(57)【要約】【課題】安定して動作可能な磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態の磁気抵抗効果は、下部電極と、第１の磁性層と、第１の金属層と、第１の界面磁性層と、非磁性層と、第２の界面磁性層と、第２の金属層と、第２の磁性層と、上部電極層と、を持つ。前記第１の磁性層は、前記下部電極上に設けられて第１の金属原子を含む。前記第１の金属層は、前記第１の磁性層上に設けられて前記第１の金属原子を含む。前記第１の界面磁性層は、前記第１の金属層上に設けられる。前記非磁性層は、前記第１の界面磁性層上に設けられる。前記第２の界面磁性層は、前記非磁性層上に設けられる。前記第２の金属層は、前記第２の界面磁性層上に設けられ、第２の金属原子を含む。前記第２の磁性層は、前記第２の金属層上に設けられ、前記第２の金属原子を含む。前記上部電極層は、前記第２の磁性層上に設けられる。前記第１の界面磁性層は、前記非磁性層側と反対側の界面にアモルファス金属層を含む。【選択図】図１
2013012676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、第１の金属原子を含む第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に設けられ、前記第１の金属原子を含む第１の金属層と、
前記第１の金属層上に設けられた第１の界面磁性層と、
前記第１の界面磁性層上に設けられた非磁性層と、
前記非磁性層上に設けられた第２の界面磁性層と、
前記第２の界面磁性層上に設けられ、第２の金属原子を含む第２の金属層と、
前記第２の金属層上に設けられ、前記第２の金属原子を含む第２の磁性層と、
前記第２の磁性層上に設けられた上部電極層と、
を備え、
前記第１および第２の磁性層は、それぞれ磁化記憶層および磁化参照層の一方および他方であり、
前記第２の界面磁性層中の結晶配向した部分の比率は、前記第１の界面磁性層中の結晶配向した部分の比率よりも高い、
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
下部電極と、
前記下部電極上に設けられ、第１の金属原子を含む第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に設けられ、前記第１の金属原子を含む第１の金属層と、
前記第１の金属層上に設けられた第１の界面磁性層と、
前記第１の界面磁性層上に設けられた非磁性層と、
前記非磁性層上に設けられた第２の界面磁性層と、
前記第２の界面磁性層上に設けられ、第２の金属原子を含む第２の金属層と、
前記第２の金属層上に設けられ、前記第２の金属原子を含む第２の磁性層と、
前記第２の磁性層上に設けられた上部電極層と、
を備え、
前記第１および第２の磁性層は、それぞれ磁化記憶層および磁化参照層の一方および他方であり、
前記第１の界面磁性層は、前記非磁性層側と反対側の界面にアモルファス金属層を含む、
磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第２の界面磁性層は、前記非磁性層側と反対側の界面にアモルファス金属層を含む、
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
基板上に下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に第１の磁性層を形成する工程と、
前記磁化参層上に、第１の拡散防止層を形成する工程と、
前記第１の拡散防止層上に、第１の金属と第１の物質とを含む第１のアモルファス金属層を形成する工程と、
前記第１のアモルファス金属層上に非磁性層を形成する工程と、
前記非磁性層上に、前記第１の金属と第１の物質とを含む第２のアモルファス金属層を形成する工程と、
前記第２のアモルファス金属層上に第２の拡散防止層を形成する工程と、
前記第２の拡散防止層上に第２の磁性層を形成する工程と、
前記第２の磁性層上に上部電極層を形成する工程と、
熱処理により前記第１および第２のアモルファス金属層を結晶化してそれぞれ前記第１の物質を有する第１および第２の界面磁性層を形成する工程と、
を備え、
前記第１および第２の磁性層は、それぞれ磁化記憶層および磁化参照層の一方および他方である、
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１の物質はＢおよびＰから選択されることを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
基板上に下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に第１の磁性層を形成する工程と、
前記第１の磁性層上に第１の拡散防止層を形成する工程と、
