專利名稱：磁性器件的制造方法和制造裝置、以及磁性器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造磁性器件的方法、 一種制造磁性器件的裝置、及一種 磁性器件。
背景技術：
利用巨磁(GMR)效應和隧穿磁阻(TMR)效應的磁阻元件的磁阻變化率 極高，由此應用于磁性傳感器、磁性再生頭、及磁性存儲器之類的磁性器件中。
具有約6 15層人工晶格結構的磁阻元件包括具有可旋轉自發(fā)磁化方向的 自由層、具有固定自發(fā)磁化方向的固定層、設置在固定層與自由層之間的非磁 性層、及包括相對于固定層的單方向各向異性的反鐵磁層。
已知的反鐵磁層包括錳銥(Mnlr)薄膜和鉑錳(PtMn)薄膜(例如，參考 專利文獻1和2)。Mnlr薄膜生成與固定層之間的強磁矯頑力(magnetic coercive force) 。 PtMn薄膜使得磁矯頑力的熱穩(wěn)定性優(yōu)良。
一般使用單方向各向異性常數jk來評價反鐵磁層與固定層之間的磁矯頑
力。由公式jk二M^drH^可獲得包括反鐵磁層和固定層的疊層薄膜的單方向各
向昇性Jk。此處，Ms代表固定層的飽和磁化，dp代表固定層的厚度，Hex代表
磁滯曲線中的變化磁場的量級。
厚度為5 10納米的超薄Mnlr膜中，隨著Mn和Ir的成分比變?yōu)?:1 ，并 且晶體結構按照Ll2型排序，得到極大的單方向各向異性常數JK。在Mri3lr薄 膜中，磁矯頑力消失溫度，或所謂的阻截溫度(blocking temperature)，為大 于等于360°。由此，Mri3lr薄膜具有關于磁性的較高熱穩(wěn)定性(專利文獻3)。
一般地，使用高純度的氬(Ar)氣進行濺射而制造反鐵磁層。濺射過程中 壓力超過1.0(Pa)的高壓濺射處理提高基底溫度Tsub，并且藉此增大單方向各 向異性常數JK。
圖8示出了 Mnlr用作反鐵磁層、CoFe用作固定層時的單方向各向異性常 數Jk。圖8中，濺射壓力為2.0(Pa)，基底溫度Tsub為室溫(20°C) 400°C。 此外，垂直軸代表單方向各向異性常數JK，水平軸代表對主要組分為Mn和Ir
的靶所施加的電力密度PD。
如圖8所示，單方向各向異性常數jk隨著所施加的電力密度Pd増大而増 大。此外，當所施加電力密度Pd相同吋，單方向各向異性常數Jk隨著基底溫 度Tsub增大而增大。疊層膜的單方向各向異性常數Jk在Mn和Ir的成分比為3:1的Mn3Ir附近到達最大值。這一與所施加電力密度PD的相關性意味著所施 加電力密度Pd的増大會使得Mnlr薄膜的成分更接近Mn3Ir。此外，與基底溫 度Tsub的相關性意味著基底溫度T^的升高會促進Ll2有序相的形成。
然而，使用上述高壓處理形成反鐵磁層會導致下列缺陷。濺射粒子中，Ir 粒子之類的粒子質量較大。倘若這類大質量粒子與Ar粒子碰撞，大質量粒子 的運動方向幾乎不變。相反，當Mn粒子之類的小質量粒子與殘留的Ar粒子碰 撞時，小質量粒子的運動方向容易改變。從而，高壓處理會導致反鐵磁層的成 分和膜厚度在基底平面內有較大變化。在厚度均勻性有要求且各層的允許厚度 變化范圍小于等于1納米的磁性器件中，反鐵磁層的這一成分和膜厚度的變化 會極大地降低器件的磁特性。
可通過降低濺射壓力來解決上述缺陷。然而，根據發(fā)明人進行的試驗，當 濺射過程中的壓力降低至小于等于O.l (Pa)時，無論所施加的電力密度PD或 者基底溫度Tsub如何，疊層膜都不能獲得足夠的單方向各向異性常數JK。
圖9示出了 Mnlr用作反鐵磁層、CoFe用作固定層時的單方向各向異性常 數Jk。圖9中，基底溫度Tsub為室溫(20°C)或350。C，且所施加的電力密度 PD為0.41 (W/cm2) 2.44 (W/cm2)。此外，垂直軸代表單方向各向異性常 數Jk，水平軸代表濺射壓力(后文簡稱為處理壓力Ps)。
