(57)【要約】【課題】従来よりも高いＭＲ比を持った磁気抵抗素子とその製造方法を提供する。【解決手段】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及び磁気センサーに用いられる磁気抵抗素子、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）に関し、基板、トンネルバリア層、Ｃｏ（コバルト）Ｆｅ（鉄）合金からなる強磁性層及びＢ（ボロン）を含有した非磁性金属層を有する磁気抵抗素子。【選択図】図1
2012124185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、トンネルバリア層、強磁性層及びＢを含有した非磁性金属層を有する、ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記非磁性金属層は、非磁性遷移金属を含有する、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記非磁性遷移金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｔｅ及びＲｕからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を含有する、ことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記トンネルバリア層は、結晶性酸化マグネシウム含有層を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
基板、
反強磁性層、強磁性層及びＢを含有した非磁性金属層を有する磁化固定層、
強磁性層及びＢを含有する非磁性金属を有する磁化自由層、並びに
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に位置する金属酸化物を含有したトンネルバリア層を有する、
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記非磁性金属層は、非磁性遷移金属を含有する、ことを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記非磁性遷移金属は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｔａ、、Ｉｒ、Ｔｅ及びＲｕからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を含有する、ことを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子。
【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及び磁気センサーに用いられる磁気抵抗素子、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、特許文献５、特許文献６、非特許文献１及び非特許文献２には、トンネルバリア層と該トンネルバリア層の両側に設置した第一及び第二の強磁性体層からなるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗；Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子（以下、ＴＭＲ素子という）が記載され、この素子を構成する第一及び又は第二の強磁性体層として、Ｃｏ（コバルト）原子、Ｆｅ（鉄）原子及びＢ（ボロン）原子を含有したＣｏＦｅＢ合金が用いられている。  また、上述のＣｏＦｅＢ合金層として、多結晶構造のものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０４００４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２００３−３０４０１０号公報
【特許文献４】特開２００６−０８０１１６号公報
【特許文献５】米国公開ＵＳ２００６／００５６１１５号公報
【特許文献６】米国特許第７２５２８５２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｄ．Ｄ．Ｄｊａｙａｐｒａｗｉｒａら著「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」，８６，０９２５０２（２００５）
【非特許文献２】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、従来技術と比較し、一層、改善された高いＭＲ比を持った磁気抵抗素子（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等）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１に、基板、トンネルバリア層、強磁性層及びＢ（ボロン；以下「Ｂ」と記述する）を含有した非磁性金属層を有する磁気抵抗素子を特徴とする。
【０００７】
