(57)【要約】【課題】  フリー層およびリファレンス層が渦磁化状態を有し、高密度用途および高速用途に適用することが可能なＭＲＡＭを提供する。【解決手段】  自由な回転方向を伴う渦磁化状態を有する強磁性フリー層２７に交換結合定数を低下させるためのドーパントが含まれていると共に、固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有する強磁性ピンド層２５（リファレンス層）に交換結合定数を低下させるためのドーパントが含まれている。磁化状態を切り換えるために形状異方性を利用していた従来の場合とは異なり、交換結合定数やＭｓｔ（飽和磁束密度×厚さ）などに代表される磁性膜に固有な膜特性を利用して磁化状態が切り換えられるため、大きな保磁力が得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気ランダムアクセスメモリ中において第１の導電線と第２の導電線との間に配置されると共に長さおよび幅を有する磁気トンネル接合であって、
（ａ）交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に自由な回転方向を伴う渦磁化状態を有するフリー層と、
（ｂ）交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に隣接された反強磁性層により固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有するリファレンス層と、
（ｃ）前記フリー層と前記リファレンス層との間に配置されたトンネルバリア層と、を備えた
ことを特徴とする磁気トンネル接合。
【請求項２】
前記フリー層の回転方向および前記リファレンス層の回転方向が時計回りまたは反時計回りであることにより、低抵抗状態を生じさせる
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項３】
前記フリー層の回転方向が前記リファレンス層の回転方向と反対であることにより、高抵抗状態を生じさせる
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項４】
前記磁気トンネル接合が、厚さと、前記第２の導電線に隣接された上面と、前記第１の導電線に隣接された下面と、楕円状の側壁とを有し、その磁気トンネル接合の長さおよび幅が、前記側壁により規定されており、
前記側壁により画定される楕円が、長軸寸法を長さとすると共に短軸寸法を幅としたとき、３よりも小さなアスペクト比（長さ／幅）を有している
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項５】
前記磁気トンネル接合が、厚さと、前記第２の導電線に隣接された上面と、前記第１の導電線に隣接された下面と、楕円状の側壁とを有し、
前記側壁により画定される楕円が、同一の長軸を有すると共にその長軸に沿って配置された第１の半楕円および第２の半楕円が組み合わされた非対称の楕円であり、
前記第１の半楕円が第１の短軸寸法を有すると共に、前記第２の半楕円が前記第１の短軸寸法よりも小さな第２の短軸寸法を有している
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項６】
前記非対称の楕円が、長軸に沿った長さと、前記第１の短軸寸法および前記第２の短軸寸法の総和である幅とを有し、
長さに対する幅の比が、５よりも小さい
ことを特徴とする請求項５記載の磁気トンネル接合。
【請求項７】
前記フリー層および前記リファレンス層が、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）のうちの１つ以上またはそれらの合金を含み、
前記ドーパントが、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）またはハフニウム（Ｈｆ）のうちの１つであり、そのドーパントの含有量が、１重量％以上４０重量％以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項８】
前記反強磁性層が、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ）、オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ）、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）、ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ）、パラジウムマンガン合金（ＰｄＭｎ）、ルテニウムロジウムマンガン合金（ＲｕＲｈＭｎ）またはクロムパラジウムマンガン合金（ＣｒＰｄＭｎ）を含んでいる
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項９】
前記リファレンス層が、ロジウム、ルテニウム、クロムまたは銅（Ｃｕ）を含む結合層を挟んで２つの強磁性層が積層されたＳｙＡＰ構造を有している
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項１０】
前記フリー層が、ロジウム、ルテニウム、クロムまたは銅を含む結合層を挟んで２つの強磁性層が積層されたＳＡＦ構造を有している
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項１１】
前記フリー層が、第１の強磁性層が非強磁性金属スペーサを介して第２の強磁性層に反平行静磁性結合された複合層である
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項１２】
前記第２の導電線が、５００ｎｍよりも小さな厚さを有すると共に前記磁気トンネル接合の幅よりも大きな幅を有する導電性非磁性層を含むビット線である
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項１３】
前記第１の導電線が、５００ｎｍよりも小さな厚さを有すると共に前記磁気トンネル接合の幅の５０％よりも大きなを幅を有する導電性材料を含むワード線である
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項１４】
前記第１の導電線および前記第２の導電線が、前記磁気トンネル接合に隣接された一面を含む４つの面を有し、
前記磁気トンネル接合に隣接されていない３つの面に磁気被覆層が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項１５】
前記フリー層が、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚さを有し、
前記リファレンス層が、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚さを有している
ことを特徴とする請求項１記載の磁気トンネル接合。
【請求項１６】
基体上に配置された磁気ランダムアクセスメモリであって、
（ａ）第１の水平面に配置された第１の導電線のアレイと、
（ｂ）前記第１の導電線と直交する方向において、前記第１の水平面と平行な第２の水平面に配置された第２の導電線のアレイと、
（ｃ）前記第１の水平面と前記第２の水平面との間において、前記第２の導電線が前記第１の導電線と交差する箇所に配置された磁気トンネル接合のアレイと、を備え、
前記磁気トンネル接合が、
（１）交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に自由な回転方向を伴う渦磁化状態を有するフリー層と、
（２）交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に隣接された反強磁性層により固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有するリファレンス層と、
（３）前記フリー層と前記リファレンス層との間に配置されたトンネルバリア層と、を含む
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１７】
前記磁気トンネル接合が、厚さと、前記第２の導電線に隣接された上面と、前記第１の導電線に隣接された下面と、楕円状の側壁とを有すると共に、その側壁により規定された長さおよび幅を有している
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１８】
前記側壁により画定される楕円が、長軸寸法に等しい長さおよび短軸寸法に等しい幅を有し、
幅に対する長さの比が、３よりも小さい
ことを特徴とする請求項１７記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１９】
前記側壁により画定される楕円が、同一の長軸を有すると共にその長軸に沿って配置された第１の半楕円および第２の半楕円が組み合わされた非対称の楕円であり、
前記第１の半楕円が第１の短軸寸法を有すると共に、前記第２の半楕円が前記第１の短軸寸法よりも小さな第２の短軸寸法を有している
ことを特徴とする請求項１７記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２０】
前記非対称の楕円が、長軸に沿った長さと、前記第１の短軸寸法および前記第２の短軸寸法の総和である幅とを有し、
長さに対する幅の比が、５よりも小さい
ことを特徴とする請求項１９記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２１】
前記磁気トンネル接合が、５μｍよりも小さな長さおよび幅を有している
ことを特徴とする請求項１７記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２２】
前記フリー層および前記リファレンス層が、ニッケル、鉄およびコバルトのうちの１つ以上またはそれらの合金を含み、
前記ドーパントが、炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、タンタル、白金、ニオブまたはハフニウムのうちの１つであり、そのドーパントの含有量が、１重量％以上４０重量％以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２３】
前記反強磁性層が、白金マンガン合金、ニッケルマンガン合金、オスミウムマンガン合金、イリジウムマンガン合金、ルテニウムマンガン合金、ロジウムマンガン合金、パラジウムマンガン合金、ルテニウムロジウムマンガン合金またはクロムパラジウムマンガン合金を含んでいる
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２４】
前記リファレンス層が、ロジウム、ルテニウム、クロムまたは銅を含む結合層を挟んで２つの強磁性層が積層されたＳｙＡＰ構造を有している
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２５】
前記フリー層が、ロジウム、ルテニウム、クロムまたは銅を含む結合層を挟んで２つの強磁性層が積層されたＳＡＦ構造を有する複合層である
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２６】
前記フリー層が、第１の強磁性層が非強磁性金属スペーサを介して第２の強磁性層に反平行静磁性結合された複合層である
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２７】
