(57)【要約】【課題】耐電圧性に優れた磁気抵抗効果素子が実装された磁気抵抗効果デバイスを提供する。【解決手段】この磁気抵抗効果デバイスは、層間絶縁層と前記層間絶縁層を貫通し、少なくとも一面に露出した貫通電極と、前記貫通電極上に積層された磁気抵抗効果素子と、を備え、前記磁気抵抗効果素子が積層される積層面における前記層間絶縁層と前記貫通電極とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間絶縁層と、
前記層間絶縁層を貫通し、少なくとも一面に露出した貫通電極と、
前記貫通電極上に積層された磁気抵抗効果素子と、を備え、
前記磁気抵抗効果素子が積層される積層面における前記層間絶縁層と前記貫通電極とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下である磁気抵抗効果デバイス。
【請求項２】
前記貫通電極の前記層間絶縁層における積層面からの高さが１．５ｎｍ以下である請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項３】
前記高さを前記貫通電極の前記積層面における最大幅で割った凸度が０．０１５以下である請求項２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項４】
前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物である請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項５】
前記層間絶縁層が酸化シリコン又は酸化ジルコニウムのいずれかである請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項６】
前記層間絶縁層が酸化シリコンであり、
前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が窒化バナジウムである請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項７】
前記層間絶縁層が酸化ジルコニウムであり、
前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が、Ｎｂ、Ｖ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物である請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項８】
前記層間絶縁層が窒化シリコンであり、
前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が、Ｎｂ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物である請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項９】
前記層間絶縁層が窒化クロム、単窒化珪素、酸化アルミニウムのいずれかであり、
前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が、Ｔｉ又はＺｒを含む窒化物である請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１０】
前記磁気抵抗効果素子の側面を被覆する絶縁部をさらに有し、
前記絶縁部が窒化物により構成されている請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１１】
前記磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記トンネル磁気抵抗効果素子のトンネルバリア層の格子定数と、前記貫通電極がとりうる結晶構造の格子定数との格子整合度が５％以内である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１２】
前記貫通電極の電気抵抗率が２００Ω・ｃｍ以下である請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が知られている。これらは、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用の素子として、注目が集まっている。
【０００３】
また、特定の複雑な機能を果たすために、多数の素子を一つに集積する試みが行われている。集積回路（ＩＣ）はその一例であり、特許文献１には多数のデバイスが３次元的に積層された集積回路が記載されている。
【０００４】
従来、ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子に代表される磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド等の用途として用いられることが多く、それほど集積化の取り組みは行われていなかった。しかしながら、ＭＲＡＭ等のメモリセルとしての用途の開発と共に、集積回路内に磁気抵抗効果素子を組み込む要望が強まっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８８３８４号公報
【特許文献２】特許第３７９０１８３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】国立研究開発法人物質・材料研究機構、”AtomWork”、［平成２８年８月２３日検索］、インターネット <URL:http://crystdb.nims.go.jp/>.