如圖9所示，當基底溫度Tsub為35(TC時，單方向各向異性常數JK隨著處 理壓力Ps的減小而緩慢減小，并且最終到達與基底溫度Tsub為室溫(20°C)時 的單方向各向異性常數JK大致相等的量級(約0.4 (erg/cm2))。相反，當基 底溫度Tsub為室溫(20°C)時，單方向各向異性常數JK隨著處理壓力Ps的減 小而緩慢增大，但不超過基底溫度T,ub為350'C時的單方向各向異性常數JK。
專利文獻l:第2672802號日本專利
專利文獻2:第2962415號日本專利
專利文獻3:第2005-333106號日本專利公開

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種制造磁性器件的方法、 一種制造磁性器件的裝置、及由在 濺射期間壓力小于等于1.0 (Pa)的低壓處理中增大單方向各向異性常數Jk的 制造裝置所制造的磁性器件。
本發(fā)明的一個方面為一種制造磁性器件的方法。所述方法包括將所述基底 放置在成膜室中；將所述基底加熱至預定溫度；將所述成膜室的壓力減小至小 于等于O.l (Pa);且在已減壓的所述成膜室中，通過使用Kr和Xe中的至少 一種對主要成分為形成所述反鐵磁層之元素的靶進行濺射，從而在所述基底上 形成所述反鐵磁層。所述反鐵磁層包括由組成式Mn咖.x-Mx (M為Ru、 Rh、Ir及Pt中的至少一種，X的取值范圍為20 (原子％) ^X^30 (原子％))表示 的Lh有序相。
本發(fā)明的另一方面為制造磁性器件的裝置。所述裝置包括容納所述基底的 成膜室；減小所述成膜室的壓力的減壓單元；對所述成膜室中的所述基底進行 加熱的加熱單元；陰極，其包括主要成分為形成所述反鐵磁層之元素的耙；向 所述成膜室供給Kr和Xe中至少一種的供給單元；控制單元，其驅動所述加熱 單元以將所述基底加熱至預定溫度、驅動所述減壓單元以將所述成膜室的壓力 減小至小于等于0.1 (Pa)、驅動所述供給單元以向所述成膜室供給Kr和Xe 中至少一種、及驅動所述陰極以對所述耙進行濺射并且在所述基底上形成所述 反鐵磁層。所述反鐵磁層包括由組成式Mn1(K)-X-Mx (M為Ru、 Rh、 Ir及Pt中 的至少一種，X的取值范圍為20 (原子％) $X$30 (原子％))表示的Ll2有 序相。
本發(fā)明的另一方面為由上述制造裝置所制造的磁性器件。


圖1為磁性器件制造裝置的示意圖； 圖2為反鐵磁層室的側視剖視圖3為示出單方向各向異性常數與施加的電力密度的相關性的圖示； 圖4為示出單方向各向異性常數與處理壓力的相關性的圖示； 圖5為示出電阻均勻性與處理壓力的相關性的圖示；
圖6為示出交換耦合磁場的電阻均勻性與處理壓力的相關性的圖示； 圖7為示出磁性存儲器的主要部件的示意剖視圖8為示出現有單方向各向異性常數與施加的電力密度的相關性的圖示； 圖9為示出現有單方向各向異性常數與處理壓力的相關性的圖示。
具體實施例方式
現參考附圖描述根據本發(fā)明實施例的磁性器件制造裝置10。圖1為示出磁 性器件制造裝置IO的示意圖。如圖1所示，制造裝置IO包括傳送裝置11、成 膜裝置12、及用作控制單元的控制裝置13。
傳送裝置11包括能夠容納多個基底S的盒體C，以及傳送基底S的傳送 自動機構。在開始在基底S上進行成膜處理時，傳送裝置11將基底S從盒體C 搬入成膜裝置12，并且在基底S的成膜處理結束時，傳送裝置11將基底S從 成膜裝置12搬出并且放到盒體S上?；譙例如可由硅、玻璃、AlTiC等形成。
成膜裝置12連接至裝載室FL的傳送室FX以及預處理室F0，所述裝載室 FL搬入且搬出基板S，所述預處理室F0用于清洗基板S的表面。傳送室FX還連接至形成反鐵磁層的反鐵磁層室F1以及形成固定層的固定層室F2。傳送 室FX還連接至形成非反鐵磁層的非反鐵磁層室F3以及形成自由層的自由層室 F4。
