(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁性層を形成する工程と、前記第１の磁性層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上に第２の磁性層を形成する工程と、前記第２の磁性層上にハードマスク層を形成する工程と、前記ハードマスク層をマスクにして、クラスターイオンビームにより、前記第２の磁性層、前記トンネルバリア層及び前記第１の磁性層をパターニングする工程とを具備し、前記クラスターイオンビームを構成するクラスターイオンは、クラスターサイズの分布を持ち、前記クラスターサイズの分布のピーク値は、２００以上、１０００以下である磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
第１の磁性層を形成する工程と、前記第１の磁性層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上に第２の磁性層を形成する工程と、前記第２の磁性層上にハードマスク層を形成する工程と、前記ハードマスク層をマスクにして、モノマーイオンビームにより、前記第２の磁性層をパターニングする工程と、クラスターイオンビームにより、前記第１の磁性層をパターニングする工程とを具備し、前記クラスターイオンビームを構成するクラスターイオンは、クラスターサイズの分布を持ち、前記クラスターサイズの分布のピーク値は、２００以上、１０００以下である磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
第１の磁性層を形成する工程と、前記第１の磁性層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上に第２の磁性層を形成する工程と、前記第２の磁性層上にハードマスク層を形成する工程と、前記ハードマスク層をマスクにして、クラスターイオンビームにより、少なくとも前記第２の磁性層をパターニングするのに並行して前記第１及び第２の磁性層を部分的に非磁性化する工程とを具備し、前記クラスターイオンビームを構成するクラスターイオンは、クラスターサイズの分布を持ち、前記クラスターサイズの分布のピーク値は、２００以上、１０００以下である磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記クラスターイオンビームを照射した後に、クラスターサイズが１０００を越えるクラスターイオンであって、原子又は分子の１個当たりのエネルギーが１ｅＶ／個以下であるクラスターイオンを用いて、補助的に照射を行う請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記クラスターイオンビームを構成する全てのクラスターイオンのうちの７０％以上が、２００以上、１０００以下のクラスターサイズを有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記クラスターイオンを構成する原子又は分子の１個当たりのエネルギーは、３０ｅＶ／個以下である請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
前記パターニングにより、平面サイズが３０ｎｍ以下の前記磁気抵抗効果素子が形成される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
前記クラスターイオンは、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含む請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
前記クラスターイオンの照射中において、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、ＣＨ３ＯＣＨ３、ＨＦ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２、及び、ＣＨ３ＣＯＯＨのうちから選択される１つの分子を含むガスを前記クラスターイオンの照射面に供給する請求項８に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
前記非磁性化により、前記第１及び第２の磁性層の側壁部に２０ａｔ％を超える濃度の非磁性原子を有する不活性領域が形成される請求項３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】
前記非磁性原子は、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｏ、Ｎ、Ｃｌ、及び、Ｆのうちから選択される少なくとも１つを含む請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）などのストレージデバイスに使用される。磁気抵抗効果素子の基本構造は、磁性材料である磁気フリー層及び磁気ピンド層と、これらの間のトンネルバリア層とからなる３層の薄膜であり、磁気フリー層及び磁気ピンド層の磁化状態により情報を記憶する。
【０００３】
また、磁気抵抗効果素子は、情報の記憶方法（磁化反転）に関し、磁界により磁化反転を行うタイプ（磁界書き込み）と、電流により磁化反転を行うタイプ（スピントランスファ書き込み）の２種類が知られている。また、磁気抵抗効果素子は、磁気フリー層及び磁気ピンド層の磁化状態に関し、磁化方向が膜面に対して水平な方向を向くタイプ（面内磁化）と、磁化方向が膜面に対して垂直方向を向くタイプ（垂直磁化）の２種類が知られている。
【０００４】
近年、磁気抵抗効果素子のパターニングや、磁気抵抗効果素子の側壁部に存在する磁性層の非磁性化などに、クラスターイオンビーム（Cluster ion beam）を使用する方法が検討されている。
【０００５】
ここで、クラスターとは、複数の原子又は複数の分子が集まった集合体のことであり、複数の原子又は複数の分子は、１種類のみでもよいし、異なる複数の種類でもよい。また、原子と分子の集合によりクラスターが構成されていてもよい。複数の原子又は複数の分子が気体であるときのクラスターは、ガスクラスターと呼ばれ、複数の原子又は複数の分子は、ファンデルワールス力によって１つのクラスターとなる。
【０００６】
そして、クラスターをイオン化し、加速電圧によりクラスターにエネルギーを与えれば、クラスターイオンビームを生成することができる。
【０００７】
しかし、クラスターイオンビームを用いて磁気抵抗効果素子のパターニングを行うときは、ハードマスクが削り取られることによる磁気抵抗効果素子の加工精度の低下や、クラスターイオンを構成する原子又は分子がトンネルバリアと磁性層との界面に進入することによるトンネルバリアの実質的な厚さの増加などが問題となる。
【０００８】
また、クラスターイオンビームを用いて磁気抵抗効果素子の側壁部に存在する磁性層の非磁性化を行うときは、磁気抵抗効果素子の側壁部に注入されるクラスターイオンのドーズプロファイルのばらつきによる磁気抵抗効果素子の実効的なサイズのばらつき（エッジラフネス）が問題となる。
【０００９】
以上の磁気抵抗効果素子の加工精度の低下、トンネルバリアの実質的な厚さの増加や、磁気抵抗効果素子の実効的なサイズのばらつきなどは、磁気抵抗効果素子を備えるストレージデバイスの製造歩留まりの低下、さらにはコストアップを発生させる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 257 (2007), 677-682
【非特許文献２】Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 241 (2005), 609-613
【非特許文献３】Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 241 (2005), 618-621
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
実施形態は、クラスターイオンビームを用いた新たな磁気抵抗効果素子の製造方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施形態によれば、磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１の磁性層を形成する工程と、前記第１の磁性層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上に第２の磁性層を形成する工程と、前記第２の磁性層上にハードマスク層を形成する工程と、前記ハードマスク層をマスクにして、クラスターイオンビームにより、前記第２の磁性層、前記トンネルバリア層及び前記第１の磁性層をパターニングする工程とを備え、前記クラスターイオンビームを構成するクラスターイオンは、クラスターサイズの分布を持ち、前記クラスターサイズの分布のピーク値は、２００以上、１０００以下である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】製造方法の第１の実施例を示す図。
【図２】製造方法の第１の実施例を示す図。
【図３】クラスターサイズとマスク残存率との関係を示す図。
【図４】マスク断面とマスク残存率との関係を示す図。
【図５】クラスターサイズとトンネルバリア層の厚さとの関係を示す図。
【図６】オーバー比とマスク残存率との関係を示す図。
【図７】クラスターサイズの分布を示す図。
【図８】クラスターサイズと保磁力との関係を示す図。
【図９】クラスターサイズとテーパー角度との関係を示す図。
【図１０】製造方法の第２の実施例を示す図。
【図１１】製造方法の第３の実施例を示す図。
【図１２】製造方法の第３の実施例を示す図。
【図１３】製造方法の第４の実施例を示す図。
【図１４】製造方法の第５の実施例を示す図。
【図１５】製造方法の第５の実施例を示す図。
【図１６】製造方法の第５の実施例を示す図。
【図１７】製造方法の第５の実施例を示す図。
【図１８】製造方法の第５の実施例を示す図。
【図１９】製造方法の第５の実施例を示す図。
【図２０】製造方法の第６の実施例を示す図。
【図２１】製造方法の第６の実施例を示す図。
【図２２】エッジラフネスについて示す図。
【図２３】クラスターサイズとエッジラフネスとの関係を示す図。
【図２４】クラスターサイズと差分ΔＬＷとの関係を示す図。
【図２５】製造方法の第７の実施例を示す図。
【図２６】製造方法の第７の実施例を示す図。
【図２７】製造方法の第７の実施例を示す図。
【図２８】ＧＣＩＢ装置の概要を示す図。
【図２９】適用例としての磁気メモリを示す図。
【図３０】磁気メモリの製造方法を示す図。
【図３１】磁気メモリの製造方法を示す図。
【図３２】磁気メモリの製造方法を示す図。
【図３３】磁気メモリの製造方法を示す図。
【図３４】磁気メモリの製造方法を示す図。
【図３５】磁気メモリの製造方法を示す図。
【図３６】磁気メモリの製造方法を示す図。
【図３７】磁気メモリの製造方法を示す図。
【図３８】磁気メモリの製造方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１５】
［基本構成］
実施形態は、クラスターイオンビームを用いて、磁気抵抗効果素子のパターニング又は磁気抵抗効果素子の側壁部の非磁性化を行う製造方法に関する。
【００１６】
コンベンショナルな技術では、磁気抵抗効果素子のパターニングは、Ａｒなどの不活性ガスを用いるモノマーイオンビームエッチング（Ion beam etching: IBE）などによるのが一般的である。
【００１７】
ここで、モノマーイオンビームエッチングとは、１つの原子をイオン化し、加速電圧によりこれにエネルギーを与えて、モノマーイオンビームを発生させる方法であり、実施形態が対象とするクラスターイオンビームとは異なる。
【００１８】
また、モノマーイオンビームエッチングは、反応性イオンビームエッチング(Reactive ion beam etching)を含むものとする。
【００１９】
モノマーイオンビームによる磁気抵抗効果素子のパターニングでは、周知のように、磁性層のエッチング時に、被エッチング材としての磁性層の再付着層（re-deposition layer）が磁気抵抗効果素子の側壁部に形成され、磁気フリー層と磁気ピンド層とがショートしてしまう問題が発生する。
【００２０】
また、モノマーイオンビームは、磁気抵抗効果素子に、結晶劣化や結晶ひずみなどを発生させるため、磁気抵抗効果素子の磁気特性を劣化させる。
【００２１】
これに対し、クラスターイオンビームによる磁気抵抗効果素子のパターニングでは、再付着層によるショートや、磁気特性の劣化などの問題が発生しない。しかし、クラスターイオンビームエッチングにも、問題がないわけではない。
【００２２】
例えば、クラスターイオンビームエッチングでは、クラスターサイズを一定値に固定することが難しく、一般的には、クラスターサイズは、分布を持つことになる。この場合、加速電圧により１つのクラスターに与えられるエネルギーが同じであるとすると、クラスターサイズに応じて、原子又は分子の１個当たりのエネルギーにばらつき（分散）が発生することになる。結果として、大きなエネルギーを持つ原子又は分子によって、ハードマスクに覆われていない被エッチング面にダメージが発生する。
