JP2010016148A - 磁気抵抗効果素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接するスピン注入型磁気抵抗効果素子にて発生した漏洩磁界に起因して、安定した書き込み、読み出しを行うことが困難となることがなく、また、ディスターブ現象が発生し難い構成、構造を有する磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子３０は、基体４１上に形成され、基体側から磁化参照層５１、非磁性体膜５２、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層５３から成る積層構造体５０を備えており、記録層５３は磁化参照層５１よりも小さく、記録層５３の側壁上には絶縁膜６１が形成されており、記録層５３の側壁上の絶縁膜６１の上、及び、磁化参照層５１の側壁の上には、磁気シールド層６３が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関し、より具体的には、スピン注入型磁気抵抗効果素子（所謂スピンＲＡＭ）及びその製造方法に関する。

情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これらを構成するメモリ素子やロジック素子の各種半導体装置には、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリは、ユビキタス時代に必要不可欠であると考えられている。電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークとが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリによって重要な情報を保存、保護することができる。また、最近の携帯機器は不要の回路ブロックをスタンバイ状態とし、出来る限り消費電力を抑えるように設計されているが、高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。また、電源を投入すると瞬時に起動できる「インスタント・オン」機能も、高速、且つ、大容量の不揮発性メモリが実現できれば可能となる。

不揮発性メモリとして、半導体材料を用いたフラッシュメモリや、強誘電体材料を用いた強誘電体型不揮発性半導体メモリ（ＦＥＲＡＭ，Ferroelectric Random Access Memory）等を挙げることができる。しかしながら、フラッシュメモリは、書込み速度がマイクロ秒のオーダーであり、書込み速度が遅いという欠点がある。一方、ＦＥＲＡＭにおいては、書換え可能回数が１０¹²〜１０¹⁴であり、ＳＲＡＭやＤＲＡＭをＦＥＲＡＭに置き換えるにはＦＥＲＡＭの書換え可能回数が十分とは云えず、また、強誘電体層の微細加工が難しいという問題が指摘されている。

これらの欠点を有さず、しかも、より少ない電流にて情報の記録、読み出しを行うことができる、スピン注入による磁化反転を応用したスピン注入型磁気抵抗効果素子（スピンＲＡＭ）が注目されている（例えば、特開２００３−１７７８２参照）。ここで、スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極された電子が他の磁性体に注入されることにより、他の磁性体において磁化反転が生じる現象である。スピン注入型磁気抵抗効果素子にあっては、具体的には、磁性体の膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、少なくとも一部の磁性体の磁化の向きを反転させることができる。そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができるといった利点を有しており、より一層の素子の微細化が可能となる。

スピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図を図１３の（Ａ）に示す。このスピン注入型磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistance，巨大磁気抵抗）効果を有する積層膜、あるいは、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果を有する積層膜から成る磁気抵抗効果積層膜が２つの配線４１，４２で挟まれた構造を有する。即ち、情報を記録する機能を担う記録層（磁化反転層あるいは自由層とも呼ばれる）５３と、磁化方向が固定されており、スピンフィルターとして機能する磁化参照層（固着層とも呼ばれる）５１が、非磁性体膜５２を介して積層された構造を有し、電流は膜面に垂直に流れる（図１３の（Ａ）参照）。記録層５３の大きさは、模式的な平面図を図１３の（Ｂ）に示すが、記録層５３を構成する磁性材料の種類や膜厚に依るが、単磁区化を促進し、且つ、スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉ_cを低減するため、概ね２００ｎｍ以下である。記録層５３は、適当な磁気異方性により２以上の複数の磁化方向（例えば、図１３の（Ａ）に水平方向の矢印にて示す２方向である第１の方向及び第２の方向）を取ることができ、各磁化方向は記録される情報に対応する。図１３の（Ｂ）においては、記録層５３の平面形状を長楕円形状にすることによって、形状磁気異方性を付与した例を示す。即ち、記録層５３は、第１の方向及び第２の方向に平行な磁化容易軸と、この磁化容易軸に直交する磁化困難軸とを有しており、磁化容易軸に沿った記録層５３の長さは、磁化困難軸に沿った記録層５３の長さよりも長い。

しかしながら、スピン注入型磁気抵抗効果素子において、一層の微細化を進めていくと、隣接するスピン注入型磁気抵抗効果素子からの漏洩磁場の影響を受け、安定した書き込み、読み出しを行うことが困難となり、あるいは又、記録層の磁化が乱されるといったディスターブ現象が発生してスピン注入型磁気抵抗効果素子のデータ保持特性が著しく劣化するといった問題が生じている。

このような隣接するスピン注入型磁気抵抗効果素子からの漏洩磁場の影響を少なくするために、磁気シールド機能を有する磁性層でスピン注入型磁気抵抗効果素子を取り囲む技術が、例えば、特開２００５−９４００２や特開２００５−２６００８３号に開示されている。

特開２００３−０１７７８２ 特開２００５−０９４００２ 特開２００５−２６００８３

特開２００５−９４００２に開示された技術にあっては、スピン注入型磁気抵抗効果素子の記録層（自由層）と磁化参照層（固着層）とを連続して加工した後、これらの層の側面を磁気的にシールドし、このシールド層によって、隣接したスピン注入型磁気抵抗効果素子からの磁気的影響を防止している。しかしながら、記録層と磁化参照層とを連続して加工するとき、これらの層の側面にリデポジション（re-deposition）が発生し、記録層と磁化参照層との間に短絡が発生する虞がある。

特開２００５−２６００８３に開示された技術にあっては、記録層と磁化参照層とを異なるエッチング用マスクを用いて加工することで、リデポジションに起因した短絡発生を防ぎ、更に、記録層を磁気的にシールドすることで、隣接するスピン注入型磁気抵抗効果素子からの磁気的な影響を低減している。しかしながら、このような方法でも、隣接したスピン注入型磁気抵抗効果素子の磁化参照層（固着層）、相互の間に磁気的結合が生じる虞がある。また、メモリとしてスピン注入型磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配置したとき、マトリクスの内部に位置するスピン注入型磁気抵抗効果素子と、マトリクスの縁部に位置するスピン注入型磁気抵抗効果素子とでは、磁気的結合状態が異なり、スピン注入型磁気抵抗効果素子の磁気特性がばらつく虞がある。

従って、本発明の目的は、隣接するスピン注入型磁気抵抗効果素子にて発生した漏洩磁界に起因して、安定した書き込み、読み出しを行うことが困難となることがなく、また、記録層の磁化が乱されるといったディスターブ現象が発生し難い構成、構造を有する磁気抵抗効果素子及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の磁気抵抗効果素子は、基体上に形成され、基体側から磁化参照層、非磁性体膜、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層から成る積層構造体を備えており、
記録層は、磁化参照層よりも小さく、
記録層の側壁上には絶縁膜が形成されており、
記録層の側壁上の絶縁膜の上、及び、磁化参照層の側壁の上には、磁気シールド層が形成されている。

本発明の磁気抵抗効果素子にあっては、記録層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間、及び、磁化参照層の側壁と磁気シールド層との間には、第２の絶縁膜が形成されている形態とすることができる。

あるいは又、本発明の磁気抵抗効果素子にあっては、磁化参照層の側壁と磁気シールド層との間にも、絶縁膜が形成されている形態とすることができる。そして、この場合、更には、記録層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間、及び、磁化参照層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間には、第２の絶縁膜が形成されている形態とすることができる。

上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、
（Ａ）基体上に、基体側から磁化参照層、非磁性体膜、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層から成る積層構造体を形成し、次いで、
（Ｂ）記録層をパターニングした後、
（Ｃ）全面に絶縁膜を形成し、次いで、
（Ｄ）記録層よりも大きな磁化参照層が得られるように磁化参照層をパターニングした後、
（Ｅ）記録層の側壁上の絶縁膜の上、及び、磁化参照層の側壁の上に、磁気シールド層を形成する、
各工程を有する。

上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、
（Ａ）基体上に、基体側から磁化参照層、非磁性体膜、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層から成る積層構造体を形成し、次いで、
（Ｂ）積層構造体をパターニングした後、
（Ｃ）磁化参照層よりも小さな記録層が得られるように記録層をパターニングし、その後、
（Ｄ）全面に絶縁膜を形成し、次いで、
（Ｅ）記録層の側壁上の絶縁膜の上、及び、磁化参照層の側壁の絶縁膜の上に、磁気シールド層を形成する、
各工程を有する。