當基底S的成膜處理開始時，裝載室FL從傳送裝置11接收基底S并且將 基底S傳送至傳送室FX。當基底S的成膜處理結束時，裝載室FL從傳送室 FX接收基底S并且將基底S傳送到傳送裝置11 。
傳送室FX包括傳送基底S的傳送自動機構(未示)。當基底S的成膜處 理開始時，傳送室FX依次將基底S傳送至預處理室FO、反鐵磁層室F1、固定 層室F2、非反鐵磁層室F3、及自由層室F4。當基底S的成膜處理結束時，傳 送室FX將基底S從自由層室F4傳送至裝載室FL。
預處理室F0為對基底S的表面進行濺射，并且對基底S的表面進行濺射 清洗的濺射裝置。
反鐵磁層室Fl為濺射裝置，其包括用于形成襯墊電極層的靶T以及用于 形成反鐵磁層的耙T。反鐵磁層室Fl對各耙T進行濺射以形成金屬膜或反鐵 磁膜，該金屬膜或反鐵磁膜的成分與形成基底S上的各靶T的元素實質相同。 所述具有實質相同組分的膜包括的膜組分與所述靶的組分偏差小于等于10 (原 子％)。
襯墊電極層包括緩和基底S的表面粗糙度的緩沖層和決定所述反鐵磁層的 晶向的種子層。襯墊電極層可由鉭(Ta)、釕(Ru)、鈦(Ti)、鎢(W)、 鉻(Cr)，或者這些元素的合金形成。反鐵磁層通過同固定層的相互作用將固 定層的磁化方向固定為單一方向。反鐵磁層為由反鐵磁體形成的薄膜，所述反 鐵磁體包括由組成式為Mn10o.x-Mx (M為元素Ru、 Rh、 Ir及Pt中的至少一種， X的取值范圍為20 (原子％) SXS30 (原子％))表示的Ll2有序相。反鐵磁 層例如可由銥錳(IrMn)、鉑錳(PtMn)等形成。
固定層室F2為濺射裝置，該濺射裝置包括多個用于形成固定層的靶T。固 定層室F2對各靶T進行濺射以形成鐵磁膜，該鐵磁膜的成分與形成基底S上 的各靶T的元素實質相同。固定層為其磁化方向經由與反鐵磁層相互作用而固 定為單一方向的鐵磁層。固定層可由鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、及鎳 鐵(NiFe)形成。固定層不限于單層結構，并且可為由鐵磁層/磁性連接層/鐵 磁層形成的疊層含鐵結構，例如，CoFe/Ru/CoFeB。
非磁性層室F3為濺射裝置，該濺射裝置包括多個用于形成非磁性層的靶 T。非磁性層室F3對各靶T進行濺射以形成非磁性膜，該非磁性膜與形成基底 S上的各靶T的元素實質相同。非磁性層為厚度為0.4 2.5的金屬薄膜或者為 其厚度允許隧穿電流沿厚度方向流動的絕緣層。非磁性層的電阻值根據固定層 的自發(fā)磁化與自由層的自發(fā)磁化是否平行而變化。非磁性層例如可由銅(Cu)、
6鋁(Al)、鎂(Mg)，或者這些元素的合金形成。非磁性層還可由氧化鎂(MgO) 或氧化鋁(A1203)形成。
自由層室F4為包括用于形成自由層的靶T和用于形成保護層的耙T的濺 射裝置。自由層室F4對各靶T進行濺射以形成鐵磁膜或金屬膜，該鐵磁膜或 金屬膜與形成基底S上的各靶T的元素實質相同。自由層具有可使得自發(fā)磁化 方向旋轉的矯頑力，并且使得其自發(fā)磁化方向與固定層的自發(fā)磁化方向平行或 不平行。自由層可為CoFe、 CoFeB或NiFe的單層結構，CoFeB/Ru/CoFeB的 疊層含鐵結構，或者CoFe和NiFe的疊層結構。保護層包括緩和基底S的表面 粗糙度的勢壘層或者用于環(huán)境空氣的緩沖層。保護層可由Ta、 Ti、 W、 Cr，或 這些元素的合金形成。
參考圖1，控制裝置13控制制造裝置10以執(zhí)行多種處理?？刂蒲b置13包 括用于執(zhí)行各種計算的CPU、用于存儲各種數據的RAM、以及用于存儲各種 控制程序的ROM或硬盤。例如，控制裝置13從硬盤讀取傳送程序，并且根據 傳送程序將基底S傳送至各個室。此外，控制裝置13從硬盤讀取用于各層的 成膜條件，并且根據膜形成條件執(zhí)行用于各層的成膜處理。
