JP2010016087A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗の低いコンタクトを有する磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】コンタクト層５は基板１上に設けられている。固着層６は、コンタクト層５上に設けられ、固定された磁化方向を有する。トンネル絶縁層７は固着層６上に設けられている。自由層８は、トンネル絶縁層７上に設けられ、外部印加磁界により変化する磁化方向を有する。コンタクトプラグ１５は、コンタクト層５のみと接する底面を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気抵抗効果素子に関し、特に、コンタクトプラグを有する磁気抵抗効果素子に関するものである。

近年、従来の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistance）効果に比べてより大きな抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistance）効果素子（ＴＭＲ素子）を用いた磁気センサの利用が検討されている。

ＴＭＲ素子においては、２つの強磁性層の間に絶縁層を挟む構成、すなわち、強磁性／絶縁層／強磁性で構成される３層膜構造が用いられる。この２つの強磁性層の各々のスピンは、外部磁界により、互いに平行な状態または反平行な状態とされる。ＴＭＲ素子は、この平行な状態と反平行な状態とで絶縁層を介して膜面垂直方向に流れるトンネル電流の大きさが変化する作用を利用する。

このＴＭＲ素子において、特許文献１（特開２００６−２５３５６２号公報）や特許文献２（特許第２７８６６０１号公報）に示されるように、スピンバルブ型磁気抵抗効果素子が検討されている。スピンバルブ型磁気抵抗素子においては、一方の強磁性層が反強磁性層と交換結合させられる。これよりこの強磁性層は、外部からの印加磁界にかかわらず固定された磁化を有する固着層として用いられる。一方、他方の強磁性層は、外部磁界に応じて自由に回転する磁化を有する自由層として利用される。

特許文献２には、ディスクのデータを読み取る磁気ヘッドへ適用されるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子の構造が示されている。この素子においては、固着層および自由層の各々の磁化方向は互いに直交するように設定される。固着層においては、非磁性層がスペーサ層として強磁性層の間に挿入されることで、これらの強磁性層に反強磁性交換結合が生じるので、これらの強磁性層の磁化が反平行方向に設定される。この固着層の反平行磁界により、固着層からの漏洩磁界が相殺されるので、自由層に対する漏洩磁化の影響が低減される。

スピンバルブ型ＴＭＲ素子においては、反強磁性膜の結晶配向性を向上させるために、一般に、基板側（下部電極側）に反強磁性膜が形成される。この反強磁性膜の膜厚は、一般に１０ｎｍ以上とされている。反強磁性膜の膜厚が大きいと、反強磁性膜表面の粗さ（凹凸）が増大し、平坦度が低下する。これに応じて、その上に形成されるトンネル絶縁層と固着層との界面の粗さが増大し、トンネル絶縁層の膜厚の均一性が低下する。これにより、局所的に、自由層と固着層との磁気的な結合（静磁結合）が生じる。また、この固着層表面の粗さは、トンネル絶縁層の不均質性を引き起こすため、素子抵抗および抵抗変化率を減少させる。

このような磁気応答特性の変化を補正する方法として、特許文献２において示されるように、固着層の磁化を制御することにより、固着層と自由層との静磁結合を低減する方法がある。この方法では、固着層を強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる３層構造として、これらの強磁性層を互いに反平行方向に磁化して反強磁性結合を実現する。この場合、固着層において２つの強磁性層の磁化方向が反平行方向であり、それぞれの発生する磁界が相殺され、自由層に対する静磁結合の影響が低減することが図られている。

以上のように、ＴＭＲ素子においては、１０ｎｍ以下の薄膜を積層化することにより、その性能ともいえる大きなＭＲ比を得ることが可能となる。そのため、膜厚を安定して制御する必要がある。

一方、センサ素子製造においては、安価な製造方法が必要である。このためには、安価な製造装置を用いることで、製造装置のコストを抑制することが望ましい。安価な製造装置が用いられる場合、微細なパターンの形成は困難であるため、パターンの寸法はなるべく大きくされることが好ましく、１０μｍ程度の寸法とされることも多い。

ＴＭＲ素子がセンサに応用される際には、この膜厚とパターン寸法との間に３桁程度の差異があり、この差異に適切に対処する必要がある。

また、多数のＴＭＲ素子が連結および分散されるなどして、磁界検知精度の向上が図られる場合がある。この場合、多数のＴＭＲ素子が配線により結合される必要があり、そのためのコンタクト形成に対する要求が厳しくなってきている。具体的には、コンタクト抵抗の低減・熱的な安定性・バラつきの抑制など多くの要求項目が挙げられる。

しかしながら、前述したようにコンタクト径に対して非常に薄い薄膜でのエッチング停止制御性が必要なことから、エッチングプロセスのマージンは高いとはいえない。また、ＴＭＲ構造体部は素子性能を直接左右するので、ＴＭＲ構造体部の形成のためには比較的高価なプロセスが選択される。これに比して、素子間の絶縁のために用いられる層間絶縁膜の形成のためには、通常、コストダウンのために、できるだけ安価なプロセスが選択される。すなわち層間絶縁膜の形成プロセスにおいては、膜厚の均一性や被覆性などといったプロセス性能が高い装置は使用しにくい。そのため、層間絶縁膜エッチング時に、比較的大きな量のオーバーエッチングが行なわれる必要がある。しかしながらこのオーバーエッチング時にエッチング停止面が形成される膜の膜厚が不足することが多く、コンタクト抵抗が考慮されたプロセスの確立が困難な状況である。

