(57)【要約】【課題】スピン注入磁化反転型の磁気抵抗効果素子に流す書き込み電流を低減する。【解決手段】磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が固定された固定層１１と磁化方向が反転可能な記録層１３と固定層及び記録層の間に設けられた非磁性層１２とを有し、固定層及び記録層の間に流す電流の向きに応じて固定層及び記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる磁気抵抗効果素子ＭＴＪと、記録層に接続され、記録層との接触面積が記録層の面積よりも小さいコンタクト３０と、コンタクトと記録層との間に設けられ、記録層の抵抗よりも高い抵抗を有するキャップ層２０とを具備する。【選択図】      図１
2008130807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された固定層と磁化方向が反転可能な記録層と前記固定層及び前記記録層の間に設けられた非磁性層とを有し、前記固定層及び前記記録層の間に流す電流の向きに応じて前記固定層及び前記記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる磁気抵抗効果素子と、
前記記録層に接続され、前記記録層との接触面積が前記記録層の面積よりも小さいコンタクトと、
前記コンタクトと前記記録層との間に設けられ、前記記録層の抵抗よりも高い抵抗を有するキャップ層と
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。
【請求項２】
前記キャップ層の前記コンタクト側の面積は、前記コンタクトの前記キャップ層側の面積よりも大き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。
【請求項３】
前記コンタクトは、中央に空洞部を有す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。
【請求項４】
前記コンタクトの面積は、前記磁気抵抗効果素子の面積と同じであり、
前記コンタクトの中心を前記磁気抵抗効果素子の中心からずらすことで、前記コンタクトと前記記録層との前記接触面積が小さくなってい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。
【請求項５】
磁化方向が固定された固定層と磁化方向が反転可能な記録層と前記固定層及び前記記録層の間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
前記磁気抵抗効果素子上に、前記記録層の抵抗よりも高い抵抗を有するキャップ層を形成する工程と、
前記キャップ層上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜を第２の絶縁膜で覆い、前記第１の絶縁膜が露出するまで前記第２の絶縁膜を除去する工程と、
前記第１の絶縁膜を除去し、溝を形成する工程と、
前記溝の側面のみに第３の絶縁膜を形成する工程と、
前記溝内に前記磁気抵抗効果素子との接触面積が前記磁気抵抗効果素子の面積よりも小さいコンタクトを形成する工程と
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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）は、次世代の低電流ＭＲＡＭ技術として期待されている。
【０００３】
スピン注入磁化反転型では、例えば１Ｔｒ＋１ＭＴＪ型の構造が採用されている。この１Ｔｒ＋１ＭＴＪ型の構造は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の一端にはコンタクトを介して配線が接続され、ＭＴＪ素子の他端にはトランジスタが接続されている。ここで、上記コンタクトは、ＭＴＪ素子に対して大きく接触している。これは、スピン注入書き込みの電流値を下げるために、小面積のＭＴＪ素子を想定しているからである。
【０００４】
しかしながら、ＭＴＪ素子の磁化を反転させるために、ＭＴＪ素子より大きなコンタクトからＭＴＪ素子の全体の磁化が反転するのに必要なスピン電子が注入される必要がある。従って、メモリとしては低電流化が実現できるが、１ＭＴＪ素子及び１トランジスタを流れる電流量は増加し、セル設計上の観点から問題となっていた。
【０００５】
尚、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のようなものがある。
【特許文献１】特開２００５−３４０３００号公報
【特許文献２】特開２００４−１４６８２１号公報
【特許文献３】特開２００６−１２０７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、磁気抵抗効果素子に流す書き込み電流を低減することが可能なスピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の視点による磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が固定された固定層と磁化方向が反転可能な記録層と前記固定層及び前記記録層の間に設けられた非磁性層とを有し、前記固定層及び前記記録層の間に流す電流の向きに応じて前記固定層及び前記記録層の前記磁化方向が平行状態又は反平行状態となる磁気抵抗効果素子と、前記記録層に接続され、前記記録層との接触面積が前記記録層の面積よりも小さいコンタクトと、前記コンタクトと前記記録層との間に設けられ、前記記録層の抵抗よりも高い抵抗を有するキャップ層とを具備する。
【０００８】
本発明の第２の視点による磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、磁化方向が固定された固定層と磁化方向が反転可能な記録層と前記固定層及び前記記録層の間に設けられた非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記磁気抵抗効果素子上に、前記記録層の抵抗よりも高い抵抗を有するキャップ層を形成する工程と、前記キャップ層上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜を第２の絶縁膜で覆い、前記第１の絶縁膜が露出するまで前記第２の絶縁膜を除去する工程と、前記第１の絶縁膜を除去し、溝を形成する工程と、前記溝の側面のみに第３の絶縁膜を形成する工程と、前記溝内に前記磁気抵抗効果素子との接触面積が前記磁気抵抗効果素子の面積よりも小さいコンタクトを形成する工程とを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子に流す書き込み電流を低減することが可能なスピン注入磁化反転型の磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
［１］磁気ランダムアクセスメモリ
本発明の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）は、磁気抵抗効果素子であるＭＴＪ素子（Magnetic Tunnel Junction）とコンタクトとが接触する部分において、コンタクトの接触面積がＭＴＪ素子の面積よりも小さくなっている。
【００１２】
［１−１］第１の実施形態
第１の実施形態は、ＭＴＪ素子の上方に位置するコンタクトに関し、このコンタクトを細く形成することで、コンタクトの記録層に対する接触面積を記録層の面積よりも小さくした例である。
【００１３】
（構造）
図１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断面図を示す。図２は、図１のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、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について説明する。
【００１４】
図１に示すように、半導体基板（シリコン基板）１上にはゲート絶縁膜（図示せず）を介してゲート電極２が形成され、このゲート電極２の両側の半導体基板１内にソース／ドレイン拡散層３ａ、３ｂが形成され、スイッチング素子として機能するトランジスタ（例えばＭＯＳトランジスタ）Ｔｒが形成されている。
【００１５】
トランジスタＴｒのソース／ドレイン拡散層３ａにはコンタクト４が接続され、このコンタクト４上にはＭＴＪ素子ＭＴＪが形成されている。ＭＴＪ素子ＭＴＪは、固定層（ピン層）１１と非磁性層１２と記録層（フリー層）１３が順に積層された積層構造となっている。ＭＴＪ素子ＭＴＪ上にはキャップ層２０が形成され、このキャップ層２０にはコンタクト３０が接続されている。コンタクト３０上には配線１０が接続されている。この配線１０は、例えば電源端子及び接地端子に接続されている。
【００１６】
図２に示すように、コンタクト３０はＭＴＪ素子ＭＴＪより細くなっている。このため、コンタクト３０がキャップ層２０を介して記録層１３と接触する部分の面積は、記録層１３の面積よりも小さくなっている。コンタクト３０は、ＭＴＪ素子ＭＴＪ（記録層１３）の中央に位置している。
【００１７】
