JP2013247198A - 磁気抵抗素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性層間のショートを防ぐとともに、磁性層の磁気特性が劣化するのを防ぐ。
【解決手段】磁気抵抗素子は、下地電極１１上に積層された磁性層１２、絶縁層１３及び磁性層１４と、磁性層１２及び１４の側壁に、磁性層１２及び１４を加工する際に形成された再付着物１６とを含む。再付着物１６と磁性層１２及び１４の面内方向端部とには、Ｈｅ、Ｃ、Ｆ、Ｎｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｋｒ、及びＳｂの群から選択される少なくとも１つの元素が注入されている。
【選択図】 図２１

Description

本発明の実施形態は、磁気抵抗素子及びその製造方法に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）は、磁化の方向により抵抗値が変化する磁気抵抗（magnetoresistive)効果を利用したＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を記憶素子として用いている。ＭＴＪ素子は、参照層と、記憶層と、参照層及び記憶層に挟まれ、トンネル障壁を作る絶縁層との３層構造を有する。参照層の磁化は一方向に固着されており、書き込み動作を行っても反転しない。一方、記憶層の磁化は書き込み動作により外部から与えられるトルクによって磁化が反転する。

ＭＴＪ素子をピラー状に加工する場合、ＭＴＪ素子の下地電極が一部エッチング（オーバーエッチング）されるため、ＭＴＪ素子の側壁に導電体が再付着し、この再付着物により記憶層及び参照層がショートしてしまう。記憶層及び参照層がショートしてしまうと、ＭＴＪ素子にデータを書き込むことができなくなってしまう。

特開２０１１−２４９５９０号公報

実施形態は、磁性層間のショートを防ぐとともに、磁性層の磁気特性が劣化するのを防ぐことが可能な磁気抵抗素子及びその製造方法を提供する。

実施形態に係る磁気抵抗素子は、下地電極上に積層された第１の磁性層、絶縁層及び第２の磁性層を具備し、前記第１及び第２の磁性層の面内方向端部には、Ｈｅ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｎｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｋｒ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、及びＢｉの群から選択される少なくとも１つの元素が注入されている。

実施形態に係る磁気抵抗素子の製造方法は、下地電極上に第１の磁性層、絶縁層及び第２の磁性層が積層された磁気抵抗素子をピラー状に加工する工程と、前記第１及び第２の磁性層の面内方向端部に、磁化を失活するための元素を注入する工程と、前記磁気抵抗素子の側壁に形成された再付着物による前記第１及び第２の磁性層間のショートパスを除去する工程とを具備する。

第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の平面図及び断面図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図２に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する平面図及び断面図。 図３に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図４に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図５に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 磁化を失活するための元素を注入する前後における磁性層の磁化を説明するグラグ。 再付着物をエッチング及び酸化した場合における磁性層の実効ダンピング定数を説明するグラフ。 磁化を失活するための元素を注入する前後における磁性層の実効ダンピング定数を説明するグラグ。 第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図１０に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図１１に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 第３の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図１３に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 第４の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図１５に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 第５の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図１７に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 第６の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 図１９に続く、ＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。 第７の実施形態に係るＭＴＪ素子の平面図及び断面図。 第７の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程を説明する断面図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らない。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１の実施形態］
まず、ＭＴＪ素子（磁気抵抗素子）の構成について説明する。図１（ａ）は、第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の平面図、図１（ｂ）は、ＭＴＪ素子の断面図である。

ＭＴＪ素子は、下から順に、下地電極（下部電極）１１、記憶層１２、絶縁層（トンネルバリア層）１３、参照層１４、及びハードマスク層１５が積層されて構成されている。記憶層１２と参照層１４との積層順序は、逆転していても構わない。ＭＴＪ素子の平面形状は、例えば円である。

記憶層１２及び参照層１４はそれぞれ、強磁性材料からなり、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、ＭＴＪ素子は、記憶層１２及び参照層１４の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化型ＭＴＪ素子である。なお、ＭＴＪ素子は、記憶層１２及び参照層１４の磁化方向がそれぞれ面内方向を向く、面内磁化型ＭＴＪ素子であってもよい。

