JP2004296858A

JP2004296858A - 磁気記憶素子及び磁気記憶装置

Info

Publication number: JP2004296858A
Application number: JP2003088259A
Authority: JP
Inventors: Takashi Osanaga; 隆志長永; Takeharu Kuroiwa; 丈晴黒岩; Hiroshi Kobayashi; 浩小林; Satokatsu Haiyama; 沙徳克拜山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】磁化反転の容易性、セル選択の信頼性向上、更にはセル面積の微細化の少なくとも二つを両立する磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】本発明の記録層は、磁化困難軸方向の磁界Ｈｘ、磁化容易軸方向の磁界Ｈｙについてのアステロイド曲線を示すプロット３５が、磁界Ｈｘのある値（磁化困難軸方向しきい値）を境に急峻に変化する。磁界Ｈｘが磁化困難軸方向しきい値よりも小さい場合には反転磁界が従来の記録層のアステロイド曲線を示すプロット３１よりも大きい反面、磁化困難軸方向しきい値よりも大きい場合には反転磁界がプロット３１よりも小さい。よって選択されない記録層が誤って磁化反転しにくく、選択された記録層における磁化反転が容易となる。しかも記録層のアスペクト比を小さくすることができ、メモリセルの面積を増大させることもない。
【選択図】図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気記憶技術に関し、巨大磁気抵抗効果やトンネル磁気抵抗効果によりデータを記憶する磁気記憶装置に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗（ＭＲ：ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果は、磁性体に磁界を加えることにより電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッドなどに利用されている。近年、非常に大きな磁気抵抗効果を示す巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果材料として、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕなどの人工格子膜などが例えば後掲する非特許文献１，２で紹介されている。
【０００３】
また、強磁性層間の交換結合作用がなくなる程度に厚い非磁性金属層を持つ強磁性層／非磁性層／強磁性層／反強磁性層からなる構造により、強磁性層／反強磁性層を交換結合させて、その強磁性層の磁気モーメントを固定し、他方の強磁性層のスピンのみを外部磁界で容易に反転できるようにした、いわゆるスピンバルブ膜が知られている。反強磁性体としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどが用いられている。この場合、２つの強磁性層間の交換結合が弱く小さな磁界でスピンが反転できるので、上記交換結合膜に比べて高感度の磁気抵抗素子を提供できることから、高密度磁気記録用再生ヘッドとして用いられている。上記のスピンバルブ膜は、膜面内方向に電流を流すことで用いられる。
【０００４】
一方、膜面に対して垂直方向に電流を流す垂直磁気抵抗効果を利用すると、更に大きな磁気抵抗効果が得られることが、例えば後掲する非特許文献３に示されている。
【０００５】
更には、強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる３層膜において、外部磁界によって２つの強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行にすることにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが異なることを利用した、強磁性トンネル接合によるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果も、例えば後掲する非特許文献４に示されている。
【０００６】
近年、ＧＭＲ及びＴＭＲ素子を、不揮発性磁気記憶半導体装置（ＭＲＡＭ：ｍａｇｎｅｔｉｃｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ）に利用する研究が、例えば非特許文献５乃至７に示されている。
