JP2019004075A - 磁気抵抗素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異方性磁界等の磁気特性を向上し得る磁気抵抗素子の製造方法を提供する。【解決手段】一実施形態に係る製造方法は、第１の強磁性層と第１の強磁性層の直上に設けられた第１の酸化物層とを備えるウエハを用意する第１工程と、第１工程に引き続き、第１の酸化物層の直上に第２の強磁性層を形成する第２工程と、第２工程に引き続き、第２の強磁性層の直上に吸収層を形成する第３工程と、第３工程に引き続き、第２の強磁性層を熱処理によって結晶化させる第４工程と、を備え、第２の強磁性層は、ホウ素を含み、吸収層は、第４工程の熱処理によって第２の強磁性層からホウ素を吸収する材料を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気抵抗素子の製造方法に関するものである。

ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）は比較的に大きな磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を有する磁気抵抗素子を有するのが好ましい。大きなＭＲ比を示す磁気抵抗素子には、トンネルバリア層に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗素子がある。このような磁気抵抗素子の製造において良好な結晶構造を実現するために固相エピタキシャル成長が採用され得る。特許文献１には、磁気抵抗効果素子（磁気抵抗素子）等に係る技術が開示されている。特許文献１の磁気抵抗効果素子において、フリー層は、トンネルバリア層の側から第１の強磁性層、挿入層および第２の強磁性層が順に積層された複合構造を有する。

特開２０１０−１６６０５１号公報

ＭＲＡＭの高密度化が進む状況においては、磁気抵抗素子の体積の縮小化に伴って熱安定性指数が減少し、熱攪乱に対する磁化方向の安定性が低減する。特許文献１では、磁気抵抗効果素子を製造する場合に、トンネルバリア層、フリー層、および、キャップ層を含む積層膜の形成後に、アニール処理が行われる方法が示されている。しかしながら、このようにキャップ層を含む積層膜の形成後に行われるアニール処理では、熱安定性指数の減少を抑制し得る程の好適な磁気特性（特に異方性磁界）の実現は困難である。従って、異方性磁界等の磁気特性を向上し得る磁気抵抗素子の製造方法の提供が望まれている。

一態様においては、磁気抵抗素子の製造方法が提供される。この製造方法は、第１の強磁性層と第１の強磁性層の直上に設けられた第１の酸化物層とを備えるウエハを用意する第１工程と、第１工程に引き続き、第１の酸化物層の直上に第２の強磁性層を形成する第２工程と、第２工程に引き続き、第２の強磁性層の直上に吸収層を形成する第３工程と、第３工程に引き続き、第２の強磁性層を熱処理によって結晶化させる第４工程と、を備え、第２の強磁性層は、ホウ素を含み、吸収層は、第４工程の熱処理によって第２の強磁性層からホウ素を吸収する材料を有する。

発明者は、鋭意研究の結果、第４工程のタイミングで、すなわち、第１の酸化物層上に第２の強磁性層、吸収層を順に積層したタイミングで熱処理を行うことによって、異方性磁界等の磁気特性が向上されることを見い出した。第４工程のタイミングで熱処理を行う場合、熱処理によって第２の強磁性層から移動したホウ素原子が吸収層に吸収されるので、第２の強磁性層のホウ素原子の濃度が低減され、よって、第２の強磁性層の磁気特性が向上される、と考えられる。

一実施形態では、吸収層の膜厚は、０．１ｎｍ以上且つ１．０ｎｍ以下の範囲にある。発明者は、鋭意研究の結果、吸収層の膜厚が０．１ｎｍ以上且つ１．０ｎｍ以下の範囲の場合に、磁気抵抗素子の特性に悪影響を与えることなく、吸収層が第２の強磁性層から移動したホウ素原子を十分に吸収し得ることを見い出した。

一実施形態では、第４工程において、熱処理は、摂氏３００度以上且つ摂氏４５０度以下の範囲において行われる。発明者は、鋭意研究の結果、第４工程の熱処理が摂氏３００度以上且つ摂氏４５０度以下の範囲において行われる場合に良好な異方性磁界等の磁気特性が実現され得ることを見い出した。

一実施形態では、第１工程から第４工程までは、真空一貫の環境において実行される。このように、真空一貫の環境において、第２の強磁性層の形成、吸収層の形成、および、第２の強磁性層を結晶化するための熱処理が行われるので、処理毎に大気に晒されることがなく処理中の雰囲気の制御が好適に行えると共に、処理工程の簡略化が実現され得る。

一実施形態では、第４工程においては、磁場を印加しつつ熱処理を行う。このように、磁場が印可された環境において熱処理が行われる場合には、第２の強磁性層中の磁化方向を揃えることができ、磁気特性の向上がより好適に実現され得る。

第４工程に引き続き、吸収層の直上に第３の強磁性層を形成し、第３の強磁性層の直上に第２の酸化物層を形成する第５工程を更に備える。このように、第４工程の熱処理によって第２の強磁性層が結晶化された後に、結晶化後の第２の強磁性層上に（吸収層を介して）第３の強磁性層、第２の酸化物層等の他の層が順に形成されるので、第２の強磁性層の結晶化は、第２の強磁性層上に（吸収層を介して）設けられる当該他の層の結晶構造の影響を受けることなく、良好に行われ得る。

一実施形態では、吸収層は、タングステン、モリブデン、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブの何れかを含む。このように、吸収層の材料には、ホウ素の吸収に好適なタングステン、モリブデン、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブの何れかが用いられ得る。

一実施形態では、第２の強磁性層は、コバルト、鉄、および、ホウ素を含む。このように、第２の強磁性層の強磁性は、コバルト、鉄、および、ホウ素を含む材料によって実現され得る。

