(57)【要約】【課題】書き込み電流の低減と微細化に適したＭＴＪ素子の形状を提案する。【解決手段】本発明の例に関わるＭＴＪ素子は、磁化方向が固定される第１強磁性層と磁化方向が磁場に応じて変化する第２強磁性層とを備える。第２強磁性層は、長軸方向を持つ本体部１１ａと、本体部１１ａから長軸とは異なる方向に突出する１つの突出部１１ｂとから構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定される第１強磁性層と磁化方向が印加される磁場に応じて変化する第２強磁性層とを具備し、前記第２強磁性層は、長軸方向を持つ本体部と、前記本体部から前記長軸方向とは異なる方向に突出する１つの突出部とから構成されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記長軸方向は、前記第１強磁性層の磁化方向と異なることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
磁化方向が固定される第１強磁性層と磁化方向が印加される磁場に応じて変化する第２強磁性層とからなるアレイ状に配置される複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みに用いる１本以上の書き込み線とを具備し、前記第２強磁性層は、長軸方向を持つ本体部と、前記本体部から前記長軸方向とは異なる方向に突出する１つの突出部とから構成され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】
前記複数の磁気抵抗効果素子のうち列方向に隣接する２つの磁気抵抗効果素子は、点対称又は線対称に配置されることを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項５】
前記長軸方向は、前記１本以上の書き込み線が延びる方向と異なることを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: magnetic random access memory)の記憶素子として使用される磁気抵抗効果素子(magnetoresistive element)の形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリは、磁気抵抗効果を利用するメモリデバイスであり、不揮発でありながら、高速性、高集積性、高信頼性という特徴を併せ持つため、ＤＲＡＭやＥＥＰＲＯＭなどのあらゆるメモリデバイスに取って代わるものとして注目されている（例えば、非特許文献１，２参照）。
【０００３】
磁気ランダムアクセスメモリの記憶素子としては、例えば、トンネル磁気抵抗効果(TMR: tunnel magnetoresistive effect)を用いるＭＴＪ(magnetic tunnel junction）素子が知られている。
【０００４】
ＭＴＪ素子は、例えば、２つの強磁性層と、これらの間に配置される絶縁層（トンネルバリア）とから構成される。２つの強磁性層のうちの一つは、磁化方向が固定されるピン層(pinned layer)であり、他の一つは、磁化方向が磁場に応じて変化するフリー層(free layer)である。
【０００５】
ピン層とフリー層の磁化方向が同じになったとき、ＭＴＪ素子の磁気抵抗値は最も低くなる。この状態を平行(parallel)とし、例えば、“０”に対応させる。また、ピン層とフリー層の磁化方向が逆になったとき、ＭＴＪ素子の磁気抵抗値は最も高くなる。この状態を反平行(anti-parallel)とし、例えば、“１”に対応させる。
【０００６】
このようなＭＴＪ素子の磁化状態は、例えば、磁場をＭＴＪ素子のフリー層に与え、フリー層の磁化方向を反転させることにより決定する。この場合、磁場は、書き込み線に書き込み電流を流すことにより発生させる。
【０００７】
しかし、現状では、フリー層の磁化方向を反転させるために必要な磁場が大きく、その磁場を発生させるための書き込み電流の値は、数ｍＡ〜数１０ｍＡ程度となる。この値は、磁気ランダムアクセスメモリの実用化に当たっては、大き過ぎる値であり、このため、書き込み電流の低電流化が重要課題となっている。
【０００８】
熱安定性やディスターブ耐性を劣化させずに書き込み電流の低電流化を実現するには、ＭＴＪ素子のアステロイド曲線(asteroid curve)を凹ませればよい。そのための技術として、ＭＴＪ素子の形状によりその磁化パターンを制御する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
この技術によれば、アステロイド曲線を凹ますことができるＭＴＪ素子の形状（例えば、十字形など）が提案されるが、その形状が複雑であるために微細化が困難であり、高集積化に向かないという問題がある。
【特許文献１】特開２００４−１２８０６７号公報
【非特許文献１】IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.38, No.5, May 2003, pp.769-773
【非特許文献２】2004 Symposium on VLSI Circuits予稿集pp.217-220
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、アステロイド曲線を凹ませることができ、かつ、微細化にも向いている磁気抵抗効果素子の形状を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定される第１強磁性層と磁化方向が印加される磁場に応じて変化する第２強磁性層とを備え、前記第２強磁性層は、長軸方向を持つ本体部と、前記本体部から前記長軸方向とは異なる方向に突出する１つの突出部とから構成される。
【００１２】
本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が固定される第１強磁性層と磁化方向が印加される磁場に応じて変化する第２強磁性層とからなるアレイ状に配置される複数の磁気抵抗効果素子と、前記複数の磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込みに用いる複数の書き込み線とを備え、前記第２強磁性層は、長軸方向を持つ本体部と、前記本体部から前記長軸方向とは異なる方向に突出する１つの突出部とから構成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の例によれば、アステロイド曲線を凹ませることができ、かつ、微細化にも向いている磁気抵抗効果素子の形状を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１５】
