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)動裝置的放音磁頭、磁隨機存取存 儲器的存儲元件及磁傳感器所使用的隧道磁阻薄膜(優(yōu)選為自 旋閥型隧道磁阻薄膜)及磁性多層膜制作裝置。
背景技術(shù)：
在非專利文獻1中公開了將非晶態(tài)的CoFeB作為強磁性電 極、將NaCl結(jié)構(gòu)的MgO膜作為隧道勢壘(tunnel barrier )層 的自旋閥型隧道》茲阻薄膜。該隧道磁阻薄膜4吏用CoFe層作為第 一磁化固定層，使用非晶態(tài)的CoFeB層作為第二磁化固定層。 于是，利用高溫退火自非晶態(tài)的CoFeB結(jié)晶出體心立方結(jié)構(gòu)的 CoFe，實現(xiàn)(001 )取向的MgO層與CoFe ( 001 ) [110]// MgO(OOl) [100]的外延關(guān)系。由此，可獲得理論上的較高的 TMR (隧道磁阻；Tunneling Magneto Resistance )效果(參 照非專利文獻2)。
但是，為了在第一磁化固定層與第二磁化固定層之間呈現(xiàn) 出較高的交換耦合磁場，通常將用作交換耦合用非磁性層的R u 層的膜厚設(shè)定得較薄。具體地講，如非專利文獻3中公開的那 樣，Ru層的膜厚為RKKY ( Ruderman Kittel Kasuya Yosida ) 相互作用的被稱作第2 ( 2nd)波峰的0.7~ 0.9nm。因此，存在 如下問題由于在高于360°C的溫度下或者即使在360°C下進行 長時間的退火，其較薄的Ru層也會擴散為第一磁化固定層、第 二磁化固定層，無法呈現(xiàn)交換耦合磁場(參照非專利文獻2)。
磁性層的M n合金構(gòu)成的反鐵磁性層中熱擴散的效果(參照非專利文獻4)。
根據(jù)Lee等的報告可知，通過增加Ru層的膜厚會提高耐熱 性，還可知，通過進行高溫退火會進一步增加MR比(磁阻變 化率)。
但是，增加Ru膜厚會降低基于RKKY相互作用的交換耦合 磁場，因此不實用。特別是，由于在磁隨機存取存儲器的制造 工序中存在超過35(TC的高溫工藝，因此上述問題非常嚴重。
非專利文獻l: D.D.-卞亇7° ，々< ，(Djayaprawira ) 等，"應(yīng)用物理學(xué)快報(Applied Physics Letters )，，，86， 092502 (2005 )
非專利文獻2: Y.S.于3, (Choi)等，"應(yīng)用物理學(xué)快報 (Applied Physics Letters)", 101, 013907 ( 2007)
非專利文獻3:長谷川他，"日本応用磁気學(xué)會誌(日本應(yīng) 用f茲學(xué)會刊物)，，，vol,24， No.9， 1239 ( 2000)
非專利文獻4: Y.M. y — ( Lee )等，"應(yīng)用物理學(xué)快報 (Applied Physics Letters )，，， 89, 042506 ( 2006)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的i果題在于提供一種MR比高的自旋閥型隧道磁阻 薄膜。更具體地講，其目的在于提供一種這樣的結(jié)構(gòu)，即，在 維持用作交換耦合用非磁性層的Ru層的薄膜的狀態(tài)下，改良耐 熱性，即使經(jīng)過高溫退火，Ru層也良好地呈現(xiàn)交換耦合磁場。
本發(fā)明的第l技術(shù)方案是一種隧道磁阻薄膜，其特征在于， 該隧道磁阻薄膜&括反鐵磁性層、隧道勢壘層、位于上述反鐵 磁性層側(cè)且含有,茲性體及硼原子的第 一磁化固定層、位于上述 隧道勢壘層側(cè)且含有^f茲性體及硼原子的第二》茲化固定層、位于 上述第 一磁化固定層與上述第二磁化固定層之間的交換耦合用非磁性層、磁化自由層，上述第一磁化固定層包括位于上述反 鐵磁性層側(cè)的反鐵磁性層側(cè)的層和位于上述交換耦合用非磁性 層側(cè)的交換耦合用非磁性層側(cè)的層，該反鐵磁性層側(cè)的層與該 交換耦合用非磁性層側(cè)的層各自所含有的硼原子的、以
atomic。/o表示的含有率互不相同。
在本發(fā)明中，作為優(yōu)選技術(shù)方案包括以下結(jié)構(gòu)。 上述隧道勢壘層是含有(001)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂膜。
上述第 一 磁化固定層的反鐵磁性層側(cè)的層所含有的硼原子 的含有率是大于上述第 一 磁化固定層的交換耦合用非磁性層側(cè)
的層所含有的硼原子的含有率的值。
上述第 一磁化固定層的反鐵磁性層側(cè)的層是含有鐵原子、 50atomicM以上的鈷原子、5atomicQ/Q以上的硼原子的合金，上 述第 一磁化固定層的交換耦合用非磁性層側(cè)的層由含有鐵原 子、50atomicQ/。以上的鈷原子、小于5atomic°/"々硼原子的合金 構(gòu)成。
