JP2002190632A - 酸化膜形成法と磁気トンネル接合素子の製法 - Google Patents
酸化膜形成法と磁気トンネル接合素子の製法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 下地層を酸化することなく薄いアルミナ等の
酸化膜を短時間で形成する方法を提供する。 【解決手段】 例えば磁気トンネル接合素子の製法にお
いて、Ｎｉ−Ｆｅ合金等の強磁性層１６の上にトンネル
バリア膜としてのアルミナ膜を形成する場合、強磁性層
１６の上にスパッタ法によりアルミニウム膜１８を形成
した後反応性スパッタ法によりアルミニウム膜１８の上
にアルミナ膜を被着しつつアルミニウム膜１８を酸化す
る。アルミニウム膜１８の厚さを１［ｎｍ］とし、被着
するアルミナ膜の厚さを０．２［ｎｍ］とすると、強磁
性層１６の上には、アルミニウム膜１８を酸化したアル
ミナ膜と被着したアルミナ膜との積層からなる厚さ約
１．５［ｎｍ］のアルミナ膜が形成される。強磁性層１
６の表面は、アルミニウム膜１８により酸化が防止され
る。
酸化膜を短時間で形成する方法を提供する。 【解決手段】 例えば磁気トンネル接合素子の製法にお
いて、Ｎｉ−Ｆｅ合金等の強磁性層１６の上にトンネル
バリア膜としてのアルミナ膜を形成する場合、強磁性層
１６の上にスパッタ法によりアルミニウム膜１８を形成
した後反応性スパッタ法によりアルミニウム膜１８の上
にアルミナ膜を被着しつつアルミニウム膜１８を酸化す
る。アルミニウム膜１８の厚さを１［ｎｍ］とし、被着
するアルミナ膜の厚さを０．２［ｎｍ］とすると、強磁
性層１６の上には、アルミニウム膜１８を酸化したアル
ミナ膜と被着したアルミナ膜との積層からなる厚さ約
１．５［ｎｍ］のアルミナ膜が形成される。強磁性層１
６の表面は、アルミニウム膜１８により酸化が防止され
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、アルミナ（酸化
アルミニウム）等の酸化膜を形成する方法と、この方法
を用いて磁気トンネル接合素子を製造する方法とに関す
るものである。
アルミニウム）等の酸化膜を形成する方法と、この方法
を用いて磁気トンネル接合素子を製造する方法とに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、磁気トンネル接合素子は、磁気ヘ
ッド、磁気メモリ、磁気センサ等に用いる磁気抵抗素子
として知られている。そして、磁気トンネル接合素子の
製法としては、図１０〜１２に示す方法が知られている
（例えば、特開２０００−９１６６８号公報参照）。
ッド、磁気メモリ、磁気センサ等に用いる磁気抵抗素子
として知られている。そして、磁気トンネル接合素子の
製法としては、図１０〜１２に示す方法が知られている
（例えば、特開２０００−９１６６８号公報参照）。
【０００３】図１０の工程では、Ｆｅ等の強磁性層１の
表面にスパッタ法により厚さ２［ｎｍ］のアルミニウム
膜２を形成する。次に、スパッタ室内に純酸素を導入
し、酸素圧力を２０［ｍＴｏｒｒ］〜２００［Ｔｏｒ
ｒ］の範囲内に設定して１０分間のあいだアルミニウム
膜２を酸化させる。この結果、図１１に示すようにアル
ミニウム膜２の表面にアルミナ膜３が形成される。この
アルミナ膜３は、トンネルバリア膜として用いられるも
のである。この後、図１２の工程では、アルミナ膜３の
上にスパッタ法によりＣｏ−Ｆｅ合金等の強磁性層４を
形成する。
表面にスパッタ法により厚さ２［ｎｍ］のアルミニウム
膜２を形成する。次に、スパッタ室内に純酸素を導入
し、酸素圧力を２０［ｍＴｏｒｒ］〜２００［Ｔｏｒ
ｒ］の範囲内に設定して１０分間のあいだアルミニウム
膜２を酸化させる。この結果、図１１に示すようにアル
ミニウム膜２の表面にアルミナ膜３が形成される。この
アルミナ膜３は、トンネルバリア膜として用いられるも
のである。この後、図１２の工程では、アルミナ膜３の
上にスパッタ法によりＣｏ−Ｆｅ合金等の強磁性層４を
形成する。
【０００４】トンネルバリア膜としてアルミナ膜を形成
する方法としては、（イ）アルミニウム膜を大気にさら
して自然酸化させる方法、（ロ）アルミニウム膜にプラ
ズマ酸化処理を施す方法等も知られている（方法（イ）
については特開２０００−９１６６８号公報参照、方法
（ロ）については特開２０００−３６６２８公報参
照）。
する方法としては、（イ）アルミニウム膜を大気にさら
して自然酸化させる方法、（ロ）アルミニウム膜にプラ
ズマ酸化処理を施す方法等も知られている（方法（イ）
については特開２０００−９１６６８号公報参照、方法
