JP2009055049A - マルチチャンバ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い磁気抵抗変化率(ＭＲ比)と低い層間結合磁界(Ｈｉｎ)を両立するスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜を製造することができるマルチチャンバ成膜装置を提供する。
【解決手段】第１成膜室１３Ａでの反強磁性層の成膜、プラズマ処理室１４でのプラズマ処理、第１成膜室１３Ａでの磁化固定層の成膜、プラズマ処理室１４でのプラズマ処理、第２成膜室１３Ｂでの非磁性伝導層または酸化物層の成膜の順に基板を移動させる基板搬送ロボットを備えたマルチチャンバ成膜装置とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法に関し、特に、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッドに適した高性能なスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造に用いるマルチチャンバ成膜装置に関する。

磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッドに用いられているスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜は、反強磁性層、磁化固定層、非磁性伝導層、磁化自由層の複数の層（薄膜）から成る多層膜構造を有する。スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の多層膜構造において、磁化固定層と磁化自由層の間には非磁性伝導層が設けられ、当該非磁性伝導層によって隔てられている。また磁化固定層には反強磁性層を隣接させているため、磁化固定層の磁気モーメントは反強磁性層との交換結合によって一方向に固定されている。一方、磁化自由層の磁気モーメントは、外部磁界に応じて自由に回転するようになっている。

スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜では、磁化固定層の磁気モーメントと磁化自由層の磁気モーメントがなす相対角度によって電気抵抗が変化するという、いわゆる巨大磁気抵抗効果が得られる。巨大磁気抵抗効果による電気抵抗の変化の割合は磁気抵抗変化率（ＭＲ比）と呼ばれ、スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜のＭＲ比は、従来の異方性磁気抵抗薄膜に比べてはるかに高いという特性を有している。

スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜には３つのタイプがある。第１のタイプは、図１７に示されるごとき、基板１１１側から緩衝層１１２、反強磁性層１１３、磁化固定層１１４、非磁性伝導層１１５、磁化自由層１１６、保護層１１７の順番で連続的に積層されるいわゆるボトムタイプである。第２のタイプは、図１８に示されるごとき、基板１１１側から緩衝層１１２、磁化自由層１１６、非磁性伝導層１１５、磁化固定層１１４、反強磁性層１１３、保護層１１７の順番で連続的に積層されるいわゆるトップタイプである。第３のタイプは、図１９に示されるごとき、基板１１１側から緩衝層１１２、第１反強磁性層１１３Ａ、第１磁化固定層１１４Ａ、第１非磁性伝導層１１５Ａ、磁化自由層１１６、第２非磁性伝導層１１５Ｂ、第２磁化固定層１１４Ｂ、第２反強磁性層１１３Ｂ、保護層１１７の順番で連続的に積層されるいわゆるデュアルタイプである。

上記の３つのタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜において、従来では単層であった磁化固定層１１４，１１４Ａ，１１４Ｂを、さらに磁化固定層要素、非磁性層、磁化固定層要素から成る積層フェリ構造に置き換えた薄膜も提案されている（米国特許第５４６５１８５号公報）。さらに磁化自由層１１６についても、単層構造のものと多層構造をなすものとがある。磁化自由層と磁化固定層で多層構造のものでは、すべてが磁性膜であるが、異なる磁性膜を積層させた場合、あるいは、非磁性膜を間に挟んだサンドイッチ構造をなす場合がある。

上記スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の巨大磁気抵抗効果は、積層膜の積層界面におけるスピン依存散乱に起因する。そのため、高ＭＲ比を得るためには、スピンバルブ膜の製造工程において界面の清浄性や平坦性が重要となる。そこでスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜では、界面の清浄性や平坦性を達成するために、高真空中で連続的に、かつ層と層の成膜間隔ができるだけ短時間になるように同一真空室中で成膜されることが多い。

真空中における成膜の手法としては、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング、ＥＣＲスパッタリング、対向ターゲットスパッタリング、高周波スパッタリング、電子ビーム蒸着、抵抗加熱蒸着、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などがある。

高ＭＲ比を得るためには、巨大磁気抵抗効果に寄与しない伝導電子の流れ（シャント効果）を抑制するために非磁性伝導層１１５の膜厚は薄い方が良い。しかしながら、非磁性伝導層１１５の膜厚を薄くすると磁化固定層１１４と磁化自由層１１６が非磁性伝導層１１５を介して強磁性的に層間結合してしまう。この磁化固定層と磁化自由層の間の層間結合磁界（Ｈin）は、磁気ディスク駆動装置の磁気再生ヘッドの実用上小さい方が良く、−１０〜＋１０ Ｏｅの範囲内に含まれる値の磁界が望ましい。従来、層間結合磁界を小さくするために非磁性伝導層１１５の膜厚を２．５〜３．５ｎｍと厚く設定していた。

また従来の技術では、ボトムタイプのスピンバルブ膜において磁化固定層に１ｎｍ以下の極薄い酸化層（ＮＯＬ：Nano oxide layer）を挿入することによって磁化固定層と磁化自由層の間に生じる強磁性的結合を低減する技術も提案されている（Y.Kamiguchi et al.:Digests of INTERMAG '99, DB-01）。その結果、非磁性伝導層が厚みが薄いところ（２〜２．５ｎｍ）においても比較的に小さな層間結合磁界が得られ、高いＭＲ比が得られている。