本発明は、第２に、基板、反強磁性層、強磁性層及びＢを含有した非磁性金属層を有する磁化固定層、磁性層及びＢを含有する非磁性金属を有する磁化自由層、並びに前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に位置する金属酸化物を含有したトンネルバリア層を有する磁気抵抗素子を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来のＴＭＲ素子で達成されていたＭＲ比を大幅に改善することができた。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の磁気抵抗素子の一例の断面模式図である。
【図２】本発明の磁気抵抗素子を製造する成膜装置の一例の構成を模式的に示す図である。
【図３】図２の装置のブロック図である。
【図４】本発明の磁気抵抗素子を用いて構成されるＭＲＡＭの模式斜視図である。
【図５】本発明の磁気抵抗素子を用いて構成されるＭＲＡＭの等価回路図である。
【図６】本発明の磁気抵抗素子に係るカラム状結晶構造の模式斜視図である。
【図７】本発明の磁気抵抗素子の他の構成のＴＭＲ素子の断面図である。
【図８】本発明の磁気抵抗素子の別の一例の断面模式図である。
【図９】本発明の磁気抵抗素子の別の一例の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の磁化自由層及び磁化固定層には、強磁性体層を用いることができる。該強磁性層で用いる強磁性体としては、ＣｏとＦｅとＢからなる合金（以下、ＣｏＦｅＢと記す）、ＣｏとＦｅとの合金（以下、ＣｏＦｅと記す）が好ましく用いられる。また、ＣｏとＦｅとＮｉからなる合金（以下、ＣｏＦｅＮｉと記す）、ＣｏとＦｅとＮｉとＢからなる合金（以下、ＣｏＦｅＮｉＢと記す）も好ましく用いられる。さらに、ＮｉとＦｅとの合金（以下、ＮｉＦｅと記す）も好ましく用いられる。本発明では、上記合金群より少なくとも１種を選択することができる。
【００１１】
本発明の磁気抵抗素子において、好ましくは、前記強磁性体層及びトンネルバリア層は、それぞれ、カラム状結晶（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多結晶構造を有する。
【００１２】
図６は、トンネルバリア層として用いたＭｇ酸化物のカラム状結晶６２の集合体６１からなる多結晶構造の模式斜視図である。該多結晶構造には、多結晶領域内に部分的なアモルファス領域を含む多結晶−アモルファス混合領域の構造物も包含される。該カラム条結晶は、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。また、該カラム状単結晶の平均的な直径は、好ましくは１０ｎｍ以下であり、より好ましくは２ｎｍ乃至５ｎｍの範囲であり、その膜厚は、好ましくは１０ｎｍ以下であり、より好ましくは０．５ｎｍ乃至５ｎｍの範囲である。
【００１３】
次に、本発明の磁気抵抗素子の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、以下の工程を有する。第一工程：スパッタリング法を用いて、反強磁性層を成膜する。第二工程：スパッタリング法を用いて、前記反強磁性層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、該強磁性体層の上にＢ含有の非磁性金属層を成膜し、該非磁性金属層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、これら複数層からなる多層膜で形成した磁化固定層を成膜する。第三工程：スパッタリング法を用いて、前記磁化固定層の上に、Ｍｇ酸化物の結晶層からなるトンネルバリア層を成膜する。第四工程：スパッタリング法を用いて、前記トンネルバリア層の上に、アモルファス構造の強磁性体層を成膜し、該強磁性体層の上にＢ含有の非磁性金属層を成膜し、該非磁性金属層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、これら複数層からなる多層膜で形成した磁化自由層を成膜する。第五工程：前記第四工程終了後、磁化固定層の磁場を固定するために、ランプヒータ装置や超音波加熱装置等のヒータを用いたアニーリング処理を施し、このアニーリング時に、アモルファス構造の強磁性体層から結晶構造の強磁性体層に変換することが出来る。これによって、ＭＲ比を大幅に改善することができた。
【００１４】
本発明で用いられるアニーリング工程は、２００℃乃至３００℃（好ましくは、２３０℃乃至２５０℃）で、１時間乃至６時間（好ましくは、２時間乃至５時間）で実施される。このアニーリング工程の温度及び加熱時間に応じて、生成される結晶の結晶化度を変化させることができる。本発明では、結晶化度を対全体積当り９０％以上とすることができ、特に、結晶化度１００％とすることができる。
【００１５】
本発明に係る前記第三工程は、Ｍｇ酸化物から成るターゲットを用いたスパッタリングによって、Ｍｇ酸化物の結晶層を成膜する工程が好ましい。特に、該ターゲットと酸化性ガスを用いた反応性スパッタリングが好ましく、該酸化性ガスとしては、酸素ガス、オゾンガス、水蒸気等が好ましく用いられる。  又、本発明では、前記第三工程において、Ｍｇ酸化物から成るターゲットに変えて、金属Ｍｇターゲットを用いることができる。このスパッタリングによって成膜した金属Ｍｇ層は、酸素ガス、オゾンガス又は水蒸気等の酸化性ガス下で、金属Ｍｇを酸化することによってＭｇ酸化物層を得ることができる。  又、上記Ｍｇ酸化物層中には、微量のＢを含有させることができる。
【００１６】