上述第二磁化固定層的交換耦合用非磁性層側(cè)的層所含有 的硼原子的含有率是大于上述第二磁化固定層的隧道勢壘層側(cè) 的層所含有的硼原子的含有率的值。
上述第二磁化固定層具有層疊體結(jié)構(gòu)，該層疊體構(gòu)造具有 位于上述交換耦合用非磁性層側(cè)的交換耦合用非磁性層側(cè)的層 及位于上述隧道勢壘層側(cè)的隧道勢壘層側(cè)的層，該交換耦合用 非磁性層側(cè)的層是含有鐵原子、50atomic%以上的鈷原子、 15atomic。/。以上的硼原子的合金，該隧道勢壘層側(cè)的層由含有 40atomic%以上的4失原子、5atomic%以上的硼原子及 15atomic%"下的鈷原子的非晶態(tài)合金構(gòu)成。
上述交換耦合用非磁性層由含有從Ru原子、Rh原子及Ir
8原子構(gòu)成的組中選出的至少一種原子的金屬或合金構(gòu)成，其膜
厚為lnm以下。
本發(fā)明的第2技術(shù)方案是 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，其設(shè)有機械手輸送裝置；
第l濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括含有鈷原子、鐵原子及硼原子的第一磁性體靶材、含有與該 第一磁性體靶材中的硼原子含有率不同的硼原子、鈷原子及鐵 原子的第二磁性體靶材、實質(zhì)上不含有硼原子而含有鈷及鐵原 子的第三磁性體耙材、含有反鐵磁性體的反鐵磁性體耙材、含 有非磁性體的交換耦合用非磁性體革巴材；
第2濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括氧化鎂靶材及/或鎂耙材；第3濺射成膜腔，其通過閘閥與 上述輸送腔連接配置，通過使用磁性體靶材的濺射法成膜磁化 自由層；
輸送機構(gòu)，其用于在上述第l濺射成膜腔中，通過使用上 述反鐵磁性體靶材的濺射法在基板上成膜反鐵磁性層，通過使 用上述第一磁性體靶材的濺射法在該反鐵磁性層上成膜第一磁 性體的磁化固定層，通過使用第二磁性體革巴材的濺射法在第一 磁性體的磁化固定層上成膜第二磁性體的磁化固定層，通過使 用非磁性體耙材的'減射法在第二磁性體的磁化固定層上成膜交 換耦合用非磁性層，通過使用上述第三磁性體靶材的濺射法在 該交換耦合用非磁性層上成膜第三磁性體的磁化固定層；在上 述第2賊射成膜腔中，通過使用氧化鎂靶材及/或鎂耙材的濺 射法在第三磁性體的磁化固定層上成膜由氧化鎂層或金屬鎂層 構(gòu)成及由氧化鎂層的層疊體構(gòu)成的隧道勢壘層；在上述第3濺 射成膜腔中，在隧道勢壘層上成膜磁化自由層。在本發(fā)明中，作為優(yōu)選的技術(shù)方案包括上述第一磁性體靶 材中的硼原子含有率是大于上述第二磁性體靶材中的硼原子含 有率的值的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的第3技術(shù)方案是 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，其設(shè)有機械手輸送裝置；
第l濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括含有鈷原子、鐵原子及硼原子的第一磁性體靶材、含有與該 第 一 磁性體靶材中的硼原子含有率不同的硼原子、鈷原子及鐵 原子的第二磁性體耙材、含有反鐵磁性體的反鐵磁性體靶材、 含有非磁性體的交換耦合用非磁性體靶材；
第2濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括含有鈷原子、鐵原子及硼原子的第三磁性體靶材、含有與該 第三磁性體靶材中的硼原子含有率不同的硼原子、鈷原子及鐵 原子的第四磁性體靶材；
第3賊射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括氧化鎂靶材及/或鎂靶材；
第4濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，通 過使用磁性體靶材的'踐射法成膜磁化自由層；
輸送機構(gòu)，其用于在上述第l賊射成膜腔中，通過使用上 述反鐵磁性體靶材的濺射法在基板上成膜反鐵磁性層，通過使 用上述第一磁性體耙材的'踐射法在該反鐵磁性層上成膜第一磁 性體的磁化固定層，通過使用第二 > 茲性體靶材的濺射法在第一 磁性體的磁化固定層上成膜第二磁性體的磁化固定層，通過使 用非磁性體輩巴材的濺射法在第二磁性體的磁化固定層上成膜交 換耦合用非磁性層；在上述第2濺射成膜腔中，通過使用上述 第三磁性體耙材的濺射法在上述交換耦合用非磁性層上成膜第三磁性體的磁化固定層，通過使用上述第四磁性體靶材的濺射 法在第三磁性體的磁化固定層上成膜第四磁性體的磁化固定
層；在上述第3賊射成膜腔中，通過使用氧化鎂靶材及/或鎂 耙材的濺射法在第四磁性體的磁化固定層上成膜由氧化鎂層或 金屬鎂層構(gòu)成及由氧化鎂層的層疊體構(gòu)成的隧道勢壘層；在上 述第4濺射成膜腔中，在隧道勢壘層上成膜磁化自由層。
