(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定される第１の基準層と、磁化容易軸方向が磁化困難軸方向に比べて長い第１の磁性体部およびこの第１の磁性体部の中央部の磁化困難軸方向に設けられた第２の磁性体部とを有し、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層を備え、前記第１の磁性体部と前記第２の磁性体部との接合部分は丸みを帯びていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
磁化方向が固定される第１の基準層と、磁化容易軸方向が磁化困難軸方向に比べて長い第１の磁性体部およびこの第１の磁性体部の前記磁化容易軸方向に沿った対向する一対の辺の中央部に接するように設けられた一対の第２の磁性体部を有し、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層とを備え、前記第１の磁性体部の前記磁化容易軸方向に離れて対向する一対の辺が半楕円形状であるとともに、前記一対の第２の磁性体部の外形形状が半楕円形状であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１の磁性体部と前記第２の磁性体部とで十字形状を形成することを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
磁化方向が固定される第１の基準層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化し、端部分の幅に比べて中央部分の幅が広い膜面形状を有し、前記端部分と前記中央部分との間において内側にくびれた曲線の輪郭を有する磁性層とを備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
磁化方向が固定される第１の基準層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化し、端部分の幅に比べて中央部分の幅が広い膜面形状を有する磁性層とを備え、前記端部分と前記中央部分の両方の外形形状が半楕円形状であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
磁化方向が固定される第１の基準層と、膜面が八角形状を有し、その一組の対辺が磁化容易軸に直交し、この一組の対辺の各々とこの各対辺に隣接する辺とのなす内角が１３５度以下である、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁性層とを備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁性層の角部は丸みを帯びていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第１の基準層は少なくとも一層の強磁性層を有し、前記磁性層は少なくとも一層の強磁性層を有し、前記第１の基準層と前記磁性層との間には第１のトンネル障壁となる絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
少なくとも一層の強磁性層を有する第２の基準層を備え、この第２の基準層と前記第１の基準層の間に前記磁性層が設けられ、前記第２の基準層と前記磁性層の間には第２のトンネル障壁となる絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記基準層および前記磁性層のうちの少なくとも一方は、非磁性層を介して積層された少なくとも２層の強磁性層を備えていることを特徴とする請求項８または９記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
第１の配線と、この第１の配線に交差する第２の配線と、前記第１および第２の配線の交差領域に対応して設けられる請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、を備えていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
第１の配線と、
この第１の配線に交差する第２の配線と、
前記第１および第２の配線の交差領域に対応して設けられ、磁化方向が固定される第１の基準層と、磁化容易軸方向が磁化困難軸方向に比べて長い本体部およびこの本体部の中央部の磁化困難軸方向に設けられた突出部とを有し、外部磁界に応じて磁化方向が変化する記憶層を備えている磁気抵抗効果素子と
を含むことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１３】
第１の配線と、
この第１の配線に交差する第２の配線と、
前記第１および第２の配線の交差領域に対応して設けられ、磁化方向が固定される第１の基準層と、磁化容易軸方向が磁化困難軸方向に比べて長い十字形状を有し外部磁界に応じて磁化方向が変化する記憶層とを備えている磁気抵抗効果素子と
を含むことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１４】
前記記憶層の角部は丸みを帯びていることを特徴とする請求項１２または１３記載の磁気メモリ。
【請求項１５】
前記第１の基準層は少なくとも一層の強磁性層を有し、前記記憶層は少なくとも一層の強磁性層を有し、前記第１の基準層と前記記憶層との間には第１のトンネル障壁となる絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の磁気メモリ。
【請求項１６】
少なくとも一層の強磁性層を有する第２の基準層を備え、この第２の基準層と前記第１の基準層の間に前記記憶層が設けられ、前記第２の基準層と前記記憶層の間には第２のトンネル障壁となる絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１５記載の磁気メモリ。
【請求項１７】
