(57)【要約】  ハードマスク膜と、磁気トンネル接合膜、保護層との間で構成元素の拡散や侵入を抑制する磁気トンネル接合素子及び磁気トンネル接合素子の製造方法を提供する。  磁気トンネル接合素子は、ハードマスク層（８）の下に、Ｔａ等を含む非磁性挿入層（７）を挿入する構成を備える。
2019188203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された参照層（１）と、
前記参照層（１）に隣接して設けられるトンネル障壁層（２）と、
前記トンネル障壁層（２）の前記参照層（１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が可変である記録層（３）と、
前記記録層（３）の前記トンネル障壁層（２）とは反対側に隣接して設けられる第１の保護層（４）と、
前記第１の保護層（４）の前記記録層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の保護層（５）と、
前記第２の保護層（５）の前記第１の保護層（４）とは反対側に隣接して設けられる非磁性挿入層（７）と、
前記非磁性挿入層（７）の前記第２の保護層（５）とは反対側に隣接して設けられるハードマスク層（８）
を備え、
前記参照層（１）は、強磁性体を含み、
前記トンネル障壁層（２）は、Ｏを含み、
前記記録層（３）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ又はＮｉのいずれかを含む強磁性体を含み、
前第１の保護層（４）は、Ｏを含み、
前記第２の保護層（５）は、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢからなる群の少なくとも１つを含み、
前記非磁性挿入層（７）は、Ｔａ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗ又はＰｔからなる群の少なくとも１つを含み、
前記ハードマスク層（８）は、Ｔｉ又はＮを含む金属材料であり、
前記参照層（１）、前記トンネル障壁層（２）及び前記記録層（３）は磁気トンネル接合膜（Ｍ）を構成し、前記参照層（１）及び前記記録層（３）の磁化方向は膜面に対して垂直である、磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記非磁性挿入層（７）の膜厚は、１ｎｍ以上である、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記非磁性挿入層（７）は、Ｔａである、請求項１又は２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記第１の保護層（４）は、ＭｇＯである、請求項１〜３いずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記第２の保護層（５）及び前記非磁性挿入層（７）の間に隣接して第３の保護層（６）がさらに設けられ、
前記第３の保護層（６）は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金からなる群の少なくとも１つを含む、請求項１〜４いずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
少なくとも参照層（１）、トンネル障壁層（２）及び記録層（３）からなる磁気トンネル接合膜（Ｍ）と、第１の保護層（４）、第２の保護層（５）、非磁性挿入層（７）及びハードマスク層（８）を順に積層する工程と、
前記積層した膜をアニールする工程と、
少なくともＳｉを含む犠牲層（９）を、アニールした前記ハードマスク層（８）上に積層する工程と、
上面視が磁気トンネル接合膜（Ｍ）の加工パターン形状であるフォトレジスト（１０）を、前記犠牲層（９）上の一部に形成する工程と、
前記フォトレジスト（１０）をマスクとしてエッチングし、前記犠牲層（９）を加工する工程と、
前記犠牲層（９）をマスクとしてエッチングし、前記ハードマスク層（８）を加工する工程と、
前記ハードマスク層（８）をマスクとしてエッチングし、前記磁気トンネル接合膜（Ｍ）を加工する工程と、
前記犠牲層（９）を除去する工程と、
を含み、
前記参照層（１）は、強磁性体を含み、
前記トンネル障壁層（２）は、Ｏを含み、
前記記録層（３）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ又はＮｉのいずれかを含む強磁性体を含み、
前第１の保護層（４）は、Ｏを含み、
前記第２の保護層（５）は、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢからなる群の少なくとも１つを含み、
前記第３の保護層（６）は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金からなる群の少なくとも１つを含み、
前記非磁性挿入層（７）は、Ｔａ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗ又はＰｔからなる群の少なくとも１つを含み、
前記ハードマスク層（８）は、Ｔｉ又はＮを含む金属材料であり、
前記参照層（１）及び前記記録層（３）の磁化方向は膜面に対して垂直である、磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項７】
前記アニールする工程は、アニール温度が約４００℃、アニール時間が１時間である、請求項６に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項８】
前記ハードマスク層（８）を加工する前記工程におけるエッチング、及び、前記磁気トンネル接合膜（Ｍ）を加工する前記工程におけるエッチングは、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングであり、イオンビームの入射角は膜面垂直方向に対し５０°〜９０°である、請求項６又は７に記載の磁気トンネル接合素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子を備える、磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気トンネル接合素子、及び、該磁気トンネル接合素子の製造方法に関する。特に、磁気トンネル接合素子の加工工程における元素の層間拡散を改善するための素子構成、及び、加工工程を改善した製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；磁気メモリ）は、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；磁気トンネル接合）を利用した不揮発性メモリである。
待機時に電力を消費せず、高速動作性及び高書き込み耐性を有し、また、１０ｎｍ以下まで微細化可能であるＭＲＡＭは、次世代のメモリや論理集積回路として注目されている。【０００３】
ＭＲＡＭは、選択トランジスタと、磁気トンネル接合素子とが直列に電気的に接続された構造を有する磁気メモリセルを備える。
