JP2005079258A - 磁性体のエッチング加工方法、磁気抵抗効果膜、および磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Abstract
【課題】 側壁物を通じて流れる電流をより抑えることができる磁性体を加工することを可能にする磁性体のエッチング加工方法等を提供する。
【解決手段】 基板１０１上に第１の磁性膜１１１、トンネル膜１１２、および第２の磁性膜１１３からなるスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を成膜し、その上面に所望の形状をしたレジスト膜１０２を形成する。磁性膜１１１，１１３は希土類金属−遷移金属の合金膜である。スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を、一酸化炭素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを用いてプラズマエッチングする。スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の側面に付着した側壁物１０３を、酸素ガスまたは窒素ガスを用いたプラズマエッチングによって酸化または窒化させる。
【選択図】図１
【解決手段】 基板１０１上に第１の磁性膜１１１、トンネル膜１１２、および第２の磁性膜１１３からなるスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を成膜し、その上面に所望の形状をしたレジスト膜１０２を形成する。磁性膜１１１，１１３は希土類金属−遷移金属の合金膜である。スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を、一酸化炭素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを用いてプラズマエッチングする。スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の側面に付着した側壁物１０３を、酸素ガスまたは窒素ガスを用いたプラズマエッチングによって酸化または窒化させる。
【選択図】図１
Description
本発明は、磁性体のエッチング加工方法等に関するものであり、特にスピントンネル磁気抵抗効果膜の加工方法等に関するものである。
近年、高速な不揮発メモリであるＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が、現在使用されている固体メモリの多くに置き換わるメモリとして注目されている。特にスピントンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用したＭＲＡＭは、大きな読み出し信号が得られることから、高記録密度化あるいは高速読み出しに有利であり、近年の研究報告においてＭＲＡＭとしての実現性が実証されている。
ＭＲＡＭの素子として用いられる磁気抵抗効果膜の基本構成は、非磁性層を介して磁性層が隣接して形成されたサンドイッチ構造であるが、ＭＲＡＭの記録密度を高くするために素子サイズを小さくしていくと、面内磁化膜を使用したＭＲＡＭは反磁界あるいは端面の磁化のカーリングといった影響から、情報を保持できなくなるという問題が生じる。この問題を回避するためには、例えば磁性層の形状を長方形にすることが挙げられるが、この方法では素子サイズを小さくできないために記録密度の向上をあまり期待できない。
そこで、例えば特許文献１で述べられているように垂直磁化膜を用いることにより、上記問題を解消しようとする提案がなされている。この手法によれば、素子サイズが小さくなっても反磁界は増加しないので、面内磁化膜を用いたＭＲＡＭよりも小さなサイズの磁気抵抗効果膜を実現することが可能である。
ＭＲＡＭに用いられる垂直磁化膜としては、希土類金属と遷移金属とのアモルファス合金膜が好適に用いられる。例えば、希土類金属にはＧｄやＴｂを用いることができ、遷移金属にはＦｅやＣｏを用いることができる。
ＭＲＡＭの作製プロセスでは、通常、最初にＳｉウエハー上に選択トランジスタを形成する。その後、Ｓｉウエハーの全面にスピントンネル磁気抵抗効果膜を成膜し、その多層膜を微細加工してメモリ素子を構成する。