次に、本発明の磁気抵抗素子の別の製造方法について説明する。本発明の別の製造方法は、以下の工程を有する。第一工程：スパッタリング法を用いて、反強磁性層を成膜する。第二工程：スパッタリング法を用いて、前記反強磁性層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、該強磁性体層の上に非磁性金属層を成膜し、該非磁性金属層の上にアモルファス構造で、Ｂ含有の強磁性体層を成膜し、これら複数層からなる多層膜で形成した磁化固定層を成膜する。第三工程：スパッタリング法を用いて、前記磁化固定層の上に、Ｍｇ酸化物の結晶層からなるトンネルバリア層を成膜する。第四工程：スパッタリング法を用いて、前記トンネルバリア層の上に、アモルファス構造で、Ｂ含有の強磁性体層を成膜し、該強磁性体層の上に非磁性金属層を成膜し、該非磁性金属層の上にアモルファス構造の強磁性体層を成膜し、これら複数層からなる多層膜で形成した磁化自由層を成膜する。第五工程：前記第四工程終了後、磁化固定層の磁場を固定するために、ランプヒータ装置や超音波加熱装置等のヒータを用いたアニーリング処理（２００℃乃至３００℃、好ましくは、２３０℃乃至２５０℃で、１時間乃至６時間、好ましくは、２時間乃至５時間）を施し、このアニーリング時に、アモルファス構造の強磁性体層から結晶構造の強磁性体層に変換する。第六工程：前記第五工程終了後、強磁性体層中のＢが非磁性金属層まで固相拡散するに十分なアニーリング（温度３４０℃以上、好ましくは、３５０℃〜３６０℃の高温下、数分〜数時間、好ましくは３０分〜２時間）処理を施す。
【００１７】
以下に、本発明の好適な実施形態を挙げてより詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の磁気抵抗素子１０の積層構造の一例を示し、ＴＭＲ素子１２を用いた磁気抵抗素子１０の積層構造を示している。この磁気抵抗素子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層）から最上層の第９層（Ｒｕ層）に向かった多層膜構造体となっている。具体的には、ＰｔＭｎ層、ＣｏＦｅ層、非磁性ＢＲｕ合金層、ＣｏＦｅ合金層、非磁性Ｍｇ酸化物層、ＣｏＦｅ合金層、非磁性ＢＴａ合金層及び非磁性Ｒｕ層の順序で磁性層及び非磁性層が積層されている。尚、各層の括弧中の数値は、各層の厚みを示し、単位はｎｍ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。また、ＰｔＭｎ層はＰｔとＭｎを含有する合金層である。
【００１９】
図１において、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、トンネルバリア層１２２及び第二強磁性体層１２３によって構成されている。１３は第１層（Ｔａ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（ＢＲｕ合金層）の交換結合用非磁性体金属層で、１２１は第５層（結晶性ＣｏＦｅ合金層）の強磁性体層で、これら第３層、第４層及び第５層とから成る層が磁化固定層１９である。実質的な磁化固定層１９は、第５層の結晶性ＣｏＦｅ合金層から成る強磁性体層１２１であり、本発明に係る前記第一強磁性体層に相当する。
【００２０】
１２２は、第６層（多結晶Ｍｇ酸化物）のトンネルバリア層で、絶縁層である。本発明に係るトンネルバリア層１２２は、単一の多結晶ＢＭｇ酸化物層であってもよい。
【００２１】
図７は、本発明の別のＴＭＲ素子１２の例である。図８中の符号１２、１２１、１２２及び１２３は、図１と同一部材である。本例では、トンネルバリア層１２２は、Ｍｇ酸化物層７２、並びに、該層７２の両側の金属Ｍｇ層７１及び７３からなる積層膜である。また、本発明では、上述の層７１の使用を省略し、層７２を結晶性強磁性体層１２３に隣接配置することができ、又は上述の層７３の使用を省略し、層７２を第二強磁性体層１２１に隣接配置することができる。
【００２２】
図１において、１２３は、第７層（ＣｏＦｅ合金層）の結晶性強磁性体層であり、磁化自由層であり、本発明に係る前記第二強磁性体層に相当する。第７層１２３は、上記の他に、カラム状結晶の集合体からなる多結晶ＮｉＦｅを用いた結晶性強磁性体層であってもよい。磁化自由層の強磁性体層１２３は、ＭＲＡＭとしての適用時には、記録層として機能することが出来る。
【００２３】
結晶性強磁性体層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。
【００２４】
１７は、第８層（ＢＴａ合金層）の非磁性金属層であり、電極としても機能させることができる。１８第（９層のＲｕ層）は、層１３、層１４、層１５、層１６、層１２１、層１２２、層１２３及び層１７からなる多層膜をドライエッチングによるパターン形成時に用いた時のハードマスク層である。この第９層のハードマスクは、磁気抵抗素子から除去されていてもよい。
【００２５】
上記磁化固定層のうちの第５層である強磁性体層１２１（ＣｏＦｅ合金層）とトンネルバリア層１２２である第６層（多結晶Ｍｇ酸化物層）と磁化自由層である第７層の強磁性体層１２３（ＣｏＦｅ合金層）とによって、ＴＭＲ素子１２が形成される。
【００２６】
トンネルバリア層層１２２（Ｍｇ酸化物層）、結晶性強磁性体層１２１（ＣｏＦｅ合金層）及び結晶性強磁性体層１２３は、前述の図６に図示したカラム状結晶構造６１を有することが好ましい。
【００２７】