選択トランジスタのソース電極はソース線に、ドレイン電極は磁気トンネル接合素子を介してビット線に、ゲート電極はワード線にそれぞれ電気的に接続される。【０００４】
磁気トンネル接合素子は、２つの強磁性体を含む磁性層（参照層、記録層）の間に非磁性層（トンネル障壁層）が挟まれた構造を基本としている。磁性層の１つは磁化方向が固定された参照層であり、磁性層の他の１つは磁化方向が可変である記録層である。
磁気トンネル接合素子の抵抗値は、参照層の磁性層の磁化方向と記録層の磁性層の磁化方向が平行に配置される場合には小さくなり、反平行に配置される場合には大きくなる。ＭＲＡＭの磁気メモリセルは、この２つの抵抗状態をビット情報「０」と「１」に割り当てている。【０００５】
ところで、高いトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）、低い書込み電流ＩC、高い熱安定性指数Δを有し、素子サイズが小さい高機能化された磁気トンネル接合素子を、ＭＲＡＭに組み込むためには、積層、アニール処理後、所定の接合サイズや形状に加工する必要がある。また、選択トランジスタと電気的に接続するため、加工後の磁気トンネル接合素子の上部及び下部には電極となり得る層を形成させることが必要となる（特許文献１参照）。【０００６】
さらに、二重のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面記録層構造にして記録層の磁性層を厚くすることにより、熱安定性指数Δが高い磁気トンネル接合素子となることが開示されている（非特許文献１等参照）。このとき、電極に近い部分に備えられる保護層としてのＭｇＯが、アニール処理や加工処理において構造的に劣化させないことも重要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H. Ohno, “MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure in magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis“, IEEE Trans. Magn., 2013, 49, 4437
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−１４０８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の磁気トンネル接合素子の加工は、参照層、トンネル障壁層及び記録層を含む磁気トンネル接合膜を積層後、上部には必要に応じてＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ等の保護層をさらに積層し、その上にＴｉＮ等のハードマスク層を積層し、アニール処理を行う段階と、アニール処理後にＳｉを含む犠牲層を積層し、犠牲層の上にフォトレジストを形成し、エッチング選択比を利用してエッチングを行い、ハードマスク膜を加工する段階を経て、行われていた。
しかしながら、本発明者らは上記加工工程の研究を通じ、ＴｉＮは、ハードマスク材料として優れているものの、アニール処理によりハードマスク膜と、磁気トンネル接合膜、保護層との間で構成元素の拡散が起こり、拡散したＴｉやＮが磁気トンネル接合膜に侵入し、磁気トンネル接合膜の垂直磁気異方性を劣化させるという課題を見出した（図３Ａ〜図９Ｂ等を用いて後述する）。【００１０】
本発明は、上記実情に鑑み、ハードマスク膜と、磁気トンネル接合膜、保護層との間で構成元素の拡散が起こらない層構成及び磁気トンネル接合素子の製造方法を見出し、完成させるに至ったものである。
具体的には、ハードマスク膜と保護層の間に非磁性挿入層を挿入して、ハードマスク膜のＴｉやＮ等の拡散及び磁気トンネル接合膜への侵入を防ぎ、磁気トンネル接合膜の垂直磁気異方性の劣化を抑制する磁気トンネル接合素子である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の磁気トンネル接合素子は、磁化方向が固定された参照層（１）と、前記参照層（１）に隣接して設けられるトンネル障壁層（２）と、前記トンネル障壁層（２）の前記参照層（１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が可変である記録層（３）と、前記記録層（３）の前記トンネル障壁層（２）とは反対側に隣接して設けられる第１の保護層（４）と、前記第１の保護層（４）の前記記録層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の保護層（５）と、前記第２の保護層（５）の前記第１の保護層（４）とは反対側に隣接して設けられる非磁性挿入層（７）と、前記非磁性挿入層（７）の前記第２の保護層（５）とは反対側に隣接して設けられるハードマスク層（８）を備え、前記参照層（１）は、強磁性体を含み、前記トンネル障壁層（２）は、Ｏを含み、前記記録層（３）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ又はＮｉのいずれかを含む強磁性体を含み、前第１の保護層（４）は、Ｏを含み、前記第２の保護層（５）は、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢからなる群の少なくとも１つを含み、前記非磁性挿入層（７）は、Ｔａ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗ又はＰｔからなる群の少なくとも１つを含み、前記ハードマスク層（８）は、Ｔｉ又はＮを含む金属材料であり、前記参照層（１）、前記トンネル障壁層（２）及び前記記録層（３）は磁気トンネル接合膜（Ｍ）を構成し、前記参照層（１）及び前記記録層（３）の磁化方向は膜面に対して垂直であることを特徴とする。【００１２】
前記非磁性挿入層（７）の膜厚は、１ｎｍ以上であることが望ましい。【００１３】
前記非磁性挿入層（７）は、Ｔａであることが望ましい。【００１４】
前記第１の保護層（４）は、ＭｇＯであることが望ましい。【００１５】
前記第２の保護層（５）及び前記非磁性挿入層（７）の間に隣接して第３の保護層（６）がさらに設けられ、前記第３の保護層（６）は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金からなる群の少なくとも１つを含むことが好ましい。【００１６】
