JP2004235512A

JP2004235512A - 磁気記憶装置およびその製造方法

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Publication number: JP2004235512A
Application number: JP2003023504A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Komuro; 善昭小室
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】配線の抵抗もしくはインピーダンスを下げ、かつ記憶素子へ磁力線を集中させることにより書き込みの効率を高め、書き込み配線に流す電流値を下げることにより発熱を抑えて、磁気記憶装置の長寿命化、低消費電力化を図る。
【解決手段】第１配線（書き込みワード線）１１と、これと立体的に交差する第２配線（ビット線）１２と、書き込みワード線１１と電気的に絶縁され、ビット線１２と電気的に接続されたもので、書き込みワード線１１とビット線１２との交差領域に磁気抵抗効果型の記憶素子１３とを備えた磁気記憶装置１において、書き込みワード線１１の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第１磁性体層１６が形成され、第１磁性体層１６は、記憶素子１３と対向する位置の書き込みワード線１１側壁に形成された第１磁性体層１６側壁部分が記憶素子１３側に突き出した状態に形成されているものである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記憶装置およびその製造方法に関し、詳しくは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記憶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（ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）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。また構造が複雑なために高集積化が困難であり、しかも、アクセス時間が１００ｎｓ程度と遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０^１２〜１０^１４回で、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（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）もしくはＭＲ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）メモリと呼ばれる磁気メモリであり、近年のトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ：という、ＴＭＲはＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｉｓｔａｎｃｅの略）材料の特性向上により注目を集めるようになってきている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
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報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。また、ＧＭＲ効果により高出力が得られるようになった現在では、大きく改善されてきている。
【０００８】
また、ＭＲＡＭには、構造上の本質的な課題が存在する。ＭＲＡＭにおける記憶は、配線に電流を流すことによって発生する電流磁場によって記憶層の磁化を回転させることで行っている。ところが、高集積化によって、配線が細くなるにともない、書き込み線に流すことができる臨界電流値が下がるため、得られる磁界が小さくなり、被記憶領域の保磁力を小さくせざるを得ない。これは、情報記憶装置の信頼性が低下することを意味する。また、磁界は光や電子線のように絞ることができないため、高集積化した場合にはクロストークの大きな原因になると考えられる。これを防止するためにキーパ構造等も提案されているが、構造の複雑化は避けられない。以上のように、電流磁場による書き込みには本質的に多くの課題があり、電流磁場による書き込みが将来のＭＲＡＭにおける大きな欠点になる恐れがある。
【０００９】
ところで、このような欠点は、磁界を用いることなく磁化を制御することが可能であれば解消することができる。そして、磁界を用いることなく磁化を制御する手段として、強磁性体／半導体／強磁性体を積層して用いることが提案されている（例えば、非特許文献３参照。）。
【００１０】
これは、強磁性体間の磁気的な結合が、中間層である半導体層のキャリア濃度に依存していることを利用するものである。強磁性体／半導体／強磁性体を積層した積層体では、中間層である半導体層のキャリア濃度を制御することにより、強磁性層間の磁気的結合を、例えば平行から反平行へと変化させることが可能である。そこで、一方の磁性層（固定層）の保磁力を大としておけば、他方の磁性層（可動層）の磁化を固定層に対して回転させることができる。特に電気的な入力で磁化を回転させる方法は、小型全固定素子を実現する技術として有望である。
【００１１】
これらの情報記憶素子の構造は種々報告されている。一例をあげると、情報記憶素子の構成要素を成す磁性体膜を含む各種膜がビット線およびワード線に対して平行に積層されている構造がある（例えば、特許文献１参照。）。これらの製造方法としては情報記憶素子の構成要素を成す磁性体膜を含む各種膜を形成後、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術とによって所定の長方形等の形状に加工する。
【００１２】
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用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、１．５８ｋＡ／ｍ〜１５．８ｋＡ／ｍ（２０Ｏｅ〜２００Ｏｅ）が必要であり、このときの電流は数十ｍＡになる。これは消費電流の増大につながり、素子の低寿命化、発熱、消費電力の増加という半導体素子にとってはデメリットとなることが多い。
【００１３】
この消費電流が増大する問題を解決するために、書き込みワード線およびビット線の周りを磁性層でシールドして、電流が発生する磁束を集中させる構造（以下クラッド構造という）が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１４】
図１５に磁性体層により形成されるクラッド構造を用いたＭＲＡＭの一部を簡略化した図を示す。図１５に示すように、ワード線１１の周りに対して、磁気抵抗効果型の記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１３側の面以外を第１磁性体層１６で覆い磁束を記憶素子１３に集中させるようにしている。同様に、ビット線１２の周りに対して、記憶素子１３側の面以外を第２磁性体層１７で覆い磁束を記憶素子１３に集中させるようにしている。
【００１５】
さらに、上記第１磁性体層１６の側壁部分を第１配線１１の記憶素子１３側の面よりも記憶素子１３側に延長させた構成、および上記第２磁性体層１７の側壁部分を第２配線１２の記憶素子１３側の面よりも記憶素子１３側に延長させた構成が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
【００１６】
また、高集積化という面からは、ビット線と書き込みワード線のサイズはリソグラフィ技術から決まる最小線幅に近いサイズが要求される。書き込み電流値が高くなると、エレクトロマイグレーション等の配線の信頼性が課題になる。この課題を解決するためには銅配線を用いることが有効であると考えられる。
【００１７】
【特許文献１】
特開平１１−３１７０７１号公報（第６−７頁、第２図）
【特許文献２】
特開２００２−２４６５６６号公報（第４頁、図６）
【特許文献３】
特願２００２−０８５０９５号明細書（第２２−２４頁および第３５−３６頁、図１および図１３）
【非特許文献１】
Ｗａｎｇｅｔａｌ．，ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｍａｇｎ．３３（１９９７）ｐ４４９８−４５１２
【非特許文献２】
Ｒ．Ｓｃｈｅｕｅｒｌｅｉｎｅｔａｌ，ＩＳＳＣＣＤｉｇｅｓｔｏｆＰａｐｅｒｓ（Ｆｅｂ．２０００）ｐ１２８−１２９
【非特許文献３】
Ｍａｔｔｓｏｎｅｔａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７７（１９９３）ｐ．１８５
