(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
磁化の向きが変化する磁化自由層と、
前記磁化固定層及び前記磁化自由層間に設けられた非磁性層と
を具備する磁気抵抗効果素子であって、
前記磁化自由層は、第１の方向に延在する延在部と、前記延在部の側面の端部以外から前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に突出する突出部とを有し、
前記磁化自由層の平面形状は、１８０度回転対称性を有し、かつ磁化困難軸方向の鏡映面に対して鏡映対称性を有さず、
前記延在部は、第１の対角線上に位置する第１及び第３の端部と、第２の対角線上に位置する第２及び第４の端部とを有し、
前記第１及び第３の端部が直線状に欠けている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記延在部の前記第１の方向における両端部は、前記第２の方向に対して同一方向に傾く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】
前記延在部の前記第１の方向における前記両端部は、直線であることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記延在部の前記両端部の傾き方向と前記第１の方向とのなす角度がφの場合、７５°≦φ＜９０°であることを特徴とする請求項２又は３の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１及び第３の端部は前記第２及び第４の端部より欠けている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第１及び第３の端部の直線は、前記第１の方向に対して同じ角度だけ傾き、
前記第２の端部の曲率半径は、前記第４の端部の曲率半径と等しい、
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７】
前記延在部の前記第１の方向における最大幅をＬとし、前記延在部の前記第２の方向における最大幅をＷとした場合、Ｌ／Ｗは３．３より小さいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記突出部の前記第２の方向における最大幅をＡとし、前記延在部の前記第２の方向における最大幅をＷとした場合、Ａ／Ｗは１／８より大きいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の方向は磁化容易軸の方向であり、前記第２の方向は磁化困難軸の方向であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記延在部の平面形状は、１８０度回転対称性を有し、かつ磁化困難軸方向の鏡映面に対して鏡映対称性を有しないことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記突出部は、前記延在部の前記側面の中央領域から前記第２の方向に突出することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の前記磁気抵抗効果素子を記録素子として具備することを特徴とする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、磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、様々のタイプの固体磁気メモリが提案されている。近年では、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）効果を示す磁気抵抗素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が提案されており、特に、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果を示す強磁性トンネル接合を用いた磁気ランダムアクセスメモリに注目が集まっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合のＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、主に、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層の３層膜で構成されている。そして、読み出し時に、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化の相対角の余弦に応じて比例して変化する。従って、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これを、上述するＴＭＲ効果と呼ぶ。このＴＭＲ効果による抵抗値の変化は、室温において７０％を超える場合もある。
【０００４】
強磁性トンネル接合をメモリセルとして含む磁気メモリ素子においては、少なくとも１つの強磁性層を基準層とみなして、その磁化方向を固定し、他の強磁性層を記憶層とする。このセルにおいて、基準層と記憶層の磁化の配置が平行又は反平行に対し２進情報の“０”，“１”を対応づけることで情報が記憶される。記録情報の書き込みは、このセルに対し別に設けた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記憶層の磁化を反転させる。また、読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗変化を検出することで行われる。このようなメモリセルを多数配置することで磁気メモリが構成される。実際の構成については、任意のセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭ同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。また、ワード線とビット線が交差する位置にダイオードと合わせて強磁性トンネル接合を組み込む方式も提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
強磁性トンネル接合のＭＴＪ素子をメモリセルとして用いる磁気ランダムアクセスメモリを動作させるには、非選択セルへの誤書き込みをなくすことが必要不可欠である。
【０００６】
図３１は、一般的な磁気ランダムアクセスメモリの概略図を示す。図３１に示すように、磁気ランダムアクセスメモリでは、選択メモリセルに対して、容易軸方向の磁場Ｈｘと困難軸方向の磁場Ｈｙとによる合成磁場を印加し、ＭＴＪ素子の記録層に情報を書き込む。このとき、非選択のメモリセルには、全く磁場が印加されないか、単一方向のみに磁場が印加される。ここで、単一方向にのみ磁場が印加されたメモリセルを、半選択メモリセルと呼ぶ。
【０００７】
図３２は、記録層磁化の反転特性を表すアステロイド曲線を示す。ここで、実線は一斉回転モデルを用いた理論値、破線は形状Ａを仮定した計算値を示す。
【０００８】
一斉回転モデルにおける磁化反転特性は、アステロイド曲線で表される。このアステロイド曲線において、容易軸方向及び困難軸方向に磁場を印加した場合の磁化反転に必要な磁場Ｈｓｗは、容易軸方向のみに磁場を加えた場合の反転磁場Ｈｃよりも小さくなる。このとき、選択メモリセルに情報を書き込むために必要な単一方向の磁場Ｈｘは磁場Ｈｃよりも小さく設定できるので、理想的には半選択メモリセルへの誤書き込みは起こらない。しかしながら、現実のメモリセルには反転磁場のばらつきが存在するため、ＨｓｗをＨｃよりも十分に小さくしなければ、半選択メモリセルへの誤書き込みが起こる可能性がある。
【０００９】
一方、磁気ランダムアクセスメモリは不揮発メモリとして動作するため、安定に記録情報を保持できなければならない。情報を安定に長時間記録するための目安として熱揺らぎ定数といわれるパラメータが存在し、この熱揺らぎ定数は記録層の体積とＨｓｗに比例することが一般的に言われている。従って、誤書込みを低減するためにＨｓｗを低減すると、その分熱安定性も同様に低減し、情報を長期間保持することができなくなってしまう。従って、Ｈｓｗを低減しながらＨｓｗに対してＨｃを十分大きく保ち、熱安定性が高く長期間情報を保持することができる強磁性トンネル接合素子を考えることが高集積化磁気メモリの実用化において重要な課題となる。
【特許文献１】米国特許第５，６４０，３４３号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６５０，９５８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、誤書き込みを低減し、かつ熱安定性を向上させることが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するために以下に示す手段を用いている。
【００１２】
