(57)【要約】【課題】ＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】磁気抵抗素子において、磁気抵抗構造体２１上にキャッピング層２６としてＴｉＮを使用した磁気抵抗素子及びその製造法である。これにより、さらに簡単な製造工程で形成でき、安定性及び信頼性が向上した磁気抵抗素子を提供可能である。【選択図】図２
2006173636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子において、
下部構造体上に形成された磁気抵抗構造体と、
前記磁気抵抗構造体上に形成されたＴｉＮキャッピング層と、
を備えることを特徴とするＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記磁気抵抗構造体は、
反強磁性層と、
前記反強磁性層により磁化方向が固定された第１強磁性層と、
前記第１強磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層上に形成された第２強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記磁気抵抗構造体は、
磁場の印加により磁化方向が変更可能な第１強磁性層と、
前記第１強磁性層上に形成された非磁性のトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層上に形成されて磁化方向が固定された第２強磁性層と、
前記第２強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記磁気抵抗構造体は、
反強磁性層と、
前記反強磁性層により磁化方向が固定された第１強磁性層と、
前記第１強磁性層上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成された第２強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記磁気抵抗構造体は、
磁場の印加により磁化方向が変更可能な第１強磁性層と、
前記第１強磁性層上に形成された非磁性のスペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成されて磁化方向が固定された第２強磁性層と、
前記第２強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項６】
磁気抵抗素子の製造方法において、
（ａ）下部構造体上に磁気抵抗構造体を形成する工程と、
（ｂ）前記磁気抵抗構造体上にキャッピング層としてＴｉＮを蒸着させる工程と、
（ｃ）前記キャッピング層上にフォトレジストを塗布してパターニングし、一部上の前記キャッピング層を露出する工程と、
（ｄ）露出された部位の前記キャッピング層をエッチングし、その下部の磁気抵抗構造体をエッチングして多数の独立した磁気抵抗構造体を形成する工程と、
を含むことを特徴とするＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項７】
露出された前記キャッピング層の部位をエッチングする場合、Ｃｌ２／Ｃ２Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２の混合ガスを使用することを特徴とする請求項６に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項８】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に反強磁性層、第１強磁性層、トンネル障壁層及び第２強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項６に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項９】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に第１強磁性層、トンネル障壁層、第２強磁性層及び反強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項６に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項１０】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に反強磁性層、第１強磁性層、スペーサ層及び第２強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項６に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項１１】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に第１強磁性層、スペーサ層及び第２強磁性層及び反強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項６に記載のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子に係り、さらに詳細には、ＴｉＮを磁気抵抗構造体のキャッピング層として使用して製造工程を簡単にし、素子自体の安定性及び信頼性を向上させた磁気抵抗素子及びその製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高真空の超薄膜蒸着技術及び表面処理技術の急速な発達により、スピン間の交換相互作用距離である数ｎｍ厚さで磁性薄膜を精密に成長させ、素子を製作することが可能になった。バルク状の磁性物質では観察できなかったさまざまな現象が薄膜構造で発見され、それらを家電製品及び産業部品などに応用する段階に至っている。かかる磁性薄膜を利用する分野の例を挙げれば、超高密度の情報記録装置に情報を記録する磁気記録用ヘッド、磁気メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  ＡｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などが代表的である。
