JP2011253884A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】書込み電流の増大や書込みの信用性の向上が図られた磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】磁気記憶装置は、基板１１と、基板１１上に設けられたライト線ＷＴと、ライト線ＷＴに対して基板１１の厚み方向に間隔をあけて配置され、ライト線ＷＴの延在方向と交差する方向に延びるビット線ＢＬと、ライト線ＷＴおよびビット線ＢＬの間に位置する磁気記憶素子ＭＭとを備え、磁気記憶素子ＭＭは、磁化方向が固定された固定層１と、外部磁界によって磁化方向が変化する記録層３とを含み、記録層３は合金膜を含み、合金膜はコバルトと鉄とホウ素とを含み、ホウ素は２１ａｔ％より高い。
【選択図】図２

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。特に、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。

近年では、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。

ＭＲＡＭにおける高集積化に伴って、磁気記憶素子の微細化を実施した場合、反磁界の影響により書込み時に更に大きな磁界が必要となる。また、材料や形状に起因した素子間の特性バラツキが大きくなり、これによって更なる書込み電流の増大や誤った磁化反転が顕著になる。材料については、微細化によりセルの大きさに対して結晶粒の大きさの影響が無視できなくなる。

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 特開２００５−３１０９７１号公報

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

非磁性層を挟む２つの強磁性層の相対的な磁化の向きを同じ向きおよび反対向きに制御すること、所望の磁気記憶素子における一方の磁性層を確実かつ効率的に磁化反転させること、磁性層の膜面方向の大きさに依存する反磁界を小さくすることを解決するためには、外部磁界により磁化反転する強磁性体の材料を最適化すること、およびその形状を最適化することが有効であると考えられる。

強磁性材料の材料に発明者等は鋭意努力の結果、選択された強磁性体の材料によっては、製造工程中における熱処理によって反転磁界の増大や反転磁界にばらつきが生じることを見出した。反転磁界が増大すると書込み電流が増大する。反転磁界にばらつきが生じると書込みの信用性が低くなる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、書込み電流の低減や書込みの信用性の向上が図られた磁気記憶装置を提供することである。

本発明に係る磁気記憶装置は、基板と、基板上に設けられた第１配線と、第１配線に対して基板の厚み方向に間隔をあけて配置され、第１配線の延在方向と交差する方向に延びる第２配線と、第１配線および第２配線の間に位置する磁気記憶素子とを備える。上記磁気記憶素子は、磁化方向が固定された固定層と、外部磁界によって磁化方向が変化する記録層とを含む。上記記録層は合金膜を含み、合金膜はコバルトと鉄とホウ素とを含む。上記ホウ素は２１ａｔ％より高い。なお、原子百分率（ａｔ％）とは、物質全体の原子数を１００とした場合の特定の元素の原子数を意味する。

本発明に係る磁気記憶装置によれば、書込み電流の低減および書込みの信用性の向上を図ることができる。

本発明の実施の形態１における磁気記憶装置のメモリセルの回路図である。 本発明の実施の形態１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。 本発明の実施の形態１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。 本発明の実施の形態１における磁気記憶素子の平面視上の形状を示す概略図である。 本発明の実施の形態１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。 本発明の実施の形態１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。 本発明の実施の形態１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。 本発明の実施の形態１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。 本発明の実施の形態１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である。 本発明の実施の形態１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。 実施の形態１で得られるアステロイド曲線３５と楕円形状による記録層３を適用した際のアステロイド曲線３６とを比較する図である。 磁化困難軸に対して非対称な形状を説明するための記録層を示す図である。 （Ａ）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の磁化分布を示す図であり、（Ｂ）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、反転磁界よりも大きい場合の磁化分布を示す図である。 （Ａ）はＳ型の磁化分布状態の概念図であり、（Ｂ）はＣ型の磁化分布状態の概念図である。 ホウ素含有量が、１０、２０、３０（ａｔ％）（原子百分率）の場合のコバルト鉄ホウ素膜における保磁力の熱処理温度依存性を示すグラフである。 ホウ素含有量が、２０、３０（ａｔ％）の場合のコバルト鉄ホウ素膜による記録層３の反転磁界の熱処理温度依存性を示すグラフである。 ホウ素含有量が、２０、３０（ａｔ％）の場合のコバルト鉄ホウ素膜による記録層３の反転磁界のバラツキにおける熱処理温度依存性を示すグラフである。 ３００℃で熱処理する前後のコバルト鉄ホウ素膜における保磁力の増大率におけるアニール温度依存性を示すグラフである。。 磁気記憶素子ＭＭにおける抵抗変化率のホウ素含有量依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態２における磁気記憶素子の断面構造を示す概略図である。 本発明の実施の形態３における磁気記憶素子の断面構造を示す概略図である。 実施の形態４に係る磁気記憶装置に搭載された記録層３の断面図である。 記録層の形状の変形例を示す平面図である。 記録層の形状の変形例を示す平面図である。 記録層の形状の変形例を示す平面図である。

