JP2003332652A - Tunnel magnetoresistance element and its manufacturing method, and magnetic memory device and its manufacturing method - Google Patents
Tunnel magnetoresistance element and its manufacturing method, and magnetic memory device and its manufacturing methodInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル磁気抵抗
素子とその製造方法および磁気メモリ装置とその製造方
法に関し、詳しくは、トンネル磁気抵抗素子の信頼性を
高めたトンネル磁気抵抗素子とその製造方法および磁気
メモリ装置とその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tunnel magnetoresistive element and a method of manufacturing the same, a magnetic memory device and a method of manufacturing the same, and more specifically, a tunnel magnetoresistive element having improved reliability of the tunnel magnetoresistive element and a method of manufacturing the same. And a magnetic memory device and a manufacturing method thereof.
【０００２】[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求されて
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。2. Description of the Related Art With the dramatic spread of information communication equipment, especially small personal equipment such as portable terminals, the elements such as memory elements and logic elements are highly integrated, high speed and low power consumption. Higher performance is required such as electric power. In particular, non-volatile memory is considered to be an essential element in the ubiquitous age.
【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。For example, even if the power supply is exhausted or a trouble occurs, or if the server and the network are disconnected due to some trouble, the non-volatile memory can protect important personal information. And high density of non-volatile memory,
Increasing capacity is becoming more and more important as a technology for replacing hard disks and optical disks, which are essentially impossible to miniaturize due to the presence of moving parts.
【０００４】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（Ferr
o 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、構造が複雑な
ために高集積化が困難であり、しかも、アクセス時間が
１００ｎｓ程度と遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡ
Ｍ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。As the non-volatile memory, a flash memory using a semiconductor or an FRAM (Ferr) using a ferroelectric substance is used.
o electric Random Access Memory). However, the flash memory has a drawback that it is difficult to achieve high integration due to its complicated structure and the access time is as slow as about 100 ns. On the other hand, FRA
It has been pointed out that in M, the number of rewritable times is 10 12 to 10 14 and durability is low to completely replace it with a static random access memory or a dynamic random access memory. Further, it has been pointed out that it is difficult to finely process the ferroelectric capacitor.
【０００５】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、例えば「Wang et al.,IEEE T
rans.Magn.33(1997),4498」に記載されているような、
ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）もしくは
ＭＲ（Magenetoresistance）メモリとよばれる磁気メモ
リである。As a non-volatile memory which does not have these drawbacks, for example, “Wang et al., IEEE T
rans.Magn.33 (1997), 4498 '',
It is a magnetic memory called MRAM (Magnetic Random Access Memory) or MR (Magenetoresistance) memory.
【０００６】また、ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistanc
e）効果はR.Meservey et al.,“Pysics Reports”Vol.2
38(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 e
t al.,“J.Magnetism & Magnetic Material”Vol.139(1
995),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。In addition, TMR (Tunnel Magneto Resistanc
e) The effect is R. Meservey et al., “Pysics Reports” Vol.2
38 (1994), p.214-217, the rate of change in resistance was only 1% to 2% at room temperature, but recently T. Miyazaki e.
t al., “J.Magnetism & Magnetic Material” Vol.139 (1
995), L231, a resistance change rate of nearly 20% has been obtained, and attention has been focused on MRAM using the TMR effect.
【０００７】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 Technic
al Papers”(Feb. 2000),p.128-129で報告されている。Since the MRAM has a simple structure, high integration can be easily achieved, and the number of times of rewriting is predicted to be large because recording is performed by rotation of a magnetic moment. The access time is also expected to be extremely high, and it is already possible to operate at 100 MHz. R. Scheuerlein et al., “ISSCC Digest of Technic
al Papers ”(Feb. 2000), p.128-129.
【０００８】このように近年注目されるＭＲＡＭに用い
られるＴＭＲ素子は、２つの磁性層の間にトンネル酸化
膜をはさむ構造で形成されており、２つの磁性層のスピ
ン方向によりトンネル酸化膜を流れる電流の強度が変化
することを利用して記憶を行う記憶素子を構成してい
る。As described above, the TMR element used in the MRAM, which has been receiving attention in recent years, has a structure in which a tunnel oxide film is sandwiched between two magnetic layers, and flows through the tunnel oxide film depending on the spin directions of the two magnetic layers. A memory element that performs memory is configured by utilizing the change in the intensity of current.
【０００９】ここで、従来のＴＭＲ素子の製造方法を図
６の製造工程断面図によって説明する。Here, a conventional method of manufacturing a TMR element will be described with reference to manufacturing step sectional views of FIGS.
【００１０】図６の（１）に示すように、第１強磁性体
層を含む層（例えば反強磁性体層と第１強磁性体層）３
１１、トンネル絶縁層３０３、第２強磁性体層を含む層
（例えば第１強磁性体層とキャップ層）３１４とを順次
積層形成した後、レジスト塗布、リソグラフィー技術に
よって、第２強磁性体層を含む層３１４上にレジストか
らなる第１マスク層７１を形成する。この第１マスク層
７１は、ＴＭＲ素子の形状より大きく形成される。As shown in FIG. 6A, a layer including a first ferromagnetic layer (for example, an antiferromagnetic layer and a first ferromagnetic layer) 3
11, a tunnel insulating layer 303, and a layer including the second ferromagnetic material layer (for example, the first ferromagnetic material layer and the cap layer) 314 are sequentially laminated, and then the second ferromagnetic material layer is formed by resist coating and a lithography technique. A first mask layer 71 made of a resist is formed on the layer 314 including the. The first mask layer 71 is formed larger than the shape of the TMR element.
【００１１】その後、第１マスク層７１をエッチングマ
スクに用いたエッチング技術によって、第２強磁性体層
を含む層３１４から第１強磁性体層を含む層３１１まで
をエッチングする。次に、上記第１マスク層７１を除去
する。続いて、図６の（２）に示すように、第２強磁性
体層を含む層３１４上にレジストからなる第２マスク層
７３を形成する。この第２マスク層７３は、ＴＭＲ素子
形状と同等の大きさに形成される。次いで、この第２マ
スク層７３をエッチングマスクに用いたエッチング技術
によって、第２強磁性体層を含む層３１４の２点鎖線で
示す部分をエッチングする。その後、上記第２マスク層
７３を除去する。このようにして、ＴＭＲ素子１３を形
成する。Thereafter, the layer 314 containing the second ferromagnetic layer to the layer 311 containing the first ferromagnetic layer are etched by an etching technique using the first mask layer 71 as an etching mask. Next, the first mask layer 71 is removed. Subsequently, as shown in (2) of FIG. 6, a second mask layer 73 made of a resist is formed on the layer 314 including the second ferromagnetic layer. The second mask layer 73 is formed in the same size as the TMR element shape. Then, the portion indicated by the chain double-dashed line of the layer 314 including the second ferromagnetic layer is etched by an etching technique using the second mask layer 73 as an etching mask. Then, the second mask layer 73 is removed. In this way, the TMR element 13 is formed.
【００１２】上記製造方法では、１回目のエッチングで
は、加工面に導電性の加工生成物が付着するが、２回目
のエッチング時に付着した加工生成物も除去されるた
め、トンネル絶縁層を挟む第１、第２強磁性体層間の導
通は回避される。In the above-mentioned manufacturing method, the conductive processed product adheres to the processed surface in the first etching, but the processed product adhered in the second etching is also removed. Conduction between the first and second ferromagnetic layers is avoided.
【００１３】[0013]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では２回のマスク層を形成する工程を行う必要
がある。通常、マスク層を形成する際には、マスク層に
対して、マスク合わせ余裕と、レジスト加工やエッチン
グ加工等の加工精度余裕を見込んで、マスク層の寸法を
設計する必要がある。そのため、ＴＭＲ素子の形状が大
きくなり、素子の高集積化の障害となっていた。また、
２回のマスク工程を行うことは、プロセス上の負荷が大
きくなっていた。However, in the above conventional technique, it is necessary to perform the step of forming the mask layer twice. Normally, when forming the mask layer, it is necessary to design the dimensions of the mask layer in consideration of the mask alignment margin and the machining accuracy margin such as resist processing and etching processing with respect to the mask layer. Therefore, the shape of the TMR element becomes large, which has been an obstacle to high integration of the element. Also,
Performing the mask process twice has a heavy process load.