前記基準層および前記記憶層のうちの少なくとも一方は、非磁性層を介して積層された少なくとも２層の強磁性層を備えていることを特徴とする請求項１５または１６記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する．
【０００２】
【従来の技術】
固体磁気メモリは、従来から様々のタイプのものが提案されている。近年、巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子を、記憶素子として用いた磁気ランダムアクセスメモリの提案が行われており、特に、磁気抵抗効果素子として強磁性トンネル接合素子を用いた磁気メモリに注目が集まっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は、主に第１強磁性層/絶縁層/第２強磁性層の３層膜で構成され、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は第１および第２強磁性層の磁化方向の相対的な角度の余弦に比例して変化する。したがって、抵抗値は、第１および第２強磁性層の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これはトンネル磁気抵抗効果（以下、ＴＭＲ(Tunneling Magneto-Resistance)効果とも云う）と呼ばれている。例えば、ＴＭＲ効果による抵抗値変化は室温において４９．７％にもなることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
強磁性トンネル接合をメモリセルに有する磁気メモリにおいては、強磁性層のひとつの磁化を固定して基準層とし、他の強磁性層を記憶層とする。このメモリセルにおいて、基準層と記憶層の磁化の配置が平行または反平行に対し２進情報“０”または“１”を対応づけることで情報が記憶される。記録情報の書き込みは、このメモリセルに対し別に設けた書き込み配線（ビット線およびワード線）に電流を流して発生する磁界により記憶層の磁化を反転させる。また、読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗変化を検出することで行われる。このようなメモリセルを多数配置することで磁気メモリが構成される。
【０００５】
磁気メモリの実際の構成については、任意のセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)と同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。また、ワード線とビット線が交差する位置にダイオードとあわせて強磁性トンネル接合を組み込む方式も提案されている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【０００６】
さて、強磁性トンネル接合をメモリセルに有する磁気メモリの高集積化を考えると、メモリセルの大きさは小さくなり、強磁性トンネル結合を構成する強磁性層の大きさも必然的に小さくなる。一般に、強磁性層が小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力の大きさは磁化を反転するために必要なスイッチング磁界の大きさの目安となるので、これはスイッチング磁界の増大を意味する。
【０００７】
よって、情報を書き込む際にはより大きな電流を書き込み配線に流さなければならなくなり、消費電力の増加という好ましくない結果をもたらす。したがって、磁気メモリのメモリセルに用いられる強磁性層の保磁力を低減することは高集積化される磁気メモリの実用化において重要な課題である。
【０００８】
一方、磁気メモリは不揮発メモリとして動作するため、安定に記録情報を保持できなければならない。安定に長時間記録するための目安として、熱揺らぎ定数といわれるパラメータが存在し、このパラメータが強磁性層のボリュームと保磁力に比例することが一般的に言われている。したがって、消費電力低減のために保磁力を低減すると、その分熱安定性も同様に低減し、長期間情報を保持することができなくなってしまう。熱安定性が高く、長期間情報を保持することができる強磁性トンネル接合素子を考えることも高集積化磁気メモリの実用化において重要な課題となる。
【０００９】
また、磁気メモリのメモリセルとして用いる場合、長方形をした強磁性体を用いることが一般に考えられている。しかし、長方形の微小強磁性体の場合には、端部にエッジドメインと呼ばれる特殊な磁区が生じることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。これは、長方形の短辺では反磁界エネルギーを低減するために、磁化が辺に沿うようにして渦状に回転するパターンを形成するからである。このような磁気構造の一例を図１４に示す。この図１４から分かるように、磁化領域の中央部分においては磁気異方性に従った方向に磁化が生じるが、両端部においては、中央部分と異なる方向に磁化が生じる。
【００１０】
この長方形の強磁性体に対して磁化反転を行う場合を考えると、エッジドメインが成長してエッジドメインの領域が大きくなるように進行することが知られている。ここで、長方形の両端部のエッジドメインを考えると、互いに平行方向に向いている場合と反平行方向に向いている場合がある。平行方向を向いている場合、３６０度磁壁が形成されるため、保磁力が大きくなる。
【００１１】
この課題を解決するために，記憶層として楕円形の強磁性体を用いることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。この文献に記載された技術は、エッジドメインが強磁性体の形状に対し大変敏感であるという性質を利用して、長方形等の場合の端部に生じるエッジドメインの発生をおさえ、単磁区を実現することで、強磁性体全体にわたって一様に反転させることができ、反転磁界を小さくするものである。
【００１２】
