(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化を反転させるのに使用する配線への負担が少なく且つフリー層の磁化を反転させるのに要する消費電力を低減可能な磁気デバイス及び磁気メモリを提供すること。【解決手段】本発明の磁気デバイスは、磁気抵抗効果素子２と、そのフリー層１１の磁化の向きをその主面に平行な面内で変化させる際に、電流を流すことによりフリー層１１の上記主面に垂直な垂直磁場成分をフリー層１１の位置に発生してフリー層１１の磁化の向きを上記主面に平行な方向から上記主面に垂直な方向へ向けて傾ける垂直磁場発生用配線３とを具備したことを特徴とする。【選択図】    図１
2004165442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、
前記フリー層の磁化の向きをその主面に平行な面内で変化させる場合、電流を流すことにより前記フリー層の前記主面に垂直な垂直磁場成分を前記フリー層の位置に発生して前記フリー層の磁化の向きを前記主面に平行な方向から前記主面に垂直な方向へ向けて傾ける垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイス。
【請求項２】
強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、
前記フリー層の側面に対向し且つ前記フリー層の一方の主面に対して平行または斜めに延在した垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイス。
【請求項３】
強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、
前記フリー層の一方の主面と交差する直線の周囲にコイル状に設けられた垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の磁気デバイスと、
前記磁気抵抗効果素子に対向したワード線と、
前記磁気抵抗効果素子に対向し且つ前記ワード線と交差したビット線とを具備したことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項５】
強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子を含むメモリセルと、
前記磁気抵抗効果素子に対向したワード線と、
前記磁気抵抗効果素子に対向し且つ前記ワード線と交差したビット線と、
前記フリー層の一方の主面に対して平行または斜めに延在した垂直磁場発生用配線とを具備し、
前記メモリセルへの情報の書き込みにおいて、前記ワード線と前記ビット線と前記垂直磁場発生用配線とに電流を流すことにより発生する合成磁場が前記磁場として作用するように構成されたことを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた磁気デバイス及び磁気メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果素子は、例えば、一対の強磁性層を非磁性層を介して積層した構造を有している。この磁気抵抗効果素子の抵抗値は、一方の強磁性層の磁化に対する他方の強磁性層の磁化の相対的な向きに応じて変化する。このような磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子は様々な用途への応用が可能であり、磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭという）は磁気抵抗効果素子の主要な用途の１つである。
【０００３】
ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子などでメモリセルを構成するとともに、一方の強磁性層を磁場印加の際にその磁化の向きが変化しないピン層とし、他方の強磁性層を上記磁場印加の際にその磁化の向きが変化し得るフリー層として情報の記憶を行う。すなわち、情報を書き込む際には、ワード線に電流パルスを流すことにより発生する磁場とビット線に電流パルスを流すことにより発生する磁場との合成磁場を作用させる。これにより、フリー層の磁化を例えばピン層の磁化に対して平行な状態と反平行な状態との間で変化させる。このようにして、それら２つの状態に対応して二進情報（“０”、“１”）がメモリセルに記憶される。
【０００４】
また、書き込んだ情報を読み出す際には、磁気抵抗効果素子に電流を流す。磁気抵抗効果素子の抵抗値は上記の２つの状態間で互いに異なるため、流れた電流（或いは抵抗値）を検出することによりメモリセルに記憶された情報を読み出すことができる。
【０００５】
ところで、ＭＲＡＭを高集積化するうえでは磁気抵抗効果素子の小面積化が極めて有効であるが、一般に、フリー層を小面積化すると、その保磁力が大きくなる。そのため、磁気抵抗効果素子の小面積化に応じ、フリー層の磁化をピン層の磁化に対して平行な状態と反平行な状態との間で変化させるのに必要な磁場（スイッチング磁場）の強さを高めなければならない。
