(57)【要約】【課題】垂直磁化型ＭＴＪ素子の垂直磁気異方性エネルギーを向上させる。【解決手段】  垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法が提供される。この方法は、被処理体の第１磁性層上にトンネルバリア層を形成する工程と、トンネルバリア層が形成された被処理体を冷却する工程と、冷却する工程の後に、トンネルバリア層上に第２磁性層を形成する工程と、を含む。【選択図】図１
2016134510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法であって、
被処理体の第１磁性層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が形成された前記被処理体を冷却する工程と、
前記冷却する工程の後に、前記トンネルバリア層上に第２磁性層を形成する工程と、
を含む方法。
【請求項２】
前記冷却する工程において、前記被処理体が２００ケルビン以下の温度に冷却される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記トンネルバリア層は酸化マグネシウムから構成され、
前記トンネルバリア層を形成する工程は、
前記第１磁性層上にマグネシウム層を成膜する工程と、
前記マグネシウム層を酸素雰囲気中で酸化させる工程と、
を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１磁性層及び前記第２磁性層は、コバルト、鉄、及びホウ素を含む、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
垂直磁化型磁気トンネル接合素子の製造装置であって、
被処理体を搬送するよう構成された搬送装置と、
第１磁性層を形成するよう構成された第１モジュールと、
トンネルバリア層を形成するよう構成された第２モジュールと、
被処理体を冷却するよう構成された第３モジュールと、
第２磁性層を形成するよう構成された第４モジュールと、
前記搬送装置、前記第１モジュール、前記第２モジュール、前記第３モジュール、及び前記第４モジュールを制御するよう構成された制御部と、
を備え、
前記制御部は、
被処理体を前記第１モジュールに搬送し、
前記第１モジュールにおいて前記被処理体上に第１磁性層を形成し、
前記第１モジュールから第２モジュールに前記被処理体を搬送し、
前記第２モジュールにおいて前記第１磁性層上にトンネルバリア層を形成し、
前記第２モジュールから第３モジュールに前記被処理体を搬送し、
前記第３モジュールにおいて前記被処理体を冷却し、
前記第３モジュールから前記第４モジュールに前記被処理体を搬送し、
前記第４モジュールにおいて前記トンネルバリア層上に第２磁性層を形成するよう、
前記搬送装置、前記第１モジュール、前記第２モジュール、前記第３モジュール、及び前記第４モジュールを制御する、
製造装置。
【請求項６】
前記第３モジュールは、２００ケルビン以下の温度に被処理体を冷却するよう構成されている、請求項５に記載の製造装置。
【請求項７】
前記第２モジュールは、
マグネシウムをスパッタリングしてマグネシウム層を形成するよう構成された成膜装置と、
前記マグネシウム層が形成された被処理体を酸素雰囲気中で酸化させるよう構成された酸化処理装置と、
を含む、請求項５又は６に記載の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法、及び垂直磁化型磁気トンネル接合素子の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等のＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用する電子デバイスにおいて、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子が用いられている。
【０００３】
ＭＴＪ素子は、二つの磁性層、及び、これら二つの磁性層間に設けられたトンネルバリア層を有している。このようなＭＴＪ素子の製造では、第１磁性層上にトンネルバリア層が形成され、次いで、トンネルバリア層上に第２磁性層が形成される。ＭＴＪ素子におけるこれらの層の形成には、一般的にはスパッタリング装置といった成膜装置が用いられる。なお、このようなＭＴＪ素子の製造に関しては、例えば、特開平８−１２９７２２号公報、特開２００２−１５１７６０号公報に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１２９７２２号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＭＴＪ素子の一種として、垂直磁化型ＭＴＪ素子がある。垂直磁化型ＭＴＪ素子では、垂直磁気異方性エネルギーが熱エネルギーよりも低くなると、磁性体の磁化方向の揺らぎ、即ち、熱擾乱が生じ、記憶素子としての機能を維持することができなくなる。
