JP5417367B2

JP5417367B2 - 磁気メモリの製造方法

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Publication number: JP5417367B2
Application number: JP2011063286A
Authority: JP
Inventors: 裕一大沢; 茂樹高橋; 順一伊藤; 大輔才田; 恭一須黒; 博明與田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: JP2012199431A; US8716034B2; US20120244639A1

Description

実施形態は、磁気メモリの製造方法に関する。

従来から、磁性体の磁化方向を制御するために、磁界を印加する方法が知られている。例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）においては、記録ヘッドから発生する磁場によって媒体の磁化方向を反転させて書き込みを行っている。また、従来型の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）では、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線に電流を流すことで生じる電流磁界をセルに印加することで、セルの磁化方向を制御している。これらの外部磁場による磁化方向を制御する電流磁場書き込み方式は古い歴史があり、確立された技術といえる。

一方、昨今のナノテクノロジーの進歩によって磁性材料の顕著な微細化が可能となり、磁化の制御をナノスケールで局所的に行う必要が出てきた。しかしながら、磁場は根本的には空間に広がる性質を有するため、局所化が難しい。特定の記憶単位領域（ビット）やメモリセルを選択してその磁化方向を制御させる場合に、ビットやメモリセルのサイズが微小化するのに伴い、隣のビットやメモリセルにまで磁場が及んでしまう「クロストーク」の問題が顕著となる。また、磁場を局所化させるために磁場発生源を小さくすると、磁化方向を制御するのに十分な磁場が発生することができないという問題が生じる。

これを解決する技術として、磁性体に電流を流すことにより磁化反転を起こす「スピン注入磁化反転方式」が知られている。

このスピン注入磁化反転方式は、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行するものである。具体的には、スピン偏極された電子の角運動量が、磁気記録層としての磁性材料内の電子に伝達されることにより磁気記録層の磁化が反転する。

このようなスピン注入磁化反転方式を用いれば、磁化状態をナノスケールで局所的に制御し易くなり、さらに、磁性材料の微細化に応じてスピン注入電流の値も小さくすることができる。このことは、高記録密度のハードディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの実現に向けての手助けとなる。

例えば、磁気ランダムアクセスメモリは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）膜を有する磁気抵抗効果素子を記憶素子として備えている。ＭＴＪ膜は、磁性材料からなる記録層および参照層と、これらに挟まれたトンネルバリア層との３層の薄膜で構成されており、記録層および参照層の磁化状態により情報を記憶する。スピン注入磁化反転方式を用いた、スピン注入型ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子への情報の書き込みは、ＭＴＪ膜の膜面に対して垂直方向に電流を流すことにより行なわれる。

F. J. Albert et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000) Y. Otani et al., IEEE Trans. Magn. 43, 2776 (2007)

実施形態は、磁化反転に必要とされる電流密度のマージンを広げる技術を提案する。

実施形態によれば、磁気メモリの製造方法は、第１の元素を備える層と、前記第１の元素とは異なる重さの第２の元素を備える層との積層構造を有し、磁化方向が可変である第１の磁性層を形成する工程と、前記第１の磁性層上にトンネルバリア層を形成する工程と、前記トンネルバリア層上に、磁化方向が不変である第２の磁性層を形成する工程と、前記第２の磁性層上にハードマスク層を形成する工程と、前記ハードマスク層をマスクにして、前記ハードマスク層に覆われていないパターニングエリア内の前記第２の磁性層の少なくとも一部のパターニングを行うと共に、前記パターニングエリア内の前記第１の磁性層の全部又は一部を残存させる工程と、前記パターニング後に、前記ハードマスク層をマスクにしてＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記パターニングエリア内の前記第１の磁性層を磁気的及び電気的に不活性にする工程とを備える。

磁気メモリの構造を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第１の実施例の製造方法を示す図。第２の実施例の製造方法を示す図。第２の実施例の製造方法を示す図。第２の実施例の製造方法を示す図。第２の実施例の製造方法を示す図。第３の実施例の製造方法を示す図。第３の実施例の製造方法を示す図。第４の実施例の製造方法を示す図。第４の実施例の製造方法を示す図。第４の実施例の製造方法を示す図。第４の実施例の製造方法を示す図。第５の実施例の製造方法を示す図。第５の実施例の製造方法を示す図。

以下、実施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。

［参考例］
まず、実施形態の製造方法の対象となる磁気メモリについて説明する。

図１は、磁気メモリを示している。

この磁気メモリは、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）である。ＭＲＡＭは、少なくとも１個のメモリセルを有している。ＭＲＡＭが複数個のメモリセルを備えるときは、複数のメモリセルは、マトリクス状に配列され、メモリセルアレイを構成する。１個のメモリセルは、磁気抵抗効果素子を備え、図１は、磁気抵抗効果素子について示している。

半導体基板１１上には素子１２が配置される。例えば、１個のメモリセルが１個のスイッチ素子と１個の磁気抵抗効果素子を備えるときは、素子１２は、ＭＯＳトランジスタなどのスイッチ素子である。素子１２は、層間絶縁層１３に覆われ、コンタクトプラグ１４は、素子１２に電気的に接続する。

下地層１５は、コンタクトプラグ１４上に配置される。下地層１５は、磁気抵抗効果素子の下部電極として機能していてもよいし、下地層１５の他に、別途、下部電極を設けてもよい。

磁気記録層（磁気フリー層）１６は、下地層１５上に配置される。磁気記録層１６は、その磁化方向が膜面（磁気記録層１６の上下の面）に対して略垂直かつ可変である。トンネルバリア層１７は、磁気記録層１６上に配置される。下地層１５は、例えば、磁気記録層１６の磁化方向を膜面に対して略垂直に向けるために必要な層である。

磁気記録層１６は、例えば、Ｐｄ(厚さ０．４ｎｍ)とＣｏ(厚さ０．４ｎｍ)とからなる層を６回積み重ねた構造と、この構造上のＴａ(厚さ０．３ｎｍ)及びＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)とを備える。

また、トンネルバリア層１７は、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ：Body-centered cubic lattice）構造で、（００１）面に配向したＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）から構成される。