【００１４】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、プロセス負荷を軽減するとともに、マスク合わ
せ余裕を低減することにより高集積化を可能としたトン
ネル磁気抵抗素子の製造方法とトンネル磁気抵抗素子お
よび磁気メモリ装置の製造方法と磁気メモリ装置を提供
することにある。The present invention has been made in view of the above problems, and a method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element and a tunnel magnetic element which enable high integration by reducing the process load and the mask alignment margin. A method of manufacturing a resistance element and a magnetic memory device, and a magnetic memory device.
【００１５】[0015]
【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トンネル磁気抵抗素子の製造方法
とトンネル磁気抵抗素子および磁気メモリ装置の製造方
法と磁気メモリ装置である。The present invention is a method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element, a method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element and a magnetic memory device, and a magnetic memory device, which have been made to solve the above problems.
【００１６】本発明のトンネル磁気抵抗素子の製造方法
は、第１強磁性体層を含む層、トンネル絶縁層、第２強
磁性体層を含む層を下層より順次積層して、この積層膜
を加工してトンネル磁気抵抗素子を形成するトンネル磁
気抵抗素子の製造方法であって、前記積層膜の第２強磁
性体層を含む層上にトンネル磁気抵抗素子形状よりも大
きいマスク層を形成する工程と、前記マスク層を加工マ
スクに用いて前記第２強磁性体層を含む層から前記第１
強磁性体層を含む層までを加工する工程と、前記マスク
層をトンネル磁気抵抗素子形状の大きさに縮小する工程
と、前記縮小したマスク層を加工マスクに用いて前記第
２強磁性体層を含む層をトンネル絶縁層まで加工する工
程とを備えている。According to the method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention, a layer including a first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a layer including a second ferromagnetic layer are sequentially laminated from the lower layer, and this laminated film is formed. A method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element by processing to form a tunnel magnetoresistive element, the method comprising forming a mask layer larger than a tunnel magnetoresistive element shape on a layer including a second ferromagnetic layer of the laminated film. And using the mask layer as a processing mask from a layer including the second ferromagnetic layer to the first
Processing up to a layer including a ferromagnetic layer, reducing the mask layer to a size of a tunnel magnetoresistive element, and using the reduced mask layer as a processing mask, the second ferromagnetic layer And a step of processing the layer including the layer up to the tunnel insulating layer.
【００１７】上記トンネル磁気抵抗素子の製造方法で
は、はじめにトンネル磁気抵抗素子形状よりも大きいマ
スク層を形成して、そのマスク層を加工マスクに用いて
第２強磁性体層を含む層から第１強磁性体層を含む層ま
でを加工する。このとき、加工生成物が発生して、第２
強磁性体層を含む層から第１強磁性体層を含む層の加工
面に加工生成物が付着する。しかしながら、次の工程
で、先に形成したマスク層をトンネル磁気抵抗素子の形
状と同等の大きさに縮小し、その縮小したマスクを用い
て第２強磁性体層を含む層を加工することから、第２強
磁性体層を含む層に付着した加工生成物は第２強磁性体
層を含む層の加工時に一緒に除去される。たとえ、この
加工において導電性の加工生成物が発生したとしても、
第２強磁性体層を含む層の加工面に付着することはあっ
ても、第２強磁性体層を含む層と第１強磁性体層を含む
層とを導通するように加工生成物は付着しない。また、
この製造方法では、マスク層を形成するリソグラフィー
工程が１回ですむので、リソグラフィー技術における合
わせずれ量を従来の製造方法よりも低減することが可能
となる。すなわち、１回の合わせずれ量分だけ、セル面
積の縮小化が可能となる。In the method for manufacturing the tunnel magnetoresistive element, first, a mask layer having a size larger than that of the tunnel magnetoresistive element is formed, and the mask layer is used as a processing mask to form a layer including the second ferromagnetic layer from the first layer. The layers including the ferromagnetic layer are processed. At this time, processed products are generated and the second
The processed product adheres from the layer including the ferromagnetic layer to the processed surface of the layer including the first ferromagnetic layer. However, in the next step, the previously formed mask layer is reduced to a size equivalent to the shape of the tunnel magnetoresistive element, and the layer including the second ferromagnetic layer is processed using the reduced mask. The processed products attached to the layer containing the second ferromagnetic layer are removed together when the layer containing the second ferromagnetic layer is processed. Even if conductive processed products are generated in this process,
The processed product may adhere to the processed surface of the layer including the second ferromagnetic layer, but the processed product may be electrically connected to the layer including the second ferromagnetic layer and the layer including the first ferromagnetic layer. Does not adhere. Also,
In this manufacturing method, since the lithography step for forming the mask layer is only required once, it is possible to reduce the amount of misalignment in the lithography technique as compared with the conventional manufacturing method. That is, the cell area can be reduced by the amount of one misalignment.
【００１８】本発明のトンネル磁気抵抗素子は、第１強
磁性体層を含む層と第２強磁性体層を含む層とでトンネ
ル絶縁層を挟んで構成されるトンネル磁気抵抗素子であ
って、前記第２強磁性体層を含む層上に形成されたマス
ク層を加工マスクに用いて、前記第２強磁性体層を含む
層から前記第１強磁性体層を含む層をトンネル磁気抵抗
素子形状よりも大きい形状に形成した後、前記マスク層
をトンネル磁気抵抗素子形状の大きさに縮小したマスク
層を加工マスクに用いて、前記第２強磁性体層を含む層
を前記トンネル絶縁層まで加工することで形成されたも
のからなる。The tunnel magnetoresistive element of the present invention is a tunnel magnetoresistive element constructed by sandwiching a tunnel insulating layer between a layer containing a first ferromagnetic layer and a layer containing a second ferromagnetic layer, The mask layer formed on the layer including the second ferromagnetic layer is used as a processing mask, and the layer including the first ferromagnetic layer is changed from the layer including the second ferromagnetic layer to the tunnel magnetoresistive element. After forming the mask layer into a shape larger than the shape, the mask layer obtained by reducing the size of the mask layer to the size of the tunnel magnetoresistive element is used as a processing mask, and the layer including the second ferromagnetic layer is extended to the tunnel insulating layer. It is formed by processing.
【００１９】上記トンネル磁気抵抗素子では、マスク縮
小分の距離を絶縁部分の距離としてトンネル絶縁層で確
保されるので、第１強磁性体層を含む層と第２強磁性体
層を含む層との導通が回避される。よって、安定した動
作特性が得られる。また、マスク層の形成工程が１回に
なることから、マスク層の合わせ余裕を２回考慮する必
要がなくなり、１回分の合わせ余裕分だけ、セル面積の
縮小化が図れる構成が提供される。そのため、セルの高
集積化が図れる。In the tunnel magnetoresistive element, since the tunnel insulating layer is secured with the distance corresponding to the mask reduction as the distance of the insulating portion, the layer including the first ferromagnetic layer and the layer including the second ferromagnetic layer are provided. Is avoided. Therefore, stable operation characteristics can be obtained. Further, since the mask layer forming step is performed once, it is not necessary to consider the mask layer alignment margin twice, and a configuration in which the cell area can be reduced by the alignment margin for one time is provided. Therefore, high integration of cells can be achieved.
【００２０】本発明の磁気メモリ装置の製造方法は、第
１配線を形成する工程と、トンネル絶縁層を強磁性体層
で挟んでなるもので前記第１配線と電気的に絶縁された
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不揮発性の磁気メモ
リ装置の製造方法において、前記トンネル磁気抵抗素子
の製造工程は、第１強磁性体層を含む層、トンネル絶縁
層、第２強磁性体層を含む層を下層より順次積層する工
程と、前記第２強磁性体層を含む層上にトンネル磁気抵
抗素子形状よりも大きいマスク層を形成する工程と、前
記マスク層を加工マスクに用いて前記第２強磁性体層を
含む層から前記第１強磁性体層を含む層までを加工する
工程と、前記マスク層をトンネル磁気抵抗素子形状の大
きさに縮小する工程と、前記縮小したマスク層を加工マ
スクに用いて前記第２強磁性体層を含む層をトンネル絶
縁層まで加工する工程とを備えている。A method of manufacturing a magnetic memory device according to the present invention comprises a step of forming a first wiring, and a tunnel magnetic layer which is electrically insulated from the first wiring by sandwiching a tunnel insulating layer between ferromagnetic layers. A step of forming a resistance element; and a step of electrically connecting to the tunnel magnetoresistive element and forming a second wiring that three-dimensionally intersects the first wiring with the tunnel magnetoresistive element in between. In the method for manufacturing a non-volatile magnetic memory device, the tunnel magnetoresistive element manufacturing step includes: stacking a layer including a first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a layer including a second ferromagnetic layer in order from a lower layer. And a step of forming a mask layer having a size larger than that of the tunnel magnetoresistive element on the layer including the second ferromagnetic layer, and including the second ferromagnetic layer using the mask layer as a processing mask. Layer from the first Processing up to a layer including a ferromagnetic layer, reducing the mask layer to a size of a tunnel magnetoresistive element, and using the reduced mask layer as a processing mask, the second ferromagnetic layer And a step of processing the layer including the layer up to the tunnel insulating layer.