また、記憶層として平行四辺形のように、その隅に直角でない角度を持つ形状の強磁性体を用いることが提案されている（例えば、特許文献４参照）。この場合、エッジドメインは存在するが、長方形の場合ほど大きな領域を占めず、さらに磁化反転の過程で複雑な微小ドメインを生成することなく、磁化がほぼ一様に反転することができる。その結果として反転磁界の低減がはかれる。
【００１３】
また、記憶層として、保磁力を小さくするために、長方形の一方の対角両端部に突出部を付加した形状も提案されている（例えば、特願２００１−７６６１４号参照）。
【００１４】
また、形状は長方形のままであるが、記憶層として、非磁性層を介して少なくとも二つの強磁性層が積層された多層構造の膜であって、上記の強磁性層の間に反強磁性結合を含む多層構造膜を用いることが提案されている（例えば、特許文献５、特許文献６、特許文献７参照）。この場合、二つの強磁性層は、その磁気モーメントまたは厚さが異なっており、反強磁性的結合により磁化が逆方向をむいている。このため、実効的に互いに磁化が相殺し、記憶層全体としては、磁化容易軸方向に小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。この記憶層のもつ磁化容易軸方向の小さな磁化の向きと逆向きに磁界を印加すると、各強磁性層の磁化は、反強磁性結合を保ったまま反転する。このため，磁力線が閉じていることから反磁界の影響が小さい。そして、記録層のスイッチング磁界が各強磁性層の保磁力により決まるため、小さなスイッチング磁界で磁化の反転が可能になる。
【００１５】
上記のように、記録層の磁化を反転する磁界(スイッチング磁界)を低減し、熱安定性を向上させることは、磁気メモリにおいて必要不可欠な要素である。このため、いくつかの形状や、反強磁性結合を含む多層膜を用いることが提案されている。しかしながら、高集積化磁気メモリに用いられるような小さな磁気メモリセル内におかれる微小な強磁性体においては、例えばその短軸の幅が数ミクロンからサブミクロン程度以下になると、磁化領域の端部においては反磁界の影響により、磁性体の中央部分の磁気的構造とは異なる磁気的構造(エッジドメイン)が生じることが知られている。
【００１６】
高集積化磁気メモリのセルに用いられるような微小な磁性体においては，上記のように、その端部に生じるエッジドメインの影響が大きく、磁化反転における磁気的構造パターンの変化が複雑になる。その結果、保磁力が大きくなり、またスイッチング磁界が増大する。
【００１７】
このような複雑な磁気的構造の変化が生じることをできるだけ防ぐ方法として、エッジドメインを固定することが考えられている（例えば、特許文献８、特許文献９参照）。
【００１８】
【非特許文献１】
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７７，２８３，２０００
【特許文献１】
米国特許第５，６４０，３４３号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，６５０，９５８号明細書
【非特許文献２】
Ｊ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．８１，５４７１，１９９７
【特許文献３】
米国特許第５，７５７，６９５号明細書
【特許文献４】
特開平１１−２７３３３７号公報
【特許文献５】
特開平９−２５１６２号公報
【特許文献６】
特願平１１−２６３７４１号公報
【特許文献７】
米国特許第５，９５３，２４８号明細書
【特許文献８】
米国特許第５，７４８，５２４号明細書。
【特許文献９】
特開２０００−１００１５３号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
エッジドメインを固定することにより、磁化反転の際の挙動が制御できるが、実質的にスイッチング磁界の低減ははかれない。また、エッジドメインを固定するために別の構造を付加する必要があり、高密度化には適さない。
【００２０】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、熱的に安定な磁気的構造を有するとともに情報を書き込む際に必要なスイッチング磁界を低減することのできる磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される第１の基準層と、磁化容易軸方向が磁化困難軸方向に比べて長い本体部およびこの本体部の中央部の磁化困難軸方向に設けられた突出部とを有し、外部磁界に応じて磁化方向が変化する記憶層を備えていることを特徴とする。
【００２２】
なお、前記本体部と前記突出部との接合部分は丸みを帯びていることが好ましい。
【００２３】
また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される第１の基準層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化し、端部分の幅に比べて中央部分の幅が広い膜面形状を有し、前記端部分と前記中央部分との間において内側にくびれた曲線の輪郭を有する記憶層とを備えていることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の第３の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される第１の基準層と、磁化容易軸方向が磁化困難軸方向に比べて長い十字形状を有し外部磁界に応じて磁化方向が変化する記憶層とを備えていることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の第４の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される第１の基準層と、膜面形状が八角形状を有し、その一組の対辺が磁化容易軸に直交し、この一組の対辺の各々とこの各対辺に隣接する辺とのなす内角が１３５度以下である、外部磁界に応じて磁化方向が変化する記憶層とを備えていることを特徴とする。
【００２６】