【非特許文献２】Yibin Xu, Masayoshi Yamazaki, and Pierre Villars. Inorganic Materials Database for Exploring the Nature of Material. Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 11RH02.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁気抵抗効果素子は原子数層分の層が積層された素子である。そのため、従来の集積回路に組み込まれていたキャパシタやダイオード等と比較して、集積回路内に組み込むためにはより精密な制御が求められる。
【０００８】
例えば、特許文献１には、３次元的に素子を集積する際に、素子が積層されるウェハの接合部を平坦面とすることが記載されている。しかしながら、磁気抵抗効果素子を集積回路内に組み込むためには、求められる平坦性の度合いが異なる。
【０００９】
例えば、特許文献２には、磁気抵抗効果素子が積層される積層面の僅かな凹凸が、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率の低下や特性のばらつきを引き起こすことが記載されている。特許文献２では、磁気抵抗効果素子が積層される積層面を平坦化するために、平坦化導電層を設けている。しかしながら、平坦化導電層を平坦化するためには、十分な膜厚の平坦化導電層を積層する必要があり、量産上の課題がある。また研磨する面は、同一組成である必要があり（特許文献２図４（ｃ）参照）、汎用性に欠ける。さらに平坦化導電層の周囲に絶縁層を形成する際に、平坦化導電層と絶縁層の境界で段差が生じる場合があり、十分な平坦性を実現することができない。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、耐電圧性に優れた磁気抵抗効果素子が実装された磁気抵抗効果デバイス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】
【００１１】
本発明者らは、磁気抵抗効果素子が積層される積層面が充分に平坦化されていないと、磁気抵抗効果素子の耐電圧性が低下するということを見出した。
【００１２】
ＴＭＲ素子において電圧は、絶縁層であるトンネルバリア層に印可される。そのため、大きな電圧がトンネルバリア層に印可されるとトンネルバリア層が絶縁破壊を起こし、磁気抵抗効果素子として機能しなくなる場合がある。トンネルバリア層の平坦性が悪いと、電圧や電流がトンネルバリア層全体に均一に印加されず、絶縁破壊を起こしやすくなっていると考えられる。
【００１３】
磁気抵抗効果素子においてトンネルバリア層は最も薄い層であり、０．７ｎｍから３ｎｍ程度である。すなわち、耐電圧性を高めるという新たな課題を解決するためには、磁気抵抗効果素子が積層される積層面のより高い平坦性が求められる。
【００１４】
そこで、本発明者らは磁気抵抗効果素子が積層される積層面における層間絶縁層と貫通電極とのビッカース硬度差を調整することにより、磁気抵抗効果素子を積層できるレベルまで充分平坦化できることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１５】
（１）本発明の一態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、層間絶縁層と、前記層間絶縁層を貫通し、少なくとも一面に露出した貫通電極と、前記貫通電極上に積層された磁気抵抗効果素子と、を備え、前記磁気抵抗効果素子が積層される積層面における前記層間絶縁層と前記貫通電極とのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下である。
【００１６】
（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記貫通電極の前記層間絶縁層における積層面からの高さが１．５ｎｍ以下である構成でもよい。
【００１７】
（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記突出高さを前記貫通電極の最大幅で割った凸度が０．０１５以下である構成でもよい。
【００１８】
（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であってもよい。
【００１９】
（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記層間絶縁層が酸化シリコン又は酸化ジルコニウムのいずれかであってもよい。
【００２０】
（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記層間絶縁層が酸化シリコンであり、前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が窒化バナジウムであってもよい。
【００２１】
（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記層間絶縁層が酸化ジルコニウムであり、前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が、Ｎｂ、Ｖ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であってもよい。
【００２２】
（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記層間絶縁層が窒化シリコンであり、前記貫通電極の前記積層面を構成する材料が、Ｎｂ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であってもよい。
【００２３】
（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記層間絶縁層の前記積層面を構成する材料が窒化クロム、単窒化珪素、酸化アルミニウムのいずれかであり、前記貫通電極が、Ｔｉ又はＺｒを含む窒化物であってもよい。