前記第１の拡散防止層上に、第１の金属と第１の物質とを含む第１のアモルファス金属層を形成する工程と、
前記第１のアモルファス金属層上に非磁性層を形成する工程と、
前記非磁性層上に、前記第１の金属と前記第１の物質とを含む第２のアモルファス金属層を形成する工程と、
前記第２のアモルファス金属層の上に第２の拡散防止層を形成する工程と、
前記第２の拡散防止層上に第２の磁性層を形成する工程と、
前記第２の磁性層上に上部電極層を形成する工程と、
熱処理により前記第１および第２のアモルファス金属層の一部を結晶化してそれぞれ第１および第２の界面磁性層にするアニーリング工程と、
を備え、
前記第１および第２の磁性層は、それぞれ磁化記憶層および磁化参照層の一方および他方である、
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１および第２の界面磁性層の少なくともいずれかは、前記非磁性層側と反対側の界面にアモルファス金属層を含む、ことを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
前記第１のアモルファス金属層中の前記第１の物質の濃度は、前記第２のアモルファス金属層中の前記第１の物質の濃度よりも高い、
ことを特徴とする請求項６または７に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１および第２のアモルファス金属層は、エピタキシャル化を促す第２の金属をそれぞれ含み、
前記第１の金属に対する前記第２の金属の比率は、前記第２のアモルファス金属層の方が前記第１のアモルファス金属層よりも高い、
ことを特徴とする請求項６または７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】
本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が開発されている。この磁気ランダムアクセスメモリには、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を含む磁気抵抗効果素子が用いられており、大きな磁気抵抗変化率を有する。現在検討されているスピン注入書き込み方式では、面内磁化ＭＴＪ膜、垂直磁化ＭＴＪ膜が採用されており、磁気抵抗効果素子構造の微細化とともに低電流化している。
【０００３】
ＭＴＪ構造として、例えばトンネル障壁層となる非磁性層を例えばＭｇＯから形成し、その両側に配置する界面磁性層をＣｏＦｅＢから形成すると、そのＣｏＦｅＢ層内の垂直磁化の向きが平行状態であるか、反平行状態であるかに応じてトンネル電流値（抵抗値）が変わり、その比率であるＭＲ比において、高ＭＲ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）比が得られる。
【０００４】
ＭＴＪ素子のトンネル特性は、トンネル障壁構造を形成する際の熱処理を経た後の非磁性層および界面磁性層の結晶化度、結晶配向に依存する。
【０００５】
しかしながら、下地層の結晶配向からの影響や、元素拡散による界面磁性層の結晶性劣化、界面磁性層からのＢ元素拡散による結晶性変化など、非磁性層および界面磁性層の結晶化度、結晶配向に影響を与える因子が多く存在しており、安定して動作するＭＴＪ素子を提供することは容易でなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８３２０７号公報
【特許文献２】特開２００９−０８１２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、安定して動作可能な磁気抵抗効果素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の磁気抵抗効果は、下部電極と、第１の磁性層と、第１の金属層と、第１の界面磁性層と、非磁性層と、第２の界面磁性層と、第２の金属層と、第２の磁性層と、上部電極層と、を持つ。前記第１の磁性層は、前記下部電極上に設けられて第１の金属原子を含む。前記第１の金属層は、前記第１の磁性層上に設けられて前記第１の金属原子を含む。前記第１の界面磁性層は、前記第１の金属層上に設けられる。前記非磁性層は、前記第１の界面磁性層上に設けられる。前記第２の界面磁性層は、前記非磁性層上に設けられる。前記第２の金属層は、前記第２の界面磁性層上に設けられ、第２の金属原子を含む。前記第２の磁性層は、前記第２の金属層上に設けられ、前記第２の金属原子を含む。前記上部電極層は、前記第２の磁性層上に設けられる。前記第１および第２の磁性層は、それぞれ磁化記憶層および磁化参照層の一方および他方である。前記第１の界面磁性層は、前記非磁性層側と反対側の界面にアモルファス金属層を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１による磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。
