磁気抵抗効果素子の製造方法および磁気抵抗効果素子の製造装置
【課題】 高い動作特性を有するＭＴＪ素子を得るための製造方法を提供する。
【解決手段】 少なくとも第１強磁性層２と、第２強磁性層４と、第１強磁性層と第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層３と、を含む磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁気抵抗効果素子の一部を構成する第１層を形成する工程を含む。第１層での最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で第１層が加熱される。第１層上に第２層が形成される。第１層を形成する工程と第１層を加熱する工程と第２層を形成する工程とは、背圧２×１０-6Ｐａ以下の雰囲気下で行われる。
【解決手段】 少なくとも第１強磁性層２と、第２強磁性層４と、第１強磁性層と第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層３と、を含む磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁気抵抗効果素子の一部を構成する第１層を形成する工程を含む。第１層での最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で第１層が加熱される。第１層上に第２層が形成される。第１層を形成する工程と第１層を加熱する工程と第２層を形成する工程とは、背圧２×１０-6Ｐａ以下の雰囲気下で行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法および磁気抵抗効果素子の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetoresistive Random Access Memory : MRAM）は、情報を記憶するセル部において磁気抵抗効果を持つ磁気素子を用いる。ＭＲＡＭは、高速動作、大容量、不揮発性を特徴とする次世代記憶装置として注目されている。磁気抵抗効果とは、強磁性体に磁場を印加すると強磁性体の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化する現象である。こうした強磁性体の磁化の向きを情報の記録に用い、それに対応する電気抵抗の大小を用いて情報を読み出すことにより、記憶装置（ＭＲＡＭ）が実現される。
【０００３】
近年、２つの強磁性層の間に絶縁層（トンネルバリア層と称する）を挿入した構造を含む強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）により２０％以上の磁気抵抗比（ＭＲ比）が得られるようになった。これをきっかけとして、トンネル磁気抵抗効果を利用した強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction : MTJ）素子がＭＲＡＭに用いられている。
【０００４】
ＭＲＡＭにＭＴＪ素子を用いる場合、トンネルバリア層を挟む２つの強磁性層のうち、一方はその磁化の向きが変化しないように固定された磁化基準層として用いられ、他方はその磁化の向きが反転しやすい記憶層として用いられる。基準層と記憶層の磁化の向きが平行な状態と反平行な状態を２進数の“０”と“１”に対応づけることで、情報を記憶することができる。
【０００５】
情報の書き込みには、大別して２種の方法がある。１つは、ＭＴＪ素子近傍に設けられた書込み配線に電流を流して発生する磁場により、記憶層の磁化の向きを反転させる。もう１つは、スピン注入法と呼ばれ、ＭＴＪ素子に書込み電流を印加し、磁化基準層によってスピンの向きを揃えた伝導電子を記憶層に供給して記憶層の磁化を反転させる。
【０００６】
バリア層を挟む２つの磁性層の磁化が平行のとき、電流コンダクタンスが大きくなってＭＴＪ素子の抵抗が小さい。一方、反平行なときは、平行のときより抵抗が大きい。記録情報の読み出しは、このＴＭＲ効果による抵抗変化分を検出することにより行う。従って、ＴＭＲ効果による抵抗変化率（ＭＲ比）が大きいほうが好ましい。
【０００７】
近年、ＭｇＯをトンネルバリアとして用いると、数１００％のＭＲ比が得られることが指摘された。その理由は、ＭｇＯ（００１）結晶の４５度方向とＦｅ（００１）結晶とで格子定数が整合し、磁性層／ＭｇＯ／磁性層が結晶構造について積層するためと言われている。
【０００８】
磁性層として、Ｆｅ（非特許文献１）、ＣｏＦｅ（非特許文献２）、ＣｏＦｅＢ（非特許文献３）が報告されている。これらの文献は、試料全体（ＭＴＪ素子全体）を２６０乃至３６０℃で３０分乃至２時間加熱することを開示する。しかし、このような長時間の加熱では、例えば、ＭＴＪ素子を構成する各層の間の元素拡散や、磁性層の劣化が進行する。この結果、例えばＭＲ比の低下や記憶層の保磁力ばらつきの増加など、ＭＴＪ素子の動作特性が劣化する恐れがある。
【非特許文献１】S. Yuasa et al.、論文名、「Nature Material」、２００４年、第３巻、ｐ．８６８
【非特許文献２】S. S. P. Parkin et al、論文名、「Nature Material」、２００４年、第３巻、ｐ．８６２
【非特許文献３】D. D. Djayaprawire et al.、論文名、「Applied Physics Letter」、２００５年、第８６巻、ｐ．０９２５０２
【非特許文献４】K. Tsunekawa et al.、論文名、「Applied Physics Letter」、２００５年、第８７巻、ｐ．０７２５０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、高い動作特性を有するＭＴＪ素子を得るための製造方法および製造装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の視点による磁気抵抗効果素子の製造方法は、少なくとも第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層と、を含む磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記磁気抵抗効果素子の一部を構成する第１層を形成する工程と、最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で前記第１層を加熱する工程と、前記第１層上に第２層を形成する工程と、を具備し、少なくとも前記第１層を形成する工程から前記第１層を加熱する工程を経て前記第２層を形成する工程までの工程を、背圧を２×１０-6Ｐａ以下として行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の視点による磁気抵抗効果素子の製造装置は、少なくとも第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層と、を含む磁気抵抗効果素子に含まれる複数の層を、背圧を２×１０-6Ｐａ以下として形成する成膜部と、背圧を２×１０-6Ｐａ以下とし且つ最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で前記複数の層のうちの最上層を加熱する加熱部と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い動作特性を有するＭＴＪ素子を得るための製造方法および製造装置提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者等は、本発明の開発の過程において、ＭＲ比が高く記憶層の保磁力のばらつきが小さい等の高い特性を有するＭＴＪ素子について研究した。その結果、本発明者等は、以下に述べるような知見を得た。
【００１４】
ＭＴＪ素子は、超高真空装置内で複数の膜を連続して形成するので、装置内の圧力が充分低く、真空度が充分高くなければならない。また、順に積層された磁化固着層、バリア層、記憶層からなるＭＴＪ素子の製造は、一般的に保磁力および耐熱性が磁化固着層より小さい記憶層の劣化を防ぐため、以下のように行われる。すなわち、トンネルバリア層までの成膜、トンネルバリア層が成膜された段階で基板を加熱することによるトンネルバリア層の結晶性向上、その後の記憶層の成膜を、同一の成膜装置内で連続的に行う方法が考えられる。
【００１５】
しかし、基板加熱時間が前述のような数１０分乃至数時間の長さの場合、磁化固着層が劣化する恐れがある。また、基板加熱時の装置内圧力が充分低くないと、その際に上面が露出している層の表面が汚染され、例えばバリア層と記憶層との結晶性のつながりが阻害される。この結果、ＭＲ比が低下したり、磁性層の間の磁化の相互作用が阻害され保磁力のばらつきが大きくなったりするなどの特性の劣化につながる。
【００１６】
このように、従来のＭＴＪ素子の製造方法や製造装置では、試料全体を高温で長時間加熱することによるＭＴＪ素子を構成する層間の元素拡散や磁性層の劣化が生じる。これに対して、ＭＴＪ素子を構成する層が途中で露出した状態で不十分な真空度中での加熱を行うことにより、試料全体を高温で長時間加熱することによる問題を解消できると考えられる。しかしながら、この場合も、ＭＴＪ素子内の加熱処理対象の層の汚染により、ＭＴＪ素子の特性が低下する。
【００１７】
以上の検討より、膜質向上のために加熱が必要な層の充分な加熱と、耐熱性に劣る層の熱履歴抑制とを両立可能な磁気抵抗効果素子の製造方法および磁気抵抗効果素子の製造装置の提供が望まれる。
【００１８】
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１９】
（磁気抵抗効果素子とその周囲の構造）
図１は、本発明の実施形態に係る、磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）近傍部分の構造を示す断面図である。より具体的には、ＭＴＪ素子を用いるＭＲＡＭの一部を示す断面図である。
【００２０】
図１に示すように、下部配線層１上に、磁化固着層（磁化基準層）２、トンネルバリア層３、および記憶層（磁化可変層）４からなる強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子が設けられている。
【００２１】
記憶層４上には上部配線層５が接続されており、上部配線層５と下部配線層１とは絶縁層６、７によって絶縁されている。上部配線層１、下部配線層５は、例えばＡｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ａｇから構成される。絶縁層６、７は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯx）やシリコン窒化膜（ＳｉＮx）から構成される。
【００２２】
絶縁層７には、記憶層４に達するコンタクトホール８が形成されている。コンタクトホール８内には導電材料が埋め込まれており、この導電材料は、上部配線５と記憶層４とを電気的に接続する。
【００２３】
磁化固着層２および記憶層４は、より詳細には、図２に示すような積層された複数の層からなる。図２は、図１のＭＴＪ素子の詳細な断面図である。図２に示すように、ＭＴＪ素子は、例えば、積層された、下部配線接続層１１、反強磁性層１２、強磁性層１３、挿入層１４、強磁性層１５、トンネルバリア層３、強磁性層１６、キャップ層１７、上部配線接続層１８から構成されている。
【００２４】
下部配線接続層１１、反強磁性層１２、強磁性層１３、挿入層１４、強磁性層１５の積層構造が、磁化固着層２を構成する。強磁性層１６、キャップ層１７、上部配線接続層１８の積層構造が、記憶層４を構成する。
【００２５】
下部配線接続層１１は、例えば膜厚が５ｎｍのＴａからなる。反強磁性層１２は、例えば膜厚が１５ｎｍのＰｔ−Ｍｎからなる。
【００２６】
強磁性層１３は、例えば膜厚が２ｎｍのＣｏ−Ｆｅからなる。挿入層１４は、例えば膜厚が１ｎｍの非磁性金属、例えばＲｕからなる。強磁性層１５は、例えば膜厚が２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなり、その磁化の方向が固定されている。強磁性層１３、強磁性層１５、挿入層１４は、積層フェリピンを構成する。強磁性層１３は、反強磁性層１２によって磁化の方向を固定されている。強磁性層１５は、挿入層１４によって強磁性層１３の磁化と結合しているため、その磁化方向は固定されている。
【００２７】
トンネルバリア層３は、例えば膜厚が１ｎｍのＭｇＯからなる。また、トンネルバリア層３としてＡｌＯx、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＡｌＨｆＯx、ＡｌＺｒＯx、ＡｌＦＯxを用いることもできる。強磁性層１６は、例えば膜厚が２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなり、その磁化の方向は可変である。
【００２８】
キャップ層１７は、例えば膜厚が５ｎｍのＴａからなる。上部配線接続層１８は、例えば膜厚が７ｎｍのＲｕからなり、エッチングマスク、ＭＴＪ素子の表面保護の機能も担う。
【００２９】
各層の厚さは、０．１ｎｍ乃至数１０ｎｍの範囲で適宜調整してもよい。また、各層は、上記と異なる材料で構成してもよい。また、ＭＴＪ素子の層の構成を適宜変更することもできる。例えば、トンネルバリア層３をＭｇＯおよびＭｇを重ねた積層構造にする（非特許文献４）など、各層を複数の層で形成してもよい。また、ＭＴＪ素子を図２に示す構造と上下反対の構成としたり、記憶層４を単層でなく積層フェリピン構造としたり、トンネルバリア層を複数有する強磁性２重トンネル接合構造としたりすることができる。
