CN1448945A - 磁阻效应元件和磁存储器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种磁阻效应元件，其中：自由铁磁性层的形状包含具有平行四边形的轮廓的第一部分和从第一部分的一对对角部向与第一部分的一对对边平行的主方向分别伸出的一对第二部分；所述形状对于通过所述第一部分的中心且与主方向平行的直线是非对称的；自由铁磁性层的容易磁化轴在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内；所述第一方向和所述主方向实质上是平行的；所述第二方向与连接所述第二部分的轮廓彼此间的最长的线段实质上是平行的。

Description

磁阻效应元件和磁存储器
技术领域
本发明涉及磁阻效应元件和磁存储器。
背景技术
磁阻效应元件例如具有隔着非磁性层层叠了一对铁磁性层的构造。该磁阻效应元件的电阻值按照一方的铁磁性层的磁化对于另一方的铁磁性层的磁化的相对方向而变化。表现这样的磁阻效应的磁阻效应元件能在各种用途中使用，磁存储器是磁阻效应元件的主要用途之一。
在磁存储器中，一方的铁磁性层为在外加磁场时其磁化方向不变化的钉扎铁磁性层，另一方的铁磁性层是向磁阻效应元件外加所述磁场时，方向能改变的自由铁磁性层，进行信息的存储。即当写入信息时，作用通过使电流脉冲流入字线而产生的磁场和通过使电流脉冲流入位线而产生的磁场的合成磁场。据此，自由铁磁性层的磁化例如对于钉扎铁磁性层的磁化在平行状态和反平行状态之间变化。这样，对应于这两个状态，存储了二进制(“0”、“1”)信息。另外，当读出写入的信息时，使电流流入磁阻效应元件。磁阻效应元件的电阻值在所述的两个状态间彼此不同，所以通过检测流过的电流(或者电阻值)，就能读出存储的信息。
可是，在使磁存储器高集成化上，磁阻效应元件的小面积化是极为有效的。可是，一般在自由铁磁性层中，当没有外部磁场或外部磁场很弱时，在端部附近，是由多个轴构成的复杂的磁区(magneticdomain)构造。如果使自由铁磁性层小面积化，则对于全体，端部占的比例增大，例如在长方形的自由铁磁性层中，在它的长度方向两端部，磁化向着与中央部不同的方向。即产生了所谓的“边缘区”(例如参照J.App.Phys.81，5471(1997))。这时，自由铁磁性层的磁化下降，结果磁阻变化率下降。另外，这时，因为磁化反转时的磁构造的变化变得复杂，所以产生噪声的可能性升高，并且顽磁力(coerciveforce)变大，开关所需的磁场强度(开关磁场)增大。
作为抑制边缘区的技术，我们知道使自由铁磁性层的形状关于它的容易磁化轴(axis of easy magnetization)为非对称的，特别是平行四边形(特开平11-273337号公报)。当自由铁磁性层为这样的形状时，能缩小边缘区的面积，能以几乎单一的磁区构成铁磁性层全体。
另外，作为抑制磁化反转时的磁构造变化复杂化的技术，我们知道通过在自由铁磁性层的两端部附加施加强偏压的构造，固定边缘区(美国专利5,748,524号，特开2000-100153号公报)。
还知道使自由铁磁性层的形状不是单纯的四边形，而是设置向垂直于它的容易磁化轴的方向伸出的小部分，通过设置为“H”或“I”型，使边缘区稳定化，并且避免了复杂磁区的形成(美国专利6,205,053号)。
可是，一般当使自由铁磁性层的形状为平行四边形时，顽磁力变得过大。因为顽磁力的大小是开关磁场的大小的标准，所以意味着开关磁场的增大。即这时，在写入时，必须使大电流流入布线，带来了耗电的增加和布线寿命的缩短等不希望的结果。
另外，当在自由铁磁性层的两端部附加了施加强偏压的构造时，虽然能控制磁构造变化的举动，但是顽磁力增加。并且，在该技术中，因为有必要附加用于固定边缘区的构造，所以不适合于大容量磁存储器等所要求的高密度化。
当使自由铁磁性层的形状为“H”或“I”型时，为了充分发挥由伸出部分取得的效果，有必要增大伸出部分。这时，磁阻效应元件占有的面积增大，很难实现大容量存储器所要求的高集成化。
发明内容
根据本发明的第一侧面，提供了一种磁阻效应元件，具有：在外加磁场时，维持它的磁化方向的第一钉扎铁磁性层；与所述第一钉扎铁磁性层相对，并且在外加所述磁场时，能使它的磁化方向变化的自由铁磁性层；存在于所述第一钉扎铁磁性层和所述自由铁磁性层之间的第一非磁性层；所述自由铁磁性层的对于它的主面垂直观察的形状包含具有平行四边形的轮廓的第一部分和从所述第一部分的一对对角部向与所述第一部分的一对对边平行的主方向分别伸出的一对第二部分；所述自由铁磁性层的所述形状对于通过所述第一部分的中心，并且与所述主方向平行的直线是非对称的；所述自由铁磁性层的容易磁化轴在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内；所述第一方向和所述主方向实质上是平行的；所述第二方向与连接所述第二部分的轮廓彼此间的最长的线段实质上是平行的。
