JP2008098515A - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗効果素子の面積を縮小し、書き込み電流値の低減を図る。
【解決手段】磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が固定された固定層１１と磁化方向が反転可能な記録層１２と固定層及び記録層の間に設けられた非磁性層１３とを有し、記録層の中央に空洞部２０ａが形成され、固定層及び記録層の間に流す電流の向きに応じて固定層及び記録層の磁化方向が平行状態又は反平行状態となる磁気抵抗効果素子ＭＴＪと、空洞部内に形成された絶縁層２０と、磁気抵抗効果素子の一端に接続された配線２２と、磁気抵抗効果素子の他端に接続されたトランジスタＴｒとを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）及びその製造方法に関する。

書き込み動作としてスピン注入法による磁化反転を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）は、セルの微細化及び隣接セルへの誤書き込みの防止等の観点より、電流磁場書き込みよりも有利と考えられている。このような磁気ランダムアクセスメモリに用いられるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の面積は、リソグラフィの最小加工寸法で決まっている。

しかし、スピン注入書き込みでは、磁化反転に必要な電流密度が１×１０^７Ａ／ｃｍ^２と大きい。このため、ＭＴＪ素子に流す必要のある電流量が実用に対して大きいことが、大きな問題であった。従って、スピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリでは、リソグラフィの最小加工寸法に依存しない素子面積を実現することが求められている。

尚、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のようなものがある。
特開2004-259913号公報 特開2001-084758号公報 特開2004-139681号公報 特開2004-193479号公報 特開2003-273331号公報

本発明は、磁気抵抗効果素子の面積を縮小し、書き込み電流値の低減を図るスピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法を提供する。

本発明の第１の視点による磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が固定された固定層と磁化方向が反転可能な記録層と前記固定層及び前記記録層の間に設けられた非磁性層とを有し、前記記録層の中央に空洞部が形成され、前記固定層及び前記記録層の間に流す電流の向きに応じて前記固定層及び前記記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる磁気抵抗効果素子と、前記空洞部内に形成された絶縁層と、前記磁気抵抗効果素子の一端に接続された配線と、前記磁気抵抗効果素子の他端に接続されたトランジスタとを具備する。

本発明の第２の視点による磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、トランジスタを形成する工程と、前記トランジスタに接続する固定層及び非磁性層を積み重ねて形成する工程と、前記非磁性層上に第１の絶縁層を形成してパターニングする工程と、前記第１の絶縁層の側面にのみ記録層を形成する工程と、前記記録層に接続する配線を形成する工程とを具備し、前記固定層及び前記記録層の磁化方向は、前記固定層及び前記記録層の間に流す電流の向きに応じて平行状態又は反平行状態になる。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子の面積を縮小し、書き込み電流値の低減を図る磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法を提供できる。

本発明の実施の形態を以下に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。

［１］磁気ランダムアクセスメモリの構造
［１−１］構造例１
構造例１では、ＭＴＪ素子（磁気抵抗効果素子）の固定層及び非磁性層は円盤状であり、記録層のみがリング状である例について説明する。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの構造例１の断面図を示す。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＭＴＪ素子を上面から見た平面図。以下に、一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの構造例１について説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基板（シリコン基板）１内にＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造の素子分離領域２が形成されている。半導体基板１上にはゲート絶縁膜（図示せず）を介してゲート電極３が形成され、このゲート電極３の両側の半導体基板１内にソース／ドレイン拡散層４ａ、４ｂが形成され、スイッチング素子として機能するトランジスタ（例えばＭＯＳトランジスタ）Ｔｒが形成されている。

トランジスタＴｒのソース／ドレイン拡散層４ａにはコンタクト５が接続され、このコンタクト５には配線６が接続されている。この配線６は、例えば電源端子及び接地端子に接続されている。

