(57)【要約】  磁気抵抗効果素子の製造方法は、反強磁性層を基板の上面側に形成することと、基板の上面側の反強磁性層の上に第１固定強磁性層を形成することと、第１固定強磁性層を５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ以下の圧力で酸素原子を含む気体に暴露を行うことと、第１固定強磁性層の上に第２固定強磁性層を形成することと、第２固定強磁性層の上にトンネルバリア層を形成することと、トンネルバリア層の上に自由強磁性層を形成することとにより達成される。ただし、酸素原子を含む気体は、５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ以下の圧力（又は分圧）の酸素ガスに例示される。上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、第２固定強磁性層の膜厚は、０より大きく１ｎｍ以下であるように形成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上面側に反強磁性層を形成する工程と、
前記反強磁性層の上に第１固定強磁性層を形成する工程と、
前記第１固定強磁性層を５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ以下の圧力で酸素原子を含む気体に暴露を行う工程と、
前記第１固定強磁性層の上に第２固定強磁性層を形成する工程と、
前記第２固定強磁性層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に自由強磁性層を形成する工程と
を具備する
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記第２固定強磁性層の膜厚は、０より大きく１ｎｍ以下である
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
基板の上面側に反強磁性層を形成する工程と、
前記反強磁性層の上に第１固定強磁性層を形成する工程と、
前記第１固定強磁性層を５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ未満の圧力で酸素原子を含む気体に暴露を行う工程と、
前記第１固定強磁性層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に自由強磁性層を形成する工程と
を具備する
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
基板の上面側に反強磁性層を形成する工程と、
前記反強磁性層の上に固定強磁性層を形成する工程と、
前記固定強磁性層の上にトンネルバリア層を含む膜を形成する工程と、
前記トンネルバリア層の上に自由強磁性層を形成する工程と
を具備し、
前記トンネルバリア層を含む膜は、前記固定強磁性層との界面における前記トンネルバリア層の平均表面粗さより前記自由強磁性層との界面における前記トンネルバリア層の平均表面粗さが小さくなるように形成される
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
トンネルバリア層を含む膜を形成する工程は、
前記固定強磁性層を所定の雰囲気に暴露する工程と、
前記暴露する工程の後、前記トンネルバリア層を形成する工程と
を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
請求項４に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
トンネルバリア層を含む膜を形成する工程は、
前記固定強磁性層を所定の雰囲気に暴露する工程と、
前記暴露する工程の後、前記固定強磁性層の上に付加的強磁性層を形成する工程と、
前記付加的強磁性層の上に前記トンネルバリア層を形成する工程と
を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記第２固定強磁性層の膜厚は、０より大きく１ｎｍ以下である
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項８】
請求項５乃至７に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記固定強磁性層を所定の雰囲気に暴露する工程は、
前記固定強磁性層を、５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ未満の圧力で酸素原子を含む気体に暴露を行う工程
を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１から３と８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記第１固定強磁性層を前記酸素原子を含む気体に暴露を行う工程は、
１×１０−６Ｐａ以上１×１０−５Ｐａ以下の圧力で酸素原子を含む気体に暴露を行う
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から３、８，９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記酸素原子を含む気体は、酸素ガス、水、メタノール及びエタノールガスのうちの少なくとも一つを含む気体である
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記第１固定強磁性層が、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＣｒのうちの一つを含む膜を備える
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記トンネルバリア層の前記第１固定強磁性層側の表面粗さが、前記第１固定強磁性層より下層の表面粗さより小さい
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１３】
基板の上面側に形成された反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に形成された第１固定強磁性層と、
前記第１固定強磁性層の上に形成された第２固定強磁性層と、
前記第２固定強磁性層の上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に形成された自由強磁性層と
を具備し、
前記第１固定強磁性層の前記第２固定強磁性層側の表面の領域は、他の領域に比較して酸素濃度が高く、
前記トンネルバリア層側の前記第１固定強磁性層の表面粗さが、前記第１固定強磁性層より下層の表面粗さより小さい
磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第２固定強磁性層の膜厚は、０より大きく１ｎｍ以下である
磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
基板の上面側に形成された反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に形成された第１固定強磁性層と、
前記第１固定強磁性層の上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に形成された自由強磁性層と
を具備し、
前記トンネルバリア層側の前記第１固定強磁性層の表面粗さが、前記第１固定強磁性層より下層の表面粗さより小さい
磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第１固定強磁性層が、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＣｒのうちの一つを含む膜を備える
磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
第１方向へ延伸する複数のワード線と、
第１方向と実質的に垂直な第２方向へ伸びる複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線との交点の各々に設けられ、請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の複数の磁気抵抗効果素子と
を具備する磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリに関し、特に磁気トンネル接合を用いる磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの強磁性体層（固定強磁性層及び自由強磁性層）と、これらの強磁性体層に挟まれたトンネルバリア層（トンネル絶縁層）とで構成される磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が知られている。磁気トンネル接合は、強磁性体層の磁化の相対方向に依存して、その抵抗が大きく変化する。このような現象は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  効果）と呼ばれる。磁気トンネル接合の抵抗を検出することにより、強磁性体層の磁化の方向を判別することが可能である。このような磁気トンネル接合の性質は、磁気トンネル接合を含む磁気抵抗デバイスとして、不揮発的にデータを保持する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄａｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）に適用される。【０００３】
ＭＲＡＭは、それぞれにＭＴＪを含むメモリセルが行列に配置されて構成される。ＭＴＪに含まれる２つの強磁性体層のうちの一方の強磁性層としての固定強磁性層の磁化は固定され、他方の強磁性層としての自由強磁性層の磁化は反転可能に設けられる。データは、自由強磁性層の磁化の方向として記憶される。データの書き込みは、磁気トンネル接合の近傍に電流を流し、その電流が発生する磁界によって自由強磁性層の磁化を反転することによって行われる。データの読み出しは、ＴＭＲ効果を利用して自由強磁性層の磁化の向きを検出することによって行われる。【０００４】
固定強磁性層と自由強磁性層との間には、色々な磁気的な相互作用が働く。その主なものとしてネールカップリング磁界、漏れ磁界がある。このような磁気的な相互作用があると、自由強磁性層が並行から反並行にスイッチングするときの磁界の大きさと、反並行から平行な方向にスイッチングするときの磁界の大きさが異なる。これらの反転磁界の大きさの差はオフセット磁界と呼ばれている。このようなオフセット磁界が存在すると、メモリセル間のディスターブが大きくなる。その場合、磁化反転不良を引き起こしやすくなるため製造歩留まりが低下してしまう。そのため、オフセット磁界の大きさはゼロにする必要がある。【０００５】
オフセット磁界をゼロにする方法として、例えば、ＵＳＰ６２９２３８９号に記載されたように、固定強磁性層の上面と下面が相殺するように設定する方法、ＵＳＰ６２３３１７２号に記載されたように、ネールカップリング磁界と漏れ磁界とを同じ大きさになるようにして互いにキャンセルするという方法がある。このような方法を用いることにより、オフセット磁界をゼロに調整することができる。【０００６】
ただし、上記ＵＳＰ６２９２３８９号、ＵＳＰ６２３３１７２号に記載の磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層の下の膜の表面粗さが粗いと、その上に成膜されるトンネルバリア層の膜厚が１ｎｍ程度と非常に薄いので、トンネルバリア層を連続に形成することが困難である。そうような場合、トンネルバリア層にリークスポットができ、トンネルバリア層の品質が低下してしまう可能性がある。従って、トンネルバリア層の下面をできるだけ平滑にする必要がある。【０００７】
加えて、上記ＵＳＰ６２９２３８９号、ＵＳＰ６２３３１７２号のような磁気抵抗効果素子では、ネールカップリング磁界を完全にゼロにはできない。すなわち、オフセット磁界は、この方法でゼロにすることができるが、ネールカップリング磁界は有限な値をもつ。上記の文献では、固定強磁性層からの漏れ磁界、あるいは固定強磁性層の下の面からのネールカップリング磁界でキャンセルする。このような場合、ネールカップリング磁界以外に制御するパラメータが増えるために特性のばらつきを抑えるのが難しくなる。【０００８】
トンネルバリア層の下面を平滑にする方法として、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、Ｖｏｌ．９３、Ｎｏ．１０、Ｐａｒｔ２＆３、２００３、ｐ．８３７３に示されるように、磁気トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を低圧力のＤＣマグネトロンスパッタで形成することが報告されている。それによってネールカップリングの大きさを２−３Ｏｅという低い値にできると報告されている。しかしながら、上記の文献に示される磁気抵抗効果素子では、固定強磁性層を平滑にした場合、固定強磁性層と反強磁性層の間の交換結合磁界が低下することが考えられる。一般に反強磁性膜は下地膜の上に結晶成長する。この結晶成長が進むと交換結合磁界が大きくなる。一方で、結晶成長が進むほど結晶粒の粒に起因する表面粗さは大きくなる。つまり、交換結合磁界と固定強磁性層の平滑性はトレードオフの関係がある。【０００９】
