電体１９（ビット線）に接続されている。上から下方を透視してみると（図示はしないが）、複数の下部導電体１６の列と複数の上部導電体１９の行との間に複数のＭＴＪエレメントがアレイ状に形成されている。
【０００８】
ＭＲＡＭへの応用例のほか、ＴＭＲ読出ヘッドに応用する場合には、５［Ω・μｍ2 ］以下という極めて低いＲＡ値をもったより薄いトンネルバリア層を有するＭＴＪエレメントが用られる。図１０は、基板２１上に設けられたＴＭＲ読出ヘッド２０の一部をエアベアリング面（ＡＢＳ）から見た状態を表すものである。下部リード２２（下部シールドＳ１）と上部リード３０（上部シールドＳ２）との間には、ＭＴＪエレメント２３が形成されている。ＭＴＪエレメント２３は、下部リード２２の上に順に形成された、シード層２４、反強磁性層２５、ピンド層２６、トンネルバリア層２７、フリー層２８およびキャップ層２９を有する。これらの各層は、上記したＭＴＪエレメント１（図８）中の対応する各層と同様の構成および機能を有する。フリー層２８は、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅという構成の複合層である。ここに示した例では、下部リード２２におけるＮｉＦｅ層はＳ１を表し、上部リード３０におけるＮｉＦｅ層はＳ２を表す。読出動作時には、読出ヘッドをＡＢＳに沿ってｚ方向に記録媒体上を相対移動させる。記録媒体は、フリー層の磁化方向に影響を与える外部磁界を発する。
【０００９】
一般に、キャップ層の目的は、エッチングやＣＭＰ（化学機械研磨）のプロセス中にＭＴＪエレメントにおける下方にある層を保護すること、および、上方の層であるビット線との電気的接触を確保することにある。特許文献１には、非磁性のキャップ層をＴａ，Ｒｕまたはその酸化物で構成した磁気センサが記載されている。特許文献２には、Ｃｕ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｏｓ等の金属、またはＮｉＣｒもしくはＣｕＮｉ等の二元合金材料からなるキャップ層を有するＭＴＪ積層体が記載されている。特許文献３には、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ａｌ，またはＴａのような高導電性金属をキャップ層に用いたことが記載されている。
【００１０】
スパッタリングシステムを用いて２つのターゲットの並行スパッタ（co-sputtering ）を行うことにより磁性層を形成するという、いくつかの従来技術が存在する。特許文献４および関連する特許文献５には、強磁性合金と非磁性酸化物とを並行スパッタすることで磁性層を形成するという技術が記載されている。特許文献６には、基板上に磁気記録材料とシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）等のマトリクス材料とを並行スパッタする反応性スパッタリングプロセスが記載されている。特許文献７には、非磁性（酸化物）ターゲットと磁性ターゲットとを並行スパッタすることで、微細な磁性ドットを非磁性マトリクス中に分散形成することが記載されている。
【００１１】
非特許文献１には、Ｔａからなるキャップ層がＲｕからなるキャップ層よりも高い抵抗変化率ｄＲ／Ｒを示すことが記載されている。これは、ＲｕよりもＴａの方が酸化電位が高いことに起因する。Ｒｕからなるキャップ層を用いたＮｉＦｅ層は正に帯電する一方、Ｔａからなるキャップ層を用いたＮｉＦｅ層は負に帯電することも知られている。このように、ＴａはＲｕよりもフリー層中の酸素と反応しやすく、より効果的なゲッターとなる。非特許文献２には、酸素が、遷移金属およびその合金（例えば、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ，Ｃｕ，Ｒｕ）中において非常に移動しやすく、その表面に析出する傾向が強いことが記載されている。
【００１２】
なお、本発明者は、下記の特許文献８，９に挙げた米国特許出願をしている。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６, ２６６, ２１８号
【特許文献２】米国特許第６, ９０９, ６３３号
【特許文献３】米国特許第６, ９０９, ６３０号
【特許文献４】米国特許６, ８９３, ７１４号
【特許文献５】米国特許公開第２００５／０２７１７９９号
【特許文献６】米国特許公開第２００６／０００２０２６号
【特許文献７】米国特許公開第２００２／００４５０７０号
【特許文献８】米国特許公開第２００５／０２７６０９９号
【特許文献９】米国特許公開第２００５／０２５４２９３号
【非特許文献１】Conceptual material design for MTJ cap layer for high MR ratio" in abstract ED-10, 50th MMM conference, San Jose, CA (2005)
【非特許文献２】Oxygen as a surfactant in the growth of giant magnetoresistive spin valve" in J. Appl. Phys., 82, p.6142-51 (1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
Ｔａは、熱アニール中において、ＮｉＦｅフリー層の中に元々あった酸素原子を吸着する能力が高い。その結果、ＮｉＦｅフリー層が酸素汚染されることがより少なくて、トンネルバリア層とＮｉＦｅフリー層との界面がよりはっきりすることから、抵抗変化率ｄＲ／Ｒが改善される。Ｔａキャップ層を用いることの欠点は、熱アニール中にＴａがＮｉＦｅ中に拡散して合金を形成してしまうことである。この合金は、フリー層モーメント（Ｂｓ）を低減するのみならず、ＮｉＦｅ層に５×１０-6を越えるような磁歪λs をもたらしてしまう。したがって、先進のＭＲＡＭやＴＭＲ読出ヘッド技術におけるＭＴＪには、高いＭＲ比と低い磁歪の値λs とを同時に実現することが可能な改善されたキャップ層が必要である。
【００１５】
しかしながら、上記の各文献には、そのようなキャップ層に関する十分な改善案は提示されていない。
【００１６】
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、高いＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）と低い磁歪（λs ）とを同時に実現することが可能な改善されたキャップ層を備えた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。より具体的には、その第１の目的は、ＭＴＪエレメントにおいて、ＮｉＦｅＸなる組成を含むと共に、隣接するＮｉＦｅ含有フリー層から酸素原子を非常に効果的に吸着除去することが可能な非磁性キャップ層を提供することにある。その第２の目的は、第１の目的に対応して、ＭＴＪエレメントにおいて３０％以上の高いＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）と低い磁歪とを同時に達成することが可能な、ＮｉＦｅＸなる組成を含むキャップ層を提供することにある。その第３の目的は、ＮｉＦｅターゲットと元素Ｘからなるターゲットとを並行スパッタすることにより、ＮｉＦｅＸなる組成のキャップ層を形成する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これらの目的は、以下のようにして達成可能である。
