CN101527166B - 非易失性磁存储装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非易失性磁存储装置，其包括磁阻效应元件，该磁阻效应元件包括：具有记录层的分层结构；与所述分层结构的下部电连接的第一布线；与所述分层结构的上部电连接的第二布线，以及包围所述分层结构的层间绝缘层。该磁阻效应元件还包括杨氏模量小于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量的低杨氏模量区域。所述记录层具有易磁化轴和与该易磁化轴正交的难磁化轴。当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值或负值时，低杨氏模量区域分别位于记录层的易磁化轴的延伸区域或难磁化轴的延伸区域中。本发明通过恰当地选择形成记录层的材料，例如可以降低自旋注入磁化反转的临界电流Ic，可以实现非易失性磁存储装置的低功耗。

Description

非易失性磁存储装置
相关申请的交叉引用
本发明包含与2008年3月5日向日本专利局提交的日本专利申请JP2008-054364相关的主题，将该申请的全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及非易失性磁存储装置。
背景技术
随着诸如信息通信装置、具体为移动终端等个人小型装置的急剧普及，所期望的是构成这些装置的诸如存储元件或逻辑元件等各种半导体装置具有较高的性能，例如具有较高的集成度、较高的运行速度、较低的功耗等。特别地，在无处不在的计算机时代，非易失性存储器被认为是极其需要的。即便在电源耗尽或故障或者服务器和网络之间因故障而断开的情况下，非易失性存储器也可以保存和保护重要信息。此外，近年来的便携式装置被设计为通过将不必要的电路模块置为待机状态而尽可能地降低功耗，如果可以实现一种能兼具高速度的工作存储器以及大容量存储的存储器的功能的非易失性存储器，那么可消除功耗和存储上的浪费。而且，如果可以实现高速度、大容量的非易失性存储器，那么也可以实现一通电就立即启动的“瞬时接通”功能。
非易失性存储器的例子包括使用半导体材料的闪存以及使用铁电材料的铁电非易失性半导体存储器(FERAM，铁电随机存取存储器)。然而，闪存的缺陷在于写入速度是微秒级的，而这是低于要求的。同时，FERAM具有1012～1014数量级的可重写次数，这对于使用FERAM而取代SRAM或DRAM来说太低了，并且铁电材料层的微处理是难于实现的。
作为克服了上述缺陷的非易失性存储器，称为MRAM(磁随机存取存储器)的非易失性磁存储装置已受到关注。在MRAM中，随着近年来TMR材料的性能的提高，利用TMR(隧道磁阻)效应的MRAM已受到关注(例如参见Wang et al.，“Feasibility of Ultra-Dense Spin-Tunneling RandomAccess Memory”，IEEE Transactions on Magnetics，Vol.33，November1997，pp.4498-4512)。TMR型MRAM结构简单，易于缩放(scaling)，并且因为通过磁矩的旋转而进行记录，所以具有大量的可重写次数。而且，对于TMR型MRAM，期望非常短的存取时间，并且据说TMR型MRAM已经能够以100MHz的速率运行(例如参见R.Scheuerlein et al.，“A 10nsRead and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic TunnelJunction and FET Switch in each Cell”，2000IEEE International Solid-StateCircuits Conference Digest of Technical Papers，Feb.2000，pp.128-129)。
图18示出了TMR型MRAM(以下简称为MRAM)的示意性的局部剖面图。MRAM包括与具有MOSFET的选择晶体管TR相连的磁性隧道结元件(也称为MTJ元件)。
MTJ元件具有第一铁磁性材料层2051、隧道绝缘膜2052和第二铁磁性材料层的层叠结构。具体地，第一铁磁性材料层2051从下边起依次具有例如反铁磁性材料层2051A和铁磁性材料层(也称为固定层或磁化固定层2051B)的两层结构，并且由于两层之间的交换相互作用而具有强的单向磁异向性。磁化方向可相对容易地旋转的第二铁磁性材料层也称为自由层或记录层。在以下的说明中，第二铁磁性材料层可称为记录层2053。隧道绝缘膜2052起着切断记录层2053和磁化固定层2051B之间的磁耦合以及流过隧道电流的作用。用于MRAM和MRAM间的连接的位线BL(第二布线)形成于层间绝缘层26上。设在位线BL和记录层2053之间的盖层2061起到防止构成位线BL和记录层2053的原子之间相互扩散、减小接触电阻以及防止记录层2053氧化的作用。在图18中，附图标记2041表示与反铁磁性材料层2051A的下表面相连的第一布线。
字写入线WWL设在MTJ元件下面，第二下绝缘层24介于二者之间。字写入线WWL的延伸方向(第一方向)与位线BL(第二布线)的延伸方向(第二方向)通常彼此正交。
选择晶体管TR形成于由元件隔离区域11包围的硅半导体基板10的一部分中，并且被第一下绝缘层21覆盖。在一侧的源极/漏极区域14B经包括钨插头的接触孔22、接点焊盘部23以及包括钨插头的接触孔25与MTJ元件的第一布线2041相连。在另一侧的源极/漏极区域14A经钨插头15与读出线16相连。在图18中，附图标记12表示栅极(起所谓字线的作用)，附图标记13表示栅极绝缘膜。在MRAM阵列中，MRAM排列在包括位线BL和字写入线WWL的网格结构中的各交叉部分(重叠区域)处。
在将数据写入具有上述配置的MRAM中时，正向或负向电流在位线BL中流动，而固定方向的电流在字写入线WWL中流动，因此所产生的合成磁场改变了记录层2053的磁化方向。于是，“1”或“0”被记录在记录层2053中。
同时，通过将选择晶体管TR设为导通状态、使电流流过位线BL以及通过读出线16检测由磁阻效应所致的隧道电流的变化而进行数据的读取。当记录层2053和磁化固定层2051B的磁化方向相同时，可得到低阻值的结果(例如该状态作为“0”)，并且当记录层2053和磁化固定层2051B的磁化方向反平行时，可得到高阻值的结果(例如该状态作为“1”)。
在MRAM中，为了稳定地保持所记录的信息，其中记录有信息的记录层2053需要具有均匀的矫顽力。同时，为了重写所记录的信息，预定量的电流需要经过位线BL。然而，随着MRAM的小型化，位线BL做得更精细，因此足量的电流难以通过位线BL。因此，作为一种利用小量的电流实现磁化反转的结构，一种通过自旋注入而实现磁化反转的自旋注入型磁阻效应元件已得到关注(例如参见JP-A-2003-17782)。通过自旋注入的磁化反转是通过磁性材料的自旋极化的电子被注入到其它的磁性材料中并且在其它的磁性材料中发生磁化反转的现象。
图2A示出了自旋注入型磁阻效应元件的原理图。自旋注入型磁阻效应元件包括磁阻效应多层膜，该磁阻效应多层膜包括具有GMR(巨磁阻)效应或TMR效应的多层膜。磁阻效应多层膜介于两层布线41和42之间。具体地，磁阻效应多层膜包括具有记录信息功能的记录层(也称为磁化反转层或自由层)53以及具有固定的磁化方向并用作自旋过滤器的磁化基准层(也称为固定层)51，非磁性材料膜52介于二者之间。电流在垂直于膜表面的方向上流动(见图2A)。图2B示出了记录层53的示意性平面图。记录层53的尺寸取决于形成记录层53的磁性材料的类型或厚度。记录层53的尺寸约为200nm或更小，以促进单个磁畴的形成并降低自旋注入磁化反转的临界电流Ic。记录层53可通过恰当的磁异向性而具有两个或多个磁化方向(例如由图2A中的箭头表示的两个水平方向，即第一方向和第二方向)，并且各磁化方向与所记录的信息相对应。在图2B的示例中，记录层53为平面状的长椭圆形，从而具有磁性形状异向性。即，记录层53具有平行于第一方向和第二方向的易磁化轴，和垂直于易磁化轴的难磁化轴。记录层53沿易磁化轴的长度大于记录层53沿难磁化轴的长度。
图19示出了存储单元尺寸和写电流之间的关系。在图19中，右垂直轴表示存储单元尺寸(F2)，左垂直轴表示写电流，水平轴表示MTJ元件的短边的尺寸。从图19中可明显看出，在自旋注入磁化反转类型中，随着元件尺寸减小，写电流也减小。当单元尺寸与嵌入式DRAM的尺寸相同时，写电流变小为100μA。同时，在已知的MRAM中，随着元件尺寸减小，写电流显著增大。当单元尺寸与6晶体管型SRAM(6-TSRAM)的尺寸相同时，写电流约为1mA。
与MRAM相比，在这样的自旋注入型磁阻效应元件中，装置结构可以被简化。此外，如上所述，由于使用了通过自旋注入的磁化反转，所以与通过外部磁场产生磁化反转的MRAM相比，即便在元件小型化的情况下，写电流也不增大。
发明内容
为了保持MRAM或诸如自旋注入型磁阻效应元件的磁阻效应元件的特性，需要保证热稳定性的指数Δ为预定值以上，从而不会由于热量而产生磁化反转。通常，认为热稳定性的指数Δ要为60以上。热稳定性的指数Δ可由以下等式(1)表示：
Δ＝(Ms·V·Hk)/(2·kB·T)...(1)
Ms：记录层的饱和磁化强度
V：记录层的体积
Hk：记录层的各向异性场
kB：波尔兹曼(Boltzmann)常量
T：记录层的绝对温度
根据等式(1)，可以确定热稳定性的指数Δ随饱和磁化强度Ms的增大、体积V的增大和各向异性场Hk的增大而增大。记录层的各向异性场Hk是与指定晶体内的自旋向着预定方向的各向异性能量(磁晶各向异性能量)相对应的量。磁晶各向异性能量是用于根据晶体结构和取向对将要确定的自旋方向进行固定所必须的能量。
矫顽力(矫顽性)Hc，是在各种磁化处理之后磁性基本上降低为零时与磁化方向相反的磁场强度，该矫顽力Hc是用作估计磁化反转的难易程度的值。各向异性场Hk和矫顽力Hc分别用作材料开发或装置开发所必须的参数，并具有对应关系。矫顽力Hc的增大导致各向异性场Hk的增大。因此，从等式(1)中可以看出，热稳定性的指数Δ提高。如以下等式(2)中所示，矫顽力Hc可以表示为形成记录层的材料的特征值(等式(2)中的右边第一项)、根据记录层的形状的值(等式(2)中的右边第二项)、根据记录层的内应力的值(等式(2)中的右边第三项)等的总和。
Hc＝Hc-film+(1/4π)·{(Ms·t)/W}·f(r)+3(λ/Ms)·σ+A...(2)
Hc-film：处于薄膜状态的记录层的矫顽力
t：记录层的厚度
W：记录层沿难磁化轴的长度
f(r)：记录层中形状各向异性的函数
r：记录层的长宽比(沿易磁化轴的长度/沿难磁化轴的长度)
λ：形成记录层的材料的磁致伸缩常数
σ：记录层中沿易磁化轴的应力(正值为拉伸应力，负值为压缩应力)
A：常量
等式(2)中的右边第一项是形成记录层的材料的特征值。因此，右边第一项的值根据形成记录层的材料唯一确定。等式(2)中的右边第二项是根据记录层的形状的值。右侧第二项的值可通过增大记录层的长宽比和形状各向异性而增大，但记录层的长宽比被单元尺寸等所限制。
因此，根据等式(2)，为了增大矫顽力HC的值，增大等式(2)中右边第三项的值是最有效的。在等式(2)中的右边第三项中，饱和磁化强度Ms的值和磁致伸缩常数λ的值是根据形成记录层的材料唯一确定的。所以，为了增大等式(2)中的右边第三项的值，需要增大沿易磁化轴的应力σ的绝对值。
因此，本发明的目的是提供一种非易失性磁存储装置，该非易失性磁存储装置包括具有能够通过增大其矫顽力Hc来提高记录层的热稳定性的配置和结构的磁阻效应元件。
为了达到以上目的，根据本发明第一实施方式、第二实施方式或第三实施方式的非易失性磁存储装置包括磁阻效应元件，该磁阻效应元件包括(A)具有记录层的分层结构；(B)与分层结构的下部电连接的第一布线；(C)与分层结构的上部电连接的第二布线；以及(D)包围分层结构的层间绝缘层。
在根据本发明第一实施方式的非易失性磁存储装置中，磁阻效应元件还包括杨氏模量小于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量的低杨氏模量区域，并且记录层具有易磁化轴以及与易磁化轴正交的难磁化轴。当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值时，低杨氏模量区域设置于记录层的易磁化轴的延伸区域中，并且当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为负值时，低杨氏模量区域设置于记录层的难磁化轴的延伸区域中。
在根据本发明第二实施方式的非易失性磁存储装置中，磁阻效应元件还包括杨氏模量大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量的高杨氏模量区域，并且记录层具有易磁化轴以及与易磁化轴正交的难磁化轴。当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值时，高杨氏模量区域设置于记录层的难磁化轴的延伸区域中，并且当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为负值时，高杨氏模量区域设置于记录层的易磁化轴的延伸区域中。
在根据本发明第三实施方式的非易失性磁存储装置中，磁阻效应元件还包括高杨氏模量区域和杨氏模量小于高杨氏模量区域的杨氏模量的低杨氏模量区域，并且记录层具有易磁化轴以及与易磁化轴正交的难磁化轴。当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值时，高杨氏模量区域设置于记录层的难磁化轴的延伸区域中，并且低杨氏模量区域设置于记录层的易磁化轴的延伸区域中。当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为负值时，高杨氏模量区域设置于记录层的易磁化轴的延伸区域中，并且低杨氏模量区域设置于记录层的难磁化轴的延伸区域中。
