(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性層である磁化記録層を具備し、
前記磁化記録層は、
反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、
前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域
とを有し、
前記第２磁化固定領域の一部に、前記磁化記録層における他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造が少なくとも一つ形成されている
磁気抵抗素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗素子であって、
前記磁化反転容易化構造が、前記第２磁化固定領域に形成された段差である
磁気抵抗素子。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気抵抗素子であって、
更に、
層間膜と、
第２ビアコンタクト
とを備え、
前記磁化記録層は、前記層間膜の上に形成され、
前記第２ビアコンタクトは、前記層間膜を貫通して前記第２磁化固定領域に接続され、
前記第２ビアコンタクトの上面は、前記層間膜の上面よりも低い位置にあり、
前記段差は、前記第２ビアコンタクトの直上に形成される
磁気抵抗素子。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気抵抗素子であって、
前記磁化記録層は、更に、前記第１磁化固定領域に接して設けられ、前記第１磁化固定領域との境界にピンポテンシャルが形成される第１磁化補助領域を有し、
当該磁気抵抗素子は、更に、前記第２ビアコンタクトと同一のビア形成プロセスによって形成された、前記層間膜を貫通して前記第１磁化補助領域に接続される第１ビアコンタクトを有しており、
前記磁化記録層に供給される書き込み電流は、前記第１ビアコンタクトを介して前記磁化記録層に供給される
磁気抵抗素子。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気抵抗素子であって、
前記第１磁化固定領域と前記第１磁化補助領域の境界において、前記第１磁化補助領域の幅が前記第１磁化固定領域の幅よりも狭い
磁気抵抗素子。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の磁気抵抗素子であって、
前記磁化記録層に供給される書き込み電流が、前記第２ビアコンタクトを介して前記磁化記録層に供給される
磁気抵抗素子。
【請求項７】
請求項３から５のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、
前記磁化記録層は、更に、前記第２磁化固定領域に接して設けられ、前記第２磁化固定領域との境界にピンポテンシャルが形成される第２磁化補助領域を有し、
当該磁気抵抗素子は、更に、前記第２ビアコンタクトと同一のビア形成プロセスによって形成された、前記層間膜を貫通して前記第２磁化補助領域に接続される第３ビアコンタクトを有しており、
前記磁化記録層に供給される書き込み電流は、前記第３ビアコンタクトを介して前記磁化記録層に供給される
磁気抵抗素子。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気抵抗素子であって、
前記第２磁化固定領域と前記第２磁化補助領域の境界において、前記第２磁化補助領域の幅が前記第２磁化固定領域の幅よりも狭い
磁気抵抗素子。
【請求項９】
請求項３から８のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、
前記第２磁化固定領域の一部に、前記磁化記録層における他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造が複数形成され、前記段差以外の磁化反転容易化構造は、書き込み電流の経路から外れて形成されている
磁気抵抗素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気抵抗素子であって、
前記少なくとも一つの磁化反転容易化構造以外の磁化反転容易化構造は、前記第２ビアコンタクトと同一プロセスによって形成された第４ビアコンタクトを含む
磁気抵抗素子。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の磁気抵抗素子であって、
前記段差以外の磁化反転容易化構造は、前記段差よりも大きな凹凸を有する
磁気抵抗素子。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、
前記磁化反転容易化構造が前記第２磁化固定領域の端面のラフネスである
磁気抵抗素子。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、
前記磁化反転領域と前記第１磁化固定領域の境界において、前記磁化反転領域の幅が前記第１磁化固定領域の幅よりも狭く、
前記磁化反転領域と前記第２磁化固定領域の境界において、前記磁化反転領域の幅が前記第２磁化固定領域の幅よりも狭い
磁気抵抗素子。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、
更に、
前記磁化反転領域に対向するように形成された磁化固定層と、
前記磁化固定層と前記磁化反転領域との間に設けられたトンネルバリヤ層
とを具備し、
前記磁化記録層と前記磁化固定層が、いずれも、垂直磁気異方性を有している
磁気抵抗素子。
【請求項１５】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、
更に、
前記磁化反転領域に少なくとも部分的に対向するセンス磁性層と、
前記センス磁性層の上に設けられたトンネルバリヤ層と、
前記トンネルバリヤ層の上に設けられた磁化固定層
とを具備し、
前記磁化記録層が垂直磁気異方性を有しており、
前記センス磁性層及び前記磁化固定層が面内の磁気異方性を有している
磁気抵抗素子。
【請求項１６】
それぞれが、請求項１から１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子を備える複数のメモリセルを具備する
ＭＲＡＭ。
【請求項１７】
強磁性層である磁化記録層を具備し、前記磁化記録層が、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域とを有する磁気抵抗素子の初期化方法であって、
前記第１境界に位置する磁壁を前記第１磁化固定領域にデピンする磁界よりも大きく、前記第２境界に位置する磁壁を前記第２磁化固定領域にデピンする磁界よりも大きい第１磁界を前記磁化記録層に印加する工程と、
前記第２磁化固定領域の一部に設けられ、前記磁化記録層における他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造における磁化反転核生成磁界、プロパゲーション磁界、及びデピン磁界、並びに前記第２磁化固定領域におけるプロパゲーション磁界よりも大きい第２磁界を前記第１磁界と反対方向に印加する工程
とを備える
磁気抵抗素子の初期化方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、
前記第２磁界が、前記第１境界に位置する磁壁を前記第１磁化固定領域にデピンするための磁界より小さく、前記第２境界に位置する磁壁を前記第２磁化固定領域にデピンするための磁界より小さい
磁気抵抗素子の初期化方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、
前記第２磁界が、前記第１境界に位置する磁壁を前記磁化反転領域にデピンするための磁界より小さく、前記第２境界に位置する磁壁を前記磁化反転領域にデピンするための磁界より小さい
