(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向に形状磁気異方性を有し，且つ，磁歪定数が正である強磁性層を含んで構成される磁化自由層と，
スペーサ層と，
前記スペーサ層を挟んで前記磁化自由層と対向するように設けられた磁化固定層を備えるベース層
とを具備し，
前記ベース層は，前記第１方向と斜めである第３方向に延伸するように形成され，且つ，前記第３方向と垂直な方向に突出する突出部を備え，
前記突出部は，前記磁化自由層に前記第１方向と同一の方向に引っ張り応力を印加する応力誘起構造体として機能する
磁気メモリ。
【請求項２】
第１方向に形状磁気異方性を有し，且つ，磁歪定数が負である強磁性層を含んで構成される磁化自由層と，
スペーサ層と，
前記スペーサ層を挟んで前記磁化自由層と対向するように設けられた磁化固定層を備えるベース層
とを具備し，
前記ベース層は，前記第１方向と斜めである第３方向に延伸するように形成され，且つ，前記第３方向と垂直な方向に突出する突出部を備え，
前記突出部は，前記磁化自由層に前記第１方向と同一の方向に圧縮応力を印加する応力誘起構造体として機能する
磁気メモリ。
【請求項３】
第１方向に形状磁気異方性を有し，且つ，磁歪定数が正である強磁性層を含んで構成される磁化自由層と，
前記磁化自由層に前記第１方向と同一の方向に引っ張り応力を印加する応力誘起構造体と，
前記第１方向と異なる方向に設けられた，前記磁化自由層の磁化を反転させるための書き込み電流が流される書き込み配線と，
前記書き込み配線が前記磁化自由層に印加する応力と逆向きの応力を前記磁化自由層に印加する他の応力誘起構造体
とを具備する
磁気メモリ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気メモリであって，
前記応力誘起構造体は，その内部応力が引っ張り応力であり，且つ，前記第１方向に延伸するように設けられている
磁気メモリ。
【請求項５】
請求項３に記載の磁気メモリであって，
前記応力誘起構造体は，その内部応力が圧縮応力であり，且つ，前記第１方向と垂直な第２方向に延伸するように設けられている
磁気メモリ。
【請求項６】
第１方向に形状磁気異方性を有し，且つ，磁歪定数が負である強磁性層を含んで構成される磁化自由層と，
前記磁化自由層に前記第１方向と同一の方向に圧縮応力を印加する応力誘起構造体と，
前記第１方向と異なる方向に設けられた，前記磁化自由層の磁化を反転させるための書き込み電流が流される書き込み配線と，
前記書き込み配線が前記磁化自由層に印加する応力と逆向きの応力を前記磁化自由層に印加する他の応力誘起構造体
とを具備する
磁気メモリ。
【請求項７】
請求項６に記載の磁気メモリであって，
前記応力誘起構造体は，その内部応力が引っ張り応力であり，且つ，前記第１方向と垂直な第２方向に延伸するように設けられている
磁気メモリ。
【請求項８】
請求項６に記載の磁気メモリであって，
前記応力誘起構造体は，その内部応力が圧縮応力であり，且つ，前記第１方向に延伸するように設けられている
磁気メモリ。
【請求項９】
請求項３〜８のいずれか一の請求項に記載の磁気メモリであって，
更に，
スペーサ層と，
前記スペーサ層を挟んで前記磁化自由層と対向するように設けられた磁化固定層を備えるベース層
とを具備し，
前記応力誘起構造体は，前記ベース層とは別に設けられた応力誘起層を含む
磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気メモリであって，
前記ベース層は，前記第１方向に対して斜めの方向に延伸するように形成されている
磁気メモリ。
【請求項１１】
請求項９に記載の磁気メモリであって，
更に，
前記磁化自由層と前記応力誘起層とが形成される基板と，
前記磁化自由層と前記基板との間に設けられ，前記磁化自由層の磁化を反転させるための書き込み電流が流される下部配線
とを具備し，
前記応力誘起層は，前記下部配線とは別に設けられている
磁気メモリ。
【請求項１２】
請求項３〜８のいずれか一の請求項に記載の磁気メモリであって，
更に，前記磁化自由層に接続されるスペーサ層を具備し，
前記応力誘起構造体は，前記スペーサ層を挟んで前記磁化自由層と対向するように設けられた磁化固定層を備えるベース層である
磁気メモリ。
【請求項１３】
請求項１，２，３，６のいずれか一に記載の磁気メモリであって，
前記磁化自由層は，前記第１方向の長さｄを有し，且つ，前記第１方向と垂直な第２方向に幅Ｗを有し，
前記長さｄの前記幅Ｗに対する比ｄ／Ｗは，２以下であり，
前記磁化自由層の応力誘起異方性磁界の形状異方性磁界に対する比が，０．５以上である
磁気メモリ。
【請求項１４】
請求項１，２，３，６のいずれか一に記載の磁気メモリであって，
前記磁化自由層は複数であり，
前記磁化自由層の応力誘起異方性磁界と形状異方性磁界とは無相関であり，
前記形状異方性磁界の平均値ＡＳＨと前記応力誘起異方性磁界の平均値ＡＳＴＲとを用いて下記式（１）：
ｒ＝ＡＳＨ／（ＡＳＴＲ＋ＡＳＨ）      ・・・（１）
で定義されるパラメータｒと，前記応力誘起異方性磁界の標準偏差σＳＴと，前記形状異方性磁界の標準偏差σＳＨとを用いて記述される下記式（２ａ），（２ｂ）：
ｂＳＴ＝σＳＴ／ＡＳＴ，      ・・・（２ａ）
ｂＳＨ＝σＳＨ／ＡＳＨ，      ・・・（２ｂ）
でそれぞれに定義されるｂＳＴ，ｂＳＨとは，下記式（３）：
ｒ＝ｂＳＴ２／（ｂＳＴ２＋ｂＳＨ２），        ・・・（３）
を成立させる
磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，磁気メモリに関し，特に，書き込み配線に流される電流によって磁化自由層にデータを書き込むように構成された磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体の自発磁化（以下，単に「磁化」という。）を用いてデータを記憶する磁気メモリは，近年，最も注目を集めている不揮発性メモリの一つである。磁気メモリのメモリセルとしては，例えば米国特許第５，６５０，９５８号公報に開示されているように，絶縁体又は導電体の非磁性層によって分離された２層の強磁性層で構成された磁気抵抗素子が使用される。その２層の強磁性層の一方は，外部磁界によって容易に磁化の向きが変化されるように構成され，他方は，磁化の向きが容易には変化しないように構成される。前者は，しばしば磁化自由層と呼ばれ，後者は，磁化固定層と呼ばれる。メモリセルには，デジタルデータが２層の強磁性層の磁化の向きの相対角として記憶される。記憶されたデータは，意図的に書き換えられない限り，極めて長期間に渡って保持される。【０００３】
磁気メモリのデータ読み出しには，磁気抵抗素子の抵抗が２層の強磁性層の磁化の向きの相対角に依存するという現象，トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistance）効果，及び巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：giant magnetoresistance）が利用される。トンネル磁気抵抗効果は，非磁性層として絶縁体が使用される場合に利用され，巨大磁気抵抗効果は，非磁性層として導電体が使用される場合に使用される。【０００４】
一方，磁気メモリのデータ書き込みは，メモリセルの近傍に位置する配線に書き込み電流を流して反転磁界を超える磁界を発生し，その磁界によって磁化自由層の磁化の向きを所望の向きに反転させることによって行われる。データ書き込みに使用される配線は，しばしば，ワード線，ビット線，デジット線等と呼ばれる。【０００５】
最も典型的には，磁化自由層の磁化は，直交する２本の書き込み配線に書き込み電流を流すことによって所望の向きに反転される。２本の書き込み配線に書き込み電流を流すと，磁化自由層の容易軸に対して４５°の方向に合成磁場が生成する。この合成磁場によって，磁化自由層の磁化が所望の向きに反転される。【０００６】
トランジスタによって選択セルにのみ選択的に電流を流して、即ち、１本の書き込み配線しか使用せずに磁化を所望の向きに反転させてデータ書き込みを行うことも可能である。この場合には，書き込み配線は，磁化自由層の容易軸に対して４５°の角度をなすように延設することが好適である。なぜなら、書き込み磁場が最も小さくなるからである。当該書き込み配線に書き込み電流が流すと，磁化自由層の容易軸に対して４５°の方向に磁場が発生する。この磁場によって，磁化自由層の磁化が所望の向きに反転される。このような方法によるデータ書き込みは，以下において，一軸書き込みと記載されることがある。同様に、トランジスタによって選択セルの磁化自由層に直接スピン電流を流し、スピントルクによって磁化反転を勇気することも可能であり、これは、スピン注入書き込みと呼ばれる。スピン注入書き込みは、一軸書き込みと同じくセル選択性が高い。【０００７】
加えて，米国特許第６，５４５，９０６号に開示されているように，磁化自由層が積層フェリ構造体（即ち，非磁性層で分離された複数の強磁性層を備える構造体）で構成されている場合には，磁化自由層に印加される磁場の方向を面内で回転させることによって磁化自由層を構成する強磁性層の磁化を所望の向きに回転させることができる。より具体的には，直交する２本の書き込み配線が，いずれも磁化自由層の容易軸に対して４５°の角度をなすように延設される。以下では，２本の書き込み配線の一方を，ワード線と，他方をビット線と記載する。書き込み動作では，まず，ワード線に書き込み電流が流され，これによってワード線に垂直な方向に磁場が発生される。続いて，ワード線に書き込み電流が流されたまま，ビット線に書き込み電流が流される。これにより，ワード線とビット線との両方に斜めの方向，典型的には，ワード線とビット線と４５°の角度をなす方向に磁場が発生される。更に続いて，ビット線に書き込み電流が流されたままワード線への書き込み電流の供給が停止される。これにより，ビット線に垂直な方向（即ち，ワード線に平行な方向）に磁場が発生される。このような過程でワード線及びビット線に書き込み電流が流されることにより，磁化自由層に印加される磁場が回転され，これにより，磁化自由層を構成する強磁性層の磁化を１８０°回転させることができる。このような方法によるデータ書き込みは，以下において，トグル書き込みと記載されることがある。【０００８】
