JP2004319786A - 磁気記憶素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子への記録の選択性を向上して、目的の素子に確実に記録を行うことができる構成の磁気記憶素子を提供する。
【解決手段】情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層２を備え、この記憶層２が磁化量の異なる複数の領域２Ｈ，２Ｌに分割されている磁気記憶素子１を構成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリに用いて好適な磁気記憶素子に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ等での情報機器ではランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
【０００３】
そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化状態により情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
このＭＲＡＭでは、長方形や楕円等の形状の記憶層を形成し、その形状における反磁界を利用した形状異方性によって磁化を安定化し、記録を保持している。
【０００５】
【非特許文献１】
日経エレクトロニクス ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＭＲＡＭは、直交する２種類の配線（例えばワード線とビット線）がそれぞれ複数本形成され、これら２種類の配線の各交点に磁気記憶素子が設けられることにより、多数の磁気記憶素子がマトリクス状に配置された磁気記憶装置を構成している。そして、２種類の配線について、それぞれ特定の配線に電流を流すことにより、電流を流した配線の交点に位置する磁気記憶素子のみを選択して、その磁気記憶素子の記憶層の磁化を電流磁界によって反転させて、情報の記録を行っている。
【０００７】
しかしながら、ＭＲＡＭを構成する各磁気記憶素子の磁気特性にばらつきがあると、目的の（記録を行うべき）磁気記憶素子以外の磁気記憶素子で磁化の反転が起きてしまうことがあり、正しい記録を行うことができなくなるため好ましくない。また、目的の磁気記憶素子以外の磁気記憶素子で磁化が全く反転しないようにするために、電流磁界を充分小さくしてしまうと、目的の磁気記憶素子のうち一部に対して記録を失敗する可能性もある。
【０００８】
今後、ＭＲＡＭにおいても、記憶容量を増加するために、高密度化を図る必要があり、メモリセルを構成する磁気記憶素子の縮小化が求められることから、磁気記憶素子の記憶層に用いられる磁性体の寸法も小さくする必要がある。
そして、磁性体は寸法の縮小化に従って保磁力が増加する傾向を有するため、ＭＲＡＭの磁気記憶素子においても、縮小化に伴い記録層の保磁力が増加していく。このように保磁力が増加すると、各磁気記憶素子の保磁力のばらつきを小さくすることが難しくなってくる。
【０００９】
また、各記憶素子を密集して配置すると、隣接する記憶素子からの漏れ磁界や、隣接する記憶素子に記録を行う記録用配線からの磁界の干渉によって、選択された素子にのみ記録を行うことが難しくなり、記憶容量を増加する上で問題となる。
【００１０】
誤書き込みを防止する方法としては、例えば、特開２００２−２０３３８８号公報に記載されているように、隣接する記憶素子に記録を行う記録用配線に、書き込みをする記憶素子に記録を行う記録用配線に流す電流とは逆方向に適当な電流を流す方法が提案されている。
【００１１】
しかしながら、前述したように、磁気記憶素子が縮小化されるに従って、保磁力のばらつきが大きくなるため、上述の逆方向の電流を流す方法だけでは、記録誤りを防止できなくなる。
【００１２】
また、磁性体に形状異方性を付与するためには、磁性体の平面形状を、アスペクト比（長手方向の長さと長手方向と直交する方向の長さとの比、長方形では縦横比になり、楕円形では長軸と短軸との比になる）をある程度以上大きくする必要がある。
ところが、磁性体の寸法は、その最小加工寸法以上に小さくすることができないため、アスペクト比が大きくなるほど、磁性体が専有する面積の最小値が大きくなっていく。
そのため、形状異方性をもち、かつ専有面積の小さい磁気記憶素子を構成することが困難になっている。
【００１３】
上述した問題の解決のために、本発明においては、素子への記録の選択性を向上して、目的の素子に確実に記録を行うことができる構成の磁気記憶素子を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層を備え、この記憶層が磁化量の異なる複数の領域に分割されているものである。
【００１５】
上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、記憶層が磁化量の異なる複数の領域に分割されていることにより、磁化量の異なる領域に分割する境界線の方向に磁化容易軸が形成される傾向があり、また各領域の磁化が磁化容易軸方向に対して弓状に湾曲した形状となる。このように磁化が弓状に湾曲した形状となることにより、磁化容易軸方向に磁場を印加したときに、素子の一方の側と他方の側で磁化の回転方向が逆になることから、磁化の湾曲がさらに大きくなって、磁化の反転が困難になる。即ち、磁化容易軸方向の保磁力を大きくすることができる。また、磁化が弓状に湾曲した形状となっているため、さらに磁化容易軸方向の磁場と磁化容易軸に略直交する方向又は磁化困難軸方向の磁場とを印加することにより、磁化が弓状から略直線的な形状となり、磁化反転しやすくなり保磁力が減少する。即ち、磁化容易軸方向の記録磁場と、磁化容易軸に略直交する方向又は磁化困難軸方向の磁場（アシスト磁場）とを印加することにより、保磁力が低下して、記録を容易に行うことが可能になる。
【００１６】
本発明の磁気記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層を備え、この記憶層は磁化量が変化する領域を有しているものである。
【００１７】
上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、記憶層が、磁化量の変化する領域を有していることにより、磁化量の変化する方向（磁化量の分布の傾斜に直交する方向になる）に磁化容易軸が形成される傾向があり、また磁化量の変化する領域において、磁化が磁化容易軸方向に対して弓状に湾曲した形状となる。このように磁化が弓状に湾曲した形状となることにより、上述した磁化量の異なる領域に分割された構成と同様に、磁化容易軸方向の保磁力を大きい保磁力とすることができると共に、磁化容易軸に直交する方向又は磁化困難軸方向に磁場（アシスト磁場）を加えたときの保磁力を小さくして、記録を容易に行うことが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層を備え、この記憶層が磁化量の異なる複数の領域に分割されている磁気記憶素子である。
【００１９】
また本発明は、上記磁気記憶素子において、磁化量が異なる各領域に分割する境界線が、記憶層の磁化容易軸方向と略平行な方向である構成とする。
【００２０】
また本発明は、上記磁気記憶素子において、磁化量が異なる各領域は、膜厚、組成、結晶構造のうち、少なくとも１つ以上の構成が異なることにより磁化量が異なる構成とする。
【００２１】
また本発明は、上記磁気記憶素子において、記憶層に対して、記憶の基準となる参照層を構成する磁性体層が設けられ、記憶層と参照層の相対的な磁化方向を検出することにより、記憶層に記録された前記情報が読み出される構成とする。
【００２２】
