隧道磁阻薄膜及磁性多层膜制作装置的制作方法

专利名称：隧道磁阻薄膜及磁性多层膜制作装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种磁盘驱动装置的放音磁头、磁随机存取存 储器的存储元件及磁传感器所使用的隧道磁阻薄膜(优选为自 旋阀型隧道磁阻薄膜)及磁性多层膜制作装置。
背景技术：
在非专利文献1中公开了将非晶态的CoFeB作为强磁性电 极、将NaCl结构的MgO膜作为隧道势垒(tunnel barrier )层 的自旋阀型隧道》兹阻薄膜。该隧道磁阻薄膜4吏用CoFe层作为第 一磁化固定层，使用非晶态的CoFeB层作为第二磁化固定层。 于是，利用高温退火自非晶态的CoFeB结晶出体心立方结构的 CoFe，实现(001 )取向的MgO层与CoFe ( 001 ) [110]// MgO(OOl) [100]的外延关系。由此，可获得理论上的较高的 TMR (隧道磁阻；Tunneling Magneto Resistance )效果(参 照非专利文献2)。
但是，为了在第一磁化固定层与第二磁化固定层之间呈现 出较高的交换耦合磁场，通常将用作交换耦合用非磁性层的R u 层的膜厚设定得较薄。具体地讲，如非专利文献3中公开的那 样，Ru层的膜厚为RKKY ( Ruderman Kittel Kasuya Yosida ) 相互作用的被称作第2 ( 2nd)波峰的0.7~ 0.9nm。因此，存在 如下问题由于在高于360°C的温度下或者即使在360°C下进行 长时间的退火，其较薄的Ru层也会扩散为第一磁化固定层、第 二磁化固定层，无法呈现交换耦合磁场(参照非专利文献2)。
磁性层的M n合金构成的反铁磁性层中热扩散的效果(参照非专利文献4)。
根据Lee等的报告可知，通过增加Ru层的膜厚会提高耐热 性，还可知，通过进行高温退火会进一步增加MR比(磁阻变 化率)。
但是，增加Ru膜厚会降低基于RKKY相互作用的交换耦合 磁场，因此不实用。特别是，由于在磁随机存取存储器的制造 工序中存在超过35(TC的高温工艺，因此上述问题非常严重。
非专利文献l: D.D.-卞亇7° ，々< ，(Djayaprawira ) 等，"应用物理学快报(Applied Physics Letters )，，，86， 092502 (2005 )
非专利文献2: Y.S.于3, (Choi)等，"应用物理学快报 (Applied Physics Letters)", 101, 013907 ( 2007)
非专利文献3:长谷川他，"日本応用磁気学会誌(日本应 用f兹学会刊物)，，，vol,24， No.9， 1239 ( 2000)
非专利文献4: Y.M. y — ( Lee )等，"应用物理学快报 (Applied Physics Letters )，，， 89, 042506 ( 2006)

发明内容
本发明的i果题在于提供一种MR比高的自旋阀型隧道磁阻 薄膜。更具体地讲，其目的在于提供一种这样的结构，即，在 维持用作交换耦合用非磁性层的Ru层的薄膜的状态下，改良耐 热性，即使经过高温退火，Ru层也良好地呈现交换耦合磁场。
本发明的第l技术方案是一种隧道磁阻薄膜，其特征在于， 该隧道磁阻薄膜&括反铁磁性层、隧道势垒层、位于上述反铁 磁性层侧且含有,兹性体及硼原子的第 一磁化固定层、位于上述 隧道势垒层侧且含有^f兹性体及硼原子的第二》兹化固定层、位于 上述第 一磁化固定层与上述第二磁化固定层之间的交换耦合用非磁性层、磁化自由层，上述第一磁化固定层包括位于上述反 铁磁性层侧的反铁磁性层侧的层和位于上述交换耦合用非磁性 层侧的交换耦合用非磁性层侧的层，该反铁磁性层侧的层与该 交换耦合用非磁性层侧的层各自所含有的硼原子的、以
atomic。/o表示的含有率互不相同。
在本发明中，作为优选技术方案包括以下结构。 上述隧道势垒层是含有(001)取向的氧化镁晶粒的氧化镁膜。
上述第 一 磁化固定层的反铁磁性层侧的层所含有的硼原子 的含有率是大于上述第 一 磁化固定层的交换耦合用非磁性层侧
的层所含有的硼原子的含有率的值。
上述第 一磁化固定层的反铁磁性层侧的层是含有铁原子、 50atomicM以上的钴原子、5atomicQ/Q以上的硼原子的合金，上 述第 一磁化固定层的交换耦合用非磁性层侧的层由含有铁原 子、50atomicQ/。以上的钴原子、小于5atomic°/"々硼原子的合金 构成。
上述第二磁化固定层的交换耦合用非磁性层侧的层所含有 的硼原子的含有率是大于上述第二磁化固定层的隧道势垒层侧 的层所含有的硼原子的含有率的值。
