(57)【要約】【課題】微細化を図ることができる磁気抵抗効果素子の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、下地層上に形成された磁気トンネル接合膜を、前記磁気トンネル接合膜上に形成されたマスク部材をマスクとしてエッチングする工程と、前記磁気トンネル接合膜の側面上に対して選択的に前記下地層上及び前記磁気トンネル接合膜上に保護膜を形成する工程と、前記保護膜に対して選択的に前記磁気トンネル接合膜の側面をエッチングする工程と、を備える。【選択図】図４
2013197524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層上に形成された磁気トンネル接合膜を、前記磁気トンネル接合膜上に形成されたマスク部材をマスクとしてエッチングする工程と、
ガスクラスターイオンビームを用いて、ダイヤモンドライクカーボン、アモルファスカーボン及び窒化ボロンからなる群より選択された少なくとも１つの材料を含む保護膜の材料を上方から前記下地層上及び前記磁気トンネル接合膜上に堆積させて、前記磁気トンネル接合膜の側面上に対して選択的に前記下地層上及び前記磁気トンネル接合膜上に保護膜を形成する工程と、
前記下地層上に形成された第１磁性層と、前記第１磁性層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成された第２磁性層と、を含む前記磁気トンネル接合膜における前記第１磁性層、前記トンネルバリア層及び前記第２磁性層の積層方向と、前記ガスクラスターイオンビームの照射方向と、を交差させ、前記ガスクラスターイオンビームを用いて、前記保護膜に対して選択的に前記磁気トンネル接合膜の側面をエッチングする工程と、
を備えた磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
下地層上に形成された磁気トンネル接合膜を、前記磁気トンネル接合膜上に形成されたマスク部材をマスクとしてエッチングする工程と、
前記磁気トンネル接合膜の側面上に対して選択的に前記下地層上及び前記磁気トンネル接合膜上に保護膜を形成する工程と、
前記保護膜に対して選択的に前記磁気トンネル接合膜の側面をエッチングする工程と、
を備えた磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記保護膜を形成する工程は、ガスクラスターイオンビームを用いて前記保護膜となる材料を上方から前記下地層上及び前記磁気トンネル接合膜上に堆積させて前記保護膜を形成する請求項２記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記保護膜を形成する工程は、ダイヤモンドライクカーボン、アモルファスカーボン、アモルファスボロン及び窒化ボロンからなる群より選択された少なくとも１つの材料を含む前記保護膜を形成する請求項２または３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記側面をエッチングする工程は、前記ガスクラスターイオンビームを用いてエッチングする請求項２〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記磁気トンネル接合膜は、前記下地層上に形成された第１磁性層と、前記第１磁性層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成された第２磁性層と、を含み、
前記側面をエッチングする工程は、前記磁気トンネル接合膜における前記第１磁性層、前記トンネルバリア層及び前記第２磁性層の積層方向と、前記ガスクラスターイオンビームの照射方向とを交差させた請求項５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、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子を用いた記憶装置、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）を高集積化するためには、記憶素子としての磁気抵抗効果素子を微細化する必要がある。しかしながら、磁気抵抗効果素子に用いられるコバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）等の磁性金属は、ドライエッチングによる加工が難しく、磁気抵抗効果素子に対して垂直な断面形状を形成することは困難である。また、エッチング時に発生する磁性金属の再堆積物は、磁気抵抗効果素子の断面に付着して、電気的なショートを引き起こすことがある。このように、磁気抵抗効果素子の微細化には、エッチング技術の向上が不可欠である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１８６８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、微細化を図ることができる磁気抵抗効果素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、下地層上に形成された磁気トンネル接合膜を、前記磁気トンネル接合膜上に形成されたマスク部材をマスクとしてエッチングする工程と、前記磁気トンネル接合膜の側面上に対して選択的に前記下地層上及び前記磁気トンネル接合膜上に保護膜を形成する工程と、前記保護膜に対して選択的に前記磁気トンネル接合膜の側面をエッチングする工程と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の動作を例示する模式図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。
