JP2005310971A - 磁気記憶素子および磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁化反転を容易にすること、磁気記憶素子の選択の信頼性を向上させること、および磁気記憶素子の面積を微細化することのうち、少なくとも二つを両立させる磁気記憶素子を提供する。
【解決手段】 強磁性トンネル接合素子６１の記録層は、平面形状が、磁化容易軸に対して非対称に、かつ、磁化困難軸に対して対称に形成されている。記録層は、ライト線６と書込みビット線３との間に配置されている。記録層は、磁化容易軸とほぼ垂直な方向の端部のうち、一方がライト線６を書込みビット線３に向かって投影したときの影になる投影領域の内側に配置され、他方が投影領域の外側に配置されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気記憶素子および磁気記憶装置に関する。

磁気抵抗（ＭＲ：Magneto Resistive）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：Giant Magneto Resistance）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。

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、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。

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。

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の向きを互いに同じ向きまたは反対向きに変化させ、このスピンの向きに依存して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：Tunneling Magneto-Resistive）効果も、例えば後掲する非特許文献４に示されている。

近年、ＧＭＲ及びＴＭＲ素子を、不揮発性磁気記憶半導体装置（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に利用する研究が、例えば非特許文献５〜７に示されている。

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て、各素子を構成する２つの磁性層を互いに同じ向きに制御することにより“１”が記録され、または２つの磁性層を互いに反対向きに制御することにより“０”が記録される。読み出しはＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を利用して行なわれる。

ＭＲＡＭにおいては、ＧＭＲ効果と比べてＴＭＲ効果を利用した方が低消費電力であるため、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、か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。

ＭＲＡＭの書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の向きを、同じ向き、または反対向きに制御する技術、及び所望の磁気記憶素子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。交差する２つの配線を用いて非磁性層を挟む２つの強磁性層の相対的な磁化の向きを、膜面内において均一に同じ向きまたは反対向きに制御する技術は、例えば後掲する特許文献１，４に示されている。

またＭＲＡＭでは、高集積化のために磁気記憶素子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。

ＭＲＡＭにおける高集積化に伴って、磁気記憶素子の微細化を実施した場合、反磁界の影響により書込み時に更に大きな磁界が必要となるため、選択された磁気記憶素子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。
D.H. Mosca et al.,"Oscillatory interlayer coupling and giant magnetoresistance in Co/Cu multilayers", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 94 (1991) pp.L1-L5 S.S.P.Parkin et al.,"Oscillatory Magnetic Exchange Coupling through Thin Copper Layers", Physical Review Letters, vol.66, No.16, 22 April 1991, pp.2152-2155 W.P.Pratt et al.,"Perpendicular Giant Magnetoresistances of Ag/Co Multilayers", Physical Review Letters, vol.66, No.23, 10 June 1991, pp.3060-3063 T. Miyazaki et al.,"Giant magnetic tunneling effect in Fe/Al2O3/Fe junction", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 139 (1995), pp.L231-L241 S.Tehrani et al.,"High density submicron magnetoresistive random access memory (invited)", Journal of Applied Physics, vol.85, No.8, 15 April 1999, pp.5822-5827 S.S.P.Parkin et al.,"Exchange-biased magnetic tunnel junctions and application to nonvolatile magnetic random access memory (invited)", Journal of Applied Physics, vol.85, No.8, 15 April 1999, pp.5828-5833 ISSCC 2001 Dig of Tech. Papers, p.122 特開平１１−２７３３３７号公報 特開２００２−２８０６３７号公報 特開２０００−３５３７９１号公報 米国特許第６５７０７８３号明細書

非磁性層を挟む２つの強磁性層の相対的な磁化の向きを同じ向きおよび反対向きに制御すること、所望の磁気記憶素子における一方の磁性層を確実かつ効率的に磁化反転させること、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、および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、磁化反転が容易になること、磁気記憶素子の選択の信頼性が向上すること、および磁気記憶素子の面積を微細化することのうち、いずれかを両立させる技術は存在しない。

本発明は、磁化反転を容易にすること、磁気記憶素子の選択の信頼性を向上させること、および磁気記憶素子の面積を微細化することのうち、少なくとも二つを両立させる磁気記憶素子および磁気記憶装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づく磁気記憶素子は、磁化方向が固定された固着層と、磁化容易軸を有し、外部磁界によって磁化方向が変化する記録層とを備え、上記記録層は、平面形状が、上記磁化容易軸に対して非対称に、かつ、上記磁化容易軸と垂直な軸に対して対称になるように形成されている。上記記録層は、上記磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向に磁界を形成するための第１配線と、平面的に見て上記１配線に交差する第２配線との間に配置されている。上記記録層は、上記磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向の端部のうち、一方が上記第１配線を上記第２配線に向かって投影したときの影になる投影領域の内側に配置され、他方が上記投影領域の外側に配置されている。

または、本発明に基づく磁気記憶素子は、磁化方向が固定された固着層と、磁化容易軸を有し、外部磁界によって磁化方向が変化する記録層とを備え、上記記録層は、平面形状が、上記磁化容易軸に対して非対称になるように形成され、かつ、上記磁化容易軸と垂直な軸に対して対称になるように形成されている。上記記録層は、上記磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向に磁界を形成するための第１配線と、平面的に見て上記第１配線に交差する第２配線との間に配置されている。上記第２配線は、高透磁率材料によって形成された被覆層を含み、上記記録層は、上記記録層の上記磁化容易軸の方向の端部のうち、一方が上記第２配線を上記第１配線に向かって投影したときの影になる投影領域の内側に配置され、他方が上記投影領域の外側に配置されている。

上記目的を達成するため、本発明に基づく磁気記憶装置は、上述の磁気記憶素子を備える。

本発明によれば、磁化反転を容易にすること、磁気記憶素子の選択の信頼性を向上させること、および磁気記憶素子の面積を微細化することのうち、少なくとも二つを両立させる磁気記憶素子および磁気記憶装置を提供することができる。

（実施の形態１）
（構成）
図１から図１２を参照して、本発明に基づく実施の形態１における磁気記憶素子および磁気記憶装置について説明する。

図１は、本実施の形態における磁気記憶素子の概略断面図である。半導体基板１の表面上には、素子選択用トランジスタ１０６が形成されている。素子選択用トランジスタ１０６は、互いに離間するように半導体基板１の表面に形成されたソース１０６ｂおよびドレイン１０６ａを含む。半導体基板１の表面上において、ソース１０６ｂとドレイン１０６ａとに挟まれる領域には、ゲート絶縁膜１０５を介してワード線１０４が形成されている。ワード線１０４は、半導体基板に形成される薄膜トランジスタのうちいわゆるゲート電極の役割を果たす。ワード線１０４の側面には、ワード線１０４を挟むように、サイドウォール１０７が形成されている。

ソース１０６ｂの表面には、コンタクトプラグ１１２が形成されている。コンタクトプラグ１１２は、導電性材料で形成された銅配線２０７と、銅配線２０７の表面に形成されたバリアメタル２０８とを含む。コンタクトプラグ１１２の表面には、読出しビット線１２１が接続されている。読出しビット線１２１は周りに形成されたバリアメタルを含む。このように、読出しビット線１２１は、コンタクトプラグ１１２を介して、ソース１０６ｂに接続されている。読出しビット線１２１は、図１において、紙面に垂直な方向に延在するように形成されている。

ドレイン１０６ａの表面には、複数段のコンタクトプラグ１１１が形成されている。コンタクトプラグ１１１は、導電性材料で形成された銅配線２０５と、銅配線２０５の表面に形成されたバリアメタル２０６とを含む。コンタクトプラグ１１１は、複数段積み重ねられている。

複数段のコンタクトプラグ１１１の端部のうち、ドレイン１０６ａと反対側の端部には、導電層１１３が形成されている。導電層１１３は、板状に形成され、半導体基板１の主表面にほぼ平行に形成されている。導電層１１３は、コンタクトプラグ１１１に接続されている。導電層１１３は、コンタクトプラグ１１１の側方に延在するように形成されている。

