(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個のメモリセルを備える磁気メモリであって、
前記メモリセルは、記憶素子として磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に通電を行う第１および第２の電極と、前記磁気抵抗効果素子を覆う絶縁膜とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直でかつ可変となる磁化を有する第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に設けられ膜面に略垂直でかつ不変となる磁化を有する第２磁性層を備え、
前記第１磁性層は、第１領域と、前記第１領域の外側に前記第１領域を取り囲むように設けられ前記第１領域よりも垂直磁気異方性ネルギーが小さい第２領域とを含み、
前記第２磁性層は、第３領域と、前記第３領域の外側に前記第３領域を取り囲むように設けられ前記第３領域よりも垂直磁気異方性エネルギーが小さい第４領域とを含み、
前記第１磁性層は不純物が導入された不純物領域を含み、前記第２磁性層は不純物が導入された不純物領域を含み、前記第１磁性層の前記不純物領域の膜厚方向の平均サイズは、前記第２磁性層の前記不純物領域の膜厚方向の平均サイズよりも大きい
ことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
前記第２領域は前記第１領域に含まれる元素と、前記元素と異なる他の元素とを含み、
前記第４領域は前記第３領域に含まれる元素と、前記他の元素とを含むことを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記第１領域の直径は、前記第３領域の直径以下であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記他の元素は、Ｎ、Ｈｅ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記第２磁性層の前記トンネルバリア層と反対側に、磁化の向きが膜面に垂直でかつ前記第２磁性層の磁化と反対となる第３磁性層を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項６】
基板上に、磁化の向きが膜面に略垂直でかつ可変である第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に設けられ磁化の向きが膜面に略垂直でかつ不変の第２磁性層とを有する積層膜を形成する工程と、
前記積層膜上にハードマスク層を形成する工程と、
前記ハードマスク層および前記第２磁性層の少なくとも一部をパターニングする工程と、
前記パターニングにより露出した面に不純物を導入する工程であって、前記第１磁性層に不純物が導入されて形成される不純物領域の膜厚方向の平均サイズが、前記第２磁性層に不純物が導入されて形成される不純物領域の膜厚方向の平均サイズよりも大きくなるように、前記不純物を導入する前記工程と、
前記第１磁性層、前記トンネルバリア層および前記第２磁性層を覆う絶縁膜を形成する工程と
を備えていることを特徴とする磁気メモリの製造方法。
【請求項７】
前記パターニングする工程は、イオンビームエッチングを用いて行うことを特徴とする請求項６記載の磁気メモリの製造方法。
【請求項８】
前記不純物は、Ｎ、Ｈｅ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項６または７記載の磁気メモリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気メモリ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）において、磁性体に電流を流すことにより磁化反転を起こす「スピン注入磁化反転方式」が知られている。
【０００３】
このスピン注入磁化反転方式は、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行するものである。具体的には、スピン偏極された電子の角運動量が、磁気記録層としての磁性材料内の電子に伝達されることにより磁気記録層の磁化が反転する。
【０００４】
このようなスピン注入磁化反転方式を用いれば、磁化状態をナノスケールで局所的に制御し易くなり、さらに、磁性材料の微細化に応じてスピン注入電流の値も小さくすることができる。このことは、高記録密度のハードディスクドライブや磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの実現に向けての手助けとなる。
【０００５】
例えば、磁気ランダムアクセスメモリは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）膜を有する磁気抵抗効果素子を記憶素子として備えている。ＭＴＪ膜は、磁性材料からなる記録層および参照層と、これらに挟まれたトンネルバリア層との３層の薄膜で構成されており、記録層および参照層の磁化状態により情報を記憶する。スピン注入磁化反転方式を用いた、スピン注入型ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子への情報の書き込みは、ＭＴＪ膜の膜面に対して垂直方向に電流を流すことにより行なわれる。
【０００６】
ここで、磁気抵抗効果素子に用いられる磁性層としては、磁化の方向が膜面に対して垂直方向を向く垂直磁化膜と、磁化の方向が面内方向を向く面内磁化膜とが知られている。垂直磁化膜を採用した場合、参照層の磁化によって発生する漏洩磁界は記録層の膜面に対して垂直方向を向いているため、記録層に大きな垂直成分を持つ磁界が作用する。記録層に作用する参照層からの漏洩磁界は、普通には記録層の磁化を参照層の磁化と平行にする方向に作用する。しかし、記録層が参照層よりも大きい場合には、参照層からの漏洩磁界が記録層に不均一に働くため、スピン注入による磁化反転特性が劣化するという問題が生じる。そのため、記録層サイズは参照層サイズと同等以上に小さくする必要がある。
【０００７】
ところで、スピン注入磁化反転方式を用いることにより、高集積のＭＲＡＭは実現出来るが、それにはメモリセルの磁気抵抗効果素子を数１０ｎｍのサイズに形成する必要がある。ここで、磁気抵抗効果素子に用いられる、ＣｏやＦｅ等の磁性金属を含む材料は、一般にドライエッチングが難しく、高集積化に向いた側壁角度が垂直に近い形状を形成することが出来ない。垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果素子は、一般に記録層を下側（基板側）にして形成した方が磁気特性が向上する。つまり、通常のドライエッチングで形成される磁気抵抗効果素子の側壁角度が緩い形状では、記録層サイズが参照層サイズよりも大きくなってしまうため、上述したようにスピン注入による磁化反転特性が劣化してしまう問題がある。
【０００８】