本発明の第１の視点による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された磁化固定層と、磁化の向きが変化する磁化自由層と、前記磁化固定層及び前記磁化自由層間に設けられた非磁性層とを具備する磁気抵抗効果素子であって、前記磁化自由層は、第１の方向に延在する延在部と、前記延在部の側面の端部以外から前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に突出する突出部とを有し、前記磁化自由層の平面形状は、１８０度回転対称性を有し、かつ磁化困難軸方向の鏡映面に対して鏡映対称性を有さず、前記延在部は、第１の対角線上に位置する第１及び第３の端部と、第２の対角線上に位置する第２及び第４の端部とを有し、前記第１及び第３の端部が直線状に欠けている。
【００１３】
本発明の第２の視点による磁気ランダムアクセスメモリは、前記第１の視点による前記磁気抵抗効果素子を記録素子として具備する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、誤書き込みを低減し、かつ熱安定性を向上させることが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施形態について、［１］では、磁気抵抗効果素子の一例であるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子について説明し、［２］では、このＭＴＪ素子を記録素子として備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）について説明する。尚、この説明に際し、図面を参照し、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１６】
［１］ＭＴＪ素子
まず、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子について説明する。ここでは、［１−１］平面形状、［１−２］製造方法、［１−３］トンネル接合構造、［１−４］断面形状、［１−５］層間交換結合構造、［１−６］材料について説明する。
【００１７】
［１−１］平面形状
ここでは、ＭＴＪ素子の平面形状に関する実施例１乃至実施例９について説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の形状Ｓの平面図及び断面図を示す。以下に、実施例１のＭＴＪ素子の形状Ｓについて説明する。
【００１９】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、少なくとも、磁化の方向が固定された磁化固定層（以下、固定層と称す）１１と、印加磁場により磁化の方向が反転する磁化自由層（以下、記録層と称す）１３と、固定層１１及び記録層１３に挟まれた非磁性層（例えばトンネルバリア層）１２とを有する。さらに、固定層１１の下には、固定層１１の磁化を固定するための反強磁性層１４が設けられている。
【００２０】
このＭＴＪ素子１０は、Ｘ方向に延在する延在部１０ａと、この延在部１０ａの両側面の例えば中央付近からＹ方向（Ｘ方向に対して垂直な方向）にそれぞれ突出する突出部１０ｂ，１０ｃとで構成されており、いわゆる十字形状となっている。換言すると、ＭＴＪ素子１０の平面形状において、中央部付近におけるＹ方向の幅Ｗ’が端部におけるＹ方向の幅Ｗよりも広くなっている。尚、ここでは、延在部１０ａの延在方向であるＸ方向は、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸方向であり、突出部１０ｂ，１０ｃの突出方向であるＹ方向は、ＭＴＪ素子１０の磁化困難軸方向である。
【００２１】
延在部１０ａは、曲線状の第１乃至第４の端部ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４を有している。第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３は第１の対角線Ｄ１上に位置し、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４は第２の対角線Ｄ２上に位置する。そして、第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３は、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４より欠けている。換言すると、第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３の曲率半径は、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４の曲率半径より大きい。尚、第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３の曲率半径はほぼ同じであり、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４の曲率半径はほぼ同じである。
【００２２】
延在部１０ａの磁化容易軸方向における端部の両側面ｆ１，ｆ２は、磁化困難軸方向とほぼ平行な方向に延在し、曲線状の第１乃至第４の端部ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４につながっている。
【００２３】
尚、ここでは、突出部１０ｂ，１０ｃは、延在部１０ａの両側面の中央領域から突出しているが、延在部１０ａの両側面の端部以外から突出していればよい。
【００２４】
図２は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の形状Ｓの１８０度回転対称性及び鏡映対称性を説明するための図を示す。尚、図２のＭＴＪ素子内に印された丸印は、ＭＴＪ素子の１８０度回転対称性及び鏡映対称性を説明するために便宜的に印したものである。
【００２５】
図２に示すように、ＭＴＪ素子１０の形状Ｓは、１８０度回転対称性を有し、かつ、鏡映対称性を有しない膜面内形状を有する。
【００２６】
「１８０度回転対称性」とは、ＭＴＪ素子１０の平面形状を１８０度回転させた場合の形状Ｓａと基準形状Ｓとの対称性をいう。１８０度回転対称性は２回回転対称性ともいう。１８０度回転形状Ｓａは基準形状Ｓと同じであるため、ＭＴＪ素子１０の形状Ｓは１８０度回転対称性を有している。
【００２７】
「鏡映対称性」とは、磁化困難軸方向の鏡映面Ｐを基準とした鏡映形状Ｓｂと基準形状Ｓとの対称性をいう。鏡映形状Ｓｂは基準形状Ｓと異なるため、ＭＴＪ素子１０の形状Ｓは鏡映対称性を有していない。
【００２８】
次に、ＭＴＪ素子１０の平面形状が、１８０度回転対称性を有し、かつ、鏡映対称性を有しないことが望ましい理由について、以下に述べる。
【００２９】
図３は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の形状Ｓ，Ｘ，Ｃの１８０度回転対称性及び鏡映対称性を説明するための図を示す。尚、図３のＭＴＪ素子内に印された丸印は、ＭＴＪ素子の１８０度回転対称性及び鏡映対称性を説明するために便宜的に印したものである。まず、以下の説明で用いる形状Ｓ，Ｘ，Ｃについて説明する。
【００３０】
図３に示すように、形状Ｓ，Ｘ，Ｃにおいて、全てのＭＴＪ素子１０はいわゆる十字形状になっているが、ＭＴＪ素子１０における延在部１０ａの端部の形状がそれぞれ異なる。
【００３１】
形状Ｓは、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子１０の形状である。この形状Ｓは、上述するように、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しない。
【００３２】
形状Ｘは、延在部１０ａが長方形である。この形状Ｘの場合、１８０度回転形状Ｘａは基準形状Ｘと同じであり、鏡映形状Ｘｂは基準形状Ｘと同じある。従って、形状Ｘは、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有する。
【００３３】
形状Ｃは、延在部１０ａが台形である。この形状Ｃの場合、１８０度回転形状Ｃａは基準形状Ｃと異なり、鏡映形状Ｃｂは基準形状Ｃと同じある。従って、形状Ｃは、１８０度回転対称性を有さず、かつ鏡映対称性を有する。
【００３４】
次に、形状Ｓ，Ｘ，ＣのＭＴＪ素子１０によるアステロイド特性の違いについて説明する。
【００３５】
図４は、本発明の実施例１に係る形状Ｓ，Ｘ，ＣのＭＴＪ素子のアステロイド特性の比較図を示す。ここで、図４における各実験値は、１００ビット程度の素子を測定して平均化したものである。
【００３６】
図４に示すように、形状Ｓは、形状Ｘ，Ｃと比較して、容易軸方向の反転磁場Ｈｃが書き込み点における反転磁場Ｈｓｗに対して十分大きく、書き込みマージンが大きいことが分かる。従って、形状Ｓは、半選択セルの誤書き込みを抑制する効果が高いと言える。形状Ｓで良好なアステロイド特性が得られた原因は、上述するように形状Ｓ，Ｘ，Ｃの端部形状が異なった対称性を有することから、それぞれ異なる残留磁区状態が安定化しているためと考察される。
【００３７】
尚、磁場Ｈｓｗは、原点から４５度傾いた直線とアステロイド曲線とが交わる点における磁化反転に必要な書き込み磁場（容易軸及び困難軸方向における合成磁場）であり、磁場Ｈｃは、磁化反転に必要な書き込み磁場（容易軸方向のみの磁場）である。
