(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極の一部の領域の上に配置され、前記下部電極とはエッチング特性が異なる導電材料で形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に配置され、アモルファスの強磁性材料で形成された第１磁化自由層と、
前記第１磁化自由層の上に配置され、結晶化した強磁性材料で形成された第２磁化自由層と、
前記第２磁化自由層の上に配置されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置され、磁化方向が固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層の上に形成された上部電極と、
を有し、
前記第１磁化自由層は、Ｆｅ、Ｂ、及びＴａまたはＷである添加元素を含む、磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記第１磁化自由層の添加元素は、Ｔａであり、
前記第２磁化自由層は、Ｆｅ、及びＢを含み、Ｔａを含まない、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記第１磁化自由層のＴａ含有量は、３０原子％よりも多く、かつ５０原子％よりも少ない、請求項２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記バッファ層は、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｃｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記バッファ層の厚さは、３ｎｍ〜１５ｎｍの範囲内であり、前記第１磁化自由層の厚さは、０．８ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲内であり、前記第２磁化自由層の厚さは、０．４ｎｍ〜１ｎｍの範囲内である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
基板上に下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層の上に、前記下部電極層とはエッチング特性が異なる導電材料で形成されたバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の上に、Ｆｅ、Ｂ、及びＴａまたはＷである添加元素を含むアモルファスの強磁性材料からなる第１磁化自由層を形成する工程と、
前記第１磁化自由層の上に、該第１磁化自由層とは異なるアモルファスの強磁性材料からなる第２磁化自由層を形成する工程と、
前記第２磁化自由層の上に、トンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に、磁化方向が固定された磁化固定層を形成する工程と、
前記磁化固定層を形成した後、熱処理を行い、前記第２磁化自由層を結晶化するが、前記第１磁化自由層はアモルファスの状態を維持させる工程と、
前記磁化固定層の上に、マスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをエッチングマスクとして、前記磁化固定層から前記バッファ層まで反応性イオンエッチング法を用いてエッチングし、前記下部電極層の上面を露出させる工程と、
を有する磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項７】
第１の方向に延在する複数のワード線と、
前記ワード線を交差する方向に延在する複数のビット線と、
前記ワード線と前記ビット線との交差箇所に対応して配置されたメモリセルと、
を有し、
前記メモリセルは、
一方の電流端子が接地され、ゲート電極が、対応するワード線に接続されたＭＯＳトランジスタと、
一方の電極が前記ＭＯＳトランジスタの他方の電流端子に接続され、他方の電極が、対応するビット線に接続されたＭＴＪ素子と、
を含み、
前記ＭＴＪ素子は、
基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極の一部の領域の上に配置され、前記下部電極とはエッチング特性が異なる導電材料で形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に配置され、アモルファスの強磁性材料で形成された第１磁化自由層と、