このような状況から、コンタクトホールを形成した後に、コンタクト抵抗を低減する手法が検討されることになる。たとえば特許文献３（特開平８−１０７１４８号公報）によれば、半導体素子製造において、コンタクト面をエッチングするような方法により異なる材料で形成されるコンタクト面を露出させる方法などで、抵抗の低減や安定化が図られている。
特開２００６−２５３５６２号公報 特許第２７８６６０１号公報 特開平８−１０７１４８号公報

しかしながら上記の特許文献３の方法がＴＭＲ素子に適用されると、コンタクト形成時の下部の露出面によっては、検出磁界への影響が生じたり、下部電極層の金属膜が例えば５０ｎｍ程度まで厚くされるような場合にはラフネスの増加による特性劣化が生じたりするという問題があった。

すなわち、ＴＭＲ素子をはじめとする磁気抵抗効果素子の素子間を結合する配線の形成において、安定かつ低いコンタクト抵抗を得るのが困難であるという問題があった。

それゆえ、本発明の目的は、抵抗の低いコンタクトを有する磁気抵抗効果素子を提供することである。

本発明の磁気抵抗効果素子は、基板と、コンタクト層と、固着層と、トンネル絶縁層と、自由層と、少なくとも１つのコンタクトプラグとを有する。コンタクト層は基板上に設けられている。固着層は、コンタクト層上に設けられ、固定された磁化方向を有する。トンネル絶縁層は固着層上に設けられている。自由層は、トンネル絶縁層上に設けられ、外部印加磁界により変化する磁化方向を有する。コンタクトプラグは、コンタクト層のみと接する底面を有する。

本発明の磁気抵抗効果素子によれば、コンタクトプラグの底面は、コンタクト層のみ、すなわち均一な一の層と接するので、コンタクトプラグによる電気的接続を安定化することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
はじめに本実施の形態の磁気抵抗効果素子の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の構成を概略的に示す部分断面図である。また図２は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを説明するための図である。また図３は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子のＴＭＲ構造体の構成を概略的に示す断面図である。

図１〜図３を参照して、本実施の形態の磁気抵抗効果素子は、基板１と、絶縁下地層２と、ＴＭＲ構造体１０１と、第１マスク層１１と、第２マスク層１２と、層間絶縁膜１３と、金属配線層１４と、コンタクトプラグ１５および２５とを有する。ＴＭＲ構造体１０１は、下層配線層１０２と、固着層６と、トンネル絶縁層７と、自由層８と、上部電極層９とを有する。

基板１はシリコン基板である。絶縁下地層２は、基板１上に設けられている。絶縁下地層２は厚さ５００ｎｍのシリコン酸化膜層である。

下層配線層１０２は絶縁下地層２上に設けられており、パターン形状を有している。下層配線層１０２は、下部金属層３および下地層４（導電層）と、反強磁性層５（コンタクト層）とを有する。

下部金属層３は絶縁下地層２上に設けられている。下部金属層３は、厚さ５ｎｍのタンタル（Ｔａ）層である。

下地層４は下部金属層３上に設けられている。下地層４は、厚さ２ｎｍのニッケル−鉄合金（ＮｉＦｅ）層である。

反強磁性層５は下地層４上に設けられている。反強磁性層５の厚さは、１０〜２０ｎｍが好ましい。具体的には反強磁性層５は、たとえば厚さ１０ｎｍのイリジウム−マンガン合金（ＩｒＭｎ）層である。

固着層６は下層配線層１０２上に設けられており、下層配線層１０２の一部を覆い、一部を露出している。固着層６は、下層強磁性層６ａと、非磁性層６ｂと、上層強磁性層６ｃとを有する。下層強磁性層６ａ、非磁性層６ｂ、および上層強磁性層６ｃは、反強磁性層５上に順に設けられている。この構成により、固着層６は固定された磁化方向を有する。下層強磁性層６ａおよび上層強磁性層６ｃの各々の厚さは、概ね０．６〜５ｎｍである。非磁性層６ｂの厚さは、概ね２ｎｍ以下である。より具体的には、たとえば、下層強磁性層６ａおよび上層強磁性層６ｃの各々は、厚さ３ｎｍのコバルト−鉄合金（ＣｏＦｅ）層であり、非磁性層６ｂは、厚さ０．８ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）層である。

トンネル絶縁層７は、厚さが概ね２ｎｍ以下の絶縁層である。具体的にはトンネル絶縁層７は、たとえば厚さ１ｎｍの酸化アルミニウム（ＡｌＯ_x）層である。

自由層８、上部電極層９、および第１マスク層１１は、トンネル絶縁層７上に順に設けられている。自由層８は、外部磁化により変化する磁化方向を有する。自由層８は、厚さ５ｎｍのニッケル-鉄合金（ＮｉＦｅ）層である。上部電極層９は、厚さ２０ｎｍのＴａ層である。第１マスク層１１は、厚さ１００ｎｍのＳｉＮ層である。

第２マスク層１２はＴＭＲ構造体１０１および第１マスク層１１を覆っている。第２マスク層１２は、厚さ１００ｎｍのＳｉＮ層である。

層間絶縁膜１３は、絶縁下地層２およびＴＭＲ構造体１０１を覆っている。層間絶縁膜１３は、たとえば厚さ４００ｎｍのＳｉＮ膜である。

金属配線層１４およびコンタクトプラグ１５は、層間絶縁膜１３上に設けられている。金属配線層１４は、たとえばアルミニウムまたはアルミニウム−シリコン合金からなる厚さ５００ｎｍの層である。コンタクトプラグ１５は、金属配線層１４と反強磁性層５とを物理的かつ電気的に接続している。コンタクトプラグ１５は、反強磁性層５のみと接する底面を有する。コンタクトプラグ２５は、金属配線層１４と上部電極層９とを物理的かつ電気的に接続している。