【００３８】
次に、記録層１３がいわゆる十字形状の場合、容易軸方向の反転磁場Ｈｃが大きくなる条件について考える。この考察では、上述した形状Ｘを用いる。
【００３９】
図５は、本発明の実施例１に係る形状Ｘが取り得る残留磁区状態と容易軸方向に磁場を印加した際の磁区状態を示す。ここで、図５の実線矢印は、膜面内の磁化の向きを模式的に表している。
【００４０】
図５に示すように、形状Ｘは、１８０度回転対称性及び鏡映対称性を有するために、Ｓ型磁区及びＣ型磁区の２つの残留磁区状態を取り得る。
【００４１】
まず、Ｓ型残留磁区の場合は、容易軸方向に磁場を印加すると、中央部分に突き出した突出部１０ｂ，１０ｃがあるために生じる困難軸方向への磁気異方性と、端部における磁化が同じ方向を向いているために生じる静磁エネルギーとの関係から、系全体のエネルギーを下げるために素子中央部における磁化は端部磁区に対して逆方向を向く（図５中実線）。それに伴い、図５中の点線で示すような２つのＣ型磁区が生じる。一般に、Ｃ型磁区はエネルギー的に安定であるため、容易軸の反転磁場はＣ型磁区ができない場合に比べて格段に大きな値をとる。
【００４２】
一方、Ｃ型残留磁区の場合は、突き出した突出部１０ａ，１０ｂによる困難軸方向への異方性は付与されるが、両端部の磁化の向きが異なっている。このため、Ｓ型残留磁区の場合と異なり、図５中の点線で示すような１つのＣ型磁区しか現れず、磁場ＨｃはＳ型残留磁区状態に比べて小さくなる。
【００４３】
以上から、記録層１３がいわゆる十字形状で磁場Ｈｃを十分大きくする条件は、Ｓ型の残留磁区状態をとることであると結論される。
【００４４】
次に、Ｓ型残留磁区状態のみが安定化される条件を考える。
【００４５】
一般に強磁性体の残留磁区状態は、磁気モーメント間に働く交換磁気相互作用と、面内形状端部に生ずる磁極がもつ静磁エネルギーにより決定される系全体のエネルギーを最小にするようにして決定される。Ｓ型磁区とＣ型磁区のどちらが安定化するかは膜面内形状の対称性と関係している。
【００４６】
図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例１に係る形状Ｓにおいて、Ｓ型残留磁区状態とＣ型残留磁区状態を仮定した場合の模式図を示す。
【００４７】
図６（ｂ）に示すように、Ｃ型残留磁区状態を仮定すると、図中点線で示した領域で大きな磁極が現れ、静磁エネルギーが上昇する。一方、図６（ａ）に示すように、Ｓ型残留磁区状態では、磁区と形状の対称性が同一であるために、点線で示した領域ではほぼ磁極が生じず、静磁エネルギーは上昇しない。従って、形状Ｓでは、Ｓ型残留磁区のみを安定にもつと考えられる。
【００４８】
尚、図３の形状ＣではＣ型残留磁区が安定化され、図３の形状ＸではＳ型残留磁区とＣ型残留磁区の両方の残留磁区が安定に存在するため、これら形状Ｘ及びＣではＳ型残留磁区状態のみをもつ条件を満たさない。
【００４９】
以上をまとめると、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子１０は、いわゆる十字形状で、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しない形状にすることが望ましいと言える。これにより、容易軸方向の反転磁場Ｈｃが書き込み点における反転磁場Ｈｓｗに対して十分大きく、書き込みマージンが大きい素子を歩留まり良く得ることが可能である。
【００５０】
（実施例２）
図７は、本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子の形状Ｓ１の平面図を示す。以下に、実施例２のＭＴＪ素子の形状Ｓ１について説明する。
【００５１】
図７に示すように、実施例２のＭＴＪ素子１０の形状Ｓ１は、上記実施例１と同様に、いわゆる十字形状であって、１８０度回転対称性を有し、かつ、鏡映対称性を有しない。
【００５２】
延在部１０ａは、曲線状の第１乃至第４の端部ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４を有している。第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３は第１の対角線Ｄ１上に位置し、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４は第２の対角線Ｄ２上に位置する。そして、第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３は、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４より欠けている。換言すると、第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３の曲率半径は、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４の曲率半径より大きい。尚、第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３の曲率半径はほぼ同じであり、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４の曲率半径はほぼ同じである。
【００５３】
ここで、実施例２において、上記実施例１と異なる点は、延在部１０ａの磁化容易軸方向における端部の両側面ｆ１，ｆ２が磁化困難軸方向に対して同一方向に同じ角度で傾いたほぼ直線で形成されている点である。従って、実施例２の延在部１０ａは、平行四辺形に近い形状になっている。
【００５４】
図８は、本発明の実施例１及び２に係る形状Ｓ，Ｓ１のＭＴＪ素子のアステロイド特性の実験結果の比較図を示す。
【００５５】
図８に示すように、実施例２の形状Ｓ１についても、上記対称性に対する条件が満たされているため、残留状態がＳ磁区状態で安定化し、磁場Ｈｓｗに比較して磁場Ｈｃが十分に大きいアステロイド特性が得られ、書き込みマージンが大きいことが分かる。
【００５６】
（実施例３）
図９は、本発明の実施例３に係るＭＴＪ素子の形状Ｓ２の平面図を示す。以下に、実施例３のＭＴＪ素子の形状Ｓ２について説明する。
【００５７】
図９に示すように、実施例３のＭＴＪ素子１０の形状Ｓ２は、上記実施例１と同様に、いわゆる十字形状であって、１８０度回転対称性を有し、かつ、鏡映対称性を有しない。
【００５８】
延在部１０ａは、第１乃至第４の端部ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４を有している。第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３は第１の対角線Ｄ１上に位置し、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４は第２の対角線Ｄ２上に位置する。
【００５９】
ここで、実施例３において、実施例１と異なる点は、第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３は、第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４より大きく欠けている点である。つまり、実施例１における形状Ｓでは第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３が曲線状に欠けているのに対し、実施例３における形状Ｓ２では第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３が直線状に欠けている。この第１及び第３の端部ｅ１，ｅ３の直線は、磁化容易軸方向及び磁化困難軸方向に対して同じ角度だけ傾いている。
【００６０】
図１０は、本発明の実施例１及び３に係る形状Ｓ，Ｓ２のＭＴＪ素子のアステロイド特性の実験結果の比較図を示す。
【００６１】
図１０に示すように、形状Ｓ，Ｓ２は異なるものの、両者のアステロイド特性に大きな変化は見られず、延在部１０ａの端部を上述する対称性の定義に従い非対称に欠けさせれば、磁場Ｈｓｗに比較して磁場Ｈｃが十分に大きいアステロイド特性が得られ、書き込みマージンが大きいことが分かる。
【００６２】
（実施例４）
図１１は、本発明の実施例４に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、実施例４のＭＴＪ素子について説明する。
【００６３】
図１１に示すように、実施例４では、延在部１０ａの磁化容易軸方向の最大幅をＬ、延在部１０ａの磁化困難軸方向の最大幅をＷとし、Ｌ／Ｗを規定する。本実施例において、幅Ｌは、最大幅Ｗの中点を通る直線で規定される。尚、ここでは、形状Ｓ１のＭＴＪ素子１０を用いている。
【００６４】
図１２は、本発明の実施例４に係るＭＴＪ素子における磁場ＨｃのＬ／Ｗ依存性の測定結果を示す。ここでは、Ｌ／Ｗ＝２，３，３．５の場合の形状を参考のため示している。また、Ｈｃは、Ｌ／Ｗが３の形状がもつ容易軸反転磁場Ｈｃ０で規格化してある。以下に、磁場ＨｃのＬ／Ｗ依存性について説明する。