【図５】第１の実施形態の第１変形例に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。
【図６】第１の実施形態の第２変形例に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。
【図７】第２の実施形態に係る磁気メモリを例示する回路図である。
【図８】第３の実施形態に係る磁気ヘッドを例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子を例示する断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１には、下地層１１、下部保護膜１２ａ、積層体１３、上部保護膜１２ｂ及び保護膜１４が設けられている。積層体１３は、記憶層１５（第１磁性層）、トンネルバリア層１６、参照層１７（第２磁性層）及び上部電極１８を含んでいる。記憶層１５、トンネルバリア層１６及び参照層１７を磁気トンネル接合膜（Magnetic Tunnel Junction）ＭＴＪという。
【０００８】
下地層１１は、下部電極を含んでいる。下地層１１は、下地層１１上に形成する結晶を配向させる機能をもつとともに、下部電極及び引き出し線の機能をもっている。下地層１１は、例えば、タンタル（Ｔａ）を含む。下地層１１の上部には凸部１１ａが形成されている。
【０００９】
凸部１１ａは、下地層１１の上面において一方向に延びている。下地層１１における凸部１１ａの上面１１ｂ及び凸部１１ａ以外の上面１１ｃは水平である。凸部１１ａの側面は、上面１１ｂ及び上面１１ｃに挟まれている。凸部１１ａは、下方ほど幅が大きくなるようなテーパが付加されている。凸部１１ａの両側面には段差面１１ｄが形成されている。段差面１１ｄは、例えば略水平である。
【００１０】
下部保護膜１２ａは、凸部１１ａの側面上に配置されている。下部保護膜１２ａは、例えば、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を含んでいる。
積層体１３は、凸部１１ａ上に配置されている。積層体１３における下面１３ｆの幅と、凸部１１ａにおける上面１１ｂの幅とは等しい。凸部１１ａにおける段差面１１ｄと上面１１ｂとに挟まれた面１１ｅは、積層体１３の側面１３ｅと一体化して１つの面を形成している。積層体１３には、下から順に、記憶層１５、トンネルバリア層１６、参照層１７及び上部電極１８が積層されている。積層方向は上方である。積層方向に垂直な面を積層面という。
【００１１】
記憶層１５は、積層体１３の最下層に配置されている。したがって、記憶層１５は、凸部１１ａ上に配置されている。記憶層１５は磁性層であり、磁化の方向は、例えば、積層面に垂直に交差する方向、すなわち、積層方向である。また、記憶層１５の磁化の方向は可変である。すなわち、記憶層１５に流す電流の方向によって、記憶層１５の磁化の方向を変化させることができる。例えば、積層方向に電流を流すことによって、スピン偏極された電子の角運動量が発生する。発生した電子の角運動量は、記憶層１５の電子に伝達される。これにより、記憶層１５の磁化（或いはスピン）の方向は反転する。このようにして、記憶層１５の磁化の方向を変化させることができる。記憶層１５は、例えば、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含んでいる。
【００１２】
トンネルバリア層１６は、記憶層１５上に配置されている。トンネルバリア層１６は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含んでいる。
参照層１７は、トンネルバリア層１６上に配置されている。参照層１７は、磁性層であり、磁化の方向は、例えば、積層面に垂直に交差する方向、すなわち、積層方向である。また、参照層１７の磁化の方向は不変である。参照層１４の磁化の方向が「不変である」とは、記憶層１５の磁化の方向を反転するための磁化反転電流を参照層１７に流した場合に、参照層１７の磁化の方向が変化しないことを意味する。
【００１３】
従って、磁気抵抗効果素子１において、参照層１７として磁化反転電流の大きな磁性層を用い、記憶層１５として参照層１７よりも磁化反転電流の小さい磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の記憶層１５と、磁化方向が不変の参照層１７とを含んだ磁気抵抗効果素子１とすることができる。
【００１４】
スピン偏極された電子により磁化の方向の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トンネル接合膜ＭＴＪの体積に比例する。したがって、これらを適切に調整して、記憶層１５と参照層１７との磁化反転電流に差を設けることができる。参照層１４は、例えば、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含んでいる。
【００１５】
上部電極１８は、参照層１７上に配置されている。上部電極１８は、例えば、タンタル（Ｔａ）を含んでいる。
上部保護膜１２ｂは、上部電極１８上に配置されている。上部保護膜１２ｂは、下部保護膜１２ａと同じ材料、例えば、ダイヤモンドライクカーボンを含んでいる。
保護膜１４は、下部保護膜１２ａ、積層体１３及び上部保護膜１２ｂを覆うように下地層１１上に形成されている。保護膜１４は、段差面１１ｄ及び面１１ｅを覆っている。
【００１６】
次に、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１の動作について説明する。
