(57)【要約】【課題】２端子で書き込みおよび読み出しができ、多値動作させることで単位面積あたりの集積度を向上できるＭＲＡＭおよびその書き込み方法を提供する。【解決手段】磁化の向きを一方向に固定した第１の磁性層ＰＭ、トンネルバリアとして働く第１の非磁性層ＴＢ１、スピン注入による磁化反転を生じる第２の磁性層ＦＭ１、トンネルバリアとして働く第２の非磁性層ＴＢ２および第２の磁性層と異なる電流密度でスピン注入による磁化反転を生じる第３の磁性層ＦＭ２を含む積層構造を有し、前記第１の磁性層、前記第１の非磁性層および前記第２の磁性層で第１の磁気抵抗効果を生成し、前記第２の磁性層、前記第２の非磁性層および前記第３の磁性層で第２の磁気抵抗効果を生成し、前記第１，第２の磁気抵抗効果による合成抵抗値に基づいて少なくとも３値を記録して読み出す磁気抵抗効果素子を備える。【選択図】      図１
2010034153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きを一方向に固定した第１の磁性層と、
前記第１の磁性層に積層され、第１のトンネルバリアとして働く第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層に積層され、スピン注入による磁化反転を生じる第２の磁性層と、
前記第２の磁性層に積層され、第２のトンネルバリアとして働く第２の非磁性層と、
前記第２の非磁性層に積層され、前記第２の磁性層と異なる電流密度でスピン注入による磁化反転を生じる第３の磁性層とを具備し、
前記第１の磁性層、前記第１の非磁性層および前記第２の磁性層で第１の磁気抵抗効果を生成し、前記第２の磁性層、前記第２の非磁性層および前記第３の磁性層で第２の磁気抵抗効果を生成し、前記第１，第２の磁気抵抗効果による合成抵抗値に基づいて少なくとも３値を記録して読み出す磁気抵抗効果素子を備える
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２】
前記第２の磁性層のサイズと前記第３の磁性層のサイズが異なることを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
磁化の向きを一方向に固定した第１の磁性層と、
前記第１の磁性層に積層され、前記第１の磁性層との間に交換結合が作用する第２の磁性層と、
前記第２の磁性層に積層され、トンネルバリアとして働く非磁性層と、
前記非磁性層に積層され、前記第２の磁性層との間に交換結合が作用し、スピン注入による磁化反転を生じる第３の磁性層と、
前記第３の磁性層に積層され、前記第３の磁性層との間に交換結合が作用し、前記第３の磁性層と異なる電流密度で且つ異なる方向にスピン注入による磁化反転が生じる第４の磁性層とを具備し、
前記第１の磁性層、前記第２の磁性層、前記非磁性層、前記第３の磁性層および前記第４の磁性層でトンネル磁気抵抗効果を有する磁気トンネル接合を形成し、少なくとも３値を記録して読み出す磁気抵抗効果素子を備える
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項４】
トンネル磁気抵抗効果を有する少なくとも一つの磁気トンネル接合を備えた磁気抵抗効果素子に電流を流して書き込みを行い、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値が低い側から第１の状態、第２の状態、第３の状態および第４の状態をそれぞれ４値に対応させて記憶する磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第１の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流すことで設定し、
前記第４の状態は、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に対向する第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、
前記第２の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流して前記第１の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、
前記第３の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第２の方向に書き込み電流を流して前記第４の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に書き込み電流を流すことで設定する
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法。
【請求項５】
トンネル磁気抵抗効果を有する少なくとも一つの磁気トンネル接合を備えた磁気抵抗効果素子に電流を流して書き込みを行い、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値が低い側から第１の状態、第２の状態および第３の状態をそれぞれ３値に対応させて記憶する磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記第１の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流すことで設定し、
前記第３の状態は、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に対向する第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、
前記第２の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流して前記第１の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第２の方向に書き込み電流を流すことで設定する、あるいは前記磁気抵抗効果素子に第２の方向に書き込み電流を流して前記第３の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に書き込み電流を流すことで設定する
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗（Magnetoresistive）効果により“１”、“０”の情報を記憶するＭＲ素子、およびその機能を応用してメモリセルを構成した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ: Magnetic Random Access Memory）に関し、更に詳しくは、スピン注入型で多値のＭＲＡＭおよびその書き込み方法に適用されるものである。
【背景技術】
【０００２】
トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ: Tunneling Magnetoresistive）効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリの実用化に向けた研究は、世界中で盛んに行われている。現在、米国フリースケール社では、４Ｍビットと小規模ではあるが、ＭＲＡＭチップを量産して販売するところまで、その技術の応用化が進んできている（例えば非特許文献１，２参照）。
【０００３】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ: Magnetic Tunnel Junction）のＴＭＲ効果は、Julliereのモデルでは次のようになる。電子のトンネル過程で電子スピンの向きが変わらないと仮定すると、両側の強磁性電極の磁化の向きが平行な時には、マジョリティースピン（majority-spin）電子は他方の電極のマジョリティースピンバンドにトンネルする。あるいは、マイノリティースピン（minority-spin）電子は他方の電極のマイノリティースピンバンドにトンネルする。
【０００４】
一方、両側の強磁性電極の磁化の向きが反平行な時は、マジョリティースピン（またはマイノリティースピン）電子は他方の電極のマイノリティースピン（またはマジョリティースピン）バンドにトンネルする。
【０００５】
この結果、磁化が平行な時のトンネル抵抗（Ｒｐ）と反平行な時のトンネル抵抗（Ｒａｐ）が異なり、その変化率（磁気抵抗効果比またはＭＲ比）は次式で表される。
【０００６】
ＭＲ比＝（Ｒａｐ−Ｒｐ）／Ｒｐ＝２Ｐ１Ｐ２／（１−Ｐ１Ｐ２）
Ｐα＝（Ｄα↑（Ｅｆ））−Ｄα↓（Ｅｆ））／（Ｄα↑（Ｅｆ））＋Ｄα↓（Ｅｆ）），α＝１，２      …（１）
ここで、Ｐはスピン分極率と呼ばれる量であり、電極のフェルミレベルＥｆにおけるマジョリティースピンバンドの状態密度Ｄ↑（Ｅｆ）とマイノリティースピンバンドの状態密度Ｄ↓（Ｅｆ）によって定義される。
【０００７】
１９９５年に東北大学で、トンネル障壁層としてアルミナを、電極層に多結晶の遷移金属強磁性体を用いたＭＴＪ素子が製作され、室温で１８％という当時としては非常に大きなＭＲ比を実現したことから一躍注目されるようになった。
【０００８】
ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ効果によるＭＴＪ素子の抵抗値の変化を検出して、外部に記録情報を読み出す。これに対し、ＭＴＪ素子を構成する強磁性層のうち、一方の磁化の向きを一方向に強く固定し（固定層、ピンド層とも呼ばれる）、他方の磁性層（記録層、フリー層とも呼ばれる）には固定層と同じ方向に一軸異方性を持たせつつ、比較的弱い外部磁場によって固定層に対して互いに平行ないし反平行な方向に反転できるように磁気設計を行うことで、メモリセルとしての選択書き込みを可能にしている。