本発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法にあっては、前記工程（Ｄ）と工程（Ｅ）の間において、全面に第２の絶縁膜を形成する形態とすることができる。また、係る好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法にあっては、前記工程（Ｅ）は、全面に磁気シールド層を形成した後、磁気シールド層をエッチバックする工程から成る形態とすることができる。

以上に説明した好ましい形態を含む本発明の磁気抵抗効果素子、以上に説明した好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を総称して、単に、『本発明』と呼ぶ場合がある。また、以上に説明した好ましい形態を含む本発明の磁気抵抗効果素子、以上に説明した好ましい形態を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法によって得られた磁気抵抗効果素子を総称して、単に、『本発明の磁気抵抗効果素子等』と呼ぶ場合がある。

本発明の磁気抵抗効果素子等は、より具体的には、スピン注入による磁化反転を応用したスピン注入型磁気抵抗効果素子である。ここで、本発明の磁気抵抗効果素子等において、記録層あるいは積層構造体の平面形状として、楕円形、長円形（２つの半円と２本の線分とが組み合わされた図形）、放物線や双曲線によって囲まれた形状、広くは２次関数あるいは３次以上の関数で表現し得る図形から構成された形状、正多角形（長方形、正５角形以上の正多角形、頂点が丸みを帯びた長方形、頂点が丸みを帯びた正５角形以上の正多角形が含まれる）、扁平な円形（円形を一方向から押し潰したような図形）を挙げることができるし、楕円形と線分との組合せ、放物線と線分との組合せ、双曲線と線分との組合せ、広くは、２次関数と１次関数との組合せ、あるいは３次以上の関数と１次関数との組合せを含むことができる。あるいは又、湾曲した形状とすることができる。

スピン注入型磁気抵抗効果素子にあっては、磁化参照層（固着層とも呼ばれる）、非磁性体膜、及び、情報を記憶する記録層（磁化反転層あるいは自由層とも呼ばれる）によって、ＴＭＲ効果あるいはＧＭＲ効果を有する積層構造体が構成されている。ここで、磁化参照層、非磁性体膜及び記録層によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造体が構成されるとは、磁性材料から成る磁化参照層と、磁性材料から成る記録層との間に、トンネル絶縁膜として機能する非磁性体膜が挟まれた構造を指す。

本発明の磁気抵抗効果素子等において、記録層は磁化参照層よりも小さい。即ち、記録層の射影像は磁化参照層の射影像内に含まれる。本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法にあっては、記録層をパターニングするが、このとき、非磁性体膜はパターニングされない形態、非磁性体膜が厚さ方向に一部分、パターニングされる形態、非磁性体膜がパターニングされる形態の３つの形態を含み得る。従って、記録層の側壁上に絶縁膜を形成するが、非磁性体膜の側壁の一部分にも絶縁膜を形成する形態、非磁性体膜の側壁にも絶縁膜を形成する形態を含み得る。更には、記録層の側壁上の絶縁膜の上に磁気シールド層を形成するが、非磁性体膜の側壁の一部分の上の絶縁膜の上に磁気シールド層を形成する形態、非磁性体膜の側壁の上の絶縁膜の上に磁気シールド層を形成する形態を含み得る。

スピン注入型磁気抵抗効果素子における記録層（磁化反転層）、磁化参照層、磁気シールド層を構成する材料として、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）といった強磁性材料、これらの強磁性材料の合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ等）、これらの合金に非磁性元素（例えば、タンタル、ホウ素、クロム、白金、シリコン、炭素、窒素等）を混ぜた合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等）、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの内の１種類以上を含む酸化物（例えば、フェライト：Ｆｅ−ＭｎＯ等）、ハーフメタリック強磁性材料と呼ばれる一群の金属間化合物（ホイスラー合金：ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅ、Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、Ｃｏ₂ＣｒＡｌ等）、酸化物（例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃、ＣｒＯ₂、Ｆｅ₃Ｏ₄等）を挙げることができる。記録層、磁化参照層、磁気シールド層の結晶性は、本質的に任意であり、多結晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、非晶質であってもよい。更には、各種磁性半導体の使用も可能であるし、軟磁性（ソフト膜）であっても硬磁性（ハード膜）であってもよい。

あるいは又、スピン注入型磁気抵抗効果素子における磁化参照層は、積層フェリ構造［反強磁性的結合を有する積層構造であり、合成反強磁性結合（ＳＡＦ：Synthetic Antiferromagnet）とも呼ばれる］を有する構成とすることができるし、静磁結合構造を有する構成とすることができる。積層フェリ構造とは、例えば、磁性材料層／ルテニウム（Ｒｕ）層／磁性材料層の３層構造（具体的には、例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの３層構造、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの３層構造）を有し、ルテニウム層の厚さによって、２つの磁性材料層の層間交換結合が、反強磁性的あるいは強磁性的になる構造を指し、例えば、 S. S. Parkin et. al, Physical Review Letters, 7 May, pp 2304-2307 (1990) に報告されている。尚、２つの磁性材料層の層間交換結合が強磁性的になる構造を、積層フェロ構造と呼ぶ。また、２つの磁性材料層において、磁性材料層の端面からの漏洩磁界によって反強磁性的結合が得られる構造を、静磁結合構造と呼ぶ。記録層（磁化反転層）を、合成反強磁性結合を有する多層構造とすることもできる。磁化参照層は、反強磁性体層との交換結合によってピニング（pinning）される。反強磁性体層を構成する材料として、鉄−マンガン合金、ニッケル−マンガン合金、白金−マンガン合金、イリジウム−マンガン合金、ロジウム−マンガン合金、コバルト酸化物、ニッケル酸化物を挙げることができる。後述する第１配線あるいは第２配線と反強磁性体層との間には、反強磁性体層の結晶性向上のために、Ｔａ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｔｉ等から成る下地膜を形成してもよい。

スピン注入型磁気抵抗効果素子において、ＴＭＲ効果を有する積層構造体を構成する非磁性体膜を構成する材料として、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、アルミニウム酸化物（ＡｌＯ_X）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ＴｉＯ₂あるいはＣｒ₂Ｏ₃、Ｇｅ、ＮｉＯ、ＣｄＯ_X、ＨｆＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＢＮ、ＺｎＳ等の絶縁材料を挙げることができる。一方、ＧＭＲ効果を有する積層構造体を構成する非磁性体膜を構成する材料として、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔａ等、あるいは、これらの合金といった導電性材料を挙げることができるし、導電性が高ければ（抵抗率が数百μΩ・ｃｍ以下）、任意の非金属材料としてもよいが、記録層や磁化参照層と界面反応を起こし難い材料を、適宜、選択することが望ましい。

積層構造体を構成するこれらの層は、あるいは又、磁気シールド層は、例えば、スパッタリング法、イオンビーム堆積法、真空蒸着法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に代表される化学的気相成長法（ＣＶＤ法）にて形成することができる。

また、非磁性体膜は、例えば、スパッタリング法にて形成された金属膜を酸化若しくは窒化することにより得ることができる。より具体的には、非磁性体膜を構成する絶縁材料としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯ_X）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合、例えば、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを大気中で酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをプラズマ酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをＩＰＣプラズマで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素ラジカルで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化させるときに紫外線を照射する方法、アルミニウムやマグネシウムを反応性スパッタリング法にて成膜する方法、アルミニウム酸化物（ＡｌＯ_X）やマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）をスパッタリング法にて成膜する方法を例示することができる。