【００３０】
なお、図２以外の図では、簡略化のため下部配線接続層１１乃至強磁性層１５を包括的に磁化固着層２として示し、強磁性層１６乃至上部配線接続層１８を記憶層４として示す。また、下部配線接続層１１乃至上部配線接続層１８からなる構造を、以下、フルスタックと呼ぶ。
【００３１】
（磁気抵抗効果素子の製造方法、製造装置）
磁化固着層２、トンネルバリア層３、および記憶層４の形成は、例えば、図３に示す半導体装置の製造装置により行う。図３は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造装置の平面図である。図３を参照して、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造装置、および製造方法について説明する。
【００３２】
図３に示すように、製造装置は、基板導入室３１、基板搬送室３２、成膜室３３、基板加熱室３４を有する。基板加熱室３４は、後述の本発明の実施の形態によっては、活性ガス発生装置３５と、ガス供給管３６を介して接続される。活性ガス発生装置３５は、後述の実施形態に応じたガスを発生する。
【００３３】
磁気抵抗効果素子の製造に当たり、まず、下部配線層１が形成された基板を、図３の基板導入室３１内に設置する。製造装置内に外気が混入しないよう、所定の到達圧力に下がるまで基板導入室３１内を充分排気した後、基板２１を基板搬送室３２内に導入する。
【００３４】
ＭＴＪ素子を構成する各層への不純物混入による結晶性および膜質の低下や、各層の形成後に次の層を形成するまでに表面に吸着される吸着物によるＭＴＪ素子の特性の劣化を防止するため、例えば図３に示す製造装置内、より具体的には、成膜室３３、基板加熱室３４の各チャンバ内では、常に、成膜やエッチング処理等の処理のためのガス供給または加熱の無いときの圧力（背圧）が、２×１０-6Ｐａ以下であることが好ましい。これは、以下の理由による。すなわち、チャンバ内の圧力は、汚染や酸化等の基板最表面の層への影響を成膜室３３中のガス中の不純物と同等以下に抑制するため、成膜時のガス中の不純物濃度以下であることが好ましい。スパッタによる成膜の場合、成膜室３４内のガスとして、通常、６Ｎ（９９．９９９９％）程度以上の純度のガスを用いる。また、スパッタによる成膜時の圧力は典型的に０．１Ｐａ未満なので、対応する不純物圧力２×１０-6Ｐａ以下にチャンバ内圧力を下げることが好ましい。より好ましくは、低圧スパッタ０．０１Ｐａ未満中の不純物圧力が１×１０-7Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０-8Ｐａ以下に、基板加熱室３４のチャンバ内圧力を下げる。
【００３５】
ここで、背圧とは、より詳しくは、成膜やエッチング等の処理のためのガス供給あるいは加熱を行わない際の圧力を示し、例えば当該ガス供給あるいは加熱を行う前あるいは行った後の圧力を測定することにより求められる。
【００３６】
なお、基板最表面を加熱に伴い、基板や、試料台、装置内壁等が加熱され、この結果、これらからガスが発生することがある。このガスにより、基板加熱室内３４内のガス供給の無いときの圧力が一時的に上記の条件の値を超えると、厳密には、基板最表面層の汚染に繋がる恐れがある。しかしながら、本実施形態の高速昇温は、後述のように従来の低速昇温に比べると加熱時間が少ないので、このガスによる汚染の影響は限定的である。
【００３７】
このガスによる影響をも排除したい場合等、好ましくは、加熱中にガスが発生してもガス供給の無いときの圧力が上記の条件値以下になるよう、真空ポンプの排気速度を設定したり、予め充分な装置のベーキングで発生ガスを低減させたり、ガスの発生の少ない基板表面の膜材料を用いたりすることができる。
【００３８】
次に、例えば基板の最表面を気相でエッチングすることにより、大気中から吸着された汚染物を除去した後（エッチング室は図示していない）、基板を成膜室３３内に搬送する。成膜室３３内において、加熱による改質を行う層まで順次成膜して積層する。ここで、加熱により改質を行う層は、図２のＭＴＪ素子を構成する層のいずれかであり、どの層が該当するかについては後述する。例えば、トンネルバリア層３を改質する場合、下部配線接続層１１乃至トンネルバリア層３が形成される。
【００３９】
なお、成膜の方法は特に問わないが、図３は、ターゲット４０を用いたスパッタリング法のための成膜室３３を示している。その他、例えば、蒸着法、原子層堆積（ＡＬＤ）法、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法を用いてもよい。
【００４０】
スパッタリングによるトンネルバリア層３の形成では、トンネルバリア層３が酸化物の場合、化合物ターゲット（例えばＭｇＯターゲット）の直接スパッタ、金属ターゲット（例えばＭｇターゲット）の反応性スパッタ（例えばＯ2ガス導入）、あるいは金属膜（例えばＭｇ層）形成後のバリア酸化を行うことができる。バリア酸化では、酸素プラズマ、酸素ラジカル、オゾン、あるいは酸素ガス雰囲気を用いることができる。
【００４１】
トンネルバリア層３が窒化物の場合は、窒素プラズマ、窒素ラジカル、窒素、アンモニア、一酸化一窒素、二酸化一窒素、一酸化二窒素といった窒化雰囲気を用い、これを金属ターゲットの反応性スパッタや金属層の形成後のバリア窒化に用いることができる。
【００４２】
トンネルバリア層３が酸窒化物の場合は、金属酸化物層の窒化、金属窒化物層の酸化、酸窒化雰囲気の併用を適宜組み合わせて行うことができる。なお、酸化室、窒化室、あるいは酸窒化室は図示していない。
【００４３】
次に、加熱による改質を行う層まで形成後、基板を基板加熱室３４内に搬送する。基板は、成膜室３３から基板加熱室３４までの移動の間、基板は、上記のガス供給または加熱の無いときの圧力が２×１０-6Ｐａ以下、より好ましくは、ガス供給または加熱のないときの圧力が１×１０-7Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０-8Ｐａ以下の環境外に置かれない。基板加熱室３４は、より詳しくは、図４の構成を有する。図４は、基板加熱室３４の構成を示す断面図である。
【００４４】
図４に示すように、基板加熱室３４は、チャンバ４１を有する。チャンバ内４１には、試料台４２が設けられ、試料台４２上には基板２１が配置される。試料台４２の上方には、加熱用のランプ４３が設けられる。ランプ４３は、加熱光４４によって、試料台４２上に配置された基板２１を加熱する。ランプ４３は、試料台４２上に配置された基板２１の最表面、すなわち、基板加熱室３４への搬送に先立って最後に形成された層を上方から加熱できる位置に配置される。ランプ４３は、図４では、２つを図示しているが、１つ、または３つ以上でも構わない。
【００４５】
試料台４２の温度は、室温でも、加熱終了後の冷却を促進するため室温以下の低温でもよい。一方、高速昇温時の到達温度を高くするため、磁性層の特性が劣化しない範囲で、磁性層のキュリー温度より低く室温より高い温度に、所定時間保持しておいてもよい。具体的には、例えば、３００℃以下、加熱時間１ｈ以内とする。
【００４６】
図４の基板加熱室３４において、試料台４２上の基板２１の最表面の層を、ランプ４３からの加熱光４４を照射することによって改質する。この加熱は、理想的には、基板２１の最表面の層のみが均一に加熱される条件で行う。その理由は、後述のように、加熱によって最表面の層を改質するとともに、最表面の層からこれ以外の層への熱の伝導を抑制することによって各層の構成元素が他層へ拡散することや磁性層の劣化を防止するためである。しかしながら、最表面層以外の層の昇温を完全に防ぐことは困難であるので、最表面層の近傍層（最表面に近い層）もある程度加熱される。ただし、加熱によって最表面層以外の層から構成元素の拡散や磁性層の劣化を防止しつつ、最表面層を後述するような状態へと改質できる条件であれば良い。
【００４７】
このような条件を満たすため、より具体的には、最表面の層を最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上の条件で昇温させる条件での昇温を行う。このような条件とすることによって、最表面の層のみの均一な加熱ではないとしても、後述の効果を得られるとともに、他の層への熱伝導を、悪影響が出ない程度に抑制できる。このような高速昇温を行い、かつ加熱後速やかに基板２１を冷却するために、一般に熱容量が大きく昇降温が遅い試料台４２に対する抵抗を用いた加熱でなく、ランプ４３等の加熱装置により、熱容量の小さい基板２１のみを直接的に加熱する。
【００４８】
最大昇温速度を＋１０℃／ｓ以上とする詳細な理由は、様々な観点に起因し、以下の通りである。このような昇温速度を有さない従来炉における＋０．１℃／ｓでの１バッチ＝２５枚処理は、ウェハ１枚当り＋２．５℃／ｓで２５回の枚葉処理に対応する。本発明の実施形態で従来炉と同等以下の生産所要時間（Turn Around Time、以下ＴＡＴと略す）を維持するには、最大昇温速度を＋２．５℃／ｓ以上にする必要がある。より好ましくは、ＴＡＴを従来炉の半分以下に抑制してコストダウン効果を鮮明にするため、最表面層の最大昇温速度を＋５℃／ｓ以上にする。さらに好ましくは、熱履歴を最小にして磁性層の劣化を極力防止するため、最表面層の最大昇温速度を＋１０℃／ｓ以上にする。
【００４９】
一方、昇温速度が高過ぎると、不均一な昇温によってウェハが割れたり、ＭＴＪ素子下方の配線が切れたり、応力が発生して素子が劣化したりする恐れがある。これらを回避するため、最表面層の最大昇温速度は＋１００℃／ｓ以下であることが好ましい。
【００５０】
しかしながら、昇温速度が＋１００℃／ｓを超えても、後に「実験結果」の項目でも述べるような加熱時間が充分短くウェハの加熱光照射側のみが主に昇温する条件なら、熱はウェハ内を速やかに拡散してウェハ温度はほとんど上がらないので、ウェハ割れや配線切れや応力による素子の劣化は起こらない。例えば、Takayuki Ito et al. IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING誌第１６巻３号４１７ページ（２００３年）には、加熱時間（ランプ照射時間）５ｍｓ以下でウェハの表面側が主に昇温することが示されている。従って、加熱時間５ｍｓ以下であれば、昇温速度が＋１００℃／ｓを超えた条件を本発明に係る実施形態で用いることができる。加熱時間（ランプ照射時間）５ｍｓ以下の加熱は、ウェハ最表面の膜に充分な熱履歴を与えるため、複数回行ってもよい。
【００５１】
基板２１の最表面の層の加熱は、最表面の層による吸収率がそれよりも下層の吸収率より高い波長の光を選別して、基板２１に照射して行うことができる。波長を用いて選択的な加熱を行うには、例えば、基板２１とランプ４３との間にフィルタ４６を設けることができる。フィルタ４６は、最表面層の吸収率がそれより下の層での吸収率より高い波長の光を選別して透過させる。フィルタ４６を用いた加熱を行うことによって、最表面以外の層への熱伝導をより良好に抑えつつ、短時間で均一に最表面の層を加熱できる。
【００５２】
基板２１の最表面層の加熱は、基板２１に磁場が印加された状態で行う。これは、後述のように、基板２１の最表面の層を改質すると共に、ＭＴＪ素子の層に磁化を与えるため、また、基板２１最表面の層の加熱中または昇降温中におけるＭＴＪ素子の磁性層の劣化や磁化方向の乱れを防ぐためである。磁場は、例えば昇温開始前から降温終了後まで印加する。
【００５３】
印加する磁場の方向は、例えば、固着層２の所望の磁化の方向に沿った方向である。より具体的には、固着層２の磁化がＭＴＪ素子の層の接合面に沿った方向を向くべき場合、接合面に沿った方向の磁場５１を印加する。一方、固着層２の磁化がＭＴＪ素子の接合面と交わる（典型的には実質的に垂直な）方向を向くべき場合、接合面と交わる方向の磁場５２を印加する。
【００５４】
また、印加する磁場の大きさは、０．００５Ｔ以上であることが好ましい。これは、キュリー点近傍以上の温度で磁化を失った磁性層（磁性層１３、１５等）の磁化を回復させ、ＭＴＪ素子を用いる磁気記憶装置の配線（配線層１、５等）等の電流誘導磁場や地磁気等の外部磁場からの影響を回避するためである。
【００５５】
一方、磁場が大き過ぎると、大口径のウェハ（基板２１）に磁場を均一に印加することが処理装置の実現上困難となる。この観点からは、磁場の大きさは０．１Ｔ程度以下であることが現実的であり、また、好ましい。
【００５６】
また、基板２１の最表面の層の加熱は、チャンバ４１内に雰囲気ガスが供給された状態で行うことができる。この場合、図４に示すように、チャンバ４１内には、ガス供給管３６を介して、後述するように、実施の形態に従ったガスが供給される。
【００５７】
加熱処理される最表面層が酸化物の場合は、加熱に伴うＯ原子の離脱によるＯ原子欠損の発生を防ぐため、例えばＯ2、Ｏ3、Ｎ2Ｏのような、酸素原子を含む分子を含有する酸化性ガスを導入する。これらは必要に応じて、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅといった希ガスと混合してもよい。
【００５８】