在根据本发明第一实施方式的非易失性磁存储装置中，磁阻效应元件中的低杨氏模量区域可由第二布线的延伸部分形成。可选择地，低杨氏模量区域可由包围第二布线的上绝缘层的延伸部分形成。
在根据本发明第二实施方式的非易失性磁存储装置中，磁阻效应元件中的高杨氏模量区域可由第二布线的延伸部分形成。可选择地，高杨氏模量区域可由包围第二布线的上绝缘层的延伸部分形成。
在根据本发明第一实施方式、第二实施方式或第三实施方式的非易失性磁存储装置中(以下，这些非易失性磁存储装置可共同地简称为“本发明的非易失性磁存储装置”)，磁阻效应元件可由利用TMR效应的隧道磁阻效应元件形成，更优选地可由采用通过自旋注入的磁化反转的自旋注入型磁阻效应元件形成。在此情况下，包括场效应晶体管的选择晶体管可设在分层结构下面，并且第二布线(例如位线)的延伸方向平行于构成场效应晶体管的栅极的延伸方向。但是，本发明并不限于此。例如，可以是第二布线的延伸方向上的投影图像与构成场效应晶体管的栅极的延伸方向上的投影图像正交。在某些情况下，可以不设置选择晶体管。
在具有上述配置的本发明的非易失性磁存储装置中，连接部可设在磁阻效应元件中的分层结构的上部和和第二布线之间，形成连接部的材料的杨氏模量大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量。为了简便起见，这种配置称为“第一配置”。可选择地，形成第一布线的材料的杨氏模量大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量。为了简便起见，这种配置称为“第二配置”。此外，连接部可设在分层结构的上部和第二布线之间，并且形成连接部的材料的杨氏模量大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量，并且形成第一布线的材料的杨氏模量大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量。为了简便起见，这种配置称为“第三配置”。
在以下说明中，低杨氏模量区域的杨氏模量称为EL，形成高杨氏模量区域的材料的杨氏模量称为EH，形成层间绝缘层的材料的杨氏模量称为E0，形成第一布线的材料的杨氏模量称为E1，形成第二布线的材料的杨氏模量称为E2，形成上绝缘层的材料的杨氏模量称为EU，形成连接部的材料的杨氏模量称为EC。
在根据本发明的第一或第三实施方式的非易失性磁存储装置中，作为形成磁阻效应元件中的低杨氏模量区域的材料，可以使用导电材料或绝缘材料。可选择地，低杨氏模量区域可由腔体形成。当低杨氏模量区域由导电材料形成时，导电材料的例子包括目前广泛用于半导体的布线的Cu、Al、Cu基合金和Al基合金。导电材料的其它的例子包括Au、Pt、Ta、Sn、In、Ag、Pb、Nb、Zn、Ni、Co、Fe、V、Cr、Ti、Mg、以它们为主要成分的合金以及它们的氮化物。当低杨氏模量区域由绝缘材料形成时，绝缘材料的例子包括SiOC、SiO、SiCN、作为具有低介电常数的绝缘材料的有机SOG、诸如聚酰亚胺基树脂和氟树脂的低介电常数绝缘材料(例如，碳氟化合物、非晶态四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚芳醚、氟化芳醚、聚酰亚胺氟化物、聚对二甲苯、苯并环丁烯、非晶碳、环全氟碳聚合物、氟化富勒烯)、Silk(The Dow Chemical Co.的商标，用于层间绝缘膜的涂覆型低介电常数材料)、Flare(Honeywell Electronic Materials Co.的商标，聚烯丙基醚(PAE)基材料)。形成低杨氏模量区域的材料可恰当地选自例如满足E0-EL≥1×1010Pa(10GPa)且优选地满足E0-EL≥5×1010Pa(50GPa)的材料。
在根据本发明的第二或第三实施方式的非易失性磁存储装置中，作为磁阻效应元件中形成高杨氏模量区域的材料，可使用导电材料或绝缘材料。当高杨氏模量区域由导电材料形成时，导电材料的例子包括目前广泛用于半导体的布线的Cu、Al、Cu基合金和Al基合金。导电材料的其它例子包括Ir、W、Rh、Ru、Mo、由它们形成的层的分层结构以及以它们为主要成分的合金。当高杨氏模量区域由绝缘材料形成时，绝缘材料的例子包括作为代表的SiN系(Si3N4)、SiOC、SiO、SiCN、作为具有低介电常数的绝缘材料的有机SOG、诸如聚酰亚胺基树脂和氟树脂的低介电常数绝缘材料。通常，低介电常数绝缘材料是具有低杨氏模量的材料，但也可通过膜沉积方法或分层结构而具有高杨氏模量。因此，低介电常数绝缘材料不作具体限定。形成高杨氏模量区域的材料可恰当地选自例如满足EH-E0≥1×1010Pa(10GPa)且优选地满足EH-E0≥5×1010Pa的材料。
在具有上述配置的本发明的非易失性磁存储装置中，在磁阻效应元件中形成第一布线的材料的例子包括Ir、Re、Rh、Ru、Mo、W、TiN、TiB2、ZrB2、ZrN、VB2、NbB2、NbC、TaB2、TaC、CrB2、Mo2B5、W2B5和WC。当形成第一布线的材料的杨氏模量E1大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量E0时，形成作为应力施加源的第一布线的材料可恰当地选自例如满足E1-E0≥1×1010Pa(10GPa)且优选地满足E1-E0≥5×1010Pa的材料。具体地，可以使用Ir、Re、Rh、Ru、Mo、W、TiN、TiB2、ZrB2、ZrN、VB2、NbB2、NbC、TaB2、TaC、CrB2、Mo2B5、W2B5和WC。可选择地，例如可恰当地选择杨氏模量E1大于等于4×1011Pa的一种材料，或可恰当地选择能够向记录层施加1×108Pa～5×109Pa的压缩应力的一种材料。对于形成第二布线(例如起所谓的位线作用)的材料，可以使用上述的材料。当低杨氏模量区域由第二布线的延伸部分形成时，形成第二布线的材料可恰当地选自例如满足E0-E2≥1×1010Pa(10GPa)且优选地满足E0-E2≥5×1010Pa的材料。当高杨氏模量区域由第二布线的延伸部分形成时，形成第二布线的材料可恰当地选自例如满足E2-E0≥1×1010Pa(10GPa)且优选地满足E2-E0≥5×1010Pa的材料。
对于形成层间绝缘层的材料，可以使用作为代表的SiN系(Si3N4)、SiOC、SiO、SiCN、作为具有低介电常数的绝缘材料的有机SOG、诸如聚酰亚胺基树脂或氟树脂的低介电常数绝缘材料。通常，低介电常数绝缘材料是具有低杨氏模量的材料，但也可通过膜沉积方法或分层结构而具有高杨氏模量。因此，低介电常数绝缘材料不受具体限定。
当低杨氏模量区域由包围第二布线的上绝缘层的延伸部分形成时，形成上绝缘层的材料的例子包括SiOC、SiO、SiCN、作为具有低介电常数的绝缘材料的有机SOG、诸如聚酰亚胺基树脂或氟树脂的低介电常数绝缘材料(例如碳氟化合物、非晶态四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚芳醚、氟化芳醚、聚酰亚胺氟化物、聚对二甲苯、苯并环丁烯、非晶碳、环全氟碳聚合物和氟化富勒烯)、Silk和Flare。可选择地，形成上绝缘层的材料可恰当地选自例如满足E0-EU≥1×1010Pa(10GPa)且优选地满足E0-EU≥5×1010Pa的材料。当高杨氏模量区域由包围第二布线的上绝缘层的延伸部分形成时，形成上绝缘层的材料的例子包括作为代表的SiN系(Si3N4)、SiOC、SiO、SiCN、作为具有低介电常数的绝缘材料的有机SOG、以及诸如聚酰亚胺基树脂和氟树脂的低介电常数绝缘材料。通常，低介电常数绝缘材料是具有低杨氏模量的材料，但也可通过膜沉积方法或分层结构而具有高杨氏模量。因此，低介电常数绝缘材料不受具体限定。可选择地，形成上绝缘层的材料可恰当地选自例如满足EU-E0≥1×1010Pa(10GPa)且优选地满足EU-E0≥5×1010Pa的材料。
形成连接部的材料的例子包括Ir、Re、Rh、Ru、Mo、W、TiN、TiB2、ZrB2、ZrN、VB2、NbB2、NbC、TaB2、TaC、CrB2、Mo2B5、W2B5、WC、Ta、TaN、WN、Al基合金和Cu基合金。具体地，在连接部中，通过部分地夹在具有高杨氏模量的膜之间可获得相同的效果。当形成连接部的材料的杨氏模量EC大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量E0时，形成作为应力施加源的连接部的材料可恰当地选自例如满足EC-E0≥1×1010Pa(10GPa)且优选地满足EC-E0≥5×1010Pa的材料，也可恰当地选自例如杨氏模量EC大于等于4×1011Pa的材料，或可恰当地选择能够向记录层施加1×108Pa～5×109Pa的压缩应力的材料。
以下的表1示出了各种金属材料和合金材料的杨氏模量的值。
表1
  金属(合金)   杨氏模量(GPa)   金属(合金)   杨氏模量(GPa)
  Ir   529   NbB2   630
  Re   460   NbC   580
  Rh   359   TaB2   680
  Ru   414   TaC   560
  Mo   324   CrB2   540
  W   345   Mo2B5   670
  TiN   590   W2B5   770
  TiB2   560   WC   720
  ZrB2   540   Cu   110
  ZrN   510   Ti   116
  VB2   510   Ta   186
低杨氏模量区域或高杨氏模量区域设置在记录层的易磁化轴的延伸区域或难磁化轴的延伸区域中，这表示低杨氏模量区域或高杨氏模量区域被设置为邻接于记录层的一端或离开记录层的一端的状态。在前一种情况下，形成低杨氏模量区域或高杨氏模量区域的材料需要是绝缘材料，或者低杨氏模量区域可由腔体形成。在后一种情况下，从低杨氏模量区域或高杨氏模量区域至记录层的一端的距离本质上是任意的。所谓记录层的易磁化轴的延伸区域，是指当记录层沿记录层的难磁化轴被切断时记录层的最大宽度，即在平行于记录层的易磁化轴的方向上延伸的层间绝缘层的条形区域。低杨氏模量区域或高杨氏模量区域设置在记录层的易磁化轴的延伸区域中，这表示低杨氏模量区域或高杨氏模量区域完全地或部分地存在于条形区域中。所谓记录层的难磁化轴的延伸区域，是指当记录层沿记录层的易磁化轴被切断时记录层的最大宽度，即在平行于记录层的难磁化轴的方向上延伸的层间绝缘层的条形区域。低杨氏模量区域或高杨氏模量区域设置在记录层的难磁化轴的延伸区域中，这表示低杨氏模量区域或高杨氏模量区域完全地或部分地存在于条形区域中。低杨氏模量区域或高杨氏模量区域的平面形状可以是以下的任意剖面形状，这些剖面形状包括圆形、椭圆形、平面卵形、三角形、矩形、多边形、圆三角形、圆矩形和圆多边形。低杨氏模量区域或高杨氏模量区域可设置在单个记录层的两侧，或者单个的低杨氏模量区域或高杨氏模量区域可设置在两个相邻的记录层之间。
记录层或分层结构的平面形状的例子包括椭圆形、平面卵形(由两个半圆和两条线段的组合所得的图形)、由抛物线或双曲线包围的图形、基于由二次函数或三次函数或更高次函数一般表示的图形的形状、正多边形(包括矩形、如正五边形以上的正多边形、圆矩形、如正圆五边形以上的正圆多边形)和平面圆形(在一个方向上挤压圆形所得的图形)。记录层或分层结构的平面形状的其它例子包括椭圆形和线段的组合、抛物线和线段的组合、双曲线和线段的组合，或更广泛地包括二次函数与线性函数的组合或者三次函数或更高次函数与线性函数的组合。更优选地，可使用以下述及的弯曲形状。
在自旋注入型磁阻效应元件中，具有TMR效应或GMR效应的分层结构可由磁化基准层(也称为固定层)、非磁性材料膜和用于存储信息的记录层(也称为磁化反转层或自由层)形成。具有TMR效应的分层结构由磁化基准层、非磁性材料膜和记录层形成是指这样一种结构，在该结构中起着隧道绝缘膜的作用的非磁性材料膜夹在由磁性材料形成的磁化基准层和由磁性材料形成的记录层之间。作为磁化基准层和第一布线(或第二布线)的电连接状态，第一布线(或第二布线)可直接与磁化基准层相连，或者第一布线(或第二布线)通过反铁磁性材料层与磁化基准层相连。当磁化基准层与第一布线相连时，被极化的自旋电流从第一布线经磁化基准层被注入记录层中，并且当磁化基准层与第二布线相连时，被极化的自旋电流从第二布线通过磁化基准层被注入记录层中。此外，记录层中的磁化方向被设为第一方向(平行于易磁化轴的方向)或第二方向(与第一方向相反的方向)。于是，信息被写入记录层中。磁化基准层可具有分层的铁结构(具有反铁磁耦合的分层结构)，或者磁化基准层可具有静磁耦合结构。分层的铁结构表示例如具有磁性材料层/钌(Ru)层/磁性材料层(具体例如CoFe/Ru/CoFe的三层结构或CoFeB/Ru/CoFeB的三层结构)的三层结构，并且其中两个磁性材料层的层间交换耦合根据钌层的厚度变为反铁磁性或铁磁性。两个磁性材料层的层间交换耦合变为铁磁性的结构称为分层的铁结构。在两个磁性材料层中，从磁性材料层的端部表面通过泄漏磁场获得反铁磁耦合的结构称为静磁耦合结构。用于反铁磁性材料层的材料的例子包括铁-锰合金、镍-锰合金、铂-锰合金、铱-锰合金、铑-锰合金、钴氧化物和镍氧化物。由Ta、Cr、Ru或Ti形成的基膜可形成于第一布线(或第二布线)和反铁磁性材料层之间以提高反铁磁性材料层的结晶度。
