(57)【要約】【課題】正確に情報を識別することができる磁気記憶素子を提供する。【解決手段】磁気記憶素子の一具体例は、基礎面３１上で延びるアモルファス磁性材層３２、および、このアモルファス磁性材層３２上に積層される強磁性材層３３で形成される導電性の磁性細線１８を備える。磁性細線１８上に導電性の自由磁化層３５は配置される。自由磁化層３５上に絶縁性のトンネルバリア層３６は配置される。トンネルバリア層３６上に導電性の固定磁化層３８は配置される。【選択図】図２
2010263168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎面上で延びるアモルファス磁性材層、および、このアモルファス磁性材層上に積層される強磁性材層で形成される導電性の磁性細線と、
前記磁性細線上に配置される１以上の導電性の自由磁化層と、
前記自由磁化層上に配置される絶縁性のトンネルバリア層と、
トンネルバリア層上に配置される導電性の固定磁化層とを備えることを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気記憶素子において、前記アモルファス磁性材層は、窒素を含有する強磁性金属から形成されることを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気記憶素子において、前記アモルファス強磁性層は窒化ニッケル鉄から形成されることを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気記憶素子において、前記強磁性材層はニッケル鉄から形成されることを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気記憶素子において、前記アモルファス強磁性材層の膜厚は前記磁性細線の総膜厚の４分の１〜２分の１の範囲で設定されることを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気記憶素子において、前記トンネルバリア層は酸化マグネシウムから形成されることを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項７】
基礎面上で相互に平行に延びる複数列のアモルファス磁性材層、および、個々のアモルファス磁性材層上に積層される強磁性材層で形成される導電性の磁性細線と、
個々の磁性細線上に配置される導電性の自由磁化層と、
個々の自由磁化層上に配置される絶縁性のトンネルバリア層と、
トンネルバリア層上に配置される導電性の固定磁化層とを備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項８】
基礎面上にアモルファス磁性材層を積層する工程と、
前記アモルファス磁性材層上に第１強磁性層を積層する工程と、
前記第１強磁性層上に、外部磁界に応じて磁化の向きを変化させる第２強磁性層を積層する工程と、
前記第２強磁性層上に絶縁膜を積層する工程と、
前記絶縁膜上に第３強磁性層を積層する工程と、
前記第１強磁性層の表面に平行に第３強磁性層の磁化を固定する工程と、
前記アモルファス磁性材層および前記第１強磁性層の積層体から磁性細線を作り出す工程と、
前記第１強磁性層、前記絶縁膜および前記第３強磁性層の積層体からトンネル磁気抵抗効果素子を作り出す工程とを備えることを特徴とする磁気記憶素子の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載磁気記憶素子の製造方法、前記アモルファス磁性材層の形成にあたって、特定のガス雰囲気中で前記基礎面上に結晶性の強磁性材を堆積させ、前記ガス中の特定の原子に基づき強磁性材の結晶粒の成長を阻害することを特徴とする磁気記憶素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気記憶素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）は広く知られる。磁気ランダムアクセスメモリーでは磁性細線の利用が模索される。磁性細線には１直線に沿って磁区が直列に配列される。磁性細線の線方向に電流が流れると、電流の向きに応じて磁区は移動する。こういった移動に基づき特定の位置に特定の磁区は位置決めされることができる。特定の位置で磁区に２値情報は記録されることができる。同様に、特定の位置で磁区から２値情報は読み出されることができる。
【０００３】
情報の読み出しにあたって磁性細線上にはトンネル磁気抵抗効果（ＴｕＭＲ）膜が形成される。トンネル磁気抵抗効果膜は、位置決めされた磁区内の磁化の向きに応じて電気抵抗を変化させる。トンネル磁気抵抗効果膜は、磁性細線上に積層される自由磁化層を備える。自由磁化層上に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のトンネルバリア層が積層される。トンネルバリア層上には固定磁化層が積層される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７２２３１号公報
【特許文献２】特開２００７−３１７８９５号公報
【特許文献３】特開２００７−１２３６４０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】尾上公二郎外，「スピン注入磁化反転の研究動向」，日本応用磁気学会誌，２００４年，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．９，ｐ９３７−９４８
