(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気トンネル接合セルであって、
強磁性自由層、強磁性被ピン止め層、および間にバリア層と、
少なくとも前記自由層を円筒状に囲む保護層と、
少なくとも前記バリア層を円筒状に取囲む電気的に絶縁体である分離層と、
前記自由層、前記被ピン止め層、前記バリア層、前記保護層、および前記分離層すべてを円筒状に取囲む絶縁材とを備え、
前記分離層と前記絶縁材との間に環状層をさらに備える、磁気トンネル接合セル。
【請求項２】
前記分離層は前記バリア層と前記自由層とを円筒状に取囲む、請求項１に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項３】
前記分離層は、前記バリア層、前記自由層、および少なくとも前記保護層の一部を円筒状に取囲む、請求項２に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項４】
前記環状層は反強磁性的に配列した材料、その酸化物、またはその窒化物を含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項５】
前記被ピン止め層に隣接するピン止め層をさらに備え、前記ピン止め層は反強磁性的に配列した材料を含み、前記環状層は反強磁性的に配列した材料、その酸化物、またはその窒化物を含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項６】
前記自由層に隣接して、前記バリア層に対向する金属層をさらに備える、請求項１に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項７】
前記保護層は、前記自由層からの材料の半径方向の移動を妨げる、請求項１に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項８】
前記保護層は、前記自由層に対して入出力されるいずれかのＭｎ、Ｏ、Ｂ、Ｍｇ、Ｎ2およびＨ2Ｏ材の半径方向の移動または拡散を妨げる、請求項７に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項９】
前記保護層はＳｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙ、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、ＴｉＷ、ＴａＮ、またはＴｉＮを含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項１０】
前記分離層はＳｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2、ＳｉＯxＮy、ＳｉＯＣＮ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、またはＭｇＯを含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合セル。
【請求項１１】
磁気トンネル接合セルを製造する方法であって、
強磁性被ピン止め層、バリア層、強磁性自由層、金属層、およびマスク層を順に含む開始スタックを設けるステップと、
マスク層の一部を除去して、パターニングされたマスク材を残すステップと、
前記金属層の一部および前記自由層の一部を除去し、パターニングされた金属層およびパターニングされた自由層を残すステップと、
少なくとも前記自由層の周りに円筒状の保護層を形成するステップと、
前記バリア層の一部を除去してパターニングされたバリア層を残すステップと、
少なくとも前記パターニングされたバリア層の周りに円筒状の分離層を形成するステップと、
前記分離層の周りに環状層を形成するステップと、
前記環状層、前記強磁性被ピン止め層、前記分離層、前記保護層、前記パターニングされたバリア層、前記パターニングされた自由層を絶縁材で包むステップと、
を備える、方法。
【請求項１２】