【０００６】
したがって、垂直磁化型ＭＴＪ素子の垂直磁気異方性エネルギーを向上させることが要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様においては、垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法が提供される。この方法は、（ａ）被処理体の第１磁性層上にトンネルバリア層を形成する工程と、（ｂ）トンネルバリア層が形成された被処理体を冷却する工程と、（ｃ）冷却する工程の後に、トンネルバリア層上に第２磁性層を形成する工程と、を含む。
【０００８】
上記方法によれば、トンネルバリア層の形成後、且つ、第２磁性層の形成直前の工程において被処理体が冷却されるので、垂直磁化異方性エネルギーが向上される。これは、第２磁性層の形成の直前に被処理体が冷却されているので、第２磁性層の形成時に下地のトンネルバリア層が低温の状態に維持され、第２磁性層を構成する原子がトンネルバリア層に付着した際の原子移動度が低下することによってピーニング効果が低減され、その結果、第２磁性層の膜応力が引張応力側にシフトして、面内方向の異方性エネルギーが低下することによるものと推測される。
【０００９】
一実施形態では、冷却する工程において、被処理体が２００ケルビン以下の温度に冷却され得る。この実施形態によれば、作成される垂直磁化型磁気トンネル接合素子のＭＲ比が向上される。
【００１０】
一実施形態では、トンネルバリア層は酸化マグネシウムから構成される。この実施形態におけるトンネルバリア層を形成する工程は、第１磁性層上にマグネシウム層を成膜する工程と、マグネシウム層を酸素雰囲気中で酸化させる工程と、を含む。この実施形態では、トンネルバリア層の形成時に被処理体が加熱される。したがって、トンネルバリア層の形成後、且つ、第２磁性層の形成直前に実行される冷却が、より効果的なものとなる。
【００１１】
一実施形態では、第１磁性層及び第２磁性層は、コバルト、鉄、及びホウ素を含んでいてもよい。
【００１２】
別の態様では、垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成するための製造装置が提供される。この製造装置は、搬送装置、第１〜第４のモジュール、及び制御部を備える。搬送装置は、被処理体を搬送するよう構成されている、第１モジュールは、第１磁性層を形成するよう構成されている。第２モジュールは、トンネルバリア層を形成するよう構成されている。第３モジュールは、被処理体を冷却するよう構成されている。第４モジュールは、第２磁性層を形成するよう構成されている。制御部は、第１モジュール、第２モジュール、第３モジュール、及び第４モジュールを制御するよう構成されている。制御部は、（ａ）被処理体を第１モジュールに搬送し、（ｂ）第１モジュールにおいて被処理体上に第１磁性層を形成し、（ｃ）第１モジュールから第２モジュールに被処理体を搬送し、（ｄ）第２モジュールにおいて第１磁性層上にトンネルバリア層を形成し、（ｅ）第２モジュールから第３モジュールに被処理体を搬送し、（ｆ）第３モジュールにおいて被処理体を冷却し、（ｇ）第３モジュールから第４モジュールに被処理体を搬送し、（ｈ）第４モジュールにおいてトンネルバリア層上に第２磁性層を形成するよう、搬送装置、第１モジュール、第２モジュール、第３モジュール、及び第４モジュールを制御する。この製造装置によれば、高い垂直磁気異方性エネルギーを有する垂直磁化型ＭＴＪ素子を提供することが可能となる。
【００１３】
一実施形態では、第３モジュールは、２００ケルビン以下の温度に被処理体を冷却するよう構成され得る。
【００１４】
一実施形態では、第２モジュールは、マグネシウムをスパッタリングしてマグネシウム層を形成するよう構成された成膜装置と、マグネシウム層が形成された被処理体を酸素雰囲気中で酸化させるよう構成された酸化処理装置と、を備え得る。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、垂直磁化型ＭＴＪ素子の垂直磁気異方性エネルギーを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係る垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法を示す流れ図である。
【図２】図１に示す方法によって作成される垂直磁化型磁気トンネル接合素子を示す断面図である。