根据本发明的第二侧面，提供了一种磁阻效应元件，具有：在外加磁场时，维持它的磁化方向的第一钉扎铁磁性层；与所述第一钉扎铁磁性层相对，并且在外加所述磁场时，能使它的磁化方向变化的自由铁磁性层；存在于所述第一钉扎铁磁性层和所述自由铁磁性层之间的第一非磁性层；所述自由铁磁性层的对于它的主面垂直观察的形状包含：具有第一对边彼此平行，并且第二对边彼此平行的四边形的轮廓的第一部分；从所述第一部分的一对对角部在与所述第二对边平行的方向分别延伸，并且在与所述第一对边平行的方向的最大宽度比所述第一对边的长度还窄的一对第二部分；所述自由铁磁性层的所述形状对于通过所述第一部分的中心，并且与所述第二对边平行的直线是非对称的；所述自由铁磁性层的容易磁化轴在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内；所述第一方向和所述主方向实质上是平行的；所述第二方向与连接所述第二部分的轮廓彼此间的最长的线段实质上是平行的。
根据本发明的第三侧面，提供了一种磁阻效应元件，具有：在外加磁场时，维持它的磁化方向的第一钉扎铁磁性层；与所述第一钉扎铁磁性层相对，并且在外加所述磁场时，能使它的磁化方向变化的自由铁磁性层；存在于所述第一钉扎铁磁性层和所述自由铁磁性层之间的第一非磁性层；所述自由铁磁性层的对于它的主面垂直观察的形状包含具有平行四边形的轮廓的第一部分和从所述第一部分的一对对角部向与所述第一部分的一对对边平行的主方向分别伸出的一对第二部分；所述自由铁磁性层的所述形状对于通过所述第一部分的中心，并且与所述主方向平行的直线是非对称的；所述第一钉扎铁磁性层的所述磁化方向在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内；所述第一方向和所述主方向实质上是平行的；所述第二方向与连接所述第二部分的轮廓彼此间的最长的线段实质上是平行的。
根据本发明的第四侧面，提供了一种磁阻效应元件，具有：在外加磁场时，维持它的磁化方向的第一钉扎铁磁性层；与所述第一钉扎铁磁性层相对，并且在外加所述磁场时，能使它的磁化方向变化的自由铁磁性层；存在于所述第一钉扎铁磁性层和所述自由铁磁性层之间的第一非磁性层；所述自由铁磁性层的对于它的主面垂直观察的形状包含：具有第一对边彼此平行，并且第二对边彼此平行的四边形的轮廓的第一部分；从所述第一部分的一对对角部在与所述第二对边平行的方向分别延伸，并且在与所述第一对边平行的方向的最大宽度比所述第一对边的长度还窄的一对第二部分；所述自由铁磁性层的所述形状对于通过所述第一部分的中心，并且与所述第二对边平行的直线是非对称的；所述第一钉扎铁磁性层的所述磁化方向在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内；所述第一方向和所述主方向实质上是平行的；所述第二方向与连接所述第二部分的轮廓彼此间的最长的线段实质上是平行的。
根据本发明的第五侧面，提供了一种磁存储器，具有：字线；与所述字线交叉的位线；位于所述字线和所述位线的交叉部或它的附近，并且包含与第一～第四侧面中的任意一种有关的元件的存储单元。
这里，自由铁磁性层的容易磁化轴(或方向)在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内对应于该轴(或方向)与第一以及第二方向的一方平行的构造，或该轴(或方向)与第一以及第二方向分别以比刚才的锐角还小的角度交叉的构造。
在第一～第五侧面中，第一非磁性层可以是非磁性金属层，或者可以是绝缘层。
第一钉扎铁磁性层的磁化方向可以在由刚才的锐角规定的范围内。
磁阻效应元件还可以具有：隔着第一非磁性层和自由铁磁性层与第一钉扎铁磁性层相对，并且在外加所述的磁场时，维持了磁化的方向的第二钉扎铁磁性层；存在于自由铁磁性层和第二钉扎铁磁性层之间的第二非磁性层。这时，第一和第二非磁性层可以分别是非磁性金属层，或者可以是绝缘层。
这样，磁阻效应元件可以是表现出巨磁阻效应的，或者可以是形成了铁磁性一重隧道结的铁磁性一重隧道结元件和形成了铁磁性二重隧道结的铁磁性二重隧道结元件等的铁磁性隧道结元件。
在第一～第五侧面中，第一部分的形状可以是正方形或长方形。
第二部分关于通过第一部分的中心，并且垂直于自由铁磁性层的主面的二次旋转轴(2-fold axis)，可以是旋转对称的。第二部分的各形状可以是三角形、半圆形、正方形以及长方形中的任意一种。
自由铁磁性层的所述形状可以只包含第一部分和第二部分。
须指出的是，这里“实质上平行”是指从平行状态的偏移在数度以内。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是概略表示本发明的第一形态的磁阻效应元件的立体图。
图2是概略表示本发明的第一形态的磁阻效应元件的其他例子的平面图。
图3A是表示图2的磁阻效应元件的角度θ和顽磁力HC的关系的一个例子的曲线图。
图3B是表示图2的磁阻效应元件的角度θ和矩形比Mr/Ms的关系的一个例子的曲线图。
图4是概略表示本发明的第二形态的磁阻效应元件的立体图。
图5A～5C是表示本发明的第一形态的磁阻效应元件的变形例的立体图。
图6A和图6B是概略表示利用了本发明的第一和第二形态的磁阻效应元件的磁随机存取存储器的例子的等价电路图。
图7A～7H是表示例1模拟中利用的自由铁磁性层的平面形状的图。
图8是表示关于图7A所示的形状的自由铁磁性层而取得数据的曲线图。
图9是表示关于图7A～7H所示的形状的自由铁磁性层而取得数据的曲线图。
图10A和10B是概略表示外加外部磁场时的自由铁磁性层的磁区的样子的图。
图11是表示关于具有图7A～7H所示的形状，并且容易磁化轴为x方向的自由铁磁性层而取得的数据的曲线图。
