(57)【要約】  本発明は、容易に低コストで製造することができる、電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭおよびその製造方法を提供する。第１強磁性層(１０)と、該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層(３０)と、該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層(４０)と、該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層(５０)と、を具備し、該第１強磁性層及び該第３強磁性層は、１つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第３強磁性層とし、残る部分を該第１強磁性層とした構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性層と、
該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層と、
該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層と、
該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層と、を具備し、
該第１強磁性層及び該第３強磁性層は、１つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第３強磁性層とし、残る部分を該第１強磁性層とした構造を有することを特徴とする、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記１つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部をも酸化して前記第４強磁性層とし、残る中央部分を前記第１強磁性層とした構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第３強磁性層と前記第４強磁性層の酸化度即ち酸素含有量がそれぞれ異なることを特徴とする、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の各反転磁界の大きさは、
第１強磁性層＜第３強磁性層＜第４強磁性層、であるか、又は
第１強磁性層＜第４強磁性層＜第３強磁性層、であることを特徴とする、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、いずれも厚さ方向に磁気異方性を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の少なくとも１つは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含み、さらにＰｔ、Ｐｄ、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、Ｓｍのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
第１強磁性層と、
該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層と、
該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層と、
該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層と、を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
長手方向に長い第１強磁性層を形成する工程と、
該第１強磁性層の該長手方向の一方の端部を酸化することにより、該第３強磁性層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、製造方法。
【請求項８】
前記１つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部を酸化することにより、前記第４強磁性層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記第１強磁性層の前記長手方向の両方の端部をそれぞれ酸化する工程は、各端部を異なる酸化度即ち酸素含有量でそれぞれ酸化する工程であることを特徴とする、請求項８に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願についての記載）
本発明は、日本国特許出願：特願２０１１−０８６１５８号（２０１１年４月８日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。【０００２】
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリとその初期化方法に関し、特に、磁壁移動方式の磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭではメモリセルに磁気抵抗効果素子が集積化され、磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の向きとしてデータが記憶される。この強磁性層の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、非特許文献１によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。【０００４】
ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁気抵抗効果素子の周辺に書き込み電流を流すための配線を配置し、書き込み電流を流すことで発生する電流磁界によって磁気抵抗効果素子の強磁性層の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。例えば、特許文献１は、電流磁界によってデータ書き込みを行うＭＲＡＭについて、磁化固定層の端部の磁化が膜厚方向に向けられている構造を開示している。【０００５】
しかしながら熱安定性、外乱磁界耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁界は一般的には数１０（Ｏｅ）程度となり、このような磁界を発生させるためには数ｍＡ程度の大きな書き込み電流が必要となる。書き込み電流が大きいと、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、メモリセルが微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。【０００６】
