JP2003078185A

JP2003078185A - 強磁性トンネル接合構造及びその製造方法並びに該強磁性トンネル接合を用いた磁気メモリ

Info

Publication number: JP2003078185A
Application number: JP2001265231A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Fukumoto; 能之福本; Atsushi Kamijo; 敦上條; Kenichi Shimura; 健一志村; Hisanao Tsuge; 久尚柘植
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】強磁性トンネル接合の接合部エッチング深さ制
御性の向上、接合面積の微小化に伴う磁気不安定性の抑
制、接合歩留まりの向上が可能な強磁性トンネル接合構
造及びその製造方法の提供。【解決手段】下部電極にピン層を有する交換バイアス型
強磁性トンネル接合または下部電極が硬質磁性層からな
る保磁力差型強磁性トンネル接合の接合部エッチング工
程において、フリー層または軟質磁性層２３の途中でエ
ッチングを停止し、エッチング終了後のエッチング面の
最表面にフリー層または軟質磁性層２３を残し、残留部
のシート抵抗がトンネル抵抗に比べて、１／１０以上、
好ましくは１０００倍以上となるように残留部の膜厚を
設定し、または残留部に表面処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性トンネル接
合及びその製造方法、並びに強磁性トンネル接合素子を
記憶素子に用いた磁気メモリー及びこれを磁場読み出し
センサー部に用いた磁気ヘッドの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】強磁性トンネル接合は、薄い絶縁層を二
つの強磁性層で挟んだ構造のデバイスであり、強磁性層
間のトンネル電流は二つの強磁性層の磁化の相対角に依
存して変化する。具体的には、相対角をθとするとcos
θという依存性を持つ。二つの強磁性層の保磁力が異な
るような磁性体を用いて、保磁力が大きい硬質磁性層が
磁化回転を起こさず、保磁力が小さい軟磁性層が磁化回
転を起こすような磁場範囲で磁気抵抗素子として使用す
るような強磁性トンネル接合を保磁力差型と呼ぶ。強磁
性トンネル接合の研究初期の頃はこの型の接合であった
（例えば、宮崎らの1995年、ジャーナル・オブ・マグネ
ティズム・アンド・マグネティック・マテリアルズ第13
9巻、L231ページ(T.Miyazaki et al:J.Magn.Magn.Mat.,
139,L231(1995))に記載されているような強磁性トンネ
ル接合）。

【０００３】しかしながら、保磁力差型強磁性トンネル
接合においては、硬質磁性層の磁化回転を完全に抑える
ことが難しく、硬質磁性層の磁化が回転すると、強磁性
トンネル接合におけるトンネル電流の変化は相対角θに
依存するため、抵抗の磁界感度が低下し、また両強磁性
層の完全な反平行状態が実現されないため、ＭＲ比も減
少する。

【０００４】保磁力差型強磁性トンネル接合の磁気的な
安定性向上のため、一方の強磁性層(ピン層と呼ばれる)
に反強磁性層を隣接し交換結合させることでその磁化回
転を抑え、もう一方の磁性層(フリー層と呼ばれる)のみ
が自由に回転する交換バイアス型強磁性トンネル接合の
構造が考案されており（米国特許第 5,841,692号、特開
平10-162,327号公報）、フリー層の磁化のみを外部磁場
で回転させて情報を記録し、トンネル電流を測定するこ
とでフリー層の磁化方向の情報を読み出すメモリー記憶
素子として用いることができる。このメモリーは、磁気
ランダムアクセスメモリ(ＭＲＡＭ：Magnetoresistive
Random Access Memory)と呼ばれる。

【０００５】強磁性トンネル接合ベタ膜の接合への加工
法としては、フォトリソグラフィーとイオンミリングを
用いることが一般的である。米国特許第5,841,692号で
は、イオンミリングを用いて下部電極と接合部のパター
ンを形成する方法が記載されている。接合部形成時のミ
リングをどこまで行うかについて、フリー層を完全にミ
リングし終えてトンネルバリアの最上面でミリングを停
止した構造と、下部電極の磁性層、反強磁性層全てをミ
リングし、最下層のリード電極層でミリングを停止した
構造が記載されている。しかし、それぞれの構造で得ら
れる効果の差異については言及がない。

【０００６】接合部のエッチングで下部磁性層全てをエ
ッチングした際に生じる問題として、ピン層とフリー層
の静磁結合が挙げられる。この静磁結合磁場は、フリー
層に対し磁気的なオフセット磁場を与える為、フリー層
のスイッチング磁場の方向非対称性を引き起こし問題と
なる。また、この静磁結合磁場は接合サイズが小さくな
るほど増大するため、ＭＲＡＭの高密度化に際してこの
影響は大きくなる。この問題の一つの解決法として、米
国特許第5,966,012号ではピン層を強磁性層/非磁性層/
強磁性層膜で置き換えた構造を提案している。この膜の
二つの強磁性層は反強磁性的に結合しており、それぞれ
の膜厚や磁性膜の種類を変えることによって、フリー層
への静磁結合磁場の大きさや方向をコントロールするこ
とができる。

【０００７】別の解決法として、ピン層とは別に静磁結
合磁場をフリー層にバイアスさせる専用の層（磁気バイ
アス層）をフリー層上方に設けた構造が米国特許第6,11
4,719号に記載されている。磁気バイアス層は硬質磁性
膜または強磁性層と反強磁性層を交換結合させた２層膜
から構成される。この方法では、ピン層を変えることな
く、磁気バイアス層の構成によりフリー層が受ける静磁
結合磁場を調整することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】接合部の加工におい
て、接合部のエッチングで下部磁性層全てをエッチング
した場合は、常に上記のピン層からフリー層へ静磁結合
磁場の問題が生じてしまう。これを解決するため、米国
特許第5,966,012号や米国特許第6,114,719号のような処
置を行う必要が生じる。しかしながら、ＭＲＡＭの高密
度化に際して、素子を微小化するほどピン層からフリー
層に及ぼす静磁結合磁場は増大し、その調整は困難にな
る。また、ピン層自身も反磁界を持つので十分にピン層
が固定されにくくなる。これらの問題は、接合部形成時
においてピン層が全く加工されないような構造の強磁性
トンネル接合であれば解決される。

【０００９】また、米国特許第5,841,692号の方法では
フリー層は完全に加工されており、フリー層側壁にはエ
ッチングで生じる再付着物が存在し、特にイオンミリン
グを用いて加工した場合には顕著となる。これらはフリ
ー層の磁化回転に悪影響を及ぼし、フリー層のスムーズ
な磁化回転を妨げる。また、フリー層側壁が外部に完全
に露出していることは、製造工程で用いる反応性ガスや
イオン衝撃による側面へのダメージを受けやすくなる。
ダメージによりフリー層の変質が生じると、フリー層の
スイッチング曲線の形が崩れ、良好な磁場スイッチング
特性が得られなくなり問題である。

【００１０】また、別の観点として、ミリングを用いて
下部強磁性層までエッチングを行った場合に、接合側面
に存在するミリング再付着物は一部フリー層とピン層の
間の電流バイパス経路となり、このような経路が存在す
るとスピン偏極されていないリーク電流が本来のトンネ
ル電流に対し並列に存在するため、ＭＲ比が低下する。
このようなリークパスが存在する接合はランダムにある
一定の確率で作製され、接合ショートの要因となり、最
終的には素子歩留まりの低下という形で現れる。この接
合側面のミリング再付着物によるリーク電流を無くすに
は、接合部のミリングをトンネルバリア層の手前まで加
工したところで止めればよく、ミリング再付着物がフリ
ー層とピン層を短絡することもなくなる。

【００１１】ところが、実際のイオンミリングを用いた
加工では、トンネルバリア層が7〜30Å（0.7〜3nm）と
非常に薄いこと、物理的な衝撃によってエッチングを行
うためトンネルバリア層と上部電極材料のエッチングの
選択性に大きな差がないこと、レイヤーバイレイヤーの
エッチングにはならず、部分的に深く削られるような状
態でエッチングが行われること、ミリング装置が持つミ
リングレートの基板面内分布により、米国特許第5,841,
692号に記載されているようなトンネルバリアを全くミ
リングせず、上部のフリー層のみを完全にミリングする
ような加工を基板上の全ての強磁性トンネル接合に対し
て行うことは困難であり、特に、ＭＲＡＭ等のデバイス
生産現場においては不可能に近い。

【００１２】また、反応性イオンエッチングのような化
学的なエッチング法を用いる場合にも、フリー層材料で
ある3d強磁性金属とトンネルバリア材料であるAl₂O₃ま
たはAlNについて高い選択比を持つエッチング方法は未
だ存在せず、またトンネルバリア層も薄いため、トンネ
ルバリア層直上でエッチングを止めようとしてもトンネ
ルバリア層をエッチングすることは避けられない。

【００１３】また、エッチングレートの基板面内分布は
必ず存在するものであり、この影響を極力小さくするた
めには、エッチング量を少なくすることによって基板面
内のエッチング深さの分布は小さくなり接合エッチング
工程の制御が容易となる。しかしながら、特に米国特許
第6,114,719号に記載されているような磁気バイアス層
を設けた強磁性トンネル接合などの接合部を加工する際
は、大きなエッチング量が必要となる。このとき、イオ
ンミリングを用いて接合部の加工を行い、トンネルバリ
ア層で加工を停止させようとしても基板上のエッチング
深さの面内分布が大きくなり、基板上全ての強磁性トン
ネル素子に対してトンネルバリア層でイオンミリングを
停止させることは困難であり、仮に可能であっても、そ
のエッチング許容誤差範囲は非常に狭くなり、歩留まり
は低下する。

【００１４】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであって、その第１の目的は、下部電極にピン層を有
する交換バイアス型強磁性トンネル接合、または、下部
電極が硬質磁性層からなる保磁力差型強磁性トンネル接
合において、エッチング再付着物や反応性ガスなどの製
造工程が引き起こすフリー層または軟質磁性層の磁化曲
線劣化を抑制し、同時にその磁化曲線の磁場印加方向の
非対称性を無くすことができる強磁性トンネル接合構造
及びその製造方法を提供することにある。

【００１５】また、本発明の第２の目的は、基板面内全
体での接合エッチング深さのばらつきを抑制して制御性
を向上させ、トンネルバリア層とピン層のエッチングを
確実に防止することができる強磁性トンネル接合構造及
びその製造方法を提供することにある。