１．  概要  
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の形状の特徴は、磁場に応じて磁化方向が変化するフリー層が、長軸方向を持つ本体部と、本体部から長軸方向とは異なる方向に突出する１つの突出部とから構成される点にある。
【００１６】
ここで、長軸とは、本体部の中心を通る中心線で長いものをいい、長軸方向とは、長軸に平行方向である。また、短軸方向とは、長軸方向に直交するものをいう。
【００１７】
フリー層の形状により磁気異方性の方向を決定する場合（このような磁気異方性を形状磁気異方性と称する）には、フリー層の本体部の磁気異方性の方向は、長軸方向に一致する。
【００１８】
本体部は、例えば、長辺が長軸方向に平行である長方形とすることにより、長軸方向に磁気異方性（形状磁気異方性）を持たせることができる。この場合、本体部の残留磁化の向きを決定する磁化容易軸方向は、長軸方向となり、磁化困難軸方向は、短軸方向となる。
【００１９】
また、突出部は、例えば、長辺が長軸方向とは異なる方向に平行である長方形とすることにより、長軸方向とは異なる方向に磁気異方性（形状磁気異方性）を持たせることができる。この場合、突出部の残留磁化の向きを決定する磁化容易軸方向は、長軸方向とは異なる方向となる。
【００２０】
尚、磁気異方性とは、磁化の向き易い方向を示す概念のことであり、材料の種類や組成、結晶軸の方向（作り方）、形状などにより制御することができる。
【００２１】
本発明の例では、本体部から突出する突出部は１つのみである。突出部は、本体部の磁化反転をアシストする役割を果たす。そのために、例えば、本体部とピン層との磁気異方性を同じ方向に設定し、突出部の磁気異方性をピン層のそれとは異なる方向に設定する。また、突出部のサイズは、本体部のサイズよりも小さくする。
【００２２】
この場合、突出部の磁化反転に必要なエネルギーは、本体部の磁化反転に必要なエネルギーよりも小さくなる。
【００２３】
従って、データ書き込み時に、磁気抵抗効果素子に磁場を与えると、まず、突出部の磁化反転が進行し、これが牽引役となり、本体部の磁化反転も、突出部の磁化反転に追従して進行する。
【００２４】
このように、突出部が本体部の磁化反転をアシストするため、結果的に、磁気抵抗効果素子のアステロイド曲線を凹ませることができる。
【００２５】
その結果、熱安定性やディスターブ耐性を劣化させることなく、本体部の磁化反転に必要なスイッチング磁場のみを小さくできる。つまり、磁化反転に必要とされる書き込み電流の値を低減できる。
【００２６】
ところで、本発明の例では、フリー層は、本体部と１つの突出部とから構成される。突出部は、例えば、図１に示すように、フリー層の形状が長軸に対して非対称となるように、本体部に結合される。このような形状としては、例えば、Ｌ字形、Ｔ字形などが考えられる。
【００２７】
このような単純な形状とすることにより、例えば、十字形のような複雑な形状に比べて磁気抵抗効果素子の微細化を図ることができ、高集積化によるメモリ容量の増大を達成できる。
【００２８】
尚、本発明の例の形状によれば、ＭＲ比は、本体部の残留磁化の向きに大きく依存し、突出部の残留磁化の向きには大きく依存しない。
【００２９】
２．  実施の形態  
次に、最良と思われるいくつかの実施の形態について説明する。
【００３０】
(1)   第１実施の形態  
図２は、第１実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示している。
【００３１】
フリー層は、本体部(main body)１１ａと突出部(jut)１１ｂから構成される。
【００３２】
本体部１１ａは、Ｘ方向（長軸方向）に磁気異方性を有する。ここでは、本体部１１ａは、長辺がＸ、短辺がＹ（＞Ｘ）の長方形を有しており、形状により磁気異方性が設定される。本体部１１ａの磁気異方性の方向は、ピン層の磁化方向と同じである。但し、本体部１１ａの磁化方向は、磁場により変化させることができ、その残留磁化の磁化方向は、ピン層の磁化方向と同じ（平行）、又は、逆（反平行）となる。
【００３３】
突出部１１ｂは、Ｘ方向とは異なる方向、本例では、Ｘ方向に直交するＹ方向（短軸方向）に磁気異方性を有する。ここでは、突出部１１ｂは、長辺がＹＹ、短辺がＸＸ（＞ＹＹ）の長方形を有しており、形状により磁気異方性が設定される。突出部１１ｂの磁気異方性の方向は、ピン層の磁化方向と異なる。このため、突出部１１ｂの磁化反転に必要なエネルギーは、本体部１１ａの磁化反転に必要なエネルギーよりも小さい。
【００３４】
突出部１１ｂは、本体部１１ａに物理的に結合される。本例では、突出部１１ｂは、本体部（長方形）１１ａの長辺から突出した形となる。
【００３５】
フリー層は、全体としては、Ｌ字形を有する。  
但し、突出部１１ｂのサイズは、本体部１１ａのサイズよりも小さく、フリー層全体の形状としては、長軸に対して非対称となる。
【００３６】
具体的には、突出部（長方形）１１ｂの長辺（長さの最大値）ＹＹは、本体部（長方形）１１ａの長辺（長さの最大値）Ｘよりも小さく、突出部１１ｂの短辺（幅の最大値）ＸＸは、本体部１１ａの短辺（幅の最大値）Ｙよりも小さい。
【００３７】
このような磁気抵抗効果素子に磁化反転のための磁場を与えると、まず、突出部１１ｂの磁化反転が進行し、これに追従して、本体部１１ａの磁化反転も進行する。
【００３８】
例えば、図３の状態１に示すように、データ“１”を記憶しているときの本体部の磁化方向（残留磁化の向き）を右向きとする。この時、突出部の磁化方向は、上向きとなる。フリー層全体としての磁化方向は、フリー層の形状（Ｌ字形）に沿った形なる。
【００３９】
この状態から磁化反転を行い、磁気抵抗効果素子にデータ“０”を書き込もうとする場合、図３の状態３に示すように、例えば、磁気抵抗効果素子に合成磁場Ｈｗｌ＋Ｈｂｌを与える。
【００４０】
ここで、Ｈｗｌは、ワード線ＷＬに流れる書き込み電流により発生する磁場であり、Ｈｂｌは、ワード線ＷＬに交差するビット線ＢＬに流れる書き込み電流により発生する磁場である。
【００４１】
この場合、まず、突出部の磁化反転が進行し、これが牽引役となり、本体部の磁化反転も、突出部の磁化反転に追従して進行する。このように、突出部の磁化状態が本体部の磁化反転をアシストするために、フリー層全体の磁化反転が起こり易くなり、その結果、アステロイド曲線が凹む（状態３）。
【００４２】
また、図３の状態３に示すように、データ“０”を記憶しているときの本体部の磁化方向（残留磁化の向き）は、左向きとなり、突出部の磁化方向は、下向きとなる。フリー層全体としての磁化方向は、フリー層の形状（Ｌ字形）に沿った形なる。
