專利名稱：穿隧磁阻元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直磁化型穿隧磁阻元件的制造方法。
背景技術(shù)：
對于利用電阻根據(jù)磁場發(fā)生變化的“磁阻效應(yīng)”的穿隧磁阻元件(TMR，tunnelingmagnetoresistive),在磁阻隨機存取存儲器(MRAM, magnetoresistive random accessmemory)或磁傳感器等領(lǐng)域正在進行研究開發(fā)。穿隧磁阻元件為絕緣層(穿隧勢魚層)夾持在兩個磁性層之間的結(jié)構(gòu)，磁性層之間的電流(穿隧電流)根據(jù)各磁性層的磁化方向的不同而變化。磁性層的磁化方向垂直于層壓方向的穿隧磁阻元件稱為“面內(nèi)磁化型”，且磁性層的磁化方向與層壓方向相同的穿隧磁阻元件稱為“垂直磁化型”。與面內(nèi)磁化型穿隧磁阻元件相比，垂直磁化型穿隧磁阻元件具有元件可小型化、抗熱干擾性強和磁化反轉(zhuǎn)電流小等優(yōu)點，但由于元件特性基于各層材料、結(jié)晶度等等而顯著不同，因此正在探索特性更優(yōu)良的元件結(jié)構(gòu)。特別是作為特性優(yōu)良的垂直磁化型穿隧磁阻元件，正在研究以鈷鐵硼(CoFeB)系材料(CoFeB、CoFeBP等等)為磁性層且以氧化鎂(MgO)為絕緣層的元件結(jié)構(gòu)。例如，專利文獻I記載了以CoFe B合金為界面固定層且以MgO為穿隧勢壘層的垂直磁化型磁性穿隧結(jié)(MTJ,Magnetic Tunnel Junction)元件。該元件通過在由CoFeB合金構(gòu)成的界面固定層上形成由MgO構(gòu)成的穿隧勢魚層,使MgO的結(jié)晶度提高,可以制作出具有高磁阻(MR, MagneticResistance)比率和高自旋注入效率的元件。專利文獻1:日本特開2008-098523 (段落
、圖4)然而，在專利文獻I所記載的制造方法中，認為在形成MgO薄膜的工序中存在以下問題。即，在通過濺射法形成MgO薄膜時，MgO附著在成膜腔室的內(nèi)壁并從成膜腔室的內(nèi)壁剝離，從而產(chǎn)生對元件造成不利影響的大量灰塵。此外，作為絕緣材料的MgO堆積在地電勢的成膜腔室內(nèi)壁上，因MgO薄膜的表面帶電而產(chǎn)生電弧放電，導(dǎo)致等離子體對MgO薄膜造成損害。這些問題在于成膜材料為作為金屬氧化物的MgO。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述這些情況，本發(fā)明的目的在于提供一種無需MgO成膜工序的垂直磁化型磁阻元件的制造方法。為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的磁阻元件的制造方法包括在基體上層壓第一層，所述第一層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成。在所述第一層上層壓由Mg構(gòu)成的第二層。通過對包括所述第一層和所述第二層的層壓體實施氧化處理，使所述第二層的Mg氧化成MgO。通過對所述層壓體實施加熱處理，使所述第二層結(jié)晶，且使所述第一層垂直磁化。


圖1為示出第一實施方式和第二實施方式的磁阻元件的層壓結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為示出該磁阻元件的磁化方向的示意圖；圖3為示出該磁阻元件的制造裝置的示意圖；圖4為示出根據(jù)第一實施方式的磁阻元件制造方法的流程圖；圖5為示出根據(jù)第二實施方式的磁阻元件制造方法的流程圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的磁阻元件的制造方法包括在基體上層壓第一層，所述第一層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成。在所述第一層上層壓由Mg構(gòu)成的第二層。通過對包括所 述第一層和所述第二層的層壓體實施氧化處理，使所述第二層的Mg氧化成MgO。通過對所述層壓體實施加熱處理，使所述第二層結(jié)晶，且使所述第一層垂直磁化。