導入される雰囲気ガスは、そのままチャンバ４１に供給されてもよいし、基底状態や励起状態のＯ原子や酸素原子イオンおよび酸素分子イオン、励起状態のＯ2分子といった酸素ラジカルやオゾンなどの酸素活性種を用いてもよい。励起状態のガスを供給する場合、チャンバ４１の外側において、ガス供給管３６の側方には、放電電極４５が設けられる。放電電極４５は、ガス供給管３６内のガスを励起する。放電電極４５は、チャンバ４１内に設けられていてもよい。
【００５９】
また、加熱光４４内に雰囲気ガスが光解離する波長の光が含まれている場合、解離により発生する活性種を基板２１の最表面層の処理に活用することができる。特に、Ｏ2ガス含有雰囲気に対して波長１７５ｎｍ以下の光、Ｏ3ガス含有雰囲気に対して波長４１１ｎｍ以下の光、Ｎ2Ｏガス含有雰囲気に対して波長３４１ｎｍ以下の光を照射すると、励起状態の酸素原子ラジカルＯ（1Ｄ）が発生する。この酸素原子ラジカルは、価電子のスピンが↑↓である。基底状態の酸素原子ラジカルＯ（3Ｐ）の価電子スピン↑↑に比べ、化学結合を構成する価電子のスピン↑↓への挿入反応が起こりやすく、Ｏ原子欠損抑制に特に効果がある。一方、これらより波長が長く低エネルギーの光でも、Ｏ（1Ｄ）より励起状態の低いＯ（3Ｐ）が形成される波長の光なら、Ｏ（3Ｐ）もＯ2よりはＯ原子欠損に入りやすく、Ｏ原子欠損を抑制する効果がある。
【００６０】
雰囲気ガスの励起は、加熱光４４を兼用してもよいが、別の光源による雰囲気ガス励起光５３を使用してもよい。
【００６１】
加熱処理される最表面層が窒化物の場合は、加熱に伴うＮ原子の離脱によるＮ原子欠損の発生を防ぐため、例えばＮ2、ＮＨ3、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2のような、窒素原子を含む分子を含有する窒化性ガスを導入することができる。これらは、上記の酸化性ガスと同様に、希ガスと混合したり、導入ガスを励起してもよく、基底状態や励起状態のＮ原子や窒素原子イオンおよび窒素分子イオン、励起状態のＮ2分子といった窒素ラジカルなどの窒素活性種を使用することができる。
【００６２】
加熱処理される最表面層が酸窒化物の場合は、上記の酸化性ガスおよび窒化性ガスのいずれかまたは双方を順番に使用することができる。特に、例えばＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2のような酸素原子および窒素原子を含む分子を含んだガス、またはそれを励起して発生するラジカルは、最表面層のＯ、Ｎ両原子欠損を同時に抑制できる可能性がある。
【００６３】
加熱処理される最表面層が磁性体や金属のような導電体の場合は、雰囲気中の残留ガスによる表面の酸化や汚染を防ぐため、例えばＨ2ガスのような還元性ガス（水素ガス）を導入する。これは、先述の酸化性ガスと同様に、希ガスと混合したり、導入ガスを励起してもよく、基底状態や励起状態のＨ原子や水素原子イオンおよび水素分子イオン、励起状態のＨ2分子といった水素ラジカルなどの水素活性種を使用することができる。
【００６４】
また、加熱時の雰囲気として希ガスのような不活性ガスを用いたり、真空雰囲気としたりしてもよい。
【００６５】
以上の雰囲気ガスの供給は、最表面層での原子欠損発生や表面汚染を防ぐため、昇温開始前から降温終了後まで行ったり、あるいは雰囲気ガスの最表面層の下層との反応を防ぐため、昇温前から降温後の間の一部の時間のみ行ったりしてもよい。
【００６６】
また、加熱室３４は、加熱処理による基板最表面層の構造変化を調べるための機構を有していてもよい。このような機構として、加熱室３４は、例えば、電子線または光源６１、検出器またはスクリーン６２を有する。高速反射電子線回折法（ＲＨＥＥＤ）を用いる場合、電子線６１は基板２１に電子線６３を照射し、基板２１の最表面層により反射された電子線によって、回析パターンがスクリーン６２に映し出される。この回析パターンから、基板２１の最表面層の結晶構造を知得できる。
【００６７】
また、Ｘ線反射率分析法（ＧＩＸＲ）を用いる場合、電子線６１は、基板２１にＸ線６３を照射し、基板２１の最表面層により反射されたＸ線が検出器６２に入射する。検出器６２がこのＸ線を解析することによって、基板２１の最表面層の密度や界面・表面ラフネスを測定できる。
【００６８】
また、Ｘ線光電子分析法（ＸＰＳ）による結合状態分析、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）による密度分析などを適宜用いてもよい。
【００６９】
加熱処理による基板２１最表面層の構造変化の分析は、基板搬送時間節約および加熱中の観察の観点から加熱室３４内で行ってもよいし、加熱処理と最表面層の分析の並行処理による生産速度向上の観点から加熱室３４と別のチャンバで行ってもよい。いずれの場合も、加熱処理と表面分析は、大気中の水分や酸素等による変質を防ぐため、基板２１を外気に晒すことなく連続的に行うことが好ましい。
【００７０】
加熱終了後、各層構成元素の他層への拡散や磁性層の劣化を防止するため、最大降温速度を、最大昇温速度と同様に−１０℃／ｓ以上として各層の熱履歴を抑制することが好ましい。降温は自然放冷でもよいが、例えば試料台４２に冷媒を通して冷却機能を持たせたり、冷却用ガスを基板２１や試料台４２の周囲に吹きつけたりしてもよい。あるいは、基板２１を加熱室３０１と別のチャンバに搬送して冷却してもよい。いずれの場合も、降温処理は、大気中の水分や酸素等による変質を防ぐため、外気に晒すことなく連続的に行うことが好ましい。
【００７１】
（実験結果）
図５は、最大昇温速度＋１０℃／ｓ以上の高速昇温の効果を調べるために行った実験結果を示している。図２に示したフルスタックを成膜後、図５に示す３通りの条件でアニールを行った。すなわち、従来炉を用いて炉内温度２５０℃で２ｈの加熱、高速昇温（ＲＴＡ）で基板最表面の４００℃までの昇温（ＲＴＡ１）、特殊なＲＴＡ（ＲＴＡ２）である。
【００７２】
また、昇温雰囲気は、従来炉は真空中、ＲＴＡ１は磁場なしで窒素ガス０．１ＭＰａ中、ＲＴＡ２はアルゴンガス０．１ＭＰａ中であった。また、従来炉は０．５Ｔの磁場が印加された状態であり、ＲＴＡ１、ＲＴＡ２は磁場の印加なしで行った。
【００７３】
従来炉での加熱では、基板全体が加熱されるため、最表面層を含む基板の全体の温度は、炉内と同じ温度（２５０℃）まで昇温する。また、昇温に１乃至２時間、また加熱後の５０℃までの降温に５乃至６時間を要しており、基板全体の昇温速度は最大でも＋６℃／ｍｉｎ（＋０．１℃／ｓ）程度である。
【００７４】
ＲＴＡ１では、加熱ランプを数秒乃至数１０秒照射することによって、最表面層を含む基板全体を４００℃まで昇温させた（ＲＴＡ１）。ＲＴＡ１では、熱が速やかに拡散し、基板の最表面層と基板内部とで温度差は生じない。基板の最表面層の最大昇温速度は＋２０℃／ｓ、基板全体の４００℃到達までの所要時間は約１３秒であった。４００℃到達後すぐに加熱を停止して降温開始し、２００、１００、５０℃到達時間は降温開始からそれぞれ２０、１４５、１１０秒後程度であった。４００℃から２００℃までの２０秒での降温は降温速度−１０℃／ｓである。
【００７５】
ＲＴＡ２は、ＣＭＯＳ試作プロセスのＳｉ基板表面にイオン注入後、活性化アニールによるultra shallow junctionの形成に使用されている方法である（Takayuki Ito et al. IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING誌第１６巻３号４１７ページ（２００３年））。基板の表面にミリ秒程度、加熱光を照射し、基板最表面のみを瞬間的に加熱する。加熱用照射光の熱量は小さいので、照射後は熱が基板最表面から基板内部に速やかに拡散し、基板温度は急速に、ＲＴＡ１より早く低下する。ここでは、試料ステージで１００℃に加熱した基板に対し、照射パルス時間幅０．８ｍｓの基板加熱ランプで５回照射を行った。上記した、昇温速度が＋１００℃／ｓを超えているが加熱時間が充分短い条件の加熱処理の１つとして、このＲＴＡ２が該当する。
【００７６】
図５で、ＲＴＡ２は従来炉を用いた２５０℃での２ｈの条件の場合より高いＭＲが出ている。ＲＴＡ２は、４ｍｓ（０．８ｍｓ×５回）間の加熱で基板最表面層の温度が２５０℃以上に到達していることを示しており、昇温速度＋６２５００℃／ｓ以上に相当する。
【００７７】
バリア抵抗率ＲＡは、いずれの試料も数ｋΩｕｍ2であった。
【００７８】
図５でＲＴＡ１、ＲＴＡ２は、無磁場でフルスタック成膜後の加熱であるにもかかわらず、従来炉の磁場中での２５０℃の加熱より高いＭＲ比を示している。今後、これらの高速昇温装置を成膜装置に組み込んで、フルスタック中の加熱が必要な層が最表面にある時点で、その場で（in situに）加熱することが考えられる。こうすることにより、他の耐熱性に劣る層の劣化を防止したり、磁場印加によって加熱中の磁性層の劣化を抑制したりすることができる。
【００７９】
（実施形態のバリエーション）
図３、図４の装置を用いた、磁気抵抗効果素子の形成に関する様々な実施形態について説明する。
【００８０】
（実施形態１）
実施形態１は、図３、図４の装置を用いた、トンネルバリア層３が形成された時点での加熱に関する。図６乃至図１０を参照して、実施形態１について説明する。図６乃至図８は、本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を順に示す図である。
【００８１】
図７に示すように、成膜室３３内で、例えばスパッタ法により、基板（図示せぬ）の上方に下側配線接続層１１からトンネルバリア層３までの各層を形成する。次に、図８に示すように、加熱室３４内で基板の最表面層（トンネルバリア層３）に対して加熱光４４を照射することにより、トンネルバリア層３を、＋１０℃／ｓの最大昇温速度で、例えば４００乃至８００℃まで加熱する。温度の保持時間は例えば１分以下の短時間である。
【００８２】
トンネルバリア層３がＭｇＯやＡｌＯxのように酸素原子を含有する場合、加熱を酸化雰囲気中で行ってもよい。こうすることにより、加熱による酸素原子欠損の発生を防ぐことができる。酸化雰囲気は、例えば酸素ガス、酸素プラズマやラジカル源等で発生させた原子状酸素などの酸素ラジカル、オゾンガスを用いることにより実現できる。これらの雰囲気に希ガスを混合してもよい。圧力は、例えば概ね１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）乃至１．３３×１０-5Ｐａ（１×１０-7Ｔｏｒｒ）の範囲とする。
【００８３】
加熱終了後、基板は、ほぼ室温まで冷却される。冷却後、図８に示すように、強磁性層１６から上部配線接続層１８までの各層を形成することにより、フルスタック全体が完成する。
【００８４】
実施形態１の効果を、図９、図１０に模式的に示す。図１０は、図９に続く状態を示している。図９に示すように、成膜後のトンネルバリア層３には、格子の乱れ、酸素欠損、格子歪、凹凸等が生じている。これに対して、ランプ４３による加熱の熱エネルギーによって、トンネルバリア層３の表面マイグレーションを促進する。この結果、図１０に示すように、格子の乱れ、酸素欠損、格子歪、凹凸を解消してトンネルバリア層３の結晶性が向上する。
【００８５】
また、加熱によって、トンネルバリア層３、強磁性層１５を同時に結晶化させることによって、強磁性層１５と格子整合が良く、且つ高ＭＲ、高耐圧で絶縁破壊寿命が長いトンネルバリア層３を形成する効果もある。
【００８６】
また、結晶性が向上したトンネルバリア層３上に強磁性層１６乃至上部配線接続層１８が形成される。よって、強磁性層１６乃至上部配線接続層１８の結晶性も向上する。
【００８７】
また、加熱によって、例えばトンネルバリア層３内、特に表面の水酸化マグネシウムや炭酸マグネシウムといった不純物を酸化し、除去する効果もある。
【００８８】
酸素活性種を含んだ雰囲気内での加熱を行えば、その励起エネルギーも表面マイグレーションに寄与する。この場合、好ましくは、表面マイグレーションの活性化エネルギーは各層間の原子拡散の活性化エネルギーより小さく、最表面層に与えられる熱エネルギーおよび活性種のエネルギーは最表面層の下層へと熱伝導で与えられる熱エネルギーより大きいという性質を利用する。また、熱エネルギーは下層に伝導するが、原子の他層への拡散や多層原子との混合は抑制される加熱条件がよい。
【００８９】
（実施形態２）
実施形態２は、図３、図４の装置を用いた、強磁性層１５が形成された時点での加熱に関する。図１１乃至図１５を参照して、実施形態２について説明する。図１１乃至図１３は、本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を順に示す図である。
【００９０】
図１１に示すように、成膜室３３内で、例えばスパッタ法により、基板（図示せぬ）の上方に下側配線接続層１１から強磁性層１５までの各層を形成する。次に、図１２に示すように、加熱室３４内で基板の最表面層（強磁性層１５）に対して加熱光４４を照射することにより、強磁性層１５を、＋１０℃／ｓの最大昇温速度で、例えば４００乃至８００℃まで加熱する。温度の保持時間は例えば１分以下の短時間である。
【００９１】
この加熱は、例えば還元雰囲気中で行ってもよい。こうすることにより、強磁性層１５の表面で酸化物が生成されることや有機物によって汚染されることを防止できる。還元雰囲気は、例えば水素ガス、水素プラズマやラジカル源等で発生させた原子状水素などの水素ラジカルを用いることにより実現される。これらの雰囲気に希ガスを混合してもよい。圧力は、例えば概ね１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）乃至１．３３×１０-5Ｐａ（１×１０-7Ｔｏｒｒ）の範囲とする。
【００９２】
