JP2008181971A

JP2008181971A - 不揮発性記憶装置、磁気抵抗素子および磁気抵抗素子の製造方法

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Publication number: JP2008181971A
Application number: JP2007012940A
Authority: JP
Inventors: Takashi Osanaga; 隆志長永; Takeharu Kuroiwa; 丈晴黒岩; Yutaka Takada; 裕高田; Junichi Tsuchimoto; 淳一土本; Akifumi Matsuda; 亮史松田; Shuichi Ueno; 修一上野
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2007-01-23
Filing date: 2007-01-23
Publication date: 2008-08-07

Abstract

【課題】記録層の形状変化にともなう反転磁界の変化量を抑制することのできる磁気抵抗素子を提供する。さらに、情報の書込みに要する電流のばらつきを抑制することのできる不揮発性記憶装置を提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子であるトンネル接合素子１００は、固定層ＰＬと、非磁性層１４と、記録層ＲＬとを備えている。固定層ＰＬは、固定された磁化方向を有している。非磁性層１４は、固定層ＰＬ上に形成されている。記録層ＲＬは、非磁性層１４を介した固定層ＰＬとの対向面ＩＦを有し、外部磁界により反転する磁化方向を有し、コバルトと鉄とホウ素と酸素とを含んでいる。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気抵抗素子およびそれを用いた不揮発性記憶装置に関するものである。

近年、新世代の不揮発性記憶装置として、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）デバイスが注目されている。ＭＲＡＭデバイスは、半導体集積回路に形成された複数のメモリセルを用いて不揮発のデータ記録を行ない、かつ、メモリセルの各々に対してランダムアクセスが可能な不揮発性記憶装置である。

一般的に、このようなメモリセルは、磁化方向が固定された強磁性層を有する固定層と、外部磁界に応じてその磁化方向が変化する強磁性層からなる記録層とが、非磁性層を介して配置された構造（スピンバルブ（Spin Valve）構造）の磁気抵抗素子を含む。そして、このスピンバルブ構造の磁気抵抗素子は、記録層の磁化方向の変化に応じて生じる電気抵抗値の変化に対応付けてデータを記録する。

多くの磁気抵抗素子では、記録層の磁化方向が、固定層の磁化方向と平行または反平行となるような磁気異方性をもつように形成されている。そして、平行状態と反平行状態とのそれぞれに対応して、「０」および「１」の２値の各々が記録される。このように、固定層の磁化方向と平行または反平行となる方向が、記録層の磁化容易軸（easy axis）と称され、この磁化容易軸と直交する方向が磁化困難軸（hard axis）と称される。なお、記録層の磁化方向は、外部磁界に応じて磁化容易軸上を反転する際にはヒステリシス曲線を描く。

磁気抵抗素子において磁化方向に対応して電気抵抗値の変化が生じる原理としては、トンネル磁気抵抗（Tunnel Magneto Resistive：以下「ＴＭＲ」と略記する）効果や、巨大磁気抵抗（Giant Magneto Resistive）効果などが知られている。これらの効果のうち、ＴＭＲ効果による磁気抵抗素子が用いられることで、ＭＲＡＭデバイスの性能が飛躍的に向上することが知られている。

このＴＭＲ効果による電気抵抗値の変化率をより大きくするために、記録層（自由層(free layer)）としてＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）を用いる技術が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。

ＴＭＲ効果が用いられたＭＲＡＭは、たとえば、特開２００３−１８８４３９号公報に開示されている。この公報によれば、ＭＲＡＭには相互に交差する２種類の配線（ワード線およびビット線）が設けられており、この交差部のそれぞれにＴＭＲ素子（磁気抵抗素子）が配置されている。

上記２種類の配線のそれぞれを流れる電流により、各ＴＭＲ素子には、磁化容易軸方向および磁化困難軸方向の各々に外部磁界が印加される。各ＴＭＲ素子においては、磁化容易軸方向および磁化困難軸方向の合成磁界に応じて、自由層（記録層）の磁化方向が反転し得る。この反転が可能な合成磁界の向きおよび大きさの特性は、いわゆるアステロイド曲線により規定される。特定のＴＭＲ素子を交差部に有する２種類の配線に選択的に電流が流されることで、特定のＴＭＲ素子においてのみ、アステロイド曲線で規定される磁化反転条件が満たされ、情報の書込みが行なわれる。すなわち、情報の書込みにおけるランダムアクセスが実現される。

磁化方向の反転に要する磁界（反転磁界）については、たとえば、非特許文献２において検討がなされている。この文献によれば、反転磁界(switching field)は記録層(free magnetic layer)の面内方向の幅にほぼ反比例し、かつ、厚さに比例する。すなわち、記録層の形状に依存して反転磁界が変化することになる。
特開２００３−１８８４３９号公報 D. Wang et al., "70% TMR at Room Temperature for SDT Sandwich Junctions With CoFeB as Free and Reference Layers"， IEEE Transactions on Magnetics，vol.40, No.4, July 2004, pp.2269-2271 E. Y. Chen et al., "Submicron spin valve magnetoresistive random access memory cell", Journal of Applied Physics, vol.81，No.8, 15 April 1997, pp.3992-3994

上記従来の磁気抵抗素子は、記録層の形状が変化すると、上記非特許文献２に示されるように、反転磁界が変化してしまう。よって、製造工程に起因して記録層の形状がばらつくと、情報の書込みに要する反転磁界にもばらつきが発生するという問題があった。また、このような磁気抵抗素子が用いられた従来の不揮発性記憶装置は、上記の反転磁界のばらつきに起因して、情報の書込みに要する電流にばらつきが発生するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗素子において、記録層の形状変化にともなう反転磁界の変化量を抑制することを目的とする。また、磁気抵抗素子を備えた不揮発性記憶装置において、情報の書込みに要する電流のばらつきを抑制することも目的とする。

本発明の一実施の形態による磁気抵抗素子は、固定された磁化方向を有する固定層と、固定層上に形成された非磁性層と、記録層とを備えている。この記録層は、非磁性層を介した固定層との対向面を有し、外部磁界により反転する磁化方向を有し、コバルトと鉄とホウ素と酸素とを含んでいる。

本発明の一実施の形態による不揮発性記憶装置は、複数の上述した磁気抵抗素子と、電流磁界を発生させるための第１および第２配線とを備えている。第２配線は、第１配線と交差部を有するように設けられている。磁気抵抗素子は、この交差部に設けられている。

本発明の一実施の形態による磁気抵抗素子の製造方法は以下の工程を備えている。
まず、固定された磁化方向を有する固定膜と、非磁性膜と、コバルトと鉄とホウ素とを含む強磁性膜とが順に積層された構成を有する積層膜が形成される。積層膜がパターニングされることにより積層体が形成される。上記強磁性膜の形成途中において酸素分圧が変化される。

本発明の他の実施の形態による磁気抵抗素子の製造方法は以下の工程を備えている。
まず、固定された磁化方向を有する固定膜が形成される。固定膜上に非磁性膜が形成される。非磁性膜上にコバルトと鉄とホウ素とを含む強磁性膜が形成される。強磁性膜が酸化される。磁性膜と、前記非磁性膜と、前記強磁性膜とを含む積層膜がパターニングされて、積層体が形成される。

上記の磁気抵抗素子およびその製造方法によれば、記録層が酸素を含んでいる。これにより、酸素を含まない場合と比較して、磁気抵抗素子の形状がばらついた場合の反転磁界のばらつきを抑制することができる。

上記の不揮発性記憶装置によれば、磁気抵抗素子の反転磁界のばらつきが抑制されるため、情報の書込みに要する電流値のばらつきを抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
はじめに本実施の形態の不揮発性記憶装置の構成について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１における不揮発性記憶装置として、ＭＲＡＭデバイスの模式的回路構成を示す図である。

図１を参照して、ＭＲＡＭデバイス１は、外部からの制御信号およびアドレス信号に応答してランダムアクセスを実行し、入力データＤｉｎの書込みおよび出力データＤｏｕｔの読出しを実行するように構成されている。ＭＲＡＭデバイス１におけるデータ書込み動作およびデータ読出し動作は、たとえば、外部からのクロック信号に同期したタイミングで実行されるように構成されている。なお、外部からのクロック信号に同期する代わりに、ＭＲＡＭデバイス１の内部で動作タイミングが定められるように構成されてもよい。

ＭＲＡＭデバイス１は、行方向（図中横方向）にｎ行、列方向（図中縦方向）にｍ列に配列されている複数のメモリセルＭＣからなるメモリアレイを備えている。なお、ｎおよびｍは自然数である。