根據(jù)該制造方法，可以不形成作為金屬氧化物的MgO地制造垂直磁化型磁阻元件。從而，可以避免由MgO成膜所導(dǎo)致的問題，S卩，在MgO成膜時，MgO附著在成膜腔室的內(nèi)壁并從成膜腔室的內(nèi)壁剝離，從而產(chǎn)生對元件造成不利影響的大量灰塵。而且，可防止作為絕緣材料的MgO堆積在地電勢的成膜腔室內(nèi)壁上而使MgO薄膜的薄膜質(zhì)量發(fā)生變化。此外，例如，帶負電的氧等離子體和帶負電的濺射氣體離子相互排斥，從而可防止等離子體對MgO薄膜產(chǎn)生損害等。磁阻元件的制造方法在對所述層壓體實施氧化處理的工序之后且在對所述層壓體實施加熱處理的工序之前，進一步在所述第二層上層壓第三層，所述第三層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成，在對所述層壓體實施加熱處理的工序中可進一步使所述
第三層垂直磁化。根據(jù)該制造方法，可制成層壓結(jié)構(gòu)，該層壓結(jié)構(gòu)由所述第一層和所述第三層形成的結(jié)晶化的垂直磁化的兩層(該兩層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成)夾持由所述第二層形成的結(jié)晶化的MgO構(gòu)成的層。上述的第一層、第三層的垂直磁化和上述第二層的結(jié)晶化可在一個加熱處理工序中執(zhí)行。與這些工序為單獨工序相比，可提高生產(chǎn)率。磁阻元件的制造方法在對所述層壓體實施加熱處理的工序之后，可進一步在所述第二層上層壓第三層，所述第三層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成，可對所述層壓體實施加熱處理使所述第三層垂直磁化。根據(jù)該制造方法，可制成層壓結(jié)構(gòu)，該層壓結(jié)構(gòu)由所述第一層和所述第三層形成的結(jié)晶化的垂直磁化的兩層(該兩層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成)夾持由所述第二層形成的結(jié)晶化的MgO構(gòu)成的層。由于所述第一層的加熱處理工序與所述第三層的加熱處理工序是分別進行的，在第一層和第三層的膜厚不同的情況下，可以在不同條件下使兩個層垂直磁化。因此，可提高制造工藝的自由度。所述第一層和所述第三層由CoFeB系材料構(gòu)成，在層壓所述第一層的工序中，所述第一層層壓為0.6nm以上且1.5nm以下的厚度，在層壓所述第三層的工序中，所述第三層可層壓為0.6nm以上且1.5nm以下的厚度。磁性層為CoFeB系材料且絕緣層為MgO的磁阻元件通常是磁化方向垂直于層壓方向的面內(nèi)磁化型磁阻元件。但即便在這種情況下，也發(fā)現(xiàn)CoFeB系材料在磁性層和絕緣層界面附近具有垂直各向異性成分。有鑒于此，通過使第一層和第二層的膜厚為0.6nm以上且1.5nm以下,可制造垂直磁化型的CoFeB-MgO系磁阻兀件。在層壓第一層的工序中，在由Ta構(gòu)成的第四層上直接層壓所述第一層，且根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁阻元件的制造方法可進一步在所述第三層上直接層壓由Ta構(gòu)成的第五層。根據(jù)該制造方法，可制成第一層與第四層鄰接且第三層與第五層鄰接的層壓結(jié)構(gòu)。由于Ta有助于CoFeB系材料的結(jié)晶，與Ta相接觸的CoFeB系材料表現(xiàn)為垂直磁化，因此，通過該制造方法可以制造出垂直磁化型的CoFeB-MgO系磁阻元件。下面將參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行描述。(第一實施方式)對本發(fā)明的第一 實施方式進行描述。[穿隧磁阻元件的結(jié)構(gòu)]對通過該實施方式的穿隧磁阻元件的制造方法制造的穿隧磁阻元件的結(jié)構(gòu)進行說明。圖1為示出穿隧磁阻元件(以下稱作TMR元件)的層壓結(jié)構(gòu)的示意圖。應(yīng)指出的是，該實施方式的TMR元件為磁化方向與層壓方向相同的“垂直磁化型”TMR元件。