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の上記の構造の磁気抵抗効果型の記憶素子を用いた場合、次の点が問題として考えられている。書き込み用配線の全延長に渡り磁性体で囲むため、書き込み用配線の全延長に均等の磁界が発生し、さらに磁界の効率を上げようとしても上げることが困難となる。また、書き込み用配線を高透磁率材で囲むことは、配線のリアクタンスを増大させてインピーダンスが上昇し、高速動作時の遅延による速度低下やエネルギー損失を招き、前述した低寿命化、発熱の増大、消費電力の増大を進ませ、メリットが減少することとなる。
【００１９】
さらに、上述のようなＴＭＲ素子書き込みを行う書き込み用配線を製造する上で微細化が必要となるが、微細化を行うことにより配線抵抗が上昇し、低寿命化、発熱の増大、消費電力の増大を招く。これを避けるべく、クラッド構造をとったとしてもインピーダンスが上昇し、程度は軽くなるものの上記同様の問題が生じる。
【００２０】
【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記憶装置およびその製造方法である。
【００２１】
本発明の第１磁気記憶装置は、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磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、前記第１配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる磁性体層が形成され、前記磁性体層は、前記記憶素子と対向する位置の前記第１配線側壁に形成された前記磁性体層側壁部分が前記記憶素子側に突き出した状態に形成されているものである。
【００２２】
上記第１磁気記憶装置では、第１配線の両側面および記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第１磁性体層が形成され、第１磁性体層は、記憶素子と対向する位置の第１配線側壁に形成された第１磁性体層側壁部分が記憶素子側に突き出した状態に形成されていることから、通常の配線のみの構成よりも高強度の磁界を得ることができる。これは、突き出した状態に形成された磁性体層部分の配線からその外部に磁力線が漏れてくる効果を利用するものである。通常の配線のみの構成の場合、配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外部の磁力は弱くなる。しかしながら、本発明の構成では、第１配線より発生した磁力線が磁性体層の中を通るため磁性体層中の磁界は強くなることを利用している。しかも記憶素子の近傍の第１配線部分のみ磁性体層が記憶素子方向に突き出した状態に形成されていることから、第１配線上面と同等の高さに磁性体層が形成されている従来の構成よりも磁性体層が突き出した状態に形成されている部分に磁力線を集中させることができ、その結果、第１配線の外部に生じる磁界を記憶素子が形成される領域下で強めることができる。
【００２３】
本発明の第２磁気記憶装置は、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磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、前記第２配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる磁性体層が形成され、前記磁性体層は、前記記憶素子と対向する位置の前記第２配線側壁に形成された前記磁性体層側壁部分が前記記憶素子側に突き出した状態に形成されているものである。
【００２４】
上記第２磁気記憶装置では、第２配線の両側面および記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる磁性体層が形成され、磁性体層は、記憶素子と対向する位置の第２配線側壁に形成された磁性体層側壁部分が記憶素子側に突き出した状態に形成されていることから、通常の配線のみの構成よりも高強度の磁界を得ることができる。これは、突き出した状態に形成された磁性体層部分の配線からその外部に磁力線が漏れてくる効果を利用するものである。通常の配線のみの構成の場合、配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外部の磁力は弱くなる。しかしながら、本発明の構成では、配線より発生した磁力線が磁性体層の中を通るため磁性体層中の磁界は強くなることを利用している。しかも記憶素子の近傍の第２配線部分のみ磁性体層が記憶素子方向に突き出した状態に形成されていることから、第２配線下面と同等の高さに磁性体層が形成されている従来の構成よりも磁性体層が記憶素子方向に突き出した状態に形成されている部分に磁力線を集中させることができ、その結果、第２配線の外部に生じる磁界を記憶素子が形成される領域上で強めることができる。
【００２５】
本発明の磁気記憶装置の第１製造方法は、基板上に形成された絶縁膜に第１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配線と電気的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子を形成する工程と、前記記憶素子と電気的に接続するもので前記記憶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記憶装置の製造方法において、前記第１配線は、前記絶縁膜に前記第１配線を形成するための配線溝を形成する工程と、前記配線溝を形成した後に前記配線溝内に磁性体層を形成する工程と、前記配線溝内に前記磁性体層を介して前記第１配線を形成する工程と前記記憶素子を形成する領域下に前記磁性体層を残し、その他の前記磁性体層側壁上部を除去する工程と、前記第１配線上部を前記磁性体層側壁を除去した後の高さまで除去する工程とにより形成される。
【００２６】
上記磁気記憶装置の第１製造方法では、第１配線は、絶縁膜に第１配線を形成するための配線溝を形成する工程と、配線溝を形成した後に配線溝内に磁性体層を形成する工程と、配線溝内に磁性体層を介して第１配線を形成する工程と記憶素子を形成する領域下に磁性体層を残し、その他の磁性体層側壁上部を除去する工程と、第１配線上部を磁性体層側壁を除去した後の高さまで除去する工程とにより形成されることから、磁性体層は、記憶素子側を開放した状態に第１配線を被覆し、かつ磁気抵抗効果型の記憶素子下における第１配線側壁に形成される磁性体層側壁部分は記憶素子側に突き出した状態に形成される。このため、磁性体層側壁の突き出した状態に形成した部分に高強度の磁界を得ることができる。これは、突き出した状態に形成された磁性体層部分の配線からその外部に磁力線が漏れてくる効果を利用するものである。通常の配線のみの構成の場合、配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外部の磁力は弱くなる。しかしながら、本発明の構成では、配線より発生した磁力線が磁性体層の中を通るため磁性体層中の磁界は強くなることを利用している。しかも記憶素子の近傍の第１配線側壁部分のみ磁性体層が記憶素子方向に突き出した状態に形成されていることから、第１配線上面と同等の高さに磁性体層が形成されている従来の構成よりも磁性体層が突き出した状態に形成されている部分に磁力線を集中させることができ、その結果、第１配線の外部に生じる磁界を記憶素子が形成される領域下で強めることができる。この第１製造方法は、このような作用効果を得る構成を形成することができる。
【００２７】
本発明の磁気記憶装置の第２製造方法は、第１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配線と電気的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子を形成する工程と、前記記憶素子と電気的に接続するもので前記記憶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記憶装置の製造方法において、前記第２配線は、前記記憶素子を形成した後、前記記憶素子を被覆する絶縁膜からなる記憶素子エッチング停止層を形成する工程と、前記記憶素子エッチング停止層上に第１絶縁膜を形成した後、前記記憶素子上面を露出させるように前記第１絶縁膜表面を平坦化する工程と、前記第１絶縁膜上に前記記憶素子を被覆する配線エッチング停止層を形成し、さらに第２絶縁膜を形成する工程と、前記第２絶縁膜に前記第２配線を形成するための配線溝を形成する工程と、前記記憶素子上およびその周囲上の前記配線エッチング停止層を除去した後、前記記憶素子側周囲の前記第１絶縁膜を除去して、前記配線溝に連続する磁性体埋め込み溝を形成する工程と、前記配線溝の側壁および前記磁性体埋め込み溝に磁性体層を形成する工程と、前記配線溝内に前記第２配線を形成する工程と、前記第２配線上にキャップ磁性体層を形成する工程とにより形成される。