【０００３】
磁気抵抗素子は、磁気エネルギーにより抵抗が変わる原理を利用した素子である。磁気抵抗ヘッドは、情報が保存されているハードディスクドライバ（ＨＤＤ：Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅｒ）のような情報記録媒体の情報を感知する装置であり、最近巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドまたはトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドなどが広く使われている。また、メモリ分野でも、ＭＲＡＭに広く使われている。
【０００４】
ＧＭＲは、電子が磁性層を通過するとき、二層の磁性層の磁化配列によって抵抗値が変化することを応用し、これはスピン依存散乱でもって説明可能である。また、ＴＭＲ現象は、二層の磁性層間に絶縁体（トンネルバリア）が存在する構造で、強磁性体の相対的な磁化方向によってトンネリング電流が変わる現象を意味する。
【０００５】
かかる磁気抵抗素子は、基本的に磁気抵抗構造体を含んでおり、これを簡略に説明すれば、次の通りである。ＴＭＲ素子の代表的な構造を簡単に説明すれば、次の通りである。基板上に下地層が形成され、前記下地層上に磁気抵抗構造体とキャッピング層とが順次に形成されている。磁気抵抗構造体は、反強磁性層、第１強磁性層、トンネル障壁層及び第２強磁性層が順次に積層された構造を有し、また、反対に第１強磁性層、トンネル障壁層、第２強磁性層及び反強磁性層が順次に形成された構造を有する。かかる磁気抵抗素子は、強磁性体の相対的な磁化方向により、トンネリング電流が変わる現象である磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）原理を利用したものである。反強磁性層は、普通ＩｒＭｎから形成され、第１強磁性層及び第２強磁性層は、ＮｉＦｅまたはＣｏＦｅから形成される。そして、トンネル障壁層は、Ａｌ酸化層から形成される。
【０００６】
図１Ａないし図１Ｈを参照し、従来技術による磁気抵抗素子の製造工程について詳細に説明する。
【０００７】
図１Ａを参照すれば、基板のような下部構造体１０上に磁気抵抗構造体１１、キャッピング層１２及びハードマスク１３を順次に形成する。ここで、磁気抵抗構造体１１は、前述のように、反強磁性層、第１強磁性層、トンネル障壁層及び第２強磁性層が順次に積層された構造を有する。普通、反強磁性層の上面の第１強磁性層を固定層とし、トンネル障壁層上の第２強磁性層を自由層とする。前記磁気抵抗構造体１１上にキャッピング層１２を形成するが、一般的にＴａを使用して形成する。そして、磁気抵抗素子の所望の幅に形成するために、ＳｉＯ２のような物質でハードマスク１３とフォトレジスト１４とを形成し、エッチングしてパターニングを実施する。
【０００８】
図１Ｂを参照すれば、フォトレジスト１４に対応するハードマスク１３の領域が残留する。そして、図１Ｃを参照すれば、ハードマスク１３上でドライエッチング工程を実施し、ハードマスク１３が残留していないキャッピング層１２及び磁気抵抗構造体１１の一部上がエッチングされる。普通、磁気抵抗構造体のトンネル障壁層までエッチングするが、それは選択的である。
【０００９】
図１Ｄを参照すれば、絶縁層１５を塗布する。そして、図１Ｅに表したように、さらにフォトレジスト１６を塗布し、磁気抵抗構造体１１に該当する部位をパターニングして開口する。図１Ｆを参照すれば、磁気抵抗構造体１１の第２強磁性層を露出させるために、フォトレジスト１６、ハードマスク１３及びキャッピング層１２を乾式エッチングで除去してホール１７を形成する。
【００１０】
図１Ｇを参照すれば、残留したフォトレジスト１６を除去し、図１Ｈに表したように、伝導性物質を塗布してコンタクト層１８を形成する。
【００１１】
前述の図１Ａないし図１Ｈに表した従来技術による磁気抵抗素子の製造工程は、それ自体で複雑であり、キャッピング層１２としてＴａを使用するが、その上部の電極酸化による素子の信頼性と安定性とに問題がある。また、その下部の第２強磁性層（自由層）との相互拡散現象により磁気抵抗素子自体の特性が悪くなるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するためのものであり、磁気抵抗素子自体の製造工程を簡単にし、素子の信頼性と安定性とを維持できる磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために本発明では、磁気抵抗素子において、下部構造体上に形成された磁気抵抗構造体と、前記磁気抵抗構造体上に形成されたＴｉＮキャッピング層とを備えることを特徴とするＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子を提供する。
【００１４】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、反強磁性層と、前記反強磁性層により磁化方向が固定された第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層上に形成された第２強磁性層とを備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、磁場の印加により磁化方向が変更可能な第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成された非磁性のトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層上に形成されて磁化方向が固定された第２強磁性層と、前記第２強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、反強磁性層と、前記反強磁性層により磁化方向が固定された第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層上に形成された第２強磁性層とを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