JP4373938B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗素子を有する磁気ランダムアクセスメモリに関する。

近年、半導体メモリの一種として、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel Magneto-resistance）効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が提案されている。

磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルには、固定層と記録層とこれら固定層及び記録層に挟まれたトンネルバリア層とを有するＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子が備えられている。このＭＴＪ素子の検討を進めた結果、ＭＴＪ素子の平面形状を、容易軸方向及び困難軸方向の両方に太くする、すなわち十字形状にすることで、アステロイド特性を向上できることが分かってきた。

しかしながら、実際に、十字形状のＭＴＪ素子を量産性のあるプロセスで形成することは難しい。例えば、容易軸方向（ＭＴＪ素子の長軸方向）に延在するマスクＭ１と困難軸方向（ＭＴＪ素子の短軸方向）に延在するマスクＭ２との２枚のマスクＭ１，Ｍ２を用いて、２ステップでＭＴＪ素子を加工することも考えられる。しかし、２枚のマスクＭ１，Ｍ２による形状を単に重ね合わせると、困難軸方向の合わせずれに対するマージンが小さく、所望のアステロイド特性を得られない。

本発明は、いわゆる十字形状の磁気記録素子において、短軸方向に突出する部分の合わせずれを抑制し、アステロイド特性の向上を図ることが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供する。

本発明は、前記課題を解決するために以下に示す手段を用いている。

本発明の一視点による磁気ランダムアクセスメモリは、磁化の方向が固定された固定層と、磁化の方向が変化する記録層と、前記固定層及び前記記録層間に設けられた非磁性層とを有し、前記記録層は磁化容易軸方向に延在する第１の延在部とこの第１の延在部の両側面から突出する第１及び第２の突出部とを備えた磁気記録素子と、前記第１の延在部上に配置され、前記第１の延在部の加工のために用いられるマスク層と、前記マスク層の両側面にそれぞれ形成され、前記第１及び第２の突出部上にそれぞれ配置され、前記第１及び第２の突出部の加工のために用いられる第１及び第２の側壁層とを具備する。

本発明によれば、いわゆる十字形状の磁気記録素子において、短軸方向に突出する部分の合わせずれを抑制し、アステロイド特性の向上を図ることが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。

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。

［第１の実施形態］
第１の実施形態は、磁気記録素子であるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子がいわゆる十字形状であって、ＭＴＪ素子の長軸方向に沿った２本の平行な側壁層を用いて、
短軸方向に突出する突出部分を自己整合的に形成するものである。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの平面図及び断面図を示す。図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの斜視図を示す。図３は、本発明の第１の実施形態に係る十字形状の記録層の平面図を示す。以下に、第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）、図２、図３に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁化の方向が固定された固定層（ピン層）１１と、磁化の方向が反転する記録層（フリー層）１３と、固定層１１及び記録層１３に挟まれた非磁性層（例えばトンネルバリア層）１２とを有する。このＭＴＪ素子１０上には拡散防止膜１４が設けられ、この拡散防止膜１４上にはストッパー膜１５が設けられている。さらに、ストッパー膜１５上に絶縁性のマスク層１６が設けられ、このマスク層１６のＹ方向における側面に絶縁性の一対の側壁層１７ａ，１７ｂが設けられている。

記録層１３は、いわゆる十字型の平面形状となっている。この十字型の平面形状は、Ｘ方向に延在する延在部１３ａと、この延在部１３ａのＹ方向（例えばＸ方向に対して垂直な方向）における側面からＹ方向に突出する突出部１３ｂ，１３ｃとで構成されている。ここで、延在部１３ａの延在方向が長軸方向となるため、Ｘ方向が磁化容易軸方向となり、突出部１３ｂ，１３ｃの突出方向が短軸方向となるため、Ｙ方向が磁化困難軸方向となる。