なお、絶縁下地層２は、基板１と下層配線層１０２との絶縁のために形成されているため、平坦性が確保され十分な絶縁性が得られれば、シリコン酸化膜層以外の層を用いることもできる。たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）層を用いることができる。

下部金属層３および下地層４は、その上に形成される反強磁性層５の結晶性を向上させるために平坦性が必要である。このため両者の合計膜厚は３０ｎｍ以下であることが望ましく、さらには合計膜厚１０ｎｍ以下であることがより望ましい。両者とも金属導電性が必要であり、下地層４においては反強磁性層５との結晶的整合性（格子定数の整合性など）が必要である。

反強磁性層５としては、ＩｒＭｎ層のほかに、白金-マンガン合金（ＰｔＭｎ）層、Ｎｉ−Ｍｎ層などを用いることができる。反強磁性層５の膜厚は、結晶配向性の観点からは大きい方が望ましい。しかし膜厚が大きすぎるとと、表面の粗さ（凹凸）の増大により平坦度が低下し、トンネル絶縁層７の膜厚の均一性の低下や不均質性を引き起こし、素子抵抗および抵抗変化率の低下を引き起こす。このため、反強磁性層５の膜厚は１０〜２０ｎｍが望ましい。

固着層６中の非磁性層６ｂについては、強固な反平行結合を実現するために、３ｄ遷移金属膜であることが好ましい。すなわち非磁性層６ｂはルテニウム膜に限定されない。また、その膜厚についても反平行結合を維持することのできる膜厚であればよく、０．８ｎｍに限定されない。また下層強磁性層６ａおよび上層強磁性層６ｃの材質については、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、およびＦｅ−Ｎｉ合金などの、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、および鉄（Ｆｅ）のいずれかを主成分として含む金属、またはＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅなどの合金膜材料が用いられてもよい。また、これらの金属膜および合金膜が積層構造に形成されて強磁性層が形成されてもよい。

トンネル絶縁層７の材質としては、ＡｌＯ_x以外に、Ｔａ₂Ｏ₅（酸化タンタル）、ＳｉＯ₂（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マンガン）などの酸化膜、窒化膜またはフッ化膜が用いられてもよい。

自由層８は強磁性材料である必要がある。すなわち下層強磁性層６ａおよび上層強磁性層６ｃと同様に、Ｃｏ・Ｎｉ・Ｆｅを含んだ磁性合金であればよく、ＮｉＦｅに限定されるものではない。

上部電極層９の材質としては、自由層８との間に拡散が生じる材質（たとえばＡｌ）などは好ましくない。このため、ＴａやＲｕであることが望ましい。ただしこれらの材質からなる拡散防止層を介して自由層８上に上部電極層９が設けられる場合は、上部電極層９の材質としてＡｌなどを用いることができる。また上部電極層９の膜厚は１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましい。膜厚がたとえば５ｎｍ以下のように薄い場合は、プロセス時にダメージが生じる懸念がある。また膜厚が大きすぎると、段差の増加など、プロセスに対する要求が高くなってしまう。

なお、上述した各種薄膜が同一の膜厚で形成された場合、そのシート抵抗の大小関係は、以下の式（１）で示される。

Ｔａ＝ＩｒＭｎ＞ＣｏＦｅ＞ＮｉＦｅ＞Ｒｕ＞Ａｌ ・・・（１）
次に本実施の形態の磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。図４は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の製造方法の一工程を概略的に示す部分断面図である。

主に図４を参照して、まず基板１の上に、絶縁下地層２、下部金属層３、下地層４、反強磁性層５、下層強磁性層６ａ、非磁性層６ｂ、上層強磁性層６ｃ、トンネル絶縁層７、自由層８、上部電極層９が順に形成される。

各層の製造方法としては一般的にスパッタリング法が用いられているが、真空蒸着法など別の方法を用いても良い。しかしながら、トンネル絶縁層７と接する部分以外においては、それぞれの層間界面における界面制御が重要なことから、高真空（低酸素）状態での連続した成膜が望ましい。

トンネル絶縁層７の形成方法としては、ＡｌＯ_xターゲットを用いたスパッタリング法を用いることができる。あるいは酸素雰囲気中でのＡｌスパッタリングや、Ａｌ金属を成膜した後に酸素雰囲気や酸素ラジカルに曝すことによって酸化を行うなどの方法が可能である。なお、これらの酸素を窒素に置き換えることで窒化膜からなるトンネル絶縁層７を形成することも可能である。

このようにして形成されたＴＭＲ構造体１０１上に、第１マスク層１１が形成される。第１マスク層１１上にＴＭＲ領域のエッチングパターンに対応したフォトレジストパターンが形成される。このフォトレジストパターンを用いて第１マスク層１１がパターニングされる。その後フォトレジストパターンが除去され、パターニングされた第１マスク層１１をハードマスクとして用いたエッチングによって、上部電極層９、自由層８、トンネル絶縁層７、および固着層６が順にパターニングされる。これにより反強磁性層５の一部が露出される。