なお、前記記憶層の端部は丸みを帯びていることが好ましい。
【００２７】
なお、前記第１の基準層は少なくとも一層の強磁性層を有し、前記記憶層は少なくとも一層の強磁性層を有し、前記第１の基準層と前記記憶層との間には第１のトンネル障壁となる絶縁層が設けられていても良い。
【００２８】
なお、少なくとも一層の強磁性層を有する第２の基準層を備え、この第２の基準層と前記第１の基準層の間に前記記憶層が設けられ、前記第２の基準層と前記記憶層の間には第２のトンネル障壁となる絶縁層が設けられていても良い。
【００２９】
なお、前記基準層および前記記憶層のうちの少なくとも一方は、非磁性層を介して積層された少なくと２層の強磁性層を備えていても良い。
【００３０】
また、本発明の第５の態様による磁気メモリは、第１の配線と、この第１の配線に交差する第２の配線と、前記第１および第２の配線の交差領域に設けられる上記の磁気抵抗効果素子と、を備えていることを特徴とする。
【００３１】
このように構成された本発明による磁気抵抗効果素子においては、従来技術とは異なり、エッジドメインの領域を縮小するものではなく、むしろエッジドメインにある大きさの領域を与えて、磁化反転の核として作用させるものである。これにより、熱的に安定な磁気的構造を有するとともに情報を書き込む際に必要なスイッチング磁界を低減することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。
【００３３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を、図１乃至図４を参照して説明する。図２に示すように、この実施形態の磁気抵抗効果素子２は、磁気メモリのメモリセルとして用いられるものであって、ワード線１０とビット線１２が交差する点に設けられ、下部電極２ａと、反強磁性層２ｂと、基準層となる強磁性層２ｃと、トンネル障壁となる絶縁層２ｄと、記憶層となる強磁性層２ｅと、上部電極２ｆとを備えている。基準層となる強磁性層２ｃは、反強磁性層２ｂとの交換結合力により、磁化の方向が固定されている。記憶層となる強磁性層２ｅは外部磁界によって磁化の方向が変化する。そして、強磁性層２ｃと強磁性層２ｅの磁化の相対的角度によりトンネルコンダクタンスが変化する。
【００３４】
この実施形態の磁気抵抗効果素子２の記憶層となる強磁性層２ｅの膜面形状を図１に示す。記憶層となる強磁性層２ｅは、図１に示すように、磁化容易軸方向５が磁化困難軸方向に比べて長い長方形状の本体部３と、ほぼ中央部に設けられた突出部４とを有している。すなわち、記憶層２ｅは、本体部３の端部の幅（磁化困難軸方向の長さ）よりも中央部の幅が広い形状となっている。また、この実施形態の形状は十字形状でもある。例えば、本体部３の端部の幅が０．２４μｍ、記憶層２ｅの中央部の幅が０．３６μｍ、記憶層２ｅの磁化容易軸方向の長さが０．４８μｍである。なお、記憶層２ｅの膜厚は２ｎｍである。また、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子２の製造上の理由から、図２に示すように、反強磁性層２ｂ、強磁性層２ｃ、および絶縁層２ｄも、記録層となる強磁性層２ｅと同じ形状となっている。電極２ａ、２ｆも同様に同じ形状となっても良い。
【００３５】
強磁性層の材料として、本実施形態においては、CoFeを用いたが、強磁性材料としては 例えばFe、Co、Ni やこれらの合金等、通常用いられる磁性材料であっても良い。また、強磁性層は、これらの磁性材料からなる層と、例えばCu、Au、Ru、Al 等の、金属非磁性材料からなる層との積層構造を有する膜であっても良い。
【００３６】
この実施形態による磁気抵抗効果素子２のヒステリシスについて、シミュレーション計算した結果を図３に示す。図３において、横軸は外部磁界を示し、縦軸は、磁化Ｍを飽和磁化Ｍｓによって正規化した値を示している。図３の実線で表したグラフｇ１は記録層２ｅの容易軸方向の磁化曲線を示し、破線で表したグラフｇ２は残留磁化曲線、すなわち、外部磁界を印加した後の外部磁界を零としたときの磁化状態を示す曲線である。この図３から分かるように、磁化容易軸方向の保磁力は９５Ｏｅと求められる。また、この図３から分かるよう、本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、スイッチングがシャープに行われることを示しており、“１”、“０”以外の中間的な磁化状態を取らないことを示している。即ち，磁化反転過程において、微小な磁気ドメインが複雑な形で発生していないことを意味している。
【００３７】
次に、本実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界のアステロイド曲線を、シミュレーション計算で求めた場合を図４（ａ）に示す。なお、図４（ｂ）は磁化容易軸方向の保磁力で規格化した場合のアステロイド曲線を示している。図４（ａ）、（ｂ）において、横軸は磁化容易軸方向の磁界を示し、横軸は磁化困難軸方向の磁界を示す。また、図４（ｂ）に示す実線はスイッチング磁界の理想的なアステロイド曲線を示している。また、比較のため、記録層の膜面形状が、すなわち、磁気抵抗効果素子の膜面形状が図１４に示す長方形である場合（長方形セル）のスイッチング磁界のアステロイド曲線を、シミュレーション計算で求めた場合を図５（ａ）に示し、図５（ｂ）は磁化容易軸方向の保磁力で規格化した場合のアステロイド曲線を示している。
【００３８】
これらの図４および図５から分かるように、長方形セルでは理想的なアステロイド曲線とはかなり離れたところにシミュレーション計算結果が存在していたが、本実施形態のセル形状を用いることによりある特定の方向で理想的なアステロイド曲線より内側にシミュレーション計算結果が存在している。実際、本実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界は長方形セルの磁気抵抗効果素子より約半分に減少し、小さいスイッチング磁界で反転することが可能となる。したがって、情報を書き込む際に要する電流を小さくすることができる。また、本実施形態における磁化容易軸方向の保磁力は、長方形セルの保磁力とほぼ同じであり、熱的安定性は劣化しない。
