JP2006108565A - 磁気抵抗効果素子及び磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誤書き込みを低減し、かつ熱安定性を向上する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子１０は、磁化の向きが固定された固定層１１と、磁化の向きが変化する記録層１３と、固定層１１及び記録層１３間に設けられた非磁性層１２とを具備する磁気抵抗効果素子１０であって、記録層１３の膜厚Ｔは、５ｎｍ乃至２０ｎｍであり、記録層１３は、第１の方向に延在する延在部１０ａと、延在部１０ａの側面から第１の方向に対して垂直な第２の方向に突出する突出部１０ｂとを有し、記録層１３の第１の方向における最大の長さを第１の長さＬと規定し、記録層１３の第２の方向における最大の長さを第２の長さＷと規定した場合、第１の長さＬ／第２の長さＷは１．５乃至２．２である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気記録装置に関する。

従来から、固体磁気メモリは、様々のタイプのものが提案されている。近年では、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）効果を示す磁気抵抗素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が提案されており、特に、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果を示す強磁性トンネル接合を用いた磁気ランダムアクセスメモリに注目が集まっている。

強磁性トンネル接合のＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子をメモリセルに有する磁気ランダムアクセスメモリを動作させるには、非選択セルへの誤書き込みをなくすことが必要不可欠である。磁気ランダムアクセスメモリでは、選択メモリセルに対して、容易軸方向の磁場Ｈｘと困難軸方向の磁場Ｈｙとによる合成磁場を印加し、ＭＴＪ素子の記録層に情報を書き込む。このとき、非選択のメモリセルには、全く磁場が印加されないか、単一方向のみに磁場が印加される。ここで、単一方向に磁場を印加されたメモリセルを半選択メモリセルと呼ぶ。

ここで、一斉回転モデルにおける磁化反転特性は、アステロイド曲線であらわされる。このアステロイド曲線において、容易軸方向及び困難軸方向に磁場を印加した場合の磁化反転に必要な磁場Ｈｓｗは、容易軸方向のみに磁場を加えた場合の反転磁場Ｈｃよりも小さくなる。このとき、選択メモリセルに情報を書込むために必要な単一方向の磁場ＨｘはＨｃよりも小さく設定できるので、理想的には半選択メモリセルへの誤書き込みは起こらない。しかしながら、現実のメモリセルには反転磁場のばらつきが存在するため、ＨｓｗをＨｃよりも十分に小さくしなければ、半選択メモリセルへの誤書き込みが起こる可能性がある。

一方、磁気ランダムアクセスメモリは不揮発メモリとして動作するため、安定に記録情報を保持できなければならない。情報を安定に長時間記録するための目安として熱揺らぎ定数といわれるパラメータが存在し、この熱揺らぎ定数は記録層の体積とＨｓｗに比例することが一般的に言われている。従って、誤書込みを低減するためにＨｓｗを低減すると、その分熱安定性も同様に低減し、情報を長期間保持することができなくなってしまう。

以上のことから、Ｈｓｗを低減しつつ、熱安定性を高めることで情報を長期間保持することができるＭＴＪ素子を提案することが、高集積化磁気メモリの実用化において重要な課題となる。

尚、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のようなものがある。
特開２００４−１２８０６７号公報 特開２００４−１４６６１４号公報

本発明は、誤書き込みを低減し、かつ熱安定性を向上することが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気記録装置を提供する。

本発明は、前記課題を解決するために以下に示す手段を用いている。

本発明の第１の視点による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された第１の固定層と、磁化の向きが変化する記録層と、前記第１の固定層及び前記記録層間に設けられた第１の非磁性層とを具備する磁気抵抗効果素子であって、前記記録層の膜厚は、５ｎｍ乃至２０ｎｍであり、前記記録層は、第１の方向に延在する延在部と、前記延在部の側面から前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に突出する突出部とを有し、前記記録層の前記第１の方向における最大の長さを第１の長さと規定し、前記記録層の前記第２の方向における最大の長さを第２の長さと規定した場合、前記第１の長さ／前記第２の長さは１．５乃至２．２である。

本発明の第２の視点による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された固定層と、磁化の向きが変化する記録層と、前記固定層及び前記記録層間に設けられた非磁性層とを具備する磁気抵抗効果素子であって、前記記録層の膜厚は、５ｎｍ乃至２０ｎｍであり、前記記録層は、磁化容易軸方向を規定する延在部と、前記延在部の側面から磁化困難軸方向に突出する突出部とを有し、前記記録層の前記磁化容易軸方向における最大の長さを第１の長さと規定し、前記記録層の前記磁化容易軸方向に対して垂直な方向における最大の長さを第２の長さと規定した場合、前記第２の長さ／前記第１の長さは１．５乃至２．２である。