メモリアレイのそれぞれの列は、ワード線ＷＬ１〜ＷＬｍの各々と、ワード線／ＷＬ１〜／ＷＬｍの各々とを有している。ワード線ＷＬ１〜ＷＬｍのそれぞれと、ワード線／ＷＬ１〜／ＷＬｍの各々とは、各列において２本の相補的なワード線対ＷＬ１，／ＷＬ１〜ＷＬｍ，／ＷＬｍを構成している。また、それぞれの列は、書込みワード線（第１配線）ＷＷＬ１〜ＷＷＬｍも有している。メモリアレイのそれぞれの行は、ビット線（第２配線）ＢＬ１〜ＢＬｎを有している。

以下においては、ワード線対、ワード線、書込みワード線およびビット線のそれぞれが総称されて表現される場合には、符号ＷＬ，／ＷＬ、ＷＬ（／ＷＬ）、ＷＷＬおよびＢＬにより表記される。また、信号、信号線およびデータなどの２値的な高電圧状態および低電圧状態は、それぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルとも称される。

各メモリセルＭＣは、ＴＭＲ効果を利用した磁気抵抗素子であるトンネル接合素子１００と、アクセストランジスタＡＴＲとを有している。トンネル接合素子１００と、アクセストランジスタＡＴＲとは、トンネル接合素子１００を流れるトンネル電流経路と、アクセストランジスタＡＴＲを流れるチャネル電流経路とが直列接続されるように連結されている。各メモリセルＭＣにおいて、上記直列接続された部分の一方端は対応するメモリアレイ列のワード線／ＷＬに接続され、他方端は対応するメモリアレイ行のビット線ＢＬと接続されている。また、各メモリセルＭＣにおいて、アクセストランジスタＡＴＲのゲートは、対応するメモリアレイ列のワード線ＷＬと接続されている。

また、ＭＲＡＭデバイス１は、ワード線ＷＬと接続されているワード線ドライバ帯６をさらに備えている。このワード線ドライバ帯６は、データ読出し（以下、単にデータアクセスとも称される）時において、列選択結果に応じて、データアクセスの対象となるメモリセルＭＣに対応するワード線ＷＬを選択的に活性化する機能を有している。

また、ＭＲＡＭデバイス１は、書込みデータおよび読出しデータを伝達するためのデータ線ＤＷと、書込みデータを伝達するための書込みビット線ＷＢＬと、読出しビット線ＲＢＬと、カラムデコーダ８ａ，８ｂと、データ書込回路２と、データ読出回路４とを有している。

読出しビット線ＲＢＬは、ワード線／ＷＬのそれぞれと、データ読出回路４とを接続している。データ書込回路２は、外部からライトイネーブル信号ＷＥおよび入力データＤｉｎを受け、データ線ＤＷおよび書込みビット線ＷＢＬに所定の電圧を印加する機能を有している。データ読出回路４は、外部からリードイネーブル信号ＲＥを受け、読出しビット線ＲＢＬ上の電圧をセンスアンプで増幅し、図示しない参照抵抗の電圧値と比較し、その比較結果に基づいて出力データＤｏｕｔを出力する機能を有している。

また、ＭＲＡＭデバイス１は、メモリアレイ行に対応したカラム選択ゲートＣＳＧ１〜ＣＳＧｎと、それぞれのメモリアレイ列に対応した書込みカラム選択ゲートＷＣＳＧ１〜ＷＣＳＧｍとを有している。以下においては、カラム選択ゲートおよび書込みカラム選択ゲートのそれぞれが総称されて表現される場合には、符号ＣＳＧおよびＷＣＳＧにより表記される。

カラムデコーダ８ａは、カラムアドレスＣＡのデコード結果、すなわち行選択結果に応じて、データ書込み時およびデータ読出し時の各々において、カラム選択ゲートＣＳＧを選択的に活性化する機能を有している。活性化されたカラム選択ゲートＣＳＧは、データ線ＤＷを、対応するビット線ＢＬと電気的に結合する機能を有している。

同様に、カラムデコーダ８ｂは、カラムアドレスＣＡのデコード結果、すなわち列選択結果に応じて、データ書込み時において、書込みカラム選択ゲートＷＣＳＧを選択的に活性化する機能を有している。活性化された書込みカラム選択ゲートＷＣＳＧは、書込みビット線ＷＢＬを、対応する書込みワード線ＷＷＬと電気的に結合する機能を有している。

図２は、本発明の実施の形態１における不揮発性記憶装置のメモリセルおよびその周辺の構成を概略的に示す断面図である。

図２を参照して、ビット線ＢＬは、一の方向（図中横方向）に延在するように、半導体基板４０上に層間絶縁膜４２を介して形成されている。このビット線ＢＬは、銅配線４４およびバリアメタル４６を有している。なお、バリアメタル４６は、銅の拡散を防止するために層間絶縁膜４２と銅配線４４との間に配置された膜である。

書込みワード線ＷＷＬは、ビット線ＢＬの延在方向と直交する方向で、かつ、ビット線ＢＬと半導体基板４０との間に形成されている。よって、平面パターンにおいて、書込みワード線ＷＷＬはビット線ＢＬと交差部を有している。なお、ビット線ＢＬと同様に、書込みワード線ＷＷＬも銅配線４４およびバリアメタル４６を有している。

ワード線／ＷＬは、書込みワード線ＷＷＬと同一方向に延在している。なお、ワード線／ＷＬも、ビット線ＢＬと同様に、銅配線４４およびバリアメタル４６を有している。

ワード線ＷＬは、ゲート絶縁膜５２を介して、半導体基板４０上に形成されている。ワード線ＷＬの延在方向は、書込みワード線ＷＷＬおよびワード線／ＷＬと同一である。なお、ワード線ＷＬの側面（図中横側の面）にはサイドウォール５４ｂが形成されている。

トンネル接合素子１００は、半導体基板４０の厚み方向（図中縦方向）におけるビット線ＢＬと書込みワード線ＷＷＬとに挟まれた位置であって、平面パターンにおけるビット線ＢＬと書込みワード線ＷＷＬとの交差部の位置に配置されている。トンネル接合素子１００は、固定層ＰＬと、トンネル絶縁層ＢＡＬと、記録層ＲＬと、非磁性層１７とが順に積層された積層体である。なお、この積層体の積層面は半導体基板４０の面と平行である。

アクセストランジスタＡＴＲは、半導体基板４０の上面側（図中上側）に形成されたソース領域５４ｓおよびドレイン領域５４ｄを有している。このソース領域５４ｓとドレイン領域５４ｄとに挟まれた位置において、半導体基板４０上に、ゲート絶縁膜５２を介して、ワード線ＷＬが形成されている。これにより、ワード線ＷＬはアクセストランジスタＡＴＲのゲートとして機能を有している。

ビット線ＢＬの下面と、トンネル接合素子１００の非磁性層１７の上面とは、コンタクト５６を介して電気的に接続されている。また、トンネル接合素子１００の固定層ＰＬの下面は、導電層４８と、コンタクトプラグ５０ａと、コンタクトプラグ５０ｂとを介して、アクセストランジスタＡＴＲのドレイン領域５４ｄに電気的に接続されている。アクセストランジスタＡＴＲのソース領域５４ｓと、ワード線／ＷＬとは、コンタクトプラグ５０ｃを介して、電気的に接続されている。

これにより、ビット線ＢＬとワード線／ＷＬとの間が、互いに直列に接続されたトンネル接合素子１００およびアクセストランジスタＡＴＲにより電気的に接続されている。

図３は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の積層構成を概略的に示す断面図である。図３を参照して、上述したように、トンネル接合素子１００は、固定層ＰＬと、トンネル絶縁層ＢＡＬと、記録層ＲＬと、非磁性層１７とを有している。

固定層ＰＬは、反強磁性層１０と、強磁性層１１と、非磁性層１２と、強磁性層１３とがこの順に積層された構成を有している。トンネル絶縁層ＢＡＬは、絶縁性を有する非磁性層１４を有している。

記録層ＲＬは第１強磁性領域１５および第２強磁性領域１６を有している。記録層ＲＬの第１強磁性領域１５は、非磁性層１４を介して、固定層ＰＬの強磁性層１３との対向面ＩＦを有している。なお、トンネル接合素子１００の最上面には、保護膜として非磁性層１７が形成されている。

固定層ＰＬの磁化方向は、トンネル接合素子１００が使用される外部磁界の強度の範囲内においては固定されている。一方、記録層ＲＬの磁化方向は、外部磁界に応じて反転し得る。