また、本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法は、少なくとも参照層（１）、トンネル障壁層（２）及び記録層（３）からなる磁気トンネル接合膜（Ｍ）と、第１の保護層（４）、第２の保護層（５）、非磁性挿入層（７）及びハードマスク層（８）を順に積層する工程と、前記積層した膜をアニールする工程と、少なくともＳｉを含む犠牲層（９）を、アニールした前記ハードマスク層（８）上に積層する工程と、上面視が磁気トンネル接合膜（Ｍ）の加工パターン形状であるフォトレジスト（１０）を、前記犠牲層（９）上の一部に形成する工程と、前記フォトレジスト（１０）をマスクとしてエッチングし、前記犠牲層（９）を加工する工程と、前記犠牲層（９）をマスクとしてエッチングし、前記ハードマスク層（８）を加工する工程と、前記ハードマスク層（８）をマスクとしてエッチングし、前記磁気トンネル接合膜（Ｍ）を加工する工程と、前記犠牲層（９）を除去する工程と、を含み、前記参照層（１）は、強磁性体を含み、前記トンネル障壁層（２）は、Ｏを含み、前記記録層（３）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ又はＮｉのいずれかを含む強磁性体を含み、前第１の保護層（４）は、Ｏを含み、前記第２の保護層（５）は、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢからなる群の少なくとも１つを含み、前記第３の保護層（６）は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金からなる群の少なくとも１つを含み、前記非磁性挿入層（７）は、Ｔａ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｗ又はＰｔからなる群の少なくとも１つを含み、前記ハードマスク層（８）は、Ｔｉ又はＮを含む金属材料であり、前記参照層（１）及び前記記録層（３）の磁化方向は膜面に対して垂直であることを特徴とする。【００１７】
前記アニールする工程は、アニール温度が約４００℃、アニール時間が１時間であってもよい。【００１８】
前記ハードマスク層（８）を加工する前記工程におけるエッチング、及び、前記磁気トンネル接合膜（Ｍ）を加工する前記工程におけるエッチングは、反応性イオンエッチング又はイオンビームエッチングであり、イオンビームの入射角は膜面垂直方向に対し５０°〜９０°であってもよい。【００１９】
本発明の磁気メモリは、上記磁気トンネル接合素子を備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、素子構成元素の不要な層間拡散を抑え、特にハードマスク膜（Ｈ）内のＴｉ又はＮが磁気トンネル接合膜へ侵入するのを防ぎ、酸素を含む第１の保護層または磁気トンネル層からの酸素の分解を防ぎ、磁気トンネル接合膜の垂直磁気異方性の劣化を抑制した、磁気トンネル接合素子及び磁気メモリを提供することができる。また、磁気トンネル接合膜の加工形状の制御性に優れ、かつ、磁気トンネル接合膜の垂直磁気異方性の劣化を抑制した、磁気トンネル接合素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の磁気トンネル接合素子の構成の一例の、縦断面図である。
【図２Ａ】本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法の、アニール工程での構成の一例を示す、縦断面図である。
【図２Ｂ】本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法の、フォトレジスト等形成工程での構成の一例を示す、縦断面図である。
【図２Ｃ】本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法の、犠牲層加工工程での構成及びエッチング状態の一例を示す、縦断面図である。
【図２Ｄ】本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法の、フォトレジスト除去工程での構成及びフォトレジスト除去状態の一例を示す、縦断面図である
【図２Ｅ】本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法の、ハードマスク膜加工工程での構成及びエッチング状態の一例を示す、縦断面図である。
【図２Ｆ】本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法の、磁気トンネル接合膜加工工程での構成及びエッチング状態の一例を示す、縦断面図である。
【図２Ｇ】本発明の磁気トンネル接合素子の製造方法の、犠牲層除去工程での構成の一例を示す、縦断面図である。
【図３Ａ】評価用磁気トンネル接合素子の構成を示す、縦断面図である。
【図３Ｂ】評価用磁気トンネル接合膜の構成を示す、縦断面図である。
【図４】本発明の磁気トンネル接合素子の、Ｔａ挿入の有無及びその膜厚と、実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*規格値との関係を表したグラフである。
【図５Ａ】従来例のＴａ挿入のない磁気トンネル接合膜の、ＳＩＭＳ分析に用いた構成を示す、縦断面図である。
【図５Ｂ】従来例のＴａ挿入のない磁気トンネル接合膜の、ＳＩＭＳ分析結果を表したグラフである。
【図６Ａ】本発明のＴａが挿入された磁気トンネル接合膜の、ＳＩＭＳ分析に用いた構成を示す、縦断面図である。
【図６Ｂ】本発明のＴａが挿入された磁気トンネル接合膜の、ＳＩＭＳ分析結果を表したグラフである。
【図７】本発明（Ｔａ挿入あり）の磁気トンネル接合膜と、従来例（Ｔａ挿入なし）の磁気トンネル接合膜の、ＴｉのＳＩＭＳ分析結果を表した、グラフである。
【図８】本発明（Ｔａ挿入あり）の磁気トンネル接合膜と、従来例（Ｔａ挿入なし）の磁気トンネル接合膜の、ＮのＳＩＭＳ分析結果を表した、グラフである。
【図９Ａ】従来例のＴａ挿入なしの磁気トンネル接合膜の、ＯのＳＩＭＳ分析結果を表したグラフである。
【図９Ｂ】本発明のＴａ挿入ありの磁気トンネル接合膜の、ＯのＳＩＭＳ分析結果を表したグラフである。
【図１０】本発明（Ｔａ挿入あり）の磁気トンネル接合素子と、従来例（Ｔａ挿入なし）の磁気トンネル接合素子の、保磁力を示した、グラフである。
【図１１】本発明（Ｔａ挿入あり）の磁気トンネル接合素子と、従来例（Ｔａ挿入なし）の磁気トンネル接合素子の、シフト磁界を示した、グラフである。
【図１２】本発明の磁気トンネル接合素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１３】本発明の磁気トンネル接合素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気トンネル接合素子、及び、磁気トンネル接合素子の製造方法について、詳細を説明する。
なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
―  素子の構成  ―
図１に、本発明の実施の形態１の基本構成を示す。該磁気トンネル接合素子の基本構成は、参照層（１）／トンネル障壁層（２）／記録層（３）／第１の保護層（４）／第２の保護層（５）／第３の保護層（６）／非磁性挿入層（７）／ハードマスク層（８）が順に隣接して配置されたものであり、参照層（１）／トンネル障壁層（２）／記録層（３）は磁気トンネル接合膜（Ｍ）を構成し、ハードマスク層（８）はハードマスク膜（Ｈ）を構成する。
なお、実施の形態１については、図１において示した層構成は順に隣接して配置していればよく、積層方法、積層順序、上下左右の向き等限定されない。
【００２４】
参照層（１）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されている。