【００３９】
なお、本実施形態では図３に示すように、飽和磁化Ｍｓに対する残留磁化の割合が ０．９２となり、図示していない長方形セルのそれとほとんど同じとなる。これは、エッジドメインが存在しているためである。一般に、強磁性体の磁化方向にずれや乱れた部分があり、飽和磁化に対する残留磁化の割合が1より小さくなっているとき、その強磁性体を用いた強磁性トンネル接合では、ずれや乱れのない場合に比べて、トンネル磁気抵抗比が減少する。しかし、本実施形態では絶縁層２ｄを含め上下の強磁性層２ｃ、２ｅが同じ形状になっているため、上下の強磁性層２ｃ、２ｅはほぼ同様の磁気ドメイン構造を持っている。従って、この割合は1より小さくなっているにもかかわらず、磁化方向のトンネル磁気抵抗の減少はほとんどない。
【００４０】
なお、本実施形態においては、従来技術とは異なり、エッジドメインの領域を縮小するものではなく、むしろエッジドメインに、ある大きさの領域を与え、端部にバイアス磁界をかけてエッジドメインを固定することなく磁化反転の核として作用させるものである。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱的に安定な磁気的構造を有するとともに情報を書き込む際に必要なスイッチング磁界を低減することができる。
【００４２】
本実施形態においては、膜面形状は、各頂点が９０度の角度をもつ多角形であったが、これに限定されるものではなく、特に、各頂点は９０度に限定するものではない。また、各辺も直線である必要はなく、一般に曲線で構成されていてよい。また、サイズも限定されるものではない。最大幅が１μｍ程度より小さいものが好ましく、長さも最大幅の約１．３倍以上で１０倍以内であることが好ましい。強磁性体の厚さは１０ｎｍ以下が良く、５ｎｍ以下がより好ましい。特に、高集積化のためには、素子サイズは小さいことが好ましい。
【００４３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を、図６乃至図８を参照して説明する。図６は、第２実施形態による磁気抵抗効果素子の記憶層の膜面形状を示す図である。図６から分かるように、本実施形態に係る記憶層２ｅ１は、図１に示す第１実施形態に係る記憶層２ｅの本体部３の角部を丸くするとともに、本体部３を半楕円形状にし、さらに突出部４も半楕円形状としている。すなわち、第１実施形態に比べてエッジドメインの効果を低減する形状となっている。また、本実施形態においては、例えば、記憶層２ｅ１の厚みは２ｎｍで、長さが０．４８μｍ、端部の幅が０．２４μｍ、中央部の幅が０．３６μｍである。なお、本実施形態は、第１実施形態とは、膜面形状のみが異なっているが、その他の構成は同じとなっている。すなわち、図２に示すように、下部電極２ａと、反強磁性層２ｂと、基準層となる強磁性層２ｃと、トンネル障壁となる絶縁層２ｄと、記憶層となる強磁性層２ｅと、上部電極２ｆとを備えている。
【００４４】
この実施形態の磁気抵抗効果素子２のヒステリシスについて、シミュレーション計算した結果を図７に示す。図７において、横軸は外部磁界を示し、縦軸は、磁化Ｍを飽和磁化Ｍｓによって正規化した値を示している。図７の実線で表したグラフｇ１は記録層２ｅの容易軸方向の磁化曲線を示し、破線で表したグラフｇ２は残留磁化曲線、すなわち、外部磁界を印加した後の外部磁界を零としたときの磁化状態を示す曲線である。この図７から分かるように、磁化容易軸方向の保磁力は１１０Ｏｅと求められる。したがって、磁化容易軸方向の保磁力は第１実施形態の保磁力よりも向上し、第１実施形態よりも熱的安定性が良い。
【００４５】
また、この図７から分かるよう、本実施形態による磁気抵抗効果素子においては、残留の磁化状態は０．９２７で高く保たれ、スイッチング磁界を境にシャープに変化している。すなわち、スイッチングがシャープに行われることを示しており、“１”、“０”以外の中間的な磁化状態を取らないことを示している。これは、磁化反転過程において、微小な磁気ドメインが複雑な形で発生していないことを意味している。
【００４６】
次に、本実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界のアステロイド曲線を、シミュレーション計算で求めた場合を図８（ａ）に示す。なお、図８（ｂ）は磁化容易軸方向の保磁力で規格化した場合のアステロイド曲線を示している。図８（ａ）、（ｂ）において、横軸は磁化容易軸方向の磁界を示し、横軸は磁化困難軸方向の磁界を示す。また、図８（ｂ）に示す実線はスイッチング磁界の理想的なアステロイド曲線を示している。
【００４７】
これらの図８から分かるように、本実施形態のセル形状を用いることによりほぼ全ての範囲で理想的なアステロイド曲線より内側にシミュレーション計算結果が存在している。したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界は第１実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界よりも小さく、小さいスイッチング磁界で反転することが可能となる。したがって、情報を書き込む際に要する電流を小さくすることができる。また、本実施形態における磁化容易軸方向の保磁力は、第１実施形態の保磁力よりも大きく、熱的安定性は第１実施形態よりも向上する。
【００４８】
なお、本実施形態においては、従来技術とは異なり、エッジドメインの領域を縮小するものではなく、むしろエッジドメインに、ある大きさの領域を与え、端部にバイアス磁界をかけてエッジドメインを固定することなく磁化反転の核として作用させるものである。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱的に安定な磁気的構造を有するとともに情報を書き込む際に必要なスイッチング磁界を低減することができる。
【００５０】
