TiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子
【課題】TiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子を提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子において、磁気抵抗構造体21上にキャッピング層26としてTiNを使用した磁気抵抗素子及びその製造法である。これにより、さらに簡単な製造工程で形成でき、安定性及び信頼性が向上した磁気抵抗素子を提供可能である。
【解決手段】磁気抵抗素子において、磁気抵抗構造体21上にキャッピング層26としてTiNを使用した磁気抵抗素子及びその製造法である。これにより、さらに簡単な製造工程で形成でき、安定性及び信頼性が向上した磁気抵抗素子を提供可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気抵抗素子に係り、さらに詳細には、TiNを磁気抵抗構造体のキャッピング層として使用して製造工程を簡単にし、素子自体の安定性及び信頼性を向上させた磁気抵抗素子及びその製造法に関する。
【背景技術】
【0002】
高真空の超薄膜蒸着技術及び表面処理技術の急速な発達により、スピン間の交換相互作用距離である数nm厚さで磁性薄膜を精密に成長させ、素子を製作することが可能になった。バルク状の磁性物質では観察できなかったさまざまな現象が薄膜構造で発見され、それらを家電製品及び産業部品などに応用する段階に至っている。かかる磁性薄膜を利用する分野の例を挙げれば、超高密度の情報記録装置に情報を記録する磁気記録用ヘッド、磁気メモリ(MRAM:Magnetic Random AcessMemory)などが代表的である。
【0003】
磁気抵抗素子は、磁気エネルギーにより抵抗が変わる原理を利用した素子である。磁気抵抗ヘッドは、情報が保存されているハードディスクドライバ(HDD:Hard Disk Driver)のような情報記録媒体の情報を感知する装置であり、最近巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magneto Resistance)ヘッドまたはトンネリング磁気抵抗(TMR:Tunneling Magneto Resistance)ヘッドなどが広く使われている。また、メモリ分野でも、MRAMに広く使われている。
【0004】
GMRは、電子が磁性層を通過するとき、二層の磁性層の磁化配列によって抵抗値が変化することを応用し、これはスピン依存散乱でもって説明可能である。また、TMR現象は、二層の磁性層間に絶縁体(トンネルバリア)が存在する構造で、強磁性体の相対的な磁化方向によってトンネリング電流が変わる現象を意味する。
【0005】
かかる磁気抵抗素子は、基本的に磁気抵抗構造体を含んでおり、これを簡略に説明すれば、次の通りである。TMR素子の代表的な構造を簡単に説明すれば、次の通りである。基板上に下地層が形成され、前記下地層上に磁気抵抗構造体とキャッピング層とが順次に形成されている。磁気抵抗構造体は、反強磁性層、第1強磁性層、トンネル障壁層及び第2強磁性層が順次に積層された構造を有し、また、反対に第1強磁性層、トンネル障壁層、第2強磁性層及び反強磁性層が順次に形成された構造を有する。かかる磁気抵抗素子は、強磁性体の相対的な磁化方向により、トンネリング電流が変わる現象である磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction)原理を利用したものである。反強磁性層は、普通IrMnから形成され、第1強磁性層及び第2強磁性層は、NiFeまたはCoFeから形成される。そして、トンネル障壁層は、Al酸化層から形成される。
【0006】
図1Aないし図1Hを参照し、従来技術による磁気抵抗素子の製造工程について詳細に説明する。
【0007】
図1Aを参照すれば、基板のような下部構造体10上に磁気抵抗構造体11、キャッピング層12及びハードマスク13を順次に形成する。ここで、磁気抵抗構造体11は、前述のように、反強磁性層、第1強磁性層、トンネル障壁層及び第2強磁性層が順次に積層された構造を有する。普通、反強磁性層の上面の第1強磁性層を固定層とし、トンネル障壁層上の第2強磁性層を自由層とする。前記磁気抵抗構造体11上にキャッピング層12を形成するが、一般的にTaを使用して形成する。そして、磁気抵抗素子の所望の幅に形成するために、SiO2のような物質でハードマスク13とフォトレジスト14とを形成し、エッチングしてパターニングを実施する。
【0008】
図1Bを参照すれば、フォトレジスト14に対応するハードマスク13の領域が残留する。そして、図1Cを参照すれば、ハードマスク13上でドライエッチング工程を実施し、ハードマスク13が残留していないキャッピング層12及び磁気抵抗構造体11の一部上がエッチングされる。普通、磁気抵抗構造体のトンネル障壁層までエッチングするが、それは選択的である。
【0009】
図1Dを参照すれば、絶縁層15を塗布する。そして、図1Eに表したように、さらにフォトレジスト16を塗布し、磁気抵抗構造体11に該当する部位をパターニングして開口する。図1Fを参照すれば、磁気抵抗構造体11の第2強磁性層を露出させるために、フォトレジスト16、ハードマスク13及びキャッピング層12を乾式エッチングで除去してホール17を形成する。
【0010】
図1Gを参照すれば、残留したフォトレジスト16を除去し、図1Hに表したように、伝導性物質を塗布してコンタクト層18を形成する。
【0011】
