JP3472207B2

JP3472207B2 - 磁気抵抗効果素子の製造方法

Info

Publication number: JP3472207B2
Application number: JP25620899A
Authority: JP
Inventors: 好昭斉藤; 健太郎中島; 浩一郎猪俣
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2003-12-02
Anticipated expiration: 2019-09-09
Also published as: JP2001084532A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は強磁性層／誘電体層
／強磁性層の積層構造を含むトンネル接合型の磁気抵抗
効果素子の製造方法に関し、特に高密度磁気ディスク装
置の再生用磁気ヘッド、磁気記録素子（磁気抵抗効果メ
モリー、ＭＲＡＭ）、磁界センサーに応用される磁気抵
抗効果素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気抵抗効果は強磁性体に磁場を印加す
ると電気抵抗が変化する現象である。この効果を利用し
た磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）は、温度安定性に優
れ、使用温度範囲が広いという特徴があるため、磁気ヘ
ッドや磁気センサーなどに用いられ、最近では磁気記録
素子（磁気抵抗効果メモリー、ＭＲＡＭ）などにも用い
られるようになってきている。これらの磁気抵抗効果素
子は、外部磁界に対する感度が大きいこと、および応答
スピードが速いことが要求される。

【０００３】近年、２つの強磁性層の間に誘電体層を挿
入したサンドイッチ膜を有し、膜面に垂直に流れるトン
ネル電流を利用する磁気抵抗効果素子、いわゆる強磁性
トンネル接合素子（トンネル接合型磁気抵抗効果素子、
ＴＭＲ）が見出されている。強磁性トンネル接合素子は
２０％以上の磁気抵抗変化率を示す（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．７９，４７２４（１９９６））ため、磁気ヘッ
ドや磁気抵抗効果メモリーへの応用の可能性が高まって
きた。

【０００４】この強磁性トンネル接合は、強磁性層上に
１．２〜２．０ｍｍ厚の薄いＡｌ層を成膜した後、その
表面を酸素プラズマに曝すことによって、Ａｌ₂Ｏ₃から
なる誘電体層を形成する方法により作製されている。

【０００５】しかし、この方法ではＡｌが極めて酸化さ
れやすく、その酸化時間が数秒〜数十秒と短いため、歩
留りやウエハー内分布などの点で問題が多い。この場
合、Ａｌが酸化されずに残るとＭＲ変化率が著しく低下
するという問題がある。また、強磁性トンネル接合素子
を磁気抵抗効果メモリ素子や磁気ヘッド等のデバイスに
適用するには、熱雑音の影響を低減するために実用素子
寸法で抵抗値がある程度低いことが必要である。しか
し、上記の方法では１．２ｎｍより薄いＡｌ層を酸化し
て薄い誘電体層を形成しないと実用的な低抵抗値が得ら
れないので、ウエハー内での抵抗値および磁気抵抗値の
ばらつきがさらに顕著になり、実用に供するだけの十分
な歩留りを得ることが難しいという問題がある。

【０００６】その他の製造方法の例として、特開平５−
６３２５４、特開平６−２４４４７７、特開平８−７０
１４８、特開平８−７０１４９、特開平８−３１６５４
８等に記載されている方法が知られている。これらの方
法は、強磁性層上にＡｌを成膜した後、大気中に曝して
ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃に変換する方法である。この方法では、
大気中の粉塵により誘電体層にピンホールが生じたり、
誘電体層が炭素酸化物、窒素酸化物等の汚染を受けて歩
留りが低下する等の問題がある。

【０００７】その他の製造方法の例として、特開平１１
−５４８１４等に記載されている方法が知られている。
この方法は、強磁性層上にＡｌを成膜した後、チャンバ
ー内に純酸素を導入してＡｌをＡｌ₂Ｏ₃を変換する方法
である。この方法では、ウエハー内での抵抗値および磁
気抵抗値のばらつきは小さくなるが、酸化に要する時間
が１０〜２０分と長くなる。また、抵抗値（ＲＰＡ）が
数百Ωμｍ²と素子面積が１μｍ²程度のＭＲＡＭ等を想
定した場合には小さすぎ、素子サイズに応じた幅広い範
囲の抵抗値を得ることが不可能であった。

【０００８】また、誘電体中に分散した磁性粒子を介し
た強磁性一重トンネル接合または強磁性二重トンネル接
合が提案されている（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５６（１
０），Ｒ５７４７（１９９７）；応用磁気学会誌２３，
４−２，（１９９９）；Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．７３（１９），２８２９（１９９８））。これらの
強磁性トンネル接合素子においても、２０％以上の磁気
抵抗変化率が得られるようになったことから磁気ヘッド
や磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性がある。これら
の提案においても、強磁性層上にＡｌ₂Ｏ₃をダイレクト
スパッタするか、または強磁性層上にＡｌを成膜した後
に表面を酸素プラズマに曝すことによってＡｌ₂Ｏ₃から
なる誘電体層を形成する方法が用いられている。したが
って、これらの方法でも、上述した場合と同様にウエハ
ー内での抵抗値および磁気抵抗値のばらつきにより、実
用に供するだけの十分な歩留りを得ることが難しいとい
う問題がある。