本発明の第３の視点による磁気記録装置は、メモリセルに、前記第１又は第２の視点による前記磁気抵抗効果素子を具備する。

本発明によれば、誤書き込みを低減し、かつ熱安定性を向上することが可能な磁気抵抗効果素子及び磁気記録装置を提供できる。

本発明の一実施形態について、［１］では、磁気抵抗効果素子の一例であるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子について説明し、［２］では、このＭＴＪ素子を記憶素子として備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）について説明する。尚、この説明に際し、図面を参照し、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。

［１］ＭＴＪ素子
まず、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子について説明する。ここでは、［１−１］ＭＴＪ素子の概要、［１−２］平面形状、［１−３］断面形状、［１−４］トンネル接合構造、［１−５］層間交換結合構造、［１−６］材料、［１−７］実施例、［１−８］製造方法例について説明する。

［１−１］ＭＴＪ素子の概要
図１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の平面図、断面図及び斜視図を示す。以下に、ＭＴＪ素子の概要について説明する。

図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子１０は、少なくとも、磁化の方向が固定された固定層（ピン層）１１と、磁化の方向が反転する記録層（フリー層）１３と、固定層１１及び記録層１３に挟まれた非磁性層（例えばトンネル絶縁層）１２とを有する。さらに、固定層１１の下には、固定層１１の磁化を固定するための反強磁性層１４が設けられている。

このＭＴＪ素子１０は、Ｘ方向に延在する延在部１０ａと、この延在部１０ａの両側面の例えば中央付近からＹ方向（Ｘ方向に対して垂直な方向）にそれぞれ突出する突出部１０ｂ，１０ｃとで構成されており、いわゆる十字型形状となっている。換言すると、ＭＴＪ素子１０の平面形状において、中央部付近におけるＹ方向の幅Ｗが端部におけるＹ方向の幅Ｗ’よりも広くなっている。尚、図１（ａ）乃至（ｃ）の形状の場合、延在部１０ａの延在方向であるＸ方向は、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸方向であり、突出部１０ｂ，１０ｃの突出方向であるＹ方向は、ＭＴＪ素子１０の磁化困難軸方向である。

また、ＭＴＪ素子１０の記録層１３の膜厚Ｔは、式（１）に示すように、５ｎｍ乃至２０ｎｍであることが望ましい。また、ＭＴＪ素子１０のアスペクト比Ｌ／Ｗは、式（２）に示すように、１．５乃至２．２であることが望ましい。

５ｎｍ≦Ｔ≦２０ｎｍ…（１）
１．５≦Ｌ／Ｗ≦２．２…（２）
上記式（１）、（２）は、いわゆる十字形状のＭＴＪ素子１０のＴＥＧ（Test Element Group）における書き込み磁場Ｈｓｗなどを考慮し、以下のような理由から導き出した。

まず、ＭＴＪ素子１０のアスペクト比Ｌ／Ｗは、次のように規定する。すなわち、図１（ａ）の平面形状を例にあげると、Ｘ方向の最大の長さをＬとし、Ｙ方向の最大の幅をＷとし、Ｌ／Ｗをアスペクト比と規定する。ここで、図示する形状のＭＴＪ素子１０の場合、長さＬは、延在部１０ａにおけるＸ方向の両端の側面と側面とをＸ方向（磁化容易軸方向）で結んだときの最大距離である。また、幅Ｗは、突出部１０ｂのＹ方向の端部の側面と突出部１０ｃのＹ方向の端部の側面とをＹ方向（磁化困難軸方向）で結んだときの最大距離である。

次に、書き込み磁場の比Ｈｓｗ／Ｈｃは、次のように規定する。図２に示すように、原点から４５度傾いた直線Ｌとアステロイド曲線Ａとが交わる点Ｐにおける磁化反転に必要な書き込み磁場（容易軸及び困難軸方向における合成磁場）をＨｓｗとし、点Ｑにおける磁化反転に必要な書き込み磁場（容易軸方向のみの磁場）をＨｃとする。そして、Ｈｓｗ／Ｈｃを書き込み磁場の比と規定する。