上述第二磁化固定层具有层叠体结构，该层叠体构造具有 位于上述交换耦合用非磁性层侧的交换耦合用非磁性层侧的层 及位于上述隧道势垒层侧的隧道势垒层侧的层，该交换耦合用 非磁性层侧的层是含有铁原子、50atomic%以上的钴原子、 15atomic。/。以上的硼原子的合金，该隧道势垒层侧的层由含有 40atomic%以上的4失原子、5atomic%以上的硼原子及 15atomic%"下的钴原子的非晶态合金构成。
上述交换耦合用非磁性层由含有从Ru原子、Rh原子及Ir
8原子构成的组中选出的至少一种原子的金属或合金构成，其膜
厚为lnm以下。
本发明的第2技术方案是 一 种磁性多层膜制作装置，其特 征在于，该磁性多层膜制作装置包括
输送腔，其设有机械手输送装置；
第l溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括含有钴原子、铁原子及硼原子的第一磁性体靶材、含有与该 第一磁性体靶材中的硼原子含有率不同的硼原子、钴原子及铁 原子的第二磁性体靶材、实质上不含有硼原子而含有钴及铁原 子的第三磁性体耙材、含有反铁磁性体的反铁磁性体耙材、含 有非磁性体的交换耦合用非磁性体革巴材；
第2溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括氧化镁靶材及/或镁耙材；第3溅射成膜腔，其通过闸阀与 上述输送腔连接配置，通过使用磁性体靶材的溅射法成膜磁化 自由层；
输送机构，其用于在上述第l溅射成膜腔中，通过使用上 述反铁磁性体靶材的濺射法在基板上成膜反铁磁性层，通过使 用上述第一磁性体靶材的溅射法在该反铁磁性层上成膜第一磁 性体的磁化固定层，通过使用第二磁性体革巴材的溅射法在第一 磁性体的磁化固定层上成膜第二磁性体的磁化固定层，通过使 用非磁性体耙材的'减射法在第二磁性体的磁化固定层上成膜交 换耦合用非磁性层，通过使用上述第三磁性体靶材的溅射法在 该交换耦合用非磁性层上成膜第三磁性体的磁化固定层；在上 述第2賊射成膜腔中，通过使用氧化镁靶材及/或镁耙材的溅 射法在第三磁性体的磁化固定层上成膜由氧化镁层或金属镁层 构成及由氧化镁层的层叠体构成的隧道势垒层；在上述第3溅 射成膜腔中，在隧道势垒层上成膜磁化自由层。在本发明中，作为优选的技术方案包括上述第一磁性体靶 材中的硼原子含有率是大于上述第二磁性体靶材中的硼原子含 有率的值的结构。
本发明的第3技术方案是 一 种磁性多层膜制作装置，其特 征在于，该磁性多层膜制作装置包括 输送腔，其设有机械手输送装置；
第l溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括含有钴原子、铁原子及硼原子的第一磁性体靶材、含有与该 第 一 磁性体靶材中的硼原子含有率不同的硼原子、钴原子及铁 原子的第二磁性体耙材、含有反铁磁性体的反铁磁性体靶材、 含有非磁性体的交换耦合用非磁性体靶材；
第2溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括含有钴原子、铁原子及硼原子的第三磁性体靶材、含有与该 第三磁性体靶材中的硼原子含有率不同的硼原子、钴原子及铁 原子的第四磁性体靶材；
第3賊射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括氧化镁靶材及/或镁靶材；
第4溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，通 过使用磁性体靶材的'践射法成膜磁化自由层；
输送机构，其用于在上述第l賊射成膜腔中，通过使用上 述反铁磁性体靶材的溅射法在基板上成膜反铁磁性层，通过使 用上述第一磁性体耙材的'践射法在该反铁磁性层上成膜第一磁 性体的磁化固定层，通过使用第二 > 兹性体靶材的溅射法在第一 磁性体的磁化固定层上成膜第二磁性体的磁化固定层，通过使 用非磁性体輩巴材的溅射法在第二磁性体的磁化固定层上成膜交 换耦合用非磁性层；在上述第2溅射成膜腔中，通过使用上述 第三磁性体耙材的溅射法在上述交换耦合用非磁性层上成膜第三磁性体的磁化固定层，通过使用上述第四磁性体靶材的溅射 法在第三磁性体的磁化固定层上成膜第四磁性体的磁化固定
层；在上述第3賊射成膜腔中，通过使用氧化镁靶材及/或镁 耙材的溅射法在第四磁性体的磁化固定层上成膜由氧化镁层或 金属镁层构成及由氧化镁层的层叠体构成的隧道势垒层；在上 述第4溅射成膜腔中，在隧道势垒层上成膜磁化自由层。
