JP5177938B2 - 磁気メモリセルおよび磁気メモリアレイならびにそれらの製造方法 - Google Patents

磁気メモリセルおよび磁気メモリアレイならびにそれらの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、磁気トンネル接合素子を備えた磁気メモリセルおよび磁気メモリアレイならびにそれらの製造方法に関する。
従来より、コンピュータやモバイル通信機器などの情報処理装置に用いられる汎用メモリとして、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）などの揮発性メモリが使用されている。これらの揮発性メモリは、常に電流を供給しておかなければ全ての情報が失われる。そのため、状況を記憶する手段としての不揮発性メモリ（例えば、フラッシュＥＥＰＲＯＭなど）を別途設ける必要がある。この不揮発性メモリに対しては、処理の高速化が強く求められていることから、近年、不揮発性メモリとしてＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memry）が注目されてきている。
ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリセルがマトリクス状に配列されたアレイ構造をなすものである。磁気抵抗効果素子としては、より大きな抵抗変化率の得られる磁気トンネル接合（ＭＴＪ；magnetic tunnel junction）素子が好適である。このＭＴＪ素子は、トンネルバリア層によって隔てられた２つの強磁性層（磁化方向が印加磁界に応じて変化する磁化自由層および磁化方向が磁化容易軸に沿って平行をなすように恒久的に固着された磁化固着層）を有している。トンネルバリア層は、絶縁材料からなる薄膜であり、量子力学に基づくトンネル効果によって電荷キャリア（一般的には電子）が透過できる程度の厚みをなしている。電荷キャリアが透過する確率は、２つの強磁性層の磁化方向と関連した電子スピン方向に依存するので、電圧を印加した状態において上記の磁化方向が変化すると、トンネル電流も変化することとなる。
上記のようなＭＴＪ素子では、磁化自由層の磁化方向と磁化固着層の磁化方向とが相対的に変化する。この磁化方向の相対的変化は、トンネル電流の変化（接合抵抗の変化）として検知される。すなわち、磁化自由層の磁化方向が磁化固着層の磁化方向と反平行をなすとき、そのトンネル電流は最小（接合抵抗は最大）となり、一方で、自由層の磁化方向が磁化固着層の磁化方向と平行をなすとき、そのトンネル電流は最大（接合抵抗は最小）となる。
通常、ＭＲＡＭにおいては、２種類の電流供給線（ワード線およびビット線）が形成する複数の交点にＭＴＪ素子がそれぞれ配置される。あるＭＴＪ素子に情報を書き込むにあたっては、対応するワード線およびビット線に所定の大きさの書込電流を流し、それによって誘導される電流磁界を利用することにより磁化自由層の磁化方向を反転させ、相対的な磁化方向が平行または反平行な状態を形成する。一方、あるＭＴＪ素子から情報を読み出す際には、対応するワード線またはビット線のいずれかに読出電流を流し、ＭＴＪ素子の接合抵抗を検出する。これに関して、Bronner等は、ワード線およびビット線としての薄膜コンダクタの形成方法を開示している（特許文献１参照）。ここではＭＴＪ素子の下方において電流供給線が隣接しており、さらに、この電流線の下側にダイオードが配置されている。
米国特許第６２４２７７０号明細書
また、ＭＲＡＭをＤＲＡＭの代替品とするには、ＭＴＪ素子の寸法を微小化する必要がある。Parkin等は、１０Ｍbit〜１００Mbitの範囲の容量を有するＤＲＡＭと競争するには、サブミクロン単位の寸法が必要であることについて触れている（例えば特許文献２を参照。）。Parkin等は、また、ＭＴＪ素子の微小化によって生じる重要な問題、特に超常磁性（super-paramagnetism）に関する問題に触れている。超常磁性（super-paramagnetism）とは、ある強磁性層において、自らの寸法が小さすぎて十分な磁気異方性を持つことができずに磁性の熱ゆらぎを生じ、自発磁化を消失した状態を示す。ここで、十分な磁気異方性とは、自らの磁化方向を維持することのできる程度の大きさを有していることを意味する。
米国特許第６１６６９４８号明細書
微小な寸法に伴う他の問題として、形状磁気異方性によって形成される端部磁界（edge-fields）に起因するものが挙げられる。この端部磁界は大きさにばらつきがあり、その制御が困難なものである。この端部磁界は、磁気メモリセルの端部において生じ、その大きさはランダムに方向付けされた磁化ベクトルの角度の大きさに依存する。これら、端部における磁化ベクトルは、磁気メモリセルの中心部分における磁化ベクトルと共に曲線を描き、ループを形成する傾向を有する。これは、磁気メモリセルの磁気エネルギーを最小に抑えるようにするためである。このような端部磁界による効果（エッジ効果）は、磁気メモリセルの端部に形成される非補償型の磁極と関連したものである。磁気メモリセルの寸法が減少したとき、端部磁界がデータの書込および読出に対して悪影響を及ぼすことがあるので、この端部磁界の制御は磁気メモリセルの中心部分の磁化よりも重要となる。上記のような形状磁気異方性は、磁気メモリセルが十分な大きさを有する場合、超常磁性の不利益な影響を低減することができる。しかし、一方で、データの記憶を目的として磁気メモリセルの磁化方向を変化（反転）させるためには、大きな電流を必要とする。これを改善するために、Shi等は、楕円形状の磁気メモリセルを開示している（例えば、特許文献３を参照。）。この場合、端部においても中心部分と一致した磁化ベクトルを示すようになる。
米国特許第５７５７６９５号明細書
また、ＭＴＪ素子に含まれる磁化固着層は、２つの強磁性層を含む合成層によって構成されるようにしてもよい。これら２つの強磁性層は、互いに反対方向の磁化方向を示すように磁気的な結合を形成し、ＭＴＪ素子に対して零またはごく僅かのネット磁気モーメントを発現するように構成されている。そのような構成は、磁気異方性によるエッジ効果を低減するにあたって有利である。一方、上述のParkin等は特許文献２において、２つの強磁性層からなる磁化自由層（フリー層）を含むＭＴＪ素子を開示している。この２つの強磁性層は、微小な磁気モーメントを発現する互いに反平行な磁化方向状態における双極性の磁界によって結合されている。ここで、外部からの印加磁界によって書き込み動作が行われると、磁化自由層におけるネット磁気モーメントは磁化固着層の磁化方向に対応して切り替わることとなる。
加えて、Gallagher等は、ＭＲＡＭに好適なＭＴＪ素子の構成について開示している（例えば、特許文献４を参照。）。ここで、磁化自由層および磁化固着層は、互いの界面において反強磁性的に交換結合している。また、Gallagher等は、サンドイッチ構造をなし、反強磁性結合した磁化固着層を有するＭＴＪ素子の構成について開示している（例えば、特許文献５を参照。）。さらに、Shi等は、絶縁性材料によって分離された磁気材料からなる２つの層を含み、かつ、低いアスペクト比を有するＭＴＪ素子の構成について開示している（例えば、特許文献６を参照。）。
米国特許第６１６６９４８号明細書 米国特許第５８４１６９２号明細書 米国特許第５９５９８８０号明細書
ところで、隣接するＭＴＪ素子同士の磁性層間において過度な磁気結合を有することは好ましくない。Koch等は、書込動作の際に、書込対象となっていない隣接した磁気メモリセルの磁化方向に対して不要な影響を与えてしまうという問題について触れている（例えば、特許文献を参照。）。ここでKoch等は、互いに鏡像関係となる２つの形状を有する磁気メモリセルの構成について開示している。これらの磁気メモリセルは、チェスの盤面状に配置され、第１の形状をなす磁気メモリセルが第２の形状をなす磁気メモリセルによって取り囲まれている。隣接した磁気メモリセルは互いに異なった磁化ベクトルを有するようにパターン化されているので、例えば第１の形状をなす１つの磁気メモリセルに情報書込を行う際、第２の形状をなす磁気メモリセルに悪影響を与える可能性が低減される。
米国特許第６００５８００号明細書
上記したように、ＭＲＡＭの構成に関連した多くの問題がＭＴＪ素子（および磁気メモリセル）の形状に関係している。ＭＴＪ素子形状は、一般的に、長方形（rectangle）、楕円形（elliptical）または菱形（lozenge）である。Chen等は、長方形状の、多層型ＭＴＪセルを開示している（例えば、特許文献８を参照。）。この多層型ＭＴＪセルは、磁化容易軸に沿って磁化方向が互いに平行をなすと共に非磁性層によって分離された２つの長方形状の強磁性層を有している。
米国特許第５９１７７４９号明細書
ＭＲＡＭにおいて、これらの形状、ＭＴＪ素子の端部の欠陥、あるいは強度が変化する非補償型の磁極における不規則性は、全て、配列の全体に亘る保磁力の変動として現れることとなる。望ましくないエッジ効果および不規則なアレイの保磁力についての問題を解決するものとして、ＭＲＡＭ中に配列された磁気メモリセル群の間に磁気シールド層を形成する方法がある。この磁気シールド層は、いくつかの機能（目的）を果たすものである。すなわち、ＭＴＪ素子の端部に生じる磁極に対して補償を行う機能、外部磁界からの影響がＭＴＪ素子に及ぶのを防ぐ機能、および隣接した磁気メモリセルからの影響が及ぶのを防ぐ機能である。Gill等は、ＭＲＡＭや磁気ディスク装置に搭載される磁気センサとして使用され、上部または下部に磁気シールド層としての磁性層が配設されたＭＴＪ素子を開示している（例えば、特許文献９を参照。）。この磁気シールド層は、ＭＴＪ素子からの情報読出を行うための読出リード層としても機能する。
米国特許第６２１９２１２号明細書
しかしながら、上記特許文献９の磁気シールド層は、隣接した磁気メモリセルからの悪影響を避けることを意図したものではないことは、その形態（トポロジー）から明らかである。さらに、この磁気シールド層は、ＭＴＪ素子の磁化自由層の端部に生じた非補償型の磁極を補償するように意図されたものではないことも明らかである。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、周囲からの磁気的な影響を低減し、安定した磁気情報の書込および読出をおこなうことのできる、高集積化に適した磁気メモリセルおよびそれを備えた磁気メモリアレイならびにそれらの製造方法を提供することにある。
本発明の磁気メモリセルは、基体と、この基体上の一部領域に形成された磁気トンネル接合素子と、基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように形成された第１絶縁層と、この第１絶縁層を介して磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように形成され、基体および磁気トンネル接合素子と電気的に絶縁された磁気シールド層と、磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように形成された第２絶縁層とを備え、磁気トンネル接合素子と磁気シールド層とが互いに静磁結合するように構成したものである。ここで、第２絶縁層は、第１絶縁層と連結して一体となり、磁気シールド層を完全に包囲するように構成される。すなわち、磁気シールド層が、磁気トンネル接合素子と十分に絶縁されるように構成される。また、磁気トンネル接合素子は、磁化自由層とトンネル絶縁層と磁化固着層とを順に含み、磁化自由層の磁化容易軸は、積層面内において磁気シールド層の磁化容易軸と直交している。