トランジスタＴｒのソース／ドレイン拡散層４ｂにはコンタクト７が接続され、このコンタクト７には下部電極層８が接続されている。この下部電極層８上にはＭＴＪ素子ＭＴＪが形成され、このＭＴＪ素子ＭＴＪには配線２２が接続されている。この配線２２は、例えば電源端子及び接地端子に接続されている。配線６、２２は、図示するように異なる方向（垂直方向）に延在してもよいし、同じ方向に延在してもよい。

ＭＴＪ素子ＭＴＪは、固定層（ピン層）１１と非磁性層１２と記録層（フリー層）１３が順に積層された積層構造となっている。固定層１１と非磁性層１２の平面形状は例えば円盤状であり、記録層１３の平面形状は例えばリング状である。従って、記録層１３の中央には空洞部２０ａが存在する。この空洞部２０ａ内は絶縁層２０で埋め込まれ、絶縁層２０の底面は非磁性層１２に接している。記録層１３は絶縁層２０の側面にのみ形成されている。

記録層１３の外側の側面は、固定層１１及び非磁性層１２の側面と一致してもよいし（例えば図１（ａ）参照）、固定層１１及び非磁性層１２の側面よりも内側に位置してもよい（例えば図３（ｇ）参照）。

記録層１３の積層方向の膜厚は、固定層１１の積層方向の膜厚よりも薄くてもよいし、固定層１１の積層方向の膜厚よりも厚くてもよい（例えば図３（ｇ）参照）。

［１−２］構造例２
構造例２では、ＭＴＪ素子の固定層、非磁性層及び記録層の全てがリング状である例について説明する。

図２（ａ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの構造例２の断面図を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＭＴＪ素子を上面から見た平面図。以下に、一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの構造例２について説明する。尚、ここでは、主に構造例１と異なる点を説明し、同じ点については説明を省略する。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、構造例２において、構造例１と異なる点は、ＭＴＪ素子の固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の全てがリング状である点である。すなわち、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の中央に連続して空洞部２０ａが存在し、この空洞部２０ａ内に絶縁層２０が埋め込まれている。絶縁層２０の底面は下部金属層８に接し、絶縁層２０の側面にのみ固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３が形成されている。

固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の側面は一致してもよいし（例えば図２（ａ）、図５（ｉ）参照）、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の側面に段差が生じていてもよい。

記録層１３の積層方向の膜厚は、固定層１１の積層方向の膜厚よりも薄くてもよいし、固定層１１の積層方向の膜厚よりも厚くてもよい（例えば図５（ｉ）参照）。

尚、構造例１及び構造例２以外にも、記録層１３及び非磁性層１２のみがリング状となっている構造にすることも可能である。

［２］磁気ランダムアクセスメモリの製造方法
［２−１］製造方法例１
製造方法例１は、上述した図１（ａ）及び（ｂ）に示す構造例１を実現するための例である。

図３（ａ）乃至（ｇ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例１の製造工程の断面図を示す。以下に、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例１について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、トランジスタ（図示せず）を形成した後、下部金属層８（図示せず）上に固定層１１及び非磁性層１２が順に積み重ねて堆積される。ここで、非磁性層１２は例えばＡｌ_２Ｏ_３膜からなる。次に、非磁性層１２上に例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮなどからなる絶縁層２０が堆積される。尚、絶縁層２０の材料は、非磁性層１２の材料と上記のように異なってもよいが、同じでもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などの異方性エッチングにより、絶縁層２０が所定の形状（例えば円など）にパターニングされる。ここで、絶縁層２０は、例えばリソグラフィの最小加工寸法で加工される。

次に、図３（ｃ）に示すように、絶縁層２０及び非磁性層１２上に記録層１３が堆積される。ここで、記録層１３の積層方向の膜厚は、絶縁層２０の膜厚により調整されている。

次に、図３（ｄ）に示すように、例えばＲＩＥなどの異方性エッチングにより記録層１３の一部が除去され、記録層１３が絶縁層２０の側面にのみ残される。これにより、絶縁層２０及び非磁性層１２が露出される。

次に、図３（ｅ）に示すように、非磁性層１２及び固定層１１が所定の形状（例えば円盤状）にパターニングされる。これにより、非磁性層１２及び固定層１１は例えば円盤状で記録層１３だけが例えばリング状のＭＴＪ素子ＭＴＪが形成される。