图12是表示关于具有图7A～7H所示的形状，并且使用了CoFe作为磁性材料的自由铁磁性层而取得的数据的曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图，说明本发明的形态。须指出的是，在各图中，对于具有同样或类似的功能的构成要素，采用了相同的符号，省略了重复的说明。
图1是概略表示本发明的第一形态的磁阻效应元件的立体图。图1所示的磁阻效应元件1具有层叠了钉扎铁磁性层2、非磁性层3和自由铁磁性层4的构造。
在钉扎铁磁性层2上，在箭头8所示的方向上赋予了单方向磁各向异性。即钉扎铁磁性层2的磁化向着箭头8所示的方向，在向磁阻效应元件1外加了写入用的磁场时也维持该状态。
而在自由铁磁性层4上，在双箭头9所示的方向赋予了单轴磁各向异性。即如双箭头9所示，它的磁化在向右的状态和向左的状态的两个状态是稳定的，通过外加写入用的磁场，能进行这些状态间的切换。
当从垂直于它的主面的方向观察时，自由铁磁性层4具有第一部分4a和包含一对第二部分4b的形状。须指出的是，在图1中，用虚线表示着第一部分4a和第二部分4b的边界。第一部分4a是完成作为自由铁磁性层4的主要任务的部分，并且具有彼此平行的一对边或端面。第一部分4a的所述一对边或端面的平行方向的宽度W1在这些边或端面间是一定的。当在磁存储器中利用磁阻效应元件1时，这样的形状在使磁存储器高集成化方面是有利的。
一对第二部分4b是实现控制自由铁磁性层4的边缘区的位置和大小以及磁化反转时的磁构造变化等的辅助作用的部分。这些第二部分4b从第一部分4a的左右的边或端面4a1、4a2向与它们垂直的方向分别延伸。另外，这些第二部分4b的各自的宽度W2比第一部分4a的宽度W1还窄，第二部分4b的各面积比第一部分4a的面积还小。
在本形态中，自由铁磁性层4的从垂直于它的主面的方向观察的形状通过第一部分4a的中心，并且关于垂直于第一部分4a的左右的边或端面的直线是非对称的。另外，在本形态中，自由铁磁性层4的容易磁化轴和自由铁磁性层4的形状满足给定的关系。下面参照图2就此加以说明。
图2是概略表示本发明的第一形态的磁阻效应元件的其他例子的平面图。在图2中，在纵向延伸的单点划线41是平行于自由铁磁性层4的纵边的直线，在斜方向延伸的单点划线42是连接一对第二部分4b的一方的轮廓和另一方的轮廓的线段中最长的或与它平行的直线。另外，角度θ表示自由铁磁性层4的容易磁化轴9对于直线41所成的角度，θ1表示直线42对于第一部分的纵边(或直线41)所成的角度。
在本形态中，角度θ为0°以上，并且在θ1以下。如果采用这样的构造，则即使在使自由铁磁性层4小面积化时，也能同时实现取得足够大的残留磁化和用比较弱的磁场使磁化反转等的双方。下面，参照图3A和图3B就此加以说明。
图3A是表示图2的磁阻效应元件的角度θ和顽磁力HC的关系的一个例子的曲线图。另外，图3B是表示图2的磁阻效应元件的角度θ和矩形比Mr/Ms的(残留磁化对于物质常数的比)关系的一个例子的曲线图。在图3A和3B中，横轴表示角度θ。另外，在图3A中，纵轴表示顽磁力HC，在图3B中，纵轴表示矩形比Mr/Ms。
须指出的是，图3A和3B所示的数据是在以下的条件下，通过进行模拟而取得的。即第二部分4b为直角等腰三角形，第二部分4b的最大宽度W2对于第一部分4a的宽度W1的比W2/W1为0.25。另外，使用NiFe作为自由铁磁性层4的材料，它的厚度为2nm。
如图3A和3B所示，当角度θ为0°以上，并且在θ1以下时，顽磁力HC和矩形比Mr/Ms的双方表现了高的值。即通过使角度θ在这样的范围内，就能同时实现取得足够大的残留磁化和用比较弱的磁场使磁化反转等的双方。
另外，如果采用这样的构造，就不会发生第二部分4b的形状偏差引起的自由铁磁性层4的矩形比Mr/Ms或顽磁力HC很大地偏移。并且，在图1所示的构造中，当自由铁磁性层4的容易磁化轴9和/或钉扎铁磁性层2的磁化方向8对于第一部分4a的左右的边或端面几乎垂直时，与几乎平行时相比，在以下方面有利。
例如在使自由铁磁性层4的容易磁化轴9或钉扎铁磁性层2的磁化方向8从图1所示的状态旋转90°的构造中，当减小长度(L1方向)对于自由铁磁性层4的宽度(W1方向)的比即纵横比时，矩形比Mr/Ms的下降大。而在使自由铁磁性层4的容易磁化轴9或钉扎铁磁性层2的磁化方向8为图1所示的状态的构造中，即使减小自由铁磁性层4的纵横比时，也能取得高的矩形比Mr/Ms。因此，在使磁存储器高集成化的观点上更为有利。
在本形态中，如果第一部分4a具有平行的一对边或端面，并且与它们平行的方向的边或端面在它们之间是一定的，则并未特别限制它的形状。可是，当从垂直于它的主面的方向观察第一部分4a时的形状为正方形或长方形时，在使磁存储器高集成化的观点上更为有利。
在本形态中，长度对于自由铁磁性层4的宽度的比即纵横比希望在1～3的范围内，更希望在1～2的范围内，最希望在1～1.5的范围内。如上所述，一般矩形比Mr/Ms的下降在减小纵横比时特别成为问题。因此，上述的效果在自由铁磁性层4的纵横比在所述范围内时特别重要。
在本形态中，第二部分4b最好通过第一部分4a的中心，并且关于垂直于自由铁磁性层4的主面的二次旋转轴是旋转对称的。这时，当在磁存储器中利用了磁阻效应元件1时，在从信息“0“到信息“1”的改写时和从信息“1”到信息“0”的改写时，能取得彼此相等的效果。