反強磁性層１０の材質としては、たとえば、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎを用いることができる。

強磁性層１１の厚さは、たとえば２ｎｍである。材質としてはＣｏＦｅ合金を用いることができる。

非磁性層１２の厚さは、たとえば１ｎｍである。材質としてはＲｕを用いることができる。なお、Ｃｕ、Ｔａなどの金属膜を用いることもできる。

強磁性層１３の厚さは、たとえば２ｎｍであり、材質としてはＣｏＦｅＢ合金を用いることができる。なお、強磁性層１１および強磁性層１３の具体的な材質としては、上述した材質に限定されるものではなく、たとえば、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉなどを主成分とする金属材料を用いることができる。具体的には、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＮｉＦｅ合金、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＮｉ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などを用いることができる。

非磁性層１４の厚さはたとえば１ｎｍであり、材質としてはアルミニウムの酸化物（ＡｌＯ_x）を用いることができる。これにより、非磁性層１４は、トンネル効果の生じる絶縁層であるトンネル絶縁層ＢＡＬとしての機能を有している。なお、非磁性層１４はトンネル効果を生じる絶縁物であればよい。よって、アルミニウムの酸化物の代わりに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、タンタルの酸化物（ＴａＯ_X）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）など他の金属酸化膜を用いることもできる。

第１強磁性領域１５の厚さは、たとえば１．５ｎｍであり、材質としてはＣｏＦｅＢ合金が用いられている。すなわち、第１強磁性領域１５は、コバルトと、鉄と、ホウ素とを含んでおり、酸素を実質的には含んでいない。

第２強磁性領域１６の厚さは、たとえば２ｎｍであり、材質としてはＣｏＦｅＢ合金に酸素が導入された材質が用いられている。すなわち、第２強磁性領域１６は、コバルトと、鉄と、ホウ素と、酸素とを含んでいる。

非磁性層１７の材質としては、Ｔａが用いられている。なお、Ｔａの代わりに、Ｃｕ、Ｒｕなどを用いることもできる。また、非磁性層１７は金属膜である必要はなく、金属の酸化膜であってもよい。

なお、固定層ＰＬの磁化方向が固定されている原理を以下に説明する。まず、反強磁性層１０および強磁性層１１との交換結合により、反強磁性層１０が強磁性層１１の磁化方向を固定している。さらに、強磁性層１１および強磁性層１３との非磁性層１２を介した交換結合により、強磁性層１１が強磁性層１３の磁化方向を固定している。

また、強磁性層１１と強磁性層１３とは互いに打消し合うような磁化方向を有している。すなわち、非磁性層１２を介した強磁性層１１および強磁性層１３の積層構造は、人工的な反強磁性構造を有している。この反強磁性構造と、反強磁性層１０とは、それぞれ磁化がほぼゼロとなっている。よって、固定層ＰＬ全体としても、磁化はほぼゼロとなっている。

図４は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子の記録層の酸素濃度プロファイルのグラフである。図３および４を参照して、グラフの横軸は、記録層ＲＬの上面を原点とし、対向面ＩＦに向かう方向を正の方向とした場合の、記録層ＲＬの厚み位置を示している。グラフの縦軸は、上記厚み位置における酸素原子濃度を示している。

図４を参照して、第１強磁性領域１５は実質的に酸素を含有していない領域である。第２強磁性領域１６は、酸素を原子濃度として約２０％含有している領域である。記録層ＲＬの酸素原子濃度は、第２強磁性領域１６と第１強磁性領域１５との境界周辺において、対向面ＩＦに向かって減少している。

なお、第１強磁性領域１５と第２強磁性領域１６との境界部分においては、グラフが完全に垂直にはならず、ある程度の傾きを有しているが、これは原子の拡散現象によるためである。第１強磁性領域１５の厚みｔ１と、第２強磁性領域１６の厚みｔ２とを規定するためには、たとえば第２強磁性領域１６における酸素原子濃度の半分の濃度となる厚み位置を境界とすることができる。

好ましくは、第１強磁性領域１５の厚み寸法ｔ１は、０．５ｎｍ以上とされる。これは、対向面ＩＦから厚み方向に０．５ｎｍの範囲内は、磁性膜として機能しない状態の層(Dead Layer)となり得るため、それ以上の厚みの第１強磁性領域１５を形成することが望ましいためである。

図５は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の平面パターンを示す図である。主に図５を参照して、本実施の形態のトンネル接合素子１００は、半導体基板４０（図２）の基板面内方向において、磁気異方性を有している。すなわち、トンネル接合素子１００は、基板面内方向において、磁化容易軸と、磁化困難軸とを有している。

トンネル接合素子１００は、平面パターンとして楕円形状を有しており、上記の磁化容易軸方向と磁化困難軸方向とが楕円の主軸方向と一致している。トンネル接合素子１００の磁化容易軸方向（図中横方向）の寸法である長さ寸法Ｌは、たとえば４００ｎｍである。また、磁化困難軸方向の寸法である幅寸法Ｗは、たとえば２００ｎｍである。

図６は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子のアステロイド曲線を示す説明図である。主に図６を参照して、トンネル接合素子１００は、基板面内方向において、ビット線ＢＬと書込みワード線ＷＷＬとの交差部にその中心が一致するように配置されている。なお、基板厚み方向については、図２に示されるように、トンネル接合素子１００はビット線ＢＬと書込みワード線ＷＷＬとに挟まれた位置に配置されている。

また、トンネル接合素子１００は、磁化容易軸（図５）方向が書込みワード線ＷＷＬの延在方向と一致し、かつ、磁化困難軸（図５）方向がビット線ＢＬの延在方向と一致する向きに配置されている。

すなわち、トンネル接合素子１００は、ビット線ＢＬを流れるビット線電流Ｉｂにより磁化容易軸方向の外部磁界Ｈ（Ｉｂ）を受け、書込みワード線ＷＷＬを流れる書込み線電流Ｉｗにより磁化困難軸方向の外部磁界Ｈ（Ｉｗ）を受けるように配置されている。つまり、トンネル接合素子１００は、外部磁界Ｈ（Ｉｂ）およびＨ（Ｉｗ）の合成磁界Ｈを受けるように配置されている。

図７（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の磁化方向の状態を示す説明図である。図７（ａ）および（ｂ）を参照して、本実施の形態のトンネル接合素子１００は、この磁化方向の向きが異なる２つの状態、すなわち、反平行状態（図７（ａ））と、平行状態（図７（ｂ））との２つの状態をとることができるように構成されている。

図７（ａ）を参照して、反平行状態とは、記録層ＲＬの磁化方向が固定層ＰＬの強磁性層１３の磁化方向と反平行（反対方向）となり、トンネル接合素子１００が高抵抗となる状態である。図７（ｂ）を参照して、平行状態とは、記録層ＲＬの磁化方向が固定層ＰＬの強磁性層１３の磁化方向と平行（同方向）となり、トンネル接合素子１００が低抵抗となる状態である。

次に、本実施の形態の磁気抵抗素子としてのトンネル接合素子１００の記録層ＲＬの特性について説明する。

図８は、本発明の実施の形態１の記録層に用いられる磁性膜と、その比較例１とのそれぞれの磁化特性を実線および破線の各々により概略的に示すグラフである。ここで比較例１は、本実施の形態の記録層ＲＬの磁性膜と異なり酸素を含有していないが、それ以外の点では本実施の形態の記録層ＲＬの磁性膜と同一の構成を有する膜である。なお、この磁化特性は、磁性膜に対して微細パターニングが施されていない状態での特性である。

図８を参照して、磁化がほぼ飽和に至る磁界の絶対値が、比較例１（破線）よりも本実施の形態（実線）は高くなっている。また、飽和磁化の絶対値は、比較例１（破線）よりも本実施の形態（実線）は低くなっている。

図９は、本発明の実施の形態１、比較例１および比較例２における磁気抵抗素子としてのトンネル接合素子の記録層の反転磁界と、記録層の幅寸法との関係を概略的に示すグラフである。ここで比較例１は、酸素を含有していないがそれ以外の点では本実施の形態の記録層ＲＬと同一の構成を有する層である。比較例２は、層の厚み寸法が３ｎｍである点で比較例１（層の厚み寸法が３．５ｎｍ）と異なるが、それ以外の点では比較例１と同一の構成を有する層である。なお、ここでの反転磁界Ｈ_SWとは、磁化容易軸方向に外部磁界が掃引された際のヒステリシス幅の半分の強度の磁界のことである。

