(57)【要約】【課題】トグルモードに基づく安定したデータ書き込みを可能とする不揮発性磁気メモリ装置を提供する。【解決手段】磁化固定層３３、トンネル絶縁膜３４、記録層３５から成る積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、第１の配線ＲＷＬ、並びに、第２の配線ＢＬを備え、第１の配線ＲＷＬ及び第２の配線ＢＬに電流を流すことによって生成した磁界に基づき記録層３５の磁化方向を変えることで記録層３５に情報を書き込む、トグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置であって、第２の配線ＢＬ上に設けられた、若しくは、第２の配線ＢＬの上方に絶縁層を介して設けられたバイアス磁界生成層４０を更に備え、バイアス磁界生成層４０が生成するバイアス磁界が記録層３５に加わる結果、記録層３５の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減する。【選択図】  図１
2006059869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）下から、磁化固定層、トンネル絶縁膜、記録層から成る積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子、
（Ｂ）磁化固定層の下方に設けられ、第１の方向に延びる第１の配線、並びに、
（Ｃ）記録層の上方に設けられ、第１の方向とは異なる第２の方向に延びる第２の配線、
を備え、
記録層は、下層記録層、スペーサ層、上層記録層から成る積層構造を有し、
第１の配線及び第２の配線に電流を流すことによって生成した磁界に基づき記録層の磁化方向を変えることで記録層に情報を書き込む、トグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置であって、
第２の配線上に設けられた、若しくは、第２の配線の上方に絶縁層を介して設けられたバイアス磁界生成層を更に備え、
バイアス磁界生成層が生成するバイアス磁界が記録層に加わる結果、記録層の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減することを特徴とするトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項２】
バイアス磁界生成層は、高保磁力強磁性体材料層から成ることを特徴とする請求項１に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項３】
第２の配線は記録層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項４】
第２の配線は記録層と電気的に接続されておらず、
記録層に記録された情報を読み出すために、記録層と電気的に接続された第３の配線を更に備えていることを特徴とする請求項２に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項５】
高保磁力強磁性体材料層を構成する材料の保磁力ＨCは３０ｋＡ／ｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項６】
バイアス磁界生成層は、反強磁性材料層と低保磁力強磁性体材料層の積層構造から成ることを特徴とする請求項１に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項７】
第２の配線は記録層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項８】
第２の配線は記録層と電気的に接続されておらず、
記録層に記録された情報を読み出すために、記録層と電気的に接続された第３の配線を更に備えていることを特徴とする請求項６に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項９】
（Ａ）下から、磁化固定層、トンネル絶縁膜、記録層から成る積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子、
（Ｂ）磁化固定層の下方に設けられ、第１の方向に延びる第１の配線、並びに、
（Ｃ）記録層の上方に設けられ、第１の方向とは異なる第２の方向に延びる第２の配線、
を備え、
記録層は、下層記録層、スペーサ層、上層記録層から成る積層構造を有し、
第１の配線及び第２の配線に電流を流すことによって生成した磁界に基づき記録層の磁化方向を変えることで記録層に情報を書き込む、トグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置であって、
記録層から間隔を開けた状態で記録層の側方に配置されたバイアス磁界生成層を更に備え、
バイアス磁界生成層が生成するバイアス磁界が記録層に加わる結果、記録層の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減することを特徴とするトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１０】
バイアス磁界生成層は、高保磁力強磁性体材料層から成ることを特徴とする請求項９に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１１】
第２の配線は記録層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１２】
第２の配線は記録層と電気的に接続されておらず、
記録層に記録された情報を読み出すために、記録層と電気的に接続された第３の配線を更に備えていることを特徴とする請求項１０に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１３】
高保磁力強磁性体材料層を構成する材料の保磁力ＨCは３０ｋＡ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１０に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１４】
バイアス磁界生成層は、反強磁性材料層と低保磁力強磁性体材料層の積層構造から成ることを特徴とする請求項９に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１５】
第２の配線は記録層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１４に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１６】
第２の配線は記録層と電気的に接続されておらず、
記録層に記録された情報を読み出すために、記録層と電気的に接続された第３の配線を更に備えていることを特徴とする請求項１４に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１７】
バイアス磁界生成層の下端部は、磁化固定層の延在部と接していることを特徴とする請求項９に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１８】
第２の配線は記録層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１７に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項１９】
第２の配線は記録層と電気的に接続されておらず、
記録層に記録された情報を読み出すために、記録層と電気的に接続された第３の配線を更に備えていることを特徴とする請求項１７に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項２０】
磁化固定層の下には、磁化固定層と接して反強磁性体層が設けられており、
バイアス磁界生成層の下端部は、反強磁性体層の延在部と接していることを特徴とする請求項９に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項２１】
第２の配線は記録層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２０に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【請求項２２】
第２の配線は記録層と電気的に接続されておらず、
記録層に記録された情報を読み出すために、記録層と電気的に接続された第３の配線を更に備えていることを特徴とする請求項２０に記載のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これらを構成するメモリやロジック等の各種半導体装置には、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリは、ユビキタス時代に必要不可欠であると考えられている。電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークとが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリによって重要な情報を保存、保護することができる。また、最近の携帯機器は不要の回路ブロックをスタンバイ状態とし、出来る限り消費電力を抑えるように設計されているが、高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。また、電源を投入すると瞬時に起動できる「インスタント・オン」機能も、高速、且つ、大容量の不揮発性メモリが実現できれば可能となる。
【０００３】
不揮発性メモリとして、半導体材料を用いたフラッシュメモリや、強誘電体材料を用いた強誘電体型不揮発性半導体メモリ（ＦＥＲＡＭ，Ferroelectric Random Access Memory）等を挙げることができる。しかしながら、フラッシュメモリは、書込み速度がマイクロ秒のオーダーであり、書込み速度が遅いという欠点がある。一方、ＦＥＲＡＭにおいては、書換え可能回数が１０12〜１０14であり、ＳＲＡＭやＤＲＡＭをＦＥＲＡＭに置き換えるにはＦＥＲＡＭの書換え可能回数が十分とは云えず、また、強誘電体層の微細加工が難しいという問題が指摘されている。
【０００４】
これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）と呼ばれる不揮発性磁気メモリ素子が注目されている。初期のＭＲＡＭは、ＧＭＲ（Giant magnetoresistance）効果を用いたスピンバルブをベースにしたものであった。しかし、負荷のメモリセル抵抗が１０〜１００Ωと低いため、読み出し時のビット当たりの消費電力が大きく、大容量化が難しいという欠点があった。
【０００５】
一方、ＴＭＲ（Tunnel Magnetoresistance）効果を用いたＭＲＡＭは、開発初期においては、抵抗変化率が室温で１〜２％程度しかなかったが、近年、２０％近くの抵抗変化率が得られるようになり、ＴＭＲ効果を用いたＭＲＡＭに注目が集まっている。ＴＭＲタイプのＭＲＡＭは、構造が単純で、スケーリングも容易であり、また、磁気モーメントの回転により記録を行うために、書換え可能回数が大である。更には、アクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既に１００ＭＨｚで動作可能であると云われている。
【０００６】
ＴＭＲタイプのＭＲＡＭ（以下、単に、ＭＲＡＭと呼ぶ）の模式的な一部断面図を、図１４に示す。このＭＲＡＭは、ＭＯＳ型ＦＥＴから成る選択用トランジスタＴＲに接続されたトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪから構成されている。