如圖1中的雙點劃線所示，控制裝置13電氣連接傳送裝置11和成膜裝置 12的各腔室。傳送裝置11使用各種傳感器(未示)來檢測經處理的基底S的 數量和尺寸，并且將檢測結果提供至控制裝置13?？刂蒲b置13使用來自傳送 裝置的檢測結果生成與傳送裝置11相對應的第一驅動控制信號，并且將第一 驅動控制信號提供至傳送裝置11。傳送裝置11響應第一驅動控制信號而執(zhí)行 傳送基底S的處理。成膜裝置12使用各種傳感器(未示)來檢測裝載室FL和 反鐵磁層室Fl等各腔室的狀態(tài)，例如基底S的存在以及壓力，并且將檢測結 果提供至控制裝置13?？刂蒲b置13使用來自成膜裝置12的檢測結果生成與成 膜裝置12相對應的第二驅動控制信號，并且將第二驅動控制信號提供至成膜 裝置12。成膜裝置12響應第二驅動控制信號而在基底S上形成膜。
然后，控制裝置13驅動傳送裝置11和成膜裝置12以將傳送裝置11上的 基底S裝入預處理室F0以對基底S的表面進行濺射清洗。此外，控制裝置13 驅動成膜裝置12以將所述基底從預處理室F0依次傳送到反鐵磁層室Fl、固定 層室F2、非磁性層室F3、及自由層室F4以將襯墊電極層、反鐵磁層、固定層、 非磁性層、自由層、及保護層依次層疊在已清洗的基底S的表面上。這樣，控 制裝置13形成包括襯墊電極層、反鐵磁層、固定層、非磁性層、自由層、及 保護層的磁阻元件。
現描述反鐵磁層室F1。圖2為示出反鐵磁層室F1的側視剖視圖。
如圖2所示，反鐵磁層室Fl包括連接至傳送室FX的真空箱(下文簡稱為 成膜區(qū)域21a)，并且將基底S從傳送室FX裝入腔室主體21的內部。 一實施例中，腔室主體21的內部稱為成膜區(qū)域21a (成膜室)。
腔室主體21經由供給管22連接至作為供給單元的質量流量控制器MFC。 該質量流量控制器MFC將作為處理氣體的氪(Kr)和氙(Xe)中的至少一種 供給到成膜區(qū)域21a。 一實施例中，以Kr或Xe作為處理氣體的成膜處理分別 稱為Kr處理或Xe處理。以Ar作為處理氣體的成膜處理稱為Ar處理。
此外，腔室主體21經由排氣管23連接至構成減壓單元的排放單元PU。 排放單元PU為由渦輪分子泵或旋轉泵形成的排放系統，并且將供給有處理氣 體的成膜區(qū)域21a的壓力降低至預定壓力。 一實施例中，成膜區(qū)域21a的壓力 稱為處理壓力Ps。處理壓力Ps小于等于0.1 (Pa)，最好為0.1 (Pa) 0.04 (Pa)。當處理壓力Ps變得大于0.1 (Pa)時，難以獲得均勻的反鐵磁層組合 物以及均勻的膜厚度。此外，當處理壓力Ps變得小于0.02 (Pa)時，成膜區(qū)域 21a中不具有等離子體穩(wěn)定性。
腔室主體21的成膜區(qū)域21a包括構成加熱單元的基底架24，以及下側防 粘合板25?；准?4包括加熱器(未示)，將容納的基底S加熱到預定層， 并且對基底S進行定位和固定。 一實施例中，成膜處理期間基底S的溫度稱為 基底溫度Tsub?；诇囟萒^高于20°C，最好為100。C 40(TC。當基底溫度 Tsub變得小于等于10(TC時，變得難以獲得Ll2有序相。當基底溫度Tsub變得大 于40(TC時，基底S之類的底層被熱損壞。
連接至基底架電動機26的輸出軸并且由其驅動的基底架24繞中心軸A旋 轉，以使得基底S沿圓周方向旋轉?；准?4沿基底S的整個圓周面對來自 單一方向的濺射粒子進行散射，以改進堆積物的面內均勻性。下側防粘合板25 繞基底架24延伸，并且防止濺射粒子粘附至形成成膜區(qū)域21a的內表面。
腔室主體21包括多個設在基底架24斜上方的陰極。 一實施例中，如圖2 所示，左邊的陰極27稱為第一陰極27a，右邊的陰極27稱為第二陰極27b。
各陰極27包括封裝板28，并且經由相應的封裝板28連接至外部電源(未 示)。各外部電源向相應的封裝板28供給預定的DC電力。 一實施例中，施加 至各封裝板28的電力密度稱為所施加的電力密度PD。所施加的電力密度PD設 為使得反鐵磁層的成分比X的范圍為20 (原子％) ^X^30 (原子％)。