在自旋注入型磁阻效应元件中，形成记录层(磁化反转层)和磁化基准层的材料的例子包括：诸如镍(Ni)、铁(Fe)和钴(Co)等的铁磁材料；铁磁材料的合金(例如Co-Fe、Co-Fe-Ni和Ni-Fe)；通过将铁磁材料的合金与非磁性元素(例如钽、硼、铬、铂、硅、碳和氮)混合所得的合金(例如Co-Fe-B)；包含Co、Fe和Ni中的一种或多种的氧化物(例如铁氧体：Fe-MnO)；一组称为半金属铁磁材料的金属间化合物(赫斯勒(Heusler)合金：NiMnSb、Co2MnGe、Co2MnSi和Co2CrAl)；以及氧化物(例如(La，Sr)MnO3、CrO2和Fe3O4)。记录层或磁化基准层的结晶度本质上是任意的。记录层和磁化基准层可以是多晶的、单晶的或非晶的。而且，可以使用不论是软磁性(软膜)或硬磁性(硬膜)的各种磁性半导体。
在自旋注入型磁阻效应元件中，作为形成构成具有TMR效应的分层结构的非磁性材料膜的材料，可以使用诸如铝氧化物(AlOx)、氮化铝(AlN)、氧化镁(MgO)、氮化镁、硅氧化物、氮化硅、TiO2或Cr2O3、Ge、NiO、CdOx、HfO2、Ta2O5、BN和ZnS的绝缘材料。作为形成构成具有GMR效应的分层结构的非磁性材料膜的材料，可以使用诸如Cu、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Ta以及其合金等导电材料。可以使用导电率高(电阻率为小于等于几百μΩ·cm)的任意非金属材料。优选地，恰当地选择不容易与记录层或磁化基准层产生界面反应的材料。
这些层例如可通过诸如溅射、离子束沉积或真空沉积的物理气相沉积(PVD)形成，或者通过诸如ALD(原子层沉积)的化学气相沉积(CVD)形成。
可以通过由溅射形成的金属膜的氧化或氮化得到非磁性材料膜。具体地，当铝氧化物(AlOx)用作形成非磁性材料膜的绝缘材料时，例如可以使用在大气中对由溅射形成的铝进行氧化的方法、对由溅射形成的铝进行等离子体氧化的方法、使用ICP等离子体对由溅射形成的铝进行氧化的方法、在氧气的环境下对由溅射形成的铝进行自然氧化的方法、利用氧自由基对由溅射形成的铝进行氧化的方法、当由溅射形成的铝在氧气的环境下被自然地氧化时照射紫外线的方法、通过反应溅射形成铝膜的方法、或者通过溅射形成铝氧化物(AlOx)膜的方法。
当磁阻效应元件由利用TMR效应的隧道磁阻效应元件形成时，分层结构包括第一铁磁性材料层、隧道绝缘膜和记录层(也称为第二铁磁性材料层或自由层)。更具体地，第一铁磁性材料层优选地具有反铁磁性材料层和铁磁性材料层(也称为固定层或磁化固定层)的两层结构。因此，第一铁磁性材料层可通过两层之间的交换相互作用而具有强的单向磁异向性。磁化固定层与隧道绝缘膜邻接。磁化固定层例如为具有合成反铁磁耦合(SAF)的多层结构(例如铁磁性材料层/金属层/铁磁性材料层)。例如S.S.Parkin et al，Physical Review Letters，7 May，pp.2304-2307(1990)报告了合成反铁磁耦合。在记录层中，磁化方向相对易于旋转。隧道绝缘膜起到切断记录层和磁化固定层之间的磁耦合以及流过隧道电流的作用。
在隧道磁阻效应元件中，第一铁磁性材料层(固定层或磁化固定层)和记录层(第二铁磁性材料层或自由层)例如可以由包含例如镍(Ni)、铁(Fe)或钴(Co)的过渡金属磁性元素的铁磁材料，或者由包含以过渡金属作为主要成分的合金(例如Co-Fe、Co-Fe-Ni和Ni-Fe)的铁磁材料形成。而且，可以使用所谓的半金属铁磁材料或非晶铁磁材料，例如CoFe-B。形成反铁磁性材料层的材料的例子包括铁-锰合金、镍-锰合金、铂-锰合金、铱-锰合金、铑-锰合金、钴氧化物和镍氧化物。这些层例如可以通过诸如溅射、离子束沉积或真空沉积的PVD形成。
在隧道磁阻效应元件中，作为形成隧道绝缘膜的绝缘材料，可以使用铝氧化物(AlOx)、氮化铝(AlN)、氧化镁(MgO)、镁氮化物、硅氧化物或硅氮化物。此外，可以使用Ge、NiO、CdOx、HfO2、Ta2O5、BN或ZnS。例如可以通过由溅射形成的金属膜的氧化或氮化得到隧道绝缘膜。更具体地，当铝氧化物(AlOx)用作形成隧道绝缘膜的绝缘材料时，例如可以使用在大气中对由溅射形成的铝进行氧化的方法、使用等离子体对由溅射形成的铝进行氧化的方法、利用ICP等离子体对由溅射形成的铝进行氧化的方法、在氧气的环境下对由溅射形成的铝进行自然氧化的方法、利用氧自由基对由溅射形成的铝进行氧化的方法、当由溅射形成的铝在氧气的环境下被自然地氧化时照射紫外线的方法、通过反应溅射形成铝膜的方法、或者通过溅射形成铝氧化物(AlOx)膜的方法。可选择地，可通过ALD形成隧道绝缘膜。
磁阻效应元件中的分层结构例如可通过反应性离子蚀刻(RIE)、离子铣(离子束蚀刻)进行图形化。在某些情况下，分层结构通过所谓的剥脱方法被图形化。
在非易失性磁存储装置中，在分层结构下面还可设置包括场效应晶体管的选择晶体管。更具体地，可设置形成于半导体基板上的选择晶体管和覆盖该选择晶体管的下绝缘层，但不限于此。在此情况下，在下绝缘层上形成第一布线，从而第一布线通过下绝缘层中的连接孔(或连接孔和接点焊盘部或下布线)与选择晶体管电连接。层间绝缘层可包围分层结构以覆盖下绝缘层和第一布线，并且第二布线可形成于层间绝缘层上。
在隧道磁阻效应元件(MRAM)中，下绝缘层具有第一下绝缘层和第二下绝缘层的分层结构，字写入线形成于第一下绝缘层上，并且第二下绝缘层覆盖字写入线和第一下绝缘层。
选择晶体管例如可包括已知的MISFET或MOSFET。将第一布线和选择晶体管电连接的连接孔可由掺杂的多晶硅、诸如钨、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiNW、WSi2或MoSi2的高熔点金属或金属氧化物形成，并且可通过CVD或诸如溅射的PVD形成。用于下绝缘层的材料的例子包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、SiON、SOG、NSG、BPSG、PSG、BSG和LTO。隧道磁阻效应元件中的下布线或字写入线例如可由铝、诸如Al-Cu的铝基合金或铜(Cu)形成，并且可通过诸如溅射的PVD形成。
在本发明的非易失性磁存储装置中，当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值时，(1-A)低杨氏模量区域设置在记录层的易磁化轴的延伸区域中(根据本发明第一实施方式的非易失性磁存储装置)，(1-B)高杨氏模量区域设置在记录层的难磁化轴的延伸区域中(根据本发明第二实施方式的非易失性磁存储装置)，或者(1-C)高杨氏模量区域设置在记录层的难磁化轴的延伸区域中并且低杨氏模量区域设置在记录层的易磁化轴的延伸区域中(根据本发明第三实施方式的非易失性磁存储装置)。因此，当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值时，可以沿记录层的易磁化轴将大的拉伸应力(σ)施加于记录层。
当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为负值时，(2-A)低杨氏模量区域设置在记录层的难磁化轴的延伸区域中(根据本发明第一实施方式的非易失性磁存储装置)，(2-B)高杨氏模量区域设置在记录层的易磁化轴的延伸区域中(根据本发明第二实施方式的非易失性磁存储装置)，或者(2-C)高杨氏模量区域设置在记录层的易磁化轴的延伸区域中并且低杨氏模量区域设置在记录层的难磁化轴的延伸区域中(根据本发明第三实施方式的非易失性磁存储装置)。因此，当形成记录层的材料的磁致伸缩常数λ为负值时，可以沿记录层的易磁化轴将大的压缩应力(σ)施加于记录层。
由于大的拉伸应力或压缩应力可以沿记录层的易磁化轴施加于记录层，所以可增大等式(2)中右边第三项[3(λ/Ms)·σ]的值。因此，由于也被称为反磁致伸缩效应的Villari效应，可增大矫顽力Hc，于是可增大各向异性场Hk。所以，可以提高等式(1)中热稳定性的指数Δ。因此，可以提供这样一种非易失性磁存储装置，其包括能够提高记录层的热稳定性和数据保持性能的非常可靠的磁阻效应元件。应力(σ)的大小不取决于形成记录层的材料。因此，通过恰当地选择形成记录层的材料，例如可以降低自旋注入磁化反转的临界电流(写电流)Ic，并且可以实现非易失性磁存储装置的低功耗。
附图说明
图1A和图1B分别是根据示例1的非易失性磁存储装置的示意性的局部剖面图和第二布线等的示意性的布局视图。
图2A和图2B分别是采用自旋注入磁化反转的自旋注入型磁阻效应元件的原理图和磁化反转层的示意性平面图，图2C是表示在自旋注入型磁阻效应元件中磁化基准层的磁化方向通过与反铁磁性材料层的交换耦合被固定的状态的示意图，图2D是具有双自旋过滤结构的自旋注入型磁阻效应元件的原理图。
图3A和图3B分别是表示在根据示例的样品和根据对比例的样品中所施加的磁场和TMR效应的测量结果的图。
图4A和图4B分别是根据示例2的非易失性磁存储装置的示意性局部剖面图和第二布线等的示意性布局视图。
图5A和图5B是根据示例5的非易失性磁存储装置的第二布线等的示意性的布局视图。
图6A、图6B和图6C分别是根据示例6、7和10的非易失性磁存储装置的第二布线等的示意性的布局视图。
图7是根据示例1的非易失性磁存储装置的变化例的示意性的局部剖面图(利用TMR效应的隧道磁阻效应元件)。
图8是具有第一平面形状的记录层的示意性平面图。
图9是具有第二平面形状的记录层的示意性平面图。
图10是具有第三平面形状的记录层的示意性平面图。
图11是具有第四平面形状的记录层的示意性平面图。
图12是具有第一至四平面形状的记录层的变化例的示意性平面图。
图13是具有第一至四平面形状的记录层的另一个变化例的示意性平面图。
图14是具有第五平面形状的记录层的示意性平面图。
图15是具有第六平面形状的记录层的示意性平面图。
图16是具有第七平面形状的记录层的示意性平面图。
图17是具有第八平面形状的记录层的示意性平面图。
图18是已知的TMR型非易失性磁存储装置的示意性局部剖面图。
图19是表示存储单元尺寸和写电流之间关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图根据各示例说明本发明。
示例1
示例1涉及根据本发明的第一和第三实施方式的非易失性磁存储装置，具体地涉及第一种结构。图1A示出了以下所述的示例1或示例3的非易失性磁存储装置的示意性局部剖面图，图1B示出了第二布线等的示意性布局视图。图2A示出了分层结构的原理图，图2B示出了记录层的示意性平面图。如这些附图所示，非易失性磁存储装置包括磁阻效应元件30，该磁阻效应元件30包括：(A)具有记录层53的分层结构50；(B)与分层结构50的下部电连接的第一布线41；(C)与分层结构50的上部电连接的第二布线42；以及(D)围绕分层结构50的层间绝缘层26。在示例1～示例10中，磁阻效应元件30由采用通过自旋注入的磁化反转的自旋注入型磁阻效应元件形成。
参照图1A的示意性局部剖面图，在单点划线的上侧的区域“A”以及在单点划线的下侧的区域“B”中，观察非易失性磁存储装置的剖面的方向变化了90度。即，在区域“A”中，非易失性磁存储装置的剖面是从平行于难磁化轴的方向所视的，在区域“B”中，非易失性磁存储装置的剖面是从平行于易磁化轴的方向所视的。因此在图1A中，示出了这样的状态，即在第二布线(在示例1中为位线)42的延伸方向上的投影图像垂直于构成场效应晶体管的栅极12的延伸方向上的投影图像，但实际上它们彼此平行。
构成分层结构50的记录层53具有易磁化轴和垂直于易磁化轴的难磁化轴。在示例1中，易磁化轴平行于第二布线42。在示例1的非易失性磁存储装置中，磁阻效应元件30还包括杨氏模量EL小于形成层间绝缘层26的材料的杨氏模量E0的低杨氏模量区域71。在示例1中，形成记录层53的材料的磁致伸缩常数λ为正值，并且低杨氏模量区域71设置在记录层53的易磁化轴的延伸区域中。具体地，在示例1中，低杨氏模量区域71由第二布线42的延伸部分43构成，如图1B中的虚线所示，低杨氏模量区域71的平面形状为圆形。
可选择地，磁阻效应元件30还可以包括高杨氏模量区域72以及杨氏模量小于高杨氏模量区域72的杨氏模量的低杨氏模量区域71。在此情况下，高杨氏模量区域72可设置在记录层53的难磁化轴的延伸区域中，并且低杨氏模量区域71可设置在记录层53的易磁化轴的延伸区域中。在示例1中，具体地，高杨氏模量区域72对应于位于记录层53的难磁化轴的延伸区域中的层间绝缘层26的一部分。在图1B中，高杨氏模量区域72由单点划线表示，并且高杨氏模量区域72由层间绝缘层26自身形成。
连接部62设置在分层结构50的上部和第二布线42之间，并且形成作为应力施加源的连接部62的材料的杨氏模量EC大于形成层间绝缘层26的材料的杨氏模量E0。具体地，连接部62由100nm厚的TiN层形成并且通过溅射形成。当溅射时，通过在使半导体基板倾斜的同时形成连接部62，可以增大沿记录层的易磁化轴的应力。
由约5nm厚的Ta层形成的盖层61通过溅射形成于分层结构50和连接部62之间。盖层61起到防止构成布线或连接部62的原子与构成记录层53的原子之间的相互扩散的作用，以减小接触电阻并防止记录层53的氧化。盖层的其它示例包括Ru层、Pt层、MgO层以及Ru膜/Ta膜的分层结构。
包括场效应晶体管的选择晶体管TR设在分层结构50的下方(更具体地设在第一布线41的下方)。第二布线(位线)42的延伸方向平行于构成场效应晶体管的栅极12的延伸方向。具体地，选择晶体管TR形成于由元件隔离区域11围绕的硅半导体基板10的一部分中并且被下绝缘层21和24所覆盖。一个源极/漏极区域14B经包括钨插头的连接孔22与第一布线41相连。另一个源极/漏极区域14A经钨插头15与读出线16相连。在附图中，附图标记12表示栅极(起所谓的字线的作用)，附图标记13表示栅极绝缘膜。
如图2A的原理图所示，分层结构50具有以下的配置和结构，并且通过溅射形成。在磁化固定层中，磁化方向通过构成上底层的反铁磁性材料层的Pt-Mn的交换耦合来固定。在记录层53中，磁化方向根据电流流动的方向被改变为平行于或反平行于固定磁化方向。