在本發(fā)明中，作為優(yōu)選技術(shù)方案包括上述第一磁性體靶材 中的硼原子含有率是大于上述第二磁性體靶材中的硼原子含有 率的值的結(jié)構(gòu)。
采用本發(fā)明，在較高的溫度區(qū)域中進行退火的條件下，能 獲得較大的MR比。
另外，采用本發(fā)明，在較高的溫度區(qū)域中進行退火的條件 下，可獲得較高的交換耦合磁場(Hex*)的數(shù)值及較高的飽和 磁場(Hs*)的數(shù)值。
特別是，本發(fā)明能有利地應(yīng)用于必須經(jīng)350。C以上的高溫 工藝的磁隨機存取存儲器(MRAM)的制造工序。


圖l是本發(fā)明的隧道磁阻薄膜的實施方式的剖視示意圖。 圖2是本發(fā)明的隧道磁阻薄膜的實施方式的剖視示意圖。 圖3是示意地表示用于制造本發(fā)明的隧道磁阻薄膜的濺鍍
裝置的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖4是表示MRAM的結(jié)構(gòu)的圖。
圖5是圖4的MRAM的1個存儲單元的剖視示意圖。
圖6是圖4的MRAM的1個存儲單元的等效電路圖。
圖7是表示本發(fā)明實施例1的隧道磁阻薄膜的MR比的退火
溫度依存性的圖。
ii圖8是表示本發(fā)明實施例l的隧道磁阻薄膜的第 一磁化固 定層和第二磁化固定層之間的交換耦合磁場以及其飽和磁場的 退火溫度依存性的圖。
圖9是表示隧道磁阻薄膜中的、隔著交換耦合用非磁性層 的第 一磁化固定層和第二磁化固定層之間的交換耦合磁場以及 其飽和/f茲場的定義的圖。
附圖標(biāo)記"i兌明
1、基板；2、緩沖層；3、 13、反鐵磁性層；4、 14、第l 磁化固定層；4a、 14a、反鐵磁性層側(cè)的層；4b、 14b、交換耦 合用非磁性層側(cè)的層；5、交換耦合用非磁性層；6、 16、第2 磁化固定層；6c、 16c、交換耦合用非磁性層側(cè)的層；6d、 16d、 隧道勢壘層側(cè)的層；7、 17、隧道勢壘層；8、磁化自由層；9、 保護層；20、真空輸送室；21、 22、 23、 24、濺射室；21a、 Co7oFe2oBio耙材；21b、 Ta靶材；21c、 PtMn靶材；21d、 Co6oFe2。B2o耙材；21e、 Ru靶材；22a、 Co7。Fe3。靶材；22b、 PtMn耙材；22c、 Co64Fei6B2(^材；22d、 Ru耙材；22e、 Co22Fe6sBi2靶材；23a、 MgO靶材；23b、 Mg靶材；24a、 Ta 靶材；24b、 CoeoFe2。B2o靶材；24c、 Ru靶材；25、基板前處 理室；26、氧化處理室；27、加載互鎖真空室(load-lock chamber); 28、基板輸送用機械手；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。
具體實施例方式
使用

本發(fā)明的實施方式。
圖l及圖2是本發(fā)明的隧道磁阻薄膜的優(yōu)選實施方式的剖 視示意圖。
本發(fā)明的隧道磁阻薄膜是至少由反鐵磁性層、第 一磁化固定層、交換耦合用非磁性層、第二磁化固定層、隧道勢壘層、 磁化自由層構(gòu)成的層疊體。在該層疊體內(nèi)，上述各層按反鐵磁 性層、第一磁化固定層、交換耦合用非磁性層、第二磁化固定 層、隧道勢壘層、磁化自由層的順序?qū)盈B。
圖1的(a )是將反鐵磁性層3配置在基板1側(cè)的底部 (bottom)型，圖l的(b)是將磁化自由層8配置在基板1側(cè)的 頂部(top)型。并且，在本發(fā)明中，還優(yōu)選應(yīng)用如圖2所示地 夾著》茲化自由層8而乂人/磁化自由層8側(cè)開始向兩側(cè)依次層疊隧 道勢壘層、第二磁化固定層、交換耦合用非磁性層、第一磁化 固定層、反鐵磁性層而成的雙重(dual)型。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)上的特征在于，第一磁化固定層4、 14和第 二磁化固定層6、 16中的至少一方用由互不相同的磁性材料構(gòu) 成的2層以上的層疊體構(gòu)成。圖l及圖2的例子為第一磁化固定 層4、 14和第二磁化固定層6、 16雙方均為2層結(jié)構(gòu)的情況。另 外，為了方便，將第一磁化固定層4、 14的與反鐵磁性層3、 13 相連接的一側(cè)4a、 14a稱作a層，將第一磁化固定層4、 14的與 交換耦合用非磁性層5、 15相連接的一側(cè)4b、 14b稱作b層。另 外，將第二磁化固定層6、 16的與交換耦合用非磁性層5、 15 相連接的一側(cè)6c、 16c稱作c層，將第二磁化固定層6、 16的與 隧道勢壘層7、 17相連接的一側(cè)6d、 16d稱作d層。
^磁性材^f的構(gòu)成元素不同、構(gòu)成元素的組合不同、構(gòu)成元 素的組合相同而組成比不同的情況都包括在在本發(fā)明中所說的 由互不相同的》茲性材泮牛構(gòu)成之內(nèi)。
