JP2008294420A - 磁気抵抗素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁性層同士のショートを防ぐ。
【解決手段】 磁気抵抗素子１０は、磁化の方向が固定された第１の固定層１４と、第１の非磁性層１５とが順に積層された第１の積層体と、第１の積層体上に設けられ、かつ磁化の方向が変化する自由層１６と、第２の非磁性層１７と、磁化の方向が固定された第２の固定層１８とが順に積層された第２の積層体と、第２の積層体の側面に接しかつ第２の積層体を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる側壁２０とを具備する。そして、第１の積層体は、その側面がほぼ垂直である。第２の積層体は、上に向かって細くなるテーパー形状を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁気抵抗素子及びその製造方法に係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及びその製造方法に関する。

強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）は、不揮発性、高速動作、大容量、低消費電力を備えた不揮発性メモリとして期待されている。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を記憶素子として備え、このＭＴＪ素子の磁化状態により情報を記憶する。

従来型の配線電流による磁場でデータの書き込みを行うＭＲＡＭにおいては、ＭＴＪ素子サイズを縮小すると保持力が大きくなるために、書き込みに必要な電流が大きくなる傾向がある。この従来型ＭＲＡＭでは、大容量化に向けたセルサイズの微細化と低電流化の両立は困難である。

このような課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（ＳＭＴ：Spin Momentum Transfer）書き込み方式を用いたスピン注入型ＭＲＡＭが提案されている。スピン注入型ＭＲＡＭでは、情報の書き込みは、ＭＴＪ素子に直接電流通電して、この電流の向きで自由層の磁化方向を変化させることで行われる。また、自由層を挟むように配置された２つの固定層を具備するＭＴＪ素子では、スピントルクを増大させることができるため、ＭＴＪ素子の臨界電流密度を低減することができる。

このようなＭＴＪ素子を形成する場合、エッチング工程により、二重磁気トンネル接合をＭＴＪ素子ごとに分離する。しかし、接合分離の際のエッチングによる反応生成物が素子側面に付着して、自由層と固定層とがショートしてしまう。この自由層と固定層とのショートを回避するために、テーパーエッチングを行うことが考えられる。ところが、加工の断面形状がテーパー形状となり、固定層の２層化によるエッチング膜厚の増大化のためにテーパーエッチングにおける加工変換差が増大して、ＭＴＪ素子サイズが大きくなってしまう。

また、この種の関連技術として、側面が傾斜した磁気抵抗効果素子において、素子サイズが縮小しても安定な磁区構造を有する磁気抵抗効果素子の構造が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２９８１４５号公報

本発明は、磁性層同士のショートを防ぐことができ、かつ微細化が可能な磁気抵抗素子及びその製造方法を提供する。

本発明の第１の視点に係る磁気抵抗素子は、磁化の方向が固定された第１の固定層と、第１の非磁性層とが順に積層された第１の積層体と、前記第１の積層体上に設けられ、かつ磁化の方向が変化する自由層と、第２の非磁性層と、磁化の方向が固定された第２の固定層とが順に積層された第２の積層体と、前記第２の積層体の側面に接しかつ前記第２の積層体を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる側壁とを具備する。前記第１の積層体は、その側面がほぼ垂直である。前記第２の積層体は、上に向かって細くなるテーパー形状を有する。

本発明の第２の視点に係る磁気抵抗素子の製造方法は、磁化の方向が固定された第１の固定層と、第１の非磁性層とを順に積層して、第１の積層体を形成する工程と、前記第１の積層体上に、磁化の方向が変化する自由層と、第２の非磁性層と、磁化の方向が固定された第２の固定層とを順に積層して、第２の積層体を形成する工程と、前記第２の積層体上にハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクをマスクとして、前記第２の積層体をテーパーエッチングする工程と、前記第１の積層体上で前記第２の積層体の側面に、絶縁体からなる側壁を形成する工程と、前記側壁をマスクとして、前記第１の積層体を異方性エッチングする工程とを具備する。

