(57)【要約】【課題】  書込み時等における磁化特性を均質化して、効率的に書込み作業を実行できるようにする。【解決手段】  磁気記憶装置１の製造方法であって、第１配線１３と共にその一部又は全部を覆う第１反強磁性層４０を形成し、第１配線１３の周囲に配線延在方向と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行し、この第１配線１３に隣接する位置に磁気抵抗効果素子基材４を形成し、磁気抵抗効果素子基材４の磁化固定層に対して第１配線１３の延在方向と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行する。更に、第１配線１３と略直交するように第２配線１５を形成すると共に、第２配線１５と同方向の磁場を印加した状態で、この第２配線１５の一部又は全部を覆うように第２強磁性層４１を形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意方向に第１配線を形成すると共に、前記第１配線の一部又は全部を覆うように第１強磁性層を形成する第１配線形成ステップと、
前記第１配線の周囲に、前記第１配線の延在方向と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行する第１配線用磁場印加ステップと、
前記第１配線に隣接する位置に磁気抵抗効果素子基材を形成する素子形成ステップと、
前記磁気抵抗効果素子基材の磁化固定層に対して、前記第１配線の延在方向と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行して、磁気抵抗効果素子を生成する素子用磁場印加ステップと、
前記磁気抵抗効果素子の近傍において、前記第１配線と略直交するように第２配線を形成すると共に、前記第２配線の延在方向と同方向の磁場を印加した状態で、前記第２配線の一部又は全部を覆うように第２強磁性層を形成する第２配線形成ステップと、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
【請求項２】
前記第２配線形成ステップを、非アニール環境で行うことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１配線形成ステップでは前記第１強磁性層の外面に第１反強磁性層を形成し、
前記第２配線形成ステップでは前記第２強磁性層の外面に第２反強磁性層を形成するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気記憶装置の製造方法。
【請求項４】
任意方向に延在する第１配線、前記第１配線の外周に位置する第１強磁性層、前記第１強磁性層の外面に位置する第１反強磁性層を形成する第１配線形成ステップと、
前記第１配線に隣接する位置に磁気抵抗効果素子基材を形成する素子形成ステップと、
前記磁気抵抗効果素子基材の磁化固定層に対して、前記第１配線の延在方向と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行し、前記磁気抵抗効果素子を生成する素子用磁場印加ステップと、
前記磁気抵抗効果素子の近傍において、前記第１配線と略直交するように第２配線を形成する第２配線形成ステップと、を備えることを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
【請求項５】
第１配線形成ステップの後且つ前記素子形成ステップの前に、前記第１反強磁性層に対して前記第１配線と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行する第１配線用磁場印加ステップを備えることを特徴とする請求項４記載の磁気記憶装置の製造方法。
【請求項６】
任意方向に形成される第１配線と、
前記第１配線の外周に形成される第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の外面に形成される第１磁化固定手段と、
前記第１配線の近傍において前記第１配線よりも後に形成される磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子よりも後に形成され、前記磁気抵抗効果素子の近傍且つ前記第１配線と略直交方向に延在する第２配線と、を備え、
前記第１磁化固定手段による磁化状態のピン止め方向、及び前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向が、前記第１配線の延在方向と略平行となっていることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項７】
任意方向に形成される第１配線と、
前記第１配線の近傍において前記第１配線よりも後に形成される磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子よりも後に形成され、前記磁気抵抗効果素子の近傍且つ前記第１配線と略直交方向に延在する第２配線と、
前記第２配線の外周に形成される第２強磁性層と、
前記第２強磁性層の外面に形成される第２磁化固定手段と、を備え、
前記第２磁化固定手段による磁化状態のピン止め方向が、前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向に対して略直角となっていることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項８】
任意方向に形成される第１配線と、
前記第１配線の外面に形成される第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の外面に形成される第１磁化固定手段と、
前記第１配線の近傍において前記第１配線よりも後に形成される磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子よりも後に形成され、前記磁気抵抗効果素子の近傍且つ前記第１配線と略直交方向に延在する第２配線と、
前記第２配線の外面に形成される第２強磁性層と、