図２は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１の動作を例示する模式図である。
磁気抵抗効果素子１において、情報の書き込みは、以下のように行われる。
【００１７】
図２に示すように、情報の書き込み時、磁気抵抗効果素子１には、積層方向１９ａ及びその逆方向１９ｂの双方向に電流が通電される。書き込み電流を積層方向１９ａ、すなわち、記憶層１５から参照層１７の方向に流すと、電子の流れは参照層１７から記憶層１５の方向になる。この場合には、記憶層１５の磁化は参照層１７の磁化と揃う方向にスピントルクを受ける。このため、記憶層１５の磁化の方向が参照層１７の磁化の方向と反平行であった場合には、記憶層１５の磁化は反転して参照層１７の磁化の方向と平行（同じ向き）になる。
【００１８】
一方、書き込み電流を積層方向の逆方向１９ｂ、すなわち、参照層１７から記憶層１５の方向に流すと、電子の流れは記憶層１５から参照層１７の方向になる。この場合には、記憶層１５の磁化は参照層１７の磁化の方向と反平行を向く方向にスピントルクを受ける。このため、記憶層１５の磁化の方向が参照層１７の磁化の方向と平行であった場合には、記憶層１５の磁化は反転して参照層１７の磁化の方向と反平行になる。
【００１９】
磁気抵抗効果素子１に積層方向の読み出し電流を流した場合の抵抗値は、磁気抵抗効果により、記憶層１５と参照層１７の磁化の相対的な方向に依存して変化する。例えば、磁気抵抗効果素子１の抵抗値は、記憶層１５と参照層１７との磁化の方向が互いに平行の場合は低抵抗となり、反平行の場合は高抵抗となる。
【００２０】
図２に示したように、記憶層１５の磁化が上向きの状態が平行状態を示し、下向きの状態が反平行状態を示す。本実施形態においては、例えば、低抵抗状態をデータ“０”、高抵抗状態をデータ“１”と規定する。これにより、磁気抵抗効果素子１に１ビットの情報を記憶させることができる。なお、低抵抗状態をデータ“１”、高抵抗状態をデータ“０”と規定してもよい。
【００２１】
平行状態の抵抗値をＲ０、反平行状態の抵抗値をＲ１とすると、“（Ｒ１−Ｒ０）／Ｒ０”で定義される値を磁気抵抗比（ＭＲ比）と呼ぶ。磁気抵抗比は磁気抵抗効果素子１を構成する材料やプロセス条件によって異なるが、数１０％から数１００％程度の値を取り得る。例えば、ＭＲＡＭは磁気抵抗効果を利用して、磁気抵抗効果素子１に記憶された情報の読み出しを行う。読み出し動作時に磁気抵抗効果素子１に流す読み出し電流は、磁化反転電流よりも十分小さい電流値に設定する。
【００２２】
次に、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
図３（ａ）及び（ｂ）並びに図４は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、下部電極を含む下地層１１上に記憶層１５を形成し、記憶層１５上にトンネルバリア層１６を形成する。トンネルバリア層１６上に参照層１７を形成し、参照層１７上に上部電極１８を形成する。このようにして、下地層１１上に積層構造を形成する。次に、上部電極１８をマスク部材、例えば、ハードマスクとして用い、積層構造及び下地層１１に対してドライエッチングを行う。ドライエッチングは、プラズマイオン２１を用いる。例えば、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）ガスを含む反応ガスを用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により実施する。
【００２４】
ドライエッチングにおいて、参照層１７、トンネルバリア層１６及び記憶層１５を含む磁気トンネル接合膜ＭＴＪを除去し、下地層１１の上部を除去する。下地層１１の上部における磁気トンネル接合膜ＭＴＪで覆われていない部分を除去することによって、磁気トンネル接合膜ＭＴＪで覆われていない部分の上面１１ｃを、前記磁気トンネル接合膜で覆われている部分の上面１１ｂより下方に位置させる。これにより、下地層１１の上部に凸部１１ａが形成される。
【００２５】
また、凸部１１ａ上に積層体１３が形成される。上部電極１８がタンタル（Ｔａ）を含む場合には、参照層１７、トンネルバリア層１６、記憶層１５及び下地層１１に対して、略１０以上の選択比となる異方性エッチングをすることができる。これにより、エッチング側壁角度、すなわち、磁気トンネル接合膜ＭＴＪ及び下地層１１の上部の側面と、積層面との角度を７０度以上とすることが可能である。
【００２６】
メタノール（ＣＨ３ＯＨ）ガスを含む反応ガスを用いたＲＩＥによる磁気トンネル接合膜ＭＴＪのエッチングにおいては、磁気トンネル接合膜ＭＴＪにおけるエッチング面である側面２０ｅに酸素や炭素を含むエッチングダメージ層が形成されることがある。また、揮発性エッチングとはなっていないため、側面２０ｅに再堆積物が付着して、電気的なショートを起こすことがある。そこで、以下に示す工程を実施する。
【００２７】
図３（ｂ）に示すように、ガスクラスターイオンビームＧＣＩＢを用いて、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂの材料を、上方から下地層１１における磁気トンネル接合膜ＭＴＪで覆われていない部分上に選択的に堆積させる。下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂの材料に、例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）を用いる。ＤＬＣは、Ｃ６０フラーレンをＧＣＩＢチャンバー内で気化して試料基板に照射するのに加えて、アルゴン（Ａｒ）ガスクラスターイオンビーム（Ａｒ−ＧＣＩＢ）を照射することによって形成する。ここで、アルゴン（Ａｒ）ガスを、狭いノズルを通して高真空のチャンバー内に放出することにより、超音速で噴射させる。噴射させたアルゴン（Ａｒ）ガスは、噴射中の断熱膨張により冷却されて凝縮し、クラスターとなる。
