特許 6345037 半導体装置およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6345037

(24)【登録日】2018年6月1日

(45)【発行日】2018年6月20日

(54)【発明の名称】半導体装置およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/8239 20060101AFI20180611BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20180611BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20180611BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20180611BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/105 447

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

【請求項の数】13

【全頁数】44

(21)【出願番号】特願2014-172017(P2014-172017)

(22)【出願日】2014年8月26日

(65)【公開番号】特開2016-46492(P2016-46492A)

(43)【公開日】2016年4月4日

【審査請求日】2017年5月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】302062931

【氏名又は名称】ルネサスエレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100080001

【弁理士】

【氏名又は名称】筒井 大和

(74)【代理人】

【識別番号】100113642

【弁理士】

【氏名又は名称】菅田 篤志

(74)【代理人】

【識別番号】100117008

【弁理士】

【氏名又は名称】筒井 章子

(74)【代理人】

【識別番号】100147430

【弁理士】

【氏名又は名称】坂次 哲也

(72)【発明者】

【氏名】利根川 丘

(72)【発明者】

【氏名】苅屋田 英嗣

(72)【発明者】

【氏名】風祭 貴保

【審査官】 加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１８２２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１２５６４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１４９８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１５４６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／００６４２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００８−５０７８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５５０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５８４６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板の上方に形成された第１導電膜と、
前記第１導電膜上に形成された第１強磁性膜と、
前記第１強磁性膜上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された第２強磁性膜と、
を有し、
前記第１強磁性膜と前記絶縁膜と前記第２強磁性膜とによりトンネル磁気抵抗効果素子が形成され、
前記第１導電膜は、窒化タンタルからなり、
前記第１導電膜における、タンタルに対する窒素の組成比は、０．０６〜０．７であり、
前記第１強磁性膜は、コバルトと鉄とボロンとを含有し、
前記絶縁膜は、酸化マグネシウムを含有する、半導体装置。

【請求項2】

請求項１記載の半導体装置において、
前記第１強磁性膜は、（１００）配向した体心立方構造を有するコバルト鉄ボロン膜からなり、
前記絶縁膜は、（１００）配向した岩塩構造を有する酸化マグネシウム膜からなる、半導体装置。

【請求項3】

請求項１記載の半導体装置において、
前記第１導電膜は、
第１領域と、
前記第１領域の第１の側に位置する第２領域と、
を含み、
前記第１強磁性膜は、前記第１導電膜の前記第１領域上に形成されている、半導体装置。

【請求項4】

請求項３記載の半導体装置において、
前記第１導電膜は、前記第１領域を挟んで前記第２領域と反対側に位置する第３領域を含み、
前記第１強磁性膜は、
前記第１導電膜の前記第１領域上に形成された第４領域と、
前記第１導電膜の前記第２領域上に形成された第５領域と、
前記第１導電膜の前記第３領域上に形成された第６領域と、
を含み、
前記絶縁膜は、前記第１強磁性膜の前記第４領域上、前記第１強磁性膜の前記第５領域上、および、前記第１強磁性膜の前記第６領域上に形成され、
前記第２強磁性膜は、前記第１強磁性膜の前記第４領域上に、前記絶縁膜を介して形成され、
前記第１強磁性膜の前記第４領域は、反転可能な第１磁化を有し、
前記第１強磁性膜の前記第５領域は、第１方向に固定された第２磁化を有し、
前記第１強磁性膜の前記第６領域は、前記第１方向と反平行な第２方向に固定された第３磁化を有する、半導体装置。

【請求項5】

請求項４記載の半導体装置において、
前記第１導電膜の前記第２領域の下に形成された第３強磁性膜と、
前記第１導電膜の前記第３領域の下に形成された第４強磁性膜と、
を有し、
前記第１強磁性膜の前記第５領域は、前記第３強磁性膜により、前記第２磁化の方向が前記第１方向に固定され、
前記第１強磁性膜の前記第６領域は、前記第４強磁性膜により、前記第３磁化の方向が前記第２方向に固定されている、半導体装置。

【請求項6】

請求項５記載の半導体装置において、
前記第３強磁性膜と、前記第４強磁性膜との間で、前記第１強磁性膜の前記第４領域を介して電流が流れることにより、前記第１強磁性膜の前記第４領域の前記第１磁化の方向が変化する、半導体装置。

【請求項7】

請求項３記載の半導体装置において、
前記第１導電膜は、前記第１領域を挟んで前記第２領域と反対側に位置する第７領域を含み、
前記第１強磁性膜は、反転可能な第４磁化を有し、
前記第１導電膜の前記第２領域と、前記第１導電膜の前記第７領域との間で、前記第１導電膜の前記第１領域を介して電流が流れることにより、前記第１強磁性膜の前記第４磁化の方向が変化する、半導体装置。

【請求項8】

請求項１記載の半導体装置において、
前記第１強磁性膜は、反転可能な第５磁化を有し、
前記第２強磁性膜は、第３方向に固定された第６磁化を有する、半導体装置。

【請求項9】

請求項８記載の半導体装置において、
前記第２強磁性膜上に形成された第２導電膜を有し、
前記第１導電膜と、前記第２導電膜との間で、前記第１強磁性膜を介して電流が流れることにより、前記第１強磁性膜の前記第５磁化の方向が変化する、半導体装置。

【請求項10】

請求項１記載の半導体装置において、
前記第１強磁性膜は、第４方向に固定された第７磁化を有し、
前記第２強磁性膜は、反転可能な第８磁化を有する、半導体装置。

【請求項11】

半導体基板の上方に形成された第１導電膜と、
前記第１導電膜上に形成された第１強磁性膜と、
前記第１強磁性膜上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された第２強磁性膜と、
を有し、
前記第１強磁性膜と前記絶縁膜と前記第２強磁性膜とによりトンネル磁気抵抗効果素子が形成され、
前記第１導電膜は、キセノンを含有するタンタル若しくは窒化タンタルからなり、
前記タンタル若しくは前記窒化タンタルに対するキセノン含有率は、０．２〜２ａｔ％であり、
前記第１強磁性膜は、コバルトと鉄とボロンとを含有し、
前記絶縁膜は、酸化マグネシウムを含有する、半導体装置。

【請求項12】

（ａ）半導体基板の上方に、第１導電膜を形成する工程、
（ｂ）前記第１導電膜の表面を改質する工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記第１導電膜上に、第１強磁性膜を形成する工程、
（ｄ）前記第１強磁性膜上に、絶縁膜を形成する工程、
（ｅ）前記絶縁膜上に、第２強磁性膜を形成する工程、
（ｆ）前記（ｄ）工程の後、前記第１強磁性膜および前記絶縁膜の結晶化のための熱処理をする工程、
を有し、
前記（ａ）工程では、金属または金属窒化物からなる前記第１導電膜を形成し、
前記（ｃ）工程では、コバルトと鉄とボロンとを含有する前記第１強磁性膜を形成し、
前記（ｄ）工程では、酸化マグネシウムを含有する前記絶縁膜を形成し、
前記第１強磁性膜と前記絶縁膜と前記第２強磁性膜とによりトンネル磁気抵抗効果素子が形成され、
前記（ｂ）工程は、
（ｂ１）前記第１導電膜の表面を酸化する工程、
（ｂ２）前記（ｂ１）工程の後、または、前記（ｂ１）工程とともに、前記第１導電膜の表面をエッチングする工程、
を含む、半導体装置の製造方法。

【請求項13】

請求項１２記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ａ）工程では、前記半導体基板が大気に曝されない状態で、前記半導体基板上に、前記第１導電膜を形成し、
前記（ｂ１）工程では、前記半導体基板を大気に曝すことにより、前記第１導電膜の表面を酸化し、
前記（ｂ２）工程では、前記（ｂ１）工程の後、前記第１導電膜の表面をエッチングする、半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、例えば、磁気メモリを有する半導体装置およびその製造方法に好適に利用できるものである。

【背景技術】

【0002】

磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）等の磁気メモリでは、磁気抵抗効果素子がメモリセルとして用いられる。磁気抵抗効果素子として、トンネルバリア層が２層の強磁性体層により挟まれた磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を備えるものがある。また、近年では、ＭＴＪを利用したトンネル磁気抵抗効果素子からなる磁気メモリ素子を備える半導体装置の開発が進められている。

【0003】

このような半導体装置に備えられた磁気メモリ素子において、トンネルバリア層としてＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜からなるトンネルバリア層と、それぞれＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）膜を含む２層の強磁性体層と、を備えるものがある。

【0004】

特開２０１３−１４９８５７号公報（特許文献１）には、ＣｏＦｅＢ膜を含むデータ記憶層、トンネルバリア層、および、ＣｏＦｅＢ膜を含むデータ参照層によってＭＴＪが形成された磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３−１４９８５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

トンネル磁気抵抗効果素子において、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜からなるトンネルバリア層と接触して配置される、例えばＣｏＦｅＢ膜などの、Ｃｏ（コバルト）とＦｅ（鉄）とＢ（ボロン）とを含有する強磁性膜が体心立方構造を有し、トンネルバリア層とエピタキシャルに接する構造の場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ（Magneto-Resistance）比を高くすることができる。しかし、強磁性膜の下地層となる導電膜が例えばＴａ（タンタル）など金属からなる場合には、Ｔａからなる導電膜が結晶化しやすく、導電膜上に形成される強磁性膜が、導電膜の結晶構造の影響を受けるため、体心立方構造を有しにくくなる。このような場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができず、磁気メモリ素子を備える半導体装置の性能が低下する。

【0007】

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0008】

一実施の形態によれば、半導体装置は、半導体基板の上方に形成された導電膜と、導電膜上に形成された第１強磁性膜と、第１強磁性膜上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に形成された第２強磁性膜と、を有する。第１強磁性膜と絶縁膜と第２強磁性膜とによりトンネル磁気抵抗効果素子が形成される。導電膜は、金属窒化物からなり、第１強磁性膜は、コバルトと鉄とボロンとを含有し、絶縁膜は、酸化マグネシウムを含有する。

【0009】

また、他の実施の形態によれば、半導体装置は、半導体基板の上方に形成された導電膜と、導電膜上に形成された第１強磁性膜と、第１強磁性膜上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に形成された第２強磁性膜と、を有する。第１強磁性膜と絶縁膜と第２強磁性膜とによりトンネル磁気抵抗効果素子が形成される。導電膜は、キセノンを含有する金属からなり、第１強磁性膜は、コバルトと鉄とボロンとを含有し、絶縁膜は、酸化マグネシウムを含有する。

【0010】

また、他の実施の形態によれば、半導体装置の製造方法において、半導体基板の上方に、金属または金属窒化物からなる導電膜を形成した後、導電膜の表面を改質する。次いで、導電膜上に、コバルト、鉄およびボロンを含有する第１強磁性膜を形成し、第１強磁性膜上に、酸化マグネシウムを含有する絶縁膜を形成し、絶縁膜上に、第２強磁性膜を形成する。また、絶縁膜を形成した後、第１強磁性膜および絶縁膜の結晶化のための熱処理をする。第１強磁性膜と絶縁膜と第２強磁性膜とによりトンネル磁気抵抗効果素子が形成される。

【発明の効果】

【0011】

一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。

【図2】実施の形態１の半導体装置の構成を示す断面図である。

【図3】実施の形態１の半導体装置の構成を示す回路図である。

【図4】実施の形態２の磁気メモリ素子における強磁性膜の磁化の向きを示す図である。

【図5】実施の形態１の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。

【図6】実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図7】実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図8】実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図9】実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図10】実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図11】実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図12】導電膜の材料とＭＲ比との関係を示すグラフである。

【図13】導電膜の組成比とＭＲ比との関係を示すグラフである。

【図14】実施の形態２の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。

【図15】実施の形態２の半導体装置の構成を示す断面図である。

【図16】実施の形態２の磁気メモリ素子における強磁性膜の磁化の向きを示す図である。

【図17】実施の形態２の第１変形例の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。

【図18】実施の形態２の第２変形例の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。

【図19】実施の形態２の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。

【図20】実施の形態２の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図21】実施の形態２の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図22】実施の形態２の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図23】実施の形態２の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図24】実施の形態２の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【図25】導電膜の膜厚と強磁性膜の垂直磁化との関係を示すグラフである。

【図26】実施の形態３の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。

【図27】実施の形態３の磁気メモリ素子における強磁性膜の磁化の向きを示す図である。

【図28】実施の形態３の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

【0014】

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

【0015】

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことはいうまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

【0016】

以下、代表的な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

【0017】

さらに、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見やすくするためにハッチングを省略する場合もある。

【0018】

また、以下の実施の形態において、Ａ〜Ｂとして範囲を示す場合には、特に明示した場合を除き、Ａ以上Ｂ以下を示すものとする。

【0019】

（実施の形態１）
以下、図面を参照しながら実施の形態１の半導体装置について詳細に説明する。

【0020】

＜半導体装置の構成＞
図１は、実施の形態１の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。図２は、実施の形態１の半導体装置の構成を示す断面図である。図３は、実施の形態１の半導体装置の構成を示す回路図である。図４は、実施の形態１の磁気メモリ素子における強磁性膜の磁化の向きを示す図である。なお、図１、図２および図４では、半導体基板ＳＢの主面にそれぞれ平行であって互いに交差する方向を、Ｘ軸方向およびＹ軸方向とし、半導体基板ＳＢの主面に垂直な方向をＺ軸方向とする。また、図４では、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２、磁気記録層ＭＲ１、ならびに、磁化固定層ＭＰ１の各々における磁化方向を、矢印で模式的に示してある。

【0021】

図１に示すように、本実施の形態１の半導体装置は、磁気メモリとしての磁気メモリ素子ＭＭ１を有する。磁気メモリは、不揮発性メモリの一種であり、磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）とも称される。磁気メモリは、磁気抵抗効果を有する強磁性膜を有する。なお、本実施の形態１の半導体装置は、磁壁移動型ＭＲＡＭである。

【0022】

図１に示す磁気メモリ素子ＭＭ１は、例えば、図２および図３に示すように、２つの選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２の間に直列に接続されている。このような構成は、２Ｔ−１ＭＴＪ（2 Transistors-1 Magnetic Tunnel Junction）構成と称される。図３に示すように、磁気メモリ素子ＭＭ１は、３つの端子として、端子ａ、ｂおよびｃを有する。端子ｃは、接地電位線ＧＮＬに接続されており、端子ａは、選択用トランジスタＴＲ１を介してビット線ＢＬ１に接続されており、端子ｂは、選択用トランジスタＴＲ２を介してビット線ＢＬ２に接続されている。端子ａは、後述する磁化固定層ＨＬ１に対応し、端子ｂは、後述する磁化固定層ＨＬ２に対応し、端子ｃは、後述する磁化固定層ＭＰ１に対応する。

【0023】

また、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２のゲート電極は、それぞれワード線ＷＬに接続されている。このような磁気メモリ素子ＭＭ１が、一対のビット線ＢＬ１およびＢＬ２と、ワード線ＷＬとの交点に、複数配置され、メモリセルアレイを構成する。

【0024】

＜選択用トランジスタ＞
図２に示すように、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２の各々は、半導体基板ＳＢの主面、すなわちｐ型ウェルＰＷの上面のうち、素子分離領域ＳＴで区画された領域に形成されている。選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２の各々は、半導体基板ＳＢ、すなわちｐ型ウェルＰＷ上に、ゲート絶縁膜ＧＩを介して形成されたゲート電極ＧＥを有する。また、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２の各々は、平面視において、ゲート電極ＧＥの両側に位置する部分の半導体基板ＳＢの上層部、すなわちｐ型ウェルＰＷの上層部にそれぞれ設けられた２つの半導体領域ＳＤを有する。２つの半導体領域ＳＤのうち、一方がソース領域として機能し、他方がドレイン領域として機能する。ゲート電極ＧＥの側壁には、サイドウォール膜ＳＷが配置され、２つの半導体領域ＳＤの各々は、いわゆるＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造を有する。

【0025】

選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２の各々と、磁気メモリ素子ＭＭ１とは、例えばプラグＰＧ１、配線Ｍ１、ビア部Ｖ１、配線Ｍ２、ビア部Ｖ２、配線Ｍ３、ビア部Ｖ３、配線Ｍ４およびビア部Ｖ４を介して接続されている。プラグＰＧ１、配線Ｍ１、ビア部Ｖ１、配線Ｍ２、ビア部Ｖ２、配線Ｍ３、ビア部Ｖ３、配線Ｍ４およびビア部Ｖ４は、層間絶縁膜ＩＬ１〜ＩＬ９中に、それぞれ形成されている。