磁気参照層（ピンド層）１９は、トンネルバリア層１７上に配置される。磁気参照層１９は、その磁化方向が膜面（磁気参照層１９の上下の面）に対して略垂直かつ不変である。磁気参照層１９は、例えば、ＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)を備える。磁気参照層１９としては、さらに、Ｔａ(厚さ４ｎｍ)、Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)、Ｐｔ(厚さ６ｎｍ)／Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)を備えていてもよい。

ハードマスク層２０は、磁気参照層１９上に配置される。ハードマスク層２０は、例えば、Ｔａ層を含む。ハードマスク層２０は、磁気抵抗効果素子の上部電極として機能していてもよいし、ハードマスク層２０の他に、別途、上部電極を設けてもよい。また、本例では、磁気参照層１９は、ハードマスク層２０をマスクにしてパターニングされるが、磁気記録層１６及びトンネルバリア層１７は、パターニングされない。

ここで、磁気記録層１６及び磁気参照層１９に関して、磁化方向が膜面に対して略垂直とは、膜面に対して垂直となる場合の他、磁気記録層１６と磁気参照層１９との磁化状態（平行／反平行）を判別可能な範囲（例えば、膜面に対してθ（４５°＜θ≦９０°（垂直））の範囲）も含むものとする。

磁気記録層１６は、後述する実施形態の製造方法により形成される不活性領域（磁気的及び電気的に不活性な領域）Ｎｏｎを有する。磁気抵抗効果素子の磁気記録層として実際に機能する部分は、不活性領域Ｎｏｎ以外の活性領域（磁気的及び電気的に活性な領域）Ａｃｔである。

磁気記録層１６、トンネルバリア層１７及び磁気参照層１９により磁気抵抗効果素子が構成される。そして、磁気抵抗効果素子に、膜面に対して垂直方向にスピン注入電流を流すことにより磁気記録層１６の磁化反転を行う。

スピン注入電流は、スピン偏極された電子を発生し、その角運動量が磁気記録層１６内の電子に伝達されることによって磁化反転（スピンの向き）が反転する。この方式によれば、スピン注入電流の向きを制御することによって、磁気記録層１６の磁化方向を制御することができる。

これに対して、磁気参照層１９の磁化方向は、不変である。ここで、磁気参照層１９の磁化方向が不変である、とは、磁気記録層１６の磁化方向を反転するための磁化反転電流を磁気参照層１９に流したときに、磁気参照層１９の磁化方向が変化しないことを意味する。従って、磁気記録層１６として、磁化反転電流の小さい磁性層を用い、磁気参照層１９として、磁化反転電流の大きい磁性層を用いれば、磁化方向が可変の磁気記録層１６と、磁化方向が不変の磁気参照層１９とを実現できる。

また、スピン偏極された電子により磁化反転を引き起こす場合、その磁化反転電流は、減衰定数、異方性磁界、及び、磁気抵抗効果素子の体積に比例するため、これらを適切に調整することにより、磁気記録層１６と磁気参照層１９との磁化反転電流に差を設けることができる。

尚、図１内の矢印は、磁化方向を示している。磁気参照層１９の磁化方向は、一例であって、上向きに代えて、下向きにしてもよい。

磁気記録層１６及び磁気参照層１９は、それぞれ、膜面に略垂直の磁気異方性を有するため、それらの磁化容易軸方向は、膜面に対して略垂直である（以下、垂直磁化という）。即ち、磁気抵抗効果素子は、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の磁化方向がそれぞれ膜面に対して略垂直である、いわゆる垂直磁化型の磁気抵抗効果素子である。

尚、磁化容易軸方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界がない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。磁化困難軸方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界がない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。

絶縁層２１，２２は、磁気参照層１９が多層であるときに、各層の側面に隙間を設けることなく、その側面を覆うためのものである。層間絶縁層２３は、例えば、酸化Ｓｉ（ＳｉＯ_２）又は窒化Ｓｉ（ＳｉＮ）である。層間絶縁層２３の上面は、平坦化され、かつ、ハードマスク層２０の上面は、層間絶縁層２３から露出する。

そして、導電線（例えば、ビット線）２４は、電極層２０に接続される。導電線２４は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）である。

以上の磁気メモリにおいて、下地層１５は、例えば、下部電極としての厚い金属層と、磁気記録層１６の磁化方向を膜面に対して略垂直にするためのバッファ層とで構成することができる。下地層１５は、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、Ｒｕ（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属層が積層された積層構造を有していてもよい。

磁気記録層１６及び磁気参照層１９は、例えば、（１）ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ等のＬ１_０構造又はＬ１_１構造を持つ強磁性材料、（２）ＴｂＣｏＦｅ等のフェリ磁性材料、（３）ＮｉＦｅ、Ｃｏ等の磁性材料とＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性材料との積層構造からなる人工格子等を用いることができる。

トンネルバリア層１７は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、Ｍｇ窒化物、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、Ａｌ窒化物、又は、これらの積層構造等を用いることができる。

ハードマスク層２０は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等の金属、又は、窒化Ｔｉ（ＴｉＮ）、窒化ＴｉＳｉ（ＴｉＳｉＮ）、窒化タンタルＳｉ（ＴａＳｉＮ）等の導電性化合物を用いることができる。

尚、磁気記録層１６及び磁気参照層１９は、それぞれ、その磁化方向が膜面に対して略平行であっても構わない。

ここで、磁気記録層１６及び磁気参照層１９に関して、磁化方向が膜面に対して略平行とは、膜面に対して平行となる場合の他、磁気記録層１６と磁気参照層１９との磁化状態（平行／反平行）を判別可能な範囲（例えば、膜面に対してθ（０（平行）≦θ＜４５°）の範囲）も含むものとする。

この場合、磁気記録層１６及び磁気参照層１９は、それぞれ、膜面に略平行の磁気異方性を有するため、それらの磁化容易軸方向は、膜面に対して略平行である（以下、面内磁化という）。即ち、磁気抵抗効果素子は、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の磁化方向がそれぞれ膜面に対して略平行である、いわゆる面内磁化型の磁気抵抗効果素子である。

面内磁化を実現する磁気記録層１６及び磁気参照層１９としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）の群から選択される少なくとも１つの元素を含む磁性金属を挙げることができる。

尚、磁気抵抗効果素子として、垂直磁化型を採用するか、又は、面内磁化型を採用するかは、ＭＲＡＭに必要とされる特性に応じて、適宜、使い分けることができる。

以上の磁気メモリは、スピン注入磁化反転方式、即ち、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行する方式を採用する。