参照層（１）は少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含む強磁性体であり、３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つを含むことがより好ましく、具体的にはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＦｅＮｉ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられる。Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
また、強磁性体の間に薄い非磁性結合層を挿入してもよい。該非磁性結合層の材料としては、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ，Ｔｉ、Ｍｇ、ＭｇＯ等が例示される。
参照層（１）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。さらに、参照層（１）のトンネル障壁層（２）とは反対側に固定層等が隣接されていてもよい。
参照層（１）の膜厚は、材料や層の構成によるが、概ね１ｎｍ〜１３ｎｍ程度である。
【００２５】
トンネル障壁層（２）は、少なくともＯ（酸素）を含む、絶縁層からなるトンネル接合層である。接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
また、トンネル障壁層（２）は記録層（３）との界面において界面磁気異方性を生じるように酸素を含む材料を選択することがより望ましく、この点においてもＭｇＯがさらに望ましい。
トンネル障壁層（２）の膜厚は、好ましくは０．１〜１０ｎｍ、より好ましくは０．２ｎｍ〜５ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ〜２ｎｍの範囲に調整される。
【００２６】
記録層（３）の磁化方向は、少なくともトンネル障壁層（２）との界面における界面磁気異方性に起因し膜面垂直方向に可変である。第１の保護層（４）がＭｇＯの場合は、記録層（３）と第１の保護層（４）との界面においても界面磁気異方性が生じるため、膜面に対しより垂直磁気異方性を有し、磁気トンネル接合膜（Ｍ）の熱安定性指数Δがより向上する。
記録層（３）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含む強磁性体を含み、３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つを含むことがより好ましく、具体的にはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＦｅＮｉ、ＣｏＦｅＢ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が例示される。Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
記録層（３）は単層からなっていても、積層となっていてもよい。Ｆｅを含む層と、ＦｅＢ又はＣｏＢを含む層との積層膜が例示される。この場合、隣接するトンネル障壁層（２）や第１の保護層（４）を構成するＭｇＯと、記録層（３）のＢを含む層（ＦｅＢ、ＣｏＢ等）が隣接しないようにすることがより望ましい。ＭｇＯとの界面には、Ｂが少ないほうが高い界面磁気異方性を得ることができるからである。
また、強磁性体の間に薄い非磁性結合層を挿入してもよい。該非磁性結合層の材料としては、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ，Ｔｉ、Ｍｇ、ＭｇＯ等が例示される。
記録層（３）の膜厚は、好ましくは０．６ｎｍ〜６．０ｎｍ、より好ましくは１．０ｎｍ〜５．０ｎｍ、さらに好ましくは１．０ｎｍ〜３．０ｎｍである。
【００２７】
第１の保護層（４）（キャップ層）は、少なくともＯ（酸素）を含む。ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ、Ａｌ2Ｍｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＺｎＯ、Ｔａ2Ｏ5等の絶縁物や、ＲｕＯ2、ＶＯ2、ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＴａＯ2等の導電性酸化物が例示される。さらに第１の保護層（４）を構成する導電性酸化物として、ＲｕＯ2、ＶＯ2、ＣｒＯ2、ＮｂＯ2、ＭｏＯ2、ＷＯ2、ＲｅＯ2、ＲｈＯ2、ＯｓＯ2、ＩｒＯ2、ＰｔＯ2、Ｖ3Ｏ5、Ｔｉ3Ｏ5等のルチル−ＭｏＯ2型酸化物や、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ、ＬａＯ、ＮｄＯ、ＳｍＯ、ＥｕＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＮｉＯ等のＮａＣｌ型酸化物、ＬｉＴｉ2Ｏ4、ＬｉＶ2Ｏ4、Ｆｅ3Ｏ4等のスピネル型酸化物、ＲｅＯ3、ＣａＣｒＯ3、ＳｒＣｒＯ3、ＢａＭｏＯ3、ＳｒＭｏＯ3、ＣａＭｏＯ3、ＬａＣｕＯ3、ＣａＲｕＯ3、ＳｒＶＯ3、ＢａＴｉＯ3等のペロブスカイト−ＲｅＯ3型酸化物を含んでもよい。
また、第１の保護層（４）は、記録層（３）との界面において界面磁気異方性を生じるように酸素を含む材料を選択することがより望ましく、ＭｇＯがさらに望ましい。この場合、トンネル障壁層（２）と第１の保護層（４）に挟まれた記録層（３）は、二重の界面において界面磁気異方性を生じるため、膜面に対しより強い垂直磁気異方性を有し、磁気トンネル接合膜（Ｍ）の熱安定性指数Δがより向上する。
第１の保護層（４）の膜厚は、好ましくは０．１〜１０ｎｍ、より好ましくは０．２ｎｍ〜５ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲に調整される。
【００２８】
第２の保護層（５）は、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢからなる群の少なくとも１つを含む。これらの材料は、隣接して配置される第１の保護層（４）のＭｇＯ等にダメージを与えにくい性質を有する。
第２の保護層（５）の膜厚は、磁気トンネル接合膜（Ｍ）の加工が行える厚さを超えず、かつ、保護の効果を生じる厚さを下回らない範囲で調整される。Ｒｕの場合、第２の保護層（５）の膜厚は、好ましくは３．５ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ〜３．０ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ〜２．０ｎｍとする。また、ＣｏＦｅＢの場合、第２の保護層（５）の膜厚は、好ましくは３．５ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ〜３．０ｎｍ、さらに好ましくは０．１ｎｍ〜１．５ｎｍとする。
第２の保護層（５）は単体からなっていても、積層となっていてもよい。