此外，圖2為示出TMR元件I的磁化方向的概念圖，箭頭表示磁化方向。圖2(a)表示“平行磁化狀態(tài)”，圖2(b)表示“反并行磁化狀態(tài)”。如圖1所示，TMR元件I具有在基板10上依次層壓緩沖層20、釘扎層30、勢壘層40、自由層50和覆蓋層60的層結(jié)構(gòu)。而且，這里示出的TMR元件I的結(jié)構(gòu)為根據(jù)本發(fā)明的制造方法所制造的元件結(jié)構(gòu)的一個示例?；?0為支撐各層的基板，且可為由加熱氧化Si而形成的Si/Si02構(gòu)成的基板。而且，基板10可由陶瓷、玻璃等其他材料構(gòu)成。緩沖層20是用于促進鄰接的釘扎層30平滑且均勻結(jié)晶的層。如圖1所示，緩沖層20由自基板10側(cè)依次層壓的Ta(鉭)層21、Ru(銣)層22和Ta層23構(gòu)成。Ta層23有助于構(gòu)成下述釘扎層30的CoFeB的良好結(jié)晶。每層的厚度例如可以是，Ta層21為5nm，Ru層22為10nm，Ta層23為5nm。緩沖層20的結(jié)構(gòu)不限于這里所示的結(jié)構(gòu)。釘扎層30是磁化方向被固定的層?！搬斣鷮印币卜Q為“固定層”或者“鐵磁層”。如圖2(a)和(b)所示，釘扎層30的磁化方向與TMR元件I的層壓方向相同，且圖2 (a)所示的平行磁化狀態(tài)和圖2(b)所示的反平行磁化狀態(tài)的磁化方向相同。釘扎層30可為由(001)取向的CoFeB (鈷鐵硼)結(jié)晶體構(gòu)成的層。CoFeB的組成比對于CoxFeyB(1_x+y)可以取0.2彡X彡0.4且0.4彡y彡0.6的范圍。而且，釘扎層30還可由除了 CoFeB之外的與CoFeB具有相似性質(zhì)的CoFeB系材料，即通過在CoFeB中添加P (磷)或C(碳)等獲得的材料構(gòu)成。優(yōu)選地，釘扎層30的厚度為0.6nm以上且1.5nm以下。此外，釘扎層30可由除了 CoFeB系材料以外的包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成。這種材料可列舉例如CoFe、FeNi。
勢壘層40在釘扎層30和自由層50之間形成“穿隧勢壘”。“勢壘層”也稱為“非磁性層”或“絕緣層”。優(yōu)選地，勢壘層40相對于釘扎層30和自由層50的磁化方向差別(如圖2所示)具有較大差別，即，具有很大磁阻(MR, magnetoresistance) t匕。勢壘層40可為由(001)取向的MgO(氧化鎂)結(jié)晶體構(gòu)成的層。(001)取向的MgO結(jié)晶體優(yōu)選Mg: 0= I: I的組成比。根據(jù)該規(guī)則的結(jié)晶性，與其他材料相比，MgO結(jié)晶體的穿隧電流(具有波動性)的散射很小，可得到較高的MR比。勢壘層40的厚度可為例如 0.8nm。自由層50是磁化方向未被固定(可逆轉(zhuǎn))的層。“自由層”也稱為“自由轉(zhuǎn)換層”或“鐵磁層”。如圖2(a)和(b)所示，自由層50的磁化方向與TMR元件I的層壓方向相同，且圖2(a)所示的平行磁化狀態(tài)和圖2(b)所示的反平行磁化狀態(tài)的磁化方向相反。自由層50可為由(001)取向的CoFeB結(jié)晶體構(gòu)成的層。CoFeB的組成比對于CoxFeyB(1_x+y)可以取0.2彡X彡0.4且0.4彡y彡0.6的范圍。而且，釘扎層30也可由除了 CoFeB之外的與CoFeB具有相似性質(zhì)的CoFeB系材料構(gòu)成。優(yōu)選地，自由層50的厚度為0.6nm以上且1.5nm以下。自由層50和釘扎層30可由具有相同組成的CoFeB系材料形成。此外，自由層50可由除了 CoFeB系材料以外的包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成。這樣的材料可列舉例如CoFe、FeNi。應(yīng)指出的是，由CoFeB和MgO形成的CoFeB-MgO系的TMR元件通常為面內(nèi)磁化性。但在CoFeB和MgO的界面附近，存在垂直各向異性成分。該實施方式的TMR元件I通過使由CoFeB構(gòu)成的釘扎層30和自由層50的膜厚最優(yōu)化，形成垂直磁化型CoFeB-MgO系的TMR元件。