本発明は、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層を備え、この記憶層は磁化量が変化する領域を有している磁気記憶素子である。
【００２３】
また本発明は、上記磁気記憶素子において、磁化量が変化する領域において、磁化量が変化する方向が記憶層の磁化容易軸方向と略直交する方向である構成とする。
【００２４】
また本発明は、上記磁気記憶素子において、磁化量が変化する領域は、膜厚、組成、結晶構造のうち、少なくとも１つ以上の構成が変化することにより磁化量が変化する構成とする。
【００２５】
また本発明は、上記磁気記憶素子において、記憶層に対して、記憶の基準となる参照層を構成する磁性体層が設けられ、記憶層と参照層の相対的な磁化方向を検出することにより、記憶層に記録された前記情報が読み出される構成とする。
【００２６】
図１は、本発明の磁気記憶素子の一実施の形態として、記憶素子を構成する記憶層の概略平面図を示す。
この磁気記憶素子１は、情報を磁性体の磁化状態によって記憶する記憶層２を有して構成されている。
この記憶層２は、矩形の角部を丸くした形状となっている。また、縦と横の寸法はほぼ等しく略正方形状となっている。角部を丸くしたことにより、角張った矩形とした場合と比較して、記憶層２を形成する加工を容易にすることができる利点を有する。
そして、記憶層２は、中央の分割線３を境界として、磁化量の多い高磁化領域２Ｈと、磁化量の少ない低磁化領域２Ｌとに分割されている。２つの領域２Ｈ及び２Ｌの分割線３は、磁性体から成る記憶層２の磁化容易軸に対して平行になっている。なお、磁化量は、磁性体の自発磁化と膜厚との積により定義される。
【００２７】
次に、この磁気記憶素子１の記憶層２に対して、外部磁場を印加したときの磁化状態の変化を、図２及び図３を参照して説明する。各図とも、高磁化領域２Ｈの方が、低磁化領域２Ｌよりも磁化量が多いため、磁化を示す矢印を太く表現している。
【００２８】
まず、外部磁場を印加していないときの磁化状態を、図２Ａに示す。
高磁化領域２Ｈの方が低磁化領域２Ｌよりも磁化量が多いことにより、磁化の方向が、図２Ａに示すように、磁化容易軸方向に対して高磁化領域２Ｈ側が凸になるように湾曲した方向になる。なお、分割していない一様の磁化量とした場合は、磁化の方向が磁化容易軸方向に平行になる。
【００２９】
次に、磁化容易軸方向に平行な外部磁場を印加したときの磁化状態を図２Ｂに示す。この場合、外部磁場Ｈの向きは、磁化容易軸方向と平行であるが、記憶層２（２Ｈ，２Ｌ）の磁化の向きと逆になっており、磁化を反転して記憶層２に情報を記録する場合を想定している。
磁化容易軸方向に外部磁場Ｈを印加した場合には、図２Ｂに示すように、記憶層２の図中右側と図中左側とでは、磁化の向きの回転方向が逆になる。図中右側は右回り（時計回り）、図中左側は左回り（反時計回り）に回転する。これにより、磁化の湾曲が大きくなるため、磁化の反転がしにくくなることから、保磁力が大きくなることがわかる。
このような状態から磁化を反転させようとすると、外部磁場をずっと大きくする必要がある。
【００３０】
そこで、磁化の反転を容易にするために、磁化容易軸方向と直交する方向にも磁場を印加する。
まず、磁化容易軸方向と直交する方向の磁場のみを印加したときの磁化状態を図３Ａに示す。
図３Ａに示すように、磁化容易軸方向に直交する方向の磁場、この場合は上向きのアシスト磁場Ｈａを印加すると、回転角度は場所によって異なるものの、全体として磁化が左回り（反時計回り）に回転し、磁化の方向において弓状の湾曲が崩れて、やや直線的になる。これにより、湾曲している状態よりも、磁化を反転し易くすることができる。
【００３１】
そして、図２Ｂに示した外部磁場Ｈと、図３Ａに示したアシスト磁場Ｈａとを共に印加したときの磁化状態を図３Ｂに示す。
外部磁場Ｈとアシスト磁場Ｈａとの作用により、記憶層２の磁化の向きが全体として左回り（反時計回り）に回転し、アシスト磁場Ｈａの向きに近い向きになっている。このような状態にすることができるため、磁化の反転が容易になる。
従って、外部磁場をさらに大きくすれば、磁化の向きを反転することができる。図３Ｂに示す外部磁場Ｈよりも少し大きい外部磁場Ｈ２と図３Ｂと同じアシスト磁場Ｈａを印加したときの磁化状態を図３Ｃに示す。外部磁場Ｈ２が大きくなったことにより、記憶層２の磁化が反転して、図中左に向くようになっている。この状態からアシスト磁場Ｈａを除去すると、図示しないが記憶層２の磁化が左向きになった湾曲形状となり、保磁力が大きくなる。そして、保磁力が大きくなることにより、外部磁場Ｈ２を除去した後も、磁化が左向きで弓状に湾曲した状態（磁化の向きが図２Ａとは逆向きになった状態）が保持され、記憶層２に対して情報の記録が行われる。
【００３２】
本実施の形態の磁気記憶素子１において、記憶層２を構成する、高磁化領域２Ｈ及び低磁化領域２Ｌは、それぞれ磁化量が異なる構成とするが、磁化量を異ならせるための構成は、様々な構成が考えられる。
例えば、磁性体の膜厚を異ならせた構成、磁性体の組成を異ならせた構成、磁性体の結晶状態を異ならせた構成が可能である。
また、磁化を強める層を追加して高磁化領域２Ｈを形成したり、磁化を弱める（又は打ち消す）層を追加して低磁化領域２Ｌを形成したりすることも可能である。
【００３３】
続いて、図１に示したように磁化量が異なる高磁化領域２Ｈ及び低磁化領域２Ｌに分割された記憶層２について、その具体的な形態を次に示す。
【００３４】
まず、磁性体から成る記憶層２の膜厚を異ならせることにより、磁化量を異ならせた形態を示す。
この形態では、図４に記憶層の断面図を示すように、記憶層２の膜厚を、高磁化領域２Ｈでは厚い膜厚ｄ１とし、低磁化領域２Ｌでは高磁化領域２Ｈよりも薄い膜厚ｄ２（即ちｄ１＞ｄ２）としている。分割線３付近は段差になっている。
このように記憶層２を構成することにより、上述したように磁化容易軸方向の外部磁場及び磁化容易軸方向と直交する方向のアシスト磁場により磁化状態を変化させて、記憶層２の磁化を反転させることができる。
【００３５】
この形態の記憶層２は、例えば図５Ａ〜図５Ｄに示すようにして、形成することができる。図５Ａ〜図５Ｄにおいては、上段に断面図を示し、下段に平面図を示している。
まず、図５Ａに示すように、一様な膜厚で記憶層２となる磁性層を成膜する。
次に、記憶層２上にフォトレジストを形成し、このフォトレジストを露光・現像してパターニングすることにより、図５Ｂに示すように、記憶層２のうち、後に高磁化領域２Ｈとなる部分（図中左側）がフォトレジスト５１で覆われる一方で、低磁化領域２Ｌとなる部分（図中右側）が露出するようにする。
続いて、フォトレジスト５１をマスクとして、イオンミリングを行うことにより、図５Ｃに示すように、低磁化領域２Ｌとなる部分の記憶層２を削って薄くする。
最後に、フォトレジスト５１を除去することにより、図５Ｄに示すように、図４に断面図を示した記憶層２を形成することができる。
【００３６】
次に、記憶層２の組成を異ならせることにより、磁化量を異ならせた形態を示す。
この形態では、図６に記憶層の断面図を示すように、記憶層２を、高磁化領域２Ｈでは一様の組成の磁性層２Ａとし、低磁化領域２Ｌでは下層を高磁化領域２Ｈと同じ磁性層２Ａ、上層を組成の異なる磁性層２Ｂとしている。磁性層２Ｂは、分割線３まで形成されている。磁性層２Ｂは、磁性層２Ａよりも磁性が弱くなる組成となっている。上層が磁性の弱い磁性層２Ｂとなっていることにより、低磁化領域２Ｌの磁化量が高磁化領域２Ｈよりも小さくなる。
このように記憶層２を構成することにより、上述したように磁化容易軸方向の外部磁場及び磁化容易軸方向と直交する方向のアシスト磁場により磁化状態を変化させて、記憶層２の磁化を反転させることができる。
【００３７】