一実施形態では、第１の酸化物層は、酸化マグネシウムを含む。このように、第１の強磁性層および第２の強磁性層の間に配置される第１の酸化物層は、酸化マグネシウムによって実現され得る。

以上説明したように、異方性磁界等の磁気特性を向上し得る磁気抵抗素子の製造方法が提供される。

図１は、一実施形態に係る製造方法を示す流図である。 図２は、図１に示す製造方法の実行に用いられる成膜装置の構成の一例を示す図である。 図３は、図２に示す成膜装置を備える処理システムの構成の一例を示す図である。 図４は、図１に示す製造方法によって製造される磁気抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。 図５は、（ａ）部、（ｂ）部、および、（ｃ）部を含み、図５の（ａ）部は、図１に示す製造方法の実行前のウエハの状態を模式的に示す断面図であり、図５の（ｂ）部および図５の（ｃ）部は、図１に示す製造方法の各工程の実行後のウエハの状態を模式的に示す断面図である。 図６は、磁気抵抗素子の磁気ヒステリシスを説明するための図である。 図７は、磁気抵抗素子の保磁力および異方性磁界を説明するための図である。 図８は、磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率、磁気抵抗を説明するための図である。 図９は、熱処理の温度と保磁力との関係を示す図である。 図１０は、熱処理による効果を説明するための図である。

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または相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。以下、図１を参照して、成膜装置１０を用いて実施することができる磁気抵抗素子の製造方法（製造方法ＭＴ）について説明する。図１は、一実施形態の製造方法（製造方法ＭＴ）を示す流れ図である。図１に示す一実施形態の製造方法ＭＴは、ウエハＷ（磁気抵抗素子）を製造する方法である。

図２は、一実施形態の製造方法ＭＴの実行に用いられる成膜装置１０を概略的に示す図であり、成膜装置１０の縦断面を示している。まず、図２を参照して、成膜装置１０の構成を説明する。図２に示す成膜装置１０は、処理容器１２を備える。処理容器１２は、接地電位に接続されている。処理容器１２の材料は、例えば、アルミニウム等であり得る。処理容器１２は、処理容器１２の内部に処理空間ＳＰを画成している。処理容器１２の底部には、処理空間ＳＰを減圧するための排気装置１４が、アダプタ１４ａを介して接続されている。処理容器１２の側壁には、ウエハＷの搬送用の開口ＡＰが形成されており、当該側壁に沿って開口ＡＰを開閉するためのゲートバルブＧＶが設けられている。

処理容器１２内には、ステージ１６が設けられている。ステージ１６は、ベース部１６ａおよび静電チャック１６ｂを含んでいる。ベース部１６ａは、略円盤形状を有している。ベース部１６ａの材料は、例えば、アルミニウム等であり得る。一実施形態において、ベース部１６ａの内部には、冷却装置が設けられていてもよい。この冷却装置は、冷媒を循環させるための冷媒流路を含み得る。

ベース部１６ａ上には、静電チャック１６ｂが設けられている。静電チャック１６ｂは、誘電体膜と、当該誘電体膜の内層として設けられた電極と、を有する。静電チャック１６ｂの電極には、直流電源ＳＤＣが接続されている。静電チャック１６ｂ上に載置されたウエハＷは、静電チャック１６ｂによって生じる静電気力によって静電チャック１６ｂに吸着される。静電チャック１６ｂの内部に、ヒータＨＴが設けられている。ヒータＨＴは、ヒータ電源ＨＰから供給される電力によって発熱する。ヒータＨＴによって、静電チャック１６ｂの温度、および、静電チャック１６ｂに載置されるウエハＷの温度が調節され得る。

ステージ１６は、ステージ駆動機構１８に接続されている。ステージ駆動機構１８は、支軸１８ａおよび駆動装置１８ｂを含んでいる。支軸１８ａは、略柱状の部材である。支軸１８ａの中心軸線は、鉛直方向に沿って延びる中心軸線ＡＸ１に略一致している。中心軸線ＡＸ１は、静電チャック１６ｂに載置されるウエハＷの中心、すなわち、ステージ１６の中心を、鉛直方向に通る軸線である。支軸１８ａは、ステージ１６の直下から処理容器１２の底部を通って処理容器１２の外部まで延在している。支軸１８ａと処理容器１２の底部との間には、封止部材ＳＬ１が設けられている。封止部材ＳＬ１は、支軸１８ａが回転および上下動可能であるように、処理容器１２の底部と支軸１８ａとの間の空間を封止する。封止部材ＳＬ１の材料は、例えば、磁性流体シールであり得る。

支軸１８ａの上端には、ステージ１６が結合されており、支軸１８ａの下端には駆動装置１８ｂが接続されている。駆動装置１８ｂは、支軸１８ａを回転および上下動させるための動力を発生する。駆動装置１８ｂによって発生される動力によって支軸１８ａが回転することに伴って、ステージ１６は中心軸線ＡＸ１を中心に回転する。駆動装置１８ｂによって発生される動力によって支軸１８ａが上下動することに伴って、ステージ１６は上下動する。

ステージ１６の上方には、三つ以上の複数のターゲット２０（カソードターゲット）が設けられている。複数のターゲット２０とステージ１６との間には、シャッターＳＨが設けられている。複数のマグネット２６（カソードマグネット）は、ホルダ２２ａを介して対応のターゲット２０とそれぞれ対向するよう、処理容器１２の外部に設けられている。