【００６５】
図１２に示すように、Ｌ／Ｗが３．３より大きくなると急激にＨｃが減少しており、逆にＬ／Ｗが３．３より小さい範囲ではＨｃは殆ど変化しない。従って、Ｌ／Ｗを３．３より小さい形状にすることで、形状作成時にＬ／Ｗが多少変化しても磁場Ｈｃの特性変化が小さく、安定して書き込みマージンが大きい素子を得られることが分かる。
【００６６】
以上より、Ｌ／Ｗは、以下の式（１）の関係を満たすことが望ましい。尚、形状異方性を利用して磁化容易軸方向を規定することを考慮すると、延在部１０ａが正方形とならないようにＬ／Ｗは１より大きいことが望ましい。
【００６７】
Ｌ／Ｗ＜３．３…（１）
ここで、磁化容易軸方向の製造ばらつきの抑制を考慮した場合、例えば、式（２）、（３）のように規定することも可能である。
【００６８】
２＜Ｌ／Ｗ＜３．３…（２）
２＜Ｌ／Ｗ＜３…（３）
尚、ここでは、前記形状Ｓ１を基準とした場合に得られたＬ／Ｗ依存性の実験例を示したが、形状Ｓ及び形状Ｓ２を基準とした形状についても同様にＬ／Ｗが３．３より小さい形状では、Ｈｃの変化が小さく安定した特性が得られる。
【００６９】
（実施例５）
図１３は、本発明の実施例５に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、実施例５のＭＴＪ素子について説明する。
【００７０】
図１３に示すように、実施例５では、延在部１０ａの磁化困難軸方向の最大幅をＷ、突出部１０ｂ，１０ｃの磁化困難軸方向の最大幅をＡとし、Ａ／Ｗを規定する。尚、ここでは、形状Ｓ１のＭＴＪ素子１０を用いている。
【００７１】
図１４は、本発明の実施例５に係るＭＴＪ素子における磁場ＨｃのＡ／Ｗ依存性の測定結果を示す。ここでは、Ｌ／Ｗ＝０，１／７，１／２の場合の形状を参考のため示している。また、Ｈｃは、Ａ／Ｗが１／７の形状がもつ容易軸反転磁場Ｈｃ０で規格化してある。以下に、磁場ＨｃのＡ／Ｗ依存性について説明する。
【００７２】
図１４に示すように、Ａ／Ｗが１／８の近傍でＨｃが急激に減少しており、Ａ／Ｗが１／８より大きい範囲ではＨｃは殆ど変化しない。従って、Ａ／Ｗが１／８よりも大きい形状であれば、Ｈｃの特性変化が小さく、安定して書き込みマージンが大きい素子が得られることが分かる。
【００７３】
以上より、Ａ／Ｗは、以下の式（４）の関係を満たすことが望ましい。
【００７４】
１／８＜Ａ／Ｗ…（４）
ここで、製造ばらつきの低減を考慮した場合、例えば、式（５）、（６）のように規定することも可能である。また、Ａ／Ｗの上限値は、［Ａ＋（Ｗ／２）］＜Ｌ／２を基準として求めることも可能である。
【００７５】
１／７＜Ａ／Ｗ…（５）
１／４＜Ａ／Ｗ＜１／３…（６）
尚、ここでは、前記形状Ｓ１を基準とした場合に得られたＡ／Ｗ依存性の実験例を示したが、形状Ｓ及び形状Ｓ２を基準とした形状についても同様にＡ／Ｗが１／８より大きい形状では、Ｈｃの変化が小さく安定した特性が得られる。
【００７６】
（実施例６）
図１５は、本発明の実施例６に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、実施例６のＭＴＪ素子について説明する。
【００７７】
図１５に示すように、実施例６では、上記形状Ｓ１のように延在部１０ａの磁化容易軸方向の端部の側面ｆ１，ｆ２が直線Ｌ２で形成される場合において、磁化容易軸方向の線Ｌ１と側面ｆ１，ｆ２（直線Ｌ２）とがなす角度φを規定する。
【００７８】
図１６（ａ）は、本発明の実施例６に係るＭＴＪ素子におけるアステロイド特性の測定結果を示し、図１６（ｂ）は、本発明の実施例６に係るＭＴＪ素子における磁場Ｈｃのφ依存性の測定結果を示し、図１６（ｃ）は、本発明の実施例６に係るＭＴＪ素子における第１及び第２象限のφ依存性を示す。また、Ｈｃについては、φが７５°の形状で得られるＨｃで規格化してある。以下に、アステロイド特性及びＨｃのφ依存性について説明する。
【００７９】
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）から、φが９０°より小さくなるとＨｃが急激に大きくなることが分かる。また、図１６（ａ）から、φが小さくなるにつれて系統的に第１象限と第２象限のアステロイド特性が非対称性になる。そこで、図１６（ｃ）から、第１象限と第２象限のＨｓｗ／Ｈｃの比が十分小さい領域を見積もると、φが７５°以上で９０°より小さい範囲であることが分かる。
【００８０】
以上の結果から、形状Ｓ１においては、式（７）に示すように、磁化容易軸と側面ｆ１，ｆ２がなす角度φを７５°以上で９０°より小さい形状とすることで、Ｈｓｗ／Ｈｃの比が十分小さい特性が安定して得られることが分かる。
【００８１】
７５°≦φ＜９０°…（７）
（実施例７）
上記実施例６（図１５）では、延在部１０ａの磁化容易軸方向の端部の側面ｆ１，ｆ２が直線の場合における角度φを規定したが、実施例７では、延在部１０ａの磁化容易軸方向の端部の側面ｆ１，ｆ２が曲線の場合における角度φを規定する。
【００８２】
図１７は、本発明の実施例７に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、実施例７のＭＴＪ素子について説明する。
【００８３】
図１７に示すように、延在部１０ａの磁化容易軸方向の端部の側面ｆ１，ｆ２が曲線で形成される場合、次のように角度φを規定するとよい。
【００８４】
まず、ＭＴＪ素子１０の十字形状の中央部付近における磁化困難軸方向の最大幅Ｗ’を２等分する位置に、磁化容易軸とほぼ平行な線Ｌ１を引く。この線Ｌが十字形状と交差する点をＢとし、この点Ｂにおける曲線の接線Ｌ２を引く。そして、線Ｌ１と接線Ｌ２とのなす角をφと定義する。
【００８５】
尚、このように角度φを規定した場合も、上記式（７）の関係を満たすことで、Ｈｓｗ／Ｈｃの比が十分小さい特性が安定して得られる。
【００８６】
（実施例８）
上記第４及び第５の実施例（図１１及び図１３）等において幅Ｗを規定するが、実施例８では、突出部１０ｂ，１０ｃの根元部分のコーナーが丸まっている場合の幅Ｗの規定方法について説明する。
【００８７】
図１８は、本発明の実施例８に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、実施例８のＭＴＪ素子について説明する。
【００８８】
図１８に示すように、突出部１０ｂ，１０ｃの根元部分のコーナーが丸まっている場合、幅Ｗは次のように規定するとよい。
【００８９】
まず、突出部１０ｂ，１０ｃの根元部分において、曲線上の点で微分係数の絶対値が極小となる点をＡ，Ａ’とする。延在部１０ａの磁化容易軸方向における両端部上に点Ｂ，Ｂ’をとり、磁化容易軸に平行な線Ｌ１（線分ＢＢ’）を引く。さらに、点Ａ，Ａ’を通り、線Ｌ１に平行な線Ｌ３，Ｌ４を引く。そして、この２つの線Ｌ３，Ｌ４の間隔を幅Ｗと規定する。
【００９０】
また、突出部１０ｂ，１０ｃの幅Ａは、上述する線Ｌ３，Ｌ４と突出部１０ｂ，１０ｃの頂点との幅で規定するとよい。
【００９１】
尚、このように幅Ｗ，Ａを規定した場合も、上記式（１）乃至（６）の関係を満たすことで、Ｈｃの特性変化が小さく、安定して書き込みマージンが大きい素子が得られる。
【００９２】
（実施例９）
実施例９は、ＭＴＪ素子１０の形状が１８０度回転対称性及び鏡映対称性を有しないものであるが、Ｓ型磁区が安定する形状とすることで、上記各実施例と同様の効果を得るものである。
【００９３】
図１９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例９に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、実施例９のＭＴＪ素子について説明する。
【００９４】
図１９（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施例９のＭＴＪ素子１０は、延在部１０ａの磁化容易軸方向における両側面ｆ１，ｆ２の形状が異なる。従って、同一の対角線上に位置する第２及び第４の端部ｅ２，ｅ４の角張り方（曲率半径）が異なり、第４の端部ｅ４が第２の端部ｅ２よりとがっている。
【００９５】
尚、実際にＭＴＪ素子１０を形成した場合、図２０に示す程度に端部ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４が曲がったり、突出部１０ｂ，１０ｃの対称性が崩れたりしても、Ｓ型磁区を安定化することは可能である。
【００９６】
その他、上記各実施例では、ＭＴＪ素子１０の形状、角度φ、幅などを規定しているが、ＭＴＪ素子１０の少なくとも記録層１３が上記各実施例のようになっていればよい。すなわち、固定層１１及び非磁性層１２は、上記各実施例と異なっていてもよい。
【００９７】
また、上記各実施例を用いて、種々の実施例を組み合わせることも可能である。
【００９８】
また、ＭＴＪ素子１０の平面形状は、Ｘ方向に延在する延在部１０ａと、この延在部１０ａの一方の側面の例えば中央付近からＹ方向に突出する突出部１０ｂとで構成された、いわゆる凸型形状であってもよい。但し、この場合も、ＭＴＪ素子１０の形状は、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しないことが望ましい。