【0026】

具体的には、選択用トランジスタＴＲ１の２つの半導体領域ＳＤのうち、一方の半導体領域ＳＤは、例えばプラグＰＧ１、配線Ｍ１、ビア部Ｖ１、配線Ｍ２、ビア部Ｖ２、配線Ｍ３、ビア部Ｖ３、配線Ｍ４およびビア部Ｖ４を介して、磁気メモリ素子ＭＭ１の磁化固定層ＨＬ１に接続されている。また、選択用トランジスタＴＲ２の２つの半導体領域ＳＤのうち、一方の半導体領域ＳＤは、例えばプラグＰＧ１、配線Ｍ１、ビア部Ｖ１、配線Ｍ２、ビア部Ｖ２、配線Ｍ３、ビア部Ｖ３、配線Ｍ４およびビア部Ｖ４を介して、磁気メモリ素子ＭＭ１の磁化固定層ＨＬ２に接続されている。図２ではビア部Ｖ４上に磁気メモリ素子ＭＭ１が配置された例を示しているが、磁気メモリ素子ＭＭ１の配置はビア部Ｖ４上に限定するものではなく、各プラグ上、各配線上、各ビア部上に配置されてもよい。

【0027】

また、選択用トランジスタＴＲ１の２つの半導体領域ＳＤのうち、他方の半導体領域ＳＤは、例えばプラグＰＧ１を介して、ビット線ＢＬ１となる配線Ｍ１と接続され、選択用トランジスタＴＲ２の他方の半導体領域ＳＤは、例えばプラグＰＧ１を介して、ビット線ＢＬ２となる配線Ｍ１と接続されている。

【0028】

＜磁気メモリ素子＞
図１に示すように、磁気メモリ素子ＭＭ１は、下地層ＢＦ１と、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、キャップ層ＣＬ１と、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２と、を有する。半導体基板ＳＢの上方に下地層ＢＦ１が形成されており、下地層ＢＦ１上に、磁気記録層ＭＲ１が形成されており、磁気記録層ＭＲ１上に、トンネルバリア層ＴＢ１が形成されている。

【0029】

トンネルバリア層ＴＢ１の中央部上に、磁化固定層ＭＰ１が形成されており、磁化固定層ＭＰ１上に、キャップ層ＣＬ１が形成されている。下地層ＢＦ１のうち、中央部の一方の側に位置する部分の下には、磁化固定層ＨＬ１が形成されており、下地層ＢＦ１のうち、中央部の他方の側に位置する部分の下には、磁化固定層ＨＬ２が、磁化固定層ＨＬ１と離れて形成されている。磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、によりＭＴＪが形成されている。すなわち、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、によりトンネル磁気抵抗効果素子が形成されている。

【0030】

ここで、図１に示すように、平面視において、磁気記録層ＭＲ１の中央部を、磁化自由領域ＭＲ１ａとする。また、平面視において、磁化自由領域ＭＲ１ａの一方の側に位置する部分の磁気記録層ＭＲ１を、磁化固定領域ＭＲ１ｂとし、平面視において、磁化自由領域ＭＲ１ａを挟んで磁化固定領域ＭＲ１ｂと反対側に位置する部分の磁気記録層ＭＲ１を、磁化固定領域ＭＲ１ｃとする。すなわち、磁気記録層ＭＲ１は、磁化自由領域ＭＲ１ａと、磁化固定領域ＭＲ１ｂと、磁化固定領域ＭＲ１ｃと、を含む。このとき、磁化固定層ＭＰ１は、磁化自由領域ＭＲ１ａ上に、トンネルバリア層ＴＢ１を介して、形成されている。

【0031】

磁化固定領域ＭＲ１ｂは、磁気記録層ＭＲ１のうち、平面視において、磁化固定層ＨＬ１と重なる部分であり、磁化固定領域ＭＲ１ｃは、磁気記録層ＭＲ１のうち、平面視において、磁化固定層ＨＬ２と重なる部分である。磁化自由領域ＭＲ１ａは、磁気記録層ＭＲ１のうち、平面視において、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２のいずれとも重なっていない部分である。言い換えれば、磁化自由領域ＭＲ１ａは、磁気記録層ＭＲ１のうち、平面視において、磁化固定層ＨＬ１と磁化固定層ＨＬ２との間に位置する部分である。磁化固定層ＭＰ１は、平面視において、磁化自由領域ＭＲ１ａに内包されている。

【0032】

磁気記録層ＭＲ１は、強磁性膜ＦＭ１からなる。磁気記録層ＭＲ１により、データ記憶層が形成される。一方、磁化固定層ＭＰ１は、強磁性膜ＦＭ２からなる。磁化固定層ＭＰ１により、データ参照層が形成される。あるいは、強磁性膜ＦＭ２は、複数の強磁性層からなるものでもよい。

【0033】

強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々は、垂直磁気異方性（Perpendicular Magnetic Anisotropy：ＰＭＡ）を有する。すなわち、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の磁化の向きは、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の膜厚方向に平行な方向であり、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の上面に垂直な方向である。

【0034】

強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々は、Ｃｏ（コバルト）とＦｅ（鉄）とＢ（ボロン）とを含有する。このようなＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜が体心立方構造を有し、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜からなるトンネルバリア層ＴＢ１とエピタキシャルに接する構造の場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。言い換えれば、より好適には、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々は、（１００）配向した体心立方構造を有する結晶膜としてのＣｏＦｅＢ膜からなる。

【0035】

ここで、磁化固定層ＭＰ１が、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜を含む場合を考える。このような場合、磁化固定層ＭＰ１に含まれる強磁性膜のうち、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）およびＮｉ（ニッケル）から選択される金属または二種以上の金属の合金からなる。また、この強磁性膜中に、Ｐｔ（白金）またはＰｄ（パラジウム）を含ませてもよい。これにより、垂直磁気異方性を安定化することができる。

【0036】

さらに、磁化固定層ＭＰ１に含まれる強磁性膜のうち、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＡｕまたはＳｍなどの各種元素を添加することにより、磁気特性を調整することができる。

【0037】

磁化固定層ＭＰ１に含まれる強磁性膜のうち、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜として、具体的には、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−ＢまたはＣｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂなどの材料からなる合金膜を用いることができる。あるいは、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−ＰｄまたはＳｍ−Ｃｏなどの材料からなる合金膜を用いることができる。

【0038】

また、磁化固定層ＭＰ１に含まれる強磁性膜のうち、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜を上記材料からなる膜の積層膜としてもよい。例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される二種以上の金属膜の積層膜を用いてもよい。具体的には、強磁性膜として、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／ＰｔまたはＦｅ／Ａｕなどの積層膜を用いることができる。なお、Ｃｏ／Ｎｉは、Ｃｏ膜とＮｉ膜との積層膜であることを意味する。

【0039】

磁化固定層ＭＰ１が、非磁性膜を挟むように複数の強磁性膜を積層した積層体を有してもよい。例えば、磁化固定層ＭＰ１として、Ｒｕ（ルテニウム）膜などからなる非磁性膜を挟むように、上記材料からなる複数の強磁性膜を積層した積層体が形成される。これにより、磁化固定層ＭＰ１に含まれる複数の強磁性膜の各々の間の磁気的な結合力を高めることができ、磁化固定層ＭＰ１の保磁力を高める効果、すなわち反強磁性結合効果を奏する。また、このような積層体では、複数の強磁性膜の各々の磁化方向が互いに反対方向に向いた状態、すなわち反平行である状態が維持されるため、互いの膜からの漏洩磁界がキャンセルされる。これにより、磁化固定層ＭＰ１からの漏洩磁界の影響を小さくすることができる。

【0040】

トンネルバリア層ＴＢ１は、絶縁膜ＩＦ１からなる。前述したように、トンネルバリア層ＴＢ１は、磁気記録層ＭＲ１のうち、磁化自由領域ＭＲ１ａ上に形成されている。

【0041】

好適には、絶縁膜ＩＦ１は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を含有する。このようなＭｇＯを含有する絶縁膜が岩塩構造を有する場合、すなわち絶縁膜がＭｇおよびＯの各々について面心立方構造を有する場合、（１００）配向したＭｇＯ膜を容易に形成することができる。言い換えれば、より好適には、絶縁膜ＩＦ１は、（１００）配向した岩塩構造を有する結晶膜としてのＭｇＯ膜からなる。

【0042】

本実施の形態１では、半導体基板ＳＢの上方に、導電膜ＣＦ１が形成され、導電膜ＣＦ１上に、強磁性膜ＦＭ１が形成され、強磁性膜ＦＭ１上に、絶縁膜ＩＦ１が形成され、絶縁膜ＩＦ１上に、強磁性膜ＦＭ２が形成されている。そして、強磁性膜ＦＭ１と、絶縁膜ＩＦ１と、強磁性膜ＦＭ２と、によりトンネル磁気抵抗効果素子が形成されている。

【0043】

磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２は、強磁性膜ＦＨ１からなる。磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２は、強磁性膜ＦＨ１の上下に金属膜からなる下地層およびキャップ層を有してもよい。下地層を用いることにより、下層絶縁膜との密着性や強磁性膜ＦＨ１の垂直磁気異方性を高める効果がある。キャップ層は、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２のエッチング時に強磁性膜ＦＨ１への加工ダメージを防ぐ効果がある。強磁性膜ＦＨ１は、垂直磁気異方性を有する。すなわち、強磁性膜ＦＨ１からなる磁化固定層ＨＬ１の磁化ＭＧ３１（図４参照）の向きは、強磁性膜ＦＨ１の膜厚方向に平行な方向であり、強磁性膜ＦＨ１の上面に垂直な方向である。また、強磁性膜ＦＨ１からなる磁化固定層ＨＬ２の磁化ＭＧ３２（図４参照）の向きは、強磁性膜ＦＨ１の膜厚方向に平行な方向であり、強磁性膜ＦＨ１の上面に垂直な方向である。

【0044】

強磁性膜ＦＨ１としては、前述した磁化固定層ＭＰ１に含まれる強磁性膜のうち、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜と同様の膜を用いることができる。例えば、強磁性膜ＦＨ１は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）およびＮｉ（ニッケル）から選択される金属または二種以上の金属の合金からなる。また、膜中に、Ｐｔ（白金）またはＰｄ（パラジウム）を含ませてもよい。これにより、垂直磁気異方性を安定化することができる。

【0045】

さらに、強磁性膜ＦＨ１に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＡｕまたはＳｍなどの各種元素を添加することにより、磁気特性を調整することができる。

【0046】

強磁性膜ＦＨ１として、具体的には、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−ＢまたはＣｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂなどの材料からなる合金膜を用いることができる。あるいは、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−ＰｄまたはＳｍ−Ｃｏなどの材料からなる合金膜を用いることができる。

【0047】

また、強磁性膜ＦＨ１を、上記材料からなる膜の積層膜としてもよい。例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される二種以上の金属膜の積層膜を用いてもよい。具体的には、強磁性膜ＦＨ１として、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／ＰｔまたはＦｅ／Ａｕなどの積層膜を用いることができる。

【0048】

また、強磁性膜ＦＨ１として、同じ材料からなる強磁性膜を用いてもよく、また、異なる材料からなる強磁性膜を用いてもよい。図４に示すように、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２は、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２の各々の磁化方向が、互いに反平行になるように、形成されている。磁化固定層ＨＬ１とＨＬ２では、異なる強磁性膜を用いてもよい。

【0049】

磁化固定層ＨＬ１は、層間絶縁膜ＩＬ９に埋め込まれたビア部Ｖ４としてのビア部Ｖ４１上に形成されており、ビア部Ｖ４１と電気的に接続されている。磁化固定層ＨＬ２は、層間絶縁膜ＩＬ９に埋め込まれたビア部Ｖ４としてのビア部Ｖ４２上に形成されており、ビア部Ｖ４２と電気的に接続されている。層間絶縁膜ＩＬ９上には、ビア部Ｖ４１およびＶ４２を覆うように、層間絶縁膜ＩＬ１０が形成されているが、層間絶縁膜ＩＬ１０の上面は平坦化されており、平坦化された層間絶縁膜ＩＬ１０の上面から、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２の各々が露出している。

【0050】

下地層ＢＦ１は、磁気記録層ＭＲ１と磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２との間に形成されている。下地層ＢＦ１は、非磁性導電膜としての導電膜ＣＦ１からなる。

【0051】

ここで、図１に示すように、平面視において、下地層ＢＦ１すなわち導電膜ＣＦ１の中央部を、領域ＣＦ１ａとする。また、平面視において、領域ＣＦ１ａの一方の側に位置する部分の導電膜ＣＦ１を、領域ＣＦ１ｂとし、平面視において、領域ＣＦ１ａを挟んで領域ＣＦ１ｂと反対側に位置する部分の導電膜ＣＦ１を、領域ＣＦ１ｃとする。すなわち、導電膜ＣＦ１は、領域ＣＦ１ａと、領域ＣＦ１ｂと、領域ＣＦ１ｃと、を含む。

【0052】

このとき、磁気記録層ＭＲ１すなわち強磁性膜ＦＭ１は、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ａ上に形成された領域ＦＭ１ａと、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｂ上に形成された領域ＦＭ１ｂと、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｃ上に形成された領域ＦＭ１ｃと、を含む。また、磁化自由領域ＭＲ１ａは、領域ＦＭ１ａからなり、磁化固定領域ＭＲ１ｂは、領域ＦＭ１ｂからなり、磁化固定領域ＭＲ１ｃは、領域ＦＭ１ｃからなる。

【0053】

また、磁化固定層ＨＬ１は、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｂの下に、形成されており、磁化固定層ＨＬ２は、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｃの下に、形成されている。

【0054】

好適には、導電膜ＣＦ１は、例えばＴａＮ（窒化タンタル）などの金属窒化物からなる。これにより、導電膜ＣＦ１が結晶化しにくくなる。したがって、後述する図１２を用いて説明するように、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けにくくなる。一方、強磁性膜ＦＭ１が、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けやすくなる。したがって、ＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜ＦＭ１が、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶面に沿って、体心立方構造を有することができ、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。

【0055】

導電膜ＣＦ１が、例えばＴａＮ（窒化タンタル）などの金属窒化物からなるとき、さらに、好適には、導電膜ＣＦ１は、アモルファス状態であるか、または、十分に結晶化していない状態である。これにより、導電膜ＣＦ１がさらに結晶化しにくくなる。したがって、後述する図１２を用いて説明するように、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響をさらに受けにくくなる。一方、強磁性膜ＦＭ１が、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響をさらに受けやすくなる。したがって、ＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜ＦＭ１が体心立方構造を有することができ、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。

【0056】

なお、導電膜ＣＦ１がアモルファス状態であるとは、その導電膜ＣＦ１における回折ピークの強度をＸ線回折法により測定したときに、その導電膜ＣＦ１と等しい膜厚を有し、十分に結晶化している導電膜で検出されるいずれの回折ピークも、検出されない場合を意味する。また、導電膜ＣＦ１が十分結晶化していない状態であるとは、その導電膜ＣＦ１における回折ピークの強度をＸ線回折法により測定したときに、その導電膜と等しい膜厚を有し、十分に結晶化している導電膜ＣＦ１で検出される回折ピークよりも回折ピークの強度が小さい場合を意味する。

【0057】

一方、好適には、導電膜ＣＦ１は、例えばアモルファス状態のＴａ（タンタル）などの金属からなる。このような場合にも、導電膜ＣＦ１が結晶化しにくくなる。したがって、導電膜ＣＦ１が金属窒化物からなる場合と同様に、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けにくくなる。一方、強磁性膜ＦＭ１が、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けやすくなる。したがって、ＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜ＦＭ１が、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶面に沿って、体心立方構造を有することができ、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。

【0058】

導電膜ＣＦ１が、例えばＴａ（タンタル）などの金属からなるとき、さらに好適には、導電膜ＣＦ１は、例えばＸｅ（キセノン）を含有する金属からなる。これにより、導電膜ＣＦ１が結晶化しにくくなり、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。また、導電膜ＣＦ１の比抵抗を高くすることができるので、磁化固定層ＨＬ１と磁化固定層ＨＬ２との間で書き込み電流を流すときに、磁気記録層ＭＲ１および下地層ＢＦ１のうち、磁気記録層ＭＲ１に、より大きな電流を流すことができ、磁気記録層ＭＲ１にデータを書き込む際の効率を高めることができる。

