JP2002280637A - 磁気抵抗効果素子、その製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、携帯端末装置、磁気ヘッド及び磁気再生装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子、その製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、携帯端末装置、磁気ヘッド及び磁気再生装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】磁気的に安定でスイッチング磁場が低減された
磁気抵抗効果素子とその製造方法を提供する。 【解決手段】素子端部の幅を中央部分に比較して広く
し、磁化容易軸に対して非対称かつ膜面垂直方向を軸と
してほぼ回転対称な形状とする。磁気ドメインのＳ字型
構造が安定し、スイッチング磁場が低減する。また、線
状パターンエッチングの重ね合わせとＥＢ描画を併用し
て上記構造を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，磁気抵抗効果素
子、その製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、携帯
端末装置、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体磁気メモリは従来より様々のタイブ
のものが提案されているが、近年巨大磁気抵抗効果を示
す磁気素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲ
ＡＭ）の提案が行われており、特に磁気メモリとして強
磁性トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素
子）に注目が集まっている。
【０００３】強磁性トンネル接合は，主に強磁性層1／
絶縁層／強磁性層２の３層膜で構成され、絶縁層をトン
ネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は強磁性
層１、２の磁化の相対角の余弦に比例して変化する。し
たがって、抵抗値は強磁性層１、２の磁化が平行のとき
に極小値、反平行のときに極大値をとる。これはトンネ
ル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果と呼ばれている。例えば最近
の文献（Appl. Phys.Lett. 77, 283(2000)）では、ＴＭ
Ｒ効果による抵抗値変化は室温において４９．７％にも
なることが報告されている。
【０００４】強磁性トンネル接合をメモリセルとして含
む磁気メモリ装置においては、強磁性層のひとつの磁化
を固定して基準層とし、他の強磁性層を記憶層とする。
このセルにおいて、基準層と記憶層の磁化の配置が平行
または反平行に対し２進情報“０”、“１”を対応づけ
ることで情報が記憶される。記録情報の書き込みは、こ
のセルに対し別に設けた書き込み配線に電流を流して発
生する磁場により記憶層の磁化を反転させる。また、読
み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効
果による抵抗変化を検出することで行われる。このよう
なメモリセルを多数配置することで磁気メモリ装置が構
成される。
【０００５】実際の構成については、任意のメモリセル
を選択できるように、例えばＤＲＡＭ同様に各セルに対
しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み
込んで構成される。また、ワード線とビット線が交差す
る位置にダイオードとあわせて強磁性トンネル接合を組
み込む方式も提案されている（米国特許第５，６４０，
３４３号、第５、６５０、９５８号参照）。
【０００６】さて，強磁性トンネル接合をメモリセルと
して用いる磁気メモリ装置の高集積化を考えると、メモ
リセルの大きさは小さくなり、セルを構成する強磁性体
の大きさも必然的に小さくなる。一般に、強磁性体が小
さくなるとその保磁力は大きくなる。
【０００７】保磁力の大きさは、磁化を反転するために
必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるので、こ
れはスイッチング磁場の増大を意味する。よって、情報
を書き込む際にはより大きな電流を書き込み配線に流さ
なければならなくなり、消費電力の増加という好ましく
ない結果をもたらす。従って、磁気メモリのメモリセル
に用いられる強磁性体の保磁力を低減することは、高集
積化磁気メモリの実用化において重要な課題である。
【０００８】また、磁気メモリのメモリセルとして用い
る場合、その平面形状が長方形をした強磁性体を用いる
ことが一般に考えられている。しかし、長方形の微小強
磁性体の場合には、端部にエッジドメインと呼ばれる特
殊な磁区が生じることが知られている（例えば，J. Ap
p. Phys. 81,5471 (1997) 参照）。これは、長方形の短
辺では反磁場エネルギーを低減するために、磁化が辺に
沿うようにして渦状に回転するパターンを形成するため
である。このような磁気構造の一例は、図４５に示され
ており，磁化領域の中央部分においては磁気異方性に従
った方向に磁化が生じるが，両端部においては，中央部
分と異なる方向に磁化が生じる。
【０００９】この長方形の強磁性体に対して、磁化反転
を考えると、エッジドメインが成長してその領域を大き
くしていくように進行することが知られている。ここ
で、長方形の両端部のエッジドメインを考えると、互い
に平行方向に向いている場合（図４５（ａ）、Ｓ型構
造）と反平行方向に向いている場合（図４５（ｂ）Ｃ型
構造）とがある。反平行方向を向いている場合、３６０
度磁壁が形成されるため、保磁力が大きくなる．この課
題を解決するために，記憶層として楕円形の強磁性体を
用いることが提案されている（米国特許第５，７５７，
６９５参照）。これは，エッジドメインが強磁性体の形
状に対し大変敏感であるという性質を利用して，長方形
等の場合の端部に生じるエッジドメインの発生をおさ
え，単磁区を実現することで，強磁性体全体にわたって
一様に反転させることができるようにしたもので、反転
磁場を小さくすることができる。
【００１０】また，記憶層として、平行四辺形のよう
に、その隅に直角でない角度を持つ形状の強磁性体を用
いることが提案されている（特開平１１−２７３３３７
参照）。この場合、エッジドメインは存在するが、長方
形の場合ほど大きな領域を占めず、さらに磁化反転の過
程で複雑な微小ドメインを生成することなく、磁化をほ
ぼ一様に反転させることができる。その結果として反転
磁場の低減が図られる。
【００１１】また一方では、形状は長方形のままである
が、少なくとも二つの強磁性層を含み、それらの間に介
在する非磁性層からなる多層膜において、上記の強磁性
層の間に反強磁性結合を含むものをに用いることが提案
されている（特開平９−２５１６２、特願平１１−２６
３７４１、米国特許第５，９５３，２４８参照）。
【００１２】この場合、二つの強磁性層は，その磁気モ
ーメントまたは厚さが異なっており、反強磁性的結合に
より磁化が逆方向を向いている。このため、実効的に互
いに磁化が相殺し、記憶層全体としては、磁化容易軸方
向に磁気モーメントの差または膜厚差に対応した小さな
磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。こ
の記億層の持つ磁化容易軸方向の小さな磁化の向きと逆
向きに磁場を印加すると、各強磁性層の磁化は、反強磁
性結合を保ったまま反転する。この構造では磁力線が閉
じていることから反磁場の影響が小さく、記録層のスイ
ツチング磁場は、各強磁性層の保磁力差により決まるた
め、小さなスイッチング磁揚で磁化の反転が可能にな
る。
【００１３】ところで、ＭＲＡＭ応用のＴＭＲ素子にお
いては、高集積化への要求からサブミクロンの素子サイ
ズが求められている。そこで、サブミクロンサイズのＴ
ＭＲ素子を電子ビーム（ＥＢ）描画を用いて作製する例
（W. J. Ga11agher et al.,J. Appl. Phys. 81, 3741(1