磁気抵抗素子の初期化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子及びそれをメモリセルに使用するＭＲＡＭ（magnetic random access memory）に関し、特に、磁壁移動型の磁気抵抗素子の初期化のための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）が形成される。その２層の強磁性層のうちの１層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）であり、他の１層は、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）である。
【０００３】
ピン層とフリー層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、反平行状態はデータ“１”に対応付けられ、平行状態はデータ“０”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書き込みは、磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
【０００４】
ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として最も伝統的なものは、電流磁界によって磁化自由層の磁化を反転させる方法である。しかしながら、この書き込み方式では、メモリセルサイズにほぼ反比例して、磁化自由層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する。これは、高集積度のＭＲＡＭを提供するうえでは好ましくない。
【０００５】
微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入（spin transfer）方式」が提案されている（例えば、特開２００５−９３４８８号公報（特許文献１））。スピン注入方式では、強磁性導体にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する。この現象は、スピン注入磁化反転（Spin Transfer Magnetization Switching）と参照される。スピン注入方式による書き込みは、磁化自由層のサイズの減少と共に書き込み電流が減少するため、高集積度のＭＲＡＭを実現するのに適している。
【０００６】
米国特許第６８３４００５号（特許文献２）には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（domain wall）を利用して情報を記憶する。くびれ等により多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。
【０００７】
このようなスピン注入による磁壁移動（Domain Wall Motion）を利用した「磁壁移動方式のＭＲＡＭ」が、特開２００５−１９１０３２号公報、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報（特許文献３、４）に記載されている。
【０００８】
特開２００５−１９１０３２号公報に記載されたＭＲＡＭは、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化記録層とを備える。磁化記録層には、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分も含まれているため、磁化自由層ではなく、磁化記録層と呼ぶことにする。図１は、その磁化記録層の構造を示している。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化記録層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部１０３、接合部１０３の両端に隣接するくびれ部１０４、及びくびれ部１０４に隣接形成された一対の磁化固定部１０１、１０２を有する。一対の磁化固定部１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。これらの磁化固定部の磁化は例えば反強磁性層を積層し、その交換バイアス磁界により固定される。更に、ＭＲＡＭは、一対の磁化固定部１０１、１０２に電気的に接続された一対の書き込み用端子１０５、１０６を備える。この書き込み用端子１０５、１０６により、磁化記録層１００の接合部１０３、一対のくびれ部１０４及び一対の磁化固定部１０１、１０２を貫通する書き込み電流が流れる。くびれ部１０４は磁壁に対するピンポテンシャルとしてはたらき、磁壁が左右どちらのくびれ部に存在するか、あるいは、接合部１０３の磁化方向によって情報が保持される。磁壁の移動の向きは書き込み電流の向きにより制御される。
【０００９】
ＷＯ２００５／０６９３６８号公報に記載されたＭＲＡＭでは、ピンポテンシャルを形成する手段として段差が用いられている。図２はその磁化記録層の構造を示している。図２において、磁化記録層１００は厚さの異なる３つの領域からなっている。具体的には磁化記録層１００は最も厚い第１の磁化固定部１０１、次に厚い第２の磁化固定部１０２、及び、その間に配置された最も薄い接合部１０３から構成されている。図２では接合部１０３と磁化固定部１０１、及び、磁化固定部１０２の境界の段差がピンポテンシャルとして機能する。そのため、電流を印加することにより磁壁１１２は２つの段差の間を移動する。なお、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では膜面に垂直な異方性を有する磁性半導体が磁化記録層として用いられており、磁壁移動のための電流は０．３５ｍＡと小さい。接合部１０３には実際にはトンネル絶縁層及び磁化固定層が配置されるが図２には図示されていない。
【００１０】
磁壁移動方式のＭＲＡＭでは、磁化記録層の２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする必要がある。例えば、適切な大きさの外部磁場を印加することにより、２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする工程を以下では、「初期化」と呼ぶ。特許文献３では、２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする方法については言及されていない。
【００１１】
ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の保磁力差を利用して、成膜後に外部磁場により、初期化をすることを開示している。具体的には、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させることによって保磁力差をつけることを開示している。磁化は磁性層が厚いほど反転しにくくなるため、第２の磁化固定部１０２、及び、接合部１０３の磁化が反転し、第１の磁化固定部１０１の磁化が反転しないような磁界を印加することにより、磁壁を第１の磁化固定部１０１と接合部１０３の境界に導入することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−９３４８８号公報
【特許文献２】米国特許第６８３４００５号
【特許文献３】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献４】ＷＯ２００５／０６９３６８号公報
【発明の概要】
【００１３】
しかしながら、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報のように、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させる構造を形成すると、工程数が増加し、コストが増加する原因になる。即ち、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させるためには、異なる大きさの２つの段差を形成する必要がある。異なる２種類の段差を形成するためには、露光プロセスを２回繰り返す必要がある。これは工程数が増加することを意味する。
【００１４】
