JP2005209951A

JP2005209951A - 磁気メモリ素子及び磁気記憶装置

Info

Publication number: JP2005209951A
Application number: JP2004016034A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Maesaka; 明弘前坂
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】磁気記憶装置の製造時に発生する各メモリセルの磁気メモリ素子の特性のバラツキを減少させ、製造歩留りを向上させることが可能な構成の磁気メモリ素子、及びこの磁気メモリ素子を用いた磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】下層側から、反強磁性層４、磁化固定層３、非磁性層２、記憶層１を積層して成り、記憶層１の端部に隣接して、この記憶層１を構成する磁性材料を酸化した材料から成る酸化層３７が配置されている磁気メモリ素子を構成する。この磁気メモリ素子の少なくとも記憶層１は、化学反応を伴うエッチングによりパターン形成されているものとする。また、この磁気メモリ素子を用いてメモリセルを構成した磁気記憶装置を構成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、磁気メモリ素子、及びこの磁気メモリ素子を用いた磁気記憶装置に係わる。

情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型情報機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が求められている。特に、不揮発性メモリの高密度化・大容量化は、可動部分の存在等の原因により本質的に小型化・高速化・低消費電力化が困難な磁気ハードディスク等と相補的な技術として、ますます重要になってきている。

不揮発性メモリとしては、半導体フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ(強誘電体不揮発メモリ)等が実用化されており、さらなる高性能化に向けての活発な研究開発が行われている。

最近、磁性体を利用した新しい不揮発メモリとして、トンネル磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory ）が試作され、注目を集めている（例えば、非特許文献１参照）。
このＭＲＡＭは、特にランダムアクセスがしやすいこと、書き換え可能回数が大きいこと、高速に動作させることが可能であること、の３点においてフラッシュメモリよりも優れており、また書き換え可能回数が大きい点でＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）よりも優れている。さらに、ＤＲＡＭ並みの高集積度とＳＲＡＭ並みのスピードの両立が期待されるため、システムＬＳＩ用混載メモリをすべて置き換える可能性も有している。

ＭＲＡＭは、情報の記録を行う微小な磁気メモリ素子を規則的に配置し、その各々にアクセスできるように、配線例えばワード線及びビット線を設けた構造を有している。
それぞれの磁気メモリ素子は、情報を強磁性体の磁化の向きとして記録させる記憶層を有して構成される。

そして、磁気メモリ素子の構成としては、上述の記憶層と、トンネル絶縁膜（非磁性スペーサ膜）と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成る、いわゆる磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を用いた構造が採用されている。磁化固定層の磁化の向きは、例えば反強磁性層を設けることにより固定することができる。

このような構造においては、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとのなす角度に応じて、トンネル絶縁膜を流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化する、いわゆるトンネル磁気抵抗効果を生じるため、このトンネル磁気抵抗効果を利用して、情報の書き込み（記録）を行うことができる。この抵抗値の大きさは、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが反平行であるときに最大値をとり、平行であるときに最小値をとる。

このように構成した磁気メモリ素子において、磁気メモリ素子への情報の書き込み（記録）は、ワード線及びビット線の両方に電流を流すことにより発生する合成電流磁界により、磁気メモリ素子の記憶層の磁化の向きを制御することにより行うことができる。一般的には、このときの磁化の向き（磁化状態）の違いを、「０」情報と「１」情報とにそれぞれ対応させて記憶させる。
一方、記録された情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いてメモリセルの選択を行い、磁気メモリ素子のトンネル磁気抵抗効果を利用して、記憶層の磁化の向きの違いを電圧信号の差として検出することにより、記録された情報を検知することができる。

そして、ＭＲＡＭにおいて、集積回路を安定に駆動させるためには、メモリセル毎の磁気メモリ素子の特性、例えば抵抗値Ｒ、磁気抵抗変化量ΔＲ、磁気抵抗比（ＭＲ比）、スイッチング磁界等のバラツキを抑えることが重要である。