997)参照）について、その作製プロセスを図４６の断面
図（左側）と上面図（右側）を用いて簡単に説明する。
まず図４６（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４６１上に主
に磁性金属からなる下部電極４６２、Ａｌ酸化物バリア
４６３、主に磁性金属からなる上部電極４６４の３層構
造を含む多層構造をマグネトロンスパッタ装置により堆
積し、その多層構造をフオトレジストとイオンミリング
を用いてエツチングすることにより下部電極を形成する
（ここでは下部電極の一部の接合部付近のみを示す）。
次に図４６（ｂ）に示すように、ＥＢ描画によって接合
部分にネガ型のＥＢレジスト４５６のパターンを形成
し、それを用いて２回目のイオンミリングを行いサブミ
クロンサイズの接合部のパターンを形成する。このイオ
ンミリングでは、酸化物バリア４６３を突き抜けて下部
電極４６２の上部でエッチングが止まるように制御す
る。
【００１４】次に図４６（ｃ）に示すように、接合部に
ＥＢレジスト４６５を残したまま、ＳｉＯ2 絶縁膜４６
６をマグネトロンスパッタ装置によって堆積する。最後
に図４６（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2 絶縁膜の下にあ
るＥＢレジストを用いたリフトオフプロセスにより、接
合部上に自己整合的にコンタクトホールを露出させ、そ
の後にＡｇ／Ａｕの上部配線４６７をフォトレジストの
リフトオフを用いたパターニングにより作製し、上部電
極にコンタクトを形成する。
【００１５】このＥＢ描画を用いた自己整合的なＴＭＲ
素子の製造方法により、サブミクロンの接合サイズを持
つＴＭＲ素子が得られているが、強磁性体金属／酸化物
絶緑体／強磁性体金属という基本構造を持つ多層構造上
に直接ＥＢ描画を行うために幾つかの問題点があつた。
【００１６】それは、図４６（ｂ）においてＥＢ描画に
よる接合部へのサブミクロンサイズのレジストパタ−ニ
ングが行われるが、磁性金属を含む多層構造へのＥＢ描
画プロセスにおいては、金属による電子線の後方散乱が
半導休材料よりも強く、その結果として得られる描画パ
ターンが大きく広がってしまういわゆる近接効果が顕著
になり、描画パターン形状の微細性・制御性が失われて
しまう。その結果として図４６（ｂ）に示すように接合
部の形状として矩形を描画した場合にも、実際に得られ
る形状は角部の先鋭性が著しく失われた形状となってし
まう。
【００１７】ここで、ＴＭＲ素子の接合部の平面形状と
その磁気的特性である保持力(Hc)の間には密接な関連が
あり、角が丸まった矩形では角の先鋭性が強い矩形より
も保持力が２倍程度にも大きくなってしまうことが判明
している。その結果、ＭＲＡＭの動作にとって重要な低
保持力特性を持つＴＭＲ素子が得られなくなるという問
題があった。。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】上記のように，記録層
の磁化を反転する磁場（スイッチング磁場）の低減は、
磁気メモリにおいて必要不可欠な要素であり、いくつか
の形状や、反強磁性結合を含む多層膜を用いることが提
案されている。
【００１９】しかしながら、高集積化磁気メモリに用い
られるような小さな磁気メモリセル内に置かれる微小な
強磁性体においては、例えばその短軸の幅が数ミクロン
からサブミクロン程度以下になると、磁化領域の端部に
おいては反磁場の影響により、磁性体の中央部分の磁気
的構造とは異なる磁気的構造（エッジドメイン）が生じ
ることが知られている。
【００２０】高集積化磁気メモリのセルに用いられるよ
うな微小な磁性体においては、上記のようにその端部に
生じるエッジドメインの影響が大きく、磁化反転におけ
る磁気的構造パターンの変化が複雑になる。その結果保
磁力が大きくなり、またスイッチング磁場が増大する。
【００２１】このような複雑な磁気的構造の変化が生じ
ることをできるだけ防ぐ方法として、エッジドメインを
固定することが考えられている（米国特許第５，７４
８，５２４、特開２０００−１００１５３参照）。
【００２２】これにより磁化反転の際の挙動が制御でき
るが、実質的にスイッチング磁場の低減は図れない。ま
た、エッジドメインを固定するために別の構造を付加す
る必要があり、高密度化には適さない。
【００２３】上記のように、サブミクロンの強磁性体／
絶縁体／強磁性体の接合を有するＴＭＲ素子を作製する
ためにＥＢ描画プロセスを用いていたが、金属多層構造
上へのＥＢ猫画では近接効果が著しく形状制御した微細
パターン形成か困難であるため、低保持力特性のＴＭＲ
素子を得ることが困難になるという問題があった。これ
は、本質的にリソグラフィプロセスでは解像度の限界近
傍では、矩形形状を形成した場合にその角部の先鋭性が
著しく失われるという、フォトリソグラフィにも共通す
る問題に起因している。
【００２４】本発明の第１の目的は、新たに構造を付加
することなく、上記のような高密度集積化可能な程度に
微小な磁気メモリセルにおいて、安定な磁気的構造をも
つセルを提供することにあリ、同時にセルに情報を書き
込む際に必要なスイッチング磁場を低減することにあ
る。さらに、磁気的に安定で、かつスイッチング磁場が
十分低減された磁気メモリセルを構成し、そのような磁
気メモリセルを用いたランダムアクセス可能な非破壊磁
気メモリを提供することにある。
【００２５】本発明の第２の目的は、本発明の磁気抵抗
効果素子に好適な容易かつ生産性の良い製造方法を提供
することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、
第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成された
絶縁体層と、この絶縁体層上に形成された第２の強磁性
層を有し、前記絶縁体層をトンネルして前記第１の強磁
性層と第２の強磁性層の間にトンネル電流が流れ，その
トンネル電流または前記第１および第２の強磁性層間に
生じる電圧を検出する磁気抵抗効果素子であって，その
平面形状が，中央部分の幅より端部の幅が大きいことを
特徴とする。
【００２７】また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子
は、第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成さ
れた第１の絶縁体層と、この第１の絶縁体層上に形成さ
れた第２の強磁性層と、この第２の強磁性層上に形成さ
れた第２の絶縁体層と、この第２の絶縁体層上に形成さ
れた第３の強磁性層とを有する磁気抵抗効果素子であっ
て、その平面形状が，中央部分の幅より端部の幅が大き
いことを特徴とする。
【００２８】即ち、本発明では、磁気メモリセルとして
用いる強磁性層を含む磁気抵抗効果素子において、微小
な強磁性体に特有の磁気的構造を利用し、別の構造を付
与することなくその磁気的構造を制御することにより、
スイッチング磁場の低減を図る。
【００２９】このために、特有の磁気的構造、特にエッ
ジドメインを制御し、スイッチング磁場を低減するため
に好適な素子形状を用いる。この素子形状は、従来技術
とは異なり、例えば平行四辺形のようにエッジドメイン
の領域を縮小することではなく、むしろある大きさの領
域を与える。また、端部にバイアス磁場をかけてエッジ
ドメインを固定することなく、磁化反転の核として作用
させる。
【００３０】これを行なうために、素子端部の幅を中央
部分に比較して広くとり、磁気ドメインのＳ型構造を安
定化させ、その結果としてスイッチング磁場を低減す
る。さらに磁化容易軸について非対称かつ膜面垂直方向
を軸としてほぼ回転対称な形状とすることで、スイッチ
ング磁場の低減をより確実に行うことができる。この形
状は、図１に示すようなものとなる。図中の直線は磁化
容易軸，ｘ印は回転対称軸の位置を示している。
【００３１】また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方
法は、少なくとも強磁性体／絶縁体／強磁性体の積層体
からなる接合領域を形成し、この接合領域を横切る線状
パターンのマスクを用いて前記接合領域をエッチング
し、このマスクエッチングを位置を変えて複数回実施
し、前記接合領域を所定の形状に加工することを特徴と