【非特許文献２】Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ外，「Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ  Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗｉｒｅｓ」，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００４年，ＶＯＬＵＭＥ  ９２，ＮＵＭＢＥＲ  ７，ｐ０７７２０５−１〜０７７２０５−４．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
磁性細線はニッケル鉄（ＮｉＦｅ）といった強磁性層から形成される。結晶粒の成長に応じて磁性細線の表面では平坦性が悪化する。表面粗さの悪化に伴ってトンネルバリア層で結晶性は悪化する。その結果、トンネル磁気抵抗効果膜の磁気抵抗効果比（ＭＲ比）は悪化する。ＭＲ比の低下は２値情報の誤判定を誘引する。
【０００７】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、正確に情報を識別することができる磁気記憶素子を提供することを目的とする。本発明は、そういった磁気記憶素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、磁気記憶素子の一具体例は、基礎面上で延びるアモルファス磁性材層、および、このアモルファス磁性材層上に積層される強磁性材層で形成される導電性の磁性細線と、前記磁性細線上に配置される１以上の導電性の自由磁化層と、前記自由磁化層上に配置される絶縁性のトンネルバリア層と、トンネルバリア層上に配置される導電性の固定磁化層とを備える。
【０００９】
磁気記憶素子の製造方法は、基礎面上にアモルファス磁性材層を積層する工程と、前記アモルファス磁性材層上に第１強磁性層を積層する工程と、前記第１強磁性層上に、外部磁界に応じて磁化の向きを変化させる第２強磁性層を積層する工程と、前記第２強磁性層上に絶縁膜を積層する工程と、前記絶縁膜上に第３強磁性層を積層する工程と、前記第１強磁性層の表面に平行に第３強磁性層の磁化を固定する工程と、前記アモルファス磁性材層および前記第１強磁性層の積層体から磁性細線を作り出す工程と、前記第１強磁性層、前記絶縁膜および前記第３強磁性層の積層体からトンネル磁気抵抗効果素子を作り出す工程とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本具体例に係る磁気記憶素子によれば、正確に情報は識別されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態に係る磁気記憶装置すなわち磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の構成を概略的に示す回路図である。
【図２】第１トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜の構造を概略的に示す拡大正面図である。
【図３】磁気メモリー素子の動作を概略的に示す概念図である。
【図４】磁気メモリー素子の動作を概略的に示す概念図である。
【図５】磁気メモリー素子の製造にあたってシリコン基板上に形成される下部電極を概略的に示す垂直断面図である。
【図６】磁気メモリー素子の製造にあたってシリコン基板上に形成される素材膜を概略的に示す垂直断面図である。
【図７】磁気メモリー素子の製造にあたってシリコン基板上に形成される第１および第２ＴＭＲ膜および基準磁性片を概略的に示す垂直断面図である。
【図８】磁気メモリー素子の製造にあたってシリコン基板上に形成される接続電極およびコンタクトプラグを概略的に示す垂直断面図である。
【図９】磁気メモリー素子の製造にあたってシリコン基板上に形成される上部電極を概略的に示す垂直断面図である。
【図１０】ＮｉＦｅＮ膜の成膜にあたってスパッタリング装置のチャンバーに導入される窒素の含有量とＮｉＦｅＮ膜の表面粗さおよび比抵抗との関係を概略的に示すグラフである。
【図１１】ＮｉＦｅＮ膜とＮｉＦｅ膜との積層構造と表面粗さおよび比抵抗との関係を概略的に示すグラフである。
【図１２】ＮｉＦｅＮ膜とＮｉＦｅ膜との積層構造と表面粗さおよび比抵抗との関係を概略的に示すグラフである。
【図１３】磁性細線の表面粗さとＭＲ比（磁気抵抗効果比）との関係を概略的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
【００１３】
図１は一実施形態に係る磁気記憶装置すなわち磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）の構成を概略的に示す。ＭＲＡＭ１１は複数行複数列に配置される磁気記憶素子すなわち磁気メモリー素子１２を備える。個々の磁気メモリー素子１２には１本の書き込みワード線１３、１本の読み出しワード線１４、１本のシフト用ワード線１５および１本の出力線１６が接続される。ＭＲＡＭ１１全体では複数行の書き込みワード線１３が相互に平行に延びる。複数行の読み出しワード線１４は相互に平行に延びる。複数行のシフト用ワード線１５は相互に平行に延びる。複数行の出力線１６は相互に平行に延びる。個々の書き込みワード線１３、読み出しワード線１４、シフト用ワード線１５および出力線１６には順番に行番号が割り振られる。行番号に応じて特定の１行の磁気メモリー素子１２群は特定されることができる。
