JP2007207778A - 磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気記憶装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反転磁界閾値のばらつきを低減する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子の製造方法は、固定層と記録層と固定層及び記録層に挟まれた非磁性層とを有する材料層１０ａを基板１０１上に形成する工程と、材料層１０ａ上にマスク材１０２ａを形成する工程と、インプリントリソグラフィを用いてマスク材１０２ａを加工することにより、所望パターンを有するマスク１０２を形成する工程と、このマスク１０２を用いて１０２ａ材料層を加工することにより、所望パターンを有する磁気抵抗効果素子１０を形成する工程とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気記憶装置の製造方法に関する。

近年、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）は、不揮発性、高速性、大容量化を併せ持つ究極のメモリとして期待され開発されている（例えば、非特許文献１参照）。この磁気ランダムアクセスメモリにおける最大の課題は、記憶セルの反転磁界閾値のばらつきである。

図１７は、従来技術に係る磁気ランダムアクセスメモリの模式的な斜視図を示す。図１８は、従来技術に係る磁気ランダムアクセスメモリの記憶セルの理想的な反転磁界閾値の曲線を示す。図１９は、従来技術に係る磁気ランダムアクセスメモリの記憶セルの実際の反転磁界閾値の曲線を示す。

図１７に示すように、ビット線ＢＬ及びワード線ＷＬに書き込み電流をそれぞれ流す。そして、これらの書き込み電流によりそれぞれ発生した磁界の合成磁界によって、ビット線ＢＬとワード線ＷＬの交点に位置する選択セルＳＣにのみ選択的に書き込みを行う。ここで、図１８に示すような反転磁界閾値の曲線であれば、選択セルＳＣのみの書き込みが実現する。しかし、実際には、図１９に示すように、反転磁界閾値の曲線がばらつくため、半選択セルＳＣ１，ＳＣ２，ＳＣ３の誤書き込みが生じる。
Roy Scheuerlein et. Al, ISSCC2000 Technical Digest p.128, 「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」

本発明は、反転磁界閾値のばらつきを低減することが可能な磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気記憶装置の製造方法を提供する。

本発明の第１の視点による磁気抵抗効果素子の製造方法は、固定層と記録層と前記固定層及び前記記録層に挟まれた第１の非磁性層とを有する材料層を基板上に形成する工程と、前記材料層上にマスク材を形成する工程と、インプリントリソグラフィを用いて前記マスク材を加工することにより、所望パターンを有する第１のマスクを形成する工程と、前記第１のマスクを用いて前記材料層を加工することにより、所望パターンを有する磁気抵抗効果素子を形成する工程とを具備する。

本発明の第２の視点による磁気記憶装置の製造方法は、固定層と記録層と前記固定層及び前記記録層に挟まれた非磁性層とを有する材料層を基板上に形成する工程と、前記材料層上にマスク材を形成する工程と、インプリントリソグラフィを用いて前記マスク材を加工することにより、所望パターンを有する第１のマスクを形成する工程と、前記第１のマスクを用いて前記材料層を加工することにより、所望パターンを有する磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記磁気抵抗効果素子の上方及び下方にビット線及びワード線を形成する工程とを具備する。

本発明によれば、反転磁界閾値のばらつきを低減することが可能な磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気記憶装置の製造方法を提供できる。

近年、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）の磁気抵抗効果素子としては、ＭＴＪ（Magnetic Tunneling Junction）素子が用いられている。

図１４は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の断面図を示す。図１５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の露光後の平面形状を示す。図１６は、本発明の一実施形態に係る磁気カップリングの問題を示す。

図１４に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁化方向が固着された固定層１１と、磁化方向が左右に反転する記録層１３と、固定層１１及び記録層１３とで挟まれたトンネルバリア層１２とを有する。

ここで、反転磁界閾値がばらつく要因の一つに、記録層１３の幅のばらつきが考えられる。この幅のばらつきを低減して磁気ランダムアクセスメモリを作成し、反転磁界閾値のばらつきを評価したが、ある一定値以下には低減することができなかった。尚、反転磁界閾値とは、記録層１３の磁化が反転する閾値の磁界のことである。

