(57)【要約】【課題】  界面磁性層が十分に結晶化された磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法を提供する。【解決手段】  実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリは、第１の磁性層、第１の界面磁性層、非磁性層、第２の界面磁性層、及び第２の磁性層が順に積層された磁気抵抗効果素子を有する。前記第１の磁性層の下層、前記第１の磁性層と前記第１の界面磁性層との間、前記第２の界面磁性層と前記第２の磁性層との間、及び前記第２の磁性層上のいずれかに第１の金属原子、第２の金属原子、及びB原子を含む金属層が設けられる。【選択図】図１
2012204432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁性層、第１の界面磁性層、非磁性層、第２の界面磁性層、及び第２の磁性層が順に積層された磁気抵抗効果素子であって、前記第１の磁性層の下層、前記第１の磁性層と前記第１の界面磁性層との間、前記第２の界面磁性層と前記第２の磁性層との間、及び前記第２の磁性層上のいずれかに第１の金属原子、第２の金属原子、及びB原子を含む金属層が設けられた磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２】
前記金属層は、第１の金属原子及びB原子を含む第１の金属層並びに第２の金属原子及びB原子を含む第２の金属層を備えた金属層積層膜であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
前記第１の金属原子はTi, Zr, Hf, Nb又はLaであり、前記第２の金属原子はTa, W, Mo, Cr又はVであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項４】
基板上方に第１の磁性層を形成する工程と、
前記第１の磁性層上にB原子を含む第１の界面磁性層を形成する工程と、
前記第１の界面磁性層上に非磁性層を形成する工程と、
前記非磁性層上にB原子を含む第２の界面磁性層を形成する工程と、
前記第２の界面磁性層上に第１の金属原子を含む第１の金属層を形成する工程と、
熱処理をする工程と、
前記第１の金属層を除去する工程と、
前記第２の界面磁性層上に第２の金属原子を含む第２の金属層を形成する工程と、
前記第２の金属層上に第２の磁性層を形成する工程と、
を有する磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【請求項５】
基板上方に第１の磁性層を形成する工程と、
前記第１の磁性層上にB原子を含む第１の界面磁性層を形成する工程と、
前記第１の界面磁性層上に非磁性層を形成する工程と、
前記非磁性層上にB原子を含む第２の界面磁性層を形成する工程と、
前記第２の界面磁性層上に第１の金属原子を含む金属層を形成する工程と、
前記金属層上に第２の磁性層を形成する工程と、
熱処理をする工程と、
を有する磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【請求項６】
前記金属層は、さらに第２の金属原子を含むことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トンネル磁気抵抗効果（TMR:Tunneling  Magneto  Resistive）を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM:Magnetic Random Access Memory）が開発されている。この磁気ランダムアクセスメモリには、磁気トンネル接合（MTJ:Magnetic Tunnel Junction）を含む磁気抵抗効果素子が用いられており、大きな磁気抵抗変化率を有する。
【０００３】
現在検討されているスピン注入書き込み方式では、面内磁化膜と比べて垂直磁化膜を利用した磁気抵抗効果素子構造の方が微細化と低電流化に適している。垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果素子においては、トンネルバリア膜として用いられる非磁性層を挟むように形成されるアモルファス状の界面磁性層を熱処理により結晶化させることにより、大きなTMR比の実現を目指している。しかし、熱処理の際に、界面磁性層に含まれるB原子が十分に離脱されず、界面磁性層を十分に結晶化させることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０９３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、界面磁性層が十分に結晶化された磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリは、第１の磁性層、第１の界面磁性層、非磁性層、第２の界面磁性層、及び第２の磁性層が順に積層された磁気抵抗効果素子を有する。