【００１８】
第１の態様は、ＭＴＪエレメントをＭＲＡＭに適用した例である。ＭＲＡＭ構造が形成される下部導電電極を備えた基板を用意し、この下部導電電極の上に複数層を積層することによりＭＴＪエレメントを形成する。一つの例としてのＭＴＪ積層体は、シード層、反強磁性層、シンセティック反平行（ＳｙＡＰ）型ピンド層、トンネルバリア層、フリー層、およびキャップ層を順に積層してなるボトム型スピンバルブ構造を有する。ピンド層は、２つのＣｏＦｅ層の間にＲｕ層を挟んでなるＳｙＡＰ型とするのが好ましい。トンネルバリア層は、非結晶性の酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化アルミニウムチタン（ＡｌＴｉＯｘ）、または結晶性の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で構成する。トンネルバリア層の上には、磁歪を最小化するために、Ｆｅ含有量が１７．５〜２５原子％のＮｉＦｅを含むフリー層を形成する。主要な特徴は、トンネルバリア層に近い側に位置する内側層がＮｉＦｅＸなる組成を有する、２層または３層構造のキャップ層である。ここで、元素Ｘは、ＮｉやＦｅよりも酸化電位が大きいＭｇ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＮｂまたはＴａ等の金属である。２層構造とする場合には、ＮｉＦｅＸ層の上に、Ｔａからなる外側層を形成する。３層構造とする場合には、内側のＮｉＦｅＸ層と外側のＲｕ層との間にＴａ層を挟んでなる積層構造（ＮｉＦｅＸ／Ｔａ／Ｒｕ）とする。ＭＴＪ積層体のすべての層は、スパッタリングまたはイオンビームデポジション（ＩＢＤ）によって形成する。トンネルバリア層は、典型的には、金属または合金を形成したのち、それを例えばラジカル酸化（ＲＯＸ）法を用いて酸化することによって形成する。本発明者は、ＮｉＦｅＸ層を形成する最もよい方法が、ＮｉＦｅと元素Ｘとを並行スパッタ（co-sputtering ）することであることを見い出した。ＭＴＪ積層体のすべての層を形成したのち、従来通りのパターニングとエッチングシーケンスを行うことにより、ＭＴＪエレメントを形成する。次に、基板およびＭＴＪ積層体を覆うように絶縁層を形成したのち、これを薄く追い込んで、キャップ層と絶縁層とが共面になるように（表面同士が一致するように）する。そして、ＭＴＪ積層体および絶縁層の上に上部導電体を形成する。
【００１９】
第２の態様は、ＭＴＪエレメントをＴＭＲ読出ヘッドのセンサに適用した例である。基板上に、ＮｉＦｅ層とその上のＴａ等のシールドキャップ層とからなる下部シールド層を形成する。第１の実施の形態で説明したのと同様のＭＴＪ積層体をシールドキャップ層の上に形成する。ＭＴＪエレメントは、Ｆｅ含有量が２５原子％よりも大きいＣｏＦｅ層と、Ｆｅ含有量が１７．５原子％未満のＮｉＦｅ層とからなる複合フリー層を有するのが好ましい。キーとなる要素は、上記したように、ＮｉＦｅＸ／ＴａまたはＮｉＦｅＸ／Ｔａ／Ｒｕという構成のキャップ層である。公知のパターニングおよびエッチングプロセスにより、ＭＴＪエレメントを形成する。ＭＴＪエレメントの両側に絶縁層を形成することにより、その後に形成されるハードバイアス層からＭＴＪエレメントを分離する。なお、このハードバイアス層は、フリー層に縦バイアスを印加するためのものである。ハードバイアス層の上に第２の絶縁層を形成し、ＭＴＪ積層体の最上面と共面になるように（表面同士が一致するように）する。そして、ＭＴＪ積層体の最上面および第２の絶縁層の上に、上部シールドとしての上部リードを形成する。
【００２０】
より具体的には、以下の各手段によって本発明の目的が達成される。
【００２１】
本発明の第１の磁気トンネル接合素子は、磁気デバイスの上部導電層と下部導電層との間に設けられた素子であって、フリー層の上に形成された非磁性のＮｉＦｅＸ層（Ｘはニ
ッケルおよび鉄よりも大きな酸化電位を有する元素）と、このＮｉＦｅＸ層の上に形成されたタンタル層とを含む複合キャップ層を備えたものである。ここでいう磁気デバイスは、例えば、ニッケル鉄からなるフリー層を有するＭＲＡＭ素子、またはコバルト鉄層上にニッケル鉄層を積層してなるフリー層を有するＴＭＲ読出ヘッドである。これらのいずれの場合も、ＮｉＦｅＸ層はニッケル鉄層の上に形成される。下部導電層の上には、シード層、反強磁性ピンニング層、シンセティックピンド層およびトンネルバリア層が順に積層され、トンネルバリア層の上にフリー層が形成される。
【００２２】
上記第１の磁気トンネル接合素子では、元素Ｘとして、マグネシウム（Ｍｇ）、ハフニ
ウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）またはタンタル（Ｔａ）が挙げられる。元素Ｘがマグネシウムであり、磁気デバイスがＭＲＡＭ素子である場合には、複合
キャップ層がＮｉR ＦｅS ＭｇT 層（但し、Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００、４０≦Ｒ≦７０、７≦Ｓ≦１２、４０≦Ｔ≦５５（以上の各単位は原子％）、Ｒ／Ｓ＝４／１）を含むようにするのが好ましい。また、元素Ｘがマグネシウムであり、磁気デバイスがＴＭＲ読出ヘッド
である場合には、複合キャップ層がＮｉR ＦｅS ＭｇT 層（但し、Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００、４０≦Ｒ≦７０、７≦Ｓ≦１２、２０≦Ｔ≦３０（以上の各単位は原子％）、Ｒ／Ｓ＝９／１）を含むようにするのが好ましい。
【００２３】
上記第１の磁気トンネル接合素子では、ＮｉＦｅＸ層は１ｎｍないし３ｎｍの膜厚を有し、タンタル層は３ｎｍないし１０ｎｍの膜厚を有するようにするのが好ましい。さらに、タンタル層の上に、３ｎｍないし１０ｎｍの膜厚を有するルテニウム（Ｒｕ）層をさらに備えるのがより好ましい。ＮｉＦｅＸ層の膜厚とＮｉＦｅＸ層中の元素Ｘの含有量とを変化させることにより、磁歪（λｓ）および抵抗変化率（ｄＲ／Ｒ）を調整することが可能である。
【００２４】
本発明の第２の磁気トンネル接合素子は、磁気デバイスの上部導電層と下部導電層との間に設けられた磁気トンネル接合素子であって、フリー層の上に形成された非磁性のＮｉＦｅＸ層を含むキャップ層を備え、元素Ｘがニッケルおよび鉄よりも大きな酸化電位を有
する元素であるようにしたものである。
【００２５】
本発明における第１の磁気トンネル接合素子の形成方法は、基板上に磁気トンネル接合素子を形成する方法であって、磁気トンネル接合積層構造におけるフリー層を形成するステップ（ａ）と、フリー層の上に、このフリー層に接するように設けられた非磁性のＮｉＦｅＸ層（但し、元素Ｘはニッケルおよび鉄よりも大きな酸化電位を有する元素）とその
上に設けられたタンタル層とを含むキャップ層を形成するステップ（ｂ）とを含むようにしたものである。ここで、基板をＭＲＡＭ構造の下部導電体またはＴＭＲ読出ヘッドの下部シールドとし、磁気トンネル接合積層構造を、前記基板上に順に形成されたシード層、反強磁性層、ピンド層およびトンネルバリア層を含むように形成し、かつ、フリー層を前記トンネルバリア層の上に形成することが可能である。この場合、フリー層をニッケル鉄層とし、ＮｉＦｅＸ層をこのニッケル鉄からなるフリー層の上に形成するようにするのが好ましい。
【００２６】