（ロ）については特開２０００−３６６２８公報参
照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】前記した（ロ）の従来
法によると、酸化が過剰になりやすく、下地層である強
磁性層がトンネルバリア膜との界面で酸化されるため、
磁気トンネル抵抗変化率が低下するという問題点があ
る。
法によると、酸化が過剰になりやすく、下地層である強
磁性層がトンネルバリア膜との界面で酸化されるため、
磁気トンネル抵抗変化率が低下するという問題点があ
る。
【０００６】また、前記した（イ）の従来法によると、
酸化処理に要する時間が数時間と長いこと、大気中の粉
塵によりトンネルバリア膜にピンホールや汚染が生じて
膜質不良を招くことなどの問題点がある。
酸化処理に要する時間が数時間と長いこと、大気中の粉
塵によりトンネルバリア膜にピンホールや汚染が生じて
膜質不良を招くことなどの問題点がある。
【０００７】さらに、図１０〜１２に関して前述した方
法は、前記した（イ）の方法の改良に係るものである
が、図１１に示すようにアルミナ膜３の下層に未酸化の
アルミニウム膜２が残存しやすく、残存するアルミニウ
ム膜２により磁気トンネル抵抗変化率が低下するという
問題点がある。その上、アルミニウム膜の酸化が不十分
であるため、磁気トンネル接合部の静電耐圧が低いこ
と、高温放置において磁気トンネル抵抗変化率の経時変
化が大きく、磁気トンネル接合素子の信頼性が低下する
ことなどの問題点がある。
法は、前記した（イ）の方法の改良に係るものである
が、図１１に示すようにアルミナ膜３の下層に未酸化の
アルミニウム膜２が残存しやすく、残存するアルミニウ
ム膜２により磁気トンネル抵抗変化率が低下するという
問題点がある。その上、アルミニウム膜の酸化が不十分
であるため、磁気トンネル接合部の静電耐圧が低いこ
と、高温放置において磁気トンネル抵抗変化率の経時変
化が大きく、磁気トンネル接合素子の信頼性が低下する
ことなどの問題点がある。
【０００８】この発明の目的は、下地層を酸化すること
なく薄い酸化膜を短時間で形成することができる新規な
酸化膜形成法を提供することにある。
なく薄い酸化膜を短時間で形成することができる新規な
酸化膜形成法を提供することにある。
【０００９】この発明の他の目的は、磁気トンネル抵抗
変化率、静電耐圧、信頼性及び生産性を向上させること
ができる新規な磁気トンネル接合素子の製法を提供する
ことにある。
変化率、静電耐圧、信頼性及び生産性を向上させること
ができる新規な磁気トンネル接合素子の製法を提供する
ことにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明に係る酸化膜形
成法は、酸化性の下地層の上にスパッタ法により導電材
を被着して導電膜を形成する工程と、酸化性雰囲気中で
反応性スパッタ法により前記導電材の酸化物を前記導電
膜の上に被着しつつ前記導電膜を酸化することにより前
記導電膜を酸化した第１の酸化膜と被着した酸化物から
なる第２の酸化膜とを含む第３の酸化膜を前記下地層の
上に形成する工程とを含むものである。
成法は、酸化性の下地層の上にスパッタ法により導電材
を被着して導電膜を形成する工程と、酸化性雰囲気中で
反応性スパッタ法により前記導電材の酸化物を前記導電
膜の上に被着しつつ前記導電膜を酸化することにより前
記導電膜を酸化した第１の酸化膜と被着した酸化物から
なる第２の酸化膜とを含む第３の酸化膜を前記下地層の
上に形成する工程とを含むものである。
【００１１】この発明の酸化膜形成法によれば、下地層
の上にスパッタ法により導電材を被着して導電膜を形成
した後、酸化性雰囲気中で反応性スパッタ法により導電
材の酸化物を導電膜の上に被着しつつ導電膜を酸化する
ようにしたので、下地層の酸化が導電膜で防止されると
共に、導電膜の酸化が導電材の酸化物の被着厚さの増大
に伴って抑制される。すなわち、この発明では、導電膜
に積極的に酸化処置を施すのではなく、導電膜の上に酸
化性雰囲気中で反応性スパッタ法により導電材の酸化物
を被着するのに伴って導電膜が酸化される現象を利用し
ているので、導電膜の厚さと第２の酸化膜の厚さとの比
を最適化することにより下地層と導電膜との界面丁度で
酸化を停止可能となる。例えば、第２の酸化膜の厚さを
導電膜の酸化完了に要する厚さに設定することにより導
電膜のみを酸化し、下地層の酸化を防止することができ
る。
の上にスパッタ法により導電材を被着して導電膜を形成
した後、酸化性雰囲気中で反応性スパッタ法により導電
材の酸化物を導電膜の上に被着しつつ導電膜を酸化する