半導体プロセスにおいては、加工時に反応性エッチングが用いられる。反応性エッチングとは、例えば被加工物であるＳｉウエハーを真空チャンバー内に保持し、Ｆ2等の反応性ガスをプラズマ中でＳｉと反応させることにより、ＳｉをＳｉＦ4等に変えてＳｉを除去するエッチング方法である。反応性エッチングは、エッチングレートが高く、被加工物が加工側面に再付着することが無く、かつ微細加工が可能である。
ところがＳｉに比べて高融点である物質を磁性膜に含む磁気抵抗効果膜を用いたＭＲＡＭのエッチング加工では、被加工物の再付着を防ぐことが困難である。例えば、希土類金属−遷移金属合金膜を用いたスピントンネル磁気抵抗効果膜に不活性ガスであるＡｒを用いてエッチングを施した場合、図６に示すように、基板１０１上に形成された第１の磁性膜１１１、トンネル膜１１２、および第２の磁性膜１１３からなるスピントンネル磁気抵抗効果膜の加工された側面に、希土類金属−遷移金属合金からなる側壁物１０３が再付着する。磁気抵抗効果膜で電流を膜面に垂直な方向に流すものでは、磁気抵抗効果膜の側面への側壁物の形成により第１磁性膜と第２磁性膜とが電気的に短絡してしまい、磁気抵抗効果が得られなくなってしまう。
この問題を解決する方法として、特許文献２に示されているように、エッチングガスとしてＮ2あるいは不活性ガスとＮ2との混合ガスを用い、側壁物を電気抵抗の高いものに変質させる方法が提案されている。例えば、特許文献２の図２（ａ）のグラフに示されているように、希土類金属−遷移金属合金膜を用いたスピントンネル効果膜を不活性ガスのみでエッチングして２０μｍ×２０μｍのサイズに加工した場合にはその抵抗値が数十Ωであったのに対し、Ｎ2ガスを用いることによりその抵抗値を数ｋΩまで高めることが可能である。
特開平１１−２１３６５０号公報
特開２００３−７８１８４号公報
ＭＲＡＭの記録密度を上げていくためには、セル面積を小さくする必要がある。膜面に垂直な方向に電流を流す磁気抵抗効果膜では、メモリ素子の抵抗値は面積に比例する。つまり、２０μｍ×２０μｍの素子を例えば２０ｎｍ×２０ｎｍまで小さくしたとすれば、抵抗値は１０6倍になると予想される。このとき、側壁物が十分な大きさの抵抗を有していないと、素子の微細化に伴って側壁物を通じて流れる電流が増加し、十分な磁気抵抗効果が期待できない。
また、磁性膜の膜厚が比較的厚い場合には、その側面に付着する側壁物の厚みも増す。そのため、この場合にも同様に、側壁物を通じて流れる電流が増加し、十分な磁気抵抗効果が期待できないということが懸念される。
そこで本発明は、側壁物を通じて流れる電流をより抑えるように磁性体をエッチング加工する方法等を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の磁性体のエッチング加工方法は、希土類金属および遷移金属を主な構成元素とする磁性体をエッチング加工する磁性体のエッチング加工方法において、前記磁性体をエッチング加工したときに前記磁性体に付着する側壁物の、希土類金属に対する遷移金属の組成割合を、前記磁性体における希土類金属に対する遷移金属の組成割合よりも少なくする工程を有することを特徴とする。
このように、側壁物における希土類金属に対する遷移金属の組成割合を磁性体のその組成割合よりも少なくことにより、側壁物の電気抵抗率を磁性体のそれよりも大きくすることができる。そのため、磁性体に付着した側壁物を通じて流れるリーク電流を低減させることが可能となる。
また、前記工程は、一酸化炭素ガスとアンモニアガスとの混合ガスによって前記磁性体をドライエッチングすることを含む構成としてもよい。一酸化炭素ガスとアンモニアガスとの混合ガスを用いたエッチング方法によれば、遷移金属元素を主成分とする磁性材料の表面で遷移金属カルボニル化物が生成し、真空中での蒸発作用、あるいはイオンによるスパッター作用によってその遷移金属カルボニル化物が除去されるので、側壁物を遷移金属組成の少ないもの、あるいは遷移金属がほとんど含まれないものとすることが可能である。
さらに、酸素ガスを用いて前記側壁物を酸化する工程をさらに有する構成としてもよく、あるいは、窒素ガスを用いて前記側壁物を窒化する工程をさらに有する構成としてもよい。これらの工程によって側壁物を酸化あるいは窒化することにより、側壁物を絶縁体にすることができる。