Wang外著，IEEE Trans. Magn. ，Ｖｏｌ．３３，１９９７年，ｐ．４４９８

しかしながら、ＭＲＡＭの製造の際に、メモリセル毎の磁気メモリ素子の特性、例えば磁気抵抗比（ＭＲ比）にバラツキを生じて、歩留まりが大きく低下してしまうことがあった。

この特性のバラツキの原因を明らかにするために、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopy）及び透過型電子顕微鏡に付随するエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析法（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）及び電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ：Electron Energy Loss Spectroscopy）を用いて、磁気メモリ素子の構造解析を行った。

なお、この構造解析を行うことを特徴とするＭＲＡＭの製造方法については、先に出願した特願２００３−１４６７４２号に詳述している。

構造解析を行った結果、磁気メモリ素子の記憶層の端部において、トンネル絶縁膜を中心に、記憶層及び磁化固定層において、酸化ダメージが観察された。
さらに、この酸化ダメージの領域に含まれるトンネル絶縁膜付近の元素分析を行った。
その結果、記憶層等のパターンを形成する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）工程で使用したエッチングガスの元素と同じ元素が検出された。
これは、トンネル絶縁膜（例えばＡｌ−Ｏ層）において、原子的な隙間（欠陥）が多く存在しており、この欠陥を通して、反応性の高いエッチングガス元素（Ｃｌ元素等）が侵入したものと考えられる。

従って、上述の酸化ダメージの発生を抑制し、メモリセル毎の磁気メモリ素子特性のバラツキを改善するためには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）工程において、トンネル絶縁膜を通じてエッチングガスの元素が、磁気メモリ素子の内部に進入しないようにする必要があると考えられる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、磁気記憶装置の製造時に発生する各メモリセルの磁気メモリ素子の特性のバラツキを減少させ、製造歩留りを向上させることが可能な構成の磁気メモリ素子、及びこの磁気メモリ素子を用いた磁気記憶装置を提供するものである。

本発明の磁気メモリ素子は、少なくとも下層側から、反強磁性層、磁化固定層、非磁性層、記憶層を積層して成り、記憶層の端部に隣接して、この記憶層を構成する磁性材料を酸化した材料、或いは記憶層の磁性材料の構成元素を少なくとも含む磁性材料を酸化した材料から成る、酸化層が配置され、少なくとも記憶層が、化学反応を伴うエッチングによりパターン形成されているものである。

本発明の磁気記憶装置は、少なくとも下層側から、反強磁性層、磁化固定層、非磁性層、記憶層を積層して成る磁気メモリ素子によりメモリセルを構成し、各メモリセルの磁気メモリ素子の記憶層の端部に隣接して、この記憶層を構成する磁性材料を酸化した材料、或いは記憶層の磁性材料の構成元素を少なくとも含む磁性材料を酸化した材料から成る、酸化層が配置され、少なくとも記憶層が、化学反応を伴うエッチングによりパターン形成されているものである。

上述の本発明の磁気メモリ素子の構成によれば、少なくとも、下層側から、反強磁性層、磁化固定層、非磁性層、記憶層を積層して成り、記憶層の端部に隣接して、この記憶層を構成する磁性材料を酸化した材料、或いは記憶層の磁性材料の構成元素を少なくとも含む磁性材料を酸化した材料から成る、酸化層が配置され、少なくとも記憶層が、化学反応を伴うエッチングによりパターン形成されていることにより、記憶層の端部に隣接する酸化層によって、磁気メモリ素子を作製する際のパターニング工程等で用いられる反応性の高いエッチングガス（塩素ガス等）が非磁性層内に侵入することを抑制することができる。
これにより、非磁性層内に侵入したエッチングガスによって、非磁性層に隣接する磁性層（記憶層・磁化固定層）が酸化され、磁性層の磁気特性が劣化してしまう、という問題を回避することが可能になる。
従って、本発明の磁気メモリ素子の構成によれば、磁気特性例えば磁気抵抗比（ＭＲ比）が良好である磁気メモリ素子を、安定して作製することが可能になる。