図１から図２６を用いて、本発明の実施の形態に係る磁気記憶装置について説明する。
（実施の形態１）
（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Ｇとを主に有している。ドレイン領域Ｄ及びソース領域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及びソース領域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Ｇは、ドレイン領域Ｄ及びソース領域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と配線層１６とが形成されている。その配線層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と配線層１６とを覆うように、層間絶縁膜１５上に層間絶縁膜１７が形成されている。この層間絶縁膜１７にはその上面から配線層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、これらの保護膜２０および層間絶縁膜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２６上には、所定の配線層２９および層間絶縁層２８が形成されている。なお、ライト線ＷＴおよびビット線ＢＬは、互いに半導体基板１１の厚さ方向に間隔をあけて配置されており、ビット線ＢＬは、ライト線ＷＴよりも上方に配置されている。

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為の接続部材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４は、磁気記憶素子の構成を概略的に示す断面図である。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およびビット線ＢＬを半導体基板１１の厚み方向から平面視したときに、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及び接続部材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。

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（磁化容易方向）がある。この方向はエネルギが低い状態であり、磁化しやすい方向に延びる仮想軸線は磁化容易軸（Ｅａ：Easy-axis）と呼ばれる。これに対して、磁化されにくい方向（磁化困難方向）に延びる仮想軸線は、磁化困難軸（Ｈａ：Hard-axis）と呼ばれる。

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に示すような形状がある。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（磁化容易方向）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。磁化容易軸６３は、記録層３のこの方向の長さが最大となる位置に位置している。

そして、磁化容易軸６３のうち、記録層３が位置する部分を等分するように磁化困難軸６４が延びている。なお、交差点ＣＰは、磁化困難軸６４と磁化容易軸６３との交点である。

図５に示される記録層３は、平面形状において、磁化容易軸６３より右側に位置する外周縁部は、楕円の円弧７０１からなり、磁化容易軸６３より左側に位置する外周縁部は、直線部分７０３を有している。円弧７０１の一方の端部と直線部分７０３の一方の端部とは、曲線部分７０４ａによって接続されており、円弧７０１の他方の端部と直線部分７０３の他方の端部とは、曲線部分７０４ｂによって接続されている。なお、ここでは曲線部分７０４ａおよび７０４ｂは、同一の曲率であり、記録層３は磁化困難軸６４に対して対称であることが好ましい。好ましくは、記録層３は磁化困難軸６４に対して対称となるように形成され、かつ、磁化容易軸６３に対して非対称となるように形成される。

このような平面形状を有する記録層３を備える磁気記憶素子によれば、非選択の磁気記憶素子においては、反転磁界を大きくして、選択された磁気記憶素子においては、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、磁気記憶素子の選択についての信頼性が向上する。なお、その理由については、図１２および図１３を用いて後述する。

記録層３の平面形状は、磁化容易軸６３に沿った一の直線上で磁化容易軸の方向における最大の長さＬを有する。そして、記録層３は、磁化困難軸６４の延在方向に長さＬの半分より小さい長さＷに亘って延びている。記録層３のうち、磁化容易軸６３に対して右側（一方側）に位置する部分は、磁化困難軸６４の延在方向に長さａに亘って延びている。記録層３のうち、磁化容易軸６３に対して左側（他方側）に位置する部分は、磁化困難軸６４の延在方向に長さｂに亘って延びている。長さｂは、長さａよりも短くなっている。そして、磁化容易軸６３に対して右側（一方側）に位置する部分の外縁は、外縁の外側に向かって凸の滑らかな円弧７０１のみからなる。

