专利名称：磁存储器元件和磁存储器器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁存储器元件和磁存储器器件，并且更特别地涉及具有隧穿磁阻效应的磁存储器元件和使用该磁存储器元件的磁存储器器件。
背景技术：
磁阻(MR)效应是由于向磁性物质施加磁场而改变电阻的现象，并且被用于磁场传感器、磁头等。特别地，作为表现出非常大的磁阻效应的巨磁阻(GMR)效应材料，已经在非专利文献 1 和 2(D. H. Mosca 等人的 “Oscillatory interlayer coupling and giant magnetoresistance in Co/Cu multilayers", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 94(1991)第 L1-L5 页，以及 S. S. P. Parkin 等人的 “Oscillatory Magnetic Exchange Coupling through Thin Copper Layers",Physical Review Letters,第66卷， 第16期，1991年4月22日，第2152-2155页)中介绍了 Fe/Cr，Co/Cu等的人工晶格膜。还已经提出了使用层压结构的磁阻效应元件，该层压结构包括具有非磁性金属层的铁磁层/非磁性层/铁磁层/反铁磁层，该非磁性金属层的厚度达到了消除铁磁层之间的交换耦合作用的程度。在这一元件中，铁磁层和反铁磁层彼此交换耦合。因此，铁磁层的磁矩是固定的，从而使得仅另一铁磁层的自旋能够容易地在外部磁场下反转。这是称为所谓的自旋阀膜的元件。利用这一元件，两个铁磁层之间的交换耦合是弱的，并且因此自旋能够在较小磁场下反转。出于这一原因，自旋阀膜能够提供具有比交换耦合膜的敏感度更高敏感度的磁阻元件。使用i^Mn、IrMn、PtMn等作为反铁磁物质。自旋阀膜引起电流在膜平面内方向上流动以供使用，但由于上述这种特征而被用于高密度磁性记录的重放磁头。另一方面，非专利文献3 (W. P. Pratt 等人的 “Perpendicular Giant Magnetoresistances of Ag/Co Multilayers",Physical Review Letters,第 66 卷，第 23 期，1991年6月10日，第3060-3063页)示出了使用允许电流在垂直于膜平面的方向上流动的垂直磁阻效应使得能够获得进一步更大的磁阻效应。另外，非专利文献4 (T. Miyazaki 等人的 “Giant magnetic tunneling effect in Fe/A1203/Fe junction，，, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 139 (1995),第 L231-L234页)还示出了由于铁磁隧道结而引起的隧穿磁阻(TMR)效应。这一隧穿磁阻通过以下方式获得在由铁磁层/绝缘层/铁磁层构成的三层膜中由外部磁场引起两个铁磁层的自旋彼此平行或反平行，并从而使用在垂直于膜平面的方向上隧道电流之间的幅度差异。近年来，对将GMR和TMR元件用于非易失性磁存储器半导体器件(MRAM:磁随机存取存储器)的研究已经在例如非专利文献5到7 (S. Tehrani等人的“High densitysubmicron magnetoresistive random access memory(invited)Journal of Applied Physics,第 85 卷，第 8 期，1999 年 4 月 15 日，第 5822-5827 页；S. S. P. Parkin 等人的 "Exchange-biased magnetic tunnel junctions and application to nonvolatile magnetic random access memory (invited) Journal of Applied Physics，第 85 卷，第 8 期，1999 年 4 月 15 日，第 5拟8-5833 页；以及 ISSCC 2001 Dig of Tech.论文，第 122 页) 中示出。在此情况下，已经研究了准自旋阀元件以及铁磁隧穿效应元件，在准自旋阀元件中非磁性金属层夹在矫顽力不同的两个铁磁层之间。当这些元件用于MRAM时，它们被布置为矩阵形式，并且使电流流入附加地提供的导线中，从而使得向其施加磁场。因此，形成每个元件的两个磁性层被控制为彼此平行或反平行，从而记录“1”或“0”。通过利用GMR和 TMR效应来执行读取。对于MRAM而言，使用TMR效应导致比使用GMR效应更低的功耗。因此，已经主要研究了对TMR元件的使用。在使用TMR元件的MRAM中，改变的MR比率在室温下的大小为 20%或更大，并且隧道结处的电阻是大的。因此，能够获得更大的输出电压。另一方面，在使用这种TMR元件的MRAM中，在读取时不需要执行自旋反转，从而使得可以利用更小电流来进行读取。出于这一原因，使用TMR元件的MRAM已经被预期作为能够进行高速写入/读取的低功耗型非易失性半导体存储器器件。对于MRAM的写入操作而言，希望的是控制TMR元件中的铁磁层的磁特性。