(57)【要約】【課題】磁壁移動素子に関して、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層として用いる場合に好適な初期化技術を提供すること。【解決手段】半導体装置は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜と、垂直磁気異方性を有しＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合した第１磁化ハード層と、垂直磁気異方性を有しＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合した第２磁化ハード層と、第２磁化ハード層よりも強い垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層と、を備える。第２磁化ハード層は、磁化方向制御層上に非磁性層を介して形成されており、非磁性層を介して磁化方向制御層と反強磁性的に結合している。磁化方向制御層の厚さは、第２磁化ハード層の厚さより小さい。【選択図】図７
2014036146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜と、
垂直磁気異方性を有し、前記ＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合した第１磁化ハード層と、
垂直磁気異方性を有し、前記ＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合した第２磁化ハード層と、
前記第２磁化ハード層よりも強い垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層と
を備え、
前記第２磁化ハード層は、前記磁化方向制御層上に非磁性層を介して形成されており、前記非磁性層を介して前記磁化方向制御層と反強磁性的に結合しており、
前記磁化方向制御層の厚さは、前記第２磁化ハード層の厚さより小さく、
前記第２磁化ハード層の厚さがｔ１［ｎｍ］であり、
前記第２磁化ハード層と前記磁化方向制御層との厚さの差がΔｔ［ｎｍ］であり、
前記第２磁化ハード層の飽和磁化がＭｓ［Ｔ］であり、
前記ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界がＨｎ［Ｏｅ］であるとき、
【数４】
2014036146.tif 000006
の関係が成り立つ
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１磁化ハード層の磁化方向は、第１方向であり、
前記第２磁化ハード層の磁化方向は、前記第１方向と逆の第２方向であり、
前記磁化方向制御層の磁化方向は、前記第１方向であり、
前記第１磁化固定領域の磁化方向と前記第２磁化固定領域の磁化方向は、逆向きに固定されている
半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置であって、
前記ＣｏＦｅＢ膜の前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間の磁化反転領域上に少なくとも形成されたバリア層と、
磁化方向が固定され、前記バリア層を挟んで前記磁化反転領域と対向するように形成されたリファレンス層と
を更に備える
半導体装置。
【請求項４】
（Ａ）垂直磁気異方性を有する第１磁化ハード層を形成する工程と、
（Ｂ）垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層を形成する工程と、
（Ｃ）前記磁化方向制御層上に非磁性層を介して、垂直磁気異方性を有する第２磁化ハード層を形成する工程と、
ここで、
前記磁化方向制御層と前記第２磁化ハード層とは前記非磁性層を介して反強磁性的に結合し、
前記磁化方向制御層の垂直磁気異方性は、前記第２磁化ハード層の垂直磁気異方性よりも強く、
前記磁化方向制御層の厚さは、前記第２磁化ハード層の厚さより小さく、
（Ｄ）前記第１磁化ハード層及び前記第２磁化ハード層上に、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を形成する工程と、
ここで、
前記第１磁化ハード層は、前記ＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合し、
前記第２磁化ハード層は、前記ＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合し、
（Ｘ）第１方向の外部磁界を全体に印加し、前記第１磁化ハード層、前記磁化方向制御層、前記第２磁化ハード層及び前記ＣｏＦｅＢ膜の全ての磁化方向を前記第１方向にする工程と、
（Ｙ）前記外部磁界の印加を停止する工程と
を含み、
前記第２磁化ハード層の厚さがｔ１［ｎｍ］であり、
前記第２磁化ハード層と前記磁化方向制御層との厚さの差がΔｔ［ｎｍ］であり、
前記第２磁化ハード層の飽和磁化がＭｓ［Ｔ］であり、
前記ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界がＨｎ［Ｏｅ］であるとき、
【数５】
2014036146.tif 000007
の関係が成り立つ
半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記磁化方向制御層と前記第２磁化ハード層とで成膜時のプロセスガス種が異なる
半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記（Ｄ）工程の後で、前記（Ｘ）工程の前に、
（Ｅ）前記ＣｏＦｅＢ膜の前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間の磁化反転領域上に、バリア層を形成する工程と、
（Ｆ）前記バリア層を挟んで前記磁化反転領域と対向するようにリファレンス層を形成する工程と
を更に含む
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、磁壁移動素子を備える半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）は、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。特に、近年、「電流駆動磁壁移動（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｍｏｔｉｏｎ）」を利用した磁壁移動型のＭＲＡＭが提案されている。磁壁移動型のＭＲＡＭは、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている。
【０００３】
磁壁移動型のＭＲＡＭは、磁壁移動素子を記憶素子として用いる。図１は、典型的な磁壁移動素子の構成を示している。磁壁移動素子は、磁壁移動層２１０、トンネルバリア層２２０、及びリファレンス層２３０を備えている。
【０００４】
磁壁移動層２１０は、磁壁を有する磁性体層である。この磁壁移動層２１０は、第１磁化固定領域２１１、第２磁化固定領域２１２、及び第１磁化固定領域２１１と第２磁化固定領域２１２との間に挟まれた磁化反転領域２１３を備えている。第１磁化固定領域２１１及び第２磁化固定領域２１２の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図１に示される例では、磁壁移動層２１０は垂直磁化膜であり、第１磁化固定領域２１１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域２１２の磁化方向は−Ｚ方向に固定されている。磁化反転領域２１３の磁化方向は、反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向に向くことが許される。
【０００５】
トンネルバリア層２２０は、非磁性層であり、磁壁移動層２１０上に形成されている。
【０００６】