キャップ層２０の抵抗値は、記録層１３の抵抗値より例えば一桁程度高いことが望ましい。このキャップ層２０の材料としては、例えば、非磁性層１２の材料、シート抵抗の大きいバリアメタル材料等が挙げられる。ここで、非磁性層１２の材料としては、後述する［２−２］欄を参照されたい。バリアメタル材料としては、例えば、次の（ａ）〜（ｋ）の材料が挙げられる。
【００１８】
（ａ）Ｔｉ
（ｂ）Ｔａ
（ｃ）Ｔｉを含む化合物（例えば、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＳｉｘ、ＴｉＢ２、ＴｉＢ、ＴｉＣ）
（ｄ）Ｔａを含む化合物（例えば、ＴａＢ２、ＴａＢ、ＴａＣ、ＴａＮ、Ｔａ４Ｎ５、Ｔａ５Ｎ６、Ｔａ２Ｎ）
（ｅ）Ｚｒを含む化合物（例えば、ＺｒＢ２、ＺｒＢ、ＺｒＣ、ＺｒＮ）
（ｆ）Ｈｆを含む化合物（例えば、ＨｆＢ、ＨｆＣ、ＨｆＮ）
（ｇ）Ｖを含む化合物（例えば、ＶＢ２、ＶＢ、ＶＣ、ＶＮ）
（ｈ）Ｎｂを含む化合物（例えば、ＮｂＢ２、ＮｂＢ、ＮｂＣ、ＮｂＮ）
（ｉ）Ｃｒを含む化合物（例えば、ＣｒＢ２、ＣｒＢ、Ｃｒ２Ｂ、Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ２Ｎ、ＣｒＮ）
（ｊ）Ｍｏを含む化合物（例えば、Ｍｏ２Ｂ３、ＭｏＢ２、ＭｏＢ、Ｍｏ２Ｂ、ＭｏｘＣｙ、Ｍｏ２Ｃ、ＭｏＮ）
（ｋ）Ｗを含む化合物（例えば、ＷｘＢｙ、Ｗ２Ｂ５、ＷｘＣｙ、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、ＷｘＮｙ、ＷＮ）
キャップ層２０は、プロセスの容易性からＭＴＪ素子ＭＴＪ素子と同一の平面形状が望ましいが、異なる平面形状でもよい。キャップ層２０の上面（コンタクト３０側の面）の面積は、コンタクト３０の底面（キャップ層２０側の面）の面積よりも大きいことが望ましい。
【００１９】
（製造方法）
図３（ａ）乃至（ｊ）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、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方法について説明する。尚、ここでは、トランジスタＴｒに接続するコンタクト４を形成した後の工程から説明する。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、コンタクト４上に、固定層１１、非磁性層１２、記録層１３、キャップ層２０及びハードマスク２１が順に堆積される。ここで、キャップ層２０は、記録層１３より高抵抗である必要があるため、例えば、ＡｌＯｘ膜、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜等からなる。ハードマスク２１は、例えば、シリコン窒化膜等からなる。
【００２１】
次に、図３（ｂ）に示すように、リソグラフィ及びＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりハードマスク２１が所望形状にパターニングされる。そして、このハードマスク２１を用いて、固定層１１、非磁性層１２、記録層１３及びキャップ層２０がエッチングされる。これにより、所望形状のＭＴＪ素子ＭＴＪが形成される。
【００２２】
次に、図３（ｃ）に示すように、ハードマスク２１上に例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜２２が堆積される。この層間絶縁膜２２は、ＭＴＪ素子ＭＴＪを覆う程度の膜厚で堆積する。
【００２３】
次に、図３（ｄ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）により層間絶縁膜２２が平坦化され、ハードマスク２１が露出される。ここで、ハードマスク２１が露出したときにＣＭＰの回転速度が変わることが望ましいため、ハードマスク２１と層間絶縁膜２２とは異なる材料を使用するとよい。
【００２４】
次に、図３（ｅ）に示すように、ハードマスク２１が選択的に除去され、キャップ層２０が露出される。これにより、溝２３が形成される。この溝２３は、ＭＴＪ素子ＭＴＪの加工時に使用したハードマスク２１を除去することで形成されるものであるため、ＭＴＪ素子ＭＴＪと同じ大きさになっている。
【００２５】
次に、図３（ｆ）に示すように、溝２３内に例えばシリコン窒化膜からなる絶縁膜２４が堆積される。この際、絶縁膜２４は、溝２３内が絶縁膜２４で埋まらない程度の膜厚で形成する。絶縁膜２４は、層間絶縁膜２２と異なる材料からなることが望ましい。
【００２６】
次に、図３（ｇ）に示すように、ＲＩＥのような異方性エッチングにより、溝２３の底面及び層間絶縁膜２２上の絶縁膜２４が除去される。これにより、絶縁膜２４は、溝２３の側壁にのみ残される。
【００２７】
次に、図３（ｈ）に示すように、溝２３内にバリアメタル膜（図示せず）が堆積され、このバリアメタル膜上にＣｕ等の導電膜３０ａが形成される。その結果、導電膜３０ａにより溝２３が埋め込まれる。
【００２８】
次に、図３（ｉ）に示すように、ＣＭＰにより導電膜３０ａ及びバリアメタル膜が平坦化され、層間絶縁膜２２が露出される。これにより、ＭＴＪ素子ＭＴＪに接続するコンタクト３０が形成される。
【００２９】
次に、図３（ｊ）に示すように、コンタクト３０上に上部配線１０が形成される。このようにして、第１の実施形態に係る半導体装置が形成される。
【００３０】
このような第１の実施形態の製造方法によれば、通常のコンタクトホール（溝２３）の形成プロセス後に絶縁膜２４の側壁残しプロセスを行うことにより、コンタクト３０の径を小さくすることができる。
【００３１】
（書き込み動作）
図４（ａ）乃至（ｄ）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書き込み動作を説明するための図を示す。以下に、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書き込み動作について説明する。
【００３２】
第１の実施形態では、スピン注入磁化反転を用いた書き込み動作を行う。従って、ＭＴＪ素子ＭＴＪは、固定層１１及び記録層１３の間に流す電流Ｉの向きに応じて、固定層１１及び記録層１３の磁化方向が平行状態又は反平行状態となる。具体的には、以下のようになる。
【００３３】
“１”データを書き込む場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの固定層１１から記録層１３の方向に電流Ｉを流す。すなわち、電子ｅを記録層１３側から固定層１１側へ注入する。これにより、固定層１１及び記録層１３の磁化は、逆方向に向き、反平行状態となる。この高抵抗状態Ｒａｐを“１”データと規定する。
【００３４】
一方、“０”データを書き込む場合、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３から固定層１１の方向に電流Ｉを流す。すなわち、電子ｅを固定層１１側から記録層１３側へ注入する。これにより、固定層１１及び記録層１３の磁化は、同じ方向に向き、平行状態となる。この低抵抗状態Ｒｐを“０”データと規定する。
【００３５】
このようなスピン注入磁化反転技術を用いた書き込み動作を第１の実施形態の構造において行うと、次のようになる。尚、ここでは、“０”データが書き込まれていたＭＴＪ素子ＭＴＪに対し、“１”データを書き込む場合を例に挙げる。
【００３６】
まず、図４（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３の磁化は上向きであり、固定層１１及び記録層１３の磁化は平行状態（“０”データ状態）であったとする。そして、図４（ｂ）に示すように、固定層１１から記録層１３の方向に書き込み電流Ｉを流すと、記録層１３の磁化は書き込み電流Ｉ（電子）の通る部分（コンタクト３０が接触している部分）のみ最初に反転する。このまま書き込み電流Ｉを流すことにより、図４（ｃ）に示すように、記録層１３内で電流スピンによる伝播が生じ、記録層１３の中央から端に向かって記録層１３の磁化が順に反転し始める。その結果、図４（ｄ）に示すように、記録層１３の磁化が全て下向きとなり、固定層１１及び記録層１３の磁化は反平行状態（“１”データ状態）となる。
【００３７】
このような書き込み動作では、コンタクト３０を小さく加工した場合、書き込み電流Ｉが通る部分は、記録層１３とコンタクト３０との接触部分のみとなる。このため、書き込み電流Ｉの電流値を低く設定できることとなり、トランジスタＴｒを流れる電流値などを低く設定できる利点がある。
【００３８】
但し、これを実現するためには、ＭＴＪ素子ＭＴＪを保護するために形成するキャップ層２０の抵抗は、記録層１３より十分高いことが望ましい。このような高抵抗のキャップ層２０が無いと、記録層１３よりもキャップ層２０への電子の伝播が早くなるため、コンタクト３０と記録層１３との接触部分のみに電流Ｉが集中しなくなるからである。
【００３９】
（読み出し動作）
第１の実施形態の読み出し動作では、磁気抵抗（Magneto Resistive）効果を利用する。
【００４０】
選択セルのＭＴＪ素子ＭＴＪにつながるトランジスタＴｒをオン状態とし、読み出し電流を例えば配線１０からＭＴＪ素子ＭＴＪを通ってトランジスタＴｒの方向へ流す。そして、この読み出し電流に基づいて読み出されたＭＴＪ素子ＭＴＪの抵抗値により、“１”、“０”データの判別が行われる。