記憶層１２は、磁化方向が可変である（反転する）。参照層１４は、磁化方向が不変である（固着している）。参照層１４は、記憶層１２よりも十分大きな磁気異方性エネルギーを持つように設計される。また、参照層１４は、記憶層１２よりも大きなダンピング定数を持つように設計される。磁気異方性やダンピング定数の設定は、材料構成や膜厚を調整することで可能である。このようにして、記憶層１２の磁化反転電流を小さくし、参照層１４の磁化反転電流を記憶層１２のそれよりも大きくする。これにより、所定の書き込み電流に対して、磁化方向が可変の記憶層１２と磁化方向が不変の参照層１４とを備えたＭＴＪ素子を実現できる。

記憶層１２及び参照層１４の各々は、例えば、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）の群から選択される１つの元素、又はこの群のうち１つ以上の元素を含む合金から構成される。或いは、記憶層１２及び参照層１４の各々は、例えば、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）の群から選択される少なくとも１つの元素を含む合金と、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、及びクロム（Ｃｒ）の群から選択される少なくとも１つの元素を含む合金とが交互に積層されて構成される。

下地電極１１としては、タンタル（Ｔａ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、ハフニウム（Ｈｆ）、又はタングステン（Ｗ）などが用いられる。絶縁層１３としては、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が用いられる。ハードマスク層１５としては、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、又は窒化タンタル（ＴａＮ）などが用いられる。

ここで、記憶層１２の全周囲の端部１２Ａには、磁化を失活するための元素が注入されている。同様に、参照層１４の全周囲の端部１４Ａには、磁化を失活するための元素が注入されている。すなわち、記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａは、磁化が失活されている。本実施形態で使う「失活」とは、磁性層の磁化がほぼ消失する場合と、磁性層の磁化が減少する場合とを含むものとする。

ＭＴＪ素子を加工する場合、後述するように、ＭＴＪ素子の側壁に再付着物が形成され、この再付着物の除去工程、及び／又は再付着物の酸化工程が行われる。この時、ＭＴＪ素子の側壁がダメージを受け、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化する。この結果、記憶層１２及び参照層１４のダンピング定数が増加（ダンピングダメージと呼ぶ）し、ＭＴＪ素子のスピン注入効率が劣化する。このため、本実施形態では、記憶層１２の端部１２Ａに磁化を失活するための元素を注入し、記憶層１２の端部１２Ａの磁化を失活させる。同様に、参照層１４の端部１４Ａに磁化を失活するための元素を注入し、参照層１４の端部１４Ａの磁化を失活させる。これにより、記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａのダンピングダメージを低減できるため、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化するのを低減できる。

磁性層の磁化を失活するために使用する元素としては、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｆ（フッ素）、Ｎｅ（ネオン）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｃｌ（塩素）、Ａｒ（アルゴン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ａｓ（ヒ素）、Ｋｒ（クリプトン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｐｂ（鉛）、及びＢｉ（ビスマス）の群から選択される少なくとも１つの元素が挙げられる。

本実施形態では、ＭＴＪ素子に直接に書き込み電流を流し、この書き込み電流によってＭＴＪ素子の磁化状態を制御するスピン注入書き込み方式が適用される。ＭＴＪ素子は、記憶層１２と参照層１４との磁化の相対関係が平行か反平行かによって、低抵抗状態と高抵抗状態とのいずれかをとることができる。

ＭＴＪ素子に対して、記憶層１２から参照層１４へ向かう書き込み電流を流すと、記憶層１２と参照層１４との磁化の相対関係が平行になる。この平行状態の場合、ＭＴＪ素子の抵抗値は最も低くなり、ＭＴＪ素子は低抵抗状態に設定される。ＭＴＪ素子の低抵抗状態を、例えばデータ“０”と規定する。

一方、ＭＴＪ素子に対して、参照層１４から記憶層１２へ向かう書き込み電流を流すと、記憶層１２と参照層１４との磁化の相対関係が反平行になる。この反平行状態の場合、ＭＴＪ素子の抵抗値は最も高くなり、ＭＴＪ素子は高抵抗状態に設定される。ＭＴＪ素子の高抵抗状態を、例えばデータ“１”と規定する。

これにより、ＭＴＪ素子を１ビットデータを記憶可能な記憶素子として使用することができる。ＭＴＪ素子の抵抗状態とデータとの割り当ては任意に設定可能である。ＭＴＪ素子からデータを読み出す場合は、例えば、ＭＴＪ素子に読み出し電圧を印加し、この時にＭＴＪ素子に流れる読み出し電流に基づいてＭＴＪ素子の抵抗値を検知する。この読み出し電流は、スピン注入によって磁化反転する閾値よりも十分小さい値に設定される。