【００２３】
これを回避するためには、クラスターサイズをできるだけ大きく、例えば、１００００以上にすればよい。この場合、クラスターサイズの分布の幅が狭くなり、原子又は分子の１個当たりのエネルギーの分散を小さくすることができるからである。
【００２４】
ここで、クラスターサイズとは、クラスターを構成する原子又は分子の個数のことである。クラスターサイズのカウント方法は、クラスターを構成する要素が原子であるか、又は分子であるか、によって異なる。
【００２５】
即ち、クラスターが分子から構成されるときは、分子を基本単位としてカウントする。例えば、Ｃｌ２−ガスクラスターイオンの場合、Ｃｌ２分子を１個として、クラスターサイズをカウントする。また、クラスターが原子から構成されるときは、原子を基本単位としてカウントする。例えば、Ａｒ−ガスクラスターイオンの場合、Ａｒ原子を１個として、クラスターサイズをカウントする。
【００２６】
尚、クラスターイオンが原子と分子の混合からなるときも、原子については原子を基本単位とし、分子については分子を基本単位として、クラスターサイズをカウントする。
【００２７】
クラスターイオンビームを用いて磁気抵抗効果素子のパターニングを行うときは、上記問題に加えて、ハードマスクが削り取られることによる磁気抵抗効果素子の加工精度の低下や、クラスターイオンを構成する原子又は分子がトンネルバリアと磁性層との界面に進入することによるトンネルバリアの実質的な厚さの増加などが問題となる。
【００２８】
これを解決するために、クラスターサイズについて検討を行った結果、クラスターイオンビームを構成するクラスターイオンのクラスターサイズの分布のピーク値は、２以上、１０００以下に設定するのが望ましいことが判明した。
【００２９】
但し、上述のように、クラスターサイズが小さくなると、クラスターサイズの分布の幅が広くなり、原子又は分子の１個当たりのエネルギーの分散が大きくなる。
【００３０】
そこで、原子又は分子の１個当たりのエネルギーの分散による被エッチング面（例えば、磁性層）のダメージについては、ダメージを回復するアニール効果を有する補助的なＧＣＩＢ（Gas cluster ion beam）照射を行うことにより、又は、ダメージが発生した部分を非磁性化（不活性化）することにより、解消する。
【００３１】
非磁性化については、例えば、磁気抵抗効果素子のパターニング後、又は、磁気抵抗効果素子のパターニングに並行して実行する。この非磁性化は、例えば、磁化方向が可変である磁気フリー層が下層（基板側）であり、磁化方向が不変である磁気ピンド層が上層である磁気抵抗効果素子に採用される技術でもある。
【００３２】
例えば、磁化方向が膜面に対して垂直方向を向くタイプ（垂直磁化）の磁気抵抗効果素子では、磁気フリー層を下層とすることにより磁気特性が向上することが知られている。この場合、磁気フリー層の平面サイズが磁気ピンド層の平面サイズよりも大きくなると、磁化反転特性が劣化するため、クラスターイオンの注入により磁気フリー層の一部を非磁性化（不活性化）し、磁気フリー層の実効的なサイズを小さくすることが行われる。
【００３３】
この磁気抵抗効果素子の側壁部の非磁性化においても、クラスターサイズについて検討を行った結果、クラスターイオンビームを構成するクラスターイオンのクラスターサイズの分布のピーク値は、２以上、１０００以下であるのが望ましいことが判明した。
【００３４】
このクラスターサイズにすることにより、磁気抵抗効果素子の側壁部に注入されるクラスターイオンのドーズプロファイルのばらつきが緩和され、磁気抵抗効果素子の実効的なサイズのばらつき（エッジラフネス）が小さくなるからである。
【００３５】
尚、磁気抵抗効果素子のパターニング中に発生する全てのクラスターイオンのうちの７０％以上を、２以上、１０００以下の原子又は分子の集合体とする、即ち、クラスターサイズが１０００を超えるクラスターイオンの割合（オーバー比）を、３０％未満にするとき、上述の磁気抵抗効果素子の加工精度の低下、トンネルバリアの実質的な厚さの増加、磁気抵抗効果素子の実効的なサイズのばらつきなどの問題の解消にさらに有効であることも確認した。
【００３６】
また、上述のクラスターイオンビームを用いる製造方法は、特に、磁気抵抗効果素子の平面サイズが３０ｎｍ以下になったときに有効である。
【００３７】
ここで、平面サイズとは、磁気抵抗効果素子をその上部（基板の上部）からみたときのサイズを意味する。例えば、基板の上部からみたときの磁気抵抗効果素子が円形のときは、平面サイズは、円の直径であり、基板の上部からみたときの磁気抵抗効果素子が正方形のときは、平面サイズは、一辺の長さである。
【００３８】
［第１の実施例］
図１及び図２は、磁気抵抗効果素子の製造方法の第１の実施例を示している。
【００３９】
この製造方法は、磁気抵抗効果素子のパターニングに関する。
【００４０】
まず、図１に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、下地層１１上に、第１の磁性層１２、トンネルバリア層１３、第２の磁性層１４及びハードマスク層１５を、順次、形成する。下地層１１は、例えば、下部電極となり、ハードマスク層１５は、上部電極となる。下地層１１及びハードマスク層１５は、例えば、共に、金属又は合金を備える。
【００４１】
第１及び第２の磁性層１２，１４は、面内磁化及び垂直磁化のうちの１つを有する。また、第１及び第２の磁性層１２，１４のうちの１つは、磁化方向が可変である磁気フリー層であり、他の１つは、磁化方向が不変である磁気ピンド層である。
【００４２】
ここで、「磁化方向が可変である」とは、磁化方向を反転するための磁化反転電流又は磁界を印加すると、磁化方向が変化することを意味する。また、「磁化方向が不変である」とは、磁化方向を反転するための磁化反転電流又は磁界を印加しても、磁化方向が変化しないことを意味する。
【００４３】
また、例えば、第１及び第２の磁性層１２，１４が垂直磁化を有するとき、第１の磁性層１２が、磁化方向が可変である磁気フリー層であり、第２の磁性層１４が、磁化方向が不変である磁気ピンド層であるのが望ましい（トップピン型）。この場合、下地層１１は、その上部に垂直磁化の磁性層を成長させるために必要な材料（結晶構造及び組成を含む）を備える。
【００４４】
第１及び第２の磁性層１２，１４は、例えば、ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔなどのＬ１０構造又はＬ１１構造を持つ強磁性材料、ＣｏＦｅＢなどの軟磁性材料、ＴｂＣｏＦｅなどのフェリ磁性材料、ＮｉＦｅ、Ｃｏなどの磁性材料とＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性材料との積層構造からなる人工格子のうちから選択される。
【００４５】
トンネルバリア層１３は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。この時点（クラスターイオンビームエッチング前）のトンネルバリア層１３の厚さ（初期厚さ）は、ｔ０である。また、ハードマスク層１５は、例えば、タンタル（Ｔａ）である。
【００４６】
尚、第２の磁性層１４を磁気ピンド層として使用するとき、上述の積層構造を形成するステップにおいて、トンネルバリア層１３と第２の磁性層１４との間に、界面層（Interfacial layer: IFL）をさらに形成してもよい。この界面層は、例えば、ＣｏＦｅＢを備える。
【００４７】
また、第２の磁性層１４を磁気ピンド層として使用するとき、第２の磁性層１４は、磁気ピンド層としての磁性層と、磁気ピンド層からの漏洩磁界（stray magnetic field）を打ち消す働きを持つバイアス磁界層とを含むのが望ましい。また、この場合、下地層１１も、バイアス磁界層を含んでいるのが望ましい。
【００４８】
次に、図２に示すように、周知の技術であるリソグラフィ及びクラスターイオンビームエッチングを用いて、磁気抵抗効果素子のパターニングを行なう。
【００４９】
即ち、ＰＥＰ(Photo engraving process)を用いて、ハードマスク層１５上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層をマスクにして、ハードマスク層１５をパターニングする。この後、フォトレジスト層を除去する。
【００５０】
続けて、ハードマスク層１５をマスクにして、例えば、ＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）エッチングにより、第２の磁性層１４、トンネルバリア層１３及び第１の磁性層１２を、順次、エッチングする。
【００５１】
このＧＣＩＢエッチングは、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６を用いて行われる。
【００５２】
クラスターイオン１６は、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含む。
【００５３】
このＧＣＩＢエッチングにより、磁気抵抗効果素子のパターニングが完了する。
【００５４】
尚、クラスターイオンビームエッチング後のトンネルバリア層１３の厚さは、ｔ１である。
【００５５】
［クラスターサイズとマスク残存率との関係］
磁気抵抗効果素子のパターニングに使用するクラスターイオンのクラスターサイズとハードマスク層のマスク残存率との関係について考察する。
【００５６】
サンプルとしての磁気抵抗効果素子は、上述の第１の実施例の構造を有する。
【００５７】
例えば、図１において、下地層１１及びハードマスク層１５は、Ｔａとし、第１の磁性層（磁気フリー層）１２は、［Ｃｏ／Ｐｔ］６及びＣｏＦｅＢの積層とし、トンネルバリア層１３は、ＭｇＯとし、第２の磁性層（磁気ピンド層）１４は、ＣｏＦｅＢ、Ｔａ、ＣｏＦｅＢ、Ｔｂ−Ｃｏ−Ｆｅ及びＲｕの積層とする。
【００５８】
即ち、磁気抵抗効果素子は、下層から上層に向かって、Ta / [Co/Pt]6 / CoFeB / MgO / CoFeB / Ta / CoFeB / Tb-Co-Fe / Ru / Ta の積層構造を有する。
【００５９】
但し、［Ｃｏ／Ｐｔ］６は、Ｃｏ層及びＰｔ層の積層をさらに６層積み重ねた構造のことであり、Ｔｂ−Ｃｏ−Ｆｅは、Ｔｂ、Ｃｏ及びＦｅを含む、それらの組成比が限定されない合金のことである。
【００６０】
また、ハードマスク層１５は、底面が直径２５ｎｍの円であり、高さが５０ｎｍの円柱形を有するものとする。
【００６１】
ＧＣＩＢエッチングは、Ｃｌ原子及びＫｒ原子を含む（Ｃｌ：２０％）クラスターイオンを用いて行うものとする。また、クラスターイオンのクラスターサイズは、分布を持ち、かつ、ピーク値（最も多いクラスターサイズ）を有するものとする。
【００６２】
このような前提条件の下で、図２に示すように、ハードマスク層１５をマスクにして、ＧＣＩＢエッチングにより、磁気抵抗効果素子のパターニングを行う。
【００６３】
そして、クラスターサイズとハードマスク層の残存率（マスク残存率）との関係を調べてみたところ、図３に示すような関係を得ることができた。
【００６４】
但し、この結果は、以下のパラメータとしての各条件において、ピーク値のクラスターサイズを有するクラスターイオンにおける原子又は分子の１個当たりのエネルギー又はその平均値が同じ（例えば、５ｅＶ／個）であると仮定したものである。即ち、例えば、クラスターイオン内の原子又は分子には均等にエネルギーが配分されるものとする。
【００６５】
・条件１（○印）  
クラスターサイズの分布のピーク値を１００００とし、クラスターイオンの加速電圧を５０ｋＶとする。この場合、クラスターサイズ１００００のクラスターイオンにおける原子又は分子の１個当たりのエネルギー又はその平均値は、５ｅＶ／個である。
【００６６】
・条件２（○印）  
クラスターサイズの分布のピーク値を５０００とし、クラスターイオンの加速電圧を２５ｋＶとする。この場合、クラスターサイズ５０００のクラスターイオンにおける原子又は分子の１個当たりのエネルギー又はその平均値は、５ｅＶ／個である。
【００６７】
・条件３（○印）  
クラスターサイズの分布のピーク値を１０００とし、クラスターイオンの加速電圧を５ｋＶとする。この場合、クラスターサイズ１０００のクラスターイオンにおける原子又は分子の１個当たりのエネルギー又はその平均値は、５ｅＶ／個である。
【００６８】
・条件４（○印）  
クラスターサイズの分布のピーク値を２００とし、クラスターイオンの加速電圧を１ｋＶとする。この場合、クラスターサイズ２００のクラスターイオンにおける原子又は分子の１個当たりのエネルギー又はその平均値は、５ｅＶ／個である。
【００６９】
・条件５（□印）  
クラスターサイズを特に規定しない（サイズセレクト無し）の場合であり、この場合は、条件２と同じであるものとする。
【００７０】
・条件６（○印）  
モノマーイオンビームによりパターニングを行う。Ｃｌ原子及びＫｒ原子を含むガス雰囲気中において、ＲＩＥ（Reactive Ion beam Etching）により、加速電圧５００Ｖで、磁気抵抗効果素子のパターニングを行う。基板温度（ステージ温度）は、２５０℃とする。
