JP5441024B2 - 磁気記憶装置 - Google Patents

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Description

本発明は磁気記憶装置に関し、特に、記録層および固着層を有する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（フリー層）／非磁性層／強磁性層（ピン層）／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、ピン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、フリー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フリー層のスピンが反転される。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。
また上記のピン層を強磁性膜／非磁性膜／強磁性膜からなる積層膜とし、この２つの強磁性膜の各々の磁化を互いに反平行に結合させる技術が、たとえば特許文献１に示されている。この構造が用いられた場合は、単一の強磁性膜が用いられた場合よりも、ピン層がフリー層に与える影響が小さいことが知られている。
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、さら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２、４および５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３、６、７および８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 特許第２７８６６０１号公報 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６００５８００号明細書 特開２００４−２９６８５８号公報 米国特許第６５７０７８３号明細書 特開２００５−３１０９７１号公報
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、ピン層と、記録層およびピン層の間に挟まれる非磁性層とを有している。
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、磁化困難軸に関して対称、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および６に開示されている。
ここで、ＭＲＡＭのような高集積化デバイスでは、記録層の形状を、全ての磁気記憶素子に対して同じに仕上げることは事実上困難であり、この問題は記録層の微細化に伴い顕著になる。すなわちフォトリソグラフィの制御性の困難さから、メモリセル間での記録層の形状ばらつきが大きくなる。このためメモリセル間の書き込み特性にばらつきが生じるため、磁気記憶装置の書き込み特性のばらつきが大きくなる。
上記非対称性を有する記録層においては、形状により磁化分布を制御しているために、形状のばらつきに伴い、ビット間の書き込み特性がばらつく。このばらつきの存在下で各ビットの書き込みを確実に行なうためには、書き込み電流の設定値をより大きくする必要がある。この結果、特に磁化困難軸に印加される磁界が大きくなることで、ピン層の磁化が回転する。ピン層が強磁性膜／非磁性膜／強磁性膜からなる構造が用いられた場合、この互いに反平行結合した２つの強磁性膜における磁化のバランスが崩れ、結果的にピン層と記録層との相互作用が発生する。この影響によって、さらに書き込み電流の制御が困難となる。
すなわち、磁化容易軸に関して非対称となる記録層形状を有する磁気記憶素子は、微細化された場合に、磁気記憶装置の動作が不安定になるという問題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、書き込み特性の安定した磁気記憶装置を提供することである。
本発明の磁気記憶装置は、基板と、第１および第２配線と、記録層と、第１非磁性層と、固着層とを有する。第１配線は、基板上に設けられ、第１の軸を中心軸として第１の軸に沿って延びる部分を有する。第２配線は、基板上に設けられ、第１の軸と交差する第２の軸を中心軸として第２の軸に沿って延びる部分を有し、基板の厚み方向の間隔を空けて第１配線と交差している。記録層は、平面形状を有し、第１配線および第２配線が間隔を空けて互いに交差する領域において第１配線および第２配線に少なくとも一部が挟まれるように配置され、磁化容易軸を有し、第１配線による磁界と第２配線による磁界との合成磁界によって磁化方向が変化するものである。第１非磁性膜は記録層上に設けられている。固着層は第１非磁性膜上に設けられている。固着層は、第１非磁性膜上に設けられ、かつ第１の磁化および第１の膜厚を有する第１強磁性膜と、第１強磁性膜上に設けられた第２非磁性膜と、第２非磁性膜上に設けられ、かつ第１強磁性膜と反平行結合し、かつ第２の磁化および第２の膜厚を有する第２強磁性膜と、第２強磁性膜上に設けられた反強磁性膜とを含む。第１の磁化および第１の膜厚の積と第２の磁化および第２の膜厚の積との和は、記録層の磁化と記録層の膜厚との積よりも小さい。記録層は、磁化容易軸と垂直な軸の方向の長さが磁化容易軸の方向の長さの半分を超えている。記録層は、磁化容易軸と垂直な軸の方向に関して磁化容易軸の方向の長さの半分の長さである第１の長さを有する第１の部分と、磁化容易軸と垂直な軸の方向に関して第１の部分に隣り合う、磁化容易軸と垂直な軸の方向に関する長さが第１の長さより短い第２の長さである第２の部分とを含む。第１の部分の外縁は、外縁の外側に向かって凸の滑らかな曲線のみからなり、第２の部分の外縁は曲線部分と直線部分とからなる。