従来のスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜では、層間結合磁界を小さくするために非磁性伝導層の膜厚を厚く（２．５〜３．５ｎｍ）設定していたが、巨大磁気抵抗効果に寄与しない伝導電子の流れ（シャント効果）が発生し、ＭＲ比を低下させてしまうという問題があった。さらに上記の極薄い酸化層の製造工程においては、磁化固定層の成膜の途中に酸化工程を必要とする。酸化工程は複雑な上に再現性が得られにくいという問題があった。

本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、非磁性伝導層が薄い場合にも、酸化工程を使用することなく、層間結合磁界を低く維持して高ＭＲ比を得ることができるスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜を製造することができるマルチチャンバ成膜装置を提供することにある。

本発明に係るマルチチャンバ成膜装置は、上記目的を達成するために次のように構成される。

第１のマルチチャンバ装置は、基板を移動させる基板搬送ロボットを備えた真空搬送室、該真空搬送室に結合配置され、反強磁性層および磁化固定層を成膜する第１成膜室、並びに、前記真空搬送室に結合配置され、不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ処理室を有し、前記基板搬送ロボットは、前記基板を、前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での反強磁性層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での磁化固定層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出するものであることを特徴とする。

第２のマルチチャンバ装置は、基板を移動させる基板搬送ロボットを備えた真空搬送室、該真空搬送室に結合配置され、反強磁性層および磁化固定層を成膜する第１成膜室、前記真空搬送室に結合配置され、非磁性伝導層または酸化物層を成膜する第２成膜室、並びに、前記真空搬送室に結合配置され、不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ処理室を有し、前記基板搬送ロボットは、前記基板を、前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での反強磁性層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での磁化固定層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第２成膜室内に搬入し、該第２成膜室内での非磁性伝導層または酸化物層の成膜終了後、該第２成膜室から搬出するものであることを特徴とする。

第３のマルチチャンバ装置は、基板を移動させる基板搬送ロボットを備えた真空搬送室、該真空搬送室に結合配置され、緩衝層および反強磁性層を成膜する第１成膜室、並びに、前記真空搬送室に結合配置され、不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ処理室を有し、前記基板搬送ロボットは、前記基板を、前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での緩衝層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での反強磁性層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出するものであることを特徴とする。

第４のマルチチャンバ装置は、基板を移動させる基板搬送ロボットを備えた真空搬送室、該真空搬送室に結合配置され、磁化自由層を成膜する第１成膜室、前記真空搬送室に結合配置され、緩衝層、および、非磁性伝導層または酸化物層を成膜する第２成膜室、並びに、前記真空搬送室に結合配置され、不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ処理室を有し、前記基板搬送ロボットは、前記基板を、前記第２成膜室内に搬入し、該第２成膜室内での緩衝層の成膜終了後、該第２成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での磁化自由層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第２成膜室内に搬入し、該第２成膜室内での非磁性伝導層または酸化物層の成膜終了後、該第２成膜室から搬出するものであることを特徴とする。

本発明によれば、スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の成膜途中において成膜を一時的に中断し所定の界面をプラズマ処理等を行うようにしたため、非磁性伝導層を挟んで成る磁化固定層と磁化自由層の間に働く強磁性的な磁気結合を低減することができ、非磁性伝導層が薄い場合においても磁化固定層と磁化自由層の間の層間結合磁界（Ｈin）を−１０〜＋１０ Ｏeの範囲に含まれる磁界に維持し、高いＭＲ比を得ることができる。また本発明によれば、酸素を用いるプロセスや酸化工程は一切使用しないため、安定して再現性良く高いＭＲ比を得ることができる。

以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法を実施するのに使用した本発明に係るマルチチャンバ成膜装置の構成図を示す。成膜装置１０はマルチチャンバ型成膜装置である。成膜装置１０は、基板搬送ロボット１１が設けられた真空搬送室１２と、真空搬送室１２に結合された成膜室１３Ａ、成膜室１３Ｂと、プラズマ処理室１４と、ロードロック室１５とから構成される。成膜室１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ多種類のカソードを備えたスパッタリング成膜室である。成膜室１３Ａと成膜室１３Ｂとプラズマ処理室１４とロードロック室１５の間の基板の移動は、真空搬送室１２に設けられた基板搬送ロボット１１によって行われる。成膜室１３Ａと成膜室１３Ｂとプラズマ処理室１４とロードロック室１５のそれぞれの室の間にはゲートバルブ１６が設けられている。

プラズマ処理室１４の内部構造が図２に示される。プラズマ処理室１４は真空槽２１で形成され、この真空槽２１内には上部電極２２と下部電極２３が備えられている。上部電極２２は接地され、下部電極２３はマッチングボックス２４を介してＲＦ電源（高周波電源）２５に接続されている。下部電極２３の上に基板２５が搭載される。プラズマ生成条件が成立した状態で、上部電極２２と下部電極２３の間でプラズマ２６が生成される。