前記第２強磁性層の外面に形成される第２磁化固定手段と、を備え、
前記第１磁化固定手段による磁化状態のピン止め方向及び前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向が、前記第１配線の延在方向と略平行となっており、
前記第２磁化固定手段による磁化状態のピン止め方向が、前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向に対して略直角となっていることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項９】
任意方向に形成される第１配線と、
前記第１配線の外面に形成される第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の外面に形成される第１反強磁性層と、
前記第１配線の近傍に形成される磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の近傍且つ前記第１配線と略直交方向に延在する第２配線と、
前記第２配線の外面に形成される第２強磁性層と、
前記第２強磁性層の外面に形成され、反強磁性不規則合金素材を含有する第２反強磁性層と、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項１０】
前記第１反強磁性層による磁化状態のピン止め方向及び前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向が、前記第１配線の延在方向と略平行となっており、
前記第２反強磁性層による磁化状態のピン止め方向が、前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向に対して略直角となっていることを特徴とする請求項９記載の磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子に情報を記憶する磁気記憶装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータや通信機器等の情報処理装置に用いられる記憶デバイスとして、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が注目されている。ＭＲＡＭは、磁気によってデータを記憶することから、電気的な手段を用いなくてもその磁化方向が維持することができるので、揮発性メモリであるＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  ＲＡＭ）のように電源断によって情報が失われるといった不都合がなくなる。また、従来のフラッシュＥＥＰＲＯＭやハードディスク装置のような不揮発性記憶手段と比較して、ＭＲＡＭはアクセス速度、信頼性、消費電力等において優れている。従って、ＭＲＡＭは、ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの揮発性メモリの機能、及びフラッシュＥＥＰＲＯＭやハードディスク装置などの不揮発性記憶手段の機能をすべて代替できると言われている。
【０００３】
例えば、どこにいても情報処理を可能とするいわゆるユビキタスコンピューティングを目指した情報機器を開発する場合、高速処理に対応可能としながらも消費電力を小さくし、そして、電源断が生じても情報消失を回避できるような記憶装置が求められるが、ＭＲＡＭはこのような要求を同時に満足できる可能性があり、今後、多くの情報機器に採用されることが期待されている。
【０００４】
特に、日常持ち歩くカードや携帯情報端末等については、十分な電源を確保できない場合が多い。従って、厳しい利用環境において大量の情報処理を実行するには、低消費電力とされるＭＲＡＭであっても、情報処理中の電力消費を一層低減させることが求められている。
【０００５】
ＭＲＡＭにおける低消費電力化を進展される技術の一例として、例えば文献１に記載された磁気記憶装置がある。図１０に示されるように、この磁気記憶装置５００は、各記憶領域（メモリセル）毎に、ビット線５０２と、ビット線５０２と直交するように配置されたワード線５０４と、このビット線５０２とワード線５０４の間であって、且つ交差する位置に配置されたトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子５０６を備える。ビット線５０２及びワード線５０４は、それぞれ、ＴＭＲ素子５０６のビット状態を反転させるために必要な磁界のおよそ半分程度を発生するようになっており、選択したビット線５０２及びワード線５０４に電流を流すと、その交差点においてＴＭＲ素子５０６の磁化状態を適宜反転させる。
【０００６】
この磁気記憶装置５００は、ビット線５０２及びワード線５０４の双方が、高透磁率の強磁性薄膜５１０によって被覆されたクラッド構造となっている。従って、ビット線５０２及びワード線５０４から生じる磁束の漏れを低減させることができる。また、ビット線５０２やワード線５０４の通電時に、強磁性薄膜５１０が磁化することによってこの強磁性薄膜５１０から静磁界が発生するので、この静磁界とビット線５０２やワード線５０４の誘導磁界の総和が、ＴＭＲ素子５０６に印加される。この結果、低消費電力の状態でも、ＴＭＲ素子５０６の磁化状態の反転に必要な磁界を得ることが出来る。
【０００７】
また、ビット線５０２及びワード線５０４の３面を強磁性薄膜５１０で被覆し、ＴＭＲ素子５０６側の面を開放することで、磁束をＴＭＲ素子５０６に集中させることができることから、書き込み時間が短縮されるという利点もある。
【０００８】
なお、ＴＭＲ素子とは、外部磁界によって磁化方向が変化する第１磁性層（感磁層）と、磁化方向が固定された第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に挟まれた非磁性絶縁層とを備え、第１磁性層の磁化方向が第２磁性層の磁化方向に対して平行または反平行に制御されることにより二値データを記憶する素子である。
【非特許文献１】日経エレクトロニクス（２００２年１１月１８日  １３３頁）