さらに、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では、書込み中に磁壁が移動する接合部１０３の磁性層は、段差形成の際にエッチングダメージを受けることになる。エッチングダメージで生じた表面ラフネスは磁壁のピンニングの原因となる可能性があり、磁壁が安定して移動しない不良を引き起こす。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、電流駆動磁壁移動型の磁気抵抗素子において、工程数が少なく、磁壁移動の不良の生じない素子構造、及び、その構造に磁壁を導入し初期化する方法を提供することである。
【００１６】
本発明の一の観点では、磁気抵抗素子が、強磁性層である磁化記録層を具備している。磁化記録層は、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域とを有している。第２磁化固定領域の一部には、他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造が少なくとも一つ形成されている。
【００１７】
本発明の他の観点では、上記の磁気抵抗素子の初期化方法が提供される。当該初期化方法は、第１境界に位置する磁壁を第１磁化固定領域にデピンする磁界よりも大きく、第２境界に位置する磁壁を第２磁化固定領域にデピンする磁界よりも大きい第１磁界を磁化記録層に印加する工程と、磁化反転容易化構造における磁化反転核生成磁界、プロパゲーション磁界、及びデピン磁界、並びに第２磁化固定領域におけるプロパゲーション磁界よりも大きい第２磁界を第１磁界と反対方向に印加する工程とを備えている。
【００１８】
本発明によれば、電流駆動磁壁移動型の磁気抵抗素子において、工程数が少なく、磁壁移動の不良の生じない素子構造、及び、その構造に磁壁を導入し初期化する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、従来の磁気抵抗素子の磁化記録層の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、従来の磁気抵抗素子の磁化記録層の他の構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態の磁気抵抗素子の他の構成を示す平面図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の磁気抵抗素子の更に他の構成を示す斜視図である。
【図６】図６は、第１の実施形態の磁気抵抗素子の更に他の構成を示す平面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ１を示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ２を示す平面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、第１の実施形態の磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ３を示す平面図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、第１の実施形態の磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ４を示す平面図である。
【図８】図８は、第１の実施形態の磁気抵抗素子へのデータ書き込みの手順を示す断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第２の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２の実施形態の磁気抵抗素子の他の構成を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０Ａ、図１０Ｂに図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ１を示す平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０Ａ、図１０Ｂに図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ２を示す平面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１０Ａ、図１０Ｂに図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ３を示す平面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、図１０Ａ、図１０Ｂに図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ４を示す平面図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態の磁気抵抗素子の更に他の構成を示す平面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、図１２に図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ１を示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１２に図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ２を示す平面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、図１２に図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ３を示す平面図である。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、図１２に図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ４を示す平面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの構成を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明の様々な実施形態について説明する。本発明は、磁気抵抗素子の磁気記録層が面内方向に磁化を有する場合、及び、垂直方向に磁化を有する場合のいずれにも適用可能であるが、以下では、垂直方向に磁化を有する磁気記録層を使用する場合について説明する。磁気抵抗素子の性能の向上のためには、垂直方向に磁化を有する磁気記録層を使用することが好適である。
【００２１】
第１の実施形態：
（磁気抵抗素子の構造）
図３Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗素子１の構造を示す平面図であり、図３Ｂは、Ｌ１断面における断面図であり、図３Ｃは、Ｌ２断面における断面図である。図３Ａに示されているように、磁気抵抗素子１は、磁化記録層１０と、磁化固定層３０と、その間に設けられたトンネルバリヤ層３２とを備えている。トンネルバリヤ層３２は、非磁性の絶縁層であり、例えば、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜で構成される。トンネルバリヤ層３２は、磁化記録層１０と磁化固定層３０に挟まれており、これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２、及び磁化固定層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。
【００２２】