【００１６】さらに、本発明の第３の目的は、接合エッ
チングによるエッチング再付着物を介した接合側面のリ
ーク電流を抑制し、エッチング面でのトンネルバリア層
やピン層に対するエッチングダメージが小さく、ピン層
自身の反磁場及びピン層からフリー層へ及ぼす静磁結合
を消失させた強磁性トンネル接合を歩留まり良く製造す
ることができる製造方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の強磁性トンネル接合は、少なくとも、下部
強磁性体層とトンネルバリア層と上部強磁性体層とが積
層され、その上層に形成される上部電極との接合領域以
外の前記上部強磁性体層がエッチングされて形成される
強磁性トンネル接合において、前記上部強磁性層のエッ
チング領域の少なくとも一部に、前記上部強磁性体層の
エッチング残留層が形成されているものである。

【００１８】本発明においては、前記上部強磁性体層の
前記エッチング残留層が、前記トンネルバリア層上全体
を覆うように連続的に形成されている構成、又は、前記
上部強磁性体層の前記エッチング残留層が、前記トンネ
ルバリア層上で部分的に形成され、前記トンネルバリア
又は前記下部強磁性体層が一部において露出している構
成とすることができる。

【００１９】また、本発明においては、前記エッチング
残留層のシート抵抗が、前記接合領域のトンネル抵抗に
対して所定の割合以上となるように、前記エッチング残
留層の膜厚が設定される構成とすることができ、前記上
部強磁性体層が、NiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、FeCo
Ni合金のいずれか一からなる場合において、前記エッチ
ング残さの膜厚が、５ｎｍ以下に設定されることが好ま
しい。

【００２０】また、本発明においては、前記エッチング
残留層のシート抵抗が、前記接合領域のトンネル抵抗に
対して所定の割合以上となるように、前記エッチング残
留層に表面処理層が形成されている構成とすることがで
き、前記表面処理層が、前記エッチング残留層を酸素プ
ラズマ雰囲気中で酸化した酸化膜、または、イオンミリ
ングによりイオン衝撃を加えた膜であることが好まし
い。

【００２１】また、本発明においては、前記エッチング
残留層のシート抵抗が、前記接合領域のトンネル抵抗に
比べて、１／１０以上に設定されることが好ましい。

【００２２】また、本発明においては、前記上部強磁性
体層が、含有元素の少なくとも一の元素が異なる複数の
層により構成され、前記多層構造の上部強磁性体層の各
々が、NiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金の中
から選択される組み合わせで構成されるものとすること
ができる。

【００２３】また、本発明においては、前記上部強磁性
層の上部に、ギャップ層を介して、強磁性体層と反強磁
性体層を積層した交換結合膜からなる磁気バイアス層が
配設されている構成とすることができ、前記磁気バイア
ス層の強磁性体層が、NiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、
FeCoNi合金のいずれか一であり、前記磁気バイアス層の
反強磁性体層が、FeMn合金、IrMn合金、PtMn合金、NiMn
合金、RhMn合金、NiO、α-Fe₂O₃のいずれか一であるこ
とが好ましい。

【００２４】また、本発明においては、前記強磁性トン
ネル接合が、下部強磁性体層が反強磁性体層によって交
換バイアスされた構造を持つ交換バイアス型強磁性トン
ネル接合、または、下部強磁性体層が硬質磁性層からな
る保磁力差型強磁性トンネル接合であることが好まし
い。

【００２５】本発明の磁気メモリは、上記強磁性トンネ
ル接合を用いたことを特徴とするものである。

【００２６】本発明の製造方法は、少なくとも、下部強
磁性体層とトンネルバリア層と上部強磁性体層とを積層
した後、その上層に形成する上部電極との接合領域以外
の前記上部強磁性体層をエッチングして形成する強磁性
トンネル接合の製造方法において、前記上部強磁性層の
エッチングに際し、前記上部強磁性層の途中でエッチン
グを停止し、エッチング領域の少なくとも一部に前記上
部強磁性体層のエッチング残留層を形成するものであ
る。

【００２７】本発明においては、前記上部強磁性層のエ
ッチングに際し、イオンミリングを用いて前記ギャップ
層の途中までイオンミリング法により加工した後、イオ
ンミリングで残された前記ギャップ層を反応性イオンエ
ッチング法により除去して前記上部強磁性体層を露出さ
せ、その後、前記上部強磁性体層をイオンミリング法に
より加工する構成とすることができる。

【００２８】すなわち、本発明の構成によれば、エッチ
ング面に残留する上部強磁性体層は、全くの連続膜か、
部分的に削られ、一部でトンネルバリア層もしくは下部
強磁性体層がエッチング面の最表面に露出している。強
磁性トンネル接合を流れる電流は、エッチング面に残留
する上部強磁性体層に分流し、磁気抵抗変化率は減少し
てしまう。しかしながら、上部強磁性層のシート抵抗を
接合パターン部のトンネル抵抗に比べて１／１０以上と
することにより、分流電流を減少させ、磁気抵抗変化率
を本来の値の２割以上確保することができる。さらに、
上部強磁性層のシート抵抗を接合パターン部のトンネル
抵抗に対して１０００倍以上とすれば本来の磁気抵抗比
の９割以上を確保できるので望ましい。

【００２９】エッチング面に残留する上部強磁性体層の
シート抵抗を接合部トンネル抵抗に対して十分高める手
段として、エッチング面に残留する上部強磁性体層の膜
厚を薄くする。ＭＲＡＭや磁気ヘッド用に用いる強磁性
トンネル接合については、上部強磁性体層としてNiFe合
金、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金を用いる場合、エ
ッチング面に残留する上部強磁性体層の膜厚を5nm以下
とすれば、そのシート抵抗は100Ω/□以上となり、少な
くとも接合部トンネル抵抗が1kΩ素子に対して1/10以上
とすることができる。さらに、そのエッチング残留膜厚
を2nm以下とすれば、そのシート抵抗は10^７Ω/□以上と
なり、トンネル抵抗が1kΩの素子に対してシート抵抗を
1000倍以上とすることができるので望ましい。また、接
合部トンネル抵抗が1kΩ以上の素子に対してもシート抵
抗を十分に大きくできる。

【００３０】前記したように、エッチング面上に残留し
た上部磁性体層の膜厚を薄くすること以外に、残留した
上部磁性体層に対して酸化またはイオン衝撃の処理を施
すことも、そのシート抵抗を接合部トンネル抵抗に対し
て十分に高める為に有効な手段となる。

【００３１】本発明では、接合部パターンのエッチング
時において厳密にエッチング深さを制御することが重要
となるが、そのために上部強磁性体層を複数層の構成
（例えば２層構成）とし、それぞれの強磁性体層を構成
する元素のうち少なくとも１つの元素が異なるようにす
る。厳密なエッチング制御を行う為に、通常エッチング
その場モニタリングは２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：
Secondary Ion Mass Spectroscopy）やプラズマ発光分
析を用いてエッチングにより試料から解離した元素信号
を分析することにより行うが、上部強磁性層をこのよう
な複数層構成にすることによってそれぞれの層からの解
離物を区別することが可能となり、ひいてはモニタリン
グ上で現在エッチングされている層をより明確にするこ
とができる。

【００３２】その際、トンネルバリア側の強磁性層は、
エッチングの終点検出層としての役割を担う。具体的に
上部強磁性層としてNiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、Fe
CoNi合金のいずれかより選択される２つであって、トン
ネルバリア側の終点強磁性層の膜厚を5nm以下とすれ
ば、エッチング終点検出層でエッチングを停止した際、
エッチング残留部の強磁性層は膜厚5nm以下のNiFe合
金、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金のいずれかで構成
され、前記のとおりそのシート抵抗は接合部トンネル抵
抗に対して十分高くなる。

【００３３】また、本発明の強磁性トンネル接合は、上
部強磁性層がトンネルバリアの上に残留し、上部強磁性
層は完全に加工されていない。このような構造において
は、上部強磁性層の側壁は、米国特許第5,841,692号に
記載されている従来構造に比べて上部強磁性層の側壁面
積をより小さくすることができる。また、接合部形成の
ためのミリング量も少ないので上部強磁性層側壁への再
付着物量は少なくなる。その結果、上部強磁性層へのエ
ッチング再付着物の影響や製造工程によるダメージが低
減され、上部強磁性層の磁化曲線の形状悪化を抑制でき
る。また、エッチング面においても上部強磁性層が残っ
ている領域ではトンネルバリア以下の層を製造工程によ
るダメージから保護することができる。

【００３４】本発明で作製される強磁性トンネル接合
は、下部強磁性層が加工されていない。このことは前記
の問題点を解決する効果を与えるが、反面、上部強磁性
層に下部強磁性層から意図的に静磁結合磁場を働かせて
磁気特性を改善させる手段を失っている。これは本発明
の構造では必ず生じる問題である。この問題を解決する
には、上部強磁性層の上部に非磁性のギャップ層を介し
て強磁性層と反強磁性層の交換結合膜からなる磁気バイ
アス層を設置させる構成とすればよい。その場合、接合
部の加工は、本発明である上部強磁性層の途中まで行う
ような方法にする。上部強磁性層の上部に設置された磁
気バイアス層は接合部形状に加工されており、上部強磁
性層と反強磁性的に結合する。これにより従来の下部強
磁性層からの静磁結合磁場と同様な効果を与えることが
できる。また、ギャップ層の厚さと磁気バイアス強磁性
層の厚さを変えることでその静磁結合磁場の大きさを設
定することができる。

【００３５】磁気バイアス層の材料については、反強磁
性層に対してはFeMn合金、IrMn合金、PtMn合金、NiMn合
金、RhMn合金、NiO、α-Fe₂O₃が好ましく、強磁性層に
対してはNiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金が
好ましい。

【００３６】この磁気バイアス層を設置させた強磁性ト
ンネル接合膜の接合部のエッチングを全てイオンミリン
グを用いて行おうとすると、通常よりもかなり厚い膜を
ミリングするため、ミリングレートの基板面内分布によ
り全ての素子のエッチング深さを均一にすることができ
ない。この解決法として、ギャップ層に導電性、非磁性
で、且つ反応性ガスを用いて上部強磁性層に対し選択的
にエッチングできるような材料を用いる。そして、接合
部エッチング工程を次のように行う。磁気バイアス層に
対しては、イオンミリングを用いて基板全体でギャップ
層までミリングした後にミリングを停止する。次に、ギ
ャップ層を反応性イオンエッチングでエッチングする。
この反応性イオンエッチングは、ギャップ層をエッチン
グし終えた後、上部強磁性層の最表面で停止するため、
先のイオンミリング工程で生じていたエッチング深さ分
布が均一となる。その後、再びイオンミリングを用いて
上部強磁性をミリングする。このときのエッチング量は
非常に少ないので最終的な接合部エッチング深さ分布は
基板全体で均一にすることができ、エッチングの制御性
も向上する。