【0059】

トンネルバリア層ＴＢ１は、絶縁膜ＩＦ１からなる。トンネルバリア層ＴＢ１は、磁気記録層ＭＲ１のうち、磁化自由領域ＭＲ１ａ上、磁化固定領域ＭＲ１ｂ上、および、磁化固定領域ＭＲ１ｃ上に、形成されている。すなわち、絶縁膜ＩＦ１は、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ａ上、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ｂ上、および、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ｃ上に、形成されている。これにより、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ａ、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ｂ、および、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ｃのいずれも、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けやすくすることができる。したがって、磁化自由領域ＭＲ１ａ、磁化固定領域ＭＲ１ｂ、および、磁化固定領域ＭＲ１ｃの全てにおいて、ＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜が、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶面に沿って、体心立方構造を有することができ、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。

【0060】

なお、磁化固定層ＭＰ１は、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ａ上に、絶縁膜ＩＦ１を介して形成された部分の強磁性膜ＦＭ２からなる。

【0061】

絶縁膜ＩＦ１は、例えば、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を含有する。このようなＭｇＯを含有する絶縁膜が岩塩構造を有する結晶膜からなる場合、すなわち絶縁膜がＭｇおよびＯの各々について面心立方構造を有する結晶膜からなる場合、（１００）配向したＭｇＯ膜を容易に形成することができる。

【0062】

磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２の各々の膜厚、すなわち強磁性膜ＦＨ１と下地層とキャップ層とを含んだ膜厚を、例えば２０〜６０ｎｍ程度とすることができる。また、下地層ＢＦ１の膜厚、すなわち導電膜ＣＦ１の膜厚を、例えば１〜５ｎｍ程度とすることができる。一方、磁気記録層ＭＲ１の膜厚、すなわち強磁性膜ＦＭ１の膜厚を、例えば０．５〜２ｎｍ程度とすることができる。また、トンネルバリア層ＴＢ１の膜厚、すなわち絶縁膜ＩＦ１の膜厚を、例えば１〜２ｎｍ程度とすることができる。そして、磁化固定層ＭＰ１の膜厚、すなわち強磁性膜ＦＭ２の膜厚を、例えば１０〜２０ｎｍ程度とすることができる。また、導電膜ＣＦ２の膜厚を、例えば２０〜７０ｎｍ程度とすることができる。

【0063】

下地層ＢＦ１の膜厚、すなわち導電膜ＣＦ１の膜厚については、実施の形態２では、後述する図２５を用いて説明するように、導電膜ＣＦ１がＴａＮからなる場合には、導電膜ＣＦ１の膜厚を、例えば１〜２０ｎｍ程度とすることができる。しかし、本実施の形態１では、導電膜ＣＦ１の膜厚が５ｎｍを超える場合、磁化固定層ＨＬ１と磁化固定層ＨＬ２との間で書き込み電流を流すときに、磁気記録層ＭＲ１および下地層ＢＦ１のうち、磁気記録層ＭＲ１に流れる電流が小さくなり、磁気記録層ＭＲ１にデータを書き込む際の効率が低下するおそれがある。したがって、本実施の形態１では、導電膜ＣＦ１の膜厚は、好適には、例えば１〜５ｎｍ程度である。

【0064】

キャップ層ＣＬ１は、導電膜ＣＦ２からなる。導電膜ＣＦ２として、導電膜ＣＦ１と同様の材料からなるものを用いることができる。

【0065】

層間絶縁膜ＩＬ１０上には、下地層ＢＦ１、磁気記録層ＭＲ１、トンネルバリア層ＴＢ１、磁化固定層ＭＰ１およびキャップ層ＣＬ１を覆うように、層間絶縁膜ＩＬ１１が形成されている。層間絶縁膜ＩＬ１１の上面には、層間絶縁膜ＩＬ１１を貫通してキャップ層ＣＬ１の上面に達するコンタクトホールＣＨ１が形成されている。コンタクトホールＣＨ１の内部には、コンタクトホールＣＨ１の内部に埋め込まれた導電膜からなるプラグＰＧ２が形成されている。なお、図１および図２では図示を省略するが、プラグＰＧ２上および層間絶縁膜ＩＬ１１上には、さらに配線層が形成されていてもよい。

【0066】

＜磁気メモリ素子の動作＞
図４に示すように、例えば、磁化固定層ＭＰ１は、＋Ｚ軸方向に固定された磁化ＭＧ１を有する。また、磁化固定層ＨＬ１すなわち強磁性膜ＦＨ１により、磁気記録層ＭＲ１のうち磁化固定領域ＭＲ１ｂの磁化ＭＧ２１の方向は、＋Ｚ軸方向に固定されており、磁化固定層ＨＬ２すなわち強磁性膜ＦＨ１により、磁気記録層ＭＲ１のうち磁化固定領域ＭＲ１ｃの磁化ＭＧ２２の方向は、−Ｚ軸方向に固定されている。このように、磁気記録層ＭＲ１のうち、磁化固定領域ＭＲ１ｂと磁化固定領域ＭＲ１ｃとは、それぞれ向きが互いに反対で、平行な磁化を有している。言い換えれば、磁化固定領域ＭＲ１ｃは、磁化固定領域ＭＲ１ｂが有する磁化と反平行な方向に固定された磁化を有する。一方、磁気記録層ＭＲ１のうち磁化自由領域ＭＲ１ａは、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向との間で反転可能な磁化ＭＧ２３を有している。

【0067】

次いで、磁気メモリ素子ＭＭ１におけるデータの書き込み動作について説明する。ここでは、磁化固定層ＭＰ１の磁化ＭＧ１が、＋Ｚ軸方向に固定された磁化であり、磁化自由領域ＭＲ１ａの磁化ＭＧ２１が、−Ｚ軸方向に向いた磁化であり、磁化固定領域ＭＲ１ｂと磁化自由領域ＭＲ１ａとの境界Ｂ１に磁壁が形成される状態をデータ「１」とする。また、磁化固定層ＭＰ１の磁化が、＋Ｚ軸方向に固定された磁化であり、磁化自由領域ＭＲ１ａの磁化が、＋Ｚ軸方向に向いた磁化であり、磁化固定領域ＭＲ１ｃと磁化自由領域ＭＲ１ａとの境界Ｂ２に磁壁が形成される状態をデータ「０」とする。なお、磁化方向とデータの値の対応は逆でもよい。

【0068】

データ「０」が書き込まれている状態の磁気メモリ素子ＭＭ１に、データ「１」を書き込む場合は、書き込み電流を、例えば電流経路ＣＰ１により示すように、磁化固定層ＨＬ１から磁気記録層ＭＲ１を介して磁化固定層ＨＬ２の方向へ流す。この書き込み電流により、スピン偏極電子は、磁化固定領域ＭＲ１ｃから磁化自由領域ＭＲ１ａに注入される。このとき、スピントランスファー効果により磁壁は、境界Ｂ２から境界Ｂ１の方へ移動し、磁化自由領域ＭＲ１ａの磁化の向きは、＋Ｚ軸方向から−Ｚ軸方向に変化する。

【0069】

データ「１」が書き込まれている状態の磁気メモリ素子ＭＭ１に、データ「０」を書き込む場合は、書き込み電流を、例えば電流経路ＣＰ１により示すように、磁化固定層ＨＬ２から磁気記録層ＭＲ１を介して磁化固定層ＨＬ１の方向へ流す。この書き込み電流により、スピン偏極電子は、磁化固定領域ＭＲ１ｂから磁化自由領域ＭＲ１ａに注入される。このとき、スピントランスファー効果により磁壁は、境界Ｂ１から境界Ｂ２の方へ移動し、磁化自由領域ＭＲ１ａの磁化の向きは、−Ｚ軸方向から＋Ｚ軸方向に変化する。

【0070】

すなわち、磁化固定層ＨＬ１に含まれる強磁性膜ＦＨ１と、磁化固定層ＨＬ２に含まれる強磁性膜ＦＨ１との間で、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ａを介して、書き込み電流が流れることにより、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ａの磁化ＭＧ２３が変化する。

【0071】

次いで、磁気メモリ素子ＭＭ１におけるデータの読み出し動作について説明する。読み出しは、磁気メモリ素子ＭＭ１が低抵抗状態であるか高抵抗状態であるかにより判定される。

【0072】

例えば、上記データ「１」の状態、すなわち、磁化固定層ＭＰ１の磁化が、＋Ｚ軸方向に固定された磁化であり、磁化自由領域ＭＲ１ａの磁化が、−Ｚ軸方向に向いた磁化である場合には、磁化固定層ＭＰ１と磁化自由領域ＭＲ１ａとの間の抵抗が、高くなる。すなわち、磁化自由領域ＭＲ１ａが、磁化固定層ＭＰ１の磁化の方向と反平行な方向に固定された磁化を有する場合には、磁化固定層ＭＰ１と磁化自由領域ＭＲ１ａとの間の抵抗が、高くなる。このときの抵抗を、抵抗Ｒ１と定義する。

【0073】

また、上記データ「０」の状態、すなわち、磁化固定層ＭＰ１の磁化が、＋Ｚ軸方向に固定された磁化であり、磁化自由領域ＭＲ１ａの磁化が、＋Ｚ軸方向に向いた磁化である場合には、磁化固定層ＭＰ１から磁化自由領域ＭＲ１ａまでの間の抵抗が、低くなる。すなわち、磁化自由領域ＭＲ１ａが、磁化固定層ＭＰ１の磁化の方向と平行な方向に固定された磁化を有する場合には、磁化固定層ＭＰ１から磁化自由領域ＭＲ１ａまでの間の抵抗が、低くなる。このときの抵抗を、抵抗Ｒ０と定義する。

【0074】

よって、例えば電流経路ＣＰ２により示すように、磁化固定層ＭＰ１と磁化固定層ＨＬ２との間に読み出し電流を流し、これらの間に流れる電流値により、抵抗値を検出する。例えば、検出された抵抗値が、基準抵抗値より高い場合には、データ「１」を読み出し、例えば、検出された抵抗値が、基準抵抗値より低い場合には、データ「０」を読み出す。このようにして、磁気メモリ素子ＭＭ１に書き込まれたデータを判別することができる。

【0075】

なお、磁化固定層ＭＰ１と磁化固定層ＨＬ１との間に読み出し電流を流してもよい。また、読み出し電流は、磁化固定層ＭＰ１から磁化固定層ＨＬ１またはＨＬ２の方向に電流を流してもよいし、磁化固定層ＨＬ１またはＨＬ２から磁化固定層ＭＰ１の方向に電流を流してもよい。

【0076】

また、磁化固定層ＭＰ１に含まれる強磁性膜ＦＭ２、磁化固定層ＨＬ１に含まれる強磁性膜ＦＨ１、および、磁化固定層ＨＬ２に含まれる強磁性膜ＦＨ１として、磁気記録層ＭＲ１より保磁力が高い強磁性膜を用いることが好ましい。保磁力とは、磁化方向を反転させるために必要なエネルギーをいう。前述した強磁性膜の材料のうち、保持力が比較的高い材料として、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄなどが挙げられる。

【0077】

前述したように、磁化自由領域ＭＲ１ａが、磁化固定層ＭＰ１の磁化ＭＧ１の方向と反平行な方向に固定された磁化ＭＧ２３を有するときの、磁化固定層ＭＰ１と磁化自由領域ＭＲ１ａとの間の抵抗を、抵抗Ｒ１と定義する。また、磁化自由領域ＭＲ１ａが、磁化固定層ＭＰ１の磁化ＭＧ１の方向と平行な方向に固定された磁化ＭＧ２３を有するときの、磁化固定層ＭＰ１と磁化自由領域ＭＲ１ａとの間の抵抗を、抵抗Ｒ０とする。このような場合に、例えば（Ｒ１−Ｒ０）／Ｒ０により定義される比を、ＭＲ比と称する。このＭＲ比が大きいほど、高抵抗状態における抵抗Ｒ１と低抵抗状態における抵抗Ｒ０との差が大きくなり、読み出し時のセンシングマージンが大きくなる。

【0078】

本実施の形態１では、下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１が、金属窒化物からなり、磁気記録層ＭＲ１に含まれる強磁性膜ＦＭ１が、ＣｏとＦｅとＢとを含有する膜からなり、トンネルバリア層ＴＢ１に含まれる絶縁膜ＩＦ１が、ＭｇＯを含有する膜からなる。

【0079】

このような場合、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けることにより、ＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜ＦＭ１を、体心立方構造を有するものとすることができる。トンネル磁気抵抗効果素子においてトンネルバリア層ＴＢ１に接触して配置されるＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜ＦＭ１が、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶面に沿って、体心立方構造を有する場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。したがって、本実施の形態１の半導体装置においても、強磁性膜ＦＭ１が体心立方構造を有することができ、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、により形成されるトンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。

【0080】

＜半導体装置の製造方法＞
次いで、図５〜図１１を参照しながら、本実施の形態１の半導体装置の製造方法を説明する。図５は、実施の形態１の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。図６〜図１１は、実施の形態１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。図６〜図１１のうち、図６は、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２ならびに配線Ｍ１〜Ｍ４の形成工程を示す断面図であり、図７〜図１１は、磁気メモリ素子ＭＭ１の形成工程を示す断面図である。

【0081】

まず、図６に示すように、半導体基板ＳＢの主面に、２つの選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２を形成し、さらに、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２の上方に、複数の配線Ｍ１〜Ｍ４を形成する（図５のステップＳ１１）。これらの形成方法に制限はないが、例えば、以下の工程により形成することができる。

【0082】

まず、半導体基板ＳＢを準備する。半導体基板ＳＢとしては、例えば１〜１０Ωｃｍ程度の比抵抗を有するｐ型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板を用いることができる。

【0083】

次いで、半導体基板ＳＢの主面に、素子分離領域ＳＴを形成する。この素子分離領域ＳＴを、例えば、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法などにより形成することができる。この場合、半導体基板ＳＢの素子分離領域をエッチングすることにより、溝を形成し、この溝の内部に酸化シリコン膜などの絶縁膜を埋め込むことにより、素子分離領域ＳＴを形成する。例えば、この溝の内部を含む基板上に酸化シリコン膜などの絶縁膜を堆積し、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）法などを用いて、溝以外の絶縁膜を除去することにより、溝の内部に絶縁膜を埋め込むことができる。

【0084】

この素子分離領域ＳＴにより活性領域が区画され、この活性領域に、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２などの半導体素子が形成される。ここでのトランジスタは、ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）とも呼ばれる電界効果トランジスタである。なお、ここでは、ｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴを例に説明するが、半導体素子として、導電型を逆にしたｐチャネル型のＭＩＳＦＥＴを形成してもよく、また、ｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴとｐチャネル型のＭＩＳＦＥＴの両方を形成してもよい。

【0085】

次いで、半導体基板ＳＢの活性領域に、ｐ型ウェルＰＷを形成する。ｐ型ウェルＰＷは、例えば、半導体基板ＳＢ中に、ｐ型の不純物をイオン注入することにより形成される。これにより、半導体基板ＳＢの主面から所定の深さまでのｐ型の半導体領域であるｐ型ウェルＰＷを形成することができる。

【0086】

次いで、半導体基板ＳＢの主面上、すなわちｐ型ウェルＰＷの上面上に、ゲート絶縁膜ＧＩを介してゲート電極ＧＥを形成する。まず、半導体基板ＳＢの主面に、絶縁膜からなるゲート絶縁膜ＧＩを形成する。例えば、熱酸化法などを用いて、酸化シリコン膜などからなるゲート絶縁膜ＧＩを形成する。

【0087】

次いで、ゲート絶縁膜ＧＩ上に、例えば、多結晶シリコンなどからなる導電膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて堆積し、この導電膜を所望の形状にパターニングすることにより、ゲート電極ＧＥを形成する。パターニングとは、膜上に、フォトリソグラフィ技術を用いて所望の形状のフォトレジスト膜などを形成し、このフォトレジスト膜をマスクとして、膜を選択的にエッチングすることにより、膜を所望の形状に加工することをいう。

【0088】

次いで、ゲート電極ＧＥの両側に位置する部分の半導体基板ＳＢの上層部に、ソース領域またはドレイン領域として機能する半導体領域ＳＤを形成する。

【0089】

まず、ゲート電極ＧＥをマスクとしたイオン注入により低不純物濃度のｎ⁻型半導体領域を形成する。次いで、ゲート電極ＧＥ上を含む半導体基板ＳＢ上に酸化シリコン膜などからなる絶縁膜を形成し、異方的にエッチングすることにより、ゲート電極ＧＥの側壁にサイドウォール膜ＳＷを形成する。次いで、ゲート電極ＧＥおよびサイドウォール膜ＳＷをマスクとしたイオン注入により、高不純物濃度のｎ^＋型半導体領域を形成する。これにより、低不純物濃度のｎ⁻型半導体領域と、それよりも高不純物濃度で接合深さが深いｎ^＋型半導体領域とからなるＬＤＤ構造の半導体領域ＳＤを形成することができる。