【０００７】
この場合、保磁力の異なる２つの強磁性層で非磁性金属層を挟んだ擬スピンバルブ素子や強磁性トンネル効果素子が検討されている。ＭＲＡＭへ利用する場合にはこれらの素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加し、各素子を構成する２つの磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、“１”、“０”が記録される。読み出しはＧＭＲやＴＭＲ効果を利用して行なわれる。
【０００８】
ＭＲＡＭにおいては、ＧＭＲ効果に対しＴＭＲ効果を利用した方が低消費電力であるから、主としてＴＭＲ素子を用いることが検討されている。ＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭは、室温でＭＲ変化率が２０％以上と大きく、且つトンネル接合における抵抗が大きいので、より大きな出力電圧が得られること、また読み出し時にスピン反転をする必要がなく、それだけ小さい電流で読み出しが可能であることなどの特徴があり、高速書き込み・読み出し可能な低消費電力型の不揮発性半導体記憶装置として期待されている。
【０００９】
ＭＲＡＭの書き込み動作においては、ＴＭＲ素子における強磁性層の磁気特性を制御することが望まれる。具体的には、非磁性層を挟む２つの強磁性層の相対的な磁化方向を、平行・反平行に制御する技術、及び所望のセルにおける一方の磁性層を確実且つ効率的に磁化反転する技術が望まれる。非磁性層を挟む２つの強磁性層の相対的な磁化方向を、膜面内において均一に平行・反平行に制御する技術は、例えば後掲する特許文献１に示されている。
【００１０】
またＭＲＡＭでは、高集積化のためにセルの微細化を実施した場合、磁性層の膜面方向の大きさに依存して反磁界により反転磁界が増大する。これにより書き込み時に大きな磁界が必要となり、消費電力も増大する。このため、後掲する特許文献２に示されるように強磁性層の形状を最適化し、磁化反転を容易にする技術が提案されている。
【００１１】
ＭＲＡＭにおける高集積化に伴いセルの微細化を実施した場合、反磁界の影響により書き込み時に更に大きな磁界が必要となるため、選択セルの周辺に及ぼす磁界の影響が大きくなり、誤った磁化反転は顕著になる。これに対処すべく、パーマロイのような高透磁率の材料により被覆した配線を形成し、ＴＭＲ素子に磁界を集中させることが、例えば後掲する特許文献３で提案されている。
【００１２】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｈ．Ｍｏｓｃａｅｔａｌ．，“ＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｙｉｎｔｅｒｌａｙｅｒｃｏｕｐｌｉｎｇａｎｄｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎＣｏ／Ｃｕｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｓｍａｎｄＭａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ９４（１９９１）ｐｐ．Ｌ１−Ｌ５
【非特許文献２】
Ｓ．Ｓ．Ｐ．Ｐａｒｋｉｎｅｔａｌ．，“ＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｙＭａｇｎｅｔｉｃＥｘｃｈａｎｇｅＣｏｕｐｌｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈＴｈｉｎＣｏｐｐｅｒＬａｙｅｒｓ”，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６６，Ｎｏ．１６，２２Ａｐｒｉｌ１９９１，ｐｐ．２１５２−２１５５
【非特許文献３】
Ｗ．Ｐ．Ｐｒａｔｔｅｔａｌ．，“ＰｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｏｆＡｇ／ＣｏＭｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６６，Ｎｏ．２３，１０Ｊｕｎｅ１９９１，ｐｐ．３０６０−３０６３
【非特許文献４】
Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉｅｔａｌ．，“ＧｉａｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｔｕｎｎｅｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｎＦｅ／Ａｌ２Ｏ３／Ｆｅｊｕｎｃｔｉｏｎ”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｓｍａｎｄＭａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓ１３９（１９９５），ｐｐ．Ｌ２３１−Ｌ２４１
【非特許文献５】
Ｓ．Ｔｅｈｒａｎｉｅｔａｌ．，“Ｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｓｕｂｍｉｃｒｏｎｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ（ｉｎｖｉｔｅｄ）”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．８，１５Ａｐｒｉｌ１９９９，ｐｐ．５８２２−５８２７
【非特許文献６】
Ｓ．Ｓ．Ｐ．Ｐａｒｋｉｎｅｔａｌ．，“Ｅｘｃｈａｎｇｅ−ｂｉａｓｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｔｕｎｎｅｌｊｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅｍａｇｎｅｔｉｃｒａｎｄｏｍａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ（ｉｎｖｉｔｅｄ）”，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．８，１５Ａｐｒｉｌ１９９９，ｐｐ．５８２８−５８３３
【非特許文献７】
ＩＳＳＣＣ２００１ＤｉｇｏｆＴｅｃｈ．Ｐａｐｅｒｓ，ｐ．１２２
【特許文献１】
特開平１１−２７３３３７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２８０６３７号公報
【特許文献３】
特開２０００−３５３７９１号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
非磁性層を挟む２つの強磁性層の相対的な磁化方向を、平行・反平行に制御すること、所望のセルにおける一方の磁性層を確実且つ効率的に磁化反転すること、磁性層の膜面方向の大きさに依存する反磁界を小さくすることを解決するためには、外部磁界により磁化反転する強磁性体の材料を最適化すること、その形状を最適化することが有効であると考えられる。しかしながら、従来技術においては、磁化反転を容易にすること、セル選択の信頼性向上、更にはセル面積の微細化のそれぞれを両立させてはいない。また特許文献３に示される技術を採用しても、書き込み時の低消費電力化、及び書き込み線周辺部の誤った磁化反転の防止には有効であるが、書き込み線び直上若しくは直下のセルにおける誤った磁化反転を防止するものではない。
【００１４】
それゆえ、本発明の目的は、磁化反転を容易にすること、セル選択の信頼性向上、更にはセル面積の微細化の少なくとも二つを両立させる磁気記憶素子及び磁気記憶装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の磁気記憶素子は、第１方向に延びる第１配線と、前記１配線と平面視上で交差する第２配線との間に配置される。また前記第１配線と第２配線との間で積層され、磁化方向が固定された固着層と外部磁界によって磁化方向が変化する記録層とを有する。前記記録層の平面視上の形状は、その磁化容易軸方向に対し非対称で、前記磁化容易軸と垂直な軸に対して対称である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる磁気記憶素子が適用可能な磁気記憶装置の構成を示す回路図である。書き込みビット線３と読み出ししビット線１２１とライト線２ａの組の複数が図中で左右方向に延びており、これらの組が上下方向に配列されている。これらの組の複数と交差して、ワード線１０４が図中で上下方向に延びており、且つ左右方向に複数配列されている。読み出しビット線１２１は共通にセンサアンプＡＭＰの入力端に接続されている。
【００１７】
メモリセルＭＣは上記の組とライト線２ａとの交差部近傍に設けられ、マトリックス状に配置されている。メモリセルＭＣの各々は、素子選択用トランジスタ１０６と、磁気記憶素子たる強磁性トンネル接合素子１０１との直列接続を含む。より詳細には、強磁性トンネル接合素子１０１がライト線２ａと書き込みビット線３との交差部において配置される。
【００１８】
