(57)【要約】【課題】磁性層同士の短絡を防止する磁気抵抗素子の製造方法を提供する。【解決手段】磁気抵抗素子の製造方法は、下部電極層１７上に、第１磁性層１３と、第１磁性層上の絶縁層１４と、絶縁層上の第２磁性層１５とを積層した積層体を形成する第１工程と、積層体上にマスクを形成し、マスクを用いて、第１磁性層１３を残しつつ絶縁層を露出するように積層体をエッチングする第２工程と、第２工程の後、絶縁層１４の露出している部分をエッチングして、積層体に窪み部を形成する第３工程と、第３工程の後、第１磁性層１３の残りの部分をエッチングして、下部電極層１７を露出させる第４工程と、を備える。【選択図】図１０
2015103756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極層上に、第１磁性層と、前記第１磁性層上の絶縁層と、前記絶縁層上の第２磁性層とを積層した積層体を形成する第１工程と、
前記積層体上にマスクを形成し、前記マスクを用いて、前記第１磁性層を残しつつ前記絶縁層を露出するように前記積層体をエッチングする第２工程と、
前記第２工程の後、前記絶縁層の露出している部分をエッチングして、前記積層体に窪み部を形成する第３工程と、
前記第３工程の後、前記第１磁性層の残りの部分をエッチングして、前記下部電極層を露出させる第４工程と、
を備える磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項２】
前記第３工程では、
前記絶縁層に対するエッチング速度は、前記第２磁性層に対するエッチング速度よりも大きい請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項３】
前記第３工程では、
還元性ガスと不活性ガスとを含むエッチングガスを用いて、前記絶縁層の露出している部分をエッチングする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項４】
前記還元性ガスは、アンモニア又は水素を含み、前記不活性ガスは、アルゴン又はクリプトン又はキセノンを含む請求項３に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項５】
前記第３工程では、
前記窪み部の奥行きと厚さとの比が１〜４の範囲になるように、前記窪み部を形成する請求項１〜４の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１磁性層及び前記第２磁性層それぞれは、強磁性体により形成される強磁性体層と、前記強磁性体層の磁化の向きを制御する磁化制御層とを積層して形成する請求項１〜５の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１工程では、
前記下部電極層と前記第１磁性層との間に、前記第１磁性層に対して磁場を印加する磁場印加層を積層し、
前記第４工程では、
前記第１磁性層の残りの部分と共に、前記磁場印加層をエッチングする請求項１〜６の何れか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、書き換え可能な不揮発性メモリとして、磁気抵抗素子がマトリクス状に配置された磁気ランダムアクセスメモリ（以下、単にＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙともいう）が注目されている。ＭＲＡＭは、２つの磁性層における磁化の方向の組み合わせを利用して情報を記憶する。具体的には、２つの磁性層間の磁化の方向が平行である場合と反平行である場合とにおける抵抗の変化（すなわち電流又は電圧の変化）を検知することによって記憶情報の読み出しを行う。
【０００３】
ＭＲＡＭを形成する磁気抵抗素子の１つとして、磁気トンネル接合（以下、ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎともいう）素子が知られている。ＭＴＪ素子は、２つの強磁性層がバリア絶縁層を介して積層されたものであり、２つの強磁性層の磁化の方向の関係に基づいてバリア絶縁層を介して強磁性層間を流れるトンネル電流が変化すること利用する。ＭＴＪ素子は、２つの強磁性層の磁化方向が平行のときに低い抵抗値を有し、反平行のときには高い抵抗値を有する。この２つの状態を情報“０”及び情報“１”に関連づけて、記憶素子として用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１１９６８４号公報