【００１４】
個々の磁気メモリー素子１２には１本のビット線１７が接続される。ＭＲＡＭ１１全体では複数列のビット線１７が相互に平行に延びる。個々のビット線１７には順番に列番号が割り振られる。列番号に応じて特定の１列の磁気メモリー素子１２群は特定されることができる。行番号および列番号に基づき特定の１磁気メモリー素子１２は特定されることができる。
【００１５】
個々の磁気メモリー素子１２は磁性細線１８を備える。磁性細線１８は、後述されるように、磁性体で形成される。磁性細線１８は例えばビット線１７に平行に線状に延びる。磁性細線１８では線方向に磁化容易軸が確立される。磁性細線１８には線方向に１列に複数の磁区が形成される。隣接する磁区同士は磁壁で隔てられる。個々の磁区ごとに磁化の向きは設定される。磁化の向きに応じて２値は特定される。
【００１６】
磁性細線１８上には２つの磁気抵抗効果膜すなわち第１トンネル接合磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜２１および第２ＴＭＲ膜２２が配置される。第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２は同一の構造を有する。第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２の詳細は後述される。第１ＴＭＲ膜２１はビット線１７に接続される。第１ＴＭＲ膜２１およびビット線１７の間には酸化金属半導体電界効果（ＭＯＳ）トランジスター２３が接続される。ＭＯＳトランジスター２３のソースはビット線１７に接続される。ＭＯＳトランジスター２３のドレインは第１ＴＭＲ膜２１に接続される。ＭＯＳトランジスター２３のゲートには書き込みワード線１３が接続される。したがって、ビット線１７に電圧が印加されると同時に書き込みワード線１３に電圧が印加されると、第１ＴＭＲ膜２１には電圧が供給される。
【００１７】
第２ＴＭＲ膜２２はビット線１７に接続される。第２ＴＭＲ膜２２およびビット線１７の間にはＭＯＳトランジスター２４が接続される。ＭＯＳトランジスター２４のソースはビット線１７に接続される。ＭＯＳトランジスター２４のドレインは第２ＴＭＲ膜２２に接続される。ＭＯＳトランジスター２４のゲートには読み出しワード線１４が接続される。したがって、ビット線１７に電圧が印加されると同時に読み出しワード線１４に電圧が印加されると、第２ＴＭＲ膜２４には電圧が供給される。
【００１８】
磁性細線１８にはビット線１７が接続される。磁性細線１８およびビット線１７の間にはＭＯＳトランジスター２５が接続される。ＭＯＳトランジスター２５のソースはビット線１７に接続される。ＭＯＳトランジスター２５のドレインは磁性細線１８の一端に接続される。磁性細線１８の他端は例えば接地される。ＭＯＳトラジスター２５のゲートにはシフト用ワード線１５が接続される。したがって、ビット線１７に電圧が印加されると同時にシフト用ワード線１５に電圧が印加されると、磁性細線１８に線方向に電流が流通する。磁性細線１８で磁壁は移動する。
【００１９】
磁性細線１８には基準磁性片２６が組み合わせられる。基準磁性片２６は例えば個々の磁性細線１８ごとに設置される。基準磁性片１８は第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２と同一の構造を有する。ただし、基準磁性片２６の電気抵抗は一定値に設定される。基準磁性片２６はＭＯＳトランジスター２４のドレインに接続される。
【００２０】
磁性細線１８の特定の位置で磁性細線１８には比較回路２７の非反転入力端子が接続される。比較回路２７の反転入力端子には基準磁性片２６が接続される。比較回路２７の出力端子は出力線１６に接続される。特定の位置に位置決めされる磁区には第２ＴＭＲ膜２２から電圧が印加される。電圧は比較回路２７の非反転入力端子に供給される。供給される電圧は第２ＴＭＲ膜２２の電気抵抗に応じて変化する。第２ＴＭＲ膜２２の電気抵抗は磁区内の磁化の向きに応じて変化する。同時に、比較回路２７の反転入力端子には基準磁性片２６から電圧が印加される。こうして２つの電圧は比較される。すなわち、第２ＴＭＲ膜２２の電気抵抗値と基準磁性片２６の電気抵抗値とは比較される。比較の結果、特定の磁区に記録された２値情報は特定される。
【００２１】
図２は第１ＴＭＲ膜２１の構造を概略的に示す。第１ＴＭＲ膜２１は磁性細線１８の表面に積層される。磁性細線１８は、基礎面３１上で線状に延びるアモルファス磁性材層３２を備える。アモルファス磁性材層３２は、窒素を含有する強磁性金属から形成される。強磁性金属には例えばニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）が挙げられる。ここでは、アモルファス磁性材層３２は窒化ニッケル鉄（ＮｉＦｅＮ）から形成される。アモルファス磁性材層３２の膜厚は例えば１０．０ｎｍ程度に設定される。ただし、アモルファス磁性材層３２の膜厚は１０．０ｎｍ程度〜２０．０ｎｍ程度の範囲で任意に設定されればよい。
【００２２】