【００４３】
この状態から磁化反転を行い、磁気抵抗効果素子にデータ“１”を書き込もうとする場合、図３の状態１に示すように、例えば、磁気抵抗効果素子に合成磁場Ｈｗｌ＋Ｈｂｌを与える。
【００４４】
この場合、まず、突出部の磁化反転が進行し、これが牽引役となり、本体部の磁化反転も、突出部の磁化反転に追従して進行する。このように、突出部の磁化状態が本体部の磁化反転をアシストするために、フリー層全体の磁化反転が起こり易くなり、その結果、アステロイド曲線が凹む（状態１）。
【００４５】
尚、図３の状態２，４では、本体部と突出部との間に磁壁が発生しており、フリー層全体としての磁化方向がフリー層の形状に沿った形となっていない。
【００４６】
この場合、突出部の磁化状態が本体部の磁化反転を妨げ、フリー層全体としての磁化反転が起こり難い状態になり、アステロイド曲線が凹まない。
【００４７】
従って、本発明の例では、図３の状態１，３を使用するように、磁気抵抗効果素子の磁化状態を制御する。
【００４８】
以上、第１実施の形態では、長軸に対して非対称のＬ字形磁気抵抗効果素子について説明したが、このような形状によれば、アステロイド曲線を凹ませ、書き込み電流の低減を図ることができると共に、微細化による磁気抵抗効果素子の高集積化にも貢献できる。
【００４９】
(2)   第２実施の形態  
図４は、第２実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示している。
【００５０】
この磁気抵抗効果素子は、第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の特徴を全て備えている。第２実施の形態の磁気抵抗効果素子が第１実施の形態の磁気抵抗効果素子と異なる点は、本体部１１ａと突出部１１ｂの角部及び両者の結合部が丸みを帯びている点にある。
【００５１】
通常、磁気抵抗効果素子は、フォトリソグラフィ技術により形成されたマスク材をマスクにして、エッチングにより形成される。しかし、磁気抵抗効果素子が微細化されてくると、このような角部や結合部の輪郭がぼやけ、丸みを帯びてくることが多い。つまり、設計上は、本体部１１ａ及び突出部１１ｂを四角形にしても、実際に形成される磁気抵抗効果素子については、本体部１１ａと突出部１１ｂの角部及び両者の結合部は、丸みを帯びることになる。
【００５２】
このような丸みは、エッジドメインによるＭＲ比の低下を防止するのに有効である。従って、フォトリソグラフィの解像度に関係なく、積極的に、本体部１１ａと突出部１１ｂの角部及び両者の結合部に丸みを付け、エッジドメインによるＭＲ比の低下を防止するようにしてもよい。
【００５３】
ここで、エッジドメインとは、エッジ部において磁化がエッジに沿った方向を向く現象のことである。エッジドメインは、ＭＲ比を低下させる原因になることが知られており、エッジドメインによるＭＲ比の低下の割合は、磁気抵抗効果素子の微細化が進むほど大きくなる。
【００５４】
従って、第２実施の形態のように、本体部１１ａと突出部１１ｂの角部及び両者の結合部に丸みを付けて、エッジドメインによるＭＲ比の低下を防ぐことは、磁気抵抗効果素子の高集積化を図る上で非常に有効である。
【００５５】
(3)   第３実施の形態  
図５乃至図８は、第３実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示している。
【００５６】
この磁気抵抗効果素子は、フリー層全体としての形状を除き、第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の特徴を全て備えている。第３実施の形態の磁気抵抗効果素子が第１実施の形態の磁気抵抗効果素子と異なる点は、突出部１１ｂの磁気異方性の方向が本体部１１ａの磁気異方性の方向に対して０°＜θ＜１８０°の範囲内で自由に設定できる、という点にある。
【００５７】
即ち、突出部１１ｂの磁気異方性は、本体部１１ａの磁気異方性の方向（Ｘ方向）に直交するＹ方向以外の方向に存在していてもよい。
【００５８】
例えば、図５の例では、突出部１１ｂの磁気異方性は、本体部１１ａの磁気異方性の方向に対して９０°未満の角度の方向に存在する。また、図６の例では、突出部１１ｂの磁気異方性は、本体部１１ａの磁気異方性の方向に対して９０°を超える角度の方向に存在する。
【００５９】
このような形状とすることにより、第１実施の形態により得られる効果に加えて、さらに、ＭＲ比を大きくし、読み出し信号量を増加させることができる、という効果が得られる。
【００６０】
尚、本体部１１ａの磁気異方性の方向と突出部１１ｂの磁気異方性の方向との角度θは、作り易さなどを考慮すると、３０°以上１５０°以下の範囲内にあることが望ましい。
【００６１】
また、図７及び図８に示すように、本体部１１ａと突出部１１ｂの角部及び両者の結合部に丸みを付加してもよい。
【００６２】
(4)   第４実施の形態  
図９及び図１０は、第４実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示している。
【００６３】
この磁気抵抗効果素子は、本体部１１ａの形状を除き、第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の特徴を全て備えている。第４実施の形態の磁気抵抗効果素子が第１実施の形態の磁気抵抗効果素子と異なる点は、本体部（長方形）１１ａの先端部がテーパ状となるように切り落とされた点にある。
【００６４】
本体部１１ａのテーパは、突出部１１ｂが結合される辺側に鋭角が形成されるように付加される。
【００６５】
このような形状とすることにより、第１実施の形態により得られる効果に加えて、さらに、エッジドメインを低減することができる、という効果を得ることができ、ＭＲ比の向上に寄与できる。
【００６６】
尚、図１０に示すように、本体部１１ａと突出部１１ｂの角部及び両者の結合部に丸みを付加してもよい。
【００６７】
(5)   第５実施の形態  
図１１乃至図１４は、第５実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示している。
【００６８】
この磁気抵抗効果素子は、フリー層全体としての形状を除き、第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の特徴を全て備えている。第５実施の形態の磁気抵抗効果素子が第１実施の形態の磁気抵抗効果素子と異なる点は、本体部１１ａと突出部１１ｂとの結合部が、本体部１１ａの長辺の端部ではなく、その端部よりも内側にある、という点にある。