前述の図1Aないし図1Hに表した従来技術による磁気抵抗素子の製造工程は、それ自体で複雑であり、キャッピング層12としてTaを使用するが、その上部の電極酸化による素子の信頼性と安定性とに問題がある。また、その下部の第2強磁性層(自由層)との相互拡散現象により磁気抵抗素子自体の特性が悪くなるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するためのものであり、磁気抵抗素子自体の製造工程を簡単にし、素子の信頼性と安定性とを維持できる磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記目的を達成するために本発明では、磁気抵抗素子において、下部構造体上に形成された磁気抵抗構造体と、前記磁気抵抗構造体上に形成されたTiNキャッピング層とを備えることを特徴とするTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子を提供する。
【0014】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、反強磁性層と、前記反強磁性層により磁化方向が固定された第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層上に形成された第2強磁性層とを備えることを特徴とする。
【0015】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、磁場の印加により磁化方向が変更可能な第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成された非磁性のトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層上に形成されて磁化方向が固定された第2強磁性層と、前記第2強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層とを備えることを特徴とする。
【0016】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、反強磁性層と、前記反強磁性層により磁化方向が固定された第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層上に形成された第2強磁性層とを備えることを特徴とする。
【0017】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、磁場の印加により磁化方向が変更可能な第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成された非磁性のスペーサ層と、前記スペーサ層上に形成されて磁化方向が固定された第2強磁性層と、前記第2強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層とを備えることを特徴とする。
【0018】
また、本発明では磁気抵抗素子の製造法において、(a)下部構造体上に磁気抵抗構造体を形成する工程と、(b)前記磁気抵抗構造体上にキャッピング層としてTiNを蒸着させる工程と、(c)前記キャッピング層上にフォトレジストを塗布してパターニングし、一部上の前記キャッピング層を露出する工程と、(d)露出された部位の前記キャッピング層をエッチングし、その下部の磁気抵抗構造体をエッチングして多数の独立した磁気抵抗構造体を形成する工程とを含むTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法を提供する。
【0019】
本発明において、前記露出された前記キャッピング層の部位をエッチングする場合、Cl2/C2F6/Ar/O2の混合ガスを使用することを特徴とするTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法を提供する。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、磁気抵抗素子のキャッピング層をTiNから形成することにより、磁気抵抗素子の製造時にTiNキャッピング層をエッチングマスクとして使用することにより、別途のエッチングマスクを形成する必要がないので、その製造工程を単純化させることができる。また、従来、Taをキャッピング層として形成する場合での、キャッピング層とその下部の強磁性層との相互拡散を防止できるので、信頼性ある磁気抵抗素子を具現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明による望ましい実施形態を添付された図面を参照しつつ、本発明による磁気抵抗素子及びその製造法について詳細に説明する。
【0022】
図2は、本発明の一実施形態による磁気抵抗素子を概略的に表した図面である。図2を参照すれば、本発明の実施形態による磁気抵抗素子は、下部構造体20上に磁気抵抗構造体21及びTiNキャッピング層26が順次に形成された構造を有する。
【0023】
ここで、磁気抵抗構造体21は、反強磁性層22、第1強磁性層23、トンネル障壁層24、第2強磁性層25が順次に形成された構造を有する。もちろん、反強磁性層の位置を反対にし、キャッピング層26のすぐに下に形成することも可能である。その場合、第1強磁性層、トンネル障壁層、第2強磁性層及び反強磁性層が順次に形成された構造を有することとなる。
【0024】
かような磁気抵抗構造体21の各構成物質は、従来に使われる物質をそのまま利用できる。例えば、反強磁性層22は、IrMnのようなMn合金から形成可能であり、第1強磁性層23及び第2強磁性層25は、CoFeまたはNiFeのような物質から形成可能である。そして、トンネル障壁層24は、Al酸化層から形成可能である。その他、下部構造体20と磁気抵抗構造体21との間に下地層をさらに形成可能である。磁気抵抗構造体21は、前記磁気抵抗素子が具体的に磁気抵抗ヘッドである場合にはセンサ部になり、MRAMなどのメモリ素子である場合にはメモリ部になる。
【0025】
図2に関する説明では、主にTMR素子について記述したが、TiNキャッピング層は、GMR素子にも適用可能である。その場合、磁気抵抗構造体は、反強磁性層、第1強磁性層、非磁性のスペーサ層、第2強磁性層を備える構造になり、キャッピング層は、前記第2強磁性層の上部に形成可能である。ここで、反強磁性層は、前記キャッピング層の下部に形成可能であり、その場合の積層順序は、第1強磁性層、スペーサ層、第2強磁性層及び反強磁性層になる。