【００９９】
また、ＭＴＪ素子１０はできるだけ十字形状に近づくように、突出部１０ｂ，１０ｃは延在部１０ａの中央付近の側面から突出していることが望ましいが、突出部１０ｂ，１０ｃが延在部１０ａに対して非対称な位置に設けられていてもよい。但し、この場合も、ＭＴＪ素子１０の形状は、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しないことが望ましい。
【０１００】
また、ＭＴＪ素子１０の突出部１０ｂ，１０ｃは、延在部１０ａの両側面にそれぞれ１つずつ設けることに限定されず、また、延在部１０ａの両側面に同じ数だけ必ずしも設ける必要はなく、延在部１０ａの一つの側面に複数の突出部が設けられていてもよい。但し、この場合は、ＭＴＪ素子１０の延在部１０ａの形状は、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しないことが望ましい。
【０１０１】
また、ＭＴＪ素子１０の平面形状は、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しないのであれば、延在部１０ａの端部ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４、突出部１０ｂ，１０ｃの端部、さらに突出部１０ｂ，１０ｃの根元部分は、角張っていても、丸まっていてもよい。
【０１０２】
また、磁化容易軸方向は、例えば、延在部１０ａの中央の磁化方向に基づいて規定されている。
【０１０３】
［１−２］製造方法
ここでは、上述する形状を有するＭＴＪ素子の製造方法に関する実施例１乃至実施例３について説明する。
【０１０４】
一般に、ＭＴＪ素子の形成は、次のように行われる。まず、スパッタ法で素子膜の形成後にレジストを塗布する。光、電子ビーム、Ｘ線のいずれかを用いてパターンを形成し、現像してレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、素子膜に対してイオンミリング又はエッチングを行い、所望パターンのＭＴＪ素子を形成する。その後、レジストを剥離する。このような形成方法では、ＭＴＪ素子の膜面内形状を形成する工程は１回のみである。
【０１０５】
これに対し、以下に説明する各実施例では、ＭＴＪ素子の膜面内形状を形成する工程は、少なくとも２回である。つまり、延在部１０ａと突出部１０ｂ，１０ｃとからなる十字形状を形成する工程と、１８０度回転対称性を持ち、同時に鏡映対称でない形状を形成する工程とを有する。以下に、具体的な実施例を説明する。
【０１０６】
（実施例１）
実施例１は、例えば上記形状Ｓ１（図７）のＭＴＪ素子の作成方法である。
【０１０７】
図２１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の製造工程の平面図を示す。以下に、実施例１に係るＭＴＪ素子の製造方法について説明する。
【０１０８】
まず、図２１（ａ）に示すように、素子膜１００及びマスク層２００が順に堆積された後、磁化容易軸方向に延在する延在部１０ａとこの延在部１０ａの側面から磁化困難軸方向に突出する突出部１０ｂ，１０ｃとからなる十字形状のマスク層２００が形成され、このマスク層２００を用いて素子膜１００が前記十字形状にパターニングされる。（工程１）。その後、マスク層２００が剥離される。
【０１０９】
次に、図２１（ｂ）に示すように、延在部１０ａの磁化容易軸方向における側面に対して傾いた直線をもつレジストパターン３００が作成され、このレジストパターン３００をマスクとして延在部１０ａの端部形状が加工される（工程２）。その後、レジストパターン３００が剥離される。
【０１１０】
このようにして、図２１（ｃ）に示すように、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しない形状Ｓ１のＭＴＪ素子１０が完成する。
【０１１１】
上記実施例１によれば、ＭＴＪ素子１０の形状加工に２回の工程を用いることで、磁場Ｈｓｗに対して磁場Ｈｃが十分に大きな素子を、歩留まり良く安定して作成することが可能になる。
【０１１２】
（実施例２）
実施例２は、工程１において形成される延在部１０ａの磁化容易軸方向の幅Ｌが短く、工程２で用いるレジストパターン３００の延在部１０ａに対する角度が実施例１とは異なる。この実施例２は、例えば上記形状Ｓ２（図９）のＭＴＪ素子の作成方法である。
【０１１３】
図２２（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子の製造工程の平面図を示す。以下に、実施例２に係るＭＴＪ素子の製造方法について説明する。
【０１１４】
まず、図２２（ａ）に示すように、素子膜１００及びマスク層２００が順に堆積された後、磁化容易軸方向に延在する延在部１０ａとこの延在部１０ａの側面から磁化困難軸方向に突出する突出部１０ｂ，１０ｃとからなる十字形状のマスク層２００が形成され、このマスク層２００を用いて素子膜１００が前記十字形状にパターニングされる。（工程１）。その後、マスク層２００が剥離される。
【０１１５】
次に、図２２（ｂ）に示すように、延在部１０ａの磁化容易軸方向における側面に対して傾いた直線をもつレジストパターン３００が作成される。この際、素子膜１００の磁化容易軸方向の端部の一部のみが除去されるように、レジストパターン３００が配置される。そして、このレジストパターン３００をマスクとして、延在部１０ａの端部形状が加工される（工程２）。その後、レジストパターン３００が剥離される。
【０１１６】
このようにして、図２２（ｃ）に示すように、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しない形状Ｓ２のＭＴＪ素子１０が完成する。
【０１１７】
上記実施例２によれば、ＭＴＪ素子１０の形状加工に２回の工程を用いることで、磁場Ｈｓｗに対して磁場Ｈｃが十分に大きな素子を、歩留まり良く安定して作成することが可能になる。さらに、磁化容易軸方向に延在する延在部１０ａの一方の対角線上に位置する端部ｅ１，ｅ３の角が、もう一方の対角線上の端部ｅ２，ｅ４の角に比べて大きく欠けている膜面内形状を安定して作成することが可能になる。
【０１１８】
尚、上記実施例１及び実施例２において、延在部１０ａに対して傾いた曲線をもつレジストパターン３００を作成すれば、延在部１０ａの磁化容易軸方向の側面が丸まった形状にすることも可能である。
【０１１９】
また、上記実施例１及び実施例２では、十字形状のマスク層２００を形成する→素子膜１００を十字形状にする→延在部１０ａの端部を切るためのレジストパターン３００を形成する→素子膜１００の端部を切るという順番で形成したが、素子膜１００の形状加工の工程を１回にすることも可能である。例えば、マスク層２００を十字形状に作成した後、さらに、このマスク層２００の磁化容易軸方向の端部をパターニングし、このマスク層２００を用いて素子膜１００を加工することで、工程１及び工程２を１回にまとめることも可能である。
【０１２０】
（実施例３）
実施例３では、突出部１０ｂの困難軸方向の幅Ａ１と突出部１０ｃの困難軸方向の幅Ａ２とを等しくすることが可能なＭＴＪ素子の作成方法である。
【０１２１】
図２３（ａ）乃至（ｅ）は、本発明の実施例３に係るＭＴＪ素子の製造工程の平面図を示す。以下に、実施例３に係るＭＴＪ素子の製造方法について説明する。
【０１２２】
まず、図２３（ａ）に示すように、素子膜１００及びマスク層２００が順に堆積される。次に、リソグラフィ及びＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、マスク層２００が例えば平行四辺形に加工される。
【０１２３】
次に、図２３（ｂ）に示すように、例えばＳｉＮ膜からなる側壁層２０１が堆積される。その後、例えばＲＩＥ法を用いて、側壁層２０１がエッチングされる。これにより、マスク層２００の側面の周囲に側壁層２０１が残る。
【０１２４】
次に、図２３（ｃ）に示すように、リソグラフィを用いて、例えば長方形のフォトレジスト２０２が形成される。
【０１２５】
次に、図２３（ｄ）に示すように、フォトレジスト２０２をマスクとして、このフォトレジスト２０２から露出した部分の側壁層２０１が除去される。これにより、マスク層２００の側面の一部に、一対の側壁層２０１ｂ，２０１ｃが形成される。その後、フォトレジスト２０２が剥離される。
【０１２６】
次に、図２３（ｅ）に示すように、側壁層２０１ｂ，２０１ｃ及びマスク層２００を用いて、素子膜１００が例えばＲＩＥでエッチングされる。これにより、延在部１０ａと突出部１０ｂ，１０ｃとを有する十字形状のＭＴＪ素子１０が自己整合的に形成される。
【０１２７】
上記実施例３によれば、ＭＴＪ素子１０上にマスク層２００を形成し、このマスク層２００の側面に一対の側壁層２０１ｂ，２０１ｃを形成した後、マスク層２００及び側壁層２０１ｂ，２０１ｃを用いて素子膜１００の加工を行うことで、いわゆる十字形状のＭＴＪ素子１０を形成している。このため、突出部１０ｂ，１０ｃは、側壁層２０１ｂ，２０１ｃによって、延在部１０ａに対して自己整合的に形成することができる。従って、短軸方向（困難軸方向）に突出する突出部１０ｂ，１０ｃの合わせずれが抑制でき、突出部１０ｂ，１０ｃの幅Ａ１，Ａ２を等しくできる。これにより、アステロイド特性の向上を図ることができる。