【００２４】
（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁気抵抗効果素子の側面を被覆する絶縁部をさらに有し、前記絶縁部が窒化物により構成されていてもよい。
【００２５】
（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果素子であり、前記トンネル磁気抵抗効果素子のトンネルバリア層の格子定数と、前記貫通電極がとりうる結晶構造の格子定数との格子整合度が５％以内である構成でもよい。
【００２６】
（１２）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記貫通電極の電気抵抗率が２００μΩ・ｃｍ以下であってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、耐電圧性に優れた磁気抵抗効果素子が実装された磁気抵抗効果デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの断面模式図である。
【図２】磁気抵抗効果素子を積層する前の基板の積層面を図示した図である。
【図３】磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍を拡大した模式図である。
【図４】本実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの別の例の断面模式図である。
【図５】磁気抵抗効果デバイスの製造過程を示した図であり、磁気抵抗効果素子近傍を拡大した図である。
【図６】貫通電極と接合部のビッカース硬度差に対する積層面の平坦度合いを示したグラフである。
【図７】貫通電極と接合部のビッカース硬度差に対する磁気抵抗効果素子の耐電圧特性を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３０】
「磁気抵抗効果デバイス」
図１は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの断面模式図である。図１に示す磁気抵抗効果デバイス１００は、基板１０と、磁気抵抗効果素子２０と、半導体素子３０とを有する。磁気抵抗効果素子２０と半導体素子３０とは、基板１０の異なる面に設けられ、基板１０内に設けられた貫通電極１２により電気的に接続されている。
【００３１】
（基板）
基板１０は、層間絶縁層１１と貫通電極１２とを有する。貫通電極１２は、層間絶縁層１１内に設けられ、層間絶縁層１１を貫通している。貫通電極１２は、層間絶縁層１１によって隔てられた複数の素子間を電気的に接続する。図１では、磁気抵抗効果素子２０と半導体素子３０が電気的に接続されている。
【００３２】
層間絶縁層１１は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。層間絶縁層１１には、半導体デバイス等で用いられているものと同様の材料を用いることができる。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等が用いられる。
【００３３】
図１に示す磁気抵抗効果デバイス１００における貫通電極１２は、通電部１２Ａと接合部１２Ｂを有する。接合部１２Ｂは、磁気抵抗効果素子２０と接合する部分であり、通電部１２Ａは接合部１２Ｂを除く部分である。
【００３４】
貫通電極１２は、必ず通電部１２Ａと接合部１２Ｂに分かれている必要はない。しかしながら、接合部１２Ｂは選択できる材料が制限されるため、貫通電極１２は通電部１２Ａと接合部１２Ｂに分かれていることが好ましい。
【００３５】
通電部１２Ａを構成する材料は、導電性が高いことが好ましい。例えば、銅、アルミニウム、銀等を用いることが好ましい。
【００３６】
また接合部１２Ｂも導電性を有することが求められる。接合部１２Ｂは、通電部１２Ａより導電性が悪くてもよいが、電気抵抗率で２００μΩｃｍ以下であることが好ましい。
【００３７】
接合部１２Ｂを構成する材料は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましい。接合部１２Ｂ上には、磁気抵抗効果素子２０が積層される。そのため、接合部１２Ｂは、磁気抵抗効果素子２０の下地層としても機能する。下地層としてこれらの窒化物を用いると、磁気抵抗効果素子２０の各層の結晶性が高まる。
【００３８】
接合部１２Ｂが窒化物からなる場合、層間絶縁層１１は酸化シリコン又は酸化ジルコニウムのいずれかであることが好ましい。層間絶縁層１１が酸化膜であり、接合部１２Ｂが窒化物であることで、層間絶縁層１１と接合部１２Ｂとの間での元素の拡散が抑制される。接合部１２Ｂの元素が拡散すると接合部１２Ｂの抵抗率の増加に繋がる。
【００３９】
また接合部１２Ｂを構成する材料は、層間絶縁層１１に用いられる材料に合わせて選択される。具体的には、層間絶縁層１１と接合部１２Ｂのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下となるように選択される。層間絶縁層１１と接合部１２Ｂのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であれば、基板１０の積層面１０ａを充分平坦化できる。
【００４０】
図２は、磁気抵抗効果素子２０を積層する前の基板１０の積層面１０ａを図示した図である。磁気抵抗効果素子２０を積層する前に、基板１０の積層面１０ａは研磨して平坦化される。このような研磨処理は、半導体デバイスでも一般に行われる。例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）は、物理力と化学力を用いて、１つの面内に異なる物質がある場合でも同様に研磨ができる手法として知られている。