なお、第２実施形態においては、記憶層２ｅ１の膜面面内の形状は、本体部３と突起部４の接合部分には丸みが設けられていなかったが、図９に示すように、接合部６に丸みを設けてもよい。この場合は、第２実施形態に比べて、更に磁化容易軸方向の保磁力は大きくできるとともにスイッチング磁界を小さくすることができる。
【００５１】
なお、本実施形態においては、最大幅が１μｍ程度より小さいものが好ましく、長さも最大幅の約１．３倍以上で１０倍以内であることが好ましい。
【００５２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子を図１５乃至図１７を参照して説明する。図１５は、本実施形態による磁気抵抗効果素子の記録層２ｅの膜面形状を示す図である。図１５から分かるように、本実施形態に係る記憶層２ｅは、図１４に示す従来の磁気抵抗効果素子の記憶層の長方形の４個の角部を削り８角形とし、磁化容易軸となる長軸方向にほぼ直交する一組の対辺とこの対辺に隣接する辺となす内角θが１３５度以下となるように構成されている。
【００５３】
本実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界のアステロイド曲線を、シミュレーション計算で求めた場合を図１６および図１７に示す。図１６は端部の角度が１３５度の場合、図１７は端部の角度が１２０度の場合を示している。なお、これらのグラフは磁化容易軸方向の保磁力で規格化した場合のアステロイド曲線を示している。また、実線はスイッチング磁界の理想的なアステロイド曲線を示している。
【００５４】
これらの図からわかるように、本実施形態のセル形状を用いることにより、端部の角度が１３５度の場合は良好なスイッチング特性を示している。また、端部の角度が１３５度の場合より１２０度の方がより理想的なアステロイド曲線に近づくことがわかる。したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界は小さくなり、小さな磁界で書き込むことが可能となる。
【００５５】
本実施形態による磁気抵抗効果素子は第１実施形態の場合に比べてスイッチング特性は劣るが、加工が容易である。また、第１実施形態の場合に比べて、膜面の面積が大きいため、面積を有効に使用する場合には有利である。また、記憶層の膜面形状が凸形状となっているため、第１実施形態に比べて他の素子と集積する場合には有効となる。
【００５６】
なお、本実施形態による記憶層２ｅは、第２実施形態の場合と同様に、各辺は外側に凸となるように丸みを帯びていることが好ましい。
【００５７】
また、本実施形態においては、最大幅が１μｍ程度より小さいものが好ましく、長さも最大幅の約１倍、または１倍より大きく１０倍以内であることが好ましい。
【００５８】
なお、上記第１乃至第３実施形態においては、磁気抵抗効果素子は強磁性トンネル接合が一重であったが、強磁性トンネル接合を２重に備えた素子、すなわち、強磁性層／トンネル障壁／強磁性層／トンネル障壁／強磁性層の５層構造であっても良い。また、磁気抵抗効果素子は、非磁性層を介して少なくとも２層の強磁性層が積層され、一方の強磁性層の磁化の方向が固定され、他方の強磁性層の磁化の方向が外部磁界に応じて変化する磁気抵抗効果素子であっても同様の効果を得ることができる。
【００５９】
なお、上記第１乃至第３実施形態においては、磁気抵抗効果素子を構成する記憶層または基準層となる強磁性層は単層であったが、記憶層または基準層として、非磁性層を介して少なくとも２層の強磁性層が積層された積層膜を用いても同様の結果が得られる。ここで、磁性材料は Fe，Co，Ni やそれらの積層膜、合金等、通常用いられる磁性材料で良い。また、非磁性金属材料としては、Cu、Au、Ru、Al 等、通常用いられる材料で良い。また、この積層膜において、非磁性層をはさんだ二つの強磁性層の間に磁気的な結合が存在していてもよい。
【００６０】
次に、上述の第１乃至第３実施形態で説明した、形状の磁気抵抗効果素子を作製するための製造方法を以下に述べる。
【００６１】
一般に、このような素子形成は、磁気抵抗効果膜の形成後にレジストを塗布し、光、電子ビーム、Ｘ線のいずれかを用いてレジストにパターンを描画し、現像してレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてイオンミリングまたはエッチングを行ない、磁気抵抗効果膜にパターンを形成した後、レジストを剥離するというプロセスを経て行なわれる。
比較的大きなサイズ、例えばミクロンオーダーの磁気抵抗効果素子を作製する場合には、ＴＭＲ膜をスパッタ後に酸化シリコン、窒化シリコン等のハードマスクを作製し、反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)を用いて、例えば図１、図６、図９に示す磁気抵抗効果素子のパターンを形成する。この試料をイオンミリングすることで磁気素子が作製できる。
【００６２】
より小さい磁気素子、例えば、２μｍ〜３μｍ程度から ０．１μｍ程度のサブミクロンサイズの素子作製においては、光リソグラフィーを用いることができる。この場合は、予め上記実施形態による磁気抵抗効果素子の形状パターンを持つハードマスクを作製しておき、パターン形成することで作製できる。
【００６３】
さらに小さなサイズ、例えば０．５μｍ程度以下の磁気抵抗効果素子の作製については、電子ビーム露光を用いることができる。しかし、この場合には磁気抵抗効果素子自体が小さいため、エッジドメイン領域を広げるための形状部分はさらに小さくなり、作製がたいへん困難になる。ここで、上記実施形態の形状を作製するために、電子ビームの近接効果補正を利用することができる。通常、近接効果補正は、電子ビームの基板からの後方散乱により生じる図形内近接効果を補正し、正しいパターンを形成するために用いられるものである。例えば、長方形のパターンを形成する場合、頂点付近では蓄積電荷量が不足し、長方形の頂点が丸くなるという現象がみられる。頂点をはっきりさせるために、頂点付近が特に０．５μｍ程度以下の磁気抵抗効果素子の場合には、磁気抵抗効果素子のパターンの外側に補正点ビームを打ち込んで蓄積電荷量を増やすことで、正常なパターンを得ることができる。この方法を用いて素子端部の幅が広がった形状を形成することが可能となる。例えば、上記実施形態である図１、図６、図９の形状を形成する場合、長方形を基本パターンとし、相対する２頂点付近にそれぞれ補正点ビームを打ち込むことで端部の幅の広い形状が形成可能となる。この時、通常の近接効果補正の場合に比べて打ち込む電荷量を多くするか、または補正点ビームの打ち込み位置を適当に調節するか、またはその両方を用いて、頂点を回復する以上に形状を補正することができ、その結果、上記実施形態の形状を形成することが可能となる。さらに、例えば図１の第１実施形態における素子形状を形成するために、複数点の補正点ビームを照射することも可能である。