本発明の第１の磁気メモリアレイは、基体上に配列された複数の磁気メモリセルを有する磁気メモリアレイであって、複数の磁気メモリセルが、それぞれ、基体上の一部領域に形成された磁気トンネル接合素子と、この基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように形成された第１絶縁層と、この第１絶縁層を介して磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように形成され基体および磁気トンネル接合素子と電気的に絶縁された磁気シールド層と、磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように形成された第２絶縁層とを備え、磁気トンネル接合素子と磁気シールド層とが互いに静磁結合するように構成したものである。ここで、磁気トンネル接合素子は、磁化自由層とトンネル絶縁層と磁化固着層とを順に含み、磁化自由層の磁化容易軸は、積層面内において磁気シールド層の磁化容易軸と直交している。
本発明の第２の磁気メモリアレイは、基体上に配列された複数の磁気メモリセルを有する磁気メモリアレイであって、複数の磁気メモリセルが、それぞれ、基体上の一部領域に形成された磁気トンネル接合素子と、この基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように形成された第１絶縁層と、この第１絶縁層を介して磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように形成され基体および磁気トンネル接合素子と電気的に絶縁された第１の部分と、この第１の部分と磁気的に結合することにより前記第１の部分の磁化を安定化させる第２の部分とを含む磁気シールド層と、磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように形成された第２絶縁層とを備え、磁気トンネル接合素子と磁気シールド層の第１の部分とが互いに静磁結合するように構成したものである。ここで、磁気トンネル接合素子は、磁化自由層とトンネル絶縁層と磁化固着層とを順に含み、磁化自由層の磁化容易軸は、積層面内において磁気シールド層の第２の部分の磁化容易軸と直交している。
本発明の磁気メモリセルならびに第１および第２の磁気メモリアレイでは、上記の構成により、外部磁界や隣接した磁気メモリセルからの磁界による悪影響が回避されると共に、磁気トンネル接合素子の端部に生じる非補償型の磁極が補償され、より低いエネルギー状態となる。これにより、磁気トンネル接合素子における磁化状態の反転に要する電流磁界（反転磁界）の閾値の変動が抑制される。特に、本発明の第２の磁気メモリアレイでは、磁気シールド層において第２の部分が第１の部分と磁気的に結合することにより第１の部分の磁化の安定化を図るようにしたので、磁気トンネル接合素子と磁気シールド層の第１の部分との静磁結合がいっそう強化される。このため、上記した反転磁界の変動がさらに抑制され、安定化する。
本発明の磁気メモリセルならびに第１および第２の磁気メモリアレイでは、磁気トンネル接合素子が、それに対応した所望の形状をなすステンシルマスクを用いてフォトリソグラフィを施したのち、そのステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことにより形成されたものであることが望ましい。さらに、磁気シールド層は、上記のステンシルマスクを使用して自己整合的に形成されたものであることが望ましい。
本発明の磁気メモリセルならびに第１の磁気メモリアレイでは、磁気トンネル接合素子における水平断面形状が、円形、楕円形、矩形、菱形、切り欠き形状および糸巻き形状のうちのいずれかを呈していることが望ましい。ここで、切り欠き形状とは、多角形や円、楕円の一部を欠いた輪郭を有する形状を意味する。さらに、糸巻き形状とは、両端部から中央部へ向かうに従い寸法が減少するような形状を意味する。
本発明の磁気メモリセルでは、第１および第２絶縁層が、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化ハフニウム（ＨｆＯ2），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）または二酸化珪素（ＳｉＯ2）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、かつ５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みを有するようにすることが望ましい。
本発明の磁気メモリセルならびに第１の磁気メモリアレイでは、磁気シールド層が、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトジルコニウムボロン合金（ＣｏＺｒＢ），コバルトハフニウムボロン合金（ＣｏＨｆＢ），窒化鉄（ＦｅＮ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含み、かつ、結晶異方性を示す方向と磁化容易軸とが平行をなすように構成されていることが望ましい。さらに、磁気シールド層は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みを有することが望ましい。
本発明の磁気メモリセルならびに第１および第２の磁気メモリアレイでは、磁気トンネル接合素子が、第１の軸方向に沿った結晶異方性を有する磁化自由層と、この磁化自由層の上に形成されたトンネル絶縁層と、このトンネル絶縁層の上に形成された磁化固着層とを含み、磁化固着層が、第１の軸方向に沿った結晶異方性を有する第１強磁性ピンド層と、この第１強磁性ピンド層の上に形成された非磁性結合層と、この非磁性結合層の上に形成され、第１の軸方向に沿った結晶異方性を有する第２強磁性ピンド層と、第１強磁性ピンド層の下に形成され、第１強磁性ピンド層の磁化方向を固定する反強磁性ピンニング層とを有し、第１および第２強磁性ピンド層が、全体の磁気モーメントが実質的に零となるように、第１の軸方向に沿って互いに反平行の磁化方向を示すように磁気的に結合していることが望ましい。
本発明の磁気メモリセルでは、磁気トンネル接合素子の水平断面形状が、第１の軸方向における寸法と、これと直交する第２の軸方向における寸法とによって規定されるものであり、かつ、第１の軸方向の寸法が第２の軸方向の寸法よりも大きくなるように構成されていることが望ましい。
本発明の磁気メモリセルでは、磁化自由層ならびに第１および第２強磁性ピンド層が、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、かつ、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有するようにすることが望ましい。また、非磁性結合層は、ロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），クロム（Ｃｒ）および銅（Ｃｕ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、かつ、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みを有するようにすることが望ましい。この厚みは、第１および第２強磁性ピンド層が互いに交換結合した状態となるような厚みである。また、反強磁性ピンニング層が、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ），酸化ニッケル（ＮｉＯ）またはコバルトニッケル酸化物（ＣｏＮｉＯ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、かつ、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みを有するようにすることが望ましい。また、磁化自由層は、非磁性結合膜によって分離されると共に互いに反平行の磁化方向を有し静磁結合した２つの強磁性膜を含むものであってもよい。
本発明の磁気メモリセルならびに第１の磁気メモリアレイでは、磁気シールド層が、０Ａ／ｍ以上（２００／４π）×１０3Ａ／ｍ以下の保磁力を有することが望ましい。
本発明の磁気メモリセルならびに第１の磁気メモリアレイでは、さらに、磁気トンネル接合素子の下面と接触するように基体に埋設された第１導電層と、磁気トンネル接合素子の上面と接触すると共に第２絶縁層を覆うように設けられた第２導電層とを有するようにすることが望ましい。
本発明の第１および第２の磁気メモリアレイでは、複数の磁気メモリセルが、基体上において、第１の軸方向へ配列されて複数の行を形成すると共に第２の軸方向へ配列されて複数の列を形成することにより、全体としてマトリクス状をなしていることが望ましい。
本発明の第１の磁気メモリアレイでは、磁気トンネル接合素子を含む水平断面において、磁気シールド層が、第１および第２絶縁層からなる絶縁層パターンにより第１の軸方向において分割されて第２の軸方向に延在するように形成されたものであり、絶縁層パターンは、第２の軸方向に沿った磁気トンネル接合素子の間の連結部分が、第１の軸方向において磁気トンネル接合素子よりも小さな寸法を有するように形成され、かつ、連結部分の第１の軸方向における中心位置が、磁気トンネル接合素子の第１の軸方向における中心位置と一致するよう構成されていることが望ましい。ここで、絶縁層パターンは、第２の軸方向に沿って隣り合う磁気トンネル接合素子同士の間の領域において第１の軸方向に沿って延在する第１の軸方向延在部分をさらに含むようにしてもよい。さらに、絶縁層パターンは、第１の軸方向に沿って隣り合う磁気トンネル接合素子同士の間の領域において第２の軸方向に沿って延在する第２の軸方向延在部分を含むようにしてもよい。
本発明の第２の磁気メモリアレイでは、磁気シールド層の第１の部分が、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトジルコニウムボロン合金（ＣｏＺｒＢ），コバルトハフニウムボロン合金（ＣｏＨｆＢ），窒化鉄（ＦｅＮ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、磁気シールド層の第２の部分が、コバルト（Ｃｏ），コバルトクロム合金（ＣｏＣｒ），コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ），コバルト白金合金（ＣｏＰｔ），コバルトクロムボロン合金（ＣｏＣｒＢ），コバルト白金ボロン合金（ＣｏＰｔＢ），コバルトリン（ＣｏＰ）およびコバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ）のうちの少なくとも１種を含んで構成されることが望ましい。また、磁気シールド層の第２の部分は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ），オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ），パラジウム白金マンガン合金（ＰｄＰｔＭｎ），酸化ニッケル（ＮｉＯ），酸化コバルト（ＣｏＯ），またはコバルトニッケル酸化物（ＣｏＮｉＯ）のうちの少なくとも１種を含んで構成されるようにしてもよい。
本発明の磁気メモリセルの製造方法は、基体を用意する工程と、この基体上の一部領域に、磁化固着層とトンネル絶縁層と磁化自由層とを順に積層することにより磁気トンネル接合素子を形成する工程と、基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように第１絶縁層を形成する工程と、第１絶縁層を介して磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように磁気シールド層を形成する工程と、磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように第２絶縁層を形成する工程とを含み、積層面内において互いの磁化容易軸が直交するように磁化自由層と磁気シールド層とを形成するようにしたものである。