各陰極27包括位于相應封裝板28的下側的耙T。用于第一陰極27a的耙 T的主要成分是形成底層陰極層的元素，用于第二陰極27b的耙T的主要成分 是形成反鐵磁層的元素。用于第二陰極27b的靶T為與形成反鐵磁層的元素相 同的元素中的一種，并且包括60 (原子％) 90 (原子％)的錳(反鐵磁層的 主要成分)。
各靶T為盤形，并且暴露在成膜區(qū)域21a中。此外，各靶T的內表面的法 線相對于基底S的法線(中心軸A)傾斜預定的角度(例如，22°)。 一實施例中，第一陰極27a的靶T稱為第一靶Tl，第二陰極27b的靶T稱為第二靶T2。
各陰極27包括磁路MG和設在相應的封裝板28的上側的陰極電機M。各 磁路MG形成沿相應耙T的內表面的磁控磁場，并且在靶T附近生成高密度等 離子體。各磁路MG連接至相應陰極電機M的輸出軸且由其驅動。當陰極電機 M受驅動時，磁路MG沿相應耙T的平面方向旋轉。各陰極電機M使得相應 磁路MG的磁控磁場沿相應耙T的整個周面移動，以增進腐蝕均勻性。
上側防粘合板29設在腔室主體21的成膜區(qū)域21a上。上側防粘合板29 設為完全覆蓋成膜區(qū)域21a的上側，并且防止濺射粒子粘附到形成成膜區(qū)域21a 的內壁上。上側防粘合板29包括設在朝向各靶T之區(qū)域的閘29a。當將預定的 電力供給至相應的靶T時，各閘29a打開一個朝向靶T的開口，從而能用靶T 進行濺射。此外，當未對靶T供電時，各閘29a閉合該朝向靶T的開口，并且 禁止用該靶T進行濺射。
當開始在襯墊電極層和反鐵磁層上進行成膜處理時，控制裝置13驅動且 控制質量流量控制器MFC，并且將Kr和Xe中的至少一種供給到成膜區(qū)域21a。 此外，控制裝置13驅動且控制排放單元PU以將成膜區(qū)域21a的壓力調節(jié)為小 于等于O.l (Pa)，并且形成低壓環(huán)境?？刂蒲b置13驅動且控制基底架電動機 26和第一陰極27a以對第一靶Tl進行濺射。然后，控制裝置13驅動且控制基 底架電動機26和第二陰極27b以對第二靶T2進行濺射。g卩，控制裝置13在 包括Kr和Xe中至少一種的低壓氣氛下對第一靶Tl和第二靶T2進行濺射，以 將襯墊電極層和反鐵磁層層疊在已加熱至預定溫度的基底S上。
當處理氣體與靶原子正面撞擊時， 一般地，散射角為90。的反沖粒子和散 射角為180。的反沖粒子的能量分別由Vc《Mt-Mg)/(Mt+Mg)和Vc(Mt-Mg) 2/ (Mt+M(j) 2表示。此處，Vc表示施加在處理氣體的靶表面上的加速電壓， Mt和Me分別表示靶原子的質量和處理氣體的質量。
Ar原子的摩爾質量為40.0 (g/mo1)，而Kr原子和Xe原子的摩爾質量分 別為83.8 (g/mo1)和131.30 (g/mo1)。與使用Ar處理相比，使用Kr處理或 者Xe處理可減小反沖粒子的能量。由此，Kr處理或者Xe處理減少了妨礙Ll2 有序相的反沖粒子的數量及其能量，并且減少對Ll2有序相的損害。Kr處理或 者Xe處理加強反鐵磁層的Ll2有序相形成，以使得反鐵磁層和固定層的疊層 膜具有較高的單方向各向異性常數Jk。
現以實例來描述本發(fā)明。
首先，以直徑為200mm的硅晶片為基底。通過制造裝置10在基底S上執(zhí) 行成膜處理，以獲得Ta (5nm) /Ru (20nm) /Mnlr (10nm) /CoFe (4nm)/Ru (lnm) /Ta (2nm)的疊層膜。
具體地，反鐵磁層室Fl用來將5nm厚的Ta膜和20nm厚的Ru膜層疊， 然后形成10nm厚的Mnlr膜以獲得反鐵磁層。成分為1^!17711"23且直徑為125mm 的合金靶用作第二靶T2?；譙和靶T的距離沿各靶T的法線方向設為200mm。 此外，以Kr為處理氣體。
接著，固定層室F2和自由層室F4用來形成4nm厚的Co7。Fe3()膜且獲得固 定層，然后形成lnm厚的Ru膜和2nm厚的Ta膜以獲得保護層。