リファレンス層２３０は、磁化方向が固定された磁性体層である。図１に示される例では、リファレンス層２３０の磁化方向は、＋Ｚ方向に固定されている。このリファレンス層２３０は、トンネルバリア層２２０上に形成されている。特に、リファレンス層２３０は、トンネルバリア層２２０を挟んで、磁壁移動層２１０の磁化反転領域２１３と対向するように形成されている。言い換えれば、トンネルバリア層２２０は、磁化反転領域２１３とリファレンス層２３０との間に挟まれている。これら磁化反転領域２１３、トンネルバリア層２２０及びリファレンス層２３０の積層によって、磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成されている。
【０００７】
図２は、図１で示された磁壁移動素子が取り得る２つの状態を示している。磁化反転領域２１３の磁化方向が＋Ｚ方向である場合、磁化反転領域２１３と第２磁化固定領域２１２との間の第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが形成される。このとき、磁化反転領域２１３とリファレンス層２３０の磁化方向は“平行”であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的低い。この状態は、「低抵抗状態」である。一方、磁化反転領域２１３の磁化方向が−Ｚ方向である場合、磁化反転領域２１３と第１磁化固定領域２１１との間の第１境界Ｂ１に磁壁ＤＷが形成される。このとき、磁化反転領域２１３とリファレンス層２３０の磁化方向は“反平行”であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的高い。この状態は、「高抵抗状態」である。磁壁移動素子は、このようなＭＴＪの抵抗値の大小によりデータ“０”、“１”を記憶する。例えば、低抵抗状態はデータ“０”に対応付けられ、高抵抗状態はデータ“１”に対応付けられる。
【０００８】
データ書き換えは、磁壁ＤＷを移動させて磁化反転領域２１３の磁化方向を反転させることにより行われる。その磁壁移動のために、磁壁移動層２１０において、書き込み電流が面内方向に供給される。その書き込み電流を担う伝導電子の方向に従って、磁壁ＤＷが磁化反転領域２１３を移動する。この磁壁移動は、スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）に立脚しているため、素子の微細化に伴って書き込み電流が低減されるという利点を有する。
【０００９】
データ読み出しは、トンネルバリア層２２０を通してリファレンス層２３０と磁化反転領域２１３との間に読み出し電流を流し、ＭＴＪの抵抗値の大小を検出することにより行われる。
【００１０】
以上に説明されたように、磁壁移動素子は、磁壁移動層２１０中の磁壁ＤＷを利用してデータを記憶する。但し、製造プロセスにおける磁壁移動層２１０の成膜直後は、未だ磁壁ＤＷは形成されていない。磁壁移動素子を利用可能にするためには、第１磁化固定領域２１１と第２磁化固定領域２１２の磁化方向を逆向きに固定し、磁壁移動層２１０に磁壁ＤＷを導入する必要がある。この作業が、「初期化処理」である。しかしながら、外部磁界を印加することにより磁化固定領域２１１、２１２の磁化方向を逆向きに初期化することは、一般的には困難である。
【００１１】
特許文献２には、磁壁移動層２１０がＣｏ／Ｎｉ積層膜である場合の初期化技術が開示されている。より詳細には、第１磁化固定領域２１１及び第２磁化固定領域２１２のそれぞれに接触するように、第１磁化ハード層及び第２磁化ハード層が設けられている。第１磁化固定領域２１１と第１磁化ハード層は磁気的に結合しており、第２磁化固定領域２１２と第２磁化ハード層は磁気的に結合している。また、第１磁化ハード層の保磁力は、第２磁化ハード層の保磁力よりも大きい。
【００１２】
このように構成された磁壁移動素子に対する初期化処理は、２ステップで実現される。第１ステップでは、磁壁移動層２１０、第１磁化ハード層及び第２磁化ハード層の全ての磁化方向が＋Ｚ方向となるような、＋Ｚ方向の強い外部磁界が印加される。続く第２ステップでは、第１磁化ハード層の磁化方向は反転しないが、第２磁化ハード層の磁化方向は反転する程度の、−Ｚ方向の外部磁界が印加される。その結果、第２磁化ハード層の磁化方向が−Ｚ方向に反転し、それにより、第２磁化ハード層と磁気的に結合する第２磁化固定領域２１２の磁化方向も−Ｚ方向に反転する。このようにして、磁壁移動層２１０に磁壁ＤＷが導入される。
【００１３】
その一方で、近年、磁壁移動層２１０の有望な材料として、「垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜」が着目されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。ＣｏＦｅＢ膜は、通常は面内磁化膜である。しかしながら、適切な条件（下地層、界面、膜厚等）の下では、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を形成することができる。そして、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層２１０として用いる場合、磁壁移動に要する書き込み電流が更に低減されることが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００９−２３９１３５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１９１０４号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｉｋｅｄａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ＣｏＦｅＢ−ＭｇＯ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ”，  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ｖｏｌ．  ９，  ｐｐ．  ７２１−７２４，  （２０１０）
【非特許文献２】Ｆｕｋａｍｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌ  ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｙ  ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ  ＣｏＦｅＢ  ｎａｎｏｗｉｒｅ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ，  ｖｏｌ．  ９８，  ０８２５０４  （２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のように、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜は、書き込み電流低減の観点から有望である。しかしながら、本願発明者は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層として用いる場合の初期化処理に関して、次のような新たな課題を発見した。
【００１７】
垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜の場合、その膜厚が１ｎｍ程度と極めて薄く、反転核生成磁界（磁化反転核の生成に必要な磁界）が小さい。反転核生成磁界が小さいと、上記の初期化処理の第２ステップにおいて、ＣｏＦｅＢ膜中の所望でない位置で磁化反転が発生したりする可能性がある。また、書き込み電流の大きさに依らず全く移動しない磁壁である「恒久磁壁」が形成される可能性もある。このような、恒久磁壁の発生や所望でない位置での磁化反転は、初期化処理の失敗を意味する。すなわち、上記の２ステップの外部磁界印加からなる初期化処理は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜の場合には適用不可能である。
【００１８】
垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層として用いる場合に好適な初期化技術が望まれる。
【００１９】
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だろう。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
一実施の形態において、半導体装置が提供される。その半導体装置は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜と、垂直磁気異方性を有しＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合した第１磁化ハード層と、垂直磁気異方性を有しＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合した第２磁化ハード層と、第２磁化ハード層よりも強い垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層と、を備える。第２磁化ハード層は、磁化方向制御層上に非磁性層を介して形成されており、非磁性層を介して磁化方向制御層と反強磁性的に結合している。磁化方向制御層の厚さは、第２磁化ハード層の厚さより小さい。第２磁化ハード層の厚さがｔ１［ｎｍ］であり、第２磁化ハード層と磁化方向制御層との厚さの差がΔｔ［ｎｍ］であり、第２磁化ハード層の飽和磁化がＭｓ［Ｔ］であり、ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界がＨｎ［Ｏｅ］であるとき、次の関係式が成り立つ。
【００２１】
【数１】
2014036146.tif 000003
【００２２】
他の実施の形態において、半導体装置の製造方法が提供される。その製造方法は、（Ａ）垂直磁気異方性を有する第１磁化ハード層を形成する工程と、（Ｂ）垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層を形成する工程と、（Ｃ）磁化方向制御層上に非磁性層を介して、垂直磁気異方性を有する第２磁化ハード層を形成する工程と、を含む。ここで、磁化方向制御層と第２磁化ハード層とは非磁性層を介して反強磁性的に結合する。磁化方向制御層の垂直磁気異方性は、第２磁化ハード層の垂直磁気異方性よりも強い。磁化方向制御層の厚さは、第２磁化ハード層の厚さより小さい。製造方法は、更に、（Ｄ）第１磁化ハード層及び第２磁化ハード層上に、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を形成する工程を含む。ここで、第１磁化ハード層は、ＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合し、第２磁化ハード層は、ＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合する。製造方法は、更に、（Ｘ）第１方向の外部磁界を全体に印加し、第１磁化ハード層、磁化方向制御層、第２磁化ハード層及びＣｏＦｅＢ膜の全ての磁化方向を第１方向にする工程と、（Ｙ）外部磁界の印加を停止する工程と、を含む。第２磁化ハード層の厚さがｔ１［ｎｍ］であり、第２磁化ハード層と磁化方向制御層との厚さの差がΔｔ［ｎｍ］であり、第２磁化ハード層の飽和磁化がＭｓ［Ｔ］であり、ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界がＨｎ［Ｏｅ］であるとき、次の関係式が成り立つ。
【００２３】
【数２】
2014036146.tif 000004
【発明の効果】
【００２４】
垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層として用いる場合に好適な初期化技術が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、典型的な磁壁移動素子の構成を概略的に示している。
【図２】図２は、図１で示された磁壁移動素子が取り得る２つの状態を概略的に示している。
【図３】図３は、実施の形態に係る磁壁移動素子の基本構成を概略的に示している。
【図４】図４は、実施の形態に係る磁壁移動素子の磁壁移動層の構成を示す平面図である。
【図５】図５は、実施の形態に係る磁壁移動素子が取り得る２つの状態及びそれに対する書き込み動作を示す概念図である。
【図６】図６は、実施の形態に係る磁壁移動素子に対する読み出し動作を示す概念図である。
【図７】図７は、実施の形態に係る磁壁移動素子の構成を概略的に示している。
【図８】図８は、実施の形態に係る磁壁移動素子に対する初期化処理を示す概念図である。
【図９】図９は、実施の形態に係る磁壁移動素子に対する初期化処理を示す概念図である。
【図１０】図１０は、実施の形態に係る磁壁移動素子の膜構成例を示している。
【図１１】図１１は、実施の形態に係る磁壁移動素子による効果を説明するためのグラフ図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、実施の形態に係る磁壁移動素子の特性を示すグラフ図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、実施の形態に係る磁壁移動素子の特性を示すグラフ図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３Ｅ】図１３Ｅは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３Ｆ】図１３Ｆは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３Ｇ】図１３Ｇは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３Ｈ】図１３Ｈは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１３Ｉ】図１３Ｉは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。
【図１４】図１４は、実施の形態に係る磁壁移動素子を用いたメモリセルの構成を示す回路図である。
【図１５】図１５は、図１４で示されたメモリセルを用いた磁気メモリの回路構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
１．磁壁移動素子の基本構成及び基本動作
まず、実施の形態に係る磁壁移動素子の基本構成及び基本動作を説明する。図３は、本実施の形態に係る磁壁移動素子の基本構成を概略的に示している。磁壁移動素子は、下地層１００、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０を備えている。
【００２７】
磁壁移動層１１０は、下地層１００上に形成されている。トンネルバリア層１２０は、磁壁移動層１１０上に形成されている。リファレンス層１３０は、トンネルバリア層１２０上に形成されている。つまり、下地層１００、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０は、この順番に積層されている。この積層方向（膜面垂直方向）は、Ｚ方向と参照される。Ｚ方向と直交する面内方向は、Ｘ方向とＹ方向である。Ｘ方向とＹ方向は、互いに直交している。
【００２８】
本実施の形態において、磁壁移動層１１０は、垂直磁気異方性を有する磁性体層である。より詳細には、磁壁移動層１１０は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜である。そのＣｏＦｅＢ膜の膜厚は、典型的には、１〜１．２ｎｍ程度である。
【００２９】
下地層１００は、非磁性層である。この下地層１００は、磁壁移動層（ＣｏＦｅＢ膜）１１０に垂直磁気異方性を付与するような材料で形成される。例えば、下地層１００の材料はＴａである。そのＴａ膜の膜厚は、典型的には、０．４〜３ｎｍである。
【００３０】
トンネルバリア層１２０は、非磁性層である。例えば、トンネルバリア層１２０は、ＭｇＯ膜である。ＭｇＯ膜は、磁壁移動層（ＣｏＦｅＢ膜）１１０に垂直磁気異方性を付与するために有効であると共に、高いＭＲ比が得られる点でも好ましい。