并未特别限制第二部分4b的形状，例如可以是三角形、半圆形、半椭圆形、正方形或长方形等。可是，通常各第二部分4b在第一部分4a一侧为宽度最大的形状。
如上所述，第一部分4a完成作为自由铁磁性层4的主要任务，第二部分4b实现控制自由铁磁性层4的边缘区的位置和大小以及磁化反转时的磁构造变化等的辅助作用。因此，希望第二部分4b比第一部分4a小。例如希望第二部分4b的长度L2对于第一部分4a的长度L1的比L2/L1在1以下，更希望在0.75以下。另外，希望第二部分4b的最大宽度W2对于第一部分4a的宽度W1的比W2/W1在0.5以下，更希望在0.3以下。
可是，当第二部分4b对于第一部分4a过于小时，第二部分4b就无法发挥充分的效果。因此，希望L2/L1在0.05以上，更希望在0.1以上。另外，第二部分4b的最大宽度W2对于第一部分4a的宽度W1的比W2/W1在0.05以上，更希望在0.1以上。
希望把第二部分4b设置在第一部分4a的对角位置上。这时，即使第二部分4b小，也能充分控制边缘区的位置和大小以及磁化反转时的磁构造变化等。
在本形态中，自由铁磁性层4的厚度希望在50nm以下，更希望在10nm以下，最希望在5nm以下。自由铁磁性层4的厚度的下限值是它不失去作为铁磁性层的功能的程度的厚度。当自由铁磁性层4更薄时，顽磁力减小。因此，当在磁存储器中利用了磁阻效应元件1时，能降低写入时的耗电。
下面，就本发明的第二形态加以说明。
图4是概略表示本发明的第二形态的磁阻效应元件的立体图。图4所示的磁阻效应元件1除了自由铁磁性层4的形状不同，具有与图1所示的磁阻效应元件1几乎同样的构造。即在本形态中，自由铁磁性层4由第一部分4a、一对第二部分4b和一对第三部分4c构成。
第三部分4c与第二部分4b分开，并且分别从第一部分4a的左右的边或端面在垂直于它们的方向延伸。第三部分4c比第二部分4b的面积小，起到增大以及/或平衡通过设置第二部分4b而取得的各种效果的作用。
第三部分4c的长度L3对于第二部分4b的长度L2的比L3/L2在1以下，更希望在0.7以下。第三部分4c的最大宽度W3对于第二部分4b的最大宽度W2的比W3/W2在1以下，更希望在0.7以下。这时，能抑制对边缘区的位置和大小以及磁化反转时的磁构造变化等的控制效果的减小。须指出的是，虽然未特别限制比L3/L2和比W3/W2的下限值，但是当比L3/L2在0.6以上时，或比W3/W2在0.5以上时，通常通过设置第三部分4c而产生的效果是显著的。
以上说明的第一和第二形态的磁阻效应元件1能有各种变形。
图5A～5C是概略表示本发明的第一形态的磁阻效应元件的变形例的立体图。
在图5A所示的磁阻效应元件1中，在钉扎铁磁性层2的与自由铁磁性层4相对的面的背面设置了反铁磁性层5。当这样与钉扎铁磁性层2相邻设置了反铁磁性层5时，能更牢固地固定钉扎铁磁性层2的磁化方向。另外，在图5A所示的磁阻效应元件1中，钉扎铁磁性层2、非磁性层3、反铁磁性层5的全体具有与自由铁磁性层4相等的形状。当采用了这样的构造时，能用单一的工艺实施钉扎铁磁性层2、非磁性层3、自由铁磁性层4、反铁磁性层5的构图。
在图5B所示的磁阻效应元件1中，在自由铁磁性层4的与钉扎铁磁性层2相对的面的背面依次设置了非磁性层6和钉扎铁磁性层7。即图5B所示的磁阻效应元件1例如是非磁性层3、6为隧道绝缘膜的铁磁性二重隧道结元件。这样的构造在取得更大的输出上是有利的。另外，在图5B所示的磁阻效应元件1中，非磁性层3和自由铁磁性层4具有彼此相等的形状，非磁性层6和钉扎铁磁性层7具有彼此相等的形状。例如通过在钉扎铁磁性层2的构图后，用单一的工艺实施非磁性层3和自由铁磁性层4的构图，然后，再用单一的工艺实施非磁性层6和钉扎铁磁性层7的构图，就取得了这样的磁阻效应元件1。
图5C所示的磁阻效应元件1除了钉扎铁磁性层2、非磁性层3、6和自由铁磁性层4的形状彼此相等以外，具有与图5B所示的磁阻效应元件1同样的构造。例如通过用单一的工艺实施钉扎铁磁性层2、非磁性层3、自由铁磁性层4、非磁性层6和钉扎铁磁性层7的构图，就取得了这样的磁阻效应元件1。须指出的是，在图5B和5C所示的磁阻效应元件1中，可以在钉扎铁磁性层2、7的任意一方上设置反铁磁性层，或者在钉扎铁磁性层2、7的双方上设置反铁磁性层。
须指出的是，参照图5A～5C说明了的构造不仅第一形态的磁阻效应元件，第二形态的磁阻效应元件也能利用。
利用半导体工艺能形成参照图1、2和图3A～3C说明的磁阻效应元件1。这时，在图中，在下方描绘的层可以与衬底相对，或者，上方描绘的层可以与衬底相对。
例如，利用溅射法等，形成磁性膜或磁性层叠膜，然后通过使用通常的光刻技术进行构图，就能形成自由铁磁性层4。在该方法中，在构图时，通过使用具有与自由铁磁性层4的平面形状对应图案的掩模，就能取得上述形状的自由铁磁性层4。须指出的是，如上所述，根据本形态，即使第二部分4b的形状有些偏差，自由铁磁性层4的顽磁力也不会有大的偏差。因此，即使由于加工精度的误差，自由铁磁性层4的形状产生偏差，也能使它的顽磁力的偏差十分小，特别是当比W2/W1在0.5以下时，能使顽磁力的偏差极小。