アモルファス磁性材層３２上には強磁性材層３３が積層される。強磁性材層３３はアモルファス磁性材層３２の表面に重ね合わせられる。強磁性材層３３はアモルファス磁性材層３２の表面に密着する。強磁性材層３３は例えばＮｉＦｅ（ニッケル鉄）といった強磁性材から形成される。強磁性材層３３の膜厚は例えば３０．０ｎｍ程度に設定される。ただし、アモルファス磁性材層３２および強磁性材層３３の総膜厚は４０．０ｎｍ程度以上に設定されればよい。後述されるように、アモルファス磁性材層３２の働きで強磁性材層３３中の結晶粒は十分に成長することができない。その結果、強磁性材層３３の表面の表面粗さＲａは０．１３３ｎｍ程度に抑え込まれることができる。磁性細線１８は導電性を有する。アモルファス磁性材層３２には、ＮｉＦｅのほか、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅといった強磁性金属が用いられてもよい。
【００２３】
第１ＴＭＲ膜２１は導電性の緩和層３４を備える。緩和層３４は例えばタンタル（Ｔａ）から形成される。緩和層３４は強磁性材層３３上に積層される。緩和層３４は強磁性材層３３の表面に重ね合わせられる。緩和層３４は強磁性材層３３の表面に密着する。緩和層３４の膜厚は例えば０．４ｎｍ程度に設定される。
【００２４】
磁性細線１８上には導電性の自由磁化層３５が配置される。自由磁化層３５は緩和層３４上に積層される。自由磁化層３５は緩和層３４の表面に重ね合わせられる。自由磁化層３５は緩和層３４の表面に密着する。自由磁化層３５は例えばコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）といった強磁性材から形成される。自由磁化層３５の膜厚は例えば２．０ｎｍ程度に設定される。自由磁化層３５は軟磁性を有する。自由磁化層３５は外部磁界の向きに応じて磁化の向きを変化させる。自由磁化層３５では磁性細線１８の磁化の向きに応じて磁化の向きは決定される。
【００２５】
自由磁化層３５上には絶縁性のトンネルバリア層３６が配置される。トンネルバリア層３６は自由磁化層３５上に積層される。トンネルバリア層３６は自由磁化層３５の表面に重ね合わせられる。トンネルバリア層３６は自由磁化層３５の表面に密着する。トンネルバリア層３６は例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から形成される。トンネルバリア層３６の膜厚は例えば２．０ｎｍ程度に設定される。トンネルバリア層３６には、ＭｇＯに代えて、ＡｌＯＸ、ＨｆＯＸ、ＴｉＯＸおよびＴａＯＸといった絶縁材が用いられてもよい。
【００２６】
トンネルバリア層３６の表面には導電性の固定磁化層３７が配置される。固定磁化層３７は積層フェリ構造のピンド層３８とピニング層３９とを備える。ピンド層３８は第１強磁性層および第２強磁性層４１ａ、４１ｂを備える。第１および第２強磁性層４１ａ、４１ｂの間には中間層４２が挟み込まれる。第１強磁性層４１ａはトンネルバリア層３６上に積層される。第１強磁性層４１ａはトンネルバリア層３６の表面に重ね合わせられる。第１強磁性層４１ａはトンネルバリア層３６の表面に密着する。第１強磁性層４１ａの表面には中間層４２が積層される。中間層４２は第１強磁性層４１ａの表面に密着する。中間層４２の表面には第２強磁性層４１ｂが積層される。第２強磁性層４１ｂは中間層４２の表面に密着する。第１強磁性層４１ａは例えばＣｏＦｅＢといった強磁性材から形成される。第１強磁性層４１ａの膜厚は例えば２．０ｎｍ程度に設定される。中間層４２は例えばルテニウム（Ｒｕ）から形成される。中間層４２の膜厚は例えば０．８ｎｍ程度に設定される。第２強磁性層４１ｂはＣｏＦｅといった強磁性材から形成される。第２強磁性層４１ｂの膜厚は例えば１．７ｎｍ程度に設定される。第１強磁性層４１ａには、ＣｏＦｅＢのほか、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅといった強磁性金属が用いられてもよい。中間層４２には、Ｔａのほか、Ｒｈ、Ｃｕ、ＡｌおよびＡｕといった金属材料が用いられてもよい。第２強磁性層４１ｂには、ＣｏＦｅのほか、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅといった強磁性金属が用いられてもよい。
【００２７】
ピンド層３９はピンド層３８上に配置される。ピンド層３９は第２強磁性層４１ｂの表面に積層される。ピンド層３９は第２強磁性層４１ｂの表面に密着する。ピンド層３９は例えばＩｒＭｎといった反強磁性材から形成される。ピンド層３９の膜厚は例えば１０．０ｎｍ程度に設定される。ピンド層３９には、ＩｒＭｎのほか、白金マンガン（ＰｔＭｎ）やパラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）といった反強磁性材が用いられてもよい。こうして第１ＴＭＲ膜２１はいわゆるトップピン構造に形成される。第２ＴＭＲ膜２２は第１ＴＭＲ膜２１と同一の層構造を有する。基準磁性片２６は第１ＴＭＲ膜２１と同一の層構造を有する。
【００２８】
図３に示されるように、ピニング層３９の働きでピンド層３８では磁化Ｍｐの向きは一方向に固定される。ここでは、ピンド層３８では磁性細線１８の線方向に磁化Ｍｐの向きは固定される。いま、磁性細線１８に磁区ごとに磁化が書き込まれる場面を想定する。磁性細線１８上には線方向に一列に磁区４４が確立される。隣接する磁区４４同士は磁壁４５で隔てられる。磁区４４内では一方向に磁化は確立される。特定の磁区４４は第１ＴＭＲ膜２１直下に位置決めされる。位置決めにあたってビット線１７およびシフト用ワード線１５に同時に電圧が印加される。磁性細線１８には線方向に電流が流通する。電流の流通に応じて磁壁４５は移動する。すなわち、磁区４４は移動する。このとき、個々の磁区４４内では移動に拘わらず磁化の向きは維持される。電流の向きで磁壁４５の移動方向は決定される。詳細は［非特許文献２］の記載に譲る。