この形態の記憶層２は、例えば図７Ａ〜図７Ｄに示すようにして、形成することができる。図７Ａ〜図７Ｄにおいては、上段に断面図を示し、下段に平面図を示している。
まず、図７Ａに示すように、一様な膜厚で磁性層２Ａを成膜する。
次に、磁性層２Ａ上にフォトレジストを形成し、このフォトレジストを露光・現像してパターニングすることにより、図７Ｂに示すように、磁性層２Ａのうち、後に高磁化領域２Ｈとなる部分（図中左側）がフォトレジスト５１で覆われる一方で、低磁化領域２Ｌとなる部分（図中右側）が露出するようにする。
続いて、フォトレジスト５１をマスクとして、イオン注入５２を行うことにより、図７Ｃに示すように、低磁化領域２Ｌとなる部分の上層（表面付近）に磁性層２Ｂを形成する。このとき、イオン注入５２するイオンとしては、例えば非磁性元素のイオン等として、磁性層２Ｂが磁性層２Ａよりも磁性が弱くなるようにする。
最後に、フォトレジスト５１を除去することにより、図７Ｄに示すように、図６に断面図を示した記憶層２を形成することができる。
【００３８】
なお、図６に示した断面構造及び図７Ａ〜図７Ｄに示した形成方法とする代わりに、一様な膜厚で磁性の弱い磁性層を成膜した後、高磁化領域２Ｈとなる部分に例えば磁性元素（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等）のイオンをイオン注入して磁性の強い磁性層を形成する方法を用いてもよい。この形成方法によっても、高磁化領域２Ｈと低磁化領域２Ｌとを形成することができる。
【００３９】
次に、記憶層２の結晶構造を異ならせることにより、磁化量を異ならせた形態を示す。
この形態では、図８に記憶層の断面図を示すように、記憶層２を、高磁化領域２Ｈでは飽和磁束密度（Ｍｓ）の大きい磁性層２Ｃとし、低磁化領域２Ｌでは飽和磁束密度（Ｍｓ）の小さい磁性層２Ｄとしている。磁性層２Ｄは、磁性層２Ｃとは異なる結晶構造となっている。
このように記憶層２を構成することにより、上述したように磁化容易軸方向の外部磁場及び磁化容易軸方向と直交する方向のアシスト磁場により磁化状態を変化させて、記憶層２の磁化を反転させることができる。
【００４０】
この形態の記憶層２は、例えば図９Ａ〜図９Ｅに示すようにして、形成することができる。図９Ａ〜図９Ｅにおいては、上段に断面図を示し、下段に平面図を示している。
まず、図９Ａに示すように、一様な膜厚で磁性層２Ｃを成膜する。
次に、磁性層２Ｃ上にフォトレジストを形成し、このフォトレジストを露光・現像してパターニングすることにより、図９Ｂに示すように、磁性層２Ｃのうち、後に高磁化領域２Ｈとなる部分（図中左側）がフォトレジスト５１で覆われる一方で、低磁化領域２Ｌとなる部分（図中右側）が露出するようにする。
続いて、図９Ｃに示すように、表面に薄膜５３を成膜する。この薄膜５３としては、例えば磁化を減少させるもの、即ち非磁性金属元素（例えばＣｒ，Ｍｎ）或いは磁性層２Ｃの磁性元素との間でフェリ磁性合金を形成する元素（例えばＧｄ等）を含む膜を形成すればよい。これにより、高磁化領域２Ｈとなる部分ではフォトレジスト５１の上に薄膜５３が形成され、低磁化領域２Ｌとなる部分では磁性層２Ｃの上に薄膜５３が形成される。
次に、図９Ｄに示すように、フォトレジスト５１を除去する。これにより、高磁化領域２Ｈとなる部分ではフォトレジスト５１と共に薄膜５３も除去され、低磁化領域２Ｌとなる部分では薄膜５３が磁性層２Ｃの表面に残る。
続いて、熱処理を行うことにより、薄膜５３と磁性層２Ｃとが反応して、図９Ｅに示すように、低磁化領域２Ｌでは、結晶構造が変化した磁性層２Ｄが形成される。
【００４１】
一方、高磁化領域２Ｈ側に薄膜を成膜して、磁性層と薄膜とを反応させ結晶構造を変化させることにより、記憶層を形成することも可能である。この場合には、薄膜として、磁化を強める磁性元素（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等）を含む膜を形成する。
【００４２】
なお、図６に示した組成が異なる形態の記憶層を図９Ａ〜図９Ｅに示した熱拡散により形成することも可能であり、図８に示した結晶構造が異なる形態の記憶層を図７Ａ〜図７Ｄに示したイオン注入により形成することも可能である。
それぞれ、表面に形成する薄膜の材料や注入するイオンを選定することにより、組成或いは結晶構造が異なる磁性体層が形成されるようにすれば良い。
【００４３】
また、上述の本実施の形態の磁気記憶素子１において、記憶層２に記録された情報を読み出すための構成は特に限定されないが、例えば記憶層２に対してトンネル絶縁膜を介して磁化の向きが固定された磁化固定層を配置してトンネル絶縁膜を通るトンネル電流の抵抗値から記憶層２に記録された情報、即ち記憶層２の磁化の向きを検知することが可能である。
【００４４】
上述の本実施の形態の磁気記憶素子１によれば、記憶層２を磁化量の異なる高磁化領域２Ｈと低磁化領域２Ｌに分割していることにより、磁化容易軸に直交する方向（又は略直交する方向）のアシスト磁場Ｈａを加えたときと加えていないときの保磁力の差を大きくすることができる。
これにより、情報を記録する際に、選択された磁気記憶素子１のみを高い確度で記録することができる。
【００４５】
また、上述の本実施の形態の磁気記憶素子１によれば、記憶層２を磁化量の異なる高磁化領域２Ｈと低磁化領域２Ｌに分割していることにより、磁気記憶素子１の平面形状、特に記憶層２の平面形状を、略正方形や円形等のアスペクト比が小さく対称性の高い形状としても、記憶層に一軸異方性を形成することができるため、磁化容易軸方向の保磁力を大きくすることができる。これにより、記憶層２の平面形状や磁気記憶素子１全体の平面形状をこのようなアスペクト比が小さい形状にして、磁気記憶素子１の専有面積を小さくすることが可能になる。
【００４６】
従って、単位面積当たりの素子密度を向上することができるため、上述の実施の形態の磁気記憶素子１を高密度に集積して、多数の磁気記憶素子１により構成された記憶装置（磁気記憶装置）において、記憶容量の増大又は装置の小型化を図ることができる。
【００４７】
そして、上述の実施の形態の磁気記憶素子１を用いて、例えばマトリクス状に交差するそれぞれ複数本の第１の配線及び第２の配線の交点に、磁気記憶素子１を配置することにより、ＭＲＡＭ等の磁気記憶装置を構成することができる。
【００４８】
なお、上述の実施の形態では、記憶層２の平面形状を矩形の角部を丸くした形状とし、ほぼ正方形状としているが、その他の形状も可能である。例えば正方形状又は長方形状、長方形の角部を丸くした形状、円形状、楕円形状等が考えられる。
いずれの形状とした場合も、記憶層の磁化容易軸方向と、高磁化領域及び低磁化領域を分割する境界線の方向とが、平行又はほぼ平行となるように分割することが望ましい。
分割する位置は、記憶層の中央線（直径や長軸等）に限定されるものではなく、高磁化領域と低磁化領域の面積が同一でなくてもよい。
【００４９】
また、上述の実施の形態では、記憶層２を高磁化領域２Ｈ及び低磁化領域２Ｌの２つの領域に分割しているが、磁化量の異なる３つ以上の領域に分割してもよい。その場合も、それぞれの境界線の方向が記憶層の磁化容易軸方向と平行又はほぼ平行となるように分割することが望ましい。その場合の記憶層の形成方法は、上述した形成方法のフォトレジストの形状を変更したり、複数種類の形成方法を組み合わせたりすることが考えられる。
【００５０】
さらに、記憶層２において磁化量を異ならせるための構成（膜厚、組成、結晶構造等）を、複数種類組み合わせてもよい。
【００５１】
さらに、磁化量の異なる領域の境界線を曲線で形成することも可能であるが、特に境界線を直線或いは曲率半径の大きな曲線で形成すれば、磁化容易軸方向を決めやすくなる。
そして、形状による磁気異方性を、磁化量の異なる領域の境界線の方向と記憶層の長軸方向とに対して、共に略平行になるように付与すれば、二つの効果が相乗して、保磁力向上に効果的である。