前記第１磁化自由層の上に配置され、結晶化した強磁性材料で形成された第２磁化自由層と、
前記第２磁化自由層の上に配置されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置され、磁化方向が固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層の上に形成された上部電極と、
を含み、
前記第１磁化自由層は、Ｆｅ、Ｂ、及びＴａまたはＷである添加元素を含む、ＭＲＡＭ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）や磁気ヘッド等に用いられる磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＴＪ素子は、磁化方向が変化する磁化自由層、トンネルバリア層、磁化方向が固定された磁化固定層、及び磁化固定層に交換結合して磁化方向を固定させる反強磁性層が積層された構造を有する。この積層構造をパターニングする際に、異方性ドライエッチングが適用される。さらに、パターニングされた積層構造の側面に付着した導電性の付着物を除去するために、等方性ドライエッチングが適用される。
【０００３】
磁化自由層にＣｏＦｅＴａを用いることにより、スピン注入効率を高め、書込みに要する電流を低減させたスピン注入型ＭＲＡＭが公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６５０３０号公報
【特許文献２】特開２００７−４８７９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＴＪ素子の積層構造をパターニングした後、積層構造の側方に導電性の付着物が生成されると、リーク電流が増加してしまう。この付着物をエッチングで除去することが困難な場合がある。積層構造の側方に生成された付着物の影響を受けにくい磁気トンネル接合素子及びその製造方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、
基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極の一部の領域の上に配置され、前記下部電極とはエッチング特性が異なる導電材料で形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上に配置され、アモルファスの強磁性材料で形成された第１磁化自由層と、
前記第１磁化自由層の上に配置され、結晶化した強磁性材料で形成された第２磁化自由層と、
前記第２磁化自由層の上に配置されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置され、磁化方向が固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層の上に形成された上部電極と、
を有し、
前記第１磁化自由層は、Ｆｅ、Ｂ、及びＴａまたはＷである添加元素を含む、
磁気トンネル接合素子が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によると、
基板上に下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層の上に、前記下部電極とはエッチング特性が異なる導電材料で形成されたバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の上に、Ｆｅ、Ｂを含み、ＴａまたはＷである添加元素を含むアモルファスの強磁性材料からなる第１磁化自由層を形成する工程と、
前記第１磁化自由層の上に、該第１磁化自由層とは異なるアモルファスの強磁性材料からなる第２磁化自由層を形成する工程と、
前記第２磁化自由層の上に、トンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に、磁化方向が固定された磁化固定層を形成する工程と、
前記磁化固定層を形成した後、熱処理を行い、前記第２磁化自由層を結晶化するが、前記第１磁化自由層はアモルファスの状態を維持させる工程と、
前記磁化固定層の上に、マスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをエッチングマスクとして、前記磁化固定層から前記バッファ層まで反応性イオンエッチング法を用いてエッチングし、前記下部電極層の上面を露出させる工程と、
を有する磁気トンネル接合素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