【0090】

次いで、アニール処理、すなわち熱処理を施し、これまでのイオン注入で導入した不純物を活性化する。

【0091】

以上の工程により、半導体基板ＳＢの主面に、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２などの半導体素子を形成することができる。

【0092】

この後、サリサイド技術を用いて、ゲート電極ＧＥおよびｎ^＋型半導体領域の上部に、金属シリサイド膜（図示せず）を形成してもよい。この金属シリサイド膜により、拡散抵抗やコンタクト抵抗などを低抵抗化することができる。

【0093】

次いで、半導体基板ＳＢの主面上に、層間絶縁膜ＩＬ１を形成する。例えば、酸化シリコン膜などの絶縁膜を、ＣＶＤ法などを用いて堆積する。この後、必要に応じて、ＣＭＰ法などを用いて絶縁膜の表面を平坦化する。

【0094】

次いで、層間絶縁膜ＩＬ１中にプラグＰＧ１を形成する。まず、層間絶縁膜ＩＬ１をエッチングすることにより、コンタクトホールを形成し、この内部に、導電性膜を埋め込むことにより、プラグＰＧ１を形成する。例えば、コンタクトホール内を含む層間絶縁膜ＩＬ１上に、バリア導体膜（図示せず）および主導体膜の積層膜を形成し、層間絶縁膜ＩＬ１上の不要な膜をＣＭＰ法またはエッチバック法などによって除去する。

【0095】

次に、シングルダマシン法により第１層目の配線Ｍ１を形成する。まず、プラグＰＧ１が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ１上に、層間絶縁膜ＩＬ２を形成する。それから、フォトレジストパターン（図示せず）をマスクとしたドライエッチングによって層間絶縁膜ＩＬ２の所定の領域に配線Ｍ１用の配線溝を形成する。それから、半導体基板ＳＢの主面上にバリア導体膜を形成する。バリア導体膜として、例えばＴｉＮ（窒化チタン）膜、Ｔａ（タンタル）膜またはＴａＮ（窒化タンタル）膜などを用いることができる。続いて、ＣＶＤ法またはスパッタリング法などによりバリア導体膜上に銅のシード層を形成し、さらに電解めっき法などを用いてシード層上に、主導体膜としての銅めっき膜を形成して、銅めっき膜により配線溝の内部を埋め込む。それから、配線溝以外の領域の銅めっき膜、シード層およびバリア導体膜をＣＭＰ法により除去して、配線溝内に銅めっき膜、シード層およびバリア導体膜を残す。これにより、図６に示すように、配線溝内に銅を主導電材料とする第１層目の配線Ｍ１を形成する。

【0096】

なお、図面の簡略化のために、図６では、配線Ｍ１を構成する銅めっき膜、シード層およびバリア導体膜を一体化して示してある。配線Ｍ１は、プラグＰＧ１に接続され、プラグＰＧ１を介して、半導体領域ＳＤなどと電気的に接続される。

【0097】

次に、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法により、第２層目の配線Ｍ２とビア部Ｖ１とを形成する。ここでは、シングルダマシン法の場合について説明する。

【0098】

まず、図６に示すように、配線Ｍ１が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ２上に、層間絶縁膜ＩＬ３を形成する。それから、フォトレジストパターン（図示せず）をマスクとしたドライエッチングによって層間絶縁膜ＩＬ３の所定の領域にビア部Ｖ１用のビアホールを形成する。それから、配線Ｍ１を形成したのと同様の手法により、ビア部Ｖ１用のビアホールを銅を主体とする導電膜で埋め込んでから、ビアホールの外部の導電膜をＣＭＰ法などで除去することで、ビアホール内に導電性のビア部Ｖ１を形成する。それから、ビア部Ｖ１が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ３上に、層間絶縁膜ＩＬ４を形成する。それから、配線Ｍ１を形成したのと同様の手法により、層間絶縁膜ＩＬ４に配線Ｍ２用の配線溝を形成し、この配線溝を銅を主体とする導電膜で埋め込んでから、配線溝の外部の導電膜を除去する。これにより、配線溝内に配線Ｍ２を形成する。

【0099】

デュアルダマシン法の場合は、配線Ｍ１が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ２上に層間絶縁膜ＩＬ３およびＩＬ４を順に形成してから、層間絶縁膜ＩＬ３およびＩＬ４にビア部Ｖ１用のビアホールと配線Ｍ２用の配線溝とを形成し、ビアホールと配線溝とを銅を主体とする導電膜で埋め込んでから、ビアホールおよび配線溝の外部の導電膜を除去する。これにより、ビア部Ｖ１と配線Ｍ２とを一緒に形成することができ、ビア部Ｖ１は配線Ｍ２と一体的に形成される。

【0100】

シングルダマシン法では、ビア部Ｖ１と配線Ｍ２とは別々に形成され、一方、デュアルダマシン法では、ビア部Ｖ１と配線Ｍ２とは同工程で一体的に形成される。いずれの場合も、ビア部Ｖ１の上面は配線Ｍ２に接続され、ビア部Ｖ１の下面は、配線Ｍ１に接続される。このため、配線Ｍ１と配線Ｍ２とを、ビア部Ｖ１を介して電気的に接続することができる。

【0101】

次に、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法により、第３層目の配線Ｍ３とビア部Ｖ２を形成するが、その手法は、第２層目の配線Ｍ２とビア部Ｖ１を形成する手法と同様である。

【0102】

これにより、配線Ｍ２が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ４上に、層間絶縁膜ＩＬ５が形成され、層間絶縁膜ＩＬ５に形成されたビアホール内に導電性のビア部Ｖ２が形成され、ビア部Ｖ２が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ５上に、層間絶縁膜ＩＬ６が形成され、層間絶縁膜ＩＬ６に形成された配線溝内に配線Ｍ３が形成される。

【0103】

次に、シングルダマシン法またはデュアルダマシン法により、第４層目の配線Ｍ４とビア部Ｖ３を形成するが、その手法は、第３層目の配線Ｍ３とビア部Ｖ２を形成する手法と同様である。

【0104】

これにより、配線Ｍ３が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ６上に、層間絶縁膜ＩＬ７が形成され、層間絶縁膜ＩＬ７に形成されたビアホール内に導電性のビア部Ｖ３が形成され、ビア部Ｖ３が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ７上に、層間絶縁膜ＩＬ８が形成され、層間絶縁膜ＩＬ８に形成された配線溝内に配線Ｍ４が形成される。

【0105】

次に、シングルダマシン法により、ビア部Ｖ４を形成する。ビア部Ｖ４を形成する手法は、ビア部Ｖ１をシングルダマシン法で形成したのと同様の手法である。すなわち、配線Ｍ４が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ８上に、層間絶縁膜ＩＬ９を形成してから、フォトレジストパターン（図示せず）をマスクとしたドライエッチングによって層間絶縁膜ＩＬ９の所定の領域にビアホールを形成する。それから、ビアホールを導電膜で埋め込んでから、ビアホールの外部の導電膜をＣＭＰ法などで除去し、ビアホール内に導電膜を残してビア部Ｖ４とする。これにより、ビアホール内に導電性のビア部Ｖ４を形成することができる。

【0106】

配線Ｍ２、Ｍ３およびＭ４が銅配線の場合は、ビア部Ｖ１、Ｖ２およびＶ３も、銅を主体とする。ビア部Ｖ４用の導電膜の材料は、銅を主体とすることもできるが、これに限定されず、必要に応じて種々選択することができる。ビア部Ｖ４は、導電性のプラグとみなすこともできる。

【0107】

以上の工程により、図６に示すように、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２ならびに配線Ｍ１〜Ｍ４を形成することができる。

【0108】

次いで、ビア部Ｖ４が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ９上に、磁気メモリ素子ＭＭ１（後述する図１１参照）を形成する。

【0109】

まず、図７に示すように、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２を形成する（図５のステップＳ１２）。

【0110】

このステップＳ１２では、まず、例えば、ビア部Ｖ４としてのビア部Ｖ４１およびＶ４２が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ９上に、強磁性膜ＦＨ１をスパッタリング法などにより堆積する。次いで、強磁性膜ＦＨ１をパターニングすることにより、強磁性膜ＦＨ１からなる磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２を形成する。

【0111】

磁化固定層ＨＬ１は、ビア部Ｖ４１上に形成され、磁化固定層ＨＬ２は、ビア部Ｖ４２上に形成される。磁化固定層ＨＬ１と電気的に接続されるビア部Ｖ４１は、選択用トランジスタＴＲ１の半導体領域ＳＤの一方と電気的に接続される（図６参照）。また、磁化固定層ＨＬ２と電気的に接続されるビア部Ｖ４２は、選択用トランジスタＴＲ２の半導体領域ＳＤの一方と電気的に接続される（図６参照）。磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２として用いられる強磁性膜ＦＨ１は、「磁気メモリ素子」の欄で説明したとおりである。

【0112】

次に、ステップＳ１２では、図７に示すように、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２上に、層間絶縁膜ＩＬ１０を形成する。例えば、磁化固定層ＨＬ１、ＨＬ２および層間絶縁膜ＩＬ９上に、層間絶縁膜ＩＬ１０として酸化シリコン膜などの絶縁膜をＣＶＤ法などにより堆積する。その後、ＣＭＰ法やエッチバック法などを用いて、層間絶縁膜ＩＬ１０の表面部を、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２の表面が露出するまで除去する。これにより、図７に示すように、層間絶縁膜ＩＬ１０中に磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２が埋め込まれ、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２の表面が層間絶縁膜ＩＬ１０の表面から露出する。

【0113】

次いで、図８に示すように、導電膜ＣＦ１を形成する（図５のステップＳ１３）。このステップＳ１３では、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ１０上に、すなわち半導体基板ＳＢの上方に、金属または金属窒化物からなる下地層ＢＦ１用の導電膜ＣＦ１を、例えばＡｒ（アルゴン）ガスなどの不活性ガスと窒素ガスとが混合された混合ガスを用いたスパッタリング法などにより堆積する。例えば、半導体基板ＳＢが成膜処理装置に備えられた処理室内に配置され、処理室内の雰囲気が大気圧よりも低い圧力、例えば０．０２〜０．２Ｐａ程度の圧力に減圧された状態で、導電膜ＣＦ１を成膜することができる。すなわち、ステップＳ１３では、半導体基板ＳＢが大気に曝されない状態で、半導体基板ＳＢ上に、導電膜ＣＦ１を形成する。

【0114】

好適には、導電膜ＣＦ１は、例えばＴａＮ（窒化タンタル）などの金属窒化物からなる。これにより、導電膜ＣＦ１が結晶化しにくくなる。したがって、後述する図１２を用いて説明するように、導電膜ＣＦ１上に、例えばスパッタ法を用いて形成される強磁性膜ＦＭ１（後述する図１０参照）が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けにくくなる。一方、強磁性膜ＦＭ１が、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１（後述する図１０参照）の結晶構造の影響を受けやすくなる。

【0115】

導電膜ＣＦ１が、例えばＴａＮなどの金属窒化物からなるとき、さらに、好適には、導電膜ＣＦ１は、アモルファス状態であるか、または、十分に結晶化していない状態である。アモルファス状態のＷＮ（窒化タングステン）、ＴｉＮ（窒化チタン）などを用いてもよい。これにより、導電膜ＣＦ１がさらに結晶化しにくくなる。したがって、後述する図１２を用いて説明するように、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響をさらに受けにくくなる。一方、強磁性膜ＦＭ１が、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響をさらに受けやすくなる。

【0116】

なお、導電膜ＣＦ１がアモルファス状態であるとは、その導電膜ＣＦ１における回折ピークの強度をＸ線回折法により測定したときに、その導電膜ＣＦ１と等しい膜厚を有し、十分に結晶化している導電膜で検出されるいずれの回折ピークも、検出されない場合を意味する。また、導電膜ＣＦ１が十分結晶化していない状態であるとは、その導電膜ＣＦ１における回折ピークの強度をＸ線回折法により測定したときに、その導電膜ＣＦ１と等しい膜厚を有し、十分に結晶化している導電膜で検出される回折ピークよりも回折ピークの強度が小さい場合を意味する。

【0117】

一方、好適には、導電膜ＣＦ１は、例えばアモルファス状態のＴａ（タンタル）などの金属からなる。このような場合にも、導電膜ＣＦ１は結晶化しにくくなる。したがって、導電膜ＣＦ１が金属窒化物からなる場合と同様に、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けにくくなる。一方、強磁性膜ＦＭ１が、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けやすくなる。

【0118】

さらに好適には、不活性ガスとしてのＸｅ（キセノン）ガスを用いたスパッタリング法により、例えばＴａなどの金属からなる導電膜ＣＦ１を形成する。または、不活性ガスとしてのＸｅ（キセノン）ガスと窒素ガスとが混合された混合ガスを用いたスパッタリング法により、例えばＴａＮなどの金属窒化物からなる導電膜ＣＦ１を形成する。このとき、導電膜ＣＦ１は、例えばＸｅ（キセノン）を含有する金属または金属窒化物からなる。これにより、導電膜ＣＦ１からなる下地層ＢＦ１の比抵抗を高くすることができる。そのため、磁化固定層ＨＬ１と磁化固定層ＨＬ２との間で書き込み電流を流すときに、磁気記録層ＭＲ１および下地層ＢＦ１のうち、磁気記録層ＭＲ１に、より大きな電流を流すことができ、磁気記録層ＭＲ１にデータを書き込む際の効率を高めることができる。

【0119】

次いで、図９に示すように、導電膜ＣＦ１の表面を改質する（図５のステップＳ１４）。

【0120】

このステップＳ１４では、まず、例えば導電膜ＣＦ１の表面を大気に曝すことにより、導電膜ＣＦ１の表面を改質する（第１改質工程）。この第１改質工程では、例えばステップＳ１３で用いられた成膜処理装置に備えられた処理室を大気開放し、処理室から半導体基板ＳＢを処理室の外部に搬出して導電膜ＣＦ１の表面を大気に曝すことにより、例えばＴａＮ（窒化タンタル）などからなる導電膜ＣＦ１の表面が酸化して自然酸化層が形成される。

【0121】

また、ステップＳ１４では、第１改質工程の後、図９に示すように、例えば導電膜ＣＦ１の表面をエッチングすることにより、導電膜ＣＦ１の表面を改質する（第２改質工程）。この第２改質工程では、第１改質工程の後、同一または他の処理室内で、導電膜ＣＦ１の表面を、例えばＡｒ^＋（アルゴンイオン）などのイオンビームＩＢ１で物理エッチングすることにより、導電膜ＣＦ１の表面を改質することができる。このとき、例えばＴａＮ（窒化タンタル）からなる導電膜ＣＦ１の表面が酸化して形成された自然酸化層がエッチングにより除去され、物理エッチングにより、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１の表面が、よりアモルファス状態になる。この場合のＴａＮからなる導電膜ＣＦ１のエッチング量は、例えば、０．８ｎｍ〜２ｎｍ程度で行われることが好ましい。

【0122】

または、ステップＳ１４の第１変形例として、以下のような工程を行うこともできる。

【0123】

このステップＳ１４の第１変形例では、まず、例えば導電膜ＣＦ１の表面を酸化することにより、導電膜ＣＦ１の表面を改質する（第１改質工程の第１変形例）。この第１改質工程の第１変形例では、例えばステップＳ１３の後、導電膜ＣＦ１の表面を大気には曝さないが、同一のまたは他の処理室内で酸化雰囲気中に曝す、または熱処理することにより、導電膜ＣＦ１の表面が酸化して酸化層が形成される。または、酸素プラズマ中に曝すことにより表面酸化層を形成してもよい。

【0124】

また、ステップＳ１４の第１変形例では、第１改質工程の第１変形例の後、導電膜ＣＦ１の表面をエッチングすることにより、導電膜ＣＦ１の表面を改質する（第２改質工程の第１変形例）。この第２改質工程の第１変形例では、ステップＳ１４の第２改質工程と同様の工程を行って、導電膜ＣＦ１の表面に形成された酸化層をエッチングすることにより、導電膜ＣＦ１の表面を改質することができる。

