隧道磁阻薄膜及磁性多層膜制作裝置的制作方法

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>電氣元件制品的制造及其應(yīng)用技術(shù)

專利名稱：隧道磁阻薄膜及磁性多層膜制作裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁盤驅(qū)動裝置的》丈音》茲頭、》茲隨才幾存取存儲器的存儲元件及磁傳感器中使用的隧道磁阻薄膜及磁性多層膜制作裝置。
背景技術(shù)：
以無定形CoFeB作為強》茲性電才及、以NaCl結(jié)構(gòu)的MgO作為隧道勢壘層的隧道磁阻薄膜在室溫下顯示200%以上的巨大的MR比(磁阻變化率)。因此，期待其在磁盤驅(qū)動裝置的放音磁頭、磁隨機存取存儲器(MRAM)的存儲元件、和;磁傳感器中的應(yīng)用。以往的以無定形CoFeB作為強磁性電極、以MgO作為隧道勢壘層的隧道》茲阻薄膜由于是》茲化自由層具有正的、很大的磁致伸縮的CoFeB單層，因此運行裝置時成為噪音的原因。
然而，在利用了巨大磁阻效果的當代的磁阻薄膜中，為了獲得高MR比，使用CoFe合金作為第一磁化自由層。但是，其正的磁致伸縮也;f艮大，因此層疊具有負的^茲致伸縮的NiFe作為第二磁化自由層，使磁化自由層整體的磁致伸縮減小到能夠?qū)嶋H應(yīng)用的水平。
由于期待同樣的效果，而在以往的以無定形CoFeB作為強磁性電極、以MgO作為隧道勢壘層的隧道f茲阻薄膜中的CoFeB磁化自由層上層疊NiFe時，則存在MR比極端降低的問題。其原因被認為是，在后工序的高溫退火處理中，無定形的CoFeB結(jié)晶時，由NiFe層側(cè)結(jié)晶。
為了解決這種問題，例如，專利文獻1中公開了一種向CoFeB磁化自由層添加Ni而以單層狀態(tài)降低磁致伸縮的技術(shù)。另夕卜，專利文獻2中公開了一種在第一磁化自由層和第二磁化自由層之間插入了非磁性的防擴散層的結(jié)構(gòu)。
專利文獻l:日本特開2007-95750號乂>才艮專利文獻2:日本特開2006-319259號乂>才艮

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題
本發(fā)明的i果題在于提供一種兼具高MR比和4氐；茲致伸縮的隧道磁阻薄膜及磁性多層膜制作裝置。用于解決問題的方案
本發(fā)明的第1隧道^茲阻薄膜的特征在于，
其為具有》茲化固定層、隧道勢壘層、》茲化自由層的隧道^茲阻薄膜，
所述隧道勢壘層為具有(001 )取向的氧化鎂晶粒的氧化4美
膜，
所述磁化自由層為第一磁化自由層與第二磁化自由層的層疊結(jié)構(gòu)，所述第一磁化自由層由含有Co原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)的(001 )取向的合金所構(gòu)成，所述第二磁化自由層由含有Fe原子和Ni原子的面心立方結(jié)構(gòu)的合金所構(gòu)成。
本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述第一磁化自由層中，(Co100-x-yNixFey)100-zBz(x、 y、 z為atomic% (即原子％))所示的組成為x+y〈100、 0^x^30、 10Sy<100、 0<z^6。
本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述磁化固定層的矯頑力Hcp與所述磁化自由層的矯頑力Hcf滿足Hc,Hcf的關(guān)系。
本發(fā)明的優(yōu)選方案中，其進一步具有與所述^"茲化固定層鄰接的反鐵磁性層，該磁化固定層的磁化通過與該反鐵磁性層的交換耦合而被固定為單軸方向，且磁化固定層和反4失》茲性層之間的交換耦合磁場Hex與磁化自由層的矯頑力Hcf滿足Hex〈Hcf的關(guān)系。
本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述磁化固定層具有第一磁化固定層和第二磁化固定層，進而，該第一磁化固定層和第二f茲化固
定層之間還具有交換耦合用非磁性層，該^茲化固定層的^茲化通過與反鐵磁性層的交換耦合而被固定為單軸方向，該第一磁化固定層和第二磁化固定層是指反鐵磁性耦合的層疊鐵固定層，第一石茲化固定層和第二》茲化固定層之間的反鐵磁性耦合f茲場 Hex *與磁化自由層的矯頑力Hcf滿足Hex 、Hcf的關(guān)系。本發(fā)明的第2隧道^茲阻薄膜的特征在于，
其為具有》茲化自由層、隧道勢壘層和^茲化固定層的隧道》茲阻薄膜，
所述隧道勢壘層為具有(001)取向的氧化鎂晶粒的氧化4美
膜，
所述磁化自由層由具有體心立方結(jié)構(gòu)、且為(001)取向的、含有Co原子、Fe原子和B原子的合金層或含有Co原子、Ni原子、 Fe原子和B原子的合金層所構(gòu)成。
本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述^茲化自由層中， (Co，—x.yNixFey)1()o_zBz(x、 y、 z為原子(atomic) %)所示的組成為x+y〈100、 0^x^30、 10，100、 0<z^6。
本發(fā)明的第3隧道磁阻薄膜的特征在于，
其為具有按磁化固定層、隧道勢壘層、磁化自由層順序?qū)?疊而成的層疊體的隧道^茲阻薄膜，
所述隧道勢壘層為具有(001)取向的氧化鎂晶粒的氧化j美
膜，
所述磁化自由層為第一磁化自由層與第二磁化自由層的層疊結(jié)構(gòu)，所述第一磁化自由層由含有Co原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)的(001 )取向的合金所構(gòu)成，所述第二磁化自由層由含有F e原子和N i原子的面心立方結(jié)構(gòu)的合金所構(gòu)成。