磁化記録層１０は、基板面に垂直な方向の異方性（垂直磁気異方性）を持つ強磁性層である。磁化記録層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つ以上の材料を含む。さらに、磁化記録層１０がＰｔや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。これに加えて、磁化記録層１０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。具体的には、磁化記録層１０の材料としては、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などが挙げられる。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つの材料を含む層が、異なる層と積層された積層体は、垂直方向の磁気異方性を発現する磁化記録層１０として使用することができる。具体的にはＣｏ膜とＰｄ膜の積層体、Ｃｏ膜とＰｔ膜の積層体、Ｃｏ膜とＮｉ膜の積層体、Ｆｅ膜とＡｕ膜の積層体などが、磁化記録層１０として使用可能である。
【００２３】
磁化固定層３０は、固定された磁化を有する強磁性層、又は、強磁性層と非磁性層の積層体で構成される。磁化固定層３０は、磁化記録層１０と同様に垂直磁気異方性を有している。加えて、磁化固定層３０は、その磁化の向きが、書込み、及び、読出し動作によって変化しないように構成される。このために、磁化固定層３０は、磁気異方性が磁化記録層１０よりも大きいように構成される。これは、磁化記録層１０と磁化固定層３０の材料、組成を適切に選択することにより実現可能である。また、磁化固定層３０の磁化の向きの固定は、磁化固定層３０のトンネルバリヤ層とは反対側の面に反強磁性体層（図示せず）を積層し、磁化をピン止めすることによっても実現可能である。磁化固定層３０も磁化記録層１０と同様な材料を用いて構成することができる。
【００２４】
本実施形態では、図３Ｂに示されているように、磁化固定層３０は、強磁性層３４、非磁性層３１、強磁性層３３からなる積層体で構成されている。ここで、磁化固定層３０は、強磁性層３３、３４が反強磁性的に結合され、強磁性層３３、３４の磁化が互いに反平行になるように構成される。例えば、非磁性層３１としてＲｕ膜又はＣｕ膜を用い、その膜厚を適切に選択することにより、２つの強磁性層３３、３４の磁化を互いに反平行に結合することができる。この場合、２つの強磁性層３４、３３の磁化をほぼ等しくすれば、磁化固定層３０からの漏洩磁界を抑制することができる。
【００２５】
また、磁化記録層１０及び磁化固定層３０の一部分、特にトンネルバリヤ層と接する部分にＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどＴＭＲ効果の大きな材料を用いても良い。
【００２６】
本実施形態の磁気抵抗素子１は、磁壁移動方式による書き込み動作に対応するように構成されている。より具体的には、磁気抵抗素子１の磁化記録層１０が、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。磁化反転領域１３は、磁化固定層３０と対向するように形成されている。言い換えれば、磁化記録層１０の磁化反転領域１３の一部が、トンネルバリヤ層３２を介して磁化固定層３０に接続されている。
【００２７】
後述する初期化動作により、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。尚、「磁化が固定されている」とは、書き込み動作の前後で磁化の方向が変わらないことを意味する。すなわち、書き込み動作中に、磁化固定領域の一部の磁化の方向が変化しても、書き込み動作終了後には元に戻る。また、初期化動作においては後述のように第２磁化固定領域１１ｂの磁化は外部磁界により反転する。
【００２８】
一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向である。つまり、磁化反転領域１３の磁化は第１ピン磁性層３４の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。図３Ｂに示されているように、磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａが１つの磁区（magnetic domain）を形成し、第２磁化固定領域１１ｂが別の磁区を形成する。つまり、第２磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３の間に磁壁（domain wall）１２が形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３が１つの磁区を形成し、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂが別の磁区を形成する。つまり、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の間に磁壁が形成される。
【００２９】
第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂは磁化反転領域１３と比較して幅広い形状をしている。これは第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化反転領域１３との境界に磁壁のピンポテンシャルを形成するためである。磁壁のエネルギーは磁化記録層１０の幅にほぼ比例するので、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂに生じた磁壁は磁化反転領域１３に容易に移動するのに対し、磁化反転領域１３に生じた磁壁は第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂには移動しにくい。また、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化反転領域１３からはみ出した部分からの静磁界により、磁壁は磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界にピン止めされる。図４で示されているように、ピンポテンシャルは磁化記録層１０にくびれ部１０ａを設けることにより形成することもできる。
【００３０】
第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂには、書き込み電流を印加するための電流供給端子１４ａ、１４ｂがそれぞれに接続されている。後述の初期化動作によって磁壁が電流供給端子１４ａと１４ｂの間に導入され、書き込み電流に応じて駆動される。トンネルバリヤ層３２及び磁化固定層３０が積層されてＭＴＪを構成する部分は、磁化記録層１０のうち、電流供給端子１４ａと１４ｂの間の部分を含まなければならない。これは、書き込み動作の結果、この間の磁化の方向が変化するためである。
【００３１】
電流供給端子１４ａ、１４ｂは磁化記録層１０の上下どちらにあってもよく、また、ビア形成プロセスや頭出しプロセスなどにより形成可能である。ビア形成プロセスは、典型的には、層間絶縁膜にビアホールを形成した後に金属層を全面に形成し、その後、ビアホールの内部の金属層のみが残存するように金属層をＣＭＰ（chemical mechanical polishing）等によって加工してビアコンタクトを形成することによって行われる。一方、頭出しプロセスは、磁化記録層１０に接続する接続金属層を先にパターニングした後で層間絶縁膜となる絶縁膜を形成し、その後、ＣＭＰなどによって接続金属層が露出されるまで絶縁膜を削ることによって行われる。以下、電流供給端子はビア形成プロセスにより形成されるとし、電流供給端子のかわりにビアコンタクトと呼ぶことにする。
【００３２】
本実施形態の磁気抵抗素子は、強磁性層である磁化記録層１０を具備し、磁化記録層１０が反転可能な磁化を有する磁化反転領域１３と、磁化反転領域１３の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域１１ａと、磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域１１ｂとを有する磁気抵抗素子１とを有し、第２磁化固定領域１１ｂの一部に、他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造１６が形成されている構成とされる。この磁化反転容易化構造１６の磁化は、外部磁場の印加があると第２磁化固定領域１１ｂの他の部分の磁化よりも先に反転する。磁化反転容易化構造１６の磁化が反転すると、その磁化反転によって第２磁化固定領域１１ｂの他の部分の磁化反転が誘起される。これにより、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、第１磁化固定領域１１ａの磁化よりも反転しやすくなる。この特性は、後述されるように、磁化記録層１０の初期化において有用である。