コンタクトプラグ１１１の側方において、導電層１１３の主表面には、強磁性トンネル接合素子６１が形成されている。強磁性トンネル接合素子６１は、導電層１１３の表面に接合されている。導電層１１３の主表面のうち、強磁性トンネル接合素子６１が形成されている側と反対側には、第１配線としてのライト線６が形成されている。ライト線６は、導電層１１３から離隔するように配置されている。ライト線６は、導電層１１３を介して、強磁性トンネル接合素子６１に対向するように形成されている。ライト線６は、導電性の材料である銅配線２０１と、銅配線２０１の表面に形成されたバリアメタル２０２とを含む。ライト線６は、図１において、紙面に垂直な方向に延在するように形成されている。

強磁性トンネル接合素子６１の表面のうち、導電層１１３が接合されている面と反対側の面には、第２配線としての書込みビット線３が形成されている。すなわち、強磁性トンネル接合素子６１は、ライト線６と書込みビット線３との間に配置されている。開口部１３１は、強磁性トンネル接合素子６１と書込みビット線３の銅配線２０３との間に、間隙を形成するために形成されている。書込みビット線３は、導電性の材料である銅配線２０３と、銅配線の周りに形成されたバリアメタル２０４とを含む。書込みビット線３は、ライト線６が延在する方向と垂直な方向に延在するように形成されている。書込みビット線３は、図１において、紙面に平行な方向に延在するように形成されている。

半導体基板１の表面上であって、コンタクトプラグ１１１，１１２や、ライト線６などの周りには、絶縁性を有する層間絶縁膜１３０が形成されている。強磁性トンネル接合素子６１は、層間絶縁膜１３０によってライト線６と絶縁されている。

図２に、強磁性トンネル接合素子６１の説明図を示す。図２（ａ）は、強磁性トンネル接合素子の平面図であり、図２（ｂ）は、概略断面図である。

強磁性トンネル接合素子６１は、固着層１１、トンネル絶縁層１２および記録層１３を含む。それぞれの層は、主表面が互いに接するように積層されている。固着層１１は、強磁性層１４ａおよび反強磁性層１４ｂを含む。固着層１１は、磁化の向きが固定された層である。本実施の形態においては、固着層１１は、図２（ａ）における矢印９１に示す方向のうち一方の向きに磁化の向きが固定されている。

記録層１３は、外部磁界によって磁化の向きが変化する層である。一般に、強磁性体には、結晶構造や形状などによって磁化しやすい方向がある。この方向は、エネルギが低い状態であり、磁化しやすい方向は、磁化容易軸（Ｅａ：Easy axis）と呼ばれる。これに対して、磁化されにくい方向は、磁化困難軸（Hard axis）と呼ばれる。図２（ａ）を参照して、本実施の形態においては、矢印９１に示す方向と平行な方向が、磁化容易軸６３の方向である。また、磁化容易軸６３に垂直な方向が磁化困難軸６４の方向である。

本実施の形態における強磁性トンネル接合素子６１は、磁化容易軸６３に対して、平面形状が非対称になるように形成されている。また、強磁性トンネル接合素子６１は、磁化困難軸６４に対して、平面形状が対称になるように形成されている。すなわち、強磁性トンネル接合素子６１は、磁化困難軸６４に対して、線対称になるように形成されている。

本実施の形態における強磁性トンネル接合素子６１の平面形状は、長方形の角となる部分のうち一部を曲線に置き換えた形状を有する。図２（ａ）において、平面形状の直線部７０３と直線部７０４ｂとは交点が垂直になるように形成され、また、直線部７０３と直線部７０４ａとは交点が垂直になるように形成されている。これに対して、直線部７０４ｂと直線部７０２とは曲線部７０１ａを介して接続され、直線部７０４ａと直線部７０２とは曲線部７０１ｂを介して接続されている。直線部７０２と直線部７０３とは互いに平行であり、また、直線部７０４ａと直線部７０４ｂとは互いに平行である。本実施の形態においては、曲線部７０１ａおよび曲線部７０１ｂは、それぞれ円弧になるように形成されている。

本実施の形態における強磁性トンネル接合素子６１は、磁化容易軸６３の方向の長さと、磁化困難軸６４の方向の長さとを比べたとき、磁化容易軸６３の方向の長さが長くなるように形成されている。すなわち、平面形状において、磁化容易軸６３の方向に長手方向を有するように形成されている。特に、強磁性トンネル接合素子６１の平面形状は、アスペクト比が１．２の長方形の角の一部を曲線部に置き換えた形状である。

曲線部を有する強磁性トンネル接合素子６１は、たとえば、周知のリソグラフィ技術を用いて、直接的にパターニングを行なうことによって形成される。または、楕円パターンによる露光と、線形パターンによる露光との２回の露光を行なって形成される。

本実施の形態においては、固着層１１およびトンネル絶縁層１２においても、図２（ａ）に示した平面形状を有しているが、特にこの形態に限られず、たとえば、記録層１３のみが曲線部を有するように形成され、固着層１１およびトンネル絶縁層１２は、平面形状が長方形になるように形成され、さらに、平面視したときに、記録層１３よりも大きくなるように形成されていても構わない。すなわち、トンネル絶縁層１２および固着層１１は、平面形状が記録層１３と同じ形状であってもよいし、記録層１３の平面形状を含んで、記録層１３よりも大きい面積を有する任意の平面形状であってもよい。

図２（ｂ）において、固着層１１は、たとえば、強磁性層１４ａと反強磁性層１４ｂとを積層することにより、磁化の向きが固定されている。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によって、強磁性層１４ａの磁化の向きが固定されている。反強磁性層１４ｂは、強磁性層１４ａの主表面のうち、記録層１３が配置されている側の反対側に配置されている。強磁性層１４ａとしては、たとえば、ＣｏＦｅを用いて形成することができ、また、反強磁性層１４ｂとしては、たとえば、ＩｒＭｎを用いて形成することができる。

記録層１３は、強磁性層であり、たとえば、ＣｏＦｅ層とＮｉＦｅ層とが積層されて形成されている。トンネル絶縁層１２としては、たとえば、ＡｌＯｘを用いて形成されている。

図１に示すように、固着層１１は、導電層１１３およびコンタクトプラグ１１１を介して、素子選択用トランジスタ１０６のドレイン１０６ａに電気的に接続され、記録層１３は、書込みビット線３と電気的に接続されている。

図３に、本実施の形態における強磁性トンネル接合素子の位置の説明図を示す。図３（ａ）は、磁気記憶素子を平面的に透視したときの図であり、（ｂ）は、（ａ）における強磁性トンネル接合素子の部分の拡大図である。

強磁性トンネル接合素子６１は、磁化容易軸の方向が、ライト線６の延在方向とほぼ平行になるように配置されている。すなわち、強磁性トンネル接合素子６１は、長手方向が、ライト線６の延在方向とほぼ平行になるように配置されている。また、強磁性トンネル接合素子６１の磁化困難軸の方向と、書込みビット線３の延在方向とがほぼ平行になるように配置されている。本実施の形態においては、ライト線６と書込みビット線３とのそれぞれの延在方向が互いにほぼ垂直になるように形成されている。

また、強磁性トンネル接合素子６１は、磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向における端部のうち、一方がライト線６を書込みビット線３に投影したときに、影になる投影領域の内側に配置され、他方がこの投影領域の外側になるように配置されている。すなわち、強磁性トンネル接合素子６１は、平面的に透視したときに、磁化困難軸の方向における端部のうち、一方の端部がライト線６の領域内に配置され、他方の端部がライト線６の領域外に配置されている。または、記録層の平面形状のうち、角が形成されている側の端部が上記の投影領域の内部に配置され、曲線部が形成されている側の端部が上記の投影領域の外部に配置されている。強磁性トンネル接合素子６１は、書込みビット線３に主表面全体が覆われるように配置されている。