図９を参照して、互いに膜厚が等しい実施の形態１と比較例１とを比べると、実施の形態１のグラフ（図中実線）の方が、比較例１のグラフ（図中一点鎖線）よりも勾配が緩やかである。すなわち、本実施の形態の方が、比較例１よりも、トンネル接合素子１００の幅寸法Ｗに対する反転磁界Ｈ_SWの依存性が低い。

また、トンネル接合素子１００の幅寸法が４００ｎｍ程度では、本実施の形態（図中実線）と比較例１（図中一点鎖線）とで、反転磁界Ｈ_SWはほぼ同じである。しかし、幅寸法が約３００ｎｍ以下になると、実施の形態１の方が比較例１に比して反転磁界Ｈ_SWが低くなっている。

なお、本実施の形態のトンネル接合素子１００と比較例２とは、幅寸法Ｗが２５０ｎｍにおいて、反転磁界Ｈ_SWがほぼ同じである。すなわち、単に反転磁界Ｈ_SWを低減するだけの目的であれば、記録層ＲＬの膜厚を低減すればよいことになる。しかし、その場合は、比較例２のグラフに示されるように、トンネル接合素子１００の幅寸法Ｗに対する反転磁界Ｈ_SWの依存性が高くなってしまう。

次に、本実施の形態において、記録層ＲＬの平面パターン形状に対する反転磁界Ｈ_SWの依存性が低くなる原理について説明する。

記録層ＲＬの異方性磁界Ｈ_k、トンネル接合素子１００の幅寸法Ｗおよび長さ寸法Ｌ、記録層ＲＬを構成する第１強磁性領域１５の飽和磁化Ｍ_s1、第１強磁性領域１５の厚さｔ１、第２強磁性領域１６の飽和磁化Ｍ_s2、第２強磁性領域１６の厚さｔ２により、記録層ＲＬの反転磁界Ｈ_SWは近似的に以下の（１）式のように表される。

Ｈ_SW＝Ｈ_k＋４π×Ｃ（Ｌ／Ｗ）×（Ｍ_s1×ｔ１＋Ｍ_s2×ｔ２）／Ｗ・・・（１）
なお、Ｃ（Ｌ／Ｗ）は、記録層ＲＬの長さ寸法Ｌおよび幅寸法Ｗの寸法比Ｌ／Ｗに依存した係数であり、０≦Ｃ（Ｌ／Ｗ）≦１である。

また、第１強磁性領域１５および第２強磁性領域１６とが積層化された見かけ上の磁気異方性エネルギーをＫ_uとすると、異方性磁界Ｈ_kは以下のように表される。

Ｈ_k＝２×Ｋ_u×ｔ／（Ｍ_s1×ｔ１＋Ｍ_s2×ｔ２）・・・（２）
式（２）で、ｔは記録層ＲＬの総厚み寸法ｔ＝ｔ１＋ｔ２である。

ここで、第１強磁性領域１５および第２強磁性領域１６とが積層化された見かけ上の飽和磁化Ｍ_s＝（Ｍ_s1×ｔ１＋Ｍ_s2×ｔ２）／（ｔ１＋ｔ２）が用いられると、式（１）および（２）から
Ｈ_SW＝２×Ｋ_u／Ｍ_s＋４πｔ×Ｍ_s｛Ｃ（Ｌ／Ｗ）／Ｗ｝・・・（３）
となる。

式（３）において、第１項は記録層ＲＬの平面パターン形状に依存する値を含んでいない。一方、第２項は、平面パターン形状に依存する部分｛Ｃ（Ｌ／Ｗ）／Ｗ｝を含んでいる。また、第１項はＭ_sに反比例し、第２項はＭ_sに比例する。よって、Ｍ_sを低減することにより、記録層ＲＬの平面パターン形状に依存しない第１項の値を大きくできるとともに、第２項の記録層ＲＬの平面パターン形状に依存する部分｛Ｃ（Ｌ／Ｗ）／Ｗ｝に掛かる係数を小さくできる。すなわち、Ｍ_sを低減することにより反転磁界Ｈ_SWの記録層ＲＬの平面パターン形状依存性を抑制できる。

再び図８を参照して、本実施の形態の記録層ＲＬに用いられる磁性膜の飽和磁化は、酸素を含まない比較例１の飽和磁化よりも小さくなっている。すなわち、酸素導入により、飽和磁化Ｍ_sが低減されていることがわかる。よって、式（３）によれば、反転磁界Ｈ_SWの記録層ＲＬの平面パターン形状依存性を抑制できる。

次に、本実施の形態における記録層ＲＬの磁化方向の熱擾乱に対する安定性について説明する。

熱擾乱による記録層ＲＬの磁化方向の反転確率は、飽和磁化Ｍ_s、反転磁界Ｈ_SWおよび記録層ＲＬの磁化を有する領域の体積Ｖに依存して小さくなる。この反転確率の指標として、下記の値Δを用いることができる。

Δ＝Ｋ_u’Ｖ／Ｋ_bＴ・・・（４）
ここで、Ｋ_ｕ’はＭ_s×Ｈ_SWに比例する記録層ＲＬの実効的な異方性エネルギー、Ｋ_bはボルツマン定数、Ｔは温度である。

このΔが大きいほど、熱による記録層の意図しない反転確率が減少し、熱擾乱に対する磁化方向の安定性が向上する。ＭＲＡＭの集積化において、寸法比Ｌ／Ｗおよび厚さｔが一定の下で記録層ＲＬが微細化された場合、Ｗの減少により（１）式で表されるＨ_SWは第２項の影響で増大する。よって、Ｋ_ｕ’が増大する。一方、記録層ＲＬの体積Ｖは幅寸法Ｗの減少に伴い減少する。この結果、式（４）によりΔが減少し、熱擾乱に対する磁化方向の安定性が劣化する。

なお、Ｈ_SWの増大を抑制すること自体は、前述したように、記録層ＲＬ全体の厚さｔを減少させることにより可能である。しかし、この場合、体積Ｖが減少し、かつ、Ｈ_SWも減少するため、Δが減少し、熱擾乱に対する磁化方向の安定性が劣化してしまう。

次に、本実施の形態におけるトンネル接合素子１００のＴＭＲ効果について説明する。本実施の形態における記録層ＲＬは、トンネル絶縁層ＢＡＬに接しておりＴＭＲ効果への影響の大きい第１強磁性領域１５において、酸素を含有しないＣｏＦｅＢ膜を用いている。これによりＴＭＲ効果による抵抗変化率を、酸素を含有しないＣｏＦｅＢ単体の記録層が用いられた場合とほぼ同等とすることができる。たとえば、低抵抗状態に比して高抵抗状態においては６０％大きな抵抗値を得ることができる。

なお、酸素を含有しない従来のトンネル接合素子において、記録層としてＮｉＦｅ膜を用いた場合は、低抵抗状態に比して高抵抗状態の抵抗値は４０％ほど大きくなる。よって、ＣｏＦｅＢ膜を用いることによって、ＴＭＲ効果として１．５倍の変化率が得られていることになる。

次に、本実施の形態の不揮発性記憶装置１のデータ書込み動作について説明する。
図１を参照して、カラムデコーダ８ａは、選択されたメモリアレイ行に対応するカラム選択ゲートＣＳＧを「Ｈ」レベルに活性化し、当該メモリアレイ行に対応するビット線ＢＬをデータ線ＤＷと電気的に接続する。同様に、カラムデコーダ８ｂも選択されたメモリアレイ列に対応する書込みカラム選択ゲートＷＣＳＧを「Ｈ」レベルに活性化し、当該メモリアレイ列に対応する書込みワード線ＷＷＬを書込みビット線ＷＢＬと電気的に接続する。

データ線ＤＷおよびデータ書込み線ＷＢＬのそれぞれには、データ書込回路２により、入力データＤｉｎに応じた所定の電圧が与えられる。これにより、選択されたメモリアレイ行およびメモリアレイ列に対応するメモリセルＭＣには、図６に示されるように、ビット線ＢＬの電流Ｉｂにより生じる外部磁界Ｈ（Ｉｂ）と、書込みワード線ＷＷＬの電流Ｉｗにより生じる外部磁界Ｈ（Ｉｗ）とが同時に与えられる。

図６を参照して、この結果、アステロイド曲線のグラフにおいて、トンネル接合素子１００に与えられる合成磁界Ｈのベクトル終点は、アステロイド曲線により囲まれた領域の外側に位置することになる。これにより、記録層ＲＬの磁化は、磁化容易軸上の＋Ｍまたは−Ｍ方向のいずれかに変化する。すなわち、合成磁界Ｈのベクトル終点がアステロイド曲線を＋Ｍ側に超えると、記録層ＲＬの磁化方向は、磁化容易軸上の＋Ｍ方向に変化し、−Ｍ側に超えると、記録層ＲＬの磁化方向は、磁化容易軸上の−Ｍ方向に変化する。この結果、トンネル接合素子１００の記録層ＲＬが、入力データＤｉｎに応じた方向に磁化される。