また、磁気抵抗効果素子においては、薄いトンネルバリア層を挟んで記録層と参照層とが積層された積層構造を有しており、記録層と参照層との距離が短い。このため、これらの積層構造を加工して、磁気抵抗効果素子を形成する際に、トンネルバリア層とともに磁性金属を含む記録層および参照層を削るため、金属の再付着物が、積層構造の側面においてトンネルバリア層をまたがって付着する可能性がある。この場合、再付着物による別のリーク電流のパスが生じるため、記録層と参照層とがショートし、磁気抵抗効果素子が不良となってしまい、磁気抵抗効果素子の歩留まりが低下するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−５３３１５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】F. J. Albert et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000)
【非特許文献２】Y. Otani et al., IEEE Trans. Magn. 43, 2776 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の実施形態は、メモリセルに使われる磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転特性の劣化を抑制し、また磁気抵抗効果素子を高歩留まりで作製することが可能な磁気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】
【００１２】
本実施形態の磁気メモリは、少なくとも１個のメモリセルを備える磁気メモリであって、
前記メモリセルは、記憶素子として磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に通電を行う第１および第２の電極とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直でかつ可変となる磁化を有する第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に設けられ膜面に略垂直でかつ不変となる磁化を有する第２磁性層を備え、前記第１磁性層は、第１領域と、前記第１領域の外側に前記第１領域を取り囲むように設けられ前記第１領域よりも垂直磁気異方性ネルギーが小さい第２領域とを含み、前記第２磁性層は、第３領域と、前記第３領域の外側に前記第３領域を取り囲むように設けられ前記第３領域よりも垂直磁気異方性ネルギーが小さい第４領域とを含む、ことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に用いられる磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図２】第１実施形態の第１変形例に用いられる磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】第１実施形態の第２変形例に用いられる磁気抵抗効果素子の断面図。
【図４】第１実施形態の第３変形例に用いられる磁気抵抗効果素子の断面図。
【図５】第１実施形態の第４変形例に用いられる磁気抵抗効果素子の断面図。
【図６】第１実施形態の比較例に用いられる磁気抵抗効果素子の断面図。
【図７】第１実施形態の第５変形例に用いられる磁気抵抗効果素子の断面図。
【図８】第１実施形態の第６変形例に用いられる磁気抵抗効果素子の断面図。
【図９】図９（ａ）、９（ｂ）は第２実施形態による製造方法を示す断面図。
【図１０】図１０（ａ）、１０（ｂ）は第２実施形態による製造方法を示す断面図。
【図１１】図１１（ａ）、１１（ｂ）は第２実施形態による製造方法を示す断面図。
【図１２】図１２（ａ）、１２（ｂ）は第２実施形態による製造方法を示す断面図。
【図１３】第３実施形態による磁気メモリの回路図。
【図１４】第３実施形態による磁気メモリのメモリセルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施形態による磁気メモリは、少なくとも１個のメモリセルを備える磁気メモリであって、前記メモリセルは、記憶素子として磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に通電を行う第１および第２の電極と、前記磁気抵抗効果素子を覆う絶縁膜とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直でかつ可変となる磁化を有する第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に設けられ膜面に略垂直でかつ不変となる磁化を有する第２磁性層を備え、前記第１磁性層は、第１領域と、前記第１領域の外側に前記第１領域を取り囲むように設けられ前記第１領域よりも垂直磁気異方性エネルギーが小さい第２領域とを含み、前記第２磁性層は、第３領域と、前記第３領域の外側に前記第３領域を取り囲むように設けられ前記第３領域よりも垂直磁気異方性ネルギーが小さい第４領域とを含む。ここで、前記第１磁性層は不純物が導入された不純物領域を含み、前記第２磁性層は不純物が導入された不純物領域を含み、前記第１磁性層の前記不純物領域の膜厚方向の平均サイズは、前記第２磁性層の前記不純物領域の膜厚方向の平均サイズよりも大きい。
【００１５】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１６】
(第１実施形態）
まず、第１実施形態による磁気メモリ（以下、ＭＲＡＭとも云う）を説明する。第１実施形態のＭＲＡＭは少なくとも１個のメモリセルを有している。なお、ＭＲＡＭがメモリセルを複数個有している場合には、複数のメモリセルは、マトリクス状に配列される。メモリセルは、記憶素子として磁気抵抗効果素子を備えており、この磁気抵抗効果素子を図１に示す。図１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の断面図である。磁気抵抗効果素子１０は、下部電極を含む結晶配向用下地層１１と、この結晶配向用下地層１１上に設けられた記録層１２と、記録層１２上に設けられたトンネルバリア層１３と、トンネルバリア層１３上に設けられた参照層１４と、上部電極１８とが積層された積層構造を有する。本実施形態では、結晶配向用下地層１１が下部電極および引き出し線を兼ねた１つの層となっている例を示しているが、勿論、下地層と下部電極とを別々に積層してもよいし、下地層と下部電極を１つの層として引き出し線を別に積層してもよい。また、上部電極１８は、ハードマスク層としての機能を兼ねている。
【００１７】
記録層１２は、記録層１２、トンネルバリア層１３、および参照層１４からなるＭＴＪ膜に、膜面に対して垂直方向に電流を流すことによって発生するスピン偏極された電子の角運動量が記録層１２の電子に伝達されることによって磁化（或いはスピン）の方向が反転する。すなわち、電流の流す向きによって記録層１２は、磁化の方向が可変となる。なお、本明細書では、「膜面」とは、対象となる膜の上面を意味する。
【００１８】