図４に、本実施の形態における磁気記憶装置の回路図の一部分を示す。本実施の形態における磁気記憶装置は、複数の磁気記憶素子（メモリセル：ＭＣ）を備える。それぞれの磁気記憶素子は、素子選択用トランジスタ１０６および強磁性トンネル接合素子６１を含む。それぞれの磁気記憶素子は、格子状（マトリックス状）に配置されている。それぞれの磁気記憶素子は、素子選択用トランジスタ１０６と、強磁性トンネル接合素子６１とが直列に接続された構成を含む。

書込みビット線３および読出しビット線１２１は、複数の磁気記憶素子を並列に接続するように形成されている。読出しビット線１２１は、共通のセンサアンプ（ＡＭＰ）の入力端に接続されている。ライト線６は、１つの組の内部に形成された複数の強磁性トンネル接合素子６１を跨ぐように形成されている。これらの並列に接続された複数の磁気記憶素子の組が、複数形成され、それぞれの組を跨ぐようにワード線１０４が形成されている。

（作用・効果）
図１を参照して、強磁性トンネル接合素子６１は、後に詳細に説明するように、内部の磁化の向きによって、厚さ方向の抵抗値が異なる。この抵抗値の大小に対応して、“０”または“１”が記憶される。

記憶された“０”または“１”の読出し時には、選択された磁気記憶素子におけるワード線１０４に電流を流すことにより、ワード線１０４に接続された素子選択用トランジスタ１０６が駆動状態になる。一方で、所定の磁気記憶素子における書込みビット線３に電流を流すことによって、強磁性トンネル接合素子６１にトンネル電流が流れる。さらに、導電層１１３、コンタクトプラグ１１１、素子選択用トランジスタ１０６、およびコンタクトプラグ１１２を通って、読出しビット線１２１に電流が流れる。

このとき、強磁性トンネル接合素子６１の抵抗に依存して、読出しビット線１２１に出力される電流量が定まるため、“０”または“１”記憶状態が判別される。すなわち、強磁性トンネル接合素子６１は、記録層の磁化の向きに依存して抵抗値が大きくなったり小さくなったりするため、強磁性トンネル接合素子を通った出力信号を参照セルの出力信号と比較することによって、記憶状態が判別される。それぞれの磁気記憶素子における出力信号は、図４に示すように、センスアンプ（ＡＭＰ）によって受信され、出力信号の大小が判別される。

磁気記憶装置においては、それぞれの磁気記憶素子の抵抗値を判別することにより、それぞれの磁気記憶素子の記憶状態が判別される。磁気記憶装置においては、それぞれの磁気記録素子に対して、書込み動作および読込み動作を行なう。書込み動作および読込み動作については、以下に示す比較例も本発明に基づく形態においても同様である。

次に、磁気記憶素子について、比較例の磁気記憶素子を説明する。比較例の磁気記憶素子は、ライト線、書込みビット線および強磁性トンネル接合素子の部分以外について、前述した本発明に基づく本実施の形態における磁気記憶素子の構成と同様である。

図５は、本実施の形態における比較例としての強磁性トンネル接合素子の構成を説明する図である。図５は、磁気記憶素子を平面的に透視したときの図である。

比較例における磁気記憶素子の強磁性トンネル接合素子１０１は、平面形状が角を有する長方形になるように形成されている。また、ライト線２および書込みビット線３は、それぞれの幅が、対応する強磁性トンネル接合素子１０１の一辺の長さよりも大きくなるように形成されている。強磁性トンネル接合素子１０１は、ライト線２と書込みビット線３とに挟まれる領域の内部に形成されている。強磁性トンネル接合素子１０１は、磁化容易軸がライト線２の延在方向と平行になるように形成されている。

図６に、強磁性トンネル接合素子の機能を説明する概略断面図を示す。強磁性トンネル接合素子１０１は、固着層１５、トンネル絶縁層１６および記録層１７が積層された構造を有する。固着層１５は、強磁性層１８ａおよび反強磁性層１８ｂを含む。これらの積層構造については、本実施の形態における強磁性トンネル接合素子６１（図２参照）と同様である。

図６（ａ）および（ｂ）に示すように、固着層１５の磁化の向きは矢印９４に示す向きである。固着層１５の向きは、固定されている。これに対して、記録層１７の磁化の向きは、固着層１５の磁化の向きと平行である。記録層１７の磁化の向きは、外部磁界によって、矢印９５または矢印９６に示すように反転する。

たとえば、図６（ａ）に示すように、固着層１５の磁化の向きと記録層１７の磁化の向きとが同じ向きである状態を、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ことができる。また、図６（ｂ）に示すように、固着層１５の磁化の向きと記録層１７の磁化の向きとが互いに逆向きの状態を、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ことができる。

強磁性トンネル接合素子は、積層されている方向（厚さ方向）に、電流を流した場合に、記録層の磁化の向きに依存して抵抗が異なるという特性を有する。固着層と記録層との磁化の向きが互いに同じ向きである場合には、抵抗が小さく、固着層の磁化の向きと記録層の磁化の向きとが互いに逆向きである場合には、抵抗が大きいという特性を有する。この特性を利用して、強磁性トンネル接合素子に流れる電流（出力信号）が大きいかまたは小さいかによって、磁気記憶素子の記憶状態“０”または記憶状態“１”が判別される。

次に、記録層１７の磁化の向きを反転させる動作について説明する。すなわち、強磁性トンネル接合素子への書込み動作について説明する。

図５を参照して、ライト線２と書込みビット線３とは、延在方向が互いに直交するように形成され、強磁性トンネル接合素子１０１は、ライト線２と書込みビット線３とが交差する領域に配置されている。強磁性トンネル接合素子１０１は、ライト線２と書込みビット線３との間に配置されている。ライト線２は、本発明に基づく磁気記憶素子と同様に、強磁性トンネル接合素子１０１の下方に配置され、書込みビット線３は上方に配置されている。

図５に、ライト線２の幅方向の中心軸と書込みビット線３の幅方向の中心軸との交点を原点とした座標系を示す。この比較例においては、強磁性トンネル接合素子１０１の平面形状である長方形の重心位置が原点となる。また、図５に、記録層の磁化の向きを反転させるために必要な磁界の大きさであるアステロイド曲線５６を示す。アステロイド曲線５６は、原点に向かって凹になる曲線であり、記録層に対してこの曲線よりも大きな磁界が印加されれば、記録層の磁化の向きが反転する。

強磁性トンネル接合素子１０１の書込み時においては、ライト線２と書込みビット線３とに電流が流される。書込みビット線３には、たとえば矢印９２に示す向きに電流が流され、書込みビット線３を取巻く磁界が生じる。この磁界により、書込みビット線３の下方にある強磁性トンネル接合素子の記録層には、磁化容易軸に平行な向きの磁界５３が形成される。一方、ライト線２には、たとえば、矢印９３に示す向きに電流が流され、ライト線２を取巻く磁界が生じる。強磁性トンネル接合素子の記録層は、ライト線２の上方にあるため、記録層には、磁化困難軸方向に平行な向きの磁界５４が形成される。書込み時においては、強磁性トンネル接合素子１０１の記録層に対して、磁界５３と磁界５４との合成磁界である磁界５５が形成される。

図５に示す例では、磁界５５の大きさが、アステロイド曲線５６に示される磁界よりも大きいため、記録層１３は、磁化容易軸方向のうち、矢印９３で示した向きに磁化される。

図６を参照して、図６（ａ）は、強磁性トンネル接合素子１０１の記録層１７の磁化の向きが、固着層１５の磁化の向きと同じである。すなわち、矢印４９に示す固着層１５の磁化の向きと矢印９５に示す記録層１７の磁化の向きとが、互いに同じ状態である。この場合には、強磁性トンネル接合素子の積層方向（厚さ方向）についての抵抗値が小さくなる。

図６（ｂ）は、固着層１５における磁化の向きと記録層１７における磁化の向きとが反対になるように、記録層１７の磁化の向きを反転させたときの（磁化反転させたときの）断面図である。この場合には、強磁性トンネル接合素子の積層方向（厚さ方向）についての抵抗値が大きくなる。記録層１７の磁化の向きを反転させるには、たとえば、図５において、書込みビット線３に対して矢印９２の向きと反対向きに電流を流すことによって行なえる。