（製造方法）
次に、ＭＴＪ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
まず、図２に示すように、選択トランジスタなどの素子に電気的に接続されたコンタクト及び層間絶縁膜（図示せず）上に、下地電極１１、記憶層１２、絶縁層（トンネルバリア層）１３、参照層１４、及びハードマスク層１５を順に堆積する。続いて、リソグラフィ及び例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、ＭＴＪ素子の最終的な平面形状と同じ平面形状になるようにハードマスク層１５を加工する。

続いて、例えばＩＢＥ（Ion Beam Etching）法を用い、ハードマスク層１５をマスクとして、記憶層１２、絶縁層１３、及び参照層１４をピラー状に加工する。図３は、このＭＴＪ側壁加工を説明する図であり、図３（ａ）が平面図、図３（ｂ）が断面図である。このＭＴＪ側壁加工において、記憶層１２まで正確に加工するために、下地電極１１を掘り込むまでＩＢＥ工程（オーバーエッチング）を行う。この時、エッチングされた導電体がＭＴＪ素子の側壁に再付着し、ＭＴＪ素子の側壁に再付着物１６が形成される。再付着物１６は、例えば、ＭＴＪ素子の全周囲に形成される。再付着物１６には、下地電極１１及び記憶層１２の材料が含まれる。この段階では、記憶層１２と参照層１４とが再付着物１６を介してショートしている。

続いて、ＭＴＪ素子の全周囲の端部に、磁性層の磁化を失活するための元素（Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）など）を注入する。図４は、この元素注入工程を説明する断面図であり、ＭＴＪ素子の端部及び再付着物１６の一部分を抽出して示した断面図である。ＭＴＪ素子の全周囲の端部の様子は図４と同じである。この元素注入工程により、ＭＴＪ素子の全周囲の端部と、この端部に接する再付着物１６の一部とに、磁化を失活するための元素が注入される。図４に示したサンドハッチングは、磁化を失活するための元素が注入された領域である元素注入領域１７を表している。元素注入工程における注入角度は、例えば、膜面に垂直方向に対して０乃至４５°の範囲である。

ＭＴＪ素子の端部に注入された元素は、失活種として働き、磁性層の端部の磁化を失活させる。すなわち、記憶層１２のうち元素が注入された端部１２Ａは、磁化が失活する。同様に、参照層１４のうち元素が注入された端部１４Ａは、磁化が失活する。

続いて、図５に示すように、例えばＩＢＥ法を用いて、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物１６を除去する。これにより、記憶層１２及び参照層１４間のショートパスが除去されるため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐことができる。なお、図５では、再付着物１６が完全に除去しきれず、再付着物１６の一部がＭＴＪ素子の側壁に残っている。これは、ＭＴＪ素子の側壁に再付着物１６が一様に再付着することは考え難く、よって、部分的に厚さが異なる再付着物１６を完全に除去しきれないことを想定している。

続いて、図６に示すように、部分的に残った再付着物１６を酸化する。これにより、再付着物１６が絶縁性の酸化物（再付着酸化物）になるため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを確実に防ぐことができる。

ここで、再付着物の除去工程、及び再付着物の酸化工程のいずれか１つ又は両方により、ＭＴＪ素子の側壁がダメージを受け、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化する。この結果、記憶層１２及び参照層１４のダンピング定数が増加（ダンピングダメージ）し、ＭＴＪ素子のスピン注入効率が劣化する。しかし、本実施形態では、記憶層１２のうち元素が注入された端部（失活部分）１２Ａは、磁化が失活しているので、記憶層１２のダンピングダメージを低減できる。同様に、参照層１４のうち元素が注入された端部（失活部分）１４Ａは、磁化が失活しているので、参照層１４のダンピングダメージを低減できる。なお、再付着物の除去工程、及び再付着物の酸化工程以外の工程に起因してＭＴＪ素子の側壁がダメージを受けている場合でも、記憶層１２及び参照層１４のダンピングダメージを低減できる。

なお、再付着物の酸化工程において磁性層（記憶層１２及び参照層１４）に注入された元素も酸化されるが、この酸化物（ＧｅＯ_２やＳｉＯ_２など）も失活種として働き、磁性層の端部の磁化を失活する効果を保持するため磁性層のダンピングダメージを低減できる。また、注入元素が酸化されることで、相対的に磁性層の酸化を減少させるので、酸化による磁性層のダンピングダメージを低減できる。