本発明において、絶縁膜、第２の絶縁膜として、酸化ケイ素（ＳｉＯ_X）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）を挙げることができる。尚、絶縁膜を構成する材料と、第２の絶縁膜を構成する材料との間には、適切なるエッチング選択比が存在することが望ましい。絶縁膜、第２の絶縁膜の形成方法として、各種のＣＶＤ法やＰＶＤ法を挙げることができる。ここで、ＰＶＤ法として具体的には、電子ビーム加熱法、抵抗加熱法、フラッシュ蒸着法等の各種真空蒸着法；プラズマ蒸着法；２極スパッタ法、直流スパッタ法、直流マグネトロンスパッタ法、高周波スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、イオンビームスパッタ法、バイアススパッタ法等の各種スパッタ法；ＤＣ（Direct Current）法、ＲＦ法、多陰極法、活性化反応法、ＨＣＤ（Hollow Cathode Discharge）法、電界蒸着法、高周波イオンプレーティング法、反応性イオンプレーティング法等の各種イオンプレーティング法；ＩＶＤ法（イオン・ベーパー・デポジション法）、イオンビーム堆積法を挙げることができる。

記録層、磁化参照層、積層構造体のパターニングは、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）やイオンミーリング法（イオンビームエッチング法）にて行うことができる。また、場合によっては、所謂リフトオフ法にてパターニングを行うこともできる。

本発明の磁気抵抗効果素子等は、積層構造体の下部に電気的に接続された第１配線、及び、積層構造体の上に接続部を介して接続された第２配線を備えている構造とすることができる。また、第１配線の下方に、電界効果型トランジスタから成る選択用トランジスタを有する構造とすることができる。ここで、第２配線（例えば、ビット線）の延びる方向は、電界効果型トランジスタを構成するゲート電極（ワード線）の延びる方向と平行である形態とすることができるし、第２配線の延びる方向の射影像は、電界効果型トランジスタを構成するゲート電極の延びる方向の射影像と直交する形態とすることもできる。尚、第１配線の下方に、電界効果型トランジスタから成る選択用トランジスタが形成されている場合、具体的には、選択用トランジスタは下層絶縁層で覆われ、下層絶縁層上に第１配線が形成され、下層絶縁層に設けられた接続孔（あるいは接続孔とランディングパッド部や下層配線）を介して、選択用トランジスタの一方のソース／ドレイン領域と第１配線とが接続されている構成とすることができる。また、層間絶縁層は、下層絶縁層及び第１配線を覆い、積層構造体及び接続部を取り囲んでおり、第２配線は層間絶縁層上に形成されている構成とすることができる。即ち、より具体的な構成として、例えば、限定するものではないが、
半導体基板に形成された選択用トランジスタ、及び、
選択用トランジスタを覆う下層絶縁層、
を備え、
下層絶縁層上に第１配線が形成されており、
第１配線は、下層絶縁層に設けられた接続孔（あるいは接続孔とランディングパッド部や下層配線）を介して選択用トランジスタに電気的に接続されており、
層間絶縁層は、下層絶縁層及び第１配線を覆い、積層構造体を取り囲んでおり、
第２配線は層間絶縁層上に形成されている構成を例示することができる。

場合によっては、選択用トランジスタは不要である。第１配線や、第２配線（例えば、所謂ビット線として機能する）は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ等の単層構造から成り、あるいは又、ＣｒやＴｉ等から成る下地層と、その上に形成されたＣｕ層、Ａｕ層、Ｐｔ層等の積層構造を有していてもよいし、更には、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ等の単層あるいはＣｕ、Ｃｒ、Ｔｉ等との積層構造から構成することもできる。これらの配線は、例えば、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法にて形成することができる。

層間絶縁層を構成する材料として、ＳｉＯ₂、ＮＳＧ（ノンドープ・シリケート・ガラス）、ＢＰＳＧ（ホウ素・リン・シリケート・ガラス）、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＡｓＳＧ、ＳｂＳＧ、ＳＯＧ（スピンオングラス）等のＳｉＯ_X系材料（シリコン系酸化膜を構成する材料）、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＦ、ＳｉＣＮ、低誘電率絶縁材料（例えば、フルオロカーボン、シクロパーフルオロカーボンポリマー、ベンゾシクロブテン、環状フッ素樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、アモルファス・テトラフルオロエチレン、フッ化アリールエーテル、フッ化ポリイミド、アモルファスカーボン、有機ＳＯＧ、パリレン、フッ化フラーレン）、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、Ｓｉｌｋ（The Dow Chemical Co. の商標であり、塗布型低誘電率層間絶縁膜材料）、Ｆｌａｒｅ（Honeywell Electronic Materials Co. の商標であり、ポリアリルエーテル（ＰＡＥ)系材料）を例示することができる。

磁化参照層と第１配線（あるいは第２配線）の電気的な接続状態として、第１配線（あるいは第２配線）が、直接、磁化参照層に接続されている形態を挙げることができるし、あるいは又、第１配線（あるいは第２配線）が、反強磁性体層を介して磁化参照層に接続されている形態を挙げることができる。また、第１配線が反強磁性体層を兼ねている構成とすることもできる。磁化参照層が第１配線に接続されている場合、第１配線から磁化参照層を介して、また、磁化参照層が第２配線に接続されている場合、第２配線から磁化参照層を介して、偏極スピン電流を記録層内に注入することにより、記録層における磁化の方向を第１の方向（磁化容易軸と平行な方向）あるいは第２の方向（第１の方向とは反対の方向）とすることで、記録層に情報が書き込まれる。

選択用トランジスタは、例えば、周知のＭＩＳ型ＦＥＴやＭＯＳ型ＦＥＴから構成することができる。第１配線と選択用トランジスタとを電気的に接続する接続孔は、不純物がドーピングされたポリシリコンや、タングステン、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＴｉＷ、ＴｉＮＷ、ＷＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂等の高融点金属や金属シリサイドから構成することができ、ＣＶＤ法や、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法に基づき形成することができる。また、下層絶縁層を構成する材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ、ＮＳＧ、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧあるいはＬＴＯを例示することができる。

本発明の磁気抵抗効果素子、本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法において、記録層の大きさは磁化参照層の大きさよりも小さく、記録層の側壁上の絶縁膜の上及び磁化参照層の側壁の上には、磁気シールド層が形成されている。このように、記録層の大きさが磁化参照層の大きさよりも小さいが故に、記録層、磁化参照層をパターニングするとき、これらの層の側面にリデポジションが発生し、記録層と磁化参照層との間に短絡が発生するといった問題が生じることがない。また、記録層の側壁上の絶縁膜の上には磁気シールド層が形成されているので、隣接する磁気抵抗効果素子からの漏洩磁界によっての影響を抑制することができる。更には、磁化参照層の側壁の上にも磁気シールド層が形成されているので、隣接した磁気抵抗効果素子の磁化参照層（固着層）、相互の間に磁気的結合が生じることがない。従って、高い性能、安定した書き込み、読み出し特性、優れた耐ディスターブ性を有する磁気抵抗効果素子を提供することができる。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。

実施例１は、本発明の磁気抵抗効果素子、及び、本発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。実施例１の磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）の模式的な一部断面図を図１に示す。尚、実施例１、あるいは、後述する実施例２〜実施例３、参考例１〜参考例３の磁気抵抗効果素子は、具体的には、スピン注入による磁化反転を応用したスピン注入型磁気抵抗効果素子である。

実施例１〜実施例３の磁気抵抗効果素子３０は、基体（具体的には、後述する第１配線４１）上に形成され、基体側から磁化参照層５１、非磁性体膜５２、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層５３から成る積層構造体５０を備えている。そして、記録層５３は磁化参照層５１よりも小さく（即ち、記録層５３の平面形状は磁化参照層５１の平面形状よりも小さく）、記録層５３の側壁上には絶縁膜６１が形成されており、記録層５３の側壁上の絶縁膜６１の上、及び、磁化参照層５１の側壁の上には、磁気シールド層６３が形成されている。

ここで、実施例１、あるいは、後述する実施例２〜実施例３、参考例１〜参考例３の磁気抵抗効果素子は、積層構造体５０の下部に電気的に接続された第１配線４１、及び、積層構造体５０の上に設けられたキャップ層５５を介して接続された第２配線４２（ビット線として機能する）を備えている。また、実施例１、あるいは、後述する実施例２〜実施例３、参考例１〜参考例３の磁気抵抗効果素子にあっては、更に、第１配線４１の下方に、電界効果型トランジスタから成る選択用トランジスタＴＲを有している。