する。
【００３２】本発明では、ＴＭＲ素子の接合部に関わる
微細構造を、複数の交差した線状パターン形成の方法に
より作製する。これにより、主にリソグラフィの限界性
能による前述の問題点を解決する。つまり、この交差し
た線状パターンによる接合部作製プロセスは、リソグラ
フィ的に微細描画性や制御性の高い線状パターンによる
パターン形成を行っているために、微細な矩形形状でも
角部の先鋭性が失われることが少なく、形状制御性の良
いパターニングを行うことが出来る。その結果として、
高集積化が可能なサブミクロンの微細構造を有する高性
能なＴＭＲ素子を容易にかつ高い歩留まりで作製でき
る。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。
【００３４】（第１の実施形態）第１の実施形態では、
本発明の基本的な構成について、計算機シミュレーショ
ンの結果の一例を用いて説明する。図２は、本発明の第
１の実施形態に係る磁性体膜の平面図である。第１の実
施形態の磁性体膜はＳ字状の鉤型をしており、素子の中
央部分と端部で幅が異なる。即ち、強磁性体膜は中央部
分においては幅０．１μｍ、端部においては０．１５μ
ｍ、長さは０．４μｍ、厚さは１．５ｎｍである。
【００３５】図２の形状は，各頂点が９０度の角度をも
つ多角形であるが、これに限定するものではなく、特
に、各頂点は９０度に限定するものではない。また、各
辺も直線である必要はなく、一般に曲線で構成されてい
てもよい。
【００３６】また、素子サイズも上記に限定するもので
はないが、最大幅が１μｍ程度よリ小さいものが好まし
く、長さも最大幅の１倍から１０倍が好ましい。強磁性
体の厚さは１０ｎｍ以下がよく、５ｎｍ以下がより好ま
しい。特に、高集積化のためには、素子サイズは小さい
ことが好ましい。
【００３７】強磁性層に用いる材料として、このシミュ
レーションではＣｏ9 Ｆｅを用いているが、磁性材料は
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉやそれらの積層膜、合金等、通常用い
られる磁性材料でよい。また、Ｃｕ，Ａｕ、Ｒｕ，Ａｌ
等、金属非磁性材料からなる層を含む積層膜であっても
よい。
【００３８】この系のヒステリシスについて、シミュレ
ーションの結果得られたものを図３に示す。図３から、
保磁力Ｈｃは２４２エルステッド（Ｏｅ）と求められ
る。また、図３は、本発明の磁気抵抗効果素子において
はスイッチング磁場Ｈｓｗと保磁力Ｈｃの差がそれほど
大きくないことを示している。即ち、磁化反転過程にお
いて、微小な磁気ドメインが複雑な形で発生していない
ことを意味している。
【００３９】第１の実施形態における磁気ドメインのパ
ターンの変化を図４に示す。図４では，左方向をプラス
の向きとして，外部磁場Ｈを＋１０００エルステッドか
ら−１０００エルステッドまで変化させたときの磁気ド
メイン構造の変化の様子を示した。
【００４０】外部磁場がＨ＝＋３００エルステッドのと
きに（ｂ）、端部の磁化方向が磁化容易軸から向きを変
化させ始め、Ｈ＝０エルステッドのとき（ｃ）、Ｓ型の
磁気ドメイン構造をとって安定化する。さらに、外部磁
場が負の方向に大きくなると（ｄ）、端部の幅が広い部
分で磁化方向が大きく回転していることがわかる。さら
に外部磁場が負に大きくなると（ｅ）、完全に反転した
磁気ドメイン構造となる。
【００４１】磁化の反転時には、エッジドメインが拡大
し、エッジドメインと中央部の磁気ドメインとの間にあ
るドメインウォールが素子中央方向に動いていくことで
磁化が反転しておリ、外部磁場掃引時のすべての値に対
して、複雑なドメイン構造は出現しない。従って、小さ
な磁場で反転が可能になるとともに、磁化を完全に反転
させるために必要なスイッチング磁場も小さいものが実
現できる。
【００４２】なお、この系では飽和磁化に対する残留磁
化の割合が０．８６となっている。これは、エツジドメ
インが存在しているためである。一般に、強磁性体の磁
化方向にずれや乱れた部分があり、飽和磁化に対する残
留磁化の割合が１より小さくなっているとき、その強磁
性体を用いた強磁性トンネル接合では、ずれや乱れのな
い場合に比べて、トンネル磁気抵抗比（ＭＲ比）が減少
する。しかし，この系では絶縁層を含め上下の強磁性層
が同じ形状になっているため、上下の強磁性層はほぼ同
様の磁気ドメイン構造を持っている。従って、飽和磁化
に対する残留磁化の割合が１より小さくなっているにも
かかわらず、磁化方向のトンネル磁気抵抗の減少は殆ど
ない。
【００４３】本発明が効果的であることを示すために、
いくつかの形状について保磁力を比較したものを図５に
示す。この図では、厚さ２．０ｎｍ、長さ０．４μｍ、
中央の幅を０．１μｍとし，形状（ｆ）、（ｇ）におけ
る端部の幅は０．１５μｍとしてシミュレーションを行
なった結果を示している。
【００４４】図５において、例えば形状（ｂ）のよう
な、長方形の相対する二つの頂点を切り落とした形状の
ものが保磁力が低いことは、上記の平行四辺形の場合と
同じ理由による。しかし、最も保磁力が小さくなるの
は、本発明の形状である図中の形状（ｇ）のものである
ことがわかる。
【００４５】また、別の比較例の一つである平行四辺形
の場合の磁気ドメイン構造を図６に示す。図からわかる
ように，この場合には，斜辺に沿ったわずかな領域にお
いてのみ，磁化が磁化容易軸とは異なる方向に向き，エ
ッジドメインを減少させるような形状となっている。
【００４６】一方，本発明では，図２のように磁化が分
布しており，エッジドメインの領域は拡張されている。
上記図６の比較例の場合、保磁力は２４９エルステッド
となり、図２に示した本発明の場合は、これに比べて若
干ではあるが小さくなっている。
【００４７】（第２の実施形態）図７は、本発明の第２
の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。第
１の実施形態では、幅広の素子端部の幅は一定であった
が、第２の実施形態では、素子端部の幅が幅広部内で変
化している。この形状のため，幅広部分で磁化の方向が
順次変化していることがわかる。
【００４８】強磁性層に用いる材料として、このシミュ
レーションでも第１の実施形態と同様に、Ｃｏ9 Ｆｅを
用いているが、磁性材料はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉやそれらの
積層膜、合金等、通常用いられる磁性材料でよい。ま
た、Ｃｕ，Ａｕ、Ｒｕ，Ａｌ等、金属非磁性材料からな
る層を含む積層膜であってもよい。
【００４９】第２の実施形態における磁化曲線は、図８
に示されている。図８から、保磁力Ｈｃは１４８エルス
テッド（Ｏｅ）と非常に低くなり、さらに，飽和磁化に
対する残留磁化の割合が０．９６と高く保たれているこ
とがわかる。
【００５０】（第３の実施形態）第１および第２の実施
形態では、強磁性体の単層膜についてのみ述べたが，少
なくとも２層の強磁性体とその間に介在する少なくとも
１層の絶縁層あるいは非磁性金属層からなる積層膜を含
む場合にも同様の結果が得られる。
【００５１】図９（ａ）は、強磁性層１と強磁性層３が
絶縁層２を介して積層された強磁性一重トンネル接合構
造の断面図である。この積層構造に対しても、第１或い
は第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保
持力の小さい磁気抵抗効果素子１０を得ることができ
る。
【００５２】この場合、強磁性層１または３のいずれか
一方の外側に反強磁性層付与した、いわゆるスピンバル
ブ型にしてもよい。図９（ｂ）は図９（ａ）の強磁性層
１を強磁性層１−１と強磁性層１−２が非磁性層６を介
して積層された三層構造としたものである。この三層構
造は、強磁性層３の部分を置換してもよい。さらに、強
磁性層、非磁性層が繰り返して積層された多層膜で置換
することもできる。
【００５３】図１０は、強磁性層１１と強磁性層１３が
絶縁層１２を介して積層され、さらに強磁性層１３は強
磁性層１５と絶縁層１４を介して接合された強磁性二重
トンネル接合構造の断面図である。この積層構造に対し
ても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与する