近年このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、スピン注入磁化反転を利用することである。スピン注入磁化反転が利用されるＭＲＡＭでは、メモリセルの磁気抵抗効果素子が、反転可能な磁化を有する第１の強磁性層（しばしば、フリー層と呼ばれる）と、磁化が固定された第２の強磁性層（しばしば、ピン層と呼ばれる）と、これらの強磁性層の間に設けられたトンネルバリア層を備える積層体で構成される。このようなＭＲＡＭのデータ書き込みでは、フリー層とピン層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子のフリー層中の局在電子との間の相互作用を利用してフリー層の磁化が反転される。スピン注入磁化反転の発生の有無は、（電流の絶対値ではなく）電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転をデータ書き込みに利用する場合には、メモリセルのサイズが小さくなれば、書き込み電流も低減される。【０００７】
すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、データ書き込みの際、膜厚が薄いトンネルバリア層に書き込み電流を流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が問題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。【０００８】
第２の方法は、電流駆動磁壁移動現象を利用することである。電流駆動磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４に開示されている。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭの最も一般的な構成では、データを保持する強磁性層（しばしば、磁気記録層と呼ばれる。）が、反転可能な磁化を有する磁化反転部と、その両端に接続された、固定された磁化を有する２つの磁化固定部とで構成される。データは、磁化反転部の磁化として記憶される。２つの磁化固定部の磁化は、互いに略反平行となるように固定されている。磁化がこのように配置されると、磁気記録層に磁壁が導入される。【０００９】
非特許文献２で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流すと磁壁は伝導電子の方向に移動することから、磁気記録層に電流を流すことによりデータ書き込みが可能となる。電流駆動磁壁移動の発生の有無も電流密度に依存することから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭのメモリセルでは、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１５０３０３号公報
【特許文献２】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献３】特開２００６−７３９３０号公報
【特許文献４】特開２００６−２７００６９号公報
【特許文献５】特開２００９−２５２９０９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】２００６  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  ＶＬＳＩ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，  ｐ．１３６．
【非特許文献２】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．９２，  ｎｕｍｂｅｒ  ７，  ｐ．０７７２０５，  （２００４）．
【非特許文献３】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ｖｏｌ．４５，  Ｎｏ．５Ａ，  ｐｐ．３８５０−３８５３，（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の特許文献、非特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点から与えられる。【００１３】
しかしながら、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうという問題がある。電流誘起磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動には１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度の電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる強磁性膜の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには、強磁性膜の幅を小さく、且つ、膜厚を薄くすればよい。しかしながら、膜厚を薄くすると書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが報告されている（例えば、非特許文献３参照）。また、強磁性膜の幅を１００ｎｍ以下に小さくすることは、加工技術の点で大いなる困難を伴う。【００１４】
また、１×１０８［Ａ／ｃｍ２］に近い電流密度を用いて書き込みを行う場合、エレクトロンマイグレーションや温度上昇の影響が懸念される。【００１５】
これに加えて電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、前述のように磁気記録層の２つの磁化固定部の磁化が互いに反平行となるように固定される必要がある。磁化を固定する方法として、例えば特許文献２に開示されているように反強磁性膜を用いるもの、また、特許文献５に開示されているように磁化固定領域を磁壁移動層とは別に作成する方法などがある。【００１６】
しかしながら、これらを実現するためには複雑な製造工程が必要となる。製造工程の複雑化は、製造コストの上昇を招く。【００１７】
本発明の目的は、容易に低コストで製造することができる、電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