【００２８】
凝縮したクラスターに対して、イオナイザーにおけるフィラメントからの熱電子を衝突させることにより、クラスターから電子を放出させて、正にイオン化させる。イオン化されたクラスターを、加速電極により、１ｋｅＶから数１０ｋｅＶ程度に加速させる。加速させたクラスターは、集束し、イオンビームを形成する。集束されたガスクラスターイオンビームＧＣＩＢを、磁石により質量分離させて、モノマーイオンを除去する。その後、ニュートラライザで中性化させて、走査可能なホルダに設置された積層体１３を含む下地層１１上に照射する。
【００２９】
例えば、Ｃ６０フラーレンガスの照射量に加えて、Ａｒ−ＧＣＩＢの照射エネルギー、照射量ガスの照射を制御することにより、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂの膜厚及び硬さを制御する。また、Ａｒ−ＧＣＩＢ援用のＤＬＣ堆積技術を用いることにより、下地層１１上及び上部電極１８上の堆積量に比べて、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面上における堆積量を少なくする。例えば、Ａｒガスクラスターイオンビーム（Ａｒ−ＧＣＩＢ）におけるクラスターサイズとして、中心サイズが１０００原子／イオン程度のものを用いる。加速エネルギーを６〜９ｋｅＶとする。この場合には、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂを、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面上に対して、下地層１１上及び上部電極１８上に選択的に形成することができる。また、下地層１１上及び上部電極１８上に堆積するダイヤモンドライクカーボンの密度を、約２．８ｇ／ｃｍ３とすることができる。これにより、スパッタ率が低く、硬い、すなわち、所定の条件におけるエッチングにおいて、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂに対して選択的に磁気トンネル接合膜の側面をエッチングすることができるような下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂを形成することができる。
【００３０】
ガスクラスターイオンビームにおけるクラスターと、下地層１１の上面１１ｃ及び積層体１３の上面１３ｃとの反応は、１０００個程度の多数の原子による多体衝突となり、上面１１ｃ及び上面１３ｃは、温度が数１００００度、圧力が数１０ＧＰａの高温高圧状態となる。このため、下地層１１及び積層体１３の内部は室温程度に低いまま、Ｃ６０フラーレンの分解とアモルファスカーボンの形成が促進され、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅに対して、下地層１１上及び積層体１３上に選択的にダイヤモンドライクカーボンが堆積する。
【００３１】
Ａｒ−ＧＣＩＢの照射は積層面に垂直に行われるため、下地層１１の上面１１ｃ及び積層体１３の上面１３ｃでは、上記のＧＣＩＢの衝突による表面反応が有効に進むのに対して、積層体１３の側面では、ＧＣＩＢとの衝突による表面反応が殆ど起こらない。その結果、積層体１３の側面上に堆積するダイヤモンドライクカーボンの堆積量を小さくすることができる。したがって、下地層１１の上面１１ｃ上及び上部電極１８上に選択的にダイヤモンドライクカーボンを含む下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂを形成することができる。下部保護膜１２ａの上面が、下地層１１における磁気トンネル接合膜ＭＴＪで覆われている部分の上面に位置するように、下部保護膜１２ａを形成することができる。
【００３２】
次に、図４に示すように、Ａｒガスを用いたイオンビームエッチング（ＩＢＥ）により、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂに覆われていない磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅをエッチングする。エッチングは、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂのエッチングレートを、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅにおけるエッチングレートよりも小さくする条件で行う。これにより、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂからの再堆積物の側面２０ｅへの到達を抑制する。
【００３３】
例えば、イオンビームＩＢの加速エネルギーを２００ｅＶとし、イオンビームＩＢの電流を３８０ｍＡとし、入射角、すなわち、イオンビームＩＢの照射方向と、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの積層方向との角度を２０〜３０度に傾け、積層体１３を含む下地層１１が設置されたホルダを回転させてイオンビームエッチング（ＩＢＥ）を行う。
【００３４】