具体地，示例1的自旋注入型磁阻效应元件具有这样的结构，即包括具有GMR(巨磁阻)效应或TMR效应的多层膜的磁阻效应多层膜夹在两个布线41和42之间。即，具有记录信息的功能的记录层(也称为磁化反转层或自由层)53以及具有固定磁化方向并用作自旋过滤器的磁化基准层(也称为固定层)51层叠，非磁性材料膜52介于二者之间。电流在垂直于膜表面的方向上流动(见图2A)。图2B示出了记录层53的示意性平面图。记录层53的尺寸取决于形成记录层53的磁性材料的类型或厚度。记录层53的尺寸约为200nm或更小，以促进单个磁畴的形成并降低自旋注入磁化反转的临界电流Ic。记录层53通过恰当的磁异向性而具有两个或多个磁化方向(例如，图2A中箭头所示的两个水平方向，即第一方向和第二方向)，并且各磁化方向对应于被记录的信息。在图2B的示例中，记录层53的平面形状呈长椭圆形，从而具有磁性形状各向异性。即，记录层53具有易磁化轴和难磁化轴，其中所述易磁化轴平行于第一方向和第二方向。记录层53沿易磁化轴的长度大于记录层53沿难磁化轴的长度。
磁化基准层51的磁化方向通常通过与反铁磁性材料层54的交换耦合被固定(见图2C)。双自旋过滤结构是已知的，即磁化基准层51A和51B分别设置在记录层53的上方和下方，非磁性材料膜52A和52B分别介于磁化基准层51A和51B与记录层53之间，从而提高了自旋注入磁化反转的效率(见图2D)。附图标记54A和54B是反铁磁性材料层。在图2A、图2C和图2D的示例中，记录层53和磁化基准层51(当磁化基准层包括两层51A和51B时，两层中的一层)可以具有分层的铁结构。非磁性材料膜52、52A和52B由金属材料或绝缘材料形成。在图2A或图2C的结构中，为了防止从磁化基准层51向记录层53泄漏磁场，即为了防止磁化基准层51和记录层53的静磁耦合，磁化基准层51形成为足够地大于记录层53。在任何情况下，采用了自旋注入磁化反转的非易失性磁存储元件(自旋注入型磁阻效应元件)具有磁阻效应多层膜夹在布线之间的两端子自旋转移元件结构。(分层结构50)
记录层53
约3nm厚的Co-Fe-B层
非磁性材料膜(隧道绝缘膜)52
1.0nm厚的MgO膜
磁化基准层(具有SAF的多层膜)51(在附图中，示为一层)
上层：Co-Fe-B层
中层：Ru层
下层：Co-Fe层
第二布线42以及由第二布线的延伸部分43形成的低杨氏模量区域71由铜(Cu)形成，并且低杨氏模量区域71通过向层间绝缘层26中的孔27中填入铜而形成。层间绝缘层26由通过等离子体CVD形成的SiN层形成。如上所述，连接部62由TiN层构成，形成连接部62的材料的杨氏模量EC大于形成层间绝缘层26的材料的杨氏模量E0。杨氏模量的值如下所示。第一布线41具有两层结构，该两层结构的上层包括由Pt-Mn合金形成的20nm厚的反铁磁性材料层，该两层结构的下层由10nm厚的Ta层形成。在附图中，第一布线41以单层的形式示出。
低杨氏模量区域71的杨氏模量EL：约1.5×1011Pa
层间绝缘层26的杨氏模量E0：约2.2×1011Pa
形成连接部62的材料的杨氏模量EC：约5.9×1011Pa
以下将说明示例1的非易失性磁存储装置的制造方法的概要。除非另外指出，其它示例的非易失性磁存储装置基本上也可以以相同的方法制成。
(步骤100)
首先，通过已知的方法，在硅半导体基板10中形成元件隔离区域11，并且在由元件隔离区域11包围的硅半导体基板10的一部分中形成栅极绝缘膜13、栅极12以及包括源极/漏极区域14A和14B的选择晶体管TR。然后，形成第一下绝缘层21，在源极/漏极区域14A的上方的第一下绝缘层21的一部分中形成钨插头15，并在第一下绝缘层21上形成读出线16。随后，在整个表面上形成第二下绝缘层24，并且在源极/漏极区域14B上方的下绝缘层21和24中形成包括钨插头的连接孔22。于是，可以获得被下绝缘层21和24覆盖的选择晶体管TR。
(步骤110)
然后，在真空中通过溅射在整个表面上连续形成具有两层结构的第一布线41、分层结构50、盖层61和连接部62。当溅射时，通过在倾斜半导体基板的同时形成连接部62，可以增大沿记录层的易磁化轴的应力。
(两层结构的第一布线41)
处理气体：氩气＝100sccm
大气压力：0.6Pa
DC功率：200W
(磁化基准层51)
下层
处理气体：氩气＝50sccm
大气压力：0.3Pa
DC功率：100W
中间层
处理气体：氩气＝50sccm
大气压力：0.3Pa
DC功率：50W
上层
处理气体：氩气＝50sccm
大气压力：0.3Pa
DC功率：100W
(非磁性材料膜52)
处理气体：氩气＝100sccm
大气压力：1.0Pa
RF功率：500W
(记录层53)
处理气体：氩气＝50sccm
大气压力：0.3Pa
DC功率：200W
(盖层61)
处理气体：氩气＝100sccm
大气压力：0.6Pa
DC功率：200W
(连接部62)
处理气体：氩气＝30sccm
反应气体：N2＝70sccm
大气压力：0.7Pa
DC功率：10kW
(步骤120)
接着，通过偏置高密度等离子体CVD(HDP-CVD)，在第一布线41、分层结构50、盖层61和连接部62上形成由SiO2构成的硬掩模层(未示出)，在硬掩模层上形成图形化的抗蚀剂层。然后，通过干蚀刻法蚀刻硬掩模层，并通过灰化去除抗蚀剂层。之后，通过将硬掩模层作为蚀刻掩模，采用反应性离子蚀刻(RIE)对连接部62、盖层61和分层结构50进行蚀刻，并且如图1B的示意性平面图中的虚线所示，设置椭圆形的分层结构50。在某些情况下，对分层结构50中的记录层53进行蚀刻。这时，非磁性材料膜(隧道绝缘膜)52和磁化基准层51可以不被蚀刻。不采用通过RIE方法使连接部62、盖层61和记录层53图形化，而是可以采用离子铣(离子束蚀刻)进行图形化。然后，形成蚀刻掩模，并图形化第一布线41。当非磁性材料膜52和磁化基准层51没被蚀刻时，这时，可以蚀刻非磁性材料膜52和磁化基准层51。
(步骤130)
之后，通过等离子体CVD在整个表面上形成由SiN层构成的层间绝缘层26。其后，通过化学机械研磨(CMP)使层间绝缘层26和硬掩模层平坦化，于是露出连接部62。
(步骤140)
然后，通过等离子体CVD在整个表面上形成由硅氧化物(P-SiO)膜形成的上绝缘层28(见图1B)，并且通过光刻法或干刻法在上绝缘层28中形成用于形成第二布线42的凹部(凹槽)。之后，在层间绝缘层26中设置用于在凹槽的底部形成低杨氏模量区域71的孔27。
(步骤150)
之后，通过电镀在上绝缘层28上、凹槽中以及层间绝缘层26的孔27中分别形成铜层、由铜形成的第二布线42以及由第二布线42的延伸部分43形成的低杨氏模量区域71。然后，通过CMP去除上绝缘层28上的铜层。这样，可以获得具有图1A和图1B所示结构的非易失性磁存储装置。
在示例1的非易失性磁存储装置中，连接部62也起应力施加源的作用。利用该连接部62，尽管也取决于记录层53的外部形状，但大约0.1×109Pa～5×109Pa的压缩应力(按压记录层53的力)施加于记录层53。因此，尽管记录层53被移位以在沿易磁化轴的方向和沿难磁化轴的方向上延伸，但低杨氏模量区域71位于记录层53的易磁化轴的延伸区域中。因而，记录层53被移位以沿记录层53的易磁化轴延伸。然而，实际上由于记录层53被层间绝缘层26包围，所以记录层53不会被移位，并且拉伸应力施加于记录层53。因此，可以增大等式(2)中右侧的第三项的值，于是可以增大矫顽力Hc。此外，可以增大各向异性场Hk。所以可以提高等式(1)中热稳定性的指数Δ。因此，可以提供这样一种非易失性磁存储装置，其包括能够提高记录层53的热稳定性并增大矫顽力Hc从而提高数据保持性能的非常可靠的磁阻效应元件。应力(σ)的大小不依赖于形成记录层53的材料。因此，通过恰当地选择形成记录层53的材料，例如可以降低自旋注入磁化反转的临界电流(写电流)Ic，并且可以实现非易失性磁存储装置的低功耗。
考察连接部62的材料和厚度与矫顽力Hc之间的关系。记录层53由2nm厚的Co-Fe-B层形成。为了方便起见，在样品中，连接部62由Ta(杨氏模量：186GPa)形成。对由10nm厚的Ta形成的记录层53的压缩应力约为2GPa，对20nm厚的Ta形成的记录层53的压缩应力约为3GPa。对于矫顽力Hc的测量结果，在10nm厚的连接部62的情况下，矫顽力Hc为40(Oe)，在20nm厚的连接部62的情况下，矫顽力Hc为50(Oe)。即，矫顽力Hc增大了10(Oe)。当连接部62由杨氏模量(414GPA)约为Ta的杨氏模量的2.2倍的Ru(10nm厚)形成时，矫顽力Hc为70(Oe)。据此，可以确定矫顽力Hc与形成连接部62的材料的杨氏模量成比例。
代替步骤140和步骤150，可以通过光刻和干蚀刻方法在层间绝缘层26中设置用于形成低杨氏模量区域71的孔27，然后通过溅射在包括孔27的层间绝缘层26上形成铝层或铝合金层，随后通过光刻和蚀刻使铝层或铝合金层图形化。这样，可得到第二布线42和低杨氏模量区域71。在铝层或铝合金层形成之前，可在整个表面上依次地形成起阻挡层作用的Ti层和TiN层。
图3A示出了在包括由铝形成的第二布线42和低杨氏模量区域71的本示例的样品中所施加的磁场与TMR效应之间关系的测量结果。为了进行比较，图3B示出了在没有低杨氏模量区域71的对比例样品中的所施加的磁场与TMR效应之间关系的测量结果。根据图3A和图3B，可以确定，本示例的样品具有约为对比例样品的1.5倍的增大的矫顽力Hc。根据该结果算出的热稳定性的指数Δ的值如下，并且可以获得高的热稳定性的指数Δ。
示例样品：Δ＝82[矫顽力Hc：约为150(Oe)]
对比例样品：Δ＝63[矫顽力Hc：约为100(Oe)]
示例2
示例2是示例1的变化例。图4A示出了示例2的非易失性磁存储装置的示意性局部剖面图，图4B示出了第二布线等的示意性布局视图。与图1A不同，在图4A中，非易失性磁存储装置的所有剖面是从平行于难磁化轴的方向所视的。第二布线(位线)242的延伸方向上的投影图像平行于构成场效应晶体管的栅极12的延伸方向上的投影图像。
在示例1中，构成磁阻效应元件30的低杨氏模量区域71由第二布线42的延伸部分43形成。同时，在示例2中，构成磁阻效应元件230的低杨氏模量区域271由围绕第二布线242的上绝缘层228的延伸部分229形成。如图4B中的虚线所示，低杨氏模量区域271呈条形的平面状延伸以平行于第二布线242。如同示例1，低杨氏模量区域271的平面状可以呈圆形。
在示例2中，上绝缘层228由通过等离子体CVD形成的硅氧化物(P-SiO)膜形成。上绝缘层228的杨氏模量EU为5×1010Pa(50GPa)。
除了上述配置和结构之外，示例2的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例1的非易失性磁存储装置配置和结构相同，因此省略其详述。
可以通过以下方法制造示例2的非易失性磁存储装置。
(步骤200)
首先，执行与示例1的步骤100～步骤130相同的步骤。
(步骤210)
其后，通过光刻和干蚀刻在层间绝缘层26中设置用于形成低杨氏模量区域271的凹槽227。然后，在整个表面上形成上绝缘层228以填充凹槽227，并且通过光刻和干蚀刻在对应于其中将形成第二布线242的部分的绝缘层228中形成凹槽(凹部)。
(步骤220)
然后，通过电镀在上绝缘层228上和凹槽中分别形成铜层和由铜形成的第二布线242。其后，通过CMP去除上绝缘层228上的铜层。这样，可以获得具有图4A和图4B中所示结构的非易失性磁存储装置。
示例3
示例3也是示例1的变化例，并且涉及第二种配置。在示例3中，形成第一布线的材料的杨氏模量E1大于形成层间绝缘层26的材料的杨氏模量E0。具体地，形成第一布线的材料为钌(Ru，杨氏模量E1：4.1×1011Pa)。作为形成第一布线的材料，可以使用诸如钨(W，杨氏模量E1：3.5×1011Pa)等其它材料。在示例3中，形成连接部的材料为TiN(杨氏模量：1.1×1011Pa)，并且不具有应力施加源的作用。
除了上述的配置和结构之外，示例3的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例1的非易失性磁存储装置的配置和结构相同，因此省略其详述。在示例3中，可以使用示例2中所述的低杨氏模量区域271的配置和结构。
在示例3的非易失性磁存储装置中，第一布线也起应力施加源的作用。利用该第一布线，尽管也取决于记录层53的外部形状，但大于等于10GPa的压缩应力(按压记录层53的力)施加于记录层53。因此产生了与示例1中所述相同的现象，于是拉伸应力施加于记录层53。所以，可以得到如示例1所述的相同效果。
示例4
示例4是示例1和示例3的变化例，并且涉及第三种配置。如同示例1，在示例4中，在分层结构50的上部和第二布线42之间设有连接部62，并且形成连接部62的材料的杨氏模量EC大于形成层间绝缘层26的材料的杨氏模量E0。此外，如同示例3，形成第一布线的材料的杨氏模量E1大于形成层间绝缘层26的材料的杨氏模量E0。
除了上述的配置和结构之外，示例4的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例1和示例3的非易失性磁存储装置的配置和结构相同，因此省略其详述。在示例4中，可以使用示例2中所述的低杨氏模量区域271的配置和结构。
示例5
示例5是示例1的变化例。在示例5中，作为形成记录层的材料，使用具有负的磁致伸缩常数λ(具体为Ne90Fe10[Ne∶Fe的组成比为90/10的材料]，λ＝-2.0×10-5)的材料。图5A示出了第二布线等的示意性布局视图。如图5A所示，低杨氏模量区域571设在记录层的难磁化轴的延伸区域中。由实线和虚线包围的低杨氏模量区域的部分571A延伸至层间绝缘层26。