これに対して、参照層１４は磁化の方向が不変である。参照層１４の磁化の方向が「不変である」とは、記録層１２の磁化の方向を反転するための磁化反転電流を参照層１４に流した場合に、参照層１４の磁化の方向が変化しないことを意味する。従って、磁気抵抗効果素子１０において、参照層１４として反転電流の大きい磁性層を用い、記録層１２として参照層１４よりも反転電流の小さい磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の記録層１２と、磁化方向が不変の参照層１４とを備えた磁気抵抗効果素子１０を実現することができる。スピン偏極された電子により磁化反転を引き起こす場合、その反転電流は減衰定数、異方性磁界、およびＭＴＪ膜の体積に比例するため、これらを適切に調整して、記録層１２と参照層１４との反転電流に差を設けることができる。なお、図１中の矢印は、磁化の方向を示している。
【００１９】
記録層１２および参照層１４は、それぞれ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、したがって、記録層１２および参照層１４の容易磁化方向は膜面に対して垂直である（以下、垂直磁化という）。すなわち、磁気抵抗効果素子１０は、記録層１２および参照層１４の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型の磁気抵抗効果素子である。なお、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。
【００２０】
本実施形態においては、図１に示すように、記録層１２及び参照層１４のそれぞれの外周部にＮ（窒素）またはＯ（酸素）等の不純物が導入された磁気的かつ電気的に不活性な不純物領域１２ｂ及び１４ｂが形成され、不純物領域１２ｂ及び１４ｂの内側に磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａ及び１４ａが形成されている。すなわち、記録層１２は、内側に形成された磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａと、この中央領域１２ａを取り囲むように形成され、中央領域１２ａよりも磁気的かつ電気的に不活性な不純物領域１２ｂとを有している。同様に、参照層１４は、内側に形成された磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａと、この中央領域１４ａを取り囲むように形成され、中央領域１４ａよりも磁気的かつ電気的に不活性な不純物領域１４ｂとを有している。記録層１２の不純物領域１２ｂは、中央領域１２ａに比べて垂直磁気異方性エネルギーは小さく、参照層１４の不純物領域１４ｂは、中央領域１４ａに比べて垂直磁気異方性エネルギーは小さい。例えば、記録層１２および参照層１４のそれぞれの不純物領域の垂直磁気異方性エネルギーは、対応する中央領域の垂直磁気異方性エネルギーよりも一桁以下であることが好ましい。なお、本実施形態においては、上部電極１８の上面および側面にも不純物が導入された領域１８ｂが形成され、その内側に不純物が導入されない領域１８ａが形成されている。また、中央領域１２ａ及び１４ａは、膜面に略垂直な磁化を有している。
【００２１】
このように構成された本実施形態においては、記録層１２の直径φSstは、すなわち記録層１２の不純物領域１２ｂの外側の直径φSstは、記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffより大きい。ここで、「直径」とは、膜面に平行な面で切断した断面における外周の２点間の距離であって最大値を意味する。例えば、断面が長方形であれば、対角線の長さとなり、楕円であれば長軸の長さとなる。また、参照層１４の直径φRst、すなわち参照層１４の不純物領域１４ｂの外側の直径φRstは、参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffより大きい。このように、図１に示す本実施形態においては、参照層１４の中央領域１４ａの直径φReffと記録層１２の中央領域１２ａの直径φSeffとは、上面から下面まで、略同じ直径となるように構成されていた。
【００２２】
しかし、図２に示す本実施形態の第１変形例に用いられる磁気抵抗効果素子１０Ａのように、記録層１２の中央領域１２ａの直径φSeffの方が参照層１４の中央領域の直径φReffよりも小さくなるように構成されていてもよい。本実施形態および第１変形例にように、記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffを、参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffと同等か、または小さくすることにより、参照層１４からの記録層１２に対する漏洩磁界の影響を少なくすることができる。
【００２３】
また、記録層１２の不純物領域１２ｂと、参照層１４の不純物領域１４ｂに着目すると、以下のように述べることができる。図１に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子１０および図２に示す第１変形例の磁気抵抗効果素子１０Ａにおいては、記録層１２の不純物領域１２ｂの膜厚方向の平均サイズは、参照層１４の不純物領域１４ｂの膜厚方向の平均サイズよりも大きい。ここで、不純物領域の「膜厚方向の平均サイズ」とは、不純物領域の「膜面内のサイズ」を、不純物領域の膜厚方向に平均化した値であり、さらに不純物領域の「膜面内のサイズ」とは、この不純物領域を膜面に平行な平面で切断し、この平面における、不純物領域の外側の直径と、この不純物領域が取り囲む中央領域の直径との平均値を意味する。図１に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子１０および図２に示す第１変形例の磁気抵抗効果素子１０Ａにおいては、参照層１４は、トンネルバリア層１２に接し記録層１２と同じ直径を有する第１の部分と、この第１の部分上に設けられ第１の部分よりも直径が小さい第２の部分とを有しているので、参照層１４の不純物領域１４ｂの膜厚方向の平均サイズは、記録層１２の不純物領域１２ｂの膜厚方向の平均サイズよりも小さくなる。すなわち、記録層１２の不純物領域１２ｂの膜厚方向の平均サイズは、参照層１４の不純物領域１４ｂの膜厚方向の平均サイズよりも大きい。このように構成することにより、磁気抵抗効果素子を絶縁膜で覆った場合に記録層１２に働く応力による記録層１２の磁気異方性エネルギーＫｕの低下を抑制することができる。これは、以下のように説明することができる。
【００２４】
一般に、磁性層の熱擾乱耐性は、磁性層の磁気異方性エネルギーをＫｕ、体積をＶとすると、ＫｕＶで表される。記録層１２は、書き込みが行われるので、参照層１４に比べて磁気異方性エネルギーが小さくなるように設計される。上述したように、磁気抵抗効果素子は絶縁膜で覆われるため、この絶縁膜により、記録層および参照層に応力が働き、それぞれのＫｕが低下する。記録層は参照層に比べて磁気異方性エネルギーが小さくなるように設計されているので、上記応力の影響を大きく受ける。このため、第１実施形態および第１変形例のように、記録層１２の不純物領域１２ｂの膜厚方向の平均サイズを、参照層１４の不純物領域１４ｂの膜厚方向の平均サイズよりも大きくすることにより、すなわち、応力の緩衝領域となる不純物領域が記録層のほうが大きくなり、記録層１２の中央領域１２ａにおける磁気異方性エネルギーＫｕの低下を抑制することができる。
【００２５】
なお、記録層１２の不純物領域１２ｂの膜厚方向の平均サイズが、参照層１４の不純物領域１４ｂの膜厚方向の平均サイズよりも大きいことは、後述する第１実施形態の第２乃至第６変形例においても、同様である。