ここで、磁気記録層に作用する磁気参照層からの漏洩磁界は、普通には磁気記録層の磁化を磁気参照層の磁化と平行にする方向に作用する。しかし、磁気記録層が磁気参照層よりも大きい場合には、磁気参照層からの漏洩磁界が磁気記録層に不均一に働くため、スピン注入による磁化反転特性が劣化するという問題が生じる。そのため、磁気記録層のサイズは、磁気参照層のサイズと同じ又はそれよりも小さくするのが望ましい。

また、スピン注入磁化反転方式を採用する磁気抵抗効果素子であって、特に、垂直磁化膜を用いる磁気抵抗効果素子では、磁気記録層を下側（基板側）にして形成すると、磁気特性が向上する。

しかし、磁気抵抗効果素子に用いられる、ＣｏやＦｅ等の磁性金属を含む材料は、一般に、ドライエッチングが難しく、側壁角度を垂直に近い形状として、高集積化に有利とすることが難しい。つまり、通常のドライエッチングで形成される磁気抵抗効果素子では、側壁角度が緩く、磁気記録層のサイズが磁気参照層のサイズよりも大きくなってしまう。

結果として、磁気記録層を下側（基板側）、磁気参照層を上側にして、磁気抵抗効果素子を形成すると、磁気記録層のサイズが磁気参照層のサイズよりも大きくなってしまい、スピン注入による磁化反転特性を十分に向上させることが難しくなる。

また、磁気抵抗効果素子においては、薄いトンネルバリア層を挟んで、磁気記録層と磁気参照層とが積層された構造を有しており、磁気記録層及び磁気参照層間の距離が短くなっている。このため、これらの積層構造を加工して、磁気抵抗効果素子を形成する際に、トンネルバリア層と共に磁性金属を含む磁気記録層及び磁気参照層を共にパターニングすると、金属の再付着物(re-deposited metal)が、積層構造の側面においてトンネルバリア層に跨って付着する可能性がある。

この場合、この再付着物によるリーク電流パスが生じるため、磁気記録層と磁気参照層とがショートし、磁気抵抗効果素子が不良となってしまい、磁気抵抗効果素子の歩留まりが低下するという問題がある。

そこで、図１の構造に示すように、磁気抵抗効果素子の１回目のパターニングは、上層となる磁気参照層についてのみ行い、例えば、その直下のトンネルバリア層及び磁気記録層についてのパターニングは行わない。

そして、磁気記録層については、磁気参照層の直下の部分のみを磁気的及び電気的に活性な領域（活性領域）とし、それ以外の部分を磁気的及び電気的に不活性な領域（不活性領域）として、磁気抵抗効果素子の物理的形状と磁気的・電気的形状とを異なるようにする。

具体的には、ハードマスクをマスクにして、トンネルバリア層の上層までＡｒイオンビームで磁気参照層を加工し、その後、ハードマスクをマスクにして、Ｎイオンビームを照射して、Ｎイオン（単イオン）をトンネルバリア層下の磁気記録層内に注入することで、磁気記録層内に不活性領域を作り出す。

この後、磁気抵抗効果素子の２回目のパターニングによりメモリセルの分離を行うが、この時のエッチングは、磁気記録層及び磁気参照層の不活性領域について行うため、金属の再付着物が、磁気記録層／トンネルバリア層／磁気参照層の側壁に付着しても何ら問題が発生しない。

以上により、磁気記録層の活性領域をその物理的形状よりも小さくすると共に、磁気記録層の活性領域のサイズを、磁気参照層の活性領域のサイズと同じ、又は、それよりも小さくする。

尚、この方法は、ＮやＯなど、指向性イオンビームを、膜面に対して垂直方向に照射することで実現できる。

しかし、磁気抵抗効果素子は多層膜から構成される。特に、垂直磁気異方性を有する磁性膜においては、原子数が大きく異なる元素の組み合わせが用いられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄなどでは、軽元素はＣｏであり，重元素はＰｔ及びＰｄである。

この場合、単イオン（上記の例では、Ｎイオン）を磁気記録層内に注入すると、その単イオンは、多層膜の界面で散乱する。重い元素（例えば、Ｐｔ）の界面で散乱された単イオンは、軽い元素（例えば、Ｃｏ）の内部に反跳され、結果として、軽元素層内に多数の単イオンが凝集することとなる。

結果として、磁気記録層内に注入された単イオンの濃淡（軽元素層内では濃、重元素層内では淡）が発生し、これは、不活性領域に隣接する活性領域にも影響を及ぼす。つまり、多層膜である磁気記録層内の活性領域を構成する各層における電気伝導パス（膜面に垂直方向）に起因する磁気記録層の電気伝導パスの幅の大小が発生する。

これは、磁気抵抗効果素子に流れるスピン注入電流の電流密度のばらつきを発生させるため、スピン注入磁化反転に必要とされる電流密度のマージンを狭める。従って、スピン注入磁化反転特性の劣化、さらには、磁気抵抗効果素子の歩留まりの低下を引き起こす。

以下の実施形態では、上述の構造を持つ磁気メモリにおいて、磁気記録層内に不活性領域を形成するためのイオンビームの照射に際して、ＧＣＩＢ（Gas cluster ion beam）照射を用いることで、磁気記録層の電気伝導パスの幅の大小を発生させない技術を提案する。即ち、以下の製造方法によれば、磁気抵抗効果素子に流れるスピン注入電流の電流密度のばらつきを抑えることができるため、スピン注入磁化反転に必要とされる電流密度のマージンを広げ、スピン注入磁化反転特性の向上、さらには、磁気抵抗効果素子の歩留まりの向上を図ることができる。

［基本構成］
実施形態の磁気メモリの製造方法では、まず、磁化方向が可変である第１の磁性層を形成し、第１の磁性層上にトンネルバリア層を形成し、トンネルバリア層上に、磁化方向が不変である第２の磁性層を形成し、第２の磁性層上にハードマスク層を形成する。この後、ハードマスク層をマスクにして第２の磁性層のパターニングを行い、このパターニング後に、ハードマスク層をマスクにしてＧＣＩＢ照射を行うことにより、少なくとも第１の磁性層内に磁気的及び電気的に不活性な領域を形成する。