また、露光後のＭＴＪ素子１０を平面的に観察した結果、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０のエッジには凹凸が残ることが分かった。そして、図１６に示すように、この凹凸部分において、固定層１１の磁化と記録層１３の磁化とがローカルな磁気カップリングを起こし、反転磁界閾値をばらつかせていた。尚、エッジの凹凸によってこのエッジに付着する堆積物が不均一になり、エッジの凹凸が誇張されており、反転磁界閾値のばらつきは８％程度であった。

さらに、詳細に分析した結果、特に記録層１３のエッジに凹凸が残ることが、反転磁界閾値のばらつきの原因の一つであることが判明した。そこで、ＥＢ（Electron Beam）リソグラフィなどの高解像度のツールを用いて記録層１３の加工を行うことで、記録層１３の周辺の凹凸を低減させた。その結果、反転磁界閾値のばらつきは、目標値近くまでは低減できたが、目標値を超えることができなかった。尚、メガビットクラスの磁気ランダムアクセスメモリの全ビットを正常に動作させようとすると、この反転磁界閾値のばらつきは、標準偏差で５％（１σ）程度に低減することが望ましい。この点については、図５（ａ）及び（ｂ）の説明において詳述する。

以上のような分析結果に基づき、本発明の実施形態では、高精度なＭＴＪ素子の加工を実現することで、反転磁界閾値のばらつきを低減する。以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

［第１の実施形態］
第１の実施形態は、ＭＴＪ素子の加工にインプリントリソグラフィ（ナノインプリントリソグラフィとも呼ばれる）を利用する。ここで、インプリントリソグラフィとは、フォトリソグラフィのような大規模かつ高価な装置を使わなくても、ナノメートルレベルの微細な構造形成が行える技術である。

図１（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係るインプリントリソグラフィを用いたＭＴＪ素子の製造工程の断面図を示す。図２は、本発明の第１の実施形態に係るインプリントリソグラフィを用いて形成されたＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、第１の実施形態に係るインプリントリソグラフィを用いたＭＴＪ素子の製造方法について説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、基板１０１上に、例えばスパッタリング法等により、ＭＴＪ材料層１０ａが成膜される。このＭＴＪ材料層１０ａは、固定層１１、トンネルバリア層１２及び記録層１３を含む材料層である。

次に、図１（ｂ）に示すように、ＭＴＪ材料層１０ａ上に、例えば熱硬化材料、光硬化材料などからなるマスク材料層１０２ａが塗布される。

次に、図１（ｃ）に示すように、例えばＥＢリソグラフィ等により形成された高精度な凹凸パターンを有する型１０３が用意される。この型１０３は、ねれ性がよく、マスク材料層１０２ａが硬化した後に剥がれ易いものが望ましい。そして、例えばプレス機等により、型１０３が基板１０１に押し付けられ、マスク材料層１０２ａを凹凸パターンに硬化させた後、型１０３がマスク材料層１０２ａから引き離される。これにより、凹凸パターンを有するマスク１０２が形成される。尚、引き剥がした型１０３は、何度も使用することが可能である。

次に、図１（ｄ）に示すように、マスク１０２を用いて、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）のような異方性ドライエッチングにより、ＭＴＪ材料層１０ａに凹凸パターンが転写される。これにより、所望形状にパターニングされたＭＴＪ素子１０が形成される（図２参照）。その後、マスク１０２が除去される。

上記のようなインプリントリソグラフィを用いた製造方法において、マスク材料層１０２ａとして、熱硬化材料を用いた場合（熱硬化型インプリントリソグラフィ）と光硬化材料を用いた場合（光硬化型インプリントリソグラフィ）との具体的な方法について説明する。

熱硬化型インプリントリソグラフィの場合、マスク材料層１０２ａとして、例えばポリメチルメタクリエート（ＰＰＭＡ）等のレジストを用いる。まず、昇温されたレジストが塗布された基板１０１に型１０３を押し付け、レジストの温度を下げてレジストを硬化させてから型１０３を引き離す。これにより、型１０３の凹凸パターンがレジストに転写される。そして、凹凸パターンが転写されたレジストに対して、例えば酸素プラズマで全体的にレジストの膜厚を薄くして、ＭＴＪ材料層１０ａを露出させる。その後、ドライエッチング等を行ってＭＴＪ材料層１０ａに凹凸パターンを転写する。