バッファ層を配置することにより、下部電極からトンネルバリア層までの高さを高くすることができる。これにより、磁気トンネル接合素子の特性が、プロセス中に下部電極の上に堆積する付着物の影響を受け難くなる。磁化自由層を、第１磁化自由層と第２磁化自由層との２層構造にすることにより、磁化自由層とトンネルバリア層との界面の品質低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１による磁気トンネル接合素子の断面図である。
【図２−１】実施例１による磁気トンネル接合素子の、製造途中段階の断面図である。
【図２−２】実施例１による磁気トンネル接合素子の、製造途中段階の断面図である。
【図２−３】実施例１による磁気トンネル接合素子の、製造途中段階の断面図である。
【図３】下部電極の材料が異なる種々の磁気トンネル接合素子の磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図４】（４Ａ）及び（４Ｂ）は、それぞれ下部電極にＴａ及びＲｕを使用した場合の、ＭＴＪ積層構造の概略断面図である。
【図５】（５Ａ）は、第２磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフであり、（５Ｂ）は、第１磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。
【図６】実施例２によるＭＲＡＭの等価回路図である。
【図７】実施例２によるＭＲＡＭの、製造途中段階の断面図である。
【図８】実施例３によるＭＲＡＭの断面図である。
【図９】（９Ａ）及び（９Ｂ）は、それぞれ実施例４による磁気ヘッドの浮上面の正面図、及び磁気ヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施例１］
図１に、実施例１によるＭＴＪ素子の断面図を示す。基板１０の一部の領域の上に、下部電極１１が形成されている。下部電極１１には、例えばＴａが用いられ、その厚さは、例えば５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内である。下部電極１１は結晶化しておらず、アモルファス状態である。下部電極１１の一部の領域の上に、バッファ層１２が形成されている。バッファ層１２には、例えばＲｕ、Ｐｔ、Ｃｒ等が用いられ、その厚さは、例えば３ｎｍ〜１５ｎｍの範囲内である。バッファ層１２は結晶化している。
【００１１】
バッファ層１２の上に、ＭＴＪ積層構造１５が配置されている。ＭＴＪ積層構造１５は、磁化自由層１６、トンネルバリア層２０、磁化固定層２１、及び反強磁性層２７がこの順番に堆積した積層構造を有する。
【００１２】
磁化自由層１６は、第１磁化自由層１７と、その上に形成された第２磁化自由層１８とを含む。第１磁化自由層１７は、例えばアモルファス状態のＣｏＦｅＢＴａで形成され、その厚さは０．８ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲内である。第２磁化自由層１８は、例えば結晶化したＣｏＦｅＢで形成され、その厚さは０．４ｎｍ〜１．０ｎｍの範囲内である。なお、第２磁化自由層１８は、成膜直後はアモルファスであるが、その後の熱処理プロセスで結晶化する。磁化自由層１６の磁化方向は、スピン偏極した電子の注入や、外部磁場の印加によって容易に変化する。
【００１３】
トンネルバリア層２０は、例えばＭｇＯで形成され、その厚さは０．８ｎｍ〜１．１ｎｍの範囲内である。ＭｇＯは体心立方格子構造を有し、トンネルバリア層２０を形成するＭｇＯは、（００１）配向している。
【００１４】
磁化固定層２１は、第１磁化固定層２２、第２磁化固定層２３、スペーサ層２４、及び第３磁化固定層２５がこの順番に堆積した積層構造を有する。第１磁化固定層２２は、例えばＣｏＦｅＢで形成され、その厚さは１．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲内である。第２磁化固定層２３は、例えばＣｏＦｅで形成され、その厚さは０．５ｎｍ以下である。スペーサ層２４は、例えばＲｕで形成され、その厚さは０．７５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内である。第３磁化固定層２５は、たとえばＣｏＦｅで形成され、その厚さは１．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲内である。磁化固定層２１は、スペーサ層２４を介して、上下の磁化固定層が反強磁性交換結合する積層フェリ構造を有する。
