JP4458703B2 - 磁気抵抗効果素子、その製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、携帯端末装置、磁気ヘッド及び磁気再生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，磁気抵抗効果素子、その製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、携帯端末装置、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体磁気メモリは従来より様々のタイプのものが提案されているが、近年巨大磁気抵抗効果を示す磁気素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の提案が行われており、特に磁気メモリとして強磁性トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）に注目が集まっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は，主に強磁性層1／絶縁層／強磁性層２の３層膜で構成され、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は強磁性層１、２の磁化の相対角の余弦に比例して変化する。したがって、抵抗値は強磁性層１、２の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果と呼ばれている。例えば最近の文献（Appl. Phys. Lett. 77, 283(2000)）では、ＴＭＲ効果による抵抗値変化は室温において４９．７％にもなることが報告されている。
【０００４】
強磁性トンネル接合をメモリセルとして含む磁気メモリ装置においては、強磁性層のひとつの磁化を固定して基準層とし、他の強磁性層を記憶層とする。このセルにおいて、基準層と記憶層の磁化の配置が平行または反平行に対し２進情報“０”、“１”を対応づけることで情報が記憶される。記録情報の書き込みは、このセルに対し別に設けた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記憶層の磁化を反転させる。また、読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗変化を検出することで行われる。このようなメモリセルを多数配置することで磁気メモリ装置が構成される。
【０００５】
実際の構成については、任意のメモリセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭ同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。また、ワード線とビット線が交差する位置にダイオードとあわせて強磁性トンネル接合を組み込む方式も提案されている（米国特許第５，６４０，３４３号、第５、６５０、９５８号参照）。
【０００６】
さて，強磁性トンネル接合をメモリセルとして用いる磁気メモリ装置の高集積化を考えると、メモリセルの大きさは小さくなり、セルを構成する強磁性体の大きさも必然的に小さくなる。一般に、強磁性体が小さくなるとその保磁力は大きくなる。
【０００７】
保磁力の大きさは、磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるので、これはスイッチング磁場の増大を意味する。よって、情報を書き込む際にはより大きな電流を書き込み配線に流さなければならなくなり、消費電力の増加という好ましくない結果をもたらす。従って、磁気メモリのメモリセルに用いられる強磁性体の保磁力を低減することは、高集積化磁気メモリの実用化において重要な課題である。
【０００８】
また、磁気メモリのメモリセルとして用いる場合、その平面形状が長方形をした強磁性体を用いることが一般に考えられている。しかし、長方形の微小強磁性体の場合には、端部にエッジドメインと呼ばれる特殊な磁区が生じることが知られている（例えば，J. App. Phys. 81,5471 (1997) 参照）。これは、長方形の短辺では反磁場エネルギーを低減するために、磁化が辺に沿うようにして渦状に回転するパターンを形成するためである。このような磁気構造の一例は、図４５に示されており，磁化領域の中央部分においては磁気異方性に従った方向に磁化が生じるが，両端部においては，中央部分と異なる方向に磁化が生じる。
【０００９】
この長方形の強磁性体に対して、磁化反転を考えると、エッジドメインが成長してその領域を大きくしていくように進行することが知られている。ここで、長方形の両端部のエッジドメインを考えると、互いに平行方向に向いている場合（図４５（ａ）、Ｓ型構造）と反平行方向に向いている場合（図４５（ｂ）Ｃ型構造）とがある。反平行方向を向いている場合、３６０度磁壁が形成されるため、保磁力が大きくなる．
この課題を解決するために，記憶層として楕円形の強磁性体を用いることが提案されている（米国特許第５，７５７，６９５参照）。これは，エッジドメインが強磁性体の形状に対し大変敏感であるという性質を利用して，長方形等の場合の端部に生じるエッジドメインの発生をおさえ，単磁区を実現することで，強磁性体全体にわたって一様に反転させることができるようにしたもので、反転磁場を小さくすることができる。
【００１０】
また，記憶層として、平行四辺形のように、その隅に直角でない角度を持つ形状の強磁性体を用いることが提案されている（特開平１１−２７３３３７参照）。この場合、エッジドメインは存在するが、長方形の場合ほど大きな領域を占めず、さらに磁化反転の過程で複雑な微小ドメインを生成することなく、磁化をほぼ一様に反転させることができる。その結果として反転磁場の低減が図られる。
【００１１】
また一方では、形状は長方形のままであるが、少なくとも二つの強磁性層を含み、それらの間に介在する非磁性層からなる多層膜において、上記の強磁性層の間に反強磁性結合を含むものを用いることが提案されている（特開平９−２５１６２、特願平１１−２６３７４１、米国特許第５，９５３，２４８参照）。
【００１２】
この場合、二つの強磁性層は，その磁気モーメントまたは厚さが異なっており、反強磁性的結合により磁化が逆方向を向いている。このため、実効的に互いに磁化が相殺し、記憶層全体としては、磁化容易軸方向に磁気モーメントの差または膜厚差に対応した小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。この記億層の持つ磁化容易軸方向の小さな磁化の向きと逆向きに磁場を印加すると、各強磁性層の磁化は、反強磁性結合を保ったまま反転する。この構造では磁力線が閉じていることから反磁場の影響が小さく、記録層のスイッチング磁場は、各強磁性層の保磁力差により決まるため、小さなスイッチング磁揚で磁化の反転が可能になる。
【００１３】
ところで、ＭＲＡＭ応用のＴＭＲ素子においては、高集積化への要求からサブミクロンの素子サイズが求められている。そこで、サブミクロンサイズのＴＭＲ素子を電子ビーム（ＥＢ）描画を用いて作製する例（W. J. Ga11agher et al., J. Appl. Phys. 81, 3741(1997)参照）について、その作製プロセスを図４６の断面図（左側）と上面図（右側）を用いて簡単に説明する。まず図４６（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４６１上に主に磁性金属からなる下部電極４６２、Ａｌ酸化物バリア４６３、主に磁性金属からなる上部電極４６４の３層構造を含む多層構造をマグネトロンスパッタ装置により堆積し、その多層構造をフォトレジストとイオンミリングを用いてエッチングすることにより下部電極を形成する（ここでは下部電極の一部の接合部付近のみを示す）。次に図４６（ｂ）に示すように、ＥＢ描画によって接合部分にネガ型のＥＢレジスト４６５のパターンを形成し、それを用いて２回目のイオンミリングを行いサブミクロンサイズの接合部のパターンを形成する。このイオンミリングでは、酸化物バリア４６３を突き抜けて下部電極４６２の上部でエッチングが止まるように制御する。
【００１４】
次に図４６（ｃ）に示すように、接合部にＥＢレジスト４６５を残したまま、ＳｉＯ2 絶縁膜４６６をマグネトロンスパッタ装置によって堆積する。最後に図４６（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2 絶縁膜の下にあるＥＢレジストを用いたリフトオフプロセスにより、接合部上に自己整合的にコンタクトホールを露出させ、その後にＡｇ／Ａｕの上部配線４６７をフォトレジストのリフトオフを用いたパターニングにより作製し、上部電極にコンタクトを形成する。
【００１５】
このＥＢ描画を用いた自己整合的なＴＭＲ素子の製造方法により、サブミクロンの接合サイズを持つＴＭＲ素子が得られているが、強磁性体金属／酸化物絶緑体／強磁性体金属という基本構造を持つ多層構造上に直接ＥＢ描画を行うために幾つかの問題点があつた。
【００１６】
それは、図４６（ｂ）においてＥＢ描画による接合部へのサブミクロンサイズのレジストパタ−ニングが行われるが、磁性金属を含む多層構造へのＥＢ描画プロセスにおいては、金属による電子線の後方散乱が半導体材料よりも強く、その結果として得られる描画パターンが大きく広がってしまういわゆる近接効果が顕著になり、描画パターン形状の微細性・制御性が失われてしまう。その結果として図４６（ｂ）に示すように接合部の形状として矩形を描画した場合にも、実際に得られる形状は角部の先鋭性が著しく失われた形状となってしまう。
【００１７】
ここで、ＴＭＲ素子の接合部の平面形状とその磁気的特性である保磁力(Hc)の間には密接な関連があり、角が丸まった矩形では角の先鋭性が強い矩形よりも保磁力が２倍程度にも大きくなってしまうことが判明している。その結果、ＭＲＡＭの動作にとって重要な低保磁力特性を持つＴＭＲ素子が得られなくなるという問題があった。。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように，記録層の磁化を反転する磁場（スイッチング磁場）の低減は、磁気メモリにおいて必要不可欠な要素であり、いくつかの形状や、反強磁性結合を含む多層膜を用いることが提案されている。
【００１９】
しかしながら、高集積化磁気メモリに用いられるような小さな磁気メモリセル内に置かれる微小な強磁性体においては、例えばその短軸の幅が数ミクロンからサブミクロン程度以下になると、磁化領域の端部においては反磁場の影響により、磁性体の中央部分の磁気的構造とは異なる磁気的構造（エッジドメイン）が生じることが知られている。
【００２０】
高集積化磁気メモリのセルに用いられるような微小な磁性体においては、上記のようにその端部に生じるエッジドメインの影響が大きく、磁化反転における磁気的構造パターンの変化が複雑になる。その結果保磁力が大きくなり、またスイッチング磁場が増大する。
【００２１】
このような複雑な磁気的構造の変化が生じることをできるだけ防ぐ方法として、エッジドメインを固定することが考えられている（米国特許第５，７４８，５２４、特開２０００−１００１５３参照）。
【００２２】
これにより磁化反転の際の挙動が制御できるが、実質的にスイッチング磁場の低減は図れない。また、エッジドメインを固定するために別の構造を付加する必要があり、高密度化には適さない。
【００２３】
上記のように、サブミクロンの強磁性体／絶縁体／強磁性体の接合を有するＴＭＲ素子を作製するためにＥＢ描画プロセスを用いていたが、金属多層構造上へのＥＢ描画では近接効果が著しく形状制御した微細パターン形成か困難であるため、低保磁力特性のＴＭＲ素子を得ることが困難になるという問題があった。これは、本質的にリソグラフィプロセスでは解像度の限界近傍では、矩形形状を形成した場合にその角部の先鋭性が著しく失われるという、フォトリソグラフィにも共通する問題に起因している。
【００２４】
本発明の第１の目的は、新たに構造を付加することなく、上記のような高密度集積化可能な程度に微小な磁気メモリセルにおいて、安定な磁気的構造をもつセルを提供することにあリ、同時にセルに情報を書き込む際に必要なスイッチング磁場を低減することにある。さらに、磁気的に安定で、かつスイッチング磁場が十分低減された磁気メモリセルを構成し、そのような磁気メモリセルを用いたランダムアクセス可能な非破壊磁気メモリを提供することにある。
【００２５】
本発明の第２の目的は、本発明の磁気抵抗効果素子に好適な容易かつ生産性の良い製造方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成された絶縁体層と、この絶縁体層上に形成された第２の強磁性層を有し、前記絶縁体層をトンネルして前記第１の強磁性層と第２の強磁性層の間にトンネル電流が流れ，そのトンネル電流または前記第１および第２の強磁性層間に生じる電圧を検出する磁気抵抗効果素子であって，その平面形状は，長方形の形状を有する第１のパターンとこの第１のパターンの長手方向の両端部の片側側辺に接続する突起状の第２のパターンとを有し、前記第２のパターンは、前記第１のパターンの２つの長辺の一方の端部と、これと前記第１のパターンの中心点に関し点対称となる他方の長辺の端部にのみ設けられることにより、前記平面形状は、前記長手方向の両端部が中央部に対して幅広であることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成されたトンネル電流を流す第１の絶縁体層と、この第１の絶縁体層上に形成された第２の強磁性層と、この第２の強磁性層上に形成されたトンネル電流を流す第２の絶縁体層と、この第２の絶縁体層上に形成された第３の強磁性層とを有する磁気抵抗効果素子であって、その平面形状は，長方形の形状を有する第１のパターンとこの第１のパターンの長手方向の両端部の片側側辺に接続する突起状の第２のパターンとを有し、前記第２のパターンは、前記第１のパターンの２つの長辺の一方の端部と、これと前記第１のパターンの中心点に関し点対称となる他方の長辺の端部にのみ設けられることにより、前記平面形状は、前記長手方向の両端部が中央部に対して幅広であることを特徴とする。
【００２８】
即ち、本発明では、磁気メモリセルとして用いる強磁性層を含む磁気抵抗効果素子において、微小な強磁性体に特有の磁気的構造を利用し、別の構造を付与することなくその磁気的構造を制御することにより、スイッチング磁場の低減を図る。
【００２９】
このために、特有の磁気的構造、特にエッジドメインを制御し、スイッチング磁場を低減するために好適な素子形状を用いる。この素子形状は、従来技術とは異なり、例えば平行四辺形のようにエッジドメインの領域を縮小することではなく、むしろある大きさの領域を与える。また、端部にバイアス磁場をかけてエッジドメインを固定することなく、磁化反転の核として作用させる。
【００３０】
これを行なうために、素子端部の幅を中央部分に比較して広くとり、磁気ドメインのＳ型構造を安定化させ、その結果としてスイッチング磁場を低減する。さらに磁化容易軸について非対称かつ膜面垂直方向を軸としてほぼ回転対称な形状とすることで、スイッチング磁場の低減をより確実に行うことができる。この形状は、図１に示すようなものとなる。図中の直線は磁化容易軸，ｘ印は回転対称軸の位置を示している。