【０００６】
スイッチング磁場は、例えば、書き込みの際により大きな電流を書き込み配線に流すことにより強めることができる。しかしながら、この場合、消費電力が増大するのに加え、配線寿命が短くなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化を反転させるのに使用する配線への負担が少なく且つフリー層の磁化を反転させるのに要する消費電力を低減可能な磁気デバイス及び磁気メモリを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記フリー層の磁化の向きをその主面に平行な面内で変化させる場合、電流を流すことにより前記フリー層の前記主面に垂直な垂直磁場成分を前記フリー層の位置に発生して前記フリー層の磁化の向きを前記主面に平行な方向から前記主面に垂直な方向へ向けて傾ける垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイスが提供される。
【０００９】
本発明の第２の側面によると、強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記フリー層の側面に対向し且つ前記フリー層の一方の主面に対して平行または斜めに延在した垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイスが提供される。
【００１０】
本発明の第３の側面によると、強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記フリー層の一方の主面と交差する直線の周囲にコイル状に設けられた垂直磁場発生用配線とを具備したことを特徴とする磁気デバイスが提供される。
【００１１】
本発明の第４の側面によると、第１乃至第３の側面の何れかに係る磁気デバイスと、前記磁気抵抗効果素子に対向したワード線と、前記磁気抵抗効果素子に対向し且つ前記ワード線と交差したビット線とを具備したことを特徴とする磁気メモリが提供される。
【００１２】
本発明の第５の側面によると、強磁性を示すとともに磁場の印加により磁化の向きが変化し得るフリー層と、前記フリー層に対向し且つ強磁性を示すとともに前記磁場の印加前後で磁化の向きが維持されるピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に介在した非磁性層とを備えた磁気抵抗効果素子を含むメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子に対向したワード線と、前記磁気抵抗効果素子に対向し且つ前記ワード線と交差したビット線と、前記フリー層の一方の主面に対して平行または斜めに延在した垂直磁場発生用配線とを具備し、前記メモリセルへの情報の書き込みにおいて、前記ワード線と前記ビット線と前記垂直磁場発生用配線とに電流を流すことにより発生する合成磁場が前記磁場として作用するように構成されたことを特徴とする磁気メモリが提供される。
【００１３】
第１乃至第５の側面において、垂直磁場発生用配線は、それに電流を流すことにより、フリー層の一方の主面に垂直な垂直磁場成分のみを発生してもよく、或いは、フリー層の一方の主面に垂直な垂直磁場成分とその主面に平行な平行磁場成分との双方を発生してもよい。なお、ここで、「垂直磁場成分」は、フリー層の位置で平均した場合にその強さがゼロでなければ、フリー層の全体にわたって向きや強さが均一である必要はない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似する機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図である。図１に示すＭＲＡＭ１は、磁気抵抗効果素子２、垂直磁場発生用配線であるコイル３、書き込み用のワード線４、及び書き込み用のビット線５を備えている。ワード線４とビット線５とは、所定の間隙を隔てて互いに略直交するように交差している。磁気抵抗効果素子２はワード線４とビット線５との間に位置しており、コイル３は磁気抵抗効果素子２の上方の空間を取り囲むように配置されている。なお、磁気抵抗効果素子２は、フリー層１１、ピン層１２、非磁性層１３、及び反強磁性層１４を備えている。また、磁気抵抗効果素子２とコイル３とは磁気デバイスを構成している。
【００１６】
図２は、図１のＭＲＡＭ１でコイル３に電流を流した場合にフリー層１１で生じ得る磁化の向きの変化を概略的に示す斜視図である。
フリー層１１に図中上向きの垂直磁場を印加すると、図２に示すように、その主面に平行な方向（面内方向）に向いた磁化５１（図中右向き）は、歳差運動しながら、フリー層１１の主面に垂直な方向（面直方向）に向こうとする。すなわち、フリー層１１に図中上向きの垂直磁場を印加してから面内方向に向いた磁化５１が面直方向に向くまでの間、磁化５１は面直方向に平行な軸を回転軸としたトルクを受ける。このトルクの向きは垂直磁場の向きに応じて変化させることができるので、以下に説明するように情報の書き込みに利用可能である。