【非特許文献２】Ｍ．Ｄｕｒｌａｍ，  ｅｔ  ａｌ，"Ａ  １-Ｍｂｉｔ  ＭＲＡＭ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  １Ｔ１ＭＴＪ  Ｂｉｔ  Ｃｅｌｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ"，  ＩＥＥＥ  Ｊ  Ｓｏｌｉｄ-Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ３８，７６９(２００３)
【非特許文献３】Ｈｉｒｏｍｉ  Ｎｉｕ  Ｆｕｋｅ，  ｅｔ  ａｌ，"Ｓｐｉｎ-ｖａｌｖｅ  ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｆｉｌｍｓ  ｗｉｔｈ  ａｎｔ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｉｒ-Ｍｎ  ｌａｙｅｒｓ"，  ＪＡＰ  ８１，４００４(１９９７)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、本発明者の更なる研究によると、このようにビット線５０２やワード線５０４を強磁性薄膜５１０で被覆した場合、書き込み時の電流値が低下する反面、得られる磁界にばらつきが生じ易いという問題が明らかとなった。具体的には、ビット線５０２やワード線５０４に対して、その長手方向に沿って強磁性薄膜５１０を均一に被覆することが困難であり、且つ、強磁性薄膜５１０内には、自然に複数の磁区が形成されて様々な磁化方向を有することになり、これらの要因から、書き込み時において、各ＴＭＲ素子５０６に提供する磁化特性にばらつきが生じる可能性があった。
【００１０】
また、ビット線５０２やワード線５０４の通電方向を切り替えて、磁界を反転させる場合、強磁性薄膜５１０の存在により、その正方向電流と逆方向電流の間で磁界の変化速度や強さが不均一になるという問題があった。この結果、個々のＴＭＲ素子５０６についても、一方向の書き込み速度と他方向の書き込み速度にばらつきが生じるので、書き込み時の電流制御やタイミング制御が複雑になることが懸念された。
【００１１】
また、強磁性薄膜５０１において多数の磁区が形成されると、ビット線５０２やワード線５０４の磁化状態を変化させる際にバルクハウゼンノイズが発生し、これも書き込み性能を悪化させる要因になると考えられた。
【００１２】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、磁気記憶装置における書き込み磁界のばらつきを抑制し、書き込み性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らの鋭意研究によって、上記目的は以下の手段によって達成される。
【００１４】
本発明の磁気記憶装置の製造方法は、任意方向に第１配線を形成すると共に、前記第１配線の一部又は全部を覆うように第１強磁性層を形成する第１配線形成ステップと、前記第１配線の周囲に、前記第１配線の延在方向と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行する第１配線用磁場印加ステップと、前記第１配線に隣接する位置に磁気抵抗効果素子基材を形成する素子形成ステップと、前記磁気抵抗効果素子基材の磁化固定層に対して、前記第１配線の延在方向と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行して、磁気抵抗効果素子を生成する素子用磁場印加ステップと、前記磁気抵抗効果素子の近傍において、前記第１配線と略直交するように第２配線を形成すると共に、前記第２配線の延在方向と同方向の磁場を印加した状態で、前記第２配線の一部又は全部を覆うように第２強磁性層を形成する第２配線形成ステップと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明のように、第１強磁性層に対して磁場を印加してアニール処理をすると共に、磁気抵抗効果素子に対しても同方向の磁場を印加してアニール処理をするので、双方の磁化状態を均質化することが可能となる。従って、磁化特性のばらつきが軽減されるので、書込み性能が向上される。また、第２配線に対しては、磁場を印加しながら第２強磁性層を製膜するので、第２強磁性層の磁化状態を効率的に均質化しながらも、直交する第１強磁性層及び磁気抵抗効果素子の磁化状態に悪影響を与える事を低減することが可能になる。
【００１６】
上記発明では、前記第２配線形成ステップを、非アニール環境で行うことが好ましい。このようにすることで、第１強磁性層及び磁気抵抗効果素子への悪影響を回避できるようになる。
【００１７】
上記発明では、前記第１配線形成ステップでは、前記第１強磁性層の外面に第１反強磁性層を形成し、前記第２配線形成ステップでは、前記第２強磁性層の外面に第２反強磁性層を形成することが好ましい。このようにすることで、強磁性層によって第１及び第２配線の磁界の漏れを防止できると共に、反強磁性層によるピン止め作用により、強磁性層の磁化状態のばらつきを低減できるので、低消費電力と書込みノイズの低減を両立させる事ができる。
【００１８】
また、本発明の磁気記憶装置の製造方法は、任意方向に延在する第１配線、前記第１配線の外周に位置する第１強磁性層、前記第１強磁性層の外面に位置する第１反強磁性層を形成する第１配線形成ステップと、前記第１配線に隣接する位置に磁気抵抗効果素子基材を形成する素子形成ステップと、前記磁気抵抗効果素子基材の磁化固定層に対して、前記第１配線の延在方向と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行し、前記磁気抵抗効果素子を生成する素子用磁場印加ステップと、前記磁気抵抗効果素子の近傍において、前記第１配線と略直交するように第２配線を形成する第２配線形成ステップと、を備えることを特徴とする。
【００１９】
更に上記発明では、第１配線形成ステップの後且つ前記素子形成ステップの前に、前記第１反強磁性層に対して前記第１配線と同方向の磁場を印加した状態でアニール処理を実行する第１配線用磁場印加ステップを備えることが好ましい。
【００２０】