【００３１】
また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、少なくとも強磁性体／絶縁体／強磁性体の積層体を形成し、この積層体を横切る線状パターンのマスクを用いて前記積層体をエッチングし、このマスクエッチングを位置を変えて複数回実施し、前記積層体を方形に加工する工程を備え、その最初の線状パターンのマスクを形成するに際し、最終的に前記積層体が加工される方形の中心点に対して点対称となる両端部に対し、電子ビームによるスポット描画をさらに加えて、前記両端部に前記中央部より幅広のパターンを形成することを特徴とする。
【００３２】
本発明では、ＴＭＲ素子の接合部に関わる微細構造を、複数の交差した線状パターン形成の方法により作製する。これにより、主にリソグラフィの限界性能による前述の問題点を解決する。つまり、この交差した線状パターンによる接合部作製プロセスは、リソグラフィ的に微細描画性や制御性の高い線状パターンによるパターン形成を行っているために、微細な矩形形状でも角部の先鋭性が失われることが少なく、形状制御性の良いパターニングを行うことが出来る。その結果として、高集積化が可能なサブミクロンの微細構造を有する高性能なＴＭＲ素子を容易にかつ高い歩留まりで作製できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、本発明の基本的な構成について、計算機シミュレーションの結果の一例を用いて説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁性体膜の平面図である。第１の実施形態の磁性体膜はＳ字状の鉤型をしており、素子の中央部分と端部で幅が異なる。即ち、強磁性体膜は中央部分においては幅０．１μｍ、端部においては０．１５μｍ、長さは０．４μｍ、厚さは１．５ｎｍである。
【００３５】
図２の形状は，各頂点が９０度の角度をもつ多角形であるが、これに限定するものではなく、特に、各頂点は９０度に限定するものではない。また、各辺も直線である必要はなく、一般に曲線で構成されていてもよい。
【００３６】
また、素子サイズも上記に限定するものではないが、最大幅が１μｍ程度よリ小さいものが好ましく、長さも最大幅の１倍から１０倍が好ましい。強磁性体の厚さは１０ｎｍ以下がよく、５ｎｍ以下がより好ましい。特に、高集積化のためには、素子サイズは小さいことが好ましい。
【００３７】
強磁性層に用いる材料として、このシミュレーションではＣｏ9 Ｆｅを用いているが、磁性材料はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉやそれらの積層膜、合金等、通常用いられる磁性材料でよい。また、Ｃｕ，Ａｕ、Ｒｕ，Ａｌ等、金属非磁性材料からなる層を含む積層膜であってもよい。
【００３８】
この系のヒステリシスについて、シミュレーションの結果得られたものを図３に示す。図３から、保磁力Ｈｃは２４２エルステッド（Ｏｅ）と求められる。また、図３は、本発明の磁気抵抗効果素子においてはスイッチング磁場Ｈｓｗと保磁力Ｈｃの差がそれほど大きくないことを示している。即ち、磁化反転過程において、微小な磁気ドメインが複雑な形で発生していないことを意味している。
【００３９】
第１の実施形態における磁気ドメインのパターンの変化を図４に示す。図４では，左方向をプラスの向きとして，外部磁場Ｈを＋１０００エルステッドから−１０００エルステッドまで変化させたときの磁気ドメイン構造の変化の様子を示した。
【００４０】
外部磁場がＨ＝＋３００エルステッドのときに（ｂ）、端部の磁化方向が磁化容易軸から向きを変化させ始め、Ｈ＝０エルステッドのとき（ｃ）、Ｓ型の磁気ドメイン構造をとって安定化する。さらに、外部磁場が負の方向に大きくなると（ｄ）、端部の幅が広い部分で磁化方向が大きく回転していることがわかる。さらに外部磁場が負に大きくなると（ｆ）、完全に反転した磁気ドメイン構造となる。
【００４１】
磁化の反転時には、エッジドメインが拡大し、エッジドメインと中央部の磁気ドメインとの間にあるドメインウォールが素子中央方向に動いていくことで磁化が反転しておリ、外部磁場掃引時のすべての値に対して、複雑なドメイン構造は出現しない。従って、小さな磁場で反転が可能になるとともに、磁化を完全に反転させるために必要なスイッチング磁場も小さいものが実現できる。
【００４２】
なお、この系では飽和磁化に対する残留磁化の割合が０．８６となっている。これは、エッジドメインが存在しているためである。一般に、強磁性体の磁化方向にずれや乱れた部分があり、飽和磁化に対する残留磁化の割合が１より小さくなっているとき、その強磁性体を用いた強磁性トンネル接合では、ずれや乱れのない場合に比べて、トンネル磁気抵抗比（ＭＲ比）が減少する。しかし，この系では絶縁層を含め上下の強磁性層が同じ形状になっているため、上下の強磁性層はほぼ同様の磁気ドメイン構造を持っている。従って、飽和磁化に対する残留磁化の割合が１より小さくなっているにもかかわらず、磁化方向のトンネル磁気抵抗の減少は殆どない。
【００４３】
本発明が効果的であることを示すために、いくつかの形状について保磁力を比較したものを図５に示す。この図では、厚さ２．０ｎｍ、長さ０．４μｍ、中央の幅を０．１μｍとし，形状（ｆ）、（ｇ）における端部の幅は０．１５μｍとしてシミュレーションを行なった結果を示している。
【００４４】
図５において、例えば形状（ｂ）のような、長方形の相対する二つの頂点を切り落とした形状のものが保磁力が低いことは、上記の平行四辺形の場合と同じ理由による。しかし、最も保磁力が小さくなるのは、本発明の形状である図中の形状（ｇ）のものであることがわかる。
【００４５】
また、別の比較例の一つである平行四辺形の場合の磁気ドメイン構造を図６に示す。図からわかるように，この場合には，斜辺に沿ったわずかな領域においてのみ，磁化が磁化容易軸とは異なる方向に向き，エッジドメインを減少させるような形状となっている。
【００４６】
一方，本発明では，図２のように磁化が分布しており，エッジドメインの領域は拡張されている。上記図６の比較例の場合、保磁力は２４９エルステッドとなり、図２に示した本発明の場合は、これに比べて若干ではあるが小さくなっている。
【００４７】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。第１の実施形態では、幅広の素子端部の幅は一定であったが、第２の実施形態では、素子端部の幅が幅広部内で変化している。この形状のため，幅広部分で磁化の方向が順次変化していることがわかる。
【００４８】
強磁性層に用いる材料として、このシミュレーションでも第１の実施形態と同様に、Ｃｏ9 Ｆｅを用いているが、磁性材料はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉやそれらの積層膜、合金等、通常用いられる磁性材料でよい。また、Ｃｕ，Ａｕ、Ｒｕ，Ａｌ等、金属非磁性材料からなる層を含む積層膜であってもよい。
【００４９】
第２の実施形態における磁化曲線は、図８に示されている。図８から、保磁力Ｈｃは１４８エルステッド（Ｏｅ）と非常に低くなり、さらに，飽和磁化に対する残留磁化の割合が０．９６と高く保たれていることがわかる。
【００５０】
（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、強磁性体の単層膜についてのみ述べたが，少なくとも２層の強磁性体とその間に介在する少なくとも１層の絶縁層あるいは非磁性金属層からなる積層膜を含む場合にも同様の結果が得られる。
【００５１】
図９（ａ）は、強磁性層１と強磁性層３が絶縁層２を介して積層された強磁性一重トンネル接合構造の断面図である。この積層構造に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保磁力の小さい磁気抵抗効果素子１０を得ることができる。
【００５２】
この場合、強磁性層１または３のいずれか一方の外側に反強磁性層付与した、いわゆるスピンバルブ型にしてもよい。図９（ｂ）は図９（ａ）の強磁性層１を強磁性層１−１と強磁性層１−２が非磁性層６を介して積層された三層構造としたものである。この三層構造は、強磁性層３の部分を置換してもよい。さらに、強磁性層、非磁性層が繰り返して積層された多層膜で置換することもできる。
【００５３】
図１０は、強磁性層１１と強磁性層１３が絶縁層１２を介して積層され、さらに強磁性層１３は強磁性層１５と絶縁層１４を介して接合された強磁性二重トンネル接合構造の断面図である。この積層構造に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保磁力の小さい磁気抵抗効果素子２０を得ることができる。この場合、強磁性層１１，１５の外側に反強磁性層を付与した、いわゆるスピンバルブ型にしてもよい。
【００５４】
図１１は、図１０の強磁性層１１を、強磁性層１１−１と強磁性層１１−２が非磁性層１６を介して積層された３層構造としたものである。この３層構造は、非磁性層１６を介して反強磁性結合記録層を形成するものである。この３層構造は、強磁性層１５の部分を置換してもよく、強磁性層１１、１５の少なくとも１層に適用することができる。
【００５５】
この積層構造に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保磁力の小さい磁気抵抗効果素子３０を得ることができる。
【００５６】
図１２は、図１０の強磁性層１３を、強磁性層１３−１と強磁性層１３−２が非磁性層１７を介して積層された３層構造としたものである。この積層構造に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保磁力の小さい磁気抵抗効果素子４０を得ることができる。
【００５７】
なお、図１２の構成に対し、強磁性層１１，１５の少なくとも１層を強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造とすることもできる。また、図１１の構成に対し、さらに絶縁層、強磁性層を所望の回数積層してもよい。
【００５８】
図１３は、Ｃｏ9 Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ9 Ｆｅの３層構造に関して、平面形状を変えた場合の保磁力Ｈｃの値を比較したものであり、本発明の形状（ｄ）．（ｅ）が通常の長方形のものに比べ，保磁力が大きく低減できることがわかる。
【００５９】
第３の実施形態において、磁性材料、バリア層材料等は下記のように選択することができる。
本発明の強磁性層の元素，種類は、特に制限はなく、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉまたはそれら合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ2、ＲＸＭｎＯ3-y（Ｒ：希土類、Ｘ：Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）などの酸化物の他ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金、Ｚｎ−Ｍn−Ｏ、Ｔｉ−Ｍｎ−Ｏ、ＣｄＭｎＰ2 、ＺｎＭｎＰ2などの磁性半導体を用いることができる。
【００６０】
本発明の強磁性層の膜厚は超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。また、あまり厚いとスイッチング磁場が大きくなってしまうため、２．５ｎｍ以下で有ることが好ましい。また、これら磁性体にはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなどの非磁性元素が多少含まれていても強磁性を失わない限り良い。
【００６１】
反強磁性膜は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ等が使用できる。
非磁性層としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ａｇなどを用いることができる。反強磁性結合として用いる場合（ピン層の場合）は、Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈが好ましく、強磁性結合として用いる場合（記録層の場合）は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇが好ましいが、膜厚等により調整も可能なので、これらに限られるものではない。
【００６２】
本発明の誘電体または、絶縁層としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＡｌＮ，ＡｌＯＮ、ＧａＯ、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3などの様々な誘電体を使用することができる。これらは、酸素、窒素欠損が存在していても構わない。
【００６３】
誘電体層の厚さはＴＭＲの接合面積に依存し、３ｎｍ以下であることが好ましい。基板は特に制限はなく、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等各種基板上に作製できる。その上に、下地層，保護層として、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の単層膜や、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ等の積層膜を用いることが好ましい。
【００６４】
次に、上述の第１乃至第３の実施形態で述べた磁気抵抗効果素子を作製するための製造方法について述べる。一般にこのような素子形成は、膜形成後にレジストを塗布し、光・電子ビーム・Ｘ線のいずれかを用いてパターンを形成し、現像してレジストパターンを形成、これをマスクとしてイオンミリングまたはエッチングを行ない、パターンを形成した後、レジストを剥離するというプロセスを経て行なわれる。
【００６５】
比較的大きなサイズ、例えばミクロンオーダーの磁気抵抗効果素子を作製する場合には、ＴＭＲ膜をスパッタ後に酸化シリコン、窒化シリコン等のハードマスクを作製し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、例えば図２や図７に示されるような本発明における磁気抵抗効果素子のパターンを形成する。この試料をイオンミリングすることで磁気抵抗効果素子が作製できる。
【００６６】
より小さい磁気抵抗効果素子、例えば、２〜３μｍ程度から０．１μｍ程度のサブミクロンサイズの素子作製においては、光リソグラフィーを用いることができる。この場合は、あらかじめ本発明における磁気抵抗効果素子の形状パターンを持つハードマスクを作製しておき、パターン形成することで作製できる。
【００６７】
さらに小さなサイズ、例えば０．５μｍ程度以下の素子作製については、電子ビーム露光を用いることができる。しかし、この場合には素子自体が小さいため、本発明におけるエッジドメイン領域を広げるための形状部分はさらに小さくなり、作製が大変困難になる。
【００６８】