具体地，需要将其间介入有非磁性层的两个铁磁层的相对磁化方向控制为平行/反平行的技术，以及以可靠性和高效率进行所希望的单元中的一个磁性层的磁化反转的技术。通过使用两根相交的导线来将其间介入有非磁性层的两个铁磁层的相对磁化方向控制为在膜平面内均勻地平行/反平行的技术在例如专利文献1、3、4和7(日本未审专利公开No. Hei 11 (1999)-273337，日本未审专利公开 No. 2000-353791，USP No. 6，005，800，以及日本未审专利公开No. 2005-310971)中示出。在MRAM中，当执行单元小型化以得到更高集成度时，反转磁场由于依赖于磁性层在膜平面方向上的尺寸的退磁场而增加。因此，需要较、大的磁场来用于写入，并且功耗也会增加。因此，如在专利文献2、5、6和7(日本未审专利公开No. 2002180637，日本未审专利公开 No. 2004-296858，USP No. 6，570，783，以及日本未审专利公开 No. 2005-310971)中所示，已经提出了多种技术，其中优化了铁磁层的形状从而便于磁化反转。当针对MRAM以更高的集成度执行磁存储器元件的小型化时，由于退磁场效应而需要更大的磁场来用于写入。因此，加在所选择磁存储器元件的外围上的磁场的效应变大， 并且错误磁化反转变得明显。为了应对这一点，已经在例如专利文献(日本未审专利公开 No. 2000-353791)中提出了，形成覆盖有如在坡莫合金中那样的高导磁率材料的导线，并且使得TMR元件集中其上的磁场。
发明内容
在MRAM中，与经历写入的磁存储器元件放置在同一写入线上的另一磁存储器元件也在写入操作时被带入半选择状态。在半选择状态下，写入线电流甚至向与该磁存储器元件部署在同一写入线上的另一磁存储器元件施加磁场。在MRAM中，以矩阵形式布置的多个MRAM存储器单元中的每一个处的每个磁存储器元件的记录层的形状由于磁存储器元件的制造工艺步骤中的光刻和刻蚀而发生波动。因此，用于使记录层的磁化饱和的磁场依赖于磁存储器元件中记录层的形状而变小。出于这一原因，当其中用于使记录层的磁化饱和的磁场较小的记录层被写入线电流带入半选择状态时，记录层的磁化在难磁化轴的方向上由于由写入线电流生成的磁场而饱和。当在记录层的磁化已经饱和之后写入线电流达到零时，记录层的磁化呈现为沿易磁化轴的两个方向中的任一个，但它们的概率变为理想的1/2。因此，不可能保持信息，其原因在于记录层的磁化不能被控制。相应地，产生了一个问题，即会发生磁存储器元件中的数据的错误反转。鉴于前述问题而做出了本发明。本发明的目的是提供一种磁存储器元件和使用该磁存储器元件的磁存储器器件，该磁存储器元件能够抑制被带入半选择状态的磁存储器元件中的数据的错误反转，从而执行高度可靠的写入操作。本发明的磁存储器元件包括记录层，能够由于外部磁场而改变磁化方向，并且具有易磁化轴和与易磁化轴相交的难磁化轴；第一导电层，用于在记录层的布局位置处形成在与易磁化轴的方向相交的方向上的磁场；以及第二导电层，在与第一导电层相交的方向上延伸，并且用于在记录层的布局位置处形成在与难磁化轴的方向相交的方向上的磁场。 该记录层的至少部分放置为介于第一导电层与第二导电层之间。从第一导电层和第二导电层与记录层彼此层压的方向看，相对于从层压方向看沿第一导电层延伸的方向的第一导电层的虚拟第一中心线而言，记录层的平面形状的一个部分位于一侧上且另一部分位于另一侧上。从层压方向看的该一个部分的面积小于或等于该另一部分的面积的1/3。根据本发明，从层压方向看，相对于从层压方向看沿第一导电层延伸的方向的第一导电层的虚拟第一中心线而言，记录层的平面形状的一个部分位于一侧上且另一部分位于另一侧上。从层压方向看的该一个部分的面积小于或等于该另一部分的面积的1/3。因此，由写入线电流施加于该另一部分的磁场变小。出于这一原因，记录层的磁化不饱和。相应地，磁存储器元件可以在写入线电流流动之前维持磁化方向。因此，能够抑制被带入半选择状态的磁存储器元件中的数据的错误反转。作为结果，可以执行高度可靠的写入操作。
图1是根据本发明第一实施例的磁存储器器件的存储器单元的电路图；图2是图示出根据本发明第一实施例的磁存储器器件的配置的示意性截面视图；图3是示意性地绘出在本发明第一实施例中采用的磁存储器元件的配置的透视图；图4是示意性地示出在本发明第一实施例中采用的铁磁隧道结元件的配置的截面视图；图5是示出在本发明第一实施例中采用的记录层的平面形状的示意性平面视图；图6是用于说明在本发明第一实施例中采用的记录层的位置的示图并且是从磁存储器元件的层压方向看该磁存储器元件的示图；图7是示出根据本发明第一实施例的用于制造磁存储器器件的方法的第一工艺步骤的示意性截面视图8是示出图7所示的方法的第二工艺步骤的示意性截面视图；图9是示出图7所示的方法的第三工艺的示意性截面视图；图IOA和图IOB分别是示出图7所示的方法的第四工艺步骤的示意性截面视图以及以放大形式示出铁磁隧道结元件部分的放大截面视图；图11是示出图7所示的方法的第五工艺步骤的示意性截面视图；图12是图示出根据本发明第一实施例的磁存储器器件的配置的示意性截面视图并且是其磁存储器元件配备有覆盖层的磁存储器器件的示意性截面视图；图13是用于说明根据本发明第一实施例的第一比较示例的记录层的位置的示图并且是从磁存储器元件的层压方向看该磁存储器元件的示图；图14是示出在本发明第一实施例的第一比较示例中磁场由写入线电流生成的