以下に、磁性層のダンピングダメージが低減できる理由について実験結果を参照しながら説明する。なお、以下の実験結果の説明では、下地電極上に磁性層を堆積し、この磁性層に膜面垂直方向、又は膜面垂直方向と０＜θ＜９０の角度で磁化を失活するための元素を注入している。よって、以下でいう磁性層の膜厚とは、図４の横方向の幅を意味している。

図７は、磁化を失活するための元素を注入する前後における磁性層の磁化を説明するグラグである。図７の横軸は、磁性層の膜厚（ｎｍ）であり、縦軸は、飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積Ｍｓ＊ｔ（ｅｍｕ／ｃｍ^２）である。「＊」は掛け算記号である。図７には、磁化を失活するための元素を磁性層に注入する前のグラフ（as dep）と、磁化を失活するための元素を磁性層に注入した後のグラフとを載せている。

図７から理解できるように、磁化を失活するための元素を磁性層に注入すると、元素注入前の磁性層に比べて、膜厚２ｎｍ程度分の磁化が失活している。この実験結果から、Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）などの元素を磁性層に注入することで、元素が注入された部分の磁化を失活化できることが分かる。

図８は、再付着物をエッチング及び酸化した場合における磁性層の実効ダンピング定数を説明するグラフである。図８の横軸は、磁性生存層の膜厚（ｎｍ）であり、縦軸は、実効ダンピング定数（α effective）である。磁性生存層とは、磁性層のうち磁化が失活されていない部分を指す。また、実効ダンピング定数とは、一部の磁化が失活した磁性層に対して実際に測定したダンピング定数である。図８には、磁性層上に再付着物が形成された状態で、再付着物の除去工程（エッチング工程）及び再付着物の酸化工程を実施していない場合のグラフと、再付着物の除去工程及び再付着物の酸化工程を実施した場合のグラフとを載せている。図８からは、再付着物の除去工程及び再付着物の酸化工程を実施した場合に、磁性層の実効ダンピング定数が増加することが分かる。

図９は、磁化を失活するための元素を注入する前後における磁性層の実効ダンピング定数を説明するグラグである。図９の横軸は、磁性生存層の膜厚（ｎｍ）であり、縦軸は、実効ダンピング定数（α effective）である。図８には、磁化を失活するための元素を磁性層に注入する前のグラフ（as dep）と、磁化を失活するための元素を磁性層に注入した後のグラフとを載せている。図９からは、磁化を失活するための元素を磁性層に注入した場合でも、元素注入前に比べて、磁性層の実効ダンピング定数がそれほど増加しないことが分かる。

図７乃至図９の実験結果を総括すると、磁性層（記憶層１２及び参照層１４）の側壁に形成された再付着物１６を除去及び酸化すると、磁性層の端部の磁気特性が劣化してダンピング定数が増加する。しかし、Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）などの元素を磁性層に注入して磁性層の端部の磁化を失活させることで、磁性層のダンピングダメージを低減できることが裏付けられる。

（効果）
以上詳述したように第１の実施形態では、下地電極１１上に記憶層１２、絶縁層１３及び参照層１４が積層されたＭＴＪをピラー状に加工した後、記憶層１２及び参照層１４の側壁（面内方向端部）に、磁化を失活するための元素を注入して記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａの磁化を失活させる。そして、磁気抵抗素子の側壁に形成された再付着物１６を除去（エッチング）及び酸化するようにしている。

従って第１の実施形態によれば、磁性層間のショートの原因となる再付着物１６を除去及び酸化することができるため、磁性層間のショートを防ぐことができる。また、再付着物１６の除去工程及び酸化工程によって、磁性層の端部の磁気特性が劣化してダンピング定数が増加することになるが、予め磁性層の端部の磁化を失活化しているので、磁性層の磁気特性が劣化するのを防ぐことができ、かつ磁性層のダンピング定数が増加するのを防ぐことができる。この結果、ＭＴＪ素子のスピン注入効率が劣化するのを低減できる。