本発明における第１の磁気トンネル接合素子の形成方法では、ステップ（ｂ）を、２つのターゲットを並行スパッタ（co-sputtering ）することが可能な少なくとも１つのチャンバーを有するスパッタリングシステムを用いて行うようにすることが好ましい。例えば、ニッケル鉄ターゲットと元素Ｘからなるターゲットとを並行スパッタすることでＮｉＦｅＸ層を形成することが可能である。元素Ｘがマグネシウムの場合には、３０ワットないし８０ワットのフォワードパワー（forward power ）をマグネシウムターゲットに印加すると共に、１００ワットないし５００ワットのフォワードパワーをニッケル鉄ターゲットに印加することにより、ＮｉR ＦｅS ＭｇT なる組成の層（但し、Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００、４０≦Ｒ≦７０、７≦Ｓ≦１２、２０≦Ｔ≦５５（以上の各単位は原子％））を成膜するようにすることが可能である。元素Ｘとしては、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブまたはタンタルが挙げられる。
【００２７】
上記第１の磁気トンネル接合素子の形成方法では、ＮｉＦｅＸ層を１ｎｍないし３ｎｍの膜厚に形成し、タンタル層を３ｎｍないし１０ｎｍの膜厚に形成することが好ましい。また、タンタル層の上に、３ｎｍないし１０ｎｍの膜厚を有するルテニウム層をさらに形成するのが好ましい。ＮｉＦｅＸ層の膜厚とＮｉＦｅＸ層中の元素Ｘの含有量（原子％）とを変化させることにより磁歪および抵抗変化率（ｄＲ／Ｒ）を調整することが可能である。磁気トンネル接合素子が、フリー層を有するＭＲＡＭ構造の一部をなし、元素Ｘがマグネシウムである場合には、ＮｉＦｅＸ層中の元素Ｘの含有量を４０原子％ないし５５原子％とするのが好ましい。
【００２８】
本発明における第２の磁気トンネル接合素子の形成方法は、基板上に磁気トンネル接合素子を形成する方法であって、フリー層の上に、このフリー層に接するように設けられた非磁性のＮｉＦｅＸ層（但し、元素Ｘはニッケルおよび鉄よりも大きな酸化電位を有する
元素）を含むキャップ層を形成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明における磁気トンネル接合素子およびその形成方法によれば、フリー層の上に形成されるキャップ層が非磁性のＮｉＦｅＸ層（Ｘはニッケルおよび鉄よりも大きな酸化電
位を有する元素）を含むようにしたので、ＮｉＦｅＸ層が、その下側のフリー層から酸素を除去する酸素吸着（ゲッター）層として機能し、その結果、高いＭＲ比と低い磁歪とを同時に実現することが可能である。キャップ層を、ＮｉＦｅＸ層とタンタル層の２層の複合層とした場合、ＮｉＦｅＸ層は、ゲッター層として機能するのみならず、その上側のタンタル層からフリー層の中にタンタルが拡散するのを防ぐ拡散バリア層としても機能する。一方、タンタル層は、より少なくなるまで酸素を吸着するように機能する。さらに、タンタル層の上にルテニウム層を追加して３層構造とした場合には、ルテニウム層がタンタル層の酸化を防ぐので、タンタル層の酸化電位が高く保たれる。しかも、ルテニウム層は、上方の導電体線との良好な電気的接触をもたらすこと、アニール中に酸素に対して不活性であること、低抵抗の導電体であること等の点でも有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
本実施の形態では、ＭＴＪエレメントのキャップ層がＮｉＦｅＸ（ＸはＮｉまたはＦｅよりも大きい酸化電位を有する元素）という組成を含むようにすることで、従来のＭＴＪエレメントよりも高いＭＲ比を有し、かつ低磁歪を達成したＭＴＪエレメントが得られる。これらの性質は、小さいＭＴＪサイズをもった高密度素子を実現するために必要な性質である。以下においては、ＭＲＡＭやＴＭＲ読出ヘッドに応用する場合について説明するが、ＭＴＪ素子を用いた（当業者が考え得る）他の技術分野にも適用可能である。以下に掲げる図面は、あくまでも一例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。さらに、図面は、必ずしも同じスケールで描いたものではなく、様々な要素の相対的サイズは実際の素子のサイズとは異なっている。
【００３２】
[第１の実施の形態] 
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＲＡＭ構造の要部を表すものである。このＭＲＡＭセル構造３６は、シリコンまたは他の半導体で構成された、トランジスタやダイオード等の素子を含む基板３８を含んでいる。基板３８の上には、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）または酸化シリコン等からなる第１の絶縁層３９が設けられている。第１の絶縁層３９の中には、例えば銅からなる第１の導電線が第１の絶縁層３９と共面となるように（表面同士が一致するように）設けられている。ここで、第１の導電線は、電流を＋ｙ方向または−ｙ方向に流すために用いられるワード線４０である。第１の導電線は、当業者の間では必要に応じて、ディジット線（digit line）、データ線、ロー線（row line）、あるいはカラム線（column line ）とも呼ばれる。ワード線４０の両側壁および底面は、薄い拡散バリア層またはクラッディング層（cladding layer）によって包まれていてもよい。ワード線４０および第１の絶縁層３９の上には、酸化アルミニウムまたは酸化シリコン等からなる第２の絶縁層４１が設けられている。第２の絶縁層４１の上には、基板３８に設けられたトランジスタ（図示せず）に接続された下部導電層４５が形成されている。下部導電層４５は、通常、図示しない絶縁層と共面となるように（表面同士が一致するように）形成される。一例として、下部導電層４５は、シード層４２、導電層４３およびキャップ層４４を積層してなる複合層の構造をとる。
【００３３】
このＭＲＡＭ構造はＭＲＡＭアレイの一部をなしているということを理解されたい。このＭＲＡＭアレイは、互いに平行に延びる複数のワード線（平行ワード線）を第１の導電層として形成すると共に、互いに平行に延びるビット線（平行ビット線）等の複数の上部導電電極をＭＴＪアレイの上方の第２の導電層として形成してなるものである。そうではなくて、第１の導電層が平行ビット線であり、第２の導電層が平行ワード線であってもよい。ワード線とビット線とは互いに直交するように配置され、下部導電層は各ＭＴＪエレメントを基板のトランジスタと接続するのに用いられる。典型例として、ＭＴＪエレメントは、下部導電層とビット線との間の、ビット線とワード線とが交差する位置に配置される。
【００３４】
下部導電層４５は、例えば、ｘｙ面内で矩形形状を有すると共にｚ方向に厚みを有する線分（sectioned line）である。これとは異なり、下部導電層４５は、下方のワード線４０および（のちにＭＴＪの上に形成される）第２のワード線と直交するように配置されたビット線であってもよい。一例として、下部導電層４５は、ＮｉＣｒ／Ｒｕ／Ｔａという３層構造を有する。ここで、ＮｉＣｒ（ニッケルクロム）層は、第２の絶縁層４１の上に形成されるシード層４２である。必要に応じて、シード層４２をタンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ）で構成してもよい。シード層４２の上には、導電層４３が設けられる。この導電層４３は、ルテニウム（Ｒｕ）で構成することが好ましいが、これに代えて、ロジウム（Ｒｈ）またはイリジウム（Ｉｒ）で構成してもよい。あるいは、導電層４３として、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）または非結晶性のＴａを用いてもよい。但し、導電層４３として非結晶性Ｔａを用いた場合、この非結晶性Ｔａは低抵抗の相（low resistance phase）を示すことになる。このような非結晶性Ｔａは、通常、ＴａＮからなるシード層４２の上に成長させて形成される。