【００６９】
即ち、第５実施の形態では、フリー層全体としての形状は、Ｌ字形というよりは、Ｔ字形に近くなっている。
【００７０】
例えば、図１１の例では、突出部１１ｂは、本体部１１ａの長辺の端部よりも少し内側に入った位置で、本体部１１ａに物理的に結合される。また、図１３の例では、突出部１１ｂは、本体部１１ａの長辺の中央又はほぼ中央で、本体部１１ａに物理的に結合される。
【００７１】
このような形状においても、第１実施の形態により得られる効果と同様の効果を得ることができる。
【００７２】
尚、図１２及び図１４に示すように、本体部１１ａと突出部１１ｂの角部及び両者の結合部に丸みを付加してもよい。
【００７３】
(6)   第６実施の形態  
第６実施の形態は、フリー層の形状とピン層の形状との関係に関する。
【００７４】
図１５乃至図１８は、第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の形状を示している。
【００７５】
フリー層(Free-Layer)の形状としては、上述の第１乃至第５実施の形態の例のいずれも採用できるが、ここでは、第１実施の形態のＬ字形を例に説明する。
【００７６】
ピン層(Pinned-Layer)は、四角形を有し、半導体基板上から平面的に見た場合に、フリー層を完全に覆っている。
【００７７】
ピン層の磁気異方性の方向は、フリー層の本体部の磁気異方性の方向と同じであり、Ｘ方向である。ピン層は、正方形に近い長方形を有しているため、形状磁気異方性が小さい。そこで、ピン層については、例えば、ピン層を構成する材料の結晶軸により磁気異方性を持たせる結晶軸磁気異方性が形状磁気異方性よりも大きくなるように構成する。
【００７８】
図１５及び図１６は、フリー層の形状とピン層の形状とが異なる例である。
【００７９】
下部電極(Bottom-Electrode)、ピン層(Pin-Layer, Pinned-Layer)及びトンネルバリア(Insulator)は、同一形状（四角形）を有している。
【００８０】
ピン層は、反強磁性層(Pin-Layer)と強磁性層(Pinned-Layer)とから構成される。ピン層を構成する強磁性層は、反強磁性層との交換結合力により、その磁化方向が固定される。
【００８１】
フリー層(Free-Layer)及び上部電極(Top-Electrode)は、同一形状（Ｌ字形）を有し、下部電極、ピン層及びトンネルバリアとは、異なる形状となる。
【００８２】
下部電極、ピン層及びトンネルバリアは、第１マスクを用いて、エッチングにより一度に加工され、フリー層及び上部電極は、第１マスクとは異なる第２マスクを用いて、エッチングにより一度に加工される。
【００８３】
尚、破線の矢印は、ピン層の磁化方向を示し、実線の矢印は、フリー層の磁化方向を示している。
【００８４】
図１７及び図１８は、フリー層の形状とピン層の形状とが同じ例である。
【００８５】
下部電極(Bottom-Electrode)は、四角形を有している。
【００８６】
ピン層(Pin-Layer, Pinned-Layer)、トンネルバリア(Insulator)、フリー層(Free-Layer)及び上部電極(Top-Electrode)は、同一形状（Ｌ字形）を有し、下部電極とは、異なる形状となる。
【００８７】
ピン層は、反強磁性層(Pin-Layer)と強磁性層(Pinned-Layer)とから構成される。ピン層を構成する強磁性層は、反強磁性層との交換結合力により、その磁化方向が固定される。
【００８８】
ピン層、トンネルバリア、フリー層及び上部電極は、第１マスクを用いて、エッチングにより一度に加工される。下部電極は、第１マスクとは異なる第２マスクを用いて、エッチングにより加工される。
【００８９】
尚、破線の矢印は、ピン層の磁化方向を示し、実線の矢印は、フリー層の磁化方向を示している。
【００９０】
(7)   第７実施の形態  
第７実施の形態は、フリー層の構造に関する。
【００９１】
図１９及び図２０は、第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子のフリー層の構造を示している。
【００９２】
フリー層(Free-Layer)は、１つの強磁性層から構成することもできるが、例えば、図１９に示すように、強磁性結合又は反強磁性結合する２つの強磁性層１２ａ，１２ｂから構成してもよい。このような構造にすると、アステロイド曲線が磁化困難軸方向に大きく伸びるため、熱安定性やディスターブ耐性を向上できる。
【００９３】
また、フリー層は、例えば、図２０に示すように、強磁性結合又は反強磁性結合する２つの強磁性層１２ａ，１２ｂとこれらの間に配置される絶縁層（非磁性層）１３とから構成することもできる。このような構造にしても、アステロイド曲線を磁化困難軸方向に大きく伸ばすことができ、熱安定性やディスターブ耐性を向上できる。
【００９４】
(8)   第８実施の形態  
図２１は、第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の形状を示している。
【００９５】
下部電極(Bottom-Electrode)、ピン層(Pin-Layer, Pinned-Layer)及びトンネルバリア(Insulator)は、四角形を有する。ピン層は、Ｘ方向に磁気異方性を有し、その磁化方向は、破線の矢印で示すように、右向きに固定されている。
【００９６】
フリー層(Free-Layer)及び上部電極(Top-Electrode)は、Ｌ字形を有する。フリー層は、本体部１１ａと突出部１１ｂから構成される。
【００９７】
本体部１１ａの磁気異方性の方向は、ピン層の磁気異方性の方向（Ｘ方向）とは異なる。本体部１１ａは、例えば、長方形を有し、形状により磁気異方性が設定される。本体部１１ａの磁化方向は、磁場により変化させることができ、その残留磁化の磁化方向は、実線の矢印で示すように、ピン層の磁化方向に近い方向（平行）、又は、ピン層の磁化方向に対して逆方向に近い方向（反平行）となる。
【００９８】
突出部１１ｂは、本体部１１ａの磁化方向とは異なる方向、本例では、本体部１１ａの磁化方向に直交する方向に磁気異方性を有する。突出部１１ｂの磁気異方性の方向も、ピン層の磁気異方性の方向（Ｘ方向）とは異なる。突出部１１ｂは、例えば、長方形を有し、形状により磁気異方性が設定される。突出部１１ｂの磁化反転に必要なエネルギーは、本体部１１ａの磁化反転に必要なエネルギーよりも小さい。
【００９９】
突出部１１ｂは、本体部１１ａに物理的に結合される。本例では、突出部１１ｂは、本体部（長方形）１１ａの長辺から突出した形となる。
【０１００】
フリー層は、全体としては、Ｌ字形を有する。  