【図３】図１に示す方法の実施に利用することができる製造装置を示す図である。
【図４】図１に示す方法の実施の途中で作成される被処理体を示す断面図である。
【図５】図１に示す方法の工程ＳＴ４を説明するための図である。
【図６】図１に示す方法の工程ＳＴ５の一実施形態を示す流れ図である。
【図７】図１に示す方法の工程ＳＴ５を説明するための図である。
【図８】図１に示す方法の工程ＳＴ５を説明するための図である。
【図９】図１に示す方法の工程ＳＴ６を説明するための図である。
【図１０】図１に示す方法の工程ＳＴ７を説明するための図である。
【図１１】実験例１及び比較実験例１で作成したＭＴＪ素子の規格化ＭＲ比を示すグラフである。
【図１２】実験例１及び比較実験例１で作成したＭＴＪ素子の磁化曲線を示すグラフである。
【図１３】実験例２及び比較実験例２で作成した素子の磁性層ＭＬ２の垂直磁気異方性エネルギーを示すグラフである。
【図１４】実験例３、比較実験例３、及び比較実験例４で作成したＭＴＪ素子の規格化ＭＲ比を示すグラフである。
【図１５】実験例４で作成した複数個のＭＴＪ素子の規格化ＭＲ比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１８】
図１は、一実施形態に係る垂直磁化型磁気トンネル接合素子を形成する方法を示す流れ図である。図１に示す方法ＭＴは、基本的に、第１磁性層を形成する工程ＳＴ４、トンネルバリア層を形成する工程ＳＴ５、被処理体を冷却する工程ＳＴ６、及び、第２磁性層を形成する工程ＳＴ７を含んでいる。
【００１９】
図２は、図１に示す方法によって作成される垂直磁化型磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）を示す断面図である。図２に示す、ＭＴＪ素子ＭＤは、所謂トップフリー型のＭＴＪ素子である。なお、別の実施形態では、ＭＴＪ素子は、所謂ボトムフリー型のＭＴＪ素子であってもよい。図２に示すトップフリー型のＭＴＪ素子は、基板ＳＢ、下地層ＵＬ、磁性層ＭＬ、非磁性層ＡＭＬ、磁性層ＭＬ１、トンネルバリア層ＴＬ、磁性層ＭＬ２、及びキャップ層ＣＬを有している。磁性層ＭＬ１は一実施形態の第１磁性層であり、磁性層ＭＬ２は一実施形態の第２磁性層である。
【００２０】
基板ＳＢは、例えば、Ｓｉ基板である。下地層ＵＬは、基板ＳＢ上に設けられている。一実施形態では、下地層ＵＬは、例えば、白金（Ｐｔ）、又はタンタル（Ｔａ）から構成され得る。
【００２１】
磁性層ＭＬ１は、下地層ＵＬ等を介して基板ＳＢの上に設けられている。磁性層ＭＬ１は、強磁性材料から構成される。磁性層ＭＬ１は、コバルト（Ｃｏ）、Ｃｏ及び鉄（Ｆｅ）、又は、Ｃｏ、Ｆｅ、及びホウ素（Ｂ）から構成され得る。一例では、磁性層ＭＬ１は、ＣｏＦｅＢから構成され得る。また、磁性層ＭＬ２は、トンネルバリア層ＴＬを介して磁性層ＭＬ１上に設けられている。即ち、磁性層ＭＬ１と磁性層ＭＬ２の間にトンネルバリア層ＴＬが設けられている。トンネルバリア層ＴＬは、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、又は亜鉛（Ｚｎ）といった金属の酸化物から構成される。一例では、トンネルバリア層ＴＬは、酸化マグネシウムから構成され得る。また、磁性層ＭＬ２は、記憶層であり、磁性層ＭＬ１と同様の強磁性材料から構成される。キャップ層ＣＬは、磁性層ＭＬ２上に設けられている。キャップ層ＣＬは、例えば、Ｔａから構成され得る。
【００２２】
図２に示すトップフリー型のＭＴＪ素子ＭＤでは、磁性層ＭＬ、非磁性層ＡＭＬ、及び磁性層ＭＬ１は、固定層を構成している。磁性層ＭＬは、下地層ＵＬ上に設けられており、非磁性層ＡＭＬは、磁性層ＭＬ上に設けられている。磁性層ＭＬ１は、非磁性層ＡＭＬ上に設けられている。磁性層ＭＬは、磁性層ＭＬ１の磁化方向を固定するための層である。
【００２３】
第１例では、磁性層ＭＬは、人工格子膜であり、非磁性層ＡＭＬを介して、磁性層ＭＬ１と強磁性結合を形成する。この第１例では、磁性層ＭＬは、例えば、複数のＣｏ膜と複数のＰｔ膜との交互の繰り返し、複数のＣｏ膜と複数のパラジウム（Ｐｄ）膜との交互の繰り返し、又は、複数のＣｏ膜と複数のニッケル（Ｎｉ）膜との交互の繰り返しから構成され得る。また、非磁性層ＡＭＬは、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）から構成され得る。
【００２４】
第２例では、磁性層ＭＬは、磁性層ＭＬ１と強磁性結合を形成する合金から構成される。この例では、磁性層ＭＬは、Ｆｅ及びＰｔを含む合金、又は、Ｃｏ及びＰｔを含む合金から構成され得る。また、非磁性層ＡＭＬは、例えば、Ｒｕから構成され得る。
【００２５】