前記第２の導電線が、５００ｎｍよりも小さな厚さを有するビット線であり、
前記第１の導電線が、５００ｎｍよりも小さな厚さを有するワード線である
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２８】
前記ワード線および前記ビット線のうちの一方または双方が、導電性層と、その導電性層を被覆する磁気被覆層とを含み、
前記磁気被覆層が、前記導電性層のうちの前記磁気トンネル接合に隣接された面を被覆していない
ことを特徴とする請求項２７記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２９】
前記第１の導電線が、前記磁気トンネル接合の幅の５０％よりも大きな幅を有し、
前記第２の導電線が、前記磁気トンネル接合の幅よりも大きな幅を有している
ことを特徴とする請求項１７記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３０】
前記フリー層の回転方向および前記リファレンス層の回転方向が時計回りまたは反時計回りであることにより、前記磁気トンネル接合において低抵抗状態を生じさせる
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３１】
前記フリー層の回転方向が前記リファレンス層の回転方向と反対であることにより、前記磁気トンネル接合において高抵抗状態を生じさせる
ことを特徴とする請求項１６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３２】
磁気トンネル接合中に渦磁化状態を形成する方法であって、
（ａ）第１の導電線が第１の軸に沿って配置された基体を準備する工程と、
（ｂ）前記第１の導電線上に、楕円状の側壁と、上面および下面と、長さおよび幅とを有すると共に、残留磁化が第１の方向に配向されたリファレンス層およびフリー層を含むように、磁気トンネル接合を形成する工程と、
（ｃ）前記磁気トンネル接合の上面に隣接されると共に前記第１の軸と直交する第２の軸に沿うように第２の導電線を形成する工程と、
（ｄ）前記第１の導電線および前記第２の導電線に電流を供給して前記第１の方向と反対の第２の方向に逆磁界を生じさせることにより、前記フリー層に渦磁化状態を誘発する工程と、
（ｅ）逆磁界を取り除く工程と、を含む
ことを特徴とする渦磁化状態の形成方法。
【請求項３３】
前記磁気トンネル接合を形成する工程が、前記第１の方向に磁界を供給することにより残留磁化を生じさせる工程を含み、
逆磁界の強度が、残留磁化を生じさせるために供給した磁界の強度よりも小さくなるようにする
ことを特徴とする請求項３２記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項３４】
前記フリー層に第１の渦磁化状態を形成し、
前記リファレンス層に第２の渦磁化状態を形成する
ことを特徴とする請求項３２記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項３５】
前記第１の渦磁化状態および前記第２の渦磁化状態が時計回り回転または反時計回り回転であることにより、前記磁気トンネル接合において低抵抗状態を生じさせる
ことを特徴とする請求項３４記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項３６】
前記第１の渦磁化状態の回転が前記第２の渦磁化状態の回転と反対であることにより、前記磁気トンネル接合において高抵抗状態を生じさせる
ことを特徴とする請求項３４記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項３７】
前記側壁により画定される楕円が、長軸寸法に等しい長さおよび短軸寸法に等しい幅を有し、
幅に対する長さの比が、３よりも小さい
ことを特徴とする請求項３２記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項３８】
前記側壁により画定される楕円が、同一の長軸を有すると共にその長軸に沿って配置された第１の半楕円および第２の半楕円が組み合わされた非対称の楕円であり、
前記第１の半楕円が第１の短軸寸法を有すると共に、前記第２の半楕円が前記第１の短軸寸法よりも小さな第２の短軸寸法を有している
ことを特徴とする請求項３２記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項３９】
前記非対称の楕円が、長軸に沿った長さと、前記第１の短軸寸法および前記第２の短軸寸法の総和である幅とを有し、
幅に対する長さの比が、５よりも小さい
ことを特徴とする請求項３８記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項４０】
さらに、前記リファレンス層に隣接するように反強磁性層を形成することにより、その反強磁性層を利用して時計回りまたは反時計回りの回転となるように前記第２の渦磁化状態を固定する工程を含む
ことを特徴とする請求項３４記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項４１】
前記第１の導電線および前記第２の導電線が、導電性層と、その導電性層を被覆する磁気被覆層とを含み、
前記磁気被覆層が、前記導電性層のうちの前記磁気トンネル接合に隣接された面を被覆しないようにする
ことを特徴とする請求項３２記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項４２】
前記フリー層および前記リファレンス層が、ニッケル、鉄およびコバルトのうちの１つ以上またはそれらの合金を含み、
前記ドーパントが、炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、タンタル、白金、ニオブまたはハフニウムのうちの１つであり、そのドーパントの含有量が、１重量％以上４０重量％以下の範囲内であるようにする
ことを特徴とする請求項３２記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項４３】
前記磁気トンネル接合が、前記磁気ランダムアクセスメモリ中において前記第１の導電線のアレイと前記第２の導電線のアレイとの間に配置された前記磁気トンネル接合のアレイのうちの一部であるようにする
ことを特徴とする請求項３２記載の渦磁化状態の形成方法。
【請求項４４】
磁気トンネル接合中のフリー層において、第１の回転方向から第２の回転方向に渦磁化状態を切り換える方法であって、
（ａ）第１の導電線と、その第１の導電線の上方に直交するように配置された第２の導電線と、前記第１の導電線と前記第２の導電線との間に配置された磁気トンネル接合とが設けられ、その磁気トンネル接合が、楕円状の側壁と、上面および下面と、長さおよび幅とを有すると共に、前記第１の回転方向に配向された渦磁化状態を有するフリー層を含む基体を準備する工程と、
（ｂ）第１の軸に沿った第１の方向に第１の磁界を供給することにより、渦磁化状態を破壊すると共に前記フリー層において前記第１の方向に残留磁化を生じさせる工程と、
（ｃ）前記第１の磁界を取り除く工程と、
（ｄ）前記第１の方向と反対の第２の方向に第２の磁界を供給することにより、前記第１の回転方向と反対の前記第２の回転方向に渦磁化状態を誘発する工程と、
（ｅ）前記第２の磁界を取り除く工程と、を含む
ことを特徴とする渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項４５】
前記第２の磁界の強度が、前記第１の磁界の強度よりも小くなるようにする
ことを特徴とする請求項４４記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項４６】
前記磁気トンネル接合が、さらに、隣接された反強磁性層により前記第２の回転方向に固定された渦磁化状態を有するリファレンス層を含むようにし、
（ｅ）工程の後に、前記磁気トンネル接合において低抵抗状態が生じるようにする
ことを特徴とする請求項４４記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項４７】
前記磁気トンネル接合が、さらに、隣接された反強磁性層により前記第１の回転方向に固定された渦磁化状態を有するリファレンス層を含むようにし、
（ｅ）工程の後に、前記磁気トンネル接合において高抵抗状態が生じるようにする
ことを特徴とする請求項４４記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項４８】
前記フリー層が、１００×１０3 Ａ／ｍ以上２０００×１０3 Ａ／ｍ以下の範囲内の飽和磁化（Ｍｓ）を有すると共に、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚さを有するようにする
ことを特徴とする請求項４６記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項４９】
前記フリー層が、１００×１０3 Ａ／ｍ以上２０００×１０3 Ａ／ｍ以下の範囲内の飽和磁化を有すると共に、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚さを有するようにする
ことを特徴とする請求項４７記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項５０】
前記第１の回転方向が、反時計回りであり、
前記第２の回転方向が、時計回りであり、
前記第１の磁界の強度が、＋５０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上＋５００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以下の範囲内であり、
前記第２の磁界の強度が、−２００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上−５×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以下の範囲内であるようにする
ことを特徴とする請求項４８記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項５１】
前記第１の回転方向が、時計回りであり、
前記第２の回転方向が、反時計回りであり、
前記第１の磁界の強度が、−５００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上−５０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以下の範囲内であり、
前記第２の磁界の強度が、＋５×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上＋２００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以下の範囲内であるようにする
ことを特徴とする請求項４９記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項５２】
前記磁気トンネル接合が、さらに、渦磁化状態を有するリファレンス層を含み、
前記フリー層および前記リファレンス層が、ニッケル、鉄およびコバルトのうちの１つ以上またはそれらの合金を含み、
前記ドーパントが、炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、タンタル、白金、ニオブまたはハフニウムのうちの１つであり、そのドーパントの含有量が、１重量％以上４０重量％以下の範囲内であるようにする
