(57)【要約】【課題】１選択素子と１ＴＭＲ素子で構成されるＭＲＡＭの利点であるアクセス速度の速さとクロスポイント型のＭＲＡＭの利点であるセル面積の縮小化とを兼ね備えた磁気メモリ装置の提供を図る。【解決手段】書き込みワード線（第１配線）１１とビット線（第２配線）１２とが立体的に交差する領域に、書き込みワード線１１と絶縁されビット線１２と接続するＴＭＲ素子１３を備えた磁気メモリ装置において、ＴＭＲ素子１３と書き込みワード線１１より下層に設けられた第２ランディングパッド（配線層）３３とを接続するもので、書き込みワード線１１と絶縁された状態で書き込みワード線１１内を貫通する接続孔６１と、ＴＭＲ素子１３と第２ランディングパッド３３とを接続するもので接続孔６１内にサイドウォール絶縁膜６２を介して形成されたコンタクト６３とを備えたものである。【選択図】　　　　図１
2004040006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１配線と、
前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、
前記第１配線と電気的に絶縁され、前記第２配線と電気的に接続されたもので、前記第１配線と前記第２配線との交差領域にトンネル絶縁層を強磁性体で挟んで構成されるトンネル磁気抵抗素子とを備えたもので、
前記強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行によって抵抗値が変化することを利用して情報を記憶する不揮発性の磁気メモリ装置において、
前記トンネル磁気抵抗素子と前記第１配線より下層に設けられた配線層とを接続するもので、前記第１配線と絶縁された状態でかつ前記第１配線内を貫通した状態に設けられた接続孔と、
前記トンネル磁気抵抗素子の前記第２配線が接続される側とは反対側と前記第１配線より下層に設けられた配線層とを接続するもので前記接続孔内に形成されたコンタクト部と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項２】
第１配線は複数の配線からなり、
前記コンタクト部は、前記複数の第１配線と絶縁された状態にかつ前記複数の第１配線間を貫通した状態に設けられた孔を通して、前記トンネル磁気抵抗素子の前記第２配線が接続される側とは反対側と他の配線層とが接続される
ことを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ装置。
【請求項３】
前記第１配線に、少なくとも、前記第１配線の両側面および前記トンネル磁気抵抗素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる磁束集中器が設けられ、
前記第１配線の側面に形成された前記高透磁率膜の少なくとも一方は前記第１配線より前記トンネル磁気抵抗素子側に突き出した状態に形成されていて、
前記接続孔は、前記第１配線とともに前記磁束集中器と絶縁された状態でかつ前記第１配線内と前記磁束集中器内とを貫通した状態に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ装置。
【請求項４】
前記第１配線と前記トンネル磁気抵抗素子との間および前記トンネル磁気抵抗素子の側面に絶縁膜を介して高透磁率膜からなる磁束集中器が設けられ、
前記接続孔は、前記第１配線とともに前記磁束集中器と絶縁された状態でかつ前記第１配線内とともに前記磁束集中器内を貫通した状態に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ装置。
【請求項５】
前記第１配線に、少なくとも、前記第１配線の両側面および前記トンネル磁気抵抗素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる第１磁束集中器が設けられ、
前記第１配線と前記トンネル磁気抵抗素子との間および前記トンネル磁気抵抗素子の側面に絶縁膜を介して高透磁率膜からなる第２磁束集中器が設けられ、
前記接続孔は、前記第１配線とともに前記第１、第２磁束集中器と絶縁された状態でかつ前記第１配線内とともに前記第１、第２磁束集中器内を貫通した状態に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ装置。
【請求項６】
表面が絶縁性の基体上に第１配線を形成する工程と、
前記第１配線を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜より前記第１配線内を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、
トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので、前記第１配線と電気的に絶縁されかつ前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、
前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項７】
第１配線は複数の配線で形成され、
前記接続孔は前記複数の第１配線間に形成される
ことを特徴とする請求項６記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項８】
表面が絶縁性の基体上に高透磁率膜、第１配線層および絶縁膜を下層より順に形成する工程と、
前記絶縁膜より前記第１配線層および高透磁率膜を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、
前記絶縁膜上にダミー膜を形成する工程と、
前記ダミー膜から前記高透磁率膜までを第１配線の形状に加工する工程と、
前記第１配線の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる高透磁率サイドウォールを形成して、前記高透磁率膜と前記高透磁率サイドウォールとで磁束集中器を形成する工程と、
前記ダミー膜を除去する工程と、
前記絶縁膜上に、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、
前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項９】
第１配線は複数の配線で形成され、
前記接続孔は前記複数の第１配線間に形成される
ことを特徴とする請求項８記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１０】
表面が絶縁性の基体上に高透磁率膜、第１配線層および第１絶縁膜を下層より順に形成する工程と、
前記第１絶縁膜より前記第１配線層および高透磁率膜を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、
前記第１絶縁膜から前記高透磁率膜までを第１配線の形状に加工する工程と、前記第１配線の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる第１高透磁率サイドウォールを形成して、前記高透磁率膜と前記第１高透磁率サイドウォールとで磁束集中器を形成する工程と、
第１絶縁膜、コンタクト部および磁束集中器を覆う第２絶縁膜を形成した後、前記第２絶縁膜を平坦化するとともに前記磁束集中器の先端部を露出させる工程と、
前記第１絶縁膜上に、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、
前記ＴＭＲ素子の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記ＴＭＲ素子の側壁に前記サイドウォール絶縁膜を介して、前記磁束集中器の先端部に接続される第２高透磁率サイドウォールを形成する工程と、
前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１配線は複数の配線で形成され、
前記接続孔は前記複数の第１配線間に形成される
ことを特徴とする請求項１０記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１２】
表面が絶縁性の基体上に第１配線を形成する工程と、
前記第１配線を覆う第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜上に高透磁率膜および第２絶縁膜を下層より順に形成する工程と、
前記第２絶縁膜より前記高透磁率膜、第１絶縁膜および第１配線を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、
前記第２絶縁膜上に、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、
前記ＴＭＲ素子の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成するとともに前記高透磁率膜を露出させる工程と、
前記ＴＭＲ素子の側壁に前記サイドウォール絶縁膜を介して前記高透磁率膜に接続する高透磁率サイドウォールを形成して、前記高透磁率膜と前記高透磁率サイドウォールとで磁束集中器を形成する工程と、
前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１配線は複数の配線で形成され、
前記接続孔は前記複数の第１配線間に形成される
ことを特徴とする請求項１２記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１４】
表面が絶縁性の基体上に第１高透磁率膜、第１配線層および第１絶縁膜を下層より順に形成する工程と、
前記第１絶縁膜から前記第１高透磁率膜までを第１配線の形状に加工する工程と、
前記第１配線の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる第１高透磁率サイドウォールを形成して、前記第１高透磁率膜と前記第１高透磁率サイドウォールとで第１磁束集中器を形成する工程と、
前記第１磁束集中器および第１絶縁膜を覆う第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜上に第２高透磁率膜および第３絶縁膜を下層より順に形成する工程と、
前記第３絶縁膜より前記第２高透磁率膜、第２絶縁膜、第１絶縁膜、第１配線および第１磁束集中器を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、
前記第３絶縁膜上に、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、
前記ＴＭＲ素子の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成するとともに前記第２高透磁率膜を露出させる工程と、
前記ＴＭＲ素子の側壁に前記サイドウォール絶縁膜を介して前記第２高透磁率膜に接続する第２高透磁率サイドウォールを形成して、前記第２高透磁率膜と前記第２高透磁率サイドウォールとで第２磁束集中器を形成する工程と、
前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１５】
前記第１配線は複数の配線で形成され、
前記接続孔は前記複数の第１配線間に形成される
ことを特徴とする請求項１４記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気メモリ装置およびその製造方法に関し、詳しくはトンネル磁気抵抗素子を構成する強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行によって抵抗値が変化することを利用して情報を記録する不揮発性の磁気メモリ装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成するメモリ素子やロジック素子等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、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の素子と考えられている。
【０００３】
例えば、電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合であっても、不揮発性メモリは個人の重要な情報を保護することができる。そして、不揮発性メモリの高密度化、大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術としてますます重要になってきている。
【０００４】
また、最近の携帯機器は不要な回路ブロックをスタンバイ状態にしてでき得る限り消費電力を抑えようと設計されているが、高速ネット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、消費電力とメモリとの無駄を無くすことができる。また、電源を入れると瞬時に起動できる、いわゆるインスタント・オン機能も高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば可能になってくる。
【０００５】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）などがあげられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒の桁であるため遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０１２〜１０１４で完全にスタティックランダムアクセスメモリやダイナミックランダムアクセスメモリに置き換えるには耐久性が低いという問題が指摘されている。また、強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという課題も指摘されている。
【０００６】
これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）とよばれる磁気メモリである。初期のＭＲＡＭはＪ．Ｍ．Ｄａｕｇｈｔｏｎ，“Ｔｈｉｎ　Ｓｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ”Ｖｏｌ．２１６（１９９２），ｐ．１６２−１６８で報告されているＡＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果やＤ．Ｄ．Ｔａｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，“ＩＥＤＭ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ”（１９９７），ｐ．９９５−９９７で報告されているＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を使ったスピンバルブを基にしたものであった。しかし、負荷のメモリセル抵抗が１０Ω〜１００Ωと低いため、読み出し時のビットあ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。
【０００７】
一方ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果はＲ．Ｍｅｓｅｒｖｅｙ　ｅｔ　ａｌ．，“Ｐｙｓｉｃｓ　Ｒｅｐｏｒｔｓ”Ｖｏｌ．２３８（１９９４），ｐ．２１４−２１７で報告されているように抵抗変化率が室温で１％〜２％しかなかったが、近年Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，“Ｊ．Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ　＆　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌ”Ｖｏｌ．１３９（１９９５），Ｌ２３１で報告されているように抵抗変化率２０％近く得られるようになり、ＴＭＲ効果を使ったＭＲＡＭに注目が集まるようになってきている。
【０００８】
ＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記録を行うために、書き換え回数が大であると予測されている。また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で動作可能であることが、Ｒ．Ｓｃｈｅｕｅｒｌｅｉｎ　ｅｔ　ａｌ．，“ＩＳＳＣＣ　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ”（Ｆｅｂ．　２０００），ｐ．１２８−１２９で報告されている。
【０００９】
次に、従来型の１選択素子と１ＴＭＲ素子（１Ｔ１Ｊ構造）とで構成されるＭＲＡＭを図３０の概略構成断面図によって説明する。図３０では、選択素子にＭＯＳトランジスタを用いた例を示す。
【００１０】
図３０に示すように、シリコン基板２１には選択用のＭＯＳトランジスタ２４が形成されている。このＭＯＳトランジスタ２４の一方の拡散層２８には、下層より順に、コンタクト部３０、第１ランディングパッド３１、コンタクト部３２、第２ランディングパッド３３、コンタクト部３４、第３ランディングパッド３５およびコンタクト部３６を介して、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子１３の引き出し電極１３７の一端が接続されていて、この引き出し電極１３７の他端はＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１に接続されている。この引き出し電極１３７は、例えば導電体で形成され、後に説明する反強磁性体層１３１を引き出し電極として用いる、もしくは反強磁性体層１３１の一部を引き出し電極として用いることも可能である。
【００１１】
上記ＭＯＳトランジスタ２４の他方の拡散層２７には、タングステンプラグからなるコンタクト部２９を介してセンス線１５が接続されている。
【００１２】
上記ＴＭＲ素子１３は、トンネル絶縁層１３３を強磁性体層の磁化固定層１３２と磁化が比較的容易に回転する記憶層１３４とで挟んで構成され、磁化固定層１３２下面には反強磁性体層１３１が接して形成されている。またＴＭＲ素子１３の記憶層１３４上にはキャップ層１３５、電極層１３６が形成され、この電極層１３６にビット線１２が接続されている。ＴＭＲ素子１３の引き出し電極１３７下には第４絶縁膜４４を介して書き込みワード線１１が形成されている。この書き込みワード線１１とビット線１２とはＴＭＲ素子１３を挟んで立体的に直交するように形成されている。
【００１３】
上記記憶層１３４と磁化固定層１３２とは、例えば、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またニッケル、鉄およびコバルトのうちの少なくとも２種からなる合金、またはその合金を主成分とする強磁性体が用いられる。上記磁化固定層１３２は、上記反強磁性体層１３１と接する状態に形成されていて、これらの層間に働く交換相互作用によって、磁化固定層１３２は、強い一方向の磁気異方性を持つことになる。
【００１４】
上記反強磁性体層１３１は、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、コバルト酸化物およびニッケル酸化物のうちの１種を用いることができる。
【００１５】
上記トンネル絶縁層１３３は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウム、酸化窒化シリコン等の絶縁体からなり、記憶層１３４と磁化固定層１３２との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。これらの磁性膜および導体膜は主にスパッタリング法により形成される。トンネル絶縁層１３３は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化、窒化もしくは酸化窒化させることにより得ることができる。
【００１６】