【００２１】上記磁気メモリ装置の製造方法では、前記
説明したトンネル磁気抵抗素子の製造方法と同様に、第
２強磁性体層を含む層と第１強磁性体層を含む層とを導
通するような加工生成物の付着を防止することができ、
また、マスク層を形成するリソグラフィー工程が１回で
すむので、リソグラフィー技術における合わせずれ量を
従来の製造方法よりも低減することが可能となる。すな
わち、１回の合わせずれ量分だけ、セル面積の縮小化が
可能となる。In the method of manufacturing the magnetic memory device, the layer including the second ferromagnetic layer and the layer including the first ferromagnetic layer are electrically connected to each other, similarly to the method of manufacturing the tunnel magnetoresistive element described above. It is possible to prevent the adhesion of various processed products,
Further, since the lithography process for forming the mask layer is performed only once, the misalignment amount in the lithography technique can be reduced as compared with the conventional manufacturing method. That is, the cell area can be reduced by the amount of one misalignment.
【００２２】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層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は、第１強
磁性体層を含む層と第２強磁性体層を含む層とでトンネ
ル絶縁層を挟んで構成されるもので、前記第２強磁性体
層を含む層上に形成されたマスク層を加工マスクに用い
て、前記第２強磁性体層を含む層から前記第１強磁性体
層を含む層をトンネル磁気抵抗素子形状よりも大きい形
状に形成した後、前記マスク層をトンネル磁気抵抗素子
形状の大きさに縮小したマスク層を加工マスクに用い
て、前記第２強磁性体層を含む層を前記トンネル絶縁層
まで加工することで形成されたものからなるものであ
る。The magnetic memory device of the present invention comprises a first wiring,
A second wiring that three-dimensionally intersects the first wiring;
It is electrically insulated from a wiring and electrically connected to the second wiring, and is formed by sandwiching a tunnel insulating layer between ferromagnetic layers in an intersecting region of the first wiring and the second wiring. A non-volatile magnetic memory device comprising a tunnel magnetoresistive element for storing information by utilizing the fact that the resistance value changes depending on whether the spin directions of the ferromagnetic body are parallel or antiparallel. The element is configured by sandwiching a tunnel insulating layer between a layer including a first ferromagnetic layer and a layer including a second ferromagnetic layer, and is formed on the layer including the second ferromagnetic layer. The mask layer is used as a processing mask to form the layer including the first ferromagnetic layer from the layer including the second ferromagnetic layer in a shape larger than the tunnel magnetoresistive element shape, and then the mask layer is formed. Reduced to the size of the tunnel magnetoresistive element The mask-layer by using the processing mask, is made of those of the layer containing the second ferromagnetic layer is formed by processing up to the tunnel insulating layer.
【００２３】上記磁気メモリ装置では、前記説明したト
ンネル磁気抵抗素子と同様に、マスク縮小分の距離を絶
縁部分の距離としてトンネル絶縁層で確保されるので、
第１強磁性体層を含む層と第２強磁性体層を含む層との
導通が回避される。よって、安定した動作特性が得られ
る。また、マスク層の形成工程が１回になることから、
マスク層の合わせ余裕を２回考慮する必要がなくなり、
１回分の合わせ余裕分だけ、セル面積の縮小化が図れる
構成が提供される。そのため、セルの高集積化が図れ
る。In the above magnetic memory device, as in the tunnel magnetoresistive element described above, the tunnel insulating layer ensures the distance corresponding to the mask reduction as the distance of the insulating portion.
Conduction between the layer including the first ferromagnetic layer and the layer including the second ferromagnetic layer is avoided. Therefore, stable operation characteristics can be obtained. Further, since the mask layer forming step is performed once,
There is no need to consider the mask layer alignment margin twice,
A configuration is provided in which the cell area can be reduced by the margin for one-time alignment. Therefore, high integration of cells can be achieved.
【００２４】[0024]
【発明の実施の形態】本発明のトンネル磁気抵抗（ＴＭ
Ｒ）素子の製造方法に係る第１実施の形態を、図１の製
造工程断面図によって説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The tunnel magnetic resistance (TM) of the present invention
The first embodiment of the method for manufacturing the (R) element will be described with reference to manufacturing process sectional views of FIG.
【００２５】図１の（１）に示すように、第１強磁性体
層を含む層（例えば、反強磁性体層と磁化固定層となる
第１強磁性体層）３１１、トンネル絶縁層３０３、第２
強磁性体層を含む層（例えば第２強磁性体層とキャップ
層）３１４を下層より順次積層する。As shown in FIG. 1A, a layer including a first ferromagnetic layer (for example, a first ferromagnetic layer serving as an antiferromagnetic layer and a magnetization fixed layer) 311, a tunnel insulating layer 303. , Second
A layer including a ferromagnetic layer (for example, a second ferromagnetic layer and a cap layer) 314 is sequentially laminated from the lower layer.
【００２６】上記反強磁性体層は、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
いて形成される。この反強磁性体層は、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
導電層を兼ねることも可能である。The antiferromagnetic material layer is made of, for example, iron-manganese alloy, nickel-manganese alloy, platinum-manganese alloy,
Iridium / manganese alloy, rhodium / manganese alloy,
It is formed by using one of cobalt oxide and nickel oxide. This antiferromagnetic material layer can also serve as a conductive layer used for connection with the switching element connected in series with the TMR element.
【００２７】上記第１強磁性体層は、磁化固定層となる
もので、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
からなる合金材料の強磁性体で形成される。この第１強
磁性体層は、反強磁性体層と接する状態に形成されてい
て、第１強磁性体層と反強磁性体層との層間に働く交換
相互作用によって、第１強磁性体層は、強い一方向の磁
気異方性を有している。すなわち、第１強磁性体層は反
強磁性体層との交換結合によって磁化の方向がピニング
(pinning)される。The first ferromagnetic layer serves as a magnetization fixed layer, and is formed of, for example, a ferromagnetic material made of nickel, iron or cobalt, or an alloy material containing at least two kinds of nickel, iron and cobalt. To be done. The first ferromagnetic layer is formed in contact with the antiferromagnetic layer, and the first ferromagnetic layer is formed by the exchange interaction between the first ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer. The layer has a strong unidirectional magnetic anisotropy. That is, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer is pinned by exchange coupling with the antiferromagnetic layer.
(pinned).
【００２８】なお、上記第１強磁性体層は、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
磁性体層側から、強磁性体層と、磁性層が反強磁性的に
結合するような導電体層と、別の強磁性体層とを順に積
層した構成としてもよい。この第１強磁性体層は、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。The first ferromagnetic layer may have a structure in which magnetic layers are laminated with a conductive layer sandwiched therebetween. For example, a configuration may be adopted in which a ferromagnetic layer, a conductive layer in which a magnetic layer is antiferromagnetically coupled, and another ferromagnetic layer are sequentially stacked from the antiferromagnetic layer side. The first ferromagnetic layer may have a structure in which three or more ferromagnetic layers are laminated with a conductor layer interposed therebetween. For the conductor layer, for example, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like can be used.
【００２９】上記トンネル絶縁層３０３は、記憶層とな
る上記第２強磁性体層と上記磁化固定層となる第１強磁
性体層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３１
４の膜厚は、０．５ｎｍ〜５ｎｍと非常に薄いため、Ａ
ＬＤ（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。The tunnel insulating layer 303 has a function of cutting the magnetic coupling between the second ferromagnetic layer serving as a memory layer and the first ferromagnetic layer serving as the magnetization fixed layer, and for allowing a tunnel current to flow. Have. Therefore, the thickness is usually 0.