上記のような小さなサイズの素子を作製するために、電子ビームの近接効果補正を利用することもできる。通常、近接効果補正は、電子ビームの基板からの後方散乱により生じる図形内近接効果を補正し、正しいパターンを形成するために用いられるものである。例えば、長方形のパターンを形成する場合、頂点付近では蓄積電荷量が不足し、長方形の頂点が丸くなるという現象がみられる。頂点をはっきりさせるために、頂点付近、特に０．５μｍ程度以下の素子の場合には、図形の外側に補正点ビームを打ち込んで蓄積電荷量を増やすことで、正常なパターンを得ることができる。この方法を応用して素子端部の幅が広がった本発明の形状を形成することができる。
【００６９】
例えば、第１あるいは第２の実施形態の図２あるいは図７の形状を形成する場合、長方形を基本パターンとし、相対する２頂点付近にそれぞれ補正点ビームを打ち込むことで端部の幅の広い形状が形成可能となる。
【００７０】
この時、通常の近接効果補正の場合に比べて打ち込む電荷量を多くするか、または補正点ビームの打ち込み位置を適当に調節するか、またはその両方を用いて、頂点を回復する以上に形状を補正することができる。そのようにすることにより、本発明の形状を形成することが可能となる。さらに，例えば図２の素子形状を形成するために、複数点の補正点ビームを照射することも可能である。
【００７１】
上記のように、長方形の端部が幅広の本発明の形状を実現するためには、まずサブミクロンの微細な長方形形状を実現する必要がある。従来技術では、このような形状を実現しようとすると角部が丸くなってしまう問題があった。第４乃至第６の実施形態では、このような問題を解決する実施形態について説明する。
【００７２】
（第４の実施形態）
図１４は、本発明の製造方法の主旨を模式図で示したものである。前述のように、通常のリソグラフィで矩形形状を形成した場合、フォトリソグラフィでは約０．５μｍ以下、ＥＢリソグラフィでも約０．２μｍ以下になると、矩形形状の角の先鋭化が著しく失われてしまう。この問題に対する対策として、フォトリソグラフィでは光の反射に対する近接効果補正、ＥＢリソグラフィでは電子の後方散乱に対する近接効果補正が検討されているが、補正の操作に時間がかかるという問題があり、また０．１μｍサイズでは十分な効果を上げられない。
【００７３】
それに対し、リソグラフィにおける線状パターンの幅制御性は非常に良く、フォトリソグラフィでも０．２μｍ以下の幅、ＥＢリソグラフィならば０．１μｍ以下の幅を正確に規定することが出来る。この事実を応用すると、図１４に示すように、目的の矩形パターン５１（斜線部）を形成するために、まず第１の線状パターン５２をリソグラフィで形成してマスク層としてそれ以外の領域をドライエッチングで除去する。その後、第２の線状パターン５３を第１の線状パターンと直交するようにリソグラフィで形成してマスクとし残った矩形外の領域をドライエッチング除去する。これにより、矩形パターンの角部５４として非常に先鋭なパターンを形成することが出来る。
【００７４】
図１４の方法を基本として、以下の実施形態に述べるように、種々な形に変形して適用することが出来る。
【００７５】
まず第４の実施形態として、線状パターン形成とドライエッチングを２回繰り返すことによりＴＭＲ素子の接合部形状を角部の先鋭性を保ったまま形成した方法について説明する。
【００７６】
図１５乃至図２６は上記のような角部の先鋭性が保たれたＴＭＲ素子の作製プロセスを説明するものであり、各工程毎に右側（ｂ）に上面図と左側（ａ）に接合部の中心付近の（上面図中のＡ−Ａ’線に沿った）断面図を示す。
【００７７】
まず、図１５に示すように、Ｓｉからなる基板６１上全面にＴａの下部配線層６２、磁性金属の多層膜を含む強磁性体／絶縁体／強磁性体構造からなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）層６３、Ｔａのコンタクト層６４を連続的に堆積する。上面図には、後にＴＭＲ素子（接合部）６５となる領域を破線で示している。
【００７８】
次に図１６に示すようにフォトリソグラフィにより下部配線のパターンを形成した後、レジスト（不図示）をマスクとしてＣｌ2 とＡｒの混合ガスによる反応性ドライエッチングを用いて下部配線パターンを基板面までエッチングする。
【００７９】
次に図１７に示すように、ドライエッチングしたパターン全体をＳｉＯx の絶縁層６６で埋め込み、ＣＭＰまたはエッチバックのプロセスによりＴａのコンタクト層が露出するまで平坦化を行う。
【００８０】
次に図１８に示すように、接合部を形成するための第１の線状パターンを目的とする接合部の長さよりも長い範囲にわたるようにレジスト６７によって形成する。このとき、第１の線状パターンの幅はこのＴＭＲ素子の最小寸法となるが、０．１μｍ程度までならばフォトリソグラフィにより容易に制御性良く形成することが出来、またそれ以下の場合はＥＢリソグラフィで形成すればよい。
【００８１】
次に図１９に示すように、レジスト６７の線状パターンをＴａのコンタクト層６４に転写し、その後レジスト６７を剥離する。この時、Ｆ系の反応ガスとして例えばＳＦ6 を用いて反応性のドライエッチングを行うと、レジスト６７による線状パターンを正確にＴａのコンタクト層６４およびＳｉＯx絶縁層６６に転写することが出来る。また、ＭＴＪ層６３の磁性金属はＦ系ガスのドライエッチングに対して耐性があるため、Ｔａのコンタクト層６４だけを線状パターンに形成できる。
【００８２】
次に図２０に示すように、Ｔａのコンタクト層６４をマスクとして下地のＭＴＪ層６３をイオンミリングする。ここで、Ｔａはイオンミリングに対してはハードマスクとして十分な耐性を持つため、ビームエネルギー４００ｅＶのＡｒイオンミリングをＴａの下部配線層６２が露出するまで行った場合にもマスクの後退や膜厚の減少は少なく、Ｔａの線状パターン６４を良好にＭＴＪ層６３に転写することが出来る。
【００８３】
上記のＭＴＪ層６３のエッチングには、イオンミリングに代えて、Ｃｌ2 とＡｒの混合ガスによる反応性ドライエッチングを用いてもよい。この場合、マスク層としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ），ＡｌＯx 、ＳｉＯ2 や多層レジストマスク等のＣｌ系エッチング耐性に優れたものを用いる。同時にエッチングする絶縁膜６６（６６´）にはＴＥＯＳ等のややＣｌ系エッチング耐性を弱めたものを用いることが好ましい。また、この場合はコンタクト層６４上にマスク層を予め形成しておく必要がある。
【００８４】
次に図２１に示すように、再びＳｉＯＸの絶縁層６６´で埋め込み、平坦化を行ってＴａのコンタクト層６４を露出させる。続いて図２２に示すように、接合部の残った他の２辺を規定し、かつ接合部に対して十分に長い第２の線状パターンを有するレジスト６８を、フォトリソグラフィによって形成する。
【００８５】
次に図２３に示すように、レジスト６８による第２の線状パターンをＦ系の反応性ガスを用いてドライエッチングにより、下地のＴａのコンタクト層６４に転写する。
【００８６】
次に図２４に示すように、Ｔａのコンタクト層６４に形成された第２の線状パターンをハードマスクとして用いて、イオンミリングによりＴａの下部配線層６２に達するまでＭＴＪ層６３をエッチングする。この工程迄で、ＭＴＪ層６３は最終的なＴＭＲ素子６５の形状に加工され、その接合部の矩形形状は、角部の先鋭性を保ったまま形成される。
【００８７】
第４の実施形態では、接合部の形状として矩形の場合を示しているが、第２の線状パターンを第１の線状パターンに直交させるのではなく、傾けて形成することも可能であり、その場合にはやはり低保磁力特性をもつ平行四辺形の接合部を形成することができる。
【００８８】
次に図２５に示すように、再度全体をＳｉＯx 絶縁膜で埋め込み、平坦化して、Ｔａのコンタクト層６４を露出させる。最後に図２６に示すように、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＡｌＣｕ／Ｔｉからなる上部配線層６９を全面に堆積した後、フォトリソグラフィとドライエッチングによりパターニングを行うことにより、角部が直角に形成された長方形のＴＭＲ素子６３が完成する。
【００８９】
また、前述したような接合部６３を形成した後に上部配線層６９を形成するプロセスの他にも、図２１の後の工程として、先に上部配線層を全面に堆積した後、第２の線状パターンを形成し、その後に上部配線ごと接合部を線状にパ夕一ニングするプロセスも可能である。その場合は上部配線形成のためのリソグラフィプロセスが不要になるという利点がある。
【００９０】
さらにまた、上部配線を第２の線状バ夕一ン形成と同時に行う場合には、ＭＲＡＭに好適な矩形形状として第２の線状パターン幅は幅広いものを形成することが出来るため、ＴＭＲ素子の接合部に電流磁界を印加する主要な配線として働く上部配線の幅を、より高磁場印加が可能な幅広い状態で形成することも可能である。
【００９１】
（第５の実施形態）
次に第５の実施形態として、線状パターン形成とドライエッチングを２回繰り返すことにより、ＴＭＲ素子の接合部形状を角部の先鋭性を保ったままエッチングするためのハードマスクを形成する方法について説明する。
【００９２】
図２７乃至図３８は、角部が直角の微細なＴＭＲ素子の作製プロセスを説明するものであり、各工程毎に右側に上面図（ｂ）と左側に接合部の中心付近の（上面図のＡ−Ａ’線に沿った）断面図を示す。図２７から図２９までの工程は、図１５から図１７までの工程と全く同様とすることができるため、ここでは重複する説明を省略する。但し、７１はＳｉ基板６１、７２はＴａの下部配線層、７３は磁性金属の多層膜を含む強磁性体／絶縁体／強磁性体構造からなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）層、７４はＴａのコンタクト層、７５は後にＴＭＲ素子（接合部）となる領域である。
【００９３】
図２９の工程に引き続き、図３０に示すように、平坦化した表面全体に接合部を規定するためのドライエッチングマスクとなるＣｒのマスク層７７を堆積する。
【００９４】
次に図３１に示すように、第１の線状パターンを有するレジスト７８をフォトリソグラフィにより形成する。次に図３２に示すように、レジスト７８による第１の線状パターンをＣｌ2 とＯ2 の混合ガスによるドライエッチングを用いて下地のＣｒマスク層に転写する。この時、Ｃｒのマスク層が薄いことにより、Ｃｒマスク層のドライエッチングを行っても下地のＴａ７４、およびＳｉＯx 絶縁膜７６の平坦性には殆ど影響を与えない。
【００９５】
次に図３３に示すように、第２の線状パターンを有するレジスト７９を第１の線状パターン（７８）と直交するようにフォトリソグラフィにより形成する。
【００９６】
次に図３４に示すように、レジスト７９の第２の線状パターンをやはりＣｌ2 とＯ2 の混合ガスによるドライエッチングを用いて下地のＣｒマスク層７７に転写する。こうして２回の線状パターン形成とドライエッチングの工程により、Ｃｒマスク層７７は最終的な接合部７５の形状として角部の先鋭性が保たれたままパターニングされる。
【００９７】
ここで、以下に述べるようにこのＣｒマスク層７７と下地のＴａコンタクト層７４のドライエッチング選択比が大きいことにより、Ｃｒマスク層７７の膜厚は約２０ｎｍと薄く形成することが出来るため、図３２の第１の線状パターンの転写後は、特に埋め込みと平坦化の工程を経ることなく、図３３あるいは図３４といった第２の線状パターンの形成と転写を、接合部の形状を損なうこと無しに行うことが出来る。
【００９８】
次に図３５に示すように、良好な矩形パターンとして形成されたＣｒマスク層７７を用いて、ＳＦ6 のドライエッチングによりＴａのコンタクト層７４をエッチングする。
【００９９】
次に図３６に示すように、良好な矩形パターンとして形成されたＴａコンタクト層７４をマスクとして用いて、ＡｒイオンミリングによりＭＴＪ層７３を下地のＴａの下部配線層７２が露出するまでエッチングする。
【０１００】
ＭＴＪ層７３のエッチングには、第４の実施形態と同様に、Ａｒイオンミリングに代えて、Ｃｌ2 とＡｒの混合ガスによる反応性ドライエッチングを用いてもよい。
【０１０１】
その後は第４の実施形態と同様に、図３７に示すように全体をＳｉＯx絶縁層７６´で埋め込んで平坦化し、図３８に示すよう上部配線８０を形成してＴＭＲ素子（接合部）７５の形成プロセスは完了する。
【０１０２】
ここで、接合部を規定するためのマスク層としては、ＤＬＣやポリイミド等の非感光性有機材料を用いることも出来る。これらの材料をマスク層をして用いた場合には、そのパターニングにはＯ2を反応性ガスとしたドライエッチングを用いることが出来るため、下地の金属コンタクト層との選択比を非常に大きくとることが出来るため、マスク層のパターニングの際に、下地の平坦性が損なわれる心配が殆ど無い。但し、その場合は最初に線状パターンを規定するフォトリソグラフィにおいて、シリル化プロセスといったレジスト表面の耐Ｏ2プラズマ処理、もしくは多層レジストプロセスが必要である。また、ＤＬＣや非感光性有機材料は非晶質であるために、０．１μｍオーダーの微小パターンを形成した場合にも、非常に平滑な側壁形状が得られるといった特長を持つ。
【０１０３】
第５の実施形態においても、角部が直角に形成された長方形のＴＭＲ素子を得ることができる。
【０１０４】
（第６の実施形態）
次に第６の実施形態として、線状パターン形成とドライエッチングを３回繰り返すことにより、ＴＭＲ素子の接合部形状をより低保磁力特性が得られるように形成する方法について説明する。
【０１０５】
図５の接合部形状と保磁力の関係のグラフから分かるように、（ａ）の角部が十分先鋭化している矩形パターンの他にも、（ｂ）の矩形の対角する２つの角を落としたような図形も、比較的低保磁力特性が得られると考えられる。
【０１０６】
図５の（ｂ）のような接合部形状は、図３９に示すように、線状パターン８２、８３，８４の形成とドライエッチングを３回繰り返すことにより、斜線部で示した接合部８１として、正確に得ることが出来る。さらにまた、このような線状パターン形成とエッチングを複数回繰り返すことにより、非常に精度良く、こういった凸多角形の接合形状を得ることも可能である。
【０１０７】
このような、複数回の線状パターン形成とドライエッチングというプロセスは第４の実施形態のような接合部まで線状パターンでエッチングしてしまう方法と第５の実施形態のようなマスク層だけを線状パターンでエッチングする方法の両方、もしくはその併用の方法に適用できることは明らかである。
【０１０８】
さらにまた、上記の多重線状パターン形成の手法を、ＭＲＡＭにおいて格子状に配列される複数のＴＭＲ素子の形成に用いる場合には、リソグラフィ工程を効率化させることができる。
【０１０９】
（第７の実施形態）
第７の実施形態として、本発明の第２の実施形態（図７）のＴＭＲ素子の製造方法を説明する。図４０に示すように、第１の線状パターン９２をフォトリソグラフィで形成する際に、同時にＥＢ描画のスポット描画により、矩形となる端部で点対象となる２点の位置に半円形状のパターン９３を追加する。この時、レジストとしてＳＡＬ６０１等といった電子線および遠紫外光に感度を有する化学増感型レジストを用いれば、フォトリソグラフィとＥＢリソグラフィを重ねて行うミックスアンドマッチの手法を用いることができ、一部に半円状の突起を有する線状パターン、即ちＴＭＲ素子９１を形成することが出来る。
【０１１０】