また、前記磁性体は、磁性膜と非磁性膜とが積層されてなる磁気抵抗効果膜の前記磁性膜を構成していてもよい。磁性膜を構成する磁性体を上記本発明のエッチング加工方法によってエッチング加工することにより、磁気抵抗効果膜に付着する側壁物を通じて流れるリーク電流を低減させることができ、十分な磁気抵抗効果を得ることができる磁気抵抗効果膜を構成することが可能となる。
さらに、前記非磁性膜はトンネル絶縁膜である構成としてもよい。
また、本発明の磁気抵抗効果膜は、少なくとも第一、第二の磁性層を有し該磁性層間に非磁性層を配置した構造を含む磁気抵抗効果膜であって、前記第一、第二の磁性層は希土類金属および遷移金属を含んでおり、前記第一、第二の磁性層及び非磁性層の側壁に形成される側壁物に含まれる希土類金属に対する遷移金属の組成が、前記第一、第二の磁性層における希土類金属に対する遷移金属の組成よりも小さいことを特徴とする。
さらに、前記側壁物は、前記希土類金属の酸化物もしくは窒化物、あるいは前記希土類金属および遷移金属の酸化物もしくは窒化物からなる構成としてもよい。
また、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、基板上に、上記本発明の磁気抵抗効果膜をマトリクス状に形成し、該磁気抵抗効果膜をメモリ素子として情報の記録再生を行なうことを特徴とする。
以上説明したように、本発明の磁性体のエッチング加工方法は、磁性体をエッチング加工したときに磁性体に付着する側壁物の、希土類金属に対する遷移金属の組成割合を、磁性体における希土類金属に対する遷移金属の組成割合よりも少なくする工程を有しているので、磁性体に付着した側壁物を通じて流れるリーク電流を低減させることができる。
図１に、本発明による磁性体のエッチング加工方法の一実施形態を簡略的に示す。
まず、図１（ａ）に示すように、基板１０１上に第１の磁性膜１１１、トンネル膜１１２、および第２の磁性膜１１３からなるスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を成膜し、その上面に所望の形状をしたレジスト膜１０２を形成する。磁性膜１１１，１１３はＳｉよりも高融点を有する物質を含むものであり、例えば希土類金属元素と遷移金属元素を主な構成元素とする磁性体からなる合金膜である。また、トンネル膜１１２は例えば酸化アルミニウムからなる。
このスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を真空チャンバー（不図示）内に保持し、そのチャンバー内を十分に真空排気した後、チャンバー内に一酸化炭素ガス（ＣＯ）とアンモニアガス（ＮＨ3）との混合ガスを導入し、その混合ガスのプラズマを用いてドライエッチングを行う。
ＣＯガスとＮＨ3ガスとの混合ガスのプラズマを用いたエッチング方法によれば、例えば特開平１１−９２９７０号公報の段落［０００７］に記載されているように、ＣＯの活性ラジカルにより、遷移金属元素を主成分とする磁性材料の表面で遷移金属カルボニル化物が生成し、真空中での蒸発作用、あるいはイオンによるスパッター作用によってその遷移金属カルボニル化物が除去されることでエッチングが行われる。また、このときＮＨ3ガスはＣＯガスの不均等化反応を遅らせる性質を持つので、遷移金属とＣＯとを十分に反応させることが可能である。
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を、上記のプラズマエッチング法によりレジスト膜１０２の形状にエッチングした後の状態を示している。スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を上記のプラズマエッチング法によりエッチングした後には、図１（ｂ）に示すように、スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の側面に側壁物１０３が付着する。ここで側壁物とは、磁気抵抗効果膜の第１、第２の磁性膜の一部及びトンネル膜の側面に形成されるものである。