前記第１の磁性層の下層、前記第１の磁性層と前記第１の界面磁性層との間、前記第２の界面磁性層と前記第２の磁性層との間、及び前記第２の磁性層上のいずれかに第１の金属原子、第２の金属原子、及びB原子を含む金属層が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態及び第２の実施形態において垂直磁化を有する磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。
【図２】第１の実施形態において垂直磁化を有する磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。
【図３】第１の実施形態における磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を示す断面図。
【図４】第３の実施形態において垂直磁化を有する磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図。
【図５】第３の実施形態における磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリについて以下説明する。
【００１０】
図１は第１の実施形態において垂直磁化を有する磁気抵抗効果素子１の基本構造を示す断面図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１は、下部電極２、配向制御膜３、第１の磁性層４、下層金属層５、第１の界面磁性層６、非磁性層７、第２の界面磁性層８、上層金属層９、第２の磁性層１０、上部電極１１を有している。
【００１１】
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１において、図１に示すように、下部電極２上に配向制御膜３が設けられる。下部電極２には、例えばTa、Ir、Ru、Cu等が用いられる。配向制御膜３は、配向制御膜３上に設けられる第１の磁性層４の結晶配向を制御するものである。配向制御膜３には、例えばPt、Ir、Ru等又はこれらの原子からなる膜の積層膜が用いられる。下部電極２の膜厚は、例えば50Å程度であり、配向制御膜３の膜厚は、例えば50Å程度である。なお、下部電極２が配向制御膜の役割を果たす場合には、配向制御膜３が設けられていなくてもよい。
【００１２】
配向制御膜３上には、第１の磁性層４が設けられる。第１の磁性層４は、例えば磁化参照層である。磁化参照層は、磁化を膜面に対して実質的に垂直に有する垂直磁化膜であり、磁化の向きが一方向に固定されているものである。第１の磁性層４は、磁化参照層の場合、例えばFePd、FePt、CoPt、CoPd、CoFePt等の合金が用いられ、他にもCo膜とPt膜を交互に積層したCo/Pt人工格子又はCo膜とPd膜を交互に積層したCo/Pd人工格子が用いられる。第１の磁性層４の膜厚は、例えば60Å程度である。
【００１３】
第１の磁性層４上には、下層金属層５が設けられる。下層金属層５は、第１の磁性層４と第１の界面磁性層６との結晶配向を分断するものである。下層金属層５には、例えばTaが用いられる。下層金属層５の膜厚は、例えば5Å程度である。
【００１４】
下層金属層５上には、第１の界面磁性層６が設けられる。第１の界面磁性層６には、例えばアモルファス状のCo40Fe40B20が結晶化したCo50Fe50用いられる。アモルファス状のCo40Fe40B20は、熱処理等によりB濃度が低下することにより、結晶化し、Co50Fe50となる。第１の界面磁性層６は、垂直磁化膜である第１の磁性層４等との間の交換結合により垂直磁化を持つ。第１の界面磁性層６の膜厚は、例えば10Å程度である。
【００１５】
第１の界面磁性層６上には、トンネル絶縁膜として非磁性層７が設けられる。非磁性層７は、NaCl構造の酸化物であり、この酸化物の（１００）面と第１の界面磁性層６と格子不整合度が小さい材料を選択することが望ましい。非磁性層７は、例えば、アモルファスCo40Fe40B20合金構造上で結晶成長すると、 [１００]方向に優先配向した絶縁膜を得ることができるものである。非磁性層７には、例えばMgO、CaO、SrO、TiO、VO、NbO等が用いられるが、他の材料でもよい。非磁性層７の膜厚は、例えば10Å程度である。
【００１６】