ことを特徴とする請求項４４記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項５３】
前記第１の磁界および前記第２の磁界が、１ナノ秒以上１００ナノ秒以下の範囲内の時間に渡って供給されるようにする
ことを特徴とする請求項４４記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【請求項５４】
前記第１の磁界を取り除く工程が、０ナノ秒以上１０ナノ秒以下の範囲内において磁界を供給しない工程を含む
ことを特徴とする請求項４４記載の渦磁化状態の切り換え方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気特性変化を利用して情報を記録する磁気トンネル接合（ＭＴＪ；magnetic tunnel junction）、その磁気トンネル接合を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ；magnetic random access memory ）、ならびに渦磁化状態の形成方法および渦磁化状態の切り換え方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリデバイスとして、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が知られている。このＭＲＡＭは、将来のメモリ用途において、高密度化、高速化（再生／記録速度＝１ナノ秒〜３０ナノ秒）および不揮発化を実現可能なメモリデバイスとして期待されている有力候補である。ＭＲＡＭは、複数のＭＴＪがアレイ状に配列された集合体であり、一般に、第１の水平面に平行配置された第１の導電線のアレイと、その第１の水平面と直交する方向において間隔を隔てて平行配置された第２の導電線のアレイと、第１の水平面と第２の水平面との間において第１の導電線および第２の導電線が互いに交差する箇所に配置されたＭＴＪのアレイとを備えている。第１の導電線はワード線であり、第２の導電線はビット線であってもよいし、あるいは反対であってもよい。なお、第１の導電線は、下部電極である区分線であってもよい。第１の導電線の下方には、一般に、トランジスタやダイオードなどの他のデバイスが配置されている。
【０００３】
ＭＴＪは、トンネルバリア層を挟んで２つの強磁性層が積層された積層構造を含んでいる。このトンネルバリア層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）または酸化窒化アルミニウム（ＡｌＮX ＯY ）などの薄い非磁性絶縁層である。２つの強磁性層のうちの一方はピンド層であり、他方はフリー層である。このピンド層の磁化（磁気モーメント）方向は、所定の方向に沿ってほぼ均一であると共に、隣接された反強磁性（ＡＦＭ；anti-ferromagnetic）ピンニング層と交換結合されることにより固定されている。一方、フリー層の磁化方向は、外部磁界に応じて変化可能になっており、導電線に電流が供給されることにより生じた外部磁界に応じて変化する。フリー層の磁化方向がピンド層の磁化方向と平行である場合には、フリー層の磁化方向がピンド層の磁化方向と反平行である場合と比較して、トンネル電流が絶縁層（トンネルバリア層）を流れる際に抵抗が低くなる。ＭＴＪでは、２つの異なる磁化状態（抵抗レベル）のうちの１つが選択されることにより、情報が磁気的に記録される。
【０００４】
再生動作時には、一般に、膜面直交電流型（ＣＰＰ；current perpendicular to plane）構造を有するＭＴＪにセンス電流を流すことにより、そのセンス電流を通じてＭＴＪの磁化状態（抵抗レベル）が検出されるため、情報が磁気的に再生される。一方、記録動作時には、ビット線およびワード線に電流を供給して外部磁界を生じさせることにより、ＭＴＪの磁化状態が変化されるため、情報が磁気的に記録される。記録対象となるＭＴＪ（選択セル）では、隣接セル（半選択セル）においてビット線またはワード線の一方に電流が供給される（ビット線磁界またはワード線磁界に晒される）のに対して、ビット線およびワード線の双方に電流が供給される（ビット線磁界およびワード線磁界の双方に晒される）。ＭＴＪのサイズや、フリー層のスイッチング磁界に影響を及ぼすＭＴＪの形状によっては、選択セルに記録する際に、半選択セルの磁気的状態が意図せずに変化してしまう。
【０００５】
情報（磁化状態）を消去されないように維持するためには、記録箇所である磁性層において面内磁気異方性が十分に強くなければならない。従来の設計では、磁気異方性として、矩形状パターン、楕円状パターン、目状パターンおよび菱型状パターンなどのパターン形状に基づく形状異方性を利用している。この種の設計に関する問題は、保磁力がＭＴＪの形状、アスペクト比およびサイズに大きく依存するため、その保磁力がセルパターニングプロセスの精度の影響（セル形状やエッジ形状）を大きく受けることである。ＭＴＪのサイズに差異が生じると、スイッチング磁界を制御することが困難になる。
【０００６】
現行のＤＲＡＭ（dynamic random access memory）、ＳＲＡＭ（static random access memory ）およびフラッシュメモリなどとＭＲＭＡを競合させるためには、セルサイズがサブミクロン寸法でなければならない。ところが、セルサイズがサブミクロン寸法になると、熱運動に起因してセル中の磁化（特に半選択セル中の磁化）がランダムに変化してしまう。半選択セルにおいて熱運動が生じることを防止するためには、磁気異方性をより強くしなければならない。言い換えれば、記録電流を極めて大きくしなければならないため、高電流消費および高電力消費に起因して、ＭＲＡＭを既存の他のメモリと競合させることが困難になる。このことから、高密度用途および高速用途においてＭＲＡＭを適用可能にするためには、十分な磁気異方性を確保可能な代替手段が必要となる。
【０００７】
図１８は、従来のＭＲＡＭ１００の断面構成を表している。このＭＲＡＭ１００は、２つのＭＴＪ１０４を有する２つのセルを含んでいる。具体的には、ＭＲＡＭ１００は、基体１０２と、その基体１０２に設けられた２つの下部電極１０３と、絶縁層１０５により周囲を埋設された２つのＭＴＪ４と、ビット線１０６と、絶縁層１０７と、絶縁層１０８により周囲を埋設されたワード線１０９とがこの順に積層された積層構造を有している。
【０００８】
ＭＴＪ１０４およびワード線１０９は下部電極１０３に対応して配置されており、そのＭＴＪ１０４は下部電極１０３に隣接されている。絶縁層１０７は、化学機械研磨（ＣＭＰ；chemical mechanical polish）プロセスを使用して研磨されることにより平坦化されている。なお、ＭＲＡＭ１００は、再生動作時および記録動作時において特定のＭＴＪ１０４を選択するために使用される回路（図示せず）なども併せて備えている。
【０００９】
図１９は、図１８に示したＭＲＡＭ１００のうちの主要部（ＭＴＪ１０４）の断面構成を拡大して表している。このＭＴＪ１０４は、下部電極１０３に近い側から順に、ニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ）などにより構成された１層または２層以上のシード層１１０と、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）などの反強磁性材料により構成された反強磁性（ＡＦＭ）ピンニング層１１１と、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料を含む多層構造を有するリファレンス層としての強磁性ピンド層１１２と、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）などの絶縁性材料により構成されたトンネルバリア層１１３と、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの強磁性材料を含む多層構造を有する強磁性フリー層１１４と、１層または２層以上の保護層１１５とが積層された積層構造を有している。保護層１１５が１層である場合、その保護層１１５は、ビット線１０６と電気的に接続可能となるようにルテニウム（Ｒｕ）などの導電性材料により構成されている。このＭＴＪ１０４は、強磁性ピンド層１１２が強磁性フリー層１１４よりも下部電極１０３に近い側に位置するボトムリファレンス構造を有している。なお、ＭＴＪ１０４は、強磁性フリー層１１４が強磁性ピンド層１１２よりも下部電極１０３に近い側に位置するトップリファレンス構造（下部電極１０３に近い側から順に、シード層１１０／強磁性フリー層１１４／トンネルバリア層１１３／強磁性ピンド層１１２／反強磁性ピンニング層１１１／保護層１１５）を有していてもよい。
【００１０】
なお、ＭＲＡＭおよびＭＴＪに関連する技術としては、既にいくつかの技術が提案されている。
【００１１】
具体的には、ＭＴＪのうちのリファレンス磁性領域に、ネット磁気モーメントがゼロとなるように渦磁化状態を形成するプロセスが知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＭＴＪに磁界が供給されると、ビット容易軸またはネット供給磁界と直交する方向において渦中心がシフトされる。
【特許文献１】米国特許第６６５４２７８号明細書
【００１２】
また、フリー層およびピンド層がほぼ円形状（等方性）を有すると共に渦磁化状態を有するＭＴＪデバイスが知られている（例えば、特許文献２参照。）。ＭＴＪに記録電流が流れると、フリー層の渦磁化状態を第１の方向から第２の方向に変化させるように自己磁界が生じる。
【特許文献２】米国特許第６２６９０１８号明細書
【００１３】
また、強磁性材料の閉ループが偶数の逆感度の磁区を有する磁気素子が知られている（例えば、特許文献３参照。）。ノッチを有する２つの円形ループが重ね合わされており、一方の円形ループの磁区が他方の円形ループの磁区と平行または反平行になっている。
【特許文献３】米国特許公開公報２００４／００２１５３９
【００１４】
また、記憶素子のうちの円形状の第１の磁性膜にスピン渦を形成することにより、そのスピン渦の中心において垂直磁化を生じさせる方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。第２の磁性膜は、上面および下面に垂直な磁化を有している。
【特許文献４】米国特許公開公報２００２／０１９６６５８
【００１５】
また、２つまたは４つの電流伝導バイアスバスバーの間にリング状素子を配置させるリング型再生方法および記録方法が知られている（例えば、特許文献５参照。）。バスバーのうちの１つは、渦磁界を生じさせるためにリング状素子の開口に延在しており、他のバスバーは、渦磁界を横切るように磁界を生じさせる。
【特許文献５】米国特許第６２６６２８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従来のＭＲＡＭでは、上記したように、セルサイズがサブミクロン寸法になると記録電流を大きくしなければならないため、高密度用途および高速用途に適用することが困難である。したがって、セルサイズをサブミクロン寸法にしつつ、高密度用途および高速用途に適用することが可能なＭＲＡＭ（ＭＴＪを含む）を確立する必要がある。この場合には、特に、ＭＴＪにおいて生じる渦磁化状態に着目して、渦磁化状態を形成および切り換えることが可能な方法を確立することも重要である。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、フリー層およびリファレンス層が渦磁化状態を有し、高密度用途および高速用途に適用することが可能な磁気トンネル接合および磁気ランダムアクセスメモリを提供することである。