【００３７】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態に係る強磁性
トンネル接合構造及びその製造方法について、図１乃至
図１３を用いて説明する。下部電極側にピン層を有する
交換バイアス型強磁性トンネル接合のベタ膜状態の断面
構造を図１に示す。交換バイアス型強磁性トンネル接合
は、基板１、下部リード電極シード層２、下部リード電
極層３、電極上シード層４、バッファー層５、反強磁性
層６、強磁性ピン層７、バリア層８、強磁性フリー層
９、保護層１０から構成されている。

【００３８】また、保磁力差型強磁性トンネル接合は、
図２に示すように、基板１、下部リード電極シード層
２、下部リード電極層３、電極上シード層４、硬質磁性
層（ハード磁性層）１１、バリア層８、軟質磁性層（ソ
フト強磁性層）１２、保護層１０とからなり、下部電極
側にハード強磁性層１１、上部電極側にソフト強磁性層
１２を配置した構造で構成される。どちらを用いた場合
でも製造方法や素子構造は共通である。以後、下部電極
にピン層を有する交換バイアス型強磁性トンネル接合
（図１の構造）を用いた場合について説明するが、保磁
力差型強磁性トンネル接合においても同様の効果を有す
る。

【００３９】図１で構成される強磁性トンネル接合膜形
成後の工程について説明する。まず、強磁性トンネル接
合膜上に、下部電極パターンのレジストを形成し、下部
電極形状に全層を基板までエッチングする。その後、図
４に示すように、接合部を形成するため、接合部レジス
ト１５を形成しエッチングを行う。その際、エッチング
モニタリング装置が装備されたエッチング装置を用い、
エッチングの進行をその場でモニタリングしながら、上
部フリー層が残したい膜厚になるまでエッチングされた
時点でエッチングを止める。

【００４０】なお、モニタリング装置としては、イオン
ミリングのような衝撃によるエッチングの際はＳＩＭＳ
管を用いるのが有効であり、反応性イオンエッチング等
の化学反応によるエッチングを用いるときは、分光器に
よるプラズマ発光の波長分析により行うのが有効であ
る。接合部エッチング直後の試料の断面図を図４に示
す。

【００４１】その後、図５（ａ）に示すように、上下電
極間の絶縁層１６を形成し、接合部のレジスト１５をリ
フトオフする。さらに上部リード電極パターンのレジス
トを形成し、上部リード電極層１７を成膜し、レジスト
をリフトオフすることによって強磁性トンネル接合が作
製される。その断面図を図５（ａ）に示す。

【００４２】ここで、接合部エッチングの終点検出を容
易にするためには、図３に示すように、フリー層を複数
層の構成（例えば、２層構成）とすることが有効であ
る。図３では、フリー層はトンネルバリア層８の直上の
終点検出フリー層１３及び上部フリー層１４の２層膜で
構成されている。フリー層を２層構成とするに当たっ
て、終点検出フリー層１３は磁性体であること、上部フ
リー層１４に対してモニタリング装置上で明確に区別す
ることができるように、その構成元素の中で少なくとも
一元素は上部フリー層１４に含まれない事、または逆に
上部フリー層１４に含まれている元素の内で少なくとも
一元素は終点検出フリー層１３に含まれないことが必要
である。このような２層のフリー層を用いて最終的な接
合に加工したときの断面図を図５（ｂ）に示す。

【００４３】なお、本発明の加工工程で重要な事項とし
て、図９（ａ）に示す接合部エッチング工程後のエッチ
ング面２６に残すフリー層膜厚２８は、接合パターン部
のトンネル抵抗を考慮して決定しなければならない。す
なわち、パターン部のトンネル抵抗に対してエッチング
部で残されたフリー層のシート抵抗が小さすぎると、強
磁性トンネル接合の全電流は接合パターン部以外の部分
へ分流して流れる電流の寄与が大きくなり抵抗変化率が
減少するため、接合部のトンネル抵抗に対してエッチン
グで残されたフリー層のシート抵抗はある割合の範囲に
設定しなければならない。以下にその範囲の設定方法に
ついて考察する。

【００４４】本発明の強磁性トンネル接合の模式図を図
６（ａ）、（ｂ）に示す。なお、図６に記載した下部電
極２１は、図１乃至図５では基板１上かつトンネルバリ
ア層８より下層の積層体全体（すなわち、図１及び図３
乃至図５では下部リード電極シード層２からピン層７ま
で、図２では下部リード電極シード層２から硬質磁性層
１１まで）を指すものとする。また、図６のフリー層又
は軟質磁性層２３は、図１ではフリー層９、図２では軟
質磁性層１２、図３では上部フリー層１４及び終点検出
フリー層１３を指すものとする。また、この接合の等価
回路を図７に示す。I_tが接合部のトンネル電流で、I_sが
接合部以外への分流電流である。接合部のトンネル抵抗
をR_0t、フリー層エッチング残留部のシート抵抗をr_s、
フリー層残留部直下のトンネルバリア層の規格化トンネ
ル抵抗をr_tとする。下部電極２１の長さが無限大の場合
において、本発明で得られるＭＲ比の元のＭＲ比に対す
る割合の、接合部トンネル抵抗／シート抵抗比（＝R_0t/
r_s）に対する依存性の計算結果を図８に示す。縦軸につ
いて100%の時が接合パターン部以外への電流分流効果が
存在しない場合である。

【００４５】図８から、シート抵抗が接合部トンネル抵
抗に対して相対的に小さくなると、接合パターン部以外
に電流が分流し、得られるＭＲ比が減少する。シート抵
抗が接合部トンネル抵抗に対して1/10以下になったとき
ＭＲ比としては本来のＭＲ比の20%以下に減少する。こ
こで強磁性トンネル接合がその最大値の50%のMR比を示
す時、上述したように図８における縦軸の100%が接合パ
ターン部以外への電流分流効果が存在しない場合、すな
わちＭＲ比が50%となる場合である。MRAMで必要なMR比1
0%以上を維持するには、本発明で得られるＭＲ比の元の
ＭＲ比に対する割合を20%以上とすることが必要であ
る。従って、シート抵抗は接合部トンネル抵抗に対して
少なくとも1/10倍以上に設定する必要がある。

【００４６】なお、シート抵抗は接合部トンネル抵抗に
対して1/10倍以上であっても、シート抵抗が接合部トン
ネル抵抗に比べ大きいほど接合パターン部以外への電流
分流効果が小さくなりＭＲ比の減少を防ぐことができる
為、シート抵抗／接合部トンネル抵抗比は大きい方が望
ましい。例えば、本発明を用いて作製した強磁性トンネ
ル接合においては、シート抵抗／接合部トンネル抵抗比
を1000以上に設定した場合、得られるＭＲ比は膜固有の
ＭＲ比の90%以上となるのでこの範囲にフリー層残留部
膜厚を設定することがより望ましい。なお、シート抵抗
／接合部トンネル抵抗比は、所望するＭＲ比に応じて適
宜設定することができる。

【００４７】このように、本発明においては、フリー層
２３をエッチングで残す膜厚が重要である。その際に必
要なフリー層エッチング残留部膜厚について説明する。
図９（ａ）に接合部エッチング時のトンネルバリア層２
２付近の断面図を示す。エッチング面２６においてはフ
リー層２３の途中までエッチングが行われている。エッ
チング面のフリー層２３の拡大図を図９（ｂ）、（ｃ）
に示す。それぞれ、エッチング後のフリー層エッチング
残留部２７が完全にトンネルバリア層２２を覆っている
図９（ｂ）のような状態と、部分的にフリー層２３が削
られて表面にトンネルバリア層２２、またはピン層２５
が露出している図９（ｃ）のような構造が想定される。
エッチングの方法によってエッチング面２６のフリー層
２３の残り方はこれらのどちらかになる。特に、ミリン
グのような物理衝撃によるエッチングでは、図９（ｃ）
のような状態になりやすい。

【００４８】Ni₈₁Fe₁₉をフリー層２３として用いた場合
について、図１０（ａ）に熱酸化膜つきSi基板上に成膜
したNi₈₁Fe₁₉単層膜をミリングした後のミリング残留膜
厚とシート抵抗との関係を示す。また、図１０（ｂ）に
反応性イオンエッチングでのエッチング後のNi₈₁Fe₁₉膜
厚とシート抵抗の関係についても同様に示す。ミリング
後のNi₈₁Fe₁₉膜では局所的な凹凸が無数に存在すること
と、ミリングによる膜ダメージが存在するため、同一膜
厚でも反応性イオンエッチング後に比べてミリング後の
Ni₈₁Fe₁₉のシート抵抗は大きくなる。

【００４９】図８より、Ni₈₁Fe₁₉をフリー層に用いた本
発明の強磁性トンネル接合で得られるＭＲ比を膜本来の
ＭＲ比の20%以上にするためには次のように設定するべ
きである。例えば、ＭＲＡＭに応用すべき強磁性トンネ
ル接合素子で使用すべき素子抵抗は通常1kΩ以上である
ので、エッチング後のフリー層Ni₈₁Fe₁₉のシート抵抗は
100Ω/□以上であればよい。この条件を達成するために
は、図１０（ａ）、（ｂ）より、ミリング後に残された
Ni₈₁Fe₁₉膜厚については5nm以下とすればよい。なお、
接合部トンネル抵抗がより高い素子を用いる場合は、フ
リー層の残留膜厚をより薄くする必要がある。また、他
の材料、例えば、NiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、FeCo
Ni合金等を用いる場合は、極薄膜においてはそれぞれの
比抵抗に大きな差はないため、同様の値を用いればよ
い。

【００５０】さらに、そのエッチング残留膜厚を2nm以
下とすれば、図１０（ａ）、（ｂ）より、そのシート抵
抗は10^７Ω/□以上となり、トンネル抵抗が1kΩの素子
に対してシート抵抗を1000倍以上とすることができるの
で望ましい。また、接合部トンネル抵抗が1kΩ以上の素
子に対してもシート抵抗を十分に大きくできるので好ま
しい。

【００５１】また、磁気ヘッドに応用すべき強磁性トン
ネル接合素子について、使用すべき素子抵抗は50Ω程度
なので、エッチング後のフリー層Ni₈₁Fe₁₉のシート抵抗
は5Ω/□以上となり、少なくともフリー層のエッチング
残留膜厚をＭＲＡＭ用強磁性トンネル接合素子と同様の
5nm以下とすれば十分である。フリー層として他の材料
であるNiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金を用
いる場合でも同様である。