本発明によれば、磁性層同士のショートを防ぐことができ、かつ微細化が可能な磁気抵抗素子及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。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。

図１は、本発明の一実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す平面図である。図２は、図１に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＲＡＭの断面図である。

ＭＲＡＭは、複数のＭＴＪ素子（磁気抵抗素子）１０を備えている。また、ＭＲＡＭは、それぞれがＸ方向に延在する複数の配線層１１と、それぞれがＹ方向に延在する複数の配線層２２とを備えている。そして、ＭＴＪ素子１０は、配線層１１と配線層２２との交差領域に配置されている。配線層１１及び配線層２２は、ＭＴＪ素子１０に双方向に電流を供給するために用いられる。

配線層１１上には、ＭＴＪ素子１０に対応する数のコンタクトプラグ１２が設けられている。ＭＴＪ素子１０は、このコンタクトプラグ１２上に、下部電極１３、第１の固定層（或いは、ピン層ともいう）１４、第１のトンネルバリア層（非磁性層）１５、自由層（或いは、記録層ともいう）１６、第２のトンネルバリア層（非磁性層）１７、第２の固定層１８、上部電極１９が順に積層された積層構造を有する。

すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１０は、自由層の両側にそれぞれ非磁性層を介して２つの固定層が配置される、いわゆるデュアルピン層構造（或いは、ダブルジャンクション構造ともいう）を有する磁気抵抗素子の構成例である。ＭＴＪ素子１０の平面形状については特に限定されず、本実施形態では例えば円形を有している。その他、正方形、長方形、楕円形などであってもよい。

第１の固定層１４及び第２の固定層１８は、磁化（或いは、スピン）の方向が固定されている。また、第１の固定層１４と第２の固定層１８との磁化方向は、反平行（反対方向）に設定される。自由層１６は、磁化方向が変化（反転）可能である。固定層１４、１８、及び自由層１６の容易磁化方向は膜面に垂直であってもよいし、膜面に平行であってもよい。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、垂直磁化膜を用いて構成してもよいし、面内磁化膜を用いて構成してもよい。

固定層１４、１８、及び自由層１６としては、強磁性体が用いられる。具体的には、固定層１４及び１８としてはそれぞれ、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、マンガン（Ｍｎ）、ルテニウム（Ｒｕ）のうち１つ以上の元素を含む強磁性体が用いられる。自由層１６としては、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を含む強磁性体が用いられる。また、飽和磁化、或いは結晶磁気異方性などを調整する目的で、ホウ素（Ｂ）、Ｃ（炭素）、或いはＳｉ（シリコン）などの元素を添加してもよい。下部電極１３、上部電極１９、及びコンタクトプラグ１２としては、タンタル（Ｔａ）などの導電体が用いられる。

なお、固定層１４、１８には、シンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnet）構造を用いてもよい。ＳＡＦ構造とは、非磁性層を介して互いの磁化の方向が反平行である第１の磁性層／非磁性層／第２の磁性層からなる積層構造である。このＳＡＦ構造を用いることで、固定層１４、１８の磁化固着力が増強され、外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性を向上させることができる。

第１のトンネルバリア層１５としては、酸化マグネシウム、或いは酸化アルミニウムなどの金属酸化物が用いられる。第２のトンネルバリア層１７としては、常磁性金属が用いられ、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、或いは銀（Ａｇ）などが用いられる。第１のトンネルバリア層１５として金属酸化物を用いた場合には、ＴＭＲ効果を利用することができる。また、第２のトンネルバリア層１７として常磁性金属を用いた場合には、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）効果を利用することが可能となる。ＭＲ比は、ＧＭＲに比べてＴＭＲの方が十分大きい。よって、データの読み出し時には、主にＴＭＲのＭＲ比が利用される。

