JP2008218736A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁化反転磁界のばらつきを低減できるように固着層からの漏れ磁界の影響を受けにくく安定に動作する磁気記憶装置を実現する。
【解決手段】磁気記憶装置における磁気記憶素子ＭＭは、磁化方向が固定された固着層１と、少なくとも磁化容易軸を有し外部磁界によって磁化方向が変化する記録層３とを含んでいる。記録層３の膜厚方向における磁化の重心Ｇａの位置が記録層３の膜厚の１／２よりも固着層１側に位置している。
【選択図】図４

Description

本発明は磁気記憶装置に関し、特に、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置に関するものである。

磁気抵抗（ＭＲ：magnetoresistive）効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。近年、非常に大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：giant magnetoresistance）効果材料として、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕなどの人工格子膜などが非特許文献１、２で紹介されている。

また、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い非磁性金属層を持つ強磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層からなる積層構造を用いた磁気抵抗効果素子が提案されている。この素子では、強磁性層と反強磁性層とが交換結合されて、その強磁性層の磁気モーメントが固定され、他方の強磁性層のスピンのみが外部磁場で容易に反転できるようにされている。これが、いわゆるスピンバルブ膜として知られている素子である。この素子では、２つの強磁性層間の交換結合が弱いために小さな磁場でスピンが反転できる。このため、スピンバルブ膜は上記交換結合膜に比べて高感度の磁気抵抗素子を提供することができる。反強磁性体としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどが用いられている。このスピンバルブ膜は、用いる際に膜面内方向に電流を流すが、上記のような特徴のために、高密度磁気記録用再生ヘッドに用いられている。

一方、膜面に対して垂直方向に電流を流す垂直磁気抵抗効果を利用すると、更に大きな磁気抵抗効果が得られることが、非特許文献３に示されている。

さらには、強磁性トンネル接合によるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunneling magneto-resistive）効果も、非特許文献４に示されている。このトンネル磁気抵抗は、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる３層膜において、外部磁界によって２つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行にすることにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが異なることを利用したものである。

近年、ＧＭＲおよびＴＭＲ素子を、不揮発性磁気記憶半導体装置（ＭＲＡＭ：magnetic random access memory）に利用する研究が、たとえば非特許文献５〜７に示されている。

この場合、保磁力の異なる２つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ擬スピンバルブ素子や強磁性トンネル効果素子が検討されている。ＭＲＡＭへ利用する場合にはこれらの素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加し、各素子を構成する２つの磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、"１"、"０"が記録される。読み出しはＧＭＲやＴＭＲ効果を利用して行なわれる。

ＭＲＡＭにおいては、ＧＭＲ効果に対しＴＭＲ効果を利用した方が低消費電力であるから、主としてＴＭＲ素子を用いることが検討されている。ＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、室温でＭＲ変化率が２０％以上と大きく、かつトンネル接合における抵抗が大きいので、より大きな出力電圧が得られる。またＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭでは、読み出し時にスピン反転をする必要がなく、それだけ小さい電流で読み出しが可能である。このため、ＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭは、高速書き込み・読み出し可能な低消費電力型の不揮発性半導体記憶装置として期待されている。

ＭＲＡＭの書き込み動作においては、ＴＭＲ素子における強磁性層の磁気特性を制御することが望まれる。具体的には、非磁性層を挟む２つの強磁性層の相対的な磁化方向を、平行・反平行に制御する技術、および所望のセルにおける一方の磁性層を確実かつ効率的に磁化反転する技術が望まれる。非磁性層を挟む２つの強磁性層の相対的な磁化方向を、交差する２つの配線を用いて膜面内において均一に平行・反平行に制御する技術は、たとえば特許文献１、３、４に示されている。

またＭＲＡＭでは、高集積化のためにセルの微細化を実施した場合、磁性層の膜面方向の大きさに依存して反磁界により反転磁界が増大する。これにより書き込み時に大きな磁界が必要となり、消費電力も増大する。このため、特許文献２、５、６に示されるように強磁性層の形状を最適化し、磁化反転を容易にする技術が提案されている。
D. H. Mosca et al., "Oscillatory interlayer coupling and giant magnetoresistance in Co/Cu multilayers", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 94 (1991) pp.L1-L5 S. S. P. Parkin et al., "Oscillatory Magnetic Exchange Coupling through Thin Copper Layers", Physical Review Letters, vol.66, No.16, 22 April 1991, pp.2152-2155 W. P. Pratt et al., "Perpendicular Giant Magnetoresistances of Ag/Co Multilayers", Physical Review Letters, vol.66, No.23, 10 June 1991, pp.3060-3063 T. Miyazaki et al., "Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 139 (1995), pp.L231-L234 S. Tehrani et al., "High density submicron magnetoresistive random access memory (invited)", Journal of Applied Physics, vol.85, No.8, 15 April 1999, pp.5822-5827 S. S. P. Parkin et al., "Exchange-biased magnetic tunnel junctions and application to nonvolatile magnetic random access memory (invited)", Journal of Applied Physics, vol.85, No.8, 15 April 1999, pp.5828-5833 ISSCC 2001 Dig of Tech. Papers, p.122 特開平１１−２７３３３７号公報 特開２００２−２８０６３７号公報 特開２０００−３５３７９１号公報 米国特許第６，００５，８００号明細書 特開２００４−２９６８５８号公報 米国特許第６，５７０，７８３号明細書

しかしながら、従来のＭＲＡＭでは次のような問題点があった。
特許文献３によれば、ＭＲＡＭのメモリセルには、交差する２つの配線層と、磁気記憶素子と、トランジスタ素子と、磁気記憶素子およびトランジスタ素子を電気的に接続する接続部材とが必要とされる。磁気記憶素子は、強磁性体である記録層と固着層、および記録層と固着層に挟まれる非磁性層を有している。

情報の読み取りでは、磁気記憶装置の抵抗に基づいて、所定の配線を経て磁気記憶素子を流れる電流が検知される。一方、情報の書き換えでは、交差する２つの配線層の双方に電流を流して生じる合成磁界が印加される特定の磁気記憶素子の記録層の磁化方向を選択的に反転するが、この時、磁気記憶素子における記録層の形状を磁化困難軸に対して対称、磁化容易軸に関して非対称とすることで、書き換えできる磁界範囲を拡大できることが特許文献５，６に開示されている。

ここで、磁気記憶素子がマトリクス状に多数並べられた場合を考えると、各々の磁気記憶素子の磁化反転磁界のばらつきのため、全ての素子を書き換えることができる磁界範囲は大幅に狭められてしまうという問題があった。

また、磁化反転磁界がばらつく要因として固着層磁化による漏れ磁界の影響が考えられるが、全ての素子で漏れ磁界を一様にすることが事実上困難であり、固着層漏れ磁界の影響を受けやすい一部の磁気記憶素子で誤動作が生じるという問題があった。

それゆえ、本発明の目的は、磁化反転磁界のばらつきを低減できるように固着層からの漏れ磁界の影響を受けにくく安定に動作する磁気記憶装置を実現することである。

本実施の形態における磁気記憶装置は、第１配線と、第２配線と、磁気記憶素子とを備えている。第１配線は、第１の方向に延在するように形成されている。第２配線は、第１配線と上下方向に間隔を隔てられ、かつ第１の方向と交差する第２の方向に延在するように形成されている。磁気記憶素子は、第１配線と第２配線とが交差する領域において第１配線と第２配線との間に挟み込まれるように形成されている。磁気記憶素子は、磁化方向が固定された固着層と、少なくとも磁化容易軸を有し外部磁界によって磁化方向が変化する記録層とを含んでいる。記録層の膜厚方向における磁化の重心位置が記録層の膜厚の１／２よりも固着層側に位置している。

本実施の形態における磁気記憶装置によれば、記録層の膜厚方向における磁化の重心位置が記録層の膜厚の１／２よりも固着層側に位置している。これにより、固着層磁化に起因する漏れ磁界が記録層に影響する場合においても、記録層磁化の向きが安定化され、磁化反転磁界のばらつきが低減して素子選択の信頼性が高くなり、安定した動作が可能となる。

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。
（メモリセルの回路と構造）
まず、本発明の実施の形態における磁気記憶装置に関し、磁気記憶装置のメモリセルの回路について説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置のメモリセルの回路図である。図１を参照して、磁気記憶装置では、１つのメモリセルＭＣ（点線枠内）は、素子選択用トランジスタＴＲと磁気記憶素子（強磁性トンネル接合素子）ＭＭとから構成されている。メモリセルＭＣはマトリクス状に複数形成されている。