【００３５】
キャップ層４４は、３ｎｍ〜５ｎｍの膜厚を有するＴａ層で構成されるが、スパッタエッチングプロセスを用いて形成すると、非結晶性を有するようになる。一例として、シード層４２、導電層４３、Ｔａキャップ層４４およびその上のＲｕ層（図示せず）は、スパッタリングまたはイオンビームデポジション（ＩＢＤ）によって連続的に第２の絶縁層４１の上に形成される。下部導電層４５のうち、Ｒｕ層およびその下層のＴａ層の一部は、
スパッタエッチングによって除去され、非結晶質のＴａキャップ層が形成される。この非結晶質のＴａキャップ層の存在により、その後に形成されるＭＴＪ積層構造の結晶成長が均質かつ緻密なものになる。
【００３６】
次に、下部導電層４５の上に、ＭＴＪ積層構造を形成する。注目すべきは、このＭＴＪ積層構造は、下部導電層の形成に用いたプロセスツールと同じものを用いて形成されるということである。下部導電層４５およびＭＴＪ積層構造は、例えば、アネルバ社製の薄膜スパッタリングシステム「Ｃ−７１００」を用いて形成される。このシステムは、それぞれが５つのターゲットを有する３つの物理的気相成長（ＰＶＤ）チャンバと、酸化チャンバと、スパッタエッチングチャンバとを備えている。３つのＰＶＤチャンバのうちの少なくとも１つは、並行スパッタリング（co-sputtering ）が可能になっている。そのようなスパッタ成膜プロセスでは、アルゴンスパッタガスを用い、基板上に成膜しようとする金属または合金からなるターゲットを用いる。処理量を高めるためにスパッタシステムを一回だけ真空引きしたのち、下部導電層４５およびＭＴＪ積層構造を形成する。
【００３７】
一例として、シード層４６、反強磁性（ＡＦＭ）層４７、ＳｙＡＰピンド層４８、トンネルバリア層４９、フリー層５０およびキャップ層５４を連続的に積層することにより、下部導電層４５の上にＭＴＪ積層構造を形成する。シード層４６は、４ｎｍ〜６ｎｍ程度の膜厚を有するが、特に、Ｃｒ含有量が３５〜４５原子％で膜厚が４．５ｎｍ程度のＮｉＣｒ層で構成するのが好ましい。但し、ＮｉＣｒの代わりに、ＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｒを用いてシード層４６を構成してもよい。シード層４６は、非結晶性のＴａキャップ層４４の上に成長形成されることから、平滑で緻密な＜１１１＞配向のシード層構造が出来上がり、その結果、その上に形成されるＭＴＪ積層構造の平滑で緻密な結晶成長が促進される。
【００３８】
ＡＦＭ層４７は、１０ｎｍ〜２０ｎｍ（より好ましくは１５ｎｍ）程度の膜厚の白金マンガン（ＭｎＰｔ）で構成するのが好ましい。但し、これに代えて、５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚のＩｒＭｎ層としてもよい。あるいは、ＮｉＭｎ、ＯｓＭｎ（オスミウムマンガン）、ＲｕＭｎ（ルテニウムマンガン）、ＲｈＭｎ（ロジウムマンガン）、ＰｄＭｎ（パラジウムマンガン）、ＲｕＲｈＭｎ、またはＭｎＰｔＰｄ（白金パラジウムマンガン）からなる膜でＡＦＭ層４７を構成してもよい。典型例として、ＡＦＭ層４７は、磁化方向がｙ方向を向くように配設される。ＭＴＪ積層構造のＡＦＭ層を形成している間、ＡＦＭ層を特定方向軸に沿って磁化させるべく、外部磁界を印加する。
【００３９】
ＳｙＡＰピンド層４８は、ＡＰ２／Ｒｕ／ＡＰ１という３層シンセティック反平行構造（図示せず）を有する。ＡＰ２層は、ＡＦＭ層４７の上に形成されるが、Ｆｅ含有量が１０原子％であって２ｎｍ〜３ｎｍ程度（より好ましくは、２．３ｎｍ）の膜厚を有するＣｏＦｅ層とするのが好ましい。ＡＰ２層の磁気モーメントは、ＡＰ１層の磁気モーメントとは反平行の方向に固定される。ＡＰ２層とＡＰ１層の膜厚にわずかな差を設けることにより、ＳｙＡＰピンド層４８全体として、ｙ方向に沿って、小さな正味磁気モーメント（net magnetic moment ）が生ずる。ＡＰ２層とＡＰ１層との間の交換結合は、それらの間に設けられた結合層によって促進される。結合層は、０．７５ｎｍ程度の膜厚のＲｕで構成するのが好ましいが、Ｒｕに代えて、ＲｈまたはＩｒを用いることもできる。一例として、Ｒｕ結合層の上に形成するＡＰ１層は、Ｆｅ含有量が２５〜５０原子％で膜厚が１．５ｎｍ〜２．５ｎｍ（より好ましくは２ｎｍ）程度のＣｏＦｅ層とする。必要に応じて、ＡＰ１層が極薄のＮＯＬ層（nano-oxide layer）を含むようにしてもよい。この場合には、例えば、１対のＣｏＦｅ層の間に、鉄タンタル酸化膜（ＦｅＴａＯ）またはコバルト鉄酸化膜（ＣｏＦｅＯ）からなるＮＯＬ層を挟み込むように形成する。ＮＯＬ層を用いることで、ＡＰ１層の平滑性を高めることができる。
【００４０】
次に、ＳｙＡＰピンド層４８の上に、極薄のトンネルバリア層４９を形成する。トンネルバリア層４９は、酸素を含有する酸化アルミニウムで構成するのが好ましい。この酸化アルミニウムは、化学量論的には（stoichiometry ）Ａｌ2 Ｏ3 に近いが、以下においてはＡｌＯｘ層と称する。トンネルバリア層４９は、例えば次のようにして形成する。まず、０．７ｎｍ〜１．０ｎｍ程度の膜厚のアルミニウム層をＳｙＡＰピンド層４８の上に形成したのち、このアルミニウム層を、引き続きそのままの位置でラジカル酸化法（ＲＯＸ）によって酸化する。その結果、１．１ｎｍ〜１．５ｎｍ（より好ましくは１．４ｎｍ）程度の膜厚のＡｌＯｘ層が形成される。トンネルバリア層４９は、非常に優れた平滑性と均質性をもって形成される。Ｔａキャップ層４４の上に、平滑で緻密なシード層４６、ＡＦＭ層４７およびＳｙＡＰピンド層４８を成膜してあるからである。必要に応じて、トンネルバリア層４９を、アルミニウムチタン酸化物（ＡｌＴｉＯx ）または結晶性の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）により形成してもよい。
【００４１】
トンネルバリア層４９の上に形成するフリー層５０は、当業者に知られた適切なスピン分極材料で構成する。高いスピン分極を示す材料としては、例えば、Ｆｅ含有量が２０原子％より大きいＣｏＦｅ、Ｆｅ含有量が４０原子％より大きいＮｉＦｅ、または（ＣｏＦｅ）m Ｂn なる組成の合金（但し、ＣｏＦｅ中のＦｅ含有量が２５原子％より大きい）がある。より一般的には、高スピン分極材料とは、上記した合金以上の飽和磁化（Ｍｓ）値をもつものであり、適切なスピン分極材料とは、上記した合金よりも小さい飽和磁化をもつものとして規定される。
【００４２】
適切なスピン分極材料は、ＭＴＪエレメントにおける磁歪（λｓ）の最小化に寄与する。例えば、Ｆｅ含有量が１７．５〜２５原子％（より好ましくは１７．５原子％）のＮｉＦｅ層（以下、ＮｉＦｅ層（17.5％）と記する。）をフリー層５０として採用するのが好ましい。この場合、ＮｉＦｅ層の膜厚は、３ｎｍ〜６ｎｍ（より好ましくは、４ｎｍ）程度にするのが好ましい。フリー層５０は、磁化方向がｙ方向（ピンド層方向）に沿うように配設する。ＭＴＪエレメントを上から見たときの形状が楕円状になっている場合には（図４参照）、ＭＴＪエレメントの容易軸は長軸に沿った方向（ｙ方向）となる。
【００４３】