本発明の第１の磁気メモリアレイの製造方法は、基体上に複数の磁気メモリセルを配列した磁気メモリアレイを製造する方法であって、複数の磁気メモリセルの各々を製造する工程が、基体上の一部領域に、磁化固着層とトンネル絶縁層と磁化自由層とを順に積層することにより磁気トンネル接合素子を形成する工程と、基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように第１絶縁層を形成する工程と、第１絶縁層を介して磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように磁気シールド層を形成する工程と、磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように第２絶縁層を形成する工程とを含み、積層面内において互いの磁化容易軸が直交するように磁化自由層と磁気シールド層とを形成するようにしたものである。
本発明の第２の磁気メモリアレイの製造方法は、基体上に複数の磁気メモリセルを配列した磁気メモリアレイを製造する方法であって、複数の磁気メモリセルの各々を製造する工程は、基体上の一部領域に、磁化固着層とトンネル絶縁層と磁化自由層とを順に積層することにより磁気トンネル接合素子を形成する工程と、基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように第１絶縁層を形成する工程と、第１絶縁層を介して磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲む第１の部分と、この第１の部分と磁気的に結合することにより第１の部分の磁化を安定化させる第２の部分とを含む磁気シールド層を形成する工程と、磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように第２絶縁層を形成する工程とを含み、積層面内において互いの磁化容易軸が直交するように磁化自由層と磁気シールド層の第２の部分とを形成するようにしたものである。
本発明の磁気メモリセルの製造方法ならびに第１および第２の磁気メモリアレイの製造方法では、上記の各工程を含むことにより、外部磁界や隣接した磁気メモリセルからの磁界による悪影響が回避されると共に、磁気トンネル接合素子の端部に生じる非補償型の磁極が補償され、より低いエネルギー状態となる磁気メモリセルおよび磁気メモリセルが形成される。これにより、使用時において、磁気トンネル接合素子における磁化状態の反転に要する電流磁界（反転磁界）の閾値の変動が抑制されることとなる。特に、本発明の第２の磁気メモリアレイの製造方法では、磁気シールド層を形成する工程において、第１の部分と磁気的に結合することにより第１の部分の磁化の安定化を図るように機能する第２の部分を形成するようにしたので、磁気トンネル接合素子と磁気シールド層の第１の部分との静磁結合がいっそう強化される。このため、上記した反転磁界の変動がさらに抑制され、安定化した磁気メモリセルおよび磁気メモリセルが得られる。
本発明の磁気メモリセルの製造方法ならびに第１および第２の磁気メモリアレイの製造方法では、磁気トンネル接合素子に対応した所望の形状をなすステンシルマスクを用いてフォトリソグラフィを施したのち、そのステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことにより、磁気トンネル接合素子を形成することが望ましい。
本発明の磁気メモリセルの製造方法では、磁化固着層を形成する工程と、この磁化固着層の上にトンネル絶縁層を形成する工程と、このトンネル絶縁層の上に、第１の軸方向に沿った結晶異方性を示すように磁化自由層を形成する工程とを含み、磁化固着層を形成する工程が、基体の側から、反強磁性ピンニング層と、この反強磁性ピンニング層によって磁化方向が固定され、かつ、第１の軸方向に沿った結晶異方性を示す第１強磁性ピンド層と、非磁性結合層と、第１の軸方向に沿った結晶異方性を示す第２強磁性ピンド層とを順に積層する工程と、互いに反平行をなすように第１強磁性ピンド層の磁化方向と第２強磁性ピンド層の磁化方向とを設定し、磁化固着層の全体の磁気モーメントが実質的に零となるように磁気的に結合させる工程とを含むようにすることが望ましい。
本発明の磁気メモリセルの製造方法および第１の磁気メモリアレイの製造方法では、磁気トンネル接合素子の形成時に用いるステンシルマスクを使用したフォトリソグラフィ法により、自己整合的に磁気シールド層を形成することが望ましい。
本発明の第１の磁気メモリアレイの製造方法では、磁気シールド層を形成する工程において、（３０／４π）×１０3Ａ／ｍ以上（６０／４π）×１０3Ａ／ｍ以下の磁界中で成膜することにより磁化容易軸の方向付けを行うようにすることが望ましい。
本発明の第１および第２の磁気メモリアレイの製造方法では、水平断面において、第１の軸方向の寸法が、この第１の軸方向と直交する第２の軸方向の寸法よりも大きくなるように磁気トンネル接合素子を形成し、基体上において、複数の磁気メモリセルを、第１の軸方向へ配列して複数の行を形成すると共に第２の軸方向へ配列して複数の列を形成することにより、全体としてマトリクスを形成することが望ましい。
本発明の第１の磁気メモリアレイの製造方法では、磁気トンネル接合素子を含む水平断面において、第１および第２絶縁層からなる絶縁層パターンにより第１の軸方向において分割され、第２の軸方向に延在するように磁気シールド層を形成し、第２の軸方向に沿った磁気トンネル接合素子の間の連結部分が第１の軸方向において磁気トンネル接合素子よりも小さな寸法を有し、かつ、連結部分の第１の軸方向における中心位置が磁気トンネル接合素子の第１の軸方向における中心位置と一致するように絶縁層パターンを形成するようにすることが望ましい。この場合、第２の軸方向に沿って隣り合う磁気トンネル接合素子同士の間の領域において第１の軸方向に沿って延在する第１の軸方向延在部分をさらに含むように絶縁層パターンを形成するようにしてもよい。第１の軸方向に沿って隣り合う磁気トンネル接合素子同士の間の領域において第２の軸方向に沿って延在する第２の軸方向延在部分をさらに含むように絶縁層パターンを形成するようにしてもよい。
本発明の磁気メモリセルならびに第１および第２の磁気メモリアレイによれば、基体と、この基体上の一部領域に形成された磁気トンネル接合素子と、この磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を第１の絶縁層を介して取り囲むことにより基体および磁気トンネル接合素子と電気的に絶縁されるように構成された磁気シールド層とを備え、これら磁気シールド層と磁気トンネル接合素子とが互いに静磁結合するように構成したので、磁気トンネル接合素子における磁化状態の反転に要する電流磁界（反転磁界）の閾値の変動を抑制することができる。このため、高集積化した場合であっても、安定した磁気情報の書込および読出を行うことができる。特に、本発明の第２の磁気メモリアレイによれば、磁気シールド層において第２の部分を設け、これを第１の部分と磁気的に結合させることにより第１の部分の磁化の安定化を図るようにしたので、磁気トンネル接合素子と磁気シールド層の第１の部分との静磁結合がいっそう強化され、より安定した磁気情報の書込および読出を行うことができる。
本発明の磁気メモリセルの製造方法ならびに第１および第２の磁気メモリアレイの製造方法によれば、基体上の一部領域に磁気トンネル接合素子を形成する工程と、磁気トンネル接合素子の端面を全て覆う第１絶縁層を介して磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように磁気シールド層を形成する工程と、磁気トンネル接合素子と磁気シールド層（または磁気シールド層の第１の部分）とを互いに静磁結合させる工程とを含むようにしたので、磁気トンネル接合素子における磁化状態の反転に要する電流磁界（反転磁界）の閾値の変動を抑制し、安定した磁気情報の書込および読出を行うことの可能な磁気メモリセルならびにそれを備えた磁気メモリアレイを製造することができる。特に、本発明の第２の磁気メモリアレイの製造方法によれば、磁気シールド層を形成する工程において、第１の部分と磁気的に結合することにより第１の部分の磁化の安定化を図るように機能する第２の部分を形成するようにしたので、磁気トンネル接合素子と磁気シールド層の第１の部分との静磁結合をいっそう強化させることができ、高集積化した場合であっても、十分に安定した磁気情報の書込および読出を行うことの可能な磁気メモリセルならびにそれを備えた磁気メモリアレイの製造が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリアレイの構成について説明する。なお、本発明の磁気メモリセルは、上記の磁気メモリアレイに含まれるものであるので、以下併せて説明する。
図１（Ａ）は、本実施の形態の磁気メモリアレイの水平断面構成を表す概略図である。この磁気メモリアレイは、全体としてマトリクス状をなす複数の磁気メモリセル１０を備えている。図１（Ｂ）は、そのうちの１つの磁気メモリセル１０について拡大して図示したものである。複数の磁気メモリセル１０は、基体１（後出）上において、Ｘ軸方向（第１の軸方向）へ配列されて複数の行を形成すると共にこれらと直交するようにＹ軸方向（第２の軸方向）へ配列されて複数の列を形成している。なお、図１（Ａ）および後出の図２から図７では、磁気メモリアレイの一部のみ（磁気メモリセル１０が２行×２列に亘って配列された部分のみ）を代表して図示する。
図１（Ａ），（Ｂ）に示したように、磁気メモリセル１０は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ；magnetic tunnel junction）素子２０と、このＭＴＪ素子２０の周囲の一部を取り囲むように設けられた磁気シールド層３０とを有している。ここで、ＭＴＪ素子２０および磁気シールド層３０は、その間に絶縁層パターン４０を介在させることによって互いに電気的に絶縁されている。ただし、互いに静磁結合している。
より詳細には、ＭＴＪ素子２０を含む水平断面において、磁気シールド層３０が絶縁層パターン４０によりＸ軸方向において分割されてＹ軸方向に延在するように形成されている。絶縁層パターン４０は、Ｙ軸方向に沿ったＭＴＪ素子２０同士を繋ぐ連結部分がＸ軸方向においてＭＴＪ素子２０よりも小さな寸法を有するように形成されている。さらに、絶縁層パターン４０は、上記の連結部分とＭＴＪ素子２０とは互いにＸ軸方向における中心位置が一致するよう構成されている。
さらに、磁気メモリセル１０は、ＭＴＪ素子２０の下面と接触するように設けられた下部導電層５（後出）と、ＭＴＪ素子２０の上面と接触するように設けられた上部導電層６（後出）とを有している。本実施の形態の磁気メモリアレイにおいては、複数の下部導電層５がＹ軸方向に延在すると共に複数の上部導電層６がＸ軸方向に延在することで互いに直交しており、これらの各交点にＭＴＪ素子２０が１つずつ配置されている。なお、磁気メモリセル１０の積層面と直交する断面（鉛直方向の断面）における構成については、後述する磁気メモリアレイの製造方法と併せて説明する。
ＭＴＪ素子２０は、２つの強磁性層が極薄の絶縁層（トンネルバリア層）によって分離された積層構造を有する積層体であり、２つの強磁性層における相対的な磁化方向によって積層方向へ電圧を印加した際に流れるトンネル電流の大きさ（接合抵抗の大きさ）が変化するものである。本実施の形態では、ＭＴＪ素子２０の水平断面形状を、Ｘ軸方向に沿った長径とＹ軸方向に沿った短径とによって規定された楕円形としたが、これに限られるものではない。例えば、円形、矩形または菱形のほか、多角形の一部に切り欠き部分を有する輪郭をなすもの、あるいは中央部分の幅が絞られた糸巻き形状などとしてもよい。いずれにしても、ＭＴＪ素子２０は互いに分離されていることが必要である。ただし、楕円形とすることにより、長手方向（Ｘ軸方向）に沿って安定した磁化容易軸が得られるうえ、矩形や菱形などと比べ、端部における磁化方向の制御が容易となるので好ましい。図１（Ａ），（Ｂ）では、楕円をなす複数のＭＴＪ素子２０が、Ｙ軸方向に延びる絶縁層パターン４０によって鎖状に連なっている様子を表している。なお、ＭＴＪ素子２０の詳細な構成については、後述する磁気メモリアレイの製造方法と併せて説明する。