このように、ライト線２および書込みビット線３の電流を変化させることにより、記録層１７の磁化の向きを反転させることができ、強磁性トンネル接合素子の厚さ方向の抵抗値を変化させることができる。

次に、図５を参照して、比較例における磁気記憶素子の問題点について説明する。強磁性トンネル接合素子１０１の記録層が、矢印９３の向きと反対向きに磁化されている状態に対して、矢印９３の向きに磁化の向きを反転させる書込みを行なう場合には、合成磁界である磁界５５を印加することにより反転させることができる。

ここで、磁界５３または磁界５４のいずれか一方の磁界のみが印加された場合においては、磁化反転は生じない。しかし、磁化容易軸の方向において、アステロイド曲線５６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、強磁性トンネル接合素子１０１の記録層は磁化反転してしまう。このように、磁化容易軸に平行な大きな磁界を発生させる電流が書込みビット線３に流れた場合には、書込みビット線３に沿って配置されているすべての強磁性トンネル接合素子の記録層は、磁界５８の向きになってしまう。すなわち、非選択の磁気記憶素子に対しても、磁化反転が生じて、誤った書込みを行なう可能性がある。

同様に、ライト線２に大きな電流が流れた場合においても、ライト線２によって形成される磁界が大きな場合には、わずかな磁化容易軸方向の磁界が加わることによって、磁化反転が生じてしまう。このような場合には、ライト線２に沿って形成されている磁気記憶素子において、非選択の磁気記憶素子に対しても、磁化反転が生じて、誤った書込みを行なう可能性がある。

図７は、比較例の記録層の磁化分布を例示する平面図である。記録層１７の平面形状は、長方形になるように形成され、長方形の短辺に対する長辺の比（アスペクト比）が２．０になるように形成されている。この記録層においては、長辺の方向が矢印９１に示す磁化容易軸の方向とほぼ平行になるように形成されている。図７においては、記録層１７の表面の各位置における磁化の向きを矢印で示している。

図８に、記録層の材料および厚さを一定にして、平面形状の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説明するグラフを示す。横軸は、磁化困難軸方向に印加される磁界Ｈｘの大きさを示し、縦軸は、磁化容易軸方向に印加される磁界Ｈｙの大きさを示す。磁界Ｈｘは、ライト線２に電流を流した際に発生する磁界であり、磁界Ｈｙは、書込みビット線３に電流を流した際に発生する磁界である。グラフにプロットされているそれぞれの測定点は、記録層の磁化の向きが磁界Ｈｙの負の向きの状態で、一定の磁界Ｈｘを印加して、磁化の向きが反転するのに必要な磁界Ｈｙを計測した結果である。すなわち、それぞれのプロット３１〜３４を結ぶ曲線は、それぞれの記録層のアステロイド曲線を示す。

図８に示すグラフにおいて、プロット３１は、記録層の平面形状のアスペクト比が２．０の結果を示している。同様に、プロット３２、プロット３３、またはプロット３４は、それぞれのアスペクト比が、この順に１．５、１．２または１．０の場合を示している。

プロット３１で示される記録層を例にとると、磁界Ｈｘが０の場合における磁界Ｈｙの値よりも、大きな磁界Ｈｙの領域である領域４１に相当する磁界が印加された場合、記録層の磁化の向きが、印加された磁界の向きになる。すなわち、書込みビット線に、領域４１の大きさの磁界を発生させる電流が流れていれば、ライト線に電流が流れていなくても、記録層の磁化の向きが決定される。さらに、当該書込みビット線に沿った部分に形成された強磁性トンネル接合素子では、記録層の磁化反転が生じる可能性がある。

同様に、プロット３１において、磁化反転を生じる磁界Ｈｙが非常に小さくなるときの磁界Ｈｘよりも大きな磁界Ｈｘの領域である領域４２を検討する。領域４２においては、ライト線に大きな電流が流れ、ライト線によって形成される磁界Ｈｘが領域４２の大きさになると、わずかな大きさの磁界Ｈｙが印加されるので、記録層の磁化の向きが決定される。すなわち、ライト線に電流が流れ、磁界Ｈｘが領域４２に達すれば、書込みビット線にわずかな電流が流れるだけで、記録層の磁化の向きが決定される。さらに、当該ライト線に沿った部分に形成された強磁性トンネル接合素子は、記録層の磁化反転が生じる可能性がある。

このように、領域４０の外側の領域である領域４１または領域４２においては、望ましくない磁化反転が生じるおそれがある。領域４０は、磁界Ｈｘと磁界Ｈｙとが形成されて、磁化反転が生じる領域である。上記の領域４１での望ましくない磁化反転を防止するためには、アステロイド曲線の傾きを急峻にして、領域４０が大きくなるように記録層を形成することが好ましい。図８のそれぞれのプロット３１〜３４の比較において、記録層の平面形状のアスペクト比が大きいほど、Ｈｘの小さい領域においてアステロイド曲線の傾きを急峻にできることが分かる。

しかしながら、図８に示すように、磁化困難軸方向の磁界の大きさ（磁界Ｈｘの大きさ）が一定の場合、記録層の磁化を磁化容易軸方向に沿った所望の向きに向けるために必要な磁界（以下、「反転磁界」という）は、アスペクト比が大きいほど増大する。すなわち、記録層のアスペクト比が大きくなるほど、磁化反転に必要な消費電力も大きくなってしまう。また、アスペクト比を大きくすると、磁気記憶素子を形成するための必要な面積が大きくなってしまうという問題がある。

図９に、本発明に基づく本実施の形態における強磁性トンネル接合素子（図２参照）を採用した場合におけるグラフを示す。図９は、図８のグラフに加えて、本発明に基づく記録層のアステロイド曲線が形成されるプロット３５を併記したグラフである。プロット３１〜３４は、図８におけるプロット３１〜３４である。プロット３５の計測に用いられた記録層は、プロット３１〜３４に用いられた記録層の材料と同一であり、また、厚さが同一であるように形成されている。

図９のグラフにおいてプロット３５に示すように、本発明に基づく図２に示す形状を有する記録層を採用すると、磁化困難軸方向の磁界Ｈｘが一定の値（以下、「磁化困難軸方向しきい値」という）より小さくなれば、磁化容易軸方向の反転に必要な磁界Ｈｙは、急激に大きくなる。すなわち、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、磁化容易軸方向に対して大きな反転磁界が必要になる。また、磁化困難軸方向しきい値よりも磁界Ｈｘが大きければ、逆に、反転に必要な磁界Ｈｙは小さくなる。

記録層の磁化反転を行なうことができる領域４３は、図８に示した磁化反転を行なうことができる領域４０よりも大きくなっている。特に、図９の磁界Ｈｙで示される磁化容易軸方向に領域が大きくなっている。領域４５については、図８に示した領域４２と同様である。これに対して、磁化容易軸方向の磁界Ｈｙのみで、磁化反転が生じる領域である領域４４は、図８の対応する領域４１に比べて非常に小さくなっている。すなわち、書込みビット線に電流が流れることによる書込みエラーが起り得る領域が、非常に小さくなる。したがって、磁化容易軸方向のみに磁界が印加されて生じる磁化反転を抑制することができる。すなわち、書込みビット線から発生される磁界によって、当該書込みビット線に沿った磁気記憶素子の記録層が、誤って磁化反転されることを抑制できる。

また、磁界Ｈｘが、磁化困難軸方向しきい値よりも大きい場合には、プロット３１で示されるアステロイド曲線よりも、磁化容易軸方向の反転磁界を小さくなる。すなわち、選択された磁気記憶素子において、反転磁界を小さくできて、磁化反転を容易に行なうことができる。または、ライト線に流れる電流と書込みビット線に流れる電流との合計を小さくすることができる。