但し、突出部１１ｂのサイズは、本体部１１ａのサイズよりも小さく、フリー層全体の形状としては、長軸に対して非対称となる。
【０１０１】
このような形状においても、アステロイド曲線を凹ませ、書き込み電流の低減を図ることができると共に、微細化による磁気抵抗効果素子の高集積化にも貢献できる。
【０１０２】
(9)   第９実施の形態  
図２２は、第９実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の形状を示している。
【０１０３】
下部電極(Bottom-Electrode)は、四角形を有する。
【０１０４】
ピン層(Pin-Layer, Pinned-Layer)、トンネルバリア(Insulator)、フリー層(Free-Layer)及び上部電極(Top-Electrode)は、Ｌ字形を有する。フリー層及びピン層は、本体部１１ａと突出部１１ｂから構成される。
【０１０５】
本体部１１ａは、例えば、長方形を有し、形状により磁気異方性が設定される。ピン層の本体部１１ａ及び突出部１１ｂの磁化方向は、破線の矢印で示すように、固定される。フリー層の本体部１１ａの磁化方向は、磁場により変化させることができ、その残留磁化の磁化方向は、実線の矢印で示すように、ピン層の磁化方向と同じ（平行）、又は、ピン層の磁化方向と逆（反平行）に設定される。
【０１０６】
フリー層の突出部１１ｂは、フリー層の本体部１１ａの磁化方向とは異なる方向、本例では、フリー層の本体部１１ａの磁化方向に直交する方向に磁気異方性を有する。フリー層の突出部１１ｂは、例えば、長方形を有し、形状により磁気異方性が設定される。
【０１０７】
フリー層の突出部１１ｂの磁化反転に必要なエネルギーは、フリー層の本体部１１ａの磁化反転に必要なエネルギーよりも小さい。
【０１０８】
突出部１１ｂは、本体部１１ａに物理的に結合される。本例では、突出部１１ｂは、本体部（長方形）１１ａの長辺から突出した形となる。
【０１０９】
フリー層及びピン層は、全体としては、Ｌ字形を有する。  
但し、突出部１１ｂのサイズは、本体部１１ａのサイズよりも小さく、フリー層全体の形状としては、長軸に対して非対称となる。
【０１１０】
このような形状においても、アステロイド曲線を凹ませ、書き込み電流の低減を図ることができると共に、微細化による磁気抵抗効果素子の高集積化にも貢献できる。
【０１１１】
(10)   第１０実施の形態  
第１０実施の形態は、上述の第１乃至第９実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【０１１２】
図２３は、第１０実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイの概要を示している。
【０１１３】
本例の磁気ランダムアクセスメモリは、１つの磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）に対して、交差する２つの書き込み線を用いてデータ書き込みを実行するいわゆる二軸書き込み方式を採用する。
【０１１４】
メモリセルアレイ(Memory Cell Array)は、アレイ状に配置される複数の磁気抵抗効果素子ＭＴＪから構成される。メモリセルアレイ内には、Ｘ方向に延びる複数のワード線ＷＬとＹ方向に延びる複数のビット線ＢＬが配置される。
【０１１５】
複数のワード線ＷＬの両端には、例えば、複数のワード線ドライバ／シンカー(WL Driver/Sinker)が接続され、複数のビット線ＢＬの両端には、複数のビット線ドライバ／シンカー(BL Driver/Sinker)が接続される。
【０１１６】
メモリセル構造としては、様々なタイプのものを適用できるが、以下に、代表的な構造のいくつかを示す。
【０１１７】
図２４に示すメモリセル構造は、２つの書き込み線、即ち、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交差部に１つの磁気抵抗効果素子ＭＴＪのみを配置するいわゆるクロスポイントタイプである。この構造によれば、選択素子を必要としないため、リソグラフィ技術により許される範囲内でＭＴＪ素子を最密に配置することができ、メモリ容量の増大に貢献できる。
【０１１８】
図２５に示すメモリセル構造は、１つの磁気抵抗効果素子ＭＴＪに１つの選択素子（ＭＯＳトランジスタ）ＲＳＴを接続するいわゆる 1Tr-1MTJ タイプである。この構造によれば、選択素子ＲＳＴにより、読み出し時のノイズを減らし、読み出し選択性を向上させることができる。
【０１１９】
図２６に示すメモリセル構造は、ｎ（ｎは、複数）個の磁気抵抗効果素子ＭＴＪに１つの選択素子（ＭＯＳトランジスタ）ＲＳＴを接続するいわゆる 1Tr-nMTJ タイプである。この構造によれば、読み出し選択性の向上と共に、クロスポイントタイプに近い高集積化を実現することができる。
【０１２０】
(11)   第１１実施の形態  
第１１実施の形態は、磁気抵抗効果素子と書き込み線との位置関係に関する。
【０１２１】
図２７乃至図３０は、第１１実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリの磁気抵抗効果素子と書き込み線との位置関係を示している。
【０１２２】
図２７の例では、ワード線（書き込み線）ＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪのフリー層の本体部の中央を通過する。本例では、ワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの直下に配置されるが、直上に配置されてもよい。また、ビット線（書き込み線）ＢＬも、磁気抵抗効果素子ＭＴＪのフリー層の本体部の中央を通過する。本例では、ビット線ＢＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの直上に配置されるが、直下に配置されてもよい。
【０１２３】
図２８の例では、ワード線（書き込み線）ＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪのフリー層の突出部の中央を通過する。このような位置関係にすることで、ワード線ＷＬを流れる書き込み電流により発生する磁場Ｈｗｌを効率的に突出部に与えることができる。
【０１２４】
尚、本例では、ビット線（書き込み線）ＢＬの位置については、特に限定されないため、ここでは省略する。ワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの直下に配置されるが、直上に配置されてもよい。
【０１２５】
