JP2001274480A - 磁気メモリの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パターンが微細化してもメモリ層に記録され
た磁化状態が安定に存在し、かつ消費電力が小さい、複
数の磁気メモリ素子からなる磁気メモリの製造方法を提
供する。 【解決手段】 少なくとも第１磁性層、非磁性層、記録
層となる第２磁性層を積層した複数の磁気メモリ素子か
らなる磁気メモリの製造方法であって、少なくとも基板
上に記録層となる第１磁性層、非磁性層、第２磁性層の
積層膜を連続して形成し、積層膜を互いに分離された磁
気メモリ素子の形状に加工し、基板上に形成された複数
の磁気メモリ素子間の空間を充填する絶縁層を形成し、
複数の磁気メモリ素子上及び磁気メモリ素子間の絶縁層
上に導体層と第３磁性層を連続して形成し、第３磁性層
を磁気メモリ素子と略同形状に加工し、導体層を隣接す
る磁気メモリ素子を１方向にのみ連結するように加工す
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気抵抗効果を用い
た複数の磁気メモリ素子からなる磁気メモリの製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまでに、異方性磁気抵抗効果（ＡＭ
Ｒ）素子や巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、磁気トン
ネル接合（ＭＴＪ）素子のＨＤＤ用再生ヘッドや磁気メ
モリへの応用が考えられている。

【０００３】磁気メモリにおいては、半導体メモリと同
じく稼動部の無い固体メモリであるが、電源が断たれて
も情報を失わない、繰り返し回数が無限回である、放射
線が入射しても記録内容が消失する危険性が無い等、半
導体メモリと比較して有用である。

【０００４】特にＭＴＪ素子は大きな抵抗変化率を持つ
ことから、メモリセルへの使用が期待されている。従来
のＭＴＪ素子の構成を図９に示す。なお、このような構
造はたとえば特開平９―１０６５１４号公報に示されて
いる。図９のＭＴＪ素子は、反強磁性層４１、強磁性層
４２、絶縁層４３、強磁性層４４を積層したものであ
る。ここで、反強磁性層４１としてはＦｅＭｎ、ＮｉＭ
ｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等の合金が用いられ、強磁性層
４２及び強磁性層４４としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ或はこ
れらの合金が用いられる。また、絶縁層４３としては各
種の酸化物や窒化物が検討されているが、Ａｌ₂Ｏ₃膜の
場合に最も高い磁気抵抗（ＭＲ）比が得られることが知
られている。

【０００５】また、この他に、反強磁性層４１を除いた
構成で、強磁性層４２と強磁性層４４の保磁力差を利用
したＭＴＪ素子の提案もなされている。

【０００６】図９の構造のＭＴＪ素子を磁気メモリに使
用する場合の動作原理を図１０に示す。強磁性層４２及
び強磁性層４４の磁化はいずれも膜面内にあり、平行も
しくは反平行となるように実効的な一軸磁気異方性を有
している。そして、強磁性層４２の磁化は反強磁性層４
１との交換結合により実質的に一方向に固定され、強磁
性層４４の磁化の方向で記録を保持する。

【０００７】このメモリ層となる強磁性層４４の磁化が
平行もしくは反平行でＭＴＪ素子の抵抗が異なることを
検出して読み出しを行い、ＭＴＪ素子の近傍に配置した
電流線が発生する磁界を利用して強磁性層４４の磁化の
向きを変えることで書き込みを行う。

【０００８】ところで、上記構造のＭＴＪ素子では強磁
性層４２及び強磁性層４４の磁化が面内方向であるた
め、両端部には磁極が発生する。その結果このようなＭ
ＴＪ素子でメモリアレイを形成するとＭＴＪ素子間に静
磁気相互作用が生じることになる。これは個々のＭＴＪ
素子の特性が隣接するＭＴＪ素子の状態に影響されるこ
とを意味し、ＭＴＪ素子の間隔を狭めて記録密度を増大
することを困難にしている。このような問題に対し、特
開平１１−１６１９１９号公報に、端部磁極の影響を低
減する方法が開示されている。図１１にこの構造を示
す。これによれば、反強磁性層４１と結合してその磁化
の方向が固定されている強磁性層４２（固定層）と外部
磁界に対して自由に回転できる強磁性層４４（自由層）
が絶縁層４３を介して積層されており、さらに、強磁性
層４２及び強磁性層４４の両方が、非磁性金属層５２、
５５を介して反強磁性的に結合する２層の強磁性層５
１、５３及５４、５６で構成されている。従って、自由
層及び固定層の両方で、端部に発生する磁極を低減する
ことができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特開平１１
−１６１９１９号公報における反強磁性層に隣接しない
強磁性層（自由層）はＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅで構成
されており、外部磁界の印加により自由に回転する。実
施例ではＲｕの膜厚は二つのＮｉＦｅ層が最大の反強磁
性結合強度を持つように設定され、かつ、二つのＮｉＦ
ｅ層の膜厚がわずかに異なるように設定されている。磁
界が印加された場合の自由層の動作は、二つのＮｉＦｅ
層の膜厚差によって生じる正味の磁化が回転することに
より行われる。