【０１２８】
（実施例４）
実施例４は、上記実施例３の２ステップ・プロセスを応用した３ステップ・プロセスである。
【０１２９】
図２５（ａ）乃至（ｆ）は、本発明の実施例４に係るＭＴＪ素子の製造工程の平面図を示す。以下に、実施例４に係るＭＴＪ素子の製造方法について説明する。
【０１３０】
まず、図２５（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、複数個の記憶セルにまたがる長い直線部がハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）３０１で形成される。このハードマスク３０１は、後にＭＴＪ素子１０の延在部１０ａを形成する（第１ステップ）。
【０１３１】
次に、図２５（ｂ）に示すように、ハードマスク３０１の側壁（サイドウォール）に絶縁層（例えば、ＳｉＮ）３０２が形成される。
【０１３２】
次に、図２５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト３０３のパターンをハードマスク３０１と絶縁層３０２に転写する。これにより、ＭＴＪ素子１０の延在部１０ａの形状が決定される（第２ステップ）。
【０１３３】
次に、図２５（ｅ）及び（ｆ）に示すように、３回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト３０４のパターンをハードマスクとしての絶縁層３０２に転写する。この絶縁層３０２は、ＭＴＪ素子１０の突出部１０ｂ，１０ｃの形状を決定する（第３ステップ）。
【０１３４】
その後、ハードマスク３０１，３０２を用いてＭＴＪ素子１０のパターニングを行うと、ＭＴＪ素子１０は、延在部１０ａの形状と突出部１０ｂ，１０ｃの形状の両方が望ましい形に精度良く制御されたＳ十字形となる。
【０１３５】
上記実施例４によれば、ＭＴＪ素子１０の延在部１０ａの形状と突出部１０ｂ，１０ｃの形状の両方を精度良く作れるため、アストロイド曲線の特性が良く、かつそのばらつきが小さいＭＴＪ素子１０のアレイを得ることができる。
【０１３６】
尚、ＭＴＪ素子１０の製造方法において、上記実施例１乃至実施例４を種々組み合わせることも可能である。
【０１３７】
［１−３］トンネル接合構造
上述したＭＴＪ素子１０は、図１（ｂ）に示すように、トンネル接合層として機能する非磁性層１２を１層有する１重トンネル接合構造でもよいが、これに限定されず、２重トンネル接合構造であってもよい。
【０１３８】
図２５は、本発明の一実施形態に係る２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子の断面図を示す。以下に、２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子について説明する。
【０１３９】
図２５に示すように、２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０は、トンネル接合層として機能する非磁性層１２−１，１２−２を２層有する。従って、記録層１３の一端には、第１の非磁性層１２−１を介して第１の固定層１１−１が設けられ、記録層１３の他端には、第２の非磁性層１２−２を介して第２の固定層１１−２が設けられている。
【０１４０】
このような２重トンネル接合構造の場合、１重トンネル接合構造と比べて、１つのトンネル接合あたりのバイアス電圧が印加電圧の１／２になるので、バイアス電圧の増大に伴うＭＲ（Magneto Resistive）比の減少を抑制できるという効果が得られる。
【０１４１】
［１−４］断面形状
上述したＭＴＪ素子１０は、図１（ｂ）に示すように、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の全ての側面が連続的に一致する断面形状でもよいが、これに限定されず、これらの側面が非連続な断面形状であってもよい。
【０１４２】
図２６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る凸型の断面形状を有するＭＴＪ素子の断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子の凸型の断面形状について説明する。
【０１４３】
図２６（ａ）に示すように、１重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０の場合、記録層１３の平面形状が固定層１１及び非磁性層１２の平面形状よりも小さくなっており、凸型の断面形状となっている。
【０１４４】
同様に、図２６（ｂ）に示すように、２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０の場合、記録層１３、第２の非磁性層１２−２及び第２の固定層１１−２の平面形状が第１の固定層１１−１及び第１の非磁性層１２−１の平面形状よりも小さくなっており、凸型の断面形状となっている。
【０１４５】
このような凸型の断面形状の場合、図１（ｂ）の断面形状に比べて、固定層１１と記録層１３又は第１の固定層１１−１と記録層１３がショートすることを抑制できる。
【０１４６】
［１−５］層間交換結合構造
図２７（ａ）乃至（ｈ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の層間交換結合構造の断面図を示す。本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の構造は、以下のような層間交換結合構造であってもよい。
【０１４７】
図２７（ａ）乃至（ｈ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、固定層１１及び記録層１３のうち少なくとも一方が、反強磁性結合構造又は強磁性結合構造となっていてもよい。ここで、反強磁性結合構造は、非磁性金属層を挟む２枚の強磁性層の磁化方向が反平行となるように層間交換結合した構造であり、強磁性結合構造は、非磁性金属層を挟む２枚の強磁性層の磁化方向が平行となるように層間交換結合した構造である。
【０１４８】
図２７（ａ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。
【０１４９】
図２７（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０は、固定層１１が反強磁性結合構造となっている。すなわち、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。
【０１５０】
図２７（ｃ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。
【０１５１】
図２７（ｄ）に示すＭＴＪ素子１０は、固定層１１が強磁性結合構造となっている。すなわち、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。
【０１５２】
図２７（ｅ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３及び固定層１１の両方が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。
【０１５３】
図２７（ｆ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３及び固定層１１の両方が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。
【０１５４】
図２７（ｇ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が反強磁性結合構造となっており、固定層１１が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。
【０１５５】
図２７（ｈ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が強磁性結合構造となっており、固定層１１が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。
【０１５６】
上記のように、固定層１１及び記録層１３の少なくとも一方が層間交換結合したＭＴＪ素子１０によれば、固定層１１及び記録層１３が単層の場合に比べて、漏れ磁場を低減することができる。
【０１５７】
尚、図２７（ａ）乃至（ｈ）では、１重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０を例にあげて説明したが、２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０にも勿論適用できる。また、固定層１１及び記録層１３は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層からなることに限定されず、さらに層数を増やすことも可能である。また、固定層１１及び記録層１３は、複数の強磁性体からなる積層で形成されてもよい。