在本发明中，作为优选技术方案包括上述第一磁性体靶材 中的硼原子含有率是大于上述第二磁性体靶材中的硼原子含有 率的值的结构。
采用本发明，在较高的温度区域中进行退火的条件下，能 获得较大的MR比。
另外，采用本发明，在较高的温度区域中进行退火的条件 下，可获得较高的交换耦合磁场(Hex*)的数值及较高的饱和 磁场(Hs*)的数值。
特别是，本发明能有利地应用于必须经350。C以上的高温 工艺的磁随机存取存储器(MRAM)的制造工序。


图l是本发明的隧道磁阻薄膜的实施方式的剖视示意图。 图2是本发明的隧道磁阻薄膜的实施方式的剖视示意图。 图3是示意地表示用于制造本发明的隧道磁阻薄膜的溅镀
装置的结构的俯视图。
图4是表示MRAM的结构的图。
图5是图4的MRAM的1个存储单元的剖视示意图。
图6是图4的MRAM的1个存储单元的等效电路图。
图7是表示本发明实施例1的隧道磁阻薄膜的MR比的退火
温度依存性的图。
ii图8是表示本发明实施例l的隧道磁阻薄膜的第 一磁化固 定层和第二磁化固定层之间的交换耦合磁场以及其饱和磁场的 退火温度依存性的图。
图9是表示隧道磁阻薄膜中的、隔着交换耦合用非磁性层 的第 一磁化固定层和第二磁化固定层之间的交换耦合磁场以及 其饱和/f兹场的定义的图。
附图标记"i兌明
1、基板；2、緩冲层；3、 13、反铁磁性层；4、 14、第l 磁化固定层；4a、 14a、反铁磁性层侧的层；4b、 14b、交换耦 合用非磁性层侧的层；5、交换耦合用非磁性层；6、 16、第2 磁化固定层；6c、 16c、交换耦合用非磁性层侧的层；6d、 16d、 隧道势垒层侧的层；7、 17、隧道势垒层；8、磁化自由层；9、 保护层；20、真空输送室；21、 22、 23、 24、溅射室；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、基板前处 理室；26、氧化处理室；27、加载互锁真空室(load-lock chamber); 28、基板输送用机械手；42、重写用字线；43、 位线；44、读取用字线；45、 TMR元件；46、晶体三极管。
具体实施例方式
使用

本发明的实施方式。
图l及图2是本发明的隧道磁阻薄膜的优选实施方式的剖 视示意图。
本发明的隧道磁阻薄膜是至少由反铁磁性层、第 一磁化固定层、交换耦合用非磁性层、第二磁化固定层、隧道势垒层、 磁化自由层构成的层叠体。在该层叠体内，上述各层按反铁磁 性层、第一磁化固定层、交换耦合用非磁性层、第二磁化固定 层、隧道势垒层、磁化自由层的顺序层叠。
图1的(a )是将反铁磁性层3配置在基板1侧的底部 (bottom)型，图l的(b)是将磁化自由层8配置在基板1侧的 顶部(top)型。并且，在本发明中，还优选应用如图2所示地 夹着》兹化自由层8而乂人/磁化自由层8侧开始向两侧依次层叠隧 道势垒层、第二磁化固定层、交换耦合用非磁性层、第一磁化 固定层、反铁磁性层而成的双重(dual)型。
本发明的结构上的特征在于，第一磁化固定层4、 14和第 二磁化固定层6、 16中的至少一方用由互不相同的磁性材料构 成的2层以上的层叠体构成。图l及图2的例子为第一磁化固定 层4、 14和第二磁化固定层6、 16双方均为2层结构的情况。另 外，为了方便，将第一磁化固定层4、 14的与反铁磁性层3、 13 相连接的一侧4a、 14a称作a层，将第一磁化固定层4、 14的与 交换耦合用非磁性层5、 15相连接的一侧4b、 14b称作b层。另 外，将第二磁化固定层6、 16的与交换耦合用非磁性层5、 15 相连接的一侧6c、 16c称作c层，将第二磁化固定层6、 16的与 隧道势垒层7、 17相连接的一侧6d、 16d称作d层。
^磁性材^f的构成元素不同、构成元素的组合不同、构成元 素的组合相同而组成比不同的情况都包括在在本发明中所说的 由互不相同的》兹性材泮牛构成之内。
本发明优选的磁性材料的组合为，第一磁化固定层4、 14 的反铁磁性层侧的层4a、 14a是含有50atomic%以上的Co 、 5atomic。/。以上的B的CoFeB合金(CoFeB )。与此相对，交换 耦合用非磁性层侧的层4b 、 14b优选为含有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。在反铁磁性层侧的层4a、 14a以及交 换耦合用非磁性层侧的层4b、 14b中可以含有微量的其他成分， 例如Ni (镍)、C (碳)等。