【０００９】
メモリセルアレイを構成する場合には、複数のビット線とワード線をそれぞれ互いに直交するように配置し、各々の配線の交差部にメモリセルとして働くＭＴＪ素子を配置する。そして、選択されたメモリセルに対応するビット線およびワード線に電流を流し、電流磁界を発生させることによって、選択されたワード線および選択されたビット線の交点に存在するメモリセルのみにデータを書き込むことができる。
【００１０】
ところで、通常は、上記ＭＴＪ素子の平面形状を長方形や楕円形状にして形状磁気異方性を与え、ＭＴＪ素子の磁化の方向を規定して熱擾乱耐性も付与する。ＭＴＪ素子の形状磁気異方性と誘導磁気異方性のエネルギーの和と、ＭＴＪ素子の記録層のボリュームとの積がＫｕ×Ｖである。ここで、ＭＴＪ素子の記録層の誘導磁気異方性も形状による異方性の方向と同方向に付与し、異方性の分散などが起きないようにする。
【００１１】
但し、一般に、記録層に使用されるＮｉＦｅは誘導磁気異方性の大きさ（数Ｏｅ）が、形状による異方性磁界の大きさ（数十Ｏｅ）に比べて１桁小さく、熱擾乱耐性、反転磁界もほぼ形状磁気異方性で決まると考えられている。
【００１２】
記録層の磁化情報を書き替えるために必要な反転磁界Ｈｓｗは、概略、次式（２）で与えられる。
【００１３】
Ｈｓｗ＝４π×Ｍｓ×ｔ／Ｆ（Ｏｅ）      …（２）
ここで、Ｍｓは記録層の飽和磁化、ｔは記録層の厚さ、Ｆは記録層の幅である。また、形状磁気異方性と誘導磁気異方性のエネルギーの和Ｋｕは、概略、次式（３）で与えられる。
【００１４】
Ｋｕ＝Ｈｓｗ×Ｍｓ／２      …（３）
すなわち、従来の外部磁場書き込み方式のＭＲＡＭセルにおいては、セルサイズ縮小のためには記録層の幅Ｆを縮小しなければならない。
【００１５】
しかし、材料の信頼性の観点から記録層の厚さｔの薄厚化には限界があるため、結果的にはＨｓｗが増大してしまい、書き込み電流もそれに伴って増大するために微細化の限界がある。
【００１６】
この問題を克服し、更に大規模なメモリを実現する技術として期待されているのが、「スピン注入磁化反転」の動作原理を用いたＭＲＡＭである。このスピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭでは、反平行状態を平行状態にするために、固定層から記録層の側へ、固定層の向きのスピンを持つ電子が反対向きのスピンを持つ記録層に注入される。そして、電流密度ＪｃＰ→ＡＰを超えた時点で記録層全体の磁化反転が起こって平行状態となる。
【００１７】
これに対し、平行状態を反平行状態にするためには、反対に記録層の側から固定層側に固定層と同じ向きを持つ電子が注入される。この際、スピンの反射によって記録層の電子のスピンの向きと反対向きのスピンを持つ電子が記録層に注入され、電流密度ＪｃＡＰ→Ｐを超えた時点で記録層全体の磁化反転が起こって反平行状態となる。
【００１８】
読み出し動作に関しては、従来の外部磁場方式を用いたＴＭＲ構造のＭＲＡＭセルと同じであり、メモリセルの抵抗値の変化を検出して外部に読み出せば良い。
【００１９】
スピン注入磁化反転方式のＴＭＲ構造をＭＲＡＭセルとして用いる場合、磁化反転のために必要な電流密度ＪｃＰ→ＡＰおよびＪｃＡＰ→Ｐは、固定層や記録層を構成する材料の種類や異方性、膜厚などによって決まる値である。このため、素子サイズが小さくなるほど書き込み動作に必要な電流値はトータルでは減ることになり、微細化に適していると言える。
【００２０】
このようなスピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭを構成するメモリセルは、２端子で読み出しおよび書き込み動作が可能であるため、シンプルなメモリセル構成が可能となり、書き込みワード線が不要な分、メモリセルの高密度化が可能になる。
【００２１】
最近報告されているスピン注入型のＭＲＡＭでは、ＴＭＲ効果を起こす膜（ＴＭＲ構造）に対して垂直方向に電流を流すことで、その方向によって記録層にスピンが注入されて磁化反転を起こしている。垂直磁化膜をスピン注入用に用いた場合、膜面と垂直な方向に対して一軸異方性を持たせれば良く、平面方向に形状磁気異方性を持たせる必要がない。
【００２２】
このため、原理的にはＭＴＪ素子をアスペクト１にして、加工限界まで小さくすることが可能である。また、膜面と水平な方向（面内方向）に対して２軸でそれぞれ異なる方向に電流磁場を発生させる電流磁界配線が不要となり、ＴＭＲ構造の上下電極につながる２端子が存在すれば動作が可能となる。よって、１ビット辺りのセル面積を縮小できる（例えば非特許文献３参照）。
【００２３】
上記ＴＭＲ構造の面内方向磁化型のスピン注入膜の反転電流は次式（４）および次式（５）で与えられる。
【数１】
2010034153.tif 000003
【００２４】
【数２】
2010034153.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｍｓは記録層の飽和磁化、Ｖは記録層の体積（Volume）、αは記録層のギルバート（Gilbert）ダンピング定数、Ａは輸送モデルに関する定数、Ｈはウェハの印加磁場（面内方向）、Ｈｄｉｐは固定層からの漏れ磁場（面内方向）、Ｐはスピン分極率、Ｈｋ／／は異方性磁場（面内方向）、ｇは記録層と固定層の相対角度に関する係数をそれぞれ表している。
【００２６】
一方、ＴＭＲ構造の面垂直方向磁化型のスピン注入膜の反転電流の式は次式（６）および次式（７）で与えられる。
【数３】
2010034153.tif 000005
【００２７】
【数４】
2010034153.tif 000006
【００２８】
ここで、Ｍｓは記録層の飽和磁化、Ｖは記録層の体積、αは記録層のギルバート（Gilbert）ダンピング定数、Ａは輸送モデルに関する定数、Ｈはウェハの印加磁場（垂直方向）、Ｈｄｉｐは固定層からの漏れ磁場（垂直方向）、Ｐはスピン分極率、Ｈｋ⊥は異方性磁場（垂直方向）、ｇは記録層と固定層の相対角度に関する係数をそれぞれ表している（例えば非特許文献４参照）。
【００２９】
このように、スピン注入型のＭＲＡＭにおいては、スピン反転電流Ｉｃが重要なパラメータとなる。
【００３０】
近年、ＴＭＲ用のトンネルバリアとして、（００１）面の多結晶ＭｇＯを、同じく（００１）面の多結晶ＣｏＦｅＢで挟み込んだ、ＣｏＦｅＢ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅＢ（００１）構造によって、コヒーレントトンネリングというΔ１（ｓ電子的な）電子のみを選択的に透過させるスピンフィルターとして作用する効果が理論と実験の両面から実証された。この結果、高ＴＭＲ化の実現だけでなく、スピン注入効率の向上にも大きく寄与しうる材料系であることが判明し、スピン注入型ＭＲＡＭ実現に不可欠な材料として、その実用化が期待されている（非特許文献５、６、７参照）。
【００３１】
しかしながら、スピン注入磁化反転方式を用いることでセルサイズの縮小が可能となる反面、１素子に記録できるのは１ビットである。このため、メモリとしての大規模化はセルサイズの微細化のみに頼ることになり、加工限界に依存するために、これだけでは飛躍的な大規模化は望めない。
【非特許文献１】ISSCC2000 Technical Digest p.128 「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」
【非特許文献２】M.Durlam et al., "A 0.18μm 4Mb Toggling MRAM", IEDM 2003 Proceedings, 34.6, Dec.2003
【非特許文献３】W.C.Jeong et.al. "High scalable MRAM using field assisted current induced switching", 2005 VLSI Sympo. Technical Digest pp.184-185
【非特許文献４】S.Mangin et al., Nature Materials, Vol.5, Mar 2006
【非特許文献５】S.Yuasa et al., Appl. Phys. Lett.87,222508(2005)
【非特許文献６】K.Tsunekawa et al., "Giant Magnetresistance Tunneling effect in low-resistance CoFeB/MgO(001)/CoFeB Magnetic Tunnel Junctions for read-head applications", Appl. Phys. Lett. 87, 072503 (2005)