【特許文献２】特開２０１２−０４３８５４号公報
【特許文献３】特開２００２−３１４１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＴＪ素子を形成する積層膜（以下、ＭＴＪ積層膜ともいう。）は遷移金属を含むため、化学的にドライエッチングすることが困難である。このため、ＭＴＪ積層膜のパターニングに、物理的なドライエッチング法であるイオンミリングが用いられる。この時、入射イオンによってリスパッタされた金属原子が、バリア絶縁層の側壁に再付着して、バリア絶縁層の上下の層を短絡するおそれがあり、ＭＲＡＭの歩留りを低下させる要因となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書では、上述した問題を解決する磁気抵抗素子の製造方法を提案することを目的とする。
【発明の効果】
【０００７】
本明細書に開示する磁気抵抗素子の製造方法の一形態によれば、下部電極層上に、第１磁性層と、上記第１磁性層上の絶縁層と、上記絶縁層上の第２磁性層とを積層した積層体を形成する第１工程と、上記積層体上にマスクを形成し、上記マスクを用いて、上記第１磁性層を残しつつ上記絶縁層を露出するように上記積層体をエッチングする第２工程と、上記第２工程の後、上記絶縁層の露出している部分をエッチングして、上記積層体に窪み部を形成する第３工程と、上記第３工程の後、上記第１磁性層の残りの部分をエッチングして、上記下部電極層を露出させる第４工程と、を備える。
【０００８】
上述した本明細書に開示する磁気抵抗素子の製造方法の一形態によれば、磁性層同士の短絡を防止できる。
【０００９】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００１０】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書に開示する半導体装置の一実施形態を示す図である。
【図２】図１の半導体装置が有する磁気抵抗素子を示す図である。
【図３】（Ａ）は、図１の半導体装置の回路図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、磁気抵抗素子の動作を説明する図である。
【図４】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その１）を示す図である。
【図５】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その２）を示す図である。
【図６】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その３）を示す図である。
【図７】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その４）を示す図である。
【図８】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その５）を示す図である。
【図９】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その６）を示す図である。
【図１０】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その７）を示す図である。
【図１１】イオンスパッタリングによりリスパッタされた原子の窪み部への付着量の計算を説明する図である。
【図１２】イオンスパッタリングによりリスパッタされた原子の窪み部への付着量の計算結果を示す図である。
【図１３】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その８）を示す図である。
【図１４】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その９）を示す図である。
【図１５】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その１０）を示す図である。
【図１６】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その１１）を示す図である。
【図１７】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その１２）を示す図である。