本発明の磁気記憶装置は、任意方向に形成される第１配線と、前記第１配線の外周に形成される第１強磁性層と、前記第１強磁性層の外面に形成される第１磁化固定手段と、前記第１配線の近傍において前記第１配線よりも後に形成される磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子よりも後に形成され、前記磁気抵抗効果素子の近傍且つ前記第１配線と略直交方向に延在する第２配線と、を備え、前記第１磁化固定手段による磁化状態のピン止め方向、及び前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向が、前記第１配線の延在方向と略平行となっていることを特徴とする。このようにピン止め方向を一致させることで、第１配線の磁化状態と磁気抵抗効果素子の磁化状態を相乗的に安定させる事が可能になる。
【００２１】
本発明の磁気記憶装置は、任意方向に形成される第１配線と、前記第１配線の近傍において前記第１配線よりも後に形成される磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子よりも後に形成され、前記磁気抵抗効果素子の近傍且つ前記第１配線と略直交方向に延在する第２配線と、前記第２配線の外周に形成される第２強磁性層と、前記第２強磁性層の外面に形成される第２磁化固定手段と、を備え、前記第２磁化固定手段による磁化状態のピン止め方向が、前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向に対して略直角となっていることを特徴とする。磁気抵抗効果素子のピン止め方向と第２配線のピン止め方向を直角にする事は、第１配線の延在方向と磁気抵抗効果素子のピン止め方向を一致させる事に繋がる。例えば、磁気抵抗効果素子をアニールする場合であっても、第１配線の延在方向に磁場が印加されることになるので、第１配線の磁化状態が中立化され易い。
【００２２】
本発明の磁気記憶装置は、任意方向に形成される第１配線と、前記第１配線の外面に形成される第１強磁性層と、前記第１強磁性層の外面に形成される第１磁化固定手段と、前記第１配線の近傍において前記第１配線よりも後に形成される磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子よりも後に形成され、前記磁気抵抗効果素子の近傍且つ前記第１配線と略直交方向に延在する第２配線と、前記第２配線の外面に形成される第２強磁性層と、前記第２強磁性層の外面に形成される第２磁化固定手段と、を備え、前記第１磁化固定手段による磁化状態のピン止め方向及び前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向が、前記第１配線の延在方向と略平行となっており、前記第２磁化固定手段による磁化状態のピン止め方向が、前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向に対して略直角となっていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の磁気記憶装置は、任意方向に形成される第１配線と、前記第１配線の外面に形成される第１強磁性層と、前記第１強磁性層の外面に形成される第１反強磁性層と、前記第１配線の近傍に形成される磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍且つ前記第１配線と略直交方向に延在する第２配線と、前記第２配線の外面に形成される第２強磁性層と、前記第２強磁性層の外面に形成され、反強磁性不規則合金素材を含有する第２反強磁性層と、を備えることを特徴とする。
【００２４】
反強磁性不規則合金は規則化にアニールが不要であるが、ブロッキング温度が低いことからアニール処理等によって規則化され易い。従って、本発明では、第２反強磁性層において反強磁性不規則合金を用いているので、第１反強磁性層や磁気抵抗効果素子のブロッキング温度よりも低い環境で規則化を行う事が可能となり、第１反強磁性層や磁気抵抗効果素子の磁化状態への悪影響を回避できる。なお、反強磁性規則合金は、規則化する際にアニールが必要であるが、一旦規則化すると、ブロッキング温度が高いことから後に印加される磁場の影響を受けにくい。従って、第１反強磁性層においては反強磁性規則合金を採用することが好ましく、早期のアニールで強固にピン止めを実行することができる。この結果、双方の配線の磁化状態が安定し、書込み精度を高める事が可能になる。
【００２５】
なお、上記発明では、前記第１反強磁性層による磁化状態のピン止め方向及び前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向が、前記第１配線の延在方向と略平行となっており、前記第２反強磁性層による磁化状態のピン止め方向が、前記磁気抵抗効果素子の磁化固定層によるピン止め方向に対して略直角となっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、配線から得られる磁界を安定化させると共に、その磁界の変化を円滑にして、書込み性能を向上させる効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照しながら本発明による磁気記憶装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、各図面の説明において同一の要素には同一の符号を付することで重複する説明を省略する。
【００２８】
図１には本発明の第１実施形態に係る磁気記憶装置１の全体構成が示されている。この磁気記憶装置１は、記憶部２、ビット選択回路１１、ワード選択回路１２、センスアンプ１６、第１の配線に相当する複数のビット配線１３、第２の配線に相当する複数のワード配線１５を備える。記憶部２には、複数の記憶領域３がｍ行ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）の二次元状（アレイ状）に配列されている。ビット配線１３は、平面内で互いに平行となるように配置されており、又、ワード配線５も同様に、ビット配線３と所定間隔をあけた平面内において互いに平行に配置されている。なお、ビット配線１３とワード配線１５の延在方向は垂直となっているので、全体視すると、これらの配線１３、１５によって格子が構成されることになる。ビット配線１３及びワード配線１５は、自身に流れる電流によってＴＭＲ素子４に対する書き込み用の磁界を生じさせる。なお、ＴＭＲ（磁気抵抗効果）素子４は磁化方向を変化させると、それに基づいて自身の抵抗値が変化する機能を有する。この抵抗値の変化状態によってＴＭＲ素子４に二値データが書き込まれる。