【００５２】このように、接合パターン部のエッチング
工程において残されたフリー層エッチング残留部２７の
シート抵抗が接合パターン部トンネル抵抗に対して高く
なるほどＭＲ比の低下を防ぐことができる。そのフリー
層エッチング残留部２７のシート抵抗は前述のよう膜厚
を薄くすることによって高めることができるが、これ以
外の方法として接合部パターンエッチング終了直後に試
料に物理的衝撃や酸素などの反応性ガスと化学反応させ
ることによって、フリー層エッチング残留部２７を変質
させることによっても可能である。

【００５３】次に、オフセット磁場の問題について記載
する。強磁性トンネル接合においては、フリー層９がト
ンネルバリア層８を挟んだ界面でピン層７と強磁性的に
結合し、その結果フリー層９のＭＨカーブにオフセット
が加わる。これはオレンジ・ピール効果と呼ばれ、トン
ネルバリア界面でのラフネスによる両強磁性層の凹凸間
での磁気的結合がその起源である。このフリー層９のオ
フセット磁場問題は、従来技術においては図１１（ａ）
に示すようにピン層７からの静磁結合磁場でうち消すこ
とにより解決できるが、本発明で得られる強磁性トンネ
ル接合ではピン層７からの静磁結合磁場は零であるので
従来の方法を用いることができない。このようなフリー
層９のオフセット磁場問題については、図１１（ｂ）に
示すように接合パターン直上に磁気バイアス層３３を設
けることによって解決することができる。

【００５４】図１２（ａ）に磁気バイアス層３３を設置
した強磁性トンネル接合膜の断面図を示す。基板１に、
下部リード電極シード層２、下部リード電極層３、シー
ド層４、バッファー層５、反強磁性層６、強磁性ピン層
７、トンネルバリア層８、強磁性フリー層９、ギャップ
層３０、磁気バイアス強磁性層３１、磁気バイアス反強
磁性層３２、保護層１０の順番に積層されている。

【００５５】また、この磁気バイアス層３３を有する強
磁性トンネル接合について、図１２（ｂ）に示すよう
に、基板１、下部リード電極シード層２、下部リード電
極層３、シード層４、バッファー層５、反強磁性層６、
強磁性ピン層７、トンネルバリア層８、強磁性フリー層
９、ギャップ層３０、バッファー層３４、磁気バイアス
反強磁性層３２、磁気バイアス強磁性層３１、保護層１
０で構成されるような、磁気バイアス強磁性層３１を磁
気バイアス反強磁性層３２の上部に設置した構造におい
ても同様な効果を得ることができる。

【００５６】この磁気バイアス層３３を有する強磁性ト
ンネル接合膜の接合への加工方法については前述の加工
方法と共通であるが、接合部パターンのエッチングにお
いて特にイオンミリングを用いる場合は、フリー層９ま
でのエッチングを全てミリングで行うとミリング量が多
くなる為、ミリング深さの分布が生じ、基板全体での残
留フリー層厚２８の制御が困難になる。この問題に対し
ては、イオンミリングと反応性イオンエッチングを併用
することによって解決することができる。具体的に、そ
の接合部エッチング方法について説明する。

【００５７】ギャップ層３０として、非磁性で導電性が
あり、反応性イオンエッチングで容易にエッチングで
き、かつ、フリー層９の材料であるNiFe合金、CoFe合
金、NiCo合金、FeCoNi合金などの強磁性体に対してエッ
チング選択性のある材料を用いる。例えば、ギャップ層
３０の材料としてTa、Al、Nb、Si、Ti、Hf、Ta、Ga、Ti
N、Mo、Sb、W等などが挙げられる。

【００５８】このようなギャップ層３０を形成した接合
膜に接合部パターンのレジスト１５を形成し、まず、イ
オンミリングを用いてギャップ層３０までミリングす
る。このとき、イオンミリングの性質により、基板全体
でミリング深さに分布が生じている。その後、反応性イ
オンエッチングを用いてギャップ層３０をエッチングす
る。その際、ギャップ層３０とフリー層９のエッチング
選択性が高いため、フリー層９は殆どエッチングされ
ず、ギャップ層３０のみをエッチングすることができ、
ギャップ層３０をエッチングし終えた段階で基板全体に
渡ってエッチング深さが均一になる。その後、再びミリ
ングを用いてフリー層９でミリングを停止する。この第
２のミリング量は少ないため、ミリング深さの分布は十
分に小さい。その後の加工工程は前述と共通である。

【００５９】図１３に、上記方法で加工された磁気バイ
アス層３３を有する強磁性トンネル接合の断面図を示
す。接合パターンと磁気バイアス層パターンとは同一形
状である。磁気バイアス強磁性層３１の磁化はピン層７
と同方向であり、ピン層７と強磁性的に結合しているフ
リー層９に対し反強磁性方向のバイアス磁場を与える。
このためオレンジ・ピール効果によるオフセット磁場を
うち消すことができる。なお、反強磁性方向のバイアス
磁場の大きさについては、磁気バイアス強磁性層３１の
材料と膜厚、フリー層９と磁気バイアス強磁性層３３と
の間に存在するギャップ層３０の膜厚の設定により調整
することができる。

【００６０】このように、本発明の強磁性トンネル接合
膜の構造及びその製造方法によれば、強磁性トンネル接
合膜の加工に際し、フリー層９を完全に除去せず、か
つ、そのフリー層エッチング残留部２７のシート抵抗が
トンネル抵抗に対して所定の割合以上となるように膜厚
を調整してエッチングを行うことにより、ピン層７とフ
リー層９との静磁結合磁場を抑制することができる。そ
して、上記エッチングを確実に行うために、エッチン
グモニタリング装置が装備されたエッチング装置を用い
てその場でモニタリングしながらエッチングを行う、
フリー層９を少なくとも一の元素が異なる複数の層の積
層構造として終点検出を行う等の方法を用いる。また、
シート抵抗を増加させるための別の方法として、フリー
層エッチング残留部２７に物理的な衝撃を加えたり、化
学反応により変質させる方法を用いることもできる。

【００６１】なお、シート抵抗としては、トンネル抵抗
の1/10以上、好ましくは1000倍以上とすることにより所
望のＭＲ比を達成することができ、そのシート抵抗を膜
厚に換算すると、本願発明者の実験によれば、5nm以
下、好ましくは2nm以下とすればよいことが分かった。

【００６２】また、フリー層９のオフセット磁場の問題
に対して、フリー層９の上層に磁気バイアス層３３を設
けることによって解決することができ、磁気バイアス層
３３を設けることによるエッチングの困難性に対して、
フリー層９と磁気バイアス層３３との間にギャップ層３
０を設け、ギャップ層３０をフリー層９に対してエッチ
ングの選択性のある材料で形成し、イオンミリングと反
応性イオンエッチングとを組み合わせることにより、イ
オンミリングによるエッチング深さのばらつきを抑制す
ることができる。

【００６３】

【実施例】上記した本発明の実施の形態についてさらに
詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。

【００６４】［実施例１］まず、イオンミリングを用い
て接合部エッチングを行った実施例について説明する。
本実施例の具体的内容を説明する前に、強磁性トンネル
接合膜の作製方法について説明する。強磁性トンネル接
合膜は、背圧が1×10^-6Ｐａ以下のマルチターゲット直
流スパッタ装置を用いて成膜した。膜構成は図１に示し
たとおり、基板１である熱酸化膜付きのSi基板上に、例
えば、下部リード電極シード層２としてTa層を5nm程度
成膜した上に、下部リード電極層３としてAlを50nm程度
成膜する。下部リード電極シード層２は、下部リード電
極層３の結晶配向を制御するためのもので、Ta以外にも
Ti、Cr、Pd、W、Hf、CoFeでも同じ結果が得られた。下
部リード電極３については、比抵抗が低くエレクトロマ
イグレーション耐性の高いものが望ましく、例えば、Al
以外にもCu、W、Au、Mo、AlCu合金でもよい。

【００６５】その後、下部リード電極３の上にシード層
４としてTaを5nm程度、バッファー層５としてNi₈₁Fe₁₉
を3nm程度成膜した後、反強磁性層６としてFeMnを10nm
程度、強磁性ピン層７としてCo₉₀Fe₁₀を6nm程度成膜す
る。シード層４とバッファー層５は、その上に成膜する
反強磁性層６に対してγ-(111)配向を強めるためのもの
である。反強磁性層６のFeMnは、強磁性ピン層７に交換
バイアスを与える層であり、他の反強磁性層であるIrMn
合金、PtMn合金、NiMn合金、NiO合金、α-Fe₂O ₃合金、R
hMn合金でもよい。また、強磁性ピン層７のCo₉₀Fe₁₀は
他の磁性体のNiFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金でも良
い。

【００６６】次に、強磁性ピン層７の上にAlを1.5nm程
度成膜した後、チャンバー圧力が0.5Paになるように酸
素を導入し、高周波プラズマガンに100Wの電力を加える
ことで酸素プラズマを発生させる。この酸素プラズマに
５分間曝すことにより、Al₂O₃からなるトンネルバリア
８を形成する。トンネルバリア８形成後、1×10^−５Ｐ
ａ以下の真空度まで排気し、上部強磁性フリー層９とし
てNi₈₁Fe₁₉を10nm程度、さらに保護層１０としてTaを5n
m程度成膜する。

【００６７】上記の成膜工程について、少なくともシー
ド層４から保護層１０まで成膜する工程中は真空を破ら
ずに行わなければならない。この成膜工程中に大気中に
曝してしまうと表面の酸化や有機物、水分の付着により
強磁性トンネル接合の抵抗、及びＭＲ比の再現性の低
下、強磁性ピン層と反強磁性層の交換結合力の低下、強
磁性フリー層の軟磁性特性の低下などの問題が発生す
る。

【００６８】成膜後のベタ膜については真空中で磁場中
アニールを行った。アニール条件は200℃、1時間、1000
エルステット(Oe)である。このアニールにより、ピン層
７及びフリー層９の磁化容易軸を決定する。この作製法
によって規格化接合抵抗10kΩμｍ^２、ＭＲ比30%の特性
が得られることを、従来技術によって接合に加工した試
料より確認した。

【００６９】上記の方法で作製した強磁性トンネル接合
膜を、イオンミリングで接合に加工する方法について以
下に説明する。まず、下部電極用のレジストを形成し、
Arイオンミリング装置に試料をセット後、真空排気す
る。チャンバーの真空度が1×10^−３Ｐａ以下に達した
ら基板回転を開始し、Arビームを発生させて基板までミ
リングを行う。Arビーム条件は、例えば、ビーム電圧40
0V、ビーム電流30mA、Ar圧力0.08Paである。下部電極パ
ターンのエッチングについては、ミリングの他に反応性
イオンエッチングを用いてもよい。