【0125】

あるいは、ステップＳ１４の第２変形例として、以下のような工程を行うこともできる。このステップＳ１４の第２変形例では、第２改質工程の第１変形例を、第１改質工程の第１変形例と同一の工程として行う。すなわち、ステップＳ１４の第２変形例では、例えば導電膜ＣＦ１の表面を酸化しながらエッチングすることにより、導電膜ＣＦ１の表面を改質する。言い換えれば、ステップＳ１４の第２変形例では、導電膜ＣＦ１の表面を酸化する工程とともに、導電膜ＣＦ１の表面をエッチングする工程を行って、導電膜ＣＦ１の表面を改質する。

【0126】

なお、ステップＳ１３において、例えばアモルファス状態の金属窒化物からなる導電膜ＣＦ１が形成されている場合には、ステップＳ１４の表面改質工程を行わなくてもよい。

【0127】

次いで、図１０に示すように、強磁性膜ＦＭ１を形成する（図５のステップＳ１５）。このステップＳ１５では、図１０に示すように、導電膜ＣＦ１上に、例えばＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）膜など、Ｃｏ（コバルト）とＦｅ（鉄）とＢ（ボロン）とを含有する磁気記録層ＭＲ１用の強磁性膜ＦＭ１を、スパッタリング法などにより堆積する。

【0128】

ステップＳ１４にて形成された導電膜ＣＦ１は、金属または金属窒化物からなり、結晶化しにくい。そのため、ステップＳ１５にて導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１は、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けにくく、例えばアモルファス状態であるか、または、十分に結晶化していない状態である。

【0129】

次いで、図１０に示すように、絶縁膜ＩＦ１を形成する（図５のステップＳ１６）。このステップＳ１６では、強磁性膜ＦＭ１上に、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を含有する絶縁膜ＩＦ１を、ＲＦスパッタリング法などにより堆積する。金属Ｍｇ（マグネシウム）をスパッタ法で成膜した後にＭｇ表面を酸化することによって、ＭｇＯを形成してもよい。このＭｇのスパッタと酸化は複数回繰り返して形成してもよい。また、このＭｇのスパッタと酸化は別チャンバ（処理室）でおこなってもよく、同一チャンバでおこなってもよい。

【0130】

ＭｇＯは、岩塩構造を有し、Ｍｇ（マグネシウム）およびＯ（酸素）のいずれの原子に着目しても、面心立方構造を有する。ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１を形成する場合には、好適には、絶縁膜ＩＦ１は、（１００）配向した結晶膜としてのＭｇＯ膜からなる。

【0131】

次いで、図１０に示すように、強磁性膜ＦＭ２を形成する（図５のステップＳ１７）。このステップＳ１７では、絶縁膜ＩＦ１上に、例えばＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）膜など、Ｃｏ（コバルト）とＦｅ（鉄）とＢ（ボロン）とを含有する強磁性膜ＦＭ２を、スパッタリング法などにより堆積する。なお、ステップＳ１７では、複数の強磁性層を含む強磁性膜ＦＭ２を形成してもよい。

【0132】

次いで、図１０に示すように、導電膜ＣＦ２を形成する（図５のステップＳ１８）。このステップＳ１８では、強磁性膜ＦＭ２上に、例えば、Ｔａ（タンタル）膜などの非磁性導電膜としての導電膜ＣＦ２を、スパッタリング法などにより堆積する。

【0133】

次いで、図１１に示すように、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１、強磁性膜ＦＭ１および導電膜ＣＦ１を、パターニングする（図５のステップＳ１９）。

【0134】

このステップＳ１９では、まず、導電膜ＣＦ２上に、酸化シリコン膜などの絶縁膜（図示せず）をＣＶＤ法により形成する。この絶縁膜を、パターニングすることにより、平面視において、磁化自由領域ＭＲ１ａ、磁化固定領域ＭＲ１ｂおよび磁化固定領域ＭＲ１ｃが形成される領域に、その絶縁膜を残す。次いで、磁化自由領域ＭＲ１ａ、磁化固定領域ＭＲ１ｂおよび磁化固定領域ＭＲ１ｃが形成される領域に残された部分の絶縁膜（図示せず）をマスクとして用いて、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１、強磁性膜ＦＭ１および導電膜ＣＦ１をエッチングする。

【0135】

これにより、磁化自由領域ＭＲ１ａ、磁化固定領域ＭＲ１ｂおよび磁化固定領域ＭＲ１ｃが形成される領域で、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１、強磁性膜ＦＭ１および導電膜ＣＦ１を残す。

【0136】

このとき、図１１に示すように、磁化自由領域ＭＲ１ａ、磁化固定領域ＭＲ１ｂおよび磁化固定領域ＭＲ１ｃを含み、強磁性膜ＦＭ１からなる磁気記録層ＭＲ１が形成される。また、磁化自由領域ＭＲ１ａの下に残された部分の導電膜ＣＦ１、磁化固定領域ＭＲ１ｂの下に残された部分の導電膜ＣＦ１、および、磁化固定領域ＭＲ１ｃの下に残された部分の導電膜ＣＦ１からなる下地層ＢＦ１が形成される。さらに、磁化自由領域ＭＲ１ａ上、磁化固定領域ＭＲ１ｂ上、および、磁化固定領域ＭＲ１ｃ上に残された部分の絶縁膜ＩＦ１からなるトンネルバリア層ＴＢ１が、形成される。

【0137】

言い換えれば、導電膜ＣＦ１のうち、領域ＣＦ１ａと、領域ＣＦ１ａの一方の側に位置する領域ＣＦ１ｂと、領域ＣＦ１ａを挟んで領域ＣＦ１ｂと反対側に位置する領域ＣＦ１ｃと、が残される。また、強磁性膜ＦＭ１のうち、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ａ上に形成された領域ＦＭ１ａと、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｂ上に形成された領域ＦＭ１ｂと、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｃ上に形成された領域ＦＭ１ｃと、が残される。そして、領域ＦＭ１ａからなる磁化自由領域ＭＲ１ａと、領域ＦＭ１ｂからなる磁化固定領域ＭＲ１ｂと、領域ＦＭ１ｃからなる磁化固定領域ＭＲ１ｃと、が形成される。また、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ａ上、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ｂ上、および、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ｃ上に、絶縁膜ＩＦ１が形成される。

【0138】

次いで、導電膜ＣＦ２上に形成され、磁化自由領域ＭＲ１ａ上に残された部分の絶縁膜からなるハードマスク（図示せず）をマスクとして用いて、導電膜ＣＦ２および強磁性膜ＦＭ２をエッチングし、磁化自由領域ＭＲ１ａ上に位置する部分の導電膜ＣＦ２および強磁性膜ＦＭ２を残す。

【0139】

このとき、図１１に示すように、磁化自由領域ＭＲ１ａ上に残された部分の強磁性膜ＦＭ２からなる磁化固定層ＭＰ１と、磁化固定層ＭＰ１上に残された部分の導電膜ＣＦ２からなるキャップ層ＣＬ１と、が形成される。すなわち、強磁性膜ＦＭ１の領域ＦＭ１ａ上に、絶縁膜ＩＦ１を介して形成された部分の強磁性膜ＦＭ２からなる磁化固定層ＭＰ１が形成される。

【0140】

また、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１とにより、磁気メモリ素子ＭＭ１が形成される。

【0141】

次いで、層間絶縁膜ＩＬ１１およびプラグＰＧ２を形成する（図５のステップＳ２０）。

【0142】

このステップＳ２０では、まず、図１に示すように、層間絶縁膜ＩＬ１０上に、下地層ＢＦ１、磁気記録層ＭＲ１、トンネルバリア層ＴＢ１、磁化固定層ＭＰ１およびキャップ層ＣＬ１を覆うように、層間絶縁膜ＩＬ１１を形成する。層間絶縁膜ＩＬ１１として、例えば、酸化シリコン膜などからなる絶縁膜を、ＣＶＤ法などにより堆積する。

【0143】

また、ステップＳ２０では、次に、層間絶縁膜ＩＬ１１を貫通してキャップ層ＣＬ１の上面に達するコンタクトホールＣＨ１を形成し、コンタクトホールＣＨ１の内部を埋め込むように、導電膜を形成する。これにより、図１に示すように、コンタクトホールＣＨ１の内部に埋め込まれた導電膜からなるプラグＰＧ２を形成する。

【0144】

その後、層間絶縁膜ＩＬ１１上に、配線（図示せず）を形成する。以上の工程により、図２に示すように、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２と、配線Ｍ１〜Ｍ４と、磁気メモリ素子ＭＭ１と、を形成することができる。

【0145】

本実施の形態１では、ステップＳ１６においてＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１を形成した後、磁気メモリ素子ＭＭ１を含めて半導体装置を製造する間に、半導体基板ＳＢが、例えば２５０〜３５０℃程度の温度で熱処理される。この際に、強磁性膜ＦＭ１が結晶化され、例えばアモルファス状態であるか、または、十分に結晶化していない状態であるＣｏとＦｅとＢを含有する強磁性膜ＦＭ１とＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１が、結晶化される。すなわち、本実施の形態１の半導体装置の製造工程は、絶縁膜ＩＦ１が形成された後、強磁性膜ＦＭ１および絶縁膜ＩＦ１の結晶化のための熱処理をする工程を有する。この工程は、熱処理工程として単独の工程でなくても、例えば、層間絶縁膜などの成膜中の熱履歴によっておこなわれてもよい。なお、本実施の形態１の半導体装置の製造工程が、ステップＳ１６で絶縁膜ＩＦ１が形成された後に、半導体基板ＳＢを、例えば２５０〜３５０℃程度の温度で熱処理し、強磁性膜ＦＭ１および絶縁膜ＩＦ１を結晶化する工程を、他の工程とは別に有していてもよい。

【0146】

＜導電膜の材料とＭＲ比との関係について＞
図１２は、導電膜の材料とＭＲ比との関係を示すグラフである。図１２では、図５のステップＳ１３に相当する工程において、Ｔａからなる導電膜ＣＦ１が形成され、図５のステップＳ１４の表面改質工程としての大気開放が行われなかった場合を、比較例１として示す。また、図１２では、図５のステップＳ１３に相当する工程において、ＴａＮからなる導電膜が形成され、図５のステップＳ１４の表面改質工程としての大気開放が行われなかった場合を、実施例１として示す。

【0147】

また、図１２では、図５のステップＳ１３に相当する工程において、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１が形成され、図５のステップＳ１４の表面改質工程のうち第１改質工程としての大気開放を行って導電膜ＣＦ１の表面を大気に曝したものの、第２改質工程が行われなかった場合を、比較例２として示す。さらに、図１２では、図５のステップＳ１３に相当する工程において、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１が形成され、図５のステップＳ１４の表面改質工程のうち第１改質工程としての大気開放を行って導電膜ＣＦ１の表面を大気に曝した後、第２改質工程を行って導電膜ＣＦ１の表面をエッチングした場合を、実施例２として示す。

【0148】

なお、実施例１、比較例２および実施例２において、Ｔａに対するＮの組成比は、０．５６であった。

【0149】

図１２に示すように、実施例１では、比較例１に比べ、ＭＲ比が高かった。すなわち、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１を形成した後、表面改質工程を行わずに、ＣｏＦｅＢ膜からなる強磁性膜ＦＭ１を形成した場合、Ｔａからなる導電膜ＣＦ１を形成した後、表面改質工程を行わずに、ＣｏＦｅＢ膜からなる強磁性膜ＦＭ１を形成した場合に比べ、ＭＲ比が高かった。

【0150】

一方、図１２に示すように、比較例２では、強磁性膜ＦＭ１における磁化の方向は、強磁性膜ＦＭ１の上面に垂直ではなく、強磁性膜ＦＭ１の上面に平行であった。そのため、比較例２では、ＭＲ比は１００％未満であった。

【0151】

さらに、図１２に示すように、実施例２でも、比較例１に比べ、ＭＲ比が高かった。すなわち、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１を形成し、表面改質工程を行った後、ＣｏＦｅＢ膜からなる強磁性膜ＦＭ１を形成した場合、Ｔａからなる導電膜ＣＦ１を形成した後、表面改質工程を行わずに、ＣｏＦｅＢ膜からなる強磁性膜ＦＭ１を形成した場合に比べ、ＭＲ比が高かった。また、実施例２では、実施例１に比べても、ＭＲ比が高かった。

【0152】

トンネル磁気抵抗効果素子においてトンネルバリア層ＴＢ１に接触して配置されるＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜ＦＭ１が体心立方構造を有する場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。しかし、導電膜ＣＦ１が例えばＴａなど金属からなる場合には、Ｔａからなる導電膜ＣＦ１が結晶化しやすく、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けるため、体心立方構造を有しにくくなる。このような場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができず、磁気メモリ素子ＭＭ１を備える半導体装置の性能が低下する。

【0153】

一方、導電膜ＣＦ１が例えばＴａＮなど金属窒化物からなる場合には、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１が結晶化しにくくなる。ステップＳ１３において導電膜ＣＦ１が形成された後、次の工程が行われるまでの間は、導電膜ＣＦ１は、アモルファス状態か、または、十分に結晶化していない状態になっている。したがって、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けにくくなる一方で、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けやすくなる。

【0154】

具体的には、導電膜ＣＦ１上にＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１を形成した後、熱処理することにより、強磁性膜ＦＭ１のうち、強磁性膜ＦＭ１と絶縁膜ＩＦ１との界面近傍の部分から、強磁性膜ＦＭ１の結晶化が始まる。そのため、強磁性膜ＦＭ１を、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶面に沿って、体心立方構造を有する結晶膜とすることができる。したがって、強磁性膜ＦＭ１からなる磁気記録層ＭＲ１と、絶縁膜ＩＦ１からなるトンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、により形成されるトンネル磁気抵抗効果素子としての磁気メモリ素子ＭＭ１のＭＲ比を、高くすることができる。

【0155】

好適には、絶縁膜ＩＦ１は、（１００）配向した岩塩構造を有するＭｇＯ膜からなる。これにより、強磁性膜ＦＭ１を、（１００）配向した体心立方構造を有するＣｏＦｅＢ膜からなる結晶膜とすることができる。

【0156】

＜導電膜の組成比とＭＲ比との関係について＞
図１３は、導電膜の組成比とＭＲ比との関係を示すグラフである。図１３では、図５のステップＳ１３に相当する工程において、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１が形成され、図５のステップＳ１４の表面改質工程のうち第１改質工程を行って導電膜ＣＦ１の表面を大気に曝した後、第２改質工程を行って導電膜ＣＦ１の表面をエッチングした実施例、すなわち図１２の実施例２と同様の実施例を示している。また、図１３では、図１２の比較例１を示している。図１３の横軸は、導電膜ＣＦ１の組成比として、Ｎ／Ｔａ組成比、すなわちＴａに対するＮの組成比を示している。

【0157】

図１３に示すように、好適には、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１における、タンタルに対する窒素の組成比は、０．０６〜０．７である。これにより、ＭＲ比は、１４０％よりも大きくなるので、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１におけるタンタルに対する窒素の組成比が０の場合、すなわち導電膜ＣＦ１がＴａからなる場合におけるＭＲ比に比べて、十分大きい。さらに好適には、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１における、タンタルに対する窒素の組成比は、０．０６〜０．５６である。

【0158】

＜Ｘｅガスを用いて形成された導電膜について＞
前述したように、Ｘｅ（キセノン）ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いたスパッタリング法により形成された導電膜ＣＦ１は、Ｘｅを含有する。例えばＸｅ（キセノン）ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いたスパッタリング法により形成された導電膜ＣＦ１が、Ｔａ、ＴａＮからなる場合、導電膜ＣＦ１における、Ｔａ、ＴａＮに対するＸｅの含有量は、０．２〜２ａｔ％であった。

【0159】

また、Ｘｅを含有する導電膜ＣＦ１が、例えば０．２〜２ａｔ％のＸｅを含有するＴａからなる場合におけるＭＲ比は、１５２．７％であり、導電膜ＣＦ１がＸｅを含有しないＴａからなる場合のＭＲ比よりも大きかった。あるいは、導電膜ＣＦ１が、例えば０．２〜２ａｔ％のＸｅを含有するＴａＮ（Ｎ／Ｔａ＝０．４９）からなる場合のＭＲ比は、１６１．３％であり、導電膜ＣＦ１がＸｅを含有しないＴａＮ（Ｎ／Ｔａ＝０．３８）からなる場合のＭＲ比（１５５．４％）よりも大きかった。

【0160】

磁壁移動型ＭＲＡＭを低電流で動作させるという観点では、データの書き込み動作を行う際に、磁気記録層ＭＲ１に効率的に電流を流すためには、下地層ＢＦ１の比抵抗が高いことが望ましい。このような観点からも、下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１として、Ｘｅ（キセノン）ガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａからなる導電膜ＣＦ１を用いることが望ましい。Ａｒ（アルゴン）ガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａからなる導電膜ＣＦ１に比べ、Ｘｅガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａからなる導電膜ＣＦ１は、アモルファス状態により近く、比抵抗も高い。また、Ｘｅガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａからなる導電膜ＣＦ１は、Ｘｅを含有するＴａからなる。