【００７１】
尚、マスク残存率は、図４に示すように、ＧＣＩＢエッチング前（条件６においてはＲＩＥ前）のハードマスク層１５の高さｈ１と、ＧＣＩＢエッチング後（条件６においてはＲＩＥ後）のハードマスク層１５の高さｈ２との比（ｈ２／ｈ１）のことであり、この比は、断面透過型電子顕微鏡（XTEM）により確認した。
【００７２】
図３及び図４から明らかなように、モノマーイオンビームによるマスク残存率（約０．７）のラインＡを基準にすると、クラスターイオンのクラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるときに、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良好な結果が得られることが分かる。
【００７３】
例えば、条件１でのマスク残存率は、約０．２５、条件２及び５のマスク残存率は、約０．４であり、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも悪い結果となっている。これに対し、条件３のマスク残存率は、約０．７、条件４のマスク残存率は、約０．８であり、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良い結果となっている。
【００７４】
また、上記の結果は、クラスターイオンの成分に依存しないことも確認できた。
【００７５】
即ち、この例では、Ｃｌ原子とＫｒ原子を含むクラスターイオンを用いたが、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含むクラスターイオンにおいても、同様の結果を得ることができる。
【００７６】
［クラスターサイズとトンネルバリア層の厚さとの関係］
磁気抵抗効果素子のパターニングに使用するクラスターイオンのクラスターサイズとトンネルバリア層の厚さとの関係について考察する。
【００７７】
サンプルとしての磁気抵抗効果素子は、上述の「クラスターサイズとマスク残存率との関係」で使用したサンプルと同じ前提条件で製造するものとする。また、パラメータとしての条件（条件１〜条件６）についても、上述の「クラスターサイズとマスク残存率との関係」と同じとする。
【００７８】
このような条件の下で、図２に示すように、ハードマスク層１５をマスクにして、ＧＣＩＢエッチングにより、磁気抵抗効果素子のパターニングを行う。
【００７９】
そして、クラスターサイズとトンネルバリア層の厚さとの関係を調べてみたところ、図５に示すような関係を得ることができた。
【００８０】
ここで、トンネルバリア層の厚さは、パターニング後の磁気抵抗効果素子を上面からみたときの中心部の厚さとする。また、パターニング前の磁気抵抗効果素子のトンネルバリア層の厚さ（中心部）ｔ０は、１ｎｍであるものとする。
【００８１】
尚、トンネルバリア層の厚さ（中心部）は、ＧＣＩＢエッチング前（条件６においてはＲＩＥ前）及びＧＣＩＢエッチング後（条件６においてはＲＩＥ後）において、それぞれ、断面透過型電子顕微鏡（XTEM）により確認した。
【００８２】
図５から明らかなように、モノマーイオンビームによるパターニング後のトンネルバリア層の厚さ（約１．５ｎｍ）ｔ１のラインＢを基準にすると、クラスターイオンのクラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるときに、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良好な結果が得られることが分かる。
【００８３】
例えば、条件１でのＧＣＩＢエッチング後のトンネルバリア層の厚さｔ１は、約２．８ｎｍ、条件２及び５でのＧＣＩＢエッチング後のトンネルバリア層の厚さｔ１は、約１．７ｎｍであり、初期厚さｔ０（１ｎｍ）よりも大幅に増えており、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも悪い結果となっている。これに対し、条件３及び条件４でのＧＣＩＢエッチング後のトンネルバリア層の厚さｔ１は、共に、初期厚さｔ０（１ｎｍ）と同じ又はほぼ同じである約１ｎｍであり、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良い結果となっている。
【００８４】
また、上記の結果は、クラスターイオンの成分に依存しないことも確認できた。
【００８５】
即ち、この例では、Ｃｌ原子とＫｒ原子を含むクラスターイオンを用いたが、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含むクラスターイオンにおいても、同様の結果を得ることができる。
【００８６】
尚、パターニング後にトンネルアリア層の厚さｔ１が初期厚さｔ０よりも増加する原因について検証したところ、その原因は、クラスターイオンを構成する原子又は分子の一部がトンネルバリア層と磁性層との界面に進入し、磁性層を構成する磁性原子と化合物（非導電物質）を構成することにあることが判明した。
【００８７】
例えば、上述の条件１、２及び５のサンプルについて、ＧＣＩＢエッチング後のトンネルバリア層（中心部）の組成をTEM-EELSにて分析したところ、クラスターイオンを構成するＣｌ原子が検出された。
【００８８】
これは、クラスターサイズの分布のピーク値が１０００を超えると、クラスターイオンの被エッチング面への多体衝突に伴い、磁気抵抗効果素子の表面温度が高温化すると共に、衝突後に大きなエネルギーを得た原子又は分子がトンネルバリア層の中心部に向かって拡散し、それが磁性層と化合物（Ｃｌ原子の場合は塩化物）を構成するためと想定される。
【００８９】
これに対し、上述の条件３及び４のサンプルについては、ＧＣＩＢエッチング後のトンネルバリア層（中心部）の組成をTEM-EELSにて分析したところ、クラスターイオンを構成するＣｌ原子が検出されなかった。
【００９０】
これは、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるときは、クラスターイオンの被エッチング面への多体衝突に伴う磁気抵抗効果素子の表面温度の高温化が抑制されるためと想定される。
【００９１】
また、クラスターサイズによらず、衝突前のクラスターイオンの原子又は分子の１個当たりのエネルギーが同じであるとすると、クラスターサイズが小さいクラスターイオンの場合、エネルギー保存の法則により、衝突後に大きなエネルギーを持つ原子又は分子が発生する確率が低くなるためと想定される。
【００９２】
一方、モノマーイオンビームエッチング（条件６）の場合には、ＧＣＩＢエッチングに比べて、イオン（単原子イオン）が被エッチング面の内部の深い位置まで進入することに加えて、さらに、基板温度（ステージ温度）を高温にしなければならないことから、イオンの一部がトンネルバリア層の中心部に向かって拡散するため、望ましくない。
【００９３】
［クラスターサイズと素子コンダクタンスとの関係］
上述の「クラスターサイズとマスク残存率との関係」及び［クラスターサイズとトンネルバリア層の厚さとの関係］を求めるに当たって使用したサンプルについて、さらに、クラスターサイズと素子コンダクタンスとの関係について考察した。
【００９４】
ここで、素子コンダクタンスとは、磁気抵抗効果素子のコンダクタンスのことである。
【００９５】
その結果、素子コンダクタンスは、マスク残存率の低下に比例して増加し、かつ、パターニング後のトンネルバリア層の厚さの増加に比例して増加することが判明した。
【００９６】
例えば、設計時の素子コンダクタンスを約５０μSとしたとき、上述の条件２及び５では、素子コンダクタンス（実測）が約４０μSに低下していた。また、この条件においては、同一条件で製造した複数のサンプルでのコンダクタンスのばらつきが、２．５〜２５μSの範囲内で存在した。
【００９７】
その原因は、マスク残存率に関連して、上部電極としてのハードマスク層にテーパーが形成されることに一因があると推測される。また、トンネルバリア層の厚さに関連して、パターニング後のトンネルバリア層の厚さが初期厚さよりも増加することに一因があると推測される。
【００９８】
これに対し、上述の条件３及び４では、素子コンダクタンス（実測）が、設計時の素子コンダクタンスとほぼ同じ、即ち、約５０μSであった。また、この条件においては、同一条件で製造した複数のサンプルでのコンダクタンスのばらつきが、１μS未満の範囲内に抑制できた。
【００９９】
［オーバー比とマスク残存率との関係］
既に述べたように、ＧＣＩＢエッチングに使用するクラスターイオンに関しては、クラスターサイズに分布を有し、かつ、クラスターサイズのピーク値を有する。上述の実施例では、クラスターサイズの分布のピーク値を、２以上、１０００以下にすることについて説明した。
【０１００】
しかし、クラスターサイズのピーク値を上述の範囲内に設定したときに、クラスターサイズは分布を持つことから、クラスターイオンの一部は、クラスターサイズが１０００を超える場合もあり得る。
【０１０１】
そこで、ここでは、ＧＣＩＢエッチング（磁気抵抗効果素子のパターニング）中に発生する全てのクラスターイオンのうち、２以上、１０００以下のクラスターサイズを持つクラスターイオンの割合が、どのくらいの範囲内であれば、上述の効果を得ることができるか、について検討する。
【０１０２】
ここで、オーバー比なる文言を使用する。
【０１０３】
オーバー比とは、磁気抵抗効果素子のパターニング中に発生する全てのクラスターイオンに対して、クラスターサイズが１０００を超えるクラスターイオンの割合のことである。即ち、オーバー比をＸ％としたときは、磁気抵抗効果素子のパターニング中に発生する全てのクラスターイオンのうちの（１００−Ｘ）％が、２以上、１０００以下のクラスターサイズを有することになる。
【０１０４】
そして、オーバー比とマスク残存率との関係を調べてみたところ、図６に示すような関係を得ることができた。
【０１０５】
この結果は、上述の条件３（クラスターサイズの分布のピーク値が１０００である場合）を前提としたものである。
【０１０６】
図６から明らかなように、モノマーイオンビームによるマスク残存率のラインＡ（図３のラインＡと同じ）を基準にすると、オーバー比が、０以上、３０％未満であるときに、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良好な結果が得られることが分かる。
【０１０７】
即ち、磁気抵抗効果素子のパターニング中に発生する全てのクラスターイオンのうちの７０％以上を、２以上、１０００以下の原子又は分子の集合体とすることにより、磁気抵抗効果素子の加工精度の低下、トンネルバリアの実質的な厚さの増加、磁気抵抗効果素子の実効的なサイズのばらつきなどの問題を解消することができる。
【０１０８】
例えば、オーバー比が４０％のときのマスク残存率は、約０．６であり、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングによるマスク残存率（約０．７）よりも悪い結果となっている。これに対し、オーバー比が０％のときのマスク残存率は、約１．０であり、オーバー比が１０％のときのマスク残存率は、約０．９５であり、オーバー比が２０％のときのマスク残存率は、約０．９であり、オーバー比が３０％のときのマスク残存率は、約０．７５であり、いずれの場合も、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良い結果となっている。
【０１０９】
また、上記の結果は、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下の場合（条件４を含む）において、全て同じであることを確認できた。
【０１１０】
さらに、上記の結果は、クラスターイオンの成分に依存しないことも確認できた。
【０１１１】
即ち、この例では、Ｃｌ原子とＫｒ原子を含むクラスターイオンを用いたが、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含むクラスターイオンにおいても、同様の結果を得ることができる。
【０１１２】
［クラスターサイズと保磁力との関係］
磁気抵抗効果素子のパターニングに使用するクラスターイオンのクラスターサイズと保磁力との関係について考察する。
【０１１３】
サンプルとしての磁気抵抗効果素子は、上述の「クラスターサイズとマスク残存率との関係」で使用したサンプルと同じ前提条件で製造するものとする。また、パラメータとしての条件（条件１〜条件６）についても、上述の「クラスターサイズとマスク残存率との関係」と同じとする。
【０１１４】
但し、以下の検証では、各条件下での磁気抵抗効果素子の保磁力の変化を見極めるために、磁気抵抗効果素子のパターニング後に、さらに、Ｋｒ−不活性ガスクラスターを用いて、加速電圧２５ｋＶで、基板表面に垂直な方向に対して２０°〜４０°の角度から、磁気抵抗効果素子の側面にイオン注入を行った。
【０１１５】
このような条件の下で、図２に示すように、ハードマスク層１５をマスクにして、ＧＣＩＢエッチングにより、磁気抵抗効果素子のパターニングを行う。
【０１１６】
そして、クラスターサイズと保磁力との関係を調べてみたところ、図８に示すような関係を得ることができた。
【０１１７】