複数のターゲット２０の各々は、略矩形の平板形状を有している。すなわち、複数のターゲット２０の各々は、矩形の四辺に沿う縁を有している。複数のターゲット２０は、中心軸線ＡＸ１を中心とする円に沿って略均等に配置されている。すなわち、複数のターゲット２０は、中心軸線ＡＸ１に対して周方向に略均等な間隔で配列されている。複数のターゲット２０は、ステージ１６側の表面がステージ１６に向くよう、中心軸線ＡＸ１に対して傾斜している。複数のターゲット２０は、成膜すべき膜の種別に応じて任意に選択されるものであり、一実施形態では、互いに異なる金属材料を有する。

複数のターゲット２０の各々は、金属製のホルダ２２ａによって保持されている。ホルダ２２ａは、絶縁部材２２ｂを介して処理容器１２の天部に支持されている。複数のターゲット２０には、ホルダ２２ａを介して電源２４がそれぞれ接続されている。電源２４は、負の直流電圧を複数のターゲット２０にそれぞれ印加する。なお、電源２４は、複数のターゲット２０に選択的に電圧を印加する単一の電源であってもよい。或いは、電源２４は、複数のターゲット２０にそれぞれ接続された複数の電源であってもよい。

複数のターゲット２０とステージ１６との間には、シャッターＳＨが設けられている。シャッターＳＨは、複数のターゲット２０の表面に対峙するように延在している。一実施形態では、シャッターＳＨは、中心軸線ＡＸ１を中心軸線とする円錐面に沿う形状を有している。

シャッターＳＨには、開口ＡＰが設けられている。開口ＡＰは、複数のターゲット２０のうち一つのターゲットをステージ１６に対して選択的に露出させることができる。また、開口ＡＰは、複数のターゲット２０のうち二つ以上のターゲットを同時に、ステージ１６に対して露出させることが可能であってもよい。以下、複数のターゲット２０のうち開口ＡＰに面しており開口ＡＰからステージ１６に対して露出されている一つまたは二つ以上のターゲットを、「露出ターゲット」という。露出ターゲットの全領域のうち、開口ＡＰに面しており開口ＡＰからステージ１６に対して露出されている領域、すなわち、遮蔽されていない領域を、「露出領域」という。

開口ＡＰは、複数のターゲット２０の各々の平面サイズと略同等の平面サイズを有している。開口ＡＰは、複数のターゲット２０のうち選択された一つのターゲット２０の全領域をステージ１６に対して露出させることが可能なサイズを有している。

シャッターＳＨの中央部分には、回転軸ＲＳが結合している。回転軸ＲＳは、略柱状の部材である。回転軸ＲＳの中心軸線は、中心軸線ＡＸ１に略一致している。回転軸ＲＳの一端は、処理容器１２の内部においてシャッターＳＨの中央部分に結合している。回転軸ＲＳは、処理容器１２の内部から処理容器１２の上部を通過して処理容器１２の外部まで延在している。処理容器１２の外部において、回転軸ＲＳの他端は、回転駆動装置ＲＤに接続している。回転駆動装置ＲＤは、回転軸ＲＳを回転させる動力を発生する。この動力によって回転軸ＲＳが中心軸線ＡＸ１を中心に回転することに伴って、シャッターＳＨは中心軸線ＡＸ１を中心に回転することができる。シャッターＳＨの回転によって、開口ＡＰの周方向の位置を調整することが可能となる。

複数のマグネット２６は、対応のターゲット２０と対向するように、処理容器１２の外部に配置されている。成膜装置１０は、複数のマグネット２６をそれぞれ走査するための複数の走査機構２８を備えている。複数の走査機構２８の各々は、複数のマグネット２６のうち対応のマグネットを、中心軸線ＡＸ１を中心とする円の接線方向において走査することができる。

一実施形態において、複数の走査機構２８の各々は、案内部２８ａおよび駆動装置２８ｂを含み得る。案内部２８ａは、上記接線方向に延びるレール等の案内体である。駆動装置２８ｂは、案内部２８ａに沿ってマグネット２６を移動させるための動力を発生する。走査機構２８によって、露出ターゲットに対応するマグネット２６を、開口ＡＰに面する走査範囲内において走査することができる。すなわち、露出領域の幅に対応する走査範囲内においてマグネット２６を走査することができる。したがって、成膜装置１０では、プラズマが高密度となる領域を露出領域の近傍に制限することができる。

成膜装置１０は、処理容器１２内にガスを供給するガス供給部３０を備える。ガス供給部３０は、一実施形態においては、ガスソース３０ａ、マスフローコントローラといった流量制御器３０ｂ、および、ガス導入部３０ｃを備える。ガスソース３０ａは、処理容器１２内において励起されるガスのソースである。ガスソース３０ａは、流量制御器３０ｂを介してガス導入部３０ｃに接続している。ガス導入部３０ｃは、ガスソース３０ａからのガスを処理容器１２内に導入するガスラインである。ガス導入部３０ｃは、一実施形態では、中心軸線ＡＸ１に沿って延びている。

ガス供給部３０から処理容器１２内にガスが供給され、電源２４によって露出ターゲットに電圧が印加されると、処理容器１２内に供給されたガスが励起される。対応のマグネット２６が走査機構２８によって走査されると、露出ターゲットの露出領域の近傍に磁界が発生する。これにより、露出領域の近傍にプラズマが集中する。露出ターゲットの露出領域にプラズマ中の正イオンが衝突することによって、当該露出ターゲットから物質が放出される。これにより、露出ターゲットを構成する物質がウエハＷ上に堆積する。

図２に示す成膜装置１０は、図３に示す処理システム１００の複数の処理室１００ａのうち何れか一の処理室１００ａに収容される。図３は、図２に示す成膜装置１０を備える処理システム１００の主要な構成の一例を示す図である。