另外，第二磁化固定层6、 16的交换耦合用非磁性层侧的 层6a、 16a优选为含有50atomic。/。以上的Co、 5atomic。/o以上的 B的CoFeB。与此相对，隧道势垒层侧的层6d、 16d优选为含 有40atomicO/o以上的Fe、 5atomic0/o 15atomic0/oW B的非晶态 的CoFeB。在交换耦合用非磁性层侧的层6a、 16a以及隧道势 垒层侧的层6d、 16d中可以含有微量的其他成分，例如Ni(镍)、 N (氮)、C (碳)等。
另外，在本发明中，优选在磁化自由层8所使用的CoFeB 合金、CoFe合金可以100atomicQ/。为该合金构成元素，但也可 以含有微量的其他元素(例如Ni、 N、 C等)。
第一磁化固定层4、 14的膜厚优选为使作用于反铁磁性层 3、 13与第一磁化固定层4、 14之间的交换耦合磁场(Hex)为 lkOe以上的膜厚。具体地讲，根据反铁磁性层3、 13和第一磁 化固定层4、 14所使用的材料不同，该膜厚也会有所不同，但 典型地采用2.5nm以下。另外，第一磁化固定层4、 14的a层4a、 14a与b层4b、 14b的膜厚之比不需要为l: l的均等比，即使是 不均等的膜厚比，只要较薄一方的膜厚为0.5nm以上，就能够 期待同样的效果。
第二磁化固定层6、 16的总膜厚优选为使夹着交换耦合用 非磁性层5、 15的第一磁化固定层4、 14与第二磁化固定层6、 16之间的交换耦合磁场(HeZ)为lkOe以上的膜厚。具体地讲， 根据第一磁化固定层4、 14、交换耦合用非磁性层5、 15和第二 磁化固定层6、 16所使用的材料不同，该膜厚也会有所不同，但典型地采用3nm以下。另外，在第二磁化固定层6、 16中，c 层6c、 16c与d层6d、 16d的膜厚之比不需要一定为1: l的均等 比，即使是不均等的膜厚比，只要较薄一方的膜厚为0.5nm以 上，就能够期待同样的效果。
在本发明的隧道磁阻薄膜中，作为隧道势垒层7、 17,优 选使用含有(001)取向的MgO晶粒的MgO膜。该MgO膜的取 向性可以通过X射线衍射来确认。即，在X射线衍射(e-20法) 中，若在29=43°附近出现(200 )衍射波峰，则间接可知为 (001)取向。另外，作为更直接的确认方法，可以利用透射 型电子显微镜观察截面图像，从而根据该点阵间距确认(001 ) 取向。此时，通过向MgO层照射电子射线，解析其衍射图案， 能够更明确地确认(001)取向。
作为隧道势垒层7、 17,也可以-使用Mg/MgO的2层膜。
该Mg/ MgO膜是:y氺力7 (人名)等发表于应用物理学快报
(Appl. Phys. Lett. ), 87， 072503 ( 2005 )中的。MgO膜及 Mg / MgO的2层膜的膜厚根据隧道磁阻薄膜的隧道结(tunnel junction)电阻值(RA)而变化，但由于磁头、 一磁随机存取存 储器所需要的RA值为1 ~ 10000Qpm2，因此，上述2层膜的膜 厚典型为1 ~ 2nm之间。
另外，本发明的交换耦合用非磁性层5、 15优选由从Ru、 Rh、 Ir中选出的一种或2种以上构成的合金构成，其膜厚为lnm 以下。Ru层的膜厚需要做成通过RKKY相互作用而在第一磁化 固定层4、 14与第二磁化固定层6、 16之间呈现反铁磁耦合
(antiferromagnetic coupling)的膜厚，实用上优选为净皮称 作第2 ( 2nd)波峰的0.7~ 0.9nm。
并且，作为本发明的反铁磁性层3、 13,优选使用PtMn， 由于需要做成能呈现较强的反铁磁耦合的膜厚，因此膜厚优选为10 30nm。除PtMn之外，还优选4吏用IrMn、 IrMnCr、 NiMn、 PdPtMn、 RuR固n、 OsMn等。
接着，说明本发明的隧道磁阻薄膜的制造方法。本发明的 隧道磁阻薄膜自基板l侧依次层叠期望的膜即可。
图3是示意地表示能用于制造本发明的隧道磁阻薄膜的賊 射装置的结构的俯视图。该装置由搭载有2台基板输送用的机 械手28的真空输送室(输送腔)20、与真空输送室20相连接的 溅射室(成膜腔)21~24、基板前处理室25、氧化处理室26 和加载互锁真空室27构成。除加载互锁真空室27之外的所有的 室均为2x 10 —ePa以下的真空室，各真空室间的基板的移动利 用真空输送机械手28在真空中进行。
用于形成自旋阀型隧道磁阻薄膜的基板首先配置在处于大 气压下的加载互锁真空室27中，在加载互锁真空室27进行了真 空排气之后，用真空输送机械手28将基板输送到期望的真空室 中。
