(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する基板上に形成された複数の磁気素子であって、各磁気素子は、
前記基板の前記表面上に形成された第１電極と、
前記第１電極の表面上に形成された酸化物トンネル障壁層と、
前記酸化物トンネル障壁層の表面上に形成された第２電極と
を備え、前記トンネル障壁層の化学量は、各磁気素子の酸化物トンネル障壁層の厚さに応じて磁気素子毎に変化して、全ての磁気素子のトンネル抵抗を所定の範囲内に維持する、複数の磁気素子。
【請求項２】
請求項１に記載の複数の磁気素子において、
前記トンネル障壁層は、酸化アルミニウムで形成され、より薄い膜厚を有するトンネル障壁層は、より多い含有量の酸素を有し、より厚い膜厚を有するトンネル障壁層は、より少ない含有量の酸素を有して、全てのトンネル接合デバイスの均一な抵抗・面積の積を維持する、複数の磁気素子。
【請求項３】
表面を有する基板上に形成された複数の磁気素子であって、各磁気素子は、
前記基板の表面上に形成された金属リードと、
前記金属リードの表面上に形成された第１電極であって、第１強磁性層を含む前記第１電極と、
前記第１強磁性層の表面上に形成された酸化物トンネル障壁層であって、前記層全体に渡る均一なトンネル抵抗を含む前記酸化物トンネル障壁層と、
前記酸化物トンネル障壁層の表面上に形成された第２電極であって、第２強磁性層を含む前記第２電極と
を備え、前記トンネル障壁層の化学量は、各磁気素子のトンネル障壁層の厚さに応じて磁気素子毎に変化して、全ての磁気素子の均一なトンネル抵抗を維持する、複数の磁気素子。
【請求項４】
複数の磁気素子を製造する方法であって、
表面を有する基板を提供する段階と、
前記基板の前記表面上に、頂部面と基部面とを有する第１電極を形成する段階と、
頂部面を有する段階的な化学量のトンネル障壁層を形成する段階であって、前記トンネル障壁層は、前記基板の表面にわたり変化する膜厚と、膜厚勾配を補償する横方向組成勾配とを有して、前記基板にわたり均一なトンネル抵抗・面積の積をもたらす、前記トンネル障壁層を形成する段階と、
前記段階的な化学量のトンネル障壁層の前記頂部面に第２電極を形成する段階と、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の複数の磁気素子を製造する方法において、前記トンネル障壁層を形成する段階は、
前記第１電極の頂部面上に金属層を形成する段階であって、前記金属層は、前記基板の表面にわたる膜厚変動を有する、前記金属層を形成する段階と、
不均一な酸化処理で前記金属層を酸化して、段階的な化学量の酸化物トンネル障壁層を形成する段階であって、前記段階的な化学量の酸化物トンネル障壁層は、頂部面と、前記金属層の膜厚勾配を補償する横方向の組成勾配とを有して、前記層にわたり均一なトンネル抵抗・面積の積をもたらす、前記段階的な化学量の酸化物トンネル障壁層を形成する段階と
を含む、複数の磁気素子を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、絶縁層を含む多層薄膜素子に関し、特に、段階的な化学量の絶縁層の組み込みに関する。
【０００２】
発明の背景
一般的に、磁気メモリ素子等の磁気素子は、非磁性層で分離された強磁性層を備える多層薄膜構造を含み、以下本明細書では、絶縁トンネル障壁又は障壁層と呼ぶ。情報は、磁化ベクトルの方向として（複数の）磁性層に記憶される。例えば、一方の磁性層の磁化ベクトルは、磁気的に固定すなわちピン止めされ、他方の磁性層の磁化方向は、印加磁界中において、それぞれ“平行”及び“反平行”状態と呼ばれる同一方向と反対方向との間で自由に切替わる。平行及び反平行状態に応じて、磁気メモリ素子は、２つの異なる抵抗を示す。この抵抗は、２つの磁性層の磁化ベクトルがほぼ同一方向と反対方向を指す場合、それぞれ最小値と最大値を有する。従って、抵抗の変化を検出すると、ＭＲＡＭ素子等の素子は、磁気メモリ素子に記憶した情報を提供し得る。最小抵抗値と最大抵抗値との間の差を最小抵抗で除算したものは、磁気抵抗率（ＭＲ）として知られている。