非磁性層７上に第２の界面磁性層８が設けられる。第２の界面磁性層８には、上記第１の界面磁性層６と同様の材料が用いられ、例えばアモルファス状のCo40Fe40B20が結晶化したCo50Fe50が用いられる。第２の界面磁性層８は、垂直磁化膜である第２の磁性層１０等との間の交換結合により垂直磁化を持つ。第２の界面磁性層８の膜厚は、例えば10Å程度である。
【００１７】
第２の界面磁性層８上には、第１の金属原子、第２の金属原子及びB原子を含む上層金属層９が設けられる。第１の金属原子は、例えばTi, Zr, Hf, Nb又は Laが用いられ、第２の金属原子は例えばTa, W, Mo, Cr又はVである。上層金属層９の膜厚は、例えば8Å程度である。上層金属層９は、例えば、第１の金属原子であるTi原子と第２の金属原子であるTa原子が合金化しているものである。他にも、図２のように、上層金属層９は、B原子を含むTi層である第１の金属層１２とB原子を含むTa層である第２の金属層１３とが積層された膜であってもよい。上層金属層９に含まれるB原子は、熱処理等により第１の界面磁性層６又は第２の界面磁性層８から拡散し、上層金属層９に含まれる第１の金属原子又は第２の金属原子と結合したものである。第１の金属層１２の膜厚は、例えば3Å程度であり、第２の金属層１３の膜厚は、例えば5Å程度である。
【００１８】
上層金属層９に第１の金属原子が含まれていることにより、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８に含まれるB原子の離脱を促進し、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８の結晶化を促進することができる。これにより、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８の結晶配向性が一致し、高いTMR比を得ることができる。さらに、上層金属層９に第２の金属原子が含まれている場合には、磁気抵抗効果素子１に高温の熱処理を行った際、第２の磁性層１０に含まれる原子が非磁性層７及び第２の界面磁性層８に拡散することを防止し、磁気抵抗効果素子１に耐熱性を持たせることができる。上層金属層９は、第２の界面磁性層８上に接するように設けられていることから、第２の界面磁性層８の結晶化をより促進することができる。
【００１９】
上層金属層９上には、第２の磁性層１０が設けられる。第２の磁性層１０は例えば磁化記憶層である。磁化記憶層は、磁化を膜面に対して実質的に垂直に有する垂直磁化膜であり、磁化の向きが可変なものである。垂直磁化膜である磁化記憶層には、例えば、Co膜とPt膜を交互に積層したCo/Pt人工格子又はCo膜とPd膜を交互に積層したCo/Pd人工格子が用いられる。第２の磁性層１０の膜厚は、例えば10Åである。
【００２０】
第２の磁性層１０上には、上部電極１１が設けられる。上部電極１１には、例えばTa又はRuが用いられる。上部電極１１の膜厚は、例えば100Å程度である。
【００２１】
次に、第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法について以下図３を用いて説明する。
【００２２】
図３（ａ）のように、半導体基板１４に素子分離溝が形成され、素子分離絶縁膜１５、例えばシリコン酸化膜がこの素子分離溝部に埋め込まれ、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造が形成される。その後、半導体基板１４上にゲート絶縁膜１６としてシリコン酸化膜及びゲート絶縁膜１６上にゲート電極１７としてn型ポリシリコン膜が形成される。その後、ゲート電極１７上にワード線１８として例えばWSix膜を形成し、ワード線１８上に窒化膜１９として例えばSiN膜を形成する。その後、窒化膜１９、ワード線１８、ゲート電極１７、及びゲート絶縁膜１６をエッチングし、選択トランジスタ積層膜を形成する。その後、半導体基板１４上に選択トランジスタ積層膜を覆うように、窒化膜として例えばシリコン窒化膜を覆い、この窒化膜をエッチバックすることにより、スペーサ膜２０を形成する。その後、窒化膜１９及びスペーサ膜２０をマスクとしたイオン注入により、半導体基板１４にソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄを形成し、選択トランジスタを形成する。
【００２３】
次に、図３（ｂ）のように、半導体基板１４上に、第１の保護膜を覆うように第１の絶縁膜２１として例えばシリコン酸化膜をプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成する。その後、ソース領域Ｓが露出するようにリソグラフィ法及びＲＩＥ法（Reactive Ion Etching）にてコンタクトホールを形成する。
【００２４】