【００２８】
本発明の磁気記憶装置の第２製造方法では、第２配線は、記憶素子を形成した後、記憶素子を被覆する絶縁膜からなる記憶素子エッチング停止層を形成する工程と、記憶素子エッチング停止層上に第１絶縁膜を形成した後、記憶素子上面を露出させるように第１絶縁膜表面を平坦化する工程と、第１絶縁膜上に記憶素子を被覆する配線エッチング停止層を形成し、さらに第２絶縁膜を形成する工程と、第２絶縁膜に第２配線を形成するための配線溝を形成する工程と、記憶素子上およびその周囲上の配線エッチング停止層を除去した後、記憶素子側周囲の第１絶縁膜を除去して、配線溝に連続する磁性体埋め込み溝を形成する工程と、配線溝の側壁および磁性体埋め込み溝に磁性体層を形成する工程と、配線溝内に第２配線を形成する工程と、第２配線上にキャップ磁性体層を形成する工程とにより形成されることから、磁性体層は、記憶素子側を開放した状態で第２配線に被覆し、かつ磁気抵抗効果型の記憶素子上方の第２配線側壁部分に形成される磁性体層側壁部分は記憶素子側に突き出した状態に形成される。このため、磁性体層側壁の突き出した状態に形成した部分に高強度の磁界を得ることができる。これは、突き出した状態に形成された磁性体層部分の配線からその外部に磁力線が漏れてくる効果を利用するものである。通常の配線のみの構成の場合、配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外部の磁力は弱くなる。しかしながら、本発明の構成では、配線より発生した磁力線が磁性体層の中を通るため磁性体層中の磁界は強くなることを利用している。しかも記憶素子の近傍の第２配線側壁部分のみ磁性体層が記憶素子方向に突き出した状態に形成されていることから、第２配線下面と同等の高さに磁性体層が形成されている従来の構成よりも磁性体層が突き出した状態に形成されている部分に磁力線を集中させることができ、その結果、第２配線の外部に生じる磁界を記憶素子が形成される領域下で強めることができる。この第２製造方法は、このような作用効果を得る構成を形成することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１、第２磁気記憶装置に係る第１実施の形態を、図１の概略構成斜視図によって説明する。図１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。
【００３０】
図１に示すように、９個のメモリセルを含み、相互に交差する第１配線（以下、書き込みワード線として説明する）１１（１１１、１１２、１１３）および第２配線（以下、ビット線として説明する）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の各交差領域には、書き込みワード線１１上に絶縁膜（図示せず）を介して形成されているとともにビット線１２に接続されている磁気抵抗効果型の記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１３（１３１〜１３９）が配置されている。この記憶素子１３は、基本的構成としては、例えばトンネル絶縁層（トンネルバリア層ともいう）３０３を強磁性体からなる磁化固定層３０２と記憶層３０４とで挟んだ構成を有している。また、図面では、記憶素子１３とスイッチングトランジスタ（図示せず）に接続するための導電層３０１が、記憶素子１３の書き込みワード線１１側に接続して設けられ、さらに導電層３０１にはコンタクト部３０が接続されている。また、記憶素子１３は導電性材料からなるキャップ層３１３が形成され、このキャップ層３１３に上記ビット線１２が接続されている。
【００３１】
上記書き込みワード線１１に記憶素子１３側を開放する状態で書き込みワード線１１を被覆する第１磁性体層１６が形成されている。この第１磁性体層１６は、上記記憶素子１３と対向する書き込みワード線１１の側壁位置において第１磁性体層１６の側壁部分は記憶素子１３方向に延長形成されている。ただし、第１磁性体層１６側壁の延長形成した部分は記憶素子１３に電気的に接続されない。
【００３２】
また、上記記憶素子１３と対向する位置のビット線１２には、記憶素子１３側を開放する状態に設けた第２磁性体層１７が被覆形成されている。この第２磁性体層１７は、上記記憶素子１３と対向するビット線１２の側壁位置において第２磁性体層１７の側壁部分は記憶素子１３方向に延長形成されている。これら、第１、第２磁性体層１６、１７は、両方設けることが好ましいが、いずれか一方のみを設けることも可能である。
【００３３】
上記第１、第２磁性体層１６、１７を構成する高透磁率材料としては、例えば最大透磁率μ_ｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金、フェライト合金、等を用いることができる。
【００３４】
上記磁気記憶装置１における磁性抵抗効果型の記憶素子１３への情報の書き込みは、書き込みワード線１１およびビット線１２に電流を流し、それから発生する合成磁界によって書き込みワード線１１とビット線１２との交差領域に形成された記憶素子１３の記憶層３０４の磁化方向を磁化固定層３０２に対して平行または反平行にして行う。
【００３５】
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記憶素子１３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。ここで示したのは一部分の構造であり、実デバイスではこの繰り返しの構造となる。
【００３６】
なお、図示したように、書き込みワード線１１（ビット線１２）と磁性体層１６（１７）の間に電気的絶縁層を設けない場合、第１磁性体層１６（第２磁性体層１７）には電流損を防ぐため比抵抗率の高い軟磁性膜を用いることが望ましい。また図示したように、上記第１磁性体層１６（第２磁性体層１７）は書き込みワード線１１（ビット線１２）の両側面に形成された部分は書き込みワード線１１（ビット線１２）より記憶素子１３側に突き出した状態に形成されているが、その突き出した状態に形成される部分は書き込みワード線１１の片方の側面に形成されているもののみの構成も本発明の範囲に含まれる。
【００３７】
次いで、上記基本構成を組み込んだ第１磁気記憶装置１の具体的構成例を、図２によって説明する。
【００３８】
図２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（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）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。
【００３９】
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。
【００４０】
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に接続する第１ランディングパッド３１等が形成されている。
【００４１】
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、書き込みワード線１１等が形成されている。
【００４２】
上記書き込みワード線１１には、上記図１によって説明した第１磁性体層１６が設けられている。すなわち、上記記憶素子１３側を開放する状態で書き込みワード線１１を被覆するように第１磁性体層１６が形成されている。そして第１磁性体層１６は、上記記憶素子１３と対向する書き込みワード線１１の側壁位置において第１磁性体層１６の側壁部分は記憶素子１３方向に延長形成されている。このように、第１磁性体層１６の側壁部分が記憶素子１３側に突き出した状態に形成されることにより、第１磁性体層１６の側壁部分先端部に電流磁束が集中される。したがって、第１磁性体層１６の先端部と記憶素子１３との距離は、第１磁性体層１６の先端部に集中させた電流磁束が記憶層３０４に効率よく達する距離とする必要があり、例えば２００ｎｍ以下に形成される。
【００４３】
また第１磁性体層１６を構成する高透磁率材料には、例えば最大透磁率μ_ｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金もしくはフェライト合金を用いる。
【００４４】
上記第２絶縁膜４２上には、上記書き込みワード線１１、第１磁性体層１６、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に達する開口部４３ｈが形成されている。
【００４５】