【０００３】
この種の薄膜構造、特に、磁気トンネル接合素子は、構造的に非常に薄い層を含み、その幾つかは、厚さが数十オングストロームである。現在関心を持たれていることは、絶縁トンネル障壁すなわち障壁層を強磁性層間に形成することである。接合抵抗は、障壁層の厚さが変化するにつれてほぼ指数関数的に変化する。この厚さに対する強い依存性のため、製造に用いる通常サイズの基板全体に渡り抵抗がほぼ同じの素子を形成するのは非常に困難である。
【０００４】
現在、酸化アルミニウムの絶縁トンネル障壁層を形成するための一般的な方法には、ａ）アルミニウム（Ａｌ）金属の自然酸化、ｂ）アルミニウム（Ａｌ）金属の紫外線（ＵＶ）支援酸化、ｃ）アルミニウム（Ａｌ）金属のプラズマによる酸化、ｄ）酸化アルミニウムの反応性スパッタリング、の４つの方法がある。絶縁性のトンネル障壁を形成する酸化アルミニウムを開示する一方で、窒化アルミニウム、酸化タンタル、窒化タンタル等の絶縁特性を含む他の材料が開示されることを理解されたい。
【０００５】
絶縁トンネル障壁層を形成するための最も古い方法は、自然酸化によるものである。初めに、或る種類の基板上にある電極の上にアルミニウム（Ａｌ）等の金属層を成膜する。アルミニウムは、或る時間の間、通常、何時間も酸素や空気に曝す。このように酸素や空気に曝すとアルミニウムが酸化し、酸化アルミニウム層になる。その後、形成対象の素子の種類に応じて、絶縁層上部に残りの電極や強磁性層等を形成してトンネル接合構造を完成する。
【０００６】
この種の素子に伴う１つの問題は、本明細書中ではアルミニウム（Ａｌ）であるが、金属の初期成膜の厚さが均一ではなく、その結果、この層全体においてトンネル抵抗に差異が生じることである。更に、この方法は、非常に遅いことが分かっており、形成される絶縁層の抵抗を制御する際、柔軟性が制限される。その結果、抵抗が非常に低くなる傾向がある。紫外線に曝して行なう自然酸化は、より速くまた潜在的に制御可能である。
【０００７】
絶縁トンネル障壁層すなわち絶縁層を形成するための他の方法は、プラズマ酸化によるものである。このプロセスの間、アルミニウムを基板上に成膜して、その後、ネオン光のネオンプラズマと同様に、酸素グロー放電等による酸素プラズマで酸化する。一般的に、この種の技術は、制御が難しく又厚さが均一にならず、従って、酸素放電の間中ずっと表われる制御不足により、基板全体の抵抗が均一にならない。他の選択肢として、酸素プラズマ源を利用して、アルミニウムを酸化する。この方法によれば、広い範囲に渡って抵抗が制御され、一般的に、磁気抵抗値は高くなる。一般的に、この方法は、前述のプラズマ放電を利用する方法と同様であるが、もっと多くの制御が実行できる。
【０００８】
絶縁トンネル障壁層を形成するための更に他の方法は、反応性スパッタリングである。このプロセスでは、反応性スパッタリングを利用して、アルミニウムを酸素雰囲気中で基板表面に成膜する。このアルミニウムは真空チャンバ内に密封された酸素と反応して酸化アルミニウムになる。通常、生成物は、高い抵抗を示す傾向にあり、また最終生成物は、基板全体にわたり厚さが均一ではなく、抵抗レベルにばらつきが生じる。
【０００９】
あまり一般的ではないが、絶縁層を生成する他の方法も報告されている。プラズマ酸化方法と同様の方法には、アルミニウム層を成膜した後、酸素ビームに曝す酸素ビーム法がある。例えば、このビームは、低エネルギの酸素イオンビーム又は低エネルギの原子状酸素ビームでよい。反応性スパッタリングと同様の技術には、化合物ターゲットからのスパッタ成膜がある。このスパッタ成膜は、スパッタリング環境への特別な酸素の追加、酸素イオン支援ビームの使用、又は成膜後の特別な酸化工程等の有無に拘わらず用い得る。