【００７０】ミリング後、1μm×1μmサイズの正方形の
接合部レジスト１５を形成する。レジスト形成後、ＳＩ
ＭＳ分析管付きのArイオンミリング装置によりミリング
を行う。具体的な手順は次のとおりである。試料をミリ
ング装置の水冷ステージにセット後、真空排気を行う。
チャンバーの真空度が1×10^−３Ｐａ以下に達したら基
板回転を開始し、Arビームを発生させ、同時にＳＩＭＳ
分析を開始する。Arビーム条件は、例えば、ビーム電圧
400V、ビーム電流30mA、Ar圧力0.08Paである。ビームが
安定したらシャッターを開けて試料のミリングを始め
る。Ta^＋、Ni^＋、Fe^＋、Al^＋、Co^＋イオンをモニタリン
グしながら、Ni^＋の信号が現れ初めて約60秒でシャッタ
ーを閉じる。

【００７１】このときエッチング面２６では、Ni₈₁Fe₁₉
が3nm程度残されていることを断面ＴＥＭ観察で確認し
ている。また、ミリング停止時でAl^＋の信号がわずかに
しか出現しておらず、Al₂O₃トンネルバリア層２２は、
図９（ｂ）に示すとおりNi₈₁Fe₁₉が部分的に深く削られ
た部分のみで削られているだけである。また、Co^＋の信
号については全く出現していないため、強磁性ピン層２
５であるCo₉₀Fe₁₀層は全くミリングされていない。

【００７２】上記の条件で作製された接合の場合、接合
部トンネル抵抗が10kΩ、ＭＲ比が30%であり、ミリング
後フリー層残留膜厚２８は3nmであるので、ミリング残
留Ni₈ ₁Fe₁₉層のシート抵抗は30MΩ/□となり、シート抵
抗/接合部トンネル抵抗≧3×10^３となり、ＭＲ比は元と
変わらない30%が得られる。

【００７３】接合パターンのミリングが終了したら、電
子ビーム蒸着装置で絶縁層１６のAl ₂O₃を200nm程度基板
全体に成膜する。絶縁層１６としては、他にSiO₂、Si₃N
₄でもよい。成膜後、試料をアセトン中の超音波洗浄に
より接合部のレジスト１５をリフトオフし、接合部への
コンタクトホールを形成する。その後、上部電極パター
ンのレジストを形成し、上部電極１７のAlを300nm程度
成膜した後、アセトン中の超音波洗浄によりリフトオフ
する。上部電極１７は、下部リード電極３と同様に比抵
抗が低くエレクトロマイグレーション耐性の高いものが
望ましく、Al以外にもCu、W、Au、Mo、AlCu、Pt、Agで
もよい。

【００７４】接合部パターンのミリングを上述の手順で
行うことによって、イオンミリングプロセスにおいてト
ンネルバリア層２２が薄くても、基板全体に渡ってトン
ネルバリア層２２の殆ど全てをエッチングすることな
く、接合パターンを形成することができる。

【００７５】図１４に、ピン層７までミリングしてしま
う従来技術で作製した強磁性トンネル接合（図１４
（ａ））と、本実施例で作製した強磁性トンネル接合
（図１４（ｂ））のＭＲ曲線を示す。図１４（ａ）のピ
ン層７がパターニングされた従来構造の強磁性トンネル
接合は、ピン層７のヒステリシスループが大きくなり、
そのヒステリシスに階段状のバルクハウゼンノイズが現
れている。また、フリー層９のオフセット磁場H_Ｏは接
合面積の減少と共にピン層７の磁化方向に対して反強磁
性方向である負方向に増大している。

【００７６】一方、図１４（ｂ）に示す本実施例の強磁
性トンネル接合のＭＲカーブにおいては、トンネルバリ
ア層８、ピン層７がミリングされない構造であるため、
ピン層７のヒステリシスループは小さくバルクハウゼン
ノイズも見られない。また、そのピン層７のヒステリシ
スループはベタ膜でのピン層ＭＨヒステリシスループと
ほぼ同じ形状となっている。さらに、フリー層９のオフ
セット磁場H_Ｏは正であり、11 Oeと小さい。これはピン
層７がパターニングされないことにより、ピン層７自身
の反磁界およびピン層７からフリー層９への静磁結合磁
場が消失していることを示している。このように本発明
の構造によって、接合面積の微小化に伴うピン層７の反
磁界増大による磁気的不安定性の増大を本質的に解決す
ることができる。

【００７７】また、フリー層９のヒステリシスループに
注目すると、図１４（ａ）に示す従来構造のものは、ヒ
ステリシスループの角形性が悪く、負方向では高磁場側
まで飽和していない。ところが図１４（ｂ）に示す本実
施例のものは、ヒステリシスループの角形性が良く、正
負両方向に磁場を印加したときもすぐに飽和している。
これは、本発明の構造においてはフリー層７を完全に加
工していないため、フリー層７側壁面積が小さく、加工
工程のダメージやミリング再付着物の影響を低減された
為と考えられる。このように本発明の構造と製造方法に
よって、フリー層９の角形性を保つこともできる。

【００７８】また、図１５に、６インチウエハー全体に
おけるフリー層９のオフセット磁場H_Ｏと歩留まりの分
布について示す。（ａ）は接合部パターンミリングをフ
リー層９が完全に無くなるまで行った従来の強磁性トン
ネル接合、（ｂ）は本発明の方法を用いて作製した強磁
性トンネル接合であり、各々上段はチップ内の歩留ま
り、下段は、オフセット磁場H_Ｏの平均値である。な
お、接合面積はいずれも1μm×1μmである。

【００７９】従来の強磁性トンネル接合（図１５
（ａ））では、H_Ｏが基板中心付近で大きく、基板周辺
付近では小さくなっており、ばらつきが大きい。これは
従来技術では、フリー層９を完全にミリングし終える間
に、接合のエッチングがピン層７まで達してしまってい
る為、H_Ｏの分布がミリングによってピン層７をミリン
グした深さ分布を反映しているためである。また、歩留
まりが全体的に48〜68%程度と低い理由は、一部の接合
でミリングによる再付着物が接合端部に存在し、上部電
極と下部電極を短絡している為である。

【００８０】一方、本実施例の強磁性トンネル接合で
は、H_Ｏの分布が無くなり、10〜13 Oe程度である。また
歩留まりも92〜100%と大きい。これは、ミリングが上部
フリー層で停止しており、トンネルバリア層８とピン層
７はほぼ完全にミリングされていないことを反映してい
る。ピン層７がミリングされないことによりフリー層９
への静磁結合磁場が消失し、フリー層９のオフセット磁
場はオレンジ・ピール効果によるH_Ｏのみとなるためで
ある。

【００８１】このように、本発明の強磁性トンネル接合
は、接合パターンのエッチング深さを均一に制御し、ピ
ン層７やトンネルバリア層８をミリングしにくい構造を
とることから、フリー層９のオフセット磁場の均一性と
接合の高歩留まり化に対して有効である。

【００８２】表１にNi₈₁Fe₁₉ミリング残留膜厚を変えた
時のＭＲ比及び接合抵抗（接合部トンネル抵抗とシート
抵抗の合成抵抗）についての測定結果を示す。図１０
（ａ）より求めたシート抵抗／接合部トンネル抵抗比も
併せて示す。表より分かるように、Ni₈₁Fe₁₉ミリング残
留膜厚が5nm以上となった時、ＭＲ比は4%以下、接合抵
抗は1.7kΩ以下と減少している。その時、シート抵抗／
接合部トンネル抵抗比は0.08以下であり、図８を考慮す
ると接合部以外への電流分流効果が顕著に現れていると
考えられる。従って、接合部トンネル抵抗が10kΩの本
実施例の場合、フリー層Ni₈₁Fe₁₉ミリング残留膜厚は少
なくとも5nmよりも小さくしなければならない。なお、
残留膜厚としては求められる素子の性能に応じて適宜設
定することができ、例えば、接合部トンネル抵抗が10⁶
Ω以上の場合、前述したようにシート抵抗は接合部トン
ネル抵抗の1/10以上、すなわち10⁵Ω以上とすることが
好ましく、図１０より残留膜厚に換算すると2〜3nm以下
とすることが好ましい。

【００８３】

【表１】

【００８４】［実施例２］次に、フリー層として第１の
実施例のNi₈₁Fe₁₉(10nm)の他に、Ni₄₀Fe₆₀(10nm)、Ni₇₀
Co₃₀(10nm)、Co₈₅Fe₁₅(10nm)、Fe₅₀Co₃₀Ni₂₀(10nm)を用
いて同様の実験を行った。表２に、上記材料を用いて、
第１の実施例と同様に接合部ミリングを残留フリー層膜
厚が3nmになるまで行って作製した接合について、それ
ぞれの接合のＭＲ比、接合抵抗の平均値、歩留まり、H
_Ｏの平均値を示す。比較として接合部ミリングをピン層
以下まで行う従来の加工法を用いた時の特性も示す。ま
た、各材料について、ミリング残留フリー層厚が3nmで
のシート抵抗も併せて示す。

【００８５】表２より、いずれの材料を用いた場合にお
いても、ＭＲ比、接合抵抗ともに従来法で得られた接合
と本発明で得られた接合の特性はほとんど変わらない。
これは、各フリー層材料についての3nmでのシート抵抗
がNi₈₁Fe₁₉フリー層の場合と殆ど変わらず30〜100MΩで
あり、8〜20kΩの接合部抵抗に対して十分高いためであ
る。なお、フリー層としてNiFe合金、CoFe合金、NiCo合
金、FeCoNi合金を使用する場合は、バルク値の比抵抗は
80〜8μΩｃｍであり、比抵抗が15μΩｃｍであるNi₈₁F
e₁₉と大きな差はないため、接合部エッチング量はNi₈₁F
e₁₉の場合と同様に5nm以下とすればよい。

【００８６】歩留まりについては、従来の接合では55〜
71%と低いが、本発明の接合は96〜100%と高い。またH_Ｏ
については、従来の接合は負であり、ピン層７がミリン
グされているためフリー層９は反強磁方向の静磁結合磁
場を受けていることを示している。一方、本発明の接合
では正であり、フリー層９に作用する磁気的結合は強磁
性方向のオレンジ・ピール効果のみであることを示して
いる。

