JP2019160938A - 磁気記憶装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気的ショート不良を低減することが可能な磁気記憶装置を提供する。【解決手段】 実施形態に係る磁気記憶装置は、下部構造１０と、下部構造上に設けられ、可変の磁化方向を有する第１の磁性層２１と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層２２と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に設けられた非磁性層２３とを含む積層構造２０と、積層構造の側壁に沿って設けられ、その上端が非磁性層の上面よりも低く位置する第１の側壁絶縁層４１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置（magnetic memory device）に関する。

半導体基板上に磁気抵抗効果素子（magnetoresistive element）及びＭＯＳトランジスタが集積化された磁気記憶装置（半導体集積回路装置）が提案されている。

上述した磁気抵抗効果素子の積層構造（積層パターン）は、磁性層を含む積層膜（stacked film）をエッチングすることで形成される。

しかしながら、エッチングされた金属材料が積層構造の側壁に再付着（redeposition）し、電気的ショート不良（electrical short failure）が生じるという問題がある。

米国特許出願公開第２０１６／０３８００２８号明細書

電気的ショート不良を低減することが可能な磁気記憶装置を提供する。

実施形態に係る磁気記憶装置は、下部構造と、前記下部構造上に設けられ、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、を含む積層構造と、前記積層構造の側壁に沿って設けられ、その上端が前記非磁性層の上面よりも低く位置する第１の側壁絶縁層と、を備える。

実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る磁気記憶装置の変更例の構成を模式的に示した断面図である。 実施形態の磁気抵抗効果素子が適用される半導体集積回路装置の一般的な構成の一例を模式的に示した断面図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、実施形態に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。

下部構造１０は、半導体基板（図示せず）、ＭＯＳトランジスタ（図示せず）、層間絶縁膜１１及び下部電極（bottom electrode）１２等を含んでいる。ＭＯＳトランジスタは、半導体基板の表面領域に設けられている。下部電極１２は、層間絶縁膜１１内に設けられ、ＭＯＳトランジスタと後述する磁気抵抗効果素子（magnetoresistive element）とを電気的に接続している。

下部構造１０上には、磁気抵抗効果素子用の積層構造（stacked structure）２０が設けられている。なお、磁気抵抗効果素子は、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子とも呼ばれる。

積層構造２０は、第１の磁性層としての記憶層（storage layer）２１と、第２の磁性層としての参照層（reference layer）２２と、非磁性層（nonmagnetic layer）としてのトンネルバリア層２３と、第３の磁性層としてのシフトキャンセリング層２４と、下地層（under layer）２５と、キャップ層２６と、中間層（intermediate layer）２７と、を含んでいる。

記憶層（第１の磁性層）２１は、垂直磁化（perpendicular magnetization）を有する（主面に対して垂直な磁化方向を有する）強磁性層（ferromagnetic layer）であり、可変の磁化方向（variable magnetization direction）を有している。本実施形態では、記憶層２１は、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ或いはＭｇＦｅＯ等で形成されている。

参照層（第２の磁性層）２２は、垂直磁化を有する強磁性層であり、固定された磁化方向（fixed magnetization direction）を有している。参照層２２は、第１の層部分２２ａ及び第２の層部分２２ｂを含んでいる。本実施形態では、第１の層部分２２ａは、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ或いはＭｇＦｅＯ等で形成されている。第２の層部分２２ｂは、コバルト（Ｃｏ）と、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択された少なくとも１つの元素とを含有している。本実施形態では、第２の層部分２２ｂは、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ或いはＣｏ／Ｐｄ等の人工格子（artificial lattice）で形成されている。

なお、磁化方向が可変とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを表し、磁化方向が固定とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを表している。

トンネルバリア層（非磁性層）２３は、記憶層２１と参照層２２との間に設けられた絶縁層である。本実施形態では、トンネルバリア層２３は、ＭｇＯ或いはＡｌＯ等で形成されている。トンネルバリア層２３には、Ａｌ，Ｓｉ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｚｒ，Ｈｆ等の元素の窒化物を用いてもよい。