【００４１】
しかしながら、磁気抵抗効果素子２０を構成する各層は厚みが数ｎｍ程度であり、僅かな段差も磁気抵抗効果素子２０の特性に影響を及ぼす。具体的には、磁気抵抗効果素子２０の耐電圧性を低下される。そのため、単にＣＭＰを行っても、磁気抵抗効果素子２０を積層するために十分な平坦性を実現できない。
【００４２】
そこで、研磨される積層面１０ａを均質にする。層間絶縁層１１と接合部１２Ｂのビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であれば、ＣＭＰによる積層面１０ａの研磨状態を一定にすることができ、磁気抵抗効果素子２０が積層される積層面１０ａを平坦化することができる。
【００４３】
ここで、磁気抵抗効果素子２０を積層するために十分な平坦性とは、以下のような条件を満たすことが好ましい。
【００４４】
第１の条件は、貫通電極１２の層間絶縁層１１における積層面１１ａからの高さＨが１．５ｎｍ以下であることである。この高さは１．２ｎｍ以下であることが好ましく、１．０ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００４５】
ここで、貫通電極１２の層間絶縁層１１における積層面１１ａからの高さＨとは、貫通電極１２の積層面１２ａから層間絶縁層１１における積層面１１ａの延長面に下した垂線の最大値を意味する。
【００４６】
第２の条件は、高さＨを貫通電極１２の積層面１２ａにおける最大幅Ｄで割った凸度が０．０１５以下であることである。凸度は０．０１２以下であることが好ましく、０．０１０以下であることがより好ましい。
【００４７】
ここで凸度は、貫通電極１２が層間絶縁層１１における積層面１１ａから突出する場合は突出方向への凸度であり、貫通電極１２が層間絶縁層１１における積層面１１ａから窪んでいる場合は、窪み方向への凸度である。また最大幅Ｄは、積層面１２ａを平面視した際に積層面１２ａ表面に露出している貫通電極１２の最大幅を意味する。
【００４８】
磁気抵抗効果素子２０が積層される積層面１０ａは、第１の条件及び第２の条件を必ず両方満たしていなければならない訳ではないが、両方を満たしていることが好ましい。これらを共に満たすことで、積層される磁気抵抗効果素子２０の耐電圧性が高まる。
【００４９】
層間絶縁層１１と接合部１２Ｂの具体的な組み合わせとしては、以下のような組合せが挙げられる。
【００５０】
例えば、層間絶縁層１１に酸化シリコンを用いた場合、接合部１２Ｂには窒化バナジウムを用いることが好ましい。
【００５１】
また層間絶縁層１１に酸化ジルコニウムを用いた場合、接合部１２ＢにはＮｂ、Ｖ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることが好ましい。
【００５２】
また層間絶縁層１１に窒化シリコンを用いた場合、接合部１２ＢにはＮｂ、Ｚｒ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物を用いることが好ましい。
【００５３】
また層間絶縁層１１に窒化クロム、単窒化珪素、酸化アルミニウムのいずれかを用いた場合、接合部１２ＢにはＴｉ又はＺｒを含む窒化物を用いることが好ましい。
【００５４】
（磁気抵抗効果素子）
磁気抵抗効果素子２０は、第１強磁性金属層２１と、第２強磁性金属層２２と、これらに挟まれる非磁性層２３とを備える（図１参照）。
【００５５】
第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２２の材料として、強磁性材料、特に軟磁性材料が適用される。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの群から選択される金属を１種以上含む合金、又は、これらのから選択される１又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが例示できる。
【００５６】
また第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２２の材料として、Ｃｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることができる。ホイスラー合金はスピン分極率が高く、高いＭＲ比を実現できる。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素である。Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒまたＴｉ族の遷移金属であり、Ｘの元素種をとることもできる。Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【００５７】
第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２２の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、強磁性材料を３ｎｍ以下とすることが好ましい。非磁性層２３との界面で、第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２２に垂直磁気異方性を付加することができる。また、垂直磁気異方性は第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２２の膜厚を厚くすることによって効果が減衰するため、第１強磁性金属層２１及び第２強磁性金属層２２の膜厚は薄い方が好ましい。
【００５８】
また、第１強磁性金属層２１よりも保磁力を大きくするために、第２強磁性金属層２２と接する材料としてＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いても良い。さらに、第２強磁性金属層２２の漏れ磁場を第１強磁性金属層２１に影響させないようにするため、シンセティック反強磁性結合の構造としても良い。