しかし、ＣＯガスとＮＨ3ガスとの混合ガスのプラズマを用いたエッチング方法によれば、上述したように、遷移金属元素を主成分とする磁性材料の表面で遷移金属カルボニル化物が生成し、真空中での蒸発作用、あるいはイオンによるスパッター作用によってその遷移金属カルボニル化物が除去されるので、側壁物１０３を遷移金属組成の少ないもの、あるいは遷移金属がほとんど含まれないものとすることが可能である。換言すると、上記のプラズマエッチングによれば、磁性体からなる磁性膜１１１，１１３を含むスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０をエッチング加工したときにスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の側壁に付着する側壁物の、希土類金属に対する遷移金属の組成割合を、磁性膜１１１，１１３における希土類金属に対する遷移金属の組成割合よりも少なくすることができる。
最後に、図１（ｃ）に示すように、真空チャンバー内にＯ2ガスあるいはＡｒ等の不活性ガスとＯ2との混合ガスを導入し、側壁物１０３を酸化処理する。
次に、スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の側面に付着した側壁物１０３に含まれる組成成分を酸化処理することで、その組成成分の電気抵抗率がどのような値になるかについて検討した結果を説明する。
まず、希土類金属元素であるＧｄ、Ｔｂについて検討した結果について説明する。上述したように磁性膜１１１，１１３は希土類金属元素と遷移金属元素とを含む合金からなるので、そのスピントンネル膜の側面には希土類金属元素と遷移金属元素とが付着しうるが、上記のプラズマエッチング法によれば遷移金属元素が除去されることから、側壁物１０３は遷移金属組成が少なくなる。したがって、これらの希土類金属元素は側壁物１０３の主成分となる。
検討に際して、Ｓｉ基板上にＧｄあるいはＴｂからなる薄膜を３ｎｍの厚さに成膜した後、Ｏ2ガスによってプラズマ酸化してこれを酸化処理した。それらの電気抵抗率を測定した結果、その値はどちらも数百ｋΩ・ｃｍであった。
また、側壁物１０３中に遷移金属元素が残っている場合を想定して、希土類金属−遷移金属合金膜である酸化Ｇｄ−Ｆｅ合金膜および窒化Ｇｄ−Ｆｅ合金膜について電気抵抗率ρを測定した。この測定は、Ｓｉ基板上に厚さ３ｎｍに形成したこれらの合金膜に対して行った。
図２は、希土類金属−遷移金属合金膜の希土類金属（Ｇｄ）組成割合と電気抵抗率との関係を示すグラフである。その測定の結果、図２に示すように、希土類金属（Ｇｄ）組成の割合が高いほど、換言すれば遷移金属であるＦｅ組成の割合が少ないほど、電気抵抗率ρの値が大きくなることがわかった。この傾向は、同じく希土類金属−遷移金属合金膜であるＴｂ−Ｆｅ合金膜の場合においても同様に見られた。
また、トンネル膜１１２の組成に由来して側壁物１０３中に存在しうる酸化アルミニウム（ＡｌＯx）について電気抵抗率を測定した。この測定は、Ｓｉ基板上に厚さ３ｎｍに形成したＡｌＯx膜に対して行った。そのＡｌＯx膜の電気抵抗率は数十ＭΩ・ｃｍであった。
上述したように、側壁物１０３中には希土類金属の酸化物、希土類金属−遷移金属合金の酸化物、および酸化アルミニウムが存在しうるが、その中でも希土類金属の酸化物と酸化アルミニウムは、上記に示した数値の通り電気抵抗率が比較的大きい。また、側壁物１０３中に希土類金属−遷移金属合金の酸化物が存在するとしても、遷移金属組成の割合を小さくすれば希土類金属（Ｇｄ）組成の割合が高く、電気抵抗率が比較的大きい。
これに対し、特許文献２（特開２００３−７８１８４号公報）に記載されている、窒素ガスをエッチングガスに用いたプラズマエッチング方法によって得られる側壁物の電気抵抗率は、概ね１ｍΩ・ｃｍであり、上記の各電気抵抗率のオーダーよりも小さい。
つまり、ＣＯガスとＮＨ3ガスとの混合ガスによるプラズマエッチングを行った後に得られる側壁物１０３は、特許文献２に記載されている、Ｎ2ガスをエッチングガスに用いたプラズマエッチング方法によって得られる側壁物よりも電気抵抗率が高くなることがわかる。これは特許文献２に記載された側壁物における遷移金属の割合が、本発明よりも大きいからである。したがって、特許文献２に記載された従来技術よりも本実施形態によるエッチング加工方法の方が、スピントンネル磁気抵抗効果膜の側面に付着した付着物を通じて流れるリーク電流を低減させることが可能である。