覆蓋層60是用于穩(wěn)定自由層50和配線之間電連接，并用于促使鄰接的自由層50均勻結(jié)晶的層。如圖1所示， 覆蓋層60由從自由層50側(cè)依次層壓的Ta層61和Ru層62構(gòu)成。Ta層61有助于構(gòu)成自由層50的CoFeB的良好結(jié)晶。每層的厚度例如可以是，Ta層61為5nm，Ru層62為10nm。另外，覆蓋層60的結(jié)構(gòu)不限于這里所示的結(jié)構(gòu)。TMR元件I構(gòu)成如上。在TMR元件I中，將配線連接到緩沖層20和覆蓋層60。具體地，如圖2所示，正極(V.)連接到緩沖層20的Ta層23，負極(V )連接到覆蓋層60的Ru層62。對TMR元件I的操作進行簡單描述。在對TMR元件I施加外部磁場時，釘扎層30的磁化方向不發(fā)生變化，而自由層50的磁化方向根據(jù)磁場發(fā)生逆轉(zhuǎn)。即，可以任意轉(zhuǎn)換圖2(a)所示的平行磁化狀態(tài)和圖2(b)所示的反平行磁化狀態(tài)。這里，如圖2(a)所示，在釘扎層30的磁化方向和自由層50的磁化方向一致的情況下，勢壘層40的穿隧勢壘變小，且很大的穿隧電流在釘扎層30和自由層50之間流動。即，TMR元件I的電阻變小。另一方面，如圖2(b)所示，在釘扎層30的磁化方向和自由層50的磁化方向不一致的情況下，勢壘層40的穿隧勢壘變大，且釘扎層30和自由層50之間的穿隧電流變小。S卩，TMR元件I的電阻變大。因此，如果對TMR元件I施加電流，則可根據(jù)電阻的大小判斷平行磁化狀態(tài)或是反平行磁化狀態(tài)。例如，通過對每個狀態(tài)分配“O”或“1”，可將TMR元件I作為存儲器(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)來使用。[穿隧磁阻元件的制造裝置]
對具有上述結(jié)構(gòu)的TMR元件I的制造裝置進行描述。圖3為示意地示出TMR元件I的制造裝置100的示意圖。制造裝置100是用于通過對搬入的基板10實施各層成膜來制造TMR元件I的裝置，且用于下述TMR元件I的制造方法。而且，制造裝置100是TMR元件I的制造裝置的一個示例，還可具有不同的結(jié)構(gòu)。如圖3所示，制造裝置100構(gòu)成為多腔室。制造裝置100具有搬送室101、導(dǎo)入室102、加熱室 103、凈化室 104、第一 PVD (physical vapor deposition)室 105、第二 PVD 室106、第三PVD室107、第四PVD室108和氧化室109。從導(dǎo)入室102到氧化室109的各個腔室均密封地連接于搬送室101。導(dǎo)入室102是用于將基板10導(dǎo)入到搬送室中的腔室。在導(dǎo)入室102中，設(shè)置了用于將基板10運送到導(dǎo)入室中的導(dǎo)入裝置，該導(dǎo)入裝置未示出。在搬送室101中，容納有搬送裝置(未示出)，該搬送裝置將從導(dǎo)入室102導(dǎo)入的基板10搬送到各個腔室中。加熱室103是用于對導(dǎo)入的基板10進行加熱，并實施脫氣處理的腔室。凈化室104是具有遠距離電感稱合等離子體(LT-1CP, Long-Throw-1nductively-Coupled Plasma)源，并對成膜前的基板10實施凈化處理的腔室。第一 PVD室105、第二 PVD室106、第三PVD室107和第四PVD室108是對基板10實施各種材料成膜的腔室。每個PVD室可容納DC (Direct Current)派射裝置。此外,每個PVD室另外也可為射頻(RF，radio frequency)濺射等成膜裝置。但DC濺射裝置因為濺射陰極的結(jié)構(gòu)簡單而優(yōu)選。與該實施方式不同的是，在對MgO等金屬氧化物進行成膜的情況下，有必要使用RF濺射，但本實施方式中由于不對金屬氧化物進行成膜，可使用DC濺射。設(shè)置在每個PVD室中的濺射裝置可以是每個裝置設(shè)置三個濺射靶材的三元體系的濺射裝置。在第一 PVD室105中設(shè)置Ta靶材。其他兩個靶材不用于TMR元件I的制造中。