【００１０】
一般的に、これら４つの方法は、トンネル障壁絶縁層の生成に有用なことが分かっているが、直径１５０ｍｍ乃至３００ｍｍの半導体の製造に用いる大きなウェーハサイズ全体での接合抵抗の均一性は実証されていない。通常、抵抗と面積の積（ＲＡ）として表されるＭＴＪ材料の抵抗は、金属層の厚さと、高いＭＲを生み出す厚さ及び投与量に対する酸化量との双方が変化するにつれて指数関数的に変化することが分かっている。例えば、アルミニウム厚が５％変化しただけで、ＲＡの変化は３０％を超えることがある。このように厚さと酸化量に強く依存するため、ＲＡの均一性を高くするのは非常に困難である。しかしながら、アルミニウム厚のプロファイルと酸化のプロファイルを互いに相殺するように調整すると、その結果生じる障壁層では、材料の組成を変えることで補償される厚さの変化がわずかであり、基板面全体に渡ってＲＡが均一になる。
【００１１】
従って、本発明の目的は、厚さのプロファイルを補償し、また絶縁層全体に渡って、特に、製造された状態のウェーハ構造全体に渡って、均一なトンネル抵抗を生成するための段階的な化学量の絶縁層を備える多層薄膜構造を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、多層薄膜構造に用いるための段階的な化学量の絶縁層と、その層の製造方法と、を提供することである。
本発明の更に他の目的は、段階的な化学量の絶縁層と、その層の製造方法であって、その結果生じる層の化学量すなわち基板面全体に渡る素子抵抗の均一性の厳密な制御を含む方法と、を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、段階的な化学量の絶縁層と、トンネル接合材料に抵抗と面積の積の均一性を与える層の製造方法と、を提供することである。
また本発明の他の目的は、段階的な化学量の絶縁層と、その層の製造方法であって、酸化プロセスの横方向のプロファイル、従って、その結果生じる絶縁トンネル障壁層の抵抗の制御を含む方法と、を提供することである。
【００１４】
更にまた本発明の他の目的は、横方向に段階的な化学量の絶縁層と、その層の製造方法であって、生産の処理能力を大きくするために改善可能である方法と、を提供することである。
【００１５】
発明の概要
これらの又他のニーズは、段階的な化学量の絶縁層を含む多層薄膜構造と、段階的な化学量の絶縁層を含む多層薄膜構造の製造方法とを提供することによって実質的に満たされる。この構造には、基板、第１電極、第２電極、及び第１電極と第２電極との間に形成される段階的な化学量の絶縁層すなわち障壁層が含まれる。絶縁層は、横方向に段階的な化学量を含み、その厚さのプロファイルを補償することによって構造全体に渡りトンネル障壁抵抗を均一にする。更に、段階的な化学量の絶縁層を含む多層薄膜構造の製造方法についても開示する。この方法には、基板を提供する段階と、基板上に第１電極を成膜する段階と、第１電極の表面に金属層を成膜する段階と、金属層を反応させて金属層の化学量を段階的に変化させることで均一なＲＡを備える絶縁層を形成する段階と、均一な絶縁層上に第２電極を成膜する段階と、が含まれる。
【００１６】
好適な実施形態の詳細な説明
本説明の説明の過程において、同様な数字を用いて、本発明を示す様々な図による同様の構成要素を表わす。これに応じて、図１は、本発明の方法に基づき形成された多層薄膜構造の第１実施形態、特に、磁気素子の断面図を示す。具体的には、図１は、完全にパターン形成された磁気素子構造を示し、全体的に１０で示す。構造１０には、基板１２、基部電極多積層１４、酸化アルミニウムを含有する絶縁スペーサすなわち障壁層１６、及び頂部電極多積層１８が含まれる。基部電極多積層１４及び頂部電極多積層１８は、強磁性層を含む。基部電極多積層１４は、基板１２上に形成される金属リードすなわちコンタクト層１３上に形成される。