なお、上記では第１の磁性膜１１１、トンネル膜１１２、および第２の磁性膜１１３からなるスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０をエッチングすることについて説明したが、上記のエッチング加工方法は、磁性体からなる磁性膜１１１または１１３のみをエッチングする場合についても同様に適用可能である。
次に、本発明の実施例について説明する。
（第１の実施例）
図１（ａ）に示すように、Ｓｉウエハーからなる基板１０１上に、第１の磁性膜１１１としてＧｄ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80からなる垂直磁化膜をスパッタリングによって１０ｎｍの厚さに成膜し、次にＡｌ酸化膜を１．５ｎｍの厚さでスパッタリングによって連続して成膜した。その後、Ｏ2雰囲気中でＡｌ酸化膜をプラズマ酸化することによって、Ａｌ酸化膜を絶縁膜であるトンネル膜１１２とした。次いで、第２の磁性膜１１３としてＴｂ19（Ｆｅ50Ｃｏ50）81からなる垂直磁化膜をトンネル膜１１２の上に１０ｎｍの厚さに成膜し、さらに、保護膜（不図示）として、Ｐｔ膜を第２の磁性膜１１３の上に５ｎｍの厚さに成膜した。
図１（ａ）に示すように、Ｓｉウエハーからなる基板１０１上に、第１の磁性膜１１１としてＧｄ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80からなる垂直磁化膜をスパッタリングによって１０ｎｍの厚さに成膜し、次にＡｌ酸化膜を１．５ｎｍの厚さでスパッタリングによって連続して成膜した。その後、Ｏ2雰囲気中でＡｌ酸化膜をプラズマ酸化することによって、Ａｌ酸化膜を絶縁膜であるトンネル膜１１２とした。次いで、第２の磁性膜１１３としてＴｂ19（Ｆｅ50Ｃｏ50）81からなる垂直磁化膜をトンネル膜１１２の上に１０ｎｍの厚さに成膜し、さらに、保護膜（不図示）として、Ｐｔ膜を第２の磁性膜１１３の上に５ｎｍの厚さに成膜した。
さらに、上記のようにして得られたスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の上に１８０ｎｍ×１８０ｎｍの大きさのレジスト膜１０２を形成し、これを真空チャンバー（不図示）内に保持して、真空チャンバー内の真空排気を行った。そして、真空チャンバー内にＣＯとＮＨ3との混合ガスを導入し、スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を基板１０１の表面までドライエッチングした。その後、真空チャンバー内を十分に排気し、次いでＯ2を導入して側壁物１０３の酸化処理を行った。
上記のようにして作製した磁気抵抗効果素子の抵抗値は約９５ｋΩで、磁気抵抗変化率は約２１％であった。
（第２の実施例）
第１の実施例と同様に、Ｓｉウエハーからなる基板１０１上に、第１の磁性膜１１１としての厚さ１０ｎｍのＧｄ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80からなる垂直磁化膜と、厚さ１．５ｎｍのＡｌ酸化膜からなる絶縁膜であるトンネル膜１１２と、第２の磁性膜１１３としての厚さ１０ｎｍのＴｂ19（Ｆｅ50Ｃｏ50）81からなる垂直磁化膜と、保護膜（不図示）としての厚さ５ｎｍのＰｔ膜とを順次成膜し、第１の実施例と同じ膜構成のスピントンネル磁気抵抗効果膜を形成した。
第１の実施例と同様に、Ｓｉウエハーからなる基板１０１上に、第１の磁性膜１１１としての厚さ１０ｎｍのＧｄ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80からなる垂直磁化膜と、厚さ１．５ｎｍのＡｌ酸化膜からなる絶縁膜であるトンネル膜１１２と、第２の磁性膜１１３としての厚さ１０ｎｍのＴｂ19（Ｆｅ50Ｃｏ50）81からなる垂直磁化膜と、保護膜（不図示）としての厚さ５ｎｍのＰｔ膜とを順次成膜し、第１の実施例と同じ膜構成のスピントンネル磁気抵抗効果膜を形成した。
さらに、上記のようにして得られたスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の上に１８０ｎｍ×１８０ｎｍの大きさのレジスト膜１０２を形成し、これを真空チャンバー（不図示）内に保持して、真空チャンバー内の真空排気を行った。そして、真空チャンバー内にＣＯとＮＨ3との混合ガスを導入し、スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を基板１０１の表面までドライエッチングした。その後、真空チャンバー内を十分に排気し、次いでＮ2を導入して側壁物１０３の窒化処理を行った。