ここで、一般にＥＢリソグラフィはプロセススループットが低いプロセスではあるものの、上記のようなスポット描画だけならば直径５０ｎｍのパターンを非常に高速に描画することが出来る。例えば、化学増感型のＳＡＬ６０１レジストを用いて１００ｐＡのビ一ム電流でスポット描画を行えば、メモリ容量１Ｇｂｉｔに対応する約１０９個のスポットをわずか数分で描画することが可能である。よって、フォトリソグラフィによる約０．１μｍ幅の線状パターン露光とＥＢリソグラフィによる直径約５０ｎｍのスポット露光を組み台わせることにより、ｌＧｂｉｔ相当のＭＲＡＭを生産性良く作製することが出来る。
【０１１１】
上記の強磁性トンネル接合は、磁気記録素子、磁気抵抗効果型磁気へッド、磁気再生装置等に適用することができる。以下、本発明の磁気抵抗効果素子の応用例の実施形態を説明する。
【０１１２】
（第８の実施形態）
第８の実施形態では、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録装置（ＭＲＡＭ）に適用した例を説明する。
【０１１３】
一般に、ＭＲＡＭにおいては、小さなダイサイズで大容量であることが要求される。従って、配線幅は勿論のこと、各セルの面積は必然的に小さくならざるを得ない。しかし、本発明の磁気抵抗効果素子を用いることによりスイッチング磁場が低減できるため。記憶ビットの書き込みの際に必要な書き込み電流が小さくて済み，消費電力を抑え，かつ高速なスイッチングが可能となる。従って，本発明の磁気素子は、ＭＲＡＭのセルに用いるのに好適である。
【０１１４】
図４1は個別の記録素子の構成を説明するための断面図、図４２はＭＲＡＭの摸式的な回路図である。
【０１１５】
ＭＲＡＭは、図４２に示すように、ローデコーダ１４０で制御される複数の読み出しワード線ＷＬ１（１２２）と、カラムデコーダ１５０で制御され、ワード線１２２と交差する複数のビット線ＢＬ（１３４）を備える。ワード線１２２とビット線１３４の各交点には、本発明の磁気抵抗効果素子（例えば第３の実施形態の１０、２０、３０、４０、或いは第７の実施形態の９１等）と、ワード線１２２によりその導通が制御されるスイッチ（導通制御素子）としてのＭＯＳＦＥＴ１２０を備える。また、読み出しワード線１２２と平行方向に、磁気抵抗素子１０に近接して延在する書き込みワード線ＷＬ２（１３１）を備える。
【０１１６】
各メモリ素子は図４１のように構成されている。半導体基板の表面にＭＯＳＦＥＴ１２０を形成する。１２３，１２４がソース・ドレイン領域であり、ゲート電極１２２が延在して形成され、ワード線ＷＬ１（１２２）となる。ソース・ドレイン領域の一方１２４に接続したコンタクト１３２を介して、下地配線１３３が形成されており、この下地配線１３３とビット線１３４の間に本発明の磁性抵抗効果素子１０を形成する。また、磁気抵抗効果素子１０に近接して書き込み用のワード線ＷＬ２（１３１）を形成する。
【０１１７】
なお、ＭＯＳトランジスタの代わりにダイオードを本発明の磁気抵抗効果素子と積層してＭＲＡＭを構成してもよい。即ち、ワード線上にダイオードと本発明の磁気抵抗効果素子からなるセルを積層して形成し、磁気抵抗効果素子上にビット線を配置して形成し、さらにこのセルを多数個アレイ状に配置することで、ＭＲＡＭが構成できる。このようなＭＲＡＭは、携帯電話等の形態端末のメモリ部に搭載できる。
【０１１８】
（第９の実施形態）
第９の実施形態は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに応用した例を説明する。
【０１１９】
図４３は、第３の実施形態の磁気抵抗効果素子１０（２０、３０、４０、９１であってもよい）を搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム３０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム３０１の一端にはサスペンション３０２が固定されている。サスペンション３０２の先端には信号の書き込み、および読み取り用のリード線３０４が配線され、このリード線３０４の一端はヘッドスライダ３０３に組み込まれた磁気抵抗効果素子１０の各電極に接続され、リード線３０４の他端は電極パッド３０５に接続されている。
【０１２０】
図４４は、図４３に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置（磁気再生装置）の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク３１１はスピンドル３１２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。
【０１２１】
アクチュエータアーム３０１は固定軸３１３に固定され、サスペンション３０２およびその先端のヘッドスライダ３０３を支持している。磁気ディスク３１１が回転すると、ヘッドスライダ３０３の媒体対向面は磁気ディスク３１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。
【０１２２】
アクチュエータアーム３０１の基端にはリニアモータの一種であるボイスコイルモータ３１４が設けられている。ボイスコイルモータ３１４はアクチュエータアーム３０１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成されている。
【０１２３】
アクチュエータアーム３０１は、固定軸３１３の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって支持され、ボイスコイルモータ３１４により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１２４】
上記のように本発明の磁気抵抗効果素子を使用した磁気ヘッドあるいは磁気再生装置は、従来の磁気抵抗効果素子より高速で安定した動作と大容量化が可能になる。
【０１２５】
【発明の効果】
本発明の磁気抵抗効果素子においては、保磁力が小さく、またスイッチング磁場が小さい。この素子を磁気メモリのメモリセルとして用いた場合、磁化反転に必要な磁場を生成するための書き込み配線電流を小さくすることができる。従って、本発明の磁気素子をメモリセルとした磁気メモリでは高集積化が可能であり、かつ、消費電力を低減するともに、スイッチング速度を高速化することが可能となる。
【０１２６】
また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、上記の素子を容易なプロセスで、歩留まり良く製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における磁気抵抗効果素子の概略平面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子で、磁化の方向を示した平面図。
【図３】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化ヒステリシス図。
【図４】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化反転過程を示した図。
【図５】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ｇ）の保磁力を他のさまざまの形状を持つ素子（（ａ）〜（ｆ））の保磁力と比較した図。
【図６】本発明に対する比較例のひとつの形状と磁化の方向を示した図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の形状と磁化の方向を示した平面図。
【図８】第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化ヒステリシス図。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１０】第３の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１１】第３の実施形態に係る更に他の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１２】第３の実施形態に係る更に他の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１３】第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ｅ）の保磁力を他のさまざまの形状を持つ素子（（ａ）〜（ｄ））の保磁力と比較した図。
【図１４】本発明の磁気抵抗効果素子の形成法の概念を説明する模式的な平面図。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の作製プロセスを説明するための素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１６】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１７】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１８】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１９】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２０】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２１】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２２】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２３】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２４】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２５】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２６】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２７】本発明の第５の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の作製プロセスを説明するための素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２８】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２９】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３０】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３１】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３２】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３３】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３４】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３５】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３６】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３７】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３８】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３９】本発明の第６の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する模式的な平面図。
【図４０】本発明の第７の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する模式的な平面図。
【図４１】本発明の第８の実施形態に係るＭＲＡＭの１セルの構成を示す摸式的な断面図。
【図４２】第８の実施形態のＭＲＡＭの回路図。
【図４３】本発明の第９の実施形態に係る磁気ヘッドの摸式的な斜視図。
【図４４】第９の実施形態に係る磁気ヘッドを使用した磁気再生装置の摸式的な斜視図。
【図４５】微小な磁性体において現われる一般的な磁気的構造を示した図。
【図４６】従来の磁気抵抗効果素子の作製プロセスを断面図と平面図の対で段階的に示す図。
【符号の説明】
１、３，５、１１，１３，１５、１１−１，１１−２…強磁性層
２，１２，１４…バリア層
１６，１７…非磁性層
１０，２０，３０，４０…磁気抵抗効果素子
６１、７１…Ｓｉ基板
６２、７２…下部配線線層
６３、７３…ＭＴＪ層
６４、７４…コンタクト層
６５、７５…接合部（ＴＭＲ素子）
６６、６６´、７６，７６´…絶縁層
６７、６８、７７、７８…フォトレジスト（マスク層）
６９、８０…上部配線層
８１、９１…接合部（ＴＭＲ素子）
８２、９２…第１の線状パターン
８３、９４…第２の線状パターン
８４…第３の線状パターン
９３…ＥＢ描画パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は，磁気抵抗効果素子、その製造方法、磁気ランダムアクセスメモリ、携帯端末装置、磁気ヘッド及び磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体磁気メモリは従来より様々のタイプのものが提案されているが、近年巨大磁気抵抗効果を示す磁気素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の提案が行われており、特に磁気メモリとして強磁性トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）に注目が集まっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は，主に強磁性層1／絶縁層／強磁性層２の３層膜で構成され、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は強磁性層１、２の磁化の相対角の余弦に比例して変化する。したがって、抵抗値は強磁性層１、２の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果と呼ばれている。例えば最近の文献（Appl. Phys. Lett. 77, 283(2000)）では、ＴＭＲ効果による抵抗値変化は室温において４９．７％にもなることが報告されている。
【０００４】