ことにより、保持力の小さい磁気抵抗効果素子２０を得
ることができる。この場合、強磁性層１，３の外側に反
強磁性層を付与した、いわゆるスピンバルブ型にしても
よい。
【００５４】図１１は、図１０の強磁性層１１を、強磁
性層１１−１と強磁性層１１−２が非磁性層１６を介し
て積層された３層構造としたものである。この３層構造
は、非磁性層１６を介して反強磁性結合記録層を形成す
るものである。この３層構造は、強磁性層１５の部分を
置換してもよく、強磁性層１１、１５の少なくとも１層
に適用することができる。
【００５５】この積層構造に対しても、第１或いは第２
の実施形態の平面形状を付与することにより、保持力の
小さい磁気抵抗効果素子３０を得ることができる。
【００５６】図１２は、図１０の強磁性層１３を、強磁
性層１３−１と強磁性層１３−２が非磁性層１７を介し
て積層された３層構造としたものである。この積層構造
に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付
与することにより、保持力の小さい磁気抵抗効果素子４
０を得ることができる。
【００５７】なお、図１２の構成に対し、強磁性層１
１，１５の少なくとも１層を強磁性層／非磁性層／強磁
性層の３層構造とすることもできる。また、図１１の構
成に対し、さらに絶縁層、強磁性層を所望の回数積層し
てもよい。
【００５８】図１３は、Ｃｏ9 Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ9 Ｆｅ
の３層構造に関して、平面形状を変えた場合の保持力Ｈ
ｃの値を比較したものであり、本発明の形状（ｄ）．
（ｅ）が通常の長方形のものに比べ，保磁力が大きく低
減できることがわかる。
【００５９】第３の実施形態において、磁性材料、バリ
ア層材料等は下記のように選択することができる。本発
明の強磁性層の元素，種類は、特に制限はなく、Ｆｅ，
Ｃｏ，Ｎｉまたはそれら合金、スピン分極率の大きいマ
グネタイト、ＣｒＯ2、ＲＸＭｎＯ3-y（Ｒ：希土類、
Ｘ：Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）などの酸化物の他ＮｉＭｎＳ
ｂ、ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金、Ｚｎ−Ｍn−
Ｏ、Ｔｉ−Ｍｎ−Ｏ、ＣｄＭｎＰ2 、ＺｎＭｎＰ2など
の磁性半導体を用いることができる。
【００６０】本発明の強磁性層の膜厚は超常磁性になら
ない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であるこ
とが好ましい。また、あまり厚いとスイッチング磁場が
大きくなってしまうため、２．５ｎｍ以下で有ることが
好ましい。また、これら磁性体にはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、
Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐ
ｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなどの非磁性元
素が多少含まれていても強磁性を失わない限り良い。
【００６１】反強磁性膜は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、
Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ等
が使用できる。非磁性層としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、
Ｉｒ、Ｒｈ、Ａｇなどを用いることができる。反強磁性
結合として用いる場合（ピン層の場合）は、Ｒｕ，Ｉ
ｒ，Ｒｈが好ましく、強磁性結合として用いる場合（記
録層の場合）は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇが好ましいが、膜厚
等により調整も可能なので、これらに限られるものでは
ない。
【００６２】本発明の誘電体または、絶縁層としては、
Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＡｌＮ，ＡｌＯＮ、Ｇａ
Ｏ、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3などの様々な
誘電体を使用することができる。これらは、酸素、窒素
欠損が存在していても構わない。
【００６３】誘電体層の厚さはＴＭＲの接合面積に依存
し、３ｎｍ以下であることが好ましい。基板は特に制限
はなく、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等各種基板
上に作製できる。その上に、下地層，保護層として、Ｔ
ａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の単層膜や、Ｔｉ／Ｐ
ｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ等の積層膜を
用いることが好ましい。
【００６４】次に、上述の第１乃至第３の実施形態で述
べた磁気抵抗効果素子を作製するための製造方法につい
て述べる。一般にこのような素子形成は、膜形成後にレ
ジストを塗布し、光・電子ビーム・Ｘ線のいずれかを用
いてパターンを形成し、現像してレジストパターンを形
成、これをマスクとしてイオンミリングまたはエッチン
グを行ない、パターンを形成した後、レジストを剥離す
るというプロセスを経て行なわれる。
【００６５】比較的大きなサイズ、例えばミクロンオー
ダーの磁気抵抗効果素子を作製する場合には、ＴＭＲ膜
をスパッタ後に酸化シリコン、窒化シリコン等のハード
マスクを作製し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）に
より、例えば図２や図７に示されるような本発明におけ
る磁気抵抗効果素子のパターンを形成する。この試料を
イオンミリングすることで磁気抵抗効果素子が作製でき
る。
【００６６】より小さい磁気抵抗効果素子、例えば、２
〜３μｍ程度から０．１μｍ程度のサブミクロンサイズ
の素子作製においては、光リソグラフィーを用いること
ができる。この場合は、あらかじめ本発明における磁気
抵抗効果素子の形状パターンを持つハードマスクを作製
しておき、パターン形成することで作製できる。
【００６７】さらに小さなサイズ、例えば０．５μｍ程
度以下の素子作製については、電子ビーム露光を用いる
ことができる。しかし、この場合には素子自体が小さい
ため、本発明におけるエッジドメイン領域を広げるため
の形状部分はさらに小さくなり、作製が大変困難にな
る。
【００６８】上記のような小さなサイズの素子を作製す
るために、電子ビームの近接効果補正を利用することも
できる。通常、近接効果補正は、電子ビームの基板から
の後方散乱により生じる図形内近接効果を補正し、正し
いパターンを形成するために用いられるものである。例
えば、長方形のパターンを形成する場合、頂点付近では
蓄積電荷量が不足し、長方形の頂点が丸くなるという現
象がみられる。頂点をはっきりさせるために、頂点付
近、特に０．５μｍ程度以下の素子の場合には、図形の
外側に補正点ビームを打ち込んで蓄積電荷量を増やすこ
とで、正常なパターンを得ることができる。この方法を
応用して素子端部の幅が広がった本発明の形状を形成す
ることができる。
【００６９】例えば、第１あるいは第２の実施形態の図
２あるいは図７の形状を形成する場合、長方形を基本パ
ターンとし、相対する２頂点付近にそれぞれ補正点ビー
ムを打ち込むことで端部の幅の広い形状が形成可能とな
る。
【００７０】この時、通常の近接効果補正の場合に比べ
て打ち込む電荷量を多くするか、または補正点ビームの
打ち込み位置を適当に調節するか、またはその両方を用
いて、頂点を回復する以上に形状を補正することができ
る。そのようにすることにより、本発明の形状を形成す
ることが可能となる。さらに，例えば図２の素子形状を
形成するために、複数点の補正点ビームを照射すること
も可能である。
【００７１】上記のように、長方形の端部が幅広の本発
明の形状を実現するためには、長方形の素子を形成後補
正ビームを打つことで形成できるが、その前段階にサブ