ここで、磁気特性としての保磁力は、磁気ピンド層（CoFeB/Tb−Co−Fe）としての第２の磁性層について検証した。
【０１１８】
図８から明らかなように、モノマーイオンビームによるパターニング後の磁気ピンド層の保磁力（約７ｋＯｅ）のラインＣを基準にすると、クラスターイオンのクラスターサイズにかかわらず、クラスターイオンビームによるパターニング後の磁気ピンド層の保磁力は、常に、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良好な結果が得られることが分かる。
【０１１９】
例えば、条件１でのＧＣＩＢエッチング後の磁気ピンド層のの保磁力は、約８ｋＯｅであり、条件２及び５でのＧＣＩＢエッチング後の磁気ピンド層の保磁力は、約９ｋＯｅであり、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良い結果となっている。また、条件３及び条件４でのＧＣＩＢエッチング後の磁気ピンド層の保磁力は、共に、約１０ｋＯｅであり、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良い結果となっている。
【０１２０】
また、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下の場合における保磁力は、クラスターサイズの分布のピーク値が、１０００を超える場合における保磁力よりも大きくなっていることが分かる。
【０１２１】
また、上記の結果は、クラスターイオンの成分に依存しないことも確認できた。
【０１２２】
即ち、この例では、Ｃｌ原子とＫｒ原子を含むクラスターイオンを用いたが、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含むクラスターイオンにおいても、同様の結果を得ることができる。
【０１２３】
［クラスターサイズとテーパー角度との関係］
磁気抵抗効果素子のパターニングに使用するクラスターイオンのクラスターサイズとハードマスクのテーパー角度との関係について考察する。
【０１２４】
サンプルとしての磁気抵抗効果素子は、上述の「クラスターサイズとマスク残存率との関係」で使用したサンプルと同じ前提条件で製造するものとする。また、パラメータとしての条件（条件１〜条件６）についても、上述の「クラスターサイズとマスク残存率との関係」と同じとする。
【０１２５】
尚、テーパー角度とは、ハードマスク層の側壁の基板表面に垂直な方向に対する角度のことであり、ハードマスク層の側壁の角度が変化するときは、その平均値を意味する。また、テーパー角度は、図３及び図４に示すマスク残存率に依存する。
【０１２６】
このような条件の下で、図２に示すように、ハードマスク層１５をマスクにして、ＧＣＩＢエッチングにより、磁気抵抗効果素子のパターニングを行う。
【０１２７】
そして、クラスターサイズとテーパー角度との関係を調べてみたところ、図９に示すような関係を得ることができた。
【０１２８】
図９から明らかなように、モノマーイオンビームによるパターニング後のハードマスク層のテーパー角度（約７０°）のラインＤを基準にすると、クラスターイオンのクラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるときに、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良好な結果が得られることが分かる。
【０１２９】
例えば、条件１でのＧＣＩＢエッチング後のハードマスク層のテーパー角度は、約６０°であり、条件２及び５でのＧＣＩＢエッチング後のハードマスク層のテーパー角度は、モノマーイオンビームエッチングのときと同等の値（約７０°）である。また、条件３及び条件４でのＧＣＩＢエッチング後のハードマスク層のテーパー角度は、共に、約８５°であり、コンベンショナルなモノマーイオンビームエッチングよりも良い結果となっている。
【０１３０】
また、ハードマスク層のテーパー角度は、例えば、磁気抵抗効果素子の特性を考慮したとき、８０°（ラインＥ）以上であるのが望ましい。一方、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下の場合におけるハードマスク層のテーパー角度は、８０°以上であるため、クラスターサイズの分布のピーク値を上述の範囲内に設定することは、非常に望ましいことである。
【０１３１】
また、上記の結果は、クラスターイオンの成分に依存しないことも確認できた。
【０１３２】
即ち、この例では、Ｃｌ原子とＫｒ原子を含むクラスターイオンを用いたが、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含むクラスターイオンにおいても、同様の結果を得ることができる。
【０１３３】
［小さなクラスターサイズについて］
上述の実施例では、磁気抵抗効果素子のパターニングに使用するクラスターイオンビームのクラスターサイズが分布を有する。この場合、非常に小さなクラスターサイズ（例えば、２〜４）のクラスターイオンも含まれる場合がある。
【０１３４】
クラスターサイズが、２以上、４以下のクラスターイオンについては、その重量が軽い分だけ、高速に、被エッチング面に衝突する。また、このような小さなクラスターサイズを持つクラスターイオンを構成する原子又は分子は、既に述べたように、衝突後に大きなエネルギーを持つ場合があり得る。この大きなエネルギーを持つ原子又は分子は、磁気抵抗効果素子の特性を多少なりとも低下させる。
【０１３５】
従って、上述の実施例では、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下のクラスターイオンを使用するが、非常に小さなクラスターサイズを有するクラスターイオンは、なるべく発生させないことが望ましい。
【０１３６】
例えば、磁気抵抗効果素子のパターニング中に発生するクラスターイオンの全てが、５以上のクラスターサイズを有するのが望ましい。この場合、クラスターサイズの分布のピーク値も、５以上、１０００以下の範囲内に設定される。
【０１３７】
［変形例］
上述の実施例におけるＧＣＩＢエッチング後に、被エッチング面に吸着したガスクラスターを構成する原子又は分子の除去や、ＧＣＩＢエッチングによるダメージの回復などを目的として、クラスターサイズが１０００を超えるクラスターイオンを、被エッチング面に照射してもよい。
【０１３８】
例えば、上述の実施例に係わるＧＣＩＢエッチングに、Ｃｌ−Ｋｒ混合ガスクラスターを用いる場合、そのＧＣＩＢエッチング後に、クラスターサイズの分布のピーク値（又はクラスターサイズの平均値）が１００００程度のＫｒ−ガスクラスターを用いるＧＣＩＢ照射を行う。この時、原子又は分子の１個当たりのエネルギーは、１ｅＶ／個以下、例えば、０．３ｅＶ／個を目安に、加速エネルギーを設定する。例えば、加速エネルギー（加速電圧）は、３ｋＶとする。
【０１３９】
この補助的なＧＣＩＢ照射により、被エッチング面に吸着した残留物（例えば、Ｃｌ）を効果的に除去することができる。この時、クラスターイオンビームの照射角度を１０°以上に設定することにより、例えば、磁気抵抗効果素子の側壁部に吸着した残留物（例えば、Ｃｌ）も、同時に除去することが可能となる。
【０１４０】
この効果は、被エッチング面や磁気抵抗効果素子の側壁部に吸着した残留物を除去するだけではなく、適度な格子振動を磁気抵抗効果素子の加工面に与える効果を有する。即ち、この補助的なＧＣＩＢ照射は、アニールと同等な効果をもたらし、上述の実施例に係わるＧＣＩＢエッチングによるダメージの回復に寄与する。
【０１４１】
［その他］
クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下のクラスターイオンを用いて磁気抵抗効果素子のパターニングを行うことにより、以下の付随的な効果を得ることができる。
【０１４２】
ガスクラスターは、高圧の材料ガスをノズルと呼ばれるラッパ状の細い管を通して真空中に噴出することにより生成される。高圧のガスを真空中に噴出すると、断熱膨張によりガスが凝縮温度以下まで冷却され、ファンデルワールス力により複数の原子又は複数の分子が互いに結合し、ガスクラスターが生成される。
【０１４３】
また、ガスクラスターは、例えば、電子衝突法によりイオン化される。これは、高速の電子がクラスターに衝突した際に、クラスターから電子が弾き飛ばされる現象を利用して、クラスターに正の電荷を持たせる方法である。
【０１４４】
しかし、このような方法により、クラスターイオンを生成するに当たって、１０００を超えるクラスターサイズを生成するためには、多大なコストを必要とする。
【０１４５】
例えば、原子又は分子の１個当たりのエネルギーを１０ｅＶ／個とする場合、クラスターサイズ１００００のクラスターを使用するときは、１００ｋＶのイオン加速器が必要になる。これに対し、原子又は分子の１個当たりのエネルギーを１０ｅＶ／個とする場合、クラスターサイズ２００のクラスターを使用するときは、２ｋＶのイオン加速器があればよい。
【０１４６】
即ち、本実施例によれば、例えば、２ｋＶの加速電圧を発生させることができるイオン加速器があれば十分であり、１００ｋＶの加速電圧を発生させることができる高価なイオン加速器は不要である。
【０１４７】
このように、装置コストの削減により、磁気抵抗効果素子の製造コストを抑えることができるため、結果として、ハードディスクドライブや、磁気ランダムアクセスメモリなどのストレージデバイスを安価に提供できる。
【０１４８】
尚、本実施例において使用したＧＣＩＢエッチングの条件（条件１〜条件５）では、原子又は分子の１個当たりのエネルギーを５ｅＶ／個としたが、既に述べたように、それに分布があってもよく、その場合には、クラスターイオンを構成する原子又は分子の１個当たりのエネルギーの平均値を採用すればよい。
【０１４９】
また、原子又は分子の１個当たりのエネルギーについても、５ｅＶ／個に限られないが、ＧＣＩＢによる低エネルギー照射効果を実効あらしめるため、原子又は分子の１個当たりのエネルギーは、３０ｅＶ／個以下、さらには、１５ｅＶ／個以下であるのが望ましい。原子又は分子の１個当たりのエネルギーが３０ｅＶ／個を超えると、イオン注入効果が顕著に現われてくるからである。
【０１５０】
また、クラスターイオンの帯電（価数）についても限定されない。ガスクラスターは、１価のイオンであってもよいし、２価のイオンであってもよい。また、クラスターイオンは、正に帯電していてもよいし、負に帯電していてもよい。
【０１５１】
［第２の実施例］
図１０は、磁気抵抗効果素子の製造方法の第２の実施例を示している。
【０１５２】
本例は、第１の実施例の製造方法の変形例である。本例が第１の実施例と異なる点は、ＧＣＩＢエッチングに並行して、被エッチング面及びパターニングされた磁気抵抗効果素子の側壁部に、所定のガスを供給することにある。その他の点は、第１の実施例と同じであるため、ここでの説明を省略する。
【０１５３】
即ち、図１０に示すように、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６を用いて、ＧＣＩＢエッチングにより磁気抵抗効果素子のパターニングを行う。
【０１５４】
クラスターイオン１６は、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含む。
【０１５５】
これに並行して、ガスノズル１８から、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、ＣＨ３ＯＣＨ３、ＨＦ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２、及び、ＣＨ３ＣＯＯＨのうちから選択される１つの分子を含むガス１９を、被エッチング面（クラスターイオンの照射面）及びパターニングされた磁気抵抗効果素子の側壁部に、供給する。
【０１５６】
これにより、磁気抵抗効果素子のパターニングを効率的に行うことができる。
【０１５７】
例えば、ガスノズル１８から供給するガス１９として、ＨＣｌやＨＦなどの反応性ガスを使用する場合について考える。ＨＣｌやＨＦなどの反応性ガスの分圧は、１×１０−５Ｔｏｒｒ〜１×１０−４Ｔｏｒｒになるように、ガスの流量を制御するのが望ましい。
【０１５８】
この場合、ＧＣＩＢエッチング中に導入されたＨＣｌやＨＦなどの反応性ガスを構成する原子又は分子は、被エッチング面（クラスターイオンの照射面）に吸着する。この状態において、クラスターイオン（例えば、Ｏ２−クラスターイオン）は、被エッチング面に吸着した反応ガスを構成する原子又は分子と反応し、被エッチング面に存在する磁性層を効果的にエッチングする。
【０１５９】
また、磁気ピンド層及び磁気フリー層が貴金属などの難エッチング材料を含むとき、このような酸化剤（例えば、Ｏ２−クラスターイオン）による酸化溶解反応が起きることは、磁気抵抗効果素子のエッチングを効率的に行うために非常に望ましい。
【０１６０】
一般に、ガスクラスターイオンによるエッチングでは、ガスの種類に応じてクラスターが形成される条件が異なるため、複数の反応性ガスや希ガスを混合した混合クラスターを容易に形成することができない。また、そのような混合クラスターを発生させようとすれば、高価なクラスター発生装置を使用しなければならない。