第３例では、固定層は積層フェリ構造を有し、磁性層ＭＬは、非磁性層ＡＭＬを介して磁性層ＭＬ１と反強磁性結合を形成する。
【００２６】
再び図１を参照する。方法ＭＴは、図２に示すＭＴＪ素子ＭＤを形成する実施形態では、下地層ＵＬを形成する工程ＳＴ１、磁性層ＭＬを形成する工程ＳＴ２、非磁性層ＡＭＬを形成する工程ＳＴ３、及びキャップ層ＣＬを形成する工程ＳＴ８を更に含み得る。
【００２７】
図３は、図１に示す方法ＭＴの実施に利用することができる製造装置を示す図である。図３に示す製造装置１０は、台１２ａ〜１２ｄ、収容容器１４ａ〜１４ｄ、ローダモジュール１６、ロードロックチャンバ１８、搬送装置２０、モジュール２２ａ〜２２ｎ、モジュール２４、モジュール２６、モジュール２８、モジュール３０、及びモジュール３２を備えている。
【００２８】
収容容器１４ａ〜１４ｄは、その内部に被処理体（以下、「ウエハ」という）を収容する容器であり、台１２ａ〜１２ｄ上にそれぞれ配置されている。ローダモジュール１６は、大気圧環境の内部空間を提供するチャンバ内に、搬送ロボットを有している。ローダモジュール１６の搬送ロボットは、収容容器１４ａ〜１４ｄの何れかに収容されているウエハを、ロードロックチャンバ１８に搬送する。
【００２９】
ロードロックチャンバ１８は、予備減圧室を提供している。ローダモジュール１６からロードロックチャンバ１８にウエハが搬入されると、ロードロックチャンバ１８の予備減圧室が減圧される。
【００３０】
搬送装置２０は、減圧可能な内部空間を提供するチャンバと、当該チャンバ内に設けられた搬送ロボットを有している。搬送装置２０の搬送ロボットは、ロードロックチャンバ１８内からウエハを取り出して、方法ＭＴを実施するために、当該ウエハを、モジュール２２ａ〜２２ｎ、モジュール２４、モジュール２６、モジュール２８、モジュール３０、及びモジュール３２に順に搬送する。
【００３１】
モジュール２２ａ〜２２ｎは、下地層ＵＬの形成のためのモジュール、磁性層ＭＬの形成のための一以上のモジュール、非磁性層の形成のためのモジュールを含んでおり、何れもスパッタリング装置といった成膜装置であり得る。
【００３２】
モジュール２４は、磁性層ＭＬ１を形成するように構成された第１モジュールである。具体的には、モジュール２４は、スパッタリング装置といった成膜装置であり得る。
【００３３】
モジュール２６は、トンネルバリア層ＴＬを形成するように構成された第２モジュールである。一実施形態では、モジュール２６は、成膜装置２６Ａと酸化処理装置２６Ｂを有し得る。成膜装置２６Ａは、上述した金属、即ち、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ，Ｚｎ等の金属の膜をウエハ上に成膜する装置であり、例えば、スパッタリング装置である。一例では、成膜装置２６Ａは、マグネシウムから構成されたターゲットを用いてマグネシウム層を形成するスパッタリング装置として構成される。酸化処理装置２６Ｂは、成膜装置２６Ａによって成膜された膜中の金属を酸化させるように構成された装置である。具体的には、酸化処理装置２６Ｂは、ウエハを酸素雰囲気中で加熱するよう構成されている。より具体的な一例では、酸化処理装置２６Ｂは、ウエハに対して加熱された酸素を供給するように構成されている。
【００３４】
なお、モジュール２６は、トンネルバリア層ＴＬを構成する金属酸化物をスパッタリングするよう構成された単一の成膜装置であってもよい。或いは、モジュール２６は、トンネルバリア層ＴＬを構成する金属を成膜する機能と、成膜された金属の膜を酸化させる機能を有する単一の成膜装置であってもよい。
【００３５】
モジュール２８は、ウエハを冷却するよう構成された第３モジュールである。一例では、モジュール２８は、減圧可能な処理容器、及び、当該処理容器内に設けられたステージを有し得る。モジュール２８は、ステージ上に載置されたウエハを２００ケルビン以下の温度、より好ましくは、１５０ケルビン以下の温度に冷却し得る。このため、例えば、モジュール２８は、ステージに結合された冷却ヘッドを含む冷凍機を更に有し得る。このような冷凍機としては、ギフォードマクマホンサイクル（Ｇ．Ｍ．サイクル）による冷凍機を用いることができる。
【００３６】
モジュール３０は、磁性層ＭＬ２を形成するように構成された第４モジュールである。モジュール２４は、スパッタリング装置といった成膜装置であり得る。また、モジュール３２は、キャップ層ＣＬを形成するように構成されており、例えば、スパッタリング装置であり得る。
【００３７】
製造装置１０は、制御部４０を更に備えている。制御部４０は、プロセッサ、記憶部、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであることができる。制御部４０は、製造装置１０の各部を制御する。具体的には、制御部４０は、方法ＭＴを実施するために、製造装置１０の各部を制御するためのプログラムを記憶部に記憶しており、当該プログラムをプロセッサが実行することにより、方法ＭＴを実施することが可能である。