【図２】図１の変形例を示す断面図。
【図３Ａ】図１に示す磁気抵抗効果素子を備える磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を示す断面図。
【図３Ｂ】図１に示す磁気抵抗効果素子を備える磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を示す断面図。
【図３Ｃ】図１に示す磁気抵抗効果素子を備える磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を示す断面図。
【図３Ｄ】図１に示す磁気抵抗効果素子を備える磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を示す断面図。
【図４】図１に示す磁気抵抗効果素子の製造方法を示す断面図。
【図５Ａ】参考例による磁気抵抗効果素子の磁化曲線を示す図。
【図５Ｂ】実施形態１による磁気抵抗効果素子の磁化曲線を示す図。
【図６】実施形態２による磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。
【図７】図６に示す磁気抵抗効果素子の製造方法を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。
【００１１】
（１）実施形態１
（ａ）素子構成
図１は、実施形態１による磁気抵抗効果素子１の基本構造を示す断面図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１は、面内磁化膜よりも記録密度が大きい垂直磁化膜を有する素子であり、下部電極２、磁化記憶層または磁化参照層３、第１の金属層４、第１の界面磁性層５、非磁性層６、第２の界面磁性層７、第２の金属層８、磁化参照層または磁化記憶層９、磁化調整層１０、上部電極１１を備える。第１および第２の金属層４，８は、後に詳述するように、磁化記憶層または磁化参照層３、磁化参照層または磁化記憶層９から元素が非磁性層６へ向けて拡散することを抑制する拡散防止層として機能するが、磁性体素子を構成する膜種、または混合物に置換することも可能である。  
磁化記憶層または磁化参照層３と磁化参照層または磁化記憶層９とは、本実施形態において例えば第１および第２の磁性層に対応し、いずれか一方が磁化記憶層を構成し、いずれか他方が磁化参照層を構成する。本実施形態の磁気抵抗効果素子１が、例えば下側に磁化参照層を持つＭＴＪ構造の場合には、図１に示すように、下部電極２上に磁化参照層３が設けられる。下部電極２の材料としては、例えばＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｔａなどが用いられる。
【００１２】
貴金属の結晶方位を利用する構造の場合は、ｆｃｃ構造（１１１）面の配向が得やすいため、その構造を利用する場合もある。また、下部電極２において基板上の下地構造からの結晶整合などの影響を断ちたい場合には、下部電極２の下にアモルファス金属膜を設けてもよい。
【００１３】
磁化記憶層９は、磁化を膜面に対して実質的に垂直に有する垂直磁化膜であり、磁化の向きが可変である。また、磁化参照層３には、第１の金属原子が含まれる。本実施形態において、第１の金属原子は、例えばＰｔ、Ｐｄ等の原子をいう。より具体的には、磁化参照層３には、規則合金層が用いられ、例えばＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ等が用いられる。下部電極２の膜厚は、例えば約５ｎｍで、磁化参照層３の膜厚は、例えば約１ｎｍである。下部電極２は、その上部に形成される磁化参照層３の配向を制御する層としての役割も有する。磁化参照層３上には、第１の金属層４が設けられる。第１の金属層４は、例えばＴａなどで形成され、その膜厚は、例えば約０．５ｎｍである。本実施形態において、Ｔａは例えば第３の金属原子に対応する。
【００１４】
第１の金属層４上には、第１の界面磁性層５が設けられる。第１の界面磁性層５は、ＣｏＦｅＢを主成分として形成される。また、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはこれらの積層構造などでもよい。第１の界面磁性層５は、磁化参照層３等の垂直磁化膜との間の交換結合により垂直磁化を持つ。第１の界面磁性層５の膜厚は、例えば約１ｎｍ程度である。第１の界面磁性層５はまた、非磁性層６側とは逆の第１の金属層４側の界面近傍にエピタキシャル化されずにアモルファスのまま残存したアモルファス層ＡＦ５を含む。なお、図１においてアモルファス層ＡＦ５は平坦な膜として記述してあるが、実際には凹凸の大きい、または界面磁化膜のグレインを補間する形で形成される。  