【００１８】
また、本発明の第２の目的は、渦磁化状態を制御することが可能な渦磁化状態の形成方法および渦磁化状態の切り換え方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る磁気トンネル接合は、磁気ランダムアクセスメモリ中において第１の導電線と第２の導電線との間に配置されると共に長さおよび幅を有するものであり、（ａ）交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に自由な回転方向を伴う渦磁化状態を有するフリー層と、（ｂ）交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に隣接された反強磁性層により固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有するリファレンス層と、（ｃ）フリー層とリファレンス層との間に配置されたトンネルバリア層とを備えたものである。
【００２０】
本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、基体上に配置されたものであり、（ａ）第１の水平面に配置された第１の導電線のアレイと、（ｂ）第１の導電線と直交する方向において第１の水平面と平行な第２の水平面に配置された第２の導電線のアレイと、（ｃ）第１の水平面と第２の水平面との間において第２の導電線が第１の導電線と交差する箇所に配置された磁気トンネル接合のアレイとを備え、磁気トンネル接合が、（１）交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に自由な回転方向を伴う渦磁化状態を有するフリー層と、（２）交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に隣接された反強磁性層により固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有するリファレンス層と、（３）フリー層とリファレンス層との間に配置されたトンネルバリア層とを含むものである。
【００２１】
本発明に係る磁気トンネル接合または磁気ランダムアクセスメモリでは、自由な回転方向を伴う渦磁化状態を有するフリー層に交換結合定数を低下させるためのドーパントが含まれていると共に、固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有するリファレンス層に交換結合定数を低下させるためのドーパントが含まれている。この場合には、磁化状態を切り換えるために形状異方性を利用していた従来の場合とは異なり、交換結合定数やＭｓｔ（飽和磁束密度×厚さ）などに代表される磁性膜に固有な膜特性を利用して磁化状態が切り換えられるため、大きな保磁力が得られる。しかも、例えば、磁気トンネル接合が低アスペクト比の楕円状の平面形状を有していれば、その磁気トンネル接合が楕円状以外の平面形状を有している場合と比較して、セルサイズが小さくなる。
【００２２】
本発明に係る渦磁化状態の形成方法は、磁気トンネル接合中に渦磁化状態を形成する方法であり、（ａ）第１の導電線が第１の軸に沿って配置された基体を準備する工程と、（ｂ）第１の導電線上に楕円状の側壁と上面および下面と長さおよび幅とを有すると共に残留磁化が第１の方向に配向されたリファレンス層およびフリー層を含むように磁気トンネル接合を形成する工程と、（ｃ）磁気トンネル接合の上面に隣接されると共に第１の軸と直交する第２の軸に沿うように第２の導電線を形成する工程と、（ｄ）第１の導電線および第２の導電線に電流を供給して第１の方向と反対の第２の方向に逆磁界を生じさせることによりフリー層に渦磁化状態を誘発する工程と、（ｅ）逆磁界を取り除く工程とを含むものである。
【００２３】
本発明に係る渦磁化状態の切り換え方法は、磁気トンネル接合中のフリー層において第１の回転方向から第２の回転方向に渦磁化状態を切り換える方法であり、（ａ）第１の導電線とその第１の導電線の上方に直交するように配置された第２の導電線と第１の導電線と第２の導電線との間に配置された磁気トンネル接合とが設けられ、その磁気トンネル接合が楕円状の側壁と上面および下面と長さおよび幅とを有すると共に第１の回転方向に配向された渦磁化状態を有するフリー層を含む基体を準備する工程と、（ｂ）第１の軸に沿った第１の方向に第１の磁界を供給することにより渦磁化状態を破壊すると共にフリー層において第１の方向に残留磁化を生じさせる工程と、（ｃ）第１の磁界を取り除く工程と、（ｄ）第１の方向と反対の第２の方向に第２の磁界を供給することにより第１の回転方向と反対の第２の回転方向に渦磁化状態を誘発する工程と、（ｅ）第２の磁界を取り除く工程とを含むものである。
【００２４】
本発明に係る渦磁化状態の形成方法または渦磁化状態の切り換え方法では、磁気トンネル接合のうちのリファレンス層およびフリー層において、第１の方向に磁界が供給されることにより残留磁化が生じた後、その第１の方向と反対の第２の方向に逆磁界が供給されることにより渦磁化状態が誘発されると共に、第１の回転方向の渦磁化状態を有するフリー層において、第１の方向に磁界が供給された後に取り除かれることにより渦磁化状態が破壊されると共に残留磁化が生じた後、その第１の方向と反対方向に第２の磁界が供給された後に取り除かれることにより第２の回転方向に渦磁化状態が誘発される。この場合には、磁化状態を切り換えるために形状異方性を利用していた従来の場合と比較して、信頼性および選択性が確保される。
【００２５】
本発明に係る磁気トンネル接合では、フリー層の回転方向およびリファレンス層の回転方向が時計回りまたは反時計回りであることにより低抵抗状態を生じさせる一方で、フリー層の回転方向がリファレンス層の回転方向と反対であることにより高抵抗状態を生じさせる。
【００２６】
また、本発明に係る磁気トンネル接合では、磁気トンネル接合が厚さと第２の導電線に隣接された上面と第１の導電線に隣接された下面と楕円状の側壁とを有し、その磁気トンネル接合の長さおよび幅が側壁により規定されており、側壁により画定される楕円が長軸寸法を長さとすると共に短軸寸法を幅としたとき３よりも小さなアスペクト比（長さ／幅）を有していてもよい。あるいは、磁気トンネル接合が厚さと第２の導電線に隣接された上面と第１の導電線に隣接された下面と楕円状の側壁とを有し、側壁により画定される楕円が同一の長軸を有すると共にその長軸に沿って配置された第１の半楕円および第２の半楕円が組み合わされた非対称の楕円であり、第１の半楕円が第１の短軸寸法を有すると共に第２の半楕円が第１の短軸寸法よりも小さな第２の短軸寸法を有していてもよい。この場合には、非対称の楕円が長軸に沿った長さと第１の短軸寸法および第２の短軸寸法の総和である幅とを有し、長さに対する幅の比が５よりも小さくてもよい。
【００２７】
また、本発明に係る磁気トンネル接合または磁気ランダムアクセスメモリでは、フリー層およびリファレンス層がニッケル、鉄およびコバルトのうちの１つ以上またはそれらの合金を含み、ドーパントが炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、タンタル、白金、ニオブまたはハフニウムのうちの１つであり、そのドーパントの含有量が１重量％以上４０重量％以下の範囲内であってもよい。また、反強磁性層が白金マンガン合金、ニッケルマンガン合金、オスミウムマンガン合金、イリジウムマンガン合金、ルテニウムマンガン合金、ロジウムマンガン合金、パラジウムマンガン合金、ルテニウムロジウムマンガン合金またはクロムパラジウムマンガン合金を含んでいてもよい。この場合には、リファレンス層がロジウム、ルテニウム、クロムまたは銅（Ｃｕ）を含む結合層を挟んで２つの強磁性層が積層されたＳｙＡＰ構造を有し、フリー層がロジウム、ルテニウム、クロムまたは銅を含む結合層を挟んで２つの強磁性層が積層されたＳＡＦ構造を有していてもよい。なお、フリー層は、第１の強磁性層が非強磁性金属スペーサを介して第２の強磁性層に反平行静磁性結合された複合層であってもよい。
【００２８】
また、本発明に係る磁気トンネル接合では、第２の導電線が５００ｎｍよりも小さな厚さを有すると共に磁気トンネル接合の幅よりも大きな幅を有する導電性非磁性層を含むビット線であり、第１の導電線が５００ｎｍよりも小さな厚さを有すると共に磁気トンネル接合の幅の５０％よりも大きなを幅を有する導電性材料を含むワード線であってもよい。この場合には、第１の導電線および第２の導電線が磁気トンネル接合に隣接された一面を含む４つの面を有し、磁気トンネル接合に隣接されていない３つの面に磁気被覆層が形成されていてもよい。また、フリー層が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚さを有し、リファレンス層が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚さを有していてもよい。
【００２９】
本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリでは、磁気トンネル接合が厚さと第２の導電線に隣接された上面と第１の導電線に隣接された下面と楕円状の側壁とを有すると共に、その側壁により規定された長さおよび幅を有していてもよい。この場合には、側壁により画定される楕円が長軸寸法に等しい長さおよび短軸寸法に等しい幅を有し、幅に対する長さの比が３よりも小さくてもよい。あるいは、側壁により画定される楕円が同一の長軸を有すると共にその長軸に沿って配置された第１の半楕円および第２の半楕円が組み合わされた非対称の楕円であり、第１の半楕円が第１の短軸寸法を有すると共に第２の半楕円が第１の短軸寸法よりも小さな第２の短軸寸法を有していてもよい。この場合には、非対称の楕円が長軸に沿った長さと第１の短軸寸法および第２の短軸寸法の総和である幅とを有し、長さに対する幅の比が５よりも小さくてもよい。なお、磁気トンネル接合は５μｍよりも小さな長さおよび幅を有していてもよい。
【００３０】
また、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリでは、第２の導電線が５００ｎｍよりも小さな厚さを有するビット線であり、第１の導電線が５００ｎｍよりも小さな厚さを有するワード線であってもよい。この場合には、ワード線およびビット線のうちの一方または双方が導電性層とその導電性層を被覆する磁気被覆層とを含み、磁気被覆層が導電性層のうちの磁気トンネル接合に隣接された面を被覆していなくてもよい。特に、第１の導電線が磁気トンネル接合の幅の５０％よりも大きな幅を有し、第２の導電線が磁気トンネル接合の幅よりも大きな幅を有していてもよい。
【００３１】
また、本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリでは、フリー層の回転方向およびリファレンス層の回転方向が時計回りまたは反時計回りであることにより磁気トンネル接合において低抵抗状態を生じさせる一方で、フリー層の回転方向がリファレンス層の回転方向と反対であることにより磁気トンネル接合において高抵抗状態を生じさせる。
【００３２】
本発明に係る渦磁化状態の形成方法では、磁気トンネル接合を形成する工程が第１の方向に磁界を供給することにより残留磁化を生じさせる工程を含み、逆磁界の強度が残留磁化を生じさせるために供給した磁界の強度よりも小さくなるようにしてもよい。
【００３３】