第１の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層と、該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層と、該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層と、を具備し、該第１強磁性層及び該第３強磁性層は、１つの強磁性体の長手方向の一方の端部を酸化して該第３強磁性層とし、残る部分を該第１強磁性層とした構造を有することを特徴とする。【００１９】
第２の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１強磁性層と、該第１強磁性層に対向し、非磁性膜を挟んで配置された、磁化が固定された第２強磁性層と、該第１強磁性層の一端部に接して配置された第３強磁性層と、該第１強磁性層の他端部に接して配置された第４強磁性層と、を具備する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、長手方向に長い第１強磁性層を形成する工程と、該第１強磁性層の該長手方向の一方の端部を酸化することにより、該第３強磁性層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。【００２０】
第３の視点において、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層と、その両側部に磁化固定層をそれぞれ１つずつ配した構造を含む磁気抵抗効果素子であって、第１の強磁性層の一方の側部に、酸化度が該第１の強磁性層とは異なる第２の強磁性層を配して、該第１の強磁性層を磁壁移動層とし、該第２の強磁性層を２つの該磁化固定層のうちの１つとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層の少なくとも一端部を酸化することによって、保磁力を増大させて磁化固定層とする。このようにすることで磁化固定層を磁壁移動層と別に作成する必要が無くなるため製造工程が簡略化され、製造コストが低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の一実施例の断面及び平面模式図である。
【図２】酸化の程度による反転磁界の大きさの変化を示した図である。
【図３】図１に示す磁気抵抗効果素子の各領域における磁化反転特性を示した図である。
【図４】本発明の磁気抵抗効果素子の一実施例の製造プロセスフローを示した図である。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の一実施例の初期化方法を示した図である。
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の一実施例の書き込み方法を示した図である。
【図７】本発明の磁気抵抗効果素子の変形例の製造プロセスフローを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、可能な種々の形態について略述する。
第１の視点において、前記１つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部をも酸化して前記第４強磁性層とし、残る中央部分を前記第１強磁性層とした構造を有することが好ましい。
【００２４】
また、前記第３強磁性層と前記第４強磁性層の酸化度即ち酸素含有量がそれぞれ異なること（特に磁壁の移動が起こるような程度に異なること）が好ましい。
【００２５】
また、前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の各反転磁界の大きさは、第１強磁性層＜第３強磁性層＜第４強磁性層、であるか、又は第１強磁性層＜第４強磁性層＜第３強磁性層、であること（特に磁壁の移動が起こるような程度に異なること）が好ましい。
【００２６】
また、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、いずれも厚さ方向に磁気異方性（特定の磁化容易軸の方向）を有することが好ましい。
【００２７】
また、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の少なくとも１つは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含み、さらにＰｔ、Ｐｄ、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、Ｓｍのうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００２８】
第２の視点において、前記１つの強磁性体の前記長手方向の他方の端部を酸化することにより、前記第４強磁性層を形成する工程をさらに含むことが好ましい。
【００２９】
また、前記第１強磁性層の前記長手方向の両方の端部をそれぞれ酸化する工程は、各端部を異なる酸化度即ち酸素含有量でそれぞれ酸化する工程であることが好ましい。
【００３０】
第３の視点において、酸化度が前記第１の強磁性層及び前記第２の強磁性層のいずれとも異なる第３の強磁性層を、該第１強磁性層の他方の側部に配して、他の前記磁化固定層とすることが好ましい。このとき、前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の各反転磁界の大きさは、第１強磁性層＜第３強磁性層＜第４強磁性層、となるようにそれぞれの酸化度を設定するか、又は第１強磁性層＜第４強磁性層＜第３強磁性層、となるようにそれぞれの酸化度を設定することが好ましい。
【００３１】
また、前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層は、いずれも厚さ方向に磁気異方性を有することが好ましい。
【００３２】
また、前記第１強磁性層、前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層の少なくとも１つは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含み、さらにＰｔ、Ｐｄ、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、Ｓｍのうちの少なくとも１つを含むことが好ましい。
【実施例】
【００３３】