次に、図３（ｆ）に示すように、絶縁層２０及び記録層１３上に例えばＳｉＯ_２などからなる層間絶縁膜２１が堆積される。その後、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）により層間絶縁膜２１が平坦化され、絶縁層２０及び記録層１３が露出される。ここで、層間絶縁膜２１の材料は、絶縁膜２０の材料と同じでも異なってもよい。

次に、図３（ｇ）に示すように、層間絶縁膜２１、絶縁層２０及び記録層１３上に配線２２が形成され、この配線２２と記録層１３が電気的に接続される。

以上のような製造方法例１によれば、図１（ａ）及び（ｂ）に示す構造例１を形成することができる。

［２−２］製造方法例２
製造方法例２は、上述した図１（ａ）及び（ｂ）に示す構造例１を実現するための例である。

図４（ａ）乃至（ｇ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例２の製造工程の断面図を示す。以下に、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例２について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、トランジスタ（図示せず）を形成した後、下部金属層８（図示せず）上に固定層１１及び非磁性層１２が順に積み重ねて堆積される。ここで、非磁性層１２は例えばＡｌ_２Ｏ_３膜からなる。次に、非磁性層１２及び固定層１１が所定の形状（例えば円盤状）にパターニングされる。その後、非磁性層１２上に例えばＳｉＯ_２などからなる層間絶縁膜２１が堆積される。

次に、図４（ｂ）に示すように、例えばＲＩＥなどの異方性エッチングにより層間絶縁膜２１内に溝２３が形成され、非磁性層１２が露出される。

次に、図４（ｃ）に示すように、溝２３内及び層間絶縁膜２１上に記録層１３が堆積される。

次に、図４（ｄ）に示すように、例えばＲＩＥなどの異方性エッチングにより記録層１３の一部が除去され、層間絶縁膜２１及び非磁性層１２が露出される。これにより、記録層１３が溝２３の側面にのみ残り、非磁性層１２及び固定層１１は例えば円盤状で記録層１３だけが例えばリング状のＭＴＪ素子ＭＴＪが形成される。尚、記録層１３の積層方向の膜厚は、溝２３の深さにより調整されている。

次に、図４（ｅ）に示すように、溝２３内及び層間絶縁膜２１上に例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮなどからなる絶縁層２０が形成される。尚、絶縁層２０の材料は、非磁性層１２の材料と上記のように異なってもよいが、同じでもよい。また、絶縁層２０の材料は、層間絶縁膜２１の材料と同じでも異なってもよい。

次に、図４（ｆ）に示すように、例えばＣＭＰにより絶縁層２０が平坦化され、層間絶縁膜２１及び記録層１３が露出される。

次に、図４（ｇ）に示すように、層間絶縁膜２１、絶縁層２０及び記録層１３上に配線２２が形成され、この配線２２と記録層１３が電気的に接続される。

以上のような製造方法例２によれば、図１（ａ）及び（ｂ）に示す構造例１を形成することができる。

また、製造方法例１は、絶縁層２０の側面に記録層１３を形成する方法であったのに対し、製造方法例２は層間絶縁膜２１内の溝２３の側面に記録層１３を形成する方法である。従って、製造方法例１は、エッチングガスの開発されていない物質の加工をする場合、周りの障害物がないため、イオンミリング等の物理エッチングが行い易い。一方、製造方法例２は、ＣＭＰ等のプロセスが使い易く、平坦化が容易である。

［２−３］製造方法例３
製造方法例３は、上述した図２（ａ）及び（ｂ）に示す構造例２を実現するための例である。

図５（ａ）乃至（ｉ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例３の製造工程の断面図を示す。以下に、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例３について説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、トランジスタ（図示せず）を形成した後、下部金属層８（図示せず）上に固定層１１及び非磁性層１２が順に積み重ねて堆積される。ここで、非磁性層１２は例えばＡｌ_２Ｏ_３膜からなる。次に、非磁性層１２上に例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮなどからなる絶縁層２５が堆積される。