本実施の形態の重要な特徴は、ＮｉＦｅＸ層を含む２層または３層の構造をもち、フリー層５０の上に形成されるキャップ層５４にある。その一態様として、キャップ層５４は、ＮｉＦｅＸ／Ｔａという２層構造を有する（図１）。この場合、フリー層５０の上に、内側層として１ｎｍ〜５ｎｍ程度（より好ましくは１ｎｍ〜３ｎｍ）の膜厚のＮｉＦｅＸ層５１を形成し、その上に、３ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚のＴａからなる外側層５２を形成する。ＮｉＦｅＸ層５１は、非磁性層であり、元素Ｘは、強力な酸素反応（ゲッター）因子として機能する。したがって、元素Ｘは、ＮｉやＦｅよりも大きい酸化電位を有する金属であることが好ましい。熱力学的に言えば、元素Ｘの電極電位（electrode potential ）、すなわち電気陰性度（electronegativity ）が、ＮｉやＦｅよりも小さいということである。この要求を満たす金属としては、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｍｇ、Ｎｂ（ニオブ）、Ｚｒ（ジルコニウム）およびＴａが挙げられる。したがって、ＮｉＦｅＸ層５１としては、ＮｉＦｅＭｇ、ＮｉＦｅＨｆ、ＮｉＦｅＺｒ、ＮｉＦｅＮｂおよびＮｉＦｅＴａという非磁性合金が選ばれる。例えば、ＮｉＦｅＭｇについて調べてみると、ＮｉR ＦｅS ＭｇT （但し、Ｒは４０〜７０原子％、Ｓは７〜１２原子％、Ｔは２０〜５５原子％）という組成の膜が非磁性であることがわかった。ここで、係数Ｒの係数Ｓに対する比（Ｒ／Ｓ比）は、４：１程度であるのが好ましい。また、ＭＲＡＭ用途では、ＮｉＦｅＸ層は、後述するように、Ｎｉ80Ｆｅ20なる組成のターゲットとＸターゲットとを用いて形成するのが好ましい。ＭＲＡＭに用いられるＭＴＪエレメントの場合、ＮｉＦｅＭｇ層５１におけるＭｇ含有量は４０原子％よりも大きいことが好ましい。Ｍｇ含有量が５０原子％またはそれを越えると、ＮｉＦｅＭｇ層は、ＮｉＦｅフリー層５０中の酸素原子をより強力に吸着（gettering ）するようになる。
【００４４】
ＮｉＦｅＸ層が非磁性となるのに必要な係数Ｔの最小値は、元素ＸがＺｒの場合で２０原子％であり、元素ＸがＮｂまたはＴａの場合で１５原子％である。一方、元素Ｘの含有量が高すぎる場合には、元素Ｘ（特に、ＮｂやＴａ）がフリー層５０中に拡散し、フリー層としての特性を劣化させる。ＭＲＡＭに用いられるＭＴＪエレメントにおいては、ＮｉＦｅＸ層５１の組成は、上記したように、ＮｉR ＦｅS ＸT （但し、Ｒは４０〜７０原子
％、Ｓは７〜１２原子％、Ｔは２０〜５５原子％）と表され、Ｒ／Ｓ比は４：１程度である。
【００４５】
M.Chenらによる「Ternary NiFeX as a soft biasing film in a magnetoresistive sensor 」，J.Appl.Physics，69，p.5631-5633 (1991)によると、元素Ｘの含有量が１０〜１５原子％を越えるようなＮｉＦｅＸターゲットは、その脆性（もろさ）のために、製造適性がない、とある。そこで、本発明者は、ＭＴＪ積層構造中のＮｉＦｅＸ層の好ましい形成方法を発見した。ＮｉＦｅターゲットおよび元素Ｘターゲットを並行してスパッタリングするという方法である。その一例として、ＮｉＦｅターゲットおよび元素Ｘターゲット
をスパッタ（ＰＶＤ）チャンバ内に交互に配置する。例えばアネルバ社製Ｃ−７１００スパッタチャンバの場合には、ＮｉＦｅターゲットをポジション２に配置すると共に、元素Ｘターゲットをポジション４に配置する。必要に応じて、ＮｉＦｅターゲットをポジション１に配置すると共に、元素Ｘターゲットをポジション３に配置する。一例として、ＭＲＡＭ用途の場合、ＮｉＦｅターゲットには、Ｎｉ含有量が８０原子％でＦｅ含有量が２０原子％のものを用いる。但し、後述するように、ＴＭＲ読出ヘッド用途の場合には、Ｆｅ含有量が１０原子％のＮｉＦｅターゲットを用いる。
【００４６】
注目すべきは、ある金属のスパッタ成膜レートは、ターゲットカソードに印加されるスパッタパワーに依存するということである。ＮｉR ＦｅS ＭｇT 合金（すなわちＮｉＦｅＸ層）の密度（concentration ）は、２つのターゲットのそれぞれに同時に印加されるパワーによって制御される。例えば、元素ＸがＭｇの場合、印加パワーが等しければ、Ｍｇの成膜レートはＮｉＦｅの成膜レートよりも速い。この成膜レートの違いを補償するために、ＮｉＦｅターゲットに対するフォワードパワー（forward power ）を、Ｍｇターゲットに対するフォワードパワーよりも高くする。好ましくは、０．３×１３３×１０-3［Ｐａ］（＝０．３［ｍＴｏｒｒ］）を下回る圧力と室温という条件下において、例えば、Ｍｇターゲットに対するフォワードパワーを３０〜８０［Ｗ］（ワット）、より好ましくは５０［Ｗ］とし、ＮｉＦｅターゲットに対するフォワードパワーを１００〜５００［Ｗ］、より好ましくは２００［Ｗ］とする。並行スパッタリングで形成したＮｉＦｅＭｇ膜について、非磁性特性Ｂｓ（磁気モーメント）をＢ- Ｈルーパ（B-H looper）で測定した。非磁性のＮｉＦｅＭｇ合金の組成は、電子顕微鏡を用いた周知のＥＤＳシステムにより測定した。現状では、製造上十分なサイズを有し脆くないＮｉＦｅＸターゲットを作製する技術は存在しないが、本発明は、そのようなＮｉＦｅＸターゲットをスパッタしてＮｉＦｅＸ層を形成することを排除するものではなく、これを包含する。
【００４７】
内側層としてのＮｉＦｅＸ層５１はまた、フリー層５０とキャップ層５４の外側層５２との間の内部拡散バリアとしても機能する。さらに、ＮｉＦｅＸ層５１の膜厚および元素Ｘの含有量を調整することにより、フリー層５０の磁歪をさらに低減することができる。
注目すべきは、Ｔａからなる外側層５２が酸素ゲッターとしても機能する点である。この外側層５２は、低抵抗の非結晶質Ｔａ層であることが好ましい。必要に応じて、キャップ層５４の外側層５２として、Ｔａ以外の導電層を用いてもよい。
【００４８】
図２は、キャップ層５４が、内側のＮｉＦｅＸ５１と外側のＲｕ層５３との間にＴａ層５２を挟み込むようにして構成したＮｉＦｅＸ／Ｔａ／Ｒｕという３層構造を有する場合を表すものである。Ｒｕ層５３は３ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚を有し、Ｔａ層５２の酸化を防止してＴａの酸化電位を保持するように機能する。Ｒｕ層５３のもつ他の好ましい性質としては、上方の図示しないビット線との電気的接触を良好に保つこと、アニール中に酸素に対して不活性であること、低抵抗の導電体であること、等が挙げられる。
【００４９】
ＭＲ比が増大することの原因メカニズムとして、キャップ層５４のＮｉＦｅＸ層５１がフリー層中の酸素を吸着すると共に、Ｔａ層５２によって、さらに少なくなるまで酸素を吸着することが考えられる。ＮｉＦｅＸ層５１を含む２層または３層構造のキャップ層５４を採用することにより、その下層側のフリー層の酸素汚染が軽減され、より高い導電性が確保される結果、ＭＲ比ｄＲ／Ｒが増大する。
【００５０】
ＭＴＪエレメントのすべての層を成膜したのちにアニールを行うようにしたこともまた、本実施の形態の特徴の一つである。例えば、典型例では、ＭＴＪ積層体のアニールを、１０7 ／４π［Ａ／ｍ］（＝１０4 ［Ｏｅ］）という大きさの磁界を２５０°Ｃ以上の温度下で（より好ましくは２８０°Ｃ）、５時間にわたってｙ方向に沿って印加しながら行う。
【００５１】
