JP2003282837A - 磁気メモリ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＴＭＲ素子への磁束集中を図ってＭＲＡＭへ
の書き込みにかかる消費電力を低減し、配線信頼性の向
上および書き込みワード線の書き込み部分に対する占有
面積の拡大を抑制して高集積化を図る。 【解決手段】 書き込みワード線（第１配線）１１と、
これと立体的に交差するビット線（第２配線）１２と、
書き込みワード線１１と電気的に絶縁され、ビット線１
２と電気的に接続されたもので、その交差領域にトンネ
ル絶縁層３０３を強磁性体で挟んで構成されるＴＭＲ素
子１３とを備えた磁気メモリ装置において、書き込みワ
ード線１１は、高融点金属よりも電気抵抗が低い金属か
らなる第１金属層１１１と高融点金属からなる第２金属
層１１２とが積層されたもので、ＴＭＲ素子１３を書き
込みワード線１１に投影した部分の少なくとも一部は第
２金属層１１２のみからなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気メモリ装置お
よびその製造方法に関し、詳しくは、トンネル磁気抵抗
素子を構成する強磁性体のスピン方向が平行もしくは反
平行によって抵抗値が変化することを利用して情報を記
憶する不揮発性の磁気メモリ装置およびその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】情報通信機器、特に携帯端末などの個人
用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成する
メモリ素子やロジック素子等の素子には、高集積化、高
速化、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されて
いる。特に不揮発性メモリはユビキタス時代に必要不可
欠の素子と考えられている。

【０００３】例えば、電源の消耗やトラブル、サーバー
とネットワークが何らかの障害により切断された場合で
あっても、不揮発性メモリは個人の重要な情報を保護す
ることができる。そして、不揮発性メモリの高密度化、
大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不
可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術と
してますます重要になってきている。

【０００４】また、最近の携帯機器は不要な回路ブロッ
クをスタンバイ状態にしてでき得る限り消費電力を抑え
ようと設計されているが、高速ネットワークメモリと大
容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メ
モリが実現できれば、消費電力とメモリとの無駄を無く
すことができる。また、電源を入れると瞬時に起動でき
る、いわゆるインスタント・オン機能も高速の大容量不
揮発性メモリが実現できれば可能になってくる。

【０００５】不揮発性メモリとしては、半導体を用いた
フラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferr
o electric Random Access Memory）などがあげられ
る。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度
がμ秒の桁であるため遅いという欠点がある。一方、Ｆ
ＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０¹²〜１０¹⁴
で完全にスタティックランダムアクセスメモリやダイナ
ミックランダムアクセスメモリに置き換えるには耐久性
が低いという問題が指摘されている。また、強誘電体キ
ャパシタの微細加工が難しいという課題も指摘されてい
る。

【０００６】これらの欠点を有さない不揮発性メモリと
して注目されているのが、ＭＲＡＭ（Magnetic Random
Access Memory）とよばれる磁気メモリである。初期の
ＭＲＡＭはJ.M.Daughton,“Thin Solid Films”Vol.216
(1992),p.162-168で報告されているＡＭＲ(Anisotropic
Magneto Resistive)効果やD.D.Tang et al.,“IEDMTec
hnical Digest”(1997),p.995-997で報告されているＧ
ＭＲ(Giant Magneto Resistance)効果を使ったスピンバ
ルブを基にしたものであった。しかし、負荷のメモリセ
ル抵抗が１０Ω〜１００Ωと低いため、読み出し時のビ
ットあたりの消費電力が大きく大容量化が難しいという
欠点があった。

【０００７】一方ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistanc
e）効果はR.Meservey et al.,“Pysics Reports”Vol.2
38(1994),p.214-217で報告されているように抵抗変化率
が室温で１％〜２％しかなかったが、近年T.Miyazaki e
t al.,“J.Magnetism & Magnetic Material”Vol.139(1
995),L231で報告されているように抵抗変化率２０％近
く得られるようになり、ＴＭＲ効果を使ったＭＲＡＭに
注目が集まるようになってきている。

【０００８】ＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積
化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶
を行うために、書き換え回数が大であると予測されてい
る。またアクセス時間についても、非常に高速であるこ
とが予想され、既に１００ＭＨｚで動作可能であること
が、R.Scheuerlein et al.,“ISSCC Digest of Technic
al Papers”(Feb. 2000),p.128-129で報告されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の通り、高速化・
高集積化が容易という長所を有するＭＲＡＭではある
が、書き込みは、ＴＭＲ素子に近接させて設けられたビ
ット線と書き込みワード線に電流を流し、その発生磁界
によって行う。ＴＭＲ素子の記憶層（記憶層）の反転磁
界は材料にもよるが、２０Ｏｅ〜２００Ｏｅが必要であ
り、このときの電流は数ｍＡから数十ｍＡになる。これ
は消費電流の増大につながり、携帯機器の低消費電力化
に対して大きな課題となる。

【００１０】また、高集積化の面からは、ビット線およ
び書き込みワード線は、リソグラフィ技術から決定され
る最小線幅に近いサイズが要求される。仮に、ビット線
幅／書き込みワード線幅が０．６μｍとして、配線の膜
厚を５００ｎｍとすると、３ＭＡ／ｃｍ² になり、銅配
線を用いた場合（実用電流密度：０．５ＭＡ／ｃｍ²）
もエレクトロマイグレーションに対する寿命は大きな課
題となる。さらに微細化していくと、強誘電体の反転磁
界は増加し、配線の次元も縮小しなければならないた
め、この配線信頼性の課題はより大きくなってくる。さ
らに、大電流駆動用のドライバーをビット線、書き込み
ワード線に対して持つためこの部分の占有面積が大きく
なり、高集積化を阻害することになるという問題があっ
た。

【００１１】また、素子の微細化により、磁束の漏れに
よって隣接ビットにまで磁界が発生し、ディスターブの
問題が発生する。この対策として、米国特許第５９４０
３１９号明細書中で、ＴＭＲ素子の下側およびＴＭＲ素
子の上側、またはＴＭＲ素子の下側もしくはＴＭＲ素子
の上側にある配線のＴＭＲ素子に面している部分以外を
磁束集中させる材料で覆うという内容が記載されてい
る。しかしながら、記載されている磁束集中させる材料
で覆う構成では、磁束集中効果が不十分であるために消
費電流が十分に下がらないという問題があった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた磁気メモリ装置およびその製造方
法である。

【００１３】本発明の第１磁気メモリ装置は、第１配線
と、前記第１配線と立体的の交差する第２配線と、前記
第１配線と電気的に絶縁され、前記第２配線と電気的に
接続されたもので、前記第１配線と前記第２配線との交
差領域にトンネル絶縁層を強磁性体で挟んで構成される
トンネル磁気抵抗素子とを備えたもので、前記強磁性体
のスピン方向が平行もしくは反平行によって抵抗値が変
化することを利用して情報を記憶する不揮発性の磁気メ
モリ装置において、前記第１配線は、高融点金属よりも
電気抵抗が低くかつ高融点金属以外の金属からなる第１
金属層と高融点金属からなる第２金属層とが積層された
もので、前記トンネル磁気抵抗素子を前記第１配線に投
影した部分の少なくとも一部は前記第２金属層のみから
なるものである。

【００１４】上記第１磁気メモリ装置では、第１配線
は、高融点金属よりも電気抵抗が低くかつ高融点金属以
外の金属からなる第１金属層と高融点金属からなる第２
金属層とが積層されたもので、トンネル磁気抵抗素子を
第１配線に投影した部分の少なくとも一部は前記第２金
属層のみからなることから、第１配線は第２金属層によ
ってエレクトロマイグレーション耐性が高められるの
で、高い値の電流を流すことが可能になる。このため、
高電流密度でトンネル磁気抵抗素子の記憶層に情報の書
き込みを行うことにより、電流磁界を効率よく記憶層に
集中させることができる。加えて、第１金属層によって
第１配線の電気抵抗が低減されている。したがって、書
き込み電流の低減が行えるので、消費電流の低減が図れ
る。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路
の面積が縮小できるので、素子の高集積化が図れる。

【００１５】本発明の第２磁気メモリ装置は、第１配線
と、前記第１配線と立体的の交差する第２配線と、前記
第１配線と電気的に絶縁され、前記第２配線と電気的に
接続されたもので、前記第１配線と前記第２配線との交
差領域にトンネル絶縁層を強磁性体で挟んで構成される
トンネル磁気抵抗素子とを備えたもので、前記強磁性体
のスピン方向が平行もしくは反平行によって抵抗値が変
化することを利用して情報を記憶する不揮発性の磁気メ
モリ装置において、前記第２配線は、高融点金属からな
る第１金属層と、前記第１金属層よりも電気抵抗の低い
前記高融点金属以外の金属からなる第２金属層とが積層
されたもので、前記トンネル磁気抵抗素子が接続される
部分の少なくとも一部は前記第１金属層のみからなるも
のである。