【００８７】

【表２】

【００８８】［実施例３］次に、反応性イオンエッチン
グ法によって接合部エッチングを行った実施例について
説明する。まず、第１の実施例と同様な成膜方法を用い
て、基板上に交換バイアス型強磁性トンネル接合膜を作
製する。膜構成は、図３に示すようなフリー層に終点検
出フリー層１３を設けた２層フリー層構造である。具体
的には、熱酸化膜付きのSi基板１上に、下部リード電極
層のシード層２としてTa層を5nm程度成膜した上に、下
部リード電極層３としてAlを50nm程度成膜し、下部リー
ド電極層３の上にシード層４としてTaを5nm程度、バッ
ファー層５としてNi₈₁Fe₁₉を3nm程度成膜した後、反強
磁性層６としてFeMnを10nm程度、強磁性ピン層７として
Co₉₀Fe₁₀を6nm程度成膜する。その上にAlを1.5nm程度成
膜し、酸素プラズマに曝すことによってAl₂O₃トンネル
バリア８を作製する。ここまでは第１の実施例と全く同
じ工程である。

【００８９】その後、本実施例では、上部フリー層１４
を成膜する前に、フリー層のエッチング終点検出層１３
として2nm程度のCo₉₀Fe₁₀を成膜する。さらに、その上
に上部フリー層１４として8nm程度のNi₈₁Fe₁₉を成膜す
る。エッチングモニタリングにおいて、CoとNiによって
Co₉₀Fe₁₀とNi₈₁Fe₁₉を明確に区別できること、スピン偏
極された電子を供給できる強磁性体であることなどの理
由により、このようなフリー層構成となっている。

【００９０】このような２層フリー層構成では、終点検
出層１３またはその上の上部フリー層１４の中には、少
なくとも１元素はもう一方の層にはない元素が存在し、
その元素を終点検出のモニタリング元素とすればよい。
またその終点検出層は５ｎｍ以下であることが望まし
い。これは、終点検出層１３でエッチングを停止するた
め、終点検出層１３がフリー層エッチング残留部２７と
なり、シート抵抗を十分に高くする必要がある為であ
る。

【００９１】上部フリー層１４を成膜後、保護層１０と
してTaを5nm程度成膜した。保護層１０は、導電性で且
つ反応性ガスで容易にエッチングすることができ、且つ
上部フリー層のNi₈₁Fe₁₉とのエッチング選択比を高くす
ることができるものであればよい。その他の保護層とし
てAl、Nb、Si、Ti、Hf、Ta、Ga、TiN、Mo、Sb、Wでも同
じ効果を持つことを確認した。成膜後、強磁性トンネル
接合膜は第１の実施例と同様な条件で真空中磁場中アニ
ールを行った。

【００９２】次に、接合パターンのエッチング方法につ
いて述べる。下部電極を加工し接合パターンのレジスト
を形成するまでの工程は第１の実施例と同様である。接
合部レジストパターンを形成した試料を、分光器を用い
たエッチングモニタリング装置が装備されたエッチング
チャンバー内の水冷ステージにセットし、真空排気を行
う。真空度が1×10^−３Pa以下になったらCF_４ガスとAr
ガスを分圧比1:8の割合で0.5Pa導入する。CF_４ガスは、
保護層TaとNi₈₁Fe₁₉の選択比が高く、Taエッチングガス
として選定した。

【００９３】分光機によるモニタリングを開始し、Ta-
フッ素化合物ガスからの発光強度をモニターし、高周波
コイルに100Wの電力で13.54MHzの高周波を加えエッチン
グを開始する。分光器をモニタリングしながら、Ta化合
物ガスのプラズマ発光強度が最大強度の約10%以下に減
衰したとき、高周波コイルの電力とCF_４ガスの供給を止
めてエッチングを終了する。このときエッチング面では
Ni₈₁Fe₁₉が表面に出ている状態である。

【００９４】その後真空排気を行い、真空度が1×10
^−３ＰａになったらNH_３ガスとCOガスを1:2の分圧比で
全圧が0.3Paになるように導入する。その後、高周波コ
イルに100Wの電力を供給し、Ni₈₁Fe₁₉のエッチングを開
始する。エッチング開始から約40秒後にNi化合物ガスの
発光強度が減少し、Co化合物ガスの発光が検出されはじ
める。ここで高周波コイル電力をゼロにしてエッチング
を停止する。真空排気をし、十分に排気されたら試料を
取り出す。この時点でエッチング面の殆どにおいてフリ
ー層Co₉₀Fe₁₀を残してNi₈₁Fe₁₉のみがエッチングされて
いる。

【００９５】このように、エッチング終点検出層１３で
エッチングを停止することにより、トンネルバリア層８
及びピン層７をエッチングすることなく、確実に接合パ
ターンの加工を行うことができる。この後の工程は第１
の実施例と共通である。なお、フリー層がNi₈₁Fe₁₉単層
の場合も、第１の実施例と同様に、Ni₈₁Fe₁₉のモニター
強度を見てNi₈₁Fe₁₉残留膜厚が十分にシート抵抗が高く
なる2nm以下に残った状態でエッチングを停止すれば同
様な効果が得られる。

【００９６】表３に６インチ基板の各場所において得ら
れたＭＲ比とフリー層オフセット磁場H_Ｏの平均値及び
歩留まり示す。ＭＲ比は35〜38%と大きく、歩留まりは9
4〜100%と高い。また、Ｈ_Ｏについても13〜14 Oeと均一
であり、ピン層からの静磁結合磁場が存在せず、接合部
エッチングがフリー層までで停止していることがわか
る。

【００９７】

【表３】

【００９８】［実施例４］次に、第３の実施例におい
て、２層フリー層構成をNi₇₀Co₃₀(2nm)/Fe₅₀Co₃₀Ni ₂₀(8
nm)とした構成で第３の実施例と同様に接合を加工した
例を示す。接合部のレジストを形成し、Taまでエッチン
グし、Fe₅₀Co₃₀Ni₂₀が表面に露出している工程までは第
３の実施例と同様である。その後、真空排気を行い、真
空度が1×10 ^−３PaになったらNH_３ガスとCOガスを1:2の
分圧比で全圧が0.3Paになるように導入する。その後、
高周波コイルに100Wの電力を供給し、Fe₅₀Co₃₀Ni₂₀のエ
ッチングを開始する。この場合フリー層のエッチングに
おいて、Fe化合物ガスをモニターする。エッチング開始
から約35秒後にFe化合物ガスの発光強度が減衰する。こ
こで高周波コイル電力をゼロにしてエッチングを停止す
る。この時点でエッチング面においては終点検出フリー
層Ni₇₀Co₃₀(2nm)を残して上部フリー層Fe₅₀Co₃₀Ni₂₀(8n
m)のみがほぼエッチングされている。その後は第３の実
施例と共通の工程で接合に加工する。

【００９９】図１６に上記工程で作製された接合のＭＲ
カーブについて示す。第２の実施例のNi₇₀Co₃₀(10nm)フ
リー層接合とほぼ同じ接合抵抗、ＭＲ比であること、ま
た、ピン層のヒステリシスについてバルクハウゼンノイ
ズや反磁界によるヒステリシスの広がりが見られないこ
とから、この接合で終点検出フリー層Ni₇₀Co₃₀(2nm)中
でエッチングが停止していると考えられる。

【０１００】［実施例５］次に、反応性イオンエッチン
グ法によって接合部エッチングを行った後に、イオンミ
リングによって接合部エッチングを行った実施例につい
て説明する。第３の実施例において、トンネルバリアAl
-oxide厚が2.0nmと厚くなり、素子抵抗が1.2MΩと高く
なったような強磁性トンネル接合膜を加工する場合、残
留フリー層Co₉₀Fe₁₀(2nm)のシート抵抗をさらに高める
必要がある。そのため、フリー層Ni₈₁Fe₁₉をすべてエッ
チングした後、残ったCo₉₀Fe₁₀に対して、例えば、イオ
ンミリングのArビームをビーム電圧300V、ビーム電流30
mA、Ar圧力0.08Paの条件で約15秒間程度照射する。

【０１０１】これは、反応性イオンエッチングで発生す
る膜表面の堆積物がフリー層のシート抵抗を下げてしま
うため、これらを取り去る効果や、残留フリー層Co₉₀Fe
₁₀に対しイオン衝撃を行うことによって表面に局所的な
穴を生成し、残留フリー層のシート抵抗を上げる効果を
与え、接合部以外への電流分流を防ぐ為に有効である。
その後の層間絶縁膜１６の形成、上部電極１７の形成工
程は第１の実施例と同様である。

【０１０２】図１７（ａ）、図１７（ｂ）に上記の処理
を行った接合と行わなかった接合についてそれぞれＭＲ
カーブを示す。図１７（ａ）では1.2MΩの接合抵抗でＭ
Ｒ比が37%であるが、図１７（ｂ）では850kΩの接合抵
抗でＭＲ比が23%と小さくなっている。これは接合パタ
ーン部トンネル抵抗に接合部以外の3MΩの並列抵抗の加
わっている為であり、本実施例の方法がシート抵抗増大
に効果があることを示している。

【０１０３】［実施例６］次に、反応性イオンエッチン
グ法によって接合部エッチングを行った後に、酸化処理
を行った実施例について説明する。第３の実施例におい
て、トンネルバリアAl-oxide厚が2nmと厚くなり、素子
抵抗が1.2MΩと高くなったような強磁性トンネル接合膜
を加工する場合、残留フリー層Co₉₀Fe₁₀(2nm)のシート
抵抗をさらに高める必要がある。そのためフリー層Ni₈₁
Fe₁₉をすべてエッチングした後、残ったCo₉₀Fe₁₀に対し
て、例えば、O_２ガスを1.0Pa導入し、高周波コイルに50
Wの電力を加えてO_２プラズマを照射する。3分後に高周
波電力のパワーを零にしてO _２ガスの供給を停止し、酸
化処理を停止する。

【０１０４】この工程によって、エッチング残留Co₉₀Fe
₁₀層の大部分がCo酸化物またはFe酸化物となる。これら
は半導体もしくは絶縁体であり、金属のCo₉₀Fe₁₀にくら
べて数桁以上シート抵抗を高くすることができる。その
後の層間絶縁膜１６の形成、上部電極１７の形成工程は
第１の実施例と同様である。