本發(fā)明的第1磁性多層膜制作裝置的特征在于，其包括
輸送腔，其具備基板輸送裝置；
第l成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，根據(jù)使用氧化鎂靶材的濺射法，使具有(ooi)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂層成膜；
第2成膜腔，其通過閘岡與所述輸送腔連接配置，并通過使用含有Co原子、Fe原子和B原子的磁性體靶材或含有Co原子、 Ni原子、Fe原子和B原子的磁性體乾材的濺射法，使含有Co原子、 Fe原子和B原子的合金或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的合金的、體心立方結(jié)構(gòu)的(001)耳又向的結(jié)晶性第一^t化自由層成膜，并通過使用含有F e原子和N i原子的磁性體靶材的濺射法，使含有Fe原子和Ni原子的合金的、面心立方結(jié)構(gòu)的FeNi合金所構(gòu)成的第二磁化自由層成膜；
以及，
真空輸送機構(gòu)，其中，在基板上，與所述氧化鎂層鄰接而層疊所述第一磁化自由層，并與該第一磁化自由層鄰接而層疊所述第二磁化自由層。
本發(fā)明的第2磁性多層膜制作裝置的特征在于，其包括
輸送腔，其具備基板輸送裝置；
第l成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用氧化鎂靶材的濺射法，使具有(0 01)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂層成膜；
第2成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，根據(jù)使用
10含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子中的至少2種成分的第一磁性體耙材、和至少含有所述4種成分中的該第一,茲性體耙材中未使用的成分的第二磁性體靶材的2元共濺射法，使含有Co原子、Fe原子和B原子的合金或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B 原子的合金的、體心立方結(jié)構(gòu)的(OOl)取向的結(jié)晶性第一^茲化自由層成膜，并通過使用含有F e原子和N i原子的磁性體靶材的濺射法，〗吏含有Fe原子和Ni原子的合金的、面心立方結(jié)構(gòu)的FeNi 合金所構(gòu)成的第二磁化自由層成膜；以及，
真空輸送機構(gòu)，其中，在基板上，與所述氧化鎂層鄰接而層疊所述第一磁化自由層，并與該第一磁化自由層鄰接而層疊所述第二磁化自由層。
本發(fā)明的第3磁性多層膜制作裝置的特征在于，其包括
輸送腔，其具備基板輸送裝置；
第1成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使
用鎂靶材的濺射法，使金屬鎂層成膜；
氧化處理腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，使所述鎂層為具有(OOl)取向的氧化鎂晶粒的氧化4美層；
第2成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過^f吏用含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子中的至少2種成分的第一磁性體耙材、和至少含有所述4種成分中的該第一^茲性體靶材中未使用的成分的第二磁性體靶材的2元共濺射法，使含有Co 原子、Fe原子和B原子的合金或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和 B原子的合金的、體心立方結(jié)構(gòu)的(OOl)取向的結(jié)晶性第一磁化自由層成膜，并通過使用含有Fe原子和Ni原子的磁性體靶材的濺射法，使含有Fe原子和Ni原子的合金的、面心立方結(jié)構(gòu)的FeNi 合金所構(gòu)成的第二磁化自由層成膜；以及，
真空輸送機構(gòu)，其中，在基板上，與所述氧化鎂層鄰接而層疊所述第一磁化自由層，并與該第一磁化自由層鄰接而層疊所述第二磁化自由層。
本發(fā)明的第4磁性多層膜制作裝置的特征在于，其包括
輸送腔，其具備基板輸送裝置；
第i成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過^f吏用鎂靶材的濺射法，使金屬鎂層成膜；
氧化處理腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，使所述鎂層為具有(0 01)取向的氧化鎂晶粒的氧化4美層；
第2成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用含有Co原子、Fe原子和B原子的磁性體靶材或含有Co原子、 Ni原子、Fe原子和B原子的磁性體耙材的濺射法，使含有Co原子、 Fe原子和B原子的合金或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的合金的、體心立方結(jié)構(gòu)的(001)取向的結(jié)晶性第一磁化自由層成膜，并通過吏用含有F e原子和N i原子的^茲性體靶材的濺射法，使含有Fe原子和Ni原子的合金的、面心立方結(jié)構(gòu)的FeNi合金所構(gòu)成的第二^t化自由層成膜；
以及，
真空輸送機構(gòu)，其中，在基板上，與所述氧化鎂層鄰接而層疊所述第一^M匕自由層，并與該第一》茲化自由層鄰接而層疊所述第二磁化自由層。