トンネルバリア層の品質を向上することが可能な技術が望まれる。ネールカップリング磁界をゼロにすることが可能な技術が望まれる。磁気抵抗効果素子の特性を向上することが可能な技術が望まれる。製造歩留まりを改善することが可能な技術が望まれる。【００１０】
上記説明と関連として、特開２００２−１５８３８１号公報に強磁性トンネル接合素子およびその製造方法が開示されている。この強磁性トンネル接合素子は、Ｍｎを含有する反強磁性層と、前記反強磁性層上に形成された、第１および第２２つの強磁性層の間に絶縁層またはアモルファス磁性層を挟んだ構造を有する磁化固着層と、前記磁化固着層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成された磁化自由層とを具備する。前記磁化固着層の絶縁層またはアモルファス磁性層が、前記反強磁性層に含まれるＭｎの拡散を防止する機能を有していても良い。前記磁化固着層の第１強磁性層を酸化雰囲気、窒化雰囲気または炭化雰囲気に暴露して、前記磁化固着膜の絶縁層を形成しても良い。【００１１】
また、特開平１１−５４８１４号公報に、強磁性トンネル接合素子の製造方法が開示されている。この強磁性トンネル接合素子の製造方法は、第１強磁性層と第２強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ構造を持つ強磁性トンネル接合素子の製造方法である。金属又は半導体からなる導電層を成膜した後、真空中に酸素を導入し、該導電層表面を自然酸化してトンネルバリア層を形成する工程を含む。第１強磁性層を成膜した後、真空中に酸素を導入して該第１強磁性層表面を酸化する工程を含んでいても良い。【００１２】
また、特開２０００−１９６１６５号公報に、磁気トンネル素子及びその製造方法が開示されている。この磁気トンネル接合素子の製造方法は、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種を含有する金属、合金、金属間化合物、酸化物又は窒化物からなる下磁性層を形成し、前記下磁性層に酸化処理をする工程と、この下磁性層の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上にＦｅ、Ｎｉ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１種を含有する金属、合金、金属間化合物、酸化物又は窒化物からなる上磁性層を形成する工程とを有する。【００１３】
また、特開２００４−１１９９０３号公報に、磁気抵抗効果素子及びその製造方法が開示されている。この磁気抵抗効果素子製造方法は、（Ａ）真空容器の中で，反強磁性層を基板の上面側に形成する工程と、（Ｂ）前記反強磁性層の形成の後、前記真空容器に酸化性ガス（例示：酸素ガス）を導入する工程と、（Ｃ）前記真空容器から前記酸化性ガスを排気する工程と、（Ｄ）前記酸化性ガスの排気の後、前記反強磁性層の上に、固定強磁性層を形成する工程と、（Ｅ）前記第１強磁性層の上に、トンネルバリア層を形成する工程と、（Ｆ）前記トンネルバリア層の上に、第２強磁性層を形成する工程とを含む。また、この磁気抵抗効果素子製造方法は、（Ｇ）反強磁性層を基板の上面側に形成する工程と、（Ｈ）酸化性ガス（例示：酸素ガス）を含む雰囲気で、前記反強磁性層の上に固定強磁性層を形成する工程と、（Ｉ）前記固定強磁性層の上に、トンネルバリア層を形成する工程と、（Ｊ）前記トンネルバリア層の上に、自由強磁性層を形成する工程とを含む。前記（Ｈ）工程の間の前記酸化性ガスの分圧は、形成された前記第１強磁性層が導電性を有するように定められている。【００１４】
また、特開２０００−１５０９８４号公報に、オゾン酸化絶縁膜を使用した磁気トンネル素子の技術が開示されている。このオゾン酸化絶縁膜を使用した磁気トンネル素子は、保磁力が相互に異なる硬磁性膜及び軟磁性膜と、両者間に介在する絶縁膜とを有する磁気トンネル素子において、前記絶縁膜は酸素及びオゾンの混合気中で酸化されたものである。【００１５】
また、特開２００３−２５８３３５号公報に、トンネル磁気抵抗効果素子の製造方法が開示されている。これは、基板上に、第１強磁性層、トンネル絶縁層、第２強磁性層がこの順に積層され、前記第１強磁性層と第２強磁性層の磁化方向の相対角度の違いによりトンネル磁気抵抗が異なるトンネル磁気抵抗効果素子の製造方法である。前記トンネル絶縁層前駆体である導電層を形成する第１工程と、前記導電層を酸素雰囲気中で酸化させる第２工程を含む。前記第１工程において、前記導電層は０．４オングストローム／秒以下の成膜速度でＡｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔａの少なくとも１種から形成される。前記第１工程と前記第２工程を複数回行うことによりトンネル絶縁層を形成しても良い。前記第２工程において真空中で酸化しても良く、酸化方法が自然酸化法、プラズマ酸化法、ラジカル酸化法でも良い。
【発明の開示】
【００１６】
従って、本発明の目的は、磁気トンネル接合におけるトンネルバリア層の品質を向上することが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、磁気トンネル接合におけるネールカップリング磁界をゼロにすることが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
【００１８】
本発明の更に他の目的は、磁気トンネル接合の特性を向上することが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
【００１９】
本発明の別の目的は、製造歩留まりを改善することが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
【００２０】
本発明の観点では、磁気抵抗効果素子の製造方法は、反強磁性層を基板の上面側に形成することと、基板の上面側の反強磁性層の上に第１固定強磁性層を形成することと、第１固定強磁性層を５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ以下の圧力で酸素原子を含む気体に暴露を行うことと、第１固定強磁性層の上に第２固定強磁性層を形成することと、第２固定強磁性層の上にトンネルバリア層を形成することと、トンネルバリア層の上に自由強磁性層を形成することとにより達成される。ただし、酸素原子を含む気体は、５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ以下の圧力（又は分圧）の酸素ガスに例示される。上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、第２固定強磁性層の膜厚は、０より大きく１ｎｍ以下であるように形成される。
【００２１】