作为 一 个例子，以制造在后述的实施例中制作的底部型隧 道磁阻薄膜的情况为例进行说明。各层的结构为，緩沖层2为 Ta(10nm)、反铁磁性层3为PtMn ( 15nm )、交换耦合用非磁 性层5为Ru ( 0.85nm)、隧道势垒层7为MgO ( lnm )、磁化自 由层8为Co6。Fe2oB20 ( 3nm)。另夕卜，4果护层9为Ta ( 10nm ) /Ru(7nm)。括号内表示膜厚。另外，Co60Fe20B2(^下标数 字表示atomic0/。(下同)。
为了使PtMn层通过退火有序化而呈现反铁磁性，使Pt含 有量为47 ~ 51 ( atomic% )地调整溅射靶材(sputtering target)的组成和成膜条件(气体种类、气压、投入电力)。在 反铁磁性层3使用IrMn的情况下，使Ir含有量为18 ~ 30 (atomic%)地调整溅射耙材的组成和成膜条件(气体种类、气压、投入电力)。为了获得尽量高的Hex，膜厚优选为4~
15nm。另外，作为在IrMn层与作为緩冲层2的Ta层之间促进 具有fcc结构的IrMn的(111)取向的晶种层(seed layer),若 使用Ru层效果更佳，Ru层的膜厚优选为1 ~ 50nm。
为了有效地制成上述那样的膜结构，将溅射靶材如下那样 配置在各溅射室中。在溅射室21中配置Co7oFe2oBio溅射靶材 21a、 Ta賊射耙材21b、 PtMn'减射耙材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溅射耙材22b、 Co64Fei6B20溅射輩巴材22c、 Ru 溅射靶材22d以及Co22Fe6eBi2溅射靶材22e。另外，在溅射室 23中配置MgO'践射靶材23a和Mg'减射靶材23b。在溅射室24中 配置Ta賊射靶材24a、 Co6oFe2oB2o溅射靶材24b、 Ru溅射耙材 24c。在此，可以使用溅射室21或22在同一个溅射室中将反铁 磁性层3、第一磁化固定层4或14、交换耦合用非磁性层5及第 二磁化固定层6或16层叠成膜。
另外，可以通过使用溅射室21及22两者进行的溅射，来成 膜由图1及图2中图示的反铁磁性层3、第一磁化固定层4或14、 交换耦合用非磁性层5及第二磁化固定层6或16构成的层叠体。
成膜例
将基板1输送到基板前处理室25 ,通过逆向溅射蚀刻 (reverse sputter etching),用物理方法除去在大气中被污染 了的表面层的大约2nm。之后，将基板1输送到溅射室21内， 在溅射室21内，层叠成膜至Ta (缓冲层2) /PtMn(反铁磁性 层3) /第一磁化固定层4/Ru (交换耦合用非磁性层5) /第 二磁化固定层6 (笫l工艺)。
另外，将基板1输送到基板前处理室25,通过逆向溅射蚀将基板1输送到溅射室21内，在溅射室21内，使Ta(緩沖层2) 成膜。接着，将带有Ta(緩冲层2)的基板1移动到溅射室22 中，在溅射室22内层叠成膜至PtMn (反铁磁性层3) /第一磁 化固定层4/Ru (交换耦合用非磁性层5) /第二磁化固定层6 (第2工艺)。
在上述第1工艺及第2工艺的情况下，成膜至第二磁化固定 层6之后，将基板1移动到溅射室23内，制成MgO(氧化镁)膜 或者Mg (镁)/ MgO (氧化镁)的2层膜来作为隧道势垒层7。
另外，作为MgO隧道势垒层的形成方法，可以在溅射室23 中制成金属Mg膜，然后将基板输送到氧化处理室26内，利用 自由基氧化法、自然氧化法等对Mg层进行氧化处理而形成 NaCl结构的MgO膜。在形成隧道势垒层7之后，将基板输送到 賊射室24内，成膜CoFeB (磁化自由层8) /Ta(保护层9) / Ru(保护层9)，然后返回到加载互锁真空室27中。
之后，将制成的隧道磁阻薄膜放入磁场中的退火炉中，一 边对其施加强度为8kOe以上的沿一个方向平行的磁场， 一边在 真空中以期望的温度和时间进行退火处理。关于适当的温度和 时间，定性上是导致能量为非晶态CoFeB层的晶化能量以上、 且用作交换耦合用非磁性层的极薄R u层因热扩散而劣化的能 量以下的温度和时间。典型地为25(TC 36(TC ,但鉴于与上述 能量的关系，在低温情况下，优选为5小时以上的长时间，在 高温情况下，优选为2小时以下的短时间。
本发明的隧道磁阻薄膜优选用于磁盘驱动装置的放音磁 头、磁随机存取存储器(MRAM)的存储元件及磁传感器。下 面，举例说明-使用了本发明的隧道,兹阻薄膜的MRAM。
图4是示意地表示MRAM的结构的图，图5是MRAM的1个 存储单元的剖视示意图，图6是1个存储单元的等效电路图。在