この場合には、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂのエッチングレートを小さいエッチングレート、例えば、２ｎｍ／ｍｉｎ程度とすることができる。磁気トンネル接合膜ＭＴＪを含む積層体１３が孤立に近いパターンの場合には、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅへの再堆積レートを、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂのエッチングレートの約３割程度、すなわち、０．６ｎｍ／ｍｉｎ程度とすることができる。
【００３５】
一方、磁気トンネル接合膜ＭＴＪは、種々の材料で構成されているため、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅのエッチングレートを定義することが難しい。しかし、磁気トンネル接合膜ＭＴＪが、代表的な材料であるコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含み、側面２０ｅと積層面との傾斜角度が８０度の場合には、最大１２ｎｍ／ｍｉｎ程度とすることができる。ここで最大としたのは、ホルダを回転させて行うイオンビームエッチングでは、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅのエッチングレートが、入射角が変化することにより刻一刻変化するためである。
【００３６】
このホルダの回転によるエッチングレートの変化を考慮して、１周で積算して平均化した場合には、側面２０ｅのエッチングレートは最大エッチングレートの１／４程度となる。これにより、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅのエッチングレートは３ｎｍ／ｍｉｎ程度とすることができる。よって、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅのエッチングレートは、上述した側面２０ｅの再堆積レートを十分に上回ることができるため、図４に示したように、側面２０ｅ上の再堆積物及び側面２０ｅにおけるエッチングダメージ層の除去が可能となる。
【００３７】
また、上部電極１８と下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂが、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面に対して、硬いハードマスクとして働くため、図３（ａ）のエッチング工程で形成された側面２０ｅの傾斜をトリミングして、より垂直に近い側面２０ｅとすることができる。また、わずかではあるが、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂの上部も除去される。これにより、下部保護膜１２ａの上面１２ｃは、下地層１１における磁気トンネル接合膜ＭＴＪで覆われている部分の上面１１ｂより下方に位置するようになる。また、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅが、垂直に近い傾斜の側面２０ｅとなる。これにより、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの下部の幅が小さくなり、下地層１１における凸部１１ａの上面１１ｂにおける端部が露出する。そして、露出した凸部１１ａの上面１１ｂにおける端部もエッチングされて、凸部１１ａの側面に段差面１１ｄが形成される。
【００３８】
次に、例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法により、下部保護膜１２ａ、積層体１３及び上部保護膜１２ｂを覆うように、下地層１１上に保護膜１４を形成する。保護膜１４は、例えば、シリコン窒化膜である。保護膜１４を、段差面１１ｄ及び面１１ｅを覆うように、被覆率が良い条件で形成する。このようにして、図１に示す磁気抵抗効果素子１が製造される。
【００３９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１によれば、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂを、下地層１１の上面１１ｃ及び積層体１３の上面１３ｃを覆い、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅは覆わないように形成することができる。これにより、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅをエッチングすることができ、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの下部の幅がテーパ状に大きくなることを防ぐことができる。よって、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの幅を小さくできるので、磁気抵抗効果素子１を微細化することができる。
【００４０】
また、記憶層１５及び参照層１７の磁化方向が、積層面に垂直に交差する方向の場合には、参照層１７の磁化によって発生する漏洩磁界は記憶層１５の上面に対して垂直方向である。記憶層１５に作用する参照層１７からの漏洩磁界は、例えば、記憶層１５の磁化を参照層１７の磁化と平行にする方向に作用する。磁気トンネル接合膜ＭＴＪの下部の幅がテーパ状に大きく、記憶層１５の幅が参照層１７の幅よりも大きい場合には、参照層１７からの漏洩磁界が不均一に働くため、スピン注入による磁化反転特性が劣化する。