図２９の例では、ビット線（書き込み線）ＢＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪのフリー層の突出部の中央を通過する。このような位置関係にすることで、ビット線ＢＬを流れる書き込み電流により発生する磁場Ｈｂｌを効率的に突出部に与えることができる。
【０１２６】
尚、本例では、ワード線（書き込み線）ＷＬの位置については、特に限定されないため、ここでは省略する。ビット線ＢＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの直上に配置されるが、直下に配置されてもよい。
【０１２７】
図３０の例では、ビット線（書き込み線）ＢＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪのフリー層の本体部の直下又は直上（フリー層の中央以外の部分を含む）を通過する。このような位置関係にすることで、ビット線ＢＬを流れる書き込み電流により発生する磁場Ｈｂｌを効率的に本体部に与えることができる。
【０１２８】
尚、本例では、ワード線（書き込み線）ＷＬの位置については、特に限定されないため、ここでは省略する。ビット線ＢＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの直上に配置されるが、直下に配置されてもよい。
【０１２９】
(12)   第１２実施の形態  
第１２実施の形態は、メモリセルアレイを構成する複数の磁気抵抗効果素子の向きに関する。
【０１３０】
図３１及び図３４は、第１２実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイの概要を示している。
【０１３１】
上述の第１０実施の形態に示すメモリセルアレイ（図２３）では、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、全て同じ方向を向いている。
【０１３２】
この場合、レイアウト的には単純となるが、特に、選択素子を用いるメモリセル構造（例えば、図２５や図２６に示すメモリセル構造）を採用する場合には、１つのメモリセル当たりの面積が大きくなる問題が発生する。
【０１３３】
そこで、特に、選択素子を用いるメモリセル構造を採用する場合には、第１２実施の形態のように、例えば、メモリセルアレイ(Memory Cell Array)を構成する複数の磁気抵抗効果素子のうち、Ｙ方向（列方向）に隣接する２つの磁気抵抗効果素子を点対称又は線対称に配置する。
【０１３４】
この場合、例えば、これら２つの磁気抵抗効果素子に対応する２つの選択素子（ＭＯＳトランジスタ）のドレイン領域を共有することができるため、１つのメモリセル当たりの面積を小さくし、高集積化を実現できる。
【０１３５】
(13)   第１３実施の形態  
第１３実施の形態は、トグル書き込み方式を採用する磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイに関する。
【０１３６】
図３５及び図３６は、第１３実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイの概要を示している。
【０１３７】
メモリセルアレイ(Memory Cell Array)は、アレイ状に配置される複数の磁気抵抗効果素子ＭＴＪから構成される。メモリセルアレイ内には、Ｘ方向に延びる複数のワード線ＷＬとＹ方向に延びる複数のビット線ＢＬが配置される。
【０１３８】
複数のワード線ＷＬの両端には、例えば、複数のワード線ドライバ／シンカー(WL Driver/Sinker)が接続され、複数のビット線ＢＬの両端には、複数のビット線ドライバ／シンカー(BL Driver/Sinker)が接続される。
【０１３９】
ここで、第１３実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリが上述の第１０実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリ（図２３）と異なる点は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの本体部の磁気異方性が、その磁気抵抗効果素子ＭＴＪの直下又は直上のワード線ＷＬ又はビット線ＢＬが延びる方向に対して４５°の角度の方向に設定されている、という点にある。
【０１４０】
この場合、書き込み選択性を確保しつつ書き込み電流の値を小さくできる、という利点を持つトグル書き込み方式の適用により、高性能な磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。
【０１４１】
(14)   第１４実施の形態  
図３７及び図３８は、第１４実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイの概要を示している。
【０１４２】
本例の磁気ランダムアクセスメモリは、１つの磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）に対して、１つの書き込み線を用いてデータ書き込みを実行するいわゆる一軸書き込み方式を採用する。
【０１４３】
メモリセルアレイ(Memory Cell Array)は、アレイ状に配置される複数の磁気抵抗効果素子ＭＴＪから構成される。メモリセルアレイ内には、Ｘ方向に延びる複数のビット線ＢＬが配置される。
【０１４４】
複数のビット線ＢＬの一端には、例えば、複数のビット線ドライバ(BL Driver)が接続される。複数のビット線ＢＬの各々には、複数のサブビット線ＳＢＬの一端が接続される。
【０１４５】
サブビット線ＳＢＬの直上又は直下には、磁気抵抗効果素子ＭＴＪが配置される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、その本体部の磁気異方性がサブビット線ＳＢＬが延びる方向に対して所定の角度（例えば、４５°）をなすように配置される。
【０１４６】
サブビット線ＳＢＬの他端は、選択素子（例えば、ＭＯＳトランジスタ）を経由して接地点に接続される。
【０１４７】
フリー層、ピン層及び下部電極のレイアウトは、図１５乃至図１８に示すように設定してもよいし、また、図２１及び図２２に示すように設定してもよい。
【０１４８】
第１４実施の形態に関わる一軸書き込み方式の磁気ランダムアクセスメモリよれば、１つの磁気抵抗効果素子ＭＴＪに対するデータ書き込みを１つの書き込み線のみを使用することにより行えるため、高集積化によるメモリ容量の増大に貢献できる。
【０１４９】