図２は、一つのメモリセルＭＣの構成を示す概略断面図である。半導体基板１１０の上面内には素子選択用トランジスタ１０６が形成され、ワード線１０４がそのゲート電極として機能し、半導体基板１との間にはゲート絶縁膜１０５が設けられている。またワード線１０４の両側にはサイドウォール１０６ｃが設けられている。素子選択用トランジスタ１０６のドレイン１０６ａはコンタクトプラグ１１１ａ、導電層１１２をこの順に介して強磁性トンネル接合素子１０１と接続される。素子選択用トランジスタ１０６のソース１０６ｂはコンタクトプラグ１１１ｂを介して読み出しビット線１２１に接続されている。導電層１１２と半導体基板１１０との間には、層間絶縁膜１３０を介して絶縁されつつライト線２ａが設けられている。
【００１９】
図３は、強磁性トンネル接合素子１０１の構造の詳細を示す断面図である。トンネル磁気抵抗効果素子１０１は、固着層１１と、トンネル絶縁層１２と、記録層１３とが半導体基板１１０側から順に積層された構造を有している。固着層１１の磁化は、予め所定の方向、例えばライト線２ａが延びる方向に固定されている。記録層１３は、外部磁界によって磁化方向が変化する。そして図３（ａ）に示されるように、固着層１１の磁化方向と、記録層１３の磁化方向とが一致している状態を、強磁性トンネル接合素子１０１が“０”を記憶している状態とする。また図３（ｂ）に示されるように、固着層１１の磁化方向と、記録層１３の磁化方向とが逆向きの状態を、強磁性トンネル接合素子１０１が“１”を記憶している状態とする。
【００２０】
固着層１１は、例えば反強磁性層１４ｂと強磁性層１４ａとの積層構造とすることにより磁化方向を固定されている。つまり、反強磁性層１４ｂが強磁性層１４ａのスピンの向きを固定することで、強磁性層１４ａの磁化方向を固定している。この反強磁性層１４ｂは強磁性層１４ａの下に（つまり記録層１３とは反対側に）設けられている。強磁性層１４ａとしては例えばＣｏＦｅを、反強磁性層１４ｂとしては例えばＩｒＭｎを、それぞれ採用することができる。
【００２１】
記録層１３は強磁性層であり、例えばＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層との積層構造を有している。トンネル絶縁層１２としては例えばＡｌＯｘを採用することができる。
【００２２】
トンネル絶縁層１２及び固着層１１は記録層１３と同じ形状か、あるいは記録層１３の形状を含んでこれよりも大きい面積を有していてもよい。
【００２３】
図２に戻り、固着層１１はコンタクトプラグ１１１ａと接触し、記録層１３は書き込みビット線３と接触する。書き込みビット線３は記録層１３との接触のための開口部１３１を有している。
【００２４】
コンタクトプラグ１１０ａ，１１０ｂは、例えば層間絶縁膜１３０中でいずれも多段に積み上げられている。コンタクトプラグ１１０ａ，１１０ｂの各段、ライト線２ａ、書き込みビット線３、読み出しビット線１２１は、例えば銅配線２０１と、銅配線２０１を囲むバリアメタル２０２を含んでいる。
【００２５】
次に、トンネル磁気抵抗効果素子１０１への書き込み動作を説明する。図４は、強磁性トンネル接合素子１０１の近傍を示す平面図である。書き込みビット線３とライト線２ａとは互いに直交する方向に延びる。強磁性トンネル接合素子１０１は、ライト線２ａと書き込みビット線３との平面視上の交差箇所に配置される。但し、図２に示されたように、強磁性トンネル接合素子１０１はライト線２ａの上方（半導体基板１１０とは反対側）且つ書き込みビット線３の下方（半導体基板１１０側）に配置される。
【００２６】
一般に強磁性体には、結晶構造や形状などにより磁化しやすい方向（エネルギーが低い状態）がある。この方向は磁化容易軸（ｅａｓｙａｘｉｓ）と呼ばれる。これに対し、磁化しにくい方向は、磁化困難軸（ｈａｒｄａｘｉｓ）と呼ばれる。実施の形態１においては、記録層１３の磁化容易軸及び磁化困難軸は、それぞれライト線２ａが延びる方向と、書き込みビット線３が延びる方向とに設定される。
【００２７】
書き込み時においては、書き込みビット線３とライト線２ａとに電流が流される。書き込みビット線３には、例えば矢印５２方向に電流が流され、それにより書き込みビット線３を取巻く方向に磁界が生じる。この磁界により、書き込みビット線３の下方にある記録層１３には磁化容易軸方向の磁界５３ａが印加される。一方、ライト線２ａには、例えば矢印５１方向に電流が流され、それによりライト線２ａを取巻く方向に磁界が生じる。この磁界により、ライト線２ａの上方にある記録層１３には、磁化困難軸方向の磁界５４ａが印加される。よって書き込み時においては、記録層１３に対して、磁界５３ａ，５４ａの合成磁界５５ａが印加される。