本發(fā)明中，作為"結(jié)晶取向"的定義，在本申請說明書中記載的"體心立方結(jié)構(gòu)，，和"面心立方結(jié)構(gòu)，，中，以下6種結(jié)晶面等價。
結(jié)晶面
(ioo),(oio)，(ooi)，( 了oo)，(o To),(oo 1)本申請說明書中，將與膜面垂直的方向定義為結(jié)晶軸的C
軸，將上述6種結(jié)晶面取向均表現(xiàn)為(001)取向。
另外，作為MgO隧道勢壘層為(001)取向的證明，在使用 CuKa射線的X射線衍射(e-2e法)中，如果僅在20=43。附近出現(xiàn) (200)衍射峰，則間4妻可知為(001)取向。另夕卜，作為更直4妄的確認方法，可以通過透射型電子顯微鏡觀察剖面圖像，從其晶格間隔確認(001)取向。此時，通過對MgO層照射電子射線，并分析其衍射圖案，能夠更明確地確認(001)取向。
同樣地，"體心立方結(jié)構(gòu)"的第一磁化自由層的(001)取向也可以通過4吏用CuKa射線的X射線衍射而間接獲知，在(001 )取向的情況下，僅在29=65.5°附近出現(xiàn)衍射峰。
在第二;f茲化自由層為以Ni和Fe為主體的"面心立方結(jié)構(gòu)"的情況下，可以通過〗吏用CuKa射線的X射線衍射而間接獲知，僅在29=44.5。、 51.9。、 76.5°、 93.1 °附近出現(xiàn)衍射峰。根據(jù)結(jié)晶的取向性，既有上述所有的峰均同時出現(xiàn)的情況，也有僅某一個峰出現(xiàn)的情況。為了更明確地獲知為面心立方結(jié)構(gòu)，例如可以利用透射型電子顯微鏡對試樣剖面照射電子射線，并通過分析其衍射圖案，從而可確認面心立方結(jié)構(gòu)。
發(fā)明的效果
本發(fā)明的隧道磁阻薄膜中，雖然為了獲得高MR比而使用了具有正的磁致伸縮的CoNiFeB磁化自由層，但即便為了降低磁致伸縮而層疊具有負的磁致伸縮的NiFe合金，MR比也不會降低。因此，能夠提供一種兼具高MR比和低磁致伸縮的隧道磁阻薄膜，可應(yīng)用于^茲盤驅(qū)動裝置的放音^茲頭、MRAM的存儲元件、磁傳感器而獲得良好的特性。
另夕卜，本發(fā)明的隧道磁阻薄膜能夠大幅地改善MR比對于熱的穩(wěn)定性。本發(fā)明的裝置具有很高的生產(chǎn)率，能夠生產(chǎn)高MR比對于熱的穩(wěn)定性優(yōu)異的隧道磁阻薄膜。

圖l為本發(fā)明的隧道;茲阻薄膜的實施方式的剖視示意圖。
圖2為示意地表示用于制造本發(fā)明的隧道^f茲阻薄膜的濺射裝置的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖3為表示MRAM的結(jié)構(gòu)的圖。
圖4為圖3的MRAM的l個存儲單元的剖—見示意圖。
圖5為圖3的MRAM的l個存儲單元的等效電路圖。
圖6為表示本發(fā)明的實施例1和比較例的隧道-茲阻薄膜的 MR比的退火溫度〗衣賴性的圖。
附圖標記i兌明
1基板
2緩沖層
3反鐵磁性層
4石茲化固定層
4a第一磁化固定層
4b第二磁化固定層
5交換耦合用非磁性層
6隧道勢壘層
7磁化自由層
7a第一磁化自由層
7b第二磁化自由層
7c第三磁化自由層
8保護層
9交換耦合用非磁性層20真空輸送室
21,22,23賊射室
21a Ta草巴材
21b PtMn輩巴材
21c Co7f)Fe3Q靶材
21d Ru耙材
21e Co6。Fe2。B2。靶材
22a MgO輩巴材
22b Mg靶材
22c未安裝靶材
22d未安裝靶材
22e未安裝靶材
23a Ta耙材
23b Co7。Fe3。乾材
23c Ru耙材
23d Co56Fe24B2。靶材
23e Ni83Fe17W4
25基板前處理室
26氧化處理室
27力口載互鎖真空室(load-lock chamber )
28輸送機械手
42重寫用字線
43位線
44讀取用字線
45 TMR元件 46晶體三極管
1具體實施例方式
使用附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
圖l(a)為本發(fā)明的隧道磁阻薄月菱的優(yōu)選實施方式的剖一見示意圖。
本發(fā)明的隧道磁阻薄膜具有將隧道勢壘層用^t化固定層和磁化自由層夾持而成的層疊體。本發(fā)明中優(yōu)選的是，在上述層疊體中配置與f茲化固定層鄰接的反鐵磁性層，制成一種磁化固定層的磁化通過與該反《失磁性層的交換耦合而被固定為單軸方向的自旋閥型隧道^ 茲阻薄膜。圖1(a)為具備該反鐵^磁性層并將緩沖層配置在基板側(cè)來層疊該反鐵磁性層的底部型的自旋閥型隧道磁阻薄膜的結(jié)構(gòu)例。
圖中，l為基板，2為緩沖層，3為反鐵磁性層，4為磁化固定層，5為交換耦合用非磁性層，6為隧道勢壘層，7為磁化自由層，8為保護層。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)上的特征在于，與隧道勢壘層6鄰接的第一,茲化自由層7a由CoNiFeB合金構(gòu)成，其組成優(yōu)選在特定的范圍內(nèi)。即，(Co100-x-yNixFey)100.zBz(x、 y、 z為atomic%)所示的組成為 x+y<100、 0^x^30、 IO，IOO、 0<z^6。另夕卜，與本發(fā)明所涉及的隧道勢壘層6鄰接的第一磁化自由層7a中，x=0,即還包括不含有Ni的CoFeB,為方4更起見，只要是與隧道勢壘層6鄰接的^t 化自由層7a的情況，包括x:0的情況均記為CoNiFeB 。
本發(fā)明作為微量(latomicO/。以下，優(yōu)選0.05atomicO/。以下)的添加成分，可以在CoNiFeB合金中進一步含有除其他金屬例如， Al、 Zr、 Ti、 Hf或P等以外，還可以含有C或Si等。