ここで、たとえば反平行状態（図７（ａ））が「０」値、平行状態（図７（ｂ））が「１」値という定義が適用されれば、入力データＤｉｎに応じて、トンネル接合素子１００に「０」値または「１」値のいずれかが記録されることになる。このようにして、カラム選択ゲートＣＳＧおよび書込みカラム選択ゲートＷＣＳＧにより選択された１つのメモリセルＭＣに対してデータ書込みが実行される。

なお、図１および図６を参照して、選択されたメモリアレイ行に配置されている複数のメモリセルＭＣのうち非選択のメモリセルＭＣにおいては、ビット線ＢＬを流れる電流Ｉｂによる外部磁界Ｈ（Ｉｂ）が加わるが、書込みワード線ＷＷＬからの外部磁界Ｈ（Ｉｗ）が加わらないので、磁化方向は不変である。同様に、選択されたメモリアレイ列に配置されている複数のメモリセルＭＣのうち非選択のメモリセルＭＣにおいては、書込みワード線ＷＷＬを流れる電流Ｉｗによる外部磁界Ｈ（Ｉｗ）が加わるが、ビット線ＢＬからの外部磁界Ｈ（Ｉｂ）が加わらないので、磁化方向は不変である。

次に、本実施の形態の不揮発性記憶装置１のデータ読出し動作について説明する。
図１を参照して、ワード線ドライバ帯６は、選択されたメモリアレイ列に対応するワード線ＷＬを「Ｈ」レベルに活性化して、対応するメモリアレイ列に配置されたメモリセルＭＣのアクセストランジスタＡＴＲを活性化させる。すると、活性化されたアクセストランジスタＡＴＲと直列接続されているトンネル接合素子１００の両端のそれぞれが、ワード線／ＷＬおよびビット線ＢＬの各々と電気的に接続される。

一方、カラムデコーダ８ａは、選択されたメモリアレイ行に対応するカラム選択ゲートＣＳＧを「Ｈ」レベルに活性化し、このメモリアレイ行のビット線ＢＬをデータ線ＤＷと電気的に接続する。そして、データ書込回路２が所定の参照電圧をデータ線ＤＷに与える。すると、データ線ＤＷ、カラム選択ゲートＣＳＧ、ビット線ＢＬ、メモリセルＭＣ、ワード線／ＷＬおよび読出しビット線ＲＢＬの経路で読出し電流が生じる。ここで、データ読出回路４は、読出しビット線ＲＢＬを流れる電流値を基にして、選択されたメモリセルＭＣの電気抵抗値を検出する。

この電気抵抗値が高抵抗状態であれば、トンネル接合素子１００は反平行状態であると判別される。すなわち、メモリセルＭＣには「０」値が記録されていることが判別される。逆に、この電気抵抗値が低抵抗状態であれば、トンネル接合素子１００は平行状態であると判別される。すなわち、メモリセルＭＣには「１」値が記録されていることが判別される。このようにして、ワード線ドライバ帯６により選択されたメモリアレイ列と、カラム選択ゲートＣＳＧにより選択されたメモリアレイ行とにより特定される１つのメモリセルＭＣに対してデータ読出しが実行される。

次に、本実施の形態の磁気抵抗素子として、トンネル接合素子１００の製造方法について説明する。図３を参照して、反強磁性層１０、強磁性層１１、非磁性層１２および強磁性層１３となる膜が連続的に積層成膜されることで、積層構造を有する固定膜が形成される。反強磁性層１０、強磁性層１１、１３となる膜が成膜される際には、磁気異方性が付与されるように、半導体基板４０（図２）の面内方向の磁化容易軸とすべき方向に１００Ｏｅ程度の磁界が印加される。これにより、固定された磁化方向を有する固定膜が形成される。

続いて、この固定膜上に、トンネル絶縁層ＢＡＬ（非磁性層１４）となる非磁性膜が形成される。このためには、まずアルミニウム（Ａｌ）膜が成膜される。次に、このＡｌ膜が、たとえば酸素プラズマに曝されることにより酸化され、ＡｌＯ_xからなる非磁性膜が形成される。

続いて、この非磁性膜上に、記録層ＲＬの第１強磁性領域１５および第２強磁性領域１６となる強磁性膜が連続的に成膜される。成膜方法としては、たとえば、コバルトと鉄とホウ素とを含むターゲットが用いられたスパッタ法が用いられる。この成膜の際、まずは、プロセスガスとしてたとえばアルゴン（Ａｒ）１００％のガスが用いられる。よって、雰囲気中の酸素分圧は実質的にゼロである。この雰囲気の下で、記録層ＲＬとなる強磁性膜のうち、第１強磁性領域１５に相当する部分が形成される。

次に、プロセスガスが、たとえばＡｒ１００％のガスから、Ａｒと酸素との混合ガスに切り替えられる。これにより実質的に酸素分圧が存在する状態で、第２強磁性領域１６となる部分が形成される。成膜法としては、たとえば、コバルトと鉄とホウ素とを含むターゲットが用いられたスパッタ法が用いられる。

なお、上記の強磁性膜の成膜の際には、前述した固定膜の形成と同様の方法により、磁気異方性が付与される。

続いて、この強磁性膜上に非磁性層１７となる膜が形成される。
上記一連の成膜工程は、大気から遮断された雰囲気で行なわれる。これにより、強磁性膜のうち記録層ＲＬの第２強磁性領域１６となる部分と、トンネル絶縁層ＢＡＬとなる非磁性膜とは酸素を含有し、それ以外の膜は実質的に酸素を含有しない。なお、非磁性層１７については酸素を含有してもよい。

成膜法としては、トンネル絶縁層ＢＡＬおよび第２強磁性領域１６となる膜については、たとえば、ＲＦ(Radio Frequency)マグネトロンスパッタリング法を用いることができる。これ以外の膜については、たとえばＤＣ(Direct Current)マグネトロンスパッタリング法により、Ａｒガス雰囲気中で行なうことができる。

上記工程により、固定された磁化方向を有する固定膜と、非磁性膜と、コバルトと鉄とホウ素とを含む強磁性膜とが順に積層された構成を有する積層膜が形成される。

続いて、この積層膜上に、フォトリソグラフィ法により、エッチングマスクが形成される。このマスク形状は、トンネル接合素子１００の平面パターン（図５）に対応するものであり、膜形成時の磁界印加方向と楕円形状の長軸方向とは同一方向とされる。次に、このマスクを用いた反応性イオンエッチングにより、上記積層膜のパターニングが行なわれる。これにより、トンネル接合素子１００となる積層体が形成される。

続いて記録層ＲＬおよび固定層ＰＬに対して熱処理が行なわれる。一例としては、記録層ＲＬおよび固定層ＰＬを構成する強磁性層１１、１３の磁化容易軸とすべき方向に、すべての強磁性層を飽和させることのできる磁界強度である１０ｋＯｅ程度の磁界が印加されつつ、約３００℃で１０時間程度保持される。この熱処理により、記録層ＲＬおよび固定層ＰＬに磁気異方性が付与される。以上により、トンネル接合素子１００が形成される。

本実施の形態によれば、図３に示すように、記録層ＲＬが酸素を含む第２強磁性領域１６を有している。これにより、図８に示すように、酸素を含まない場合（比較例１）と比較して、飽和磁化Ｍ_sが低くなっている。よって、式（３）により、反転磁界Ｈ_SWのトンネル接合素子１００の幅寸法Ｗおよび長さ寸法Ｌに対する依存性を小さくすることができる。

なお、本実施の形態において反転磁界Ｈ_SWの幅寸法Ｗに対する依存性が抑制されていることは、図９に示す実施の形態１のグラフと比較例１のグラフとの比較によっても明らかである。このように、トンネル接合素子１００の形状ばらつきに伴う反転磁界Ｈ_SWのばらつきを抑制することができる。

また、トンネル接合素子１００の反転磁界Ｈ_SWのばらつきが上記のように抑制可能であるため、不揮発性記憶装置１（図１）において、情報の書込みのためにビット線ＢＬおよび書込みワード線ＷＷＬに流される必要のある電流値のばらつきも抑制することができる。