【0026】
本発明の実施形態による磁気抵抗素子は、キャッピング層としてTiNを使用したことを特徴とする。これにより、キャッピング層26と第2強磁性層25との間の相互拡散を防止でき、製造工程自体も非常に簡単になる。
【0027】
図3Aないし図3Dは、本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【0028】
図3Aを参照すれば、まず下部構造体20上に磁気抵抗構造体21を形成する。これを説明すれば、スパッタリングによって反強磁性層、第1強磁性層をまず順次に形成し、トンネル障壁層形成のためにAlなどを第1強磁性層上に塗布する。そして、酸化工程によりAlを酸化させてトンネル障壁層を形成する。トンネル障壁層上に第2強磁性層を塗布すれば、磁気抵抗構造体が完成する。下部構造体20は、普通、MRAMの場合に数多くのトランジスタ(図示せず)がアレイ構造に形成されているので、各トランジスタに対してそれぞれの磁気抵抗構造体を形成せねばならない。従って、TiNキャッピング層26上にフォトレジスト27を塗布し、これをフォトリソグラフィ工程でパターニングし、所定部位のTiNキャッピング層26を露出させる。
【0029】
次に、図3Bを参照すれば、露出されたTiNキャッピング層26をエッチングし、フォトレジスト27の対応する領域のTiNキャッピング層26領域を除いて除去する。フォトレジスト27を除去すれば、TiNキャッピング層26は、フォトレジスト27と対応する部位だけ残存するようになる。TiNキャッピング層26をエッチングする場合、Cl2/C2F6/Ar/O2の混合ガスなどを使用できる。図4では、Cl2/C2F6/Ar/O2の混合ガスを使用してTiNキャッピング層26を選択的エッチングし、フォトレジスト27を除去したところを表した写真を示す図である。図4に表したように、TiNキャッピング層26が非常にきれいにパターニングされていることが分かる。
【0030】
次に図3C及び図3Dを参照すれば、残留したTiNキャッピング層26をエッチングマスクとして使用し、磁気抵抗構造体21を順次にエッチングする。それにより、下部構造の各単位セルに該当する磁気抵抗構造体を分離する。
【0031】
その後の工程では、下部構造体20及び各磁気抵抗構造体上に絶縁物質を塗布して絶縁層を形成し、残存したTiNキャッピング層26の部位を開口して伝導性物質を塗布することにより、電極層を形成する。
【0032】
結果的に、従来技術のように、エッチングマスクの役割を果たすSiO2のようなハードマスクを別途に形成せずとも、キャッピング層をTiNで形成することにより、その工程自体を非常に簡素化させることができる。また、TiNは、その下部の第2強磁性層とのインターミキシングが発生しないので、素子自体の安定性を図ることができる。
【0033】
図5A及び図5Bは、従来技術と本発明による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。ここで、横軸は磁気抵抗素子、特に磁気抵抗構造体に印加された磁場値を表し、縦軸は、磁気抵抗比(Magnetoresistance Ratio)値を表した図面である。図5Aは、キャッピング層としてTaを使用したものを表している。
【0034】
図5Aを参照すれば、磁気抵抗素子の自由層の磁化方向が反転される場合、不規則的な変化が生まれ、磁化反転が安定的に起こらないということが分かる。それは、前述の従来技術に関する説明で記述したように、Taキャッピング層とその下部の自由層とのインターミキシング現象と酸素との酸化作用とにより、物性自体が望ましくないために起こる現象である。
【0035】
図5Bは、キャッピング層としてTiNを形成して製造した磁気抵抗素子に係り、これについて述べれば、約±50Oe間で磁化反転が起きて磁化反転位置が明確に表れるということが分かる。従って、キャッピング層をTiNから形成することにより、信頼性ある磁気抵抗素子の特性を表すということが分かる。
【0036】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明で指す磁気抵抗素子は、MRAM、磁気抵抗ヘッドなどのいずれか一つに限定されるものではなく、スピン弁型、トンネル磁気抵抗素子などいずれにも適用可能である。従って、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の「範囲に記載された技術的思想により定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【0037】
本発明のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子は、例えば情報記録媒体などに効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1A】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1B】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1C】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1D】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1E】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1F】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1G】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1H】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図2】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の構造を概略的に表した図面である。