さらにキャップ層１３５は、ＴＭＲ素子１３と別のＴＭＲ素子１３とを接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減および記憶層１３４の酸化防止という機能を有する。通常、銅、窒化タンタル、タンタル、窒化チタン等の材料により形成されている。
【００１７】
次に上記磁気メモリ装置の動作を説明する。上記ＴＭＲ素子１３では、磁気抵抗効果によるトンネル電流変化を検出して情報を読み出すが、その効果は記憶層１３４と磁化固定層１３２との相対磁化方向に依存する。
【００１８】
ＴＭＲ素子１３へのデータの書き込みは、ビット線１２および書き込みワード線１１に電流を流し、それから発生する合成磁界によって記憶層１３４の磁化方向を変えて「１」または「０」を記録する。読み出しは磁気抵抗効果によるトンネル電流変化を検出して行う。記憶層１３４と磁化固定層１３２の磁化方向が等しい場合を低抵抗（これを例えば「０」とする）とし、記憶層１３４と磁化固定層１３２の磁化方向が反平行の場合を高抵抗（これを例えば「１」とする）とする。
【００１９】
ビット線１２を流れる書き込み電流によって記憶層１３４の容易軸方向磁界（ＨＥＡ　）が作られ、書き込みワード線１１を流れる電流によって困難軸方向磁界（ＨＨＡ　）が作られる。
【００２０】
図３１に示すアステロイド曲線は、印加された容易軸方向磁界ＨＥＡ　および困難軸方向磁界ＨＨＡ　による記憶層磁化方向の反転しきい値を示している。アステロイド曲線外部Ａ、Ｂに相当する合成磁界ベクトルが発生すると、磁界反転が起こり、データの書き込みができる。アステロイド曲線内部Ｃの合成磁界ベクトルは、その電流双安定状態の一方からセルを反転させることはない。また、電流を流しているワード線およびビット線の交点以外のセルにおいても、ワード線もしくはビット線単独で発生する磁界が印加されるため、それらの大きさが一方向反転磁界ＨＫ　以上の場合（領域Ｂ）は、交点以外のセルの磁化方向も反転するので、合成磁界が斜線で示す領域Ａにある場合のみ、選択されたセルを選択書き込みが可能となる。
【００２１】
以上のように、ＭＲＡＭでは、ビット線および書き込みワード線からなる格子の交点にメモリセルが配置されている。ＭＲＡＭの場合、書き込みワード線とビット線とを使用することで、アステロイド磁化反転特性を利用し、選択的に個々のメモリセルに書き込むことが一般的である。
【００２２】
単一の記憶領域における合成磁化は、それに印加された容易軸方向磁界ＨＥＡ　と困難軸方向磁界ＨＨＡ　とのベクトル合成によって決まる。ビット線を流れる電流はセルに容易軸方向の磁界（ＨＥＡ　）を印加し、書き込みワード線を流れる電流はセルに困難軸方向の磁界（ＨＨＡ　）を印加する。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＲＡＭは主に２種類のタイプに分かれる。前記図３０によって説明した１選択素子と１ＴＭＲ素子（１Ｔ１Ｊ構造）とからなるＭＲＡＭの他に、図３２に示すクロスポイント型ＭＲＡＭが知られている。
【００２４】
図３２に示すように、クロスポイント型ＭＲＡＭ３０１は、立体的に直交する書き込みワード線３１１とビット線３１２との間に、強磁性体層３３２、３３４でトンネル絶縁層３３３が挟まれていて一方の強磁性体層３３２に反強磁性体層３３１が接続されているＴＭＲ素子３１３と、反強磁性体層３３１側にｎ層を接続させてなるｐｎ接合ダイオード３１４とを設置することで実現できる。
【００２５】
いま、図３３に示すように、デザインルール上の書き込みワード線３１１とビット線３１２の各配線幅（＝配線間隔）の最小寸法をＦとすると、クロスポイント型ＭＲＡＭ３０１は４Ｆ２　なるセル面積で実現できる。各ＴＭＲ素子３１３に対してスイッチング素子がないため、アクセス速度は劣るが大容量のメモリを作ることができる。
【００２６】
一方、前記図３０に示した１選択素子と１ＴＭＲ素子（１Ｔ１Ｊ構造）、またはこれを相補型に用いた２選択素子と２ＴＭＲ素子（２Ｔ２Ｊ構造）からなるＭＲＡＭセルでは、直交する書き込みワード線とビット線との２本の配線のうち、書き込みワード線はＴＭＲ素子と電気的に絶縁されていなければならない。このため、ＴＭＲ素子の磁化固定層と選択素子のＭＯＳトランジスタの拡散層とを接続させるためには、ＴＭＲ素子直下に形成される書き込みワード線を迂回して、引き出し電極、接続孔等を設ける必要があった。
【００２７】
１選択素子と１ＴＭＲ素子のＭＲＡＭでは、図３４に示すように、デザインルール上の書き込みワード線１１とビット線１２の各配線幅（＝配線間隔）の最小寸法をＦとすると、セルの大きさは、書き込みワード線１１とビット線１２との間の領域にトンネル磁気抵抗素子１３を設け、ビット線１２と選択素子のトランジスタの拡散層（図示せず）とを接続するコンタクトＣを設ける必要があるため、セルを構成するのに必要な最小の長さは、ビット線１２の配設方向に４Ｆ、書き込みワード線１１の配設方向に２Ｆとなる。したがって、セル面積を８Ｆ２　より小さくすることはできない。なお、図面に示した構成では、上記選択素子のトランジスタのゲート電極２４が書き込みワード線１１の下方側方に形成されている。
【００２８】
以上、説明したように、１選択素子と１ＴＭＲ素子のＭＲＡＭは、先に説明したクロスポイント型ＭＲＡＭよりもアクセス速度が劣ることはないが、メモリセルアレイの集積度が１／２になるという問題点があった。そこで、１選択素子と１ＴＭＲ素子のＭＲＡＭのアクセス速度を維持するとともに、クロスポイント型ＭＲＡＭと同等なセル面積を実現することで高集積化が図れる１選択素子と１ＴＭＲ素子のＭＲＡＭを提供する。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた磁気メモリ装置およびその製造方法である。
【００３０】
本発明の磁気メモリ装置は、第１配線と、前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、前記第１配線と電気的に絶縁され、前記第２配線と電気的に接続されたもので、前記第１配線と前記第２配線との交差領域にトンネル絶縁層を強磁性体で挟んで構成されるトンネル磁気抵抗素子とを備えたもので、前記強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行によって抵抗値が変化することを利用して情報を記憶する不揮発性の磁気メモリ装置において、前記トンネル磁気抵抗素子と前記第１配線より下層に設けられた配線層とを接続するもので、前記第１配線と絶縁された状態でかつ前記第１配線内を貫通した状態に設けられた接続孔と、前記トンネル磁気抵抗素子の前記第２配線が接続される側とは反対側と前記第１配線より下層に設けられた配線層とを接続するもので前記接続孔内に形成されたコンタクト部とを備えたものである。
【００３１】
上記磁気メモリ装置では、第１配線と絶縁された状態にかつ第１配線内を貫通した状態に設けられた接続孔と、トンネル磁気抵抗素子の第２配線が接続される側とは反対側と第１配線より下層に設けられた配線層とを接続するもので接続孔内に形成されたコンタクト部とを備えたことから、トンネル磁気抵抗素子直下にコンタクト部が形成される。このため、セル面積に占めるコンタクト部の面積を新たに創出することなく、トンネル磁気抵抗素子のセル面積を利用して、トンネル磁気抵抗素子と第１配線より下層に設けられた配線層との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【００３２】
本発明の磁気メモリ装置の第１製造方法は、表面が絶縁性の基体上に第１配線を形成する工程と、前記第１配線を覆う絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜より前記第１配線内を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので、前記第１配線と電気的に絶縁されかつ前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程とを備えている。
【００３３】
上記磁気メモリ装置の第１製造方法では、絶縁膜より第１配線内を貫通して第１配線より下層の基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、接続孔内にコンタクト部を形成する工程と備えていることから、トンネル磁気抵抗素子直下にコンタクト部を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部の面積を新たに創出することなく、トンネル磁気抵抗素子のセル面積を利用して、トンネル磁気抵抗素子と他の配線との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【００３４】
本発明の磁気メモリ装置の第２製造方法は、表面が絶縁性の基体上に高透磁率膜、第１配線層および絶縁膜とを下層より順に形成する工程と、前記絶縁膜より前記第１配線層および高透磁率膜を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、前記絶縁膜上にダミー膜を形成する工程と、前記ダミー膜から前記高透磁率膜までを第１配線の形状に加工する工程と、前記第１配線の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる高透磁率サイドウォールを形成して、前記高透磁率膜と前記高透磁率サイドウォールとで磁束集中器を形成する工程と、前記ダミー膜を除去する工程と、前記絶縁膜上に、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程とを備えている。
【００３５】
上記磁気メモリ装置の第２製造方法では、書き込みワード線、磁束集中器等を貫通する接続孔とその内部にサイドウォール絶縁膜を介してコンタクト部を形成する工程を備えていることから、前記第１製造方法と同様に、トンネル磁気抵抗素子直下にコンタクト部を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部の面積を新たに創出することなく、トンネル磁気抵抗素子のセル面積を利用して、トンネル磁気抵抗素子と他の配線との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【００３６】
さらに第１配線の両側面およびトンネル磁気抵抗素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる磁束集中器を形成する工程を備えていることから、第１配線に電流を流した際に発せられる電流磁界は、第１配線の両側面に形成される高透磁率膜によって、トンネル磁気抵抗素子の記憶層（記録層ともいう）に効率よく集中されるようになる。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに第１配線のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【００３７】
本発明の磁気メモリ装置の第３製造方法は、表面が絶縁性の基体上に高透磁率膜、第１配線層および第１絶縁膜とを下層より順に形成する工程と、前記第１絶縁膜より前記第１配線層および高透磁率膜を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、前記第１絶縁膜から前記高透磁率膜までを第１配線の形状に加工する工程と、前記第１配線の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる第１高透磁率サイドウォールを形成して、前記高透磁率膜と前記第１高透磁率サイドウォールとで磁束集中器を形成する工程と、第１絶縁膜、コンタクト部および磁束集中器を覆う第２絶縁膜を形成した後、前記第２絶縁膜を平坦化するとともに前記磁束集中器の先端部を露出させる工程と、前記第１絶縁膜上に、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、前記ＴＭＲ素子の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記ＴＭＲ素子の側壁に前記サイドウォール絶縁膜を介して、前記磁束集中器の先端部に接続される第２高透磁率サイドウォールを形成する工程と、前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程とを備えている。
【００３８】
上記磁気メモリ装置の第３製造方法では、書き込みワード線、磁束集中器等を貫通する接続孔とその内部にサイドウォール絶縁膜を介してコンタクト部を形成する工程を備えていることから、前記第１製造方法と同様に、トンネル磁気抵抗素子直下にコンタクト部を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部の面積を新たに創出することなく、トンネル磁気抵抗素子のセル面積を利用して、トンネル磁気抵抗素子と他の配線との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【００３９】
さらに第１配線の両側面およびトンネル磁気抵抗素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる磁束集中器を形成する工程を備えていることから、第１配線に電流を流した際に発せられる電流磁界は、第１配線の両側面に形成される高透磁率膜によって、トンネル磁気抵抗素子の記憶層（記録層ともいう）に効率よく集中されるようになる。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに第１配線のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【００４０】
本発明の磁気メモリ装置の第４製造方法は、表面が絶縁性の基体上に第１配線を形成する工程と、前記第１配線を覆う第１絶縁膜を形成する工程と、前記第１絶縁膜上に高透磁率膜および第２絶縁膜とを下層より順に形成する工程と、前記第２絶縁膜より前記高透磁率膜、第１絶縁膜および第１配線を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、前記第２絶縁膜上にダミー膜を形成する工程と、前記第１配線上に前記ダミー膜、第２絶縁膜および高透磁率膜を第１配線の形状に加工する工程と、前記第１配線の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる高透磁率サイドウォールを形成して、前記高透磁率膜と前記高透磁率サイドウォールとで磁束集中器を形成する工程と、前記ダミー膜を除去する工程と、前記第２絶縁膜上に、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程とを備えている。
【００４１】
上記磁気メモリ装置の第４製造方法では、書き込みワード線、磁束集中器等を貫通する接続孔とその内部にサイドウォール絶縁膜を介してコンタクト部を形成する工程を備えていることから、前記第１製造方法と同様に、トンネル磁気抵抗素子直下にコンタクト部を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部の面積を新たに創出することなく、トンネル磁気抵抗素子のセル面積を利用して、トンネル磁気抵抗素子と他の配線との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【００４２】
さらに第１配線を形成した後に、第１配線とトンネル磁気抵抗素子との間およびトンネル磁気抵抗素子の側面側に、絶縁膜を介して、高透磁率膜からなる磁束集中器を形成する工程を備えていることから、第１配線に電流を流した際に発せられる電流磁界がトンネル磁気抵抗素子の側面下部側の磁束集中器によって、トンネル磁気抵抗素子の記憶層（記録層ともいう）に効率よく集中されるようになる。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに第１配線のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【００４３】
本発明の磁気メモリ装置の第５製造方法は、表面が絶縁性の基体上に第１高透磁率膜、第１配線層および第１絶縁膜とを下層より順に形成する工程と、前記第１絶縁膜から前記第１高透磁率膜までを第１配線の形状に加工する工程と、前記第１配線の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる高透磁率サイドウォールを形成して、前記第１高透磁率膜と前記高透磁率サイドウォールとで第１磁束集中器を形成する工程と、前記第１磁束集中器および第１絶縁膜を覆う第２絶縁膜を形成する工程と、前記第２絶縁膜上に第２高透磁率膜および第３絶縁膜とを下層より順に形成する工程と、前記第３絶縁膜より前記第２高透磁率膜、第２絶縁膜、第１絶縁膜、第１配線および第１磁束集中器を貫通して前記基体に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記接続孔内にコンタクト部を形成する工程と、前記第３絶縁膜上にダミー膜を形成する工程と、前記第２配線上に前記ダミー膜、第３絶縁膜および第２高透磁率膜を第１配線の形状に加工する工程と、前記第１配線の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる高透磁率サイドウォールを形成して、前記第２高透磁率膜と前記高透磁率サイドウォールとで第２磁束集中器を形成する工程と、前記ダミー膜を除去する工程と、前記第３絶縁膜上に、トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるもので前記コンタクト部に接続されるトンネル磁気抵抗素子を形成する工程と、前記トンネル磁気抵抗素子と電気的に接続するもので前記トンネル磁気抵抗素子を間にして前記第１配線と立体的に交差する第２配線を形成する工程とを備えている。
【００４４】
上記磁気メモリ装置の第５製造方法では、書き込みワード線、磁束集中器等を貫通する接続孔とその内部にサイドウォール絶縁膜を介してコンタクト部を形成する工程を備えていることから、前記第１製造方法と同様に、トンネル磁気抵抗素子直下にコンタクト部を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部の面積を新たに創出することなく、トンネル磁気抵抗素子のセル面積を利用して、トンネル磁気抵抗素子と他の配線との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【００４５】
さらに、第１配線の両側面およびトンネル磁気抵抗素子に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる第１磁束集中器を形成する工程と、第１配線を形成した後に、第１配線とトンネル磁気抵抗素子との間およびトンネル磁気抵抗素子の側面側に、絶縁膜を介して、高透磁率膜からなる第２磁束集中器を形成する工程とを備えていることから、第１配線に電流を流した際に発せられる電流磁界は第１磁束集中器から第２磁束集中器に伝達されてトンネル磁気抵抗素子の記憶層（記録層ともいう）に効率よく集中される。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに第１配線のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【００４６】
【発明の実施の形態】
本発明の磁気メモリ装置に係る第１実施の形態を、図１の概略構成断面図によって説明する。
【００４７】
図１に示すように、半導体基板（例えばｐ型半導体基板）２１の表面側にはｐ型ウエル領域（図示せず）が形成されている。このｐ型ウエル領域には、トランジスタ形成領域を分離する素子分離領域２３が、例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　ＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）で形成されている。上記ｐ型ウエル領域には、選択素子用の電界効果型トランジスタ２４、２４が形成されている。電界効果型トランジスタ２４には、上記ｐ型ウエル領域上に形成されたゲート絶縁膜２５を介してゲート電極（ワード線）２６が形成され、ゲート電極２６の両側におけるｐ型ウエル領域には拡散層領域（例えばＮ＋　拡散層領域）２７、２８が形成されている。図面では、二つの選択素子用の電界効果型トランジスタ２４が一つの拡散層２７を共有した形態になっている。