第１の界面磁性層５上には、トンネル絶縁膜として非磁性層６が設けられる。非磁性層６は、ＮａＣｌ構造の酸化物であり、この酸化物の（１００）面と第１の界面磁性層５と格子不整合度が小さい材料を選択して組成することが望ましい。非磁性層６は、例えば、アモルファスＣｏＦｅＢ合金構造の上で結晶成長すると、［１００］方向に優先配向した絶縁膜を得ることができる。非磁性層６には、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ等が用いられるが、他の材料でもよい。非磁性層６の膜厚は、例えば約１ｎｍであり、この薄い膜厚により磁気抵抗効果素子１の抵抗値を約１０Ωμｍ２またはそれ未満にする。
【００１５】
非磁性層６上には第２の界面磁性層７が設けられる。第２の界面磁性層７には、上述した第１の界面磁性層５と同様の材料が用いられる。第２の界面磁性層７は、磁化記憶層９等の垂直磁化膜との間の交換結合により垂直磁化を持つ。第２の界面磁性層７の膜厚は、例えば約１ｎｍである。第２の界面磁性層７についてもまた、非磁性層６側とは逆の第２の金属層８側の界面近傍にエピタキシャル化されずにアモルファスのまま残存したアモルファス層ＡＦ７を含む。アモルファス層ＡＦ７についても、図１において平坦な膜として記述してあるが、実際には凹凸が大きく、界面磁化結晶膜を補間する形で存在するものもある。なお、このように本実施形態においては、第１および第２の界面磁性層がエピタキシャル金属層とアモルファス金属層とをそれぞれ含むことから、以下の説明においては、適宜「ＣｏＦｅ（Ｂ）層」と表記する。
【００１６】
第２の界面磁性層７上には、Ｔａなどから形成される第２の金属層８が設けられ、その膜厚は、例えば約０．５ｎｍである。
【００１７】
第２の金属層８上には、磁化記憶層９が設けられる。磁化記憶層９は磁化を膜面に対して実質的に垂直に有する垂直磁化膜であり、磁化の向きが可変で、かつ第２の金属原子を含むものである。垂直磁化膜である磁化記憶層９は、例えば、不規則合金、規則合金、人工格子等を用いて形成される。不規則合金では、Ｃｏと、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＦｅまたはＮｉ等の元素と、の合金を形成したものが用いられ、例えばＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金が用いられる。規則合金では、Ｆｅ、ＣｏまたはＮｉと、ＰｔまたはＰｄと、の合金が用いられ、例えばＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔが挙げられる。人工格子では、Ｆｅ、ＣｏもしくはＮｉ元素、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、ＲｅもしくはＡｕの元素、またはそれらの合金が積層されたものが用いられ、例えばＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｒｕ等が用いられる。他にも、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄなどの遷移金属を含む合金材料、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＣｏＦｅ等も用いることができる。磁化記憶層９の膜厚は、例えば約６ｎｍである。
【００１８】
磁化記憶層９上には、磁化調整層１０が設けられる。磁化調整層１０は、磁化記憶層９への参照層からの磁場の影響を抑制するために設けられる磁性膜である。磁化調整層１０には、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、ＩｒとＭｎとの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎ、ＣｒＰｔＭｎ等が用いられる。磁化調整層１０の膜厚は、例えば約８ｎｍである。
【００１９】
磁化調整層１０上には、上部電極（またはキャップ層）１１が設けられる。上部電極１１の膜厚は、例えば約５ｎｍである。
【００２０】
本実施形態において、トンネル障壁層をなす非磁性層６はＭｇＯで形成され、また、非磁性層６を間に挟むように非磁性層６の両側に位置する第１および第２の界面磁性層は、本実施形態においてＣｏＦｅＢを主成分として形成される。下層側の第１の界面磁性層５は、第１の金属層４上に形成されるため、その金属層の結晶構造、結晶配向性、または第１の金属層下の下地金属層の結晶構造、配向性を反映してしまい、ＣｏＦｅ（Ｂ）の所望の結晶構造および結晶配向が得られなくなることがある。ＭＴＪのＭＲ比などのスピン偏極トンネル特性は、ＭｇＯ、ＣｏＦｅ（Ｂ）の結晶性、結晶配向性に左右され、ＭｇＯ（００１）と格子マッチングしたＣｏＦｅ（Ｂ）ｂｃｃ（００１）配向膜が望ましい。よって下地金属層の影響を断つために、第１の界面磁性層５の下層（第１の金属層４）側の界面付近はアモルファス状態がよいことになる。また、ＣｏＦｅ層が厚くなると磁化が大きくなり、垂直磁気異方性が劣化する一要因となり得るため、この点からも完全に結晶化する状態でないほうが望ましい。