また、本発明の他の観点では、磁気抵抗効果素子の製造方法は、反強磁性層を基板の上面側に形成することと、反強磁性層の上に第１固定強磁性層を形成することと、第１固定強磁性層を５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ未満の圧力で酸素原子を含む気体に暴露を行うことと、第１固定強磁性層の上にトンネルバリア層を形成することと、トンネルバリア層の上に自由強磁性層を形成することとにより達成される。ただし、酸素原子を含む気体は、５×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ未満の圧力（又は分圧）の酸素ガスに例示される。
【００２２】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、第１固定強磁性層をその酸素原子を含む気体に暴露を行う工程は、１×１０−６Ｐａ以上１×１０−５Ｐａ以下の圧力で酸素原子を含む気体に暴露を行うことがより望ましい。また、その酸素原子を含む気体は、酸素ガス、水、メタノール及びエタノールガスのうちの少なくとも一つを含む気体であることが好ましい。第１固定強磁性層が、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＣｒのうちの一つを含む膜を備える。上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、トンネルバリア層側の第１固定強磁性層の表面粗さが、第１固定強磁性層より下層の表面粗さより小さい。
【００２３】
また、本発明の他の観点では、磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、第１固定強磁性層と、第２固定強磁性層と、トンネルバリア層と、自由強磁性層とを具備する。反強磁性層は、基板の上面側に形成されている。前記第１固定強磁性層は、反強磁性層の上に形成されている。第２固定強磁性層は、第１固定強磁性層の上に形成されている。トンネルバリア層は、第２固定強磁性層の上に形成されている。自由強磁性層は、トンネルバリア層の上に形成されている。第１固定強磁性層の第２固定強磁性層側の表面の領域は、他の領域に比較して酸素濃度が高い。トンネルバリア層側の第１固定強磁性層の表面粗さが、第１固定強磁性層より下層の表面粗さより小さい。
ここで、第１固定強磁性層は、固定強磁性層Ａ、非磁性層及び固定強磁性層Ｂとを備え、非磁性層を介した反強磁性層カップリングにより固定強磁性層Ａと固定強磁性層Ｂ６の磁化の方向は反平行になっている。また、上記の磁気抵抗効果素子において、第２固定強磁性層の膜厚は、０より大きく１ｎｍ以下である。
【００２４】
また、本発明の他の観点では、磁気抵抗効果素子は、反強磁性層と、第１固定強磁性層と、トンネルバリア層と、自由強磁性層とを具備する。反強磁性層は、基板の上面側に形成されている。第１固定強磁性層は、反強磁性層の上に形成されている。トンネルバリア層は、第１固定強磁性層の上に形成されている。自由強磁性層は、トンネルバリア層の上に形成されている。トンネルバリア層側の第１固定強磁性層の表面粗さが、第１固定強磁性層より下層の表面粗さより小さい。上記の磁気抵抗効果素子において、第１固定強磁性層が、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＣｒのうちの一つを含む膜を備える。
【００２５】
また、本発明の他の観点では、磁気ランダムアクセスメモリは、複数のワード線と、複数のビット線と、複数の磁気抵抗効果素子とを具備する。複数のワード線は、第１方向（Ｘ方向）へ延伸している。複数のビット線は、第１方向（Ｘ方向）と実質的に垂直な第２方向（Ｙ方向）へ伸びている。複数の磁気抵抗効果素子は、複数のワード線と複数のビット線との交点の各々に設けられ、上記各項のいずれか一項に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の第１実施例の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第１実施例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第１実施例を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第１実施例を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第１実施例を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第１実施例を示す断面図である。
【図７】図７は、酸素ガス処理における処理条件とネールカップリング磁界との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の磁気抵抗効果素子の第２実施例の構成を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第２実施例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第２実施例を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第２実施例を示す断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第２実施例を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第２実施例を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の第２実施例を示す断面図である。
【図１５】図１５は、酸素ガス処理における処理条件とネールカップリング磁界との関係を示すグラフである。
【図１６】図１６は、磁気抵抗効果素子の製造方法を用いて作製した磁気抵抗効果素子の磁場−抵抗変化率を示すグラフである。
【図１７】図１７は、磁気抵抗効果素子の製造方法を用いて作製した磁気抵抗効果素子と従来方法で作製した磁気抵抗効果素子とのＭＲ比のバイアス電圧依存性を示すグラフである。
【図１８】図１８は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ランダムアクセスメモリに適用したメモリセルの構成を示す断面図である。
【図１９】図１９は、メモリセルを用いたＭＲＡＭの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本願は、米国特許出願番号１０／５２０，６５２と１０／７０２，６５５に関連する。これらの出願の開示内容は、引用により本願に取り込まれる。【００２８】
以下、本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法、磁気ランダムアクセスメモリを、添付図面を参照して説明する。【００２９】