【００４８】
上記電界効果トランジスタ２４は読み出しのためのスイッチング素子として機能する。これには、ｎ型またはｐ型電界効果トランジスタの他に、ダイオード、バイポーラトランジスタ等の各種スイッチング素子を用いることも可能である。
【００４９】
上記電界効果型トランジスタ２４を覆う状態に第１絶縁膜４１が形成されている。この第１絶縁膜４１には上記拡散層領域２７、２８に接続するコンタクト部（例えばタングステンに代表される高融点金属を用いた導電性プラグ）２９、３０が形成されている。さらに第１絶縁膜４１上にはコンタクト部２９に接続するセンス線１５、コンタクト部３０に接続するランディングパッド（第１ランディングパッド）３１等が形成されている。
【００５０】
上記第１絶縁膜４１上には、上記センス線１５、第１ランディングパッド３１等を覆う第２絶縁膜４２が形成されている。この第２絶縁膜４２には上記第１ランディングパッド３１に接続するコンタクト部（例えばタングステンに代表される高融点金属を用いた導電性プラグ）３２が形成されている。さらに上記第２絶縁膜４２上には、コンタクト部３２に接続するランディングパッド（第２ランディングパッド）３３が形成されている。
【００５１】
上記第２絶縁膜４２上には、上記第２ランディングパッド３３等を覆う第３絶縁膜４３が形成されている。この第３絶縁膜４３上には、書き込みワード線１１が上記第２ランディングパッド３３上方を通るように形成されている。
【００５２】
上記第３絶縁膜４３上には、上記書き込みワード線１１等を覆う第４絶縁膜４４が形成されている。この第４絶縁膜４４には、上記書き込みワード線１１中を貫通して上記第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１が形成されている。
【００５３】
上記接続孔６１内部にはサイドウォール絶縁膜６２を介してコンタクト部６３が、例えばタングステンに代表される高融点金属を用いた導電性プラグで形成されている。したがって、サイドウォール絶縁膜６２によって書き込みワード線１１とコンタクト部６３とは電気的に絶縁されている。
【００５４】
さらに、上記第４絶縁膜４４上には、バリアメタル層１３０が形成され、その上面で、上記書き込みワード線１１上方に反強磁性体層１３１が形成され、この反強磁性体層１３１上には、強磁性体層からなる磁化固定層１３２とトンネル絶縁層１３３と磁化が比較的容易に回転する記憶層１３４との積層構造体が形成され、その上にキャップ層１３５が形成されている。この反強磁性体層１３１からキャップ層１３５によって情報記憶素子（以下、ＴＭＲ素子という）１３が構成されている。さらにキャップ層１３５上には第２配線となるビット線１２に接続する電極層１３６が形成されている。
【００５５】
上記第４の絶縁膜４４上には上記ＴＭＲ素子１３等を覆う第５の絶縁膜４５が形成されている。この第５の絶縁膜４５は表面が平坦化され、上記電極層１３６表面が露出されている。上記第５の絶縁膜４５上には、上記電極層１３６の上面に接続するものでかつ上記書き込みワード線１１上に上記ＴＭＲ素子１３を間にして立体的に交差（例えば直交）するビット線１２が形成されている。
【００５６】
上記ＴＭＲ素子１３の磁化固定層１３２および記憶層１３４は、強磁性体層の単層構造であってもよく、もしくは２層以上の強磁性体層を、例えば、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等で形成される導電体層を挟んで積層させた構造であってもよい。また上記反強磁性体層１３１の下地に、ＴＭＲ素子と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用いられる下地導電層（図示せず）を形成することも可能である。また、下地導電層を反強磁性体層１３１によって兼ねることも可能である。
【００５７】
上記記憶層１３４と磁化固定層１３２とは、例えば、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またニッケル、鉄およびコバルトのうちの少なくとも２種からなる合金、またはその合金を主成分とする強磁性体が用いられる。上記磁化固定層１３２は、上記反強磁性体層１３１と接する状態に形成されていて、これらの層間に働く交換相互作用によって、磁化固定層１３２は、強い一方向の磁気異方性を持つことになる。
【００５８】
上記反強磁性体層１３１は、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、コバルト酸化物およびニッケル酸化物のうちの１種を用いることができる。
【００５９】
上記トンネル絶縁層１３３は、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウム、酸化窒化シリコン等の絶縁体からなり、記憶層１３４と磁化固定層１３２との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。これらの磁性膜および導体膜は主にスパッタリング法により形成される。トンネル絶縁層１３３は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化、窒化もしくは酸化窒化させることにより得ることができる。
【００６０】
さらに上層にはキャップ層１３５、ビット線との接続を行う電極層１３６が形成されている。上記キャップ層１３５は、ＴＭＲ素子１３と別のＴＭＲ素子１３とを接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減および記憶層１３４の酸化防止という機能を有する。通常、銅、窒化タンタル、タンタル、窒化チタン等の材料により形成されている。上記電極層１３６には、ビット線と接続する導電体で通常タングステンまたは窒化タングステンが用いられる。
【００６１】
次に上記磁気メモリ装置１の動作を説明する。上記ＴＭＲ素子１３では、磁気抵抗効果によるトンネル電流変化を検出して情報を読み出すが、その効果は記憶層１３４と磁化固定層１３２との相対磁化方向に依存する。
【００６２】
また上記ＴＭＲ素子１３では、ビット線１２および書き込みワード線１１に電流を流し、その合成磁界で記憶層１３４の磁化の方向を変えて「１」または「０」を記録する。読み出しは磁気抵抗効果によるトンネル電流変化を検出して行う。記憶層１３４と磁化固定層１３２の磁化方向が等しい場合を低抵抗（これを例えば「０」とする）とし、記憶層１３４と磁化固定層１３２の磁化方向が反平行の場合を高抵抗（これを例えば「１」とする）とする。
【００６３】
この形状では書き込みワード線１１に開けた接続孔６１およびこの接続孔６１と書き込みワード線１１の合わせズレにより記憶層１３２の磁場が変わることが懸念される。そこで図２の（１）の平面図および（２）の（１）図におけるＡ−Ａ線断面図に示すように、書き込みワード線１１に接続孔６１を開け、この接続孔６１の中心軸ＺＴＨ　の位置とＴＭＲ素子１３の中心軸ＺＴＭＲ　の位置とのずれ量Ｄｙ（図２（３）、（４）のグラフの横軸：ＴＭＲ素子とスルーホールとのずれ量）と、ＴＭＲ素子１３の記憶層が磁化反転に必要な電流（図２（３）、（４）グラフの縦軸：磁化反転に必要な電流）との関係をシミュレーションにより求めた。この結果を図２（３）、（４）に示す。
【００６４】
図２の（１）および（２に示すように、書き込みワード線１１はＸ軸方向に配設され、ＴＭＲ素子１３の大きさは短径（Ｘ軸方向）が０．１３μｍ、長径（Ｙ軸方向）が０．２６μｍの楕円柱形状とし、接続孔６１の直径は５０ｎｍと８０ｎｍの円形開口部を有するものとした。また接続孔６１の中心軸ＺＴＨはＴＭＲ素子１３の中心軸ＺＴＭＲに対してＹ軸方向にずれるものとしてＴＭＲ素子１３の中心軸ＺＴＭＲに対する接続孔６１の中心軸ＺＴＨのズレ量（Ｙ方向のずれ量）をＤｙとした。したがって、Ｄｙ＝０のとき、ＴＭＲ素子１３の中心軸ＺＴＭＲと接続孔６１の中心軸ＺＴＨとが一致する。さらにＴＭＲ素子１３と書き込みワード線１１との間隔をＧａｐとした。なお、図面では絶縁膜の図示は省略されている。
【００６５】
図２の（３）に示すグラフは、Ｇａｐ＝１０ｎｍの場合の磁化反転に必要な電流ＩとＴＭＲ素子１３と接続孔６１とのずれ量Ｄｙとの関係を示すもので、接続孔６１を形成しない場合、接続孔６１の直径が５０ｎｍの場合、接続孔６１の直径が８０ｎｍの場合ともに、ＴＭＲ素子１３と接続孔６１とのずれ量Ｄｙが−６０ｎｍ≦Ｄｙ≦６０ｎｍの範囲では、６ｍＡで一定であった。すなわち、ＴＭＲ素子１３と接続孔６１とのずれ量Ｄｙに関係なく反転電流は一定になった。
【００６６】
また図２の（４）に示すグラフは、Ｇａｐ＝１００ｎｍの場合の磁化反転に必要な電流ＩとＴＭＲ素子１３と接続孔６１とのずれ量Ｄｙとの関係を示すもので、接続孔を形成しない場合、接続孔６１の直径ｄが５０ｎｍの場合、接続孔６１の直径ｄが８０ｎｍの場合のいずれも、ＴＭＲ素子１３と接続孔６１とのずれ量Ｄｙが−６０ｎｍ≦Ｄｙ≦６０ｎｍの範囲では、１０ｍＡで一定であった。すなわち、ＴＭＲ素子１３と接続孔６１とのずれ量Ｄｙに関係なく反転電流は一定になった。
【００６７】
したがって、書き込みワード線１１を貫通する接続孔６１は、書き込みワード線１１で発生される磁場の強さにはほとんど影響を与えないことがわかる。また、接続孔６１と書き込みワード線１１の合わせズレは少なくとも±６０ｎｍまでは発生磁場強度に影響を与えないことがわかる。
【００６８】
上記磁気メモリ装置１では、第１配線の書き込みワード線１１と絶縁された状態にかつ書き込みワード線１１を貫通した状態に設けられた接続孔６１を通して、ＴＭＲ素子１３の第２配線のビット線１２が接続される側とは反対側と他の配線層である第２ランディングパッド３３とが接続されるコンタクト部６３を備えたことから、ＴＭＲ素子１３直下にコンタクト部６３が形成される。このため、セル面積に占めるコンタクト部６３の面積を新たに創出することなく、ＴＭＲ素子１３のセル面積を利用して、選択素子のＭＯＳトランジスタ２４の拡散層２８にコンタクト部３０、３２、第１ランディングパッド３１等を介して接続されている第２ランディングパッド３３とＴＭＲ素子１３との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【００６９】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係る第２実施の形態を、図３によって説明する。図３では、（１）にレイアウト図を示し、（２）に（１）図におけるＡ−Ａ線断面図を示す。
【００７０】
第２実施の形態の磁気メモリ装置は、書き込みワード線とこの書き込みワード線を貫通するように形成される接続孔が前記第１実施の形態の磁気メモリ装置と異なる。その他の構成は、第１実施の形態の磁気メモリ装置と同様となっている。
【００７１】
ここでは、第１実施の形態の磁気メモリ装置と異なる構成部分を中心に説明する。図３に示すように、第２ランディングパッド３３を覆う第３絶縁膜４３上には、２本の書き込みワード線１１（１１ａ、１１ｂ）が並行に形成され、この２本の書き込みワード線１１の上方で、２本の書き込みワード線１１を覆う第４絶縁膜４４上には、ＴＭＲ素子１３が形成されている。さらにＴＭＲ素子１３を覆う第５絶縁膜４５が形成され、第５絶縁膜４５表面にはＴＭＲ素子１３上面が露出されている。そして２本の書き込みワード線１１上方にＴＭＲ素子１３を間にして立体的に交差（例えば直交）するビット線１２がＴＭＲ素子１３の上面に接続して第５絶縁膜４５上に形成されている。また上記ＴＭＲ素子１３下より２本の書き込みワード線１１ａ、１１ｂ間を通って下層に形成されている第２ランディングパッド３３に達するように接続孔６１が形成され、この接続孔６１側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成されている。さらに接続孔６１内にはサイドウォール絶縁膜６２を介して、ＴＭＲ素子１３の下面と第２ランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が、例えばタングステンプラグで形成されている。
【００７２】
上記第２実施の形態の磁気メモリ装置によれば、前記第１実施の形態の磁気メモリ装置と同様なる利点があるとともに、以下のような利点がある。すなわち、書き込みワード線１１が２本に形成されていることにより、ＴＭＲ素子１３へ磁束を集中的に印加することができるので、ＴＭＲ素子１３の記憶層の磁化反転が容易になる利点がある。
【００７３】
また、図４のレイアウト図に示すように、上記２本の書き込みワード線１１ａ、１１ｂは、部分的に接続されていてもよい。その接続部分１１ｃは図示したようにＴＭＲ素子１３端部に形成されるとよい。この接続部分１１ｃはＴＭＲ素子１３にオーバラップする状態に形成されていてもよい。このようにＴＭＲ素子１３端部に書き込みワード線１１ａと書き込みワード線１１ｂとを接続する接続部分１１ｃが形成されることにより、書き込みワード線で発生された磁界がさらに効率よくＴＭＲ素子に印加されるようになる。なお、書き込みワード線１１は３本以上に形成されていても差し支えはない。
【００７４】
また、図５のレイアウト図に示すように、上記接続孔６１は、書き込みワード線１１の配設方向に長く形成されていてもよい。さらに接続孔６１はＴＭＲ素子１３よりはみ出すように形成されていてもよい。このように接続孔６１を形成することによりＴＭＲ素子１３および下層配線、例えばランディングパッド（図示せず）やＴＭＲ素子１３との接続面積を大きくすることが可能になり、コンタクト抵抗を低減することができる。また図４によって説明した書き込みワード線が複数本形成されている場合も同様に、接続孔６１は、書き込みワード線１１の配設方向に長く形成することができ、さらに接続孔６１はＴＭＲ素子１３よりはみ出すように形成することができる。
【００７５】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係る第３実施の形態を、図６の概略構成断面図によって説明する。本発明の第３実施の形態は、上記図１によって説明した磁気メモリ装置において、書き込みワード線から発する電流磁界を効率よく記憶層に集中させることができるように、磁束集中器を設けたものである。
【００７６】
その基本構成は、図６の（１）に示すように、磁気メモリ装置３（３ａ）は、書き込みワード線１１を備え、この書き込みワード線１１の上方でかつ書き込みワード線１１に交差（例えば直交）するようにビット線１２が形成され、その交差領域で書き込みワード線１１の上方には絶縁膜４７を介してトンネル磁気抵抗素子（以下ＴＭＲという）１３が形成され、このＴＭＲ素子１３はビット線１２に接続されている。
【００７７】
上記書き込みワード線１１には、少なくとも、この書き込みワード線１１の両側面およびＴＭＲ素子１３に対向する面とは反対側の面を囲むように、高透磁率膜からなる磁束集中器５１（５１ａ）が設けられている。しかも書き込みワード線１１の側面に形成された上記磁束集中器５１の少なくとも一方（図面では両方）は、書き込みワード線１１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されている。すなわち、上記磁束集中器５１のＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されている部分は、上記ＴＭＲ素子１３の側面に絶縁膜４６を介して延長形成されている。この磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓは、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層（図示せず）との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３５との界面までの高さとすることが好ましい。また、磁束集中器５１の先端部５１ＳとＴＭＲ素子１３との距離ｘは、磁束集中器５１の先端部５１Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００７８】
また磁束集中器５１を構成する高透磁率材料としては、例えば最大透磁率μｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金、フェライト合金、等を用いることができる。
【００７９】
さらに、ＴＭＲ素子１３からランディングパッド３３に接続するように、上記絶縁膜４７、書き込みワード線１１、第１磁束集中器５１、第３絶縁膜４３を貫通する状態に、接続孔６１が形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【００８０】
なお、図示したように、書き込みワード線１１と磁束集中器５１の間に電気的絶縁層を設けない場合、磁束集中器５１には電流損を防ぐため比抵抗率の高い軟磁性膜を用いることが望ましい。また図示したように、上記磁束集中器５１は書き込みワード線１１の両側面に形成された部分は書き込みワード線１１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されているが、その突き出した状態に形成される部分は書き込みワード線１１の片方の側面に形成されているもののみでも良い。
【００８１】
次いで、上記基本構成を組み込んだ磁気メモリ装置３の具体的構成例を、図６の（２）によって説明する。なお、本願発明構成は、前記図１によって説明した構成にも適用できる。
【００８２】
図６の（２）に示すように、半導体基板（例えばｐ型半導体基板）２１の表面側にはｐ型ウエル領域（図示せず）が形成されている。このｐ型ウエル領域には、トランジスタ形成領域を分離する素子分離領域２３が、例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）で形成されている。上記ｐ型ウエル領域には、選択素子用の電界効果型トランジスタ２４が形成されている。電界効果型トランジスタ２４には、上記ｐ型ウエル領域上に形成されたゲート絶縁膜２５を介してゲート電極（ワード線）２６が形成され、ゲート電極２６の両側におけるｐ型ウエル領域には拡散層領域（例えばＮ＋　拡散層領域）２７、２８が形成されている。
【００８３】
上記電界効果トランジスタ２４は読み出しのためのスイッチング素子として機能する。これは、ｎ型またはｐ型電界効果トランジスタの他に、ダイオード、バイポーラトランジスタ等の各種スイッチング素子を用いることも可能である。
【００８４】
上記電界効果型トランジスタ２４を覆う状態に第１絶縁膜４１が形成されている。この第１絶縁膜４１には上記拡散層領域２７、２８に接続するコンタクト部（例えばタングステンに代表される高融点金属を用いた導電性プラグ）２９、３０が形成されている。さらに第１絶縁膜４１上にはコンタクト部２９に接続するセンス線１５、コンタクト部３０に接続するランディングパッド（第１ランディングパッド）３１等が形成されている。
【００８５】
上記第１絶縁膜４１上には、上記センス線１５、第１ランディングパッド３１等を覆う第２絶縁膜４２が形成されている。この第２絶縁膜４２には上記第１ランディングパッド３１に接続するコンタクト部（例えばタングステンに代表される高融点金属を用いた導電性プラグ）３２が形成されている。さらに上記第２絶縁膜４２上には、コンタクト部３２に接続するランディングパッド（第２ランディングパッド）３３が形成されている。
【００８６】
上記第２絶縁膜４２上には、上記第２ランディングパッド３３等を覆う第３絶縁膜４３が形成されている。この第３絶縁膜４３上には、書き込みワード線１１が上記第２ランディングパッド３３上方を通るように形成されている。
【００８７】
上記書き込みワード線１１には、少なくとも、書き込みワード線１１の両側面およびトンネル磁気抵抗素子（以下ＴＭＲという）１３に対向する面とは反対側の面を囲むように、前記図６の（１）によって説明したのと同様な構成を有する磁束集中器５１が設けられている。しかも書き込みワード線１１の側面に形成された上記磁束集中器５１の少なくとも一方（図面では両方）は、書き込みワード線１１より後に詳述するＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されている。