本發(fā)明的氧化鎂層可以含有微量(latomicyo以下，優(yōu)選 0.05atomicO/o以下)的添力口成分，例如，Ti、 Al、 Zr、 Ru、 Ta、 P 等金屬、以及N、 Cl、 Ar、 Si、 C等。另夕卜，在含有(001)取向的MgO晶粒的MgO膜上層疊 CoNiFeB膜時，則CoNiFeB膜具有(OOl)取向的體心立方結(jié)構(gòu)，且具有所述結(jié)構(gòu)的磁阻薄膜的本發(fā)明效果很高。因此，如下所述，使用含有(001)取向的MgO晶粒的MgO膜作為隧道勢壘層6，在其上層疊了 CoNiFeB膜作為第一磁化自由層7a的結(jié)構(gòu)被用于本發(fā)明中。
本發(fā)明中，如圖l所示，磁化自由層7優(yōu)選使用由磁性材料相互不同的2層以上的層疊膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。圖l(a)是使磁化自由層7為7a、 7b的2層結(jié)構(gòu)的例子，圖l(b)是為7a、 7b、 7c的3層結(jié) 構(gòu)的例子。另外，圖1(b)的9為交換耦合用非磁性層。這樣，在使磁化自由層7為多層結(jié)構(gòu)時，與隧道勢壘層6鄰接的第一磁化自由層7a如上所述由特定組成的CoNiFeB構(gòu)成。另外，第一石茲化自由層7a以外的磁化自由層7b、 7c中的至少l層優(yōu)選由含有 50atomic%以上的Ni的面心立方結(jié)構(gòu)的NiFe合金(NiFe)構(gòu)成。該 NiFe優(yōu)選將Ni含量設(shè)定為82atomicO/o以上，以使磁致伸縮為負。圖l的(b)的結(jié)構(gòu)中，第二磁化自由層7b由含有50atomic。/。以上的 Ni的面心立方結(jié)構(gòu)的NiFe構(gòu)成，第三磁化自由層7c可以是CoFe 合金(CoFe)或CoNiFe合金(CoNiFe)。交換耦合用非磁性層9優(yōu)選使用Ru。
圖l(a)中的第一磁化自由層7a和第二磁化自由層7b的膜厚可以分別i殳定，以-使其獲得更高的MR比，且；茲致伸縮4妄近0。第一磁化自由層7a優(yōu)選為l至3nm，第二磁化自由層7b優(yōu)選為1 至5nm。
本發(fā)明中，由相互不同的磁性材料構(gòu)成的包括磁性材料的構(gòu)成元素不同、構(gòu)成元素的組合不同、構(gòu)成元素的組合相同但組成比不同的情況的任意一種。
另外，本發(fā)明中，上述CoNiFe、 NiFe、 CoFe等合金當然包括僅由分別列舉的元素為100atornic。/。的情況，但在不影響本發(fā) 明的效果的范圍內(nèi)還包括含有微量的其他元素的情況。例如，即使在含有除Ni和Fe以外的微量的其他元素的情況下，在本發(fā) 明的效果上與 <義由Ni和Fe為100atomicQ/o時的水平相同時，以上情況也包括在NiFe中。
本發(fā)明中，作為隧道勢壘層6，使用含有(001)取向的MgO 晶粒的MgO膜。所述MgO膜的取向性可以通過X射線衍射來確認。即，在X射線衍射(e-20法)中，如果在20=43°附近出現(xiàn)(200) 衍射峰時，則間才妄可知為(001)取向。另夕卜，作為更直接的確i人方法，可以通過透射型電子顯微鏡觀察剖面圖像，從其晶格間隔確認(001)取向。此時，通過對MgO層照射電子射線，并分析其衍射圖案，可以更明確地確認(001)取向。
作為隧道勢壘層6，也可以使用Mg/MgO的2層膜。所述 Mg/MgO膜是Tsunekawa(人名)等發(fā)表于應(yīng)用物理學快報(Appl. Phys.Lett. ) , 87, 072503 ( 2005 )中的。MgO膜及Mg/MgO的 2層膜的膜厚根據(jù)隧道磁阻薄膜的隧道結(jié)(tunnel junction)電阻值(RA)而變化，但由于磁頭、磁隨機存取存儲器所需要的 RA值為l至10000r^m2,因此，典型的膜厚為l至2nm之間。
本發(fā)明中使用的MgO可以是l:l的化學計量比，也可以是非化學計量比。
如圖1所示，本發(fā)明所涉及的磁化固定層4優(yōu)選為，由第一磁化固定層4a和第二^f茲化固定層4b夾持交換耦合用非磁性層5、且第一磁化固定層4a和第二磁化固定層4b進行反鐵磁性耦合的層疊鐵固定層。第一磁化固定層4a優(yōu)選使用CoFe,第二磁化固定層4b優(yōu)選使用CoFeB,夾持在這些磁化固定層4a、 4b間的交換耦合用非磁性層5優(yōu)選使用Ru。所述Ru層的膜厚需要做成通過RKKY(Ruderman Kittel Kasuya Yosida)相互作用而在CoFe層和CoFeB層之間呈現(xiàn)反鐵v磁性耦合的膜厚。.實用上優(yōu)選為被稱作第2 (2nd)波峰的0.7至0.9nm。
另外，在磁化固定層4不是層疊鐵固定層的自旋閥型隧道磁阻薄膜的情況下，通過將無定形的CoFeB用于^t化固定層4，可以獲得同等的效果。其膜厚優(yōu)選為l至5nm。
另外，本發(fā)明中，在沒有反鐵磁性層3的情況下，磁化固定層4的矯頑力Hcp和磁化自由層7的矯頑力Hcf優(yōu)選滿足He一Hcf的關(guān)系。在具有反鐵磁性層3、且磁化固定層4不是層疊鐵固定層的情況下，磁化固定層4和反鐵磁性層3之間的交換耦合磁場Ha 優(yōu)選滿足He一Hef的關(guān)系。在具有反鐵磁性層3、且J茲化固定層4 為層疊鐵固定層的情況下，第一磁化固定層4 a和第二磁化固定
層4b之間的反鐵磁性耦合磁場H^ V尤選滿足Hex 、Hcf的關(guān)系。
其理由為，為了呈現(xiàn)隧道》茲阻效果，需要通過施加外部》茲
場H來實現(xiàn)僅使》茲化自由層的反^f茲化、而^t化固定層和磁化自由層的磁化為相互平行或反平行的狀態(tài)。實現(xiàn)這種狀態(tài)的外部磁場H的大小必須滿足Hcp〉H〉Hcf或H^〉H〉Hcf或Hex *>H>Hcf。因