ＭＲＡＭを高集積化した場合、記録層３を形成するためのフォトリソグラフィーやエッチング工程などに起因して、曲率の小さい形状の制御は困難となる。しかしながら、図５における曲線７０１は、磁化容易軸方向に沿って記録層の最大長さＬと同じ長さを有する円弧であり、制御が容易でばらつきの影響を小さく抑えることができる。

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６３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６４の方向と、ビット線ＢＬの延在方向とが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素子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および素子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および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Ｇが形成される。そのゲート電極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。このコンタクトホール１３ａ、１３ｂの内周面および層間絶縁膜１３上にバリアメタルを形成する。バリアメタルが形成されたコンタクトホール１３ａ、１３ｂを充填するように層間絶縁膜１３上に例えばタングステン層（図示せず）が形成される。バリアメタルおよび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およびバリアメタル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およびバリアメタル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の内周面および層間絶縁膜１５の上面を覆うようにバリアメタルが形成される。このバリアメタルが形成された開口部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。その銅層およびバリアメタルに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およびバリアメタルが除去されて、開口部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ内に銅層およびバリアメタルが残存される。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等に形成されたバリアメタルは、銅層と層間絶縁膜との反応を防止するための反応防止膜である。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。この場合、高透磁率膜は上方に向けて開口するように形成される。

図１０（Ａ）を参照して、層間絶縁膜１５上に例えば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。このコンタクトホール１７ａの内周面、コンタクトホール１７ａから露出する配線層１６の上面および層間絶縁膜１７の上面を覆うようにバリアメタルを形成する。このバリアメタルが形成されたコンタクトホール１７ａ内を充填するように層間絶縁膜１７上に例えば銅層（図示せず）が形成される。その銅層およびバリアメタルにたとえば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およびアリアメタルが除去され、コンタクトホール１７ａ内に銅層およびバリアメタル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、導電層１９となる金属材料の薄膜を形成する。その後、固着層１となる膜として、例えば膜厚約２０ｎｍの白金マンガン膜（反強磁性層）と膜厚約３ｎｍのコバルト鉄合金膜（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。

次に、記録層３となる膜として、膜厚約３ｎｍのコバルト鉄ホウ素合金膜が形成される。このコバルト鉄ホウ素合金膜は、コバルト（Ｃｏ）と、鉄（Ｆｅ）と、ホウ素（Ｂ）とを主成分とし、残部が不可避的不純物である合金膜である。そして、このコバルト鉄ホウ素合金膜のホウ素の含有量は２１（ａｔ％）よりも高く、より好ましくは、２２（ａｔ％）（原子百分率）以上とされている。次に、図示されていない電極となる膜として、タンタル膜が２００ｎｍ程度形成される。

なお、白金マンガン膜、コバルト鉄合金膜、アルミニウム酸化膜、コバルト鉄ホウ素合金膜、タンタル膜は、ここではスパッタ法によって形成している。なお、コバルト鉄合金、コバルト鉄ホウ素合金は、組成の異なるスパッタ・ターゲットを用いて、それぞれの電力を調整しながら同時に放電することで、組成比の調整が可能である。

その後、その配線層１６となる金属薄膜と、白金マンガン膜と、コバルト鉄合金膜と、アルミニウム酸化膜と、コバルト鉄ホウ素合金膜と、タンタル膜と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、導電層１９と、固着層１、トンネル絶縁層２および記録層３を含む所定形状の磁気記憶素子ＭＭが形成される。一般的に、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の内周面と、コンタクトホール２１ａから露出する電極用のタンタル膜の上面と、コンタクトホール２１ｂから露出する上記の配線層１６の上面と、層間絶縁膜２１の上面とを覆うようにバリアメタルを形成する。