【００１６】上記第２磁気メモリ装置では、第２配線
は、高融点金属からなる第１金属層と、第１金属層より
も電気抵抗の低い高融点金属以外の金属からなる第２金
属層とが積層されたもので、トンネル磁気抵抗素子が接
続される部分の少なくとも一部は第１金属層のみからな
ることから、第２配線は第１金属層によってエレクトロ
マイグレーション耐性が高められるので、高い値の電流
を流すことが可能になる。このため、高電流密度でトン
ネル磁気抵抗素子の記憶層に情報の書き込みを行うこと
により、電流磁界を効率よく記憶層に集中させることが
できる。加えて、第２金属層によって第２配線の電気抵
抗が低減されている。したがって、書き込み電流の低減
が行えるので、消費電流の低減が図れる。また駆動電流
が少なくてすむことから電流駆動回路の面積が縮小でき
るので、素子の高集積化が図れる。

【００１７】本発明の第１磁気メモリ装置の製造方法
は、第１の配線を形成する工程と、トンネル絶縁層を強
磁性体で挟んでなるもので前記第１の配線と電気的に絶
縁されたトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、前記
トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記ト
ンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に
交差する第２配線を形成する工程とを備えた不揮発性の
磁気メモリ装置の製造方法において、前記第１配線を、
高融点金属よりも電気抵抗の低い高融点金属以外の金属
からなる第１金属層と、高融点金属からなる第２金属層
とを積層して形成し、その際、前記トンネル磁気抵抗素
子が前記第１配線に投影される部分の少なくとも一部は
前記第２金属層のみで形成する。

【００１８】上記第１磁気メモリ装置の製造方法では、
第１配線のトンネル磁気抵抗素子を投影した部分の少な
くとも一部は高融点金属の第２金属層のみで形成するこ
とから、トンネル磁気抵抗素子近傍の第１配線は薄く形
成される。しかも第１配線は、高融点金属からなる第２
金属層を用いて形成するので、エレクトロマイグレーシ
ョン耐性が高められる。したがって、高電流密度でトン
ネル磁気抵抗素子の記憶層に情報の書き込みが行え、電
流磁界を効率よく記憶層に集中される第１配線が形成さ
れる。加えて、高融点金属よりも電気抵抗が低い金属か
らなる第１金属層を形成することから、第１金属層によ
って第１配線の電気抵抗が低減される。したがって、製
造される第１磁気メモリ装置は、書き込み電流の低減さ
れ、消費電流の低減が図れるものとなり、また駆動電流
が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小する
ことができるので、素子の高集積化が図れるものとな
る。

【００１９】本発明の第２磁気メモリ装置の製造方法
は、第１の配線を形成する工程と、トンネル絶縁層を強
磁性体で挟んでなるもので前記第１の配線と電気的に絶
縁されたトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、前記
トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記ト
ンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に
交差する第２配線を形成する工程とを備えた不揮発性の
磁気メモリ装置の製造方法において、前記第２配線を、
高融点金属からなる第１金属層と、高融点金属よりも電
気抵抗が低くかつ高融点金属以外の金属からなる第２金
属層とを積層して形成し、その際、前記トンネル磁気抵
抗素子が前記第２配線に接続される部分の少なくとも一
部は前記第２金属層のみで形成する。

【００２０】上記第２磁気メモリ装置の製造方法では、
第２配線のトンネル磁気抵抗素子が接続される部分の少
なくとも一部は高融点金属の第１金属層のみで形成する
ことから、トンネル磁気抵抗素子近傍の第２配線は薄く
形成される。しかも第２配線は、高融点金属からなる第
１金属層を用いて形成されるので、エレクトロマイグレ
ーション耐性が高められる。したがって、第２配線に高
い値の電流を流すことが可能になるので、高電流密度で
トンネル磁気抵抗素子の記憶層に情報の書き込みが行
え、電流磁界が記憶層に効率よく集中される第２配線が
形成される。加えて、高融点金属よりも電気抵抗が低い
金属からなる第２金属層を形成するので、第２金属層に
よって第２配線の電気抵抗が低減される。したがって、
製造される第２磁気メモリ装置は、書き込み電流が低減
され、消費電流の低減が図れるものとなる。また駆動電
流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小す
ることができるので、素子の高集積化が図れるものとな
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】まず、一般的なＭＲＡＭ（Magnet
ic Random Access Memory）を、図２の主要部を簡略化
して示した概略構成斜視図によって説明する。図２で
は、簡略化して示したため、読み出し回路部分の図示は
省略されている。

【００２２】図２に示すように、９個のメモリセルを含
み、相互に交差する書き込みワード線１１（１１１、１
１２、１１３）およびビット線１２（１２１、１２２、
１２３）を有する。それらの書き込みワード線１１とビ
ット線１２の交差領域には、磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素
子１３（１３１〜１３９）が配置されている。ＴＭＲ素
子１３へのデータの書き込みは、ビット線１２および書
き込みワード線１１に電流を流し、それから発生する合
成磁界によってビット線１２と書き込みワード線１１と
の交差領域に形成されたＴＭＲ素子１３の記憶層３０４
（詳細は図５参照）の磁化方向を磁化固定層３０２（詳
細は図５参照）に対して平行または反平行にして行う。

【００２３】ビット線を流れる書き込み電流によって記
憶層の容易軸方向磁界（Ｈ_EA ）が作られ、書き込みワ
ード線を流れる電流によって困難軸方向磁界（Ｈ_HA ）
が作られる。図３に示すアステロイド曲線は、印加され
た容易軸方向磁界Ｈ_EA および困難軸方向磁界Ｈ_HA によ
る記憶層磁化方向の反転しきい値を示している。アステ
ロイド曲線外部に相当する合成磁界ベクトルが発生する
と、磁界反転が生じる。アステロイド曲線内部の合成磁
界ベクトルは、その電流双安定状態の一方からセルを反
転させることはない。また、電流を流しているワード線
およびビット線の交点以外のセルにおいても、ワード線
もしくはビット線単独で発生する磁界が印加されるた
め、それらの大きさが一方向反転磁界Ｈ_K 以上の場合
は、交点以外のセルの磁化方向も反転するので、合成磁
界が斜線で示す部分４０１にある場合のみ、選択された
セルを選択書き込みが可能となる。

【００２４】以上のように、ＭＲＡＭのアレイでは、ビ
ット線および書き込みワード線からなる格子の交点にメ
モリセルが配置されている。ＭＲＡＭの場合、書き込み
ワード線とビット線とを使用することで、アステロイド
磁化反転特性を利用し、選択的に個々のメモリセルに書
き込むことが一般的である。

【００２５】単一の記憶領域における合成磁化は、それ
に印加された容易軸方向磁界Ｈ_EAと困難軸方向磁界Ｈ
_HA とのベクトル合成によって決まる。ビット線を流れ
る電流はセルに容易軸方向の磁界（Ｈ_EA ）を印加し、
書き込みワード線を流れる電流はセルに困難軸方向の磁
界（Ｈ_HA ）を印加する。

【００２６】ところで、電流と発生磁界はBiot-Savart
の法則によって関係つけられている。

【００２７】

【数１】

【００２８】線電流であれば、上記（１）式は簡単に積
分でき、下記のAmpereの法則が導かれる。

【００２９】Ｈ＝Ｉ／２πｒ ……（２）式

【００３０】（１）、（２）式から、記憶層と書き込み
配線とを近づければ近づけるほど同じ磁界を与える電流
は小さくてすむことがわかる。

【００３１】次に、一般的なＭＲＡＭの構成を図４の概
略構成断面図によって説明する。

【００３２】図４に示すように、半導体基板（例えばｐ
型半導体基板）２１の表面側にはｐ型ウエル領域２２が
形成されている。このｐ型ウエル領域２２には、トラン
ジスタ形成領域を分離する素子分離領域２３が、いわゆ
るＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）で形成されてい
る。上記ｐ型ウエル領域２２上には、ゲート絶縁膜２５
を介してゲート電極（ワード線）２６が形成され、ゲー
ト電極２６の両側におけるｐ型ウエル領域２２には拡散
層領域（例えばＮ⁺ 拡散層領域）２７、２８が形成さ
れ、選択用の電界効果型トランジスタ２４が構成されて
いる。

【００３３】上記電界効果トランジスタ２４は読み出し
のためのスイッチング素子として機能する。これは、ｎ
型またはｐ型電界効果トランジスタの他に、ダイオー
ド、バイポーラトランジスタ等の各種スイッチング素子
を用いることも可能である。

【００３４】上記電界効果型トランジスタ２４を覆う状
態に第１絶縁膜４１が形成されている。この第１絶縁膜
４１には上記拡散層領域２７、２８に接続するコンタク
ト（例えばタングステンプラグ）２９、３０が形成され
ている。さらに第１絶縁膜４１上にはコンタクト２９に
接続するセンス線１５、コンタクト３０に接続するセン
ス線第１ランディングパッド３１等が形成されている。