【００５９】
第２強磁性金属層２２の磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、ＣｏとＰｔの積層膜を用いることが好ましい。第２強磁性金属層２２は例えば、非磁性層２３側から順に、ＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｔａ（０．２ｎｍ）／［Ｐｔ（０．１６ｎｍ）／Ｃｏ（０．１６ｎｍ）］４／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］６とすることで、磁化の向きを垂直にすることができる。
【００６０】
一般的に、第１強磁性金属層２１は磁化の向きが第２強磁性金属層２２よりも容易に外部磁場やスピントルクによって可変することができるため、自由層と呼ばれる。また、第２強磁性金属層２２は、磁化の向きが固定される構造となっており、第１強磁性金属層２１は固定層と呼ばれる。
【００６１】
非磁性層２３には、公知の材料を用いることができる。例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｍｇ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。
【００６２】
非磁性層２３がトンネルバリア層である場合、トンネルバリア層の格子定数と、貫通電極１２の接合部１２Ｂがとりうる結晶構造の格子定数との格子整合度が５％以内であることが好ましい。
【００６３】
接合部１２Ｂは下地層としても機能し、非磁性層３に対して接合部１２Ｂを選択すると、磁気抵抗効果素子２０のＭＲ比が向上する。
【００６４】
これは従来の常識を覆す結果である。一般に、反応性スパッタ法によって成膜される窒化物膜はアモルファスであると言われている。そうすると、反応性スパッタ法によって成膜される接合部１２Ｂはアモルファスであるということになる。実際に接合部１２Ｂは、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像や電子線回折像でも結晶性は確認されない。
【００６５】
接合部１２Ｂが完全なアモルファスであるならば、その上の層との結晶学的相関はないはずである。これに対し、検討の結果得られるＭＲ比は、接合部１２Ｂとの相関関係がある。この理由を推測するに、下地層として機能する接合部１２Ｂは、完全に結晶化しているということではないが、完全にアモルファスでもないのではないかと考えられる。すなわち接合部１２Ｂは、ＴＥＭや電子顕微鏡で像を得られるほど原子が規則的に配列していないが、局所的に結晶的な部分を有していたり、結晶構造の名残を残す緩やかな規則性を有しているという描像が現実に近いのではないかと考えられる。反応性スパッタ法によって成膜される接合部１２Ｂはアモルファスであるとしていた現状に対して、接合部１２Ｂとトンネルバリア層の関係を調整するということは、磁気抵抗効果素子のＭＲ比向上の新しい方向性を開くものである。
【００６６】
ここで、「接合部１２Ｂがとりうる結晶構造」とは、接合部１２Ｂを構成する材料をバルクにした際にとりうる結晶構造であり、接合部１２Ｂが有していると考えられる結晶構造を意味する。上述のように、接合部１２Ｂは完全な結晶状態とアモルファスの中間のような状態を有していると考えられる。そのため接合部１２Ｂの結晶構造がどのような構造であるということは明確に定義できない。一方で、現実の接合部１２Ｂの結晶構造が、接合部１２Ｂを構成する材料をバルクにした際にとりうる結晶構造と著しく異なっているとは考えられない。接合部１２Ｂがとりうる結晶構造としては、正方晶構造がある。
【００６７】
また格子整合度は、以下のように定義される。
【００６８】
【数１】
2018056392.tif 000003
【００６９】
上記式（１）において、Ａは非磁性層２３の格子定数であり、Ｂは接合部１２Ｂがとりうる結晶構造の格子定数である。またｎは正整数又は１／正整数である。
【００７０】
非磁性層２３がＭｇＡｌ２Ｏ４またはＺｎＡｌ２Ｏ４の場合、接合部１２ＢはＴｉ、Ｖ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましい。
【００７１】
非磁性層２３がＭｇＯの場合、接合部１２ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ及びＴａからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましい。
【００７２】
非磁性層２３がγ−Ａｌ２Ｏ３またはＭｇ０．５Ａｌ２Ｏ４の場合、接合部１２ＢはＶ又はＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましい。
【００７３】
非磁性層２３がＭｇＧａ２Ｏ４またはＺｎＧａ２Ｏ４の場合、接合部１２ＢはＴｉ、Ｖ、Ｔａ及びＡｌからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましい。
【００７４】
非磁性層２３がＺｎＩｎ２Ｏ４の場合、接合部１２ＢはＮｂ、Ｔａ、Ｚｒからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましい。
【００７５】
非磁性層２３がＣｄＡｌ２Ｏ４またはＣｄＧａ２Ｏ４の場合、接合部１２ＢはＴｉ、Ｎｂ、Ｖ及びＴａからなる群から選択されるいずれかを含む窒化物であることが好ましい。
【００７６】
磁気抵抗効果素子２０は、第１強磁性金属層２１、非磁性層２３及び第２強磁性金属層２２以外の公知の層を有してもよい。例えば、結晶配向性や磁性の安定性を高めるためのキャップ層等を有していてもよい。
【００７７】