しかし、本実施形態によれば、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの下部の幅がテーパ状になるのを抑制することができるので、記憶層１５に作用する参照層１７からの漏洩磁界を均一にすることができる。これにより、スピン注入による磁化反転特性の劣化を抑制することができる。
【００４１】
また、磁気抵抗効果素子１においては、薄いトンネルバリア層を挟んで記憶層１５と参照層１７とが積層された積層構造とされており、記憶層１５と参照層１７との距離が短い。このため、これらの積層構造を加工して、磁気抵抗効果素子１を形成する際に、磁気トンネル接合膜ＭＴＪのエッチング時に発生する金属の再堆積物が、トンネルバリア層１６をまたがって付着する可能性がある。また、メタノールを用いてＲＩＥを行うと、磁気トンネル接合膜ＭＴＪにおけるエッチング面に酸素や炭素を含むエッチングダメージ層が形成されることがある。再堆積物及びエッチングダメージ層は、リーク電流のパスとなるため、記憶層１５と参照層１７とがショートし、磁気抵抗効果素子１が不良となってしまう。
しかし、本実施形態においては、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂを形成後に、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面をエッチングするので、再堆積物及びエッチングダメージ層を除去することができる。これにより、記憶層１５と参照層１７との電気的なショートを抑制することができる。
【００４２】
また、図３（ｂ）に示したように、ＧＣＩＢを用いて保護膜１２ａ及び保護膜１２ｂを堆積させた際に、所定の条件においては、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅに対して、エッチング反応が起き、側面２０ｅ上の再堆積物及び側面２０ｅにおけるエッチングダメージ層を除去することができる場合がある。この場合には、保護膜１２ａ及び保護膜１２ｂからの再堆積を抑制することができるため、微小なエッチレートでも磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅ上の再堆積物や側面２０ｅにおけるエッチングダメージ層を除去することができる。
【００４３】
なお、実施形態において、記憶層１５は、積層体１３の最下層に配置されているが、これに限らない。トンネルバリア層１６を挟んだ記憶層１５と参照層１７との配置関係を逆にして、参照層１７を積層体１３の最下層に配置してもよい。
また、下地層１１は、タンタル（Ｔａ）を含んでいるが、これに限らない。例えば、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）からなる群より選択された少なくとも１つの金属を含んでいてもよい。また、下地層１１は、下地層と下部電極とを別々に積層したものでもよい。さらに、下地層と下部電極を１つの層とし、引き出し線を別に積層してもよい。また、下地層１１は、下部電極と結晶を配向させる機能をもつバッファ層を含み、下部電極として金属層を形成し、金属層上に、バッファ層を形成してもよい。金属層は、例えば、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びイリジウム（Ｉｒ）からなる群より選択された少なくとも１つの金属を含んでいてもよい。また、これらの群より選択された複数の金属層を含む積層体でもよい。
【００４４】
上部電極１８は、例えば、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタンタンタル（ＴｉＴａＮ）、窒化チタンシリコン（ＴｉＳｉＮ）及び窒化タンタルシリコン（ＴａＳｉＮ）からなる群より選択された少なくとも１つの材料を含んでいてもよい。
上部電極をマスクとして用いて積層構造をエッチングしたが、これに限らない。上部電極上にハードマスクを形成し、形成したハードマスクをマスクとして用いて積層構造をエッチングしてもよい。ハードマスクは、例えば、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アモルファスボロン（ａ−Ｂ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）及びシリコン酸化膜系材料からなる群より選択された少なくとも１つの材料を含んでいてもよい。
【００４５】
下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂとして、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を用いたが、これに限らない。アモルファスカーボン（ａ−Ｃ）、アモルファスボロン（ａ−Ｂ）及び窒化ボロン（ＢＮ）からなる群より選択された少なくとも１つの材料を含むものでもよい。
記憶層１５及び参照層１７は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む磁性層としたが、これに限らない。例えば、記憶層１５及び参照層１７は、ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ及びＣｏＰｔのＬ１０構造を持つ強磁性材料、ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ及びＣｏＰｔのＬ１１構造を持つ強磁性材料、ＴｂＣｏＦｅを含むフェリ磁性材料、ＮｉＦｅ及びＣｏの磁性材料とＣｕ、Ｐｄ及びＰｔの非磁性材料との積層構造からなる人工格子、Ｃｏ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＢの薄膜単層からなる群より選択された少なくとも１つの材料を含んでいてもよい。