Although aluminum oxide having a thickness of 5 nm to 5 nm is used, for example, magnesium oxide, silicon oxide, aluminum nitride, magnesium nitride, silicon nitride, aluminum oxynitride, magnesium oxynitride, or silicon oxynitride may be used. As described above, the tunnel insulating layer 31
The film thickness of 4 is very thin, 0.5 nm to 5 nm, so
It is formed by an LD (Atomic Layer Deposition) method.
Alternatively, it is formed by depositing a metal film such as aluminum by sputtering and then performing plasma oxidation or nitridation.
【００３０】上記第２強磁性体層は、記憶層となるもの
で、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
なる合金材料の強磁性体で形成される。この第２強磁性
体層は外部印加磁場によって磁化の方向が下層の磁化固
定層となる第１強磁性体層に対して、平行または反平行
に変えることができる。The second ferromagnetic layer serves as a memory layer and is formed of, for example, a ferromagnetic material made of nickel, iron or cobalt, or an alloy material containing at least two of nickel, iron and cobalt. It The direction of magnetization of the second ferromagnetic layer can be changed to parallel or antiparallel to the first ferromagnetic layer, which is the lower fixed magnetization layer, by an externally applied magnetic field.
【００３１】上記キャップ層は、ＴＭＲ素子と別のＴＭ
Ｒ素子とを接続する配線との相互拡散防止、接触抵抗低
減および記憶層となる第１強磁性体層の酸化防止という
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る。The cap layer is a TM different from the TMR element.
It has the functions of preventing mutual diffusion with the wiring connecting to the R element, reducing the contact resistance, and preventing the oxidation of the first ferromagnetic layer serving as the storage layer. Usually, it is formed of a material such as copper, tantalum nitride, tantalum, titanium nitride or the like.
【００３２】次いで、上記第２強磁性体層を含む層３１
４上にＴＭＲ素子形状よりも大きいマスク層５１を形成
する。このマスク層５１は、通常のレジスト塗布、リソ
グラフィー技術によって形成される。Next, the layer 31 including the second ferromagnetic layer
A mask layer 51 having a larger size than the TMR element shape is formed on the surface 4. The mask layer 51 is formed by ordinary resist coating and lithographic techniques.
【００３３】次に、上記マスク層５１を加工マスク（例
えばエッチングマスク）に用いて、上記第２強磁性体層
を含む層３１４から上記第１強磁性体層を含む層３１１
までを加工する。Next, using the mask layer 51 as a processing mask (for example, an etching mask), the layer 314 containing the second ferromagnetic layer to the layer 311 containing the first ferromagnetic layer.
Process up to.
【００３４】次に、図１の（２）に示すように、通常の
スリミング技術を用いて、上記マスク層５１（２点鎖線
で示す）を矢印で示す方向に縮小して、縮小したマスク
層５２を形成する。例えば、マスク層５１のみを等方的
にエッチングして、マスク層５１をＴＭＲ素子の形状と
同等の大きさに縮小する。なお、マスク層５１は、この
スリミング技術によって膜厚が減少するが、膜厚が減少
しても、後の工程におけるエッチングマスクとして十分
に使えるだけの膜厚に予め形成しておく。Next, as shown in (2) of FIG. 1, the mask layer 51 (shown by a chain double-dashed line) is contracted in the direction shown by the arrow by using a normal slimming technique to reduce the mask layer. 52 is formed. For example, only the mask layer 51 is isotropically etched to reduce the size of the mask layer 51 to a size equivalent to the shape of the TMR element. The thickness of the mask layer 51 is reduced by this slimming technique. Even if the thickness is reduced, the mask layer 51 is formed in advance so that it can be sufficiently used as an etching mask in a later step.
【００３５】次いで、図１の（３）に示すように、上記
縮小したマスク層５２を加工マスク（エッチングマス
ク）に用いて、トンネル絶縁層３０３に対して選択比の
高いエッチング条件にて、上記第２強磁性体層を含む層
３１４をトンネル絶縁層３０３まで加工する。このと
き、極薄膜で形成されているトンネル絶縁層３０３もエ
ッチングされる場合があるが、トンネル絶縁層３０３が
エッチングされても、このときに生成される加工生成物
は絶縁性のものとなるため、この加工生成物がトンネル
絶縁層３０３を挟んで形成されている第２強磁性体層と
第１強磁性体層とを導通させるようなことはない。Then, as shown in (3) of FIG. 1, the reduced mask layer 52 is used as a processing mask (etching mask) under the etching conditions having a high selection ratio with respect to the tunnel insulating layer 303. The layer 314 including the second ferromagnetic layer is processed up to the tunnel insulating layer 303. At this time, the tunnel insulating layer 303 formed of an extremely thin film may be etched, but even if the tunnel insulating layer 303 is etched, the processed product generated at this time becomes an insulating product. However, this processed product does not electrically connect the second ferromagnetic layer and the first ferromagnetic layer which are formed with the tunnel insulating layer 303 interposed therebetween.
【００３６】上記各エッチングでは、一例としては、エ
ッチング装置に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasm
a）方式のエッチング装置を用い、そのソースＲＦとし
て１３．５６ＭＨｚ、バイアスＲＦとして１２．５６Ｍ
Ｈｚの高周波を用いた。またエッチングガスには塩素ガ
スを用いた。このエッチング条件としては、エッチング
雰囲気の圧力を０．５Ｐａ、ＩＣＰソースＲＦを２５０
Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）、バイアスＲＦを１５０Ｗ（１
２．５６ＭＨｚ）、塩素ガス流量を６０ｃｍ3 ／ｍｉ
ｎ、電極温度を７０℃に設定した。In each of the above etchings, as an example, an ICP (Inductively Coupled Plasm
a) type etching equipment, its source RF is 13.56MHz, bias RF is 12.56M
A high frequency of Hz was used. Chlorine gas was used as the etching gas. As the etching conditions, the pressure of the etching atmosphere is 0.5 Pa and the ICP source RF is 250.
W (13.56MHz), bias RF 150W (1
2.56 MHz), chlorine gas flow rate 60 cm 3 / mi
n, and the electrode temperature was set to 70 ° C.
【００３７】次に、本発明のトンネル磁気抵抗素子の製
造方法に係る第２実施の形態を、図２の製造工程断面図
によって説明する。第２実施の形態はマスク層の形成工
程および縮小工程が第１実施の形態と異なるが、その他
の工程は第１実施の形態と同様である。そこで、図２で
は、マスク層の形成工程および縮小工程を中心に説明す
る。Next, a second embodiment of the method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element according to the present invention will be described with reference to manufacturing process sectional views of FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in the mask layer forming step and the reducing step, but the other steps are the same as those in the first embodiment. Therefore, in FIG. 2, the mask layer forming step and the reducing step will be mainly described.
【００３８】図２の（１）に示すように、第１強磁性体
層を含む層（例えば、反強磁性体層と磁化固定層となる
第１強磁性体層）３１１、トンネル絶縁層３０３、第２
強磁性体層を含む層（例えば第２強磁性体層とキャップ
層）３１４を下層より順次積層する。As shown in FIG. 2A, a layer including the first ferromagnetic layer (for example, the first ferromagnetic layer serving as the antiferromagnetic layer and the magnetization fixed layer) 311, the tunnel insulating layer 303. , Second
A layer including a ferromagnetic layer (for example, a second ferromagnetic layer and a cap layer) 314 is sequentially laminated from the lower layer.
【００３９】上記反強磁性体層、上記第１強磁性体層、
上記第１強磁性体層、上記トンネル絶縁層３０３、上記
第２強磁性体層、上記キャップ層には、上記説明した材
料と同様なる材料を用いる。The antiferromagnetic layer, the first ferromagnetic layer,
The same materials as those described above are used for the first ferromagnetic layer, the tunnel insulating layer 303, the second ferromagnetic layer, and the cap layer.
【００４０】次いで、上記第２強磁性体層を含む層３１
４上にマスク層を形成する層を、例えば酸化シリコン膜
で形成する。その後、通常のレジスト塗布、リソグラフ
ィー技術により、ＴＭＲ素子の形状より大きいレジスト
マスク６１を形成する。このレジストマスク６１を用い
たエッチング技術により、酸化シリコン膜を加工する。
さらにレジストマスク６１をスリミング技術によってＴ
ＭＲ素子形状と同等の大きさに縮小した後、さらに縮小
したレジストマスク（２点鎖線で示す部分）６２を用い
て酸化シリコン膜を途中までエッチングして、段差を設
けたマスク層５５を形成する。Next, the layer 31 including the second ferromagnetic layer
A layer for forming a mask layer is formed on 4 by a silicon oxide film, for example. After that, a resist mask 61 larger than the shape of the TMR element is formed by the ordinary resist coating and the lithography technique. The silicon oxide film is processed by the etching technique using the resist mask 61.