強磁性トンネル接合をメモリセルとして含む磁気メモリ装置においては、強磁性層のひとつの磁化を固定して基準層とし、他の強磁性層を記憶層とする。このセルにおいて、基準層と記憶層の磁化の配置が平行または反平行に対し２進情報“０”、“１”を対応づけることで情報が記憶される。記録情報の書き込みは、このセルに対し別に設けた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記憶層の磁化を反転させる。また、読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗変化を検出することで行われる。このようなメモリセルを多数配置することで磁気メモリ装置が構成される。
【０００５】
実際の構成については、任意のメモリセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭ同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。また、ワード線とビット線が交差する位置にダイオードとあわせて強磁性トンネル接合を組み込む方式も提案されている（米国特許第５，６４０，３４３号、第５、６５０、９５８号参照）。
【０００６】
さて，強磁性トンネル接合をメモリセルとして用いる磁気メモリ装置の高集積化を考えると、メモリセルの大きさは小さくなり、セルを構成する強磁性体の大きさも必然的に小さくなる。一般に、強磁性体が小さくなるとその保磁力は大きくなる。
【０００７】
保磁力の大きさは、磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるので、これはスイッチング磁場の増大を意味する。よって、情報を書き込む際にはより大きな電流を書き込み配線に流さなければならなくなり、消費電力の増加という好ましくない結果をもたらす。従って、磁気メモリのメモリセルに用いられる強磁性体の保磁力を低減することは、高集積化磁気メモリの実用化において重要な課題である。
【０００８】
また、磁気メモリのメモリセルとして用いる場合、その平面形状が長方形をした強磁性体を用いることが一般に考えられている。しかし、長方形の微小強磁性体の場合には、端部にエッジドメインと呼ばれる特殊な磁区が生じることが知られている（例えば，J. App. Phys. 81,5471 (1997) 参照）。これは、長方形の短辺では反磁場エネルギーを低減するために、磁化が辺に沿うようにして渦状に回転するパターンを形成するためである。このような磁気構造の一例は、図４５に示されており，磁化領域の中央部分においては磁気異方性に従った方向に磁化が生じるが，両端部においては，中央部分と異なる方向に磁化が生じる。
【０００９】
この長方形の強磁性体に対して、磁化反転を考えると、エッジドメインが成長してその領域を大きくしていくように進行することが知られている。ここで、長方形の両端部のエッジドメインを考えると、互いに平行方向に向いている場合（図４５（ａ）、Ｓ型構造）と反平行方向に向いている場合（図４５（ｂ）Ｃ型構造）とがある。反平行方向を向いている場合、３６０度磁壁が形成されるため、保磁力が大きくなる．
この課題を解決するために，記憶層として楕円形の強磁性体を用いることが提案されている（米国特許第５，７５７，６９５参照）。これは，エッジドメインが強磁性体の形状に対し大変敏感であるという性質を利用して，長方形等の場合の端部に生じるエッジドメインの発生をおさえ，単磁区を実現することで，強磁性体全体にわたって一様に反転させることができるようにしたもので、反転磁場を小さくすることができる。
【００１０】
また，記憶層として、平行四辺形のように、その隅に直角でない角度を持つ形状の強磁性体を用いることが提案されている（特開平１１−２７３３３７参照）。この場合、エッジドメインは存在するが、長方形の場合ほど大きな領域を占めず、さらに磁化反転の過程で複雑な微小ドメインを生成することなく、磁化をほぼ一様に反転させることができる。その結果として反転磁場の低減が図られる。
【００１１】
また一方では、形状は長方形のままであるが、少なくとも二つの強磁性層を含み、それらの間に介在する非磁性層からなる多層膜において、上記の強磁性層の間に反強磁性結合を含むものを用いることが提案されている（特開平９−２５１６２、特願平１１−２６３７４１、米国特許第５，９５３，２４８参照）。
【００１２】
この場合、二つの強磁性層は，その磁気モーメントまたは厚さが異なっており、反強磁性的結合により磁化が逆方向を向いている。このため、実効的に互いに磁化が相殺し、記憶層全体としては、磁化容易軸方向に磁気モーメントの差または膜厚差に対応した小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。この記億層の持つ磁化容易軸方向の小さな磁化の向きと逆向きに磁場を印加すると、各強磁性層の磁化は、反強磁性結合を保ったまま反転する。この構造では磁力線が閉じていることから反磁場の影響が小さく、記録層のスイッチング磁場は、各強磁性層の保磁力差により決まるため、小さなスイッチング磁揚で磁化の反転が可能になる。
【００１３】
ところで、ＭＲＡＭ応用のＴＭＲ素子においては、高集積化への要求からサブミクロンの素子サイズが求められている。そこで、サブミクロンサイズのＴＭＲ素子を電子ビーム（ＥＢ）描画を用いて作製する例（W. J. Ga11agher et al., J. Appl. Phys. 81, 3741(1997)参照）について、その作製プロセスを図４６の断面図（左側）と上面図（右側）を用いて簡単に説明する。まず図４６（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４６１上に主に磁性金属からなる下部電極４６２、Ａｌ酸化物バリア４６３、主に磁性金属からなる上部電極４６４の３層構造を含む多層構造をマグネトロンスパッタ装置により堆積し、その多層構造をフォトレジストとイオンミリングを用いてエッチングすることにより下部電極を形成する（ここでは下部電極の一部の接合部付近のみを示す）。次に図４６（ｂ）に示すように、ＥＢ描画によって接合部分にネガ型のＥＢレジスト４６５のパターンを形成し、それを用いて２回目のイオンミリングを行いサブミクロンサイズの接合部のパターンを形成する。このイオンミリングでは、酸化物バリア４６３を突き抜けて下部電極４６２の上部でエッチングが止まるように制御する。
【００１４】
次に図４６（ｃ）に示すように、接合部にＥＢレジスト４６５を残したまま、ＳｉＯ2 絶縁膜４６６をマグネトロンスパッタ装置によって堆積する。最後に図４６（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2 絶縁膜の下にあるＥＢレジストを用いたリフトオフプロセスにより、接合部上に自己整合的にコンタクトホールを露出させ、その後にＡｇ／Ａｕの上部配線４６７をフォトレジストのリフトオフを用いたパターニングにより作製し、上部電極にコンタクトを形成する。
【００１５】
このＥＢ描画を用いた自己整合的なＴＭＲ素子の製造方法により、サブミクロンの接合サイズを持つＴＭＲ素子が得られているが、強磁性体金属／酸化物絶緑体／強磁性体金属という基本構造を持つ多層構造上に直接ＥＢ描画を行うために幾つかの問題点があつた。
【００１６】
それは、図４６（ｂ）においてＥＢ描画による接合部へのサブミクロンサイズのレジストパタ−ニングが行われるが、磁性金属を含む多層構造へのＥＢ描画プロセスにおいては、金属による電子線の後方散乱が半導体材料よりも強く、その結果として得られる描画パターンが大きく広がってしまういわゆる近接効果が顕著になり、描画パターン形状の微細性・制御性が失われてしまう。その結果として図４６（ｂ）に示すように接合部の形状として矩形を描画した場合にも、実際に得られる形状は角部の先鋭性が著しく失われた形状となってしまう。
【００１７】
ここで、ＴＭＲ素子の接合部の平面形状とその磁気的特性である保磁力(Hc)の間には密接な関連があり、角が丸まった矩形では角の先鋭性が強い矩形よりも保磁力が２倍程度にも大きくなってしまうことが判明している。その結果、ＭＲＡＭの動作にとって重要な低保磁力特性を持つＴＭＲ素子が得られなくなるという問題があった。。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように，記録層の磁化を反転する磁場（スイッチング磁場）の低減は、磁気メモリにおいて必要不可欠な要素であり、いくつかの形状や、反強磁性結合を含む多層膜を用いることが提案されている。
【００１９】
しかしながら、高集積化磁気メモリに用いられるような小さな磁気メモリセル内に置かれる微小な強磁性体においては、例えばその短軸の幅が数ミクロンからサブミクロン程度以下になると、磁化領域の端部においては反磁場の影響により、磁性体の中央部分の磁気的構造とは異なる磁気的構造（エッジドメイン）が生じることが知られている。
【００２０】
高集積化磁気メモリのセルに用いられるような微小な磁性体においては、上記のようにその端部に生じるエッジドメインの影響が大きく、磁化反転における磁気的構造パターンの変化が複雑になる。その結果保磁力が大きくなり、またスイッチング磁場が増大する。
【００２１】
このような複雑な磁気的構造の変化が生じることをできるだけ防ぐ方法として、エッジドメインを固定することが考えられている（米国特許第５，７４８，５２４、特開２０００−１００１５３参照）。
【００２２】
これにより磁化反転の際の挙動が制御できるが、実質的にスイッチング磁場の低減は図れない。また、エッジドメインを固定するために別の構造を付加する必要があり、高密度化には適さない。
【００２３】
上記のように、サブミクロンの強磁性体／絶縁体／強磁性体の接合を有するＴＭＲ素子を作製するためにＥＢ描画プロセスを用いていたが、金属多層構造上へのＥＢ描画では近接効果が著しく形状制御した微細パターン形成か困難であるため、低保磁力特性のＴＭＲ素子を得ることが困難になるという問題があった。これは、本質的にリソグラフィプロセスでは解像度の限界近傍では、矩形形状を形成した場合にその角部の先鋭性が著しく失われるという、フォトリソグラフィにも共通する問題に起因している。
【００２４】
本発明の第１の目的は、新たに構造を付加することなく、上記のような高密度集積化可能な程度に微小な磁気メモリセルにおいて、安定な磁気的構造をもつセルを提供することにあリ、同時にセルに情報を書き込む際に必要なスイッチング磁場を低減することにある。さらに、磁気的に安定で、かつスイッチング磁場が十分低減された磁気メモリセルを構成し、そのような磁気メモリセルを用いたランダムアクセス可能な非破壊磁気メモリを提供することにある。
【００２５】
本発明の第２の目的は、本発明の磁気抵抗効果素子に好適な容易かつ生産性の良い製造方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成された絶縁体層と、この絶縁体層上に形成された第２の強磁性層を有し、前記絶縁体層をトンネルして前記第１の強磁性層と第２の強磁性層の間にトンネル電流が流れ，そのトンネル電流または前記第１および第２の強磁性層間に生じる電圧を検出する磁気抵抗効果素子であって，その平面形状は，長方形の形状を有する第１のパターンとこの第１のパターンの長手方向の両端部の片側側辺に接続する突起状の第２のパターンとを有し、前記第２のパターンは、前記第１のパターンの２つの長辺の一方の端部と、これと前記第１のパターンの中心点に関し点対称となる他方の長辺の端部にのみ設けられることにより、前記平面形状は、前記長手方向の両端部が中央部に対して幅広であることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成されたトンネル電流を流す第１の絶縁体層と、この第１の絶縁体層上に形成された第２の強磁性層と、この第２の強磁性層上に形成されたトンネル電流を流す第２の絶縁体層と、この第２の絶縁体層上に形成された第３の強磁性層とを有する磁気抵抗効果素子であって、その平面形状は，長方形の形状を有する第１のパターンとこの第１のパターンの長手方向の両端部の片側側辺に接続する突起状の第２のパターンとを有し、前記第２のパターンは、前記第１のパターンの２つの長辺の一方の端部と、これと前記第１のパターンの中心点に関し点対称となる他方の長辺の端部にのみ設けられることにより、前記平面形状は、前記長手方向の両端部が中央部に対して幅広であることを特徴とする。
【００２８】
即ち、本発明では、磁気メモリセルとして用いる強磁性層を含む磁気抵抗効果素子において、微小な強磁性体に特有の磁気的構造を利用し、別の構造を付与することなくその磁気的構造を制御することにより、スイッチング磁場の低減を図る。
【００２９】
このために、特有の磁気的構造、特にエッジドメインを制御し、スイッチング磁場を低減するために好適な素子形状を用いる。この素子形状は、従来技術とは異なり、例えば平行四辺形のようにエッジドメインの領域を縮小することではなく、むしろある大きさの領域を与える。また、端部にバイアス磁場をかけてエッジドメインを固定することなく、磁化反転の核として作用させる。
【００３０】
これを行なうために、素子端部の幅を中央部分に比較して広くとり、磁気ドメインのＳ型構造を安定化させ、その結果としてスイッチング磁場を低減する。さらに磁化容易軸について非対称かつ膜面垂直方向を軸としてほぼ回転対称な形状とすることで、スイッチング磁場の低減をより確実に行うことができる。この形状は、図１に示すようなものとなる。図中の直線は磁化容易軸，ｘ印は回転対称軸の位置を示している。
【００３１】
また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、少なくとも強磁性体／絶縁体／強磁性体の積層体を形成し、この積層体を横切る線状パターンのマスクを用いて前記積層体をエッチングし、このマスクエッチングを位置を変えて複数回実施し、前記積層体を方形に加工する工程を備え、その最初の線状パターンのマスクを形成するに際し、最終的に前記積層体が加工される方形の中心点に対して点対称となる両端部に対し、電子ビームによるスポット描画をさらに加えて、前記両端部に前記中央部より幅広のパターンを形成することを特徴とする。
【００３２】
本発明では、ＴＭＲ素子の接合部に関わる微細構造を、複数の交差した線状パターン形成の方法により作製する。これにより、主にリソグラフィの限界性能による前述の問題点を解決する。つまり、この交差した線状パターンによる接合部作製プロセスは、リソグラフィ的に微細描画性や制御性の高い線状パターンによるパターン形成を行っているために、微細な矩形形状でも角部の先鋭性が失われることが少なく、形状制御性の良いパターニングを行うことが出来る。その結果として、高集積化が可能なサブミクロンの微細構造を有する高性能なＴＭＲ素子を容易にかつ高い歩留まりで作製できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、本発明の基本的な構成について、計算機シミュレーションの結果の一例を用いて説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁性体膜の平面図である。第１の実施形態の磁性体膜はＳ字状の鉤型をしており、素子の中央部分と端部で幅が異なる。即ち、強磁性体膜は中央部分においては幅０．１μｍ、端部においては０．１５μｍ、長さは０．４μｍ、厚さは１．５ｎｍである。
【００３５】
図２の形状は，各頂点が９０度の角度をもつ多角形であるが、これに限定するものではなく、特に、各頂点は９０度に限定するものではない。また、各辺も直線である必要はなく、一般に曲線で構成されていてもよい。