本發(fā)明優(yōu)選的磁性材料的組合為，第一磁化固定層4、 14 的反鐵磁性層側(cè)的層4a、 14a是含有50atomic%以上的Co 、 5atomic。/。以上的B的CoFeB合金(CoFeB )。與此相對，交換 耦合用非磁性層側(cè)的層4b 、 14b優(yōu)選為含有50atomic%以上的Co的CoFe合金(CoFe)或者包含50atomic。/。以上的Co、小于 5atomic。/。的B的CoFeB。在反鐵磁性層側(cè)的層4a、 14a以及交 換耦合用非磁性層側(cè)的層4b、 14b中可以含有微量的其他成分， 例如Ni (鎳)、C (碳)等。
另外，第二磁化固定層6、 16的交換耦合用非磁性層側(cè)的 層6a、 16a優(yōu)選為含有50atomic。/。以上的Co、 5atomic。/o以上的 B的CoFeB。與此相對，隧道勢壘層側(cè)的層6d、 16d優(yōu)選為含 有40atomicO/o以上的Fe、 5atomic0/o 15atomic0/oW B的非晶態(tài) 的CoFeB。在交換耦合用非磁性層側(cè)的層6a、 16a以及隧道勢 壘層側(cè)的層6d、 16d中可以含有微量的其他成分，例如Ni(鎳)、 N (氮)、C (碳)等。
另外，在本發(fā)明中，優(yōu)選在磁化自由層8所使用的CoFeB 合金、CoFe合金可以100atomicQ/。為該合金構(gòu)成元素，但也可 以含有微量的其他元素(例如Ni、 N、 C等)。
第一磁化固定層4、 14的膜厚優(yōu)選為使作用于反鐵磁性層 3、 13與第一磁化固定層4、 14之間的交換耦合磁場(Hex)為 lkOe以上的膜厚。具體地講，根據(jù)反鐵磁性層3、 13和第一磁 化固定層4、 14所使用的材料不同，該膜厚也會有所不同，但 典型地采用2.5nm以下。另外，第一磁化固定層4、 14的a層4a、 14a與b層4b、 14b的膜厚之比不需要為l: l的均等比，即使是 不均等的膜厚比，只要較薄一方的膜厚為0.5nm以上，就能夠 期待同樣的效果。
第二磁化固定層6、 16的總膜厚優(yōu)選為使夾著交換耦合用 非磁性層5、 15的第一磁化固定層4、 14與第二磁化固定層6、 16之間的交換耦合磁場(HeZ)為lkOe以上的膜厚。具體地講， 根據(jù)第一磁化固定層4、 14、交換耦合用非磁性層5、 15和第二 磁化固定層6、 16所使用的材料不同，該膜厚也會有所不同，但典型地采用3nm以下。另外，在第二磁化固定層6、 16中，c 層6c、 16c與d層6d、 16d的膜厚之比不需要一定為1: l的均等 比，即使是不均等的膜厚比，只要較薄一方的膜厚為0.5nm以 上，就能夠期待同樣的效果。
在本發(fā)明的隧道磁阻薄膜中，作為隧道勢壘層7、 17,優(yōu) 選使用含有(001)取向的MgO晶粒的MgO膜。該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，若在29=43°附近出現(xiàn)(200 )衍射波峰，則間接可知為 (001)取向。另外，作為更直接的確認方法，可以利用透射 型電子顯微鏡觀察截面圖像，從而根據(jù)該點陣間距確認(001 ) 取向。此時，通過向MgO層照射電子射線，解析其衍射圖案， 能夠更明確地確認(001)取向。
作為隧道勢壘層7、 17,也可以-使用Mg/MgO的2層膜。
該Mg/ MgO膜是:y氺力7 (人名)等發(fā)表于應(yīng)用物理學(xué)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、 一磁隨機存取存 儲器所需要的RA值為1 ~ 10000Qpm2，因此，上述2層膜的膜 厚典型為1 ~ 2nm之間。
另外，本發(fā)明的交換耦合用非磁性層5、 15優(yōu)選由從Ru、 Rh、 Ir中選出的一種或2種以上構(gòu)成的合金構(gòu)成，其膜厚為lnm 以下。Ru層的膜厚需要做成通過RKKY相互作用而在第一磁化 固定層4、 14與第二磁化固定層6、 16之間呈現(xiàn)反鐵磁耦合
(antiferromagnetic coupling)的膜厚，實用上優(yōu)選為凈皮稱 作第2 ( 2nd)波峰的0.7~ 0.9nm。
并且，作為本發(fā)明的反鐵磁性層3、 13,優(yōu)選使用PtMn， 由于需要做成能呈現(xiàn)較強的反鐵磁耦合的膜厚，因此膜厚優(yōu)選為10 30nm。除PtMn之外，還優(yōu)選4吏用IrMn、 IrMnCr、 NiMn、 PdPtMn、 RuR固n、 OsMn等。
接著，說明本發(fā)明的隧道磁阻薄膜的制造方法。本發(fā)明的 隧道磁阻薄膜自基板l側(cè)依次層疊期望的膜即可。
圖3是示意地表示能用于制造本發(fā)明的隧道磁阻薄膜的賊 射裝置的結(jié)構(gòu)的俯視圖。該裝置由搭載有2臺基板輸送用的機 械手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)21~24、基板前處理室25、氧化處理室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 —ePa以下的真空室，各真空室間的基板的移動利 用真空輸送機械手28在真空中進行。