シフトキャンセリング層（第３の磁性層）２４は、垂直磁化を有する強磁性層であり、参照層２２の磁化方向に対して反平行（antiparallel）な固定された磁化方向を有している。シフトキャンセリング層２４を設けることにより、参照層２２から記憶層２１に印加される磁界をキャンセルすることが可能である。シフトキャンセリング層２４は、コバルト（Ｃｏ）と、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択された少なくとも１つの元素とを含有している。本実施形態では、シフトキャンセリング層２４は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ或いはＣｏ／Ｐｄ等の人工格子で形成されている。

上述したことからわかるように、本実施形態では、参照層２２が下部構造１０とトンネルバリア層２３との間に設けられており、シフトキャンセリング層２４が下部構造１０と参照層２２との間に設けられている。したがって、記憶層２１が、参照層２２及びシフトキャンセリング層２４よりも上層側に設けられている。

下地層２５は、下部電極１２上に設けられ、第１の層部分２５ａ及び第２の層部分２５ｂを含んでいる。第１の層部分２５ａは、酸化され難い酸化困難金属（hardly oxidizable metal）、例えば、Ｗ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｔｉ等を含有する。第１の層部分２５ａは、ＴａＮやＴｉＮ等の化合物でもよい。第２の層部分２５ｂは、第１の層部分２５ａに用いる酸化困難金属よりも酸化され易い酸化容易金属（easily oxidizable metal）、例えば、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｈｆ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ及びＺｒから選択された少なくとも１つの元素を含有している。第２の層部分２５ｂは、例えば、ＨｆＢ、ＭｇＡｌＢ、ＨｆＡｌＢ、ＳｃＡｌＢ、ＳｃＨｆＢ、ＨｆＭｇＢ等で形成されている。

酸化困難金属及び酸化容易金属は、例えば、標準電極電位（standard electrode potential）により決めることができる。すなわち、第２の層部分２５ｂ内の第２の金属が第１の層部分２５ａ内の第１の金属よりも低い標準電極電位を有するとき、第２の金属は酸化容易金属と定義することができる。また、第１の層部分２５ａ内の第１の金属が第２の層部分２５ｂ内の第２の金属よりも高い標準電極電位を有するとき、第１の金属は酸化困難金属と定義することができる。

キャップ層２６は、記憶層２１とハードマスク層３０との間に設けられ、所定の金属材料を用いて形成されている。例えば、窒素化合物又は酸素化合物、さらにはこれらの化合物で形成されていてもよい。また、記憶層２１とキャップ層２６との間には中間層２７が設けられている。

積層構造２０上に設けられたハードマスク層３０は、積層構造２０のパターンをＩＢＥ（ion beam etching）によって形成する際のエッチングマスクとして用いられる。

積層構造２０の側壁上には、第１の側壁絶縁層４１が設けられている。第１の側壁絶縁層４１は積層構造２０の側壁に沿って設けられ、第１の側壁絶縁層４１の上端はトンネルバリア層２３の上面よりも低く位置している。本実施形態では、第１の側壁絶縁層４１の上端は、トンネルバリア層２３の下面よりも低く位置している。また、本実施形態では、第１の側壁絶縁層４１の上端は、参照層２２の下面よりも高く位置している。より具体的には、第１の側壁絶縁層４１の上端は、参照層２２の第１の層部分２２ａの下面よりも高く位置している。第１の側壁絶縁層４１は、窒化物或いは酸化物等の絶縁物で形成されている。後述するように、第１の側壁絶縁層４１は、主としてＩＢＥに対する保護膜として機能する。

積層構造２０の側壁上には、第２の側壁絶縁層４２が設けられている。第２の側壁絶縁層４２は積層構造２０の側壁に沿って設けられ、第１の側壁絶縁層４１を覆っている。本実施形態では、第２の側壁絶縁層４２は、積層構造２０の側壁全体及びハードマスク層３０の側壁全体を覆っている。具体的には、第２の側壁絶縁層４２は、シリコン窒化物（ＳｉＮ）層、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）層、或いはハフニウム窒化物（ＨｆＮ）層等の窒化物層で形成されている。第２の側壁絶縁層４２は、主として磁気抵抗効果素子を保護するための保護膜として機能する。