【００２６】
次に、本実施形態、その第１変形例、および後述する第２乃至第６変形例に用いられる各層の材料について説明する。
【００２７】
上述した下地層１１は、下部電極としての厚い金属層と、平坦な垂直磁化の磁性層を成長させるためのバッファ層で構成されており、一例としては、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属層が積層された積層構造を有している。
【００２８】
記録層１２および参照層１４の材料としては、ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ等のＬ１０構造或いはＬ１１構造を持つ強磁性材料、ＴｂＣｏＦｅ等のフェリ磁性材料、ＮｉＦｅ、Ｃｏ等の磁性材料とＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性材料との積層構造からなる人工格子等が挙げられる。
【００２９】
トンネルバリア層１３としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）或いは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁材料が挙げられる。
【００３０】
上部電極（ハードマスク層）１５としては、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）等の金属、或いは窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化チタンシリコン（ＴｉＳｉＮ）、窒化タンタルシリコン（ＴａＳｉＮ）等の導電性化合物が挙げられる。
【００３１】
なお、これらの記録層１２、参照層１４は、それぞれ膜面に平行方向の磁気異方性を有し、従って記録層１２、参照層１４の容易磁化方向は膜面（或いは積層面）に対して平行である（以下、面内磁化という）場合も、適宜特性要求に応じて使い分けることができる。
【００３２】
面内磁化の記録層および参照層の材料としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む磁性金属が挙げられる。
【００３３】
次に、本実施形態、その第１変形例、および後述する第２乃至第６変形例に用いられる磁気抵抗効果素子において、情報の書き込みは、以下のように行われる。情報の書き込み時、磁気抵抗効果素子１０は、膜面に垂直な方向において双方向に通電される。
【００３４】
書き込み電流を記録層１２から参照層１４の方向に流した場合、電子の流れは参照層１４から記録層１２の方向になる。この場合、記録層１２の磁化は参照層１４の磁化と揃う方向にスピントルクを受ける。このため、記録層１２の磁化の向きが参照層１４の磁化の向きと反平行であった場合、記録層１２の磁化は反転して参照層１４の磁化の向きと平行（同じ向き）になる。
【００３５】
一方、書き込み電流を参照層１４から記録層１２の方向に流した場合、電子の流れは記録層１２から参照層１４の方向になる。この場合、記録層１２の磁化は参照層１４の磁化の向きと反平行を向く方向にスピントルクを受ける。このため、記録層１２の磁化の向きが参照層１４の磁化の向きと平行であった場合、記録層１２の磁化は反転して参照層１４の磁化の向きと反平行になる。
【００３６】
磁気抵抗効果素子１０に膜面に垂直方向の読み出し電流を流した場合の抵抗値は、磁気抵抗効果により、記録層と参照層の磁化の相対的な向きに依存して変化する。つまり、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、記録層１２と参照層１４との磁化の向きが互いに平行の場合は低抵抗となり、反平行の場合は高抵抗となる。図１においては、記録層１２の磁化が上向きの状態が平行状態を示し、下向きの状態が反平行状態を示す。本実施形態においては、例えば、低抵抗状態をデータ“０”、高抵抗状態をデータ“１”と規定する。これにより、磁気抵抗効果素子１０に１ビットの情報を記憶させることができる。なお、低抵抗状態をデータ“１”、高抵抗状態をデータ“０”と規定してもよい。
【００３７】
平行状態の抵抗値をＲ０、反平行状態の抵抗値をＲ１とすると、“（Ｒ１−Ｒ０）／Ｒ０”で定義される値を磁気抵抗比（ＭＲ比）と呼ぶ。ＭＲ比は磁気抵抗効果素子１０を構成する材料やプロセス条件によって異なるが、数１０％から数１００％程度の値を取り得る。ＭＲＡＭは磁気抵抗効果を利用して、磁気抵抗効果素子１０に記憶された情報の読み出しを行なう。読み出し動作時に磁気抵抗効果素子１０に流す読み出し電流は、スピン注入により記録層１２の磁化の向きが反転する電流よりも十分小さい電流値に設定する。
【００３８】
（第２変形例）
第１実施形態の第２変形例に用いられる磁気抵抗効果素子を図３に示す。この第２変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｂは、図１に示す第１実施形態において、参照層１４と上部電極１８との間に、バイアス層１６を設けた構成となっている。バイアス層１６は、参照層１４と反対向きに固定された垂直磁化を有する層であり、参照層１４から記録層１２に及ぼす漏れ磁界の影響を打ち消し、外部磁界がほぼ０の状態でのスイッチングを可能とする働きを持つ。なお、図３に示すように、バイアス層１６は、内側に形成された磁気的かつ電気的に活性な中央領域１６ａと、この中央領域１６ａを取り囲むように形成されてＮ（窒素）またはＯ（酸素）等の不純物が導入され、中央領域１６ａよりも磁気的かつ電気的に不活性な不純物領域１６ｂとを有している。
【００３９】
なお、バイアス層１６は、第１変形例にも用いることができるとともに、後述する第３乃至第６変形例にも用いることができる。
【００４０】
（第３変形例）
また、本実施形態の第３変形例に係る磁気抵抗効果素子を図４に示す。この第３変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｃは、図１に示す第１実施形態において、記録層１２およびトンネルバリア層１３の側面と、参照層１４の側面の一部が緩いテーパ角を持つように形成されている。
【００４１】
一般に、磁性体金属のドライエッチングに通常のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いた場合は、有効な揮発性反応生成物が形成されないため、良好な異方性エッチングは出来ない。そこで、多種の磁性金属の材料選択性が少なく、金属腐食の問題も無いイオンビームエッチング（ＩＢＥ（Ion Beam Etching））が磁性体デバイスの作製工程では用いられている。ＩＢＥでは、物理的なスパッタエッチングによる加工を用いているため、側壁角度が垂直に近い形状を形成するためには、照射するイオンビームの角度を基板面に垂直方向から傾斜させて、基板を回転させながらエッチングする手法を用いる。この時、立体形状に対する斜め入射と陰の部分の影響から、垂直に近い側壁の下部には図４に示すような緩いテーパ形状を生じる。すなわち、図４に示す第３変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｃは、ＭＴＪ膜のエッチングにＩＢＥを用いて形成したものである。
【００４２】