光硬化型インプリントリソグラフィの場合、型１０３として石英を使用し、マスク材料層１０２ａとして光硬化樹脂を用いる。まず、光硬化樹脂が塗布された基板１０１に型１０３を押し付ける。そして、型１０３の上面からＵＶ光を照射し、光硬化樹脂を硬化させ、型１０３を光硬化樹脂から引き離す。これにより、型１０３の凹凸パターンが光硬化樹脂に転写される。その後、この凹凸パターンを有する光硬化樹脂を用いて、ＭＴＪ材料層１０ａに凹凸パターンが転写される。

以下に、インプリントリソグラフィを用いてマスク加工してＭＴＪ素子１０を形成した実施例について、具体的に説明する。

（実施例１）
実施例１は、インプリントリソグラフィを用いてマスク材料を加工し、これをマスクとしてＭＴＪ素子１０の記録層１３と固定層１１をともに加工する。

この実施例１のように、インプリントリソグラフィで加工されたマスクを用いて記録層１３と固定層１１をともに加工して作成したＭＴＪ素子１０では、反転磁界閾値のばらつきを４％程度に低減できた。これは、記録層１３と固定層１１をともに加工することにより、記録層１３のエッジと固定層１１のエッジを自己整合的に形成することができ、固定層１１のエッジの磁化からの漏洩磁界のばらつきが低減し、その結果、記録層１３の反転磁界閾値のばらつきを低減できたと考えられる。

（実施例２）
実施例２は、インプリントリソグラフィを用いてマスク材料を加工し、これをマスクとしてＭＴＪ素子１０の記録層１３を加工し、固定層１１は別に加工する。

この実施例２のように、インプリントリソグラフィで加工されたマスクを用いて記録層１３のみを加工して作成したＭＴＪ素子１０では、反転磁界閾値のばらつきを３．５％程度に低減できた。これは、記録層１３と別に固定層１１を加工し、この固定層１１のエッジを記録層１３のエッジから遠ざけたため、固定層１１のエッジの磁化からの漏洩磁界ばらつきの影響を少なくでき、その結果、反転磁界閾値のばらつきを低減できたと考えられる。

尚、この場合、固定層１１の加工は、通常のフォトリソグラフィで加工されたマスクを用いて行えばよい。

（実施例３）
実施例３は、インプリントリソグラフィを用いてマスク材料を加工し、これをマスクとしてＭＴＪ素子１０の記録層１３を２１ｎｍ以下の曲率半径Ｒで加工する。

実施例３のように、インプリントリソグラフィを用いてマスク材料を加工することにより、安定して記録層１３の平面形状の角の曲率半径Ｒを２１ｎｍ以下で加工できるようになった（図２参照）。

これにより、通常のフォトリソグラフィを用いた場合は、図３（ａ）に示すように、反転磁界閾値が大幅にばらついていたのに対し、実施例３のインプリントリソグラフィを用いた場合は、図３（ｂ）に示すように、反転磁界閾値のばらつきが低減した。従って、実施例３によれば、反転磁界閾値の曲線のばらつきを抑制でき、書き込みマージンを大きく確保できるようになった。特に、ＭＴＪ素子１０の平面形状を、図４に示すような略十字形状とすることにより、安定して高マージンが確保できることが分かった。

図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の曲率半径と書き込みマージンとの関係を説明するための図であり、図５（ａ）は、図５（ｂ）に示すＭＴＪ素子を用いたときの書き込みマージンの変化を示している。

まず、書き込みマージンについて説明する。図５（ａ）において、縦軸は書き込みマージンであり、σはＭＴＪ素子の反転電流値ばらつきの標準偏差を示す。２５６Ｍｂ（メガビット）の磁気ランダムアクセスメモリもサブアレイは約１Ｍｂで構成され、この１Ｍｂ個は約５σに相当する。ここで、１σ分の余裕を持たせると、大体６σ分の書き込みマージンがないと１Ｍｂのサブアレイが動作しないことになる。そこで、書き込みマージンは、６σをスペックとする。