加えて、書き込み動作時のいわゆる半選択状態のメモリセルのディスターブ不良を低減することができる。
【０１５０】
(15)   第１５実施の形態  
第１５実施の形態は、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子が適用される磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路に関する。
【０１５１】
図３９は、クロスポイント型メモリセルアレイを示している。
【０１５２】
読み出し／書き込みワード線ＷＬと読み出し／書き込みビット線ＢＬとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。磁気抵抗効果素子Ｃは、読み出し／書き込みワード線ＷＬ及び読み出し／書き込みビット線ＢＬに電気的に接続される。
【０１５３】
磁気抵抗効果素子Ｃと読み出し／書き込みワード線ＷＬとの間には、ダイオードＤが配置される。ダイオードＤは、クロスポイント型メモリセルアレイに特有の読み出し／書き込み時におけるいわゆる回り込み電流(sneak current)を防止する機能を有する。回り込み電流は、例えば、このダイオードＤと、非選択の読み出し／書き込みワード線ＷＬ及び非選択の読み出し／書き込みビット線ＢＬにバイアス電圧を与えることにより回避する。
【０１５４】
読み出し／書き込みワード線ＷＬには、例えば、選択トランジスタＳＴｗを経由してセンスアンプＳＡが接続される。読み出し／書き込みビット線ＢＬには、例えば、選択トランジスタＳＴＢを経由して電源が接続される。
【０１５５】
図４０は、はしご型メモリセルアレイを示している。
【０１５６】
書き込みビット線ＢＬｗと読み出しビット線ＢＬｒとの間には、はしご状に複数の磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。書き込みビット線ＢＬｗと読み出しビット線ＢＬｒは、同一方向に延びている。
【０１５７】
磁気抵抗効果素子Ｃの直下には、書き込みワード線ＷＬが配置される。書き込みワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子Ｃから一定距離だけ離れて配置され、書き込みビット線ＢＬｗに交差する方向に延びる。
【０１５８】
読み出しビット線ＢＬｒには、例えば、選択トランジスタＳＴを経由して抵抗素子Ｒが接続される。センスアンプＳＡは、抵抗素子Ｒの両端に発生する電圧を検出することにより読み出しデータをセンスする。書き込みビット線ＢＬｗの一端には、電源が接続され、他端には、例えば、選択トランジスタＳＴを経由して接地点が接続される。
【０１５９】
図４１及び図４２は、それぞれ１トランジスタ−１ＭＴＪ型メモリセルアレイを示している。
【０１６０】
書き込みワード線ＷＬと読み出し／書き込みビット線ＢＬとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。磁気抵抗効果素子Ｃは、読み出し／書き込みビット線ＢＬに電気的に接続される。磁気抵抗効果素子Ｃの直下には、書き込みワード線ＷＬが配置される。書き込みワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子Ｃから一定距離だけ離れている。
【０１６１】
磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、例えば、選択トランジスタＳＴ２を経由してセンスアンプＳＡに接続される。読み出し／書き込みビット線ＢＬは、選択トランジスタＳＴ１を経由して電源に接続される。
【０１６２】
尚、図４２の構造では、磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、引き出し線としての下部電極Ｌに接続される。このため、磁気抵抗効果素子Ｃの直下に選択トランジスタＳＴ２が配置されても、書き込みワード線ＷＬを磁気抵抗効果素子Ｃの近傍に配置することができる。
【０１６３】
以上、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子が適用される磁気ランダムアクセスメモリの代表例について説明したが、本発明の例は、これら代表例以外の磁気ランダムアクセスメモリにも適用できる。
【０１６４】
尚、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、書き込みワード線に平行であってもよいし、書き込みビット線に平行であってもよい。また、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、２本の書き込み線（書き込みワード／ビット線）が延びる方向に対して４５°の方向を向いていてもよい。
【０１６５】
４．  その他  
本発明の例によれば、磁場に応じて磁化方向が変化するフリー層が、長軸方向に磁気異方性を有する本体部と、本体部から突出し、長軸方向とは異なる方向に磁気異方性を有する１つの突出部とから構成される。
【０１６６】
従って、データ書き込み時に、磁気抵抗効果素子に磁場を与えると、まず、突出部の磁化反転が進行し、これが牽引役となり、本体部の磁化反転も、突出部の磁化反転に追従して進行する。
【０１６７】
このように、突出部が本体部の磁化反転をアシストするため、結果的に、磁気抵抗効果素子のアステロイド曲線を凹ませることができる。
【０１６８】
本発明の例は、上述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、構成要素を変形して具体化できる。また、上述の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】本発明の例の概念としてのフリー層の形状を示す図。
【図２】第１実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図３】フリー層の磁化方向について示す図。