また、本発明に係る渦磁化状態の形成方法では、フリー層に第１の渦磁化状態を形成し、リファレンス層に第２の渦磁化状態を形成してもよい。この場合には、第１の渦磁化状態および第２の渦磁化状態が時計回り回転または反時計回り回転であることにより磁気トンネル接合において低抵抗状態を生じさせる一方で、第１の渦磁化状態の回転が第２の渦磁化状態の回転と反対であることにより磁気トンネル接合において高抵抗状態を生じさせる。
【００３４】
また、本発明に係る渦磁化状態の形成方法では、側壁により画定される楕円が長軸寸法に等しい長さおよび短軸寸法に等しい幅を有し、幅に対する長さの比が３よりも小さくてもよい。あるいは、側壁により画定される楕円が同一の長軸を有すると共にその長軸に沿って配置された第１の半楕円および第２の半楕円が組み合わされた非対称の楕円であり、第１の半楕円が第１の短軸寸法を有すると共に第２の半楕円が第１の短軸寸法よりも小さな第２の短軸寸法を有していてもよい。特に、非対称の楕円が長軸に沿った長さと第１の短軸寸法および第２の短軸寸法の総和である幅とを有し、幅に対する長さの比が５よりも小さくてもよい。
【００３５】
また、本発明に係る渦磁化状態の形成方法では、さらに、リファレンス層に隣接するように反強磁性層を形成することにより、その反強磁性層を利用して時計回りまたは反時計回りの回転となるように第２の渦磁化状態を固定する工程を含んでもよい。特に、第１の導電線および第２の導電線の双方が導電性層とその導電性層を被覆する磁気被覆層とを含み、磁気被覆層が導電性層のうちの磁気トンネル接合に隣接された面を被覆しないようにしてもよい。
【００３６】
また、本発明に係る渦磁化状態の形成方法では、フリー層およびリファレンス層がニッケル、鉄およびコバルトのうちの１つ以上またはそれらの合金を含み、ドーパントが炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、タンタル、白金、ニオブまたはハフニウムのうちの１つであり、そのドーパントの含有量が１重量％以上４０重量％以下の範囲内であるようにしてもよい。特に、磁気トンネル接合が磁気ランダムアクセスメモリ中において第１の導電線のアレイと第２の導電線のアレイとの間に配置された磁気トンネル接合のアレイのうちの一部であるようにしてもよい。
【００３７】
本発明に係る渦磁化状態の切り換え方法では、第２の磁界の強度が第１の磁界の強度よりも小くなるようにしてもよい。
【００３８】
また、本発明に係る渦磁化状態の切り換え方法では、磁気トンネル接合がさらに隣接された反強磁性層により第２の回転方向に固定された渦磁化状態を有するリファレンス層を含むようにし、（ｅ）工程の後に磁気トンネル接合において低抵抗状態が生じるようにしてもよいし、あるいは反強磁性層により第１の回転方向に固定された渦磁化状態を有するリファレンス層を含むようにし、（ｅ）工程の後に磁気トンネル接合において高抵抗状態が生じるようにしてもよい。
【００３９】
また、本発明に係る渦磁化状態の切り換え方法では、フリー層が１００×１０3 Ａ／ｍ以上２０００×１０3 Ａ／ｍ以下の範囲内の飽和磁化（Ｍｓ）を有すると共に１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内の厚さを有するようにしてもよい。
【００４０】
また、本発明に係る渦磁化状態の切り換え方法では、第１の回転方向が反時計回りであり、第２の回転方向が時計回りであり、第１の磁界の強度が＋５０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上＋５００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以下の範囲内であり、第２の磁界の強度が−２００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上−５×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以下の範囲内であるようにしてもよいし、あるいは第１の回転方向が時計回りであり、第２の回転方向が反時計回りであり、第１の磁界の強度が−５００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上−５０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以下の範囲内であり、第２の磁界の強度が＋５×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上＋２００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以下の範囲内であるようにしてもよい。
【００４１】
また、本発明に係る渦磁化状態の切り換え方法では、磁気トンネル接合がさらに渦磁化状態を有するリファレンス層を含み、フリー層およびリファレンス層がニッケル、鉄およびコバルトのうちの１つ以上またはそれらの合金を含み、ドーパントが炭素、窒素、ホウ素、ジルコニウム、タンタル、白金、ニオブまたはハフニウムのうちの１つであり、そのドーパントの含有量が１重量％以上４０重量％以下の範囲内であるようにしてもよい。
【００４２】
また、本発明に係る渦磁化状態の切り換え方法では、第１の磁界および第２の磁界が１ナノ秒以上１００ナノ秒以下の範囲内の時間に渡って供給されるようにしてもよい。特に、第１の磁界を取り除く工程が０ナノ秒以上１０ナノ秒以下の範囲内において磁界を供給しない工程を含むようにしてもよい。
【発明の効果】
【００４３】
本発明に係る磁気トンネル接合または磁気ランダムアクセスメモリによれば、回転方向が自由な渦磁化状態を有するフリー層に交換結合定数を低下させるためのドーパントが含まれていると共に、回転方向が固定された渦磁化状態を有するリファレンス層に交換結合定数を低下させるためのドーパントが含まれているので、大きな保磁力が得られると共に、セルサイズが小さくなる。したがって、フリー層およびリファレンス層が渦磁化状態を有し、高密度用途および高速用途に適用することができる。
【００４４】
本発明に係る渦磁化状態の形成方法または渦磁化状態の切り換え方法によれば、磁気トンネル接合のうちのリファレンス層およびフリー層において、第１の方向に磁界を供給することにより残留磁化を生じさせた後、その第１の方向と反対の第２の方向に逆磁界を供給することにより渦磁化状態を誘発すると共に、第１の回転方向の渦磁化状態を有するフリー層において、第１の方向に磁界を供給した後に取り除くことにより渦磁化状態を破壊すると共に残留磁化を生じさせた後、その第１の方向と反対方向に第２の磁界を供給した後に取り除くことにより第２の回転方向に渦磁化状態を誘発するようにしたので、信頼性および選択性が確保される。したがって、磁気トンネル接合の渦磁化状態を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４６】
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の構成について説明する。図１は、ＭＲＡＭ２０の断面構成を表している。なお、本発明の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は本実施の形態に係るＭＲＡＭの一部を構成するものであるため、そのＭＴＪについては以下で併せて説明する。
【００４７】
このＭＲＡＭ２０は、図１に示したように、ワード線２２と、絶縁層２９により周囲を埋設されたＭＴＪ３０と、ビット線３１とがこの順に積層された積層構造を有しており、基体２１上に配置されている。なお、図１では、ＭＲＡＭ２０のうちの１つのセルに対応する箇所を抜粋して示している。ＭＲＡＭ２０に関する上記以外の主な構成は、例えば、図１８に示した従来のＭＲＡＭ１００の構成と同様である。
【００４８】
ワード線２２は、第１の水平面（仮想面；ＸＹ面）に配置された第１の導電線であり、アレイ状に複数列に渡って配列されている。一方、ビット線３１は、ワード線２２と直交する方向（Ｚ軸方向）において、第１の水平面と平行に配置された第２の水平面（仮想面；ＸＹ面）に配置された第２の導電線であり、アレイ状に複数行に渡って配列されている。これらのワード線２２およびビット線３１は、例えば、既存のダマシンプロセスまたは非ダマシンプロセス（シート状の金属膜を成膜した後にパターニングするプロセス）を使用して形成可能である。なお、ワード線２２およびビット線３１の配置位置は、例えば、反対であってもよい。
【００４９】
ＭＴＪ３０は、第１の水平面と第２の水平面との間において、ビット線３１がワード線２２と交差する箇所に配置されており、複数列および複数行に渡って配列されている。このＭＴＪ３０は、例えば、ワード線２２に近い側から順に、シード層２３と、ＡＦＭピンニング層２４と、強磁性ピンド層２５と、トンネルバリア層２６と、強磁性フリー層２７と、保護層２８とが積層された積層構造を有しており、厚さ（Ｚ軸方向の寸法）Ｔと、ビット線３１に隣接された上面２８Ａと、ワード線２２に隣接された下面２３Ａと、側壁３０Ａとを有している。このＭＴＪ３０は、例えば、上記した一連の層がワード線２２を被覆するようにスパッタ成膜されることにより積層された後、その一連の層がエッチングおよびパターニングされることにより形成可能である。
【００５０】
シード層２３は、その上に形成される層を密に充填成長させることにより均一性を促進するものであり、例えば、ニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ）などにより構成されている。
【００５１】
ＡＦＭピンニング層２４は、強磁性ピンド層２５の磁化方向を固定（ピンニング）する反強磁性層であり、例えば、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）、ニッケルマンガン合金（ＮｉＭｎ）、オスミウムマンガン合金（ＯｓＭｎ）、イリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、ルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）、ロジウムマンガン合金（ＲｈＭｎ）、パラジウムマンガン合金（ＰｄＭｎ）、ルテニウムロジウムマンガン合金（ＲｕＲｈＭｎ）またはクロムパラジウムマンガン合金（ＣｒＰｄＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。
【００５２】
強磁性ピンド層２５は、ＡＦＭピンニング層２４により磁化方向が固定されたリファレンス層であり、固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有している。この強磁性ピンド層２５は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）および鉄（Ｆｅ）のうちの１つ以上またはそれらの合金を含んでおり、約１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さを有している。特に、強磁性ピンド層２５は、上記した渦磁化状態を容易に形成可能とするために、交換結合定数を低下させるためのドーパントを含んでいる。このドーパントは，例えば、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、白金（ｔ）、ニオブ（Ｎｂ）またはハフニウム（Ｈｆ）のうちの１つ以上であり、そのドーパントの含有量は、例えば、約１重量％〜４０重量％である。なお、強磁性ピンド層２５は、例えば、薄い結合層を挟んで２つの強磁性層が積層されたシンセティック反平行ピンド（ＳｙＡＰ；synthetic anti-parallel pinned）構造を有していてもよい。この場合、結合層は、２つの強磁性層間の反平行磁気結合を強固に維持するものであり、例えば、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）または銅（Ｃｕ）などの非磁性材料により構成される。ただし、上記したドーパントは、結合層に含有されない。また、２つの強磁性層は、例えば、コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料により構成され、互いに僅かに異なる厚さを有する。