【００３６】
また、素子サイズも上記に限定するものではないが、最大幅が１μｍ程度よリ小さいものが好ましく、長さも最大幅の１倍から１０倍が好ましい。強磁性体の厚さは１０ｎｍ以下がよく、５ｎｍ以下がより好ましい。特に、高集積化のためには、素子サイズは小さいことが好ましい。
【００３７】
強磁性層に用いる材料として、このシミュレーションではＣｏ9 Ｆｅを用いているが、磁性材料はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉやそれらの積層膜、合金等、通常用いられる磁性材料でよい。また、Ｃｕ，Ａｕ、Ｒｕ，Ａｌ等、金属非磁性材料からなる層を含む積層膜であってもよい。
【００３８】
この系のヒステリシスについて、シミュレーションの結果得られたものを図３に示す。図３から、保磁力Ｈｃは２４２エルステッド（Ｏｅ）と求められる。また、図３は、本発明の磁気抵抗効果素子においてはスイッチング磁場Ｈｓｗと保磁力Ｈｃの差がそれほど大きくないことを示している。即ち、磁化反転過程において、微小な磁気ドメインが複雑な形で発生していないことを意味している。
【００３９】
第１の実施形態における磁気ドメインのパターンの変化を図４に示す。図４では，左方向をプラスの向きとして，外部磁場Ｈを＋１０００エルステッドから−１０００エルステッドまで変化させたときの磁気ドメイン構造の変化の様子を示した。
【００４０】
外部磁場がＨ＝＋３００エルステッドのときに（ｂ）、端部の磁化方向が磁化容易軸から向きを変化させ始め、Ｈ＝０エルステッドのとき（ｃ）、Ｓ型の磁気ドメイン構造をとって安定化する。さらに、外部磁場が負の方向に大きくなると（ｄ）、端部の幅が広い部分で磁化方向が大きく回転していることがわかる。さらに外部磁場が負に大きくなると（ｆ）、完全に反転した磁気ドメイン構造となる。
【００４１】
磁化の反転時には、エッジドメインが拡大し、エッジドメインと中央部の磁気ドメインとの間にあるドメインウォールが素子中央方向に動いていくことで磁化が反転しておリ、外部磁場掃引時のすべての値に対して、複雑なドメイン構造は出現しない。従って、小さな磁場で反転が可能になるとともに、磁化を完全に反転させるために必要なスイッチング磁場も小さいものが実現できる。
【００４２】
なお、この系では飽和磁化に対する残留磁化の割合が０．８６となっている。これは、エッジドメインが存在しているためである。一般に、強磁性体の磁化方向にずれや乱れた部分があり、飽和磁化に対する残留磁化の割合が１より小さくなっているとき、その強磁性体を用いた強磁性トンネル接合では、ずれや乱れのない場合に比べて、トンネル磁気抵抗比（ＭＲ比）が減少する。しかし，この系では絶縁層を含め上下の強磁性層が同じ形状になっているため、上下の強磁性層はほぼ同様の磁気ドメイン構造を持っている。従って、飽和磁化に対する残留磁化の割合が１より小さくなっているにもかかわらず、磁化方向のトンネル磁気抵抗の減少は殆どない。
【００４３】
本発明が効果的であることを示すために、いくつかの形状について保磁力を比較したものを図５に示す。この図では、厚さ２．０ｎｍ、長さ０．４μｍ、中央の幅を０．１μｍとし，形状（ｆ）、（ｇ）における端部の幅は０．１５μｍとしてシミュレーションを行なった結果を示している。
【００４４】
図５において、例えば形状（ｂ）のような、長方形の相対する二つの頂点を切り落とした形状のものが保磁力が低いことは、上記の平行四辺形の場合と同じ理由による。しかし、最も保磁力が小さくなるのは、本発明の形状である図中の形状（ｇ）のものであることがわかる。
【００４５】
また、別の比較例の一つである平行四辺形の場合の磁気ドメイン構造を図６に示す。図からわかるように，この場合には，斜辺に沿ったわずかな領域においてのみ，磁化が磁化容易軸とは異なる方向に向き，エッジドメインを減少させるような形状となっている。
【００４６】
一方，本発明では，図２のように磁化が分布しており，エッジドメインの領域は拡張されている。上記図６の比較例の場合、保磁力は２４９エルステッドとなり、図２に示した本発明の場合は、これに比べて若干ではあるが小さくなっている。
【００４７】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の平面図である。第１の実施形態では、幅広の素子端部の幅は一定であったが、第２の実施形態では、素子端部の幅が幅広部内で変化している。この形状のため，幅広部分で磁化の方向が順次変化していることがわかる。
【００４８】
強磁性層に用いる材料として、このシミュレーションでも第１の実施形態と同様に、Ｃｏ9 Ｆｅを用いているが、磁性材料はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉやそれらの積層膜、合金等、通常用いられる磁性材料でよい。また、Ｃｕ，Ａｕ、Ｒｕ，Ａｌ等、金属非磁性材料からなる層を含む積層膜であってもよい。
【００４９】
第２の実施形態における磁化曲線は、図８に示されている。図８から、保磁力Ｈｃは１４８エルステッド（Ｏｅ）と非常に低くなり、さらに，飽和磁化に対する残留磁化の割合が０．９６と高く保たれていることがわかる。
【００５０】
（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、強磁性体の単層膜についてのみ述べたが，少なくとも２層の強磁性体とその間に介在する少なくとも１層の絶縁層あるいは非磁性金属層からなる積層膜を含む場合にも同様の結果が得られる。
【００５１】
図９（ａ）は、強磁性層１と強磁性層３が絶縁層２を介して積層された強磁性一重トンネル接合構造の断面図である。この積層構造に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保磁力の小さい磁気抵抗効果素子１０を得ることができる。
【００５２】
この場合、強磁性層１または３のいずれか一方の外側に反強磁性層付与した、いわゆるスピンバルブ型にしてもよい。図９（ｂ）は図９（ａ）の強磁性層１を強磁性層１−１と強磁性層１−２が非磁性層６を介して積層された三層構造としたものである。この三層構造は、強磁性層３の部分を置換してもよい。さらに、強磁性層、非磁性層が繰り返して積層された多層膜で置換することもできる。
【００５３】
図１０は、強磁性層１１と強磁性層１３が絶縁層１２を介して積層され、さらに強磁性層１３は強磁性層１５と絶縁層１４を介して接合された強磁性二重トンネル接合構造の断面図である。この積層構造に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保磁力の小さい磁気抵抗効果素子２０を得ることができる。この場合、強磁性層１１，１５の外側に反強磁性層を付与した、いわゆるスピンバルブ型にしてもよい。
【００５４】
図１１は、図１０の強磁性層１１を、強磁性層１１−１と強磁性層１１−２が非磁性層１６を介して積層された３層構造としたものである。この３層構造は、非磁性層１６を介して反強磁性結合記録層を形成するものである。この３層構造は、強磁性層１５の部分を置換してもよく、強磁性層１１、１５の少なくとも１層に適用することができる。
【００５５】
この積層構造に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保磁力の小さい磁気抵抗効果素子３０を得ることができる。
【００５６】
図１２は、図１０の強磁性層１３を、強磁性層１３−１と強磁性層１３−２が非磁性層１７を介して積層された３層構造としたものである。この積層構造に対しても、第１或いは第２の実施形態の平面形状を付与することにより、保磁力の小さい磁気抵抗効果素子４０を得ることができる。
【００５７】
なお、図１２の構成に対し、強磁性層１１，１５の少なくとも１層を強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造とすることもできる。また、図１１の構成に対し、さらに絶縁層、強磁性層を所望の回数積層してもよい。
【００５８】
図１３は、Ｃｏ9 Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ9 Ｆｅの３層構造に関して、平面形状を変えた場合の保磁力Ｈｃの値を比較したものであり、本発明の形状（ｄ）．（ｅ）が通常の長方形のものに比べ，保磁力が大きく低減できることがわかる。
【００５９】
第３の実施形態において、磁性材料、バリア層材料等は下記のように選択することができる。
本発明の強磁性層の元素，種類は、特に制限はなく、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉまたはそれら合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ2、ＲＸＭｎＯ3-y（Ｒ：希土類、Ｘ：Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）などの酸化物の他ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金、Ｚｎ−Ｍn−Ｏ、Ｔｉ−Ｍｎ−Ｏ、ＣｄＭｎＰ2 、ＺｎＭｎＰ2などの磁性半導体を用いることができる。
【００６０】
本発明の強磁性層の膜厚は超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。また、あまり厚いとスイッチング磁場が大きくなってしまうため、２．５ｎｍ以下で有ることが好ましい。また、これら磁性体にはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなどの非磁性元素が多少含まれていても強磁性を失わない限り良い。
【００６１】
反強磁性膜は、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ等が使用できる。
非磁性層としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ａｇなどを用いることができる。反強磁性結合として用いる場合（ピン層の場合）は、Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈが好ましく、強磁性結合として用いる場合（記録層の場合）は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇが好ましいが、膜厚等により調整も可能なので、これらに限られるものではない。
【００６２】
本発明の誘電体または、絶縁層としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＡｌＮ，ＡｌＯＮ、ＧａＯ、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3などの様々な誘電体を使用することができる。これらは、酸素、窒素欠損が存在していても構わない。
【００６３】
誘電体層の厚さはＴＭＲの接合面積に依存し、３ｎｍ以下であることが好ましい。基板は特に制限はなく、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ等各種基板上に作製できる。その上に、下地層，保護層として、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ等の単層膜や、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ等の積層膜を用いることが好ましい。
【００６４】
次に、上述の第１乃至第３の実施形態で述べた磁気抵抗効果素子を作製するための製造方法について述べる。一般にこのような素子形成は、膜形成後にレジストを塗布し、光・電子ビーム・Ｘ線のいずれかを用いてパターンを形成し、現像してレジストパターンを形成、これをマスクとしてイオンミリングまたはエッチングを行ない、パターンを形成した後、レジストを剥離するというプロセスを経て行なわれる。
【００６５】
比較的大きなサイズ、例えばミクロンオーダーの磁気抵抗効果素子を作製する場合には、ＴＭＲ膜をスパッタ後に酸化シリコン、窒化シリコン等のハードマスクを作製し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、例えば図２や図７に示されるような本発明における磁気抵抗効果素子のパターンを形成する。この試料をイオンミリングすることで磁気抵抗効果素子が作製できる。
【００６６】
より小さい磁気抵抗効果素子、例えば、２〜３μｍ程度から０．１μｍ程度のサブミクロンサイズの素子作製においては、光リソグラフィーを用いることができる。この場合は、あらかじめ本発明における磁気抵抗効果素子の形状パターンを持つハードマスクを作製しておき、パターン形成することで作製できる。
【００６７】
さらに小さなサイズ、例えば０．５μｍ程度以下の素子作製については、電子ビーム露光を用いることができる。しかし、この場合には素子自体が小さいため、本発明におけるエッジドメイン領域を広げるための形状部分はさらに小さくなり、作製が大変困難になる。
【００６８】
上記のような小さなサイズの素子を作製するために、電子ビームの近接効果補正を利用することもできる。通常、近接効果補正は、電子ビームの基板からの後方散乱により生じる図形内近接効果を補正し、正しいパターンを形成するために用いられるものである。例えば、長方形のパターンを形成する場合、頂点付近では蓄積電荷量が不足し、長方形の頂点が丸くなるという現象がみられる。頂点をはっきりさせるために、頂点付近、特に０．５μｍ程度以下の素子の場合には、図形の外側に補正点ビームを打ち込んで蓄積電荷量を増やすことで、正常なパターンを得ることができる。この方法を応用して素子端部の幅が広がった本発明の形状を形成することができる。
【００６９】
例えば、第１あるいは第２の実施形態の図２あるいは図７の形状を形成する場合、長方形を基本パターンとし、相対する２頂点付近にそれぞれ補正点ビームを打ち込むことで端部の幅の広い形状が形成可能となる。
【００７０】
この時、通常の近接効果補正の場合に比べて打ち込む電荷量を多くするか、または補正点ビームの打ち込み位置を適当に調節するか、またはその両方を用いて、頂点を回復する以上に形状を補正することができる。そのようにすることにより、本発明の形状を形成することが可能となる。さらに，例えば図２の素子形状を形成するために、複数点の補正点ビームを照射することも可能である。
【００７１】
上記のように、長方形の端部が幅広の本発明の形状を実現するためには、まずサブミクロンの微細な長方形形状を実現する必要がある。従来技術では、このような形状を実現しようとすると角部が丸くなってしまう問題があった。第４乃至第６の実施形態では、このような問題を解決する実施形態について説明する。
【００７２】
（第４の実施形態）
図１４は、本発明の製造方法の主旨を模式図で示したものである。前述のように、通常のリソグラフィで矩形形状を形成した場合、フォトリソグラフィでは約０．５μｍ以下、ＥＢリソグラフィでも約０．２μｍ以下になると、矩形形状の角の先鋭化が著しく失われてしまう。この問題に対する対策として、フォトリソグラフィでは光の反射に対する近接効果補正、ＥＢリソグラフィでは電子の後方散乱に対する近接効果補正が検討されているが、補正の操作に時間がかかるという問題があり、また０．１μｍサイズでは十分な効果を上げられない。