上記プラズマ処理室１４の処理動作の代表的な例としては、真空槽２１の内部に０．０７５ＰａのＡｒガスを導入し、下部電極２３に１５Ｗ（単位面積当たり０．０２９Ｗ／ｃｍ^２）のＲＦ電力を投入してプラズマ２６を発生させ、さらに基板バイアス電圧（Ｖｄｃ）が０Ｖよりも小さくかつ−３００Ｖ以上の範囲に含まれる電圧となる条件でプラズマ処理を行うようにしている。基板バイアス電圧の上限値は−２〜−３Ｖが好ましく、最も好ましい電圧は−１５Ｖから基板バイアス電圧の上限値までの範囲に含まれる電圧である。この電圧はプラズマを発生させることが可能な電圧である。真空槽２１に導入されるプロセスガスとしてはＡｒの代わりにＫｒ，Ｘｅ，Ｎｅ等の不活性ガスあるいはこれに類似するガスを用いることもできる。プラズマ処理室１４におけるプロセスガスの圧力としては、０．０１〜１００Ｐａの範囲の低い圧力に設定される。

成膜室１３Ａには４種類のターゲット３１が設置され、その材質はＰｔＭｎ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅである。また成膜室１３Ｂにも４種類のターゲット３２が設置され、その材質はＣｕ，Ｔａ，Ｒｕである。基板搬送ロボット１１によって基板２５が成膜室１３Ａ，１３Ｂおよびプラズマ処理室１４の間を移動し、所望の積層構造を有する多層膜が成膜される。

一例として図３にボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の積層構造を示す。この積層構造によれば、基板２５側からTa(3nm)/NiFe(2nm)/PtMn(12nm)/CoFe(1.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.8nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(1.5nm)/NiFe(2.5nm)/Cu(1nm)/Ta(3nm)の順番で連続的に積層される。各層におけるかっこ内に記載された数値は層の厚みであり、単位は「ｎｍ（ナノメートル）」である。上記積層構造において、Ta(3nm)とNiFe(2nm)は緩衝層４１、PtMn(12nm)は反強磁性層４２、CoFe(1.8nm)とRu(0.8nm)とCoFe(2.8nm)は磁化固定層（積層フェリ）４３、Cu(2.2nm)は非磁性伝導層４４、CoFe(1.5nm)とNiFe(2.5nm)は磁化自由層４５、Cu(1nm)はスピンフィルタ４６、Ta(3nm)は保護層４７である。上記のごときボトムタイプのスピンバルブ膜を成膜するには、初めに成膜室１３ＢでTa(3nm)を成膜し、次に成膜室１３ＡでNiFe(2nm)/PtMn(12nm)/CoFe(1.8nm)を成膜し、次に成膜室１３ＢでRu(0.8nm)を成膜し、次に成膜室１３ＡでCoFe(2.8nm)を成膜し、次に成膜室１３ＢでCu(2.2nm)を成膜し、次に成膜室１３ＡでCoFe(1.5nm)/NiFe(2.5nm)を成膜し、最後に成膜室１３ＢでCu(1nm)/Ta(3nm)を成膜する。

上記のボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の成膜工程で適宜にプラズマ処理が行われる。プラズマ処理をする場合は、所望の界面で成膜を一時中断して基板２５をプラズマ処理室１４に搬送し、プラズマ処理を実行する。

上記のボトムタイプスピンバルブ膜の成膜工程において、例えばRu(0.8nm)/CoFe(2.8nm)界面をプラズマ処理する場合には、次の通りである。初めに成膜室１３ＢでTa(3nm)を成膜し、次に成膜室１３ＡでNiFe(2nm)/PtMn(12nm)/CoFe(1.8nm)を成膜し、次に成膜室１３ＢでRu(0.8nm)を成膜した後、プラズマ処理室２５に搬送して、前述した処理条件に基づきプラズマ処理を行い、その後、成膜室１３ＡでCoFe(2.8nm)を成膜し、次に成膜室１３ＢでCu(2.2nm)を成膜し、次に成膜室１３ＡでCoFe(1.5nm)/NiFe(2.5nm)を成膜し、最後に成膜室１３ＢでCu(1nm)/Ta(3nm)を成膜する。

上記の実施形態の説明では、所定の界面を処理する例としてプラズマ処理を行うようにしたが、このプラズマ処理は広い概念であり、界面を不活性ガスによるイオン衝撃で処理するもの、あるいは中性粒子、ラジカル、原子、その他の粒子による処理が含まれる。イオンガンを用いたイオンビームエッチに置き換えても同等の効果が得られる。

次に、前述した図１〜図５および後述する各特性図を参照しながら本発明に係るスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法の実施例を詳述する。この実施例の説明では、プラズマ処理される界面が明らかにされる。

（実施例１）：実施例１は、図３に示したボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法に関する。すなわち、基板２５側からTa(3nm)/NiFe(2nm)/PtMn(12nm)/CoFe(1.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.8nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(1.5nm)/NiFe(2.5nm)/Cu(1nm)/Ta(3nm)の積層構造を有するボトムタイプスピンバルブ膜の製造方法で成膜の途中でプラズマ処理を施す例である。図６は、横軸を「プラズマ処理無し」の場合、「PtMn/CoFe界面」、「CoFe/Ru界面」、「Ru/CoFe界面」、「CoFe/Cu界面」の各々でプラズマ処理が行われた場合とし、縦軸をＭＲ比とＨｉｎとし、ＭＲ比とＨｉｎの変化を示した特性図を示している。この実施例ではプラズマ処理の時間を１５秒に統一し、プラズマ処理する界面を変えたところ、PtMn/CoFe界面、CoFe/Ru界面、Ru/CoFe界面、CoFe/Cu界面のプラズマ処理によってＨｉｎの低減を実現することができた。同時にRu/CoFe界面、CoFe/Cu界面のプラズマ処理ではＭＲ比の向上も達成できた。そのため、本実施例の膜構成ではRu/CoFe界面またはCoFe/Cu界面をプラズマ処理することが好ましく、Ru/CoFe界面とCoFe/Cu界面の両方をプラズマ処理することがより好ましい。