Further, the resist mask 61 is made into a T
After the size is reduced to the same size as the MR element shape, the silicon oxide film is etched halfway using the size-reduced resist mask (portion indicated by a chain double-dashed line) 62 to form a mask layer 55 having a step. .
【００４１】次に、上記マスク層５５を加工マスク（例
えばエッチングマスク）に用いて、上記第２強磁性体層
を含む層３１４から上記第１強磁性体層を含む層３１１
までを加工する。Next, using the mask layer 55 as a processing mask (eg, etching mask), the layer 314 containing the second ferromagnetic layer to the layer 311 containing the first ferromagnetic layer.
Process up to.
【００４２】次に、図２の（２）に示すように、例え
ば、マスク層５５の段差凸部の形状を残すように、この
マスク層５５のみを異方性エッチングして、マスク層５
５をＴＭＲ素子の形状と同等の大きさに縮小し、縮小し
たマスク層５６を形成する。なお、マスク層５５は、こ
のエッチングによって膜厚が減少するが、膜厚が減少し
ても、後の工程におけるエッチングマスクとして十分に
使えるだけの膜厚に予め形成しておく。Next, as shown in FIG. 2B, for example, only the mask layer 55 is anisotropically etched so as to leave the shape of the step convex portion of the mask layer 55, and the mask layer 5 is formed.
5 is reduced to a size equivalent to the shape of the TMR element, and the reduced mask layer 56 is formed. Although the mask layer 55 has a reduced film thickness due to this etching, the mask layer 55 is formed in advance to a film thickness sufficient to be used as an etching mask in a later step even if the film thickness is reduced.
【００４３】次いで、図２の（３）に示すように、上記
縮小したマスク層５６を加工マスク（エッチングマス
ク）に用いて、トンネル絶縁層３０３に対して選択比の
高いエッチング条件にて、上記第２強磁性体層を含む層
３１４をトンネル絶縁層３０３まで加工してＴＭＲ素子
１３を形成する。Then, as shown in (3) of FIG. 2, the reduced mask layer 56 is used as a processing mask (etching mask) under the etching condition having a high selection ratio with respect to the tunnel insulating layer 303. The layer 314 including the second ferromagnetic layer is processed up to the tunnel insulating layer 303 to form the TMR element 13.
【００４４】上記積層膜の各エッチングは、第１実施の
形態と同様なるエッチングにて行うことができる。Each etching of the laminated film can be performed by the same etching as in the first embodiment.
【００４５】このように、本発明のＴＭＲ素子１３は、
第１強磁性体層を含む層３１１と第２強磁性体層を含む
層３１４とでトンネル絶縁層３０３を挟んで構成され、
第２強磁性体層を含む層３１４上に形成されたマスク層
５１を加工マスクに用いて、第２強磁性体層を含む層３
１４から第１強磁性体層を含む層３１１をＴＭＲ素子形
状よりも大きい形状に形成した後、マスク層５１（５
５）をＴＭＲ素子形状の大きさに縮小して、この縮小し
たマスク層５２（５６）を加工マスクに用いて、第２強
磁性体層を含む層３１４をトンネル絶縁層３０３までを
加工することで形成されたものからなる。As described above, the TMR element 13 of the present invention is
The tunnel insulating layer 303 is sandwiched between the layer 311 including the first ferromagnetic layer and the layer 314 including the second ferromagnetic layer,
Using the mask layer 51 formed on the layer 314 including the second ferromagnetic material layer as a processing mask, the layer 3 including the second ferromagnetic material layer
After forming the layer 311 including the first ferromagnetic layer from 14 to a shape larger than the shape of the TMR element, the mask layer 51 (5
5) is reduced to the size of the TMR element shape, and the layer 314 including the second ferromagnetic layer is processed up to the tunnel insulating layer 303 by using the reduced mask layer 52 (56) as a processing mask. It is made of.
【００４６】上記ＴＭＲ素子の製造方法では、はじめに
ＴＭＲ素子形状よりも大きいマスク層５１（５５）を形
成して、そのマスク層５１（５５）を加工マスクに用い
て第２強磁性体層を含む層３１４から第１強磁性体層を
含む層３１１までを加工する。このとき、加工生成物が
発生して、第２強磁性体層を含む層３１４から第１強磁
性体層を含む層３１１の加工面に加工生成物が付着す
る。しかしながら、次の工程で、先に形成したマスク層
５１（５５）をＴＭＲ素子の形状と同等の大きさに縮小
し、その縮小したマスク５２（５６）を用いて第２強磁
性体層を含む層３１４を加工することから、第２強磁性
体層を含む層３１４に付着した加工生成物は第２強磁性
体層を含む層３１４の加工時に一緒に除去される。たと
え、この加工において導電性の加工生成物が発生したと
しても、第２強磁性体層を含む層３１４の加工面に付着
することはあっても、第２強磁性体層を含む層３１４と
第１強磁性体層を含む層３１１とを導通するように加工
生成物は付着しない。また、この製造方法では、マスク
層５１（５５）を形成するリソグラフィー工程が１回で
すむので、リソグラフィー技術における合わせずれ量を
従来の製造方法よりも低減することが可能となる。すな
わち、１回の合わせずれ量分だけ、セル面積の縮小化が
可能となる。In the method of manufacturing the TMR element described above, first, the mask layer 51 (55) larger than the shape of the TMR element is formed, and the mask layer 51 (55) is used as a processing mask to include the second ferromagnetic layer. The layer 314 to the layer 311 including the first ferromagnetic layer are processed. At this time, a processed product is generated, and the processed product adheres from the layer 314 including the second ferromagnetic layer to the processed surface of the layer 311 including the first ferromagnetic layer. However, in the next step, the previously formed mask layer 51 (55) is reduced to a size equivalent to the shape of the TMR element, and the reduced mask 52 (56) is used to include the second ferromagnetic layer. Since the layer 314 is processed, the processing products attached to the layer 314 including the second ferromagnetic layer are removed together when the layer 314 including the second ferromagnetic layer is processed. Even if a conductive processed product is generated in this processing, it may adhere to the processed surface of the layer 314 containing the second ferromagnetic material layer, but with the layer 314 containing the second ferromagnetic material layer. The processed product does not adhere so as to be electrically connected to the layer 311 including the first ferromagnetic layer. Further, in this manufacturing method, since the lithography step for forming the mask layer 51 (55) is performed only once, the misalignment amount in the lithography technique can be reduced as compared with the conventional manufacturing method. That is, the cell area can be reduced by the amount of one misalignment.
【００４７】上記ＴＭＲ素子では、マスク層の形成工程
が１回になることから、マスク層の合わせ余裕を２回考
慮する必要がなくなり、１回分の合わせ余裕分だけ、セ
ル面積の縮小化が図れる構成が提供される。そのため、
セルの高集積化が図れる。In the TMR element described above, since the mask layer forming step is performed once, it is not necessary to consider the mask layer alignment margin twice, and the cell area can be reduced by one alignment margin. A configuration is provided. for that reason,
High integration of cells can be achieved.
【００４８】次に、本発明の磁気メモリ装置の一例とし
てＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）を図３
〜図５によって説明する。Next, as an example of the magnetic memory device of the present invention, an MRAM (Magnetic Random Access Memory) is shown in FIG.
~ It demonstrates by FIG.