【０００９】以上のように、強磁性トンネル接合素子を
磁気抵抗効果メモリ、磁気ヘッド等のデバイスに適用す
るには、熱雑音の影響を低減するため実用素子寸法であ
る程度抵抗値が低く、実用寸法に適合する抵抗値を有す
る強磁性トンネル接合を歩留りよく形成する必要があ
る。しかし、従来のトンネル接合形成法ではその実現が
困難であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、実用
的な素子サイズに適合する抵抗値を有する強磁性トンネ
ル接合を歩留りよく形成できる磁気抵抗効果素子の製造
方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗効果素
子の製造方法は、２層の強磁性層の間に誘電体層を設け
た構造を有する強磁性一重トンネル接合、または３層の
強磁性層の各層間に誘電体層を設けた構造を有する強磁
性二重トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を製造する
にあたり、強磁性層上に誘電体膜をスパッタ形成する工
程と、前記誘電体膜をスパッタ形成した後、スパッタ装
置の真空を破ることなく、酸素または窒素を含有するガ
スを導入して前記誘電体膜を酸化または窒化するか、前
記ガスを導入した後にグロー放電させてプラズマ中で前
記誘電体膜を酸化または窒化する工程とを具備したこと
を特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の磁気抵抗効果素子は、２
層の強磁性層の間に誘電体層を設けた、強磁性層／誘電
体層／強磁性層という積層構造を有する強磁性一重トン
ネル接合、または３層の強磁性層の各層間に誘電体層を
設けた、強磁性層／誘電体層／強磁性層／誘電体層／強
磁性層という積層構造を有する強磁性二重トンネル接合
を含む。

【００１３】強磁性層の材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎ
ｉまたはこれらの元素を含む合金が用いられる。強磁性
層には、強磁性が損なわれないかぎり、Ａｇ、Ｃｕ、Ａ
ｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｓ
ｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなどの非
磁性元素が多少含まれていても構わない。強磁性層は、
反転磁場を調整するため、ソフト磁性層とハード磁性層
とからなる二層膜（または多層膜）にしても構わない。

【００１４】誘電体層の材料としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍ
ｇ、希土類元素またはこれらの元素を含む合金の酸化物
または窒化物が用いられる。

【００１５】本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効
果型磁気ヘッド、磁気記録素子、磁界センサー等に適用
することができる。この場合、強磁性層に一軸異方性が
付与されていることが好ましい。また、強磁性一重トン
ネル接合の場合には２層の強磁性層のうち一方をピン層
として設計することが好ましく、強磁性二重トンネル接
合の場合は３層の強磁性体のうち２層をピン層として設
計することが好ましい。

【００１６】強磁性二重トンネル接合は、誘電体層が２
層あるため、バイアス依存性に優れた素子を作製できる
ほか、抵抗値が平均され、より歩留りが向上する。

【００１７】強磁性二重トンネル接合の中間の強磁性層
をハード層として設計する場合には、２層の誘電体層で
挟まれた強磁性層を構成する強磁性体として、Ｃｏまた
はＦｅ−Ｃｏ合金にＰｔ、Ｐｄ、Ｃｒなどの元素を添加
した合金を用いることが好ましい。

【００１８】強磁性層のピン止めしたい場合、強磁性層
に接して反強磁性層を設けて、交換バイアス磁界を発生
させてもよい。反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ、
ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、Ｎｉ
Ｏ、Ｆｅ₂Ｏ₃などが用いられる。

【００１９】本発明において、強磁性一重トンネル接合
または強磁性二重トンネル接合を構成する積層体は、基
板上に下地層を介して設けてもよく、また積層体の上部
には保護層を設けてもよい。これらの下地層および保護
層の材料としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔ
ｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄなどを
用いることが好ましい。

【００２０】本発明の磁気抵抗効果素子に含まれる強磁
性トンネル接合を構成する各層は、各種スパッタ法、蒸
着法、ＭＢＥ法などで形成される。以下においては、ス
パッタ法を用い、誘電体層としてＡｌ₂Ｏ₃を形成する場
合について説明する。

【００２１】本発明の強磁性一重トンネル接合を含む磁
気抵抗効果素子の製造方法の一例を図１（ａ）〜（ｃ）
を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、スパッタ
装置を用いて、基板１１上に第１の強磁性層１２、誘電
体層（トンネルバリア層）１３および第２の強磁性層１
４を連続的に成膜する例を示している。

【００２２】基板１１をスパッタ装置に入れ、初期真空
度を１×１０^-6Ｔｏｒｒ以下に設定する。初期真空度
は、５×１０^-7Ｔｏｒｒ以下、さらに１×１０^-7Ｔｏｒ
ｒ以下に設定することがより好ましい。その後、Ａｒな
どの不活性ガスを導入して所定の圧力に設定する。ま
ず、強磁性体ターゲットをスパッタして基板１１上に第
１の強磁性層１２を形成する。次に、Ａｌ₂Ｏ₃ターゲッ
トをスパッタする。上記のような真空度の条件では、Ａ
ｌ₂Ｏ₃ターゲットをスパッタすることにより、酸素欠損
のあるＡｌ₂Ｏ_x層１３ａが形成される（図１（ａ））。