【００３５】上記第１絶縁膜４１上には、上記センス線
１５、第１ランディングパッド３１等を覆う第２絶縁膜
４２が形成されている。この第２絶縁膜４２には上記第
１ランディングパッド３１に接続するコンタクト（例え
ばタングステンプラグ）３２が形成されている。さらに
上記第２絶縁膜４２上には、コンタクト３２に接続する
第２ランディングパッド３３、第１配線の書き込みワー
ド線１１等が形成されている。

【００３６】上記第２絶縁膜４２上には、上記書き込み
ワード線１１、第２ランディングパッド３３等を覆う第
３絶縁膜４３が形成されている。この第３絶縁膜４３に
は、上記第２ランディングパッド３３に接続するコンタ
クト（例えばタングステンプラグ）３４が形成されてい
る。さらに上記第３絶縁膜４３上には、上記書き込みワ
ード線１１上方より上記コンタクト３４の上端部に接続
する下地導電層３１２が導電性材料により形成されてい
る。この下地導電層３１２は反強磁性体層と同様の材料
で形成されるものであってもよい。

【００３７】さらに、上記下地導電層３１２上には上記
反強磁性体層３０５が形成され、この反強磁性体層３０
５上でかつ上記書き込みワード線１１の上方には、トン
ネル絶縁層３０３を強磁性体層からなる磁化固定層３０
２と磁化が比較的容易に回転する記憶層３０４で挟む構
成を有する情報記憶素子（以下、ＴＭＲ素子という）１
３が形成されている。このＴＭＲ素子１３については、
後に詳述する。

【００３８】上記第３の絶縁膜４３上には上記反強磁性
体層３０５、ＴＭＲ素子１３等を覆う第４の絶縁膜４４
が形成されている。この第４の絶縁膜４４は表面が平坦
化され、上記ＴＭＲ素子１３の最上層が露出されてい
る。上記第４の絶縁膜４４上には、上記ＴＭＲ素子１３
の上面に接続するものでかつ上記書き込みワード線１１
と上記ＴＭＲ素子１３を間にして立体的に交差（例えば
直交）する第２配線のビット線１２が形成されている。

【００３９】次に、上記ＴＭＲ素子１３の一例を、図５
の概略構成斜視図によって説明する。図５に示すよう
に、上記反強磁性体層３０５上に、第１の磁化固定層３
０６と磁性層が反強磁性的に結合するような導電体層３
０７と第２の磁化固定層３０８とを順に積層してなる磁
化固定層３０２、トンネル絶縁層３０３、記憶層３０
４、さらにキャップ層３１３を順に積層して構成されて
いる。ここでは磁化固定層３０２を積層構造としたが、
強磁性体層の単層構造であってもよく、もしくは３層以
上の強磁性体層を、導電体層を挟んで積層させた構造で
あってもよい。

【００４０】上記記憶層３０４、上記第１の磁化固定層
３０６、３０８は、例えば、ニッケル、鉄もしくはコバ
ルト、またはニッケル、鉄およびコバルトのうちの少な
くとも２種からなる合金のような、強磁性体からなる。

【００４１】上記導電体層３０７は、例えば、ルテニウ
ム、銅、クロム、金、銀等で形成されている。

【００４２】上記第１の磁化固定層３０６は、反強磁性
体層３０５と接する状態に形成されていて、これらの層
間に働く交換相互作用によって、第１の磁化固定層３０
６は、強い一方向の磁気異方性を有している。

【００４３】上記反強磁性体層３０５は、例えば、鉄・
マンガン合金、ニッケル・マンガン合金、白金マンガン
合金、イリジウム・マンガン合金、ロジウム・マンガン
合金、コバルト酸化物およびニッケル酸化物のうちの１
種を用いることができる。

【００４４】上記トンネル絶縁層３０３は、例えば、酸
化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒
化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸
化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウムもしくは酸
化窒化シリコンからなる。

【００４５】上記トンネル絶縁層３０３は、上記記憶層
３０４と上記磁化固定層３０２との磁気的結合を切ると
ともに、トンネル電流を流すための機能を有する。これ
らの磁性膜および導電体膜は、主に、スパッタリング法
によって形成される。トンネル絶縁層は、スパッタリン
グ法によって形成された金属膜を酸化、窒化もしくは酸
化窒化させることにより得ることができる。

【００４６】さらに最上層にはキャップ層３１３が形成
されている。このキャップ層３１３は、ＴＭＲ素子１３
と別のＴＭＲ素子１３とを接続する配線との相互拡散防
止、接触抵抗低減および記憶層３０４の酸化防止という
機能を有する。通常、銅、窒化タンタル、タンタル、窒
化チタン等の材料により形成されている。上記反強磁性
体層３０５は、ＴＭＲ素子と直列に接続されるスイッチ
ング素子との接続に用いられる下地導電層３１２（図４
参照）を兼ねることも可能である。

【００４７】次に上記磁気メモリ装置１の動作を説明す
る。上記ＴＭＲ素子１３では、磁気抵抗効果によるトン
ネル電流変化を検出して情報を読み出すが、その効果は
記憶層３０４と第１、第２の磁化固定層３０６、３０８
との相対磁化方向に依存する。

【００４８】また上記ＴＭＲ素子１３では、ビット線１
２および書き込みワード線１１に電流を流し、その合成
磁界で記憶層３０４の磁化の方向を変えて「１」または
「０」を記憶する。読み出しは磁気抵抗効果によるトン
ネル電流変化を検出して行う。記憶層３０４と磁化固定
層３０５の磁化方向が等しい場合を低抵抗(これを例え
ば「０」とする)とし、記憶層３０４と磁化固定層３０
５の磁化方向が反平行の場合を高抵抗(これを例えば
「１」とする)とする。

【００４９】図６は、ＴＭＲ素子１３、書き込みワード
線１１およびビット線１２をピックアップした断面模式
図である。ビット線１２とＴＭＲ素子１３の記憶層３０
４との間隔をＧ１、書き込みワード線１１と記憶層３０
４との間隔をＧ２とする。Ｇ１はビット線１２の膜厚の
１／２とＴＭＲ素子１３の記憶層３０４およびビット線
１２の接続用プラグ（キャップ層３１３）の厚さの和
で、前者が３００ｎｍ〜５００ｎｍに対し、後者は通常
２０ｎｍ〜５０ｎｍである。このため、ビット線１２の
厚さを薄くすることにより発生磁場効率を上げることが
できる。なお、図面ではビット線１２中に記載した矢印
方向に電流Ｉｂが流れた場合にビット線電流が作る磁場
は矢印Ｈｂで示す方向となる。

【００５０】一方、書き込みワード線１２と記憶層３０
４との間隔（Ｇ２）はＴＭＲ素子１３の記憶層３０４よ
り下の部分と層間膜厚ｄ１と書き込みワード線１１の厚
さｄ２の１／２、すなわちｄ２／２になる。ＴＭＲ素子
１３の厚さは標準条件で２０ｎｍ〜５０ｎｍであり、ｄ
１は１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、書き込みワード線１
１の配線厚は３００ｎｍ〜５００ｎｍであるから、書き
込みワード線１１の厚さを薄くすることによっても効果
的に発生磁場効率を上げることができる。なお、図面で
は書き込みワード線１１中に示したように図示紙面に対
して垂直上方に電流Ｉｗが流れた場合に書き込みワード
線電流が作る磁場は矢印Ｈｗで示す方向となる。

【００５１】図７に、配線膜厚をパラメータにして、ワ
ード線電流による発生磁場の強度と層間膜厚さとの関係
を求めたシミュレーション結果を示す。これは書き込み
ワード線の場合であるが、層間膜厚が２０ｎｍで書き込
みワード線の厚さを４００ｎｍから１００ｎｍに薄くす
ると、単位電流当たりの磁場強度が1.6倍上がる(同一磁
場では電流は６２％に低減される)ことが分かる。反転
磁界は３０Ｏｅ〜２００Ｏｅなので、この際に必要な電
流は、３ｍＡ〜１０ｍＡ程度の書き込み電流が必要にな
る。

【００５２】０.１８μｍのデザインルールによる最小
寸法でМＲＡＭの配線を形成すると、配線幅を０．３μ
ｍ、配線厚さを１００ｎｍとし、３ｍＡで電流を流す
と、この配線における電流密度は１０ＭＡ／ｃｍ² とな
り、銅配線を使ってもエレクトロマイグレーション耐性
が問題になるレベルとなる。

【００５３】一方、タングステンに代表される高融点金
属は、銅に対して十倍以上のエレクトロマイグレーショ
ン耐性があるため、配線の厚さを１００ｎｍ以下に薄く
することができる。銅やアルミニウムから高融点金属に
変える場合、抵抗率が１０倍以上大きくなり、配線も薄
くするため、書き込みワード線、ビット線の抵抗が増加
し所望の電流が流せない、高速化ができないといった問
題が出る場合がある。