【００１７】
図３（ａ）乃至（ｃ）は、図１のＭＲＡＭ１に情報を書き込む際にフリー層１１で生じ得る磁化の向きの変化を概略的に示す平面図である。
図３（ａ）と図３（ｃ）とではフリー層１１の磁化５１が逆向きとなっている。例えば、図３（ａ）に示す状態は情報“０”に対応し、図３（ｃ）に示す状態は情報“１”に対応している。
【００１８】
本実施形態では、図３（ａ）に示す状態から図３（ｃ）に示す状態へと磁化５１を変化させるに当り、例えば、まず、コイル３に電流を流し、図３（ｂ）に参照番号５２で示すように、ワード線４側からビット線５側へと向いた垂直磁場をフリー層１１の位置に発生させる。こうすると、磁化５１は、先に図２を参照して説明したように面内方向から面直方向に傾くとともに、矢印５５で示す向きのトルクによって、図中、反時計回りに回転を始める。なお、コイル３に流す電流の大きさやコイル３に電流を流している時間は、上記トルクによる磁化５１の回転角の最大値が９０°未満となるように設定する。
【００１９】
磁化５１が上記トルクによる回転を開始するのと同時に、或いは、回転を開始した後であり且つコイル３への通電を停止するよりも前の時点で、ワード線４に矢印５３で示す向きの電流を流すとともに、ビット線５に矢印５４で示す向きの電流を流す。これにより、矢印５６，５７で示す向きの磁場を発生させ、磁化５１を反時計回りにさらに回転させる。ここで、ワード線４及びビット線５に流す電流の大きさは、図３（ａ）に示す状態に対し、磁化５１の反時計回りへの回転角が９０°を超えるように設定する。
【００２０】
その後、コイル３への通電を停止し、それと同時にワード線４及びビット線５への通電を停止するか、或いは、コイル３への通電停止後にワード線４及びビット線５への通電を停止する。フリー層１１には図中縦方向に一軸磁気異方性が付与されているので、それら配線への通電を停止することにより、磁化５１は図３（ｃ）に示すように図中上向きとなる。
【００２１】
以上のようにして、情報“１”を書き込むことができる。なお、コイル３に流す電流の向き及びビット線５に流す電流の向きを逆にすること以外は先に説明したのと同様の方法により、情報“０”を書き込むことができる。
【００２２】
この方法では、上記の通り、平行磁場と垂直磁場とを利用して磁化５１を回転させる。垂直磁場による磁化５１の回転は、平行磁場による磁化５１の回転に比べ、極めて速く進行する。そのため、この方法を採用すると、書き込みに要する時間を短縮することができる。
【００２３】
また、この方法では、平行磁場だけでなく垂直磁場も利用するため、コイル３，ワード線４，ビット線５のそれぞれに大きな電流を流す必要はない。しかも、上述のように、短時間で書き込みが可能であるので、それら配線に電流を流す期間も短くてよい。したがって、上記の方法を採用すると、フリー層１１の磁化５１を反転させるのに使用する配線への負担を低減するとともに、磁化５１を反転させるのに要する消費電力を低減することが可能となる。
【００２４】
本実施形態において、コイル３は様々な形態を有し得る。
図４（ａ）は、図１に示すＭＲＡＭ１の具体的な構造の一例を概略的に示す平面図である。また、図４（ｂ）は、図１に示すＭＲＡＭ１の具体的な構造の他の例を概略的に示す斜視図である。
【００２５】
図４（ａ）に示すＭＲＡＭ１では、各メモリセルは、１つの磁気抵抗効果素子２と１つのコイル３とを含んでいる。このような構造を採用すると、コイル３を磁気抵抗効果素子２に近接して配置することができるので、消費電力を低減するうえで有利である。なお、この構造を採用する場合、通常、製造プロセスを簡略化するために、コイル３の巻き数は１回未満とする。
【００２６】
各メモリセルが１つの磁気抵抗効果素子２と１つのコイル３とを含む場合、コイル３とフリー層１１とは同一面内に位置していなくてもよいが、消費電力の観点では、コイル３とフリー層１１とは同一面内に位置していることが有利である。また、コイル３とワード線４またはビット線５とを同一面内に配置した場合、それらを同時に形成することができる。
【００２７】
図４（ｂ）に示すＭＲＡＭ１は、半導体チップ１０とコイル３とを備えている。半導体チップ１０には、それぞれ磁気抵抗効果素子２を含み且つアレイ状に配列した多数のメモリセル、縦方向に配列した複数本のワード線４、及び横方向に配列した複数本のビット線５などが形成されている。
【００２８】
このような構造を採用すると、ＭＲＡＭ１の製造プロセスを大幅に簡略化することができる。また、この構造を採用した場合、コイル３の巻き数を１回以上とすることも容易である。なお、半導体チップ１０が並列アクセスが可能な複数の領域（各領域は複数のメモリセルを備えている）を含んでいる場合には、各領域毎にコイル３を設ける。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図である。図５（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭ１は、垂直磁場発生用配線としてコイルの代わりに配線を設けたこと以外は図１に示すＭＲＡＭ１とほぼ同様の構造を有している。なお、これらＭＲＡＭ１において、磁気抵抗効果素子２は、フリー層１１、ピン層１２ａ，１２ｂ、非磁性層１３ａ，１３ｂ、及び反強磁性層１４ａ，１４ｂを備えている。また、磁気抵抗効果素子２と配線３とは磁気デバイスを構成している。