當形成襯墊層、固定層和保護層時，基底的溫度調節(jié)為2(TC。當形成反鐵 磁層時，基底溫度Lub調節(jié)為350°C，對所述靶施加的電力密度PD調節(jié)為2.04 (W/cm2),且處理壓力Ps調節(jié)為0.04 (Pa)，以獲得本實例的疊層膜。
此外，當形成反鐵磁層時，改變基底溫度Tsub、所施加的電力密度Po、處 理壓力Ps及處理氣體中的至少一個，其余參數保持為與本實例相同，以獲得對 照例的疊層膜。
基底溫度Tsub: 20 rc) 、 200 rc) 、 250 rc) 、 400 rc)
施加的電力密度PD: 0.41 (W/cm2) 、 0.81 (W/cm2) 、 1.22 (W/cm2)、 1.63 (W/cm2) 、 2.44 (W/cm2)
處理壓力Ps: 0.1 (Pa) 、 0.2 (Pa) 、 0.4 (Pa) 、 1.0 (Pa) 、 2.0 (Pa) 處理氣體Ar
對于各疊層膜，在室溫下獲得磁滯曲線以計算疊層膜的單方向各向異性常 數Jk。此外，在室溫下測量各疊層膜的薄膜電阻值以計算各疊層膜的電阻均勻 性。以公式jk二M^C^Hex計算單方向各向異性常數jk。此處，H^代表磁滯曲 線中朝向所施加的磁場方向的變化磁場的量級(下文簡稱為交換耦合磁場He》。 此外，Ms和dF分別代表固定層(Co7oFe3o膜)的飽和磁化Ms和該固定層的厚 度dF。
圖3示出了單方向各向異性常數jk與施加的電力密度Pd的相夫性，圖4
示出了單方向各向異性常數jk與處理壓力Ps的相關性。圖3中，單方向各向 異性常數jk的處理壓力Ps為2.0 (Pa)，且圖4中的基底溫度T^為2CTC和 35(TC。此外，圖5示出了晶片平面內的電阻均勻性與處理壓力Ps的相關性， 圖6示出了交換耦合磁場Hex的電阻均勻性與處理壓力Ps的相關性。
圖3中，單方向各向異性常數jk隨著施加的電力密度PD增大而增大。當
施加的電力密度Pd相同吋，單方向各向異性常數Jk隨著基底溫度Lub上升而 增大。在與Ar處理相同的方式中(見圖8)，這一與所施加電力密度Po的相 關性意味著所施加電力密度Pd的増大會使得Mnlr薄膜的組成更接近Mn3Ir。
此外，與基底溫度Tsub的相關性意味著基底溫度Tsub的增大會促進Lh有序相
10的形成。
因此，通過選擇適當的施加的電力密度PD和基底溫度Tsub，例如35(TC的 基底溫度和2.04 (W/cm2)的所施加電力密度Po， Kr處理獲得的適于獲得Ll2 有序相的成分和結晶度。
圖4中，當基底溫度Lub為35(TC時，與處理壓力Ps無關，單方向各向異 性常數JK的值為接近1.0 (erg/cm2)的較高值。這一低壓處理中的單方向各向 異性常數Jk與Ar處理有很大的不同，并且意味著極大地促進了 Lh有序相的 形成。相反，當基底溫度T^為2(TC時，單方向各向異性常數Jk的相夫性與 Ar處理(見圖9)的相關性類似。然而，Kr處理的單方向各向異性常數JK為 約0.6 (erg/cm2)，并且其值比低壓下的Ar處理(見圖9)的值來得高。艮P ， 根據從施加的電力密度PD、基底溫度Tsub、及處理壓力Ps所獲得的成分和結晶 度，Kr處理促進了 Ll2有序相的形成。
因此，與Ar處理相比，當處理壓力Ps小于O.l (Pa)時，Kr處理的單方 向各向異性常數Jk大于Ar處理，并且可通過加熱基底S而進一步增大單方向 各向異性常數JK。 Kr處理中，當處理壓力P"j、于等于0.1 (Pa)且基底溫度 Lub大于等于IO(TC時，可獲得接近1.0(erg/cm2)的高單方向各向異性常數JK。