【００３１】
リファレンス層（ピン層）１３０は、垂直磁気異方性を有する磁性体層である。リファレンス層１３０の磁化方向は固定されており、書き込み、及び、読み出し動作によって変化しない。そのために、例えば、リファレンス層１３０上に反強磁性層（図示されない）が積層されてもよい。また、リファレンス層１３０は、強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層フェリ膜であってもよい。そのような積層フェリ膜において、強磁性層としてはＣｏ／Ｐｔ積層膜、非磁性層としてはＲｕ膜が例示される。図３に示される例では、リファレンス層１３０のうちトンネルバリア層１２０に接触する部分の磁化方向は、＋Ｚ方向に固定されている。
【００３２】
図４は、磁壁移動層１１０の構成を示す平面図である。図３及び図４に示されるように、磁壁移動層１１０は、第１磁化固定領域１１１、第２磁化固定領域１１２、及び磁化反転領域１１３を備えている。第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２は、磁化反転領域１１３の両側に形成されている。言い換えれば、磁化反転領域１１３は、第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２との間に挟まれている。第１磁化固定領域１１１と磁化反転領域１１３との境界は第１境界Ｂ１であり、第２磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３との境界は第２境界Ｂ２である。
【００３３】
第１磁化固定領域１１１及び第２磁化固定領域１１２の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図３及び図４に示される例では、第１磁化固定領域１１１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域１１２の磁化方向は−Ｚ方向に固定されている。この磁化方向の固定は、後述の磁化ハード層との磁気的結合により実現される。一方、磁化反転領域１１３の磁化方向は、反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向に向くことが許される。
【００３４】
この磁壁移動層１１０のうち磁化反転領域１１３が、リファレンス層１３０とオーバーラップしており、トンネルバリア層１２０を介してリファレンス層１３０に接続されている。言い換えれば、リファレンス層１３０は、トンネルバリア層１２０を挟んで、磁壁移動層１１０の磁化反転領域１１３と対向するように形成されている。尚、トンネルバリア層１２０は、少なくとも磁化反転領域１１３上に形成されていればよく、磁化反転領域１１３とリファレンス層１３０との間に挟まれていればよい。これら磁化反転領域１１３、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０の積層によって、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。
【００３５】
図５は、図３及び図４で示された磁壁移動素子が取り得る２つの状態を示している。磁化反転領域１１３の磁化方向が＋Ｚ方向である場合、磁化反転領域１１３と第２磁化固定領域１１２との間の第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが形成される。このとき、磁化反転領域１１３とリファレンス層１３０の磁化方向は“平行”であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的低い。この状態は、「低抵抗状態」である。一方、磁化反転領域１１３の磁化方向が−Ｚ方向である場合、磁化反転領域１１３と第１磁化固定領域１１１との間の第１境界Ｂ１に磁壁ＤＷが形成される。このとき、磁化反転領域１１３とリファレンス層１３０の磁化方向は“反平行”であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的高い。この状態は、「高抵抗状態」である。磁壁移動素子は、このようなＭＴＪの抵抗値の大小によりデータ“０”、“１”を記憶する。例えば、低抵抗状態はデータ“０”に対応付けられ、高抵抗状態はデータ“１”に対応付けられる。
【００３６】
データ書き換えは、スピン注入に基づく“電流駆動磁壁移動方式”で行われる。書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁壁移動層１１０において面内方向に流される。その書き込み電流を担う伝導電子の方向に従って、磁壁ＤＷが磁化反転領域１１３を移動し、それにより、磁化反転領域１１３の磁化方向が反転する。
【００３７】
図５に示されるように、データ“０”からデータ“１”への書き換え時、第１書き込み電流ＩＷ１が供給される。その第１書き込み電流ＩＷ１は、第１磁化固定領域１１１から磁化反転領域１１３を通って第２磁化固定領域１１２へ流れる。この場合、磁化反転領域１１３には、第２磁化固定領域１１２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、第２境界Ｂ２にある磁壁ＤＷを第１磁化固定領域１１１の方向に駆動する。その結果、磁壁ＤＷが第１境界Ｂ１へ移動し、磁化反転領域１１３の磁化方向が−Ｚ方向へスイッチする。
【００３８】
一方、データ“１”からデータ“０”への書き換え時、第２書き込み電流ＩＷ２が供給される。その第２書き込み電流ＩＷ２は、第２磁化固定領域１１２から磁化反転領域１１３を通って第１磁化固定領域１１１へ流れる。この場合、磁化反転領域１１３には、第１磁化固定領域１１１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、第１境界Ｂ１にある磁壁ＤＷを第２磁化固定領域１１２の方向に駆動する。その結果、磁壁ＤＷが第２境界Ｂ２へ移動し、磁化反転領域１１３の磁化方向が＋Ｚ方向へスイッチする。
【００３９】
このように、磁化方向が逆向きに固定された第１磁化固定領域１１１及び第２磁化固定領域１１２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。そして、第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２との間を流れる書き込み電流により、磁壁ＤＷが第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２との間を移動する。その結果、磁化反転領域１１３の磁化方向がスイッチする。すなわち、電流駆動磁壁移動を利用したデータ書き換えが実現される。書き込み電流がトンネルバリア層１２０を貫通しないため、トンネルバリア層１２０の劣化が抑制される。
【００４０】
図６は、データ読み出し動作を示している。データ読み出し時、読み出し電流ＩＲは、トンネルバリア層１２０を通してリファレンス層１３０と磁化反転領域１１３との間を流れるように供給される。その読み出し電流ＩＲ、あるいは、読み出し電流ＩＲに応じた読み出し電位を所定のリファレンスレベルと比較することにより、ＭＴＪの抵抗値の大小が検出される。すなわち、磁化反転領域１１３の磁化方向（＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向）がセンスされ、記憶データ（“０”または“１”）がセンスされる。
【００４１】
２．初期化技術
上述の通り、磁壁移動素子は、磁壁移動層１１０中の磁壁ＤＷを利用してデータを記憶する。但し、製造プロセスにおける磁壁移動層１１０の成膜直後は、未だ磁壁ＤＷは形成されていない。磁壁移動素子を利用可能にするためには、第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２の磁化方向を逆向きに固定し、磁壁移動層１１０に磁壁ＤＷを導入する必要がある。つまり、磁壁移動層１１０の磁化を初期化する必要がある。以下、本実施の形態に係る初期化技術を詳しく説明する。