また、ＧＣＩＢ照射により、第１の磁性層内の磁気的及び電気的に活性な領域のサイズを、第２の磁性層内の磁気的及び電気的に活性な領域のサイズよりも小さくすることも可能である。第１及び第２の磁性層の磁化方向は、膜面に略垂直であるのが望ましい。

さらに、ＧＣＩＢ照射は、第１の照射と、第１の照射後に行なわれる第２の照射とを備えていてもよい。この場合、第１及び第２の照射の条件は、互いに異なる。例えば、第１の照射の１原子当たりのエネルギーは、第２の照射の１原子当たりのエネルギーよりも小さい。また、第２の照射に用いるクラスターは、アルゴン、クリプトン、キセノンを含む不活性原子のうちの１つを備える。

第２の磁性層のパターニング後、ＧＣＩＢ照射前に、そのパターニングによりエッチングされた部分の第２の磁性層上に非磁性層を形成してもよい。非磁性層は、ＧＣＩＢ照射により形成するのが望ましい。

また、実施形態の磁気メモリの製造方法では、まず、磁化方向が可変である第１の磁性層を形成し、第１の磁性層上にトンネルバリア層を形成し、トンネルバリア層上に、磁化方向が不変である第２の磁性層を形成し、第２の磁性層上にハードマスク層を形成する。この後、ハードマスク層をマスクにして、第２の磁性層、トンネルバリア層及び第１の磁性層のパターニングを行う。また、このパターニング後に、ハードマスク層をマスクにしてＧＣＩＢ照射を行う。このＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、アルゴン、クリプトン、キセノンを含む不活性原子のうちの１つを備える。

以上の基本構成により、磁化反転に必要とされる電流密度のマージンを広げ、磁化反転特性の向上、さらには、磁気抵抗効果素子の歩留まりの向上を図ることができる。

尚、本実施形態は、スピン注入磁化反転方式の他、磁壁移動方式などの磁化反転方式にも有効である。

［第１の実施例］
図２Ａ乃至図２Ｋは、第１の実施例に係わる製造方法を示している。

まず、図２Ａに示すように、半導体基板１１上に素子１２を形成する。素子１２は、ＭＯＳトランジスタなどのスイッチ素子、ＦＥＯＬ（Front End Of Line）などの導電線を含む。また、素子１２上に層間絶縁層１３を形成し、この層間絶縁層１３内に素子１２に達するコンタクトプラグ１４を形成する。

この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）及びエッチバックにより、相間絶縁層１３の上面を平坦化する。層間絶縁層１３は、例えば、酸化Ｓｉ（ＳｉＯ_２）であり、コンタクトプラグ１４は、例えば、タングステン（Ｗ）である。

次に、図２Ｂに示すように、例えば、スパッタ法を用いて、コンタクトプラグ１４上に、下地層１５、磁気記録層（磁気フリー層）１６、トンネルバリア層１７、磁気参照層（磁気ピンド層）１９及びハードマスク層２０を、順次、形成する。

下地層１５は、例えば、磁気記録層１６の磁化方向を膜面（下地層の上面）に対して垂直方向に向けるために必要な層である。磁気記録層１６は、例えば、図２に示すように、Ｐｄ(厚さ０．４ｎｍ)とＣｏ(厚さ０．４ｎｍ)とからなる層を６回積み重ねた構造と、この構造上のＴａ(厚さ０．３ｎｍ)及びＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)とを備える。

また、トンネルバリア層１７は、例えば、体心立方格子（ＢＣＣ）構造で、（００１）面に配向したＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）から構成される。

磁気参照層１９は、例えば、ＣｏＦｅＢ(厚さ１ｎｍ)を備える。磁気参照層１９は、さらに、Ｔａ(厚さ４ｎｍ)、Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)、Ｐｔ(厚さ６ｎｍ)／Ｃｏ(厚さ４ｎｍ)を備えてもよく、この場合、磁気抵抗効果素子の磁気的バイアスを調整できる。

ハードマスク層１５は、例えば、タンタル（Ｔａ）層から構成される。

尚、磁気参照層１９は、それからの漏洩磁界を打ち消す働きを持つバイアス磁界層を含んでいてもよい。また、下地層１５についても、同様に、バイアス磁界層を含んでいてもよい。

次に、図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、周知の技術であるリソグラフィ及びエッチングを用いて、磁気抵抗効果素子の１回目のパターニングを行なう。１回目のパターニングは、磁気参照層１９について行なう。

即ち、図２Ｃに示すように、ＰＥＰ(Photo engraving process)を用いて、ハードマスク層２０上にフォトレジスト層を形成し、このフォトレジスト層をマスクにして、ハードマスク層１５をパターニングする。この後、フォトレジスト層を除去する。

続けて、図２Ｄに示すように、ハードマスク層２０をマスクにして、異方性エッチング（例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリングなど）により、磁気参照層１９をパターニングする。

ここでは、Ａｒイオンビーム（単イオン）１８ａの照射により磁気参照層１９をエッチングする例を示す。図２Ｄにおいて、×印は、イオンミリングによるエッチングにより生じたダメージ層を表している。

ここで、磁気参照層１９は、トンネルバリア層１７が露出するまでエッチングしてもよいし、エッチング領域においてトンネルバリア層１７上に磁気参照層１９を残し、トンネルバリア層１７が露出しないようにしてもよい。

一般的には、トンネルバリア層１７は極薄のため、トンネルバリア層１７が露出した時点でエッチングを止めることは難しく、磁気記録層１６までエッチングしてしまうオーバーエッチングに起因する金属の再付着物の問題を考慮すると、磁気参照層１９のエッチングは、途中（トンネルバリア層１７が露出する前）に止めるのが望ましい。

次に、図２Ｅに示すように、ハードマスク層２０をマスクにして、磁気記録層１６及び磁気参照層１９に対してＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）照射を行う。

ＧＣＩＢ照射に用いるクラスター１８ｂは、Ｎ_２Ｏ、Ｏ、Ｎ、Ｆ、Ｃｌ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｐ、Ａｓのうちの１つを備える。また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの合計数をＮとし、クラスターの平均原子数をＡとしたとき、Ｎ×Ａ＞１×１０^１７ｃｍ^−２にするのが望ましい。