在第二 PVD室106中設(shè)置CoFeB靶材和Ru靶材。第三PVD室107不用于TMR元件I的制造中。在第四PVD室108中設(shè)置Mg靶材和Ta靶材。這樣，通過使該濺射裝置為三元體系，可進行膜厚均勻的成膜，但濺射裝置可不一定具有三元體系。氧化室109稍后進行詳細說明，但該氧化室109是用于將成膜的金屬Mg氧化為MgO的腔室。氧化室109可通過等離子體氧化、自由基氧化或自然氧化等各種氧化工藝中任何一種，對金屬Mg進行氧化。具體地，在等離子體氧化的情況下，氧化室109可容納電感超磁控管(ISM, Inductively Super Magnetron)等離子體源或LT-1CP源。而且,在自由基氧化的情況下，氧化室109可容納氧自由基源。在自然氧化的情況下，氧化室109可容納用于形成高壓(相對真空約為數(shù)Pa到數(shù)百Pa的高壓)氧氣氣氛的氧氣源和基板加熱源。TMR元件I的制造裝置100構(gòu)成如上。[穿隧磁阻元件的制造方法]對使用制造裝置100的TMR元件I的制造方法進行描述。圖4為示出TMR元件I的制造方法的流程圖?！懊摎饧跋磧?StlOl) ”當(dāng)將基板10放入導(dǎo)入裝置時，導(dǎo)入裝置通過導(dǎo)入室102將基板10運送到搬送室101中。搬送裝置將基板10運送到加熱室103中，使基板10在加熱室103中加熱并脫氣。然后，搬送裝置將基板10運送到凈化室104中，使基板10在凈化室104中由等離子體洗凈?！熬彌_層 層壓(St 102) ”
接著，搬送裝置將基板10運送到第一 PVD室105中。在第一 PVD室105中通過DC濺射使用Ta靶材而在基板10上形成Ta層21。成膜條件可為:Ar氣壓力為0.02到0.1Pa、DC功率為50到400W、室溫。該成膜條件在下述各層中也同樣。在該條件下，成膜速度約為0.3到1.2nm/sec0這里，通過DC濺射對Ta層21進行成膜，但還可通過RF濺射等不同濺射進行成膜，且在以下各層的成膜中也同樣。例如，Ta層21形成為5nm的厚度。下文，將各層在基板10上成膜的物質(zhì)稱為“層壓體”。接著，搬送裝置將層壓體運送到第二 PVD室106中。在第二 PVD室中通過DC濺射使用Ru靶材，在Ta層21上形成Ru層22。例如，Ru層22形成為IOnm的厚度。接著，搬送裝置再次將層壓體運送到第一 PVD室105中。在第一 PVD室中通過DC濺射使用Ta靶材，將Ta層23形成在Ru層22上。例如，Ta層23形成為5nm的厚度。通過這種方式，可層壓由Ta層21、Ru層22和Ta層23構(gòu)成的緩沖層20?！暗谝?CoFeB 薄膜形成(St 103) ”接著，搬送裝置將層壓體運送到第二 PVD室106中。在第二 PVD室106中通過DC濺射使用CoFeB靶材，將由CoFeB構(gòu)成的第一 CoFeB薄膜形成在Ta層23上。而且，在對除了 CoFeB之外的CoFeB系材料進行成膜的情況下，進一步添加CoFeB-X靶材(X為添加到CoFeB中的材料)。該第一 CoFeB薄膜為非結(jié)晶態(tài)(非晶質(zhì))，且在下述步驟中變?yōu)獒斣鷮?0。第一 CoFeB薄 膜的組成比可根據(jù)靶材組成進行調(diào)節(jié)。例如，在CoxFeyB(1_x+y)中，可取0.2≤X≤0.4且0.4≤y≤0.6的范圍。而且，例如，第一 CoFeB薄膜形成為0.6nm以上且1.5nm以下的厚度。“Mg 薄膜形成(St 104)”接著，搬送裝置將層壓體運送到第四PVD室108中。在第四PVD室108中通過DC濺射使用Mg靶材，將Mg薄膜形成在第一 CoFeB薄膜上。該Mg薄膜為非結(jié)晶態(tài)，且在下述步驟中變?yōu)閯輭緦?0。例如，Mg薄膜形成為0.8nm的厚度。此外，如果Mg薄膜的厚度大于0.8nm，則由于Mg薄膜在接下來的Mg薄膜氧化工序中無法得到充分氧化，因此需要在該Mg薄膜氧化工序之后再次形成Mg薄膜并再次對Mg薄膜進行氧化的工序?！癕g 薄膜氧化(St 105) ”接著，搬送裝置將層壓體運送到氧化室109中。在氧化室109中，可通過等離子體氧化、自由基氧化或自然氧化中的任何一種方法，將Mg薄膜氧化為MgO薄膜。具體地，在自然氧化的情況下，可通過室溫下將層壓體在氧氣壓力為I到IOOOPa的氧氣氣氛中放置600到1000秒而進行氧化。