上述の本発明の磁気記憶装置の構成によれば、上記本発明の磁気メモリ素子によりメモリセルを構成されていることより、各メモリセルの磁気メモリ素子を良好な磁気特性を有するように、安定して作製することができるため、メモリセル毎の磁気メモリ素子において、磁気メモリ素子の磁気特性のバラツキを抑制することが可能になる。
また、隣接するメモリセルにおいて、磁気メモリ素子の記憶層同士が記憶層に隣接する酸化層によって磁気的に分離されるため、磁性体でつながってしまうことなく、各メモリセルの磁気メモリ素子の記憶層の範囲が規定される。

上述の本発明の磁気メモリ素子によれば、磁気メモリ素子を作製する際に、磁気特性例えば磁気抵抗比（ＭＲ比）が良好である磁気メモリ素子を、安定して作製することが可能になる。
これにより、磁気メモリ素子をメモリセルに用いた磁気記憶装置を製造する際に、メモリセル毎の磁気メモリ素子の特性のバラツキ、例えば磁気抵抗比（ＭＲ比）のバラツキを抑制し、磁気記憶装置の製造歩留まりを向上することが可能になる。

また、上述の本発明の磁気記憶装置によれば、磁気記憶装置の製造時に発生する、メモリセル毎の磁気メモリ素子の特性のバラツキが抑制されるため、製造歩留りを向上することができる。

従って、本発明により、信頼性の高い磁気記憶装置を実現することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明の磁気メモリ素子の一実施の形態の概略構成図（模式的斜視図）を図１に示す。
この磁気メモリ素子１０は、ＭＲＡＭ等磁気記憶装置の１つのメモリセルに相当する部分を示しており、上層側から、記憶層１と、トンネル絶縁膜２と、磁化固定層３とを積層して成る磁気トンネル接合ＭＴＪを有して構成されている。

記憶層１は、磁性層から成り、磁化状態、即ち磁化の向きを情報として記録することができるものである。
トンネル絶縁膜２は、酸化膜や窒化膜、或いは酸窒化膜から成り、トンネル電流を流すために薄く形成されているものである。
磁化固定層３は、磁性層から成り、磁化の向きが固定されているものである。例えば、磁化固定層３に対して図示しない反強磁性層を設けることにより、磁化固定層３の磁化の向きを固定することができる。

そして、この磁気トンネル接合ＭＴＪと、ビット線（ＢＬ）１１と、書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２と、読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３と、メモリセルの選択を行うＭＯＳトランジスタＴｒとを有して構成されている。
また、磁気トンネル接合ＭＴＪの上にビット線（ＢＬ）１１が接続され、磁気トンネル接合ＭＴＪの下方に書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２が配置されている。
読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３は、ＭＯＳトランジスタＴｒのゲートＧを兼ねている。
また、ＭＯＳトランジスタＴｒのソース（Ｓ）１６及びドレイン（Ｄ）１７は、半導体層２１内に形成されている。
さらに、ＭＯＳトランジスタＴｒとＭＴＪとを接続するために、バッファ配線１４が設けられている。このバッファ配線１４は、一端側が磁気トンネル接合ＭＴＪに接続され、他端側がコンタクト層１５を介してＭＯＳトランジスタＴｒのソース１６に接続されている。
なお、書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２は、ＭＴＪや読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３やＭＯＳトランジスタＴｒのドレイン１７に対して、図示しない絶縁層により絶縁されている。

この磁気メモリ素子１０に対する、情報の書き込み（記録）は、ビット線（ＢＬ）１１及び書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２の両方に対してそれぞれ電流を流すことにより、発生する合成電流磁界によって、記憶層１の磁化の向きを制御することによって、行うことができる。

一方、記録された情報の読み出しは、ＭＯＳトランジスタＴｒを用いてメモリセルの選択を行い、磁気メモリ素子１０のトンネル絶縁膜２におけるトンネル磁気抵抗効果を利用して、記憶層１の磁化の向きの違いを電圧信号の差として検出することによって、行うことができる。