少なくとも前記パターニングされたバリア層の周りに円筒状の分離層を形成する前記ステップは、少なくとも前記パターニングされたバリア層と少なくとも前記円筒状の保護層の一部の周りに円筒状の分離層を形成することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも前記自由層の周りに円筒状の保護層を形成する前記ステップは、少なくとも前記自由層の周りに保護層を堆積することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも前記自由層の周りに円筒状の保護層を形成する前記ステップは、前記自由層および前記金属層の周りに円筒状の保護層を形成することを含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
スピン移行またはスピントルクとも呼ばれるスピントルク移行技術は、半導体技術および磁気学を組合せており、最近開発されたものである。
【背景技術】
【０００２】
スピントルク移行では、電荷ではなく電子のスピンが用いられて、デジタル情報の有無を示す。０または１として表わされるデジタル情報またはデータは、磁気素子内の磁気モーメントの配列として記憶可能である。磁気素子の抵抗は、モーメントの配列または配向に依存する。記憶状態は、コンポーネントの抵抗状態を検出することにより、素子から読取られる。
【０００３】
磁気素子は一般に強磁性被ピン止め層および強磁性自由層を含み、各々は磁化配向を有し、非磁性バリア層がその間にある。いずれの層も多層であってもよい。自由層および被ピン止め層の磁化配向は、全体の磁気素子の抵抗を定める。このような素子は一般に「スピントンネル接合」、「磁気トンネル接合」、「磁気トンネル接合セル」などと呼ばれる。自由層と被ピン止め層の磁化配向が平行である場合、素子の抵抗は低い。自由層と被ピン止め層の磁化配向が反平行である場合、素子の抵抗は高い。
【０００４】
少なくともその小さなサイズにより、磁気ハードディスクドライブ読取ヘッド、磁気センサ、不揮発性ランダムアクセスメモリといった多くの用途において、磁気トンネル接合セル素子を用いることが望ましい。磁気トンネル接合セルおよびその製造における改良および開発は常に求められている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
本明細書は、磁気トンネル接合セルおよび磁気トンネル接合セルの製造方法に関する。ここに開示される磁気トンネル接合セルは、セルの少なくとも強磁性自由層に隣接して延在する円筒状の保護層を含む。円筒状の保護層はその厚さ、形成方法、材料の組成、および／またはセル層に沿って延在する程度を特定的に選択して、実効飽和保磁力、実効磁気異方性、実効的な磁気モーメントの分布、または実効スピン偏極を含む、自由層の実効磁気特性を向上させる。
【０００６】
ある特定の実施例は磁気トンネル接合セルに向けられており、セルは強磁性自由層、強磁性被ピン止め層、および間にバリア層を有する。保護層は少なくとも自由層を円筒状に取囲み、電気的に絶縁体である分離層は少なくともバリア層を円筒状に取囲む。絶縁材は、自由層、被ピン止め層、バリア層、保護層および分離層すべてを円筒状に取囲む。
【０００７】
別の特定の実施例は磁気トンネル接合セルに向けられており、セルは強磁性自由層、強磁性被ピン止め層、および間にバリア層を含む。保護層は少なくとも自由層を円筒状に取囲み、保護層は自由層に入出力される材料の半径方向の移動または拡散を妨げる。絶縁材は、自由層、ピン止め層、バリア層および保護層すべてを円筒状に取囲む。
【０００８】
さらに別の特定の実施例は磁気トンネルセルを製造する方法に向けられており、本方法は開始スタックを設けることを含み、開始スタックは強磁性被ピン止め層、バリア層、強磁性自由層、金属層およびマスク層を順に含む。本方法は、マスク層の一部を除去して、パターニングされたマスク材を残すステップと、金属層の一部および自由層の一部を除去して、パターニングされた金属層およびパターニングされた自由層を残すステップとを含む。その後、本方法は少なくとも自由層の周りに円筒状の保護層を形成するステップと、バリア層の一部を除去してパターニングされたバリア層を残すステップとを含む。本方法はさらに、少なくともパターニングされたバリア層の周りに円筒状の分離層を形成するステップを含む。