加熱終了後、基板は、ほぼ室温まで冷却される。冷却後、図１３に示すように、トンネルバリア層３から上部配線接続層１８までの各層を形成することにより、フルスタック全体が完成する。
【００９３】
実施形態２の効果を、図１４、図１５に模式的に示す。図１４に示すように、成膜後の強磁性層１５には、格子の乱れ、格子歪、凹凸等が生じている。これに対して、ランプ４３による加熱の熱エネルギーによって、強磁性層１５の表面マイグレーションを促進する。この結果、図１５に示すように、格子の乱れ、酸素欠損、格子歪、凹凸を解消して強磁性層１５の結晶性が向上する。
【００９４】
結晶性が向上した強磁性層１５上にトンネルバリア層３が形成されるので、強磁性層１５の結晶性も高く、強磁性層１５の表面に格子の乱れ、格子歪、凹凸等が生じることが抑制される。また、強磁性層１５より上の層の結晶性も同様に向上する。
【００９５】
還元雰囲気中での加熱を行う場合、好ましくは、表面マイグレーションの活性化エネルギーが各層間の原子拡散の活性化エネルギーより小さく、最表面層に与えられる熱エネルギーおよび活性種のエネルギーが最表面層の下層に熱伝導で与えられる熱エネルギーより大きいという性質を利用する。また、熱エネルギーは下層に伝導するが、原子の他層への拡散や多層原子との混合は抑制される加熱条件がよい。
【００９６】
（実施形態３）
実施形態３は、図３、図４の装置を用いた、強磁性層１６が形成された時点での加熱に関する。図１６乃至図２０を参照して、実施形態３について説明する。図１６乃至図１８は、本発明の実施形態３に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を順に示す図である。
【００９７】
図１６に示すように、成膜室３３内で、例えばスパッタ法により、基板（図示せぬ）の上方に下側配線接続層１１から強磁性層１６までの各層を形成する。次に、図１７に示すように、加熱室３４内で基板の最表面層（強磁性層１６）に対して加熱光４４を照射することにより、強磁性層１６を、＋１０℃／ｓの最大昇温速度で、例えば４００乃至８００℃まで加熱する。温度の保持時間は例えば１分以下の短時間である。
【００９８】
この加熱は、例えば還元雰囲気中で行ってもよい。こうすることにより、強磁性層１６の表面で酸化物が生成されることや有機物によって汚染されることを防止できる。還元雰囲気は、例えば水素ガス、水素プラズマやラジカル源等で発生させた原子状水素などの水素ラジカルを用いることにより実現される。これらの雰囲気に希ガスを混合してもよい。圧力は、例えば概ね１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）乃至１．３３×１０-5Ｐａ（１×１０-7Ｔｏｒｒ）の範囲とする。
【００９９】
加熱終了後、基板は、ほぼ室温まで冷却される。冷却後、図１３に示すように、キャップ層１７、上部配線接続層１８を順次形成することにより、フルスタック全体が完成する。
【０１００】
実施形態３の効果を、図１９、図２０に模式的に示す。図１９に示すように、成膜後の強磁性層１６には、格子の乱れ、格子歪、凹凸等が生じている。これに対して、ランプ４３による加熱の熱エネルギーによって、強磁性層１６の表面マイグレーションを促進する。この結果、図１５に示すように、格子の乱れ、酸素欠損、格子歪、凹凸を解消して強磁性層１６の結晶性を向上する。
【０１０１】
また、加熱によって、トンネルバリア層３、強磁性層１５をも同時に結晶化させ、強磁性層１５、１６と格子整合が良く、且つ高ＭＲ、高耐圧で絶縁破壊寿命が長いトンネルバリア層３を形成する効果もある。
【０１０２】
また、結晶性が向上した強磁性層１６上にキャップ層１７、上部配線接続層層１８が形成される。このため、キャップ層１７、上部配線接続層１８の結晶性も向上する。
【０１０３】
還元雰囲気中での加熱を行う場合、好ましくは、表面マイグレーションの活性化エネルギーが各層間の原子拡散の活性化エネルギーより小さく、最表面層に与えられる熱エネルギーおよび活性種のエネルギーが最表面層の下層に熱伝導で与えられる熱エネルギーより大きいという性質を利用する。また、熱エネルギーは下層に伝導するが、原子の他層への拡散や多層原子との混合は抑制される加熱条件がよい。
【０１０４】
実施形態１乃至３では、トンネルバリア層３、強磁性層１５、１６が最表面になったときに成膜を中断して行った加熱処理を説明した。しかしながら、これら以外の層が最表面になったときに成膜を中断して加熱処理を行っても、同様に、その層の結晶性・膜質向上や、その下層との格子整合の向上や、加熱後ほぼ室温に冷却し表面状態が変化することによるその上層の結晶性向上の効果を得ることができる。
【０１０５】
実施形態１乃至３で製造されたＭＴＪ素子では、トンネルバリア層３およびその上下の強磁性層１５、１６の結晶性が向上するとともに、特に実施形態１のＭＴＪ素子ではトンネルバリア層３内の不純物（例えば、水酸化物や炭酸化合物）が減少する。このため、高ＭＲ、高耐圧で絶縁破壊寿命が長く、低耐圧マイノリティー（minority）不良素子の発生が抑制されたトンネルバリア層３を形成できる。
【０１０６】
また、実施形態１乃至３で製造されたＭＴＪ素子では、最表面の層のみが加熱され、この結果、実質的にこの最表面の層が主に昇温し、これより下の層の昇温が抑制される。このため、加熱対象の層以外の層での熱履歴が抑制される。この結果、磁気特性や耐熱性の高いＭＴＪ素子を実現できる。
【０１０７】
また、実施形態１乃至３で製造された、加熱対象の層（最表面の層）のみが昇温するように高速加熱および冷却が行われるため、加熱対象の層から、これ以外の層への熱伝導が抑制される。熱伝導の抑制によって、各層構成元素の他層への拡散や、昇温が望まれない層での昇温が抑制される。この結果、磁性層が劣化したり、磁化の向きが乱されたりすることを回避しつつ、磁区の大きさも一定に保たれる。よって、保持力ばらつきが低減すると共に、記憶層１６での磁化の反転が容易になることによってＭＲＡＭに用いられた場合の書込み電流が低減する。
【０１０８】
（磁気記憶装置の製造方法）
図３、図４の装置により製造される磁気抵抗効果素子を含んだ磁気記憶装置の製造方法について、図２１乃至図２４を参照して説明する。図２１乃至図２４は、本発明の実施形態に係る磁気記憶装置の製造工程を順に示す断面図である。
【０１０９】
図２１に示すように、半導体基板（図示せぬ）の上方に下部配線層１を、例えばＣＶＤ法やスパッタリング法等により形成する。次に、図３、図４の装置を用いて、実施形態１乃至３のいずれかに従って、磁化固着層２、トンネルバリア層３、記憶層４が形成される。
【０１１０】
次に、図２２に示すように、例えば、ＣＶＤ法およびリソグラフィ工程を用いて、記憶層４上に磁気抵抗効果素子が有するべき形状に対応するパターンを有するマスク材が形成される。次に、このマスク材を用いてイオンミリング法や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、磁化固着層２、トンネルバリア層３、記憶層４を選択的にエッチングする。この結果、磁化固着層２、トンネルバリア層３、記憶層４が、所定の平面形状へと加工される。この後、マスク材が除去される。
【０１１１】
次に、図２３に示すように、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法により、半導体基板の表面上の全面に、絶縁層６を形成する。絶縁層６は、続く工程でＭＴＪ素子を保護する機能を有し、例えば、ＳｉＯ2やＳｉＮとすることができる。
【０１１２】
次に、例えばＣＶＤ法およびリソグラフィ工程を用いて、絶縁層６上に、下部配線層１のパターンに応じたパターンを有するマスク材が形成される。次に、このマスク材を用いて、例えばＲＩＥ法により、下部配線層１が選択的にエッチングされる。このエッチングにより除去される部分は、図２３の紙面の手前と奥に位置しており、図２３上ではその変化は示されていない。このエッチングの際、ＭＴＪ素子は、絶縁層６により保護されている。
【０１１３】
次に、図２４に示すように、半導体基板の表面上の全面に、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法を用いて、絶縁層７が形成される。絶縁層７は、例えばＳｉＯ2 である。次に、リソグラフィ工程を用いて、絶縁層７内のＭＴＪ素子の上の部分に、ＭＴＪ素子に達するコンタクトホール８が形成される。
【０１１４】
次に、図１に示すように、例えばＣＶＤ法等により、コンタクトホール８を導電材で埋め込むと共に、絶縁層７上の上部配線層５を形成する。次に、上部配線層５を、リソグラフィ工程を用いて選択的にエッチングする。なお、上部配線層５については、コンタクト孔８の埋め込みをまず行い、その後、絶縁層７より上方の部分の成膜を行ってもよい。
【０１１５】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の実施形態に係るＭＴＪ素子とその周囲の断面図。
【図２】図１のＭＴＪ素子の詳細な断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造装置の平面図。
【図４】基板加熱室の構成を示す断面図。
【図５】昇温方法、条件に応じたＭＲ比を示す図。
【図６】実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。
【図７】図６に続く工程を示す断面図。
【図８】図７に続く工程を示す断面図。
【図９】実施形態１の効果を模式的に示す図。
【図１０】実施形態１の効果を模式的に示す図。
【図１１】実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。
【図１２】図１１に続く工程を示す断面図。
【図１３】図１２に続く工程を示す断面図。
【図１４】実施形態２の効果を模式的に示す図。
【図１５】実施形態２の効果を模式的に示す図。
【図１６】実施形態３に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。
【図１７】図１６に続く工程を示す断面図。
【図１８】図１７に続く工程を示す断面図。
【図１９】実施形態３の効果を模式的に示す図。
【図２０】実施形態３の効果を模式的に示す図。
【図２１】本発明の実施形態に係る磁気記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図２２】図２１に続く工程を示す断面図。
【図２３】図２２に続く工程を示す断面図。
【図２４】図２３に続く工程を示す断面図。
【符号の説明】
【０１１７】
１…下部配線層、２…磁化固着層、３…トンネルバリア層、４…記憶層、５…上部配線層、６、７…絶縁膜層、８…コンタクトホール、１１…下部配線接続層、１２…反強磁性層、１３、１５…強磁性層（磁化固着層）、１４…挿入層、１６…強磁性層（記憶層）、１７…キャップ層、１８…上部配線接続層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法および磁気抵抗効果素子の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetoresistive Random Access Memory : MRAM）は、情報を記憶するセル部において磁気抵抗効果を持つ磁気素子を用いる。ＭＲＡＭは、高速動作、大容量、不揮発性を特徴とする次世代記憶装置として注目されている。磁気抵抗効果とは、強磁性体に磁場を印加すると強磁性体の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化する現象である。こうした強磁性体の磁化の向きを情報の記録に用い、それに対応する電気抵抗の大小を用いて情報を読み出すことにより、記憶装置（ＭＲＡＭ）が実現される。
【０００３】
近年、２つの強磁性層の間に絶縁層（トンネルバリア層と称する）を挿入した構造を含む強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）により２０％以上の磁気抵抗比（ＭＲ比）が得られるようになった。これをきっかけとして、トンネル磁気抵抗効果を利用した強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction : MTJ）素子がＭＲＡＭに用いられている。
【０００４】
ＭＲＡＭにＭＴＪ素子を用いる場合、トンネルバリア層を挟む２つの強磁性層のうち、一方はその磁化の向きが変化しないように固定された磁化基準層として用いられ、他方はその磁化の向きが反転しやすい記憶層として用いられる。基準層と記憶層の磁化の向きが平行な状態と反平行な状態を２進数の“０”と“１”に対応づけることで、情報を記憶することができる。
【０００５】
情報の書き込みには、大別して２種の方法がある。１つは、ＭＴＪ素子近傍に設けられた書込み配線に電流を流して発生する磁場により、記憶層の磁化の向きを反転させる。もう１つは、スピン注入法と呼ばれ、ＭＴＪ素子に書込み電流を印加し、磁化基準層によってスピンの向きを揃えた伝導電子を記憶層に供給して記憶層の磁化を反転させる。
【０００６】
バリア層を挟む２つの磁性層の磁化が平行のとき、電流コンダクタンスが大きくなってＭＴＪ素子の抵抗が小さい。一方、反平行なときは、平行のときより抵抗が大きい。記録情報の読み出しは、このＴＭＲ効果による抵抗変化分を検出することにより行う。従って、ＴＭＲ効果による抵抗変化率（ＭＲ比）が大きいほうが好ましい。
【０００７】