積層構造２０と第１の側壁絶縁層４１との間には、酸化困難金属の再付着層（第１の再付着層）４３が介在している。再付着層４３は積層構造２０の側壁に沿って設けられており、再付着層４３の上端の高さ方向の位置は、第１の側壁絶縁層４１の上端の高さ方向の位置と実質的に同じである。再付着層４３は、積層構造２０のパターンをＩＢＥによって形成する際に、積層構造２０の側壁に再付着する層である。したがって、再付着層４３には、積層構造２０に含有された金属元素と同一の金属元素が含有されている。例えば、再付着層４３には、酸化困難金属等が含有されている。

積層構造２０の側壁の第１の側壁絶縁層４１の上端よりも高く位置する部分上には、再付着層が設けられていない、或いは、第１の再付着層４３よりも薄い第２の再付着層（図示せず）が設けられている。

積層構造２０、ハードマスク層３０、第１の側壁絶縁層４１、第２の側壁絶縁層４２及び第１の再付着層４３を含む構造は、層間絶縁膜５１で覆われている。層間絶縁膜５１及び第２の側壁絶縁層４２にはホールが形成されており、このホール内には上部電極（top electrode）５２が設けられている。上部電極５２によって、磁気抵抗効果素子とビット線（図示せず）とが電気的に接続されている。

上述した磁気抵抗効果素子は、垂直磁化（perpendicular magnetization）を有するＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子である。すなわち、記憶層２１、参照層２２及びシフトキャンセリング層２４はいずれも、それぞれの主面に対して垂直な磁化方向を有している。

また、上述した磁気抵抗効果素子用の積層構造２０の抵抗は、記憶層２１の磁化方向が参照層２２の磁化方向に対して平行であるときの方が、記憶層２１の磁化方向が参照層２２の磁化方向に対して反平行であるときよりも低い。すなわち、記憶層２１の磁化方向が参照層２２の磁化方向に対して平行である場合には、積層構造２０は低抵抗状態を示し、記憶層２１の磁化方向が参照層２２の磁化方向に対して反平行である場合には、積層構造２０は高抵抗状態を示す。したがって、磁気抵抗効果素子は、抵抗状態（低抵抗状態及び高抵抗状態）に応じて２値（binary）データ（０又は１）を記憶することができる。また、磁気抵抗効果素子の抵抗状態は、磁気抵抗効果素子（積層構造２０）を流れる書き込み電流の方向に応じて設定することができる。

次に、本実施形態に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の製造方法を、図２〜図６及び図１を参照して説明する。

まず、図２に示すように、半導体基板（図示せず）、ＭＯＳトランジスタ（図示せず）、層間絶縁膜１１及び下部電極１２等を含む下部構造１０を形成する。

次に、下部構造１０上に、主としてスパッタリングによって積層膜２０Ｓを形成する。具体的には、下部構造１０上に、下地層２５（第１の層部分２５ａ及び第２の層部分２５ｂ）、シフトキャンセリング層２４、参照層２２（第１の層部分２２ａ及び第２の層部分２２ｂ）、トンネルバリア層２３、記憶層２１、中間層２７及びキャップ層２６を順次、堆積する。続いて、積層膜２０Ｓをアニールする。これにより、積層膜２０Ｓに含まれる層が結晶化される。