情况下记录层中的磁化分布的示意性平面视图；图15是示出在本发明第一实施例中磁场由写入线电流生成的情况下记录层中的磁化分布的示意性平面视图；图16是示出在本发明第一实施例中采用的磁存储器元件的饱和位概率与其面积比率之间的关系的示图；图17是用于说明根据本发明第一实施例的第二比较示例的记录层的位置的示图并且是从磁存储器元件的层压方向看该磁存储器元件的示图；图18是用于说明根据本发明第一实施例的第三比较示例的记录层的位置的示图并且是从磁存储器元件的层压方向看该磁存储器元件的示图；图19是图示出在本发明第二实施例中采用的记录层的平面形状的示意性平面视图；图20是用于说明在本发明第二实施例中采用的记录层的位置的示图并且是从磁存储器元件的层压方向看该磁存储器元件的示图；图21是用于说明根据本发明第二实施例的第一修改的记录层的位置的示图并且是从磁存储器元件的层压方向看该磁存储器元件的示图；图22是图示出根据本发明第二实施例的第二修改的记录层的平面形状的示意性平面视图；图23是用于说明在本发明第二实施例中采用的磁存储器元件的第二修改的位置的示图并且是从记录层的层压方向看该记录层的示图；以及图M是用于说明在本发明第二实施例中采用的磁存储器元件的第三修改的位置的示图并且是从记录层的层压方向看该记录层的示图。
具体实施例方式下面将基于附图来说明本发明的优选实施例。(第一实施例)(存储器单元的电路和结构)首先，对于根据本发明第一实施例的磁存储器器件而言，将给出对磁存储器器件的存储器单元电路的描述。参考图1，在磁存储器器件MD中，一个存储器单元MC (在虚线框内)包括元件选择晶体管TR和铁磁隧道结元件MM。以矩阵形成多个存储器单元MC。每个磁存储器元件ME包括铁磁隧道结元件MM以及用于执行信息的重新写入和读取的写入线WT和位线BL。元件选择晶体管TR是用于控制磁存储器元件ME的控制元件。 位线BL电耦合到在一个方向上(例如行)并排布置的铁磁隧道结元件MM的相应的一端侧。另一方面，写入线WT沿另一方向(例如列)布置在垂直于位线BL的方向上。铁磁隧道结元件MM的另一端侧电耦合到元件选择晶体管TR的漏极侧。在一个方向上并排布置的元件选择晶体管TR的源极侧通过源极线SL彼此电耦合。在另一方向上并排布置的元件选择晶体管TR的栅极通过字线WD彼此电耦合。接着将描述根据本实施例的磁存储器器件的结构。参考图2，在半导体衬底11的存储器单元区域MR中，元件选择晶体管TR形成在由元件隔离绝缘膜12限定的表面(半导体衬底11的表面)中。元件选择晶体管TR原则上具有漏极区域D、源极区域S以及栅极电极主体G。漏极区域D和源极区域S形成在半导体衬底11的表面中，彼此隔开指定距离。漏极区域D和源极区域S由指定导电类型的杂质区域共同地形成。栅极电极主体G经由栅极绝缘膜GI而形成在介于漏极区域D与源极区域 S之间的区域之上。栅极电极主体G的侧壁覆盖有侧壁状侧壁绝缘膜Si。将层间绝缘膜13形成为覆盖元件选择晶体管TR。层间绝缘膜13设置有从其顶部侧到达漏极区域D的沟道或孔。耦合构件14形成在该孔内。层间绝缘膜15形成在层间绝缘膜13之上。在层间绝缘膜15中，形成有从层间绝缘膜15的顶部侧到达耦合构件14的孔，以及从其顶部侧到达层间绝缘膜13的孔。写入线WT和耦合构件16形成在其对应的孔中。耦合构件16通过耦合构件14电耦合到漏极区域D。层间绝缘膜17形成在层间绝缘膜15之上以便覆盖写入线WT和耦合构件16。层间绝缘膜17包括提供在其中的、从其顶部侧到达耦合构件16的孔。耦合构件18形成在该孔中。导电层19和铁磁隧道结元件MM形成在层间绝缘膜17之上。导电层19通过耦合构件18、16和14电耦合到漏极区域D。铁磁隧道结元件MM是磁阻效应元件，并且具有顺序地从底部堆叠的固定层1、隧道绝缘层2(其是非磁性层)和记录层3。将固定层1形成为与导电层19接触。将保护膜20形成为覆盖铁磁隧道结元件MM。在保护膜20之上形成层间绝缘膜 21。保护膜20和层间绝缘膜21包括提供在其中的、穿透这些膜20和21并到达记录层3 的孔。在该孔中，形成耦合构件23。在层间绝缘膜21之上形成位线BL。位线BL通过耦合构件23电耦合到铁磁隧道结元件匪。将层间绝缘膜沈形成为覆盖位线BL。在层间绝缘膜沈之上形成指定布线层四和绝缘层28。另一方面，在半导体衬底11的外围(逻辑)电路区域RR中形成晶体管TRA，该晶体管TRA形成逻辑电路。晶体管TRA具有形成在半导体衬底11的表面中、彼此隔开指定距离的成对的源极/漏极区域S/D，以及经由介于其间的栅极绝缘膜GI而形成在介于该对源极/漏极区域S/D之间的区域之上的栅极电极G。栅极电极G的侧壁覆盖有侧壁状侧壁绝缘膜Si。在晶体管TRA之上形成指定布线层16、25和四、用于电耦合布线层16、25和四的耦合构件14、23和27、以及层间绝缘膜13、15、17、21、24、26和28。