ミクロンの微細な長方形形状を実現する必要がある。従
来技術では、このような形状を実現しようとすると角部
が丸くなってしまう問題があった。第４乃至第６の実施
形態では、このような問題を解決する実施形態について
説明する。
【００７２】（第４の実施形態）図１４は、本発明の製
造方法の主旨を模式図で示したものである。前述のよう
に、通常のリソグラフィで矩形形状を形成した場合、フ
ォトリソグラフィでは約０．５μｍ以下、ＥＢリソグラ
フィでも約０．２μｍ以下になると、矩形形状の角の先
鋭化が著しく失われてしまう。この問題に対する対策と
して、フォトリソグラフィでは光の反射に対する近接効
果補正、ＥＢリソグラフィでは電子の後方散乱に対する
近接効果補正が検討されているが、補正の操作に時間が
かかるという問題があり、また０．１μｍサイズでは十
分な効果を上げられない。
【００７３】それに対し、リソグラフィにおける線状パ
ターンの幅制御性は非常に良く、フォトリソグラフィで
も０．２μｍ以下の幅、ＥＢリソグラフィならば０．１
μｍ以下の幅を正確に規定することが出来る。この事実
を応用すると、図１４に示すように、目的の矩形パター
ン５１（斜線部）を形成するために、まず第１の線状パ
ターン５２をリソグラフィで形成してマスク層としてそ
れ以外の領域をドライエッチングで除去する。その後、
第２の線状パターン５３を第１の線状パターンと直交す
るようにリソグラフィで形成してマスクとし残った矩形
外の領域をドライエッチング除去する。これにより、矩
形パターンの角部５４として非常に先鋭なパターンを形
成することが出来る。
【００７４】図１４の方法を基本として、以下の実施形
態に述べるように、種々な形に変形して適用することが
出来る。
【００７５】まず第４の実施形態として、線状パターン
形成とドライエッチングを２回繰り返すことによりＴＭ
Ｒ素子の接合部形状を角部の先鋭性を保ったまま形成し
た方法について説明する。
【００７６】図１５乃至図２６は上記のような角部の先
鋭性が保たれたＴＭＲ素子の作製プロセスを説明するも
のであり、各工程毎に右側（ｂ）に上面図と左側（ａ）
に接合部の中心付近の（上面図中のＡ−Ａ’線に沿っ
た）断面図を示す。
【００７７】まず、図１５に示すように、Ｓｉからなる
基板６１上全面にＴａの下部配線層６２、磁性金属の多
層膜を含む強磁性体／絶縁体／強磁性体構造からなる磁
気トンネル接合（ＭＴＪ）層６３、Ｔａのコンタクト層
６４を連続的に堆積する。上面図には、後にＴＭＲ素子
（接合部）６５となる領域を破線で示している。
【００７８】次に図１６に示すようにフォトリソグラフ
ィにより下部配線のパターンを形成した後、レジスト
（不図示）をマスクとしてＣｌ2 とＡｒの混合ガスによ
る反応性ドライエッチングを用いて下部配線パターンを
基板面までエッチングする。
【００７９】次に図１７に示すように、ドライエッチン
グしたパターン全体をＳｉＯx の絶縁層６６で埋め込
み、ＣＭＰまたはエッチバックのプロセスによりＴａの
コンタクト層が露出するまで平坦化を行う。
【００８０】次に図１８に示すように、接合部を形成す
るための第１の線状パターンを目的とする接合部の長さ
よりも長い範囲にわたるようにレジスト６７によって形
成する。このとき、第１の線状パターンの幅はこのＴＭ
Ｒ素子の最小寸法となるが、０．１μｍ程度までならば
フォトリソグラフィにより容易に制御性良く形成するこ
とが出来、またそれ以下の場合はＥＢリソグラフィで形
成すればよい。
【００８１】次に図１９に示すように、レジスト６７の
線状パターンをＴａのコンタクト層６４に転写し、その
後レジスト６７を剥離する。この時、Ｆ系の反応ガスと
して例えばＳＦ6 を用いて反応性のドライエッチングを
行うと、レジスト６７による線状パターンを正確にＴａ
のコンタクト層６４およびＳｉＯx絶縁層６６に転写す
ることが出来る。また、ＭＴＪ層６３の磁性金属はＦ系
ガスのドライエッチングに対して耐性があるため、Ｔａ
のコンタクト層６４だけを線状パターンに形成できる。
【００８２】次に図２０に示すように、Ｔａのコンタク
ト層６４をマスクとして下地のＭＴＪ層６３をイオンミ
リングする。ここで、Ｔａはイオンミリングに対しては
ハードマスクとして十分な耐性を持つため、ビームエネ
ルギー４００ｅＶのＡｒイオンミリングをＴａの下部配
線層６２が露出するまで行った場合にもマスクの後退や
膜厚の減少は少なく、Ｔａの線状パターン６４を良好に
ＭＴＪ層６３に転写することが出来る。
【００８３】上記のＭＴＪ層６３のエッチングには、イ
オンミリングに代えて、Ｃｌ2 とＡｒの混合ガスによる
反応性ドライエッチングを用いてもよい。この場合、マ
スク層としては、ダイヤモンドライカーボン（ＤＬ
Ｃ），ＡｌＯx 、ＳｉＯ2 や多層レジストマスク等のＣ
ｌ系エッチング耐性に優れたものを用いる。同時にエッ
チングする絶縁膜６６（６６´）にはＴＥＯＳ等のやや
Ｃｌ系エッチング耐性を弱めたものを用いることが好ま
しい。また、この場合はコンタクト層６４上にマスク層
を予め形成しておく必要がある。
【００８４】次に図２１に示すように、再びＳｉＯＸの
絶縁層６６´で埋め込み、平坦化を行ってＴａのコンタ
クト層６４を露出させる。続いて図２２に示すように、
接合部の残った他の２辺を規定し、かつ接合部に対して
十分に長い第２の線状パターンを有するレジスト６８
を、フォトリソグラフィによって形成する。
【００８５】次に図２３に示すように、レジスト６８に
よる第２の線状パターンをＦ系の反応性ガスを用いてド
ライエッチングにより、下地のＴａのコンタクト層６４
に転写する。
【００８６】次に図２４に示すように、Ｔａのコンタク
ト層６４に形成された第２の線状パターンをハードマス
クとして用いて、イオンミリングによりＴａの下部配線
層６２に達するまでＭＴＪ層６３をエッチングする。こ
の工程迄で、ＭＴＪ層６３は最終的なＴＭＲ素子６５の
形状に加工され、その接合部の矩形形状は、角部の先鋭
性を保ったまま形成される。
【００８７】第４の実施形態では、接合部の形状として
矩形の場合を示しているが、第２の線状パターンを第１
の線状パターンに直交させるのではなく、傾けて形成す
ることも可能であり、その場合にはやはり低保持力特性
をもつ並行四辺形の接合部を形成することができる。
【００８８】次に図２５に示すように、再度全体をＳｉ
Ｏx 絶縁膜で埋め込み、平坦化して、Ｔａのコンタクト
層６４を露出させる。最後に図２６に示すように、Ｔｉ
／ＴｉＮ／ＡｌＣｕ／Ｔｉからなる上部配線層６９を全
面に堆積した後、フォトリソグラフィとドライエッチン
グによりパターニングを行うことにより、角部が直角に
形成された長方形のＴＭＲ素子６３が完成する。
【００８９】また、前述したような接合部６３を形成し
た後に上部配線層６９を形成するプロセスの他にも、図
２１の後の工程として、先に上部配線層を全面に堆積し
た後、第２の線状パターンを形成し、その後に上部配線
ごと接合部を線状にパ夕一ニングするプロセスも可能で
ある。その場合は上部配線形成のためのリソグラフィプ
ロセスが不要になるという利点がある。
【００９０】さらにまた、上部配線を第２の線状バ夕一
ン形成と同時に行う場合にば、ＭＲＡＭに好適な矩形形
状として第２の線状パターン幅は幅広いものを形成する
ことが出来るため、ＴＭＲ素子の接合部に電流磁界を印
加する主要な配線として働く上部配線の幅を、より高磁
場印加が可能な幅広い状態で形成することも可能であ
る。
【００９１】（第５の実施形態）次に第５の実施形態と
して、線状パターン形成とドライエッチングを２回繰り
返すことにより、ＴＭＲ素子の接合部形状を角部の先鋭
性を保ったままエッチングするためのハードマスクを形
成する方法について説明する。
【００９２】図２７乃至図３８は、角部が直角の微細な
ＴＭＲ素子の作製プロセスを説明するものであり、各工
程毎に右側に上面図（ｂ）と左側に接合部の中心付近の
（上面図のＡ−Ａ’線に沿った）断面図を示す。図２７
から図２９までの工程は、図１５から図１７までの工程
と全く同様とすることができるため、ここでは重複する
説明を省略する。但し、７１はＳｉ基板６１、７２はＴ
ａの下部配線層、７３は磁性金属の多層膜を含む強磁性
体／絶縁体／強磁性体構造からなる磁気トンネル接合
（ＭＴＪ）層、７４はＴａのコンタクト層、７５は後に