ようにしたので、下地層の酸化が導電膜で防止されると
共に、導電膜の酸化が導電材の酸化物の被着厚さの増大
に伴って抑制される。すなわち、この発明では、導電膜
に積極的に酸化処置を施すのではなく、導電膜の上に酸
化性雰囲気中で反応性スパッタ法により導電材の酸化物
を被着するのに伴って導電膜が酸化される現象を利用し
ているので、導電膜の厚さと第２の酸化膜の厚さとの比
を最適化することにより下地層と導電膜との界面丁度で
酸化を停止可能となる。例えば、第２の酸化膜の厚さを
導電膜の酸化完了に要する厚さに設定することにより導
電膜のみを酸化し、下地層の酸化を防止することができ
る。
【００１２】この発明の酸化膜形成法においては、酸化
性雰囲気中で反応性スパッタ処理を行なう際に導電膜に
は酸素プラズマも作用するので、低温でも十分に導電膜
を酸化することができる。従って、第３の酸化膜として
は、導電膜を酸化した第１の酸化膜と被着した酸化物か
らなる第２の酸化膜とを含む良質の酸化膜が得られる。
また、スパッタ処理を用いるので、薄い酸化膜を短時間
で形成可能である。
性雰囲気中で反応性スパッタ処理を行なう際に導電膜に
は酸素プラズマも作用するので、低温でも十分に導電膜
を酸化することができる。従って、第３の酸化膜として
は、導電膜を酸化した第１の酸化膜と被着した酸化物か
らなる第２の酸化膜とを含む良質の酸化膜が得られる。
また、スパッタ処理を用いるので、薄い酸化膜を短時間
で形成可能である。
【００１３】この発明の酸化膜形成法において、導電材
としては、アルミニウム、チタン、マグネシウム等の金
属又はシリコン等の半導体を使用可能である。
としては、アルミニウム、チタン、マグネシウム等の金
属又はシリコン等の半導体を使用可能である。
【００１４】この発明に係る磁気トンネル接合素子の製
法は、酸化性の第１の強磁性層の上にスパッタ法により
導電材を被着して導電膜を形成する工程と、酸化性雰囲
気中で反応性スパッタ法により前記導電材の酸化物を前
記導電膜の上に被着しつつ前記導電膜を酸化することに
より前記導電膜を酸化した第１の酸化膜と被着した酸化
物からなる第２の酸化膜とを含む第３の酸化膜をトンネ
ルバリア膜として前記第１の強磁性層の上に形成する工
程と、前記トンネルバリア膜の上に前記第１の強磁性層
に対向して第２の強磁性層を形成する工程とを含むもの
である。
法は、酸化性の第１の強磁性層の上にスパッタ法により
導電材を被着して導電膜を形成する工程と、酸化性雰囲
気中で反応性スパッタ法により前記導電材の酸化物を前
記導電膜の上に被着しつつ前記導電膜を酸化することに
より前記導電膜を酸化した第１の酸化膜と被着した酸化
物からなる第２の酸化膜とを含む第３の酸化膜をトンネ
ルバリア膜として前記第１の強磁性層の上に形成する工
程と、前記トンネルバリア膜の上に前記第１の強磁性層
に対向して第２の強磁性層を形成する工程とを含むもの
である。
【００１５】この発明の磁気トンネル接合素子の製法
は、この発明の酸化膜形成法を用いて磁気トンネル接合
素子のトンネルバリア膜を形成することを特徴とするも
のである。このような特徴によれば、第１の強磁性層を
酸化することなく導電膜のみを酸化して第１及び第２の
酸化膜からなるトンネルバリア膜を形成することができ
るので、磁気トンネル抵抗変化率を向上させることがで
きる。また、トンネルバリア膜として良質の酸化膜を短
時間で形成することができるので、磁気トンネル接合素
子の静電耐圧、信頼性及び生産性を向上させることがで
きる。
は、この発明の酸化膜形成法を用いて磁気トンネル接合
素子のトンネルバリア膜を形成することを特徴とするも
のである。このような特徴によれば、第１の強磁性層を
酸化することなく導電膜のみを酸化して第１及び第２の
酸化膜からなるトンネルバリア膜を形成することができ
るので、磁気トンネル抵抗変化率を向上させることがで
きる。また、トンネルバリア膜として良質の酸化膜を短
時間で形成することができるので、磁気トンネル接合素
子の静電耐圧、信頼性及び生産性を向上させることがで
きる。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１〜６は、この発明の一実施形
態に係る磁気トンネル接合素子の製法を示すもので、各
々の図に対応する工程（１）〜（６）を順次に説明す
る。
態に係る磁気トンネル接合素子の製法を示すもので、各
々の図に対応する工程（１）〜（６）を順次に説明す
る。
【００１７】（１）基板１０として、シリコン基板の表
面に熱酸化法によりシリコンオキサイド膜を形成して絶
縁性を持たせたものを用意する。基板１０としては、ガ