次に、積層膜２０Ｓ上に、リソグラフィ及びエッチングによってハードマスク層３０のパターンを形成する。

次に、図３に示すように、積層膜２０Ｓをパターニングして積層構造２０を形成する。具体的には、ハードマスク層３０をエッチングマスクとして用い、積層膜２０Ｓが設けられた半導体ウェハをその中心軸を回転軸として回転させながら、ＩＢＥによって積層膜２０Ｓをパターニングする。具体的には、イオンビームの入射角θ（下部構造１０の主面に対する入射角、すなわち、下部構造１０の主面に対して垂直な方向とイオンビームとのなす角度）を変えながらイオンビームを積層膜２０Ｓに照射する。例えば、ＩＢＥのスタート時点ｔ０から時刻ｔ１までは３０度よりも大きい入射角でイオンビームを照射し、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは３０度よりも小さい入射角でイオンビームを照射し、時点ｔ２から時刻ｔ３までは３０度よりも大きい入射角でイオンビームを照射する。

本パターニング工程において、積層構造２０の側壁に酸化困難金属の再付着層４３ａが形成される。すなわち、積層構造２０（積層膜２０Ｓ）に含有された金属元素と同一の金属元素を含有する導電性の再付着層４３ａが形成される。また、ＩＢＥによってハードマスク層３０もエッチングされるため、ハードマスク層３０の厚さが減少する。

次に、図４に示すように、導電性の再付着層４３ａを酸化して、再付着層４３を絶縁化する。続いて、積層構造２０の側壁に沿って第１の側壁絶縁層４１を形成する。第１の側壁絶縁層４１は、少なくとも積層構造２０の側壁面に沿って形成されればよいが、実際には、ハードマスク層３０の上面、ハードマスク層３０の側壁面、積層構造２０の側壁面及び下部構造１０の上面に沿って形成される。第１の側壁絶縁層４１には、例えば、窒化物或いは酸化物等を用いる。再付着層４３は、第１の側壁絶縁層４１によって覆われる。

次に、図５に示すように、積層構造２０が設けられた半導体ウェハをその中心軸を回転軸として回転させながら、ＩＢＥによって第１の側壁絶縁層４１をエッチングする。具体的には、３０度よりも小さい第１の入射角θ１（下部構造１０の主面に対する入射角）でイオンビームを第１の側壁絶縁層４１に照射する。その結果、積層構造２０の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層４１の上端が後退する。このＩＢＥ工程により、ハードマスク層３０の上面、ハードマスク層３０の側面及び下部構造１０の上面に形成された第１の側壁絶縁層４１も除去される。また、このＩＢＥ工程により、第１の側壁絶縁層４１の上端を後退させることで露出した再付着層４３もエッチングされ、積層構造２０の側壁に沿って形成された再付着層４３の上端も後退する。

本ＩＢＥ工程（第１の入射角θ１でのＩＢＥ工程）では、本ＩＢＥ工程が終了した時点で第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端がトンネルバリア層２３の上面よりも高く位置するように、ＩＢＥ工程を制御する。本実施形態では、本ＩＢＥ工程が終了した時点で、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端が記憶層２１の上面よりも高く位置するように、ＩＢＥ工程を制御している。

次に、図６に示すように、ＩＢＥの下部構造１０の主面に対する入射角を変えて、第１の側壁絶縁層４１をエッチングする。具体的には、第１の入射角θ１よりも大きい第２の入射角θ２（下部構造１０の主面に対する入射角）でイオンビームを第１の側壁絶縁層４１に照射する。より具体的には、３０度よりも大きい第２の入射角θ２で第１の側壁絶縁層４１にイオンビームを照射する。その結果、積層構造２０の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層４１の上端がさらに後退する。このＩＢＥ工程により、第１の側壁絶縁層４１の上端をさらに後退させることでさらに露出した再付着層４３もエッチングされ、積層構造２０の側壁に沿って形成された再付着層４３の上端もさらに後退する。

本ＩＢＥ工程（第２の入射角θ２でのＩＢＥ工程）では、本ＩＢＥ工程が終了した時点で第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端がトンネルバリア層２３の上面よりも低く位置するように、ＩＢＥ工程を制御する。より好ましくは、本ＩＢＥ工程が終了した時点で、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端がトンネルバリア層２３の下面よりも低く位置するように、ＩＢＥ工程を制御する。具体的には、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端が参照層２２の下面と上面との間に位置するように、ＩＢＥ工程を制御している。本実施形態では、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端がトンネルバリア層２３の下面よりも低くなった直後に、ＩＢＥを終了させている。