その磁気記憶素子ＭＭに対して、情報の書き換えと読み取りを行うためのライト線ＷＴとビット線ＢＬとが交差する。ビット線ＢＬは、一方向（たとえば行）に並んで配置された磁気記憶素子ＭＭのそれぞれの一端の側に電気的に接続されている。

一方、ライト線ＷＴは、他方向（たとえば列）に並んで配置された磁気記憶素子ＭＭのそれぞれの他端の側に電気的に接続されている。また、その磁気記憶素子ＭＭの他端の側は、素子選択用トランジスタＴＲのドレイン側と電気的に接続されている。一方向に並んで配置された複数の素子選択用トランジスタＴＲのそれぞれのソース側が、ソース線ＳＬによって電気的に接続されている。また、他方向に並んで配置された複数の素子選択用トランジスタＴＲのそれぞれのゲートが、ワード線ＷＤによって互いに電気的に接続されている。

次に、本実施の形態における磁気記憶装置の構造について説明する。
図２は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の構成を示す概略断面図である。図２を参照して、半導体基板１１におけるメモリセル領域ＭＲでは、素子分離絶縁膜１２によって区切られた素子形成領域の表面（半導体基板１１の表面）に素子選択用トランジスタＴＲが形成されている。素子選択用トランジスタＴＲは、ドレイン領域Ｄと、ソース領域Ｓと、ゲート電極本体Ｇとを主に有している。ドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓは、互いに所定の距離を開けて半導体基板１１の表面に形成されている。ドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓは、互いに所定導電型の不純物領域から形成されている。ゲート電極本体Ｇは、ドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓに挟まれる領域上にゲート絶縁膜ＧＩを介在して形成されている。ゲート電極本体Ｇの側壁は、サイドウォール状の側壁絶縁膜ＳＩによって覆われている。

素子選択用トランジスタＴＲを覆うように層間絶縁膜１３が形成されている。この層間絶縁膜１３にはその上面からドレイン領域Ｄに達する孔が設けられている。この孔内には、接続部材１４が形成されている。層間絶縁膜１３上には、層間絶縁膜１５が形成されている。この層間絶縁膜１５にはその上面から接続部材１４に達する孔と層間絶縁膜１３に達する孔とが形成されている。これらの孔の各々にはライト線ＷＴと接続部材１６とが形成されている。その接続部材１６は、接続部材１４によってドレイン領域Ｄと電気的に接続されている。

ライト線ＷＴと接続部材１６とを覆うように、層間絶縁膜１３上に層間絶縁膜１７が形成されている。この層間絶縁膜１７にはその上面から接続部材１６に達する孔が設けられている。この孔内には接続部材１８が形成されている。層間絶縁膜１７上には、導電層１９と、磁気記憶素子ＭＭとが形成されている。その導電層１９は、接続部材１８、１６、１４によってドレイン領域Ｄと電気的に接続されている。

磁気記憶素子ＭＭは磁気抵抗効果素子であり、下から順に積層された、固着層１と、非磁性層であるトンネル絶縁層２と、記録層３とを有している。固着層１は、導電層１９に接するように形成されている。

磁気記憶素子ＭＭを覆うように保護膜２０が形成されており、その保護膜２０上に層間絶縁膜２１が形成されている。この保護膜２０および層間絶縁膜２１には、これらの膜２０、２１を貫通して記録層３に達する孔が設けられている。この孔内には、接続部材２３が形成されている。層間絶縁膜２１上には、ビット線ＢＬが形成されている。このビット線ＢＬは、接続部材２３によって磁気記憶素子ＭＭに電気的に接続されている。

ビット線ＢＬを覆うように層間絶縁膜２６が形成されている。その層間絶縁膜２１上には、所定の配線層２９および絶縁層２８が形成されている。

一方、半導体基板１１における周辺（論理）回路領域ＲＲでは、論理回路を構成するトランジスタＴＲＡが形成されている。このトランジスタＴＲＡは、半導体基板１１の表面に互いに所定の距離を置いて形成された１対のソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄと、その１対のソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄに挟まれる領域上にゲート絶縁膜ＧＩを介して形成されたゲート電極Ｇとを有している。ゲート電極Ｇの側壁は、サイドウォール状の側壁絶縁膜ＳＩによって覆われている。

このトランジスタＴＲＡの上には、所定の配線層１６、２５、２９と、その各配線層１６、２５、２９を電気的に接続するための接続部材１４、２３、２７と、層間絶縁膜１３、１５、１７、２１、２４、２６、２８とが形成されている。

次に、メモリセルの構造についてさらに詳しく説明する。
図３は、磁気記憶素子ＭＭの付近の構成を概略的に示す斜視図である。図３を参照して、情報としての磁化が行われる磁気記憶素子ＭＭは、ライト線ＷＴとビット線ＢＬとが交差する領域において、ライト線ＷＴとビット線ＢＬとに上下方向から挟み込まれるように配置されている。磁気記憶素子ＭＭは、たとえば固着層１、トンネル絶縁層２および記録層３の積層構造とされる。固着層１では、磁化の方向が固定されている。また、記録層３では、所定の配線（たとえばビット線ＢＬ）に流れる電流によって生じる磁界やスピン偏極した電子の注入によって磁化方向が変化する。

その磁気記憶素子ＭＭの固着層１が、図２に示すように導電層１９および接続部材１８、１６、１４を介して素子選択用トランジスタＴＲのドレイン領域Ｄに電気的に接続されている。一方、磁気記憶素子ＭＭの記録層３側は、接続部材２３を介してビット線ＢＬに電気的に接続されている。

図４は、本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の構成を概略的に示す断面図である。図４を参照して、本実施の形態では、記録層３は、その平面視上の面積が固着層１側に向かって面積が大きくなるように構成されている。つまり、記録層３の膜厚方向の断面形状は、固着層１側に向かって記録層３の膜厚方向に垂直な方向の面積が大きくなるような形状を有している。このため、記録層３の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Ｇａの位置は、記録層３の膜厚方向において固着層１に近い側、具体的には、記録層３の膜厚の１／２の位置（図中一点鎖線Ａ−Ａで示す位置）よりも固着層１側に存在している。

記録層３の膜厚方向の断面形状は、たとえば台形で近似することができ、その台形の断面形状における底面と側面のなす角度θが９０度より小さければ良いが、より好ましくは８０度以下が良い。また、その底面と側面のなす角度θが小さい場合、磁気記憶素子ＭＭ部の平面視上の面積の増大、ひいてはチップサイズの増大に繋がるため、底面と側面のなす角度θに関し、さらに好ましくは４５度以上８０度以下が良い。

外部から与えられる磁界によって磁化の向きが変化する記録層３については、一般に、結晶構造や形状などによって磁化しやすい方向がある。この方向はエネルギが低い状態であり、磁化しやすい方向は磁化容易軸（Ｅａ：Easy-axis）と呼ばれる。これに対して、磁化されにくい方向は、磁化困難軸（Ｈａ：Hard-axis）と呼ばれる。

図５は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置において磁化容易軸および磁化困難軸を説明するための磁気記憶素子の概略平面図である。図５を参照して、本実施の形態においては、矢印９１に示す方向と平行な方向が、磁化容易軸６３の方向である。また、磁化容易軸６３に垂直な方向が磁化困難軸６４の方向である。

本実施の形態における磁気記憶素子ＭＭの平面視上の形状に関する一つの態様として、図５に示すような長方形の角となる部分のうち一部を曲線に置き換えた形状がある。

図５においては、記録層３は平面形状において、磁化容易軸６３方向に直線状の直線部７０２、７０３を有し、磁化困難軸６４方向（磁化容易軸６３に垂直な軸方向）に直線状の直線部７０４ａ、７０４ｂを有している。これらの直線部７０３と直線部７０４ｂとは交点が垂直になるように形成され、また、直線部７０３と直線部７０４ａとは交点が垂直になるように形成されている。これに対して、直線部７０４ａと直線部７０２とは曲線部７０１ａを介して接続され、直線部７０４ｂと直線部７０２とは曲線部７０１ｂを介して接続されている。直線部７０２と直線部７０３とは互いに平行であり、また、直線部７０４ａと直線部７０４ｂとは互いに平行である。本実施の形態においては、曲線部７０１ａおよび曲線部７０１ｂは、それぞれ円弧になるように形成されている。すなわち、記録層３の平面形状が、磁化容易軸６３に対して非対称かつ磁化困難軸６４（磁化容易軸６３に垂直な軸）に対して線対称になるように形成されている。