【００４１】
尚、読み出し動作時は、定電圧を印加して電流値を読み出してもよいし、定電流を印加して電圧値を読み出してもよい。
【００４２】
［１−２］第２の実施形態
第２の実施形態は、第１の実施形態のコンタクトをＭＴＪ素子の下方に配置した例である。尚、第２の実施形態では、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００４３】
（構造）
図５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。図６は、図５のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、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について説明する。
【００４４】
図５及び図６に示すように、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、記録層１３の面積よりも小さくするコンタクト４０の位置である。すなわち、第１の実施形態では、配線１０側に配置したコンタクト３０の接触面積を小さくしたのに対し、第２の実施形態では、トランジスタＴｒ側に配置するコンタクト４０の接触面積を小さくしている。さらに、第１の実施形態では、固定層１１がトランジスタＴｒ側に配置し、記録層１３が配線１０側に配置していたのに対し、第２の実施形態では、固定層１１が配線１０側に配置し、記録層１３がトランジスタＴｒ側に配置している。
【００４５】
コンタクト４０がキャップ層２０を介して記録層１３と接触する部分の面積は、記録層１３の面積よりも小さくなっている。コンタクト４０はＭＴＪ素子ＭＴＪ（記録層１３）の中央に位置している。
【００４６】
コンタクト４０と記録層１３との間には、記録層１３よりも高抵抗のキャップ層２０が形成されている。キャップ層２０の平面形状は、ＭＴＪ素子ＭＴＪ素子と同じでもよいし、ＭＴＪ素子ＭＴＪより大きくてもよい（図７（ｈ）参照）。キャップ層２０の底面（コンタクト４０側の面）の面積は、コンタクト４０の上面（キャップ層２０側の面）の面積よりも大きいことが望ましい。
【００４７】
（製造方法）
図７（ａ）乃至（ｈ）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製造工程の断面図を示す。以下に、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製造方法について説明する。尚、ここでは、トランジスタＴｒに接続するコンタクト４を形成した後の工程から説明する。
【００４８】
まず、図７（ａ）に示すように、半導体基板（図示せず）上にトランジスタ（図示せず）に接続するコンタクト４が形成される。
【００４９】
次に、図７（ｂ）に示すように、コンタクト４上に例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜４１が形成され、この絶縁膜４１が加工される。これにより、コンタクト４を露出する溝４２が形成される。
【００５０】
次に、図７（ｃ）に示すように、溝４２内に例えばシリコン窒化膜からなる絶縁膜４３が堆積される。この際、絶縁膜４３は、溝４２内が絶縁膜４３で埋まらない程度の膜厚で形成する。絶縁膜４３は、絶縁膜４１と異なる材料からなることが望ましい。
【００５１】
次に、図７（ｄ）に示すように、ＲＩＥのような異方性エッチングにより、溝４２の底面及び絶縁膜４１上の絶縁膜４３が除去される。これにより、絶縁膜４３は、溝４２の側壁にのみ残される。
【００５２】
次に、図７（ｅ）に示すように、溝４２内にバリアメタル膜（図示せず）が堆積され、このバリアメタル膜上にＣｕ等の導電膜４０ａが形成される。その後、ＣＭＰにより導電膜４０ａ及びバリアメタル膜が平坦化され、絶縁膜４１が露出される。これにより、コンタクト４０が形成される。
【００５３】
次に、図７（ｆ）に示すように、コンタクト４０上にキャップ層２０が形成され、このキャップ層２０が所望形状にパターニングされる。ここで、キャップ層２０は、記録層１３より高抵抗である必要があるため、例えば、ＡｌＯｘ膜、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜等からなる。
【００５４】
次に、図７（ｇ）に示すように、キャップ層２０上に、記録層１３、非磁性層１２及び固定層１１が順に堆積される。その後、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３がエッチングされる。これにより、所望形状のＭＴＪ素子ＭＴＪが形成される。尚、キャップ層２０は図７（ｆ）の工程で加工せずに、本工程でＭＴＪ素子ＭＴＪと同時に一括加工してもよい。
【００５５】
次に、図７（ｈ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪ上に上部配線１０が形成される。このようにして、第２の実施形態に係る半導体装置が形成される。
【００５６】
このような第２の実施形態の製造方法によれば、通常のコンタクトホール（溝４２）の形成プロセス後に絶縁膜４３の側壁残しプロセスを行うことにより、コンタクト４０の径を小さくすることができる。
【００５７】
さらに、第１の実施形態では、図３（ｇ）に示すように、絶縁膜２４の側壁残しの工程において、キャップ層２０で絶縁膜２４のエッチングをストップさせる必要があり、コンタクト３０と接触する部分のＭＴＪ素子ＭＴＪの磁性体にダメージが生じる可能性がある。これに対し、第２の実施形態では、絶縁膜４３の側壁残しの工程においてキャップ層２０が下地とならずにＭＴＪ素子ＭＴＪをコンタクト４０の上方に形成するため、第１の実施形態のような磁性体のダメージが生じる可能性が無くなるという利点がある。
【００５８】
（書き込み動作）
図８（ａ）乃至（ｄ）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書き込み動作を説明するための図を示す。以下に、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書き込み動作について説明する。尚、ここでは、“０”データが書き込まれていたＭＴＪ素子ＭＴＪに対し、“１”データを書き込む場合を例に挙げる。
【００５９】
まず、図８（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３の磁化は下向きであり、固定層１１及び記録層１３の磁化は平行状態（“０”データ状態）であったとする。そして、図８（ｂ）に示すように、固定層１１から記録層１３の方向に書き込み電流Ｉを流すと、記録層１３の磁化は書き込み電流Ｉ（電子）の通る部分（コンタクト４０が接触している部分）のみ最初に反転する。このまま書き込み電流Ｉを流すことにより、図８（ｃ）に示すように、記録層１３内で電流スピンによる伝播が生じ、記録層１３の中央から端に向かって記録層１３の磁化が順に反転し始める。その結果、図８（ｄ）に示すように、記録層１３の磁化が全て上向きとなり、固定層１１及び記録層１３の磁化は反平行状態（“１”データ状態）となる。
【００６０】
このような書き込み動作によれば、コンタクト４０を小さく加工した場合、書き込み電流Ｉが通る部分は、記録層１３とコンタクト４０との接触部分のみとなる。このため、第１の実施形態と同様、書き込み電流Ｉの電流値を低く設定できることとなり、トランジスタＴｒを流れる電流値などを低く設定できる利点がある。
【００６１】
［１−３］第３の実施形態
第３の実施形態は、ＭＴＪ素子の上方に位置するコンタクトに関し、このコンタクトの中央に空洞部を設けることで、コンタクトの記録層に対する接触面積を記録層の面積よりも小さくした例である。尚、第３の実施形態では、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００６２】
（構造）
図９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。図１０は、図９のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、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について説明する。
【００６３】
図９及び図１０に示すように、第３の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、記録層１３の面積よりも小さくするコンタクト３０の形状である。すなわち、コンタクト３０の記録層１３に対する接触面積を記録層１３の面積よりも小さくするために、第１の実施形態では、コンタクト３０を細くしていたのに対し、第３の実施形態では、コンタクト３０の中央に空洞部３０’を形成している。
【００６４】
第３の実施形態のコンタクト３０は、中央に空洞部３０’が存在するため、筒状になっている。この空洞部３０’内には絶縁膜２４が形成されている。コンタクト３０の外側の側面は、図示するようにＭＴＪ素子ＭＴＪ及びキャップ層２０の側面と一致していてもよいし、ＭＴＪ素子ＭＴＪ及びキャップ層２０の側面と一致しなくてもよい。
【００６５】
（製造方法）