第２の入射角θ２は、以下のようにして決められる。図６に示すように、互いに最隣接するハードマスク層３０間のスペース幅をＳとする。また、トンネルバリア層２３の上面からハードマスク層３０の上面までの高さをＨ１とし、トンネルバリア層２３の下面からハードマスク層３０の上面までの高さをＨ２とする。このとき、「ｔａｎθ２＜Ｓ／Ｈ１」であることが好ましく、「ｔａｎθ２＜Ｓ／Ｈ２」であることがより好ましい。以下、説明を加える。

ＩＢＥによって複数の積層構造２０を形成する場合、いわゆるシャドウ効果（shadow effect）によってイオンビームが遮られる領域（シャドウ領域）が生じ得る。シャドウ領域は、イオンビームの角度に依存する。具体的には、イオンビームの入射角が大きくなるにしたがって、シャドウ領域は大きくなる。幾何学的に考えると、理論上は、「ｔａｎθ２＝Ｓ／Ｈ１」の場合には、トンネルバリア層２３の上面よりも低い位置にシャドウ領域が生じる。したがって、「ｔａｎθ２＜Ｓ／Ｈ１」とすることで、トンネルバリア層２３の上面よりも高い位置にはシャドウ領域が生じず、少なくともトンネルバリア層２３の上面に対応する位置までは確実に第１の側壁絶縁層４１及び再付着層４３をエッチングすることができる。また、「ｔａｎθ２＜Ｓ／Ｈ２」とすることで、トンネルバリア層２３の下面に対応する位置までは確実に第１の側壁絶縁層４１及び再付着層４３をエッチングすることができる。

ただし、入射角θ２が小さすぎる（ｔａｎθ２が小さすぎる）と、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端を、ＩＢＥの終了時点で適切な位置に設定することが難しくなる。したがって、入射角θ２には適切な下限が存在する。例えば、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端が参照層２２の下面と上面との間に位置するように制御する場合には、「Ｓ／Ｈ３＜ｔａｎθ２＜Ｓ／Ｈ２」となるように入射角θ２を設定する。ただし、Ｈ３は参照層２２の下面からハードマスク層３０の上面までの高さである。

上述したように、第１の入射角θ１でＩＢＥを行った後、第１の入射角θ１よりも大きい第２の入射角θ２でＩＢＥを行うことで、以下に述べるように、酸化困難金属を含有する再付着層４３を的確に除去することができ、電気的ショート不良を抑制することができる。

図５の工程では、相対的に小さな第１の入射角θ１でＩＢＥが行われる。そのため、積層構造２０の側壁上において、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端を的確に後退させることができる。ただし、相対的に小さな第１の入射角θ１でＩＢＥが行われるため、該ＩＢＥによって積層構造２０の側壁上に形成された再付着層を完全に除去することはできない。図６の工程では、相対的に大きな第２の入射角θ２でＩＢＥが行われる。そのため、図５の工程で積層構造２０の側壁上に形成された再付着層を効率的に除去することが可能である。また、シャドウ効果を考慮して第２の入射角θ２を的確に設定することで、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端を、トンネルバリア層２３の上面よりも低い（好ましくは、トンネルバリア層２３の下面よりも低い）所望の適切な位置に設定することが可能である。したがって、トンネルバリア層２３の側壁上の再付着層に起因する電気的ショート不良（記憶層２１と参照層２２との間の電気的ショート不良）を効果的に抑制することができる。

なお、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端がトンネルバリア層２３の下面よりも低くなるようにＩＢＥを制御した場合には、トンネルバリア層２３の側壁上全体から再付着層を除去することができるため、記憶層２１と参照層２２との間の電気的ショート不良をより確実に抑制することが可能である。