処理システム１００は、台１２２ａ、台１２２ｂ、台１２２ｃ、台１２２ｄ、収容容器１２４ａ、収容容器１２４ｂ、収容容器１２４ｃ、収容容器１２４ｄ、ローダモジュールＬＭ、搬送ロボットＲｂ１、制御部Ｃｎｔ、ロードロックチャンバＬＬ１、ロードロックチャンバＬＬ２、ゲートＧＡ１、ゲートＧＡ２を備える。処理システム１００は、更に、複数のトランスファーチャンバ１２１、複数の処理室１００ａ、複数のゲートＧＢ１を備える。トランスファーチャンバ１２１は、搬送ロボットＲｂ２を備える。

ロードロックチャンバＬＬ１と、ロードロックチャンバＬＬ１に接しているトランスファーチャンバ１２１との間にはゲートＧＡ１が設けられており、ゲートＧＡ１を介して、ウエハＷが、ロードロックチャンバＬＬ１と、ロードロックチャンバＬＬ１に接しているトランスファーチャンバ１２１との間を、搬送ロボットＲｂ２によって移動する。ロードロックチャンバＬＬ２と、ロードロックチャンバＬＬ２に接しているトランスファーチャンバ１２１との間にはゲートＧＡ２が設けられており、ゲートＧＡ２を介して、ウエハＷが、ロードロックチャンバＬＬ２と、ロードロックチャンバＬＬ２に接しているトランスファーチャンバ１２１との間を、搬送ロボットＲｂ２によって移動する。

処理室１００ａと、処理室１００ａに接しているトランスファーチャンバ１２１との間にはゲートＧＢ１が設けられており、ゲートＧＢ１を介して、処理室１００ａと、処理室１００ａに接するトランスファーチャンバ１２１との間を、搬送ロボットＲｂ２によって移動する。

台１２２ａ〜１２２ｄは、ローダモジュールＬＭの一縁に沿って配列されている。台１２２ａ〜１２２ｄのそれぞれの上には、収容容器１２４ａ〜１２４ｄがそれぞれ設けられている。収容容器１２４ａ〜１２４ｄ内には、ウエハＷが収容され得る。

ローダモジュールＬＭ内には、搬送ロボットＲｂ１が設けられている。搬送ロボットＲｂ１は、収容容器１２４ａ〜１２４ｄの何れかに収容されているウエハＷを取り出して、ウエハＷを、ロードロックチャンバＬＬ１またはＬＬ２に搬送する。

ロードロックチャンバＬＬ１およびＬＬ２は、ローダモジュールＬＭの別の一縁に沿って設けられており、ローダモジュールＬＭに接続されている。ロードロックチャンバＬＬ１およびロードロックチャンバＬＬ２は、予備減圧室を構成している。ロードロックチャンバＬＬ１およびロードロックチャンバＬＬ２は、それぞれ、ゲートＧＡ１、ゲートＧＡ２を介して、トランスファーチャンバ１２１に接続されている。

トランスファーチャンバ１２１は、減圧可能なチャンバであり、トランスファーチャンバ１２１内には搬送ロボットＲｂ２が設けられている。トランスファーチャンバ１２１には、成膜装置１０が設けられた処理室１００ａが接続されている。搬送ロボットＲｂ２は、ロードロックチャンバＬＬ１またはロードロックチャンバＬＬ２から、それぞれゲートＧＡ１、ゲートＧＡ２を介してウエハＷを取り出して、当該ウエハＷを成膜装置１０に搬送する。

複数のトランスファーチャンバ１２１、複数の処理室１００ａでは、何れも減圧された雰囲気が実現されており、複数のトランスファーチャンバ１２１、複数の処理室１００ａは、互いに共通の気圧（減圧後の気圧）を有し得る。複数のトランスファーチャンバ１２１および複数の処理室１００ａは、真空一貫の環境を形成する。ウエハＷは、複数のトランスファーチャンバ１２１および複数の処理室１００ａの間を行き来する場合にも、真空一貫の環境にある。成膜装置１０は、上記したように、ヒータＨＴを備えるので、成膜処理およびアニール処理を、共に、真空一貫の環境において行える。

制御部Ｃｎｔ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り、処理システム１００の各部を制御する。制御部Ｃｎｔは、搬送ロボットＲｂ１、搬送ロボットＲｂ２、複数の処理室１００ａのそれぞれに格納されている各種装置（例えば、成膜装置１０）等に接続されている。制御部Ｃｎｔからの制御信号によって、処理システム１００の各部、例えば、搬送ロボットＲｂ１、搬送ロボットＲｂ２、および、成膜装置１０の各部を制御する。制御部Ｃｎｔの記憶部には、処理システム１００の各部を制御するためのコンピュータプログラム、および、当該プログラムの実行に用いられる各種のデータが、読出し自在に格納されている。

一実施形態において、制御部Ｃｎｔは、更に、成膜装置１０の各要素を制御する。具体的に、制御部Ｃｎｔは、回転駆動装置ＲＤに制御信号を送出することによって、シャッターＳＨの回転位置を制御する。制御部Ｃｎｔは、これによって、複数のターゲット２０のうち一つまたは二つ以上の露出ターゲットを、開口ＡＰからステージ１６に対して露出させることができる。制御部Ｃｎｔは、ガス供給部３０の流量制御器３０ｂに制御信号を送出する。制御部Ｃｎｔは、これによって、ガス供給部３０から所定のガスを所定の流量で処理容器１２内に供給し得る。制御部Ｃｎｔは、排気装置１４に制御信号を送出する。制御部Ｃｎｔは、これによって、処理容器１２内の圧力を所定の圧力に設定し得る。制御部Ｃｎｔは、ヒータ電源ＨＰに制御信号を送出する。制御部Ｃｎｔは、これによって、ヒータＨＴを介して静電チャック１６ｂを加熱することができ、静電チャック１６ｂ上に載置されたウエハＷを加熱することができる。制御部Ｃｎｔは、電源２４に制御信号を送出する。制御部Ｃｎｔは、これによって、露出ターゲットに負の直流電圧を印加することができる。制御部Ｃｎｔは、複数の走査機構２８の駆動装置２８ｂに制御信号を送出する。制御部Ｃｎｔは、これによって、露出ターゲットの露出領域の幅に対応する走査範囲内において、対応のマグネット２６を走査することができる。