ラス又は石英からなるものを用いてもよい。
面に熱酸化法によりシリコンオキサイド膜を形成して絶
縁性を持たせたものを用意する。基板１０としては、ガ
ラス又は石英からなるものを用いてもよい。
【００１８】基板１０の表面には、スパッタ法により電
極材層１２として厚さ１５［ｎｍ］のＴｉ層及び厚さ３
００［ｎｍ］のＣｕ層を順次に形成する。電極材層１２
としては、Ｔｉ層にＣｕ層を重ねた積層に限らず、Ｃｒ
又はＴｉからなる単層を用いてもよい。
極材層１２として厚さ１５［ｎｍ］のＴｉ層及び厚さ３
００［ｎｍ］のＣｕ層を順次に形成する。電極材層１２
としては、Ｔｉ層にＣｕ層を重ねた積層に限らず、Ｃｒ
又はＴｉからなる単層を用いてもよい。
【００１９】次に、電極材層１２の上にスパッタ法によ
り反強磁性層１４として厚さ５０［ｎｍ］のＰｔ−Ｍｎ
合金層を形成する。反強磁性層１４としては、Ｐｔ−Ｍ
ｎ合金の代りに、Ｒｈ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金等を
用いてもよい。反強磁性層１４を形成した後は、反強磁
性層１４の上にスパッタ法により強磁性層１６として厚
さ６［ｎｍ］のＮｉ−Ｆｅ合金層を形成する。強磁性層
１６としては、Ｎｉ−Ｆｅ合金に限らず、Ｎｉ，Ｆｅ，
Ｃｏのうちのいずれかの金属、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏのうち
の２つ以上の金属の合金又は金属間化合物等を用いても
よい。
り反強磁性層１４として厚さ５０［ｎｍ］のＰｔ−Ｍｎ
合金層を形成する。反強磁性層１４としては、Ｐｔ−Ｍ
ｎ合金の代りに、Ｒｈ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金等を
用いてもよい。反強磁性層１４を形成した後は、反強磁
性層１４の上にスパッタ法により強磁性層１６として厚
さ６［ｎｍ］のＮｉ−Ｆｅ合金層を形成する。強磁性層
１６としては、Ｎｉ−Ｆｅ合金に限らず、Ｎｉ，Ｆｅ，
Ｃｏのうちのいずれかの金属、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏのうち
の２つ以上の金属の合金又は金属間化合物等を用いても
よい。
【００２０】次に、強磁性層１６の上にスパッタ法によ
りアルミニウム膜１８を形成する。アルミニウム膜１８
の厚さは、例えば０．３〜２［ｎｍ］とすることができ
る。このとき、純アルミニウムターゲットを用い、スパ
ッタ条件は、一例として、 Ａｒガス圧力 ８［ｍＴｏｒｒ］ ＤＣパワー １００［Ｗ］ 基板温度 室温 成膜時間 １０［ｓｅｃ］ とすることができる。
りアルミニウム膜１８を形成する。アルミニウム膜１８
の厚さは、例えば０．３〜２［ｎｍ］とすることができ
る。このとき、純アルミニウムターゲットを用い、スパ
ッタ条件は、一例として、 Ａｒガス圧力 ８［ｍＴｏｒｒ］ ＤＣパワー １００［Ｗ］ 基板温度 室温 成膜時間 １０［ｓｅｃ］ とすることができる。
【００２１】（２）引き続いて、アルミニウム膜１８を
形成したのと同じスパッタ室内においてＡｒガスの供給
を停止する代わりにＯ２ガスを導入し、酸化性雰囲気中
で反応性スパッタ法によりアルミナ膜２０を形成する。
アルミナ膜２０の厚さは、例えば０．１〜０．５［ｎ
ｍ］とすることができる。このとき、ターゲットは、純
アルミニウムのままとし、スパッタ条件は、一例として Ｏ２ガス圧力 ８［ｍＴｏｒｒ］ ＤＣパワー １００［Ｗ］ 基板温度 室温 成膜時間 １０［ｓｅｃ］ とすることができる。この結果、厚さの均一なアルミナ
膜２０が形成される。アルミナ膜２０の厚さは、０．５
〜２．５［ｎｍ］となる。
形成したのと同じスパッタ室内においてＡｒガスの供給
を停止する代わりにＯ２ガスを導入し、酸化性雰囲気中
で反応性スパッタ法によりアルミナ膜２０を形成する。
アルミナ膜２０の厚さは、例えば０．１〜０．５［ｎ
ｍ］とすることができる。このとき、ターゲットは、純
アルミニウムのままとし、スパッタ条件は、一例として Ｏ２ガス圧力 ８［ｍＴｏｒｒ］ ＤＣパワー １００［Ｗ］ 基板温度 室温 成膜時間 １０［ｓｅｃ］ とすることができる。この結果、厚さの均一なアルミナ
膜２０が形成される。アルミナ膜２０の厚さは、０．５
〜２．５［ｎｍ］となる。
【００２２】図９は、アルミニウム膜１８の酸化過程を
示すものである。図９（Ａ）に示すように強磁性層１６
の上にスパッタ処理によりアルミニウム膜１８を形成し
た後、図９（Ｂ）に示すように反応性スパッタ処理によ
りアルミナ膜２０ｂを形成すると、アルミニウム膜１８