ＴＭＲ素子（接合部）となる領域である。
【００９３】図２９の工程に引き続き、図３０に示すよ
うに、平坦化した表面全体に接合部を規定するためのド
ライエッチングマスクとなるＣｒのマスク層７７を堆積
する。
【００９４】次に図３１に示すように、第１の線状パタ
ーンを有するレジスト７８をフォトリソグラフィにより
形成する。次に図３２に示すように、レジスト７８によ
る第１の線状パターンをＣｌ2 とＯ2 の混合ガスによる
ドライエッチングを用いて下地のＣｒマスク層に転写す
る。この時、Ｃｒのマスク層が薄いことにより、Ｃｒマ
スク層のドライエッチングを行っても下地のＴａ７４、
およびＳｉＯx 絶縁膜７６の平坦性には殆ど影響を与え
ない。
【００９５】次に図３３に示すように、第２の線状パタ
ーンを有するレジスト７９を第１の線状パターン（７
８）と直交するようにフォトリソグラフィにより形成す
る。
【００９６】次に図３４に示すように、レジスト７９の
第２の線状パターンをやはりＣｌ2とＯ2 の混合ガスに
よるドライエッチングを用いて下地のＣｒマスク層７７
に転写する。こうして２回の線状パターン形成とドライ
エッチングの工程により、Ｃｒマスク層７７は最終的な
接合部７５の形状として角部の先鋭性が保たれたままパ
ターニングされる。
【００９７】ここで、以下に述べるようにこのＣｒマス
ク層７７と下地のＴａコンタクト層７４のドライエッチ
ング選択比が大きいことにより、Ｃｒマスク層７７の膜
厚は約２０ｎｍと薄く形成することが出来るため、図３
２の第１の線状パターンの転写後は、特に埋め込みと平
坦化の工程を経ることなく、図３３あるいは図３４とい
った第２の線状パターンの形成と転写を、接合部の形状
を損なうこと無しに行うことが出来る。
【００９８】次に図３５に示すように、良好な矩形パタ
ーンとして形成されたＣｒマスク層７７を用いて、ＳＦ
6 のドライエッチングによりＴａのコンタクト層７４を
エッチングする。
【００９９】次に図３６に示すように、良好な矩形パタ
ーンとして形成されたＴａコンタクト層７４をマスクと
して用いて、ＡｒイオンミリングによりＭＴＪ層７３を
下地のＴａの下部配線層７２が露出するまでエッチング
する。
【０１００】ＭＴＪ層７３のエッチングには、第４の実
施形態と同様に、Ａｒイオンミリングに代えて、Ｃｌ2
とＡｒの混合ガスによる反応性ドライエッチングを用い
てもよい。
【０１０１】その後は第４の実施形態と同様に、図３７
に示すように全体をＳｉＯx絶縁層７６´で埋め込んで
平坦化し、図３８に示すよう上部配線８０を形成してＴ
ＭＲ素子（接合部）７５の形成プロセスは完了する。
【０１０２】ここで、接合部を規定するためのマスク層
としては、ＤＬＣやポリイミド等の非感光性有機材料を
用いることも出來る。これらの材料をマスク層をして用
いた場合には、そのパターニングにはＯ2を反応性ガス
としたドライエツチングを用いることが出来るため、下
地の金属コンタクト層との選択比を非常に大きくとるこ
とが出来るため、マスク層のパターニングの際に、下地
の平坦性が損なわれる心配が殆ど無い。但し、その場合
は最初に線状パターンを規定するフオトリソグラフィに
おいて、シリル化プロセスといったレジスト表面の耐Ｏ
2プラズマ処理、もしくは多層レジストプロセスが必要
である。また、ＤＬＣや非感光性有機材料は非晶質であ
るために、０．１μｍオーダーの微小パターンを形成し
た場合にも、非常に平滑な側壁形状が得られるといった
特長を持つ。
【０１０３】第５の実施形態においても、角部が直角に
形成された長方形のＴＭＲ素子を得ることができる。
【０１０４】（第６の実施形態）次に第６の実施形態と
して、線状パターン形成とドライエッチングを３回繰り
返すことにより、ＴＭＲ素子の接合部形状をより低保持
力特性が得られるように形成する方法について説明す
る。
【０１０５】図５の接合部形状と保持力の関係のグラフ
から分かるように、（ａ）の角部が十分先鋭化している
矩形パターンの他にも、（ｂ）の矩形の対角する２つの
角を落としたような図形も、比較的低保持力特性が得ら
れると考えられる。
【０１０６】図５の（ｂ）のような接合部形状は、図３
９に示すように、線状パターン８２、８３，８４の形成
とドライエッチングを３回繰り返すことにより、斜線部
で示した接合部８１として、正確に得ることが出来る。
さらにまた、このような線状パターン形成とエッチング
を複数回繰り返すことにより、非常に精度良く、こうい
った凸多角形の接合形状を得ることも可能である。
【０１０７】このような、複数回の線状パターン形成と
ドライエッチングというプロセスは第４の実施形態のよ
うな接合部まで線状パターンでエッチングしてしまう方
法と第５の実施形態のようなマスク層だけを線状パター
ンでエッチングする方法の両方、もしくはその併用の方
法に適用できることは明らかである。
【０１０８】さらにまた、上記の多重線状パターン形成
の手法を、ＭＲＡＭにおいて格子状に配列される複数の
ＴＭＲ素子の形成に用いる場合には、リソグラフィ工程
を効率化させることができる。
【０１０９】（第７の実施形態）第７の実施形態とし
て、本発明の第２の実施形態（図７）のＴＭＲ素子の製
造方法を説明する。図４０に示すように、第１の線状パ
ターン９２をフォトリソグラフィで形成する際に、同時
にＥＢ描画のスポット描画により、矩形となる端部で点
対象となる２点の位置に半円形状のパターン９３を追加
する。この時、レジストとしてＳＡＬ６０１等といった
電子線および遠紫外光に感度を有する化学増感型レジス
トを用いれば、フォトリソグラフィとＥＢリソグラフィ
を重ねて行うミックスアンドマッチの手法を用いること
ができ、一部に半球状の突起を有する線状パターン、即
ちＴＭＲ素子９１を形成することが出来る。
【０１１０】ここで、一般にＥＢリソグラフィはプロセ
ススループットが低いプロセスではあるものの、上記の
ようなスポット描画だけならば直径５０ｎｍのパターン
を非常に高速に描画することが出来る。例えば、化学増
感型のＳＡＬ６０１レジストを用いて１００ｐＡのビ一
ム電流でスポット描画を行えば、メモリ容量１Ｇｂ１ｔ
に対応する約１０９個のスポットをわすか数分で描画す
ることが可能である。よつて、フオトリソグラフィによ
る約０．１μｍ幅の線状パターン露光とＥＢリソグラフ
ィによる直径約５０ｎｍのスポツト露光を組み台わせる
ことにより、ｌＧｂｉｔ相当のＭＲＡＭを生産性良く作
製することが出来る。
【０１１１】上記の強磁性トンネル接合は、磁気記録素
子、磁気抵抗効果型磁気へッド、磁気再生装置等に適用
することができる。以下、本発明の磁気抵抗効果素子の
応用例の実施形態を説明する。
【０１１２】（第８の実施形態）第８の実施形態では、
本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録装置（ＭＲＡＭ）
に適用した例を説明する。
【０１１３】一般に、ＭＲＡＭにおいては、小さなダイ
サイズで大容量であることが要求される。従って、配線
幅は勿論のこと、各セルの面積は必然的に小さくならざ
るを得ない。しかし、本発明の磁気抵抗効果素子を用い
ることによりスイッチング磁場が低減できるため。記憶
ビットの書き込みの際に必要な書き込み電流が小さくて
済み，消費電力を抑え，かつ高速なスイッチングが可能
となる。従って，本発明の磁気素子は、ＭＲＡＭのセル
に用いるのに好適である。
【０１１４】図４1は個別の記録素子の構成を説明する
ための断面図、図４２はＭＲＡＭの摸式的な回路図であ
る。
【０１１５】ＭＲＡＭは、図４２に示すように、ローデ
コーダ１４０で制御される複数の読み出しワード線ＷＬ
１（１２２）と、カラムデーダ１５０で制御され、ワー
ド線１２２と交差する複数のビット線ＢＬ（１３４）を
備える。ワード線１２２とビット線１３４の各交点に
は、本発明の磁気抵抗効果素子（例えば第３の実施形態
の１０、２０、３０、４０、或いは第７の実施形態の９
１等）と、ワード線１２２によりその導通が制御される
スイッチ（導通制御素子）としてのＭＯＳＦＥＴ１２０
を備える。また、読み出しワード線１２２と平行方向
に、磁気抵抗素子１０に近接して延在する書き込みワー
ド線ＷＬ２（１３１）を備える。
【０１１６】各メモリ素子は図４０のように構成されて
いる。半導体基板の表面にＭＯＳＦＥＴ１２０を形成す
る。１２３，１２４がソース・ドレイン領域であり、ゲ