【００２９】
ビット選択回路１１は、各記憶領域３のビット配線１３に正または負の書き込み電流及び読み出し電流を提供する機能を備える。具体的にビット選択回路１１は、内部または外部から指示されたアドレスに応じて、アレイ状に配置される記憶領域３から所定列を選択するアドレスデコーダ回路と、この選択した所定列に対応するビット配線１３に正または負の電位差を付与して電流を流し、この所定列のビット配線１３に設置されるＴＭＲ素子４に書き込み用磁界印加するカレントドライブ回路を含んでいる。
【００３０】
ワード選択回路１２は、内部または外部から指示されたアドレスに応じて、アレイ状に配置される記憶領域３から所定行を選択するアドレスデコーダ回路と、この所定行に対応するワード配線１５に所定の電圧を供給するカレントドライブ回路を含んでいる。従って、上記ビット選択回路１１によって選択されたアドレスのビット配線１３と、ワード選択回路１２によって選択されたワード配線１５の双方に電流を流すことで、クロスポイントに位置するＴＭＲ素子４に磁界を印加して書込み作業を行うことができる。更にビット選択回路１１及びワード選択回路１２は、ビット線１３及びワード配線１５間に、書込みを行わない程度の小さい電圧を印加する事で、読み出し電流の制御も可能となっている。具体的には、ビット選択回路１１において、内部または外部から指示されたアドレスに対応する列をアドレスデコーダ回路によって選択し、そのビット配線１３に所定電圧を印加する。これと同時に、ワード選択回路１２では、アドレスデコーダ回路によってアドレスに対応する行を選択して、その行に対応するワード配線１５に所定電圧を印加する事で、このビット配線１３とワード配線１５の間に位置するＴＭＲ素子４に読み出し電流を供給する。この電流に基づいて、ＴＭＲ素子４の抵抗値変化をワード配線１５に接続されたセンスアンプ１６で検出する。
【００３１】
図２に拡大して示されるように、ＴＭＲ素子４は、ビット配線１３とワード配線１５が交差する場所（いわゆるクロスポイントＫ）に隣接配置されており、詳細には、このクロスポイントＫにおいて、ビット配線１３とワード配線１５の間に挟持されるように設置される。従って、ＴＭＲ素子４の一方の面はビット配線１３と当接し、他方の面はワード配線１５と当接している。なお、このように格子の交点となるクロスポイントＫにＴＭＲ素子４が配置される事は、言い換えると、各ビット配線１３又はワード配線１５に対して、複数のＴＭＲ素子４が連続的に配設されていることになる。なお、ビット配線１３、ワード配線１５、ＴＭＲ素子４等以外の領域は、すべて絶縁領域によって占められる。この絶縁領域の材料としては、半導体層の絶縁領域と同様にＳｉＯ２といった絶縁性材料を用いる。また、配線の材料としては例えばＷやＡｌを用いることができる。
【００３２】
更に、ビット配線１３の一部は、長手方向に沿ってビット配線用強磁性層４０によって覆われることで、いわゆるクラッド構造となっている。ビット配線用強磁性層４０は、ビット配線１３におけるＴＭＲ素子４の反対側面（反素子側面）とその両側面を直接的に被覆するように配設されており、断面コ字状となっている。この結果、このビット配線用強磁性層４０がビット配線１３から生じる磁束の漏れを抑制する。
【００３３】
同様に、ワード配線１５の一部は、長手方向に沿ってワード配線用強磁性層４１によって覆われることで、いわゆるクラッド構造となっている。ワード配線用強磁性層４１は、ワード配線１５におけるＴＭＲ素子４の反対側面（反素子側面）とその両側面を直接的に被覆するように配設されており、断面コ字状となっている。この結果、このワード配線用強磁性層４１がワード配線１５から生じる磁束の漏れを抑制する。以上の構造により、ビット配線１３、ワード配線１５から発生する磁束がＴＭＲ素子４に集中する。
【００３４】
このビット配線用強磁性層４０の外側面（ビット配線１３の反対側面）には、ビット配線用反強磁性層２６が付加されている。ビット配線用ビット配線用反強磁性層２６とビット配線用強磁性層４０の接合面における交換結合によって、ビット配線用強磁性層４０の磁化方向が安定化されている。特に、ビット配線用反強磁性層２６によるビット配線用強磁性層４０の磁化状態のピン止め方向Ｘは、自身が被覆しているビット配線１３延在方向と略一致するように設定されている。また、ビット配線用反強磁性層２６の素材には、反強磁性規則合金が用いられており、例えばＣｕＡｕ−Ｉ構造となる素材が利用される。反強磁性規則合金は、ブロッキング温度が高く、耐食性に優れている特徴があるが、その反面、成膜後に規則合金化するにはアニール処理が必要となる。具体的に反強磁性規則合金素材としては、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ等があり、アニール環境において磁場を印加することで、上記Ｘ方向（即ちビット配線１３の延在方向）に規則合金化している。
【００３５】
ワード配線用強磁性層４１の外側面（ワード配線１５の反対側面）には、ワード配線用反強磁性層２７が付加されている。ワード配線用反強磁性層２７とワード配線用強磁性層４１の接合面における交換結合によって、ワード配線用強磁性層４１の磁化方向が安定化されている。特に、ワード配線用反強磁性層２７によるワード配線用強磁性層４１の磁化状態のピン止め方向Ｙは、自身が被覆しているワード配線１５延在方向と略一致するように設定されている。また、ワード配線用反強磁性層２７の素材には、反強磁性不規則合金が用いられており、例えばｆｃｃ構造の素材が利用される。反強磁性不規則合金はブロッキング温度が低いが、熱処理無しで一方向の異方性が得られるという特徴がある。具体的に反強磁性不規則合金素材としては、ＩｒＭｎ、ＲｈＭｎ、ＦｅＭｎ等があり、非アニール環境において、目的としているピン止め方向Ｙ（即ちワード配線１５の延在方向）に沿って磁場を印加することで規則合金化する。以上の結果、従って、電流が流れていない場合における、ビット配線用強磁性層４０及びワード配線用強磁性層４１の磁化状態は、被覆する配線方向と平行となって単磁区化されれている。