另外，可以用以下的方法形成自由铁磁性层4。即首先作为第一步骤，把磁性膜或磁性层叠膜加工为线和间隔图案。这样的构图，即使在线和间隔的宽度分别为例如0.1μm以下时，也能以百分之几以下的误差进行。须指出的是线和间隔的长度方向为容易磁化轴的方向。接着，作为第二步骤，对于线和间隔图案，在垂直于容易磁化轴方向的方向进行加工。如上所述，取得上述形状的自由铁磁性层4。须指出的是，第二步骤的加工可以是与第一步骤的加工同样的直线加工，或者是使用了通常掩模的加工。通过使用掩模而产生的误差对磁性质、特别是对顽磁力的影响如上所述是很小的。
另外，能利用电子束描绘法来形成自由铁磁性层4。这时，为了形成所需形状的第二部分4b，在第二部分4b的附近，增加电子束的照射量，或者通过电子束照射为点状，能进行高精度的形状控制。
例如，能在磁存储器、磁传感器和磁再现装置的磁头等的各种用途中利用上述的磁阻效应元件1。下面，就利用了磁阻效应元件1的磁存储器加以说明。
图6A和6B是概略表示利用了本发明的第一和第二形态的磁阻效应元件的磁随机存取存储器的例子的等价电路图。
在图6A所示的磁随机存取存储器(以下称作MRAM)中，连接了行解码器11的读出用字线(WL1)13和写入用字线(WL2)14与连接了列解码器12的位线15交叉。字线13、14和位线15的各交叉部或它的附近，配置了包含磁阻效应元件1和MOSFET那样的晶体管20的存储单元。
在该MRAM中，在向磁阻效应元件1写入信息时，通过使电流脉冲流入字线14而产生的磁场和使电流脉冲流入位线15而产生的磁场的合成磁场，使磁阻效应元件1的自由铁磁性层4的磁化反转。另外，在MRAM中，在读出写入磁阻效应元件1中的信息时，使电流流入由晶体管20选择的磁阻效应元件1，按照磁阻效应元件1的电阻来判断写入的信息是“1”和“0”中的哪一个。
在图6B所示的MRAM中，连接了未图示的行解码器的字线(WL)16和连接了未图示的列解码器的位线(BL)17交叉。在字线16和位线17的各交叉部附近，分别串联着包含磁阻效应元件1和二极管21的存储单元。
在图6A和6B所示的MRAM中，使用上述的磁阻效应元件1。因此，即使在高集成化时，写入时的耗电也不会显著增加，另外，能取得噪声小的大信号。
须指出的是，上述的磁阻效应元件1并不局限于图6A和6B所示的MRAM，还能应用于各种MRAM中。例如在图6A和6B所示的MRAM中，能用磁阻效应元件1和晶体管或二极管等的开关元件构成存储单元，进行非破坏读出，但是当进行破坏读出时，可以在存储单元中不使用开关元件。另外，在图6A和6B所示的MRAM中，用一个磁阻效应元件和一个开关元件构成了一个存储单元，但是也可以用多个磁阻效应元件和多个开关元件构成一个存储单元，进行差动放大和多值存储。
以下，下面就本发明的实施例加以说明。
(例1)
在本例子中，关于自由铁磁性层4，使用计算机进行模拟，调查了它的平面形状和特性的关系。须指出的是，在本例子中，使用NiFe作为自由铁磁性层4的材料，它的厚度为2nm。
图7A～7H是表示例1在模拟中利用的自由铁磁性层的平面形状的图。图7A～7H所示的自由铁磁性层4都具有与y方向平行的容易磁化轴。另外，具有图7A～7D所示的形状的自由铁磁性层4的磁阻效应元件1相当于本发明的例子，具有图7E～7H所示的形状的自由铁磁性层4的磁阻效应元件1相当于比较例。须指出的是，图7A～7D的斜的单点划线相当于图2所示的直线42。
下面，说明模拟中利用的自由铁磁性层4的尺寸等。
关于图7A～7C所示的自由铁磁性层4，第一部分4a为一边的长度是0.1μm的正方形，第二部分4b分别为三角形、半圆形、正方形。关于图7A所示的自由铁磁性层4，第二部分4b为直角等腰三角形，关于刚才说明的比W2/W1为0.05、0.1、0.25、0.5、0.75时进行了计算。须指出的是，当第二部分4b为三角形时，没有理由局限于直角等腰三角形。关于图7B所示的自由铁磁性层4，关于比W2/W1为0.25、0.5、0.75时进行了计算。关于图7C所示的自由铁磁性层4，关于比W2/W1为0.25、0.5、0.75时进行了计算。
关于图7D所示的自由铁磁性层4，第一部分4a为一边的长度是0.1μm的正方形，第二部分4b和第三部分4c双方是半圆形。关于该自由铁磁性层4，关于比W2/W1为0.5并且W3/W1为0.25时进行了计算。
关于图7E～7G所示的自由铁磁性层4，第一部分4a为一边的长度是0.1μm的正方形，第二部分4b和第三部分4c双方是三角形、半圆形、正方形。关于图7E所示的自由铁磁性层4，关于比W2/W1和W3/W1的双方为0.25和0.5时进行了计算。关于图7F所示的自由铁磁性层4，关于比W2/W1和W3/W1的双方为0.05、0.25和0.5时进行了计算。关于图7G所示的自由铁磁性层4，关于比W2/W1和W3/W1的双方为0.25时进行了计算。
图7H所示的自由铁磁性层4是平行四边形。关于该自由铁磁性层4，作为底边为0.1μm，高度为0.1μm，并且具有45°的锐角的平行四边形进行了计算。
图8是表示关于图7A所示形状的自由铁磁性层而取得的数据的图表。图中，横轴表示自由铁磁性层4的顽磁力HC，纵轴表示它的矩形比Mr/Ms。另外，图8所示的磁滞现象曲线中，曲线31～35分别表示比W2/W1为0.05、0.1、0.25、0.5、0.75时所取得的数据。从图8可知，矩形比Mr/Ms和顽磁力HC双方依存于第二部分4b的大小。
图9是表示关于图7A～7H所示形状的自由铁磁性层而取得数据的曲线图。图中，横轴表示自由铁磁性层4的顽磁力HC，纵轴表示它的矩形比Mr/Ms。另外，图中“Normal”表示自由铁磁性层4的平面形状为正方形时取得的数据。须指出的是，以下的表1中表示了与图9对应的数据。