【０００７】
トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪは、下から反強磁性体層３２、磁化固定層３３（固着層とも呼ばれる）、トンネル絶縁膜３４、磁化方向が比較的容易に回転する記録層（自由層とも呼ばれる）１３５の積層構造を有する。磁化固定層３３は、反強磁性体層３２と磁化固定層３３との間に働く交換相互作用によって強い一方向の磁気的異方性を有する。トンネル絶縁膜３４は、記録層１３５と磁化固定層３３との間の磁気的結合を切ると共に、トンネル電流を流すための役割を担う。ＭＲＡＭとＭＲＡＭを接続するビット線ＢＬは、上層層間絶縁層３０上に形成されている。ビット線ＢＬと記録層１３５との間に設けられたトップコート膜（キャップ層）３６は、ビット線ＢＬを構成する原子と記録層１３５を構成する原子の相互拡散の防止、接触抵抗の低減、及び、記録層１３５の酸化防止を担っている。図中、参照番号３１は、反強磁性体層３２の下面に接続された引き出し電極を示す。
【０００８】
更には、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪの下方には、下層層間絶縁層２４を介して書込みワード線ＲＷＬが配置されている。尚、書込みワード線ＲＷＬの延びる方向（第１の方向）とビット線ＢＬの延びる方向（第２の方向）とは、通常、直交している。
【０００９】
一方、選択用トランジスタＴＲは、素子分離領域１１によって囲まれたシリコン半導体基板１０の部分に形成されており、層間絶縁層２１によって覆われている。そして、一方のソース／ドレイン領域１４Ｂは、タングステンプラグから成る接続孔２２、ランディングパッド部２３、タングステンプラグから成る接続孔２５を介して、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪの引き出し電極３１に接続されている。また、他方のソース／ドレイン領域１４Ａは、タングステンプラグ１５を介してセンス線１６に接続されている。図中、参照番号１２はゲート電極を示し、参照番号１３はゲート絶縁膜を示す。
【００１０】
ＭＲＡＭアレイにあっては、ビット線ＢＬ及び書込みワード線ＲＷＬから成る格子の交点（重複領域）にＭＲＡＭが配置されている。
【００１１】
このような構成のＭＲＡＭへの情報（データ）の書込みにおいては、ビット線ＢＬに正方向あるいは負方向の電流を流し、且つ、書込みワード線ＲＷＬに一定方向の電流を流し、その結果生成される合成磁界によって記録層１３５の磁化の方向を変えることで、記録層１３５に「１」又は「０」を記録する。
【００１２】
一方、情報の読出しは、選択用トランジスタＴＲをオン状態とし、ビット線ＢＬに電流を流し、磁気抵抗効果によるトンネル電流変化をセンス線１６にて検出することにより行う。記録層１３５と磁化固定層３３の磁化方向が等しい場合、低抵抗となり（この状態を例えば「０」とする）、記録層１３５と磁化固定層３３の磁化方向が反平行の場合、高抵抗となる（この状態を例えば「１」とする）。
【００１３】
図１５に、米国特許第６０８１４４５号に開示されたＭＲＡＭのアステロイド曲線を示す。ビット線ＢＬ及び書込みワード線ＲＷＬに電流を流し、その結果発生する合成磁界に基づき、ＭＲＡＭを構成するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪに情報を書き込む。ビット線ＢＬを流れる書込み電流によって記録層１３５の磁化容易軸方向の磁界（ＨEA）が形成され、書込みワード線ＲＷＬを流れる電流によって記録層１３５の磁化困難軸方向の磁界（ＨHA）が形成される。尚、ＭＲＡＭの構成にも依るが、ビット線ＢＬを流れる書込み電流によって記録層１３５の磁化困難軸方向の磁界（ＨHA）が形成され、書込みワード線ＲＷＬを流れる電流によって記録層１３５の磁化容易軸方向の磁界（ＨEA）が形成される場合もある。
【００１４】
アステロイド曲線は、合成磁界（記録層１３５に加わる磁界ＨHAと磁界ＨEAの磁界ベクトルの合成）による記録層１３５の磁化方向の反転閾値を示しており、アステロイド曲線の外側（ＯＵＴ1，ＯＵＴ2）に相当する合成磁界が発生した場合、記録層１３５の磁化方向の反転が起こり、情報の書込みが行われる。一方、アステロイド曲線の内部（ＩＮ）に相当する合成磁界が発生した場合、記録層１３５の磁化方向の反転は生じない。また、電流を流している書込みワード線ＲＷＬ及びビット線ＢＬの交点以外のＭＲＡＭにおいても、書込みワード線ＲＷＬ若しくはビット線ＢＬ単独で発生する磁界が加わるため、この磁界の大きさが保磁力（一方向反転磁界）ＨC以上の場合［図１５における点線の外側の領域（ＯＵＴ2）］、交点以外のＭＲＡＭを構成する記録層１３５の磁化方向も反転してしまう。それ故、合成磁界がアステロイド曲線の外側であって図１５の点線の内側の領域（ＯＵＴ1）内にある場合のみに、選択されたＭＲＡＭに対する選択書込みが可能となる。
【００１５】
より具体的には、情報の書込みにおいては、上述のように、ビット線ＢＬと書込みワード線ＲＷＬとに電流を流して合成磁界を生成させるが、この合成磁界の大きさがアステロイド曲線の少し外側となるように設定し、この合成磁界の半分程度を、それぞれ、ビット線ＢＬ及び書込みワード線ＲＷＬによって生成させる。尚、このような状態を「半選択」状態と呼ぶ。このような「半選択」状態とすることで、電流が流されているビット線ＢＬと電流が流されている書込みワード線ＲＷＬとの交点に位置するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪには情報が書き込まれる。一方、電流が流されているビット線ＢＬと電流が流されていない書込みワード線ＲＷＬとの交点に位置するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、あるいは、電流が流されていないビット線ＢＬと電流が流されている書込みワード線ＲＷＬとの交点に位置するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪには情報が書き込まれない。尚、このようなトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪを、便宜上、非選択トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪと呼ぶ。
【００１６】
ところが、本来、非選択トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪには情報が書き込まれないにも拘わらず、保磁力ＨCのバラツキが大きい場合、非選択トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪに情報が書き込まれる場合がある。即ち、図１６に示すように、保磁力ＨCのバラツキが大きい場合、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪの書込みマージンが小さくなり、大容量メモリを実現できなくなってしまう。
【００１７】
このようなトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪの書込みマージンを大きくする試みが、種々なされている。
【００１８】
例えば、米国特許第６５４５９０６Ｂ１号には、トグルモード書込型のトンネル磁気抵抗素子が開示されている。ここで、トグルモード書き込みとは、書込みワード線ＲＷＬに一方向の電流を流し、書き込むべき情報（データ）に依存することなく、ビット線にも一方向の電流を流し、情報の書き込み前に、記録されていた情報を一旦読み出し、磁気抵抗素子に記録された情報と書き込むべき情報とが異なる場合のみ、磁気抵抗素子に情報を書き込む方式である。但し、この米国特許第６５４５９０６Ｂ１号に開示された技術においては、記録層の磁化方向を反転させるための外部磁界を大きくする必要があり、その結果、情報書込み時の消費電力が、従来のアステロイド特性を利用したトンネル磁気抵抗素子より大きくなるといった問題がある。
【００１９】
このようなデータ書き込み時の消費電力が大きくなるといった問題を解決するための手段が、米国特許第６６３３４９８Ｂ１号に開示されている。この米国特許第６６３３４９８Ｂ１号に開示されたトグルモード書込型のトンネル磁気抵抗素子にあっては、図１７に示すように、磁化固定層２３３は、スペーサ金属層２３３Ｂによって隔てられた２層の強磁性体層２３３Ａ，２３３Ｃから構成されており、合成反強磁性結合（ＳＡＦ：Synthetic Antiferromagnet）に基づき結合した強磁性体層２３３Ａ，２３３Ｃの磁気モーメントをアンバランスにさせることで合成磁場（フリンジ磁界）を発生させ、このフリンジ磁界を記録層２３５に作用させることにより、動作領域が動作領域Ａから動作領域Ｂへと移り（図１８の模式図参照）、記録層２３５の磁化方向を反転させるための外部磁界を低減させることができる結果、消費電流を下げることが可能となる。尚、記録層２３５は、スペーサ層２３５Ｂによって隔てられた上層記録層２３５Ｃと下層記録層２３５Ａから構成されている。
【００２０】
【特許文献１】米国特許第６０８１４４５号
【特許文献２】米国特許第６５４５９０６Ｂ１号
【特許文献３】米国特許第６６３３４９８Ｂ１号
【特許文献４】米国特許第５４６５１８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、米国特許第６６３３４９８Ｂ１号に開示された技術にあっては、以下に説明する問題を有する。即ち、磁化固定層１３３を構成する強磁性体層１３３Ａ，１３３Ｃの磁気モーメントのアンバランスが大きくなる程、図１９にシミュレーション結果を示すように、動作領域の低電流側でダイレクトモード領域が広がってしまう。尚、図１９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の順に磁気モーメントのアンバランスの度合いを大きくしている。また、図１９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）の縦軸、横軸の一目盛りの値は２０エールステッド（１．５９×１０3Ａ／ｍ）である。ダイレクトモード領域に関しては、米国特許第６５４５９０６Ｂ１号を参照されたい。このような現象は、磁化固定層２３３と記録層２３５との間の距離が短いことに起因している。即ち、フリンジ磁界が、記録層２３５を構成する下層記録層２３５Ａに強く作用し、上層記録層２３５Ｃには弱く作用するため、アンバランスが生じ、ダイレクトモード領域が広がってしまう。そして、トグルモード書込型として設計されたトンネル磁気抵抗素子において、ダイレクトモード領域が広がってしまっては、書き込み電流を十分に下げることができない。また、磁化固定層１３３を構成する強磁性体層１３３Ａ，１３３Ｃの磁気モーメントのアンバランスによってフリンジ磁界が発生するように磁化固定層１３３を設計しなければならず、素子設計が複雑になるという問題がある。
【００２２】
従って、本発明の目的は、素子設計が複雑になることなく、書き込み電流を十分に低減した状態にあっても、トグルモードに基づく安定したデータ書き込みを可能とするトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置は、
（Ａ）下から、磁化固定層、トンネル絶縁膜、記録層から成る積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子、
（Ｂ）磁化固定層の下方に設けられ、第１の方向に延びる第１の配線、並びに、
（Ｃ）記録層の上方に設けられ、第１の方向とは異なる第２の方向に延びる第２の配線、
を備え、
記録層は、下層記録層、スペーサ層、上層記録層から成る積層構造を有し、