尚、図１に示す模式的な一部断面図において、図面の関係上、一点鎖線の上側の「Ａ」の領域と、下側の「Ｂ」の領域では、磁気抵抗効果素子の断面を眺める方向が９０度異なっている。即ち、「Ａ」の領域は、磁気抵抗効果素子の断面を磁化困難軸と平行な方向から眺めており、「Ｂ」の領域は、磁気抵抗効果素子の断面を磁化容易軸と平行な方向から眺めている。従って、図１では、第２配線（実施例１にあっては、ビット線）４２の延びる方向の射影像と、電界効果型トランジスタを構成するゲート電極（ワード線）１２の延びる方向の射影像とは直交しているように図示しているが、実際には、平行である。図４、図５、図７、図１０、図１１に示す実施例２〜実施例３、参考例１〜参考例３の磁気抵抗効果素子においても同様である。

ここで、積層構造体５０を構成する記録層５３は、磁化容易軸、及び、この磁化容易軸と直交する磁化困難軸を有している。実施例１にあっては、磁化容易軸は第２配線４２と平行である。また、積層構造体５０の上部と第２配線４２との間には、上述したとおり、厚さ約１００ｎｍのＴｉＮ層から成るキャップ層５５が、スパッタリング法にて形成されている。キャップ層５５は、配線を構成する原子と記録層５３を構成する原子の相互拡散の防止、接触抵抗の低減、及び、記録層５３の酸化防止を担っている。尚、キャップ層５５を、その他、Ｃｕ層、Ｔａ層、Ｔｉ層、Ｗ層、ＴａＮ層、ＷＮ層、Ｒｕ層、Ｐｔ層、ＭｇＯ層、Ｒｕ膜／Ｔａ膜の積層構造等から構成することもできる。

更には、上述したとおり、第１配線４１の下方に、電界効果型トランジスタから成る選択用トランジスタＴＲが設けられており、第２配線（ビット線）４２の延びる方向は、電界効果型トランジスタを構成するゲート電極（ワード線）１２の延びる方向と平行である。具体的には、選択用トランジスタＴＲは、素子分離領域１１によって囲まれたシリコン半導体基板１０の部分に形成されており、下層絶縁層２１，２４によって覆われている。そして、一方のソース／ドレイン領域１４Ｂは、タングステンプラグから成る接続孔２２を介して、第１配線４１に接続されている。また、他方のソース／ドレイン領域１４Ａは、タングステンプラグ１５を介してセンス線１６に接続されている。図中、参照番号１３はゲート絶縁膜を示す。

図１３の（Ａ）に概念図を示すように、積層構造体５０は、以下の構成、構造を有しており、スパッタリング法にて形成されている。尚、磁化参照層５１は、反強磁性体層５４（図１３参照。図１等には図示せず）のＰｔ−Ｍｎとの交換結合によって、磁化の方向がピニング（pinning）される。また、記録層５３においては、電流の流れる方向により、その磁化の方向が、磁化参照層５１に対して平行又は反平行に変えられる。

具体的には、実施例１におけるスピン注入型磁気抵抗効果素子は、ＧＭＲ効果を有する積層膜、あるいは、ＴＭＲ効果を有する積層膜から成る磁気抵抗効果積層膜が２つの配線４１，４２で挟まれた構造を有する。即ち、情報を記録する機能を担う記録層（磁化反転層あるいは自由層とも呼ばれる）５３と、磁化方向が固定されており、スピンフィルターとして機能する磁化参照層（固着層とも呼ばれる）５１が、非磁性体膜５２を介して積層された構造を有し、電流は膜面に垂直に流れる（図１３の（Ａ）参照）。記録層５３の大きさは、模式的な平面図を図１３の（Ｂ）に示すが、記録層５３を構成する磁性材料の種類や膜厚に依るが、単磁区化を促進し、且つ、スピン注入磁化反転の臨界電流Ｉ_cを低減するため、概ね２００ｎｍ以下である。記録層５３は、適当な磁気異方性により２以上の複数の磁化方向（例えば、図１３の（Ａ）に水平方向の矢印にて示す２方向である第１の方向及び第２の方向）を取ることができ、各磁化方向は記録される情報に対応する。図１３の（Ｂ）においては、記録層５３の平面形状を長楕円形状にすることによって、形状磁気異方性を付与した例を示す。即ち、記録層５３は、第１の方向及び第２の方向に平行な磁化容易軸と、磁化困難軸とを有しており、磁化容易軸に沿った記録層５３の長さは、磁化困難軸に沿った記録層５３の長さよりも長い。

磁化参照層５１は、通例、反強磁性体層５４との交換結合により、その磁化方向が固定されている（図１３の（Ｃ）参照）。磁化参照層５１Ａ，５１Ｂを、記録層５３の上下に、非磁性体膜５２Ａ，５２Ｂを介して配置して、スピン注入磁化反転の効率を向上させたダブル・スピンフィルター構造も知られている（図１３の（Ｄ）参照）。ここで、参照番号５４Ａ，５４Ｂは、反強磁性体層である。尚、図１３の（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｄ）に示した例においては、記録層５３、磁化参照層５１（磁化参照層が２層５１Ａ，５１Ｂの場合には、いずれか一方の層）を、積層フェリ構造（ＳＡＦ積層構造）としてもよい。非磁性体膜５２，５２Ａ，５２Ｂは、金属材料あるいは絶縁材料から構成されている。いずれにしても、スピン注入磁化反転を適用した不揮発性磁気メモリ素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）は、磁気抵抗効果積層膜の上下を配線で挟んだ、２端子スピントランスファー素子構造を有する。

［積層構造体５０］
記録層５３
厚さ約５ｎｍのＣｏ−Ｆｅ層
非磁性体膜（トンネル絶縁膜）５２
厚さ１．０ｎｍのＡｌＯ_X膜
磁化参照層（ＳＡＦ積層構造の多層膜）５１（図面では１層で示す）
上層：厚さ２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ層
中層：厚さ１ｎｍのＲｕ層
下層：厚さ２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ層
反強磁性体層５４
厚さ２０ｎｍのＰｔ−Ｍｎ層

第１配線４１は、１０ｎｍ厚さのＴａ層から成る。第２配線４２は、例えば、Ｔａ、ＴｉあるいはＡｌ−Ｃｕから成る。また、積層構造体５０を囲む層間絶縁層２６は、ＳｉＮ又はＳｉＯ₂から成る。

以下、下層絶縁層２４等の模式的な一部端面図である図２の（Ａ）〜（Ｃ）、図３の（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、実施例１の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。尚、磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する図面においては、選択用トランジスタＴＲの図示を省略し、また、下層絶縁層２４に設けられた接続孔２２の図示も省略している。

［工程−１００］
先ず、周知の方法に基づき、シリコン半導体基板１０に素子分離領域１１を形成し、素子分離領域１１によって囲まれたシリコン半導体基板１０の部分に、ゲート酸化膜１３、ゲート電極（ワード線）１２、ソース／ドレイン領域１４Ａ，１４Ｂから成る選択用トランジスタＴＲを形成する。次いで、第１下層絶縁層２１を形成し、ソース／ドレイン領域１４Ａの上方の第１下層絶縁層２１の部分にタングステンプラグ１５を形成し、更には、第１下層絶縁層２１上にセンス線１６を形成する。その後、全面に第２下層絶縁層２４を形成し、ソース／ドレイン領域１４Ｂの上方の下層絶縁層２１，２４の部分にタングステンプラグから成る接続孔２２を形成する。こうして、下層絶縁層２１，２４で覆われた選択用トランジスタＴＲを得ることができる。

［工程−１１０］
その後、基体（具体的には、実施例１にあっては第１配線４１）上に、基体側から磁化参照層５１、非磁性体膜５２、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層５３から成る積層構造体５０を形成する。具体的には、最上層に記録層５３Ａが設けられた積層構造体５０Ａを形成し、次いで、積層構造体５０Ａの上にキャップ層５５Ａを形成する。ここで、先ず、第１配線上に、パターニングされていない積層構造体を形成する。より具体的には、スパッタリング法にて、真空中での連続成膜にて、全面に、パターニングされていない第１配線４１Ａ、積層構造体５０Ａ（磁化参照層５１Ａ、非磁性体膜（トンネル絶縁膜）５２Ａ、記録層５３Ａ）、キャップ層５５Ａを形成する。尚、これらの層は、パターニングされていないので、参照番号の末尾に「Ａ」を付している。また、磁化参照層５１Ａは、１層で示している。こうして、図２の（Ａ）に示す構造を得ることができる。尚、非磁性体膜（トンネル絶縁膜）５２Ａは、例えば、アルミニウム膜をスパッタリング法にて成膜した後、成膜したアルミニウム膜を酸素ガスを用いて酸化させることで得ることができる。