この第３変形例のような構造においても、記録層１２及び参照層１４の一部にＮまたはＯ等の不純物が導入された不純物領域１２ｂ及び１４ｂが形成されており、記録層１２の直径φSstは記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffより大きく、参照層１４の直径φRstは参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも大きい。また、この第２変形例においては、下地層１１にもＮまたはＯ等の不純物が導入された不純物領域１１ｂが形成され、その内側には、不純物が導入されない領域１１ａが存在している。
【００４３】
（第４変形例）
本実施形態の第４変形例による磁気抵抗効果素子を図５に示す。この第４変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｄは、図４に示す第３変形例に係る磁気抵抗効果素子１０Ｃにおいて、図２に示す第１変形例と同様に、記録層１２の中央領域１２ａの直径φSeffを、参照層１４の中央領域１４ａの直径φReffよりも小さくなるようにした構成を有している。このような構成としたことの利点を以下に説明する。
【００４４】
図６に比較例の磁気抵抗効果素子を示す。この比較例の磁気抵抗効果素子は、記録層１２、トンネルバリア層１３、および参照層１４の直径が磁気的かつ電気的に活性な領域の直径とほぼ一致する。この形状となるように加工する際、トンネルバリア層１３とともに、記録層１２および参照層１４を削るため、記録層１２および参照層１４に含まれる磁性金属の再付着物がトンネルバリア層１３を跨るように付着する可能性がある。この場合、再付着物による別のリーク電流のパスが生じるため、記録層１２と参照層１４とがショートし、磁気抵抗効果素子が動作不良となってしまい、磁気抵抗効果素子の歩留まりが低下する。
【００４５】
さらに、記録層１２、トンネルバリア層１３、および参照層１４の直径が磁気的かつ電気的に活性な領域の直径とほぼ一致する場合には、加工のダメージが素子端部に残ったまま素子化が行われるため、素子動作時の信頼性が劣化する可能性がある。つまり、記録層１２や参照層１４の加工界面でのエレクトロマイグレーションが原子移動を引き起こし、磁性金属の組成変化による垂直磁気異方性の低下が起こる可能性がある。それにより、スピン注入磁化反転動作が、加工界面の垂直磁気異方性が低下した領域を基点として起こることにより、スイッチング電流分布の増大と記録保持特性の低下を招いてしまう可能性がある。
【００４６】
これに対して、本実施形態およびその変形例では、記録層１２及び参照層１４の外周部にＮ、Ｏ等の不純物が導入された不純物領域１２ｂ及び１４ｂが形成されている。すなわち、記録層１２の直径φSstは記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffより大きく、参照層１４の直径φRstは参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも大きくなっている。このため、記録層１２および参照層１４との間に再付着物が形成された場合にも、記録層１２および参照層１４の表面は電気的に不活性化しており、記録層１２と参照層１４とがショートするショートパスは形成されない。
【００４７】
また、一般にトンネルバリア層１３を加工する際、加工エネルギーが蓄積し、トンネルバリア層１３の側面にダメージが入ることで、このダメージが絶縁不良を起こし、リークパスとなる場合がある。しかし、本実施形態及びその変形例のような構成とすることにより、仮にトンネルバリア層１３の側面にダメージが入っても、絶縁性を保つことができる。したがって、磁気抵抗効果素子の歩留まりが低下するのを抑制することができる。
【００４８】
ここで、本実施形態において、記録層１２及び参照層１４の一部にＮ、Ｏ等の不純物が導入された不純物領域１２ｂ及び１４ｂのＮの不純物の濃度としては、約１原子％以上であることが望ましい。ここで、記録層材料としてＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ等のＬ１０構造或いはＬ１１構造を持つ強磁性材料を用いた場合には、Ｎの不純物濃度として約１０２０ｃｍ−３以上の不純物濃度に対応する。
【００４９】
また、本実施形態、その変形例において、記録層１２及び参照層１４が磁気的に不活性とは、以下のように考えれば良い。記録層１２の磁気的に活性な中央領域１２ａの磁化はほぼ垂直方向を向き磁気抵抗効果を発現するが、その時、記録層１２の中央領域１２ａの外側に形成される磁気的に不活性な不純物領域１２ｂの磁化がほぼ０になれば、記録層１２及び参照層１４の中央領域１２ａ及び１４ａに静磁的な相互作用を及ぼさないため、磁気的な不活性領域として問題無い。また、不純物領域１２ｂの磁化がほぼ０にならなくても、不純物領域１２ｂの磁化が面内磁化となれば、不純物領域１２ｂの磁化は還流磁化の配置となるため、やはり記録層１２及び参照層１４の中央領域１２ａ及び１４ａに静磁的な相互作用は及ぼさず、磁気的な不活性領域として当初の目的を果たすことが出来る。この場合の不純物領域１２ｂが垂直にならない条件として、垂直の磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーよりも小さくなるという、Ｋｕ≦２πＭｓ２、が挙げられる。ここで、Ｋｕは垂直磁気異方性エネルギー、Ｍｓは飽和磁化である。但し、この場合、記録層１２及び参照層１４の中央領域１２ａ及び１４ｂと不純物領域１２ｂが接触した領域において交換相互作用が働かないことが必要になる。ここで、注入されたＮ等の不純物は、通常は記録層１２及び参照層１４の磁性金属の結晶粒界に偏析するため、多くの場合は、不純物が注入されていない活性な領域との間の交換相互作用が失われる。
【００５０】
また本実施形態およびその変形例において、記録層１２及参照層１４が電気的に不活性とは、以下のように考えれば良い。つまり、記録層１２及び参照層１４の電気的に不活性な領域１２ａ及び１４ａを流れる電流が、電気的に活性な領域１２ｂ及ぶ１４ｂを流れる総合的な電流の１％程度以下であれば良い。ここで記録層１２のように、電気的に不活性な領域１２ｂの断面積が電気的に活性な領域１２ａの断面積よりも大きい場合には、電気的に不活性な領域１２ｂの抵抗値は電気的に活性な領域１２ａの抵抗値よりも２桁以上大きい必要がある。逆に参照層１４のように、電気的に不活性な領域１４ｂの断面積が電気的に活性な領域１４ａの断面積よりも小さい場合には、電気的に不活性な領域１４ｂの抵抗値は電気的に活性な領域１４ａの抵抗値と比べて２桁大きい必要は無い。
【００５１】
さらに、記録層１２及び参照層１４の加工界面のダメージ層が、Ｎ、Ｏ等の不純物が導入された不純物領域１２ｂ及び１４ｂによって非磁性化、及び高抵抗化され、スピン注入磁化反転に寄与しなくなる。つまり、磁性体の加工界面のダメージ層を流れる電流が減少することにより、エレクトロマイグレーションの懸念が無くなり、磁気抵抗効果素子の信頼性低下を抑制することができる。
【００５２】
（第５変形例）