なお、再付着物１６の酸化工程において磁性層に注入された元素も酸化されるが、この元素の酸化物も失活種として働き、磁性層の端部の磁化を失活される効果を保持する。また、注入元素が酸化されることで、相対的に磁性層の酸化を減少させるので、酸化工程によって磁性層のダンピング定数が増加するのを防ぐことができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、再付着物の除去工程及び再付着物の酸化工程を実施して記憶層１２及び参照層１４間のショートパスを除去した後に、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部の磁化を失活化することで、ダンピングダメージを低減するようにしている。

以下に、第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３までの製造工程は、第１の実施形態と同じである。

続いて、図１０に示すように、例えばＩＢＥ法を用いて、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物１６を除去する。これにより、記憶層１２及び参照層１４間のショートパスが除去されるため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐことができる。なお、図１０では、再付着物１６が完全に除去しきれず、再付着物１６の一部がＭＴＪ素子の側壁に残っている。この再付着物の除去工程によって、記憶層１２の全周囲の端部１２Ａは、磁気特性が劣化し、ダンピングダメージが大きくなる。同様に、この再付着物の除去工程によって、参照層１４の全周囲の端部１４Ａは、磁気特性が劣化し、ダンピングダメージが大きくなる。

続いて、図１１に示すように、部分的に残った再付着物１６を酸化する。これにより、再付着物１６が絶縁性の酸化物（再付着酸化物）になるため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを確実に防ぐことができる。この再付着物の酸化工程によって、記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａは、よりダンピングダメージが大きくなる。

続いて、図１２に示すように、ＭＴＪ素子の全周囲の端部に、磁性層の磁化を失活するための元素（Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）など）を注入する。この元素注入工程により、記憶層１２の全周囲の端部１２Ａと、参照層１４の全周囲の端部１４Ａと、再付着物１６の一部とに、磁化を失活するための元素が注入される。図１２に示したサンドハッチングは、磁化を失活するための元素が注入された領域である元素注入領域１７を表している。

記憶層１２のうち元素が注入された端部１２Ａは、磁化が失活する。同様に、参照層１４のうち元素が注入された端部１４Ａは、磁化が失活する。再付着物の除去工程及び再付着物の酸化工程によって記憶層１２の端部及び参照層１４の端部のダンピングダメージが大きくなるが、その後、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部の磁化を失活化しているので、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部のダンピングダメージを低減できる。

このように、先に、再付着物１６の除去工程及び再付着物１６の酸化工程を行い、その後、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部の磁化を失活化するようにした場合でも、第１の実施形態と同じ効果が得られる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部の磁化を失活化した後に、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物の除去工程のみを行うようにしている。

以下に、第３の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３までの製造工程は、第１の実施形態と同じである。

続いて、図１３に示すように、ＭＴＪ素子の全周囲の端部に、磁性層の磁化を失活するための元素（Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）など）を注入する。この元素注入工程により、記憶層１２の全周囲の端部１２Ａと、参照層１４の全周囲の端部１４Ａと、再付着物１６の一部とに、磁性層の磁化を失活するための元素が注入される。図１３に示したサンドハッチングは、磁化を失活するための元素が注入された領域である元素注入領域１７を表している。記憶層１２のうち元素が注入された端部１２Ａは、磁化が失活する。同様に、参照層１４のうち元素が注入された端部１４Ａは、磁化が失活する。

続いて、図１４に示すように、例えばＩＢＥ法を用いて、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物１６を除去する。これにより、記憶層１２及び参照層１４間のショートパスが除去されるため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐことができる。

また、再付着物１６の除去工程により、ＭＴＪ素子の側壁が磁気的ダメージを受ける。しかし、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部は、磁化が失活している。これにより、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部のダンピングダメージを低減できるため、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化するのを低減できる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物の除去工程を行った後に、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部の磁化を失活化するようにしている。

以下に、第４の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３までの製造工程は、第１の実施形態と同じである。

続いて、図１５に示すように、例えばＩＢＥ法を用いて、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物１６を除去する。これにより、記憶層１２及び参照層１４間のショートパスが除去されるため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐことができる。この再付着物の除去工程により、ＭＴＪ素子の側壁がダメージを受け、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化する。この結果、記憶層１２及び参照層１４のダンピングダメージが大きくなり、ＭＴＪ素子のスピン注入効率が劣化する。図１５に示した記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａは、ダンピングダメージを受けた領域を示している。