【００３６】
図３にはＴＭＲ素子４が拡大して示されている。このＴＭＲ素子４は、外部磁界によって磁化方向が変化する第１磁性層（フリー層／感磁層）４Ａと、磁化方向が固定された第２磁性層（ピンド層）４Ｂと、第１磁性層４Ａ及び第２磁性層４Ｂに挟まれた非磁性絶縁層（絶縁体層）４Ｃと、第２磁性層の磁化方向を固定（ピン止め）する反強磁性層４Ｄとを備える。このＴＭＲ素子４は、外部磁界を受けて第１磁性層４Ａの磁化方向が変化すると、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｂとの間の抵抗値が変化するようになっている。この抵抗値の差によって、二値データを記録することができる。なお、第１磁性層４１の材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を用いることができる。
【００３７】
第２磁性層４Ｂは、反強磁性層４Ｄによって磁化方向が固定されている。すなわち、反強磁性層４Ｄと第２磁性層４Ｂとの接合面における交換結合によって、第２磁性層４Ｂの磁化方向が一方向に配向された状態で安定化されている。第２磁性層４Ｂの磁化容易軸方向は、第１磁性層４Ａの磁化容易軸方向に沿うように設定される。第２磁性層４Ｂの材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を用いることができる。また、反強磁性層４Ｄの材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＮｉＯ、またはこれらを任意の組み合わせた材料を用いることができる。
【００３８】
非磁性絶縁層４Ｃは、非磁性且つ絶縁性の材料からなる層であり、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｂとの間に介在して、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が生じるようにしている。詳細には、第１磁性層４Ａと第２磁性層４Ｂの磁化方向との相対関係（即ち、平行または反平行）によって、電気抵抗値が異なる特性を有している。非磁性絶縁層４Ｃの材料としては、例えばＡｌ、Ｚｎ、Ｍｇといった金属の酸化物または窒化物が好適である。
【００３９】
なお、特に図示しないが、第２磁性層４Ｂの磁化方向を安定化させる層として、反強磁性層４Ｄに代えて、非磁性金属層またはシンセティックＡＦ（反強磁性）層を介して第３磁性層を設けても良い。この第３磁性層が第２磁性層４Ｂとの間で反平行の交換結合を形成することにより、第２磁性層４Ｂの磁化方向をさらに安定化させることができる。このような第３磁性層の材料としては特に制限はないが、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔなどの強磁性材料を単独で、或いは複合させて用いることが好ましい。また、第２磁性層４Ｂと第３磁性層との間に設けられる非磁性金属層の材料としては、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｇなどが好適である。なお、非磁性金属層の厚さは、第２磁性層４Ｂと第３磁性層との間に強い交換結合を得るためには２ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４０】
ＴＭＲ素子４の反強磁性層４４は、ワード配線１５と電気的に接続されている。ＴＭＲ素子４の第１磁性層４Ａは、ビット配線１３に電気的に接続される。この構成により、読み出し電流をビット配線１３からＴＭＲ素子４を介してワード配線１５へ流すことが可能となり、ＴＭＲ素子４の抵抗値の変化をセンスアンプ１６によって検出する事が出来る。なお、ＴＭＲ素子４の第１磁性層４Ａの磁化容易軸は、ビット配線１３の長手方向（延在方向）と平行するように設定される。
【００４１】
図２に戻って、クロスポイントＫに配置されるＴＭＲ素子４では、反強磁性層４Ｄによる第２磁性層４Ｂの磁化固定方向Ｍが、ＴＭＲ素子４よりも前に予め形成されるビット配線１３の延在方向Ｘと平行となっている。すなわち、反強磁性層４Ｄと第２磁性層４Ｂの接合面における交換結合によって、第２磁性層４Ｂの磁化方向Ｍがビット配線１３の延在方向Ｘに配向された状態で安定化されている。第１磁性層４Ａの磁化容易軸方向も、ビット配線１３の延在方向に沿うように設定される。この結果、ＴＭＲ素子４の第２磁性層４Ｂのピン止め方向Ｍと、ビット配線用強磁性層４０のピン止め方向Ｘは平行となり、一方、第２磁性層４Ｂのピン止め方向Ｍとワード配線用強磁性層４１のピン止め方向Ｙは直角となる。
【００４２】
本磁気記憶装置１における書込み作業は、先ず、要求アドレスに基づいて、複数のビット配線１３の中から１つの配線を選択すると共に、同要求アドレスに基づいて複数のワード配線１５の中から１つの配線を選択する。そして、二値情報（０、１）の何れを書き込むのかを判断し、二値情報に基づいた電流を流す。その結果、ビット配線１３及びワード配線１５には周方向の磁界が発生するので、この磁界に誘導されるように、ビット配線用強磁性層４０及びワード配線用強磁性層４１の磁化状態Ｘ、Ｙの方向が滑らかに回転して、各配線１３、１５の周方向磁界と一致する。このビット配線１３とワード配線１５の双方の磁界の相互作用によって、ＴＭＲ素子４の第１磁性層（図示省略）の磁化状態が所定の方向に設定され、二値情報の書込み作業が完了する。
【００４３】