【００５２】
次に、本発明の他の実施の形態として、磁気記憶素子を構成する記憶層の概略構成図を図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。図１０Ａは記憶層２の断面図を示し、図１０Ｂは記憶層２の平面図を示している。
この磁気記憶素子１０は、記憶層２の平面形状は図１の記憶素子１と同様であるが、磁化量が異なる領域に分割する代わりに、磁化量が変化する領域を有している点で異なっている。
即ち、図中左側に厚い膜厚ｄ３を有し磁化量の多い領域２Ｅが形成され、図中右側に薄い膜厚ｄ４（＜ｄ３）を有し磁化量の少ない領域２Ｇが形成され、これらの領域２Ｅ，２Ｇの間には膜厚がｄ３からｄ４まで変化することにより磁化量が変化する領域２Ｆが形成されている。
【００５３】
また、磁化量が変化する領域２Ｆでは、磁化量が変化する方向を、記憶層２の磁化容易軸方向と直交する方向又は略直交する方向とすることが望ましい。そのためには、この磁化量が変化する領域２Ｆの表面の斜面を、斜面の法線方向の水平成分が磁化容易軸方向と直交する方向又は略直交する方向となるようにすればよい。
さらに、磁性体の形状による磁気異方性の方向と磁化量の勾配方向とが直交するように形成すれば、保磁力向上に効果的である。そして、この磁気異方性は、磁性体の磁場中成膜や磁場中熱処理等の手段で調整することも可能である。
【００５４】
このように、本実施の形態の磁気記憶素子１０では、記憶層２に磁化量が変化する領域２Ｆを設けたことにより、図１に示した磁気記憶素子１のように境界線３で分割して磁化量が異なるように構成した場合と同様の作用効果を実現することができる。即ち、外部磁場を印加していないときの磁化の向きを湾曲させて、磁化容易軸方向の外部磁場と磁化容易軸と直交する方向のアシスト磁場により容易に磁化の向きを反転することが可能になる。また、記憶層２の平面形状や磁気記憶素子１０全体の平面形状をアスペクト比の小さい平面形状として、磁気記憶素子１０の専有する面積を低減することが可能になる。
【００５５】
図１０に示した構成の記憶層２は、例えば図１１Ａ〜図１１Ｄに示すようにして、形成することができる。図１１Ａ〜図１１Ｄにおいては、上段に断面図を示し、下段に平面図を示している。
まず、図１１Ａに示すように、一様な膜厚で記憶層２となる磁性層を成膜する。
次に、記憶層２上にフォトレジストを形成し、このフォトレジストを露光・現像してパターニングすることにより、図１１Ｂに示すように、記憶層２のうち、後に磁化量の多い領域２Ｅとなる部分（図中左側）がフォトレジスト５４で覆われる一方で、その他の領域２Ｆ，２Ｇとなる部分が露出するようにする。
続いて、図１１Ｃに示すように、フォトレジスト５４をマスクとして用いて、イオンミリングを行う。このときイオンミリングのイオン５５の向きを記憶層２の主面に対して斜めにすることにより、記憶層２の表面に滑らかな斜面を形成することができる。これにより、表面が斜面となった部分が、磁化量が変化する領域２Ｆとなる。
次に、図１１Ｄに示すように、フォトレジスト５４を除去することにより、図１０Ａに示した断面形状の記憶層２を形成することができる。
【００５６】
なお、記憶層２の断面形状は、図１０Ａに示した断面形状の他に、例えば図１２Ａ〜図１２Ｃに示す断面形状とすることも可能である。図１２Ａは、表面を斜面として、記憶層２全体を磁化量が変化する領域とした場合を示している。また、図１２Ｂ及び図１２Ｃは、それぞれ、記憶層２を一定の膜厚の領域と、磁化量が変化する領域との２つの領域にした場合を示している。
この他の構成も可能である。例えば、斜面の勾配が異なる複数の領域を設けてもよい。
また例えば、表面の斜面が平面ではなく曲面状であってもよい。例えば等方性エッチング等で記憶層を薄く加工した場合には、表面が曲面状になることもある。
【００５７】
上述の実施の形態の記憶素子１０によれば、先の実施の形態の記憶素子１と同様に、磁化容易軸方向の外部磁場と磁化容易軸と直交する方向のアシスト磁場により容易に磁化の向きを反転することが可能になり、情報を記録する際に、選択された記憶素子１０のみを高い確度で記録することができる。
また、記憶素子１０の専有する面積を低減して、記憶素子１０を多数有して成る記憶装置の記憶容量の増大又は装置の小型化を図ることができる。
【００５８】
そして、上述の実施の形態の磁気記憶素子１０を用いて、例えばマトリクス状に交差するそれぞれ複数本の第１の配線及び第２の配線の交点に、磁気記憶素子１０を配置することにより、ＭＲＡＭ等の磁気記憶装置を構成することができる。
【００５９】
上述の実施の形態では、記憶層２の平面形状を矩形の角部を丸くした形状とし、ほぼ正方形状としているが、その他の形状も可能である。例えば正方形状又は長方形状、長方形の角部を丸くした形状、円形状、楕円形状等が考えられる。
いずれの形状とした場合も、記憶層の磁化容易軸方向と、磁化量が変化する方向とが、直交又はほぼ直交するように構成することが望ましい。
【００６０】
ここで、本発明の磁気記憶素子において、具体的に素子の寸法や磁化量を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。
【００６１】
まず初めに、図１３Ａに平面図を示し、図１３Ｂに断面図を示すように、平面形状が楕円形状の磁性体を、膜厚の異なる２つの領域即ち磁化量の異なる高磁化領域Ｈ及び低磁化領域Ｌに中央（楕円の長軸）で分割した構成の記憶層をモデルとして、マイクロマグネティック計算を行ってみた。計算に用いたモデルは、高磁化領域Ｈの膜厚を６ｎｍ、低磁化領域の膜厚を（６−ｔ）ｎｍとした。即ちｔは磁性体の除去量を示し、ｔ＝１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍ，４ｎｍの各場合と、比較対照として領域を分割しないｔ＝０の場合とについて、それぞれ計算を行った。また、記憶層を構成する磁性体の飽和磁化量を８００ｅｍｕ／ｃｍ^３、楕円の長軸の長さを２００ｎｍ、短軸の長さを１５０ｎｍとした。また、材料の異方性磁場は１０Ｏｅとした。
計算して得られたアステロイド曲線を図１４に示す。図１４の横軸は磁性体の磁化困難軸方向に印加する磁場Ｈ_ｈａｒｄ（Ｏｅ）を示しており、縦軸は磁化容易軸方向に印加する磁場Ｈ_ｅａｓｙ（Ｏｅ）を示している。即ち、横軸の磁場Ｈ_ｈａｒｄは、アシスト磁場Ｈａを想定しており、縦軸の磁場Ｈ_ｅａｓｙは、記録用の外部磁場Ｈを想定している。各磁場の大きさが曲線よりも外側にあれば磁性体の磁化を反転させることが可能であるが、曲線よりも内側にあれば磁性体の磁化が反転されず保持される。
【００６２】
図１４より、ｔ＝０のときは膜を除去していない均一な膜厚の楕円体であり、通常のアステロイド曲線が得られる。磁性体の一部を除去し、ｔ＝１ｎｍとすると、困難軸方向の磁場Ｈ_ｈａｒｄが小さいときに、アステロイド曲線のＨ_ｅａｓｙの間隔が広くなるが、Ｈ_ｈａｒｄが大きくなるとｔ＝０のときの曲線とほぼ同様になり、尖ったアステロイド曲線となる。
即ち、本発明の磁化量の異なる領域に分割した構成の磁気記憶素子では、分割していない場合と比較して、アシスト磁場が小さいときの保磁力が大きくなり、アシスト磁場が一定の大きさを越えるとほぼ同じ保磁力となるので、記録の選択性が改善されることがわかる。
さらに、磁性体の除去量を大きくすると、全体的にアステロイド曲線が縦横に広がっていき、ｔ＝４ｎｍでは保磁力が全体的に大きくなるが、アステロイド曲線の尖りがなくなってくるため本発明による記録の選択性を向上する効果が小さくなる。従って、このモデルの場合、磁性体の除去量ｔは１ｎｍから３ｎｍの範囲が適当である。
【００６３】
次に、記憶素子の記憶層の平面形状を正方形状として、同様の計算を行った。