由于該MgO薄膜為非結(jié)晶態(tài)的MgO薄膜氧化而成，因此該MgO薄膜為非結(jié)晶態(tài)?！暗诙?CoFeB 薄膜形成(St 106) ”接著，搬送裝置將層壓體運送到第二 PVD室106中。在第二 PVD室106中通過DC濺射使用CoFeB靶材，將由CoFeB構(gòu)成的第二 CoFeB薄膜形成在MgO薄膜上。在對除了CoFeB之外的CoFeB系材料進行成膜的情況下，進一步添加CoFeB-X靶材(X為添加到CoFeB中的材料)。該第二 CoFeB薄膜為非結(jié)晶態(tài)，且在下述步驟中變?yōu)樽杂蓪?0。第二 CoFeB薄膜的組成比可根據(jù)靶材組成進行調(diào)節(jié)。例如，在CoxFeyB(1_x+y)中，可取0.2彡X彡0.4且
0.4 ≤ y ≤ 0.6的范圍。而且,例如,第二 CoFeB薄膜形成為0.5nm以上且1.5nm以下的厚度。
“覆蓋層層壓(Stl07)”接著，搬送裝置將層壓體運送到第四PVD室108中。在第四PVD室108中通過DC濺射使用Ta靶材，將Ta層61形成在第二 CoFeB薄膜上。例如，Ta層61形成為5nm的厚度。接著，搬送裝置將基板運送到第二 PVD室106中。在第二 PVD室106中通過DC濺射使用Ru靶材，將Ru層62形成在Ta層61上。例如，Ru層62形成為IOnm的厚度。通過這種方式，可層壓由Ta層61和Ru層62構(gòu)成的覆蓋層60?！盁崽幚?St 108) ”接著，搬送裝置將層壓體運送到加熱室103中。在加熱室103中對層壓體實施熱處理。這時，加熱溫度最高可設(shè)置為400°C，且加熱時間可設(shè)置以分鐘為單位。通過該加熱處理，非結(jié)晶態(tài)的MgO薄膜進行結(jié)晶，并變?yōu)榫哂?001)取向的結(jié)晶體。即，MgO薄膜變?yōu)閯輭緦?0。而且，非結(jié)晶態(tài)的第一 CoFeB薄膜和第二 CoFeB薄膜也進行結(jié)晶，變?yōu)榫哂?001)取向的結(jié)晶體。第一 CoFeB薄膜和第二 CoFeB薄膜通過該結(jié)晶化變?yōu)榇怪贝判员∧ぁ＜?，第?CoFeB薄膜變?yōu)獒斣鷮?0，第二 CoFeB薄膜變?yōu)樽杂蓪?0。通過上述方式，制造出TMR元件I。如上所述，在該實施方式中，對作為金屬氧化物的MgO不進行直接成膜，而是對金屬Mg進行成膜，并通過氧化處理將該金屬Mg氧化為MgO。此外，通過實施熱處理，將MgO薄膜、第一 CoFeB薄膜和第二 CoFeB薄膜進行結(jié)晶，從而可制造垂直磁化型TMR元件I。根據(jù)該實施方式的制造方法所制造的TMR元件I和對MgO薄膜進行直接成膜所制造的TMR元件具有同等特性。具體地，在元件阻值處于數(shù)十到IkQ μ m2的范圍內(nèi)，可得到40%到70%的MR比。 通過該制造方法，可防止由作為金屬氧化物的MgO的成膜所導(dǎo)致的問題，S卩，在通過濺射法對MgO薄膜進行成膜時，MgO附著在成膜腔室的內(nèi)壁并從成膜腔室的內(nèi)壁剝離，產(chǎn)生對元件造成不利影響的大量灰塵。而且，可防止作為絕緣物的MgO堆積在地電勢的成膜腔室內(nèi)壁上，導(dǎo)致MgO薄膜的表面帶電而產(chǎn)生電弧放電，等離子體對MgO薄膜造成損害。此外，在上述實施方式中，作為勢壘層40來源的Mg薄膜的形成(Stl04)和氧化(Stl05)僅進行一次,但這僅限于勢魚層40很薄(0.8nm以下)的情況。在勢魚層40較厚的情況下，如果Mg薄膜變厚，則有可能不會充分進行氧化。因此，在這種情況下，通過反復(fù)執(zhí)行Mg薄膜的形成(Stl04)和氧化(Stl05)，直到得到所需膜厚，可形成勢壘層40。(第二實施方式)對本發(fā)明的第二實施方式進行描述。在第二實施方式中，將與第一實施方式相同的結(jié)構(gòu)附以相同的符號，且省略其說明。根據(jù)第二實施方式的制造方法所制造的TMR元件的結(jié)構(gòu)與根據(jù)第一實施方式的TMR元件I相同，且該制造方法中所使用的制造裝置也與根據(jù)第一實施方式的制造裝置100相同。