18MRAM中，附图标记42是重写用字线，附图标记43是位线，附 图标记44是读取用字线，附图标记45是磁阻元件。多个存储单 元分别配置在多个位线43与读取用字线44的各交点位置，配置 为格子状的位置关系，分别存储l位的信息。
如图5、图6所示，MRAM的存储单元由在位线43与读取用 字线44的交点位置存储1位信息的磁阻(TMR)元件45、具有 开关功能的晶体三极管46构成。本发明的隧道磁阻薄膜可用作 上述TMR元件45。
TMR元件45在对图1 (a)所示的隧道势垒层7两侧的强i兹 性层(第二磁化固定层6及磁化自由层8)之间施加所需电压而 使恒定电流流过的状态下，施加外部/磁场。在第二石兹化固定层 6与磁化自由层8的》兹化方向平行且相同时(平行状态)，TMR 元件45的电阻最小，在第二》兹化固定层6与^兹化自由层8的^i化 方向平行且相反时(反向平行状态)，TMR元件45的电阻最大。 这样，通过利用外部磁场为TMR元件45创造平行状态和反向平 行状态，能够存储作为电阻值变化的"1"或"0"的信息。
在图4的MRAM中，如图5所示，重写用字线42与读取用字 线44平行、即与位线43交差地配置在TMR元件45的下方。因 此，通过向位线43与重写用字线42中通入电流而产生》兹场， <又 有处于位线43与重写用字线42的交点处的存储单元的TMR元 件45的磁化自由层受到来自两者的磁场的影响而发生反磁化。 其他的存储单元的TMR元件45完全未受到两者的磁场的影响， 或者仅受到位线43及重写用字线42中的任一方磁场的影响，因 此，磁化自由层未发生反磁化。这样，仅使期望的存储单元的 TMR元件45的磁化自由层发生反磁化而进行写入。在读取时， 位于TMR元件45下方的晶体三极管46的门极承担读取用字线 44的作用。由于4又在位于位线43与读耳又用字线44的交点处的存储单元的T M R元件4 5中流有电流，因此，通过检测此时的电压， 能够测定该TMR元件45的电阻值，获得"1"或"0"的信息。
实施例
实施例1
使用图3所示的装置制作底部型的自旋阀型隧道磁阻薄 膜。在本例子中，緩冲层2为Ta( 10nm),反铁磁性层3为PtMn (15nm),交换耦合用非磁性层5为Ru ( 0.85nm),隧道势垒 层7为Mg0( lnm),磁化自由层8为Co60Fe20B20 ( 3nm )。另夕卜， 保护层9为Ta ( 10nm ) / Ru ( 7nm )。第一磁化固定层4的反 铁磁性层侧的层4a使用Co6oFe20B20 ( 1.25nm)，交换耦合用非 磁性层侧的层4b使用Co70Fe20Bi0 ( 1.25nm)，第二磁化固定层 6使用Co60Fe2oB20 ( 3nm )的单层。
另一方面，作为比较例，制作了第一磁化固定层4的反铁 磁性层侧的层4a使用Co7oFe2oBio (2.5nm),交换耦合用非磁 性层侧的层4b使用Co6oFe2oB2() ( 1.25nm)，除此之外与上述相 同结构的隧道》兹阻薄膜。
在本例的情况下，在图3所示的溅射室21中连续地实施从 緩冲层2的Ta到隧道势垒层7成膜之前的工序(截至第二磁化固 定层6的工序)。
图7和图8分别表示在将退火时间固定为2小时的状态下， 使退火温度在27(TC ~ 40(TC的范围内变化时的MR比与交换耦 合磁场。
图7的图中的特性曲线71表示本发明例的特性，特性曲线 72表示上述比较例的特性。
根据图7的特性比较可看出，比较例以退火温度380。C为 界，MR比急剧减少。另一方面，本发明例直到40(TC附近的稳 定维持较高的MR比。图8表示在自旋阀型隧道磁阻薄膜的磁化曲线中，夹着交 换耦合用非磁性层5的第 一磁化固定层4与第二磁化固定层6之 间的交换耦合磁场(Hex*)以及其饱和磁场(Hs*)的退火温 度依存性。He^与HZ的定义示于图9中。
图8的图中的特性曲线81表示本发明例的交换耦合磁场 (Hex*)，特性曲线82表示比较例的交换耦合磁场(Hex*)。
图8的图中的特性曲线83表示本发明例的々包和^兹场(Hs* )， 特性曲线84表示比较例的饱和磁场(Hs*)。
根据图8，本发明例与比较例相比，交换耦合磁场He^在
高温区域显示较高的值。本发明例与比较例相比，可获得饱和
磁场H s *在低温侧也显示较高的值的效果。
另外，在本例中，MR比、Hs*、 He^的测定方法如下所述。 MR比4吏用12端子#罙针的Current - In — Plane
Tunneling ( CIPT )法。CIPT法的测定原理记载于
D.C.Worledge， P.L.Trouilloud,"应用物理学快报(Applied