【０１５８】
［１−６］材料
固定層１１及び記録層１３の材料には、次のような強磁性材料が用いられる。例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、それらの積層膜、又はそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ２，ＲＸＭｎＯ３−Ｙ（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）などの酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金などを用いることが好ましい。また、これら磁性体には、強磁性を失わないかぎり、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどの非磁性元素が多少含まれていてもよい。
【０１５９】
反強磁性層１４の材料には、例えば、Ｆｅ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ，Ｎｉ−Ｍｎ，Ｉｒ−Ｍｎ，ＮｉＯ，Ｆｅ２Ｏ３などを用いることが好ましい。
【０１６０】
非磁性層１２の材料には、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＭｇＯ，ＡｌＮ，Ｂｉ２Ｏ３，ＭｇＦ２，ＣａＦ２，ＳｒＴｉＯ２，ＡｌＬａＯ３などの様々な誘電体を使用することができる。これらの誘電体には、酸素、窒素、フッ素欠損が存在していてもかまわない。
【０１６１】
上述する層間交換結合構造の場合、２枚の強磁性層で挟む非磁性金属層の材料としては、例えば、Ｃｕ，Ａｕ，Ｒｕ，Ａｌ等の通常用いられる非磁性金属材料が望ましい。
【０１６２】
［２］磁気ランダムアクセスメモリ
次に、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。
【０１６３】
上述した種々のＭＴＪ素子１０は、磁気ランダムアクセスメモリにおけるメモリセルの記憶素子として用いるのに好適である。一般に、磁性体を記録層として用いる磁気ランダムアクセスメモリでは、隣接セルへの誤書き込みがなく、メモリセルを微細化した場合においても、記録情報を長期間保持するために熱的に安定な記録層をもつことが必要になる。そこで、上述したＭＴＪ素子１０を用いることにより、スイッチング磁場を低減でき、かつ熱揺らぎ定数が十分大きなメモリセルを提供できるため、記憶ビットの書き込みの際に必要な書き込み電流が小さくできる。
【０１６４】
尚、ここでは、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセル構造の一例である、［２−１］選択トランジスタ型、［２−２］選択ダイオード型、［２−３］クロスポイント型のセルについて説明する。
【０１６５】
［２−１］選択トランジスタ型
図２８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す。以下に、選択トランジスタ型におけるセル構造について説明する。
【０１６６】
図２８（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択トランジスタ型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０につながるトランジスタ（例えばＭＯＳトランジスタ）Ｔｒと、ビット線（ＢＬ）２８と、書き込みワード線（ＷＷＬ）２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。
【０１６７】
具体的には、ＭＴＪ素子１０の一端は、ベース金属層２７、コンタクト２４ａ，２４ｂ，２４ｃ及び配線２５ａ，２５ｂを介して、トランジスタＴｒの電流経路の一端（ドレイン拡散層２３ａ）に接続されている。一方、ＭＴＪ素子１０の他端は、ビット線２８に接続されている。ＭＴＪ素子１０の下方には、ＭＴＪ素子１０と電気的に分離された書き込みワード線２６が設けられている。トランジスタＴｒの電流経路の他端（ソース拡散層２３ｂ）は、コンタクト２４ｄ及び配線２５ｃを介して、例えばグランドに接続されている。トランジスタＴｒのゲート電極２２は、読み出しワード線（ＲＷＬ）として機能する。
【０１６８】
尚、ベース金属層２７側のＭＴＪ素子１０の一端は、例えば固定層１１であり、ビット線２８側のＭＴＪ素子１０の他端は、例えば記録層１３であるが、その逆の配置でも勿論よい。また、ＭＴＪ素子１０とビット線２８との間に、例えばハードマスクが介在してもよい。また、ＭＴＪ素子１０は、磁化容易軸方向を書き込み配線の延在方向に対して種々の向きに配置することが可能であり、例えば、ビット線２８の延在方向に磁化容易軸方向を向けて配置することも可能であるし、ワード線２６の延在方向に磁化容易軸方向を向けて配置することも可能であるし、さらに、ビット線２８及びワード線２６の延在方向に対して磁化容易軸方向を例えば４５度傾けて配置することも可能である。
【０１６９】
上記のような選択トランジスタ型のメモリセルにおいて、データの書き込み／読み出しは、以下のように行われる。
【０１７０】
まず、書き込み動作は、次のように行われる。複数のＭＴＪ素子１０のうち選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線２８及び書き込みワード線２６が選択される。この選択されたビット線２８及び書き込みワード線２６に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２をそれぞれ流すと、これら書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２による合成磁界ＨがＭＴＪ素子１０に印加される。これにより、ＭＴＪ素子１０の記録層１３の磁化を反転させ、固定層１１及び記録層１３の磁化方向が平行となる状態又は反平行となる状態をつくる。ここで、例えば、平行状態を“１”状態、反平行状態を“０”状態と規定することで、２値のデータの書き込みが実現する。
【０１７１】
次に、読み出し動作は、読み出し用スイッチング素子として機能するトランジスタＴｒを利用して、次のように行われる。選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線２８及び読み出しワード線（ＲＷＬ）を選択し、ＭＴＪ素子１０の非磁性層１２をトンネルする読み出し電流Ｉｒを流す。ここで、接合抵抗値は固定層１１及び記録層１３の磁化の相対角の余弦に比例して変化し、ＭＴＪ素子１０の磁化が平行状態（例えば“１”状態）の場合は低抵抗となり、反平行状態（例えば“０”状態）の場合は高抵抗となる、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が得られる。このため、この抵抗値の違いを読み取ることで、ＭＴＪ素子１０の“１”、“０”状態を判別する。
【０１７２】
［２−２］選択ダイオード型
図２９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す。以下に、選択ダイオード型におけるセル構造について説明する。
【０１７３】
図２９（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択ダイオード型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０につながるダイオードＤと、ビット線（ＢＬ）２８と、ワード線（ＷＬ）２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。
【０１７４】
ここで、ダイオードＤは、例えばＰＮ接合ダイオードであり、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とで構成されている。このダイオードＤの一端（例えばＰ型半導体層）は、ＭＴＪ素子１０に接続されている。一方、ダイオードＤの他端（例えばＮ型半導体層）は、ワード線２６に接続されている。そして、図示する構造では、ビット線２８からワード線２６へ電流が流れるようになっている。
【０１７５】
尚、ダイオードＤの配置箇所や向きは、種々に変更することが可能である。例えば、ダイオードＤは、ワード線２６からビット線２８へ電流が流れる向きに配置してもよい。また、ダイオードＤは、半導体基板２１内に形成することも可能である。また、ダイオードＤは、ＭＴＪ素子１０と同じ形状（例えばいわゆる十字型）にすることも可能である。
【０１７６】
上記のような選択ダイオード型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、ビット線２８及びワード線２６に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を流して、ＭＴＪ素子１０の磁化を平行又は反平行状態にする。
【０１７７】