本発明の磁気記憶装置は、基板と、第１および第２配線と、記録層と、第１非磁性層と、固着層とを有する。第１配線は、基板上に設けられ、第１の軸を中心軸として第１の軸に沿って延びる部分を有する。第２配線は、基板上に設けられ、第１の軸と交差する第２の軸を中心軸として第２の軸に沿って延びる部分を有し、基板の厚み方向の間隔を空けて第１配線と交差している。記録層は、平面形状を有し、第１配線および第２配線が間隔を空けて互いに交差する領域において第１配線および第２配線に少なくとも一部が挟まれるように配置され、磁化容易軸を有し、第１配線による磁界と第２配線による磁界との合成磁界によって磁化方向が変化するものである。第１非磁性膜は記録層上に設けられている。固着層は第１非磁性膜上に設けられている。固着層は、第１非磁性膜上に設けられ、かつ第１の磁化および第１の膜厚を有する第１強磁性膜と、第１強磁性膜上に設けられた第２非磁性膜と、第２非磁性膜上に設けられ、かつ第１強磁性膜と反平行結合し、かつ第２の磁化および第２の膜厚を有する第２強磁性膜と、第２強磁性膜上に設けられた反強磁性膜とを含む。第１の磁化および第１の膜厚の積と第２の磁化および第２の膜厚の積との和は、記録層の磁化と記録層の膜厚との積よりも小さい。
本発明によれば、固着層に含まれる第１および第２強磁性膜の各々の磁化が第１および第２配線による合成磁界によって反平行状態から平行状態により近づいた場合においても、固着層全体としての磁気モーメントが記録層の磁気モーメントを超えるほどに大きくなることが防止される。これにより固着層の磁化状態の変化が記録層に与える影響が抑制されるので、記録層の磁化方向を変化させるのに必要な電流、すなわち書き込み電流のばらつきが抑制される。よって書き込み特性の安定した磁気記憶装置を得ることができる。
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）
（メモリセルの回路と構造）
まず、本発明の実施の形態１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。
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なうためのライト線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のそれぞれに磁界を印加することができるように配置されている。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。
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。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、配線層１６、および接続部材１４によってドレイン領域Ｄと電気的に接続されている。
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（第１非磁性膜）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および絶縁膜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付近の構成を概略的に示す斜視図である。また図４は、本発明の実施の形態１における磁気記憶素子の構成を示す断面図である。
図３および図４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（第１配線および第２配線）が間隔を空けて互いに交差する領域において、ライト線ＷＴおよびビット線ＢＬに少なくとも一部が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は、図４に示されるように、固着層を固定するための反強磁性膜１ａ、強磁性膜１ｂ（第２強磁性膜）、非磁性膜１ｃ（第２非磁性膜）、強磁性膜１ｄ（第１強磁性膜）が順次積層された構造である。強磁性膜１ｂは反強磁性膜１ａによって磁化の方向が固定されている。強磁性膜１ｂと１ｄは非磁性膜１ｃを介して反平行方向に磁化が結合しており、それぞれの磁化が概ね打消しあっている。
また、記録層３を構成する強磁性膜３ａ（第３強磁性膜）上には、非磁性の金属膜３ｂが形成されている。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記録層３の磁化方向が変化する。
ここで、本実施の形態における固着層１の強磁性膜１ｂおよび１ｄの単位体積あたりの磁化をそれぞれＭ１ｂ、Ｍ１ｄとし、厚さをｔ１ｂ、ｔ２ｄとし、記録層３の強磁性膜３ａの磁化と厚さをそれぞれＭ３ａ、ｔ３ａとした場合、以下を充たしている。
Ｍ３ａ・ｔ３ａ＞Ｍ１ｂ・ｔ１ｂ＋Ｍ１ｄ・ｔ１ｄ ・・・（１）
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、接続部材１８、配線層１６、および接続部剤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。
第１配線による磁界と第２配線による磁界との合成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、本発明の実施の形態１における磁気記憶装置の記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。