本例では、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ｎクラスターとし、これを、例えば、加速電圧５ｋＶでイオンビーム照射する。Ｎクラスターの合計数Ｎは、例えば、１×１０^１４ｃｍ^−２であり、クラスターの平均原子数Ａは、例えば、２０００であり、Ｎ×Ａは、例えば、２×１０^１７ｃｍ^−２である。この時、１原子当たりの平均エネルギーは、２．５ｅＶである。

このＧＣＩＢ照射により、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の一部が非磁性化及び高抵抗化され、その部分は、磁気的及び電気的に不活性な領域（不活性領域）Ｎｏｎとなる。不活性領域Ｎｏｎは、ハードマスク層２０により覆われていない部分にできるが、ハードマスク層２０に覆われた部分にも多少形成されることがある。

また、酸素を含むクラスターを、同時に、若しくは、順次に、照射することで照射部分の電気伝導率を確実に低下させることができるため、電流リークによる書き込み／読み出し効率の低下を防ぐことができる。また、ＧＣＩＢ照射により、磁気参照層１９の不活性部分が除去される場合は、電流リークを確実に防ぐことができ、書き込み／読み出し効率の上昇を図ることができる。

また、この後、ＧＣＩＢ、若しくは、モノマーイオンビーム等のエッチング手段を用いて、高抵抗領域（Ｎｏｎ）の物理的な除去を行うことができる。その際は、トンネルバリア層１７の側壁に形成される再付着層は、高抵抗化されているので、トンネルバリアリークを防ぎ、書き込み／読み出し効率の上昇を図ることができる。

図２Ｅの例では、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffは、磁気記録層１６の物理的形状（サイズ）φSstよりも小さく、磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffは、磁気参照層１９の物理的形状（サイズ）φRstよりも小さい。また、磁気記録層１６の物理的形状（サイズ）φSstと磁気参照層１９の物理的形状（サイズ）φRstとは、異なるが、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffと磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffとは、同じである。

また、図２Ｆの例では、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffは、磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffよりも小さい。その他は、図２Ｅの関係と同じである。

また、図２Ｇの例では、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffは、磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffよりも大きい。その他は、図２Ｅの関係と同じである。

尚、不活性領域Ｎｏｎの範囲、即ち、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffについては、磁気記録層１６及び磁気参照層１９を構成する多層膜の構造や、ＧＣＩＢ照射の条件（クラスターの種類、Ｎ×Ａ値など）によって制御可能である。

次に、図２Ｈに示すように、磁気参照層１９及びハードマスク層２０を覆う絶縁層２１，２２を形成する。この絶縁層２１，２２は、磁気参照層１９が多層であるときに、各層の側面に隙間を設けることなく、その側面に付着する。

次に、図２Ｉに示すように、周知の技術であるリソグラフィ及びエッチングを用いて、磁気抵抗効果素子の２回目のパターニングを行なう。２回目のパターニングは、磁気記録層１６、トンネルバリア層１７及び磁気参照層１９について行なう。

即ち、絶縁層２２上にフォトレジスト層を形成した後、フォトレジスト層をマスクにして、ＲＩＥにより、絶縁層２１，２２、磁気参照層１９、トンネルバリア層１７、磁気記録層１６及び下地層１５をエッチングし、独立した磁気抵抗効果素子ＭＴＪを形成する。

ここで、この段階における磁気抵抗効果素子のパターニングでは、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の不活性領域Ｎｏｎについて行うため、仮に、金属の再付着物が、磁気記録層１６／トンネルバリア層１７／磁気参照層１９の側壁に付着したとしても、何ら問題が発生することはない。

この後、磁気抵抗効果素子ＭＴＪを覆う層間絶縁層２３を形成する。層間絶縁層２３は、例えば、酸化Ｓｉ（ＳｉＯ_２）又は窒化Ｓｉ（ＳｉＮ）である。この後、ＣＭＰ法を用いて、層間絶縁層２３の上面を平坦化する。

次に、図２Ｊに示すように、ＣＭＰ法を用いて、層間絶縁層２３の上面をさらに研磨し続け、ハードマスク層２０の上面を露出させる。

最後に、図２Ｋに示すように、層間絶縁層２３上に、ハードマスク層２０に接続される導電線２４を形成する。導電線２４は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）である。

以上の製造方法により磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の磁気抵抗効果素子を形成したところ、スピン注入磁化反転に必要とされる電流密度のマージンを広げることが可能になり、スピン注入磁化反転特性の向上、さらには、磁気抵抗効果素子の歩留りの向上を実現できた。

［第２の実施例］
第２の実施例は、第１の実施例の変形例である。第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、第１の実施例における１回目のパターニングにおいて、エッチング領域の底面（ハードマスク層に覆われていない部分の磁気参照層の上面部）がテーパー形状になることにある。

まず、磁気記録層１６、トンネルバリア層１７及び磁気参照層１９を形成すると共に、磁気参照層１９上に、パターニングされたハードマスク層２０を形成するまでの工程を、第１の実施例と同じ工程により実行する（図２Ａ乃至図２Ｃ参照）。

次に、図３Ａに示すように、ハードマスク層２０をマスクにして、異方性エッチング（例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリングなど）により、磁気参照層１９をパターニングする。

ここでは、Ａｒイオンビーム（単イオン）１８ａの照射により磁気参照層１９をエッチングする例を示す。図３Ａにおいて、×印は、イオンミリングによるエッチングにより生じたダメージ層を表している。また、このイオンミリングにより、エッチング領域の底面は、テーパー形状に加工される。

次に、図３Ｂに示すように、ハードマスク層２０をマスクにして、磁気記録層１６及び磁気参照層１９に対してＧＣＩＢ照射を行う。

本例では、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ｎ_２Ｏクラスターとする。この場合、クラスターの１原子当たりのエネルギーＫは、１ｅＶ以上であるのが望ましい。例えば、Ｎ_２Ｏクラスターの合計数Ｎを、５×１０^１４ｃｍ^−２とし、Ｎ_２Ｏクラスターの平均原子数Ａを、２０００とし、加速電圧（クラスターエネルギー）３０ｋｅＶでイオンビーム照射すると、１原子当たりのエネルギーＫは、１５ｅＶとなる。