磁気メモリの最も重大な問題の一つは，磁化自由層の反転磁界のバラツキの存在である。磁化自由層の反転磁界のバラツキが大きいと，ある特定の書き込み電流で書き込み可能なメモリセルと書き込み不能なメモリセルとを生じさせ得る。これは，磁気メモリの動作にとって不都合である。【０００９】
特に，直交する２本の書き込み配線に書き込み電流を流すことによってデータ書き込みが行われる場合には，磁化自由層の反転磁界のバラツキの存在は重大である。磁化自由層の反転磁界のバラツキは，書き込み電流のマージンを減少させ，選択されていないメモリセルに誤ってデータが書き込まれる事態を発生させ得る。また、トランジスタでセルを選択する方式においては、反転磁界のバラツキの増大は書き込み電流の増大につながるため問題である。【００１０】
磁化自由層の反転磁界のバラツキを抑制する一つの手段は，磁化自由層を長細く形成する，即ち，磁化自由層のアスペクト比を大きくすることである。ここで，アスペクト比とは，磁化自由層の長手方向における長さをｄ，長手方向に垂直である幅方向におけるＷとして，ｄ／Ｗで定義される値である。アスペクト比を大きくすることにより，磁化自由層の形状磁気異方性を強め，これによって磁化自由層の反転磁界のバラツキを抑制することができる。【００１１】
しかしながら，磁化自由層のアスペクト比を大きくすることは，磁気メモリのメモリセルの大きさを増大させるため好ましくない。特にスピン注入書き込みでは、磁化自由層の面積を小さくすることが、書き込み電流密度を高め、書き込み電流の低減につながるため重要である。磁気メモリのメモリセルを小さくするためには磁化自由層のアスペクト比は，２．０以下であることが望まれるが，磁化自由層のアスペクト比が２．０以下である場合に磁化自由層の反転磁界のバラツキを抑制する方法は知られていない。
【発明の開示】
【００１２】
したがって，本発明の目的は，磁気メモリの磁化自由層の反転磁界のバラツキを低減するための新たな技術を提供することにあり，望ましくは，メモリセルの大きさを小さくしながら，磁化自由層の反転磁界のバラツキを低減することができる技術を提供することにある。
【００１３】
本発明は，磁化自由層の反転磁界のバラツキの原因の一つが応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性との方向との相違である，という発明者の知見に基づくものである。応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性との方向が相違すると，磁壁移動のピニング（wall motion pinning）が強く現れ，磁化自由層の反転磁界のバラツキが発生する。
【００１４】
本発明は，応力誘起磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向に近づける，理想的には，一致させることによって磁化自由層の反転磁界のバラツキを抑制する。応力誘起磁気異方性の方向は，磁化自由層の磁歪定数，及び，化自由層に印加される応力の極性及び方法によって制御可能である。
【００１５】
本発明の一の観点において，磁気メモリは，第１方向に形状磁気異方性を有し，且つ，磁歪定数が正である強磁性層を含んで構成される磁化自由層と，磁化自由層に第１方向と同一の方向に引っ張り応力を印加する応力誘起構造体とを具備する。当該応力誘起構造体の作用により，磁化自由層には，形状磁気異方性の方向と近い方向，理想的には形状磁気異方性の方向と同一の方向に応力誘起磁気異方性が発現する。これは，磁化自由層の反転磁界のバラツキを抑制するために有効である。
【００１６】
一の実施形態では，応力誘起構造体は，その内部応力が引っ張り応力であり，且つ，前記第１方向に延伸するように形成される。また，応力誘起構造体は，その内部応力が圧縮応力であり，且つ，前記第１方向と垂直な第２方向に延伸するように形成されることも可能である。
【００１７】
他の観点において，本発明による磁気メモリは，第１方向に形状磁気異方性を有し，且つ，磁歪定数が負である強磁性層を含んで構成される磁化自由層と，磁化自由層に前記第１方向と同一の方向に圧縮応力を印加する応力誘起構造体とを具備する。このような構造でも，形状磁気異方性の方向と近い方向，理想的には形状磁気異方性の方向と同一の方向に応力誘起磁気異方性が発現し，磁化自由層の反転磁界のバラツキを抑制することができる。
【００１８】
この場合，応力誘起構造体は，その内部応力が引っ張り応力であり，且つ，前記第１方向と垂直な第２方向に延伸するように形成され得る。他の実施形態では，応力誘起構造体は，その内部応力が圧縮応力であり，且つ，前記第１方向に延伸するように形成される。
【００１９】
当該磁気メモリが，更に，スペーサ層と，スペーサ層を挟んで磁化自由層と対向するように設けられた磁化固定層を備えるベース層とを具備する場合，応力誘起構造体は，ベース層とは別に設けられた応力誘起層を含むことが好適である。
【００２０】
加えて，当該磁気メモリが，更に，磁化自由層と応力誘起層とが形成される基板（図示されない）と，磁化自由層と基板との間に設けられ，磁化自由層の磁化を反転させるための書き込み電流が流される下部配線を具備する場合，応力誘起層は，下部配線とは別に設けられることが好適である。
【００２１】
また，スペーサ層を挟んで磁化自由層と対向するように設けられた磁化固定層を備えるベース層が，磁化自由層に所望の応力を印加する応力誘起構造体として使用されることも可能である。
【００２２】
また，ベース層が，前記第１方向と斜めである第３方向に延伸するように形成される場合には，ベース層に前記第３方向と垂直な方向に突出する突出部が形成され，この突出部が，磁化自由層に所望の応力を印加する応力誘起構造体として使用されることが好適である。
【００２３】
磁化自由層が正の磁歪定数を有している場合，磁化自由層と基板との間に設けられ，前記第１方向に延設され，且つ，磁化自由層の磁化を反転させるための書き込み電流が流される下部配線が，応力誘起構造体として使用されることも可能である。
【００２４】
一方，磁化自由層が負の磁歪定数を有している場合には，磁化自由層と基板との間に設けられ，前記第１方向と垂直な第２方向に延設され，且つ，磁化自由層の磁化を反転させるための書き込み電流が流される下部配線が，応力誘起構造体として使用されることも可能である。
【００２５】
磁化自由層の磁化を反転させるための書き込み電流が流される書き込み配線が前記第１方向と異なる方向に設けられる場合には，当該磁気メモリは，書き込み配線が磁化自由層に印加する応力と逆向きの応力を磁化自由層に印加する他の応力誘起構造体を具備することが好適である。
【００２６】
メモリセルの大きさを小さくしながら，磁化自由層の反転磁界のバラツキを低減するためには，磁化自由層のアスペクト比が２以下であり，且つ，磁化自由層の応力誘起異方性磁界の形状異方性磁界に対する比が，０．５以上であるように磁化自由層が形成されることが好適である。ここで，磁化自由層のアスペクト比とは，前記第１方向の長さｄと前記第１方向と垂直な第２方向の幅Ｗとを用いてｄ／Ｗで定義される値である。
【００２７】
また，磁化自由層の反転磁界のバラツキを一層に低減するためには，磁化自由層は，その応力誘起異方性磁界と形状異方性磁界とが無相関であり，且つ，形状異方性磁界の平均値ＡＳＨと応力誘起異方性磁界の平均値ＡＳＴＲとを用いて下記式（１）：
ｒ＝ＡＳＨ／（ＡＳＴＲ＋ＡＳＨ）      ・・・（１）
で定義されるパラメータｒと，応力誘起異方性磁界の標準偏差σＳＴと，形状異方性磁界の標準偏差σＳＨとを用いて記述される下記式（２ａ），（２ｂ）： 
ｂＳＴ＝σＳＴ／ＡＳＴ，      ・・・（２ａ）
ｂＳＨ＝σＳＨ／ＡＳＨ，      ・・・（２ｂ）
でそれぞれに定義されるｂＳＴ，ｂＳＨとについて，下記式（３）：
ｒ＝ｂＳＴ２／（ｂＳＴ２＋ｂＳＨ２），        ・・・（３）
の関係を成立させることが好適である。
【００２８】
本発明の他の観点において，磁気メモリは，複数の磁化自由層を具備している。磁化自由層の応力誘起異方性，形状異方性，及び結晶磁気異方性とのうちから選択された２つの磁気異方性による異方性磁界は互いに無相関である。加えて，前記２つの磁気異方性のうちの一方の磁気異方性による異方性磁界の平均値ＡＸと，他方の磁気異方性による異方性磁界の平均値ＡＹとを用いて下記式（１’）：
ｒ＝ＡＹ／（ＡＸ＋ＡＹ）      ・・・（１’）
で定義されるパラメータｒと，前記応力誘起異方性磁界の標準偏差σＳＴと，前記形状異方性磁界の標準偏差σＳＨとを用いて記述される下記式（２ａ），（２ｂ）： 
ｂＸ＝σＸ／ＡＸ，      ・・・（２ａ’）
ｂＹ＝σＹ／ＡＹ，      ・・・（２ｂ’）
でそれぞれに定義されるｂＸ，ｂＹとは，下記式（３）：
ｒ＝ｂＸ２／（ｂＸ２＋ｂＹ２），        ・・・（３）
を成立させる。かかる構成は，磁化自由層の反転磁界のバラツキを一層に低減するために好適である。
【００２９】
本発明によれば，応力誘起磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向に近づけ，理想的には両者の方向を一致させ，これによって磁化自由層の反転磁界のバラツキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】図１Ａは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第１の構造を示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第１の構造を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第２の構造を示す平面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第３の構造を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは，応力誘起層の内部応力が圧縮応力である場合に，磁化自由層に印加される応力の方向を示す概念図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは，応力誘起層の内部応力が圧縮応力である場合に，磁化自由層に印加される応力の方向を示す概念図である。