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は磁気抵抗素子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。
【００２８】
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、ロボット搬送装置（不図示）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）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。
【００２９】
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乃至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乃至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。尚、各チャンバ２０１Ａ乃至２０１Ｃ及び２０２には、
不図示の真空排気機構、ガス導入機構、電力供給機構などが付設されている。成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ乃至２０１Ｃは、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。
【００３０】
成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ乃至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乃至３５、４１乃至４５、５１乃至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。また、上記カソード３１乃至３５、４１乃至４５、５１乃至５４に装着したターゲットの背後に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。
【００３１】
上記装置においては、電力投入手段２０７Ａ乃至２０７Ｃから、上記カソード３１乃至３５、４１乃至４５、５１乃至５４にラジオ周波数（ＲＦ周波数）のような高周波電力が印加される。高周波電力としては、０．３ＭＨｚ乃至１０ＧＨｚの範囲、好ましくは、５ＭＨｚ乃至５ＧＨｚの範囲の周波数及び１０Ｗ乃至５００Ｗの範囲、好ましくは、１００Ｗ乃至３００Ｗの範囲の電力を用いることができる。
【００３２】
上記において、例えば、カソード３１にはＴａターゲットが、カソード３２にはＰｔＭｎターゲットが、カソード３３にはＣｏＦｅ合金ターゲットが、カソード３４にはＣｏＦｅ合金ターゲットが、カソード３５にはＢＲｕ合金ターゲットがそれぞれ装着される。また、カソード４１にはＭｇ酸化物ターゲット又はＭｇターゲットが装着される。Ｍｇ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（不図示）を搬送チャンバ２０２に接続して実施することができる。
【００３３】
また、Ｍｇターゲットを用いたスパッタリングにより多結晶金属Ｍｇ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）を用いた酸化チャンバ（不図示）にて、多結晶Ｍｇ酸化物層に化学変化させることができる。
【００３４】
カソード５１にはＣｏＦｅ合金ターゲットが、カソード５２にはＢＴａ合金ターゲットが、カソード５３にはＢＲｕ合金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か、又は、ＣｏＦｅ合金ターゲット、Ｔａターゲット、又はＲｕ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。
【００３５】
上記カソード３１乃至３５、４１乃至４５、並びに、５１乃至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、且つ、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。
【００３６】
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°乃至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、この時の基板は、１０ｒｐｍ乃至５００ｒｐｍの回転速度、好ましくは、５０ｒｐｍ乃至２００ｒｐｍの回転速度を用いることができる。
【００３７】
図３は、本発明に用いられる成膜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である。また、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である。さらに、３０６は記憶媒体３１２を内蔵した中央演算器（ＣＰＵ）である。符号３０９乃至３１１は、ＣＰＵ３０６と各処理チャンバ３０１乃至３０５とを接続するバスラインで、各処理チャンバ３０１乃至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乃至３０５に送信される。
【００３８】