以上のようにして図６の工程を終了した後、図１に示すように、第１の側壁絶縁層４１を覆う第２の側壁絶縁層４２を積層構造２０の側壁に沿って形成する。より具体的には、第２の側壁絶縁層４２は、ハードマスク層３０の上面、ハードマスク層３０の側壁面、積層構造２０の側壁面及び下部構造１０の上面に沿って形成される。

次に、積層構造２０、ハードマスク層３０、第１の側壁絶縁層４１、第２の側壁絶縁層４２及び第１の再付着層４３を含む構造を覆うように層間絶縁膜５１を形成する。続いて、層間絶縁膜５１及び第２の側壁絶縁層４２に、ハードマスク層３０に達するホールを形成する。さらに、このホール内に上部電極５２を形成する。

その後の工程は図示しないが、層間絶縁膜５１上に上部電極５２に接続されるビット線を形成する工程等を行うことで、磁気記憶装置が形成される。

以上のように、本実施形態では、積層構造２０の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層４１の上端を後退させて、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端をトンネルバリア層（非磁性層）２３の上面（より好ましくは、下面）よりも低く位置させるようにしている。このように、第１の側壁絶縁層４１の上端を適切な位置まで後退させることにより、トンネルバリア層２３の側壁上の再付着層に起因する電気的ショート不良を効果的に抑制することができる。その結果、優れた特性及び信頼性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能となる。

特に、本実施形態では、参照層２２が下部構造１０とトンネルバリア層２３との間に設けられており、シフトキャンセリング層２４が下部構造１０と参照層２２との間に設けられている。すなわち、トンネルバリア層２３の下側に参照層２２及びシフトキャンセリング層２４が設けられている。一般的に、参照層２２及びシフトキャンセリング層２４は記憶層２１よりも厚い。そのため、ＩＢＥによって積層構造２０のパターンを形成する際に、トンネルバリア層２３をエッチングした後に膜厚の厚い参照層２２及びシフトキャンセリング層２４をエッチングしなければならず、トンネルバリア層２３の側壁上に導電性の再付着層が付着しやすい。また、参照層２２及びシフトキャンセリング層２４には、酸化困難金属が含有されている場合もある。本実施形態の構成及び方法を用いることで、トンネルバリア層２３の側壁上の再付着層を的確に除去することができ、電気的ショート不良を効果的に抑制することができる。

図７は、本実施形態の変更例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。また、上述した実施形態で示した構成要素に対応する構成要素には、同一の参照番号を付している。

上述した実施形態では、参照層（第２の磁性層）２２及びシフトキャンセリング層（第３の磁性層）２４が、下部構造１０とトンネルバリア層２３（非磁性層）との間に設けられていた。本変更例では、記憶層（第１の磁性層）２１が下部構造１０とトンネルバリア層２３（非磁性層）との間に設けられている。すなわち、本変更例では、積層構造２０が、下地層２５、記憶層２１、トンネルバリア層２３、参照層２２、シフトキャンセリング層２４及びキャップ層２６の順序で積層されている。

本変更例でも、積層構造２０の側壁上には、積層構造２０の側壁に沿って第１の側壁絶縁層４１が設けられている。本変更例でも、第１の側壁絶縁層４１の上端は、トンネルバリア層２３の上面よりも低く位置しており、より好ましくはトンネルバリア層２３の下面よりも低く位置している。また、第１の側壁絶縁層４１の上端は、記憶層２１の下面よりも高く位置していることが好ましい。また、本変更例でも、積層構造２０の側壁上には積層構造２０の側壁に沿って第２の側壁絶縁層４２が設けられており、第２の側壁絶縁層４２は第１の側壁絶縁層４１を覆っている。

基本的な製造方法も、上述した実施形態の製造方法と同様であり、図７に示した第１の側壁絶縁層４１は以下のようにして形成される。まず、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端がトンネルバリア層２３の上面よりも高く位置するように、第１の入射角θ１でＩＢＥ工程を行う。続いて、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端がトンネルバリア層２３の上面よりも低く位置するように（より好ましくは、トンネルバリア層２３の下面よりも低く位置するように）、第１の入射角θ１よりも大きい第２の入射角θ２でＩＢＥ工程を行う。具体的には、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端が記憶層２１の下面と上面との間に位置するように、ＩＢＥ工程を行う。その結果、図７に示すような第１の側壁絶縁層４１及び再付着層４３が得られる。