ＭＴＪ積層体のすべての層の成膜とアニールを完了したのち、側面と上面５４ａを有するＭＴＪエレメントを形成する。具体的には、まず、第１のコーティング・パターニング工程によってキャップ層５４の上に幅がｗのフォトレジスト層５５を形成する。次に、フォトレジスト層５５をエッチングマスクとして用い、このエッチングマスクによって覆われていない領域のＭＴＪ積層体の各層４６〜５４を、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）によって除去する。必要に応じて、フォトレジスト層５５の形成に先立って、非結晶質Ｔａのようなハードマスク（図示せず）をキャップ層５４の上に成膜してもよい。この場合、パターニングされたフォトレジスト層５５は、非保護領域のハードマスクを除去するためのＲＩＥ（反応性イオンエッチング）プロセスにおいてエッチングマスクとして機能する。そして、フォトレジスト層５５を除去したのち、ハードマスクをエッチングマスクとして、第２のＲＩＥプロセスを行うことにより、非保護領域の各層４６〜５４をエッチングして除去する。ハードマスクはそのまま残存してもよいが、通常の方法によって除去してもよい。こうして、幅ｗのキャップ層５４とｗよりも大きい幅のシード層４６とを含んで傾斜した側面を有するＭＴＪエレメンが出来上がる。
【００５２】
図３に示したように、ＭＴＪエレメントを画定するＩＢＥプロセスののち、フォトレジスト層５５を、ウェット除去法または酸素アッシング法等の通常の方法によって除去する。この除去ステップののち、有機残留物を完全に除去するために、標準的なクリーニング工程を行う。次に、まず、適切な誘電率をもつ絶縁材料の層を成膜したのち、ＭＴＪエレメントの上面５４ａと共面となるようにこの絶縁材料の層を平坦化することにより、下部電極４５の上に、ＭＴＪ積層体の側壁と隣り合うように、第３の絶縁層５６を形成する。
【００５３】
ＭＲＡＭセル構造３６を形成する場合には、続いて、第３の絶縁層５６の上に、ＭＴＪエレメントの上面５４ａと接触するように、上部導電体５７（ビット線）を形成する。ビット線５７は、ワード線４０と直交する方向に配設する。ビット線５７は、１層またはそれ以上の層により構成するのが好ましい。例えば、Ｃｕ、ＡｕまたはＡｌ等からなる導電体の側面および底面を拡散バリア層で覆い包むようにしてビット線５７を形成する。必要に応じて、ビット線５７の１つ以上の側面にクラッド層を形成してもよい。ひとつ典型例では、ビット線５７は＋ｘ方向または−ｘ方向に電流を流すために用いられ、ワード線４０はｙ方向を長手方向とする。下部導電層４５が矩形状の線分であるとすると、その長い方の一辺がｙ方向に延び、短い方の一辺がｘ方向に延びるようにする。
【００５４】
良く知られた右手の法則によると、書込動作時において、ビット線５７を流れる電流はフリー層の容易軸方向に第１の磁界を発生させ、ワード線４０を流れる電流はフリー層の困難軸方向に第２の磁界を発生させる。ビット線電流およびワード線電流の方向と大きさとを変化させることにより、フリー層５０の磁化方向が特定方向に設定される。
【００５５】
図４は、ＭＲＡＭアレイの一部を上から見た様子を表すものである。ここでは、４つのＭＲＡＭセルと、４つのＭＴＪエレメントと、２本のワード線４０と、２本のビット線５７を図示している。簡略化のため、下部導電層４５は図示を省略している。ワード線４０
は幅ｂを有し、ビット線５７は幅ｖを有する。ビット線５７の上面は、それを取り巻く第４の絶縁層５８の上面の共面となるように形成されている。この第４の絶縁層５８は、第１〜第３の絶縁層３９，４１，５６と同様の誘電材料で構成されている。ＭＴＪエレメントの上面５４ａおよびＭＴＪ積層体の各層４６〜５４は、楕円形状を呈するようにするのが好ましい。ここで、長軸方向（ｙ方向）の長さは“ｗ”であり、短軸（ｘ方向）の幅は“ａ”である。但し、ＭＴＪエレメントの形状は、上から見たときに円形状、矩形状、菱形状あるいは眼の形になっていてもよい。ビット線５７の幅ｖは、ＭＴＪエレメントの長さｗよりも大きく、ワード線４０の幅ｂは、ＭＴＪエレメントの幅ａよりも大きい。
【００５６】
[第２の実施の形態] 
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るＴＭＲ読出ヘッド６０の断面構造を表すものである。本実施の形態では、ＭＴＪエレメントが、下部導電体（以下、下部（Ｓ１）シールド６２という。）と、上部導電体（以下、上部（Ｓ２）シールド７５という。）との間に配設されている。ＭＴＪ積層構造のフリー層７０の上には、ｄＲ／Ｒを向上させると共に許容し得る磁歪λs をもたらすために、ＮｉＦｅＸ層７１を含むキャップ層７４が形成されている。
【００５７】
基板としての下部シールド６２は、ＮｉＦｅ等で構成される。一つの態様では、上記した方法により、下部シールド６２の上にシールドキャップ層６４を形成する。具体的には、下部シールド６２の上に、５ｎｍ〜８ｎｍ程度の膜厚を有するＴａ層と、２ｎｍ〜３ｎｍ程度の膜厚を有するＲｕ層とを順次成膜したのち、Ｒｕ層をスパッタエッチングによって除去する。このエッチングプロセスにおいて、同時に、下層側のＴａ層を部分的に除去する。これにより、シールドキャップ層６４としての非結晶質Ｔａ層が形成される。シールドキャップ層６４は、３ｎｍ〜５ｎｍ程度の膜厚を有し、その後に形成されるＭＴＪエレメントにおける各層の平滑かつ緻密な結晶成長を促進する。必要に応じて、シールドキャップ層６４を複合層として構成してもよい。この場合、その複合層における最下層が、下部シールド６２に対するキャップ層として機能すると同時に、その後に形成される各層の平滑かつ緻密な結晶成長を促進する。下部シールド６２のキャップ層としては、例えば、非結晶質合金層（Ｃｏ75Ｆｅ25）0.8 Ｂ0.2 が用いられる。
【００５８】
次に、シールドキャップ層６４の上に、ＭＴＪ積層構造を形成する。その成膜プロセスは、シールドキャップ層６４の形成に用いたプロセスツールと同じものを用いて行う。そのようなツールとしては、並行スパッタリング（co-sputtering ）が可能な（ＰＶＤ）チャンバを少なくとも１つ備えると共に、一回の真空引きののちにＭＴＪ積層構造のすべての層を形成することができるシステム（例えば、アネルバ社製のスパッタリングシステムＣ−７１００）を用いるのが好ましい。
【００５９】
一例として、シールドキャップ層６４の上に、シード層６６、ＡＦＭ層６７、ＳｙＡＰピンド層６８、トンネルバリア層６９、フリー層７０およびキャップ層７４を順次形成することにより、ＭＴＪ積層構造が出来上がる。シード層６６は、第１の実施の形態におけるシード層４６と同じ膜厚および組成を有するＮｉＣｒ層により構成することができる。
同様にして、ＡＦＭ層６７、ＳｙＡＰピンド層６８およびトンネルバリア層６９は、それぞれ、第１の実施の形態におけるＡＦＭ層４７、ＳｙＡＰピンド層４８およびトンネルバリア層４９と同じ組成をもつように構成可能である。但し、ＴＭＲ読出ヘッド６０の場合には、０．４ｎｍ〜０．６ｎｍ程度の膜厚のアルミニウム層を形成したのち、続いて、これを自然酸化（ＮＯＸ）プロセスまたはラジカル酸化（ＲＯＸ）プロセスにより酸化してトンネルバリア層６９を形成する。
【００６０】
フリー層７０は、ＦｅＣｏ／ＮｉＦｅという組成の複合層として構成するのが好ましい。ここで、ＦｅＣｏ合金層は、Ｆｅ含有量が９０原子％程度であり、０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ程度（より好ましくは、１．０ｎｍ）の膜厚を有する。ＮｉＦｅ合金層は、Ｆｅ含有量が１０〜１７．５原子％程度であり、３．０ｎｍ〜４．０ｎｍ程度の膜厚を有する。フリー層７０は、成膜中、磁化方向がｘ方向を向くように配設する。