また、磁化容易軸６３の方向の長さと磁化困難軸６４の方向の長さとを比べたとき、磁化容易軸６３の方向の長さが長くなるように形成されている。すなわち、記録層３の平面形状において、磁化容易軸６３の方向に長手方向を有するように形成されている。一例として図５の平面形状は、アスペクト比が１．２の長方形の角の一部を曲線部に置き換えた形状である。

本実施の形態においては、固着層１およびトンネル絶縁層２も、図５に示した平面形状を有しているが、特にこの形態に限られず、たとえば、記録層３のみが曲線部を有するように形成され、固着層１およびトンネル絶縁層２は、平面形状が長方形になるように形成され、さらに、平面視したときに記録層３よりも大きくなるように形成されていても構わない。すなわち、トンネル絶縁層２および固着層１は、平面形状が記録層３と同じ形状であってもよいし、記録層３の平面形状を含んで、記録層３よりも大きい面積を有する任意の平面形状であってもよい。

図６は、本発明の一実施の形態における磁気記憶素子ＭＭの位置の説明図であり、磁気記憶素子を平面的に透視したときの図である。図６を参照して、磁気記憶素子ＭＭは、磁化容易軸Ｅａの方向が、ライト線ＷＴの延在方向とほぼ平行になるように配置されている。すなわち、磁気記憶素子ＭＭは、長手方向が、ライト線ＷＴの延在方向とほぼ平行になるように配置されている。また、磁気記憶素子ＭＭの磁化困難軸Ｈａの方向と、ビット線ＢＬの延在方向とがほぼ平行になるように配置されている。本実施の形態においては、ライト線ＷＴとビット線ＢＬとのそれぞれの延在方向が互いにほぼ垂直になるように形成されている。

（メモリセルの動作）
次に、メモリセルの動作について説明する。

図２を参照して、読み出し動作は、特定のメモリセルの磁気記憶素子ＭＭに所定の電流を流し、磁化の向きによる抵抗値の違いを検知することによって行われる。まず、特定のメモリセルの選択用トランジスタＴＲがＯＮ状態とされて、所定のセンス信号がビット線ＢＬから特定の磁気記憶素子ＭＭを経て、接続部材１８、１６、１４および選択用トランジスタＴＲを介してソース線ＳＬに伝わる。

このとき、磁気記憶素子ＭＭにおける記録層３と固着層１の磁化の向きが同じ向き（平行）の場合では抵抗値が相対的に低く、記録層３と固着層１の磁化の向きが互いに反対向き（反平行）の場合では抵抗値が相対的に高くなる。トンネル磁気抵抗効果素子は、記録層３と固着層１との各磁化方向が平行の場合には抵抗値が小さくなり、かつ記録層３と固着層１との各磁化方向が反平行の場合には抵抗値が大きくなる特性を有している。

これにより、磁気記憶素子ＭＭの磁化の向きが平行の場合では、ソース線ＳＬに流れるセンス信号の強度は所定の参照メモリセルの信号強度より大きくなる。一方、磁気記憶素子ＭＭの磁化の向きが反平行の場合では、センス信号の強度は所定の参照メモリセルの信号強度より小さくなる。こうして、センス信号の強度が所定の参照メモリセルの信号強度よりも大きいか小さいかによって、特定のメモリセルに書き込まれた情報が「０」であるか「１」であるかが判定されることになる。

書き込み（書き換え）動作については、ビット線ＢＬとライト線ＷＴに所定の電流を流し、磁気記憶素子ＭＭを磁化（磁化反転）することによって行われる。まず、選択されたビット線ＢＬとライト線ＷＴのそれぞれに所定の電流を流すことによってビット線ＢＬとライト線ＷＴのまわりにはそれぞれ電流の流れの方向に対応した磁界（図６の矢印５３ａ、５４ａ）が生じる。選択されたビット線ＢＬとライト線ＷＴとが交差する領域に位置する磁気記憶素子ＭＭには、ビット線ＢＬを流れる電流によって生じた磁界とライト線ＷＴを流れる電流によって生じた磁界との合成磁界（図６の矢印５５ａ）が作用することになる。

このとき、その合成磁界によって、磁気記憶素子ＭＭの記録層３が固着層１の磁化の方向と同じ向きに磁化される態様と、記録層３が固着層１の磁化の方向とは反対の向きに磁化される態様とがある。こうして、記録層３と固着層１の磁化の向きが、同じ向き（平行）の場合と互いに反対向き（反平行）の場合とが実現されて、この磁化の向きが「０」または「１」に対応する情報として記録されることになる。

（磁気記憶装置の製造方法）
次に、上述した磁気記憶素子および磁気記憶装置の製造方法の一例について説明する。

図７〜図１１は、本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。まず、図７を参照して、半導体基板１１の主表面における所定の領域に素子分離絶縁膜１２を形成することによって、メモリセル領域ＭＲおよび周辺回路領域ＲＲが形成される。そのメモリセル領域ＭＲおよび周辺回路領域ＲＲに位置する半導体基板１１の表面にゲート絶縁膜ＧＩを介してゲート電極本体Ｇが形成される。そのゲート電極本体Ｇなどをマスクとして半導体基板１１の表面に所定導電型の不純物を導入することにより、不純物領域からなるドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓと、１対のソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄが形成される。こうして、メモリセル領域ＭＲでは、ゲート電極Ｇ、ドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓを含む素子選択用トランジスタＴＲが形成され、周辺回路領域ＲＲでは、論理回路を構成するトランジスタＴＲＡが形成される。

その素子選択用トランジスタＴＲおよびトランジスタＴＲＡを覆うように、たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により層間絶縁膜１３が形成される。その層間絶縁膜１３に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことによって、半導体基板１１の表面を露出するコンタクトホール１３ａ、１３ｂが形成される。そのコンタクトホール１３ａ、１３ｂを充填するように層間絶縁膜１３上にたとえばタングステン層（図示せず）が形成される。そのタングステン層に対してＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理を施すことによって、層間絶縁膜１３の上面上に位置するタングステン層の部分が除去される。

図８を参照して、上記のタングステン層の除去により、コンタクトホール１３ａ、１３ｂ内の各々にタングステン層が残存されて接続部材１４が形成される。

図９を参照して、たとえばＣＶＤ法により層間絶縁膜１３上にさらに層間絶縁膜１５が形成される。その層間絶縁膜１５に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域ＭＲでは、ライト線および所定の配線層を形成するための開口部１５ａ、１５ｂが形成される。また、周辺回路領域ＲＲでは、所定の配線層を形成するための開口部１５ｃが層間絶縁膜１５に形成される。その開口部１５ａ、１５ｂ、１５ｃを充填するように、層間絶縁膜１５上にたとえば銅層（図示せず）が形成される。その銅層にＣＭＰ処理を施すことによって、層間絶縁膜１５の上面上に位置する銅層が除去されて、開口部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ内に銅層が残存される。これにより、メモリセル領域ＭＲでは開口部１５ａ内にライト線ＷＴ、開口部１５ｂ内に配線層１６が形成される。また周辺回路領域ＲＲでは開口部１５ｃ内に配線層１６が形成される。

なお、開口部１５ａ、１５ｂ、１５ｃを充填する銅層の形成においては、銅層と層間絶縁膜との反応を防止するための反応防止層が積層される場合がある。さらに、ライト線ＷＴの形成時には、配線電流磁界を所定の磁気記憶素子へ集中させるため、銅層は高透磁率膜と積層される場合がある。

図１０（ａ）、（ｂ）を参照して、層間絶縁膜１５上にたとえばＣＶＤ法によりさらに層間絶縁膜１７が形成される。その層間絶縁膜１７に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、配線層１６の表面を露出するコンタクトホール１７ａが形成される。そのコンタクトホール１７ａ内を充填するように層間絶縁膜１７上にたとえば銅層（図示せず）が形成される。その銅層にたとえばＣＭＰ処理等を施すことによって層間絶縁膜１７の上面上に位置する銅層が除去され、コンタクトホール１７ａ内に銅層が残存されて接続部材１８が形成される。