磁気シールド層３０は、図１（Ｂ）に示したように、ＭＴＪ素子２０の端部２０Ａ，２０Ｂに生じる磁極（図中、＋または−で示す）を補償するように機能する。例えば、ＭＴＪ素子２０では、端部２０Ａにおいて「＋」の磁極が生じる一方で、反対側の端部２０Ｂにおいて「−」の磁極が生じる。この場合、磁気シールド層３０では、端部２０Ａと対向する部分に「−」の磁極が生じると共に端部２０Ａと対向する部分に「＋」の磁極が生じることとなる。このため、ＭＴＪ素子２０と磁気シールド層３０とは互いに安定した静磁結合を形成することができる。その上、磁気シールド層３０は、ＭＴＪ素子２０に対する外部からの不要な磁界を遮蔽する機能も有している。
この磁気シールド層３０は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトジルコニウムボロン合金（ＣｏＺｒＢ），コバルトハフニウムボロン合金（ＣｏＨｆＢ），窒化鉄（ＦｅＮ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含む強磁性材料により構成されており、例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みを有している。これらの強磁性材料は、ＭＴＪ素子２０における端部２０Ａ，２０Ｂとの静磁結合を実現可能な程度に十分な軟磁性を示す（すなわち、十分に低い保磁力を示す）ものである。好ましい保磁力の大きさは、０Ａ／ｍ以上（２００／４π）×１０3Ａ／ｍ以下である。特に、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）を用いることが望ましい。なお、磁気シールド層３０を構成するものとしては、ＭＴＪ素子２０に含まれる強磁性層を構成するものと同種の強磁性材料を選択するようにしてもよいし、異なる強磁性材料を選択するようにしてもよい。
また、磁気シールド層３０は、形状異方性や結晶異方性を利用して、ＭＴＪ素子２０の磁化容易軸（例えばＸ軸方向）と直交する磁化容易軸（Ｙ軸方向）を示すように構成されている。ここで結晶異方性を利用した場合には、それと平行な磁化容易軸を示すこととなる。このように互いに直交する磁化容易軸を有することにより、ＭＴＪ素子２０と磁気シールド層３０との間において、さらに安定した静磁結合が形成される。
ここで、本実施の形態の磁気メモリアレイの第１〜第３の変形例（変形例１−１〜変形例１−３）としての構成を図２〜図４に示す。
図２は、絶縁層パターン４０が、新たにＸ軸方向延在部分４０Ａを含むようにした磁気メモリアレイの構成を示している（変形例１−１）。このＸ軸方向延在部分４０Ａは、Ｙ軸方向に沿って隣り合うＭＴＪ素子２０同士の間の領域をＸ軸方向に沿って延在するように形成されたものである。なお、図２〜図４では、絶縁層パターン４０のうちＭＴＪ素子２０を取り囲むように形成された部分を中央部分４０Ｃとして区別して示す。
図３は、図２の構成に加え、絶縁層パターン４０が、新たにＹ軸方向延在部分４０Ｂを含むようにした磁気メモリアレイの構成を示している（変形例１−２）。このＹ軸方向延在部分４０Ｂは、Ｙ軸方向に沿って隣り合うＭＴＪ素子２０同士の間の領域をＹ軸方向に沿って延在するように形成されたものである。
図４は、格子状に形成されたＸ軸方向延在部分４０ＡおよびＹ軸方向延在部分４０Ｂによって仕切られた矩形領域の各々に、ＭＴＪ素子２０が１つずつ配置されるようにした磁気メモリアレイの構成を示している（変形例１−３）。ここでは、磁気シールド層３０が、ＭＴＪ素子２０の水平断面における周囲を、中央部分４０Ｃを介して連続して覆うように形成されている。
続いて、図１および図８〜図１２を参照して、本実施の形態の磁気メモリアレイの製造方法（磁気メモリセルの製造方法）について説明する。図８〜図１２は、図１においてＭＴＪ素子２０を通過するＸ軸方向の断面構成を表すものであり、１つの磁気メモリセル１０のみを例示している。本実施の形態の磁気メモリアレイの製造方法では、水平断面において、Ｘ軸方向の寸法がＹ軸方向の寸法よりも大きくなるようにＭＴＪ素子２０を形成し、複数の磁気メモリセル１０をＸ軸方向へ配列して複数の行を形成すると共にＹ軸方向へ配列して複数の列を形成することにより、全体としてマトリクスを形成することが望ましい。
本実施の形態の磁気メモリアレイの製造方法では、まず、例えばＸ軸方向に延在するように下部導電層５が埋設された基体１を用意したのち、基体１上の、下部導電層５に対応する一部領域にＭＴＪ素子２０を選択的に形成する。具体的には、図８に示したように、下部導電層５が埋設された基体１の全体を覆うように、磁化固着層（ピンド層）２と、トンネル絶縁層（トンネルバリア層）３と、磁化自由層（フリー層）４とを順に積層することにより多層膜２０Ｚを形成する。ここで、フリー層４は、Ｘ軸方向に沿った結晶異方性を示すように形成する。基体１は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などからなる絶縁性基板である。
また、ピンド層２を形成する工程では、基体１の側から、反強磁性層２１と、この反強磁性層２１によって磁化方向が固定され、かつ、Ｘ軸方向に沿った結晶異方性を示す第１強磁性層２２と、非磁性の結合層２３と、Ｘ軸方向に沿った結晶異方性を示す第２強磁性層２４とを順に積層すると共に、互いに反平行をなすように第１強磁性層２２の磁化方向と第２強磁性層２４の磁化方向とを設定し、ピンド層２のネット磁気モーメントが実質的に零となるように第１強磁性層２２と第２強磁性層２４とを磁気的に交換結合させる。ここでは、第１および第２強磁性層２２，２４が互いに交換結合した状態となるように、結合層２３の厚みを調整する。結合層２３の厚みとしては、例えば、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましい。この場合、ロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），クロム（Ｃｒ）および銅（Ｃｕ）のうちの少なくとも１種を含む材料によって形成することが望ましい。
フリー層４ならびに第１および第２強磁性層２２，２４は、例えばコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含む材料を用いて、例えば０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みをなすように形成する。ただし、第１および第２強磁性層２２，２４を形成するにあたっては、ピンド層２のネット磁気モーメントを実質的に零とするため、互いの磁化の大きさが等しくなるように材料の組成および厚みを選択する必要がある。ピンド層２のネット磁気モーメントを実質的に零とすることにより、書込動作時において、下部および上部導電層５，６が形成する電流磁界によってフリー層４の磁化方向を反転するのに有利となる。
反強磁性層２１は、例えば白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ），酸化ニッケル（ＮｉＯ）またはコバルトニッケル酸化物（ＣｏＮｉＯ）のうちの少なくとも１種を含む材料を用いて、例えば３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みをなすように形成する。
なお、フリー層４は、非磁性結合膜によって分離されると共に互いに反平行の磁化方向を有し静磁結合した２つの強磁性膜を含む積層体としてもよい。
次いで、所望のＭＴＪ素子２０に対応した形状をなすステンシルマスク（図示せず）を用いてフォトリソグラフィを施したのち、そのステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことによりパターニングを行い、上面２０Ｓおよび端面２０Ｔを有するＭＴＪ素子２０を形成する（図９）。なお、１回のフォトリソグラフィ処理およびイオンミリング処理によって、多層膜２０Ｚから、磁気メモリアレイを構成することとなる複数のＭＴＪ素子２０が形成される。
次に、図１０に示したように、基体１上の、ＭＴＪ素子２０が形成されている領域以外の領域を覆うと共に、ＭＴＪ素子２０の端面２０Ｔを全て覆うように第１絶縁層４１を形成する。この工程は、磁気メモリアレイの寸法や、ＭＴＪ素子２０の形状に応じて複数のステップに分けて行うようにしてもよい。
こののち、図１１に示したように、第１絶縁層４１を介してＭＴＪ素子２０の周囲の少なくとも一部を取り囲むように磁気シールド層３０を形成する。ここでは、ステンシルマスクを使用したフォトリソグラフィ法により、自己整合的に磁気シールド層３０を形成する。これにより、ＭＴＪ素子２０の配置に対して相対的に精度良く磁気シールド層３０を形成することができる。ただし、ＭＴＪ素子２０を覆うステンシャルマスクが形成された領域以外の領域については、図１〜図４に示した磁気シールド層３０の各パターン形状に応じて新たなマスクを形成する必要がある。
磁気シールド層３０を形成するにあたっては、（３０／４π）×１０3Ａ／ｍ以上（６０／４π）×１０3Ａ／ｍ以下の磁界中で成膜を行う。この際、ＭＴＪ素子２０の磁化容易軸（例えばＸ軸方向）と直交するように（例えばＹ軸方向に）磁気シールド層３０の磁化容易軸を設定する。
磁気シールド層３０を形成したのち、図１２に示したように、ステンシルマスクを除去しない状態で、ＭＴＪ素子２０の上面２０Ｓ以外の部分を覆うように第２絶縁層４２を形成する。第１および第２絶縁層４１，４２は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化ハフニウム（ＨｆＯ2），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）または二酸化珪素（ＳｉＯ2）のうちの少なくとも１種を含む材料を用いて、例えば５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みをなすように形成する。
ここで、ＭＴＪ素子２０を含む水平断面においては、図１（Ａ）に示したように、第１および第２絶縁層４１，４２からなる絶縁層パターン４０を、Ｙ軸方向に延在すると共にＸ軸方向において磁気シールド層３０を分割するように形成する。さらに、Ｙ軸方向に沿ったＭＴＪ素子２０の間の連結部分がＸ軸方向においてＭＴＪ素子２０よりも小さな寸法を有し、かつ、連結部分のＸ軸方向における中心位置がＭＴＪ素子２０のＸ軸方向における中心位置と一致するように絶縁層パターン４０を形成する。
なお、図２に示した水平断面形状を有する変形例１−１の場合には、Ｘ軸方向に沿って隣り合うＭＴＪ素子２０同士の間の領域においてＸ軸方向に沿って延在するＸ軸方向延在部分４０Ａをさらに含むように絶縁層パターン４０を形成する。また、図３に示した水平断面形状を有する変形例１−２の場合には、Ｘ軸方向に沿って隣り合うＭＴＪ素子２０同士の間の領域においてＹ軸方向に沿って延在するＹ軸方向延在部分４０Ｂをさらに含むように絶縁層パターン４０を形成する必要がある。また、図４に示した水平断面形状を有する変形例１−３の場合には、ＭＴＪ素子２０の周囲を覆う中央部分４０Ｃと、格子状をなすＸ軸方向延在部分４０ＡおよびＹ軸方向延在部分４０Ｂとを含むように絶縁層パターン４０を形成する必要がある。
最後に、ステンシルマスクを除去したのち、第２絶縁層４２を覆い、かつ、ＭＴＪ素子２０の上面２０Ｓを覆うように上部導電層６を形成する。この上部導電層６は、下部導電層５と直交するようにＹ軸方向に延在しているものであり、下部導電層５と同様、ＭＴＪ素子２０への書込およびＭＴＪ素子２０からの読出を行う際に必要に応じて電流が流れるようになっている。
こののち、所定の工程を経ることにより、磁気メモリセル１０を備えた磁気メモリアレイの製造が完了する。
