JP2001284681A

JP2001284681A - 磁気メモリの製造方法

Info

Publication number: JP2001284681A
Application number: JP2000090496A
Authority: JP
Inventors: Masashi Michijima; 正司道嶋; Hidekazu Hayashi; 秀和林; Ryoji Namikata; 量二南方
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-10-12

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】第１磁性層、非磁性層、第２磁性層を積層
した複数の磁気メモリ素子上に、磁気メモリ素子を１方
向にのみに連結するように第1の導体層を形成し加工す
る工程と、さらに絶縁層を形成後、第2の導体層と第3磁
性層を連続して形成する工程と、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、磁気メモリ素子を
第１導体層と直交する方向にのみ連結するように前記第
２導体層を加工する工程とからなる製造方法を用いる。

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。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。

【０００３】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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】

【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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】

【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、少なくとも、基板上に前記第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、第１導体層と絶
縁層を連続して形成する工程と、隣接する磁気メモリ素
子を１方向にのみに連結するように前記第１導体層を加
工する工程と、前記加工された第１導体層の間の空間を
充填するように絶縁層を形成する工程と、前記加工され
た第１導体層上及び第１導体層間の絶縁層上に第２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第１導体層と直交する方向に
のみ連結するように前記第２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。

【００１３】

【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。

【００１４】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、反強磁性層１２、強磁性層１３（固定
層）、絶縁層１４、強磁性層１５（自由層）、導体層１
６、絶縁層１７、導体層１８、強磁性層１９からなる。
本実施例では固定層１３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１３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１３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。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１４を省略した構造とすることも可能で
ある。

【００１５】強磁性層１３、強磁性層１５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１２と強磁性層１３は交換結合して
いる。本実施例の磁気メモリ素子では、固定層１３を構
成する強磁性層２２と強磁性層１５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。また、本実施例
では、導体層１６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１１は下部電極であり、導体層１８はワード線であ
る。ここで、図１に示すように導体層１６には紙面に対
して垂直に、導体層１８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と強
磁性層１９の位置には、導体層１６による磁界Ｈ_Bと導
体層１８による磁界Ｈ_Wの合成磁界が印加される。図２
の（ａ）と（ｂ）に図示されるように強磁性層１５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
１５、１９は互いに異なる向きに磁化される。従って強
磁性層１５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。さらに、強磁性層１
５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１５と強磁性層１９には導体層１６
または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。

【００１６】また、２つの導体層１６と導体層１８が強
磁性層１５と強磁性層１９の間に位置することから、強
磁性層１１と強磁性層１９の位置では略反平行の関係と
なる。その結果、記録時に磁化が反転するまでの過程で
のそれぞれの強磁性層に発生する磁極は、お互いにそれ
ぞれの磁化の反転を促進する方向に作用する。従って、
２つの導体層が強磁性層１５と強磁性層１９の間に位置
しない場合にくらべて記録電流を低減することができ
る。

【００１７】反強磁性層１２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１３、１５、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１４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。

【００１８】強磁性層１３、１５、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１４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１４の膜厚が３Å以下であ
る場合、強磁性層１３と強磁性層１５が電気的にショー
トする可能性があり、絶縁層１４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。

【００１９】次に図３から図７を用いて図1に示した磁
気メモリ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側面より見た断面図を示し
ている。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（図示せず）。第1の工程では導体層（下部電極）
１１、反強磁性層１２、強磁性層１３（固定層）、絶縁
層１４、強磁性層１５（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。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。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
１１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。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２
４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２３を形成する｛図４
（ａ）｝。絶縁層２３にはＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃などを用
いることができる。このようにレジスト２４を除去せず
に絶縁層２３を堆積することで、磁気メモリ素子上に堆
積した絶縁層２３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２３を除く工程が不要となる。第５の
工程では、導体層１８と絶縁層１７を連続して形成する
｛図５（ａ）｝。第６の工程では導体層１８と絶縁層１
７上にレジストパターンを形成し、紙面に垂直方向に隣
接する磁気メモリ素子に接続されるように導体層１８と
絶縁層１７を加工する｛図５（ｂ）｝。第７の工程では
第６の工程でエッチングマスクとして用いたレジスト２
５を剥離せずに、形成された配線間の空間を充填するよ
うに絶縁層２３′を形成する｛図６（ａ）｝。このよう
にレジスト２５を除去せずに絶縁層２３′を堆積するこ
とで、磁気メモリ素子上に堆積した絶縁層２３′をリフ
トオフにより除去することができる。第８の工程では導
体層１８と磁性層１９を連続して形成する｛図６
（ｂ）｝。第９の工程では磁性層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７
（ａ）｝。第１０の工程では導体層１８を紙面の平行な
方向に隣接する磁気メモリ素子にのみ接続されるように
加工する｛図７（ｂ）｝。このように導体層１８の加工
を最後に行うことで、絶縁層２３（２３′）がエッチン
グされることを回避できる。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。

【００２０】次に、図1に示した磁気メモリの他の製造
方法について図８を用いて説明する。

【００２１】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２３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絶縁層２３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。

【００２２】また、第１及び第２の実施例において、導
体層１８と絶縁層１７を連続して形成したが、導体層１
８のみを形成して加工を及び平坦化を行った後に絶縁層
１７と導体層１８及び磁性層１９を連続して形成しても
よい。

【００２３】磁気メモリ素子の構成としては、強磁性層
（固定層）１３の磁化は反強磁性層１２との交換結合に
より固定されているが、固定層１３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１３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。

【００２４】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１５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１５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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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１２、
強磁性層１３、非磁性層１４、強磁性層１５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。

【００２８】

【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、記録層の磁化の回転が容易に
行われ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の膜構成における強磁性層に発生する磁界
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】

１２、４１反強磁性層１３、１５、１９、２０、２２、４２、４４、５１、５
３、５４、５６強磁性層１４、１７、２３、２３'、４３絶縁層１１、１６、１８導体層２１、５２、５５金属層２４、２５レジスト

Claims

【特許請求の範囲】

【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、少なくとも、基
板上に前記第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、第１導体層と絶縁層を連続して形成
する工程と、隣接する磁気メモリ素子を１方向にのみに
連結するように前記第１導体層を加工する工程と、前記
加工された第１導体層の間の空間を充填するように絶縁
層を形成する工程と、前記加工された第１導体層上及び
第１導体層間の絶縁層上に第２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
素子を第１導体層と直交する方向にのみ連結するように
前記第２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