接着将更详细地描述存储器单元的结构。参考图3和图4，要针对信息而磁化的铁磁隧道结元件MM被布置为在写入线WT和位线BL(第一导电层和第二导电层)彼此相交的区域中从上方和下方方向至少部分地介于写入线WT与位线BL之间。铁磁隧道结元件匪以例如固定层1、隧道绝缘层2和记录层3 的层压结构形成。在固定层1中，磁化方向是固定的。记录层3能够实现由于外部磁场而发生磁化方向改变。在记录层3中，磁化方向由流过指定导线(例如位线BL)的电流生成的磁场以及自旋极化电子的注入而改变。固定层1经由图2所示的导电层19以及耦合构件18、16和14而电耦合到元件选择晶体管TR的漏极区域D。另一方面，记录层3侧经由耦合构件23电耦合到位线BL。对于由于从外部施加的磁场而改变磁化方向的记录层3而言，根据晶体结构、形状等，一般存在倾向于发生磁化的方向。这一方向处于磁能量为低的状态。倾向于发生磁化的方向称为易磁化轴(Ea)。相反，较不可能发生磁化的方向称为难磁化轴(Ha)。将参考图5来说明记录层的平面形状的轮廓。作为与平面图中所见的记录形状相关的一个实施例，存在如图5所示的椭圆形状。如图5所示，记录层3具有易磁化轴91和与易磁化轴91相交的难磁化轴92。记录层3具有虚拟第一直线63，虚拟第一直线63具有沿易磁化轴91的方向延伸的平面形状的最大长度L。即，虚拟第一直线63延伸到其中记录层3在易磁化轴91的方向上的长度变为最大的位置。记录层3在虚拟第一直线63之上具有最大长度L。记录层3具有通过虚拟第一直线63的第一中点MPl的虚拟第二直线64，并且具有沿难磁化轴92的方向延伸的平面形状长度W。即，虚拟第二直线64是垂直于虚拟第一直线 63的直线，并且定位成等分虚拟第一直线63的最大长度L的部分。中心点CP位于虚拟第二直线64的第二中点MP2。S卩，中心点CP位于虚拟第一直线63与虚拟第二直线64之间的交点处。位于虚拟第二直线64上的形状为平面的两端呈现为一端LP和另一端RP。S卩，虚拟第二直线64与记录层3的两个平面形状的端部相交的相交位置呈现为一端LP和另一端 RP。中心点CP位于一端LP与另一端RP之间的距离的中点。中心点CP与一端LP之间的中点呈现为第三中点MP3，并且中心点CP与另一端RP之间的中点呈现为第四中点MP4。参考图6，提供写入线WT以便在记录层3的布局位置处形成在与易磁化轴91的方向相交的方向上的磁场。写入线WT沿虚拟第一中心线AW延伸。位线BL在与写入线WT相交的方向上延伸，并且被提供为在记录层3的布局位置处形成在与难磁化轴92的方向相交的方向上的磁场。位线BL沿虚拟第二中心线BW延伸。将记录层3布置为使得易磁化轴91的方向变为基本上与虚拟第一中心线AW延伸的方向平行。即，将记录层3布置为使得其纵向方向变为几乎与写入线WT延伸的方向平行。 另外，将记录层3布置为使得其难磁化轴92的方向变为基本上与虚拟第二中心线BW延伸的方向平行。在本实施例中，将记录层3形成为使得虚拟第一中心线AW延伸的方向(写入线WT延伸的方向)与虚拟第二中心线BW延伸的方向(位线BL延伸的方向)变为几乎彼此垂直。从写入线WT和位线BL与记录层3层压的方向看，相对于从层压方向看在写入线 WT延伸的方向上的第一中心线AW而言，记录层3的平面形状的一个部分位于一侧上且另一部分位于另一侧上。从层压方向看的该一个部分的面积S2小于或等于该另一部分的面积 Sl的1/3。该一个部分的面积S2对应于位于虚拟第一中心线AW的另一端RP侧上的平面形状面积，并且该另一部分的面积Sl对应于位于虚拟第一中心线AW的一端LP侧上的平面形状面积。当仅有由写入线WT形成的磁场作用于记录层3上时，记录层3被形成为磁化不饱和。从写入线WT和位线BL与记录层3层压的方向看，记录层3中的中心点CP部署在介于写入线WT与位线BL之间的区域中并且部署为从第一中心线AW偏移。从层压方向看， 记录层3中的中心点CP基本上位于位线BL的第二中心线BW之上。从层压方向看的写入线WT的宽度形成为既大于中心点CP与一端LP之间的距离又大于中心点CP与另一端RP之间的距离，并且小于如下距离，该距离等于一端LP与另一端RP之间的距离的两倍。从层压方向看，写入线WT的第一中心线AW经过第四中点MP4之上。顺便提及，从层压方向看，写入线WT的虚拟第一中心线AW可以经过第三中点MP3之上。从层压方向看，另一端RP布置为介于写入线WT与位线BL之间。从层压方向看， 一端LP布置为介于写入线WT与位线BL之间。(存储器单元的操作)然后，将描述存储器单元的操作。参考图2，以下述方式执行读取操作。使指定电流流过特定存储器单元的铁磁隧道结元件MM。因此，检测由于磁化方向而引起的电阻值的差异。首先，将特定存储器单元的选择晶体管TR设置为ON(接通)状态。因此，经由耦合构件18、16和14以及选择晶体管TR 从位线BL通过特定铁磁隧道结元件MM向源极线SL传送指定传感信号。此时，当铁磁隧道结元件匪的固定层1和记录层3的磁化方向为相同方向(平行)时，电阻值相对较低。当记录层3和固定层1的磁化方向彼此相反(反平行)时，电阻值相对较高。隧穿磁阻效应元件具有如下特性，即当记录层3和固定层1的相应磁化方向彼此平行时，电阻值变小，而当记录层3和固定层1的相应磁化方向彼此反平行时，电阻值变大。作为结果，当铁磁隧道结元件MM的磁化方向彼此平行时，流过源极线SL的传感信号的强度变为大于指定参考存储器单元的信号强度。另一方面，当铁磁隧道结元件MM的磁化方向彼此反平行时，传感信号的强度变为小于指定参考存储器单元的信号强度。因此，在特定存储器单元中写入的信息是“0”还是“1”依赖于传感信号的强度是大于还是小于指定参考存储器单元的信号强度而确定。以下述方式执行写入(重新写入)操作。使指定电流流过位线BL和写入线WT，从而对铁磁隧道结元件MM进行磁化(在其中引起磁化反转)。首先，使指定电流分别流过所选择的位线BL和写入线WT。