このように形成された磁気メモリセル１０では、下部導電層５および上部導電層６に書込電流が流れると電流磁界が発生し、その電流磁界の作用（強度や向き）によってフリー層４の磁化方向が所定の方向に向くことにより、フリー層４の磁化方向と、ピンド層２（第２強磁性層２４）の磁化方向とが磁化容易軸に沿って互いに平行または反平行な状態となる。このような状態を「０」，「１」の２値情報に対応させることで、情報の記憶がおこなわれる。一方、この情報を読み出す際には、下部導電層５または上部導電層６にセンス電流を流し、トンネル電流の大小（接合抵抗の大小）を利用することにより、平行または反平行な状態の検出がおこなわれる。
この磁気メモリセル１０では、ＭＴＪ素子２０と磁気シールド層３０との強固な静磁結合の作用により、フリー層４において不揃いの磁化方向を有する磁区の形成が抑制されている。このため、磁気メモリアレイにおける複数の磁気メモリセル１０の相互間において、フリー層４の磁化方向が切り替わる磁界強度のばらつきが低減される。すなわち、磁気メモリアレイ全体に亘る反転磁界が均一化される。これは、ＭＴＪ素子２０のパターン形状の不規則性に影響されるものではない。
以上説明したように、本実施の形態の磁気メモリアレイによれば、各々の磁気メモリセル１０が、外部磁界や同一の磁気メモリアレイ上において隣接配置された他の磁気メモリセル１０からの磁界による悪影響を回避することができるうえ、ＭＴＪ素子２０の端部２０Ａ，２０Ｂに生じる磁極が補償され、より低いエネルギー状態となる。これにより、ＭＴＪ素子２０における磁化状態の反転に要する電流磁界（反転磁界）の閾値の変動が抑制されるので、安定した磁気情報の書込および読出を行うことができる。したがって、高集積化に適している。
［第２の実施の形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリアレイおよびその製造方法について説明する。ここでは、上記第１の実施の形態における磁気メモリアレイおよびその製造方法と異なる部分のみ説明し、それ以外については適宜省略する。
本実施の形態の磁気メモリアレイは、図５に示したように、各ＭＴＪ素子において、シールド部分３１と安定化部分３２とによって磁気シールド層３０を構成するようにしたものである。
具体的には、ＭＴＪ素子２０を含む水平断面において、シールド部分３１は、絶縁層パターン４０によりＸ磁方向において分割され、Ｙ軸方向に延在するように形成されている。安定化部分３２は、Ｘ軸方向に沿って隣り合うＭＴＪ素子２０同士の間の領域をＹ軸方向に沿って延在し、かつ、Ｘ軸方向においてシールド部分３１と隣接するように形成されている。さらに、絶縁層パターン４０は、Ｙ軸方向に沿ったＭＴＪ素子２０の間の連結部分が、Ｘ軸方向においてＭＴＪ素子２０よりも小さな寸法を有するように形成され、かつ、連結部分のＸ軸方向における中心位置が、ＭＴＪ素子２０Ｘ軸方向における中心位置と一致するように形成されている。
シールド部分３１は、例えばニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトジルコニウムボロン合金（ＣｏＺｒＢ），コバルトハフニウムボロン合金（ＣｏＨｆＢ），窒化鉄（ＦｅＮ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含んで構成されることが望ましい、
安定化部分３２は、ＭＴＪ素子２０の磁化方向（例えばＸ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に磁化を示すものであり、シールド部分３１と磁気的に結合することによりシールド部分３１の磁化を安定化させるように機能するものである。
安定化部分３２は、例えばコバルト（Ｃｏ），コバルトクロム合金（ＣｏＣｒ），コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ），コバルト白金合金（ＣｏＰｔ），コバルトクロムボロン合金（ＣｏＣｒＢ），コバルト白金ボロン合金（ＣｏＰｔＢ），コバルトリン（ＣｏＰ）およびコバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ）のうちの少なくとも１種を含んで構成されることが望ましい。あるいは、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ），オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ），パラジウム白金マンガン合金（ＰｄＰｔＭｎ），酸化ニッケル（ＮｉＯ），酸化コバルト（ＣｏＯ），またはコバルトニッケル酸化物（ＣｏＮｉＯ）のうちの少なくとも１種を含む材料により構成される。
ここで、本実施の形態の磁気メモリアレイの第１および第２の変形例（変形例２−１および変形例２−２）としての構成を図６および図７に示す。
図６は、シールド部分３１が、絶縁層パターン４０によりＸ軸方向において分割されるように形成されたものであることに加え、安定化部分３２が、Ｙ軸方向に沿って隣り合うＭＴＪ素子２０同士の間の領域をＸ軸方向に沿って延在し、かつ、Ｙ軸方向においてシールド部分３１を分離するように形成された磁気メモリアレイの構成例を示している（変形例２−１）。
図７は、図６の構成に加え、安定化部分３２が、さらに、Ｘ軸方向に沿って隣り合うＭＴＪ素子２０同士の間の領域をＹ軸方向に沿って延在し、かつ、Ｘ軸方向においてもシールド部分３１を分離するように形成された磁気メモリアレイの構成例を示している（変形例２−２）。この構成例では、シールド部分３１は、Ｙ軸方向よりもＸ軸方向に沿って大きな寸法を有する矩形領域を占めている。この矩形領域は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向へ延在して格子状をなす安定化部分３２によって境界が規定されると共に少なくとも１つのＭＴＪ素子２０を含んでいる
本実施の形態の磁気メモリアレイを製造するにあたっては、磁気シールド層３０を形成する工程において、第１絶縁層４１を介してＭＴＪ素子２０の周囲の少なくとも一部を取り囲むと共に所定のパターン形状となるようにシールド部分３１を形成したのち、安定化部分３２を形成するようにすればよい。その場合、安定化部分３２を形成する領域にフォトマスク等によって予め保護したのち、シールド部分３１を形成するようにする。その他の工程は、上記第１の実施の形態において説明した製造方法と同じである。
以上説明したように、本実施の形態によれば、上記第１の実施の形態の構成に加え、シールド部分３１と磁気的に結合することによりシールド部分３１の磁化の安定化を図るように機能する安定化部分３２を設けるようにしたので、ＭＴＪ素子２０と磁気シールド層３０（のうちのシールド部分３１）との静磁結合をいっそう強化させることができる。このため、さらに安定した磁気情報の書込および読出を行うことの可能な磁気メモリセルならびにそれを備えた磁気メモリアレイを得ることができる。したがって、さらなる高集積化が可能となる。
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本願発明の一具体例であり、本願発明は、上記の内容に限定されるものではない。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明と一致する限り、好ましい具体例に対応して行われる。
本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリアレイの水平断面構成を表す概略図である。 図１に示した磁気メモリアレイにおける第１の変形例（変形例１−１）の水平断面構成を表す概略図である。 図１に示した磁気メモリアレイにおける第２の変形例（変形例１−２）の水平断面構成を表す概略図である。 図１に示した磁気メモリアレイにおける第３の変形例（変形例１−３）の水平断面構成を表す概略図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリアレイの水平断面構成を表す概略図である。 図５に示した磁気メモリアレイにおける第１の変形例（変形例２−１）の水平断面構成を表す概略図である。 図５に示した磁気メモリアレイにおける第２の変形例（変形例２−２）の水平断面構成を表す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリアレイを製造するための一工程を表す概略図である。 図８に続く一工程を表す断面図である。 図９に続く一工程を表す断面図である。 図１０に続く一工程を表す断面図である。 図１１に続く一工程を表す断面図である。
符号の説明
１…基板、２…磁化固定層（ピンド層）、３…トンネルバリア層、４…磁化自由層（フリー層）、５…下部導電層、６…上部導電層、１０…磁気メモリセル、２０…磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）、２０Ｓ…上面、２０Ｔ…端面、２０Ｚ…多層膜、２１…反強磁性層、２２…第１強磁性層、２３…結合層、２４…第２強磁性層、３０…磁気シールド層、３１…シールド部分、３２…安定化部分、４０…絶縁層パターン、４１…第１絶縁層、４２…第２絶縁層、４０Ａ…第１の絶縁領域部分（Ｘ軸方向延在部分）、４０Ｂ…第２の絶縁領域部分（Ｙ軸方向延在部分）。

Claims (71)

  1. 基体と、
    前記基体上の一部領域に形成された磁気トンネル接合素子と、
    前記基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、前記磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように形成された第１絶縁層と、
    前記第１絶縁層を介して前記磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように形成され、前記基体および磁気トンネル接合素子と電気的に絶縁された磁気シールド層と、
    前記磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように形成された第２絶縁層とを備え、
    前記磁気トンネル接合素子と前記磁気シールド層とは互いに静磁結合しており、
    前記磁気トンネル接合素子は、磁化自由層とトンネル絶縁層と磁化固着層とを順に含み、
    前記磁化自由層の磁化容易軸は、積層面内において前記磁気シールド層の磁化容易軸と直交している
    ことを特徴とする磁気メモリセル。
  2. 前記磁気トンネル接合素子は、それに対応した所望の形状をなすステンシルマスクを用いてフォトリソグラフィを施したのち、前記ステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことにより形成されたものである
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
  3. 前記磁気トンネル接合素子は、水平断面形状が円形、楕円形、矩形、菱形、一部に切り欠き部分を有する多角形および糸巻き形状のうちのいずれかを呈するように形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
  4. 前記磁気トンネル接合素子は、特に、楕円形をなしている
    ことを特徴とする請求項３に記載の磁気メモリセル。
  5. 前記第１および第２絶縁層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），酸化ハフニウム（ＨｆＯ2），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）または二酸化珪素（ＳｉＯ2）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、かつ５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
  6. 前記磁気シールド層は、前記磁気トンネル接合素子の形成時に用いるステンシルマスクを使用したフォトリソグラフィ法により自己整合的に形成されたものである
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