次に、スパッタ法又はＣＶＤ法により、このコンタクトホール内にフォーミングガスの雰囲気下においてメタルバリア膜（図示なし）としてTi膜及びTiN膜を形成する。その後、メタルバリア膜上にコンタクトプラグ材を形成する。コンタクトプラグ材は、例えばＣＶＤにより成膜したW膜である。さらに、コンタクトプラグ材及びメタルバリア膜をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化する。これにより第１の絶縁膜２１内にソース領域Ｓに連通する第１のコンタクトプラグ２２を形成する。
【００２５】
次に、第１の絶縁膜２１及び第１のコンタクトプラグ２２上に、ＣＶＤ法により窒化膜２３を形成する。その後、ドレイン領域Ｄに連通するコンタクトホールを形成する。その後、コンタクトホール内にメタルバリア膜（図示なし）を形成し、メタルバリア膜上に第２のコンタクトプラグ２４材としてW膜を形成する。その後、ＣＭＰ処理により研磨することにより、第２のコンタクトプラグ２４を形成する。これにより、第１の絶縁膜２１内にドレイン領域Ｄに連通する第２のコンタクトプラグ２４を形成する。
【００２６】
次に、図３（ｃ）のように、第１のコンタクトプラグ２２、第２のコンタクトプラグ２４、及び第１の絶縁膜２１上に磁気抵抗効果素子１を形成する。第１のコンタクトプラグ２２、第２のコンタクトプラグ２４、及び第１の絶縁膜２１上に下部電極２として、膜厚が50ÅのTa層を形成する。
【００２７】
次に、下部電極２上に配向制御膜３として、例えば膜厚が50ÅのPt膜を形成する。その後、配向制御膜３上に第１の磁性層４として磁化参照層を形成する。磁化参照層は、例えば膜厚が10ÅのCoPt層である。その後、第１の磁性層４上に下層金属層５として例えば膜厚が5ÅのTa層を形成する。その後、下層金属層５上に第１の界面磁性層６として例えば膜厚が10Åのアモルファス状のCo40Fe40B20を形成する。
【００２８】
次に、第１の界面磁性層６上に非磁性層７として膜厚が10Åのアモルファス状のMgOからなるトンネル絶縁膜を形成する。その後、非磁性層７上に第２の界面磁性層８として例えば膜厚が10Åのアモルファス状のCo40Fe40B20層を形成する。
【００２９】
次に、第２の界面磁性層８上に、第１の金属原子を含む上層金属層９を形成する。上層金属層９は、例えば、第１の金属原子からなるTi層である。なお、上層金属層９には、さらに第２の金属原子、例えばTa原子が含まれていてもよい。この場合、上層金属層９は、例えば、第１の金属原子であるTi原子と第２の金属原子であるTa原子が合金化しているものである。他にも、図２のように、上層金属層９は、第１の金属層１２として第１の金属原子からなるTi層と第２の金属層１３として第２の金属原子からなるTa層とを順に積層した膜であってもよい。上層金属層９に第２の金属原子が含まれる場合には、磁気抵抗効果素子１に高温の熱処理を行った際、第２の磁性層１０に含まれる原子が非磁性層７及び第２の界面磁性層８に拡散することを防止し、磁気抵抗効果素子１に耐熱性を持たせることができる。
【００３０】
次に、上層金属層９上には第２の磁性層１０として磁化記憶層を形成する。磁化記憶層は、例えばCo膜とPt膜を交互に積層したCo/Pt人工格子を形成する。
【００３１】
次に、第２の磁性層１０上には上部電極１１として膜厚が100ÅのTa層を形成する。
【００３２】
以上により磁気抵抗効果素子１が形成する。なお、磁気抵抗効果素子１において、第１の磁性層４を磁化参照層、第２の磁性層１０を磁化記憶層としたが、第１の磁性層４を磁化記憶層、第２の磁性層１０を磁化参照層としてもよい。
【００３３】
以上において、下部電極２、配向制御膜３、第１の磁性層４、下層金属層５、第１の界面磁性層６、非磁性層７、第２の界面磁性層８、上層金属層９、第２の磁性層１０、上部電極１１は、例えばスパッタ法を用いて形成される。
【００３４】
次に、真空中において300〜350℃で１時間程度の熱処理を行う。これにより、非磁性層７として用いられるMgOが結晶化し、熱処理によって第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８として用いられるアモルファス状のCo40Fe40B20が結晶であるCo50Fe50となる。Co40Fe40B20から離脱したB原子は、上層金属層９に含まれる第１の金属原子と結合する。第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１では、第２の界面磁性層８上に第１の金属原子を含む上層金属層９が設けられているため、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８に含まれるB原子の離脱を促進し、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８の結晶化を促進することができる。