は、反応性スパッタ処理中にＯ２ガスの存在やＯ２プラ
ズマの作用により酸化され、アルミナ膜２０ａに変化す
る。このため、反応性スパッタ処理の終了時に得られる
アルミナ膜２０は、図９（Ｃ）に示すようにアルミニウ
ム膜１８を酸化した第１のアルミナ膜２０ａと、反応性
スパッタ処理で被着したアルミナからなる第２のアルミ
ナ膜２０ｂとで構成される。第２のアルミナ膜２０ｂの
厚さをアルミニウム膜１８の酸化完了に要する厚さに設
定することによりアルミニウム膜１８のみを酸化し、強
磁性層１６の酸化を防ぐことができる。アルミニウム膜
１８の厚さは、通常、１〜２［ｎｍ］であり、このよう
な厚さの膜１８の酸化が完了するように第２のアルミナ
膜２０ｂの厚さを定めるとよい。なお、反応性スパッタ
処理は、その前のスパッタ処理とは別のスパッタ室に被
処理ウエハを移して行なうようにしてもよい。
示すものである。図９（Ａ）に示すように強磁性層１６
の上にスパッタ処理によりアルミニウム膜１８を形成し
た後、図９（Ｂ）に示すように反応性スパッタ処理によ
りアルミナ膜２０ｂを形成すると、アルミニウム膜１８
は、反応性スパッタ処理中にＯ２ガスの存在やＯ２プラ
ズマの作用により酸化され、アルミナ膜２０ａに変化す
る。このため、反応性スパッタ処理の終了時に得られる
アルミナ膜２０は、図９（Ｃ）に示すようにアルミニウ
ム膜１８を酸化した第１のアルミナ膜２０ａと、反応性
スパッタ処理で被着したアルミナからなる第２のアルミ
ナ膜２０ｂとで構成される。第２のアルミナ膜２０ｂの
厚さをアルミニウム膜１８の酸化完了に要する厚さに設
定することによりアルミニウム膜１８のみを酸化し、強
磁性層１６の酸化を防ぐことができる。アルミニウム膜
１８の厚さは、通常、１〜２［ｎｍ］であり、このよう
な厚さの膜１８の酸化が完了するように第２のアルミナ
膜２０ｂの厚さを定めるとよい。なお、反応性スパッタ
処理は、その前のスパッタ処理とは別のスパッタ室に被
処理ウエハを移して行なうようにしてもよい。
【００２３】（３）次に、アルミナ膜２０の上にスパッ
タ法により強磁性層２２として厚さ８０［ｎｍ］のＮｉ
−Ｆｅ合金層を形成する。強磁性層２２としては、Ｎｉ
−Ｆｅ合金に限らず、強磁性層１６に関して前述したと
同様の強磁性材を用いてもよい。
タ法により強磁性層２２として厚さ８０［ｎｍ］のＮｉ
−Ｆｅ合金層を形成する。強磁性層２２としては、Ｎｉ
−Ｆｅ合金に限らず、強磁性層１６に関して前述したと
同様の強磁性材を用いてもよい。
【００２４】（４）次に、レジスト層をマスクとするイ
オンミリング処理により電極材層１２から強磁性層２２
までの積層を所定の下部電極パターンに従ってパターニ
ングすることにより電極材層１２の残存部からなる下部
電極層１２Ａを形成する。そして、このときのパターニ
ングに用いたレジスト層を除去する。
オンミリング処理により電極材層１２から強磁性層２２
までの積層を所定の下部電極パターンに従ってパターニ
ングすることにより電極材層１２の残存部からなる下部
電極層１２Ａを形成する。そして、このときのパターニ
ングに用いたレジスト層を除去する。
【００２５】次に、レジスト層をマスクとするイオンミ
リング処理により反強磁性層１４から強磁性層２２まで
の積層を所定のパターンに従ってパターニングすること
により図４に示すように反強磁性層１４、強磁性層１
６、アルミナ膜２０Ａ（アルミナ膜２０の一部）及び強
磁性層２２の積層を電極層１２Ａ上に残存させる。そし
て、このときのパターニングに用いたレジスト層を除去
する。アルミナ膜２０Ａは、トンネルバリア膜として用
いられるものである。
リング処理により反強磁性層１４から強磁性層２２まで
の積層を所定のパターンに従ってパターニングすること
により図４に示すように反強磁性層１４、強磁性層１
６、アルミナ膜２０Ａ（アルミナ膜２０の一部）及び強
磁性層２２の積層を電極層１２Ａ上に残存させる。そし
て、このときのパターニングに用いたレジスト層を除去
する。アルミナ膜２０Ａは、トンネルバリア膜として用
いられるものである。
【００２６】（５）次に、レジスト層をマスクとするイ
オンミリング処理により強磁性層２２を所定の素子パタ
ーンに従ってパターニングすることにより例えば長辺の
長さ１２０［μｍ］で短辺の長さ２０［μｍ］の長方形
の平面形状にて強磁性層２２を図５に示す様にトンネル
バリア膜２０Ａの上に残存させる。そして、このときの
パターニングに用いたレジスト層を除去する。
オンミリング処理により強磁性層２２を所定の素子パタ
ーンに従ってパターニングすることにより例えば長辺の
長さ１２０［μｍ］で短辺の長さ２０［μｍ］の長方形