次に添付図面を参照して、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリのいくつかの実施例を説明する。一実施例において、磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを有しており、各メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。以下、磁気抵抗効果素子及びメモリセルの構成に基づく実施例を説明する。以下の説明においては、添付図面に図示されているようなｘｙｚ直交座標系を導入し、そのｘｙｚ直交座標系を用いて磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリの構造を説明する。【００３４】
（実施例１）（磁気抵抗効果素子の構成）
図１（Ａ）は、本発明の実施例１の磁気抵抗効果素子８０の主要な部分の構造を示す断面図であり、図１（Ｂ）は、磁気抵抗効果素子８０の構成を示す平面図である（スペーサ層２０を除いて図示）。磁気抵抗効果素子８０は、ｘ軸方向に延伸して設けられる第１強磁性層１０と、非磁性のスペーサ層２０と、第２強磁性層３０を備えている。スペーサ層２０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層３０に挟まれている。第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０は、強磁性体で形成される。スペーサ層２０は、好適には、絶縁体で形成される。この場合、第１強磁性層１０、スペーサ層２０、第２強磁性層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成される。またスペーサ層２０は絶縁体から構成されることが望ましいが、非磁性の導体や半導体により構成されても構わない。【００３５】
第１強磁性層１０の両端には、第３強磁性層４０と第４強磁性層５０が形成されている。第１強磁性層１０と第３強磁性層４０および第４強磁性層５０は連続した膜であり、その下面および上面は同じ高さ（ないし厚み）である。即ち、互いに面一に形成される。【００３６】
第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、第３強磁性層４０、第４強磁性層５０は、垂直磁化膜が使用される。即ち、第１強磁性層１０、第２強磁性層３０、第３強磁性層４０、第４強磁性層５０は、いずれも、膜厚方向（膜面に垂直な方向）に磁気異方性を有している。第２強磁性層３０の磁化は実質的にｚ軸に略平行方向で一方向に固定される。【００３７】
一方、第１強磁性層１０の磁化は反転可能である。当該部分の磁化は、記憶されるデータに応じて、第２強磁性層３０の磁化に対して平行又は反平行の方向に向けられる。【００３８】
第１強磁性層１０及び第２強磁性層３０については、膜厚方向に磁気異方性を実現させるために、垂直磁気異方性を有する材料で形成された単層膜、または複数の膜で形成された積層体によりそれぞれ形成されることが好ましい。この場合の積層体とは、複数の強磁性体膜で構成された積層体でもよいし、強磁性体膜と非磁性体膜とからなる積層体でもよい。【００３９】
一方、第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０も垂直磁気異方性を有する。その反転磁界の大きさは
第１強磁性層の反転磁界＜第３強磁性層の反転磁界＜第４強磁性層の反転磁界
あるいは、
第１強磁性層の反転磁界＜第４強磁性層の反転磁界＜第３強磁性層の反転磁界
となるように設定する。【００４０】
第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０は、第１強磁性層１０の所望の位置に磁壁をピニングする機能を有している。第３強磁性層４０は、第１強磁性層１０のｘ軸方向における一端の近傍の部分に磁気的に結合され、第４強磁性層５０は、第１強磁性層１０のｘ軸方向における他端の近傍の部分に磁気的に結合される。第１強磁性層１０、第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０が上述のような磁化配置にある場合、第１強磁性層１０のうちの第２強磁性層３０と対向する領域の磁化方向に応じて、第１強磁性層１０内には磁壁が形成される。【００４１】
第３強磁性層４０および第４強磁性層５０は反転磁界が第１強磁性層より大きい。このため、以下では、第３強磁性層４０を第１磁化固定部４０と記載することがある。同様に、第４強磁性層５０は、第２磁化固定部５０と記載することがある。第３強磁性層４０と第４強磁性層５０の間の第１強磁性層１０の区間は磁壁が移動することができる。このため、以下では、第１強磁性層１０を磁壁移動部１０と記載することがある。【００４２】
第２強磁性層３０、第３強磁性層４０、第４強磁性層５０は、外部の異なる配線に電気的に接続される。これから理解されるように、磁気抵抗効果素子８０は３端子素子である。図１には示されていないが、配線との電気的接続を得るための電極層を、第２強磁性層３０、第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０のそれぞれに接合させることが望ましい。【００４３】
以下では、第１強磁性層１０、スペーサ層２０、第２強磁性層３０、第３強磁性層４０及び第４強磁性層５０の材料について説明する。なお、ここで示される材料は全て例であり、実際には、所望の磁化状態が実現できればいかなる材料を用いてもよい。【００４４】
第１強磁性層１０（及びこれを酸化して得られる強磁性層も同様である）、第２強磁性層３０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが望ましい。【００４５】
さらに第１強磁性層１０（及びこれを酸化して得られる強磁性層も同様である）及び第２強磁性層３０がＰｔ及び／又はＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。第１強磁性層１０、第２強磁性層３０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、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。【００４６】
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、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが例示される。【００４７】
この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む膜と、その膜とは異なる材料で形成された膜とを積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示されるが、その他様々な組成及び層構造の磁気異方性膜を用いることができる。【００４８】