また、図１の磁気メモリ素子１０を規則的に配置して構成したＭＲＡＭ（磁気記憶装置）の集積回路の模式図を図２に示す。図２において、破線で囲った部分が、図１に示した磁気メモリ素子１０に相当する。
図中上下方向に延びるビット線（ＢＬ）１１と、図中左右方向に延びる書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２及び読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３とが、それぞれ多数平行して配置され、これらの配線１１，１２，１３の交差点付近にメモリセル、即ち図１に示した磁気メモリ素子１０が設けられている。

この図２に示す構成の集積回路１００において、情報を書き込む（記録）する際には、情報を書き込む対象のメモリセルに対応する、書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２及びビット線（ＢＬ）１１の両方に電流を流して発生する合成電流磁界により、これらの配線１１，１２の交差する目的のメモリセルの記憶層１の磁化の向きを制御する。

一方、メモリセルの記憶層１に記録された情報を読み出す際には、ＭＯＳトランジスタＴｒを用いて対象とするメモリセルを選択する。即ち、目的のメモリセルに接続された読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３をＨｉｇｈ（ＯＮ状態）にする。
さらに、ビット線（ＢＬ）１１の電位変化を検出することにより、ビット線（ＢＬ）１１と読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３とが交差する目的のメモリセルに記録された情報を読み出す。このとき、ビット線（ＢＬ）１１の電位は、磁気メモリ素子１０の記憶層１の磁化の向きによって決まる磁気抵抗（ΔＲ）に比例した値を示す。
このようにして、目的のメモリセルに対して、情報の書き込みや記録された情報の読み出しを行うことができる。

ここで、図２の集積回路１００等に用いられる、磁気トンネル接合ＭＴＪを有する磁気メモリ素子１０の代表的な膜構成を図３に示す。

図３は、磁化固定層を記憶層に対して下層に配置したボトムタイプの膜構成を示す。即ち図１と同様に、上層側から、記憶層１、トンネル絶縁膜２、磁化固定層３が配置されて磁気トンネル接合ＭＴＪが構成され、磁化固定層３の下に磁化固定層３の磁化の向きを固定するための反強磁性層４が配置されている。なお、図中３１は下地層や電極やバイパス用のバッファ配線等であり、図中３２は保護層やビット線（ＢＬ）等である。

なお、この他の膜構成も可能である。例えば、磁性層（記憶層１又は磁化固定層３）を、非磁性層を挟んだ２層の磁性層から成る積層フェリ構造とすることも可能である。
上述したような膜構成により、磁気トンネル接合ＭＴＪを有する磁気メモリ素子１０を構成することができる。そして、この磁気メモリ素子１０を用いて図２に示した集積回路１００を構成することができる。

ところで、図１や図２に示したような構成の磁気メモリ素子の製造工程を大まかに分類すると、ＭＯＳトランジスタ製造工程→ＭＴＪ部製造工程→パッケージング工程に分けられる。

このうち、ＭＴＪ部製造工程においては、例えば、次の図４Ａ〜図５Ｇに示すようにして、ＭＴＪ部が作製される。
まず、図４Ａに示すように、下地層３１上に、磁気トンネル接合ＭＴＪを構成する積層膜３５を成膜する。
次に、図４Ｂに示すように、例えばスピンコーターにより、表面に有機系のレジスト４０を塗布する。
次に、図４Ｃに示すように、メモリセルを形成する部分にレジスト４０が残るように、ステッパを用いてレジスト４０のパターニングを行う。

続いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、図４Ｄに示すように、所定の部分以外の部分の積層膜（ＭＴＪ膜）３５を取り除く。
この反応性イオンエッチングでは、装置チャンバー内でプラズマを発生させ、その内部で生成したイオンやラジカルを利用してエッチングを行う。そして、エッチングガスとして、反応性の高いガス、例えばＣｌ_２ガス、Ｂｒ_２ガス、ＣＦ_４ガス、ＣＯ及びＮＨ_３の混合ガス等が用いられる。
なお、図４Ｄでは、図示を簡単にするために、積層膜３５全体を同じパターンにしているが、実際には、詳細を後述するように積層膜３５のうちの一部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりパターニングする。