【非特許文献７】H.Kubota et al. "Evaluation of Spin-Transfer Switching in CoFeB/MgO/CoFeB Magnetic Tunnel Junctions", Jpn. J. Appl. Phys. 44, pp.L1237-L1240 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、２端子で書き込みおよび読み出しができ、且つ１素子に多値のデータを記憶することで単位面積あたりの集積度を向上できる磁気ランダムアクセスメモリおよびその書き込み方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の一態様によると、磁化の向きを一方向に固定した第１の磁性層と、前記第１の磁性層に積層され、第１のトンネルバリアとして働く第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層に積層され、スピン注入による磁化反転を生じる第２の磁性層と、前記第２の磁性層に積層され、第２のトンネルバリアとして働く第２の非磁性層と、前記第２の非磁性層に積層され、前記第２の磁性層と異なる電流密度でスピン注入による磁化反転を生じる第３の磁性層とを具備し、前記第１の磁性層、前記第１の非磁性層および前記第２の磁性層で第１の磁気抵抗効果を生成し、前記第２の磁性層、前記第２の非磁性層および前記第３の磁性層で第２の磁気抵抗効果を生成し、前記第１，第２の磁気抵抗効果による合成抵抗値に基づいて少なくとも３値を記録して読み出す磁気抵抗効果素子を備える磁気ランダムアクセスメモリが提供される。
【００３４】
また、本発明の他の一態様によると、磁化の向きを一方向に固定した第１の磁性層と、前記第１の磁性層に積層され、前記第１の磁性層との間に交換結合が作用する第２の磁性層と、前記第２の磁性層に積層され、トンネルバリアとして働く非磁性層と、前記非磁性層に積層され、前記第２の磁性層との間に交換結合が作用し、スピン注入による磁化反転を生じる第３の磁性層と、前記第３の磁性層に積層され、前記第３の磁性層との間に交換結合が作用し、前記第３の磁性層と異なる電流密度で且つ異なる方向にスピン注入による磁化反転が生じる第４の磁性層とを具備し、前記第１の磁性層、前記第２の磁性層、前記非磁性層、前記第３の磁性層および前記第４の磁性層でトンネル磁気抵抗効果を有する磁気トンネル接合を形成し、少なくとも３値を記録して読み出す磁気抵抗効果素子を備える磁気ランダムアクセスメモリが提供される。
【００３５】
更に、本発明の他の一態様によると、トンネル磁気抵抗効果を有する少なくとも一つの磁気トンネル接合を備えた磁気抵抗効果素子に電流を流して書き込みを行い、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値が低い側から第１の状態、第２の状態、第３の状態および第４の状態をそれぞれ４値に対応させて記憶する磁気ランダムアクセスメモリであって、前記第１の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流すことで設定し、前記第４の状態は、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に対向する第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、前記第２の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流して前記第１の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、前記第３の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第２の方向に書き込み電流を流して前記第４の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に書き込み電流を流すことで設定する磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法が提供される。
【００３６】
更にまた、本発明の別の一態様によると、トンネル磁気抵抗効果を有する少なくとも一つの磁気トンネル接合を備えた磁気抵抗効果素子に電流を流して書き込みを行い、前記磁気抵抗効果素子の抵抗値が低い側から第１の状態、第２の状態および第３の状態をそれぞれ３値に対応させて記憶する磁気ランダムアクセスメモリであって、前記第１の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流すことで設定し、前記第３の状態は、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に対向する第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、前記第２の状態は、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流して前記第１の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第２の方向に書き込み電流を流すことで設定する、あるいは前記磁気抵抗効果素子に第２の方向に書き込み電流を流して前記第３の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に書き込み電流を流すことで設定する磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法が提供される。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、２端子で書き込みおよび読み出しができ、且つ１素子に多値のデータを記憶することで単位面積あたりの集積度を向上できる磁気ランダムアクセスメモリおよびその書き込み方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。  
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態においては、セル縮小技術だけでは難しい大規模な磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を実現するために、スピン注入磁化反転方式の２端子ＴＭＲ構造を用いて、１素子で３値以上のデータ（記録状態）を記憶する磁気抵抗効果素子を形成する。
【００３９】
前式（４）ないし前式（７）に示したように、スピン注入による電流反転閾値は、ダンピング定数α、記録層の飽和磁化Ｍｓ、記録層の体積（Ｖ）すなわち記録層膜厚などによって決まる。よって、ＴＭＲ構造の材料や積層構造、膜厚の制御などで適切な値に設計することが可能である。
【００４０】
図１（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭについて説明するためのもので、メモリセル（ＭＲＡＭセル）の構成と４値の記録状態を示す概略図である。このＭＲＡＭセルは、垂直磁化型で且つトンネルバリアが二重になった二重接合型のＴＭＲ構造になっている。そして、二つの磁気抵抗効果を生成し、これによってＭＲＡＭセルに発生する抵抗値の変化（合成抵抗値）に基づいて少なくとも３値（本例では３値または４値）を記録して読み出す
すなわち、ＭＲＡＭセルとしての磁気抵抗効果素子は、固定層（Pinned Layer）ＰＭ、下部トンネルバリアＴＢ１、第１の記録層（Free Layer）ＦＭ１、上部トンネルバリアＴＢ２、および第２の記録層ＦＭ２が順次積層された構造になっている。上記固定層ＰＭにおける下部トンネルバリアＴＢ１側には界面層ＩＬ１が形成され、上記記録層ＦＭ２における上部トンネルバリアＴＢ２側には界面層ＩＬ２が形成されている。
【００４１】
上記固定層ＰＭは磁化の向きを一方向に固定した第１の磁性層である。また、第１の記録層ＦＭ１はスピン注入による磁化反転を生じる第１の磁性層であり、第２の記録層ＦＭ２は第１の磁性層と異なる電流密度でスピン注入による磁化反転を生じる第３の磁性層である。更に、上記下部トンネルバリアＴＢ１と上部トンネルバリアＴＢ２はそれぞれ第１，第２の非磁性層である。
【００４２】
上記固定層ＰＭと記録層ＦＭ２は、遷移金属（ＴＭ）と希土類（ＲＥ）のフェリ磁性体として形成されており、記録層ＦＭ１は遷移金属のみで形成されている。固定層ＰＭと記録層ＦＭ２の内部では、遷移金属と希土類が互いに交換結合を保持しつつ垂直に磁化されている状態である。
【００４３】
次に、多値の記録状態について詳しく説明する。このＭＲＡＭセルは、二つの磁気抵抗効果を生成し、これらの磁気抵抗効果による合成抵抗値に基づいて４値を記録して読み出すようになっている。そして、メモリセルとして働く磁気抵抗効果素子の抵抗値が低い側から第１の状態、第２の状態、第３の状態および第４の状態をそれぞれ４値に対応させている。しかし、第２の状態と第３の状態の抵抗値が等しい場合には、３値を記憶することになる。
【００４４】
図１（ａ）に示す第１の状態においては、固定層ＰＭ、記録層ＦＭ１および記録層ＦＭ２のいずれの層中の遷移金属も互いに平衡状態にあり、下部トンネルバリアＴＢ１と上部トンネルバリアＴＢ２の両方が低抵抗状態にある。
【００４５】
図１（ｂ）は第４の状態を示しており、第１の状態に対して記録層ＦＭ１のみが反転した状態である。この場合には、両トンネルバリアＴＢ１，ＴＢ２が共に反平行状態となるために、最も高抵抗状態となる。
【００４６】
図１（ｃ）は第３の状態（または第２の状態）を示しており、第１の状態に対して記録層ＦＭ１および記録層ＦＭ２が共に反転した状態になる。よって、下部トンネルバリアＴＢ１のみ反平行状態となり、第１の状態と第２の状態の中間の抵抗値を取る。
【００４７】
図１（ｄ）に示す第２の状態（または第３の状態）は、第１の状態に対して記録層ＦＭ２のみが反転した状態である。この結果、上部トンネルバリアＴＢ２のみが反平行状態となり、第３の状態と同じく第１の状態と第２の状態の中間の抵抗値を取る。
【００４８】
よって、第３の状態と第２の状態の抵抗値が同じであれば３値、異なれば４値を記録することが可能になる。
【００４９】