【図３Ａ】図３Ａは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第４の構造を示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第４の構造を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第５の構造を示す平面図である。
【図４Ａ】図４Ａは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第６の構造を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第６の構造を示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第７の構造を示す平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第８の構造を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第８の構造を示す断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第８の構造を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す平面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｇ】図６Ｇは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｈ】図６Ｈは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す平面図である。
【図６Ｉ】図６Ｉは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図６Ｊ】図６Ｊは，図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程の変形例を示す平面図である。
【図７】図７は，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第９の構造を示す平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第１０の構造を示す平面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは，本発明の実施の第１形態に係る磁気メモリの第１０の構造を示す断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは，図８Ａ，図８Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは，図８Ａ，図８Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは，図８Ａ，図８Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは，図８Ａ，図８Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは，図８Ａ，図８Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図９Ｆ】図９Ｆは，図８Ａ，図８Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは，本発明の実施の第２形態に係る磁気メモリの第１の構造を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは，本発明の実施の第２形態に係る磁気メモリの第１の構造を示す断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは，本発明の実施の第２形態に係る磁気メモリの第２の構造を示す平面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは，本発明の実施の第２形態に係る磁気メモリの第３の構造を示す平面図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは，本発明の実施の第２形態に係る磁気メモリの第３の構造を示す平面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは，ベース層の形状によって形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性とが平行であるように制御された試料の構造を示す平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは，ベース層の形状によって形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性とが垂直であるように制御された試料の構造を示す平面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは，図１１Ａの試料のＭＲ曲線を図示するグラフである。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは，図１１Ｂの試料のＭＲ曲線を図示するグラフである。
【図１３Ａ】図１３Ａは，本発明の実施の第２形態に係る磁気メモリの第４の構造を示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは，本発明の実施の第２形態に係る磁気メモリの第５の構造を示す平面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは，本発明の実施の第３形態に係る磁気メモリの第１の構造を示す平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは，本発明の実施の第３形態に係る磁気メモリの第１の構造を示す断面図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは，本発明の実施の第３形態に係る磁気メモリの第２の構造を示す平面図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは，書き込みワード線２３の延伸方向によって形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性とが平行であるように制御された試料の構造を示す平面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは，書き込みワード線２３の延伸方向によって形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性とが垂直であるように制御された試料の構造を示す平面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは，図１５Ａの試料のＭＲ曲線を示すグラフである。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは，図１５Ｂの試料のＭＲ曲線を示すグラフである。
【図１７Ａ】図１７Ａは，本発明の実施の第４形態に係る磁気メモリの構造を示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは，本発明の実施の第４形態に係る磁気メモリの構造を示す断面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは，実施の第４形態の磁気メモリにおいて，磁化自由層に印加される様々な応力の方向を示す概念図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは，図１７Ａ，図１７Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは，図１７Ａ，図１７Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す平面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは，図１７Ａ，図１７Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは，図１７Ａ，図１７Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図１８Ｅ】図１８Ｅは，図１７Ａ，図１７Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図１８Ｆ】図１８Ｆは，図１７Ａ，図１７Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図１８Ｇ】図１８Ｇは，図１７Ａ，図１７Ｂに図示されている磁気メモリの製造工程を示す断面図である。
【図１８Ｈ】図１８Ｈは，本発明の実施の第４形態に係る磁気メモリの他の構造を示す平面図である。図５Ａ〜図５Ｃに図示されている磁気メモリの製造工程を示す平面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは，磁化自由層のアスペクト比の定義を説明する概念図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは，応力誘起異方性磁界と形状磁気異方性磁界の比がＭＲ曲線に及ぼす影響を示す図である。
【図２０】図２０は，応力誘起異方性磁界と形状磁気異方性磁界の比に対応するパラメータｒによる，磁化自由層の反転磁界のバラツキの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下，本発明の好適な実施の形態が添付図面を参照しながら詳細に説明される。添付図面では，同一，類似，又は対応する構成要素が，同一，又は対応する符号によって参照されていることに留意されたい。【００３２】
上述されているように，反転磁界のバラツキの抑制のためには，応力誘起磁気異方性の方向が形状磁気異方性の方向に近づけられる，理想的には，一致されることが好適である。以下では，応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の方向を最適に制御するための技術が既述される。以下では，本発明の実施の形態の磁気メモリの構造の説明を容易化するために，ｘｙ直交座標系が導入される。ｘ軸方向とｙ軸方向は，互いに直交していることに留意されたい。【００３３】