【図１８】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その１３）を示す図である。
【図１９】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その１４）を示す図である。
【図２０】本明細書に開示する半導体装置の製造方法の一実施形態の工程（その１５）を示す図である。
【図２１】本明細書に開示する半導体装置の磁気抵抗素子の変型例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本明細書で開示する半導体装置の好ましい一実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００１３】
図１は、本明細書に開示する半導体装置の一実施形態を示す図である。図２は、図１の半導体装置が有する磁気抵抗素子を示す図である。
【００１４】
本実施形態の半導体装置１は、磁気トンネル接合型の磁気抵抗素子を備えたＭＲＡＭである。図１は、半導体装置１の１つのセルの部分の構造を示している。
【００１５】
図１では、基板２と、基板２に形成されたトランジスタＴ１，Ｔ２と、トランジスタＴ１と電気的に接続された磁気抵抗素子１０が示されている。磁気抵抗素子１０は、下部電極層１７と上部電極層１８とによって挟まれている。
【００１６】
下部電極層１７は、磁気抵抗素子１０とトランジスタＴ１のドレインＤとを電気的に接続する。上部電極層１８は、磁気抵抗素子１０とビット線である配線層Ｌ８とを電気的に接続する。
【００１７】
トランジスタＴ１のドレインＤと、下部電極層１７とは、コンタクトＣ４と、配線層Ｌ４と、コンタクトＣ７と、コンタクトＣ９と、配線層Ｌ６等を介して電気的に接続する。
【００１８】
トランジスタＴ１のソースＳは、コンタクトＣ３を介して、ソース線である配線層Ｌ３と電気的に接続する。
【００１９】
また、トランジスタＴ１のゲートＧには、図示しないワード線ＷＬが電気的に接続する。
【００２０】
更に、半導体装置１は、コンタクトＣ１〜Ｃ１０及び配線層Ｌ１〜Ｌ８を埋め込む絶縁層Ｄ１〜Ｄ６を備える。
【００２１】
次に、磁気抵抗素子１０の構造を、図２を参照して、以下に説明する。
【００２２】
磁気抵抗素子１０は、下部電極層１７上に配置される。磁気抵抗素子１０上には、上部電極層１８が配置される。
【００２３】
磁気抵抗素子１０は、第１磁場印加層１１と、スペーサ層１２と、第１磁性層１３と、バリア絶縁層１４と、第２磁性層１５と、第２磁場印加層１６を有する。
【００２４】
本実施形態では、磁気抵抗素子１０は、磁性層の磁化が厚さ方向に配向する垂直型構造を有しており、第１磁性層１３が磁化自由層として働き、第２磁性層１５が磁化固定層として働く。
【００２５】
第１磁性層１３は、強磁性体により形成される第１強磁性体層１３ｂと、第１強磁性体層１３ｂの磁化の向きを制御する第１磁化制御層１３ａとが積層して形成される。
【００２６】
第１強磁性体層１３ｂは、界面垂直により、厚さ方向に磁化の向きが配向している。第１磁化制御層１３ａは、第１強磁性体層１３ｂの界面の磁化の向きを厚さ方向に配向させることを補助する。
【００２７】
同様に、第２磁性層１５は、強磁性体により形成される第２強磁性体層１５ｂと、第２強磁性体層１５ｂの磁化の向きを制御する第２磁化制御層１５ａとが積層して形成される。
【００２８】
第２強磁性体層１５ｂは、界面垂直により、厚さ方向に磁化の向きが配向している。第２磁化制御層１５ａは、第２強磁性体層１５ｂの界面の磁化の向きを厚さ方向に配向させることを補助する。
【００２９】
一般に、強磁性体層の厚さが薄い場合には、界面垂直を用いて強磁性体層の磁化の向きを厚さ方向に配向させることができる。
【００３０】
なお、強磁性体層の磁化の向きが層と平行な向きに配向する水平型構造では、第１磁性層及び第２磁気層は、第１磁化制御層及び第２磁化制御層を有していなくても良い。一般に、水平型構造では、強磁性体層の厚さを、垂直型構造の時よりも厚くすることができる。
【００３１】
第１磁場印加層１１及び第２磁場印加層１６は、自発磁化を有し、それぞれの磁場の向きは反対である。第２磁場印加層１６が発生する磁場を用いて、第２強磁性体層１５ｂの磁化の向きを厚さ方向に配向させることにより、第２強磁性体層１５ｂを磁化固定層とする。
【００３２】