【００４２】
２−１．構成
図７は、本実施の形態に係る磁壁移動素子の構成を概略的に示している。尚、図７に示されているのは、初期化処理の前の状態である。本実施の形態に係る磁壁移動素子は、上記の基本構成に加えて、第１磁化ハード層３０、磁化方向制御層４０、非磁性層５０、及び第２磁化ハード層６０を備えている。
【００４３】
第１磁化ハード層３０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、第１磁化ハード層３０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。この第１磁化ハード層３０は、磁壁移動層１１０の第１磁化固定領域１１１の下方の下地層１００に接触して設けられている。そして、第１磁化ハード層３０は、下地層１００を介して、磁壁移動層１１０の第１磁化固定領域１１１と磁気的に結合している。この第１磁化ハード層３０との磁気的結合により、第１磁化固定領域１１１の磁化方向は一方向に固定されることになる（後述される）。
【００４４】
第２磁化ハード層６０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、第２磁化ハード層６０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。この第２磁化ハード層６０は、磁壁移動層１１０の第２磁化固定領域１１２の下方の下地層１００に接触して設けられている。そして、第２磁化ハード層６０は、下地層１００を介して、磁壁移動層１１０の第２磁化固定領域１１２と磁気的に結合している。この第２磁化ハード層６０との磁気的結合により、第２磁化固定領域１１２の磁化方向は一方向に固定されることになる（後述される）。
【００４５】
磁化方向制御層４０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、磁化方向制御層４０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。
【００４６】
非磁性層５０は、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０との間に介在している。非磁性層５０は、例えば、Ｒｕ層である。磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０は、この非磁性層５０を介して、反強磁性的に結合している。逆に言えば、そのような反強磁性結合が実現されるように、非磁性層５０の膜厚は適切に設計される（積層フェリ技術：ＲＫＫＹ的超交換相互作用）。例えば、２ｎｄＡＦＣピークを利用する場合、非磁性層（Ｒｕ層）５０の膜厚は、０．８〜１．０ｎｍ程度に設定される。１ｓｔＡＦＣピークを利用する場合、非磁性層（Ｒｕ層）５０の膜厚は、０．３〜０．５ｎｍ程度に設定される。
【００４７】
磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０の位置関係は、次の通りである。すなわち、磁化方向制御層４０は、第２磁化ハード層６０の下方に形成されている。言い換えれば、第２磁化ハード層６０は、磁化方向制御層４０上に非磁性層５０を介して形成されている。磁壁移動層１１０から見れば、第２磁化ハード層６０の方が近くに位置し、磁化方向制御層４０の方が遠くに位置している。
【００４８】
磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性の強さは、次の通りである。すなわち、磁化方向制御層４０の垂直磁気異方性は、第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性よりも強い。垂直磁気異方性を変えるための手法として、例えば、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０のそれぞれの成膜時に異なるプロセスガス種を用いることが考えられる（後述される）。
【００４９】
磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０の厚さは、次の通りである。すなわち、磁化方向制御層４０の厚さｔ２は、第２磁化ハード層６０の厚さｔ１よりも小さい（ｔ２＜ｔ１）。例えば、第２磁化ハード層６０の厚さｔ１は５〜１０ｎｍであり、磁化方向制御層４０の厚さｔ２はそれより小さい。
【００５０】
２−２．初期化処理
図８及び図９は、図７で示された磁壁移動素子に対する初期化処理を概念的に示している。
【００５１】
まず、図８に示されるように、＋Ｚ方向の外部磁界ＨＥが磁壁移動素子全体に印加される。外部磁界ＨＥの強さは、磁壁移動素子の全ての磁性体の磁化方向が＋Ｚ方向を向くのに十分な大きさに設定される。例えば、外部磁界ＨＥは５０００Ｏｅである。このような外部磁界ＨＥの印加の結果、第１磁化ハード層３０、磁化方向制御層４０、第２磁化ハード層６０、磁壁移動層１１０及びリファレンス層１３０のそれぞれの磁化方向が＋Ｚ方向となる。
【００５２】
その後、外部磁界ＨＥの印加は停止させられる（ＨＥ＝０）。この時、図９に示されるように、磁化方向制御層４０の磁化方向は＋Ｚ方向のまま、第２磁化ハード層６０の磁化方向が−Ｚ方向に自動的に反転する。それは、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０が反強磁性結合しており、且つ、磁化方向制御層４０の垂直磁気異方性の方が第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性よりも強いからである。つまり、反強磁性結合している磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０のうち、垂直磁気異方性が弱い方の第２磁化ハード層６０の磁化が自動的に反転する。
【００５３】
また、上述の通り、磁壁移動層１１０の第２磁化固定領域１１２は、第２磁化ハード層６０と磁気的に結合している。そのため、第２磁化ハード層６０の磁化方向の反転の結果、第２磁化固定領域１１２の磁化方向も＋Ｚ方向から−Ｚ方向に自動的に反転することになる。ここで、磁化方向制御層４０の第２磁化固定領域１１２への影響力を考えたとき、それは、第２磁化ハード層６０の第２磁化固定領域１１２への影響力より小さいことに留意されたい。何故なら、第２磁化固定領域１１２から見て磁化方向制御層４０の方が第２磁化ハード層６０よりも遠くに位置しており、更に、磁化方向制御層４０の厚さｔ２は第２磁化ハード層６０の厚さｔ１よりも小さいからである。
【００５４】
図９に示されるように、第１磁化ハード層３０の磁化方向は＋Ｚ方向であり、その第１磁化ハード層３０との磁気的結合により、第１磁化固定領域１１１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定される。また、第２磁化ハード層６０の磁化方向は−Ｚ方向であり、その第２磁化ハード層６０との磁気的結合により、第２磁化固定領域１１２の磁化方向は−Ｚ方向に固定される。磁化反転領域１１３の磁化方向は＋Ｚ方向である。従って、第２磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３との間の第２境界Ｂ２に、１つの磁壁ＤＷが形成される。すなわち、磁壁移動層１１０に１つの磁壁ＤＷが正常に導入され、磁壁移動素子はデータ“０”の状態（図５参照）に初期化される。
【００５５】
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、１回の外部磁界ＨＥの印加だけで、初期化処理を実現することができる。従来技術のような２ステップの外部磁界印加は不要である。従って、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層１１０として用いる場合であっても、恒久磁壁の発生等の不具合が抑制される。すなわち、本実施の形態に係る初期化技術は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層１１０として用いる場合に極めて有効である。