【００３０】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態では、ワード線４は磁気抵抗効果素子２の底面に対して正面に配置し、ビット線５は磁気抵抗効果素子２の上面に対して正面に配置する。これに対し、配線３は、例えば図５（ａ）に示すように磁気抵抗効果素子２の底面に対して正面からずれた位置に配置するか、或いは、図５（ｂ）に示すようにフリー層１１の側面に対して正面に配置する。このような構造を採用すると、配線３、ワード線４及びビット線５に電流を流すことにより、配線３はフリー層１１の位置に主として垂直磁場を発生し、ワード線４及びビット線５はフリー層１１の位置に平行磁場を発生する。そのため、図３（ａ）乃至（ｃ）を参照して説明したのと同様の方法により書き込みを行うことができる。したがって、本実施形態によると、第１の実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。
【００３１】
本実施形態において、配線３の長手方向は、フリー層１１の主面に垂直でなければ特に制限はないが、フリー層１１の主面にほぼ平行であることが望ましい。この場合、配線３に電流を流すことによりフリー層１１の位置に発生する磁場を、主として垂直磁場とすることができる。
【００３２】
配線３の長手方向をフリー層１１の主面にほぼ平行とする場合、配線３は、例えば、ワード線４に対して略平行に配置してもよい。或いは、配線３は、ビット線５に対して略平行に配置してもよい。
【００３３】
本実施形態において、配線３とワード線４またはビット線５とは、図５（ａ）に示すように、同一面内に配置することができる。この構造は、製造プロセスを簡略化するうえで有利である。また、図５（ｂ）に示すように、配線３とフリー層１１とを同一面内に配置してもよい。この構造は、配線３をフリー層１１に近接して配置できるのに加え、配線３がフリー層１１の位置に発生する磁場をほぼ垂直磁場のみとすることができるため、消費電力などの観点で有利である。
【００３４】
なお、配線３とフリー層１１とを同一面内に配置しない場合、配線３に電流を流すことによりフリー層１１の位置に発生する磁場は、垂直磁場成分だけでなく平行磁場成分も含むこととなる。この平行磁場成分は、情報“０”を書き込む場合と情報“１”を書き込む場合とで逆向きとなる。そのため、配線３とワード線４とを略平行に配置すると、情報“０”を書き込む場合と情報“１”を書き込む場合とで、上記の平行磁場成分とワード線４が発生する平行磁場との干渉の度合が異なることとなる。
【００３５】
これに対し、配線３とビット線５とを略平行に配置すれば、配線３が発生する平行磁場成分とビット線５が発生する平行磁場との干渉の度合が情報“０”を書き込む場合と情報“１”を書き込む場合とで異なることはない。また、フリー層１１に対する配線３の相対位置を適宜設定すれば、配線３が発生する平行磁場成分とビット線５が発生する平行磁場とを常に同じ向きとすることができる。
【００３６】
本実施形態において、配線３とワード線４とを略平行とする場合、それらはビット線５の長手方向に交互に配列してもよい。或いは、配線３及びワード線４は、（ワード線４／配線３／ワード線４）を繰り返し単位としてビット線５の長手方向に配列してもよい。後者の配列では、配線３を挟んでビット線５の長手方向に隣り合う一対の磁気抵抗効果素子２でその配線３を共用する。そのため、ＭＲＡＭ１を高集積化するうえで有利である。
【００３７】
第１及び第２の実施形態において、磁気抵抗効果素子２は図１に示す構造を有していてもよく、或いは、図５（ａ），（ｂ）に示す構造を有していてもよい。なお、磁気抵抗効果素子２の詳細な構造などについては後で説明する。
【００３８】
第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭ１には、様々な構造を採用することができる。
図６（ａ）は、第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭ１に採用可能な構造の一例を概略的に示す斜視図である。また、図６（ｂ）は、第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭ１に採用可能な構造の他の例を概略的に示す斜視図である。なお、図６（ａ），（ｂ）は、垂直磁場発生用配線３を省略して描いている。
【００３９】
図６（ａ）に示すＭＲＡＭ１では、書き込み用のワード線４と略平行に読み出し用のワード線６を設けている。読み出し用のワード線６にはトランジスタ７のゲートが接続されており、トランジスタ７のソース及びドレインの一方は下部電極１６を介して反強磁性層１４に電気的に接続されている。また、ビット線５は、フリー層１１と電気的に接続されており、読み出し及び書き込みの双方に利用可能である。なお、このＭＲＡＭ１では、それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子２とトランジスタ７とを含んでいる。