【０１０５】表４に上記の方法で作製した接合について
接合抵抗とＭＲ比を示す。残留フリー層のシート抵抗も
併せて示す。比較として第５の実施例の接合、また上記
の処理を行わなかった接合についての結果も示す。第５
の実施例のイオン衝撃と本実施例の酸化処理は、どちら
も残留フリー層のシート抵抗を高めるのに有効であり、
同等な接合特性が得られている。一方、上記処理を行わ
なかった接合についてはＭＲ比と接合抵抗が減少してお
り、接合パターン部以外への電流分流効果が現れている
ことがわかる。

【０１０６】

【表４】

【０１０７】［実施例７］次に、図１２（ａ）に示すよ
うな磁気バイアス層３３を設けた強磁性トンネル接合に
ついての実施例を示す。膜構成は、熱酸化膜付きSi基板
１上に、電極シード層２としてTa(5nm)、リード電極層
３としてAl(50nm)、シード層４としてTa(5nm)、バッフ
ァ層５としてNi₈₁Fe₁₉(3nm)、反強磁性層６としてFeMn
(10nm)、強磁性ピン層７としてCo₉₀Fe₁₀(6nm)、トンネ
ルバリア層８としてAl(1.5nm)-oxide、上部フリー層９
としてNi₈₁Fe₁₉(10nm)、ギャップ層３０としてTa(30n
m)、磁気バイアス強磁性層３１としてNi₈₁Fe₁₉(5nm)、
磁気バイアス反強磁性層３２としてFeMn(30nm)、上部保
護層１０としてTa(5nm)の順番に積層されている。接合
パターン形状は1μm×1μmである。成膜後強磁性トンネ
ル接合膜は第１の実施例と同様に磁場中アニールを行っ
た。

【０１０８】接合への加工法について説明する。下部電
極を加工し、接合部レジスト１５を形成するまでの工程
は第１の実施例と同じである。レジスト形成後、試料を
ＳＩＭＳ分析管付きのArイオンミリング装置にセット
し、真空排気を行う。チャンバーの真空度が1×10^−３P
a以下に達したら基板回転を開始し、Arビームを発生さ
せ、同時にＳＩＭＳ分析を開始する。ビームが安定した
らシャッターを開け試料のミリングを始める。Ta^＋、Ni
^＋、Mn^＋イオンをモニタリングしながら磁気バイアス強
磁性層３１からのNi^＋の信号が完全消失し、ギャップ層
３０のTa^＋のみになる約115秒後にシャッターを閉じて
ミリングを停止する。

【０１０９】その後、試料を反応性イオンエッチング装
置のチャンバーに移送し、真空排気をする。真空度が1
×10^−３Pa以下になったらCF_４ガスとArガスを分圧比1:
8の割合で0.5Pa導入する。分光機によるモニタリングを
開始し、高周波コイルに100Wの電力で13.54MHzの高周波
を加え、エッチングを開始する。分光器をモニタリング
しながらTa化合物ガスのプラズマ発光強度が最大強度の
10%以下に減衰する約80秒後に高周波コイルの電力とCF
_４ガス供給を止めてエッチングを停止する。この時点で
エッチング面の最表面には、Ni₈₁Fe₁₉層が露出してい
る。

【０１１０】そして再び試料をミリング装置に移送し、
真空排気をする。ＳＩＭＳでミリング物をモニターしな
がら、フリー層Ni₈₁Fe₁₉が3nm以下の膜厚になる約60秒
後にミリングを停止する。その後の加工工程は第１の実
施例と同様である。

【０１１１】接合部エッチング工程を上記のような手段
を用いて行った場合と、上記の方法を用いずにイオンミ
リングのみで行った場合の、６インチ基板上のエッチン
グ残留フリー層膜厚の分布をそれぞれ図１８（ａ）、図
１８（ｂ）に示す。図１８（ａ）において、エッチング
残留フリー層膜厚２８は基板中央部と周辺部で均一に約
3nmとなっているが、図１８（ｂ）ではエッチング残留
フリー層膜厚は基板中央部(サンプル位置：0mm)で3nmで
あるが、基板の端部(サンプル位置：±70mm)では9nmと
なっている。

【０１１２】これは接合部エッチングをイオンミリング
のみで行った場合、ミリングレートが基板中心ほど大き
く、このレートの基板面内分布が±5%ある為である。こ
のように接合部エッチングにおいて磁気バイアス層が存
在するようなエッチング深さが大きくなる場合、エッチ
ング深さを基板内で均一に制御するためにはエッチング
選択性の高い反応性エッチングとイオンミリングを組み
合わせることが有効である。

【０１１３】図１９に磁気バイアス層３３を有する接合
（実線）と有さない接合（破線）のＭＲカーブを示す。
磁気バイアス層を有さない接合のフリー層オフセット磁
場H _Ｏは13 Oeであったが、この磁気バイアス層３３はフ
リー層９に対しオフセット磁場とは逆方向に13 Oeの磁
場を印加してキャンセルしている。

【０１１４】また、磁気バイアス反強磁性層３２は、Ir
Mn合金、PtMn合金、NiMn合金、NiO、α-Fe₂O₃、RhMn合
金のいずれも用いても前述のFeMnの磁気バイアス反強磁
性層を用いた接合と同様にフリー層オフセット磁場を殆
どゼロにするような結果が得られた。磁気バイアス強磁
性層３３は、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金のいずれ
であっても前述のNi₈₁Fe₁₉の磁気バイアス強磁性層を用
いた場合と同様の結果が得られた。表５にこれらを用い
た磁気バイアス層とそれぞれについてフリー層のオフセ
ット磁場の大きさを示す。ここで、接合の加工方法は上
記Ni₈₁Fe₁₉(5nm)/FeMn(10nm)磁気バイアス層を有する強
磁性トンネル接合の加工工程と同様である。

【０１１５】

【表５】

【０１１６】［実施例８］次に、図１２（ｂ）に示すよ
うな磁気バイアス層３３を設けた強磁性トンネル接合に
ついての実施例を示す。膜構成は、熱酸化膜付きSi基板
１上に、電極シード層２としてTa(5nm)、リード電極層
３としてAl(50nm)、シード層４としてTa(5nm)、バッフ
ァ層５としてNi₈₁Fe₁₉(3nm)、反強磁性層６としてFeMn
(10nm)、強磁性ピン層７としてCo₉₀Fe₁₀(6nm)、トンネ
ルバリア層８としてAl(1.5nm)-Oxide、上部フリー層９
としてNi₈₁Fe₁₉(10nm)、ギャップ層３０としてTa(30n
m)、バッファー層３３としてCu（3nm）を成膜する。こ
こで、バッファー層３３は磁気バイアス反強磁性層３２
のγ-(111)結晶配向性を向上させるような効果を与える
材料で、他にPd、Cu、Cr、Hf、CoFe合金、NiFe合金等で
も良い。その上に磁気バイアス反強磁性層３２としてFe
Mn(10nm)、磁気バイアス強磁性層３１としてNi₈₁Fe₁₉(7
nm)、上部保護層１０としてTa(5nm)の順番に積層されて
いる。成膜後強磁性トンネル接合膜は第１の実施例と同
様に磁場中アニールを行った。その後の接合への加工工
程は第８の実施例と同様に行った。

【０１１７】図２０にそのＭＲカーブについて示す。Ni
₈₁Fe₁₉フリー層に対しマイナスの反強磁性方向に11〜12
Oe程度の磁場を印加し、ちょうどフリー層のH_Ｏを零に
するような第７の実施例と同様な効果が得られる。

【０１１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
強磁性トンネル接合の上部強磁性層を完全に加工しない
ため、上部強磁性層側壁面積が低減され、上部強磁性層
に対して加工で生じるエッチング再付着物の影響や加工
工程で生じるダメージを低減することができる。その結
果、上部強磁性層の磁気抵抗曲線の形状悪化を防ぐこと
ができる。

【０１１９】また、強磁性トンネル接合の接合部エッチ
ング工程に於いて、トンネルバリア以下の層をエッチン
グから守り、トンネルバリアがエッチングされないよう
な構造の強磁性トンネル接合を歩留まりよく製造するこ
とができ、また、接合部エッチング深さの基板全体での
制御性も向上する。上記が実現される結果として下部強
磁性層の反磁界の消失及び下部強磁性層から上部強磁性
層への静磁結合磁場の消失、それらによる強磁性トンネ
ル接合における接合面積の微小化に伴う磁気特性の不安
定化を抑制することができ、さらに強磁性トンネル接合
における接合ショートが防止され素子歩留まりを向上さ
せることができる。またフリー層のオフセット磁場調整
を容易にし、スイッチング磁場の方向非対称性を無くす
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】下部電極側にピン層を有する交換バイアス型強
磁性トンネル接合膜の構造を示す断面図である。

【図２】下部電極側に硬質磁性層を有する保磁力差型強
磁性トンネル接合膜の構造を示す断面図である。

【図３】下部電極側にピン層を有する交換バイアス型強
磁性トンネル接合膜においてフリー層が２層構成になっ
ている膜の構造を示す断面図である。

【図４】図１の構造の交換バイアス型強磁性トンネル接
合膜の接合パターン部を本発明の方法でエッチングした
直後の状態を示す断面図である。

【図５】交換バイアス型強磁性トンネル接合膜に層間絶
縁膜を介して上部電極層を形成した状態を示す図であ
り、（ａ）は図１の強磁性トンネル接合膜を加工した構
造、（ｂ）図３の強磁性トンネル接合膜を加工した構造
を示す断面図である。

【図６】本発明の強磁性トンネル接合の構造を示す図で
あり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は下部電極方向に沿った
断面図である。

【図７】本発明の強磁性トンネル接合構造の等価回路を
示す図である。

【図８】本発明の強磁性トンネル接合構造における接合
パターン部以外への電流分流効果によるＭＲ比減少割合
の、エッチング残留フリー層のシート抵抗／接合パター
ン部トンネル抵抗比に対する依存性を示す図である。

【図９】本発明の接合パターン部エッチング工程直後の
状態を示す図であり、（ａ）は接合パターン部近傍の断
面図、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）の丸で囲んだ領域の
拡大断面図である。

【図１０】残留フリー層膜厚とシート抵抗との相関を示
す図であり、（ａ）は、Ni₈₁Fe₁₉単層膜をミリングによ
りエッチングした場合、（ｂ）は、Ni₈₁Fe₁₉単層膜を反
応性エッチングによりエッチングした場合を示してい
る。

【図１１】強磁性トンネル接合におけるフリー層に作用
する結合磁場について説明する図であり、（ａ）は従来
技術の強磁性トンネル接合、（ｂ）は本発明の磁気バイ
アス層を有する強磁性トンネル接合の構造を示す断面図
である。