【０００９】
上記のおよびさまざまな他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を読めば明らかとなるであろう。
【００１０】
本発明は、添付の図面と併せて、さまざまな実施例の詳細な説明を検討することによってより完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】低い抵抗状態にある例示的磁気トンネル接合セルの概略断面図である。
【図１Ｂ】高い抵抗状態にある磁気トンネル接合セルの概略断面図である。
【図２】磁気トンネル接合セルの製造における第１のステップでの素子の概略断面図である。
【図３】磁気トンネル接合セルの製造における第２のステップでの素子の概略断面図である。
【図４Ａ】磁気トンネル接合セルの製造における第３のステップでの素子の概略断面図である。
【図４Ｂ】磁気トンネル接合セルの製造における第３のステップでの代替の素子の概略断面図である。
【図５】磁気トンネル接合セルの製造における第４のステップでの素子の概略断面図である。
【図６】磁気トンネル接合セルの製造における第５のステップでの素子の概略断面図である。
【図７】磁気トンネル接合セルの製造における第６のステップでの素子の概略断面図である。
【図８】磁気トンネル接合セルの製造における第７のステップでの素子の概略断面図である。
【図９】磁気トンネル接合セルの製造における第８のステップでの素子の概略断面図である。
【図１０】磁気トンネル接合セルの製造における第９のステップでの素子の概略断面図である。
【図１１】磁気トンネル接合セルの製造における第１０のステップでの素子の概略断面図である。
【図１２】磁気トンネル接合セルの製造における第１１のステップでの素子の概略断面図である。
【図１３】磁気トンネル接合セルの製造における第１２のステップでの素子の概略断面図である。
【図１４】磁気トンネル接合セルの製造における第１３のステップでの素子の概略断面図である。
【図１５】前のステップにおけるもたらされる磁気トンネル接合セルの概略側面図である。
【図１６】図１５の線１６−１６に沿った磁気トンネル接合セルの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面は必ずしも尺度通りに描かれていない。図面における同様の番号は同じコンポーネントを指す。しかし、所与の図面のコンポーネントを指すのに用いられる番号は、同じ番号が付けられている別の図面でのコンポーネントを限定する意図はないことは理解されるであろう。
【００１３】
詳細な説明
本明細書はトンネルバリア層を有するメモリセルまたは磁気センサ、およびこれらのセルまたはセンサの製造方法に向けられている。本明細書の装置（たとえば、磁気トンネル接合セル）は、セルの少なくとも強磁性自由層に隣接して延在する円筒状の保護層を含む。装置はさらにセルのバリア層に隣接して延在する円筒状の分離層を含むことができる。保護層および円筒状の分離層の一方または両方は、自由層の組成の変更を妨げるかもしれない（たとえば、自由層に入出力される化学種の拡散または移動）。
【００１４】
以下の説明において、添付の図面が参照され、図面はここの一部をなし、いくつかの具体的実施例を例示的に示す。他の実施例も考えられ、本開示の範囲または精神から逸脱することなく行なうことができる。したがって、以下の詳細な説明は限定の意図はない。ここに示される定義は、よく用いられる特定の用語の理解を助けるためにあり、本開示の範囲を限定する意図はない。
【００１５】
特に示さない限り、明細書およびクレームで用いられる特徴のサイズ、量および物理的特性を表わす数字はすべて「約」の用語に修飾されると理解されるべきである。したがって、そうではないと示されない限り、前述の明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値的パラメータは、ここに開示される教示を用いて当業者によって得られることが求められる特性に依存して変わり得る近似値である。
【００１６】