【００２９】
第１ＴＭＲ膜２１に電圧が印加されると、スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）に基づき自由磁化層３５の磁化Ｍｆ１の向きは反転する（詳細は［非特許文献１］の記載に譲る）。自由磁化層３５の磁化Ｍｆ１の反転は磁区４４内の磁化Ｍ１の反転を誘引する。その結果、磁区４４には特定の向きに磁化Ｍ１が確立される。磁化Ｍ１の向きに応じて２値情報は特定される。ここでは、磁性細線１８の線方向に順方向および逆方向で磁化Ｍ１の向きは区別される。
【００３０】
次に、磁性細線１８から磁化情報が読み出される場面を想定する。前述と同様に、特定の磁区４４は第２ＴＭＲ膜２２直下に位置決めされる。位置決めにあたってビット線１７およびシフト用ワード線１５に同時に電圧が印加される。続いて第２ＴＭＲ膜２２に電圧が印加されると、電圧は比較回路２７の非反転入力端子に作用する。このとき、第２ＴＭＲ膜２２の自由磁化層３５では磁区４４内の磁化Ｍ２に応じて磁化Ｍｆ２が確立される。磁化Ｍｆ２は磁化Ｍ２と平行関係を確立する。自由磁化層３５でピンド層３８と平行に磁化Ｍｆ２が確立されると、第２ＴＭＲ膜２２の電気抵抗は最小値を示す。その一方で、基準磁性片２６に電圧が印加されると、電圧は比較回路２７の反転入力端子に作用する。このとき、基準磁性片２６の自由磁化層３５では磁化Ｍｆｒは磁性細線１８の線方向に直交する。すなわち、基準磁性片２６では平行および反平行の中間位置に磁化の向きは固定される。したがって、基準磁性片２６は、固定磁化層３７と自由磁化層３５との間で平行関係が確立される際に実現される最小抵抗値と、固定磁化層３７と自由磁化層３５との間で反平行関係が確立される際に実現される最大抵抗値との中間値の抵抗値を示す。その結果、ハイレベルの出力信号が比較回路２７から出力される。
【００３１】
例えば図４に示されるように、磁区４４内で前述の磁化Ｍ２と反対向きに磁化Ｍ３が確立されると、第２ＴＭＲ膜２２の自由磁化層３５では磁化Ｍ３に応じて磁化Ｍｆ３が確立される。磁化Ｍｆ３は磁化Ｍ３と平行関係を確立する。自由磁化層３５でピンド層３８と反平行に磁化Ｍｆ３が確立されると、第２ＴＭＲ膜２２の電気抵抗は最大値を示す。その結果、ローレベルの出力信号が比較回路２７から出力される。
【００３２】
次に磁気メモリー素子１２の製造方法を簡単に説明する。図５に示されるように、シリコン（Ｓｉ）基板４７は用意される。シリコン基板４７の表面には酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜４８が形成される。酸化シリコン膜４８の膜厚は例えば２００ｎｍ程度に設定される。酸化シリコン膜４８には下部電極用の溝４９が形成される。形成にあたって酸化シリコン膜４８のべた膜上にレジストでパターンが形成される。例えばドライエッチングに基づきレジストの周囲（または合間）で酸化シリコン膜４８は除去される。その後、シリコン基板４７の表面には全面にわたって銅（Ｃｕ）膜が膜厚４００ｎｍ程度で形成される。銅はスパッタリングに基づきシリコン基板４７の表面に堆積する。下部電極用の溝４９は銅で埋められる。続いて化学機械研磨（ＣＭＰ）に基づき酸化シリコン膜４８の表面には平坦化処理が施される。下部電極５１は平坦面５２で露出する。こうして下部電極５１は形成される。平坦面５２は前述の基礎面３１として機能する。
【００３３】
図６に示されるように、平坦面５２上に、磁性細線１８の素材５３、第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２および基準磁性片２６の素材５４、並びに、接続電極膜の素材５５が形成される。すなわち、最初に平坦面５２上にアモルファス磁性材層５６が成膜される。アモルファス磁性材層５６の成膜にあたってスパッタリングが用いられる。スパッタリング装置のチャンバー内にはアルゴン（Ａｒ）および窒素（Ｎ２）の二元混合ガスが導入される。アルゴンおよび窒素の混合ガス雰囲気中でスパッタリングに基づき結晶性の強磁性材は堆積していく。強磁性材には例えばＮｉＦｅが用いられる。アルゴンおよび窒素の混合ガスには分圧比４０％で窒素が含まれる。その結果、堆積するＮｉＦｅに窒素が取り込まれる。窒化ニッケル鉄（ＮｉＦｅＮ）膜は形成される。膜厚は１０．０ｎｍ程度に設定される。堆積時に取り込まれる窒素はＮｉＦｅの結晶粒の成長を阻害する。その結果、ＮｉＦｅＮ膜の表面の表面粗さＲａは著しく抑制される。ただし、アルゴンおよび窒素の混合ガスには分圧比２５％〜４０％の範囲で窒素が含まれればよい。膜厚は１０．０ｎｍ〜２０．０ｎｍの範囲で設定されればよい。
【００３４】
続いてアモルファス磁性材層５６の表面に第１強磁性層５７は成膜される。第１強磁性層５７の成膜にあたってスパッタリングが用いられる。スパッタリングの装置のチャンバー内にはアルゴンガスが導入される。強磁性材にはＮｉＦｅが用いられる。ＮｉＦｅ膜は形成される。膜厚は３０．０ｎｍ程度に設定される。ＮｉＦｅ膜ではＮｉＦｅＮ膜の影響で結晶粒の成長は抑制される。その結果、ＮｉＦｅ膜の表面の表面粗さＲａは十分に低減される。
【００３５】