延在部１３ａの中心軸（Ｙ方向における幅の中心を通る軸）Ｌから突出部１３ｂのＹ方向の端面までの距離Ｐ１と、延在部１３ａの中心軸Ｌから突出部１３ｃのＹ方向の端面までの距離Ｐ２とは、ほぼ同じである。つまり、ＭＴＪ素子１０の困難軸方向の突出部１３ｂ，１３ｃの合わせずれが抑制できている。

固定層１１は、長方形の平面形状となっている。この固定層１１の平面形状は、記録層１３の平面形状よりも大きい。

マスク層１６は、延在部１３ａの上方に配置されている。このマスク層１６の平面形状は、延在部１３ａの平面形状とほぼ同じになっている。マスク層１６及び延在部１３ａの平面形状は、例えばＸ方向が長軸方向となる楕円である。

側壁層１７ａ，１７ｂは、突出部１３ｂ，１３ｃの上方に配置されている。この側壁層１７ａ，１７ｂの平面形状は、突出部１３ｂ，１３ｃの平面形状とほぼ同じになっている。側壁層１７ａ，１７ｂ及び突出部１３ｂ，１３ｃの平面形状は、例えばＸ方向が長軸方向となる長方形である。

側壁層１７ａ，１７ｂは、マスク層１６のＹ方向における側面の一部にそれぞれ設けられ、マスク層１６を挟んで対向している。側壁層１７ａのＹ方向の長さＳ１は、側壁層１７ｂのＹ方向の長さＳ２とほぼ同じである。

拡散防止膜１４及びストッパー膜１５の平面形状は、記録層１３と同じいわゆる十字形状となっている。また、ＭＴＪ素子１０の非磁性層１２の平面形状は、固定層１１と同じ長方形となっている。

上部配線２８は、ＭＴＪ素子１０に上方に配置されており、ＭＴＪ素子１０と電気的に接続されている。つまり、上部配線２８にビア１９が接続され、このビア１９がマスク層１６を貫通し、ストッパー膜１５及び拡散防止膜１４を介して、ＭＴＪ素子１０に接続されている。また、ビア１９の一部が側壁層１７ａ上に乗り上げていてもよい。

尚、ＭＴＪ素子１０の固定層１１の下には、固定層１１の磁化向きを固定するための反強磁性層を設けてもよい。

上記のような磁気ランダムアクセスメモリにおいて、各構成要素は、例えば以下のような材料で形成されている。

固定層１１及び記録層１３の材料には、次のような強磁性材料が用いられる。例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、それらの積層膜、又はそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ_２，ＲＸＭｎＯ_３−Ｙ（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）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、例えば、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かまわない。

拡散防止膜１４は、記録層１３及びマスク層１６間の拡散を防止するために設けられた層であり、例えば、Ｒｕ，アルミナ，窒化物（ＺｒＮ，ＴｉＮ，ＴａＮ）等で形成されている。

ストッパー膜１５は、ビア１９の開口時のエッチングストッパーの役目を果たすために設けられた膜であり、例えば、ＴｉＮ等で形成されている。

マスク層１６は、例えば、ＳｉＮ膜，ＳｉＯ_２膜等で形成されている。

側壁層１７ａ，１７ｂは、マスク層１６とエッチングの選択比がとれる材料で形成することが望ましく、すなわち、マスク層１６と異なる材料で形成するとよい。また、側壁層１７ａ，１７ｂは、ＭＴＪ素子１０の周囲を埋め込む層間絶縁膜とエッチングの選択比がとれる材料で形成することが望ましく、すなわち、層間絶縁膜と異なる材料で形成するとよい。側壁層１７ａ，１７ｂは、例えば、ＳｉＮ，ＳｉＯ_２，ＡｌＯ等からなる。

ＭＴＪ素子１０の周囲の層間絶縁膜の材料としては、例えば、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜等があげられる。

図４乃至図９は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造工程の断面図を示す。以下に、第１の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について説明する。

まず、図４に示すように、固定層１１、非磁性層１２、記録層１３、拡散防止膜１４、ストッパー膜１５及びマスク層１６が順に堆積される。次に、リソグラフィ及びＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、マスク層１６が第１の形状に加工される。この第１の形状は、例えば、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸方向となるＸ方向を長軸とする楕円形状である。