次に、メモリセル領域ＭＲにおける層間絶縁膜１７の上に、導電層１９と磁気記憶素子ＭＭとが形成される。その磁気記憶素子ＭＭは、固着層１と、トンネル絶縁層２と、記録層３との積層膜から構成される。まず、固着層１となる膜として、たとえば膜厚約２０ｎｍの白金マンガン膜（反強磁性層）と膜厚約３ｎｍのコバルト合金膜（強磁性層）が順次形成される。次に、トンネル絶縁層２となる膜として、たとえば膜厚約１ｎｍのアルミニウム酸化膜が形成される。そして、記録層３としては、たとえば膜厚約３ｎｍのニッケル合金膜が形成される（いずれも図示せず）。なお、白金マンガン膜、コバルト合金膜、アルミニウム酸化膜、ニッケル合金膜は、たとえばスパッタ法によって形成される。

その後、そのニッケル合金膜、アルミニウム酸化膜、コバルト合金膜および白金マンガン膜に所定の写真製版およびエッチングを施すことによって、固着層１、トンネル絶縁層２および記録層３を備えた所定形状の磁気記憶素子ＭＭが形成されることになる。一般に、エッチング後のレジストパターン除去においてドライプロセス（アッシング）を用いる場合には酸素を主成分とするガスが使用される。好ましくは、固着層１、記録層３の構成材料に対して酸化性でないガス、たとえば水素、窒素、アンモニア、およびそれらの混合ガスを用い、固着層１、記録層３の酸化が抑制される。

なお、固着層１は、反強磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造とする場合がある。また、記録層３は、磁気特性の異なる強磁性膜の積層や強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造としても問題ない。

図１１を参照して、磁気記憶素子ＭＭがその後のプロセスによってダメージを受けないように、磁気記憶素子ＭＭを覆うように保護膜２０が形成される。その保護膜２０を覆うように層間絶縁膜１７上にたとえばＣＶＤ法によりさらに層間絶縁膜２１が形成される。メモリセル領域ＭＲでは、その層間絶縁膜２１および保護膜２０に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、記録層３の表面を露出するコンタクトホール２１ａが形成される。また周辺回路領域ＲＲでは、その層間絶縁膜２１および層間絶縁膜１７に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、配線層１６の表面に達するコンタクトホール２１ｂが形成される。これらのコンタクトホール２１ａ、２１ｂ内を充填するように層間絶縁膜２１上にたとえば銅層（図示せず）が形成される。その銅層にたとえばＣＭＰ処理等を施すことによって層間絶縁膜２１の上面上に位置する銅層が除去され、コンタクトホール２１ａ、２１ｂ内の各々に銅層が残存されて接続部材２３が形成される。

その層間絶縁膜２１を覆うように層間絶縁膜２１上にたとえばＣＶＤ法によりさらに層間絶縁膜２４が形成される。その層間絶縁膜２４に所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域ＭＲでは層間絶縁膜２４にビット線を形成するための開口部が形成され、周辺回路領域ＲＲでは層間絶縁膜２４に開口部２４ａが形成される。これらの開口部内を充填するように層間絶縁膜２４上にたとえば銅層（図示せず）が形成される。その銅層にたとえばＣＭＰ処理等を施すことによって層間絶縁膜２４の上面上に位置する銅層が除去され、ビット線用の開口部内に銅層が残存されてビット線ＢＬが形成され、開口部２４ａ内には銅層が残存されて配線層２５が形成される。

なお上記においてはシングルダマシン法について説明したが、層間絶縁膜２１の形成後、さらに層間絶縁膜２４を形成し、それらの層間絶縁膜２１、２４に対して、デュアルダマシン法により所定の接続部材と配線層が形成されてもよい。この場合、まず層間絶縁膜２４に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域ＭＲでは、ビット線を形成するための開口部（図示せず）が形成される。周辺回路領域ＲＲでは、配線層を形成するための開口部２４ａが形成される。次に、層間絶縁膜２１に対して所定の写真製版およびエッチングを施すことにより、メモリセル領域ＭＲでは、磁気記憶素子ＭＭの記録層３の表面に達するコンタクトホール２１ａが形成される。周辺回路領域ＲＲでは、配線層１６の表面に達するコンタクトホール２１ｂが形成される。なお、層間絶縁膜２１、２４にコンタクトホールを形成した後に、層間絶縁膜２４に開口部２４ａなどが形成されてもよい。

次に、コンタクトホール２１ａ、２１ｂおよび開口部２４ａなどの内部を充填するように層間絶縁膜２４上にたとえば銅層（図示せず）が形成される。その銅層にたとえばＣＭＰ処理等を施すことによって層間絶縁膜２４の上面上に位置する銅層の部分が除去される。これにより、メモリセル領域ＭＲでは、コンタクトホール２１ａ内を埋め込んで記録層３に電気的に接続される接続部材２３が形成されるとともに、開口部内にはその接続部材２３に電気的に接続されるビット線ＢＬが形成される。なお、接続部材２３を用いなくてもビット線ＢＬと記録層３とが電気的に接続できれば問題はない。一方、周辺回路領域ＲＲでは、コンタクトホール２１ｂ内に配線層１６に電気的に接続される接続部材２３が形成されるとともに、開口部２４ａ内には接続部材２３に電気的に接続される配線層２５が形成される。

図２を参照して、上記で形成されたビット線ＢＬおよび配線層２５を覆うように、層間絶縁膜２４上に、さらに層間絶縁膜２６が形成される。周辺回路領域ＲＲにおいては層間絶縁膜２６に孔が形成され、その孔に接続部材２７が形成される。この層間絶縁膜２６上にさらに層間絶縁膜２８が形成される。その層間絶縁膜２８に開口部が形成され、その開口部に配線層２９が形成される。

なお上記においてはシングルダマシン法について説明したが、層間絶縁膜２６の形成後、さらに層間絶縁膜２８を形成し、それらの層間絶縁膜２６、２８に対して、上記と同様にデュアルダマシン法により接続部材２７と配線層２９が形成されてもよい。

以上により、本実施の形態の磁気記憶装置が製造される。
なお、上述した磁気記憶装置の製造方法では、接続部材１４などとして、タングステン層を例に挙げて説明したが、たとえばシリコンが適用されてもよい。また、銅、チタンあるいはタンタルなどの金属が適用されてもよい。さらに、このような金属の合金やこのような金属の窒化物なども適用することができる。また、接続部材１４などの形成方法としてＣＭＰ法あるいはＲＩＥ法を例に挙げて説明したが、たとえばメッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などが適用されてもよい。金属として銅を適用する場合には、いわゆるダマシン法を適用することができ、接続部材１４と並行して配線層を形成することもできる。

また、ライト線ＷＴの形成方法としてシングルダマシン法を例に挙げて説明したが、ライト線ＷＴを接続部材１４と同時に形成する場合には、デュアルダマシン法を適用することもできる。さらに、配線材料としてシリコン、タングステン、アルミニウム、チタンなどの金属、そのような金属の合金あるいはそのような金属の化合物を適用することによって、ドライエッチングによる配線の形成も可能になる。

また配線層と配線層との間に介在する層間絶縁膜の膜厚は適用デバイスによって異なることになるが、この磁気記憶装置では、当該膜厚はたとえば約４０ｎｍである。

また磁気記憶素子ＭＭのトンネル絶縁層２としてアルミニウム酸化物を例に挙げて説明したが、トンネル絶縁層２としては非磁性材料が好ましい。たとえばアルミニウム、シリコン、タンタル、マグネシウムなどの金属の酸化物、その金属の窒化物、シリケートなどに代表されるその金属の合金酸化物、あるいはその合金の窒化物などがトンネル絶縁層２として好ましい。また、そのトンネル絶縁層２は、膜厚約０．３〜５ｎｍ程度の比較的薄い膜として形成されることが好ましい。なお、トンネル絶縁層２に換えて非磁性金属材料を用いる場合には、いわゆる膜面に対して垂直方向の巨大磁気抵抗効果を利用することもできる。