【００２３】次いで、真空を破ることなく、スパッタ装
置内に酸素または酸素と希ガスとの混合ガスを導入し、
Ａｌ₂Ｏ_x層１３ａを酸素ガス（Ｏ₂圧：１０ｍＴｏｒｒ
以上）またはグロー放電により発生する酸素プラズマ
（Ｏ₂圧：１ｍＴｏｒｒ以上）に曝してＡｌ₂Ｏ_xを酸化
して酸素欠損のない化学量論組成のＡｌ₂Ｏ₃層１３ｂに
変換する。このようにして誘電体層１３を形成する（図
１（ｂ））。この際、Ａｌ₂Ｏ_xが多少残ってもよいし、
Ａｌ₂Ｏ_xを完全に酸化してもよい。Ａｌ₂Ｏ_xが完全に酸
化されず残っても、従来技術でＡｌが残った場合のよう
にＭＲ変化率を低減させることはなく、抵抗値も小さ
い。また、Ａｌ₂Ｏ_xを酸化してＡｌ₂Ｏ₃に変換する場
合、従来の方法のようにＡｌを直接酸化する場合に比べ
て酸化時間が長くかかるため、ごく薄いＡｌ₂Ｏ₃を制御
性よく作製できる。

【００２４】次いで、酸素を排気した後、強磁性体ター
ゲットをスパッタして第２の強磁性層１４を形成する
（図１（ｃ））。このようにして、強磁性一重トンネル
接合素子を含む磁気抵抗効果素子の基本構造を形成でき
る。

【００２５】なお、第２の強磁性層１４をピン層とする
場合には、図２（ａ）に示すように、第２の強磁性層１
４上に反強磁性層２１を成膜する。また、第１の強磁性
層１２をピン層とする場合には、図２（ｂ）に示すよう
に、基板１１上に反強磁性層２２を成膜した後、第１の
強磁性層１２、誘電体層１３および第２の強磁性層１４
を成膜する。

【００２６】本発明の方法では、上記のように真空を破
ることなく誘電体層を成膜するので、誘電体層は不純物
の影響を受けない。また、Ａｌ₂Ｏ_xを酸化してＡｌ₂Ｏ₃
に変換する場合、従来の方法のようにＡｌを直接酸化す
る場合に比べて酸化時間が長くかかるため、ごく薄いＡ
ｌ₂Ｏ₃を制御性よく作製できる。しかも、Ａｌ₂Ｏ_xから
Ａｌ₂Ｏ₃への変換の度合を調整することにより、抵抗値
を任意に調整できる。

【００２７】なお、バイアス依存性のオフセットをつけ
たい場合には、強磁性層を成膜した後、酸素を導入して
強磁性層をわずかに酸化してもよい。本発明では、強磁
性層上にＡｌ₂Ｏ_xを形成した後にその表面のみを酸化す
るので、この工程では下地の強磁性層表面の酸化が抑え
られる。このため、本発明の方法では、バイアスポイン
トを制御性よく設計できる。一方、従来の方法では、Ａ
ｌを酸化しすぎると、意図せずに強磁性層上にその酸化
膜が成長するため、バイアスポイントの制御が困難にな
る。

【００２８】なお、上記ではＡｌ₂Ｏ_xを酸化してＡｌ₂
Ｏ₃に変換する場合について説明したが、同様な方法を
ＳｉＯ₂やＭｇＯなどの酸化物にも適用できる。

【００２９】また、たとえばＡｌＮ_xを成膜した後、窒
素または窒素と希ガスとの混合ガスを導入し、必要に応
じてグロー放電させてプラズマを発生させ、ＡｌＮ_xを
窒化してＡｌＮに変換することにより誘電体層を形成し
てもよい。

【００３０】本発明の強磁性二重トンネル接合を含む磁
気抵抗効果素子の製造方法の他の例を図３（ａ）〜
（ｃ）を参照して説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、ス
パッタ装置を用いて、基板１１上に第１の強磁性層１
２、第１の誘電体層（トンネルバリア層）１３、第２の
強磁性層１４、第２の誘電体層（トンネルバリア層）１
５、第３の強磁性層１６を連続的に成膜する例を示して
いる。