【００３５】
なお、熱処理を行う際に、下層金属層５及び上層金属層９に含まれる第２の金属原子と第１の界面磁性層６又は第２の界面磁性層８から離脱したB原子とが結合してもよい。
【００３６】
なお、この熱処理は窒素雰囲気下において行ってもよい。また、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealiing）により、真空中において400℃で10〜30秒程度ランプ熱処理を行ってもよい。
【００３７】
次に、ＣＶＤ法によりハードマスク（図示なし）として、例えばシリコン酸化膜を形成する。その後、図３（ｄ）のように、ＲＩＥ法により、上部電極１１、第２の磁性層１０、上層金属層９、第２の界面磁性層８、非磁性層７、第１の界面磁性層６、下層金属層５、第１の磁性層４、配向制御膜３、下部電極２を第２のコンタクトプラグ２４と磁気抵抗効果素子１が接続されたままになるようにエッチングする。
【００３８】
次に、磁気抵抗効果素子１の保護膜として、ＣＶＤ法により、磁気抵抗効果素子１を覆うように保護膜（図示なし）としてシリコン窒化膜を形成する。
【００３９】
次に、図３（ｅ）のように、窒化膜２３上に、保護膜（図示なし）を覆うように第２の絶縁膜２５として、例えばシリコン酸化膜を形成する。
【００４０】
次に、磁気抵抗効果素子１の上部電極１１に接続する第３のコンタクトプラグ２６及び第２のコンタクトプラグ２４に接続する第４のコンタクトプラグ２７を形成する。これは、第２の絶縁膜２５をリソグラフィ法及びＲＩＥ法により加工し、コンタクトホールを形成した後に、Alを埋め込み、ＣＭＰ処理することにより形成する。
【００４１】
次に、第２の絶縁膜２５、第３のコンタクトプラグ２６及び第４のコンタクトプラグ２７上に酸化膜２８を形成する。その後、リソグラフィ法及びＲＩＥ法を用いて、酸化膜２８を、第３のコンタクトプラグ２６及び第４のコンタクトプラグ２７が露出するように加工し、第１の配線２９を形成するための溝を形成する。その後、この溝にAlを埋め込み、ＣＭＰ処理をすることにより、第１の配線２９を形成する。
【００４２】
次に、酸化膜２８及び第１の配線２９上に第３の絶縁膜３０を形成する。さらに、リソグラフィ法及びＲＩＥ法により第３の絶縁膜３０を第１の配線２９が露出するように加工し、ビアホールを形成する。その後、このビアホールにAlを埋め込み、ＣＭＰ処理することによってビアプラグ３１を形成する。
【００４３】
次に、第３の絶縁膜３０及びビアプラグ３１上に酸化膜３２を形成する。その後、リソグラフィ法及びＲＩＥ法によって酸化膜３２をビアプラグ３１が露出するように加工し、第２の配線３３を形成するための配線溝を形成する。さらに、この配線溝にAlを埋め込みＣＭＰ処理をすることによって第２の配線３３を形成する。
【００４４】
なお、ダマシンプロセスを用いてCu配線を形成してもよい。この場合はTa、TaNのバリア膜、Cuシード層を形成し、Cuめっきによる埋め込みプロセスにより配線する。    
以上の製造工程により、第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリを形成する。
【００４５】
以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、第２の界面磁性層８と第２の磁性層１０との間に第１の金属原子を含む上層金属層９が設けられている。これにより、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８に含まれるB原子の離脱を促進し、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８の結晶化を促進することができる。さらに、上層金属層９に第２の金属原子が含まれている場合には、磁気抵抗効果素子１に高温の熱処理を行った際、第２の磁性層１０に含まれる原子が非磁性層７及び第２の界面磁性層８に拡散することを防止し、磁気抵抗効果素子１に耐熱性を持たせることができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態による磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。第２の実施形態の構成について第１の実施形態の磁気ランダムアクセスメモリの構成と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明を省略する。
【００４７】
第２の実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、上層金属層９に第１の金属原子及び第２の金属原子が含まれている代わりに、下層金属層５に第１の金属原子及び第２の金属原子が含まれている点である。