Ta(3nm)/NiFe(2nm)/PtMn(12nm)/CoFe(1.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.8nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(1.5nm)/NiFe(2.5nm)/Cu(1nm)/Ta(3nm)の積層構造を有するボトムタイプスピンバルブ膜では、NiFe(2nm)/PtMn(12nm)の界面、PtMn(12nm)/CoFe(1.8nm)の界面、CoFe(1.8nm)/Ru(0.8nm)の界面、Ru(0.8nm)/CoFe(2.8nm)の界面、CoFe(2.8nm)/Cu(2.2nm)の界面でプラズマ処理を施すことにより、Ｈｉｎの低減とＭＲ比の向上が期待される。図３中、右向きの矢印で指した界面は、プラズマ処理を施すことが望ましい界面である。

（実施例２）：実施例２は、図４に示したトップタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法に関する。すなわち、基板２５側からTa(3nm)/NiFe(2.5nm)/CoFe(1.5nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(2.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(1.8nm)/PtMn(12nm)/Ta(3nm)の積層構造を有するトップタイプスピンバルブ膜の製造方法で成膜の途中でプラズマ処理を施す例である。この積層構造で、Ta(3nm)は緩衝層４１、NiFe(2.5nm)/CoFe(1.5nm)は磁化自由層４５、Cu(2.2nm)は非磁性伝導層４４、CoFe(2.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(1.8nm)は磁化固定層（積層フェリ）４３、PtMn(12nm)は反強磁性層４２、Ta(3nm)は保護層４７である。図７は、横軸を「プラズマ処理無し」の場合、「Ta/NiFe界面」、「CoFe/Ru界面」、「Cu/CoFe界面」、「Ru/CoFe界面」の各々でプラズマ処理が行われた場合とし、縦軸をＭＲ比とＨｉｎとし、ＭＲ比とＨｉｎの変化を示した特性図を示している。本実施例でもプラズマ処理の時間を15秒に統一しプラズマ処理する界面を変えたところ、図７に示すごとくTa/NiFe界面、CoFe/Cu界面のプラズマ処理によってＨｉｎの低減を実現することができた。またRu/CoFe界面のプラズマ処理ではMR比の向上を達成した。そのため、本実施例の膜構成では、Ta/NiFe界面、CoFe/Cu界面、Ru/CoFe界面の少なくとも１箇所をプラズマ処理することが好ましく、CoFe/Cu界面とRu/CoFe界面の両方をプラズマ処理することがより好ましい。またCoFe/Ru界面をプラズマ処理しても同様な効果を期待することができる。図４中、右向きの矢印で指した界面は、プラズマ処理を施すことが望ましい界面である。

（実施例３）：実施例３では、図３に示した前述のボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法におけるプラズマ処理時間を変更した例を説明する。図８は、横軸をプラズマ処理時間（秒；sec)とし、縦軸をＭＲ比とＨｉｎとしたときのＭＲ比とＨｉｎの変化を示した特性図を示している。図８によれば、ボトムタイプスピンバルブ膜において、Ru/CoFe界面のプラズマ処理の処理時間を変えると、Ru/CoFe界面のプラズマ処理時間は、最も高いＭＲ比が得られる１０〜３０秒の範囲に含まれる時間が好ましいことが分かる。

（実施例４）：実施例４は、図５に示したデュアルタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法に関する。すなわち、基板２５側からTa(3nm)/NiFe(2nm)/PtMn(12nm)/CoFe(1.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.8nm) /Cu(2.2nm)/CoFe(0.5nm)/NiFe(3nm)/CoFe(0.5nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(2.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(1.8nm)/PtMn(12nm)/Ta(3nm)の積層構造を有するデュアルタイプスピンバルブ膜の製造方法で成膜の途中でプラズマ処理を施す例である。この積層構造で、Ta(3nm)/NiFe(2nm)は緩衝層４１、PtMn(12nm)は第１反強磁性層４２Ａ、CoFe(1.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.8nm)は第１磁化固定層（第１積層フェリ）４３Ａ、Cu(2.2nm)は第１非磁性伝導層４４Ａ、CoFe(0.5nm)/NiFe(3nm)/CoFe(0.5nm)は磁化自由層４５、Cu(2.2nm)は第２非磁性伝導層４４Ｂ、CoFe(2.8nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(1.8nm)は第２磁化固定層（第２積層フェリ）４３Ｂ、PtMn(12nm)は第２反強磁性層４２Ｂ、Ta(3nm)は保護層４７である。図９は、横軸を「Ru/CoFe界面」、「Ru/CoFe界面とCu/CoFe界面」、「Ru/CoFe界面とCu/CoFe界面とRu/CoFe界面」の各々でプラズマ処理が行われた場合とし、縦軸をＭＲ比とＨｉｎとし、ＭＲ比とＨｉｎの変化を示した特性図を示している。本実施例ではプラズマ処理の時間を１５秒に統一しプラズマ処理する界面を変えたところ、Ru/CoFe界面とCu/CoFe界面とRu/CoFe界面の３つの界面をプラズマ処理した場合にＨｉｎの低減とＭＲ比の向上を実現することができた。そのため、本実施例の膜構成ではRu/CoFe界面とCu/CoFe界面とRu/CoFe界面の３つの界面のいずれかをプラズマ処理することが好ましいが、よりHinを低減しMR比を向上するためにはRu/CoFe界面とCoFe/Cu界面とRu/CoFe界面の３つの界面をすべてプラズマ処理することが好ましい。図５中、右向きの矢印で指した界面は、プラズマ処理を施すことが望ましい界面である。