近年、ＭｇＯをトンネルバリアとして用いると、数１００％のＭＲ比が得られることが指摘された。その理由は、ＭｇＯ（００１）結晶の４５度方向とＦｅ（００１）結晶とで格子定数が整合し、磁性層／ＭｇＯ／磁性層が結晶構造について積層するためと言われている。
【０００８】
磁性層として、Ｆｅ（非特許文献１）、ＣｏＦｅ（非特許文献２）、ＣｏＦｅＢ（非特許文献３）が報告されている。これらの文献は、試料全体（ＭＴＪ素子全体）を２６０乃至３６０℃で３０分乃至２時間加熱することを開示する。しかし、このような長時間の加熱では、例えば、ＭＴＪ素子を構成する各層の間の元素拡散や、磁性層の劣化が進行する。この結果、例えばＭＲ比の低下や記憶層の保磁力ばらつきの増加など、ＭＴＪ素子の動作特性が劣化する恐れがある。
【非特許文献１】S. Yuasa et al.、論文名、「Nature Material」、２００４年、第３巻、ｐ．８６８
【非特許文献２】S. S. P. Parkin et al、論文名、「Nature Material」、２００４年、第３巻、ｐ．８６２
【非特許文献３】D. D. Djayaprawire et al.、論文名、「Applied Physics Letter」、２００５年、第８６巻、ｐ．０９２５０２
【非特許文献４】K. Tsunekawa et al.、論文名、「Applied Physics Letter」、２００５年、第８７巻、ｐ．０７２５０３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、高い動作特性を有するＭＴＪ素子を得るための製造方法および製造装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の視点による磁気抵抗効果素子の製造方法は、少なくとも第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層と、を含む磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記磁気抵抗効果素子の一部を構成する第１層を形成する工程と、最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で前記第１層を加熱する工程と、前記第１層上に第２層を形成する工程と、を具備し、少なくとも前記第１層を形成する工程から前記第１層を加熱する工程を経て前記第２層を形成する工程までの工程を、背圧を２×１０-6Ｐａ以下として行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の視点による磁気抵抗効果素子の製造装置は、少なくとも第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層と、を含む磁気抵抗効果素子に含まれる複数の層を、背圧を２×１０-6Ｐａ以下として形成する成膜部と、背圧を２×１０-6Ｐａ以下とし且つ最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で前記複数の層のうちの最上層を加熱する加熱部と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い動作特性を有するＭＴＪ素子を得るための製造方法および製造装置提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明者等は、本発明の開発の過程において、ＭＲ比が高く記憶層の保磁力のばらつきが小さい等の高い特性を有するＭＴＪ素子について研究した。その結果、本発明者等は、以下に述べるような知見を得た。
【００１４】
ＭＴＪ素子は、超高真空装置内で複数の膜を連続して形成するので、装置内の圧力が充分低く、真空度が充分高くなければならない。また、順に積層された磁化固着層、バリア層、記憶層からなるＭＴＪ素子の製造は、一般的に保磁力および耐熱性が磁化固着層より小さい記憶層の劣化を防ぐため、以下のように行われる。すなわち、トンネルバリア層までの成膜、トンネルバリア層が成膜された段階で基板を加熱することによるトンネルバリア層の結晶性向上、その後の記憶層の成膜を、同一の成膜装置内で連続的に行う方法が考えられる。
【００１５】
しかし、基板加熱時間が前述のような数１０分乃至数時間の長さの場合、磁化固着層が劣化する恐れがある。また、基板加熱時の装置内圧力が充分低くないと、その際に上面が露出している層の表面が汚染され、例えばバリア層と記憶層との結晶性のつながりが阻害される。この結果、ＭＲ比が低下したり、磁性層の間の磁化の相互作用が阻害され保磁力のばらつきが大きくなったりするなどの特性の劣化につながる。
【００１６】
このように、従来のＭＴＪ素子の製造方法や製造装置では、試料全体を高温で長時間加熱することによるＭＴＪ素子を構成する層間の元素拡散や磁性層の劣化が生じる。これに対して、ＭＴＪ素子を構成する層が途中で露出した状態で不十分な真空度中での加熱を行うことにより、試料全体を高温で長時間加熱することによる問題を解消できると考えられる。しかしながら、この場合も、ＭＴＪ素子内の加熱処理対象の層の汚染により、ＭＴＪ素子の特性が低下する。
【００１７】
以上の検討より、膜質向上のために加熱が必要な層の充分な加熱と、耐熱性に劣る層の熱履歴抑制とを両立可能な磁気抵抗効果素子の製造方法および磁気抵抗効果素子の製造装置の提供が望まれる。
【００１８】
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１９】
（磁気抵抗効果素子とその周囲の構造）
図１は、本発明の実施形態に係る、磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）近傍部分の構造を示す断面図である。より具体的には、ＭＴＪ素子を用いるＭＲＡＭの一部を示す断面図である。
【００２０】
図１に示すように、下部配線層１上に、磁化固着層（磁化基準層）２、トンネルバリア層３、および記憶層（磁化可変層）４からなる強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子が設けられている。
【００２１】
記憶層４上には上部配線層５が接続されており、上部配線層５と下部配線層１とは絶縁層６、７によって絶縁されている。上部配線層１、下部配線層５は、例えばＡｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ、Ａｇから構成される。絶縁層６、７は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯx）やシリコン窒化膜（ＳｉＮx）から構成される。
【００２２】
絶縁層７には、記憶層４に達するコンタクトホール８が形成されている。コンタクトホール８内には導電材料が埋め込まれており、この導電材料は、上部配線５と記憶層４とを電気的に接続する。
【００２３】
磁化固着層２および記憶層４は、より詳細には、図２に示すような積層された複数の層からなる。図２は、図１のＭＴＪ素子の詳細な断面図である。図２に示すように、ＭＴＪ素子は、例えば、積層された、下部配線接続層１１、反強磁性層１２、強磁性層１３、挿入層１４、強磁性層１５、トンネルバリア層３、強磁性層１６、キャップ層１７、上部配線接続層１８から構成されている。
【００２４】
下部配線接続層１１、反強磁性層１２、強磁性層１３、挿入層１４、強磁性層１５の積層構造が、磁化固着層２を構成する。強磁性層１６、キャップ層１７、上部配線接続層１８の積層構造が、記憶層４を構成する。
【００２５】
下部配線接続層１１は、例えば膜厚が５ｎｍのＴａからなる。反強磁性層１２は、例えば膜厚が１５ｎｍのＰｔ−Ｍｎからなる。
【００２６】
強磁性層１３は、例えば膜厚が２ｎｍのＣｏ−Ｆｅからなる。挿入層１４は、例えば膜厚が１ｎｍの非磁性金属、例えばＲｕからなる。強磁性層１５は、例えば膜厚が２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなり、その磁化の方向が固定されている。強磁性層１３、強磁性層１５、挿入層１４は、積層フェリピンを構成する。強磁性層１３は、反強磁性層１２によって磁化の方向を固定されている。強磁性層１５は、挿入層１４によって強磁性層１３の磁化と結合しているため、その磁化方向は固定されている。
【００２７】
トンネルバリア層３は、例えば膜厚が１ｎｍのＭｇＯからなる。また、トンネルバリア層３としてＡｌＯx、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＡｌＨｆＯx、ＡｌＺｒＯx、ＡｌＦＯxを用いることもできる。強磁性層１６は、例えば膜厚が２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなり、その磁化の方向は可変である。
【００２８】
キャップ層１７は、例えば膜厚が５ｎｍのＴａからなる。上部配線接続層１８は、例えば膜厚が７ｎｍのＲｕからなり、エッチングマスク、ＭＴＪ素子の表面保護の機能も担う。
【００２９】
各層の厚さは、０．１ｎｍ乃至数１０ｎｍの範囲で適宜調整してもよい。また、各層は、上記と異なる材料で構成してもよい。また、ＭＴＪ素子の層の構成を適宜変更することもできる。例えば、トンネルバリア層３をＭｇＯおよびＭｇを重ねた積層構造にする（非特許文献４）など、各層を複数の層で形成してもよい。また、ＭＴＪ素子を図２に示す構造と上下反対の構成としたり、記憶層４を単層でなく積層フェリピン構造としたり、トンネルバリア層を複数有する強磁性２重トンネル接合構造としたりすることができる。
【００３０】
なお、図２以外の図では、簡略化のため下部配線接続層１１乃至強磁性層１５を包括的に磁化固着層２として示し、強磁性層１６乃至上部配線接続層１８を記憶層４として示す。また、下部配線接続層１１乃至上部配線接続層１８からなる構造を、以下、フルスタックと呼ぶ。
【００３１】
（磁気抵抗効果素子の製造方法、製造装置）
磁化固着層２、トンネルバリア層３、および記憶層４の形成は、例えば、図３に示す半導体装置の製造装置により行う。図３は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造装置の平面図である。図３を参照して、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造装置、および製造方法について説明する。
【００３２】
図３に示すように、製造装置は、基板導入室３１、基板搬送室３２、成膜室３３、基板加熱室３４を有する。基板加熱室３４は、後述の本発明の実施の形態によっては、活性ガス発生装置３５と、ガス供給管３６を介して接続される。活性ガス発生装置３５は、後述の実施形態に応じたガスを発生する。
【００３３】
磁気抵抗効果素子の製造に当たり、まず、下部配線層１が形成された基板を、図３の基板導入室３１内に設置する。製造装置内に外気が混入しないよう、所定の到達圧力に下がるまで基板導入室３１内を充分排気した後、基板２１を基板搬送室３２内に導入する。
【００３４】
ＭＴＪ素子を構成する各層への不純物混入による結晶性および膜質の低下や、各層の形成後に次の層を形成するまでに表面に吸着される吸着物によるＭＴＪ素子の特性の劣化を防止するため、例えば図３に示す製造装置内、より具体的には、成膜室３３、基板加熱室３４の各チャンバ内では、常に、成膜やエッチング処理等の処理のためのガス供給または加熱の無いときの圧力（背圧）が、２×１０-6Ｐａ以下であることが好ましい。これは、以下の理由による。すなわち、チャンバ内の圧力は、汚染や酸化等の基板最表面の層への影響を成膜室３３中のガス中の不純物と同等以下に抑制するため、成膜時のガス中の不純物濃度以下であることが好ましい。スパッタによる成膜の場合、成膜室３４内のガスとして、通常、６Ｎ（９９．９９９９％）程度以上の純度のガスを用いる。また、スパッタによる成膜時の圧力は典型的に０．１Ｐａ未満なので、対応する不純物圧力２×１０-6Ｐａ以下にチャンバ内圧力を下げることが好ましい。より好ましくは、低圧スパッタ０．０１Ｐａ未満中の不純物圧力が１×１０-7Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０-8Ｐａ以下に、基板加熱室３４のチャンバ内圧力を下げる。
【００３５】
ここで、背圧とは、より詳しくは、成膜やエッチング等の処理のためのガス供給あるいは加熱を行わない際の圧力を示し、例えば当該ガス供給あるいは加熱を行う前あるいは行った後の圧力を測定することにより求められる。
【００３６】
なお、基板最表面を加熱に伴い、基板や、試料台、装置内壁等が加熱され、この結果、これらからガスが発生することがある。このガスにより、基板加熱室内３４内のガス供給の無いときの圧力が一時的に上記の条件の値を超えると、厳密には、基板最表面層の汚染に繋がる恐れがある。しかしながら、本実施形態の高速昇温は、後述のように従来の低速昇温に比べると加熱時間が少ないので、このガスによる汚染の影響は限定的である。
【００３７】
このガスによる影響をも排除したい場合等、好ましくは、加熱中にガスが発生してもガス供給の無いときの圧力が上記の条件値以下になるよう、真空ポンプの排気速度を設定したり、予め充分な装置のベーキングで発生ガスを低減させたり、ガスの発生の少ない基板表面の膜材料を用いたりすることができる。
【００３８】
次に、例えば基板の最表面を気相でエッチングすることにより、大気中から吸着された汚染物を除去した後（エッチング室は図示していない）、基板を成膜室３３内に搬送する。成膜室３３内において、加熱による改質を行う層まで順次成膜して積層する。ここで、加熱により改質を行う層は、図２のＭＴＪ素子を構成する層のいずれかであり、どの層が該当するかについては後述する。例えば、トンネルバリア層３を改質する場合、下部配線接続層１１乃至トンネルバリア層３が形成される。