［第１配線４１Ａ］
プロセスガス ：アルゴン＝１００sccm
成膜雰囲気圧力：０．６Ｐａ
ＤＣパワー ：２００Ｗ
［反強磁性体層５４Ａ］
プロセスガス ：アルゴン＝１００sccm
成膜雰囲気圧力：０．６Ｐａ
ＤＣパワー ：２００Ｗ
［磁化参照層５１Ａ］
下層
プロセスガス ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー ：１００Ｗ
中層
プロセスガス ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー ：５０Ｗ
上層
プロセスガス ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー ：１００Ｗ
［非磁性体膜５２Ａ］
プロセスガス ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＲＦパワー ：５０Ｗ
［記録層５３Ａ］
プロセスガス ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー ：２００Ｗ
［キャップ層５５Ａ］
プロセスガス ：アルゴン＝６５sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー ：１０ｋＷ

［工程−１２０］
その後、記録層５３をパターニングする。具体的には、キャップ層５５Ａの上に、ハードマスク層をＣＶＤ法にて形成し、更に、ハードマスク層上に、パターニングされたレジスト層を、周知のフォトリソグラフィ技術に基づき形成する。尚、ハードマスク層を構成する材料として、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮを挙げることができる。ハードマスク層は多層構成であってもよい。ハードマスク層をＰＶＤ法にて形成してもよい。ハードマスク層は、リソグラフィ工程における反射防止効果や、エッチング停止、金属拡散防止等の機能を兼ねている。

そして、係るレジスト層をエッチング用マスクとして、ハードマスク層を、ドライエッチング法の一種であるＲＩＥ法にてパターニングした後、レジスト層を除去する。次いで、パターニングされたハードマスク層をマスクとして用いて、ＲＩＥ法にてキャップ層５５Ａ及び記録層５３Ａをパターニングすることで、パターニングされたキャップ層５５及び記録層５３を得ることができる。尚、ドライエッチングを記録層５３Ａのエッチング終了と共に停止するが、エッチングが若干進行し、非磁性体膜５２Ａが、その厚さ方向に一部分、エッチングされる場合もある。こうして、図２の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。尚、キャップ層５５及び記録層５３をＲＩＥ法にてパターニングする代わりに、イオンミーリング法に基づきパターニングすることもできる。

［キャップ層５５Ａのドライエッチング］
エッチングガス：Ｃｌ₂／ＢＣｌ₃／Ｎ₂＝６０sccm／８０sccm／１０sccm
ソースパワー ：１ｋＷ
バイアスパワー：１５０Ｗ
圧力 ：１Ｐａ
［記録層５３Ａのドライエッチング］
エッチングガス：Ｃｌ₂／Ｏ₂／Ａｒ＝５０sccm／２０sccm／２０sccm
ソースパワー ：１ｋＷ
バイアスパワー：１５０Ｗ
圧力 ：１Ｐａ

［工程−１３０］
次いで、全面に絶縁膜６１を形成する。この絶縁膜６１は、窒化シリコン（ＳｉＮ）から成る。尚、絶縁膜６１を、窒化シリコン（ＳｉＮ）と酸化シリコン（ＳｉＯ₂）等の多層構成としてもよい。具体的には、厚さ５０ｎｍのＳｉＮから成る絶縁膜６１を、例えば平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いて形成（成膜）する。こうして、図２の（Ｃ）に示す構造を得ることができる。

［絶縁膜６１の成膜条件］
プロセスガス：ＳｉＨ₄／ＮＨ₃／Ｎ₂＝２６０sccm／１００sccm／４０００sccm
成膜雰囲気 ：５．７×１０²Ｐａ

［工程−１４０］
その後、記録層５３よりも大きな磁化参照層５１が得られるように磁化参照層５１をパターニングする。具体的には、絶縁膜６１上にパターニングされたレジスト層を形成し、次いで、ＲＩＥ法にて、絶縁膜６１、磁化参照層５１、及び、第１配線４１をパターニングした後、レジスト層を除去する。こうして、図３の（Ａ）に示す構造を得ることができる。尚、ＲＩＥ法によってパターニングする代わりに、イオンミーリング法に基づきパターニングすることもできる。

［絶縁膜６１のドライエッチング］
エッチングガス：ＣＨＦ₃／Ａｒ／Ｏ₂＝２０sccm／２００sccm／２０sccm
ＲＦパワー ：１ｋＷ
圧力 ：６Ｐａ
温度 ：２０゜Ｃ
［磁化参照層５１及び反強磁性体層５４Ａのドライエッチング］
エッチングガス：Ｃｌ₂／Ｏ₂／Ａｒ＝５０sccm／２０sccm／２０sccm
ソースパワー ：１ｋＷ
バイアスパワー：１５０Ｗ
圧力 ：１Ｐａ

［工程−１５０］
次に、記録層５３の側壁上の絶縁膜６１の上、及び、磁化参照層５１の側壁の上に、磁気シールド層６３を形成する。具体的には、ニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）合金から成る厚さ２０ｎｍの磁気シールド層６３をスパッタリング法にて成膜する。そして、このように全面に磁気シールド層６３を形成した後、実施例１にあっては、磁気シールド層６３をエッチバックする。こうして、図３の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。

［磁気シールド層６３の成膜条件］
プロセスガス：アルゴン＝２０sccm
成膜雰囲気 ：０．０５Ｐａ
ＤＣパワー ：３５０Ｗ

［磁気シールド層６３のエッチバック条件］
エッチングガス：Ｃｌ₂／Ａｒ＝５sccm／９０sccm
ソースパワー ：１．４ｋＷ
バイアスパワー：５００Ｗ
圧力 ：０.７Ｐａ

［工程−１６０］
その後、全面に、プラズマＣＶＤ法にて層間絶縁層２６を成膜し、層間絶縁層２６を化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）にて平坦化し、キャップ層５５を露出させる。次に、層間絶縁層２６上に、キャップ層５５に接する第２配線（ビット線）４２を、周知の方法で形成することで、図１に示した磁気抵抗効果素子を得ることができる。

実施例１の磁気抵抗効果素子にあっては、記録層の大きさは磁化参照層の大きさよりも小さく、記録層の側壁上の絶縁膜の上及び磁化参照層の側壁の上には、磁気シールド層が形成されている。このように、記録層の大きさは磁化参照層の大きさよりも小さいので、記録層、磁化参照層をパターニングするとき、これらの層の側面にリデポジションが発生し、記録層と磁化参照層との間に短絡が発生するといった問題が生じることを確実に防止することができる。また、記録層の側壁には磁気シールド層が形成されているので、隣接する磁気抵抗効果素子からの漏洩磁界によっての影響を抑制することができる。更には、磁化参照層の側壁にも磁気シールド層が形成されているので、隣接した磁気抵抗効果素子の磁化参照層（固着層）、相互の間に磁気的結合が生じることがない。従って、高い性能、安定した書き込み、読み出し特性、優れた耐ディスターブ性を有する磁気抵抗効果素子を提供することができる。以下に説明する実施例２〜実施例３の磁気抵抗効果素子にあっても同様である。

実施例２は、実施例１の変形である。図４に模式的な一部断面図を示すように、実施例２の磁気抵抗効果素子にあっては、記録層５３の側壁上の絶縁膜６１と磁気シールド層６３との間、及び、磁化参照層５１の側壁と磁気シールド層６３との間には、第２の絶縁膜６２が形成されている。実施例２にあっては、磁化参照層をパターニングした後、磁気シールド層を形成する前に、具体的には、実施例１の［工程−１４０］と［工程−１５０］の間で、全面に、例えば、ＳｉＮから成る第２の絶縁膜６２を形成する。

この点を除き、実施例２の磁気抵抗効果素子及びその製造方法は、実施例１において説明した磁気抵抗効果素子及びその製造方法と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