此，Hep或Hex或Hex ^與Hcf相比越大越好。
作為本發(fā)明所涉及的反鐵磁性層3，優(yōu)選使用PtMn，由于需要呈現(xiàn)強的反鐵磁性耦合的膜厚，所以優(yōu)選為10至30nm。除了PtMn以夕卜，還優(yōu)選4吏用IrMn、 IrMnCr、 NiMn、 PdPtMn、 RuRhMn、 OsMn等。
本發(fā)明中優(yōu)選的是，所述》茲化自由層由磁性材料相互不同的2層以上的層疊膜構(gòu)成，與隧道勢壘層鄰接的第一磁化自由層由所述CoNiFeB合金構(gòu)成，該第一磁化自由層以外的萬茲化自由層的至少1層為由含有50atomic。/。以上的Ni的面心立方結(jié)構(gòu)的 NiFe合金構(gòu)成。發(fā)明的隧道磁阻薄膜只要是自基板1側(cè)依次層疊所期望的膜即可。
圖2是示意地表示能用于制造本發(fā)明的隧道^茲阻薄膜的濺射裝置的結(jié)構(gòu)的俯視圖。所述裝置由搭載有2臺基板輸送用的機械手(基板輸送裝置)28的真空輸送室(輸送腔)20、與真空輸送室 20相連接的濺射室(成膜腔)21至23、基板前處理室25、氧化處理室(氧化處理腔)26和加載互鎖真空室27構(gòu)成。除加載互鎖真空室27之外的所有的室均為2x 10"Pa以下的真空室，各真空室間的基板的移動通過真空輸送沖兒械手28在真空進行。21a 21e、 22a 22e和23a 23e為輩巴材。
用于形成自旋閥型隧道磁阻薄膜的基板首先配置在處于大氣壓下的加載互鎖真空室27中，在加載互鎖真空室27進行了真空排氣之后，用真空輸送機械手28將基板輸送到期望的真空室中。
作為一個例子，以制造在后述的實施例中制作的、具有層疊鐵固定層作為磁化固定層的底部型的自旋閥型隧道磁阻薄膜的情況為例進行說明。
各層的結(jié)構(gòu)為，Ta(10nm)緩沖層2在使用Ta靶材21a的濺射室21通過濺射成膜而被成膜，PtMn(15nm)反鐵磁性層3在使用 PtMn耙材21b的濺射室21通過濺射成月莫而,皮層疊，》茲化固定層4 的CoFe層4a在使用Co7QFe3(^&材2lc的濺射室21通過濺射成膜而被層疊，磁化固定層4的Ru層5在使用Ru靶材21d的濺射室21 通過濺射成膜而被層疊，磁化固定層4的CoFeB層4b在使用 Co6()Fe2。B2o靶材21 e的濺射室21通過濺射成膜而被層疊，從而由 CoFe(2.5nm)/Ru(0.85nm)/CoFeB(3nm)構(gòu)成的層疊鐵固定層、即不茲化固定層4^皮層疊。
濺射室22為使用MgO靶材22a和Mg靶材22b的濺射室。靶材
2022c 22e未安裝耙材。通過由濺射室22的成膜，從而(001)取向的結(jié)晶性MgO(1.5nm)隧道勢壘層6被層疊。本實施例中，使用 Mg層和MgO層的層疊結(jié)構(gòu)的隧道勢壘層6 。結(jié)晶性MgO在膜厚方向上遍及整個膜厚均為單晶結(jié)構(gòu)，也可以在面方向上為單晶結(jié)構(gòu)(整個裝置面積均為單晶)，另外，也可以為多晶結(jié)構(gòu)(在裝置面積內(nèi)由許多晶粒構(gòu)成的結(jié)晶狀態(tài))。另外，還可以使用MgO 層的單層隧道勢壘層6。
另外，本發(fā)明的優(yōu)選方案中，可以通過在層疊金屬Mg層后，將層疊至該Mg層的中間性介質(zhì)輸送到氧化處理室26,在該氧化處理室26氧化金屬Mg層，/人而形成(001 )取向的結(jié)晶性MgO隧道勢壘層6。
濺射室234吏用Ta輩巴材23a、 Co70Fe30|e^j23b、 Ru輩巴才才23c、 Co56Fe24B2o靶材23d和Ni83Fen靶材23e。
Ta靶材23a用于保護層8的成膜。通過使用Co56Fe;MB2o靶材 23d和Nis3Fen耙材23e的2元共濺射，層疊由體心立方結(jié)構(gòu)、(001) 耳又向的CoFeNiB合金構(gòu)成的石茲化自由層7a, 進而，通過4吏用 Ni^Fen輩巴材23e的濺射，層疊由面心立方結(jié)構(gòu)的NiFe合金構(gòu)成的磁化自由層7b,接著，通過使用Ru靶材23c的濺射，層疊由 Ru構(gòu)成的交換耦合用非磁性層9，然后，通過使用Co7oFe3Q靶材 23b的濺射，層疊由CoFe合金構(gòu)成的磁化自由層7c。
接著，通過卩吏用Ta靶材23a和Ru靶材23c的濺射，在所述磁化自由層7上層疊有磁化自由層7側(cè)的Ta層(10nm)和Ru層(7nm) 的層疊結(jié)構(gòu)的保護層8。
另外，括號內(nèi)表示膜厚。
為了使PtMn層通過退火而使其有序化地呈現(xiàn)反鐵7磁性，從而調(diào)整濺射靶材的組成和成膜條件(氣體種類、氣壓、投入功率)，以"f吏Pt含量為47至51 (atomic%)。為了有效地使上述那樣的膜結(jié)構(gòu)成膜，將賊射耙材如下那
樣配置在各濺射室中。在濺射室21中配置Ta、 PtMn、 Co7。Fe30、 Ru、 Co6oFe2()B2()、在濺射室22中配置MgO和Mg作為濺射靶材21a 至21e、 22a至22b。另夕卜，在濺射室23中配置Ta、 Co70Fe30、 Ru、 Co56Fe24B20、 Nis3Fen作為濺射耙材23a至23e。
本發(fā)明中，具有作為最復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)的層疊鐵結(jié)構(gòu)的自旋閥型隧道磁阻薄月莫如下所述形成。
首先，將基板1輸送到基板前處理室25,并通過逆向濺射蝕刻(reverse sputter etching ),用物理方法除去約2nm的在大氣中被污染了的表面層。之后，將基板1輸送到濺射室21,成膜至 Ta/PtMn/CoFe/Ru/CoFeB。然后，將基板1移動到濺射室22,使 MgO膜、或Mg/MgO的2層膜成膜而作為隧道勢壘層6。