このバリアメタルが形成されたコンタクトホール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。その銅層およびバリアメタルにたとえば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およびバリアメタルが除去され、コンタクトホール２１ａ、２１ｂ内の各々に銅層およびバリアメタル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。この開口部２４ａの内周面、開口部２３ａから露出する接続部材２３の上面と、層間絶縁膜２４の上面上にバリアメタルを形成する。このバリアメタルが形成された開口部２４ａ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。その銅層およびバリアメタルに例えば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およびバリアメタルが除去される。これにより、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の形成後に、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。その銅層に例えば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が形成されると共に、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の形成後に、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、例えばメッキ法、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たが、固着層１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。

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。これによって磁化の安定化が可能である。

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リング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、スパッタリング法の他にも、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、固着層１および導電層１９とを平面視したときに、導電層１９は、固着層１と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、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、３００℃程度の高温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、シリコン窒化膜や酸化アルミニウム膜等の保護膜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。本実施の形態においては、以上の製造工程は、全て３００℃を上限として実施されている。

（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には、図５に示される記録層３の形状によって得られる磁化反転電流の例を示す。図１２の横軸は、磁化困難軸方向の磁界Ｈｘを生じさせるためにライト線ＷＴに流すライト線電流ＩＷＴを示し、縦軸は、磁化容易軸方向の磁界Ｈｙを生じさせるためにビット線ＢＬに流すビット線電流ＩＢＬを示す。併せて、楕円形状の記録層３で得られる磁化反転電流も示す。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、一定のライト線電流を印加して、磁化の向きが反転するのに必要なビット線電流ＩＢＬを計測した結果である。すなわち、それぞれのプロットを結ぶ曲線は、それぞれの図５に示される形状と楕円形状における記録層３のアステロイド曲線３５，３６を示す。

このように、磁化困難軸に対する形状の非対称性に起因して、記録層の磁化反転を行うことができる領域（図中ハッチング領域）４６が大きくなる。これにより、記録層の磁化反転を行うことができる領域４６を、磁化困難軸に対して対称な形状である楕円形状で得られる領域４７よりも大きく確保することが可能である。

ここで、上記の効果が得られる理由について説明のために図１３を用いる。図１３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７０７、７０５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７０９ａ、７０９ｂを有している。これらの直線部７０５と直線部７０９ｂとは交点が垂直になるように形成され、また、直線部７０５と直線部７０９ａ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７０９ａと直線部７０７とは曲線部７０８ａを介して接続され、直線部７０９ｂと直線部７０７とは曲線部７０８ｂを介して接続されている。直線部７０７と直線部７０５とは互いに平行であり、また、直線部７０９ａと直線部７０９ｂとは互いに平行である。本実施の形態においては、曲線部７０８ａおよび曲線部７０８ｂ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。

まず、図１２のプロット３５に示すように、磁化容易軸方向において、磁化反転に必要なビット線電流ＩＢＬの大きさがライト線電流ＩＷＴ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１４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、図１３に示される磁気記憶素子ＭＭの記録層３の平面図である。図１４の中の記録層内おける矢印は、それぞれの位置における磁化の向きを示している。図１４の２つの図は、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１４（Ａ）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１４（Ｂ）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１４（Ａ）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１４（Ｂ）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１５（Ａ）,（Ｂ）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。図５に示される記録層３も同様な磁化分布状態となる。

戻って、先にも説明したように、図５に示される記録層３は、磁化容易軸６３の右側部分は円弧７０１からなっている。ＭＲＡＭを高集積化した場合、記録層３を形成するためのフォトリソグラフィーやエッチング工程などに起因して、曲率の小さい形状の制御は困難となる。しかしながら、図５における円弧７０１は記録層の最大長さと同じ長さを有する円弧であり、制御が容易でばらつきの影響は小さい。ここでは円弧を示したが、他の曲線であっても良い。

以上の記録層３は、形状による磁化分布を利用している。一般的に記録層の反転磁界は、膜自体が有する異方性と形状の異方性の両者によって記述される。本実施の形態における記録層３において、前述の効果を得るためには形状磁気異方性の寄与を相対的に大きくする必要がある。このためには、膜自体の異方性を小さくし、且つ記録層内において均質な特性を得る必要があり、これを充たすためには非晶質が適する。