【００２８】
一方、記録層１３の磁化の向きを反転させるために必要な磁界の大きさは、曲線５６ａで示されるアステロイド曲線となる。そして磁界５５ａの向きにおいて、曲線５６ａよりも磁界５５ａが大きな値となるので、記録層１３は磁化容易軸方向の図中＋Ｈで示す方向に磁化する。
【００２９】
固着層１１において磁化が予め磁界５３ａと同じ方向に磁化されている場合、トンネル磁気抵抗効果素子１０１においては固着層１１と記録層１３との各磁化方向は平行となる（図３（ａ）の状態：“０”を記憶）。この場合には、トンネル磁気抵抗効果素子１０１の厚さ方向（記録層１３と固着層１１とが積層される方向）についての抵抗値が小さくなる。
【００３０】
固着層１１において磁化が予め磁界５３ａと反対方向に磁化されている場合、トンネル磁気抵抗効果素子１０１の固着層１１と記録層１３との磁化方向は互いに反平行となる（図３（ｂ）の状態：“１”を記憶）。この場合には、トンネル磁気抵抗効果素子１０１の厚さ方向についての抵抗値が大きくなる。かかる状態は、固着層１１において磁化が予め図中の磁界５３ａと同じ方向に磁化されており、且つ書き込みビット線３に対して矢印５２と反対方向に電流を流す場合にも生じる。
【００３１】
次に読み出し動作について説明する。読み出し時には、所定のワード線１０４を選択駆動することによりそのワード線１０４に接続された素子選択用トランジスタ１０６がオン状態とされる。更に、所定の書き込みビット線３に電流を流すことによってオン状態の素子選択用トランジスタ１０６に接続された強磁性トンネル接合素子１０１にトンネル電流が流される。このときの強磁性トンネル接合素子１０１の抵抗に基づいて記憶状態が判定される。つまり、強磁性トンネル接合素子１０１は磁化方向が平行では抵抗が小さく、反平行では抵抗が大きいという性質を有するため、この性質を利用して選択メモリセルの出力信号が参照セルの出力信号より大きいか小さいかがセンスアンプＡＭＰによって検出される。以上のようにして選択メモリセルの記憶状態“０”、“１”が判定される。
【００３２】
今、方向＋Ｈとは反対側の向きに記録層１３が磁化されている状態に対して、方向＋Ｈの向きに磁化を設定するための書き込みを行う場合を考える。磁界５３ａ，５４ａのいずれか一方のみが印加された場合においては、磁化反転は起こらない。しかし磁化容易軸方向においてアステロイド曲線５６ａよりも大きな磁界５８が印加された場合、この磁界５８のみでも記録層１３は磁化反転することとなる。このように大きな磁界が印加される場合には、書き込みビット線３に沿って配置された全ての強磁性トンネル接合素子１０１の記録層１３は、方向＋Ｈに沿って磁化する。これは選択していないメモリセルにも誤った情報が記録されることとなる。
【００３３】
ライト線２ａに大きな電流を流した場合にも同様の問題が発生することが考えられる。即ち、磁界５４ａの大きさがアステロイド曲線５６ａよりも大きい場合には、僅かな磁化容易軸方向の磁界によって磁化の方向が決定されてしまう。これはライト線２ａに沿ったセルで誤った書き込みを行う可能性を招来する。
【００３４】
この問題をもう少し詳しく検討する。図５は記録層１３が矩形を有する場合の磁化パターンを例示する図であり、各位置での磁化を矢印で示している。図５では、当該矩形の長辺に沿って磁化容易軸が存在し、記録層１３が呈する矩形の短辺に対する長辺の比（以下「アスペクト比」と証する）が２．０の場合が示されている。
【００３５】
図６は記録層１３の材料及び厚さを同一にして、アスペクト比を変えた場合のアステロイド曲線の変化を示すグラフである。横軸には磁化困難軸方向に印加する磁界Ｈｘの大きさを、縦軸には磁化容易軸方向に印加する磁界Ｈｙの大きさを、それぞれ採っている。記録層１３の磁化が磁界Ｈｙの印加方向と逆に向いている状態で、一定の磁界Ｈｘを印加し、磁化が反転するのに必要な磁界Ｈｙをプロットしている。磁界Ｈｘ，Ｈｙはそれぞれ、ライト線２ａ及び書き込みビット線３に電流を流した際に発生する磁界である。
【００３６】
プロット３１，３２，３３，３４はそれぞれアスペクト比が２．０，１．５，１．２，１．０の場合を示している。プロット３１で示される特性を有する記録層１３を例に採ると領域４０よりも大きな磁界がセルに印加された場合、選択されていないセルが誤って磁化反転するという問題がある。領域４０よりも磁化容易軸方向に大きな磁界が印加されることを示す領域４１に相当する磁界が印加された場合、磁化容易軸方向の一方向のみに磁界が印加されるだけで、即ちこの磁界を発生させる書き込みビット線３に沿った記録層１３であればその上方のライト線２ａに電流が流れていなくても、記録層１３の磁化方向が決定される。これにより、当該書き込みビット線３に沿った記録層１３では磁化反転が起こる可能性がある。領域４０よりも磁化困難軸方向に大きな磁界が印加されることを示す領域４２に相当する磁界が印加された場合も同様である。