なお、ＭＴＪ素子１０を構成する層は、積層順序が逆転していても構わない。この場合、第１のトンネルバリア層１５としては常磁性金属が用いられ、第２のトンネルバリア層１７としては金属酸化物が用いられる。また、トンネルバリア層１５及びトンネルバリア層１７それぞれに、金属酸化物を用いるようにしてもよい。この場合は、トンネルバリア層１５とトンネルバリア層１７とは、異なる膜厚に設定される。これは、データ読み出し時に、ＭＲ比に差を持たせるためである。

ＭＴＪ素子１０は、スピン注入型の磁気抵抗素子である。従って、ＭＴＪ素子１０にデータを書き込む、或いはＭＴＪ素子１０からデータを読み出す場合、ＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは、積層面）に垂直な方向において、双方向に電流通電される。ＭＴＪ素子１０へのデータの書き込みは、以下のように行われる。

固定層１４側から電子（すなわち、固定層１４から自由層１６へ向かう電子）を供給した場合、固定層１４の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層１８により反射されることで固定層１８の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが自由層１６に注入される。この場合、自由層１６の磁化方向は、固定層１４の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層１４と自由層１６との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、この場合を例えばデータ“０”と規定する。

一方、固定層１８側から電子（すなわち、固定層１８から自由層１６へ向かう電子）を供給した場合、固定層１８の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層１４により反射されることで固定層１４の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが自由層１６に注入される。この場合、自由層１６の磁化方向は、固定層１４の磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、固定層１４と自由層１６との磁化方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も大きくなり、この場合を例えばデータ“１”と規定する。

次に、データの読み出しは、以下のように行われる。ＭＴＪ素子１０に読み出し電流を供給する。この読み出し電流は、自由層１６の磁化方向が反転しない値（書き込み電流よりも小さい値）に設定される。この時のＭＴＪ素子１０の抵抗値の変化をセンスアンプなどを用いて検出する。

ところで、図２に示すように、下部電極１３、固定層１４、及びトンネルバリア層１５からなる第１の積層体は、テーパー形状ではなく、その側面が膜面に対してほぼ垂直である。なお、プロセスの制約上、実際には、完全な垂直にはなりえないため、第１の積層体は、多少テーパー形状を有している。一方、自由層１６、トンネルバリア層１７、及び固定層１８からなる第２の積層体は、上に向かって細くなるテーパー形状を有している。すなわち、第２の積層体の側面は、垂直方向に対して斜めに傾いている。

また、自由層１６の底面の面積は、トンネルバリア層１５の面積より小さい。すなわち、自由層１６とトンネルバリア層１５とは階段状になっている。換言すると、断面形状において、自由層１６の底面の直径は、トンネルバリア層１５の直径（或いは、固定層１４の直径）よりも小さい。

さらに、自由層１６、トンネルバリア層１７、固定層１８、及びハードマスク１９からなる積層体は、その側面が側壁２０で包囲されている。また、側壁２０は、トンネルバリア層１５上に設けられている。側壁２０としては、絶縁体が用いられ、例えばシリコン窒化膜が用いられる。

上部電極１９は、その側面が膜面に対してほぼ垂直である。この“ほぼ垂直”は、多少のテーパー形状を含む意味である。また、上部電極１９の底面の面積は、固定層１８の上面の面積と同じである。

図３（平面図）及び図４（ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図）には、１つのＭＴＪ素子１０を抜き出して示している。ここで、自由層１６、トンネルバリア層１７、及び固定層１８からなる第２の積層体の側面の角度（テーパー角）をθ１、この第２の積層体の膜厚をｔ１とすると、側壁２０の膜厚ｔ２は、以下の条件を満たすように設定される。

ｔ２＞ｔ１／ｔａｎθ１
この条件を満たすことで、自由層１６の底面の面積は、トンネルバリア層１５の面積より小さくなる。すなわち、自由層１６の側面は、必ず側壁２０で包囲される。これにより、自由層１６と固定層１４とがショートするのを防ぐことができる。