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底部型隧 道磁阻薄膜的情況為例進行說明。各層的結(jié)構(gòu)為，緩沖層2為 Ta(10nm)、反鐵磁性層3為PtMn ( 15nm )、交換耦合用非磁 性層5為Ru ( 0.85nm)、隧道勢壘層7為MgO ( lnm )、磁化自 由層8為Co6。Fe2oB20 ( 3nm)。另夕卜，4果護層9為Ta ( 10nm ) /Ru(7nm)。括號內(nèi)表示膜厚。另外，Co60Fe20B2(^下標(biāo)數(shù) 字表示atomic0/。(下同)。
為了使PtMn層通過退火有序化而呈現(xiàn)反鐵磁性，使Pt含 有量為47 ~ 51 ( atomic% )地調(diào)整濺射靶材(sputtering target)的組成和成膜條件(氣體種類、氣壓、投入電力)。在 反鐵磁性層3使用IrMn的情況下，使Ir含有量為18 ~ 30 (atomic%)地調(diào)整濺射耙材的組成和成膜條件(氣體種類、氣壓、投入電力)。為了獲得盡量高的Hex，膜厚優(yōu)選為4~
15nm。另外，作為在IrMn層與作為緩沖層2的Ta層之間促進 具有fcc結(jié)構(gòu)的IrMn的(111)取向的晶種層(seed layer),若 使用Ru層效果更佳，Ru層的膜厚優(yōu)選為1 ~ 50nm。
為了有效地制成上述那樣的膜結(jié)構(gòu)，將濺射靶材如下那樣 配置在各濺射室中。在濺射室21中配置Co7oFe2oBio濺射靶材 21a、 Ta賊射耙材21b、 PtMn'減射耙材21c、 Co6。Fe2oB2()賊射 耙材21d以及Ru賊射耙材21e。在賊射室22中配置Co7oFe3o濺射 耙材22a、 PtMn濺射耙材22b、 Co64Fei6B20濺射輩巴材22c、 Ru 濺射靶材22d以及Co22Fe6eBi2濺射靶材22e。另外，在濺射室 23中配置MgO'踐射靶材23a和Mg'減射靶材23b。在濺射室24中 配置Ta賊射靶材24a、 Co6oFe2oB2o濺射靶材24b、 Ru濺射耙材 24c。在此，可以使用濺射室21或22在同一個濺射室中將反鐵 磁性層3、第一磁化固定層4或14、交換耦合用非磁性層5及第 二磁化固定層6或16層疊成膜。
另外，可以通過使用濺射室21及22兩者進行的濺射，來成 膜由圖1及圖2中圖示的反鐵磁性層3、第一磁化固定層4或14、 交換耦合用非磁性層5及第二磁化固定層6或16構(gòu)成的層疊體。
成膜例
將基板1輸送到基板前處理室25 ,通過逆向濺射蝕刻 (reverse sputter etching),用物理方法除去在大氣中被污染 了的表面層的大約2nm。之后，將基板1輸送到濺射室21內(nèi)， 在濺射室21內(nèi)，層疊成膜至Ta (緩沖層2) /PtMn(反鐵磁性 層3) /第一磁化固定層4/Ru (交換耦合用非磁性層5) /第 二磁化固定層6 (笫l工藝)。
另外，將基板1輸送到基板前處理室25,通過逆向濺射蝕將基板1輸送到濺射室21內(nèi)，在濺射室21內(nèi)，使Ta(緩沖層2) 成膜。接著，將帶有Ta(緩沖層2)的基板1移動到濺射室22 中，在濺射室22內(nèi)層疊成膜至PtMn (反鐵磁性層3) /第一磁 化固定層4/Ru (交換耦合用非磁性層5) /第二磁化固定層6 (第2工藝)。
在上述第1工藝及第2工藝的情況下，成膜至第二磁化固定 層6之后，將基板1移動到濺射室23內(nèi)，制成MgO(氧化鎂)膜 或者Mg (鎂)/ MgO (氧化鎂)的2層膜來作為隧道勢壘層7。
另外，作為MgO隧道勢壘層的形成方法，可以在濺射室23 中制成金屬Mg膜，然后將基板輸送到氧化處理室26內(nèi)，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7之后，將基板輸送到 賊射室24內(nèi)，成膜CoFeB (磁化自由層8) /Ta(保護層9) / Ru(保護層9)，然后返回到加載互鎖真空室27中。
之后，將制成的隧道磁阻薄膜放入磁場中的退火爐中，一 邊對其施加強度為8kOe以上的沿一個方向平行的磁場， 一邊在 真空中以期望的溫度和時間進行退火處理。關(guān)于適當(dāng)?shù)臏囟群?時間，定性上是導(dǎo)致能量為非晶態(tài)CoFeB層的晶化能量以上、 且用作交換耦合用非磁性層的極薄R u層因熱擴散而劣化的能 量以下的溫度和時間。典型地為25(TC 36(TC ,但鑒于與上述 能量的關(guān)系，在低溫情況下，優(yōu)選為5小時以上的長時間，在 高溫情況下，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)動裝置的放音磁 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,茲阻薄膜的MRAM。