４値を記録するためには、例えば上部トンネルバリアＴＢ２と下部トンネルバリアＴＢ１のＭＲ比が異なるように設計すれば良い。あるいは、一方をＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）にしてＴＭＲとＧＭＲの構成にしても良い。
【００５０】
書き込みにおいて多値を実現するためには、記録層ＦＭ１と記録層ＦＭ２において、反転電流閾値Ｊｃを変える必要があるが、これは材料膜厚、材料選択、交換結合状態などで磁気設計を行うことができる。そして、記録層ＦＭ１と記録層ＦＭ２の反転電流閾値Ｊｃの上下関係によって、実際の書き込みにおけるシーケンスおよびヒステリシスループは異なってくる。
【００５１】
実際の書き込みシーケンスを、図２および図３に各々示す。図２および図３では、横軸に電流Ｉ、縦軸に全体の抵抗値Ｒを取り、上部ＴＭＲ、下部ＴＭＲおよび合成ヒステリシスを表している。
【００５２】
図２はＪｃ（ＦＭ１）＞Ｊｃ（ＦＭ２）の場合、すなわち記録層ＦＭ１の反転電流閾値Ｊｃが記録層ＦＭ２の反転電流閾値Ｊｃよりも大きい場合の書き込みシーケンスを示している。また、図３はＪｃ（ＦＭ２）＞Ｊｃ（ＦＭ１）の場合、すなわち記録層ＦＭ２の反転電流閾値Ｊｃが記録層ＦＭ１の反転電流閾値Ｊｃよりも大きい場合の書き込みシーケンスを示している。
【００５３】
ここで注意すべきは、ＡＰ状態が最も抵抗値が高い状態ではないため、複雑なヒステリシスループとなることである。また、各々の中間値は、Ｐ状態からのスィープ（Sweep）のみで入れる場合と、ＡＰ状態からのスィープのみで入れる場合が各々存在するために、書き込みたい値によってシーケンスが異なることになる。
【００５４】
図２に示すように、Ｊｃ（ＦＭ１）＞Ｊｃ（ＦＭ２）の場合には、Ｐ状態からスタートし、ＡＰ書き込み方向の電流を流していくと、まず（ｄ）の状態で中間値１の状態、更に流していくと（ｃ）の状態で中間値２の状態に入り、系全体としてはＡＰ状態に落ち着く。次に、ＡＰ状態からスタートし、Ｐ書き込み方向の電流を徐々に増やしていくと、（ｂ）の状態で最も抵抗値が高くなり、その後（ａ）の状態で系全体のＰ状態、つまり最も低抵抗な状態に遷移する。
【００５５】
一方、Ｊｃ（ＦＭ２）＞Ｊｃ（ＦＭ１）の場合には、Ｐ状態からスタートし、ＡＰ書き込み方向の電流を流していくと、まず（ｂ）の状態で最も抵抗が高い状態、更に流していくと（ｃ）の状態で中間値１の状態に入り系全体としてはＡＰ状態に落ち着く。次に、ＡＰ状態からスタートし、Ｐ書き込み方向の電流を徐々に増やしていくと、（ｄ）の状態で中間値２の状態に入り、その後（ａ）の状態で系全体のＰ状態、つまり最も低抵抗な状態に遷移する。
【００５６】
次に、本実施形態における読み出し動作原理について説明する。当該ＭＲＡＭセル（ＭＴＪセル）は、上述したように第１ないし第４の状態において、各々異なる抵抗値を有する。例えば、それぞれの抵抗値をＲ０〜Ｒ３とすると、
Ｒ０＝Ｒｐ＿ｔｏｐ＋Ｒｐ＿ｂｔｍ
Ｒ２＝Ｒａｐ＿ｔｏｐ＋Ｒｐ＿ｂｔｍ
Ｒ３＝Ｒｐ＿ｔｏｐ＋Ｒａｐ＿ｂｔｍ
Ｒ１＝Ｒａｐ＿ｔｏｐ＋Ｒａｐ＿ｂｔｍ
と表され、更に上式において、以下の関係式が成立する。
【００５７】
ＭＲ＿ｔｏｐ＝（Ｒａｐ＿ｔｏｐ−Ｒｐ＿ｔｏｐ）／Ｒｐ＿ｔｏｐ
ＭＲ＿ｂｔｍ＝（Ｒａｐ＿ｂｔｍ−Ｒｐ＿ｂｔｍ）／Ｒｐ＿ｂｔｍ
ＭＲ＿ｔｏｐ、ＭＲ＿ｂｔｍは正の有限値を有するため、Ｒ０〜Ｒ３が各々異なる抵抗値であるためには、
Ｒａｐ＿ｔｏｐ＋Ｒｐ＿ｂｔｍ≠Ｒｐ＿ｔｏｐ＋Ｒａｐ＿ｂｔｍ
が成立すれば良く、そのためにはＴｏｐとＢｏｔｔｏｍのＭＴＪセルの磁気抵抗ＭＲが互いに異なる、または磁化が平行な時のトンネル抵抗Ｒｐが互いに異なる組み合わせにすることで実現可能である。
【００５８】
次に、本第１の実施形態に係るＭＲＡＭセルの製造工程について図４（ａ）〜（ｄ）および図５（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
【００５９】
まず、図４（ａ）に示すように、スイッチングデバイスの形成工程や多層配線工程などを経た後、平坦化された層間絶縁膜（シリコン酸化膜）１１の下地上に、二重接合型のＴＭＲ構造１２Ａを構成するための積層膜を形成する。
【００６０】
このＴＭＲ構造１２Ａは、成膜の順番に、下部電極１３を形成する例えば５０ｎｍ程度のＴａやＲｕ，ＴｉＮなどの積層膜、次に固定層（ＰＭ）１４、第１の界面層（ＩＬ１）１５としての遷移金属層、下部トンネルバリア（ＴＢ１）１６として働く１ｎｍ程度のＭｇＯなどの金属酸化物膜、第１の記録層（ＦＭ１）１７を形成する１〜４ｎｍ程度の厚さの強磁性層、上部トンネルバリア（ＴＢ２）１８、第２の界面層（１Ｌ２）１９としての遷移金属層、第２の記録層（ＦＭ２）２０を形成する強磁性層、最後にキャップ層２１であり上部コンタクト層としても働くＴａ，Ｒｕあるいは両者の積層膜を形成する。更に、このキャップ層２１上に、Ｔａなどの導電性ハードマスク層２２を形成する。
【００６１】
これらの積層膜形成後に、真空中において、一軸異方性を持たせたい方向に、例えば１〜２Ｔの磁場を印加しつつ、約３６０℃の温度で２時間程度のアニールを行うことで、第１，第２の記録層１７，２０に異方性磁化を持たせる。
【００６２】
次に、ハードマスク層２２上にフォトレジストを塗布し、図４（ｂ）に示すように周知のフォトリソグラフィー技術を用いてＭＴＪ素子の平面形状のレジストパターン２３を形成する。そして、このレジストパターン２３をマスクにして、ＲＩＥによりハードマスク層２２をエッチングする。
【００６３】
その後、残ったレジストおよびエッチング残留物をアッシングで除去し、次にイオンミリング技術を用いて、ハードマスク層２２をマスクに用いて、キャップ層２１、第２の記録層２０、第２の界面層１９、上部トンネルバリア１８および第１の記録層１７を、下部トンネルバリア１６をストッパー層として活用しつつエッチングして除去する（図４（ｃ））。
【００６４】
次に、全面に例えば窒化シリコン膜などの保護膜２４を形成し、ハードマスク層２２の上面が露出するまでエッチバックしてＭＴＪ素子の側面部に残存させ、記録層２０，１７としての強磁性層を保護する（図４（ｄ））。
【００６５】
次に、図５（ａ）に示すように、周知のフォトリソグラフィー技術を用いて下部電極１３の平面形状に対応するレジストパターン２５を形成し、このレジストパターン２５をマスクに用いて、イオンミリングあるいはＲＩＥ技術を用いて保護膜２４、下部トンネルバリア１６、第１の界面層１５、固定層１４および下部電極１３の順にエッチングする。
【００６６】
残存するフォトレジストを酸素プラズマ中のアッシング処理などで除去した後、ＳｉＯｘなどの誘電材料からなる層間絶縁膜２６を全面に堆積形成し、ＣＭＰなどの技術で平坦化して導電性ハードマスク層２２の上面を露出させる（図５（ｂ））。
【００６７】
最後に、図５（ｃ）に示すように、ＬＳＩで通常使用されているＡｌＣｕなどの配線材料を全面にスパッタ形成し、リソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングしてビット線２７を形成することでＭＴＪ素子（メモリセル）が完成する。
【００６８】
上述したように、本発明の第１の実施形態によれば、スピン注入磁化反転方式の２端子ＴＭＲ構造を用いて、１素子で３値または４値のデータを記憶する磁気抵抗効果素子を形成することができ、単位面積あたりの集積度を向上できる。
【００６９】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭセルの概略図を図６（ａ）〜（ｃ）に、およびヒステリシスループの概略を図７（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す。
【００７０】
本第２の実施形態に係るＭＲＡＭセルは、磁気トンネル接合が一つ（一重磁気トンネル接合）でＴＭＲ効果を生成するものである。固定層ＰＭと記録層ＦＭはいずれも希土類（ＲＥ）と遷移金属（ＴＭ）によるフェリ磁性体である。固定層ＰＭと記録層ＦＭのトンネルバリアＴＢの近傍にはそれぞれ遷移金属層（界面層）ＩＬ１，ＩＬ２が形成され、これら遷移金属層ＩＬ１，ＩＬ２で挟むようにトンネルバリアＴＢが設けられている。そして、各々固定層ＰＭと記録層ＦＭとの交換結合により、垂直磁化された状態でＴＭＲ効果の平行と反平行状態を作り出している。
【００７１】
本第２実施形態においては、記録層ＦＭの遷移金属層ＩＬ２とフェリ層の交換結合を弱めることによって、スピン注入の電流値の制御により、図６（ｂ）に示すように記録層ＦＭの遷移金属層ＩＬ２が垂直ではなく面内方向に向く（寝る）状態を生成することで、３値の状態を発生させている。
【００７２】
本第２の実施形態に係るＭＲＡＭセルは、一重磁気トンネル接合で構成されているため、前述した第１の実施形態と製造工程が若干異なる。
【００７３】
以下、図８（ａ）〜（ｄ）および図９（ａ）〜（ｃ）を用いて上記ＭＲＡＭセルの製造方法について説明する。
【００７４】
図８（ａ）に示すように、スイッチングデバイスの形成工程や多層配線工程などを経た後、平坦化された層間絶縁膜（シリコン酸化膜）１１の下地上に、ＴＭＲ構造１２Ｂを構成するための積層膜を形成する。
【００７５】
このＴＭＲ構造１２Ｂは、成膜の順番に、下部電極１３を形成する例えば５０ｎｍ程度のＴａやＲｕ，ＴｉＮなどの積層膜、次に固定層（ＰＭ）１４、第１の界面層（ＩＬ１）１５としての遷移金属層、トンネルバリア（ＴＢ）１６として働く１ｎｍ程度のＭｇＯなどの金属酸化物膜、第２の界面層（ＩＬ２）１９としての遷移金属層、記録層（ＦＭ）２０を形成する１〜４ｎｍ程度の強磁性層、最後にキャップ層２１であり上部コンタクト層としても働くＴａ，Ｒｕあるいは両者の積層膜を形成する。更に、このキャップ層２１上に、Ｔａなどの導電性ハードマスク層２２を形成する。
【００７６】