図１に戻って製造方法ＭＴの説明を行う。以下の説明において、図４および図５が参照される。図４は、図１に示す製造方法によって製造される磁気抵抗素子の構成の一例を示す断面図である。図５は、（ａ）部、（ｂ）部、および、（ｃ）部を含み、図５の（ａ）部は、図１に示す製造方法の実行前のウエハの状態を模式的に示す断面図であり、図５の（ｂ）部および図５の（ｃ）部は、図１に示す製造方法の各工程の実行後のウエハの状態を模式的に示す断面図である。

図４に示すウエハＷ（磁気抵抗素子）は、下部電極層ＥＬ、磁化参照層ＲＬ、酸化物層ＩＬ１（第１の酸化物層）、磁化自由層ＦＬ、酸化物層ＩＬ２（第２の酸化物層）、キャップ層ＣＬを備える。磁化参照層ＲＬは、強磁性層ＭＬ１（第１の強磁性層）を備える。磁化自由層ＦＬは、強磁性層ＭＬ２（第２の強磁性層）、吸収層ＡＬ、強磁性層ＭＬ３（第３の強磁性層）を備える。磁化参照層ＲＬは、下部電極層ＥＬ上に設けられる。酸化物層ＩＬ１は、磁化参照層ＲＬの強磁性層ＭＬ１の直上に設けられる。強磁性層ＭＬ２は、酸化物層ＩＬ１の直上に設けられる。吸収層ＡＬは、強磁性層ＭＬ２の直上に設けられる。強磁性層ＭＬ３は、吸収層ＡＬの直上に設けられる。酸化物層ＩＬ２は、磁化自由層ＦＬの直上に設けられる。酸化物層ＩＬ２は、一実施形態において、強磁性層ＭＬ３の直上に設けられる。キャップ層ＣＬは、酸化物層ＩＬ２上に設けられる。

酸化物層ＩＬ１および酸化物層ＩＬ２は、面方位（００１）に配向した酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。強磁性層ＭＬ１、強磁性層ＭＬ２、および、強磁性層ＭＬ３は、何れも、面心立法格子の構造を有しており、ホウ素を含む。一実施形態において、強磁性層ＭＬ１、強磁性層ＭＬ２、および、強磁性層ＭＬ３は、何れも、コバルト、鉄、ホウ素（ＣｏＦｅＢ）を含み得る。吸収層ＡＬは、後述する工程ＳＴ４の熱処理によって、図５の（ｂ）部および図５の（ｃ）部に示す後述の強磁性層ＭＬ２からホウ素を吸収する材料を有する。一実施形態において、吸収層ＡＬは、タングステン、モリブデン、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブの何れかを含み得る。吸収層ＡＬの膜厚が０．１［ｎｍ］未満の場合には吸収層としての機能を十分に得られず、また、１．０［ｎｍ］を超えると磁気特性が劣化するため、吸収層ＡＬの膜厚は、０．１［ｎｍ］以上であり、且つ、１．０［ｎｍ］以下（０．１ｎｍ以上且つ１．０ｎｍ以下）の範囲にある。吸収層ＡＬの膜厚は、一実施形態において、０．４［ｎｍ］であり得る。

図１に示す製造方法ＭＴは、図５の（ａ）部に示す酸化物層ＩＬ１の上に、図５の（ｂ）部および図５の（ｃ）部に示すように、磁化自由層ＦＬ、酸化物層ＩＬ２、および、キャップ層ＣＬを積層し、図４の構成の磁気抵抗素子（ウエハＷ）を製造する方法である。製造方法ＭＴは、工程ＳＴ１（第１工程）、工程ＳＴ２（第２工程）、工程ＳＴ３（第３工程）、工程ＳＴ４（第４工程）、および、工程ＳＴ５（第５工程）を備える。工程ＳＴ１から工程ＳＴ５までは、成膜装置１０を含む処理システム１００内において、真空一貫の環境において実行される。

まず、工程ＳＴ１において、図５の（ａ）部の構成のウエハＷを、成膜装置１０の処理空間ＳＰ内に用意する。工程ＳＴ１において、ウエハＷは、静電チャック１６ｂ上に載置される。図５の（ａ）部に示すウエハＷは、下部電極層ＥＬ、磁化参照層ＲＬ、酸化物層ＩＬ１を備える。磁化参照層ＲＬは、強磁性層ＭＬ１を備える。図５の（ａ）部に示すウエハＷは、強磁性層ＭＬ１と強磁性層ＭＬ１の直上に設けられた酸化物層ＩＬ１とを備える。工程ＳＴ１において用意されたウエハＷの強磁性層ＭＬ１は、アモルファスまたは微結晶の状態である。

工程ＳＴ１に引き続き、図５の（ｂ）部に示すように、酸化物層ＩＬ１の直上に強磁性層ＭＬ２を形成する（工程ＳＴ２）。酸化物層ＩＬ１の形成には、酸化物ターゲットを用いたスパッタ法で作成する方法もしくは金属薄膜形成して酸化処理をすることによって作成する方法が用いられる。工程ＳＴ２において形成された強磁性層ＭＬ２は、アモルファスまたは微結晶の状態である。