【００４８】
第２の実施形態による磁気ランダムアクセスメモリの製造方法について説明する。
【００４９】
第１の実施形態においては、第２の界面磁性層８上に第１の金属原子及び第２の金属原子を含む上層金属層９を形成するのに対し、第２の実施形態においては、第１の磁性層４上に第１の金属原子含む下層金属層５を形成する。
【００５０】
第１の実施形態と同様にして図３（ａ）及び（ｂ）のように、半導体基板１４上に選択トランジスタを形成し、第１の絶縁膜２１、第１のコンタクトプラグ２２、第２のコンタクトプラグ２４を形成する。その後、第２のコンタクトプラグ２４上に磁気抵抗効果素子１を形成する。
【００５１】
次に、図３（ｃ）のように、第１の実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子１は、下部電極２、配向制御膜３、第１の磁性層４、下層金属層５、第１の界面磁性層６、非磁性層７、第２の界面磁性層８、上層金属層９、第２の磁性層１０、上部電極１１を順に形成するが、下層金属層５は、第１の金属原子として例えばTi原子を含むものであり、上層金属層９は例えばTa層を含むものである。下層金属層５には、さらに第２の金属原子としてTa原子が含まれていてもよい。下層金属層５に第２の金属原子が含まれている場合には、磁気抵抗効果素子１に高温の熱処理を行った際、第１の磁性層４に含まれる原子が第１の界面磁性層６及び非磁性層７に拡散することを防止し、磁気抵抗効果素子１に耐熱性を持たせることができる。さらに、下層金属層５は、第１の界面磁性層６の底面に接するように設けられていることから、第１の界面磁性層６の結晶化をより促進することができる。
【００５２】
上層金属層９は、第１の金属原子が含まれていなくてもよいが、第１の金属原子として例えばTi膜が含まれている場合、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８に含まれるB原子の離脱を促進し、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８の結晶化をさらに促進することができる。
【００５３】
その後、第１の実施形態と同様のプロセスを経て、第２の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリが形成される。
【００５４】
以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、第１の磁性層４と第１の界面磁性層６との間に第１の金属原子を含む下層金属層５が設けられている。これにより、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８に含まれるB原子の離脱を促進し、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８の結晶化を促進することができる。さらに、下層金属層５に第２の金属原子が含まれている場合には、磁気抵抗効果素子１に高温の熱処理を行った際、第１の磁性層４に含まれる原子が第１の界面磁性層６及び非磁性層７に拡散することを防止し、磁気抵抗効果素子１に耐熱性を持たせることができる。
【００５５】
さらに、下層金属層５及び上層金属層９に第１の金属原子が含まれている場合には、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８の結晶化をさらに促進することができる。
【００５６】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態による磁気ランダムアクセスメモリの製造方法について図４及び図５を用いて説明する。図４は、第３の実施形態において垂直磁化を有する磁気抵抗効果素子の基本構造を示す断面図であり、図５は、第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの製造方法を示す断面図である。第３の実施形態の構成について図１の第１の実施形態の磁気ランダムアクセスメモリの構成と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１においては、図１のように、第１の金属原子、第２の金属原子、及びB原子を含む上層金属層９が除去されずに残されているが、第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１においては、図４のように、B原子を含む上層金属層９が除去されており、代わりに金属層３４が設けられている。
【００５８】
第１の実施形態と同様にして図３（ａ）及び（ｂ）のように、半導体基板１４上に選択トランジスタを形成し、第１の絶縁膜２１、第１のコンタクトプラグ２２、第２のコンタクトプラグ２４を形成する。