【００１５】
反強磁性層２７は、例えばＩｒＭｎで形成され、その厚さは７ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内である。なお、反強磁性層２７は、ＩｒＭｎ以外の反強磁性材料、例えばＰｔＭｎ等で形成してもよい。反強磁性層２７にＰｔＭｎを用いる場合には、その厚さを、１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内とする。反強磁性層２７は、第３磁化固定層２５と交換結合し、第３磁化固定層２５の磁化方向を固定する。
【００１６】
ＭＴＪ積層構造１５の上に、上部電極３１及び接続層３２が、この順番に積層されている。上部電極３１は、例えばＲｕで形成され、その厚さは３ｎｍ〜１０ｎｍである。接続層３２は、例えばＴａで形成され、その厚さは３０ｎｍ〜８０ｎｍである。
【００１７】
バッファ層１２の側方の下部電極１１の上に、酸化物層４０が形成されている。酸化物層４０は、下部電極１１の酸化物で形成される。酸化物層４０の上面は、トンネルバリア層２０の底面よりも低い。
【００１８】
図２Ａ〜図２Ｆを参照して、実施例１によるＭＴＪ素子の製造方法について説明する。
【００１９】
図２Ａに示すように、基板１０の上に、下部電極１１から接続層３２までの各層を、スパッタリングにより形成する。成膜時に、第１磁化自由層１７及び第２磁化自由層１８は、アモルファス状態である。接続層３２を形成した後、磁場中で熱処理を行うことにより、第２磁化自由層１８を結晶化させる。この熱処理は、例えば下記の条件で行われる。
・圧力  １×１０−５Ｐａ以下
・磁場の大きさ  １Ｔ
・磁場の向き  面内方向
・温度  ３５０℃
・熱処理時間  ２時間
・昇温及び降温時間  １時間
図２Ｂに示すように、この熱処理により、ＭｇＯからなるトンネルバリア層２０と第２磁化自由層１８との界面から、第２磁化自由層１８内に向かって結晶化が進む。これにより、第２磁化自由層１８が結晶化される。本明細書において、この熱処理を、「結晶化熱処理」ということとする。
【００２０】
第１磁化自由層１７のＣｏＦｅＢＴａは、ＣｏＦｅＢよりも結晶化しにくい。第１磁化自由層１７の下のＲｕからなるバッファ層１２は結晶化しているが、バッファ層１２と第１磁化自由層１７との界面から、第１磁化自由層１７内に向かう結晶化は生じない。このため、第１磁化自由層１７は、結晶化熱処理後もアモルファス状態のままである。第２磁化自由層１８とバッファ層１２との間に、アモルファス状態の第１磁化自由層１７が挿入されているため、第２磁化自由層１８が結晶化されるときに、バッファ層１２の結晶構造の影響を受けることはない。
【００２１】
図２Ｃに示すように、ＭＴＪ積層構造を配置すべき領域に接続層３２を残すように、接続層３２をパターニングする。接続層３２のパターニングには、例えばエッチングマスクとして酸化シリコン膜を用い、エッチングガスとしてＣｌ２ガスを用いる。接続層３２をパターニングした後、エッチングマスクとして使用した酸化シリコン膜は除去する。パターニングされた接続層３２の平面形状は、例えば長方形または楕円形である。
【００２２】
図２Ｄに示すように、接続層３２をエッチングマスクとして用い、上部電極３１からバッファ層１２までの各層をエッチングする。このエッチングには、ＣＯとＮＨ３との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングが適用される。ＣＯとＮＨ３との流量比は、例えば１：１０とし、エッチングチャンバ内の圧力は、例えば１０Ｐａとする。なお、エッチングガスとしてメタノールガスを用いることもできる。
【００２３】
Ｔａからなる下部電極１１が露出すると、下部電極１１の表面が酸化され、タンタル酸化物層４０が形成される。タンタル酸化物層４０がエッチングストッパとして作用するため、下部電極１１はエッチングされない。下部電極１１が酸化されると、その体積が膨張するため、タンタル酸化物層４０の上面が、初期の下部電極１１の上面よりも高くなる。ただし、タンタル酸化物層４０の上面が、トンネルバリア層２０の底面までは達しないように、バッファ層１２の膜厚が設定されている。
【００２４】
ここまでの工程で、バッファ層１２、磁化自由層１６、トンネルバリア層２０、磁化固定層２１、反強磁性層２７、上部電極３１、及び接続層３２を含む積層構造体４１が形成される。
【００２５】