例えば、ＭＴＪ素子１０が磁性層間のショートを抑制するために、全体がテーパー形状であると、最下層の下部電極１３のサイズが大きくなり、ひいてはＭＴＪ素子１０のサイズが大きくなってしまう。しかし、本実施形態では、自由層１６、トンネルバリア層１７、及び固定層１８からなる第２の積層体は、テーパー形状を有することで、自由層１６と固定層１８とのショートを抑制している。一方、下部電極１３、固定層１４、及びトンネルバリア層１５からなる第１の積層体は、その側面が膜面に対してほぼ垂直であるため、結果としてＭＴＪ素子１０を微細化することができる。さらに、自由層１６の側面には側壁２０が設けられているため、自由層１６と固定層１４とのショートを防ぐことができる。

次に、第２の積層体を側壁２０で包囲するための他の条件について説明する。図４に示すように、側壁２０の上部のテーパー角をθ２、側壁２０の下部のテーパー角をθ３、トンネルバリア層１５の上面からθ２＜θ３となる変曲点までの距離をｔ３とすると、ｔ３＞ｔ１の関係を満たすように設定される。

例えば、距離ｔ３がｔ１より低いと、第２の積層体を側壁２０で包囲できない可能性がある。しかし、上記関係を満たすように側壁２０を形成することで、自由層１６の側面は、必ず側壁２０で包囲される。これにより、自由層１６と固定層１４とがショートするのを防ぐことができる。

次に、第２の積層体を側壁２０で包囲するための他の条件について説明する。上部電極１９のテーパー角をθ４とすると、θ４＞θ１の関係を満たすように設定される。さらに、側壁２０の下部のテーパー角θ３は、θ３＞θ１の関係を満たすように設定される。

上部電極１９のテーパー角θ４が垂直に近ければ、側壁２０を形成する際に、第２の積層体をこの側壁２０で包囲しやすくなる。一方、上部電極１９のテーパー角θ４がθ１より小さいと、上部電極１９の上面の面積が小さくなる、或いは上部電極１９の高さが低くなってしまうため、第２の積層体を側壁２０で包囲できない可能性がある。また、側壁２０の下部のテーパー角θ３が第２の積層体のテーパー角θ１より小さいと、第２の積層体を側壁２０で包囲できない可能性がある。しかし、上記関係を満たすように上部電極１９及び側壁２０を形成することで、自由層１６の側面は、必ず側壁２０で包囲される。これにより、自由層１６と固定層１４とがショートするのを防ぐことができる。

なお、本実施形態では、第２の積層体がテーパー形状を有しているため、固定層１８の体積が減少してしまう。この結果、固定層１８が所望の磁気異方性エネルギーを得られない可能性がある。このため、固定層１８の単位体積あたりの磁気異方性エネルギーは、固定層１４のそれよりも高いことが好ましい。これにより、固定層１８の体積が固定層１４より小さくなった場合でも、固定層１８は所望の磁気異方性エネルギーを有することが可能となる。

次に、ＭＴＪ素子１０の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。例えば半導体基板（図示せず）の上方には、層間絶縁層を介して、それぞれがＸ方向に延在する複数の配線層１１が形成されている。これら配線層１１上には、ＭＴＪ素子１０の数に対応する複数のコンタクトプラグ１２が形成されている。配線層１１間、及びコンタクトプラグ１２間は、層間絶縁層２１で満たされている。層間絶縁層２１としては、例えば酸化シリコンが用いられる。配線層１１としては、アルミニウム（Ａｌ）などの金属が用いられる。

続いて、図５に示すように、複数のコンタクトプラグ１２上に、下部電極１３、第１の固定層１４、第１のトンネルバリア層１５、自由層１６、第２のトンネルバリア層１７、第２の固定層１８を順に堆積する。固定層１４、１８、及び自由層１６としては、例えばＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金が用いられる。第１のトンネルバリア層１５としては例えば酸化マグネシウム、第２のトンネルバリア層１７としては例えば銅（Ｃｕ）が用いられる。