図１１（ａ）乃至（ｊ）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製造工程の断面図を示す。以下に、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製造方法について説明する。尚、ここでは、トランジスタＴｒに接続するコンタクト４を形成した後の工程から説明する。
【００６６】
まず、図１１（ａ）に示すように、コンタクト４上に、固定層１１、非磁性層１２、記録層１３、キャップ層２０及びハードマスク２１が順に堆積される。ここで、キャップ層２０は、記録層１３より高抵抗である必要があるため、例えば、ＡｌＯｘ膜、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜等からなる。ハードマスク２１は、例えば、シリコン窒化膜等からなる。
【００６７】
次に、図１１（ｂ）に示すように、リソグラフィ及びＲＩＥによりハードマスク２１が所望形状にパターニングされる。そして、このハードマスク２１を用いて、固定層１１、非磁性層１２、記録層１３及びキャップ層２０がエッチングされる。これにより、所望形状のＭＴＪ素子ＭＴＪが形成される。
【００６８】
次に、図１１（ｃ）に示すように、ハードマスク２１上に例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜２２が堆積される。この層間絶縁膜２２は、ＭＴＪ素子ＭＴＪを覆う程度の膜厚で堆積する。
【００６９】
次に、図１１（ｄ）に示すように、ＣＭＰにより層間絶縁膜２２が平坦化され、ハードマスク２１が露出される。ここで、ハードマスク２１が露出したときにＣＭＰの回転速度が変わることが望ましいため、ハードマスク２１と層間絶縁膜２２とは異なる材料を使用するとよい。
【００７０】
次に、図１１（ｅ）に示すように、ハードマスク２１が選択的に除去され、キャップ層２０が露出される。これにより、溝２３が形成される。この溝２３は、ＭＴＪ素子ＭＴＪの加工時に使用したハードマスク２１を除去することで形成されるものであるため、ＭＴＪ素子ＭＴＪと同じ大きさになっている。
【００７１】
次に、図１１（ｆ）に示すように、溝２３内にバリアメタル膜（図示せず）が堆積され、このバリアメタル膜上に例えばＣｕ等の導電膜３０ａが堆積される。この際、導電膜３０ａは、溝２３内が導電膜３０ａで埋まらない程度の膜厚で形成する。
【００７２】
次に、図１１（ｇ）に示すように、ＲＩＥのような異方性エッチングにより、溝２３の底面及び層間絶縁膜２２上の導電膜３０ａが除去される。これにより、導電膜３０ａは、溝２３の側壁にのみ残され、空洞部３０’を有するコンタクト３０が形成される。
【００７３】
次に、図１１（ｈ）に示すように、空洞部３０’内にシリコン窒化膜からなる絶縁膜２４が形成される。これにより、コンタクト３０の空洞部１０’が絶縁膜２４で埋め込まれる。この絶縁膜２４は、層間絶縁膜２２と異なる材料からなることが望ましい。
【００７４】
次に、図１１（ｉ）に示すように、ＣＭＰにより絶縁膜２４が平坦化され、絶縁膜２２が露出される。
【００７５】
次に、図１１（ｊ）に示すように、コンタクト３０上に上部配線１０が形成される。このようにして、第３の実施形態に係る半導体装置が形成される。
【００７６】
このような第３の実施形態の製造方法によれば、通常のコンタクトホール（溝２３）の形成プロセス後に導電膜３０ａの側壁残しプロセスを行うことにより、空洞部３０’を有するコンタクト３０が形成できるため、コンタクト３０と記録層１３との接触面積を小さくすることができる。
【００７７】
また、第１の実施形態では、図３（ｇ）に示すように、絶縁膜２４の側壁残しの工程において、キャップ層２０で絶縁膜２４のエッチングをストップさせる必要があり、コンタクト３０と接触する部分のＭＴＪ素子ＭＴＪの磁性体にダメージが生じる可能性がある。これに対し、第３の実施形態では、コンタクト３０自体を側壁残しプロセスで形成するため、コンタクト３０と接触する部分のＭＴＪ素子ＭＴＪの磁性体にダメージが生じることを回避でき、良好なコンタクトを実現できる。
【００７８】
尚、本実施形態は、第１の実施形態と同様の書き込み及び読み出し動作が実現できる。ここで、第１の実施形態では、録層１３とコンタクト３０との接触部分は記録層１３の中央に位置するため、記録層１３の中央から端部に向かって電流スピンの伝播が生じる。これに対し、本実施形態では、記録層１３の周囲から中央に向かって電流スピンの伝播が生じる。このため、記録層１３の周辺から反転させることで反転源が多いので、磁化反転し易い。また、記録層１３の周辺からの磁化反転により、ボルテックスと呼ばれる異常な磁化の固定状態が生じ難い。
【００７９】
［１−４］第４の実施形態
第４の実施形態は、第３の実施形態のコンタクトをＭＴＪ素子の下方に配置した例である。尚、第４の実施形態では、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００８０】
（構造）
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。図１３は、図１２のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、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について説明する。
【００８１】
図１２及び図１３に示すように、第４の実施形態において、第３の実施形態と異なる点は、記録層１３の面積よりも小さくするコンタクト４０の位置である。すなわち、第３の実施形態では、配線１０側に配置したコンタクト３０の接触面積を小さくしたのに対し、第４の実施形態では、トランジスタＴｒ側に配置するコンタクト４０の接触面積を小さくしている。さらに、第３の実施形態では、固定層１１がトランジスタＴｒ側に配置し、記録層１３が配線１０側に配置していたのに対し、第４の実施形態では、固定層１１が配線１０側に配置し、記録層１３がトランジスタＴｒ側に配置している。
【００８２】
第４の実施形態のコンタクト４０は、中央に空洞部４０’が存在するため、筒状になっている。この空洞部４０’内には絶縁膜４３が形成されている。コンタクト４０の外側の側面は、ＭＴＪ素子ＭＴＪ及びキャップ層２０の側面と一致していてもよく（図１２及び図１３参照）、ＭＴＪ素子ＭＴＪ及びキャップ層２０の側面と一致しなくてもよい。例えば、キャップ層２０の側面がコンタクト４０の外側の側面よりも突出していてもよい（図１４（ｇ）参照）。
【００８３】
（製造方法）
図１４（ａ）乃至（ｈ）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製造工程の断面図を示す。以下に、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製造方法について説明する。尚、ここでは、トランジスタＴｒに接続するコンタクト４を形成した後の工程から説明する。
【００８４】
まず、図１４（ａ）に示すように、半導体基板（図示せず）上にトランジスタ（図示せず）に接続するコンタクト４が形成される。
【００８５】
次に、図１４（ｂ）に示すように、コンタクト４上に例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜４１が形成され、この絶縁膜４１が加工される。これにより、コンタクト４を露出する溝４２が形成される。
【００８６】
次に、図１４（ｃ）に示すように、溝４２内にバリアメタル膜（図示せず）が堆積され、このバリアメタル膜上にＣｕ等の導電膜４０ａが形成される。
【００８７】
次に、図１４（ｄ）に示すように、ＲＩＥのような異方性エッチングにより、コンタクト４上及び絶縁膜４１上のバリアメタル膜及び導電膜４０ａが除去される。これにより、空洞部４０’を有するコンタクト４０が形成される。
【００８８】
次に、図１４（ｅ）に示すように、空洞部４０’内に例えばシリコン窒化膜からなる絶縁膜４３が堆積される。その後、ＣＭＰにより絶縁膜４３が平坦化され、絶縁膜４１が露出される。ここで、絶縁膜４３は、絶縁膜４１と異なる材料からなることが望ましい。
【００８９】
次に、図１４（ｆ）に示すように、コンタクト４０上にキャップ層２０が形成され、このキャップ層２０が所望形状にパターニングされる。ここで、キャップ層２０は、記録層１３より高抵抗である必要があるため、例えば、ＡｌＯｘ膜、ＴａＮ膜、ＴｉＮ膜等からなる。
【００９０】
次に、図１４（ｇ）に示すように、キャップ層２０上に、記録層１３、非磁性層１２及び固定層１１が順に堆積される。その後、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３がエッチングされる。これにより、所望形状のＭＴＪ素子ＭＴＪが形成される。尚、キャップ層２０は図１４（ｆ）の工程で加工せずに、本工程でＭＴＪ素子ＭＴＪと同時に一括加工してもよい。
【００９１】
次に、図１４（ｈ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪ上に上部配線１０が形成される。このようにして、第４の実施形態に係る半導体装置が形成される。
【００９２】