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上方から上記開口部４３ｈにかけて反強磁性体層３０５が形成され、この反強磁性体層３０５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を挟んで強磁性体層からなる磁化固定層３０２と磁化が比較的容易に回転する記憶層３０４が形成され、さらにキャップ層３１３が形成されている。この反強磁性体層３０５からキャップ層３１３によって情報記憶素子（以下、ＴＭＲ素子という）１３が構成されている。このＴＭＲ素子１３については一例を後に詳述する。また、バイパス線１７が反強磁性体層３０５上に磁化固定層３０２を延長した状態で形成されている。
【００４６】
上記第３の絶縁膜４３上には上記バイパス線１７、記憶素子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、上記記憶素子１３の最上層のキャップ層３１３表面が露出されている。上記第４の絶縁膜４４上には、上記記憶素子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と上記記憶素子１３を間にして立体的に交差（例えば直交）するビット線１２が形成されている。
【００４７】
さらに、上記記憶素子１３と対向する位置のビット線１２に記憶素子１３側を開放する状態に設けた第２磁性体層１７が形成されている。すなわち、この第２磁性体層１７は、上記記憶素子１３と対向するビット線１２の側壁位置において第２磁性体層１７の側壁部分は記憶素子１３方向に延長形成されている。
【００４８】
上記第２磁性体層１７を構成する高透磁率材料には、例えば最大透磁率μ_ｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金もしくはフェライト合金を用いる。
【００４９】
次に、上記記憶素子１３の一例を、図３の概略構成図によって説明する。図３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３０６と磁性層が反強磁性的に結合するような導電体層３０７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３０４、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。また上記反強磁性体層３０５の下地に、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（図示せず）を形成することも可能である。また、下地導電層を反強磁性体層３０５によって兼ねることも可能である。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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３０６は、強い一方向の磁気異方性を有している。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
次に、前記図１によって説明した磁気記憶装置１の一組の書き込みワード線１１、ビット線１２および記憶素子１３からなる１つの記憶モジュールを図４に示し、これを用いて抵抗値の変化の原理を説明する。
【００５８】
図４に示すように、記憶素子（ＴＭＲ素子）１３は書き込みワード線１１とビット線１２とに電流を流した時に情報が記録される。この場合の書き込みワード線１１による磁界の発生方向を矢印アで示す。またビット線１２による磁界の発生方向を矢印イで示す。図では簡単のため記憶素子１３の中心部を通る磁界のみ表示している。発生した磁界は記憶素子１３内の磁界方向を決定することができる。一度決定された磁界方向は書き込みワード線１１およびビット線１２の電流を遮断しても前の状態に戻ることなく磁界を保持することができる。
【００５９】
次に、書き込みワード線１１、ビット線１２の両方もしくは一方の電流の流れる方向を逆にする。これにより書き込みワード線１１、ビット線１２の周辺に発生する磁界は変化をする。
【００６０】
この記憶素子１３の磁界方向により図示されていないこの中に形成されているトンネル絶縁層の抵抗値が高くなったり低くなったりして、記憶素子１３の２通りのビット状態（０または１）が明確に定義される。
【００６１】
一方、読み出し時には、ビット線１２とスイッチングトランジスタに接続されるコンタクト部１８の間に電圧をかけ流れるセンス電流を検知し記録情報の取り出しを行う。
【００６２】
次に、上記磁性体層１６、１７を形成した構成（以下クラッド構造という）による効果を説明する。上記説明したように、クラッド構造は書き込み用配線（書き込みワード線およびビット線）の一部分を磁性体層１６、１７で覆った構造を取る。ただし、配線の一部は磁性体層１６、１７で覆わず、その覆わない部分から配線の外部に磁力線が漏れてくる効果を利用する。これによって、クラッド構造を有しない通常の配線および配線の延長方向にわたって磁性体層を形成した構成よりも記憶素子近傍の配線に高強度の磁界を得ることができる。
【００６３】
磁性体層を設けない通常の配線に生じる磁力線とクラッド構造を採用した場合とを図５に示す。図５（１）には磁性体層を設けない配線のみの構成の磁力線を矢印で示す。また図５（２）には、配線と同等高さまで磁性体層側壁を形成した構成の磁力線を矢印で示す。また図５（３）には、本願発明のクラッド構造を採用した配線の磁力線を矢印で示す。
【００６４】
図５（１）に示すように、通常の配線１１０では配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外方に向かうにしたがって磁力は弱くなる。したがって、記憶素子１３への磁界も弱くなる。一方、図５（２）に示すクラッド構造を有する配線１０では、磁力線が磁性体層１６（１７）中を通るため、磁性体層１６（１７）中に強い磁界が生じる。そして、磁性体層１６（１７）で覆われていない部分から磁力線が配線１０の外部に漏れることとなり、その結果、磁性体層１６（１７）が形成されていない部分の配線１０の外部に比較的強い磁界を得ることができる。したがって、記憶素子１３へ比較的強い磁界を与えることができる。さらに、図５（３）に示す本発明のクラッド構造を有する配線１０では、磁力線が磁性体層１６（１７）中を通るため、磁性体層１６（１７）中に強い磁界が生じる。そして、磁性体層１６（１７）が配線よりも記憶素子（図示せず）方向に突き出した状態に形成されていることから、突き出した部分により磁界が集中することになり、その結果、突き出した状態に形成される磁性体層１６（１７）間において配線１０の外部に、図（２）の構成よりもさらに高強度の磁界を得ることができる。また、突き出した状態に形成される磁性体層１６（１７）間に記憶素子１３を配置することができる場合には、より効果が高められる。
【００６５】
また、図６（１）に示すように通常のクラッド構造の場合、書き込み用の配線１１０全延長にわたって、配線１１０の上面と同等の高さに磁性体層１１６の側壁が形成されているため、配線１１０の全延長にわたって均等の磁界（矢印で示す）が発生し、さらに磁界の効率を上げようとしても上げることが困難であった。
【００６６】
そこで本願発明のごとく、高強度の磁界が必要な部分のみクラッド構造を構成し、それ以外はクラッド構造を形成しない通常の配線構造とすることにより、図６（２）に示すようにクラッド構造の無い部分の配線１０から出る磁力線（矢印で示す）を配線１１０の上面より突き出した状態に磁性体層１６（１７）のしく壁の一部を形成することにより、その突き出した状態に形成した磁性体層側壁部分の端辺部１６Ｅ（１７Ｅ）に集中させることができ、その結果、突き出した状態に形成した磁性体層側壁部分の端辺部１６Ｅ（１７Ｅ）間の配線１０の外部に生じる磁界を強めることができる。
【００６７】
上記磁気記憶装置１では、書き込みワード線１１の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第１磁性体層１６が形成され、第１磁性体層１６は、記憶素子１３と対向する位置の書き込みワード線１１側壁に形成された第１磁性体層１６の側壁部分が記憶素子１３側に突き出した状態に形成されていることから、通常の配線のみの構成よりも高強度の磁界を得ることができる。これは、突き出した状態に形成された磁性体層１６部分の書き込みワード線１１からその外部に磁力線が漏れてくる効果を利用するものである。通常の配線のみの構成の場合、配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外部の磁力は弱くなる。しかしながら、本発明の構成では、書き込みワード線１１より発生した磁力線が第１磁性体層１６の中を通り突き出した状態に形成した部分に磁力線が集中しやすくなるため、第１磁性体層１１の突き出した部分中の磁界は強くなることを利用している。すなわち、書き込みワード線１１上面と同等の高さに磁性体層が形成されている従来の構成よりも第１磁性体層１６が突き出した状態に形成されている部分に磁力線を集中させることができ、その結果、書き込みワード線１１の外部に生じる磁界を記憶素子１３が形成される領域下で強めることができる。