また図１に示す磁気抵抗効果素子２０は、第１強磁性金属層２１を磁化自由層とし、第２強磁性金属層２２を磁化固定層としている、いわゆるトップピン構造の例を挙げたが、磁気抵抗効果素子２０の構造は特に限定されるものではない。
【００７８】
磁化固定層は複数の層で構成されるのが通常なので、第１強磁性金属層２１を磁化固定層の場合、接合部１２Ｂと非磁性層２３層との間に多くの層を挟むことにより、接合部１２Ｂと非磁性層２３の関係が小さくなる。これに対して、トップピン構造の場合には、第１強磁性金属層２１の保磁力は小さくなるが、接合部１２Ｂと非磁性層２３との間に単層である磁化自由層を挟むだけであり、接合部１２Ｂが非磁性層２３に与える影響が大きくなる。そのため、接合部１２Ｂを構成する材料に応じて、第１強磁性金属層２１を磁化固定層とし、第２強磁性金属層２２を磁化自由層とする、いわゆるボトムピン構造としてもよい。
【００７９】
図３は、磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍を拡大した模式図である。磁気抵抗効果素子２０上にさらに素子等を積層する場合、図３に示すように、磁気抵抗効果素子２０の側面に絶縁部４０を設ける場合がある。絶縁部４０は、磁気抵抗効果素子２０が側面側から短絡することを防止する。ここで、磁気抵抗効果素子２０の側面とは、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に対して垂直な面内方向に露出した面を意味する。
【００８０】
絶縁部４０は、基板１０における層間絶縁層１１と同様の材料を用いることができる。非磁性層２３がＭｇＯやＭｇＡｌＯ等のトンネルバリア層の場合、絶縁部４０を構成する材料は絶縁性を有する窒化物であることが好ましい。絶縁部４０が窒化物により構成されていることで、トンネルバリア層を構成する酸素やＭｇイオン等が絶縁部４０に拡散することが避けられる。
【００８１】
（半導体素子）
図１に示す半導体素子３０は、ソース電極３１と、ドレイン電極３２と、半導体部３３と、ゲート電極３４を備えるＦＥＴトランジスタである。半導体素子３０は、貫通電極１２を介して磁気抵抗効果素子２０と電気的に接続されている。
【００８２】
半導体素子３０は、図１に示すＦＥＴトランジスタに限られず、抵抗素子、キャパシタ等でもよい。また半導体素子３０に変えて、その他の素子、部材を接続してもよい。
【００８３】
また図４は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの別の例の断面模式図である。図４に示す磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁気抵抗効果素子２０が接合部１２Ｂと層間絶縁層１１にわたって積層されている。この場合でも、積層される磁気抵抗効果素子２０は、接合部１２Ｂの凸度の影響及び接合部１２Ｂと層間絶縁層１１の境界における段差の影響を受けるため、積層面１０ａを充分平坦化することが求められる。
【００８４】
（磁気抵抗効果デバイスの製造方法）
次いで、図１を基に磁気抵抗効果デバイスの製造方法について説明する。
まず、半導体素子３０を準備する。半導体素子３０は市販のものを購入してもよいし公知の方法で製造してもよい。例えば半導体基板を用意し、一面に金属膜を形成しゲート電極３４を作製する。そして、半導体基板の一部にイオン注入によりソース電極３１及びドレイン電極３２を作製する。
【００８５】
次いで、半導体素子３０上に基板１０を形成する。基板１０は、フォトリソグラフィー法により作製される。まず、半導体素子３０の一面に金属層を積層し、不要部をパターンエッチングにより取り除く。そして、取り除いた部分に絶縁体を積層する。これを複数回繰り返すことで、層間絶縁層１１と貫通電極１２が作製される。貫通電極１２及び層間絶縁層１１はスパッタリング等の手段により積層できる。
【００８６】
そして、作製された基板１０の積層面１０ａを研磨する。研磨は、例えばＣＭＰにより行うことができる。層間絶縁層１１と貫通電極１２とはビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であるため、研磨により積層面１０ａが磁気抵抗効果素子２０を積層できるレベルに平坦化される。
【００８７】
最後に平坦化された積層面１０ａ上に磁気抵抗効果素子２０を積層する。磁気抵抗効果素子２０は、公知の方法で作製できる。例えば、第１強磁性金属層２１、非磁性層２３、第２強磁性金属層２２をスパッタリング等の手段により積層し、その後熱処理を行う。熱処理により、各層の結晶化が促進される。非磁性層２３は、金属薄膜をスパッタし、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化によりトンネルバリア層が作製される。
【００８８】
熱処理して製造した磁気抵抗効果素子２０は、熱処理しないで製造した磁気抵抗効果素子２０と比較して、ＭＲ比が向上する。熱処理の条件としては、Ａｒなどの不活性雰囲気中で、３００℃以上５００℃以下の温度で、５分以上１００分以下の時間加熱した後、２ｋＯｅ以上１０ｋＯｅ以下の磁場を印加した状態で、１００℃以上５００℃以下の温度で、１時間以上１０時間以下の時間加熱することが好ましい。
【００８９】
上述のように、本実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００によれば、磁気抵抗効果素子２０が積層される積層面１０ａを高い精度で平坦化することができる。その結果、磁気抵抗効果素子２０が均質に作製され、耐電圧性が高まる。
【００９０】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【００９１】
＜貫通電極と層間絶縁層の関係＞
貫通電極と層間絶縁層に用いる材料を変更して、貫通電極の層間絶縁層における積層面からの高さＨ及び凸度（高さＨ／最大幅Ｄ）を求めた。またその積層面上に磁気抵抗効果素子を積層し、磁気抵抗効果素子の特性を評価した。その結果を以下の表１及び表２にまとめた。