【００４０】
図６（ｂ）に示すＭＲＡＭ１では、ワード線４とビット線５との間で、ダイオード８と磁気抵抗効果素子２とを直列接続している。このＭＲＡＭ１では、ワード線４及びビット線５は読み出し及び書き込みの双方に利用可能である。なお、このＭＲＡＭ１では、それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子２とダイオード８とを含んでいる。
【００４１】
図６（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭ１に垂直磁場発生用配線３を設けると、第１及び第２の実施形態で説明した効果を得ることができる。また、図６（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭ１では、それぞれのメモリセルは磁気抵抗効果素子２に加えてトランジスタ７やダイオード８などのスイッチング素子を含んでいるため、非破壊読み出しが可能である。
【００４２】
次に、第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭ１の各構成要素について説明する。
フリー層１１には、先に説明したように、一軸磁気異方性が付与されている。フリー層１１は、単層構造を有していてもよく、或いは、多層構造を有していてもよい。すなわち、フリー層１１は、単一の強磁性層であってもよい。或いは、例えば強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される三層構造や強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される五層構造のように、複数の強磁性層の隣り合う２つの間に非磁性層を介在させた多層構造を有していてもよい。フリー層１１に多層構造を採用する場合、それら強磁性層間で、組成は同一であってもよく、或いは、互いに異なっていてもよい。
【００４３】
フリー層１１の強磁性層に使用可能な材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、それらの合金、及び、ＮｉＭｎＳｂ系、ＰｔＭｎＳｂ系、Ｃｏ２ＭｎＧｅ系などのホイスラー合金等を挙げることができる。また、フリー層１１の非磁性層に使用可能な材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、及びＡｇなどを挙げることができる。
【００４４】
フリー層１１の強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度に厚い必要があり、０．１ｎｍ以上であることが好ましく、１ｎｍ以上であることがより好ましい。また、フリー層１１の強磁性層の膜厚が過剰に厚いと、大きなスイッチング磁場が必要となる。したがって、フリー層１２の強磁性層の膜厚は、１００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００４５】
ピン層１２，１２ａ，１２ｂには、一方向磁気異方性が付与されている。ピン層１２，１２ａ，１２ｂは、単層構造を有していてもよく、或いは、多層構造を有していてもよい。すなわち、ピン層１２，１２ａ，１２ｂは、単一の強磁性層であってもよい。或いは、例えば強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される三層構造や強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層で表される五層構造のように、複数の強磁性層の隣り合う２つの間に非磁性層を介在させた多層構造を有していてもよい。ピン層１２，１２ａ，１２ｂに多層構造を採用する場合、それら強磁性層間で、組成や膜厚は同一であってもよく、或いは、互いに異なっていてもよい。ピン層１２，１２ａ，１２ｂの強磁性層及び非磁性層の材料としては、例えば、フリー層１１の強磁性層及び非磁性層に関して例示した材料などをそれぞれ使用することができる。
【００４６】
非磁性層１３，１３ａ，１３ｂの材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＧａＯ、Ｂｉ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ２、及びＡｌＬａＯ３などの誘電体或いは絶縁体を使用することができる。この場合、磁気抵抗効果素子２を、ＭＴＪ素子とすることができる。磁気抵抗効果素子２がＭＴＪ素子である場合、非磁性層（トンネルバリア層）１３，１３ａ，１３ｂの膜厚は、例えば、０．５ｎｍ乃至３ｎｍ程度とする。
【００４７】