如圖5所示，當處理壓力Ps小于等于O.l (Pa)時，Ar處理中，疊層膜的 電阻均勻性在lo處為1% 2%，而Kr處理中為小于等于1%。當處理壓力Ps 為0.1 1.0 (Pa)時，Ar處理中疊層膜的電阻均勻性保持為約1.0%，而Kr處 理中增大為約5%。當處理壓力Ps超過1.0 (Pa)，疊層膜的電阻均勻性增大 至超過10%的值，與處理氣體的類型無關。與處理壓力Ps的相關性意味著， 成膜速度隨著平均自由程的減小而降低，并且濺射粒子的濺射或然率的差增大 了膜厚度差異和晶片平面內的成分比差異，且極大地降低疊層膜的電阻均勻性。
因此，當處理壓力Ps小于等于O.l (Pa)時，Kr處理增大單方向各向異性
常數JK并且獲得就膜厚度和晶片平面內成分而言滿意的均勻性。
如圖6所示，當Kr處理的處理壓力Ps為0.04(Pa)時，晶片位置為5mm 85mm(晶片的中心部與邊緣部之間)之間的疊層膜交換耦合磁場Hex為大致不 變的值。當Kr處理的處理壓力Ps為1.0 (Pa)時，中心部與邊緣部之間的疊層 膜交換耦合磁場Hex有稍微的變化。相反，當Ar處理的處理壓力Ps為l.O(Pa) 時，疊層膜交換耦合磁場Hex從晶片中心沿徑向變小，藉此造成晶片平面內有 較大的變化。如前所述的相同方式，處理壓力Ps以及與處理氣體的相關性意味
著成膜速度隨著平均自由程減小而降低，并且濺射粒子的濺射或然率的差增大 了膜厚度差異和晶片平面內的成分比差異，且極大地降低疊層膜的電阻均勻性。因此，當處理壓力Ps小于等于O.l (Pa)時，Kr處理增大單方向各向異性
常數JK并且獲得就膜厚度和晶片平面內成分而言滿意的均勻性。
現描述使用磁性器件制造裝置10來制造用作磁性器件的磁性存儲器30。 圖7為磁性存儲器30的示意剖視圖。
磁性存儲器30的基底S上形成有薄膜晶體管Tr。薄膜晶體管Tr包括經由 接觸插塞CP、導線ML、下電極層31連接至磁阻元件32的擴散層LD。磁阻 元件32為包括層疊在下電極層34上側的反鐵磁層33、固定層34、非磁性層 35、自由層36的TMR元件。
從下電極層31向下間隔的字線WL設在磁阻元件32的下側。字線WL為 帶狀，并且形成為沿垂直于附圖平面的方向延伸。設在磁阻元件32上方的帶 狀位線BL沿垂直于字線WL的方向延伸。由此，磁阻元件32設在相互垂直的 字線WL和位線BL之間。
使用制造裝置10通過對下電極層31、反鐵磁層33、固定層34、非磁性層 35、自由層36進行層疊并且對各層進行蝕刻，而形成磁阻元件32。使用制造 裝置10制造的磁阻元件32將反鐵磁層33/固定層34的單方向各向異性常數JK 穩(wěn)定為約1.0 (erg/cm2)的較高水平，并且改進反鐵磁層33的厚度均勻性。從 而，改進了磁性存儲器30的器件特性。
本實施例的制造裝置10 (制造方法)以及由制造裝置IO制造的磁性器件 具有如下優(yōu)點。
(1 ) 制造裝置10將成膜區(qū)域21a中放置在基底架24上的基底S加熱 至預定溫度，并且將處理壓力Ps降低至小于等于O.l (Pa)。此外，制造裝置 lO使用Kr和Xe中的至少-種作為處理氣體對主要成分為形成反鐵磁層之元素 的第二靶T2進行濺射，以形成反鐵磁層。
如現有技術中以Ar作為處理氣體時，在濺射期間反沖的Ar粒子的平均自 由程隨著處理壓力Ps變小而增大。該反沖Ar粒子，即指其Ar離子在濺射期間 對著靶撞擊的Ar粒子，并不對形成靶的元素進行濺射、消耗電荷、且變得散 射。低壓處理中，具有較高動能的反沖Ar粒子對著基板上的反鐵磁層進行照 射。反沖Ar粒子的照射對生長在基底上的形成Ll2有序相靶的元素(例如， Mn原子、Ir原子等)進行物理上的蝕刻，并且極大地損壞該Ll2有序相。本發(fā) 明的發(fā)明人關注由作為低壓處理使得單方向各向異性常數JK下降的因素之一 的反沖Ar粒子造成的Ll2有序相破壞。在檢查反沖處理氣體粒子所降低的能量 時，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現當至少使用Kr和Xe中的一種作為處理氣體時，無論 如何處理壓力Ps，單方向各向異性常數Jk具有約1.0 (erg/cm2)的高水平。因此，使用Kr和Xe中的至少一種作為處理氣體增進了 Ll2有序相的生長。 從而，在濺射期間的壓力小于等于0.1 (Pa)的低壓處理中，單方向各向異性 常數Jk得以増大，并且反鐵磁層的成分和厚度的均勻性得以提升。從而，磁性 器件的磁特性得以增進。