【００４９】図３は、ＭＲＡＭ主要部を簡略化して示し
た概略構成斜視図であり、読み出し回路部分の図示は省
略されている。図３に示すように、９個のメモリセルを
含み、相互に交差する書き込みワード線１１（１１１、
１１２、１１３）およびビット線１２（１２１、１２
２、１２３）を有する。それらの書き込みワード線１１
とビット線１２の交差領域には、磁気抵抗効果（ＴＭ
Ｒ）素子１３（１３１〜１３９）が配置されている。Ｔ
ＭＲ素子１３への書き込みは、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
磁界によってビット線１２と書き込みワード線１１との
交差領域に形成されたＴＭＲ素子１３の第２強磁性体層
を含む層３１４（第２強磁性体層３０４+キャップ層３
０５）のうち記憶層となる第２強磁性体層３０４の磁化
方向を、第１強磁性体層を含む層３１１（反強磁性体層
３０１+第１強磁性体層３０２）のうち磁化固定層とな
る第１強磁性体層３０２に対して平行または反平行にし
て行う。FIG. 3 is a schematic perspective view showing the main part of the MRAM in a simplified manner, and the illustration of the read circuit part is omitted. As shown in FIG. 3, write word lines 11 (111, 111) that include nine memory cells and intersect each other.
112, 113) and the bit line 12 (121, 12)
2, 123). Their write word lines 11
The magnetoresistive effect (TM
R) element 13 (131 to 139) is arranged. T
Writing to the MR element 13 is performed by passing a current through the bit line 12 and the write word line 11, and by a combined magnetic field generated from the current, the second strongest of the TMR element 13 formed in the intersection region between the bit line 12 and the write word line 11. Layer 314 including magnetic layer (second ferromagnetic layer 304 + cap layer 3)
05), the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 304 serving as the storage layer is fixed in the layer 311 including the first ferromagnetic layer (antiferromagnetic layer 301 + first ferromagnetic layer 302). It is performed in parallel or anti-parallel to the first ferromagnetic layer 302 serving as a layer.
【００５０】このＴＭＲ素子１３は、前記図１（もしく
は前記図２）によって説明したように、第１強磁性体層
を含む層３１１と第２強磁性体層を含む層３１４とでト
ンネル絶縁層３０３を挟んで構成されるもので、第２強
磁性体層を含む層３１４上に形成されたマスク層５１
（５５）を加工マスクに用いて、第２強磁性体層を含む
層３１４から第１強磁性体層を含む層３１１をＴＭＲ素
子形状よりも大きい形状に形成した後、マスク層５１
（５５）をＴＭＲ素子形状の大きさに縮小し、この縮小
したマスク層５２（５６）を加工マスクに用いて、第２
強磁性体層を含む層３１４をトンネル絶縁層３０３まで
を加工することで形成されたものからなる。なお、図面
は、ＭＲＡＭの一部（９個）のメモリセルを示したもの
で、メモリセル数は必要数だけ集積させることができ
る。As described with reference to FIG. 1 (or FIG. 2), the TMR element 13 includes the tunnel insulating layer including the layer 311 including the first ferromagnetic layer and the layer 314 including the second ferromagnetic layer. A mask layer 51 formed on the layer 314 including the second ferromagnetic material layer and sandwiching 303.
Using (55) as a processing mask, the layer 314 including the second ferromagnetic layer to the layer 311 including the first ferromagnetic layer are formed in a shape larger than the TMR element shape, and then the mask layer 51 is formed.
(55) is reduced to the size of the TMR element shape, and the reduced mask layer 52 (56) is used as a processing mask to produce a second
The layer 314 including the ferromagnetic layer is formed by processing up to the tunnel insulating layer 303. Note that the drawings show a part (9) of memory cells of the MRAM, and the required number of memory cells can be integrated.
【００５１】図４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
ロイド曲線外部に相当する合成磁界ベクトルが発生する
と、磁界反転が生じる。アステロイド曲線内部の合成磁
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
は、交点以外のセルの磁化方向も反転するので、合成磁
界が斜線で示す部分４０１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。The asteroid curve shown in FIG. 4 shows the reversal threshold of the magnetization direction of the storage layer due to the applied magnetic field H EA in the easy axis direction and magnetic field H HA in the hard axis direction. When a synthetic magnetic field vector corresponding to the outside of the asteroid curve is generated, magnetic field reversal occurs. The resultant magnetic field vector inside the asteroid curve does not invert the cell from one of its current bistable states. In addition, since the magnetic field generated by the word line or the bit line alone is applied to cells other than the intersection of the word line and the bit line that are passing current, when the magnitude of these is greater than or equal to the one-way reversal magnetic field H K. Since the magnetization directions of the cells other than the intersections are also inverted, the selected cell can be selectively written only when the combined magnetic field is in the shaded portion 401.
【００５２】以上のように、ＭＲＡＭのアレイでは、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
き込むことができる。As described above, in the MRAM array, the memory cells are arranged at the intersections of the grids of the bit lines and the write word lines. In the case of the MRAM, by using the write word line and the bit line, the asteroid magnetization reversal characteristic can be utilized to selectively write in the individual memory cells.
【００５３】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Ｈ
HA 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。The combined magnetization in a single storage area is the magnetic field H EA and the magnetic field H H applied to it.
Determined by vector composition with HA . The current flowing through the bit line applies a magnetic field (H EA ) in the easy axis direction to the cell,
A current flowing through the write word line applies a magnetic field (H HA ) in the hard axis direction to the cell.
【００５４】次に、前記図３によって説明したＭＲＡＭ
の回路を図５の回路図によって説明する。Next, the MRAM described with reference to FIG.
The circuit will be described with reference to the circuit diagram of FIG.
【００５５】図５に示すように、このＭＲＡＭの回路で
は、６個のメモリセルを含み、図３に対応する相互に交
差する書き込みワード線１１（１１１、１１２）および
ビット線１２（１２１、１２２、１２３）を有する。こ
れらの書き込み線ワード線１１とビット線１２との交差
領域には、記憶素子となるＴＭＲ素子１３（１３１、１
３２、１３４、１３５、１３７、１３８が配置され、さ
らに読み出しの際に素子選択を行うもので各記憶素子に
対応して電界効果トランジスタ１４１、１４２、１４
４、１４５、１４７、１４８が接続されている。さらに
電界効果トランジスタ１４１、１４４、１４７にはセン
ス線１５１が接続され、電界効果トランジスタ１４２、
１４５、１４８にはセンス線１５２が接続されている。As shown in FIG. 5, in the circuit of this MRAM, the write word line 11 (111, 112) and the bit line 12 (121, 122) corresponding to FIG. , 123). In the intersection area of the write line word line 11 and the bit line 12, the TMR element 13 (131, 1;
32, 134, 135, 137, and 138 are arranged, and element selection is performed at the time of reading. The field effect transistors 141, 142, and 14 correspond to each memory element.
4, 145, 147 and 148 are connected. Further, a sense line 151 is connected to the field effect transistors 141, 144, 147, and the field effect transistor 142,
A sense line 152 is connected to 145 and 148.
【００５６】上記センス線１５１はセンスアンプ１５３
に接続され、センス線１５２はセンスアンプ１５４に接
続され、それぞれ素子に記憶された情報を検出する。ま
た、書き込みワード線１１１の両端には、双方向の書き
込みワード線電流駆動回路１６１、１６２が接続され、
書き込みワード線１１２の両端には、双方向の書き込み
ワード線電流駆動回路１６３、１６４が接続されてい
る。さらにビット線１２１の一端にはビット線電流駆動
回路１７１が接続され、ビット線１２２の一端にはビッ
ト線電流駆動回路１７２が接続され、ビット線１２３の
一端にはビット線電流駆動回路１７３が接続されてい
る。The sense line 151 is the sense amplifier 153.
, And the sense line 152 is connected to the sense amplifier 154 to detect the information stored in each element. Bidirectional write word line current drive circuits 161 and 162 are connected to both ends of the write word line 111,
Bidirectional write word line current drive circuits 163 and 164 are connected to both ends of the write word line 112. Further, a bit line current drive circuit 171 is connected to one end of the bit line 121, a bit line current drive circuit 172 is connected to one end of the bit line 122, and a bit line current drive circuit 173 is connected to one end of the bit line 123. Has been done.
【００５７】上記磁気メモリ装置１では、前記説明した
本発明のＴＭＲ素子１３と同様に、マスク層５１（５
５）の形成工程が１回になることから、マスク層５２
（５６）の合わせ余裕を考慮する必要がなくなり、この
合わせ余裕分だけ、セル面積の縮小化が図れる構成が提
供される。そのため、セルの高集積化が図れる。In the above magnetic memory device 1, the mask layer 51 (5) is used in the same manner as the TMR element 13 of the present invention described above.
Since the formation step 5) is performed once, the mask layer 52
It is not necessary to consider the alignment margin of (56), and a configuration is provided in which the cell area can be reduced by the alignment margin. Therefore, high integration of cells can be achieved.