図１６には、ホウ素の含有量が１０、２０、３０（ａｔ％）とされた３種類のコバルト鉄ホウ素合金について、保磁力のアニール温度依存性を示すグラフである。横軸は、アニール温度（℃）を示し、縦軸は保磁力（Oe（エルステッド））を示す。なお、グラフ中の破線Ｌ１は、ホウ素の含有量が１０（ａｔ％）のコバルト鉄ホウ素合金の特性を示す。実線Ｌ２は、ホウ素の含有量が２０（ａｔ％）のコバルト鉄ホウ素合金の特性を示す。二点鎖線Ｌ３は、ホウ素の含有量が３０（ａｔ％）のコバルト鉄ホウ素合金の特性を示す。それぞれの含有量において、アニール温度の上昇による保磁力の増大が観測されている。これらは、非晶質の合金が、熱によって結晶化した結果である。１０（ａｔ％）の場合は２７５℃、２０（ａｔ％）では３００度でそれぞれ増大が観測されている。すなわち、ホウ素の含有量が少ない場合において、より低い温度で結晶化が進行する。

図１７は、ホウ素の含有量が２０（ａｔ％）、３０（ａｔ％）とされた２種類のコバルト鉄ホウ素合金において、反転磁界のアニール温度依存性を示すグラフである。横軸は、アニール温度（℃）を示し、縦軸は、反転磁界（Oe）を示す。実線Ｌ４は、ホウ素の含有量が２０（ａｔ％）のコバルト鉄ホウ素合金の特性を示し、破線Ｌ５は、ホウ素の含有量が３０（ａｔ％）のコバルト鉄ホウ素合金の特性を示す。ホウ素の含有量が２０（ａｔ％）のコバルト鉄ホウ素合金では３００℃から３２５℃の間で反転磁界の大幅な増大が観測されている。この際、図１８に示す反転磁界のバラツキも大幅に増大している。これは、結晶化に伴う結晶磁気異方性エネルギーの増大と、その局所的な分散が増大したためである。

なお、図１８に示すグラフの横軸は、アニール温度（℃）を示し、縦軸は、反転磁界のばらつきを示す。グラフ中の実線Ｌ６は、ホウ素の含有量が２０（ａｔ％）とされた複数のコバルト鉄ホウ素合金膜における反転磁界のばらつきを示す。破線Ｌ７は、ホウ素の含有量が３０（ａｔ％）とされた複数のコバルト鉄ホウ素合金膜における反転磁界のばらつきを示す。

一般的な配線工程は３００℃程度で実施されるため、３００℃熱処理前後の保磁力の増大率について、ホウ素の含有量依存性を評価した結果を図１９に示す。図１９に示すグラフの横軸は、コバルト鉄合金膜に含まれるホウ素の含有量を示し、縦軸は、３００℃のアニールを施した後におけるコバルト鉄合金膜の保磁力の増大率を示す。図１９のグラフは、図中のプロットに示すように、ホウ素の含有量を異ならせた複数種類のコバルト鉄ホウ素合金について、保磁力の増大率を示す。

図１９に示すように、２１（ａｔ％）以下で熱処理後の保磁力の増大が顕著である。すなわち、３００℃の熱処理を考慮した場合は、ホウ素が２１（ａｔ％）以下の場合は、図１７、１９に示される反転磁界の増大やそのバラツキが増大することが分かる。記録層３の反転磁界が増大すると、書込み電流が増大する。複数の記録層３の中で反転磁界のばらつきが生じると、書込みの信頼性の低下が発生する。

その一方で、２１（ａｔ％）よりも高いコバルト鉄ホウ素合金膜を記録層３として採用した場合には、熱処理前後の変化は小さく、製造工程に対しても安定な特性を得ることができることがわかる。このため、ホウ素の含有量が２１（ａｔ％）よりも高いコバルト鉄ホウ素合金膜、より好ましくは、ホウ素の含有量が２２（ａｔ％）以上のコバルト鉄ホウ素合金膜を記録層３として採用することで、熱処理前後による反転磁界の増大を抑制することができると共に、各記録層３間で反転磁界がばらつくことを抑制することができる。これにより、書込み電流の低減および書込みの信用性を高めることができる。