次に、図５（ｂ）に示すように、例えばＲＩＥなどの異方性エッチングにより、絶縁層２５が所定の形状（例えば円など）にパターニングされる。ここで、絶縁層２０は、例えばリソグラフィの最小加工寸法で加工される。

次に、図５（ｃ）に示すように、絶縁層２５及び非磁性層１２上に記録層１３が堆積される。ここで、記録層１３の積層方向の膜厚は、絶縁層２５の膜厚により調整されている。

次に、図５（ｄ）に示すように、例えばＲＩＥなどの異方性エッチングにより記録層１３の一部が除去され、記録層１３が絶縁層２５の側面にのみ残される。これにより、絶縁層２５及び非磁性層１２が露出される。

次に、図５（ｅ）に示すように、非磁性層１２及び固定層１１が所定の形状（例えば円盤状）にパターニングされる。

次に、図５（ｆ）に示すように、絶縁層２５が除去される。これにより、記録層１３の中央に空洞ができ、溝２６が形成される。

次に、図５（ｇ）に示すように、記録層１３をマスクとして、非磁性層１２及び固定層１１がパターニングされる。これにより、非磁性層１２及び固定層１１の中央には、記録層１３と同じように空洞部ができる。このようにして、記録層１３、非磁性層１２及び固定層１１の全てがリング状のＭＴＪ素子ＭＴＪが形成される。

次に、図５（ｈ）に示すように、記録層１３上に例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮなどからなる絶縁層２０が堆積される。その後、例えばＣＭＰにより絶縁層２０が平坦化され、記録層１３が露出される。ここで、リング状のＭＴＪ素子ＭＴＪの内側の絶縁膜と外側の絶縁膜とは、同じ絶縁層２０で形成されることになる。尚、絶縁層２０の材料は、非磁性層１２の材料と上記のように異なってもよいが、同じでもよい。

次に、図５（ｉ）に示すように、絶縁層２０及び記録層１３上に配線２２が形成され、この配線２２と記録層１３が電気的に接続される。

以上のような製造方法例３によれば、図２（ａ）及び（ｂ）に示す構造例２を形成することができる。

［３］ＭＴＪ素子ＭＴＪ
［３−１］材料
ＭＴＪ素子ＭＴＪは、例えば以下のような材料からなる。

固定層１１及び記録層１３の材料には、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ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ーｙ（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）などの酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金など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などの非磁性元素が多少含まれていてもよい。

非磁性層１２の材料には、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_２、ＡｌＬａＯ_３など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よい。

固定層１１の非磁性層１２と反対側の面には、固定層１１の磁化方向を固着させるための反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３などを用いることが好ましい。

尚、上述した絶縁層２０は、絶縁材であればよく、非磁性層１２と同じ材料を用いることも可能であるし、非磁性層１２と異なる材料を用いてもよい。

［３−２］平行磁化型
図６（ａ）は、本発明の一実施形態に係る平行磁化型のＭＴＪ素子の断面図を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＭＴＪ素子を上面から見た平面図を示す。

図６（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪを横から見た場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの固定層１１及び記録層１３の磁化方向は、膜面に対して平行方向に向いていてもよい。このような磁化配置を、ここでは平行磁化型と称す。

図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）のＭＴＪ素子ＭＴＪを上から見た場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの固定層１１及び記録層１３の磁化は、一方向（図では紙面右方向）を向く。つまり、固定層１１及び記録層１３の磁化は。固定層１１及び記録層１３の形状に沿った方向を向かない。これは、本実施形態では、形状磁気異方性よりも材料磁気異方性を利用したＭＴＪ素子ＭＴＪを仮定しているからである。従って、リング状の記録層１３の磁化は、リング形状に沿って右回り又は左回りの方向を向かず、非連続の一方向（閉じない方向）を向く。