【００８８】
上記図１では、上記突き出した状態に形成されている部分の磁束集中器５１は、上記ＴＭＲ素子１３に対して第４絶縁膜４４および第５絶縁膜４５の一部を介してＴＭＲ素子１３の側面に延長形成されている。延長形成された磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓは、例えばＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とほぼ同等の高さに形成される。また、磁束集中器５１の先端部５１ＳとＴＭＲ素子１３との距離は、磁束集中器５１の先端部５１Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えば２００ｎｍ以下に形成されている。
【００８９】
また磁束集中器５１を構成する高透磁率材料には、例えば最大透磁率μｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金もしくはフェライト合金を用いている。
【００９０】
上記第３絶縁膜４３上には、上記書き込みワード線１１、磁束集中器５１、第２ランディングパッド３３等を覆う第４絶縁膜４４が形成されている。この第４絶縁膜４４および上記第３絶縁膜４３には、上記書き込みワード線１１および磁束集中器５１中を貫通して上記第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１が形成されている。
【００９１】
上記接続孔６１内部にはサイドウォール絶縁膜６２を介してコンタクト部６３が、例えばタングステンに代表される高融点金属を用いた導電性プラグで形成されている。したがって、サイドウォール絶縁膜６２によって書き込みワード線１１および磁束集中器５１とコンタクト部６３とは電気的に絶縁されている。
【００９２】
さらに、上記第４絶縁膜４４上には、バリアメタル層１３０が形成され、その上面で、上記書き込みワード線１１上方に反強磁性体層１３１が形成され、この反強磁性体層１３１上には、強磁性体層からなる磁化固定層１３２とトンネル絶縁層１３３と磁化が比較的容易に回転する記憶層１３４との積層構造体が形成され、その上にキャップ層１３５が形成されている。この反強磁性体層１３１からキャップ層１３５によって情報記憶素子（以下、ＴＭＲ素子という）１３が構成されている。さらにキャップ層１３５上には第２配線となるビット線１２に接続する電極層１３６が形成されている。
【００９３】
上記第４の絶縁膜４４上には上記ＴＭＲ素子１３等を覆う第５の絶縁膜４５が形成されている。この第５の絶縁膜４５は表面が平坦化され、上記電極層１３６表面が露出されている。上記第５の絶縁膜４５上には、上記電極層１３６の上面に接続するものでかつ上記書き込みワード線１１上に上記ＴＭＲ素子１３を間にして立体的に交差（例えば直交）するビット線１２が形成されている。
【００９４】
上記ＴＭＲ素子１３の磁化固定層１３２および記憶層１３４は、強磁性体層の単層構造であってもよく、もしくは２層以上の強磁性体層を、例えば、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等で形成される導電体層を挟んで積層させた構造であってもよい。また上記反強磁性体層１３１の下地に、ＴＭＲ素子と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用いられる下地導電層（図示せず）を形成することも可能である。また、下地導電層を反強磁性体層１３１によって兼ねることも可能である。
【００９５】
上記磁気メモリ装置３の各構成部品は上記磁束集中器５１を除いて前記図１によって説明した磁気メモリ装置１と同様である。
【００９６】
次に、上記構成の磁気メモリ装置３の書き込みワード線１１が発する電流磁界の分布を調べたシミュレーション結果を、図７によって説明する。図７では、書き込みワード線１１、ビット線１２、ＴＭＲ素子１３および磁束集中器５１を簡単化して示す。シミュレーションでは、書き込みワード線１１の側面に形成された磁束集中器５１の先端部５１Ｓの厚さｔを０．２１μｍとし、上記書き込みワード線１１の両側面に形成された先端部５１Ｓの間隔ｄを０．５９μｍとした。また電流磁界を矢印で示し、矢印の長さは電流磁界の強さを示し、矢印の方向は電流磁界の方向を示す。
【００９７】
図７の電流磁界の分布図に示すように、上記磁気メモリ装置１は、書き込みワード線１１から発せられる電流磁界は磁束集中器５１に伝達され、その先端部５１Ｓより効率よくＴＭＲ素子１３の記憶層１３４〔前記図６参照〕に集中させることができる。
【００９８】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係る第４実施の形態を、図８の概略構成断面図によって説明する。この第４実施の形態は、上記図６によって説明した磁気メモリ装置３において、書き込みワード線から発する電流磁界をさらに効率よく記憶層に集中させることができるようにしたものである。なお、図面では、書き込みワード線、ビット線、ＴＭＲ素子および磁束集中器の関係のみを示し、絶縁膜、接続孔、サイドウォール絶縁膜、コンタクト部おおびその他の構成部品の図示は省略した。また電流磁界を矢印で示し、矢印の長さは電流磁界の強さを示し、矢印の方向は電流磁界の方向を示す。
【００９９】
図８に示すように、磁気メモリ装置３（３ｂ）は、以下の構成を有する。書き込みワード線１１が形成され、この書き込みワード線１１上方にはこの書き込みワード線１１と立体的に交差するビット線１２が形成されている。また交差領域における書き込みワード線１１の上方にはＴＭＲ素子１３が形成され、その上面はビット線１２に接続されている。上記書き込みワード線１１の両側面およびＴＭＲ素子１３に対向する面とは反対側の書き込みワード線１１の面には、高透磁率膜からなる磁束集中器５５が形成されている。しかも書き込みワード線１１の側面に形成された上記磁束集中器５５の少なくとも一方は書き込みワード線１１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されている。さらに先端部５５Ｓを厚さ方向に拡張した張り出し部５５ａｔが設けられている。ここでは、一例として張り出し部５５ａｔを含めた先端部５５Ｓの厚さｔｔは０．３２８μｍとし、先端部５５Ｓの内側に形成された張り出し部５５ａｔ、５５ａｔの間隔ｄｔは０．４７２μｍとした。
【０１００】
また図８では先端部５５Ｓの両側に張り出し部５５ａｔを設けたが、一方側だけでもよい。さらに図示したように、上記磁束集中器５５は書き込みワード線１１の両側面に形成された部分は書き込みワード線１１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されているが、その突き出した状態に形成される部分は書き込みワード線１１の片方の側面に形成されているもののみでも良い。
【０１０１】
この第４実施の形態の基本構成は、前記第３実施の形態の磁気メモリ装置の基本構成に代えることができるので、前記図６の（２）によって説明した磁気メモリ装置の構成に組み込むことができる。
【０１０２】
上記第４実施の形態に示した構成の磁束集中器５５では、第３実施の形態で説明した磁束集中器５１よりも電流磁束の漏れを減少させることができるため、書き込みワード線１１から発せられる電流磁束を第３実施の形態の磁束集中器５１よりもさらに効率よくＴＭＲ素子１３の記憶層１３４に集中させることができる。
【０１０３】
次に、比較例１として、従来構造のＭＲＡＭセルの書き込みワード線に接続孔を貫通させた構成における書き込みワード線およびその周囲の電流磁界の分布状態を、図９によって説明する。図９では、電流磁界を矢印で示し、矢印の長さは電流磁界の強さを示し、矢印の方向は電流磁界の方向を示す。なお図面では、書き込みワード線、ビット線、ＴＭＲ素子および磁束集中器の関係のみを示し、絶縁膜、接続孔、サイドウォール絶縁膜、コンタクト部おおびその他の構成部品の図示は省略した。
【０１０４】
図９に示すように、書き込みワード線１１上方には、この書き込みワード線１１に対して立体的に直交するビット線１２が形成されている。この書き込みワード線１１とビット線１２との交差領域には、例えば０．４μｍ×０．８μｍの大きさを有するＴＭＲ素子１３が形成されている。このＴＭＲ素子１３は、書き込みワード線１１上に３００ｎｍの厚さの絶縁膜４８を介して形成され、その上面にはビット線１２に接続されている。
【０１０５】
次に、上記書き込みワード線１１に電流を流すことにより発生する電流磁界のシミュレーションを行った。その結果、図９に示すように、電流磁界は書き込みワード線１１を取り巻くように分布する。したがって、磁束集中器５１もしくは磁束集中器５５を設けた実施の形態のように、書き込みワード線１１から発せられる電流磁界をＴＭＲ素子１３に集中させることができない。また書き込みワード線１１の電流が誘起する電流磁界は、ＴＭＲ素子１３と書き込みワード線１１との距離が大きくなるにしたがい急速に減少している。
【０１０６】
次に、比較例２として、米国特許第５９４０３１９号明細書に記載されたのと同様のＭＲＡＭセルの書き込みワード線に接続孔を貫通させた構成における書き込みワード線およびその周囲の電流磁界の分布状態を、図１０によって説明する。図１０では、電流磁界を矢印で示し、矢印の長さは電流磁界の強さを示し、矢印の方向は電流磁界の方向を示す。なお図面では、書き込みワード線、ＴＭＲ素子および磁束集中器の関係のみを示し、絶縁膜、接続孔、サイドウォール絶縁膜、コンタクト部おおびその他の構成部品の図示は省略した。
【０１０７】
図１０に示すように、書き込みワード線１１が形成され、この書き込みワード線１１上方にはこの書き込みワード線１１と立体的に交差するビット線１２が形成されている。また交差領域における書き込みワード線１１の上方にはＴＭＲ素子１３が形成され、その上面はビット線１２に接続されている。書き込みワード線１１の周囲にはＴＭＲ素子１３側を除いて、軟磁性膜からなる磁束集中器５７が形成されている。書き込みワード線１１の側面に形成された磁束集中器５７の先端部５７Ｓは書き込みワード線１１のＴＭＲ素子１３側の面と同等の高さに形成されている。すなわち、書き込みワード線１１よりＴＭＲ素子１３側に突出した状態には形成されていない。
【０１０８】
次いで、上記構成において書き込みワード線１１より発せられる電流磁界のシミュレーションを行った。この比較例２におけるシミュレーションでは、書き込みワード線１１の側面に形成された磁束集中器５７の先端部５７Ｓの各厚さｔは０．２１μｍとし、磁束集中器５７の先端部５７Ｓの間隔ｄは０．５９μｍとした。
【０１０９】
この結果、書き込みワード線１１より発せられた電流磁界は、磁束集中器５７によってその先端部５７Ｓに伝達され、書き込みワード線１１の側面に形成された磁束集中器５７の先端部５７Ｓ、５７Ｓ間で最も強くなる。しかしながら、磁束集中器５７の先端部５７ＳとＴＭＲ素子１３との距離が開いているため、電流磁束が十分ＴＭＲ素子１３に伝達されないことがわかった。
【０１１０】
次に、上記第３実施の形態、第４実施の形態、比較例１、比較例２について、磁化方向に対して直行する方向に配置した磁化を反転させるため必要なビット線電流の書き込みワード線電流依存性を、図１１の磁化容易軸方向の磁界を与える電流と磁化難易軸方向の磁界を与える電流との関係図によって説明する。
【０１１１】
図１１に示すように、磁化難易軸方向の磁界を与える電流に対する磁化容易軸方向の磁界を与える電流との関係は、第３実施の形態、第４実施の形態ともに、比較例１、比較例２よりも、大きく改善していることが分かる。すはわち、第３実施の形態、第４実施の形態ともに、比較例１、比較例２よりも、磁化難易軸方向の磁界を与える電流の絶対値が大きくなるにしたがい磁化容易軸方向の磁界を与える電流は小さくなっている。
【０１１２】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係わる第５実施の形態を、図１２に示す概略構成断面図によって説明する。図１２では、磁気メモリ装置の第５実施の形態に係わる要部を示し、書き込みワード線、ＴＭＲ素子、磁束集中器、ランディングパッド、接続孔、コンタクト部、一部絶縁膜以外の図示は省略した。また、前記第３実施の形態で説明した磁気メモリ装置３と同様の構成部品には同一符号を付与する。
【０１１３】
図１２に示すように、第５実施の形態の磁気メモリ装置３（３ｃ）は、図６の（１）によって説明した磁束集中器５１において、ＴＭＲ素子１３に対向する側の書き込みワード線１１表面にも高透磁率膜７１が形成されているものである。すなわち、高透磁率膜７１を含めて磁束集中器５１（５１ｃ）が構成されている。また第３実施の形態の磁気メモリ装置３ａと同様に、書き込みワード線１１の側面に形成された高透磁率膜の少なくとも一方はＴＭＲ素子１３側の書き込みワード線１１表面に形成されている高透磁率膜７１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されている。すなわち、この磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓは、ＴＭＲ素子１３の側面と絶縁膜４７を介して、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３５との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３５との界面までの高さとすることが好ましい。
【０１１４】
また、磁束集中器５１の先端部５１ＳとＴＭＲ素子１３との距離は、磁束集中器５１の先端部５１Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。
【０１１５】
さらに、ＴＭＲ素子１３からランディングパッド３３に接続するように、上記絶縁膜４７、高透磁率膜７１、書き込みワード線１１、第１磁束集中器５１、第３絶縁膜４３を貫通する状態に、接続孔６１が形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【０１１６】
この第５実施の形態の基本構成は、前記第３実施の形態の磁気メモリ装置の基本構成に代えることができるので、前記図６の（２）によって説明した磁気メモリ装置の構成に組み込むことができる。
【０１１７】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係わる第６実施の形態を、図１３に示す概略構成断面図によって説明する。図１３では、磁気メモリ装置の第６実施の形態に係わる要部を示し、書き込みワード線、ＴＭＲ素子、磁束集中器、ランディングパッド、接続孔、コンタクト部、一部絶縁膜以外の図示は省略した。また、前記第３実施の形態で説明した磁気メモリ装置３と同様の構成部品には同一符号を付与する。
【０１１８】
図１３に示すように、第６実施の形態の磁気メモリ装置３（３ｄ）は、前記図６の（１）によって説明した第３実施の形態の磁気メモリ装置３（３ｃ）において、書き込みワード線１１の底部側および側面側と高透磁率膜からなる磁束集中器５１（５１ｄ）との間に絶縁膜８１が形成されているものである。この構成でも、書き込みワード線１１の側面に形成された上記磁束集中器５１の少なくとも一方（図面では両方）は、書き込みワード線１１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されている。すなわち、この磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓは、ＴＭＲ素子１３の側面と絶縁膜４７を介して、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３５との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３５との界面までの高さとすることが好ましい。
【０１１９】
また、磁束集中器５１の先端部５１ＳとＴＭＲ素子１３との距離は、磁束集中器５１の先端部５１Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。
【０１２０】
さらに、ＴＭＲ素子１３からランディングパッド３３に接続するように、上記絶縁膜４７、書き込みワード線１１、絶縁膜８１、磁束集中器５１、第３絶縁膜４３を貫通する状態に、接続孔６１が形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【０１２１】
この第６実施の形態の基本構成は、前記第３実施の形態の磁気メモリ装置の基本構成に代えることができるので、前記図６の（２）によって説明した磁気メモリ装置の構成に組み込むことができる。
【０１２２】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係わる第７実施の形態を、図１４に示す概略構成断面図によって説明する。図１４では、磁気メモリ装置の第７実施の形態に係わる要部を示し、書き込みワード線、ＴＭＲ素子、磁束集中器、ランディングパッド、接続孔、コンタクト部、一部絶縁膜以外の図示は省略した。また、前記第３実施の形態で説明した磁気メモリ装置３と同様の構成部品には同一符号を付与する。
【０１２３】
図１４に示すように、第７実施の形態の磁気メモリ装置３（３ｅ）は、前記図１３によって説明した磁気メモリ装置３（３ｄ）において、書き込みワード線１１の周囲に絶縁膜８２を形成し、その絶縁膜８２を介して高透磁率膜からなる磁束集中器５１（５１ｅ）が形成されているものである。この構成でも、書き込みワード線１１の側面に形成された上記磁束集中器５１の少なくとも一方（図面では両方）は、書き込みワード線１１上に絶縁膜８２を介して形成されている高透磁率膜７１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されている。すなわち、この磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓは、ＴＭＲ素子１３の側面と絶縁膜４７を介して、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３５との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３５との界面までの高さとすることが好ましい。
【０１２４】
また、磁束集中器５１の先端部５１ＳとＴＭＲ素子１３との距離は、磁束集中器５１の先端部５１Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。
【０１２５】
言いかえれば、第７実施の形態の高透磁率膜からなる磁束集中器５１ｅは、前記図１３によって説明した第６実施の形態の磁束集中器５１ｄにおいて、ＴＭＲ素子１３側の書き込みワード線１１表面に絶縁膜を介して高透磁率膜を形成したものである。すなわち、書き込みワード線１１の周囲に絶縁膜８２を介して高透磁率膜からなる磁束集中器５１ｅが形成されているものである。しかもこの構成でも、書き込みワード線１１の側面に形成された上記磁束集中器５１の少なくとも一方（図面では両方）は、書き込みワード線１１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されている。
【０１２６】
さらに、ＴＭＲ素子１３からランディングパッド３３に接続するように、上記絶縁膜４７、高透磁率膜７１、絶縁膜８２、書き込みワード線１１、絶縁膜８２、磁束集中器５１、第３絶縁膜４３を貫通する状態に、接続孔６１が形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【０１２７】
この第７実施の形態の基本構成は、前記第３実施の形態の磁気メモリ装置の基本構成に代えることができるので、前記図６の（２）によって説明した磁気メモリ装置の構成に組み込むことができる。
【０１２８】