次に、第２マスク層１２（図１）が形成される。第２マスク層１２上に、下層配線層１０２の配線パターンを形成するためのフォトレジストパターンが形成される。このフォトレジストパターンを用いて第２マスク層１２がパターニングされる。その後フォトレジストパターンが除去され、パターニングされた第２マスク層１２をハードマスクとして用いたエッチングによって、下層配線層１０２がパターニングされる。これにより絶縁下地層２の一部が露出される。

次に層間絶縁膜１３が形成される。コンタクトプラグ１５、２５に対応するコンタクトホールを形成するためのフォトレジストパターンが層間絶縁膜１３上に形成される。このフォトレジストパターンを用いてコンタクトホールが形成される。すなわち、ＴＭＲ構造体１０１の上部電極層９上と、反強磁性層５上とに、同時にコンタクトホールが形成される。

コンタクトプラグ１５に対応するコンタクトホールを形成するためのエッチングは、図１に示すように反強磁性層５が露出されるまで行なわれる。この際に反強磁性層５の一部がオーバーエッチングされる。このエッチングにより、コンタクトホールの底面上には、反強磁性層５のみが露出される。

次にフォトレジストパターンが除去される。次にアルミニウムまたはアルミニウム−シリコン合金の成膜が行なわれる。これにより、コンタクトプラグ１５、２５と、金属配線層１４となる層とが形成される。

なおこの成膜の直前に、コンタクトホールの底面上の自然酸化膜が除去されることが好ましい。これは約１ｎｍ程度の深さのスパッタにより行なうことができる。

次に金属配線層１４のパターニングに用いられるマスクとして、厚さ１００ｎｍのハードマスク（図示せず）が形成される。このハードマスクは、たとえば厚さ１００ｎｍのＳｉＮ層がフォトレジストパターンを用いてパターニングされることにより形成される。このハードマスクを用いたエッチングにより、金属配線層１４のパターニングが行なわれる。

この際、レジスト除去や金属配線層１４のエッチングにはウェットプロセスを用いることが望ましい。その理由としては、プラズマを用いたエッチングではプラズマ中の電子もしくはイオンによるチャージによってＴＭＲ構造体１０１のトンネル絶縁層７の破壊が生じる可能性があるためである。

以上により、本実施の形態の磁気抵抗効果素子（図１）が得られる。
なお、上記のそれぞれのエッチングにおいて、第１マスク層１１および第２マスク層１２を用いずにフォトレジストパターンでのエッチングを行なうことも可能である。しかし、レジスト除去工程における側壁の酸化などを排除するためには、フォトレジストパターンで第１および第２マスク層１１および１２のそれぞれがエッチングされた後に、この絶縁マスク１１および１２をマスクとしてＴＭＲ構造体がエッチングされる方が望ましい。

また図１および図４における縦横比は実際のものとは大きく異なる。すなわち図１および図４では、横方向の寸法が縦方向の寸法に比して縮小されている。実際には、たとえばコンタクトプラグ１５、２５の各々の直径が５μｍとされた場合に、金属配線層１４の膜厚が０．５μｍ程度である。

次に比較例における磁気抵抗効果素子の構成について説明する。図５は、比較例における磁気抵抗効果素子の構成を概略的に示す部分断面図である。

図５を参照して、本比較例においては、ＴＭＲ構造体１０１のパターニングが固着層６上まで行なわれている。また上記の本実施の形態のコンタクトプラグ１５の代わりにコンタクトプラグ１５Ｚを有している。

コンタクトプラグ１５Ｚは、金属配線層１４と固着層６とを物理的かつ電気的に接続している。すなわちコンタクトプラグ１５Ｚは、固着層６と接する底面を有している。より具体的には、この底面は、固着層６をなす複数種類の層、すなわち上層強磁性層６ｃ、非磁性層６ｂ、および下層強磁性層６ａと接している。

このようにコンタクトプラグ１５Ｚの底面（コンタクト界面）が複数の層にまたがる場合には、コンタクト界面の密着性に分布が生じるため、昇温時に応力による剥離などが生じやすくなる。また底面においてコンタクトプラグ１５Ｚが複数の異なる金属材料からなる層と接するため、異種金属間の接続部における接続抵抗率が異なる部分が生じる。このためコンタクト界面の一部に電流が集中することで、コンタクトプラグ１５Ｚの断線が生じることがある。

次に比較例における磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。図６および図７のそれぞれは、比較例における磁気抵抗効果素子の製造方法の第１および第２工程を概略的に示す部分断面図である。

図６を参照して、パターニングされた第１マスク層１１をハードマスクとして用いたエッチングによって、上部電極層９、自由層８、トンネル絶縁層７が順にパターニングされる。これにより固着層６の一部が露出される。

図７を参照して、第２マスク層１２が形成される。第２マスク層１２上に、固着層６および下層配線層１０２の配線パターンを形成するためのフォトレジストパターンが形成される。このフォトレジストパターンを用いて第２マスク層１２がパターニングされる。パターニングされた第２マスク層１２をハードマスクとして用いたエッチングによって、固着層６および下層配線層１０２がパターニングされる。これにより絶縁下地層２の一部が露出される。その後フォトレジストパターンが除去される。

次に層間絶縁膜１３（図５）が形成される。コンタクトプラグ１５Ｚ、２５に対応するコンタクトホールを形成するためのフォトレジストパターンが層間絶縁膜１３上に形成される。このフォトレジストパターンを用いてコンタクトホールが形成される。すなわち、ＴＭＲ構造体１０１の上部電極層９上と、固着層６上とに、同時にコンタクトホールが形成される。