以上は書込み特性についてであったが、読出し特性において、記録層３におけるコバルト鉄ホウ素合金のホウ素の含有量は影響を与える。図２０は、磁気記憶素子ＭＭにおける抵抗変化率のホウ素含有量依存性を示すグラフである。なお、横軸は、ホウ素の含有量（ａｔ％）を示し、横軸は、抵抗変化率を示す。このグラフに示すように、ホウ素の含有量が２０（ａｔ％）付近で最大であり、２５（ａｔ％）以上で急激に減少する。すなわち、読出し動作の観点では、ホウ素の含有量は２５（ａｔ％）以下であるのが好ましい。

このように、記録層３は、好ましくは、コバルトと鉄とホウ素とを主成分とし、残部が不可避的な不純物とされたコバルト鉄ホウ素合金膜であって、ホウ素が２１（ａｔ％）よりも高く２５（ａｔ％）以下のコバルト鉄ホウ素合金膜から形成する。

このような合金膜から形成された記録層３を搭載された磁気記憶装置によれば、書込み電流とそのバラツキを抑制し、且つ読出し動作においても大きな信号が得られることから高速な動作が可能である。ＭＲＡＭのような高集積化デバイスでは、複数の記録層間における磁気特性のバラツキが大きくなると、その書込み特性の制御が困難となる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る磁気記憶装置について図２１を用いて説明する。図２１は、本実施の形態２に係る磁気記憶装置に搭載された記録層の平面図である。記録層３を構成する材料は実施の形態１と同様であり、コバルト鉄ホウ素からなる。ホウ素の含有量は、２１（ａｔ％）よりも高く、２２（ａｔ％）である。ここでの記録層３の形状は、平面形状において、磁化容易軸６３の右側部分は、楕円の円弧７０１からなる。磁化容易軸６３の左側部分は、曲線部分７０６を有しており、その上下において同一の曲率を有する曲線部分７０４ａおよび７０４ｂと接続し、曲線部分７０４ａおよび７０４ｂはそれぞれ、楕円の円弧７０１と接続される。曲線部分７０４ａおよび７０４ｂは、同一の曲率である本実施の形態においても、図５に示される形状と同様な効果が得られる。曲線部分７０６で示される凹部を有するため、磁化容易軸に対して非対称な形状の効果がより大きく得られる。その他の動作および効果については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
（実施の形態３）
図２２を用いて、本実施の形態３に係る磁気記憶装置について説明する。図２２は、本実施の形態３に係る磁気記憶装置に搭載された記録層３の断面図である。この図２２に示す記録層３は、平面形状やその他の構成は実施の形態１と同様である。厚さ４ｎｍのホウ素を２２（ａｔ％）含有するコバルト鉄ホウ素合金膜３ｂと厚さ１ｎｍの強磁性膜３ａとの積層構造とされている。強磁性膜３ａは、トンネル絶縁層２の上面に接触するように形成されており、コバルト鉄ホウ素合金膜３ｂは、強磁性膜３ａの上面に接触するように形成されている。

トンネル絶縁層２は、たとえば、Ａｌ₂Ｏ₃膜から形成されている。強磁性膜３ａは、コバルト鉄合金や例えば、ホウ素の含有量が２２（ａｔ％）よりも少ないコバルト鉄ホウ素合金が採用される。具体的には、強磁性膜３ａは、コバルトと鉄とホウ素とを含み、ホウ素が２２ａｔ％より少ないコバルト鉄ホウ素合金膜、または、コバルトと鉄とを主成分とし、残部が不可避的な不純物とされたコバルト鉄合金膜が採用される。コバルト鉄ホウ素合金３ｂは、好ましくは、コバルトと鉄とホウ素とを主成分とし、残部が不可避的な不純物とされたコバルト鉄ホウ素合金膜であって、ホウ素が２２（ａｔ％）以上２５（ａｔ％）以下のコバルト鉄ホウ素合金膜とされる。