【００９２】
（磁気抵抗効果デバイスの構成）
実施例の検討に用いた磁気抵抗効果デバイスについて図５を基に説明する。図５は、磁気抵抗効果デバイスの製造過程を示した図であり、磁気抵抗効果素子近傍を拡大した図である。
【００９３】
まず、ＦＥＴトランジスタのソース電極に繋がるＣｕからなる通電部１２Ａと酸化シリコンからなる第１絶縁層１１Ａをフォトリソグラフィーにより作製した（図５（ａ））。
【００９４】
次いで、通電部１２Ａと層間絶縁部１１Ａ上に、厚み５ｎｍの層を積層した。そして積層した層上にレジスト膜を形成し、不要部を除去し、直径１００ｎｍの接合部１２Ｂを形成した（図５（ｂ））。すなわち、貫通電極１２の最大幅Ｄは１００ｎｍとなる。接合部１２Ｂの材質は、実施例及び比較例毎に、表１及び表２に示すものとした。
【００９５】
次いで、接合部１２Ｂを覆うように、第２絶縁層１１Ｂを積層した（図５（ｃ））第２絶縁層１１Ｂの材質は、実施例及び比較例毎に、表１及び表２の層間絶縁層として示すものとした。そして、第２絶縁層１１Ｂの積層面を、接合部１２Ｂが露出するまでＣＭＰにより研磨した（図５（ｄ））。第１絶縁層１１Ａと第２絶縁層１１Ｂで層間絶縁層となる。
【００９６】
その後、第１強磁性金属層２１としてＣｏ７４Ｆｅ２６（厚み２ｎｍ）、非磁性層としてＭｇＯ又はＭｇＡｌ２Ｏ４（厚み１．８ｎｍ）、第２強磁性金属層としてＣｏＦｅ（厚み７ｎｍ）／Ｒｕ（厚み０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（厚み１０ｎｍ）／ＩｒＭｎ（厚み１２ｎｍ）、キャップ層としてＲｕ（厚み３ｎｍ）／Ｔａ（厚み５ｎｍ）を順に積層した。そして、フォトリソグラフィーにより不要部を除去し、直径８０ｎｍの円柱状の磁気抵抗固化素子２０を作製した（図５（ｅ））。
【００９７】
さらに、磁気抵抗効果素子２０を覆うように絶縁体を積層した。そして、絶縁体の積層面を、磁気抵抗効果素子２０の一面が露出するまでＣＭＰにより研磨し、絶縁部４０を作製した。絶縁部４０を構成する材質は、第２絶縁層１１Ｂと同じものとした。
【００９８】
最後に、絶縁部４０及び磁気抵抗効果素子２０の露出面上に、上部電極５０を作製した。上部電極５０を構成する材料は、Ｒｕ（厚み３ｎｍ）／Ｔａ（厚み５ｎｍ）／Ｃｕ（厚み２００ｎｍ）とした。
【００９９】
（接合部の格子定数の決定）
接合部（下地層）の格子定数は非特許文献１のサイトを用いて求めた。本実施例の窒化物を用いた接合部はアモルファス構造であり、結晶構造解析ができない。トンネルバリア層と接合部の結晶格子の関係を検証するために、非特許文献１のサイトよりそれぞれの窒化物において、結晶構造がＮａＣｌ構造であり、空間群がＦｍ−３ｍである結果の格子定数を表１及び表２とした。
【０１００】
（トンネルバリア層の格子定数の決定）
トンネルバリア層の構造分析として、結晶構造と格子定数を評価した。
結晶構造は、透過型電子線を用いた電子回折像によって評価した。ＭｇＯ以外のスピネル材料を用いた場合、この手法によってバリア層の構造を調べたところ、規則スピネル構造で現れる｛０２２｝面からの反射がない場合は、このバリア層は立方晶の陽イオンが不規則化したスピネル構造（スケネル構造）であるとした。
トンネルバリア層の格子定数は４軸Ｘ線回折装置を用いて評価を行った。格子定数の評価において、実施例のトンネルバリア層の膜厚では格子定数を決定することが困難である。
【０１０１】
そのため予備的測定として、格子定数を求めるために熱酸化膜付きＳｉ基板上にトンネルバリア層（厚み１００ｎｍ）を形成した基板を用いた。熱酸化膜付きＳｉ基板は表面がアモルファスのＳｉＯｘであり、トンネルバリア層を形成する際の影響を受けにくい。また、トンネルバリア層（厚み１００ｎｍ）は基板による格子歪みの影響が十分緩和される膜厚であり、十分な構造解析のためのＸ線強度を得ることができる膜厚である。
【０１０２】
さらに、実施例では下地層／第一の強磁性金属層／トンネルバリア層の順に形成する。この場合、下地層の結晶格子の影響は第一の強磁性金属層を介してトンネルバリア層に影響を及ぼす。したがって、第一の強磁性金属層が下地層からの結晶格子の影響を受けないと、トンネルバリア層に影響を及ぼさない。本実施例では少なくとも第一の強磁性金属層の膜厚を１０ｎｍ以下とし、下地層の結晶格子の影響を第一の強磁性金属層を介してトンネルバリア層に影響させる膜厚とした。具体的には、トンネルバリア層の膜厚を５ｎｍとした。
【０１０３】
したがって、実施例で得られる膜厚は予備的測定と完全に一致しないが、下地層からの影響と膜厚が異なる以外の条件は一致させており、予備的測定から求めた格子定数を実施例で得られた格子定数と見なすことができる。トンネルバリア層はＭｇＯの場合は岩塩型構造、その他のＭｇＡｌ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４及びγ―Ａｌ２Ｏ４の場合はスケネル構造として格子定数を求めた。
【０１０４】
（ビッカース硬度の求め方）
ビッカース硬度はマイクロビッカース硬さ試験によって求めた。Ｓｉ基板上に５μｍ厚の接合部と同材料の層を成膜し、化学的なエッチング、イオンミリング、あるいは研磨によってＳｉ基板を除去し、接合部と同材料の層を得た。ビッカース硬さは対面角１３６度のダイヤモンド正四角錐圧子を、作製した層に接極させて求めた。ビッカース硬さＨは、荷重Ｆ［Ｎ］を窪み表面積Ｓ［ｍ２］で除した値であり、測定する窪み対角線長さｄ［ｍ］から次の一般式（２）で求められる。
【０１０５】
【数２】
2018056392.tif 000004
【０１０６】