另外，作為MgO隧道勢壘層的形成方法，可以在濺射室22 中使金屬Mg膜成膜，然后將基板輸送到氧化處理室26,利用自由基氧化法、自然氧化法等對Mg層進行氧化處理而形成NaCl 結(jié)構(gòu)的MgO膜。在形成隧道勢壘層6之后，將基板輸送到濺射室23,成膜CoFeB/NiFe/Ta/Ru，然后返回到加載互鎖真空室27 。此時，作為制作B濃度不同的CoFeB層，使用將CoFeB和CoFe 的靶材同時力欠電的2元共濺射法。
之后，將制成的隧道；茲阻薄膜放入磁場中的退火爐內(nèi)，一邊對其施加強度為8kOe以上的沿一個方向平4于的》茲場，一邊在真空中以期望的溫度和時間進行退火處理。從經(jīng)驗上看，優(yōu)選為250。C以上、360。C以下，在低溫的情況下，優(yōu)選為5小時以上的長時間，在高溫的情況下，優(yōu)選為2小時以下的短時間。
本發(fā)明的隧道磁阻薄膜優(yōu)選用于磁盤驅(qū)動裝置的力丈音f茲頭、磁隨機存取存儲器(MRAM)的存儲元件及磁傳感器。下面，舉例說明使用了本發(fā)明的隧道磁阻薄膜的MRAM。圖3是示意地表示MRAM的結(jié)構(gòu)的圖，圖4是MRAM的l個存儲單元的剖視示意圖，圖5是1個存儲單元的等效電路圖。在 MRAM中，附圖標記42是重寫用字線，附圖標記43是位線，附圖標記44是讀耳又用字線，附圖標記45是；茲阻元件。多個存儲單元分別配置在多個位線43與讀取用字線44的各交點位置，配置為格子狀的位置關(guān)系，分別存儲l位的信息。
如圖4、圖5所示，MRAM的存儲單元由在位線43與讀取用字線44的交點位置存卩諸1位信息的^茲阻(TMR)元件45、具有開關(guān)功能的晶體三極管4 6構(gòu)成。本發(fā)明的隧道磁阻薄膜可用作上述TMR元件45。
TMR元件45在對圖1的(a)所示的隧道勢壘層6的兩側(cè)的強磁性層(第二磁化固定層4b和磁化自由層7)之間施加所需電壓而使恒定電流流過的狀態(tài)下，施加外部-磁場。在第二；茲化固定層4b與磁化自由層7的磁化方向平行且相同時(平行狀態(tài))， TMR元件45的電阻最小，在第二磁化固定層4b與磁化自由層7 的磁化方向平行且相反時(反向平行狀態(tài))，TMR元件45的電阻最大。這^f,通過利用外部》茲場為TMR元件45創(chuàng)造平行狀態(tài) 和反向平行狀態(tài)，能夠存儲作為電阻值變化的"1"或"0 "的信息。
在圖3的MRAM中，如圖4所示，重寫用字線42與讀取用字線44平行、即與位線43交差地配置在TMR元件45的下方。因此，通過向位線43與重寫用字線42中通入電流而產(chǎn)生》茲場，僅有處于位線43與重寫用字線42的交點處的存儲單元的TMR元件45 的磁化自由層受到來自兩者的^t場的影響而發(fā)生反磁化。其他的存儲單元的TMR元件45完全未受到兩者的磁場的影響，或者僅位線43及重寫用字線42中的4壬一方受到;磁場的影響，因此，磁化自由層未發(fā)生反^f茲化。這樣，僅使期望的存儲單元的TMR 元件45的》茲化自由層發(fā)生反》茲化而進行寫入。在讀取時，位于TMR元件45下方的晶體三極管46的門極承擔讀取用字線44的作用。由于僅在位于位線43與讀取用字線44的交點處的存Y渚單元的TMR元件45中流有電流，因此，通過檢測此時的電壓，能夠測定該TMR元件4 5的電阻值，獲得"1"或"0 "的信息。
實施例
(實施例1)
使用圖2所示的裝置，制作圖l(a)所示的膜結(jié)構(gòu)的底部型的自旋閥型隧道磁阻薄膜。本例中，緩沖層2為Ta(10nm),反鐵磁性層3為PtMn(15nm),磁化固定層4為CoFe(2.5nm)/Ru(0.85nm)/ CoFeB(3nm)構(gòu)成的層疊鐵固定層，隧道勢壘層6為MgO(l 5nm)。另外，作為磁化自由層7，保持成膜時的狀態(tài)首先成膜體心立方結(jié)構(gòu)的CoNiFeB, 4妻著成"篦面心立方結(jié)構(gòu)的NiFe 。作為〗呆護層8，使用Ta(l 0廳)/Ru(7賺)的層疊結(jié)構(gòu)。
此外，第一磁化自由層7a使用(Co70Fe30)96B4,第二磁化自由層7b使用含有83atomic。/o的Ni的面心立方結(jié)構(gòu)的Nis3Fe"。另外，作為第一磁化自由層7a,制作分別使用了 (Co7()Fe3())8()B20、 Co7。Fe3。的磁阻薄膜。
圖6為表示本例中制作的磁阻薄膜的MR比的退火溫度依賴性的圖。第二磁化自由層7b在所有情況下均使用具有負的磁致伸縮的Nis3Fen，沒法降低^茲化自由層7整體的^茲致伸縮。
圖6為對于本例，測定對各測試試樣進4亍退火時的M R比，由此，表示對于各試樣的MR比的退火依賴性。
"V"為使用CoFeB合金作為第一磁化自由層、以第二磁化自由層作為空白的比較試樣。
"O,，為使用CoFeNiB合金作為第一磁化自由層、以第二磁化自由層作為空白的比較試樣。
"口，，為使用Co7。Fe3o作為第一磁化自由層、使用Ni83Fe"作為
24第二磁化自由層的比較試樣。
"△"為使用(C07oFe3。)8()B2()作為第一磁化自由層、使用
Nis3Fe!7作為第二》茲化自由層的本發(fā)明試才羊。
"O，，為使用(Co7。Fe3。)96BHt為第一磁化自由層、使用 Nis3Fe"作為第二磁化自由層的本發(fā)明試才羊。
由圖6明確可知，本發(fā)明例與比較例相比，顯示出高MR比，同時在MR比不依賴于溫度的熱穩(wěn)定性上顯示出顯著的效果。
另外，本例中的Hex *為10000e, Hcf為50e，滿足Hex、Hcf
的關(guān)系。
另外，在本例中，MR比、He/、 Hcf的測定方法如下所述。 MR比 <吏用12端子#笨4十的Current-In-Plane Tunneling (CIPT )法。CIPT法的測定原理記載于D.C.Worledge ,