第２の保護層（５）におけるＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等の層は、非磁性層であり、隣接して設けられる第１の保護層（４）の保護をする。よって、第２の保護層（５）は、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiに影響を与えない膜厚で形成されることが望ましい。たとえば、第２の保護層（５）の膜厚を記録層（３）の膜厚より薄くする等が挙げられ、具体的には飽和磁化が大きくならないようにする観点からは、第２の保護層（５）の厚さを１．５ｎｍ以下とするのが好ましい。
【００２９】
第３の保護層（６）の材料は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ａｕ又はこれらの合金、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金が好ましく、Ｒｕがより好ましい。
第３の保護層（６）の膜厚は、好ましくは２ｎｍ以上、より好ましくは３．５ｎｍ以上である。また、第３の保護層（６）は単体からなっていても、積層となっていてもよい。
【００３０】
非磁性挿入層（７）は、ハードマスク膜（Ｈ）と第３の保護層（６）の間に挿入され、Ｔａ、Ｉｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ又はＰｔからなる群の少なくとも１つを含む。
非磁性挿入層（７）は、ハードマスク膜（Ｈ）と、磁気トンネル接合膜（Ｍ）、第１の保護層（４）、第２の保護層（５）又は第３の保護層（６）との間で構成元素の不要な拡散が起こらないようにするため、挿入される。特に、ハードマスク膜（Ｈ）を構成するＴｉやＮ等が、アニール時に磁気トンネル接合膜（Ｍ）に拡散して侵入し、垂直磁気異方性を劣化させないように、非磁性挿入層（７）は挿入される。よって、高融点であり、拡散係数が小さい元素を含むことが有効となる。Ｔａ（融点３０１７℃）、Ｉｒ（融点２４４３℃）、Ｎｂ（融点２４６８℃）、Ｍｏ（融点２６２３℃）、Ｈｆ（融点２２３０℃）、Ｗ（融点３４０７℃）、Ｐｔ（融点１７６８℃）等、融点が１５００℃以上、好ましくは２０００℃以上の元素を含み、より好ましくはＴａを含む。
非磁性挿入層（７）の膜厚は、後述する評価結果及び素子加工の観点より、１．０ｎｍ以上が好ましく、１．０ｎｍ〜１０ｎｍがより好ましく、３ｎｍ〜１０ｎｍ、あるいは３ｎｍ〜５ｎｍがさらに好ましい。
【００３１】
ハードマスク層（８）は、電極と接続するため、導電性を有するように少なくともＴｉ又はＮを含む。エッチングによる加工形状の制御性に優れる材料であり、表面が平滑であり密着性に優れるＴｉＮがより好ましい。Ｔｉ又はＷのいずれかを含む層や、これらが積層されていてもよい。ハードマスク層（８）自体が電極として機能してもよい。
ハードマスク層（８）の膜厚は、２０ｎｍ〜２００ｎｍが好ましく、４０ｎｍ〜１２０ｎｍがより好ましい。
また、ハードマスク層（８）は、エッチングによる加工の前に、磁気トンネル接合膜（Ｍ）及びさらに積層された第１の保護層（４）、第２の保護層（５）及び第３の保護層（６）とともにアニール処理される。本発明では、高融点の重元素材料である非磁性挿入層（７）が挿入されるため、アニール処理によりハードマスク膜（Ｈ）と、磁気トンネル接合膜（Ｍ）、界面磁気異方性に重要な役割を担うＭｇＯ等の第１の保護層（４）、第２の保護層（５）又は第３の保護層（６）との間で構成元素の不要な拡散が抑えられ、磁気トンネル接合膜（Ｍ）の垂直磁気異方性を劣化させにくい構成となっている。
【００３２】
―  素子の製造  ―
次に、図２Ａ〜図２Ｇを用いて、本発明の、実施の形態１の基本構成を用いた磁気トンネル接合素子の加工方法（製造方法）を説明する。
【００３３】
図２Ａは、磁気トンネル接合膜（Ｍ）、第１の保護層（４）、第２の保護層（５）、第３の保護層（６）、非磁性挿入層（７）及びハードマスク膜（Ｈ）を積層後に、アニール工程を行う時点の縦断面図を示したものである。
アニール工程前の層構成は、図２Ａのように順に隣接して配置していればよく、積層方法、積層順序、上下左右の向き等に限定されない。
アニール工程は、４００℃で１時間行う。
【００３４】
図２Ｂは、犠牲層（９）をアニールしたハードマスク層（８）上に積層し、フォトレジスト（１０）を犠牲層（９）上の一部に形成する工程を完了した時点の縦断面図を示したものである。
犠牲層（９）の積層及びフォトレジスト（１０）の形成は、図２Ｂに記載した上下位置のとおりに行わなければならない。このあとの工程にイオンビーム等を用いたエッチングが含まれるためである。
【００３５】
犠牲層（９）は、ハードマスク層（８）のＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等による加工において、ハードマスクのエッチング速度と犠牲層のエッチング速度の比（選択比）がとれる材料であり、かつ、最後の除去工程においては適切なエッチング方法によって、逆にハードマスク層（８）に比べてエッチング速度の速い材料とすればよく、Ｓｉを含む材料が好ましく、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4等が例示される。犠牲層（９）は、アニールしたハードマスク層（８）上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｉｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により積層され得る。
犠牲層（９）をハードマスク層（８）とフォトレジスト（１０）の間に積層するのは、エッチング選択比を調整するためである。たとえば、塩素ガスを用いてエッチングすると、ハードマスク層（８）のＴｉＮの、犠牲層（９）のＳｉＯ2に対するエッチング選択比は、３．８である。
【００３６】
フォトレジスト（１０）は、犠牲層（９）上の一部に形成される。フォトレジスト（１０）の上面視は、磁気トンネル接合膜（Ｍ）の加工パターン形状である。
フォトレジスト（１０）の材料は、有機物であることが望ましい。犠牲層（９）が非有機物で固い場合、エッチング選択比を得るためにエッチングガス種としてはＣＦ4やＣＨＣＦ3を選択する必要がある。
フォトレジスト（１０）の膜厚は、好ましくは５０ｎｍ〜２００ｎｍ、より好ましくは８０ｎｍ〜１２０ｎｍである。薄すぎると犠牲層（９）が柱状になる前に、フォトレジスト（１０）が削られてなくなってしまい、逆に厚すぎるとエッチングの反応ガス種等が削りたい部材まで届きにくくなってしまうからである。
【００３７】
図２Ｃは、フォトレジスト（１０）をマスクとしてエッチングし、犠牲層（９）を加工する工程を示す。
各層材料間のエッチング選択比から、フォトレジスト（１０）の加工パターン形状に沿って犠牲層（９）がエッチングされ、フォトレジスト（１０）自体も小さくなっていく。  
【００３８】
本発明に使われるエッチングには、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等がある。たとえばイオンビームを膜面の垂直方向に対して斜め上方から材料に入射させる。斜め上方からイオンビームを当てるのは、エッチングされた材料が柱状側面に再付着するため、かかる材料を除去しながらエッチングをする行うためである。ここで、斜め上方とは、膜面垂直方向に対して傾けた角度をθとすると、θ＝５０°〜９０°の範囲であり、エッチング工程中にこの範囲内で変化させることもある。