次に、図５に示すように、例えばＳｉＮ膜からなる側壁層１７が堆積される。その後、例えばＲＩＥ法を用いて、側壁層１７がエッチングされる。これにより、マスク層１６の側面全体に側壁層１７が残る。

次に、図６に示すように、リソグラフィを用いて、第２の形状のフォトレジスト１８が形成される。この第２の形状は、例えば、Ｘ方向に直交するＹ方向が長軸方向となる長方形や楕円等である。

次に、図７に示すように、フォトレジスト１８をマスクとして、このフォトレジスト１８から露出した部分の側壁層１７が除去される。これにより、マスク層１６のＹ方向における側面の一部に、一対の側壁層１７ａ，１７ｂが形成される。その後、フォトレジスト１８が剥離される。

次に、図８に示すように、側壁層１７ａ，１７ｂ及びマスク層１６を用いて、記録層１３、拡散防止膜１４及びストッパー膜１５が例えばＲＩＥでエッチングされる。これにより、いわゆる十字型の記録層１３の突出部が自己整合的に形成される。

次に、図９に示すように、固定層１１及び非磁性層１２が例えばＲＩＥでエッチングされ、所定の形状に加工される。

次に、図２に示すように、層間絶縁膜（図示せず）が堆積され、この層間絶縁膜の上面が平坦化される。次に、ＲＩＥによってマスク層１６が選択的に除去され、導電材が埋め込まれる。これにより、ＭＴＪ素子１０に電気的に接続するビア１９が形成される。最後に、ビア１９に接続する上部配線２８が形成される。尚、ビア１９及び上部配線２８は、デュアルダマシンプロセスを用いて形成してもよい。

上記第１の実施形態によれば、ＭＴＪ素子１０上にマスク層１６を形成し、このマスク層１６の側面に一対の側壁層１７ａ，１７ｂを形成した後、マスク層１６及び側壁層１７ａ，１７ｂを用いてＭＴＪ素子１０の加工を行うことで、いわゆる十字形状のＭＴＪ素子１０を形成している。このため、突出部１３ｂ，１３ｃは、側壁層１７ａ，１７ｂによって、延在部１３ａに対して自己整合的に形成することができる。従って、短軸方向（困難軸方向）に突出する突出部１３ｂ，１３ｃの合わせずれが抑制でき、アステロイド特性の向上を図ることができる。このように、第１の実施形態により、比較的短い工程で、誤書き込み耐性の高い、十字型のＭＴＪ素子１０の作成が実現できる。

また、ＭＴＪ素子１０と上部配線２８とを接続するビア１９を形成するにあたり、側壁層１７ａ，１７ｂが存在することで、ビア１９を開口するためのＲＩＥ時に、側壁層１７ａ，１７ｂを超えてＭＴＪ素子１０の側面の層間絶縁膜がエッチングされることを防止できる。従って、ＭＴＪ素子１０とビア１９との合わせ余裕の小さい短軸方向（磁化困難軸方向）のリソグラフィの合わせずれを側壁層１７ａ，１７ｂで抑制することができるため、ＭＴＪ素子１０のショートによる歩留まりを大幅に改善することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、ＭＴＪ素子と上部配線との接続にビアを用いずに、導電性のマスク層を上部配線に直接接続する例である。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの断面図を示す。以下に、第２の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。

図１０に示すように、第２の実施形態において、上記第１の実施形態と異なる点は、ＭＴＪ素子１０と上部配線２８との接続にビアを用いていない点である。従って、マスク層１６を導電性の材料で形成し、このマスク層１６に上部配線２８を直接接続することで、上部配線２８とＭＴＪ素子１０とを電気的に接続している。つまり、マスク層１６がビアの役目を有している。この導電性のマスク層１６の材料としては、例えば、Ａｌ，Ｃｕ等があげられる。