【００５６】
尚、初期化処理は、外部磁界印加装置を用いて行われる。磁界の面内均一性が確保された装置であれば、磁壁移動素子をひとつずつ初期化する必要は無く、磁気メモリセルアレイ全体、ウェハ全体、バッチ式の装置であれば複数枚のウェハに存在する多くの磁壁移動素子を一度の処理で同時に初期化することも可能である。また、外部磁界ＨＥの上限は存在しない。すなわち、初期化処理におけるプロセスマージンは極めて広い。そのため、外部磁界印加装置の磁界強度の面内均一性が悪い場合であっても、何も問題とはならない。
【００５７】
２−３．実験例
図１０は、実験に用いられたサンプルの膜構成を示している。シリコン基板上に、下地層及び磁化方向制御層４０が、この順番でスパッタリングにより成膜された。下地層は、Ｔａ膜（５ｎｍ）とＰｔ膜（５ｎｍ）の積層膜である。磁化方向制御層４０は、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）の積層膜である。ここまでのスパッタリング成膜では、Ｘｅガスがプロセスガスとして用いられた。
【００５８】
続いて、非磁性層５０、第２磁化ハード層６０、下地層１００、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０、及びキャップ層が、この順番でスパッタリングにより成膜された。非磁性層５０は、Ｒｕ膜（０．９５ｎｍ）である。第２磁化ハード層６０は、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）の積層膜である。下地層１００は、Ｔａ膜（０．４ｎｍ）である。磁壁移動層１１０は、ＣｏＦｅＢ膜（１ｎｍ）である。トンネルバリア層１２０は、ＭｇＯ膜（１．４ｎｍ）である。キャップ層は、Ｔａ（５ｎｍ）である。ここでのスパッタリング成膜では、Ａｒガスがプロセスガスとして用いられた。
【００５９】
このように、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０とで、成膜時のプロセスガス種を異ならせた。これにより、同じ材料であっても、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０とで垂直磁気異方性の強さを変えることができる。具体的には、磁化方向制御層４０の垂直磁気異方性は、第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性よりも強くなる。また、このサンプルにおいて、磁化方向制御層４０の膜厚は、第２磁化ハード層６０の膜厚よりも小さくなっている。
【００６０】
成膜後、真空雰囲気中でサンプルに対して熱処理（ＰＤＡ；Ｐｏｓｔ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）が実施された。温度は３５０℃であり、処理時間は２時間であった。尚、磁壁移動層（ＣｏＦｅＢ膜）１１０の反転核生成磁界Ｈｎは６６０Ｏｅであり、第２磁化ハード層６０の飽和磁化Ｍｓは０．５８２［Ｔ］であった。
【００６１】
このようにして得られたサンプルの膜特性が、試料振動型磁力計（ＶＳＭ；Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  Ｓａｍｐｌｅ  Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）によって測定された。図１１は、その測定結果を示している。図１１において、横軸は、サンプルに印加されている＋Ｚ方向の外部磁界ＨＥの強さを表し、縦軸は、サンプル全体の＋Ｚ方向の磁気モーメントを表している。
【００６２】
最初、＋Ｚ方向に８０００Ｏｅの外部磁界ＨＥが印加された。その結果、磁化方向制御層４０、第２磁化ハード層６０及び磁壁移動層１１０の全ての磁化方向が＋Ｚ方向に向き、磁気モーメントは正値を取る。その後、外部磁界ＨＥの強さが徐々に弱められた。外部磁界ＨＥがある程度まで弱くなると、磁気モーメントが急激に減少し、負値を取ることが分かる。これは、第２磁化ハード層６０及び磁壁移動層１１０の磁化方向が、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に反転したことを意味する（Ｆ２の部分）。外部磁界ＨＥが０となったとき、磁化方向制御層４０は＋Ｚ方向であり、第２磁化ハード層６０と磁壁移動層１１０の磁化方向は−Ｚ方向である。これは、本実施の形態の初期化処理が成功していることを意味する。
【００６３】
尚、外部磁界ＨＥを−Ｚ方向に強めていくと、磁気モーメントの負値がもう一段階大きくなることが分かる。これは、−Ｚ方向の外部磁界ＨＥの印加により、磁化方向制御層４０の磁化方向も、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に反転したことを意味する（Ｆ１の部分）。
【００６４】
２−４．ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界Ｈｎについて
次に、ＣｏＦｅＢ膜（磁壁移動層）１１０の反転核生成磁界Ｈｎについて考察する。反転核生成磁界Ｈｎとは、磁化反転核の生成に必要な磁界のことである。従って、反転核生成磁界Ｈｎが大き過ぎると、初期化処理において、図９で示されたようなＣｏＦｅＢ膜１１０（第２磁化固定領域１１２）の磁化反転が起こらなくなる。これは、初期化処理の失敗を意味する。従って、初期化処理の観点から、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎの「上限値」が規定され得る。
【００６５】
一方、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎが小さ過ぎると、所望でない位置でも容易に磁化反転が起こってしまう。このことは、ＣｏＦｅＢ膜１１０中の恒久磁壁の発生を引き起こす。恒久磁壁の発生も初期化処理の失敗を意味する。従って、恒久磁壁の発生防止の観点から、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎの「下限値」が規定され得る。
【００６６】
そのような上限値及び下限値を規定するため、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０の積層フェリ構造からＣｏＦｅＢ膜１１０にかかる漏洩磁界の空間分布が数値計算により求められた。そして、得られた漏洩磁界の空間分布に基づいて、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎ［Ｏｅ］の上限値及び下限値が算出された。この数値計算において、ＣｏＦｅＢ膜１１０の膜厚は１ｎｍに、下地層１００（Ｔａ膜）の膜厚は１ｎｍに、非磁性層５０（Ｒｕ膜）の膜厚は１ｎｍにそれぞれ設定された。第２磁化ハード層６０の膜厚ｔ１［ｎｍ］は、５ｎｍ、７ｎｍ及び１０ｎｍの３パターンに設定された。また、各パターンにおいて、第２磁化ハード層６０と磁化方向制御層４０との膜厚差Δｔ（＝ｔ１−ｔ２）［ｎｍ］が様々に設定された。また、第２磁化ハード層６０の飽和磁化Ｍｓ［Ｔ］は、０．５Ｔに設定された。
【００６７】
図１２Ａは、計算結果を示している。横軸は膜厚差Δｔ［ｎｍ］を表し、縦軸は漏洩磁界［Ｏｅ］を表している。また、グラフ中の丸印と三角印は、それぞれ、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎの上限値と下限値を表している。また、ｔ１＝５ｎｍ、７ｎｍ、１０ｎｍの３パターンのそれぞれについて、計算結果が示されている。図１２Ａに示されるように、膜厚差Δｔが大きくなるほど、反転核生成磁界Ｈｎの上限値は増加する、すなわち、マージンが増える。一方、反転核生成磁界Ｈｎの下限値は、膜厚差Δｔに依らずあまり変動しない。
【００６８】