【００３９】
なお、成膜の方法は特に問わないが、図３は、ターゲット４０を用いたスパッタリング法のための成膜室３３を示している。その他、例えば、蒸着法、原子層堆積（ＡＬＤ）法、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法を用いてもよい。
【００４０】
スパッタリングによるトンネルバリア層３の形成では、トンネルバリア層３が酸化物の場合、化合物ターゲット（例えばＭｇＯターゲット）の直接スパッタ、金属ターゲット（例えばＭｇターゲット）の反応性スパッタ（例えばＯ2ガス導入）、あるいは金属膜（例えばＭｇ層）形成後のバリア酸化を行うことができる。バリア酸化では、酸素プラズマ、酸素ラジカル、オゾン、あるいは酸素ガス雰囲気を用いることができる。
【００４１】
トンネルバリア層３が窒化物の場合は、窒素プラズマ、窒素ラジカル、窒素、アンモニア、一酸化一窒素、二酸化一窒素、一酸化二窒素といった窒化雰囲気を用い、これを金属ターゲットの反応性スパッタや金属層の形成後のバリア窒化に用いることができる。
【００４２】
トンネルバリア層３が酸窒化物の場合は、金属酸化物層の窒化、金属窒化物層の酸化、酸窒化雰囲気の併用を適宜組み合わせて行うことができる。なお、酸化室、窒化室、あるいは酸窒化室は図示していない。
【００４３】
次に、加熱による改質を行う層まで形成後、基板を基板加熱室３４内に搬送する。基板は、成膜室３３から基板加熱室３４までの移動の間、基板は、上記のガス供給または加熱の無いときの圧力が２×１０-6Ｐａ以下、より好ましくは、ガス供給または加熱のないときの圧力が１×１０-7Ｐａ以下、さらに好ましくは１×１０-8Ｐａ以下の環境外に置かれない。基板加熱室３４は、より詳しくは、図４の構成を有する。図４は、基板加熱室３４の構成を示す断面図である。
【００４４】
図４に示すように、基板加熱室３４は、チャンバ４１を有する。チャンバ内４１には、試料台４２が設けられ、試料台４２上には基板２１が配置される。試料台４２の上方には、加熱用のランプ４３が設けられる。ランプ４３は、加熱光４４によって、試料台４２上に配置された基板２１を加熱する。ランプ４３は、試料台４２上に配置された基板２１の最表面、すなわち、基板加熱室３４への搬送に先立って最後に形成された層を上方から加熱できる位置に配置される。ランプ４３は、図４では、２つを図示しているが、１つ、または３つ以上でも構わない。
【００４５】
試料台４２の温度は、室温でも、加熱終了後の冷却を促進するため室温以下の低温でもよい。一方、高速昇温時の到達温度を高くするため、磁性層の特性が劣化しない範囲で、磁性層のキュリー温度より低く室温より高い温度に、所定時間保持しておいてもよい。具体的には、例えば、３００℃以下、加熱時間１ｈ以内とする。
【００４６】
図４の基板加熱室３４において、試料台４２上の基板２１の最表面の層を、ランプ４３からの加熱光４４を照射することによって改質する。この加熱は、理想的には、基板２１の最表面の層のみが均一に加熱される条件で行う。その理由は、後述のように、加熱によって最表面の層を改質するとともに、最表面の層からこれ以外の層への熱の伝導を抑制することによって各層の構成元素が他層へ拡散することや磁性層の劣化を防止するためである。しかしながら、最表面層以外の層の昇温を完全に防ぐことは困難であるので、最表面層の近傍層（最表面に近い層）もある程度加熱される。ただし、加熱によって最表面層以外の層から構成元素の拡散や磁性層の劣化を防止しつつ、最表面層を後述するような状態へと改質できる条件であれば良い。
【００４７】
このような条件を満たすため、より具体的には、最表面の層を最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上の条件で昇温させる条件での昇温を行う。このような条件とすることによって、最表面の層のみの均一な加熱ではないとしても、後述の効果を得られるとともに、他の層への熱伝導を、悪影響が出ない程度に抑制できる。このような高速昇温を行い、かつ加熱後速やかに基板２１を冷却するために、一般に熱容量が大きく昇降温が遅い試料台４２に対する抵抗を用いた加熱でなく、ランプ４３等の加熱装置により、熱容量の小さい基板２１のみを直接的に加熱する。
【００４８】
最大昇温速度を＋１０℃／ｓ以上とする詳細な理由は、様々な観点に起因し、以下の通りである。このような昇温速度を有さない従来炉における＋０．１℃／ｓでの１バッチ＝２５枚処理は、ウェハ１枚当り＋２．５℃／ｓで２５回の枚葉処理に対応する。本発明の実施形態で従来炉と同等以下の生産所要時間（Turn Around Time、以下ＴＡＴと略す）を維持するには、最大昇温速度を＋２．５℃／ｓ以上にする必要がある。より好ましくは、ＴＡＴを従来炉の半分以下に抑制してコストダウン効果を鮮明にするため、最表面層の最大昇温速度を＋５℃／ｓ以上にする。さらに好ましくは、熱履歴を最小にして磁性層の劣化を極力防止するため、最表面層の最大昇温速度を＋１０℃／ｓ以上にする。
【００４９】
一方、昇温速度が高過ぎると、不均一な昇温によってウェハが割れたり、ＭＴＪ素子下方の配線が切れたり、応力が発生して素子が劣化したりする恐れがある。これらを回避するため、最表面層の最大昇温速度は＋１００℃／ｓ以下であることが好ましい。
【００５０】
しかしながら、昇温速度が＋１００℃／ｓを超えても、後に「実験結果」の項目でも述べるような加熱時間が充分短くウェハの加熱光照射側のみが主に昇温する条件なら、熱はウェハ内を速やかに拡散してウェハ温度はほとんど上がらないので、ウェハ割れや配線切れや応力による素子の劣化は起こらない。例えば、Takayuki Ito et al. IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING誌第１６巻３号４１７ページ（２００３年）には、加熱時間（ランプ照射時間）５ｍｓ以下でウェハの表面側が主に昇温することが示されている。従って、加熱時間５ｍｓ以下であれば、昇温速度が＋１００℃／ｓを超えた条件を本発明に係る実施形態で用いることができる。加熱時間（ランプ照射時間）５ｍｓ以下の加熱は、ウェハ最表面の膜に充分な熱履歴を与えるため、複数回行ってもよい。
【００５１】
基板２１の最表面の層の加熱は、最表面の層による吸収率がそれよりも下層の吸収率より高い波長の光を選別して、基板２１に照射して行うことができる。波長を用いて選択的な加熱を行うには、例えば、基板２１とランプ４３との間にフィルタ４６を設けることができる。フィルタ４６は、最表面層の吸収率がそれより下の層での吸収率より高い波長の光を選別して透過させる。フィルタ４６を用いた加熱を行うことによって、最表面以外の層への熱伝導をより良好に抑えつつ、短時間で均一に最表面の層を加熱できる。
【００５２】
基板２１の最表面層の加熱は、基板２１に磁場が印加された状態で行う。これは、後述のように、基板２１の最表面の層を改質すると共に、ＭＴＪ素子の層に磁化を与えるため、また、基板２１最表面の層の加熱中または昇降温中におけるＭＴＪ素子の磁性層の劣化や磁化方向の乱れを防ぐためである。磁場は、例えば昇温開始前から降温終了後まで印加する。
【００５３】
印加する磁場の方向は、例えば、固着層２の所望の磁化の方向に沿った方向である。より具体的には、固着層２の磁化がＭＴＪ素子の層の接合面に沿った方向を向くべき場合、接合面に沿った方向の磁場５１を印加する。一方、固着層２の磁化がＭＴＪ素子の接合面と交わる（典型的には実質的に垂直な）方向を向くべき場合、接合面と交わる方向の磁場５２を印加する。
【００５４】
また、印加する磁場の大きさは、０．００５Ｔ以上であることが好ましい。これは、キュリー点近傍以上の温度で磁化を失った磁性層（磁性層１３、１５等）の磁化を回復させ、ＭＴＪ素子を用いる磁気記憶装置の配線（配線層１、５等）等の電流誘導磁場や地磁気等の外部磁場からの影響を回避するためである。
【００５５】
一方、磁場が大き過ぎると、大口径のウェハ（基板２１）に磁場を均一に印加することが処理装置の実現上困難となる。この観点からは、磁場の大きさは０．１Ｔ程度以下であることが現実的であり、また、好ましい。
【００５６】
また、基板２１の最表面の層の加熱は、チャンバ４１内に雰囲気ガスが供給された状態で行うことができる。この場合、図４に示すように、チャンバ４１内には、ガス供給管３６を介して、後述するように、実施の形態に従ったガスが供給される。
【００５７】
加熱処理される最表面層が酸化物の場合は、加熱に伴うＯ原子の離脱によるＯ原子欠損の発生を防ぐため、例えばＯ2、Ｏ3、Ｎ2Ｏのような、酸素原子を含む分子を含有する酸化性ガスを導入する。これらは必要に応じて、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅといった希ガスと混合してもよい。
【００５８】
導入される雰囲気ガスは、そのままチャンバ４１に供給されてもよいし、基底状態や励起状態のＯ原子や酸素原子イオンおよび酸素分子イオン、励起状態のＯ2分子といった酸素ラジカルやオゾンなどの酸素活性種を用いてもよい。励起状態のガスを供給する場合、チャンバ４１の外側において、ガス供給管３６の側方には、放電電極４５が設けられる。放電電極４５は、ガス供給管３６内のガスを励起する。放電電極４５は、チャンバ４１内に設けられていてもよい。
【００５９】
また、加熱光４４内に雰囲気ガスが光解離する波長の光が含まれている場合、解離により発生する活性種を基板２１の最表面層の処理に活用することができる。特に、Ｏ2ガス含有雰囲気に対して波長１７５ｎｍ以下の光、Ｏ3ガス含有雰囲気に対して波長４１１ｎｍ以下の光、Ｎ2Ｏガス含有雰囲気に対して波長３４１ｎｍ以下の光を照射すると、励起状態の酸素原子ラジカルＯ（1Ｄ）が発生する。この酸素原子ラジカルは、価電子のスピンが↑↓である。基底状態の酸素原子ラジカルＯ（3Ｐ）の価電子スピン↑↑に比べ、化学結合を構成する価電子のスピン↑↓への挿入反応が起こりやすく、Ｏ原子欠損抑制に特に効果がある。一方、これらより波長が長く低エネルギーの光でも、Ｏ（1Ｄ）より励起状態の低いＯ（3Ｐ）が形成される波長の光なら、Ｏ（3Ｐ）もＯ2よりはＯ原子欠損に入りやすく、Ｏ原子欠損を抑制する効果がある。
【００６０】
雰囲気ガスの励起は、加熱光４４を兼用してもよいが、別の光源による雰囲気ガス励起光５３を使用してもよい。
【００６１】
加熱処理される最表面層が窒化物の場合は、加熱に伴うＮ原子の離脱によるＮ原子欠損の発生を防ぐため、例えばＮ2、ＮＨ3、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2のような、窒素原子を含む分子を含有する窒化性ガスを導入することができる。これらは、上記の酸化性ガスと同様に、希ガスと混合したり、導入ガスを励起してもよく、基底状態や励起状態のＮ原子や窒素原子イオンおよび窒素分子イオン、励起状態のＮ2分子といった窒素ラジカルなどの窒素活性種を使用することができる。
【００６２】
加熱処理される最表面層が酸窒化物の場合は、上記の酸化性ガスおよび窒化性ガスのいずれかまたは双方を順番に使用することができる。特に、例えばＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2のような酸素原子および窒素原子を含む分子を含んだガス、またはそれを励起して発生するラジカルは、最表面層のＯ、Ｎ両原子欠損を同時に抑制できる可能性がある。
【００６３】
加熱処理される最表面層が磁性体や金属のような導電体の場合は、雰囲気中の残留ガスによる表面の酸化や汚染を防ぐため、例えばＨ2ガスのような還元性ガス（水素ガス）を導入する。これは、先述の酸化性ガスと同様に、希ガスと混合したり、導入ガスを励起してもよく、基底状態や励起状態のＨ原子や水素原子イオンおよび水素分子イオン、励起状態のＨ2分子といった水素ラジカルなどの水素活性種を使用することができる。
【００６４】
また、加熱時の雰囲気として希ガスのような不活性ガスを用いたり、真空雰囲気としたりしてもよい。
【００６５】
以上の雰囲気ガスの供給は、最表面層での原子欠損発生や表面汚染を防ぐため、昇温開始前から降温終了後まで行ったり、あるいは雰囲気ガスの最表面層の下層との反応を防ぐため、昇温前から降温後の間の一部の時間のみ行ったりしてもよい。
【００６６】
また、加熱室３４は、加熱処理による基板最表面層の構造変化を調べるための機構を有していてもよい。このような機構として、加熱室３４は、例えば、電子線または光源６１、検出器またはスクリーン６２を有する。高速反射電子線回折法（ＲＨＥＥＤ）を用いる場合、電子線６１は基板２１に電子線６３を照射し、基板２１の最表面層により反射された電子線によって、回析パターンがスクリーン６２に映し出される。この回析パターンから、基板２１の最表面層の結晶構造を知得できる。
【００６７】
また、Ｘ線反射率分析法（ＧＩＸＲ）を用いる場合、電子線６１は、基板２１にＸ線６３を照射し、基板２１の最表面層により反射されたＸ線が検出器６２に入射する。検出器６２がこのＸ線を解析することによって、基板２１の最表面層の密度や界面・表面ラフネスを測定できる。
【００６８】
また、Ｘ線光電子分析法（ＸＰＳ）による結合状態分析、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）による密度分析などを適宜用いてもよい。
【００６９】