［第１実施例］
本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法を、添付図面を参照して説明する。【００３０】
まず、本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子の構成について説明する。ここでは、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に適用した磁気抵抗効果素子について説明する。図１は、本発明の磁気抵抗効果素子の第１実施例の構成を示す断面図である。磁気抵抗効果素子３０は、基板２０の上面側に設けられ、シード層２、反強磁性層３、固定強磁性層Ａ４、非磁性膜５、固定強磁性層層Ｂ６、トンネルバリア層７、自由強磁性層８、キャップ層９とを具備する。基板２０側はシード層２が下部電極１に、反対側はキャップ層９が上部電極（図示されず）にそれぞれ接続されている。【００３１】
基板２０は、半導体基板上にＣＭＯＳに例示される素子（ＭＲＡＭ用）が形成された基板である。下部電極１は、基板２０の上面側に設けられている。下部電極１としては、例えば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｒｈ、Ｉｒのような導電性材料が用いられる。上部電極（図示されず）も同様である。シード層２は、下部電極１の上に設けられている。シード層２としては、例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＣｒ、ＮｉＦｅＣｒなどの材料が用いられる。反強磁性層３は、シード層２の上に設けられている。反強磁性層３としては、例えば、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＯ２、α−Ｆｅ２Ｏ３のような反強磁性体が用いられる。固定強磁性層Ａ４は、反強磁性層３の上に設けられている。固定強磁性層Ａ４としては、例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＣｒのような強磁性体が用いられる。非磁性層５は、固定強磁性層Ａ４の上に設けられている。非磁性層５としては、例えば、Ｒｕ、Ｃｕのような非磁性体が用いられる。固定強磁性層Ｂ６は、非磁性層５の上に設けられている。固定強磁性層Ｂ６としては、例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＣｒのような強磁性体が用いられる。トンネルバリア層７を形成する前に、真空中に酸素原子を含む気体を所定の圧力で導入して、その表面を暴露することにより、固定強磁性層Ｂ６の表面に酸素基が吸着する。酸素原子を含む気体としては、酸素ガス、メタノール、水、エタノールなどが用いられる。【００３２】
トンネルバリア層７は、固定強磁性層Ｂ６の上に設けられている。トンネルバリア層７は、例えばＡｌなどを酸素ラジカル、酸素プラズマ、オゾンなどをもちいて酸化することにより形成される絶縁性の非磁性体である。自由強磁性層８は、トンネルバリア層７の上に設けられている。自由強磁性層８としては、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＣｒのような強磁性体の単層膜あるいは積層膜が用いられる。キャップ層９は、自由強磁性層８の上に設けられている。キャップ層９としては、例えばＴａ、ＴａＮ、Ｒｈ、Ｉｒのような導電性材料が用いられる。【００３３】
図１において、各膜の凹凸は、意図的ではなく成膜時に自然にできる程度の一般的な凹凸を示している。ただし、トンネルバリア層７は、その自由強磁性層８側の表面の凹凸が減少し、平滑な層になっている。それに伴いその上の各層も平滑になっている。【００３４】
次に、本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。図２〜図６は、本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子の製造方法を示す断面図である。
図２を参照して、基板１の上面側に下部電極１、シード層２、反強磁性層３、固定強磁性層Ａ４、非磁性層５、及び、固定強磁性層Ｂ６がこの順に成膜される。成膜は、スパッタ法、イオンビームスパッタ法などを用いて行われる。【００３５】
次に、図３を参照して、真空中に酸素ガス（又は同じ分圧で酸素ガスを含むガス）を導入することにより、固定強磁性層Ｂ６の表面を酸素ガスに暴露して、その表面に酸素を吸着させる。このとき、図７を参照して後述するように、酸素ガスの圧力（分圧）を非常に小さくする。それにより、固定強磁性層Ｂ６の表面は、酸素が吸着しているだけ、又は、酸素を多く含む極めて薄い層があるだけで、固定強磁性層Ｂ６の酸化層は無い。酸素ガスでなく、メタノール、水、エタノールのような−ＯＨ基を含む物質や、酸素ガス、メタノール、水、エタノールのうちの二つ以上を組み合わせた気体でも良い。上記の方法により、トンネルバリア層用の膜７ａの成膜の際、トンネルバリア層用膜７ａの固定強磁性層Ｂ６に対する濡れ性が向上し、薄くても連続した、ピンホールの無い膜とすることが可能となる。【００３６】
図４を参照して、表面処理後の固定強磁性層Ｂ６の上にトンネルバリア用膜７ａを成膜する。成膜は、スパッタ法、イオンビームスパッタ法などを用いて行われる。上述のように、トンネルバリア用膜７ａは、薄くても連続した、ピンホールの無い膜となる。このとき、膜の表面粗さ（平均表面粗さＲａ、最大の表面粗さＲｍａｘ）が減少し、凹凸の少ない膜となる。それと共に、表面粗さの周期が、固定強磁性層Ｂ６などの下層の表面のうねりに従わず、うねり周期が短くなる。【００３７】
図５を参照して、酸素プラズマを用いてトンネルバリア層用膜７ａが酸化される。酸素プラズマの代わりに酸素ラジカル、オゾンなどを用いて酸化しても良い。それにより、トンネルバリア層用膜７ａは、酸化されて絶縁性のトンネルバリア層７となる。トンネルバリア層７は、薄くても連続した、ピンホールの無い層となる。【００３８】
図６を参照して、トンネルバリア層７の上に自由強磁性層８及びキャップ層９がこの順で成膜される。その後、図示しない上部電極が形成される。【００３９】
以上のように磁気抵抗効果素子の製造方法が実施される。なお、図２、図４〜図６の工程は、当業者にとって周知な他の方法を用いることも可能である。【００４０】
図７は、図３の酸素ガス処理における処理条件とネールカップリング磁界との関係を示すグラフである。縦軸はネールカップリング磁界の大きさ（Ｏｅ）、横軸は酸素暴露時間（秒）である。グラフ中の各曲線は、それぞれ異なる酸素ガス圧力（酸素ガス分圧）の場合を示す。酸素ガス圧は、菱形が１×１０−７Ｐａ、四角が１×１０−６Ｐａ、三角が１×１０−５Ｐａ、バツが１×１０−４Ｐａである。図７に示されるように、酸素ガス圧力が１×１０−７Ｐａ以上、１×１０−４Ｐａ未満の間の非常に低い圧力範囲にあるとき、ネールカップリング磁界が０になる条件があることが分かる。すなわち、酸素ガス圧力は１×１０−７Ｐａ以上、１×１０−４Ｐａ未満が好ましい。ただし、酸素ガス圧力の調整のしやすさという面から、１×１０−６Ｐａ以上、１×１０−５Ｐａ以下のガス圧が製造上より好ましい。【００４１】