続いて、図１６に示すように、ＭＴＪ素子の全周囲の端部に、磁性層の磁化を失活するための元素（Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）など）を注入する。この元素注入工程により、記憶層１２の全周囲の端部１２Ａと、参照層１４の全周囲の端部１４Ａと、再付着物１６の一部とに、磁性層の磁化を失活するための元素が注入される。図１６に示したサンドハッチングは、磁化を失活するための元素が注入された領域である元素注入領域１７を表している。記憶層１２のうち元素が注入された端部１２Ａは、磁化が失活する。同様に、参照層１４のうち元素が注入された端部１４Ａは、磁化が失活する。

第４の実施形態では、再付着物１６の除去工程により記憶層１２の端部及び参照層１４の端部が磁気的ダメージを受けた場合でも、磁気的ダメージを受けた部分の磁化を失活化できる。これにより、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部のダンピングダメージを低減できるため、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化するのを低減できる。

このように、先に、再付着物１６の除去工程を行い、その後、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部の磁化を失活化するようにした場合でも、第３の実施形態と同じ効果が得られる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態は、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部の磁化を失活化した後に、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物の酸化工程のみを行うようにしている。

以下に、第５の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３までの製造工程は、第１の実施形態と同じである。

続いて、図１７に示すように、ＭＴＪ素子の全周囲の端部に、磁性層の磁化を失活するための元素（Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）など）を注入する。この元素注入工程により、記憶層１２の全周囲の端部１２Ａと、参照層１４の全周囲の端部１４Ａと、再付着物１６の一部とに、磁性層の磁化を失活するための元素が注入される。図１７に示したサンドハッチングは、磁化を失活するための元素が注入された領域である元素注入領域１７を表している。記憶層１２のうち元素が注入された端部１２Ａは、磁化が失活する。同様に、参照層１４のうち元素が注入された端部１４Ａは、磁化が失活する。

続いて、図１８に示すように、再付着物１６を酸化する。これにより、再付着物１６が絶縁性の酸化物（再付着酸化物）になるため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐことができる。

また、再付着物１６の酸化工程により、ＭＴＪ素子の側壁が磁気的ダメージを受ける。しかし、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部は、磁化が失活している。これにより、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部のダンピングダメージを低減できるため、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化するのを低減できる。

また、再付着物１６の酸化工程では、注入元素が酸化されることで、相対的に磁性層（記憶層１２及び参照層１４）の酸化を減少させることができる。これにより、酸化による磁性層のダンピングダメージを低減できる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態は、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物の酸化工程を行った後に、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部の磁化を失活化するようにしている。

以下に、第６の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３までの製造工程は、第１の実施形態と同じである。

続いて、図１９に示すように、再付着物１６を酸化する。これにより、再付着物１６が絶縁性の酸化物（再付着酸化物）になるため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐことができる。この再付着物１６の酸化工程により、ＭＴＪ素子の側壁が磁気的ダメージを受け、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化する。この結果、記憶層１２及び参照層１４のダンピングダメージが大きくなり、ＭＴＪ素子のスピン注入効率が劣化する。

続いて、図２０に示すように、ＭＴＪ素子の全周囲の端部に、磁性層の磁化を失活するための元素（Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）など）を注入する。この元素注入工程により、記憶層１２の全周囲の端部１２Ａと、参照層１４の全周囲の端部１４Ａと、再付着物１６の一部とに、磁性層の磁化を失活するための元素が注入される。図２０に示したサンドハッチングは、磁化を失活するための元素が注入された領域である元素注入領域１７を表している。

このように、第６の実施形態では、再付着物１６の酸化工程により記憶層１２の端部及び参照層１４の端部が磁気的ダメージを受けた場合でも、磁気的ダメージを受けた部分の磁化を失活化できる。これにより、記憶層１２の端部及び参照層１４の端部のダンピングダメージを低減できるため、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化するのを低減できる。

［第７の実施形態］
第７の実施形態は、ＭＴＪ素子の側壁に形成された再付着物に特定の元素を注入することで再付着物を高抵抗化し、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐようにしている。

図２１（ａ）は、第７の実施形態に係るＭＴＪ素子の平面図、図２１（ｂ）は、ＭＴＪ素子の断面図である。ＭＴＪ素子は、下から順に、下地電極（下部電極）１１、記憶層１２、絶縁層（トンネルバリア層）１３、参照層１４、及びハードマスク層１５が積層されて構成されている。