【００２１】
このため、本実施形態において、第１の界面磁性層５は、非磁性層６側とは逆の第１の金属層４側の界面近傍にエピタキシャル化されずにアモルファスのまま残存したアモルファス層ＡＦ５を含む。これにより、第１の界面磁性層５は、下側の第１の金属層４の結晶構造、結晶配向性の影響から大きく免れ、良好な結晶構造および結晶配向を有する。
【００２２】
この一方、上層側の第２の界面磁性層７は、ＭｇＯ上に成膜することから下地の非磁性層６よりも結晶化しやすく、第１の界面磁性層５よりも良好にｂｃｃ（００１）配向したＣｏＦｅ結晶化層が得られる。したがって、第２の界面磁性層７中の（００１）方向に結晶配向した部分の比率は、第１の界面磁性層５中の（００１）方向に結晶配向した部分の比率よりも高い。この点は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて結晶化面積を検出することにより確認可能である。
【００２３】
このように、第１および第２の界面磁性層５，７は、良好にｂｃｃ（００１）配向した結晶化層となっているため、垂直磁気異方性が向上し、熱的に安定するなどの特徴を有する。なお、第２の金属膜８は第２の界面磁性層７の上部に設けられるので、結晶構造が異なっていても第２の界面磁性層７の結晶構造、結晶配向に与える影響は小さい。
【００２４】
図１に示す磁気抵抗効果素子１の構造は、磁化参照層３、第１の金属層４、第１の界面磁性層５、非磁性層６、第２の界面磁性層７、第２の金属層８、磁化記憶層９、磁化調整層１０、上部電極１１の順序で下層側から上層側へ積層した構造となっており、磁化参照層３の磁化を精密に制御できる。
【００２５】
なお、本実施形態においては、第１の界面磁性層５および第２の界面磁性層７の両方について、非磁性層６側とは逆の側の界面近傍にアモルファス層ＡＦ５，ＡＦ７を含む場合を取り挙げたが、結晶化の容易さの違いから下側の第１の界面磁性層５のみがアモルファス層ＡＦ５を含むこととしてもよい。
【００２６】
（ｂ）製造方法
次に、実施形態１に係る磁気抵抗効果素子１の製造方法について、磁気抵抗効果素子１を含む磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を採り上げて以下に説明する。  
図３Ａ乃至図３Ｄは、図１に示す磁気抵抗効果素子を備える磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を示す断面図である。
【００２７】
まず、図３Ａのように、半導体基板１２の表面層に素子分離溝ＴＲ１を形成し、絶縁膜、例えばシリコン酸化膜を素子分離溝ＴＲ１に埋め込むことにより、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造の素子分離絶縁膜１３を形成する。その後、ゲート絶縁膜１４およびゲート電極１５を形成する。その後、イオン注入およびアニーリングにより、ソース領域１６ａおよびドレイン領域１６ｂを形成し、選択トランジスタを形成する。以上の工程は既存の技術を用いることで実現可能である。
【００２８】
次に、図３Ｂに示すように、第１の絶縁膜１７として、例えばシリコン酸化膜をプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により全面に形成した後、ソース領域１６ａの一部が露出するようにフォトリソグラフィ法およびＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）にて開口ＯＰを形成する。
【００２９】
次に、スパッタ法またはＣＶＤ法により、この開口ＯＰ内にフォーミングガスの雰囲気下におけるＣＶＤにより全面にＷ膜を成膜する。さらに、このＷ膜をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平坦化する。これによりシリコン酸化膜１７内にソース領域１６ａに連通する第１のコンタクトプラグ１８を形成する。ゲート電極１５は図示しないワードラインに接続される。また、ソース領域１６ａは図示しないビットラインに接続される。
【００３０】
次に、シリコン酸化膜１７および第１のコンタクトプラグ１８上にＣＶＤ法によりＣＶＤ窒化膜１９を全面に形成する。その後、ドレイン領域１６ｂに連通するコンタクトホールＣＨ１を形成し、Ｗ膜を成膜する。さらに、ＣＭＰによりＷ膜を平坦化することにより、第２のコンタクトプラグ２０を形成する。第２のコンタクトプラグ２０は、ドレイン領域１６ｂを磁気抵抗効果素子１に接続させるための引き出し線をなす。
【００３１】
次に、磁気抵抗効果素子１を形成する。以下、図４を参照して磁気抵抗効果素子１の形成方法について具体的に説明する。  