さらに、磁気記憶素子ＭＭの固着層１として白金マンガン合金膜とコバルト鉄合金膜との積層構造を例に挙げ、記録層３としてニッケル鉄合金膜を例に挙げたが、固着層１および記録層３については、たとえばニッケル、鉄および／またはコバルトを主成分とする強磁性材料が好ましい。さらに、その強磁性材料の磁気特性向上と熱的安定性のため、それら強磁性材料にホウ素、窒素、シリコン、モリブデンなどの添加物が導入されてもよい。特に、記録層３に対しては、記録層３上に記録層３の磁気特性を改善する体心立方型、ルチル型、塩化ナトリウム型、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する結晶性材料薄膜を積層する、および／またはタンタル、ルテニウムなどの酸化防止膜を積層するなどして、磁気特性の向上・安定化を達成することも可能である。さらに、ハーフメタルと呼ばれるＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ₂ＭｎＧｅなどを適用することも可能である。ハーフメタルでは一方のスピンバンドにエネルギギャップが存在するので、非常に大きな磁気効果を得ることができ、その結果、大きな信号出力を得ることができる。

固着層１では、反強磁性層と強磁性層との積層構造とすることで、磁化方向をより固定することができる。つまり、反強磁性層が強磁性層のスピンの向きを固定することで、強磁性層の磁化の方向が一定に保たれる。反強磁性層としては、鉄などの強磁性材料または貴金属の少なくとも１つと、マンガンとの化合物が好ましい。

なお、上述した製造方法では、この磁気記憶素子を構成する固着層１、トンネル絶縁層２および記録層３をそれぞれスパッタ法によって形成する場合を例に挙げた。しかし、固着層１、トンネル絶縁層２および記録層３のそれぞれは、スパッタ法の他に、たとえばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、化学気相成長法あるいは蒸着法などにより形成することも可能である。

また、上述した磁気記憶装置の製造方法では、磁気記憶素子ＭＭの固着層１と接続部材１８との間に導電層１９がある場合について説明したが、固着層１と接続部材１８とが直接接続されていてもよい。また、接続部材１８を介さずに配線層１６とその導電層１９とを直接接続させた構造としてもよい。この場合、その導電層１９は、固着層１と平面視において重なるように固着層１の平面形状と同じ形状に形成されてもよい。その導電層１９の材料として、低抵抗の金属、たとえば白金、ルテニウム、銅、アルミニウム、タンタル等を適用することが好ましい。また、導電層１９の膜厚としては、その導電層の上に形成される固着層１、トンネル絶縁層２および記録層３の平坦性が損なわれないように、たとえば３００ｎｍ以下にすることが好ましい。

なお、固着層１を記録層３と平面視において同じ大きさに形成する場合には、導電層１９が接続部材１４と接続されるように導電層１９を固着層１よりも平面視において大きく形成する必要がある。このように導電層１９が固着層１よりも平面的に大きく形成されたとしても、磁気記憶素子として何ら問題はない。

このように層間絶縁膜１５と磁気記憶素子ＭＭとの間に所定の導電層１９を介在させることによって、接続部材１８をたとえば銅により形成した場合には、磁気記憶素子ＭＭをエッチングによってパターニングする際に、銅の接続部材１８が腐食するのを阻止することもできる。また、その導電層１９に磁気記憶素子ＭＭの固着層１の抵抗よりも低い抵抗からなる材料を適用することで、読み出しの際の電流の経路の抵抗を下げることができて、読み出し速度の向上を図ることもできる。

また、さらに、上述した本実施の形態の磁気記憶装置では、磁気記憶素子ＭＭが形成された後の工程において磁気記憶素子ＭＭがダメージを受けるのを防止するために、磁気記憶素子ＭＭを覆うように保護膜２０を形成する場合を例に挙げて説明した。製造工程において磁気記憶素子ＭＭが被る可能性のあるダメージとしては、たとえば層間絶縁膜を形成する際の熱処理がある。層間絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成する場合、温度約４００℃程度の酸化雰囲気のもとでシリコン酸化膜が形成されることになる。

このとき、酸化雰囲気のもとで磁性膜が酸化するおそれがあり、これによって、磁気記憶素子ＭＭの磁気特性が劣化してしまうことがある。磁気記憶素子ＭＭを、シリコン窒化膜等の保護膜２０により被覆することで、保護膜２０はこの酸化のバリアとして機能して磁気記憶素子ＭＭを保護することができる。

また、このような酸化を防ぐために、層間絶縁膜が、シリコン窒化膜などの非酸化性雰囲気のもとで成膜可能な薄膜と、酸化性絶縁膜との２層構造とされてもよい。この場合、２層構造の層間絶縁膜のうち、シリコン窒化膜が磁気記憶素子ＭＭの保護膜となる。

さらに、保護膜２０としては、絶縁性金属窒化物、絶縁性金属炭化物およびＦｅよりも酸化物生成自由エネルギが低い金属の酸化処理によって形成した金属酸化物のうち少なくとも１つの材料を含む膜が好ましい。このような材料を用いることにより、少なくともＦｅを含む磁性材料薄膜を用いた磁気記憶装置の製造工程における酸化工程中に磁気記憶素子ＭＭが酸化するのを抑制することができる。その結果、製造が容易でかつ動作特性が安定した磁気記憶装置を得ることができる。

（作用効果）
次に、本実施の形態の磁気記憶装置の作用効果について説明する。

まず図１２に示すように、磁化困難軸方向しきい値が素子毎にばらついてしまう場合を考える。図１２は、記録層３の強磁性材料およびその厚さを一定にして、本実施の形態に適用した形状でのアステロイド曲線３５と磁化困難軸方向しきい値が高磁界側にシフトした場合３６と低磁界側にシフトした場合３７との変化を説明する図である。横軸は、磁化困難軸方向に印加される磁界Ｈｘの大きさを示し、縦軸は、磁化容易軸方向に印加される磁界Ｈｙの大きさを示す。磁界Ｈｘは、ライト線ＷＴに電流を流した際に発生する磁界であり、磁界Ｈｙは、ビット線ＢＬに電流を流した際に発生する磁界である。グラフにプロットされているそれぞれの測定点は、記録層３の磁化の向きが磁界Ｈｙの負の向きの状態で、一定の磁界Ｈｘを印加して、磁化の向きが反転するのに必要な磁界Ｈｙを計測した結果である。すなわち、それぞれのプロット３５〜３７を結ぶ曲線は、それぞれの記録層３のアステロイド曲線を示す。

図１２を参照して、図５に示す形状を有する記録層３を採用すると、後述するようにプロット３５において磁化困難軸方向に印加される磁界Ｈｘが一定の値（以下、「磁化困難軸方向しきい値」という）より小さくなれば、磁化容易軸方向の反転に必要な磁界Ｈｙは、急激に大きくなる。すなわち、磁界Ｈｘが磁化困難軸方向しきい値よりも小さい領域においてのみ、磁化容易軸方向に対して大きな反転磁界が必要になる。

この場合、磁化困難軸方向しきい値が高磁界側にシフトした場合３６では、記録層の磁化反転を行なうことができる領域（図中ハッチング領域）４６が狭くなる、あるいは情報の書き込みができなくなることが考えられる。また、磁化困難軸方向しきい値が低磁界側にシフトした場合３７では、ビット線ＢＬおよび／またはライト線ＷＴに電流を流して形成された磁界によって非選択の磁気記憶素子が誤って磁化反転する可能性がある。すなわち、磁化困難軸方向しきい値が素子毎にばらつくと書き込みエラーが起こる。

磁化困難軸方向しきい値のばらつき要因の一つとして、固着層１を構成する強磁性層からの漏れ磁界が外部磁界に重畳することにより、漏れ磁界成分だけ磁化反転磁界がシフトすることが挙げられる。したがって、磁化困難軸方向しきい値ばらつきを低減するためには、外部磁界が印加されていない場合における固着層１からの漏れ磁界を全ての磁気記憶素子ＭＭで同じにし、外部磁界が印加されている場合における固着層１の磁化の傾きを全ての磁気記憶素子ＭＭで同じにする必要がある。

しかしながら、ＭＲＡＭのような高集積化デバイスでは、全ての磁気記憶素子ＭＭに対して固着層１からの漏れ磁界を同じに設定することは事実上困難である。このため、実用的観点からは固着層１からの漏れ磁界の影響を受けにくい磁気記憶素子ＭＭの構造として本実施の形態の構成が提案される。

具体的には、固着層１の漏れ磁界成分による記録層３の磁化反転磁界のシフトが漏れ磁界を被る記録層３の磁化量と相関するため、本実施の形態では固着層１からの距離が近く固着層１からの漏れ磁界の影響を受け易い記録層３の部分の磁化を増大させる構成が採用されている。