【００３１】まず、図１（ａ）〜（ｃ）と全く同様にし
て、基板１１上に第１の強磁性層１２を形成し、Ａｌ₂
Ｏ_x層１３ａを形成した後、その表面側をＡｌ₂Ｏ₃層１
３ｂに変換して第１の誘電体層１３を形成し、さらに第
２の強磁性層１４を形成する。次に、Ａｌ₂Ｏ₃ターゲッ
トをスパッタして第２の強磁性層１４上にＡｌ₂Ｏ_x層１
５ａを形成する（図３（ａ））。その後、スパッタ装置
内に酸素または酸素と希ガスとの混合ガスを導入し、Ａ
ｌ₂Ｏ_x層１５ａを酸素ガス（Ｏ₂圧：１０ｍＴｏｒｒ以
上）またはグロー放電により発生する酸素プラズマ（Ｏ
₂圧：１ｍＴｏｒｒ以上）に曝してＡｌ₂Ｏ_xを酸化して
酸素欠損のない化学量論組成のＡｌ₂Ｏ₃層１５ｂに変換
する。このようにして誘電体層１５を形成する（図３
（ｂ））。この際、Ａｌ₂Ｏ_xが多少残ってもよいし、Ａ
ｌ₂Ｏ_xを完全に酸化してもよい。次いで、酸素を排気し
た後、強磁性体ターゲットをスパッタして第２の強磁性
層１６を形成する（図３（ｃ））。

【００３２】この場合も、真空を破ることなく誘電体層
を成膜するので、誘電体層は不純物の影響を受けない。
また、Ａｌ₂Ｏ_xを酸化してＡｌ₂Ｏ₃に変換する場合、従
来の方法のようにＡｌを直接酸化する場合に比べて酸化
時間が長くかかるため、ごく薄いＡｌ₂Ｏ₃を制御性よく
作製できる。しかも、Ａｌ₂Ｏ_xからＡｌ₂Ｏ₃への変換の
度合を調整することにより、抵抗値を任意に調整でき
る。

【００３３】なお、第１および第３の強磁性層１２、１
６をピン層とする場合には、図４に示すように、基板１
１と第１の強磁性層１２との間に反強磁性層２３を形成
し、第３の強磁性層１６上に反強磁性層２４を形成す
る。

【００３４】また、第２の強磁性層１４に接して反強磁
性層を形成するか、または第２の強磁性層１４の中間に
反強磁性層を挟んでもよい。

【００３５】次に、本発明の磁気抵抗効果素子を応用し
たデバイスの例として、磁気記録素子（ＭＲＡＭ）およ
び磁気抵抗効果ヘッドについて説明する。

【００３６】磁気記録素子は、図５および図６に示すよ
うにトランジスタ上に本発明に係る強磁性トンネル接合
素子を積層した構造でもよいし、図７および図８に示す
ようにダイオードと本発明に係る強磁性トンネル接合素
子とを積層した構造でもよい。

【００３７】図５および図６を参照して、トランジスタ
上に強磁性トンネル接合素子を積層した構造を有する磁
気記録素子を説明する。図５は磁気記録素子の等価回路
図、図６は磁気記録素子の断面図である。図６に示すよ
うに、シリコン基板１、ゲート電極３１、ソース、ドレ
イン領域３２、３３からなるトランジスタ３０が形成さ
れている。ゲート電極３１は読み出し用のワードライン
（ＷＬ１）を構成している。ゲート電極３１上には絶縁
層を介して書き込み用のワードライン（ＷＬ２）４１が
形成されている。トランジスタ３０のドレイン領域３３
にはコンタクトメタル４２が接続され、さらにコンタク
トメタル４２には下地層４３が接続されている。この下
地層４３上の書き込み用のワードライン（ＷＬ２）４１
の上方に対応する位置に、図１〜図４に示したようなト
ンネル接合型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）１０が形成さ
れている。このＴＭＲ１０上にはビットライン（ＢＬ）
４４が接続されている。図５の等価回路図に示すよう
に、トランジスタ３０とＴＭＲ１０とからなる記録セル
はマトリックス状に配列されている。トランジスタ３０
のゲート電極３１からなる読み出し用のワードライン
（ＷＬ１）と、書き込み用のワードライン（ＷＬ２）４
１とは平行に配置されている。また、ＴＭＲ１０の他端
（上部）と接続されたビットライン（ＢＬ）４４は、ワ
ードライン（ＷＬ１）３１およびワードライン（ＷＬ
２）４１と直交して配置されている。

【００３８】図７および図８を参照して、ダイオードと
強磁性トンネル接合素子とを積層した構造を有する磁気
記録素子を説明する。図７は磁気記録素子の等価回路
図、図８は磁気記録素子の斜視図である。図７および図
８に示すように、ダイオード５０とＴＭＲ１０との積層
体からなる記録セルはマトリックス状に配列されてい
る。ダイオード５０とＴＭＲ１０との積層体はビットラ
イン（ＢＬ）６１上に形成され、ダイオード５０の一端
とビットライン（ＢＬ）６１とが接続されている。ＴＭ
Ｒ１０の他端には、ビットライン（ＢＬ）６１と直交し
て配置されたワードライン（ＷＬ）６２が接続されてい
る。

【００３９】図９は本発明に係るトンネル接合型磁気抵
抗効果素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘ
ッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム
７１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるため
の穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビ
ン部等を有する。アクチュエータアーム７１の一端には
サスペンション７２が固定されている。サスペンション
７２の先端には上述した各形態のトンネル接合型磁気抵
抗効果素子を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載したヘッド
スライダ７３が取り付けられている。また、サスペンシ
ョン７２には信号の書き込みおよび読み取り用のリード
線７４が配線され、このリード線７４の一端はヘッドス
ライダ７３に組み込まれた磁気抵抗効果ヘッドの各電極
に接続され、リード線７４の他端は電極パッド７５に接
続されている。