高杨氏模量区域572被认为置于记录层53的易磁化轴的延伸区域中。更具体地，在示例5中，高杨氏模量区域572对应于位于记录层53的易磁化轴的延伸区域中的层间绝缘层26的一部分。在图5A中，高杨氏模量区域572由单点划线表示，并且高杨氏模量区域572由层间绝缘层26自身构成。
除了上述的配置和结构之外，示例5的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例1的非易失性磁存储装置的配置和结构相同，因此省略其详述。在示例5中，可以使用示例2中所述的低杨氏模量区域271的配置和结构(参见图5B的第二布线等的示意性布局视图)。也可以使用示例3和示例4中所述的第一布线或连接部的配置和结构。
示例6
示例6涉及根据本发明第二和第三实施方式的非易失性磁存储装置，并且具体地涉及第一种配置。示例6的非易失性磁存储装置的示意性局部剖面图基本上与图1A中所示的相同。
在示例6中，构成分层结构50的记录层53具有易磁化轴和垂直于易磁化轴的难磁化轴。在示例6中，易磁化轴平行于第二布线642。图6A示出了示例6的非易失性磁存储装置的第二布线等的示意性布局视图。磁阻效应元件还包括杨氏模量EH大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量E0的高杨氏模量区域672。在示例6中，形成记录层53的材料的磁致伸缩常数λ为正值，并且高杨氏模量区域672设在记录层53的难磁化轴的延伸区域中。具体地，在示例6中，高杨氏模量区域672由第二布线642的延伸部分643形成，并且如图6A中实线和虚线所包围的区域表示，其平面形状为矩形。高杨氏模量区域的部分672A延伸至层间绝缘层26。在示例6中，第二布线642以及作为第二布线642的延伸部分643的高杨氏模量区域672由钌(Ru，杨氏模量EH：4.1×1011Pa)或钨(W，杨氏模量EH：3.5×1011Pa)形成。在某些情况下，第二布线642以及作为第二布线642的延伸部分643的高杨氏模量区域672可以具有由钌(Ru)或钨(W)形成的下层以及由铝(Al)或铜(Cu)形成的上层的两层结构。
低杨氏模量区域671被认为置于记录层53的易磁化轴的延伸区域中。更具体地，在示例6中，低杨氏模量区域671对应于位于记录层53的易磁化轴的延伸区域中的层间绝缘层26的一部分。在图6A中，低杨氏模量区域671由单点划线表示，并且低杨氏模量区域671由层间绝缘层自身构成。
除了上述的配置和结构之外，示例6的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例1的非易失性磁存储装置的配置和结构相同，因此省略其详述。
在示例6的非易失性磁存储装置中，连接部62也起应力施加源的作用。利用该连接部62，尽管也取决于记录层53的外部形状，但大于等于10GPa的压缩应力(按压记录层53的力)施加于记录层53。因此，尽管记录层53被移位以在沿易磁化轴的方向和沿难磁化轴的方向上延伸，但高杨氏模量区域672位于记录层53的难磁化轴的延伸区域中。因而，记录层53被移位以沿记录层53的易磁化轴延伸。然而实际上，由于记录层53被层间绝缘层26所包围，所以记录层53不能被移位，并且拉伸应力施加于记录层53。因此，可以增大等式(2)中右侧的第三项的值，于是可以增大矫顽力Hc。此外，可以增大各向异性场Hk。所以，可以提高等式(1)中热稳定性的指数Δ。因此，可以提供这样一种非易失性磁存储装置，其包括能够提高记录层53的热稳定性并增大矫顽力Hc从而提高数据保持性能的非常可靠的磁阻效应元件。应力(σ)的大小不取决于形成记录层53的材料。因此，通过恰当地选择形成记录层53的材料，例如可以降低自旋注入磁化反转的临界电流(写电流)Ic，并且可以实现非易失性磁存储装置的低功耗。
示例7
示例7是示例6的变化例。图6B示出了示例7的非易失性磁存储装置的第二布线等的示意性布局视图。在示例6中，构成磁阻效应元件的高杨氏模量区域672由第二布线642的延伸部分643形成。在示例7中，构成磁阻效应元件的高杨氏模量区域772由包围第二布线742的上绝缘层728的延伸部分729形成。高杨氏模量区域772由图6B中的虚线表示，并且呈条形的平面状在平行于第二布线742的方向上延伸。如同示例6，高杨氏模量区域772的平面形状可以为圆形。
在示例7中，上绝缘层728由SiN(杨氏模量EU：约为2.2×1011Pa)形成，并且层间绝缘层26由通过等离子体CVD形成的硅氧化物(P-SiO，杨氏模量E0：5×1010Pa)膜形成。
除了上述的配置和结构之外，示例7的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例6的非易失性磁存储装置的配置和结构相同，因此省略其详述。示例7的非易失性磁存储装置可以基本上采用与示例2相同的方法制成，因此省略制造方法的详述。
示例8
示例8是示例6的变化例，并且涉及第二种配置。在示例8中，形成第一布线的材料的杨氏模量E1大于形成层间绝缘层的材料的杨氏模量E0。具体地，第一布线由与示例3中所述的第一布线相同的材料形成。
除了上述的配置和结构之外，示例8的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例6的非易失性磁存储装置的配置和结构相同，因此省略其详述。在示例8中，可以使用示例7中所述的高杨氏模量区域772的配置和结构。
在示例8的非易失性磁存储装置中，第一布线也起应力施加源的作用。利用该第一布线，尽管也取决于记录层53的外部形状，但大于等于10GPa的压缩应力(按压记录层53的力)施加于记录层53。因此，产生了与示例1中所述的相同现象，于是拉伸应力施加于记录层53。所以，可以得到与示例1中所述的相同效果。
示例9
示例9是示例6和示例8的变化例，并且涉及第三种配置。在示例9中，如同示例6，在分层结构50的上部和第二布线之间设有连接部62，并且形成连接部62的材料的杨氏模量EC大于形成层间绝缘层26的材料的杨氏模量E0。此外，如同示例8，形成第一布线的材料的杨氏模量E1大于形成层间绝缘层26的材料的杨氏模量E0。
除了上述的配置和结构之外，示例9的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例6和示例8的非易失性磁存储装置的配置和结构相同，因此省略其详述。在示例9中，可以使用示例7中所述的高杨氏模量区域772的配置和结构。
示例10
示例10是示例6的变化例。在示例10中，如同示例5，作为形成记录层的材料，使用具有负的磁致伸缩常数λ值的材料。图6C示出了第二布线等的示意性布局视图。如图6C所示，高杨氏模量区域1072设在记录层53的易磁化轴的延伸区域中。由单点划线包围的高杨氏模量区域1072的一部分延伸至层间绝缘层26。
低杨氏模量区域1071被认为设在记录层53的难磁化轴的延伸区域中。更具体地，在示例10中，低杨氏模量区域1071对应于位于记录层53的难磁化轴的延伸区域中的层间绝缘层的一部分。在图6C中，低杨氏模量区域1071由虚线表示，并且低杨氏模量区域由层间绝缘层自身构成。
除了上述的配置和结构之外，示例10的非易失性磁存储装置的配置和结构可以与示例6的非易失性磁存储装置的配置和结构相同，因此省略其详述。在示例10中，可以使用示例7中所述的高杨氏模量区域的配置和结构。此外，可以使用示例8和示例9中所述的第一布线或连接部的配置和结构。
尽管根据各示例说明了本发明，但本发明并不局限于这些示例。在示例中所述的各种分层结构和所使用的材料只是用于说明，可以适当地改变它们。在各示例中，尽管描述了结构为记录层是分层结构的最上层的自旋注入型磁阻效应元件，但也可以采用结构为颠倒了各层的层叠顺序并且记录层为最下层的自旋注入型磁阻效应元件。构成分层结构的磁化基准层51、非磁性材料膜52和记录层53可以不具有相同的形状和尺寸。此外，磁化基准层51和非磁性材料膜52可在第一布线41上延伸。
取代各示例中所述的自旋注入型磁阻效应元件，例如，如图7所示，可以采用结合了图18所示的已知的利用TMR效应的隧道磁阻效应元件以及示例1中所述的低杨氏模量区域71的非易失性磁存储装置，或者尽管未示出，但也可以采用结合了图18所示的已知的利用TMR效应的隧道磁阻效应元件以及示例2～示例10中所述的低杨氏模量区域或高杨氏模量区域的非易失性磁存储装置。在图7中，未示出图18中所示的字写入线WWL、第二下绝缘层24、接点焊盘部23和连接孔25。在各示例中，尽管分层结构的下部与选择晶体管TR的源极/漏极区域14B经第一布线41以及连接孔22相连，但在某些情况下，可以不设置第一布线41。在此情况下，连接孔22对应于第一布线。
在隧道磁阻效应元件中，数据写入系统的例子不但包括单向电流经过字写入线WWL并且正或负电流根据所写的数据经过位线的直接存取模式，而且包括在美国专利文献No.6545906B1或No.6633498B1中所述的切换模式。切换模式是这样的系统，即单向电流经过字写入线WWL，单向电流不根据所写的数据经过位线，并且只有在磁阻效应元件中所记录的数据与所写入的数据不同时才将数据写入磁阻效应元件中。可以利用数据读出线而不利用位线进行数据读出。在这种情况下，在记录层(第二铁磁性材料层)上方形成位线，以通过上层间绝缘层与记录层(第二铁磁性材料层)电绝缘。可以单独设置与记录层(第二铁磁性材料层)电连接的数据读出线。
在示例1、示例3和示例4中，低杨氏模量区域可以由不同于形成第二布线的材料的材料形成。在此情况下，在示例1的步骤140中，用于形成低杨氏模量区域的孔可设在层间绝缘层中，并且孔可以由恰当的材料填充。类似地，在示例6、示例8和示例9中，高杨氏模量区域可以由不同于形成第二布线的材料的材料形成。在第二布线(位线)的延伸方向上的投影图像可垂直于在构成选择晶体管TR的栅极12的延伸方向上的投影图像。
在各示例中，尽管记录层的平面形状为椭圆形，但记录层的平面形状可呈伪菱形。构成伪菱形的四条边中的至少两条边各自包括中心部分向伪菱形的中心弯曲的光滑曲线。记录层的易磁化轴基本上平行于伪菱形的长轴，记录层的难磁化轴基本上平行于伪菱形的短轴。构成记录层的平面形状的各边可以彼此光滑地连接。为了简便起见，这种记录层的平面形状称为“第一平面形状”。
从宏观上看，“伪菱形”表示记录层的平面形状具有以下的形状。令四条边逆时针地依次由边A、边B、边C和边D表示，四条边A、B、C和D由线段近似地表示，与边A相对的线段的长度为La，与边B相对的线段的长度为Lb，与边C相对的线段的长度为Lc，与边D相对的线段的长度为Ld，则平面形状满足La＝Lb＝Lc＝Ld、或满足 L a ≅ L b ≅ L c ≅ L d , 或满足La＝Lb≠Lc＝Ld，或满足 L a ≅ L b ≠ L c ≅ L d . 当从微观上观察记录层时，构成记录层的平面形状的四条边中的至少两(最多为四)条边各自包括曲线。
通常，当实变函数F(X)在区间a＜X＜b的各点处具有连续导数时，则称函数F(X)在该区间上是“光滑的”或者“连续可导的”。词语“基本平行”表示两条线段或直线彼此不相交，或相交角度在±20°的范围内。词语“基本正交”表示两条线段或直线彼此垂直相交，或相交角度在90°±20°的范围内。词语“基本上线对称”不但包括当记录层沿对称轴折叠时所折叠的记录层的两部分彼此完全重叠的意思，而且包括所折叠的记录层的两部分因为记录层的制造过程中的偏差而彼此不完全重叠的意思。“中心”表示形状的重心。以下，词语“光滑”、“基本平行”、“基本上线对称”和“中心”将以刚刚说明的意思加以使用。
在第一平面形状中，期望满足关系1.0＜LL/LS≤10，并且优选地满足1.2≤LL/LS≤3.0，其中伪菱形的长轴的长度为2LL，伪菱形的短轴的长度为2LS。此外，期望满足关系0.1≤rL/LS＜1.0，并优选地满足0.2≤rL/LS≤0.8，以及满足关系0.1≤rS/LL≤10，并优选地满足0.2≤rS/LL≤5，其中rL为在伪菱形的长轴和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径，rS为在伪菱形的短轴和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径。
在第一平面形状中，期望在各自包括弯曲的中心部分的光滑曲线的各边中至少存在两个拐点。
在具有上述配置的第一平面形状中，期望当伪菱形被所述伪菱形的长轴分成两个区域时，各自包括弯曲的中心部分的光滑曲线的两条边属于一个区域。在具有这种期望配置的第一平面形状中，期望四条边各自包括其中心部分向伪菱形的中心弯曲的光滑曲线。在具有上述配置的第一平面形状中，期望记录层的平面形状关于伪菱形的短轴基本上线对称。这种配置包括构成伪菱形的四条边中的两条各自具有其中心部分向伪菱形的中心弯曲的光滑曲线的情形，以及构成伪菱形的所有四条边各自具有其中心部分向伪菱形的中心弯曲的光滑曲线的情形。也期望记录层的平面形状关于伪菱形的长轴基本上线对称。
记录层的平面形状可包括四条边，并且四条边中的至少两条各自包括光滑曲线。记录层的平面形状可以内切于虚拟菱形中，所述虚拟菱形具有长轴以及在长轴的对分点处与长轴正交的短轴，所述长轴基本上平行于记录层的易磁化轴，并且短轴基本上平行于记录层的难磁化轴。包括光滑曲线的各边在至少两点处与虚拟菱形的相应的边接触。构成记录层的平面形状的各边可以彼此光滑地连接。为了简便起见，这种记录层的平面形状称为“第二平面形状”。
在“虚拟菱形”中，当虚拟菱形的四条边逆时针地依次由边A(长度为La)、边B(长度为Lb)、边C(长度为Lc)和边D(长度为Ld)表示时，满足关系La＝Lb＝Lc＝Ld、满足关系 L a ≅ L b ≅ L c ≅ L d , 满足关系La＝Lb≠Lc＝Ld或满足关系 L a ≅ L b ≠ L c ≅ L d .