次に、図５Ｅに示すように、メモリセルの積層膜３５の周囲に、Ａｌ−Ｏ層等の絶縁層３６を成膜する。このＡｌ−Ｏ層は、Ａｌターゲットを用いて、Ｏ_２／Ａｒ混合雰囲気中でスパッタリングすることにより成膜することができる。
次に、図５Ｆに示すように、レジスト４０を除去する。
その後、図５Ｇに示すように、上部電極３２を成膜する。
その後、必要に応じて熱処理工程を行って、ＭＴＪを構成する磁性層の磁気構造（磁化の向き等）を調整する。
このようにして、ウエハーに磁気メモリ素子のＭＴＪ部を作製することができる。
なお、実際には、微調整のために、各工程間で熱処理が随時行われる場合が多い。

図２に示す磁気記憶装置の集積回路１００を安定に駆動させるためには、前述したように、メモリセル毎の磁気メモリ素子１０の特性（抵抗値Ｒ、磁気抵抗値（ΔＲ）、磁気抵抗比（ＭＲ比）、スイッチング磁界等）のバラツキを抑えることが重要である。

しかしながら、一般的なＭＴＪ部の構成では、図４Ｄに示した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）工程において、前述したように、反応性の高いエッチングガスにより、磁性層（記憶層や磁化固定層）が酸化してしまい、磁性層の磁気特性が劣化する。
このため、メモリセル毎の磁気メモリ素子の特性にバラツキを生じて、磁気記憶装置の製造歩留まりが低下してしまう問題が発生していた。

これに対して、本実施の形態では、この磁気特性の劣化を回避するために、磁気メモリ素子１０のＭＴＪ部の細部の構成に特徴を有している。

本実施の形態における、磁気メモリ素子の要部（ＭＴＪ部付近）の拡大断面図を図６に示す。
図６に示すように、下部電極３１の上に、反強磁性層４、磁化固定層３、トンネル絶縁膜２、記憶層１、保護層３３から成る積層膜３５が形成され、この積層膜３５の保護層３３に上部電極３２が接続されている。
また、記憶層１及び保護層３３は、積層膜３５の他の層２，３，４よりも小さいパターンになっており、このパターンによりＭＴＪセル（各磁気メモリ素子のＭＴＪ部のセル）５０が規定されている。このＭＴＪセル５０よりも外側の下部電極３１下には、絶縁層３６が形成されている。

そして、本実施の形態では、特に、記憶層１の端部に接して、外側に酸化層３７が設けられている。
この酸化層３７は、記憶層１を構成する磁性材料を酸化した材料により、もしくは記憶層１を構成する磁性材料の構成元素を少なくとも含む磁性材料を酸化した材料により、形成されている。

なお、図４Ａ〜図５Ｇは、ＭＴＪ部の一般的な製造工程を示した図であるため、図６の細部（積層膜３５等）の構成は、図４Ａ〜図５Ｇと多少異なっている。

この図６に示す磁気メモリ素子を作製するためには、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＭＴＪセル５０のパターンを形成する工程において、エッチング終点をトンネル絶縁膜（Ａｌ−Ｏ層）２に到達する前に設定して、図７に示すように、記憶層１となる磁性層４１が一部残るようにする。
具体的には、エッチングポイントが少なくとも記憶層１となる磁性層４１内にあるとき（磁性層４１の下面６１よりも上にあるとき）に、エッチングを停止する。
このように設定することにより、記憶層１となる磁性層４１のうち、ＭＴＪセル５０よりも外側の部分がエッチングガスにより酸化されて、図６に示した酸化層３７が形成される。

ただし、エッチングされずに残った磁性層４１が厚過ぎると、磁性層４１が充分に酸化されないため、磁性が消失せず、磁性体がつながったままの広いパターンで残ることになる。この場合、記憶層１としての機能を充分に発揮させることができなくなる。
そこで、例えば、１ｎｍ〜２ｎｍの厚さで残るように、磁性層４１をエッチングする。