【００３８】
以下、再び図１を参照し、方法ＭＴについて詳細に説明する。なお、以下の説明では、方法ＭＴが製造装置１０を用いて実施され、図２に示すＭＴＪ素子ＭＤが製造される例を説明する。
【００３９】
方法ＭＴでは、まず、収容容器１４ａ〜１４ｄの何れかから、ローダモジュール１６の搬送ロボットによって、基板ＳＢを有するウエハが取り出される。そして、ローダモジュール１６の搬送ロボットによって、ウエハがロードロックチャンバ１８に搬送される。次いで、ロードロックチャンバ１８に収容されたウエハが、搬送装置２０の搬送ロボットによって、モジュール２２ａ〜２２ｎのうちの下地層ＵＬの形成用のモジュールに搬送される。なお、このようなウエハの搬送に関連する製造装置１０の各部の動作は、制御部４０によって制御される。
【００４０】
次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ１が実行される。工程ＳＴ１では、ウエハの基板ＳＢ上に下地層ＵＬが形成される。このため、工程ＳＴ１では、モジュール２２ａ〜２２ｎのうちの下地層ＵＬの形成用のモジュールが制御部４０によって制御される。例えば、当該モジュールは、下地層ＵＬを構成する材料を基板ＳＢ上に堆積させるよう、制御される。
【００４１】
次いで、方法ＭＴでは、ウエハが、搬送装置２０によって、下地層ＵＬの形成用のモジュールから磁性層ＭＬの形成用のモジュールに搬送される。このようなウエハの搬送における搬送装置２０の動作は、制御部４０によって制御される。
【００４２】
続く工程ＳＴ２では、下地層ＵＬ上に磁性層ＭＬが形成される。このため、工程ＳＴ２では、モジュール２２ａ〜２２ｎのうち磁性層ＭＬの形成用の一以上のモジュールが、制御部４０によって制御される。例えば、当該一以上のモジュールが、磁性層ＭＬを構成する材料を下地層ＵＬ上に堆積させるよう、制御される。なお、磁性層ＭＬが、上述した人工格子膜のように、複数の膜から構成されている場合には、磁性層ＭＬの形成に、複数のモジュールが利用される。この場合の工程ＳＴ２では、制御部４０は、当該複数のモジュールにウエハが順次搬送されて、これら複数のモジュールにおいて順次に膜が形成されるよう、搬送装置２０及び当該複数のモジュールを制御する。
【００４３】
次いで、方法ＭＴでは、ウエハが、搬送装置２０によって、磁性層ＭＬの形成用のモジュールから非磁性層ＡＭＬの形成用のモジュールに搬送される。このようなウエハの搬送における搬送装置２０の動作は、制御部４０によって制御される。
【００４４】
続く工程ＳＴ３では、磁性層ＭＬ上に非磁性層ＡＭＬが形成される。このため、工程ＳＴ３では、モジュール２２ａ〜２２ｎのうち非磁性層ＡＭＬの形成用のモジュールが制御部４０によって制御される。例えば、当該モジュールが、非磁性層ＡＭＬを構成する材料を磁性層ＭＬ上に堆積させるよう、制御される。これにより、図４に示すように、基板ＳＢ上に、下地層ＵＬ、磁性層ＭＬ、及び非磁性層ＡＭＬが順に形成されたウエハＷ１が作成される。
【００４５】
次いで、方法ＭＴでは、ウエハＷ１が、搬送装置２０によって、非磁性層ＡＭＬの形成用のモジュールからモジュール２４に搬送される。このようなウエハＷ１の搬送における搬送装置２０の動作は、制御部４０によって制御される。
【００４６】
続く工程ＳＴ４では、非磁性層ＡＭＬ上に磁性層ＭＬ１が形成される。このため、工程ＳＴ４では、モジュール２４が制御部４０によって制御される。例えば、図５の（ａ）に示すように、モジュール２４は、処理容器２４ｃ内に収容されてステージ２４ｓ上に載置されたウエハＷ１に対して、磁性層ＭＬ１を構成する材料を堆積させるよう、制御される。モジュール２４がスパッタリング装置である場合には、ターゲット２４ｔから磁性層ＭＬ１を構成する材料をウエハＷ１に向けて放出するよう、モジュール２４が制御される。この工程ＳＴ４の実行により、図５の（ｂ）に示すウエハＷ２が作成される。
【００４７】
次いで、方法ＭＴでは、ウエハＷ２が、搬送装置２０によって、モジュール２４からモジュール２６に搬送される。一実施形態では、ウエハＷ２が、搬送装置２０によって、モジュール２４からモジュール２６の成膜装置２６Ａに搬送される。このようなウエハＷ２の搬送における搬送装置２０の動作は、制御部４０によって制御される。
【００４８】