第２のコンタクトプラグ２０上に下部電極２として膜厚が約５ｎｍのＲｕを形成する。下部電極２の材料には、他にもＰｔ、Ｒｕ、Ｉｒなどが用いられる。
【００３２】
次に、下部電極２上に磁化記憶層３として膜厚が約１ｎｍのＣｏＰｄ層を形成する。その後、磁化記憶層３上に拡散防止層３１として膜厚が約０．５ｎｍの例えばＴａの層を形成する。拡散防止層３１の材料には、他にもＶ、Ｙ、Ｚｒ、Ｙｂ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏから選ばれる原子が用いられる。拡散防止層３１は、本実施形態において、例えば第１の拡散防止層に対応する。
【００３３】
次いで、第１の界面磁性層５を形成するために、拡散防止層３１上に、膜厚が約１ｎｍのアモルファス状のＣｏＦｅＢ層５５を形成する。本実施形態において、ＣｏＦｅＢ層５５は、例えば第１のアモルファス金属層に対応し、Ｃｏは例えば第１の金属に対応し、Ｂは例えば第１の物質に対応する。第１の物質の例としては、Ｂ以外にＰなどが挙げられる。
【００３４】
次に、ＣｏＦｅＢ層５５上に非磁性層６として膜厚が約１ｎｍの一部結晶化状のＭｇＯからなるトンネル膜を形成し、非磁性層６上に第２の界面磁性層７を形成するために、膜厚が約１ｎｍのアモルファス状のＣｏＦｅＢ層７５を形成する。
【００３５】
次に、ＣｏＦｅＢ層７５上にＴａを堆積して膜厚が約０．５ｎｍの第２の金属層３２を形成し、その上に磁化記憶層９として膜厚が約６ｎｍのＦｅＰｄ層を形成する。第２の金属層３２は、Ｔａの他にもＶ、Ｙ、Ｚｒ、Ｙｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉから選ばれる原子を含む。第２の金属層３２は、本実施形態において例えば第２の拡散防止層に対応する。
【００３６】
次に、磁化記憶層９上に磁化調整層１０として膜厚が約８ｎｍのＰｔＭｎ層を形成し、磁化調整層１０上に上部電極１１として膜厚が約５ｎｍのＲｕ層を形成する。上部電極１１の材料には、他にもＰｔ、Ｉｒ、Ｔａ等が用いられる。なお、上部電極１１は、磁化調整層１０を形成することなく、磁化記憶層９の直上に形成してもよい。
【００３７】
以上の製造工程を経て磁気抵抗効果素子１を構成する各層が形成される。なお、磁気抵抗効果素子１を構成する各層の積層順序は、上記順序に限られるものではなく、下部電極２、磁化調整層１０、磁化記憶層９、第１の金属層３１、第１のＣｏＦｅＢ層５５、非磁性層６、第２のＣｏＦｅＢ層７５、第２の金属層３２、磁化参照層３、上部電極１１の順に積層してもよい。
【００３８】
以上の工程において、下部電極２、磁化参照層３、第１の金属層３１、第１のＣｏＦｅＢ層５５、非磁性層６、第２のＣｏＦｅＢ層７５、第２の金属層３２、磁化記憶層９、磁化調整層１０、上部電極１１は、例えばスパッタ法を用いて形成することができる。
【００３９】
次に、真空中において３００℃〜３５０℃で１時間程度アニーリングを行う。これにより、非磁性層６を構成するＭｇＯが結晶化するとともに、アニーリングによって第１のＣｏＦｅＢ層５５および第２のＣｏＦｅＢ層７５からＢが第１および第２の金属層３１，３２へそれぞれ排出され、ＣｏＦｅ結晶となってそれぞれ第１および第２の界面磁性層５，７となる。しかしながら、第１のＣｏＦｅＢ層５５および第２のＣｏＦｅＢ層７５の一部のＢは排出されずに第１および第２の金属層３１，３２との界面に残り、その部分でアモルファス層ＡＦ５，ＡＦ７となる（図１参照）。このアニーリングは窒素雰囲気下において行ってもよい。また、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）により、真空中において４００℃で１０〜３０秒程度ランプアニーリングを行ってもよい。
【００４０】
Ｂの一部の排出を防止するためには、具体的に２つの手法がある。第１の手法は第１のＣｏＦｅＢ層５５および第２のＣｏＦｅＢ層７５の形成工程において異なる濃度のＢを含めることである。より具体的には、下側の第１のＣｏＦｅＢ層５５中のＢの濃度を上側の第２のＣｏＦｅＢ層７５中のＢの濃度よりも高くする。ＣｏＦｅＢ層５５中でＢ濃度が高い方が結晶化が抑制されるからである。第２の手法は、第１のＣｏＦｅＢ層５５および第２のＣｏＦｅＢ層７５の形成工程において異なる比率のＦｅを含めることであり、より具体的には、上側の第２のＣｏＦｅＢ層７５中のＦｅの比率を下側の第１のＣｏＦｅＢ層５５中のＦｅの比率よりも高くする。ＣｏＦｅＢ中でＦｅの比率が高い方が結晶化しやすいからである。本実施形態において、Ｆｅは例えば第２の金属に対応する。いずれの手法によっても、第１および第２のＣｏＦｅＢ層７５の非磁性層６とは反対側の界面においてアモルファス金属層ＡＦ５，ＡＦ７が残存する。
【００４１】