这生成了围绕位线BL和写入线WT的对应于电流流动方向的相应磁场(图6的箭头53a和Ma)。因此，由流过位线BL的电流生成的磁场和由流过写入线WT的电流生成的磁场的合成磁场(图6的箭头55a)作用于位于所选择的位线BL和写入线WT彼此相交的区域中的铁磁隧道结元件匪上。此时，基于磁场的加和，存在其中铁磁隧道结元件MM的记录层3在与固定层1的磁化方向相同的方向上被磁化的实施例，以及其中记录层3在与固定层1的磁化方向相反的方向上被磁化的实施例。记录层3和固定层1的磁化方向为相同方向(平行)的情况以及为相反方向(反平行)的情况是以这种方式实现的。因此，磁化方向被记录为对应于“0” 或“1”的信息。(磁存储器器件的制造方法)接着将给出对磁存储器器件及其制造方法的一个示例的描述。图7到图11是以工艺步骤顺序示出根据本实施例的磁存储器器件的制造方法的示意性截面视图。首先，参考图7，元件隔离绝缘膜12形成在半导体衬底11的主表面的指定区域中。作为结果，形成存储器单元区域MR和外围电路区域RR。栅极电极主体G经由栅极绝缘膜GI形成在位于存储器单元区域MR和外围电路区域RR中的半导体衬底11的表面之上。使用栅极电极主体G等作为掩模，将指定导电类型的杂质引入半导体衬底11的表面中，从而形成包括杂质区域的漏极区域D和源极区域S，以及成对的源极/漏极区域S/D。 因此，在存储器单元区域MR中，形成包括栅极电极G、漏极区域D和源极区域S的元件选择晶体管TR。在外围电路区域RR中，形成晶体管TRA，该晶体管TRA形成逻辑电路。通过例如CVD (化学汽相沉积)方法形成层间绝缘膜13使得覆盖元件选择晶体管 TR和晶体管TRA。使层间绝缘膜13经历指定的光刻工艺和刻蚀，从而形成使半导体衬底11 的表面暴露的接触孔13a和13b。例如，钨层(未示出)在层间绝缘膜13之上形成为填充接触孔13a和13b。使钨层经历CMP (化学机械抛光)工艺，从而使得去除位于层间绝缘膜 13的顶部侧之上的钨层部分。参考图8，通过钨层的去除，将钨层留在每个接触孔13a和13b中以形成耦合构件 14。参考图9，通过例如CVD方法进一步将层间绝缘膜15形成在层间绝缘膜13之上。 使层间绝缘膜15经历指定的光刻工艺和刻蚀，从而使得在存储器单元区域MR中形成用于形成写入线和指定布线层的开口 1 和15b。而在外围电路区域RR中，将用于形成指定布线层的开口 15c形成在层间绝缘膜15中。例如，将铜层(未示出)形成在层间绝缘膜15之上使得填充开口 1如、1恥和15c。使铜层经历CMP工艺，从而使得去除位于层间绝缘膜15 的顶部侧之上的铜层。因此，使铜层留在开口 1如、1恥和15c中。相应地，在存储器单元区域MR中，将耦合构件16形成在开口 15a中，并且将写入线WT形成在开口 1 中。而在外围电路区域RR中，将耦合构件16形成在开口 15c中。顺便提及，对于形成铜层以填充开口 15a、15b和15c而言，可以堆叠用于防止铜层与层间绝缘膜之间的反应的反应防止层。另外，参考图12，可以形成包括具有比写入线WT 的导磁率更高的导磁率的材料的覆盖层HR，使得覆盖写入线WT以便将布线电流磁场集中于磁存储器元件上。参考图IOA和图10B，通过例如CVD方法进一步将层间绝缘膜17形成在层间绝缘膜15之上。使层间绝缘膜17经历指定的光刻工艺和刻蚀，从而使得形成使耦合构件16的表面暴露的接触孔17a。例如，将铜层(未示出)形成在层间绝缘膜17之上使得填充接触孔17a的内部。使铜层经历例如CMP工艺，从而使得去除位于层间绝缘膜17的顶部侧之上的铜层。因此，使铜层留在接触孔17a中，从而形成耦合构件18。然后，将导电层19和铁磁隧道结元件匪形成在存储器单元区域MR中的层间绝缘膜17之上。铁磁隧道结元件MM包括固定层1、隧道绝缘层2和记录层3的层压膜。首先， 作为要成为固定层1的膜，例如，连续地形成膜厚度为大约20nm的钼锰膜(反铁磁层)以及膜厚度为大约3nm的钴合金膜(铁磁膜)。继而，作为要成为隧道绝缘层2的膜，例如，形成膜厚度为大约Inm的氧化铝膜。然后，作为记录层3，例如，形成膜厚度为大约3nm的镍合金膜(两者均未示出)。顺便提及，通过例如溅射方法来形成钼锰膜、钴合金膜、氧化铝膜以及镍合金膜。此后，使镍合金膜、氧化铝膜、钴合金膜以及钼锰膜经历指定的光刻工艺和刻蚀。 这导致形成包括固定层1、隧道绝缘层2和记录层3的指定形状的铁磁隧道结元件MM。一般地，当将干法工艺(灰化)用于在刻蚀之后去除抗蚀剂图案时，使用包含氧气作为主要成分的气体。优选地，使用关于固定层1和记录层3的构成材料不具有氧化性的气体，诸如氢气、氮气和氨气及其混合气体。相应地，抑制了固定层1和记录层3的氧化。顺便提及，固定层1可以为反铁磁层/铁磁层/非磁性层/铁磁层的层压结构。即使记录层3形成为具有不同磁特性的铁磁膜的层压或者铁磁层/非磁性层/铁磁层的层压结构，也不会产生问题。参见图11，为了防止铁磁隧道结元件MM被后续工艺损坏，将保护膜20形成为覆盖铁磁隧道结元件MM。另外，通过例如CVD方法在层间绝缘膜17之上形成层间绝缘膜21，使得覆盖保护膜20。在存储器单元区域MR中，使层间绝缘膜21和保护膜20经历指定的光刻工艺和刻蚀，从而形成使记录层3的表面暴露的接触孔21a。在外围电路区域RR中，使层间绝缘膜21和层间绝缘膜17经历指定的光刻工艺和刻蚀，从而形成到达布线层16的表面的接触孔21b。