【０１６１】
そこで、上述のように、ガスノズル１８からのガス１９の供給により磁気抵抗効果素子の周囲にガス雰囲気を生成すれば、クラスター発生装置としては、単一の原子又は分子を含むクラスターのみを発生すればよいため、低コストで、磁気抵抗効果素子のエッチングを効率的に進めることができる。
【０１６２】
また、この方法によれば、通常ではクラスターの形成が難しい液化ガスや、有機酸などの分子量の大きい化合物についても、エッチング反応に用いることができる。
【０１６３】
尚、反応性ガスの分圧は、上述のように、１×１０−５Ｔｏｒｒ〜１×１０−４Ｔｏｒｒの範囲内に設定するのが望ましい。
【０１６４】
この範囲よりも低い分圧になると、被エッチング面に十分な量の反応性ガスを供給することができず、磁気抵抗効果素子のパターニングを効率的に行うことができないからである。また、この範囲よりも高い分圧になると、反応性ガスを構成する原子又は分子の被エッチング面への吸着量が飽和状態となり、クラスターイオンが被エッチング面の磁性層に到達できなくなるからである。即ち、クラスターイオンは、被エッチング面に吸着した原子又は分子と衝突し、被エッチング面の磁性層に到達する前に崩壊してしまう。
【０１６５】
また、本例の方法は、例えば、磁気抵抗効果素子の側壁部に、低い電気伝導度及び低い飽和磁化量を有する薄膜３１を形成するのに適している。即ち、磁気フリー層がこの薄膜３１に覆われると、磁気フリー層の周囲が低い飽和磁束密度を有する状態となるため、良好な磁気特性を得ることができる。
【０１６６】
例えば、Ｓｂ−クラスターイオンの照射に並行して、ガスノズル１８から酸素ガス（Ｏ２）を供給すると、トンネルバリア層（ＭｇＯ）、磁気フリー層（ＣｏＦｅＢ）、酸素ガス（Ｏ２）及びＳｂ原子が混合し、磁気フリー層の周囲に、酸化層としての薄膜３１が形成される。
【０１６７】
尚、この効果は、ガス１９の種類として、Ｎ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２などを使用するときにも得ることができる。
【０１６８】
［第３の実施例］
図１１及び図１２は、磁気抵抗効果素子の製造方法の第３の実施例を示している。
【０１６９】
本例は、第１の実施例の製造方法の変形例である。本例が第１の実施例と異なる点は、まず、モノマーイオンビームエッチングにより第２の磁性層をエッチングし、この後、ＧＣＩＢエッチングにより第１の磁性層をエッチングすることにある。その他の点は、第１の実施例と同じであるため、ここでの説明を省略する。
【０１７０】
まず、図１１に示すように、ハードマスク層１５をマスクにして、モノマーイオンビームエッチングにより第２の磁性層１４をエッチングする。
【０１７１】
例えば、Ａｒイオンを用いたモノマーイオン１７を、加速エネルギー２００Ｖにより加速することにより、モノマーイオンビームを発生させる。モノマーイオンビームエッチングは、照射角度を０°〜３０°の範囲内で変化させながら実行する。ここで、照射角度とは、基板表面に垂直な方向に対するイオンビームの照射方向のことである。
【０１７２】
本例では、モノマーイオンビームエッチングにより、第２の磁性層１４及びトンネルバリア層１３をエッチングする。即ち、モノマーイオンビームエッチングは、第１の磁性層１２の表面が露出した時点で止める。
【０１７３】
但し、モノマーイオンビームエッチングは、トンネルバリア層１３の表面が露出した時点で止めることにより、トンネルバリア層１３を残してもよい。
【０１７４】
また、モノマーイオンビームエッチングは、トンネルバリア層１３の表面が露出する前に止めてもよい。即ち、モノマーイオンビームエッチングは、第２の磁性層１４のエッチングの途中で止めてもよい。
【０１７５】
このエッチングは、例えば、イオンミリングチャンバー内で行う。
【０１７６】
次に、図１２に示すように、モノマーイオンビームエッチングに引き続き、ＧＣＩＢエッチングにより、少なくとも第１の磁性層１２をエッチングする。ＧＣＩＢエッチングは、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６を用いて行う。クラスターイオン１６の種類については、第１の実施例と同じである。
【０１７７】
このエッチングは、例えば、ＧＣＩＢエッチングチャンバー内で行う。
【０１７８】
ＧＣＩＢエッチングは、モノマーイオンビームエッチング（ＲＩＥを含む）に比べて、磁気抵抗効果素子の加工精度や磁気特性などに関して優れた効果を得ることができるが、スループットが悪いという点も併せ持つ。
【０１７９】
そこで、本例のように、第２の磁性層（例えば、磁気ピンド層）１４については、スループットが良いモノマーイオンビームエッチングによりパターニングし、第１の磁性層（例えば、磁気フリー層）１２については、磁気抵抗効果素子の加工精度や磁気特性などに優れるＧＣＩＢエッチングによりパターニングすれば、プロセス時間の短縮によるコストの削減と共に、磁気抵抗効果素子の加工精度や磁気特性の向上も図ることができる。
【０１８０】
尚、本例におけるＧＣＩＢエッチングは、モノマーイオンビームエッチングによりドーズされたイオンの分布を修正するドーズで行うことが望ましい。例えば、モノマーイオンビームエッチングでは、磁気抵抗効果素子の中心部が周辺部に比べてエッチングレートが早い、という場合、ＧＣＩＢエッチングでは、磁気抵抗効果素子の周辺部が中心部に比べてエッチングレートが早い、という条件で、クラスターイオンの照射を行う。
【０１８１】
［第４の実施例］
図１３は、磁気抵抗効果素子の製造方法の第４の実施例を示している。
【０１８２】
本例は、第３の実施例の製造方法の変形例である。本例が第３の実施例と異なる点は、ＧＣＩＢエッチングに並行して、被エッチング面及びパターニングされた磁気抵抗効果素子の側壁部に、所定のガスを供給することにある。その他の点は、第３の実施例と同じであるため、ここでの説明を省略する。
【０１８３】
即ち、図１３に示すように、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６を用いて、ＧＣＩＢエッチングにより、第２の磁性層１２のエッチングを行う。クラスターイオン１６の種類については、第３の実施例と同じである。
【０１８４】
これに並行して、ガスノズル１８から、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、ＣＨ３ＯＣＨ３、ＨＦ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２、及び、ＣＨ３ＣＯＯＨのうちから選択される１つの分子を含むガス１９を、被エッチング面（クラスターイオンの照射面）及びパターニングされた磁気抵抗効果素子の側壁部に、供給する。
【０１８５】
これにより、磁気抵抗効果素子のパターニングを効率的に行うことができる。
【０１８６】
ＧＣＩＢエッチングに並行して所定のガス（反応ガス）１９を供給する効果については、上述の第２の実施例と同じである。即ち、ＧＣＩＢエッチング中に導入された反応性ガスを構成する原子又は分子は、被エッチング面（クラスターイオンの照射面）に吸着するため、クラスターイオンが被エッチング面に吸着した反応ガスを構成する原子又は分子と反応し、被エッチング面に存在する磁性層を効果的にエッチングする。
【０１８７】
また、本例の方法は、上述の第２の実施例で説明したように、例えば、磁気抵抗効果素子の側壁部に、低い電気伝導度及び低い飽和磁化量を有する薄膜３１を形成するのに適している。即ち、磁気フリー層がこの薄膜３１に覆われると、磁気フリー層の周囲が低い飽和磁束密度を有する状態となるため、良好な磁気特性を得ることができる。
【０１８８】
［第５の実施例］
図１４乃至図１９は、磁気抵抗効果素子の製造方法の第５の実施例を示している。
【０１８９】
本例は、第１の実施例の製造方法の変形例である。本例が第１の実施例と異なる点は、ＧＣＩＢエッチングによる磁気抵抗効果素子のパターニング後に、第１及び第２の磁性層を部分的に非磁性化（不活性化）することにある。
【０１９０】
まず、図１４に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、下地層１１上に、第１の磁性層１２、トンネルバリア層１３、第２の磁性層１４及びハードマスク層１５を、順次、形成する。下地層１１は、例えば、下部電極となり、ハードマスク層１５は、上部電極となる。下地層１１及びハードマスク層１５は、例えば、共に、金属又は合金を備える。
【０１９１】
第１及び第２の磁性層１２，１４は、面内磁化及び垂直磁化のうちの１つを有する。また、第１及び第２の磁性層１２，１４のうちの１つは、磁化方向が可変である磁気フリー層であり、他の１つは、磁化方向が不変である磁気ピンド層である。
【０１９２】
尚、第２の磁性層１４を磁気ピンド層として使用するとき、上述の積層構造を形成するステップにおいて、トンネルバリア層１３と第２の磁性層１４との間に、界面層をさらに形成してもよい。
【０１９３】
また、第２の磁性層１４を磁気ピンド層として使用するとき、第２の磁性層１４は、磁気ピンド層としての磁性層と、磁気ピンド層からの漏洩磁界を打ち消す働きを持つバイアス磁界層とを含むのが望ましい。また、この場合、下地層１１も、バイアス磁界層を含んでいるのが望ましい。
【０１９４】
この後、周知の技術であるリソグラフィ及びクラスターイオンビームエッチングを用いて、磁気抵抗効果素子のパターニングを行なう。
【０１９５】
即ち、ＰＥＰを用いて、ハードマスク層１５上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層をマスクにして、ハードマスク層１５をパターニングする。この後、フォトレジスト層を除去する。
【０１９６】
続けて、ハードマスク層１５をマスクにして、例えば、ＧＣＩＢエッチングにより、少なくとも第２の磁性層１４をエッチングする。このＧＣＩＢエッチングは、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６ａを用いて行われる。
【０１９７】
クラスターイオン１６ａは、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含む。
【０１９８】
このＧＣＩＢエッチングにより、磁気抵抗効果素子のパターニングが完了する。
【０１９９】
尚、本例では、磁気抵抗効果素子のパターニングを、上述の第１の実施例と同様に、ＧＣＩＢエッチングにより行ったが、これを、モノマーイオンビームエッチングに変更してもよい。なぜなら、本例の特徴は、以下の非磁性化にあるからである。
【０２００】
次に、図１５に示すように、ハードマスク層１５をマスクにして、例えば、ＧＣＩＢ照射を行い、第１及び第２の磁性層１２，１４を部分的に非磁性化する。このＧＣＩＢ照射は、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６ｂを用いて行われる。
【０２０１】
クラスターイオン１６ｂは、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、及び、ＣＨ３ＯＣＨ３のうちから選択される１つの分子、又は、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｓｂ、及び、Ｘｅのうちから選択される１つの原子を含む。
【０２０２】
また、クラスターイオン１６ｂは、非磁性原子を含んでいるのが望ましい。非磁性原子は、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｏ、Ｎ、Ｃｌ、及び、Ｆのうちから選択される。
【０２０３】
その結果、第１及び第２の磁性層１２，１４内には、非磁性化された不活性領域１７が形成される。本例では、不活性領域１７は、第２の磁性層１４の側壁部と、第１の磁性層１２のハードマスク層１５により覆われていない部分にそれぞれ形成される。
【０２０４】
また、不活性領域１７は、２０ａｔ％を超える濃度の上述の非磁性原子を含むのが望ましい。
【０２０５】
ところで、このＧＣＩＢ照射は、クラスターイオンのイオン注入効果による第１及び第２の磁性層１２，１４の非磁性化を目的とする。従って、例えば、磁気抵抗効果素子のパターニングを目的とするＧＣＩＢエッチングとは、プロセス条件が異なる。
【０２０６】
即ち、非磁性化では、ガスクラスターイオンを第１及び第２の磁性層１２，１４内に注入しなければならない。そのため、ガスクラスターを構成する原子又は分子の１個当たりのエネルギーは、３０ｅＶを超える値に設定するのが望ましい。
【０２０７】
例えば、Ｓｂ−ガスクラスターを用いて非磁性化を行う場合、クラスターサイズの分布のピーク値を、２００とし、加速電圧を１０ｅＶとする。この時、例えば、ピーク値のクラスターサイズ２００を持つクラスターにおいて、原子又は分子の１個当たりのエネルギーは、５０ｅＶとなる。
【０２０８】
このイオン注入により、例えば、トンネルバリア層１３を構成するＭｇＯ、第１及び第２の磁性層１２，１４を構成するＣｏＦｅＢ及びＳｂ原子が互いに混合し、第１及び第２の磁性層１２，１４の一部が、低い電気伝導度及び低い飽和磁化量を有する不活性領域１７に変化する。
【０２０９】