【００５４】そこで、本発明では、以下のような構成を
採用した。

【００５５】本発明の第１磁気メモリ装置に係る第１実
施の形態を、図１に示す概略構成断面図により説明す
る。図１では、一般的なＭＲＡＭに本発明の構成を適用
した一例を示す。

【００５６】図１に示すように、第１磁気メモリ装置１
は、基本的には前記図４によって説明したＭＲＡＭにお
いて、以下のような構成をなす。すなわち、書き込みワ
ード線（請求項の第１配線に対応）１１は、下層に高融
点金属よりも電気抵抗が低くかつ高融点金属以外の金属
からなる第１金属層１１１と、高融点金属からなる第２
金属層１１２とが積層されたものからなり、ＴＭＲ素子
１３を書き込みワード線１１に投影した部分の少なくと
も一部は第２金属層１１２のみで形成されている。また
ＴＭＲ素子１３のキャップ層３１３上にはビット線１２
が上記書き込みワード線１１に対して立体的に交差（例
えば直交）するように接続されている。

【００５７】上記第１金属層１１１を構成する金属に
は、例えば銅、アルミニウム、銅・アルミニウム合金、
銅合金、アルミニウム合金等の一般に半導体装置の配線
材料として用いられ散る金属材料を用いる。

【００５８】上記第２金属層１１２を構成する高融点金
属は、ここでは、融点がシリコンよりも高く、銅よりも
エレクトロマイグレーション耐性に優れている金属とす
る。このような金属としては、例えば、タングステン、
イリジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、タン
タル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロ
ジウム、ニッケル、ルテニウムのうちの１種もしくはそ
の合金からなる。また第１金属配線１１１と第２金属配
線１１２との間に窒化タンタル、タンタル、窒化チタン
等のバリア層（図示せず）を形成しても良い。

【００５９】上記第１磁気メモリ装置１では、書き込み
ワード線１１は、高融点金属よりも電気抵抗が低くかつ
高融点金属以外の金属からなる第１金属層１１１と高融
点金属からなる第２金属層１１２とが積層されたもの
で、ＴＭＲ素子１３を書き込みワード線１１に投影した
部分の少なくとも一部は第２金属層１１２のみからなる
ことから、書き込みワード線１１は第２金属層１１２に
よってエレクトロマイグレーション耐性が高められるの
で、高い値の電流を流すことが可能になる。このため、
高電流密度でＴＭＲ素子１３の記憶層３０４に情報の書
き込みを行うことにより、電流磁界を効率よく記憶層３
０４に集中させることができる。

【００６０】加えて、第１金属層１１１によって書き込
みワード線１１の電気抵抗が低減されている。したがっ
て、書き込み電流の低減が行えるので、消費電流の低減
が図れる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆
動回路の面積が縮小できるので、素子の高集積化が図れ
る。

【００６１】次に、本発明の第２磁気メモリ装置に係る
第１実施の形態を、図８に示す概略構成断面図により説
明する。図８では、一般的なＭＲＡＭに本発明の構成を
適用した一例を示す。

【００６２】図８に示すように、第２磁気メモリ装置２
は、基本的には前記図４によって説明したＭＲＡＭにお
いて、以下のような構成をなす。すなわち、ビット線
（請求項の第２配線に対応）１２は、高融点金属からな
る第１金属層１２１と、上層に高融点金属よりも電気抵
抗が低くかつ高融点金属以外の金属からなる第２金属層
１２２とが積層されたものからなり、ＴＭＲ素子１３を
書き込みワード線１１に接続した部分の少なくとも一部
は第１金属層１２１のみで形成されている。

【００６３】上記第１金属層１２１を構成する高融点金
属は、ここでは、融点がシリコンよりも高く、銅よりも
エレクトロマイグレーション耐性に優れている金属とす
る。このような金属としては、例えば、タングステン、
イリジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、タン
タル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロ
ジウム、ニッケル、ルテニウムのうちの１種もしくはそ
の合金からなる。また第１金属配線１２１と第２金属配
線１２２との間に窒化タンタル、タンタル、窒化チタン
等のバリア層（図示せず）を形成しても良い。

【００６４】上記第２磁気メモリ装置２では、ビット線
１２は、高融点金属からなる第１金属層１２１と、第１
金属層１２１よりも電気抵抗の低い高融点金属以外の金
属からなる第２金属層１２２とが積層されたもので、Ｔ
ＭＲ素子１３が接続される部分の少なくとも一部は第１
金属層１２１のみからなることから、ビット線１２は第
１金属層１２１によってエレクトロマイグレーション耐
性が高められるので、高い値の電流を流すことが可能に
なる。このため、高電流密度でＴＭＲ素子の記憶層３０
４（前記図５参照）に情報の書き込みを行うことによ
り、電流磁界を効率よく記憶層３０４に集中させること
ができる。

【００６５】加えて、第２金属層１２２によってビット
線１２の電気抵抗が低減されている。したがって、書き
込み電流の低減が行えるので、消費電流の低減が図れ
る。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路
の面積が縮小できるので、素子の高集積化が図れる。

【００６６】次に、本発明の第１、第２磁気メモリ装置
の第２実施の形態を説明する前に、一般的なクロスポイ
ント型のＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）
を、図９の主要部を簡略化して示した概略構成斜視図に
よって説明する。

【００６７】図９に示すように、９個のメモリセルを含
み、相互に交差する書き込みワード線１１（１１１、１
１２、１１３）およびビット線１２（１２１、１２２、
１２３）を有する。それらの書き込みワード線１１とビ
ット線１２の交差領域には、書き込みワード線１１に接
続するスイッチング素子１４（１４１〜１４９）とこの
スイッチング素子１４に接続するとともにビット線１２
に接続するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子１３（１３
１〜１３９）が配置されている。上記ＴＭＲ素子１３
は、トンネル絶縁膜を強磁性体で挟んだ基本構成を有す
るものからなる。また、上記スイッチング素子１４は、
例えばＰＮ接合素子からなる。

【００６８】ＴＭＲ素子１３への書き込みは、ビット線
１２および書き込みワード線１１に電流を流し、それか
ら発生する合成磁界によってビット線１２と書き込みワ
ード線１１との交差領域に形成されたＴＭＲ素子１３の
記憶層３０４（詳細は図５参照）の磁化方向を磁化固定
層３０２（詳細は図５参照）に対して平行または反平行
にして行う。

【００６９】次に、本発明の第１磁気メモリ装置１の第
２実施の形態を、図１０の概略構成斜視図によって説明
する。

【００７０】図１０に示すように、この第２実施の形態
は、前記図１によって説明した第１金属層１１１と第２
金属層１１２との積層構造からなる書き込みワード線１
１の構成を、前記図１０によって説明したクロスポイン
ト型のＭＲＡＭの書き込みワード線に適用したことを特
徴としている。すなわち、書き込みワード線（請求項の
第１配線に対応）１１は、下層に高融点金属よりも電気
抵抗が低くかつ高融点金属以外の金属からなる第１金属
層１１１と、高融点金属からなる第２金属層１１２とが
積層されたものからなり、スイッチング素子１４を介し
てＴＭＲ素子１３を書き込みワード線１１に投影した部
分の少なくとも一部は第２金属層１１２のみで形成され
ている。

【００７１】上記第１金属層１１１を構成する金属に
は、例えば銅、アルミニウム、銅・アルミニウム合金、
銅合金、アルミニウム合金等の一般に半導体装置の配線
材料として用いられ散る金属材料を用いる。

【００７２】上記第２金属層１１２を構成する高融点金
属は、ここでは、融点がシリコンよりも高く、銅よりも
エレクトロマイグレーション耐性に優れている金属とす
る。このような金属としては、例えば、タングステン、
イリジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、タン
タル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロ
ジウム、ニッケル、ルテニウムのうちの１種もしくはそ
の合金からなる。また第１金属配線１１１と第２金属配
線１１２との間に窒化タンタル、タンタル、窒化チタン
等のバリア層（図示せず）を形成しても良い。

【００７３】上記スイッチング素子１４は上記書き込み
ワード線１１上に接続され、このスイッチング素子１４
上にＴＭＲ素子１３が接続されている。図示はしない
が、ＴＭＲ素子１３上には、書き込みワード線１１と立
体的に交差（例えば直交）するビット線がＴＭＲ素子１
３のキャップ層３１３に接続されている。