図４を参照して、本実施の形態では、記録層３は、その平面視における面積が固着層１側に向かって面積が大きくなるように構成されている。このため、記録層３の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Ｇａの位置は、記録層３の膜厚方向（図中上下方向）において固着層１に近い側、具体的には記録層３の膜厚の１／２の位置（一点鎖線Ａ−Ａ）よりも固着層１側の位置に存在する。このため、固着層１からの距離が近く、漏れ磁界の影響が大きい部分での記録層３の磁化が大きくなり、磁化困難軸方向しきい値が漏れ磁界に対して安定になる。換言すれば、固着層１からの漏れ磁界に起因する磁化困難軸方向しきい値ばらつきを低減することができる。

一般に、記録層３の総磁化が大きくなると磁化反転磁界を増大させることが知られている。本実施の形態では、記録層３の平面視における面積は記録層３の上面（固着層１と反対側の面）に向かって小さくなっているため、記録層３全体の総磁化は増大しない。このため、外部磁界による磁化反転磁界を増大させることはなく、効率のよい磁化反転が可能である。

上記効果については、記録層３の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Ｇａの位置が記録層３膜厚の１／２よりも固着層１側に存在すれば良い。このため、記録層３の断面形状について、たとえば台形で近似すると、底面部と側面部のなす角度θが９０度より小さければ良く、８０度以下であることがより好ましい。また、底面部と側面部のなす角度θが小さい場合、磁気記憶素子ＭＭ部の平面視における面積の増大、ひいてはチップサイズの増大に繋がるため、底面部と側面部のなす角度θについては、４５度以上８０度以下であることがさらに好ましい。

また、底面部と側面部のなす角度θが８０度より大きい場合でも、図１３および図１４に示す構成でも上記と同様の効果が得られる。図１３は本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の構成を概略的に示す断面図であり、図１４は図１３の記録層中のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う相の含有割合の変化を示す図である。図１３を参照して、記録層３が記録層３の主成分となる強磁性体の第１相と、その第１相の飽和磁化よりも小さな飽和磁化を持つ強磁性体の第２相もしくは常磁性を示す第２相とを有している。図１４を参照して、その第２相が固着層１側から記録層３表面に向かって連続的に含有割合を増している。記録層３がこの構造を有する場合でも、記録層３の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Ｇａの位置が記録層３の膜厚の１／２よりも固着層１側に存在することになるため、上記と同様の効果が得られる。

また、固着層１からの距離が近く固着層１からの漏れ磁界の影響を受け易い記録層３の一部分の磁化を増大させるためには、記録層３を積層膜構造とすることも有効である。図１５および図１６は、本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の記録層を積層膜構造とした場合の構成を示す概略断面図である。図１５を参照して、記録層３は、たとえば相対的に飽和磁化の大きな第１の強磁性層３ａと、相対的に飽和磁化の小さな第２の強磁性層３ｂとの少なくとも２層を有する積層膜構造からなっている。また図１６を参照して、記録層３は、相対的に飽和磁化の大きな第１の強磁性層３ａと、相対的に飽和磁化の小さな第２の強磁性層３ｂと、その第１および第２の強磁性層３ａ、３ｂ間に挟まれた非磁性層３ｃとの少なくとも３層を有する積層構造であってもよい。図１５および図１６に示すように記録層３中において相対的に飽和磁化の大きな第１の強磁性層３ａが固着層１側に位置し、かつ相対的に飽和磁化の小さな第２の強磁性層３ｂが記録層３表面側に位置することで、記録層３の磁化分布の膜厚方向における磁化の重心Ｇａの位置が記録層３の膜厚の１／２よりも固着層１側に存在することになる。

図１６に示す強磁性層３ａ／非磁性層３ｃ／強磁性層３ｂの３層構造の場合、２つの強磁性層３ａ、３ｂが強磁性的に結合する場合の他、スピン交換相互作用あるいは静磁結合作用によって反強磁性的に結合される場合がある。いずれの場合においても、飽和磁化の大きな第１の強磁性層３ａが固着層１側に配置されるような構造とすれば、固着層１からの漏れ磁界に起因する磁化困難軸方向しきい値ばらつきを低減することができる。

次に、記録層の平面形状を図５に示す形状とすることによる作用効果について説明する。

上記作用効果を説明するうえで、まず書き換え動作についてさらに詳しく説明する。
図１７は、記録層３の強磁性材料およびその厚さを一定にして、本実施の形態に適用した形状でのアステロイド曲線３５と矩形形状における一般的なアステロイド曲線３１との変化を説明する図である。横軸は、磁化困難軸方向に印加される磁界Ｈｘの大きさを示し、縦軸は、磁化容易軸方向に印加される磁界Ｈｙの大きさを示す。磁界Ｈｘは、ライト線ＷＴに電流を流した際に発生する磁界であり、磁界Ｈｙは、ビット線ＢＬに電流を流した際に発生する磁界である。グラフにプロットされているそれぞれの測定点は、記録層の磁化の向きが磁界Ｈｙの負の向きの状態で、一定の磁界Ｈｘを印加して、磁化の向きが反転するのに必要な磁界Ｈｙを計測した結果である。すなわち、それぞれのプロット３１、３５を結ぶ曲線は、それぞれの記録層のアステロイド曲線を示す。

図１７を参照して、プロット３５に示すように、図５に示す形状を有する記録層３を採用すると、磁化困難軸方向しきい値より小さくなれば、磁化容易軸方向の反転に必要な磁界Ｈｙは、急激に大きくなる。すなわち、磁界Ｈｘが磁化困難軸方向しきい値よりも小さい領域においてのみ、磁化容易軸方向に対して大きな反転磁界が必要になる。また、磁化困難軸方向しきい値よりも磁界Ｈｘが大きければ、逆に、反転に必要な磁界Ｈｙは小さくなる。

記録層３の磁化反転を行なうことができる領域（図中右下がりハッチング領域）４５は、記録層３の平面形状が矩形形状である場合の磁化反転を行なうことができる領域（図中左下がりハッチング領域）４１よりも大きくなっており、特に磁界Ｈｙで示される磁化容易軸方向に領域が大きくなっている。すなわち、ビット線ＢＬに電流が流れることによる書込みエラーが起りにくくなる。したがって、磁化容易軸方向のみに磁界が印加されて生じる磁化反転を抑制することができる。すなわち、書込みビット線ＢＬから発生される磁界によって、当該書込みビット線ＢＬに沿った磁気記憶素子ＭＭの記録層３が、誤って磁化反転されることが抑制され得る。

このように、図５に示した平面形状を有する記録層３を備える磁気記憶素子ＭＭにおいては、非選択の磁気記憶素子ＭＭにおいて反転磁界を従来の記録層よりも大きくして、選択された磁気記憶素子ＭＭにおいては、反転磁界を従来よりも小さくすることができる。したがって、磁気記憶素子ＭＭの選択についての信頼性が向上する。

図１７に示すように、磁化容易軸方向において、反転磁界の大きさが磁化困難軸方向の磁界の大きさに依存して顕著に異なる現象は、磁化状態の差異に起因する。図１８および図１９は、磁化容易軸方向の磁界Ｈｙと磁化困難軸方向の磁界Ｈｘとの合成磁界が、反転磁界よりも小さい場合と大きい場合との磁化分布を示す図であり、本発明の一実施の形態における磁気記憶素子ＭＭの記録層３の平面図である。図１８および図１９中のそれぞれの矢印は、それぞれの位置における磁化の向きを示している。図１８および図１９は、それぞれの磁界Ｈｙが同じ大きさで、磁界Ｈｘの大きさが異なるように磁界が印加されている。図１８にて印加されている磁界Ｈｘは磁化困難軸方向しきい値よりも小さく、図１９にて印加されている磁界Ｈｘは磁化困難軸方向しきい値よりも大きい。

図１８に示されるような磁化分布の形態はＣ型（第１の磁化分布）と呼ばれ、安定な磁化状態であるため磁化容易軸方向の磁化反転磁界は大きくなる。これに対し、図１９に示されるような磁化分布の形態はＳ型（第２の磁化分布）と呼ばれ、外部磁界によるトルクを受けやすく磁化反転磁界が急激に小さくなる。このＳ型とＣ型との磁化分布状態の概念図を図２０および図２１に示す。本実施の形態の記録層３は、このＳ型とＣ型との磁化分布状態を外部磁界によって制御できる平面形状を有している。