加熱処理による基板２１最表面層の構造変化の分析は、基板搬送時間節約および加熱中の観察の観点から加熱室３４内で行ってもよいし、加熱処理と最表面層の分析の並行処理による生産速度向上の観点から加熱室３４と別のチャンバで行ってもよい。いずれの場合も、加熱処理と表面分析は、大気中の水分や酸素等による変質を防ぐため、基板２１を外気に晒すことなく連続的に行うことが好ましい。
【００７０】
加熱終了後、各層構成元素の他層への拡散や磁性層の劣化を防止するため、最大降温速度を、最大昇温速度と同様に−１０℃／ｓ以上として各層の熱履歴を抑制することが好ましい。降温は自然放冷でもよいが、例えば試料台４２に冷媒を通して冷却機能を持たせたり、冷却用ガスを基板２１や試料台４２の周囲に吹きつけたりしてもよい。あるいは、基板２１を加熱室３０１と別のチャンバに搬送して冷却してもよい。いずれの場合も、降温処理は、大気中の水分や酸素等による変質を防ぐため、外気に晒すことなく連続的に行うことが好ましい。
【００７１】
（実験結果）
図５は、最大昇温速度＋１０℃／ｓ以上の高速昇温の効果を調べるために行った実験結果を示している。図２に示したフルスタックを成膜後、図５に示す３通りの条件でアニールを行った。すなわち、従来炉を用いて炉内温度２５０℃で２ｈの加熱、高速昇温（ＲＴＡ）で基板最表面の４００℃までの昇温（ＲＴＡ１）、特殊なＲＴＡ（ＲＴＡ２）である。
【００７２】
また、昇温雰囲気は、従来炉は真空中、ＲＴＡ１は磁場なしで窒素ガス０．１ＭＰａ中、ＲＴＡ２はアルゴンガス０．１ＭＰａ中であった。また、従来炉は０．５Ｔの磁場が印加された状態であり、ＲＴＡ１、ＲＴＡ２は磁場の印加なしで行った。
【００７３】
従来炉での加熱では、基板全体が加熱されるため、最表面層を含む基板の全体の温度は、炉内と同じ温度（２５０℃）まで昇温する。また、昇温に１乃至２時間、また加熱後の５０℃までの降温に５乃至６時間を要しており、基板全体の昇温速度は最大でも＋６℃／ｍｉｎ（＋０．１℃／ｓ）程度である。
【００７４】
ＲＴＡ１では、加熱ランプを数秒乃至数１０秒照射することによって、最表面層を含む基板全体を４００℃まで昇温させた（ＲＴＡ１）。ＲＴＡ１では、熱が速やかに拡散し、基板の最表面層と基板内部とで温度差は生じない。基板の最表面層の最大昇温速度は＋２０℃／ｓ、基板全体の４００℃到達までの所要時間は約１３秒であった。４００℃到達後すぐに加熱を停止して降温開始し、２００、１００、５０℃到達時間は降温開始からそれぞれ２０、１４５、１１０秒後程度であった。４００℃から２００℃までの２０秒での降温は降温速度−１０℃／ｓである。
【００７５】
ＲＴＡ２は、ＣＭＯＳ試作プロセスのＳｉ基板表面にイオン注入後、活性化アニールによるultra shallow junctionの形成に使用されている方法である（Takayuki Ito et al. IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING誌第１６巻３号４１７ページ（２００３年））。基板の表面にミリ秒程度、加熱光を照射し、基板最表面のみを瞬間的に加熱する。加熱用照射光の熱量は小さいので、照射後は熱が基板最表面から基板内部に速やかに拡散し、基板温度は急速に、ＲＴＡ１より早く低下する。ここでは、試料ステージで１００℃に加熱した基板に対し、照射パルス時間幅０．８ｍｓの基板加熱ランプで５回照射を行った。上記した、昇温速度が＋１００℃／ｓを超えているが加熱時間が充分短い条件の加熱処理の１つとして、このＲＴＡ２が該当する。
【００７６】
図５で、ＲＴＡ２は従来炉を用いた２５０℃での２ｈの条件の場合より高いＭＲが出ている。ＲＴＡ２は、４ｍｓ（０．８ｍｓ×５回）間の加熱で基板最表面層の温度が２５０℃以上に到達していることを示しており、昇温速度＋６２５００℃／ｓ以上に相当する。
【００７７】
バリア抵抗率ＲＡは、いずれの試料も数ｋΩｕｍ2であった。
【００７８】
図５でＲＴＡ１、ＲＴＡ２は、無磁場でフルスタック成膜後の加熱であるにもかかわらず、従来炉の磁場中での２５０℃の加熱より高いＭＲ比を示している。今後、これらの高速昇温装置を成膜装置に組み込んで、フルスタック中の加熱が必要な層が最表面にある時点で、その場で（in situに）加熱することが考えられる。こうすることにより、他の耐熱性に劣る層の劣化を防止したり、磁場印加によって加熱中の磁性層の劣化を抑制したりすることができる。
【００７９】
（実施形態のバリエーション）
図３、図４の装置を用いた、磁気抵抗効果素子の形成に関する様々な実施形態について説明する。
【００８０】
（実施形態１）
実施形態１は、図３、図４の装置を用いた、トンネルバリア層３が形成された時点での加熱に関する。図６乃至図１０を参照して、実施形態１について説明する。図６乃至図８は、本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を順に示す図である。
【００８１】
図７に示すように、成膜室３３内で、例えばスパッタ法により、基板（図示せぬ）の上方に下側配線接続層１１からトンネルバリア層３までの各層を形成する。次に、図８に示すように、加熱室３４内で基板の最表面層（トンネルバリア層３）に対して加熱光４４を照射することにより、トンネルバリア層３を、＋１０℃／ｓの最大昇温速度で、例えば４００乃至８００℃まで加熱する。温度の保持時間は例えば１分以下の短時間である。
【００８２】
トンネルバリア層３がＭｇＯやＡｌＯxのように酸素原子を含有する場合、加熱を酸化雰囲気中で行ってもよい。こうすることにより、加熱による酸素原子欠損の発生を防ぐことができる。酸化雰囲気は、例えば酸素ガス、酸素プラズマやラジカル源等で発生させた原子状酸素などの酸素ラジカル、オゾンガスを用いることにより実現できる。これらの雰囲気に希ガスを混合してもよい。圧力は、例えば概ね１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）乃至１．３３×１０-5Ｐａ（１×１０-7Ｔｏｒｒ）の範囲とする。
【００８３】
加熱終了後、基板は、ほぼ室温まで冷却される。冷却後、図８に示すように、強磁性層１６から上部配線接続層１８までの各層を形成することにより、フルスタック全体が完成する。
【００８４】
実施形態１の効果を、図９、図１０に模式的に示す。図１０は、図９に続く状態を示している。図９に示すように、成膜後のトンネルバリア層３には、格子の乱れ、酸素欠損、格子歪、凹凸等が生じている。これに対して、ランプ４３による加熱の熱エネルギーによって、トンネルバリア層３の表面マイグレーションを促進する。この結果、図１０に示すように、格子の乱れ、酸素欠損、格子歪、凹凸を解消してトンネルバリア層３の結晶性が向上する。
【００８５】
また、加熱によって、トンネルバリア層３、強磁性層１５を同時に結晶化させることによって、強磁性層１５と格子整合が良く、且つ高ＭＲ、高耐圧で絶縁破壊寿命が長いトンネルバリア層３を形成する効果もある。
【００８６】
また、結晶性が向上したトンネルバリア層３上に強磁性層１６乃至上部配線接続層１８が形成される。よって、強磁性層１６乃至上部配線接続層１８の結晶性も向上する。
【００８７】
また、加熱によって、例えばトンネルバリア層３内、特に表面の水酸化マグネシウムや炭酸マグネシウムといった不純物を酸化し、除去する効果もある。
【００８８】
酸素活性種を含んだ雰囲気内での加熱を行えば、その励起エネルギーも表面マイグレーションに寄与する。この場合、好ましくは、表面マイグレーションの活性化エネルギーは各層間の原子拡散の活性化エネルギーより小さく、最表面層に与えられる熱エネルギーおよび活性種のエネルギーは最表面層の下層へと熱伝導で与えられる熱エネルギーより大きいという性質を利用する。また、熱エネルギーは下層に伝導するが、原子の他層への拡散や多層原子との混合は抑制される加熱条件がよい。
【００８９】
（実施形態２）
実施形態２は、図３、図４の装置を用いた、強磁性層１５が形成された時点での加熱に関する。図１１乃至図１５を参照して、実施形態２について説明する。図１１乃至図１３は、本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を順に示す図である。
【００９０】
図１１に示すように、成膜室３３内で、例えばスパッタ法により、基板（図示せぬ）の上方に下側配線接続層１１から強磁性層１５までの各層を形成する。次に、図１２に示すように、加熱室３４内で基板の最表面層（強磁性層１５）に対して加熱光４４を照射することにより、強磁性層１５を、＋１０℃／ｓの最大昇温速度で、例えば４００乃至８００℃まで加熱する。温度の保持時間は例えば１分以下の短時間である。
【００９１】
この加熱は、例えば還元雰囲気中で行ってもよい。こうすることにより、強磁性層１５の表面で酸化物が生成されることや有機物によって汚染されることを防止できる。還元雰囲気は、例えば水素ガス、水素プラズマやラジカル源等で発生させた原子状水素などの水素ラジカルを用いることにより実現される。これらの雰囲気に希ガスを混合してもよい。圧力は、例えば概ね１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）乃至１．３３×１０-5Ｐａ（１×１０-7Ｔｏｒｒ）の範囲とする。
【００９２】
加熱終了後、基板は、ほぼ室温まで冷却される。冷却後、図１３に示すように、トンネルバリア層３から上部配線接続層１８までの各層を形成することにより、フルスタック全体が完成する。
【００９３】
実施形態２の効果を、図１４、図１５に模式的に示す。図１４に示すように、成膜後の強磁性層１５には、格子の乱れ、格子歪、凹凸等が生じている。これに対して、ランプ４３による加熱の熱エネルギーによって、強磁性層１５の表面マイグレーションを促進する。この結果、図１５に示すように、格子の乱れ、酸素欠損、格子歪、凹凸を解消して強磁性層１５の結晶性が向上する。
【００９４】
結晶性が向上した強磁性層１５上にトンネルバリア層３が形成されるので、強磁性層１５の結晶性も高く、強磁性層１５の表面に格子の乱れ、格子歪、凹凸等が生じることが抑制される。また、強磁性層１５より上の層の結晶性も同様に向上する。
【００９５】
還元雰囲気中での加熱を行う場合、好ましくは、表面マイグレーションの活性化エネルギーが各層間の原子拡散の活性化エネルギーより小さく、最表面層に与えられる熱エネルギーおよび活性種のエネルギーが最表面層の下層に熱伝導で与えられる熱エネルギーより大きいという性質を利用する。また、熱エネルギーは下層に伝導するが、原子の他層への拡散や多層原子との混合は抑制される加熱条件がよい。
【００９６】
（実施形態３）
実施形態３は、図３、図４の装置を用いた、強磁性層１６が形成された時点での加熱に関する。図１６乃至図２０を参照して、実施形態３について説明する。図１６乃至図１８は、本発明の実施形態３に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を順に示す図である。
【００９７】
図１６に示すように、成膜室３３内で、例えばスパッタ法により、基板（図示せぬ）の上方に下側配線接続層１１から強磁性層１６までの各層を形成する。次に、図１７に示すように、加熱室３４内で基板の最表面層（強磁性層１６）に対して加熱光４４を照射することにより、強磁性層１６を、＋１０℃／ｓの最大昇温速度で、例えば４００乃至８００℃まで加熱する。温度の保持時間は例えば１分以下の短時間である。
【００９８】
この加熱は、例えば還元雰囲気中で行ってもよい。こうすることにより、強磁性層１６の表面で酸化物が生成されることや有機物によって汚染されることを防止できる。還元雰囲気は、例えば水素ガス、水素プラズマやラジカル源等で発生させた原子状水素などの水素ラジカルを用いることにより実現される。これらの雰囲気に希ガスを混合してもよい。圧力は、例えば概ね１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）乃至１．３３×１０-5Ｐａ（１×１０-7Ｔｏｒｒ）の範囲とする。
【００９９】
加熱終了後、基板は、ほぼ室温まで冷却される。冷却後、図１３に示すように、キャップ層１７、上部配線接続層１８を順次形成することにより、フルスタック全体が完成する。
【０１００】
実施形態３の効果を、図１９、図２０に模式的に示す。図１９に示すように、成膜後の強磁性層１６には、格子の乱れ、格子歪、凹凸等が生じている。これに対して、ランプ４３による加熱の熱エネルギーによって、強磁性層１６の表面マイグレーションを促進する。この結果、図１５に示すように、格子の乱れ、酸素欠損、格子歪、凹凸を解消して強磁性層１６の結晶性を向上する。
【０１０１】
また、加熱によって、トンネルバリア層３、強磁性層１５をも同時に結晶化させ、強磁性層１５、１６と格子整合が良く、且つ高ＭＲ、高耐圧で絶縁破壊寿命が長いトンネルバリア層３を形成する効果もある。
【０１０２】
また、結晶性が向上した強磁性層１６上にキャップ層１７、上部配線接続層層１８が形成される。このため、キャップ層１７、上部配線接続層１８の結晶性も向上する。
【０１０３】
還元雰囲気中での加熱を行う場合、好ましくは、表面マイグレーションの活性化エネルギーが各層間の原子拡散の活性化エネルギーより小さく、最表面層に与えられる熱エネルギーおよび活性種のエネルギーが最表面層の下層に熱伝導で与えられる熱エネルギーより大きいという性質を利用する。また、熱エネルギーは下層に伝導するが、原子の他層への拡散や多層原子との混合は抑制される加熱条件がよい。
【０１０４】
実施形態１乃至３では、トンネルバリア層３、強磁性層１５、１６が最表面になったときに成膜を中断して行った加熱処理を説明した。しかしながら、これら以外の層が最表面になったときに成膜を中断して加熱処理を行っても、同様に、その層の結晶性・膜質向上や、その下層との格子整合の向上や、加熱後ほぼ室温に冷却し表面状態が変化することによるその上層の結晶性向上の効果を得ることができる。