【００３３】
本実施形態では、図３Ａ〜図３Ｃの磁気抵抗素子１及び図４の磁気抵抗素子１のいずれにおいても、第２磁化固定領域１１ｂ内に段差が設けられ、この段差が磁化反転容易化構造１６として機能する。図３Ｃを参照すると、段差は、ビアコンタクト１４ａ、第２ビアコンタクト１４ｂを形成後、磁化記録層１０を成膜する前の工程において、ビア上面と同じ高さの層間膜１９を部分的にエッチングして窪みを形成することにより形成される。磁化記録層１０は、この窪みの分だけ下にへこむ形状となる。第２磁化固定領域１１ｂの段差は、第２磁化固定領域１１ｂの磁化反転において、磁化反転核の生成を促進する。すなわち、第２磁化固定領域１１ｂのうち、この段差の部分が、小さな磁界で磁化反転することになる。
【００３４】
磁化反転容易化構造１６としては、他に以下のようなものが考えられる。図５は、本実施形態における磁化記録層１０の他の構造を示す斜視図である。図５においては第２磁化固定領域１１ｂの一部分１７が薄くなっており、この部分１７が、磁化反転容易化構造１６として機能する。図５の構造は、磁化記録層１０の成膜後、部分１７をエッチングすることによって得られる。エッチングされた部分１７の磁気特性は劣化するため、部分１７の磁化は反転しやすくなる。なお、エッチングされた部分１７は、必ずしも、図５に示したような明確な段差を形成する必要はなく、表面に微小な凹凸を有しているだけでも同様な効果を生じる。また、エッチングの変わりにイオン注入、酸化などの技術を用いてもよい。
【００３５】
図６は、本実施形態における磁化記録層１０の他の構造を示す平面図である。図６においては第２磁化固定領域１１ｂのパターンの境界に意図的なラフネス１８が設けられ、このラフネス１８が磁化反転容易化構造１６として機能する。ラフネス１８も、やはり磁化反転核の生成を促進するため、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が反転しやすくなる。
【００３６】
図５、図６いずれの場合も、第２磁化固定領域１１ｂにおいて磁化反転核の生成が促進され、磁化が反転しやすくなっている領域が書き込み電流の印加される経路からずれていることに注意されたい。これは電流印加に伴うジュール熱、電流磁界、スピントルク効果などにより、書込み中に反転核が形成されてしまうことを避けるためである。
【００３７】
（磁化固定領域の初期化）
次に本実施形態の磁気抵抗素子１の初期化過程、すなわち磁壁導入について図７Ａ〜図７Ｄを用いて説明する。図７Ａ〜図７Ｄの麗では、磁化反転核が生成されやすい領域は段差１６により形成されているとする。また、磁化固定層３０の保磁力は磁化記録層１０の保磁力よりも十分大きく、磁化固定層３０の磁化方向は初期化過程で変化しないと仮定し、磁化固定層３０の図示を省略している。
【００３８】
図７Ａに示されているように、最初に−Ｚ方向に大きな磁界を印加すると、全ての磁化は−Ｚ方向を向く（ステップＳ１）。次に＋Ｚ方向の磁界を徐々に大きくしていくと、図７Ｂに示されているように、第２磁化固定領域のうち段差１６の領域の磁化が部分的に反転する（ステップＳ２）。この反転は最初、非常に小さな領域における磁化反転核生成で始まるが、この磁化反転核は速やかにプロパゲートし、段差１６の領域全体が磁化反転する。この状態では段差１６と第２磁化固定領域１１ｂのそれ以外の部分の境界に磁壁が形成されることになる。さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、図７Ｃに示されているように、この磁壁は境界からデピンし、磁壁は第２磁化固定領域１１ｂ内をプロパゲートし、磁壁が磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界に形成される（ステップＳ３）。図７Ｄに示されているように、さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると磁壁はデピンし、磁化反転領域１３にまでプロパゲートしていき、磁化反転領域１３、及び、第２磁化固定領域１１ｂが反転し、磁壁が第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の境界に初期化される（ステップＳ４）。
【００３９】
このように磁壁の導入、及び、磁壁位置の初期化がおこなわれるためには、磁化記録層の磁化反転特性に応じて、適切に印加磁界を設定する必要がある。説明のために、以下の磁界を定義する。
ＨＮ＿ＳＴＥＰ：  段差部分での磁化反転核の生成磁界
ＨＮ：  段差のない磁化記録層における磁化反転核の生成磁界
ＨＰ＿ＳＴＥＰ：  段差部分での磁壁のプロパゲーション磁界
ＨＰ：  段差のない磁化記録層における磁壁プロパゲーション磁界
ＨＤ＿ＳＴＥＰ：  段差部分から段差のない部分への磁壁のデピン磁界
ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ：  磁化固定領域１１ａ、１１ｂから磁化反転領域１３への磁壁のデピン磁界
ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ：  磁化反転領域１３から磁化固定領域１１ａ、１１ｂへの磁壁のデピン磁界
【００４０】
また、前述のように磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界のピンポテンシャルは
ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ＜ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ：
となるように形成されているとする。
【００４１】
まず、最初に段差部分での磁化反転核が生じるために、
ＨＮ＿ＳＴＥＰ＜ＨＮ
が必要である。次に、初期化動作において、段差のない領域で磁化反転核が生じてはいけないので、
ＨＮ＞ＨＰ＿ＳＴＥＰ，ＨＰ，ＨＤ＿ＳＴＥＰ，ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ，ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ
が必要である。段差部分での反転核生成磁界、プロパゲーション磁界、段差部分からのデピン磁界、段差がない部分でのプロパゲーション磁界の大小は本発明ではどの組み合わせでもよく、このうちの最大磁界で、磁壁は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界にまで達する。この最大磁界を
ＨＭＡＸ＝ＭＡＸ（ＨＮ＿ＳＴＥＰ，ＨＰ＿ＳＴＥＰ，ＨＰ，ＨＤ＿ＳＴＥＰ）
と定義する。この最大磁界がＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮよりも大きい場合、磁壁はステップＳ３、ステップＳ４を飛び越えて、一気に第１磁化固定領域１１ａまで侵入してしまう。従って、
ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ＞ＨＭＡＸ
が必要である。また、
ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ＞ＨＭＡＸ
であれば、磁壁をステップＳ３の位置で留めることもできる。
【００４２】
結局、ステップＳ３までの初期化動作で磁壁を初期化する場合は
ＨＮ＞ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ＞ＨＭＡＸ
が必要であり、また、ステップＳ４までの初期化動作で磁壁を初期化する場合は