実施例３は、本発明の磁気抵抗効果素子、及び、本発明の第２の態様に係る磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。実施例３の磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図を図５に示す。実施例３の磁気抵抗効果素子にあっては、磁化参照層５１の側壁と磁気シールド層６３との間にも絶縁膜６１が形成されている。この点を除き、実施例３の磁気抵抗効果素子の構成、構造は、実施例１において説明した磁気抵抗効果素子の構成、構造と同様であるが故に、詳細な説明は省略する。

以下、下層絶縁層２４等の模式的な一部端面図である図６の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、実施例３の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。

［工程−３００］
先ず、実施例１の［工程−１００］と同様の工程を実行した後、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程に基づき、基体（実施例３にあっても、第１配線４１）上に、基体側から磁化参照層５１Ａ、非磁性体膜５２Ａ、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層５３Ａから成る積層構造体５０Ａ、更には、キャップ層５５Ａを形成する。こうして、図２の（Ａ）に示した構造を得ることができる。

［工程−３１０］
次いで、積層構造体５０をパターニングする。具体的には、キャップ層５５Ａの上に、ハードマスク層をＣＶＤ法にて形成し、更に、ハードマスク層上に、パターニングされたレジスト層を、周知のフォトリソグラフィ技術に基づき形成する。そして、係るレジスト層をエッチング用マスクとして、ハードマスク層を、ドライエッチング法の一種であるＲＩＥ法にてパターニングした後、レジスト層を除去する。次いで、パターニングされたハードマスク層をマスクとして用いて、ＲＩＥ法にてキャップ層５５Ａ、記録層５３Ａ、非磁性体膜５２Ａ、磁化参照層５１Ａ、第１配線４１Ａをパターニングする。その後、ハードマスク層を除去する。こうして、図６の（Ａ）に示す構造を得ることができる。尚、これらの層をＲＩＥ法にてパターニングする代わりに、イオンミーリング法に基づきパターニングすることもできる。また、ＲＩＥの条件は、実施例１にて説明したと同様とすればよい。

［工程−３２０］
その後、磁化参照層５１よりも小さな記録層５３が得られるように記録層５３Ａをパターニングする。具体的には、実施例１の［工程−１２０］と同様の工程を実行すればよい。こうして、図６の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。

［工程−３３０］
その後、全面に絶縁膜６１を形成する。具体的には、実施例１の［工程−１３０］と同様の工程を実行すればよい。こうして、図６の（Ｃ）に示す構造を得ることができる。尚、この工程によって、磁化参照層５１の側壁にも絶縁膜６１が形成される。

［工程−３４０］
次いで、記録層５３の側壁上の絶縁膜６１の上、及び、磁化参照層５１の側壁の絶縁膜６１の上に、磁気シールド層６３を形成する。具体的には、実施例１の［工程−１５０］と同様の工程を実行すればよい。こうして、図６の（Ｄ）に示す構造を得ることができる。

［工程−３５０］
その後、全面に、プラズマＣＶＤ法にて層間絶縁層２６を成膜し、層間絶縁層２６を化学的機械的研磨法にて平坦化し、キャップ層５５を露出させる。次に、層間絶縁層２６上に、キャップ層５５に接する第２配線（ビット線）４２を、周知の方法で形成することで、図５に示した磁気抵抗効果素子を得ることができる。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した各種の積層構造、構成、使用した材料等は例示であり、適宜、変更することができる。第２配線（ビット線）４２の延びる方向の射影像は、選択用トランジスタＴＲを構成するゲート電極１２の延びる方向の射影像と直交する形態とすることもできる。実施例においては、記録層の平面形状を楕円形としたが、その代わりに、特開２００５−３５３７８８（特願２００４−１７２１２２）に開示された形状とすることもできる。

また、図１４の（Ａ）あるいは（Ｂ）に模式的な部分的平面図を示したように、隣接するスピン注入型磁気抵抗効果素子をオフセット配置してもよい。スピン注入型磁気抵抗効果素子の微細化が進むに従い、隣接するスピン注入型磁気抵抗効果素子にて発生した漏洩磁界に起因して記録層の磁化が乱されるといったディスターブ現象が発生し、スピン注入型磁気抵抗効果素子のデータ保持特性が著しく劣化するといった問題が生じている。このようなディスターブ現象の発生を避けるために、このように、隣接するスピン注入型磁気抵抗効果素子をオフセット配置すればよい。

実施例１〜実施例３にあっては、積層構造体を、基体側から磁化参照層、非磁性体膜、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層から構成したが、場合によっては、積層順を逆にした積層構造体、即ち、基体上に形成され、基体側から電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層、非磁性体膜、及び、磁化参照層から成る積層構造体を備えた磁気抵抗効果素子とすることもでき、この場合には、
磁化参照層は、記録層よりも小さく、
磁化参照層の側壁上には絶縁膜が形成されており、
磁化参照層の側壁上の絶縁膜の上、及び、記録層の側壁の上には、磁気シールド層が形成されている。尚、このような構成の磁気抵抗効果素子を、便宜上、『参考例の磁気抵抗効果素子』と呼ぶ。

そして、参考例の磁気抵抗効果素子にあっては、磁化参照層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間、及び、記録層の側壁と磁気シールド層との間には、第２の絶縁膜が形成されている構成とすることができる。また、記録層の側壁と磁気シールド層との間にも、絶縁膜が形成されている構成とすることができ、更には、磁化参照層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間、及び、記録層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間には、第２の絶縁膜が形成されている構成とすることができる。

参考例の磁気抵抗効果素子にあっては、磁化参照層は記録層よりも小さい。即ち、磁化参照層の射影像は記録層の射影像内に含まれる。そして、このような参考例の磁気抵抗効果素子の製造にあっては、磁化参照層をパターニングするが、このとき、非磁性体膜はパターニングされない形態、非磁性体膜が厚さ方向に一部分、パターニングされる形態、非磁性体膜がパターニングされる形態の３つの形態を含み得る。従って、磁化参照層の側壁上に絶縁膜を形成するが、非磁性体膜の側壁の一部分にも絶縁膜を形成する形態、非磁性体膜の側壁にも絶縁膜を形成する形態を含み得る。更には、磁化参照層の側壁上の絶縁膜の上に磁気シールド層を形成するが、非磁性体膜の側壁の一部分の上の絶縁膜の上に磁気シールド層を形成する形態、非磁性体膜の側壁の上の絶縁膜の上に磁気シールド層を形成する形態を含み得る。

ここで、参考例の磁気抵抗効果素子は、
（Ａ）基体上に、基体側から電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層、非磁性体膜、及び、磁化参照層から成る積層構造体を形成し、次いで、
（Ｂ）磁化参照層をパターニングした後、
（Ｃ）全面に絶縁膜を形成し、次いで、
（Ｄ）磁化参照層よりも大きな記録層が得られるように記録層をパターニングした後、
（Ｅ）磁化参照層の側壁上の絶縁膜の上、及び、記録層の側壁の上に、磁気シールド層を形成する、
各工程を有する磁気抵抗効果素子の製造方法によって得ることができる。

あるいは又、参考例の磁気抵抗効果素子は、
（Ａ）基体上に、基体側から電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層、非磁性体膜、及び、磁化参照層から成る積層構造体を形成し、次いで、
（Ｂ）積層構造体をパターニングした後、
（Ｃ）記録層よりも小さな磁化参照層が得られるように磁化参照層をパターニングし、その後、
（Ｄ）全面に絶縁膜を形成し、次いで、
（Ｅ）磁化参照層の側壁上の絶縁膜の上、及び、記録層の側壁の絶縁膜の上に、磁気シールド層を形成する、
各工程を有する磁気抵抗効果素子の製造方法によって得ることができる。

参考例の磁気抵抗効果素子にあっては、磁化参照層の大きさは記録層の大きさよりも小さく、磁化参照層の側壁上の絶縁膜の上及び記録層の側壁の上には、磁気シールド層が形成されている。このように、磁化参照層の大きさが記録層の大きさよりも小さいが故に、磁化参照層、記録層をパターニングするとき、これらの層の側面にリデポジションが発生し、記録層と磁化参照層との間に短絡が発生するといった問題が生じることがない。また、記録層の側壁上の絶縁膜の上には磁気シールド層が形成されているので、隣接する磁気抵抗効果素子からの漏洩磁界によっての影響を抑制することができる。更には、磁化参照層の側壁の上にも磁気シールド層が形成されているので、隣接した磁気抵抗効果素子の磁化参照層（固着層）、相互の間に磁気的結合が生じることがない。従って、高い性能、安定した書き込み、読み出し特性、優れた耐ディスターブ性を有する磁気抵抗効果素子を提供することができる。