表1
自由铁磁性层的平面几何形状     W2/W1     W3/W1     HC(Oe)   Mr/Ms
    Normal     _     _     37.9   0.7
    (a)     0.05     _     45.2   0.73
    0.10     _     45.8   0.75
    0.25     _     47.2   0.8
    0.50     _     112.5   0.92
    0.75     _     147.3   0.96
    (b)     0.25     _     47.0   0.80
    0.50     _     81.2   0.94
    0.75     _     115.5   0.99
    (c)     0.25     _     79.2   0.86
    0.50     _     146.3   0.97
    0.75     _     149.1   0.98
    (d)     0.50     0.25     82.9   0.99
    (e)     0.25     0.25     112.9   0.98
    0.50     0.50     249.9   0.99
    (f)     0.05     0.05     46.5   0.79
    0.25     0.25     48.7   0.96
    0.50     0.50     83.3   1.00
    (g)     0.25     0.25     116.0   1.00
    (h)     _     _     179.8   0.90
从图9和表1可知，关于图7A所示的形状而取得的自由铁磁性层4的倾向在其他的形状的自由铁磁性层4中也是同样的。另外，当设置了第二部分4b时，不依存于它的形状，能改善矩形比Mr/Ms。实际上，平面形状为正方形的自由铁磁性层4中，矩形比Mr/Ms为0.7，而平面形状为图7A所示的形状，并且W2/W1为0.05的自由铁磁性层4中，矩形比Mr/Ms为0.73。即矩形比Mr/Ms增加了4％。另外，在平面形状为图7A～7D所示的形状的其他的自由铁磁性层4中，取得了更高的矩形比Mr/Ms。
另外，如上所述，顽磁力过大在实用上是不希望的。如果参照表1，则设置第二部分4b时与自由铁磁性层4的平面形状为正方形时(Normal)相比，自由铁磁性层4的顽磁力增大。但是，如果与具有图7H所示的平面形状的自由铁磁性层4相比，则相当抑制了顽磁力的增大。特别是当对自由铁磁性层4采用图7A所示的平面形状，并且W2/W1为0.05、0.1、0.25时，以及对自由铁磁性层4采用图7B所示的平面形状，并且W2/W1为0.25时，以及对自由铁磁性层4采用图7C所示的平面形状，并且W2/W1为0.05、0.25时，伴随着设置第二部分4b而发生的顽磁力的增大是极小的。这样，当对自由铁磁性层4采用了图7A～7D所示的构造时，没有顽磁力的大幅度的增加，能显著提高矩形比Mr/Ms。
另外，当对自由铁磁性层4采用了图7A～7D所示的构造时，能抑制顽磁力的偏差。下面，参照图10A和10B就此加以说明。
图10A和10B概略地表示了外加外部磁场时的自由铁磁性层的磁区的样子的图。图10A表示根据微磁学而计算图7A所示的自由铁磁性层4的磁区的结果。另外，图10B表示根据微磁学而计算图7F所示的自由铁磁性层4的磁区的结果。须指出的是，在图10A和10B中，箭头表示磁化的方向。
在图10A中，磁化的方向沿着自由铁磁性层4的轮廓缓和地变化，平均上几乎向着正方形的对角线方向。另外，在图10B中，磁化的平均方向稍微从y轴方向(图中，纵向)倾斜，但是分别几乎向着同一方向。即在图10A和10B所示的任意的状态下，自由铁磁性层4几乎由单一的磁区构成。
如果参照表1，在比W2/W1和比W3/W1的双方一定(＝0.25)的条件下，对自由铁磁性层4采用了图7E～7G所示的构造时，顽磁力分散在48.7～116.0Oe的范围内。而当对自由铁磁性层4采用了图7A～7C的构造时，比W2/W1为一定(＝0.25)的条件下的顽磁力的偏差被抑制在47.0～79.2Oe的范围内。因此，当对自由铁磁性层4采用了图7A～7D的构造时，即使在构图时，自由铁磁性层4的形状中产生偏差，也能抑制顽磁力产生偏差。
(例2)
在本例子中，除了图7A～7H所示的平面形状的自由铁磁性层4的容易磁化轴为x方向以外，以与例1中说明的同样的条件进行了模拟。须指出的是，具有这样的自由铁磁性层4的磁阻效应元件1相当于比较例。
图11是表示关于具有图7A～7H所示的形状，并且容易磁化轴为x方向的自由铁磁性层而取得的数据的曲线图。图中，横轴表示自由铁磁性层4的顽磁力HC，纵轴表示它的矩形比Mr/Ms。另外，图中，“Normal”表示自由铁磁性层4的平面形状为正方形时所取得的数据。须指出的是，以下的表2表示了与图11对应的数据。
表2
  自由铁磁性层的平面几何形状     W2/W1     W3/W1   HC(Oe)   Mr/Ms