図２Ｅに示すように、積層構造体４１及び酸化物層４０の上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜をパターニングすることにより、レジストパターン４３を形成する。レジストパターン４３は、積層構造体４１、及びその周囲の酸化物層４０を覆う。
【００２６】
図２Ｆに示すように、レジストパターン４３をエッチングマスクとして、酸化物層４０及び下部電極１１をエッチングする。このエッチングには、例えばエッチングガスとしてＣｌ２を用いた反応性イオンエッチングが適用される。エッチング後、レジストパターン４３を除去する。ここまでの工程で、図１に示したＭＴＪ素子が形成される。
【００２７】
以下、バッファ層１２を配置することの効果について説明する。磁化自由層１６を厚くすると、磁化を反転させるべき強磁性材料の体積が大きくなるため、書込みに必要な電流の閾値が大きくなってしまう。所望の書込み電流の閾値から、磁化自由層１６の厚さの上限値が決定される。バッファ層１２を配置しない場合には、下部電極１１の上面からトンネルバリア層２０の底面までの高さが、磁化自由層１６の厚さの上限値により制限される。
【００２８】
酸化物層４０は、酸化前の下部電極１１の上面を基準として、下方及び上方に成長する。酸化物層４０の厚さは、図２Ｄに示した反応性イオンエッチングの条件に依存する。通常のエッチング条件では、酸化物層４０の、上方に成長した部分の厚さを、磁化自由層１６の厚さの上限値よりも薄くすることが困難である。このため、酸化物層４０がトンネルバリア層２０まで達してしまう。Ｔａの酸化物は導電性を有するため、酸化物層４０がトンネルバリア層２０に接触すると、リーク電流が増加してしまう。
【００２９】
実施例１では、下部電極１１と磁化自由層１６との間にバッファ層１２を挿入しているため、トンネルバリア層２０の底面を、酸化物層４０の上面より高くすることができる。また、バッファ層１２は強磁性材料ではないため、バッファ層１２を厚くしても、書込みに必要な電流の閾値は上昇しない。
【００３０】
次に、磁化自由層１６を２層構造にすることの効果について説明する。
【００３１】
図３に、種々のＭＴＪ素子のＭＲ比の測定結果を示す。作製したＭＴＪ素子は、下部電極１１、磁化自由層１６、トンネルバリア層２０、及び磁化固定層２１を含む。磁化自由層１６は、ＣｏＦｅＢ層の１層のみとした。トンネルバリア層２０には、ＭｇＯを用いた。磁化固定層２１の構造は、図１に示した実施例１の磁化固定層２１の構造と同一である。下部電極１１の材料として、Ｔａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、及びＴｉを用いた５種類の試料を作製した。
【００３２】
図３の横軸は、磁化自由層１６の膜厚を、単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図４の曲線に付した元素記号は、下部電極１１の材料を示す。下部電極１１にＴａを用いると、他の材料を用いた場合に比べて大きなＭＲ比が得られている。
【００３３】
図４Ａ及び図４Ｂを参照して、下部電極１１の材料によってＭＲ比が変動する理由について説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、ＭＴＪ積層構造の概略断面図であり、結晶化熱処理時の結晶成長の方向を矢印で示す。図４Ａに示すように、下部電極１１にＴａを用いた場合には、磁化自由層１８内において、トンネルバリア層２０から下方に結晶化が進む。下部電極１１を形成しているＴａはアモルファス状態であるため、下部電極１１のＴａは、結晶の成長核にならない。このため、下部電極１１からは、ほとんど結晶化が進まない。
【００３４】
図４Ｂに示すように、下部電極１１にＲｕを用いた場合には、下部電極１１が結晶化している。結晶化熱処理時に、磁化自由層１８内において、下部電極１１から上方に進む結晶化が支配的になる。結晶化したＲｕを成長核として結晶成長が進むと、ＣｏＦｅＢが（１１０）配向してしまう。また、トンネルバリア層２０と磁化自由層１８との界面の品質が低下する。このため、ＭＲ比が小さくなってしまうと考えられる。下部電極１１にＣｒ、Ｐｔ、Ｔｉ等を用いた場合にも、同様に、トンネルバリア層２０と磁化自由層１８との界面の品質が低下していると考えられる。
【００３５】
実施例１の場合には、バッファ層１２としてＲｕを用いているため、バッファ層１２の上にＣｏＦｅＢの第２磁化自由層１８を直接堆積させると、図４Ｂの場合と同様に、第２磁化自由層１８とトンネルバリア層２０との界面の品質が低下してしまう。実施例１では、バッファ層１２と第２磁化自由層１８との間に、ＣｏＦｅＢＴａの第１磁化自由層１７が挿入されている。ＣｏＦｅＢＴａは、ＣｏＦｅＢよりも結晶化し難い。このため、バッファ層１２から上方に結晶化が進むことはなく、結晶化熱処理後も、第１磁化自由層１７はアモルファス状態のままである。