尚、ＭＴＪ素子ＭＴＪの磁化が向く一方向は、例えばＭＴＪ素子ＭＴＪ上に位置する配線２２の延在方向、又はこの配線２２の延在方向と垂直な方向など、種々変更可能である。

［３−３］垂直磁化型
図７は、本発明の一実施形態に係る垂直磁化型のＭＴＪ素子の断面図を示す。

図７に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪを横から見た場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの固定層１１及び記録層１３の磁化方向は、膜面に対して垂直方向に向いてもよい。このような磁化配置を、ここでは垂直磁化型と称す。垂直磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪであれば、従来のように素子形状の長手方向で磁化方向が決定されることなくなる。

このような垂直磁気材料の例としては、例えば次のようなものがある。

まず、固定層１１及び記録層１３の垂直磁気材料に使用されるような高い保磁力を持つ磁性材料は、１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い磁気異方性エネルギー密度を持つ材料により構成される。以下、その材料例について説明する。

（例１)
「Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうちの少なくとも１つと、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）のうちの少なくとも１つとを含む合金からなるもの」
例えば、規則合金としては、Ｆｅ（５０）Ｐｔ（５０）、Ｆｅ（５０）Ｐｄ（５０）、Ｃｏ（５０）Ｐｔ（５０）などがある。例えば、不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金などがある。

（例２)
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つもの」
例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子などがある。Ｃｏ／Ｐｔ人工格子を使用した場合及びＣｏ／Ｐｄ人工格子を使用した場合においては、抵抗変化率（ＭＲ比）は、約４０％、という大きな値を実現できる。

（例３)
「希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、又は、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金」
例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどがある。

次に、記録層１３は、上述のような高い保磁力を持つ磁性材料から構成することもできるし、組成比の調整、不純物の添加、厚さの調整などを行って、上述のような高い保磁力を持つ磁性材料よりも磁気異方性エネルギー密度が小さい磁性材料から構成してもよい。以下、その材料例について説明する。

（例１）
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つと、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄのうちの少なくとも１つとを含む合金に、不純物を添加したもの」
例えば、規則合金としては、Ｆｅ（５０）Ｐｔ（５０）、Ｆｅ（５０）Ｐｄ（５０）、又は、Ｃｏ（５０）Ｐｔ（５０）に、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇなどの不純物を加えて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。例えば、不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、又は、ＣｏＣｒＮｂ合金について、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。

（例２）
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つものであって、前者の元素若しくは合金からなる層の厚さ、又は、後者の元素若しくは合金からなる層の厚さを調整したもの」
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値とが存在し、厚さがこれら最適値から離れるに従い、磁気異方性エネルギー密度は、次第に低下する。

（例３）
「希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、又は、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金の組成比を調整したもの」
例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどのアモルファス合金の組成比を調整し、磁気異方性エネルギー密度を小さくしたものがある。

［３−４］平面形状
ＭＴＪ素子ＭＴＪの平面形状は、例えば、長方形（図８（ａ）参照）、正方形、楕円、円、六角形、菱型、平行四辺形、十字型（図８（ｂ））、ビーンズ型（凹型）等、種々に変更することが可能である。

平行磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪの場合、本実施形態では、形状磁気異方性よりも材料磁気異方性を利用したＭＴＪ素子ＭＴＪを仮定するが、形状磁気異方性を利用する場合には、例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの短辺方向（磁化困難軸方向）をＦ（最小加工寸法）とすると、長手方向（磁化容易軸方向）は２Ｆ程度にした形状が望ましい。

垂直磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪの場合、磁化方向は形状に依存しないため、上述するいずれの形状を用いてもよい。

［３−５］トンネル接合構造
ＭＴＪ素子ＭＴＪは、１重トンネル接合（シングルジャンクション）構造でもよいし、２重トンネル接合（ダブルジャンクション）構造でもよい。

１重トンネル接合構造のＭＴＪ素子ＭＴＪは、図１（ａ）などに示すように、固定層１１と、記録層１３と、固定層１１及び記録層１３間に設けられた非磁性層１２とを有する。つまり、ＭＴＪ素子ＭＴＪが非磁性層を１層有する。