また、Ｎ×Ａは、イオンの注入量（ドーズ量）になり、その値は、１×１０^１８ｃｍ^−２となる。エネルギー密度Ｄは、１．５×１０^１９［ｅＶ／ｃｍ^２］（＝Ｋ×Ｎ×Ａ＝１５ｅＶ×１×１０^１８ｃｍ^−２）となる。

これにより、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の一部を非磁性化し、かつ、高抵抗化することができる。尚、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の不活性化は、上述のように、Ｎ×Ａ＞１×１０^１７ｃｍ^−２の条件で発生させることができる。

また、第１の実施例と同様に、酸素を含むクラスターを、同時に、若しくは、順次に、照射することで照射部分の電気伝導率を確実に低下させることができるため、電流リークによる書き込み／読み出し効率の低下を防ぐことができる。また、ＧＣＩＢ照射により、磁気参照層１９の不活性部分が除去される場合は、電流リークを確実に防ぐことができ、書き込み／読み出し効率の上昇を図ることができる。

このＧＣＩＢ照射により、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の一部が非活性化され、その部分は、磁気的及び電気的に不活性な領域（不活性領域）Ｎｏｎとなる。不活性領域Ｎｏｎは、ハードマスク層２０により覆われていない部分にできるが、ハードマスク層２０に覆われた部分にも多少形成されることがある。

図３Ｂの例では、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffは、磁気記録層１６の物理的形状（サイズ）φSstよりも小さく、磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffは、磁気参照層１９の物理的形状（サイズ）φRstよりも小さい。また、磁気記録層１６の物理的形状（サイズ）φSstと磁気参照層１９の物理的形状（サイズ）φRstとは、異なるが、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffと磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffとは、同じである。

また、図３Ｃの例では、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffは、磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffよりも小さい。その他は、図３Ｂの関係と同じである。

また、図３Ｄの例では、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffは、磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffよりも大きい。その他は、図３Ｂの関係と同じである。

この後の工程は、第１の実施例と同様に行い、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を形成する（図２Ｈ乃至図２Ｋ参照）。

以上の製造方法により磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の磁気抵抗効果素子を形成したところ、第１の実施例と同様に、スピン注入磁化反転に必要とされる電流密度のマージンを広げることが可能になり、スピン注入磁化反転特性の向上、さらには、磁気抵抗効果素子の歩留りの向上を実現できた。

尚、本例では、Ｎ_２Ｏクラスターを用いる例について説明したが、他のクラスターを用いる場合にも同様の効果を得ることができる。例えば、Ｎクラスター及びＯクラスターなどを用いる場合にも、同じ条件（例えば、１原子当たりのエネルギーＫを１ｅＶ以上とするなど）によりＧＣＩＢ照射を行なえばよい。

［第３の実施例］
第３の実施例も、第１の実施例の変形例である。第３の実施例が第１の実施例と異なる点は、第１の実施例における１回目のパターニングにおいて、ハードマスク層及び磁気参照層の側面がテーパー形状になることにある。

次に、図４Ａに示すように、ハードマスク層２０をマスクにして、異方性エッチング（例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリングなど）により、磁気参照層１９をパターニングする。

ここでは、例えば、Ａｒイオンビーム（単イオン）の照射により磁気参照層１９をエッチングする。また、このイオンミリングにより、ハードマスク層２０及び磁気参照層１９の側面がテーパー形状に加工される。

この後、ハードマスク層２０をマスクにして、磁気記録層１６及び磁気参照層１９に対してＧＣＩＢ照射を行う。

ＧＣＩＢ照射の条件の具体例については、第２の実施例と同じであるため、ここでの説明は省略する。

このＧＣＩＢ照射により、図４Ｂに示すように、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の一部が非活性化され、その部分は、磁気的及び電気的に不活性な領域（不活性領域）Ｎｏｎとなる。不活性領域Ｎｏｎは、ハードマスク層２０により覆われていない部分にできるが、ハードマスク層２０に覆われた部分にも多少形成されることがある。

本例では、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffは、磁気記録層１６の物理的形状（サイズ）φSstよりも小さく、磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffは、磁気参照層１９の物理的形状（サイズ）φRstよりも小さい。また、磁気記録層１６の物理的形状（サイズ）φSstと磁気参照層１９の物理的形状（サイズ）φRstとは、異なるが、磁気記録層１６の磁気的・電気的形状（サイズ）φSeffは、磁気参照層１９の磁気的・電気的形状（サイズ）φReffよりも小さい。

［第４の実施例］
第４の実施例は、第１及び第３の実施例におけるＧＣＩＢ照射の条件に関する。第４の実施例の特徴は、ＧＣＩＢ照射を、条件が異なる複数のイオンビーム照射により実現することにある。このように、ＧＣＩＢ照射の条件を多段階に変化させることにより、磁気抵抗効果素子の特性をさらに改善することができる。

例えば、第１の照射では、Ｎ_２Ｏクラスターを用い、１原子当たりのエネルギーＫを、３．３ｅＶとし、エネルギー密度Ｄを、１×１０^１９［ｅＶ／ｃｍ^２］（クラスターの合計数Ｎは、１×１０^１５ｃｍ^−２、クラスターの平均原子数Ａは、３０００、加速電圧（クラスターエネルギー）は、１０ｋｅＶ）とする。

また、第２の照射では、Ｎ_２Ｏクラスターを用い、１原子当たりのエネルギーＫを、０．１ｅＶとし、エネルギー密度Ｄを、１×１０^１８［ｅＶ／ｃｍ^２］（クラスターの合計数Ｎは、１×１０^１５ｃｍ^−２、クラスターの平均原子数Ａは、１００００、加速電圧（クラスターエネルギー）は、１ｋｅＶ）とする。

尚、第２の照射の１原子当たりのエネルギーは、第１の照射の１原子当たりのエネルギーよりも小さい。

このようにすることで、第１の照射では、磁気記録層及び磁気参照層の不活性化を行い、第２の照射では、第１の照射時に磁気記録層及び磁気参照層に形成された歪み及び欠陥を緩和し，さらに、それらの凹凸を平滑化することができる。