【００３６】
第１磁化自由層１７が結晶化しないため、第２磁化自由層１８内において、第１磁化自由層１７から結晶化が進むことはない。従って、トンネルバリア層２０から第２磁化自由層１８内に結晶化が進む。これにより、第２磁化自由層１８とトンネルバリア層２０との界面の品質の低下を防止することができる。
【００３７】
さらに、ＣｏＦｅＢＴａは磁性を持ちながら、その飽和磁化量Ｍｓは、ＣｏＦｅＢの飽和磁化量よりも小さい。書込み電流の閾値は、磁化自由層１６の飽和磁化量と体積との積に依存する。磁化自由層１６を２層構造にすれば、磁化自由層１６をＣｏＦｅＢの単層構造とする場合に比べて、書込み電流の閾値を一定に維持したまま、磁化自由層１６を厚くすることができる。逆に、磁化自由層の厚さが等しい場合には、磁化自由層１６を２層構造にすることにより、書込み電流の閾値を低減させることができる。第１磁化自由層１８を第２磁化自由層１７より厚くすることにより、上述の効果が顕著に現れる。
【００３８】
図５Ａ及び図５Ｂに、実施例１によるＭＴＪ素子の積層構造を持つ試料のＭＲ比の測定結果を示す。第１磁化自由層１７の強磁性材料として、（Ｃｏ０．４２Ｆｅ０．４２Ｂ０．１６）０．６６Ｔａ０．３４を用い、第２磁化自由層１８の強磁性材料として、Ｃｏ０．４２Ｆｅ０．４２Ｂ０．１６を用いた。ＭＲ比の測定には、ＣＩＰＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）法を用いた。
【００３９】
図５Ａの横軸は、第２磁化自由層１８の厚さを、単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。丸記号及び三角記号は、それぞれ第１磁化自由層１７の厚さを１．０ｎｍ及び１．２ｎｍにした試料の測定結果を示す。
【００４０】
第２磁化自由層１８の膜厚が０．５ｎｍ以上の試料では、１１０％以上のＭＲ比が得られているのに対し、膜厚が０．４ｎｍの試料のＭＲ比は、１００％以下である。１００％よりも大きなＭＲ比を得るために、第２磁化自由層１８の厚さを０．５ｎｍ以上にすることが好ましい。
【００４１】
図５Ｂの横軸は、第１磁化自由層１７の厚さを、単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。丸記号、三角記号、及び四角記号は、それぞれ第２磁化自由層１８の厚さを０．７ｎｍ、０．６ｎｍ、０．５ｎｍとした試料の測定結果を示す。
【００４２】
第１磁化自由層１７の膜厚の変化に対して、ＭＲ比の変化は緩やかであり、第１磁化自由層１７の膜厚の好適な範囲が広いことがわかる。一例として、第１磁化自由層１７の膜厚が０．６ｎｍ〜１．４ｎｍの範囲内で、１００％以上のＭＲ比が得られることが確認された。なお、第１磁化自由層１７のＴａの含有量を４４原子％とした試料を作製し、ＭＲ比を測定したところ、１００％以上のＭＲ比が得られることが確認された。
【００４３】
上記実施例１では、第１磁化自由層１７をＣｏＦｅＢＴａで形成し、第２磁化自由層１８をＣｏＦｅＢで形成した。その他に、第１磁化自由層１７に、Ｆｅ、Ｂ、及びＴａを含む強磁性材料を用いることが可能である。また、第２磁化自由層１８に、Ｆｅ及びＢを含み、Ｔａを含まない強磁性材料を用いてもよい。第１磁化自由層１７及び第２磁化自由層１８に、さらにＣｏまたはＮｉを含有させてもよい。Ｆｅの含有量は、１０原子％以上にすることが好ましい。Ｂの含有量は、１５原子％〜２２原子％の範囲内にすることが好ましい。
【００４４】
第１磁化自由層１７の結晶化を防止し、アモルファス状態を維持するために、Ｔａの含有量を３０原子％以上にすることが好ましい。Ｔａの含有量が多くなり過ぎると、第２磁化自由層１８と第１磁化自由層１７とを、同一のエッチングガス、すなわちＣＯとＮＨ３との混合ガスを用いて、連続的にエッチングすることが困難になる。第１磁化自由層１７を、第２磁化自由層１８のエッチングガスと同一のエッチングガスでエッチングするために、Ｔａの含有量を５０原子％以下にすることが好ましい。
【００４５】
なお、第１磁化自由層１７に含有されるＴａに代えて、Ｗを用いてもよい。Ｗを含有させても、第１磁化自由層１７が第２磁化自由層１８よりも結晶化し難くなる。
【００４６】