コンタクトプラグ１５Ｚに対応するコンタクトホールを形成するためのエッチングは、図５に示すように固着層６が露出されるまで行なわれる。この際に固着層６の一部がオーバーエッチングされる。このエッチングにより、コンタクトホールの底面上には、固着層６をなす複数種類の層、すなわち上層強磁性層６ｃ、非磁性層６ｂ、および下層強磁性層６ａの各々が露出される。

上記のようにコンタクトホールの底面上において、単一の層ではなく、複数の層が露出されてしまうのは、上層強磁性層６ｃ、非磁性層６ｂ、および下層強磁性層６ａの各層の膜厚が小さいためである。たとえば上層強磁性層６ｃの膜厚は３ｎｍしかないため、エッチング特性のばらつきなどにより、コンタクトホール底面の一部が非磁性層６ｂ上、さらには上層強磁性層６ｃ上にも形成されてしまう。

この後、前述した本実施の形態と同様の工程が行なわれることにより、比較例の磁気抵抗効果素子（図５）が得られる。

本実施の形態によれば、コンタクトプラグ１５の底面は、反強磁性層５（コンタクト層）のみ、すなわち均一な一の層と接するので、コンタクトプラグ１５による電気的接続を安定化することができる。これにより磁気抵抗効果素子の耐久性を向上させることができる。

より具体的には、第１に、コンタクトプラグ１５の底面（コンタクト界面）が単一の層とのみ接するので、コンタクト界面に密着性の分布が均一となる。このため、昇温時においても応力による剥離などが生じにくい。第２に、底面においてコンタクトプラグ１５が単一の金属材料からなる層と接するため、コンタクト界面全体に渡って、異種金属間の接続部における接続抵抗率は均一となる。このためコンタクト界面の一部に電流が集中することが避けられるので、電流の集中に起因するコンタクトプラグ１５の断線を防止することができる。

また、コンタクトプラグ１５の底面が接するのは、反強磁性層５、すなわち固着層６を構成する下層強磁性層６ａと、非磁性層６ｂと、上層強磁性層６ｃとの各々に比して大きな膜厚を有する層である。よってコンタクトプラグ１５の底面が一の層内に収まるようにコンタクトホールを形成する工程を、容易に行なうことができる。このため製造歩留りを向上させることができる。

また基板１と反強磁性層５（コンタクト層）との間に、反強磁性層５と接する導電層として、下部金属層３と下地層４とからなる層が設けられている。これによりコンタクトプラグ１５のコンタクト抵抗を低減することができる。このため磁気抵抗効果素子のエネルギー消費量を削減することができる。

また上記の導電層は、反強磁性層５と直接接しない下部金属層３を有している。よって下部金属層３の材質を、反強磁性層５との整合性とは関わりなく選択することができる。よって、シート抵抗の小さい材質を選択することができるので、導電層のパターンの段差を小さくすることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、下地層４の材質として、実施の形態１におけるＮｉＦｅの代わりに、より抵抗の小さいＲｕが用いられる。

また本実施の形態の第１の変形例においては、さらに下部金属層３の材質としてもＲｕが用いられる。すなわち下部金属層３および下地層４が、Ｒｕからなる単層構造を有している。

次に本実施の形態の第２の変形例について説明する。図１０は、本発明の実施の形態２の第２の変形例における磁気抵抗効果素子のＴＭＲ構造体の構成を概略的に示す断面図である。

図１０を参照して、本変形例のＴＭＲ構造体１０１ｖ２においては、上部電極層９の代わりに上部電極層９ｖが設けられている。上部電極層９ｖの材質は下地層４と同一物質であるＲｕが使用される。これによりＴＭＲ構造体１０１ｖ２の構成膜種は、たとえばＴａが用いられなくなることで５種に低減される。すなわちＴＭＲ構造体１０１ｖ２の構成膜種が少なくなる。これにより、成膜装置のターゲット数を削減でき、メンテナンス時間の短縮などの効果が得られる。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

次に、実施の形態１、実施の形態２、および実施の形態２の第１の変形例の各々における磁気抵抗素子において、下層配線層１０２に対するコンタクトプラグ１５のコンタクト抵抗について調べた結果を説明する。

なおＴＭＲ構造体１０１のトンネル抵抗の影響が出ないように、以下においては、下層配線層１０２に対するコンタクト抵抗について説明する。つまり、磁気抵抗効果素子のうち、ＴＭＲ構造体１０１のパターニングのエッチング停止面（実施の形態１においては反強磁性層５からなる面）より上方の部分については、説明を簡単にするために省略して考えることとする。

ただしコンタクトプラグ２５のコンタクト面は、自由層８の磁性体に対して影響を与えない範囲で上部電極層９中に形成される必要があることは言うまでもない。さらに、上部電極層９が積層構造とされる場合においては、単一層中に停止面が形成される方が好ましいといえる。

図２を参照して、下層配線層１０２に接触しているコンタクトプラグ１５は、幅ｄと、接続面のコンタクト面積Ｓとを有する。またコンタクト形状は正方形状を有する。よって面積Ｓ＝ｄ²である。

一般的にコンタクト抵抗は、互いに接続される金属間の固有の接続抵抗率に依存するほかに、上記の面積Ｓに反比例する（１／Ｓに比例する）と考えられていた。本発明者らは、このコンタクト抵抗と面積Ｓとの関係について検討を行なった。具体的には、表１に示される下地層４および下部金属層３の組み合わせを有する磁気抵抗効果素子（試料Ａ〜Ｄ）の各々について、コンタクト抵抗の１／Ｓ依存性を調べた。