ＨＮ＞ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ＞ＨＭＡＸ
が必要となる。それぞれの場合において、初期化動作時の印加磁界は下記の条件を満たす２種類の磁界をシーケンシャルに印加することによりおこなわれる。
Ｈ＿ＳＴＥＰ１＜−Ｈ＿Ｄ＿ＴＯ＿ＰＩＮ
ＨＭＡＸ＜Ｈ＿ＳＴＥＰ３＜ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ又はＨＭＡＸ＜Ｈ＿ＳＴＥＰ４＜ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ
【００４３】
なお、図７Ａ〜図７Ｄにおいては、原理の理解を容易にするため、３段階又は４段階の動作を示したが、実際の初期化プロセスにおいては、ステップＳ２、Ｓ３が同時に行われ、又は、ステップＳ２〜Ｓ４が同時に行われ、２段階の磁界印加で初期化がおこなわれてもよいことに注意されたい。
【００４４】
以上述べた初期化動作において磁界方向を全て反対方向に設定しても、所望の初期状態が得られることは言うまでもない。また、磁界印加方向はＺ方向だけでなく、ある程度のＸ、または、Ｙ成分を有していてもよい。
【００４５】
（書き込み、及び、読み出し動作）
次に、磁気抵抗素子１に対するデータの書き込みについて説明する。
図８は、図３で示された構造に対するデータの書込み原理を示している。データ書き込みは、スピン注入を利用した磁壁移動方式で行われる。書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁化記録層１０内を平面的に流れる。その書き込み電流は、ビアコンタクト１４ａ、第２ビアコンタクト１４ｂから磁化記録層１０に供給される。磁化固定層３０の強磁性層３４の磁化と磁化反転領域１３の磁化の向きが平行である状態が、データ“０”に対応付けられている。データ“０”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｚ方向であり、磁壁１２は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に存在する。一方、磁化反転領域１３と強磁性層３４の磁化の向きが反平行である状態が、データ“１”に対応付けられている。データ“１”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｚ方向であり、磁壁１２は磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界に存在する。
【００４６】
データ“１”の書き込み時には、書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１ａから磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１１ｂに流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１１ｂからスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界にある磁壁を第１磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、＋Ｚ方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｚ方向に変わる。
【００４７】
データ“０”の書き込み時には、書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１１ｂから磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１ａに流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１ａからスピン電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｚ方向に変わる。このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２によって、磁化反転領域１３の磁化の方向がスイッチする。第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂは、異なるスピンを有する電子の供給源の役割を果たしている。
【００４８】
また、磁気抵抗素子１からのデータの読み出しは、以下の手順で行われる。データ読み出し時には、読み出し電流が磁化固定層３０と磁化反転領域１３との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのいずれかから、磁化反転領域１３及びトンネルバリヤ層３２を経由して、磁化固定層３０の強磁性層３４へ流れる。あるいは、読み出し電流は、磁化固定層３０の強磁性層３４から、トンネルバリヤ層３２及び磁化反転領域１３を経由して、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのいずれかへ流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、磁気抵抗素子の抵抗値が検出され、磁化反転領域１３の磁化の向きがセンスされる。
【００４９】
本実施形態では、第２磁化固定領域１１ｂには磁化反転核が形成されやすい領域（図８では、段差１６）が形成されているが、書き込み電流、及び、読み出し電流はこの領域を通過しないので、書き込み、読み出し過程において、この領域の磁化が変化することはない。
【００５０】
第２の実施形態：
図９Ａは本発明の第２の実施形態の磁気抵抗素子１の磁化記録層１０の構造を示す平面図であり、図９Ｂは、Ｌ１断面における構造を示す断面図であり、図９Ｃは、Ｌ２断面における構造を示す断面図である。磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂと、磁化反転領域１３から構成されている。上述のように、磁化反転領域１３とは、ＭＴＪを形成するトンネルバリヤ層、磁化固定層（共に図示せず）と結合される領域である。
【００５１】
本実施形態では、磁化記録層１０の下面にビアコンタクト１４ａ、第２ビアコンタクト１４ｂ、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄが接合されている。ビアコンタクト１４ａ〜１４ｄは、同一のビア形成プロセスで形成される。第１磁化固定領域１１ａにはビアコンタクト１４ａが、第２磁化固定領域１１ｂには第２ビアコンタクト１４ｂ、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄが接続されている。（第２磁化固定領域１１ｂに接続された）第２ビアコンタクト１４ｂ、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄの内の少なくとも一つと、（第１磁化固定領域１１ａに接続された）ビアコンタクト１４ａは、書き込み電流を磁化反転領域１３に供給するための電流供給端子として使用される。
【００５２】
本実施形態においては、図９Ｂ、図９Ｃに示されているように、ビアコンタクト１４ａ〜１４ｄは、その上面が層間膜１９の上面よりも低い位置になるように形成され、これにより、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの形成の際にビアコンタクト１４ａ〜１４ｄの直上に段差が形成される。形成されたこの段差が磁化反転核生成を促進する構造として機能する。第２磁化固定領域１１ｂにおけるビアの数を増やすことにより、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が反転する確率が高まるため、前述の初期化動作により磁壁の導入、及び、磁壁位置の初期化が可能になる。本実施形態においては段差を形成するための特別な工程が必要ないので、プロセスが簡略化されるという長所がある。図９Ａ〜図９Ｃの構造において、第２ビアコンタクト１４ｂ、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄのうち、電流供給端子として使用されないビアコンタクトは、電流供給端子として使用されるビアコンタクトよりも大きな凹凸を有していることが好ましい。