これらの積層膜形成後に、真空中において、一軸異方性を持たせたい方向に、例えば１〜２Ｔの磁場を印加しつつ、約３６０℃の温度で２時間程度のアニールを行うことで、記録層２０に異方性磁化を持たせる。
【００７７】
次に、ハードマスク層２２上にフォトレジストを塗布し、図８（ｂ）に示すように、周知のフォトリソグラフィー技術を用いてＭＴＪ素子の平面形状のレジストパターン２３を形成し、このレジストパターン２３をマスクにしてＲＩＥによりハードマスク層２２をエッチングする。
【００７８】
その後、残ったレジストおよびエッチング残留物をアッシングで除去し、次にイオンミリング技術を用いて、ハードマスク層２２をマスクに用いて、キャップ層２１、記録層２０および第２の界面層１９を、トンネルバリア１６をエッチングストッパー層として活用しつつエッチングして除去する（図８（ｃ））。
【００７９】
次に、全面に例えば窒化シリコン膜などの保護膜２４を形成し、ハードマスク層２２の上面を露出させるようにエッチバックしてＭＴＪ素子の側面部に残存させ、記録層２０としての強磁性層を保護する（図８（ｄ））。
【００８０】
次に、図９（ａ）に示すように、周知のフォトリソグラフィー技術を用いて下部電極１３の平面形状に対応するレジストパターン２３を形成し、イオンミリングあるいはＲＩＥ技術を用いて保護膜２４、下部トンネルバリア１６、第１の界面層１５、固定層１４および下部電極１３の順にエッチングする。
【００８１】
残存するフォトレジストを酸素プラズマ中のアッシング処理などで除去した後、ＳｉＯｘなどの誘電材料からなる層間絶縁膜２６を全面に堆積形成し、ＣＭＰなどの技術で平坦化して導電性ハードマスク層２２の上面を露出させる（図９（ｂ））。
【００８２】
そして、最後に、図９（ｃ）に示すように、ＬＳＩで通常使用されているＡｌＣｕなどの配線材料を全面にスパッタ形成し、リソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングしてビット線２７を形成することでＭＴＪセルが完成する。
【００８３】
上述したように、本発明の第２の実施形態によれば、磁気トンネル接合が一つでＴＭＲ効果を生成し、スピン注入の電流値の制御により、記録層の遷移金属層が垂直ではなく面内方向に寝る状態を生成することで３値の状態を作り出すことができ、単位面積あたりの集積度を向上できる。
【００８４】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係るＭＲＡＭセルの概略図を図１０（ａ）〜（ｄ）に、およびヒステリシスループの概略を図１１（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示す。
【００８５】
本発明の第３の実施形態に係るＭＲＡＭセルおいては、第２の実施形態と同様に、磁気トンネル接合が一つでＴＭＲ効果を生成する。固定層ＰＭと記録層ＦＭはいずれも希土類（ＲＥ）と遷移金属（ＴＭ）によるフェリ磁性体である。固定層ＰＭと記録層ＦＭのトンネルバリア近傍にはそれぞれ遷移金属層（界面層）ＩＬ１，ＩＬ２が形成され、これら遷移金属層ＩＬ１，ＩＬ２で挟むようにトンネルバリアＴＢが設けられている。そして、各々固定層ＰＭと記録層ＦＭとの交換結合により、垂直磁化された状態でＴＭＲ効果の平行と反平行状態を作り出している。
【００８６】
ここで、記録層ＦＭの遷移金属層ＩＬ２とフェリ磁性層の交換結合を弱め、また垂直と異なる方向に向きやすい（例えば（００１）を向きやすいフェリ層に対して（１１１）を向きやすい）材料でこの遷移金属層ＩＬ２を形成し、記録層ＦＭ内のフェリ層と遷移金属層ＩＬ２の磁化の向きを独立に制御することによって３値または４値の多値状態を生成する。
【００８７】
本発明の第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様に磁気トンネル接合が一つでＴＭＲ効果を生成し、記録層ＦＭ内のフェリ層と遷移金属層ＩＬ２の磁化の向きを独立に制御することによって３値または４値の多値状態を作り出すことができるので、単位面積あたりの集積度を向上できる。
【００８８】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係るＭＲＡＭセルの概略図を図１２（ａ）〜（ｄ）に、および書き込みシーケンスを図１３および図１４にそれぞれ示す。
【００８９】
本発明の第４の実施形態に係るＭＲＡＭセルは、膜面内磁化型でトンネルバリアが二重（二重磁気トンネル接合型）のＴＭＲ構造を有している。固定層ＰＭ、第１の記録層ＦＭ１および第２の記録層ＦＭ２は、遷移金属の強磁性体として形成されている。書き込みおよび読み出しにおける基本動作は第１の実施形態と同じであり、図１３および図１４に示すように記録層ＦＭ１と記録層ＦＭ２の反転電流閾値Ｊｃの値の違いによって、異なるヒステリシスループを形成することになる。図１３はＪｃ（ＦＭ１）＞Ｊｃ（ＦＭ２）の場合、図１４はＪｃ（ＦＭ２）＞Ｊｃ（ＦＭ１）の場合をそれぞれ示している。
【００９０】
本第４の実施形態に係るＭＲＡＭセルは、磁化方向が異なるのみで、基本的には第１の実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００９１】
本発明の第４の実施形態によれば、膜面内磁化型でトンネルバリアが二重のＴＭＲ構造を構成することができ、二つの記録層ＦＭ１，ＦＭ２の反転電流閾値Ｊｃの違いによって異なるヒステリシスループを形成して３値または４値の多値状態を作り出すことができるので、単位面積あたりの集積度を向上できる。
【００９２】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係るＭＲＡＭセルは、図１５（ａ）〜（ｄ）に示すように、垂直磁化型でトンネルバリアが二重のＴＭＲ構造を有している。固定層ＰＭはＬ１０型の垂直磁化膜で形成され、この固定層ＰＭと第１の記録層ＦＭ１、第１の記録層ＦＭ１と第２の記録層ＦＭ２の間には互いに交換結合が働く。
【００９３】
本第５の実施形態の書き込みシーケンスは、第１の実施形態と同じであり、図２および図３で示したようになる。
【００９４】
本発明の第５の実施形態であっても、垂直磁化型でトンネルバリアが二重のＴＭＲ構造を構成することができ、且つ１素子を３値または４値の素子として動作させることで単位面積あたりの集積度を向上できる。
【００９５】
［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭセルは、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、磁気トンネル接合が一つでＴＭＲ効果を生成するものである。固定層ＰＭはＬ１０型の垂直磁化膜で形成され、記録層ＦＭは希土類（ＲＥ）と遷移金属（ＴＭ）によるフェリ磁性体で形成される。更に、固定層ＰＭと記録層ＦＭのトンネルバリア近傍にもそれぞれ遷移金属層（界面層）ＩＬ１，ＩＬ２が形成され、各々固定層ＰＭと記録層ＦＭとの交換結合により、垂直磁化された状態で、ＴＭＲの平行と反平行状態を作り出している。
【００９６】
本実施形態においては、図示するように、記録層ＦＭの遷移金属層とフェリ層の交換結合を弱めることによって、スピン注入の電流値の制御により、記録層ＦＭの遷移金属層が垂直ではなく面内方向に寝る状態を生成することで３値の状態を生成する。
【００９７】
本第６の実施形態の書き込みシーケンスは、第２の実施形態と同じく図７（ａ）〜（ｃ）で示したようになる。
【００９８】
本発明の第６の実施形態であっても、磁気トンネル接合が一つでＴＭＲ効果を生成することができ、スピン注入の電流値の制御により、記録層ＦＭの遷移金属層ＩＬ２が垂直ではなく面内方向に沿う（寝る）状態を生成することで３値の状態を生成することで、単位面積あたりの集積度を向上できる。
【００９９】
［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に係るＭＲＡＭセルは、図１７（ａ）〜（ｄ）に示すように、第６の実施形態と同様に磁気トンネル接合が一つでＴＭＲ効果を生成するものである。固定層ＰＭはＬ１０型の垂直磁化膜で形成され、記録層ＦＭは希土類（ＴＭ）と遷移金属（ＴＭ）によるフェリ磁性体で形成される。更に、固定層と記録層のトンネルバリア近傍にもそれぞれ遷移金属層（界面層）ＩＬ１，ＩＬ２が形成され、各々固定層ＰＭと記録層ＦＭとの交換結合により、垂直磁化された状態で、ＴＭＲの平行と反平行状態を作り出している。
【０１００】
ここで、記録層ＦＭの遷移金属層とフェリ磁性層の交換結合を弱め、また垂直と異なる方向に向きやすい（例えば（００１）を向きやすいフェリ層に対して（１１１）を向きやすい）材料で遷移金属層を構成し、記録層ＦＭ内のフェリ層と遷移金属層ＩＬ２の磁化の向きを独立に制御することによって３値または４値の多値状態を生成する。
【０１０１】
本発明の第７の実施形態によれば、磁気トンネル接合が一つでＴＭＲ効果を生成し、することができ、記録層ＦＭ内のフェリ層と遷移金属層ＩＬ２の磁化の向きを独立に制御することによって３値または４値の多値状態を生成することで、単位面積あたりの集積度を向上できる。
【０１０２】
［第８の実施形態］
図１８（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、本発明の第８の実施形態に係るＭＲＡＭの製造工程の概略図であり、上部トンネルバリアＴＢ２と下部トンネルバリアＴＢ１のＭＲ比が異なるＭＴＪ素子を自己整合により形成するものである。ここではＭＴＪ素子部の製造工程に着目して説明する。
【０１０３】