【００３７】
このような望まない磁化反転を回避するためには、アステロイド曲線の傾きを急峻にして、領域４０を大きくすることが望ましい。プロット３１，３２，３３，３４から見て取れるように、アスペクト比が大きい程、磁界Ｈｘの小さい領域でのアステロイド曲線の傾きを急峻にすることができる。
【００３８】
しかしながら、磁化困難軸方向の磁界の大きさが一定の場合、記録層１３の磁化を磁化容易軸方向に沿った所望の方向に向けるために必要な磁界（以下「反転磁界」と称す）は、アスペクト比が大きいほど増大する。しかもメモリセルＭＣとして必要な面積も増大する。
【００３９】
そこでアスペクト比が小さく、且つ磁化困難軸方向の磁界についての所定の値を境として、アステロイド曲線が急峻に変化する記録層１３が望まれる。
【００４０】
図７は本発明の実施の形態１において提案される記録層１３の形状７００を示す平面図である。形状７００は磁化容易軸方向に対して非対称であり、且つ磁化困難軸方向に平行な線対称軸Ｋを有する。形状７００の輪郭は４つの直線部７０２，７０３，７０４ａ，７０４ｂと、２つの円弧７０１ａ，７０１ｂを有している。そして円弧７０１ａ、直線部７０２、円弧７０１ｂ、直線部７０４ａ，７０３，７０４ｂ、円弧７０１ａはこの順に連結されて閉曲線を構成している。直線部７０２，７０３は磁化容易軸に対して平行であり、直線部７０４ａ，７０４ｂは磁化困難軸に対して平行である。また円弧７０１ａ，７０１ｂの半径７０５と、直線部７０２の長さとは等しい。かかる形状７００を有する記録層１３、あるいは更にトンネル絶縁層１２及び固着層１１を含む強磁性トンネル接合素子１０１は、例えばリソグラフィーを用いてパターニングされる。楕円パターンと線形パターンによる組合せの２回の露光を用いることができる。
【００４１】
図８は、図７に示された形状７００を有する記録層１３のアステロイド曲線３５を示すグラフである。図８では、図６に示されたプロット３１〜３４をも追記しており、プロット３５の計測に用いられた試料は、プロット３１〜３４に用いられた材料と同一の材料、同一の厚さを有する。
【００４２】
プロット３５から見て取れるように、形状７００を有する記録層１３では、磁化困難軸方向への磁界Ｈｘが一定値（以下「磁化困難軸方向しきい値」）を超えると、磁気容易軸方向の反転磁界は急激に減少する。換言すれば、磁界Ｈｘが磁化困難軸方向しきい値よりも小さい領域においてのみ、大きな反転磁界が磁化容易軸方向に必要となることを示している。
【００４３】
図８に示される領域４３に対応する磁界を印加することで記録層１３への書き込みが可能である。領域４３は、図６の領域４０よりも明らかに大きい。特に図８の縦軸で示される磁化容易軸方向に磁界の領域が大きくなっている。よって磁化容易軸方向の磁界Ｈｙのみで磁化反転が可能となる領域４４は、磁界Ｈｙの値が非常に大きな場合に対応する。これにより、領域４０よりも領域４３を大きくすることができる。また領域４５を領域４２よりも広げることもない。よって書き込みエラーが起こりうる領域４４は領域４１と比較し小さくなる。これによって、磁化容易軸方向のみの印加磁界での磁化反転は困難となる。
【００４４】
記録層１３の平面視上の形状（書き込みビット線３の延びる方向とライト線２ａの延びる方向とが作る平面における形状）として形状７００を採用することにより、記録層１３の磁気容易軸方向のみの磁界が印加された場合において、反転磁界が大きい。よって、書き込みビット線３から発生される磁界によって、当該書き込みビット線３に沿ったメモリセルＭＣセルの記録層１３が誤って磁化反転することを防止できる。
【００４５】
また、磁界Ｈｘが磁化困難軸方向しきい値よりも小さい場合には反転磁界がプロット３１よりも大きい反面、磁化困難軸方向しきい値よりも大きい場合には反転磁界がプロット３１よりも小さい。よって選択されたメモリセルＭＣにおける記録層１３の磁化反転が容易となる。しかもアスペクト比を小さくすることができ、メモリセルの面積を増大させることもない。
【００４６】
以上より、本実施の形態では、選択されないメモリセルについては反転磁界を従来よりも大きくし、選択されたメモリについては反転磁界を従来よりも小さくすることにより、メモリセルＭＣの選択についての信頼性が向上し、且つメモリセル面積の増大を回避することができる。
【００４７】