（実施の第１形態）
図１Ａは、本発明の実施の第１形態の磁気メモリの磁気メモリ１０の構成を示す平面図である。図１Ａに示されているように，磁気メモリ１０は，クロスポイントメモリアレイで構成されており，具体的には，データを保持する磁化自由層１１と，ワード線として機能するベース層１２と，ビット線１３とを備えている。磁化自由層１１は，ｘ軸方向に長い形状を有しており，その形状磁気異方性は，ｘ軸方向に向けられている。ベース層１２は，ｘ軸方向に延伸するように設けられ，ビット線１３は，ｙ軸方向に延伸するように設けられている。磁化自由層１１へのデータの書き込みは，ベース層１２とビット線１３とに書き込み電流を流すことによって行われる。【００３４】
図１Ｂに示されているように，ベース層１２は，下部電極層１４と，反強磁性層１５と，磁化固定層１６とを備えている。反強磁性層１５は，交換相互作用によって磁化固定層１６の磁化を固定する役割を有している。磁化固定層１６は，トンネル絶縁層１７を介して上述の磁化自由層１１と接合されている。トンネル絶縁層１７は，磁化自由層１１と磁化固定層１６との間に介設された非磁性，且つ絶縁性のスペーサである。磁化自由層１１と磁化固定層１６とトンネル絶縁層１７とは，ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）として機能する。本明細書において，ベース層とは，その上に直接にトンネル絶縁層及び磁化自由層が形成される層を意味していることに留意されたい。磁化自由層１１は，ビア１８を介してビット線１３に接続されている。ベース層１２，トンネル絶縁層１７，及び磁化自由層１１は，層間絶縁層３１によって被覆されている。【００３５】
磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向と一致させるために，本実施の形態の磁気メモリ１０は，磁化自由層１１の磁歪定数λｓの極性と磁化自由層１１に印加される応力の方向とが最適化されている。【００３６】
より具体的には，図１Ａに示されているように，磁化自由層１１がその磁歪定数λｓが正であるような強磁性材料で構成され，更に，磁化自由層１１にｘ軸方向に引っ張り応力を作用する応力誘起層１９が層間絶縁層２０の上に形成される。磁歪定数λｓが正である磁化自由層１１にｘ軸方向に引っ張り応力が印加されることにより，ｘ軸方向に応力誘起磁気異方性が発生し，形状磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向と一致させることができる。【００３７】
本実施の形態では，応力誘起層１９は，ベース層１２と基板との間に設けられている配線と同一の配線層の導体で構成される。発明者の実験によれば，ベース層１２と基板との間に設けられている配線は，当該配線の延伸する方向と同一の方向の引っ張り応力を磁化自由層１１に印加し，当該配線の延伸する方向と垂直な方向の圧縮応力を磁化自由層１１に印加する。従って，本実施の形態では，応力誘起層１９がｘ軸方向に長い形状を有するように構成され，これによってｘ軸方向の引っ張り応力が磁化自由層１１に印加される。応力誘起層１９は，絶縁体で構成されることも可能である。この場合，応力誘起層１９が層間絶縁層として機能し得るから，ベース層１２は，応力誘起層１９の上に直接に接合されることが可能である。【００３８】
磁化自由層１１は，その磁歪定数λｓが負になるような強磁性材料で構成されてもよい。この場合，図１Ｃに示されているように，応力誘起層１９が，ｘ軸方向の圧縮応力を磁化自由層１１に作用するように構成される。より具体的には，応力誘起層１９は，ベース層１２と基板との間に設けられているＡｌＣｕ配線と同一の配線層の導体で，その形状がｙ軸方向に長くなるように形成される。このように形成された応力誘起層１９は，ｘ軸方
向に応力誘起磁気異方性を発生させ，応力誘起磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向と一致させる。【００３９】
応力誘起層１９が磁化自由層１１に及ぼす応力の発生メカニズムとしては，応力誘起層１９の内部応力が利用され得る。この場合，応力誘起層１９が磁化自由層１１に及ぼす応力の方向は，応力誘起層１９の内部応力の極性，及び応力誘起層１９の形状によって制御可能である。図２Ａに示されているように，応力誘起層１９の内部応力が引っ張り応力である場合，磁化自由層１１には，応力誘起層１９の長手方向と同一の方向に引っ張り応力が，応力誘起層１９の長手方向と垂直な方向に圧縮応力が印加される。一方，図２Ｂに示されているように，応力誘起層１９の内部応力が圧縮応力である場合には逆である。磁化自由層１１に印加される応力の大きさは，応力誘起層１９の厚さによって制御可能である。【００４０】
応力誘起層１９の内部応力の由来は，成膜条件に起因するイントリンシックな（intrinsic）内部応力と熱応力に起因する内部応力のいずれであってもよい。一般的には，イントリンシックな内部応力が圧縮方向である膜を形成するためには，当該膜を，密度が高くなるように形成すればよい。緻密な膜が得られるスパッタ法では，一般的には，圧縮方向のイントリンシックな内部応力を有する膜が形成されることが多い。反対に、引っ張り方向の応力を有する膜を形成するためには、密度が低くプアな膜になるように形成すればよい。具体的には，スパッタ圧力を増大させる、放電電力を下げる等の手段が挙げられる。また，熱応力を利用して内部応力が引っ張り方向である膜を形成することができ，具体的には，当該膜を，その下地の層（多くの場合，層間絶縁層）よりも大きな膨張係数を有する材料で，且つ，基板を加熱しながら成長すればよい。【００４１】
応力誘起層１９が延設される方向は，磁化自由層１１の磁歪定数の極性，応力誘起層１９の内部応力の極性に応じて最適に選択される。具体的には，（ａ）磁歪定数が正である材料で磁化自由層１１が形成され，且つ，応力誘起層１９の内部応力が引っ張り応力である場合，及び（ｂ）磁歪定数が負である材料で磁化自由層１１が形成され，且つ，応力誘起層１９の内部応力が圧縮応力である場合には，応力誘起層１９は，磁化自由層１１の長手方向と同一の方向に延伸するように形成される。一方，（ｃ）磁歪定数が正である材料で磁化自由層１１が形成され，且つ，応力誘起層１９の内部応力が圧縮応力である場合，及び（ｄ）磁歪定数が負である材料で磁化自由層１１が形成され，且つ，応力誘起層１９の内部応力が引っ張り応力である場合には，応力誘起層１９は，磁化自由層１１の長手方向に垂直な方向に延伸するように形成される。【００４２】
磁化自由層１１に印加される応力の調節を容易にするためには，図１Ｄに示されているように，表面から膜厚方向に途中までエッチングされた応力誘起層１９’が使用されることが好適である。応力誘起層１９’の突出部１９ａが，上述の応力誘起層１９と同様に，磁化自由層１１に応力を印加する役割を果たす。磁化自由層１１に印加される応力の大きさは，エッチングされる深さ，即ち，突出部１９ａの高さによって調節可能である。突出部１９ａが延設される方向は，上述の応力誘起層１９と同様に，磁化自由層１１の磁歪定数の極性，応力誘起層１９’の内部応力の極性に応じて最適に選択される【００４３】
更に，応力の大きさを制御する他の手段として，応力誘起層１９（又は１９’）とベース層１２との間の層間絶縁層の厚さの制御が挙げられる。当該層間絶縁層の厚さが小さいほど，応力誘起層から発生する応力の緩和が小さいため，ＭＪＴの磁化自由層１９に大きな応力を与えることができる。その結果，応力誘起磁気異方性が増大する。【００４４】
応力誘起層の使用は，磁気メモリがクロスポイントメモリアレイ以外の構成を有する場合でも有効である。例えば，図３Ａ，図３Ｂに示されているように，応力誘起層は，一のＭＴＪに対して選択トランジスタが一つずつ用意される磁気メモリ１０Ａにも適用可能である。図３Ａ，図３Ｂに図示されている磁気メモリ１０Ａの構成が以下に詳細に説明される。【００４５】
図３Ａに示されているように，磁気メモリ１０Ａは，ｘ軸方向に形状磁気異方性を有する磁化自由層１１と，ｙ軸方向に長い形状を有するベース層１２と，ベース層１２を基板の表面部に形成されている選択トランジスタ（図示されない）に接続するためのコンタクト２２と，ｘ軸方向に延伸する書き込みワード線２３とを備えており，更に，図２Ｂに示されているように，ｙ軸方向に延伸するビット線１３を備えている。データの書き込みは，ビット線１３と書き込みワード線２３とに書き込み電流が流されることによって行われる。ただし，ビット線１３は，図３Ａには図示されていないことに留意されたい。【００４６】
図３Ｂに示されているように，ベース層１２は，下部電極層１４と反強磁性層１５と磁化固定層１６とを備えている。磁化固定層１６は，トンネル絶縁層１７を介して磁化自由層１１に接続され，磁化自由層１１，磁化固定層１６，及びトンネル絶縁層１７によってＭＴＪが構成される。コンタクト２２は，ランド２２ａと，ビア２２ｂ，２２ｃとで構成される。ランド２２ａは，書き込みワード線２３と同一の配線層に位置している。ビア２２ｂは，ランド２２ａとベース層１２の間に介設され，ビア２２ｃは，ランド２２ａと選択トランジスタの間に介設される。【００４７】
応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性の方向（即ち，ｘ軸方向）に一致させるために，磁化自由層１１は，その磁歪定数λｓが正である強磁性材料で構成され，更に，磁化自由層１１にｘ軸方向の引っ張り応力を印加する応力誘起層１９が，書き込みワード線２３とベース層１２の間に形成されている。応力誘起層１９は，書き込みワード線２３とベース層１２の間の配線層に形成され，且つ，ｘ軸方向に長い形状を有している。磁化自由層１１が磁歪定数λｓが負である強磁性材料で構成される場合には，図２Ｃに示されているように，応力誘起層１９は，磁化自由層１１にｘ軸方向の圧縮応力を印加するような形状，具体的には，ｙ軸方向に長い形状を有するように形成される。【００４８】
応力誘起層１９の使用は，書き込み電流が流される書き込み配線が磁化自由層１１の形状磁気異方性の方向に対して斜めに設けられる場合，例えば，一軸書き込みやトグル書き込みが採用される場合に特に有効である。書き込み配線はそれが延伸する方向，又は，それに垂直な方向に磁化自由層１１に応力を及ぼすから，書き込み配線が形状磁気異方性の方向に対して斜めに設けられると，応力誘起磁気異方性の方向は形状磁気異方性の方向に対して斜めになる。応力誘起層１９の使用は，書き込み配線による応力の影響を抑制することを可能にする。応力誘起層１９を設けることにより，応力誘起磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向に近づけることが可能である。【００４９】