試料ＡおよびＢは、実施の形態１に対応するものであり、各々が別個に作製されたものである。試料が２つ準備されたのは、実験の再現性を確認するためである。また試料ＣおよびＤのそれぞれは、実施の形態２およびその第１の変形例に対応する。

なお上記の試料Ａ〜Ｄの各々に共通して、コンタクト面は、厚さ１０ｎｍのＩｒＭｎ層からなる反強磁性層５内に設けられた。また上記の試料Ａ〜Ｄの各々に共通して、下部金属層３の厚さは５ｎｍ、下地層４の厚さは２ｎｍとされた。

図８は、本発明の実施の形態２における磁気抵抗効果素子のコンタクト抵抗と接続面のコンタクト面積の逆数との関係を示すグラフである。

図８を参照して、コンタクト抵抗は、コンタクト面積の増加（１／Ｓの減少）にともない低減した。しかし図８に示す結果は、一般的に考えられていたようなコンタクト抵抗と１／Ｓとの比例関係からはズレがあった。

また、下地層４の材質がＮｉＦｅの場合に比して、より低抵抗のＲｕの場合の方がコンタクト抵抗が小さかった。いずれの試料においてもコンタクトプラグ１５に接続される面は共通してＩｒＭｎ層からなるので、接続される金属間固有の接触抵抗率については下部金属層３および下地層４の影響はない。そのため、下地層４や下部金属層３を変更したことにより、金属間の接触抵抗率で単純に説明することができる要因以外の要因がコンタクト抵抗に影響したと考えられる。

そこで本発明者らは、様々な実験結果を網羅した結果、下地層４や下部金属層３を変更することによって、下層配線層１０２（下部金属層３、下地層４、および残存する反強磁性層５の積層構造）のシート抵抗が変化し、そのシート抵抗の変化がコンタクト抵抗に影響する、との結論を得た。すなわち、下部金属層３および下地層４からなる層のシート抵抗が小さくされると、下層配線層１０２自体の抵抗が小さくなるだけではなく、下層配線層１０２とコンタクトプラグ１５との界面におけるコンタクト抵抗も小さくなる、との結論を得た。

図９は、本発明の実施の形態２における磁気抵抗効果素子のコンタクト抵抗と下層配線層のシート抵抗との関係を示すグラフである。

図９を参照して、前述した試料Ａ〜Ｄのそれぞれは、グラフ中の矢印で示すように、約１３９Ω／ｓｑ、約１２５Ω／ｓｑ、約９３Ω／ｓｑ、および約６８Ω／ｓｑのシート抵抗を有していた。この試料Ａ〜Ｄの各々について、コンタクトプラグ１５の幅ｄ（図２）が１μｍ、２μｍ、３μｍ、５μｍ、および１０μｍとされた場合について、コンタクト抵抗の測定を行なった。

本実施の形態に対応する試料Ｃと、実施の形態１に対応する試料Ａ（またはＢ）との比較から、下層配線層１０２のシート抵抗を低減することで、コンタクト抵抗を低減することができることがわかった。つまり、実施の形態１における下地層４の材質であるＮｉＦｅを、本実施の形態の下地層４の材質であるＲｕに変更することによって、コンタクト抵抗を低減できることを見出した。

試料Ｃに対応する本実施の形態では、下地層４と下部金属層３とを合わせた積層構造は、反強磁性層５よりも薄いにもかかわらず、下層配線層１０２のシート抵抗を小さくすることができる。

シート抵抗を小さくする方法としては、反強磁性層５、下地層４、および下部金属層３の少なくともいずれかの膜厚を大きくする方法がある。しかしながら膜厚が大きくなるとエッチング段差が大きくなるため、プロセスのトラブルが発生する可能性が高くなる。そのため膜厚を大きくすることなくシート抵抗を小さくすることが好ましい。すなわち本実施の形態に示すように、膜厚が維持されたままシート抵抗を小さくすることが好ましい。

また、膜厚が大きくされることでシート抵抗が小さくされる場合においても、ＩｒＭｎ層を厚くするよりは、Ｒｕ層を厚くする方が、シート抵抗の低減効果が大きい。すなわち、より少ない膜厚の追加で、シート抵抗をより小さくすることができる。よって積層構造において、高抵抗層の膜厚を大きくするよりは、低抵抗層の膜厚を大きくする方が好ましい。

また本実施の形態の第１の変形例に対応する試料Ｄは、試料Ａ〜Ｃの各々のシート抵抗よりも小さいシート抵抗を有し、それにより試料Ａ〜Ｃの各々のコンタクト抵抗よりも小さいコンタクト抵抗を有することが確認された。この第１の変形例においては、下部金属層３および下地層４を単一膜で形成することで、ＴＭＲ構造体１０１の界面部分が減るため、膜特性のバラつきが低減するとともに、成膜時における真空引きやプリスパッタなどに必要な時間の短縮が可能となる。

（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３における磁気抵抗効果素子のＴＭＲ構造体の構成を概略的に示す断面図である。

図１１を参照して、本実施の形態のＴＭＲ構造体１０１ｖ３においては、実施の形態２の構造と異なり、下地層４と下部金属層３との間に、低抵抗層１６が設けられている。挿入される低抵抗層の抵抗率は、下地層４および下部金属層３の各々の抵抗率よりも低ければよい。低抵抗層１６の材質は、たとえばＡｕである。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態２の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態によれば、反強磁性層５の結晶配向性を向上させる役割がある下地層４と、基板１への密着力が必要となる下部金属層３との各々の材料について、最適材料を用いることができる。このように、それぞれの層に対して適切な材料を用いることによって、プロセスマージンが向上し、また、ＴＭＲ構造体の素子特性への影響も低減できることから、自動車用のセンサに使用する場合などの高温環境下などでの使用に対しても効果的な構造を容易に作製できる利点がある。さらに低抵抗層１６によってシート抵抗が低減されるので、コンタクト抵抗が低減される。