このように、第１及び第２の磁性層１２，１４の一部を非磁性化することにより、例えば、ＧＣＩＢエッチングにより第１及び第２の磁性層１２，１４に形成されたダメージ部分を活性領域として使用せずに済む。即ち、磁気抵抗効果素子のスイッチング電流のばらつきを防止することができる。
【０２１０】
また、第１の磁性層１２が磁気フリー層であるとき（トップピン型の場合）に、磁気フリー層の平面サイズを小さくし、磁気抵抗効果素子の特性を向上させることができる。
【０２１１】
さらに、この非磁性化（ＧＣＩＢ照射）において、クラスターサイズの分布のピーク値を、２以上、１０００以下に設定することにより、磁気抵抗効果素子の側壁部に注入されるクラスターイオンのドーズプロファイルのばらつきによる磁気抵抗効果素子の実効的なサイズのばらつき（エッジラフネス）を小さくすることができる。
【０２１２】
即ち、磁気抵抗効果素子の側壁部に注入されるクラスターイオンのドーズプロファイルが、場所によらず、均一かつシャープになる。
【０２１３】
尚、図１４及び図１５に示す製造方法では、磁気抵抗効果素子のパターニング（ＧＣＩＢエッチング）において、トンネルバリア層１３が露出するまで、即ち、第２の磁性層１４のみをエッチングしたが、これに代えて、以下の変形も可能である。
【０２１４】
例えば、図１６に示すように、ガスクラスター１６ａを用いた磁気抵抗効果素子のパターニング（ＧＣＩＢエッチング）は、トンネルバリア層１３が露出する前に止める。この場合、図１７に示すように、ガスクラスター１６ｂを用いたＧＣＩＢ照射による不活性領域１７は、第２の磁性層１４の側壁部と、第１及び第２の磁性層１２，１４のハードマスク層１５により覆われていない部分とにそれぞれ形成される。
【０２１５】
また、例えば、図１８に示すように、ガスクラスター１６ａを用いた磁気抵抗効果素子のパターニング（ＧＣＩＢエッチング）は、第１及び第２の磁性層１２，１４について行うこともできる。本例では、ハードマスク層１５に覆われていない被エッチング面がテーパー状（スカート状）にエッチングされる例を示す。
【０２１６】
この場合、図１９に示すように、ガスクラスター１６ｂを用いたＧＣＩＢ照射による不活性領域１７は、第２の磁性層１４の側壁部と、第１及び第２の磁性層１２，１４のハードマスク層１５により覆われていない部分とにそれぞれ形成される。
【０２１７】
［第６の実施例］
図２０乃至図２１は、磁気抵抗効果素子の製造方法の第６の実施例を示している。
【０２１８】
本例は、第５の実施例の製造方法の変形例である。本例が第５の実施例と異なる点は、ＧＣＩＢエッチング（磁気抵抗効果素子のパターニング）とＧＣＩＢ照射（不活性領域の形成）とを並行して行うことにある。
【０２１９】
まず、図２０に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、下地層１１上に、第１の磁性層１２、トンネルバリア層１３、第２の磁性層１４及びハードマスク層１５を、順次、形成する。
【０２２０】
この後、周知の技術であるリソグラフィ及びクラスターイオンビームエッチングを用いて、磁気抵抗効果素子のパターニングを行なう。
【０２２１】
即ち、ＰＥＰを用いて、ハードマスク層１５上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層をマスクにして、ハードマスク層１５をパターニングする。この後、フォトレジスト層を除去する。
【０２２２】
続けて、ハードマスク層１５をマスクにして、例えば、ＧＣＩＢエッチングにより、少なくとも第２の磁性層１４をエッチングする。このエッチングでは、図１６及び図１７に示すような変形や、図１８及び図１９に示すような変形なども可能である。
【０２２３】
このＧＣＩＢエッチングは、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６ａを用いて行われる。
【０２２４】
また、図２１に示すように、このＧＣＩＢエッチング（磁気抵抗効果素子のパターニング）と並行して、ハードマスク層１５をマスクにして、例えば、ＧＣＩＢ照射を行い、第１及び第２の磁性層１２，１４を部分的に非磁性化する。このＧＣＩＢ照射も、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６ｂを用いて行われる。
【０２２５】
その結果、第１及び第２の磁性層１２，１４内には、非磁性化された不活性領域１７が形成される。本例では、不活性領域１７は、第２の磁性層１４の側壁部と、第１の磁性層１２のハードマスク層１５により覆われていない部分にそれぞれ形成される。
【０２２６】
本例では、磁気抵抗効果素子のパターニングのためのガスクラスターと、不活性領域１７を形成するためのガスクラスターとを同時に生成する必要がある。このため、ＧＣＩＢエッチング装置が高価になるが、パターニングと非磁性化を同時に行うことができるため、スループットを向上させることができる。
【０２２７】
［クラスターサイズとドーズプロファイルとの関係］
上述の第５及び第６の実施例では、非磁性化（ＧＣＩＢ照射）において、クラスターサイズの分布のピーク値を、２以上、１０００以下に設定することにより、磁気抵抗効果素子の側壁部に注入されるクラスターイオンのドーズプロファイルのばらつきによる磁気抵抗効果素子の実効的なサイズのばらつき（エッジラフネス）を小さくすることができる。
【０２２８】
このエッジラフネスについて検討する。
【０２２９】
図２２乃至図２４は、クラスターサイズと非磁性化によるエッジラフネスとの関係を3DAP (3 dimensional atomic probe)を用いて評価した結果を示している。尚、エッジラフネスは、イオン注入されたイオン（原子又は分子）のドーズプロファイルに基づいて評価する。
【０２３０】
サンプルは、図２２に示すように、ライン幅ＬＷｍのハードマスク層１５と、それをマスクに加工された第２の磁性層１４とを有する。上述のＧＣＩＢ照射に用いるガスクラスターにより第２の磁性層１４の側壁部の非磁性化を行い、それにより形成された不活性領域１７のライン幅方向のドーズプロファイルを検証する。
【０２３１】
イオン注入されたイオンのドーズプロファイルのピーク値の５０％の位置を不活性領域１７のエッジ、即ち、実効ライン閾値（図２２において曲線で示す）と定義する。
【０２３２】
そして、第２の磁性層１４の一端側の実効ライン閾値の平均値（図２２において点線で示す）と第２の磁性層１４の他端側の実効ライン閾値の平均値（図２２において点線で示す）との間の幅（実効ライン幅）をＬＷｉとする。
【０２３３】
また、第２の磁性層１４の一端側（左側）の実効ライン閾値の最大振幅を、エッジラフネスＬＥＲ-leftとし、第２の磁性層１４の他端側（右側）の実効ライン閾値の最大振幅を、エッジラフネスＬＥＲ-rightとする。
【０２３４】
エッジラフネスＬＥＲは、ＬＥＲ-leftとＬＥＲ-rightとの平均値とする。
【０２３５】
エッジラフネスＬＥＲは、小さいほど望ましい。
【０２３６】
図２３は、クラスターサイズとエッジラフネスとの関係を示している。
【０２３７】
同図から明らかなように、モノマーイオンビームにより非磁性化を行ったときは、エッジラフネスＬＥＲは、約０．６ｎｍである。
【０２３８】
但し、モノマーイオンビームの場合、エッジラフネスＬＥＲは、小さいものの、単原子イオンを用いるために、実効ライン閾値が第２の磁性層１４の深い位置まで侵入するため、結果として、後述するように、実効ライン幅ＬＷｉは、小さくなる。
【０２３９】
これに対し、クラスターサイズが、２以上、１０００以下のガスクラスターを用いるＧＣＩＢ照射によれば、エッジラフネスＬＥＲは、モノマーイオンビームの場合と同程度、即ち、約０．６ｎｍ近傍に集中している。
【０２４０】
また、この場合、エッジラフネスＬＥＲが小さいことに加えて、モノマーイオンビームに比べて、実効ライン閾値が第２の磁性層１４の深い位置まで侵入しないため、結果として、後述するように、実効ライン幅ＬＷｉは、ハードマスク層１５のライン幅ＬＷｍに近くなる。
【０２４１】
さらに、クラスターサイズが、１０００を越えるガスクラスターを用いるＧＣＩＢ照射によれば、エッジラフネスＬＥＲは、モノマーイオンビームの場合よりも悪くなる。
【０２４２】
尚、エッジラフネスＬＥＲの許容値を０．７５ｎｍ（ラインＦ）としたとき、クラスターサイズが、２以上、１０００以下のガスクラスターを用いるＧＣＩＢ照射によれば、エッジラフネスＬＥＲは、許容範囲内に入ることになる。
【０２４３】
また、このエッジラフネスＬＥＲを見積もるために、ΔＬＷ（＝ＬＷｍ−ＬＷｉ）を計算する。
【０２４４】
ΔＬＷは、ハードマスク層１５のライン幅ＬＷｍと第２の磁性層１４の実効ライン幅ＬＷｉとの差分であり、その大小は、エッジラフネスＬＥＲに依存する。
【０２４５】
その結果、図２３に示すような結果を得ることができた。
【０２４６】
同図から明らかなように、モノマーイオンビームにより非磁性化を行ったときは、差分ΔＬＷは、約２．０ｎｍである。これは、既に述べたように、モノマーイオンビームの場合、エッジラフネスＬＥＲは、小さいものの、単原子イオンを用いるために、実効ライン閾値が第２の磁性層１４の深い位置まで侵入するからである。
【０２４７】
これに対し、ＧＣＩＢ照射によれば、差分ΔＬＷは、約１．０ｎｍ近傍に集中しており、モノマーイオンビームによる差分（ラインＧ）ΔＬＷよりも良い結果が得られることが分かる。
【０２４８】
また、ＧＣＩＢ照射に使用するガスクラスターのクラスターサイズを、２以上、１０００以下にしたときは、それを、１０００を超える値にしたときよりも、差分ΔＬＷが小さくなる。
【０２４９】
例えば、クラスターサイズ２００及び１０００（○印）のときの差分ΔＬＷは、約０．８ｎｍであるのに対し、クラスターサイズ５０００及び１００００（○印）並びにサイズセレクト無し（□印）のときの差分ΔＬＷは、約１．０ｎｍである。
【０２５０】
このように、非磁性化時のクラスターイオンのドーズプロファイルのばらつきによる磁気抵抗効果素子の実効的なサイズのばらつき（エッジラフネス）を抑制するためには、ＧＣＩＢ照射を利用し、かつ、ガスクラスターのクラスターサイズを、２以上、１０００以下にするのが望ましいことが分かる。
【０２５１】
尚、ＧＣＩＢ照射により上述の差分ΔＬＷが発生するとしたときは、磁気抵抗効果素子の平面サイズが３０ｎｍ以下であっても、磁気抵抗効果素子の特性のばらつきは、許容範囲内である。
【０２５２】
また、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｏ、Ｎ、Ｃｌ、及び、Ｆのうちから選択される非磁性原子を含むクラスターをドーパントとして用いる場合には、磁性層内に形成される不活性領域は、結果として、２０ａｔ％を超える濃度の上述の非磁性原子を含むのが望ましい。
【０２５３】
［第７の実施例］
図２５乃至図２６は、磁気抵抗効果素子の製造方法の第７の実施例を示している。
【０２５４】
この製造方法は、磁気抵抗効果素子のパターニング後に、磁気フリー層及び磁気ピンド層の側壁部に形成される再付着層を、クラスターイオンビームエッチングにより除去する技術に関する。
【０２５５】
まず、図２５に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、下地層１１上に、第１の磁性層１２、トンネルバリア層１３、第２の磁性層１４及びハードマスク層１５を、順次、形成する。
【０２５６】
この後、周知の技術であるリソグラフィ及びモノマーイオンビームエッチングを用いて、磁気抵抗効果素子のパターニングを行なう。
【０２５７】
即ち、ＰＥＰを用いて、ハードマスク層１５上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層をマスクにして、ハードマスク層１５をパターニングする。この後、フォトレジスト層を除去する。
【０２５８】
続けて、ハードマスク層１５をマスクにして、例えば、モノマーイオンビームエッチングにより、第２の磁性層１４、トンネルバリア層１３及び第１の磁性層１２を、順次、エッチングする。
【０２５９】
例えば、Ａｒイオンを用いたモノマーイオンを、加速エネルギー２００Ｖにより加速することにより、モノマーイオンビームを発生させる。モノマーイオンビームエッチングは、照射角度を０°〜３０°の範囲内で変化させながら実行する。ここで、照射角度とは、基板表面に垂直な方向に対するイオンビームの照射方向のことである。
【０２６０】
本例では、モノマーイオンビームエッチングにより、第２の磁性層１４、トンネルバリア層１３及び第１の磁性層１２をエッチングする。この時、第１及び第２の磁性層１２，１４の側壁部には、第１及び第２の磁性層１２，１４を削り取った際に発生する再付着層２０が形成される。
【０２６１】
再付着層２０は、第１及び第２の磁性層１２，１４を構成する磁性材料を備える。
【０２６２】
次に、図２６に示すように、ＧＣＩＢエッチングにより、第１及び第２の磁性層１２，１４の側壁部に付着した再付着層２０を除去する。ＧＣＩＢエッチングは、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６を用いて行う。クラスターイオン１６の種類については、第１の実施例と同じである。
【０２６３】