なお、従来のＭＴＪ部の構成では、通常、ＭＴＪセル５０以外の領域に記憶層１となる磁性層４１が残っていると、通常ＭＴＪセル５０が分離されず、記憶層１としての機能を果たすことができないため、このような製造工程が適用されることはありえなかった。

上述の本実施の形態では、下層側から反強磁性層４、磁化固定層３、トンネル絶縁膜２、記憶層１を積層した積層膜３５から磁気メモリ素子１０が構成され、磁気メモリ素子１０の記憶層１の端部に接してその外側に酸化層３７が配置され、この酸化層３７が記憶層１を構成する磁性材料を酸化した材料、もしくは、記憶層１を構成する磁性材料の構成元素を少なくとも含む磁性材料を酸化した材料から成り、記憶層１等が化学反応を伴うエッチングによりパターン形成されている。
これにより、磁気メモリ素子１０を作製する際に、酸化層３７によって、ＭＴＪセル５０を形成するための化学反応を伴うエッチング工程で用いられる、塩素ガス等の反応性の高いエッチングガスが、トンネル絶縁膜２内に侵入することを抑制することができる。
このため、従来のＭＴＪ部の構成において発生していた、エッチングガスがトンネル絶縁膜内に侵入して、トンネル絶縁膜に隣接する記憶層１や磁化固定層３が酸化され、これら磁性層１，３の磁気特性が劣化してしまう、という問題を回避することが可能になる。

従って、磁気抵抗比（ＭＲ比）等の磁気特性が良好である磁気メモリ素子１０を安定して作製することが可能になる。

このように、磁気特性が良好な磁気メモリ素子を安定して作製することができるため、ＭＲＡＭを製造する際に、ＭＲＡＭの各メモリセルの磁気メモリ素子を良好な磁気特性を有するように安定して作製することができ、これにより、メモリセル毎の磁気メモリ素子において、磁気メモリ素子の磁気特性のバラツキを抑制することが可能になる。
これにより、ＭＲＡＭの製造歩留まりを向上することができる。
従って、信頼性の高いＭＲＡＭを実現することが可能になる。

また、隣接するメモリセルにおいて、磁気メモリ素子１０の記憶層１同士が記憶層１に隣接する酸化層３７によって磁気的に分離されるため、磁性体が広くつながってしまうことなく、ＭＴＪセル５０の範囲に規定され、記憶層１の機能を充分に発揮させることができる。

図７に示した製造工程を採用して図６に示した構成を作製した場合には、酸化層３７が、記憶層１を構成する磁性材料を酸化した材料から成る。
これに対して、その他の製造工程や積層膜の構成を採用した場合には、酸化層が、記憶層の磁性材料の構成元素を少なくとも含む磁性材料を酸化した材料から成る場合もありうる。
例えば、記憶層となる磁性層が、組成の異なる２層の磁性層（例えばＣｏＦｅＢ層とＣｏＦｅ層）を積層した構成や、膜厚方向に組成分布を有する構成である場合には、エッチング時のミキシング効果によって、作製される記憶層の材料・組成と酸化層の酸素を除いた材料・組成とが完全に一致しない。この場合でも、酸化層の酸素を除いた材料は、記憶層の磁性材料の構成元素を含み、同様の磁気的性質を有する。

次に、実際に、磁気メモリ素子や、磁気メモリ素子を集積したＭＲＡＭを作製して、その構造や特性を調べた。

（実施例）
図６に断面図を示したと同様の積層構造を有する磁気メモリ素子を作製して、これを本発明の実施例の磁気メモリ素子とした。
積層膜３５の各層は、反強磁性層４をＰｔＭｎ層、トンネル絶縁膜２をＡｌ−Ｏ層、記憶層１をＣｏＦｅ層とした。なお、磁化固定層３は、単層ではなく、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの積層フェリ構造とした。
また、記憶層１及び保護層３３を反応性イオンエッチングによりパターニングする際には、エッチングガスとしてＣｌ_２ガスを用いて、図７に示したように、記憶層１となる磁性層（ＣｏＦｅ層）４１内でエッチングを停止するようにした。