在第二平面形状中，期望满足关系1.0＜Li-L/Li-S≤10，并优选地满足1.2≤Li-L/Li-S≤3.0，其中长轴的长度为2Li-L，并且短轴的长度为2Li-S。此外，期望满足关系0.1≤rL/Li-S＜1.0，并优选地满足0.2≤rL/Li-S≤0.8，以及满足关系0.1≤rS/Li-L≤10，并优选地满足0.2≤rS/Li-L≤5，其中rL为在虚拟菱形的长轴和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径，rS为在虚拟菱形的短轴和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径。此外，在包括光滑曲线的边的区间0＜X＜X1(如下文所述)中，期望满足关系0＜DMAX≤X1/2，并优选地满足X1/30≤DMAX≤X1/3，其中DMAX为包括光滑曲线的边和虚拟菱形的对应边之间的最大距离。
在第二平面形状中，所期望的是，在构成记录层的平面形状且各自包括光滑曲线的各边中，当(a)与虚拟菱形的边相接触的至少两点中的最接近于虚拟菱形的短轴的点作为高斯坐标系统的原点(0，0)，(b)与虚拟菱形的边相接触的至少两点中的最接近于虚拟菱形的长轴的点作为(X1，0)[其中X1＞0]，(c)与虚拟菱形的短轴的交点作为(XS，YS)[其中XS＜0，YS＜0]，并且(d)与虚拟菱形的长轴的交点作为(XL，YL)[其中XL＞0，YL＜0]时，如果边由实变函数F(X)表示，并且虚拟菱形的长轴和短轴之间的交点位于第三象限或第四象限中，则实变函数F(X)在区间XS＜X＜XL上的各点处具有连续导数，并且实变函数F(X)在区间0＜X＜X1上具有至少两个拐点。
在具有上述配置的第二平面形状中，期望记录层的平面形状关于虚拟菱形的短轴基本上线对称。这种配置包括构成记录层的平面形状的四条边中的两条各自包括光滑曲线的情形，以及包括所有四条边各自包括光滑曲线的情形。可选择地，期望记录层的平面形状的四条边各自包括光滑曲线，并且记录层的平面形状关于虚拟菱形的短轴基本上线对称，并且关于虚拟菱形的长轴基本上线对称。
记录层的平面形状可以包括第一形状以及从第一形状相对地突出的两个突出部，并且两个突出部可以位于突出部轴线上。突出部轴线可经过第一形状的中心并且与经过第一形状的中心的第一形状轴线正交。第一形状可包括选自椭圆形、平面卵形和平面圆形中的一种形状，并且突出部可各自包括选自圆形的一部分、椭圆形的一部分、平面卵形的一部分和平面圆形的一部分中的一种形状。记录层的易磁化轴基本上平行于第一形状轴线，并且记录层的难磁化轴基本上平行于突出部轴线。满足关系LL＞LS，其中第一形状沿第一形状轴线的长度为2LL，并且沿突出部轴线的两个突出部的前端之间的距离为2LS。第一形状的轮廓与各突出部的轮廓的相交部分可包括光滑曲线。为了简便起见，这种记录层的平面形状称为“第三平面形状”。
在第三平面形状中，(第一形状，突出部)的组合的例子包括(椭圆形，圆形的一部分)、(椭圆形，椭圆形的一部分)、(椭圆形，平面卵形的一部分)、(椭圆形，平面圆形的一部分)、(平面卵形，圆形的一部分)、(平面卵形，椭圆形的一部分)、(平面卵形，平面卵形的一部分)、(平面卵形，平面圆形的一部分)、(平面圆形，圆形的一部分)、(平面圆形，椭圆形的一部分)、(平面圆形，平面卵形的一部分)和(平面圆形，平面圆形的一部分)。
在第三平面形状中，期望满足关系1.0＜LL/LS≤10，并优选地满足1.2≤LL/LS≤3.0。此外，期望满足关系0.1≤rL/LS＜1.0，并优选地满足0.2≤rL/LS≤0.8，以及满足关系0.1≤rS/LL≤10，并优选地满足0.2≤rS/LL≤5，其中rL为在第一形状的轴线和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径，rS为在突出部轴线和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径。
在第三平面形状中，记录层的平面形状关于突出部轴线基本上线对称。这种配置包括两个突出部关于第一形状轴线基本上线对称的情形，以及两个突出部不线对称的情形。期望记录层的平面形状关于突出部轴线基本上线对称，并且关于第一形状轴线基本上线对称。
记录层的平面形状可以是第一形状以及中心与第一形状的中心重合的第二形状彼此重叠的重叠形状，从而第二形状在两个位置处从第一形状突出。经过第一形状的中心的第一形状轴线和经过第二形状的中心的第二形状轴线彼此正交。第一形状可包括选自椭圆形、平面卵形和平面圆形中的一种形状，第二形状可包括选自圆形、椭圆形、平面卵形和平面圆形中的一种形状。记录层的易磁化轴基本上平行于第一形状轴线，并且记录层的难磁化轴基本上平行于第二形状轴线。满足关系LL＞LS，其中第一形状沿第一形状轴线的长度为2LL，第二形状沿第二形状轴线的长度为2LS。第一形状的轮廓和第二形状的轮廓彼此相交的部分可包括光滑曲线。为了简便起见，这种记录层的平面形状称为“第四平面形状”。
在第四平面形状中，(第一形状，第二形状)的组合的例子包括(椭圆形，圆形)、(椭圆形，椭圆形)、(椭圆形，平面卵形)、(椭圆形，平面圆形)、(平面卵形，圆形)、(平面卵形，椭圆形)、(平面卵形，平面卵形)、(平面卵形，平面圆形)、(平面圆形，圆形)、(平面圆形，椭圆形)、(平面圆形，平面卵形)和(平面圆形，平面圆形)。
在第四平面形状中，期望满足关系1.0＜LL/LS≤10，并优选地满足1.2≤LL/LS≤3.0。此外，期望满足关系0.1≤rL/LS＜1.0，并优选地满足0.2≤rL/LS≤0.8，以及满足关系0.1≤rS/LL≤10，并优选地满足0.2≤rS/LL≤5，其中rL为第一形状轴线和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径，rS为记录层的平面形状的第二形状轴线和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径。
在第四平面形状中，记录层的平面形状关于第二形状轴线基本上线对称。这种配置包括第二形状的两个突出区域关于第一形状轴线基本上线对称的情形，以及包括第二形状的两个突出区域不线对称的情形。期望的是记录层的平面形状关于第二形状轴线基本上线对称并且关于第一形状轴线基本上线对称。
记录层的平面形状可包括伪等腰三角形，伪等腰三角形的斜边各自包括中心部分向伪等腰三角形的中心弯曲的光滑曲线，并且伪等腰三角形的虚构的底边的长度大于伪等腰三角形的虚构的高。记录层的易磁化轴基本上平行于伪等腰三角形的底边，并且记录层的难磁化轴基本上与伪等腰三角形的底边正交。构成记录层的平面形状的各边彼此光滑地连接。为了简便起见，这种记录层的平面形状称为“第五平面形状”。
从宏观来看，“伪等腰三角形”表示记录层的平面形状具有以下形状。令两条斜边A和B由线段近似地表示，令与斜边A相对的线段的长度为La，并且令与斜边B相对的线段的长度为Lb，则该形状满足关系La＝Lb，或满足关系 L a ≅ L b . 当从微观上观察记录层时，构成记录层的平面形状的两条斜边各自包括曲线。
在第五平面形状中，伪等腰三角形的虚构的底边的长度由2LB表示，虚构的高由H表示，在斜边和伪等腰三角形的底边彼此光滑连接的部分处的记录层的平面形状的平均曲率半径由rL表示，并且在伪等腰三角形的两条斜边之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径由rS表示。这里，伪等腰三角形的两条斜边之间的交点处意味着虚构的底边的中垂线与将伪等腰三角形的两条斜边连成一条线所得的曲线相交的点。此外，伪等腰三角形的虚构的底边意味着这样的虚构线，即当伪等腰三角形的底边由直线(该直线称为底边的近似直线)近似地表示时，该虚构线平行于底边的近似直线，并且该虚构线经过位于伪等腰三角形的两条斜边之间交点处的一侧且与底边的近似直线间隔为距离rL的点。而且，虚构的底边的长度2LB定义为虚构的底边与记录层的平面形状在伪等腰三角形的斜边和底边光滑连接部分处的交点之间的距离。而且，虚构的高H定义为伪等腰三角形的两斜边之间的交点到虚构的底边之间的距离。在此情况下，期望满足关系1.0＜LB/H≤10，并优选地满足1.2≤LB/H≤3.0。此外，期望满足关系0.1≤rL/H≤1.0，并优选地满足0.2≤rL/H≤0.8，以及满足关系0.1≤rS/LB≤10，并优选地满足0.2≤rS/LB≤5。
在第五平面形状中，期望在伪等腰三角形的斜边中存在至少两个拐点。期望记录层的平面形状关于伪等腰三角形的虚构的底边的中垂线基本上线对称。
记录层的平面形状可包括三条边，并且三条边中的至少两条各自包括光滑曲线。记录层的平面形状内切于伪等腰三角形中，其中虚构的底边的长度为2Li-B，虚构的高为Hi[其中Hi＜Li-B]，底边基本上平行于记录层的易磁化轴，并且垂直于底边的高基本上平行于记录层的难磁化轴。包括光滑曲线的各边与伪等腰三角形的斜边在至少两点处相接触。构成记录层的平面形状的各边彼此光滑地连接。为了简便起见，这种记录层的平面形状称为“第六平面形状”。
在第六平面形状中，伪等腰三角形的虚构的底边意味着这样的虚构线，即该虚构线平行于伪等腰三角形的底边并且经过位于伪等腰三角形的两条斜边之间交点的一侧且与伪等腰三角形的底边间隔为距离rL的点，其中rL为在构成记录层的平面形状的对应于伪等腰三角形的底边的边与构成记录层的平面形状的对应于伪等腰三角形的斜边的边光滑相连的部分处的记录层的平面形状的平均曲率半径。此外，虚构的底边的长度2Li-B定义为伪等腰三角形的两条斜边与虚构的底边的交点之间的距离。而且，虚构的高Hi定义为从伪等腰三角形的两条斜边的交点到虚构的底边的距离。在第六平面形状中，期望满足关系1.0＜Li-B/Hi≤10，并优选地满足1.2≤Li-B/Hi≤3.0。此外，期望满足关系0.1≤rL/Hi≤1.0，并优选地满足0.2≤rL/Hi≤0.8，并且期望满足关系0.1≤rS/Li-B≤10，并优选地满足0.2≤rS/Li-B≤5，其中rS为在记录层的平面形状与在伪等腰三角形的两条斜边的相交处所形成的角度的平分线之间的交点处的记录层的平面形状的曲率半径。而且，在包括光滑曲线的边的区间0＜X＜X1(如下文所述)上，令包括光滑曲线的边与伪等腰三角形的对应的斜边之间的最大距离为DMAX，则期望满足关系0＜DMAX≤X1/2，并优选地满足X1/30≤DMAX≤X1/3。
在第六平面形状中，所期望的是，在各自包括光滑曲线且构成记录层的平面形状的各边中，当(a)与斜边相接触的至少两点中的最接近于伪等腰三角形的两条斜边之间的交点的点作为高斯坐标系统的原点(0，0)，(b)与斜边相接触的至少两点中的最接近于等腰三角形的斜边与底边之间的交点的点作为(X1，0)[其中X1＞0]，(c)与伪等腰三角形的底边的中垂线的交点作为(XS，YS)[其中XS＜0，YS＜0]，并且(d)与伪等腰三角形的虚构的底边的交点作为(XL，YL)[其中XL＞0，YL＜0]时，如果边由实变函数F(X)表示，并且伪等腰三角形的底边的中垂线和伪等腰三角形的底边之间的交点位于第三象限或第四象限中，则实变函数F(X)在区间XS＜X＜XL上的各点处具有连续导数，并且实变函数F(X)在区间0＜X＜X1上具有至少两个拐点。
在具有上述配置的第六平面形状中，期望记录层的平面形状关于伪等腰三角形的底边的中垂线基本上线对称。
记录层的平面形状可包括第一形状，以及从第一形状突出的突出部。该突出部位于突出部轴线上，突出部轴线经过第一形状的中心并与经过第一形状的中心的第一形状轴线正交。第一形状可具有选自椭圆形、平面卵形和平面圆形中的一种形状，并且突出部可具有选自圆形的一部分、椭圆形的一部分、平面卵形的一部分和平面圆形的一部分中的一种形状。记录层的易磁化轴基本上平行于第一形状轴线，并且记录层的难磁化轴基本上平行于突出部轴线。满足关系LL＞LS，其中第一形状沿第一形状轴线的长度为2LL，并且沿突出部轴线从突出部的前端至第一形状的中心的距离为LS。第一形状的轮廓与突出部的轮廓相交的部分包括光滑曲线。为了简便起见，这种记录层的平面形状称为“第七平面形状”。
在第七平面形状中，(第一形状，突出部)的组合的例子包括(椭圆形，圆形的一部分)、(椭圆形，椭圆形的一部分)、(椭圆形，平面卵形的一部分)、(椭圆形，平面圆形的一部分)、(平面卵形，圆形的一部分)、(平面卵形，椭圆形的一部分)、(平面卵形，平面卵形的一部分)、(平面卵形，平面圆形的一部分)、(平面圆形，圆形的一部分)、(平面圆形，椭圆形的一部分)、(平面圆形，平面卵形的一部分)和(平面圆形，平面圆形的一部分)。
在第七平面形状中，期望满足关系1.0＜LL/LS≤10，并优选地满足1.2≤LL/LS≤3.0。此外，期望满足关系0.1≤rL/LS≤1.0，并优选地满足0.2≤rL/LS≤0.8，以及满足关系0.1≤rS/LL≤10，并优选地满足0.2≤rS/LL≤5，其中rL为第一形状轴线和记录层的平面形状的交点处的记录层的平面形状的曲率半径，并且rS为突出部轴线和记录层的平面形状之间交点处的记录层的平面形状的曲率半径。
在第七平面形状中，期望记录层的平面形状关于突出部轴线基本上线对称。
记录层的平面形状可以是这样的重叠形状，即第一形状和第二形状彼此重叠，从而第二形状在一个位置处从第一形状突出。第二形状位于第二形状轴线上，并且第二形状轴线经过第一形状的中心并与经过第一形状的中心的第一形状轴线正交。第一形状可以具有选自椭圆形、平面卵形和平面圆形中的一种形状，并且第二形状可以具有选自圆形、椭圆形、平面卵形和平面圆形中的一种形状。记录层的易磁化轴基本上平行于第一形状轴线，并且记录层的难磁化轴基本上平行于第二形状轴线。满足关系LL＞LS，其中第一形状沿第一形状轴线的长度为2LL，并且沿第二形状轴线从第二形状的前端至第一形状的中心的距离为LS。第一形状的轮廓与第二形状的轮廓相交部分包括光滑曲线。为了简便起见，这种记录层的平面形状称为“第八平面形状”。
在第八平面形状中，(第一形状，第二形状)的组合的例子包括(椭圆形，圆形)、(椭圆形，椭圆形)、(椭圆形，平面卵形)、(椭圆形，平面圆形)、(平面卵形，圆形)、(平面卵形，椭圆形)、(平面卵形，平面卵形)、(平面卵形，平面圆形)、(平面圆形，圆形)、(平面圆形，椭圆形)、(平面圆形，平面卵形)和(平面圆形，平面圆形)。
在第八平面形状中，期望满足关系1.0＜LL/LS≤10，并优选地满足1.2≤LL/LS≤3.0。此外，期望满足关系0.1≤rL/LS≤1.0，并优选地满足0.2≤rL/LS≤0.8，以及满足关系0.1≤rS/LL≤10，并优选地满足0.2≤rS/LL≤5，其中rL为记录层的平面形状在第一形状轴线和记录层的平面形状的交点处的曲率半径，并且rS为记录层的平面形状在第二形状轴线和记录层的平面形状的交点处的曲率半径。