このように、本発明に基づく図２に示した平面形状を有する記録層を備える磁気記憶素子においては、非選択の磁気記憶素子においては、反転磁界を従来の記録層よりも大きくして、選択された磁気記憶素子においては、反転磁界を従来よりも小さくすることができる。したがって、磁気記憶素子の選択についての信頼性が向上する。

さらに、記録層の平面形状における直線部を延在させたときの長方形のアスペクト比を小さくすることができる。ここで、後述するように、比較例における強磁性トンネル接合素子は、図５に示すように、ライト線と書込みビット線とが交差する領域の内部に形成することが好ましく、アスペクト比を大きくすると、たとえば、書込みビット線の幅を大きくする必要がある。磁気記憶素子および磁気記憶装置においては、書込みビット線の幅方向の長さが長くなる（図４参照）。しかし、本願における強磁性トンネル接合素子においては、アスペクト比を小さくすることができ、磁気記憶素子の面積を微細化することができる。すなわち、磁気記憶素子を小型化することができる。

図９のグラフに示すように、磁化容易軸方向において、反転磁界の大きさが磁化困難軸方向の磁界の大きさに依存して顕著に異なる現象は、磁化状態の差異に起因する。図１０に、磁化容易軸方向の磁界Ｈｙと磁化困難軸方向の磁界Ｈｘとの合成磁界が、反転磁界よりも大きい場合と小さい場合との磁化分布を示す。図１０（ａ）および（ｂ）は、本発明に基づく強磁性トンネル接合素子６１の記録層の平面図である。それぞれの矢印は、それぞれの位置における磁化の向きを示している。図１０（ａ）および（ｂ）は、それぞれの磁界Ｈｙが同じ大きさで、磁界Ｈｘの大きさが異なるように磁界が印加されている。図１０（ａ）に印加されている磁界Ｈｘは、磁化困難軸方向しきい値よりも小さく、図１０（ｂ）に印加されている磁界Ｈｘは、磁化困難軸方向しきい値よりも大きくなるように磁界が印加されている。

一般的に、磁性体内の磁化は、磁束を外部に向かって漏らすと、エネルギ場を形成する。このエネルギ場が強磁性体と相互作用するため、磁化の向きは、できるだけ磁束を外部に漏らさないように（端面の形状に沿うように）なる。この相互作用は、磁性体の端面に近づくほど強く、磁性体の端面に近いほど磁束を外に漏らさないような磁化分布が形成される。すなわち、磁性体の端面に近い領域においては、端面の形状に沿うような磁化分布が形成される。

図７に示す比較例の記録層においては、記録層１７の形状が、磁化容易軸（矢印９１の方向）および磁化容易軸に垂直な軸に対して対称である。磁化困難軸方向には、わずかな外部磁界が印加されるのみである。このような分布は、その分布の形状からＳ型と言われる。

本発明に基づく記録層において、磁界Ｈｘの値が磁化困難軸方向しきい値よりも小さく、合成磁界が反転磁界よりも小さい場合には、強磁性トンネル接合素子６１の記録層の表面における磁化分布が、図１０（ａ）に示されるような分布になる。この磁化分布の形態は、Ｃ型と呼ばれ、安定な磁化状態であるため、磁化容易軸方向の反転磁界は大きくなる。これに対し、図１０（ｂ）に示すように、磁界Ｈｘの値が、磁化困難軸方向しきい値よりも大きく、合成磁界が反転磁界よりも大きい場合には、外部から印加された磁界によるエネルギによって、図１０（ｂ）に示されるような分布になる。この磁化分布の形態は、Ｓ型であり、それぞれの位置における磁化の向きが、磁界Ｈｘおよび磁界Ｈｙの合成磁界の向きにほぼ沿うような磁化分布となる。

図１０（ｂ）に示されたＳ型の状態では、外部の磁界によるトルクを受けやすくなり、反転磁界が急激に小さくなる。このように、記録層を磁化容易軸に対して非対称にして、かつ磁化容易軸に垂直な軸に対して対称の形状にすることによって、上記のようなＳ型とＣ型との磁化分布の変化を得ることができる。

所定の選択された磁気記憶素子の書込みのために、書込みビット線およびライト線に電流を流して形成された磁界は、非選択の磁気記憶素子にも寄与する。この磁界は、ディスターブ磁界と言われ、非選択の磁気記憶素子に対しても、磁化反転を発生させる可能性がある。したがって、図７に示すような平面形状が長方形の記録層を有する磁気記憶素子においては、図５に示すように、強磁性トンネル接合素子を、ライト線と書込みビット線とが交差する領域内に配置して、ディスターブ磁界の影響を排除することが好ましい。または、ライト線の幅および書込みビット線の幅を大きくして、上記の交差する領域の内部に完全に記録層が配置されるように形成されていた。

これに対して、本発明に基づく本実施の形態の強磁性トンネル接合素子においては、図９のプロット３５に示されるように、磁化困難軸方向の磁界Ｈｘを、磁化困難軸方向しきい値よりも大きくしなければ、ライト線に流れる電流によって、実質的な磁化反転が記録層に生じないという特徴がある。

選択された磁気記憶素子に含まれるライト線に、連なる非選択の磁気記憶素子に注目すると、磁化困難軸方向に磁化困難軸方向しきい値以上の磁界が与えられた場合には、磁気容易軸方向のディスターブ磁界に対して、ほぼ同じ耐性になる。これに対して、選択された磁気記憶素子を含む１つの書込みビット線に沿うように形成された非選択の磁気記憶素子に注目すると、ライト線による磁気困難軸方向のディスターブ磁界に対して、非常に強いという特徴を有する。

したがって、ディスターブ磁界の影響を避けるために制限されていた磁気困難軸方向に磁界を形成するライト線の配置の自由度を高くすることができる。具体的には、前述のとおり、磁性体内の磁化は、その端部に垂直になるほどエネルギが大きくなり、記録層の面内で磁化を貯めようとする特性を持つ。このため、端部の磁化の向きを制御することで、磁性体の磁化の向きを定めることができる。

この特性を利用して、外部の磁界が記録層の端部に集中されるように、ライト線を強磁性トンネル接合素子の磁化困難軸方向の端部のうち、一方の端部に対向するように配置することができる。すなわち、磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向の端部のうち、一方がライト線を書込みビット線に向かって投影したときの影になる投影領域の内部に配置され、他方が上記の投影領域の外側に配置されるように形成することができる。この構成を採用することにより、ライト線の配置の自由度を大きくすることができる。また、ライト線の幅を、磁気記憶素子の幅よりも小さくすることができ、磁気記憶素子の微細化を図ることができる。

なお、本実施の形態においては、第１配線として、強磁性トンネル接合素子の下側にライト線が形成され、第２配線として、強磁性トンネル接合素子の上側に書込みビット線が形成されたが、特にこの形態に限られず、第１配線として書込みビット線が形成され、第２配線としてライト線が形成されていても構わない。

図１１に、この場合における強磁性トンネル接合素子６１の部分の拡大図を示す。強磁性トンネル接合素子６１は、書込みビット線７の延在方向と矢印９１に示す磁化容易軸の方向とがほぼ平行になるように配置される。また、磁化困難軸の方向とライト線２の延在方向とがほぼ平行になるように配置される。この場合においても、第１配線としての書込みビット線７を第２配線としてのライト線２に投影したときの影になる投影領域の内部に、強磁性トンネル接合素子６１の一部分が存在するように配置することができる。

また、記録層１３の平面形状は、図２に示された形状に限定されるものではない。図１２に、本実施の形態における他の記録層の平面図を示す。強磁性トンネル接合素子６２は、平面形状が四角形の角になる部分を曲線部に置換した形状を有する。強磁性トンネル接合素子６２の記録層は、表面に互いにほぼ平行になるように形成された直線部８０２ａおよび直線部８０２ｂを含む。直線部８０４は、それぞれの直線部を延在したときに、直線部８０２ａおよび直線部８０２ｂとほぼ垂直になるように形成されている。直線部８０４と直線部８０２ａとは曲線部８０３ａによって接続され、直線部８０４と直線部８０２ｂとは、曲線部８０３ｂを介して接続されている。