また、図４に示すように、記録層ＲＬの酸素原子濃度が対向面ＩＦに向かって減少している。これにより、上記のように記録層ＲＬは酸素を含んでいるが、対向面ＩＦ近傍の位置においては酸素原子濃度を低くすることができる。これにより、酸素の存在によるＴＭＲ効果の低減を抑制することができる。

特に、対向面ＩＦの位置に酸素原子濃度がゼロの第１強磁性領域１５が設けられることにより、ＴＭＲ効果の低減をさらに抑制することができる。

また、トンネル接合素子１００は、幅寸法Ｗ（図５）が３００ｎｍ以下とされている。これにより、図９に示すように、酸素を含まない場合（比較例１）と比して、トンネル接合素子１００における反転磁界Ｈ_SWを小さくすることができる。

また、このように反転磁界Ｈ_SWが小さいトンネル接合素子１００が用いられた不揮発性記憶装置１においては、書込み電流を低減することができるため、不揮発性記憶装置１の消費電力を低減することができる。

また、上記の反転磁界Ｈ_SWの低減は、記録層ＲＬの厚みｔを低減せずに行なうことができる。このため、式（３）における体積Ｖを維持することができる。よって、熱擾乱により記録層ＲＬの磁化方向が反転してしまうことを防止することができる。この結果として、不揮発性記憶装置１において、データ保持特性が低下することを防止することができる。

また、記録層ＲＬとして、ＣｏＦｅＢ合金が用いられている。これにより、たとえばＮｉＦｅが用いられる場合と比して、高いＴＭＲ効果を得ることができる。

また、上記強磁性膜の形成途中において、酸素分圧が変化される。これにより、強磁性膜の厚み方向に、酸素原子濃度を変化させることができる。

（実施の形態２）
最初に、本発明の実施の形態２における磁気抵抗素子の構成について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態２における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の積層構成を概略的に示す断面図である。図１０を参照して、本実施の形態の構成は、実施の形態１のトンネル接合素子１００の構成（図３）と比較して、固定層ＰＬ、トンネル絶縁層ＢＡＬ、記録層ＲＬからなる積層体の積層の順番が反転している。なお、記録層ＲＬの第１強磁性領域１５がトンネル絶縁層ＢＡＬを介して固定層ＰＬの強磁性層１３との対向面ＩＦを有している点は、実施の形態１と共通である。

言い換えれば、実施の形態１のトンネル接合素子１００の構成は、いわゆるボトム型スピンバルブと呼ばれる構成であり、本実施の形態のトンネル接合素子１００Ｔの構成は、いわゆるトップ型スピンバルブと呼ばれる構成である。

なお、本実施の形態２の不揮発性記憶装置は、実施の形態１の不揮発性記憶装置（図２）と異なり、固定層ＰＬ側が非磁性層１７を介してビット線ＢＬと接続され、記録層ＲＬ側が、導電層４８と、コンタクトプラグ５０ａと、コンタクトプラグ５０ｂとを介して、アクセストランジスタＡＴＲのドレイン領域５４ｄに電気的に接続されている。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成とほぼ同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

次に、本実施の形態の磁気抵抗素子として、トンネル接合素子１００Ｔの製造方法について説明する。

図１０を参照して、まず、記録層ＲＬとなる強磁性膜が形成される。具体的には、最初に、第２強磁性領域１６となる膜が成膜される。成膜法は実施の形態１における第２強磁性領域１６となる部分の成膜方法と同様である。すなわち、プロセスガスとしては、たとえば、Ａｒと酸素との混合ガスを用いることができる。これにより実質的に酸素分圧が存在する状態で、第２強磁性領域１６となる膜が形成される。

続いて、プロセスガスが、たとえばＡｒ１００％ガスなどの酸素を含まないガスに切り替えられる。これにより、雰囲気中の酸素分圧は実質的にゼロとなる。この雰囲気において、第２強磁性領域１６となる膜の上に、第１強磁性領域１５となる膜が連続的に成膜される。成膜法は、実施の形態１における第１強磁性領域１５となる部分の成膜方法と同様である。

なお、上記の強磁性膜の形成時に磁気異方性が付与される点は、実施の形態１と同様である。

続いて、この強磁性膜の上に、トンネル絶縁層ＢＡＬ（非磁性層１４）となる非磁性膜が形成される。成膜法は実施の形態１と同様である。

続いて、この非磁性膜の上に、固定層ＰＬとなる固定膜が形成される。具体的には、強磁性層１３、非磁性層１２、強磁性層１１および反強磁性層１０となる膜が、この順に連続的に成膜される。

なお、固定膜の形成時に磁気異方性が付与される点は、実施の形態１と同様である。
続いて、この固定膜の上に非磁性層１７となる膜が形成される。

上記工程により、コバルトと鉄とホウ素とを含む強磁性膜と、非磁性膜と、固定された磁化方向を有する固定膜とが順に積層された構成を有する積層膜が形成される。

続いて、この積層膜から、実施の形態１と同様の方法により、トンネル接合素子１００Ｔが形成される。

本実施の形態によれば、トップ型スピンバルブの構成を有する磁気抵抗素子において、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
最初に、本発明の実施の形態３における磁気抵抗素子の構成について説明する。

図１１は、本発明の実施の形態３における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の積層構成を概略的に示す断面図である。図１１を参照して、本実施の形態の構成は、実施の形態１のトンネル接合素子１００の構成（図３）と異なり、記録層ＲＬが強磁性層１９から構成されている。強磁性層１９は、コバルトと、鉄と、ホウ素と、酸素とを含んでいる。強磁性層１９の厚み寸法は、たとえば３ｎｍである。

図１２は、本発明の実施の形態３における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の記録層の酸素濃度プロファイルのグラフである。図１１および１２を参照して、グラフの横軸は、記録層ＲＬの上面を原点とし、対向面ＩＦに向かう方向を正の方向とした場合の、記録層ＲＬの厚み位置を示している。グラフの縦軸は、上記厚み位置における酸素原子濃度を示している。図１２を参照して、強磁性層１９の酸素原子濃度は、対向面ＩＦに向かって徐々に減少している。

次に、本実施の形態の磁気抵抗素子として、トンネル接合素子１０１の製造方法について説明する。

図１１を参照して、まず、実施の形態１と同様の方法により、固定層ＰＬとなる固定膜と、その上に形成されたトンネル絶縁層ＢＡＬ（非磁性層１４）となる非磁性膜とが形成される。

次に、記録層ＲＬとなる強磁性膜が形成される。この形成は、酸素分圧が実質的にゼロの雰囲気で行なわれる。これにより、酸素を実質的に含まない強磁性膜が形成される。具体的には、たとえばＡｒ１００％のプロセスガスと、コバルト、鉄およびホウ素を含むターゲットとが用いられたスパッタ法を用いることができる。

続いて、この強磁性膜を酸化する工程が行なわれる。具体的には、強磁性膜を酸素を含むプラズマに曝す方法を用いることができる。なお、酸化方法はこれに限定されるものではなく、ラジカル酸化、オゾンによる酸化または熱酸化など、他の方法を用いることもできる。この酸化により、強磁性膜の中に酸素が導入される。

続いて、この酸化された強磁性膜の上に非磁性層１７となる膜が形成される。
上記工程により、固定された磁化方向を有する固定膜と、非磁性膜と、コバルトと鉄とホウ素と酸素とを含む強磁性膜とが順に積層された構成を有する積層膜が形成される。

続いて、この積層膜から、実施の形態１と同様の方法により、トンネル接合素子１０１が形成される。

本実施の形態によれば、強磁性膜の成膜が１段階で行なわれる。よって、実施の形態１または２のように第１強磁性領域１５と、第２強磁性領域１６とを形成するために、成膜条件の異なる２段階の成膜工程を経る必要がない。よって、磁気抵抗素子の製造工程を簡便にすることができる。

また、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、記録層ＲＬが酸素を含んでいる。よって、実施の形態１におけるトンネル接合素子１００と同様に、トンネル接合素子１０１の形状ばらつきに伴う反転磁界Ｈ_SWのばらつきを抑制することができる。

また、トンネル接合素子１０１の反転磁界Ｈ_SWのばらつきが上記のように抑制可能であるため、不揮発性記憶装置１（図１）において、情報の書込みのためにビット線ＢＬおよび書込みワード線ＷＷＬに流される必要のある電流値のばらつきを抑制することができる。

また、図１２に示すように、記録層ＲＬの酸素原子濃度が対向面ＩＦに向かって減少している。これにより、上記のように記録層ＲＬは酸素を含んでいるが、ＴＭＲ効果への影響の大きい対向面ＩＦ近傍の位置においては酸素原子濃度を低くすることができる。これにより、酸素の存在によるＴＭＲ効果の低減を抑制することができる。