Physics Letters)", 83 ( 2003 )， 84_86中。
Hs*、 HexM吏用振动样品磁力计(VSM),根据获得的磁化
曲线求得。VSM的测定原理例如公开于"实验物理学讲座6磁 测量I",近桂一郎，安冈弘志编，丸善东京，2000年2月15 曰发行。
实施例2
的第二磁化固定层6 ( Co60Fe20B20 ( 3nm)的单层)，而采用第 二磁化固定层6的交换耦合用非磁性层侧的层6c使用 Co64Fei6B2o (膜厚1.5nm ),隧道势垒层侧的层6d使用 Co22Fe66Bi2 (膜厚1.5nm )的第二磁化固定层6之外，与实 施例l的本发明例相同。本例在图3的溅射室21中在基板l上成膜Ta层(緩冲层2)， 将带有Ta层的基板l移送到溅射室22内，在该溅射室22内从第 一磁化固定层4连续地成膜到第二磁化固定层6。
对于本例的隧道磁阻薄膜，与实施例l同样地调查了在2小 时的退火时间内改变退火温度的情况下的MR比和交换耦合磁 场，与实施例l同样地与比较例相比4交，可确认在高温的退火 温度下也具有寿交高的M R比、交换耦合》兹场和饱和磁场。
实施例3
在图2所示的隧道》兹阻薄膜中，作为第一》兹化固定层4及第 二磁化固定层6，使用与上述实施例2所使用的第二磁化固定层 6相同的材料，其他层使用与实施例l相同的材料。
另外，在本例子中，在图3的溅射室21内在基板l上成膜Ta 层(緩冲层2)，同样地，在图3的溅射室21内实施从第一磁化 固定层4到第二磁化固定层6的工艺，在溅射室23内成膜隧道势 垒层7,在溅射室22内实施从第二磁化固定层16到第一磁化固 定层14的工艺。
本例可获得与上述实施例1同样的结果。
2权利要求
1.一种隧道磁阻薄膜，其特征在于，该隧道磁阻薄膜包括反铁磁性层；隧道势垒层；第一磁化固定层，其位于上述反铁磁性层侧，且含有磁性体及硼原子；第二磁化固定层，其位于上述隧道势垒层侧，且含有磁性体及硼原子；交换耦合用非磁性层，其位于上述第一磁化固定层与上述第二磁化固定层之间；磁化自由层；上述第一磁化固定层包括位于上述反铁磁性层侧的反铁磁性层侧的层和位于上述交换耦合用非磁性层侧的交换耦合用非磁性层侧的层，该反铁磁性层侧的层与该交换耦合用非磁性层侧的层各自所含有的硼原子的、以atomic％表示的含有率互不相同。
2. 根据权利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其中， 上述隧道势垒层是含有(001)取向的氧化镁晶粒的氧化镁膜。
3. 根据权利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其中，上述第 一 磁化固定层的反铁磁性层侧的层所含有的硼原子 的含有率是大于上述第一磁化固定层的交换耦合用非磁性层侧的层所含有的硼原子的含有率的值。
4. 根据权利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其特征在于， 上述第 一磁化固定层的反铁磁性层侧的层是含有铁原子、50atomicM以上的钴原子、5atomicM以上的硼原子的合金，上 述第 一磁化固定层的交换耦合用非磁性层侧的层由含有铁原 子、50atomicy。以上的钴原子、小于5atomic。/。的硼原子的合金构成。
5. 根据权利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其特征在于，上述第二磁化固定层的交换耦合用非磁性层侧的层所含有 的硼原子的含有率是大于上述第二磁化固定层的隧道势垒层侧 的层所含有的硼原子的含有率的值。
6. 根据权利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其特征在于， 上述第二磁化固定层具有层叠体结构，该层叠体结构具有位于上述交换耦合用非磁性层侧的交换耦合用非磁性层侧的层 及位于上述隧道势垒层侧的隧道势垒层侧的层，该交换耦合用 非磁性层侧的层是含有铁原子、50atomic%以上的钴原子、 15atomic%以上的硼原子的合金，该隧道势垒层侧的层由含有 40atomic%以上的铁原子、5atomic%以上的硼原子及 15atomic%以下的钴原子的非晶态合金构成。
7. 根据权利要求l所述的隧道磁阻薄膜，其特征在于， 上述交换耦合用非磁性层由含有从Ru原子、Rh原子及Ir原子构成的组中选出的至少一种原子的金属或合金构成，其膜 厚为lnm以下。