直線部８０２ａと直線部８０２ｂとは、曲線部８０１を介して接続されている。曲線部８０３ａ，８０３ｂ，８０１は、それぞれ円弧形状になるように形成されている。直線部８０４は、矢印９１に示す磁化容易軸の方向にほぼ平行になるように形成され、直線部８０２ａおよび直線部８０２ｂは、磁化容易軸の方向と垂直になるように形成されている。曲線部８０１の曲率半径は、曲線部８０３ａ，８０３ｂの曲率半径よりも大きい。すなわち、図１２において、磁化困難軸６４の方向の端部のうち、向かって左側の端部の方が直線形状に近く、向かって右側の端部は円弧形状を有する。

この記録層は、磁化容易軸６３が直線部８０４とほぼ平行になるように形成され、磁化困難軸６４が直線部８０２ａ，８０２ｂと平行になるように形成されている。

この記録層は、図２に示した記録層とは異なり、平面形状に角となる部分を有さず、曲線部と直線部とから形成されている。この記録層は、磁化容易軸６３に対して、平面形状が非対称になるように形成され、磁化容易軸と垂直な磁化困難軸６４に対して、平面形状が対称になるように形成されている。記録層の配置に関しては、図１２における直線部８０４が、図２における直線部７０３に対応するように配置される。この強磁性トンネル接合素子においても上述と同様の効果を有する。

また、記録層の形成において、１回のリソグラフィでは、図２に示したような平面形状に角となる部分を有する形状の記録層を形成することが困難な場合がある。しかし、図１２に示すように、記録層の平面形状として、直線部同士の間に曲線が形成され、角となる部分が排除された形状を採用することにより、１回のリソグラフィで本発明に基づく記録層を形成することができる。

本発明に基づく磁気記憶装置は、上述の磁気記憶素子を備える。この構成を採用することにより、上述の効果を有する磁気記憶装置を提供することができる。

（実施の形態２）
（構成）
図１３から図１５を参照して、本発明に基づく実施の形態２における磁気記憶素子および磁気記憶装置について説明する。

図１３は、本実施の形態における第１の磁気記憶素子の断面図である。図１３に示す断面図は、書込みビット線の延在方向に垂直な面で切断したときの断面図である。半導体基板１の主表面に、素子選択用トランジスタやコンタクトプラグが形成され、図示しないコンタクトプラグを介して、素子選択用トランジスタが強磁性トンネル接合素子６１に接続されていることは、実施の形態１と同様である。強磁性トンネル接合素子６１と半導体基板１との間において、強磁性トンネル接合素子６１の直下に、ライト線が形成されていることも実施の形態１における磁気記憶素子と同様である。

本実施の形態においては、強磁性トンネル接合素子６１の上面（半導体基板１が配置されている側と反対側）に配置されている書込みビット線５が、被覆層１３３で覆われた構成を備える。書込みビット線５は、導電性材料である銅配線２０３と、銅配線２０３の周りに形成されたバリアメタル２０４と、被覆層１３３とを含む。被覆層１３３は、書込みビット線５の上面および側面に形成されている。すなわち、書込みビット線５のうち、強磁性トンネル接合素子６２と対向している面を除く面に、被覆層１３３が形成されている。被覆層１３３は、高透磁率材料で形成されている。たとえば、被覆層１３３は、パーマロイを用いて形成されている。

図１４に、本実施の形態の第１の磁気記憶素子におけるライト線、書込みビット線、および強磁性トンネル接合素子の位置関係の説明図を示す。図１４（ａ）は、本実施の形態における第１の磁気記憶素子を平面的に透視したときの図であり、（ｂ）は、（ａ）における強磁性トンネル接合素子の部分の拡大図である。

本実施の形態においては、強磁性トンネル接合素子として、図２で示した形状を有する強磁性トンネル接合素子６１が配置されている。ライト線２の延在方向と、書込みビット線５の延在方向とが、ほぼ垂直に交わるよう配置され、ライト線２と書込みビット線５との間に、強磁性トンネル接合素子６１が配置されていることは、実施の形態１と同様である。本形態においては、磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向に磁界を形成するための第１配線としてライト線２が形成されている。また、平面的に見て、ライト線２に交差するように形成された第２配線として書込みビット線５が形成されている。

本実施の形態においては、強磁性トンネル接合素子の記録層において、磁化容易軸の方向の端部のうち、一方が書込みビット線５をライト線２に向かって投影したときの影になる投影領域の内部に配置され、上記の端部のうち他方が、上記の投影領域の外側に配置されている。すなわち、書込みビット線５は、強磁性トンネル接合素子６１の一部のみを覆うように配置されている。

ライト線２は、強磁性トンネル接合素子６１の対応する幅よりも大きな幅を有するように形成され、ライト線２を書込みビット線５に向かって投影したときに影になる領域の内部に、強磁性トンネル接合素子６１が配置されるように形成されている。

図１５に、本実施の形態における第２の磁気記憶素子の説明図を示す。図１５は、第２の磁気記憶素子を平面的に透視したときの図のうち、強磁性トンネル接合素子の部分の拡大図である。

本実施の形態の第２の磁気記憶素子においては、ライト線の幅と位置が本実施の形態における第１の磁気記憶素子と異なる。第２の磁気記憶素子におけるライト線６の幅は、第１の磁気記憶素子におけるライト線２の幅よりも細くなるように形成されている。また、強磁性トンネル接合素子６１において、矢印９１に示す磁化容易軸方向とほぼ垂直な方向の端部のうち、一方がライト線６を書込みビット線５に向かって投影したときに影になる投影領域の内部に配置され、他方が上記の投影領域の外側に配置されるように形成されている。すなわち、第２の磁気記憶素子においては、平面的に透視したときに、強磁性トンネル接合素子６１の一部が、ライト線６から飛び出すように形成され、さらに、書込みビット線５から一部が飛び出すように形成されている。

本実施の形態における磁気記憶装置は、実施の形態１と同様に、書込みビット線やライト線などで、複数の本実施の形態における磁気記憶素子が接続された構成を備える（図４参照）。

その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰返さない。

（作用・効果）
図１４を参照して、書込みビット線５に電流を流すことによって発生する磁界は、被覆層１３３に集中する。書込みビット線５の近傍に配置された強磁性トンネル接合素子６１に対しても磁界が集中する。したがって、書込みビット線５に電流を流すことによって強磁性トンネル接合素子６１に印加される磁界は、被覆層１３３を形成しない場合と比べて大きくなる。すなわち、書込みビット線５に流す電流を小さくして、効率的な磁界の形成を行なうことができる。この結果、消費電力を低減することができるとともに、非選択の磁気記憶素子へのディスターブ磁界を低減することができる。

しかし、強磁性トンネル接合素子の記録層の平面形状が長方形である場合には、書込みビット線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、書込みビット線に沿った磁気記憶素子において、記録層が誤って磁化反転する可能性があった。

本実施の形態における第１の磁気記憶素子においては、記録層の平面形状が、磁化容易軸に対して非対称になるように形成され、磁化容易軸と垂直な軸に対して対称になるように形成されている。書込みビット線５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９のプロット３５に示すように、本実施の形態における記録層は、磁化困難軸方向の磁界Ｈｘが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化容易軸方向に大きな磁界Ｈｙが必要である。このため、書込みビット線５に対して、被覆層１３３を形成して発生する磁界を増大させても、不要な磁化反転を抑制することができる。すなわち、書込みビット線５に沿って形成された磁気記憶素子において、誤って磁化反転が生ずることを防止できる。

さらに、ディスターブ磁界の抑制のために制限されていた書込みビット線５の位置を変更することができる。前述のように、一般的に磁性体内の磁化は、その端部と垂直になるほどエネルギが大きくなり、記録層の面内で磁界を貯めようとする性質を持つ。このため、記録層の端部の磁化の向きを制御することによって、磁性体の磁化の向きを定めることができる。この性質を利用して、書込みビット線５の磁界が記録層の端部に集中されるように、書込みビット線５を強磁性トンネル接合素子６１の磁化容易軸の方向の端部のうち、一方の端部を覆うように配置することができる。すなわち、第２配線としての書込みビット線５を、第１配線としてのライト線２に投影したときに影となる投影領域の内部に、強磁性トンネル接合素子の一部が配置され、他の部分が上記の投影領域の外側に配置されるように、書込みビット線５を配置することができる。