在第八平面形状中，期望记录层的平面形状关于第二形状轴线基本上线对称。
在第一平面形状中，如图8的记录层53的示意性平面图所示，记录层53的平面形状(由实线表示)是具有四条边SRm(其中“m”为1、2、3和4之一)的伪菱形。各边SRm表示记录层的平面形状53的介于记录层的平面形状53与伪菱形的长轴LX(长度2LL)之间的交点BC和AD之间以及记录层的平面形状53与伪菱形的短轴SX(长度2LS)之间的交点AB和CD的部分。构成伪菱形的四条边中的至少两条(在图8的示例中为所有四条边SRm)各自包括中心部分CT向伪菱形的中心弯曲的光滑曲线。记录层53的易磁化轴(EA)基本上平行于伪菱形的长轴LX(由单点划线表示)，并且记录层53难磁化轴(HA)的基本上平行于伪菱形的短轴SX(由单点划线表示)。构成记录层的平面形状53的各边SRm彼此光滑地相连。
在各自包括弯曲的中心部分CT的光滑曲线的各边SRm中存在至少两个拐点。即，在边SR1中存在两个拐点(A3，A4)，在边SR2中存在两个拐点(B3，B4)。此外，在边SR3中存在两个拐点(C3，C4)，在边SR4中存在两个拐点(D3，D4)。在附图中，拐点由实心圆圈表示。
如图8所示，记录层的平面形状53关于伪菱形的短轴SX基本上线对称，并且关于伪菱形的长轴LX基本上线对称。
在第二平面形状中，如图9的记录层53的示意性平面图所示，记录层53的平面形状(由实线表示)具有四条边SRm，并且四条边中的至少两条边(在图9的示例中为所有四条边SRm)各自包括光滑曲线。记录层的平面形状53内切于虚拟菱形(由两点划线表示)中。在图9中，内切点由标记“×”表示。虚拟菱形具有长度(从点AD至点BC的距离)为2Li-L的长轴LX，以及在长轴LX的半分点O处正交于长轴LX且长度(从点AB至点CD的距离)为2Li-S[其中Li-S＜Li-L]的短轴SX。长轴LX基本上平行于记录层53的易磁化轴(EA)，并且短轴SX基本上平行于记录层53的难磁化轴(HA)。包括光滑曲线的各边SRm与虚拟菱形的对应边TLm在至少两点(在图9的示例中为两点)处接触。在图9中，接触点由标记“×”表示。构成记录层的平面形状53的各边SRm彼此光滑地相连。
在构成记录层的平面形状53的具有光滑曲线的边SR1中，(a)与虚拟菱形的边TL1相接触的两点中的最接近于虚拟菱形的短轴SX的点作为高斯坐标系统的原点A0(0，0)，(b)与虚拟菱形的边TL1相接触的两点中的最接近于虚拟菱形的长轴LX的点作为A1(X1，0)[其中X1＞0]，(c)与虚拟菱形的短轴SX的交点作为AB2(XS，YS)[其中XS＜0，YS＜0]，并且(d)与虚拟菱形的长轴LX的交点作为AD5(XL，YL)[其中XL＞0，YL＜0]。
此外，边SR1由实变函数F(X)表示，并且假定虚拟菱形的长轴LX和短轴SX之间的交点O位于第三象限或第四象限(在所示的示例中为第四象限)内。
在此情况下，实变函数F(X)在区间XS＜X＜XL上的各点处具有连续导数，并且实变函数F(X)在区间0＜X＜X1上具有两个拐点(A3，A4)。
更具体地，在区间XS＜X≤XA3(XA3：拐点A3的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rS的圆表示。此外，在区间XA3≤X≤XA4(XA4：拐点A4的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rSR的圆表示。此外，在区间XA4＜X≤XL上，实变函数F(X)由半径为rL的圆表示。
在构成记录层的平面形状53的具有光滑曲线的边SR2中，(a)与虚拟菱形的边TL2相接触的两点中的最接近于虚拟菱形的短轴SX的点作为高斯坐标系统的原点B0(0，0)，(b)与虚拟菱形的边TL2相接触的两点中的最接近于虚拟菱形的长轴LX的点作为B1(X1，0)[其中X1＞0]，(c)与虚拟菱形的短轴SX的交点作为AB2(XS，YS)[其中XS＜0，YS＜0]，并且(d)与虚拟菱形的长轴LX的交点作为BC5(XL，YL)[其中XL＞0，YL＜0]。
此外，边SR2由实变函数F(X)表示，并且假定虚拟菱形的长轴LX和短轴SX之间的交点O位于第三象限或第四象限(在所示的示例中为第四象限)内。
在此情况下，实变函数F(X)在区间XS＜X＜XL上的各点处具有连续导数，并且实变函数F(X)在区间0＜X＜X1上具有两个拐点(B3，B4)。
更具体地，在区间XS＜X≤XB3(XB3：拐点B3的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rS的圆表示。此外，在区间XB3≤X≤XB4(XB4：拐点B4的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rSR的圆表示。而且，在区间XB4＜X≤XL上，实变函数F(X)由半径为rL的圆表示。
在构成记录层的平面形状53的具有光滑曲线的边SR3中，(a)与虚拟菱形的边TL3相接触的两点中的最接近于虚拟菱形的短轴SX的点作为高斯坐标系统的原点C0(0，0)，(b)与虚拟菱形的边TL3相接触的两点中的最接近于虚拟菱形的长轴LX的点作为C1(X1，0)[其中X1＞0]，(c)与虚拟菱形的短轴SX的交点作为CD2(XS，YS)[其中XS＜0，YS＜0]，并且(d)与虚拟菱形的长轴LX的交点作为BC5(XL，YL)[其中XL＞0，YL＜0]。
此外，边SR3由实变函数F(X)表示，并且假定虚拟菱形的长轴LX和短轴SX之间的交点O位于第三象限或第四象限(在所示的示例中为第四象限)内。
在此情况下，实变函数F(X)在区间XS＜X＜XL上的各点处具有连续导数，并且实变函数F(X)在区间0＜X＜X1上具有两个拐点(C3，C4)。
更具体地，在区间XS＜X≤XC3(XC3：拐点C3的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rS的圆表示。此外，在区间XC3≤X≤XC4(XC4：拐点C4的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rSR的圆表示。而且，在区间XC4＜X≤XL上，实变函数F(X)由半径为rL的圆表示。
在构成记录层的平面形状53的具有光滑曲线的边SR4中，(a)与虚拟菱形的边TL4相接触的两点中的最接近于虚拟菱形的短轴SX的点作为高斯坐标系统的原点D0(0，0)，(b)与虚拟菱形的边TL4相接触的两点中的最接近于虚拟菱形的长轴LX的点作为D1(X1，0)[其中X1＞0]，(c)与虚拟菱形的短轴SX的交点作为CD2(XS，YS)[其中XS＜0，YS＜0]，并且(d)与虚拟菱形的长轴LX的交点作为AD5(XL，YL)[其中XL＞0，YL＜0]。
此外，边SR4由实变函数F(X)表示，并且假定虚拟菱形的长轴LX和短轴SX之间的交点O位于第三象限或第四象限(在所示的示例中为第四象限)内。
在此情况下，实变函数F(X)在区间XS＜X＜XL上的各点处具有连续导数，并且实变函数F(X)在区间0＜X＜X1上具有两个拐点(D3，D4)。
更具体地，在区间XS＜X≤XD3(XD3：拐点D3的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rS的圆表示。此外，在区间XD3≤X≤XD4(XD4：拐点D4的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rSR的圆表示。而且，在区间XD4＜X≤XL上，实变函数F(X)由半径为rL的圆表示。
在区间XS＜X＜0上，实变函数F(X)的一阶导数为正值；在X＝0处，实变函数F(X)的一阶导数为0；并且在区间0＜X＜X1上，实变函数F(X)的一阶导数从负值变为0，并进一步地变为正值。在X＝X1处，实变函数F(X)的一阶导数为0；并且在区间X1＜X＜XL上，实变函数F(X)的一阶导数为负值。
在区间XS＜X＜XA3(或XB3、XC3、XD3)上，实变函数F(X)的二阶导数为负值；在X＝XA3(或XB3、XC3、XD3)处，实变函数F(X)的二阶导数为0；在区间XA3(或XB3、XC3、XD3)＜X＜XA4(或XB4、XC4、XD4)上，实变函数F(X)的二阶导数为正值；在X＝XA4(或XB4、XC4、XD4)处，实变函数F(X)的二阶导数为0；并且在区间X＞XA4(或XB4、XC4、XD4)上，实变函数F(X)的二阶导数为负值。
设定以虚拟菱形的长轴LX为x轴并且以虚拟菱形的短轴SX为y轴的高斯坐标系统，当边SR1和边SR2共同由实变函数f(x)表示，且边SR3和边SR4共同由实变函数f(x)表示时，实变函数f(x)在区间a＜x＜b(其中a是实变函数f(x)中x的最小允许值，并且b是实变函数f(x)中x的最大允许值)上的各点处具有连续导数。此外，实变函数f(x)的一阶导数在x＝0处为0，并且实变函数f(x)的一阶导数在y＝0处为∞。
在图9所示的记录层53中，平面形状关于虚拟菱形的短轴SX基本上线对称，并且关于虚拟菱形的长轴LX基本上线对称。
在第三平面形状中，如图10的记录层53的示意性平面图所示，记录层的平面形状53包括第一形状53A(在图10中由实线表示)，以及从第一形状53A相对地突出的两个突出部53B和53C(在图10中由实线表示)。两个突出部53B和53C位于突出部轴线(在图10中由单点划线表示)上。突出部轴线经过第一形状53A的中心O，并且突出部轴线与经过第一形状53A的中心O的第一形状轴线(在图10中由单点划线表示)正交。记录层53的易磁化轴(EA)基本上平行于第一形状轴线，并且记录层53的难磁化轴(HA)基本上平行于突出部轴线。此外，满足关系LL＞LS，其中第一形状53A沿第一形状轴线的长度为2LL，并且两个突出部53B和53C的前端沿突出部轴线之间的距离为2LS。第一形状53A的轮廓与各突出部53B和53C的轮廓相交的部分包括向第一形状53A的中心O弯曲的光滑曲线(在图10中由虚线表示)。
第一形状53A为平面卵形，即，由两个半圆(半径：rL)和两条线段的组合所得的图形。各突出部53B和53C是由圆形(半径：rS)的一部分所形成的图形。
记录层的平面形状53关于突出部轴线基本上线对称，并且关于第一形状轴线基本上线对称。
在第四平面形状中，如图11的记录层53的示意性平面图所示，记录层的平面形状53是这样的重叠形状，即第一形状53D和第二形状53E彼此重叠，其中第二形状53E的中心O与第一形状53D的中心O重合，从而第二形状53E在两个位置处从第一形状53D突出。经过第一形状53D的中心O的第一形状轴线以及经过第二形状53E的中心O的第二形状轴线彼此正交。记录层53的易磁化轴(EA)基本上平行于第一形状轴线，并且记录层53的难磁化轴(HA)基本上平行于第二形状轴线。此外，满足关系LL＞LS，其中第一形状53D沿第一形状轴线的长度为2LL，并且第二形状53E沿第二形状轴线的长度为2LS。第一形状53D的轮廓与第二形状53E的轮廓相交的部分包括向第一形状53D的中心O弯曲的光滑曲线(在图11中由虚线表示)。
第一形状53D是平面卵形，即，由两个半圆(半径：rL)和两条线段的组合所得的图形。第二形状53E也是平面卵形，即，由两个半圆(半径：rS)和两条线段的组合所得的图形。
记录层的平面形状53关于第二形状轴线基本上线对称，并且关于第一形状轴线基本上线对称。
在以上说明中，四条边SRm中的每条包括中心部分向伪菱形的中心弯曲的光滑曲线。可选择地，两条边SR1和SR2中的每一条可包括中心部分向伪菱形的中心弯曲的光滑曲线。图12示出了这样的记录层的平面形状。在该示例中，当伪菱形被该伪菱形的长轴LX分成两个区域时，各自包括弯曲的中心部分的光滑曲线的两边SR1和SR2属于一个区域。记录层的平面形状53关于伪菱形的短轴SX基本上线对称。
四条边SRm中的每条包括中心部分向伪菱形的中心弯曲的光滑曲线，记录层的平面形状53关于伪菱形的短轴SX基本上线对称，并且关于伪菱形的长轴LX基本上线对称。可选择地，记录层的平面形状53只是关于伪菱形的短轴SX基本上线对称。图13示出了这样的记录层的平面形状53。
在第五平面形状中，如图14的记录层53的示意性平面图所示，记录层53的平面形状(由实线表示)是具有三条边SRn(其中“n”为1、2和3之一)的伪等腰三角形。伪等腰三角形的斜边SR1和SR2的每一条包括中心部分CT向伪等腰三角形的中心弯曲的光滑曲线。记录层53的易磁化轴(EA)基本上平行于伪等腰三角形的底边SR3，并且记录层53的难磁化轴(HA)基本上与伪等腰三角形的底边SR3正交。构成记录层的平面形状53的边SRn彼此光滑地连接。
在伪等腰三角形的各斜边中至少存在两个拐点。即，在斜边SR1中存在两个拐点(A3，A4)，并且在斜边SR2中存在两个拐点(B3，B4)。
如图14所示，记录层的平面形状53关于伪等腰三角形的底边的中垂线基本上线对称。
令图14中所示的伪等腰三角形的虚构的底边IB的长度为2LB，虚构的高为H，记录层的平面形状53在伪等腰三角形的斜边SR1和SR2与底边SR3彼此光滑连接部分处的平均曲率半径为rL，并且记录层的平面形状53在伪等腰三角形的两条斜边SR1和SR2之间的交点处的曲率半径为rS。伪等腰三角形的两条斜边SR1和SR2之间的交点意味着虚构的底边IB的中垂线IH与将伪等腰三角形的两条斜边SR1和SR2连成一条线所得的曲线相交的点。伪等腰三角形的虚构的底边IB意味着这样的虚构线，即当伪等腰三角形的底边SR3由直线(底边的近似直线)近似地表示时，该虚构线平行于底边的近似直线并经过位于伪等腰三角形的两条斜边SR1和SR2之间交点的一侧且与底边的近似直线间隔为距离rL的点。虚构的底边的长度2LB定义为记录层的平面形状与虚构的底边IB在伪等腰三角形的斜边SR1和SR2与底边SR3光滑连接部分的交点之间的距离(点BC和点AC之间的距离)。虚构的高H定义为从伪等腰三角形的两斜边SR1和SR2的交点AB到虚构的底边IB之间的距离。虚构的底边IB的长度2LB和虚构的高H满足关系H＜LB。