【００１０】ところが、二つのＮｉＦｅ層が最大の反強
磁性結合強度を持つＲｕの膜厚は４Å乃至８Åと非常に
薄く、ピンホールが生じた場合には逆に強磁性結合が発
生することから、反強磁性結合強度を安定して得ること
は難しい。また、外部磁界による磁化反転が生じるため
には、二つのＮｉＦｅ層の膜厚が異なる必要があるが、
これにより外部から見た場合の正味の磁化をゼロにする
ことができず、当初の目的が達成できない。さらに、磁
気メモリ素子として用いる場合には、磁化反転を生じる
ために必要な磁界を、隣接する導体線を流れる電流によ
り発生させるが、消費電力を低減させるための構成につ
いてはなにも記述されていない。

【００１１】さらに、先行例では磁気ヘッドに用いた場
合に印加磁界と自由層の困難軸方向が直交する配置で使
用されているが、磁気メモリ素子に使用する場合は、通
常磁気メモリ素子上で交差する二本の導体線により発生
する磁界によって自由層の磁化を回転させるため、印加
磁界は自由層の困難軸方向に対し斜めに傾いた方向にな
る。そのため、先行例に記載されているような単純な磁
化回転による磁化反転が生じるとは考えにくく、この構
成の素子を磁気メモリ素子として用いることは難しい。

【００１２】そこで、本発明は上記課題を解決するため
に、パターンが微細化してもメモリ層に記録された磁化
状態が安定に存在し、消費電力が小さい複数の磁気メモ
リ素子からなる磁気メモリの製造方法を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであって、少なくとも第１磁性
層、非磁性層、記録層となる第２磁性層を積層した複数
の磁気メモリ素子からなる磁気メモリの製造方法であっ
て、基板上に少なくとも記録層となる前記第１磁性層、
前記非磁性層、前記第２磁性層の積層膜を基板側から順
に連続して形成する工程と、前記積層膜を互いに分離さ
れた磁気メモリ素子の形状に加工する工程と、基板上に
形成された複数の前記磁気メモリ素子間の空間を充填す
るように絶縁層を形成する工程と、前記複数の磁気メモ
リ素子上及び前記磁気メモリ素子間の絶縁層上に、導体
層と第３磁性層を連続して形成する工程と、前記第３磁
性層を前記磁気メモリ素子と略同形状に加工した後に、
隣接する磁気メモリ素子を１方向にのみ連結するように
前記導体層を加工する工程からなることを特徴とする磁
気メモリの製造方法である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１から図８を用いて説明する。

【００１５】図１は本発明の製造方法により製造される
磁気メモリ素子を示している。図１に示すように、本実
施例による磁気メモリ素子１はＭＴＪ素子を用いてお
り、導体層１１、絶縁層１２、導体層１３、反強磁性層
１４、強磁性層１５（固定層）、絶縁層１６、強磁性層
１７（自由層）、導体層１８、強磁性層１９からなる。

【００１６】本実施例では固定層１５を強磁性層２０、
金属層２１、強磁性層２２の積層膜で構成しており、金
属層２１の膜厚は強磁性層２０と強磁性層２２が反強磁
性結合するように選ばれ、強磁性層２０と強磁性層２２
はほぼ等しい磁化を持つように選ばれている。固定層１
５は単層の強磁性体で構成することもできるが、このよ
うな積層構造にすることで、固定層１５の端部に発生す
る磁極を実質的にゼロにすることができる。