次に、本例において対象とした十字形状のＭＴＪ素子について説明する。図５（ｂ）は、ＭＴＪ素子の曲率半径Ｒが１５，１８，２２ｎｍの場合の系列１のタイプＡ、Ｂ、Ｃと系列２のタイプａ、ｂ、ｃを示している。系列１のタイプＡ、Ｂ、Ｃは、ＭＴＪ素子の磁化困難軸方向の突出部の根元が曲線を描いているものであり、系列２のタイプａ、ｂ、ｃは、ＭＴＪ素子の磁化困難軸方向の突出部の根元が角張っているものである。

このようなＭＴＪ素子を用いて検証を行った結果、図５（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子の曲率半径Ｒが大きくなるに従って書き込みマージンが低下することが分かる。そして、書き込みマージンのスペックが６σであることを考慮すると、ＭＴＪ素子の曲率半径Ｒは２１ｎｍ以下であることが望ましいといえる。この結果は、形状の異なる系列１，２の両方の場合においてもいえることである。従って、ＭＴＪ素子の曲率半径Ｒが２１ｎｍ以下であれば、書き込みマージンの確保が図れ、反転電流値のばらつきを低減できるといえる。

上記第１の実施形態によれば、インプリントリソグラフィでマスク材料層１０２ａを加工すると、ほぼ型通りのマスク１０２が形成できる。寸法やエッジの直線性のよい型１０３を選別して使用すれば、マスク１０２の寸法やエッジの直線性も安定して作成できる。従って、このようなマスク１０２を用いてＭＴＪ素子１０を加工することにより、ＭＴＪ素子１０のエッジのばらつきを低減できる。また、２１ｎｍ以下の曲率半径Ｒを有するＭＴＪ素子１０を形成できる。これにより、反転磁界閾値のばらつきが低減でき、メガビットクラスの磁気ランダムアクセスメモリでも、全ビットを正常動作させることができる。さらには、チップの歩留まりを大幅に向上できる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、インプリントリソグラフィによるマスクで形成されたＭＴＪ素子について説明する。

（ａ）抵抗変化
図６は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の抵抗変化の様子を示す。以下に、ＭＴＪ素子の抵抗変化について説明する。

図６に示すように、ＭＴＪ素子１０の抵抗変化により、“１”、“０”の書き込みが実現する。この“１”、“０”の情報は、固定層１１及び記録層１３の磁化の向きが平行状態か又は反平行状態かによって判断される。ここで、平行とは、固定層１１及び記録層１３の磁化の向きが同じであることを意味し、反平行とは、固定層１１及び記録層１３の磁化の向きが逆平行であることを意味する。

そして、平行状態の場合、トンネルバリア層１２のトンネル抵抗は最も低くなり、この状態を“０”の状態とする。一方、反平行状態の場合、トンネルバリア層１２のトンネル抵抗は最も高くなり、この状態を“０”の状態とする。

（ｂ）平面形状
図７（ａ）乃至（ｋ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の平面形状の例を示す。以下に、ＭＴＪ素子の平面形状の例について説明する。

図７（ａ）乃至（ｋ）に示すように、ＭＴＪ素子１０の平面形状は、正方形、長方形、六角形、楕円、菱型、平行四辺形、円、十字型、ビーンズ型（凹型）、目型、十字型の一部が平行四辺形となった形状等、種々変更可能である。尚、図示する形状の角張った部分は、丸まっていても勿論よい。

（ｃ）断面形状
図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の断面形状の例を示す。以下に、ＭＴＪ素子の断面形状の例について説明する。

図８（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子１０の全ての層が一括加工され、全ての層の側面が一致していてもよい。

図８（ｂ）に示すように、記録層１３の膜面水平方向のサイズが固定層１１及びトンネルバリア層１２の膜面水平方向のサイズよりも小さく、ＭＴＪ素子１０の断面形状が凸型になっていてもよい。

尚、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、固定層１１は、強磁性層１１ａ／非磁性層１１ｂ／強磁性層１１ｃの３層構造でもよい。この場合、強磁性層１１ａ，１１ｃの磁化が強磁性結合していても反強磁性結合していてもよい。同様に、記録層１３は、強磁性層１３ａ／非磁性層１３ｂ／強磁性層１３ｃの３層構造でもよい。この場合、強磁性層１３ａ，１３ｃの磁化が強磁性結合していても反強磁性結合していてもよい。さらに、固定層１１及び記録層１３の一方のみが３層構造でもよい。