（実施例５）：実施例５では、図３に示した前述のボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法におけるプラズマ処理時間を変更した例を説明する。図１０は、横軸をプラズマ処理時間（秒；sec)とし、縦軸をＭＲ比とＨｉｎとしたときのＭＲ比とＨｉｎの変化を示した特性図を示している。図１０によれば、ボトムタイプスピンバルブ膜において、Ru/CoFe界面のプラズマ処理時間を１５秒に統一し、さらにCoFe/Cu界面のプラズマ処理時間を変えた例である。この実施例によると、CoFe/Cu界面のプラズマ処理時間は最も低いＨｉｎが得られる30秒が好ましいことが分かる。

（実施例６）：実施例６は、図３に示した前述のボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の積層構造の製造において、プラズマ処理を行わない場合と、Ru(0.8nm)とCoFe(2.8nm)の間に厚さ１ｎｍ以下のCoFeの酸化物層（ＮＯＬ）を挟んだ場合と、Ru(0.8nm)/CoFe(2.8nm)界面を１５秒間プラズマ処理した場合のスピンバルブ膜のＭＲ曲線の比較を示す。図１１は、横軸は磁界の強さ、縦軸はＭＲ比を示し、プラズマ処理を行わない場合のＭＲ曲線５１と、Ru(0.8nm)とCoFe(2.8nm)の間にＮＯＬを挟んだ場合のＭＲ曲線５２と、Ru(0.8nm)/CoFe(2.8nm)界面を１５秒間プラズマ処理した場合のＭＲ曲線５３を示している。図１１によれば、同一膜構造においてＮＯＬを挿入することによりＭＲ比が７．９％から１０．４％に向上し、さらにプラズマ処理をした場合では１１．２％が得られた。ＮＯＬを挿入後、１〜４ｎｍのCoFe層を成膜し、その後にプラズマ処理しても同様の効果が得られる。またプラズマ処理無しの場合のスピンバルブ膜のCoFe(1.5nm)/NiFe(2.5nm)から構成された磁化自由層の保磁力（Ｈｃ）が０．６ Ｏｅであったのに対し、ＮＯＬを挿入した場合が１．３ Ｏｅ、プラズマ処理を行った場合では０．７ Ｏｅであった。CoFeとNiFeの軟磁性材料から構成される磁化自由層のＨｃは小さいほど好ましく、本実施例のようにプラズマ処理ではＨｃを劣化させないという副次的効果も得られた。

（実施例７）：実施例７は、上記の実施例６において、上記ボトムタイプのスピンバルブ膜におけるプラズマ処理無しの場合と、ＮＯＬを挿入した場合と、Ru/CoFe界面をプラズマ処理した場合と、Ru/CoFe界面およびCoFe/Cu界面をプラズマ処理した場合のＭＲ比のＣｕ層厚依存性（図１２）とＨｉｎのＣｕ層厚依存性（図１３）を示している。図１２で横軸はＣｕ層厚（ｎｍ）、縦軸はＭＲ（％）を意味し、図１３で横軸はＣｕ層厚（ｎｍ）、縦軸はＨｉｎ（Ｏｅ）を意味している。図１２および図１３に示すように、プラズマ処理無しの場合ではCu層厚を薄くするにつれてＨｉｎが増大し、Cu層厚が2.1nm以下に薄くなるとＭＲ比の減少が発生するが、Ru/CoFe界面のみをプラズマ処理した場合、およびRu/CoFe界面とCoFe/Cu界面をプラズマ処理した場合ではＨｉｎがCu層厚に対して振動し、Cu層厚が2nm以下に薄くなっても高いＭＲ比を維持する。

（実施例８）：実施例８は、上記の実施例６において、上記ボトムタイプのスピンバルブ膜におけるRu/CoFe界面をプラズマ処理した場合と、CoFe/Cu界面をプラズマ処理した場合のＭＲ曲線メジャーループ（図１４）とＭＲ曲線マイナーループ（図１５）を示している。図１４と図１５で横軸はＨ（Ｏｅ）、縦軸はＭＲ（％）を意味している。この実施例ではRu/CoFe界面を１５秒、CoFe/Cu界面を３０秒プラズマ処理した場合の例を示している。この実施例によれば１２％の高ＭＲ比と−４Ｏｅの低Ｈｉｎと０．５Ｏｅの低Ｈｃが得られた。