上記のようにして作製した磁気抵抗効果素子の抵抗値は約９０ｋΩで、磁気抵抗変化率は約１９％であった。
（第３の実施例）
本実施形態においては磁気抵抗効果膜において磁性層及び非磁性層の側壁に形成される側壁物の希土類金属に対する遷移金属の組成比が、磁性層における希土類金属に対する遷移金属の組成比よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果膜をＭＲＡＭに用いた例を説明する。磁気抵抗効果膜の磁化方向と、デジタル情報の『１』および『０』とを関連付けることによって、スピントンネル磁気抵抗効果膜でメモリデバイスを構成することが可能である。
本実施形態においては磁気抵抗効果膜において磁性層及び非磁性層の側壁に形成される側壁物の希土類金属に対する遷移金属の組成比が、磁性層における希土類金属に対する遷移金属の組成比よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果膜をＭＲＡＭに用いた例を説明する。磁気抵抗効果膜の磁化方向と、デジタル情報の『１』および『０』とを関連付けることによって、スピントンネル磁気抵抗効果膜でメモリデバイスを構成することが可能である。
図３に示すように絶縁膜であるトンネル膜１１２に接してその上下に形成されている磁性膜１１１，１１３を有する構成のスピントンネル磁気抵抗効果膜では、２つの磁性膜１１１，１１３に含まれる遷移金属の磁化方向が図３（ａ）のように同方向であるときの抵抗値は、図３（ｂ）のように２つの磁性膜１１１，１１３に含まれる遷移金属の磁化方向が逆方向であるときに比べて小さいという特性がある。この抵抗値の差は２つの磁性膜１１１，１１３のスピン分極率に依存しており、スピン分極率が大きいほど抵抗値の差が大きく、メモリの出力信号を大きくすることができるので好ましい。図３に示す例では、２つの磁性膜１１１，１１３に含まれる遷移金属の磁化方向が図３（ａ）のように同方向であるときにはデジタル情報が『１』に関連付けられており、２つの磁性膜１１１，１１３に含まれる遷移金属の磁化方向が図３（ｂ）のように逆方向であるときにはデジタル情報が『０』に関連付けられている。
スピン分極率が大きな磁性体としては、例えばＦｅとＣｏとの合金が挙げられる。ただし、ＦｅとＣｏとの合金膜は通常の状態では垂直磁化膜とはならないので、膜面に垂直な方向に磁化方向を向けるためには、その合金膜に対して膜面に垂直な方向に磁界を印加する等の何らかの手段を講じる必要がある。
図４は、本発明により形成されるスピントンネル磁気抵抗効果膜を用いて作製したメモリデバイスの一部分を模式的に示す図である。
図４に示すメモリデバイスは、ｐ型Ｓｉウエハー１２０上に形成したｎ型拡散領域５０１，５０２と、両ｎ型拡散領域５０１，５０２の間に形成されたゲート電極５０３とを有するＮＭＯＳトランジスタ５００を有している。この素子選択用のスイッチトランジスタは周辺回路と同時にＣＭＯＳプロセスで形成するのが良い。一方のｎ型拡散領域５０１の上にはコンタクトプラグ４０１，４０３，４０５が互いに電気的に接続された状態で形成されており、他方のｎ型拡散領域５０２の上にはコンタクトプラグ４０２，４０４が互いに電気的に接続された状態で形成されている。
また、ｎ型拡散領域５０１上のコンタクトプラグ４０５の上には、スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０が作製されている。なお、このスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０は、図４に示すメモリデバイスにおけるメモリ素子として機能する。
スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の上にはＡｌからなるビット線３０１が形成されており、メモリ素子であるスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０に記録されたデジタル情報の読み出しは、このビット線３０１を介して行われる。