図４Ａ，図４Ｂは，一軸書き込みを採用する磁気メモリ１０Ｂの構成を示している。図４Ａに示されているように，磁気メモリ１０Ｂでは，ベース層１２が，ｘ軸方向，及びｙ軸方向のいずれに対しても４５°の方向に長い形状を有するように形成される。磁化自由層１１は，ｘ軸方向に長い形状を有しており，その形状磁気異方性はｘ軸方向に向けられている。磁化自由層１１は，磁歪定数λｓが正であるように形成され，更に，応力誘起層１９が，磁化自由層１１にｘ軸方向の引っ張り応力を作用するような形状，具体的にはｘ軸方向に長い形状を有するように形成される。これにより，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性の方向が，形状磁気異方性の方向に平行になるように調節される。磁化自由層１１の磁歪定数λｓが負である場合には，図４Ｃに示されているように，応力誘起層１９が，磁化自由層１１にｘ軸方向の圧縮応力を作用するような形状，具体的にはｙ軸方向に長い形状を有するように形成される。【００５０】
一方，図５Ａ〜５Ｃは，トグル書き込みを採用する磁気メモリ１０Ｃの構成を示している。図５Ａに示されているように，磁気メモリ１０Ｃは，ビット線１３がｘ軸方向に，書き込みワード線２３がｙ軸方向に延設されている。ビット線１３と書き込みワード線２３とが交差する位置に，磁化自由層１１Ｃとベース層１２とが形成されている。磁化自由層１１Ｃとしては，非磁性層によって分離された複数の強磁性層で構成されている積層フェリ構造体が使用される。磁化自由層１１Ｃは，ｘ軸方向，及びｙ軸方向のいずれに対しても４５°の方向に長い形状を有しており，従って，磁化自由層１１Ｃの形状磁気異方性は，ｘ軸方向，及びｙ軸方向のいずれに対しても４５°の方向である。図５Ｂ，図５Ｃに示されているように，書き込みワード線２３は，層間絶縁層２０の内部に埋め込まれ，応力誘起層１９は，層間絶縁層２０の上に形成されている。ベース層１２は，その応力誘起層１９の上に形成されている。図５Ａに示されている構成では，一の応力誘起層１９の上に複数のベース層１２が設けられる。一の応力誘起層１９の上に形成されている複数のベース層１２を電気的に分離するために，応力誘起層１９は絶縁体で形成されている。ベース層１２は，下部電極層１４と反強磁性層１５と磁化固定層１６とを含んでいる。磁化固定層１６は，トンネル絶縁層１７を介して磁化自由層１１に接合されている。ベース層１２は，コンタクト２２を介して基板の表面部に形成されている選択トランジスタ（図示されない）に接続される。コンタクト２２は，ランド２２ａとビア２２ｂ，２２ｃとで構成されている。【００５１】
磁化自由層１１Ｃの応力誘起磁気異方性の方向を，形状磁気異方性の方向に近い方向に調節するために，磁歪定数は正である材料で磁化自由層１１Ｃを構成する強磁性層が形成され，且つ，応力誘起層１９がベース層１２の下に形成されている。応力誘起層１９は，磁化自由層１１Ｃの長手方向に平行な方向の引っ張り応力を磁化自由層１１Ｃに印加し，且つ，長手方向に垂直な方向の圧縮応力を磁化自由層１１Ｃに印加するように形成される。より具体的には，応力誘起層１９は，磁化自由層１１Ｃの長手方向と同一の方向（即ち，ｘ軸方向，及びｙ軸方向のいずれに対しても４５°の方向）に延設され，且つ，その内部応力が引っ張り応力であるように形成されている。このように形成された応力誘起層１９が磁化自由層１１Ｃの長手方向に引っ張り応力を作用することは，上記の議論から理解されよう。【００５２】
図６Ａ〜図６Ｉは，磁気メモリ１０Ｃの好適な製造方法を説明する概念図である。図６Ａに示されているように，書き込みワード線２３と，ランド２２ａと，ビア２２ｃとが，基板（図示されない）を被覆する層間絶縁層２０の内部に形成される。層間絶縁層２０は，ＳｉＯ２で形成される。図６Ｂに示されているように，ランド２２ａは，書き込みワード線２３の間に位置している。【００５３】
続いて図６Ｃに示されているように，層間絶縁層２０の上に絶縁膜２１が形成される。絶縁膜２１は，後の工程により応力誘起層１９に加工される層である。絶縁膜２１は，その内部に引っ張りの熱応力が誘起されるように形成される。より具体的には，絶縁膜２１は，ＳｉＯ２よりも熱膨張係数が大きく，且つ，硬い材料，例えば，窒化膜，ホウ化物膜で，基板を加熱しながら形成される。絶縁膜２１の成膜温度は，典型的には，３５０〜４００℃である。更に図６Ｄに示されているように，絶縁膜２１を貫通するようにビア２２ｂが形成される。【００５４】
内部応力が引っ張り方向である絶縁膜２１は，熱応力ではなく，イントリンシックな内部応力を利用して形成することもできる。この場合には，層間絶縁層２０と同じ材料のＳｉＯ２膜でも，成膜条件を変えることによって形成可能である。具体的には，スパッタ法が使用される場合には，スパッタのアルゴンガス圧力を上昇させること，投入電力を下げることで内部応力が引っ張り方向である絶縁膜２１を形成可能である。プラズマＣＶＤ法が使用される場合には，ソースガスの酸素流量比を増大させることや，投入電力や，基板のバイアス電力を変えることにより，内部応力が引っ張り方向である絶縁膜２１を形成可能である。同じ材料でも，成膜条件が異なる応力誘起層は，そのモフォロジーが異なる。【００５５】
続いて，図６Ｅに示されているように，導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６，極めて薄い絶縁膜２７，及び非磁性層で互いに分離された複数の強磁性膜からなる積層膜２８が順次に形成される。後述されるように，導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６，絶縁膜２７，及び積層膜２８は，続いて行われる工程により，それぞれ下部電極層１４，反強磁性層１５，磁化固定層１６，トンネル絶縁層１７，及び磁化自由層１１Ｃに加工される膜である。【００５６】
続いて，図６Ｆに示されているように，絶縁膜２７，及び積層膜２８がパターニングされてトンネル絶縁層１７，及び磁化自由層１１Ｃが形成される。【００５７】
更に，図６Ｇに示されているように，導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６がパターニングされ，絶縁膜２１の一部が露出される。ただし，図６Ｈに示されているように，このパターニングでは，ベース層１２の全てのエッジは形成されず，磁化自由層１１Ｃの長手方向に垂直な方向のエッジのみが形成される。【００５８】
更に図６Ｉに示されているように，導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６と，絶縁膜２１とが順次にエッチングされ，これにより，ベース層１２の磁化自由層１１Ｃの長手方向と同一方向のエッジと応力誘起層１９のエッジとが形成される。このエッチングにより，ベース層１２と応力誘起層１９との加工が完了する。【００５９】
続いて，ベース層１２と磁化自由層１１Ｃとが層間絶縁層３１によって被覆された後，ビア２２ｂとビット線１３とが形成され，図５Ａ〜図５Ｃに示されている磁気メモリ１０Ｃの形成が完了する。【００６０】
ベース層１２と応力誘起層１９のパターンニングは，別々の工程で行われることも可能である。この場合には，図６Ｇに示されている導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６をパターニングする工程で，ベース層１２の全てのエッジが形成される（図６Ｊ参照）。更に，絶縁膜２１がパターニングされて，応力誘起層１９のエッジが形成される。【００６１】
応力誘起層１９は，その内部応力が圧縮応力であるように形成されることも可能である。この場合には，図７に示されているように，応力誘起層１９は，磁化自由層１１の長手方向と垂直な方向に長い形状に形成される。これにより，磁歪定数λｓが正である磁化自由層１１の長手方向に引っ張り応力が印加され，応力誘起磁気異方性の方向が，形状磁気異方性の方向に近い方向に調節される。【００６２】
応力誘起層１９が，導電体で形成されることも可能である。この場合，図８Ａ及び図８Ｂに示されているように，一のベース層１２あたりに一つの応力誘起層１９が形成され，これにより，隣接するベース層１２が電気的に分離される。【００６３】
図８Ａ，図８Ｂの磁気メモリ１０Ｃは，好適には，図９Ａ〜図９Ｆに示されている工程で形成される。まず，図９Ａに示されているように，書き込みワード線２３と，ランド２２ａと，ビア２２ｃとが，基板（図示されない）を被覆する層間絶縁層２０の内部に形成される。層間絶縁層２０は，ＳｉＯ２で形成される。続いて，図９Ｂに示されているように，層間絶縁層２０の表面からランド２２ａに到達するビア２２ｂが形成される。【００６４】
続いて図９Ｃに示されているように，層間絶縁層２０の上面が導電膜２９によって被覆される。導電膜２９は，後に続く工程によって応力誘起層１９に加工される膜である。更に図９Ｄに示されているように，導電膜２９の上に，導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６，極めて薄い絶縁膜２７，及び非磁性層で互いに分離された複数の強磁性膜からなる積層膜２８が順次に形成される。更に図９Ｅに示されているように，絶縁膜２７と積層膜２８とがパターニングされ，トンネル絶縁層１７と磁化自由層１１Ｃが形成される。【００６５】
続いて，図９Ｆに示されているように，導電膜２９，導電膜２４，反強磁性膜２５，及び強磁性膜２６がパターニングされ，これにより，応力誘起層１９とベース層１２が形成される。既述のように，応力誘起層１９は，一のベース層１２に対して一つずつ別々に形成される。続いて，ベース層１２と磁化自由層１１Ｃとが層間絶縁層３１によって被覆された後，ビア２２ｂとビット線１３とが形成され，図８Ａ，図８Ｂに示されている磁気メモリ１０Ｃの形成が完了する。【００６６】
（実施の第２形態）