【図3A】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図3B】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図3C】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図3D】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図4】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程時に、キャッピング層のTiNをパターニングしたイメージを表した写真を示す図である。
【図5A】従来技術による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。
【図5B】本発明による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。
【符号の説明】
【0039】
10,20 下部構造体、
11,21 磁気抵抗構造体、
12,26 キャッピング層、
13 ハードマスク、
14,16,27 フォトレジスト、
15 絶縁層、
17 ホール1、
18 コンタクト層、
22 反強磁性層、
23 第1強磁性層(固定層)、
24 トンネル障壁層、
25 第2強磁性層(自由層)。
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気抵抗素子に係り、さらに詳細には、TiNを磁気抵抗構造体のキャッピング層として使用して製造工程を簡単にし、素子自体の安定性及び信頼性を向上させた磁気抵抗素子及びその製造法に関する。
【背景技術】
【0002】
高真空の超薄膜蒸着技術及び表面処理技術の急速な発達により、スピン間の交換相互作用距離である数nm厚さで磁性薄膜を精密に成長させ、素子を製作することが可能になった。バルク状の磁性物質では観察できなかったさまざまな現象が薄膜構造で発見され、それらを家電製品及び産業部品などに応用する段階に至っている。かかる磁性薄膜を利用する分野の例を挙げれば、超高密度の情報記録装置に情報を記録する磁気記録用ヘッド、磁気メモリ(MRAM:Magnetic Random AcessMemory)などが代表的である。
【0003】
磁気抵抗素子は、磁気エネルギーにより抵抗が変わる原理を利用した素子である。磁気抵抗ヘッドは、情報が保存されているハードディスクドライバ(HDD:Hard Disk Driver)のような情報記録媒体の情報を感知する装置であり、最近巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magneto Resistance)ヘッドまたはトンネリング磁気抵抗(TMR:Tunneling Magneto Resistance)ヘッドなどが広く使われている。また、メモリ分野でも、MRAMに広く使われている。
【0004】
GMRは、電子が磁性層を通過するとき、二層の磁性層の磁化配列によって抵抗値が変化することを応用し、これはスピン依存散乱でもって説明可能である。また、TMR現象は、二層の磁性層間に絶縁体(トンネルバリア)が存在する構造で、強磁性体の相対的な磁化方向によってトンネリング電流が変わる現象を意味する。
【0005】
かかる磁気抵抗素子は、基本的に磁気抵抗構造体を含んでおり、これを簡略に説明すれば、次の通りである。TMR素子の代表的な構造を簡単に説明すれば、次の通りである。基板上に下地層が形成され、前記下地層上に磁気抵抗構造体とキャッピング層とが順次に形成されている。磁気抵抗構造体は、反強磁性層、第1強磁性層、トンネル障壁層及び第2強磁性層が順次に積層された構造を有し、また、反対に第1強磁性層、トンネル障壁層、第2強磁性層及び反強磁性層が順次に形成された構造を有する。かかる磁気抵抗素子は、強磁性体の相対的な磁化方向により、トンネリング電流が変わる現象である磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction)原理を利用したものである。反強磁性層は、普通IrMnから形成され、第1強磁性層及び第2強磁性層は、NiFeまたはCoFeから形成される。そして、トンネル障壁層は、Al酸化層から形成される。
【0006】
図1Aないし図1Hを参照し、従来技術による磁気抵抗素子の製造工程について詳細に説明する。
【0007】
図1Aを参照すれば、基板のような下部構造体10上に磁気抵抗構造体11、キャッピング層12及びハードマスク13を順次に形成する。ここで、磁気抵抗構造体11は、前述のように、反強磁性層、第1強磁性層、トンネル障壁層及び第2強磁性層が順次に積層された構造を有する。普通、反強磁性層の上面の第1強磁性層を固定層とし、トンネル障壁層上の第2強磁性層を自由層とする。前記磁気抵抗構造体11上にキャッピング層12を形成するが、一般的にTaを使用して形成する。そして、磁気抵抗素子の所望の幅に形成するために、SiO2のような物質でハードマスク13とフォトレジスト14とを形成し、エッチングしてパターニングを実施する。
【0008】
図1Bを参照すれば、フォトレジスト14に対応するハードマスク13の領域が残留する。そして、図1Cを参照すれば、ハードマスク13上でドライエッチング工程を実施し、ハードマスク13が残留していないキャッピング層12及び磁気抵抗構造体11の一部上がエッチングされる。普通、磁気抵抗構造体のトンネル障壁層までエッチングするが、それは選択的である。
【0009】
図1Dを参照すれば、絶縁層15を塗布する。そして、図1Eに表したように、さらにフォトレジスト16を塗布し、磁気抵抗構造体11に該当する部位をパターニングして開口する。図1Fを参照すれば、磁気抵抗構造体11の第2強磁性層を露出させるために、フォトレジスト16、ハードマスク13及びキャッピング層12を乾式エッチングで除去してホール17を形成する。
【0010】
図1Gを参照すれば、残留したフォトレジスト16を除去し、図1Hに表したように、伝導性物質を塗布してコンタクト層18を形成する。