（実施の形態４）
実施の形態２において図８を用いて説明したように、コンタクト抵抗とコンタクト面積との関係は、厳密な反比例関係からはズレがある。上記の実施の形態１〜３のように、下層配線層１０２のシート抵抗が大きく、下層配線層１０２の膜厚に比べてコンタクト径が非常に大きい場合においては、コンタクト底部よりも接続部のエッジ部に電流が集中しやすくなることを本発明者らは見出した。そこで、コンタクト周囲長とコンタクト抵抗との関係について、確認を行なった。図１２は、図８のグラフがコンタクト抵抗とコンタクト周囲長の逆数との関係にプロットしなおされたグラフである。

図１２を参照して、このグラフは、図８のグラフの横軸がコンタクト周囲長Ｌの逆数（１／Ｌ）とされて再プロットされたグラフである。図１２のグラフから、コンタクト抵抗が１／Ｌに比例する傾向となっていることがわかる。

このことから、コンタクトホールが形成される際には、コンタクト面積Ｓが大きなコンタクトホールを形成するよりも、周囲長Ｌが長くなるように、小径のコンタクトホールを多数形成する方が望ましいことが想像される。

図１３は、比較例における磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの平面レイアウトを説明するための概略的な図である。図１３を参照して、本比較例においては、コンタクト形成可能領域２０１が幅Ｘ、奥行きＹの矩形形状である場合において、Ｘ×Ｙの矩形コンタクトホール１５Ｒを単数形成することでコンタクト面積Ｓが最大化されている。

図１４は、本発明の実施の形態４における磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの平面レイアウトの一例を説明するための概略的な図である。図１４を参照して、本実施の形態においては、コンタクトプラグ１５ｖが複数設けられる。コンタクトホール１５ｖ群の周辺長の合計Ｌは、Ｘ×Ｙの矩形コンタクトの周囲長：２×（Ｘ＋Ｙ）より長くなっている。

なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１〜３の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

次に、比較例（図１３）および本実施の形態（たとえば図１４）におけるコンタクト抵抗の測定結果について説明する。測定条件は、以下の表２のようにまとめられる。

コンタクト形状は正方形であるため、図１３に示す単一コンタクトホールについてはＸ＝Ｙ＝ｄとなり、面積Ｓ＝Ｘ×Ｙ＝ｄ²となる。また、周囲長Ｌ＝４×Ｘ＝４×ｄである。

一方、図１４に示す本実施の形態の複数コンタクトにおいては、コンタクトホールサイズｄはいずれも２μｍとなっており、コンタクトホール間の距離も２μｍである。面積Ｓは、複数のコンタクトプラグ１５ｖの各々の面積の総計により求められる。周囲長Ｌについても同様である。

図１５は、磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの個数および大きさが変更された場合における、コンタクトプラグの周囲長の逆数と、コンタクト抵抗との関係を示すグラフである。また図１６は、磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの個数および大きさが変更された場合における、コンタクトプラグの面積の逆数と、コンタクト抵抗との関係を示すグラフである。なお当評価では、得られたコンタクト抵抗は配線抵抗などを含んだものとなっている。

図１５および図１６を参照して、単一コンタクトホールの結果が白ヌキのシンボルで、複数コンタクトホールの結果が黒塗りのシンボルで示されている。また測定結果の信頼性を確認するために、同一ウエハ内における４箇所から得られたサンプル（チップａ〜ｄ）についてプロットがなされている。チップａ〜ｄ間での結果のバラつきは小さいので、測定結果の信頼性が高いことがわかる。

図１５および１６のグラフから、１／Ｌ依存性では単一及び複数コンタクトが同様のグラフに重なる傾向に対し、１／Ｓ依存性では、複数コンタクトホールの結果の方が低いコンタクト抵抗を示していることが明らかである。具体的に、ｄ＝７μｍの単一コンタクトホールが設けられた場合と、ｄ＝２μｍのコンタクトホールが２×２＝４個設けられた場合とについて比較すると、後者の方がコンタクト形成領域（ＸｘＹ）やコンタクト面積Ｓは小さいにもかかわらず、同等のコンタクト抵抗が得られていることがわかる。このことからも、小さいコンタクトホール１５ｖを多数形成することによって、コンタクト抵抗を低減することが可能であることがわかった。

このような特徴を活用するためには、コンタクトホールの形状は矩形や丸に限らない。図１７は、本発明の実施の形態４の変形例における磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの底面の平面レイアウトを概略的に示す図であり、コンタクトプラグが十字型の場合の図（ａ）、コンタクトプラグが瓢箪型の図（ｂ）、およびコンタクトプラグが星型の場合（ｃ）の図である。

図１７を参照して、コンタクトプラグ１５ｃ、１５ｇ、１５ｓ１〜ｓ３の底面の外周は、底面の内側に突出した部分を有する。これにより、コンタクトプラグ１５ｃ、１５ｇ、１５ｓ１〜ｓ３の周囲長の総計を大きくすることができる。以下に、より具体的に説明する。