本明細書および添付の特許請求の範囲で用いられているように、ａ、an、およびtheといった単数形は、内容がそうではないと明確に示されない限り、複数のものを有する実施例も含有する。本明細書および添付の特許請求の範囲で用いられているように、「または」の用語は、内容がそうではないと明確に示されない限り、「および／または」を含む意味で用いられている。
【００１７】
本開示は、磁気トンネル接合セルおよび磁気トンネル接合セルを製造する方法に関する。本明細書の磁気トンネル接合セルは、セルの少なくとも強磁性自由層に隣接して延在する円筒状の保護層を含む。本開示はこれに限定されないが、以下の実施例の説明により、さまざまな局面がわかることとなる。
【００１８】
図１Ａおよび図１Ｂは一般的な磁気トンネル接合セルの概略断面図である。図１Ａにおいて、セル１０は低抵抗状態にあり、磁化配向は平行である。図１Ｂにおいて、セル１０は高抵抗状態にあり、磁化配向は反平行である。
【００１９】
磁気トンネル接合セル１０は強磁性自由層１２、および強磁性基準（すなわち、ピン止めされる）層１４を含む。反強磁性ピン止め層１６は被ピン止め層１４に隣接する。強磁性自由層１２および強磁性被ピン止め層１４は、酸化物バリア層１３または非磁性トンネルバリアによって分けられる。強磁性層１２および１４は、たとえばＦｅ、ＣｏまたはＮｉおよびその合金、たとえばＮｉＦｅおよびＣｏＦｅのような有用な強磁性（ＦＭ）材からなり得る。ＣｏＦｅＢといった三元合金は、スピン−電流スイッチで望まれるその低いモーメントおよび高い偏極率により、特に有用である。自由層１２および被ピン止め層１４の一方または両方は、単層、または合成反強磁性（ＳＡＦ）結合構造のような多層、すなわちＲｕまたはＣｕのような金属スペーサによって分離される２枚の強磁性副層であって、バランスが取れたまたはバランスが取れていない磁化を与えるために副層の磁化配向が反対方向にあるものであってもよい。ピン止め層１６は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどのような反強磁性的に配列した材料（ＡＦＭ）であり得る。バリア層１３はたとえば酸化物材（たとえば、Al2O3、TiOx、MgO、ZnO、HfO、GaOおよびその様々な組合せ）のような電気的に絶縁体である材料からなり得る。他の適切な材料も用いることができる。バリア層１３は、プロセスの容易性およびデバイスの信頼性に応じて、任意に自由層１２と、または被ピン止め層１４とパターニングされることができる。
【００２０】
第１の電極１５は、ピン止め層１６を介して強磁性被ピン止め層１４と電気的に接触し、第２の電極１７は強磁性自由層１２と電気的に接触する。シード層などのような他の層もあってもよい。一般には金属（たとえばCu, Ti, TiN, Ta, TaN, W）である導電性材からなる電極１５および１７は、強磁性層１２および１４を制御回路と電気的に接続し、層１２および１４を介して読出および書き込電流を与える。磁気トンネル接合セル１０の抵抗は、磁気ベクトルの相対的配向または強磁性層１２および１４の磁化配向によって定められる。強磁性被ピン止め層１４の磁化方向は、ピン止め層１６によって所定の方向に固定され、強磁性自由層１２の磁化方向は、スピントルク効果の影響下で自由に回転する。図１Ａは低い抵抗状態の磁気トンネル接合セル１０を示し、強磁性自由層１２の磁化配向は強磁性被ピン止め層１４の磁化配向と平行かつ同じ方向にある。これは一般に低抵抗状態またはデータ０状態と呼ばれる。図１Ｂは高い抵抗状態の磁気トンネル接合セル１０を示し、強磁性自由層１２の磁化配向は強磁性被ピン止め層１４の磁化配向と反平行かつ反対方向にある。これは一般に高抵抗状態またはデータ１状態であると呼ばれる。
【００２１】
抵抗状態の切換え、およびそれによりスピン移行を介して磁気トンネル接合セル１０のデータ状態の切換は、磁気トンネル接合セル１０の磁気層を通る電流がスピン偏極されて磁気トンネル接合セル１０の自由層１２にスピントルクを与えた場合に起こる。十分なスピントルクが自由層１２に与えられると、自由層１２の磁化配向は２つの反対方向間で切換えることができ、それにより磁気トンネル接合セル１０は平行状態（すなわち低抵抗状態またはデータ０状態）と反平行状態（すなわち高抵抗状態またはデータ１状態）との間で切換えることができる。
【００２２】