続いて、図６及び図７に示すように、リソグラフィ法及びreactive ion etching（ＲＩＥ）法を用いて、固定層１８上に、ＭＴＪ素子１０の数に対応する複数のハードマスク１９を形成する。ハードマスク１９は、その平面形状が、所望の固定層１８の上面の形状と同じになるように形成される。本実施形態では、ハードマスク１９の平面形状は、例えば円形である。ハードマスク１９としては、導電体（例えば、タンタル）が用いられる。ハードマスク１９は、上部電極として使用される。

続いて、図８及び図９に示すように、例えばイオンミリング法を用いて、ハードマスク１９をマスクとして固定層１８、トンネルバリア層１７、及び自由層１６をテーパーエッチングし、トンネルバリア層１５の上面を露出させる。この工程により、固定層１８、トンネルバリア層１７、及び自由層１６からなる第２の積層体は、上に向かって細くなるテーパー形状を有する。これにより、固定層１８と自由層１６とがショートするのを抑制することができる。

トンネルバリア層１５の硬度は、トンネルバリア層１７のそれより高く設定することが好ましい。このような条件を満たす材料を選択することで、上記イオンミリング工程において、トンネルバリア層１５のエッチングストッパーとして機能がより向上するため、第２の積層体の加工がしやすくなる。

また、トンネルバリア層１７の抵抗は、トンネルバリア層１５のそれより低く設定することが好ましい。テーパーエッチングを行うと、第２の積層体の側面にエッチングによる反応生成物（エッチング生成物）が付着しやすくなる。しかし、トンネルバリア層１７として、抵抗の低い（導電性の高い）材料を用いることで、仮に第２の積層体の側面に反応生成物が付着して固定層１８と自由層１６とが短絡された場合でも、スピン注入電流は、トンネルバリア層１７を介して流れるようになる。これにより、第２の積層体の側面に反応生成物が付着した場合でも、その影響を最小限に抑えることが可能となる。

続いて、図１０に示すように、装置全面に、シリコン窒化膜からなる絶縁層２０を堆積する。この工程の際、ハードマスク１９、固定層１８、トンネルバリア層１７、及び自由層１６の側面に、絶縁層２０が形成されるようにする。さらに、絶縁層２０の膜厚は、前述した関係式を満たすように設定される。

続いて、図１１及び図１２に示すように、異方性の強い条件のＲＩＥ法により、絶縁層２０を異方性エッチングし、トンネルバリア層１５の上面を露出させる。これにより、ハードマスク１９、固定層１８、トンネルバリア層１７、及び自由層１６の側面に、側壁２０が形成される。また、前述した関係式を満たすように絶縁層２０の膜厚を設定することで、トンネルバリア層１５上にも部分的に絶縁層２０が残っている状態となる。

続いて、図１３及び図１４に示すように、異方性の強い条件のＲＩＥ法などにより、側壁２０をマスクとしてトンネルバリア層１５、固定層１４、及び下部電極１３をそれらの側面がほぼ垂直になるようにエッチングし、層間絶縁層２１の上面を露出させる。この工程の際、自由層１６は側壁２０で覆われているため、エッチングによる反応生成物（エッチング生成物）が自由層１６に付着するのを防ぐことができる。これにより、自由層１６と固定層１４とがショートするのを防ぐことができる。

なお、このＲＩＥ法としては、具体的には、ハロゲン系ＲＩＥ法、或いはカルボニル系ＲＩＥ法があげられる。これらのＲＩＥ法を用いることで、第１の積層体の側面を垂直に近づけることが可能となる。一方で、これらのＲＩＥ法では、固定層１４やトンネルバリア層１５の側面に反応生成物が付着しやすくなる。このため、固定層１４の反応生成物に対する磁気特性の変化は、固定層１８のそれより小さいことが好ましい。これにより、ＲＩＥ法によるエッチング工程によって固定層１４に反応生成物が付着した場合でも、固定層１４の磁気特性が所望の特性に比べて変化するのを抑制することができる。なお、本実施形態のエッチング工程によれば、第２の積層体の側面に付着する反応生成物は、第１の積層体の側面に付着する反応生成物より少なくなる。