図１２Ｂは、図１２Ａで示された計算結果を、規格化された座標系で示している。横軸は、ｔ１で規格化されている。縦軸は、“Ｍｓ（５００ｌｎ（ｔ１）＋６２）”で規格化されている。このような規格化により、ｔ１＝５ｎｍ、７ｎｍ、１０ｎｍの３パターンのそれぞれの計算結果（特に上限値）がグラフ上で重なることが分かる。よって、反転核生成磁界Ｈｎに要求される条件を規定しやすくなる。具体的には、規格化された反転核生成磁界（＝Ｈｎ／（Ｍｓ（５００ｌｎ（ｔ１）＋６２）））が、図１２Ｂ中の上限値と下限値で挟まれた範囲にあることが望ましい。その範囲は、近似的に、図１２Ｂ中の斜線領域で表される。規格化された反転核生成磁界が斜線領域にあることは、次のような関係式で表される。
【００６９】
【数３】
2014036146.tif 000005
【００７０】
上記関係式が成り立つ場合に、本実施の形態に係る初期化処理が失敗せずに正常に実施され、好適である。
【００７１】
３．製造方法
図１３Ａ〜図１３Ｉは、本実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。図１３Ａ〜図１３Ｉを参照して、本実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法の一例を説明する。
【００７２】
まず、図１３Ａに示されるように、絶縁膜１０中の所定の端子位置にビア２０が形成される。ビア２０は、基板上に形成されたトランジスタ（図示されない）等に接続されている。更に、絶縁膜１０及びビア２０を覆うように、第１磁化ハード層３０が堆積される。第１磁化ハード層３０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、第１磁化ハード層３０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜であり、スパッタリングにより成膜される。
【００７３】
次に、図１３Ｂに示されるように、第１磁化ハード層３０のパターニングが行われる。パターニングは、フォトリソグラフィや電子線リソグラフィなどのリソグラフィ技術、及びイオンミリングやＲＩＥなどのエッチング技術を用いることにより行われる。パターニング後の第１磁化ハード層３０は、一方のビア２０と電気的に接続されている。
【００７４】
次に、図１３Ｃに示されるように、磁化方向制御層４０、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０が、この順番で堆積される。
【００７５】
磁化方向制御層４０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、磁化方向制御層４０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。
【００７６】
非磁性層５０は、例えば、Ｒｕ層である。
【００７７】
第２磁化ハード層６０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、第２磁化ハード層６０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。
【００７８】
磁化方向制御層４０、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０は、スパッタリングにより、連続的に成膜される。ここで、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０のそれぞれの成膜時に異なるプロセスガス種を用いることにより、同じ材料であっても垂直磁気異方性の強さを変えることができる。例えば、磁化方向制御層４０の成膜時にはＸｅガスをプロセスガスとして用い、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０の成膜時にはＡｒガスをプロセスガスとして用いることが好適である。これにより、磁化方向制御層４０の垂直磁気異方性は、第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性よりも強くなる。
【００７９】
また、磁化方向制御層４０の厚さｔ２は、第２磁化ハード層６０の厚さｔ１よりも小さくなるように形成される。例えば、第２磁化ハード層６０の厚さｔ１は５〜１０ｎｍであり、磁化方向制御層４０の厚さｔ２はそれより小さい。また、膜厚ｔ１［ｎｍ］、膜厚差Δｔ（＝ｔ１−ｔ２）［ｎｍ］に関して、上記の関係式が成り立つように設計が行われる。
【００８０】
非磁性層５０は、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０との間に介在している。非磁性層５０の膜厚は、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０とが反強磁性的に結合するように設計される。例えば、２ｎｄＡＦＣピークを利用する場合、非磁性層（Ｒｕ層）５０の膜厚は、０．８〜１．０ｎｍ程度に設定される。１ｓｔＡＦＣピークを利用する場合、非磁性層（Ｒｕ層）５０の膜厚は、０．３〜０．５ｎｍ程度に設定される。
【００８１】
次に、図１３Ｄに示されるように、磁化方向制御層４０、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０の積層構造のパターニングが行われる。パターニング後の積層構造は、他方のビア２０と電気的に接続されている。
【００８２】
次に、図１３Ｅに示されるように、全面に層間絶縁膜７０が堆積される。層間絶縁膜７０は、ＳｉＮ膜あるいはＳｉＯ２膜である。
【００８３】
次に、図１３Ｆに示されるように、第１磁化ハード層３０及び第２磁化ハード層６０の上面が露出するまで、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が行われる。
【００８４】
次に、図１３Ｇに示されるように、下地層１００、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０が、この順番で堆積される。
【００８５】
下地層１００は、非磁性層である。この下地層１００は、磁壁移動層（ＣｏＦｅＢ膜）１１０に垂直磁気異方性を付与するような材料で形成される。例えば、下地層１００の材料はＴａである。そのＴａ膜の膜厚は、典型的には、０．４〜３ｎｍである。
【００８６】
磁壁移動層１１０は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜である。そのＣｏＦｅＢ膜の膜厚は、典型的には、１〜１．２ｎｍ程度である。
【００８７】
トンネルバリア層１２０は、例えば、ＭｇＯ膜である。ＭｇＯ膜は、酸化物ターゲットをＲＦスパッタリングにより直接的に堆積させる方法で形成されてもよい。あるいは、ＭｇＯ膜は、ＤＣスパッタにより金属Ｍｇを堆積した後にラジカル酸化などの表面処理を行う方法で形成されてもよい。
【００８８】
リファレンス層１３０は、垂直磁気異方性を有する磁性体層である。例えば、リファレンス層１３０は、強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層フェリ膜である。そのような積層フェリ膜において、強磁性層としてはＣｏ／Ｐｔ積層膜、非磁性層としてはＲｕ膜が例示される。
【００８９】
ここで、膜質向上のため、成膜後の熱処理（ＰＤＡ）が実施されてもよい。
【００９０】
次に、図１３Ｈに示されるように、下地層１００、磁壁移動層１１０及びトンネルバリア層１２０の積層構造のパターニングが行われる。パターニング後の積層構造は、第１磁化ハード層３０及び第２磁化ハード層６０の上面と接触している。磁壁移動層１１０のうち、下地層１００を挟んで第１磁化ハード層３０と対向する領域が、第１磁化固定領域１１１である。第１磁化ハード層３０と第１磁化固定領域１１１は、下地層１００を介して磁気的に結合する。また、磁壁移動層１１０のうち、下地層１００を挟んで第２磁化ハード層６０と対向する領域が、第２磁化固定領域１１２である。第２磁化ハード層６０と第２磁化固定領域１１２は、下地層１００を介して磁気的に結合する。また、第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２との間に挟まれた領域が、磁化反転領域１１３である。
【００９１】
更に、全面に層間絶縁膜１４０が堆積される。層間絶縁膜１４０は、ＳｉＮ膜あるいはＳｉＯ２膜である。更に、ＣＭＰにより層間絶縁膜１４０の平坦化が行われる。