工程ＳＴ２に引き続き、図５の（ｃ）部に示すように、スパッタ法を用いて強磁性層ＭＬ２の直上に吸収層ＡＬを形成する（工程ＳＴ３）。

工程ＳＴ３に引き続き、熱処理を行うことによって、アモルファスまたは微結晶の状態の強磁性層ＭＬ２を、結晶化させる（工程ＳＴ４）。工程ＳＴ４では、強磁性層ＭＬ２と共に、強磁性層ＭＬ１も結晶化され得る。工程ＳＴ４において、熱処理は、摂氏３００度以上且つ摂氏４５０度以下の範囲において行われる。

工程ＳＴ４の熱処理では、固相エピタキシーが用いられる。すなわち、工程ＳＴ４の熱処理によって、アモルファスまたは微結晶の状態の強磁性層ＭＬ１、強磁性層ＭＬ２が、酸化物層ＩＬ１の酸化マグネシウムの（００１）面方位の結晶構造に沿って、結晶化される。

工程ＳＴ４の熱処理において、強磁性層ＭＬ２のホウ素の一部は、ホウ素の吸収性の高い吸収層ＡＬに吸収される。強磁性層ＭＬ２のホウ素の一部が吸収層ＡＬに移動し、強磁性層ＭＬ２のホウ素の濃度が低減する。これによって強磁性層ＭＬ２の磁気特性が向上する。このように、工程ＳＴ４の熱処理によって、磁気特性の良好な強磁性層ＭＬ２が形成される。なお、成膜装置１０が電磁石を有している場合、工程ＳＴ４においては、磁場を印加しつつ熱処理を行うことができる。また、専用の熱処理装置が処理システム１００の処理室の１つとして設けられている場合には、ウエハＷを専用の熱処理室に移動させてから熱処理を行ってもよい。

工程ＳＴ４の熱処理の実行時間は、例えば１００〜７００秒の程度である。工程ＳＴ４の熱処理の実行時間は、一実施形態においては、３００秒の程度であり得る。

工程ＳＴ４に引き続き、吸収層ＡＬの直上に強磁性層ＭＬ３をスパッタ法を用いて形成し、強磁性層ＭＬ３の直上に酸化物層ＩＬ２を形成する（工程ＳＴ５）。酸化物層ＩＬ２の形成には、酸化物ターゲットを用いたスパッタ法で作成する方法もしくは金属薄膜形成して酸化処理をすることによって作成する方法が用いられる。工程ＳＴ５では、強磁性層ＭＬ３、酸化物層ＩＬ２と共に、更に、キャップ層ＣＬが形成される。キャップ層ＣＬは、酸化物層ＩＬ２上に形成される。キャップ層ＣＬの形成後に、バッチ処理によって、熱処理を行う場合がある。キャップ層ＣＬの形成後に行う熱処理は、例えば摂氏３００度以上且つ摂氏４５０度以下の範囲で行われる。キャップ層ＣＬの形成後に行う熱処理は、一実施形態において、摂氏４００度の程度であり得る。製造方法ＭＴを含む処理により、図４の構成のウエハＷ（磁気抵抗素子）が得られる。

次に、図６〜図１０を参照して、製造方法ＭＴによって得られた図４に示す構成のウエハＷ（磁気抵抗素子）の磁気特性等について説明する。図６は、磁気抵抗素子の磁気ヒステリシスを説明するための図である。図６の横軸は、外部磁場Ｈ［Ｏｅ］を表し、図６の縦軸は、規格化した磁化Ｍｓ［ａ．ｕ．］を表す。グラフＧ１ａ、グラフＧ１ｂは、工程ＳＴ４のタイミングで熱処理を行って得られた図４の構成の磁気抵抗素子（図４の構成のウエハＷ）の磁気ヒステリシスである。グラフＧ１ｃは、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の磁気ヒステリシスである。グラフＧ１ａは、摂氏４５０度で熱処理が行われた場合の結果である。グラフＧ１ｂは、摂氏４００度で熱処理が行われた場合の結果である。グラフＧ１ｃに示すように、熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］は５０［Ｏｅ］程度であるが、グラフＧ１ａ、グラフＧ１ｂに示すように、工程ＳＴ４のタイミングで熱処理を行って得られたウエハＷの保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］は２００［Ｏｅ］程度であった。図６に示す結果は、工程ＳＴ４のタイミングで熱処理を行って得られたウエハＷのほうが、熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子よりも、良好な磁気ヒステリシスが実現されていることを示している。なお、保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］は、外部磁場Ｈ［Ｏｅ］によって磁場反転が起こる磁場の値の幅［Ｏｅ］の１／２に相当するものである。

図７は、磁気抵抗素子の保磁力および異方性磁界を説明するための図である。図７には、熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］、異方性磁界Ｈｋ［ｋＯｅ］と、工程ＳＴ４のタイミングにおいて二つの異なる温度で熱処理を行って得られた磁気抵抗素子（図４の構成のウエハＷ）の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］、異方性磁界Ｈｋ［ｋＯｅ］とが示されている。図７の左側の縦軸は、保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］を表し、図７の右側の縦軸は、異方性磁界Ｈｋ［ｋＯｅ］を表している。

グラフＧ２ａは、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４５０度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値（＝２１４．５［Ｏｅ］）を示している。グラフＧ３ａは、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４５０度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの異方性磁界Ｈｋ［ｋＯｅ］の値（＝３．０［ｋＯｅ］）を示している。グラフＧ２ｂは、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４００度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値（＝２０８．８［Ｏｅ］）を示している。グラフＧ３ｂは、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４００度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの異方性磁界Ｈｋ［ｋＯｅ］の値（＝３．０［ｋＯｅ］）を示している。グラフＧ２ｃは、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値（＝４７．２［Ｏｅ］）を示している。グラフＧ３ｃは、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の異方性磁界Ｈｋ［ｋＯｅ］の値（＝２．３［ｋＯｅ］）を示している。図７に示す結果は、保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］および異方性磁界Ｈｋ［ｋＯｅ］の何れの磁気特性についても、工程ＳＴ４のタイミングにおいて熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの方が、熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子よりも、良好であることを示している。