【００５９】
次に、図５（ａ）のように、下部電極２、配向制御膜３、第１の磁性層４、下層金属層５、第１の界面磁性層６、非磁性層７、第２の界面磁性層８、第１の金属原子として例えばTi原子を含む上層金属層９を形成する。なお、上層金属層９には、さらに第２の金属原子として例えばTa原子が含まれていてもよい。
【００６０】
次に、真空中において300〜350℃で１時間程度の熱処理を行う。これにより、非磁性層７として用いられるMgOが結晶化し、熱処理によって第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８として用いられるアモルファス状のCo40Fe40B20が結晶であるCo50Fe50となる。Co40Fe40B20から離脱したB原子は、上層金属層９に含まれる第１の金属原子として例えばTi原子と結合する。
【００６１】
次に、図５（ｂ）のように、真空中において上層金属層９を逆スパッタリングすることにより、上層金属層９をエッチングする。これにより、磁気抵抗効果素子１に耐熱性を持たせるために、上層金属層９に第２の金属原子を含ませる必要はない。
【００６２】
次に、図５（ｃ）のように、金属層３４として、第２の金属原子からなるTa膜を形成し、第１の実施形態と同様にして、金属層３４上に第２の磁性層１０及び上部電極１１を形成する。
【００６３】
その後、第１の実施形態と同様のプロセスを経て、第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリが形成される。
【００６４】
以上のように、本発明の第３の実施形態によれば、上層金属層９にB原子が含まれるように熱処理によりをした後に、B原子を含む上層金属層９を除去し、第２の金属原子からなる金属層３４を形成している。これにより、上層金属層９に含まれる第１の金属原子が耐熱性を劣化させる場合を想定して、上層金属層９に第２の金属原子を含ませる必要が無く、第１の界面磁性層６及び第２の界面磁性層８を結晶化させることができ、さらに耐熱性も確保することができる。
【００６５】
さらに、上層金属層９に含まれるB原子が再拡散することなく、磁気ランダムアクセスメモリを形成することができる。
【００６６】
なお、上述した第１の実施形態乃至第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリにおいて、下層金属層５は、第１の磁性層４と第１の界面磁性層８との間に設けられているという前提で説明したが、第１の磁性層４の下層、例えば下部電極２と配向制御膜３との間、又は配向制御膜３と第１の磁性層４との間に設けられてもよい。
【００６７】
なお、上述した第１の実施形態乃至第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリにおいて、上層金属層９は、第２の界面磁性層８と第２の磁性層１０との間に設けられているという前提で説明したが、第２の磁性層１０上に設けられてもよい。
【００６８】
なお、上述した第１の実施形態乃至第３の実施形態において、第１の磁性層４に磁化記憶層が用いられ、第２の磁性層１０に磁化参照層が用いられるものとして説明したが、第１の磁性層４に磁化参照層が用いられ、第２の磁性層１０に磁化記憶層が用いられてもよい。
【００６９】
なお、本発明は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００７０】
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、その他のさまざま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】
【００７１】
１…磁気抵抗効果素子
２…下部電極
３…配向制御膜
４…第１の磁性層
５…下層金属層
６…第１の界面磁性層
７…非磁性層
８…第２の界面磁性層
９…上層金属層
１０…第２の磁性層
１１…上部電極
１２…第１の金属層
１３…第２の金属層
１４…半導体基板
１５…素子分離絶縁膜
１６…ゲート絶縁膜
１７…ゲート電極
１８…ワード線
１９…窒化膜
２０…スペーサ膜
２１…第１の絶縁膜
２２…第１のコンタクトプラグ
２３…窒化膜
２４…第２のコンタクトプラグ
２５…第２の絶縁膜
２６…第３のコンタクトプラグ
２７…第４のコンタクトプラグ
２８…酸化膜
２９…第１の配線
３０…第３の絶縁膜
３１…ビアプラグ
３２…酸化膜
３３…第２の配線
３４…金属層
Ｓ…ソース領域
Ｄ…ドレイン領域
【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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