上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、第２の実施形態では、ビアを用いないため、ビア形成工程を省略できるという利点がある。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、第２の実施形態と同様にビアを用いずに上部配線とＭＴＪ素子とを接続するものであり、導電性の側壁層を上部配線に直接接続する例である。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの断面図を示す。以下に、第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。

図１１に示すように、第３の実施形態において、上記第２の実施形態と異なる点は、マスク層１６は絶縁性の材料で形成し、側壁層１７ａ，１７ｂは導電性の材料で形成し、この側壁層１７ａ，１７ｂを上部配線２８と直接接続している点である。この導電性の側壁層１７ａ，１７ｂの材料としては、例えば、Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔａ等の非磁性金属があげられる。

上記第３の実施形態によれば、ビアを用いないため、上記第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第３の実施形態では、側壁層１７ａ，１７ｂに導電性の材料を用いることで、マスク層１６を絶縁性の材料で形成することができる。従って、マスク層１６に、ＲＩＥで形状の制御をすることが比較的困難なメタルを用いずに済むため、厚いマスク層１６の形状が制御し易くなる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、第２の実施形態と同様にビアを用いずに上部配線とＭＴＪ素子とを接続するものであり、磁性体からなる側壁層と上部配線の周囲に設けたヨーク層とを直接接続する例である。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの断面図を示す。以下に、第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。

図１２に示すように、第４の実施形態において、上記第１の実施形態と異なる点は、上部配線２８の上面及び側面に磁性体からなるヨーク層２０を設け、このヨーク層２０と磁性体からなる側壁層１７ａ，１７ｂとを直接接続する点である。これにより、上部配線２８とＭＴＪ素子１０とは、ヨーク層２０、側壁層１７ａ，１７ｂ及びストッパー膜１５及び拡散防止膜１４を介して電気的に接続される。ヨーク層２０及び側壁層１７ａ，１７ｂの磁性材料としては、上述する記録層１３や固定層１１と同様の材料を用い、必要に応じてＴａ，Ｔｉ等の非磁性元素を含むバリアメタルと積層してもよい。尚、マスク層１６は絶縁性の材料からなるが、導電性の材料で形成することも可能である。

上記第４の実施形態によれば、ビアを用いないため、上記第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、上部配線２８の周囲にヨーク層２０を設け、このヨーク層２０と側壁層１７ａ，１７ｂとが接している。このため、書き込み動作時、上部配線２８に書き込み電流を流して磁場を発生させた場合、この磁場が紙面の縦方向に閉じるため、ＭＴＪ素子１０の付近に磁場を閉じ込めることができる。従って、磁場をＭＴＪ素子１０により強く与えることが可能となるため、書き込みマージンを広げることができ、さらに書き込み電流を低減することができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態は、ＭＴＪ素子の記録層の平面形状の例を説明する。尚、本実施形態の記録層の平面形状は、他の実施形態に適用することが可能である。

図１３（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第５の実施形態に係る記録層の平面図を示す。記録層の平面形状は、図１（ａ）に示す形状に限定されず、例えば以下のように種々変更することが可能である。

図１３（ａ）乃至（ｄ）に示すように、記録層１３は、いわゆる十字型の平面形状となっている。この十字形状は、Ｘ方向（磁化容易軸方向）に延在する延在部１３ａと、この延在部１３ａのＹ方向（磁化困難軸方向）における側面からＹ方向に突出する突出部１３ｂ，１３ｃとで構成されている。

ここで、図１３（ａ）に示すように、突出部１３ｂ，１３ｃのコーナーは、角張っていることに限定されず、丸まっていてもよい。すなわち、２つの楕円が交差するような形状となっていてもよい。

また、図１３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、突出部１３ｂ，１３ｃは延在部１３ａの側面からＹ方向よりも傾いて突出してもよい。すなわち、楕円と平行四辺形とが交差するような形状になっていてもよい。