続いて第１強磁性層５７の表面にはＴａ層５８が成膜される。Ｔａ層５８の成膜にあたってスパッタリングが用いられる。スパッタリング装置のチャンバー内にはアルゴンガスが導入される。Ｔａ層５８の膜厚は０．４ｎｍ程度に設定される。
【００３６】
Ｔａ層５８の表面には第２強磁性層５９が成膜される。第２強磁性層５９の成膜にあたってスパッタリングが用いられる。スパッタリング装置のチャンバー内にはアルゴンガスが導入される。強磁性材にはＣｏＦｅＢが用いられる。ＣｏＦｅＢ膜は形成される。膜厚は２．０ｎｍ程度に設定される。第２強磁性層５９は外部磁界の向きに応じて磁化の向きを変化させることができる。
【００３７】
第２強磁性層５９の表面には絶縁膜６１が成膜される。絶縁膜６１の成膜にあたってスパッタリングが用いられる。スパッタリング装置のチャンバー内にはアルゴンガスが導入される。絶縁材料にはＭｇＯが用いられる。ＭｇＯ膜は形成される。膜厚は２，０ｎｍ程度に設定される。前述のように、第１強磁性層５７の表面で表面粗さＲａが低減されることから、絶縁膜６１では良好な結晶粒の成長が実現される。
【００３８】
絶縁膜６１の表面には第３強磁性層６２が成膜される。第３強磁性層６２の成膜にあたってスパッタリングが用いられる。スパッタリング装置のチャンバー内にはアルゴンガスが導入される。ＣｏＦｅＢ層、Ｒｕ層およびＣｏＦｅ層が相次いで成膜される。ＣｏＦｅＢ層の膜厚は２．０ｎｍ程度に設定される。Ｒｕ層の膜厚は０．８ｎｍ程度に設定される。ＣｏＦｅ層の膜厚は１．７ｎｍ程度に設定される。
【００３９】
第３強磁性層６２の表面には反強磁性層６３が成膜される。反強磁性層６３の成膜にあたってスパッタリングが用いられる。スパッタリング装置のチャンバー内にはアルゴンガスが導入される。反強磁性材料にはＩｒＭｎが用いられる。ＩｒＭｎ膜が形成される。膜厚は１０．０ｎｍ程度に設定される。
【００４０】
反強磁性層６３の表面には素材５５すなわち導電層が成膜される。成膜にあたって例えばスパッタリングが用いられる。スパッタリング装置のチャンバー内にはアルゴンガスが導入される。膜厚５．０ｎｍ程度のＴａ層および膜厚１０．０ｎｍ程度のＲｕ層が相次いで成膜される。
【００４１】
導電層５５のべた膜の成膜後、磁性細線１８および基準磁性片２６が形成される。形成にあたって導電層５５のべた膜上にレジストでパターンが形成される。幅５０ｎｍの線パターンが５０ｎｍの間隔で相互に平行に配列される。個々の線パターンは磁気メモリー素子１２ごとに分離される。分離された線パターンでは、導電細線１８に対応する部分と、基準磁性片２６に対応する部分とが分断される。
【００４２】
その後、図７に示されるように、下部電極５１上で第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２および基準磁性片２６が形成される。第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２および基準磁性片２６は例えば縦９０ｎｍ横３０ｎｍの角寸法に削り出される。削り出しにあたって第１強磁性層５７上に配置される導電層５５上にはレジストでパターンが形成される。エッチング処理またはミリング処理に基づきレジストの周囲で素材５４、５５（部分的にＴａ層５８）は除去される。エッチング処理またはミリング処理にあたってＴａ原子のＳＩＭＳ信号が検出される。Ｔａ原子の検出に応じてエッチング処理またはミリング処理は終了する。その結果、磁性細線１８のエッチンングは回避されることができる。
【００４３】
その後、図８に示されるように、酸化シリコン膜６４が２００ｎｍ程度の堆積量で形成される。堆積にあたって例えば化学気相成長法（ＣＶＤ）が用いられる。酸化シリコン膜６４の表面で例えばＣＭＰに基づき平坦化処理が施される。第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２および基準磁性片２６で接続電極６５が露出する。続いて酸化シリコン膜６４にコンタクトホール６６が形成される。コンタクトホール６６は磁性細片１８の一端から垂直方向に延びる。コンタクトホール６６の形成にあたって酸化シリコン膜６４の表面にはレジストでパターンが形成される。レジストには空隙が区画される。空隙で酸化シリコンが除去されると、コンタクトホール６６は形成される。
【００４４】
コンタクトホール６６の形成後、酸化シリコン膜６４にはバリアメタルとしての窒化チタン（ＴｉＮ）膜およびタングステン（Ｗ）膜が相次いで成膜される。ＴｉＮおよびＷはコンタクトホール６６内を埋める。酸化シリコン膜６４の表面が平坦化処理されると、コンタクトホール６６に埋め込まれたコンタクトプラグ６７が確立される。
【００４５】
その後、図９に示されるように、膜厚２００ｎｍ程度の銅膜が成膜される。銅膜から上部電極６８が形成される。形成にあたって例えばレジストでパターンが形成される。レジストの周囲（または合間）で銅膜は除去される。上部電極６８は第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２、基準磁性片２６およびコンタクトプラグ６７に接続される。上部電極６８の形成後、保護膜すなわち酸化シリコン膜６９が成膜される。成膜にあたって例えばＣＶＤが用いられる。膜厚は４００ｎｍ程度に設定される。酸化シリコン膜６４の表面は酸化シリコン膜６９で覆われる。酸化シリコン膜６９は上部電極６８に覆い被さる。
【００４６】