図１８（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様にして、下部電極１３、固定層（界面層を含む）１４、下部トンネルバリア１６、第１の記録層１７、上部トンネルバリア１８、第２の記録層（界面層を含む）２０およびキャップ層２１を積層形成する。
【０１０４】
上部トンネルバリア１８をエッチングストッパー層として活用しつつ、キャップ層（上部コンタクト層としても働く）２１と第２の記録層２０の一部をエッチングして除去する。これによって、図１８（ｂ）に示すようになる。
【０１０５】
その後、例えばスパッタ法あるいはＣＶＤ法を用いて、全面に窒化シリコン膜を堆積形成し、続いてＲＩＥ法またはイオンミリング法を用いて上記窒化シリコン膜をエッチバックする。これによって、図１８（ｃ）に示すように、露出されたキャップ層２１と記録層２０の側面を覆うようにサイドウォール２８が形成される。
【０１０６】
次に、再度イオンミリング法を用いて、下部トンネルバリア層１６をストッパー層として上部トンネルバリア１８と第１の記録層１７をエッチングする（図１８（ｄ））。
【０１０７】
この後、例えばスパッタ法あるいはＣＶＤ法を用いて全面に窒化シリコン膜を堆積形成し、ＭＴＪ素子の側面部を保護する。引き続き、ＳｉＯｘなどの誘電材料を全面に堆積形成してＣＭＰなどの技術で平坦化する。最後に、ＬＳＩで通常使用されているＡｌＣｕなどの配線材料を全面にスパッタ形成し、リソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングしてビット線を形成することによりＭＴＪセルが完成する。
【０１０８】
この製造方法を用いることで、記録層１７と記録層２０を含む層の素子部の幅はサイドウォール２８の膜厚の２倍だけ記録層１７の方が小さくなるため、記録層１７，２０の体積の違いによって自己整合的に反転電流閾値Ｊｃを変えることが可能となる。
【０１０９】
なお、本第８の実施形態に係る製造方法は、二重磁気トンネル接合を用いる第４の実施形態にも同様に適用可能である。
【０１１０】
［第９の実施形態］
図１９（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、本発明の第９の実施形態に係るＭＲＡＭの製造工程の概略図であり、第８の実施形態と同様に、上部トンネルバリアＴＢ２と下部トンネルバリアＴＢ１のＭＲ比が異なるＭＴＪ素子を自己整合により形成するものである。ここではＭＴＪ素子部の製造工程に着目して説明する。
【０１１１】
本実施形態は、第１の実施形態と基本的に同じであるが、ＭＴＪ素子の積層構造をイオンミリング法で加工する際に、ビームの入射角を例えば４５度程度に寝かせて基板を回転させつつ照射することで、４５度を超える大きなテーパー（Taper）角を与え、記録層１６と記録層１８の部分の素子幅を自己整合的に変えるものである。これによって、第８の実施形態と同様に、記録層１７，２０の体積の違いによって自己整合的に反転電流閾値Ｊｃを変えることができる。
【０１１２】
なお、本第９の実施形態は、第１の実施形態と同様に、二重磁気トンネル接合を用いている第４の実施形態にも適用可能である。
【０１１３】
（材料系）
次に、上述した各実施形態に係るＭＲＡＭセル（ＭＴＪ素子）を形成するための種々の材料について詳しく説明する。
【０１１４】
（面内磁化型磁気トンネル接合）
面内磁化型の一重磁気トンネル接合構造または二重磁気トンネル接合構造のＭＴＪ素子は、例えば以下の材料を用いて形成できる。
【０１１５】
固定層（ピンド層や磁化固着層とも呼ばれる）ＰＭおよび記録層（フリー層や磁気記録層とも呼ばれる）ＦＭ，ＦＭ１，ＦＭ２の材料には、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉまたはそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ２，ＲＸＭｎＯ３−ｙ（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）などの酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金などを用いることが好ましい。また、これら磁性体には、強磁性を失わない限り、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどの非磁性元素が多少含まれていても良い。
【０１１６】
固定層ＰＭの一部を構成する反強磁性層の材料には、Ｆｅ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ，Ｎｉ−Ｍｎ，Ｉｒ−Ｍｎ，ＮｉＯ，Ｆｅ２Ｏ３などを用いることが好ましい。
【０１１７】
ＭＴＪの材料には、スピン注入用としてはコヒーレントトンネリング効果を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）あるいはマグネシウム（Ｍｇ）と酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を積層し、アニールなどによって形成したトンネルバリアを用いることが望ましい。これらの材料以外にも、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＡｌＮ，Ｂｉ２Ｏ３，ＭｇＦ２，ＣａＦ２，ＳｒＴｉＯ２，ＡｌＬａＯ３などの様々な誘電体を使用することができる。これらの誘電体には、酸素、窒素、フッ素欠損が存在していても良い。
【０１１８】
（垂直磁化型磁気トンネル接合）
垂直磁化型磁気トンネル接合のＭＴＪに関しては、面内磁化型磁気トンネル接合と同じである。
【０１１９】
＜Ａ＞高い保磁力を持つ磁性材料は、１×１０６ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い磁気異方性エネルギー密度を持つ材料により構成される。
【０１２０】
以下、その材料例について説明する。
【０１２１】
＜例Ａ１＞
Ｆｅ（鉄），Ｃｏ（コバルト），Ｎｉ（ニッケル）のうちの少なくとも１つと、Ｃｒ（クロム），Ｐｔ（白金），Ｐｄ（パラジウム）のうちの少なくとも１つとを含む合金からなるもの。
【０１２２】
規則合金としては、Ｆｅ（５０）Ｐｔ（５０），Ｆｅ（５０）Ｐｄ（５０），Ｃｏ（５０）Ｐｔ（５０）などがある。不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金，ＣｏＰｔ合金，ＣｏＣｒＰｔ合金，ＣｏＣｒＰｔＴａ合金，ＣｏＣｒＮｂ合金などがある。
【０１２３】
＜例Ａ２＞
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１つまたはこれらのうちの１つを含む合金と、Ｐｄ，Ｐｔのうちの１つまたはこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つもの。
【０１２４】
例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子，Ｃｏ／Ｐｄ人工格子，ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子などがある。Ｃｏ／Ｐｔ人工格子を使用した場合、およびＣｏ／Ｐｄ人工格子を使用した場合においては、抵抗変化率（ＭＲ比）は、約４０％という大きな値を実現できる。
【０１２５】
＜例Ａ３＞
希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えばＴｂ（テルビウム），Ｄｙ（ジスプロシウム），またはＧｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金。
【０１２６】
例えばＴｂＦｅ，ＴｂＣｏ，ＴｂＦｅＣｏ，ＤｙＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＴｂＣｏなどがある。
【０１２７】
＜Ｂ＞記録層ＦＭ，ＦＭ１，ＦＭ２は、上述したような高い保磁力を持つ磁性材料から構成することもできるし、組成比の調整、不純物の添加、厚さの調整などを行って、上記のような高い保磁力を持つ磁性材料よりも磁気異方性エネルギー密度が小さい磁性材料から構成しても良い。
【０１２８】
以下、その材料例について説明する。
【０１２９】
＜例Ｂ１＞
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１つと、Ｃｒ，Ｐｔ，Ｐｄのうちの少なくとも１つとを含む合金に、不純物を添加したもの。
【０１３０】
規則合金としては、Ｆｅ（５０）Ｐｔ（５０），Ｆｅ（５０）Ｐｄ（５０）、またはＣｏ（５０）Ｐｔ（５０）にＣｕ，Ｃｒ，Ａｇなどの不純物を加えて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。不規則合金としては、ＣｏＣｒ合金，ＣｏＰｔ合金，ＣｏＣｒＰｔ合金，ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、またはＣｏＣｒＮｂ合金において、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度を低下させたものなどがある。
【０１３１】
＜例Ｂ２＞
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１つまたはこれらのうちの１つを含む合金と、Ｐｄ，Ｐｔのうちの１つまたはこれらのうちの１つを含む合金とが、交互に積層された構造を持つものであって、前者の元素若しくは合金からなる層の厚さ、または後者の元素若しくは合金からなる層の厚さを調整したもの。