図３における酸素ガスの処理において、暴露する酸素雰囲気の酸素ガスの圧力を変えることで、固定強磁性層Ｂ６の表面を、酸素が吸着した状態、又は、酸素を多く含む極めて薄い層が形成された状態にすることができる。こうして固定強磁性層Ｂ６の表面の状態を変化させることにより、トンネルバリア層用膜７ａの固定強磁性層Ｂ６に対する濡れ性が向上し、薄くても連続した膜を形成することができる。すなわち、トンネルバリア層用膜７ａの成長の仕方を変えることができ、トンネルバリア層用膜７ａを酸化することにより形成されるトンネルバリア層７の上面の平坦性（表面粗さ）を変えることができる。それにより、ネールカップリング磁界の大きさを０にすることができる。すなわち、酸素ガスの処理の条件を調整することによって、ネールカップリング磁界の大きさを０にすることができる。同様に、酸素ガス以外のメタノール、水、エタノールや、酸素ガス、メタノール、水、エタノールのうちの二つ以上を組み合わせた気体を用いた場合でも、処理の条件を調整することにより、ネールカップリング磁界の大きさを０にすることができる。この場合、気体の圧力は、例えば、その気体が含む酸素原子の量が、１×１０−７Ｐａ以上１×１０−４Ｐａ未満の圧力の酸素ガスが含む酸素原子の量と同じになるように設定する。【００４２】
本発明では、固定強磁性層Ｂ６表面の酸素ガス処理により、トンネルバリア層７の固定強磁性層Ｂ６側の表面及び自由強磁性層８側の表面が、それぞれトンネルバリア層７にピンホールが発生しない程度の適正な表面粗さに調整されている。したがって、本発明により、トンネルバリア層７のピンホールの発生を抑えつつ、ネールカップリング磁界の大きさを０にすることが可能となる。【００４３】
［第２実施例］
本発明の第２実施例による磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法を、添付図面を参照して説明する。【００４４】
まず、本発明の第２実施例による磁気抵抗効果素子の構成について説明する。ここでは、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に適用した磁気抵抗効果素子について説明する。図８は、本発明の第２実施例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。磁気抵抗効果素子３０ａは、基板２０の上面側に設けられ、シード層２、反強磁性層３、固定強磁性層Ａ４、非磁性膜５、固定強磁性層層Ｂ６、境界層１０、固定強磁性層Ｃ１１、トンネルバリア層７、自由強磁性層８、キャップ層９とを具備する。基板２０側はシード層２が下部電極１に、反対側はキャップ層９が上部電極（図示されず）にそれぞれ接続されている。本実施例の磁気抵抗効果素子３０ａは、固定強磁性層層Ｂ６とトンネルバリア層７の間に、境界層１０及び固定強磁性層Ｃ１１を設けている点で第１実施例と異なる。【００４５】
境界層１０は、固定強磁性層Ｃ１１を形成する前に、真空中に酸素原子を含む気体を所定の圧力で導入して固定強磁性層Ｂ６の表面を暴露することにより形成される。このとき、図１５を参照して後述するように、酸素ガスの圧力（分圧）を非常に小さくする。それにより、境界層１０は、固定強磁性層Ｂ６表面の酸素吸着層、又は酸素を多く含む極めて薄い（例示：１〜２分子）層として形成され、固固定強磁性層Ｂ６の酸化層は存在しない。酸素原子を含む気体としては、酸素ガス、メタノール、水、エタノールなどが用いられる。【００４６】
固定強磁性層Ｃ１１は、境界層１０の上に設けられている。固定強磁性層Ｃ１１としては、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＣｒなどの強磁性体が用いられる。トンネルバリア層７を形成する前に、真空中に酸素原子を含む気体を所定の圧力で導入して固定強磁性層Ｃ１１の表面を暴露することにより、表面に酸素基が吸着されても良い。酸素原子を含む気体としては、酸素ガス、メタノール、水、エタノールなどが用いられる。【００４７】
他の層については、第１実施例と同様であるのでその説明を省略する。【００４８】
図８において、各膜の凹凸は、意図的ではなく成膜時に自然にできる程度の一般的な凹凸を示している。ただし、固定強磁性層Ｃ１１は、その自由強磁性層８側の表面の凹凸が減少し、平滑な層になっている。それに伴いその上の各層も平滑になっている。【００４９】
次に、本発明の第２実施例による磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。図９〜図１４は、本発明の第２実施例による磁気抵抗効果素子の製造方法を示す断面図である。
図９を参照して、基板１の上面側に下部電極１、シード層２、反強磁性層３、固定強磁性層Ａ４、非磁性層５、及び、固定強磁性層Ｂ６がこの順に成膜される。成膜は、スパッタ法、イオンビームスパッタ法などを用いて行われる。【００５０】
図１０を参照して、真空中に酸素ガス（又は同じ分圧で酸素ガスを含むガス）を導入することにより固定強磁性層Ｂ６の表面が酸素ガスに暴露される。これにより、固定強磁性層Ｂ６の表面に境界層１０が形成される。境界層１０は、固定強磁性層Ｂ６表面の酸素吸着層、又は、酸素を多く含む極めて薄い層である。酸素ガスでなく、メタノール、水、エタノールのような−ＯＨ基を含む物質や、酸素ガス、メタノール、水、エタノールのうちの二つ以上を組み合わせた気体が使用されてもよい。この方法により、固定強磁性層Ｃ１１の成膜の際、固定強磁性層Ｃ１１が境界層１０の表面から結晶成長することになるので、固定強磁性層Ｃ１１の境界層１０（固定強磁性層Ｂ６）に対する濡れ性が向上する。また、その結晶状態は、固定強磁性層Ｂ６のうえに直接形成される場合とは異なる。【００５１】
図１１を参照して、境界層１０の上に固定強磁性層Ｃ１１が成膜される。成膜は、スパッタ法、イオンビームスパッタ法などを用いて行われる。上述のように、境界層１０の表面状態は、通常の固定強磁性層Ｂ６のそれとは異なるので、成膜された固定強磁性層Ｃ１１の表面状態が、通常の固定強磁性層Ｂ６の表面とは異なるものになる。このとき、膜の表面粗さ（平均表面粗さＲａ、最大の表面粗さＲｍａｘ）が減少し、凹凸の少ない膜となる。それと共に、表面粗さの周期が下層（固定強磁性層Ｂ６など）の表面のうねりに従わず、うねり周期が短くなる。その結果、トンネルバリア層用膜７ａの成膜の際、トンネルバリア層用膜７ａの固定強磁性層Ｃ１１に対する濡れ性が向上し、薄くても連続した、ピンホールの無い膜とすることが可能となる。【００５２】