【００９２】
次に、図１３Ｉに示されるように、リファレンス層１３０のパターニングが行われる。このパターニング時、下層の磁壁移動層１１０を保護するために、トンネルバリア層１２０の上面にてエッチングをストップすることが好適である。パターニング後のリファレンス層１３０は、トンネルバリア層１２０を挟んで磁壁移動層１１０の磁化反転領域１１３と対向している。
【００９３】
更に、全面に層間絶縁膜１５０が堆積される。層間絶縁膜１５０は、ＳｉＮ膜あるいはＳｉＯ２膜である。更に、ＣＭＰにより層間絶縁膜１５０の平坦化が行われる。その後、リファレンス層１３０につながる端子等が形成される。
【００９４】
このようにして、図７で示されたような磁壁移動素子が製造される。その後、図８及び図９で示されたような初期化処理が実施される。この初期化処理によって、各磁性体の磁化方向が初期設定され、磁壁移動層１１０には１つの磁壁ＤＷが導入される。これにより、磁壁移動素子が使用可能となる。
【００９５】
４．回路構成例
図１４は、本実施の形態に係る磁壁移動素子を用いたメモリセルＭＣの構成を示している。メモリセルＭＣは、磁壁移動素子、第１選択トランジスタＴＲａ及び第２選択トランジスタＴＲｂを備えている。
【００９６】
第１選択トランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方は、第１ビット線ＢＬａに接続されており、その他方は、磁壁移動素子の第１磁化ハード層３０に接続されている。第２選択トランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方は、第２ビット線ＢＬｂに接続されており、その他方は、磁壁移動素子の磁化方向制御層４０に接続されている。第１選択トランジスタＴＲａと第２選択トランジスタＴＲｂのゲートは共にワード線ＷＬに接続されている。磁壁移動素子のリファレンス層１３０は、グランド線ＧＬに接続されている。
【００９７】
図１４に示される構成において、第１磁化ハード層３０は、磁壁移動層１１０の第１磁化固定領域１１１に対して電流を供給するための「第１電流供給端子」として機能する。また、磁化方向制御層４０、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０の積層構造は、磁壁移動層１１０の第２磁化固定領域１１２に対して電流を供給するための「第２電流供給端子」として機能する。
【００９８】
データ書き込み時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定される。これにより、第１選択トランジスタＴＲａと第２選択トランジスタＴＲｂの両方がＯＮする。データ“１”の書き込み時（図５参照）、第１ビット線ＢＬａがＨｉｇｈレベルに設定され、第２ビット線ＢＬｂがＬｏｗレベル（グランドレベル）に設定される。これにより、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１ビット線ＢＬａから、第１選択トランジスタＴＲａ、第１電流供給端子、磁壁移動層１１０、第２電流供給端子、及び第２選択トランジスタＴＲｂを通して、第２ビット線ＢＬｂに流れる。一方、データ“０”の書き込み時（図５参照）、第１ビット線ＢＬａがＬｏｗレベルに設定され、第２ビット線ＢＬｂがＨｉｇｈレベルに設定される。これにより、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２ビット線ＢＬｂから、第２選択トランジスタＴＲｂ、第２電流供給端子、磁壁移動層１１０、第１電流供給端子、及び第１選択トランジスタＴＲａを通して、第１ビット線ＢＬａに流れる。
【００９９】
データ読み出し時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定される。これにより、第１選択トランジスタＴＲａと第２選択トランジスタＴＲｂの両方がＯＮする。第１ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、第２ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流ＩＲが、第２ビット線ＢＬｂから、第２選択トランジスタＴＲｂ、第２電流供給端子、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０を通して、グランド線ＧＬに流れる。
【０１００】
図１５は、図１４で示されたメモリセルＭＣを用いた磁気メモリ（半導体装置）の回路構成を示すブロック図である。磁気メモリは、メモリセルアレイ１７０、Ｘセレクタ１７１、Ｙセレクタ−電源回路１７２、及びＹ電流源回路１７３を備えている。メモリセルアレイ１７０は、アレイ状に配置された複数のメモリセルＭＣを備えている。
【０１０１】
Ｘセレクタ１７１は、ワード線ＷＬに接続されている。データ書き込み及びデータ読み出し時、Ｘセレクタ１７１は、対象メモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬを選択し、選択ワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルに設定する。それにより、対象メモリセルＭＣの第１選択トランジスタＴＲａと第２選択トランジスタＴＲｂの両方がＯＮする。
【０１０２】
Ｙセレクタ−電源回路１７２は、第２ビット線ＢＬｂに接続されている。データ書き込み時、Ｙセレクタ−電源回路１７２は、対象メモリセルＭＣに接続された第２ビット線ＢＬｂを選択し、選択第２ビット線ＢＬｂをＨｉｇｈレベルあるいはＬｏｗレベルに設定する。データ読み出し時、Ｙセレクタ−電源回路１７２は、対象メモリセルＭＣに接続された第２ビット線ＢＬｂを選択し、選択第２ビット線ＢＬｂをＨｉｇｈレベルに設定する。
【０１０３】
Ｙ電流源回路１７３は、第１ビット線ＢＬａに接続されている。データ書き込み時、Ｙ電流源回路１７３は、対象メモリセルＭＣに接続された第１ビット線ＢＬａを選択し、選択第１ビット線ＢＬａをＬｏｗレベルあるいはＨｉｇｈレベルに設定する。データ読み出し時、Ｙ電流源回路１７３は、第１ビット線ＢＬａをオープン状態に設定する。
【０１０４】
このようにして、対象メモリセルＭＣに対するデータ書き込み及びデータ読み出しが実現される。
【０１０５】
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】
【０１０６】
１０    絶縁膜
２０    ビア
３０    第１磁化ハード層
４０    磁化方向制御層
５０    非磁性層
６０    第２磁化ハード層
７０    層間絶縁膜
１００    下地層
１１０    磁壁移動層、ＣｏＦｅＢ膜
１１１    第１磁化固定領域
１１２    第２磁化固定領域
１１３    磁化反転領域
１２０    トンネルバリア層
１３０    リファレンス層
１４０    層間絶縁膜
１５０    層間絶縁膜
１７０    メモリセルアレイ
１７１    Ｘセレクタ
１７２    Ｙセレクタ−電源回路
１７３    Ｙ電流源回路
Ｂ１    第１境界
Ｂ２    第２境界
ＩＷ１    第１書き込み電流
ＩＷ２    第２書き込み電流
ＩＲ    読み出し電流
ＨＥ    外部磁界
ＭＣ    メモリセル
ＷＬ    ワード線
ＧＬ    グランド線
ＢＬａ  第１ビット線
ＢＬｂ  第２ビット線
ＴＲａ  第１選択トランジスタ
ＴＲｂ  第２選択トランジスタ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１３Ｈ】
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【図１３Ｉ】
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【図１４】
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【図１５】
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