なお、第１の実施形態の図１と同様にＨ１、Ｈ２、Ｓを定義し、Ｈ３を記憶層２１の下面からハードマスク層３０の上面までの高さと定義すると、「Ｓ／Ｈ３＜ｔａｎθ２＜Ｓ／Ｈ２」となるように入射角θ２を設定することが好ましい。

本変更例においても、上述した実施形態同様に、第１の側壁絶縁層４１の上端及び再付着層４３の上端の高さを適切な位置に設定することで、電気的ショート不良を効果的に抑制することができ、優れた特性及び信頼性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能となる。

図８は、上述した実施形態で示した磁気抵抗効果素子が適用される半導体集積回路装置の一般的な構成の一例を模式的に示した断面図である。

半導体基板ＳＵＢ内に、埋め込みゲート（buried gate）型のＭＯＳトランジスタＴＲが形成されている。ＭＯＳトランジスタＴＲのゲート電極は、ワード線ＷＬとして用いられる。ＭＯＳトランジスタＴＲのソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄの一方には下部電極ＢＥＣが接続され、ソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄの他方にはソース線コンタクトＳＣが接続されている。

下部電極ＢＥＣ上には磁気抵抗効果素子ＭＴＪが形成され、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ上には上部電極ＴＥＣが形成されている。上部電極ＴＥＣにはビット線ＢＬが接続されている。ソース線コンタクトＳＣにはソース線ＳＬが接続されている。