また、非磁性層１３，１３ａ，１３ｂの材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕなどの導電材料も使用することができる。この場合、磁気抵抗効果素子２を、界面におけるスピン依存散乱を用いた巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子とすることができる。
【００４８】
なお、上記の磁気抵抗効果素子２がＭＴＪ素子である場合、フリー層１１とピン層１２，１２ａ，１２ｂとの間に流れるトンネル電流の値は、フリー層１１の磁化とピン層１２，１２ａ，１２ｂの磁化とが為す角度の余弦に比例する。それらの磁化が逆向きの状態でトンネル抵抗値は最大となり、それらの磁化が同じ向きである状態でトンネル抵抗値は最小となる。
【００４９】
また、上記の磁気抵抗効果素子２がＧＭＲ素子である場合、その抵抗値は、フリー層１１の磁化とピン層１２，１２ａ，１２ｂの磁化とが為す角度の余弦に比例する。それらの磁化が逆向きの状態で抵抗値は最大となり、それらの磁化が同じ向きである状態で抵抗値は最小となる。
【００５０】
磁気抵抗効果素子２は、ピン層１２，１２ａ，１２ｂ上に反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂを備えていてもよく、或いは、備えていなくてもよい。反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂを設けた場合、ピン層１２，１２ａ，１２ｂと反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂとの間の交換結合により、ピン層１２，１２ａ，１２ｂの磁化をより強固に固着させることができる。反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂの材料としては、例えば、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、及びＩｒ−Ｍｎなどの合金やＮｉＯなどを使用することができる。また、ピン層１２，１２ａ，１２ｂ上に反強磁性層１４，１４ａ，１４ｂを設ける代わりに、硬質磁性層を設けてもよい。この場合、硬質磁性層からの漏れ磁界により、ピン層１２，１２ａ，１２ｂの磁化をより強固に固着させることができる。
【００５１】
磁気抵抗効果素子２がフリー層１１、非磁性層１３、及びピン層１２を備えている場合、フリー層１１を下地側に配置してもよく、或いは、ピン層１２を下地側に配置してもよい。
【００５２】
磁気抵抗効果素子２は、下部電極１６や図示しない保護膜などをさらに備えていてもよい。下部電極１６や保護層としては、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＡｕなどを含有した層や、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔａ／Ｐｄ、及びＴａ／Ｒｕなどで表される積層膜を使用することができる。また、磁気抵抗効果素子２は、フリー層１１やピン層１２，１２ａ，１２ｂなどを構成する各層の結晶配向性を高めるための下地層をさらに備えていてもよい。下地層の材料としては、例えば、ＮｉＦｅなどの周知の材料を挙げることができる。
【００５３】
磁気抵抗効果素子２は、例えば、基板の一主面に設けられた下地層上に各種薄膜を順次成膜することにより得られる。これら、薄膜は、各種スパッタリング法、蒸着法、及び分子線エピタキシャル法などの気相堆積法や、気相堆積と酸化や窒化などとを組み合わせた方法を用いて形成することができる。また、基板の材料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、スピネル、及びＡｌＮなどを挙げることができる。
【００５４】
垂直磁場発生用配線３、ワード線４，６、及びビット線５の材料としては、例えば、Ｃｕなどの金属や合金を使用することができる。
【００５５】
以上、磁気抵抗効果素子２と垂直磁場発生用配線３とを備えた磁気デバイスをＭＲＡＭで利用することについて説明したが、この磁気デバイスは、磁気ヘッドやそれを搭載した磁気再生装置或いは磁気記録再生装置並びに磁気センサなどにも利用可能である。
【００５６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例では、まず、図１に示す磁気抵抗効果素子２を以下の方法により作製した。なお、本例では、磁気抵抗効果素子２をＭＴＪ素子とした。
【００５７】
すなわち、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、図示しない熱酸化Ｓｉ基板上に、厚さ１０ｎｍのＴａ層と厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層とを積層してなる下地層（図示せず）、ＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１４、Ｃｏ９Ｆｅからなる厚さ２ｎｍのピン層１２、Ａｌ２Ｏ３からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１３、及びＣｏ９Ｆｅからなる厚さ３ｎｍのフリー層１１を順次積層した。