上記磁気メモリ装置３（３ａ〜３ｅ）では、書き込みワード線１１は、少なくとも、ＴＭＲ素子１３に対向する面とは反対側の面および両側面が高透磁率膜からなる磁束集中器５１で囲まれ、書き込みワード線１１の側面に形成された高透磁率膜からなる磁束集中器５１の少なくとも一方は、書き込みワード線１１よりＴＭＲ素子１３側に突き出した状態に形成されていて、実施の形態１の側壁部分の先端部５１Ｓは記憶層１３４の高さに形成されていることから、書き込みワード線１１から発する電流磁界は、磁束集中器５１の先端部５１Ｓまで伝達され、先端部５１Ｓ、５１Ｓ間で最も強くなる。したがって、電流磁界はＴＭＲ素子１３の記憶層１３４に効率よく集中される。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに書き込みワード線１１のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【０１２９】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係わる第８実施の形態を、図１５に示す概略構成断面図によって説明する。図１５では、磁気メモリ装置の第８実施の形態に係わる要部を示し、書き込みワード線、ＴＭＲ素子、磁束集中器、ランディングパッド、接続孔、コンタクト部、一部絶縁膜以外の図示は省略した。また、前記第３実施の形態で説明した磁気メモリ装置３と同様の構成部品には同一符号を付与する。
【０１３０】
図１５に示すように、磁気メモリ装置４は、書き込みワード線１１上に絶縁膜８５を介して高透磁率膜からなる磁束集中器５３が設けられていて、磁束集中器５３上に絶縁膜８６を介してＴＭＲ素子１３が設けられているものである。
【０１３１】
この磁束集中器５３の側壁部分はＴＭＲ素子１３の側面方向に絶縁膜８６を介して延長形成されていて、その先端部５３Ｓは、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３５との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３３との界面までの高さとすることが好ましい。また、磁束集中器５３の先端部５３ＳとＴＭＲ素子１３との距離ｘは、磁束集中器５３の先端部５３Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。
【０１３２】
また、上記磁束集中器５３を構成する高透磁率材料としては、例えば最大透磁率μｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金、フェライト合金、等を用いることができる。
【０１３３】
さらに、ＴＭＲ素子１３からランディングパッド３３に接続するように、上記絶縁膜８６、磁束集中器５３、絶縁膜８５、書き込みワード線１１、第３絶縁膜４３を貫通する状態に、接続孔６１が形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【０１３４】
磁気メモリ装置４の他の構成部品は、前記図６で説明したのと同様である。なお、前記図６によって説明した磁束集中器５１は形成されていなくてもよいが、ＴＭＲ素子１３へ電流磁界をより効果的に集中できることから磁束集中器５１は形成されているほうが好ましい。この構成については後述する。また、上記図１５によって説明した構成において、磁束集中器５３は書き込みワード線１１の上面に接続する状態に形成されていてもよい。
【０１３５】
上記磁気メモリ装置４では、書き込みワード線１１とＴＭＲ素子１３との間およびＴＭＲ素子１３の側面側に、絶縁膜８５を介して、高透磁率膜からなる磁束集中器５３が設けられていることから、書き込みワード線１１から発する電流磁界はＴＭＲ素子１３の側面下部側の磁束集中器５３によってＴＭＲ素子１３の記憶層１３４に効率よく集中される。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに書き込みワード線１１のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【０１３６】
この第８実施の形態の基本構成は、前記第３実施の形態の磁気メモリ装置の基本構成に代えることができるので、前記図６の（２）によって説明した磁気メモリ装置の構成に組み込むことができる。
【０１３７】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係わる第９実施の形態を、図１６に示す概略構成断面図によって説明する。図１６では、磁気メモリ装置の第９実施の形態に係わる要部を示し、書き込みワード線、ＴＭＲ素子、第１、第２磁束集中器、ランディングパッド、接続孔、コンタクト部、一部絶縁膜以外の図示は省略した。また、前記第３実施の形態で説明した磁気メモリ装置３と同様の構成部品には同一符号を付与する。
【０１３８】
第９実施の形態の磁気メモリ装置５（５ａ）の基本構成は、前記図１０と前記図１５によって説明した構成を組み合わせたものである。すなわち、図１６に示すように、第９実施の形態の磁気メモリ装置５（５ａ）は、書き込みワード線１１の両側面およびこの書き込みワード線１１上に絶縁膜８５、８６を介して形成されるＴＭＲ素子１３に対向する面とは反対側の面を囲むように、高透磁率膜からなる磁束集中器（第１磁束集中器）５７が設けられている。この磁束集中器５７の側壁部分（書き込みワード線１１の側壁に形成された部分）は、書き込みワード線１１上面（ＴＭＲ素子１３側の面）と同等の高さに形成されている。
【０１３９】
さらに、前記図１５によって説明したのと同様の磁束集中器（第２磁束集中器）５３が書き込みワード線１１とＴＭＲ素子１３との間に設けられている。上記磁束集中器５３の両側壁部分はＴＭＲ素子１３の側壁近傍に絶縁膜８６を介して延長形成されていて、その先端部５３Ｓは、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３３との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３５との界面までの高さとすることが好ましい。また、磁束集中器５３の先端部５３ＳとＴＭＲ素子１３との距離ｘは、磁束集中器５３の先端部５３Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。
【０１４０】
また、上記磁束集中器５３、５７を構成する高透磁率材料としては、例えば最大透磁率μｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、鉄・アルミニウム（ＦｅＡｌ）合金、フェライト合金、等を用いることができる。
【０１４１】
さらに、ＴＭＲ素子１３からランディングパッド３３に接続するように、上記絶縁膜８６、磁束集中器５３、絶縁膜８５、書き込みワード線１１、磁束集中器５７、第３絶縁膜４３を貫通する状態に、接続孔６１が形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【０１４２】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係わる第１０実施の形態を、図１７に示す概略構成断面図によって説明する。図１７では、第１０実施の形態の磁気メモリ装置に係わる要部を示し、書き込みワード線、ＴＭＲ素子、第１、第２磁束集中器、ランディングパッド、接続孔、コンタクト部、一部絶縁膜以外の図示は省略した。また、前記第３実施の形態で説明した磁気メモリ装置３と同様の構成部品には同一符号を付与する。
【０１４３】
図１７に示すように、第９実施の形態の磁気メモリ装置５（５ｂ）は、前記図１６によって説明した磁気メモリ装置５ａにおいて、磁束集中器（第１磁束集中器）５７と書き込みワード線１１との間に絶縁膜８１を設けたものであり、その他の構成は、前記図１６によって説明した構成と同様である。
【０１４４】
したがって、ＴＭＲ素子１３とランディングパッド３３とを接続する接続孔６１は、上記絶縁膜８６、磁束集中器５３、絶縁膜８５、書き込みワード線１１、絶縁膜８１、磁束集中器５７、第３絶縁膜４３を貫通する状態に形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【０１４５】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係わる第１１実施の形態を、図１８に示す概略構成断面図によって説明する。図１８では、磁気メモリ装置の第１１実施の形態に係わる要部を示し、書き込みワード線、ＴＭＲ素子、第１、第２磁束集中器、ランディングパッド、接続孔、コンタクト部、一部絶縁膜以外の図示は省略した。また、前記第３実施の形態で説明した磁気メモリ装置３と同様の構成部品には同一符号を付与する。
【０１４６】
図１８に示すように、第１０実施の形態の磁気メモリ装置５（５ｃ）は、書き込みワード線１１の底部側および両側面に前記図６の（１）によって説明した磁束集中器（第１磁束集中器）５１を備え、さらに書き込みワード線１１とＴＭＲ素子１３との間に前記図１５によって説明した磁束集中器（第２磁束集中器）５３を備えたものである。上記磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓと上記磁束集中器５３とは、絶縁膜８５を介して離間された状態に形成されている。
【０１４７】
したがって、ＴＭＲ素子１３とランディングパッド３３とを接続する接続孔６１は、上記絶縁膜８６、磁束集中器５３、絶縁膜８５、書き込みワード線１１、磁束集中器５１、第３絶縁膜４３を貫通する状態に形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【０１４８】
なお、図示はしないが、上記磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓと上記磁束集中器５３とが接続されていてもよい。
【０１４９】
次に、本発明の磁気メモリ装置に係わる第１２実施の形態を、図１９に示す概略構成断面図によって説明する。図１９では、磁気メモリ装置の第１２実施の形態に係わる要部を示し、書き込みワード線、ＴＭＲ素子、第１、第２磁束集中器、ランディングパッド、接続孔、コンタクト部、一部絶縁膜以外の図示は省略した。また、前記第３実施の形態で説明した磁気メモリ装置３と同様の構成部品には同一符号を付与する。
【０１５０】
図１９に示すように、第１２実施の形態の磁気メモリ装置５（５ｄ）は、書き込みワード線１１の底部側および両側面に絶縁膜８１を介して前記図１３によって説明した磁束集中器（第１磁束集中器）５１を備え、さらに書き込みワード線１１とＴＭＲ素子１３との間に前記図１５によって説明した磁束集中器（第２磁束集中器）５３を備えたものである。上記磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓと上記磁束集中器５３とは、絶縁膜８５を介して離間された状態に形成されている。
【０１５１】
したがって、ＴＭＲ素子１３とランディングパッド３３とを接続する接続孔６１は、上記絶縁膜８６、磁束集中器５３、絶縁膜８５、書き込みワード線１１、絶縁膜８１、磁束集中器５１、第３絶縁膜４３を貫通する状態に形成されている。さらに接続孔６１の側壁にはサイドウォール絶縁膜６２が形成され、このサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１の内部には、ＴＭＲ素子１３の反強磁性体層１３１（もしくはバリアメタル層（図示せず））とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部６３が形成されている。
【０１５２】
なお、図示はしないが、上記磁束集中器５１の側壁部分の先端部５１Ｓと上記磁束集中器５３とが接続されていてもよい。
【０１５３】
上記磁気メモリ装置の第９実施の形態〜第１２実施の形態の基本構成は、前記第３実施の形態の磁気メモリ装置の基本構成に代えることができるので、前記図６の（２）によって説明した磁気メモリ装置の構成に組み込むことができる。
【０１５４】
上記磁気メモリ装置５（５ａ〜５ｄ）では、書き込みワード線１１には、少なくとも、書き込みワード線１１の両側面およびＴＭＲ素子１３に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる磁束集中器（第１磁束集中器）５１もしくは磁束集中器（第１磁束集中器）５７が設けられ、書き込みワード線１１とＴＭＲ素子１３との間およびＴＭＲ素子１３の側面側に絶縁膜８６を介して高透磁率膜からなる磁束集中器（第２磁束集中器）５３が設けられていて、その先端部５３Ｓが記憶層１３４の高さに形成されていることから、書き込みワード線１１から発する電流磁界は磁束集中器５１もしくは磁束集中器５７から磁束集中器５３に伝達されてＴＭＲ素子１３の記憶層１３４に効率よく集中される。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに書き込みワード線１１のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【０１５５】
また、前記第３実施の形態〜第１２実施の形態で説明した構成において、第２実施の形態で説明したように書き込みワード線を複数本とすることもできる。この構成では、第２実施の形態の作用、効果も併せて得られる。
【０１５６】
次に、本発明の磁気メモリ装置の第１製造方法に係る第１実施の形態を、図２０〜図２２の製造工程断面図によって説明する。図２０〜図２２では、１選択素子と１ＴＭＲ素子（１Ｔ１Ｊ構造）からなるＭＲＡＭを示す。
【０１５７】
図２０の（１）に示すように、通常のトレンチ素子分離技術を用いて、半導体基板２１に素子分離領域２３を、例えばＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）で形成する。次いで、通常の電界効果型トランジスタの形成技術を用いて、半導体基板２１に選択素子となる電界効果型トランジスタ２４を形成する。なお、前記図１に示したような二つの選択素子用の電界効果型トランジスタ２４を設けることも可能である。この構成では拡散層２７を共有した形態に形成される。なお、前記図１によって説明した磁気メモリ装置の第１実施の形態のように、二つの選択素子用の電界効果型トランジスタを設けた構成も以下に説明する製造方法を適用することで実現することができる。
【０１５８】
次に、ＭＯＳトランジスタ２４を覆う第１絶縁膜４１を形成する。その後、例えばＣＭＰによって、この第１絶縁膜４１表面を平坦化する。次いで、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、各拡散層２７、２８に達する接続孔を開口した後、例えば通常のタングステンプラグの形成技術を用いて各接続孔内にタングステンプラグからなるコンタクト部２９、３０を形成する。次いで、第１絶縁膜４１上に導電膜を形成した後、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて上記導電膜を加工し、コンタクト部２９に接続するセンス線１５とコンタクト部３０に接続する第１ランディングパッド３１を形成する。なお、センス線１５、第１ランディングパッド３１等は、通常の溝配線技術を用いて形成することも可能である。
【０１５９】
次に、センス線１５、第１ランディングパッド３１等を覆う第２絶縁膜４２を形成する。その後、例えばＣＭＰによって、この第２絶縁膜４２表面を平坦化する。次いで、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、第１ランディングパッド３１に達する接続孔を開口した後、例えば通常のタングステンプラグの形成技術を用いて各接続孔内にタングステンプラグからなるコンタクト部３２を形成する。次いで、第２絶縁膜４２上に導電膜を形成した後、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて上記導電膜を加工し、コンタクト部３２に接続する第２ランディングパッド３３を形成する。なお、第２ランディングパッド３３は、通常の溝配線技術を用いて形成することも可能である。
【０１６０】
次に、例えばＨＤＰ（Ｈｉｇｈ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｐｌａｓｍａ）ＣＶＤ法により、第２ランディングパッド３３等を覆うとともにその後のＣＭＰ工程にで第２ランディングパッド３３上に所定の膜厚（例えば第２ランディングパッド３３上に電気的絶縁が十分に得られる膜厚）以上が残るように、酸化シリコンを例えば１０００ｎｍの厚さに堆積した後、ＣＭＰによりその表面を研磨して平坦化し、第２ランディングパッド３３上に電気的絶縁が十分に得られるように、例えば５００ｎｍの厚さの酸化シリコン膜を残すように第３絶縁膜４３を形成する。
【０１６１】
次いで、図２０の（２）に示すように、第３絶縁膜４３上に書き込みワード線を形成するための導電膜を形成する。ここでは一例として、チタン膜（例えば厚さが２０ｎｍ）と窒化チタン膜（例えば厚さが２０ｎｍ）、アルミニウム銅合金膜（例えば厚さが３００ｎｍ）、チタン膜（例えば厚さが１０ｎｍ）と窒化チタン膜（例えば厚さが１００ｎｍ）を下層より順次形成する。そして、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて上記導電膜を加工し、書き込みワード線１１を形成する。なお、書き込みワード線１１は、通常の溝配線技術を用いて形成することも可能である。なお、図２０の（２）以降の製造工程図では、第３絶縁膜４３よりも下層の構成の図示は省略した。
【０１６２】
次に、例えばＨＤＰＣＶＤ法により、書き込みワード線１１等を覆う第４絶縁膜の下層４４１を、例えば酸化シリコンを５００ｎｍの厚さに堆積して形成する。その後、例えばＣＭＰによって、書き込みワード線１１表面が露出するようにこの第４絶縁膜の下層４４１の表面を平坦化する。
【０１６３】
次いで、図２０の（３）に示すように、第４絶縁膜の下層４４１表面に、第４絶縁膜の上層４４２を、例えば酸化アルミニウムを５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。このようにして、第４絶縁膜４４を形成する。次に第４絶縁膜４４上にレジスト膜９１を塗布形成した後、通常のリソグラフィー技術により、レジスト膜９１に孔９２を形成する。さらに２００℃〜３００℃の温度で熱処理を行い、レジスト膜９１をリフローして、孔９２の口径を縮小させる。この図面では、リフロー前のレジスト膜９１を２点鎖線で示し、リフロー後のレジスト膜９１を実線で示した。
【０１６４】
なお、レジスト膜９１の孔径の縮小方法は、リフロー処理の他に、例えばＴ．Ｔｏｙｏｓｈｉｍａ　ｅｔ．ａｌ，ＩＥＤＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｍｅｅｔｉｎｇ）　（１９９８）　ｐ．３３３−３３６で報告されている方法を使っても良い。また、レジスト膜の厚さ方向の途中まで孔を開けた後、その途中まで形成した孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成し、このサイドウォール絶縁膜をマスクにして、レジスト膜に初めに開けた孔よりも口径が縮小された孔を形成しても良い。
【０１６５】
続いて、図２１の（４）に示すように、上記レジスト膜９１をエッチングマスクに用いたエッチング技術により、第４絶縁膜４４から第３絶縁膜４３に、書き込みワード線１１を貫通して第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成する。
【０１６６】
次に、図２１の（５）に示すように、接続孔６１の内面および第４絶縁膜４４表面に、サイドウォール絶縁膜を形成するための絶縁膜を、接続孔６１に側壁部分で電気的絶縁性が確保できる厚さ、例えば酸化シリコンを２０ｎｍの厚さに堆積して形成する。その後、この絶縁膜をエッチバックして、接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を形成する。
【０１６７】
その後、上記レジスト膜を除去する。次いで、図２１の（６）に示すように、通常のタングステンプラグの形成技術を用いて、タングステン膜を接続孔６１内に埋め込むように第４絶縁膜４４上に形成する。次いで、例えばＣＭＰによって、第４絶縁膜４４上の余剰なタングステン膜を除去して、接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１内にタングステンを残し、タングステンプラグからなるコンタクト部６３を形成する。このＣＭＰによって、第４絶縁膜４４の表面は平坦化される。