磁気記録層及び磁気参照層に形成される歪み及び欠陥は、結晶磁気異方性を低下させ、また、それらの凹凸は、磁性層の体積変動をもたらすことから、本実施例のように、磁気記録層及び磁気参照層の歪み、欠陥及び凹凸を緩和、さらには除去することは、磁気抵抗効果素子の動作ばらつきの低減や、長期信頼性の向上などの効果をもたらす。

尚、本例では、第２の照射に用いるイオン種は、第１の照射に用いるイオン種と同じであるが、異なっていてもよい。例えば、第２の照射では、Ａｒクラスター、Ｋｒクラスター、Ｘｅクラスターなどの不活性原子（不活性ガス）を用いるのがさらに望ましい。

不活性ガスによる低エネルギーでの照射は、照射面の温度を瞬間的に上昇／下降させることができるため、第１の照射時に導入される不純物元素の分布を熱拡散により変化させることなく、加工面の欠陥を修復可能になる。これは、結果として、磁気抵抗効果素子の特性を向上させる。

尚、第２の照射では、磁性層のエッチング時に発生する再付着物を取り除き、磁気抵抗効果素子の側壁の直線化をもたらし、素子の安定動作に寄与する効果もある。

この効果を利用すれば、磁気抵抗効果素子のパターニングを１回で済ますことも可能になる。即ち、第１乃至第３の実施例では、磁気抵抗効果素子のパターニングに際して、金属の再付着物を考慮し、１回目のパターニングで磁気参照層のみをパターニングし、この後、ＧＣＩＢ照射により、磁気的及び電気的に不活性な領域を形成する。そして、このＧＣＩＢ照射により、磁気記録層、トンネルバリア層及び磁気参照層を等価的にパターニングする。

これに対し、図５Ａに示すように、ハードマスク層２０をマスクにして、異方性エッチング（例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリングなど）により、磁気参照層１９、トンネルバリア層１７及び磁気記録層１６をパターニングする。

ここでは、モノマーＡｒイオンビーム１８ａを６００Ｖで照射することにより、磁気抵抗効果素子を１回のエッチングで加工する例を示す。このエッチングにより、例えば、図５Ｂに示すように、磁気参照層１９、トンネルバリア層１７及び磁気記録層１６の側壁には、金属の再付着物２５が付着する。

このままでは、下地層（下部電極）１５から、磁気記録層１６、再付着物２５、磁気参照層１９を経由して、ハードマスク層（上部電極）２０に達する電気伝導経路（リークパス）ＰＡＳＳが発生し、磁気抵抗効果素子の読み出し／書き込み動作に悪影響を及ぼす。

そこで、図５Ｃに示すように、ＧＣＩＢ照射を行なう。このＧＣＩＢ照射の条件は、上述の第２の照射と同じである。

例えば、Ｋｒクラスターを用い、１原子当たりのエネルギーＫを、０．１ｅＶとし、エネルギー密度Ｄを、１×１０^１８［ｅＶ／ｃｍ^２］（クラスターの合計数Ｎは、１×１０^１５ｃｍ^−２、クラスターの平均原子数Ａは、１００００、加速電圧（クラスターエネルギー）は、１ｋｅＶ）とする。

これにより、磁気記録層１６、トンネルバリア層１７及び磁気参照層１９の側壁に形成された再付着物２５は、図５Ｃに示すように、Ｋｒクラスターにより取り除かれ、結果として、図５Ｄに示すように、磁気記録層１６、トンネルバリア層１７及び磁気参照層１９の側壁は、再付着物２５がない綺麗な状態になる。

このように、Ａｒクラスター、Ｋｒクラスター、Ｘｅクラスターなどの不活性原子（不活性ガス）による低エネルギーでのＧＣＩＢ照射は、再付着物によるショートを防止し、磁気抵抗効果素子の特性を向上させることができる。

この際、Ｏ又はＮを数％程度混合させても良い。

［第５の実施例］
第５の実施例は、ＧＣＩＢ照射に関し、予め、磁気記録層及び磁気参照層を不活性化する部分に非磁性層を形成しておき、ＧＣＩＢ照射を非磁性層の表面に対して行うことにより、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターを非磁性層に衝突させ、さらに、玉突き的に、非磁性層内の原子を、磁気記録層及び磁気参照層に注入することにより、磁気記録層及び磁気参照層を不活性化する技術に関する。

次に、図６Ａに示すように、ハードマスク層２０をマスクにして、異方性エッチング（例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリングなど）により、磁気参照層１９をパターニングする。

この後、非磁性層（例えば、Ｒｕ層）２６を、磁気参照層（前工程によりエッチングされた部分）１９の上面及び側面に３〜５ｎｍの厚さで形成する。非磁性層２６は、ＧＣＩＢ照射により形成することも可能であるし、スパッタリング法や、真空蒸着法などを用いて形成することも可能である。

例えば、Ｒｕクラスター１８ｃによるＧＣＩＢ照射を行なうと、非磁性層（Ｒｕ層）２６は、磁気参照層１９の側面に比べて、磁気参照層（前工程によりエッチングされた部分）１９の上面に、より厚く堆積するため、本実施例を行なうに当たっては、より望ましい。

次に、図６Ｂに示すように、ハードマスク層２０をマスクにして、磁気記録層１６及び磁気参照層１９に対してＧＣＩＢ照射を行う。

ＧＣＩＢ照射に用いるクラスター１８ｂは、Ｎ_２Ｏ、Ｏ、Ｎ、Ｆ、Ｃｌ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｐ、Ａｓのうちの１つを備える。また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスター１８ｂは、アルゴン、クリプトン、キセノンを含む不活性原子のうちの１つを備えていてもよい。

また、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの合計数をＮとし、クラスターの平均原子数をＡとしたとき、Ｎ×Ａ＞１×１０^１７ｃｍ^−２にするのが望ましい。

例えば、Ａｒクラスターを用いる場合、１原子当たりのエネルギーを、３．３ｅＶとし、エネルギー密度Ｄを、１×１０^１９［ｅＶ／ｃｍ^２］(クラスターの合計数Ｎは、１×１０^１５［ｃｍ^−２］、クラスターの平均原子数Ａは、３０００、加速電圧（クラスターエネルギー）は、１０ｋｅＶ)として不活性化を行う。