デジタル情報の記録時に、第１の磁性膜１１１の磁化方向と、後述する第１の高スピン分極率膜１１５（図５参照）の磁化方向とを所望の方向に向けるための記録磁界を発生させるために、導線２０１，２０２がスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の横に配置されている。デジタル情報の記録時に導線２０１を流れる電流の方向と導線２０２を流れる電流の方向とは逆方向であり、導線２０１，２０２は、スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０に同じ方向の磁界を印加するようになっている。また、ｐ型Ｓｉウエハー１２０とビット線３０１との間の領域には、層間絶縁膜６０１としてＡｌ2Ｏ3膜が形成されている。
なお、図４では明示されていないが、磁気抵抗効果膜１１０はマトリクス状に形成されており、図４に示すメモリデバイスは、磁気抵抗効果膜１１０をメモリ素子として情報の記録再生を行なう磁気ランダムアクセスメモリとして機能する。
図５は、図４に示したメモリデバイスのメモリ素子であるスピントンネル磁気抵抗効果膜の膜構成を示す図である。
図５に示すように、スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０は、第１の磁性膜１１１である、Ｇｄ21（Ｆｅ50Ｃｏ50）79からなる厚さが５０ｎｍの垂直磁化膜と、Ｆｅ50Ｃｏ50からなる、厚さが０．５ｎｍである第１の高スピン分極率磁性膜１１５と、厚さが１．３ｎｍのＡｌ酸化膜からなるトンネル膜１１２と、Ｆｅ50Ｃｏ50からなる、厚さが０．５ｎｍである第２の高スピン分極率磁性膜１１６と、第２の磁性膜１１３である、Ｔｂ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80からなる厚さが３０ｎｍの垂直磁化膜と、保護膜１１４である、厚さが５ｎｍのＰｔ膜とが積層されて構成された多層膜である。
第１の磁性膜１１１と第１の高スピン分極率磁性膜１１５とは交換結合しており、第１の高スピン分極率膜１１５の磁化方向は第１の磁性膜１１１の遷移金属副格子の磁化方向と平行になっている。また、第２の磁性膜１１３と第２の高スピン分極率磁性膜１１６とは交換結合しており、第２の高スピン分極率膜１１６の磁化方向は第２の磁性膜１１３の遷移金属副格子の磁化方向と平行になっている。第１および第２の磁性膜１１１，１１３は磁界を印加すると磁化方向を反転させることが可能であり、特に第１の磁性膜１１１は、第２の磁性膜１１３に印加する磁界よりも小さな磁界で磁化方向を反転させることが可能になっている。磁気抵抗効果膜は、第１の実施例及び第２の実施例の方法を用いて好適に作製することができる。しかし、この二つの方法に限られるものではなく、磁性層及び非磁性層の側壁に形成される側壁物の希土類金属に対する遷移金属の組成比が、磁性層における希土類金属に対する遷移金属の組成比よりも小さくなる様に製造すれば製造方法は限定されるものではない。
＜比較例＞
図１を参照して説明した第１の実施例と同様に、Ｓｉウエハーからなる基板１０１上に、第１の磁性膜１１１としてＧｄ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80からなる垂直磁化膜をスパッタリングによって１０ｎｍの厚さに成膜し、次にＡｌ酸化膜を１．５ｎｍの厚さでスパッタリングによって連続して成膜した。その後、Ｏ2雰囲気中でＡｌ酸化膜をプラズマ酸化することによって、Ａｌ酸化膜を絶縁膜であるトンネル膜１１２とした。次いで、第２の磁性膜１１３としてＴｂ19（Ｆｅ50Ｃｏ50）81からなる垂直磁化膜をトンネル膜１１２の上に１０ｎｍの厚さに成膜し、さらに、保護膜（不図示）として、Ｐｔ膜を第２の磁性膜１１３の上に５ｎｍの厚さに成膜した。
図１を参照して説明した第１の実施例と同様に、Ｓｉウエハーからなる基板１０１上に、第１の磁性膜１１１としてＧｄ20（Ｆｅ50Ｃｏ50）80からなる垂直磁化膜をスパッタリングによって１０ｎｍの厚さに成膜し、次にＡｌ酸化膜を１．５ｎｍの厚さでスパッタリングによって連続して成膜した。その後、Ｏ2雰囲気中でＡｌ酸化膜をプラズマ酸化することによって、Ａｌ酸化膜を絶縁膜であるトンネル膜１１２とした。次いで、第２の磁性膜１１３としてＴｂ19（Ｆｅ50Ｃｏ50）81からなる垂直磁化膜をトンネル膜１１２の上に１０ｎｍの厚さに成膜し、さらに、保護膜（不図示）として、Ｐｔ膜を第２の磁性膜１１３の上に５ｎｍの厚さに成膜した。