例えば、クラスターサイズのピーク値が５００であるＣｌガスクラスターイオンを、加速エネルギー２．５ｋＶにより加速することにより、ガスクラスターイオンビームを発生させる。この時、クラスターサイズ５００のクラスターイオンのＣｌ原子１個当たりのエネルギーは、５ｅＶ／個である。
【０２６４】
また、ガスクラスターイオンビームエッチングは、照射角度を２０°程度に設定した状態で実行する。
【０２６５】
これにより、第１及び第２の磁性層１２，１４の側壁部に付着した再付着層２０のみが選択的に除去される。尚、このＧＣＩＢエッチングの最中において、サンプルを搭載するステージは、回転させ続けるのが望ましい。
【０２６６】
本例では、再付着層２０を除去する方法について説明したが、これに代えて、反応性ガスを供給することにより、再付着層２０の除去を効率的に行ったり、又は、再付着層２０を絶縁層に変換したりするプロセスを採用してもよい。
【０２６７】
例えば、このようなプロセスは、上述の第４の実施例に係わる方法を採用することができる。
【０２６８】
例えば、図２７に示すように、クラスターサイズの分布のピーク値が、２以上、１０００以下であるクラスターイオン１６を用いて、ＧＣＩＢ照射を行うのに並行して、ガスノズル１８から反応性ガス１９を磁気抵抗効果素子の側壁部に供給する。
【０２６９】
尚、反応性ガスは、例えば、Ｆ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨＣｌＦ２、ＮＦ３、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｃｌ２、ＨＣｌ、ＣＣｌＦ３、ＣＨＣｌ３、ＣＢｒＦ３、Ｂｒ２、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２、Ｏ２、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、ＣＨ３ＯＣＨ３、ＨＦ、ＨＮＯ３、Ｈ３ＰＯ４、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２、及び、ＣＨ３ＣＯＯＨのうちから選択される１つの分子を含む。
【０２７０】
これにより、再付着層２０の除去を効率的に行うことができる。
【０２７１】
また、例えば、Ｓｂ−クラスターイオンの照射に並行して、ガスノズル１８から酸素ガス（Ｏ２）１９を供給すると、トンネルバリア層（ＭｇＯ）、再付着層（ＣｏＦｅＢ）、酸素ガス（Ｏ２）及びＳｂ原子が混合し、結果として、再付着層２０が、酸化層としての絶縁層に変換される。
【０２７２】
尚、この効果は、ガス１９の種類として、Ｎ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯ、Ｎ２などを使用するときにも得ることができる。
【０２７３】
［ＧＣＩＢ照射装置の概要］
図２８は、上述の第１乃至第７の実施例に使用するＧＣＩＢ照射装置の概要を示している。
【０２７４】
高圧の原料ガスは、クラスター生成部のラッパ状のノズル１０１から、真空中に噴出される。これにより、真空中に噴出された複数の原子又は複数の分子は、断熱膨張により凝縮温度まで冷却され、ファンデルワールス力により互いに結合し、ガスクラスターが生成される。
【０２７５】
ガスクラスターは、スキマー部１０２を経由して、ガスクラスターのイオン化部１０３に移動する。ガスクラスターのイオン化部１０２では、例えば、イオン源から電子がガスクラスターに向かって放出される。電子がガスクラスターに衝突した際に、その衝撃により、ガスクラスターから、さらに複数の電子が放出される。
【０２７６】
その結果、ガスクラスターは、正の電荷を帯びたイオンとなる。
【０２７７】
このようにして形成されたガスクラスターイオンは、イオン引き出し／加速部１０４により、加速される。イオンの加速電圧又はクラスターに与える加速エネルギーは、このイオン引き出し／加速部１０４により設定される。
【０２７８】
そして、加速されたガスクラスターイオンは、照射部（レンズ部）１０５により、照射位置のアライメントを実行した後に、サンプル１０６に照射される。
【０２７９】
［適用例］
上述の各実施例に係わる磁気抵抗効果素子は、高記録密度のハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）の磁気ヘッドや、高集積化された磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）のメモリセルなどのストレージデバイスに適用可能である。
【０２８０】
ここでは、各実施例の製造方法を磁気メモリに適用した場合を説明する。
【０２８１】
図２９は、磁気メモリを示している。
【０２８２】
この磁気メモリは、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）である。ＭＲＡＭは、少なくとも１個のメモリセルを有している。ＭＲＡＭが複数個のメモリセルを備えるときは、複数のメモリセルは、マトリクス状に配列され、メモリセルアレイを構成する。１個のメモリセルは、磁気抵抗効果素子を備え、図２９は、磁気抵抗効果素子について示している。
【０２８３】
半導体基板２１上には素子２２が配置される。例えば、１個のメモリセルが１個のスイッチ素子と１個の磁気抵抗効果素子を備えるときは、素子２２は、ＭＯＳトランジスタなどのスイッチ素子である。素子２２は、層間絶縁層２３に覆われ、コンタクトプラグ２４は、素子２２に電気的に接続する。
【０２８４】
下地層１１は、コンタクトプラグ２４上に配置される。下地層１１は、磁気抵抗効果素子の下部電極として機能していてもよいし、下地層１１の他に、別途、下部電極を設けてもよい。
【０２８５】
第１の磁性層（磁気フリー層）１２は、下地層１１上に配置される。第１の磁性層１２は、その磁化方向が膜面に対して略垂直かつ可変である。トンネルバリア層１３は、磁気フリー層１２上に配置される。下地層１１は、例えば、磁気フリー層１２の磁化方向を膜面に対して略垂直に向けるために必要な層である。
【０２８６】
磁気フリー層１２は、例えば、Ｐｄ(厚さ０．４ｎｍ)とＣｏ(厚さ０．４ｎｍ)とからなる層を６回積み重ねた構造と、この構造上のＴａ(厚さ０．３ｎｍ)及びＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)とを備える。
【０２８７】
また、トンネルバリア層１３は、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ：Body-centered cubic lattice）構造で、（００１）面に配向したＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）から構成される。
【０２８８】
磁気ピンド層１４は、トンネルバリア層１３上に配置される。磁気ピンド層１４は、その磁化方向が膜面に対して略垂直かつ不変である。磁気ピンド層１４は、例えば、ＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)を備える。磁気ピンド層１４としては、さらに、Ｔａ(厚さ４ｎｍ)、Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)、Ｐｔ(厚さ６ｎｍ)／Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)を備えていてもよい。
【０２８９】
ハードマスク層１５は、磁気ピンド層１４上に配置される。ハードマスク層１５は、例えば、Ｔａ層を含む。ハードマスク層１５は、磁気抵抗効果素子の上部電極として機能していてもよいし、ハードマスク層１５の他に、別途、上部電極を設けてもよい。また、本例では、磁気ピンド層１４は、ハードマスク層１５をマスクにしてパターニングされるが、磁気フリー層１２及びトンネルバリア層１３は、パターニングされない。
【０２９０】
ここで、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４に関して、磁化方向が膜面に対して略垂直とは、膜面に対して垂直となる場合の他、磁気フリー層１２と磁気ピンド層１４との磁化状態（平行／反平行）を判別可能な範囲（例えば、膜面に対してθ（４５°＜θ≦９０°（垂直））の範囲）も含むものとする。
【０２９１】
磁気フリー層１２は、例えば、不活性領域（磁気的及び電気的に不活性な領域）１７を有する。磁気抵抗効果素子の磁気フリー層として実際に機能する部分は、不活性領域１７以外の活性領域（磁気的及び電気的に活性な領域）である。
【０２９２】
磁気フリー層１２、トンネルバリア層１３及び磁気ピンド層１４により磁気抵抗効果素子が構成される。そして、磁気抵抗効果素子に、膜面に対して垂直方向にスピン注入電流を流すことにより磁気フリー層１２の磁化反転を行う。
【０２９３】
スピン注入電流は、スピン偏極された電子を発生し、その角運動量が磁気フリー層１２内の電子に伝達されることによって磁化反転（スピンの向き）が反転する。この方式によれば、スピン注入電流の向きを制御することによって、磁気フリー層１２の磁化方向を制御することができる。
【０２９４】
これに対して、磁気ピンド層１４の磁化方向は、不変である。ここで、磁気ピンド層１４の磁化方向が不変である、とは、磁気フリー層１２の磁化方向を反転するための磁化反転電流を磁気ピンド層１４に流したときに、磁気ピンド層１４の磁化方向が変化しないことを意味する。
【０２９５】
従って、磁気フリー層１２として、磁化反転電流の小さい磁性層を用い、磁気ピンド層１４として、磁化反転電流の大きい磁性層を用いれば、磁化方向が可変の磁気フリー層１２と、磁化方向が不変の磁気ピンド層１４とを実現できる。
【０２９６】
また、スピン偏極された電子により磁化反転を引き起こす場合、その磁化反転電流は、減衰定数、異方性磁界、及び、磁気抵抗効果素子の体積に比例するため、これらを適切に調整することにより、磁気フリー層１２と磁気ピンド層１４との磁化反転電流に差を設けることができる。
【０２９７】
尚、図２９内の矢印は、磁化方向を示している。磁気ピンド層１４の磁化方向は、一例であって、上向きに代えて、下向きにしてもよい。
【０２９８】
磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４は、それぞれ、膜面に略垂直の磁気異方性を有するため、それらの磁化容易軸方向は、膜面に対して略垂直である（以下、垂直磁化という）。即ち、磁気抵抗効果素子は、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４の磁化方向がそれぞれ膜面に対して略垂直である、いわゆる垂直磁化型の磁気抵抗効果素子である。
【０２９９】
尚、磁化容易軸方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界がない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。磁化困難軸方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界がない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。
【０３００】
絶縁層２５，２６は、磁気ピンド層１４が多層であるときに、各層の側面に隙間を設けることなく、その側面を覆うためのものである。層間絶縁層２７は、例えば、酸化Ｓｉ（ＳｉＯ２）又は窒化Ｓｉ（ＳｉＮ）である。層間絶縁層２７の上面は、平坦化され、かつ、ハードマスク層１５の上面は、層間絶縁層２７から露出する。
【０３０１】
そして、導電線（例えば、ビット線）２８は、ハードマスク層（電極層）１５に接続される。導電線２８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）である。
【０３０２】
以上の磁気メモリにおいて、下地層１１は、例えば、下部電極としての厚い金属層と、磁気フリー層１２の磁化方向を膜面に対して略垂直にするためのバッファ層とで構成することができる。下地層１１は、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、Ｒｕ（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属層が積層された積層構造を有していてもよい。
【０３０３】
磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４は、例えば、（１）  ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ等のＬ１０構造又はＬ１１構造を持つ強磁性材料、（２）  ＴｂＣｏＦｅ等のフェリ磁性材料、（３）  ＮｉＦｅ、Ｃｏ等の磁性材料とＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性材料との積層構造からなる人工格子等を用いることができる。
【０３０４】
トンネルバリア層１３は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、Ｍｇ窒化物、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、Ａｌ窒化物、又は、これらの積層構造等を用いることができる。