【００７４】上記第２実施の形態においても、前記第１
実施の形態と同様なる作用、効果が得られる。

【００７５】次に、本発明の第２磁気メモリ装置２の第
２実施の形態を、図１１の概略構成斜視図によって説明
する。

【００７６】図１１に示すように、この第２実施の形態
は、前記図２によって説明した第１金属層１１１と第２
金属層１２２との積層構造からなるビット線１２の構成
を、前記図９によって説明したクロスポイント型のＭＲ
ＡＭのビット線に適用したことを特徴としている。すな
わち、ビット線（請求項の第２配線に対応）１２は、高
融点金属からなる第１金属層１２１と、上層に高融点金
属よりも電気抵抗が低くかつ高融点金属以外の金属から
なる第１金属層１２１とが積層されたものからなり、Ｔ
ＭＲ素子１３をビット線１２に接続した部分の少なくと
も一部は第１金属層１２１のみで形成されている。

【００７７】上記第１金属層１２１を構成する高融点金
属は、ここでは、融点がシリコンよりも高く、銅よりも
エレクトロマイグレーション耐性に優れている金属とす
る。このような金属としては、例えば、タングステン、
イリジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、タン
タル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロ
ジウム、ニッケル、ルテニウムのうちの１種もしくはそ
の合金からなる。

【００７８】上記第２金属層１２２を構成する金属に
は、例えば銅、アルミニウム、銅・アルミニウム合金、
銅合金、アルミニウム合金等の一般に半導体装置の配線
材料として用いられ散る金属材料を用いる。また第１金
属配線１２１と第２金属配線１２２との間に窒化タンタ
ル、タンタル、窒化チタン等のバリア層（図示せず）を
形成しても良い。

【００７９】上記スイッチング素子１４は、上記ビット
線１２と立体的に交差（例えば直交）する書き込みワー
ド線１１上に接続され、このスイッチング素子１４上に
上記ＴＭＲ素子１３が接続されている。

【００８０】上記第２実施の形態においても、前記第１
実施の形態と同様なる作用、効果が得られる。

【００８１】次に、本発明の第１磁気メモリ装置の製造
方法に係る実施の形態を、図１２および図１３に示す製
造工程断面図により、説明する。図１２、図１３に示す
構成部品のうち、前記図１、図４、図５等によって説明
したのと同様の構成部品には同一符号を付与する。

【００８２】図１２の（１）に示すように、図示はしな
い読み出しトランジスタを覆う第１絶縁膜４１上に、セ
ンス線（図示せず）、第１ランディングパッド（図示せ
ず）等を覆う第２絶縁膜４２を形成する。この第２絶縁
膜４２は、例えばプラズマＴＥＯＳ（テトラエトキシシ
ラン）−ＣＶＤ法によって、Ｐ−ＴＥＯＳ膜を例えば１
００ｎｍの厚さに形成し、次いで高密度プラズマＣＶＤ
（Chemical Vapor Deposition ）法によりＨＤＰ膜を例
えば８００ｎｍの厚さに形成し、さらに、プラズマＴＥ
ＯＳ−ＣＶＤ法によって、Ｐ−ＴＥＯＳ膜を例えば１２
００ｎｍの厚さに形成する。その後、化学的機械研磨に
よって、第２絶縁膜４２を研磨、平坦化し、センス線
（図示せず）、第１ランディングパッド（図示せず）上
に例えば７００ｎｍの厚さの第２絶縁膜４２を残す。さ
らにプラズマＣＶＤ法によって、Ｐ−ＳｉＮ膜からなる
マスク層５１を例えば２０ｎｍの厚さに堆積する。

【００８３】次に、リソグラフィ技術とエッチング技術
とを用いて、センス線（図示せず）、第１ランディング
パッド（図示せず）上のマスク層５１にビアホール（図
示せず）を形成する。

【００８４】次に、マスク層５１上に第３絶縁膜の下層
となる絶縁膜４３１を形成する。この絶縁膜４３１に
は、Ｐ−ＴＥＯＳ膜を例えば５００ｎｍの厚さに形成し
たものを用いる。次いで、リソグラフィ技術により、Ｔ
ＭＲ素子が形成される領域下方およびその近傍（例えば
５ｎｍ〜２００ｎｍ程度）を含めた領域上を除く書き込
みワード線の下層部分が形成される領域に開口部が形成
されたレジストマスク（図示せず）を形成し、そのレジ
ストマスクをエッチングマスクに用いたエッチング技術
により、絶縁膜４３１に書き込みワード線を形成するた
めの配線溝４３ｔと第２ランディングパッドを形成する
ための配線溝（図示せず）を形成する。このエッチング
では、酸化シリコンとプラズマ窒化シリコンとの選択比
の高い条件で、層間の酸化シリコンをエッチングして、
第２ランディングパッドが形成される配線溝（図示せ
ず）と書き込みワード線が形成される配線溝４３ｔとを
形成するとともに、第１ランディングパッドに達するヴ
ィアホール（図示せず）を同時に形成する。

【００８５】次に、スパッタリングによって、上記ヴィ
アホール（図示せず）および配線溝４３ｔ（第２ランデ
ィングパッドが形成される配線溝は図示せず）に、第１
金属層１１１を埋め込む。この第１金属層１１１は絶縁
膜４３１上にも形成される。この第１金属層１１１は、
例えば、チタン（Ｔｉ）膜を１０ｎｍの厚さに形成し、
窒化チタン（ＴｉＮ）膜を３０ｎｍの厚さに形成し、さ
らにアルミニウム・０．５％銅合金を７００ｎｍの厚さ
に堆積して形成する。その後、化学的機械研磨によっ
て、ヴィアホール（図示せず）と配線溝４３ｔ内に第１
金属層１１１を残すように、絶縁膜４３１上の余剰な第
１金属層１１１を除去する。

【００８６】次に、図１２の（２）に示すように、ＰＶ
Ｄ（Physical Vapor Deposition）法によって、上記第
１金属層１１１および絶縁膜４３１表面に、バリア層１
１３、高融点金属からなる第２金属層１１２を順に成膜
する。

【００８７】上記バリア層１１３は、例えば窒化チタン
（ＴｉＮ）を２０ｎｍの厚さに堆積して形成する。

【００８８】上記第２金属層１１２は、例えばＣＶＤ法
によって、タングステン膜を例えば２００ｎｍの厚さに
堆積して形成する。なお、ＣＶＤ法以外の成膜方法、例
えばスパッタリング、ＰＶＤ法等を用いることも可能で
ある。また第２金属層１１２には、イリジウム、オスミ
ウム、クロム、ジルコニウム、タングステン、タンタ
ル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロジ
ウム、ニッケル、ルテニウムまたはその合金を用いるこ
とができる。

【００８９】その後、リソグラフィ技術によって、書き
込みワード線を形成するためのレジストマスク（図示せ
ず）を形成し、このレジストマスクを用いたエッチング
技術によって、上記第２金属層１１２をパターニングす
る。その結果、上記第１金属層１１１と、この第１金属
層１１１に接続する第２金属層１１２とからなる書き込
みワード線１１が形成される。

【００９０】次に、スパッタリングによって、絶縁膜４
３１上に上記書き込みワード線１１を覆う絶縁膜４３２
を、例えば酸化アルミニウムを５０ｎｍの厚さに堆積し
て形成する。このようにして、絶縁膜４３１と絶縁膜４
３２とで第３絶膜４３が形成される。なお、上記絶縁膜
４３２は、酸化アルミニウム以外の絶縁材料（例えば酸
化シリコン、窒化シリコン等）により形成することも可
能である。

【００９１】次に、図１２の（３）に示すように、その
後、リソグラフィ技術とエッチング技術とによって、フ
ォトレジスト（図示せず）をマスクにして絶縁膜４３２
のエッチングを行い、第２ランディングパッド（図示せ
ず）上の絶縁膜４３２に、これから形成されるＴＭＲ素
子と第２ランディングパッドとの接続を図るビアホール
（図示せず）を形成する。

【００９２】次いで、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposit
ion）法によって、上記ヴィアホール（図示せず）を含
む第３絶縁膜４３上に、バリア層３１１、反強磁性体層
３０５、強磁性体からなる磁化固定層３０２、トンネル
絶縁層３０３、強磁性体からなる記憶層３０４、キャッ
プ層３１３を順次形成する。

【００９３】上記バリア層３１１には、窒化チタン、タ
ンタルもしくは窒化タンタルを用いる。

【００９４】上記反強磁性体層３０５には、例えば、鉄
・マンガン合金、ニッケル・マンガン合金、白金マンガ
ン合金、イリジウム・マンガン合金、ロジウム・マンガ
ン合金、コバルト酸化物およびニッケル酸化物のうちの
１種を用いる。この反強磁性体層３０５は、ＴＭＲ素子
１３と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用
いられる下地導電層を兼ねることも可能である。したが
って、本実施の形態では、反強磁性体層３０５をＴＭＲ
素子１３と図示はしていないスイッチング素子との接続
配線の一部として用いている。

【００９５】上記磁化固定層３０２には、例えば、ニッ
ケル、鉄もしくはコバルト、またはニッケル、鉄および
コバルトのうちの少なくとも２種からなる合金のよう
な、強磁性体を用いる。この磁化固定層３０２は、反強
磁性体層３０５と接する状態に形成されていて、磁化固
定層３０２と反強磁性体層３０５との層間に働く交換相
互作用によって、磁化固定層３０２は、強い一方向の磁
気異方性を有している。すなわち、磁化固定層３０２は
反強磁性体層３０５との交換結合によって磁化の方向が
ピニング(pinning)される。