前述の磁気メモリー素子１２の製造方法では、反強磁性層６３に成膜後、いずれかの段階で反強磁性層６３に熱処理が施される。熱処理の基づき反強磁性層６３の反強磁性は発現する。その結果、第３強磁性層６２すなわちピンド層３８で磁化は一方向に固定される。
【００４７】
本発明者はＮｉＦｅＮの成膜時の平坦性を検証した。検証にあたってスパッタリングが実施された。ターゲットにはＮｉＦｅ合金塊が用いられた。第１試料の形成にあたってスパッタリング装置のチャンバー内にアルゴン単独の一元ガスが導入された。膜厚４０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜が成膜された。第２試料の形成にあたってチャンバー内に分圧比２５％で窒素を含有するアルゴンおよび窒素の二元混合ガスが導入された。同様に膜厚４０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜が形成された。第３試料の形成にあたってチャンバー内には分圧比４０％で窒素を含有するアルゴンおよび窒素の二元混合ガスが導入された。同様に膜厚４０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜が形成された。図１０に示されるように、窒素の含有が分圧比２５％以上に設定されると、ＮｉＦｅＮ膜の表面粗さＲａは著しく低減されることが確認された。その一方で、窒素の含有が分圧比２５％から上昇しても、それほど表面粗さＲａは改善されないことが確認された。窒素の分圧比が増加すればするほど、比例的に比抵抗ρは上昇することが確認された。したがって、ＮｉＦｅＮ膜の表面粗さＲａの低減および比抵抗ρの低減の観点から、窒素の分圧比は２５％程度に設定されることが望まれる。比抵抗が増大すると、磁性細線１８で磁壁４５の移動にあたって大きな電圧の印加が要求されてしまう。
【００４８】
本発明者はＮｉＦｅＮのアモルファス磁性材層およびＮｉＦｅの強磁性材層の積層構造を検証した。検証にあたって本発明者は第１試料〜第４試料に係る膜を用意した。第１試料〜第４試料に係る膜で膜表面の表面粗さＲａおよび比抵抗ρが測定された。第１試料では膜厚４０．０ｎｍのＮｉＦｅ膜が形成された。スパッタリングにあたってスパッタリング装置のチャンバー内には１００％のアルゴンガスが導入された。第２試料では膜厚１０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜上に膜厚３０．０ｎｍのＮｉＦｅ膜が積層された。ＮｉＦｅＮ膜の成膜にあたってスパッタリング装置のチャンバー内には分圧比４０％で窒素を含むアルゴンおよび窒素の二元混合ガスが導入された。ＮｉＦｅ膜の表面で表面粗さＲａが測定された。第３試料では膜厚２０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜上に膜厚２０．０ｎｍのＮｉＦｅ膜が積層された。ＮｉＦｅＮ膜の成膜にあたってスパッタリング装置のチャンバー内には分圧比４０％で窒素を含むアルゴンおよび窒素の二元混合ガスが導入された。ＮｉＦｅ膜の表面で表面粗さＲａが測定された。第４試料では膜厚４０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜が形成された。スパッタリングにあたってスパッタリング装置のチャンバー内には分圧比４０％で窒素を含むアルゴンおよび窒素の二元混合ガスが導入された。図１１から明らかなように、第２試料および第３試料ではＮｉＦｅ膜の表面粗さＲａが改善されることが確認された。ＮｉＦｅＮ膜の膜厚が１０．０ｎｍ〜２０．０ｎｍの範囲で設定された上で、ＮｉＦｅＮ膜およびＮｉＦｅ膜の総膜厚が４０．０ｎｍに設定されると、表面粗さＲａの低減および比抵抗ρの低減が両立されることが確認された。
【００４９】
本発明者はさらにＮｉＦｅＮのアモルファス磁性材層およびＮｉＦｅの強磁性材層の積層構造を検証した。検証にあたって本発明者は第１試料〜第４試料に係る膜を用意した。第１試料〜第４試料に係る膜で膜表面の表面粗さＲａおよび比抵抗ρが測定された。第１試料では膜厚２０．０ｎｍのＮｉＦｅ膜が形成された。スパッタリングにあたってスパッタリング装置のチャンバー内には１００％のアルゴンガスが導入された。第２試料では膜厚５．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜上に膜厚１５．０ｎｍのＮｉＦｅ膜が積層された。ＮｉＦｅＮ膜の成膜にあたってスパッタリング装置のチャンバー内には分圧比４０％で窒素を含むアルゴンおよび窒素の二元混合ガスが導入された。ＮｉＦｅ膜の表面で表面粗さＲａが測定された。第３試料では膜厚１０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜上に膜厚１０．０ｎｍのＮｉＦｅ膜が積層された。ＮｉＦｅＮ膜の成膜にあたってスパッタリング装置のチャンバー内には分圧比４０％で窒素を含むアルゴンおよび窒素の二元混合ガスが導入された。ＮｉＦｅ膜の表面で表面粗さＲａが測定された。第４試料では膜厚２０．０ｎｍのＮｉＦｅＮ膜が形成された。スパッタリングにあたってスパッタリング装置のチャンバー内には分圧比４０％で窒素を含むアルゴンおよび窒素の二元混合ガスが導入された。図１２から明らかなように、第２試料および第３試料ではＮｉＦｅ膜の表面粗さＲａが改善されることが確認された。ＮｉＦｅＮ膜の膜厚が５．０ｎｍ〜１０．０ｎｍの範囲で設定された上で、ＮｉＦｅＮ膜およびＮｉＦｅ膜の総膜厚が２０．０ｎｍに設定されると、表面粗さＲａの低減および比抵抗ρの低減が両立されることが確認された。図１１および図１２から明らかなように、総膜厚に対してＮｉＦｅＮ膜の膜厚が４分の１〜２分の１の範囲で設定されると、ＮｉＦｅ膜の表面粗さＲａの低減および比抵抗ρの低減が両立されることが確認された。