    Normal     _     _   37.922   0.700
    (a)     0.05     _   43.676   0.682
    0.10     _   15.977   0.655
    0.25     _   17.218   0.594
    0.50     _   28.738   0.393
    0.75     _   54.511   0.280
    (b)     0.25     _   15.107   0.600
    0.50     _   16.845   0.348
    0.75     _   16.814   0.148
    (c)     0.25     _   17.274   0.497
    0.50     _   19.660   0.231
    0.75     _   15.269   0.158
    (d)     0.50     0.25   9.950   0.110
    (e)     0.05     0.05   14.811   0.608
    0.25     0.25   22.131   0.921
    0.50     0.50   89.168   0.806
    (f)     0.25     0.25   10.626   0.290
    (g)     0.25     0.25   149.853   0.836
    (h)     _     _   115.825   0.431
从图11和表2可知：如果使容易磁化轴为x方向，则当设置了第二部分4b时与自由铁磁性层4的平面形状为正方形时相比，矩形比Mr/Ms有下降的倾向。并且，自由铁磁性层4依存于第二部分4b的大小和形状，大大地偏移。即当使容易磁化轴为x方向时，很难稳定地取得高的矩形比Mr/Ms。
(例3)
在本例子中，除了对自由铁磁性层4的材料使用了CoFe以外，用与例1中说明的同样的条件进行了模拟。
图12是表示关于具有图7A～7H所示的形状，并且使用了CoFe作为磁性材料的自由铁磁性层而取得的数据的曲线图。图中，横轴表示自由铁磁性层4的顽磁力HC，纵轴表示它的矩形比Mr/Ms。另外，图中，“Normal”表示自由铁磁性层4的平面形状为正方形时所取得的数据。须指出的是，以下的表3表示了与图12对应的数据。
表3
  自由铁磁性层的平面几何形状     W2/W1     W3/W1   HC(Oe)   Mr/Ms
    Normal     _     _   60.799   0.826
    (a)     0.05     _   109.720   0.815
    0.10     _   170.788   0.845
    0.25     _   141.074   0.811
    0.50     _   178.630   0.895
    0.75     _   245.060   0.947
    (b)     0.25     _   108.260   0.887
    0.50     _   178.757   0.908
    0.75     _   214.799   0.979
    (c)     0.25     _   143.332   0.840
    0.50     _   213.337   0.928
    0.75     _   313.883   0.958
    (d)     0.50     0.25   178.244   0.972
    (e)     0.25     0.25   206.932   0.914
    (f)     0.25     0.25   139.600   0.914
    (g)     0.25     0.25   182.309   0.953
    (h)     _     _   342.365   0.897
从图12和表3可知：当使用了CoFe作为自由铁磁性层4的材料时，取得了与使用NiFe时同样的结果。即当对自由铁磁性层4采用了图7A～7D所示的平面形状时，能提高矩形比Mr/Ms，并且不带来顽磁力HC的大幅度增大，另外，不会发生第二部分4b的形状的偏差引起的顽磁力HC和矩形比Mr/Ms大大地偏移。
在所述例1～例3中，说明了使用NiFe和CoFe作为自由铁磁性层4的材料时的情形，但是自由铁磁性层4的材料并不局限于此。例如，作为自由铁磁性层4的材料，能使用Fe、Ni、Co等的金属和它们的合金以及Fe2O3和LaMnO3等的氧化物磁性体等。另外，自由铁磁性层4可以具有单层构造，也可以具有层叠构造。当对自由铁磁性层4采用层叠构造时，可以层叠多种磁性层，或者交替层叠非磁性金属层、介质层或绝缘层和磁性层。
对那些熟知本技术的人来讲，能容易地取得附加的利益和修改。因此，本发明在其更广阔的方面并不局限于这里表示和描述的特定细节和代表实施例。因此，在不脱离附加的权利要求书和它的等价物中定义的概括的发明性概念的精神或范围的前提下，能进行各种修改。

Claims (20)

1.一种磁阻效应元件，具有：在外加磁场时维持磁化方向的第一钉扎铁磁性层；与所述第一钉扎铁磁性层相对且在外加所述磁场时磁化方向变化的自由铁磁性层；存在于所述第一钉扎铁磁性层和所述自由铁磁性层之间的第一非磁性层；