基部電極多積層１４には、金属リード１３上に成膜された第１シード層２０、テンプレート層２２、一層の反強磁性ピン止め構造２４、及び下地の反強磁性ピン止め構造２４上に形成され又それと交換結合された固定強磁性層２６が含まれる。強磁性層２６は、印加磁界が存在する状態で、その磁気モーメントの回転を或る強さまで防止する点において、固定すなわちピン止めされていると説明する。通常、強磁性層２６は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）の内、１つ以上の合金から形成され、また頂部面を含む。頂部電極積層１８は、自由強磁性層２８及び保護層３０を含む。自由強磁性層２８の磁気モーメントは、交換結合によって固定すなわちピン止めされず、充分な印加磁界が存在する状態で、自由に回転する。通常、自由強磁性層２８は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）の内、１つ以上の合金から形成される。反転した、すなわち、線対称形にした構造を本明細書中で開示するものとする。特に、本明細書に開示する方法で形成する磁気素子は、頂部が固定された、すなわち、ピン止めされた層を含むことができ、従って、その結果生じる頂部ピン止め構造として説明する。
【００１７】
次に、図２乃至４は、絶縁障壁層１６の構成を示す３つの実施形態を拡大した断面図である。特に、各図は、素子１０の一部を示す。図２乃至４の構成要素と同様な図１の構成要素は全て、同様の番号で示しており、異なる実施形態を示すために１つのプライム符号、２つのプライム符号、又は３つのプライム符号が付記されていることに留意されたい。次に、図２は、ほぼ図１の部分１１と同様な構造である（１１’で示す）薄膜構造の一部の拡大断面図を示す。図１を参照して説明した構造と同様に、この構造は、第１電極１４’、第２電極１８’、及び絶縁障壁層１６’を含む。この第１実施形態において、中央の厚さがｄc である中央面１５’と、１７’で示す２つの向かい合う端部とを備え、端部厚さｄe が厚さｄc よりも薄く形成された絶縁障壁層１６’を示す。開示された如く、この具体的な実施形態において、絶縁障壁層１６’は、第１電極１４’上に一層のアルミニウム（Ａｌ）（図示せず）を成膜して形成する。成膜プロセスの間、この層は、ウェーハ全体に渡り厚さのばらつきがあった。図２に示す如く、アルミニウム層の厚さにばらつきがあり、その分だけウェーハの最中央面１５’が、外側端部１７’に比べて厚い。この種の軸対称厚みのプロファイルは、回転する基板上に成膜される膜の典型例である。一旦層が酸化しその結果酸化層１６’が生じると、このように厚さが異なることで、ウェーハ全体に抵抗のばらつきが生じる。
【００１８】
次に、図３は、図２で説明した実施形態とほぼ同様な素子の部分１１’を示すが、この具体的な実施形態では、厚さｄc の酸化層１６’’の最も中央の面１５’’が最も薄く、また厚さｄe の層１６’’の外側端部１７’’が、それより厚い点が異なる。前述の如く、一旦成膜された金属層が酸化しその結果酸化層１６''が生じると、このように厚さが異なることで、ウェーハ全体に抵抗のばらつきが生じる。
【００１９】
次に、図４は、図２及び３で説明した実施形態とほぼ同様な素子の部分１１’’’を示すが、この具体的な実施形態では、層１６’’’がウェーハ全体において楔形に構成される点が異なる。特に、層１６’’’の最も薄い面は、ウェーハの一方の端部１９に形成され、層１６’’’の最も厚い面は、反対側の端部２３に形成される。通常、この種の製造の仕方は、成膜中のシャッタ動作によって、端部１９から反対側の端部２３へウェーハ全体に渡って厚さのばらつきが生じる場合に見られる。前述の如く、一旦成膜された金属層が酸化しその結果酸化層１６’’’が生じると、このように厚さが異なることで、ウェーハ全体に抵抗のばらつきが生じる。
【００２０】