図１５Ａ及び図１５Ｂに計算に用いたモデルの寸法形状を示す。正方形の中央（辺に平行な中央線）で膜厚を異ならせることにより高磁化領域Ｈ及び低磁化領域Ｌに分割し、正方形の一辺の長さを１５０ｎｍとし、記憶層を構成する磁性体の飽和磁化量及び磁性体の膜厚は図１３と同じとした。
ただし、この場合は、記憶層が正方形状であるため、分割しないと形状異方性が現れず、磁化容易軸方向の保磁力がなくなってしまう。そのため、ｔ＝０のときの計算は行っていない。
計算して得られたアステロイド曲線を図１６に示す。
図１６を図１４と比較すると、アステロイド曲線のくぼみが大きくなっており、記録の際の選択比がさらに改善されることがわかる。
【００６４】
同様に、記憶素子の記憶層の平面形状を円形状として、同様の計算を行った。
図１７Ａ及び図１７Ｂに計算に用いたモデルの寸法形状を示す。円の中央（直径）で膜厚を異ならせることにより高磁化領域Ｈ及び低磁化領域Ｌに分割し、円の直径の長さを１５０ｎｍとし、記憶層を構成する磁性体の飽和磁化量及び磁性体の膜厚は図１３と同じとした。
ただし、記憶層が円形状であるため、この場合も分割しないと形状異方性が現れず、磁化容易軸方向の保磁力がなくなってしまう。そのため、ｔ＝０のときの計算は行っていない。
計算して得られたアステロイド曲線を図１８に示す。
図１８を図１４と比較すると、アステロイド曲線のくぼみが大きくなっており、正方形状の場合と同様に、記録の際の選択比がさらに改善されることがわかる。
【００６５】
次に、記憶素子の記憶層の平面形状を、図１と同様の正方形状の角部を丸めた形状として、同様の計算を行った。
図１９Ａ及び図１９Ｂに計算に用いたモデルの寸法形状を示す。正方形の一辺の長さ及び分割の位置は図１５と同じであり、角部の縦横３０ｎｍの部分を半径７５ｎｍの円弧としている。記憶層を構成する磁性体の飽和磁化量及び磁性体の膜厚は図１３と同じとした。
この場合も、ｔ＝０のときの計算は行っていない。
計算して得られたアステロイド曲線を図２０に示す。
図２０から、角部を丸めることにより、図１６に示した正方形状の場合と図１８に示した円形状の場合の中間的なアステロイド曲線を示すことがわかる。
従って、正方形と円の中間的な形状においても本発明の効果が得られることが分かる。
【００６６】
次に、記憶素子の記憶層の平面形状を正方形状とするが、分割線の位置を対角線の位置として、同様の計算を行った。
図２１Ａ及び図２１Ｂに計算に用いたモデルの寸法形状を示す。正方形の対角線において膜厚を異ならせて高磁化領域Ｈ及び低磁化領域Ｌを構成しており、図２１Ａの縦横の寸法を２００ｎｍとすることにより、正方形の一辺の長さは１４１ｎｍとなるため、図１７Ａの１５０ｎｍと大きな差は無い。記憶層を構成する磁性体の飽和磁化量及び磁性体の膜厚は図１３と同じとした。
この場合も、ｔ＝０のときの計算は行っていない。
計算して得られたアステロイド曲線を図２２に示す。
図２２より、この場合は、アステロイド曲線の窪みが見られず、選択比の改善は期待できないことがわかる。即ち正方形の対角線で分割した場合においては本発明の効果は得られないことがわかる。
これは、長方形や楕円形、辺に平行な中央線で分割した正方形や円形等と比較して、分割線から各辺までの距離が短くなるため、磁化の向きが回転しにくくなることが推測される。この場合はアスペクト比が１であるが、アスペクト比を１より大きくして形状異方性をつけても、磁化の向きが回転しにくくなるため充分な効果が得られないと考えられる。
【００６７】
従って、選択比を改善するには、記憶層の平面形状を、辺に平行な中央線で分割した正方形状、円形状、並びにその中間的な形状とすることが望ましいことがわかる。
【００６８】
続いて、記憶層の平面形状のアスペクト比と記録特性との関係を調べた。
図２３に示すように、記憶層の平面形状が長方形状のモデルを採用し、長方形の短辺の長さを１５０ｎｍに固定して、長辺の長さをＲ・１５０ｎｍとアスペクト比Ｒを変化させるようにした。また、このモデルでは膜厚を異ならせる代わりに、飽和磁束密度を異ならせて磁化量が異なる２つの領域Ｈ，Ｌを構成しており、高磁化領域Ｈの飽和磁束密度（Ｍｓ）を８００ｅｍｕ／ｃｍ^３とし、低磁化領域Ｌの飽和磁束密度（Ｍｓ）を６００ｅｍｕ／ｃｍ^３としている。記憶層を構成する磁性体の膜厚は６ｎｍとしている。
そして、アスペクト比Ｒを、Ｒ＝１．０，１．２，１．４，１．６とした場合について、それぞれ計算を行った。
計算により得られたアステロイド曲線を図２４に示す。
図２４より、アスペクト比Ｒが大きくなると、アステロイド曲線の窪みが小さくなり、記録の選択性が悪くなることがわかる。
従って、本発明の効果を充分に得るために、なるべくアスペクト比Ｒを小さくする（１に近くする）ことが望ましいことがわかる。
【００６９】
次に、記憶層の平面形状を楕円形状とした場合について、同様の検討を行った。
図２５に示すように、記憶層の平面形状が楕円形状であり楕円形の長軸で磁化量が異なるように分割されたモデルを採用し、楕円形の短軸の長さを１５０ｎｍに固定して、長軸の長さをＲ・１５０ｎｍとアスペクト比Ｒを変化させるようにした。また、このモデルでも、高磁化領域Ｈの飽和磁束密度（Ｍｓ）を８００ｅｍｕ／ｃｍ^３とし、低磁化領域Ｌの飽和磁束密度（Ｍｓ）を６００ｅｍｕ／ｃｍ^３としている。記憶層を構成する磁性体の膜厚は６ｎｍとしている。
そして、アスペクト比Ｒを、Ｒ＝１．０，１．２，１．４，１．６とした場合について、それぞれ計算を行った。
計算により得られたアステロイド曲線を図２６に示す。
図２６より、楕円形とした場合においても、長方形と同様の結果が得られることがわかる。
【００７０】
さらに、長方形状及び楕円形状の記憶層を構成し、それぞれ短辺又は短軸の長さを１００ｎｍ、長辺又は長軸の長さをＲ・１００ｎｍとし、磁性体の膜厚を５ｎｍとして、飽和磁束密度（Ｍｓ）が１２００ｅｍｕ／ｃｍ^３の高磁化領域Ｈと８００ｅｍｕ／ｃｍ^３の低磁化領域Ｌとの２つの領域に分割したモデルについて、同様に計算を行った。図２３及び図２５に示した各モデルと、これらのモデルの計算結果を合わせて、アスペクト比に対する保磁力（Ｈｃ）の変化を図２７に示す。図２７では、短辺又は短軸の長さｌが、ｌ＝１００ｎｍの場合を黒く塗りつぶした印で、ｌ＝１５０ｎｍの場合を白抜きの印でそれぞれ示している。
また、各モデルにおいて、アステロイド曲線を描いたときに原点から最も近い点までの距離、即ち磁化反転可能な最小磁場Ｈ_ｍｉｎとアスペクト比Ｒとの関係を図２８に示し、Ｈ_ｍｉｎ／Ｈｃとアスペクト比Ｒとの関係を図２９に示す。
【００７１】
図２７より、楕円形ではアスペクト比Ｒが大きくなると保磁力Ｈｃが増加するが、長方形ではアスペクト比Ｒの増加に伴い保磁力Ｈｃが減少することがわかる。
図２８より、Ｈ_ｍｉｎは、アスペクト比Ｒが増加すると、長方形でも楕円形でも単調に増加することがわかる。
図２９より、Ｈ_ｍｉｎ／Ｈｃは、同じアスペクト比Ｒでは長方形の方が楕円形よりも小さいことがわかる。
【００７２】
ここで、単磁区モデルで理想的な磁化回転がなされるアステロイド曲線の場合、Ｈ_ｍｉｎ／Ｈｃは０．５となるので、Ｈ_ｍｉｎ／Ｈｃが０．５以下であれば本発明の効果が有効に機能していると言える。
従って、本発明の効果を有効に得るにはアスペクト比Ｒが１．５以下であることが好ましい。
【００７３】
次に、高磁化領域及び低磁化領域を分割する境界線の位置を、中心線以外にしたときに特性がどのように変化するか調べた。
図３０Ａ及び図３０Ｂに示すように、記憶層の平面形状を楕円形状として、磁性体の膜厚に段差を付けて高磁化領域Ｈ及び低磁化領域Ｌに分割する境界線の位置を変えた各モデルについて、同様に計算を行った。楕円形の短軸の長さを１５０ｎｍとし、長軸の長さを２００ｎｍとし、磁性体の膜厚をそれぞれ高磁化領域Ｈでは６ｎｍに、低磁化領域Ｌでは４ｎｍにして、低磁化領域Ｌの幅Ｗを変化させた。そして、低磁化領域Ｌの幅Ｗを、Ｗ＝４５ｎｍ，６０ｎｍ，７５ｎｍ（長軸に一致），９０ｎｍ，１０５ｎｍとした場合について、それぞれ計算を行った。