圖4是示意地表示MRAM的結(jié)構(gòu)的圖，圖5是MRAM的1個 存儲單元的剖視示意圖，圖6是1個存儲單元的等效電路圖。在
18MRAM中，附圖標(biāo)記42是重寫用字線，附圖標(biāo)記43是位線，附 圖標(biāo)記44是讀取用字線，附圖標(biāo)記45是磁阻元件。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5、圖6所示，MRAM的存儲單元由在位線43與讀取用 字線44的交點位置存儲1位信息的磁阻(TMR)元件45、具有 開關(guān)功能的晶體三極管46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 (a)所示的隧道勢壘層7兩側(cè)的強i茲 性層(第二磁化固定層6及磁化自由層8)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。在第二石茲化固定層 6與磁化自由層8的》茲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》茲化固定層6與^茲化自由層8的^i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。 這樣，通過利用外部磁場為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4的MRAM中，如圖5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， <又 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磁場的影響而發(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， 或者僅受到位線43及重寫用字線42中的任一方磁場的影響，因 此，磁化自由層未發(fā)生反磁化。這樣，僅使期望的存儲單元的 TMR元件45的磁化自由層發(fā)生反磁化而進行寫入。在讀取時， 位于TMR元件45下方的晶體三極管46的門極承擔(dān)讀取用字線 44的作用。由于4又在位于位線43與讀耳又用字線44的交點處的存儲單元的T M R元件4 5中流有電流，因此，通過檢測此時的電壓， 能夠測定該TMR元件45的電阻值，獲得"1"或"0"的信息。
實施例
實施例1
使用圖3所示的裝置制作底部型的自旋閥型隧道磁阻薄 膜。在本例子中，緩沖層2為Ta( 10nm),反鐵磁性層3為PtMn (15nm),交換耦合用非磁性層5為Ru ( 0.85nm),隧道勢壘 層7為Mg0( lnm),磁化自由層8為Co60Fe20B20 ( 3nm )。另夕卜， 保護層9為Ta ( 10nm ) / Ru ( 7nm )。第一磁化固定層4的反 鐵磁性層側(cè)的層4a使用Co6oFe20B20 ( 1.25nm)，交換耦合用非 磁性層側(cè)的層4b使用Co70Fe20Bi0 ( 1.25nm)，第二磁化固定層 6使用Co60Fe2oB20 ( 3nm )的單層。
另一方面，作為比較例，制作了第一磁化固定層4的反鐵 磁性層側(cè)的層4a使用Co7oFe2oBio (2.5nm),交換耦合用非磁 性層側(cè)的層4b使用Co6oFe2oB2() ( 1.25nm)，除此之外與上述相 同結(jié)構(gòu)的隧道》茲阻薄膜。
在本例的情況下，在圖3所示的濺射室21中連續(xù)地實施從 緩沖層2的Ta到隧道勢壘層7成膜之前的工序(截至第二磁化固 定層6的工序)。
圖7和圖8分別表示在將退火時間固定為2小時的狀態(tài)下， 使退火溫度在27(TC ~ 40(TC的范圍內(nèi)變化時的MR比與交換耦 合磁場。
圖7的圖中的特性曲線71表示本發(fā)明例的特性，特性曲線 72表示上述比較例的特性。
根據(jù)圖7的特性比較可看出，比較例以退火溫度380。C為 界，MR比急劇減少。另一方面，本發(fā)明例直到40(TC附近的穩(wěn) 定維持較高的MR比。圖8表示在自旋閥型隧道磁阻薄膜的磁化曲線中，夾著交 換耦合用非磁性層5的第 一磁化固定層4與第二磁化固定層6之 間的交換耦合磁場(Hex*)以及其飽和磁場(Hs*)的退火溫 度依存性。He^與HZ的定義示于圖9中。
圖8的圖中的特性曲線81表示本發(fā)明例的交換耦合磁場 (Hex*)，特性曲線82表示比較例的交換耦合磁場(Hex*)。
圖8的圖中的特性曲線83表示本發(fā)明例的々包和^茲場(Hs* )， 特性曲線84表示比較例的飽和磁場(Hs*)。
根據(jù)圖8，本發(fā)明例與比較例相比，交換耦合磁場He^在
高溫區(qū)域顯示較高的值。本發(fā)明例與比較例相比，可獲得飽和
磁場H s *在低溫側(cè)也顯示較高的值的效果。
另外，在本例中，MR比、Hs*、 He^的測定方法如下所述。 MR比4吏用12端子#罙針的Current - In — Plane
Tunneling ( CIPT )法。CIPT法的測定原理記載于