【００６１】
本実施の形態の重要な特徴は、フリー層７０の上に形成された、内側層であるＮｉＦｅＸ層７１と外側層７２の２層構造をもつキャップ層７４にある。ＴＭＲ読出ヘッドの場合、ＮｉＦｅＸ層７１は、上記実施の形態におけるＮｉＦｅＸ層５１と同様の膜厚および性質を有する。ＮｉＦｅＸ層７１の組成は、ＮｉR ＦｅS ＭｇT と表される。ここで、Ｒ＋Ｓ＋Ｔ＝１００、Ｒは４０〜７０原子％、Ｓは７〜１２原子％、Ｔは２０〜５５原子％である。但し、ＮｉＦｅＸ層７１における元素Ｘの含有量は、上記第１の実施の形態におけるＮｉＦｅＸ層５１の場合よりも低いのが好ましく、したがって、Ｒ／Ｓ比はＮｉＦｅＸ層５１の場合よりも大きくなる。例えば、ＮｉＦｅＸ層７１中の元素ＸがＭｇである場合、Ｔは２０〜３０原子％程度である。そして、Ｎｉ90Ｆｅ10ターゲットを用いた場合、Ｒ／Ｓ比は９：１程度である。また、元素ＸがＨｆ、Ｎｂ、ＴａまたはＺｒである場合も、Ｒ／Ｓ比は９：１程度である。また、非磁性のＮｉＦｅＸ膜を得るのに必要な元素Ｘの最小含有量は、ＸがＺｒの場合は２０原子％であり、ＸがＮｂまたはＴａの場合は１５原子％である。
【００６２】
外側層７２は、３ｎｍ〜１０ｎｍ（より好ましくは２ｎｍ〜５ｎｍ）程度の膜厚を有し低い電気抵抗値をもつ非結晶質Ｔａ層であるのが好ましい。ＮｉＦｅＸ層７１の膜厚を調整することにより、フリー層７０の磁歪を低減することができる。ＮｉＦｅＸ層７１はまた、フリー層７０から酸素を除去する酸素吸着層としても機能する。キャップ層７４の外側（Ｔａ）層７２は平滑な表面を形成することができることから、その上に形成される上部リード（上部シールド７５）との電気的接触が最適化される。
【００６３】
ＮｉＦｅＸ層７１は、例えば、Ｎｉ90Ｆｅ10ターゲットと元素Ｘターゲットとを並列スパッタリングすることにより、形成可能である。但し、ＴＭＲ読出ヘッド６０の場合、ＮｉＦｅターゲット中のＦｅ含有量は、上記第１の実施の形態（ＭＲＡＭ）の場合よりも低くする。ＮｉＦｅＸ層７１における望ましいＦｅ含有量は、ＭＲＡＭの場合のそれよりも低いからである。
【００６４】
図６は、図５の変形例を表すものである。この例では、ＴＭＲ読出ヘッド６０のキャップ層７４が、内側のＮｉＦｅＸ層７１とＲｕからなる外側層７３との間にＴａ層７２を挟んでなる３層構造を有する。この場合、ＮｉＦｅＸ層７１およびＴａ層７２の両方が、フリー層７０から酸素を除去する酸素吸着層として機能する。外側層７３は、３ｎｍ〜１０ｎｍ程度の膜厚を有し、上記第１の実施の形態で説明したＲｕ層５３と同様の性質を有する。必要に応じて、外側層７３を、Ｒｕではなく他の金属（例えばＡｕ、ＣｕおよびＰｔ等）で構成してもよい。
【００６５】
本実施の形態では、ＭＴＪ積層構造のすべての層を成膜したのちに、１回以上のアニールを行う。例えば、ｙ方向に沿って外部磁界を印加しながらＡＦＭ層をアニールする。ＴＭＲ読出ヘッドの場合には、ｘ方向に沿ってより小さい外部磁界を印加しながら、フリー層をアニールする。ＴＭＲ読出ヘッドの製造のためのアニール工程は、通常、２５０°Ｃ以上の温度下で行う。
【００６６】
ＭＴＪ積層構造のすべての層を成膜したのち、これを選択エッチングすることにより、ＴＭＲ読出ヘッドのＭＴＪエレメントを作製する。より具体的には、ＭＴＪ積層構造の上面７４ａの上にリフトオフフォトレジストパターン（図示せず）を形成し、続いて、ＩＢＥエッチングプロセスにより、ＭＴＪ積層構造のうちフォトレジストマスクで保護されていない部分の各層６６〜７４を選択的に除去する。これにより、図７に示したように、シード層６６の幅がキャップ層７４の幅よりも大きくなるような傾斜側壁をもつＭＴＪエレメントが出来上がる。この場合、上面７４ａの幅がトラック幅を画定する。なお、ＩＢＥエッチングプロセスに代えて、上記第１の実施の形態のＭＲＡＭの場合と同様にしてＲＩＥエッチングプロセスを用いてもよい。ＲＩＥプロセスを用いると、ＩＢＥプロセスの場合よりも傾斜が小さくなる（垂直壁に近づく）。
【００６７】
ＲＩＥまたはＩＢＥプロセスののち、ＣＶＤ（化学気相成長）またはＰＶＤ（物理気相成長）プロセスにより、例えば１０ｎｍ〜１５ｎｍ程度の膜厚を有しＡｌ2 Ｏ3 等からなる第１の絶縁層７６を、ＭＴＪエレメントの側壁およびシールドキャップ層６４の上に形成する。次に、第１の絶縁層７６の上に、例えばＴｉＷ／ＣｏＣｒＰｔ／Ｔａなる構造のハードバイアス層７７と第２の絶縁層７８とを順に積層する。ハードバイアス層７７の膜厚は、２０ｎｍ〜３０ｎｍ程度とし、第２の絶縁層７８の膜厚は、２０ｎｍ〜２５ｎｍ程度とする。ＭＴＪエレメントの上方にある、フォトレジスト層、第１の絶縁層７６層、ハードバイアス層７７および第２の絶縁層７８は、通常のリフトオフプロセスによって除去され、これにより、上面７４ａが露出する。このとき、ＭＴＪエレメントの上面７４ａが第２の絶縁層７８の上面と共面となるようにするのが好ましい。第２の絶縁層７８を平坦化するためには、ＣＭＰ（化学機械研磨）プロセスを用いることができる。最後に、ＭＴＪエレメントの上面７４ａおよび第２の絶縁層７８の上に、上部シールド７５を形成する。これにより、ＴＭＲ読出ヘッド６０の製作が完了する。
【実施例】
【００６８】
本実施の形態に係るＴＭＲセンサにおいて、下部導電体上に形成したＭＴＪ積層構造の性能を確認するための実験を行った。
【００６９】
フリー層７０として、１ｎｍの膜厚のＦｅＣｏ内側層と、４ｎｍの膜厚のＮｉ90Ｆｅ10
外側層とを積層した複合層構造を用いた。ＭＴＪ積層構造は、次のような構造とした。
【００７０】
シード層／ＡＦＭ層／ＳｙＡＰピンド層／トンネルバリア層／フリー層／キャップ層
【００７１】
より具体的には、次のような構造とした。
ＮｉＣｒ４／ＭｎＰｔ１０／ＣｏＦｅ（１０％）２．３／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（２５％) ２／ＡｌＯｘ０．７／フリー層／キャップ層
【００７２】
ここで、ＮｉＣｒ４はシード層、ＭｎＰｔ１０はＡＦＭ層、ＣｏＦｅ（１０％）２．３／Ｒｕ／ＣｏＦｅ（２５％) ２はＳｙＡＰピンド層、ＡｌＯｘ０．７はトンネルバリア層である。また、例えば、「ＮｉＣｒ４」という表記は、４ｎｍの膜厚のＮｉＣｒ合金層を意味し、「ＣｏＦｅ（１０％）２．３」という表記は、Ｆｅ含有量が１０原子％で膜厚が２．３ｎｍのＣｏＦｅ合金層を意味する。その他の表記もこれに準ずる。
【００７３】
トンネルバリア層は、０．５ｎｍの膜厚のアルミニウム層を酸化して形成した。ＭＴＪ積層構造の各層のアニールは、１０7 ／４π［Ａ／ｍ］という磁界を印加しながら２５０°Ｃの温度下で５時間行った。Ｂ- Ｈルーパ、ＥＤＳ、Ｃａｐｒｅｓ  ＣＩＰＴ(currentin plane tunneling) 、および磁歪測定ツールを用いて、表１に示した結果を得た。Ｃａｐｒｅｓ  ＣＩＰＴツールは、パターニングしていないＭＴＪ積層構造についてのＲＡ値およびｄＲ／Ｒを測定するためのものである。
【表１】
2007288196.tif 000003
【００７４】
表１において、サンプル１〜３は２層構造のキャップ層の実施例を示し、サンプル５は３層構造のキャップ層の実施例を示す。サンプル４は、ＭＴＪ積層構造の上にＲｕ／Ｔａという２層構造のキャップ層を形成した場合の比較例データである。サンプル６は、本発明者が現在用いている現行プロセスの最高記録としての、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕという３層構造のキャップ層に関するデータである。磁歪λs は、約１．０×１０-6以下であることが好ましい。磁歪λs が−１．０×１０-7〜＋１．０×１０-7の範囲にあるということは、フリー層が磁気抵抗効果を示さないことを意味する。なお、磁歪λs の符号は、「−」が圧縮応力を示し、「＋」が引っ張り応力を示す。