将铜层(未示出)形成在层间绝缘膜21之上使得填充接触孔21a和21b 的内部。使铜层经历例如CMP工艺等，从而去除位于层间绝缘膜21的顶部侧之上的铜层。 因此，使铜层留在接触孔21a和21b的每个内部以形成耦合构件23。通过例如CVD方法进一步将层间绝缘膜M形成在层间绝缘膜21之上使得覆盖层间绝缘膜21。使层间绝缘膜M经历指定的光刻工艺和刻蚀，从而使得在存储器单元区域 MR中，将用于形成位线的开口形成在层间绝缘膜M中。在外围电路区域RR中，将开口 2 形成在层间绝缘膜M中。例如，将铜层(未示出)形成在层间绝缘膜M之上使得填充这些开口的内部。使铜层经历例如CMP工艺，从而去除位于层间绝缘膜M的顶部侧之上的铜层。因此，在用于位线的开口中，使铜层留下以形成位线BL。在开口 Ma中，使铜层留下以形成布线层25。顺便提及，已经在前面的描述中说明了单大马士革方法。然而，在形成层间绝缘膜 21之后，进一步形成层间绝缘膜M。在这些层间绝缘膜21和M中，可以利用双大马士革方法形成指定耦合构件和布线层。在此情况下，首先，使层间绝缘膜M经历指定的光刻工艺和刻蚀。因此，在存储器单元区域MR中，形成用于形成位线的开口(未示出)。在外围电路区域RR中，形成用于形成布线层的开口 Ma。然后，使层间绝缘膜21经历指定的光刻工艺和刻蚀。因此，在存储器单元区域MR中，形成到达铁磁隧道结元件MM中的记录层3的表面的接触孔21a。在外围电路区域RR中，形成到达布线层16的表面的接触孔21b。顺便提及，可以在层间绝缘膜21和M中形成接触孔之后在层间绝缘膜M中形成开口 2 等。然后，例如，在层间绝缘膜M之上形成铜层(未示出)使得填充接触孔21a和21b 以及开口 2 等的内部。使铜层经历例如CMP工艺，从而去除位于层间绝缘膜M的顶部侧之上的铜层部分。因此，在存储器单元区域MR中，形成嵌入接触孔21a中的耦合构件23，该耦合构件23电耦合到记录层3。此外，在开口中，形成要电耦合到耦合构件23的位线BL。顺便提及，只要位线BL和记录层3能够电耦合，即使不使用耦合构件23，也不会有问题。另一方面，在外围电路区域RR中，将要电耦合到布线层16的耦合构件23形成在接触孔21b 中。另外，在开口 Ma中，形成要电耦合到耦合构件23的布线层25。参考图2，将层间绝缘膜沈进一步形成在层间绝缘膜M之上使得覆盖在前面的描述中形成的布线层25和位线BL。在外围电路区域RR中，在层间绝缘膜沈中形成孔，并且在孔中形成耦合构件27。在层间绝缘膜沈之上，进一步形成层间绝缘层观。在层间绝缘层观中形成开口，并且在开口中形成布线层四。顺便提及，尽管已经在前述描述中说明了单大马士革方法，但在形成层间绝缘膜 26之后进一步形成层间绝缘层28，并且在层间绝缘膜沈和观中，可以以与上述方式相同的方式通过双大马士革方法来形成耦合构件27和布线层四。本实施例的磁存储器器件MD以上述方式制造。顺便提及，在上述磁存储器器件MD的制造方法中，已经通过将钨层作为耦合构件 14等的示例而给出了描述。然而，例如，可以向其应用硅。作为替代，还可以向其应用诸如铜、钛或者钽等的金属。另外，还可以向其应用这种金属的合金、这种金属的氮化物等。尽管已经通过将CMP方法或RIE方法作为形成耦合构件14等的方法的示例而给出了描述，但可以向其应用例如镀覆方法、溅射方法或者CVD方法等。当将铜作为金属应用时，可以向其应用所谓的大马士革方法。因此，布线层还可以形成为与耦合构件14平行。另外，尽管已经通过将单大马士革方法作为形成写入线WT的方法的示例而给出了描述，但当写入线WT与耦合构件14同时形成时，可以向其应用双大马士革方法。另外， 通过应用诸如硅、钨、铝或者钛之类的金属、这种金属的合金或者这种金属的化合物作为布线材料，通过干法刻蚀来形成布线也成为可能。介于布线层与布线层之间的层间绝缘膜的膜厚度根据应用器件而变化。然而，在磁存储器器件MD中，膜厚度是例如大约40nm。尽管已经通过将氧化铝作为用于铁磁隧道结元件MM的隧道绝缘层2的示例而给出了描述，但非磁性材料可优选地作为隧道绝缘层2。例如，诸如铝、硅、钽或者镁之类的金属的氧化物、该金属的氮化物、典型地为硅酸盐等的该金属的合金氧化物、或者该合金的氮化物等可优选地作为隧道绝缘层2。另外，隧道绝缘层2优选地形成为膜厚度为大约0. 3nm 到5nm的较薄的膜。顺便提及，当将非磁性金属材料用于替代隧道绝缘层2时，还可以使用垂直于膜平面的方向上的所谓巨磁阻效应。另外，作为铁磁隧道结元件MM的固定层1，已经将钼锰合金膜和铁钴合金膜的层压结构作为示例。而作为记录层3，已经将铁镍合金膜作为示例。然而，对于固定层1和记录层3，例如包含镍、铁和/或钴作为主要成分的铁磁材料是优选的。另外，对于改善铁磁材料的磁特性和热稳定性而言，可以将诸如硼、氮、硅、钼之类的添加剂引入铁磁材料中。特别地，对于记录层3而言，还可以通过以下方式来实现其磁特性的改善/稳定化对于记录层3而言，将具有用于改善记录层3的磁特性的体心立方型、金红石型、氯化钠型或者闪锌矿型的晶体结构的晶体材料薄膜堆叠在记录层3之上；以及/或者将钽、钌等的氧化防止膜堆叠在其上。此外，还可以应用称为半金属的NiMnSb，Co2Mn (Ge，Si)，CoJe (Al，Si)，(Zn， Mn) Fe2O4等。在半金属中，能隙存在于一个自旋能带中，因此其能够提供非常大的磁效应。 作为结果，能够获得较大信号输出。