本実施例においては、第３強磁性層４０と第４強磁性層５０は第１強磁性層１０の両端部を酸化することで作成される。図２に示すように第１強磁性層を酸化する時間に比例して反転磁界は大きくなる。そこで、第１強磁性層の第２強磁性層と対向する領域の左と右で酸化時間を変える、即ち酸化度を変えることによって、反転磁界の異なる３つの領域が作成可能である。【００４９】
各領域の反転磁化曲線を図３に示す。酸化時間を適当に選ぶことによって、反転磁界の大きさを領域１＜領域２＜領域３と設定できる。ここでは、領域１は第１強磁性層１０、領域２は第４強磁性層５０、領域３は第３強磁性層４０をそれぞれ示す。【００５０】
スペーサ層２０は、絶縁体から構成されることが望ましい。スペーサ層２０の材料としては、具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどの金属の酸化物ないし窒化物、あるいは酸窒化物等が使用され得る。ただし、スペーサ層２０として半導体や金属材料を用いても本発明は実施できることに留意されたい。スペーサ層２０として使用され得る半導体や金属材料としては、具体的にはＣｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなど挙げられる。【００５１】
（製造方法）
図４に本素子の製造方法の１例を示す。まず、最初にＤＷ（Domain  Wall）層１５（第１強磁性層、第３強磁性層、第４強磁性層となる部分）、バリア層２５（非磁性スペーサ層となる部分）およびＲｅｆ層３５（第２強磁性層となる部分）を基板１上に成膜し（図４Ａ）、公知の方法で接合分離を行う（図４Ｂ）。次に接合分離されたＲｅｆ層の左右のどちらか一方の領域をフォトレジスト３６でカバーする（図４Ｃ）。その後、酸素を含むガスに基板を所定の時間だけさらした後、フォトレジストを除去する（図４Ｄ）。最後にＤＷ層をパターニングする（即ち所定のパターンで形成する）（図４Ｅ）。【００５２】
フォトレジストおよびＲｅｆ層でカバーされていない領域は最初から酸素プラズマにさらされるため、酸素暴露時間が長く、フォトレジストのみでカバーされた領域は酸素にさらされる時間が比較的短い。また、Ｒｅｆ層でカバーされた領域の下のＤＷ層は酸素にさらされない。ＤＷ層の磁気特性の変化は酸素暴露時間（酸化度）に比例して保磁力（Ｈｃ）が大きくなる。その結果、Ｈｃの異なる複数（本例では３つ）の領域をＤＷ素子上に形成でき、反平行初期化が可能となる。【００５３】
（初期化方法）
次に実施例１の磁気抵抗効果素子８０の初期化方法について、図５を用いて説明する。【００５４】
当該磁気抵抗効果素子８０では、第１強磁性層１０に磁壁を導入する必要があり、図５は、その過程を示している。なお、図５では、第１強磁性層１０、非磁性スペーサ２０、第２強磁性層３０，第３強磁性層４０、及び第４強磁性層５０のみが示されている。【００５５】
第１強磁性層１０に磁壁を導入するためには、はじめに磁気抵抗効果素子８０に一様かつ十分大きな外部磁界が、ｚ軸方向に印加される。このとき、図５Ａに示されるように、全ての磁気モーメントが外部磁界の方向に揃い飽和した状態となる。その後、逆方向に外部磁界を加えて、外部磁界を徐々に大きくすると、図５Ｂに示すように領域１の部分が反転する。このとき、領域１（第１強磁性層１０）と領域２（第４強磁性層５０）および領域１と領域３（第３強磁性層４０）の磁化は互いに反平行になり、これらの領域の境界に磁壁が形成される。【００５６】
さらに外部磁界を大きくしていくと、図５Ｃに示すように領域２の部分が磁化反転して、領域１と領域２は同じ方向に磁化される。このとき、領域３の部分は領域１と反平行に保持されており、この領域の境界には磁壁がある。このようにして、磁化固定領域の４０と５０を反平行にして磁化移動領域に磁壁が形成される。【００５７】
以上が実施例１における磁気抵抗効果素子８０の第１の初期化過程である。【００５８】
（書き込み方法）
図６に本素子の書き込み方法について説明する。図６Ａに示すように初期状態において第１強磁性層１０と第２強磁性層３０の磁化の向きが平行の場合、磁気抵抗効果素子８０の抵抗は低抵抗状態にある。すなわち“０”状態である。【００５９】
また、磁壁が第１強磁性層１０と第３強磁性層４０の間に導入されているとする。ここに図６Ａに示すように電流を流すとスピントルクの効果により磁壁は右に移動し、第１強磁性層１０と第４強磁性層５０の境界に止まる。このとき、第１強磁性層１０の磁化の向きは反転し、第２強磁性層３０と反対向きになる。すなわち、“１”状態になる。【００６０】
逆に初期状態が図６Ｂに示すように初期状態が“１”状態の場合、図６Ａと逆方向に電流を流すことによって、同様に“０”状態に書き込みを行うことができる。【００６１】
本実施例の磁気抵抗効果素子８０は、様々に変形可能である。以下では、実施例１の磁気抵抗効果素子８０の変形例について説明する。【００６２】
（実施例２）
上記実施例において、第３強磁性層を別の磁性膜で構成することができる。そのための構成を、実施例２として図７に示す。本実施例２では、第３強磁性層を別に作成しているので、初期化の際の磁場のマージンが広がるという相乗的（格別）な効果を奏する。【００６３】
実施例２の製造方法を示す。まず図７Ａに示すように、基板上に第３強磁性層となるハード層１１を形成し、次いで層間膜１２を形成して平坦化する（図７Ｂ）。次にＤＷ（Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ）層１５（第１強磁性層、第４強磁性層となる部分）、バリア層２５（非磁性スペーサ層となる部分）およびＲｅｆ層３５（第２強磁性層となる部分）を成膜し（図７Ｃ）、公知の方法で接合分離を行う（図７Ｄ）。次に接合分離されたＲｅｆ層の左右のどちらか一方の領域をフォトレジスト３６でカバーする（図７Ｅ）。その後、酸素を含むガスに基板を所定の時間だけさらした（アッシングを施した）後（図７Ｆ）、フォトレジストを除去する。最後にＤＷ層をパターニングする（図７Ｇ）。【００６４】
本発明の全開示（請求の範囲及び図面を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００６５】
１    基板
１０  第１強磁性層
１１  ハード層
１２  層間膜
１５  ＤＷ層
２０  （非磁性）スペーサ（層）
２５  バリア層
３０  第２強磁性層
３５  Ｒｅｆ層
３６  フォトレジスト
４０  第３強磁性層
５０  第４強磁性層
８０  磁気抵抗効果素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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