【００６４】
次に、上記実施形態の磁気抵抗効果素子を磁気ランダムアクセスメモリ（磁気メモリ）のセルとして応用する場合を説明する。
【００６５】
一般に、ランダムアクセスメモリにおいては，小さなダイサイズで大容量であることが要求される。このため、配線幅はもちろんのこと，各セルの面積は必然的に小さくならざるを得ない。しかし、上記実施形態の磁気抵抗効果素子を用いることによりスイッチング磁界が低減できるため、記憶ビットの書き込みの際に必要な書き込み電流が小さくてすみ，消費電力を抑え、かつ高速なスイッチングが可能となる。従って、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気ランダムアクセスメモリのセルに用いるのに好適である。
【００６６】
次に、本発明による磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの具体例を図１０乃至図１３を参照して説明する。
【００６７】
図１０は、磁気ランダムアクセスメモリの第１の具体例のアーキテクチャを示す模式図である。すなわち、同図は、メモリアレーの断面構造を示しており、このアーキテクチャにおいては、読み出し／書き込み用ビット線ＢＬに複数の磁気抵抗効果素子Ｃが並列に接続されている。それぞれの磁気抵抗効果素子Ｃの他端には、ダイオードＤを介して読み出し／書き込み用ワード線ＷＬが接続されている。また、各ワード線ＷＬは、各ワード線ＷＬを選択する選択トランジスタＳＴｗを介してセンスアンプＳＡに接続された構成となっている。また、読み出し／書き込み用ビット線ＢＬは、このビット線ＢＬを選択するための選択トランジスタＳＴＢを介して接地された構成となっている。
【００６８】
この図１０に示す第１の具体例の磁気メモリにおいては、読み出し時には、目的の磁気抵抗効果素子Ｃに接続されているビット線ＢＬとワード線ＷＬとを選択トランジスタＳＴＢ、ＳＴｗによりそれぞれ選択してセンスアンプＳＡにより電流を検出する。また、書き込み時には、やはり目的の磁気抵抗効果素子Ｃに接続されているビット線ＢＬとワード線ＷＬとを選択トランジスタＳＴＢ、ＳＴｗにより選択して、書き込み電流を流す。この際に、ビット線ＢLとワード線ＷＬにそれぞれ発生する磁場を合成した書き込み磁場が磁気抵抗効果素子Ｃの記憶層の磁化を所定の方向に向けることにより、書き込みができる。
【００６９】
ダイオードＤは、これら読み出し時あるいは書き込み時に、マトリクス状に配線されている他の磁気抵抗効果素子Ｃを介して流れる迂回電流を遮断する役割を有する。
【００７０】
次に、磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの第２の具体例を、図１１を参照して説明する。
【００７１】
図１１は、メモリアレーを積層化できるアーキテクチャの第２の具体例を表す模式図である。すなわち、同図は、メモリアレーの断面構造を示す。
【００７２】
このアーキテクチャにおいては、読み出し／書き込み用ビット線ＢLｗと読み出し用ビット線ＢLｒとの間に複数の磁気抵抗効果素子Ｃが並列に接続された「ハシゴ型」の構成とされている。さらに、それぞれの磁気抵抗効果素子Ｃに近接して、書き込みワード線ＷＬがビット線ＢＬｗと交差する方向に配線されている。
【００７３】
磁気抵抗効果素子への書き込みは、読み出し／書き込み用ビット線ＢLｗに書き込み電流を流すことにより発生する磁場と、書き込みワード線ＷＬに書き込み電流を流すことにより発生する磁場との合成磁場を磁気抵抗効果素子の記憶層に作用させることにより、行うことができる。
【００７４】
一方、読み出しの際には、ビット線ＢLｗ及びＢLｒの間で電圧を印加する。すると、これらの間で並列に接続されている全ての磁気抵抗効果素子に電流が流れる。この電流の合計をセンスアンプＳＡにより検出しながら、目的の磁気抵抗効果素子に近接したワード線ＷＬに書き込み電流を印加して、目的の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化を所定の方向に書き換える。この時の電流変化を検出することにより、目的の磁気抵抗効果素子の読み出しを行うことができる。
【００７５】
すなわち、書き換え前の記憶層の磁化方向が書き換え後の磁化方向と同一であれば、センスアンプＳＡにより検出される電流は変化しない。しかし、書き換え前後で記憶層の磁化方向が反転する場合には、センスアンプＳＡにより検出される電流が磁気抵抗効果により変化する。このようにして書き換え前の記憶層の磁化方向すなわち、格納データを読み出すことができる。但し、この方法は、読み出しの際に格納データを変化させる、いわゆる「破壊読み出し」に対応する。
【００７６】
これに対して、磁気抵抗効果素子の構成を、磁化自由層／トンネルバリア層／磁気記録層、という構造とした場合には、「非破壊読み出し」が可能である。すなわち、この構造の磁気抵抗効果素子を用いる場合には、記憶層に磁化方向を記録し、読み出しの際には、磁化自由層の磁化方向を適宜変化させてセンス電流を比較することにより、記憶層の磁化方向を読み出すことができる。但しこの場合には、記憶層の磁化反転磁場よりも磁化自由層の磁化反転磁場のほうが小さくなるように設計する必要がある。
【００７７】