トンネルバリア層１３として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むものとしたが、これに限られない。酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含むものでもよい。
【００４６】
また、本実施形態において、記憶層１５及び参照層１７の磁化方向は、積層面に交差する方向としたが。これに限らない。記憶層１５及び参照層１７の磁化方向が、積層面に平行な方向でもよい。この場合には、記憶層１５、参照層１７の容易磁化方向は積層面に対して平行である（以下「面内磁化」という）。
【００４７】
面内磁化となる記憶層１５および参照層１７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）よりなる群から選択された少なくとも１つの金属を含むものである。
【００４８】
（第１変形例）
次に、第一変形例について説明する。
図５は、第１の実施形態の第１変形例に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。
本変形例は、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂをマスクとして、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面をエッチングする場合に、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）の代わりにＲＩＥを用いる例である。
【００４９】
先ず、前述の実施形態と同様に、図３（ａ）に示す工程を実施する。これらの工程については、説明を省略する。
次に、図３（ｂ）で示したように、ガスクラスターイオンビームＧＣＩＢを用いて、下部保護膜１２０ａ（図５参照）及び上部保護膜１２０ｂ（図５参照）を、アモルファスボロン（ａ−Ｂ）及び窒化ボロン（ＢＮ）の少なくともいずれかの材料を含むように形成する。
【００５０】
次に、図５に示すように、ＣＯ２／Ｈ２／Ａｒの混合ガスを用いて、ＲＩＥによるエッチングを行う。ＲＩＥにより、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅに対してはエッチングが進行する。しかし、本変形例においては、下部保護膜１２０ａ及び下部保護膜１２０ｂ上に酸化ボロンが形成されてエッチングレートが下がる。これにより、下部保護膜１２０ａ及び上部保護膜１２０ｂに対して磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅを選択的にエッチングすることができる。
【００５１】
この時、ＣＯ２ガスは下部保護膜１２０ａ及び上部保護膜１２０ｂを酸化させる働きを持つが、混合ガスとしてＨ２を添加することにより、磁気トンネル接合膜ＭＴＪに対する酸化ダメージを低減することができる。この他にも、下部保護膜１２０ａ及び上部保護膜１２０ｂを用いた場合には、ＣＯ／ＮＨ３、Ｏ２／Ａｒ、ＣＨ３ＯＨといった酸化作用を持つガスを含むガス系のＲＩＥにより、下部保護膜１２０ａ及び上部保護膜１２０ｂに対する選択エッチングが可能となる。
【００５２】
次に、本変形例の効果について説明する。
本変形例によれば、下部保護膜１２０ａ及び上部保護膜１２０ｂの材料における選択の自由度を増加させることができる。また、ＲＩＥにおけるガスの選択の自由度を増加させることができる。本変形例における上記以外の構成及び効果は、前述の実施形態と同様である。
【００５３】
なお、本変形例において、下部保護膜１２０ａ及び上部保護膜１２０ｂとして、アモルファスボロン（ａ−Ｂ）及び窒化ボロン（ＢＮ）の少なくともいずれかを含むものとしたが、これに限らない。下部保護膜１２０ａ及び上部保護膜１２０ｂとして、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いてもよい。この場合には、Ｃｌ２及びＢＣｌ３の少なくともいずれかのガスを含む塩素系ガス、または、ＨＢｒを含むハロゲン化水素ガスを用いてＲＩＥによるエッチングを行う。
【００５４】
また、下部保護膜１２０ａ及び上部保護膜１２０ｂとして、炭化シリコン（ＳｉＣ）を用いてもよい。この場合には、ＣＨ２Ｆ２を含むハイドロフルオロカーボンガスを用いてＲＩＥによるエッチングを行う。
【００５５】
（第２変形例）
次に、実施形態の第２変形例について説明する。
図６は、第１の実施形態の第２変形例に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を例示する工程断面図である。
本変形例は、下部保護膜１２ａ及び上部保護膜１２ｂをマスクとして、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面をエッチングする場合に、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）の代わりにガスクラスターイオンビームＧＣＩＢを用いてエッチングする例である。
先ず、前述の実施形態と同様に、図３（ａ）及び（ｂ）に示す工程を実施する。これらの工程については、説明を省略する。
【００５６】
次に、図６に示したように、本変形例における磁気抵抗効果素子１ｂの製造方法においては、Ａｒ及びＣｌのうち少なくともいずれかを含むクラスターを用いて、ガスクラスターイオンビームＧＣＩＢによるエッチングを行う。ガスクラスターイオンビームＧＣＩＢの照射方向を、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの積層方向から１０〜２０度傾斜させて照射する。これにより、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅの平坦性を確保しながらエッチングすることが可能である。