【００５３】
ただし、図９Ａ〜図９Ｃの構造では、磁化反転核の生成が第１磁化固定領域１１ａでも起こり得る。これは、高い歩留りで初期化をおこなうためには好ましくない。
【００５４】
図１０Ａは、この点について改良された磁気抵抗素子１の構成を示す平面図である。本変形例において、磁化記録層１０のうち、第１磁化固定領域１１ａの外側、すなわち、磁化反転領域１３と接するのとは別の境界に第１磁化補助領域２１ａが設けられている。第１磁化補助領域２１ａの幅は第１磁化固定領域１１ａの幅よりも狭く、この境界にはピンポテンシャルが形成される。例えば、この幅を磁化反転領域１３の幅と等しく設計すれば、このピンポテンシャルにおける磁壁が第１磁化固定領域１１ａの方向にデピンするために必要な磁界と、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａの境界の磁壁が第１磁化固定領域１１ａの境界にデピンするために必要な磁界はほぼ等しくなる。第１磁化補助領域２１ａには、書き込み電流を供給するための第１ビアコンタクト１５ａが接続される。書き込み電流を供給するためのもう一つのビアコンタクト、第２ビアコンタクト１４ｂは、第２磁化固定領域１１ｂに接続するように設けられる。第１ビアコンタクト１５ａと第２ビアコンタクト１４ｂとは、同一のビア形成プロセスによって形成される。図１０Ｂに示されているように、第２ビアコンタクト１４ｂは、意図的に第２磁化固定領域１１ｂに段差が形成されるように形成され、磁化反転核の生成を促進する機能をもつ。このとき、第２磁化固定領域１１ｂには２つ以上のビアコンタクトを設けても良い。
【００５５】
次に、本実施形態の初期化過程、すなわち磁壁導入について、図１１Ａ〜図１１Ｄを用いて説明する。図１１Ａに示されているように、最初に−Ｚ方向に大きな磁界を印加すると、全ての磁化は−Ｚ方向を向く（ステップＳ１）。次に＋Ｚ方向の磁界を徐々に大きくしていくと、図１１Ｂに示されているように、第１磁化補助領域２１ａ、及び、第２磁化固定領域１１ｂに設けられたビア直上の領域の磁化が部分的に反転する（ステップＳ２)。この反転は最初、非常に小さな領域における磁化反転核生成で始まるが、この磁化反転核は速やかにプロパゲートし、ビアの領域全体が磁化反転する。この状態ではビアのある領域とそれ以外の磁化記録層の境界に磁壁が形成されることになる。さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、図１１Ｃに示されているように、この磁壁は境界からデピンし、磁壁は第１磁化補助領域２１ａ、及び、第２磁化固定領域１１ｂ内をプロパゲートし、磁壁が第１磁化補助領域２１ａと第１磁化固定領域の境界、及び、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界に形成される（ステップＳ３）。さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、図１１Ｄに示されているように、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの強化に形成された磁壁はデピンし、磁化反転領域１３にまでプロパゲートしていき、磁化反転領域１３、及び、第２磁化固定領域１１ｂが反転し、磁壁が第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の境界に初期化される(ステップＳ４)。磁壁の初期化をステップＳ３で終えるか、ステップＳ４までおこなうかは、図７Ａ〜図７Ｄの場合と同様に、デピン磁界の大きさを考慮して定めればよい。
【００５６】
本実施形態の初期化動作においては、磁壁は磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界だけではなく、第１磁化補助領域２１ａと第１磁化固定領域１１ａの境界にも生成される。後者の磁壁も書き込み動作時に、スピントランスファー効果の影響をうける。磁化固定領域１３の磁化を不変に保つためには、第１磁化補助領域２１ａから第１磁化固定領域１１ａへのデピン閾値電流を大きくすることにより、書き込み動作時に第１磁化固定領域１１ａの側へデピンすることがないように設計しておく必要がある。逆に、第１磁化補助領域２１ａの側へのデピンは本実施形態の書き込み、読み出し動作に影響を与えないので、制限を設ける必要はない。なお、第１磁化固定領域１１ａから、第１磁化補助領域２１ａへのデピン磁界がビアコンタクト１４ａにおける磁化反転核生成磁界よりも小さい場合は、ステップＳ３、あるいは、ステップＳ４に引き続き、−Ｚ方向の磁界を印加することにより、磁壁を第１磁化補助領域２１ａの側にデピンさせ、第１磁化固定領域１１ａと第１磁化補助領域２１ａの磁化を同一方向に初期化することもできる。
【００５７】
このように、図１０Ａ、１０Ｂにおいて図示されている第１磁化補助領域２１ａを付加した構成は、図９Ａ〜図９Ｃで図示されている構成と比較して、確実に磁壁の初期化がおこなえるという長所がある。
【００５８】
図１２は、確実に磁壁の初期化を行うための磁気抵抗素子１の他の構成を示す平面図である。図１２の構成においては、第１磁化補助領域２１ａに加えて、第２磁化固定領域１１ｂの外側、すなわち、磁化反転領域１３と接する境界と別の境界に第２磁化補助領域２１ｂが設けられている。第２磁化補助領域２１ｂの幅は第２磁化固定領域１１ｂの幅よりも狭く、この境界にはピンポテンシャルが形成される。書き込み電流を供給するための第１ビアコンタクト１５ａ、第３ビアコンタクト１５ｂは、それぞれ、第１磁化補助領域２１ａ及び第２磁化補助領域２１ｂに接続するように設けられる。また、第２磁化固定領域１１ｂには電流供給源と接続していない１つ以上の第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄが、書き込み電流の経路を避けて設けられている。これらの第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄは、第２磁化固定領域１１ｂに意図的に段差が形成されるように形成され、これにより、磁化反転核の生成を促進する機能をもつ。
【００５９】
続いて、図１２の磁気抵抗素子１の初期化過程、すなわち磁壁導入について図１３Ａ〜図１３Ｄを用いて説明する。図１３Ａに示されているように、最初に−Ｚ方向に大きな磁界を印加すると、全ての磁化は−Ｚ方向を向く（ステップＳ１）。次に＋Ｚ方向の磁界を徐々に大きくしていくと、図１３Ｂに示されているように、第１磁化補助領域２１ａに設けられた第１ビアコンタクト１５ａ、第２磁化補助領域２１ｂに設けられた第３ビアコンタクト１５ｂ、及び、第２磁化固定領域１１ｂに設けられたビアコンタクト１４ｃ、１４ｄの直上の領域の磁化が部分的に反転する（ステップＳ２)。この反転は最初、非常に小さな領域における磁化反転核生成で始まるが、この磁化反転核は速やかにプロパゲートし、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄ、第１ビアコンタクト１５ａ、第３ビアコンタクト１５ｂの直上の領域全体の磁化が反転する。この状態ではビアコンタクト１４ｃ、１４ｄ、第１ビアコンタクト１５ａ、第３ビアコンタクト１５ｂのある領域と磁化記録層１０のそれ以外の領域との境界に磁壁が形成されることになる。図１３Ｃに示されているように、さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、この磁壁は境界からデピンし、磁壁は第１磁化補助領域２１ａ、第２磁化補助領域２１ｂ、及び、第２磁化固定領域１１ｂ内をプロパゲートし、磁壁が、第１磁化補助領域２１ａと第１磁化固定領域１１ａの境界、及び、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界に形成される（ステップＳ３）。さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、図１３Ｄに示されているように、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの強化に形成された磁壁はデピンし、磁化反転領域１３にまでプロパゲートしていき、磁化反転領域１３、及び、第２磁化固定領域１１ｂが反転し、磁壁が第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の境界に初期化される(ステップＳ４)。磁壁の初期化をステップＳ３で終えるか、ステップＳ４まで行うかは、図７Ａ〜図７Ｄの場合と同様に、デピン磁界の大きさを考慮して定めればよい。