【００５３】
トンネルバリア層２６は、例えば、酸化アルミニウム（ＡｌＯx ）などの絶縁性材料により構成されており、約１．１ｎｍ〜１．５ｎｍの厚さを有している。このトンネルバリア層２６は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）がスパッタ成膜された後に酸化されることにより形成可能である。
【００５４】
強磁性フリー層２７は、外部磁界に応じて磁化方向が変化可能なものであり、自由な回転方向を伴う渦磁化状態を有している。この強磁性フリー層２７は、例えば、強磁性ピンド層２５と同様の構成材料（ドーパントを含む）により構成されており、約１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さを有している。なお、強磁性フリー層２７は、例えば、薄い結合層を挟んで２つの強磁性層が積層されたシンセティック反強磁性（ＳＡＦ；synthetic anti-ferromagnetic）構造を有していてもよい。この場合、結合層は、例えば、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）または銅（Ｃｕ）などの非磁性材料により構成され、２つの強磁性層は、例えば、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの強磁性材料により構成される。なお、強磁性フリー層２７がＳＡＦ構造を有する場合には、トンネルバリア層２６に隣接する一方の強磁性層において一方方向の回転の渦磁化状態を有する一方で、保護層２８に隣接する他方の強磁性層において反対方向の回転の渦磁化状態を有することにより、ネット磁気モーメントがほぼゼロとなる。さらに、強磁性フリー層２７は、例えば、一方の強磁性層（第１の強磁性層）が非強磁性金属スペーサを介して他方の強磁性層（第２の強磁性層）に反平行静磁性結合された複合層であってもよい。この場合、非強磁性金属スペーサは、例えば、クロム、タンタル、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、ジルコニウム、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）またはニッケル鉄クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ）などの非強磁性金属材料により構成され、２つの強磁性層間において磁化が交換結合することを防止可能な厚さを有する。
【００５５】
保護層２８は、例えば、銅またはルテニウムなどの導電性材料により構成されており、約５ｎｍ〜４０ｎｍの厚さを有している。なお、保護層２８は、例えば、最上層としてルテニウム層を含む複合層であってもよい。
【００５６】
絶縁層２９は、例えば、シリコン酸化物などの絶縁性材料により構成されている。この絶縁層２９は、例えば、ＭＴＪ３０およびその周辺を覆うように絶縁性材料が成膜された後、そのＭＴＪ３０が露出するまで絶縁性材料が研磨されて平坦化されることにより、上面２８Ａと共通の面を有するように形成可能である。
【００５７】
なお、基体２１は、例えば、シリコン基板または半導体基板などであり、トランジスタやダイオードなどのデバイスを含んでいる。
【００５８】
次に、図１〜図３を参照して、ＭＴＪ３０の詳細な構成について説明する。図２および図３は、ＭＴＪ３０の平面構成（上面２８Ａ側から見た平面構成）を表している。
【００５９】
ＭＴＪ３０の側壁３０Ａは、例えば、図２に示したように、長軸３２（Ｘ軸に平行な軸；寸法Ｃ）および短軸３３（Ｙ軸に平行な軸；寸法Ｄ）により規定された対称（長軸３２を基準として対称）な楕円形状（楕円Ｓ）を有している。すなわち、ＭＴＪ３０を構成している一連の層は、互いに等しい平面形状（楕円形状）を有している。ＭＴＪ３０の長さおよび幅は、上記した側壁３０Ａにより規定されており、その側壁３０Ａにより画定される楕円Ｓは、例えば、長軸３２の寸法Ｃを長さとすると共に短軸３３の寸法Ｄを幅とするとき、約３よりも小さなアスペクト比（＝長さ／幅＝寸法Ｃ／寸法Ｄ）を有している。ただし、寸法Ｃ，Ｄは、例えば、約５μｍよりも小さい。ＭＴＪ３０のうちの上面２８Ａと下面２３Ａとの間の距離（厚さＴ）は、例えば、約５ｎｍ〜１００ｎｍである。なお、長軸３２および短軸３３とＸ軸およびＹ軸との間の対応関係は、例えば、反対であってもよい。すなわち、長軸３２がＹ軸に平行であり、短軸３３がＸ軸に平行であってもよい。
【００６０】
なお、側壁３０Ａは、例えば、図３に示したように、同一の長軸３２（寸法Ｂ）を有すると共にその長軸３２に沿って配置された２つの半楕円Ｓ１（第１の半楕円），Ｓ２（第２の半楕円）が組み合わされた非対称（長軸３２を基準として非対称）の楕円形状（楕円Ｓ）を有していてもよい。半楕円Ｓ１は、寸法Ｅ１（第１の短軸寸法）を有する短軸３４を有し、一方、半楕円Ｓ２は、寸法Ｅ２（第２の短軸寸法）を有する短軸３５を有している。ここでは、例えば、寸法Ｅ１が寸法Ｅ２よりも大きくなっている（Ｅ１＞Ｅ２）。この場合の楕円Ｓは、例えば、長軸３２に沿った長さ（寸法Ｂ）と、寸法Ｅ１，Ｅ２の総和である寸法Ｅとを有しており、長さに対する幅の比（＝長さ／幅＝寸法Ｂ／寸法Ｅ）は、約５よりも小さい。この場合においても、長軸３２および短軸３４，３５とＸ軸およびＹ軸との間の対応関係は、例えば、反対であってもよい。
【００６１】
次に、図１、図４および図５を参照して、ワード線２２およびビット線３１の詳細な構成について説明する。図４は、ＭＲＡＭ２０の平面構成（上面２８Ａ側から見た平面構成）を表しており、図５は、ワード線２２およびビット線３１の断面構成を拡大して表している。図５では、（Ａ）がワード線２２を示し、（Ｂ）がビット線３１を示している。
【００６２】
ワード線２２およびビット線３１は、図４に示したように、ＭＴＪ３０の配置位置において互いに交差している。
【００６３】
ワード線２２は、例えば、約５００ｎｍよりも小さな厚さを有している。特に、ワード線２２は、例えば、図４および図５（Ａ）に示したように、矩形状の断面形状を有する導電性層２２１と、その導電性層２２１の周囲を三方から被覆する磁気被覆層２２２とを含んでいる。導電性層２２１は、例えば、銅などの導電性非磁性材料により構成されており、ＭＴＪ３０の幅（Ｘ軸方向の寸法）の約５０％よりも大きな幅Ｗ１を有している。磁気被覆層２２２は、例えば、ニッケル鉄合金、コバルト鉄合金、コバルトニッケル鉄合金（ＣｏＮｉＦｅ）、あるいはコバルト、ニッケルまたは鉄を含む他の合金により構成されており、約１ｎｍ以上５００ｎｍ未満の厚さを有している。この磁気被覆層２２２は、導電性層２２１のうちのＭＴＪ３０に隣接された一面（上面）を含む４つの面のうち、そのＭＴＪ３０に隣接された一面を被覆しておらず、すなわちＭＴＪ３０に隣接されていない他の３つの面（下面および２つの側面）を被覆するように設けられている。
【００６４】
ビット線３１は、例えば、約５００ｎｍよりも小さな厚さを有している。特に、ビット線３１は、例えば、図４および図５（Ｂ）に示したように、矩形状の断面形状を有する導電性層３１１と、その導電性層３１１の周囲を三方から被覆する磁気被覆層３１２とを含んでいる。導電性層３１１は、例えば、導電性層２２１と同様の導電性非磁性材料により構成されており、ＭＴＪ３０の幅（Ｙ軸方向の寸法）よりも大きな幅Ｗ２を有している。磁気被覆層３１２は、例えば、磁気被覆層２２２と同様の合金により構成されており、約１ｎｍ以上５００ｎｍ未満の厚さを有している。この磁気被覆層３１２は、導電性層３１１のうちのＭＴＪ３０に隣接された一面（下面）を含む４つの面のうち、そのＭＴＪ３０に隣接された一面を被覆しておらず、すなわちＭＴＪ３０に隣接されていない他の３つの面（上面および２つの面）を覆うように設けられている。
【００６５】
次に、図１〜図６を参照して、ＭＲＡＭ２０の製造方法に関連して、強磁性ピンド層２５および強磁性フリー層２７に形成される渦磁化状態の形成方法について説明する。図６は、ＭＲＡＭ２０の抵抗状態を説明するためのものであり、（Ａ）が低抵抗状態を示し、（Ｂ）が高抵抗状態を示している。図６では、ＭＲＡＭ２０の抵抗状態を説明するために、図２および図３に示した平面構成に対応する強磁性ピンド層２５および強磁性フリー層２７の平面構成を示している。なお、ＭＲＡＭ２０を構成する一連の構成要素の構成や材質等に関しては既に詳細に説明したので、それらの説明を以下では随時省略する。
【００６６】
渦磁化状態を形成する際には、まず、ワード線２２がＹ軸（第１の軸）に沿って配置された基体２１を準備する。このワード線２２を配置する際には、図５（Ａ）に示したように、導電性層３１１および磁気被覆層３１２を含むようにする。
【００６７】
続いて、ワード線２２上に、楕円状の側壁３０Ａと、上面２８Ａおよび下面２３Ａと、長さ（例えば寸法Ｃ）および幅（例えば寸法Ｄ）とを有すると共に、残留磁化が第１の方向に配向された強磁性ピンド層２５および強磁性フリー層２７を含むように、ＭＴＪ３０を形成する。この場合には、第１の方向に磁界を供給することにより、残留磁化を生じさせる。このＭＴＪ３０を形成する際には、図１に示したように、ワード線２２上に、シード層２３、ＡＦＭピンニング層２４、強磁性ピンド層２５、トンネルバリア層２６、強磁性フリー層２７および保護層２８をこの順に形成することにより積層させる。この場合には、図２に示したように、側壁３０Ａにより画定される楕円Ｓが対称な楕円となるようにしてもよいし、あるいは図３に示したように、楕円Ｓが非対称な楕円となるようにしてもよい。このＭＴＪ３０は、ＭＲＡＭ２０中においてワード線２２のアレイとビット線３１のアレイとの間に配置されたＭＴＪ３０のアレイのうちの一部となる。
【００６８】
続いて、ＭＴＪ３０の上面２８Ａに隣接されると共にＹ軸と直交するＸ軸（第２の軸）に沿うようにビット線３１を形成する。このビット３１を形成する際には、図５（Ｂ）に示したように、導電性層３１１および磁気被覆層３１２を含むようにする。
【００６９】
最後に、ワード線２２およびビット線３１に電流を供給し、第１の方向と反対方向（第２の方向）に逆磁界を生じさせることにより、強磁性フリー層２７に渦磁化状態を誘発する。この場合には、例えば、逆磁界の強度が、残留磁化を生じさせるために供給した磁界の強度よりも小さくなるようにする。
【００７０】
この強磁性フリー層２７に渦磁化状態を誘発する際には、図６に示したように、強磁性ピンド層２５に渦磁化状態４０（第１の渦磁化状態）を形成すると共に、強磁性フリー層２７に渦磁化状態４１（第２の渦磁化状態）を形成する。この場合には、強磁性ピンド層２５および強磁性フリー層２７に形成される渦磁化状態４０，４１の回転状態（時計回り回転または反時計回り回転）に応じて抵抗状態が変化することにより、ＭＴＪ３０において閉磁束構造が構築される。
【００７１】