【００４０】図１０は図９に示す磁気ヘッドアセンブリ
を搭載した磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図で
ある。磁気ディスク１０１はスピンドル１０２に装着さ
れ、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答す
る図示しないモータにより回転する。図９のアクチュエ
ータアーム７１は固定軸１０３に固定され、サスペンシ
ョン７２およびその先端のヘッドスライダ７３を支持し
ている。磁気ディスク１０１が回転すると、ヘッドスラ
イダ７３の媒体対向面は磁気ディスク１０１の表面から
所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行
う。アクチュエータアーム７１の基端にはリニアモータ
の１種であるボイスコイルモータ１０４が設けられてい
る。ボイスコイルモータ１０４はアクチュエータアーム
７１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイル
とこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久
磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成され
る。アクチュエータアーム７１は固定軸１０３の上下２
個所に設けられた図示しないボールベアリングによって
保持され、ボイスコイルモータ１０４により回転摺動が
自在にできるようになっている。

【００４１】本発明に係るトンネル型磁気抵抗効果素子
を磁気抵抗効果ヘッドに適用する場合は、磁場中成膜ま
たは磁場中熱処理により、隣り合う強磁性層のスピンを
ほぼ直交させる。このようにすれば、磁気ディスクから
の漏れ磁場に対して線形応答が得られ、どのようなヘッ
ド構造でも使用できる。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００４３】（実施例１）Ａｌ₂Ｏ₃を誘電体層（トンネ
ルバリア層）とする図２（ｂ）に示した構造の強磁性一
重トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子を製造した実
施例を、図１１（ａ）〜（ｃ）および図１２（ａ）〜
（ｃ）を参照して説明する。

【００４４】Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板１１をスパッタ装置に
入れ、初期真空度を２×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、
Ａｒを導入して圧力を１×１０^-3Ｔｏｒｒに設定した。
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板１１上に、厚さ５ｎｍのＴａからな
る下地層２５、厚さ１７ｎｍのＩｒ₂₂Ｍｎ₇₈からなる反
強磁性層２２、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅからなる強磁性層
１２を連続的に形成した。次に、以下の（Ａ）または
（Ｂ）の方法を用い、ＣｏＦｅからなる強磁性層１２上
にＡｌ₂Ｏ₃からなる誘電体層１３を形成した。

【００４５】（Ａ）Ａｒガス中でＡｌ₂Ｏ₃ターゲットを
スパッタしてＡｌ₂Ｏ_xを成膜した。このとき、Ａｌ₂Ｏ_x
の厚さを１．５〜２．５ｎｍの範囲で変化させた。その
後、真空を破ることなくスパッタ装置に純酸素を導入
し、酸素ガス中でＡｌ₂Ｏ_xを表面側から酸化してＡｌ₂
Ｏ₃に変換し、誘電体層１３を形成した。このとき、酸
化時間を変化させることにより、Ａｌ₂Ｏ_xからＡｌ₂Ｏ₃
への変換度合を調整した。

【００４６】（Ｂ）Ａｒガス中でＡｌ₂Ｏ₃ターゲットを
スパッタしてＡｌ₂Ｏ_xを成膜した。このとき、Ａｌ₂Ｏ_x
の厚さを１．５〜２．５ｎｍの範囲で変化させた。その
後、真空を破ることなくスパッタ装置に純酸素を導入し
グロー放電させてプラズマを発生させ、酸素プラズマ中
でＡｌ₂Ｏ_xを表面側から酸化してＡｌ₂Ｏ₃に変換し、誘
電体層１３を形成した。このとき、グロー放電時のパワ
ーおよび酸化時間を変化させることにより、Ａｌ₂Ｏ_xか
らＡｌ₂Ｏ₃への変換度合を調整した。

【００４７】Ａｒガス中において上記と同様の条件でス
パッタすることにより、誘電体層１３上に、厚さ５ｎｍ
のＣｏＦｅおよび厚さ１５ｎｍのＮｉＦｅからなる強磁
性層１４、および厚さ５ｎｍのＴａからなる保護層２６
を連続的に形成した（図１１（ａ））。

【００４８】通常のフォトリソグラフィ技術とイオンミ
リング技術を用いて、上記の積層膜を５０μｍ幅の下部
配線形状に加工した（図１１（ｂ））。

【００４９】通常のフォトリソグラフィ技術により接合
部を規定するためのレジストパターンＲ１を形成し、Ｔ
ａ保護層２６およびＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ強磁性層１４を
イオンミリングした。このとき接合面積を種々変化させ
た（図１１（ｃ））。

【００５０】レジストパターンＲ１を残したまま電子ビ
ーム蒸着により厚さ３００ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した
後、レジストパターンＲ１およびその上のＡｌ₂Ｏ₃をリ
フトオフし、接合部以外の部分に層間絶縁膜２７を形成
した（図１２（ａ））。