このように、記録層３の平面形状を磁化容易軸に対して非対称にして、かつ磁化容易軸に垂直な軸に対して対称の形状にすることによって、上記のようなＳ型とＣ型の磁化分布状態を得ることができる。Ｓ型とＣ型の磁化分布状態を得ることにより、図１７に示すように記録層３の磁化反転を行なうことができる領域４５が大きくなり、磁化容易軸方向のみに磁界が印加されて生じる磁化反転を抑制することができる。

（変形例）
上記においてはＳ型とＣ型の磁化分布状態を得ることのできる記録層３の平面形状として図５に示す形状について説明したが、記録層３の平面形状はこれ以外の形状であってもよい。たとえば、記録層３の平面形状は、図２１に示すような磁化容易軸６３に対して非対称かつ磁化困難軸６４に対して対称な形状であってもよい。この図２１に示す記録層３の平面形状は、記録層３の平面形状と内部で接する矩形形状から記録層３の平面形状部分を抜いた部分（図中ハッチング部分）ＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ３、ＳＢ１、ＳＢ２を磁化容易軸６３で分割した場合において分割された部分の面積が互いに同じ（ＳＡ１＋ＳＡ２＋ＳＡ３＝ＳＢ１＋ＳＢ２）となるように凸また凹を有する形状であっても良い。この場合、記録層３の面内方向磁化分布の重心Ｇａの位置が記録層３の形状中心近傍に位置することになるため、記録層３の面内方向において配線電流磁界が均等に印加されることになり、磁化反転磁界のばらつきを低減することができる。

上記の磁化容易軸６３で分割した場合において分割された部分の面積が互いに同じとなるようは平面形状は、たとえば図２２〜図２４に示すような形状であってもよい。

また図２５および図２６に示すように記録層３の平面形状が磁化容易軸６３および磁化困難軸６４に対してそれぞれ対称である場合であっても、磁化困難軸６４方向に直線部（直線状の外形部）を有し、磁化容易軸６３方向に記録層３の長さの１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部（曲線状の外形部）を一部に有する形状であってもよい。図２５に示す形状の場合には図２７に示すＳ型および図２８に示すＣ型のように、図２６に示す形状の場合には図２９に示すＳ型および図３０に示すＣ型のように磁化分布が変化する。

なおたとえば図２５に示す記録層３の平面形状において、磁化容易軸６３方向に記録層３の長さの１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部とは、図５８に示すように曲線部３ｄが内接する円の半径Ｒが記録層３の長さ（記録層３が内接する矩形形状の長手方向（磁化容易軸６３方向）の寸法）の１／２よりも大きいことを意味する。

また図３１および図３２に示すように記録層３の平面形状が磁化容易軸６３および磁化困難軸６４に対してそれぞれ対称である場合であっても、磁化容易軸６３方向に直線部を有し、磁化困難軸６４方向に記録層３の幅（記録層３が内接する矩形形状の短手方向（磁化困難軸６４方向）の寸法）の１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部を一部に有する形状であってもよい。図３１に示す形状の場合には図３３に示すＳ型および図３４に示すＣ型のように、図３２に示す形状の場合には図３５に示すＳ型および図３６に示すＣ型のように磁化分布が変化する。

また図３７〜図４０に示すように記録層３の平面形状が磁化容易軸６３および磁化困難軸６４に対してそれぞれ対称である場合であっても、磁化容易軸６３方向に記録層３の長さの１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部と、磁化困難軸６４方向に記録層３の幅の１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部とを結んでできる形状であってもよい。図３７に示す形状の場合には図４１に示すＳ型および図４２に示すＣ型のように、図３８に示す形状の場合には図４３に示すＳ型および図４４に示すＣ型のように、図３９に示す形状の場合には図４５に示すＳ型および図４６に示すＣ型のように、図４０に示す形状の場合には図４７に示すＳ型および図４８に示すＣ型のように磁化分布が変化する。なお図４０に示す平面形状では、図４９に示すように実際の磁化容易軸は記録層３の平面形状と内部で接する矩形形状における対角線方向となるが問題はない。

また図５０および図５１に示すように、記録層３の磁化容易軸方向および固着層１の磁化方向が記録層３の平面形状と内部で接する矩形形状における短辺方向にあっても外部磁界によって記録層３の磁化分布をＣ型とＳ型に遷移できれば良い。

さらに図５２に示すように記録層３の平面形状が磁化容易軸６３および磁化困難軸６４に対してそれぞれ非対称になる場合であっても良い。また図５３に示すように記録層３の磁化容易軸６３が磁化容易軸６３と同じ方向に磁界を与える配線方向（ライト線ＷＴの延在方向）６３ａに対して傾いて配置されている場合であっても良い。図５２および図５３のいずれの形状においても、記録層３が固着層１の強磁性層に起因する漏れ磁界を与えられた場合において、記録層３の平面内の磁化分布の重心Ｇａの位置が記録層３の形状中心もしくは記録層３の形状中心より磁化困難軸方向に移動した位置になれば上記と同様の効果を得ることが可能である。

なお図５２に示す形状の場合には図５４に示すＳ型および図５５に示すＣ型のように、図５３に示す形状の場合には図５６に示すＳ型および図５７に示すＣ型のように磁化分布が変化する。

なお、磁気記憶素子を含むメモリセルと論理回路とを搭載した混載デバイスに対して、保護膜としてシリコン窒化膜のように比較的誘電率の高い材料を酸化バリヤとして用いる場合には、次のことに留意しなければならない。すなわち、たとえば論理回路からなるデバイスでは、デバイスの動作速度やアクセスタイミングをも考慮して、金属配線層間の容量や配線抵抗が設定されている。そのため、誘電率の高い材料が論理回路部に配置されると、論理回路部における金属配線層間の容量などが所定の設計パラメータの範囲から外れてしまい、デバイスが所望の動作を行わなくなるおそれがある。これを回避するには、保護膜は磁気記憶素子ＭＭだけを被覆するように形成して、論理回路が形成される周辺回路領域ＲＲには保護膜を形成させない構造とすることが好ましい。

上述した磁気記憶素子を利用した磁気記憶装置では、記憶情報の読み出しを記憶状態を破壊することなく行なうことが可能である。そのため、再書き込みをする動作が不要であり、読み出し速度が高速になる。また、磁化反転速度は１ナノ秒以下であるので、情報の書き込みも非常に高速で行うことができる。さらに、磁化反転動作に関しては、一般に反転を繰り返すことにより特性が劣化する疲労現象は生じないといわれている。すなわち、ＭＲＡＭと称される当該磁気記憶装置により、事実上、動作回数に制限がない不揮発性メモリデバイスを提供できることになる。

上述した特徴は、記憶装置単体としても有用であるが、上記メモリセルを論理回路と混載した混載デバイスの場合に、より一層有用に作用する。すなわち、混載デバイスの場合、高速動作に基づいてネットワーク環境や移動体通信における情報のインタラクティブな取り扱い環境が改善される。さらに、コンピュータや携帯端末等へ当該磁気記憶装置を適用することによって消費電力の低減や動作環境の改善などを大幅に図ることができることになる。

また、上述した磁気記憶素子および磁気記憶装置では、半導体基板を利用した磁気記憶装置について説明したが、磁気抵抗効果素子とライト線およびビット線に係る配線層との関係は、情報の記憶に限定されるものではなく、たとえば磁気センサ、磁気記録ヘッド、磁気記録媒体などのパターン化された磁気素子等に広く適用することが可能である。

また、さらに、上述した磁気記憶素子および磁気記憶装置では、１つのメモリセルに１つの磁気記憶素子を設けたメモリセルを例に挙げて説明したが、１つのメモリセルに２つ以上の磁気記憶素子を設けてもよく、また、それらのメモリセルが互いに積層されていてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示にすぎず、これに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示されるもので、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置に特に有利に適用され得る。