【００５８】次に、本発明の磁気メモリ装置（ＭＲＡ
Ｍ）の製造方法は、従来から知られている製造方法にお
いて、ＴＭＲ素子を、前記図１および図２によって説明
した工程で形成することを特徴としている。Next, the magnetic memory device (MRA of the present invention
The manufacturing method of M) is characterized in that the TMR element is formed by the process described with reference to FIGS. 1 and 2 in the conventionally known manufacturing method.
【００５９】そのため、本発明の磁気メモリ装置の製造
方法では、前記図１および図２によって説明したＴＭＲ
素子の製造方法と同様に、第２強磁性体層を含む層と第
１強磁性体層を含む層とを導通するような加工生成物の
付着を防止することができ、また、マスク層を形成する
リソグラフィー工程が１回ですむので、リソグラフィー
技術における合わせ余裕を従来の製造方法よりも低減す
ることが可能となる。すなわち、１回の合わせ余裕分だ
け、セル面積の縮小化が可能となる。Therefore, in the method of manufacturing the magnetic memory device of the present invention, the TMR described with reference to FIGS.
Similar to the method of manufacturing the element, it is possible to prevent the adhesion of the processed product that makes the layer including the second ferromagnetic layer and the layer including the first ferromagnetic layer conductive, and to prevent the mask layer from being attached. Since only one lithography process is required to be formed, the alignment margin in the lithography technique can be reduced as compared with the conventional manufacturing method. That is, it is possible to reduce the cell area by the margin for one-time alignment.
【００６０】なお、上記説明したエッチング装置、エッ
チング条件は適宜変更することが可能である。例えば、
上記数値、構造、エッチング装置の構成、ＲＦ周波数、
プラズマ源、ガス等はあくまで一例に過ぎず、必要に応
じてこれと異なる数値、構造、プラズマ窒化装置の構
成、ＲＦ周波数、プラズマ源、ガス等を用いてもよい。
プラズマの生成方式は、上記ＩＣＰ方式に限定されるこ
とは無く、電子サイクロトロン共鳴（以下ＥＣＲとい
う、ＥＣＲはElectron Cyclotron Resonance の略）方
式、ヘリコン波を用いる方式、ＳＷＰ（Surface Wave P
lasma）方式、マグネトロン方式等であってもよい。The etching apparatus and etching conditions described above can be changed as appropriate. For example,
Numerical value, structure, configuration of etching equipment, RF frequency,
The plasma source, the gas, etc. are merely examples, and different numerical values, structures, configurations of the plasma nitriding device, RF frequency, plasma source, gas, etc. may be used if necessary.
The plasma generation method is not limited to the ICP method described above, and may be an electron cyclotron resonance (hereinafter referred to as ECR, ECR is an abbreviation for Electron Cyclotron Resonance) method, a method using a helicon wave, or a SWP (Surface Wave P
lasma) method, magnetron method, or the like.
【００６１】[0061]
【発明の効果】以上、説明したように本発明のトンネル
磁気抵抗素子の製造方法によれば、第２強磁性体層を含
む層から第１強磁性体層を含む層までエッチングした後
に、縮小させたマスク層を用いて第２強磁性体層を含む
層を選択的にエッチングすることで、一回のマスク形成
で加工することができる。このため、マスク縮小分の距
離を絶縁部分の距離としてトンネル絶縁層で確保するこ
とができるので、第１強磁性体層を含む層と第２強磁性
体層を含む層との導通を回避することができる。よっ
て、安定した動作特性を得ることができ、信頼性の向上
が図れる。また、一回のマスク形成で加工することがで
きるので、合わせずれ余裕を取る量が低減できるので、
素子の微細化が可能になる。As described above, according to the method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention, the layer including the second ferromagnetic layer to the layer including the first ferromagnetic layer is etched and then reduced in size. By selectively etching the layer including the second ferromagnetic material layer using the mask layer thus formed, the mask can be processed once to form the mask. For this reason, the distance corresponding to the mask reduction can be secured as the distance of the insulating portion in the tunnel insulating layer, so that conduction between the layer including the first ferromagnetic layer and the layer including the second ferromagnetic layer is avoided. be able to. Therefore, stable operation characteristics can be obtained and reliability can be improved. In addition, since it is possible to process with one mask formation, the amount of margin for misalignment can be reduced,
The device can be miniaturized.
【００６２】本発明のトンネル磁気抵抗素子によれば、
マスク縮小分の距離を絶縁部分の距離としてトンネル絶
縁層で確保することができるので、第１強磁性体層を含
む層と第２強磁性体層を含む層との導通を回避すること
ができる。よって、安定した動作特性を得ることがで
き、信頼性が向上できる。またマスク層の形成工程が１
回になることから、マスク層の合わせ余裕を２回考慮す
る必要がなくなり、１回分の合わせ余裕分だけ、セル面
積の縮小化が図れる構成が提供される。そのため、セル
の高集積化が図れる。According to the tunnel magnetoresistive element of the present invention,
Since the tunnel insulating layer can secure the distance corresponding to the mask reduction as the distance of the insulating portion, conduction between the layer including the first ferromagnetic layer and the layer including the second ferromagnetic layer can be avoided. . Therefore, stable operation characteristics can be obtained and reliability can be improved. Further, the mask layer forming process is 1
Since there is no need to consider the alignment margin of the mask layer twice, it is possible to reduce the cell area by one alignment margin. Therefore, high integration of cells can be achieved.
【００６３】本発明の磁気メモリ装置の製造方法によれ
ば、前記説明したトンネル磁気ＴＭＲ素子の製造方法と
同様の効果が得られるので、プロセス負荷を軽減すると
ともに高集積化を可能にしたトンネル磁気抵抗素子を形
成することができる。よって、磁気メモリ装置の製造方
法におけるトンネル磁気抵抗素子の製造が容易になる。
また、トンネル磁気抵抗素子の第１強磁性体層とキャッ
プ層もしくは第２強磁性体層とを接続するような加工生
成物の付着の防止が図られるので、第１、第２強磁性体
層間に意図しない電流の経路が発生することは無くな
り、ＴＭＲ素子特性を劣化させるという問題が解決され
る。よって、信頼性の高いトンネル磁気抵抗素子を形成
することができ、磁気メモリ装置の信頼性の向上が図れ
る。According to the method of manufacturing the magnetic memory device of the present invention, the same effect as that of the method of manufacturing the tunnel magnetic TMR element described above can be obtained. Therefore, the tunnel magnetic which reduces the process load and enables high integration can be obtained. A resistance element can be formed. Therefore, the manufacturing of the tunnel magnetoresistive element in the manufacturing method of the magnetic memory device becomes easy.
Further, since adhesion of a processed product that connects the first ferromagnetic layer and the cap layer or the second ferromagnetic layer of the tunnel magnetoresistive element can be prevented, the first and second ferromagnetic layers No unintended current path is generated, and the problem of degrading the TMR element characteristics is solved. Therefore, a highly reliable tunnel magnetoresistive element can be formed, and the reliability of the magnetic memory device can be improved.
【００６４】本発明の磁気メモリ装置によれば、前記説
明したトンネル磁気ＴＭＲ素子と同様の効果が得られる
ので、安定した動作特性を得ることができ、信頼性が向
上できる。また、プロセス負荷を軽減するとともに高集
積化を可能にしたトンネル磁気抵抗素子を磁気メモリ装
置に搭載することができる。よって、この磁気メモリ装
置は、情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機
器の不揮発性メモリとして用いることができる。According to the magnetic memory device of the present invention, since the same effect as that of the tunnel magnetic TMR element described above can be obtained, stable operation characteristics can be obtained and reliability can be improved. Further, it is possible to mount a tunnel magnetoresistive element that reduces the process load and enables high integration in a magnetic memory device. Therefore, this magnetic memory device can be used as a non-volatile memory for information communication equipment, particularly small personal equipment such as a mobile terminal.
【図１】本発明のトンネル磁気抵抗素子の製造方法に係
る第１実施の形態を説明する製造工程断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a manufacturing process illustrating a first embodiment of a method for manufacturing a tunnel magnetoresistive element of the present invention.
【図２】本発明のトンネル磁気抵抗素子の製造方法に係
る第２実施の形態を説明する製造工程断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a manufacturing step for explaining the second embodiment of the method for manufacturing the tunnel magnetoresistive element of the present invention.