【００５０】
本発明者は前述の第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２で磁性細線１８の表面粗さＲａおよびＭＲ比（磁気抵抗効果比）を測定した。測定にあたって本発明者は比較例を用意した。比較例では磁性細線にＮｉＦｅ膜の単層が用いられた。ＮｉＦｅ膜上に第１および第２ＴＭＲ膜２１、２２が形成された。図１３に示されるように、磁性細線１８の採用に基づきＭＲ比は著しく改善したことが確認された。
【００５１】
以上の実施形態に関し出願人はさらに以下の付記を開示する。
【００５２】
（付記１）  基礎面上で延びるアモルファス磁性材層、および、このアモルファス磁性材層上に積層される強磁性材層で形成される導電性の磁性細線と、前記磁性細線上に配置される１以上の導電性の自由磁化層と、前記自由磁化層上に配置される絶縁性のトンネルバリア層と、トンネルバリア層上に配置される導電性の固定磁化層とを備えることを特徴とする磁気記憶素子。
【００５３】
（付記２）  付記１に記載の磁気記憶素子において、前記アモルファス磁性材層は、窒素を含有する強磁性金属から形成されることを特徴とする磁気記憶素子。
【００５４】
（付記３）  付記２に記載の磁気記憶素子において、前記アモルファス強磁性層は窒化ニッケル鉄から形成されることを特徴とする磁気記憶素子。
【００５５】
（付記４）  付記３に記載の磁気記憶素子において、前記強磁性材層はニッケル鉄から形成されることを特徴とする磁気記憶素子。
【００５６】
（付記５）  付記４に記載の磁気記憶素子において、前記アモルファス強磁性材層の膜厚は１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲で設定されることを特徴とする磁気記憶素子。
【００５７】
（付記６）  付記５に記載の磁気記憶素子において、前記磁性細線の総膜厚は４０ｎｍ以上に設定されることを特徴とする磁気記憶素子。
【００５８】
（付記７）  付記６に記載の磁気記憶素子において、前記トンネルバリア層は酸化マグネシウムから形成されることを特徴とする磁気記憶素子。
【００５９】
（付記８）  付記４に記載の磁気記憶素子において、前記アモルファス強磁性材層の膜厚は前記磁性細線の総膜厚の４分の１〜２分の１の範囲で設定されることを特徴とする磁気記憶素子。
【００６０】
（付記９）  基礎面上で相互に平行に延びる複数列のアモルファス磁性材層、および、個々のアモルファス磁性材層上に積層される強磁性材層で形成される導電性の磁性細線と、個々の磁性細線上に配置される導電性の自由磁化層と、個々の自由磁化層上に配置される絶縁性のトンネルバリア層と、トンネルバリア層上に配置される導電性の固定磁化層とを備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【００６１】
（付記１０）  基礎面上にアモルファス磁性材層を積層する工程と、前記アモルファス磁性材層上に第１強磁性層を積層する工程と、前記第１強磁性層上に、外部磁界に応じて磁化の向きを変化させる第２強磁性層を積層する工程と、前記第２強磁性層上に絶縁膜を積層する工程と、前記絶縁膜上に第３強磁性層を積層する工程と、前記第１強磁性層の表面に平行に第３強磁性層の磁化を固定する工程と、前記アモルファス磁性材層および前記第１強磁性層の積層体から磁性細線を作り出す工程と、前記第１強磁性層、前記絶縁膜および前記第３強磁性層の積層体からトンネル磁気抵抗効果素子を作り出す工程とを備えることを特徴とする磁気記憶素子の製造方法。
【００６２】
（付記１１）  付記１０に記載磁気記憶素子の製造方法、前記アモルファス磁性材層の形成にあたって、特定のガス雰囲気中で前記基礎面上に結晶性の強磁性材を堆積させ、前記ガス中の特定の原子に基づき強磁性材の結晶粒の成長を阻害することを特徴とする磁気記憶素子の製造方法。
【００６３】
（付記１２）  付記１１に記載磁気記憶素子の製造方法、前記結晶性の強磁性材はニッケル鉄であって、前記ガスは分圧比２５％〜４０％の範囲で窒素を含むアルゴンおよび窒素の混合ガスであることを特徴とする磁気記憶素子の製造方法。
【００６４】
（付記１３）  付記１２に記載磁気記憶素子の製造方法、前記第１強磁性層はニッケル鉄から形成されることを特徴とする磁気記憶素子の製造方法。
【符号の説明】
【００６５】
１１  磁気記憶装置（磁気ランダムアクセスメモリー）、１２  磁気記憶素子（磁気メモリー素子）、１８  磁性細線、３１  基礎面、３２  アモルファス磁性材層、３３  強磁性材層、３５  自由磁化層、３６  トンネルバリア層、３７  固定磁化層、５２  基礎面（平坦面）、５６  アモルファス磁性材層、５７  第１強磁性層、５９  第２強磁性層、６１  絶縁膜、６２  第３強磁性層。
【図１】
2010263168.tif 000003
【図２】
2010263168.tif 000004
【図３】
2010263168.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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