磁化自由層及びトンネル絶縁層の下地層であるベース層は，その内部応力及び形状を適切に選ぶことにより，それ自体を磁化自由層に応力を作用させるための応力誘起構造体として使用することが可能である。応力誘起層の内部応力及び形状と，磁化自由層に印加される応力の方向に関する議論は，そのまま，ベース層にも当てはまる。例えば，ベース層を，その内部応力が圧縮応力であるように，且つ，ｙ軸方向に長い形状に形成することにより，ｘ軸方向の引っ張り応力を磁化自由層に印加することができる。実施の第２形態では，ベース層を応力誘起構造体として使用する磁気メモリの構造が提供される。【００６７】
図１０Ａは，実施の第２形態に係る磁気メモリ１０Ｄの構造の例を示す平面図であり，図１０Ｂは，磁気メモリ１０Ｄの断面図である。磁気メモリ１０Ｄは，磁化自由層１１とベース層１２とを備えている。磁化自由層１１は，ｘ軸方向に長い形状を有しており，その形状磁気異方性はｘ軸方向に平行である。図１０Ｂに示されているように，ベース層１２は，下部電極層１４と，反強磁性層１５と，磁化固定層１６とを備えている。磁化固定層１６は，トンネル絶縁層１７を介して磁化自由層１１に接合されている。【００６８】
図１０Ａに戻り，本実施の形態では，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の方向を一致させるために，ベース層１２の内部応力の極性と，ベース層１２の形状が適切に選択される。具体的には，磁化自由層１１の磁歪定数λｓが正である場合，ベース層１２は，その内部応力が圧縮応力であり，且つ，その形状がｙ軸方向に長くなるように形成される。これにより，磁化自由層１１にｘ軸方向に引っ張り応力が印加され，従って，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性は，形状磁気異方性の方向と同じｘ軸方向に向けられる。その代りに，ベース層１２は，その内部応力が引っ張り応力であり，且つ，その形状がｘ軸方向に長くなるように形成されてもよい（図１０Ｃ参照）。図１０Ｃに図示されているような配置でも，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性を，形状磁気異方性の方向と同じｘ軸方向に向けることができる。【００６９】
一方，磁化自由層１１の磁歪定数λｓが負である場合，図１０Ｄに図示されているように，ベース層１２は，その内部応力が引っ張り応力であり，且つ，その形状がｘ軸方向に長くなるように形成される。これにより，磁化自由層１１にｘ軸方向に圧縮応力が印加され，従って，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性は，形状磁気異方性の方向と同じｘ軸方向に向けられる。その代りに，ベース層１２は，その内部応力が圧縮応力であり，且つ，その形状がｙ軸方向に長くなるように形成されてもよい（図１０Ｅ参照）。図１０Ｅに図示されているような配置でも，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性を，形状磁気異方性の方向と同じｘ軸方向に向けることができる。【００７０】
ベース層１２の内部応力及び形状，並びに磁化自由層１１の磁歪定数λｓの極性によって応力誘起磁気異方性の方向を制御する技術の有効性が，発明者の実験によって検証された。当該実験では，形状磁気異方性（Ｋshape）と応力誘起磁気異方性（Ｋstress）の方向が平行である磁化自由層を含むＭＴＪ（図１１Ａ参照）と，形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性の方向が垂直である磁化自由層を含むＭＴＪ（図１１Ｂ参照）のＭＲ曲線（磁界−抵抗曲線）が測定された。図１１Ａ，図１１ＢのいずれのＭＴＪについても，磁化自由層１１及びその下方に形成されているＡｌ配線３０の構造は共通である。磁化自由層１１は，その形状がｘ軸方向に長く，且つ，その磁歪定数λｓが４×１０−６であるように形成された。磁化自由層１１の形状磁気異方性は，ｘ軸方向に向けられている。Ａｌ配線３０は，ｘ軸方向に延設されている。一方，ベース層１２の構造は，図１１Ａ，図１１Ｂとで異なっている。図１１ＡのＭＴＪでは，ベース層１２は，その内部応力が圧縮応力であるように，且つ，その形状がｙ軸方向に長くなるように形成された。より具体的には，図１１Ａのベース層１２は，ｘ軸方向の幅が２μｍ，ｙ軸方向の長さが２．５μｍであるように形成された。これにより，図１１ＡのＭＴＪでは，磁化自由層１１にｘ軸方向に引っ張り応力が印加され，従って，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性の方向と同じｘ軸方向に向けられている。一方，図１１ＢのＭＴＪでは，ベース層１２は，その内部応力が圧縮応力であるように，且つ，その形状がｘ軸方向に長くなるように形成された。より具体的には図１１Ｂのベース層１２は，ｘ軸方向の長さが２．８μｍ，ｙ軸方向の幅が１．５μｍであるように形成された。これにより，図１１ＢのＭＴＪでは，磁化自由層１１にｘ軸方向に圧縮応力が印加され，従って，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性の方向と垂直なｙ軸方向に向けられている。【００７１】
図１２Ａ，図１２Ｂは，それぞれ，図１１ＡのＭＴＪのＭＲ曲線，図１１ＢのＭＴＪのＭＲ曲線である。図１２Ｂに図示されているように，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性の方向と垂直である図１１ＢのＭＴＪは，磁壁移動のピニングが顕著に発現し，その反転磁界のバラツキは大きかった。具体的には，図１１ＢのＭＴＪは，反転磁界の平均値が１４（Ｏｅ）であり，且つ，反転磁界の標準偏差は，平均値の５０％であった。一方，図１２Ａに図示されているように，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性の方向と平行である図１１ＡのＭＴＪは，角型比が良好であるＭＲ曲線を発現しており，その反転磁界のバラツキは相対的に小さかった。具体的には，図１１ＡのＭＴＪは，反転磁界の平均値が２１（Ｏｅ）であり，且つ，反転磁界の標準偏差は，平均値の２１％であった。図１２Ａ，図１２Ｂのグラフは，ベース層１２の内部応力及び形状，並びに磁化自由層１１の磁歪定数λｓの極性によって応力誘起磁気異方性の方向を制御する技術の有効性を示している。【００７２】
既述のとおり，ベース層１２が磁化自由層１１の形状磁気異方性の方向に斜めに延伸するように形成されることは，応力誘起磁気異方性の方向が形状磁気異方性の方向と異なる方向に向く原因になる。しかしながら，ベース層１２が斜めに延伸するように形成されている場合でも，ベース層１２の形状を最適化することによって応力誘起磁気異方性の方向を適切に制御することが可能である。図１３Ａ，図１３Ｂは，ベース層１２が磁化自由層１１の形状磁気異方性の方向に斜めに延伸する場合における，ベース層１２の好適な形状を示す平面図である。【００７３】
図１３Ａ，図１３Ｂに示されているように，ベース層１２が斜めに形成されている場合には，ベース層１２の延伸方向と垂直な方向に突出する突出部４１，４２がベース層１２に設けられることが好適である。突出部４１，４２は，互いに反対の方向に突出している。突出部４１，４２は，ベース層１２が磁化自由層１１に印加する応力を，磁化自由層１１の長手方向，又は，長手方向に垂直な方向に近づけ，応力誘起磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向に近づけることを可能する。【００７４】
詳細には，突出部４１は，ｘ軸方向に平行なエッジ４１ａと，ｙ軸方向に平行なエッジ４１ｂとを有しており，突出部４２は，ｘ軸方向に平行なエッジ４２ａと，ｙ軸方向に平行なエッジ４２ｂとを有している。図１３Ａに示されているように，磁化自由層１１の磁歪定数λｓが正であり，且つ，ベース層１２の内部応力が圧縮応力である場合には，突出部４１のエッジ４１ａと突出部４２のエッジ４２ａとのｙ軸方向における間隔Ｌｙが，突出部４１のエッジ４１ｂと突出部４２のエッジ４２ｂとのｘ軸方向における間隔Ｌｘよりも大きくなるように突出部４１，４２が形成される。突出部４１，４２は，ｘ軸方向に近い方向の引っ張り応力を磁化自由層１１に作用させる。突出部４１，４２をこのような形状に形成することにより，ｘ軸方向に近い方向の引っ張り応力を磁化自由層１１に印加し，もって応力誘起磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向に近づけることができる。【００７５】
一方，図１３Ｂに示されているように，磁化自由層１１の磁歪定数λｓが負であり，且つ，ベース層１２の内部応力が圧縮応力である場合には，エッジ４１ａとエッジ４２ａとのｙ軸方向における間隔Ｌｙが，エッジ４１ｂとエッジ４２ｂとのｘ軸方向における間隔Ｌｘよりも小さくなるような形状に突出部４１，４２が形成される。これにより，ｘ軸方向に近い方向の圧縮応力を磁化自由層１１に印加し，もって応力誘起磁気異方性の方向を形状磁気異方性の方向に近づけることができる。【００７６】
（実施の第３形態）
ベース層よりも下方に位置する配線（即ち，ベース層と基板との間に位置する配線）も，その延伸方向を適切に選ぶことによって磁化自由層に応力を作用させるための応力誘起構造体として使用することが可能である。既述のように，発明者の実験によれば，ベース層と基板との間に設けられている配線は，当該配線の延伸する方向と同一の方向の引っ張り応力を磁化自由層に印加し，当該配線の延伸する方向と垂直な方向の圧縮応力を磁化自由層に印加する。かかる現象を利用すれば，ベース層よりも下方に位置する配線を応力誘起構造体として使用することが可能である。実施の第３形態では，ベース層よりも下方に位置する配線を応力誘起構造体として使用する磁気メモリの構造が提供される。【００７７】
図１４Ａは，実施の第３形態に係る磁気メモリ１０Ｅの構造の例を示す平面図であり，図１４Ｂは，磁気メモリ１０Ｅの断面図である。磁気メモリ１０Ｅは，ビット線１３と書き込みワード線２３とを備えている。ビット線１３と書き込みワード線２３とが交差する位置に，磁化自由層１１とベース層１２とが設けられている。磁化自由層１１は，ｘ軸方向に長い形状を有しており，その形状磁気異方性はｘ軸方向に平行である。図１４Ｂに示されているように，ベース層１２は，下部電極層１４と，反強磁性層１５と，磁化固定層１６とを備えている。磁化固定層１６は，トンネル絶縁層１７を介して磁化自由層１１に接合されている。【００７８】