この結果、強磁性トンネル接合素子の記録層に、効果的な磁化反転磁場を与えることができる。さらに、書込みビット線５の幅方向の大きさが、強磁性トンネル接合素子６１の大きさに依存しなくなって、書込みビット線５の幅を小さくすることができる。すなわち、書込みビット線５の線幅をデバイスの製造における最小の線幅にすることができ、磁気記憶素子の面積の微細化を図ることができる。すなわち、磁気記憶素子の小型化を行なうことができる。

さらに、被覆層１３３による磁界の集中効果によって、選択される磁気記憶素子を含むライト線２に連なる非選択の磁気記憶素子に注目した場合においても、磁化容易軸方向のディスターブ磁界によって、誤って磁化反転が生ずることを抑制できる。

図１５を参照して、本実施の形態における第２の磁気記憶素子においては、実施の形態１と同様に、強磁性トンネル接合素子６１の磁化容易軸に垂直な方向の端部のうち、一方が、ライト線６を書込みビット線５に向かって投影したときに影になる投影領域の外側に配置される。さらに、ライト線６の幅を細くすることができる。この構成を採用することにより、強磁性トンネル接合素子に、効果的な磁化反転磁場を与えられることができ、さらに、ライト線および書込みビット線の幅方向の大きさが、強磁性トンネル接合素子の大きさに依存しなくなる。この結果、強磁性トンネル接合素子の製造において、ライト線および書込みビット線の幅を製造可能な最小の幅にすることができ、磁気記憶素子の面積の微細化が可能になる。

本形態においては、書込みビット線に被覆層が形成されていたが、特にこの形態に限られず、書込みビット線に加えて、ライト線にも高透磁率材料で形成された被覆層が形成されていてもよい。

上述のように、本実施の形態によれば、非選択の磁気記憶素子の誤った磁化反転の防止、および書込み時の電力の低減により容易に磁化反転させることができるとともに、磁気記憶素子の面積の微細化を行なうことができる。

本発明に基づく磁気記憶装置は、上述の磁気記憶素子を備える。この構成を採用することにより、上述の効果を有する磁気記憶装置を提供することができる。

上記以外の作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰返さない。

（実施の形態３）
（構成）
図１６から図１８を参照して、本発明に基づく実施の形態３における磁気記憶素子および磁気記憶装置について説明する。

図１６に、本実施の形態における第１の磁気記憶素子の断面図を示す。図１６は、第１の磁気記憶素子の断面図である。

半導体基板１の主表面に、素子選択用トランジスタ１０６が形成され、素子選択用トランジスタ１０６に、読出しビット線１２１、強磁性トンネル接合素子６１が接続されていることは、実施の形態１における磁気記憶素子と同様である。

本実施の形態における第１の磁気記憶素子においては、強磁性トンネル接合素子６１の主表面の両側に書込みビット線３とライト線４が配置されている。書込みビット線３は、第１配線として形成されている。第２配線としてのライト線４は、周囲に高透磁率材料で形成された被覆層１３２を含む。被覆層１３２は、たとえば、パーマロイを用いて形成されている。被覆層１３２は、ライト線４の表面のうち、強磁性トンネル接合素子６１に対向する面以外の面に形成されている。図１６においては、ライト線４の側面およびライト線４の底面に当たる部分に被覆層１３２が形成されている。

図１７に、本実施の形態の第１の磁気記憶素子において、ライト線、書込みビット線および強磁性トンネル接合素子の位置関係の説明図を示す。図１７（ａ）は、第１の磁気記憶素子を平面的に透視したときの平面図であり、図１７（ｂ）は、（ａ）における強磁性トンネル接合素子の部分の拡大図である。

本実施の形態における強磁性トンネル接合素子６１は、実施の形態１における強磁性トンネル接合素子と同様である。矢印９１の方向は、磁化容易軸の方向である。本実施の形態においては、磁化容易軸が、書込みビット線３の延在方向とほぼ平行になるように配置され、磁化困難軸がライト線４の延在方向とほぼ平行になるように配置されている。

書込みビット線３は、強磁性トンネル接合素子６１の平面形状全体を覆うように配置されている。これに対し、ライト線４は、強磁性トンネル接合素子６１の磁化容易軸方向における端部のうち、一方が、ライト線４を書込みビット線５に投影したときに影になる投影領域の内側に配置され、上記端部のうち他方が、上記の投影領域の外側に配置されている。

図１８に、本実施の形態における第２の磁気記憶素子の説明図を示す。図１８は、第２の磁気記憶素子における強磁性トンネル接合素子の部分を透視したときの拡大図である。

第２の磁気記憶素子においては、第１の磁気記憶素子の構成に加えて、書込みビット線７の幅が細く形成されている。書込みビット線７は、強磁性トンネル接合素子６１の一方の端部のみを覆うように配置されている。すなわち、強磁性トンネル接合素子６１の磁化容易軸方向に垂直な方向における端部のうち、一方の端部が、書込みビット線７をライト線４に向かって投影したときに影となる投影領域に配置され、上記端部のうち他方が、上記の投影領域の外側に配置されている。その他の構成については、第１の磁気記憶素子と同様である。

本実施の形態における磁気記憶装置は、実施の形態１と同様に、書込みビット線や、ライト線などで、複数の磁気記憶素子が接続された構成を備える（図４参照）。

その他の構成については、実施の形態１における磁気記憶素子および磁気記憶装置と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

（作用・効果）
図１６および図１７を参照して、本実施の形態の第１の磁気記憶素子において、ライト線４に電流を流すことによって発生する磁界は、被覆層１３２に集中する。したがって、ライト線４に対向するように配置されている強磁性トンネル接合素子６１においても、磁界が集中しやすくなる。したがって、ライト線４に電流を流すことによって発生する磁界は、被覆層１３２を形成しない場合と比べて大きくなり、ライト線４に流す電流を小さくして、効率的に磁界を形成することができる。この結果、消費電力を低減することができる。

図９のアステロイド曲線を参照して、強磁性トンネル接合素子に印加される磁界は、配線を流れる電流によって形成されているため、磁化容易軸方向の磁界が強くなるような配線の配置の方が、磁化反転を生じる領域の磁界を容易に形成することができ、全体の電流値（消費電力）を小さくできる。従って、本実施の形態における磁気記憶素子においては、磁化容易軸の方向に大きな磁界を形成することができるライト線の延在方向と、磁化容易軸とが垂直になるように形成されることが好ましい。

しかし、ライト線４に流れる電流によって形成される磁化容易軸方向の磁界が大きくなると、ライト線４に沿って形成された磁気記憶素子において、非選択の磁気記憶素子にも誤って磁化反転が生じるという可能性があった。

本実施の形態においても、強磁性トンネル接合素子として、磁化容易軸に対して非対称で、磁化困難軸に対して対称であるような平面形状を有する強磁性トンネル接合素子を採用している。ライト線４に流れる電流によって形成される磁界は、強磁性トンネル接合素子の記録層に印加される。図９のプロット３５に示されるように、磁化困難軸方向の磁界Ｈｘが、磁化困難軸方向しきい値よりも小さい場合においては、磁化反転が生じるために磁化容易軸方向に大きな磁界Ｈｙが印加される必要がある。このため、ライト線４に被覆層１３２を形成して、大きな磁界を発生させても、ライト線４からの磁界のみによって磁化反転されることを抑制することができる。すなわち、ライト線４に沿って形成された磁気記憶素子において、記録層が誤って磁化反転されることを防止できる。