【００１７】また、強磁性層２０と強磁性層２２に異方
性磁界が大きい材料を用いることにより、反強磁性層１
４を省略した構造とすることも可能である。

【００１８】強磁性層１５、強磁性層１７及び強磁性層
１９は紙面に対して平行な方向に一軸異方性を付与され
ており、反強磁性層１４と強磁性層１５は交換結合して
いる。

【００１９】本実施例の磁気メモリ素子では、固定層１
５を構成する強磁性層２２と強磁性層１７の磁化が互い
に平行又は反平行で二つの状態がつくられる。

【００２０】また、本実施例では、導体層１８はビット
線と抵抗変化を検出するための電極を兼ねており、配線
ルールによって決まる間隔を隔てて隣接する磁気メモリ
素子に接続されている。導体層１３は下部電極であり、
導体層１１はワード線である。

【００２１】ここで、図１に示すように導体層１８には
紙面に対して垂直に、導体層１１には紙面に対して平行
に電流を流す。図２は、そのときに二つの電流によって
強磁性層１７と強磁性層１９の位置に発生する磁界を膜
面に垂直方向から見たものである。このように強磁性層
１７｛図２（ｂ）｝と強磁性層１９｛図２（ａ）｝の位
置には、導体層１８による磁界Ｈ_Bと導体層１１による
磁界Ｈ_Wの合成磁界が印加される。図２（ａ）及び図２
（ｂ）に示すように強磁性層１７と強磁性層１９の位置
では合成磁界の向きが異なることから、紙面の左右方向
に一軸異方性を付与された強磁性層１７、１９は互いに
異なる向きに磁化される。従って強磁性層１７の磁化は
強磁性層１９の両端に生じる磁極のつくる磁界によって
安定化される。

【００２２】さらに、強磁性層１７と強磁性層１９の磁
化の大きさをほぼ等しくしておくことで、外部に対して
は見かけ上磁化が無くなり、隣接する磁気メモリ素子に
影響を及ぼすことがなくなる。さらにまた、強磁性層１
７と強磁性層１９には導体層１８が直接接していること
から、小電流でも十分な磁界強度が得られ、磁気メモリ
素子の低消費電力化が実現できる。

【００２３】反強磁性層１４の材料としてはＦｅＭｎ、
ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等の合金を用いることが
でき、強磁性層１５、１７、１９の材料としてはＦｅ、
Ｃｏ、Ｎｉ或はこれらの合金を用いることができる。ま
た、絶縁層１６としてはＭＲ比の点からＡｌ₂Ｏ₃膜が好
ましいが、その他の酸化膜、窒化膜等の絶縁膜でもあっ
ても、またＳｉ膜、ダイヤモンド膜、ダイヤモンドライ
クカーボン（ＤＬＣ）膜等の絶縁膜であっても構わな
い。

【００２４】強磁性層１５、１７、１９の膜厚は、膜厚
が薄すぎると熱エネルギーの影響で強磁性体が超常磁性
化するため、１０Å以上であることが望ましい。また、
前記絶縁層１６の層厚は３Å以上３０Å以下であること
が好ましい。これは、絶縁層１６の膜厚が３Å以下であ
る場合、強磁性層１５と強磁性層１７が電気的にショー
トする可能性があり、絶縁層１６の膜厚が３０Å以上で
ある場合、電子のトンネルが起きにくく、磁気抵抗比が
小さくなってしまうからである。

【００２５】次に、図３から図６を用いて図1に示した
磁気メモリの第１の製造方法を説明する。図は簡略化の
ために１つのメモリ素子についてその断面図を示してい
る。

【００２６】通常磁気メモリ素子が形成される基板は、
磁気メモリ素子を選択するためのトランジスタが形成さ
れた半導体基板上に、さらに絶縁層が形成され平坦化さ
れている。ワード線は図1に示したように磁気メモリ素
子の下部に配置してもよいし、上部に配置することもで
きる（図示せず）。

【００２７】第1の工程では導体層（下部電極）１３、
反強磁性層１４、強磁性層１５（固定層）、絶縁層１
６、強磁性層１７（自由層）を連続して形成する｛図３
（ａ）｝。強磁性層１５は、本実施例では金属層を挟ん
で反強磁性結合する２つの強磁性層で構成されている
が、１層の強磁性層のみとすることも可能であり、ま
た、反強磁性層を除いた構造にすることも可能である。
いずれの場合でも本発明による製造方法を用いて磁気メ
モリ素子を製造することが可能である。各層の成膜に
は、スパッタリング法、蒸着法などの一般的な成膜法を
用いることができる。