  7. 前記磁気シールド層は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトジルコニウムボロン合金（ＣｏＺｒＢ），コバルトハフニウムボロン合金（ＣｏＨｆＢ），窒化鉄（ＦｅＮ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含み、かつ、結晶異方性を示す方向と磁化容易軸とが平行をなすように構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
  8. 前記磁気シールド層は、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなり、かつ、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項７に記載の磁気メモリセル。
  9. 前記磁化自由層は第１の軸方向に沿った結晶異方性を有し、
    前記磁化固着層は、
    前記第１の軸方向に沿った結晶異方性を有する第１強磁性ピンド層と、
    この第１強磁性ピンド層の上に形成された非磁性結合層と、
    この非磁性結合層の上に形成され、前記第１の軸方向に沿った結晶異方性を有する第２強磁性ピンド層と、
    前記第１強磁性ピンド層の下に形成され、前記第１強磁性ピンド層の磁化方向を固定する反強磁性ピンニング層とを有し、
    前記第１および第２強磁性ピンド層は、全体の磁気モーメントが実質的に零となるように、前記第１の軸方向に沿って互いに反平行の磁化方向を示すように磁気的に結合している
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
  10. 前記磁気トンネル接合素子は、その水平断面形状が前記第１の軸方向における寸法と、前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向における寸法とによって規定されるものであり、前記第１の軸方向の寸法が前記第２の軸方向の寸法よりも大きくなるように構成されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリセル。
  11. 前記磁化自由層ならびに前記第１および第２強磁性ピンド層は、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、かつ、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリセル。
  12. 前記非磁性結合層は、ロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），クロム（Ｃｒ）および銅（Ｃｕ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、かつ、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリセル。
  13. 前記非磁性結合層は、前記第１および第２強磁性ピンド層が互いに交換結合した状態となるような厚みを有する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気メモリセル。
  14. 前記反強磁性ピンニング層は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ），酸化ニッケル（ＮｉＯ）またはコバルトニッケル酸化物（ＣｏＮｉＯ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、かつ、３ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みを有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリセル。
  15. 前記磁化自由層は、非磁性結合膜によって分離されると共に互いに反平行の磁化方向を有し静磁結合した２つの強磁性膜を含むものである
    ことを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリセル。
  16. 前記磁気シールド層は、０Ａ／ｍ以上（２００／４π）×１０3Ａ／ｍ以下の保磁力を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
  17. さらに、前記磁気トンネル接合素子の下面と接触するように前記基体に埋設された第１導電層を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
  18. さらに、前記磁気トンネル接合素子の上面と接触すると共に前記第２絶縁層を覆うように設けられた第２導電層を有する
    ことを特徴とする請求項１７に記載の磁気メモリセル。
  19. 基体上に配列された複数の磁気メモリセルを有する磁気メモリアレイであって、
    前記複数の磁気メモリセルは、それぞれ、
    前記基体上の一部領域に形成された磁気トンネル接合素子と、
    前記基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、前記磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように形成された第１絶縁層と、
    前記第１絶縁層を介して前記磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように形成され、前記基体および磁気トンネル接合素子と電気的に絶縁された磁気シールド層と、
    前記磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように形成された第２絶縁層とを備え、
    前記磁気トンネル接合素子と前記磁気シールド層とは互いに静磁結合しており、
    前記磁気トンネル接合素子は、磁化自由層とトンネル絶縁層と磁化固着層とを順に含み、
    前記磁化自由層の磁化容易軸は、積層面内において前記磁気シールド層の磁化容易軸と直交している
    ことを特徴とする磁気メモリアレイ。
  20. 前記磁気トンネル接合素子は、それに対応した所望の形状をなすステンシルマスクを用いてフォトリソグラフィを施したのち、前記ステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことにより形成されたものである
    ことを特徴とする請求項１９に記載の磁気メモリアレイ。
  21. 前記磁気シールド層は、前記ステンシルマスクを使用して自己整合的に形成されたものである
    ことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリアレイ。
  22. 前記磁気シールド層は、（３０／４π）×１０3Ａ／ｍ以上（６０／４π）×１０3Ａ／ｍ以下の磁界中において成膜することにより方向付けられた磁化容易軸を有する
    ことを特徴とする請求項２１に記載の磁気メモリアレイ。
  23. 前記磁気シールド層は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトジルコニウムボロン合金（ＣｏＺｒＢ），コバルトハフニウムボロン合金（ＣｏＨｆＢ），窒化鉄（ＦｅＮ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含み、かつ、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みを有するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１９に記載の磁気メモリアレイ。
  24. 前記磁気シールド層は、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）からなることを特徴とする請求項２３に記載の磁気メモリアレイ。
  25. 前記磁気トンネル接合素子は、水平断面形状が円形、楕円形、矩形、菱形、一部に切り欠き部分を有する多角形および糸巻き形状のうちのいずれかを呈するように形成されている
    ことを特徴とする請求項１９に記載の磁気メモリアレイ。
  26. 前記磁気トンネル接合素子は、その水平断面形状が互いに直交する第１の軸方向および第２の軸方向における寸法によって規定されるものであり、前記第１の軸方向の寸法が前記第２の軸方向の寸法よりも大きくなるように構成されており、
    前記複数の磁気メモリセルは、前記基体上において、前記第１の軸方向へ配列されて複数の行を形成すると共に前記第２の軸方向へ配列されて複数の列を形成することにより、全体としてマトリクス状をなしている
    ことを特徴とする請求項２５に記載の磁気メモリアレイ。
  27. 前記磁気トンネル接合素子は、特に、楕円形をなしている
    ことを特徴とする請求項２６に記載の磁気メモリアレイ。
  28. 前記磁気シールド層は、０Ａ／ｍ以上（２００／４π）×１０3Ａ／ｍ以下の保磁力を
    有する
    ことを特徴とする請求項２４に記載の磁気メモリアレイ。
  29. 前記磁気トンネル接合素子を含む水平断面において、
    前記磁気シールド層は、前記第１および第２絶縁層からなる絶縁層パターンにより前記第１の軸方向において分割され、前記第２の軸方向に延在するように形成されたものであり、
    前記絶縁層パターンは、前記第２の軸方向に沿った前記磁気トンネル接合素子の間の連結部分が、前記第１の軸方向において前記磁気トンネル接合素子よりも小さな寸法を有するように形成され、かつ、前記連結部分の第１の軸方向における中心位置が、前記磁気トンネル接合素子の前記第１の軸方向における中心位置と一致するよう構成されている
    ことを特徴とする請求項２６に記載の磁気メモリアレイ。
  30. 前記絶縁層パターンは、さらに、
    前記第２の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子同士の間の領域において前記第１の軸方向に沿って延在する第１の軸方向延在部分を含む
    ことを特徴とする請求項２９に記載の磁気メモリアレイ。
  31. 前記絶縁層パターンは、さらに、
    前記第１の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子同士の間の領域において前記第２の軸方向に沿って延在する第２の軸方向延在部分を含む
    ことを特徴とする請求項３０に記載の磁気メモリアレイ。
  32. さらに、前記磁気トンネル接合素子の下面と接触するように前記基体に埋設された第１導電層と、
    前記磁気トンネル接合素子の上面と接触すると共に前記第２絶縁層を覆うように設けられた第２導電層と
    を有する
    ことを特徴とする請求項１９に記載の磁気メモリアレイ。
  33. 前記磁化自由層は第１の軸方向に沿った結晶異方性を有し、
    前記磁化固着層は、
    前記第１の軸方向に沿った結晶異方性を有する第１強磁性ピンド層と、
    この第１強磁性ピンド層の上に形成された非磁性結合層と、
    この非磁性結合層の上に形成され、前記第１の軸方向に沿った結晶異方性を有する第２強磁性ピンド層と、
    前記第１強磁性ピンド層の下に形成され、前記第１強磁性ピンド層の磁化方向を固定する反強磁性ピンニング層とを有し、
    前記第１および第２強磁性ピンド層は、全体の磁気モーメントが実質的に零となるように、前記第１の軸方向に沿って互いに反平行の磁化方向を示すように磁気的に結合している
    ことを特徴とする請求項１９に記載の磁気メモリアレイ。
  34. 基体上に配列された複数の磁気メモリセルを有する磁気メモリアレイであって、
    前記複数の磁気メモリセルは、それぞれ、
    前記基体上の一部領域に形成された磁気トンネル接合素子と、