第二實施方式與第一實施方式的區(qū)別在于，將金屬Mg氧化為MgO的時機不同。[穿隧磁阻元件的制造方法]對使用制造裝置100的TMR元件I的制造方法進行描述。圖5為示出根據(jù)第二實施方式的TMR元件I的制造方法的流程圖。脫氣和洗凈(St201)、緩沖層層壓(St202)、第一 CoFeB薄膜形成(St203)以及Mg薄膜形成(St204)的各個工序分別與第一實施方式所示出的工序相同?！癕g 薄膜氧化(St205) ”搬送裝置將層壓體運送到氧化室109。在氧化室109中，通過等離子體氧化、自由基氧化或自然氧化中的任一方法，將Mg薄膜氧化為MgO薄膜。由于該MgO薄膜為非結(jié)晶態(tài)的MgO薄膜氧化而成，因此該MgO薄膜為非結(jié)晶態(tài)。“熱處理(St206) ”接著，搬送裝置將層壓體運送到加熱室103中。在加熱室103中對層壓體實施熱處理。這時，加熱溫度最高可設(shè)置為400°C，且加熱時間可設(shè)置以分鐘為單位。通過該熱處理，非結(jié)晶態(tài)的MgO薄膜進行結(jié)晶，并變?yōu)榫哂?001)取向的結(jié)晶體。即，MgO薄膜變?yōu)閯輭緦?0。而且，非結(jié)晶態(tài)的第一 CoFeB薄膜也進行結(jié)晶，變?yōu)榫哂?001)取向的結(jié)晶體。第一 CoFeB薄膜通過該結(jié)晶化變?yōu)榇怪贝判员∧ぁ＜?，第?CoFeB薄膜變?yōu)獒斣鷮?0。這里，可同時執(zhí)行上述Mg薄膜氧化工序(St205)和熱處理工序(St206)。即，通過在氧等離子體氣氛、氧自由基氣氛或氧氣氣氛(下文統(tǒng)稱為氧氣氛)中加熱層壓體，Mg薄膜氧化的同時，進行MgO薄膜、第一 CoFeB薄膜的結(jié)晶化。此外，如果在非氧氣氛中進行加熱，則Mg薄膜氧化工序(St205)和熱處理工序(St206)可為單獨的工序。 “第二 CoFeB 薄膜形成(St207) ”接著，搬送裝置將層壓體運送到第二 PVD室106中。在第二 PVD室106中通過DC濺射使用CoFeB靶材，將由CoFeB構(gòu)成的第二 CoFeB薄膜形成在勢壘層40上。在對除了CoFeB之外的CoFeB系材料進行成膜的情況下，進一步添加CoFeB-X靶材。該第二 CoFeB薄膜為非結(jié)晶態(tài)， 且在下述步驟中變?yōu)樽杂蓪?0。第二 CoFeB薄膜的組成比可根據(jù)靶材組成進行調(diào)節(jié)。例如，在CoxFeyB(1_x+y)中，可取0.2彡X彡0.4且0.4彡y彡0.6的范圍。而且，例如，第二 CoFeB薄膜形成為0.5nm以上且1.5nm以下的厚度?！案采w層層壓(St208) ”覆蓋層層壓工序(St208)可以與根據(jù)第一實施方式的該工序(Stl07)相同的方式來執(zhí)行?！盁崽幚?St209)”接著，搬送裝置將層壓體運送到加熱室103中。在加熱室103中對層壓體實施熱處理。這時，加熱溫度最高可設(shè)置為400°C，且加熱時間可設(shè)置以分鐘為單位。通過該熱處理，非結(jié)晶態(tài)的第二 CoFeB薄膜進行結(jié)晶，并變?yōu)榫哂?001)取向的結(jié)晶體。第二 CoFeB薄膜通過該結(jié)晶化變?yōu)榇怪贝判员∧?。即，第?CoFeB薄膜變?yōu)樽杂蓪?0。通過上述方式，制造出TMR元件I。根據(jù)該實施方式的制造方法與第一實施方式相同，對作為金屬氧化物的MgO不進行直接成膜，而是對金屬Mg進行成膜，并通過氧化處理將該金屬Mg氧化為MgO。因此，可避免由作為金屬氧化物的MgO的成膜所導(dǎo)致的問題。此外，MgO薄膜在成膜過程中由于上述問題而受到等離子體損害時，同樣受到等離子體損害從非結(jié)晶態(tài)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的MgO下層的CoFeB薄膜可保持非結(jié)晶態(tài)不變，因此，可使在CoFeB薄膜上生長的MgO薄膜生長為所需的結(jié)晶取向。此外,第二實施方式與第一實施方式不同,第一 CoFeB薄膜和MgO薄膜的熱處理和第二 CoFeB薄膜的熱處理是單獨的工序。因此，第一 CoFeB薄膜和第二 CoFeB薄膜的熱處理條件可以不同，可提高制造工藝的自由度。