このような第４の実施形態の製造方法によれば、通常のコンタクトホール（溝４２）の形成プロセス後に導電膜４０ａの側壁残しプロセスを行うことにより、空洞部４０’を有するコンタクト４０が形成できるため、コンタクト４０と記録層１３との接触面積を小さくすることができる。
【００９３】
また、第４の実施形態では、コンタクト４０の空洞部４０’を埋め込む絶縁膜４３のＣＭＰの際（図１４（ｅ））、コンタクト４０の導電膜４０ａをストッパ層として用いることができる。このため、ＣＭＰの制御の安定性がよくなり、ＭＴＪ素子ＭＴＪの下地部分の平坦性が増し、下地ばらつきによるＭＴＪ素子ＭＴＪの磁性特性の劣化を抑制できる。
【００９４】
［１−５］第５の実施形態
第５の実施形態は、ＭＴＪ素子の上方に位置するコンタクトに関し、このコンタクトとＭＴＪ素子とを合わせずれさせることで、コンタクトの記録層に対する接触面積を記録層の面積よりも小さくした例である。尚、第５の実施形態において、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００９５】
（構造）
図１５は、本発明の第５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。図１６は、図１５のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、本発明の第５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。
【００９６】
図１５及び図１６に示すように、第５の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、コンタクト３０の記録層１３に対する接触面積を記録層１３の面積よりも小さくする方法である。すなわち、第１の実施形態では、コンタクト３０を小さくしたのに対し、第５の実施形態では、コンタクト３０自体が小さくせずに、コンタクト３０の中心Ｃ２とＭＴＪ素子ＭＴＪの中心Ｃ１とをずらして配置している。
【００９７】
第５の実施形態のコンタクト３０の面積は、ＭＴＪ素子ＭＴＪの面積と同じである。コンタクト３０の中心Ｃ２とＭＴＪ素子ＭＴＪの中心Ｃ１とのずれ量Ｓは、例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの短辺方向（磁化困難軸方向）の幅（例えば最小加工寸法Ｆ）の１／２以上が望ましい。尚、通常のリソグラフィによる偶発的な合わせずれは、最小加工寸法Ｆの１／４程度である。
【００９８】
このような第５の実施形態によれば、通常の大きさでコンタクト３０を形成し、このコンタクト３０をＭＴＪ素子ＭＴＪに対してずらして形成すればよい。従って、第１の実施形態と比べて、側壁残しプロセスなどの工程を省略できるため、プロセスが容易となる利点がある。
【００９９】
（書き込み動作）
図１７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第５の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作を説明するための図を示す。以下に、本発明の第５の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作について説明する。尚、ここでは、“０”データが書き込まれていたＭＴＪ素子ＭＴＪに対し、“１”データを書き込む場合を例に挙げる。
【０１００】
まず、図１７（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３の磁化は上向きであり、固定層１１及び記録層１３の磁化は平行状態（“０”データ状態）であったとする。そして、図１７（ｂ）に示すように、固定層１１から記録層１３の方向に書き込み電流Ｉを流すと、記録層１３の磁化は書き込み電流Ｉ（電子）の通る部分（コンタクト３０が接触している部分）のみ最初に反転する。このまま書き込み電流Ｉを流すことにより、記録層１３内で電流スピンによる伝播が生じ、記録層１３の端から全体に向かって記録層１３の磁化が順に反転し始める。その結果、図１７（ｃ）に示すように、記録層１３の磁化が全て下向きとなり、固定層１１及び記録層１３の磁化は反平行状態（“１”データ状態）となる。
【０１０１】
このような書き込み動作によれば、コンタクト３０をＭＴＪ素子ＭＴＪに対して合わせずれさせた場合、書き込み電流Ｉが通る部分は、記録層１３とコンタクト３０との接触部分のみとなる。このため、第１の実施形態と同様、書き込み電流Ｉの電流値を低く設定できることとなり、トランジスタＴｒを流れる電流値などを低く設定できる利点がある。
【０１０２】
また、第１の実施形態等では、録層１３とコンタクト３０との接触部分は記録層１３の中央に位置するため、記録層１３の中央から端部に向かって電流スピンの伝播が生じる。これに対し、本実施形態では、合わせずれを利用するため、記録層１３とコンタクト３０との接触部分は記録層１３の端部に位置する。従って、本実施形態では、記録層１３の端から全体に向かって電流スピンの伝播が生じる。このため、磁区による中間状態（“１”、“０”の２値の抵抗値における中間の抵抗値をとる状態）が固定されることが生じ難い。さらに、本実施形態では、第１の実施形態と比べて、コンタクト３０の加工が容易である。
【０１０３】
［１−６］第６の実施形態
第６の実施形態は、第５の実施形態のコンタクトをＭＴＪ素子の下方に配置した例である。尚、第６の実施形態では、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【０１０４】
（構造）
図１８は、本発明の第６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。図１９は、図１８のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、本発明の第６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。
【０１０５】
図１８及び図１９に示すように、第６の実施形態において、第５の実施形態と異なる点は、ＭＴＪ素子ＭＴＪと合わせずれさせるコンタクト４０の位置である。すなわち、第５の実施形態では、配線１０側に配置したコンタクト３０を合わせずれさせたのに対し、第６の実施形態では、トランジスタＴｒ側に配置するコンタクト４０を合わせずれさせている。さらに、第５の実施形態では、固定層１１がトランジスタＴｒ側に配置し、記録層１３が配線１０側に配置していたのに対し、第６の実施形態では、固定層１１が配線１０側に配置し、記録層１３がトランジスタＴｒ側に配置している。
【０１０６】
第６の実施形態のコンタクト４０の面積は、ＭＴＪ素子ＭＴＪの面積と同じである。コンタクト４０の中心Ｃ２とＭＴＪ素子ＭＴＪの中心Ｃ１とのずれ量Ｓは、例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの短辺方向（磁化困難軸方向）の幅（例えば最小加工寸法Ｆ）の１／２以上が望ましい。尚、通常のリソグラフィによる偶発的な合わせずれは、最小加工寸法Ｆの１／４程度である。
【０１０７】
このような第６の実施形態によれば、通常の大きさでコンタクト４０を形成し、このコンタクト４０をＭＴＪ素子ＭＴＪに対してずらして形成すればよい。従って、第２の実施形態と比べて、側壁残しプロセスなどの工程を省略できるため、プロセスが容易となる利点がある。
【０１０８】
（書き込み動作）
図２０（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第６の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作を説明するための図を示す。以下に、本発明の第６の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作について説明する。尚、ここでは、“０”データが書き込まれていたＭＴＪ素子ＭＴＪに対し、“１”データを書き込む場合を例に挙げる。
【０１０９】
まず、図２０（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３の磁化は下向きであり、固定層１１及び記録層１３の磁化は平行状態（“０”データ状態）であったとする。そして、図２０（ｂ）に示すように、固定層１１から記録層１３の方向に書き込み電流Ｉを流すと、記録層１３の磁化は書き込み電流Ｉ（電子）の通る部分（コンタクト４０が接触している部分）のみ最初に反転する。このまま書き込み電流Ｉを流すことにより、記録層１３内で電流スピンによる伝播が生じ、記録層１３の端から全体に向かって記録層１３の磁化が順に反転し始める。その結果、図２０（ｃ）に示すように、記録層１３の磁化が全て上向きとなり、固定層１１及び記録層１３の磁化は反平行状態（“１”データ状態）となる。
【０１１０】
このような書き込み動作によれば、コンタクト４０をＭＴＪ素子ＭＴＪに対して合わせずれさせた場合、書き込み電流Ｉが通る部分は、記録層１３とコンタクト４０との接触部分のみとなる。このため、第２の実施形態と同様、書き込み電流Ｉの電流値を低く設定できることとなり、トランジスタＴｒを流れる電流値などを低く設定できる利点がある。
【０１１１】