(2) 制造裝置IO將基底S加熱至預定溫度(最好為100°C 400°C) 以形成反鐵磁層。因此，在濺射期間的壓力小于等于O.l (Pa)的低壓處理中， 以可靠的方式增進了 Lh有序相的生長。
可對上述實施例作如下修改。
上述實施例的處理氣體可為Kr和Xe的氣體混合物，或者為包括Kr和Xe 中的至少一種的氣體。
上述實施例中，反鐵磁層室F1為DC磁控濺射裝置。然而，本發(fā)明并不限 于這一方式。例如，反鐵磁層室Fl可為RF磁控型，或者具有不使用該磁路 MG的結構。
上述實施例中，磁性器件為磁性存儲器30。然而，本發(fā)明并不限于這一方 式。例如，磁性器件可為磁性傳感器或者磁性再生頭，只要是包括Ll2有序相 的反鐵磁層的磁性器件即可。
權利要求
1、一種磁性器件的制造方法，其通過在基底上形成包括由組成式Mn100-X-MX(M為Ru、Rh、Ir及Pt中的至少一種，X的取值范圍為20(原子％)≤X≤30(原子％))表示的L12有序相的反鐵磁層而制造磁性器件，所述磁性器件制造方法包括將所述基底放置在成膜室中；將所述基底加熱至預定溫度；將所述成膜室的壓力減小至小于等于0.1(Pa)；且在已減壓的所述成膜室中，通過使用Kr和Xe中的至少一種對主要成分為形成所述反鐵磁層之元素的靶進行濺射，從而在所述基底上形成所述反鐵磁層。
2、 如權利要求1所述的磁性器件制造方法，其中所述形成所述反鐵磁層包括 在加熱至100。C 40(TC的所述基底上形成所述反鐵磁層。
3、 一種磁性器件制造裝置，其通過在基底上形成包括由組成式Mn，oc-Mx(M為Ru、Rh、Ir及Pt中的至少一種，X的取值范圍為20(原子％)^^30 (原子％))表示的Ll2有序相的反鐵磁層而制造磁性器件，所述磁性器 件制造裝置包括容納所述基底的成膜室； 減小所述成膜室的壓力的減壓單元； 對所述成膜室中的所述基底進行加熱的加熱單元； 陰極，其包括主要成分為形成所述反鐵磁層之元素的耙； 向所述成膜室供給Kr和Xe中至少一種的供給單元； 控制單元，其驅動所述加熱單元以將所述基底加熱至預定溫度、驅動 所述減壓單元以將所述成膜室的壓力減小至小于等于0.1 (Pa)、驅動所 述供給單元以向所述成膜室供給Kr和Xe中至少一種、及驅動所述陰極以 對所述靶進行濺射并且在已減壓的所述成膜室中的所述基底上形成所述 反鐵磁層。
4、 如權利要求3所述的磁性器件制造裝置，其中所述控制單元驅動所述加熱 單元以將所述基底加熱至100°C 400°C。
5、 一種磁性器件，包括反鐵磁層，其包括由組成式Mn1W).x-Mx (M為Ru、 Rh、 Ir及Pt中的 至少一種，X的取值范圍為20 (原子％) ^Xg0 (原子％))表示的Lh 有序相；其中所述反鐵磁層由如權利要求3或4所述的磁性器件制造裝置制造。
全文摘要
一種增大單方向各向異性常數(J_K)的磁性器件制造裝置。基底(S)放置在成膜區(qū)域(21a)中的基底架(24)上，將基底(S)加熱至預定溫度，并且將處理壓力減小至小于等于1.0(Pa)。使用Kr和Xe中的至少一種對主要成分為形成反鐵磁層之元素的靶進行濺射以形成反鐵磁層。所述反鐵磁層包括由組成式Mn_100-X-M_X(M為Ru、Rh、Ir及Pt中的至少一種，X的取值范圍為20(原子％)≤X≤30(原子％))表示的L1₂有序相。
文檔編號H01L21/8246GK101689601SQ20088001970
公開日2010年3月31日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權日2007年6月11日
發(fā)明者今北健一 申請人:株式會社愛發(fā)科