続く工程ＳＴ５では、磁性層ＭＬ１上にトンネルバリア層ＴＬが形成される。このため、工程ＳＴ５では、制御部４０によって、モジュール２６が制御される。図６は、図１に示す方法の工程ＳＴ５の一実施形態を示す流れ図である。一実施形態の工程ＳＴ５では、まず、工程ＳＴ５１が実行される。工程ＳＴ５１では、磁性層ＭＬ１上に金属膜ＭＴＬが形成される。このため、工程ＳＴ５１では、図７の（ａ）に示すように、モジュール２６の成膜装置２６Ａが、処理容器２６Ａｃ内に収容されてステージ２６Ａｓ上に載置されたウエハＷ２に対して、トンネルバリア層ＴＬを構成する金属を堆積させるよう、制御部４０によって制御される。成膜装置２６Ａがスパッタリング装置である場合には、ターゲット２６Ａｔからトンネルバリア層ＴＬを構成する金属をウエハＷ２に向けて放出するよう、成膜装置２６Ａが制御される。この工程ＳＴ５１の実行により、図７の（ｂ）に示す、ウエハＷ３が作成される。即ち、磁性層ＭＬ１上に金属膜ＭＴＬを有するウエハＷ３が作成される。
【００４９】
一実施形態では、次いで、ウエハＷ３が搬送装置２０によって、成膜装置２６Ａから酸化処理装置２６Ｂに搬送される。このようなウエハＷ３の搬送における搬送装置２０の動作は、制御部４０によって制御される。なお、モジュール２６が、上述したように単一の成膜装置である場合には、この搬送は不要である。
【００５０】
一実施形態では、次いで、工程ＳＴ５２が実行され、金属膜ＭＴＬが酸化される。このため、図８の（ａ）に示すように、酸化処理装置２６Ｂが、処理容器２６Ｂｃ内に収容されてステージ２６Ｂｓ上に載置されたウエハＷ３の金属膜ＭＴＬを酸化させるよう、制御部４０によって制御される。この制御により、ウエハＷ３が酸素雰囲気中で加熱される。例えば、酸化処理装置２６Ｂは、ガス供給部２６Ｂｐから加熱された酸素をウエハＷ３に対して供給するよう、制御される。これにより、図８の（ｂ）に示すように、トンネルバリア層ＴＬを有するウエハＷ４が作成される。なお、必要により、工程ＳＴ５１と工程ＳＴ５２とを繰り返すことでトンネルバリア層ＴＬを有するウエハＷ４を作成してもよい。また、工程５２では、ステージ２６ＢｓによりウエハＷ３を加熱しながら酸素をウエハＷ３に供給してもよく、ステージ２６ＢｓによるウエハＷ３の加熱と加熱された酸素の供給とを併用してもよい。
【００５１】
次いで、方法ＭＴでは、ウエハＷ４が、搬送装置２０によって、モジュール２６、一実施形態では酸化処理装置２６Ｂからモジュール２８に搬送される。このようなウエハＷ４の搬送における搬送装置２０の動作は、制御部４０によって制御される。
【００５２】
続く工程ＳＴ６では、ウエハＷ４が冷却される。このため、工程ＳＴ６では、制御部４０によって、モジュール２８が制御される。具体的には、図９に示すように、モジュール２８が、処理容器２８ｃ内に収容されてステージ２８ｓ上に載置されたウエハＷ４を冷却するよう、制御される。例えば、工程ＳＴ６では、ウエハＷ４を冷却するために、ステージ２８ｓに結合された冷凍機２８ａが制御される。この工程ＳＴ６では、ウエハＷ４は、２００ケルビン以下の温度、より好適には１５０ケルビン以下の温度に冷却される。
【００５３】
次いで、方法ＭＴでは、直前に冷却されたウエハＷ４が、搬送装置２０によって、モジュール２８からモジュール３０に搬送される。このようなウエハＷ４の搬送における搬送装置２０の動作は、制御部４０によって制御される。
【００５４】
続く工程ＳＴ７では、トンネルバリア層ＴＬ上に磁性層ＭＬ２が形成される。このため、工程ＳＴ７では、モジュール３０が制御部４０によって制御される。例えば、図１０の（ａ）に示すように、モジュール３０は、処理容器３０ｃ内に収容されてステージ３０ｓ上に載置されたウエハＷ４に対して、磁性層ＭＬ２を構成する材料を堆積させるよう、制御される。モジュール３０がスパッタリング装置である場合には、ターゲット３０ｔから磁性層ＭＬ２を構成する材料をウエハＷ４に向けて放出するよう、モジュール３０が制御される。この工程ＳＴ７の実行により、図１０の（ｂ）に示すウエハＷ５が作成される。
【００５５】
次いで、方法ＭＴでは、ウエハＷ５が、搬送装置２０によって、モジュール３０からモジュール３２に搬送される。このようなウエハＷ５の搬送における搬送装置２０の動作は、制御部４０によって制御される。
【００５６】
続く工程ＳＴ８では、磁性層ＭＬ２上にキャップ層ＣＬが形成される。このため、工程ＳＴ８では、モジュール３２が制御部４０によって制御される。例えば、モジュール３２は、キャップ層ＣＬを構成する材料を堆積させるよう、制御される。この工程ＳＴ８の結果、図２に示すＭＴＪ素子ＭＤが作成される。
【００５７】
なお、工程ＳＴ８の実行によって作成されたウエハは、再び収容容器１４ａ〜１４ｄの何れかに戻される。一実施形態では、しかる後に、ウエハが加熱処理されてもよい。この加熱処理は、ＭＴＪ素子ＭＤの各層の結晶化のための加熱処理であり、製造装置１０と共に提供される専用の加熱装置において実施され得る。
【００５８】