這例如在第一 CoFeB薄膜和第二 CoFeB薄膜的膜厚有很大差別的情況下等是有效的。本發(fā)明不僅限于該實施方式，并可在不脫離本發(fā)明要旨的范圍內(nèi)進行變更。在上述第一實施方式和第二實施方式的制造方法中，制造了層壓緩沖層、釘扎層、勢壘層、自由層和覆蓋層而構(gòu)成的TMR元件，但并不限于此。只要是至少具有由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成的磁性層(釘扎層或自由層)和與該磁性層鄰接的由MgO構(gòu)成的勢壘層的磁阻元件，則可適用本發(fā)明。符號說明1:穿隧磁阻元件10:基板20:緩沖層 30:釘扎層40:勢壘層50:自由層60:覆蓋層
權(quán)利要求
1.一種磁阻元件的制造方法，包括: 在基體上層壓第一層，所述第一層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成； 在所述第一層上層壓由Mg構(gòu)成的第二層； 對包括所述第一層和所述第二層的層壓體實施氧化處理，使所述第二層的Mg氧化為MgO ；以及 對所述層壓體實施加熱處理，使所述第二層結(jié)晶，且使所述第一層垂直磁化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件的制造方法，進一步包括: 在對所述層壓體實施氧化處理的工序之后，且在對所述層壓體實施加熱處理的工序之前，在所述第二層上層壓第三層，所述第三層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成； 在對所述層壓體實施加熱處理的工序中，進一步使所述第三層垂直磁化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻元件的制造方法，進一步包括: 在對所述層壓體實施加熱處理的工序之后，在所述第二層上層壓第三層，所述第三層由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成；以及 對所述層壓體實施加熱處理，使所述第三層垂直磁化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的磁阻元件的制造方法，其中，所述第一層和所述第三層由CoFeB系材料構(gòu)成，在層 壓所述第一層的工序中，所述第一層層壓為0.6nm以上且1.5nm以下的厚度，在層壓所述第三層的工序中，所述第三層層壓為0.6nm以上且1.5nm以下的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁阻元件的制造方法，其中，在層壓所述第一層的工序中，在由Ta構(gòu)成的第四層上直接層壓所述第一層； 根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁阻元件的制造方法進一步包括在所述第三層上直接層壓由Ta構(gòu)成的第五層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種無需MgO成膜工序的垂直磁化型磁性元件的制造方法。本發(fā)明的磁阻元件(1)的制造方法包括在基體(10)上層壓第一層(30)，該第一層(30)由包含Co、Ni和Fe中的至少一種的材料構(gòu)成。接著，在第一層(30)上層壓由Mg構(gòu)成的第二層(40)。接著，對包括所述第一層(30)和所述第二層(40)的層壓體實施氧化處理，使第二層(40)的Mg氧化為MgO。接著，對所述層壓體實施加熱處理，使第二層(40)結(jié)晶，并使第一層(30)垂直磁化。根據(jù)該制造方法，可在不產(chǎn)生由MgO成膜所引起的問題的情況下，制造出CoFeB-MgO系材料的垂直磁化型磁性元件。
文檔編號H01L43/08GK103250263SQ20118005807
公開日2013年8月14日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者山本弘輝, 森田正, 大野英男, 池田正二 申請人:株式會社愛發(fā)科, 國立大學(xué)法人東北大學(xué)