また、カルボニル系ＲＩＥ法によるエッチングは酸素雰囲気中で行なわれるため、第１の積層体（下部電極１３、固定層１４、及びトンネルバリア層１５）は酸化されやすい。一方、イオンミリング法によるエッチングは酸素雰囲気中で行なわないため、第２の積層体（固定層１８、トンネルバリア層１７、及び自由層１６）は酸化されにくい。すなわち、本実施形態では、第２の積層体の側面は、第１の積層体の側面より酸化していない。また、カルボニル系ＲＩＥ法を用いて第１の積層体をエッチングした場合、酸化した反応生成物が側壁２０に付着する。図１５は、酸化した反応生成物が側壁２０に付着した様子を示す断面図である。なお、図１５には、図１４に示したＭＴＪ素子１０の１つを抽出して示している。

また、イオンミリング法とＲＩＥ法とを比べると、ＲＩＥ法の方が試料にダメージを与えてしまう。すなわち、本実施形態では、第１の積層体は、第２の積層体よりもダメージが大きくなる。プロセスに起因するダメージが大きくなると、固定層が所望の磁気特性を得られなくなる。このため、固定層１４のダメージに対する磁気特性の変化は、固定層１８のそれより小さいことが好ましい。

続いて、図１及び図２に示すように、装置全面に層間絶縁層２１を堆積し、この層間絶縁層２１をエッチバックすることで、ハードマスク１９の上面を露出させる。続いて、ハードマスク１９上に導電体（アルミニウムなど）を堆積し、リソグラフィ法及びＲＩＥ法を用いてこの導電層をパターニングすることで、それぞれがＹ方向に延在する複数の配線層２２が形成される。このようにして、本実施形態のＭＲＡＭが形成される。

以上詳述したように本実施形態では、下部電極１３、固定層１４、及びトンネルバリア層１５からなる第１の積層体は、その側面が膜面に対してほぼ垂直である。一方、自由層１６、トンネルバリア層１７、及び固定層１８からなる第２の積層体は、上に向かって細くなるテーパー形状を有している。従って、ＭＴＪ素子の全体がテーパー形状である場合と比べて、微細化が可能である。すなわち、ハードマスク１９を用いてＭＴＪ素子１０を加工する場合の変換差である加工変換差（ハードマスク１９の膜面方向の長さとＭＴＪ素子１０の膜面方向の長さとの差）を側壁２０の膜厚の２倍値にまで低減することができる。

また、自由層１６は側壁２０で覆われているため、固定層１４をエッチングする際に生成される反応生成物が自由層１６に付着するのを防ぐことができる。これにより、自由層１６と固定層１４とがショートするのを防ぐことができる。

また、自由層１６、トンネルバリア層１７、及び固定層１８からなる第１の積層体は、テーパー形状を有しているため、自由層１６と固定層１８とのショートを抑制することができる。

なお、前述したように、ＭＴＪ素子１０の平面形状については特に限定されない。他の一例として、ＭＴＪ素子１０の平面形状が楕円形である場合について説明する。図１６は、ＭＴＪ素子１０の他の一例を示す平面図である。図１７は、図１６に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＴＪ素子１０の断面図である。

下部電極１３、第１の固定層１４、第１のトンネルバリア層１５、自由層１６、第２のトンネルバリア層１７、第２の固定層１８、及び上部電極１９はそれぞれ、平面形状が楕円形である。

また、下部電極１３、固定層１４、及びトンネルバリア層１５からなる第１の積層体は、その側面が膜面に対してほぼ垂直である。一方、自由層１６、トンネルバリア層１７、及び固定層１８からなる第２の積層体は、上に向かって細くなるテーパー形状を有している。そして、自由層１６、トンネルバリア層１７、固定層１８、及びハードマスク１９からなる積層体は、その側面が側壁２０で包囲されている。また、側壁２０は、トンネルバリア層１５上に設けられている。