示されるスピン移行トルク磁気トンネル接合セル１０を用いてメモリ装置を構成することができ、被ピン止め層１４に対する自由層１２の相対的な磁化状態を変えることにより、データビットが磁気トンネル接合セルに記憶される。記憶されたデータビットは、セル１０の抵抗を測定することによって読出すことができ、抵抗は被ピン止め層１４に対する自由層１２の磁化方向とともに変わる。スピン移行トルク磁気トンネル接合セル１０が不揮発性ランダムアクセスメモリの特性を有するために、自由層１２はランダムな変動に対して熱的安定性を示し、自由層１２の配向は変化するよう制御された場合のみ変わる。この熱的安定性は異なる方法を用いて、たとえばビットサイズ、形、および結晶異方性を変えるなどして、磁気異方性を介して得られる、さらなる異方性は、交換または磁場によって他の磁気層と磁気結合することによって得ることができる。一般に、異方性により、薄い磁化層において容易軸および困難軸が形成される。困難軸および容易軸は、一般に磁場の形式で、外部エネルギの大きさによって定義され、外部エネルギは磁化の方向をその方向に完全に回転（飽和）させるために必要であり、困難軸はより高い飽和磁場を必要とする。
【００２３】
本開示に従う磁気トンネル接合セルの製造方法は、ステップ毎に、図２から図１２に示される。全体として、ここに開示される磁気トンネル接合セルは、たとえば化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、フォトリソグラフィ、または他の薄膜形成技術などの周知の薄膜技術によって、およびウエットエッチングやドライエッチング、イオンミリング、反応性イオンエッチング（一種のドライエッチング）、または他の薄膜除去技術によって作成される。ここに開示される方法では、特定のステップの系列および手順により、所望の特徴および特性を有する磁気トンネル接合セルを製造する。
【００２４】
図２において、開始スタック１０００が示される。開始スタック１０００は、既知の薄膜技術によって基板上に形成（たとえば堆積）された複数の層を含む。開始スタック１０００は、最終の磁気トンネル接合セルにおいて電極となる金属層１０５、最終の磁気トンネル接合セルにおいてピン止め層となる反強磁性（ＡＦＭ）材１１６、最終の磁気トンネル接合セルにおいて被ピン止め層となる強磁性（ＦＭ）材１１４、および最終の磁気トンネル接合セルにおいて自由層となる強磁性（ＦＭ）材１１２を含む。シード層および／またはキャップ層もあってもよい。ＦＭ材１１２およびＦＭ材１１４の一方または両方は、一般に厚さが約６ｎｍ未満、たとえば約２から３ｎｍであるが、それよりも薄くまたは厚くてもよい。ＡＦＭ材１１６は一般に厚さが約５から２０ｎｍである。ＦＭ材１１２とＦＭ材１１４との間にはバリア材１１３があり、これは最終の磁気トンネル接合セルにおいてトンネルバリア層となる。バリア層１１３は一般に厚さが約１０オングストローム未満であり、適する材料としては酸化物といった非導電性材を含む。
【００２５】
スタック１０００はさらにハードマスク材１１８と、ハードマスク１１８およびＦＭ材１１２の間のエッチストップ１１５とを含む。ハードマスク材の例として、金属材（たとえばTa, W, Ti, TaN, TiN）および非金属材（たとえばＣ）を含む。ハードマスク材１１８はその材料に応じて一般に厚さが約４０から２００ｎｍである。たとえば、金属ハードマスク材（たとえばTa, TaN, Ti, TiN）は厚さが約２００ｎｍであるのに対して、Ｃを含むハードマスク材は厚さが約１００ｎｍ未満、たとえば約４０ｎｍの厚さである。エッチストップ１１５は以下で説明されるように、ハードマスク材１１８の除去の際に間違ってＦＭ材１１２が除去されるのを防ぐための障壁をなす。エッチストップ１１５は導電性であってもよい。エッチストップ１１５の材料として、Ｒｕ、Ｔｉ、ＷおよびＴａ金属ならびにＴｉＮ、ＴａＮのような材料を挙げることができる。ハードマスク材１１８の上に、フォトレジスト層１１９がある。フォトレジスト層１１９の形状およびサイズ（たとえば幅）は、最終の磁気トンネル接合セルの形状およびサイズとほぼ同じである。本実施例において、金属層１０５は他の層ほど大きく（たとえば広く）ない。ＳｉＯ2のような絶縁材１０２は、基板とＡＦＭ材１１６との間の容積を埋めるために位置付けられる。