、磁場の印加により磁化方向が変更可能な第１強磁性層と、前記第１強磁性層上に形成された非磁性のスペーサ層と、前記スペーサ層上に形成されて磁化方向が固定された第２強磁性層と、前記第２強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明では磁気抵抗素子の製造法において、（ａ）下部構造体上に磁気抵抗構造体を形成する工程と、（ｂ）前記磁気抵抗構造体上にキャッピング層としてＴｉＮを蒸着させる工程と、（ｃ）前記キャッピング層上にフォトレジストを塗布してパターニングし、一部上の前記キャッピング層を露出する工程と、（ｄ）露出された部位の前記キャッピング層をエッチングし、その下部の磁気抵抗構造体をエッチングして多数の独立した磁気抵抗構造体を形成する工程とを含むＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法を提供する。
【００１９】
本発明において、前記露出された前記キャッピング層の部位をエッチングする場合、Ｃｌ２／Ｃ２Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２の混合ガスを使用することを特徴とするＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、磁気抵抗素子のキャッピング層をＴｉＮから形成することにより、磁気抵抗素子の製造時にＴｉＮキャッピング層をエッチングマスクとして使用することにより、別途のエッチングマスクを形成する必要がないので、その製造工程を単純化させることができる。また、従来、Ｔａをキャッピング層として形成する場合での、キャッピング層とその下部の強磁性層との相互拡散を防止できるので、信頼性ある磁気抵抗素子を具現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明による望ましい実施形態を添付された図面を参照しつつ、本発明による磁気抵抗素子及びその製造法について詳細に説明する。
【００２２】
図２は、本発明の一実施形態による磁気抵抗素子を概略的に表した図面である。図２を参照すれば、本発明の実施形態による磁気抵抗素子は、下部構造体２０上に磁気抵抗構造体２１及びＴｉＮキャッピング層２６が順次に形成された構造を有する。
【００２３】
ここで、磁気抵抗構造体２１は、反強磁性層２２、第１強磁性層２３、トンネル障壁層２４、第２強磁性層２５が順次に形成された構造を有する。もちろん、反強磁性層の位置を反対にし、キャッピング層２６のすぐに下に形成することも可能である。その場合、第１強磁性層、トンネル障壁層、第２強磁性層及び反強磁性層が順次に形成された構造を有することとなる。
【００２４】
かような磁気抵抗構造体２１の各構成物質は、従来に使われる物質をそのまま利用できる。例えば、反強磁性層２２は、ＩｒＭｎのようなＭｎ合金から形成可能であり、第１強磁性層２３及び第２強磁性層２５は、ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅのような物質から形成可能である。そして、トンネル障壁層２４は、Ａｌ酸化層から形成可能である。その他、下部構造体２０と磁気抵抗構造体２１との間に下地層をさらに形成可能である。磁気抵抗構造体２１は、前記磁気抵抗素子が具体的に磁気抵抗ヘッドである場合にはセンサ部になり、ＭＲＡＭなどのメモリ素子である場合にはメモリ部になる。
【００２５】
図２に関する説明では、主にＴＭＲ素子について記述したが、ＴｉＮキャッピング層は、ＧＭＲ素子にも適用可能である。その場合、磁気抵抗構造体は、反強磁性層、第１強磁性層、非磁性のスペーサ層、第２強磁性層を備える構造になり、キャッピング層は、前記第２強磁性層の上部に形成可能である。ここで、反強磁性層は、前記キャッピング層の下部に形成可能であり、その場合の積層順序は、第１強磁性層、スペーサ層、第２強磁性層及び反強磁性層になる。
【００２６】
本発明の実施形態による磁気抵抗素子は、キャッピング層としてＴｉＮを使用したことを特徴とする。これにより、キャッピング層２６と第２強磁性層２５との間の相互拡散を防止でき、製造工程自体も非常に簡単になる。
【００２７】
図３Ａないし図３Ｄは、本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【００２８】
図３Ａを参照すれば、まず下部構造体２０上に磁気抵抗構造体２１を形成する。これを説明すれば、スパッタリングによって反強磁性層、第１強磁性層をまず順次に形成し、トンネル障壁層形成のためにＡｌなどを第１強磁性層上に塗布する。そして、酸化工程によりＡｌを酸化させてトンネル障壁層を形成する。トンネル障壁層上に第２強磁性層を塗布すれば、磁気抵抗構造体が完成する。下部構造体２０は、普通、ＭＲＡＭの場合に数多くのトランジスタ（図示せず）がアレイ構造に形成されているので、各トランジスタに対してそれぞれの磁気抵抗構造体を形成せねばならない。従って、ＴｉＮキャッピング層２６上にフォトレジスト２７を塗布し、これをフォトリソグラフィ工程でパターニングし、所定部位のＴｉＮキャッピング層２６を露出させる。
【００２９】
次に、図３Ｂを参照すれば、露出されたＴｉＮキャッピング層２６をエッチングし、フォトレジスト２７の対応する領域のＴｉＮキャッピング層２６領域を除いて除去する。フォトレジスト２７を除去すれば、ＴｉＮキャッピング層２６は、フォトレジスト２７と対応する部位だけ残存するようになる。ＴｉＮキャッピング層２６をエッチングする場合、Ｃｌ２／Ｃ２Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２の混合ガスなどを使用できる。図４では、Ｃｌ２／Ｃ２Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２の混合ガスを使用してＴｉＮキャッピング層２６を選択的エッチングし、フォトレジスト２７を除去したところを表した写真を示す図である。図４に表したように、ＴｉＮキャッピング層２６が非常にきれいにパターニングされていることが分かる。
【００３０】