D.C.Worledge， P.L.Trouilloud,"應(yīng)用物理學(xué)快報(Applied
Physics Letters)", 83 ( 2003 )， 84_86中。
Hs*、 HexM吏用振動樣品磁力計(VSM),根據(jù)獲得的磁化
曲線求得。VSM的測定原理例如公開于"實驗物理學(xué)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
的第二磁化固定層6 ( Co60Fe20B20 ( 3nm)的單層)，而采用第 二磁化固定層6的交換耦合用非磁性層側(cè)的層6c使用 Co64Fei6B2o (膜厚1.5nm ),隧道勢壘層側(cè)的層6d使用 Co22Fe66Bi2 (膜厚1.5nm )的第二磁化固定層6之外，與實 施例l的本發(fā)明例相同。本例在圖3的濺射室21中在基板l上成膜Ta層(緩沖層2)， 將帶有Ta層的基板l移送到濺射室22內(nèi)，在該濺射室22內(nèi)從第 一磁化固定層4連續(xù)地成膜到第二磁化固定層6。
對于本例的隧道磁阻薄膜，與實施例l同樣地調(diào)查了在2小 時的退火時間內(nèi)改變退火溫度的情況下的MR比和交換耦合磁 場，與實施例l同樣地與比較例相比4交，可確認在高溫的退火 溫度下也具有壽交高的M R比、交換耦合》茲場和飽和磁場。
實施例3
在圖2所示的隧道》茲阻薄膜中，作為第一》茲化固定層4及第 二磁化固定層6，使用與上述實施例2所使用的第二磁化固定層 6相同的材料，其他層使用與實施例l相同的材料。
另外，在本例子中，在圖3的濺射室21內(nèi)在基板l上成膜Ta 層(緩沖層2)，同樣地，在圖3的濺射室21內(nèi)實施從第一磁化 固定層4到第二磁化固定層6的工藝，在濺射室23內(nèi)成膜隧道勢 壘層7,在濺射室22內(nèi)實施從第二磁化固定層16到第一磁化固 定層14的工藝。
本例可獲得與上述實施例1同樣的結(jié)果。
2權(quán)利要求
1.一種隧道磁阻薄膜，其特征在于，該隧道磁阻薄膜包括反鐵磁性層；隧道勢壘層；第一磁化固定層，其位于上述反鐵磁性層側(cè)，且含有磁性體及硼原子；第二磁化固定層，其位于上述隧道勢壘層側(cè)，且含有磁性體及硼原子；交換耦合用非磁性層，其位于上述第一磁化固定層與上述第二磁化固定層之間；磁化自由層；上述第一磁化固定層包括位于上述反鐵磁性層側(cè)的反鐵磁性層側(cè)的層和位于上述交換耦合用非磁性層側(cè)的交換耦合用非磁性層側(cè)的層，該反鐵磁性層側(cè)的層與該交換耦合用非磁性層側(cè)的層各自所含有的硼原子的、以atomic％表示的含有率互不相同。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其中， 上述隧道勢壘層是含有(001)取向的氧化鎂晶粒的氧化鎂膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其中，上述第 一 磁化固定層的反鐵磁性層側(cè)的層所含有的硼原子 的含有率是大于上述第一磁化固定層的交換耦合用非磁性層側(cè)的層所含有的硼原子的含有率的值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其特征在于， 上述第 一磁化固定層的反鐵磁性層側(cè)的層是含有鐵原子、50atomicM以上的鈷原子、5atomicM以上的硼原子的合金，上 述第 一磁化固定層的交換耦合用非磁性層側(cè)的層由含有鐵原 子、50atomicy。以上的鈷原子、小于5atomic。/。的硼原子的合金構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其特征在于，上述第二磁化固定層的交換耦合用非磁性層側(cè)的層所含有 的硼原子的含有率是大于上述第二磁化固定層的隧道勢壘層側(cè) 的層所含有的硼原子的含有率的值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其特征在于， 上述第二磁化固定層具有層疊體結(jié)構(gòu)，該層疊體結(jié)構(gòu)具有位于上述交換耦合用非磁性層側(cè)的交換耦合用非磁性層側(cè)的層 及位于上述隧道勢壘層側(cè)的隧道勢壘層側(cè)的層，該交換耦合用 非磁性層側(cè)的層是含有鐵原子、50atomic%以上的鈷原子、 15atomic%以上的硼原子的合金，該隧道勢壘層側(cè)的層由含有 40atomic%以上的鐵原子、5atomic%以上的硼原子及 15atomic%以下的鈷原子的非晶態(tài)合金構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其特征在于， 上述交換耦合用非磁性層由含有從Ru原子、Rh原子及Ir原子構(gòu)成的組中選出的至少一種原子的金屬或合金構(gòu)成，其膜 厚為lnm以下。