【０１３２】
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１つまたはこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値と、Ｐｄ，Ｐｔのうちの１つまたはこれらのうちの１つを含む合金についての厚さの最適値とが存在し、厚さがこれら最適値から離れるに従い、磁気異方性エネルギー密度は次第に低下する。
【０１３３】
＜例Ｂ３＞
希土類金属のうちの少なくとも１つ、例えばＴｂ（テルビウム），Ｄｙ（ジスプロシウム）、またはＧｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちの少なくとも１つとからなるアモルファス合金の組成比を調整したもの。
【０１３４】
例えばＴｂＦｅ，ＴｂＣｏ，ＴｂＦｅＣｏ，ＤｙＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＴｂＣｏなどのアモルファス合金の組成比を調整し、磁気異方性エネルギー密度を小さくしたものがある。
【０１３５】
記録層ＦＭ，ＦＭ１，ＦＭ２として、例えばＣｏ／Ｐｔ人工格子を用いる場合、ＣｏとＰｔの厚さを調節することにより、ＭＴＪ素子の保磁力を調節できる。
【０１３６】
固定層ＰＭとして、例えばＦｅＰｔ，ＣｏＰｔなどの規則合金を用いる場合、垂直磁気異方性を発生させるためには、ｆｃｔ（００１）面を配向させる必要がある。このため、結晶配向制御層として、数ｎｍ程度のＭｇＯからなる極薄下地層を用いることが好ましい。ＭｇＯの他にも、格子定数が２．８Å、４．０Å、５．６Å程度のｆｃｃ構造、ｂｃｃ構造を持つ元素、化合物、例えばＰｔ，Ｐｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ等、あるいはそれらの合金等を用いることができる。ボトムピン構造の場合には、ヨーク材と固定層との間に結晶配向制御層を配置すれば良い。結晶配向制御層とヨーク材との間には、例えばＴａ，ＴｉＮ，ＴａＮなどからなるバッファ層が配置されていても良い。トップピン構造の場合には、バリア層にｆｃｃ（１００）面が配向したＭｇＯを用いることが好ましい。この場合、ＭＲ比が劣化しない程度に上述した結晶配向制御層を更に積層しても良い。
【０１３７】
記録層ＦＭ，ＦＭ１，ＦＭ２として、ＦｅＰｔ，ＣｏＰｔなどの規則合金を用いる場合にも同様に、ｆｃｔ（００１）面を配向させる必要がある。トップピン（ボトムフリー）構造の場合には、ヨーク材と固定層との間に結晶配向制御層を配置すれば良い。結晶配向制御層とヨーク材との間には、例えばＴａ，ＴｉＮ，ＴａＮなどからなるバッファ層が配置されていても良い。ボトムピン（トップフリー）構造の場合には、バリア層にｆｃｃ（１００）面が配向したＭｇＯを用いることが好ましい。この場合、ＭＲが劣化しない程度に上述した結晶配向制御層を更に積層しても良い。
【０１３８】
また、固定層ＰＭ、記録層ＦＭ，ＦＭ１，ＦＭ２の垂直磁化性を高めるために、これらの層とトンネルバリア層ＴＢ，ＴＢ１，ＴＢ２の間に、ＣｏＦｅＢ，Ｆｅ単層などの軟磁性層を挿入する場合がある。
【０１３９】
［１］すなわち、本発明の一態様に係る磁気ランダムアクセスメモリは、第１の磁性層、第１の非磁性層、第２の磁性層、第２の非磁性層および第３の磁性層を含む積層構造を有し、前記第１の磁性層は磁化の向きが一方向に固定され、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層は各々異なる電流密度でスピン注入による磁化反転を生じるスピン注入型磁気抵抗効果素子であり、３値または４値を記録し、読み出すことのできる磁気抵抗効果素子を備える。
【０１４０】
そして、上記のような構成において、下記［１-１］〜［１-５］のような特徴を有する。
【０１４１】
［１-１］前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層はトンネルバリアであり、前記積層構造には二重のトンネル磁気抵抗効果を有する磁気トンネル接合が形成されている。
【０１４２】
［１-２］前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層のいずれか一方は、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気トンネル接合であり、他方はＧＭＲ効果を有する巨大磁気抵抗効果素子を形成している。
【０１４３】
［１-３］前記第１の磁性層、前記第２の磁性層および前記第３の磁性層は、いずれも膜面に対して垂直方向に磁化されており、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層はフェリ磁性体であり、前記第２の磁性層は強磁性体である。
【０１４４】
［１-４］前記第１の磁性層、前記第２の磁性層および前記第３の磁性層は、いずれも膜面に対して平行な方向に磁化された強磁性体（フェロ磁性体）である。
【０１４５】
［１-５］前記積層構造は、固定層、第１の記録層および第２の記録層の３層を含み、固定層に対して第１の記録層と第２の記録層が共に平行な時の第１の抵抗値、固定層に対して第１の記録層と第２の記録層が共に反平行な時の第２の抵抗値、また、第１の記録層と第２の記録層が互いに反平行な時の第１の中間抵抗値および第２の中間抵抗値を有し、前記第１の中間抵抗値は、第１の抵抗値の状態から反平行に書き込む電流を流すことによって設定し、前記第２の中間抵抗値は、第２の抵抗値の状態から平行に書き込む電流を流すことによって設定し、４値の選択書き込みを実現する。
【０１４６】
［２］また、本発明の一態様に係る磁気ランダムアクセスメモリは、第１の磁性層、第２の磁性層、第１の非磁性層、第３の磁性層、第４の磁性層および第５の磁性層を含む積層構造を有する磁気抵抗効果素子を備え、前記第１の磁性層と前記第５の磁性層は垂直に磁化されたフェリ磁性体であり、前記第２の磁性層と前記第４の磁性層は強磁性体（フェロ磁性体）であり、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体の間に互いの磁化の向きに影響しうるだけの交換結合が働いている積層構造において、前記第２の磁性体は、前記第１の磁性体との交換結合およびスピン注入電流によって垂直以外の向きを取りうる。
【０１４７】
そして、上記のような構成において、下記［２-１］〜［２-３］のような特徴を有する。
【０１４８】
［２-１］前記積層構造は、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気トンネル接合を形成しており、前記第２の磁性体は、垂直以外にスピン注入電流によって膜面内方向に寝る状態を形成する。
【０１４９】
［２-２］前記積層構造は、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気トンネル接合を形成しており、前記第２の磁性体は、垂直以外にスピン注入電流によって垂直とも膜面内とも異なる方向に磁化される状態を形成する。
【０１５０】
［２-３］前記第１の磁性層と前記第２の磁性層のサイズは異なる。
【０１５１】
［３］更に、本発明の一態様に係る磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法は、３値以上のデータを抵抗値の違いとして記録するための磁気トンネル接合素子の書き込み方法であり、前記磁気トンネル接合の接合面と垂直な第１の方向に流れる第１の電流で第１の状態に書き込み、前記第１の方向に対向する第２の方向に流れる第２の電流で第２の状態に書き込み、前記第１の方向に第１の電流を流した後に、前記第２の方向に前記第２の電流よりも小さい第３の電流を流すことによって第３の状態へ書き込む。
【０１５２】
［４］本発明の一態様に係る磁気ランダムアクセスメモリは、二重ＴＭＲ構造を有し、電流を流す方向で３値または４値を有する磁気ランダムアクセスメモリであって、第１の磁性層、第１の非磁性層、第２の磁性層、第２の非磁性層および第３の磁性層を含み、二重のトンネル磁気抵抗効果を有する磁気トンネル接合が形成された積層構造のスピン注入型磁気抵抗効果素子を備え、前記第１の非磁性層と前記第２の非磁性層はトンネルバリアであり、前記第１の磁性層は磁化の向きが一方向に固定され、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層は各々異なる電流密度でスピン注入による磁化反転を生じ、３値または４値を記録して読み出す。
【０１５３】
そして、上記のような構成において、下記［４-１］〜［４-４］のような特徴を有する。
【０１５４】
［４-１］第１の磁性層と前記第３の磁性層はフェリ型垂直磁化膜である。
【０１５５】
［４-２］第１の磁性層と前記第３の磁性層はＬ１０型垂直磁化膜である。
【０１５６】
［４-３］第１の磁性層と前記第３の磁性層は面内磁化膜である。
【０１５７】
［４-４］前記第１の磁性層と前記第２の磁性層のサイズは異なる。
【０１５８】
［５］また、本発明の一態様に係る磁気ランダムアクセスメモリは、一重ＴＭＲ構造を有し、電流を流す方向で３値または４値を有する磁気ランダムアクセスメモリであって、第１の磁性層、第２の磁性層、第１の非磁性層、第３の磁性層および第４の磁性層を含む積層構造を有し、前記第３の磁性層と前記第４の磁性層の磁化の向きが各々異なる電流密度でスピン注入による磁化反転を生じるスピン注入型磁気抵抗効果素子を備え、前記積層構造は、トンネル磁気抵抗効果を有する磁気トンネル接合を形成しており、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層、前記第３の磁性層と前記第４の磁性層の間に各々交換結合が作用し、３値または４値を記録して読み出す。