第２磁場印加層１６が発生する磁場は、バリア絶縁層１４の下に位置する第１磁性層１３の第１強磁性体層１３ｂにも及ぶ。第１磁場印加層１１は、第２磁場印加層１６が発生する磁場とは反対の向きを有し且つ同じ大きさの磁場を、第１強磁性体層１３ｂに印加することにより、第２磁場印加層１６が第１強磁性体層１３ｂに及ぼす磁場を打ち消す。浮遊磁場状態となった第１強磁性体層１３ｂは、磁化自由層として働く。
【００３３】
第１磁場印加層１１及び第２磁場印加層１６の製造工程において、それぞれを磁化する時に保持力差を利用するので、第１磁場印加層１１の厚さは、第２磁場印加層１６よりも厚く形成される。
【００３４】
スペーサ層１２は、第１磁場印加層１１が第１強磁性体層１３ｂに印加する磁場の強さを調整するために配置される。スペーサ層１２の厚さを薄くすると、第１磁場印加層１１が第１強磁性体層１３ｂに印加する磁場が強くなり、スペーサ層１２の厚さを厚くすると、第１磁場印加層１１が第１強磁性体層１３ｂに印加する磁場が弱くなる。
【００３５】
バリア絶縁層１４は、電気絶縁性を有し、磁気抵抗素子１０の読み出し又は書き込み動作時以外における第１磁性層１３と第２磁性層１５との間の電子の移動を防止する。磁気抵抗素子１０の読み出し又は書き込み動作時には、トンネル電流により、第１磁性層１３と第２磁性層１５との間に電子が移動する。
【００３６】
バリア絶縁層１４の周縁は、第１磁性層１３及び第２磁性層１５の周囲よりも内側に位置しており、バリア絶縁層１４ｄの周囲に沿って、窪み部Ｒが設けられている。窪み部Ｒは、バリア絶縁層１４の周縁から外方に延出した第１磁性層１３及び第２磁性層１５の部分に挟まれている。
【００３７】
窪み部Ｒは、磁気抵抗素子１０の製造工程において、スペーサ層１２又は第１磁場印加層１１等を形成する金属原子が、バリア絶縁層１４の側部に付着して、第１磁性層１３と第２磁性層１５とを短絡させるか、又は下部電極層１７と上部電極層１８とを短絡させることを防止する。
【００３８】
バリア絶縁層１４の周囲に窪み部Ｒを設けることにより、イオンミリング等のドライエッチングにより飛散した金属原子が、バリア絶縁層１４に到達して、第１磁性層１３と第２磁性層１５とを短絡する構造物が生成することが防止される。窪み部Ｒについては、後程、半導体装置１の製造方法の説明において、更に詳述する。
【００３９】
下部電極層１７は、製造工程においてエッチングストッパとして働くエッチングストッパ層１７ａと、第１下部電極層１７ｂと、第２下部電極層１７ｃとが積層して形成される。エッチングストッパ層１７ａは、配線層Ｌ６と電気的に接続する。
【００４０】
上部電極層１８は、製造工程においてエッチングストッパとして働くエッチングストッパ層１８ａと、上部電極本体層１８ｂとが積層して形成される。上部電極本体層１８ｂは、配線層Ｌ８と電気的に接続する。
【００４１】
図３（Ａ）は、図１の半導体装置の１つのセルの回路図であり、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）は、磁気抵抗素子の動作を説明する図である。
【００４２】
半導体装置１では、１つのメモリセルは、１つのトランジスタＴ１及び１つの磁気抵抗素子１０を含む。トランジスタＴ１のゲート電極Ｇがワード線ＷＬに接続され、ソースＳがソース線ＳＬ（Ｌ３）に接続される。トランジスタＴ１のドレインＤは、磁気抵抗素子１０を介してビット線ＢＬ（Ｌ８）に接続される。図示しない制御回路が、書き込み又は読み出しを行うべきセルに対応するワード線ＷＬ、ソース線ＳＬ、及びビット線ＢＬに、書き込み又は読み出し用の信号を出力する。
【００４３】
図３（Ｂ）は、磁気抵抗素子１０が低抵抗状態のときの磁化の方向を示す。磁化固定層である第２強磁性体層１５ｂの磁化の方向と、磁化自由層である第１強磁性体層１３ｂの磁化の方向とが平行になっている。
【００４４】
図３（Ｃ）は、磁気抵抗素子１０が高抵抗状態のときの磁化の方向を示す。磁化固定層である第２強磁性体層１５ｂの磁化の方向と、磁化自由層である第１強磁性体層１３ｂの磁化の方向とが反平行になっている。
【００４５】
次に、磁気抵抗素子１０への書き込み処理について、以下に説明する。
【００４６】
磁気抵抗素子１０を低抵抗状態にするには、ソース線ＳＬからビット線ＢＬに書き込み電流を流す。このとき、磁化固定層である第２強磁性体層１５ｂの磁化と同じ向きにスピン偏極した電子が、第２強磁性体層１５ｂから磁化自由層である第１強磁性体層１３ｂに輸送される。スピン偏極した電子は、トンネル電流として、バリア絶縁層１４を透過する。第１強磁性体層１３ｂに輸送された電子により、第１強磁性体層１３ｂの磁化の向きが、第２強磁性体層１５ｂの磁化の向きと平行になる。これにより、磁気抵抗素子１０は、図３（Ｂ）に示した低抵抗状態になる。