さらに、ライト線４が、被覆層１３２を含むことにより、磁界の集中効果が生じて、選択された磁気記憶素子に対向する書込みビット線３に連なる非選択の磁気記憶素子に注目した場合でも、磁化容易軸方向のディスターブ磁界に対して強くなり、誤って磁化反転が生じることを防止できる。

したがって、ディスターブ磁界を抑制するために制限されていたライト線４の配置の自由度を大きくすることができる。具体的には、前述のとおり、記録層の端部の磁化の向きを制御することで、磁性体素子の磁化の向きを定めることができることを利用して、磁界が記録層の端部に集中されるように、ライト線４を強磁性トンネル接合素子６１の磁化容易軸方向の端部のうち一方に対向するように配置することができる。この構成を採用することにより、強磁性とトンネル接合素子に効果的な磁化反転磁場を与えることができ、さらに、ライト線の幅方向の寸法を小さくすることができる。すなわち、ライト線の幅方向の寸法が、強磁性トンネル接合素子の大きさに依存しなくなって、磁気記憶素子の製造時におけるライト線の幅を最小のものにすることができる。この結果、磁気記憶素子の表面積の微細化を図ることができる。

さらに、図１８の第２の磁気記憶素子においては、実施の形態１と組合せて、書込みビット線７をライト線４に投影したときに影となる投影領域に、強磁性トンネル接合素子の一方の端部が配置されている。この構成を採用することにより、ライト線および書込みビット線の線幅を磁気記憶素子の製造における可能な最小の線幅にすることができ、磁気記憶素子の微細化を図ることができる。

このように、本実施の形態によれば、非選択の磁気記憶素子の誤った磁気反転の防止と、書込み電流の低減が行なえるとともに、磁気記憶素子の微細化を図ることができる。本実施の形態においては、ライト線のみに高透磁率材料で形成された被覆層が形成されているが、特にこの形態に限られず、ライト線に加えて書込みビット線にも被覆層が形成されていてもよい。

本発明に基づく磁気記憶装置は、上述の磁気記憶素子を備える。この構成を採用することにより、上述の効果を有する磁気記憶装置を提供することができる。

その他の作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰返さない。

上記のそれぞれの実施の形態において、ライト線、書込みビット線および磁気抵抗効果素子としての強磁性トンネル接合素子は、上記の記述した位置または図に示された位置に限定されるものではない。

また、上記の各実施の形態においては、半導体基板を利用した磁気記憶素子および磁気記憶装置について説明したが、特にこれに限定されず、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およびこれに類似する他の装置に広く適用することができる。

また、上記の各実施の形態においては、１つの磁気記憶素子に１つのトンネル磁気抵抗降下素子が形成されたものについて説明したが、１つの磁気記憶素子に、複数のトンネル磁気抵抗降下素子が形成されていてもよい。さらに、これらの複数のトンネル磁気抵抗降下素子が、互いに積層されていてもよい。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。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および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明に基づく実施の形態１における磁気記憶素子の断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における強磁性トンネル接合素子の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 本発明に基づく実施の形態１における強磁性トンネル接合素子の配置の説明図であり、（ａ）は平面的に透視したときの図、（ｂ）は強磁性トンネル接合素子の部分の拡大図である。 本発明に基づく実施の形態１における磁気記憶装置の回路図である。 実施の形態１における比較例としての磁気記憶素子の説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、実施の形態１における比較例の強磁性トンネル接合素子の作用を説明する概略断面図である。 実施の形態１における比較例の強磁性トンネル接合素子の記録層の作用を説明する平面図である。 実施の形態１における比較例の強磁性トンネル接合素子の作用を説明するグラフである。 本発明に基づく実施の形態１における強磁性トンネル接合素子の作用を説明するグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、本発明に基づく実施の形態１における強磁性トンネル接合素子の記録層の作用を説明する図である。 本発明に基づく実施の形態１における他の磁気記憶素子の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１における他の強磁性トンネル接合素子の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２における磁気記憶素子の断面図である。 本発明に基づく実施の形態２における第１の磁気記憶素子の説明図であり、（ａ）は平面的に透視したときの図、（ｂ）は強磁性トンネル接合素子の部分の拡大図である。 本発明に基づく実施の形態２における第２の磁気記憶素子の説明図である。 本発明に基づく実施の形態３における第１の磁気記憶素子の断面図である。 本発明に基づく実施の形態３における第１の磁気記憶素子の説明図であり、（ａ）は平面的に透視したときの図、（ｂ）は強磁性トンネル接合素子の部分の拡大図である。 本発明に基づく実施の形態３における第２の磁気記憶素子の説明図である。

符号の説明

１ 半導体基板、２，４，６ ライト線、３，５，７ 書込みビット線、１１，１５ 固着層、１２，１６ トンネル絶縁層、１３，１７ 記録層、１４ｂ，１８ｂ 反強磁性層、１４ａ，１８ａ 強磁性層、３１〜３５ プロット、４０〜４５ 領域、５３〜５５，５８ 磁界、５６ アステロイド曲線、６１，６２，１０１ 強磁性トンネル接合素子、６３ 磁化容易軸、６４ 磁化困難軸、８１〜８４ 幅、９１ （磁化容易軸の方向を示す）矢印、９２〜９６ 矢印、１０４ ワード線、１０５ ゲート絶縁膜、１０６ 素子選択用トランジスタ、１０６ｂ ソース、１０６ａ ドレイン、１０７ サイドウォール、１１０ａ，１１０ｂ コンタクトプラグ、１１１，１１２ コンタクトプラグ、１１３ 導電層、１２１ 読出しビット線、１３０ 層間絶縁膜、１３１ 開口部、１３２，１３３ 被覆層、２０１，２０３，２０５，２０７ 銅配線、２０２，２０４，２０６，２０８ バリアメタル、７０１ａ，７０１ｂ，８０１，８０３ａ，８０３ｂ 曲線部、７０２，７０３，７０４ａ，７０４ｂ，８０２ａ，８０２ｂ，８０４ 直線部。

Claims (6)

1. 磁化方向が固定された固着層と、
   磁化容易軸を有し、外部磁界によって磁化方向が変化する記録層と
   を備え、
   前記記録層は、平面形状が、前記磁化容易軸に対して非対称に、かつ、前記磁化容易軸と垂直な軸に対して対称になるように形成され、
   前記記録層は、前記磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向に磁界を形成するための第１配線と、平面的に見て前記１配線に交差する第２配線との間に配置され、
   前記記録層は、前記磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向の端部のうち、一方が前記第１配線を前記第２配線に向かって投影したときの影になる投影領域の内側に配置され、他方が前記投影領域の外側に配置された、磁気記憶素子。
2. 前記第１配線は、ライト線および書込みビット線のうち、いずれか一方を含み、
   前記第２配線は、他方を含む、請求項１に記載の磁気記憶素子。
3. 前記記録層は、前記平面形状に角となる部分を有さず、前記平面形状に曲線部を含む、請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
4. 前記第２配線は、高透磁率材料によって形成された被覆層を含み、
   前記記録層の前記磁化容易軸の方向の端部のうち、一方が前記第２配線を前記第１配線に向かって投影したときの影になる投影領域の内側に配置され、他方が前記投影領域の外側に配置された、請求項１から３のいずれかに記載の磁気記憶素子。
5. 磁化方向が固定された固着層と、
   磁化容易軸を有し、外部磁界によって磁化方向が変化する記録層と
   を備え、
   前記記録層は、平面形状が、前記磁化容易軸に対して非対称になるように形成され、かつ、前記磁化容易軸と垂直な軸に対して対称になるように形成され、
   前記記録層は、前記磁化容易軸の方向とほぼ垂直な方向に磁界を形成するための第１配線と、平面的に見て前記第１配線に交差する第２配線との間に配置され、
   前記第２配線は、高透磁率材料によって形成された被覆層を含み、
   前記記録層は、前記記録層の前記磁化容易軸の方向の端部のうち、一方が前記第２配線を前記第１配線に向かって投影したときの影になる投影領域の内側に配置され、他方が前記投影領域の外側に配置された、磁気記憶素子。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の磁気記憶素子を備える、磁気記憶装置。

Images