流れ図で図５に示す如く、素子１０を製造する方法は、基板１２を提供する段階（４０）と、基板１２の最頂部表面に金属リード１３を成膜する段階（４２）とを含む。金属リード１３は、この技術では公知の標準的な成膜技術を利用して成膜する。次に、第１電極１４は、この技術では公知の標準的な成膜技術を利用して、金属リード１３の最頂部表面に、シード層２０、テンプレート層２２、反磁性ピン止め構造層２４、及び固定強磁性層２６を成膜して（４４）形成する。次に、金属層２１は、この技術では公知のスパッタリング技術を利用して、第１電極１４上に成膜する（４６）。次に、図２及び３に示す如く、金属層２１がウェーハ面に渡って軸対称であるか否か、又は図４に示す如く、ウェーハ面上で非軸対称であるか否か決定しなければならない（４８）。軸対称である場合、軸対称方法を利用して、軸対称の流線プロファイル（５０）、回転ウェーハ技術（５２）、又は回転シャッタ技術（５４）等を用い、層２１を酸化して、酸化絶縁層１６を形成する。
【００２１】
通常、イオン源は、軸対称電流分布のビームを生成する。イオンビームによる酸化中、金属層２１の厚さは、イオンビーム源に利用されるグリッドの孔形状を適切に選択することで補償される。図２に示す如く、金属層２１の厚さが、最中央面において最大である場合、グリッドは、端部方向側に向かってビーム電流密度が高くなり得るように選択する。この場合、酸化膜は、半径が大きくなるにつれて酸素が多くなり、厚さのばらつきを補償する。その結果が、厚さのばらつきが小さい障壁、特に、酸化層１６であるが、このばらつきは、酸化アルミニウム１６の又は他の酸化金属の組成又は化学量の変化量により補償され、抵抗・面積の積が均一になる。図３に示す如く、端部１７’’側へ大きくなる厚さを補償する変化量も、本明細書において開示するものとする。本例においては、グリッドの選択で最中央面１５’’のビーム電流を大きくでき、これによって、中央面１５’’が、端部１７’’よりも酸素が多くなり、厚さのばらつきを補償する。イオンビームによる露光の間、第１電極上に成膜された金属層２１は、低エネルギの酸素イオンビーム（＜２００ｅＶ）に露光されて酸化する。このように層２１を酸化すると、酸化アルミニウムの薄い絶縁トンネル層１６が形成される。絶縁層１６は、金属層を窒素ビームに露光して形成でき、これによって、例えば、窒化アルミニウムが形成されることを理解されたい。プロセスの間、イオンビームの電圧及び電流によって酸化速度が決まる。イオンビームのプロファイルは、金属層２１を所望の均一性で酸化するように調整し得る。前述の如く、その結果生じる層１６の均一性は、グリッドの設計に応じて、グリッド列でビームのプロファイルを調整することによって微調整し得る。直径の大きい孔又は高密度の孔を用いて、所望通り、面におけるビーム電流密度を大きくし得る。グリッドは、金属層２１の厚さのばらつきを補償するために備えられる。例えば、厚さが薄い外周部周辺の層２１の酸化を大きくするようにグリッドを形成し得る。これによって、酸素線束が増加して、この外周面の酸化が大きくなり、その結果生じる絶縁層１６全体に渡り抵抗が均一になる。
【００２２】
軸対称構造の厚さのばらつきに対処する他の方法には、プラズマ酸化を用いたものがある。この場合、アルミニウムの厚さプロファイル及びプラズマ密度プロファイルは、互いに相殺するように調整する。その結果が、厚さのばらつきが小さい障壁すなわち絶縁トンネル層であるが、このばらつきは、酸化アルミニウムの組成の変化量により補償され、抵抗・面積の積が均一になる。プラズマ酸化中、プラズマの幾何学的形状を調整して、金属層２１の最も薄い面のプラズマ密度を高くできる。プラズマの幾何学的形状を調整する方法には幾つかあり、（ａ）プラズマを励起する電極又はコイルの配置、（ｂ）プラズマと基板との間におけるバッフル又はスリットの配置、又は（ｃ）プラズマ中のイオンの方向を揃える電極、が含まれる。