【００４７】
磁気抵抗素子１０を高抵抗状態にするには、ビット線ＢＬからソース線ＳＬに書き込み電流を流す。このとき、磁化自由層である第１強磁性体層１３ｂから磁化固定層である第２強磁性体層１５ｂに電子が輸送される。電子は、トンネル電流として、バリア絶縁層１４を透過する。第２強磁性体層１５ｂの磁化の方向と反対向きにスピン偏極した電子は、反射されて第１強磁性体層１３ｂに戻る。スピン偏極した電子は、再び、トンネル電流として、バリア絶縁層１４を透過する。第１強磁性体層１３ｂに戻った電子により、第１強磁性体層１３ｂの磁化の向きが第２強磁性体層１５ｂの磁化の向きと反平行になる。これにより、磁気抵抗素子１０は、図３（Ｃ）に示した高抵抗状態になる。
【００４８】
次に、読出し処理について説明する。ソース線ＳＬとビット線ＢＬとの間に読み出し電圧を印加すると、磁気抵抗素子１０に、その抵抗に応じた電流が流れる。この電流の大きさにより、低抵抗状態又は高抵抗状態かを判定することができる。ここで、読み出し電流の大きさは、磁化自由層である第１強磁性体層１３ｂの磁化の向きが変化しないように調節される。
【００４９】
図１から図３に示す半導体装置１は、１トランジスタ-１磁気抵抗素子の構造を有するが、半導体装置１は、１トランジスタ-２磁気抵抗素子の構造を有していても良い。
【００５０】
図３を参照して説明したように、磁気抵抗素子１０を用いて、書き込み又は読み出しの動作をさせるには、第１強磁性体層１３ｂと第２強磁性体層１５ｂとは、バリア絶縁層１４により電気的に絶縁されていることが求められる。
【００５１】
一方、イオンミリング等のドライエッチング法を用いて、磁気抵抗素子１０を形成する際には、入射イオンから運動エネルギーを受け取った金属原子が周囲に飛散する。リスパッタ等により飛散した金属原子の一部は、バリア絶縁層１４に到達して、第１強磁性体層１３ｂと第２強磁性体層１５ｂとを短絡する構造物を生成するおそれがある。
【００５２】
このように、第１強磁性体層１３ｂと第２強磁性体層１５ｂとが短絡すると、磁気抵抗素子１０を用いて、書き込み又は読み出しの動作を行うことが正常に行えなくなる場合がある。
【００５３】
そこで、本明細書に開示する磁気抵抗素子の製造方法では、バリア絶縁層１４の周囲に窪み部Ｒを設けて磁気抵抗素子１０を形成することにより、第１強磁性体層１３ｂと第２強磁性体層１５ｂとを短絡する構造物が生成することを防止する。
【００５４】
次に、上述した磁気抵抗素子を備えた半導体装置の製造方法の好ましい一実施形態の工程を、図面を参照しながら、以下に説明する。
【００５５】
以下、本実施形態では、図１に示す鎖線で囲まれた要部の製造工程について説明する。
【００５６】
まず、図４に示すように、基板２上にコンタクトＣ８，Ｃ９及び配線層Ｌ５，Ｌ６が形成された絶縁層Ｄ４が形成される。
【００５７】
次に、図５に示すように、絶縁層Ｄ４上に、下部電極層を形成するための第１積層体Ｓ１と、磁気抵抗素子を形成するための第２積層体Ｓ２と、上部電極層を形成するための第３積層体Ｓ３とが形成される。そして、第３積層体Ｓ３上には、第３積層体Ｓ３をパターニングするのに使用するマスクＭ１が形成される。
【００５８】
第１積層体Ｓ１、第２積層体Ｓ２及び第３積層体Ｓ３の具体的な構造は、後述する図８を参照されたい。
【００５９】
そして、積層体が形成された基板２に対して磁場を印加しながら加熱処理して、第１磁場印加層１１及び第２磁場印加層１６を磁化すると共に、磁性層の結晶化を行う。具体的には、厚さが厚い第１磁場印加層１１を磁化した後、厚さが薄い第２磁場印加層１６を第１磁場印加層１１とは反対の向きに磁化する。なお、この工程では、加熱処理による磁性層の結晶化を行って、第１磁場印加層１１及び第２磁場印加層１６の磁化を、後の工程で行っても良い。
【００６０】
次に、図６に示すように、マスクＭ１をパターニングするためのマスクＭ２が、マスクＭ１上に形成される。
【００６１】
次に、図７に示すように、マスクＭ２を用いて、マスクＭ１がパターニングされた後、マスクＭ２が除去される。そして、パターニングされたマスクＭ１を用いて、第３積層体Ｓ３がエッチングされて、上部電極層１８が形成される。図７中の鎖線で囲まれた部分を拡大して、図８に示す。
【００６２】
図８に示すように、第１積層体Ｓ１は、エッチングストッパ層１７ａと、第１下部電極層１７ｂと、第２下部電極層１７ｃとが積層して形成される。エッチングストッパ層１７ａとして、例えば、厚さ５ｎｍのＴａを用いることができる。第１下部電極層１７ｂとして、例えば、厚さ１０ｎｍのＲｕを用いることができる。第２下部電極層１７ｃとして、例えば、厚さ１５ｎｍのＴａを用いることができる。