具体的には、図６（Ａ）に示したように、強磁性ピンド層２５の渦磁化状態４０が時計回り回転であると共に強磁性フリー層２７の渦磁化状態４１が時計回り回転である場合には、ＭＴＪ３０が低抵抗状態（「０」の状態）となる。もちろん、ここでは図示していないが、上記した低抵抗状態は、強磁性ピンド層２５の渦磁化状態４０が反時計回り回転であると共に強磁性フリー層２７の渦磁化状態４１が反時計回り回転である場合においても、同様に得られる。
【００７２】
一方、図６（Ｂ）に示したように、強磁性ピンド層２５の渦磁化状態４０が時計回り回転であると共に強磁性フリー層２７の渦磁化状態４１が反時計回り回転である場合には、ＭＴＪ３０が高抵抗状態（「１」の状態）となる。もちろん、ここでは図示していないが、上記した高抵抗状態は、強磁性ピンド層２５の渦磁化状態４０が反時計回り回転であると共に強磁性フリー層２７の渦磁化状態４１が時計回り回転である場合においても、同様に得られる。
【００７３】
次に、図１を参照して、強磁性フリー層２７に形成された渦磁化状態の切り換え方法について説明する。
【００７４】
渦磁化状態を切り換える際には、まず、ワード線２２と、ワード線２２の上方に直交するように配置されたビット線３１と、ワード線２２とビット線３１との間に配置されたＭＴＪ３０とが設けられ、そのＭＴＪ３０が、楕円状の側壁３０Ａと、上面２８Ａおよび下面２３Ａと、長さ（例えば寸法Ｃ）および幅（例えば寸法Ｄ）とを有すると共に第１の回転方向に配向された渦磁化状態を有する強磁性フリー層２７を含むように、基体２１を準備する。この基体２１を準備する際には、ＭＴＪ３０が、ＡＦＭピンニング層２４により回転方向が固定された渦磁化状態を有する強磁性ピンド層２５を含むようにする。この場合には、例えば、強磁性ピンド層２５が、第１の回転方向と反対の回転方向（第２の回転方向）に固定された渦磁化状態を有するようにしてもよいし、あるいは第１の回転方向に固定された渦磁化状態を有するようにしてもよい。また、基体２１を準備する際には、例えば、強磁性フリー層２７が、約１００×１０3 Ａ／ｍ（＝１００ｅｍｕ／ｃｃ）〜２０００×１０3 Ａ／ｍ（＝２０００ｅｍｕ／ｃｃ）の飽和磁化（Ｍｓ）を有すると共に、約１ｎｍ〜２０ｎｍの厚さを有するようにする。
【００７５】
続いて、第１の軸に沿った第１の方向に第１の磁界を供給することにより、渦磁化状態を破壊すると共に強磁性フリー層２７において第１の方向に残留磁化を生じさせた後、その磁界を取り除く。
【００７６】
最後に、第１の方向と反対の方向（第２の方向）に第２の磁界を供給することにより、第１の回転方向と反対の第２の回転方向に渦磁化状態を誘発した後、その磁界を取り除く。この場合には、例えば、第２の磁界の強度が、第１の磁界の強度よりも小さくなるようにする。強磁性ピンド層２５の渦磁化状態が第２の回転方向に固定された場合には、ＭＴＪ３０において低抵抗状態が生じ、一方、強磁性ピンド層２５の渦磁化状態が第１の回転方向に固定された場合には、ＭＴＪ３０において高抵抗状態が生じる。これにより、強磁性フリー層２７において渦磁化状態が第１の回転方向から反対の第２の回転方向に切り換えられる。
【００７７】
特に、強磁性ピンド層２５の渦磁化状態を切り換える場合の条件は、以下の通りである。
【００７８】
すなわち、第１の回転方向が反時計回りであり、第２の回転方向が時計回りである場合には、第１の磁界の強度が約＋５０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝＋５０Ｏｅ）〜＋５００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝＋５００Ｏｅ）であり、第２の磁界の強度が約−２００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝−２００Ｏｅ）〜−５×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝−５Ｏｅ）である。一方、第１の回転方向が時計回りであり、第２の回転方向が反時計回りである場合には、第１の磁界の強度が約−５００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝−５００Ｏｅ）〜−５０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝−５０Ｏｅ）であり、第２の磁界の強度が約＋５×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝＋５Ｏｅ）〜＋２００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝＋２００Ｏｅ）である。また、第１の磁界および第２の磁界の供給時間は、約１ナノ秒〜１００ナノ秒である。さらに、第１の磁界を取り除く場合には、約０ナノ秒〜１０ナノ秒の時間に渡って磁界を供給しないようにする。
【００７９】
本実施の形態に係るＭＲＡＭでは、交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に自由な回転方向を伴う渦磁化状態を有する強磁性フリー層２７と、同様に交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有する強磁性ピンド層２５と、強磁性フリー層２７と強磁性ピンド層２５との間に配置されたトンネルバリア層２６とを備えるようにＭＴＪ３０が構成されている。この場合には、磁化状態を切り換えるために形状異方性を利用していた従来の場合とは異なり、交換結合定数やＭｓｔ（飽和磁束密度×厚さ）などに代表される磁性膜に固有な膜特性を利用して磁化状態が切り換えられる。これにより、従来の場合よりも大きな保磁力が得られるため、記録ビットの安定性が向上すると共に、記録動作時において半選択セルが消去されにくくなる。しかも、この場合には、ＭＴＪ３０が低アスペクト比の楕円状の平面形状を有しているため、そのＭＴＪ３０が楕円状以外の平面形状を有している場合と比較して、セルサイズが小さくなる。これにより、ＭＴＪ３０の形成工程が簡略化されると共に、高密度化が実現される。したがって、強磁性フリー層２７および強磁性ピンド層２５が渦磁化状態を有し、高密度用途および高速用途に適用することができる。
【００８０】
また、本実施の形態に係る渦磁化状態の形成方法では、ＭＴＪ３０のうちの強磁性ピンド層２５および強磁性フリー層２７において、第１の方向に磁界を供給することにより残留磁化を生じさせた後、反対の第２の方向に逆磁界を供給することにより渦磁化状態を誘発するようにしたので、それらの強磁性ピンド層２５および強磁性フリー層２７に渦磁化状態が生じる。また、本実施の形態に係る渦磁化状態の切り換え方法では、第１の回転方向の渦磁化状態を有する強磁性フリー層２７において、磁界を供給することにより渦磁化状態を破壊すると共に第１の方向に残留磁化を生じさせた後、反対の第２の方向に磁界を供給することにより反対の第２の回転方向の渦磁化状態を誘発するようにしたので、その強磁性フリー層２７の渦磁化状態が第１の回転方向から第２の回転方向に切り換えられる。したがって、本実施の形態では、磁化状態を切り換えるために形状異方性を利用していた従来の場合と比較して、信頼性および選択性が確保されるため、ＭＴＪ３０の渦磁化状態を制御することができる。
【実施例】
【００８１】
次に、本発明に関する実施例について説明する。
【００８２】
コンピュータシミュレーションを利用して、本発明のＭＲＡＭのうちの強磁性フリー層２７の磁気特性を調べたところ、以下の一連の結果が得られた。
【００８３】
まず、時計回り回転の渦磁化状態の形成メカニズムを調べたところ、図７および図８に示した結果が得られた。図７および図８は強磁性フリー層２７の磁化状態に関するシミュレーション結果を表しており、図７はシミュレーション結果６０を示し、図８はシミュレーション結果６１を示している。図７および図８に示した複数の小さな矢印は、基体２１に平行な水平面（Ｘ，Ｙ座標）内おける磁化方向を示している。確認までに説明しておくと、Ｘ方向（−Ｘ，＋Ｘ）は楕円Ｓの長軸３２（寸法Ｃ）に沿った方向であり、Ｙ軸方向（＋Ｙ）は、楕円Ｓの短軸３３（寸法Ｄ）に沿った方向である（図２参照）。この渦磁化状態の形成メカニズムを調べる際には、アスペクト比（＝寸法Ｃ／寸法Ｄ）＝１．５、強磁性フリー層２７の厚さ＝８ｎｍ（飽和磁化（Ｍｓ）＝６００×１０3 Ａ／ｍ（＝６００ｅｍｕ／ｃｃ））とした。
【００８４】
シミュレーション結果６０（図７参照）から判るように、＋Ｘ方向に１００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝１００Ｏｅ）〜２５０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝２５０Ｏｅ）となるように第１の磁界を供給した後、その第１の磁界を取り除いたところ、初期状態において残留磁化の磁化方向５０が＋Ｘ方向に沿ってセットされた。この磁化方向５０は概ねＸ方向に平行であるが、「Ｃ」状態と呼ばれる強磁性フリー層２７の各端部において僅かに曲がってセットされている。続いて、−Ｘ方向に第１の磁界よりも小さな７５×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝７５Ｏｅ）となるように第２の磁界を供給した後、その第２の磁界を取り除いたところ、シミュレーション結果６１（図８参照）から判るように、時計回り回転の渦磁化状態４１が誘発された。この渦磁化状態４１は、第２の磁界を取り除いた後においても維持された。第２の磁界の強度は、上記した渦磁化状態４１を誘発し得る臨界値（核生成磁界）に達していることが重要である。なお、第１の磁界および第２の磁界の供給時間は、大きな問題とはならない。
【００８５】
続いて、反時計回り回転の渦磁化状態の形成メカニズムを調べたところ、図９および図１０に示した結果が得られた。図９および図１０は強磁性フリー層２７の磁化状態に関する他のシミュレーション結果を表しており、図７および図８に示したシミュレーション結果に対応している。なお、渦磁化状態の形成メカニズムを調べる際の条件は、図７および図８に関して説明した場合と同様にした。
【００８６】
シミュレーション結果６２（図９参照）から判るように、−Ｘ方向に１００×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝１００Ｏｅ）〜２５０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝２５０Ｏｅ）となるように第１の磁界を供給した後、その第１の磁界を取り除いたところ、初期状態において残留磁化の磁化方向５１が−Ｘ方向に沿ってセットされた。「Ｃ」状態と呼ばれる強磁性フリー層２７の各端部では、やはり磁化方向５０が僅かに曲がってセットされている。続いて、＋Ｘ方向に第１の磁界よりも小さな７５×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝７５Ｏｅ）となるように第２の磁界を供給した後、その第２の磁界を取り除いたところ、シミュレーション結果６３（図１０参照）から判るように、反時計回り回転の渦磁化状態４２が誘発された。この渦磁化状態４２は、やはり第２の磁界を取り除いた後においても維持された。
【００８７】