本発明の磁気抵抗素子の製造においては、例えば、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ログラムに基づいて演算する。そして、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の実行を制御することによって実施される。上記各種装置としては、例えば、不図示のゲートバルブ、ロボット機構、搬送機構、駆動系等が挙げられ、記憶媒体３１２が前述した本発明の記憶媒体に相当する。
【００３９】
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ＣｏＦｅ合金層は、好ましくはアモルファス構造となっているが、多結晶構造であってもよい。
【００４０】
上記積層プロセスは、ＣＰＵ３０６内で、記憶媒体３１２に記憶させた制御プログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７，３０８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の実行を制御することで実施される。係る各種装置としては、例えば、不図示の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、駆動系等が挙げられる。
【００４１】
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ＣｏＦｅ合金層の上に、第６層１２２として、多結晶Ｍｇ酸化物層の成膜を実行する。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ログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７，３０９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の実行を制御することで実施される。上記各種装置としては、例えば、不図示の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、駆動系等が挙げられる。
【００４２】
上記第６層１２２まで積層した基板は、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の多結晶Ｍｇ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ＣｏＦｅ合金層は、好ましくは、アモルファス構造となっているが、多結晶構造であってもよい。
【００４３】
第９層までの積層は、ＣＰＵ３０６内で、記憶媒体３１２に記憶させた制御プログラムに基づいて演算された制御信号が、バスライン３０７，３１０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の実行を制御することで実施される。上記各種装置としては、例えば、不図示の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、駆動系等が挙げられる。
【００４４】
本発明の記憶媒体３１２としては、前述したように、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。
【００４５】
上記第５層１２１及び第７層１２３のアモルファスＣｏＦｅ合金層のアニーリングによる多結晶化を促す、及び、第２層１４のＰｔＭｎ層の磁気付与を促すために、第１層乃至第９層からなる積層膜をアニーリング炉（不図示）に搬入することができる。
【００４６】
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る。よって、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（例えば、不図示のヒータ機構、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】
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ＣｏＦｅ合金層に換えて他の合金層を用いることができる。具体的には、ＣｏＦｅＢ層、ＣｏＦｅＴａＺｒ層、ＣｏＴａＺｒ層、ＣｏＦｅＮｂＺｒ層、ＣｏＦｅＺｒ層、ＦｅＴａＣ層、ＦｅＴａＮ層、又はＦｅＣ層などの多結晶強磁性体層を用いることができる。
【００４８】
本発明では、上記第４層１６のＢＲｕ層に換えて、ＢＲｈ層又はＢＩｒ層などのＢを含有した非磁性遷移金属を用いても、同様の効果が得られたが、これらの他に、Ｂを含有した、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｅ及びからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を用いても、同様の効果が得られた。  また、本発明では、第４層１６中のＢの含有量は、１０atomic%〜４０atomic%の範囲に設定することができる。  また、上記第８層１７のＢＴａ合金層に換えて、Ｂを含有したＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｅ、Ｔａ及びＲｕからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を用いても、同様の効果が得られた。  また、本発明では、第８層１７中のＢの含有量は、１０atomic%〜４０atomic%の範囲に設定することができる。
【００４９】