【００６８】
同様に、ビット線１２の両側面および記憶素子１３に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる第２磁性体層１７が形成され、第２磁性体層１７は、記憶素子１３と対向する位置のビット線１２側壁に形成された第２磁性体層１７の側壁部分が記憶素子１３側に突き出した状態に形成されていることから、通常の配線のみの構成よりも高強度の磁界を得ることができる。これは、突き出した状態に形成された第２磁性体層１７部分のビット線１２からその外部に磁力線が漏れてくる効果を利用するものである。通常の配線のみの構成の場合、配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外部の磁力は弱くなる。しかしながら、本発明の構成では、ビット線１２より発生した磁力線が第２磁性体層１７の突き出した状態に形成された部分の中を通るため第２磁性体層１７中の磁界は強くなることを利用している。すなわち、第２配線下面と同等の高さに磁性体層が形成されている従来の構成よりも、第２磁性体層１７が記憶素子１３方向に突き出した状態に形成されている部分に磁力線を集中させることができ、その結果、ビット線１２の外部に生じる磁界を記憶素子１３が形成される領域上で強めることができる。
【００６９】
本発明の第１、第２磁気記憶装置に係る第２実施の形態を、図７の概略構成斜視図によって説明する。図７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。
【００７０】
図７に示すように、９個のメモリセルを含み、相互に交差する第１配線（以下、書き込みワード線として説明する）１１（１１１、１１２、１１３）および第２配線（以下、ビット線として説明する）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の各交差領域には、書き込みワード線１１上に絶縁膜（図示せず）を介して形成されているとともにビット線１２に接続されている磁気抵抗効果型の記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１３（１３１〜１３９）が配置されている。この記憶素子１３は、基本的構成としては、例えばトンネル絶縁層３０３を強磁性体からなる磁化固定層３０２と記憶層３０４とで挟んだ構成を有している。また、図面では、記憶素子１３とスイッチングトランジスタ（図示せず）に接続するための導電層３０１が、記憶素子１３の書き込みワード線１１側に接続して設けられ、さらに導電層３０１にはコンタクト部３０が接続されている。また、記憶素子１３は導電性材料からなるキャップ層３１３が形成され、このキャップ層３１３に上記ビット線１２が接続されている。
【００７１】
上記記憶素子１３と対向する位置の上記書き込みワード線１１に記憶素子１３側を開放する状態で書き込みワード線１１を被覆する第１磁性体層１６が形成されている。この第１磁性体層１６は、上記記憶素子１３と対向する書き込みワード線１１の側壁位置において第１磁性体層１６の側壁部分は記憶素子１３方向に延長形成されている。ただし、第１磁性体層１６側壁の延長形成した部分は記憶素子１３に電気的に接続されない。さらに、上記記憶素子１３と対向する位置のビット線１２に記憶素子１３側を開放する状態に設けた第２磁性体層１７が形成されている。この第２磁性体層１７は、上記記憶素子１３と対向するビット線１２の側壁位置において第２磁性体層１７の側壁部分は記憶素子１３方向に延長形成されている。これら、第１、第２磁性体層１６、１７は、両方設けることが好ましいが、いずれか一方のみを設けることも可能である。
【００７２】
上記第１、第２磁性体層１６、１７を構成する高透磁率材料としては、例えば最大透磁率μ_ｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金、フェライト合金、等を用いることができる。
【００７３】
上記磁気記憶装置２における磁性抵抗効果型の記憶素子１３への情報の書き込みは、書き込みワード線１１およびビット線１２に電流を流し、それから発生する合成磁界によって書き込みワード線１１とビット線１２との交差領域に形成された記憶素子１３の記憶層３０４の磁化方向を磁化固定層３０２に対して平行または反平行にして行う。
【００７４】
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記憶素子１３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。ここで示したのは一部分の構造であり、実デバイスではこの繰り返しの構造となる。
【００７５】
なお、図示したように、書き込みワード線１１（ビット線１２）と磁性体層１６（１７）の間に電気的絶縁層を設けない場合、第１磁性体層１６（第２磁性体層１７）には電流損を防ぐため比抵抗率の高い軟磁性膜を用いることが望ましい。また図示したように、上記第１磁性体層１６（第２磁性体層１７）は書き込みワード線１１（ビット線１２）の両側面に形成された部分は書き込みワード線１１（ビット線１２）より記憶素子１３側に突き出した状態に形成されているが、その突き出した状態に形成される部分は書き込みワード線１１の片方の側面に形成されているもののみの構成も本発明の範囲に含まれる。
【００７６】
また、図８に示すように書き込みワード線１１に食い込むように第１磁性体層１６を形成することもできる。図示はしないが、同様に、第２磁性体層１７についても、ビット線１２に食い込むように第２磁性体層１７を形成することもできる。
【００７７】
次に、本発明の磁気記憶装置の第１製造方法に係る一実施の形態を、図９の概略斜視図および図１０の概略構成断面図によって説明する。
【００７８】
図９は、第１配線（書き込みワード線）１１の製造方法を説明する図１０に示された断面図の断面位置を示すものであり、図９に示すように、記憶素子（図示せず）が形成される位置における書き込みワード線断面をＡ面として図１０の左側の図面に示し、図９に示すように、記憶素子（図示せず）が形成されない位置における書き込みワード線断面をＢ面として図１０の右側の図面に示す。なお、以下の説明で用いる構成部品のうち、前記図２によって説明した構成部品と同様なものには前記図２で示した符号を付与した。
【００７９】
本発明の磁気記憶装置の第１製造方法は、第１配線（書き込みワード線）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第１配線と電気的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子を形成する工程と、記憶素子と電気的に接続するもので前記記憶素子を間にして前記第１配線と立体的に交差するビット線を形成する工程とを備えた磁気記憶装置の製造方法において、第１配線を形成する方法に特徴がある。以下、第１配線（書き込みワード線）の製造方法を説明する。
【００８０】
図１０（１）に示すように、読み出し回路、周辺回路等が形成された基板（図示せず）上に絶縁膜（図示せず）を形成し、さらにエッチング停止層５１を形成する。このエッチング停止層５１は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜もしくは炭化シリコン（ＳｉＣ）膜を成膜して形成する。次いで層間絶縁膜４３１を形成する。この層間絶縁膜４３１は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、フッ素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＦ）膜、炭素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜、有機化合物膜などの絶縁材料膜もしくはこれらのうちの少なくとも２種以上からなる積層構造とする。
【００８１】
次いで、通常のレジスト塗布技術、リソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、書き込みワード線が形成される領域の上記層間絶縁膜４３１に配線溝４３２を形成する。その後、不要となったレジストマスクを除去する。
【００８２】
その後、既知の成膜技術を用いて、例えばスパッタリング法を用いて、上記配線溝４３２の内面および層間絶縁膜４３１表面に、バリアメタル層１１１、第１磁性体層１６を順に成膜する。バリアメタル層１１１は、第１磁性体層１６の反応・拡散を抑制する材料であればよい。例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）などが挙げられる。また、第１磁性体層１６としては、例えば最大透磁率μ_ｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例として鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも１種を含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金もしくはフェライト合金を用いる。