第１の配線及び第２の配線に電流を流すことによって生成した磁界に基づき記録層の磁化方向を変えることで記録層に情報を書き込む、トグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置であって、
第２の配線上に設けられた、若しくは、第２の配線の上方に絶縁層を介して設けられたバイアス磁界生成層を更に備え、
バイアス磁界生成層が生成するバイアス磁界が記録層に加わる結果、記録層の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第１の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置においては、１つのトンネル磁気抵抗素子に対応して１つのバイアス磁界生成層を設けてもよいし、複数のトンネル磁気抵抗素子に対応して１つのバイアス磁界生成層を設けてもよい。
【００２５】
上記の目的を達成するための本発明の第２の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置は、
（Ａ）下から、磁化固定層、トンネル絶縁膜、記録層から成る積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子、
（Ｂ）磁化固定層の下方に設けられ、第１の方向に延びる第１の配線、並びに、
（Ｃ）記録層の上方に設けられ、第１の方向とは異なる第２の方向に延びる第２の配線、
を備え、
記録層は、下層記録層、スペーサ層、上層記録層から成る積層構造を有し、
第１の配線及び第２の配線に電流を流すことによって生成した磁界に基づき記録層の磁化方向を変えることで記録層に情報を書き込む、トグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置であって、
記録層から間隔を開けた状態で記録層の側方に配置されたバイアス磁界生成層を更に備え、
バイアス磁界生成層が生成するバイアス磁界が記録層に加わる結果、記録層の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減することを特徴とする。
【００２６】
本発明の第２の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置においては、１つのトンネル磁気抵抗素子に対応して２つのバイアス磁界生成層を設けてもよいし、隣接するトンネル磁気抵抗素子において共通とされたバイアス磁界生成層を設けてもよい。あるいは又、１列がＮ個のトンネル磁気抵抗素子から構成されたトンネル磁気抵抗素子列に対して（Ｎ＋１）個のバイアス磁界生成層を設けてもよい。
【００２７】
本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置（以下、これらを総称して、単に、本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置と呼ぶ場合がある）において、バイアス磁界生成層は、高保磁力強磁性体材料層から成る構成とすることができる。尚、このような構成を、本発明の第１Ａの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置、第２Ａの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置と呼ぶ場合がある。そして、この場合、高保磁力強磁性体材料層を構成する材料の保磁力ＨCは３０ｋＡ／ｍ以上、好ましくは６０ｋＡ／ｍ以上であることが望ましく、具体的には、高保磁力強磁性体材料層を構成する材料として、フェライト系材料（バリウムフェライト、ストロンチウムフェライト）、マルテンサイト鋼、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ合金、アルニコ、サマリウムコバルト、鉄ネオジムホウ素、ＫＳ鋼を例示することができる。
【００２８】
あるいは又、本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置において、バイアス磁界生成層は、反強磁性材料層と低保磁力強磁性体材料層の積層構造から成る構成とすることができる。尚、このような構成を、本発明の第１Ｂの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置、第２Ｂの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置と呼ぶ場合がある。反強磁性材料層が下層であり、低保磁力強磁性体材料層が上層であってもよいし、反強磁性材料層が上層であり、低保磁力強磁性体材料層が下層であってもよい。このような構成にすることで、低保磁力強磁性体材料層の磁化方向が反強磁性材料層によって固定され、一定方向のバイアス磁界が発生する。反強磁性材料層を構成する材料として、例えば、鉄−マンガン合金、ニッケル−マンガン合金、白金−マンガン合金、イリジウム−マンガン合金、ロジウム−マンガン合金、コバルト酸化物、ニッケル酸化物を挙げることができる。また、低保磁力強磁性体材料層を構成する材料として、コバルト合金、ニッケル合金、鉄合金で例示される軟磁性材料を例示することができる。低保磁力強磁性体材料層を構成する材料の保磁力ＨCは、０．５Ａ／ｍ乃至８×１０3Ａ／ｍであることが好ましい。
【００２９】
また、本発明の第２の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置において、バイアス磁界生成層の下端部は、磁化固定層の延在部と接している構成とすることができる。尚、このような構成を、本発明の第２Ｃの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置と呼ぶ場合がある。このような構成にすることで、バイアス磁界生成層の磁化方向が磁化固定層によって固定され、一定方向のバイアス磁界が発生する。あるいは又、磁化固定層の下には、磁化固定層と接して反強磁性体層（尚、この反強磁性体層を構成する材料として、バイアス磁界生成層における反強磁性材料層を構成する材料と同じ材料を挙げることができる）が設けられており、バイアス磁界生成層の下端部は、反強磁性体層の延在部と接している構成とすることができる。尚、このような構成を、本発明の第２Ｄの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置と呼ぶ場合がある。反強磁性体層と磁化固定層との２層構成とすることによって、これらの２層の間に働く交換相互作用によって強い一方向の磁気的異方性を有することができるし、バイアス磁界生成層の磁化方向が反強磁性体層によって固定され、一定方向のバイアス磁界が発生する。本発明の第２Ｃの態様あるいは第２Ｄの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置にあっても、バイアス磁界生成層は、第２Ａの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置と同様に、高保磁力強磁性体材料層から成る構成とすることができるし、あるいは又、バイアス磁界生成層は、第２Ｂの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置と同様に、反強磁性材料層と低保磁力強磁性体材料層の積層構造から成る構成とすることもできる。
【００３０】
本発明の第１Ａの態様、第１Ｂの態様、第２Ａの態様、第２Ｂの態様、第２Ｃの態様あるいは第２Ｄの態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置にあっては、第２の配線は記録層と電気的に接続された構成とすることができる。尚、この場合、第２の配線と記録層との間にトップコート膜（キャップ層）を形成することが好ましい。トップコート膜は、第２の配線を構成する原子と記録層を構成する原子の相互拡散の防止、接触抵抗の低減、及び、記録層の酸化防止を担っている。トップコート膜は、例えば、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮから構成することができる。あるいは又、第２の配線は記録層と電気的に接続されておらず、記録層に記録された情報を読み出すために、記録層と電気的に接続された第３の配線（データ読出線）を更に備えている構成とすることができる。
【００３１】
本発明の第１の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置にあっては、記録層からバイアス磁界生成層までの距離として、１．４×１０-7（ｍ）乃至１．５×１０-6（ｍ）、好ましくは、３．０×１０-7（ｍ）乃至８．５×１０-7（ｍ）を挙げることができる。ここで、記録層からバイアス磁界生成層までの距離とは、記録層の厚さ方向中心位置から、バイアス磁界生成層の厚さ方向中心位置までの、厚さ方向に沿った距離（長さ）を意味する。一方、本発明の第２の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置にあっては、記録層からバイアス磁界生成層までの距離として、５×１０-8（ｍ）乃至７×１０-7（ｍ）、好ましくは、７×１０-8（ｍ）乃至３×１０-7（ｍ）を挙げることができる。ここで、記録層からバイアス磁界生成層までの距離とは、記録層の側面からバイアス磁界生成層の側面までの水平方向に沿った最短距離を意味する。
【００３２】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置におけるトグルモードによる情報書込み方法は、具体的には、米国特許第６５４５９０６Ｂ１に開示されており、第１の配線に一方向の電流を流し、書き込むべき情報（データ）に依存することなく、第２の配線にも一方向の電流を流し、情報の書き込み前に、記録されていた情報（データ）を一旦読み出し、記録層に記録された情報と書き込むべき情報とを比較し、記録層に記録された情報と書き込むべき情報とが異なる場合のみ、記録層に情報を書き込む（具体的には、記録層の磁化方向を反転させる）方式である。因みに、記録層には、情報「０」及び情報「１」が、０→１→０→１→０→１→０→１・・・のように書き込まれる。
【００３３】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置における記録層の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界とは、記録層の磁化方向を変えるための磁界の閾値を意味する。そして、記録層の磁化方向を変えるための磁界は、第１の配線に電流を流すことによって生成した磁界、第２の配線に電流を流すことによって生成した磁界、及び、バイアス磁界生成層が生成するバイアス磁界を合成した磁界である。
【００３４】
本発明の第１の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置においては、バイアス磁界生成層が生成するバイアス磁界の方向が記録層の磁化容易軸と平行な方向となるように、また、バイアス磁界生成層が記録層の真上に位置するように、バイアス磁界生成層を設けることが望ましい。また、本発明の第２の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置においては、バイアス磁界生成層が生成するバイアス磁界の方向が記録層の磁化容易軸と平行な方向となるように、バイアス磁界生成層を記録層の磁化容易軸の延長線上に配置することが好ましい。
【００３５】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置において、記録層の平面形状として、楕円形、円形、長円形、扁平な円形、正方形、長方形、平行四辺形、菱形、台形、正多角形、二等辺三角形を挙げることができる。尚、これらの図形の長軸が、記録層の磁化容易軸と平行な方向となるように、記録層を設けることが望ましい。