また、図１３（ｄ）に示すように、Ｘ方向に延在する延在部１３ａは角が丸まった平行四辺形のような形状とし、この延在部１３ａのＹ方向（磁化困難軸方向）における側面からＹ方向に突出する突出部１３ｂ，１３ｃを延在部１３ａの側面部に自己整合的に形成してもよい。

上記第５の実施形態に係る記録層１３の平面形状でも、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態は、ＭＴＪ素子の固定層の形状の例を説明する。尚、本実施形態の固定層の形状は、他の実施形態に適用することが可能である。

図１４（ａ）、（ｂ）及び図１５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る固定層の平面図及び斜視図を示す。固定層の形状は、上記第１乃至第４の実施形態の形状に限定されず、例えば以下のように種々変更することが可能である。

図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、固定層１１は、記録層１３と同じ平面形状でもよい。すなわち、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３が同じ十字形状となっており、これらの側面が全て一致している。

図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、固定層１１は、記録層１３よりも一回り大きな十字型の平面形状でもよい。この場合は、固定層１１は、Ｘ方向（磁化容易軸方向）に延在する延在部１１ａと、この延在部１１ａのＹ方向（磁化困難軸方向）における側面からＹ方向に突出する突出部１１ｂ，１１ｃとで構成されている。尚、十字型に形成された記録層１３の周囲にさらに側壁層を設けることで、固定層１１を記録層１３に対して自己整合的に十字形状にすることも可能である。この側壁層としては，例えばＳｉＮ，ＡｌＯ等の材料を用いるのがよい。

上記第６の実施形態に係る固定層１１の形状でも、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第７の実施形態］
第７の実施形態は、ＭＴＪ素子の構造例として、（ａ）トンネル接合構造、（ｂ）層間交換結合構造について説明する。尚、本実施形態のＭＴＪ素子の構造は、他の実施形態に適用することが可能である。

（ａ）トンネル接合構造
図１６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第７の実施形態に係るＭＴＪ素子のトンネル接合構造の断面図を示す。ＭＴＪ素子は、上記第１乃至第４の実施形態のシングルジャンクション構造に限定されず、例えば以下のように種々変更することが可能である。

図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、トンネル接合層として機能する非磁性層１２−１，１２−２を２層有する２重トンネル接合構造でもよい。すなわち、記録層１３の一端には、第１の非磁性層１２−１ａを介して第１の固定層１１−１が設けられ、記録層１３の他端には、第２の非磁性層１２−２を介して第２の固定層１１−２が設けられている。

ここで、図１６（ａ）の構造のように、ＭＴＪ素子１０を構成する各層が全て同じ十字型の平面形状でもよい。また、図１６（ｂ）の構造のように、第１の固定層１１−１及び第１の非磁性層１２−１の平面形状は、記録層１３、第２の非磁性層１２−２及び第２の固定層１１−２の十字型の平面形状より大きくてもよく、四角形でも十字形状でもよい。

上記第７の実施形態に係るダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子１０によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、ＭＴＪ素子１０がダブルジャンクション構造のため、シングルジャンクション構造と比べて、１つのトンネル接合あたりのバイアス電圧が印加電圧の１／２になるので、バイアス電圧の増大に伴うＭＲ（Magneto Resistive）比の減少を抑制できるという効果が得られる。

（ｂ）層間交換結合構造
図１７（ａ）乃至（ｈ）は、本発明の第７の実施形態に係るＭＴＪ素子の層間交換結合構造の断面図を示す。ＭＴＪ素子の固定層及び記録層は、上記第１乃至第４の実施形態の単層構造に限定されず、例えば以下のように種々変更することが可能である。

図１７（ａ）乃至（ｈ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、固定層１１及び記録層１３のうち少なくとも一方が、反強磁性結合構造又は強磁性結合構造となっていてもよい。ここで、反強磁性結合構造は、非磁性層を挟む２枚の強磁性層の磁化方向が反平行（逆向き）となるように層間交換結合した構造であり、強磁性結合構造は、非磁性層を挟む２枚の強磁性層の磁化方向が平行（同じ向き）となるように層間交換結合した構造である。