【0011】
前述の図1Aないし図1Hに表した従来技術による磁気抵抗素子の製造工程は、それ自体で複雑であり、キャッピング層12としてTaを使用するが、その上部の電極酸化による素子の信頼性と安定性とに問題がある。また、その下部の第2強磁性層(自由層)との相互拡散現象により磁気抵抗素子自体の特性が悪くなるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するためのものであり、磁気抵抗素子自体の製造工程を簡単にし、素子の信頼性と安定性とを維持できる磁気抵抗素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記目的を達成するために本発明では、磁気抵抗素子において、下部構造体上に形成された磁気抵抗構造体と、前記磁気抵抗構造体上に形成されたTiNキャッピング層とを備えることを特徴とするTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子を提供する。
【0014】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、反強磁性層と、前記反強磁性層により磁化方向が固定された第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層上に形成された第2強磁性層とを備えることを特徴とする。
【0015】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、磁場の印加により磁化方向が変更可能な第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成された非磁性のトンネル障壁層と、前記トンネル障壁層上に形成されて磁化方向が固定された第2強磁性層と、前記第2強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層とを備えることを特徴とする。
【0016】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、反強磁性層と、前記反強磁性層により磁化方向が固定された第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層上に形成された第2強磁性層とを備えることを特徴とする。
【0017】
本発明において、前記磁気抵抗構造体は、磁場の印加により磁化方向が変更可能な第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成された非磁性のスペーサ層と、前記スペーサ層上に形成されて磁化方向が固定された第2強磁性層と、前記第2強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層とを備えることを特徴とする。
【0018】
また、本発明では磁気抵抗素子の製造法において、(a)下部構造体上に磁気抵抗構造体を形成する工程と、(b)前記磁気抵抗構造体上にキャッピング層としてTiNを蒸着させる工程と、(c)前記キャッピング層上にフォトレジストを塗布してパターニングし、一部上の前記キャッピング層を露出する工程と、(d)露出された部位の前記キャッピング層をエッチングし、その下部の磁気抵抗構造体をエッチングして多数の独立した磁気抵抗構造体を形成する工程とを含むTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法を提供する。
【0019】
本発明において、前記露出された前記キャッピング層の部位をエッチングする場合、Cl2/C2F6/Ar/O2の混合ガスを使用することを特徴とするTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法を提供する。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、磁気抵抗素子のキャッピング層をTiNから形成することにより、磁気抵抗素子の製造時にTiNキャッピング層をエッチングマスクとして使用することにより、別途のエッチングマスクを形成する必要がないので、その製造工程を単純化させることができる。また、従来、Taをキャッピング層として形成する場合での、キャッピング層とその下部の強磁性層との相互拡散を防止できるので、信頼性ある磁気抵抗素子を具現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明による望ましい実施形態を添付された図面を参照しつつ、本発明による磁気抵抗素子及びその製造法について詳細に説明する。
【0022】
図2は、本発明の一実施形態による磁気抵抗素子を概略的に表した図面である。図2を参照すれば、本発明の実施形態による磁気抵抗素子は、下部構造体20上に磁気抵抗構造体21及びTiNキャッピング層26が順次に形成された構造を有する。
【0023】
ここで、磁気抵抗構造体21は、反強磁性層22、第1強磁性層23、トンネル障壁層24、第2強磁性層25が順次に形成された構造を有する。もちろん、反強磁性層の位置を反対にし、キャッピング層26のすぐに下に形成することも可能である。その場合、第1強磁性層、トンネル障壁層、第2強磁性層及び反強磁性層が順次に形成された構造を有することとなる。
【0024】
かような磁気抵抗構造体21の各構成物質は、従来に使われる物質をそのまま利用できる。例えば、反強磁性層22は、IrMnのようなMn合金から形成可能であり、第1強磁性層23及び第2強磁性層25は、CoFeまたはNiFeのような物質から形成可能である。そして、トンネル障壁層24は、Al酸化層から形成可能である。その他、下部構造体20と磁気抵抗構造体21との間に下地層をさらに形成可能である。磁気抵抗構造体21は、前記磁気抵抗素子が具体的に磁気抵抗ヘッドである場合にはセンサ部になり、MRAMなどのメモリ素子である場合にはメモリ部になる。
【0025】