【００８３】
次に、スパッタリング法によって、第１磁性体層１６を覆うように配線溝４３２の内面を含めてバリアメタル層１１２を成膜する。バリアメタル層１１２としては、銅との反応および銅の拡散を抑制する材料であることが求められ、例えばタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）などが挙げられ、上記バリアメタル層４３３と同じ材質であっても、異なる材質であっても良い。
【００８４】
その後、バリアメタル層１１２の表面に銅シード層（図示せず）を成膜した後、例えば電解めっきによって、銅膜１１３を成膜する。これにより、配線溝４３２内部が銅膜１１３によって埋め込まれる。その後、層間絶縁膜４３１上のバリアメタル層１１１、第１磁性体層１６、バリアメタル層１１２および銅膜１１３を、例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いて除去して、図１０（２）に示すように、配線溝４３２内にバリアメタル層１１１、第１磁性体層１６、バリアメタル層１１２を介して銅膜１１３からなる書き込みワード線１１を形成する。
【００８５】
次に、図１０（３）に示すように、通常のレジスト塗布技術を用いて、書き込みワード線１１を被覆するように上記層間絶縁膜４３１上にレジスト膜７１を形成する。次いでリソグラフィー技術によって、第１磁性体層１６の側壁部分を突き出した状態に形成したい部分、つまりＴＭＲ素子が形成される領域の下部にあたる部分にレジスト膜７１を残し、その他の部分のレジスト膜７１を除去する。
【００８６】
その後、上記レジスト膜７１をエッチングマスクに用いて、既知のエッチング技術により、第１磁性体層１６の側壁部分上部をエッチング除去する。このエッチングは、第１磁性体層１６のみを選択的にエッチングする条件で行う。エッチングのガスには、例えば塩素を含んだハロゲンガスまたはそれに一酸化炭素（ＣＯ）もしくはアンモニア（ＮＨ_３）を添加したエッチングガスを用いる。その結果、記憶素子が形成される領域直下の第１磁性体層１６側壁部分が記憶素子側に突き出した状態に形成される。なお、バリアメタル層１１１，１１２も第１磁性体層１６側壁部分をエッチングした深さと同程度の深さにエッチングしてもよい。その後、不要となったレジスト膜７１を除去する。
【００８７】
さらに図１０（４）に示すように、銅からなる書き込みワード線１１上層を、例えば酸素プラズマにさらすことにより酸化させ、その後酸化部分のみ選択的にエッチングにより除去する。上記酸化量は、上記第１磁性体層１６の側壁部分をエッチングした深さと同等とする。もしくは上記第１磁性体層１６の側壁部分をエッチングした深さより浅くする。その後、書き込みワード線１１の表面における銅との反応、銅の拡散を抑制するためにバリアキャップ層１１４を形成する。バリアキャップ層１１４は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの絶縁膜を用いることができる。
【００８８】
上記磁気記憶装置の第１製造方法では、書き込みワード線１１は、層間絶縁膜４３１に書き込みワード線１１を形成するための配線溝４３２を形成する工程と、配線溝４３２を形成した後に配線溝４３２内に第１磁性体層１６を形成する工程と、配線溝４３２内に第１磁性体層１６を介して書き込みワード線１１を形成する工程と記憶素子１３を形成する領域下に第１磁性体層１６を残し、その他の第１磁性体層１６の側壁上部を除去する工程と、書き込みワード線１１上部を第１磁性体層１６の側壁を除去した後の高さまで除去する工程とにより形成されることから、第１磁性体層１６は、記憶素子１３側を開放した状態に書き込みワード線１１を被覆し、かつ磁気抵抗効果型の記憶素子１３下における書き込みワード線１１の側壁に形成される第１磁性体層１６の側壁部分は記憶素子１３側に突き出した状態に形成される。このため、第１磁性体層１３の側壁の突き出した状態に形成した部分に高強度の磁界を得ることができる。これは、突き出した状態に形成された磁性体層１３部分の書き込みワード線１１からその外部に磁力線が漏れてくる効果を利用するものである。通常の配線のみの構成の場合、配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外部の磁力は弱くなる。しかしながら、本発明の構成では、書き込みワード線１１より発生した磁力線が第１磁性体層１６の中を通るため第１磁性体層１６中の磁界は強くなることを利用している。しかも記憶素子１３の近傍の書き込みワード線１１側壁部分のみ第１磁性体層１６が記憶素子１３方向に突き出した状態に形成されていることから、書き込みワード線１１上面と同等の高さに磁性体層が形成されている従来の構成よりも第１磁性体層１６が突き出した状態に形成されている部分に磁力線を集中させることができ、その結果、書き込みワード線１１の外部に生じる磁界を記憶素子１３が形成される領域下で強めることができる。この第１製造方法は、このような作用効果を得る構成を形成することができる。よって、書き込み効率を高めることができるとともに、書き込みワード線１１に流す電流を少なくすることができるので、書き込みワード線１１の発熱を抑えることができる。この結果、配線寿命を延ばすことができ、また消費電力を低く抑えることができる。
【００８９】
次に、本発明の磁気記憶装置の第２製造方法に係る一実施の形態を、図１１の概略斜視図および図１２および図１３の概略構成断面図によって説明する。
【００９０】
図１１は、第２配線（ビット線）１２の製造方法を説明する図１２および図１３に示された断面図の断面位置を示すものであり、図１１に示すように、磁性体層が形成される位置におけるビット線断面をＡ面として図１２および図１３の左側の図面に示し、図１１に示すように、磁性体層が形成されない位置におけるビット線断面をＢ面として図１２および図１３の右側の図面に示す。なお、以下の説明で用いる構成部品のうち、前記図２によって説明した構成部品と同様なものには前記図２で示した符号を付与した。
【００９１】
本発明の磁気記憶装置の第２製造方法は、第１配線（書き込みワード線）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書き込みワード線と電気的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子を形成する工程と、記憶素子と電気的に接続するもので前記記憶素子を間にして前記書き込みワード線と立体的に交差する第２配線１２は（ビット線）を形成する工程とを備えた磁気記憶装置の製造方法において、ビット線を形成する方法に特徴がある。以下、ビット線の製造方法を説明する。
【００９２】
図１２（１）に示すように、読み出し回路、周辺回路等が形成された基板（図示せず）上に絶縁膜（図示せず）を形成し、書き込みワード線（図示せず）を形成する。次いで、上記書き込みワード線上に絶縁膜４３３を介して、下層と導通をとるための導電層３０１、磁気抵抗効果型の記憶素子（例えばＴＭＲ素子）１３、キャップ層（保護メタル層）３１３を形成する。さらに記憶素子１３、キャップ層３１３等を被覆する絶縁性を有するエッチング停止層（記憶素子エッチング停止層）５２を形成する。このエッチング停止層５２は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、炭化シリコン（ＳｉＣ）膜等で形成する。上記絶縁膜４４１は、例えばＳｉＯ_２膜、ＳｉＯＦ膜、ＳｉＯＣ膜、有機化合物膜などの絶縁材料膜もしくはそれらのうちの２種以上を用いた積層構造として形成する。その後、エッチング停止層５２上に絶縁膜４４１を形成する。その後化学的機械研磨法によって、絶縁膜４４２、エッチング停止層５２を研磨して絶縁膜４４１表面を平坦化するとともにキャップ層３１３の上面を露出させる。さらに絶縁膜４４１上に絶縁性を有するエッチング停止層５３、絶縁膜４５１、エッチング停止層５４を順に形成する。上記エッチング停止層５３、５４は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、炭化シリコン（ＳｉＣ）膜等で形成し、エッチング停止層５３をエッチングした際にエッチング停止層５４が残るように、エッチング停止層５４はその材質および膜厚を決定する。上記絶縁膜４５１は、例えばＳｉＯ_２膜、ＳｉＯＦ膜、ＳｉＯＣ膜、有機化合物膜などの絶縁材料膜もしくはそれらのうちの２種以上を用いた積層構造として形成する。
【００９３】