このように磁化容易軸方向において必要とされる反転磁界の大きさが、磁化困難軸方向の磁界の大きさによって顕著に異なる現象は、磁化容易軸方向に印加される磁界Ｈｙが反転磁界よりも小さい場合と大きい場合とで、磁化状態が異なることに起因する。
【００４８】
図９及び図１０は、それぞれ磁界Ｈｙが反転磁界よりも小さい場合と大きい場合の磁化分布を示している。具体的には磁界Ｈｙが両図において等しく設定され、図９の反転磁界は図１０の反転磁界よりも小さい。つまり、磁化困難軸方向しきい値は、図９に対応して与えられる磁界Ｈｘよりも大きく、図１０に対応して与えられる磁界Ｈｘよりも小さい。
【００４９】
一般に磁性体内の磁化は、その端部と垂直になる程エネルギーは大きくなるため、面内で磁化を留めようとする性質をもつ。このため、磁界Ｈｘの値が磁化困難軸方向しきい値よりも小さく、よって与えられた磁界Ｈｙが反転磁界よりも小さい場合には、記録層１３における磁化分布は図９に示される形状を呈する。この磁化分布はＣ型と呼ばれ、内部安定な磁化状態であるため、磁気容易軸方向の反転磁界は大きい。
【００５０】
これに対し、磁界Ｈｘの値が磁化困難軸方向しきい値よりも大きく、よって与えられた磁界Ｈｙが反転磁界よりも大きい場合には、外部印加磁界によるエネルギーが打勝ち、図１０に示される形状を呈する。この磁化分布はいわゆるＳ型であり、磁界Ｈｘ，Ｈｙの合成磁界にほぼ沿った磁化分布となる。
【００５１】
図１０に示された状態では、外部磁界によるトルクを受けやすくなり反転磁界は急激に小さくなる。この磁化状態の変化は、記録層を磁化容易軸に対し非対称とし、且つ磁化容易軸に垂直な軸に対して線対称としたことで得られる効果である。なお、磁化容易軸に垂直な方向に対して非対称とした場合は、Ｃ型及びＳ型のそれぞれの磁化状態を制御することが本実施の形態よりも困難となり、また、形成も複雑となる。
【００５２】
従来のように記録層１３の形状が磁化容易軸に対して対称な場合は、磁化困難軸方向に僅かな外部磁界が印加されるだけで図５に示されるようなＳ型の磁化状態となる。このため、Ｃ型及びＳ型のそれぞれの磁化状態を意図的に制御することは困難である。
【００５３】
記録層１３の形状は図７に示された形状７００に限定されることはない。図１１は実施の形態１の変形にかかる記録層１３の形状８００を示す平面図である。形状８００は磁化容易軸方向に関して非対称であり、且つ磁化困難軸方向に平行な線対称軸Ｌを有する。形状８００の輪郭は３つの直線部８０２ａ，８０２ｂ，８０４と、２３の円弧８０１，８０３ａ，８０３ｂを有している。そして円弧８０１、直線部８０２ｂ、円弧８０３ｂ、直線部８０４，円弧８０３ａ、直線部８０２ａ、円弧８０１はこの順に連結されて閉曲線を構成している。円弧８０１は半円であり、直線部８０４は磁化容易軸に対して平行であり、直線部８０２ａ，８０２ｂは磁化困難軸に対して平行である。
【００５４】
形状８００では、形状７００とは異なり角を持たない。しかし磁化容易軸に対して非対称な形状且つ磁化容易軸に垂直な軸に対して対象であるため、形状７００を採る場合と同様にして、形状８００を採る記録層１３は、上述の効果を招来する。
【００５５】
しかも１回のリソグラフィーを用いて島状のパターンを形成する場合、形状７００のように角を有した形状や直線的な形状を形成することは困難である。しかしながら、形状８００のように直線部の間に必ず円弧のような曲線が設けることにより、角の生成を排除すると、１回のリソグラフィーのみで形成が可能であり、よって形成が容易である。
【００５６】
実施の形態２．
図１２は本発明の実施の形態２にかかる磁気記憶素子が適用可能な、メモリセルＭＣの一つを示す概略断面図である。本実施例においては、ライト線２ａの底面及び側面に高透磁率材料、例えばパーマロイを用いた被覆１３２を設けている。書き込み・読み出し動作は実施の形態１と同様であるために説明を省略する。
【００５７】
ライト線２ａに電流を流すことによって発生する磁界は、被覆１３２に集中的に通る。よって、ライト線２ａの上面側に位置する強磁性トンネル接合素子１０１にも、磁界が集中しやすくなる。従ってライト線２ａに電流を流すことによって発生する磁界は、被覆１３２を設けない場合と比較して大きくし易い。つまりライト線２ａに流す電流をより小さくして、効率的な磁界の印加が可能となる。これにより消費電力を低減することができる。
【００５８】
低消費電力という観点からは、記録層１３の磁化容易軸及び磁化困難軸を、それぞれ書き込みビット線３が延びる方向と、ライト線２ａが延びる方向とに設定することがより望ましい。書き込みビット線３に流れる電流によって発生する磁界は磁化困難軸方向に平行であるが、これを小さくして反転磁界を大きくしても、更に大きな磁界がライト線２ａに流れる電流によって得られるからである。