次に図３Ｃ及び図３Ｄを参照すれば、残留したＴｉＮキャッピング層２６をエッチングマスクとして使用し、磁気抵抗構造体２１を順次にエッチングする。それにより、下部構造の各単位セルに該当する磁気抵抗構造体を分離する。
【００３１】
その後の工程では、下部構造体２０及び各磁気抵抗構造体上に絶縁物質を塗布して絶縁層を形成し、残存したＴｉＮキャッピング層２６の部位を開口して伝導性物質を塗布することにより、電極層を形成する。
【００３２】
結果的に、従来技術のように、エッチングマスクの役割を果たすＳｉＯ２のようなハードマスクを別途に形成せずとも、キャッピング層をＴｉＮで形成することにより、その工程自体を非常に簡素化させることができる。また、ＴｉＮは、その下部の第２強磁性層とのインターミキシングが発生しないので、素子自体の安定性を図ることができる。
【００３３】
図５Ａ及び図５Ｂは、従来技術と本発明による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。ここで、横軸は磁気抵抗素子、特に磁気抵抗構造体に印加された磁場値を表し、縦軸は、磁気抵抗比（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｔｉｏ）値を表した図面である。図５Ａは、キャッピング層としてＴａを使用したものを表している。
【００３４】
図５Ａを参照すれば、磁気抵抗素子の自由層の磁化方向が反転される場合、不規則的な変化が生まれ、磁化反転が安定的に起こらないということが分かる。それは、前述の従来技術に関する説明で記述したように、Ｔａキャッピング層とその下部の自由層とのインターミキシング現象と酸素との酸化作用とにより、物性自体が望ましくないために起こる現象である。
【００３５】
図５Ｂは、キャッピング層としてＴｉＮを形成して製造した磁気抵抗素子に係り、これについて述べれば、約±５０Ｏｅ間で磁化反転が起きて磁化反転位置が明確に表れるということが分かる。従って、キャッピング層をＴｉＮから形成することにより、信頼性ある磁気抵抗素子の特性を表すということが分かる。
【００３６】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明で指す磁気抵抗素子は、ＭＲＡＭ、磁気抵抗ヘッドなどのいずれか一つに限定されるものではなく、スピン弁型、トンネル磁気抵抗素子などいずれにも適用可能である。従って、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の「範囲に記載された技術的思想により定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のＴｉＮをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子は、例えば情報記録媒体などに効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図１Ｂ】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図１Ｃ】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図１Ｄ】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図１Ｅ】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図１Ｆ】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図１Ｇ】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図１Ｈ】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図２】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の構造を概略的に表した図面である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図３Ｄ】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図４】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程時に、キャッピング層のＴｉＮをパターニングしたイメージを表した写真を示す図である。
【図５Ａ】従来技術による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。
【図５Ｂ】本発明による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１０，２０    下部構造体、
１１，２１    磁気抵抗構造体、
１２，２６    キャッピング層、
１３    ハードマスク、
１４，１６，２７    フォトレジスト、
１５    絶縁層、
１７    ホール１、
１８    コンタクト層、
２２    反強磁性層、
２３    第１強磁性層（固定層）、
２４    トンネル障壁層、
２５    第２強磁性層（自由層）。
【図１Ａ】
2006173636.tif 000003
【図１Ｂ】
2006173636.tif 000004
【図１Ｃ】
2006173636.tif 000005
【図１Ｄ】
2006173636.tif 000006
【図１Ｅ】
2006173636.tif 000007
【図１Ｆ】
2006173636.tif 000008
【図１Ｇ】
2006173636.tif 000009
【図１Ｈ】
2006173636.tif 000010
【図２】
2006173636.tif 000011
【図３Ａ】
2006173636.tif 000012
【図３Ｂ】
2006173636.tif 000013
【図３Ｃ】
2006173636.tif 000014
【図３Ｄ】
2006173636.tif 000015
【図５Ａ】
2006173636.tif 000016
【図５Ｂ】
2006173636.tif 000017
【図４】
2006173636.tif 000018