【００２６】
図３において、フォトレジスト１１９によって被覆されていないハードマスク材１１８は、たとえばエッチングによって除去される。エッチストップ１１５は、ハードマスク材１１８の除去の際に、ＦＭ材１１２が間違って除去されるのを防ぐためのバリアを与える。エッチストップ１１５はＦＭ材１１２上に堆積またはほかの態様で与えられ、その厚さ、形成方法、および材料組成は特定的に選択されて、後のステップにおいてＦＭ材１１２を機械的におよび化学的に保護する。特に、エッチストップ１１５は、ＦＭ材１１２の磁気的もしくは電気的特性を変え得る、または化学的腐食を与え得る、エネルギイオン、ラジカル、または化学種から保護する。意図されるハードマスク材１１８の除去の後、フォトレジスト１１９は従来の処理によって取除くことができる。
【００２７】
図４Ａにおいて、パターニングされたハードマスク材１１８によって被覆されていないＦＭ材１１２およびエッチストップ１１５は、たとえば反応性イオンエッチングまたはイオンミリングによって除去される。バリア層１１３は少なくとも基本的にそのままである。図４Ｂのように一部の実施例において、ＦＭ材１１２の一部はＦＭ材１１２の端縁上に、さらに任意にエッチストップ１１５およびハードマスク材１１８上に、再度堆積して、ＦＭ材１１２の周りに、任意にエッチストップ１１５の周りに、および任意にハードマスク材１１８の周りに、環状層を形成する。
【００２８】
図４Ａおよび図４Ｂには、保護層１２０も示され、ＦＭ材１１２、エッチストップ１１５およびハードマスク材１１８を円筒状に取囲み、（図４Ｂのように）ある場合はＦＭ材１１２の環状層の外側にある。保護層１２０は少なくともＦＭ材１１２の高さがあり、さらにエッチストップ１１５、ハードマスク層１１８、およびＦＭ材１１２上の他のさらなる層に沿ってより高く延在してもよい。保護層１２０は従来技術によって設ける（たとえば堆積する）、またはＦＭ材除去処理からの反応生成物であってもよい。保護層１２０の厚さは、（図４Ｂに示されるように）一定、または（図４Ａに示されるように）変動し得る。保護層１２０の適切な材料の例として、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙ、ＡｌＮ、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、ＴｉＷ、ＴａＮ、ＴｉＮ、低いＫ材、およびそのさまざまな組合せを挙げることができる。保護層１２０の具体的構成（すなわち、厚さ、形成方法、材料組成、およびＦＭ材１１２および上部層に沿った度合いまたは高さなど）は、後続処理でのＦＭ材１１２に対する機械的および化学的保護を与えるために、選択される。特に、保護層１２０は、自由層の磁気的もしくは電気的特性を変え得る、または化学的腐食を与え得る、エネルギイオン、ラジカル、または化学種からＦＭ材１１２を保護する。たとえば、保護層１２０は、ＦＭ材１１２の分子、原子、またはイオンのうちのいずれかまたはすべてについて、ＦＭ材１１２に対して入出力される半径方向の移動および／または材料の拡散を妨げる。さらに、保護層１２０はバリア材１１３に対して入出力される材料の半径方向の移動および／または拡散を防ぎ得る。ＦＭ材１１２またはバリア材１１３から移動または拡散され得る原子、分子およびイオンは、Ｍｎ、Ｏ、Ｂ、Ｍｇ、Ｎ2およびＨ2Ｏのいずれかまたはすべてを含む。
【００２９】
さらに、保護層１２０の特定的構成（すなわち、厚さ、形成方法、材料組成、ならびにＦＭ材１１２および上部層に沿った度合いまたは高さ）を特定的に選択して、自由層の実効飽和保磁力、実効磁気異方性、実効的な磁気モーメントの分布、または実効スピン偏極を含む、もたらされる磁気トンネル接合セルにおける自由層の実効磁気特性を向上させる。磁気異方性は、材料または応力特性の結果として影響され得る。保護層１２０が提供する保護により、当該層はセンサスタックの残りの層についての自己整合除去を可能にし、それにより細かいパターニングが可能となる。さらに、保護層１２０の厚さにより、ＦＭ材１１２に対するＦＭ材１１４のサイズも意図的に制御できる。
【００３０】