２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子ＭＴＪは、第１の固定層と、第２の固定層と、第１及び第２の固定層間に設けられた記録層と、第１の固定層及び記録層間に設けられた第１の非磁性層と、第２の固定層及び記録層間に設けられた第２の非磁性層とを有する。つまり、ＭＴＪ素子ＭＴＪが非磁性層を２層有する。

２重トンネル接合構造の場合、１重トンネル接合構造の場合よりも、同じ外部バイアスを印加したときのＭＲ（Magneto Resistive）比（“１”状態、“０”状態の抵抗の変化率）の劣化が少なく、より高いバイアスで動作できる。すなわち、２重トンネル接合構造は、セル内の情報を読み出す際に有利となる。

尚、上述した図１（ａ）及び（ｂ）の構造例１を２重トンネル接合構造にした場合、リング状の記録層を円盤状の固定層及び非磁性層で挟む構造となる。

［４］磁気ランダムアクセスメモリの書き込み動作
本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリでは、スピン注入磁化反転を用いたデータ書き込みを行う。従って、ＭＴＪ素子ＭＴＪは、固定層１１及び記録層１３の間に流す電流Ｉの向きに応じて、固定層１１及び記録層１３の磁化方向が平行状態又は反平行状態となる。具体的には、以下のようになる。

“１”データを書き込む場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの固定層１１から記録層１３の方向に電流Ｉを流す。すなわち、電子ｅを記録層１３側から固定層１１側へ注入する。これにより、固定層１１及び記録層１３の磁化は、逆方向に向き、反平行状態となる。この高抵抗状態Ｒａｐを“１”データと規定する。

一方、“０”データを書き込む場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３から固定層１１の方向に電流Ｉを流す。すなわち、電子ｅを固定層１１側から記録層１３側へ注入する。これにより、固定層１１及び記録層１３の磁化は、同じ方向に向き、平行状態となる。この低抵抗状態Ｒｐを“０”データと規定する。

［５］磁気ランダムアクセスメモリの読み出し動作
本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの読み出し動作では、磁気抵抗（Magneto Resistive）効果を利用する。

選択セルのＭＴＪ素子ＭＴＪにつながるトランジスタＴｒをオン状態とし、読み出し電流を例えば配線２２からＭＴＪ素子ＭＴＪを通ってトランジスタＴｒの方向へ流す。そして、この読み出し電流に基づいて読み出されたＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値により、“１”、“０”データの判別が行われる。

尚、読み出し動作時は、定電圧を印加して電流値を読み出してもよいし、定電流を印加して電圧値を読み出してもよい。

［６］効果
本発明の一実施形態によれば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの少なくとも記録層１３の中央に空洞部２０ａが存在するため、従来よりも素子面積を減少させることができる。例えば図１（ａ）の構造の場合には、記録層１３の膜面水平方向の幅を堆積膜厚にすることができ、固定層１１及び非磁性層１２の膜面水平方向の幅よりも小さくできる。従って、記録層１３の膜面水平方向の幅は、従来のようにリソグラフィの最小加工寸法で規定されない。このように、スピン注入型のＭＴＪ素子ＭＴＪの面積を縮小できるため、書き込み電流値の低減を図ることが可能となる。

［７］相変化メモリ
上述した本発明の一実施形態に係る記憶素子の構造を、例えば、相変化メモリ（ＰＲＡＭ：Phase change Random Access Memory）に適用することも可能である。

図９は、本発明の一実施形態に係る相変化メモリの断面図を示す。以下、本発明の一実施形態に係る相変化メモリについて簡単に説明する。尚、ここでは、主に磁気ランダムアクセスメモリと異なる点を説明し、同じ点については説明を省略する。

図９に示すように、相変化メモリにおいて、磁気ランダムアクセスメモリと異なる点は、ＭＴＪ素子の代わりに結晶相変化膜３０を利用した相変化素子を用いている点である。相変化膜３０の中央には空洞部２０ｂが存在し、この空洞部２０ｂ内に絶縁層２０が埋め込まれている。絶縁層２０の底面は下部金属層８に接し、絶縁層２０の側面にのみ層変化膜３０が形成されている。