このアニーリングにより、磁化参照層３および磁化記憶層９を構成する原子、例えばＰｄ原子と、第１の金属層３１および第２の金属層３２を構成する原子、例えばＴｉ原子が合金を形成してそれぞれ第１の金属層４および第２の金属層８となる。これにより、これらの原子の非磁性層６への拡散を抑制することができ、熱処理後においても安定して動作が可能な磁気抵抗効果素子１を得ることができる。
【００４２】
以上により形成した磁気抵抗効果素子１の構造に対して、第２のコンタクトプラグ２０上の磁気抵抗効果素子１を残すようにハードマスク（図示せず）を形成し、リソグラフィ法およびＩＢＥ（Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）またはＲＩＥにより上部電極１１、磁化調整層１０、磁化参照層９、第２の金属層８、第２の界面磁性層７、非磁性層６、第１の界面磁性層５、第１の金属層４、磁化記憶層３、下部電極２をエッチングにより加工する。ここで用いるハードマスクはＳｉ酸化膜、Ｓｉ窒化膜、Ｔａ膜によるものなどを挙げることができる。この際に、非磁性層６として用いられる、例えばＭｇＯ膜が薄い場合、磁気抵抗効果素子１には金属などが用いられているため、エッチングによる側面への残渣が付着し、磁気抵抗効果素子１にリーク電流が生じるおそれがある。そのため、非磁性層６の部分についてはテーパ角を制御する必要がある。このテーパ角は８０度以上が望ましく、特に８５度以上が望ましい。
【００４３】
次に、酸素または水素の拡散の防止層（図示せず）をＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＣＶＤまたはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の方法により形成する。この防止膜には、例えばＳｉＮ、ＡｌＯｘ等のものを使用することができる。
【００４４】
次に、図３Ｃに示すように、ＣＶＤ法により、磁気抵抗効果素子１を覆うようにＣＶＤ窒化膜１９上に第２の絶縁膜として、例えばシリコン酸化膜２１を形成する。  
次に、磁気抵抗効果素子１の上部電極１１に接続する第３のコンタクトプラグ２２および第２のコンタクトプラグ１８に接続する第４のコンタクトプラグ２３を形成する。これは、シリコン酸化膜２１をリソグラフィ法およびＲＩＥにより加工し、コンタクトホールＣＨ２，ＣＨ３を形成した後に、Ａｌを埋め込み、ＣＭＰ処理することにより形成する。
【００４５】
次に、シリコン酸化膜２１、第３のコンタクトプラグ２２および第４のコンタクトプラグ２３上にシリコン酸化膜２４を形成する。その後、リソグラフィ法およびＲＩＥを用いて、シリコン酸化膜２４を、第３のコンタクトプラグ２２および第４のコンタクトプラグ２３が露出するように加工し、第１の配線２５、２６を形成するための溝ＴＲ２を形成する。その後、溝ＴＲ２にＡｌを埋め込み、ＣＭＰ処理をすることにより、第１の配線２５、２６を形成する。
【００４６】
次に、図３Ｄに示すように、シリコン酸化膜２４および第１の配線２５、２６上に絶縁膜２７を形成する。さらに、リソグラフィ法およびＲＩＥにより絶縁膜２７を第１の配線２５が露出するように加工し、ビアホールＶＨを形成する。その後、このビアホールＶＨにＡｌを埋め込み、ＣＭＰ処理することによってビアプラグ２８を形成する。
【００４７】
次に、絶縁膜２７およびビアプラグ２８上にシリコン酸化膜２９を形成する。その後、リソグラフィ法およびＲＩＥによってシリコン酸化膜２９をビアプラグ２８が露出するように加工し、溝ＴＲ３を形成する。さらに、この溝ＴＲ３にＡｌを埋め込みＣＭＰ処理をすることによって第２の配線３０を形成する。  
なお、ダマシンプロセスを用いてＣｕ配線を施してもよい。この場合はＳｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｒｕ、Ｃｕなどのバリア膜、シード層を形成し、Ｃｕめっきによる埋め込みプロセスにより配線する。
【００４８】
以上の工程により、実施形態１による磁気抵抗効果素子を含む磁気ランダムアクセスメモリが提供される。
【００４９】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１の磁化特性について、第１の金属層４および第２の金属層８を設けない場合を参考例として取り挙げて説明する。参考例および本実施形態のそれぞれにおいて、３５０℃において３０分間の熱処理を行い、試料振動型磁力計（ＶＳＭ：Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  Ｓａｍｐｌｅ  Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）によって各磁気抵抗効果素子に垂直な方向に磁場を印加して磁化特性を測定し、測定結果を図５Ａおよび図５Ｂにそれぞれ示す。
【００５０】