さらに、本発明では、上記第２層１４のＰｔＭｎ層に換えて、ＩｒＭｎ層、ＩｒＭｎＣｒ層、ＮｉＭｎ層、ＰｄＰｔＭｎ層、ＲｕＲｈＭｎ層やＯｓＭｎ層等の各合金層が好ましく用いられる。又、その膜厚は、１０乃至３０ｎｍが好ましい。
【００５０】
本発明では、上記第５層１２１は、多結晶ＣｏＦｅ合金層と多結晶ＣｏＦｅＢ層（基板側に位置させる）からなる積層膜とすることができる。
【００５１】
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ＭＲＡＭ４０１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。
【００５２】
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。
【実施例】
【００５３】
図１に示した磁気抵抗素子を図２に示した成膜装置を用いて作製した。主要部であるＴＭＲ素子１２の成膜条件は以下の通りである。
【００５４】
強磁性体層１２１はＣｏＦｅ組成比（ａｔｏｍｉｃ：原子比）６０／４０のターゲットを用い、Ａｒガス圧力０．０３Ｐａで、マグネトロンＤＣスパッタ（チャンバ２０１Ａ）により成膜した。続いて、スパッタリング装置（チャンバ２０１Ｂ）に換えた。ＭｇＯ組成比（ａｔｏｍｉｃ：原子比）５０／５０のターゲットを用い、スパッタガスの圧力は好適範囲０．０１乃至０．４Ｐａの圧力範囲のうち、０．２Ｐａとした。この条件で、マグネトロンＲＦスパッタリング（１３．５６ＭＨｚ）により、第６層のＭｇ酸化物層であるトンネルバリア層１２２を成膜した。この際、Ｍｇ酸化物層（トンネルバリア層１２２）は、カラム状結晶の集合体よりなる多結晶構造であった。また、この時のマグネトロンＲＦスパッタリング（１３．５６ＭＨｚ）の成膜レートは、０．１４ｎｍ／ｓｅｃであった。
【００５５】
さらに続けて、スパッタリング装置（チャンバ２０１Ｃ）に換えて、磁化自由層（第７層のＣｏＦｅ合金層）である強磁性体層１２３を成膜した。
【００５６】
成膜用マグネトロンスパッタリングチャンバ２０１Ａ乃至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、熱処理炉において約３００℃及び４時間で、８ｋＯｅの磁場中で、アニーリング処理を実施した。その結果、アモルファス構造の第５層及び第７層のＣｏＦｅＢ層は、図７に図示したカラム状結晶７２の集合体７１よりなる多結晶構造となったことが確認された。このアニーリング工程により、磁気抵抗素子１０は、ＴＭＲ効果を持った磁気抵抗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。
【００５７】
本発明の比較例として、第４層１６を金属Ｒｕ層に換え、そして第１０層１７を金属Ｔａ層に変えた他は、同様の磁気抵抗素子を作成した。
【００５８】
実施例の磁気抵抗素子と比較例の磁気抵抗素子とのＭＲ比を測定し、対比したところ、実施例のＭＲ比は、比較例のＭＲ比の１．２倍乃至１．５倍以上の数値で改善されていた。
【００５９】
また、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磁気抵抗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。  
【００６０】
図８は、本発明のトップ型磁気抵抗素子８０の積層構造の一例を示す。ＴＭＲ素子８２を用いた磁気抵抗素子８０の積層構造を示し、図１のＴＭＲ素子１２と同一のものである。この磁気抵抗素子８０によれば、基板８１の上にＴＭＲ素子８２を用い、このＴＭＲ素子８２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（ＢＴａ合金層）８３から最上層の第９層（Ｒｕ層）８８に向かった多層膜構造体となっている。具体的には、ＣｏＦｅ層８２３、非磁性Ｍｇ酸化物層８２２、ＣｏＦｅ層８２１、非磁性ＢＲｕ合金層８６、ＣｏＦｅ層８５、反強磁性体層ＰｔＭｎ層８４、非磁性Ｔａ層８７及び非磁性Ｒｕ層８８の順序で磁性層及び非磁性層が積層されている。尚、各層の括弧中の数値は、各層の厚みを示し、単位はｎｍ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。また、反強磁性体層ＰｔＭｎ層はＰｔ原子とＭｎ原子を含有する合金層である。    
【００６１】
図８において、８１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。８２はＴＭＲ素子で、第一強磁性体層８２３、トンネルバリア層８２２及び第二強磁性体層８２１によって構成されている。８３は第１層（ＢＴａ層）の合金層で、下電極層（下地層）として用いることができる。８４は第７層（ＰｔＭｎ層）の反強磁性体層である。８５は第６層（ＣｏＦｅ層）の強磁性体層で、８６は第５層（ＢＲｕ合金層）の交換結合用非磁性体層で、１２１は第４層結晶性ＣｏＦｅ層）の強磁性体層で、これら第４層８２１、第５層８６及び第６層８５とから成る層が磁化固定層８９である。実質的な磁化固定層８９は、第４層の結晶性ＣｏＦｅ層から成る強磁性体層８２１であり、本発明に係る前記第二強磁性体層に相当する。    
【００６２】
８２２は、第３層（多結晶Ｍｇ酸化物）のトンネルバリア層で、絶縁層である。本発明に係るトンネルバリア層８２２は、単一の多結晶ＢＭｇ酸化物層であってもよい。  また、第２層ＣｏＦｅ層８２３がＣｏＦｅＢ合金層であり、第４層のＣｏＦｅ８２１がＣｏＦｅＢ合金層であっても、図８の素子と同様の効果を奏することができる。