図８は、磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率、磁気抵抗を説明するための図である。図８には、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率ＭＲ［％］、面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ^２］と、工程ＳＴ４のタイミングにおいて二つの異なる温度で熱処理を行って得られた磁気抵抗素子（図４の構成のウエハＷ）の磁気抵抗変化率ＭＲ［％］、面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ^２］とが示されている。図８の左側の縦軸は、磁気抵抗変化率ＭＲ［％］を表し、図８の右側の縦軸は、面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ^２］を表している。

グラフＧ４ａは、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４５０度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの磁気抵抗変化率ＭＲ［％］の値（＝１９１［％］）を示している。グラフＧ５ａは、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４５０度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ^２］の値（＝１２．２［Ωμｍ^２］）を示している。グラフＧ４ｂは、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４００度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの磁気抵抗変化率ＭＲ［％］の値（＝１９９［％］）を示している。グラフＧ５ｂは、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４００度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ^２］の値（＝１１．５［Ωμｍ^２］）を示している。グラフＧ４ｃは、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率ＭＲ［％］の値（＝２０４［％］）を示している。グラフＧ５ｃは、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ^２］の値（＝９．７［Ωμｍ^２］）を示している。図８に示す結果は、図４の構成のウエハＷの示す磁気抵抗変化率ＭＲ［％］および面積抵抗ＲＡ［Ωμｍ^２］の何れについても、工程ＳＴ４のタイミングにおいて行った熱処理が悪影響を与えていないことを示している。

図９は、熱処理の温度と保磁力との関係を示す図である。図９には、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］と、工程ＳＴ４のタイミングにおいて二つの異なる温度で熱処理を行って得られた磁気抵抗素子（図４の構成のウエハＷ）の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］とが示されている。図９の縦軸は、保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］を表している。

グラフＧ６１は、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏４００度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値を示している。グラフＧ６２は、工程ＳＴ４のタイミングにおいて摂氏３００度で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値を示している。グラフＧ６３は、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値を示している。図９に示す結果は、工程ＳＴ４のタイミングで熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値の方が、工程ＳＴ４の熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値よりも高く良好であることを示している。

図１０は、熱処理による効果を説明するための図である。図１０には、熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］、および、複数の異なるタイミングで熱処理を行って得られた磁気抵抗素子（図４の構成のウエハＷ）の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］が示されている。図１０の縦軸は、保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］を表している。

グラフＧ７１は、熱処理を行わずに得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値を示している。グラフＧ７２は、強磁性層ＭＬ２を形成した直後のタイミングで熱処理を行って得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値を示している。グラフＧ７３は、工程ＳＴ４のタイミング、すなわち吸収層ＡＬを形成したタイミングで熱処理を行って得られた図４の構成の磁気抵抗素子（ウエハＷ）の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値を示している。グラフＧ７４は、強磁性層ＭＬ３を形成した直後のタイミングで熱処理を行って得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値を示している。グラフＧ７５は、酸化物層ＩＬ２を形成した直後のタイミングで熱処理を行って得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］の値を示している。図１０に示す結果は、工程ＳＴ４のタイミング（グラフＧ７３）で熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷの保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］は比較的に高く、他のタイミング（グラフＧ７１、グラフＧ７２、グラフＧ７４、グラフＧ７５）で熱処理を行って（または、熱処理を行わずに）得られた磁気抵抗素子の保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］は比較的に低いことを示している。

図６〜図１０に示すように、工程ＳＴ４のタイミングで熱処理を行って得られた図４の構成のウエハＷが良好な磁気特性を示し得たことは、工程ＳＴ４の熱処理によって強磁性層ＭＬ２のホウ素原子が吸収層ＡＬに吸収されるので、強磁性層ＭＬ２のホウ素原子の濃度が低減し、強磁性層ＭＬ２の磁気特性が向上したことに起因している、と考えられる。

発明者が行った研究によって、工程ＳＴ４のタイミングで、すなわち、酸化物層ＩＬ１上に強磁性層ＭＬ２、吸収層ＡＬを順に積層したタイミングで熱処理を行うことによって、異方性磁界Ｈｋ等の磁気特性が向上されることが見い出された。工程ＳＴ４のタイミングで熱処理を行う場合、熱処理によって強磁性層ＭＬ２から移動したホウ素原子が吸収層ＡＬに吸収されるので、強磁性層ＭＬ２のホウ素原子の濃度が低減され、よって、強磁性層ＭＬ２の磁気特性が向上される、と考えられる。

発明者が行った研究によって、吸収層ＡＬの膜厚が０．１［ｎｍ］以上且つ１．０［ｎｍ］以下の範囲の場合に、磁気抵抗素子の特性に悪影響を与えることなく、吸収層ＡＬが強磁性層ＭＬ２から移動したホウ素原子を十分に吸収し得ることが見い出された。

発明者が行った研究によって、工程ＳＴ４の熱処理が摂氏３００度以上且つ摂氏４５０度以下の範囲において行われる場合に良好な異方性磁界Ｈｋ等の磁気特性が実現され得ることが見い出された。

処理システム１００によって提供され得る真空一貫の環境において、強磁性層ＭＬ２の形成、吸収層ＡＬの形成、および、強磁性層ＭＬ２を結晶化するための熱処理が行われるので、処理毎に大気に晒されることがなく処理中の雰囲気の制御が好適に行えると共に、処理工程の簡略化が実現され得る。