この磁気記憶装置１では、磁束の漏れを防止するビット配線用強磁性層４０の磁化状態Ｘ及びワード配線用強磁性層４１の磁化状態Ｙが、配線の延在方向にピン止めされて単磁区化が図られている。従って、電流が流れていない時の磁化状態が中立化されており、また、通電により生じる誘導磁界の変化も滑らかとなり、書込みノイズが低減される。特に、ワード配線１３又はビット配線１５にクラッド構造を採用した際に、各配線１３、１５近傍に配置される複数のＴＭＲ素子４（クロスポイントＫ）で特性が異なってしまうと、書込み時のタイミング制御や、電流／電圧制御が複雑となる。しかし、本磁気記憶装置１では、各配線１３、１５をクラッド構造としながらも、ビット配線用反強磁性層２６、ワード配線用反強磁性層２７によって、ビット配線用強磁性層４０及びワード配線用強磁性層４１の長手方向全域において磁化状態が均質化されるので、ばらつきが低減して書込み精度を高める事が可能になる。
【００４４】
また、本磁気記憶装置１では、ビット配線用反強磁性層２６の素材として反強磁性規則合金が用いられているので、磁場印加とアニール処理によってピン止め作用を得ることができる。一方、ワード配線用反強磁性層２７の素材として反強磁性不規則合金が用いられているので、非アニール環境の磁場印加によりピン止め作用を得ることができる。ビット配線１３の後に形成されるＴＭＲ素子４の磁化容易軸は、ビット配線用反強磁性層２６のピン止め方向と一致させているので、ＴＭＲ素子４に対して磁場印加とアニール処理を行った際に、ビット配線用反強磁性層２６のピン止め状態が変化する事を回避できる。また、ＴＭＲ素子４の後に形成されるワード配線用反強磁性層２７は、非アニール状態でピン止めできることから、磁場印加中に、ＴＭＲ素子４の磁化状態が変化する事を同様に回避できる。
【００４５】
以上の結果、本磁気記憶装置１では、ＴＭＲ素子４の磁化状態の安定性を確保しながらも、ビット配線用強磁性層４０とワード配線用強磁性層４１の双方を配線方向にピン止めすることが可能となっている。
【００４６】
次に、この磁気記憶装置１の製造方法について説明する。
【００４７】
図４（Ａ）に示されるように、先ず、ＳｉＯ２素材の絶縁体層７１が形成された基台７０に対して、ビット配線１３と一致するようにパターンニングを行い、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によって絶縁体層７１内にビット配線用の溝部７１Ａを形成する。次に、図４（Ｂ）に示されるように、溝部７１Ａを含む領域に、ビット配線用反強磁性層２６、ビット配線用強磁性層４０、ビット配線１３の基材をこの順に成膜する。なお、ビット配線用反強磁性層２６の素材には、ブロッキング温度の高い反強磁性規則合金を用いる。この状態で、図４（Ｃ）に示されるように、磁場中でアニール処理を行う。この磁場の方向Ｘは、溝部７１Ａの延在方向、即ち、将来のビット配線１３の延在方向と一致させる。この結果、ビット配線用反強磁性層２６によってビット配線用強磁性層４０がピン止めされることになる。その後、図４（Ｄ）に示されるように、ケミカル−メカニカルポリシング（ＣＭＰ）によって、溝部７１Ａ以外を覆っている配線用反強磁性層２６、ビット配線用強磁性層４０、ビット配線１３の各基材を排除して表面を平滑化する。これにより、溝部７１Ａ内に、ピン止めされたクラッド（ビット配線用強磁性層４０）を有するビット配線１３が形成される。
【００４８】
次に、図５（Ａ）に示されるように、ＴＭＲ素子４の基材を成膜する。具体的には、第１磁性層４Ａ、非磁性絶縁層（絶縁体層）４Ｃ、第２磁性層（ピンド層）４Ｂ、反強磁性層４Ｄの基材をこの順に積層する。なお、この反強磁性層４Ｄについても、ブロッキング温度の高い反強磁性規則合金を用いている。積層後、図５（Ｂ）に示されるように、磁場中でアニール処理を行って反強磁性層４Ｄの磁化状態を一方向異方性に安定化する。印加する磁場の方向Ｍは、ビット配線１３の延在方向Ｘ、即ち図４（Ｃ）で示した磁場方向Ｘと平行となっており、この工程によって、第２磁性層４Ｂの磁化方向Ｍがビット配線１３の延在方向に沿ってピン止めされる。
【００４９】
その後、ＴＭＲ素子４に相当する領域をパターニングして不要な部分を排除し、リフィル処理を経てＴＭＲ素子４が生成される。既に述べたように、このＴＭＲ素子４の磁化容易軸方向及び第２磁性層４Ｂのピン止め方向は、ビット配線１３の延在方向と一致する。
【００５０】
その後、図６（Ａ）に示されるように、ワード配線１５をリフトオフ工程又はメッキ工程によって形成し、その後、ワード配線１５を覆うようにワード配線用強磁性層４１及びワード配線用反強磁性層２７をこの順に成膜する（図６（Ｂ）参照）。このワード配線用反強磁性層２７の成膜工程では、非アニール環境で磁場を印加する。この磁場の方向Ｙは、ワード配線１５の延在方向と平行となっており、ワード配線用反強磁性層２７が規則合金化することで、ワード配線用強磁性層４１の磁化状態が同方向Ｙにピン止めされる。その後、余分なワード配線用強磁性層４１及びワード配線用反強磁性層２７を除去することで、図２で示した磁気記憶装置１が得られる。
【００５１】
本製造方法によれば、ビット配線用強磁性層４０の磁化ピン止め方向と、ＴＭＲ素子４の磁化ピン止め方向を一致させているので、ＴＭＲ素子４のアニール処理が、ビット配線用強磁性層４０のピン止め作用を一層強める方向に作用する。つまり、ＴＭＲ素子４をアニールする際に、ビット配線用反強磁性層２６も同時にアニールされてしまうが、ピン止め方向が同じであるので、ビット配線用反強磁性層２６のピン止め状況を維持することが可能となる。また、最終段階で配置されるワード配線用反強磁性層４１は、非アニール環境で磁場を印加すれば一方向異方性を得る事ができるので、ブロッキング温度の高い反強磁性層４Ｄやビット配線用反強磁性層４０の磁化状態に影響を与えてしまうことを回避できる。従って、ビット配線用強磁性層４０、ワード配線用強磁性層４１、ＴＭＲ素子４の全てにおいて安定した磁化状態を有する磁気記憶装置１を製造することが可能となる。
【００５２】
次に、図７を参照して、本発明の本第２実施形態の磁気記憶装置１０１について説明する。なお、第１実施形態の磁気記憶装置１と同一又は類似する部材等については、図中の符号の下二桁を一致させる事で説明を省略し、相違する点を中心に説明する。
【００５３】