【００５８】
具体的には、これら薄膜は、膜面方向に１００Ｏｅの磁場を印加しながら、真空破壊することなく連続的に形成した。トンネルバリア層１３は、Ａｌ層を成膜した後、これをプラズマ酸化することにより形成した。下地層、反強磁性層１４、及びピン層１２は、幅１００μｍの帯状（下部配線形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。Ａｌ層は、矩形状（接合部形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。フリー層１１は、幅１００μｍの帯状（下部配線に直交する上部配線形状）の開口を有するマスクを用いたスパッタリングにより形成した。なお、マスクの交換は真空チャンバ内で行った。以上のようにして、接合面積が１００μｍ×１００μｍのＭＴＪ素子２を作製した。
【００５９】
次に、図１に示すように、別途作製した直径１ｍｍのコイル３をＭＴＪ素子２の上方に配置した。すなわち、ＭＴＪ素子２とコイル３とで構成される磁気デバイスを作製した。その後、コイル３に電流を流してフリー層１１の位置に約２５Ｏｅの垂直磁場を発生させ、この垂直磁場の存在下でＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について４端子法を用いて調べた。また、コイル３に電流を流さなかったこと以外は同様の方法によりＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について調べた。
【００６０】
図７は、本発明の実施例１に係る磁気デバイスについて得られた磁気抵抗特性を示すグラフである。図中、横軸はフリー層１１に印加した平行磁場の強さを示し、縦軸はＭＴＪ素子２の膜厚方向の抵抗値を示している。また、実線１０１はコイル３を用いてＭＴＪ素子２に垂直磁場を作用させた場合に得られたデータを示し、破線１０２はＭＴＪ素子２に垂直磁場を作用させないで得られたデータを示している。
【００６１】
図７に示すように、垂直磁場を生じさせなかった場合、約２５Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができ、磁気抵抗変化率（以下、ＭＲ比という）は３８％であった。これに対し、垂直磁場を生じさせた場合、約１０Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができ、ＭＲ比は３６％であった。すなわち、ＭＲ比に殆ど影響を与えることなく、フリー層１１の磁化を反転させるのに必要な平行磁場の大きさを大幅に減少させることができた。
【００６２】
（実施例２）
本例では、所定形状の薄膜を形成するに際し、マスクを介したスパッタリングを行う代わりに、マスクを用いずにスパッタリングを行い、それにより得られた薄膜をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングしたこと以外は実施例１で説明したのと同様の方法によりＭＴＪ素子２を作製した。なお、ここでは、接合面積は１μｍ×２μｍとした。
【００６３】
次に、図４に示すようなコイル３を形成した。但し、ここでは、コイル３は、ＭＴＪ素子２の上方に絶縁膜を介して導体膜を成膜し、これをフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングすることにより形成した。
【００６４】
その後、実施例１と同様の方法により、垂直磁場を発生させずに、上記ＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について調べた。その結果、垂直磁場を発生させない場合、約３５Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができた。また、ＭＲ比は３８％であった。
【００６５】
次に、以下に説明する方法により、フリー層１１に対して垂直磁場及び平行磁場を印加して先と同様の測定を行った。
図８は、本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子２への印加磁場に関するタイミングチャートである。横軸はコイル３への通電を開始してからの経過時間を示し、縦軸はフリー層１１の位置における磁場の強さを示している。また、実線１０３は垂直磁場に関するデータを示し、破線１０４は平行磁場に関するデータを示している。
【００６６】
図８に示すように、垂直磁場は１．５ナノ秒間だけ発生させた。また、平行磁場は、垂直磁場発生開始から１ナノ秒経過後に発生させ、それから９ナノ秒経過後に消失させた。なお、垂直磁場の強さは約２５Ｏｅとした。
【００６７】
このような方法で垂直磁場及び平行磁場を発生させて上記ＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について調べた。その結果、約２８Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができた。