【００３９】
図２Ｄは、犠牲層（９）上に残ったフォトレジスト（１０）を除去する工程を示す。フォトレジスト（１０）の除去には、有機物を効果的に除去するために、たとえば専用の液体リムーバ内に浸漬する。
【００４０】
図２Ｅは、犠牲層（９）をマスクにしてエッチングし、ＴｉＮを含むハードマスク膜（Ｈ）を加工する工程を示す。犠牲層（９）とＴｉＮを含むハードマスク膜（Ｈ）のエッチング選択比を得るために、エッチングガス種としては塩素系ガス等が用いられる。
【００４１】
図２Ｆは、ＴｉＮを含むハードマスク膜（Ｈ）及び残った犠牲層（９）をマスクにしてエッチングし、磁気トンネル接合膜（Ｍ）を加工する工程を示す。ＴｉＮを含むハードマスク膜（Ｈ）と磁気トンネル接合膜（Ｍ）のエッチング選択比を得るために、エッチングガス種としては、炭素、酸素、水素等を含むもの等を用いる。
各層材料間のエッチング選択比から、フォトレジスト（１０）の加工パターン形状に沿って削られたハードマスク膜（Ｈ）の形状に、磁気トンネル接合膜（Ｍ）が削られ、犠牲層（９）自体も削られていく。
【００４２】
図２Ｇは、エッチングの最後に犠牲層（９）を除去する工程が終了した時点の縦断面図を示したものである。残存する犠牲層（９）はわずかなので、Ａｒ等の希ガス種による物理的エッチング等を用いる。
【００４３】
―  磁気トンネル接合（ＭＴＪ）膜の磁気特性評価  ―
以上のような工程で加工した本発明の磁気トンネル接合素子が、非磁性挿入層（７）のない従来の素子と比較して、ハードマスク膜（Ｈ）中のＴｉやＮが磁気トンネル接合膜（Ｍ）にまで拡散が抑制されているかの評価を行った。
【００４４】
まず、非磁性挿入層（７）としてのＴａの膜厚と磁気トンネル接合素子の記録層の単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*規格値の関係を評価した。
図３Ａに、評価用磁気トンネル接合素子の構成を示す。該評価用磁気トンネル接合素子は、下部電極（Ｔａ（５ｎｍ））／Ｒｕ（５ｎｍ）／ＴａＮ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３ｎｍ）／参照層（１）（８．５ｎｍ）／トンネル障壁層（ＭｇＯ（１．１ｎｍ））／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｗ（０．２ｎｍ）／ＦｅＢ（０．８ｎｍ）／Ｗ（０．２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／第１の保護層（４）（ＭｇＯ（１．２４ｎｍ））／第２の保護層（５）（ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ））／第３の保護層（６）（Ｒｕ（５ｎｍ））／非磁性挿入層（７）（Ｔａ（ｘｎｍ））／ハードマスク層（８）（ＴｉＮ（９０ｎｍ））が順に積層されたものである。ここで参照層は［Ｃｏ（０．５ｎｍ／Ｐｔ（０．３ｎｍ））５／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］２／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／ＣｏＦｅ−２５Ｂ（１．２ｎｍ）を用いた。
実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*の評価には磁気測定を用いるが、参照層も磁気を持っているため、評価には図３Ｂに示す参照層と下地を簡略化した構造のＭＴＪ膜を用いた。非磁性挿入層（７）のＴａの膜厚ｘを０（挿入なし）、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍに調整した。
積層後、４００℃ｘ１時間アニール処理し、単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*規格値（ｍＪ／ｍ2）との関係を求め、図４に示した。
【００４５】
ここで、実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*規格値が高いほど、大きな垂直磁気異方性を有する、すなわち、評価用磁気トンネル接合膜（Ｍ′）の垂直磁気異方性が保たれていることを示す。なお、現時点では、磁気トンネル接合素子の単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*規格値は約０．５ｍＪ／ｍ2を超えれば十分とされている。
図４より、Ｔａの膜厚がゼロ（挿入しない場合）、１ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍと膜厚が増えるにつれて、Ｋeffｔ*規格値も増加することが分った。また、３ｎｍを超え２０ｎｍまではほぼＫeffｔ*規格値はほぼ一定である。
以上の評価により、本評価系においては、非磁性挿入層（７）としてＴａを挿入すると、挿入しない場合に比べ実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*規格値は高くなることと、１ｎｍ以上のＴａを挿入すれば垂直磁気異方性の向上に効果があり、３ｎｍ以上のＴａを挿入すれば評価用磁気トンネル接合膜（Ｍ′）の垂直磁気異方性が最大限保たれる効果が得られることが分かった。
【００４６】
―  磁気トンネル接合（ＭＴＪ）膜の元素分析評価  ―
次に  非磁性挿入層（７）の挿入の有無により、磁気トンネル接合膜の元素分布が膜厚方向にどのように変化するのかを分析した。
図５Ａに、非磁性挿入層（７）を挿入しない場合（従来例）の磁気トンネル接合膜の縦断面図を示す。
評価した磁気トンネル接合膜は図３ＢにおいてＴａの膜厚ｘを０とした膜と類似の構成である。記録層（３）は簡単化した構造となっているが、本質的には同じ構造である。基板／下部電極（Ｔａ（５ｎｍ））／参照層（１）（ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ））／トンネル障壁層（ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｗ（０．５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／第１の保護層（４）（ＭｇＯ（１．０ｎｍ））／第２の保護層（５）（ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ））／第３の保護層（６）（Ｒｕ（５ｎｍ））／ハードマスク層（８）（ＴｉＮ（９０ｎｍ））が順に積層され、アニール処理されている。
【００４７】
図６Ａに、非磁性挿入層（７）を挿入した場合（本発明実施例）の磁気トンネル接合膜の縦断面図を示す。