本発明の一実施の形態における磁気記憶装置のメモリセルの回路図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の構成を示す概略断面図である。 磁気記憶素子ＭＭの付近の構成を概略的に示す斜視図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の磁気記憶素子の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶装置において磁化容易軸および磁化困難軸を説明するための磁気記憶素子の概略平面図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶素子ＭＭの位置の説明図であり、磁気記憶素子を平面的に透視したときの図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の製造方法の第１工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の製造方法の第２工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の製造方法の第３工程を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の製造方法の第４工程を示す概略断面図（ａ）と、磁気記憶素子部分を拡大して示す拡大断面図（ｂ）である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶装置の製造方法の第５工程を示す概略断面図である。 記録層３の強磁性材料およびその厚さを一定にして、本実施の形態に適用した形状でのアステロイド曲線３５と磁化困難軸方向しきい値が高磁界側にシフトした場合３６と低磁界側にシフトした場合３７との変化を説明する図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の構成を概略的に示す断面図である。 図１３の記録層中のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う相の含有割合の変化を示す図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の記録層を２層の積層膜構造とした場合の構成を示す概略断面図である。 本発明の一実施の形態における磁気記憶素子の記録層を３層の積層膜構造とした場合の構成を示す概略断面図である。 記録層３の強磁性材料およびその厚さを一定にして、本実施の形態に適用した形状でのアステロイド曲線３５と矩形形状における一般的なアステロイド曲線３１との変化を説明する図である。 磁化容易軸方向の磁界Ｈｙと磁化困難軸方向の磁界Ｈｘとの合成磁界が、反転磁界よりも小さい場合の磁化分布を示す図であり、本発明の一実施の形態における磁気記憶素子ＭＭの記録層３の平面図である。 磁化容易軸方向の磁界Ｈｙと磁化困難軸方向の磁界Ｈｘとの合成磁界が、反転磁界よりも大きい場合の磁化分布を示す図であり、本発明の一実施の形態における磁気記憶素子ＭＭの記録層３の平面図である。 Ｓ型の磁化分布状態の概念図である。 Ｃ型の磁化分布状態の概念図である。 記録層の平面形状の一の例を示す図である。 記録層の平面形状の他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 図２５に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図２５に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 図２６に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図２６に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 図３１に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図３１に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 図３２に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図３２に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 図３７に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図３７に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 図３８に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図３８に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 図３９に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図３９に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 図４０に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図４０に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 図４０に示す記録層の平面形状において実際の磁化容易軸は記録層の平面形状と内部で接する矩形形状における対角線方向となることを説明するための図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 記録層の平面形状のさらに他の例を示す図である。 図５２に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図５２に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 図５３に示す記録層の平面形状においてＳ型の磁化分布を示す図である。 図５３に示す記録層の平面形状においてＣ型の磁化分布を示す図である。 図２５に示す記録層の平面形状において、磁化容易軸方向に記録層の長さの１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部の意味を説明するための図である。

符号の説明

１ 固着層、２ トンネル絶縁層、３ 記録層、３ａ，３ｂ 強磁性層、３ｃ 非磁性層、１１ 半導体基板、１２ 素子分離絶縁膜、１３，１５，１７，２１，２４，２６，２８ 層間絶縁膜、１３ａ，１７ａ，２１ａ，２１ｂ コンタクトホール、１４，１６，１８，２３，２７ 接続部材、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，２４ａ 開口部、１６，２５，２９ 配線層、１９ 導電層、２０ 保護膜、２８ 絶縁層、ＢＬ ビット線、Ｄ ドレイン領域、Ｇ ゲート電極、ＧＩ ゲート絶縁膜、ＭＣ メモリセル、ＭＭ 磁気記憶素子、ＭＲ メモリセル領域、ＲＲ 周辺回路領域、Ｓ ソース領域、Ｓ／Ｄ ソース／ドレイン領域、ＳＬ ソース線、ＴＲ 素子選択用トランジスタ、ＴＲＡ トランジスタ、ＷＤ ワード線、ＷＴ ライト線。

Claims (19)

1. 第１の方向に延在するように形成された第１配線と、
   前記第１配線と上下方向に間隔を隔てられ、かつ前記第１の方向と交差する第２の方向に延在するように形成された第２配線と、
   前記第１配線と前記第２配線とが交差する領域において前記第１配線と前記第２配線との間に挟み込まれるように形成された磁気記憶素子とを備え、
   前記磁気記憶素子は、磁化方向が固定された固着層と、少なくとも磁化容易軸を有し外部磁界によって磁化方向が変化する記録層とを含み、
   前記記録層の膜厚方向における磁化の重心位置が前記記録層の膜厚の１／２よりも前記固着層側に位置している、磁気記憶装置。
2. 前記記録層は、磁化反転磁界が大きい第１の磁化分布と、磁化反転磁界が小さい第２の磁化分布とを外部磁界によって制御できる形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記記録層は、平面形状において、前記磁化容易軸に対して非対称であり、前記磁化容易軸に垂直な軸に対して対称であることを特徴とする、請求項２に記載の磁気記憶装置。
4. 前記記録層の平面形状と内部で接する矩形形状から前記記録層の前記平面形状を抜いた部分を、前記磁化容易軸で分割した場合において分割された部分の面積が互いに同じとなることを特徴とする、請求項３に記載の磁気記憶装置。
5. 前記記録層は、平面形状において、前記磁化容易軸に垂直な軸方向に直線状の外形部を有することを特徴とする、請求項３に記載の磁気記憶装置。
6. 前記記録層は、平面形状において、前記磁化容易軸と前記磁化容易軸に垂直な軸とに対してそれぞれ対称になることを特徴とする、請求項２に記載の磁気記憶装置。
7. 前記記録層は、平面形状において、前記磁化容易軸に垂直な軸方向に直線状の外形部を有し、かつ前記磁化容易軸方向に前記記録層の長さの１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部の外形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の磁気記憶装置。
8. 前記記録層は、平面形状において、前記磁化容易軸方向に直線状の外形部を有し、かつ前記磁化容易軸に垂直な軸方向に前記記録層の幅の１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部の外形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の磁気記憶装置。
9. 前記記録層は、平面形状において、前記磁化容易軸に垂直な軸方向に前記記録層幅の１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部を有する外形状と、前記磁化容易軸方向に前記記録層長さの１／２よりも大きな曲率半径を有する曲線部を有する外形状とを結んでできる外形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の磁気記憶装置。
10. 前記記録層の前記磁化容易軸が、前記記録層の平面形状と内部で接する矩形形状における対角線方向にあることを特徴とする、請求項６に記載の磁気記憶装置。
11. 前記記録層は、平面形状において、前記磁化容易軸と前記磁化容易軸に垂直な軸とに対してそれぞれ非対称になることを特徴とする、請求項２に記載の磁気記憶装置。
12. 前記記録層の前記磁化容易軸が、前記磁化容易軸と同じ方向に磁界を与える前記第１および第２配線のいずれかの延在方向に対して傾いて配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の磁気記憶装置。
13. 前記記録層は、前記固着層に起因する漏れ磁界を与えられた場合において、前記記録層の平面内における磁化分布の重心位置が、前記記録層の形状中心もしくは前記記録層の形状中心より磁化容易軸方向に垂直な軸方向に移動した位置になることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の磁気記憶装置。
14. 前記記録層の前記磁化容易軸方向および前記固着層の磁化方向が、前記記録層の平面形状と内部で接する矩形形状における短辺方向であることを特徴とする、請求項２に記載の磁気記憶装置。
15. 前記記録層の膜厚方向の断面形状は、前記固着層側に向かって前記記録層の膜厚方向に垂直な方向の面積が大きくなるような形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載の磁気記憶装置。
16. 前記記録層の膜厚方向の断面形状が台形であり、前記台形の断面形状における底面と側面で作る角度が４５度以上８０度以下であることを特徴とする、請求項１５に記載の磁気記憶装置。
17. 前記記録層は、前記記録層の主成分となる強磁性体の第１相と、前記第１相に対して飽和磁化が小さい強磁性もしくは常磁性を示す第２相とを有し、前記第２相は前記固着層側から前記記録層表面に向かって連続的に含有割合を増していく構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気記憶装置。
18. 前記記録層は、飽和磁化の大きな第１の強磁性層と、飽和磁化の小さな第２の強磁性層との少なくとも２層を有する積層膜構造からなり、前記第１の強磁性層が前記第２の強磁性層よりも前記固着層側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気記憶装置。
19. 前記記録層は、飽和磁化の大きな第１の強磁性層と、飽和磁化の小さな第２の強磁性層と、前記第１および第２の強磁性層間に挟まれる非磁性層との少なくとも３層を有する積層膜構造からなり、前記第１の強磁性層が前記第２の強磁性層よりも前記固着層側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の磁気記憶装置。

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