【００２８】第２の工程では上述の積層膜を下部電極の
形状に加工する。加工法としては、まずフォトリソグラ
フィを用いてレジストパターンを形成し、イオンビーム
エッチングなどにより所望の形状に加工を行う（図示せ
ず）。以下に述べる工程においても、素子形状の加工に
は同様の加工法を用いることができる。

【００２９】第３の工程では、各磁気メモリ素子が孤立
するように導体層１３を残して加工する｛図３
（ｂ）｝。ここまでの工程で、配線ルールによってきま
る間隔を隔てて位置する孤立した磁気メモリ素子が形成
される。

【００３０】第４の工程では、第３の工程でエッチング
マスクとして用いたレジスト２３を剥離せずに、孤立し
た磁気メモリ素子間の空間部分を充填するように絶縁層
２４を形成する｛図４（ａ）｝。絶縁層２４にはＳｉＯ
₂やＡｌ₂Ｏ₃などを用いることができる。このようにレ
ジスト２３を除去せずに絶縁層２４を堆積することで、
磁気メモリ素子上に堆積した絶縁層２４はリフトオフに
より除去することができる｛図４（ｂ）｝。そのため、
平坦化などの磁気メモリ素子上の絶縁層２４を除く工程
が不要となる。

【００３１】第５の工程では、第２の導体層１８と第３
の磁性層１９を連続して形成する｛図５（ａ）｝。

【００３２】第６の工程では第３の磁性層１９を、第３
の工程で形成された磁気メモリ素子と略同形状に加工す
る｛図５（ｂ）｝。

【００３３】第７の工程では第２の導体層１８を紙面の
奥行き方向にのみ接続されるように加工する｛図６｝。
このように導体層１８の加工を最後に行うことで、絶縁
層２２がエッチングされることを回避できる。

【００３４】以上の製造方法により、図１に示した高密
度化に適した磁気メモリ素子及び磁気メモリを得ること
ができる。

【００３５】また、本実施例ではワード線となる導体層
１１をメモリ素子の下部（基板側）に配置したが、メモ
リ素子の上部に配置しても、本実施例の製造方法により
高密度化に適した磁気メモリ素子及び磁気メモリを得る
ことができる。

【００３６】さらにまた、図７に示すように、ワード線
となる導体層１１のメモリ素子とは向い合わない側に高
い透磁率を有する強磁性層３１が接している構造を製造
することもできる。この構造では記録時に電流が導体層
１１に流れて磁界を発生するが、強磁性層３１が高い透
磁率を有するために、導体層１１の強磁性層３１側の磁
界は強磁性層３１に集中する。その結果、導体層１１の
強磁性層３１とは逆側の磁界は大きくなり、同じ電流を
流しても、強磁性層３１がない場合に比べて記録層とな
る強磁性層１７及び強磁性層１９の位置での磁界強度は
増加する。従って、強磁性層３１がない場合に比べて磁
気メモリの消費電力を低減することができる。

【００３７】強磁性層３１にはＮｉＦｅ合金、ＣｏＺｒ
Ｎｂ系非晶質合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金などの高透磁率
合金を用いることができる。強磁性層３１は導体層１１
と同形状に加工すればよいので、その後の工程は第１の
実施例で示した製造方法をそのまま用いることができ
る。

【００３８】以上のように、本発明による磁気メモリ素
子の製造方法により、図７に示した高密度化に適し、か
つ低消費電力の磁気メモリ素子及び磁気メモリを得るこ
とが可能になる。

【００３９】次に、本発明の第２の製造方法について図
８を用いて説明する。

【００４０】本実施例では、磁気メモリ素子が孤立する
ように加工する第３工程までは、第１の実施例による製
造方法と同じである。第４工程では、レジストを除去し
て孤立した磁気メモリ素子間の空間部分を充填するよう
に絶縁層２４を形成する｛図８（ａ）｝。第５工程で
は、ＣＭＰなどの機械加工を用いて磁気メモリ素子上の
絶縁層２４を除去し平坦化を行う｛図８（ｂ）｝。又
は、絶縁層形成後に生じた凹凸をさらにレジストで平坦
化し、全体をエッチバックすることで磁気メモリ素子上
の絶縁層を除去することもできる。これ以降の工程は実
施例１と同様に行うことで、図１に示した高密度化に適
した磁気メモリ素子及び磁気メモリを得ることができ
る。