また、強磁性膜を酸化する工程が行なわれる。これにより、強磁性膜の露出表面側から酸化が進行する。よって、強磁性膜の露出表面側から非磁性膜に向かって酸素濃度が減少するように酸化が進行する。これにより、記録層ＲＬの酸素原子濃度が対向面ＩＦに向かって減少するように酸素を導入することができる。

また、トンネル接合素子１０１は、幅寸法Ｗ（図５）が３００ｎｍ以下とされている。これにより、実施の形態１におけるトンネル接合素子１００と同様に、トンネル接合素子１０１における反転磁界Ｈ_SWを小さくすることができる。

また、このように反転磁界Ｈ_SWが小さいトンネル接合素子１０１が用いられた不揮発性記憶装置１においては、書込み電流を低減することができるため、不揮発性記憶装置の消費電力を低減することができる。

なお、上記の反転磁界Ｈ_SWの低減は、記録層ＲＬの厚みｔを低減することなしに行なうことができる。このため、実施の形態１と同様に、不揮発性記憶装置においてデータ保持特性が低下することを防止することができる。

また、記録層ＲＬとして、ＣｏＦｅＢ合金が用いられている。これにより、実施の形態１と同様に、たとえばＮｉＦｅが用いられる場合と比して、高いＴＭＲ効果を得ることができる。

（実施の形態４）
最初に、本発明の実施の形態４における磁気抵抗素子の構成について説明する。

図１３は、本発明の実施の形態４における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子を概略的に示す断面図である。図１３を参照して、本実施の形態のトンネル接合素子１０２の記録層ＲＬは、トンネル接合素子１０２の側壁に位置する側壁強磁性領域１８と、この側壁強磁性領域１８により側面が被覆された第１強磁性領域１５とを有している。第１強磁性領域１５は、コバルトと、鉄と、ホウ素とを含み、酸素を実質的に含んでいない。

側壁強磁性領域１８は、コバルトと、鉄と、ホウ素と、酸素とを含んでいる。側壁強磁性領域１８の側壁における表層部分の酸素原子濃度はたとえば２０％であり、表層部分から内部に向かうにつれて、その濃度は小さくなっている。そして、表層部分から、たとえば５ｎｍ以上離れた位置において、酸素濃度が実質的にゼロの領域（すなわち第１強磁性領域１５）となっている。このように、記録層ＲＬは、対向面ＩＦの面内方向（図１３における横方向）に不均一に酸素を含んでいる。

次に、本実施の形態の磁気抵抗素子として、トンネル接合素子１０２の製造方法について説明する。

図１３を参照して、まず、実施の形態１と同様の方法により、固定層ＰＬとなる固定膜と、その上に形成されたトンネル絶縁層ＢＡＬ（非磁性層１４）となる非磁性膜とが形成される。

次に、記録層ＲＬとなる強磁性膜が形成される。この形成は、酸素分圧が実質的にゼロの雰囲気で行なわれる。これにより、酸素を実質的に含まない強磁性膜が形成される。具体的には、たとえばＡｒ１００％のプロセスガスと、コバルト、鉄およびホウ素を含むターゲットとが用いられたスパッタ法により形成を行なうことができる。

続いて、この強磁性膜の上に非磁性層１７となる膜が形成される。
上記工程により、固定された磁化方向を有する固定膜と、非磁性膜と、コバルトと鉄とホウ素とを含み、実質的に酸素を含まない強磁性膜と、非磁性層１７となる膜とが順に積層された構成を有する積層膜が形成される。

続いて、この積層膜から、実施の形態１と同様のパターニング工程により、積層体が形成される。

続いて、この積層体の側壁を酸化する工程が行なわれる。具体的な酸化方法としては、たとえば、酸素を含むプラズマが用いられる方法がある。なお、酸化方法はこれに限定されるものではなく、ラジカル酸化、オゾンによる酸化または熱酸化など、他の方法を用いることもできる。

この酸化工程により、強磁性膜の積層体の側壁部分における露出部分が酸化され、側壁強磁性領域１８が形成される。この結果、記録層ＲＬは側壁部分が側壁強磁性領域１８であり、この側壁強磁性領域１８により側面が被覆された部分が第１強磁性領域１５となる。以上により、トンネル接合素子１０２が得られる。

本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１の構成とほぼ同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態によれば、強磁性膜の成膜が１段階で行なわれる。よって、実施の形態１または２のように第１強磁性領域１５と、第２強磁性領域１６とを形成するために、成膜条件の異なる２段階の成膜工程を経る必要がない。よって、磁気抵抗素子の製造工程を簡便化することができる。

また、記録層ＲＬは、酸素を含んでいる。この酸素の含有により、実施の形態１におけるトンネル接合素子１００と同様にトンネル接合素子１０２の形状ばらつきに伴う反転磁界Ｈ_SWのばらつきを抑制することができる。

また、トンネル接合素子１０２の反転磁界Ｈ_SWのばらつきが上記のように抑制可能であるため、トンネル接合素子１０２が用いられた不揮発性記憶装置において、情報の書込みのためにビット線ＢＬおよび書込みワード線ＷＷＬに流される必要のある電流値のばらつきを抑制することができる。

また、記録層ＲＬは、対向面ＩＦの面内方向（図１３における横方向）に不均一に酸素を含有している。すなわち、記録層ＲＬの側壁部分には、酸素を含む側壁強磁性領域１８が形成され、その内側には、酸素を含まない第１強磁性領域１５が形成されている。側壁部分は、意図的でない酸化が不均一に進行しやすい部位であるが、この部分を積極的に酸化することにより、トンネル接合素子１０２の特性を安定化することができる。また、第１強磁性領域１５の部分が酸素を含有しないことにより、この部分でのＴＭＲ効果を、酸素を含有しない場合と同程度に維持することができる。

また、トンネル接合素子１０２は、幅寸法Ｗ（図５）が３００ｎｍ以下とされている。これにより、実施の形態１におけるトンネル接合素子１００と同様に、トンネル接合素子１０２における反転磁界Ｈ_SWを小さくすることができる。

また、このように反転磁界Ｈ_SWが小さいトンネル接合素子１０２が用いられた不揮発性記憶装置においては書込み電流を低減することができるため、不揮発性記憶装置の消費電力を低減することができる。

また、上記の反転磁界Ｈ_SWの低減は、記録層ＲＬの厚みｔを低減することなしに行なうことができる。このため、実施の形態１と同様に、不揮発性記憶装置においてデータ保持特性が低下することを防止することができる。

なお、上記酸化工程により、固定層ＰＬの側壁部分にも酸化された領域（図示せず）が形成されるが、この形成がトンネル接合素子１０２に及ぼす影響は小さい。この理由は、固定層ＰＬにおける強磁性層１１の磁化と強磁性層１３の磁化とが打ち消しあう方向に結合しているためである。

また、本実施の形態の第１強磁性領域１５の代わりに、実施の形態３における強磁性層１９が用いられてもよい。これにより、記録層ＲＬがさらに多くの酸素を含み、上述した酸素による効果をより高めることができる。また、この強磁性層１９の酸素原子濃度は、図１２に示すように、対向面ＩＦに向かって減少している。これにより、強磁性層１９における対向面ＩＦ近傍の位置においては、この酸素原子濃度を低くすることができる。これにより、酸素の存在によるＴＭＲ効果の低減を抑制することができる。

（実施の形態５）
最初に、本発明の実施の形態５における磁気抵抗素子の構成について説明する。

図１４は、本発明の実施の形態５における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子を概略的に示す断面図である。

図１４を参照して、本実施の形態のトンネル接合素子１０３の構成は、上述した実施の形態４のトンネル接合素子１０２の構成（図１３）における第１強磁性領域１５の部分が、第１強磁性領域１５と第２強磁性領域１６とに置き換わっている。なお、第１強磁性領域１５が対向面ＩＦ側に配置されている点は実施の形態１と同様である。

また、トンネル接合素子１０３は、少なくともその側壁に、酸化防止膜２０を有している。この酸化防止膜２０は、酸素の透過を防止する機能を有している。具体的には、たとえば厚さ寸法５０ｎｍのＳｉＮ膜やＳｉＯ₂膜などを用いることができる。

次に、本実施の形態の磁気抵抗素子として、トンネル接合素子１０３の製造方法について説明する。

図１４を参照して、まず、実施の形態１と同様の方法により、固定層ＰＬと、トンネル絶縁層ＢＡＬ（非磁性層１４）と、記録層ＲＬと、非磁性層１７とからなる積層体が形成される。積層体のパターニングは反応性イオンエッチングにより行なわれる。