コバルト鉄ホウ素合金膜３ｂは、強磁性膜３ａよりも厚いため、磁化反転はコバルト鉄ホウ素合金膜３ｂの特性が支配的となる。読出し特性については、強磁性膜３ａの特性が得られ、強磁性膜３ａは、図２０に示すように、抵抗変化率が高いという特性を有する。２層の強磁性膜の組合せにより、書込み特性と読み出し特性の独立した制御が可能となる。
（実施の形態４）
図２３を用いて、本実施の形態４に係る磁気記憶装置について説明する。図２３は、本実施の形態４に係る磁気記憶装置に搭載された記録層３の断面図である。この図２３に示すように、記録層３は、厚さ５ｎｍのホウ素を２２（ａｔ％）含有するコバルト鉄ホウ素合金膜３ｂと、厚さ１ｎｍのルテニウム膜１０１と、厚さ１ｎｍの強磁性膜３ａとの積層構造から構成されている。強磁性膜３ａがトンネル絶縁層２であるＡｌ₂Ｏ₃膜の上面に形成されており、ルテニウム膜１０１がコバルト鉄合金膜３ｂの上面に形成されている。ルテニウム膜１０１の上面にコバルト鉄ホウ素合金膜３ｂが形成されている。この場合は、コバルト鉄ホウ素合金膜３ｂと強磁性膜３ａのそれぞれの磁化は、ルテニウム膜１０１を介して、反強磁性的に結合している。これによって、記録層３の見かけ上の磁化は２層の強磁性膜の磁化の差分で表される。

上記の構成を用いることで、書込み電流を増大することなく、記録層３の体積を増大することが可能である。これによって、微細化した際の熱による磁化の揺らぎを抑制することが可能となり、データ保持の信頼性が向上する。

なお、本実施の形態４の記録層３も、コバルト鉄合金膜を含むため、上記実施の形態３の記録層３と同様に、強磁性膜３ａの読出し特性を得ることができる。その他の動作については実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。なお、本実施の形態４においても、コバルト鉄ホウ素合金膜３ｂは、好ましくは、コバルトと鉄とホウ素とを主成分とし、残部が不可避的な不純物とされたコバルト鉄ホウ素合金膜であって、ホウ素が２２（ａｔ％）以上２５（ａｔ％）以下のコバルト鉄ホウ素合金膜とされる。また、強磁性膜３ａも、コバルトと鉄とホウ素とを含み、ホウ素が２２（ａｔ％）より少ないコバルト鉄ホウ素合金膜、または、コバルトと鉄とを主成分とし、残部が不可避的な不純物とされたコバルト鉄合金膜が採用される。

ＭＲＡＭのような高集積化デバイスでは、記録層３の形状を、全ての磁気記憶素子ＭＭに対して同じに仕上げることは事実上困難である。そこで、実用的観点からは、マトリクス状に並んだ磁気記憶素子の記録層３の膜面方向形状の非対称性に起因した磁化反転時の配線電流ばらつきを抑制できる記録層の形状として、上記図５、図１３および図２１に示す形状を紹介したが、記録層３の形状の他の変形例を図２４から図２６に示す。

この図２４から図２６に示す例においても、記録層３の平面形状は、磁化容易軸６３に対して非対称となるように形成されており、磁化困難軸６４に対して線対称となるように形成されている。さらに、図２４から図２６に示す例においても、記録層３は磁化容易軸６３の延在方向に最大長さを有し、磁化困難軸６４の延在方向の長さは、最大長さの半分よりも短くなっている。記録層３のうち、磁化容易軸６３に対して右側（一方側）に位置する部分は、左側（他方側）に位置する部分よりも、磁化容易軸６３からの長さが長くなるように形成されている。そして、記録層３のうち、磁化容易軸６３よりも右側に位置する部分の外縁は、円弧７０１とされている。このため、図２４から図２６に示す例においても、上記図５等に示す例と同様の効果を得ることができる。

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おいて、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。