【００９６】なお、上記磁化固定層３０２は、導電層を
挟んで磁性層を積層した構成としてもよい。例えば、反
強磁性体層３０５側から、第１の磁化固定層と磁性層が
反強磁性的に結合するような導電体層と第２の磁化固定
層とを順に積層した光製造としてもよい。この磁化固定
層３０２は、３層以上の強磁性体層を、導電体層を挟ん
で積層させた構造であってもよい。上記導電体層には、
例えば、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等を用いるこ
とができる。

【００９７】上記トンネル絶縁層３０３は、上記記憶層
３０４と上記磁化固定層３０２との磁気的結合を切ると
ともに、トンネル電流を流すための機能を有する。その
ため、通常は厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍの酸化アルミニ
ウムが使われるが、例えば、酸化マグネシウム、酸化シ
リコン、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シ
リコン、酸化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウム
もしくは酸化窒化シリコンを用いてもよい。上記したよ
うにトンネル絶縁層３０３の膜厚は、０．５ｎｍ〜５ｎ
ｍと非常に薄いため、ＡＬＤ（Atomic Layer Depositio
n）法により形成する。もしくはスパッタリングによっ
てアルミニウム等の金属膜を堆積した後にプラズマ酸化
もしくは窒化を行って形成する。

【００９８】上記記憶層３０４には、例えば、ニッケ
ル、鉄もしくはコバルト、またはニッケル、鉄およびコ
バルトのうちの少なくとも２種からなる合金のような、
強磁性体を用いる。この記憶層３０４は外部印加磁場に
よって磁化の方向が下層の磁化か固定層３０４に対し
て、平行又は反平行に変えることができる。

【００９９】上記キャップ層３１３は、ＴＭＲ素子と別
のＴＭＲ素子とを接続する配線との相互拡散防止、接触
抵抗低減および記憶層３０４の酸化防止という機能を有
する。通常、銅、窒化タンタル、タンタル、窒化チタン
等の材料により形成されている。

【０１００】次に、図１３の（４）に示すように、リソ
グラフィ技術とエッチング（例えば反応性イオンエッチ
ング）技術とにより、フォトレジスト（図示せず）をマ
スクにして、ＴＭＲ素子１３を形成するための積層膜
（キャップ層３１３〜反強磁性体層３０５）をエッチン
グし、まずキャップ層３１３〜磁化固定層３０２の積層
膜でＴＭＲ素子１３を形成する。このエッチングでは、
例えばトンネル絶縁層３０３から反強磁性体層３０５の
途中でエッチングが終わるように終点を設定する。ここ
では、一例として磁化固定層３０２で終点とした。エッ
チングガスには塩素（Ｃｌ）を含んだハロゲンガスもし
くは一酸化炭素（ＣＯ）にアンモニア（ＮＨ₃ ）を添加
したガス系を用いる。その後、上記フォトレジストを除
去する。

【０１０１】次いで、リソグラフィ技術とエッチング
（例えば反応性イオンエッチング）技術とにより、フォ
トレジストをマスクにして、ＴＭＲ素子１３と第２ラン
ディングパッド（図示せず）とを接続するためのバイパ
ス線１６（図面垂直方向に配設される）を、例えば反強
磁性体層３０５により形成する。なお、バイパス線１６
は、磁化固定層３０２と反強磁性体層３０５とで形成す
ることも可能である。

【０１０２】次に、図１３の（５）に示すように、第３
絶縁膜４３上に、ＴＭＲ素子１３、バイパス線１６等を
覆う第４絶縁膜４４を形成する。この第４絶縁膜４４
は、例えばＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって、酸化シ
リコンもしくは酸化アルミニウム等で形成される。その
後、化学的機械研磨によって第４絶縁膜４４表面を平坦
化研磨して、ＴＭＲ素子１３のキャップ層３１３上面を
露出させる。

【０１０３】次に標準的な配線形成技術によって、ビッ
ト線１２および周辺回路の配線（図示せず）、ボンディ
ングパッド領域（図示せず）を形成する。さらに全面に
保護膜となる第５絶縁膜４５を、例えばプラズマ窒化シ
リコン膜で形成した後、ボンディングパッド部を開口し
て磁気メモリ装置のウエハプロセスを完了させる。

【０１０４】上記第１磁気メモリ装置の製造方法では、
書き込みワード線１１を、高融点金属よりも電気抵抗の
低い高融点金属以外の金属からなる第１金属層１１１
と、高融点金属からなる第２金属層１１２とを積層して
形成し、その際、ＴＭＲ素子１３が書き込みワード線１
１に投影される部分の少なくとも一部は第２金属層１１
２のみで形成することから、高融点金属の第２金属層１
１２によって書き込みワード線１１のエレクトロマイグ
レーション耐性が高められるので、書き込みワード線１
１に高い値の電流を流すことが可能になる。このため、
高電流密度でＴＭＲ素子１３の記憶層３０４に情報の書
き込みを行うことができ、電流磁界を効率よく記憶層３
０４に集中させることができる書き込みワード線１１を
形成することができる。

【０１０５】加えて、第１金属層１１１を形成すること
から、第１金属層１１１によって書き込みワード線１１
の電気抵抗が低減される。したがって、製造される第１
磁気メモリ装置１は、書き込み電流の低減されて消費電
流の低減が図れるものとなり、また駆動電流が少なくて
すむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ
るので、素子の高集積化が図れるものとなる。

【０１０６】次に、本発明の第２磁気メモリ装置の製造
方法に係る実施の形態を、図１４に示す製造工程断面図
により説明する。図１４に示す構成部品のうち、前記図
７、図４、図５等によって説明したのと同様の構成部品
には同一符号を付与する。

【０１０７】図１４の（１）に示すように、前記図１２
の（１）〜前記図１３の（４）によって説明したのと同
様にして、図示はしない読み出しトランジスタを覆う第
１絶縁膜４１を形成し、この第１絶縁膜４１には、読み
出しトランジスタの拡散層に接続されるコンタクト３０
を形成する。またこの第１絶縁膜４１上には、センス線
（図示せず第１ランディングパッド３１等を覆う第２絶
縁膜４２を形成する。その後、化学的機械研磨によっ
て、第２絶縁膜４２を研磨、平坦化し、センス線（図示
せず）、第１ランディングパッド３１上に例えば７００
ｎｍの厚さの第２絶縁膜４２を残す。さらに第２絶縁膜
４２上にマスク層５１を形成する。

【０１０８】次に、センス線（図示せず）、第１ランデ
ィングパッド３１上のマスク層５１にビアホール５１ｈ
を形成する。次いで、マスク層５１上に第３絶縁膜の下
層となる絶縁膜４３１を形成する。ＴＭＲ素子が形成さ
れる領域下方およびその近傍（例えば５ｎｍ〜２００ｎ
ｍ程度）を含めた領域を除く書き込みワード線の下層部
分が形成される領域に配線溝（図示せず）を形成すると
ともに、第２ランディングパッドを形成するための溝４
３ｔを形成する。

【０１０９】次に、上記ヴィアホール５１ｈ、配線溝４
３ｔ等に、第１金属層１１１を埋め込む。この第１金属
層１１１は絶縁膜４３１上にも形成される。この第１金
属層１１１は、例えば、チタン（Ｔｉ）膜を１０ｎｍの
厚さに形成し、窒化チタン（ＴｉＮ）膜を３０ｎｍの厚
さに形成し、さらにアルミニウム・０．５％銅合金を７
００ｎｍの厚さに堆積して形成する。その後、化学的機
械研磨によって、ヴィアホール５１ｈと配線溝４３ｔ内
に第１金属層１１１を残すように、絶縁膜４３１上の余
剰な第１金属層１１１を除去する。

【０１１０】次に、上記第１金属層１１１および絶縁膜
４３１表面に、バリアメタル層（図示せず）、高融点金
属からなる第２金属層１１２を順に成膜する。上記バリ
アメタル層は、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）を２０ｎｍ
の厚さに堆積して形成する。上記第２金属層１１２に
は、イリジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、
タングステン、タンタル、チタン、トリウム、バナジウ
ム、モリブデン、ロジウム、ニッケル、ルテニウムまた
はその合金を用いることが可能であり、その成膜方法に
は、ＣＶＤ法、スパッタリング、ＰＶＤ法等を用いる。

【０１１１】その後、上記第２金属層１１２をパターニ
ングして、上記第１金属層１１１と、この第１金属層１
１１に接続する第２金属層（図示せず）とからなる書き
込みワード線１１を形成するとともに、第１金属層１１
１と第２金属層１１２とで第２ランディングパッド３３
を形成する。