【0161】

具体的には、Ａｒガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａからなる導電膜ＣＦ１の比抵抗は、１９７μΩｃｍであった。一方、直流電力およびガスの流量を変えた各種の条件で、Ｘｅガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａからなる導電膜ＣＦ１の比抵抗は、２４４〜３７７μΩｃｍであり、Ａｒガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａからなる導電膜ＣＦ１の比抵抗よりも高かった。これは、例えば、導電膜ＣＦ１の結晶状態がアモルファス状態により近くなったことにより、導電膜ＣＦ１の粒径が小さくなったためと考えられる。

【0162】

このように、導電膜ＣＦ１の比抵抗を高くすることにより、磁化固定層ＨＬ１と磁化固定層ＨＬ２との間で書き込み電流を流すときに、比抵抗が相対的に低い磁気記録層ＭＲ１に、より大きな電流を流すことができるので、磁気記録層ＭＲ１にデータを書き込む際に、効率的に電流を流すことができる。

【0163】

なお、Ｘｅガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａＮからなる導電膜ＣＦ１の比抵抗も、Ａｒガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａＮからなる導電膜ＣＦ１の比抵抗よりも高い。このとき、Ｘｅガスを用いたスパッタリング法により形成されたＴａＮからなる導電膜ＣＦ１は、Ｘｅを含有するＴａＮからなる。

【0164】

この場合も、導電膜ＣＦ１の比抵抗を高くすることにより、磁化固定層ＨＬ１と磁化固定層ＨＬ２との間で書き込み電流を流すときに、磁気記録層ＭＲ１および下地層ＢＦ１のうち、磁気記録層ＭＲ１に、より大きな電流を流すことができるので、磁気記録層ＭＲ１にデータを書き込む際に、効率的に電流を流すことができる。

【0165】

＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
本実施の形態１の半導体装置は、半導体基板の上方に形成された導電膜ＣＦ１と、導電膜ＣＦ１上に形成された強磁性膜ＦＭ１と、強磁性膜ＦＭ１上に形成された絶縁膜ＩＦ１と、絶縁膜ＩＦ１上に形成された強磁性膜ＦＭ２と、を有する。強磁性膜ＦＭ１と絶縁膜ＩＦ１と強磁性膜ＦＭ２とによりトンネル磁気抵抗効果素子としての磁気メモリ素子ＭＭ１が形成される。導電膜ＣＦ１は、金属窒化物からなるか、または、Ｘｅを含有する金属からなり、強磁性膜ＦＭ１は、ＣｏとＦｅとＢとを含有し、絶縁膜ＩＦ１は、ＭｇＯを含有する。

【0166】

このような場合、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けることにより、ＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜ＦＭ１を、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶面に沿って、体心立方構造を有するものとすることができる。トンネル磁気抵抗効果素子としての磁気メモリ素子ＭＭ１においてトンネルバリア層ＴＢ１に接触して配置されるＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜ＦＭ１が体心立方構造を有する場合、トンネル磁気抵抗効果素子としての磁気メモリ素子ＭＭ１のＭＲ比を高くすることができる。したがって、本実施の形態１の半導体装置においても、強磁性膜ＦＭ１が体心立方構造を有することができ、強磁性膜ＦＭ１と絶縁膜ＩＦ１と強磁性膜ＦＭ２とにより形成されるトンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。そのため、磁気メモリ素子ＭＭ１を備える半導体装置の性能を向上させることができる。

【0167】

（実施の形態２）
実施の形態１では、磁壁移動型ＭＲＡＭへの適用例について説明した。それに対して、実施の形態２では、スピントランスファートルク（Spin Transfer Torque：ＳＴＴ）を用いたＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）への適用例について説明する。

【0168】

＜半導体装置の構成＞
図１４は、実施の形態２の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。図１５は、実施の形態２の半導体装置の構成を示す断面図である。図１６は、実施の形態２の磁気メモリ素子における強磁性膜の磁化の向きを示す図である。なお、図１６では、磁気記録層ＭＲ１および磁化固定層ＭＰ１の各々における磁化方向を、矢印で模式的に示してある。

【0169】

図１４に示す磁気メモリ素子ＭＭ２の一端は、例えば、図１５に示すように、１つの選択用トランジスタＴＲ１と直列に接続されている。また、磁気メモリ素子ＭＭ２の他端は、プラグＰＧ２を介してビット線（図示せず）に接続されている。図１５に示すように、本実施の形態２における半導体装置のうち磁気メモリ素子ＭＭ２よりも下の部分については、実施の形態１における半導体装置のうち磁気メモリ素子ＭＭ１よりも下の部分とほぼ同様にすることができる。また、図１５に示す本実施の形態２における選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２についても、図２を用いて説明した実施の形態１における選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２のそれぞれと同様にすることができる。

【0170】

＜磁気メモリ素子＞
図１４に示すように、磁気メモリ素子ＭＭ２は、下地層ＢＦ１と、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、キャップ層ＣＬ１と、下部電極層ＢＥ１と、を有する。半導体基板ＳＢの上方に下地層ＢＦ１が形成されており、下地層ＢＦ１上に、磁気記録層ＭＲ１が形成されており、磁気記録層ＭＲ１上に、トンネルバリア層ＴＢ１が形成されている。トンネルバリア層ＴＢ１上に、磁化固定層ＭＰ１が形成されており、磁化固定層ＭＰ１上に、キャップ層ＣＬ１が形成されている。

【0171】

下地層ＢＦ１の下には、下部電極層ＢＥ１が形成されている。磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１とにより、ＭＴＪが形成されている。すなわち、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１とにより、トンネル磁気抵抗効果素子が形成されている。

【0172】

磁気記録層ＭＲ１は、強磁性膜ＦＭ１からなる。磁気記録層ＭＲ１により、データ記憶層が形成される。一方、磁化固定層ＭＰ１は、強磁性膜ＦＭ２からなる。磁化固定層ＭＰ１により、データ参照層が形成される。あるいは、強磁性膜ＦＭ２は、複数の強磁性層からなるものでもよい。

【0173】

強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々は、垂直磁気異方性を有する。すなわち、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の磁化の向きは、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の膜厚方向に平行な方向であり、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の上面に垂直な方向である。

【0174】

本実施の形態２における強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２も、実施の形態１の強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２とそれぞれ同様にすることができる。したがって、本実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々は、Ｃｏ（コバルト）とＦｅ（鉄）とＢ（ボロン）とを含有する。このようなＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜が体心立方構造を有する場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。

【0175】

なお、磁化固定層ＭＰ１が、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜を含む場合、磁化固定層ＭＰ１に含まれる強磁性膜のうち、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜は、実施の形態１と同様にすることができる。

【0176】

トンネルバリア層ＴＢ１は、絶縁膜ＩＦ１からなる。本実施の形態２における絶縁膜ＩＦ１も、実施の形態１の絶縁膜ＩＦ１と同様にすることができ、好適には、絶縁膜ＩＦ１は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を含有する。

【0177】

本実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、半導体基板ＳＢの上方に、導電膜ＣＦ１が形成され、導電膜ＣＦ１上に、強磁性膜ＦＭ１が形成され、強磁性膜ＦＭ１上に、絶縁膜ＩＦ１が形成され、絶縁膜ＩＦ１上に、強磁性膜ＦＭ２が形成されている。そして、強磁性膜ＦＭ１と、絶縁膜ＩＦ１と、強磁性膜ＦＭ２と、によりトンネル磁気抵抗効果素子が形成されている。

【0178】

下部電極層ＢＥ１は、層間絶縁膜ＩＬ９に埋め込まれたビア部Ｖ４上に形成されており、ビア部Ｖ４と電気的に接続されている。下部電極層ＢＥ１は、導電膜ＣＦ３からなる。導電膜ＣＦ３として、例えばＴａ（タンタル）、ＴａＮ（窒化タンタル）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）またはＴｉＮ（窒化チタン）などの導電膜を用いることができる。あるいは、導電膜ＣＦ３として、ＴａとＲｕとＴａとの積層膜からなる導電膜を用いてもよい。

【0179】

下地層ＢＦ１は、磁気記録層ＭＲ１と下部電極層ＢＥ１との間に形成されている。下地層ＢＦ１は、非磁性導電膜としての導電膜ＣＦ１からなる。

【0180】

本実施の形態２における導電膜ＣＦ１も、実施の形態１の導電膜ＣＦ１と同様にすることができる。したがって、例えば、好適には、導電膜ＣＦ１は、金属窒化物、または、アモルファス状態の金属からなる。これにより、導電膜ＣＦ１が結晶化しにくくなるので、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けにくくなる。一方、強磁性膜ＦＭ１が、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けやすくなる。

【0181】

なお、本実施の形態２では、磁気メモリ素子ＭＭ２は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭに備えられたトンネル磁気抵抗効果素子であるため、実施の形態１とは異なり、導電膜ＣＦ１の比抵抗を高くすることによって、磁気記録層ＭＲ１にデータを書き込む際に、効率的に電流を流す、という効果は、少ない。したがって、導電膜ＣＦ１が、例えばＴａ（タンタル）などの金属からなるものであるときでも、Ｘｅ（キセノン）を含有する金属からなるものでなくてもよい。

【0182】

＜磁気メモリ素子の動作＞
図１６に示すように、例えば、磁化固定層ＭＰ１すなわち強磁性膜ＦＭ２は、＋Ｚ軸方向に固定された磁化ＭＧ１を有する。一方、磁気記録層ＭＲ１すなわち強磁性膜ＦＭ１は、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向との間で反転可能な磁化ＭＧ２を有する。

【0183】

次いで、磁気メモリ素子ＭＭ２におけるデータの書き込み動作について説明する。本実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、磁化固定層ＭＰ１の磁化ＭＧ１が、＋Ｚ軸方向に固定された磁化であり、磁気記録層ＭＲ１の磁化ＭＧ２が、−Ｚ軸方向に向いた磁化である状態をデータ「１」とする。また、磁化固定層ＭＰ１の磁化ＭＧ１が、＋Ｚ軸方向に固定された磁化であり、磁気記録層ＭＲ１の磁化ＭＧ２が、＋Ｚ軸方向に向いた磁化である状態をデータ「０」とする。なお、磁化方向とデータの値の対応は逆でもよい。

【0184】

データ「０」が書き込まれている状態の磁気メモリ素子ＭＭ２に、データ「１」を書き込む場合は、書き込み電流を、例えば電流経路ＣＰ１により示すように、キャップ層ＣＬ１から磁気記録層ＭＲ１を介して下地層ＢＦ１の方向へ流す。このとき、磁気記録層ＭＲ１には、正逆両方向のスピントルクを有する電子が注入されるが、そのうち一方向のスピントルクを有する電子が磁気記録層ＭＲ１で跳ね返され、磁気記録層ＭＲ１の磁化ＭＧ２が上下反転する。

【0185】

データ「１」が書き込まれている状態の磁気メモリ素子ＭＭ２に、データ「０」を書き込む場合は、書き込み電流を、例えば電流経路ＣＰ１により示すように、下地層ＢＦ１から磁気記録層ＭＲ１を介して磁化固定層ＭＰ１の方向へ流す。このとき、磁気記録層ＭＲ１には、正逆両方向のスピントルクのうち磁化固定層ＭＰ１を通過した一方向のスピントルクを有する電子が注入され、磁気記録層ＭＲ１の磁化ＭＧ２が上下反転する。

【0186】

すなわち、導電膜ＣＦ１と、導電膜ＣＦ２との間で、強磁性膜ＦＭ１を介して、書き込み電流が流れることにより、強磁性膜ＦＭ１の磁化ＭＧ２が変化する。

【0187】

なお、磁気メモリ素子ＭＭ２のデータの読み込み動作は、実施の形態１の磁気メモリ素子ＭＭ１の読み込み動作と同様にすることができる。すなわち、例えば電流経路ＣＰ２により示すように、磁化固定層ＭＰ１と下地層ＢＦ１との間に読み出し電流を流し、これらの間に流れる電流値により、抵抗値を検出する。

【0188】

＜磁気メモリ素子の第１変形例＞
図１４に示す例では、磁気記録層ＭＲ１上にトンネルバリア層ＴＢ１を介して磁化固定層ＭＰ１が形成されているが、磁化固定層ＭＰ１上にトンネルバリア層ＴＢ１を介して磁気記録層ＭＲ１が形成されていてもよい。このような例を、図１７に示す。図１７は、実施の形態２の第１変形例の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。

【0189】

図１７に示すように、本第１変形例では、磁気メモリ素子ＭＭ２は、下地層ＢＦ１と、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、キャップ層ＣＬ１と、下部電極層ＢＥ１と、を有する。下地層ＢＦ１上に、磁化固定層ＭＰ１が形成されており、磁化固定層ＭＰ１上に、トンネルバリア層ＴＢ１が形成されている。トンネルバリア層ＴＢ１上に、磁気記録層ＭＲ１が形成されており、磁気記録層ＭＲ１上に、キャップ層ＣＬ１が形成されている。磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１とにより、ＭＴＪが形成されている。すなわち、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１とにより、トンネル磁気抵抗効果素子が形成されている。

【0190】

一方、本第１変形例では、磁気記録層ＭＲ１は、強磁性膜ＦＭ２からなり、磁化固定層ＭＰ１は、強磁性膜ＦＭ１からなる。すなわち、導電膜ＣＦ１上に、強磁性膜ＦＭ１が形成され、強磁性膜ＦＭ１上に、絶縁膜ＩＦ１が形成され、絶縁膜ＩＦ１上に、強磁性膜ＦＭ２が形成されている。したがって、強磁性膜ＦＭ１は、＋Ｚ軸方向に固定された磁化ＭＧ１を有する。一方、強磁性膜ＦＭ２は、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向との間で反転可能な磁化ＭＧ２を有する。

【0191】

また、本第１変形例では、磁気メモリ素子ＭＭ２は、磁化固定層ＭＰ２を有する。また、下地層ＢＦ１の下には、磁化固定層ＭＰ２が形成されており、磁化固定層ＭＰ２の下には、下部電極層ＢＥ１が形成されている。磁化固定層ＭＰ２は、非磁性導電層としての下地層ＢＦ１を介して、磁化固定層ＭＰ１と磁気的に結合されている。そして、磁化固定層ＭＰ１と、下地層ＢＦ１と、磁化固定層ＭＰ２とにより、データ参照層が形成される。

【0192】

磁化固定層ＭＰ２は、強磁性膜ＦＭ３を含む。強磁性膜ＦＭ３は、垂直磁気異方性を有する。すなわち、強磁性膜ＦＭ３の磁化の向きは、強磁性膜ＦＭ３の膜厚方向に平行な方向である。

【0193】

強磁性膜ＦＭ３は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）およびＮｉ（ニッケル）から選択される金属または二種以上の金属の合金からなる。また、この強磁性膜中に、Ｐｔ（白金）またはＰｄ（パラジウム）を含ませてもよい。これにより、垂直磁気異方性を安定化することができる。

【0194】

さらに、強磁性膜ＦＭ３に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＡｕまたはＳｍなどの各種元素を添加することにより、磁気特性を調整することができる。

【0195】

強磁性膜ＦＭ３として、具体的には、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−ＢまたはＣｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂなどの材料からなる合金膜を用いることができる。あるいは、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−ＰｄまたはＳｍ−Ｃｏなどの材料からなる合金膜を用いることができる。

【0196】

また、強磁性膜ＦＭ３を上記材料からなる膜の積層膜としてもよい。例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選択される二種以上の金属膜の積層膜を用いてもよい。具体的には、強磁性膜として、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／ＰｔまたはＦｅ／Ａｕなどの積層膜を用いることができる。

【0197】

本第１変形例における強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２も、実施の形態１の強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２とそれぞれ同様にすることができる。したがって、本第１変形例でも、実施の形態１と同様に、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々は、Ｃｏ（コバルト）とＦｅ（鉄）とＢ（ボロン）とを含有する。このようなＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜が体心立方構造を有する場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。