そして、実施例の磁気メモリ素子において、図６の酸化層３７内のＸで示す部分の構造の解析を行った。
具体的には、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopy）及び透過型電子顕微鏡に付随するエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析法（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）を使用して、酸化層３７内のＸで示す部分に、スポット径１ｎｍで電子線を収束させ、ＥＤＸ分析を行った。
ＥＤＸ分析により得られたＥＤＸスペクトルを図８に示す。

図８のＥＤＸスペクトルから、記憶層１となる磁性層４１の構成元素であるＣｏ及びＦｅと酸素Ｏとが同時に検出されている。
即ち、ＭＴＪセルよりも外側の領域に、記憶層１の端部に隣接して、磁性層４１のＣｏＦｅ層が酸化された酸化層３７が形成されていることが確認された。これにより、ＭＴＪセル５０よりも外側では、磁性層４１が酸化されて、磁性を消失していることが推測される。
従って、実施例の磁気メモリ素子では、ＭＴＪセル５０が分離されており、記憶層１としての機能を充分発揮させることができる。
そして、エッチング後に残る磁性層４１の膜厚を、１ｎｍ〜２ｎｍの範囲内にした場合において、同様の結果が得られた。

さらに、実施例の構成の磁気メモリ素子を集積したＭＲＡＭを製造した。
そして、ＭＲＡＭの各メモリセルのＭＲ比を測定した。
その結果、４７〜５０％の均一なＭＲ比の分布が得られた。

なお、実施例では、エッチングガスとしてＣｌ_２ガスを用いたが、他の反応性ガス（例えば、Ｂｒ_２ガス、ＣＦ_４ガス、ＣＯ及びＮＨ_３の混合ガス等）を用いた化学反応を伴うエッチングにおいても、同等の効果が得られる。

（比較例）
一方、比較例として、積層膜３５を構成する各層を実施例と同じ材料・膜厚として、図９に断面図を示す磁気メモリ素子を作製した。
この図９に示す比較例では、積層膜３５のうち、保護層３３及び記憶層１全体と、トンネル絶縁膜２の一部がＭＴＪセル５０のパターンに形成され、その外側に絶縁層３６が設けられている。
また、反応性イオンエッチングによりＭＴＪセル５０のパターンにパターニングする際には、エッチングガスとしてＣｌ_２ガスを用いて、図１０に示すように、記憶層１となる磁性層（ＣｏＦｅ層）４１の下面６１よりも下方でエッチングを停止するようにした。
即ち、磁性層４１を完全に取り除いた後に、トンネル絶縁層（Ａｌ−Ｏ層）２にエッチング面が到達したところで、エッチングを停止した。

この比較例の磁気メモリ素子に対して、上述の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）及びエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析法（ＥＤＸ）及び電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ：Electron Energy Loss Spectroscopy）を用いて、構造解析を行った。

構造解析を行った結果、ＭＴＪセル５０の端部において、図９中に領域６２で示すように、トンネル絶縁膜（Ａｌ−Ｏ層）２を中心に、記憶層１及び磁化固定層３の各磁性層において、前述した酸化ダメージが観察された。
この酸化ダメージの範囲は、ＭＴＪセル５０の端部からＭＴＪセル５０の内部に向かって２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲に及んでいた。

そして、酸化ダメージの領域６２に含まれるトンネル絶縁膜（Ａｌ−Ｏ層）２付近の元素分析を行ったところ、本来含まれるはずのないＣｌ元素が検出された。
これは、Ａｌ−Ｏ層において原子的な隙間（欠陥）が多く存在し、この欠陥を通して、反応性の高いエッチングガス元素（Ｃｌ元素等）が、セルの内部に侵入したものと考えられる。