【０１１２】次に、絶縁膜４３１上に上記書き込みワー
ド線１１を覆う絶縁膜４３２を形成することで、絶縁膜
４３１と絶縁膜４３２とで第３絶縁膜４３が形成され
る。上記絶縁膜４３２は、例えば酸化アルミニウム、酸
化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料により形成す
る。

【０１１３】次に、第３絶縁膜４３に第２ランディング
パッド３３に達するビアホール４３ｈを形成する。

【０１１４】次いで、上記ヴィアホール４３ｈを含む第
３絶縁膜４３上に、バリア層３１１、反強磁性体層３０
５、強磁性体からなる磁化固定層３０２、トンネル絶縁
層３０３、強磁性体からなる記憶層３０４、キャップ層
３１３を、第１磁気メモリ装置の製造方法で説明したの
と同様な材料を用いて順次形成する。

【０１１５】上記反強磁性体層３０５は、ＴＭＲ素子１
３と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用い
られる下地導電層を兼ねることも可能である。

【０１１６】上記磁化固定層３０２は、反強磁性体層３
０５と接する状態に形成されていて、磁化固定層３０２
と反強磁性体層３０５との層間に働く交換相互作用によ
って、磁化固定層３０２は、強い一方向の磁気異方性を
有している。すなわち、磁化固定層３０２は反強磁性体
層３０５との交換結合によって磁化の方向がピニング(p
inning)される。

【０１１７】上記トンネル絶縁層３０３は、上記記憶層
３０４と上記磁化固定層３０２との磁気的結合を切ると
ともに、トンネル電流を流すための機能を有する。

【０１１８】上記記憶層３０４は外部印加磁場によって
磁化の方向が下層の磁化か固定層３０４に対して、平行
又は反平行に変えることができる。

【０１１９】上記キャップ層３１３は、ＴＭＲ素子と別
のＴＭＲ素子とを接続する配線との相互拡散防止、接触
抵抗低減および記憶層３０４の酸化防止という機能を有
する。

【０１２０】次に、キャップ層３１３〜導電体層３１２
をエッチング加工する。まずキャップ層３１３〜磁化固
定層３０２の積層膜でＴＭＲ素子１３を形成する。次い
で、ＴＭＲ素子１３と第２ランディングパッド３３とを
接続するためのバイパス線１６を、例えば磁化固定層３
０２と反強磁性体層３０５とにより形成する。なお、反
強磁性体層３０５単層、もしくは反強磁性体層３０５の
下層に導電体層を形成して導電体層と反強磁性体層３０
５とでバイパス線１６を形成することも可能である。

【０１２１】次に、第３絶縁膜４３上に、ＴＭＲ素子１
３、バイパス線１６等を覆う第４絶縁膜４４を形成す
る。その後、化学的機械研磨によって第４絶縁膜４４表
面を平坦化研磨して、ＴＭＲ素子１３のキャップ層３１
３上面を露出させる。

【０１２２】スパッタリングによって、第４絶縁膜４４
上に上記ＴＭＲ素子１３を覆うバリア層１２３を、例え
ば窒化チタン（ＴｉＮ）２０ｎｍの厚さに堆積して形成
し、さらに、化学的気相成長法によって、ビット線を形
成するための第１金属層１２１を、例えばタングステン
を１５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。続いてバリア
層（図示せず）としてチタン（Ｔｉ）膜とチタン（Ｔ
ｉ）膜を積層して形成し、さらにＰＶＤ法によって、ビ
ット線の抵抗を低減するための第２金属層１２２を、例
えばアルミニウムもしくはアルミニウム銅合金を例えば
４００ｎｍの厚さに堆積して形成する。

【０１２３】次いで、リソグラフィ技術によりビット線
形成領域上、周辺回路の配線形成領域上、ボンディング
パッドの形成領域上等にレジストマスク（図示せず）を
形成する。このレジストマスクを用いて上記第２金属層
１２２および第１金属層１２１をエッチング加工して、
第２金属層１２２によりいわゆる裏打ちされたビット線
１２を形成するとともに、周辺回路の配線（図示せ
ず）、ボンディングパッド領域（図示せず）を形成す
る。

【０１２４】上記第１金属層１２１には、イリジウム、
オスミウム、クロム、ジルコニウム、タングステン、タ
ンタル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、
ロジウム、ニッケル、ルテニウムまたはその合金を用い
ることができ、その成膜方法には、ＣＶＤ法、スパッタ
リング、ＰＶＤ法等を用いることができる。その後、レ
ジストマスクを除去する。

【０１２５】次に、図１４の（２）に示すように、リソ
グラフィ技術によりＴＭＲ素子１３が接続される部分上
およびその周囲（例えば５ｎｍ〜２００ｎｍ程度）上を
開口したレジストマスク（図示せず）を形成し、それを
用いてビット線１２の第２金属層１２２のみをエッチン
グする。その後、レジストマスクを除去する。さらに全
面に保護膜となる第５絶縁膜４５を、例えばプラズマ窒
化シリコン膜で形成した後、ボンディングパッド部を開
口して磁気メモリ装置のウエハプロセスを完了させる。

【０１２６】上記第２磁気メモリ装置の製造方法では、
ビット線１２を、高融点金属からなる第１金属層１２１
と、高融点金属よりも電気抵抗が低くかつ高融点金属以
外の金属からなる第２金属層１２２とを積層して形成
し、その際、ＴＭＲ素子１３がビット線１２に接続され
る部分の少なくとも一部は第２金属層１２２のみで形成
することから、第１金属層１２１によってビット線１２
のエレクトロマイグレーション耐性が高められる。この
ため、ビット線１２に高い値の電流を流すことが可能に
なる。したがって、高電流密度でＴＭＲ素子１３の記憶
層３０４に情報の書き込みを行うことができ、電流磁界
を効率よく記憶層３０４に集中させることができるビッ
ト線１２を形成することができる。

【０１２７】加えて、第２金属層１２２を形成すること
から、第２金属層１２２によってビット線１２の電気抵
抗が低減される。したがって、製造される第２磁気メモ
リ装置２は、書き込み電流の低減されて消費電流の低減
が図れるものとなり、また駆動電流が少なくてすむこと
から電流駆動回路の面積を縮小することができるので、
素子の高集積化が図れるものとなる。

【０１２８】次に、本発明の第１磁気メモリ装置の製造
方法に係る第２実施の形態を説明する。この第２実施の
形態は、前記図１２、図１３によって説明した第１金属
層１１１と第２金属層１１２との積層構造からなる書き
込みワード線１１の製造工程を、前記図９によって説明
したクロスポイント型のＭＲＡＭの書き込みワード線の
製造工程に適用したことを特徴としている。

【０１２９】上記第２実施の形態においても、前記第１
実施の形態と同様なる作用、効果が得られる。

【０１３０】次に、本発明の第２磁気メモリ装置の製造
方法に係る第２実施の形態を説明する。この第２実施の
形態は、前記図１４によって説明した第１金属層１２１
と第２金属層１２２との積層構造からなるビット線１２
の製造工程を、前記図９によって説明したクロスポイン
ト型のＭＲＡＭの書き込みワード線の製造工程に適用し
たことを特徴としている。

【０１３１】上記第２実施の形態においても、前記第１
実施の形態と同様なる作用、効果が得られる。

【０１３２】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の第１磁気
メモリ装置によれば、トンネル磁気抵抗素子を第１配線
に投影した部分の少なくとも一部は高融点金属の第２金
属層のみからなるので、トンネル磁気抵抗素子近傍の第
１配線は薄く形成されている。しかも第１配線は、高融
点金属からなる第２金属層によってエレクトロマイグレ
ーション耐性が高められる。したがって、高電流密度で
トンネル磁気抵抗素子の記憶層に情報の書き込みを行う
ことができるので、電流磁界をトンネル磁気抵抗素子の
記憶層に効率よく集中させることができる。加えて、高
融点金属よりも電気抵抗が低くかつ高融点金属以外の金
属からなる第１金属層によって第１配線の電気抵抗が低
減されているので、書き込み電流が低減され、消費電流
が低減できる。また駆動電流が少なくてすむことから電
流駆動回路の面積が縮小できるので、素子の高集積化が
図れる。

【０１３３】本発明の第２磁気メモリ装置によれば、ト
ンネル磁気抵抗素子が第２配線に接続される部分の少な
くとも一部は高融点金属の第１金属層のみからなるの
で、トンネル磁気抵抗素子近傍の第２配線は薄く形成さ
れている。しかも第２配線は、高融点金属からなる第１
金属層によってエレクトロマイグレーション耐性が高め
られる。したがって、高電流密度でトンネル磁気抵抗素
子の記憶層に情報の書き込みを行うことができるので、
電流磁界をトンネル磁気抵抗素子の記憶層に効率よく集
中させることができる。加えて、高融点金属よりも電気
抵抗が低くかつ高融点金属以外の金属からなる第２金属
層によって第２配線の電気抵抗が低減されているので、
書き込み電流が低減され、消費電流が低減できる。また
駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積が
縮小できるので、素子の高集積化が図れる。