8. —种磁性多层膜制作装置，其特征在于，该磁性多层膜 制作装置包括输送腔，其设有机械手输送装置；第l溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括含有钴原子、铁原子及硼原子的第一磁性体靶材、含有与该 第一磁性体耙材中的硼原子含有率不同的硼原子、钴原子及铁 原子的第二磁性体靶材、实质上不含有硼原子而含有钴及铁原 子的第三磁性体耙材、含有反铁磁性体的反铁磁性体靶材、含 有非磁性体的交换耦合用非磁性体耙材；第2溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包括氧化镁靶材及/或镁靶材；第3溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，通 过使用磁性体耙材的溅射法成膜磁化自由层；输送机构，其用于在上述第l溅射成膜腔中，通过使用上 述反铁磁性体靶材的溅射法在基板上成膜反铁磁性层，通过使 用上述第一磁性体靶材的'减射法在该反铁磁性层上成膜第一磁 性体的磁化固定层，通过使用第二磁性体耙材的溅射法在第一 磁性体的磁化固定层上成膜第二磁性体的磁化固定层，通过使 用非磁性体靶材的溅射法在第二磁性体的磁化固定层上成膜交 换耦合用非磁性层，通过使用上述第三磁性体靶材的溅射法在 该交换耦合用非磁性层上成膜第三磁性体的磁化固定层；在上 述第2 '减射成膜腔中，通过使用氧化镁耙材及/或镁靶材的溅 射法在第三磁性体的磁化固定层上成膜由氧化镁层构成或由金 属镁层及氧化镁层的层叠体构成的隧道势垒层；在上述第3溅 射成膜腔中，在隧道势垒层上成膜磁化自由层。
9. 根据权利要求9所述的磁性多层膜制作装置，其特征在于，上述第一磁性体靶材中的硼原子含有率是大于上述第二磁 性体耙材中的硼原子含有率的值。
10. —种磁性多层膜制作装置，其特征在于，该磁性多层 膜制作装置包括输送腔，其设有机械手输送装置；第l溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括含有钴原子、铁原子及硼原子的第一磁性体靶材、含有与该 第一磁性体革巴材中的硼原子含有率不同的硼原子、钴原子及铁 原子的第二磁性体靶材、含有反铁磁性体的反铁磁性体靶材、 含有非磁性体的交换耦合用非磁性体靶材；第2溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括含有钴原子、铁原子及硼原子的第三磁性体靶材、含有与该 第三磁性体靶材中的硼原子含有率不同的硼原子、钴原子及铁 原子的第四磁性体耙材；第3'减射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，包 括氧化镁靼材及/或镁靶材；第4溅射成膜腔，其通过闸阀与上述输送腔连接配置，通 过使用磁性体靶材的溅射法成膜磁化自由层；输送机构，其用于在上述第l溅射成膜腔中，通过使用上 述反铁磁性体靶材的溅射法在基板上成膜反铁磁性层，通过使 用上述第一磁性体靶材的溅射法在该反铁磁性层上成膜第一磁 性体的磁化固定层，通过使用第二磁性体乾材的溅射法在第一 磁性体的磁化固定层上成膜第二磁性体的磁化固定层，通过使 用非磁性体耙材的賊射法在第二磁性体的磁化固定层上成膜交 换耦合用非磁性层；在上述第2溅射成膜腔中，通过使用上述 第三磁性体耙材的賊射法在上述交换耦合用非磁性层上成膜第 三磁性体的磁化固定层，通过使用上述第四f兹性体靶材的溅射 法在第三磁性体的磁化固定层上成膜第四磁性体的磁化固定 层；在上述第3溅射成膜腔中，通过使用氧化镁耙材及/或镁 靶材的'賊射法在第四磁性体的磁化固定层上成膜由氧化镁层构 成或由金属镁层及氧化镁层的层叠体构成的隧道势垒层；在上 述第4'减射成膜腔中，在隧道势垒层上成膜磁化自由层。
11.根据权利要求10所述的磁性多层膜制作装置，其特征 在于，上述第一磁性体靶材中的硼原子含有率是大于上述第二磁 性体耙材中的硼原子含有率的值。
全文摘要
本发明提供隧道磁阻薄膜及磁性多层膜制作装置。在维持用作交换耦合用非磁性层的Ru层为薄膜的状态下，改良耐热性，即使经过高温退火，Ru层也良好地呈现交换耦合磁场，MR比高。在隧道磁阻薄膜中，将夹着交换耦合用非磁性层(5)层叠的第一磁化固定层(4)及第二磁化固定层(6)中的至少一层做成由互不相同的磁性材料构成的2层以上的层叠结构。
文档编号H01L43/08GK101542767SQ20088000058
公开日2009年9月23日 申请日期2008年6月6日 优先权日2007年6月19日
发明者恒川孝二, 永峰佳纪 申请人:佳能安内华股份有限公司