評価した磁気トンネル接合膜は図３ＢにおいてＴａの膜厚ｘを５とした膜と本質的には同じ構成である。基板／下部電極（Ｔａ（５ｎｍ））／参照層（１）（ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ））／トンネル障壁層（ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｗ（０．５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／第１の保護層（４）（ＭｇＯ（１．０ｎｍ））／第２の保護層（５）（ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ））／第３の保護層（６）（Ｒｕ（５ｎｍ））／非磁性挿入層（７）（Ｔａ（５ｎｍ））／ハードマスク層（８）（ＴｉＮ（９０ｎｍ））が順に積層され、アニール処理さている。
【００４８】
アニール処理後、従来の非磁性挿入層（７）としてのＴａを挿入しない膜と、本発明のＴａを挿入した膜について、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；二次イオン質量分析法）にて素子中の元素分布を分析した。
図５Ｂに、非磁性挿入層（７）としてのＴａを挿入しない場合（従来例）の全元素の分布分析結果を、図６Ｂに、非磁性挿入層（７）としてのＴａを挿入した場合（本発明実施例）の全元素の分布分析結果を示した。
また、図７に、非磁性挿入層（７）としてのＴａを挿入した場合と、挿入しない場合の、Ｔｉ元素の動きを示した。
図８に、非磁性挿入層（７）としてのＴａを挿入した場合と、挿入しない場合の、Ｎ元素のピークの動きを示した。
【００４９】
図７及び図８の横軸は膜表面からの相対的深さを表し、Ｒｕ層の厚み中心より上側に存在する元素はマイナス側に、下側に存在する元素はプラスの側にプロットされる。なお、Ｒｕ層のピークトップから、基板と参照層（１）の間に配置されたＴａ層のピークトップまでの距離が１１．５ｎｍとして換算し、また、２つのサンプルのスペクトルにつき、原点がＲｕ層のピーク付近となるようにピーク合わせを行った。
図７及び図８の縦軸はＳｉＯ2中のＯの強度に対する各元素の相対強度を表している。
【００５０】
図７より、ハードマスク層（８）に含まれるＴｉＮのＴｉは、非磁性挿入層（７）としてＴａを挿入した場合に比べ、挿入しなかった場合は素子の下側にピークがシフトしていることが分かった。
また、図８より、ハードマスク層（８）に含まれるＴｉＮのＮも、非磁性挿入層（７）としてＴａを挿入した場合に比べ、挿入しなかった場合は素子の下側にピークがシフトしていることが分かった。
以上のＴｉ及びＮの分布分析の結果より、本発明のＴａ挿入層の存在により、Ｔｉ及びＮの素子内部への拡散や侵入が抑制されていることが分かった。
【００５１】
さらに、図９Ａは、非磁性挿入層（７）としてのＴａを挿入しなかった場合の元素分布を示した図５Ｂのうち、Ｏ元素に着目したグラフである。
同様に、図９Ｂは、非磁性挿入層（７）としてＴａを挿入した場合の元素分布を示した図６Ｂのうち、Ｏ元素に着目したグラフである。Ｏの分布に顕著な違いが認められる。
【００５２】
図９ＢのＴａを挿入した場合は、Ｏ元素は、深さ０ｎｍ付近のＲｕピークと、深さ１０ｎｍ付近のＴａピークの間において、深さ５ｎｍ付近でピークを取っている。０ｎｍ付近のＲｕピークは第３の保護層（６）によるものであり、深さ１０ｎｍ付近のＴａは最下層の下部電極から来るものである。従って、この深さ５ｎｍ付近のＯ元素ピークはトンネル障壁層（２）と第１の保護層（４）を構成するＭｇＯに由来すると考えられ、積層した図６Ａ構造のとおりに下地電極層（Ｔａ）と第３の保護層（Ｒｕ）に挟まれるように存在している。一方、図９ＡのＴａを挿入しなかった場合は、Ｏ元素は、下地電極層に含まれるＴａと第３の保護層（６）のＲｕに挟まれる深さ５ｎｍ付近の位置に１つのピークと、第３の保護層（６）のＲｕより上部の表面側にもう１つのピークを有している。積層構造（図５Ａ）からすると、Ｒｕ上には９０ｎｍの厚いＴｉＮが存在するため表面からの酸素の進入によるものではないと考えられるため、第３の保護層（６）のＲｕ上のＯ元素のピークは第１の保護層（４）あるいはトンネル障壁層（２）を構成するＭｇＯの酸素が分離して表面方向に拡散して現れるものと考えられる。
以上のＯの分布分析の結果より、本発明の磁気トンネル接合素子のようにＴａ挿入層が存在すると、第１の保護層（４）あるいはトンネル障壁層（２）のＭｇＯの分解が抑制されると考えられる。
磁気トンネル接合膜の形成はスパッタリングを用いて行う。ＴｉＮのハードマスク層（８）は、金属Ｔｉのスパッタリングターゲットを用い、ＡｒとＮ２の混合ガスを導入してターゲット表面がメタルの状態で行う。プラズマとなったＮはウエハ側で膜中に取り込まれるが、取り込まれる量は少なく、このため出来上がったＴｉＮ膜は化学量論組成の１：１の組成のものではなく、ＴｉリッチなＴｉＮ膜である。Ｔｉという元素は酸素と非常に反応性が高いため、ＴｉＮ中のＴｉはなお活性状態にある。Ｔａ挿入層がある場合は、活性なＴｉが膜表面にあっても、Ｔａが障壁となるために、高温のアニール処理においても、第１の保護層あるいはトンネル接合層を形成するＭｇＯのＯ元素は表面のＴｉに引き寄せられることはないと考えられる。それに対して、Ｔａ挿入層がない場合は、障壁がないために高温のアニール処理において、第１の保護層（４）あるいはトンネル障壁層（２）を形成するＭｇＯのＯ元素は表面のＴｉに引き寄せられ、ＭｇＯの分解が進んでいると考えられる。
【００５３】
つまり、本発明の非磁性挿入層（７）としてＴａが挿入されると、ハードマスク層（８）のＴｉ及びＮの拡散、第１の保護層（４）又はトンネル障壁層（２）のＭｇＯの分解が抑制されることが実証され、Ｔａが挿入された本発明の磁気トンネル接合素子は従来の素子に比べ、アニール処理によっても高い垂直磁気異方性を維持することが分かった。
【００５４】
―  磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の保磁力及びシフト磁界の評価  ―
さらに、本発明（Ｔａ挿入あり）の磁気トンネル接合素子と、従来例（Ｔａ挿入なし）の磁気トンネル接合素子の、保磁力のばらつき及びシフト磁界のばらつきについて評価した。
図１３に示すＴａ挿入層有無（ｘ＝０ｎｍ、５ｎｍ）の２種類の磁気トンネル接合膜を用い、これに図２Ａから図２Ｇに示すプロセスを施し、図２Ｇの構造の微細な素子を作成した。図２Ｇに示す寸法Ｄは略楕円形素子の長径を表す。
【００５５】
図１０に、非磁性挿入層（７）のＴａ挿入層の有無による、磁気トンネル接合素子の長径と保磁力μ0／Ｈc（ｍＴ）との関係を示した。寸法Ｄを有する素子を多数測定した。
多数の素子の多数の保磁力の測定結果から、保磁力の平均値と標準偏差σを求め、各素子寸法Ｄに対してその平均値と平均値±σの値を図にプロットした。図１０中の●又は■のシンボルは各素子寸法Ｄを有する複数素子の測定平均値であり、バーは平均値±σの範囲を示している。図からＴａ挿入層がない場合に比べ、Ｔａ挿入層を有する磁気トンネル接合素子は、素子間の保磁力のばらつきが少なく、ばらつきの幅は約１／２程度であり、特性のばらつきの小さな素子群を作ることができることが分かった。特に素子サイズ６０ｎｍ以下の場合効果が顕著である。また、Ｔａ挿入層を有することにより、保磁力の平均値は増大し、最小値を有する素子の保磁力も増加する。
各素子が有する保磁力は、それぞれの素子が有する記録情報保持能力を表す。Ｔａ挿入層を有する場合、複数素子の集合体として情報記録保持能力向上効果が得られていることがわかる。これは複数素子の集合体として構成する集積素子を想定した場合、より優れた集積素子を提供できることを表している。