以下、このような構成の磁気抵抗効果素子、及び、その製造方法を、参考例１〜参考例３として、具体的に説明する。

［参考例１］
参考例１の磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）の模式的な一部断面図を図７に示す。

参考例１〜参考例３の磁気抵抗効果素子３０Ａは、基体（具体的には、第１配線４１）上に形成され、基体側から電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層５３、非磁性体膜５２、及び、磁化参照層５１から成る積層構造体１５０を備えている。そして、磁化参照層５１は記録層５３よりも小さく（即ち、磁化参照層５１の平面形状は記録層５３の平面形状よりも小さく）、磁化参照層５１の側壁上には絶縁膜６１が形成されており、磁化参照層５１の側壁上の絶縁膜６１の上、及び、記録層５３の側壁の上には、磁気シールド層６３が形成されている。

尚、積層構造体１５０の積層順が、実施例１の積層構造体５０の積層順と逆であることを除き、参考例１〜参考例３における積層構造体１５０の構成、構造は、実施例１における積層構造体５０の構成、構造と同じとすることができるので、詳細な説明は省略する。尚、参考例１〜参考例３にあっても、積層構造体１５０の上にはキャップ層５５が形成されている。また、参考例１〜参考例３の磁気抵抗効果素子の構成、構造も、積層構造体１５０の積層順が逆である点を除き、実質的に、実施例１〜実施例３の磁気抵抗効果素子の構成、構造と同じである。

以下、下層絶縁層２４等の模式的な一部端面図である図８の（Ａ）〜（Ｃ）、図９の（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、参考例１の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。

［工程−Ａ−１］
先ず、実施例１の［工程−１００］と同様の工程を実行した後、実施例１の［工程−１１０］と概ね同様の工程に基づき、基体（実施例３にあっても、第１配線４１）上に、基体側から電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層５３Ａ、非磁性体膜５２Ａ、及び、磁化参照層５１Ａ（更には、図示しない反強磁性体層５４Ａ）から成る積層構造体１５０Ａ、更には、キャップ層５５Ａを形成する。こうして、図８の（Ａ）に示す構造を得ることができる。

［工程−Ａ−２］
次に、磁化参照層５１Ａをパターニングする。具体的には、キャップ層５５Ａの上に、実施例１の［工程−１２０］と同様にして、ハードマスク層をＣＶＤ法にて形成し、更に、ハードマスク層上に、パターニングされたレジスト層を、周知のフォトリソグラフィ技術に基づき形成する。そして、係るレジスト層をエッチング用マスクとして、ハードマスク層を、ドライエッチング法の一種であるＲＩＥ法にてパターニングした後、レジスト層を除去する。次いで、パターニングされたハードマスク層をマスクとして用いて、ＲＩＥ法にてキャップ層５５Ａ及び磁化参照層５１Ａをパターニングすることで、パターニングされたキャップ層５５及び磁化参照層５１を得ることができる。尚、ドライエッチングを磁化参照層５１Ａのエッチング終了と共に停止するが、エッチングが若干進行し、非磁性体膜５２Ａが、その厚さ方向に一部分、エッチングされる場合もある。こうして、図８の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。ＲＩＥの条件は、実施例１に示したと同様とすることができる。キャップ層５５及び磁化参照層５１をＲＩＥ法にてパターニングする代わりに、イオンミーリング法に基づきパターニングすることもできる。

［工程−Ａ−３］
次いで、実施例１の［工程−１３０］と同様にして、全面に絶縁膜６１を形成する。こうして、図８の（Ｃ）に示す構造を得ることができる。

［工程−Ａ−４］
その後、磁化参照層５１よりも大きな記録層５３が得られるように記録層５３をパターニングする。具体的には、絶縁膜６１上にパターニングされたレジスト層を形成した後、ＲＩＥ法にて、絶縁膜６１、記録層５３、及び、第１配線４１をパターニングした後、レジスト層を除去する。こうして、図９の（Ａ）に示す構造を得ることができる。尚、ＲＩＥ法によってパターニングする代わりに、イオンミーリング法に基づきパターニングすることもできる。ＲＩＥの条件は、実施例１に示したと同様とすればよい。

［工程−Ａ−５］
次に、磁化参照層５１の側壁上の絶縁膜６１の上、及び、記録層５３の側壁の上に、磁気シールド層６３を形成する。具体的には、実施例１の［工程−１５０］と同様にして、ニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）合金から成る厚さ２０ｎｍの磁気シールド層６３をスパッタリング法にて成膜する。そして、このように全面に磁気シールド層６３を形成した後、参考例１にあっても、磁気シールド層６３をエッチバックする。こうして、図９の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。

［工程−Ａ−６］
その後、全面に、プラズマＣＶＤ法にて層間絶縁層２６を成膜し、層間絶縁層２６を化学的機械的研磨法にて平坦化し、キャップ層５５を露出させる。次に、層間絶縁層２６上に、キャップ層５５に接する第２配線（ビット線）４２を、周知の方法で形成することで、図７に示した磁気抵抗効果素子を得ることができる。

参考例１の磁気抵抗効果素子にあっては、磁化参照層の大きさは記録層の大きさよりも小さく、磁化参照層の側壁上の絶縁膜の上及び記録層の側壁の上には、磁気シールド層が形成されている。このように、磁化参照層の大きさは記録層の大きさよりも小さいので、磁化参照層、記録層をパターニングするとき、これらの層の側面にリデポジションが発生し、記録層と磁化参照層との間に短絡が発生するといった問題が生じることがない。また、記録層の側壁には磁気シールド層が形成されているので、隣接する磁気抵抗効果素子からの漏洩磁界によっての影響を抑制することができる。更には、磁化参照層の側壁にも磁気シールド層が形成されているので、隣接した磁気抵抗効果素子の磁化参照層（固着層）、相互の間に磁気的結合が生じることがない。従って、高い性能、安定した書き込み、読み出し特性、優れた耐ディスターブ性を有する磁気抵抗効果素子を提供することができる。以下に説明する参考例２〜参考例３の磁気抵抗効果素子にあっても同様である。

［参考例２］
参考例２は、参考例１の変形である。図１０に模式的な一部断面図を示すように、参考例２の磁気抵抗効果素子にあっては、磁化参照層５１の側壁上の絶縁膜６１と磁気シールド層６３との間、及び、記録層５３の側壁と磁気シールド層６３との間には、第２の絶縁膜６２が形成されている。参考例２にあっては、記録層をパターニングした後、磁気シールド層を形成する前に、具体的には、参考例１の［工程−Ａ−４］と［工程−Ａ−５］の間で、全面に、例えば、ＳｉＮから成る第２の絶縁膜６２を形成する。

この点を除き、参考例２の磁気抵抗効果素子及びその製造方法は、参考例１において説明した磁気抵抗効果素子及びその製造方法と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。

［参考例３］
参考例３の磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図を図１１に示す。参考例３の磁気抵抗効果素子にあっては、記録層５３の側壁と磁気シールド層６３との間にも絶縁膜６１が形成されている。この点を除き、参考例３の磁気抵抗効果素子の構成、構造は、参考例１において説明した磁気抵抗効果素子の構成、構造と同様であるが故に、詳細な説明は省略する。

以下、下層絶縁層２４等の模式的な一部端面図である図１２の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、参考例３の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。

［工程−Ｂ−１］
先ず、参考例１の［工程−Ａ−１］と同様の工程を実行して、基体（参考例３にあっても、第１配線４１）上に、基体側から電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層５３Ａ、非磁性体膜５２Ａ、及び、磁化参照層５１Ａ（更には、図示しない反強磁性体層５４Ａ）から成る積層構造体１５０Ａ、更には、キャップ層５５Ａを形成する。こうして、図８の（Ａ）に示した構造を得ることができる。