以上説明した方法ＭＴによれば、トンネルバリア層ＴＬの形成（工程ＳＴ５）の後、且つ、磁性層ＭＬ２の形成（工程ＳＴ７）の直前の工程ＳＴ６においてウエハＷ４が冷却される。これにより、磁性層ＭＬ２の垂直磁化異方性エネルギーが向上される。これは、磁性層ＭＬ２の形成の直前にウエハが冷却されているので、磁性層ＭＬ２の形成時に下地のトンネルバリア層ＴＬが低温の状態に維持され、磁性層ＭＬ２を構成する原子がトンネルバリア層ＴＬに付着した際の原子移動度が低下することによってピーニング効果が低減され、その結果、磁性層ＭＬ２の膜応力が引張応力側にシフトして、面内方向の異方性エネルギーが低下することによるものと推測される。
【００５９】
また、方法ＭＴによれば、ＭＴＪ素子ＭＤのＭＲ比（磁気抵抗比）を向上させることが可能となる。特に、工程ＳＴ６においてウエハＷ４が２００ケルビン以下の温度、より好適には１５０ケルビン以下の温度に冷却されることにより、高いＭＲ比が得られる。なお、上述した方法ＭＴでは、トンネルバリア層ＴＬの形成のための工程ＳＴ５において、ウエハが酸素雰囲気中で加熱されるので、工程ＳＴ５より前にウエハを冷却するのではなく、工程ＳＴ５の後、且つ工程ＳＴ７の直前にウエハＷ４を冷却することにより、工程ＳＴ６の冷却の効果がより効果的なものとなる。
【００６０】
以下、種々の実験例について説明するが、本発明はこれらの実験例によって限定されるものではない。
【００６１】
（実験例１）
【００６２】
実験例１では、方法ＭＴにより図２に示すＭＴＪ素子を作成した。実験例１では、工程ＳＴ６におけるウエハＷ４の冷却温度を１００ケルビンに設定した。また、実験例１では、工程ＳＴ８の実行後に異なる複数種の温度で加熱処理した複数個のＭＴＪ素子を作成した。また、比較実験例１において、工程ＳＴ６の冷却を実行しなかった点を除き、実験例１と同様の方法でＭＴＪ素子を作成した。以下、実験例１及び比較実験例１で作成したＭＴＪ素子の構成を示す。
＜ＭＴＪ素子の構成＞
下地層ＵＬ：３ｎｍ厚のＰｔ層
磁性層ＭＬ：０．４５ｎｍ厚のＣｏ膜と０．３ｎｍ厚のＰｔ膜の交互の繰り返し
非磁性層ＡＭＬ：０．８ｎｍ厚のＲｕ層
磁性層ＭＬ１：１．０ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ層
トンネルバリア層：素子抵抗値ＲＡが約１０Ωμｍ２になるよう設定した酸化マグネシウム層
磁性層ＭＬ２：１．６ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ層、０．３ｎｍ厚のタングステン層、及び０．６ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ層の積層
キャップ層：５ｎｍ厚のＴａ層及び１０ｎｍ厚のＲｕ層
【００６３】
図１１に、実験例１及び比較実験例１のＭＴＪ素子に対して求めた規格化ＭＲ比のグラフを示す。図１１において、横軸は、ＭＴＪ素子の加熱処理温度を示しており、縦軸は、規格化ＭＲ比を示している。なお、規格化ＭＲ比とは、磁化方向が反平行の時と平行の時のトンネル抵抗の変化率であるＭＲ比を規格化したものである。図１１に示すように、実験例１で作成したＭＴＪ素子のＭＲ比は、比較実験例１で作成したＭＴＪ素子のＭＲ比よりも大きくなっている。したがって、方法ＭＴ、即ち、磁性層ＭＬ２の形成直前にウエハＷ４の冷却を行う方法によれば、ＭＴＪ素子のＭＲ比を向上させることが可能であることが確認された。
【００６４】
また、実験例１で作成したＭＴＪ素子のうち４００℃で１時間の加熱処理を付したＭＴＪ素子の磁化曲線と、比較実験例１で作成したＭＴＪ素子のうち４００℃で１時間の加熱処理を付したＭＴＪ素子の磁化曲線とを求めた。その結果を図１２に示す。図１２に示すように、比較実験例１で作成したＭＴＪ素子のヒステリシスループの磁化曲線は大きく傾いているが、実験例１で作成したＭＴＪ素子のヒステリシスループの磁化曲線は傾きが少なく、略垂直になっている。ここで、ヒステリシスループの磁化曲線の傾きが小さく、垂直に近いほど、垂直磁気異方性エネルギーは高い。したがって、図１２から明らかなように、方法Ｍによれば、ＭＴＪ素子の垂直磁気異方性エネルギーを向上させることが可能であることが確認された。
【００６５】
（実験例２）
【００６６】
実験例２では、方法ＭＴの工程ＳＴ１、工程ＳＴ５〜工程ＳＴ８を実行することにより、下地層ＵＬの直上にトンネルバリア層ＴＬを有する素子を作成した。実験例２では、工程ＳＴ６における冷却温度を１００ケルビンに設定した。また、実験例２では、厚さが異なる磁性層ＭＬ２を有する複数種の素子を作成した。また、比較実験例２において、工程ＳＴ６の冷却を実行しなかった点を除き、実験例２と同様の方法で素子を作成した。以下、実験例２及び比較実験例２で作成した素子の構成を示す。