図１２は、磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの第３の具体例を表す模式図である。すなわち、同図は、メモリアレーの断面構造を示す。
【００７８】
このアーキテクチャにおいては、読み出し／書き込み用ビット線ＢLｗに複数の磁気抵抗効果素子Ｃが並列に接続され、これら磁気抵抗効果素子Ｃの他端には、それぞれ読み出し用ビット線ＢLｒがマトリクス状に接続されている。さらに、これら読み出し用ビット線ＢLｒに近接して、これと平行な方向に書き込み用ワード線ＷＬが配線されている。
【００７９】
磁気抵抗効果素子Ｃへの書き込みは、読み出し／書き込み用ビット線ＢLｗに書き込み電流を流すことにより発生する磁場と、書き込みワード線ＷＬに書き込み電流を流すことにより発生する磁場との合成磁場を磁気抵抗効果素子の記憶層に作用させることにより、行うことができる。
【００８０】
一方、読み出しの際には、選択トランジスタＳＴにより書き込みビット線ＢLｗと読み出しビット線ＢLｒとを選択することにより、目的の磁気抵抗効果素子にセンス電流を流してセンスアンプＳＡにより検出することができる。
【００８１】
次に、磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの第４の具体例を、図１３を参照して説明する。
【００８２】
図１３は、磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの第４の具体例を表す模式図である。すなわち、同図は、メモリアレーの断面構造を示す。読み出し用ビット線ＢLｒがリードＬを介して磁気抵抗効果素子Ｃに接続され、磁気抵抗効果素子Ｃの直下には書き込み用ワード線ＷＬが配線されている点が異なる。このようにすると、磁気抵抗効果素子Ｃと書き込みワード線ＷＬとを図１２の構造よりも接近させることができる。その結果として、ワード線ＷＬからの書き込み磁場を磁気抵抗効果素子に対してより効果的に作用させることができる。
【００８３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、熱的に安定な磁気的構造を有するとともに情報を書き込む際に必要なスイッチング磁界を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の記憶層の膜面形状を示す図。
【図２】第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図。
【図３】第１実施形態による磁気抵抗効果素子の磁化曲線を示す図。
【図４】第１実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界のアステロイド曲線の計算結果を示す図。
【図５】記憶層の膜面形状が長方形である磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界のアステロイド曲線の計算結果を示す図。
【図６】本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子の記憶層の膜面形状を示す図。
【図７】第２実施形態による磁気抵抗効果素子の磁化曲線を示す図。
【図８】第１実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界のアステロイド曲線の計算結果を示す図。
【図９】第２実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の記憶層の膜面形状を示す図。
【図１０】磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの第１具体例を示す図。
【図１１】磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの第２具体例を示す図。
【図１２】磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの第３具体例を示す図。
【図１３】磁気ランダムアクセスメモリのアーキテクチャの第４具体例を示す図。
【図１４】従来の磁気抵抗効果素子の記憶層の膜面形状を示す図。
【図１５】本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の記憶層の膜面形状を示す図。
【図１６】第３実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界のアステロイド曲線の計算結果を示す図。
【図１７】第３実施形態による磁気抵抗効果素子のスイッチング磁界のアステロイド曲線の計算結果を示す図。
【符号の説明】
２  磁気抵抗効果素子
２ａ  下部電極
２ｂ  反強磁性層
２ｃ  強磁性層（基準層）
２ｄ  絶縁層（トンネル絶縁層）
２ｅ  強磁性層（記憶層）
２ｆ  上部電極
３  本体部
４  突出部
５  磁化容易軸方向
６  接合部
１０  ワード線
１２  ビット線
【図１】
0003684225.tif 000002
【図２】
0003684225.tif 000003
【図３】
0003684225.tif 000004
【図４】
0003684225.tif 000005
【図５】
0003684225.tif 000006
【図６】
0003684225.tif 000007
【図７】
0003684225.tif 000008
【図８】
0003684225.tif 000009
【図９】
0003684225.tif 000010
【図１０】
0003684225.tif 000011
【図１１】
0003684225.tif 000012
【図１２】
0003684225.tif 000013
【図１３】
0003684225.tif 000014
【図１４】
0003684225.tif 000015
【図１５】
0003684225.tif 000016
【図１６】
0003684225.tif 000017
【図１７】
0003684225.tif 000018