また、第２の実施形態等では、録層１３とコンタクト４０との接触部分は記録層１３の中央に位置するため、記録層１３の中央から端部に向かって電流スピンの伝播が生じる。これに対し、本実施形態では、合わせずれを利用するため、記録層１３とコンタクト４０との接触部分は記録層１３の端部に位置する。従って、本実施形態では、記録層１３の端から全体に向かって電流スピンの伝播が生じるため、第２の実施形態と比べて、      という利点がある。
【０１１２】
［１−７］第７の実施形態
第７の実施形態は、第５の実施形態の変形例であり、合わせずれをさせるコンタクト自体を小さくした例である。尚、第７の実施形態では、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【０１１３】
（構造）
図２１は、本発明の第７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。図２２は、図２１のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、本発明の第７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。
【０１１４】
図２１及び図２２に示すように、第７の実施形態において、第５の実施形態と異なる点は、合わせずれさせるコンタクト３０自体を小さくしている点である。このコンタクト３０の面積は、ＭＴＪ素子ＭＴＪの面積よりも小さい。コンタクト３０の中心Ｃ２とＭＴＪ素子ＭＴＪの中心Ｃ１とのずれ量Ｓは、例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの短辺方向（磁化困難軸方向）の幅（例えば最小加工寸法Ｆ）の１／４Ｆ以下が望ましい。この程度であれば、合わせずれによる不具合が生じないからである。
【０１１５】
（書き込み動作）
図２３（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第７の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作を説明するための図を示す。以下に、本発明の第７の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作について説明する。尚、ここでは、“０”データが書き込まれていたＭＴＪ素子ＭＴＪに対し、“１”データを書き込む場合を例に挙げる。
【０１１６】
まず、図２３（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３の磁化は上向きであり、固定層１１及び記録層１３の磁化は平行状態（“０”データ状態）であったとする。そして、図２３（ｂ）に示すように、固定層１１から記録層１３の方向に書き込み電流Ｉを流すと、記録層１３の磁化は書き込み電流Ｉ（電子）の通る部分（コンタクト３０が接触している部分）のみ最初に反転する。このまま書き込み電流Ｉを流すことにより、図２３（ｃ）に示すように、記録層１３内で電流スピンによる伝播が生じ、記録層１３の接触部分から全体に向かって記録層１３の磁化が順に反転し始める。その結果、図２３（ｄ）に示すように、記録層１３の磁化が全て下向きとなり、固定層１１及び記録層１３の磁化は反平行状態（“１”データ状態）となる。
【０１１７】
このような書き込み動作によれば、書き込み電流Ｉが通る部分は、記録層１３とコンタクト３０との接触部分のみとなる。このため、第１の実施形態と同様、書き込み電流Ｉの電流値を低く設定できることとなり、トランジスタＴｒを流れる電流値などを低く設定できる利点がある。
【０１１８】
［１−８］第８の実施形態
第８の実施形態は、第６の実施形態の変形例であり、合わせずれをさせるコンタクト自体を小さくした例である。尚、第８の実施形態において、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【０１１９】
（構造）
図２４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断面図を示す。図２５は、図２４のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、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について説明する。
【０１２０】
図２４及び図２５に示すように、第８の実施形態において、第６の実施形態と異なる点は、合わせずれさせるコンタクト４０自体を小さくしている点である。このコンタクト４０の面積は、ＭＴＪ素子ＭＴＪの面積よりも小さい。コンタクト４０の中心Ｃ２とＭＴＪ素子ＭＴＪの中心Ｃ１とのずれ量Ｓは、例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの短辺方向（磁化困難軸方向）の幅（例えば最小加工寸法Ｆ）の１／４Ｆ以下が望ましい。この程度であれば、合わせずれによる不具合が生じないからである。
【０１２１】
（書き込み動作）
図２６（ａ）乃至（ｄ）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書き込み動作を説明するための図を示す。以下に、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書き込み動作について説明する。尚、ここでは、“０”データが書き込まれていたＭＴＪ素子ＭＴＪに対し、“１”データを書き込む場合を例に挙げる。
【０１２２】
まず、図２６（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪの記録層１３の磁化は下向きであり、固定層１１及び記録層１３の磁化は平行状態（“０”データ状態）であったとする。そして、図２６（ｂ）に示すように、固定層１１から記録層１３の方向に書き込み電流Ｉを流すと、記録層１３の磁化は書き込み電流Ｉ（電子）の通る部分（コンタクト４０が接触している部分）のみ最初に反転する。このまま書き込み電流Ｉを流すことにより、図２６（ｃ）に示すように、記録層１３内で電流スピンによる伝播が生じ、記録層１３の接触部分から全体に向かって記録層１３の磁化が順に反転し始める。その結果、図２６（ｄ）に示すように、記録層１３の磁化が全て上向きとなり、固定層１１及び記録層１３の磁化は反平行状態（“１”データ状態）となる。
【０１２３】
このような書き込み動作によれば、書き込み電流Ｉが通る部分は、記録層１３とコンタクト４０との接触部分のみとなる。このため、第２の実施形態と同様、書き込み電流Ｉの電流値を低く設定できることとなり、トランジスタＴｒを流れる電流値などを低く設定できる利点がある。
【０１２４】
［１−９］第９の実施形態
第９の実施形態は、ＭＴＪ素子の上方に位置するコンタクトに関し、このコンタクトをライン状にすることで、コンタクトの記録層に対する接触面積を記録層の面積よりも小さくした例である。尚、第９の実施形態において、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【０１２５】
（構造）
図２７は、本発明の第９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。図２８は、図２７のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、本発明の第９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。
【０１２６】
図２７及び図２８に示すように、第９の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、記録層１３の面積よりも小さくするコンタクト３０の形状である。すなわち、コンタクト３０の記録層１３に対する接触面積を記録層１３の面積よりも小さくするために、第１の実施形態では、細いコンタクト３０を１つ形成していたのに対し、第９の実施形態では、ライン状の２つの細いコンタクト３０−１、３０−２を形成している。このコンタクト３０−１、３０−２は互いに離間して配置され、このコンタクト３０−１、３０−２間は絶縁膜２４で埋め込まれている。
【０１２７】
（製造方法）
図２９（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第９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平面図を示す。図３０（ａ）乃至（ｃ）は、図２９の構造を形成するための製造工程の断面図を示す。図３１（ａ）乃至（ｃ）は、図２９の構造を形成するための製造工程の断面図を示す。以下に、本発明の第９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。
【０１２８】
まず、図２９（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪ上にライン状の絶縁膜２４及び金属膜３０ａが形成される。この形成は、例えば以下の第１及び第２の方法で実現される。
【０１２９】
第１の方法では、図３０（ａ）に示すように、ライン状の溝２３内に金属膜３０ａが形成される。次に、図３０（ｂ）に示すように、金属膜３０ａがエッチングされ、溝２３の側面のみに金属膜３０ａが残される。その後、溝２４内に絶縁膜２４が埋め込まれる。これにより、ライン状の絶縁膜２４及び金属膜３０ａが形成される。