この磁気記憶装置１０１では、ビット配線１１３とワード配線１１５の周囲に、断面コ字形状のビット配線用強磁性層１４０及びワード配線用強磁性層１４１が積層されており、更にこれらの反素子側面のみを、ビット配線用反強磁性層１２６及びワード配線用反強磁性層１２７が覆うようになっている。このように構成しても、ビット配線用強磁性層１４０、ワード配線用強磁性層１4１の磁化状態を、配線長手方向にピン止めすることが可能である。結局、本磁気記憶装置１０１においても、ビット配線１１３、ワード配線１１５から生じる書込み磁界の変動が滑らかとなり、書込み時の磁界のばらつきを低減することができる。
【００５４】
なお、この磁気記憶装置１０１では、ビット配線用強磁性層１４０、ワード配線用強磁性層１４１が断面コ字形状となっている場合を示したが、本発明はそれに限定されず、例えば図８に示されるように、ビット配線１１３、ワード配線１１５の反素子側面のみを強磁性層１２６、１２７が覆うようにしてもよい。このようにしても、配線１１３、１１５からの磁界の漏れを防止することが可能となる。
【００５５】
以上、本実施形態では、ビット配線、ワード配線がその長手方向全域に亘ってクラッドを備えている場合を示したが、本発明はそれに限定されるものではなく、長手方向に対して部分的にクラッドを備えるようにしても良い。例えば、ＴＭＲ素子に対する磁界の強さを向上させる観点では、ビット配線とワード配線の少なくともクロスポイントＫを含む領域を部分的に被覆することで、いわゆるヨーク構造にすることも可能である。
【００５６】
また、上記実施形態では、ビット配線とワード配線にＴＭＲ素子が当接する場合に限って示したが、本発明はそれに限定されない。例えば、ビット配線とワード配線に対してＴＭＲ素子は隙間をあけて配置されるようにし、その隙間において、ＴＭＲ素子と当接する電極（読み出し専用電極）を別途積層するようにしてもよい。
【００５７】
（実施例）
【００５８】
第１実施形態の磁気記憶装置１における記憶領域３を３２個製造し、それぞれで必要となった書込み電流を統計的に分析した。なお、比較例として、ビット配線用反強磁性層２６、ワード配線用反強磁性層２７が形成されていない磁気記憶装置を製造して、同様に書込み電流を計測した。この結果を図９に示す。比較例となるグラフＢでは、書込み電流の分散値σが０．５９であるのに対し、実施例のグラフＡでは、書込み電流の分散値σが０．３７となり、書込み電流が安定化していることが明らかとなった。即ち、クラッドに対してピン止めを行う事で、各記憶領域３の磁気特性の個体差を低減させる事が可能となり、消費電力を低減させることが可能となっている。
【００５９】
なお、本発明による磁気記憶装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ素子を用いているが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を利用したＧＭＲ素子を用いてもよい。ＧＭＲ効果とは、非磁性層を挟んだ２つの強磁性層の磁化方向のなす角度により、積層方向と直交する方向における強磁性層の抵抗値が変化する現象である。すなわち、ＧＭＲ素子においては、２つの強磁性層の磁化方向が互いに平行である場合に強磁性層の抵抗値が最小となり、２つの強磁性層の磁化方向が互いに反平行である場合に強磁性層の抵抗値が最大となる。なお、ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子には、２つの強磁性層の保磁力の差を利用して書き込み／読み出しを行う疑似スピンバルブ型と、一方の強磁性層の磁化方向を反強磁性層との交換結合により固定するスピンバルブ型とがある。また、ＧＭＲ素子におけるデータ読み出しは、積層方向と直交する方向における強磁性層の抵抗値の変化を検出することにより行われる。また、ＧＭＲ素子におけるデータ書き込みは、書き込み電流により生じる磁界によって一方の強磁性層の磁化方向を反転させることにより行われる。
【００６０】
更に、本実施形態では、配線を覆う強磁性層の磁化状態を固定する手段として、強磁性層に反強磁性層を付加する場合に限って示したが、本発明はそれに限定されない。例えば、配線を覆う強磁性体に対して、非磁性金属層等を介して更なる磁性層を設け、この磁性層が強磁性体と反強磁性結合を形成する事によって、間接的にピン止め効果を得るようにして良い。
【００６１】
なお、本発明の磁気記憶装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、磁気抵抗効果素子によって各種情報を記録・保持するような分野において広く利用する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る磁気記憶装置の全体構成を示す概念図。
【図２】同磁気記憶装置の記憶領域を拡大して示す概念図。
【図３】同磁性層に配置される磁気抵抗効果素子の積層構造を拡大して示す側面図。
【図４】同磁気記憶装置を製造する工程を説明する手順図。
【図５】同磁気記憶装置を製造する工程を説明する手順図。
【図６】同磁気記憶装置を製造する工程を説明する手順図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る磁気記憶装置の構造を拡大して示す斜視図。
【図８】本発明の第２実施形態の他の例に係る磁気記憶装置の構造を拡大して示す斜視図。
【図９】実施例及び比較例に係る磁気記憶装置の書込み電流のばらつきを統計的に示したグラフ図。
【図１０】従来の磁気記憶装置の構成例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００６４】
１、１０１・・・          磁気記憶装置
４、１０４・・・          磁気抵抗効果素子
１３、１１３・・・        ビット配線
１５、１１５・・・        ワード配線
２６、１２６・・・        ビット配線用反強磁性層
２７、１２７・・・        ワード配線用反強磁性層
４０、１４０・・・        ビット配線用強磁性層
４１、１４１・・・        ワード配線用強磁性層
【図１】
2007281171.tif 000003
【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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