図１７（ａ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図１７（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０は、固定層１１が反強磁性結合構造となっている。すなわち、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図１７（ｃ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図１７（ｄ）に示すＭＴＪ素子１０は、固定層１１が強磁性結合構造となっている。すなわち、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図１７（ｅ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３及び固定層１１の両方が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図１７（ｆ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３及び固定層１１の両方が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図１７（ｇ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が反強磁性結合構造となっており、固定層１１が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図１７（ｈ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が強磁性結合構造となっており、固定層１１が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

尚、図１７（ａ）乃至（ｈ）では、シングルジャンクション構造のＭＴＪ素子１０を例にあげて説明したが、ダブルジャンクション構造のＭＴＪ素子１０にも勿論適用できる。また、固定層１１及び記録層１３は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層からなることに限定されず、さらに層数を増やすことも可能である。

上記第７の実施形態に係る層間交換結合構造のＭＴＪ素子１０によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、ＭＴＪ素子１０が層間交換結合構造であるため、固定層１１及び記録層１３が単層の場合に比べて、漏れ磁場を低減することができる。

［第８の実施形態］
第８の実施形態では、上記各実施形態におけるＭＴＪ素子１０を記憶素子として用い、複数のＭＴＪ素子をアレイ状に配置した磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。以下に、メモリセル構造の一例である、（ａ）選択トランジスタ型、（ｂ）選択ダイオード型、（ｃ）クロスポイント型、（ｄ）トグル（Toggle）型のセルについて述べる。

（ａ）選択トランジスタ型
図１８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第８の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す。以下に、選択トランジスタ型におけるセル構造について説明する。

図１８（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択トランジスタ型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０につながるトランジスタ（例えばＭＯＳトランジスタ）Ｔｒと、ビット線（ＢＬ）２８と、ワード線（ＷＷＬ）２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

具体的には、ＭＴＪ素子１０の一端は、ベース金属層２７、コンタクト２４ａ，２４ｂ，２４ｃ及び配線２５ａ，２５ｂを介して、トランジスタＴｒの電流経路の一端（ドレイン拡散層）２３ａに接続されている。一方、ＭＴＪ素子１０の他端は、マスク層１６を介して、ビット線２８に接続されている。ＭＴＪ素子１０の下方には、ＭＴＪ素子１０と電気的に分離された書き込みワード線２６が設けられている。トランジスタＴｒの電流経路の他端（ソース拡散層）２３ｂは、コンタクト２４ｄ及び配線２５ｃを介して、例えばグランドに接続されている。トランジスタＴｒのゲート電極２２は、読み出しワード線（ＲＷＬ）として機能する。

尚、ベース金属層２７側のＭＴＪ素子１０の一端は、例えば固定層１１であり、ビット線２８側のＭＴＪ素子１０の他端は、例えば記録層１３であるが、その逆の配置でも勿論よい。また、ＭＴＪ素子１０とビット線２８との接続方法は、上記第１，３，４の実施形態のように変更することも可能である。また、ＭＴＪ素子１０は、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸方向をビット線２８の延在方向に向けて配置することも可能であるし、ワード線２６の延在方向に向けて配置することも可能である。

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

まず、書き込み動作は、次のように行われる。複数のＭＴＪ素子１０のうち選択されたＭＴＪ素子１０に対応する書き込みワード線２６及びビット線２８が選択される。この選択された書き込みワード線２６及びビット線２８に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２をそれぞれ流すと、これら書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２による合成磁界ＨがＭＴＪ素子１０に印加される。これにより、ＭＴＪ素子１０の記録層１３の磁化を反転させ、固定層１１及び記録層１３の磁化方向が平行となる状態又は反平行となる状態をつくる。ここで、例えば、平行状態を“１”状態、反平行状態を“０”状態と規定することで、２値のデータの書き込みが実現する。