図１２を参照して、固定強磁性層Ｃ１１の上にトンネルバリア層用膜７ａが成膜される。成膜は、スパッタ法、イオンビームスパッタ法などを用いて行われる。上述のように、トンネルバリア層用膜７ａは、薄くても連続した、ピンホールの無い膜となる。図１３を参照して、酸素プラズマを用いてトンネルバリア用膜７ａは酸化される。酸素プラズマの代わりに酸素ラジカル、オゾンなどを用いて酸化されても良い。それにより、トンネルバリア用膜７ａは、酸化され、絶縁性のトンネルバリア層７となる。トンネルバリア層７は、薄くても連続したピンホールの無い層となる。【００５３】
図１４を参照して、トンネルバリア層７の上に自由強磁性層８及びキャップ層９がこの順で成膜される。その後、図示しない上部電極を形成する。【００５４】
以上のように磁気抵抗効果素子の製造方法が実施される。なお、図９、図１２〜図１４の工程は、当業者にとって周知な他の方法を用いることも可能である。この製法において、図１１における残りの固定強磁性層Ｃ１１を成膜する際に、酸素原子を含むガス雰囲気中で成膜を行うことによっても、同じ効果を得ることができる。【００５５】
図１５は、図１０の酸素ガス処理における処理条件とネールカップリング磁界との関係を示すグラフである。縦軸はネールカップリング磁界の大きさ（Ｏｅ）、横軸は固定強磁性層Ｃ１１の膜厚（ｎｍ）である。グラフ中の各曲線は、それぞれ異なる酸素ガス圧力（酸素ガス分圧）の場合を示す。酸素ガス圧は、菱形が１×１０−７Ｐａ、四角が１×１０−６Ｐａ、三角が１×１０−４Ｐａ、バツが１×１０−３Ｐａである。酸素暴露時間は、２４０秒である。【００５６】
図１５に示されるように、固定層強磁性層Ｃ１１の膜厚が０より大きく１ｎｍ以下の範囲において、酸素ガス圧力が１×１０−７Ｐａ以上、１×１０−３Ｐａ未満の間の非常に低い圧力範囲にあるとき、ネールカップリング磁界が０になる条件があることが分かる。すなわち、酸素ガス圧力は１×１０−７Ｐａ以上、１×１０−４Ｐａ以下が好ましい。ただし、酸素ガス圧力の調整のしやすさという面から、１×１０−６Ｐａ以上、１×１０−５Ｐａ以下のガス圧が製造上より好ましい。固定層強磁性層Ｃ１１の膜厚が１ｎｍより大きい場合、ネールカップリング磁界が０になる点はない。【００５７】
図１０における酸素ガスの処理において、暴露する酸素雰囲気の酸素ガスの圧力を変えることで、固定強磁性層Ｂ６表面の酸素吸着層、または、極めて薄い固定強磁性層Ｂ６の酸化層である境界層１０を形成することができる。また、固定強磁性層Ｂ６の表面の状態を境界層１０で変化させることにより、固定強磁性層Ｃ１１の結晶状態を変化させることができる。固定強磁性層Ｃ１１の表面状態が変化するので、トンネルバリア層用膜７ａの成膜の際、トンネルバリア層用膜７ａが固定強磁性層Ｃ１１の表面から結晶成長しやすくなり、薄くても連続した膜を形成することができる。すなわち、トンネルバリア層用膜７ａの成長の仕方を変化させることができ、トンネルバリア層用膜７ａを酸化することにより形成されるトンネルバリア層７の上面の平坦性を変化させることができる。それにより、ネールカップリング磁界の大きさを０にすることができる。すなわち、酸素ガスの処理の条件を調整することによって、ネールカップリング磁界の大きさを０にすることができる。同様に、酸素ガス以外のメタノール、水、エタノールや、酸素ガス、メタノール、水、エタノールのうちの二つ以上を組み合わせたものを用いた場合でも、処理の条件を調整することにより、ネールカップリング磁界の大きさを０にすることができる。【００５８】
本発明では、固定強磁性層Ｂ６表面の酸素ガス処理により、トンネルバリア層７の固定強磁性層Ｂ６側の表面及び自由強磁性層８側の表面が、それぞれトンネルバリア層７にピンホールが発生しない程度の適正な表面粗さに調整されている。したがって、本発明により、トンネルバリア層７のピンホールの発生を抑えつつ、ネールカップリング磁界の大きさを０にすることが可能となる。このとき、固定強磁性層Ｂ６の材料が変わると酸素ガスの濡れ性等の変化により最適な酸素暴露条件が異なる。濡れ性の良い材料であると酸素暴露時間は短くなり、濡れ性の悪い材料だと酸素暴露時間は長くなる。【００５９】
図１６は、上記製法（第１実施例又は第２実施例）を用いて作製した磁気トンネル接合の磁気抵抗効果素子の磁場−抵抗変化率を示すグラフである。縦軸は磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ膜）の磁気抵抗（ＭＲ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）変化率（％）、横軸は磁気抵抗効果素子に印加する磁場の大きさ（Ｏｅ）である。トンネルバリア層７が平滑になった効果によりバイアス電圧１００ｍＶにおいて約４０％の抵抗変化率が得られた。【００６０】
図１７は、上記製法（第１実施例又は第２実施例）を用いて作製した磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ膜）（ａ）と従来方法で作製した磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ膜）（ｂ）とのＭＲ比（抵抗変化率（％））のバイアス電圧依存性を示すグラフである。本発明を用いて作製された磁気抵抗効果素子は、どのバイアス電圧においても従来の磁気抵抗効果素子に比べて高いＭＲ比が得られている。これは、トンネルバリア層７（アルミナ）の品質が向上した結果である。すなわち、磁気抵抗効果素子の磁気トンネル接合におけるトンネルバリア層の品質を向上し、ネールカップリング磁界をゼロにすることができ、磁気抵抗効果素子の磁気トンネル接合の特性を向上することが可能となる。【００６１】
［第３実施例］
本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法を適用した磁気ランダムアクセスメモリの実施例に関して、添付図面を参照して説明する。【００６２】
まず、本発明の磁気抵抗効果素子を適用した磁気ランダムアクセスメモリの実施例の構成について説明する。図１８は、本発明の磁気抵抗効果素子を磁気ランダムアクセスメモリに適用したメモリセルの構成を示す断面図である。メモリセル４２は、既述の磁気抵抗効果素子３０（又は３０ａ）、下部電極１、上部電極３１、ＭＯＳトランジスタ４６、コンタクト配線４７、コンタクト配線４８を備える。メモリセル４２は、書き込みワード線４３、読み出しワード線４４、ビット線４５、ＧＮＤ線５０に接続されている。【００６３】