【００５１】電極配線の形成領域以外の領域を覆うレジ
ストパターンＲ２を形成した後、表面を逆スパッタして
クリーニングした（図１２（ｂ））。

【００５２】全面にＡｌを堆積した後、レジストパター
ンＲ２およびその上のＡｌをリフトオフして、Ａｌ電極
配線２８を形成した（図１２（ｃ））。その後、磁場中
熱処理炉に導入し、ピン層となる強磁性層１２に一方向
異方性を導入した。

【００５３】上記の（Ａ）または（Ｂ）の方法を用いて
誘電体層を形成した試料ＡまたはＢについて種々の測定
を行った。これらの結果を図１３〜図１６に示す。

【００５４】図１３に試料ＡおよびＢの磁気抵抗効果曲
線を示す。図１３に示されるように、試料Ａでは２３Ｏ
ｅという小さな磁界においてＭＲ変化率２１％が得られ
ている。同様に、試料Ｂでは２５Ｏｅという小さな磁界
でＭＲ変化率２５％が得られている。

【００５５】図１４に試料ＡおよびＢについてＭＲ変化
率および抵抗値（Ｒ）の接合面積依存性を示す。図１４
に示されるように、ＭＲ変化率は接合面積にほとんど依
存しないことがわかる。

【００５６】図１５に試料Ａについて抵抗値（Ｒ）の酸
化時間依存性、および試料Ｂについて抵抗値（Ｒ）の酸
化時間依存性をプラズマ酸化時の印加電力をパラメータ
として示す。いずれも接合面積が２００μｍ²のときの
データである。図１５に示されるように、酸化時間やプ
ラズマ酸化時の印加電力を変えてＡｌ₂Ｏ_xからＡｌ₂Ｏ₃
への変換度合を調整することによって、抵抗値を調整で
きることがわかる。

【００５７】図１６に試料ＡおよびＢについてＭＲ変化
率および抵抗値（Ｒ）のＡｌ₂Ｏ_x膜厚（ｔ）依存性を示
す。いずれも酸化時間またはプラズマ酸化時の印加電力
を一定にしたときのデータである。図１６に示されるよ
うに、Ａｌ₂Ｏ_x膜厚がある程度厚ければ、抵抗値および
ＭＲ変化率はそれほど変化しない。このようにある程度
厚いＡｌ₂Ｏ_xを成膜した後、その表面のみを酸化してＡ
ｌ₂Ｏ₃に変換することによって所望の磁気抵抗効果が得
られるため、強磁性トンネル接合素子の歩留りを向上で
きる。

【００５８】（実施例２）Ａｌ₂Ｏ₃を誘電体層（トンネ
ルバリア層）とする図４に示した構造の強磁性二重トン
ネル接合を有する磁気抵抗効果素子を製造した実施例
を、図１７（ａ）〜（ｃ）および図１８（ａ）、（ｂ）
を参照して説明する。

【００５９】Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板１１をスパッタ装置に
入れ、初期真空度を２×１０^-7Ｔｏｒｒに設定した後、
Ａｒを導入して圧力を１×１０^-3Ｔｏｒｒに設定した。
Ｓｉ／ＳｉＯ₂基板１１上に、厚さ５ｎｍのＴａからな
る下地層２５、厚さ２０ｎｍのＦｅ−Ｍｎからなる反強
磁性層２２、厚さ５ｎｍのＮｉＦｅおよび厚さ３ｎｍの
ＣｏＦｅからなる強磁性層１２を連続的に形成した。次
に、以下の（Ａ２）または（Ｂ２）の方法を用い、強磁
性層１２上にＡｌ₂Ｏ₃からなる誘電体層１３を形成し
た。

【００６０】（Ａ２）Ａｒガス中でＡｌ₂Ｏ₃ターゲット
をスパッタしてＡｌ₂Ｏ_xを成膜した。このとき、Ａｌ₂
Ｏ_xの厚さを１．５〜２．５ｎｍの範囲で変化させた。
その後、真空を破ることなくスパッタ装置に純酸素を導
入し、酸素ガス中でＡｌ₂Ｏ_xを表面側から酸化してＡｌ
₂Ｏ₃に変換し、誘電体層１３を形成した。このとき、酸
化時間を変化させることにより、Ａｌ₂Ｏ_xからＡｌ₂Ｏ₃
への変換度合を調整した。

【００６１】（Ｂ２）Ａｒガス中でＡｌ₂Ｏ₃ターゲット
をスパッタしてＡｌ₂Ｏ_xを成膜した。このとき、Ａｌ₂
Ｏ_xの厚さを１．５〜２．５ｎｍの範囲で変化させた。
その後、真空を破ることなくスパッタ装置に純酸素を導
入しグロー放電させてプラズマを発生させ、酸素プラズ
マ中でＡｌ₂Ｏ_xを表面側から酸化してＡｌ₂Ｏ₃に変換
し、誘電体層１３を形成した。このとき、グロー放電時
のパワーおよび酸化時間を変化させることにより、Ａｌ
₂Ｏ_xからＡｌ₂Ｏ₃への変換度合を調整した。