【０１６８】
次に、第４絶縁膜４４上にコンタクト部６３と接続するＴＭＲ素子１３を形成する工程を行う。まず図２１の（７）に示すように、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって、第４絶縁膜４４上に、バリア層１３０、反強磁性体層１３１、強磁性体からなる磁化固定層１３２、トンネル絶縁膜１３３、強磁性体からなる記憶層１３４、キャップ層１３５、電極層１３６を下より順次堆積する。
【０１６９】
上記バリア層１３０には、窒化チタン、タンタルもしくは窒化タンタルを用いる。
【０１７０】
上記反強磁性体層１３１には、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、コバルト酸化物およびニッケル酸化物のうちの１種を用いる。この反強磁性体層１３１は、ＴＭＲ素子１３と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用いられる下地導電層を兼ねることも可能である。したがって、本実施の形態では、反強磁性体層１３１をＴＭＲ素子１３と図示はしていないスイッチング素子との接続配線の一部として用いている。
【０１７１】
上記磁化固定層１３２には、例えば、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またはニッケル、鉄およびコバルトのうちの少なくとも２種からなる合金のような、強磁性体を用いる。この磁化固定層１３２は、反強磁性体層１３１と接する状態に形成されていて、磁化固定層１３２と反強磁性体層１３１との層間に働く交換相互作用によって、磁化固定層１３２は、強い一方向の磁気異方性を有している。すなわち、磁化固定層１３２は反強磁性体層１３１との交換結合によって磁化の方向がピニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）される。
【０１７２】
なお、上記磁化固定層１３２は、導電層を挟んで磁性層を積層した構成としてもよい。例えば、反強磁性体層１３１側から、第１の磁化固定層と磁性層が反強磁性的に結合するような導電体層と第２の磁化固定層とを順に積層した構成としてもよい。この磁化固定層１３２は、３層以上の強磁性体層を、導電体層を挟んで積層させた構造であってもよい。上記導電体層には、例えば、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等を用いることができる。
【０１７３】
上記トンネル絶縁層１３３は、上記記憶層１３４と上記磁化固定層１３２との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための機能を有する。そのため、通常は厚さが０．５ｎｍ〜５ｎｍの酸化アルミニウムが使われるが、例えば、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウムもしくは酸化窒化シリコンを用いてもよい。上記したようにトンネル絶縁層１３３の膜厚は、０．５ｎｍ〜５ｎｍと非常に薄いため、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成する。もしくはスパッタリングによってアルミニウム等の金属膜を堆積した後にプラズマ酸化もしくは窒化を行って形成する。
【０１７４】
上記記憶層１３４には、例えば、ニッケル、鉄もしくはコバルト、またはニッケル、鉄およびコバルトのうちの少なくとも２種からなる合金のような、強磁性体を用いる。この記憶層１３４は外部印加磁場によって磁化の方向が下層の磁化か固定層１３２に対して、平行又は反平行に変えることができる。
【０１７５】
上記キャップ層１３５は、ＴＭＲ素子と別のＴＭＲ素子とを接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低減および記憶層１３４の酸化防止という機能を有する。通常、銅、窒化タンタル、タンタル、窒化チタン等の材料により形成されている。したがって、上記バリア層１３０と同様な材料で形成することができる。
【０１７６】
上記電極層１３６は、例えばＣＶＤ法により、タングステンまたは窒化タングステンを例えば５０ｎｍの厚さに堆積して形成する。
【０１７７】
次に、図２２の（８）に示すように、リソグラフィ技術とエッチング（例えば反応性イオンエッチング）技術とにより、フォトレジスト（図示せず）をマスクにして、ＴＭＲ素子１３を形成するための積層膜（電極層１３６、キャップ層１３５、基板３４、トンネルバリア層１３３、磁化固定層１３２、反強磁性体層１３１、バリア層１３０）をエッチングして、ＴＭＲ素子１３を形成する。このエッチングでは、一例として、エッチングガスには塩素（Ｃｌ）を含んだハロゲンガスもしくは一酸化炭素（ＣＯ）にアンモニア（ＮＨ３　）を添加したガス系を用いる。その後、上記フォトレジストを除去する。
【０１７８】
次に、図２２の（９）に示すように、第４絶縁膜４４上に、ＴＭＲ素子１３を覆う第５絶縁膜４５を形成する。この第５絶縁膜４５は、例えばプラズマＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって、酸化シリコンもしくは酸化アルミニウム等で、ＴＭＲ素子１３の厚さよりも厚く、例えば１００ｎｍの厚さに形成される。その後、例えばＣＭＰによって、第５絶縁膜４５表面を平坦化研磨して、ＴＭＲ素子１３の電極層１３６上面を露出させる。
【０１７９】
次に、図２２の（１０）に示すように、標準的な配線形成技術によって、第５絶縁膜４５上に、ＴＭＲ素子１３の電極層１３６に接続するビット線１２を、上記書き込みワード線１１に対してＴＭＲ素子１３を間にして立体的に交差（直交）するように形成する。それとともに、周辺回路の配線（図示せず）、ボンディングパッド領域（図示せず）を形成する。さらに全面に保護膜となる第６絶縁膜４６を、例えばプラズマＣＶＤ法によって窒化シリコン膜で形成した後、ボンディングパッド部（図示せず）を開口して磁気メモリ装置のウエハプロセスを完了させる。
【０１８０】
上記図２０〜図２２によって説明した磁気メモリ装置の製造方法では、第４絶縁膜４４より書き込みワード線１１内を貫通して書き込みワード線１１より下層に形成されている第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成した後、接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を形成し、さらに接続孔６１内にコンタクト部６３を形成することから、トンネル磁気抵抗素子１３直下にコンタクト部６３を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部６３の面積を新たに創出することなく、トンネル磁気抵抗素子１３のセル面積を利用して、トンネル磁気抵抗素子１３と選択素子である電界効果トランジスタ２４の拡散層２８に接続されている第２ランディングパッド３３との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【０１８１】
次に、本発明の磁気メモリ装置の第１製造方法に係る第２実施の形態を、図２３の製造工程断面図によって説明する。この製造方法は、前記図２によって説明した磁気メモリ装置の第２実施の形態を実現する製造方法である。
【０１８２】
磁気メモリ装置の第１製造方法に係る第２実施の形態は、書き込みワード線とこの書き込みワード線を貫通するように形成される接続孔の製造方法が前記磁気メモリ装置の第１製造方法の第１実施の形態と異なる。その他の製造工程は、磁気メモリ装置の第１製造方法の第１実施の形態と同様となっている。
【０１８３】
ここでは、磁気メモリ装置の第１製造方法の第１実施の形態と異なる工程である、書き込みワード線の形成工程および接続孔の形成工程について説明する。図２３の（１）に示すように、書き込みワード線１１を形成する際に、第３絶縁膜４３上に、書き込みワード線を形成するための導電膜１１１を形成した後、この導電膜１１１上にオフセット絶縁膜６５を第３絶縁膜４３およびその後に形成される第４絶縁膜をエッチングする際にエッチングマスクとなる絶縁材料で形成されればよく、例えば酸化アルミニウム膜もしくは窒化シリコン膜で形成する。その後、通常のレジスト塗布、リソグラフィー技術によるレジストマスク（図示せず）を形成した後、このオフセット絶縁膜６５と同時に導電膜１１１をエッチング加工して、オフセット絶縁膜６５を載せた書き込みワード線１１ａ（１１１）、１１ｂ（１１１）を形成する。なお、上記第３絶縁膜４３を形成する以前の工程は、前記第１実施の形態の磁気メモリ装置の製造方法と同様に行うことができる。
【０１８４】
その後、レジストマスクを除去する。次いで図２３の（２）に示すように、第３絶縁膜４３上にオフセット絶縁膜６５を載せた書き込みワード線１１（１１ａ）、１１（１１ｂ）を覆う状態に第４絶縁膜４４を形成した後、例えばＣＭＰによって、オフセット絶縁膜６５が露出するように第４絶縁膜４４表面を平坦化する。そして、通常のレジスト塗布、リソグラフィー技術により、レジスト膜９３に孔９４を形成した後、このレジスト膜９３をエッチングマスクに用いて第４絶縁膜４４、第３絶縁膜４３をエッチング加工し、下層配線のランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成する。このとき、オフセット絶縁膜６５がエッチングされ難いエッチング条件を選択することにより、書き込みワード線１１（１１ａ）、１１（１１ｂ）間いっぱいに接続孔６１を形成することができる。その後、レジストマスクを除去する。
【０１８５】
次に、図２３の（３）に示すように、前記磁気メモリ装置の第１製造方法の第１実施の形態と同様に、接続孔６１内にサイドウォール絶縁膜６２を形成し、接続孔６１を埋め込むコンタクト部６３を例えばタングステンプラグで形成すればよい。その後、図示はしないが、ＴＭＲ素子の形成工程以降は、磁気メモリ装置の第１製造方法の第１実施の形態と同様である。
【０１８６】
上記磁気メモリ装置の第１製造方法の第２実施の形態によれば、前記磁気メモリ装置の第１製造方法の第１実施の形態と同様なる利点がある。これとともに、以下のような利点がある。すなわち、書き込みワード線１１上に形成されたオフセット絶縁膜６５がいわゆるエッチングストップ層となるので、書き込みワード線１１上にかかるようにエッチングマスクとなるレジスト膜９３に孔９４を形成することができる。このため、レジスト膜９３に口径が微細な孔を形成する必要がなくなる、リソグラフィー工程におけるマスク合わせ余裕を大きく取ることができる等の利点がある。
【０１８７】
上記磁気メモリ装置の第１製造方法の第１、第２実施の形態においては、前記図５のレイアウト図によって説明したように、接続孔６１は、ＴＭＲ素子１１よりはみ出すように書き込みワード線１１の配設方向に長く形成することができる。このように接続孔６１を形成することによりＴＭＲ素子１３および下層配線のランディングパッド３３との接続面積を大きくすることが可能になり、コンタクト抵抗を低減することができる。
【０１８８】
上記磁気メモリ装置の第１製造方法の第２実施の形態では、書き込みワード線１１が複数（図面では２本）の配線で形成され、この書き込みワード線１１ａ、１１ｂ間に接続孔６１を形成し、この接続孔６１にＴＭＲ素子とランディングパッド３３とを接続するコンタクト部が形成されることから、接続孔６１両側における書き込みワード線１１ａ、１１ｂ幅を均等に形成することができる。このため、どちらか一方の書き込みワード線１１に電流が片寄って流れることによる、例えば細く形成された配線の電流密度が上昇することによる断線の発生懸念がない。
【０１８９】
次に、本発明の磁気メモリ装置の第２製造方法に係る第１実施の形態を、図２４、図２５の製造工程断面図によって説明する。この製造方法は、前記図６によって説明した磁気メモリ装置の第３実施の形態を実現する製造方法である。
【０１９０】
磁気メモリ装置の第２製造方法の第１実施の形態では、前記磁気メモリ装置の第１製造方法の第１実施の形態において、第３絶縁膜を形成した後から第４絶縁膜を形成するまでが異なる。その他の製造工程は、磁気メモリ装置の第１製造方法の第１実施の形態と同様となっている。そこで、図２４および図２５では、第３絶縁膜を形成した後の工程について説明する。
【０１９１】
まず前記図２０の（１）によって説明したプロセスと同様に、半導体基板２１に素子分離領域２３を形成する。次いで、半導体基板２１に選択素子となる電界効果型トランジスタ２４を形成する。次に、ＭＯＳトランジスタ２４を覆う第１絶縁膜４１を形成し、この第１絶縁膜４１表面を平坦化する。次いで、各拡散層２７、２８に達する接続孔を開口した後、各接続孔内にタングステンプラグからなるコンタクト部２９、３０を形成する。次いで、第１絶縁膜４１上に導電膜を形成した後、この導電膜を加工してコンタクト部２９に接続するセンス線１５とコンタクト部３０に接続する第１ランディングパッド３１とを形成する。次に、センス線１５、第１ランディングパッド３１等を覆う第２絶縁膜４２を形成し、この第２絶縁膜４２表面を平坦化する。次いで、第１ランディングパッド３１に達する接続孔を開口した後、接続孔内にタングステンプラグからなるコンタクト部３２を形成する。次いで、第２絶縁膜４２上に導電膜を形成した後、この導電膜を加工して、コンタクト部３２に接続する第２ランディングパッド３３を形成する。
【０１９２】
次に、図２４の（１）に示すように、第２絶縁膜４２上にコンタクト部３２に接続する第２ランディングパッド３３等を第３絶縁膜４３で覆った後、ＣＭＰ工程によって第２ランディングパッド３３上に所定の膜厚（例えば第２ランディングパッド３３上の電気的絶縁が十分に得られる膜厚）以上が残るように、第３絶縁膜４３を研磨する。ここでは一例として、酸化シリコンを１０００ｎｍの厚さに堆積した後、ＣＭＰによりその表面を研磨して平坦化し、第２ランディングパッド３３上に電気的絶縁が十分に得られるように、例えば５００ｎｍの厚さの酸化シリコン膜を残すようにして、第３絶縁膜４３を形成する。
【０１９３】
次に、ＰＶＤ法によって、上記第３絶縁膜４３表面に、バリアメタル（図示せず）、高透磁率膜７３、書き込みワード線を形成するための配線材料層１１１を成膜する。さらに、配線材料層１１１上に第４絶縁膜４４を形成する。
【０１９４】
上記バリアメタルは、例えばチタン（Ｔｉ）を５ｎｍの厚さに堆積した後、窒化チタン（ＴｉＮ）を２０ｎｍの厚さに堆積して形成する。
【０１９５】
上記高透磁率膜７３は、例えば最大透磁率μｍが１００以上の軟磁性体を用いることができ、具体的には、一例としてニッケル・鉄・コバルトを含む合金、フェライト合金、等を用いることができ、例えば１００ｎｍの厚さに形成する。その他にも、例えば最大透磁率μｍが１００以上であれば、例えばコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のいずれかを含む金属化合物、金属酸化物もしくは金属窒化物を用いることができる。
【０１９６】
以下の各種製造方法の説明において、高透磁率膜には上記材料を用いることができる。
【０１９７】
上記配線材料層１１１は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）もしくはアルミニウム−銅（Ａｌ−Ｃｕ）合金を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。
【０１９８】
上記第４絶縁膜４４は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２　Ｏ３　）を形成する。この第４絶縁膜４４の膜厚は、後に形成されるＴＭＲ素子と書き込みワード線１１との電気的絶縁が確保される膜厚であればよい。例えばその厚さは例えば３ｎｍ〜５０ｎｍとする。
【０１９９】
次に、図２４の（２）に示すように、第４絶縁膜４４表面から第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成し、さらに接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１内にコンタクト部６３を形成する。具体的には、前記図２０の（３）によって説明したのと同様にして、第４絶縁膜４４上にレジスト膜（９１）を形成する。続いて、前記図２０の（４）によって説明したのと同様にして上記レジスト膜（９１）をエッチングマスクに用いたエッチング技術により、第４絶縁膜４４から第３絶縁膜４３に、配線材料層１１１、高透磁率膜７３を貫通して第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成する。
【０２００】
次に、前記図２０の（５）によって説明したのと同様にして、接続孔６１の内面および第４絶縁膜４４表面に、サイドウォール絶縁膜を形成するための絶縁膜を、接続孔６１に側壁部分で電気的絶縁性が確保できる厚さ、例えば酸化シリコンを２０ｎｍの厚さに堆積して形成する。その後、この絶縁膜をエッチバックして、接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を形成する。
【０２０１】
次に、前記図２０の（６）によって説明したのと同様にして、通常のタングステンプラグの形成技術を用いて、タングステン膜を接続孔６１内に埋め込むように第４絶縁膜４４上に形成する。次いで、例えばＣＭＰによって、第４絶縁膜４４上の余剰なタングステン膜を除去して、接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を介して接続孔６１内にタングステンを残し、タングステンプラグからなるコンタクト部６３を形成する。このＣＭＰによって、第４絶縁膜４４の表面は平坦化される。
【０２０２】
次に、図２４の（３）に示すように、上記第４絶縁膜４４上に上記コンタクト部６３を覆う上記ダミー膜１１２を、例えば第４絶縁膜４４に対して選択的にエッチングが可能な膜で形成する。ここでは、上記ダミー膜１１２を例えば酸化シリコン膜で形成する。
【０２０３】
次に、リソグラフィ技術とエッチング技術とによって、フォトレジスト（図示せず）をマスクに用いて、上記ダミー膜１１２、配線材料層１１１、高透磁率膜７３、バリアメタル（図示せず）を順次エッチングして、上記ダミー膜１１２を載せた状態で、書き込みワード線１１を形成する。その後、上記フォトレジストを除去する。
【０２０４】
次に、図２４の（４）に示すように、ＰＶＤ法によって、上記第３絶縁膜４３上に上記ダミー膜１１２〔前記図２４の（１）参照〕を覆う高透磁率膜を形成した後、高透磁率膜の全面をエッチバックして、ダミー膜１１２を載せた書き込みワード線１１の側壁に高透磁率サイドウォール７４ｓを形成する。このようにして、高透磁率膜７３と高透磁率サイドウォール７４ｓとからなる磁束集中器５１が形成される。
【０２０５】
続いて、図２５の（５）に示すように、選択的エッチングによりダミー膜１１２（２点鎖線で示す部分）のみを除去する。この高透磁率サイドウォール７４ｓは、磁束集中器５１の側壁部分となるため、その先端部５１Ｓの高さは、上記ダミー膜１１２の膜厚によって調整される。その先端部５１Ｓは、後に形成されるＴＭＲ素子の記憶層とキャップ層との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜と記憶層との界面から記憶層とキャップ層との界面までの高さとすることが好ましい。また、高透磁率サイドウォール７４Ｓと後に形成されるＴＭＲ素子との距離は、先端部５１Ｓに集中させた電流磁束が記憶層に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。
【０２０６】
次に、図２５の（６）に示すように、上記第３絶縁膜４３、第４絶縁膜４４上に、磁束集中器５１を覆うバリア層（図示せず）、反強磁性体層１３１、強磁性体からなる磁化固定層１３２、トンネル絶縁層１３３、強磁性体からなる記憶層１３４、キャップ層１３５、電極層１３６を順次形成する。上記バリア層（図示せず）、反強磁性体層１３１、磁化固定層１３２、トンネル絶縁層１３３、強磁性体からなる記憶層１３４、キャップ層１３５および電極層１３６は、前記第１実施の形態で説明したのと同様の材料を用いて形成することができる。