【００３６】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置における記録層の積層構造は、下層記録層／スペーサ層／上層記録層の３層構造に限定されるものではなく、下層記録層／第１スペーサ層／中間記録層／第２スペーサ層／上層記録層の５層構造とすることもできる。そして、この場合、第１スペーサ層や第２スペーサ層はスペーサ層と同じ材料から構成すればよいし、中間記録層も下層記録層や上層記録層と同じ材料から構成すればよい。
【００３７】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置の記録層における下層記録層及び／又は上層記録層においては、磁化方向が比較的容易に回転する。そして、下層記録層及び／又は上層記録層は、強磁性体材料、具体的には、例えば、遷移金属磁性元素、より具体的には、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）又はコバルト（Ｃｏ）から構成された強磁性体材料、あるいはこれらの合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ等）を主成分とする強磁性体材料から構成することができる。また、所謂ハーフメタリック強磁性体材料や、ＣｏＦｅ−Ｂといったアモルファス強磁性体材料を用いることもできる。下層記録層を構成する材料と、上層記録層を構成する材料とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、スペーサ層を構成する材料として、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、あるいはこれらの原子を含む合金を例示することができる。
【００３８】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置において、磁化固定層を構成する材料として、下層記録層及び／又は上層記録層を構成する強磁性体材料と同じ材料を挙げることができる。あるいは又、磁化固定層を、スペーサ金属層によって隔てられ、合成反強磁性結合（ＳＡＦ：Synthetic Antiferromagnet）に基づき結合した２層の強磁性体層から構成することもできる。尚、合成反強磁性結合については、米国特許第５４６５１８５号等を参照のこと。ここで、磁化固定層に起因した磁界が記録層に影響を与えないように磁化固定層を設計することが好ましく、具体的には、漏れ磁界の少ないＳＡＦに基づき結合した２層の強磁性体層から磁化固定層を構成することが好ましい。
【００３９】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置において、トンネル絶縁膜は、記録層と磁化固定層との間の磁気的結合を切ると共に、トンネル電流を流すための役割を担う。
【００４０】
トンネル絶縁膜を構成する絶縁材料として、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物を挙げることができ、更には、Ｇｅ、ＮｉＯ、ＣｄＯX、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＢＮ、ＺｎＳを挙げることができる。トンネル絶縁膜は、例えば、スパッタリング法にて形成された金属膜を酸化若しくは窒化することにより得ることができる。より具体的には、トンネル絶縁膜を構成する絶縁材料としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯX）を用いる場合、例えば、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムを大気中で酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムをプラズマ酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムをＩＰＣプラズマで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムを酸素中で自然酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムを酸素ラジカルで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムを酸素中で自然酸化させるときに紫外線を照射する方法、アルミニウムを反応性スパッタリング法にて成膜する方法、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）をスパッタリング法にて成膜する方法を例示することができる。あるいは又、トンネル絶縁膜をＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法によって形成することができる。
【００４１】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置における第１の配線は、書込みワード線とも呼ばれ、第２の配線はビット線とも呼ばれる。第１の配線、第２の配線、第３の配線を構成する材料として、例えば、アルミニウム、Ａｌ−Ｃｕ等のアルミニウム系合金、銅（Ｃｕ）を挙げることができ、例えば、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法にて形成することができる。第１の配線が延びる方向である第１の方向と、第２の配線が延びる方向である第２の方向とは、不揮発性磁気メモリ装置の構造の簡素化といった観点から、直交していることが好ましい。
【００４２】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置においては、上述した各種の層は、例えば、スパッタリング法、イオンビーム堆積法、真空蒸着法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）にて形成することができる。また、各種の層のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法やイオンミリング法（イオンビームエッチング法）にて行うことができる。また、場合によっては、所謂リフトオフ法にてパターニングを行うこともできる。
【００４３】
本発明のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置においては、第１の配線の下方に、層間絶縁層を介して設けられた電界効果型トランジスタから成る選択用トランジスタを更に有し；磁化固定層は、選択用トランジスタの一方のソース／ドレイン領域に電気的に接続されている構造とすることができる。
【００４４】
即ち、トンネル磁気抵抗素子を備えた不揮発性磁気メモリ装置は、例えば、具体的には、限定するものではないが、
半導体基板に形成された選択用トランジスタ、
選択用トランジスタを覆う層間絶縁層、
下層層間絶縁層、並びに、
上層層間絶縁層、
を備え、
第１の配線（書込みワード線）は、下層層間絶縁層上に形成されており、
下層層間絶縁層は、第１の配線（書込みワード線）及び層間絶縁層を覆い、
磁化固定層（あるいは、磁化固定層の下に設けられ、磁化固定層と接した反強磁性体層）は、下層層間絶縁層上に形成されており、
上層層間絶縁層は、トンネル磁気抵抗素子及び下層層間絶縁層を覆い、
磁化固定層（あるいは反強磁性体層）の延在部から成る引き出し電極、若しくは、磁化固定層（あるいは反強磁性体層）と接した引き出し電極が、下層層間絶縁層及び層間絶縁層に設けられた接続孔（あるいは接続孔とランディングパッド部）を介して選択用トランジスタに電気的に接続されており、
第２の配線（ビット線）が上層層間絶縁層上に形成されている構成とすることができる。
【００４５】
選択用トランジスタは、例えば、周知のＭＩＳ型ＦＥＴやＭＯＳ型ＦＥＴから構成することができる。また、接続孔は、不純物がドーピングされたポリシリコンや、タングステン、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＴｉＷ、ＴｉＮＷ、ＷＳｉ2、ＭｏＳｉ2等の高融点金属や金属シリサイドから構成することができ、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）や、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法に基づき形成することができる。
【００４６】
絶縁層、層間絶縁層や下層層間絶縁層、上層層間絶縁層を構成する材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ、ＮＳＧ、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧあるいはＬＴＯを例示することができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明においては、記録層から十分離れた位置にバイアス磁界生成層を配置するので、磁化固定層のアンバランスによって発生させるフリンジ磁界を用いる従来のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置と比較して、上層記録層及び下層記録層に均一な磁界が加わる結果、書き込み電流を十分に低減した状態にあっても、ダイレクトモードの発生が抑制され、あるいは又、ダイレクトモードの領域が広がることなく、トグルモード動作領域を低電流側に広げることができ、安定したデータ書き込みが可能となり、低消費電力化を図ることができる。しかも、素子設計が複雑になることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００４９】
実施例１は、本発明の第１の態様に係るトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置（以下、不揮発性磁気メモリ装置と略称する）に関し、より具体的には、本発明の第１Ａの態様に係る不揮発性磁気メモリ装置に関する。実施例１の不揮発性磁気メモリ装置の模式的な一部断面図を図１に示す。
【００５０】
この実施例１の不揮発性磁気メモリ装置は、
（Ａ）下から、磁化固定層３３、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）から成るトンネル絶縁膜３４、記録層３５から成る積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、
（Ｂ）磁化固定層３３の下方に設けられ、第１の方向（図面の紙面垂直方向）に延びる第１の配線（以下、書込みワード線ＲＷＬと呼ぶ）、並びに、
（Ｃ）記録層３５の上方に設けられ、第１の方向とは異なる第２の方向（第１の方向と直交する方向であり、図面の紙面と平行な方向）に延びる第２の配線（以下、ビット線ＢＬと呼ぶ）、
を備えている。
【００５１】
平面形状が例えば楕円形の記録層３５は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）又はコバルト（Ｃｏ）から構成された強磁性体材料、あるいは、これらの合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ等）を主成分とする強磁性体材料から成る下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ、並びに、下層記録層３５Ａと上層記録層３５Ｃとによって挟まれ、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）あるいはイリジウム（Ｉｒ）といった金属から成るスペーサ層３５Ｂの３層の積層構造を有する。また、磁化固定層３３は、合成反強磁性結合（ＳＡＦ）を有する多層構造（例えば、強磁性体層／スペーサ金属層／強磁性体層)から構成され、より具体的には、下から、Ｃｏ−Ｆｅ合金層、Ｒｕ層、Ｃｏ−Ｆｅ合金層の３層構造を有する。尚、図面においては、磁化固定層３３を１層で表している。