【００６０】
本変形例の初期化動作においても、図１１Ａ〜図１１Ｄの場合と同様に、磁壁は磁化反転領域１３と第１又は第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界だけではなく、第１磁化補助領域２１ａと第１磁化固定領域１１ａの境界にも生成される。後者の磁壁の影響を取り除くことが可能なのは図１１Ａ〜図１１Ｄの場合と同様である。
【００６１】
図１２の構成では、第２磁化固定領域１１ｂに磁化反転核を生成するための第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄが書き込み電流の経路から外れて位置している一方で、書き込み電流の経路上にある第１ビアコンタクト１５ａ、第３ビアコンタクト１５ｂは、いずれも第１、及び、第２磁化補助領域２１ａ、２１ｂ内に位置している。そのため、仮に書き込み電流により磁化反転核の生成やプロパゲーションが生じても、磁化の反転を第１、及び、第２磁化補助領域２１ａ、２１ｂ内におさめることができ、第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化が変化しないことが保証されるという長所がある。
【００６２】
第３の実施形態：
図１４Ａは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗素子１の構成を示す平面図であり、図１４Ｂは、断面図である。第３の実施形態では、トンネルバリヤ層３２と磁化記録層１０の間に、分離金属層３８及びセンス磁性層３９が設けられており、分離金属層３８、センス磁性層３９、トンネルバリヤ層３２、及び磁化固定層３０で構成される積層体は磁化記録層１０からＹ方向にオフセットした位置に配置されている。詳細には、センス磁性層３９は、その一部が磁化反転領域１３に対向するように設けられており、トンネルバリヤ層３２は、センス磁性層３９の上に設けられている。磁化固定層３０は、トンネルバリヤ層３２の上にセンス磁性層３９と対向するように設けられている。
【００６３】
第３の実施形態では、センス磁性層３９及び磁化固定層３０共に面内磁気異方性を有する磁性材料が用いられる。即ち、磁化固定層３０、トンネルバリヤ層３２、及びセンス磁性層３９により、面内ＭＴＪが形成される。このような構成では、磁化記録層１０からの漏洩磁界がセンス磁性層３９の磁化を回転させることにより、磁化記録層１０の磁化方向をセンス磁性層３９、トンネルバリヤ層３２、及び、磁化固定層３０からなる面内ＭＴＪで間接的に読み出すことができる。本実施形態における初期化方法、書み込み方法、読み出し方法は図７、図８と同様である。また、本実施形態で提示されている読み出しのための構成は、第１及び第２の実施形態のいずれにも適用できることに留意されたい。また、トンネルバリヤ層３２、及び磁化固定層３０は、磁化記録層１０の下部に設けられても良い。
【００６４】
ＭＲＡＭへの集積化：
第１乃至第３の実施形態の磁気抵抗素子１は、ＭＲＡＭに集積化されて使用され得る。図１５は、このようなＭＲＡＭの構成を示す概念図である。当該ＭＲＡＭは、複数のメモリセル６１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６０を有している。各メモリセル６１には、磁気抵抗素子１と、２つの選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２とが集積化されている。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、第１磁化固定領域１１ａ（又は第１磁化補助領域２１ａ）に接続されたビアコンタクト１４ａに接続され、他方は第１ビット線ＢＬ１に接続されている。選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第２磁化固定領域１１ｂ（又は第２磁化補助領域２１ｂ）の第２ビアコンタクト１４ｂに接続され、他方は第２ビット線ＢＬ２に接続されている。選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気抵抗素子１の磁化固定層３０は、配線を介して接地線に接続されている。
【００６５】
ワード線ＷＬは、Ｘセレクタ６２に接続されている。Ｘセレクタ６２は、データの書き込み・読み出しにおいて、対象のメモリセル６１（以下、「選択メモリセル」という。）に対応するワード線ＷＬを選択ワード線として選択する。第１ビット線ＢＬ１はＹ側電流終端回路６４に接続されており、第２ビット線ＢＬ２はＹセレクタ６３に接続されている。Ｙセレクタ６３は、選択メモリセルにつながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線として選択する。Ｙ側電流終端回路６４は、選択メモリセルにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線として選択する。
【００６６】
メモリセルアレイ６０は、データの記録に用いられるメモリセル６１に加え、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル６１ｒを含んでいる。リファレンスセル６１ｒの構造は、メモリセル６１と同じである。リファレンスセル６１ｒの列に沿って、第１リファレンスビット線ＢＬ１ｒ及び第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒが設けられている。
【００６７】
データ書き込み時のＭＲＡＭの動作は、下記の通りである：Ｙ側電流源回路６５は、選択第２ビット線に対して所定の書き込み電流（ＩＷ１、ＩＷ２）の供給又は引き込みを行う。Ｙ側電源回路６６は、データ書き込み時、Ｙ側電流終端回路６４に所定の電圧を供給する。その結果、書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）は、Ｙセレクタ６３へ流れ込む、あるいは、Ｙセレクタ６３から流れ出す。これらＸセレクタ６２、Ｙセレクタ６３、Ｙ側電流終端回路６４、Ｙ側電流源回路６５、及びＹ側電源回路６６は、磁気抵抗素子１に書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を供給するための書き込み電流供給回路を構成している。
【００６８】
一方、データ読み出し時のＭＲＡＭの動作は下記の通りである：第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流負荷回路６７は、選択第２ビット線に所定の読み出し電流を流す。また、読み出し電流負荷回路６７は、選択ワード線に対応するリファレンスセル６１ｒにつながる第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ６８は、第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線の電位差から選択メモリセルに記憶されているデータを判別し、そのデータを出力する。
【００６９】
以上には本発明の実施形態が様々に記載されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００７０】
この出願は、２００８年１０月２０日に出願された特許出願番号２００８−２７０００２号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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