【図１２】本発明の磁気バイアス層を有する強磁性トン
ネル接合の構造を示す図であり、（ａ）は、フリー層側
に磁気バイアス強磁性層を設置した構造、（ｂ）は、フ
リー層側に磁気バイアス反強磁性層を設置した構造を示
す断面図である。

【図１３】本発明の方法で加工した磁気バイアス層を有
する強磁性トンネル接合膜の構造を示す断面図である。

【図１４】磁気抵抗曲線を示す図であり、（ａ）は従来
方法でミリングした強磁性トンネル接合、（ｂ）は本発
明の方法でミリングした強磁性トンネル接合の特性を示
している。

【図１５】接合歩留まり（上段）とフリー層オフセット
磁場Ｈ_Ｏ（下段）の６インチ基板面内分布を示す図であ
り、（ａ）は従来方法でミリングしたサンプル、（ｂ）
は本発明の方法でミリングしたサンプルを示している。

【図１６】第４の実施例に記載された方法で製作した強
磁性トンネル接合の磁気抵抗曲線を示す図である。

【図１７】第５の実施例に記載された方法で製作した強
磁性トンネル接合の磁気抵抗曲線を示す図であり、
（ａ）は、接合パターン部反応性エッチング後に残留し
たフリー層に対しミリングによるイオン衝撃処理を行っ
たサンプル、（ｂ）は接合パターン部反応性エッチング
後に残留したフリー層に対し無処理のサンプルを示して
いる。

【図１８】６インチ基板上のエッチング残留フリー層膜
厚の分布を示す図であり、（ａ）は、イオンミリング／
反応性イオンエッチング／イオンミリングで接合パター
ン部エッチングを行ったサンプル、（ｂ）はイオンミリ
ングのみで接合パターン部エッチングを行ったサンプル
を示している。

【図１９】実施例７における磁気抵抗曲線を示す図であ
り、実線は磁気バイアス層を有する構造、破線は磁気バ
イアス層のない構造を示している。

【図２０】第８の実施例におけるトンネルバリア側に磁
気バイアス反強磁性層を設置した磁気バイアス層を有す
る構造の強磁性トンネル接合の磁気抵抗曲線を示す図で
ある。

【符号の説明】

１基板２下部リード電極シード層３下部リード電極層４シード層５バッファー層６反強磁性層７ピン層８トンネルバリア層９フリー層１０保護層１１硬質磁性層１２軟質磁性層１３終点検出フリー層１４上部フリー層１５接合部レジスト１６層間絶縁層１７上部電極層２０上部電極２１下部電極２２トンネルバリア層２３フリー層または軟質磁性層２４カバー層２５ピン層または硬質磁性層２６エッチング面２７フリー層エッチング残留部２８残留フリー層膜厚３０ギャップ層３１磁気バイアス強磁性層３２磁気バイアス反強磁性層３３磁気バイアス層３４バッファー層

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０１Ｌ 27/105 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ (72)発明者志村健一東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者柘植久尚東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AB07 AD54 AD65 5D034 BA03 BA05 BA08 BA12 BA15 CA04 CA08 DA07 5E049 AA04 AC05 BA06 DB12 5F083 FZ10 JA36 JA37 JA38 JA39 PR03 PR04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、下部強磁性体層とトンネルバ
リア層と上部強磁性体層とが積層され、その上層に形成
される上部電極との接合領域以外の前記上部強磁性体層
がエッチングされて形成される強磁性トンネル接合にお
いて、前記上部強磁性層のエッチング領域の少なくとも一部
に、前記上部強磁性体層のエッチング残留層が形成され
ていることを特徴とする強磁性トンネル接合。
【請求項２】前記上部強磁性体層の前記エッチング残留
層が、前記トンネルバリア層上全体を覆うように連続的
に形成されていることを特徴とする請求項１記載の強磁
性トンネル接合。
【請求項３】前記上部強磁性体層の前記エッチング残留
層が、前記トンネルバリア層上で部分的に形成され、前
記トンネルバリア又は前記下部強磁性体層が一部におい
て露出していることを特徴とする請求項１記載の強磁性
トンネル接合。
【請求項４】前記エッチング残留層のシート抵抗が、前
記接合領域のトンネル抵抗に対して所定の割合以上とな
るように、前記エッチング残留層の膜厚が設定されるこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の強
磁性トンネル接合。
【請求項５】前記上部強磁性体層が、NiFe合金、CoFe合
金、NiCo合金、FeCoNi合金のいずれか一からなる場合に
おいて、前記エッチング残さの膜厚が、５ｎｍ以下に設
定されることを特徴とする請求項４記載の強磁性トンネ
ル接合。
【請求項６】前記エッチング残留層のシート抵抗が、前
記接合領域のトンネル抵抗に対して所定の割合以上とな
るように、前記エッチング残留層に表面処理層が形成さ
れていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一
に記載の強磁性トンネル接合。
【請求項７】前記表面処理層が、前記エッチング残留層
を酸素プラズマ雰囲気中で酸化した酸化膜、または、イ
オンミリングによりイオン衝撃を加えた膜であることを
特徴とする請求項６記載の強磁性トンネル接合。
【請求項８】前記エッチング残留層のシート抵抗が、前
記接合領域のトンネル抵抗に比べて、１／１０以上に設
定されることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一
に記載の強磁性トンネル接合。
【請求項９】前記上部強磁性体層が、含有元素の少なく
とも一の元素が異なる複数の層により構成され、最下層
の前記上部強磁性体層が前記エッチング残留層をなすこ
とを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の強
磁性トンネル接合。
【請求項１０】前記多層構造の上部強磁性体層の各々
が、NiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金の中か
ら選択される組み合わせで構成されることを特徴とする
請求項９記載の強磁性トンネル接合。
【請求項１１】前記上部強磁性層の上部に、ギャップ層
を介して、強磁性体層と反強磁性体層を積層した交換結
合膜からなる磁気バイアス層が配設されていることを特
徴とする請求項１乃至１０のいずれか一に記載の強磁性
トンネル接合。
【請求項１２】前記磁気バイアス層の強磁性体層が、Ni
Fe合金、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金のいずれか一
であることを特徴とする請求項１１記載の強磁性トンネ
ル接合。
【請求項１３】前記磁気バイアス層の反強磁性体層が、
FeMn合金、IrMn合金、PtMn合金、NiMn合金、RhMn合金、
NiO、α-Fe₂O₃のいずれか一であることを特徴とする請
求項１１又は１２に記載の強磁性トンネル接合。
【請求項１４】前記磁気バイアス層の強磁性体層が、前
記反強磁性体層の下部あるいは上部のいずれか一方に設
置されていることを特徴とする請求項１１乃至１３のい
ずれか一に記載の強磁性トンネル接合。
【請求項１５】前記強磁性トンネル接合が、下部強磁性
体層が反強磁性体層によって交換バイアスされた構造を
持つ交換バイアス型強磁性トンネル接合、または、下部
強磁性体層が硬質磁性層からなる保磁力差型強磁性トン
ネル接合であることを特徴とする請求項１乃至１４のい
ずれか一に記載の強磁性トンネル接合。
【請求項１６】請求項１乃至１５のいずれか一に記載の
強磁性トンネル接合を用いた磁気メモリ。
【請求項１７】少なくとも、下部強磁性体層とトンネル
バリア層と上部強磁性体層とを積層した後、その上層に
形成する上部電極との接合領域以外の前記上部強磁性体
層をエッチングして形成する強磁性トンネル接合の製造
方法において、前記上部強磁性層のエッチングに際し、前記上部強磁性
層の途中でエッチングを停止し、エッチング領域の少な
くとも一部に前記上部強磁性体層のエッチング残留層を
形成することを特徴とする強磁性トンネル接合の製造方
法。
【請求項１８】前記上部強磁性体層を、含有元素の少な
くとも一の元素が異なる複数の層により形成し、前記上
部強磁性体層のエッチングに際して、モニタ手段で検出
される元素を参照してエッチング量を調整することを特
徴とする請求項１７記載の強磁性トンネル接合の製造方
法。
【請求項１９】前記多層構造の上部強磁性体層の各々
を、NiFe合金、CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金の中か
ら選択される組み合わせで構成することを特徴とする請
求項１８記載の強磁性トンネル接合の製造方法。
【請求項２０】前記エッチング残留層のシート抵抗が、
前記接合領域部のトンネル抵抗に比べて所定の値以上と
なるように、前記エッチング残留層の膜厚を調整するこ
とを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか一に記載
の強磁性トンネル接合の製造方法。
【請求項２１】前記上部強磁性体層として、NiFe合金、
CoFe合金、NiCo合金、FeCoNi合金のいずれか一を用いた
場合に、前記エッチング残留層の膜厚を、５ｎｍ以下に
設定することを特徴とする請求項２０記載の強磁性トン
ネル接合の製造方法。
【請求項２２】前記エッチング残留層のシート抵抗が、
前記接合領域のトンネル抵抗に比べて所定の値以上とな
るように、前記エッチング残留層に表面処理を施すこと
を特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか一に記載の
強磁性トンネル接合の製造方法。
【請求項２３】前記エッチング残留層の表面処理が、酸
素プラズマ雰囲気中で行う酸化処理、または、イオンミ
リング装置で行うイオンエッチング処理であることを特
徴とする請求項２２記載の強磁性トンネル接合の製造方
法。
【請求項２４】前記上部強磁性層の上部に、ギャップ層
を介して、強磁性体層と反強磁性体層を積層した交換結
合膜からなる磁気バイアス層を配設することを特徴とす
る請求項１７乃至２３のいずれか一に記載の強磁性トン
ネル接合の製造方法。
【請求項２５】前記磁気バイアス層の強磁性体層を、Ni
Fe合金、CoFe合金、NiCo合金、 FeCoNi合金のいずれか
一で形成することを特徴とする請求項２４記載の強磁性
トンネル接合の製造方法。
【請求項２６】前記磁気バイアス層の反強磁性体層を、
FeMn合金、IrMn合金、PtMn合金、NiMn合金、RhMn合金、
NiO、α-Fe₂O₃のいずれか一で形成することを特徴とす
る請求項２４又は２５に記載の強磁性トンネル接合の製
造方法。
【請求項２７】前記上部強磁性層のエッチングに際し、
イオンミリングを用いて前記ギャップ層の途中までイオ
ンミリング法により加工した後、イオンミリングで残さ
れた前記ギャップ層を反応性イオンエッチング法により
除去して前記上部強磁性体層を露出させ、その後、前記
上部強磁性体層をイオンミリング法により加工すること
を特徴とする請求項２４乃至２６のいずれか一に記載の
強磁性トンネル接合の製造方法。