（実施例９）：実施例１０は、図１６で、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法でのRu/CoFe界面のプラズマ処理において、プラズマ条件である基板２５へのバイアス電圧Ｖｄｃを変えた例を示している。この実施例によれば、基板２５に対して負に印加されるバイアス電圧は０に近づくほど低Ｈｉｎと高ＭＲ比が得られることが分かる。

前述の実施形態および各実施例において、スピンバルブ膜のＣｕ層をＡｌの酸化物層（AlOx層）に置き換えたいわゆるＴＭＲ膜に置き換えても同等の効果を達成することができる。ＴＭＲ膜はＧＭＲ膜よりもさらに高いＭＲ比が得られるため、次世代の磁気再生ヘッドとして注目されている磁性多層膜であり、さらには次世代の不揮発性メモリとして有望視されている。

前述の実施形態および実施例において、積層フェリ型の磁化固定層が、磁性層と磁性層によって挟まれた非磁性層が２種類以上の層によって構成された多層膜である場合には、非磁性層内に存在する界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理することが好ましい。また磁化自由層が２種類以上の層によって構成された多層膜である場合には、磁化自由層内に存在する界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理することが好ましい。さらに反強磁性層が２種類以上の層によって構成された多層膜である場合には、反強磁性層内に存在する界面のうちの少なくとも１箇所をプラズマ処理することが好ましい。

前述の実施形態等では、マルチチャンバ式の成膜装置１０において、スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の多層構造の成膜の途中の適宜な段階でプラズマ処理を行うために、特別にプラズマ処理室１４を設けるようにしたが、これに限定されない。例えば、成膜室１３Ａ，１３Ｂに、図２に示した平行平板電極構造を設けたり、あるいは、イオン照射構造を設けたりして、成膜室内でプラズマ処理を行うように構成することができる。

本発明によるスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法では、スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の多層構造において前述したごとく選択された所定の界面にプラズマ処理を施すことにより、当該界面の平坦化および清浄化を図り、これにより、高いＭＲ比を実現するようにしたが、多層膜の構造において、緩衝膜と保護膜の間に存在するすべての界面のうちのいずれか１つ、あるいは任意の組合せで、あるいはすべての界面をプラズマ処理することによって本発明の効果を実現することができるのは勿論である。

上記の説明では、専らスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法の観点で発明を把握してその説明がなされたが、本発明に係る製造方法で作られたスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の多層の膜構造自体も、所定の界面がプラズマ処理等により平坦化かつ清浄化されており、独創性を備えた膜構造を有している。

本発明に係るマルチチャンバ装置は、次のような製造方法を実現するものである。

第１の製造方法は、基板上に堆積される緩衝層と、非磁性伝導層とこれを挟む磁化固定層および磁化自由層と磁化固定層の隣りに形成される反強磁性層とから成る多層部と、最上位に堆積される保護層とから構成されるスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法であり、非磁性伝導層と緩衝層との間に形成された複数の界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理する方法である。このスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法では、非磁性伝導層の下側に形成される複数の界面を適宜にプラズマ処理を行うことにより、各層の平坦性と清浄性を高め、これによって、高いＭＲ比と低いＨｉｎを可能にしている。

第２の製造方法は、上記の第１の製造方法において、好ましくは、多層部で磁化固定層は基板側に形成されかつ磁化自由層は保護層側に形成され、かつ磁化固定層および／または磁化自由層は単層または複数層から成り、非磁性伝導層と緩衝層の間に形成された複数の界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理することを特徴とする。この方法は、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法である。

第３の製造方法は、上記の第１の製造方法において、好ましくは、多層部で磁化自由層は基板側に形成されかつ磁化固定層は保護層側に形成され、かつ前記磁化固定層および／または前記磁化自由層は単層または複数層から成り、非磁性伝導層と緩衝層の間に形成された複数の界面、および磁化固定層内の複数の界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理することを特徴とする。この方法は、トップタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法である。

第４の製造方法は、上記の第１の製造方法において、好ましくは、多層部で、磁化固定層は下側磁化固定層と上側磁化固定層を含み、非磁性伝導層は下側非磁性伝導層と上側非磁性伝導層を含み、下側非磁性伝導層を挟む下側磁化固定層および磁化自由層と上側非磁性伝導層を挟む磁化自由層および上側磁化固定層とに基づく５層構造が形成され、かつ下側磁化固定層と上側磁化固定層と磁化自由層のうちの少なくとも１つの層は単層または複数層から成り、下側非磁性伝導層と緩衝層との間に形成された複数の界面、および上側非磁性伝導層と磁化自由層の間の界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理することを特徴とする。この方法はデュアルタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法である。

第５の製造方法は、基板上に緩衝層、反強磁性層、磁化固定層、非磁性伝導層、磁化自由層、保護層の順番で連続的に積層されるボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法であり、緩衝層と反強磁性層の界面、反強磁性層と磁化固定層の界面、磁化固定層と非磁性伝導層の界面のうちの少なくとも１箇所をプラズマ処理する方法である。