本実施形態の第５変形例による磁気抵抗効果素子を図７に示す。この第５変形例による磁気抵抗効果素子１０Ｅは、図２に示す第１変形例において、参照層１４、上部電極１８の側面が垂直からやや傾いた形状を持つように形成されている。前述したように、一般に磁性体金属のドライエッチングにおいては、通常のＲＩＥでは、良好な異方性エッチングは出来ないため、このような垂直からやや傾いた形状となる場合が多い。このような構造においても、記録層１２及び参照層１４の一部にＮまたはＯ等の不純物が導入された不純物領域１２ｂ及び１４ｂが形成されており、記録層１２の直径φSstは記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffより大きく、参照層１４の直径φRstは参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも大きい。但し、この第５変形例のように、垂直からやや傾いた形状では、参照層の直径φRst、及び参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な領域の直径φReffは一意には決まらない。そこで、本変形例においては、膜面に平行な断面で輪切りにした全ての断面において、参照層１４の直径φRstは参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも大きい場合に、参照層１４の直径φRstは参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも大きいと定義する。このようにすることで、前述したような本実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
【００５３】
さらにこの第５変形例では、記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffの方が参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも小さくなるように構成されている。
【００５４】
（第６変形例）
本実施形態の第６変形例による磁気抵抗効果素子を図８に示す。この第６変形例による磁気抵抗効果素子１０Ｆは、図２に示す第１変形例において、記録層１２、トンネルバリア１３、参照層１４、上部電極１８の側面が垂直からやや傾いた形状を持つように形成されている。この第６変形例は、図７に示す第５変形例において、ドライエッチングを記録層１４まで進めた形状となっている。この第６変形例も、図７に示す第５変形例の場合と同様に参照層１４の直径φRst、参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReff、記録層１２の直径φSst、及び記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φReff、は一意には決まらない。この場合についても、膜面に平行な断面で輪切りにした全ての断面において、参照層１４の直径φRstが参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも大きい場合に、参照層１４の直径φRstは参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも大きいと定義する。また、膜面に平行な断面で輪切りにした全ての断面において、記録層１２の直径φSstは記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffより大きい場合に記録層１２の直径φSstは記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffよりも大きいと定義する。このようにすることで、前述したような本実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
【００５５】
さらに第６変形例では、記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域の直径φSeffの方が参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域の直径φReffよりも小さくなるように構成されている
以上説明したように、本実施形態およびその変形例によれば、メモリセルに使われる磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転特性の劣化を抑制し、また磁気抵抗効果素子を高歩留まりで作製することができる。
【００５６】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態による磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の製造方法について図９（ａ）乃至図１２（ｂ）を参照して説明する。この実施形態の製造方法によって製造されるＭＲＡＭは、図１に示す磁気抵抗効果素子１０を記憶素子として有する第１実施形態のＭＲＡＭである。
【００５７】
まず、図９（ａ）に示すように、図示しない半導体基板上に形成されたＭＯＳトランジスタやＦＥＯＬ（Front End Of Line）上に層間絶縁層２１を形成し、この層間絶縁層２１内に下部配線或いはＭＯＳトランジスタ等に電気的に接続されるコンタクト２２を形成する。図９（ａ）乃至図１２（ｂ）は、磁気抵抗効果素子１０が形成される位置の断面図を示している。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）およびエッチバックにより、層間絶縁膜２１の上面を平坦化する。層間絶縁層２１としては、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）が用いられ、コンタクト２２としては、例えばタングステン（Ｗ）が用いられる。
【００５８】
続いて、図９（ｂ）に示すように、コンタクト２２を覆うように、下部電極を含む下地層１１、記録層１２、トンネルバリア層１３、参照層１４、上部電極となるハードマスク層１８を順に、例えばスパッタにより成膜する。下地層１１は、コンタクト２２に接続するとともに平坦な垂直磁化の磁性層を成長させるために必要な層であり、前述した材料によって構成される。記録層１２および参照層１４の材料としては、例えばＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ等のＬ１０構造或いはＬ１１構造を持つ強磁性材料、ＴｂＣｏＦｅ等のフェリ磁性材料、ＮｉＦｅ、Ｃｏ等の磁性材料とＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性材料との積層構造からなる人工格子が用いられる。トンネルバリア層１３としては、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が用いられる。ハードマスク層１８としては、例えばタンタル（Ｔａ）が用いられる。参照層１４とハードマスク層１８との間に参照層１４からの漏洩磁界を打ち消す働きを持つ、例えば図３に示すバイアス層を設ける場合があり、また下地層１１は同様にバイアス層を含む場合がある。
【００５９】