以反铁磁层和铁磁层的层压结构形成固定层1。因此，其磁化方向可以更固定。换言之，反铁磁层固定了铁磁层的自旋方向，从而使得铁磁层的磁化方向保持恒定。诸如铁之类的铁磁材料或贵金属中的至少一个与锰的化合物对于反铁磁层而言是优选的。顺便提及，在上述制造方法中，已经将通过溅射方法分别形成固定层1、隧道绝缘层2和记录层3的情况作为示例。然而，还可以通过溅射方法之外的例如MBE (分子束外延)方法、化学汽相生长方法或者汽相沉积方法来分别形成固定层1、隧道绝缘层2和记录层3。另外，在磁存储器器件MD的制造方法中，已经给出了对在铁磁隧道结元件匪的固定层1与耦合构件18之间提供导电层19的情况下的描述。然而，固定层1和耦合构件18 还可以彼此直接耦合。作为替代，可以采用如下结构，其中布线层16和导电层19彼此直接耦合，而不需要在其间介入耦合构件18。在此情况下，可以将导电层19形成为与固定层1 的平面形状相同的形状使得在平面视图中覆盖固定层1。作为用于导电层19的材料，优选地应用低电阻金属，诸如钼、钌、铜、铝或者钽。另一方面，优选地将导电层19的膜厚度设置为例如300nm或更小，以便防止损伤要形成在导电层之上的固定层1、隧道绝缘层2和记录层3的平坦度。顺便提及，当固定层1和记录层3形成为在平面视图中具有相同尺寸时，导电层19 需要形成为在平面视图中比固定层1更大，从而使得导电层19耦合到耦合构件14。因此， 即使导电层19形成为在平面基础上比固定层1更大，也不会有问题。因此，允许指定导电层19存在于层间绝缘膜15与铁磁隧道结元件匪之间。作为结果，当耦合构件18由例如铜形成时，还能够防止铜的耦合构件18在通过刻蚀对铁磁隧道结元件MM进行构图期间被腐蚀。另外，将具有比固定层1的电阻更低的电阻的材料应用于导电层19。这能够减小读取时的电流路径的电阻，其还能够得到读取速度方面的改善。另外，在本实施例的磁存储器器件MD中，已经通过将如下情况作为示例而给出了描述，即为了防止铁磁隧道结元件MM在形成铁磁隧道结元件MM之后的工艺步骤中被损坏， 形成保护膜20使得覆盖铁磁隧道结元件MM。铁磁隧道结元件MM在制造步骤期间可能受到的损坏的示例包括由于用于形成层间绝缘膜的热处理而引起的损坏。当将氧化硅膜形成为层间绝缘膜时，该氧化硅膜在大约400°C左右的氧化气氛下形成。此时，磁性膜可以在氧化气氛下被氧化。作为结果，铁磁隧道结元件MM的磁特性可能变差。通过用诸如氮化硅膜或氧化铝膜之类的保护膜20来覆盖铁磁隧道结元件MM，保护膜20能够用作抗氧化的屏障并从而保护铁磁隧道结元件MM。为了防止这种氧化，层间绝缘膜可以配置为氧化绝缘膜和诸如氮化硅膜之类的在非氧化气氛下可沉积的薄膜的双层结构。在此情况下，在双层结构的层间绝缘膜中，氮化硅膜用作铁磁隧道结元件MM的保护膜。另外，保护膜20可优选地是如下膜，其包含通过对具有比狗更低的氧化物形成自由能量的金属进行氧化处理而形成的金属氧化物、绝缘金属碳化物以及绝缘金属氮化物中的至少一种材料。通过使用这种材料，可以防止在使用至少包含狗的磁性材料的磁存储器器件的制造步骤中的氧化步骤期间铁磁隧道结元件MM的氧化。作为结果，可以获得容易制造并且在操作特性上稳定的磁存储器器件。(操作和效果)
接着将描述本实施例的操作和效果。首先，将对如下情况(由写入线WT引起的半选择状态)进行描述，在该情况中，选择在写入操作时位于与经历写入的磁存储器元件ME相同的写入线WT之上的另一磁存储器元件ME。在半选择状态下，向记录层3施加由于流过写入线WT的写入线电流IWT而引起的在难磁化轴92方向上的磁场。首先将给出对在本发明的第一比较示例中采用的写入线WT在半选择状态下对记录层的磁化的描述。参考图13，第一比较示例的记录层3具有与本实施例类似的形状。在第一比较示例中，记录层3的中心点CP位于第一中点MPl和第二中点MP2上。S卩，中心点 CP存在于位线BL与其对应的写入线WT之间的交点上。参考图14，将给出对如下情况下的记录层3中的磁化分布的描述，其中对于在图 13所示的第一比较示例中采用的记录层3而言足够大的写入线电流IWT在记录层3中流动从而在记录层3的平面内生成磁场。在此情况下，基本上均勻地在记录层3的平面内施加磁场，从而使得记录层3的所有磁化在由写入线电流IWT引起的磁场的方向上为饱和。当在这一状态下写入线电流IWT达到0时，记录层3的磁化在图中沿易磁化轴91转为向上或向下，但它们的概率变为理想的1/2。即，不可能保持信息，其原因在于由于记录层3的磁化饱和，记录层3的磁化不能被控制。相应地，由于写入线WT而在半选择状态下错误地发生数据的反转。继而，将给出对在本实施例中由写入线WT引起的在半选择状态下记录层3的磁化的描述。顺便提及，写入线电流IWT呈现为具有与第一比较示例中类似的幅度。参考图15，本实施例中的记录层3的中心点CP定位成从写入线WT的虚拟中心线 AW偏移。因此，在记录层3的难磁化轴92的方向上施加非均勻磁场。顺便提及，由于中心点CP位于位线BL的虚拟中心线BW上，所以在沿易磁化轴91的方向延伸的虚拟第一直线 63上的磁场基本上是均勻的。因此，磁化在记录层3的另一部分(一端LP侧)处不饱和，但呈现为相对于虚拟第一直线63非对称的磁化分布。这是因为在记录层3的该另一部分处，由写入线电流IWT 生成的磁场较小并且在写入线电流IWT流动之前取得的磁化方向得以维持。