【０１０５】
実施形態１乃至３で製造されたＭＴＪ素子では、トンネルバリア層３およびその上下の強磁性層１５、１６の結晶性が向上するとともに、特に実施形態１のＭＴＪ素子ではトンネルバリア層３内の不純物（例えば、水酸化物や炭酸化合物）が減少する。このため、高ＭＲ、高耐圧で絶縁破壊寿命が長く、低耐圧マイノリティー（minority）不良素子の発生が抑制されたトンネルバリア層３を形成できる。
【０１０６】
また、実施形態１乃至３で製造されたＭＴＪ素子では、最表面の層のみが加熱され、この結果、実質的にこの最表面の層が主に昇温し、これより下の層の昇温が抑制される。このため、加熱対象の層以外の層での熱履歴が抑制される。この結果、磁気特性や耐熱性の高いＭＴＪ素子を実現できる。
【０１０７】
また、実施形態１乃至３で製造された、加熱対象の層（最表面の層）のみが昇温するように高速加熱および冷却が行われるため、加熱対象の層から、これ以外の層への熱伝導が抑制される。熱伝導の抑制によって、各層構成元素の他層への拡散や、昇温が望まれない層での昇温が抑制される。この結果、磁性層が劣化したり、磁化の向きが乱されたりすることを回避しつつ、磁区の大きさも一定に保たれる。よって、保持力ばらつきが低減すると共に、記憶層１６での磁化の反転が容易になることによってＭＲＡＭに用いられた場合の書込み電流が低減する。
【０１０８】
（磁気記憶装置の製造方法）
図３、図４の装置により製造される磁気抵抗効果素子を含んだ磁気記憶装置の製造方法について、図２１乃至図２４を参照して説明する。図２１乃至図２４は、本発明の実施形態に係る磁気記憶装置の製造工程を順に示す断面図である。
【０１０９】
図２１に示すように、半導体基板（図示せぬ）の上方に下部配線層１を、例えばＣＶＤ法やスパッタリング法等により形成する。次に、図３、図４の装置を用いて、実施形態１乃至３のいずれかに従って、磁化固着層２、トンネルバリア層３、記憶層４が形成される。
【０１１０】
次に、図２２に示すように、例えば、ＣＶＤ法およびリソグラフィ工程を用いて、記憶層４上に磁気抵抗効果素子が有するべき形状に対応するパターンを有するマスク材が形成される。次に、このマスク材を用いてイオンミリング法や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、磁化固着層２、トンネルバリア層３、記憶層４を選択的にエッチングする。この結果、磁化固着層２、トンネルバリア層３、記憶層４が、所定の平面形状へと加工される。この後、マスク材が除去される。
【０１１１】
次に、図２３に示すように、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法により、半導体基板の表面上の全面に、絶縁層６を形成する。絶縁層６は、続く工程でＭＴＪ素子を保護する機能を有し、例えば、ＳｉＯ2やＳｉＮとすることができる。
【０１１２】
次に、例えばＣＶＤ法およびリソグラフィ工程を用いて、絶縁層６上に、下部配線層１のパターンに応じたパターンを有するマスク材が形成される。次に、このマスク材を用いて、例えばＲＩＥ法により、下部配線層１が選択的にエッチングされる。このエッチングにより除去される部分は、図２３の紙面の手前と奥に位置しており、図２３上ではその変化は示されていない。このエッチングの際、ＭＴＪ素子は、絶縁層６により保護されている。
【０１１３】
次に、図２４に示すように、半導体基板の表面上の全面に、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法を用いて、絶縁層７が形成される。絶縁層７は、例えばＳｉＯ2 である。次に、リソグラフィ工程を用いて、絶縁層７内のＭＴＪ素子の上の部分に、ＭＴＪ素子に達するコンタクトホール８が形成される。
【０１１４】
次に、図１に示すように、例えばＣＶＤ法等により、コンタクトホール８を導電材で埋め込むと共に、絶縁層７上の上部配線層５を形成する。次に、上部配線層５を、リソグラフィ工程を用いて選択的にエッチングする。なお、上部配線層５については、コンタクト孔８の埋め込みをまず行い、その後、絶縁層７より上方の部分の成膜を行ってもよい。
【０１１５】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の実施形態に係るＭＴＪ素子とその周囲の断面図。
【図２】図１のＭＴＪ素子の詳細な断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造装置の平面図。
【図４】基板加熱室の構成を示す断面図。
【図５】昇温方法、条件に応じたＭＲ比を示す図。
【図６】実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。
【図７】図６に続く工程を示す断面図。
【図８】図７に続く工程を示す断面図。
【図９】実施形態１の効果を模式的に示す図。
【図１０】実施形態１の効果を模式的に示す図。
【図１１】実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。
【図１２】図１１に続く工程を示す断面図。
【図１３】図１２に続く工程を示す断面図。
【図１４】実施形態２の効果を模式的に示す図。
【図１５】実施形態２の効果を模式的に示す図。
【図１６】実施形態３に係る磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。
【図１７】図１６に続く工程を示す断面図。
【図１８】図１７に続く工程を示す断面図。
【図１９】実施形態３の効果を模式的に示す図。
【図２０】実施形態３の効果を模式的に示す図。
【図２１】本発明の実施形態に係る磁気記憶装置の製造工程を示す断面図。
【図２２】図２１に続く工程を示す断面図。
【図２３】図２２に続く工程を示す断面図。
【図２４】図２３に続く工程を示す断面図。
【符号の説明】
【０１１７】
１…下部配線層、２…磁化固着層、３…トンネルバリア層、４…記憶層、５…上部配線層、６、７…絶縁膜層、８…コンタクトホール、１１…下部配線接続層、１２…反強磁性層、１３、１５…強磁性層（磁化固着層）、１４…挿入層、１６…強磁性層（記憶層）、１７…キャップ層、１８…上部配線接続層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層と、を含む磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記磁気抵抗効果素子の一部を構成する第１層を形成する工程と、
最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で前記第１層を加熱する工程と、
前記第１層上に第２層を形成する工程と、
を具備し、少なくとも前記第１層を形成する工程から前記第１層を加熱する工程を経て前記第２層を形成する工程までの工程を、背圧を２×１０-6Ｐａ以下として行うことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１層が前記トンネルバリア層であって、
前記トンネルバリア層が酸化物を含有する場合、前記第１層を加熱する工程が行われる雰囲気が少なくとも酸素ガスまたは酸素活性種を含有し、
前記トンネルバリア層が窒化物を含有する場合、前記第１層を加熱する工程が行われる雰囲気が少なくとも窒素ガスまたは窒素活性種を含有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１層が前記第１強磁性層または前記第２強磁性層であって、
前記第１層を加熱する工程が行われる雰囲気が少なくとも水素ガスまたは水素活性種を含有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記加熱する工程が行われる雰囲気に０．００５Ｔ以上の磁場が印加されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
少なくとも第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層と、を含む磁気抵抗効果素子に含まれる複数の層を、背圧を２×１０-6Ｐａ以下として形成する成膜部と、
背圧を２×１０-6Ｐａ以下とし且つ最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で前記複数の層のうちの最上層を加熱する加熱部と、
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造装置。
【請求項６】
前記加熱部に、酸素活性種、窒素活性種、水素活性種、の少なくとも１つを供給するガス供給部をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果装置の製造装置。
【請求項７】
前記加熱部が、前記最上層の上方から光を照射する光照射器を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果装置の製造装置。
【請求項８】
前記加熱部が、前記光照射器と前記最上層との間に設けられて前記光の特定の波長を遮断する波長選別器をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の磁気抵抗効果装置の製造装置。
【請求項９】
前記加熱部が、０．００５Ｔ以上の磁場が印加された状態で前記最上層を加熱するよう構成されている請求項５乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造装置。
【請求項１】
少なくとも第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層と、を含む磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記磁気抵抗効果素子の一部を構成する第１層を形成する工程と、
最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で前記第１層を加熱する工程と、
前記第１層上に第２層を形成する工程と、
を具備し、少なくとも前記第１層を形成する工程から前記第１層を加熱する工程を経て前記第２層を形成する工程までの工程を、背圧を２×１０-6Ｐａ以下として行うことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１層が前記トンネルバリア層であって、
前記トンネルバリア層が酸化物を含有する場合、前記第１層を加熱する工程が行われる雰囲気が少なくとも酸素ガスまたは酸素活性種を含有し、
前記トンネルバリア層が窒化物を含有する場合、前記第１層を加熱する工程が行われる雰囲気が少なくとも窒素ガスまたは窒素活性種を含有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１層が前記第１強磁性層または前記第２強磁性層であって、
前記第１層を加熱する工程が行われる雰囲気が少なくとも水素ガスまたは水素活性種を含有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記加熱する工程が行われる雰囲気に０．００５Ｔ以上の磁場が印加されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
少なくとも第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とに挟まれた絶縁材料からなるトンネルバリア層と、を含む磁気抵抗効果素子に含まれる複数の層を、背圧を２×１０-6Ｐａ以下として形成する成膜部と、
背圧を２×１０-6Ｐａ以下とし且つ最大昇温速度が＋１０℃／ｓ以上となる条件で前記複数の層のうちの最上層を加熱する加熱部と、
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造装置。
【請求項６】
前記加熱部に、酸素活性種、窒素活性種、水素活性種、の少なくとも１つを供給するガス供給部をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果装置の製造装置。
【請求項７】
前記加熱部が、前記最上層の上方から光を照射する光照射器を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果装置の製造装置。
【請求項８】
前記加熱部が、前記光照射器と前記最上層との間に設けられて前記光の特定の波長を遮断する波長選別器をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の磁気抵抗効果装置の製造装置。
【請求項９】
前記加熱部が、０．００５Ｔ以上の磁場が印加された状態で前記最上層を加熱するよう構成されている請求項５乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００８−９１４８４（Ｐ２００８−９１４８４Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６８６６９（Ｐ２００６−２６８６６９）
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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