【００５２】
そして、この不揮発性磁気メモリ装置は、書込みワード線ＲＷＬ及びビット線ＢＬに電流を流すことによって生成した磁界に基づき記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）の磁化方向を変えることで記録層３５に情報をトグルモードにて書き込む。即ち、磁界によって、記録層３５の磁化の方向は、磁化固定層３３に対して平行又は反平行に変えられる。
【００５３】
実施例１にあっては、ビット線ＢＬの上方にＳｉＯ2から成る絶縁層４３を介して設けられたバイアス磁界生成層４０を更に備えており、バイアス磁界生成層４０が生成するバイアス磁界が記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）に加わる結果、記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減する。尚、絶縁層４３は、より具体的には、ビット線ＢＬ及び上層層間絶縁層３０上に形成されている。
【００５４】
尚、バイアス磁界生成層４０は、鉄ネオジムホウ素から構成された高保磁力強磁性体材料層４１から成る。ここで、高保磁力強磁性体材料層を構成する材料の保磁力ＨCは、２４０ｋＡ／ｍである。尚、バイアス磁界生成層４０が生成するバイアス磁界の方向が記録層３５の磁化容易軸と平行な方向となるように、また、バイアス磁界生成層４０が記録層３５の真上に位置するように、バイアス磁界生成層４０は設けられている。記録層３５からバイアス磁界生成層４０までの距離は、約０．４μｍである。
【００５５】
実施例１にあっては、記録層３５の上方に設けられたビット線ＢＬは記録層３５と電気的に接続されている。具体的には、ビット線ＢＬは、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ等から成るトップコート膜（キャップ層）３６を介して記録層３５と電気的に接続されている。トップコート膜３６は、ビット線ＢＬを構成する原子と記録層３５を構成する原子の相互拡散の防止、接触抵抗の低減、及び、記録層３５の酸化防止を担っている。
【００５６】
また、磁化固定層３３の下には、磁化固定層３３と接して、Ｐｔ−Ｍｎ合金から成る反強磁性体層３２が設けられている。この磁化固定層３３は、反強磁性体層３２との交換結合によって、磁化の方向がピニング（pinning）される。更には、反強磁性体層３２の下には、反強磁性体層３２と接して、引き出し電極３１が設けられている。尚、引き出し電極３１を省略して、反強磁性体層３２の延在部あるいは磁化固定層３３の延在部を引き出し電極として機能させてもよい。
【００５７】
実施例１においては、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪは、下層層間絶縁層２４を介して、書込みワード線ＲＷＬと電気的に絶縁されている。プラズマＣＶＤ法に基づき形成された酸化膜から成る上層層間絶縁層３０は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ及び下層層間絶縁層２４を覆っている。また、ビット線ＢＬは、上層層間絶縁層３０上に形成され、第１の方向と異なる（具体的には直交する）第２の方向（図面の左右方向）に延びている。
【００５８】
ＭＯＳ型ＦＥＴから構成された選択用トランジスタＴＲが、半導体基板１０に形成されている。より具体的には、選択用トランジスタＴＲは、素子分離領域１１に囲まれた活性領域内に形成され、ゲート電極１２、ゲート絶縁膜１３、ソース／ドレイン領域１４Ａ，１４Ｂから構成されている。例えばＳｉＯ2から成る層間絶縁層２１は、選択用トランジスタＴＲを覆っている。タングステンプラグから成る接続孔２２は、層間絶縁層２１に設けられた開口部内に形成されており、選択用トランジスタＴＲの一方のソース／ドレイン領域１４Ｂと接続されている。接続孔２２は、更に、層間絶縁層２１上に形成されたランディングパッド部２３と接続されている。Ａｌ−Ｃｕ合金から成る書込みワード線ＲＷＬも層間絶縁層２１上に形成されている。書込みワード線ＲＷＬ及び層間絶縁層２１上には、下層層間絶縁層２４が形成されている。下層層間絶縁層２４上に引き出し電極３１が形成されており、引き出し電極３１は、下層層間絶縁層２４に設けられたタングステンプラグから成る接続孔２５を介して、ランディングパッド部２３に接続されている。尚、選択用トランジスタＴＲの他方のソース／ドレイン領域１４Ａは、コンタクトホール１５を介してセンス線１６に接続されている。
【００５９】
場合によっては、選択用トランジスタＴＲは不要である。
【００６０】
以下、下層層間絶縁層２４等の模式的な一部断面図である図１２の（Ａ）〜（Ｃ）、及び、図１３の（Ａ）、（Ｂ）を参照して、実施の形態１の不揮発性磁気メモリ装置の製造方法を説明する。尚、図１２の（Ａ）〜（Ｃ）、及び、図１３の（Ａ）、（Ｂ）においては、選択用トランジスタＴＲ等の図示は省略した。また、磁化固定層３３及び記録層３５を、それぞれ、１層で表した。
【００６１】
［工程−１００］
先ず、選択用トランジスタＴＲとして機能するＭＯＳ型ＦＥＴをシリコン半導体基板から成る半導体基板１０に形成する。そのために、例えばトレンチ構造を有する素子分離領域１１を公知の方法に基づき形成する。尚、素子分離領域は、ＬＯＣＯＳ構造を有していてもよいし、ＬＯＣＯＳ構造とトレンチ構造の組合せとしてもよい。その後、半導体基板１０の表面を例えばパイロジェニック法により酸化し、ゲート絶縁膜１３を形成する。次いで、不純物がドーピングされたポリシリコン層をＣＶＤ法にて全面に形成した後、ポリシリコン層をパターニングし、ゲート電極１２を形成する。尚、ゲート電極１２をポリシリコン層から構成する代わりに、ポリサイドや金属シリサイドから構成することもできる。次に、半導体基板１０にイオン注入を行い、ＬＤＤ構造（図示せず）を形成する。その後、全面にＣＶＤ法にてＳｉＯ2層を形成した後、このＳｉＯ2層をエッチバックすることによって、ゲート電極１２の側面にゲートサイドウオール（図示せず）を形成する。次いで、半導体基板１０にイオン注入を施した後、イオン注入された不純物の活性化アニール処理を行うことによって、ソース／ドレイン領域１４Ａ，１４Ｂを形成する。
【００６２】
［工程−１１０］
次いで、全面にＳｉＯ2から成る層間絶縁層の下層をＣＶＤ法にて形成した後、化学的／機械的研磨法（ＣＭＰ法）にて層間絶縁層の下層を研磨する。その後、ソース／ドレイン領域１４Ａの上方の層間絶縁層の下層にリソグラフィ技術及びＲＩＥ法に基づき開口部を形成し、次いで、開口部内を含む層間絶縁層の下層上に、不純物がドーピングされたポリシリコン層をＣＶＤ法にて形成する。次いで、層間絶縁層の下層上のポリシリコン層をパターニングすることで、層間絶縁層の下層上にセンス線１６を形成することができる。センス線１６とソース／ドレイン領域１４Ａとは、層間絶縁層の下層に形成されたコンタクトホール１５を介して接続されている。その後、ＢＰＳＧから成る層間絶縁層の上層をＣＶＤ法にて全面に形成する。尚、ＢＰＳＧから成る層間絶縁層の上層の形成後、窒素ガス雰囲気中で例えば９００゜Ｃ×２０分間、層間絶縁層の上層をリフローさせることが好ましい。更には、必要に応じて、例えばＣＭＰ法にて層間絶縁層の上層の頂面を化学的及び機械的に研磨し、層間絶縁層の上層を平坦化したり、レジストエッチバック法によって層間絶縁層の上層を平坦化することが望ましい。尚、層間絶縁層の下層と層間絶縁層の上層を纏めて、以下、単に、層間絶縁層２１と呼ぶ。
【００６３】
［工程−１２０］
その後、ソース／ドレイン領域１４Ｂの上方の層間絶縁層２１に開口部をＲＩＥ法にて形成した後、選択用トランジスタＴＲのソース／ドレイン領域１４Ｂに接続された接続孔２２を開口部内に形成する。接続孔２２の頂面は層間絶縁層２１の表面と略同じ平面に存在している。ブランケットタングステンＣＶＤ法にて開口部をタングステンで埋め込み、接続孔２２を形成することができる。尚、タングステンにて開口部を埋め込む前に、Ｔｉ層及びＴｉＮ層を順に例えばマグネトロンスパッタリング法にて開口部内を含む層間絶縁層２１の上に形成することが好ましい。ここで、Ｔｉ層及びＴｉＮ層を形成する理由は、オーミックな低コンタクト抵抗を得ること、ブランケットタングステンＣＶＤ法における半導体基板１０の損傷発生の防止、タングステンの密着性向上のためである。図面においては、Ｔｉ層及びＴｉＮ層の図示は省略している。層間絶縁層２１上のタングステン層、ＴｉＮ層、Ｔｉ層は、化学的／機械的研磨法（ＣＭＰ法）にて除去してもよい。また、タングステンの代わりに、不純物がドーピングされたポリシリコンを用いることもできる。その後、層間絶縁層２１上に、書込みワード線ＲＷＬ及びランディングパッド部２３を周知の方法で形成する。
【００６４】
［工程−１３０］
その後、全面に下層層間絶縁層２４を形成する。具体的には、書込みワード線ＲＷＬ及びランディングパッド部２３を含む層間絶縁層２１上に、ＨＤＰ（High Density Plasma）ＣＶＤ法に基づき、ＳｉＯ2から成る下層層間絶縁層２４を成膜し、次いで、下層層間絶縁層２４の平坦化処理を行う。その後、ランディングパッド部２３の上方の下層層間絶縁層２４の部分に開口部を設け、係る開口部に、ブランケットタングステンＣＶＤ法にて開口部をタングステンで埋め込み、接続孔２５を形成することができる。
【００６５】
［工程−１４０］
次に、下層層間絶縁層２４上に、引き出し電極３１を形成するために、厚さ１０ｎｍのＴａ層３１Ａをスパッタリング法にて形成する。Ｔａ層３１Ａの成膜条件を、以下の表１に例示する。
【００６６】
［工程−１５０］
その後、全面に、厚さ２０ｎｍのＰｔ−Ｍｎ合金から成る反強磁性体層３２、及び、ＳＡＦを有し、下から、Ｃｏ−Ｆｅ層、Ｒｕ層、Ｃｏ−Ｆｅ層の３層構造を有する磁化固定層３３、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）から成るトンネル絶縁膜３４、記録層３５、トップコート膜３６を順次、成膜する。これらの各層の成膜条件を、以下の表２〜表８に例示する。こうして、図１２の（Ａ）に示す構造を得ることができる。
【００６７】
［表１］厚さ１０ｎｍのＴａ層の成膜条件
プロセスガス  ：アルゴン＝１００sccm
成膜雰囲気圧力：０．６Ｐａ
ＤＣパワー    ：２００Ｗ
【００６８】
［表２］厚さ２０ｎｍのＰｔ−Ｍｎ合金から成る反強磁性体層３２の成膜条件
プロセスガス  ：アルゴン＝１００sccm
成膜雰囲気圧力：０．６Ｐａ
ＤＣパワー    ：２００Ｗ
【００６９】
［表３］磁化固定層３３の成膜条件
最下層：厚さ２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金層
プロセスガス  ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：１００Ｗ
中間層：厚さ１ｎｍのＲｕ層
プロセスガス  ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：５０Ｗ
最上層：厚さ２ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金層
プロセスガス  ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：１００Ｗ
【００７０】
［表４］ＡｌＯXから成るトンネル絶縁膜の形成条件
厚さ１ｎｍ〜２ｎｍのＡｌ膜の成膜
プロセスガス  ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：５０Ｗ