＜素子の構成＞
下地層ＵＬ：３ｎｍ厚のＴａ層
トンネルバリア層：実験例１のトンネルバリア層と同様のトンネルバリア層
磁性層ＭＬ２：ＣｏＦｅＢ層
キャップ層：５０ｎｍ厚のＴａ層
【００６７】
図１３に、実験例２及び比較実験例２で作成した素子の磁性層ＭＬ２の垂直磁気異方性エネルギーのグラフを示す。図１３において、横軸は磁性層ＭＬ２の厚さを示しており、縦軸は、垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆ・ｔを示している。ここで、Ｋｅｆｆは磁性層の垂直磁気異方性エネルギーの密度であり、ｔは磁性層の膜厚である。なお、垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆ・ｔは、ＶＳＭ（振動試料型磁力計）により求めた。
【００６８】
図１３に示すように、実験例２で作成した素子の磁性層ＭＬ２の垂直磁気異方性エネルギーは、比較実験例２で作成した素子の磁性層ＭＬ２の垂直磁気異方性エネルギーよりも高くなっている。したがって、工程ＳＴ６の冷却によって、垂直磁気異方性エネルギーを向上させることが可能であることが確認された。
【００６９】
（実験例３）
【００７０】
実験例３では、実験例１と同様の方法で同様の構成のＭＴＪ素子を作成した。また、比較実験例３において、工程ＳＴ６の冷却を実行しなかった点を除き、実験例３と同様の方法でＭＴＪ素子を作成した。さらに、比較実験例４において、工程ＳＴ３と工程ＳＴ４との間に、ウエハを１００ケルビンに冷却するが、工程ＳＴ６を実行しなかった点を除き、実験例３と同様の方法でＭＴＪ素子を作成した。なお、実験例３では、異なる複数の素子抵抗ＲＡを有するＭＴＪ素子を作成した。
【００７１】
図１４に、実験例３、比較実験例３、及び比較実験例４で作成したＭＴＪ素子の規格化ＭＲ比のグラフを示す。図１４において、横軸はＲＡ（Ωμｍ２）を示しており、縦軸は規格化ＭＲ比を示している。図１４に示すように、同じＲＡを有するＭＴＪ素子同士で比較すると、実験例３で作成したＭＴＪ素子のＭＲ比は、比較実験例３及び比較実験例４で作成したＭＴＪ素子のＭＲ比よりも高くなっている。したがって、トンネルバリア層ＴＬの形成後、且つ、磁性層ＭＬ２の形成直前に、ウエハＷ４を冷却することが有効であることが確認された。
【００７２】
（実験例４）
【００７３】
実験例４では、実験例１と同様の方法で同様の構成のＭＴＪ素子を作成した。但し、実験例４では、工程ＳＴ６における冷却温度として複数種の冷却温度を設定して、複数個のＭＴＪ素子を作成した。
【００７４】
図１５に、実験例４で作成した複数個のＭＴＪ素子の規格化ＭＲ比のグラフを示す。図１５において、横軸は工程ＳＴ６の冷却温度を示しており、縦軸は規格化ＭＲ比を示している。図１５のグラフから、工程ＳＴ６の冷却温度が、２００ケルビン以下であれば、作成されるＭＴＪ素子のＭＲ比が高くなることが推測される。また、工程ＳＴ６の冷却温度が、１５０ケルビン以下であれば、作成されるＭＴＪ素子のＭＲ比が更に高くなることが確認された。
【００７５】
以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、上述したように、ＭＴＪ素子は、ボトムフリー型のＭＴＪ素子であってもよい。ボトムフリー型のＭＴＪ素子では、基板ＳＢ上に、下地層ＵＬ、磁性層ＭＬ１（第１磁性層）、トンネルバリア層ＴＬ、磁性層ＭＬ２（第２磁性層）、非磁性層ＡＭＬ、磁性層ＭＬ、及びキャップ層ＣＬが順に積層される。したがって、ボトムフリー型のＭＴＪ素子を作成する場合には、工程ＳＴ１、工程ＳＴ４、工程ＳＴ５、工程ＳＴ６、工程ＳＴ７、工程ＳＴ３、工程ＳＴ２、工程ＳＴ８の順に各工程が実行される。
【符号の説明】
【００７６】
１０…製造装置、１２ａ〜１２ｄ…台、１４ａ〜１４ｄ…収容容器、１６…ローダモジュール、１８…ロードロックチャンバ、２０…搬送装置、２２ａ〜２２ｎ…モジュール、２４…モジュール（第１モジュール）、２６…モジュール（第２モジュール）、２６Ａ…成膜装置、２６Ｂ…酸化処理装置、２８…モジュール（第３モジュール）、３０…モジュール（第４モジュール）、３２…モジュール、４０…制御部、ＭＤ…ＭＴＪ素子、ＳＢ…基板、ＵＬ…下地層、ＭＬ…磁性層、ＡＭＬ…非磁性層、ＭＬ１…磁性層（第１磁性層）、ＴＬ…トンネルバリア層、ＭＬ２…磁性層（第２磁性層）、ＣＬ…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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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