在此情况下， 即使当停止通过写入线电流IWT时(当写入线电流IWT被变为0时)，初始地由磁存储器元件ME保持的信息也得以维持。根据本实施例的磁存储器元件ME，从层压方向看，相对于从层压方向看沿写入线 WT延伸的方向的第一中心线AW而言，记录层3的平面形状的一个部分位于一侧上且另一部分位于另一侧上。从层压方向看的该一个部分的面积S2小于或等于该另一部分的面积Sl 的1/3。因此，被带入半选择状态的记录层3的磁化反转可以被变为接近0。相应地，可以抑制被带入半选择状态的磁存储器元件ME中数据的错误反转。因此，可以执行高度可靠的写入操作。下面将详细地说明其原因。表1示出了一个部分的面积S2和另一部分的面积Sl的比率(S2/S1)与饱和位概率之间的关系。顺便提及，位的含义是一个磁存储器元件ME。饱和位概率示出了由写入线 WT引起的在半选择状态下记录层3的磁化为饱和的概率。以下述方式确定饱和位概率对于在记录层3的膜表面中生成的磁场，针对每个坐标求解麦克斯韦方程(电磁场分析)，从而计算在使写入线电流IWT流过其中时记录层3的平面中的磁场。假定记录层3的饱和磁场的分布遵循正态分布，针对每个位置计算了已经达到饱和磁场的每个位的存在概率。顺便提及，对于计算中使用的写入线电流IWT而言， 为方便起见，使用了如下值，在该值处，写入线WT上的所有位可以为饱和。以这种方式确定了饱和位概率。[表1]
权利要求
1.一种磁存储器元件，包括记录层，能够由于外部磁场而改变磁化方向，并且具有易磁化轴和与所述易磁化轴相交的难磁化轴；第一导电层，用于在所述记录层的布局位置处，形成在与所述易磁化轴的方向相交的方向上的磁场；以及第二导电层，在与所述第一导电层相交的方向上延伸，并且用于在所述记录层的布局位置处，形成在与所述难磁化轴的方向相交的方向上的磁场，其中所述记录层的至少部分放置为介于所述第一导电层与所述第二导电层之间，并且从所述第一导电层和所述第二导电层与所述记录层彼此层压的方向看，相对于从所述层压方向看沿所述第一导电层延伸的方向的所述第一导电层的虚拟第一中心线而言，所述记录层的平面形状的一个部分位于一侧上且另一部分位于另一侧上，并且其中从所述层压方向看的所述一个部分的面积小于或等于所述另一部分的面积的1/3。
2.根据权利要求1的磁存储器元件，其中当仅有由所述第一导电层形成的磁场作用于所述记录层上时，所述记录层被形成为其磁化为非饱和。
3.根据权利要求1的磁存储器元件，其中虚拟第二直线通过中心点和具有所述平面形状沿所述易磁化轴方向的最大长度的虚拟第一直线的第一中点，所述中心点位于具有所述平面形状沿所述难磁化轴方向的长度的所述虚拟第二直线的第二中点，位于从所述层压方向看介于所述第一导电层与所述第二导电层之间的区域中，并且从所述层压方向看所述中心点位于所述第一导电层的第一中心线之外。
4.根据权利要求3的磁存储器元件，其中所述中心点位于从所述层压方向看沿所述第二导电层延伸的方向的所述第二导电层的虚拟第二中心线之上。
5.根据权利要求3的磁存储器元件，其中当将位于所述第二直线之上的所述平面形状的两端呈现为一端和另一端时，从所述层压方向看的所述第一导电层的宽度既大于所述中心点与所述一端之间的距离又大于所述中心点与所述另一端之间的距离，并且小于如下距离，即所述距离等于所述一端与所述另一端之间的距离的两倍，并且其中从所述层压方向看，所述第一导电层的所述第一中心线通过所述中心点与所述一端之间的第三中点以及所述中心点与所述另一端之间的第四中点中的任一个。
6.根据权利要求3的磁存储器元件，其中从所述层压方向看，所述平面形状定位成相对于所述第一导电层的第一中心线非对称，并且相对于所述第二导电层的第二中心线对称，其中从所述层压方向看所述第一中点与所述中心点之间的线性区域位于介于所述第一导电层与所述第二导电层之间的区域中，并且从所述层压方向看布置在不与所述第一导电层的第一中心线相交的位置中。
7.根据权利要求6的磁存储器元件，其中所述第一中点定位成相对于所述第一导电层的第一中心线远离所述中心点。
8.根据权利要求1的磁存储器元件，其中从所述层压方向看，整个所述平面形状介于所述第一导电层与所述第二导电层之间。
9.根据权利要求1的磁存储器元件，进一步包括覆盖层，所述覆盖层覆盖所述第一导电层，并且包括具有比所述第一导电层的导磁率更高的导磁率的材料。
10. 一种磁存储器器件，包括 根据权利要求1的磁存储器元件；以及控制元件，用于控制所述磁存储器元件。
全文摘要
本发明提供磁存储器元件和磁存储器器件。该磁存储器元件包括记录层，能够由于外部磁场而改变磁化方向，并且具有易磁化轴和与该易磁化轴相交的难磁化轴；写入线，用于在记录层的布局位置处形成在与易磁化轴的方向相交的方向上的磁场；以及位线，在与写入线相交的方向上延伸，并且用于在记录层的布局位置处形成在与难磁化轴的方向相交的方向上的磁场。记录层的至少部分放置为介于写入线与位线之间。从写入线和位线与记录层彼此层压的方向看，相对于从层压方向看沿写入线延伸的方向的该写入线的虚拟第一中心线而言，记录层的平面形状的一个部分位于一侧上且另一部分位于另一侧上。从层压方向看的该一个部分的面积小于或等于该另一部分的面积的1/3。
文档编号H01L43/12GK102280136SQ201110075860
公开日2011年12月14日 申请日期2011年3月23日 优先权日2010年3月29日
发明者古川泰助, 长永隆志, 黑岩丈晴 申请人:瑞萨电子株式会社