マイクロビッカース硬さ試験では窪みの深さと作製した層の膜厚の関係を考慮する必要がある。試験荷重は１×１０−２Ｎ〜２０Ｎの間で変化させ、硬さがほぼ一定になった領域を作製した層のビッカース硬度、すなわち接合部のビッカース硬度と定義した。評価用の接合部に対応する層の膜厚は薄く、試験荷重を大きくすると接合部に対応する層が割れてしまい、評価ができない。また、試験荷重が小さすぎると、接合部に対応する層に形成された窪みが弾性回復を起こし、真の窪みと実験値が異なるためビッカース硬度を大きく見積もってしまう。
【０１０７】
（耐電圧の評価方法）
磁気抵抗効果素子２０の耐電圧性は、上部電極５０と接合部１２Ｂに電流源７１と電圧計７２を接続し、一定の電圧を磁気抵抗効果素子２０に印可して行った。磁気抵抗効果素子２０に流れる電流を観測することで耐電圧を求めた。
【０１０８】
耐電圧は、磁気抵抗効果素子２０に電圧を印可し、素子が破壊されて磁気抵抗効果が発現しなくなる、又は、非磁性層２３が破壊されて電気抵抗が大きく変化してしまい、磁気抵抗効果素子２０として機能しなくなる際の電圧として定義する。
【０１０９】
印可する電圧は０．１Ｖから０．１Ｖづつ増大させた。また、磁気抵抗効果素子２０に印可する電圧の印可時間は１０ｎｓとし、一回の測定において１ｍｓ以上の測定間隔をおいて１０回印可した。これは磁気抵抗効果素子２０の非磁性層がトンネルバリア層の場合、電流を流すと磁気抵抗効果素子２０は発熱する。この発熱は磁気抵抗比や磁化反転のための臨界電流に影響を及ぼし、耐電圧性への影響が懸念される。印可時間が１０ｎｓを超えた場合に発熱の効果が顕著になることが知られているため、一回の測定を１０ｎｓとし、放熱のための十分な時間を確保するために１ｍｓ以上の測定間隔とした。
【０１１０】
各実施例において、同様に測定した１０個の素子について耐電圧の評価を行った。それぞれの電圧で電流を評価し、印可電圧が０．１Ｖから３Ｖまで評価を行った。１０個の素子の中で他の素子よりも明らかに低電圧で故障した素子は、トンネルバリア層のピンホールによる破壊であると推測し、耐電圧評価の結果から除外し、代わりの新たな素子の結果を用いた。全ての素子において印可電圧を増大させると、急激に大きな電流が流れるか、電流が流れなくなる現象が観測され、これらの現象が観測された電圧を耐電圧とした。
【０１１１】
【表１】
2018056392.tif 000005
【０１１２】
【表２】
2018056392.tif 000006
【０１１３】
表１及び表２に示すように、ビッカース硬度差が３ＧＰａ以下であれば、高さＨが１ｎｍ近くまで小さくなり、積層面が充分平坦化されている。また積層面が平坦化されることで、非磁性層がＭｇＯの場合は１．９０Ｖを超える電圧が印加されても耐えることでき、非磁性層がＭｇＡｌ２Ｏ４の場合は２．５０Ｖを超える電圧が印加されても耐えることできている。すなわち、磁気抵抗効果素子の耐電圧性が向上している。なお、ＭｇＡｌ２Ｏ４は不規則化したスピネル構造であった。
【０１１４】
また図４及び図５に、表１及び表２の結果をグラフでまとめた。図６は、貫通電極と接合部のビッカース硬度差に対する積層面の平坦度合いを示したグラフであり、図７は、貫通電極と接合部のビッカース硬度差に対する磁気抵抗効果素子の耐電圧特性を示したグラフである。
【０１１５】
（接合部と非磁性層の関係）
接合部と非磁性層をそれぞれ変更して、格子整合度を算出した。接合部は、正方晶構造を有しているものとして格子定数を求めた。非磁性層としては、ＭｇＯは岩塩型構造、その他材料はスケネル構造として格子定数を求めた。
【０１１６】
【表３】
2018056392.tif 000007
【０１１７】
表３に示す格子定数の結果から、下地層とトンネルバリア層の格子整合度を求めた。その結果を表４に示す。
【０１１８】
【表４】
2018056392.tif 000008
【０１１９】
次いで、上述の実施例及び比較例の一部の磁気抵抗効果素子の面積抵抗（ＲＡ）及びＭＲ比を測定した。そして、測定されたＭＲ比と格子整合度の関係を表５に示す。
【０１２０】
なお、ＲＡは、印加されるバイアス電圧を磁気抵抗効果素子の積層方向に流れた電流で割ることで得られる抵抗値を、各層が接合される面の面積で割り、単位面積における抵抗値に規格化したものであり、単位はΩ・μｍ２である。印加するバイアス電圧及び磁気抵抗効果素子の積層方向に流れる電流値を電圧計及び電流計で計測し、求めることができる。
【０１２１】
【表５】
2018056392.tif 000009
【０１２２】
実施例１−１、比較例１−１及び比較例１−３を比較すると格子整合度が高くなると、ＭＲ比が向上していることが分かる。すなわち、上記表３において格子整合度が５％以下であれば高いＭＲ比を実現することができ、格子整合度が３％以下であれば非常に高いＭＲ比を実現することができる。また実施例１−１は、表１において耐電圧性にも優れ、接合部（下地層）、層間絶縁層及びトンネルバリア層の組合せとして特に好ましいと言える。この他にも、実施例２−１、実施例３−１、実施例７−２、実施例７−３の組合せは、格子整合度も高く、耐電圧性も高いため優れた組合せと言うことができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１０…基板、１１…層間絶縁層、１１Ａ…第１絶縁層、１１Ｂ…第２絶縁層、１２…貫通電極、１２Ａ…通電部、１２Ｂ…接合部、２０…磁気抵抗効果素子、２１…第１強磁性金属層、２２…第２強磁性金属層、２３…非磁性層、３０…半導体素子、３１…ソース電極、３２…ドレイン電極、３３…半導体部、３４…ゲート電極、１０ａ，１１ａ，１２ａ…積層面、４０…絶縁部、５０…上部電極
【図１】
2018056392.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018056392.tif 000014
【図６】
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【図７】
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