図５Ａおよび図５Ｂの各グラフにおいて、横軸は磁気抵抗効果素子に印加される外部磁場の強さを示し、縦軸は磁気抵抗効果素子における磁化の強さを示す。図５Ａから、参考例においては、磁化記憶層３における磁化を反転するために必要な磁場の大きさがばらついており、好適な磁化特性が得られないことが分かる。この一方、図５Ｂからは、本実施形態において、磁化記憶層３における磁化を反転するために必要な磁場の大きさが定まっており、所望の磁化特性が得られることが分かる。これは、製造プロセス中の熱処理において、磁化記憶層３および磁化参照層９から非磁性層６へのＰｄ原子の拡散を拡散防止層３１および３２が抑制しているためである。
【００５１】
本実施形態によれば、ＲＡ値１０Ωｃｍ２、磁気抵抗（ＭＲ）比１００％以上という電気特性評価が得られる。  
なお、本実施形態では、第１の金属層４および第２の金属層８を設けることを前提に説明したが、第１の金属層４および第２の金属層８の一方を設けなくてもよい。この場合、磁気ランダムアクセスメモリの製造工程を少なくすることで、製造コストを抑えることができる。
【００５２】
（２）実施形態２
（ａ）素子構成
図６は、実施形態２による磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図である。本実施形態の磁気抵抗効果素子２００も垂直磁化膜を有する素子である。図１との対比により明らかなように、図６に示す磁気抵抗効果素子２００は、図１の第１および第２の金属層４，８に代えて拡散防止層５４，５８を備える。磁気抵抗効果素子２００のその他の構成は、図１に示す磁気抵抗効果素子１と実質的に同一である。ただし、磁化記憶層と磁化参照層の配置が実施形態１と逆となっている。
【００５３】
拡散防止層５４，５８は、Ｂと結合しにくい金属、例えばＭｏ、Ｗ、Ｚｒなどから約０．５ｎｍの厚さで形成される。
【００５４】
（ｂ）製造方法
図７は、図６に示す磁気抵抗効果素子２００の製造方法を示す断面図である。図４との対比により明らかなように、本実施形態では、図４の拡散防止層３１，３２に代えて拡散防止層５４，５８を形成する。具体的には、Ｍｏ、Ｗ、ＺｒなどのＢと結合しにくい金属を使用して約０．５ｎｍｎｍの膜厚に形成する。磁気抵抗効果素子２００を製造するためのその他の工程は、上述した実施形態１による製造方法と実質的に同一である。
【００５５】
本実施形態では、拡散防止層５４，５８は、Ｂと結合しにくい金属で形成されるので、後のアニーリングにより、第１のＣｏＦｅＢ層５５および第２のＣｏＦｅＢ層７５の一部のＢは拡散防止層５４，５８へ排出されずに拡散防止層５４，５８との界面に残り、その部分でアモルファス層ＡＦ５，ＡＦ７となる（図６参照）。
【００５６】
拡散防止層５４，５８はまた、上記アニーリングにおいて、磁化記憶層３および磁化参照層９を構成する原子、例えばＰｄ原子の非磁性層６への拡散を抑制するので、熱処理後においても安定して動作が可能な磁気抵抗効果素子１を得ることができる。
【００５７】
なお、本実施形態においては、拡散防止層５４，５８の双方が設けられる場合を取り挙げたが、結晶化の容易さの違いから下側の拡散防止層５４のみを設けることとしてもよい。
【００５８】
上述した実施形態１および２の磁気抵抗効果素子によれば、第１および第２の界面磁性層５，７が、非磁性層６側とは逆の第１の金属層４側および第２の金属層８側の界面近傍にアモルファス層ＡＦ５，ＡＦ７をそれぞれ含むので、下側の第１の金属層４の結晶構造、結晶配向性の影響から大きく免れ、良好な結晶構造および結晶配向を有する。これにより、垂直磁気異方性が向上し、安定して動作可能な磁気抵抗効果素子が提供される。
【００５９】
また、上述した実施形態１および２の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、第１のＣｏＦｅＢ層５５および第２のＣｏＦｅＢ層７５の一部のＢが排出されずに第１および第２の金属層３１，３２との界面に残り、その部分でアモルファス層ＡＦ５，ＡＦ７となるように熱処理するアニーリング工程を備えるので、良好な結晶構造および結晶配向を有する界面磁性層５，７が形成され、これにより、垂直磁気異方性が向上し、安定して動作可能な磁気抵抗効果素子を製造することができる。
【００６０】
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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００６１】
１，１００，２００…磁気抵抗効果素子、２…下部電極、３…磁化記憶層、４…第１の金属層、５…第１の界面磁性層、６…非磁性層、７…第２の界面磁性層、８…第２の金属層、９…磁化参照層、１１…上部電極（またはキャップ層）、１２…半導体基板、３１，３２，５４，５８…拡散防止層、５５，７５…アモルファス状のＣｏＦｅＢ層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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