次に、周知の技術であるリソグラフィおよびエッチングを用いて素子分離を行なう。ハードマスク層１８上にフォトレジストとからなるマスク（図示せず）を形成し、このマスクを用いて、図１０（ａ）に示すように、ハードマスク層１８、および参照層１４の途中までを、異方性エッチング（例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching））でパターニングする。なお、参照層１４をパターニングしないで、ハードマスク層１８をパターニングしてもよい。
【００６０】
次に、図１０（ｂ）に示すように、エッチングした面にイオン注入により、Ｎイオン及びＯイオンを注入する。このイオン注入プロセスにより、下面にある参照層１４及び記録層１２にそれぞれ非磁性化かつ高抵抗化された領域１４ｂおよび１２ｂが形成される。また、参照層１４及び記録層１２にはそれぞれ、領域１４ｂおよび１２ｂの内側に活性領域１４ａ及び１２ａが形成される。このイオン注入プロセスにより、エッチングされていない参照層１４の部分１４ｃ及びハードマスク層１５の側壁部分１５ｂが非磁性化かつ高抵抗化される。ここで図１０（ｂ）では、参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な領域１４ａの直径φReffと記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な領域１２ａの直径φSeffとは、上面から下面まで、略同じ直径となるように構成されている。
【００６１】
しかし、第１実施形態の第１変形例、第４変形例、第５変形例、第６変形例で示したように（図２、図５、図７、図８参照）、記録層１２の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１２ａの直径φSeffの方が参照層１４の磁気的かつ電気的に活性な中央領域１４ａの直径φReffよりも小さくなるように構成されていても良い。この場合は、イオン注入条件を制御して、注入イオンの横方法の広がりを利用したり、イオン注入後のアニールにより注入イオンの横方法拡散を促進したりして、所望の不純物分布を形成する。また、イオン注入プロセスとしては、通常のイオン注入装置による単分子イオンの他にも、ガスクラスターイオンビーム装置によるクラスターイオンを用いることが出来る。また、平行平板、マグネトロン、ＩＣＰ等のプラズマ源を用いたプラズマエッチング装置によって照射される正イオン、グリッド引き出し型のイオンビームエッチング装置によって照射される正イオンも用いることが出来る。これらのイオン注入プロセスは、非磁性化及び高抵抗化すべき領域の深さによって導かれる必要なイオンエネルギーによって選択される。イオンエネルギーの選択は、対象とするＭＴＪの積層構造に大きく依存する。ここで例えば、表面までＣｏ系磁性金属で構成されている場合には、非磁性化及び高抵抗化すべき材料が領域の深さの中心が２ｎｍ程度の時、イオンエネルギーを１ｋｅＶ程度に設定すれば良い。しかし、図１に示すように、ＭｇＯのトンネルバリア層１３を含む領域を非磁性化及び高抵抗化する場合には、磁性金属のみで構成されている場合よりも大きいイオンエネルギーと大きいイオンドース量が必要となる。さらに、非磁性化及び高抵抗化すべき材料がＣｏ系磁性金属の場合、Ｃｏ系磁性金属の下部にＩｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕ等の質量数の大きい元素を積層すると、イオン注入時のイオンの反射が顕著となるために、目的とする磁性金属へのイオン注入を集中させることが出来るため、より少ないドース量で非磁性化及び高抵抗化することが出来る。
【００６２】
また、記録層１２及び参照層１４を磁気的かつ電気的に不活性とするために導入する元素としては、Ｎ、Ｈｅ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｚｒ、Ｔｂ、Ｔｉが挙げられる。
【００６３】
なお、イオン注入の代わりに、参照層１４の表面近傍からＮ（窒素）ビーム照射を行ってもよい。
【００６４】
次に、図１１（ａ）に示すように、下地層１１、記録層１２、トンネルバリア層１３、参照層１４、およびハードマスク層１８からなる積層膜の表面を、薄い絶縁膜２４で覆う。これは、絶縁膜２４を薄く形成することにより、積層膜と絶縁膜２４との間に隙間を設けないようにするためである。隙間があると、後の熱処理等により、隙間が膨張して磁気抵抗効果素子を損傷させ、特性が劣化する可能性があるからである。絶縁膜２４を形成した後、全面に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）或いは窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる層間絶縁層２５を堆積する。続いて、層間絶縁層２５の上面を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて平坦化する。
【００６５】
次に、図１１（ｂ）に示すように、隣接するメモリセルと電気的に分離するために、層間絶縁層２５の平坦化した上面に、例えばフォトレジストからなるマスク（図示せず）を形成する。そして、このマスクを用いて、層間絶縁膜２５、絶縁膜２４、参照層１４、トンネルバリア層１３、記録層１２、及び下地層１１を、異方性エッチングを用いてパターニングする。その後、更にパターニングされた層間絶縁膜２５、絶縁膜２４、参照層１４、トンネルバリア層１３、記録層１２、及び下地層１１を覆うように層間絶縁膜２７を堆積する。
【００６６】
次に、図１２（ａ）に示すように、ＣＭＰにより、層間絶縁層２７の平坦化を行ない、更に、層間絶縁膜２７、層間絶縁膜２５、および絶縁膜２４も削り、ＭＴＪ膜上のハードマスク層１８の上面を露出させる。
【００６７】
次に、図１２（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０上に、ハードマスク層１８と電気的に接続する上部配線２８を形成する。上部配線２８としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）或いは銅（Ｃｕ）が用いられる。このようにして、本実施形態の製造方法によって、第１実施形態のＭＲＡＭのメモリセルが形成される。
【００６８】
本実施形態の製造方法によって製造されたＭＲＡＭは、第１実施形態と同様に、メモリセルに使われる磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転特性の劣化を抑制され、また磁気抵抗効果素子を高歩留まりで作製することにより、生産性の良好なＭＲＡＭとなる。
【００６９】
本実施形態によれば、第１実施形態およびその変形例のいずれかに説明した磁気抵抗効果素子を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、磁気抵抗効果素子は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。
【００７０】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態による磁気メモリ（ＭＲＡＭ）について図１３乃至図１３を参照して説明する。
【００７１】
本実施形態のＭＲＡＭの回路図を図１３に示す。本実施形態のＭＲＡＭは、第１実施形態、第１実施形態の変形例で説明した、図１乃至図５および図７乃至図８に示すいずれかの磁気抵抗効果素子を、メモリセルの記憶素子として用いている。以下の説明では、第１実施形態による磁気抵抗効果素子１０を記憶素子として用いた場合を例に取って説明する。