ート電極１２２が延在して形成され、ワード線ＷＬ１
（１２２）となる。ソース・ドレイン領域の一方１２４
に接続したコンタクト１３２を介して、下地配線１３３
が形成されており、この下地配線１３３とビット線１３
４の間に本発明の磁性抵抗効果素子１０を形成する。ま
た、磁気抵抗効果素子１０に近接して書き込み用のワー
ド線ＷＬ２（１３１）を形成する。
【０１１７】なお、ＭＯＳトランジスタの代わりにダイ
オードを本発明の磁気抵抗効果素子と積層してＭＲＡＭ
を構成してもよい。即ち、ワード線上にダイオードと本
発明の磁気抵抗効果素子からなるセルを積層して形成
し、磁気抵抗効果素子上にビット線を配置して形成し、
さらにこのセルを多数個アレイ状に配置することで、Ｍ
ＲＡＭが構成できる。このようなＭＲＡＭは、携帯電話
等の形態端末のメモリ部に搭載できる。
【０１１８】（第９の実施形態）第９の実施形態は、本
発明の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに応用した例を説
明する。
【０１１９】図４３は、第３の実施形態の磁気抵抗効果
素子１０（２０、３０、４０、９１であってもよい）を
搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチ
ュエータアーム３０１は、磁気ディスク装置内の固定軸
に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイ
ルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアー
ム３０１の一端にはサスペンション３０２が固定されて
いる。サスペンション３０２の先端には信号の書き込
み、および読み取り用のリード線３０４が配線され、こ
のリード線３０４の一端はヘッドスライダ３０３に組み
込まれた磁気抵抗効果素子１０の各電極に接続され、リ
ード線３０４の他端は電極パッド３０５に接続されてい
る。
【０１２０】図４４は、図４３に示す磁気ヘッドアセン
ブリを搭載した磁気ディスク装置（磁気再生装置）の内
部構造を示す斜視図である。磁気ディスク３１１はスピ
ンドル３１２に装着され、図示しない駆動装置制御部か
らの制御信号に応答する図示しないモータにより回転す
る。
【０１２１】アクチュエータアーム３０１は固定軸３１
３に固定され、サスペンション３０２およびその先端の
ヘッドスライダ３０３を支持している。磁気ディスク３
１１が回転すると、ヘッドスライダ３０３の媒体対向面
は磁気ディスク３１１の表面から所定量浮上した状態で
保持され、情報の記録再生を行う。
【０１２２】アクチュエータアーム３０１の基端にはリ
ニアモータの一種であるボイスコイルモータ３１４が設
けられている。ボイスコイルモータ３１４はアクチュエ
ータアーム３０１のボビン部に巻き上げられた図示しな
い駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配
置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路と
から構成されている。
【０１２３】アクチュエータアーム３０１は、固定軸３
１３の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリ
ングによって支持され、ボイスコイルモータ３１４によ
り回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１２４】上記のように本発明の磁気抵抗効果素子を
使用した磁気ヘッドあるいは磁気再生装置は、従来の磁
気抵抗効果素子より高速で安定した動作と大容量化が可
能になる。
【０１２５】
【発明の効果】本発明の磁気抵抗効果素子においては、
保磁力が小さく、またスイッチング磁場が小さい。この
素子を磁気メモリのメモリセルとして用いた場合、磁化
反転に必要な磁場を生成するための書き込み配線電流を
小さくすることができる。従って、本発明の磁気素子を
メモリセルとした磁気メモリでは高集積化が可能であ
り、かつ、消費電力を低減するともに、スイッチング速
度を高速化することが可能となる。
【０１２６】また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方
法によれば、上記の素子を容易なプロセスで、歩留まり
良く製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における磁気抵抗効果素子の概略平面
図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子で、磁化の方向を示した平面図。
【図３】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化
ヒステリシス図。
【図４】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化
反転過程を示した図。
【図５】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ｇ）
の保磁力を他のさまざまの形状を持つ素子（（ａ）〜
（ｆ））の保磁力と比較した図。
【図６】本発明に対する比較例のひとつの形状と磁化の
方向を示した図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子の形状と磁化の方向を示した平面図。
【図８】第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化
ヒステリシス図。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素
子の断面図。
【図１０】第３の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子
の断面図。
【図１１】第３の実施形態に係る更に他の磁気抵抗効果
素子の断面図。
【図１２】第３の実施形態に係る更に他の磁気抵抗効果
素子の断面図。
【図１３】第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子
（ｅ）の保磁力を他のさまざまの形状を持つ素子
（（ａ）〜（ｄ））の保磁力と比較した図。
【図１４】本発明の磁気抵抗効果素子の形成法の概念を
説明する模式的な平面図。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果
素子の作製プロセスを説明するための素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１６】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１７】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１８】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１９】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２０】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２１】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２２】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２３】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２４】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２５】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２６】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２７】本発明の第５の実施形態に係る磁気抵抗効果