の平面形状にて強磁性層２２を図５に示す様にトンネル
バリア膜２０Ａの上に残存させる。そして、このときの
パターニングに用いたレジスト層を除去する。
【００２７】（６）基板１０の上面にスパッタ法により
層間絶縁膜２４として厚さ１０００［ｎｍ］のシリコン
オキサイド膜を形成する。そして、レジスト層をマスク
とするイオンミリング処理により絶縁膜２４に強磁性層
２２の一部を露呈する接続孔を形成する。この後、絶縁
膜２４の上にスパッタ法により電極材層として厚さ３０
０［ｎｍ］のＣｕ層を形成し、このＣｕ層を所定の上部
電極パターンに従ってパターニングすることにより強磁
性層２２につながる上部電極層２６を形成する。
層間絶縁膜２４として厚さ１０００［ｎｍ］のシリコン
オキサイド膜を形成する。そして、レジスト層をマスク
とするイオンミリング処理により絶縁膜２４に強磁性層
２２の一部を露呈する接続孔を形成する。この後、絶縁
膜２４の上にスパッタ法により電極材層として厚さ３０
０［ｎｍ］のＣｕ層を形成し、このＣｕ層を所定の上部
電極パターンに従ってパターニングすることにより強磁
性層２２につながる上部電極層２６を形成する。
【００２８】上記した実施形態では、図５の工程で素子
形状を決定したが、図４の工程で素子形状を決定して図
５の工程を省略する（図６の工程に移る）ようにしても
よい。
形状を決定したが、図４の工程で素子形状を決定して図
５の工程を省略する（図６の工程に移る）ようにしても
よい。
【００２９】図６に示した磁気トンネル接合素子におい
て、反強磁性層１４は、強磁性層１６の磁化の向きを固
定すべく作用し、強磁性層１６は、固定層となる。一
方、強磁性層２２は、磁化の向きが自由であり（固定さ
れず）、フリー層となる。
て、反強磁性層１４は、強磁性層１６の磁化の向きを固
定すべく作用し、強磁性層１６は、固定層となる。一
方、強磁性層２２は、磁化の向きが自由であり（固定さ
れず）、フリー層となる。
【００３０】電極層１２Ａ，２６間に一定の電流を流し
た状態において、強磁性層２２の平面内に外部磁界を印
加すると、磁界の向きと強さに応じて強磁性層１６，２
２の間で磁化の相対角度が変化し、この相対角度の変化
に応じて電極層１２Ａ，２６間の電気抵抗値が変化す
る。磁化の向きが平行状態又は反平行状態になるのにそ
れぞれ対応して抵抗値が最小又は最大となる。従って、
抵抗値の変化に基づいて磁界検出を行なうことができ
る。
た状態において、強磁性層２２の平面内に外部磁界を印
加すると、磁界の向きと強さに応じて強磁性層１６，２
２の間で磁化の相対角度が変化し、この相対角度の変化
に応じて電極層１２Ａ，２６間の電気抵抗値が変化す
る。磁化の向きが平行状態又は反平行状態になるのにそ
れぞれ対応して抵抗値が最小又は最大となる。従って、
抵抗値の変化に基づいて磁界検出を行なうことができ
る。
【００３１】図７は、この発明に係る磁気トンネル接合
素子と従来の磁気トンネル接合素子とで静電耐圧特性を
対比して示すものである。この発明に係る磁気トンネル
接合素子は、図１〜６に関して前述したと同様の方法
（素子形状を図４の工程で決定して図５の工程を省略し
た方法）で製作され、従来の磁気トンネル接合素子は、
トンネルバリア膜（図４の２０Ａに相当）を自然酸化法
（アルミニウム膜を大気にさらす方法）で形成した点を
除きこの発明に係る磁気トンネル接合素子と同様に製作
された。
素子と従来の磁気トンネル接合素子とで静電耐圧特性を
対比して示すものである。この発明に係る磁気トンネル
接合素子は、図１〜６に関して前述したと同様の方法
（素子形状を図４の工程で決定して図５の工程を省略し
た方法）で製作され、従来の磁気トンネル接合素子は、
トンネルバリア膜（図４の２０Ａに相当）を自然酸化法
（アルミニウム膜を大気にさらす方法）で形成した点を
除きこの発明に係る磁気トンネル接合素子と同様に製作
された。
【００３２】図７において、横軸は、一対の電極層（図
２６の１２Ａ，２６に対応）に印加した電圧［Ｖ］を示
し、縦軸は、一対の電極層間の電気抵抗の変化率を示
す。カーブＳ１１及びＳ２１は、それぞれこの発明及び
従来の磁気トンネル接合素子の静電耐圧特性を示す。図
７によれば、この発明に係る磁気トンネル接合素子の方
が従来の磁気トンネル接合素子に比べて静電耐圧の高い
ことがわかる。
２６の１２Ａ，２６に対応）に印加した電圧［Ｖ］を示
し、縦軸は、一対の電極層間の電気抵抗の変化率を示
す。カーブＳ１１及びＳ２１は、それぞれこの発明及び
従来の磁気トンネル接合素子の静電耐圧特性を示す。図
７によれば、この発明に係る磁気トンネル接合素子の方
が従来の磁気トンネル接合素子に比べて静電耐圧の高い