図５を参照して、記録層３は、磁化容易軸９１に沿った第１の直線６３上で磁化容易軸の方向における最大の長さＬを有する。記録層３は第１の直線６３上で長さＬの全体に渡って存在している。また記録層３は、磁化容易軸９１と垂直な方向、すなわち磁化困難軸の方向に、上記の最大の長さＬの半分よりも小さい長さＷに渡って位置している。
また記録層３は、第１の直線６３の一方側（図中右側）および他方側（図中左側）のそれぞれにおいて、第１の部分ＰＴａおよび第２の部分ＰＴｂを有している。第１の部分ＰＴａは、磁化容易軸９１と垂直な方向に長さａに渡って位置している。第２の部分ＰＴｂは、磁化容易軸と垂直な方向に長さｂに渡って位置している。長さｂは長さａよりも小さい。第１の部分ＰＴａの外縁は、外縁の外側に向かって凸の滑らかな曲線のみからなる。なお「第１の部分ＰＴａの外縁」とは、記録層３の外縁のうちの第１の部分ＰＴａに含まれる部分のことである。
平面形状において、第１の部分ＰＴａは円弧７０１からなり、ここではＬ／２＝ａである。第２の部分ＰＴｂは、直線部７０５を有する。直線部７０５は、その上下において同一の曲率を有する曲線部７０４ａおよび７０４ｂの各々の一方側と接続されている。曲線部７０４ａおよび７０４ｂの各々の他方側は、円弧７０１と接続されている。
また記録層３は、第１の直線６３の一方側（図中右側）および他方側（図中左側）のそれぞれにおいて、第１の部分ＰＴａおよび第２の部分ＰＴｂを有している。第１の部分ＰＴａは、磁化容易軸９１と垂直な方向に長さａに渡って位置している。第２の部分ＰＴｂは、磁化容易軸と垂直な方向に長さｂに渡って位置している。長さｂは長さａよりも小さい。第１の部分ＰＴａの外縁は、外縁の外側に向かって凸の滑らかな曲線のみからなる。なお「第１の部分ＰＴａの外縁」とは、記録層３の外縁のうちの第１の部分ＰＴａに含まれる部分のことである。
好ましくは、第１の部分ＰＴａは、第２の直線６４を対称軸として有している。
なお図５においては、曲線部７０４ａおよび７０４ｂが同一の曲率を有する場合を示しているが、この曲率は必ずしも同一である必要はない。すなわち、第２の部分ＰＴｂは、第２の直線６４に対して非対称性を有していてもよい。
また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、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。主に図６を参照して、ライト線ＷＴは、第１の軸ＡＷを中心軸としてこの軸に沿って延びる部分を有している。ビット線ＢＬは、第２の軸ＢＷを中心軸としてこの軸に沿って延びる部分を有している。磁気記憶素子ＭＭは、磁化容易軸９１（図５）が第１の軸ＡＷ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の磁化困難軸の方向と、第２の軸ＢＷ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、配線層１６、接続部材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、本発明の実施の形態１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。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として、反強磁性膜１ａ（反強磁性層）、強磁性膜１ｂ（強磁性層）、非磁性膜１ｃおよび強磁性膜１ｄ（強磁性層）が順次形成される。反強磁性膜１ａ、強磁性膜１ｂ、非磁性膜１ｃおよび強磁性膜１ｄのそれぞれは、たとえば、膜厚約２０ｎｍの白金マンガン膜、膜厚１．４ｎｍのコバルト合金膜、０．７ｎｍのルテニウム膜、および膜厚１．６ｎｍのコバルト合金膜である。ここでの２つのコバルト合金膜が有する単位体積あたりの磁化は、ともに１，１００，０００Ａ／ｍ（１１００ｅｍｕ/ｃｍ3）であり、前述したように非磁性膜を介して反平行方向に磁化している。上記は、前述した（１）式を充たしている。
次にトンネル絶縁層２が形成される。トンネル絶縁層２は、たとえば膜厚約１ｎｍのアルミニウム酸化膜である。
次に記録層３として、強磁性膜３ａおよび非磁性の金属膜３ｂが形成される。強磁性膜３ａおよび非磁性の金属膜３ｂのそれぞれは、たとえば膜厚約５ｎｍのニッケル合金膜と、５０ｎｍのタンタル膜とである。このニッケル合金膜が有する単位体積あたりの磁化は、８００，０００Ａ／ｍ（８００ｅｍｕ/ｃｍ3）である。
なお、白金マンガン膜、コバルト合金膜、ルテニウム膜、アルミニウム酸化膜、ニッケル合金膜、およびタンタル膜は、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、ルテニウム膜、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。
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、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・安定化を図ることも可能である。さらに、ハーフメタルと呼ばれるＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2Ｍｎ（Ｇｅ,Ｓｉ）、Ｃｏ2Ｆｅ（Ａｌ,Ｓｉ）、（Ｚｎ，Ｍｎ）Ｆｅ2Ｏ4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、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、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、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。