【００６２】Ａｒガス中において上記と同様の条件でス
パッタすることにより、誘電体層１３上に、厚さ３ｎｍ
のＣｏＦｅからなる強磁性層１４を形成した。つづい
て、上記と同様に（Ａ２）または（Ｂ２）の方法で誘電
体膜１５を形成した。その後、Ａｒガス中において上記
と同様の条件でスパッタすることにより、厚さ３ｎｍの
ＣｏＦｅおよび厚さ５ｎｍのＮｉＦｅからなる強磁性層
１６、厚さ２０ｎｍのＦｅ−Ｍｎからなる反強磁性層２
４、および厚さ５ｎｍのＴａからなる保護層２６を連続
的に形成した。なお、この例では、各層をメタルマスク
を通して成膜することにより、１ｍｍ幅の下部配線形状
に形成している（図１７（ａ））。

【００６３】通常のフォトリソグラフィ技術により接合
部を規定するためのレジストパターンＲ１を形成し、保
護層２６、反強磁性層２４、強磁性層１６、誘電体層１
５および強磁性層１４をイオンミリングした。このとき
接合面積を種々変化させた（図１７（ｂ））。

【００６４】レジストパターンＲ１を残したまま電子ビ
ーム蒸着により厚さ３００ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃を堆積した
後、レジストパターンＲ１およびその上のＡｌ₂Ｏ₃をリ
フトオフし、層間絶縁膜２７を形成した（図１７
（ｃ））。

【００６５】電極配線の形成領域以外の領域を覆うレジ
ストパターンＲ２を形成した後、表面を逆スパッタして
クリーニングした（図１８（ａ））。

【００６６】全面にＡｌを堆積した後、レジストパター
ンＲ２およびその上のＡｌをリフトオフして、Ａｌ電極
配線２８を形成した（図１８（ｂ））。その後、磁場中
熱処理炉に導入し、ピン層となる強磁性層１２、１６に
一方向異方性を導入した。

【００６７】上記の（Ａ２）または（Ｂ２）の方法を用
いて誘電体層を形成した試料Ａ２またはＢ２について種
々の測定を行った。これらの結果を図１９〜図２２に示
す。

【００６８】図１９に試料Ａ２およびＢ２の磁気抵抗効
果曲線を示す。図１９に示されるように、試料Ａ２では
３０Ｏｅという小さな磁界においてＭＲ変化率２３％が
得られている。同様に、試料Ｂ２では３５Ｏｅという小
さな磁界でＭＲ変化率２７．５％が得られている。

【００６９】図２０に試料Ａ２およびＢ２についてＭＲ
変化率および抵抗値（Ｒ）の接合面積依存性を示す。図
２０に示されるように、ＭＲ変化率は接合面積にほとん
ど依存しないことがわかる。

【００７０】図２１に試料Ａ２について抵抗値（Ｒ）の
酸化時間依存性、および試料Ｂ２について抵抗値（Ｒ）
の酸化時間依存性をプラズマ酸化時の印加電力をパラメ
ータとして示す。図２１に示されるように、酸化時間や
プラズマ酸化時の印加電力を変えてＡｌ₂Ｏ_xからＡｌ₂
Ｏ₃への変換度合を調整することによって、抵抗値を調
整できることがわかる。

【００７１】図２２に試料Ａ２およびＢ２についてＭＲ
変化率および抵抗値（Ｒ）のＡｌ₂Ｏ_x膜厚（ｔ）依存性
を示す。いずれも酸化時間またはプラズマ酸化時の印加
電力を一定にしたときのデータである。図２２に示され
るように、Ａｌ₂Ｏ_x膜厚がある程度厚ければ、抵抗値お
よびＭＲ変化率はそれほど変化しない。このようにある
程度厚いＡｌ₂Ｏ_xを成膜した後、その表面のみを酸化し
てＡｌ₂Ｏ₃に変換することによって所望の磁気抵抗効果
が得られるため、強磁性トンネル接合素子の歩留りを向
上できる。

【００７２】（実施例３）実施例１、２と同様の方法に
よって、強磁性一重トンネル接合または強磁性二重トン
ネル接合を有する、表１の１１種の磁気抵抗効果素子を
製造した。表１に試料１〜１１の各素子の積層構造を示
す。なお、試料番号が偶数のものは、誘電体層を成膜し
た後、プラズマ酸化またはプラズマ窒化している。ま
た、試料番号が奇数のものは、誘電体層を成膜した後、
３０ｍＴｏｒｒのＯ₂またはＮ₂雰囲気で酸化または窒化
している。

【００７３】表１に、各試料のＭＲ変化率および抵抗
値、ならびにこれらの値のウエハー内でのばらつきを示
す。表１から、ＭＲ変化率および抵抗値のウエハー内で
のばらつきは比較的小さいことがわかる。したがって、
本発明の方法を用いれば、強磁性トンネル接合素子を歩
留りよく製造できることがわかる。