【００７３】
それに対し、リソグラフィにおける線状パターンの幅制御性は非常に良く、フォトリソグラフィでも０．２μｍ以下の幅、ＥＢリソグラフィならば０．１μｍ以下の幅を正確に規定することが出来る。この事実を応用すると、図１４に示すように、目的の矩形パターン５１（斜線部）を形成するために、まず第１の線状パターン５２をリソグラフィで形成してマスク層としてそれ以外の領域をドライエッチングで除去する。その後、第２の線状パターン５３を第１の線状パターンと直交するようにリソグラフィで形成してマスクとし残った矩形外の領域をドライエッチング除去する。これにより、矩形パターンの角部５４として非常に先鋭なパターンを形成することが出来る。
【００７４】
図１４の方法を基本として、以下の実施形態に述べるように、種々な形に変形して適用することが出来る。
【００７５】
まず第４の実施形態として、線状パターン形成とドライエッチングを２回繰り返すことによりＴＭＲ素子の接合部形状を角部の先鋭性を保ったまま形成した方法について説明する。
【００７６】
図１５乃至図２６は上記のような角部の先鋭性が保たれたＴＭＲ素子の作製プロセスを説明するものであり、各工程毎に右側（ｂ）に上面図と左側（ａ）に接合部の中心付近の（上面図中のＡ−Ａ’線に沿った）断面図を示す。
【００７７】
まず、図１５に示すように、Ｓｉからなる基板６１上全面にＴａの下部配線層６２、磁性金属の多層膜を含む強磁性体／絶縁体／強磁性体構造からなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）層６３、Ｔａのコンタクト層６４を連続的に堆積する。上面図には、後にＴＭＲ素子（接合部）６５となる領域を破線で示している。
【００７８】
次に図１６に示すようにフォトリソグラフィにより下部配線のパターンを形成した後、レジスト（不図示）をマスクとしてＣｌ2 とＡｒの混合ガスによる反応性ドライエッチングを用いて下部配線パターンを基板面までエッチングする。
【００７９】
次に図１７に示すように、ドライエッチングしたパターン全体をＳｉＯx の絶縁層６６で埋め込み、ＣＭＰまたはエッチバックのプロセスによりＴａのコンタクト層が露出するまで平坦化を行う。
【００８０】
次に図１８に示すように、接合部を形成するための第１の線状パターンを目的とする接合部の長さよりも長い範囲にわたるようにレジスト６７によって形成する。このとき、第１の線状パターンの幅はこのＴＭＲ素子の最小寸法となるが、０．１μｍ程度までならばフォトリソグラフィにより容易に制御性良く形成することが出来、またそれ以下の場合はＥＢリソグラフィで形成すればよい。
【００８１】
次に図１９に示すように、レジスト６７の線状パターンをＴａのコンタクト層６４に転写し、その後レジスト６７を剥離する。この時、Ｆ系の反応ガスとして例えばＳＦ6 を用いて反応性のドライエッチングを行うと、レジスト６７による線状パターンを正確にＴａのコンタクト層６４およびＳｉＯx絶縁層６６に転写することが出来る。また、ＭＴＪ層６３の磁性金属はＦ系ガスのドライエッチングに対して耐性があるため、Ｔａのコンタクト層６４だけを線状パターンに形成できる。
【００８２】
次に図２０に示すように、Ｔａのコンタクト層６４をマスクとして下地のＭＴＪ層６３をイオンミリングする。ここで、Ｔａはイオンミリングに対してはハードマスクとして十分な耐性を持つため、ビームエネルギー４００ｅＶのＡｒイオンミリングをＴａの下部配線層６２が露出するまで行った場合にもマスクの後退や膜厚の減少は少なく、Ｔａの線状パターン６４を良好にＭＴＪ層６３に転写することが出来る。
【００８３】
上記のＭＴＪ層６３のエッチングには、イオンミリングに代えて、Ｃｌ2 とＡｒの混合ガスによる反応性ドライエッチングを用いてもよい。この場合、マスク層としては、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ），ＡｌＯx 、ＳｉＯ2 や多層レジストマスク等のＣｌ系エッチング耐性に優れたものを用いる。同時にエッチングする絶縁膜６６（６６´）にはＴＥＯＳ等のややＣｌ系エッチング耐性を弱めたものを用いることが好ましい。また、この場合はコンタクト層６４上にマスク層を予め形成しておく必要がある。
【００８４】
次に図２１に示すように、再びＳｉＯＸの絶縁層６６´で埋め込み、平坦化を行ってＴａのコンタクト層６４を露出させる。続いて図２２に示すように、接合部の残った他の２辺を規定し、かつ接合部に対して十分に長い第２の線状パターンを有するレジスト６８を、フォトリソグラフィによって形成する。
【００８５】
次に図２３に示すように、レジスト６８による第２の線状パターンをＦ系の反応性ガスを用いてドライエッチングにより、下地のＴａのコンタクト層６４に転写する。
【００８６】
次に図２４に示すように、Ｔａのコンタクト層６４に形成された第２の線状パターンをハードマスクとして用いて、イオンミリングによりＴａの下部配線層６２に達するまでＭＴＪ層６３をエッチングする。この工程迄で、ＭＴＪ層６３は最終的なＴＭＲ素子６５の形状に加工され、その接合部の矩形形状は、角部の先鋭性を保ったまま形成される。
【００８７】
第４の実施形態では、接合部の形状として矩形の場合を示しているが、第２の線状パターンを第１の線状パターンに直交させるのではなく、傾けて形成することも可能であり、その場合にはやはり低保磁力特性をもつ平行四辺形の接合部を形成することができる。
【００８８】
次に図２５に示すように、再度全体をＳｉＯx 絶縁膜で埋め込み、平坦化して、Ｔａのコンタクト層６４を露出させる。最後に図２６に示すように、Ｔｉ／ＴｉＮ／ＡｌＣｕ／Ｔｉからなる上部配線層６９を全面に堆積した後、フォトリソグラフィとドライエッチングによりパターニングを行うことにより、角部が直角に形成された長方形のＴＭＲ素子６３が完成する。
【００８９】
また、前述したような接合部６３を形成した後に上部配線層６９を形成するプロセスの他にも、図２１の後の工程として、先に上部配線層を全面に堆積した後、第２の線状パターンを形成し、その後に上部配線ごと接合部を線状にパ夕一ニングするプロセスも可能である。その場合は上部配線形成のためのリソグラフィプロセスが不要になるという利点がある。
【００９０】
さらにまた、上部配線を第２の線状バ夕一ン形成と同時に行う場合には、ＭＲＡＭに好適な矩形形状として第２の線状パターン幅は幅広いものを形成することが出来るため、ＴＭＲ素子の接合部に電流磁界を印加する主要な配線として働く上部配線の幅を、より高磁場印加が可能な幅広い状態で形成することも可能である。
【００９１】
（第５の実施形態）
次に第５の実施形態として、線状パターン形成とドライエッチングを２回繰り返すことにより、ＴＭＲ素子の接合部形状を角部の先鋭性を保ったままエッチングするためのハードマスクを形成する方法について説明する。
【００９２】
図２７乃至図３８は、角部が直角の微細なＴＭＲ素子の作製プロセスを説明するものであり、各工程毎に右側に上面図（ｂ）と左側に接合部の中心付近の（上面図のＡ−Ａ’線に沿った）断面図を示す。図２７から図２９までの工程は、図１５から図１７までの工程と全く同様とすることができるため、ここでは重複する説明を省略する。但し、７１はＳｉ基板６１、７２はＴａの下部配線層、７３は磁性金属の多層膜を含む強磁性体／絶縁体／強磁性体構造からなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）層、７４はＴａのコンタクト層、７５は後にＴＭＲ素子（接合部）となる領域である。
【００９３】
図２９の工程に引き続き、図３０に示すように、平坦化した表面全体に接合部を規定するためのドライエッチングマスクとなるＣｒのマスク層７７を堆積する。
【００９４】
次に図３１に示すように、第１の線状パターンを有するレジスト７８をフォトリソグラフィにより形成する。次に図３２に示すように、レジスト７８による第１の線状パターンをＣｌ2 とＯ2 の混合ガスによるドライエッチングを用いて下地のＣｒマスク層に転写する。この時、Ｃｒのマスク層が薄いことにより、Ｃｒマスク層のドライエッチングを行っても下地のＴａ７４、およびＳｉＯx 絶縁膜７６の平坦性には殆ど影響を与えない。
【００９５】
次に図３３に示すように、第２の線状パターンを有するレジスト７９を第１の線状パターン（７８）と直交するようにフォトリソグラフィにより形成する。
【００９６】
次に図３４に示すように、レジスト７９の第２の線状パターンをやはりＣｌ2 とＯ2 の混合ガスによるドライエッチングを用いて下地のＣｒマスク層７７に転写する。こうして２回の線状パターン形成とドライエッチングの工程により、Ｃｒマスク層７７は最終的な接合部７５の形状として角部の先鋭性が保たれたままパターニングされる。
【００９７】
ここで、以下に述べるようにこのＣｒマスク層７７と下地のＴａコンタクト層７４のドライエッチング選択比が大きいことにより、Ｃｒマスク層７７の膜厚は約２０ｎｍと薄く形成することが出来るため、図３２の第１の線状パターンの転写後は、特に埋め込みと平坦化の工程を経ることなく、図３３あるいは図３４といった第２の線状パターンの形成と転写を、接合部の形状を損なうこと無しに行うことが出来る。
【００９８】
次に図３５に示すように、良好な矩形パターンとして形成されたＣｒマスク層７７を用いて、ＳＦ6 のドライエッチングによりＴａのコンタクト層７４をエッチングする。
【００９９】
次に図３６に示すように、良好な矩形パターンとして形成されたＴａコンタクト層７４をマスクとして用いて、ＡｒイオンミリングによりＭＴＪ層７３を下地のＴａの下部配線層７２が露出するまでエッチングする。
【０１００】
ＭＴＪ層７３のエッチングには、第４の実施形態と同様に、Ａｒイオンミリングに代えて、Ｃｌ2 とＡｒの混合ガスによる反応性ドライエッチングを用いてもよい。
【０１０１】
その後は第４の実施形態と同様に、図３７に示すように全体をＳｉＯx絶縁層７６´で埋め込んで平坦化し、図３８に示すよう上部配線８０を形成してＴＭＲ素子（接合部）７５の形成プロセスは完了する。
【０１０２】
ここで、接合部を規定するためのマスク層としては、ＤＬＣやポリイミド等の非感光性有機材料を用いることも出来る。これらの材料をマスク層をして用いた場合には、そのパターニングにはＯ2を反応性ガスとしたドライエッチングを用いることが出来るため、下地の金属コンタクト層との選択比を非常に大きくとることが出来るため、マスク層のパターニングの際に、下地の平坦性が損なわれる心配が殆ど無い。但し、その場合は最初に線状パターンを規定するフォトリソグラフィにおいて、シリル化プロセスといったレジスト表面の耐Ｏ2プラズマ処理、もしくは多層レジストプロセスが必要である。また、ＤＬＣや非感光性有機材料は非晶質であるために、０．１μｍオーダーの微小パターンを形成した場合にも、非常に平滑な側壁形状が得られるといった特長を持つ。
【０１０３】
第５の実施形態においても、角部が直角に形成された長方形のＴＭＲ素子を得ることができる。
【０１０４】
（第６の実施形態）
次に第６の実施形態として、線状パターン形成とドライエッチングを３回繰り返すことにより、ＴＭＲ素子の接合部形状をより低保磁力特性が得られるように形成する方法について説明する。
【０１０５】
図５の接合部形状と保磁力の関係のグラフから分かるように、（ａ）の角部が十分先鋭化している矩形パターンの他にも、（ｂ）の矩形の対角する２つの角を落としたような図形も、比較的低保磁力特性が得られると考えられる。
【０１０６】
図５の（ｂ）のような接合部形状は、図３９に示すように、線状パターン８２、８３，８４の形成とドライエッチングを３回繰り返すことにより、斜線部で示した接合部８１として、正確に得ることが出来る。さらにまた、このような線状パターン形成とエッチングを複数回繰り返すことにより、非常に精度良く、こういった凸多角形の接合形状を得ることも可能である。
【０１０７】
このような、複数回の線状パターン形成とドライエッチングというプロセスは第４の実施形態のような接合部まで線状パターンでエッチングしてしまう方法と第５の実施形態のようなマスク層だけを線状パターンでエッチングする方法の両方、もしくはその併用の方法に適用できることは明らかである。
【０１０８】
さらにまた、上記の多重線状パターン形成の手法を、ＭＲＡＭにおいて格子状に配列される複数のＴＭＲ素子の形成に用いる場合には、リソグラフィ工程を効率化させることができる。
【０１０９】
（第７の実施形態）
第７の実施形態として、本発明の第２の実施形態（図７）のＴＭＲ素子の製造方法を説明する。図４０に示すように、第１の線状パターン９２をフォトリソグラフィで形成する際に、同時にＥＢ描画のスポット描画により、矩形となる端部で点対象となる２点の位置に半円形状のパターン９３を追加する。この時、レジストとしてＳＡＬ６０１等といった電子線および遠紫外光に感度を有する化学増感型レジストを用いれば、フォトリソグラフィとＥＢリソグラフィを重ねて行うミックスアンドマッチの手法を用いることができ、一部に半円状の突起を有する線状パターン、即ちＴＭＲ素子９１を形成することが出来る。
【０１１０】
ここで、一般にＥＢリソグラフィはプロセススループットが低いプロセスではあるものの、上記のようなスポット描画だけならば直径５０ｎｍのパターンを非常に高速に描画することが出来る。例えば、化学増感型のＳＡＬ６０１レジストを用いて１００ｐＡのビ一ム電流でスポット描画を行えば、メモリ容量１Ｇｂｉｔに対応する約１０９個のスポットをわずか数分で描画することが可能である。よって、フォトリソグラフィによる約０．１μｍ幅の線状パターン露光とＥＢリソグラフィによる直径約５０ｎｍのスポット露光を組み台わせることにより、ｌＧｂｉｔ相当のＭＲＡＭを生産性良く作製することが出来る。
【０１１１】
上記の強磁性トンネル接合は、磁気記録素子、磁気抵抗効果型磁気へッド、磁気再生装置等に適用することができる。以下、本発明の磁気抵抗効果素子の応用例の実施形態を説明する。
【０１１２】
（第８の実施形態）
第８の実施形態では、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気記録装置（ＭＲＡＭ）に適用した例を説明する。
【０１１３】
一般に、ＭＲＡＭにおいては、小さなダイサイズで大容量であることが要求される。従って、配線幅は勿論のこと、各セルの面積は必然的に小さくならざるを得ない。しかし、本発明の磁気抵抗効果素子を用いることによりスイッチング磁場が低減できるため。記憶ビットの書き込みの際に必要な書き込み電流が小さくて済み，消費電力を抑え，かつ高速なスイッチングが可能となる。従って，本発明の磁気素子は、ＭＲＡＭのセルに用いるのに好適である。
【０１１４】
図４1は個別の記録素子の構成を説明するための断面図、図４２はＭＲＡＭの摸式的な回路図である。
【０１１５】
ＭＲＡＭは、図４２に示すように、ローデコーダ１４０で制御される複数の読み出しワード線ＷＬ１（１２２）と、カラムデコーダ１５０で制御され、ワード線１２２と交差する複数のビット線ＢＬ（１３４）を備える。ワード線１２２とビット線１３４の各交点には、本発明の磁気抵抗効果素子（例えば第３の実施形態の１０、２０、３０、４０、或いは第７の実施形態の９１等）と、ワード線１２２によりその導通が制御されるスイッチ（導通制御素子）としてのＭＯＳＦＥＴ１２０を備える。また、読み出しワード線１２２と平行方向に、磁気抵抗素子１０に近接して延在する書き込みワード線ＷＬ２（１３１）を備える。