【０１３０】
第２の方法では、図３１（ａ）に示すように、キャップ層２０上にライン状の絶縁膜２４が形成され、この絶縁膜２４上に金属膜３０ａが形成される。次に、図３１（ｂ）に示すように、絶縁膜２４の側面のみに金属膜３０ａが残るようにエッチングされる。これにより、ライン状の絶縁膜２４及び金属膜３０ａが形成される。その後、図３１（ｃ）に示すように、金属膜３０ａの周囲が絶縁膜５１で埋め込まれる。
【０１３１】
次に、図２９（ｂ）に示すように、ライン状の絶縁膜２４及び金属膜３０ａを横切るようにレジスト５０が形成される。
【０１３２】
次に、図２９（ｃ）に示すように、レジスト５０をマスクとして絶縁膜２４及び金属膜３０ａがエッチングされる。その結果、ＭＴＪ素子ＭＴＪ上に２本のライン状のコンタクト３０−１、３０−２が形成される。その後、レジスト５０が除去される。
【０１３３】
このような第１０の実施形態の製造方法によれば、ライン状のコンタクト３０−１、３０−２が側壁残しプロセスで形成されている。このため、リソグラフィで形成する場合よりも微細加工が可能となる。
【０１３４】
［１−１０］第１０の実施形態
第１０の実施形態は、第１及び第２の実施形態を組み合わせたものであり、ＭＴＪ素子の上下のコンタクトを小さくする例である。尚、第１０の実施形態において、他の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【０１３５】
（構造）
図３２は、本発明の第１０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。図３３は、図３２のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図を示す。以下に、本発明の第１０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。
【０１３６】
図３２及び図３３に示すように、ＭＴＪ素子ＭＴＪの上方のコンタクト３０は、第１の実施形態と同様である。すなわち、コンタクト３０がキャップ層２０ａを介して記録層１３と接触する部分の面積は、記録層１３の面積よりも小さくなっている。このコンタクト３０は、ＭＴＪ素子ＭＴＪ（記録層１３）の中央に位置している。
【０１３７】
ＭＴＪ素子ＭＴＪの下方のコンタクト４０は、第２の実施形態と同様である。すなわち、コンタクト４０がキャップ層２０ｂを介して固定層１１と接触する部分の面積は、固定層１１の面積よりも小さくなっている。コンタクト４０は、ＭＴＪ素子ＭＴＪ（固定層１１）の中央に位置している。
【０１３８】
ここで、本図では、固定層１１をトランジスタＴｒ側に配置し、記録層１３を配線１０側に配置しているが、固定層１１を配線１０側に配置し、記録層１３をトランジスタＴｒ側に配置してもよい。
【０１３９】
このような第１０の実施形態によれば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの上下のコンタクト３０、４０が小さいため、書き込み電流Ｉの横方向広がりをより抑えられる。このため、電流経路がさらに限定されることにより、低電硫化の効果がさらに高くなる利点がある。
【０１４０】
［２］ＭＴＪ素子ＭＴＪ
［２−１］磁化配置
上記各実施形態では、ＭＴＪ素子ＭＴＪの固定層１１及び記録層１３の磁化方向は、膜面に対して垂直方向を向く場合（垂直磁化型）を例に挙げたが、膜面に対して平行方向に向いていてもよい（平行磁化型）。
【０１４１】
尚、垂直磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪであれば、従来のように素子形状の長手方向で磁化方向が決定されることがなくなるという利点がある。
【０１４２】
［２−２］材料
ＭＴＪ素子ＭＴＪは、例えば以下のような材料からなる。
【０１４３】
固定層１１及び記録層１３の材料には、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ２、ＲＸＭｎＯ３ー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。
【０１４４】
非磁性層１２の材料には、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ２、ＡｌＬａＯ３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よい。尚、上記各実施形態のキャップ層２０は、上述する非磁性層１２の材料を用いてもよい。
【０１４５】
固定層１１の非磁性層１２と反対側の面には、固定層１１の磁化方向を固着させるための反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３などを用いることが好ましい。
【０１４６】
尚、垂直磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪを実現するための垂直磁気材料の例としては、例えば次のようなものがある。
【０１４７】
まず、固定層１１及び記録層１３の垂直磁気材料に使用されるような高い保磁力を持つ磁性材料は、１×１０６ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い磁気異方性エネルギー密度を持つ材料により構成される。以下、その材料例について説明する。
【０１４８】
（例１)
「Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうちの少なくとも１つと、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）のうちの少なくとも１つとを含む合金からなるもの」
例えば、規則合金としては、Ｆｅ（５０）Ｐｔ（５０）、Ｆｅ（５０）Ｐｄ（５０）、Ｃｏ（５０）Ｐｔ（５０）などがある。例えば、不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金などがある。
【０１４９】
（例２)
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つもの」
例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子などがある。Ｃｏ／Ｐｔ人工格子を使用した場合及びＣｏ／Ｐｄ人工格子を使用した場合においては、抵抗変化率（ＭＲ比）は、約４０％、という大きな値を実現できる。
【０１５０】
（例３)
「希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、又は、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金」
例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどがある。
【０１５１】
次に、記録層１３は、上述のような高い保磁力を持つ磁性材料から構成することもできるし、組成比の調整、不純物の添加、厚さの調整などを行って、上述のような高い保磁力を持つ磁性材料よりも磁気異方性エネルギー密度が小さい磁性材料から構成してもよい。以下、その材料例について説明する。
【０１５２】
（例１）
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つと、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄのうちの少なくとも１つとを含む合金に、不純物を添加したもの」
例えば、規則合金としては、Ｆｅ（５０）Ｐｔ（５０）、Ｆｅ（５０）Ｐｄ（５０）、又は、Ｃｏ（５０）Ｐｔ（５０）に、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇなどの不純物を加えて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。例えば、不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、又は、ＣｏＣｒＮｂ合金について、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。
【０１５３】
（例２）
「Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つものであって、前者の元素若しくは合金からなる層の厚さ、又は、後者の元素若しくは合金からなる層の厚さを調整したもの」
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つ又はこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値と、Ｐｄ、Ｐｔのうちの１つ又はこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値とが存在し、厚さがこれら最適値から離れるに従い、磁気異方性エネルギー密度は、次第に低下する。
【０１５４】
（例３）