次に、読み出し動作は、読み出し用スイッチング素子として機能するトランジスタＴｒを利用して、次のように行われる。選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線２８及び読み出しワード線（ＲＷＬ）を選択し、ＭＴＪ素子１０の非磁性絶縁層１２をトンネルする読み出し電流Ｉｒを流す。ここで、接合抵抗値は固定層１１及び記録層１３の磁化の相対角の余弦に比例して変化し、ＭＴＪ素子１０の磁化が平行状態（例えば“１”状態）の場合は低抵抗となり、反平行状態（例えば“０”状態）の場合は高抵抗となる、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が得られる。このため、この抵抗値の違いを読み取ることで、ＭＴＪ素子１０の“１”、“０”状態を判別する。

（ｂ）選択ダイオード型
図１９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第８の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す。以下に、選択ダイオード型におけるセル構造について説明する。

図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択ダイオード型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子につながるダイオードＤと、ビット線（ＢＬ）２８と、ワード線（ＷＬ）２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

ここで、ダイオードＤは、例えばＰＮ接合ダイオードであり、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とで構成されている。このダイオードＤの一端（例えばＰ型半導体層）は、ＭＴＪ素子１０に接続されている。一方、ダイオードＤの他端（例えばＮ型半導体層）は、ワード線２６に接続されている。そして、図示する構造では、ビット線２８からワード線２６へ電流が流れるようになっている。

尚、ダイオードＤの配置箇所や向きは、種々に変更することが可能である。例えば、ダイオードＤは、ワード線２６からビット線２８へ電流が流れる向きに配置してもよい。また、ダイオードＤは、半導体基板２１内に形成することも可能である。また、ダイオードＤは、半導体層と金属層とからなるショットキー接合ダイオードにすることも可能である。

上記のような選択ダイオード型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、ビット線２８及びワード線２６に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を流して、ＭＴＪ素子１０の磁化を平行又は反平行状態にする。

一方、データの読み出し動作も、上記選択トランジスタ型とほぼ同じであるが、選択ダイオード型の場合、ダイオードＤを読み出し用スイッチング素子として利用する。すなわち、ダイオードＤの整流性を利用し、非選択のＭＴＪ素子は逆バイアスとなるようにビット線２８及びワード線２６のバイアスを制御し、選択したＭＴＪ素子１０にのみ読み出し電流Ｉｒが流れるようにする。

（ｃ）クロスポイント型
図２０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第８の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す。以下に、クロスポイント型におけるセル構造について説明する。

図２０（ａ）及び（ｂ）に示すように、クロスポイント型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、ビット線２８と、ワード線２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

具体的には、ＭＴＪ素子１０は、ビット線２８及びワード線２６の交点付近に配置され、ＭＴＪ素子１０の一端はワード線２６に接続され、ＭＴＪ素子１０の他端はマスク層１６を介してビット線２８に接続されている。

上記のようなクロスポイント型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、ビット線２８及びワード線２６に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を流して、ＭＴＪ素子１０の磁化を平行又は反平行状態にする。一方、データの読み出し動作は、選択されたＭＴＪ素子１０に接続するビット線２８及びワード線２６に読み出し電流Ｉｒを流すことで、ＭＴＪ素子１０のデータを読み出す。

（ｄ）トグル型
図２１は、本発明の第８の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのトグル型のメモリセルの平面図を示す。以下に、トグル型におけるセル構造について説明する。

図２１に示すように、トグル型のセルでは、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸が、ビット線２８の延在方向（Ｘ方向）又はワード線２６の延在方向（Ｙ方向）に対して傾くように、換言すると、ビット線２８に流す書き込み電流Ｉｗ１の方向又はワード線２６に流す書き込み電流Ｉｗ２の方向に対して傾くように、ＭＴＪ素子１０を配置する。ここで、ＭＴＪ素子１０の傾きは、例えば３０度乃至６０度程度であり、４５度程度が望ましい。