第６の製造方法は、上記の第５の方法において、好ましくは、磁化固定層は、非磁性層によって隔てられた第１磁化固定層要素と第２磁化固定層要素の３層構造を有する積層フェリ型磁化固定層であり、反強磁性層と１磁化固定層の界面、第１磁化固定層要素と非磁性層の界面、非磁性層と第２磁化固定層要素の界面、第２磁化固定層要素と非磁性伝導層の界面のうちの少なくとも１箇所をプラズマ処理することを特徴とする。

第７の製造方法は、基板上に緩衝層、磁化自由層、非磁性伝導層、磁化固定層、反強磁性層、保護層の順番で連続的に積層されたトップタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法であり、緩衝層と磁化自由層の界面、磁化自由層と非磁性伝導層の界面の少なくとも１箇所をプラズマ処理する方法である。

第８の製造方法は、上記の第７の方法において、好ましくは、磁化固定層は非磁性層によって隔てられた第１磁化固定層要素と第２磁化固定層要素の３層構造を有する積層フェリ型磁化固定層であり、第１磁化固定層要素と非磁性層の界面、非磁性層と第２磁化固定層要素の界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理することを特徴とする。

第９の製造方法は、基板上に緩衝層、第１反強磁性層、第１磁化固定層、第１非磁性伝導層、磁化自由層、第２非磁性伝導層、第２磁化固定層、第２反強磁性層、保護層の順番で連続的に積層されるデュアルタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法であり、緩衝層と第１反強磁性層の界面、第１反強磁性層と第１磁化固定層の界面、第１磁化固定層と第１非磁性伝導層の界面、磁化自由層と第２非磁性伝導層の界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理する方法である。

第１０の製造方法は、第９の方法において、好ましくは、第１磁化固定層が第１磁化固定層要素、第１非磁性層、第２磁化固定層要素の３層構造となった第１積層フェリであり、第２磁化固定層が第３磁化固定層要素、第２非磁性層、第４磁化固定層要素の３層構造となった第２積層フェリであり、第１反強磁性層と第１磁化固定層要素の界面、第１磁化固定層要素と第１非磁性層の界面、第１非磁性層と第２磁化固定層要素の界面、第２磁化固定層要素と第１非磁性伝導層の界面、第３磁化固定層要素と第２非磁性層の界面、第２非磁性層と第４磁化固定層要素の界面のうち少なくとも１箇所をプラズマ処理することを特徴とする。

第１１の製造方法は、上記の各製造方法において、好ましくは、緩衝層が２種類以上の層によって構成された多層膜であり、緩衝層内に存在する複数の界面のうち少なくとも１箇所にプラズマ処理することを特徴とする。

第１２の製造方法は、上記の各製造方法において、好ましくは、上記のプラズマ処理は、０．０１〜１００Ｐａの低圧力の不活性ガスであるＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｎｅ等やこれらに類似するガスのいずれかによるガス雰囲気中において１３．５６ＭＨｚのＲＦ波を用いたプラズマを使用し、電極構造が平行平板の容量結合型であることを特徴とする。

第１３の製造方法は、上記第１２の製造方法において、好ましくは、電極構造で、ＲＦ波を与える側の電極にプラズマ処理の対象となる基板を配置し、ＲＦ波による電力が単位面積当たり０．５Ｗ／ｃｍ ^２ 以下、基板に印加されるバイアス電圧が０Ｖよりも小さく−３００Ｖ以上の範囲に含まれる電圧である。

第１４の製造方法は、上記の第１２の製造方法において、好ましくは、プラズマ処理の処理時間が１分を超えない時間であることを特徴とする。

本発明のマルチチャンバ成膜装置によるスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法では、多層構造を成すスピンバルブ膜の成膜途中において成膜を一時中断し、界面をイオン衝撃処理、好ましくはプラズマ処理を行い、その後に引き続き成膜を再開するように構成されている。この製造方法では、プラズマ処理は必ずしも成膜室内で行われる必要はなく、隣の真空室または真空搬送室等を介した別の真空室に移動して行ってもよい。

また本発明のマルチチャンバ成膜装置による製造方法では、ボトムタイプ、トップタイプ、デュアルスピンバルブのようなスピンバルブ膜の構造にかかわらず非磁性伝導層にＣｕ層を用い、かつＣｕ層の膜厚を２．１ｎｍに設定した時、Ｃｕ層を介した磁化固定層と磁化自由層の間の層間結合磁界（Ｈｉｎ）が最も小さくかつＭＲ比が最も大きくなるように、ボトムタイプ、トップタイプ、デュアルスピンバルブのスピンバルブ膜構造に応じて、プラズマ処理等を行う界面を適宜に選択するものである。またプラズマ処理による成膜の中断は必ずしも一度に限らず、必要に応じて複数回行ってもよい。

さらに本発明のマルチチャンバ成膜装置による製造方法では、プラズマ処理を施す層に用いられる材料によって、プラズマ処理の条件（ＲＦ電力、処理時間、Ａｒ等の圧力など)を変え、Ｈｉｎが小さく、ＭＲ比が大きくなるようにしている。さらに本発明のマルチチャンバ成膜装置による製造方法では、酸素を用いるプロセスや酸化工程は一切使用しないことで特徴づけられる。

スピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法を実施する本発明に係るマルチチャンバ成膜装置の平面図である。 成膜装置のプラズマ処理室の内部構成を示す縦断面図である。 多層膜の一例であるボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の積層構造を示す図である。 多層膜の一例であるトップタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の積層構造を示す図である。 多層膜の一例であるデュアルタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の積層構造を示す図である。 本発明の第１実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜でのプラズマ処理する界面の依存性を示す特性図である。 本発明の第２実施例を示し、トップタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜でのプラズマ処理する界面の依存性を示す特性図である。 本発明の第３実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜でのRu/CoFe界面のプラズマ処理時間依存性を示す特性図である。 本発明の第４実施例を示し、デュアルタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の界面依存性を示す特性図である。 本発明の第５実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜でのCoFe/Cu界面のプラズマ処理時間依存性を示す特性図である。 本発明の第６実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の標準型と、ＮＯＬと、プラズマ処理ありの場合のＭＲ曲線の比較を示す特性図である。 本発明の第７実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜におけるプラズマ処理無しの場合と、ＮＯＬを挿入した場合と、Ru/CoFe界面をプラズマ処理した場合と、Ru/CoFe界面およびCoFe/Cu界面をプラズマ処理した場合のＭＲ比のＣｕ層厚依存性を示す特性図である。 本発明の第７実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜におけるプラズマ処理無しの場合と、ＮＯＬを挿入した場合と、Ru/CoFe界面をプラズマ処理した場合と、Ru/CoFe界面およびCoFe/Cu界面をプラズマ処理した場合のＨｉｎのＣｕ層厚依存性を示す特性図である。 本発明の第８実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜におけるRu/CoFe界面をプラズマ処理した場合と、CoFe/Cu界面をプラズマ処理した場合のＭＲ曲線メジャーループを示す特性図である。 本発明の第８実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜におけるRu/CoFe界面をプラズマ処理した場合と、CoFe/Cu界面をプラズマ処理した場合のＭＲ曲線マイナーループを示す特性図である。 本発明の第９実施例を示し、ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の製造方法でのRu/CoFe界面のプラズマ処理においてプラズマ条件である基板へのバイアス電圧Ｖｄｃの依存性を示す特性図である。 ボトムタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の積層構造の一例を示す断面図である。 トップタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の積層構造の一例を示す断面図である。 デュアルタイプのスピンバルブ型巨大磁気抵抗薄膜の積層構造の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 成膜装置
１１ 基板搬送ロボット
１２ 真空搬送室
１３Ａ，１３Ｂ 成膜室
１４ プラズマ処理室
１５ ロードロック室
２１ 真空槽
２２ 上部電極
２３ 下部電極
２５ 基板
２６ プラズマ
３１，３２ ターゲット
４１ 緩衝層
４２ 反強磁性層
４３ 磁化固定層
４４ 非磁性伝導層
４５ 磁化自由層
４７ 保護層

Claims (4)

1. 基板を移動させる基板搬送ロボットを備えた真空搬送室、該真空搬送室に結合配置され、反強磁性層および磁化固定層を成膜する第１成膜室、並びに、前記真空搬送室に結合配置され、不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ処理室を有し、
   前記基板搬送ロボットは、前記基板を、前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での反強磁性層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での磁化固定層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出するものであることを特徴とするマルチチャンバ成膜装置。
2. 基板を移動させる基板搬送ロボットを備えた真空搬送室、該真空搬送室に結合配置され、反強磁性層および磁化固定層を成膜する第１成膜室、前記真空搬送室に結合配置され、非磁性伝導層または酸化物層を成膜する第２成膜室、並びに、前記真空搬送室に結合配置され、不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ処理室を有し、
   前記基板搬送ロボットは、前記基板を、前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での反強磁性層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での磁化固定層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第２成膜室内に搬入し、該第２成膜室内での非磁性伝導層または酸化物層の成膜終了後、該第２成膜室から搬出するものであることを特徴とするマルチチャンバ成膜装置。
3. 基板を移動させる基板搬送ロボットを備えた真空搬送室、該真空搬送室に結合配置され、緩衝層および反強磁性層を成膜する第１成膜室、並びに、前記真空搬送室に結合配置され、不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ処理室を有し、
   前記基板搬送ロボットは、前記基板を、前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での緩衝層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での反強磁性層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出するものであることを特徴とするマルチチャンバ成膜装置。
4. 基板を移動させる基板搬送ロボットを備えた真空搬送室、該真空搬送室に結合配置され、磁化自由層を成膜する第１成膜室、前記真空搬送室に結合配置され、緩衝層、および、非磁性伝導層または酸化物層を成膜する第２成膜室、並びに、前記真空搬送室に結合配置され、不活性ガスのプラズマを生成するプラズマ処理室を有し、
   前記基板搬送ロボットは、前記基板を、前記第２成膜室内に搬入し、該第２成膜室内での緩衝層の成膜終了後、該第２成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第１成膜室内に搬入し、該第１成膜室内での磁化自由層の成膜終了後、該第１成膜室から搬出して前記プラズマ処理室内に搬入し、該プラズマ処理室内でのプラズマ処理終了後、該プラズマ処理室から搬出して前記第２成膜室内に搬入し、該第２成膜室内での非磁性伝導層または酸化物層の成膜終了後、該第２成膜室から搬出するものであることを特徴とするマルチチャンバ成膜装置。

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