（ｄ）ダブルジャンクション構造
ＭＴＪ素子１０は、上述するシングルジャンクション構造に限定されず、ダブルジャンクション構造であってもよい。

図９は、本発明の第２の実施形態に係るダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子の断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子のダブルジャンクション構造について説明する。

図９に示すように、ＭＴＪ素子１０は、第１の固定層１１−Ａと、第２の固定層１１−Ｂと、記録層１３と、第１のトンネルバリア層１２−Ａと、第２のトンネルバリア層１２−Ｂとを有するダブルジャンクション構造でもよい。ここで、記録層１３は第１及び第２の固定層１１−Ａ，１１−Ｂ間に設けられ、第１のトンネルバリア層１２−Ａは第１の固定層１１−Ａ及び記録層１３間に設けられ、第２のトンネルバリア層１２−Ｂは第２の固定層１１−Ｂ及び記録層１３間に設けられる。

このようなダブルジャンクション構造は、シングルジャンクション構造と比べて、１つのトンネル接合あたりのバイアス電圧が印加電圧の１／２になるので、バイアス電圧の増大に伴うＭＲ（Magneto Resistive）比の減少を抑制できるという効果が得られる。

（ｅ）材料
固定層１１及び記録層１３の材料としては、次のような材料があげられる。例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、それらの積層膜、又はそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ_２，ＲＸＭｎＯ_３−Ｙ（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）等の酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金等を用いることが好ましい。また、これら磁性体には、強磁性を失わないかぎり、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ等の非磁性元素が多少含まれていてもよい。

トンネルバリア層１２の材料としては、例えば、ＡｌＯｘ（例えばＡｌ_２Ｏ_３），ＭｇＯｘ，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ｂｉ_２Ｏ_３，ＭｇＦ_２，ＣａＦ_２，ＳｒＴｉＯ_２，ＡｌＬａＯ_３等の様々な誘電体を使用することができる。これらの誘電体には、酸素、窒素、フッ素欠損が存在していてもかまわない。

尚、固定層１１及び記録層１３が強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造からなる場合、強磁性層／非磁性層／強磁性層の材料としては、例えば、ＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ等があげられる。

また、固定層１１の磁化を固着させるために、固定層１１に隣接して磁化固着層が設けられる。この磁化固着層の材料としては、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ等があげられる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、インプリントリソグラフィによるマスクで形成されたＭＴＪ素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。

(ａ）選択トランジスタ型
図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す。以下に、選択トランジスタ型におけるセル構造について説明する。

図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択トランジスタ型の１メモリセルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０につながるトランジスタ（例えばＭＯＳトランジスタ）Ｔｒと、書き込みワード線ＷＷＬと、ビット線ＢＬとを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

具体的には、ＭＴＪ素子１０の一端は、ベース金属層５ｃ、コンタクト４ａ，４ｂ，４ｃ及び配線５ａ，５ｂを介して、トランジスタＴｒの電流経路の一端（ドレイン拡散層）３ａに接続されている。一方、ＭＴＪ素子１０の他端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の下方には、ＭＴＪ素子１０と電気的に分離された書き込みワード線ＷＷＬが設けられている。トランジスタＴｒの電流経路の他端（ソース拡散層）３ｂは、コンタクト４ｄ及び配線５ｄを介して、例えばグランドに接続されている。トランジスタＴｒのゲート電極２は、読み出しワード線ＲＷＬとして機能する。

上記のような選択トランジスタ型のメモリセルＭＣにおいて、データの書き込み／読み出しは、以下のように行われる。

まず、書き込み動作は、次のような磁場書き込みが行われる。複数のＭＴＪ素子１０のうち選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線ＢＬ及び書き込みワード線ＷＷＬに書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２をそれぞれ流す。これにより、書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２により発生した磁界の合成磁界が、ＭＴＪ素子１０に印加される。ここで、固定層１１及び記録層１３の磁化方向がほぼ反平行となる状態を“１”状態、ほぼ平行となる状態を“０”状態と規定することで、２値のデータの書き込みが実現する。