計算により得られたアステロイド曲線を図３１に示す。
【００７４】
図３１より、低磁化領域Ｌの幅Ｗを変える、即ち磁化量が変化する境界線の位置を変えることにより、保磁力等に変化が現れるが、アステロイド曲線の窪みが著しく減少することはなく、磁化量が変化する境界線を、記憶層の中心線に一致させて面積を等分にしなくても、本発明の効果が充分に得られることがわかる。
【００７５】
次に、磁化量を境界線で不連続的に変化させるのではなく、連続的に変化させる領域を有する場合について、特性を調べた。
まず、記憶素子の記憶層の平面形状を正方形状として、記憶層全面を磁化量が変化する領域とした場合のモデルを図３２Ａ及び図３２Ｂに示す。
また、記憶素子の記憶層の平面形状を正方形状として、記憶層の一部を磁化量が一定の領域として、他の一部を磁化量が変化する領域とした場合のモデルを図３３Ａ及び図３３Ｂに示す。
いずれのモデルでも正方形の一辺の長さを１５０ｎｍとして、磁化量が変化する方向が磁化容易軸の方向と直交する方向としている。また、図３２Ａ及び図３３Ａの各図に示すように、磁性体の膜厚を変化させる代わりに飽和磁束密度（Ｍｓ）を変化させることにより磁化量を変化させており、飽和磁束密度を図３２Ａでは３５０〜８００ｅｍｕ／ｃｍ^３の範囲、図３３Ａでは３００〜８００ｅｍｕ／ｃｍ^３の範囲で、それぞれ変化させている。
そして、図３２Ａ及び図３２Ｂに示すモデルでは飽和磁束密度が直線的に一様に変化するようにしており、図３３Ａ及び図３３Ｂに示すモデルでは左半分が一定の飽和磁束密度（８００ｅｍｕ／ｃｍ^３）で右半分が直線的に一様に変化するようにしている。
これらのモデルについて、同様に計算を行い、得られたアステロイド曲線を図３４Ａ（図３２のモデル）及び図３４Ｂ（図３３のモデル）にそれぞれ示す。
図３４Ａ及び図３４Ｂより、これらのモデルにおいて、いずれの場合もアステロイド曲線の窪みが観測され、本発明の効果が得られることがわかる。
【００７６】
同様に、記憶素子の記憶層の平面形状を円形状として、記憶層全面を磁化量が変化する領域とした場合のモデルを図３５Ａ及び図３５Ｂに示し、また記憶層の一部を磁化量が一定の領域として、他の一部を磁化量が変化する領域とした場合のモデルを図３６Ａ及び図３６Ｂに示す。いずれのモデルでも円形の直径の長さを１５０ｎｍとして、磁化量が変化する方向が磁化容易軸の方向と直交する方向としている。その他は、先に図３２及び図３３に示した正方形状の場合と同様である。
これらのモデルについて、同様に計算を行い、得られたアステロイド曲線を図３７Ａ（図３５のモデル）及び図３７Ｂ（図３６のモデル）にそれぞれ示す。
図３７Ａ及び図３７Ｂより、円形状とした場合でも正方形状とした場合と同様に、アステロイド曲線の窪みが観測され、本発明の効果が得られることがわかる。
【００７７】
次に、磁気的に相互作用した２層の磁性体層を用いて記憶層を形成する方法を説明する。
２層の磁性体層を直接或いは非磁性層を介して積層すると、磁気的に相互作用した２層の磁性体層を形成することができる。
これら２層の磁性体層のうちの一方の面積を小さくすると、１層の磁性体層のみで構成される領域と２層の磁性体層で構成される領域の２つの領域が形成され、これによっても、膜厚の差異や飽和磁化の差異と同様に、磁化量の異なる複数の領域を形成することができる。
【００７８】
２層の磁性体層を直接積層した場合には、例えば２層の磁性体層の化学反応性が異なる構成として、この反応性の違いを利用して、上層の磁性体層を選択的に除去する或いは（イオン注入や熱拡散等により）変質することにより、磁化量の異なる複数の領域を形成することができる。
２層の磁性体層を非磁性層を介して積層した場合には、例えば磁性体層と非磁性層との反応性の違いを利用して、上層の磁性体層を選択的に除去する或いは（イオン注入や熱拡散等により）変質することにより、磁化量の異なる複数の領域を形成することができる。
【００７９】
上述のように磁気的に相互作用した２層の磁性体を用いて、記憶素子の記憶層を構成した場合の特性を調べた。
まず、図３８Ａに示すように、一辺の長さがｌの正方形の角部を丸くした平面形状の記憶層を、一辺に平行な中心線で低磁化領域Ｌ及び高磁化領域Ｈに分割する構成にして、さらに、図３８Ｂに断面形状を示すように膜厚を異ならせた場合と、図３８Ｃに断面形状を示すように、第１の磁性体層１１の一部（図中上半分）において反平行に磁化結合する、即ち磁化の向きが反対の第２の磁性体層１２を設けて低磁化領域Ｌとした場合の２つのモデルを考えた。図３８Ｂでは、高磁化領域Ｈの膜厚を６ｎｍとし、低磁化領域Ｌの膜厚を４ｎｍとしている。図３８Ｃでは、第１の磁性体層１１の膜厚を６ｎｍとし、第２の磁性体層１２の膜厚を２ｎｍとして、低磁化領域Ｌにおいて、第１の磁性体層１１の膜厚を４ｎｍとした場合と実質的に同等の磁化量となるようにしている。これにより、図３８Ｂの断面形状でも図３８Ｃの断面形状でも平面内の磁化量分布が等しくなる。
【００８０】
これらのモデルについて、正方形の一辺の長さｌをｌ＝１００ｎｍ，２００ｎｍ，３００ｎｍ，４００ｎｍと変化させて、それぞれ計算を行った。
計算により得られたアステロイド曲線を、図３９Ａ（図３８Ｂの断面形状の場合）及び図３９Ａ（図３８Ｃの断面形状の場合）に、それぞれ示す。
【００８１】
図３９Ａより、正方形の一辺の長さｌが大きくなると、アシスト磁場が小さいところでの保磁力が急激に小さくなるが、反平行に磁気結合した膜を用いると、図３９Ｂに示すように長さｌの増大による保磁力の低下を小さくすることができる。
【００８２】
次に、磁化量が異なる領域に分割する境界線を、印加する外部磁場の方向とは違う方向に向けた場合に、特性がどのように変化するか調べた。
図４０に示すように、記憶層の平面形状が円形状であり、飽和磁束密度（Ｍｓ）が８００ｅｍｕ／ｃｍ^３の高磁化領域Ｈと６００ｅｍｕ／ｃｍ^３の低磁化領域Ｌとが設けられたモデルを考え、高磁化領域Ｈ及び低磁化領域Ｌを分割する境界線１３と印加する外部磁場Ｈの方向とがなす角度θを変化させた。この角度θをθ＝１５°と３０°にした場合、並びに対照例としてθ＝０の場合について、それぞれ計算を行った。
計算により得られたアステロイド曲線を図４１に示す。
図４１より、境界線１３が印加する磁場Ｈの方向と離れる（θが増大する）に従い、アステロイド曲線の上下方向及び左右方向での非対称性が大きくなる。
従って、境界線１３の方向を、印加する磁場Ｈの方向と一致させるのが最適であることがわかる。
【００８３】
次に、磁化量が異なる領域に分割する境界線を、直線ではなく湾曲した曲線とした場合に、特性がどのように変化するか調べた。
計算に用いた５つのモデルを図４２に示す。いずれのモデルも、素子寸法が短軸１３０ｎｍ・長軸１５０ｎｍの楕円形（アスペクト比１．１５）で、膜厚４ｎｍの低磁化領域Ｌと膜厚６ｎｍの高磁化領域Ｈの二つの領域で形成され、飽和磁束密度Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ^３となっている。
二つの領域の境界線１４は、図４２Ａ〜図４２Ｅにそれぞれ示すような曲率半径を持つ円弧（図４２Ｃは直線）として、いずれも二つの領域の面積が等しくなるように楕円を分割した。
図４２Ａに示すモデル（Ｎｏ．１）は、境界線１４を高磁化領域Ｈ側に凸になるように、曲率半径Ｒ＝６０ｎｍの円弧とした。図４２Ｂに示すモデル（Ｎｏ．２）は、境界線１４を高磁化領域Ｈ側に凸になるように、曲率半径Ｒ＝１２０ｎｍの円弧とした。図４２Ｃに示すモデル（Ｎｏ．３）は、境界線１４を中心線（長軸）と一致させた。図４２Ｄに示すモデル（Ｎｏ．４）は、境界線１４を低磁化領域Ｌ側に凸になるように、曲率半径Ｒ＝１２０ｎｍの円弧とした。図４２Ｅに示すモデル（Ｎｏ．５）は、境界線１４を低磁化領域Ｌ側に凸になるように、曲率半径Ｒ＝１２０ｎｍの円弧とした。