図2に関する説明では、主にTMR素子について記述したが、TiNキャッピング層は、GMR素子にも適用可能である。その場合、磁気抵抗構造体は、反強磁性層、第1強磁性層、非磁性のスペーサ層、第2強磁性層を備える構造になり、キャッピング層は、前記第2強磁性層の上部に形成可能である。ここで、反強磁性層は、前記キャッピング層の下部に形成可能であり、その場合の積層順序は、第1強磁性層、スペーサ層、第2強磁性層及び反強磁性層になる。
【0026】
本発明の実施形態による磁気抵抗素子は、キャッピング層としてTiNを使用したことを特徴とする。これにより、キャッピング層26と第2強磁性層25との間の相互拡散を防止でき、製造工程自体も非常に簡単になる。
【0027】
図3Aないし図3Dは、本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【0028】
図3Aを参照すれば、まず下部構造体20上に磁気抵抗構造体21を形成する。これを説明すれば、スパッタリングによって反強磁性層、第1強磁性層をまず順次に形成し、トンネル障壁層形成のためにAlなどを第1強磁性層上に塗布する。そして、酸化工程によりAlを酸化させてトンネル障壁層を形成する。トンネル障壁層上に第2強磁性層を塗布すれば、磁気抵抗構造体が完成する。下部構造体20は、普通、MRAMの場合に数多くのトランジスタ(図示せず)がアレイ構造に形成されているので、各トランジスタに対してそれぞれの磁気抵抗構造体を形成せねばならない。従って、TiNキャッピング層26上にフォトレジスト27を塗布し、これをフォトリソグラフィ工程でパターニングし、所定部位のTiNキャッピング層26を露出させる。
【0029】
次に、図3Bを参照すれば、露出されたTiNキャッピング層26をエッチングし、フォトレジスト27の対応する領域のTiNキャッピング層26領域を除いて除去する。フォトレジスト27を除去すれば、TiNキャッピング層26は、フォトレジスト27と対応する部位だけ残存するようになる。TiNキャッピング層26をエッチングする場合、Cl2/C2F6/Ar/O2の混合ガスなどを使用できる。図4では、Cl2/C2F6/Ar/O2の混合ガスを使用してTiNキャッピング層26を選択的エッチングし、フォトレジスト27を除去したところを表した写真を示す図である。図4に表したように、TiNキャッピング層26が非常にきれいにパターニングされていることが分かる。
【0030】
次に図3C及び図3Dを参照すれば、残留したTiNキャッピング層26をエッチングマスクとして使用し、磁気抵抗構造体21を順次にエッチングする。それにより、下部構造の各単位セルに該当する磁気抵抗構造体を分離する。
【0031】
その後の工程では、下部構造体20及び各磁気抵抗構造体上に絶縁物質を塗布して絶縁層を形成し、残存したTiNキャッピング層26の部位を開口して伝導性物質を塗布することにより、電極層を形成する。
【0032】
結果的に、従来技術のように、エッチングマスクの役割を果たすSiO2のようなハードマスクを別途に形成せずとも、キャッピング層をTiNで形成することにより、その工程自体を非常に簡素化させることができる。また、TiNは、その下部の第2強磁性層とのインターミキシングが発生しないので、素子自体の安定性を図ることができる。
【0033】
図5A及び図5Bは、従来技術と本発明による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。ここで、横軸は磁気抵抗素子、特に磁気抵抗構造体に印加された磁場値を表し、縦軸は、磁気抵抗比(Magnetoresistance Ratio)値を表した図面である。図5Aは、キャッピング層としてTaを使用したものを表している。
【0034】
図5Aを参照すれば、磁気抵抗素子の自由層の磁化方向が反転される場合、不規則的な変化が生まれ、磁化反転が安定的に起こらないということが分かる。それは、前述の従来技術に関する説明で記述したように、Taキャッピング層とその下部の自由層とのインターミキシング現象と酸素との酸化作用とにより、物性自体が望ましくないために起こる現象である。
【0035】
図5Bは、キャッピング層としてTiNを形成して製造した磁気抵抗素子に係り、これについて述べれば、約±50Oe間で磁化反転が起きて磁化反転位置が明確に表れるということが分かる。従って、キャッピング層をTiNから形成することにより、信頼性ある磁気抵抗素子の特性を表すということが分かる。
【0036】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明で指す磁気抵抗素子は、MRAM、磁気抵抗ヘッドなどのいずれか一つに限定されるものではなく、スピン弁型、トンネル磁気抵抗素子などいずれにも適用可能である。従って、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の「範囲に記載された技術的思想により定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【0037】
本発明のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子は、例えば情報記録媒体などに効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1A】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1B】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1C】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1D】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1E】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1F】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1G】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図1H】従来の磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図2】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の構造を概略的に表した図面である。