また、上記実施例１では、トンネルバリア層２０に、体心立方格子（ｂｃｃ）構造で（００１）配向したＭｇＯを用いた。ＭｇＯ以外に、トンネルバリア層２０として、結晶化熱処理時に、第２磁化自由層１８内の結晶化の成長核になり得る他の絶縁材料を用いてもよい。例えば、ｂｃｃ構造を有し、（００１）配向したＭｇＺｎＯを用いてもよいし、スピネル型結晶構造を有するＭｇＡｌＯを用いてもよい。
【００４７】
また、上記実施例１では、下部電極１１にＴａを用いたが、その他の導電材料、例えばＨｆ、ＴｉＮ等を用いてもよい。下部電極１１は、バッファ層１２のエッチング条件において、エッチングストッパとして作用する。
【００４８】
［実施例２］
図６に、実施例２によるスピントルク注入型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）の等価回路図を示す。複数のワード線５３が、図６の縦方向に延在し、複数のビット線６５が図６の横方向に延在する。ワード線５３とビット線６５との交差箇所に対応して、メモリセルが配置される。メモリセルは、ＭＯＳトランジスタ５２とＭＴＪ素子６０とを含む。ＭＯＳトランジスタ５２のゲート電極が、対応するワード線５３に接続される。ＭＯＳトランジスタ５２の一方の電流端子が接地され、他方の電流端子が、ＭＴＪ素子６０を介して、対応するビット線６５に接続される。
【００４９】
図７Ａ〜図７Ｃを参照して、実施例２によるスピントルク注入型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）の製造方法について説明する。図７Ａ〜図７Ｃにおいては、１つのメモリセルに対応する部分の断面図を示している。
【００５０】
図７Ａに示すように、シリコン等の半導体基板５０の表層部に素子分離絶縁膜５１を形成し、活性領域を画定する。この活性領域に、ＭＯＳトランジスタ５２を形成する。ＭＯＳトランジスタ５２のゲート電極がワード線５３（図６）を兼ねる。半導体基板５０及びＭＯＳトランジスタ５２の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜５５を、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）により堆積させる。堆積後、化学機械研磨（ＣＭＰ）により、層間絶縁膜５５の表面を平坦化する。
【００５１】
層間絶縁膜５５にビアホールを形成し、このビアホール内をタングステン等の導電プラグ５６で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばＴｉＮが用いられる。導電プラグ５６は、ＭＯＳトランジスタ５２の一方の不純物拡散領域に接続される。
【００５２】
層間絶縁膜５５の上に、導電プラグ５６に接続されたグランド配線５７を形成する。層間絶縁膜５５及びグランド配線５７の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜５８を、例えばＣＶＤにより堆積させる。堆積後、ＣＭＰにより、層間絶縁膜５８の表面を平坦化する。
【００５３】
図７Ｂに示すように、層間絶縁膜５５、５８にビアホールを形成し、このビアホール内を、タングステン等の導電プラグ５９で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばＴｉＮが用いられる。導電プラグ５９は、ＭＯＳトランジスタ５２の他方の不純物拡散領域に接続される。
【００５４】
層間絶縁膜５８の上に、ＭＴＪ素子６０を形成する。ＭＴＪ素子６０は、図１に示した実施例１の下部電極１１から接続層３２までの積層構造と同一の積層構造を有する。ＭＴＪ素子６０は、実施例１と同じ方法で作製される。下部電極１１は、導電プラグ５９に接続される。
【００５５】
図７Ｃに示すように、ＭＴＪ素子６０及び層間絶縁膜５９の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜６３を、例えばＣＶＤにより堆積させる。その後、ＣＭＰにより、層間絶縁膜６３の表面を平坦化する。ＭＴＪ素子６０と重なる位置にビアホールを形成し、このビアホール内を、導電プラグ６４で埋め込む。導電プラグ６４には、例えばアルミニウム（Ａｌ）が用いられる。
【００５６】
層間絶縁膜６３の上に、ビット線６５を形成する。ビット線６５は、例えば、厚さ１０ｎｍのＴｉ層、厚さ３０ｎｍのＮｉＦｅ層、及び厚さ６００ｎｍのＡｌ層がこの順番に堆積した３層構造を有する。ビット線６５は、導電プラグ６４に接続される。
【００５７】
ビット線６５及び層間絶縁膜６３の上に、必要に応じて上層の配線層及び電極パッドを形成する。
【００５８】