図５において、ＦＭ材１１２によって被覆されないバリア材１１３の部分は、たとえば反応性イオンエッチングまたはイオンミリングによって除去される。ＦＭ材１１２および上部層は、パターニングマスクとして働く。一部の実施例において、バリア材１１３はアンダーカット部を有する。バリア層１１３の下のＦＭ材１１４は少なくとも本質的にそのままである。
【００３１】
図６において、分離層１２２がＦＭ材１１４およびバリア材１１３の上に、さらに少なくとも部分的に保護層１２０および後の層の上に設けられる。分離層１２２は少なくともトンネルバリア材１１３にわたって延在し、さらに（図５の例では）ＦＭ材１１２、ハードマスク材１１８およびさらなるスタック層を含むパターニングされた部分に沿って、より高く延在する。分離層１２２は好ましくはバリア層１１３の存在し得るアンダーカット部を充填する。分離層１２２の厚さは約２から３０ｎｍであり、酸化物または窒化物のような電気的に絶縁体である材料から、および／またはＦＭ材１１２、１１４もしくはＡＦＭ材１１６の酸化物または窒化物から、形成される。分離層１２２に適する材料として、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2、ＳｉＯxＮy、ＳｉＯＣＮ、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯや他の低Ｋ誘電体を挙げることができ、そのなかでＴａ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯが好ましい材料である。
【００３２】
分離層１２２の特性（すなわち、厚さ、形成方法、材料組成、および装置端縁に沿った度合いなど）は、バリア材１１３を後の処理から機械的および化学的に保護するために選択される。特に、分離層１２２は、もたらされる磁気トンネル接合セルにおいて、バリアエッジに沿った優先的電気破壊もしくは分流、または化学的腐食を引起し得る、エネルギイオンや化学種に対してバリア層を守る。分離層１２２がバリア材１１３に与える保護により、当該層はスタックの残りの層（たとえば、ＦＭ材１１４、ＡＦＭ材１１６など）に対して自己整合除去を可能にし、これにより複数のスタックの細かいパターニングが可能となる。具体的には、もたらされる磁気トンネル接合セルにおいて、分離層１２２は、底部電極（たとえば、磁気トンネル接合セル１０の電極１５）から上部電極（たとえば、磁気トンネル接合セル１０の電極１７）に電流が流れるのを妨げる、および好ましくは防ぐ。
【００３３】
図７において、分離層１２２の一部は除去される。典型的には、除去される部分はＦＭ材１１６およびハードマスク材１１８上にある。分離層１２２は異方性エッチングにより除去してもよく、分離層１２２の横部分（すなわち、積層される基板に対して一般に垂直な部分）を除去する。図７において、分離層１２２はファセットを有して示され、これは異方性エッチングの一般的な生成物である。
【００３４】
図８において、分離層１２２によって被覆されていないＦＭ材１１４およびＡＦＭ材１１６の部分は、たとえば反応性イオンエッチングまたはイオンミリングによって除去される。一部の実施例において、ＡＦＭ材１１６の一部は、材料除去処理により、ＦＭ材１１４の端縁および分離層１１２上に再度堆積して、円筒状層１２４として示される環状層を形成する。この再度堆積したＡＦＭ材は、もしあれば、厚さ約２０ｎｍ未満であり、一部の実施例では厚さが約３から６ｎｍである。非導電性材とするために、再度堆積した円筒状層１２４を酸化させるのが望ましいかもしれない。代替的に、環状層１２４はＦＭ材およびＡＦＭ材の除去処理による反応生成物であって、これらの材料の酸化物、炭化物、および／または窒化物を含み得る。スタック１００１として示される構造は、磁気トンネル接合セルとして使用するために構成された機能層を含んでいる。
【００３５】
図９において、バリア層１２５はスタック１００１上に設けられる。このスペーサまたはバリア層１２５は、スタック１００１およびそのさまざまな層の周りに非多孔バリアを与える。水平的に位置しているバリア層材は除去することができる（たとえばエッチング）；図１０。もたらされる構造体はスタック１００２として示される。
【００３６】