相変化膜３０は例えばカルコゲナイド等からなる。そして、配線２２→相変化膜３０→下部金属層８→コンタクト７というように、カルコゲナイドの上下に電流を流す。これにより、下部金属層８及びコンタクト７に使用する高抵抗材料（例えば、ＷやＴｉＮのようなバリアメタル材）がヒータとして機能し、カルコゲナイドが加熱されてアモルファス状態又は結晶状態となる。ここで、結晶状態のカルコゲナイドは抵抗が低いが、アモルファス状態のカルコゲナイドは抵抗が高い。このような抵抗の違いを利用して、“１”、“０”を割り当てればよい。

その他、本発明は、上記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）は、本発明の一実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリの構造例１を示す断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＭＴＪ素子を上面から見た平面図。 図２（ａ）は、本発明の一実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリの構造例２を示す断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＭＴＪ素子を上面から見た平面図。 図３（ａ）乃至（ｇ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例１の製造工程を示す断面図。 図４（ａ）乃至（ｇ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例２の製造工程を示す断面図。 図５（ａ）乃至（ｉ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法例３の製造工程を示す断面図。 図６（ａ）は、本発明の一実施形態に係る平行磁化型のＭＴＪ素子を示す断面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＭＴＪ素子を上面から見た平面図。 本発明の一実施形態に係る垂直磁化型のＭＴＪ素子を示す断面図。 図８（ａ）は、本発明の一実施形態に係る長方形のＭＴＪ素子を示す平面図、図８（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る十字型のＭＴＪ素子を示す平面図。 本発明の一実施形態に係る相変化メモリを示す断面図。

符号の説明

１…半導体基板、２…素子分離領域、３…ゲート電極、４ａ、４ｂ…ソース／ドレイン拡散層、５、７…コンタクト、６、２２…配線、８…下部金属層、１１…固定層、１２…非磁性層、１３…記録層、２０、２５…絶縁層、２０ａ、２０ｂ…空洞部、２１…層間絶縁膜、２３、２６…溝、３０…相変化膜、ＭＴＪ…ＭＴＪ素子、Ｔｒ…トランジスタ。

Claims (5)

1. 磁化方向が固定された固定層と磁化方向が反転可能な記録層と前記固定層及び前記記録層の間に設けられた非磁性層とを有し、前記記録層の中央に空洞部が形成され、前記固定層及び前記記録層の間に流す電流の向きに応じて前記固定層及び前記記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる磁気抵抗効果素子と、
   前記空洞部内に形成された絶縁層と、
   前記磁気抵抗効果素子の一端に接続された配線と、
   前記磁気抵抗効果素子の他端に接続されたトランジスタと
   を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 前記固定層及び前記記録層の前記磁化方向は、膜面に対して平行な方向であり、
   前記磁気抵抗効果素子を上から見たとき、前記記録層の前記磁化方向は、前記記録層の形状に沿わず、非連続な一方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 前記固定層及び前記記録層の前記磁化方向は、膜面に対して垂直な方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 前記空洞部は、前記固定層及び前記非磁性層の中央に連続して存在し、
   前記固定層、前記非磁性層及び前記記録層は、前記絶縁層の側面に形成されており、
   前記磁気抵抗効果素子の周囲に形成され、前記絶縁層と同じ層で形成された層間絶縁膜をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
5. トランジスタを形成する工程と、
   前記トランジスタに接続する固定層及び非磁性層を積み重ねて形成する工程と、
   前記非磁性層上に第１の絶縁層を形成してパターニングする工程と、
   前記第１の絶縁層の側面にのみ記録層を形成する工程と、
   前記記録層に接続する配線を形成する工程と
   を具備し、
   前記固定層及び前記記録層の磁化方向は、前記固定層及び前記記録層の間に流す電流の向きに応じて平行状態又は反平行状態になることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。

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