なお、図１０にプロットした素子サイズの値は、Ｔａ挿入層を有する場合は、左から３９ｎｍ、５６ｎｍ、７３ｎｍ、８９ｎｍであり、Ｔａ挿入層を有しない場合は、左から３６ｎｍ、５５ｎｍ、７０ｎｍ、８７ｎｍである。
【００５６】
図１１に、非磁性挿入層（７）のＴａ挿入層の有無による、磁気トンネル接合素子の長径とシフト磁界μ0Ｈshift（ｍＴ）との関係を示した。寸法Ｄを有する素子を多数測定した。
図１０と同様に、多数の素子の多数のシフト磁界測定結果から、シフト磁界の平均値と標準偏差σを求め、各素子寸法Ｄに対してその平均値と平均値±σの値を図にプロットした。図１１中の●または■のシンボルは各素子寸法Ｄを有する複数素子の測定平均値であり、バーは平均値±σの範囲を示している。Ｔａ挿入層がない場合に比べ、素子サイズＤが６０ｎｍ以下の範囲において、Ｔａ挿入層を有する磁気トンネル接合素子の方が、シフト磁界の平均値がやや小さく、かつシフト磁界のばらつきは４０％以下（評価値では約３５％、約３７％）と顕著に小さいことが分かった。
なお、図１１にプロットした素子サイズの値は、Ｔａ挿入層を有する場合は、左から３９ｎｍ、５６ｎｍ、７３ｎｍ、８９ｎｍであり、Ｔａ挿入層を有しない場合は、左から３６ｎｍ、５５ｎｍ、７０ｎｍ、８７ｎｍである。
各素子が有するシフト磁界は、それぞれの素子が有する“１“と“０“の２つの記録情報における保持能力の差に関係している。この値が有限値であると、例えば、“１“という情報保持能力は高いが、“0“という情報保持能力は低いということが起こる。従って、シフト磁界がより大きな素子では、“0“という情報を保持するのがより困難になる。Ｔａ挿入層を有する場合は、Ｔａ挿入層なしの場合に比べて、シフト磁界の最大値がすべてのサイズＤにおいて小さい。これは、複数素子の集合体としてＴａ挿入層の有無の素子集合体を比べた場合、Ta挿入層有の素子集合体の方が、情報記録保持能力の最低値が高いことを意味しており、複数素子の集合体として構成する集積素子を想定した場合、より優れた集積素子を提供できることを表している。
【００５７】
以上の保磁力及びシフト磁界の評価結果より、本発明の非磁性挿入層（７）のＴａを挿入した磁気トンネル接合素子において、挿入されない従来例に比較し、より高い素子集積化のポテンシャルを有することが分かった。
【００５８】
（実施の形態２）
なお、これまで実施の形態１を一例として、素子の構成、素子の製造方法及びその評価結果を述べてきたが、実施の形態１の保護層のうち、第２の保護層（５）又は第３の保護層（６）は備えなくてもよい。
図１２に、実施の形態１のうちの第３の保護層（６）を備えない、実施の形態２の磁気トンネル接合素子の構成を示す。該磁気トンネル接合素子の基本構成は、参照層（１）／トンネル障壁層（２）／記録層（３）／第１の保護層（４）／第２の保護層（５）／非磁性挿入層（７）／ハードマスク層（８）が順に隣接して配置されたものであり、参照層（１）／トンネル障壁層（２）／記録層（３）は磁気トンネル接合膜（Ｍ）を構成し、ハードマスク層（８）はハードマスク膜（Ｈ）を構成する。
なお、実施の形態２については、図１２において示した層構成は順に隣接して配置していればよく、積層方法、積層順序、上下左右の向き等限定されない。
【００５９】
実施の形態２は、第３の保護層（６）を備えない点を除き、実施の形態１と同様な特徴を有する。
【００６０】
さらに、第３の保護層を備えない実施の形態２の構成であっても、実施の形態１で詳述した特徴及び効果を有するＴａ等の非磁性挿入層（７）により、ハードマスク層（８）からＴｉやＮの構成元素が磁気トンネル接合膜（Ｍ）に拡散し侵入することを抑制し、第１の保護層（４）あるいはトンネル障壁層（２）を形成する酸化物の分解を抑制することができる。このため、アニール処理を行っても、磁気トンネル接合膜（Ｍ）の垂直磁気異方性の劣化を抑制でき、実施の形態１と同様により高い垂直磁気異方性を有する磁気トンネル接合素子を得ることができる。
【００６１】
実施の形態２では第３の保護層（６）を備えない素子構成であるが、第２の保護層（５）を備えない素子構成であっても、同様にＴａ等の非磁性挿入層（７）により、ハードマスク層（８）からＴｉやＮの構成元素が磁気トンネル接合膜（Ｍ）に拡散し侵入することを抑制し、第１の保護層（４）あるいはトンネル障壁層（２）を形成する酸化物の分解を抑制することができる。このため、アニール処理を行っても、磁気トンネル接合膜（Ｍ）の垂直磁気異方性の劣化を抑制でき、実施の形態１や２と同様により高い垂直磁気異方性を有する磁気トンネル接合素子を得ることができる。
【００６２】
（その他の実施の形態）
また、記録層の磁性層は磁性層１層であっても、複数の磁性層及びそれらの層間に非磁性結合層が挿入された層構成であってもよい。かかる非磁性結合層は、隣接する２つの磁性層の磁化方向を同じ向きに反転させるもの（強磁性結合）であっても、隣接する２つの磁性層の磁化方向を反平行方向に反転させるもの（反強磁性結合）であってもよい。
さらに、記録層と参照層は逆になっていてもよく、またそれぞれ複数備えたものでもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１    参照層
２    トンネル障壁層
３    記録層
４    第１の保護層
５    第２の保護層
６    第３の保護層
７    非磁性挿入層
８    ハードマスク層
９    犠牲層
１０  フォトレジスト
Ｍ  磁気トンネル接合膜
Ｈ  ハードマスク膜
【図１】
2019188203.tif 000003
【図２Ａ】
2019188203.tif 000004
【図２Ｂ】
2019188203.tif 000005
【図２Ｃ】
2019188203.tif 000006
【図２Ｄ】
2019188203.tif 000007
【図２Ｅ】
2019188203.tif 000008
【図２Ｆ】
2019188203.tif 000009
【図２Ｇ】
2019188203.tif 000010
【図３Ａ】
2019188203.tif 000011
【図３Ｂ】
2019188203.tif 000012
【図４】
2019188203.tif 000013
【図５Ａ】
2019188203.tif 000014
【図５Ｂ】
2019188203.tif 000015
【図６Ａ】
2019188203.tif 000016
【図６Ｂ】
2019188203.tif 000017
【図７】
2019188203.tif 000018
【図８】
2019188203.tif 000019
【図９Ａ】
2019188203.tif 000020
【図９Ｂ】
2019188203.tif 000021
【図１０】
2019188203.tif 000022
【図１１】
2019188203.tif 000023
【図１２】
2019188203.tif 000024
【図１３】
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【国際調査報告】
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