次いで、通常のレジスト塗布技術、リソグラフィー技術およびエッチング技術を用いて、ビット線が形成される領域の上記エッチング停止層５４、層間絶縁膜４５１に配線溝４５２を形成する。その後、不要となったレジストマスクを除去する。ここでは、配線溝４５２のみを記載しているが、配線溝とその底部より下層の例えば配線もしくは電極に接続する接続孔（図示せず）を形成してもよい。
【００９４】
次に、図１２（２）に示すように、通常のレジスト塗布技術によって、上記エッチング停止層５４上に配線溝４５２を埋め込むレジスト膜７３を形成する。次いで、リソグラフィー技術によって、その後に形成される第２磁性体層の側壁部分を突き出した状態に形成したい部分、つまり記憶素子１３が形成された領域の上部にあたる部分およびその周囲のレジスト膜７３を除去し、その他の部分のレジスト膜７３を残す。このレジスト膜７３をエッチングマスクに用いて、配線溝４５２内に露出されているエッチング停止層５３を除去する。このとき絶縁膜４５１上のエッチング停止層５４が残るようなエッチング時間に設定する必要がある。
【００９５】
さらに、図１２の（３）に示すように、絶縁膜４４２を選択的にエッチング除去する。この結果、記憶素子１３の周囲に配線溝４５２に連続する磁性体埋め込み溝４５３を形成する。
【００９６】
その後、図１３（４）に示すように、既知の成膜技術を用いて、例えばスパッタリング法を用いて、絶縁膜４５１上でかつ上記配線溝４５２の内面および磁性体埋め込み溝４５３の内面にバリアメタル膜１２１を形成した後、さらに上記絶縁膜４５１上でかつ配線溝４５２の内面および磁性体埋め込み溝４５３を埋め込む磁性体層１７１を成膜する。上記バリアメタル層１２１は、磁性体層１７１の反応・拡散を抑制する材料であればよい。例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）などが挙げられる。また、磁性体層１７１としては、例えば最大透磁率μ_ｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例として鉄、コバルト、ニッケルのうち少なくとも１種を含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金もしくはフェライト合金を用いる。
【００９７】
次に、図１３（５）に示すように、配線溝４５２の底部に露出しているバリアメタル層１２１および磁性体層１７１をエッチングにより除去して、記憶素子１３上のキャップ層３１３を露出させる。上記磁性体層１７１およびバリア層１２１のエッチバック処理のガスには、例えば、塩素を含んだハロゲンガスまたはそれに一酸化炭素（ＣＯ）もしくはアンモニア（ＮＨ_３）を添加したガス系を用いる。このとき、絶縁膜４５１上に形成された上記磁性体層１７１およびバリア層１２１もエッチング除去される。
【００９８】
次に、図１３（６）スパッタリング法によって、磁性体層１７１を覆うように配線溝４５２の内面を含めてバリアメタル層１２２を成膜する。バリアメタル層１２２としては、銅との反応および銅の拡散を抑制する材料であることが求められ、例えばタンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）などが挙げられ、上記バリアメタル層１２１と同じ材質であっても、異なる材質であっても良い。
【００９９】
その後、バリアメタル層１２２の表面に銅シード層（図示せず）を成膜した後、例えば電解めっきによって、銅膜１２３を成膜する。これにより、配線溝４５２内部が銅膜１２３によって埋め込まれる。その後に、層間絶縁膜４５１上のバリアメタル層１２１、磁性体層１７１、バリアメタル層１２２および銅膜１２３を、例えば化学的機械研磨（ＣＭＰ）法等を用いて除去して、図１４（７）に示すように、配線溝４５２内にバリアメタル層１２１、磁性体層１７１、バリアメタル層１２２を介して銅膜１２３からなるビット線１２を形成する。
【０１００】
さらに図１４（８）に示すように、ビット線１２上面からの銅との反応、銅の拡散を抑制するためにバリアメタル層１２４を形成し、次いでキャップ磁性体層１７２を形成する。さらに反射防止膜１２５を形成する。バリアキャップ層１２４は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの絶縁膜を用いることができる。またキャップ磁性体層１７２は、前記磁性体層１７１と同様の材料で形成することができる。なお、反射防止膜１２５は、その後のリソグラフィー工程の露光時に下地からの反射の影響が問題とならない場合には必須ではない。
【０１０１】
次に、通常のレジスト塗布技術を用いて、キャップ磁性体層１７２上にレジスト膜（図示せず）を形成する。次いでリソグラフィー技術によって、クラッド構造を残したい部分、つまりＴＭＲ素子が形成される部分の上部にあたる部分のみにレジスト膜を残して、その他の部分のレジスト膜を除去する。
【０１０２】
その後、上記レジスト膜をエッチングマスクに用いて、既知のエッチング技術により、反射防止膜１２５、キャップ磁性体層１７２およびバリアメタル層１２４をエッチング除去する。このエッチングは、層間絶縁膜４５１をエッチング停止層にしてエッチングを行う。このようにして、磁性体層１７１とキャップ磁性体層１７２とからなる第２磁性体層１７が、磁気抵抗効果型の記憶素子１３上に位置するビット線１２の上面および側面に形成される。
【０１０３】
次に、第２磁性体層１７を形成しない部分のビット線１２上面における銅との反応および銅の拡散を抑制するために、バリアキャップ層１２６を形成する。このバリアキャップ層１２６は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの絶縁膜を用いることができる。
【０１０４】
上記磁気記憶装置の第２製造方法では、ビット線１２は、記憶素子１３を形成した後、記憶素子１３を被覆する絶縁膜４４２からなるエッチング停止層５２を形成する工程と、エッチング停止層５２上に絶縁膜（第１絶縁膜）４４２を形成した後、記憶素子１３上面を露出させるように絶縁膜４４２表面を平坦化する工程と、絶縁膜４４２上に記憶素子１３を被覆するエッチング停止層（配線エッチング停止層）５３を形成し、さらに絶縁膜（第２絶縁膜）４５１を形成する工程と、絶縁膜４５１にビット線１２を形成するための配線溝４５２を形成する工程と、記憶素子１３上およびその周囲上のエッチング停止層５３を除去した後、記憶素子１３側周囲の絶縁膜４４１を除去して、配線溝４５２に連続する磁性体埋め込み溝４５３を形成する工程と、配線溝４５２の側壁および磁性体埋め込み溝４５３に磁性体層１７１を形成する工程と、配線溝４５２内にビット線１２を形成する工程と、ビット線１２上にキャップ磁性体層１７２を形成する工程とにより形成されることから、磁性体層１７１およびキャップ磁性体層１７２からなる第２磁性体層１７は、記憶素子１３側を開放した状態でビット線１２に被覆し、かつ磁気抵抗効果型の記憶素子１３上方のビット線１２側壁部分に形成される第２磁性体層１７側壁部分は記憶素子１３側に突き出した状態に形成される。このため、第２磁性体層１７側壁の突き出した状態に形成した部分に高強度の磁界を得ることができる。これは、突き出した状態に形成された第２磁性体層１７部分のビット線１２からその外部に磁力線が漏れてくる効果を利用するものである。通常の配線のみの構成の場合、配線の中央ほど磁界が強くなり配線の外部の磁力は弱くなる。しかしながら、本発明の構成では、ビット線１７より発生した磁力線が第２磁性体層１７の中を通るため第２磁性体層１７中の磁界は強くなることを利用している。しかも記憶素子１３の近傍のビット線１２側壁部分のみ第２磁性体層１７が記憶素子１３方向に突き出した状態に形成されていることから、ビット線１２下面と同等の高さに磁性体層が形成されている従来の構成よりも第２磁性体層１７が突き出した状態に形成されている部分に磁力線を集中させることができ、その結果、ビット線１２の外部に生じる磁界を記憶素子１３が形成される領域下で強めることができる。この第２製造方法は、このような作用効果を得る構成を形成することができる。よって、書き込み効率を高めることができるとともに、ビット線１２に流す電流を少なくすることができるので、ビット線１２の発熱を抑えることができる。この結果、配線寿命を延ばすことができ、また消費電力を低く抑えることができる。
【０１０５】
上記第２製造方法において、ビット線１２上に形成するバリアメタル層１２４は、コバルトタングステンリン（ＣｏＷＰ）で形成することもできる。この構成では、ビット線１２を形成した後、バリアメタル層１２４を、例えばパラジウム触媒を用いた無電解めっきにより、ビット線１２を構成する銅上に選択的にＣｏＷＰ層で形成する。その後、上記説明したのと同様に、バリアメタル層１２４を覆うキャップ磁性体層１７２、反射防止膜１２５を順次形成した後、レジストマスクを用いたリソグラフィー技術により反射防止膜１２５およびキャップ磁性体層１７２のパターニングを行えばよい。この方法によれば、磁性体層１７１とキャップ磁性体１７２とが接続されるため、磁界の漏れを防止することができ、さらに書き込み効率を高めることができる。