さらに、上記のようにして得られたスピントンネル磁気抵抗効果膜１１０の上に１８０ｎｍ×１８０ｎｍの大きさのレジスト膜１０２を形成し、これを真空チャンバー（不図示）内に保持して、真空チャンバー内の真空排気を行った。そして、真空チャンバー内にＡｒとＮ2との混合ガスを導入し、スピントンネル磁気抵抗効果膜１１０を基板１０１の表面までドライエッチングした。
上記のようにして作製した磁気抵抗効果素子の抵抗値は約４０ｋΩで、磁気抵抗変化率は約３％であった。この抵抗値は、第１および第２の実施例による磁気抵抗効果素子の抵抗値の半分以下である。また、この磁気抵抗変化率は、第１および第２の実施例による磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率の約７分の１である。
１０１ 基板（Ｓｉウエハー）
１０２ レジスト膜
１０３ 側壁物
１１０ スピントンネル磁気抵抗効果膜
１１１ 第１の磁性膜
１１２ トンネル膜
１１３ 第２の磁性膜
１１４ 保護膜
１１５ 第１の高スピン分極率膜
１１６ 第２の高スピン分極率膜
１２０ ｐ型Ｓｉウエハー
２０１，２０２ 導線
３０１ ビット線
４０１，４０２，４０３，４０４，４０５ コンタクトプラグ
５００ ＣＭＯＳトランジスタ
５０１，５０２ ｎ型拡散領域
５０３ ゲート電極
６０１ 層間絶縁膜
１０２ レジスト膜
１０３ 側壁物
１１０ スピントンネル磁気抵抗効果膜
１１１ 第１の磁性膜
１１２ トンネル膜
１１３ 第２の磁性膜
１１４ 保護膜
１１５ 第１の高スピン分極率膜
１１６ 第２の高スピン分極率膜
１２０ ｐ型Ｓｉウエハー
２０１，２０２ 導線
３０１ ビット線
４０１，４０２，４０３，４０４，４０５ コンタクトプラグ
５００ ＣＭＯＳトランジスタ
５０１，５０２ ｎ型拡散領域
５０３ ゲート電極
６０１ 層間絶縁膜
Claims (9)
- 希土類金属および遷移金属を主な構成元素とする磁性体をエッチング加工する磁性体のエッチング加工方法において、
前記磁性体をエッチング加工したときに前記磁性体に付着する側壁物の、希土類金属に対する遷移金属の組成割合を、前記磁性体における希土類金属に対する遷移金属の組成割合よりも少なくする工程を有することを特徴とする、磁性体のエッチング加工方法。 - 前記工程は、一酸化炭素ガスとアンモニアガスとの混合ガスによって前記磁性体をドライエッチングすることを含む、請求項１に記載の磁性体のエッチング加工方法。
- 酸素ガスを用いて前記側壁物を酸化する工程をさらに有する、請求項１または２に記載の磁性体のエッチング加工方法。
- 窒素ガスを用いて前記側壁物を窒化する工程をさらに有する、請求項１または２に記載の磁性体のエッチング加工方法。
- 前記磁性体は、磁性膜と非磁性膜とが積層されてなる磁気抵抗効果膜の前記磁性膜を構成している、請求項１から４のいずれか１項に記載の磁性体のエッチング加工方法。
- 前記非磁性膜はトンネル絶縁膜である、請求項５に記載の磁性体のエッチング加工方法。
- 少なくとも第一、第二の磁性層を有し該磁性層間に非磁性層を配置した構造を含む磁気抵抗効果膜であって、
前記第一、第二の磁性層は希土類金属および遷移金属を含んでおり、前記第一、第二の磁性層及び非磁性層の側壁に形成される側壁物に含まれる希土類金属に対する遷移金属の組成が、前記第一、第二の磁性層における希土類金属に対する遷移金属の組成よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果膜。 - 前記側壁物は、前記希土類金属の酸化物もしくは窒化物、あるいは前記希土類金属および前記遷移金属の酸化物もしくは窒化物からなる、請求項７に記載の磁気抵抗効果膜。
- 基板上に、請求項７もしくは８に記載の磁気抵抗効果膜をマトリクス状に形成し、該磁気抵抗効果膜をメモリ素子として情報の記録再生を行なうことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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