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

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

上記のような確認サイクルの後、選択セルにデータを書き込む必要がある場合は、２本の書き込み配線（ビット線２８，ワード線２６）を順にＯＮし、先にＯＮした書き込み配線を先にＯＦＦしてから、後にＯＮした書き込み配線をＯＦＦする。例えば、ワード線２６をＯＮして書き込み電流Ｉｗ２を流す→ビット線２８をＯＮして書き込み電流Ｉｗ１を流す→ワード線２６をＯＦＦして書き込み電流Ｉｗ２を流すのをやめる→ビット線２８をＯＦＦして書き込み電流Ｉｗ１を流すのをやめるという４サイクルの手順となる。

一方、データの読み出し動作は、選択されたＭＴＪ素子１０に接続するビット線２８及びワード線２６に読み出し電流Ｉｒを流すことで、ＭＴＪ素子１０のデータを読み出み出せばよい。

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

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリを示す図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る十字形状の記録層を示す平面図。 本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリの製造工程を示す断面図。 図４に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリの製造工程を示す断面図。 図５に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリの製造工程を示す断面図。 図６に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリの製造工程を示す断面図。 図７に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリの製造工程を示す断面図。 図８に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリの製造工程を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリを示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリを示す断面図。 本発明の第４の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリを示す断面図。 図１３（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第５の実施形態に係る記録層を示す平面図。 図１４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る固定層を示す図であり、図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は斜視図。 図１５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る固定層を示す図であり、図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）は斜視図。 図１６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第７の実施形態に係るＭＴＪ素子のダブルジャンクション構造を示す断面図。 図１７（ａ）乃至（ｈ）は、本発明の第７の実施形態に係るＭＴＪ素子の層間交換結合構造を示す断面図。 図１８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第８の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す図であり、図１８（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図１８（ｂ）は１セルを示す断面図。 図１９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第８の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す図であり、図１９（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図１９（ｂ）は１セルを示す断面図。 図２０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第８の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す図であり、図２０（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図２０（ｂ）は１セルを示す断面図。 本発明の第８の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのトグル型のメモリセルを示す平面図。

符号の説明

１０…ＭＴＪ素子、１０ａ，１１ａ，１３ａ…延在部、１０ｂ，１０ｃ，１１ｂ，１１ｃ，１３ｂ，１３ｃ…突出部、１１，１１−１，１１−２…固定層、１２，１２−１，１２−２…非磁性層、１３…記録層、１４…拡散防止膜、１５…ストッパー膜、１６…マスク層、１７，１７ａ，１７ｂ…側壁層、１８…フォトレジスト、１９…ビア、２０…ヨーク層、２１…半導体基板、２２…ゲート電極、２３ａ…ドレイン拡散層、２３ｂ…ソース拡散層、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…コンタクト、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…配線、２６…ワード線、２７…ベース金属層、２８…上部配線（ビット線）、ＭＣ…メモリセル、ＭＣＡ…メモリセルアレイ、Ｔｒ…トランジスタ、Ｄ…ダイオード。

Claims (5)

1. 磁化の方向が固定された固定層と、磁化の方向が変化する記録層と、前記固定層及び前記記録層間に設けられた非磁性層とを有し、前記記録層は磁化容易軸方向に延在する第１の延在部とこの第１の延在部の両側面から突出する第１及び第２の突出部とを備えた磁気記録素子と、
   前記第１の延在部上に配置され、前記第１の延在部の加工のために用いられるマスク層と、
   前記マスク層の両側面にそれぞれ形成され、前記第１及び第２の突出部上にそれぞれ配置され、前記第１及び第２の突出部の加工のために用いられる第１及び第２の側壁層と
   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. 前記第１及び第２の側壁層の材料は、前記マスク層の材料と異な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. 前記第１の延在部の平面形状は、前記マスク層の平面形状と同じ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. 前記第１及び第２の突出部は、互いに前記磁化容易軸方向に対して非対称に配置され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. 前記第１の突出部の突出方向の長さは、前記第２の突出部の突出方向の長さと等しい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。

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