Ａｌ膜の酸化
使用ガス        ：酸素＝１０sccm
酸化雰囲気の圧力：０．３Ｐａ
【００７１】
［表５］厚さ５ｎｍのＣｏ−Ｆｅを主成分とする合金から成る下層記録層３５Ａの成膜条件
プロセスガス  ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：２００Ｗ
【００７２】
［表６］厚さ２ｎｍのＲｕから成るスペーサ層３５Ｂの成膜条件
プロセスガス  ：Ａｒ＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：５０Ｗ
【００７３】
［表７］厚さ５ｎｍのＣｏ−Ｆｅを主成分とする合金から成る上層記録層３５Ｃの成膜条件
プロセスガス  ：アルゴン＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：２００Ｗ
【００７４】
［表８］厚さ１００ｎｍのＴｉＮから成るトップコート膜３６の成膜条件
プロセスガス  ：アルゴン＝６５sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：１０ｋＷ
【００７５】
［工程−１６０］
その後、トップコート膜３６上にエッチング用のハードマスク層を形成する。このハードマスク層は、下からＳｉＮ層３７、ＳｉＯ2層３８の２層構造を有する。尚、ハードマスク層を構成するその他の材料として、ＳｉＣ、ＳｉＯＮを挙げることができる。ハードマスク層は単層構成であってもよい。ハードマスク層は、リソグラフィ工程における反射防止効果や、エッチングストップ、メタル拡散防止等の機能を兼ねて形成される場合もある。ここでは例として、厚さ５０ｎｍのＳｉＮ層３７を平行平板電力プラズマＣＶＤ装置を用いて成膜し、ＳｉＯ2層３８をバイアス高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰ−ＣＶＤ）装置を用いて成膜する。これらの成膜条件を、以下の表９及び表１０に例示する。
【００７６】
［表９］ＳｉＮの成膜条件
プロセスガス：モノシラン／アンモニア／Ｎ2＝２６０sccm／１００sccm／４０００sccm
圧力        ：５６５Ｐａ
【００７７】
［表１０］ＳｉＯ2の成膜条件
プロセスガス：モノシラン／Ｏ2／アルゴン＝６０sccm／１２０sccm／１３０sccm
ＲＦパワー
トップ  ：１．５ｋＷ
サイド  ：３ｋＷ
【００７８】
［工程−１７０］
次いで、全面にレジスト材料を塗布した後、リソグラフィ技術によって、ハードマスク層上に、トンネル磁気抵抗素子を形成するためのマスクとなるレジスト膜３９を形成する。こうして、図１２の（Ｂ）に示す構造を得ることができる。
【００７９】
［工程−１８０］
そして、このレジスト膜３９をマスクとして用いた反応性イオンエッチング法によって、ハードマスク層を構成するＳｉＯ2層３８をパターニングする。このときのエッチング条件を、以下の表１１に例示する。その後、レジスト膜３９を、酸素プラズマアッシング処理及び有機洗浄後処理によって除去する。次に、ＳｉＯ2層３８をマスクとして用いて、反応性イオンエッチング法によって、ハードマスク層を構成するＳｉＮ層３７をエッチングする。このときのエッチング条件を、以下の表１２に例示する。こうして、図１２の（Ｃ）に示す構造を得ることができる。
【００８０】
［表１１］ＳｉＯ2層のエッチング条件
使用ガス  ：Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ2＝１０sccm／５０sccm／２００sccm／４sccm
ＲＦパワー：１ｋＷ
圧力      ：５Ｐａ
温度      ：２０゜Ｃ
【００８１】
［表１２］ＳｉＮ層のエッチング条件
使用ガス  ：ＣＨＦ3／Ａｒ／Ｏ2＝２０sccm／２００sccm／２０sccm
ＲＦパワー：１ｋＷ
圧力      ：６Ｐａ
温度      ：２０゜Ｃ
【００８２】
［工程−１９０］
次に、ハードマスク層３８，３７をマスクとして用いて、トップコート膜３６及び記録層３５を反応性イオンエッチング法によってパターニングする（図１３の（Ａ）及び（Ｂ）参照）。これらのエッチング条件を、以下の表１３及び表１４に例示する。
【００８３】
［表１３］トップコート膜３６のエッチング条件
使用ガス      ：Ｃｌ2／ＢＣｌ3／Ｎ2＝６０sccm／８０sccm／１０sccm
ソースパワー  ：１ｋＷ
バイアスパワー：１５０Ｗ
圧力          ：１Ｐａ
【００８４】
［表１４］記録層３５のエッチング条件
使用ガス      ：Ｃｌ2／Ｏ2／Ａｒ＝５０sccm／２０sccm／２０sccm
ソースパワー  ：１ｋＷ
バイアスパワー：１５０Ｗ
圧力          ：１Ｐａ
【００８５】
ここで、記録層３５のエッチング工程においては、トンネル絶縁膜３４のエッチング中にエッチングが停止するように時間設定されている。尚、記録層３５のエッチング工程において、トンネル絶縁膜３４がエッチングされ、更に、磁化固定層３３の一部分までエッチングが進む場合であっても、エッチング生成物が記録層３５及びトンネル絶縁膜３４の側壁に堆積し、その結果、記録層３５と磁化固定層３３との間で電気的な短絡が発生するといった現象が生じることの無いようなエッチング条件設定を行う。その後、アッシング処理、水洗若しくは有機洗浄処理を行う。
【００８６】
トップコート膜３６及び記録層３５を反応性イオンエッチング法によってパターニングする代わりに、イオンミリング法（イオンビームエッチング法）に基づきパターニングすることもできる。尚、エッチング後、水洗若しくは有機系の洗浄液、エアロゾル等によって、側壁に堆積した堆積物、エッチングガス残り、パーティクル、エッチング残渣等を除去する。
【００８７】
その後、磁化固定層３３及び反強磁性体層３２のパターニングを行い、更に、周知の方法にてＴａ層３１Ａをパターニングすることで、引き出し電極３１を得ることができる。
【００８８】
［工程−２００］
その後、全面に上層層間絶縁層３０を形成し、次いで、上層層間絶縁層３０の平坦化処理を行い、トップコート膜３６を露出させた後、周知の方法でビット線ＢＬを形成する。次に、スパッタリング法にて全面にＳｉＯ2から成る絶縁層４３を形成した後、以下の表１５に例示する条件にて高保磁力強磁性体材料層４１を形成し、次いで、高保磁力強磁性体材料層４１上にエッチング用マスクを形成し、以下の表１６に例示する条件にて高保磁力強磁性体材料層４１をエッチングした後、エッチング用マスクを除去する。こうして、図１に示した構造を有する不揮発性磁気メモリ装置を得ることができる。
【００８９】
［表１５］厚さ５０ｎｍの鉄ネオジムホウ素から成る高保磁力強磁性体材料層４１の成膜条件
プロセスガス  ：Ａｒ＝５０sccm
成膜雰囲気圧力：０．３Ｐａ
ＤＣパワー    ：２００Ｗ
【００９０】
［表１６］高保磁力強磁性体材料層４１のイオンエッチング（イオンミリング）条件
使用ガス：Ａｒ＝１０sccm
加速電圧：１３００ボルト
加速電流：１アンペア
圧力    ：２×１０-2Ｐａ
【００９１】
尚、模式的な一部断面図を図２に示すように、場合によっては、絶縁層４３を省略して、バイアス磁界生成層４０をビット線ＢＬ上に設けてもよい。尚、不揮発性磁気メモリ装置の模式的な一部断面図である図２、図３の（Ａ）、（Ｂ）、図４の（Ａ）、（Ｂ）、図５の（Ａ）、（Ｂ）、図８の（Ａ）、（Ｂ）、図９の（Ａ）、（Ｂ）、図１０の（Ａ）、（Ｂ）、図１１の（Ａ）、（Ｂ）においては、選択用トランジスタＴＲ等の図示は省略している。また、これらの図面に対応する実施例においては、選択用トランジスタＴＲ等が形成されているが、その説明は省略した。
【００９２】
実施例１においては、記録層３５からバイアス磁界生成層４０を高さ方向に０．３μｍ以上離すことができるので、従来技術のような磁化固定層３３のアンバランスによるフリンジ磁界の生成と比較して、上層記録層３５Ｃ及び下層記録層３５Ａにはほぼ同じ磁界（バイアス磁界）がバイアス磁界生成層４０から加わることになる。その結果、ダイレクトモードの発生を抑制することができ、書き込み電流を十分に低減した状態にあっても、トグルモードに基づき安定したデータ書き込みが可能となり、低消費電力化を図ることができる。しかも、素子設計が複雑になることもない。
【実施例２】
【００９３】
実施例２は、実施例１の変形であり、実施例１と異なり、図３の（Ａ）に模式的な一部断面図を示すように、記録層３５の上方に設けられた第２の配線であるビット線ＢＬは記録層３５と電気的に接続されておらず、記録層３５に記録された情報を読み出すために、記録層３５と電気的に接続された第３の配線（以下、データ読出線５０と呼ぶ）を更に備えている。このようにデータ読出線５０を備えることで、一層高速にて情報（データ）を読み出すことが可能となる。データ読出線５０は記録層３５と電気的に接続されているが、具体的には、データ読出線５０は、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ等から成るトップコート膜（キャップ層）３６を介して記録層３５と電気的に接続されている。データ読出線５０及び上層層間絶縁層３０上には絶縁膜５１が形成されている。そして、絶縁膜５１上にビット線ＢＬが形成されており、更には、絶縁層４３がビット線ＢＬ及び絶縁膜５１上に形成され、記録層３５の真上の絶縁層４３の部分に、高保磁力強磁性体材料層４１から成るバイアス磁界生成層４０が形成されている。
【００９４】
尚、図３の（Ｂ）に模式的な一部断面図を示すように、場合によっては、絶縁層４３を省略して、バイアス磁界生成層４０をビット線ＢＬ上に設けてもよい。
【００９５】
以上に述べた点を除き、実施例２の不揮発性磁気メモリ装置の構造は、実施例１にて説明した不揮発性磁気メモリ装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００９６】
実施例３も、実施例１の変形であるが、実施例１と異なり、図４の（Ａ）に模式的な一部断面図を示すように、ビット線ＢＬの上方にＳｉＯ2から成る絶縁層６３を介して設けられたバイアス磁界生成層６０を更に備えており、バイアス磁界生成層６０が生成するバイアス磁界が記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）に加わる結果、記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減する。ここで、バイアス磁界生成層６０は、白金−マンガン合金から成る反強磁性材料層６２と、Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする低保磁力強磁性体材料層６１の積層構造から成る。尚、低保磁力強磁性体材料層６１が絶縁層６３に接している。低保磁力強磁性体材料層６１を構成する材料の保磁力ＨCは４Ａ／ｍである。尚、バイアス磁界生成層６０が生成するバイアス磁界の方向が記録層３５の磁化容易軸と平行な方向となるように、また、バイアス磁界生成層６０が記録層３５の真上に位置するように、バイアス磁界生成層４０は配設されている。絶縁層６３は、より具体的には、ビット線ＢＬ及び上層層間絶縁層３０上に形成されている。
【００９７】
尚、図４の（Ｂ）に模式的な一部断面図を示すように、場合によっては、絶縁層６３を省略して、バイアス磁界生成層６０をビット線ＢＬ上に設けてもよい。
【００９８】
以上に述べた点を除き、実施例３の不揮発性磁気メモリ装置の構造は、実施例１にて説明した不揮発性磁気メモリ装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。また、反強磁性材料層６２と低保磁力強磁性体材料層６１の積層順を逆とし、反強磁性材料層６２が絶縁層６３に接し、あるいはビット線ＢＬに接する構造としてもよい。
【実施例４】
【００９９】