続いて、渦磁化状態の切り換えメカニズムを調べたところ、図１１〜図１７に示した結果が得られた。図１１および図１２は強磁性フリー層２７の磁化状態に関するモデリング結果を表しており、横軸のＸ方向（−Ｘ，＋Ｘ）は供給磁界を示し、縦軸のＹ方向（−Ｙ，＋Ｙ）は磁気応答（抵抗）を示している。このうち、図１１は高抵抗状態から低抵抗状態へ切り換える場合のモデリング結果を示し、図１２は低抵抗状態から高抵抗状態へ切り換える場合のモデリング結果を示している。また、図１３は強磁性ピンド層２５の磁化状態に関するシミュレーション結果を表し、図１４〜図１７は強磁性フリー層２７の磁化状態に関するシミュレーション結果を表しており、いずれも図７および図８に示したシミュレーション結果に対応している。図１１に示した渦磁化状態の切り換えメカニズムを調べる際には、図１０に示したように、強磁性フリー層２７の渦磁化状態を反時計回り回転となるように設定したと共に、シミュレーション結果６４（図１３参照）に示したように、強磁性ピンド層２５の渦磁化状態を時計回り回転となるように固定した。また、図１２に示した渦磁化状態の切り換えメカニズムを調べる際には、図８に示したように、強磁性フリー層２７の渦磁化状態を時計周り回転となるように設定したと共に、シミュレーション結果６４（図１３参照）に示したように、やはり強磁性ピンド層２５の渦磁化状態を時計回り回転となるように固定した。
【００８８】
図１１に示した結果から判るように、ＭＴＪ３０は、点Ａ（初期状態）において高抵抗状態であり、一方、強磁性フリー層２７の渦磁化状態が切り換えられることにより点Ｅにおいて低抵抗状態に変化する。渦磁化状態を切り換える手順は、以下の通りである。すなわち、まず、ワード線２２およびビット線３１に電流を供給することにより、＋Ｘ方向に第１の磁界を供給する。この第１の磁界の強度は、曲線７１に沿って点Ｂまで増加される。これにより、シミュレーション結果６５（図１４参照）に示したように、強磁性フリー層２７の渦磁化状態４２Ａは、Ｘ方向に平行な多くの残留磁化と共に、上方（第１の磁界と直交する方向）にシフトされる。この後、第１の磁化が点Ｂ（第１の臨界点）を越えて増加されると、シミュレーション結果６６（図１５参照）に示したように、渦磁化状態４２Ａが破壊されると共に残留磁化の磁化方向が＋Ｘ方向に沿ってセットされた。続いて、第１の磁界を取り除く（曲線７２）。この第１の磁界が取り除かれる過程では、残留磁化の磁化方向が点Ｃにおいて＋Ｘ方向に沿ってセットされており、シミュレーション結果６７（図１６参照）に示したように、強磁性フリー層２７は「Ｃ」状態となる。続いて、−Ｘ方向に第２の磁界を供給する。この第２の磁界の強度は、曲線７３に沿って点Ｄ（第２の臨界点）まで増加される。これにより、シミュレーション結果６８（図１７参照）に示したように、強磁性フリー層２７において時計回り回転の渦磁化状態４１Ａが誘発される。最後に、第２の磁界を取り除く（曲線７４）。この第２の磁界が取り除かれる過程では、点Ｅにおいて低抵抗状態に移行するまで、渦磁化状態４１Ａが時計回り回転のまま維持される。この渦磁化状態４１Ａは、低エネルギー状態となるために、第２の磁界が取り除かれた後にＹ方向に沿ってシフトされる。
【００８９】
具体的な一例を挙げると、強磁性フリー層２７の厚さ＝８ｎｍ、飽和磁化（Ｍｓ）＝６００×１０3 Ａ／ｍ（＝６００ｅｍｕ／ｃｃ）の場合には、点Ｂ（第１の臨界点）は供給磁界＝約１５６×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝１５６Ｏｅ）に対応し、点Ｄ（第２の臨界点）は供給磁界＝約−６０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝−６０Ｏｅ）に対応する。もちろん、点Ｂ，Ｄに対応する供給磁界の値は、強磁性フリー層２７の厚さ、形状および飽和磁化に依存して変化する。実際の動作時には、第１の磁界は、点Ｂに至るまで傾斜プログラムを実行することなく約１５６×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ以上となるように供給される。同様に、第２の磁界は、傾斜プログラムを実行することなく約−６０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍとなるように供給される。一般に、第１の磁界および第２の磁界は、約１ナノ秒〜１００ナノ秒の時間に渡って供給される。なお、第１の磁界を供給した後に第２の磁界を供給するまでの間の時間（遅延時間）は重要でなく、約０ナノ秒〜１０ナノ秒であればよい。
【００９０】
また、図１２に示した結果から判るように、ＭＴＪ３０は、点Ｅにおいて低抵抗状態であり、一方、強磁性フリー層２７の渦磁化状態が切り換えられることにより点Ａにおいて高抵抗状態に変化する。渦磁化状態を切り換える手順は、以下の通りである。すなわち、まず、ワード線２２およびビット線３１に電流を供給することにより、−Ｘ方向に第１の磁界を供給する。この第１の磁界の強度は、傾斜プログラムを実行することなく供給されてもよいし、傾斜プログラムを使用することにより曲線７５に沿って点Ｆまで増加されてもよい。これにより、強磁性フリー層２７の渦磁化状態は、Ｘ方向に平行な多くの残留磁化と共に、第１の磁界と直交する方向にシフトされる。この後、第１の磁化が点Ｆ（第１の臨界点）を越えて増加されると、渦磁化状態が破壊されると共に残留磁化の磁化方向が−Ｘ方向に沿ってセットされる。続いて、第１の磁界を取り除く（曲線７６）。この第１の磁界が取り除かれる過程では、残留磁化の磁化方向が点Ｇにおいて−Ｘ方向に沿ってセットされる。続いて、＋Ｘ方向に第２の磁界を供給する。この第２の磁界の強度は、曲線７７に沿って点Ｈ（第２の臨界点）まで増加される。これにより、強磁性フリー層２７において反時計回り回転の渦磁化状態が誘発される。最後に、第２の磁界を取り除く（曲線７８）。この第２の磁界が取り除かれる過程では、点Ａにおいて高抵抗状態に移行するまで、渦磁化状態が反時計回り回転のまま維持される。この渦磁化状態４１Ａは、低エネルギー状態となるために、第２の磁界が取り除かれた後にＹ方向に沿ってシフトされる。なお、遅延時間は、図１１を参照して説明した場合と同様である。
【００９１】
具体的な一例を挙げると、強磁性フリー層２７の厚さおよび飽和磁化（Ｍｓ）が図１１を参照して説明した場合と同様の場合には、点Ｆ（第１の臨界点）は供給磁界＝約−２４０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝−２４０Ｏｅ）に対応し、点Ｈ（第２の臨界点）は供給磁界＝約＋１４０×１０3 ／（４π）Ａ／ｍ（＝＋１４０Ｏｅ）に対応する。もちろん、点Ｆ，Ｈに対応する供給磁界の値は、強磁性フリー層２７の厚さ、形状および飽和磁化に依存して変化する。
【００９２】
上記した一連の結果から、本発明では、強磁性フリー層２７の磁化状態が低抵抗状態と高抵抗状態との間において切り換えられるため、その磁化状態を制御可能であることが確認された。
【００９３】
強磁性ピンド層２５の渦磁化状態を固定するためには、その渦磁化状態を固定するＡＦＭピンニング層２４がアニールされる前に、渦磁化状態が生じていなければならない。例えば、ＡＦＭピンニング層２４が白金マンガン合金により構成される場合には、そのＡＦＭピンニング層２４がアニールされず、ＭＴＪ３０が所望のパターン形状となるようにパターニングされる。この場合には、＋Ｘ方向に第１の磁界が供給された後、反対方向に第２の磁界が供給されることにより、強磁性ピンド層２５において渦磁化状態が誘発される。この後、ＡＦＭピンニング層２４がアニールされる。これにより、強磁性ピンド層２５の渦磁化状態が時計回りまたは反時計回りの回転となるように固定される。なお、強磁性ピンド層２５において渦磁化状態を誘発するためには、例えば、ＡＦＭピンニング層２４のネール温度よりも高い温度で基体２１を加熱した後に冷却（磁界供給なし）するようにしてもよい。
【００９４】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。具体的には、本発明に係る磁気トンネル接合、磁気ランダムアクセスメモリ、渦磁化状態の形成方法および渦磁化状態の切り換え方法は、交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に自由な回転方向を伴う強磁性フリー層と、交換結合定数を低下させるためのドーパントを含むと共に固定された回転方向を伴う渦磁化状態を有する強磁性ピンド層と、強磁性フリー層と強磁性ピンド層との間に形成されたトンネルバリア層とを備えるように磁気トンネル接合を構成すると共に、強磁性ピンド層および強磁性フリー層に２種類の磁界（一方方向の磁界および反対方向の磁界（逆磁界））を供給することにより渦磁化状態を形成または切り換えることにより、高密度用途および高速用途に適用することが可能になると共に渦磁化状態を制御することが可能な限り、自由に変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明に係る磁気トンネル接合、磁気ランダムアクセスメモリ、渦磁化状態の形成方法および渦磁化状態の切り換え方法は、高密度用途および高速用途のＭＲＡＭに適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＭＲＡＭの断面構成を表す断面図である。
【図２】図１に示したＭＴＪの平面構成を表す平面図である。
【図３】図１に示したＭＴＪの他の平面構成を表す平面図である。
【図４】図１に示したＭＲＡＭの平面構成を表す平面図である。
【図５】図１に示したワード線およびビット線の断面構成を拡大して表す断面図である。
【図６】図１に示したＭＲＡＭの抵抗状態を説明するための平面図である。
【図７】強磁性フリー層の磁化状態（時計回り回転の渦磁化状態）に関するシミュレーション結果を表す図である。
【図８】強磁性フリー層の磁化状態（時計回り回転の渦磁化状態）に関する他のシミュレーション結果を表す図である。
【図９】強磁性フリー層の磁化状態（反時計回り回転の渦磁化状態）に関するシミュレーション結果を表す図である。
【図１０】強磁性フリー層の磁化状態（反時計回り回転の渦磁化状態）に関する他のシミュレーション結果を表す図である。
【図１１】強磁性フリー層の磁化状態（高抵抗状態から低抵抗状態）に関するモデリング結果を表す図である。
【図１２】強磁性フリー層の磁化状態（低抵抗状態から高抵抗状態）に関するモデリング結果を表す図である。
【図１３】強磁性ピンド層の磁化状態に関するシミュレーション結果を表す図である。
【図１４】強磁性フリー層の磁化状態に関するシミュレーション結果を表す図である。
【図１５】強磁性フリー層の磁化状態に関する他のシミュレーション結果を表す図である。
【図１６】強磁性フリー層の磁化状態に関するさらに他のシミュレーション結果を表す図である。
【図１７】強磁性フリー層の磁化状態に関するさらに他のシミュレーション結果を表す図である。
【図１８】従来のＭＲＡＭの断面構成を表す断面図である。
【図１９】図１８に示したＭＲＡＭのうちの主要部の断面構成を拡大して表す断面図である。
【符号の説明】
【００９７】
２０…ＭＲＡＭ、２１…基体、２２…ワード線、２３…シード層、２３Ａ…下面、２４…ＡＦＭピンニング層、２５…強磁性ピンド層、２６…トンネルバリア層、２７…強磁性フリー層、２８…保護層、２８Ａ…上面、２９…絶縁層、３０…ＭＴＪ、３０Ａ…側壁、３１…ビット線、３２…長軸、３３…短軸、４０，４１，４１Ａ，４２Ａ…渦磁化状態、５０，５１…磁化方向、６０〜６８…シミュレーション結果、２２１，３１１…導電性層、２２２，３１２…磁気被覆層、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｅ１，Ｅ２…寸法、Ｓ…楕円、Ｓ１，Ｓ２…半楕円、Ｔ…厚さ、Ｗ１，Ｗ２…幅。
【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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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