一方、データの読み出し動作も、上記選択トランジスタ型とほぼ同じであるが、選択ダイオード型の場合、ダイオードＤを読み出し用スイッチング素子として利用する。すなわち、ダイオードＤの整流性を利用し、非選択のＭＴＪ素子は逆バイアスとなるようにビット線２８及びワード線２６のバイアスを制御し、選択したＭＴＪ素子１０にのみ読み出し電流Ｉｒが流れるようにする。
【０１７８】
［２−３］クロスポイント型
図３０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す。以下に、クロスポイント型におけるセル構造について説明する。
【０１７９】
図３０（ａ）及び（ｂ）に示すように、クロスポイント型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、ビット線２８と、ワード線２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。
【０１８０】
具体的には、ＭＴＪ素子１０は、ビット線２８及びワード線２６の交点付近に配置され、ＭＴＪ素子１０の一端はワード線２６に接続され、ＭＴＪ素子１０の他端はビット線２８に接続されている。
【０１８１】
上記のようなクロスポイント型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、ビット線２８及びワード線２６に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を流して、ＭＴＪ素子１０の磁化を平行又は反平行状態にする。一方、データの読み出し動作は、選択されたＭＴＪ素子１０に接続するビット線２８及びワード線２６に読み出し電流Ｉｒを流すことで、ＭＴＪ素子１０のデータを読み出す。
【０１８２】
以上、上記本発明の一実施形態によるＭＴＪ素子１０及びこのＭＴＪ素子１０を備えた磁気ランダムアクセスメモリによれば、次のような効果を得ることができる。
【０１８３】
ＭＴＪ素子１０の少なくとも記録層１３をいわゆる十字形状とし、延在部１０ａの端部形状を変化させることで、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しない平面形状としている。このため、Ｓ磁区状態を残留磁区状態として安定化し、良好な反転特性を歩留まりよく作成することができ、容易軸反転磁場Ｈｃに比べてスイッチング磁場Ｈｓｗを十分小さくできる。従って、隣接するメモリセルへの誤書込みを低減することができ、かつ熱安定性を向上することができる。
【０１８４】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１８５】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の形状Ｓを示す平面図及び断面図。
【図２】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の形状Ｓの１８０度回転対称性及び鏡映対称性を説明するための図。
【図３】本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の形状Ｓ，Ｘ，Ｃの１８０度回転対称性及び鏡映対称性を説明するための図。
【図４】本発明の実施例１に係る形状Ｓ，Ｘ，ＣのＭＴＪ素子のアステロイド特性を示す比較図。
【図５】本発明の実施例１に係る状Ｘが取り得る残留磁区状態と容易軸方向に磁場を印加した際の磁区状態を示す図。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例１に係る形状Ｓにおいて、Ｓ型残留磁区状態とＣ型残留磁区状態を仮定した場合の模式図。
【図７】本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子の形状Ｓ１を示す平面図。
【図８】本発明の実施例１及び２に係る形状Ｓ，Ｓ１のＭＴＪ素子のアステロイド特性の実験結果を示す比較図。
【図９】本発明の実施例３に係るＭＴＪ素子の形状Ｓ２を示す平面図。
【図１０】本発明の実施例１及び３に係る形状Ｓ，Ｓ２のＭＴＪ素子のアステロイド特性の実験結果を示す比較図。
【図１１】本発明の実施例４に係るＭＴＪ素子を示す平面図。
【図１２】本発明の実施例４に係るＭＴＪ素子における磁場ＨｃのＬ／Ｗ依存性の測定結果を示す図。
【図１３】本発明の実施例５に係るＭＴＪ素子を示す平面図。
【図１４】本発明の実施例５に係るＭＴＪ素子における磁場ＨｃのＡ／Ｗ依存性の測定結果を示す図。
【図１５】本発明の実施例６に係るＭＴＪ素子を示す平面図。
【図１６】図１６（ａ）は、本発明の実施例６に係るＭＴＪ素子におけるアステロイド特性の測定結果を示す図、図１６（ｂ）は、本発明の実施例６に係るＭＴＪ素子における磁場Ｈｃのφ依存性の測定結果を示す図、図１６（ｃ）は、本発明の実施例６に係るＭＴＪ素子における第１及び第２象限のφ依存性を示す図。
【図１７】本発明の実施例７に係るＭＴＪ素子を示す平面図。
【図１８】本発明の実施例８に係るＭＴＪ素子を示す平面図。
【図１９】図１９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例９に係るＭＴＪ素子を示す平面図。
【図２０】本発明の実施例９に係る他のＭＴＪ素子を示す平面図。
【図２１】図２１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の製造工程を示す平面図。
【図２２】図２２（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子の製造工程を示す平面図。
【図２３】図２３（ａ）乃至（ｅ）は、本発明の実施例３に係るＭＴＪ素子の製造工程を示す平面図。
【図２４】図２４（ａ）乃至（ｆ）は、本発明の実施例４に係るＭＴＪ素子の製造工程を示す平面図。
【図２５】本発明の一実施形態に係る２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子を示す断面図。
【図２６】図２６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る凸型の断面形状を有するＭＴＪ素子を示す断面図。
【図２７】図２７（ａ）乃至（ｈ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の層間交換結合構造を示す断面図。
【図２８】図２８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す図であり、図２８（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図２８（ｂ）は１セルを示す断面図。
【図２９】図２９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す図であり、図２９（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図２９（ｂ）は１セルを示す断面図。
【図３０】図３０（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す図であり、図３０（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図３０（ｂ）は１セルを示す断面図。
【図３１】一般的な磁気ランダムアクセスメモリを示す概略図。
【図３２】記録層磁化の反転特性を表すアステロイド曲線を示す図。
【符号の説明】
【０１８６】
１０…ＭＴＪ素子、１０ａ…延在部、１０ｂ，１０ｃ…突出部、１１…固定層、１２…非磁性層、１３…記録層、１４…反強磁性層、２１…半導体基板、２２…ゲート電極、２３ａ…ドレイン拡散層、２３ｂ…ソース拡散層、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…コンタクト、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…配線、２６…ワード線、２７…ベース金属層、２８…ビット線、１００…素子膜、２００…マスク層、２０１，２０１ｂ，２０１ｃ…側壁層、２０２…フォトレジスト、３００…レジストパターン、ＭＣ…メモリセル、ＭＣＡ…メモリセルアレイ、Ｔｒ…トランジスタ、Ｄ…ダイオード。
【図１】
0004630747.tif 000002
【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】
0004630747.tif 000018
【図１８】
0004630747.tif 000019
【図１９】
0004630747.tif 000020
【図２０】
0004630747.tif 000021
【図２１】
0004630747.tif 000022
【図２２】
0004630747.tif 000023
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0004630747.tif 000027
【図２７】
0004630747.tif 000028
【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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