実施例４は、実施例２の変形であるが、実施例２と異なり、図５の（Ａ）に模式的な一部断面図を示すように、ビット線ＢＬの上方にＳｉＯ2から成る絶縁層６３を介して設けられたバイアス磁界生成層６０を更に備えており、バイアス磁界生成層６０が生成するバイアス磁界が記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）に加わる結果、記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減する。ここで、バイアス磁界生成層６０は、実施例３にて説明したバイアス磁界生成層６０と同じ構成、構造を有する。
【０１００】
尚、図５の（Ｂ）に模式的な一部断面図を示すように、場合によっては、絶縁層６３を省略して、バイアス磁界生成層６０をビット線ＢＬ上に設けてもよい。
【０１０１】
以上に述べた点を除き、実施例４の不揮発性磁気メモリ装置の構造は、実施例１にて説明した不揮発性磁気メモリ装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。また、反強磁性材料層６２と低保磁力強磁性体材料層６１の積層順を逆とし、反強磁性材料層６２が絶縁層６３に接し、あるいはビット線ＢＬに接する構造としてもよい。
【実施例５】
【０１０２】
実施例５は、本発明の第２の態様に係る不揮発性磁気メモリ装置に関し、より具体的には、本発明の第２Ａの態様に係る不揮発性磁気メモリ装置に関する。実施例５におけるトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、ビット線ＢＬ、書込みワード線ＲＷＬ等の配置を模式的に図６に示す。尚、図６及び図７において、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪを実線で示し、ビット線ＢＬを一点鎖線で示し、書込みワード線ＲＷＬを点線で示す。また、図６の矢印Ａ−Ａに沿った模式的な一部断面図を図８の（Ａ）に示す。
【０１０３】
この実施例５の不揮発性磁気メモリ装置は、実施例１と同様に、
（Ａ）下から、磁化固定層３３、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）から成るトンネル絶縁膜３４、記録層３５から成る積層構造を有するトンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、
（Ｂ）磁化固定層３３の下方に設けられ、第１の方向（図面の紙面垂直方向）に延びる第１の配線（書込みワード線ＲＷＬ）、並びに、
（Ｃ）記録層３５の上方に設けられ、第１の方向とは異なる第２の方向（第１の方向と直交する方向であり、図面の紙面と平行な方向）に延びる第２の配線（ビット線ＢＬ）、
を備えている。
【０１０４】
ここで、平面形状が例えば楕円形の記録層３５は、実施例１と同様の材料から構成された、下層記録層３５Ａ、スペーサ層３５Ｂ、上層記録層３５Ｃといった３層の積層構造を有する。また、磁化固定層３３も、実施例１と同様の材料から構成されている。
【０１０５】
そして、この不揮発性磁気メモリ装置にあっても、書込みワード線ＲＷＬ及びビット線ＢＬに電流を流すことによって生成した磁界に基づき記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）の磁化方向を変えることで記録層３５に情報をトグルモードにて書き込む。即ち、磁界によって、記録層３５の磁化の方向は、磁化固定層３３に対して平行又は反平行に変えられる。
【０１０６】
実施例５にあっては、記録層３５から間隔を開けた状態で記録層３５の側方に配置され、しかも、記録層３５の磁化容易軸の延長線上に配置されたバイアス磁界生成層７０を更に備えており、バイアス磁界生成層７０が生成するバイアス磁界が記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）に加わる結果、記録層３５（より具体的には、下層記録層３５Ａ及び上層記録層３５Ｃ）の磁化方向を変えるためのスイッチング磁界が低減する。
【０１０７】
バイアス磁界生成層７０は、実施例１と同様の高保磁力強磁性体材料層７１から成り、記録層３５とバイアス磁界生成層７０との間には、上層層間絶縁層３０が存在する。記録層３５からバイアス磁界生成層７０までの距離は、約０．１５μｍである。
【０１０８】
実施例５にあっても、記録層３５の上方であって上層層間絶縁層３０上に設けられたビット線ＢＬは記録層３５と電気的に接続されている。具体的には、ビット線ＢＬは、実施例１と同様にトップコート膜（キャップ層）３６を介して記録層３５と電気的に接続されている。
【０１０９】
また、実施例１と同様に、実施例５においても、磁化固定層３３の下には、磁化固定層３３と接して、Ｐｔ−Ｍｎ合金から成る反強磁性体層３２が設けられている。この磁化固定層３３は、反強磁性体層３２との交換結合によって、磁化の方向がピニング（pinning）される。更には、反強磁性体層３２の下には、反強磁性体層３２と接して、引き出し電極３１が設けられている。尚、引き出し電極３１を省略して、反強磁性体層３２の延在部あるいは磁化固定層３３の延在部を引き出し電極として機能させてもよい。
【０１１０】
実施例５の不揮発性磁気メモリ装置は、実施例１の［工程−２００］と同様の工程において、全面に上層層間絶縁層３０を形成し、次いで、上層層間絶縁層３０の平坦化処理を行い、トップコート膜３６を露出させた後、上層層間絶縁層３０に開口部を形成し、この開口部をバイアス磁界生成層７０を構成する材料で埋め込むことによって、バイアス磁界生成層７０を設けた後、ビット線ＢＬの形成を行うことで、得ることができる。
【０１１１】
以上に述べた点を除き、実施例５の不揮発性磁気メモリ装置の構造は、実施例１にて説明した不揮発性磁気メモリ装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【０１１２】
実施例５においては、記録層３５からバイアス磁界生成層７０を水平方向に０．０７μｍ以上離すことができるので、従来技術のような磁化固定層３３のアンバランスによるフリンジ磁界の生成と比較して、上層記録層３５Ｃ及び下層記録層３５Ａにはほぼ同じ磁界（バイアス磁界）がバイアス磁界生成層７０から加わることになる。その結果、ダイレクトモードの発生を抑制することができ、書き込み電流を十分に低減した状態にあっても、トグルモードに基づき安定したデータ書き込みが可能となり、低消費電力化を図ることができる。しかも、素子設計が複雑になることもない。
【０１１３】
実施例５の変形例を図７及び図８の（Ｂ）に示す。尚、図７は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、ビット線ＢＬ、書込みワード線ＲＷＬ等の配置を模式的に示す図であり、図８の（Ｂ）は、図７の矢印Ａ−Ａに沿った不揮発性磁気メモリ装置の一部断面図である。
【０１１４】
この実施例５の変形例にあっても、記録層３５から間隔を開けた状態で記録層３５の側方に配置され、しかも、記録層３５の磁化容易軸の延長線上に配置されたバイアス磁界生成層７０を更に備えている。但し、記録層３５とバイアス磁界生成層７０との間には、上層層間絶縁層３０ではなく、アルミナ膜から成るスペーサ９０が設けられている。このようにスペーサ９０を設けることで、記録層３５とバイアス磁界生成層７０とを電気的に絶縁することができるので、不揮発性磁気メモリ装置の一層の縮小化を図ることができる。このスペーサ９０は、実施例１の［工程−１９０］と［工程−２００］の間で、スパッタリング法及びエッチバック法に基づき形成することができる。
【０１１５】
以上に説明した実施例５の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例において、図示しないが、実施例２と同様に、記録層３５の上方に設けられた第２の配線であるビット線ＢＬは記録層３５と電気的に接続されておらず、記録層３５に記録された情報を読み出すために、記録層３５と電気的に接続された第３の配線（データ読出線）を更に備えている構成とすることもできる。このようにデータ読出線を備えることで、一層高速にて情報（データ）を読み出すことが可能となる。ここで、データ読出線は記録層３５と電気的に接続されているが、具体的には、データ読出線は、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ等から成るトップコート膜（キャップ層）を介して記録層３５と電気的に接続されている。また、データ読出線及び上層層間絶縁層上には絶縁膜が形成されている。そして、絶縁膜上にビット線ＢＬが形成されている。
【実施例６】
【０１１６】
実施例６は、実施例５の変形であるが、実施例５と異なり、図９の（Ａ）に模式的な一部断面図を示すように、バイアス磁界生成層８０は、反強磁性材料層８２（上層）と低保磁力強磁性体材料層８１（下層）の積層構造から成る。反強磁性材料層８２及び低保磁力強磁性体材料層８１を構成する材料は、実施例３における反強磁性材料層６２及び低保磁力強磁性体材料層６１を構成する材料と同じ材料とすればよい。また、反強磁性材料層８２と低保磁力強磁性体材料層８１の積層順を逆としてもよい。尚、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、ビット線ＢＬ、書込みワード線ＲＷＬ等の配置は、図６に示したと同様である。
【０１１７】
実施例６の変形例を図９の（Ｂ）の模式的な一部断面図に示す。尚、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、ビット線ＢＬ、書込みワード線ＲＷＬ等の配置は、図７に示したと同様である。この実施例６の変形例にあっても、記録層３５から間隔を開けた状態で記録層３５の側方に配置され、しかも、記録層３５の磁化容易軸の延長線上に配置されたバイアス磁界生成層８０を更に備えている。但し、記録層３５とバイアス磁界生成層８０との間には、実施例５の変形例と同様に、上層層間絶縁層３０ではなく、スペーサ９０が形成されている。
【０１１８】
以上に述べた点を除き、実施例６の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例の構造は、実施例１にて説明した不揮発性磁気メモリ装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【０１１９】
また、以上に説明した実施例６の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例において、図示しないが、実施例２と同様に、記録層３５の上方に設けられた第２の配線であるビット線ＢＬは記録層３５と電気的に接続されておらず、記録層３５に記録された情報を読み出すために、記録層３５と電気的に接続された第３の配線（データ読出線）を更に備えている構成とすることもできる。実施例５において説明したと同様に、データ読出線は記録層３５と電気的に接続されている。そして、データ読出線及び上層層間絶縁層上には絶縁膜が形成されており、絶縁膜上にビット線ＢＬが形成されている。
【実施例７】
【０１２０】
実施例７も、実施例５の変形であるが、実施例５と異なり、図１０の（Ａ）に模式的な一部断面図を示すように、バイアス磁界生成層７０の下端部は、磁化固定層３３の延在部と接している。バイアス磁界生成層７０は、実施例５と同様の高保磁力強磁性体材料層７１から成り、記録層３５とバイアス磁界生成層７０との間には、上層層間絶縁層３０が存在する。尚、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、ビット線ＢＬ、書込みワード線ＲＷＬ等の配置は、図６に示したと同様である。
【０１２１】