ことがわかる。
【００３３】図８は、この発明に係る磁気トンネル接合
素子と従来の磁気トンネル接合素子とで２８０℃の高温
放置におけるＭＲ比の経時変化特性を対比して示すもの
である。特性測定に用いたこの発明及び従来の磁気トン
ネル接合素子は、図７に関して前述したのと同様のもの
である。ＭＲ比は、最大の磁気トンネル抵抗／最小の磁
気トンネル抵抗である。カーブＳ１２及びＳ２２は、そ
れぞれこの発明及び従来の磁気トンネル接合素子の経時
変化特性を示す。図８によれば、この発明に係る磁気ト
ンネル接合素子の方が従来の磁気トンネル接合素子に比
べてＭＲ比の経時変化が少なく、信頼性が高いことがわ
かる。
素子と従来の磁気トンネル接合素子とで２８０℃の高温
放置におけるＭＲ比の経時変化特性を対比して示すもの
である。特性測定に用いたこの発明及び従来の磁気トン
ネル接合素子は、図７に関して前述したのと同様のもの
である。ＭＲ比は、最大の磁気トンネル抵抗／最小の磁
気トンネル抵抗である。カーブＳ１２及びＳ２２は、そ
れぞれこの発明及び従来の磁気トンネル接合素子の経時
変化特性を示す。図８によれば、この発明に係る磁気ト
ンネル接合素子の方が従来の磁気トンネル接合素子に比
べてＭＲ比の経時変化が少なく、信頼性が高いことがわ
かる。
【００３４】トンネルバリア膜の作成時間をこの発明に
係る磁気トンネル接合素子と従来の磁気トンネル接合素
子とで比較したところ、この発明の素子では基板（ウエ
ハ）１枚当り２分であったのに対し、従来の素子では基
板１枚当り１８０分であった。比較に用いたこの発明及
び従来の磁気トンネル接合素子は、図７に関して前述し
たのと同様のものである。この発明の素子に関するトン
ネルバリア膜の作成時間には、前述したアルミニウム膜
及びアルミナ膜の成膜時間の他に基板をスパッタ室に出
し入れする時間等も含まれる。この発明の製法によれ
ば、トンネルバリア膜の作成時間を大幅に短縮すること
ができ、生産性が向上する。
係る磁気トンネル接合素子と従来の磁気トンネル接合素
子とで比較したところ、この発明の素子では基板（ウエ
ハ）１枚当り２分であったのに対し、従来の素子では基
板１枚当り１８０分であった。比較に用いたこの発明及
び従来の磁気トンネル接合素子は、図７に関して前述し
たのと同様のものである。この発明の素子に関するトン
ネルバリア膜の作成時間には、前述したアルミニウム膜
及びアルミナ膜の成膜時間の他に基板をスパッタ室に出
し入れする時間等も含まれる。この発明の製法によれ
ば、トンネルバリア膜の作成時間を大幅に短縮すること
ができ、生産性が向上する。
【００３５】この発明は、上記した実施形態に限定され
るものではなく、種々の改変形態で実施可能なものであ
る。例えば、次のような変更が可能である。
るものではなく、種々の改変形態で実施可能なものであ
る。例えば、次のような変更が可能である。
【００３６】（１）図３の工程で強磁性層２２を形成し
た後、強磁性層２２の上にＭｏ等の耐エッチング性の導
電膜を形成してもよい。このようにすると、図６の工程
で絶縁膜２４に選択エッチングで接続孔を形成する際に
強磁性層２２がエッチングされるのを防ぐことができ
る。
た後、強磁性層２２の上にＭｏ等の耐エッチング性の導
電膜を形成してもよい。このようにすると、図６の工程
で絶縁膜２４に選択エッチングで接続孔を形成する際に
強磁性層２２がエッチングされるのを防ぐことができ
る。
【００３７】（２）強磁性層２２は、単層構造に限ら
ず、例えばＮｉ−Ｆｅ合金層の下に厚さ２［ｎｍ］のＣ
ｏ層を敷くなどして複数層構造としてもよい。
ず、例えばＮｉ−Ｆｅ合金層の下に厚さ２［ｎｍ］のＣ
ｏ層を敷くなどして複数層構造としてもよい。
【００３８】（３）反強磁性層１４を上方の強磁性層２
２の上に形成することにより強磁性層２２を固定層とす
ると共に強磁性層１６をフリー層としてもよい。
２の上に形成することにより強磁性層２２を固定層とす
ると共に強磁性層１６をフリー層としてもよい。
【００３９】（４）トンネルバリア膜２０Ａの材料とし
ては、金属又は半導体を改変した酸化物（例えばＴｉＯ
ｘ，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３＋ＳｉＯ２［サイア
ロン］）、窒化物（ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４）又は酸化窒化
物（ＡｌＮ−Ａｌ２Ｏ３）等を用いてもよい。
ては、金属又は半導体を改変した酸化物（例えばＴｉＯ
ｘ，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３＋ＳｉＯ２［サイア