【０１５９】
そして、上記のような構成において、下記［５-１］〜［５-３］のような特徴を有する。
【０１６０】
［５-１］前記第１の磁性層と前記第４の磁性層はフェリ型垂直磁化膜である。
【０１６１】
［５-２］前記第４の磁性層または前記第１の磁性層はＬ１０型の垂直磁化膜、前記第１の磁性層または前記第４の磁性層はフェリ型垂直磁化膜である。
【０１６２】
［５-３］前記第１の磁性層側または前記第４の磁性層側の界面層は、前記第１の磁性層または前記第４の磁性層との交換結合およびスピン注入電流によって、垂直以外の向きを取り得る。
【０１６３】
［６］更に、本発明の一態様に係る磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法は、二重ＴＭＲ構造または一重ＴＭＲ構造を有する磁気抵抗効果素子に対して、電流を流して４値を書き込み、抵抗値が低い側から第１の状態、第２の状態、第３の状態および第４の状態をそれぞれ４値に対応させて読み出すようにしてなり、第１の状態は第１の方向に書き込み電流を流すことで設定し、第４の状態は第１の方向に対向する第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、前記第２の状態は前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流して前記第１の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第４の状態に設定するための前記第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、
前記第３の状態は前記磁気抵抗効果素子に第２の方向に書き込み電流を流して前記第４の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の状態に設定するための前記第１の方向に書き込み電流を流すことで設定する。
【０１６４】
［７］更にまた、本発明の一態様に係る磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法は、二重ＴＭＲ構造または一重ＴＭＲ構造を有する磁気抵抗効果素子に対して、電流を流して３値を書き込み、抵抗値が低い側から第１の状態、第２の状態および第３の状態をそれぞれ３値に対応させて読み出すようにしてなり、前記第１の状態は前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流すことで設定し、前記第３の状態は前記磁気抵抗効果素子に前記第１の方向に対向する第２の方向に書き込み電流を流すことで設定し、前記第２の状態は前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に書き込み電流を流して前記第１の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第３の状態に設定するための前記第２の方向に書き込み電流を流すことで設定する、あるいは前記磁気抵抗効果素子に第２の方向に書き込み電流を流して前記第３の状態に設定した後、前記磁気抵抗効果素子に前記第１の状態に設定するための前記第１の方向に書き込み電流を流すことで設定する。
【０１６５】
上述したように、本発明の一つの側面によれば、２端子で書き込みおよび読み出しができるスピン注入型の磁気ランダムアクセスメモリを構成することができ、且つ１素子に多値のデータを記憶することで単位面積あたりの集積度を向上できる磁気ランダムアクセスメモリおよびその書き込み方法が提供できる。
【０１６６】
以上第１ないし第９実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば各実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１６７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭについて説明するためのもので、メモリセルの４値の記録状態を示す概略図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭにおいて多値記憶を実現するための第１の書き込み動作原理について説明するための図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭにおいて多値記憶を実現するための第２の書き込み動作原理について説明するための図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭの製造方法について説明するための工程断面図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭの製造方法について説明するためのもので、図４に続く工程断面図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭについて説明するためのもので、メモリセルの３値の記録状態を示す概略図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭにおける、メモリセルの３値の記録状態に対応するヒステリシスループの概略について説明するための図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの製造方法について説明するための工程断面図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの製造方法について説明するためのもので、図８に続く工程断面図。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るＭＲＡＭについて説明するためのもので、メモリセルの４値の記録状態を示す概略図。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るＭＲＡＭにおける、メモリセルの４値の記録状態に対応するヒステリシスループの概略について説明するための図。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係るＭＲＡＭについて説明するためのもので、メモリセルの４値の記録状態を示す概略図。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係るＭＲＡＭにおいて多値記憶を実現するための第１の書き込み動作原理について説明するための図。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係るＭＲＡＭにおいて多値記憶を実現するための第２の書き込み動作原理について説明するための図。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係るＭＲＡＭについて説明するためのもので、メモリセルの４値の記録状態を示す概略図。
【図１６】本発明の第６の実施形態に係るＭＲＡＭについて説明するためのもので、メモリセルの３値の記録状態を示す概略図。
【図１７】本発明の第７の実施形態に係るＭＲＡＭについて説明するためのもので、メモリセルの４値の記録状態を示す概略図。
【図１８】本発明の第８の実施形態に係るＭＲＡＭの製造方法について説明するためのもので、要部を抽出して示す工程断面図。
【図１９】本発明の第９の実施形態に係るＭＲＡＭの製造方法について説明するためのもので、要部を抽出して示す工程断面図。
【符号の説明】
【０１６８】
ＰＭ…固定層、ＴＢ１…下部トンネルバリア、ＦＭ…記録層、ＦＭ１…第１の記録層、ＴＢ２…上部トンネルバリア、ＦＭ２…第２の記録層、ＩＬ１，ＩＬ２…界面層、１１…層間絶縁膜（シリコン酸化膜）、１２Ａ，１２Ｂ…ＴＭＲ構造、１３…下部電極、１４…固定層、１５…第１の界面層、１６…下部トンネルバリア、１７…第１の記録層、１８…上部トンネルバリア、１９…第２の界面層、２０…第２の記録層、２１…キャップ層（上部コンタクト層）、２２…導電性ハードマスク層、２３…レジストパターン、２４…保護膜（窒化シリコン膜）、２５…レジストパターン、２６…層間絶縁膜（シリコン酸化膜）、２７…ビット線、２８…サイドウォール。
【図１】
2010034153.tif 000007
【図２】
2010034153.tif 000008
【図３】
2010034153.tif 000009
【図４】
2010034153.tif 000010
【図５】
2010034153.tif 000011
【図６】
2010034153.tif 000012
【図７】
2010034153.tif 000013
【図８】
2010034153.tif 000014
【図９】
2010034153.tif 000015
【図１０】
2010034153.tif 000016
【図１１】
2010034153.tif 000017
【図１２】
2010034153.tif 000018
【図１３】
2010034153.tif 000019
【図１４】
2010034153.tif 000020
【図１５】
2010034153.tif 000021
【図１６】
2010034153.tif 000022
【図１７】
2010034153.tif 000023
【図１８】
2010034153.tif 000024
【図１９】
2010034153.tif 000025