【０３０５】
ハードマスク層１５は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等の金属、又は、窒化Ｔｉ（ＴｉＮ）、窒化ＴｉＳｉ（ＴｉＳｉＮ）、窒化タンタルＳｉ（ＴａＳｉＮ）等の導電性化合物を用いることができる。
【０３０６】
尚、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４は、それぞれ、その磁化方向が膜面に対して略平行であっても構わない。
【０３０７】
ここで、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４に関して、磁化方向が膜面に対して略平行とは、膜面に対して平行となる場合の他、磁気フリー層１２と磁気ピンド層１４との磁化状態（平行／反平行）を判別可能な範囲（例えば、膜面に対してθ（０（平行）≦θ＜４５°）の範囲）も含むものとする。
【０３０８】
この場合、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４は、それぞれ、膜面に略平行の磁気異方性を有するため、それらの磁化容易軸方向は、膜面に対して略平行である（以下、面内磁化という）。即ち、磁気抵抗効果素子は、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４の磁化方向がそれぞれ膜面に対して略平行である、いわゆる面内磁化型の磁気抵抗効果素子である。
【０３０９】
面内磁化を実現する磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の群から選択される少なくとも１つの原子を含む磁性金属を挙げることができる。
【０３１０】
尚、磁気抵抗効果素子として、垂直磁化型を採用するか、又は、面内磁化型を採用するかは、ＭＲＡＭに必要とされる特性に応じて、適宜、使い分けることができる。
【０３１１】
以上の磁気メモリは、スピン注入磁化反転方式、即ち、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行する方式を採用する。
【０３１２】
ここで、磁気フリー層に作用する磁気ピンド層からの漏洩磁界は、普通には磁気フリー層の磁化を磁気ピンド層の磁化と平行にする方向に作用する。しかし、磁気フリー層が磁気ピンド層よりも大きい場合には、磁気ピンド層からの漏洩磁界が磁気フリー層に不均一に働くため、スピン注入による磁化反転特性が劣化するという問題が生じる。そのため、磁気フリー層のサイズは、磁気ピンド層のサイズと同じ又はそれよりも小さくするのが望ましい。
【０３１３】
また、スピン注入磁化反転方式を採用する磁気抵抗効果素子であって、特に、垂直磁化膜を用いる磁気抵抗効果素子では、磁気フリー層を下側（基板側）にして形成すると、磁気特性が向上する。
【０３１４】
図３０乃至図３８は、上述の磁気メモリの製造方法を示している。
【０３１５】
まず、図３０に示すように、半導体基板２１上に素子２２を形成する。素子２２は、ＭＯＳトランジスタなどのスイッチ素子、ＦＥＯＬ（Front End Of Line）などの導電線を含む。また、素子２２上に層間絶縁層２３を形成し、この層間絶縁層２３内に素子２２に達するコンタクトプラグ２４を形成する。
【０３１６】
この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）及びエッチバックにより、相間絶縁層２３の上面を平坦化する。層間絶縁層２３は、例えば、酸化Ｓｉ（ＳｉＯ２）であり、コンタクトプラグ２４は、例えば、タングステン（Ｗ）である。
【０３１７】
次に、図３１に示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトプラグ２４上に、下地層１１、磁気フリー層１２、トンネルバリア層１３、磁気ピンド層１４及びハードマスク層１５を、順次、形成する。
【０３１８】
下地層１１は、例えば、磁気フリー層１２の磁化方向を膜面（下地層の上面）に対して垂直方向に向けるために必要な層である。磁気フリー層１２は、例えば、Ｐｄ(厚さ０．４ｎｍ)とＣｏ(厚さ０．４ｎｍ)とからなる層を６回積み重ねた構造と、この構造上のＴａ(厚さ０．３ｎｍ)及びＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)とを備える。
【０３１９】
また、トンネルバリア層１３は、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向したＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）から構成される。
【０３２０】
磁気ピンド層１４は、例えば、ＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)を備える。磁気ピンド層１４は、さらに、Ｔａ(厚さ４ｎｍ)、Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)、Ｐｔ(厚さ６ｎｍ)／Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)を備えてもよく、この場合、磁気抵抗効果素子の磁気的バイアスを調整できる。
【０３２１】
ハードマスク層１５は、例えば、タンタル（Ｔａ）層から構成される。
【０３２２】
尚、磁気ピンド層１４は、それからの漏洩磁界を打ち消す働きを持つバイアス磁界層を含んでいてもよい。また、下地層１１についても、同様に、バイアス磁界層を含んでいてもよい。
【０３２３】
次に、図３２及び図３３に示すように、周知の技術であるリソグラフィ及びガスクラスターイオンビームエッチングを用いて、磁気抵抗効果素子のパターニングを行なう。
【０３２４】
即ち、図３２に示すように、ＰＥＰ(Photo engraving process)を用いて、ハードマスク層１５上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層をマスクにして、ハードマスク層１５をパターニングする。この後、フォトレジスト層を除去する。
【０３２５】
続けて、図３３に示すように、ハードマスク層１５をマスクにして、クラスターサイズが、２以上、１０００以下であるガスクラスター１６ａを用いて、ＧＣＩＢエッチングにより、磁気ピンド層１４をパターニングする。
【０３２６】
ここで、磁気ピンド層１４は、トンネルバリア層１３が露出するまでエッチングしてもよいし、エッチング領域においてトンネルバリア層１３上に磁気ピンド層１４を残し、トンネルバリア層１３が露出しないようにしてもよい。
【０３２７】
一般的には、トンネルバリア層１３は極薄のため、トンネルバリア層１３が露出した時点でエッチングを止めることは難しく、磁気フリー層１２までエッチングしてしまうオーバーエッチングを考慮すると、磁気ピンド層１４のエッチングは、途中（トンネルバリア層１３が露出する前）に止めるのが望ましい。
【０３２８】
次に、図３４に示すように、ハードマスク層１５をマスクにして、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４に対して、非磁性化のためのＧＣＩＢ照射を行う。
【０３２９】
ＧＣＩＢ照射に用いるクラスター１６ｂは、例えば、Ｎ２Ｏ、Ｏ、Ｎ、Ｆ、Ｃｌ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｐ、Ａｓのうちの１つを備える。また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの合計数をＮとし、クラスターの平均原子数をＡとしたとき、Ｎ×Ａ＞１×１０１７ｃｍ−２にするのが望ましい。
【０３３０】
本例では、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ｎクラスターとし、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。Ｎクラスターの合計数Ｎは、例えば、１×１０１４ｃｍ−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、２０００であり、Ｎ×Ａは、例えば、２×１０１７ｃｍ−２である。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、２．５ｅＶである。
【０３３１】
このＧＣＩＢ照射により、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４の一部が非磁性化及び高抵抗化され、その部分は、磁気的及び電気的に不活性な領域（不活性領域）１７となる。不活性領域１７は、ハードマスク層１５により覆われていない部分にできるが、ハードマスク層１５に覆われた部分にも多少形成される。
【０３３２】
また、酸素を含むクラスターを、同時に、若しくは、順次に、照射することで照射部分の電気伝導率を確実に低下させることができるため、電流リークによる書き込み／読み出し効率の低下を防ぐことができる。また、ＧＣＩＢ照射により、磁気ピンド層１４の不活性部分が除去される場合は、電流リークを確実に防ぐことができ、書き込み／読み出し効率の上昇を図ることができる。
【０３３３】
また、この後、ＧＣＩＢ、若しくは、モノマーイオンビーム等のエッチング手段を用いて、不活性領域１７の物理的な除去を行うことができる。
【０３３４】
次に、図３５に示すように、磁気ピンド層１４及びハードマスク層１５を覆う絶縁層２５，２６を形成する。この絶縁層２５，２６は、磁気ピンド層１４が多層であるときに、各層の側面に隙間を設けることなく、その側面に付着する。
【０３３５】
次に、図３６に示すように、周知の技術であるリソグラフィ及びエッチングを用いて、磁気抵抗効果素子のパターニングを行なう。このパターニングは、磁気フリー層１２、トンネルバリア層１３及び磁気ピンド層１４について行なう。
【０３３６】
即ち、絶縁層２６上にフォトレジスト層を形成した後、フォトレジスト層をマスクにして、ＲＩＥにより、絶縁層２５，２６、磁気ピンド層１４、トンネルバリア層１３、磁気フリー層１２及び下地層１１をエッチングし、独立した磁気抵抗効果素子を形成する。
【０３３７】
ここで、この段階における磁気抵抗効果素子のパターニングでは、磁気フリー層１２及び磁気ピンド層１４の不活性領域１７について行うため、仮に、金属の再付着物が、磁気フリー層１２／トンネルバリア層１３／磁気ピンド層１４の側壁に付着したとしても、何ら問題が発生することはない。
【０３３８】
この後、磁気抵抗効果素子を覆う層間絶縁層２７を形成する。層間絶縁層２７は、例えば、酸化Ｓｉ（ＳｉＯ２）又は窒化Ｓｉ（ＳｉＮ）である。この後、ＣＭＰ法を用いて、層間絶縁層２７の上面を平坦化する。
【０３３９】
次に、図３７に示すように、ＣＭＰ法を用いて、層間絶縁層２７の上面をさらに研磨し続け、ハードマスク層１５の上面を露出させる。
【０３４０】
最後に、図３８に示すように、層間絶縁層２７上に、ハードマスク層１５に接続される導電線２８を形成する。導電線２８は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）である。
【０３４１】
以上の製造方法により磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の磁気抵抗効果素子を形成したところ、スピン注入磁化反転に必要とされる電流密度のマージンを広げることが可能になり、スピン注入磁化反転特性の向上、さらには、磁気抵抗効果素子の歩留りの向上を実現できた。
【０３４２】
尚、磁気抵抗効果素子は、トップピン型であってもよいし、ボトムピン型であってもよい。また、本実施形態は、磁気抵抗効果素子の加工・処理等に顕著な効果を有するが、その他の金属、半導体、絶縁体等の加工・処理等に対しても適用可能である。
【０３４３】
例えば、被パターニング層（金属、半導体、絶縁体等）を形成し、被パターニング層上にハードマスク層を形成する。そして、ハードマスク層をマスクにして、クラスターイオンビームにより、被パターニング層をパターニングする。
【０３４４】
この時、クラスターイオンビームを構成するクラスターイオンは、上述の実施形態で示したように、クラスターサイズの分布を持ち、クラスターサイズの分布のピーク値は、２以上、１０００以下であるように設定する。
【０３４５】
これにより、被パターニング層の加工精度と特性の向上とを同時に図ることができる。
【０３４６】
［むすび］
実施形態によれば、クラスターイオンビームを用いた新たな磁気抵抗効果素子の製造方法を実現できる。
【０３４７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０３４８】
１１：  下地層、  １２：  第１の磁性層（磁気フリー層）、  １３：  トンネルバリア層、  １４：  第２の磁性層（磁気ピンド層）、  １５：  ハードマスク層。
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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