側壁２０膜厚ｔ２は、前述した条件を満たすように設定される。この条件を満たすことで、自由層１６の底面の面積は、トンネルバリア層１５の面積より小さくなる。すなわち、自由層１６の側面は、必ず側壁２０で包囲される。これにより、自由層１６と固定層１４とがショートするのを防ぐことができる。

図１６及び図１７に示すようＭＴＪ素子１０を構成した場合でも、平面形状が円形の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、平面形状が楕円のＭＴＪ素子１０を形成する場合には、ハードマスク１９の平面形状を楕円形或いは長方形にすればよい。その他の製造工程は、前述した製造工程と同じである。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す平面図。 図１に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＲＡＭの断面図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す平面図。 図３に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＴＪ素子１０の断面図。 本発明の一実施形態に係るＭＲＡＭの製造工程を示す断面図。 図５に続くＭＲＡＭの製造工程を示す平面図。 図６に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＲＡＭの製造工程を示す断面図。 図６に続くＭＲＡＭの製造工程を示す平面図。 図８に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＲＡＭの製造工程を示す断面図。 図９に続くＭＲＡＭの製造工程を示す断面図。 図１０に続くＭＲＡＭの製造工程を示す平面図。 図１１に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＲＡＭの製造工程を示す断面図。 図１１に続くＭＲＡＭの製造工程を示す平面図。 図１３に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＲＡＭの製造工程を示す断面図。 反応生成物が側壁２０に付着した様子を示す断面図。 ＭＴＪ素子１０の他の一例を示す平面図。 図１６に示したＩＩ−ＩＩ線に沿ったＭＴＪ素子１０の断面図。

符号の説明

１０…ＭＴＪ素子、１１…配線層、１２…コンタクトプラグ、１３…下部電極、１４…第１の固定層、１５…第１のトンネルバリア層、１６…自由層、１７…第２のトンネルバリア層、１８…第２の固定層、１９…上部電極（ハードマスク）、２０…側壁、２１…層間絶縁層、２２…配線層。

Claims (5)

1. 磁化の方向が固定された第１の固定層と、第１の非磁性層とが順に積層された第１の積層体と、
   前記第１の積層体上に設けられ、かつ磁化の方向が変化する自由層と、第２の非磁性層と、磁化の方向が固定された第２の固定層とが順に積層された第２の積層体と、
   前記第２の積層体の側面に接しかつ前記第２の積層体を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる側壁と、
   を具備し、
   前記第１の積層体は、その側面がほぼ垂直であり、
   前記第２の積層体は、上に向かって細くなるテーパー形状を有することを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 前記第２の積層体の底面の面積は、前記第１の積層体の面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第２の積層体の膜厚をｔ１、前記側壁の膜厚をｔ２、テーパー角をθとすると、
   ｔ２＞ｔ１／ｔａｎθ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
4. 磁化の方向が固定された第１の固定層と、第１の非磁性層とを順に積層して、第１の積層体を形成する工程と、
   前記第１の積層体上に、磁化の方向が変化する自由層と、第２の非磁性層と、磁化の方向が固定された第２の固定層とを順に積層して、第２の積層体を形成する工程と、
   前記第２の積層体上にハードマスクを形成する工程と、
   前記ハードマスクをマスクとして、前記第２の積層体をテーパーエッチングする工程と、
   前記第１の積層体上で前記第２の積層体の側面に、絶縁体からなる側壁を形成する工程と、
   前記側壁をマスクとして、前記第１の積層体を異方性エッチングする工程と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
5. 前記第２の積層体の膜厚をｔ１、前記側壁の膜厚をｔ２、テーパー角をθとすると、
   ｔ２＞ｔ１／ｔａｎθ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗素子の製造方法。

Images