それぞれのモデルで計算したアステロイド曲線を図４３に示す。
図４３より、境界線１４の曲率によって、保磁力やアステロイド曲線の形が変わるものの、本発明の効果である、先端に対してなだらかな中腹を有する形状のアステロイド曲線が得られることから、境界線に曲率があっても記録の選択性の改善効果が期待できることがわかる。
【００８４】
次に、本発明の磁気記憶素子を実際に作製して、磁気特性を測定した。
作製した磁気記憶素子２０の平面構造を図４４Ａに示し、断面構造を図４４Ｂに示す。
図４４Ａに示すように、磁気記憶素子２０の平面形状を円形として、その中心線（直径）で、高磁化領域２０Ｈ及び低磁化領域２０Ｌに分割している。
【００８５】
この記憶素子２０は、シリコン基板２１上に、例えばＴａ膜２２を介して、例えば膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層２３が形成され、その上に例えば膜厚０．５ｎｍのＣｏＦｅ膜２４と、膜厚２ｎｍのＧｄＦｅＣｏ膜２５と、膜厚０．５ｎｍのＣｏＦｅ膜２６との３層を積層させた構造の磁化固定層（参照層）２７が形成され、その上に例えば膜厚１ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜から成るトンネル絶縁膜２８が形成され、その上に例えば膜厚３ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る第１の磁性層２９と、例えば膜厚１０ｎｍでありフェリ磁性体で室温において磁化量がほとんどなくなるように調整された組成を有するＧｄＦｅＣｏ層３０と、例えば膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る第２の磁性層３１との３層を積層させた構造の記憶層３２が形成され、さらにその上にＴａ膜３３が形成されて、構成されている。
記憶層３２を構成する、第１の磁性層２９及び第２の磁性層３１は、ＧｄＦｅＣｏ層３０を挟んでいることにより、磁化の向きが同じになることから、第２の磁性層３１により記憶層３２のトータルの磁化量が増える。
そして、第２の磁性層３１は図中右側のみに形成され、この右側が高磁化領域２０Ｈとなる。一方図中左側では、第２の磁性層３１とＧｄＦｅＣｏ層３０の表面付近が除去されており、低磁化領域２０Ｌとなる。
【００８６】
磁化固定層（参照層）２７は、反強磁性層２３により磁化の向きが固定され、記憶層３２に対して、記憶の内容の基準となるものである。
そして、磁化固定層（参照層）２７の磁化の向きと、記憶層３２の磁化の向きの相対的な方向により、トンネル絶縁膜２８を流れるトンネル電流の抵抗値が異なる。
従って、この磁気記憶素子２０では、素子の膜厚方向に電流を流し、トンネル絶縁膜２８にトンネル電流を流すことにより、記憶層３２の磁化の向きを検知することができる。
【００８７】
この記憶素子２０の作製方法は、図５に示した方法（フォトレジストで高磁化領域をマスクしてイオンミリングを行う方法）とほぼ同様の方法とすることができる。特に２層の磁性層２９，３１の間にＧｄＦｅＣｏ層３０を設けたことにより、磁性層を除去する工程（例えばイオンミリング工程）の条件が変化して、除去量が多少変化したとしても、厚さが変化するのはＧｄＦｅＣｏ層３０内のみになり第１の磁性層２９及び第２の磁性層３１の膜厚が変化しないため、記憶素子２０の記憶層３２の磁化量分布に大きな変化が現れなくなる。
【００８８】
この記憶素子２０の磁気特性を測定し、得られたアステロイド曲線を図４５に示す。
図４５より、アシスト磁場が小さいときに保磁力が大きく、選択比の優れた記憶素子が実現できることがわかる。
【００８９】
なお、本発明の磁気記憶素子の保磁力をさらに増加させたい場合は、記憶層の平面形状を、形状による磁気異方性を付加できる楕円形状や長方形状とすることが望ましい。
しかしながら、記憶層の平面形状のアスペクト比Ｒが大きくなると、磁気記憶素子の専有面積が大きくなるのに加えて、アスペクト比Ｒが１に近いものと比較して記録の選択性が劣化するので、アスペクト比Ｒを１．５以下にするのが好ましい。
【００９０】
また、記憶層の平面形状を、正方形状や長方形状のように角張った形状とすると加工が難しくなる。図１に示したように、角部を適当な曲率を持った曲線とすることにより、加工を容易にすることができる。
【００９１】
また、本発明において、磁気記憶素子を構成する各層のうち、記憶層以外の層の形状は特に限定されるものではない。
通常の磁気記憶素子では、記憶層を含む複数の層を同時にパターニングするため、これら複数の層が同じ平面形状になっている。本発明の磁気記憶素子においても、このような構成とすることが可能であるが、記憶層以外の層が記憶層と異なる平面形状となっている構成とすることも可能である。
【００９２】
さらに、磁気記憶素子を多数有して成る磁気記憶装置を製造する場合のように、本発明の磁気記憶素子を多数形成する場合には、磁化量が異なる複数の領域や磁化量が変化する領域を形成しておき、その領域が形成された部分にそれぞれの磁気記憶素子を形成するようにして、その後パターニング等により各磁気記憶素子を形成することも可能である。
【００９３】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００９４】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、磁化容易軸方向の保磁力を大きい保磁力とすると共に、磁化容易軸方向の記録用磁場と、磁化容易軸に直交する方向又は磁化困難軸方向の磁場（アシスト磁場）が加わったときの保磁力を小さくすることができる。これにより、記録の選択性を向上することができ、目的の磁気記憶素子に対して確実に記録を行うことができる。
従って、磁気記憶素子を多数有する磁気記憶装置を構成したときに、各磁気記憶素子の磁気特性に多少のばらつきがあっても、記録の選択性が向上していることにより、記録時の誤書き込みを低減することができる。
【００９５】
また、本発明によれば、記憶層の平面形状を円形状や正方形状或いはその中間的な形状のように対称性の高い形状としても、記憶層に一軸異方性を形成することが可能になる。
このため、例えば記憶層を含む磁気記憶素子全体をこのような対称性の高い平面形状として、専有面積を低減し、これにより、磁気記憶素子を多数有する磁気記憶装置において、素子を高密度に集積して記憶容量の増大又は装置の小型化を図ることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の磁気記憶素子を構成する記憶層の概略平面図である。
【図２】Ａ 図１の記憶層に外部磁場を印加していないときの磁化状態を示す図である。
Ｂ 図１の記憶層に磁化容易軸方向に平行な外部磁場を印加したときの磁化状態を示す図である。
【図３】Ａ 図１の記憶層に磁化容易軸方向に直交する方向の磁場を印加したときの磁化状態を示す図である。
Ｂ 図１の記憶層に図２Ｂの外部磁場と図３Ａのアシスト磁場とを共に印加したときの磁化状態を示す図である。
【図４】膜厚を異ならせて磁化量を異ならせた形態の記憶層の断面図である。
【図５】Ａ〜Ｄ 図４の記憶層の形成方法を示す工程図である。
【図６】組成を異ならせて磁化量を異ならせた形態の記憶層の断面図である。
【図７】Ａ〜Ｄ 図６の記憶層の形成方法を示す工程図である。
【図８】結晶構造を異ならせて磁化量を異ならせた形態の記憶層の断面図である。
【図９】Ａ〜Ｅ 図８の記憶層の形成方法を示す工程図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態の磁気記憶素子を構成する記憶層の概略構成図である。
Ａ 記憶層の断面図である。