P丄.T訓(xùn)illoud,"應(yīng)用物理學快才艮(Applied Physics Letters )，，，
83 ( 2003 ) ， 84-86中。
He/， Hcf:使用振動試樣型磁力計(VSM),根據(jù)獲得的
磁化曲線求得。V S M的測定原理例如公開于"實驗物理學講座6
磁測量I，，，近桂一郎，安岡弘志編，丸善東京，2000年2月15
曰發(fā)行。
(實施例2)
制作圖l(b)所示的膜結(jié)構(gòu)的底部型的自旋閥型隧道^茲阻薄膜。本例中，作為磁化自由層7，在與實施例l的本發(fā)明試樣同樣的CoNiFeB/NiFe膜的磁化自由層上層疊Ru膜(2nm)作為交換耦合用非磁性層9，然后層疊NiFe膜(3nm)作為磁化自由層7c, 除此之外與實施例1同樣。
所得到的磁阻薄膜與實施例l同樣地具有高MR比和低磁致伸縮，此外耐熱性也提高了。
(實施例3)除了使磁化固定層4為無定形CoFeB(3nm)以夕卜，與實施例1 同樣地制作使用了本發(fā)明試樣的底部型的自旋閥型隧道磁阻薄膜。
所得到的磁阻薄膜與實施例1同樣地具有高MR比和低f茲致伸縮，此外耐熱性也3是高了。
權(quán)利要求
1.一種隧道磁阻薄膜，其特征在于，其為具有磁化固定層、隧道勢壘層、磁化自由層的隧道磁阻薄膜，所述隧道勢壘層為具有(001)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂膜，所述磁化自由層為第一磁化自由層與第二磁化自由層的層疊結(jié)構(gòu)，所述第一磁化自由層由含有Co原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)的(001)取向的合金所構(gòu)成，所述第二磁化自由層由含有Fe原子和Ni原子的面心立方結(jié)構(gòu)的合金所構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，所述第一磁化自由層中，(Co]。。-x-〉,NixFey)!o。-zBz所示的組成為x+y〈100、 0^x^30、 10^y<100、 0<zS6,其中，x、 y、 z為原子0/。。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其中，所述磁化固定層的矯頑力Hcp與所述磁化自由層的矯頑力Hcf滿足Hcp〉Hcf 的關(guān)系。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其進一步具有與所述磁化固定層鄰接的反鐵磁性層，該磁化固定層的磁化通過與該反鐵磁性層的交換耦合而被固定為單軸方向，且磁化固定層和反鐵磁性層之間的交換耦合》茲場Ha與》茲化自由層的矯頑力Hcf滿足Hex〈Hcf的關(guān)系。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道^茲阻薄膜，所述；茲化固定層具有第一磁化固定層和第二磁化固定層，進而，該第一磁化固定層和第二磁化固定層之間還具有交換耦合用非磁性層，且該磁化固定層的磁化通過與反鐵磁性層的交換耦合而被固定為單軸方向，該第一磁化固定層和第二磁化固定層是反鐵》茲性耦合的層疊鐵固定層，第一磁化固定層和第二磁化固定層之間的反鐵磁性耦合磁場Ha *與磁化自由層的矯頑力Hef滿足Hex 、Hcf的關(guān)系。
6. —種隧道磁阻薄膜，其特征在于，其為具有磁化自由層、隧道勢壘層和》茲化固定層的隧道磁阻薄膜，所述隧道勢壘層為具有(0 01)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂膜，所述磁化自由層由具有體心立方結(jié)構(gòu)且為(001)取向的、含有Co原子、Fe原子和B原子的合金層或含有Co原子、Ni原子、 Fe原子和B原子的合金層所構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的隧道磁阻薄膜，所述磁化自由層中，(Cchoo陽x.yNixFey;h,zBz所示的組成為x+y<100 、 0^x^30 、 10Sy<100、 0<z^6,其中，x、 y、 z為原子0/0。
8. —種隧道萬茲阻薄膜，其特征在于，其為具有按磁化固定層、隧道勢壘層、磁化自由層順序?qū)盈B而成的層疊體的隧道磁阻薄膜，所述隧道勢壘層為具有(001)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂膜，所述磁化自由層為第一磁化自由層與第二磁化自由層的層疊結(jié)構(gòu)，所述第一磁化自由層由含有Co原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)的(001 )取向的合金所構(gòu)成，所述第二磁化自由層由含有Fe原子和Ni原子的面心立方結(jié)構(gòu)的合金所構(gòu)成。
9. 一種磁性多層膜制作裝置，其特征在于，該磁性多層膜制作裝置包括輸送腔，其具備基板輸送裝置；第1成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用氧化鎂靶材的濺射法，使具有(0 01)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂層成膜；第2成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用含有Co原子、Fe原子和B原子的磁性體靶材或含有Co原子、 Ni原子、Fe原子和B原子的磁性體靶材的濺射法，使含有Co原子、 Fe原子和B原子的合金或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的合金的、體心立方結(jié)構(gòu)的(001)取向的結(jié)晶性第一磁化自由層成膜，并通過使用含有F e原子和N i原子的磁性體靶材的濺射法，使含有Fe原子和Ni原子的合金的、面心立方結(jié)構(gòu)的FeNi合金所構(gòu)成的第二磁化自由層成膜；以及，真空輸送機構(gòu)，其中，在基板上，與所述氧化鎂層鄰接而層疊所述第一磁化自由層，并與該第一; 茲化自由層鄰接而層疊所述第二f茲化自由層。