【０２０７】
次に、図２５の（７）に示すように、リソグラフィ技術とエッチング（例えば反応性イオンエッチング）技術とにより、フォトレジストをマスクにして、ＴＭＲ素子１３を形成するための積層膜（電極層１３６、キャップ層１３５、記憶層１３４、トンネル絶縁層１３３、磁化固定層１３２、反強磁性体層１３１、バリア層）をエッチングしてＴＭＲ素子１３を形成する。このエッチングでは、エッチングガスには塩素（Ｃｌ）を含んだハロゲンガスもしくは一酸化炭素（ＣＯ）にアンモニア（ＮＨ３　）を添加したガス系を用いる。その後、上記フォトレジストを除去する。
【０２０８】
この構成では、書き込みワード線１１の下部および側面側に形成した磁束集中器５１がＴＭＲ素子１３の側面近傍に張り出しているため、書き込みワード線１１により発生される電流磁界がＴＭＲ素子１３の記憶層１３４に効率良く印加される。
【０２０９】
次に、図２５の（８）に示すように、第３絶縁膜４３、第４絶縁膜４４上に、ＴＭＲ素子１３を覆う第５絶縁膜４５を形成する。この第５絶縁膜４５は、例えばＣＶＤ法もしくはＰＶＤ法によって、酸化シリコンもしくは酸化アルミニウム等で形成される。その後、化学的機械研磨によって第５絶縁膜４５表面を平坦化研磨して、ＴＭＲ素子１３の電極層１３６上面を露出させる。
【０２１０】
次に標準的な配線形成技術によって、書き込みワード線１１に対してＴＭＲ素子１３を挟んで立体的に交差（例えば直交）するように、第５絶縁膜４５上にＴＭＲ素子１３の電極層１３６に接続するビット線１２を形成するとともに、周辺回路の配線（図示せず）、ボンディングパッド領域（図示せず）を形成する。さらに全面に保護膜となる第６絶縁膜（図示せず）を、例えばプラズマ窒化シリコン膜で形成した後、ボンディングパッド部を開口して磁気メモリ装置のウエハプロセスを完了させる。
【０２１１】
また、上記磁気メモリ装置の第２製造方法において、高透磁率膜７３と第１配線層１１１との間に絶縁膜を形成し、高透磁率サイドウォール７４ｓを形成する前に書き込みワード線１１の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成すれば、前記図１３によって説明した磁気メモリ装置の第６実施の形態の構成を実現することができる。
【０２１２】
上記磁気メモリ装置の第２製造方法では、第４絶縁膜４４より書き込みワード線（第１配線）１１、磁束集中器５１を貫通して、書き込みワード線１１より下層に形成されている第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成する工程と、接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を形成する工程と、接続孔６１内にコンタクト部６３を形成する工程と備えていることから、コンタクト部６３上にＴＭＲ素子１３を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部６３の面積を新たに創出することなく、ＴＭＲ素子１３のセル面積を利用して、ＴＭＲ素子１３と第２ランディングパッド３３との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【０２１３】
さらに書き込みワード線１１の両側面およびＴＭＲ素子１３に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる磁束集中器５１を形成する工程を備えていることから、書き込みワード線１１に電流を流した際に発せられる電流磁界は、書き込みワード線１１の両側面に形成される高透磁率膜によって、ＴＭＲ素子１３の記憶層（記録層ともいう）１３４に効率よく集中されるようになる。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに書き込みワード線１１のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【０２１４】
次に、本発明の磁気メモリ装置の第２製造方法に係る第２実施の形態を説明する。ここでは、前記図１２によって説明した磁気メモリ装置の第５実施の形態の基本構成を得る製造方法を示す。
【０２１５】
この製造方法は、前記図２４の（１）によって説明した製造方法において、ＰＶＤ法によって、第３絶縁膜４３表面に、バリアメタル（図示せず）、高透磁率膜７３、書き込みワード線やランディングパッドを形成するための配線材料層１１１を成膜した後、高透磁率膜を成膜する。その後の工程は、前記図２４、図２５によって説明したのと同様である。
【０２１６】
この結果、前記図１２に示したような、書き込みワード線１１の周囲を、高透磁率膜７３、高透磁率サイドウォール７４ｓおよび高透磁率膜（図示せず）によって取り囲むとともにＴＭＲ素子１３の側方に高透磁率サイドウォール７４ｓが延長形成された磁束集中器５１が形成される。この磁束集中器５１の側壁部分となる高透磁率サイドウォール７４ｓの先端部５１Ｓは、上記磁気メモリ装置の第２製造方法に係る第１実施の形態と同様に設定されて形成される。
【０２１７】
この製造方法は、前記図２４、図２５によって説明した製造方法において、次の点で異なる。前記図２４の（１）において、高透磁率膜７３を形成した後、絶縁膜（図示せず）を成膜する。また、書き込みワード線１１を形成するパターニングでは、高透磁率膜７３をエッチングせずに残す。さらに高透磁率サイドウォール７４ｓを形成する前にサイドウォール絶縁膜を形成する。この３工程以外は、前記図２４、図２５によって説明したのと同様である。
【０２１８】
この結果、前記図１３に示したような、書き込みワード線１１の側面および底面側に、絶縁膜を介して高透磁率膜７３、高透磁率サイドウォール７４ｓからなる磁束集中器５１が形成される。この磁束集中器５１の側壁部分となる高透磁率サイドウォール７４ｓの先端部５１Ｓは、上記磁気メモリ装置の第２製造方法に係る第１実施の形態と同様に設定されて形成される。
【０２１９】
上記磁気メモリ装置の第２製造方法の第２、第３実施の形態においても、前記磁気メモリ装置の第２製造方法の第１実施の形態と同様なる効果が得られる。
【０２２０】
次に、本発明の磁気メモリ装置の第３製造方法に係る実施の形態を、図２６の製造工程断面図によって説明する。この製造方法は、前記図８によって説明した磁気メモリ装置の第４実施の形態を実現する製造方法である。
【０２２１】
第３絶縁膜４３を形成するまでは、前記図２０の（１）によって説明したのと同様の工程である。以下、第３絶縁膜４３を形成した後を説明する。まず、図２６の（１）に示すように、前記図２４の（１）〜（４）によって説明したのと同様にして、第３絶縁膜４３上に高透磁率膜７３、第１配線層１１１および第４絶縁膜４４とを下層より順に形成する。次いで第４絶縁膜４４より第１配線層１１１、高透磁率膜７３および第３絶縁膜４３を貫通して第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成する。接続孔６１の形成方法は、前記第１製造方法と同様な方法を採用することができる。さらに、この接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を形成する。さらに、上記接続孔６１内にサイドウォール絶縁膜６２を介してコンタクト部６３を形成する。
【０２２２】
次いで、図２６の（２）に示すように、第４絶縁膜４４から高透磁率膜７３までを加工して、第１配線層１１１で書き込みワード線１１を形成する。この書き込みワード線１１は第４絶縁膜４４を載せた状態に形成される。
【０２２３】
書き込みワード線１１の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる高透磁率サイドウォール７４ｓを形成して、高透磁率膜７３と高透磁率サイドウォール７４ｓとで磁束集中器５５を形成する。
【０２２４】
図２６の（３）に示すように、さらに、第４絶縁膜４４、コンタクト部６３、磁束集中器５５等を覆う第４絶縁膜４４を形成する。この製造方法では、書き込みワード線１１直上に形成される第４絶縁膜と書き込みワード線１１の側部に形成される第４絶縁膜４４とを２回に分けて成膜する。そして、後に形成した第４絶縁膜４４の表面を平坦化するとともに上記第１磁束集中器５５の先端部５５Ｓを露出させる。
【０２２５】
次に、図２６の（４）に示すように、前記図２５の（６）、（７）で説明したのと同様にして、上記書き込みワード線１１上に形成された第４絶縁膜４４上に、ＴＭＲ素子１３を形成する。次いで、通常のエッチバック技術を用いたサイドウォールの形成技術によって、上記ＴＭＲ素子１３の側壁にサイドウォール絶縁膜４９ｓを形成する。なお、サイドウォール絶縁膜４９ｓの高さが十分に確保できない場合には、図示はしないが、ＴＭＲ素子１３を形成する膜の最上層にダミー膜を形成しておき、ＴＭＲ素子１３に加工したときに、ＴＭＲ素子１３上にダミー膜が形成されるようにしてもよい。または、ダミー膜を形成せずに、ＴＭＲ素子１３の最上層の電極層１３６を上記ダミー膜に相当する厚さだけ厚く形成してもよい。これによって、サイドウォール絶縁膜４９ｓの高さがかせげるようになる。
【０２２６】
さらに、通常のエッチバック技術を用いたサイドウォールの形成技術によって、上記ＴＭＲ素子１３の側壁に上記サイドウォール絶縁膜４９ｓを介して、上記第１磁束集中器５５の先端部５５Ｓに接続されるように高透磁率サイドウォール７５ｓを形成する。この高透磁率サイドウォール７５ｓは磁束集中器５５の側壁部分よりも、少なくともＴＭＲ素子１３側に厚く形成することが好ましい。また、この高透磁率サイドウォール７５ｓの先端部７５Ｓの高さは、前記磁束集中器５１等の先端部５１Ｓと同様なる高さと同様に、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３６との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３５との界面までの高さとすることが好ましい。また、先端部７５ＳとＴＭＲ素子１３との距離を決定するサイドウォール絶縁膜４９ｓの厚さは、先端部７５Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその厚さは２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。
【０２２７】
その後、図示はしないが、前記図２５の（８）によって説明したのと同様に、第４絶縁膜４４上に、ＴＭＲ素子１３、高透磁率サイドウォール７５ｓ等を覆う第５絶縁膜４５を形成する。次いで、化学的機械研磨によって第５絶縁膜４５表面を平坦化研磨して、ＴＭＲ素子１３の電極層１３６上面を露出させる。次に標準的な配線形成技術によって、書き込みワード線１１に対してＴＭＲ素子１３を挟んで立体的に交差（例えば直交）するように、第５絶縁膜４５上にＴＭＲ素子１３の電極層１３６に接続するビット線１２を形成するとともに、周辺回路の配線（図示せず）、ボンディングパッド領域（図示せず）を形成する。さらに全面に保護膜となる第６絶縁膜（図示せず）を、例えばプラズマ窒化シリコン膜で形成した後、ボンディングパッド部を開口して磁気メモリ装置のウエハプロセスを完了させる。
【０２２８】
上記磁気メモリ装置の第３製造方法では、書き込みワード線１１、磁束集中器５５等を貫通する接続孔６１とその内部にサイドウォール絶縁膜６２を介してコンタクト部６３を形成する工程を備えていることから、前記第１製造方法と同様に、コンタクト部６３上にＴＭＲ素子１３を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部６３の面積を新たに創出することなく、ＴＭＲ素子１３のセル面積を利用して、ＴＭＲ素子１３と他の配線との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【０２２９】
さらに書き込みワード線１１の両側面およびＴＭＲ素子１３に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる磁束集中器５５を形成する工程および高透磁率サイドウォール４９ｓを形成する工程を備えていることから、書き込みワード線１１に電流を流した際に発せられる電流磁界は、書き込みワード線１１の両側面に形成される高透磁率膜によって、ＴＭＲ素子１３の記憶層（記録層ともいう）１３４に効率よく集中されるようになる。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに書き込みワード線１１のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。また、磁束集中器５５の先端部が第２高透磁率サイドウォール４９ｓによってＴＭＲ素子１３側に厚く形成されることから、第１製造方法よりも電流磁界を効率的にＴＭＲ素子１３に印加できる。
【０２３０】
また、上記第３製造方法の実施の形態において、磁束集中器５５の側壁先端の厚さと高透磁率サイドウォール４９ｓ下端の厚さとを同じにして、磁束集中器５５の側壁の先端と高透磁率サイドウォール４９ｓの下端とが一致するように形成することにより、前記図６によって説明した本発明の磁気メモリ装置の第３実施の形態の構成を形成することも可能である。
【０２３１】
また、上記第３製造方法の実施の形態において、書き込みワード線１１を形成する前に、高透磁率膜７３上に絶縁膜を形成し、その後書き込みワード線１１を形成する。また書き込みワード線１１の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成してから、高透磁率膜７３に接続するように高透磁率サイドウォール７４ｓを形成する。さらに、ＴＭＲ素子１３を形成する前に、第４絶縁膜４４上に高透磁率膜を形成し、さらに絶縁膜を形成した後、この絶縁膜からランディングパッド３３に接続するように、接続孔６１、サイドウォール絶縁膜６２、コンタクト部６３等を形成し、その後コンタクト部６３に接続するＴＭＲ素子１３を形成する。
【０２３２】
次いで、ＴＭＲ素子１３の側壁にサイドウォール絶縁膜４９ｓを形成する。このエッチバックの際に、ＴＭＲ素子１３直下に形成された絶縁膜もエッチングする。次に高透磁率サイドウォール７５ｓ形成する。このエッチバック時に、露出される高透磁率膜もエッチングする。このような製造方法を採ることにより、前記図１４で説明した磁気メモリ装置の第７実施の形態の構成を形成することが可能となる。この場合も、高透磁率サイドウォール７５ｓは磁束集中器５５の側壁部分よりも、少なくともＴＭＲ素子１３側に厚く形成することが好ましい。また、この製造方法において、ＴＭＲ素子１３直下に形成される絶縁膜と高透磁率膜を形成しなければ、前記磁気メモリ装置の第６実施の形態の構成を実現することができる。
【０２３３】
次に、本発明の磁気メモリ装置の第４製造方法に係る実施の形態を、図２７の製造工程断面図によって説明する。この製造方法は、前記図１５によって説明した磁気メモリ装置の第８実施の形態を実現する製造方法である。
【０２３４】
第３絶縁膜４３を形成するまでは、前記図２０の（１）によって説明したのと同様の工程である。以下、第３絶縁膜４３を形成した後を説明する。図２７の（１）に示すように、第３絶縁膜４３上に書き込みワード線１１を形成する。書き込みワード線１１を覆う第４絶縁膜４４を形成する。その後第４絶縁膜４４の表面を化学的機械研磨によって平坦化し、書き込みワード線１１を露出させる。次に、プラズマＣＶＤ酸化膜、プラズマナイトライド、またはアルミナを堆積する。この堆積膜厚は例えば２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下にする。次いで、第４絶縁膜４４上に高透磁率膜７６および絶縁膜８７を下層より順に形成する。
【０２３５】
次いで、絶縁膜８７より高透磁率膜７６、第４絶縁膜４４および書き込みワード線１１、第３絶縁膜４３を貫通して第２ランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成する。次に接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を形成する。さらに接続孔６１内にサイドウォール絶縁膜６２を介して導電性を持つコンタクト部６３を形成する。上記接続孔６１、サイドウォール絶縁膜６２、コンタクト部６３の各形成方法は、前記第１製造方法と同様な方法を採用することができる。
【０２３６】
次いで、図２７の（２）に示すように、ＴＭＲ素子１３は、前記第１製造方法で説明したのと同様に、絶縁膜８７上に、バリア層（図示せず）、反強磁性体層１３１、磁化固定層１３２、トンネル絶縁層１３３、記憶層１３４、キャップ層１３５および電極層１３６を下層より順に形成した後、ここではさらにダミー膜１１３を形成する。そして、リソグラフィー技術とエッチング技術とによって、ダミー膜１１３からバリア層までの積層膜を、コンタクト部６３に接続するようにＴＭＲ素子１３の形状に加工する。このようにして、ダミー膜１１３を載せたものでコンタクト部６３に接続するＴＭＲ素子１３が形成される。なお、ダミー膜１１３を形成せずに、ＴＭＲ素子１３の最上層の電極層１３６を上記ダミー膜１１３に相当する厚さだけ厚く形成してもよい。また、電極層１３６がダミー膜１１３を形成する必要が無い厚さに形成されている場合には、ダマシン膜１１３を形成する必要はない。
【０２３７】
次に、図２７の（３）に示すように、通常のエッチバック技術を用いたサイドウォールの形成技術によって、上記ＴＭＲ素子１３の側壁にサイドウォール絶縁膜４９ｓを形成する。このエッチバックでは、絶縁膜８７もエッチバックされて高透磁率膜７６が露出される。さらに、通常のエッチバック技術を用いたサイドウォールの形成技術によって、上記ＴＭＲ素子１３の側壁に上記サイドウォール絶縁膜４９ｓを介して、高透磁率サイドウォール７７ｓを形成し、磁束集中器５３を構成する。この磁束集中器５３側壁（高透磁率サイドウォール７７ｓ）の先端部５３Ｓの高さは、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３５との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３３との界面までの高さとすることが好ましい。また、磁束集中器５３の先端部５３ＳとＴＭＲ素子１３との距離ｘは、磁束集中器５３の先端部５３Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。その後、ダミー膜１１３〔前記図２７の（２）参照〕を除去する。
【０２３８】
その後、前記図２５の（８）によって説明したのと同様に、第４絶縁膜４４上に、ＴＭＲ素子１３、磁束集中器５３等を覆う第５絶縁膜４５を形成する。次いで、化学的機械研磨によって第５絶縁膜４５表面を平坦化研磨して、ＴＭＲ素子１３の電極層１３６上面を露出させる。次に標準的な配線形成技術によって、書き込みワード線１１に対してＴＭＲ素子１３を挟んで立体的に交差（例えば直交）するように、第５絶縁膜４５上にＴＭＲ素子１３の電極層１３６に接続するビット線１２を形成するとともに、周辺回路の配線（図示せず）、ボンディングパッド領域（図示せず）を形成する。さらに全面に保護膜となる第６絶縁膜（図示せず）を、例えばプラズマ窒化シリコン膜で形成した後、ボンディングパッド部を開口して磁気メモリ装置のウエハプロセスを完了させる。
【０２３９】
上記磁気メモリ装置の第４製造方法では、書き込みワード線１１、磁束集中器５３等を貫通する接続孔６１とその内部にサイドウォール絶縁膜６２を介してコンタクト部６３を形成する工程を備えていることから、前記第１製造方法と同様に、コンタクト部６３上にＴＭＲ素子１３を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部６３の面積を新たに創出することなく、ＴＭＲ素子１３のセル面積を利用して、ＴＭＲ素子１３とランディングパッド３３との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【０２４０】