Ｂ 記憶層の平面図である。
【図１１】Ａ〜Ｄ 図１０Ａ及び図１０Ｂの記憶層の形成方法を示す工程図である。
【図１２】Ａ〜Ｃ 他の記憶層の断面形状を示す図である。
【図１３】楕円形状の磁性体を膜厚の異なる２つの領域に分割したモデルを示す図である。
Ａ 平面図である。
Ｂ 断面図である。
【図１４】図１３のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図１５】正方形状の磁性体を膜厚の異なる２つの領域に分割したモデルを示す図である。
Ａ 平面図である。
Ｂ 断面図である。
【図１６】図１５のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図１７】円形状の磁性体を膜厚の異なる２つの領域に分割したモデルを示す図である。
Ａ 平面図である。
Ｂ 断面図である。
【図１８】図１７のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図１９】正方形状の角部を丸めた形状の磁性体を膜厚の異なる２つの領域に分割したモデルを示す図である。
Ａ 平面図である。
Ｂ 断面図である。
【図２０】図１９のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図２１】正方形状の磁性体を対角線で膜厚の異なる２つの領域に分割したモデルを示す図である。
Ａ 平面図である。
Ｂ 断面図である。
【図２２】図２１のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図２３】長方形状の磁性体を飽和磁束密度の異なる２つの領域に分割したモデルを示す図である。
【図２４】図２３のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図２５】楕円形状の磁性体を飽和磁束密度の異なる２つの領域に分割したモデルを示す図である。
【図２６】図２５のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図２７】図２３及び図２５のモデル等におけるアスペクト比に対する保磁力の変化を示す図である。
【図２８】図２３及び図２５のモデル等におけるアスペクト比に対する磁化反転可能な最小磁場の変化を示す図である。
【図２９】図２３及び図２５のモデル等におけるアスペクト比に対する最小磁場と保磁力との比の変化を示す図である。
【図３０】楕円形状の磁性体を膜厚の異なる領域に分割したモデルを示す図である。
Ａ 平面図である。
Ｂ 断面図である。
【図３１】図３０のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図３２】正方形状の記憶層全面を磁化量が変化する領域としたモデルを示す図である。
Ａ 断面の飽和磁束密度の変化を示す図である。
Ｂ 平面図である。
【図３３】正方形状の記憶層の一部を磁化量が変化する領域としたモデルを示す図である。
Ａ 断面の飽和磁束密度の変化を示す図である。
Ｂ 平面図である。
【図３４】Ａ 図３２のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
Ｂ 図３３のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図３５】円形状の記憶層全面を磁化量が変化する領域としたモデルを示す図である。
Ａ 断面の飽和磁束密度の変化を示す図である。
Ｂ 平面図である。
【図３６】円形状の記憶層の一部を磁化量が変化する領域としたモデルを示す図である。
Ａ 断面の飽和磁束密度の変化を示す図である。
Ｂ 平面図である。
【図３７】Ａ 図３５のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
Ｂ 図３６のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図３８】Ａ 正方形の平面形状の記憶層を低磁化領域及び高磁化領域に分割した構成を示す平面図である。
Ｂ 膜厚を異ならせた場合を示す断面図である。
Ｃ 磁化の向きが反対の磁性体層を設けた場合を示す断面図である。
【図３９】Ａ 図３８Ｂの断面形状のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
Ｂ 図３８Ｃの断面形状のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図４０】磁化量が異なる領域に分割する境界線を、印加する外部磁場の方向とは違う方向に向けたモデルを示す図である。
【図４１】図４０のモデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図４２】Ａ〜Ｅ 磁化量が異なる領域に分割する境界線の形状を、それぞれ異なる曲線にした各モデルを示す図である。
【図４３】図４２Ａ〜図４２Ｅの各モデルにおいて計算により求めたアステロイド曲線である。
【図４４】Ａ 磁気特性を測定した磁気記憶素子の平面構造を示す図である。
Ｂ 磁気特性を測定した磁気記憶素子の断面構造を示す図である。
【図４５】図４４の磁気記憶素子の磁気特性を測定して得られたアステロイド曲線である。
【符号の説明】
１，１０，２０ 磁気記憶素子、２ 記憶層、２Ｈ，２０Ｈ，Ｈ 高磁化領域、２Ｌ，２０Ｌ，Ｌ 低磁化領域、３，１３，１４ 境界線

Claims (8)

1. 情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層を備え、
   前記記憶層が磁化量の異なる複数の領域に分割されている
   ことを特徴とする磁気記憶素子。
2. 前記磁化量が異なる各領域に分割する境界線が、前記記憶層の磁化容易軸方向と略平行な方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
3. 前記磁化量が異なる各領域は、膜厚、組成、結晶構造のうち、少なくとも１つ以上の構成が異なることにより磁化量が異なることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
4. 前記記憶層に対して、記憶の基準となる参照層を構成する磁性体層が設けられ、前記記憶層と前記参照層の相対的な磁化方向を検出することにより、前記記憶層に記録された前記情報が読み出されることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
5. 情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層を備え、
   前記記憶層は、磁化量が変化する領域を有している
   ことを特徴とする磁気記憶素子。
6. 前記磁化量が変化する領域において、磁化量が変化する方向が、前記記憶層の磁化容易軸方向と略直交する方向であることを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶素子。
7. 前記磁化量が変化する領域は、膜厚、組成、結晶構造のうち、少なくとも１つ以上の構成が変化することにより磁化量が変化することを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶素子。
8. 前記記憶層に対して、記憶の基準となる参照層を構成する磁性体層が設けられ、前記記憶層と前記参照層の相対的な磁化方向を検出することにより、前記記憶層に記録された前記情報が読み出されることを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶素子。

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