8. —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，其設(shè)有機械手輸送裝置；第l濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括含有鈷原子、鐵原子及硼原子的第一磁性體靶材、含有與該 第一磁性體耙材中的硼原子含有率不同的硼原子、鈷原子及鐵 原子的第二磁性體靶材、實質(zhì)上不含有硼原子而含有鈷及鐵原 子的第三磁性體耙材、含有反鐵磁性體的反鐵磁性體靶材、含 有非磁性體的交換耦合用非磁性體耙材；第2濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包括氧化鎂靶材及/或鎂靶材；第3濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，通 過使用磁性體耙材的濺射法成膜磁化自由層；輸送機構(gòu)，其用于在上述第l濺射成膜腔中，通過使用上 述反鐵磁性體靶材的濺射法在基板上成膜反鐵磁性層，通過使 用上述第一磁性體靶材的'減射法在該反鐵磁性層上成膜第一磁 性體的磁化固定層，通過使用第二磁性體耙材的濺射法在第一 磁性體的磁化固定層上成膜第二磁性體的磁化固定層，通過使 用非磁性體靶材的濺射法在第二磁性體的磁化固定層上成膜交 換耦合用非磁性層，通過使用上述第三磁性體靶材的濺射法在 該交換耦合用非磁性層上成膜第三磁性體的磁化固定層；在上 述第2 '減射成膜腔中，通過使用氧化鎂耙材及/或鎂靶材的濺 射法在第三磁性體的磁化固定層上成膜由氧化鎂層構(gòu)成或由金 屬鎂層及氧化鎂層的層疊體構(gòu)成的隧道勢壘層；在上述第3濺 射成膜腔中，在隧道勢壘層上成膜磁化自由層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁性多層膜制作裝置，其特征在于，上述第一磁性體靶材中的硼原子含有率是大于上述第二磁 性體耙材中的硼原子含有率的值。
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，其設(shè)有機械手輸送裝置；第l濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括含有鈷原子、鐵原子及硼原子的第一磁性體靶材、含有與該 第一磁性體革巴材中的硼原子含有率不同的硼原子、鈷原子及鐵 原子的第二磁性體靶材、含有反鐵磁性體的反鐵磁性體靶材、 含有非磁性體的交換耦合用非磁性體靶材；第2濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括含有鈷原子、鐵原子及硼原子的第三磁性體靶材、含有與該 第三磁性體靶材中的硼原子含有率不同的硼原子、鈷原子及鐵 原子的第四磁性體耙材；第3'減射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，包 括氧化鎂靼材及/或鎂靶材；第4濺射成膜腔，其通過閘閥與上述輸送腔連接配置，通 過使用磁性體靶材的濺射法成膜磁化自由層；輸送機構(gòu)，其用于在上述第l濺射成膜腔中，通過使用上 述反鐵磁性體靶材的濺射法在基板上成膜反鐵磁性層，通過使 用上述第一磁性體靶材的濺射法在該反鐵磁性層上成膜第一磁 性體的磁化固定層，通過使用第二磁性體乾材的濺射法在第一 磁性體的磁化固定層上成膜第二磁性體的磁化固定層，通過使 用非磁性體耙材的賊射法在第二磁性體的磁化固定層上成膜交 換耦合用非磁性層；在上述第2濺射成膜腔中，通過使用上述 第三磁性體耙材的賊射法在上述交換耦合用非磁性層上成膜第 三磁性體的磁化固定層，通過使用上述第四f茲性體靶材的濺射 法在第三磁性體的磁化固定層上成膜第四磁性體的磁化固定 層；在上述第3濺射成膜腔中，通過使用氧化鎂耙材及/或鎂 靶材的'賊射法在第四磁性體的磁化固定層上成膜由氧化鎂層構(gòu) 成或由金屬鎂層及氧化鎂層的層疊體構(gòu)成的隧道勢壘層；在上 述第4'減射成膜腔中，在隧道勢壘層上成膜磁化自由層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁性多層膜制作裝置，其特征 在于，上述第一磁性體靶材中的硼原子含有率是大于上述第二磁 性體耙材中的硼原子含有率的值。
全文摘要
本發(fā)明提供隧道磁阻薄膜及磁性多層膜制作裝置。在維持用作交換耦合用非磁性層的Ru層為薄膜的狀態(tài)下，改良耐熱性，即使經(jīng)過高溫退火，Ru層也良好地呈現(xiàn)交換耦合磁場，MR比高。在隧道磁阻薄膜中，將夾著交換耦合用非磁性層(5)層疊的第一磁化固定層(4)及第二磁化固定層(6)中的至少一層做成由互不相同的磁性材料構(gòu)成的2層以上的層疊結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L43/08GK101542767SQ20088000058
公開日2009年9月23日 申請日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者恒川孝二, 永峰佳紀 申請人:佳能安內(nèi)華股份有限公司