【００７４】

【表１】

【００７５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の方法を用い
れば、高品質の誘電体層を制御性よく形成でき、トンネ
ル接合型の磁気抵抗効果素子を歩留りよく製造すること
ができ、磁気抵抗効果型ヘッド、磁界センサー、磁気記
憶素子などに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る強磁性一重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。

【図２】本発明に係る反強磁性体を有する強磁性一重ト
ンネル接合素子の断面図。

【図３】本発明に係る強磁性二重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。

【図４】本発明に係る反強磁性体を有する強磁性二重ト
ンネル接合素子の断面図。

【図５】磁気記録素子（ＭＲＡＭ）の一例を示す等価回
路図。

【図６】磁気記録素子（ＭＲＡＭ）の一例を示す断面
図。

【図７】磁気記録素子（ＭＲＡＭ）の他の例を示す等価
回路図。

【図８】磁気記録素子（ＭＲＡＭ）の他の例を示す斜視
図。

【図９】本発明に係るトンネル接合型磁気抵抗効果素子
を含む磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘッドアセン
ブリの斜視図。

【図１０】図９に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した
磁気ディスク装置の内部構造を示す斜視図。

【図１１】実施例１の強磁性一重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。

【図１２】実施例１の強磁性一重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。

【図１３】実施例１の試料ＡおよびＢの磁気抵抗効果曲
線を示す図。

【図１４】実施例１の試料ＡおよびＢについてＭＲ変化
率および抵抗値（Ｒ）の接合面積依存性を示す図。

【図１５】実施例１の試料Ａについて抵抗値（Ｒ）の酸
化時間依存性、および試料Ｂについて抵抗値（Ｒ）の酸
化時間依存性をプラズマ酸化時の印加電力をパラメータ
として示す図。

【図１６】実施例１の試料ＡおよびＢについてＭＲ変化
率および抵抗値（Ｒ）のＡｌ₂Ｏ_x膜厚（ｔ）依存性を示
す図。

【図１７】実施例２の強磁性二重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。

【図１８】実施例２の強磁性二重トンネル接合素子の製
造方法を工程順に示す断面図。

【図１９】実施例２の試料Ａ２およびＢ２の磁気抵抗効
果曲線を示す図。

【図２０】実施例２の試料Ａ２およびＢ２についてＭＲ
変化率および抵抗値（Ｒ）の接合面積依存性を示す図。

【図２１】実施例２の試料Ａ２について抵抗値（Ｒ）の
酸化時間依存性、および試料Ｂ２について抵抗値（Ｒ）
の酸化時間依存性をプラズマ酸化時の印加電力をパラメ
ータとして示す図。

【図２２】実施例２の試料Ａ２およびＢ２についてＭＲ
変化率および抵抗値（Ｒ）のＡｌ ₂Ｏ_x膜厚（ｔ）依存性
を示す図。

【符号の説明】１１…基板１２…第１の強磁性層１３…誘電体層（トンネルバリア層）１３ａ…Ａｌ₂Ｏ_x層、１３ａ…Ａｌ₂Ｏ₃層１４…第２の強磁性層１５…誘電体層（トンネルバリア層）１５ａ…Ａｌ₂Ｏ_x層、１５ａ…Ａｌ₂Ｏ₃層１６…第３の強磁性層２１、２２、２３、２４…反強磁性層２５…下地層２６…保護層２７…層間絶縁層２８…電極配線３０…トランジスタ３１…ゲート電極（読み出し用ワードライン）３２、３３…ソース、ドレイン領域４１…書き込み用ワードライン４２…コンタクトメタル４３…下地層４４…ビットライン５０…ダイオード６１…ビットライン６２…ワードライン７１…アクチュエータアーム７２…サスペンション７３…ヘッドスライダ７４…リード線７５…電極パッド１０１…磁気ディスク１０２…スピンドル１０３…固定軸１０４…ボイスコイルモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開2000−3507（ＪＰ，Ａ) 特開2000−113428（ＪＰ，Ａ) 特開平11−177161（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 5/39 G01R 33/09 H01L 43/08 H01L 43/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２層の強磁性層の間に誘電体層を設けた
構造を有する強磁性一重トンネル接合、または３層の強
磁性層の各層間に誘電体層を設けた構造を有する強磁性
二重トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を製造するに
あたり、強磁性層上に誘電体膜をスパッタ形成する工程と、前記誘電体膜をスパッタ形成した後、スパッタ装置の真
空を破ることなく、酸素または窒素を含有するガスを導
入して前記誘電体膜を酸化または窒化するか、前記ガス
を導入した後にグロー放電させてプラズマ中で前記誘電
体膜を酸化または窒化する工程とを具備したことを特徴
とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】前記強磁性層がＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたは
これらの元素を含む合金からなることを特徴とする請求
項１記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】前記誘電体層がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、希土
類元素またはこれらの元素を含む合金の酸化物または窒
化物からなることを特徴とする請求項１または２記載の
磁気抵抗効果素子の製造方法。