ＭＴＪ素子６０を構成するバッファ層１２から接続層３２（図１）までの平面形状を、８０ｎｍ×１７０ｎｍの長方形としたＳＴＴ−ＭＲＡＭを製造し、書込み電流の閾値、及びリテンションを測定した。第１磁化自由層１７及び第２磁化自由層１８の厚さは、それぞれ１ｎｍ及び０．６ｎｍとした。比較のために、磁化自由層１６を、ＣｏＦｅＢからなる厚さ１．３ｎｍの単層で構成した比較例による試料を作製した。
【００５９】
書込み電流の閾値は、パルス幅１００ｎｓの電流パルスを用いて測定した。リテンションは、１００ｍｓの電流パルスで３００回繰り返し測定し、書き込み電流のばらつきからフィッティングする方法で見積もった。
【００６０】
実施例１の構造を持つ試料の書込み電流の閾値は０．５ｍＡであった。これに対し、比較例の試料の書込み電流の閾値は０．９ｍＡであった。実施例１の構造を採用することにより、書込み電流の閾値を低減させることができる。また、実施例１の構造を持つ試料のリテンションは４４であった。これに対し、比較例による試料のリテンションは３６であった。実施例１の構造を採用することにより、リテンションが改善されていることがわかる。
【００６１】
［実施例３］
図８に、実施例３によるＭＲＡＭの断面図を示す。以下の説明では、図７Ｃに示した実施例２のＭＲＡＭとの相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。実施例２のＭＲＡＭは、ＳＴＴ−ＭＴＪ素子を用いている。これに対し、実施例３のＭＲＡＭは、配線書込み型のＭＴＪ素子を用いている。
【００６２】
ＭＴＪ素子６０の下方に、書込みワード線６７が配置されている。書込みワード線６７は、ビット線６５と交差する方向に延在する。書込みワード線６７を流れる電流と、ビット線６５を流れる電流とによって発生する合成磁場により、磁化自由層１６の磁化方向が制御される。
【００６３】
ＭＴＪ素子６０には、実施例１によるＭＴＪ素子と同一の積層構造を有するものが用いられる。このため、高いＭＲ比を得ることができる。
【００６４】
［実施例４］
図９Ａに、実施例４による磁気ヘッドの浮上面（媒体に対向する面）の正面図を示す。浮上面をｘｙ面とし、トレーリング方向をｘ軸、トラック幅方向をｙ軸、浮上面に垂直な方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。図９Ｂに、磁気ヘッドのｚｘ面に平行な断面図を示す。
【００６５】
アルミニウムチタンカーバイド等からなる基板１００の上に、読取素子部１０５及び記録素子部１１５がこの順番に積層されている。読取素子部１０５は、下部磁気シールド層１０１、読取素子１０２、上部磁気シールド層１０３を含む。記録素子部１１５は、主磁極１１０、主磁極補助層１１１、補助磁極１１２、接続部１１４を含む。主磁極１１０、主磁極補助層１１１、補助磁極１１２、及び接続部１１４が、磁気記録時に発生する磁場の磁路の一部を構成する。この磁路と鎖交するように、記録用コイル１１３が配置されている。
【００６６】
読取素子１０２には、実施例１によるＭＴＪ素子が用いられる。これにより、高いＭＲ比を得ることができる。
【００６７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００６８】
１０  基板
１１  下部電極
１２  バッファ層
１５  ＭＴＪ積層構造
１６  磁化自由層
１７  第１磁化自由層
１８  第２磁化自由層
２０  トンネルバリア層
２１  磁化固定層
２２  第１磁化固定層
２３  第２磁化固定層
２４  スペーサ層
２５  第３磁化固定層
２７  反強磁性層
３１  上部電極
３２  接続層
４０  酸化物層
４１  積層構造体
４３  レジストパターン
５０  半導体基板
５１  素子分離絶縁膜
５２  ＭＯＳトランジスタ
５３  ワード線
５５  層間絶縁膜
５６  導電プラグ
５７  グランド配線
５８  層間絶縁膜
５９  導電プラグ
６０  ＭＴＪ素子
６３  層間絶縁膜
６４  導電プラグ
６５  ビット線
６７  書込みワード線
１００  基板
１０１  下部シールド膜
１０２  読取素子
１０３  上部シールド膜
１０５  読取素子部
１１０  主磁極
１１１  主磁極補助層
１１２  補助磁極
１１３  記録用コイル
１１４  接続部
１１５  記録素子部
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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