【図３】本発明の磁気メモリ装置に係る実施の形態を説
明するＭＲＡＭ主要部を簡略化して示した概略構成斜視
図である。FIG. 3 is a schematic perspective view showing a simplified configuration of a main part of an MRAM for explaining an embodiment of a magnetic memory device of the present invention.
【図４】容易軸方向磁界ＨEA および困難軸方向磁界Ｈ
HA 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。[FIG. 4] Easy axis magnetic field H EA and hard axis magnetic field H
3 is an asteroid curve showing the reversal threshold of the magnetization direction of the memory layer by HA .
【図５】ＭＲＡＭの回路構成の一例を示す回路図であ
る。FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration of an MRAM.
【図６】従来のトンネル磁気抵抗素子の製造方法を説明
する製造工程断面図である。FIG. 6 is a manufacturing step cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a conventional tunnel magnetoresistive element.
１３…ＴＭＲ素子、５１…マスク層、５２…縮小したマ
スク層、３０３…トンネル絶縁層、３１１…第１強磁性
体層を含む層、３１４…第２強磁性体層を含む層13 ... TMR element, 51 ... Mask layer, 52 ... Reduced mask layer, 303 ... Tunnel insulating layer, 311 ... Layer including first ferromagnetic layer, 314 ... Layer including second ferromagnetic layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F083 FZ10 GA27 GA28 JA37 JA38 JA39 JA40 LA03 LA05 PR04 PR06 PR07 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F-term (reference) 5F083 FZ10 GA27 GA28 JA37 JA38 JA39 JA40 LA03 LA05 PR04 PR06 PR07
Claims (4)
層、第２強磁性体層を含む層を下層より順次積層して、
この積層膜を加工してトンネル磁気抵抗素子を形成する
トンネル磁気抵抗素子の製造方法であって、 前記積層膜の第２強磁性体層を含む層上にトンネル磁気
抵抗素子形状よりも大きいマスク層を形成する工程と、 前記マスク層を加工マスクに用いて前記第２強磁性体層
を含む層から前記第１強磁性体層を含む層までを加工す
る工程と、 前記マスク層をトンネル磁気抵抗素子形状の大きさに縮
小する工程と、 前記縮小したマスク層を加工マスクに用いて前記第２強
磁性体層を含む層をトンネル絶縁層まで加工する工程と
を備えたことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子の製造
方法。1. A layer including a first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a layer including a second ferromagnetic layer are sequentially stacked from the lower layer,
A method of manufacturing a tunnel magnetoresistive element, which comprises processing the laminated film to form a tunnel magnetoresistive element, comprising: a mask layer larger than a tunnel magnetoresistive element shape on a layer including the second ferromagnetic layer of the laminated film. And a step of processing from the layer including the second ferromagnetic layer to the layer including the first ferromagnetic layer by using the mask layer as a processing mask, and using the mask layer as a tunnel magnetoresistive device. A tunnel comprising: a step of reducing the size of an element shape; and a step of processing the layer including the second ferromagnetic layer to a tunnel insulating layer by using the reduced mask layer as a processing mask. Manufacturing method of magnetoresistive element.
層を含む層とでトンネル絶縁層を挟んで構成されるトン
ネル磁気抵抗素子であって、 前記第２強磁性体層を含む層上に形成されたマスク層を
加工マスクに用いて、前記第２強磁性体層を含む層から
前記第１強磁性体層を含む層をトンネル磁気抵抗素子形
状よりも大きい形状に形成した後、前記マスク層をトン
ネル磁気抵抗素子形状の大きさに縮小したマスク層を加
工マスクに用いて、前記第２強磁性体層を含む層を前記
トンネル絶縁層まで加工することで形成されたものから
なることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。2. A tunnel magnetoresistive element comprising a tunnel insulating layer sandwiched between a layer including a first ferromagnetic layer and a layer including a second ferromagnetic layer, wherein the second ferromagnetic layer. Forming a layer including the second ferromagnetic layer from the layer including the second ferromagnetic layer into a shape larger than the shape of the tunnel magnetoresistive element by using a mask layer formed on the layer including the second ferromagnetic layer as a processing mask. After that, the mask layer, which has been reduced to the size of the tunnel magnetoresistive element, is used as a processing mask to process the layer including the second ferromagnetic layer up to the tunnel insulating layer. A tunnel magnetoresistive element, which is characterized by comprising
１配線と電気的に絶縁された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不揮発
性の磁気メモリ装置の製造方法において、 前記トンネル磁気抵抗素子の製造工程は、 第１強磁性体層を含む層、トンネル絶縁層、第２強磁性
体層を含む層を下層より順次積層する工程と、 前記第２強磁性体層を含む層上にトンネル磁気抵抗素子
形状よりも大きいマスク層を形成する工程と、 前記マスク層を加工マスクに用いて前記第２強磁性体層
を含む層から前記第１強磁性体層を含む層までを加工す
る工程と、 前記マスク層をトンネル磁気抵抗素子形状の大きさに縮
小する工程と、 前記縮小したマスク層を加工マスクに用いて前記第２強
磁性体層を含む層をトンネル絶縁層まで加工する工程と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。3. A step of forming a first wiring, a step of forming a tunnel magnetoresistive element electrically insulated from the first wiring by sandwiching a tunnel insulating layer between ferromagnetic layers, And a step of forming a second wiring electrically connected to the tunnel magnetoresistive element and interposing the tunnel magnetoresistive element therebetween and three-dimensionally intersecting the first wiring. In the method, in the step of manufacturing the tunnel magnetoresistive element, a step of sequentially laminating a layer including a first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a layer including a second ferromagnetic layer from a lower layer, Forming a mask layer larger than the shape of the tunnel magnetoresistive element on the layer including the body layer; and using the mask layer as a processing mask from the layer including the second ferromagnetic layer to the first ferromagnetic layer Process up to the layer containing And a step of reducing the mask layer to a size of a tunnel magnetoresistive element shape, and using the reduced mask layer as a processing mask, processing a layer including the second ferromagnetic layer to a tunnel insulating layer. And a step of manufacturing the magnetic memory device.
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層で挟んで構成
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は、 第１強磁性体層を含む層と第２強磁性体層を含む層とで
トンネル絶縁層を挟んで構成されるもので、 前記第２強磁性体層を含む層上に形成されたマスク層を
加工マスクに用いて、前記第２強磁性体層を含む層から
前記第１強磁性体層を含む層をトンネル磁気抵抗素子形
状よりも大きい形状に形成した後、前記マスク層をトン
ネル磁気抵抗素子形状の大きさに縮小したマスク層を加
工マスクに用いて、前記第２強磁性体層を含む層を前記
トンネル絶縁層まで加工することで形成されたものから
なることを特徴とする磁気メモリ装置。4. A first wiring, a second wiring that three-dimensionally intersects with the first wiring, a wiring electrically insulated from the first wiring, and electrically connected to the second wiring, A tunnel magnetoresistive element having a tunnel insulating layer sandwiched between ferromagnetic layers is provided in an intersecting region of the first wiring and the second wiring, wherein spin directions of the ferromagnetic bodies are parallel or antiparallel. In a nonvolatile magnetic memory device that stores information by utilizing a change in resistance value depending on parallelism, the tunnel magnetoresistive element includes a layer including a first ferromagnetic layer and a layer including a second ferromagnetic layer. And a tunnel insulating layer sandwiched therebetween, and a mask layer formed on the layer including the second ferromagnetic layer is used as a processing mask, and the layer including the second ferromagnetic layer is removed from the layer including the second ferromagnetic layer. A layer including the first ferromagnetic layer is a tunnel magnetoresistive element. After the mask layer is formed to have a larger size, the layer including the second ferromagnetic layer is processed up to the tunnel insulating layer using the mask layer in which the mask layer is reduced to the size of the tunnel magnetoresistive element as a processing mask. A magnetic memory device comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002141043A JP2003332652A (en) | 2002-05-16 | 2002-05-16 | Tunnel magnetoresistance element and its manufacturing method, and magnetic memory device and its manufacturing method |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005302876A (en) * | 2004-04-08 | 2005-10-27 | Denso Corp | Tunnel magnetoresistive element, its manufacturing method and manufacturing equipment |
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-
2002
- 2002-05-16 JP JP2002141043A patent/JP2003332652A/en active Pending
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