所述自由铁磁性层的对于它的主面垂直观察的形状包含具有平行四边形的轮廓的第一部分和从所述第一部分的一对对角部向与所述第一部分的一对对边平行的主方向分别伸出的一对第二部分；
所述自由铁磁性层的所述形状对于通过所述第一部分的中心且与所述主方向平行的直线是非对称的；
所述自由铁磁性层的容易磁化轴在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内；所述第一方向和所述主方向实质上是平行的；所述第二方向与连接所述第二部分的轮廓彼此间的最长的线段实质上是平行的。
2.根据权利要求1所述的元件，其中：所述第一钉扎铁磁性层的所述磁化在由所述锐角规定的所述范围内。
3.根据权利要求1所述的元件，其中：还具有：隔着所述第一非磁性层和所述自由铁磁性层与所述第一钉扎铁磁性层相对且在外加所述的磁场时维持磁化方向的第二钉扎铁磁性层；存在于所述自由铁磁性层和所述第二钉扎铁磁性层之间的第二非磁性层。
4.根据权利要求1所述的元件，其中：所述第一部分的形状是正方形或长方形。
5.根据权利要求1所述的元件，其中：所述第二部分关于通过所述第一部分的中心且垂直于所述自由铁磁性层的主面的二次旋转轴是旋转对称的。
6.根据权利要求1所述的元件，其中：所述第二部分的各形状是三角形、半圆形、正方形以及长方形中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的元件，其中：所述自由铁磁性层的所述形状只包含所述第一部分和所述第二部分。
8.一种磁存储器，具有：字线；与所述字线交叉的位线；位于所述字线和所述位线的交叉部或它的附近且包含权利要求1所述的元件的存储单元。
9.根据权利要求8所述的磁存储器，其中：所述第一钉扎铁磁性层的所述磁化在由所述锐角规定的所述范围内。
10.根据权利要求8所述的磁存储器，其中：所述元件还包含：隔着所述第一非磁性层和所述自由铁磁性层与所述第一钉扎铁磁性层相对且在外加所述磁场时维持磁化方向的第二钉扎铁磁性层；存在于所述自由铁磁性层和所述第二钉扎铁磁性层之间的第二非磁性层。
11.根据权利要求8所述的磁存储器，其中：所述第一部分的形状是正方形或长方形。
12.根据权利要求8所述的磁存储器，其中：所述第二部分的一方对于所述第二部分的另一方，是以通过所述第一部分的中心且关于垂直于所述自由铁磁性层的主面的轴为二次旋转轴的旋转对称的关系。
13.根据权利要求8所述的磁存储器，其中：所述第二部分分别具有三角形、半圆形、正方形以及长方形中的任意一种的形状。
14.根据权利要求8所述的磁存储器，其中：所述自由铁磁性层的所述形状只包含所述第一部分和所述第二部分。
15.一种磁阻效应元件，具有：在外加磁场时维持磁化方向的第一钉扎铁磁性层；与所述第一钉扎铁磁性层相对且在外加所述磁场时磁化方向变化的自由铁磁性层；存在于所述第一钉扎铁磁性层和所述自由铁磁性层之间的第一非磁性层；
所述自由铁磁性层的对于它的主面垂直观察的形状包含：具有第一对边彼此平行且第二对边彼此平行的四边形轮廓的第一部分；从所述第一部分的一对对角部在与所述第二对边平行的方向分别延伸且在与所述第一对边平行方向的最大宽度比所述第一对边的长度还窄的一对第二部分；
所述自由铁磁性层的所述形状对于通过所述第一部分的中心且与所述第二对边平行的直线是非对称的；
所述自由铁磁性层的容易磁化轴在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内；所述第一方向和所述主方向实质上是平行的；所述第二方向与连接所述第二部分的轮廓彼此间的最长的线段实质上是平行的。
16.根据权利要求15所述的元件，其中：所述第一钉扎铁磁性层的所述磁化在由所述锐角规定的所述范围内。
17.根据权利要求15所述的元件，其中：还具有：隔着所述第一非磁性层和所述自由铁磁性层与所述第一钉扎铁磁性层相对且在外加所述的磁场时维持磁化方向的第二钉扎铁磁性层；存在于所述自由铁磁性层和所述第二钉扎铁磁性层之间的第二非磁性层。
18.一种磁存储器，具有：字线；与所述字线交叉的位线；位于所述字线和所述位线的交叉部或它的附近且包含权利要求15所述的元件的存储单元。
19.一种磁阻效应元件，具有：在外加磁场时维持磁化方向的第一钉扎铁磁性层；与所述第一钉扎铁磁性层相对且在外加所述磁场时磁化方向变化的自由铁磁性层；存在于所述第一钉扎铁磁性层和所述自由铁磁性层之间的第一非磁性层；
所述自由铁磁性层的对于它的主面垂直观察的形状包含具有平行四边形轮廓的第一部分和从所述第一部分的一对对角部向与所述第一部分的一对对边平行的主方向分别伸出的一对第二部分；
所述自由铁磁性层的所述形状对于通过所述第一部分的中心且与所述主方向平行的直线是非对称的；
所述第一钉扎铁磁性层的所述磁化方向在由第一方向对第二方向所成的锐角所规定的范围内；所述第一方向和所述主方向实质上是平行的；所述第二方向与连接所述第二部分的轮廓彼此间的最长的线段实质上是平行的。
20.一种磁存储器，具有：字线；与所述字线交叉的位线；位于所述字线和所述位线的交叉部或它的附近且包含权利要求19所述的元件的存储单元。
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