【０１３４】本発明の第１磁気メモリ装置の製造方法に
よれば、第１配線のトンネル磁気抵抗素子を投影した部
分の少なくとも一部は高融点金属の第２金属層のみで形
成するので、トンネル磁気抵抗素子近傍の第１配線は薄
く形成することができる。しかも第１配線は、高融点金
属からなる第２金属層を用いて形成するので、エレクト
ロマイグレーション耐性が高められる。したがって、高
電流密度でトンネル磁気抵抗素子の記憶層に情報の書き
込みを行うことができ、電流磁界を効率よく記憶層に集
中させることができる第１配線を形成することができ
る。加えて、高融点金属よりも電気抵抗が低い金属から
なる第１金属層を形成するので、第１金属層によって第
１配線の電気抵抗が低減できる。したがって、製造され
る第１磁気メモリ装置は、書き込み電流が低減され、消
費電流の低減が図れるものとなる。また駆動電流が少な
くてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することが
できるので、素子を高集積に形成できる。

【０１３５】本発明の第２磁気メモリ装置の製造方法に
よれば、第２配線のトンネル磁気抵抗素子が接続される
部分の少なくとも一部は高融点金属の第１金属層のみで
形成するので、トンネル磁気抵抗素子近傍の第２配線は
薄く形成することができる。しかも第２配線は、高融点
金属からなる第１金属層を用いて形成するので、エレク
トロマイグレーション耐性が高められる。したがって、
高電流密度でトンネル磁気抵抗素子の記憶層に情報の書
き込みを行うことができ、電流磁界を効率よく記憶層に
集中させることができる第２配線を形成することができ
る。加えて、高融点金属よりも電気抵抗が低い金属から
なる第２金属層を形成するので、第２金属層によって第
２配線の電気抵抗が低減できる。したがって、製造され
る第２磁気メモリ装置は、書き込み電流が低減され、消
費電流の低減が図れるものとなる。また駆動電流が少な
くてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することが
できるので、素子を高集積に形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１磁気メモリ装置に係る第１実施の
形態を示す概略構成断面図である。

【図２】一般的なＭＲＡＭの主要部を簡略化して示した
概略構成斜視図である。

【図３】容易軸方向磁界Ｈ_EA および困難軸方向磁界Ｈ
_HA による記憶層磁化方向の反転しきい値を示すアステ
ロイド曲線である。

【図４】一般的なＭＲＡＭの構成を示す概略構成断面図
である。

【図５】ＴＭＲ素子の一例を示す概略構成斜視図であ
る。

【図６】ＴＭＲ素子、書き込みワード線およびビット線
をピックアップして示した断面模式図である。

【図７】配線膜厚をパラメータにした発生磁場強度の層
間膜厚依存性のシミュレーション結果を示す図である。

【図８】本発明の第１磁気メモリ装置に係る第１実施の
形態を示す概略構成断面図である。

【図９】一般的なクロスポイント型のＭＲＡＭの主要部
を簡略化して示した概略構成斜視図である。

【図１０】本発明の第１磁気メモリ装置に係る第２実施
の形態を示す概略構成断面図である。

【図１１】本発明の第２磁気メモリ装置に係る第２実施
の形態を示す概略構成断面図である。

【図１２】本発明の第１磁気メモリ装置の製造方法に係
る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。

【図１３】本発明の第１磁気メモリ装置の製造方法に係
る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。

【図１４】本発明の第２磁気メモリ装置の製造方法に係
る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。

【符号の説明】

１１…書き込みワード線、１２…ビット線、１３…ＴＭ
Ｒ素子、３０３…トンネル絶縁層、１１１…第１金属
層、１１２…第２金属層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F083 FZ10 GA05 GA09 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40 JA56 KA01 KA05 MA06 MA16 PR21 PR22 PR40

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１配線と、 前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、 前記第１配線と電気的に絶縁され、前記第２配線と電気
   的に接続されたもので、前記第１配線と前記第２配線と
   の交差領域にトンネル絶縁層を強磁性体で挟んで構成さ
   れるトンネル磁気抵抗素子とを備えたもので、 前記強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行によっ
   て抵抗値が変化することを利用して情報を記憶する不揮
   発性の磁気メモリ装置において、 前記第１配線は、高融点金属よりも電気抵抗が低くかつ
   高融点金属以外の金属からなる第１金属層と高融点金属
   からなる第２金属層とが積層されたもので、前記トンネ
   ル磁気抵抗素子を前記第１配線に投影した部分の少なく
   とも一部は前記第２金属層のみからなることを特徴とす
   る磁気メモリ装置。
2. 【請求項２】 前記第１配線と前記トンネル磁気抵抗素
   子とは、スイッチング素子を介して電気的に接続されて
   いることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ装置。
3. 【請求項３】 前記高融点金属は、タングステン、イリ
   ジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、タンタ
   ル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロジ
   ウム、ニッケル、ルテニウムまたはその合金であること
   を特徴とする請求項１記載の磁気メモリ装置。
4. 【請求項４】 第１配線と、 前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、 前記第１配線と電気的に絶縁され、前記第２配線と電気
   的に接続されたもので、前記第１配線と前記第２配線と
   の交差領域にトンネル絶縁層を強磁性体で挟んで構成さ
   れるトンネル磁気抵抗素子とを備えたもので、 前記強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行によっ
   て抵抗値が変化することを利用して情報を記憶する不揮
   発性の磁気メモリ装置において、 前記第２配線は、高融点金属からなる第１金属層と、前
   記第１金属層よりも電気抵抗の低い前記高融点金属以外
   の金属からなる第２金属層とが積層されたもので、前記
   トンネル磁気抵抗素子が接続される部分の少なくとも一
   部は前記第１金属層のみからなることを特徴とする磁気
   メモリ装置。
5. 【請求項５】 前記第１配線と前記トンネル磁気抵抗素
   子とは、スイッチング素子を介して電気的に接続されて
   いることを特徴とする請求項４記載の磁気メモリ装置。
6. 【請求項６】 前記高融点金属は、タングステン、イリ
   ジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、タンタ
   ル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロジ
   ウム、ニッケル、ルテニウムまたはその合金であること
   を特徴とする請求項４記載の磁気メモリ装置。
7. 【請求項７】 第１の配線を形成する工程と、 トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記第１
   の配線と電気的に絶縁されたトンネル磁気抵抗素子を形
   成する工程と、 前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前
   記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体
   的に交差する第２配線を形成する工程とを備えた不揮発
   性の磁気メモリ装置の製造方法において、 前記第１配線を、高融点金属よりも電気抵抗の低い高融
   点金属以外の金属からなる第１金属層と、高融点金属か
   らなる第２金属層とを積層して形成し、 その際、前記トンネル磁気抵抗素子が前記第１配線に投
   影される部分の少なくとも一部は前記第２金属層のみで
   形成することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
8. 【請求項８】 前記トンネル磁気抵抗素子を形成する工
   程は、 前記第１の配線に接続するスイッチング素子を形成した
   後に前記スイッチング素子に接続する前記トンネル磁気
   抵抗素子を形成することを特徴とする請求項７記載の磁
   気メモリ装置の製造方法。
9. 【請求項９】 前記高融点金属は、タングステン、イリ
   ジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、タンタ
   ル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロジ
   ウム、ニッケル、ルテニウムまたはその合金であること
   を特徴とする請求項７記載の磁気メモリ装置の製造方
   法。
10. 【請求項１０】 第１の配線を形成する工程と、トンネ
    ル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記第１の配線
    と電気的に絶縁されたトンネル磁気抵抗素子を形成する
    工程と、 前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前
    記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体
    的に交差する第２配線を形成する工程とを備えた不揮発
    性の磁気メモリ装置の製造方法において、 前記第２配線を、高融点金属からなる第１金属層と、高
    融点金属よりも電気抵抗が低くかつ高融点金属以外の金
    属からなる第２金属層とを積層して形成し、その際、前
    記トンネル磁気抵抗素子が前記第２配線に接続される部
    分の少なくとも一部は前記第２金属層のみで形成するこ
    とを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記トンネル磁気抵抗素子を形成する
    工程は、 前記第１の配線に接続するスイッチング素子を形成した
    後に前記スイッチング素子に接続する前記トンネル磁気
    抵抗素子を形成することを特徴とする請求項７記載の磁
    気メモリ装置の製造方法。
12. 【請求項１２】 前記高融点金属は、タングステン、イ
    リジウム、オスミウム、クロム、ジルコニウム、タンタ
    ル、チタン、トリウム、バナジウム、モリブデン、ロジ
    ウム、ニッケル、ルテニウムまたはその合金であること
    を特徴とする請求項１１記載の磁気メモリ装置の製造方
    法。