【００６８】
（実施例３）
本例では、図５（ａ）に示すＭＲＡＭ１を以下の方法により作製した。なお、本例では、磁気抵抗効果素子２をＭＴＪ素子とした。
【００６９】
すなわち、マグネトロンスパッタリング装置を用いて、図示しない熱酸化Ｓｉ基板上に、厚さ１０ｎｍのＴａ層と厚さ１０ｎｍのＮｉＦｅ層とを積層してなる下地層（図示せず）、ＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１４ａ、Ｃｏ９Ｆｅからなる厚さ２ｎｍのピン層１２ａ、Ａｌ２Ｏ３からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１３ａ、Ｃｏ９Ｆｅからなる厚さ３ｎｍのフリー層１１、Ａｌ２Ｏ３からなる厚さ１．５ｎｍのトンネルバリア層１３ｂ、Ｃｏ９Ｆｅからなる厚さ２ｎｍのピン層１２ｂ、及びＩｒＭｎからなる厚さ１２ｎｍの反強磁性層１４ｂを順次積層した。
【００７０】
具体的には、これら薄膜は、膜面方向に１００Ｏｅの磁場を印加しながら、真空破壊することなく連続的に形成した。トンネルバリア層１３ａ，１３ｂは、Ａｌ層を成膜した後、これをプラズマ酸化することにより形成した。また、本例では、スパッタリングにより得られた薄膜をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いてパターニングすることにより、所定形状の薄膜を作製した。なお、ここでは、接合面積は１μｍ×２μｍとした。
【００７１】
配線３及びワード線４は上記のＭＴＪ素子２を作製する前に同一工程で作製し、ワード線４とＭＴＪ素子２との間には絶縁層を介在させた。また、ビット線５は上記のＭＴＪ素子２を作製した後に作製し、それらの間には絶縁層を介在させた。なお、配線３とワード線４との距離は１μｍとし、配線３の幅は０．５μｍとした。以上のようにして、図５（ａ）に示すＭＲＡＭ１を作製した。
【００７２】
次に、上記のＭＲＡＭ１の配線３に電流を流してフリー層１１の位置に約２０Ｏｅの垂直磁場を発生させ、この垂直磁場の存在下でＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について４端子法を用いて調べた。また、配線３に電流を流さなかったこと以外は同様の方法によりＭＴＪ素子２の磁気抵抗特性について調べた。
【００７３】
その結果、垂直磁場を生じさせなかった場合、約３０Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができた。これに対し、垂直磁場を生じさせた場合、約２７Ｏｅ以上の平行磁場でフリー層１１の磁化を反転させることができた。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化を反転させるのに使用する配線への負担が少なく且つフリー層の磁化を反転させるのに要する消費電力を低減可能な磁気デバイス及び磁気メモリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図。
【図２】図１のＭＲＡＭでコイルに電流を流した場合にフリー層で生じ得る磁化の向きの変化を概略的に示す斜視図。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は、図１のＭＲＡＭに情報を書き込む際にフリー層で生じ得る磁化の向きの変化を概略的に示す平面図。
【図４】（ａ）は図１に示すＭＲＡＭの具体的な構造の一例を概略的に示す平面図、（ｂ）は図１に示すＭＲＡＭの具体的な構造の他の例を概略的に示す斜視図。
【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭを概略的に示す斜視図。
【図６】（ａ）は第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭに採用可能な構造の一例を概略的に示す斜視図、（ｂ）は第１及び第２の実施形態に係るＭＲＡＭに採用可能な構造の他の例を概略的に示す斜視図。
【図７】本発明の実施例１に係る磁気デバイスについて得られた磁気抵抗特性を示すグラフ。
【図８】本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子への印加磁場に関するタイミングチャート。
【符号の説明】
１…ＭＲＡＭ
２…磁気抵抗効果素子
３…垂直磁場発生用配線
４…ワード線
５…ビット線
６…ワード線
７…トランジスタ
８…ダイオード
１０…半導体チップ
１１…フリー層
１２，１２ａ，１２ｂ…ピン層
１３，１３ａ，１３ｂ…非磁性層
１４，１４ａ，１４ｂ…反強磁性層
５１…磁化
５２…磁場の向き
５３…電流の向き
５４…電流の向き
５５…トルクの向き
５６…磁場の向き
５７…磁場の向き
１０１…実線
１０２…破線
１０３…実線
１０４…破線
【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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