次に磁気記憶装置の書き込み特性と、記録層３の平面形状との関係について、以下に詳しく説明する。
図１２は、図５に示される記録層における磁気記憶装置のアステロイド曲線を示す図である。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に流す電流ＩＢＬを示す。
図１２を参照して、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ＩＷＴ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５に実線で示される曲線部７０４ａおよび７０４ｂをともに有する磁化困難軸方向に対称な形状では、図１２におけるアステロイド曲線はプロット３５で示される。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においてライト線電流ＩＷＴ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ビット線電流ＩＢＬは、急激に大きくなる。すなわち、ライト線電流ＩＷＴ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、磁化反転に大きなビット線電流が必要になる。ここでは図示しないが、この場合は逆向きに書き込みを行なう場合も、書き込み電流はＩＢＬの符号が逆となるだけである。
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、変形例について説明する。図１３は、第１の変形例における磁気記憶装置の記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。
図１３を参照して、本変形例の記録層３Ｄは、平面形状において、第１の直線６３方向（磁化容易軸方向）に直線状の直線部７０７、７０５を有し、第２の直線６４方向（磁化容易軸に垂直な軸方向）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。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、第１の直線６３に対して非対称かつ第２の直線６４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および図１５は、磁化容易軸方向の磁界と磁化困難軸方向の磁界との合成磁界が、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、本発明の実施の形態１における磁気記憶素子の記録層の平面図である。図１４および図１５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１４および図１５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１５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１５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１６（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。
図５に戻って、磁化困難軸方向に対して形状が非対称となった場合を考えるため、曲線部７０４ａおよび７０４ｂがそれぞれ、曲線部７０４ａｐと７０４ｂｐとなる場合を考える。曲線部７０４ａｐと７０４ｂｐの何れか一方のみを有する形状では、図１２におけるプロット３６と３７で示されるアステロイド曲線となる。この場合は逆向きに書き込みを行なう場合は、書き込み電流はプロット３６に対応して３７のＩＢＬの符号が逆とした電流であり、プロット３７に対応して３６のＩＢＬの符号を逆とした電流となる。すなわち同一ビット内においても方向によって書き込み電流が異なる。
このように、形状の磁化困難軸方向の非対称性に起因して磁化反転に必要な電流値が変動した場合（プロット３６、３７）では、記録層３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が狭くなり、これらのビット全てを書き込むために必要とされる電流ＩＢＬと電流ＩＷＴとが大きくなる。
以上のように、磁気記憶装置の書き込み特性と、記録層３の平面形状とは密接に関連している。このため記録層３の形状のばらつきに伴い、ビット間の書き込み特性がばらつく。このばらつきの存在下で各ビットの書き込みを確実に行なうためには、書き込み電流の設定値をより大きくする必要がある。この書き込み電流の増大に伴い、書き込み時に固着層１が受ける影響も大きくなる。すなわち書き込み電流によって発生した磁界が固着層１の磁化に与える回転力が無視できなくなる。この際に、固着層１の強磁性膜／非磁性膜／強磁性膜間に作用する交換力と同等若しくは大きい磁界が印加される場合、固着層１を形成する２層の強磁性膜１ｂおよび１ｄの磁化Ｍ１ｂおよびＭ１ｄは、反平行方向から磁界印加方向への飽和に向かう。これによって記録層１と磁気的な結合が発生し、記録層３の特性が変化し得る。
本実施の形態によれば、記録層に形状ばらつきが生じた場合においても、固着層の磁化が記録層に与える影響が小さく、従来の構造と比較し、書き込み動作の安定化が可能である。すなわち、式（１）が満たされることによって、磁化Ｍ１ｂおよびＭ１ｄ（図４）がライト線ＷＴおよびビット線ＢＬ（図３）による合成磁界によって反平行状態から平行状態により近づいた場合においても、固着層１全体としての磁気モーメントが記録層３の磁気モーメントを超えるほどに大きくなることが防止される。これにより固着層１の磁化状態の変化が記録層３に与える影響が抑制されるので、記録層３の強磁性膜３ａの磁化Ｍ３ａの方向を変化させるのに必要な電流、すなわち書き込み電流のばらつきが抑制される。よって書き込み特性の安定した磁気記憶装置を得ることができる。