さらに書き込みワード線１１を形成した後に、磁束集中器５３を形成する工程を備えていることから、書き込みワード線１１に電流を流した際に発せられる電流磁界が磁束集中器５３の先端部５３ＳよりＴＭＲ素子１３の記憶層（記録層ともいう）１３４に効率よく集中されるようになる。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに書き込みワード線１１のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【０２４１】
次に、本発明の磁気メモリ装置の第５製造方法に係る実施の形態を、図２８、図２９の製造工程断面図によって説明する。この製造方法は、前記図１６によって説明した磁気メモリ装置の第９実施の形態もしくは第１１実施の形態を実現する製造方法である。
【０２４２】
第３絶縁膜４３を形成するまでは、前記図２０の（１）によって説明したのと同様の工程である。以下、第３絶縁膜４３を形成した後を説明する。まず、図２８の（１）に示すように、前記図２４の（１）によって説明したのと同様にして、第３絶縁膜４３上に、第１高透磁率膜７８、第１配線層１１１およびダミー膜１１４とを下層より順に形成する。
【０２４３】
次いで、図２８の（２）に示すように、ダミー膜１１４から第１高透磁率膜７８までを加工して、第１配線層１１１で書き込みワード線１１を形成する。この書き込みワード線１１はダミー膜１１４を載せた状態に形成される。
【０２４４】
次に、書き込みワード線１１の形状に加工した積層体の側壁に高透磁率材料からなる第１高透磁率サイドウォール７９ｓを形成して、第１高透磁率膜７８と第１高透磁率サイドウォール７９ｓとで第１磁束集中器５７を形成する。その後、ダミー膜１１４を選択的に除去する。また、第１高透磁率膜７８を残して書き込みワード線１１を形成することもできる。この場合には、第１高透磁率サイドウォール７９ｓを形成する際に、第３絶縁膜４３上の余剰な第１高透磁率膜７８を除去すればよい。この第１高透磁率サイドウォール７９ｓの形成工程において、第１高透磁率サイドウォール７９ｓの先端の高さを書き込みワード線１１の上面にあわせるように形成すれば、前記磁気メモリ装置の第９実施の形態を形成することになり、第１高透磁率サイドウォール７９ｓの先端の高さを書き込みワード線１１の上面より突き出た状態に形成すれば、前記磁気メモリ装置の第１１実施の形態を形成することになる。図面では、前記磁気メモリ装置の第１１実施の形態を形成する場合を説明する。
【０２４５】
次いで、図２８の（３）に示すように、第３絶縁膜４３上に、第１磁束集中器５７、書き込みワード線１１等を覆う第４絶縁膜４４を形成する。そして、化学的機械研磨によって、第４絶縁膜４４表面の平坦化する。このとき、第１磁束集中器５７の側壁部分（第１高透磁率サイドウォール７９ｓ）先端が露出しても差し支えはない。さらに、前記第４製造方法と同様にして、第４絶縁膜４４上に、第２高透磁率膜７６、絶縁膜８７を下層より順に形成する。
【０２４６】
次いで、図２８の（４）に示すように、絶縁膜８７、高透磁率膜（第２高透磁率膜）７６、第４絶縁膜４４、書き込みワード線１１、第１磁束集中器５７および第３絶縁膜４３を貫通してランディングパッド３３に達する接続孔６１を形成する。接続孔６１の形成方法は、前記第１製造方法と同様な方法を採用することができる。さらに、この接続孔６１の側壁にサイドウォール絶縁膜６２を形成する。さらに、上記接続孔６１内にサイドウォール絶縁膜６２を介してコンタクト部６３を形成する。
【０２４７】
その後、図２９の（５）に示すように、前記第１製造方法で説明したのと同様に、絶縁膜８７上に、バリア層（図示せず）、反強磁性体層１３１、磁化固定層１３２、トンネル絶縁層１３３、記憶層１３４、キャップ層１３５および電極層１３６を下層より順に形成した後、ここではさらに前記第４製造方法と同様に、ダミー膜１１３を形成する。そして、リソグラフィー技術とエッチング技術とによって、ダミー膜１１３からバリア層までの積層膜および絶縁膜８７をＴＭＲ素子１３の形状に加工して、コンタクト部６３に接続するようにＴＭＲ素子１３を形成する。このようにして、ダミー膜１１３を載せたものでコンタクト部６３に接続するＴＭＲ素子１３が形成される。なお、ダミー膜１１３を形成せずに、ＴＭＲ素子１３の最上層の電極層１３６を上記ダミー膜１１３に相当する厚さだけ厚く形成してもよい。
【０２４８】
次に、図２９の（６）に示すように、通常のエッチバック技術を用いたサイドウォールの形成技術によって、上記ＴＭＲ素子１３の側壁にサイドウォール絶縁膜４９ｓを形成する。この絶縁膜のエッチバックでは、絶縁膜８７もエッチバックされて第２高透磁率膜７６が露出される。さらに、通常のエッチバック技術を用いたサイドウォールの形成技術によって、上記ＴＭＲ素子１３の側壁に上記サイドウォール絶縁膜４９ｓを介して、高透磁率サイドウォール（第２高透磁率サイドウォール）７７ｓを形成する。このようにして、第２高透磁率膜７６と第２高透磁率サイドウォール）７７ｓとで第２磁束集中器５３が形成される。この磁束集中器５３側壁（第２高透磁率サイドウォール７７ｓ）の先端部５３Ｓの高さは、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３５との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３３との界面までの高さとすることが好ましい。また、磁束集中器５３の先端部５３ＳとＴＭＲ素子１３との距離は、磁束集中器５３の先端部５３Ｓに集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離はサイドウォール絶縁膜４９ｓの厚さで決定され、例えば２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。その後、ダミー膜１１３を除去する。なお、ダミー膜１１３を形成せず、電極層１３６をダミー膜１１３の膜厚分だけ厚く形成してもよい。また、電極層１３６がダミー膜１１３を形成する必要が無い厚さに形成されている場合には、ダマシン膜１１３を形成する必要はない。
【０２４９】
その後、図２９の（７）に示すように、前記図２５の（８）によって説明したのと同様に、第４絶縁膜４４上に、ＴＭＲ素子１３、第２磁束集中器５３等を覆う第５絶縁膜４５を形成する。次いで、化学的機械研磨によって第５絶縁膜４５表面を平坦化研磨して、ＴＭＲ素子１３の電極層１３６上面を露出させる。次に標準的な配線形成技術によって、書き込みワード線１１に対してＴＭＲ素子１３を挟んで立体的に交差（例えば直交）するように、第５絶縁膜４５上にＴＭＲ素子１３の電極層１３６に接続するビット線１２を形成するとともに、周辺回路の配線（図示せず）、ボンディングパッド領域（図示せず）を形成する。さらに全面に保護膜となる第６絶縁膜（図示せず）を、例えばプラズマ窒化シリコン膜で形成した後、ボンディングパッド部を開口して磁気メモリ装置のウエハプロセスを完了させる。
【０２５０】
上記磁気メモリ装置の第５製造方法において、書き込みワード線１１と第１磁束集中器５７との間に絶縁膜を形成すれば、前記磁気メモリ装置の第１０実施の形態もしくは第１２実施の形態の構成を形成することができる。書き込みワード線１１と第１磁束集中器５７との間に絶縁膜を形成する方法は、第１高透磁率膜７８と第１配線層１１１との間に絶縁膜を形成し、第１高透磁率サイドウォール７９ｓを形成する前に書き込みワード線１１の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成すれば実現することができる。
【０２５１】
上記磁気メモリ装置の第５製造方法では、書き込みワード線１１、第１磁束集中器５７、第２磁束集中器５３等を貫通する接続孔６１とその内部にサイドウォール絶縁膜６２を介してコンタクト部６３を形成する工程を備えていることから、前記第１製造方法と同様に、コンタクト部６３上にＴＭＲ素子１３を形成することが可能になる。このため、セル面積に占めるコンタクト部６３の面積を新たに創出することなく、ＴＭＲ素子１３のセル面積を利用して、ＴＭＲ素子１３と選択素子に接続されている第２ランディングパッド３３との接続が行える。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【０２５２】
さらに、書き込みワード線１１の両側面およびＴＭＲ素子１３に対向する面とは反対側の面に高透磁率膜からなる第１磁束集中器を形成する工程と、書き込みワード線１１とＴＭＲ素子１３との間およびＴＭＲ素子１３の側面側に、絶縁膜を介して、高透磁率膜からなる第２磁束集中器５３を形成する工程とを備えていることから、書き込みワード線１１に電流を流した際に発せられる電流磁界は第１磁束集中器５７から第２磁束集中器５３に伝達されてＴＭＲ素子１３の記憶層（記録層ともいう）１３４に効率よく集中される。このため書き込みのための電流値を下げることが可能になり、消費電流の低減が図れるとともに書き込みワード線１１のエレクトロマイグレーションに対する寿命が高められる。また駆動電流が少なくてすむことから電流駆動回路の面積を縮小することができ、集積度を高められる。さらに漏れ磁界が少なくなるため隣接セルとの干渉効果が低減される。
【０２５３】
上記各製造方法の実施の形態において、ＴＭＲ素子１３の側方に形成される各磁束集中器の側壁部分の先端部は、ＴＭＲ素子１３の記憶層１３４とキャップ層１３５との界面と同等の高さまで形成することが可能であり、例えばトンネル絶縁膜１３３と記憶層１３４との界面から記憶層１３４とキャップ層１３５との界面までの高さとすることが好ましい。また、磁束集中器の先端部とＴＭＲ素子１３との距離は、磁束集中器の先端部に集中させた電流磁束が記憶層１３４に効率よく達する距離とする必要があり、例えばその距離は２００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下とする。
【０２５４】
なお上記各製造方法における各絶縁膜の平坦化はＣＭＰに限定されず、その他の平坦化技術（エッチバックによる平坦化技術、リフローによる平坦化技術、リフロー後にエッチバックする平坦化技術等）を用いることも可能である。
【０２５５】
上記第２〜第５製造方法の各実施の形態では、書き込みワード線１１を１本の配線で形成したが、これを複数本（例えば２本）の配線で形成することも可能である。その際には、前記図２３によって説明したように、接続孔６１は複数本の配線間に形成すればよい。
【０２５６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の磁気メモリ装置によれば、トンネル磁気抵抗素子の第２配線が接続する反対側に接続するように、第１配線よりも下層の配線層に接続されるコンタクト部を、第１配線と絶縁された状態でかつ第１配線内を貫通する状態に設けたことから、トンネル磁気抵抗素子の占有面積内にコンタクト部を形成することができる。このため、従来は形成していたトンネル磁気抵抗素子に接続される引き出し配線部分を形成する必要が無くなり、セル面積に占めるコンタクト部の面積を新たに創出することなく、第２配線（ビット線）に沿った方向の長さを縮小することができる。すなわち、従来は最小線幅をＦとしたときに、８Ｆ２　以上のセル面積を必要としていたのが、８Ｆ２　よりも小さいセルサイズ、例えば最小４Ｆ２　のセルサイズを実現することができる。したがって、１選択素子と１ＴＭＲ素子とで構成されるＭＲＡＭにおいて、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型のＭＲＡＭと同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。
【０２５７】
本発明の磁気メモリ装置の製造方法によれば、絶縁膜より第１配線内を貫通して第１配線より下層に形成されている配線層に達する接続孔を形成する工程と、接続孔の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程と、接続孔内にコンタクト部を形成する工程と備えていることから、第１配線上に絶縁膜を介して形成されるトンネル磁気抵抗素子直下にトンネル磁気抵抗素子と上記配線層とを接続するコンタクト部を形成することが可能になる。このため、従来は形成していたトンネル磁気抵抗素子に接続される引き出し配線部分を形成する必要が無くなるので、セル面積に占めるコンタクト部の面積を新たに創出することなく、第２配線（ビット線）に沿った方向の長さを縮小することができる。すなわち、従来は最小線幅をＦとしたときに、８Ｆ２　以上のセル面積を必要としていたのが、８Ｆ２　よりも小さいセルサイズ、例えば最小４Ｆ２　のセルサイズで製造することができる。したがって、従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子型の磁気メモリ装置（例えばＭＲＡＭ）と同等のアクセス速度を維持できるとともに、従来よりもセル面積の縮小化が可能になる。このセル面積はクロスポイント型ＭＲＡＭと同等のセル面積に縮小化が可能になる。上記効果は、磁束集中器を形成する場合にも同様に得られる。
【０２５８】
さらに、従来は形成していたトンネル磁気抵抗素子に接続される引き出し配線部分を形成する必要が無くなるので、トンネル磁気抵抗素子を一段エッチングで形成することができる。このため、引き出し配線を形成する際のマスク合わせ余裕を考慮する必要が無くなり、その分だけ、さらにセル面積を縮小することができる。またトンネル磁気抵抗素子を一段エッチングで形成することができることから、トンネル絶縁層上、磁化固定層上もしくは反強磁性体層上でエッチングを停止するような、エッチングの精密な制御を必要としないので、エッチング工程の負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気メモリ装置に係る第１実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図２】ＴＭＲ素子と接続孔とのずれ量と、ＴＭＲ素子の記憶層が磁化反転に必要な電流との関係を説明する図であり、（１）は書き込みワード線とＴＭＲ素子と接続孔との一例として関係を示す平面図であり、（２）は（１）のＡ−Ａ線における部分断面図であり、（３）および（４）はＴＭＲ素子と接続孔とのずれ量と、ＴＭＲ素子の記憶層が磁化反転に必要な電流との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の磁気メモリ装置に係る第２実施の形態を示す図であり、（１）はレイアウト図であり、（２）は（１）に示したＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】本発明の磁気メモリ装置に係る第２実施の形態における書き込みワード線の変形例を示すレイアウト図である。
【図５】本発明の磁気メモリ装置における接続孔の変形例を示すレイアウト図である。
【図６】本発明の磁気メモリ装置に係る第３実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図７】第１実施の形態に係る磁気メモリ装置の書き込みワード線が発する電流磁界のシミュレーションによる分布状態を示す概略構成断面図である。
【図８】本発明の磁気メモリ装置に係る第４実施の形態およびこの磁気メモリ装置の書き込みワード線が発する電流磁界のシミュレーションによる分布状態を示す概略構成断面図である。
【図９】比較例１として、従来構造のＭＲＡＭセルにおける書き込みワード線およびその周囲構造および書き込みワード線周囲の電流磁界のシミュレーションによる分布状態を示す概略構成断面図である。
【図１０】比較例２として、従来構造のＭＲＡＭセルにおける書き込みワード線およびその周囲構造および書き込みワード線周囲の電流磁界のシミュレーションによる分布状態を示す概略構成断面図である。
【図１１】磁気メモリ装置の第１実施の形態、第２実施の形態、比較例１および比較例２について、磁化方向に対して直行する方向に配置した磁化を反転させるため必要なビット線電流の書き込みワード線電流依存性を示す図であって、磁化容易軸方向の磁界を与える電流と磁化難易軸方向の磁界を与える電流との関係図である。
【図１２】本発明の磁気メモリ装置に係る第５実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１３】本発明の磁気メモリ装置に係る第６実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１４】本発明の磁気メモリ装置に係る第７実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１５】本発明の磁気メモリ装置に係る第８実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１６】本発明の磁気メモリ装置に係る第９実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１７】本発明の磁気メモリ装置に係る第１０実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１８】本発明の磁気メモリ装置に係る第１１実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図１９】本発明の磁気メモリ装置に係る第１２実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図２０】本発明の磁気メモリ装置の第１製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２１】本発明の磁気メモリ装置の第１製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２２】本発明の磁気メモリ装置の第１製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２３】本発明の磁気メモリ装置の第１製造方法に係る第２実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２４】本発明の磁気メモリ装置の第２製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２５】本発明の磁気メモリ装置の第２製造方法に係る第１実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２６】本発明の磁気メモリ装置の第３製造方法に係る実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２７】本発明の磁気メモリ装置の第４製造方法に係る実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２８】本発明の磁気メモリ装置の第５製造方法に係る実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２９】本発明の磁気メモリ装置の第５製造方法に係る実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図３０】従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子のＭＲＡＭの概略構成断面図である。
【図３１】容易軸方向磁界ＨＥＡ　および困難軸方向磁界ＨＨＡ　による記憶層磁化方向の反転しきい値を示すアステロイド曲線である。
【図３２】従来のクロスポイント型ＭＲＡＭの要部斜視図である。
【図３３】従来のクロスポイント型ＭＲＡＭの要部レイアウト図である。
【図３４】従来の１選択素子と１ＴＭＲ素子のＭＲＡＭの要部レイアウト図である。
【符号の説明】
１１…書き込みワード線（第１配線）、１２…ビット線（第２配線）、１３…トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）、３３…第２ランディングパッド（配線層）、６１…接続孔、６３…コンタクト部、１３２…磁化固定層、１３３…トンネル絶縁層、１３４…記憶層
【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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【図３４】
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