図１１および図１２は、電気的に絶縁体である材料１０２（図１１）で包まれるスタック１００２を示し、その絶縁材１０２の一部分は除去されてハードマスク材１１８と水平になる（図１２）。
【００３７】
図１３において、ハードマスク材１１８が非導電性材であるのなら、ハードマスク材１１８は取除かれて導電性材１０７（たとえば、Ｃｕ、Ｗ、Ａｌ、ＡｇおよびＡｕといった金属）に置き換えられ、これはもたらされる磁気トンネル接合セルの電極（たとえば、磁気トンネル接合セルセル１０の電極１７）となる。エッチストップ１１５は、導電材１０７を与えるステップの際、ＦＭ材１１２に対して機械的および化学的保護を提供する。しかし、ハードマスク材１１８が導電性（たとえば金属）であるのなら、ハードマスク材１１８をそのままにして、導電材１０７をハードマスク材１１８上に形成する。図１４において、余剰の導電材１０７を除去して、電極の所望の形状を得る。もたらされる磁気トンネル接合セルはセル１１００として図１５および図１６に示される。
【００３８】
磁気トンネル接合セル１１００は強磁性（ＦＭ）自由層１１１２および強磁性（ＦＭ）基準（すなわち、ピン止めされた）層１１１４を含む。反強磁性（ＡＦＭ）ピン止め層１１１６は、ＦＭ被ピン止め層１１１４に隣接する。ＦＭ自由層１１１２およびＦＭ被ピン止め層１１１４はバリア層１１１３によって分離される。ＦＭ層１１１２および１１１４は、たとえばＦｅ、ＣｏまたはＮｉおよびその合金、たとえばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅおよび
ＣｏＦｅＢのような有用な強磁性（ＦＭ）材からなり得る。第１の電極１１０５は、ＡＦＭ層１１１６を介してＦＭ被ピン止め層１１１４と電気的に接触する。第２の電極１１０７は層１１１５を介してＦＭ自由層１１１２と電気的に接触する。電極１１０５および１１０７は強磁性層１１１２および１１１４を制御回路に電気的に接続し、層１１１２および１１１４を介して読取および書出電流を与える。
【００３９】
少なくともバリア層１１１３を円筒状に取囲むのは分離層１１２２である。分離層１１２２は、バリアエッジに沿った優先的電気破壊もしくは分流、または化学的腐食を引起し得る、エネルギイオンや化学種に対してバリア層１１１３を守る。少なくともＦＭ自由層１１１２を円筒状に取囲み、分離層１１２２とＦＭ自由層１１１２との間に位置付けられるのは、保護層１１２０である。保護層１１２０はＦＭ自由層１１１２の実効磁気特性を向上させ、これは自由層の実効飽和保磁力、実効磁気異方性、実効的な磁気モーメントの分布、または実効スピン偏極を含む。一部の実施例において、保護層１１２０は、たとえばＦＭ自由層１１１２と分離層１１２２との間の原子、イオン、または分子の移動および／または拡散を防ぐ。保護層１１２０および分離層１１２２を円筒状に取囲むのは環状層１１２４であり、ＦＭ被ピン止め層１１１４、ＡＦＭピン止め層１１１６からの材料、その酸化物および／または窒化物からなる。分離層に対して環状層１１２４を外側に持ってくることにより、分離層１１２２は第１電極１１０５から環状層１１２４を介して第２の電極１１０７に電流が導通するのを妨げ、それによりＦＭ自由層１１１２のバイパスを妨げるおよび好ましくは防ぐ。これらのさまざまな環状層は図１６に示され、ＦＭ自由層１１１２は保護層１１２０、分離層１１２２および環状層１１２４によって取囲まれている。環状層１１２４を円筒状に取囲んでいるのは、非多孔質バリアまたはスペーサ層１１２５である。図１６の多様な取囲み層は、ＦＭ自由層１１１２の周りに異なる厚さを有して示されるが、各層の厚さは一部の実施例において、ＦＭ自由層１１１２および他の中間層の周りでは一定である。
【００４０】
こうして、円筒状バリアを有するメモリセルの実施例が示される。上記のおよび他の実施は、添付の特許請求の範囲内にある。当業者なら、本明細書の内容は開示されているもの以外で実施できることは理解するであろう。開示されている実施例は図示のためであって限定するものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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