次に、Ｈｃばらつきを考慮すると、１Ｍビットの素子アレイを実現するためには、Ｈｓｗ／Ｈｃは０．４１以下が望ましいと考えられる。これは、次の理由からである。図３に示すように、まず、基本アステロイド曲線Ａｂａｓｅを基準として、±１０％のＨｃばらつきを考慮し、最大アステロイド曲線Ａｍａｘ、最小アステロイド曲線Ａｍｉｎをそれぞれ規定する。次に、最小アステロイド曲線Ａｍｉｎから求められるＸ軸切片とＹ軸切片からそれぞれ垂直な直線Ｌ１，Ｌ２を引き、これらの直線Ｌ１，Ｌ２が交わる交点Ａを求める。この交点Ａが、最大アステロイド曲線Ａｍａｘ上の点Ｐｍａｘよりも外側に位置すれば、書き込み動作が実現できる。つまり、図３中の斜線領域Ｒの面積が書き込みマージンとなり、書き込み動作を実現するには、この書き込みマージンがゼロよりも大きいことが必要となる。そこで、書き込み磁場の比Ｈｓｗ／Ｈｃに対する書き込みマージンをそれぞれ調べた。その結果、図４に示すように、書き込み磁場の比Ｈｓｗ／Ｈｃが０．４３になると、書き込みマージン（図３の領域Ｒの面積）は−０．０１、すなわち０以下となることが分かった。さらに、書き込み磁場の比Ｈｓｗ／Ｈｃが０．４２の場合、書き込みマージンは０．０１となり、非常にマージンが少なく、誤書き込みの恐れがある。このため、書き込みマージンが０．０２以上となる０．４１以下が最も望ましい書き込み磁場の比Ｈｓｗ／Ｈｃであると言える。

次に、アスペクト比Ｌ／ＷとＨｓｗ／Ｈｃとの関係から、式（１）の下限値及び式（２）の上限値は、次のように導かれる。図５において、記録層１３の膜厚Ｔが３．５ｎｍの場合、アスペクト比Ｌ／Ｗがどの値のときも、Ｈｓｗ／Ｈｃが０．４１より大きくなる。記録層１３の膜厚Ｔが５．０ｎｍの場合及び８．０ｎｍの場合、アスペクト比Ｌ／Ｗが２．２程度まではＨｓｗ／Ｈｃが０．４１以下となっているが、アスペクト比Ｌ／Ｗが２．２を超えるとＨｓｗ／Ｈｃが０．４１を超えてしまう。このような結果から、Ｈｓｗ／Ｈｃが０．４１以下である条件を満たすには、記録層１３の膜厚Ｔを５ｎｍ以上とし（式（１）の下限値）、アスペクト比Ｌ／Ｗが２．２以下である（式（２）の上限値）ことが望ましいと言える。

次に、式（１）の上限値である、記録層１３の膜厚Ｔが２０ｎｍ以下であることは、次の理由から導かれる。すなわち、磁性体の特徴によると、膜厚が２０ｎｍより厚くなると還流磁区（Ｖｏｒｔｅｘ）が生じ、ある方向性をもった磁化の向きが変わってしまうので、“０”、“１”を記録する磁気抵抗効果素子としては使用できないことが分かっている（Jing Shi, S. Tehrani and M.R. Schieinfein App. Phys. Lett. 76. 2588-2590 (2000)参照）。このことから、磁気抵抗効果素子として機能させるためには、記録層１３の膜厚Ｔは、２０ｎｍ以下であることが望ましいと言える。

最後に、式（２）の下限値である、アスペクト比Ｌ／Ｗが１．５以上であることは、次の理由から導かれる。図６は、Ｈｃばらつきとアスペクト比Ｌ／Ｗとの関係を示した実験結果である。図６に示すように、アスペクト比Ｌ／Ｗが１．５よりも小さいと、Ｈｃばらつきが１０％を超え、半選択セルの誤書き込みが生じてしまう。従って、Ｈｃばらつきを１０％よりも小さくするには、アスペクト比Ｌ／Ｗは１．５以上であることが望ましいと言える。

以上のことから、本発明の一実施形態では、ＭＴＪ素子１０（少なくとも記録層１３）がいわゆる十字型形状であり、ＭＴＪ素子１０のアスペクト比Ｌ／Ｗが１．５以上で２．２以下であり、記録層１３の膜厚Ｔが５ｎｍ以上で２０ｎｍ以下であることが望ましい。