「希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、又は、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金の組成比を調整したもの」
例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどのアモルファス合金の組成比を調整し、磁気異方性エネルギー密度を小さくしたものがある。
【０１５５】
［２−３］平面形状
上記各実施形態では、ＭＴＪ素子ＭＴＪの平面形状を円にしていたが、これに限定されない。ＭＴＪ素子ＭＴＪの平面形状は、例えば、長方形、正方形、楕円、六角形、菱型、平行四辺形、十字型、ビーンズ型（凹型）等、種々に変更することが可能である。
【０１５６】
平行磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪの場合、形状磁気異方性を利用するときは、例えば、ＭＴＪ素子ＭＴＪの短辺方向（磁化困難軸方向）をＦ（最小加工寸法）とすると、長手方向（磁化容易軸方向）は２Ｆ程度にした形状が望ましい。
【０１５７】
垂直磁化型のＭＴＪ素子ＭＴＪの場合、磁化方向は形状に依存しないため、上述するいずれの形状を用いてもよい。
【０１５８】
［２−４］トンネル接合構造
ＭＴＪ素子ＭＴＪは、１重トンネル接合（シングルジャンクション）構造でもよいし、２重トンネル接合（ダブルジャンクション）構造でもよい。
【０１５９】
１重トンネル接合構造のＭＴＪ素子ＭＴＪは、図１などに示すように、固定層１１と、記録層１３と、固定層１１及び記録層１３間に設けられた非磁性層１２とを有する。つまり、ＭＴＪ素子ＭＴＪが非磁性層を１層有する。
【０１６０】
２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子ＭＴＪは、第１の固定層と、第２の固定層と、第１及び第２の固定層間に設けられた記録層と、第１の固定層及び記録層間に設けられた第１の非磁性層と、第２の固定層及び記録層間に設けられた第２の非磁性層とを有する。つまり、ＭＴＪ素子ＭＴＪが非磁性層を２層有する。
【０１６１】
２重トンネル接合構造の場合、１重トンネル接合構造の場合よりも、同じ外部バイアスを印加したときのＭＲ（Magneto Resistive）比（“１”状態、“０”状態の抵抗の変化率）の劣化が少なく、より高いバイアスで動作できる。すなわち、２重トンネル接合構造は、セル内の情報を読み出す際に有利となる。
【０１６２】
［３］効果
上記本発明の実施形態によれば、ＭＴＪ素子の少なくとも一方の端部に接続するコンタクトにおいて、このコンタクトの記録層に接触する面積を記録層の面積よりも小さくしている。このため、書き込み動作時に、コンタクトとＭＴＪ素子との局所的な接触部分から磁化反転が生じ、磁壁移動効果により磁化反転が伝播することで、素子全体の磁化が反転する。このため、書き込み動作時にＭＴＪ素子に流れる電流を低減することができる。さらに、記録層よりも高抵抗のキャップ層を設けることで、電流拡散による効果の減少を防ぐことができる。
【０１６３】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【図１】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断面図。
【図２】図１のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図３】図３（ａ）乃至（ｊ）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の製造工程を示す断面図。
【図４】図４（ａ）乃至（ｄ）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書き込み動作を説明するための図。
【図５】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を示す断面図。
【図６】図５のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図７】図７（ａ）乃至（ｈ）は、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の製造工程を示す断面図。
【図８】図８（ａ）乃至（ｄ）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書き込み動作を説明するための図。
【図９】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を示す断面図。
【図１０】図９のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図１１】図１１（ａ）乃至（ｊ）は、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の製造工程を示す断面図。
【図１２】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を示す断面図。
【図１３】図１２のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図１４】図１４（ａ）乃至（ｈ）は、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の製造工程を示す断面図。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す断面図。
【図１６】図１５のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図１７】図１７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第５の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作を説明するための図。
【図１８】本発明の第６の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す断面図。
【図１９】図１８のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図２０】図２０（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第６の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作を説明するための図。
【図２１】本発明の第７の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す断面図。
【図２２】図２１のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図２３】図２３（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の第７の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ書き込み動作を説明するための図。
【図２４】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を示す断面図。
【図２５】図２４のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図２６】図２６（ａ）乃至（ｄ）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書き込み動作を説明するための図。
【図２７】本発明の第９の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す断面図。
【図２８】図２７のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【図２９】図２９（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第９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３０】図３０（ａ）乃至（ｃ）は、図２９の構造を形成するための製造工程の断面図。
【図３１】図３１（ａ）乃至（ｃ）は、図２９の構造を形成するための製造工程の断面図。
【図３２】本発明の第１０の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す断面図。
【図３３】図３２のＭＴＪ素子とコンタクトとの接続部分を拡大したときの平面図及び断面図。
【符号の説明】
【０１６５】
１…半導体基板、２…ゲート電極、３ａ、３ｂ…ソース／ドレイン拡散層、４、３０、３０−１、３０−２、４０…コンタクト、１０…配線、１１…固定層、１２…非磁性層、１３…記録層、２０、２０ａ、２０ｂ…キャップ層、２１、２２、２４、４１、４３、５１…絶縁膜、２３、４２…溝、３０ａ、４０ａ…金属膜、３０’、４０’…空洞部、５０…レジスト。
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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