【００６３】
第２積層体Ｓ２は、第１磁場印加層１１と、スペーサ層１２と、第１磁性層１３と、バリア絶縁層１４と、第２磁性層１５と、第２磁場印加層１６とが積層して形成される。第１磁性層１３は、第１磁化制御層１３ａと第１強磁性体層１３ｂとが積層して形成される。第２磁性層１５は、第２磁化制御層１５ａと第２強磁性体層１５ｂとが積層して形成される。
【００６４】
第１磁場印加層１１として、例えば、厚さ１４ｎｍのＣｏ／Ｐｔ等の遷移金属を含む強磁性体を用いることができる。スペーサ層１２として、例えば、厚さ４ｎｍのＲｕ等の遷移金属を用いることができる。第１磁化制御層１３ａとして、例えば、厚さ１ｎｍのＴａ等の遷移金属を用いることができる。第１強磁性体層１３ｂとして、例えば、厚さ１ｎｍのＣｏＦｅＢ等の遷移金属を含む強磁性体を用いることができる。バリア絶縁層１４として、例えば、厚さ１ｎｍのＭｇＯ等の電気絶縁体を用いることができる。第２磁化制御層１５ａとして、例えば、厚さ０．５ｎｍのＴａ等の遷移金属を用いることができる。第２強磁性体層１５ｂとして、例えば、厚さ１．２ｎｍのＣｏＦｅＢ等の遷移金属を含む強磁性体を用いることができる。第２磁場印加層１６として、例えば、厚さ８ｎｍのＣｏ／Ｐｔ等の遷移金属を含む強磁性体を用いることができる。
【００６５】
上部電極層１８は、エッチングストッパ層１８ａと、上部電極本体層１８ｂとが積層して形成される。エッチングストッパ層１８ａとして、例えば、厚さ８ｎｍのＲｕを用いることができる。上部電極本体層１８ｂとして、例えば、厚さ１００ｎｍのＴａを用いることができる。
【００６６】
次に、図９に示すように、マスクＭ１が積層された上部電極層１８をマスクとして、第１磁性層１３の途中の深さまで第２積層体Ｓ２がエッチングされる。第２積層体Ｓ２は、第１磁性層１３を残しつつ絶縁層１４を露出するようにエッチングされる。
【００６７】
第２積層体Ｓ２のエッチング法として、物理的エッチングを主体としたドライエッチングを用いることが、遷移金属を含む積層体をエッチングする上で好ましい。また、第２積層体Ｓ２のエッチングにエッチング選択性を持たせる上で、化学的エッチングを併用することが好ましい。
【００６８】
第２積層体Ｓ２のエッチング選択性としては、上部電極層１８、特に上部電極本体層１８ｂに対するエッチング速度よりも、第２積層体Ｓ２に対するエッチング速度が大きいことが好ましい。上部電極本体層１８ｂは、マスクとして用いられると共に、将来、磁気抵抗素子の上部電極層として使用されるので、第２積層体Ｓ２のエッチング後も第２積層体Ｓ２上に残しておくことが求められる。
【００６９】
具体的には、第２積層体Ｓ２をエッチングするエッチングガスとして、ＣＯ／ＮＨ３の混合ガス又はＣＨ３ＯＨを用いることができる。このようなエッチングガスを用いることにより、上部電極本体層１８ｂを形成するＴａに対するエッチング速度を、第２強磁性体層１５ｂを形成するＣｏＦｅＢに対するエッチング速度の１／１０程度にすることができる。また、上部電極本体層１８ｂを形成するＴａに対するエッチング速度を、バリア絶縁層１４を形成するＭｇＯに対するエッチング速度の１／１０程度にすることができる。
【００７０】
また、第２強磁性体層１５ｂに対するエッチング速度と、バリア絶縁層１４に対するエッチング速度とが近いことが、第２積層体Ｓ２が不均一な形状にエッチングされることを防止する上で好ましい。
【００７１】
具体的には、ＣＯ／ＮＨ３の混合ガスにおけるＮＨ３の比率を増加すると、ＣｏＦｅＢとＭｇＯのエッチング速度が近づくが、同時に上部電極本体層１８ｂを形成するＴａに対するエッチング速度が増加する。そこで、両者のエッチング選択性を考慮して、ガスの比率が決定され得る。例えば、Ｔａのエッチング速度を抑えると、ＣｏＦｅＢとＭｇＯとのエッチング速度比は、３：１程度になる。
【００７２】
第１磁性層１３をエッチングする深さについては、例えば、図９中の鎖線で示すように、第１強磁性体層１３ｂの途中の深さか、又は、図９中の実線で示すように、第１磁化制御層１３ａが露出する位置とすることができる。
【００７３】
第１磁性層１３の途中の深さを検出する方法として、例えば、プラズマ発光法を用いることができる。
【００７４】
マスクＭ１は、このエッチング中に除去されて、上部電極本体層１８ｂが露出し、上部電極本体層１８ｂの一部もエッチングされて厚さが薄くなる。
【００７５】