【００６３】
図９は、本発明に係る磁気抵抗素子９０の積層構造の一例を示し、ＴＭＲ素子９２を用いた磁気抵抗素子９０の積層構造を示している。この磁気抵抗素子９０によれば、基板９１の上に、このＴＭＲ素子９２を含め、例えば、１２層の多層膜が形成されている。この１２層の多層膜では、最下層の第１層（Ｔａ層）から最上層の第１２層（Ｒｕ層）に向かった多層膜構造体となっている。具体的には、ＰｔＭｎ層９４、ＣｏＦｅ層９５、非磁性金属層（ＢＲｕ合金）層９６１、第一強磁性体層であるＣｏＦｅ層９２１、トンネルバリア層である非磁性多結晶Ｍｇ酸化物層９２２が積層されている。さらにその上に、第二強磁性体層である多結晶ＣｏＦｅ層９２３３、非磁性ＢＴａ合金層９６２、第三強磁性体層である多結晶ＣｏＦｅ層９２３２及び多結晶ＮｉＦｅ層９２３１が積層されている。さらにまた、非磁性Ｔａ層９７及び非磁性Ｒｕ層９８がこの順序で積層されている。尚、各層の括弧中の数値は、各層の厚みを示し、単位はｎｍ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。
【００６４】
また、本発明では、上述の第一強磁性体層９２１は、ＣｏＦｅ層と他の強磁性体層（例えば、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金等）とを加えた２層以上の積層構造としても良い。
【００６５】
９１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。
【００６６】
９２はＴＭＲ素子で、多結晶ＣｏＦｅからなる第一強磁性体層９２１、トンネルバリア層９２２、第二強磁性体層９２３３及び第三強磁性体層９２３２、９２３１の積層構造体によって構成されている。トンネルバリア層９２２は多結晶Ｍｇ酸化物層又は多結晶Ｍｇ酸化物層を有し、第二強磁性体層９２３２多結晶ＣｏＦｅ層からなる。第三強磁性体層は多結晶ＣｏＦｅ層９２３２及び多結晶ＮｉＦｅ層９２３１の積層膜からなる。
【００６７】
上記第二強磁性体層９２３３と第三強磁性体層９２３２との間には、Ｂを含有した非磁性金属からなるからなるＢＴａ合金中間層９６２が配置される。
また、第２層のＰｔＭｎ層９４がＰｔＭｎＢ合金層であってもよく、第３及び第５層のＣｏＦｅ層９５及びＣｏＦｅ層９２１がＣｏＦｅＢ合金層であってもよく、第６層のＭｇＯ層９２２がＢＭｇＯ合金酸化物層であってもよく、更に第７層のＣｏＦｅ層９２３３がＣｏＦｅＢ合金層であっても、図９の素子と同様の効果を奏することができる。
【００６８】
また、本発明は、前記中間層１６、８６、９６１及び９９２で用いる非磁性遷移金属としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｔｅ及びＲｕからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を挙げることができる。また、本発明は、下地層８３で用いる非磁性遷移金属としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｔｅ及びＲｕからなる非磁性遷移金属群から選択された少なくとも一種を挙げることができる。  また、トンネルバリア層１２２、８２２及び９２２としては、前述の多結晶Ｍｇ酸化物層に変えて、Ｂ（ボロン）を含有した多結晶Ｍｇ酸化物層であっても、同等の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１０、８０、９０  磁気抵抗素子  １１、８１、９１  基板  １２、８２、９２  ＴＭＲ素子  １２１、８２１、９２１  強磁性体層  １２２、８２２、９２２  トンネルバリア層  １２３、８２３、９２３３  強磁性体層（磁化自由層）  １３、９３  下地層（電極）  ８３  Ｂ（ボロン）含有下地層（電極）  １４、８４、９４  反強磁性層  １５、８５、９５  強磁性体層  １６、８６、９６１  非磁性ＢＲｕ合金層（交換結合用非磁性層）  １７  非磁性ＢＴａ合金層（電極）  ８７、９７  電極１８、８８，９８  ハードマスク層  １９、８９、９９  磁化固定層  ２００  磁気抵抗素子作成装置  ２０１Ａ乃至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  ２０５，２０６  ロードロック・アンロードロックチャンバ  ３１乃至３５，４１乃至４５，５１乃至５４  カソード  ２０７Ａ乃至２０７Ｃ  電力投入部  ３０１  搬送チャンバ  ３０２乃至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乃至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  ７１  金属Ｍｇ層  ７２  Ｍｇ酸化物層  ７３  金属Ｍｇ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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【図８】
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【図９】
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