ＭＯＳトランジスタ４６は、半導体基板内に設けられた第１拡散層４６ａと、第２拡散層４６ｃと、第１拡散層４６ａと第２拡散層４６ｃとの間の半導体基板上に絶縁層を介して設けられた第１ゲート４６ｂとを含む。第１拡散層４６ａは、コンタクト配線４８を介してＧＮＤ線５０に接続されている。第２拡散層４６ｃは、コンタクト配線４７を介して下部電極１の一端に接続されている。ゲート４６ｂは、読み出しワード線４４に接続されている。下部電極１は、他端において磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）の一端側と接続されている。磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）は、第１実施例又は第２実施例で説明された磁気抵抗効果素子（磁気トンネル接合素子）である。磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）は、他端側において上部電極３１を介してビット線４５と接続されている。また、磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）に対して、ビット線４５と反対の側に下部電極１及び層間絶縁層４９を介して、ビット線４５と直交するように書き込みワード線４３が設けられている。【００６４】
磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）における自由強磁性層８の自発磁化は、メモリセル４２の上を通るビット線４５を流れる電流と、メモリセル４２の下を通る書き込みワード線４３に流れる電流とによって誘起される合成磁場によって、所望の向きに反転される。【００６５】
図１９は、メモリセル４２を用いたＭＲＡＭ６０の構成を示すブロック図である。このＭＲＡＭ６０は、複数のメモリセル４２、複数の参照用メモリセル４２ｒ、複数の書き込みワード線４３、複数の読み出しワード線４４、複数のビット線４５、Ｘセレクタ５８、Ｘ側電流源回路５９、Ｘ側電流終端回路５６、Ｙセレクタ５１、Ｙ側電流源回路５２、読み出し電流負荷回路５３、Ｙ側電流終端回路５４及びセンスアンプ５５を具備する。【００６６】
メモリセル４２は、複数の書き込みワード線４３（複数の読み出しワード線４４）と複数のビット線４５との交点の各々に対応して設けられ、行列に配列されている。Ｘセレクタ５８は、Ｘ軸方向（ワード線方向）に延設されている複数の読み出しワード線４４及び複数の書き込みワード線４３から、読み出し動作時には所望の選択読み出しワード線４４ｓを、書き込み動作時には所望の選択書き込みワード線４３ｓを選択する。Ｘ側電流源回路５９は、メモリセル４２へのデータ書き込み動作時に、定電流を供給する定電流源である。Ｘ側電流終端回路５６は、複数の書き込みワード線４３を終端する。Ｙセレクタ５１は、Ｙ軸方向（ビット線方向）に延設されている複数のビット線４５から、所望の選択ビット線４５ｓを選択する。Ｙ側電流源回路５２は、メモリセル４２へのデータ書き込み動作時に、定電流を供給する定電流源である。読み出し電流負荷回路５３は、メモリセル４２からのデータ読み出し動作時に、選択されたメモリセル４２（以下、選択セル４２ｓ）と、リファレンス用のメモリセル４２ｒに所定の電流を供給する定電流源である。Ｙ側電流終端回路５４は、複数のビット線４５を終端する。センスアンプ５５は、リファレンス用のメモリセル４２ｒにつながるリファレンス用のビット線４５ｒの電圧と、選択セル４２ｓにつながるビット線４５の電圧との差に基づいて、選択セル４２ｓのデータを出力する。【００６７】
メモリセル４２からのデータの読み出しは、以下のようにして行う。すなわち、Ｘセレクタ５８で選択された選択読み出しワード線４４ｓと、Ｙセレクタ５１で選択された選択ビット線４５ｓとの交点に対応する選択セル４２ｓの磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）に対して、読み出し電流負荷回路５３により定電流が供給される。それにより、選択ビット線４５ｓが、磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）の自由強磁性層８の状態（磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）の抵抗値）に対応した大きさを有する電圧となる。一方、ビット線４５ｒと選択読み出しワード線４４ｓとで選択されるリファレンス用のメモリセル４２ｒに対しても、同様に定電流が供給され、ビット線４５ｒが、所定のリファレンス電圧となる。そして、センスアンプ５５は、両電圧の大きさを比較し、例えば、選択ビット線４５ｓの電圧がリファレンス電圧より大きければ選択セル４２ｓのデータは「１」、小さければ「０」と判定する。【００６８】
メモリセル４２へのデータの書き込みは、以下のようにして行う。すなわち、Ｘセレクタ５８で選択された選択書き込みワード線４３ｓと、Ｙセレクタ５１で選択された選択ビット線４５ｓとの交点に対応する選択セル４２ｓの磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）に対して、Ｙ方向の磁界ＨＹとＸ方向の磁界ＨＸとが発生される。これにより、合成磁界Ｈが生成される。ただし、磁界ＨＹは、選択書き込みワード線４３ｓに、Ｘ側電流源回路５９により電流が流されることにより発生する。また、磁界ＨＸは、選択ビット線４５ｓに、Ｙ側電流源回路５２により書き込むデータに対応した向きを有する電流が流されることにより発生する。磁気抵抗効果素子３０（、３０ａ）は、合成磁界Ｈを受け、書き込むデータに対応するように自発磁化の方向を反転する。【００６９】
第１実施例及び第２実施例の磁気抵抗効果素子を用いることで、磁気抵抗効果素子の磁気トンネル接合におけるトンネルバリア層の品質を向上し、ネールカップリング磁界をゼロにすることができ、磁気抵抗効果素子の磁気トンネル接合の特性を向上することが可能となる。そして、この磁気抵抗効果素子を磁気ランダムアクセスメモリに用いることで、磁気ランダムアクセスメモリの製造歩留まりを改善することが可能となる。【００７０】
本発明により、トンネルバリア層の上下の面を平滑とすることができ、トンネルバリア層の品質を向上し、高ＭＲなＭＲＡＭを製造することができる。そして、ネールカップリング磁界を０とすることでオフセット磁界を０に容易に調整することができる。その結果、メモリセル４２間のディスターブに強く、書込み電流を低く抑えたＭＲＡＭを製造することが可能となる。【００７１】
また、本発明の磁気抵抗効果素子は、ＭＲＡＭのほかに、磁気ディスク装置の磁気ヘッドなどいおいて起用することも可能である。本発明により、磁気トンネル接合におけるネールカップリング磁界をゼロにし、トンネルバリア層の品質を向上させることができる。
【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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【国際調査報告】
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