【0198】

本第１変形例における導電膜ＣＦ１も、実施の形態１の導電膜ＣＦ１と同様にすることができる。したがって、例えば、好適には、導電膜ＣＦ１は、金属窒化物、または、アモルファス状態の金属からなる。これにより、導電膜ＣＦ１が結晶化しにくくなるので、導電膜ＣＦ１上に形成される強磁性膜ＦＭ１が、導電膜ＣＦ１の結晶構造の影響を受けにくくなる。一方、強磁性膜ＦＭ１が、強磁性膜ＦＭ１上に形成され、ＭｇＯを含有する絶縁膜ＩＦ１の結晶構造の影響を受けやすくなる。

【0199】

＜磁気メモリ素子の第２変形例＞
図１４に示す例では、磁気記録層ＭＲ１は、下地層ＢＦ１の上面全面の上に形成されているが、磁気記録層ＭＲ１は、下地層ＢＦ１の上面のうち一部の上に形成されており、磁気記録層ＭＲ１が、平面視において、下地層ＢＦ１に内包されるように、形成されていてもよい。このような例を、図１８に示す。図１８は、実施の形態２の第２変形例の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。

【0200】

図１８に示すように、下地層ＢＦ１すなわち導電膜ＣＦ１が、平面視において、互いに隣り合う領域ＣＦ１ａと、領域ＣＦ１ｂと、を含むものとする。すなわち、導電膜ＣＦ１が、領域ＣＦ１ａと、平面視において、領域ＣＦ１ａの一方の側に位置する領域ＣＦ１ｂと、を含むものとする。このとき、磁気記録層ＭＲ１すなわち強磁性膜ＦＭ１は、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ａ上に、形成されている。また、下部電極層ＢＥ１すなわち導電膜ＣＦ３は、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｂの下に、形成されている。

【0201】

これにより、後述する図２５を用いて説明するように、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をエッチングしてパターニングする際に、導電膜ＣＦ１をエッチングストッパとして機能させることができる。そのため、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をオーバーエッチングすることにより、例えば絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物を除去することができる。したがって、絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物により、磁化固定層ＭＰ１と磁気記録層ＭＲ１との間が短絡することを、防止することができる。

【0202】

また、図１８に示すように、下地層ＢＦ１の領域ＣＦ１ｂの下に下部電極層ＢＥ１が設けられている場合、下地層ＢＦ１を配線として用いることができる。このような場合、下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１の膜厚を厚くすることにより、配線としての下地層ＢＦ１の電気抵抗を低減することができ、データの書き込み、および、データの読み込みの際に、電流を流すことにより発生する発熱量を、低減することができる。

【0203】

後述する図２５を用いて説明するように、導電膜ＣＦ１として、ＴａＮからなる導電膜を用いることにより、導電膜ＣＦ１の膜厚を２０ｎｍ程度まで増加させても、磁気記録層ＭＲ１に含まれる強磁性膜ＦＭ１における垂直磁化の保持力を十分確保することができる。そのため、磁気メモリ素子ＭＭ２のＭＲ比を高くすることができる。

【0204】

＜半導体装置の製造方法＞
次いで、図１９〜図２４を参照しながら、本実施の形態２の半導体装置の製造方法を説明する。図１９は、実施の形態２の半導体装置の製造工程の一部を示すプロセスフロー図である。図２０〜図２４は、実施の形態２の半導体装置の製造工程を示す断面図である。図２０〜図２４のうち、図２０は、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２ならびに配線Ｍ１〜Ｍ４の形成工程を示す断面図であり、図２１〜図２４は、磁気メモリ素子ＭＭ２の形成工程を示す断面図である。

【0205】

まず、図５のステップＳ１１と同様の工程を行って、図２０に示すように、半導体基板ＳＢの主面に、２つの選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２を形成し、さらに、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２の上方に、配線Ｍ１〜Ｍ４を形成する（図１９のステップＳ２１）。

【0206】

次いで、ビア部Ｖ４が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ９上に、磁気メモリ素子ＭＭ２を形成する。

【0207】

まず、図２１に示すように、導電膜ＣＦ３を形成する（図１９のステップＳ２２）。このステップＳ２２では、ビア部Ｖ４が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ９上に、下部電極層ＢＥ１用の導電膜ＣＦ３を形成する。導電膜ＣＦ３として、例えばＴａ（タンタル）、ＴａＮ（窒化タンタル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｔｉ（チタン）、またはＴｉＮ（窒化チタン）などの導電膜を用いることができる。あるいは、導電膜ＣＦ３として、ＴａとＲｕとＴａとの積層膜を用いてもよい。

【0208】

次いで、図５のステップＳ１３と同様の工程を行って、図２１に示すように、導電膜ＣＦ３上に、導電膜ＣＦ１を形成する（図１９のステップＳ２３）。

【0209】

次いで、図５のステップＳ１４と同様の工程を行って、図２２に示すように、導電膜ＣＦ１の表面を改質する（図１９のステップＳ２４）。このうち、第２改質工程では、導電膜ＣＦ１の表面を、例えばＡｒ^＋（アルゴンイオン）などのイオンビームＩＢ１でエッチングする。このとき、ステップＳ１４の第１変形例と同様の工程を、ステップＳ２４の第１変形例として行ってもよく、またはステップＳ１４の第２変形例と同様の工程を、ステップＳ２４の第２変形例として行ってもよい。

【0210】

次いで、図５のステップＳ１５と同様の工程を行って、図２３に示すように、導電膜ＣＦ１上に、強磁性膜ＦＭ１を形成する（図１９のステップＳ２５）。次いで、図５のステップＳ１６と同様の工程を行って、図２３に示すように、強磁性膜ＦＭ１上に、絶縁膜ＩＦ１を形成する（図１９のステップＳ２６）。次いで、図５のステップＳ１７と同様の工程を行って、図２３に示すように、絶縁膜ＩＦ１上に、強磁性膜ＦＭ２を形成する（図１９のステップＳ２７）。次いで、図５のステップＳ１８と同様の工程を行って、図２３に示すように、強磁性膜ＦＭ２上に、導電膜ＣＦ２を形成する（図１９のステップＳ２８）。

【0211】

次いで、図５のステップＳ１９と同様の工程を行って、図２４に示すように、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１、強磁性膜ＦＭ１、導電膜ＣＦ１および導電膜ＣＦ３を、パターニングする（図１９のステップＳ２９）。このとき、パターニングされた導電膜ＣＦ３上からなる下部電極層ＢＥ１と、下部電極層ＢＥ１上に残された部分の導電膜ＣＦ１からなる下地層ＢＦ１と、下地層ＢＦ１上に残された部分の強磁性膜ＦＭ１からなる磁気記録層ＭＲ１と、が形成される。また、磁気記録層ＭＲ１上に残された部分の絶縁膜ＩＦ１からなるトンネルバリア層ＴＢ１と、トンネルバリア層ＴＢ１上に残された部分の強磁性膜ＦＭ２からなる磁化固定層ＭＰ１と、磁化固定層ＭＰ１上に残された部分の導電膜ＣＦ２からなるキャップ層ＣＬ１と、が形成される。また、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１とにより、磁気メモリ素子ＭＭ２が形成される。

【0212】

次いで、図５のステップＳ２０と同様の工程を行って、図１４に示すように、層間絶縁膜ＩＬ１０およびプラグＰＧ２を形成する（図１９のステップＳ３０）。

【0213】

その後、層間絶縁膜ＩＬ１０上に、配線（図示せず）を形成する。以上の工程により、図１４に示すように、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２と、配線Ｍ１〜Ｍ４と、磁気メモリ素子ＭＭ２と、を形成することができる。なお、本実施の形態２の半導体装置の製造工程も、実施の形態１の半導体装置の製造工程と同様に、絶縁膜ＩＦ１が形成された後、強磁性膜ＦＭ１および絶縁膜ＩＦ１の結晶化のための熱処理をする工程を有する。

【0214】

＜導電膜の材料および組成比とＭＲ比との関係について＞
本実施の形態２においても、導電膜ＣＦ１の材料および組成比とＭＲ比との関係については、実施の形態１において図１２および図１３を用いて説明した導電膜ＣＦ１の材料および組成比とＭＲ比との関係と同様にすることができる。

【0215】

＜下地層の膜厚と磁気記録層の垂直磁化との関係について＞
図２５は、下地層の膜厚と磁気記録層の垂直磁化との関係を示すグラフである。図２５に示すグラフの横軸は、下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１の膜厚を示し、図２５に示すグラフの縦軸は、磁気記録層ＭＲ１に含まれる強磁性膜ＦＭ１の垂直磁化の保持力を示す。また、図２５では、Ｔａからなる導電膜ＣＦ１が用いられた場合を、比較例３として示し、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１が用いられた場合を、実施例３として示す。

【0216】

図２５に示すように、比較例３では、導電膜ＣＦ１の膜厚が０．８〜１．５ｎｍの範囲内のときに、強磁性膜ＦＭ１が垂直磁化を示した。一方、実施例３では、導電膜ＣＦ１の膜厚の範囲が１〜２０ｎｍの範囲内のときに、強磁性膜ＦＭ１が垂直磁化を示した。すなわち、実施例３では、比較例３に比べ、導電膜ＣＦ１がより広い範囲の膜厚を有する場合でも、強磁性膜ＦＭ１が垂直磁化を有していた。よって、ＴａＮからなる導電膜ＣＦ１上に、ＣｏＦｅＢ膜からなる強磁性膜ＦＭ１を形成した場合、Ｔａからなる導電膜ＣＦ１上に、ＣｏＦｅＢ膜からなる強磁性膜ＦＭ１を形成した場合に比べ、導電膜ＣＦ１がより広い範囲の膜厚を有する場合でも、強磁性膜ＦＭ１が垂直磁化を有していた。

【0217】

したがって、図１８を用いて説明した実施の形態２の第２変形例において、導電膜ＣＦ１が例えばＴａＮなどの金属窒化物からなる場合には、導電膜ＣＦ１が例えばＴａなどの金属からなる場合に比べ、導電膜ＣＦ１の膜厚を例えば５〜２０ｎｍ程度に厚くすることができる。これにより、図１９のステップＳ２９において、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をエッチングしてパターニングする際に、導電膜ＣＦ１をエッチングストッパとして機能させることができる。そのため、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をオーバーエッチングすることにより、例えば絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物を除去することができる。したがって、絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物により、磁化固定層ＭＰ１と磁気記録層ＭＲ１との間が短絡することを、防止することができる。

【0218】

また、図１８に示すように、下地層ＢＦ１の領域ＣＦ１ｂの下に下部電極層ＢＥ１が設けられている場合、下地層ＢＦ１を配線として用いることができる。このような場合、下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１の膜厚を厚くすることにより、配線としての下地層ＢＦ１の電気抵抗を低減することができ、データの書き込み、および、データの読み込みの際に、電流を流すことにより発生する発熱量を、低減することができる。

【0219】

また、下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１として、ＴａＮからなる導電膜を用いることにより、導電膜ＣＦ１の膜厚を２０ｎｍ程度まで増加させても、磁気記録層ＭＲ１に含まれる強磁性膜ＦＭ１における垂直磁化の保持力を十分確保することができる。そのため、磁気メモリ素子ＭＭ２のＭＲ比を高くすることができる。

【0220】

＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
本実施の形態２の半導体装置は、実施の形態１の半導体装置と同様に、半導体基板の上方に形成された導電膜ＣＦ１と、導電膜ＣＦ１上に形成された強磁性膜ＦＭ１と、強磁性膜ＦＭ１上に形成された絶縁膜ＩＦ１と、絶縁膜ＩＦ１上に形成された強磁性膜ＦＭ２と、を有する。強磁性膜ＦＭ１と絶縁膜ＩＦ１と強磁性膜ＦＭ２とによりトンネル磁気抵抗効果素子としての磁気メモリ素子ＭＭ２が形成される。導電膜ＣＦ１は、金属窒化物からなるか、または、Ｘｅを含有する金属からなり、強磁性膜ＦＭ１は、ＣｏとＦｅとＢとを含有し、絶縁膜ＩＦ１は、ＭｇＯを含有する。

【0221】

これにより、本実施の形態２の半導体装置においても、実施の形態１の半導体装置と同様に、強磁性膜ＦＭ１が体心立方構造を有することができ、強磁性膜ＦＭ１と絶縁膜ＩＦ１と強磁性膜ＦＭ２とにより形成されるトンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。そのため、磁気メモリ素子ＭＭ２を備える半導体装置の性能を向上させることができる。

【0222】

一方、本実施の形態２の半導体装置では、キャップ層ＣＬ１と下部電極層ＢＥ１との間で書き込み電流を流すときに、磁気記録層ＭＲ１および下地層ＢＦ１のうち、磁気記録層ＭＲ１に、より大きな電流を流す必要がないので、実施の形態１に比べ、下地層ＢＦ１の膜厚を厚くすることができる。このような場合、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をエッチングする際に、導電膜ＣＦ１をエッチングストッパとして機能させることができる。そのため、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をオーバーエッチングすることにより、例えば絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物を除去することができる。したがって、絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物により、磁化固定層ＭＰ１と磁気記録層ＭＲ１との間が短絡することを、防止することができる。

【0223】

（実施の形態３）
実施の形態１では、磁壁移動型ＭＲＡＭへの適用例について説明した。それに対して、実施の形態３では、スピンホール効果（Spin Hall Effect：ＳＨＥ）を用いたＭＲＡＭ（ＳＨＥ−ＭＲＡＭ）への適用例について説明する。

【0224】

なお、本実施の形態３における半導体装置のうち磁気メモリ素子ＭＭ３よりも下の部分については、図２を用いて説明した実施の形態１における半導体装置のうち磁気メモリ素子ＭＭ１よりも下の部分と同様にすることができる。また、本実施の形態３における選択用トランジスタについても、図２を用いて説明した実施の形態１における選択用トランジスタと同様にすることができる。

【0225】

＜磁気メモリ素子＞
図２６は、実施の形態３の半導体装置の磁気メモリ素子を示す断面図である。図２７は、実施の形態３の磁気メモリ素子における強磁性膜の磁化の向きを示す図である。

【0226】

図２６に示すように、磁気メモリ素子ＭＭ３は、下地層ＢＦ１と、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、キャップ層ＣＬ１と、を有する。半導体基板ＳＢの上方に下地層ＢＦ１が形成されており、下地層ＢＦ１上に、磁気記録層ＭＲ１が形成されており、磁気記録層ＭＲ１上に、トンネルバリア層ＴＢ１が形成されている。トンネルバリア層ＴＢ１上に、磁化固定層ＭＰ１が形成されており、磁化固定層ＭＰ１上に、キャップ層ＣＬ１が形成されている。

【0227】

下地層ＢＦ１のうち、中央部の一方の側に位置する部分の下には、磁化固定層ＨＬ１が形成されており、下地層ＢＦ１のうち、中央部の他方の側に位置する部分の下には、磁化固定層ＨＬ２が形成されている。磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、によりＭＴＪが形成されている。すなわち、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１と、によりトンネル磁気抵抗効果素子が形成されている。

【0228】

磁気記録層ＭＲ１は、強磁性膜ＦＭ１からなる。磁気記録層ＭＲ１により、データ記憶層が形成される。一方、磁化固定層ＭＰ１は、強磁性膜ＦＭ２からなる。磁化固定層ＭＰ１により、データ参照層が形成される。あるいは、強磁性膜ＦＭ２は、複数の強磁性層からなるものでもよい。

【0229】

強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々は、垂直磁気異方性を有する。すなわち、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の磁化の向きは、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の膜厚方向に平行な方向であり、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々の上面に垂直な方向である。

【0230】

本実施の形態３における強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２も、実施の形態１の強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２とそれぞれ同様にすることができる。したがって、本実施の形態３でも、実施の形態１と同様に、強磁性膜ＦＭ１およびＦＭ２の各々は、Ｃｏ（コバルト）とＦｅ（鉄）とＢ（ボロン）とを含有する。このようなＣｏとＦｅとＢとを含有する強磁性膜が体心立方構造を有する場合、トンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。

【0231】

なお、磁化固定層ＭＰ１が、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜を含む場合、磁化固定層ＭＰ１に含まれる強磁性膜のうち、強磁性膜ＦＭ２以外の強磁性膜は、実施の形態１と同様にすることができる。

【0232】

トンネルバリア層ＴＢ１は、絶縁膜ＩＦ１からなる。本実施の形態３における絶縁膜ＩＦ１も、実施の形態１の絶縁膜ＩＦ１と同様にすることができ、好適には、絶縁膜ＩＦ１は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を含有する。