在第六平面形状中，如图15的记录层53的示意性平面图所示，记录层53的平面形状(由实线表示)具有三条边SRn，并且三条边中的至少两条(在图15的示例中为两边SR1和SR2)各自包括光滑曲线。记录层的平面形状53内切于伪等腰三角形(由两点划线表示)中。在图15中，内切点由标记“×”表示。伪等腰三角形具有长度为2Li-B的虚构的底边IB(由单点划线表示)，并且虚构的高(从点O至点AB的距离)为Hi[其中Hi＜Li-B]。伪等腰三角形的虚构的底边IB意味着这样的虚构线，即该虚构线平行于伪等腰三角形的底边TL3并经过位于伪等腰三角形的两条斜边TL1和TL2的交点的一侧且与伪等腰三角形的底边TL3间隔为距离rL的点，其中rL为记录层的平面形状53在构成记录层的平面形状53且对应于伪等腰三角形的底边TL3的边SR3与构成记录层的平面形状53且对应于伪等腰三角形的斜边TL1和TL2的边SR1和SR2光滑连接部分处的平均曲率半径。虚构的底边IB的长度2Li-B为虚构的底边IB与伪等腰三角形的两条斜边TL1和TL2相交的交点BC和AC之间的距离。虚构的高Hi为从伪等腰三角形的两条斜边TL1和TL2的交点AB至虚构的底边IB的距离。底边SR3基本上平行于记录层53的易磁化轴(EA)，并且垂直于底边SR3的高基本上平行于记录层53的难磁化轴(HA)。而且，包括光滑曲线的边SR1和SR2中的每一条与伪等腰三角形的边TL1和TL2中的对应的一条在至少两点(在图15的示例中为两点)处相接触。在图15中，接触点由标记“x”表示。构成记录层的平面形状53的各边SRn彼此光滑地连接。
在构成记录层的平面形状53的具有光滑曲线的斜边SR1中，(a)与伪等腰三角形的斜边TL1相接触的两点中的最接近于两条斜边TL1和TL2的交点AB的点作为高斯坐标系统的原点A0(0，0)，(b)与伪等腰三角形的斜边TL1相接触的两点中的最接近于斜边TL1和底边TL3的交点AC的点作为A1(X1，0)[其中X1＞0]，(c)与伪等腰三角形的底边TL3的中垂线的交点作为AB2(XS，YS)[其中XS＜0，YS＜0]，并且(d)与伪等腰三角形的虚构的底边IB的交点作为A5(XL，YL)[其中XL＞0，YL＜0]。
此外，斜边SR1由实变函数F(X)表示，并且假定伪等腰三角形的底边的中垂线与底边之间的交点位于第三象限或第四象限(在所示的示例中为第四象限)内。
在此情况下，实变函数F(X)在区间XS＜X＜XL上的各点处具有连续导数，并且实变函数F(X)在区间0＜X＜X1上具有两个拐点(A3，A4)。
更具体地，在区间XS＜X≤XA3(XA3：拐点A3的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rS的圆表示。此外，在区间XA3≤X≤XA4(XA4：拐点A4的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rSR的圆表示。而且，在区间XA4＜X≤XL上，实变函数F(X)由半径为rL的圆表示。
在构成记录层的平面形状53的具有光滑曲线的斜边SR2中，(a)与伪等腰三角形的斜边TL2相接触的两点中的最接近于两条斜边TL1和TL2的交点AB的点作为高斯坐标系统的原点B0(0，0)，(b)与伪等腰三角形的斜边TL2相接触的两点中的最接近于斜边TL2和底边TL3的交点BC的点作为B1(X1，0)[其中X1＞0]，(c)与伪等腰三角形的底边TL3的中垂线的交点作为AB2(XS，YS)[其中XS＜0，YS＜0]，并且(d)与伪等腰三角形的虚构的底边IB的交点作为B5(XL，YL)[其中XL＞0，YL＜0]。
此外，斜边SR2由实变函数F(X)表示，并且假定伪等腰三角形的底边的中垂线与底边之间的交点位于第三象限或第四象限(在所示的示例中为第四象限)内。
在此情况下，实变函数F(X)在区间XS＜X＜XL上的各点处具有连续导数，并且实变函数F(X)在区间0＜X＜X1上具有两个拐点(B3，B4)。
更具体地，在区间XS＜X≤XB3(XB3：拐点B3的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rS的圆表示。此外，在区间XB3≤X≤XB4(XB4：拐点B4的X坐标)上，实变函数F(X)由半径为rSR的圆表示。而且，在区间XB4＜X≤XL上，实变函数F(X)由半径为rL的圆表示。
在区间XS＜X＜0上，实变函数F(X)的一阶导数为正值；在X＝0处，实变函数F(X)的一阶导数为0；并且在区间0＜X＜X1上，实变函数F(X)的一阶导数从负值变为0，并进一步地变为正值。在X＝X1处，实变函数F(X)的一阶导数为0，并且当X超过X1时，实变函数F(X)的一阶导数为负值。
在区间XS＜X＜XA3(或XB3)上，实变函数F(X)的二阶导数为负值；在X＝XA3(或XB3)处，实变函数F(X)的二阶导数为0；在区间XA3(或XB3)＜X＜XA4(或XB4)上，实变函数F(X)的二阶导数为正值；在X＝XA4(或XB4)处，实变函数F(X)的二阶导数为0；并且在区间X＞XA4(或XB4)上，实变函数F(X)的二阶导数为负值。
设定一个以伪等腰三角形的虚构的底边IB为x轴并且以虚构的底边IB的中垂线为y轴的高斯坐标系统，当斜边SR1和斜边SR2共同由实变函数f(x)表示时，实变函数f(x)在区间a＜x＜b(其中a是实变函数f(x)中x的最小允许值，并且b是实变函数f(x)中x的最大允许值)上的各点处具有连续导数。实变函数f(x)的一阶导数在x＝0处为0，并且实变函数f(x)的一阶导数在y＝0处为∞。
在图15的记录层53中，平面形状关于伪等腰三角形的底边的中垂线基本上线对称。
在第七平面形状中，如图16的记录层53的示意性平面图所示，记录层53的平面形状53包括第一形状53A(在图16中由实线表示)，以及一个从第一形状53A突出的突出部53B(在图16中由实线表示)。突出部53B位于突出部轴线(在图16中由单点划线表示)上。突出部轴线经过第一形状53A的中心O，并且突出部轴线与经过第一形状53A的中心O的第一形状轴线(在图16中由单点划线表示)正交。记录层53的易磁化轴(EA)基本上平行于第一形状轴线，并且记录层53的难磁化轴(HA)基本上平行于突出部轴线。此外，满足关系LL＞LS，其中第一形状53A沿第一形状轴线的长度为2LL，并且沿突出部轴线从突出部53B的前端至第一形状53A的中心O的距离为LS。第一形状53A的轮廓与突出部53B的轮廓相交的部分包括向第一形状53A的中心O弯曲的光滑曲线(在图16中由虚线表示)。
第一形状53A是平面卵形，即，由两个半圆(半径：rL)和两条线段的组合所得的图形。突出部53B是由圆形(半径：rS)的一部分形成的。
记录层53的平面形状关于突出部轴线基本上线对称。
在第八平面形状中，如图17的记录层53的示意性平面图所示，记录层的平面形状53是这样的重叠形状，即第一形状53D和第二形状53E彼此重叠，从而第二形状53E在一个位置处从第一形状53D突出。第二形状53E位于第二形状轴线上，第二形状轴线经过第一形状53D的中心O并与经过第一形状53D的中心O的第一形状轴线正交。记录层53的易磁化轴(EA)基本上平行于第一形状轴线，并且记录层53的难磁化轴(HA)基本上平行于第二形状轴线。此外，满足关系LL＞LS，其中第一形状53D沿第一形状轴线的长度为2LL，并且沿第二形状轴线从第二形状53E的前端至第一形状53D的中心O的距离为LS。第一形状53D的轮廓与第二形状53E的轮廓相交的部分包括向第一形状53D的中心O弯曲的光滑曲线(在图17中由虚线表示)。
第一形状53D是平面卵形，即，由两个半圆(半径：rL)和两条线段的组合所得的图形。第二形状53E是由半圆(半径：rS)和两条线段的组合所得的图形。
记录层53的平面形状关于第二形状轴线基本上线对称。
JP-A-2005-353788(日本专利申请No.2004-172122)公开了第一平面形状至第八平面形状的细节。
本领域技术人员应当理解，在所附权利要求或其等同物的范围内，可根据设计需要和其它因素进行各种修改、组合、子组合和改变。

Claims (20)

1.一种非易失性磁存储装置，其包括磁阻效应元件，该磁阻效应元件包括：
(A)具有记录层的分层结构，
(B)与所述分层结构的下部电连接的第一布线，
(C)与所述分层结构的上部电连接的第二布线，以及
(D)包围所述分层结构的层间绝缘层，
其中，所述磁阻效应元件还包括杨氏模量小于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量的低杨氏模量区域，
所述记录层具有易磁化轴和与该易磁化轴正交的难磁化轴，
当形成所述记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值时，所述低杨氏模量区域设置于所述记录层的易磁化轴的延伸区域中，而
当形成所述记录层的材料的磁致伸缩常数λ为负值时，所述低杨氏模量区域设置于所述记录层的难磁化轴的延伸区域中。
2.如权利要求1所述的非易失性磁存储装置，其中，所述低杨氏模量区域由所述第二布线的延伸部分形成。
3.如权利要求1所述的非易失性磁存储装置，其中，所述低杨氏模量区域由包围所述第二布线的上绝缘层的延伸部分形成。
4.如权利要求1所述的非易失性磁存储装置，其中，所述磁阻效应元件包括自旋注入型磁阻效应元件。
5.如权利要求4所述的非易失性磁存储装置，其中，在所述分层结构的下面还设有由场效应晶体管形成的选择晶体管，并且
所述第二布线的延伸方向平行于构成所述场效应晶体管的栅极的延伸方向。
6.如权利要求1所述的非易失性磁存储装置，其中，在所述分层结构的上部和所述第二布线之间设有连接部，并且
形成所述连接部的材料的杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量。
7.如权利要求1所述的非易失性磁存储装置，其中，形成所述第一布线的材料的杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量。
8.如权利要求1所述的非易失性磁存储装置，其中，在所述分层结构的上部和所述第二布线之间设有连接部，
形成所述连接部的材料的杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量，并且
形成所述第一布线的材料的杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量。
9.如权利要求1所述的非易失性磁存储装置，其中，所述记录层的平面形状呈伪菱形，
构成所述伪菱形的四条边中的至少两条边各自包括中心部分向所述伪菱形的中心弯曲的光滑曲线，
所述记录层的易磁化轴基本上平行于所述伪菱形的长轴，
所述记录层的难磁化轴基本上平行于所述伪菱形的短轴，并且
构成所述记录层的平面形状的各条边彼此光滑地连接。
10.一种非易失性磁存储装置，其包括磁阻效应元件，该磁阻效应元件包括：
(A)具有记录层的分层结构，
(B)与所述分层结构的下部电连接的第一布线，
(C)与所述分层结构的上部电连接的第二布线，以及
(D)包围所述分层结构的层间绝缘层，
其中，所述磁阻效应元件还包括杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量的高杨氏模量区域，
所述记录层具有易磁化轴和与该易磁化轴正交的难磁化轴，
当形成所述记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值时，所述高杨氏模量区域设置于所述记录层的难磁化轴的延伸区域中，而
当形成所述记录层的材料的磁致伸缩常数λ为负值时，所述高杨氏模量区域设置于于所述记录层的易磁化轴的延伸区域中。
11.如权利要求10所述的非易失性磁存储装置，其中，所述高杨氏模量区域由所述第二布线的延伸部分形成。
12.如权利要求10所述的非易失性磁存储装置，其中，所述高杨氏模量区域由包围所述第二布线的上绝缘层的延伸部分形成。
13.如权利要求10所述的非易失性磁存储装置，其中，所述磁阻效应元件包括自旋注入型磁阻效应元件。
14.如权利要求13所述的非易失性磁存储装置，其中，在所述分层结构的下面还设有由场效应晶体管形成的选择晶体管，并且
所述第二布线的延伸方向平行于构成场效应晶体管的栅极的延伸方向。
15.如权利要求10所述的非易失性磁存储装置，其中，在所述分层结构的上部和所述第二布线之间设有连接部，并且
形成所述连接部的材料的杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量。
16.如权利要求10所述的非易失性磁存储装置，其中，形成所述第一布线的材料的杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量。
17.如权利要求10所述的非易失性磁存储装置，其中，在所述分层结构的上部和所述第二布线之间设有连接部，
形成所述连接部的材料的杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量，并且
形成所述第一布线的材料的杨氏模量大于形成所述层间绝缘层的材料的杨氏模量。
18.如权利要求10所述的非易失性磁存储装置，其中，所述记录层的平面形状呈伪菱形，
构成所述伪菱形的四条边中的至少两条边各自包括中心部分向所述伪菱形的中心弯曲的光滑曲线，
所述记录层的易磁化轴基本上平行于所述伪菱形的长轴，
所述记录层的难磁化轴基本上平行于所述伪菱形的短轴，并且
构成所述记录层的平面形状的各条边彼此光滑地连接。
19.一种非易失性磁存储装置，其包括磁阻效应元件，该磁阻效应元件包括：
(A)具有记录层的分层结构，
(B)与所述分层结构的下部电连接的第一布线，
(C)与所述分层结构的上部电连接的第二布线，以及
(D)包围所述分层结构的层间绝缘层，
其中，所述磁阻效应元件还包括高杨氏模量区域和杨氏模量小于所述高杨氏模量区域的杨氏模量的低杨氏模量区域，
所述记录层具有易磁化轴和与该易磁化轴正交的难磁化轴，
当形成所述记录层的材料的磁致伸缩常数λ为正值时，所述高杨氏模量区域设置于所述记录层的难磁化轴的延伸区域中，并且所述低杨氏模量区域设置于所述记录层的易磁化轴的延伸区域中，而
当形成所述记录层的材料的磁致伸缩常数λ为负值时，所述高杨氏模量区域设置于所述记录层的易磁化轴的延伸区域中，并且所述低杨氏模量区域设置于所述记录层的难磁化轴的延伸区域中。
20.如权利要求19所述的非易失性磁存储装置，其中，所述记录层的平面形状呈伪菱形，
构成所述伪菱形的四条边中的至少两条边各自包括中心部分向所述伪菱形的中心弯曲的光滑曲线，
所述记录层的易磁化轴基本上平行于所述伪菱形的长轴，
所述记录层的难磁化轴基本上平行于所述伪菱形的短轴，并且构成所述记录层的平面形状的各条边彼此光滑地连接。
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