好ましくは、式（１）の右辺の２項間に以下の大小関係が存在する。
Ｍ１ｂ・ｔ１ｂ＞Ｍ１ｄ・ｔ１ｄ ・・・（３）
これにより固着層１（図４）のうち記録層３に近い部分から発生する磁化Ｍ１ｄの影響が抑制されるので、固着層１の磁化が記録層３におよぼす影響をさらに抑制することができる。
また記録層３の平面形状は磁化容易軸９１に対して非対称性を有する。これにより、動作可能な書き換え電流の領域を大きく確保することが可能であり、安定した書き込み動作が可能となる。
なお、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における曲線部７０１は、磁化容易軸９１方向に沿って記録層３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は小さい。ここでは円弧を示したが、他の２次関数で記述される曲線であってもよい。また図１７〜図２０のそれぞれは、本発明の実施の形態１の第２〜第５の変形例における記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。図１７〜図２０を参照して、これらの図に示される形状の記録層が用いられる場合であっても、図４に示される積層構造とすることで、同様な効果が得られる。
（実施の形態２）
図２１は、本発明の実施の形態２における磁気記憶装置の記録層の平面形態を概略的に示す平面図である。なお、断面構造は実施の形態１と同様である。
曲線部７０４ａと７０４ｂの曲率は異なっており、磁化困難軸方向に対して非対称である。この記録層においては、実質的な形状容易軸は第１の直線６３に対し、傾斜する。この場合のアステロイド曲線は、図１２のプロット３６で説明したように“１”および“０”の書き込みの際に、電流向きとともに大きさも異なる。しかしながら、このような場合においても、図４に示される積層構造とすることで、固着層の磁化の影響を抑制することが可能である。
この記録層形状を活用することで、“１”および“０”の書き込み時電流の大きさの違いを補正することが可能である。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、第２の部分ＰＴｂが第２の直線６４に対して非対称性を有している。この場合においても、実施の形態１において説明したように、磁気記憶装置の書き込み特性のばらつきが抑制される。よって記録層３が対称性を有する場合であっても、磁気記憶装置の書き込み特性を安定化することができる。
（実施の形態３）
図２２は、本発明の実施の形態３における磁気記憶装置の記録層の積層構造を概略的に示す断面図である。なお平面形態は実施の形態１と同様である。
主に図２２を参照して、本実施の形態の磁気記憶装置は、磁気記憶素子ＭＭ（図４）の代わりに、磁気記憶素子ＭＭｖを有する。磁気記憶素子ＭＭｖは、磁気記憶素子ＭＭ（図４）における記録層３の代わりに、記録層３ｖを有する。
記録層３ｖは、強磁性膜３ａ、非磁性膜３ｃ（第３非磁性膜）、強磁性膜３ｄ（第４強磁性膜）、および非磁性の金属膜３ｂがトンネル絶縁層２上に順次積層された構造を有する。強磁性膜３ａはコバルト合金膜からなり厚さは２ｎｍであり、非磁性膜３ｃは厚さ０．７ｎｍのルテニウム膜からなる。強磁性膜３ｄはコバルト合金膜からなり厚さは４ｎｍであり、１，１００，０００Ａ／ｍ（１１００ｅｍｕ/ｃｍ3）である。この記録層１’では、固着層１と同様にルテニウム膜３ｃを介して、強磁性膜３ａと３ｄの磁化が反平行方向に結合している。この場合の記録層においても大きな磁界が印加された場合は、磁界方向に磁化が飽和するために、実施の形態１と同様な効果を得るためには、以下の関係を充たす必要がある。
Ｍ３ａ・ｔ３ａ＋Ｍ３ｄ・ｔ３ｄ＞Ｍ１ｂ・ｔ１ｂ＋Ｍ１ｄ・ｔ１ｄ ・・・（２）
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、磁化反転に寄与する記録層の実効的な磁化を、２層の強磁性膜で調整することが可能である。また、記録層全体の体積を大きくすることが可能であるため、微細化した際の熱擾乱による、情報の損失を抑制することが可能である。
なお上記の各実施の形態の磁気記憶装置は、メモリセルＭＣ（図１）と混載された論理回路を有する混載デバイスであってもよい。この場合、書き込み特性の安定化により高速動作が可能となるので、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。
また上記の各実施の形態においては、磁気記憶装置について説明したが、磁気記憶素子ＭＭなどの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、または磁気記録媒体などのパターン化された磁気素子などの磁気デバイスにも適用することが可能である。