【００５９】
しかしながらライト線２ａに流れる電流によって得られる、磁化容易軸方向の磁界が大きくなると、ライト線２ａに沿ったメモリセルＭＣにおいて、記録層１３が誤って磁化反転する可能性があった。
【００６０】
そこで実施の形態２においても、平面視上で形状７００，８００のように、磁化容易軸方向に関して非対称であり、且つ磁化困難軸方向に平行な線対称軸を有する記録層１３を採用する。
【００６１】
ライト線２ａに流れる電流によって発生する磁界は、記録層の磁化容易軸方向に印加される。図８のプロット３５に示されるように、記録層１３は磁化困難軸方向の磁界が小さい場合（磁化困難軸方向しきい値よりも小さい場合）においては、磁化反転させるために磁気容易軸方向に大きな磁界が必要である。このため、被覆層１３２を設けても、ライト線２ａのみから発せられる磁界に対しての磁化反転を抑制することが可能であり、ライト線２ａに沿ったメモリセルＭＣにおいて、記録層１３が誤って反転することを防止できる。
【００６２】
以上のように本実施の形態によれば、選択しないメモリセルの誤反転の防止と、書き込み電力の低減の両立が可能となる。
【００６３】
なお、ライト線、ビット線、及び磁気抵抗効果素子の配置は上記に限定されるものではない。
【００６４】
上記の各実施の形態において、半導体基板を利用した磁気記憶装置について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、磁気センサ、磁気記録ヘッド、磁気記録媒体などのパターン化された磁気素子及び類似する他の装置に広く適用することが可能である。
【００６５】
また、メモリセル一つ当たりに一つのトンネル磁気抵抗効果素子が備えられる場合について説明したが、メモリセルは２つ以上のトンネル磁気抵抗効果素子が含まれていてもよく、それらのメモリセルは互いに積層されていてもよい。
【００６６】
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００６７】
【発明の効果】
本発明の磁気記憶素子によれば、アステロイド曲線の傾きが急峻であるため、書き込み時のエラーを低減することが可能である。また、記録層のアスペクト比を大きくする必要がないため、この効果はメモリセルの面積を大きくすることなく得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる磁気記憶素子が適用可能な磁気記憶装置の構成を示す回路図である。
【図２】一つのメモリセルの構成を示す概略断面図である。
【図３】強磁性トンネル接合素子の構造の詳細を示す断面図である。
【図４】強磁性トンネル接合素子の近傍を示す平面図である。
【図５】記録層が矩形を有する場合の磁化パターンを例示する図である。
【図６】記録層のアスペクト比を変えた場合のアステロイド曲線を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる記録層の形状を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる記録層のアステロイド曲線を示すグラフである。
【図９】磁化容易軸方向の磁界が反転磁界よりも小さい場合の磁化分布を示す図である。
【図１０】磁化容易軸方向の磁界が反転磁界よりも大きい場合の磁化分布を示す図である。
【図１１】実施の形態１の変形にかかる記録層の形状を示す平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる磁気記憶素子が適用可能な磁気記憶装置の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
２ａライト線、３ビット線、１３記録層、１０１トンネル磁気抵抗効果素子、１３２被覆。

Claims

第１方向に延びる第１配線と、前記１配線と平面視上で交差する第２配線との間に配置され、
前記第１配線と第２配線との間で積層され、磁化方向が固定された固着層と外部磁界によって磁化方向が変化する記録層とを有し、
前記記録層の平面視上の形状は、その磁化容易軸方向に対し非対称で、前記磁化容易軸と垂直な軸に対して対称であることを特徴とする磁気記憶素子。
前記記録層の前記形状は角を有しない、請求項１記載の磁気記憶素子。
請求項１又は請求項２に記載の前記第１配線と、前記第２配線と、前記磁気記憶素子とを備え、
前記第１配線は前記記録層の前記磁化容易軸方向に磁界を印加し、
前記第１配線は高透磁率材料により被覆されることを特徴とする磁気記憶装置。