磁場が印可された環境において熱処理が行われる場合には、強磁性層ＭＬ２の磁化方向を揃えることができ、磁気特性の向上がより好適に実現され得る。

工程ＳＴ４の熱処理によって強磁性層ＭＬ２が結晶化された後に、結晶化後の強磁性層ＭＬ２上に（吸収層ＡＬを介して）強磁性層ＭＬ３、酸化物層ＩＬ２等の他の層が順に形成されるので、強磁性層ＭＬ２の結晶化は、強磁性層ＭＬ２上に（吸収層ＡＬを介して）設けられる当該他の層の結晶構造の影響を受けることなく、良好に行われ得る。

吸収層ＡＬの材料には、ホウ素の吸収に好適なタングステン、モリブデン、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブの何れかが用いられ得る。強磁性層ＭＬ２の強磁性は、コバルト、鉄、および、ホウ素を含む材料によって実現され得る。強磁性層ＭＬ１および強磁性層ＭＬ２の間に配置される酸化物層ＩＬ１は、酸化マグネシウムによって実現され得る。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

１０…成膜装置、１００…処理システム、１００ａ…処理室、１２…処理容器、１２１…トランスファーチャンバ、１２２ａ…台、１２２ｂ…台、１２２ｃ…台、１２２ｄ…台、１２４ａ…収容容器、１２４ｂ…収容容器、１２４ｃ…収容容器、１２４ｄ…収容容器、１４…排気装置、１４ａ…アダプタ、１６…ステージ、１６ａ…ベース部、１６ｂ…静電チャック、１８…ステージ駆動機構、１８ａ…支軸、１８ｂ…駆動装置、２０…ターゲット、２２ａ…ホルダ、２２ｂ…絶縁部材、２４…電源、２６…マグネット、２８…走査機構、２８ａ…案内部、２８ｂ…駆動装置、３０…ガス供給部、３０ａ…ガスソース、３０ｂ…流量制御器、３０ｃ…ガス導入部、ＡＬ…吸収層、ＡＰ…開口、ＡＸ１…中心軸線、ＣＬ…キャップ層、Ｃｎｔ…制御部、ＥＬ…下部電極層、ＦＬ…磁化自由層、Ｇ１ａ…グラフ、Ｇ１ｂ…グラフ、Ｇ１ｃ…グラフ、Ｇ２ａ…グラフ、Ｇ２ｂ…グラフ、Ｇ２ｃ…グラフ、Ｇ３ａ…グラフ、Ｇ３ｂ…グラフ、Ｇ３ｃ…グラフ、Ｇ４ａ…グラフ、Ｇ４ｂ…グラフ、Ｇ４ｃ…グラフ、Ｇ５ａ…グラフ、Ｇ５ｂ…グラフ、Ｇ５ｃ…グラフ、Ｇ６１…グラフ、Ｇ６２…グラフ、Ｇ６３…グラフ、Ｇ７１…グラフ、Ｇ７２…グラフ、Ｇ７３…グラフ、Ｇ７４…グラフ、Ｇ７５…グラフ、ＧＡ１…ゲート、ＧＡ２…ゲート、ＧＢ１…ゲート、ＧＶ…ゲートバルブ、ＨＰ…ヒータ電源、ＨＴ…ヒータ、ＩＬ１…酸化物層、ＩＬ２…酸化物層、ＬＬ１…ロードロックチャンバ、ＬＬ２…ロードロックチャンバ、ＬＭ…ローダモジュール、ＭＬ１…強磁性層、ＭＬ２…強磁性層、ＭＬ３…強磁性層、ＭＴ…製造方法、Ｒｂ１…搬送ロボット、Ｒｂ２…搬送ロボット、ＲＤ…回転駆動装置、ＲＬ…磁化参照層、ＲＳ…回転軸、ＳＤＣ…直流電源、ＳＨ…シャッター、ＳＬ１…封止部材、ＳＰ…処理空間、Ｗ…ウエハ。

Claims (9)

1. 磁気抵抗素子の製造方法であって、
   第１の強磁性層と該第１の強磁性層の直上に設けられた第１の酸化物層とを備えるウエハを用意する第１工程と、
   前記第１工程に引き続き、前記第１の酸化物層の直上に第２の強磁性層を形成する第２工程と、
   前記第２工程に引き続き、前記第２の強磁性層の直上に吸収層を形成する第３工程と、
   前記第３工程に引き続き、前記第２の強磁性層を熱処理によって結晶化させる第４工程と、
   を備え、
   前記第２の強磁性層は、ホウ素を含み、
   前記吸収層は、前記第４工程の熱処理によって前記第２の強磁性層からホウ素を吸収する材料を有する、
   磁気抵抗素子の製造方法。
2. 前記吸収層の膜厚は、０．１ｎｍ以上且つ１．０ｎｍ以下の範囲にある、
   請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
3. 前記第４工程において、前記熱処理は、摂氏３００度以上且つ摂氏４５０度以下の範囲において行われる、
   請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
4. 前記第１工程から前記第４工程までは、真空一貫の環境において実行される、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
5. 前記第４工程においては、磁場を印加しつつ前記熱処理を行う、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
6. 前記第４工程に引き続き、前記吸収層の直上に第３の強磁性層を形成し、前記第３の強磁性層の直上に第２の酸化物層を形成する第５工程を更に備える、
   請求項１〜５の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
7. 前記吸収層は、タングステン、モリブデン、タンタル、クロム、バナジウム、ニオブの何れかを含む、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
8. 前記第２の強磁性層は、コバルト、鉄、および、ホウ素を含む、
   請求項１〜７の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
9. 前記第１の酸化物層は、酸化マグネシウムを含む、
   請求項１〜８の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。

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