【図3A】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図3B】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図3C】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図3D】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程を表した図面である。
【図4】本発明の実施形態による磁気抵抗素子の製造工程時に、キャッピング層のTiNをパターニングしたイメージを表した写真を示す図である。
【図5A】従来技術による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。
【図5B】本発明による磁気抵抗素子の磁性特性を表したグラフである。
【符号の説明】
【0039】
10,20 下部構造体、
11,21 磁気抵抗構造体、
12,26 キャッピング層、
13 ハードマスク、
14,16,27 フォトレジスト、
15 絶縁層、
17 ホール1、
18 コンタクト層、
22 反強磁性層、
23 第1強磁性層(固定層)、
24 トンネル障壁層、
25 第2強磁性層(自由層)。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁気抵抗素子において、
下部構造体上に形成された磁気抵抗構造体と、
前記磁気抵抗構造体上に形成されたTiNキャッピング層と、
を備えることを特徴とするTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項2】
前記磁気抵抗構造体は、
反強磁性層と、
前記反強磁性層により磁化方向が固定された第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層上に形成された第2強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項3】
前記磁気抵抗構造体は、
磁場の印加により磁化方向が変更可能な第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成された非磁性のトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層上に形成されて磁化方向が固定された第2強磁性層と、
前記第2強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項4】
前記磁気抵抗構造体は、
反強磁性層と、
前記反強磁性層により磁化方向が固定された第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成された第2強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項5】
前記磁気抵抗構造体は、
磁場の印加により磁化方向が変更可能な第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成された非磁性のスペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成されて磁化方向が固定された第2強磁性層と、
前記第2強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項6】
磁気抵抗素子の製造方法において、
(a)下部構造体上に磁気抵抗構造体を形成する工程と、
(b)前記磁気抵抗構造体上にキャッピング層としてTiNを蒸着させる工程と、
(c)前記キャッピング層上にフォトレジストを塗布してパターニングし、一部上の前記キャッピング層を露出する工程と、
(d)露出された部位の前記キャッピング層をエッチングし、その下部の磁気抵抗構造体をエッチングして多数の独立した磁気抵抗構造体を形成する工程と、
を含むことを特徴とするTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項7】
露出された前記キャッピング層の部位をエッチングする場合、Cl2/C2F6/Ar/O2の混合ガスを使用することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項8】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に反強磁性層、第1強磁性層、トンネル障壁層及び第2強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項9】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に第1強磁性層、トンネル障壁層、第2強磁性層及び反強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項10】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に反強磁性層、第1強磁性層、スペーサ層及び第2強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項11】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に第1強磁性層、スペーサ層及び第2強磁性層及び反強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項1】
磁気抵抗素子において、
下部構造体上に形成された磁気抵抗構造体と、