上述した実施形態で説明したような磁気抵抗効果素子を図８に示したような半導体集積回路装置に適用することで、優れた半導体集積回路装置を得ることができる。

以下、上述した実施形態の内容を付記する。
[付記１]
下部構造と、
前記下部構造上に設けられ、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、を含む積層構造と、
前記積層構造の側壁に沿って設けられ、その上端が前記非磁性層の上面よりも低く位置する第１の側壁絶縁層と、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
[付記２]
前記第１の側壁絶縁層は、その上端が前記非磁性層の下面よりも低く位置する
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記３]
前記積層構造の側壁に沿って設けられ、前記第１の側壁絶縁層を覆う第２の側壁絶縁層をさらに備える
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記４]
前記第１の側壁絶縁層は、少なくともシリコン（Ｓｉ）を含有する
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記５]
前記積層構造と前記第１の側壁絶縁層との間に介在し、前記積層構造に含有された金属元素と同一の金属元素を含有する第１の再付着層をさらに備える
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記６]
前記積層構造の側壁の前記第１の側壁絶縁層の上端よりも高く位置する部分上には、再付着層が設けられていない、或いは、前記第１の再付着層よりも薄い第２の再付着層が設けられている
ことを特徴とする付記５に記載の磁気記憶装置。
[付記７]
前記第１の再付着層は、酸化困難金属を含有する
ことを特徴とする付記５に記載の磁気記憶装置。
[付記８]
前記第２の磁性層は、前記下部構造と前記非磁性層との間に設けられている
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記９]
前記積層構造は、前記下部構造と前記第２の磁性層との間に設けられ、前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行な固定された磁化方向を有する第３の磁性層をさらに含む
ことを特徴とする付記８に記載の磁気記憶装置。
[付記１０]
前記第１の磁性層は、前記下部構造と前記非磁性層との間に設けられている
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記１１]
下部構造上に、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、を含む積層膜を形成する工程と、
前記積層膜をパターニングして積層構造を形成する工程と、
前記積層構造の側壁に沿って第１の側壁絶縁層を形成する工程と、
前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の上面よりも低く位置させる工程と、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
[付記１２]
前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の上面よりも低く位置させる工程は、前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の下面よりも低く位置させる工程を含む
ことを特徴とする付記１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
[付記１３]
その上端が前記非磁性層の上面よりも低く位置する前記第１の側壁絶縁層を覆う第２の側壁絶縁層を前記積層構造の側壁に沿って形成する工程をさらに備える
ことを特徴とする付記１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
[付記１４]
前記積層膜をパターニングして積層構造を形成することで、前記積層構造の側壁に前記積層構造に含有された金属元素と同一の金属元素を含有する再付着層が形成される
ことを特徴とする付記１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
[付記１５]
前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の上面よりも低く位置させる工程において、前記再付着層の上端が後退する
ことを特徴とする付記１４に記載の磁気記憶装置の製造方法。
[付記１６]
前記積層膜をパターニングして積層構造を形成する工程は、ＩＢＥ（ion beam etching）によって行われる
ことを特徴とする付記１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
[付記１７]
前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の上面よりも低く位置させる工程は、ＩＢＥ（ion beam etching）によって行われる
ことを特徴とする付記１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
[付記１８]
前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の上面よりも低く位置させる工程は、
前記下部構造の主面に対する第１の入射角でイオンビームを前記第１の側壁絶縁層に照射する工程と、
前記下部構造の主面に対する第２の入射角であって前記第１の入射角よりも大きい第２の入射角でイオンビームを前記第１の側壁絶縁層に照射する工程と、
を含む
ことを特徴とする付記１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
[付記１９]
前記第２の磁性層は、前記下部構造と前記非磁性層との間に設けられている
ことを特徴とする付記１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
[付記２０]
前記第１の磁性層は、前記下部構造と前記非磁性層との間に設けられている
ことを特徴とする付記１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…下部構造 １１…層間絶縁膜 １２…下部電極
２０…積層構造 ２１…記憶層（第１の磁性層）
２２…参照層（第２の磁性層） ２３…トンネルバリア層（非磁性層）
２４…シフトキャンセリング層（第３の磁性層）
２５…下地層 ２６…キャップ層 ２７…中間層
３０…ハードマスク層
４１…第１の側壁絶縁層 ４２…第２の側壁絶縁層
４３…再付着層
５１…層間絶縁膜 ５２…上部電極

Claims (8)

1. 下部構造と、
   前記下部構造上に設けられ、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、を含む積層構造と、
   前記積層構造の側壁に沿って設けられ、その上端が前記非磁性層の上面よりも低く位置する第１の側壁絶縁層と、
   を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
2. 前記積層構造の側壁に沿って設けられ、前記第１の側壁絶縁層を覆う第２の側壁絶縁層をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記積層構造と前記第１の側壁絶縁層との間に介在し、前記積層構造に含有された金属元素と同一の金属元素を含有する第１の再付着層をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
4. 前記第２の磁性層は、前記下部構造と前記非磁性層との間に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
5. 下部構造上に、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、を含む積層膜を形成する工程と、
   前記積層膜をパターニングして積層構造を形成する工程と、
   前記積層構造の側壁に沿って第１の側壁絶縁層を形成する工程と、
   前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の上面よりも低く位置させる工程と、
   を備えることを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
6. 前記積層膜をパターニングして積層構造を形成することで、前記積層構造の側壁に前記積層構造に含有された金属元素と同一の金属元素を含有する再付着層が形成される
   ことを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置の製造方法。
7. 前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の上面よりも低く位置させる工程は、ＩＢＥ（ion beam etching）によって行われる
   ことを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置の製造方法。
8. 前記積層構造の側壁に沿って形成された第１の側壁絶縁層の上端を後退させて、前記第１の側壁絶縁層の上端を前記非磁性層の上面よりも低く位置させる工程は、
   前記下部構造の主面に対する第１の入射角でイオンビームを前記第１の側壁絶縁層に照射する工程と、
   前記下部構造の主面に対する第２の入射角であって前記第１の入射角よりも大きい第２の入射角でイオンビームを前記第１の側壁絶縁層に照射する工程と、
   を含む
   ことを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置の製造方法。

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