素子の作製プロセスを説明するための素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２８】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２９】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３０】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３１】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３２】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３３】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３４】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３５】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３６】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３７】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３８】前図に続く工程を説明する素子の断面図
（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３９】本発明の第６の実施形態に係る磁気抵抗効果
素子の製造方法を説明する模式的な平面図。
【図４０】本発明の第７の実施形態に係る磁気抵抗効果
素子の製造方法を説明する模式的な平面図。
【図４１】本発明の第８の実施形態に係るＭＲＡＭの１
セルの構成を示す摸式的な断面図。
【図４２】第８の実施形態のＭＲＡＭの回路図。
【図４３】本発明の第９の実施形態に係る磁気ヘッドの
摸式的な斜視図。
【図４４】第９の実施形態に係る磁気ヘッドを使用した
磁気再生装置の摸式的な斜視図。
【図４５】微小な磁性体において現われる一般的な磁気
的構造を示した図。
【図４６】従来の磁気抵抗効果素子の作製プロセスを断
面図と平面図の対で段階的に示す図。
【符号の説明】
１、３，５、１１，１３，１５、１１−１，１１−２…
強磁性層 ２，１２，１４…バリア層 １６，１７…非磁性層 １０，２０，３０，４０…磁気抵抗効果素子 ６１、７１…Ｓｉ基板 ６２、７２…下部配線線層 ６３、７３…ＭＴＪ層 ６４、７４…コンタクト層 ６５、７５…接合部（ＴＭＲ素子） ６６、６６´、７６，７６´…絶縁層 ６７、６８、７７、７８…フォトレジスト（マスク層） ６９、８０…上部配線層 ８１、９１…接合部（ＴＭＲ素子） ８２、９２…第１の線状パターン ８３、９４…第２の線状パターン ８４…第３の線状パターン ９３…ＥＢ描画パターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｆ 10/16 Ｈ０１Ｆ 10/32 10/32 Ｈ０１Ｌ 43/12 Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｇ０１Ｒ 33/06 Ｒ 43/12 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ (72)発明者 中島 健太郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 天野 実 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 砂井 正之 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 斉藤 好昭 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AB07 AD55 AD65 5D034 BA03 BA08 BA15 DA07 5E049 AA01 AA04 AA07 AA09 AC00 AC05 BA12 CB02 DB12 5F083 FZ10 GA09 GA27 GA30 JA39 JA56 PR01 PR03 PR04 PR39 PR40

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の強磁性層と、この第１の強磁性層
    上に形成された絶縁体層と、この絶縁体層上に形成され
    た第２の強磁性層を有し、前記絶縁体層をトンネルして
    前記第１の強磁性層と第２の強磁性層の間にトンネル電
    流が流れ，そのトンネル電流または前記第１および第２
    の強磁性層間に生じる電圧を検出する磁気抵抗効果素子
    であって，その平面形状が，中央部分の幅より端部の幅
    が大きいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 【請求項２】 前記第１および第２の強磁性層の少なく
    とも一方が、第３の強磁性層と、この第３の強磁性層上
    に形成された非磁性層と、この非磁性層上に形成された
    第４の強磁性層を含むことを特徴とする請求項１に記載
    の磁気抵抗効果素子。
  3. 【請求項３】 第１の強磁性層と、この第１の強磁性層
    上に形成された第１の絶縁体層と、この第１の絶縁体層
    上に形成された第２の強磁性層と、この第２の強磁性層
    上に形成された第２の絶縁体層と、この第２の絶縁体層
    上に形成された第３の強磁性層とを有する磁気抵抗効果
    素子であって、その平面形状が，中央部分の幅より端部
    の幅が大きいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  4. 【請求項４】 前記第１、第２、第３の強磁性層の少な
    くとも１層が、第４の強磁性層と、この第４の強磁性層
    上に形成された非磁性層と、この非磁性層上に形成され
    た第５の強磁性層を含むことを特徴とする請求項３に記
    載の磁気抵抗効果素子。
  5. 【請求項５】 前記平面形状が，磁化容易軸に対して非
    対称で，膜面垂直方向を軸としてほぼ回転対称であるこ
    とを特徴とする請求項１乃至４に記載の磁気抵抗効果素
    子。
  6. 【請求項６】 複数のワード線と、この複数のワード線
    に交差する複数のビット線と、前記複数のワード線と複
    数のビット線の各交点において、前記ビット線とワード
    線の間に接続された請求項１乃至請求項５のいずれかに
    記載の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気
    ランダムアクセスメモリ。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の磁気ランダムアクセス
    メモリを搭載したことを特徴とする携帯端末装置。
  8. 【請求項８】 磁気検知部に請求項１乃至請求項５のい
    ずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴と
    する磁気ヘッド。
  9. 【請求項９】 磁気検知部に請求項１乃至請求項５のい
    ずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドを
    搭載することを特徴とする磁気再生装置。
  10. 【請求項１０】 少なくとも強磁性体／絶縁体／強磁性
    体の積層体からなる接合領域を形成し、この接合領域を
    横切る線状パターンのマスクを用いて前記接合領域をエ
    ッチングし、このマスクエッチングを位置を変えて複数
    回実施し、前記接合領域を所定の形状に加工することを
    特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記所定の形状の角部に対し、電子ビ
    ームによる加工をさらに加えることを特徴とする請求項
    １０に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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