前記磁気抵抗構造体上に形成されたTiNキャッピング層と、
を備えることを特徴とするTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項2】
前記磁気抵抗構造体は、
反強磁性層と、
前記反強磁性層により磁化方向が固定された第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成されたトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層上に形成された第2強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項3】
前記磁気抵抗構造体は、
磁場の印加により磁化方向が変更可能な第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成された非磁性のトンネル障壁層と、
前記トンネル障壁層上に形成されて磁化方向が固定された第2強磁性層と、
前記第2強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項4】
前記磁気抵抗構造体は、
反強磁性層と、
前記反強磁性層により磁化方向が固定された第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成された第2強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項5】
前記磁気抵抗構造体は、
磁場の印加により磁化方向が変更可能な第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成された非磁性のスペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成されて磁化方向が固定された第2強磁性層と、
前記第2強磁性層上に形成され、前記磁性層の磁化方向を固定させる反強磁性層と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子。
【請求項6】
磁気抵抗素子の製造方法において、
(a)下部構造体上に磁気抵抗構造体を形成する工程と、
(b)前記磁気抵抗構造体上にキャッピング層としてTiNを蒸着させる工程と、
(c)前記キャッピング層上にフォトレジストを塗布してパターニングし、一部上の前記キャッピング層を露出する工程と、
(d)露出された部位の前記キャッピング層をエッチングし、その下部の磁気抵抗構造体をエッチングして多数の独立した磁気抵抗構造体を形成する工程と、
を含むことを特徴とするTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項7】
露出された前記キャッピング層の部位をエッチングする場合、Cl2/C2F6/Ar/O2の混合ガスを使用することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項8】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に反強磁性層、第1強磁性層、トンネル障壁層及び第2強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項9】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に第1強磁性層、トンネル障壁層、第2強磁性層及び反強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項10】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に反強磁性層、第1強磁性層、スペーサ層及び第2強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【請求項11】
前記磁気抵抗構造体は、
前記下部構造体上に第1強磁性層、スペーサ層及び第2強磁性層及び反強磁性層を順次に形成することを特徴とする請求項6に記載のTiNをキャッピング層として使用した磁気抵抗素子の製造法。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図1H】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図5A】
【図5B】
【図4】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図1H】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図5A】
【図5B】
【図4】
【公開番号】特開2006−173636(P2006−173636A)
【公開日】平成18年6月29日(2006.6.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−364145(P2005−364145)
【出願日】平成17年12月17日(2005.12.17)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】416,Maetan−dong,Yeongtong−gu,Suwon−si Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年6月29日(2006.6.29)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年12月17日(2005.12.17)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】416,Maetan−dong,Yeongtong−gu,Suwon−si Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】
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