【００２３】
これに応じて、中央部分１５’’に最も厚い面を有する図２に示すものと同様の素子構造の場合、プラズマ密度を大きくして、端部１７’’付近のプラズマ密度を大きくし、これにより端部の酸化を大きくできる。金属層の最も厚い面が、端部１７’’付近である場合、プラズマ密度を大きくして、中央部分１５’’のプラズマ密度を大きくし、これによって中央部の酸化を大きくできる。このようにプラズマ密度を調整すると、その結果、酸化層１６’’の化学量に変化が生じ、層の厚さを物理的に補正する必要が無い。
【００２４】
また、軸対称の光強度プロファイルを生成する光学部品を備えるＵＶ支援酸化等、軸対称性を備える他の技術を用いて、必要な段階的化学量を生成し得る。いずれかの技術によって酸化を行なう場合、代表的には３つの技術が用いられる。すなわち、基板の回転の必要性に拘わらず線束プロファイルを軸対称にするか、軸対称光源の有無に拘わらずウェーハを回転するか、又は軸対称光源の有無に拘わらずシャッタを光源とウェーハとの間で回転するかによって、平均酸化プロファイルを確実に軸対称にする。
【００２５】
最後に、軸対称ではない場合、具体的には、図４に示す如く、軸対称ではない或る厚さの勾配が層２１にある場合、金属層２１は、層２１のより薄い面に対してより長く露光を行なう対向シャッタ動作５６すなわち基板掃引動作５８によって酸化して、その結果、酸化層１６全体に渡り化学量が段階的に変化して抵抗が均一になる。一旦、層２１を適切に酸化しその結果酸化層１６が生じると、第２電極１８が酸化層１６上に形成される（６０）。
【００２６】
絶縁層１６の製造中、第１電極１４上への金属材料のスパッタリングは、通常、圧力室内で行なう。圧力室は、通常この技術で用いるタイプのものであり、真空圧下にある。真空チャンバは、複数の薄膜層を成膜するためのスパッタリング装置内に配置してある。素子１０の製造中、基板１２は、その上に第１電極１４が形成されているが、基板１２の表面、特に、第１電極１４の上に金属膜２１のスパッタリングができるようにチャンバ内に配置されている。通常、金属層２１は、５乃至１５オングストロームに形成する。一旦金属層２１のスパッタリングが完了すると、基板１２は、その上に複数の薄膜が形成されているが、軸対称性又は非軸対称性の存在に応じて、金属膜２１を露光して酸化できるように配置する。この薄く均一な絶縁層１６の製造方法は、磁気素子１０の製造を参照して説明したが、特性が均一な薄い絶縁層を多層薄膜構造で製造することが望まれる全ての場合に用い得ることを理解されたい。
【００２７】
従って、層全体に渡り段階的な化学量を有し又これにより層全体に渡り均一な抵抗を有する絶縁トンネル層とその層の製造方法とについて説明したが、これによって、費用対効果が大きく、素子製造において生産性の高い素子とプロセスを提供する。開示した如く、この技術は、ＭＲＡＭビット及びハードディスクヘッドの磁界センサの製造に際して利用し得る。更に、この技術は、Ｘ線のＥＵＶミラーに見られる薄い絶縁層を含むあらゆる多層薄膜構造の製造に際して利用し得る。従って、このような例は、本開示の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の方法に基づき形成された完成した多層薄膜構造の第１実施形態を示す断面図。
【図２】  本発明に基づき形成された段階的な化学量の障壁層を示す拡大断面図。
【図３】  本発明に基づき形成された段階的な化学量の障壁層を示す拡大断面図。
【図４】  本発明に基づき形成された段階的な化学量の障壁層を示す拡大断面図。
【図５】  本発明に基づく段階的な化学量の絶縁層を形成するための方法を示す流れ図。
【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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