次に、図１０に示すように、第１磁性層１３と第２磁性層１５とに挟まれたバリア絶縁層１４の露出している部分をエッチングして、第２積層体Ｓ２に窪み部Ｒが形成される。
【００７６】
バリア絶縁層１４に対するエッチング速度は、第２磁性層１５に対するエッチング速度よりも大きいことが、窪み部Ｒを形成する上で好ましい。
【００７７】
本実施形態では、還元性ガスと不活性ガスとを含むエッチングガスを用いて、バリア絶縁層１４の露出している部分をエッチングし、第２積層体Ｓ２に窪み部Ｒを形成する。
【００７８】
具体的には、還元性ガスとして、アンモニア（ＮＨ３）又は水素（Ｈ２）を用いることができる。また、不活性ガスとして、アルゴン（Ａｒ）又はクリプトン（Ｋｒ）又はキセノン（Ｘｅ）を用いることができる。
【００７９】
例えば、バリア絶縁層１４がＭｇＯ等の酸化物により形成されている場合には、還元性ガスにより酸化物が還元されて、例えばＭｇＯがＭｇに還元される。還元されたＭｇは、ＭｇＯの状態よりもエッチングされ易いので、エッチング速度が向上する。
【００８０】
上述したエッチングガスを用いて、第２積層体Ｓ２をエッチングすることにより、バリア絶縁層１４に対するエッチング速度と、第２磁性層１５に対するエッチング速度との比を、例えば１：１．５〜３の範囲にすることができる。
【００８１】
上述したように上部電極本体層１８ｂ及び第１磁化制御層１３ａがＴａを用いて形成されており、第１強磁性体層１３ｂがＣｏＦｅＢを用いて形成されている場合、還元性ガスと不活性ガスとを含むエッチングガスによるエッチングでは、Ｔａに対するエッチング速度は、ＣｏＦｅＢに対するエッチング速度よりも遅い。
【００８２】
そこで、図１０に示すように、第１磁性層１３を、第１磁化制御層１３ａが露出するまでエッチングした後に窪み部Ｒを形成すると、Ｔａにより形成される上部電極本体層１８ｂの厚さの減少を抑制しつつ、窪み部Ｒを形成することができる。
【００８３】
窪み部Ｒを形成するイオンスパッタリングの条件としては、例えば、圧力を４Ｐａとして、ＲＦパワーを５００Ｗとすることができる。エッチングガスの流量としては、例えば、還元性ガスを１００ｓｃｃｍとし、不活性ガスを５０ｓｃｃｍとすることができる。
【００８４】
次に、窪み部Ｒが有する好ましい形状について、以下に説明する。
【００８５】
図１１は、イオンスパッタリングによりリスパッタされた原子の窪み部への付着量の計算を説明する図である。図１２は、イオンスパッタリングによりリスパッタされた原子の窪み部への付着量の計算結果を示す図である。
【００８６】
窪み部Ｒの役割は、入射イオンから運動エネルギーを受け取ってリスパッタした金属原子が、バリア絶縁層１４に到達して、第１強磁性体層１３ｂと第２強磁性体層１５ｂとを短絡する構造物を形成することを防止することにある。
【００８７】
窪み部Ｒに付着する原子の付着量ＡＤは、図１１中の式（１）を用いて求めることができる。
【００８８】
ここで、ａは、窪み部Ｒの厚さであり、ｒは、窪み部Ｒの奥行きと厚さとのアスペクト比である。ここで、窪み部Ｒの厚さは、バリア絶縁層１４の厚さと同じである。入射イオンが打ち込まれる面と、窪み部Ｒの底面との間の距離は、パラメータｈを用いて、ｈ・ａで表される。窪み部Ｒの開口部からイオンが打ち込まれる位置までの距離は、ｘで表される。基板表面の鉛直方向を基準として、リスパッタした原子が窪み部Ｒに入射する角度をθで表す。
【００８９】
図１２に示すように、付着量ＡＤは、アスペクト比ｒがゼロから増加すると共に減少する。特に、アスペクト比ｒが、ゼロから１へ増加する時に、付着量ＡＤは急激に減少する。従って、アスペクト比ｒは、１以上、特に２以上にすることが、付着量ＡＤを抑制する上で好ましい。また、付着量ＡＤは、パラメータｈが大きい方が減少量が多い。これは、窪み部Ｒの底面の位置が高い程、下方からリスパッタして窪み部Ｒ内に入射する原子が低減するためである。
【００９０】
また、付着量ＡＤは、アスペクト比ｒが３以上、特に４を超えると、減少率が低下してくる。また、アスペクト比ｒが大きくなると、バリア絶縁層１４の体積が減少してトンネル電流も低減するおそれがある。更に、アスペクト比ｒが大きくなると、保護層２０が窪み部Ｒに充填されにくくもなる。
【００９１】
このような観点から、アスペクト比は、４以下、特に３以下にすることが好ましい。
【００９２】