図１４Ａに戻り，本実施の形態では，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の方向を一致させるために，書き込みワード線２３が延伸する方向が適切に選択される。具体的には，磁化自由層１１の磁歪定数λｓが正である場合，書き込みワード線２３は，ｘ軸方向に延伸するように形成される。これにより，磁化自由層１１にｘ軸方向に引っ張り応力が印加され，従って，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性は，形状磁気異方性の方向と同じｘ軸方向に向けられる。【００７９】
一方，磁化自由層１１の磁歪定数λｓが負である場合，図１４Ｃに図示されているように，書き込みワード線２３は，ｙ軸方向に延伸するように形成される。これにより，磁化自由層１１にｘ軸方向に圧縮応力が印加され，従って，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性は，形状磁気異方性の方向と同じｘ軸方向に向けられる。【００８０】
ベース層よりも下方に位置する配線の延伸方向，及び磁化自由層１１の磁歪定数λｓの極性によって応力誘起磁気異方性の方向を制御する技術の有効性が，発明者の実験によって検証された。当該実験では，形状磁気異方性（Ｋshape）と応力誘起磁気異方性（Ｋstress）の方向が平行である磁化自由層を含むＭＴＪ（図１５Ａ参照）と，形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性の方向が垂直である磁化自由層を含むＭＴＪ（図１５Ｂ参照）のＭ
Ｒ曲線（磁界−抵抗曲線）が測定された。図１５Ａ，図１５ＢのいずれのＭＴＪについても，磁化自由層１１の構造は共通である。磁化自由層１１は，その形状がｘ軸方向に長く，且つ，その磁歪定数λｓが４×１０−６であるように形成された。磁化自由層１１の形状磁気異方性は，ｘ軸方向に向けられている。一方，書き込みワード線２３の延伸方向は，図１５Ａ，図１５Ｂとで異なっている。図１５ＡのＭＴＪでは，書き込みワード線２３は，ｘ軸方向に延伸するように形成された。これにより，図１５ＡのＭＴＪでは，磁化自由層１１にｘ軸方向に引っ張り応力が印加され，従って，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性の方向と同じｘ軸方向に向けられている。一方，図１５ＢのＭＴＪでは，書き込みワード線２３は，ｘ軸方向に延伸するように形成された。これにより，図１５ＢのＭＴＪでは，磁化自由層１１にｘ軸方向に圧縮応力が印加され，従って，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性の方向と垂直なｙ軸方向に向けられている。【００８１】
図１６Ａ，図１６Ｂは，それぞれ，図１５ＡのＭＴＪのＭＲ曲線，図１５ＢのＭＴＪのＭＲ曲線である。図１６Ｂに図示されているように，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性の方向と垂直である図１１ＢのＭＴＪは，磁壁移動がピニングする減少を顕著に発現し，その反転磁界のバラツキは大きかった。具体的には，図１５ＢのＭＴＪは，反転磁界の平均値が１２（Ｏｅ）であり，且つ，反転磁界の標準偏差は，平均値の６２％であった。一方，図１６Ａに図示されているように，磁化自由層１１の応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性の方向と平行である図１１ＡのＭＴＪは，角型比が良好であるＭＲ曲線を発現しており，その反転磁界のバラツキは相対的に小さかった。具体的には，図１１ＡのＭＴＪは，反転磁界の平均値が２１（Ｏｅ）であり，且つ，反転磁界の標準偏差は，平均値の２１％であった。図１６Ａ，図１６Ｂのグラフは，ベース層よりも下方に位置する配線の延伸方向，及び磁化自由層１１の磁歪定数λｓの極性によって応力誘起磁気異方性の方向を制御する技術の有効性を示している。【００８２】
（実施の第４形態）
磁気メモリには，不所望な方向の応力を磁化自由層に印加する構造体が存在し得る。このような構造体の存在は，磁化自由層の応力誘起磁気異方性を不適切な方向に発生させ，磁化自由層の反転磁界をばらつかせる。【００８３】
例えば，一軸書き込みやトグル書き込みを採用する磁気メモリでは，書き込み電流が流される配線は，磁化自由層に不所望な方向に応力を印加する。なぜなら，これらの書き込み方法は，書き込み電流が流される配線が磁化自由層の容易軸（即ち，形状磁気異方性の方向）に対して斜めに延伸するように配置される必要があるからである。斜めに延伸する配線は，その延伸方向，又はそれに垂直な方向の応力を磁化自由層に印加するから，いずれにしても磁化自由層の応力磁気異方性の方向を，形状磁気異方性の方向と相違させてしまう。これは，磁化自由層の反転磁界のバラツキを発生させる。【００８４】
実施の第４形態では，不所望な方向の応力を磁化自由層に印加する構造体の存在に対処するため磁気メモリの構造が提供される。具体的には，本実施の形態の磁気メモリは，不所望な方向の応力を相殺するための第１の応力誘起構造体と，所望の向きの応力を磁化自由層に印加する第２の応力誘起構造体とが別々に設けられる。第１，及び第２の応力誘起構造体としては，上述の３つの構造体：応力誘起層，ベース層，配線のうちの２つが使用され得る。以下，本実施の形態の磁気メモリの構造が詳細に説明される。【００８５】
図１７Ａ，図１７Ｂは，実施の第４形態の磁気メモリ１０Ｆの構造を示している。磁気メモリ１０Ｆは，トグル書き込みを実行するための構成を有している。具体的には，図１７Ａに示されているように，磁気メモリ１０Ｆは，ビット線１３がｘ軸方向に，書き込みワード線２３がｙ軸方向に延設されている。ビット線１３と書き込みワード線２３とが交差する位置に，磁化自由層１１Ｃとベース層１２とが形成されている。磁化自由層１１Ｃとしては，非磁性層によって分離された複数の強磁性層で構成されている積層フェリ構造体が使用される。磁化自由層１１Ｃは，ｘ軸方向，及びｙ軸方向のいずれに対しても４５°の方向に長い形状を有しており，従って，磁化自由層１１Ｃの形状磁気異方性は，ｘ軸方向，及びｙ軸方向のいずれに対しても４５°の方向である。【００８６】
図１７Ｃに示されているように，ｙ軸方向に延設されている書き込みワード線２３は，磁化自由層１１Ｃにｙ軸方向に引っ張り応力５１を印加する。この書き込みワード線２３の延伸方向が，磁化自由層１１Ｃの形状磁気異方性の方向に対して斜めであることに留意されたい。書き込みワード線２３の延伸方向が斜めであることは，既述のように，不所望な方向の応力，具体的には，形状磁気異方性の方向に対して斜めである応力を磁化自由層１１Ｃに作用させることにつながる。【００８７】
書き込みワード線２３によって磁化自由層１１Ｃに印加される不所望な方向の応力を打ち消すために，図１７Ａに示されているように，その内部応力が引っ張り応力である応力誘起層１９Ｆが，且つ，ｘ軸方向に延伸するように形成される。図１７Ｂに示されているように，応力誘起層１９Ｆは，層間絶縁層２０の上に形成されており，書き込みワード線２３と磁化自由層１１Ｃの間に位置している。ベース層１２は，この応力誘起層１９Ｆの上に形成されている。応力誘起層１９Ｆは，絶縁体で形成される。【００８８】
図１７Ｃに示されているように，この応力誘起層１９Ｆは，磁化自由層１１Ｃにｙ軸方向の圧縮応力５２を印加し，書き込みワード線２３がｙ軸方向に発生させる引っ張り応力を相殺する役割をする。応力誘起層１９Ｆが発生する応力の大きさは，応力誘起層１９Ｆの厚さにより制御される。応力誘起層１９Ｆの厚さは，書き込みワード線２３が発生する応力の大きさに応じて定められる。【００８９】
加えて，ベース層１２が，磁化自由層１１Ｃに適切な方向に応力を印加するための応力誘起構造体として利用される。言い換えれば，ベース層１２により，磁化自由層１１Ｃの応力誘起磁気異方性の方向が制御される。磁化自由層１１Ｃの磁歪定数λｓの極性，ベース層１２の内部応力の極性，及びベース層１２の形状は，実施の第２形態で説明されているように選択される。具体的には，磁化自由層１１Ｃの磁歪定数λｓが正である場合，ベ
ース層１２は，その内部応力が圧縮応力であり，且つ，その形状がｙ軸方向に長くなるように形成される。これにより，磁化自由層１１Ｃには，その長手方向に平行な引っ張り応力５３が印加され，理想的には，磁化自由層１１Ｃの応力誘起磁気異方性の方向が形状磁気異方性の方向に一致される。その代りに，ベース層１２は，その内部応力が引っ張り応力であり，且つ，その形状がｘ軸方向に長くなるように形成されてもよい。一方，磁化自由層１１の磁歪定数λｓが負である場合，ベース層１２は，その内部応力が引っ張り応力であり，且つ，その形状がｘ軸方向に長くなるように形成される。その代りに，ベース層１２は，その内部応力が圧縮応力であり，且つ，その形状がｙ軸方向に長くなるように形成されてもよい。【００９０】
図１８Ａ〜図１８Ｇは，図１７Ａ，図１７Ｂの磁気メモリ１０Ｆを作成する製造工程を示す断面図である。図１８Ａに示されているように，書き込みワード線２３と，ランド２２ａと，ビア２２ｃとが，基板（図示されない）を被覆する層間絶縁層２０の内部に形成される。書き込みワード線２３は，ｙ軸方向に延伸するように形成される。層間絶縁層２０は，ＳｉＯ２で形成される。【００９１】
続いて図１８Ｂに示されているように，層間絶縁層２０の上に絶縁膜２１が形成される。絶縁膜２１は，後の工程により応力誘起層１９Ｆに加工される層である。絶縁膜２１は，その内部に引っ張り方向の熱応力が誘起されるように形成される。より具体的には，絶縁膜２１は，ＳｉＯ２よりも熱膨張係数が大きく，且つ，硬い材料，例えば，窒化膜，ホウ化物膜で，基板を加熱しながら形成される。絶縁膜２１の成膜温度は，典型的には，３５０〜４００℃である。【００９２】
続いて図１８Ｃに示されているように，絶縁膜２１がパターニングされて応力誘起層１９が形成される。図１８Ｄに示されているように，絶縁膜２１は，応力誘起層１９Ｆがｘ軸方向に延伸するようにパターニングされる。応力誘起層１９Ｆと書き込みワード線２３とが交差する領域３３が，後の工程において磁化自由層１１Ｃが形成される領域である。領域３３では，書き込みワード線２３がｙ軸方向に生成する引っ張り応力と応力誘起層１９がｙ軸方向に生成する圧縮応力とがキャンセルされるため，磁化自由層１１Ｃは，書き込みワード線２３が発生する応力の影響を受けない。【００９３】
続いて，図１８Ｅに示されているように，応力誘起層１９Ｆの間が層間絶縁層３２によって埋め込まれた後，層間絶縁層３２を貫通してランド２２ａに到達するビア２２ｂが形成される。これにより，コンタクト２２が完成する。【００９４】