【００７２】
このＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ３０を備えている。メモリセルアレイ３０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ、／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ３０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。
【００７３】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、磁気抵抗効果素子１０、及びｎチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ３１を備えている。磁気抵抗効果素子１０の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。磁気抵抗効果素子１０の他端は、選択トランジスタ３１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ３１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ３１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【００７４】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３２が接続されている。ビット線対ＢＬ、／ＢＬには、書き込み回路３４及び読み出し回路３５が接続されている。書き込み回路３４及び読み出し回路３５には、カラムデコーダ３３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３２及びカラムデコーダ３３により選択される。
【００７５】
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ３１がオン状態となる。ここで、磁気抵抗効果素子１０には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、磁気抵抗効果素子１０に、図１３において左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、磁気抵抗効果素子１０に、図１３において右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
【００７６】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、データ読み出しを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ３１がオン状態となる。読み出し回路３５は、磁気抵抗効果素子１０に、例えば図２２において右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路３５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、磁気抵抗効果素子１０に記憶されたデータを読み出すことができる。
【００７７】
次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図１４は、１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【００７８】
ｐ型半導体基板４０の表面領域には、素子分離絶縁層４１が設けられ、この素子分離絶縁層４１が設けられていない半導体基板４０の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層４１は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。
【００７９】
半導体基板４０の素子領域に選択トランジスタ３１が形成される。この選択トランジスタ３１は、互いに離間したソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂが設けられている。このソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂはそれぞれ、半導体基板４０内に高濃度のｎ＋型不純物を導入して形成されたｎ＋型拡散領域から構成される。ソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂ間のチャネル４３となる半導体基板４０の領域上には、ゲート絶縁膜５１が形成され、このゲート絶縁膜５１上にゲート電極５２が設けられている。
【００８０】
ゲート電極５２は、ワード線ＷＬとして機能する。
【００８１】
ソース領域４２ａ上には、コンタクト６２を介して配線層６３が設けられている。配線層６３は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域４２ｂ上には、コンタクト６４を介して引き出し線６５が設けられている。引き出し線６５上には、下部電極７１と、上部電極７２に挟まれた磁気抵抗効果素子１０が設けられている。上部電極７２上には、配線層７６が設けられている。配線層７６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板４０と配線層７６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層６７で満たされている。
【００８２】
本実施形態によれば、第１実施形態およびその変形例のいずれかによる磁気抵抗効果素子を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、磁気抵抗効果素子は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。
【００８３】
本実施形態も第１実施形態と同様に、メモリセルに使われる磁気抵抗効果素子のスピン注入磁化反転特性の劣化を抑制し、また磁気抵抗効果素子を高歩留まりで作製することができる。
【００８４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８５】
１０  磁気抵抗効果素子
１１  下地層
１２  記録層
１２ａ  中央領域
１２ｂ  不純物領域
１３  トンネルバリア層
１４  参照層
１４ａ  中央領域
１４ｂ  不純物領域
１８  ハードマスク層
【図６】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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【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７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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