【０１１６】
各メモリ素子は図４１のように構成されている。半導体基板の表面にＭＯＳＦＥＴ１２０を形成する。１２３，１２４がソース・ドレイン領域であり、ゲート電極１２２が延在して形成され、ワード線ＷＬ１（１２２）となる。ソース・ドレイン領域の一方１２４に接続したコンタクト１３２を介して、下地配線１３３が形成されており、この下地配線１３３とビット線１３４の間に本発明の磁性抵抗効果素子１０を形成する。また、磁気抵抗効果素子１０に近接して書き込み用のワード線ＷＬ２（１３１）を形成する。
【０１１７】
なお、ＭＯＳトランジスタの代わりにダイオードを本発明の磁気抵抗効果素子と積層してＭＲＡＭを構成してもよい。即ち、ワード線上にダイオードと本発明の磁気抵抗効果素子からなるセルを積層して形成し、磁気抵抗効果素子上にビット線を配置して形成し、さらにこのセルを多数個アレイ状に配置することで、ＭＲＡＭが構成できる。このようなＭＲＡＭは、携帯電話等の形態端末のメモリ部に搭載できる。
【０１１８】
（第９の実施形態）
第９の実施形態は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドに応用した例を説明する。
【０１１９】
図４３は、第３の実施形態の磁気抵抗効果素子１０（２０、３０、４０、９１であってもよい）を搭載した磁気ヘッドアセンブリの斜視図である。アクチュエータアーム３０１は、磁気ディスク装置内の固定軸に固定されるための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部等を有する。アクチュエータアーム３０１の一端にはサスペンション３０２が固定されている。サスペンション３０２の先端には信号の書き込み、および読み取り用のリード線３０４が配線され、このリード線３０４の一端はヘッドスライダ３０３に組み込まれた磁気抵抗効果素子１０の各電極に接続され、リード線３０４の他端は電極パッド３０５に接続されている。
【０１２０】
図４４は、図４３に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気ディスク装置（磁気再生装置）の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク３１１はスピンドル３１２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより回転する。
【０１２１】
アクチュエータアーム３０１は固定軸３１３に固定され、サスペンション３０２およびその先端のヘッドスライダ３０３を支持している。磁気ディスク３１１が回転すると、ヘッドスライダ３０３の媒体対向面は磁気ディスク３１１の表面から所定量浮上した状態で保持され、情報の記録再生を行う。
【０１２２】
アクチュエータアーム３０１の基端にはリニアモータの一種であるボイスコイルモータ３１４が設けられている。ボイスコイルモータ３１４はアクチュエータアーム３０１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成されている。
【０１２３】
アクチュエータアーム３０１は、固定軸３１３の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって支持され、ボイスコイルモータ３１４により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１２４】
上記のように本発明の磁気抵抗効果素子を使用した磁気ヘッドあるいは磁気再生装置は、従来の磁気抵抗効果素子より高速で安定した動作と大容量化が可能になる。
【０１２５】
【発明の効果】
本発明の磁気抵抗効果素子においては、保磁力が小さく、またスイッチング磁場が小さい。この素子を磁気メモリのメモリセルとして用いた場合、磁化反転に必要な磁場を生成するための書き込み配線電流を小さくすることができる。従って、本発明の磁気素子をメモリセルとした磁気メモリでは高集積化が可能であり、かつ、消費電力を低減するともに、スイッチング速度を高速化することが可能となる。
【０１２６】
また、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、上記の素子を容易なプロセスで、歩留まり良く製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における磁気抵抗効果素子の概略平面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子で、磁化の方向を示した平面図。
【図３】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化ヒステリシス図。
【図４】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化反転過程を示した図。
【図５】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ｇ）の保磁力を他のさまざまの形状を持つ素子（（ａ）〜（ｆ））の保磁力と比較した図。
【図６】本発明に対する比較例のひとつの形状と磁化の方向を示した図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の形状と磁化の方向を示した平面図。
【図８】第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化ヒステリシス図。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１０】第３の実施形態に係る他の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１１】第３の実施形態に係る更に他の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１２】第３の実施形態に係る更に他の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図１３】第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ｅ）の保磁力を他のさまざまの形状を持つ素子（（ａ）〜（ｄ））の保磁力と比較した図。
【図１４】本発明の磁気抵抗効果素子の形成法の概念を説明する模式的な平面図。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の作製プロセスを説明するための素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１６】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１７】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１８】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図１９】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２０】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２１】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２２】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２３】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２４】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２５】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２６】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２７】本発明の第５の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の作製プロセスを説明するための素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２８】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図２９】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３０】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３１】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３２】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３３】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３４】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３５】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３６】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３７】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３８】前図に続く工程を説明する素子の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。
【図３９】本発明の第６の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する模式的な平面図。
【図４０】本発明の第７の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する模式的な平面図。
【図４１】本発明の第８の実施形態に係るＭＲＡＭの１セルの構成を示す摸式的な断面図。
【図４２】第８の実施形態のＭＲＡＭの回路図。
【図４３】本発明の第９の実施形態に係る磁気ヘッドの摸式的な斜視図。
【図４４】第９の実施形態に係る磁気ヘッドを使用した磁気再生装置の摸式的な斜視図。
【図４５】微小な磁性体において現われる一般的な磁気的構造を示した図。
【図４６】従来の磁気抵抗効果素子の作製プロセスを断面図と平面図の対で段階的に示す図。
【符号の説明】
１、３，５、１１，１３，１５、１１−１，１１−２…強磁性層
２，１２，１４…バリア層
１６，１７…非磁性層
１０，２０，３０，４０…磁気抵抗効果素子
６１、７１…Ｓｉ基板
６２、７２…下部配線線層
６３、７３…ＭＴＪ層
６４、７４…コンタクト層
６５、７５…接合部（ＴＭＲ素子）
６６、６６´、７６，７６´…絶縁層
６７、６８、７７、７８…フォトレジスト（マスク層）
６９、８０…上部配線層
８１、９１…接合部（ＴＭＲ素子）
８２、９２…第１の線状パターン
８３、９４…第２の線状パターン
８４…第３の線状パターン
９３…ＥＢ描画パターン
Claims (9)
- 第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成された絶縁体層と、この絶縁体層上に形成された第２の強磁性層を有し、前記絶縁体層をトンネルして前記第１の強磁性層と第２の強磁性層の間にトンネル電流が流れ，そのトンネル電流または前記第１および第２の強磁性層間に生じる電圧を検出する磁気抵抗効果素子であって，その平面形状は，長方形の形状を有する第１のパターンとこの第１のパターンの長手方向の両端部の片側側辺に接続する突起状の第２のパターンとを有し、前記第２のパターンは、前記第１のパターンの２つの長辺の一方の端部と、これと前記第１のパターンの中心点に関し点対称となる他方の長辺の端部にのみ設けられることにより、前記平面形状は、前記長手方向の両端部が中央部に対して幅広であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 前記第１および第２の強磁性層の少なくとも一方が、第３の強磁性層と、この第３の強磁性層上に形成された非磁性層と、この非磁性層上に形成された第４の強磁性層を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
- 第１の強磁性層と、この第１の強磁性層上に形成されたトンネル電流を流す第１の絶縁体層と、この第１の絶縁体層上に形成された第２の強磁性層と、この第２の強磁性層上に形成されたトンネル電流を流す第２の絶縁体層と、この第２の絶縁体層上に形成された第３の強磁性層とを有する磁気抵抗効果素子であって、その平面形状は、長方形の形状を有する第１のパターンとこの第１のパターンの長手方向の両端部の片側側辺に接続する突起状の第２のパターンとを有し、前記第２のパターンは、前記第１のパターンの２つの長辺の一方の端部と、これと前記第１のパターンの中心点に関し点対称となる他方の長辺の端部にのみ設けられることにより、前記平面形状は、前記長手方向の両端部が中央部に対して幅広であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 前記第１、第２、第３の強磁性層の少なくとも１層が、第４の強磁性層と、この第４の強磁性層上に形成された非磁性層と、この非磁性層上に形成された第５の強磁性層を含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
- 複数のワード線と、この複数のワード線に交差する複数のビット線と、前記複数のワード線と複数のビット線の各交点において、前記ビット線とワード線の間に接続された請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
- 請求項５に記載の磁気ランダムアクセスメモリを搭載したことを特徴とする携帯端末装置。
- 磁気検知部に請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えることを特徴とする磁気ヘッド。
- 磁気検知部に請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドを搭載することを特徴とする磁気再生装置。
- 少なくとも強磁性体／絶縁体／強磁性体の積層体を形成し、この積層体を横切る線状パターンのマスクを用いて前記積層体をエッチングし、このマスクエッチングを位置を変えて複数回実施し、前記積層体を方形に加工する工程を備え、その最初の線状パターンのマスクを形成するに際し、最終的に前記積層体が加工される方形の中心点に対して点対称となる両端部に対し、電子ビームによるスポット描画をさらに加えて、前記両端部に前記中央部より幅広のパターンを形成することを特徴とする請求項１あるいは３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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