【０１０６】
また、上記第１製造方法と上記第２製造方法とを組み合わせて行うこともできる。これにより、書き込みワード線１１に第１磁性体層１６を形成するとともに、ビット線１２に第２磁性体層１７を形成することが可能になる。これによって、どちらか一方の配線のみに磁性体そうを形成した構成よりも書き込み効率をさらに高めることができる。
【０１０７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の磁気記憶装置によれば、従来の構造に伴う不具合を解決した磁気記憶装置となる。すなわち、第１、第２配線の抵抗もしくはインピーダンスを下げることができ、かつ記憶素子へ磁力線を集中させることができる第１、第２磁性体層が形成されているので、記憶素子への書き込みの効率を高めることができ、第１、第２配線に流す電流値を下げることにより発熱を抑えることができる。この結果、長寿命化、低消費電力化を図ることができる磁気記憶装置となる。
【０１０８】
本発明の磁気記憶装置の第１および第２製造方法によれば、従来の構造に伴う不具合を解決した磁気記憶装置を製造することができる。すなわち、第１、第２配線の抵抗もしくはインピーダンスを下げることができ、かつ記憶素子へ磁力線を集中させることができる第１、第２磁性体層を形成するので、記憶素子への書き込みの効率を高めることができ、第１、第２配線に流す電流値を下げることにより発熱を抑えることができる。この結果、長寿命化、低消費電力化を図ることができる磁気記憶装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２磁気記憶装置に係る第１実施の形態を示す概略構成斜視図である。
【図２】本発明の第１、第２磁気記憶装置に係る基本構成を組み込んだ具体的構成例を示す概略構成断面図である。
【図３】記憶素子１３の一例を示す概略構成断面図である。
【図４】本発明の磁気記憶装置における１つの記憶モジュールを用いた抵抗値の変化の原理を説明する概略構成斜視図である。
【図５】従来の磁性体層を設けない配線に生じる磁力線と従来の磁性体層を設けた配線に生じる磁力線と本発明のクラッド構造を採用した配線に生じる磁力線とを比較する断面図である。
【図６】従来の配線の全延長にわたって磁性体層を設けた配線に生じる磁力線と本発明のクラッド構造を採用した配線に生じる磁力線とを比較する斜視図である。
【図７】本発明の第１、第２磁気記憶装置に係る第１実施の形態を示す概略構成斜視図である。
【図８】本発明の磁気記憶装置における磁性体層の別の構成例を示す概略構成斜視図である。
【図９】図１０に示された断面図の断面位置を説明する概略構成斜視図である。
【図１０】本発明の磁気記憶装置の第１製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１１】図１２乃至図１４に示された断面図の断面位置を説明する概略構成斜視図である。
【図１２】本発明の磁気記憶装置の第２製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１３】本発明の磁気記憶装置の第２製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１４】本発明の磁気記憶装置の第２製造方法に係る一実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１５】磁性体層により形成されたクラッド構造を用いた従来のＭＲＡＭの記憶素子およびその周辺配線を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…磁気記憶装置、１１…第１配線（書き込みワード線）、１２…第２配線（ビット線）、１３…記憶素子、１６…第１磁性体層

Claims

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磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、
前記第１配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる磁性体層が形成され、
前記磁性体層は、前記記憶素子と対向する位置の前記第１配線側壁に形成された前記磁性体層側壁部分が前記記憶素子側に突き出した状態に形成されている
ことを特徴とする磁気記憶装置。
前記磁性体層は、前記記憶素子が形成される領域下の前記第１配線部分のみに形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶装置。
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磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置において、
前記第２配線の両側面および前記記憶素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率層からなる磁性体層が形成され、
前記磁性体層は、前記記憶素子と対向する位置の前記第２配線側壁に形成された前記第２磁性体層側壁部分が前記記憶素子側に突き出した状態に形成されている
ことを特徴とする磁気記憶装置。
前記磁性体層は、前記記憶素子が形成される領域下の前記第２配線部分のみに形成されている
ことを特徴とする請求項３記載の磁気記憶装置。
基板上に形成された絶縁膜に第１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配線と電気的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子を形成する工程と、
前記記憶素子と電気的に接続するもので前記記憶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記憶装置の製造方法において、
前記第１配線は、
前記絶縁膜に前記第１配線を形成するための配線溝を形成する工程と、
前記配線溝を形成した後に前記配線溝内に磁性体層を形成する工程と、
前記配線溝内に前記磁性体層を介して前記第１配線を形成する工程と
前記記憶素子を形成する領域下に前記磁性体層を残し、その他の前記磁性体層側壁上部を除去する工程と、
前記第１配線上部を前記磁性体層側壁を除去した後の高さまで除去する工程と
により形成されることを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
前記配線溝内に磁性体層を形成した後で前記第１配線を形成する前に、
前記記憶素子を形成する領域下に前記磁性体層を残し、その他の前記磁性体層を除去する工程
を備えたことを特徴とする請求項５記載の磁気記憶装置の製造方法。
第１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配線と電気的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子を形成する工程と、
前記記憶素子と電気的に接続するもので前記記憶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記憶装置の製造方法において、
前記第２配線は、
前記記憶素子を形成した後、前記記憶素子を被覆する絶縁膜からなる記憶素子エッチング停止層を形成する工程と、
前記記憶素子エッチング停止層上に第１絶縁膜を形成した後、前記記憶素子上面を露出させるように前記第１絶縁膜表面を平坦化する工程と、
前記第１絶縁膜上に前記記憶素子を被覆する配線エッチング停止層を形成し、さらに第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜に前記第２配線を形成するための配線溝を形成する工程と、
前記記憶素子上およびその周囲上の前記配線エッチング停止層を除去した後、前記記憶素子側周囲の前記第１絶縁膜を除去して、前記配線溝に連続する磁性体埋め込み溝を形成する工程と、
前記配線溝の側壁および前記磁性体埋め込み溝に磁性体層を形成する工程と、
前記配線溝内に前記第２配線を形成する工程と、
前記第２配線上にキャップ磁性体層を形成する工程と
により形成されることを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
前記磁性体層を形成した後で前記第２配線を形成する前に、前記記憶素子が形成された領域上方の前記磁性体層を残すようにして他の前記磁性体層を除去する工程
を備えたことを特徴とする請求項７記載の磁気記憶装置の製造方法。
前記キャップ磁性体層は前記記憶素子が形成された領域上方の前記第２配線上のみに形成される
ことを特徴とする請求項８記載の磁気記憶装置の製造方法。