図１７（ａ）に示すようにコンタクトプラグ１５ｃが十字型であれば、単体のコンタクトホールについては周囲長は矩形の場合と同等であるが、配置を密集させることが可能となるため、全体の周囲長が長くなる効果がある。

図１７（ｂ）に示すようにコンタクトプラグ１５ｇが瓢箪型であれば、その周囲長は単体コンタクトホールにおいても長くすることが可能である。

図１７（ｃ）に示すようにコンタクトプラグ１５ｓ１〜１５ｓ３が星型の場合も、その周囲長は単体コンタクトホールにおいても長くすることが可能である。またコンタクトプラグ１５ｓ１〜１５ｓ３の順に頂点の数が多くなっており、この順に周囲長が長くなっている。すなわち頂点の数を多くすることで、より周囲長が長くなるので、よりコンタクト抵抗を小さくすることができる。

なお上記の各実施の形態において、コンタクトプラグ１５，１５ｃ，１５ｓ１〜１５ｓ３，１５ｖの底面が接するコンタクト層として反強磁性層５が用いられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、コンタクト層は、コンタクトプラグ１５，１５ｃ，１５ｓ１〜１５ｓ３，１５ｖがコンタクト層のみと接するような工程が行なえるように十分な厚みを有するものであれば、反強磁性層５以外の層であってもよい。たとえば上記の各実施の形態の反強磁性層５と固着層６との間に別途コンタクト層が設けられてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示にすぎず、これに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示されるもので、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、コンタクトプラグを有する磁気抵抗効果素子に特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを説明するための図である。 本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子のＴＭＲ構造体の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果素子の製造方法の一工程を概略的に示す部分断面図である。 比較例における磁気抵抗効果素子の構成を概略的に示す部分断面図である。 比較例における磁気抵抗効果素子の製造方法の第１工程を概略的に示す部分断面図である。 比較例における磁気抵抗効果素子の製造方法の第２工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態２における磁気抵抗効果素子のコンタクト抵抗と接続面のコンタクト面積の逆数との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２における磁気抵抗効果素子のコンタクト抵抗と下層配線層のシート抵抗との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態２の第２の変形例における磁気抵抗効果素子のＴＭＲ構造体の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態３における磁気抵抗効果素子のＴＭＲ構造体の構成を概略的に示す断面図である。 図８のグラフがコンタクト抵抗とコンタクト周囲長の逆数との関係にプロットしなおされたグラフである。 比較例における磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの平面レイアウトを説明するための概略的な図である。 本発明の実施の形態４における磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの平面レイアウトの一例を説明するための概略的な図である。 磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの個数および大きさが変更された場合における、コンタクトプラグの周囲長の逆数と、コンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 図１６は、磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの個数および大きさが変更された場合における、コンタクトプラグの面積の逆数と、コンタクト抵抗との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態４の変形例における磁気抵抗効果素子のコンタクトプラグの底面の平面レイアウトを概略的に示す図であり、コンタクトプラグが十字型の場合の図（ａ）、コンタクトプラグが瓢箪型の図（ｂ）、およびコンタクトプラグが星型の場合（ｃ）の図である。

符号の説明

１ 基板、２ 絶縁下地層、３ 下部金属層、４ 下地層、５ 反強磁性層（コンタクト層）、６ 固着層、６ａ 下層強磁性層、６ｂ 非磁性層、６ｃ 上層強磁性層、７ トンネル絶縁層、８ 自由層、９ 上部電極層、１１ 第１マスク層、１２ 第２マスク層、１３ 層間絶縁膜、１４ 金属配線層、１５，１５ｃ，１５ｓ１〜１５ｓ３，１５ｖ コンタクトプラグ、１６ 低抵抗層、１０１，１０１ｖ２，１０１ｖ３ ＴＭＲ構造体、１０２ 下層配線層。

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられたコンタクト層と、
   前記コンタクト層上に設けられ、固定された磁化方向を有する固着層と、
   前記固着層上に設けられたトンネル絶縁層と、
   前記トンネル絶縁層上に設けられ、外部印加磁界により変化する磁化方向を有する自由層と、
   前記コンタクト層のみと接する底面を有する少なくとも１つのコンタクトプラグとを備えた、磁気抵抗効果素子。
2. 前記コンタクト層は、前記固着層の磁化方向を固定するための反強磁性層である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記コンタクト層と前記固着層との間に、前記固着層の磁化方向を固定するための反強磁性層をさらに備えた、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記基板と前記コンタクト層との間に、前記コンタクト層と接する導電層をさらに備えた、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記導電層は一の層からなる、請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記導電層は、前記コンタクト層の抵抗率よりも小さい抵抗率を有する、請求項４または５に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記自由層上に前記導電層の少なくとも一部の材質と同じ材質からなる上部電極層をさらに備えた、請求項４〜６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記導電層は２以上の層数を有する、請求項４〜７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記導電層は、前記基板側に位置する下部導電層と、前記コンタクト層側に位置する上部導電層と、前記下部導電層および前記上部導電層の間に設けられ、かつ前記下部導電層および前記上部導電層の各々の抵抗率よりも小さい抵抗率を有する中間導電層とを有する、請求項４〜８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記少なくとも１つのコンタクトプラグは複数のコンタクトプラグである、請求項１〜９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
11. 前記少なくとも１つのコンタクトプラグの各々の底面の外周長の値の合計は、平面視において前記少なくとも１のコンタクトプラグ全体を包含する矩形の外周長の値よりも大きい、請求項１〜１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
12. 前記底面の外周は、前記底面の内側に突出した部分を有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。

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