    前記基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、前記磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように形成された第１絶縁層と、
    前記第１絶縁層を介して前記磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように形成され、前記基体および磁気トンネル接合素子と電気的に絶縁された第１の部分と、この第１の部分と磁気的に結合することにより前記第１の部分の磁化を安定化させる第２の部分とを含む磁気シールド層と、
    前記磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように形成された第２絶縁層とを備え、
    前記磁気トンネル接合素子と前記磁気シールド層の第１の部分とは互いに静磁結合しており、
    前記磁気トンネル接合素子は、磁化自由層とトンネル絶縁層と磁化固着層とを順に含み、
    前記磁化自由層の磁化容易軸は、積層面内において前記磁気シールド層の第２の部分の磁化容易軸と直交している
    ことを特徴とする磁気メモリアレイ。
  35. 前記磁気トンネル接合素子は、それに対応した所望の形状をなすステンシルマスクを用いてフォトリソグラフィを施したのち、前記ステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことにより形成されたものである
    ことを特徴とする請求項３４に記載の磁気メモリアレイ。
  36. 前記磁気シールド層における第１および第２の部分は、前記ステンシルマスクを用いたフォトリソグラフィ法およびイオンミリング法によって自己整合的に形成されたものである
    ことを特徴とする請求項３５に記載の磁気メモリアレイ。
  37. 前記磁気トンネル接合素子は、その水平断面形状が互いに直交する第１の軸方向および第２の軸方向における寸法によって規定されるものであり、前記第１の軸方向の寸法が前記第２の軸方向の寸法よりも大きくなるように構成されており、
    前記複数の磁気メモリセルは、前記基体上において、前記第１の軸方向へ配列されて複数の行を形成すると共に前記第２の軸方向へ配列されて複数の列を形成することにより、全体としてマトリクス状をなしている
    ことを特徴とする請求項３６に記載の磁気メモリアレイ。
  38. 前記磁気トンネル接合素子を含む水平断面において、
    前記磁気シールド層の第１の部分は、前記第１および第２絶縁層からなる絶縁層パターンにより前記第１の軸方向において分割されて前記第２の軸方向に延在するように形成されたものであり、
    前記磁気シールド層の第２の部分は、前記第１の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子の間の領域を前記第２の軸方向に沿って延在し、かつ、前記第１の軸方向において前記第１の部分と隣接するように形成されたものであり、
    前記絶縁層パターンは、前記第２の軸方向に沿った前記磁気トンネル接合素子の間の連結部分が、前記第１の軸方向において前記磁気トンネル接合素子よりも小さな寸法を有するように形成され、かつ、前記連結部分の第１の軸方向における中心位置が、前記磁気トンネル接合素子の前記第１の軸方向における中心位置と一致するように形成されたものである
    ことを特徴とする請求項３７に記載の磁気メモリアレイ。
  39. 前記磁気トンネル接合素子を含む水平断面において、
    前記磁気シールド層の第１の部分は、前記第１および第２絶縁層からなる絶縁層パターンにより前記第１の軸方向において分割されるように形成されたものであり、
    前記磁気シールド層の第２の部分は、前記第２の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子の間の領域を前記第１の軸方向に沿って延在し、かつ、前記第２の軸方向において前記第１の部分を分離するように形成されたものであり、
    前記絶縁層パターンは、前記第２の軸方向に沿った前記磁気トンネル接合素子の間の連結部分が、前記第１の軸方向において前記磁気トンネル接合素子よりも小さな寸法を有するように形成され、かつ、前記連結部分の第１の軸方向における中心位置が、前記磁気トンネル接合素子の前記第１の軸方向における中心位置と一致するように形成されたものである
    ことを特徴とする請求項３７に記載の磁気メモリアレイ。
  40. 前記磁気シールド層の第２の部分は、さらに、前記第１の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子の間の領域を前記第２の軸方向に沿って延在し、かつ、前記第１の軸方向においても前記第１の部分を分離するように形成されたものである
    ことを特徴とする請求項３９に記載の磁気メモリアレイ。
  41. 前記磁気シールド層の第１の部分は、前記第２の軸方向よりも前記第１の軸方向に沿って大きな寸法を有する矩形領域を占めており、
    この矩形領域は、前記第１および第２の軸方向へ延在して格子状をなす前記磁気シールド層の第２の部分によって境界が規定されると共に少なくとも１つの磁気トンネル接合素子を含んでいる
    ことを特徴とする請求項３７に記載の磁気メモリアレイ。
  42. 前記磁気シールド層の第１の部分は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトジルコニウムボロン合金（ＣｏＺｒＢ），コバルトハフニウムボロン合金（ＣｏＨｆＢ），窒化鉄（ＦｅＮ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、
    前記磁気シールド層の第２の部分は、コバルト（Ｃｏ），コバルトクロム合金（ＣｏＣｒ），コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ），コバルト白金合金（ＣｏＰｔ），コバルトクロムボロン合金（ＣｏＣｒＢ），コバルト白金ボロン合金（ＣｏＰｔＢ），コバルトリン（ＣｏＰ）およびコバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ）のうちの少なくとも１種を含んで構成されている
    ことを特徴とする請求項３８から請求項４１のいずれか１項に記載の磁気メモリアレイ。
  43. 前記磁気シールド層の第１の部分は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトジルコニウムボロン合金（ＣｏＺｒＢ），コバルトハフニウムボロン合金（ＣｏＨｆＢ），窒化鉄（ＦｅＮ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含んで構成され、
    前記磁気シールド層の第２の部分は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ），オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ），パラジウム白金マンガン合金（ＰｄＰｔＭｎ），酸化ニッケル（ＮｉＯ），酸化コバルト（ＣｏＯ），またはコバルトニッケル酸化物（ＣｏＮｉＯ）のうちの少なくとも１種を含んで構成されている
    ことを特徴とする請求項３８から請求項４１のいずれか１項に記載の磁気メモリアレイ。
  44. 前記磁化自由層は第１の軸方向に沿った結晶異方性を有し、
    前記磁化固着層は、
    前記第１の方向に沿った結晶異方性を有する第１強磁性ピンド層と、
    この第１強磁性ピンド層の上に形成された非磁性結合層と、
    この非磁性結合層の上に形成され、前記第１の方向に沿った結晶異方性を有する第２強磁性ピンド層と、
    前記第１強磁性ピンド層の下に形成され、前記第１強磁性ピンド層の磁化方向を固定する反強磁性ピンニング層とを有し、
    前記第１および第２強磁性ピンド層は、全体の磁気モーメントが実質的に零となるように、前記第１の方向に沿って互いに反平行の磁化方向を示すように磁気的に結合している
    ことを特徴とする請求項３４に記載の磁気メモリアレイ。
  45. 基体を用意する工程と、
    前記基体上の一部領域に、磁化固着層とトンネル絶縁層と磁化自由層とを順に積層することにより磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
    前記基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、前記磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように第１絶縁層を形成する工程と、
    前記第１絶縁層を介して前記磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように磁気シールド層を形成する工程と、
    前記磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように第２絶縁層を形成する工程と
    を含み、
    積層面内において互いの磁化容易軸が直交するように前記磁化自由層と前記磁気シールド層とを形成する
    ことを特徴とする磁気メモリセルの製造方法。
  46. 前記磁気トンネル接合素子に対応した所望の形状をなすステンシルマスクを用いてフォトリソグラフィを施したのち、前記ステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことにより、前記磁気トンネル接合素子を形成する
    ことを特徴とする請求項４５に記載の磁気メモリセルの製造方法。
  47. 水平断面形状が円形、楕円形、矩形、菱形、一部に切り欠き部分を有する多角形および糸巻き形状のうちのいずれかを呈するように、前記磁気トンネル接合素子を形成する
    ことを特徴とする請求項４６に記載の磁気メモリセルの製造方法。
  48. 前記ステンシルマスクを使用したフォトリソグラフィ法により、自己整合的に前記磁気シールド層を形成する
    ことを特徴とする請求項４６に記載の磁気メモリセルの製造方法。
  49. 前記磁化自由層を、第１の軸方向に沿った結晶異方性を示すように形成し、
    前記磁化固着層を形成する工程が、
    前記基体の側から、反強磁性ピンニング層と、この反強磁性ピンニング層によって磁化方向が固定され、かつ、前記第１の軸方向に沿った結晶異方性を示す第１強磁性ピンド層と、非磁性結合層と、前記第１の軸方向に沿った結晶異方性を示す第２強磁性ピンド層とを順に積層する工程と、
    互いに反平行をなすように前記第１強磁性ピンド層の磁化方向と第２強磁性ピンド層の磁化方向とを設定し、前記磁化固着層の全体の磁気モーメントが実質的に零となるように磁気的に結合させる工程とを含む
    ことを特徴とする請求項４５に記載の磁気メモリセルの製造方法。
  50. 水平断面形状が、前記第１の軸方向において前記第２の軸方向よりも大きな寸法となるように前記磁気トンネル接合素子を形成する
    ことを特徴とする請求項４９に記載の磁気メモリセルの製造方法。
  51. 前記第１および第２強磁性ピンド層が互いに交換結合した状態となるような厚みをなすように前記非磁性結合層を形成する
    ことを特徴とする請求項４９に記載の磁気メモリセルの製造方法。
  52. ０Ａ／ｍ以上（２００／４π）×１０3Ａ／ｍ以下の保磁力を有するように前記磁気シールド層を形成する
    ことを特徴とする請求項４５に記載の磁気メモリセルの製造方法。
  53. 基体上に複数の磁気メモリセルを配列した磁気メモリアレイを製造する方法であって、
    前記複数の磁気メモリセルの各々を製造する工程は、
    前記基体上の一部領域に、磁化固着層とトンネル絶縁層と磁化自由層とを順に積層することにより磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