続いて，図１８Ｆに示されているように，導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６，極めて薄い絶縁膜２７，及び非磁性層で互いに分離された複数の強磁性膜からなる積層膜２８が順次に形成される。後述されるように，導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６，絶縁膜２７，及び積層膜２８は，続いて行われる工程により，それぞれ下部電極層１４，反強磁性層１５，磁化固定層１６，トンネル絶縁層１７，及び磁化自由層１１Ｃに加工される膜である。【００９５】
続いて，図１８Ｇに示されているように，絶縁膜２７，及び積層膜２８がパターニングされてトンネル絶縁層１７，及び磁化自由層１１Ｃが形成され，導電膜２４，反強磁性膜２５，強磁性膜２６がパターニングされてベース層１２が形成される。更に，磁化自由層１１Ｃ及びベース層１２が層間絶縁層３１によって被覆された後，ビア１８，及びビット線１３が形成され，図１７Ａ，図１７Ｂに図示されている磁気メモリ１０Ｆが完成する。【００９６】
応力誘起層１９Ｆの形状は，その内部応力に応じて定められることに留意されたい。応力誘起層１９Ｆは，その内部応力が圧縮応力であるように形成され，且つ，書き込みワード線２３と同じｙ軸方向に延設されることも可能である。【００９７】
加えて，応力誘起層１９Ｆは，絶縁体ではなく，導電体で形成されることも可能である。この場合には，応力誘起層１９Ｆは，一のベース層１２に対応して一つずつ設けられ，互いに電気的に分離される。図１８Ｈは，応力誘起層１９Ｆが，導電体により，その内部応力が圧縮応力であるように形成されている磁気メモリの構成を示す平面図である。図１８Ｈに図示されている磁気メモリでは，応力誘起層１９Ｆは，ｙ軸方向に長い形状を有しており，且つ，応力誘起層１９Ｆは，相互に分離されていることに留意されたい。【００９８】
上述の実施の形態の磁気メモリにおいて，メモリセルの大きさを小さくしながら磁化自由層の反転磁界のバラツキを低減するためには，磁化自由層１１の磁気異方性のうち応力誘起磁気異方性の寄与を大きくすることが有効である。より具体的には，磁化自由層１１のアスペクト比を２．０以下に抑制しつつ，応力誘起磁気異方性による異方性磁界ＨＳＴＲ（以下，「応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲ」という。）の，形状磁気異方性による異方性磁界ＨＳＨ（以下，「形状異方性磁界ＨＳＨ」という。）に対する比ＨＳＴＲ／ＨＳＨを０．５以上に選択することが有効である。ここで磁化自由層１１のアスペクト比とは，図１９Ａに示されているように，長手方向（即ち，形状磁気異方性の方向）の長さｄと該長手方向と垂直な方向の幅Ｗとを用いてｄ／Ｗで定義される値である。【００９９】
図１９Ｂは，発明者の検討を裏付ける実験の結果を示す図であり，比ＨＳＴＲ／ＨＳＨが，磁化自由層のＭＲ曲線の形状に及ぼす影響を示している。当該実験では，幅０．２４μｍ，長さ０．５μｍのＮｉ８１Ｆｅ１９で形成された磁化自由層のＭＲ曲線が測定されている。当該磁化自由層は，そのアスペクト比が概ね２であり，且つ，応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の方向が一致するように形成されている。応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲの，形状異方性磁界ＨＳＨに対する比ＨＳＴＲ／ＨＳＨは，０．１以上１．７２以下の範囲から選択されている。【０１００】
図１９Ｂに示されているように，比ＨＳＴＲ／ＨＳＨが０．１９以下である磁化自由層には磁壁移動のピニングが顕著に発現し，そのＭＲ曲線の角型性は低い。一方，比ＨＳＴＲ／ＨＳＨが０．５よりも大きい磁化自由層では，磁壁移動のピニングによる角型比の低下は抑制される。これは，比ＨＳＴＲ／ＨＳＨを０．５以上にすることにより，磁化自由層のアスペクト比が２．０以下であっても磁化自由層の反転磁界のバラツキを低減することができることを意味している。【０１０１】
応力誘起磁気異方性の寄与を大きくする，即ち，比ＨＳＴＲ／ＨＳＨを増大させるための一つの手段は，飽和磁化Ｍが小さい材料を使用することである。このことは，形状異方性磁界ＨＳＨが
ＨＳＨ＝４πＭ・ｔ／Ｗ，
で表され，
ＨＳＴＲ＝３σλ／Ｍ，
で表されることから理解されよう。ここでＷは磁化自由層の幅であり，ｔは磁化自由層の厚さであり，σは磁化自由層に印加される応力であり，λは飽和磁歪である。上記の２つの式は，形状異方性磁界ＨＳＨは，飽和磁化Ｍが小さいほど小さく，応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲは飽和磁化Ｍが小さいほど大きいことを示している。【０１０２】
磁化自由層の反転磁界のバラツキを低減するためのもう一つの好適な方法は，応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲと形状異方性磁界ＨＳＨとの比を，応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲ，形状異方性磁界ＨＳＨそれぞれのバラツキの大きさに応じて適切に決定することである。より具体的には，
（ａ）応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲと形状異方性磁界ＨＳＨとが無相関であり，且つ，
（ｂ）下記式（１）：
ｒ＝ＡＳＨ／（ＡＳＴＲ＋ＡＳＨ）      ・・・（１）
で定義されるパラメータｒと，
ｂＳＴＲ＝σＳＴＲ／ＡＳＴＲ，      ・・・（２ａ）
ｂＳＨ＝σＳＨ／ＡＳＨ，      ・・・（２ｂ）
でそれぞれに定義されるｂＳＴＲ，ｂＳＨとについて，下記式（３）：
ｒ＝ｂＳＴ２／（ｂＳＴＲ２＋ｂＳＨ２），        ・・・（３）
の関係が成り立つように，磁化自由層を形成することが磁化自由層の反転磁界のバラツキを低減するために好適である。ここで，ＡＳＴＲは，応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲの平均値であり，ＡＳＨは，形状異方性磁界ＨＳＨの平均値であり，σＳＴＲは，応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲの標準偏差であり，σＳＨは，形状異方性磁界ＨＳＨの標準偏差である。パラメータｒは，応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲの平均値ＡＳＴＲと形状異方性磁界ＨＳＨの平均値ＡＳＨの和に対する，形状異方性磁界ＨＳＨの平均値ＡＳＨの比であり，ｂＳＴＲ，ｂＳＨは，それぞれ，その平均値で規格化された応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲ，形状異方性磁界ＨＳＨのバラツキを意味していることに留意されたい。【０１０３】
図２０は，応力誘起異方性磁界ＨＳＴＲと形状異方性磁界ＨＳＨとが無相関である場合における，磁化自由層の反転磁界のバラツキ（即ち，磁化自由層の反転磁界の標準偏差を，平均値で割った値）のパラメータｒに対する依存性を示すグラフである。図２０のグラフは，ｂＳＴＲが１０％（＝０．１），ｂＳＨが１５％（＝０．１５）である場合のグラフであり，当該グラフは，計算によって得られている。磁化自由層の反転磁界のバラツキは，パラメータｒがｂＳＴ２／（ｂＳＴＲ２＋ｂＳＨ２）である場合に最小値を取る。例えば，ｂＳＴＲが１０％，ｂＳＨが１５％である場合には，磁化自由層の反転磁界のバラツキが最小になるｒは，約０．３１である。磁化自由層の反転磁界のバラツキは，パラメータｒがｂＳＴ２／（ｂＳＴＲ２＋ｂＳＨ２）である場合に最小値を取ることは，数学的に証明することが可能である。【０１０４】
この考え方は，応力誘起磁気異方性と結晶磁気磁気異方性との関係，及び形状磁気異方性と結晶磁気磁気異方性との間の関係にも適用可能である。より具体的には，応力誘起磁気異方性，形状磁気異方性，及び結晶磁気磁気異方性とのうちから選択された２つの磁気異方性（以下，一方を「第１磁気異方性」，他方を「第２磁気異方性」という。）について，下記関係が成立するように，磁化自由層を形成することが好適である：
（ａ’）２つの磁気異方性による異方性磁界が相互に無相関である；
（ｂ’）下記式（１）’：
ｒ＝ＡＹ／（ＡＸ＋ＡＹ）      ・・・（１）’
で定義されるパラメータｒと，
ｂＸ＝σＸ／ＡＸ，      ・・・（２ａ）’
ｂＹ＝σＹ／ＡＹ，      ・・・（２ｂ）’
でそれぞれに定義されるｂＸ，ｂＹとについて，下記式（３）’：
ｒ＝ｂＸ２／（ｂＸ２＋ｂＹ２），        ・・・（３）’
の関係が成り立つ。
ここで，ＡＸは，第１磁気異方性による異方性磁界ＨＸの平均値であり，ＡＹは，第２磁気異方性による異方性磁界ＨＹの平均値である。また，σＸは，第１磁気異方性による異方性磁界ＨＸの標準偏差であり，σＹは，第２磁気異方性による異方性磁界ＨＸの標準偏差である。（ａ’）（ｂ’）の関係を成立させることにより，磁化自由層の反転磁界のバラツキを小さくすることができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｈ】
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【図６Ｉ】
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【図６Ｊ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１８Ｅ】
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【図１８Ｆ】
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【図１８Ｇ】
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【図１８Ｈ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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