続いて、この反応性イオンエッチングの後に、積層体の側壁を還元する工程が行なわれる。具体的には、積層体の側壁を水素を含む雰囲気に晒すことにより行なうことができる。単に水素を含む雰囲気を用いるのではなく、水素を含むガスのプラズマを用いることもできる。これにより、反応性イオンエッチングの後に形成された側壁の自然酸化膜が還元されることにより消失する。

続いて、この積層体の側壁が、酸素ガスによるプラズマに晒される。これにより、積層体の側壁が酸化されて側壁強磁性領域１８が形成される。

続いて、積層体の少なくとも側壁部分が被覆されるように、酸化防止膜２０が形成される。具体的には、側壁における厚さ方向（図中横方向）の寸法５０ｎｍのＳｉＮ膜やＳｉＯ₂膜などが形成される。

以上の工程により、トンネル接合素子１０３が得られる。なお、上述した側壁の酸化工程の後、上記の酸化防止膜２０が形成されるまでは、積層体は大気に曝されず大気中よりも酸素分圧の低い雰囲気中に置かれる。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態４の構成とほぼ同様であるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

また、記録層ＲＬは、酸素を含んでいる。この酸素の含有により、実施の形態１におけるトンネル接合素子１００と同様にトンネル接合素子１０３の形状ばらつきに伴う反転磁界Ｈ_SWのばらつきを抑制することができる。

また、トンネル接合素子１０３の反転磁界Ｈ_SWのばらつきが上記のように抑制可能であるため、このトンネル接合素子１０３が用いられた不揮発性記憶装置において、情報の書込みのためにビット線ＢＬおよび書込みワード線ＷＷＬに流される必要のある電流値のばらつきを抑制することができる。

また、記録層ＲＬは、対向面ＩＦの面内方向（図１４における横方向）に不均一に酸素を含有している。すなわち、記録層ＲＬの側壁部分には、酸素を含む側壁強磁性領域１８が形成され、その内側には、酸素を含まない第１強磁性領域１５と酸素を含む第２強磁性領域１６とが形成されている。側壁部分は、意図的でない酸化が不均一に進行しやすい部位であるが、この部分を積極的に酸化することにより、トンネル接合素子１０２の特性を安定化することができる。また、第１強磁性領域１５の部分が酸素を含有しないことにより、この部分でのＴＭＲ効果を、酸素を含有しない場合と同程度に維持することができる。

また、トンネル接合素子１０３は、幅寸法Ｗ（図５）が３００ｎｍ以下とされている。これにより、実施の形態１におけるトンネル接合素子１００と同様に、トンネル接合素子１０３における反転磁界Ｈ_SWを小さくすることができる。

また、このように反転磁界Ｈ_SWが小さいトンネル接合素子１０３が用いられた不揮発性記憶装置においては、書込み電流を低減することができるため、不揮発性記憶装置の消費電力を低減することができる。

また、積層体の側壁を酸化する工程の前に、いったん還元する工程を有している。これにより、側壁を酸化する工程の前に形成された側壁の自然酸化膜を除去することができる。よって、自然酸化膜の形成の進行程度の影響を受けずに、積層体の側壁の酸化をする工程を行なうことができる。よって、この酸化工程の制御性を高めることができる。

また、積層体の少なくとも側壁には酸化防止膜２０が形成されている。これにより、トンネル接合素子１０３が大気雰囲気に暴露されるなどした場合に、積層体の側壁において酸化が進行し、記録層ＲＬの酸素原子濃度が変動してしまうことを抑制することができる。

また、積層体の側壁の酸化工程の後、酸化防止膜が形成される前までは、積層体は大気中よりも酸素分圧の低い雰囲気中に置かれる。これにより、積層体の側壁の酸化工程の後に、積層体の側壁が、たとえば大気雰囲気への暴露などによりさらに酸化することを防ぐことができる。よって、積層体の側壁の酸化工程を制御することにより、最終的な積層体の酸化の程度を制御することができる。

なお、上記各実施の形態においては、磁気抵抗素子が不揮発性記憶装置に用いられる場合について説明したが、磁気抵抗素子は他の装置にも用いることができる。たとえば、ハードディスク装置における磁気ヘッドの再生素子として用いることができる。

今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明は、磁気抵抗素子およびそれを用いた不揮発性記憶装置に特に有利に適用され得る。

本発明の実施の形態１における不揮発性記憶装置として、ＭＲＡＭデバイスの模式的回路構成を示す図である。本発明の実施の形態１における不揮発性記憶装置のメモリセルおよびその周辺の構成を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子の記録層の酸素濃度プロファイルのグラフである。本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の平面パターンを示す図である。本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子のアステロイド曲線を示す図である。本発明の実施の形態１における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の磁化方向の状態を示す説明図であり、反平行状態（ａ）と、平行状態（ｂ）とのそれぞれの状態を示す図である。本発明の実施の形態１の記録層に用いられる磁性膜と、その比較例１とのそれぞれの磁化特性を実線および破線の各々により概略的に示すグラフである。本発明の実施の形態１、比較例１および比較例２における磁気抵抗素子としてのトンネル接合素子の記録層の反転磁界と、記録層の幅寸法との関係を概略的に示すグラフである。本発明の実施の形態２における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態３における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態３における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子の記録層の酸素濃度プロファイルのグラフである。本発明の実施の形態４における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子を概略的に示す断面図である。本発明の実施の形態５における磁気抵抗素子として、トンネル接合素子を概略的に示す断面図である。

符号の説明

ＢＡＬトンネル絶縁層、ＩＦ対向面、ＰＬ固定層、ＲＬ記録層、１０反強磁性層、１１強磁性層、１２非磁性層、１３強磁性層、１４非磁性層、１５，１６強磁性層、１７非磁性層、１００，１００Ｔ，１０１，１０２，１０３トンネル接合素子。

Claims

固定された磁化方向を有する固定層と、
前記固定層上に形成された非磁性層と、
前記非磁性層を介した前記固定層との対向面を有し、外部磁界により反転する磁化方向を有し、コバルトと鉄とホウ素と酸素とを含む記録層とを備えた、磁気抵抗素子。
前記記録層の酸素濃度が前記対向面に向かって減少することを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
前記記録層は、前記対向面側に配されたコバルトと鉄とホウ素とを含み酸素を含まない第１記録領域と、前記第１記録領域上に配されたコバルトと鉄とホウ素と酸素とを含む第２記録領域とを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気抵抗素子。
前記記録層は前記対向面の面内方向に不均一に酸素を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
前記記録層の少なくとも側壁が酸化防止膜により被われていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
前記反転する磁化方向と直交する方向の寸法が３００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
請求項１〜６に記載の磁気抵抗素子を複数備えた不揮発性記憶装置であって、
電流磁界を発生させるための第１配線と、
前記第１配線と交差部を有するように設けられた、電流磁界を発生させるための第２配線と、
前記交差部に設けられた前記磁気抵抗素子とを備えた、不揮発性記憶装置。
固定された磁化方向を有する固定膜と、非磁性膜と、コバルトと鉄とホウ素とを含む強磁性膜とが順に積層された構成を有する積層膜を形成する工程と、
前記積層膜をパターニングすることにより積層体を形成する積層体形成工程とを備えた磁気抵抗素子の製造方法であって、
前記強磁性膜の形成途中において酸素分圧が変化される、磁気抵抗素子の製造方法。
固定された磁化方向を有する固定膜を形成する工程と、
前記固定膜上に非磁性膜を形成する工程と、
前記非磁性膜上にコバルトと鉄とホウ素とを含む強磁性膜を形成する工程と、
前記強磁性膜を酸化する工程と、
前記磁性膜と、前記非磁性膜と、前記強磁性膜とを含む積層膜をパターニングすることにより積層体を形成する工程とを備えた、磁気抵抗素子の製造方法。
前記積層体の側壁を酸化する工程をさらに備えた、請求項８または９に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
前記酸化する工程の前に、前記積層体の側壁を還元する工程をさらに備えた、請求項１０に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
前記積層体の少なくとも側壁に酸化防止膜を形成する工程をさらに備えた、請求項１０または１１に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
前記積層体の側壁を酸化する工程の後から前記酸化防止膜を形成する工程の前までに、前記積層体の側壁が大気中よりも酸素分圧の低い雰囲気中に置かれることを特徴とする、請求項１２に記載の磁気抵抗素子の製造方法。