    前記基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、前記磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように第１絶縁層を形成する工程と、
    前記第１絶縁層を介して前記磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲むように磁気シールド層を形成する工程と、
    前記磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように第２絶縁層を形成する工程と
    を含み、
    積層面内において互いの磁化容易軸が直交するように前記磁化自由層と前記磁気シールド層とを形成する
    ことを特徴とする磁気メモリアレイの製造方法。
  54. 前記磁気トンネル接合素子に対応した所望の形状をなすステンシルマスクを用いてフォトリソグラフィを施したのち、前記ステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことにより前記磁気トンネル接合素子を形成する
    ことを特徴とする請求項５３に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  55. 前記ステンシルマスクを使用したフォトリソグラフィ法およびイオンミリング法により、自己整合的に前記磁気シールド層を形成する
    ことを特徴とする請求項５４に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  56. 前記磁気シールド層を形成する工程では、
    （３０／４π）×１０3Ａ／ｍ以上（６０／４π）×１０3Ａ／ｍ以下の磁界中において成膜することにより磁化容易軸の方向付けを行う
    ことを特徴とする請求項５５に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  57. 水平断面形状が円形、楕円形、矩形、菱形、一部に切り欠き部分を有する多角形および糸巻き形状のうちのいずれかを呈するように、前記磁気トンネル接合素子を形成する
    ことを特徴とする請求項５４に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  58. 水平断面において、第１の軸方向の寸法が、この第１の軸方向と直交する第２の軸方向の寸法よりも大きくなるように前記磁気トンネル接合素子を形成し、
    前記基体上において、前記複数の磁気メモリセルを、前記第１の軸方向へ配列して複数の行を形成すると共に前記第２の軸方向へ配列して複数の列を形成することにより、全体としてマトリクスを形成する
    ことを特徴とする請求項５７に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  59. 前記磁気トンネル接合素子を含む水平断面において、
    前記第１および第２絶縁層からなる絶縁層パターンにより前記第１の軸方向において分割され、前記第２の軸方向に延在するように前記磁気シールド層を形成し、
    前記第２の軸方向に沿った前記磁気トンネル接合素子の間の連結部分が前記第１の軸方向において前記磁気トンネル接合素子よりも小さな寸法を有し、かつ、前記連結部分の第１の軸方向における中心位置が前記磁気トンネル接合素子の前記第１の軸方向における中心位置と一致するように前記絶縁層パターンを形成する
    ことを特徴とする請求項５８に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  60. 前記第２の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子同士の間の領域において前記第１の軸方向に沿って延在する第１の軸方向延在部分をさらに含むように前記絶縁層パターンを形成する
    ことを特徴とする請求項５９に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  61. 前記第１の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子同士の間の領域において前記第２の軸方向に沿って延在する第２の軸方向延在部分をさらに含むように前記絶縁層パターンを形成する
    ことを特徴とする請求項６０に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  62. 基体上に複数の磁気メモリセルを配列した磁気メモリアレイを製造する方法であって、
    前記複数の磁気メモリセルの各々を製造する工程は、
    前記基体上の一部領域に、磁化固着層とトンネル絶縁層と磁化自由層とを順に積層することにより磁気トンネル接合素子を形成する工程と、
    前記基体上の一部領域以外の領域を覆うと共に、前記磁気トンネル接合素子の端面を全て覆うように第１絶縁層を形成する工程と、
    前記第１絶縁層を介して前記磁気トンネル接合素子の周囲の少なくとも一部を取り囲む第１の部分と、この第１の部分と磁気的に結合することにより第１の部分の磁化を安定化させる第２の部分とを含む磁気シールド層を形成する工程と、
    前記磁気トンネル接合素子以外の部分を覆うように第２絶縁層を形成する工程と
    を含み、
    積層面内において互いの磁化容易軸が直交するように前記磁化自由層と前記磁気シールド層の第２の部分とを形成する
    ことを特徴とする磁気メモリアレイの製造方法。
  63. 前記磁気トンネル接合素子に対応した所望の形状をなすステンシルマスクを用いてフォトリソグラフィを施したのち、前記ステンシルマスクをイオンミリングマスクとして用いてイオンミリングを施すことにより、前記磁気トンネル接合素子を形成する
    ことを特徴とする請求項６２に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  64. 前記ステンシルマスクを用いたフォトリソグラフィ法およびイオンミリング法によって自己整合的に前記第１および第２の部分を形成する
    ことを特徴とする請求項６３に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  65. 水平断面において、第１の軸方向の寸法が、この第１の軸方向と直交する第２の軸方向の寸法よりも大きくなるように前記磁気トンネル接合素子を形成し、
    前記基体上において、前記複数の磁気メモリセルを、前記第１の軸方向へ配列して複数の行を形成すると共に前記第２の軸方向へ配列して複数の列を形成することにより、全体としてマトリクスを形成する
    ことを特徴とする請求項６３に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  66. 前記磁気トンネル接合素子を含む水平断面において、
    前記第１および第２絶縁層からなる絶縁層パターンにより前記第１の軸方向において分割され、かつ、前記第２の軸方向に延在するように前記磁気シールド層の第１の部分を形成し、
    前記第２の軸方向に沿って延在し、かつ、前記第１の軸方向において前記第１の部分と隣接するように前記磁気シールド層の第２の部分を形成し、
    前記第２の軸方向に沿った前記磁気トンネル接合素子の間の連結部分が前記第１の軸方向において前記磁気トンネル接合素子よりも小さな寸法を有し、かつ、前記連結部分の第１の軸方向における中心位置が前記磁気トンネル接合素子の前記第２の軸方向における中心位置と一致するように前記絶縁層パターンを形成する
    ことを特徴とする請求項６５に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  67. 前記磁気トンネル接合素子を含む水平断面において、
    前記第１および第２絶縁層からなる絶縁層パターンにより前記第１の軸方向において分割されるように前記磁気シールド層の第１の部分を形成し、
    前記第２の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子の間の領域を前記第１の軸方向に沿って延在し、かつ、前記第２の軸方向において前記第１の部分と隣接するように前記磁気シールド層の第２の部分を形成し、
    前記第２の軸方向に沿った前記磁気トンネル接合素子の間の連結部分が、前記第１の軸方向において前記磁気トンネル接合素子よりも小さな寸法を有し、かつ、前記連結部分の第１の軸方向における中心位置が、前記磁気トンネル接合素子の前記第１の軸方向における中心位置と一致するように前記絶縁層パターンを形成する
    ことを特徴とする請求項６５に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  68. さらに、前記第１の軸方向に沿って隣り合う前記磁気トンネル接合素子の間の領域を前記第２の軸方向に沿って延在し、かつ、前記第１の軸方向において前記第１の部分と隣接するように前記磁気シールド層の第２の部分を形成する
    ことを特徴とする請求項６７に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  69. 前記磁気シールド層を形成する工程では、
    前記第１および第２の軸方向へ延在して格子状をなすように前記磁気シールド層の第２の部分を形成することにより、前記磁気シールド層の第１の部分が前記第２の軸方向よりも前記第１の軸方向に沿って大きな寸法を有する矩形領域をなすように境界を規定する
    ことを特徴とする請求項６５に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  70. ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含むように前記磁気シールド層の第１の部分を形成し、
    コバルト（Ｃｏ），コバルトクロム合金（ＣｏＣｒ），コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ），コバルト白金合金（ＣｏＰｔ），コバルトクロムボロン合金（ＣｏＣｒＢ），コバルト白金ボロン合金（ＣｏＰｔＢ），コバルトリン（ＣｏＰ）およびコバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ）のうちの少なくとも１種を含むように前記磁気シールド層の第２の部分を形成する
    ことを特徴とする請求項６５から請求項６８のいずれか１項に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
  71. ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ），コバルトジルコニウムタンタル合金（ＣｏＺｒＴａ），コバルト鉄ボロン合金（ＣｏＦｅＢ），コバルトニオブタンタル合金（ＣｏＮｂＴａ）およびコバルトハフニウムタンタル合金（ＣｏＨｆＴａ）のうちの少なくとも１種を含むように前記磁気シールド層の第１の部分を形成し、
    白金マンガン合金（ＰｔＭｎ），ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ），イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ），オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ），パラジウム白金マンガン合金（ＰｄＰｔＭｎ），酸化ニッケル（ＮｉＯ），酸化コバルト（ＣｏＯ），またはコバルトニッケル酸化物（ＣｏＮｉＯ）のうちの少なくとも１種を含むように前記磁気シールド層の第２の部分を形成する
    ことを特徴とする請求項６５から請求項６８のいずれか１項に記載の磁気メモリアレイの製造方法。
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