次に、読み出し動作は、読み出し用スイッチング素子として機能するトランジスタＴｒを利用して、次のように行われる。選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線ＢＬ及び読み出しワード線ＲＷＬを選択し、ＭＴＪ素子１０の膜面垂直方向に読み出し電流Ｉｒを流す。ここで、固定層１１の磁化（固定層１１が多層の場合は、記録層１３に最も近い強磁性層の磁化）と記録層１３（記録層１３が多層の場合は、固定層１１に最も近い強磁性層の磁化）の磁化とがほぼ平行状態（例えば“０”状態）の場合は低抵抗となり、ほぼ反平行状態（例えば“１”状態）の場合は高抵抗となる。このようなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果による抵抗値を測定し、別途設けられた参照セルの抵抗値と比較し、ＭＴＪ素子１０の“１”、“０”状態を判別する。

（ｂ）選択ダイオード型
図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す。以下に、選択ダイオード型におけるセル構造について説明する。

図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択ダイオード型の１メモリセルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０につながるダイオードＤと、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬとを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

ここで、ダイオードＤは、例えばＰＮ接合ダイオードであり、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とで構成されている。このダイオードＤの一端（例えばＰ型半導体層）は、ＭＴＪ素子１０に接続されている。一方、ダイオードＤの他端（例えばＮ型半導体層）は、ワード線ＷＬに接続されている。そして、図示する構造では、ビット線ＢＬからワード線ＷＬへ電流が流れるようになっている。

尚、ダイオードＤの配置箇所や向きは、種々に変更することが可能である。例えば、ダイオードＤは、ワード線ＷＬからビット線ＢＬへ電流が流れる向きに配置してもよい。また、ダイオードＤは、半導体基板１内に形成することも可能である。また、ダイオードＤは、半導体層と金属層とからなるショットキー接合ダイオードにすることも可能である。

上記のような選択ダイオード型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、磁場書き込みが行われる。

一方、データの読み出し動作も、上記選択トランジスタ型とほぼ同じであるが、選択ダイオード型の場合、ダイオードＤを読み出し用スイッチング素子として利用する。すなわち、ダイオードＤの整流性を利用し、非選択のＭＴＪ素子は逆バイアスとなるようにビット線ＢＬ及びワード線ＷＬのバイアスを制御し、選択したＭＴＪ素子１０にのみ読み出し電流Ｉｒが流れるようにする。

（ｃ）クロスポイント型
図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す。以下に、クロスポイント型におけるセル構造について説明する。

図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、クロスポイント型の１メモリセルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬとを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

具体的には、ＭＴＪ素子１０は、ビット線ＢＬ及びワード線ＷＬの交点付近に配置され、ＭＴＪ素子１０の一端はワード線ＷＬに接続され、ＭＴＪ素子１０の他端はビット線ＢＬに接続されている。

上記のようなクロスポイント型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、磁場書き込みが行われる。一方、データの読み出し動作は、選択されたＭＴＪ素子１０に接続するビット線ＢＬ及びワード線ＷＬに読み出し電流Ｉｒを流すことで、ＭＴＪ素子１０のデータを読み出す。

（ｄ）トグル（Toggle）型
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのトグル型のメモリセルの平面図を示す。以下に、トグル型におけるセル構造について説明する。

図１３に示すように、トグル型のセルでは、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸が、ビット線ＢＬの延在方向（Ｘ方向）又はワード線ＷＬの延在方向（Ｙ方向）に対して傾くように、ＭＴＪ素子１０を配置する。換言すると、ビット線ＢＬに流す書き込み電流Ｉｗ１の方向又はワード線ＷＬに流す書き込み電流Ｉｗ２の方向に対して傾くように、ＭＴＪ素子１０を配置する。ここで、ＭＴＪ素子１０の傾きは、例えば３０度乃至６０度程度であり、４５度程度が望ましい。尚、ＭＴＪ素子１０は、少なくとも記録層１３が反強磁性結合構造であるのが望ましい。

上記のようなトグル型のメモリセルにおいて、データの書き込み／読み出しは、以下のように行われる。

まず、書き込み動作は、次のように行われる。トグル書き込みでは、選択セルに任意のデータを書き込む前にその選択セルのデータを読み出す。従って、選択セルのデータを読み出した結果、任意のデータが既に書き込まれていた場合は書き込みを行わず、任意のデータと異なるデータが書き込まれていた場合はデータを書き換えるために書き込みが行われる。