次に、図１３に示すように、第１磁性層１３の残りの部分及びスペーサ層１２及び第１磁場印加層１１をエッチングして磁気抵抗素子１０が形成されると共に、下部電極層を形成する第１積層体Ｓ１が露出する。上部電極層１８は、上部電極本体層１８ｂの厚さが減少して厚さが薄くなった状態で、磁気抵抗素子１０上に残っている。図１３に示す工程のエッチング法としては、例えば、図９に示す工程のエッチング法と同じ方法を用いることができる。
【００９３】
図１４は、磁気抵抗素子１０が第１積層体Ｓ１上に配置された状態を、絶縁層Ｄ４と共に示す。
【００９４】
次に、図１５に示すように、磁気抵抗素子１０を保護する保護層２０が、絶縁層Ｄ４上に形成される。そして、保護層２０を覆うように、絶縁層Ｄ５が形成される。
【００９５】
次に、図１６に示すように、絶縁層Ｄ５及び保護層２０がパターニングされる。
【００９６】
次に、図１７に示すように、パターニングされた絶縁層Ｄ５及び保護層２０をマスクとして、第１積層体Ｓ１がエッチングされて、下部電極層１７が形成される。
【００９７】
次に、図１８に示すように、絶縁層Ｄ５上にエッチングストッパ層２１が形成されて、絶縁層Ｄ４上に電気絶縁体が積層されて厚さを厚くした後、絶縁層Ｄ５の表面が平坦化される。上部電極層１８は、表面に露出している。
【００９８】
次に、図１９に示すように、絶縁層Ｄ５及び上部電極層１８上に、絶縁層Ｄ６が形成される。
【００９９】
次に、図２０に示すように、コンタクトＣ１０と、配線層Ｌ７、Ｌ８が形成されて、図１に示す半導体装置１が得られる。
【０１００】
上述した半導体装置の製造方法によれば、第２積層体Ｓ２に窪み部Ｒを形成することにより、第１磁性層１３及び第２磁性層１５の短絡を防止して、磁気抵抗素子１０を有する半導体装置１を形成することができる。
【０１０１】
本発明では、上述した実施形態の磁気抵抗素子又は半導体装置及び磁気抵抗素子の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
【０１０２】
例えば、上述した実施形態では、磁気抵抗素子は、図２１（Ａ）に示すように、垂直型構造を有していたが、磁気抵抗素子は、図２１（Ｂ）に示すように、水平型構造を有していても良い。
【０１０３】
また、上述した実施形態では、磁気抵抗素子は、図２１（Ｃ）に示すように、磁化固定層がバリア絶縁層の上に配置されていたが、図２１（Ｄ）に示すように、磁化固定層は、バリア絶縁層の下に配置されていても良い。
【０１０４】
また、上述した実施形態では、磁気抵抗素子１０において、第１磁場印加層と、第２磁場印加層とは、絶縁層に対して反対側に配置されていたが、絶縁層に対して、同じ側に配置されていても良い。
【０１０５】
更に、上述した実施形態では、ドライエッチング法を用いて、窪み部Ｒを形成していたが、ウエットエッチング法を用いて、窪み部Ｒを形成しても良い。
【０１０６】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１０７】
１    半導体装置
２    基板
１０    磁気抵抗素子
１１    第１磁場印加層
１２    スペーサ層
１３    第１磁性層
１３ａ    第１磁化制御層
１３ｂ    第１強磁性体層
１４    バリア絶縁層
１５    第２磁性層
１５ａ    第２磁化制御層
１５ｂ    第２強磁性体層
１６    第２磁場印加層
１７    下部電極層
１７ａ    エッチングストッパ層
１７ｂ    第１下部電極層
１７ｃ    第２下部電極層
１８    上部電極層
１８ａ    エッチングストッパ層
１８ｂ    上部電極本体層
２０    保護層
２１    エッチングストッパ層
Ｒ    窪み部
Ｔ１、Ｔ２    トランジスタ
Ｃ１〜Ｃ１０    コンタクト
Ｌ１〜Ｌ８    配線層
Ｄ１〜Ｄ６    絶縁層
Ｍ１、Ｍ２    マスク
Ｓ１    第１積層体
Ｓ２    第２積層体
Ｓ３    第３積層体
【図１】
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【図２】
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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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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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