また１つのメモリセルＭＣに１つの磁気記憶素子ＭＭが設けられた磁気記憶装置について説明したが、１つのメモリセルＭＣに複数の磁気記憶素子ＭＭが設けられてもよく、またこの複数の磁気記憶素子ＭＭ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、記録層および固着層を有する磁気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。 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における磁気記憶装置の記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。 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（ａ）、および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。 本発明の実施の形態１における磁気記憶装置のアステロイド曲線を示す図である。 第１の変形例における磁気記憶装置の記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。 図１６の記録層がＣ型の磁化分布を有する場合の磁化の様子を示す平面図である。 図１６の記録層がＳ型の磁化分布を有する場合の磁化の様子を示す平面図である。 Ｓ型の磁化分布状態の概念図（ａ）、およびＣ型の磁化分布状態の概念図（ｂ）である。 本発明の実施の形態１の第２の変形例における記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態１の第３の変形例における記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態１の第４の変形例における記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態１の第５の変形例における記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態２における磁気記憶装置の記録層の平面形状を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態３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。
符号の説明
１ 固着層、１ａ 反強磁性膜、１ｂ 強磁性膜（第２強磁性膜）、１ｃ 非磁性膜（第２非磁性膜）、１ｄ 強磁性膜（第１強磁性膜）、２ トンネル絶縁層（第１非磁性膜）、３，３ｖ 記録層、３ａ 強磁性膜（第３強磁性膜）、３ｃ 非磁性膜（第３非磁性膜）、３ｄ 強磁性膜（第４強磁性膜）、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、１４，１８，２３，２７ 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、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，ＭＭｖ 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 (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられ、第１の軸を中心軸として前記第１の軸に沿って延びる部分を有する第１配線と、
    前記基板上に設けられ、前記第１の軸と交差する第２の軸を中心軸として前記第２の軸に沿って延びる部分を有し、前記基板の厚み方向の間隔を空けて前記第１配線と交差する第２配線と、
    平面形状を有し、前記第１配線および前記第２配線が前記間隔を空けて互いに交差する領域において前記第１配線および前記第２配線に少なくとも一部が挟まれるように配置され、磁化容易軸を有し、前記第１配線による磁界と前記第２配線による磁界との合成磁界によって磁化方向が変化する記録層と、
    前記記録層上に設けられた第１非磁性膜と、
    前記第１非磁性膜上に設けられた固着層とを備え、
    前記固着層は、前記第１非磁性膜上に設けられ、かつ第１の磁化および第１の膜厚を有する第１強磁性膜と、前記第１強磁性膜上に設けられた第２非磁性膜と、前記第２非磁性膜上に設けられ、かつ前記第１強磁性膜と反平行結合し、かつ第２の磁化および第２の膜厚を有する第２強磁性膜と、前記第２強磁性膜上に設けられた反強磁性膜とを含み、
    前記第１の磁化および前記第１の膜厚の積と前記第２の磁化および前記第２の膜厚の積との和は、前記記録層の磁化と前記記録層の膜厚との積よりも小さく、
    前記記録層は、前記磁化容易軸と垂直な軸の方向の長さが前記磁化容易軸の方向の長さの半分を超えており、
    前記記録層は、前記磁化容易軸と垂直な軸の方向に関して前記磁化容易軸の方向の長さの半分の長さである第１の長さを有する第１の部分と、前記磁化容易軸と垂直な軸の方向に関して前記第１の部分に隣り合う、前記磁化容易軸と垂直な軸の方向に関する長さが前記第１の長さより短い第２の長さである第２の部分とを含み、
    前記第１の部分の外縁は、前記外縁の外側に向かって凸の滑らかな曲線のみからなり、前記第２の部分の外縁は曲線部分と直線部分とからなる、磁気記憶装置。
  2. 前記第１の磁化および前記第１の膜厚の積は、前記第２の磁化および前記第２の膜厚の積よりも小さい、請求項１に記載の磁気記憶装置。
  3. 前記平面形状は、前記磁化容易軸に関して非対称性を有する、請求項１または２に記載の磁気記憶装置。
  4. 前記記録層は、第３強磁性膜と、前記第３強磁性膜上に設けられた第３非磁性膜と、前記第３非磁性膜上に設けられた第４強磁性膜とを有する、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気記憶装置。
  5. 前記記録層および前記固着層の少なくともいずれかは、コバルト、鉄、およびニッケルの少なくともいずれかを主成分として含有する強磁性膜を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の磁気記憶装置。
  6. 前記第２非磁性膜はルテニウムを含有する、請求項１〜５のいずれかに記載の磁気記憶装置。
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