上記のような確認サイクルの後、選択セルにデータを書き込む必要がある場合は、２本の書き込み配線（ビット線ＢＬ，ワード線ＷＬ）を順にＯＮし、先にＯＮした書き込み配線を先にＯＦＦしてから、後にＯＮした書き込み配線をＯＦＦする。例えば、ワード線ＷＬをＯＮして書き込み電流Ｉｗ２を流す→ビット線ＢＬをＯＮして書き込み電流Ｉｗ１を流す→ワード線ＷＬをＯＦＦして書き込み電流Ｉｗ２を流すのをやめる→ビット線ＢＬをＯＦＦして書き込み電流Ｉｗ１を流すのをやめるという４サイクルの手順となる。

一方、データの読み出し動作は、選択されたＭＴＪ素子１０に接続するビット線ＢＬ及びワード線ＷＬに読み出し電流Ｉｒを流すことで、ＭＴＪ素子１０のデータを読み出せばよい。

その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

図１（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係わるインプリントリソグラフィを用いたＭＴＪ素子の製造工程を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係るインプリントリソグラフィを用いて形成されたＭＴＪ素子を示す平面図。 図３（ａ）は、フォトリソグラフィを用いた場合の反転磁界閾値の曲線を示す図、図３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るインプリントリソグラフィを用いた場合の反転磁界閾値の曲線を示す図。 本発明の第１の実施形態に係るインプリントリソグラフィを用いて形成された十字形状のＭＴＪ素子を示す平面図。 図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の曲率半径と書き込みマージンとの関係を説明するための図。 本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の抵抗変化の様子を示す図。 図７（ａ）乃至（ｋ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の平面形状の例を示す図。 図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の断面形状の例を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係るダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子を示す断面図。 図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す図。 図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す図。 図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す図。 本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのトグル型のメモリセルを示す平面図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の断面図。 図１５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の露光後の平面形状を示す図。 本発明の一実施形態に係るカップリングの問題を示す図。 従来技術に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す模式的な斜視図。 従来技術に係る磁気ランダムアクセスメモリの記憶セルの理想的な反転磁界閾値の曲線を示す図。 従来技術に係る磁気ランダムアクセスメモリの記憶セルの実際の反転磁界閾値の曲線を示す図。

符号の説明

１…半導体基板、２…ゲート電極、３ａ…ドレイン拡散層、３ｂ…ソース拡散層、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…コンタクト、５ａ，５ｂ，５ｄ…配線、５ｃ…ベース金属層、１０…ＭＴＪ素子、１０ａ…ＭＴＪ材料層、１１…固定層、１２…トンネルバリア層、１３…記録層、１１ａ，１１ｃ，１３ａ，１３ｃ…強磁性層、１１ｂ，１３ｂ…非磁性層、１０１…基板、１０２…マスク材料層、１０３…型、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、ＷＷＬ…書き込みワード線、Ｔｒ…トランジスタ、Ｄ…ダイオード、ＭＣ…メモリセル、ＭＣＡ…メモリセルアレイ。

Claims (5)

1. 固定層と記録層と前記固定層及び前記記録層に挟まれた第１の非磁性層とを有する材料層を基板上に形成する工程と、
   前記材料層上にマスク材を形成する工程と、
   インプリントリソグラフィを用いて前記マスク材を加工することにより、所望パターンを有する第１のマスクを形成する工程と、
   前記第１のマスクを用いて前記材料層を加工することにより、所望パターンを有する磁気抵抗効果素子を形成する工程と
   を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
2. 前記第１のマスクを用いて、前記記録層のみを加工することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
3. 前記磁気抵抗効果素子の角の曲率半径は、２１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
4. 前記磁気抵抗効果素子の平面形状は、十字形状であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
5. 固定層と記録層と前記固定層及び前記記録層に挟まれた非磁性層とを有する材料層を基板上に形成する工程と、
   前記材料層上にマスク材を形成する工程と、
   インプリントリソグラフィを用いて前記マスク材を加工することにより、所望パターンを有する第１のマスクを形成する工程と、
   前記第１のマスクを用いて前記材料層を加工することにより、所望パターンを有する磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
   前記磁気抵抗効果素子の上方及び下方にビット線及びワード線を形成する工程と
   を具備することを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。

Images