【００４１】磁気メモリ素子の構成としては、強磁性層
（固定層）１５の磁化は反強磁性層１４との交換結合に
より固定されているが、固定層１５として保持力の大き
い強磁性材料を使用する等のその他の手段をとることも
可能である。また、強磁性層１５を例えば補償点近傍組
成の希土類−遷移金属合金膜のようなフェリ磁性材料で
構成しても端部の磁極の影響を低減することができる。

【００４２】さらにまた、別の磁気メモリ素子の構成と
しては、強磁性層１９の保磁力を強磁性層１７の保磁力
よりも小さく設定しておくことで、記録時に強磁性層１
９の磁化を先に反転させることができる。これにより、
強磁性層１９の両端に発生する磁極は、強磁性層１７の
磁化方向の反転を促進する方向の磁界を発生し、さらに
記録に必要な電流を低減することができる。

【００４３】これらのいずれの場合においても、本発明
による製造方法を用いて磁気メモリ素子及び磁気メモリ
を作成することが可能である。

【００４４】また、上述の実施例では、磁気メモリ素子
部分のみを示したが、実際の素子形成においては基板、
保護層及び密着層等が必要となることは明らかである。

【００４５】さらに、上述の実施例ではＭＴＪ素子を例
に説明したが、メモリ素子部分である反強磁性層１４、
強磁性層１５、非磁性層１６、強磁性層１７の積層部分
と、導体層を絶縁すればＧＭＲ素子を用いることも可能
である。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明の磁気メモリ素子
の製造方法によれば、記録層の磁化を安定化することが
でき、かつ、隣接する磁気メモリ素子同士の影響も低減
できる磁気メモリ素子が得られる。従って、パターンが
微細化しても安定した磁化状態が保持でき、より高い集
積度の磁気メモリを実現することができる。また、本発
明の磁気メモリ素子の製造方法によれば、導体層がメモ
リ層に隣接していること、導体層により発生する磁界が
記録層に集中することにより、消費電力を少ない磁気メ
モリを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により製造される磁気メモリ素子の構成
例を示す図である。

【図２】図１の膜構成で発生する磁界を図示したもので
ある。

【図３】本発明による磁気メモリ素子の製造プロセスを
示したものである。

【図４】本発明による磁気メモリ素子の製造プロセスを
示したものである。

【図５】本発明による磁気メモリ素子の製造プロセスを
示したものである。

【図６】本発明による磁気メモリ素子の製造プロセスを
示したものである。

【図７】本発明により製造される磁気メモリ素子の別の
構成例を示す図である。

【図８】本発明による磁気メモリ素子の製造プロセスを
示したものである。

【図９】従来のＭＴＪ素子の構成例を示す図である。

【図１０】磁気メモリに用いられる従来のＭＴＪ素子の
動作原理を示す図である。

【図１１】従来のＭＴＪ素子の構成例を示す図である。

【符号の説明】

１３、４１ 反強磁性層 １５、１７、１９、２０、２２、４２、４４、５１、５
３、５４、５６ 強磁性層 １２、１６、２４、４３ 絶縁層 １１、１３、１８ 導体層 ２１、５２、５５ 金属層 ２３ レジスト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも第１磁性層、非磁性層、記録
   層となる第２磁性層を積層した複数の磁気メモリ素子か
   らなる磁気メモリの製造方法であって、 基板上に少なくとも前記第１磁性層、前記非磁性層、前
   記第２磁性層の積層膜を基板側から順に連続して形成す
   る工程と、 前記積層膜を互いに分離された磁気メモリ素子の形状に
   加工する工程と、基板上に形成された複数の前記磁気メ
   モリ素子間の空間を充填するように絶縁層を形成する工
   程と、 前記複数の磁気メモリ素子上及び前記磁気メモリ素子間
   の絶縁層上に、導体層と第３磁性層を連続して形成する
   工程と、 前記第３磁性層を前記磁気メモリ素子と略同形状に加工
   した後に、隣接する磁気メモリ素子を１方向にのみ連結
   するように前記導体層を加工する工程とからなることを
   特徴とする磁気メモリの製造方法