【0233】

本実施の形態３でも、実施の形態１と同様に、半導体基板ＳＢの上方に、導電膜ＣＦ１が形成され、導電膜ＣＦ１上に、強磁性膜ＦＭ１が形成され、強磁性膜ＦＭ１上に、絶縁膜ＩＦ１が形成され、絶縁膜ＩＦ１上に、強磁性膜ＦＭ２が形成されている。そして、強磁性膜ＦＭ１と、絶縁膜ＩＦ１と、強磁性膜ＦＭ２と、によりトンネル磁気抵抗効果素子が形成されている。

【0234】

ここで、図２６に示すように、平面視において、下地層ＢＦ１すなわち導電膜ＣＦ１の中央部を、領域ＣＦ１ａとする。また、平面視において、領域ＣＦ１ａの一方の側に位置する部分の導電膜ＣＦ１を、領域ＣＦ１ｂとし、平面視において、領域ＣＦ１ａを挟んで領域ＣＦ１ｂと反対側に位置する部分の導電膜ＣＦ１を、領域ＣＦ１ｃとする。すなわち、導電膜ＣＦ１は、領域ＣＦ１ａと、領域ＣＦ１ｂと、領域ＣＦ１ｃと、を含む。

【0235】

このとき、磁気記録層ＭＲ１すなわち強磁性膜ＦＭ１は、領域ＣＦ１ａ上に、形成されている。また、磁化固定層ＨＬ１は、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｂの下に、形成されており、磁化固定層ＨＬ２は、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｃの下に、形成されている。

【0236】

前述したように、本実施の形態３における磁気記録層ＭＲ１は、領域ＣＦ１ａ上には形成されているが、領域ＣＦ１ｂ上、および、領域ＣＦ１ｃ上には形成されていない点で、実施の形態１における強磁性膜と異なる。すなわち、本実施の形態３の半導体装置は、磁壁移動型ＭＲＡＭではないため、平面視において、磁化固定層ＨＬ１上、および、磁化固定層ＨＬ２上に、強磁性膜ＦＭ１が形成される必要がない。

【0237】

一方、本実施の形態３における下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１は、平面視において、磁気記録層ＭＲ１と重なる部分である領域ＣＦ１ａに加え、平面視において、磁化固定層ＨＬ１と重なる部分である領域ＣＦ１ｂと、平面視において、磁化固定層ＨＬ２と重なる部分である領域ＣＦ１ｃと、を含む。すなわち、本実施の形態３では、導電膜ＣＦ１は、平面視において、磁化固定層ＨＬ１と重なる部分である領域ＣＦ１ｂから、平面視において、磁気記録層ＭＲ１と重なる部分である領域ＣＦ１ａを通って、平面視において、磁化固定層ＨＬ２と重なる部分である領域ＣＦ１ｃにかけて、一体的に形成されている。このような下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１に流す電流の向きを変えることにより、下地層ＢＦ１に含まれる導電膜ＣＦ１中にスピンホール効果により発生するスピン流の向きを反転させることができるので、磁気記録層ＭＲ１に含まれる強磁性膜ＦＭ１の垂直磁化を上下反転させることができる。

【0238】

また、本実施の形態３では、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をエッチングしてパターニングする際に、例えば５〜２０ｎｍ程度の膜を有する導電膜ＣＦ１を、エッチングストッパとして機能させることができる。そのため、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をオーバーエッチングすることにより、例えば絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物を除去することができる。したがって、絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物により、磁化固定層ＭＰ１と磁気記録層ＭＲ１との間が短絡することを、防止することができる。

【0239】

＜磁気メモリ素子の動作＞
図２７に示すように、例えば、磁化固定層ＭＰ１すなわち強磁性膜ＦＭ２は、＋Ｚ軸方向に固定された磁化ＭＧ１を有する。一方、磁気記録層ＭＲ１すなわち強磁性膜ＦＭ１は、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向との間で反転可能な磁化ＭＧ２を有する。

【0240】

次いで、磁気メモリ素子ＭＭ３におけるデータの書き込み動作について説明する。本実施の形態３でも、実施の形態１と同様に、磁化固定層ＭＰ１の磁化ＭＧ１が、＋Ｚ軸方向に固定された磁化であり、磁気記録層ＭＲ１の磁化ＭＧ２が、−Ｚ軸方向に向いた磁化である状態をデータ「１」とする。また、磁化固定層ＭＰ１の磁化ＭＧ１が、＋Ｚ軸方向に固定された磁化であり、磁気記録層ＭＲ１の磁化ＭＧ２が、＋Ｚ軸方向に向いた磁化である状態をデータ「０」とする。なお、磁化方向とデータの値の対応は逆でもよい。

【0241】

データ「０」が書き込まれている状態の磁気メモリ素子ＭＭ３に、データ「１」を書き込む場合は、書き込み電流を、例えば電流経路ＣＰ１により示すように、磁化固定層ＨＬ１から下地層ＢＦ１を介して磁化固定層ＨＬ２の方向へ流す。この書き込み電流に垂直な方向に、スピンホール効果によりスピン流が発生する。そして、発生したスピン流により、磁気記録層ＭＲ１の磁化ＭＧ２が上下反転する。

【0242】

データ「１」が書き込まれている状態の磁気メモリ素子ＭＭ３に、データ「０」を書き込む場合は、書き込み電流を、例えば電流経路ＣＰ１により示すように、磁化固定層ＨＬ２から下地層ＢＦ１を介して磁化固定層ＨＬ１の方向へ流す。この書き込み電流に垂直な方向に、スピンホール効果によりスピン流が発生する。そして、発生したスピン流により、磁気記録層ＭＲ１の磁化ＭＧ２が上下反転する。

【0243】

なお、下地層ＢＦ１に磁界が印加されていない場合でもスピンホール効果を発生させることができる。したがって、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２が設けられていなくてもよく、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｂがビア部Ｖ４１と直接接続されていてもよく、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｃがビア部Ｖ４２と直接接続されていてもよい。このとき、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｂと、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｃとの間で、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ａを介して書き込み電流が流れることにより、強磁性膜ＦＭ１の磁化ＭＧ２の方向が変化することになる。

【0244】

また、磁気メモリ素子ＭＭ３のデータの読み込み動作は、実施の形態１の磁気メモリ素子ＭＭ１の読み込み動作と同様にすることができる。すなわち、例えば電流経路ＣＰ２により示すように、磁化固定層ＭＰ１と下地層ＢＦ１との間に読み出し電流を流し、これらの間に流れる電流値により、抵抗値を検出する。

【0245】

＜半導体装置の製造方法＞
次いで、図２８を参照しながら、本実施の形態３の半導体装置の製造方法を説明する。図２８は、実施の形態３の半導体装置の製造工程を示す断面図である。図２８は、磁気メモリ素子ＭＭ３の形成工程を示す断面図である。

【0246】

まず、図５のステップＳ１１と同様の工程を行って、図６に示したように、半導体基板ＳＢの主面に、２つの選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２を形成し、さらに、選択用トランジスタＴＲ１およびＴＲ２の上方に、配線Ｍ１〜Ｍ４を形成する。

【0247】

次いで、ビア部Ｖ４としてのビア部Ｖ４１およびＶ４２が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ９上に、磁気メモリ素子ＭＭ３を形成する。

【0248】

まず、図５のステップＳ１２と同様の工程を行って、図７に示したように、ビア部Ｖ４としてのビア部Ｖ４１およびＶ４２が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ９上に、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２、ならびに、層間絶縁膜ＩＬ１０を形成する。

【0249】

なお、前述したように、本実施の形態３では、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２を形成しなくてもよく、その場合、層間絶縁膜ＩＬ１０も形成しなくてもよい。

【0250】

次いで、図５のステップＳ１３と同様の工程を行って、図８に示したように、磁化固定層ＨＬ１およびＨＬ２が埋め込まれた層間絶縁膜ＩＬ１０上に、導電膜ＣＦ１を形成する。

【0251】

次いで、図５のステップＳ１４と同様の工程を行って、図９に示したように、導電膜ＣＦ１の表面を改質する。このとき、ステップＳ１４の工程に代え、ステップＳ１４の第１変形例と同様の工程、または、ステップＳ１４の第２変形例と同様の工程を、行ってもよい。

【0252】

次いで、図５のステップＳ１５と同様の工程を行って、図１０に示したように、導電膜ＣＦ１上に、強磁性膜ＦＭ１を形成する。次いで、図５のステップＳ１６と同様の工程を行って、図１０に示したように、強磁性膜ＦＭ１上に、絶縁膜ＩＦ１を形成する。次いで、図５のステップＳ１７と同様の工程を行って、図１０に示したように、絶縁膜ＩＦ１上に、強磁性膜ＦＭ２を形成する。次いで、図５のステップＳ１８と同様の工程を行って、図１０に示したように、強磁性膜ＦＭ１上に、導電膜ＣＦ２を形成する。

【0253】

次いで、図５のステップＳ１９に相当する工程を行って、図１０に示したように、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１、強磁性膜ＦＭ１および導電膜ＣＦ１を、パターニングする。

【0254】

このステップＳ１９に相当する工程では、まず、導電膜ＣＦ２上に、酸化シリコン膜などの絶縁膜（図示せず）をＣＶＤ法により形成する。この絶縁膜を、パターニングすることにより、平面視において、導電膜ＣＦ１のうち、領域ＣＦ１ａ、ＣＦ１ｂおよびＣＦ１ｃが残される領域に、その絶縁膜を残す。次いで、残された部分の絶縁膜（図示せず）をマスクとして用いて、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１、強磁性膜ＦＭ１および導電膜ＣＦ１をエッチングする。

【0255】

これにより、導電膜ＣＦ１のうち、領域ＣＦ１ａ、ＣＦ１ｂおよびＣＦ１ｃが残される領域で、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１、強磁性膜ＦＭ１および導電膜ＣＦ１を残す。このとき、図２８に示すように、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ａ、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｂ、および、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ｃからなる下地層ＢＦ１が形成される。言い換えれば、導電膜ＣＦ１のうち、領域ＣＦ１ａと、領域ＣＦ１ａの一方の側に位置する領域ＣＦ１ｂと、領域ＣＦ１ａを挟んで領域ＣＦ１ｂと反対側に位置する領域ＣＦ１ｃと、が残される。

【0256】

次いで、導電膜ＣＦ２上に形成され、領域ＣＦ１ａ上に残された部分の絶縁膜からなるハードマスク（図示せず）をマスクとして用いてエッチングを行い、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ａ上に位置する部分の導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１を残す。このとき、図２８に示すように、導電膜ＣＦ１の領域ＣＦ１ａ上に残された部分の強磁性膜ＦＭ１からなる磁気記録層ＭＲ１と、磁気記録層ＭＲ１上に残された部分の絶縁膜ＩＦ１からなるトンネルバリア層ＴＢ１と、トンネルバリア層ＴＢ１上に残された部分の強磁性膜ＦＭ２からなる磁化固定層ＭＰ１と、が形成される。また、磁化固定層ＭＰ１上に残された部分の導電膜ＣＦ２からなるキャップ層ＣＬ１が形成される。

【0257】

また、磁気記録層ＭＲ１と、トンネルバリア層ＴＢ１と、磁化固定層ＭＰ１とにより、磁気メモリ素子ＭＭ３が形成される。

【0258】

すなわち、このステップＳ１９に相当する工程では、キャップ層ＣＬ１、磁化固定層ＭＰ１、トンネルバリア層ＴＢ１および磁気記録層ＭＲ１が、平面視において、下地層ＢＦ１に内包されるように、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をエッチングすることになる。

【0259】

次いで、図５のステップＳ２０と同様の工程を行って、図２６に示すように、層間絶縁膜ＩＬ１１およびプラグＰＧ２を形成する。

【0260】

その後、層間絶縁膜ＩＬ１１上に、配線（図示せず）を形成する。以上の工程により、図２６に示すように、磁気メモリ素子ＭＭ３を形成することができる。なお、本実施の形態３の半導体装置の製造工程も、実施の形態１の半導体装置の製造工程と同様に、絶縁膜ＩＦ１が形成された後、強磁性膜ＦＭ１および絶縁膜ＩＦ１の結晶化のための熱処理をする工程を有する。

【0261】

＜導電膜の材料および組成比とＭＲ比との関係について＞
本実施の形態３においても、導電膜ＣＦ１の材料および組成比と、ＭＲ比との関係については、実施の形態１において図１２および図１３を用いて説明した導電膜ＣＦ１の材料および組成比とＭＲ比との関係と同様にすることができる。

【0262】

＜導電膜の膜厚と強磁性膜の垂直磁化との関係について＞
本実施の形態３においても、導電膜ＣＦ１の膜厚と強磁性膜ＦＭ１の垂直磁化との関係については、実施の形態２において図２５を用いて説明した導電膜ＣＦ１の膜厚と強磁性膜ＦＭ１の垂直磁化との関係と同様にすることができる。

【0263】

＜本実施の形態の主要な特徴と効果＞
本実施の形態３の半導体装置は、実施の形態１の半導体装置と同様に、半導体基板の上方に形成された導電膜ＣＦ１と、導電膜ＣＦ１上に形成された強磁性膜ＦＭ１と、強磁性膜ＦＭ１上に形成された絶縁膜ＩＦ１と、絶縁膜ＩＦ１上に形成された強磁性膜ＦＭ２と、を有する。強磁性膜ＦＭ１と絶縁膜ＩＦ１と強磁性膜ＦＭ２とによりトンネル磁気抵抗効果素子としての磁気メモリ素子ＭＭ３が形成される。導電膜ＣＦ１は、金属窒化物からなるか、または、Ｘｅを含有する金属からなり、強磁性膜ＦＭ１は、ＣｏとＦｅとＢとを含有し、絶縁膜ＩＦ１は、ＭｇＯを含有する。

【0264】

これにより、本実施の形態３の半導体装置においても、実施の形態１の半導体装置と同様に、強磁性膜ＦＭ１が体心立方構造を有することができ、強磁性膜ＦＭ１と絶縁膜ＩＦ１と強磁性膜ＦＭ２とにより形成されるトンネル磁気抵抗効果素子のＭＲ比を高くすることができる。そのため、磁気メモリ素子ＭＭ３を備える半導体装置の性能を向上させることができる。

【0265】

一方、本実施の形態３の半導体装置では、書き込み電流を流すときに、磁気記録層ＭＲ１に電流を流す必要がないので、下地層ＢＦ１の膜厚を厚くすることができる。このような場合、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をエッチングする際に、導電膜ＣＦ１をエッチングストッパとして機能させることができる。そのため、導電膜ＣＦ２、強磁性膜ＦＭ２、絶縁膜ＩＦ１および強磁性膜ＦＭ１をオーバーエッチングすることにより、例えば絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物を除去することができる。したがって、絶縁膜ＩＦ１の側壁などに堆積された堆積物により、磁化固定層ＭＰ１と磁気記録層ＭＲ１との間が短絡することを、防止することができる。

【0266】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0267】

ａ〜ｃ 端子
Ｂ１、Ｂ２ 境界
ＢＥ１ 下部電極層
ＢＦ１ 下地層
ＢＬ１、ＢＬ２ ビット線
ＣＦ１〜ＣＦ３ 導電膜
ＣＦ１ａ〜ＣＦ１ｃ 領域
ＣＨ１ コンタクトホール
ＣＬ１ キャップ層
ＣＰ１、ＣＰ２ 電流経路
ＦＨ１、ＦＭ１〜ＦＭ３ 強磁性膜
ＦＭ１ａ〜ＦＭ１ｃ 領域
ＧＥ ゲート電極
ＧＩ ゲート絶縁膜
ＧＮＬ 接地電位線
ＨＬ１、ＨＬ２ 磁化固定層
ＩＢ１ イオンビーム
ＩＦ１ 絶縁膜
ＩＬ１〜ＩＬ１１ 層間絶縁膜
Ｍ１〜Ｍ４ 配線
ＭＧ１、ＭＧ２、ＭＧ２１〜ＭＧ２３、ＭＧ３１、ＭＧ３２ 磁化
ＭＭ１〜ＭＭ３ 磁気メモリ素子
ＭＰ１、ＭＰ２ 磁化固定層
ＭＲ１ 磁気記録層
ＭＲ１ａ 磁化自由領域
ＭＲ１ｂ、ＭＲ１ｃ 磁化固定領域
ＰＧ１、ＰＧ２ プラグ
ＰＷ ｐ型ウェル
ＳＢ 半導体基板
ＳＤ 半導体領域
ＳＴ 素子分離領域
ＳＷ サイドウォール膜
ＴＢ１ トンネルバリア層
ＴＲ１、ＴＲ２ 選択用トランジスタ
Ｖ１〜Ｖ４、Ｖ４１、Ｖ４２ ビア部
ＷＬ ワード線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】