ロン］）、窒化物（ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４）又は酸化窒化
物（ＡｌＮ−Ａｌ２Ｏ３）等を用いてもよい。
【００４０】（５）電極層１２Ａの材料としてＣｕ，Ｔ
ｉ，Ｃｒ等を用いるようにしたが、Ｗ，Ｔａ，Ａｕ，Ｍ
ｏ等の導電性非磁性金属材料を用いるようにしてもよ
い。電極層２６についても、これらの金属材料を使用可
能である。
ｉ，Ｃｒ等を用いるようにしたが、Ｗ，Ｔａ，Ａｕ，Ｍ
ｏ等の導電性非磁性金属材料を用いるようにしてもよ
い。電極層２６についても、これらの金属材料を使用可
能である。
【００４１】
【発明の効果】以上のように、この発明の酸化膜形成法
によれば、下地層を酸化することなく良質の薄い酸化膜
を短時間で形成可能となる効果が得られる。
によれば、下地層を酸化することなく良質の薄い酸化膜
を短時間で形成可能となる効果が得られる。
【００４２】また、この発明の磁気トンネル接合素子の
製法によれば、この発明の酸化膜形成法によりトンネル
バリア膜としての酸化膜を形成するので、磁気トンネル
抵抗変化率、静電耐圧、信頼性及び生産性が向上する効
果が得られる。
製法によれば、この発明の酸化膜形成法によりトンネル
バリア膜としての酸化膜を形成するので、磁気トンネル
抵抗変化率、静電耐圧、信頼性及び生産性が向上する効
果が得られる。
【図１】 この発明の一実施形態に係る磁気トンネル接
合素子の製法におけるアルミニウム膜形成工程を示す基
板断面図である。
合素子の製法におけるアルミニウム膜形成工程を示す基
板断面図である。
【図２】 図１の工程に続くアルミナ膜形成工程を示す
基板断面図である。
基板断面図である。
【図３】 図２の工程に続く強磁性層形成工程を示す基
板断面図である。
板断面図である。
【図４】 図３の工程に続くイオンミリング工程を示す
基板断面図である。
基板断面図である。
【図５】 図４の工程に続くイオンミリング工程を示す
基板断面図である。
基板断面図である。
【図６】 図５の工程に続く絶縁膜形成工程及び電極層
形成工程を示す基板断面図である。
形成工程を示す基板断面図である。
【図７】 この発明に係る磁気トンネル接合素子と従来
の磁気トンネル接合素子とに関して静電耐圧特性を示す
グラフである。
の磁気トンネル接合素子とに関して静電耐圧特性を示す
グラフである。
【図８】 この発明に係る磁気トンネル接合素子と従来
の磁気トンネル接合素子とに関して高温放置時のＭＲ比
の経時変化特性を示すグラフである。
の磁気トンネル接合素子とに関して高温放置時のＭＲ比
の経時変化特性を示すグラフである。
【図９】 アルミニウム膜１８の酸化過程を示す断面図
である。
である。
【図１０】 従来の磁気トンネル接合素子の製法におけ
るアルミニウム膜形成工程を示す断面図である。
るアルミニウム膜形成工程を示す断面図である。
【図１１】 図９の工程に続くアルミナ膜形成工程を示
す断面図である。
す断面図である。
【図１２】 図１０の工程に続く強磁性層形成工程を示
す断面図である。
す断面図である。
１０：基板、１２：電極材層、１２Ａ，２６：電極層、
１４：反強磁性層、１６，２２：強磁性層、１８：アル
ミニウム膜、２０：アルミナ膜、２０Ａ：トンネルバリ
ア膜、２４：絶縁膜。
１４：反強磁性層、１６，２２：強磁性層、１８：アル
ミニウム膜、２０：アルミナ膜、２０Ａ：トンネルバリ
ア膜、２４：絶縁膜。
Claims (2)
- 【請求項１】酸化性の下地層の上にスパッタ法により導
電材を被着して導電膜を形成する工程と、 酸化性雰囲気中で反応性スパッタ法により前記導電材の
酸化物を前記導電膜の上に被着しつつ前記導電膜を酸化
することにより前記導電膜を酸化した第１の酸化膜と被
着した酸化物からなる第２の酸化膜とを含む第３の酸化
膜を前記下地層の上に形成する工程とを含む酸化膜形成
法。 - 【請求項２】酸化性の第１の強磁性層の上にスパッタ法
により導電材を被着して導電膜を形成する工程と、 酸化性雰囲気中で反応性スパッタ法により前記導電材の
酸化物を前記導電膜の上に被着しつつ前記導電膜を酸化
することにより前記導電膜を酸化した第１の酸化膜と被
着した酸化物からなる第２の酸化膜とを含む第３の酸化
膜をトンネルバリア膜として前記第１の強磁性層の上に
形成する工程と、 前記トンネルバリア膜の上に前記第１の強磁性層に対向
して第２の強磁性層を形成する工程とを含む磁気トンネ
ル接合素子の製法。
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