【図４】第２実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図５】第３実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図６】第３実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図７】第３実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図８】第３実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図９】第４実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図１０】第４実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図１１】第５実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図１２】第５実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図１３】第５実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図１４】第５実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の形状を示す図。
【図１５】第６実施の形態の磁気抵抗効果素子の形状を示す図。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図。
【図１７】第６実施の形態の磁気抵抗効果素子の形状を示す図。
【図１８】図１７のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿う断面図。
【図１９】第７実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の構造を示す図。
【図２０】第７実施の形態の磁気抵抗効果素子のフリー層の構造を示す図。
【図２１】第８実施の形態の磁気抵抗効果素子の形状を示す図。
【図２２】第９実施の形態の磁気抵抗効果素子の形状を示す図。
【図２３】第１０実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリを示す図。
【図２４】メモリセル構造の例を示す図。
【図２５】メモリセル構造の例を示す図。
【図２６】メモリセル構造の例を示す図。
【図２７】第１１実施の形態の書き込み線の位置関係を示す図。
【図２８】第１１実施の形態の書き込み線の位置関係を示す図。
【図２９】第１１実施の形態の書き込み線の位置関係を示す図。
【図３０】第１１実施の形態の書き込み線の位置関係を示す図。
【図３１】第１２実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリを示す図。
【図３２】磁気抵抗効果素子と書き込み線との位置関係を示す図。
【図３３】第１２実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリを示す図。
【図３４】磁気抵抗効果素子と書き込み線との位置関係を示す図。
【図３５】第１３実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリを示す図。
【図３６】磁気抵抗効果素子と書き込み線との位置関係を示す図。
【図３７】第１４実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリを示す図。
【図３８】磁気抵抗効果素子と書き込み線との位置関係を示す図。
【図３９】第１５実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路を示す図。
【図４０】第１５実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路を示す図。
【図４１】第１５実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路を示す図。
【図４２】第１５実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路を示す図。
【符号の説明】
【０１７０】
１１ａ：  本体部、  １１ｂ：  突出部、  １２ａ，１２ｂ：  強磁性層、  １３：  絶縁層、  ＭＴＪ：  磁気抵抗効果素子、  ＷＬ：  ワード線、  ＢＬ：  ビット線。
【図１】
2006185961.tif 000003
【図２】
2006185961.tif 000004
【図３】
2006185961.tif 000005
【図４】
2006185961.tif 000006
【図５】
2006185961.tif 000007
【図６】
2006185961.tif 000008
【図７】
2006185961.tif 000009
【図８】
2006185961.tif 000010
【図９】
2006185961.tif 000011
【図１０】
2006185961.tif 000012
【図１１】
2006185961.tif 000013
【図１２】
2006185961.tif 000014
【図１３】
2006185961.tif 000015
【図１４】
2006185961.tif 000016
【図１５】
2006185961.tif 000017
【図１６】
2006185961.tif 000018
【図１７】
2006185961.tif 000019
【図１８】
2006185961.tif 000020
【図１９】
2006185961.tif 000021
【図２０】
2006185961.tif 000022
【図２１】
2006185961.tif 000023
【図２２】
2006185961.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
2006185961.tif 000026
【図２５】
2006185961.tif 000027
【図２６】
2006185961.tif 000028
【図２７】
2006185961.tif 000029
【図２８】
2006185961.tif 000030
【図２９】
2006185961.tif 000031
【図３０】
2006185961.tif 000032
【図３１】
2006185961.tif 000033
【図３２】
2006185961.tif 000034
【図３３】
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【図３４】
2006185961.tif 000036
【図３５】
2006185961.tif 000037
【図３６】
2006185961.tif 000038
【図３７】
2006185961.tif 000039
【図３８】
2006185961.tif 000040
【図３９】
2006185961.tif 000041
【図４０】
2006185961.tif 000042
【図４１】
2006185961.tif 000043
【図４２】
2006185961.tif 000044