［工程−Ｂ−２］
次いで、実施例３の［工程−３１０］と同様にして、積層構造体１５０Ａをパターニングする。具体的には、キャップ層５５Ａの上に、ハードマスク層をＣＶＤ法にて形成し、更に、ハードマスク層上に、パターニングされたレジスト層を、周知のフォトリソグラフィ技術に基づき形成する。そして、係るレジスト層をエッチング用マスクとして、ハードマスク層を、ドライエッチング法の一種であるＲＩＥ法にてパターニングした後、レジスト層を除去する。次いで、パターニングされたハードマスク層をマスクとして用いて、ＲＩＥ法にてキャップ層５５Ａ、磁化参照層５１Ａ、非磁性体膜５２Ａ、記録層５３Ａ、第１配線４１Ａをパターニングする。その後、ハードマスク層を除去する。こうして、図１２の（Ａ）に示す構造を得ることができる。尚、これらの層をＲＩＥ法にてパターニングする代わりに、イオンミーリング法に基づきパターニングすることもできる。また、ＲＩＥの条件は、参考例１にて説明したと同様とすればよい。

［工程−Ｂ−３］
その後、記録層５３よりも小さな磁化参照層５１が得られるように磁化参照層５１Ａをパターニングする。具体的には、参考例１の［工程−Ａ−２］と同様の工程を実行すればよい。こうして、図１２の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。

［工程−Ｂ−４］
その後、全面に絶縁膜６１を形成する。具体的には、参考例１の［工程−Ａ−３］と同様の工程を実行すればよい。こうして、図１２の（Ｃ）に示す構造を得ることができる。尚、この工程によって、記録層５３の側壁にも絶縁膜６１が形成される。

［工程−Ｂ−５］
次いで、記録層５３の側壁上の絶縁膜６１の上、及び、磁化参照層５１の側壁の絶縁膜６１の上に、磁気シールド層６３を形成する。具体的には、参考例１の［工程−Ａ−５］と同様の工程を実行すればよい。こうして、図１２の（Ｄ）に示す構造を得ることができる。

［工程−Ｂ−６］
その後、全面に、プラズマＣＶＤ法にて層間絶縁層２６を成膜し、層間絶縁層２６を化学的機械的研磨法にて平坦化し、キャップ層５５を露出させる。次に、層間絶縁層２６上に、キャップ層５５に接する第２配線（ビット線）４２を、周知の方法で形成することで、図１１に示した磁気抵抗効果素子を得ることができる。

図１は、実施例１の磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図である。 図２の（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の磁気抵抗効果を有するメモリ素子の製造方法を説明するための下層絶縁層等の模式的な一部端面図である。 図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、図２の（Ｃ）に引き続き、実施例１の磁気抵抗効果を有するメモリ素子の製造方法を説明するための下層絶縁層等の模式的な一部端面図である。 図４は、実施例２の磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図である。 図５は、実施例３の磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図である。 図６の（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例３の磁気抵抗効果を有するメモリ素子の製造方法を説明するための下層絶縁層等の模式的な一部端面図である。 図７は、参考例１の磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図である。 図８の（Ａ）〜（Ｃ）は、参考例１の磁気抵抗効果を有するメモリ素子の製造方法を説明するための下層絶縁層等の模式的な一部端面図である。 図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、図８の（Ｃ）に引き続き、参考例１の磁気抵抗効果を有するメモリ素子の製造方法を説明するための下層絶縁層等の模式的な一部端面図である。 図１０は、参考例２の磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図である。 図１１は、参考例３の磁気抵抗効果素子の模式的な一部断面図である。 図１２の（Ａ）〜（Ｄ）は、参考例３の磁気抵抗効果を有するメモリ素子の製造方法を説明するための下層絶縁層等の模式的な一部端面図である。 図１３の（Ａ）及び（Ｂ）は、スピン注入磁化反転を適用したスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図、及び、記録層（磁化反転層）の模式的な平面図であり、図１３の（Ｃ）は、スピン注入型磁気抵抗効果素子において、磁化参照層の磁化方向が反強磁性体層との交換結合により固定されている状態を示す模式図であり、図１３の（Ｄ）は、ダブル・スピンフィルター構造を有するスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図である。 図１４の（Ａ）及び（Ｂ）は、ディスターブ現象の発生を避けるために配置を改善したスピン注入型磁気抵抗効果素子の模式的な部分的平面図である。

符号の説明

ＴＲ・・・選択用トランジスタ、１０・・・半導体基板、１１・・・素子分離領域、１２・・・ゲート電極（ワード線）、１３・・・ゲート絶縁膜、１４Ａ，１４Ｂ・・・ソース／ドレイン領域、１５・・・コンタクトホール、１６・・・センス線、２１，２４・・・下層絶縁層、２２・・・接続孔、２６・・・層間絶縁層、３０，３０Ａ・・・磁気抵抗効果素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）、４１・・・第１配線、４２・・・第２配線（ビット線）、５０，１５０・・・積層構造体、５１・・・磁化参照層、５２・・・非磁性体膜（トンネル絶縁膜）、５３・・・記録層、５４，５４Ａ，５４Ｂ・・・反強磁性体層、５５・・キャップ層、６１・・・絶縁膜、６２・・・第２の絶縁膜、６３・・・磁気シールド層

Claims (12)

1. 基体上に形成され、基体側から磁化参照層、非磁性体膜、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層から成る積層構造体を備えており、
   記録層は、磁化参照層よりも小さく、
   記録層の側壁上には絶縁膜が形成されており、
   記録層の側壁上の絶縁膜の上、及び、磁化参照層の側壁の上には、磁気シールド層が形成されている磁気抵抗効果素子。
2. 記録層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間、及び、磁化参照層の側壁と磁気シールド層との間には、第２の絶縁膜が形成されている請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 磁化参照層の側壁と磁気シールド層との間にも、絶縁膜が形成されている請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 記録層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間、及び、磁化参照層の側壁上の絶縁膜と磁気シールド層との間には、第２の絶縁膜が形成されている請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 磁気シールド層は、強磁性材料、強磁性材料の合金、強磁性材料の合金に非磁性元素を混ぜた合金、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの内の１種類以上を含む酸化物、又は、金属間化合物から成る請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
6. （Ａ）基体上に、基体側から磁化参照層、非磁性体膜、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層から成る積層構造体を形成し、次いで、
   （Ｂ）記録層をパターニングした後、
   （Ｃ）全面に絶縁膜を形成し、次いで、
   （Ｄ）記録層よりも大きな磁化参照層が得られるように磁化参照層をパターニングした後、
   （Ｅ）記録層の側壁上の絶縁膜の上、及び、磁化参照層の側壁の上に、磁気シールド層を形成する、
   各工程を有する磁気抵抗効果素子の製造方法。
7. 前記工程（Ｄ）と工程（Ｅ）の間において、全面に第２の絶縁膜を形成する請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
8. 前記工程（Ｅ）は、全面に磁気シールド層を形成した後、磁気シールド層をエッチバックする工程から成る請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
9. 磁気シールド層は、強磁性材料、強磁性材料の合金、強磁性材料の合金に非磁性元素を混ぜた合金、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの内の１種類以上を含む酸化物、又は、金属間化合物から成る請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
10. （Ａ）基体上に、基体側から磁化参照層、非磁性体膜、及び、電流によるスピン注入磁化反転に基づき情報が書き込まれる記録層から成る積層構造体を形成し、次いで、
    （Ｂ）積層構造体をパターニングした後、
    （Ｃ）磁化参照層よりも小さな記録層が得られるように記録層をパターニングし、その後、
    （Ｄ）全面に絶縁膜を形成し、次いで、
    （Ｅ）記録層の側壁上の絶縁膜の上、及び、磁化参照層の側壁の絶縁膜の上に、磁気シールド層を形成する、
    各工程を有する磁気抵抗効果素子の製造方法。
11. 前記工程（Ｅ）は、全面に磁気シールド層を形成した後、磁気シールド層をエッチバックする工程から成る請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
12. 磁気シールド層は、強磁性材料、強磁性材料の合金、強磁性材料の合金に非磁性元素を混ぜた合金、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの内の１種類以上を含む酸化物、又は、金属間化合物から成る請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。

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