実施例７の変形例を図１０の（Ｂ）の模式的な一部断面図に示す。尚、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、ビット線ＢＬ、書込みワード線ＲＷＬ等の配置は、図７に示したと同様である。この実施例７の変形例にあっても、記録層３５から間隔を開けた状態で記録層３５の側方に配置され、しかも、記録層３５の磁化容易軸の延長線上に配置されたバイアス磁界生成層７０を更に備えている。但し、記録層３５とバイアス磁界生成層７０との間には、実施例５の変形例と同様に、上層層間絶縁層３０ではなく、スペーサ９０が形成されている。
【０１２２】
以上に述べた点を除き、実施例７の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例の構造は、実施例１にて説明した不揮発性磁気メモリ装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【０１２３】
また、以上に説明した実施例７の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例において、図示しないが、実施例２と同様に、記録層３５の上方に設けられた第２の配線であるビット線ＢＬは記録層３５と電気的に接続されておらず、記録層３５に記録された情報を読み出すために、記録層３５と電気的に接続された第３の配線（データ読出線）を更に備えている構成とすることもできる。実施例５において説明したと同様に、データ読出線は記録層３５と電気的に接続されている。そして、データ読出線及び上層層間絶縁層上には絶縁膜が形成されており、絶縁膜上にビット線ＢＬが形成されている。
【０１２４】
更には、以上に説明した実施例７の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例において、バイアス磁界生成層７０を、実施例６において説明した、反強磁性材料層８２と低保磁力強磁性体材料層８１の積層構造から成るバイアス磁界生成層８０に置き換えてもよい。
【実施例８】
【０１２５】
実施例８も、実施例５の変形であるが、実施例５と異なり、図１１の（Ａ）に模式的な一部断面図を示すように、磁化固定層３３の下には、磁化固定層３３と接して反強磁性体層３２が設けられており、バイアス磁界生成層７０の下端部は、反強磁性体層３２の延在部と接している。バイアス磁界生成層７０は、実施例５と同様の高保磁力強磁性体材料層７１から成り、記録層３５とバイアス磁界生成層７０との間には、上層層間絶縁層３０が存在する。尚、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、ビット線ＢＬ、書込みワード線ＲＷＬ等の配置は、図６に示したと同様である。
【０１２６】
実施例８の変形例を図１１の（Ｂ）の模式的な一部断面図に示す。尚、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＪ、ビット線ＢＬ、書込みワード線ＲＷＬ等の配置は、図７に示したと同様である。この実施例８の変形例にあっても、記録層３５から間隔を開けた状態で記録層３５の側方に配置され、しかも、記録層３５の磁化容易軸の延長線上に配置されたバイアス磁界生成層７０を更に備えている。但し、記録層３５とバイアス磁界生成層７０との間には、実施例５の変形例と同様に、上層層間絶縁層３０ではなく、スペーサ９０が形成されている。
【０１２７】
以上に述べた点を除き、実施例８の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例の構造は、実施例１にて説明した不揮発性磁気メモリ装置と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【０１２８】
また、以上に説明した実施例８の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例において、図示しないが、実施例２と同様に、記録層３５の上方に設けられた第２の配線であるビット線ＢＬは記録層３５と電気的に接続されておらず、記録層３５に記録された情報を読み出すために、記録層３５と電気的に接続された第３の配線（データ読出線）を更に備えている構成とすることもできる。実施例５において説明したと同様に、データ読出線は記録層３５と電気的に接続されている。そして、データ読出線及び上層層間絶縁層上には絶縁膜が形成されており、絶縁膜上にビット線ＢＬが形成されている。
【０１２９】
更には、以上に説明した実施例８の不揮発性磁気メモリ装置あるいはその変形例において、バイアス磁界生成層７０を、実施例６において説明した、反強磁性材料層８２と低保磁力強磁性体材料層８１の積層構造から成るバイアス磁界生成層８０に置き換えてもよい。
【０１３０】
以上、本発明を、好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例にて説明した記録層を含む磁気抵抗素子あるいはトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置の各層を構成する材料、各層を形成する方法、記録層を含む磁気抵抗素子あるいはトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置の構成、構造等は例示であり、適宜変更することができる。実施例においては、１つの選択用トランジスタＴＲと１つのトンネル磁気抵抗素子から構成されたトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置に基づき本発明を説明したが、トグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置はこのような構造に限定されるものではなく、米国特許第５６４０３４３号に開示された、選択用トランジスタを有していない、所謂クロスポイント型のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】図１は、実施例１のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置の模式的な一部断面図である。
【図２】図２は、実施例１のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置の変形例の模式的な一部断面図である。
【図３】図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例２のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置及びその変形例の模式的な一部断面図である。
【図４】図４の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例３のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置及びその変形例の模式的な一部断面図である。
【図５】図５の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例４のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置及びその変形例の模式的な一部断面図である。
【図６】図６は、実施例５のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置におけるトンネル磁気抵抗素子、ビット線、書込みワード線等の配置を模式的に示す図である。
【図７】図７は、実施例５のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置の変形例におけるトンネル磁気抵抗素子、ビット線、書込みワード線等の配置を模式的に示す図である。
【図８】図８の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、図６の矢印Ａ−Ａ及び図７の矢印Ａ−Ａに沿った実施例５のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置及びその変形例の模式的な一部断面図である。
【図９】図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、図６の矢印Ａ−Ａ及び図７の矢印Ａ−Ａに沿った実施例６のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置及びその変形例の模式的な一部断面図である。
【図１０】図１０の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、図６の矢印Ａ−Ａ及び図７の矢印Ａ−Ａに沿った実施例７のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置及びその変形例の模式的な一部断面図である。
【図１１】図１１の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、図６の矢印Ａ−Ａ及び図７の矢印Ａ−Ａに沿った実施例８のトグルモード書込型不揮発性磁気メモリ装置及びその変形例の模式的な一部断面図である。
【図１２】図１２の（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の不揮発性磁気メモリ装置の製造方法を説明するための層間絶縁層等の模式的な一部断面図である。
【図１３】図１３の（Ａ）及び（Ｂ）は、図１２の（Ｃ）に引き続き、実施例１の不揮発性磁気メモリ装置の製造方法を説明するための層間絶縁層等の模式的な一部断面図である。
【図１４】図１４は、従来のＴＭＲタイプの不揮発性磁気メモリ装置の模式的な一部断面図である。
【図１５】図１５は、ＴＭＲタイプの不揮発性磁気メモリ装置におけるアステロイド曲線を模式的に示す図である。
【図１６】図１６は、ＴＭＲタイプの不揮発性磁気メモリ装置におけるアステロイド曲線の保磁力ＨCのバラツキを模式的に示す図である。
【図１７】図１７は、米国特許第６６３３４９８Ｂ１号に開示されたトグルモード書込型のトンネル磁気抵抗素子の模式的な一部断面図である。
【図１８】図１８は、米国特許第６６３３４９８Ｂ１号に開示されたトグルモード書込型のトンネル磁気抵抗素子において、フリンジ磁界を記録層に作用させることにより、記録層の磁化方向を反転させるための外部磁界が低減することを説明するための模式図である。
【図１９】図１９は、米国特許第６６３３４９８Ｂ１号に開示された技術における問題点を説明するためのシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１３２】
ＴＭＪ・・・トンネル磁気抵抗素子、ＴＲ・・・選択用トランジスタ、ＢＬ・・・ビット線、ＲＷＬ・・・書込みワード線、１０・・・半導体基板、１１・・・素子分離領域、１２・・・ゲート電極、１３・・・ゲート絶縁膜、１４Ａ，１４Ｂ・・・ソース／ドレイン領域、１５・・・コンタクトホール、１６・・・センス線、２１・・・層間絶縁層、２２，２５・・・接続孔、２３・・・ランディングパッド部、２４・・・下層層間絶縁層、３０・・・上層層間絶縁層、３１・・・引き出し電極、３２・・・反強磁性体層、３３・・・磁化固定層、３４・・・トンネル絶縁膜、３５・・・記録層、３５Ａ・・・下層記録層、３５Ｂ・・・スペーサ層、３５Ｃ・・・上層記録層、３６・・・トップコート膜（キャップ層）、３７・・・ＳｉＮ層、３８・・・ＳｉＯ2層、３９・・・レジスト膜、４０，６０，７０，８０・・・バイアス磁界生成層、４１，７１・・・高保磁力強磁性体材料層、４３・・・絶縁層、５０・・・データ読出線、５１・・・絶縁膜、６１，８１・・・低保磁力強磁性体材料層、６２，８２・・反強磁性材料層、９０・・・スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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