この構造解析結果から、下記のダメージ発生メカニズムが考えられる。
即ち、反応性イオンエッチングにおいて、エッチング面がＡｌ−Ｏ層２に到達した時点で、反応性の高いエッチングガスのＣｌ元素が、Ａｌ−Ｏ層２の原子的な欠陥を通して、ＭＴＪセル５０内に進入する。
このＣｌ元素は、電子親和力が強いため、周りの元素から電子を奪って酸化を促進する。
その結果、Ａｌ−Ｏ層２付近の磁性層１，３にまで酸化が及び、ダメージの発生した領域６２では、磁気抵抗比（ＭＲ比）が減少する。

さらにまた、この比較例の構成の磁気メモリ素子を集積したＭＲＡＭを製造し、各メモリセルのＭＲ比を測定したところ、ＭＲ比が２０〜４０％の範囲であり、ＭＲ比が実施例よりも低くなると共に、ＭＲ比のバラツキが観察された。

従って、実施例と比較例の結果を比較してわかるように、本発明の構成とすることにより、良好な磁気特性を有する磁気メモリ素子を作製することができ、これにより、ＭＲＡＭのメモリセル毎の磁気メモリ素子の磁気特性のバラツキを抑制して、ＭＲＡＭの製造歩留まりを向上することが可能になる。

上述の実施の形態では、磁気メモリ素子として、記憶層と磁化固定層との間にトンネル絶縁膜を設けてＭＴＪ（磁気トンネル接合）を形成し、ＴＭＲ素子（トンネル磁気抵抗効果素子）を構成したが、その他の構成、例えば、記憶層と磁化固定層との間に非磁性導電層（例えばＣｕ層等）を設けてＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）を構成した磁気メモリ素子にも、同様に本発明を適用することが可能である。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の磁気メモリ素子の一実施の形態の概略構成図（模式的斜視図）である。図１の磁気メモリ素子を規則的に配置したＭＲＡＭの集積回路の模式図である。磁気トンネル接合を有する磁気メモリ素子の代表的な膜構成を示す断面図である。Ａ〜Ｄ磁気メモリ素子の磁気トンネル接合部の製造工程を示す工程図である。Ｅ〜Ｇ磁気メモリ素子の磁気トンネル接合部の製造工程を示す工程図である。本発明の一実施の形態の磁気メモリ素子の要部（ＭＴＪ部付近）の拡大断面図である。図６の構成を製造する工程を示す工程図である。本発明の実施例において、酸化層のＥＤＸ分析を行って得られたＥＤＸスペクトル図である。比較例の磁気メモリ素子の要部（ＭＴＪ部付近）の拡大断面図である。図９の構成を製造する工程を示す工程図である。

符号の説明

１記憶層、２トンネル絶縁膜、３磁化固定層、４反強磁性層、１０磁気メモリ素子、１１ビット線（ＢＬ）、１２書き込み用ワード線（ＷＷＬ）、１３読み出し用ワード線（ＲＷＬ）、１４バッファ配線、１００集積回路、ＭＴＪ磁気トンネル接合、ＴｒＭＯＳトランジスタ

Claims

少なくとも下層側から、反強磁性層、磁化固定層、非磁性層、記憶層を積層して成る磁気メモリ素子であって、
前記記憶層の端部に隣接して、前記記憶層を構成する磁性材料を酸化した材料、或いは前記磁性材料の構成元素を少なくとも含む磁性材料を酸化した材料から成る、酸化層が配置され、
少なくとも前記記憶層が、化学反応を伴うエッチングによりパターン形成されている
ことを特徴とする磁気メモリ素子。
少なくとも下層側から、反強磁性層、磁化固定層、非磁性層、記憶層を積層して成る磁気メモリ素子によりメモリセルを構成して成る磁気記憶装置であって、
各前記メモリセルの磁気メモリ素子の前記記憶層の端部に隣接して、前記記憶層を構成する磁性材料を酸化した材料、或いは前記磁性材料の構成元素を少なくとも含む磁性材料を酸化した材料から成る、酸化層が配置され、少なくとも前記記憶層が、化学反応を伴うエッチングによりパターン形成されている
ことを特徴とする磁気記憶装置。