この時、ハードマスク層２０及び磁気記録層１９の側壁に付着した非磁性層を削り取るためには、本実施例のように、ハードマスク層２０及び磁気記録層１９の側面がテーパー形状であることは、非常に望ましい。このテーパー形状は、膜面垂直方向に対して約５°以上の角度を有しているのが望ましい。

このＧＣＩＢ照射により、図６Ｂに示すように、磁気記録層１６及び磁気参照層１９の一部が非活性化され、その部分は、磁気的及び電気的に不活性な領域（不活性領域）Ｎｏｎとなる。

尚、本実施例の非磁性層２６としては、Ｒｕの他に、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｐ、Ａｓ、Ｍｇ、及び、これらの酸化物、窒化物、フッ化物などを用いることができる。

［その他］
磁気記録層及び磁気参照層の非活性化（非磁性化及び高抵抗化）のメカニズムは、上述の実施例に示すように、ＧＣＩＢ照射により磁性層内に注入する原子のドーズ量により説明することができる。一方、ＧＣＩＢ照射は、多層膜内の特定層について原子の拡散を生じさせる効果を併せ持つ。従って、非活性化のメカニズムは、ＧＣＩＢ照射に起因する多層膜内の原子の相互拡散により説明することもできる。

例えば、ＧＣＩＢ照射により、トンネルバリア層（例えば、ＭｇＯ）を構成する原子を、磁気記録層及び磁気参照層に拡散させることにより、磁気記録層及び磁気参照層を不活性化（非磁性化及び高抵抗化）することも可能である。

この場合、ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ｎ_２Ｏ、Ｏ、Ｎ、Ｆ、Ｃｌ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｐ、Ａｓに限られることはない。例えば、アルゴン（Ａｒ）クラスターや、クリプトン（Ｋｒ）クラスターなどを用いたＧＣＩＢ照射により、磁気記録層及び磁気参照層を不活性化（非磁性化及び高抵抗化）することも可能である。

［むすび］
本実施形態の製造方法によれば、スピン注入磁化反転に必要とされる電流密度のマージンを広げることができる。また、本実施形態の製造方法によれば、メモリセルに使われる磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転特性が向上し、また、磁気抵抗効果素子を高歩留まりで製造できるため、例えば、ＭＲＡＭの生産性の向上に貢献できる。尚、磁気抵抗効果素子の磁化反転方式としては、スピン注入磁化反転方式の他、磁壁移動方式に、本実施例を適用することも可能である。

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。

１１：半導体基板、１２：素子、１３，２１，２２：絶縁層、１４：コンタクトプラグ、１５：下地層（下部電極）、１６：磁気記録層、１７：トンネルバリア層、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ：クラスター、１９：磁気参照層、２０：ハードマスク層（上部電極）、２３：層間絶縁層、２４：導電線、２５：再付着物、２６：非磁性層。

Claims

第１の元素を備える層と、前記第１の元素とは異なる重さの第２の元素を備える層との積層構造を有し、磁化方向が可変である第１の磁性層を形成する工程と、
前記第１の磁性層上にトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層上に、磁化方向が不変である第２の磁性層を形成する工程と、
前記第２の磁性層上にハードマスク層を形成する工程と、
前記ハードマスク層をマスクにして、前記ハードマスク層に覆われていないパターニングエリア内の前記第２の磁性層の少なくとも一部のパターニングを行うと共に、前記パターニングエリア内の前記第１の磁性層の全部又は一部を残存させる工程と、
前記パターニング後に、前記ハードマスク層をマスクにしてＧＣＩＢ照射を行うことにより、前記パターニングエリア内の前記第１の磁性層を磁気的及び電気的に不活性にする工程と
を具備する磁気メモリの製造方法。
前記ＧＣＩＢ照射により、前記第１の磁性層内の磁気的及び電気的に活性な領域のサイズが、前記第２の磁性層内の磁気的及び電気的に活性な領域のサイズよりも小さくなる請求項１に記載の磁気メモリの製造方法。
前記第１及び第２の磁性層の磁化方向は、膜面に略垂直である請求項１又は２に記載の磁気メモリの製造方法。
前記ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターは、Ｎ_２Ｏ、Ｏ、Ｎ、Ｆ、Ｃｌ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｐ、Ａｓのうちの１つを備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気メモリの製造方法。
前記ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターの合計数をＮとし、前記クラスターの平均原子数をＡとしたとき、Ｎ×Ａ＞１×１０^１７ｃｍ^−２である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気メモリの製造方法。
前記パターニングにより、前記ハードマスク層により覆われていない部分の前記第２の磁性層の上面部は、テーパー形状を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気メモリの製造方法。
前記パターニングにより、前記ハードマスク層及び前記第２の磁性層の側壁部は、テーパー形状を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気メモリの製造方法。
前記ＧＣＩＢ照射は、前記パターニングエリア内の前記第１の磁性層を磁気的及び電気的に不活性にする第１の照射と、前記第１の照射により前記第１の磁性層に形成された歪み及び欠陥を緩和する第２の照射とを備え、
前記第１及び第２の照射の条件は、互いに異なる
請求項１に記載の磁気メモリの製造方法。
前記第１の照射の１原子当たりのエネルギーは、前記第２の照射の１原子当たりのエネルギーよりも小さい請求項８に記載の磁気メモリの製造方法。
前記第１の照射に用いるクラスターは、Ｎ_２Ｏ、Ｏ、Ｎ、Ｆ、Ｃｌ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉ、Ｐ、Ａｓのうちの１つを備え、前記第２の照射に用いるクラスターは、アルゴン、クリプトン、キセノンを含む不活性原子のうちの１つを備える請求項８に記載の磁気メモリの製造方法。
前記パターニング後、前記ＧＣＩＢ照射前に、前記パターニングエリア内に非磁性層を形成する工程をさらに具備し、
前記ＧＣＩＢ照射を前記非磁性層の表面に対して行うことにより、前記ＧＣＩＢ照射に用いるクラスターを前記非磁性層に衝突させ、さらに、玉突き的に、前記非磁性層内の原子を前記第１又は第２の磁性層内に注入することにより、前記第１又は第２の磁性層を磁気的及び電気的に不活性にする
請求項１に記載の磁気メモリの製造方法。
前記非磁性層は、ＧＣＩＢ照射により形成される請求項１１に記載の磁気メモリの製造方法。