【００７５】
サンプル１，２は、いずれも、ＮｉＦｅＭｇ／Ｔａという構造のキャップ層に関するデータである。これらの実施例では、キャップ層は非磁性であり、比較例（サンプル４）と同等の低磁歪を示したが、ＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）は比較例に比べて向上（ゲインが６〜７％）している。サンプル３は、同じくＮｉＦｅＭｇ／Ｔａという構造のキャップ層の場合であるが、Ｍｇ含有量が１２．３原子％と低くなっている。このように、Ｍｇ含有量が２３原子％を下回ると、ＮｉＦｅＭｇ層とＦｅＣｏ／ＮｉＦｅフリー層との界面がわずかに磁性的になる（ＮｉＦｅＭｇキャップ層が磁性的になる）。
【００７６】
表１からわかるように、２層構造のキャップ層（サンプル１〜３）をもったＭＴＪエレメントに比べて、サンプル５，６の３層構造のキャップ層（ＮｉＦｅＭｇ／Ｔａ／Ｒｕ，Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ）をもったＭＴＪエレメントの方が、より高いｄＲ／Ｒが得られる。特に、サンプル５のＮｉＦｅＭｇ／Ｔａ／Ｒｕというキャップ層の場合には、現行プロセスの３層構造（サンプル６）に比べて、８．７％というｄＲ／Ｒゲインが得られた。比較例（サンプル４）に比べると、３層構造の実施例（サンプル５）では、実に１５．７％というｄＲ／Ｒゲインが得られた。このことは、３層構造のキャップ層のうちのＴａ中間層がフリー層中の酸素原子を吸着する酸素ゲッターとして有効であることを意味している。２層構造の方が、キャップ層のｄＲ／Ｒが小さいことの理由は、次のように考えられる。アニールが高真空中で行われるとはいっても、アニール中にキャップ層のうちの０．７ｎｍ〜０．８ｎｍという膜厚のＴａ層が酸化されて、２．２ｎｍ程度の膜厚の酸化タンタル（ＴａＯ）層が生ずるので、Ｔａ／ＴａＯという複合層構造になる。その結果、このＴａ／ＴａＯ構造の電極電位はＴａ層単体の場合の酸化電位よりも低下し、結果的にｄＲ／Ｒが低下するのである。ところが、ＮｉＦｅＭｇ／Ｔａ／Ｒｕという３層構造のキャップ層の場合には、最上のＲｕ層がＴａ層の酸化を防ぐので、Ｔａ層の酸化電位が保たれる。しかも、Ｒｕ層は、上方の導電体線との良好な電気的接触をもたらす。
【００７７】
ＴＭＲ読出ヘッドに係る第２の実施の形態において、ＭＴＪ積層構造のＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）の大きさについては、高い分極を示すＦｅＣｏ（ＡｌＯＸ／ＦｅＣｏ）というインタ
ーフェイス層が支配的であって、Ｎｉ90Ｆｅ10／ＮｉＦｅＸという構造のキャップインターフェイス層の寄与は僅かである。第１の実施の形態として示したＭＲＡＭ用途の場合、最も一般的に用いられるフリー層は、薄いＮｉＦｅ合金（例えばＮｉ80Ｆｅ20）である。
ＭＲＡＭ用途のＭＴＪ積層構造において非磁性のＮｉＦｅＭｇ層を作製するためには、より高い酸素ゲッター能力をもたらすべく、ＮｉＦｅＭｇ層中のＭｇ濃度を５０原子％程度にしなければならない。したがって、Ｎｉ80Ｆｅ20層がＮｉ90Ｆｅ10層に比べてより高いスピン分極を示すこと、および、非磁性のＮｉＦｅＭｇ層の酸素ゲッター能力が高いことを鑑みると、ＭＲＡＭ用途のＭＴＪ積層構造において達成すべき、１０％を越える高いｄＲ／Ｒの向上が見込める。
【００７８】
このように、本実施の形態によれば、ＭＴＪ積層構造におけるキャップ層を、非磁性の
ＮｉＦｅＸ（Ｘは、ＮｉおよびＦｅよりも酸化電位が高い元素）なる合金層が含まれるように構成したので、高いＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）と共に、約１．０×１０-6という低磁歪を達成することができる。特に、ＮｉＦｅＸ層は、その下側のフリー層から酸素を除去する酸素ゲッター層として機能すると共に、その上側のＴａ層からＴａがフリー層の中に拡散するのを防ぐ拡散バリア層としても機能する。ＮｉＦｅＸ層は、フリー層と直接接触していることから、Ｔａ層よりも効果的な酸素ゲッター層である。このように、ＭＴＪ積層構造におけるキャップ層を複合層で構成することにより、先進のＭＲＡＭ用途またはＴＭＲセンサ用途において、高いＭＲ比、低いＲＡ値および低磁歪という独特の特性組み合わせをもった高性能ＭＴＪエレメントが得られる。また、ＮｉＦｅターゲットおよびＸターゲットの並列スパッタリングにより、合金が非磁性となり得るのに必要な高いＸ含有量のＮｉＦｅＸ層を形成することが可能になる。
【００７９】
以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、形状や詳細に関して種々の変形が可能である。例えば、各実施の形態の説明の中や表１で挙げた層構成の各層の膜厚は、そこに示した値に限定されるものではなく、また、層構成やそれらを構成する材料についても、そこに示したものに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるＭＲＡＭ用途のＭＴＪ素子の一製造工程を表す断面図である。
【図２】図１のＭＴＪ素子の変形例を示す断面図である。
【図３】図１または図２に続く工程を示す断面図である。
【図４】ＭＲＡＭアレイを上から見たときの状態を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態におけるＴＭＲ読出ヘッド用途のＭＴＪ素子の一製造工程を表す断面図である。
【図６】図５のＭＴＪ素子の変形例を示す断面図である。
【図７】図５または図６に続く工程を示す断面図である。
【図８】従来のＭＲＡＭ構造において下部電極と上部電極との間に形成されたＭＴＪ構造を表す断面図である。
【図９】下部導電電極とその上方のビット線との間にＭＴＪ素子を形成すると共に下部導電体の下方の絶縁層中にワード線を設けるようにした従来のＭＲＡＭ構造を表す断面図である。
【図１０】下部シールド層と上部シールド層との間に形成され、ＴＭＲ読出ヘッドにおけるセンサとして機能する従来のＭＴＪ素子を表す断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
３６…ＭＲＡＭセル構造、３８…基板、３９，４１，５８…絶縁層、４０…ワード線、４２，６６…シード層、４３…導電層、４４…キャップ層、４５…下部導電層、４６…シード層、４７，６７…反強磁性層、４８，６８…ピンド層、４９，６９…トンネルバリア層、５０，７０…フリー層、５１，７１…ＮｉＦｅＸ層、５２，７２…Ｔａ層、５３，７３…Ｒｕ層、５４，７４…キャップ層、５７…ビット線、６０…ＴＭＲ読出ヘッド、６２…下部シールド、６４…シールドキャップ層、７５…上部シールド。
【図１】
2007288196.tif 000004
【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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【図８】
2007288196.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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