ＭＴＪ素子の側壁には、ＭＴＪ素子の側壁加工時に形成される再付着物１６が設けられている。再付着物１６には、下地電極１１及び記憶層１２の材料が含まれる。また、再付着物１６には、再付着物１６の電気抵抗を増大させかつ磁性層の磁化を失活するための元素が注入されている。

さらに、記憶層１２の全周囲の端部１２Ａには、再付着物１６に注入された元素と同じ元素が注入されている。同様に、参照層１４の全周囲の端部１４Ａには、再付着物１６に注入された元素と同じ元素が注入されている。すなわち、記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａは、磁化が失活されている。

再付着物１６の電気抵抗を増大させかつ磁性層の磁化を失活する元素としては、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｃ（炭素）、Ｆ（フッ素）、Ｎｅ（ネオン）、Ｓｉ（シリコン）、Ｐ（リン）、Ｓ（硫黄）、Ｃｌ（塩素）、Ａｒ（アルゴン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ａｓ（ヒ素）、Ｋｒ（クリプトン）、及びＳｂ（アンチモン）の群から選択される少なくとも１つの元素が挙げられる。

このような構造を有するＭＴＪ素子では、再付着物１６の電気抵抗を増大させることができるので、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐことができる。

次に、第７の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３までの製造工程は、第１の実施形態と同じである。

続いて、図２２に示すように、再付着物１６に、再付着物の電気抵抗を増大させかつ磁性層の磁化を失活するための元素（Ｇｅ（ゲルマニウム）やＳｉ（シリコン）など）を注入する。この元素注入工程では、元素を再付着物１６の全体に注入する必要がある。このため、記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａにも元素が注入され、記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａは、磁化が失活する。

これにより、再付着物１６の電気抵抗が増大するため、記憶層１２及び参照層１４がショートするのを防ぐことができる。また、記憶層１２の端部１２Ａ及び参照層１４の端部１４Ａは、磁化が失活しているので、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化することはない。

また、本実施形態では、再付着物１６の除去工程及び酸化工程を行う必要がない。これにより、記憶層１２及び参照層１４の磁気特性が劣化するのを防ぐことができる。

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とその均等の範囲に含まれる。

１１…下地電極、１２…記憶層、１３…絶縁層、１４…参照層、１５…ハードマスク層、１６…再付着物、１７…元素注入領域。

Claims (7)

1. 下地電極上に積層された第１の磁性層、絶縁層及び第２の磁性層と、
   前記第１及び第２の磁性層の側壁に、前記第１及び第２の磁性層を加工する際に形成された再付着物と、
   を具備し、
   前記再付着物と前記第１及び第２の磁性層の面内方向端部とには、Ｈｅ、Ｃ、Ｆ、Ｎｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｋｒ、及びＳｂの群から選択される少なくとも１つの元素が注入されていることを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 下地電極上に積層された第１の磁性層、絶縁層及び第２の磁性層を具備し、
   前記第１及び第２の磁性層の面内方向端部には、Ｈｅ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｎｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｋｒ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、及びＢｉの群から選択される少なくとも１つの元素が注入されていることを特徴とする磁気抵抗素子。
3. 下地電極上に第１の磁性層、絶縁層及び第２の磁性層が積層された磁気抵抗素子をピラー状に加工する工程と、
   前記第１及び第２の磁性層の面内方向端部に、磁化を失活するための元素を注入する工程と、
   前記磁気抵抗素子の側壁に形成された再付着物による前記第１及び第２の磁性層間のショートパスを除去する工程と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
4. 前記ショートパスを除去する工程は、前記再付着物を除去、酸化、又はその両方を行う工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
5. 前記元素は、Ｈｅ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｎｅ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｋｒ、Ｚｒ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、及びＢｉの群から選択される少なくとも１つの元素からなることを特徴とする請求項３又は４に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
6. 下地電極上に第１の磁性層、絶縁層及び第２の磁性層が積層された磁気抵抗素子をピラー状に加工する工程と、
   前記磁気抵抗素子の側壁に形成された再付着物及び前記第１及び第２の磁性層の面内方向端部に、前記再付着物の電気抵抗を高くしかつ磁化を失活するための元素を注入する工程と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
7. 前記元素は、Ｈｅ、Ｃ、Ｆ、Ｎｅ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｋｒ、及びＳｂの群から選択される少なくとも１つの元素からなることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造方法。

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