10. —種磁性多層膜制作裝置，其特征在于，該磁性多層膜制作裝置包括輸送腔，其具備基板輸送裝置；第l成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用氧化鎂靶材的濺射法，使具有(OOl)耳又向的氧化4美晶粒的氧化 4美層成膜；第2成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子中的至少2種成分的第一i茲性體靶材、和至少含有前述4種成分中的該第一磁性體靶材中未使用的成分的第二磁性體靶材的2元共濺射法，使含有Co 原子、Fe原子和B原子的合金或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和 B原子的合金的、體心立方結(jié)構(gòu)的(OOl)取向的結(jié)晶性第一磁化自由層成膜，并通過使用含有Fe原子和Ni原子的^茲性體靶材的濺射法，使含有Fe原子和Ni原子的合金的、面心立方結(jié)構(gòu)的FeNi 合金所構(gòu)成的第二磁化自由層成膜；以及，真空輸送機構(gòu)，其中，在基板上，與所述氧化鎂層鄰接而層疊所述第一磁化自由層，并與該第一磁化自由層鄰接而層疊所述第二磁化自由層。
11. 一種磁性多層膜制作裝置，其特征在于，該磁性多層膜制作裝置包括輸送腔，其具備基板輸送裝置；第l成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用鎂靶材的濺射法，使金屬鎂層成膜；氧化處理腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，^使所述鎂層成為具有(OOl)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂層；第2成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子中的至少2種成分的第一磁性體把材、和至少含有前述4種成分中的該第一磁性體耙材中未使用的成分的第二磁性體靶材的2元共濺射法'使含有Co 原子、Fe原子和B原子的合金或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和 B原子的合金的、體心立方結(jié)構(gòu)的(OOl)取向的結(jié)晶性第一磁化自由層成膜，并通過使用含有Fe原子和Ni原子的磁性體靶材的賊射法，4吏含有Fe原子和Ni原子的合金的、面心立方結(jié)構(gòu)的FeNi 合金所構(gòu)成的第二磁化自由層成膜；以及，真空輸送機構(gòu)，其中，在基板上，與所述氧化鎂層鄰接而層疊所述第一磁化自由層，并與該第一磁化自由層鄰接而層疊所述第二磁化自由層。
12. —種磁性多層膜制作裝置，其特征在于，該磁性多層膜制作裝置包括輸送腔，其具備基板輸送裝置；第1成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用鎂靶材的濺射法，4吏金屬4美層成膜；氧化處理腔，其通過閘閥與所述輸送腔連4妄配置， <吏所述鎂層成為具有(OOl)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂層；第2成膜腔，其通過閘閥與所述輸送腔連接配置，并通過使用含有Co原子、Fe原子和B原子的磁性體靶材或含有Co原子、 Ni原子、Fe原子和B原子的磁性體靶材的濺射法，4吏含有Co原子、 Fe原子和B原子的合金或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的合金的、體心立方結(jié)構(gòu)的(001)取向的結(jié)晶性第一磁化自由層成膜，并通過使用含有F e原子和N i原子的磁性體靶材的濺射法，使含有Fe原子和Ni原子的合金的、面心立方結(jié)構(gòu)的FeNi合金所構(gòu)成的第二磁化自由層成膜；以及，真空輸送機構(gòu)，其中，在基板上，與所述氧化鎂層鄰接而層疊所述第一磁化自由層，并與該第一磁化自由層鄰接而層疊所述第二磁化自由層。
全文摘要
提供一種兼具高MR比和低磁致伸縮的隧道磁阻薄膜。所述隧道磁阻薄膜為具有磁化固定層、隧道勢壘層、磁化自由層的隧道磁阻薄膜，所述隧道勢壘層為具有(001)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂膜，所述磁化自由層為第一磁化自由層與第二磁化自由層的層疊結(jié)構(gòu)，所述第一磁化自由層由含有Co原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)或含有Co原子、Ni原子、Fe原子和B原子的體心立方結(jié)構(gòu)的(001)取向的合金所構(gòu)成，所述第二磁化自由層由含有Fe原子和Ni原子的面心立方結(jié)構(gòu)的合金所構(gòu)成。
文檔編號H01L43/10GK101689599SQ20088001971
公開日2010年3月31日申請日期2008年6月6日優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
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