【００５７】
次に、本変形例の効果について説明する。
本変形例によれば、ＧＣＩＢを用いた保護膜１２ａ及び保護膜１２ｂの形成と同じ装置を用いて磁気トンネル接合膜ＭＴＪの側面２０ｅのエッチングを行うことができる。よって、装置を変える必要がないので製造工程を削減することができる。本変形例における上記以外の構成及び効果は、前述の実施形態と同様である。
【００５８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図７は、第２の実施形態に係る磁気メモリを例示する回路図である。
図７に示すように、本実施形態係る磁気メモリ２おいては、ある一方向に延びた複数本のビット線２２ａ及びビット線２２ｂと、ビット線２２の延びた方向に直交して交差する方向に延びた複数本のワード線２３が設けられている。ビット線２２ａ及びビット線２２ｂにより１組のビット線対が構成されている。ビット線２２ａ及びビット線２２ｂは、デコーダ２４に接続され、ワード線２３は、デコーダ２５に接続されている。磁気抵抗効果素子１及び選択トランジスタ２６から構成されるメモリセルは、磁気メモリ２において、マトリックス状に複数個配置される。メモリセルは、磁気抵抗効果素子１の一端に、選択トランジスタ２６の電流経路の一端が接続されたものである。磁気抵抗効果素子１の他端は、ビット線２２ａに接続されている。選択トランジスタ２６の電流経路の他端は、ビット線２２ｂに接続されている。選択トランジスタ２６のゲートは、ワード線２３に接続されている。
【００５９】
磁気抵抗効果素子１に書き込みを行うときは、選択されたビット線対の間に書き込み電流を流し、書き込み電流により誘起されるスピントルクを印加することにより磁気抵抗効果素子１の記憶層の磁化を適宜反転させる。
【００６０】
また、磁気抵抗効果素子１における情報を読み出すときは、ビット線対の間に書き込み電流より小さい読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子１の抵抗値または抵抗値の変化を測定する。
【００６１】
磁気メモリ２を高集積化するためには、磁気抵抗効果素子１を数１０ｎｍのサイズに形成する必要がある。本実施形態に係る磁気メモリ２は、前述の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１を用いるので、側面が垂直に近い断面形状を含む磁気トンネル接合膜とすることができる。これにより、磁気抵抗効果素子１を微細化することができる。よって、磁気メモリ２を高集積化することができる。本実施形態における上記以外の構成及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００６２】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図８は、第３の実施形態に係る磁気ヘッドを例示する断面図である。
図８に示すように、磁気ヘッド３において、磁気抵抗効果素子１を構成する磁気トンネル接合膜ＭＴＪにおける４つの側面のうち、１つの側面が、媒体対向面３１とされている。また、媒体対向面３１においては、上部電極１８及び下部電極を含む下地層１１が露出している。媒体対向面３１は、例えば、回転する磁気メディア３２に面するように設置される。これにより、磁気トンネル接合膜ＭＴＪの記憶層１５の磁化方向は、磁気メディア３２から生じる磁束によって変化する。そして、磁気抵抗効果素子１に読み出し電流を流して、磁気メディア３２から生じる磁束を検出する。
【００６３】
本実施形態に係る磁気ヘッドによれば、磁気抵抗効果素子１を微細化することができるので、磁気ヘッド３を微細化することができる。本実施形態における上記以外の構成及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００６４】
以上説明した実施形態によれば、微細化を図ることができる磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することができる。
【００６５】
以上、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及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１、１ａ、１ｂ：磁気抵抗効果素子、２：磁気メモリ、３：磁気ヘッド、１１：下地層、１１ａ：凸部、１１ｂ、１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ：上面、１１ｄ：段差面、１１ｅ：面、１２ａ、１２０ａ：下部保護膜、１２ｂ、１２０ｂ：上部保護膜、１４：保護膜、１３：積層体、１３ｆ：下面、１３ｅ、２０ｅ：側面、１５：記憶層、１６：トンネルバリア層、１７：参照層、１８：上部電極、１９ａ、１９ｂ：方向、２１：プラズマイオン、２２ａ、２２ｂ：ビット線、２３：ワード線、２４、２５：デコーダ、２６：選択トランジスタ、３１：媒体対向面、３２磁気メディア、ＧＣＩＢ：ガスクラスターイオンビーム、ＩＢ：イオンビーム、ＭＴＪ：磁気トンネル接合膜
【図１】
2013197524.tif 000003
【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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