１ 固着層、２ トンネル絶縁層、３ｂ コバルト鉄ホウ素合金膜、３ａ コバルト鉄合金膜、３ 記録層、１１ 半導体基板、１２ 素子分離絶縁膜、１３ａ コンタクトホール、１３ 層間絶縁膜、１４ 接続部材、１５ 層間絶縁膜、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 開口部、１６ 配線層、１７ａ コンタクトホール、１７ 層間絶縁膜、１８ 接続部材、１９ 導電層、２０ 保護膜、２０ｎｍ 膜厚約、２１ａ，２１ｂ コンタクトホール、２１ 層間絶縁膜、２２ 含有量、２３ 接続部材、２３ａ 開口部、２４ 層間絶縁膜、２４ａ 開口部、２５ 配線層、２６ 層間絶縁膜、２７ 接続部材、２８ 層間絶縁膜、２９ 配線層、３５，３６ アステロイド曲線、４６，４７ 領域、５３ａ，５５ａ 矢印、６３ 磁化容易軸、６４ 磁化困難軸、９１ 矢印、１０１ ルテニウム膜、７０１ 円弧、７０３ 直線部分、７０４ａ，７０４ｂ，７０４ａ 曲線部分、７０５ 直線部、７０６ 曲線部分、７０７ 直線部、７０８ａ，７０８ｂ 曲線部、７０９ａ，７０９ｂ 直線部、ＢＬ ビット線、ＣＰ 交差点、Ｄ ドレイン領域、Ｇ ゲート電極、ＧＩ ゲート絶縁膜、Ｈｘ，Ｈｙ 磁界、ＩＢＬ ビット線電流、ＩＷＴ ライト線電流、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 ドレイン領域、ＳＩ 側壁絶縁膜、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 (8)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた第１配線と、
   前記第１配線に対して前記基板の厚み方向に間隔をあけて配置され、前記第１配線の延在方向と交差する方向に延びる第２配線と、
   前記第１配線および前記第２配線の間に位置する磁気記憶素子と、
   を備え、
   前記磁気記憶素子は、磁化方向が固定された固定層と、外部磁界によって磁化方向が変化する記録層とを含み、
   前記記録層は合金膜を含み、
   前記合金膜はコバルトと鉄とホウ素とを含み、前記ホウ素は２１ａｔ％より高い、磁気記憶装置。
2. 前記ホウ素は２５ａｔ％以下である、請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記記録層は、前記合金膜よりも薄い第１強磁性膜および前記合金膜の積層膜である、請求項１または請求項２に記載の磁気記憶装置。
4. 前記磁気記憶素子は、前記記録層および前記固定層間に設けられたトンネル絶縁膜を含み、
   前記第１強磁性膜は、前記トンネル絶縁膜上に形成され、前記合金膜は、前記第１強磁性膜上に形成された、請求項３に記載の磁気記憶装置。
5. 前記第１強磁性膜は、コバルトと鉄と２２ａｔ％より少ないホウ素とを含むコバルト鉄ホウ素合金膜、または、コバルトと鉄とを主成分とし、残部が不可避的な不純物とされたコバルト鉄合金膜である、請求項３または請求項４に記載の磁気記憶装置。
6. 前記記録層は、前記合金膜よりも薄い第２強磁性膜と、前記第２強磁性膜および前記合金膜の間に配置された非磁性膜とを含む、請求項１または請求項２に記載の磁気記憶装置。
7. 前記磁気記憶素子は、前記記録層および前記固定層の間に設けられたトンネル絶縁膜を含み、
   前記第２強磁性膜は、前記トンネル絶縁膜上に設けられ、前記非磁性膜は、前記第２強磁性膜上に設けられ、前記合金膜は前記非磁性膜上に設けられた、請求項６に記載の磁気記憶装置。
8. 前記記録層が磁化し易い方向を磁化容易方向とし、
   前記記録層の前記磁化容易方向の長さが最大となる位置を通り、前記磁化容易方向に延びる仮想軸を磁化容易軸とすると、
   前記記録層の平面形状は、前記磁化容易軸に対して非対称になるように形成された、請求項１から請求項７のいずれかに記載の磁気記憶装置。

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