尚、アスペクト比Ｌ／Ｗは、上述するように、１．５乃至２．２であることが望ましいが、図６の実験結果に着目した場合、次のように規定することも可能である。図６に示すように、アスペクト比Ｌ／Ｗが１．８から２．０までが最もＨｃばらつきを抑制できていることに着目すれば、アスペクト比Ｌ／Ｗは１．８乃至２．０程度を望まし範囲と規定することも可能である。さらに、図６に示すように、アスペクト比Ｌ／Ｗが２．５以下であれば、Ｈｃばらつきを抑制できていることに着目すれば、アスペクト比Ｌ／Ｗは１．５乃至２．５程度でもよいとも考えられる。

また、記録層１３の膜厚Ｔは、上述するように、５ｎｍ乃至２０ｎｍが望ましいが、５ｎｍ乃至８ｎｍの範囲がさらに望ましい。これは、８ｎｍ以下にすると、還流磁区の発生をさらに抑制できるからである。

また、記録層１３の膜厚Ｔが均一でない場合（例えば、中央の膜厚が端部の膜厚よりも厚い場合など）は、最も厚い部分の厚さを式（１）の関係を満たすように規定するのが望ましい。

また、ＭＴＪ素子１０の全体に対して突出部１０ｂ，１０ｃが占める大きさも種々変更することが可能である。例えば、各突出部１０ｂ，１０ｃのＹ方向の最大の長さ（高さ）は、突出部１０ｂ，１０ｃとつながる延在部１０ａのＹ方向の幅の１／７以上１／３以下とすることができる。また、各突出部１０ｂ，１０ｃのＸ方向の最大の長さ（幅）は、延在部１０ａのＸ方向の最大の長さの１／４以上１／２以下とすることができる。

［１−２］平面形状
図７乃至図２１は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の平面形状は、図１（ａ）に示すいわゆる十字型形状に限定されず、例えば以下のように種々変更することが可能である。

図７に示すように、ＭＴＪ素子１０は、Ｘ方向に延在する延在部１０ａと、この延在部１０ａの一方の側面の例えば中央付近からＹ方向に突出する突出部１０ｂとで構成されており、いわゆる凸型形状となっている。このように、ＭＴＪ素子１０の突出部１０ｂは、延在部１０ａの一方の側面にのみ設けることも可能である。尚、図７の平面形状の場合、アスペクト比Ｌ／Ｗを規定する長さＬは、延在部１０ａにおけるＸ方向の両端の側面と側面とをＸ方向（磁化容易軸方向）で結んだときの最大距離で規定され、幅Ｗは、突出部１０ｂのＹ方向における端部の側面と延在部１０ａのＹ方向における端部の側面とをＹ方向（磁化困難軸方向）で結んだときの最大距離で規定される。

図８に示すように、ＭＴＪ素子１０は、Ｘ方向に延在する延在部１０ａと、この延在部１０ａの両側面からＹ方向にそれぞれ突出する突出部１０ｂ，１０ｃとで構成されており、突出部１０ｂ，１０ｃが延在部１０ａに対して非対称な位置に設けられている。このように、ＭＴＪ素子１０の突出部１０ｂ，１０ｃは、延在部１０ａに対して対称な位置に設けることに限定されない。但し、できるだけ十字型形状に近づくように、突出部１０ｂ，１０ｃは延在部１０ａの中央付近の側面から突出していることが望ましい。尚、図８の平面形状の場合、アスペクト比Ｌ／Ｗを規定する長さＬは、延在部１０ａにおけるＸ方向の両端の側面と側面とをＸ方向（磁化容易軸方向）で結んだときの最大距離で規定され、幅Ｗは、突出部１０ｂのＹ方向における端部の側面と突出部１０ｃのＹ方向における端部の側面とを斜めに結んだ最大距離ではなく、Ｙ方向（磁化困難軸方向）で結んだ最大距離で規定される。

図９に示すように、ＭＴＪ素子１０は、Ｘ方向に延在する延在部１０ａと、この延在部１０ａの両側面からＹ方向にそれぞれ突出する突出部１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとで構成されており、延在部１０ａの一つの側面に複数の突出部１０ｂ，１０ｄが設けられている。このように、ＭＴＪ素子１０の突出部１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、延在部１０ａの両側面にそれぞれ１つずつ設けることに限定されず、また、延在部１０ａの両側面に同じ数だけ必ずしも設ける必要はない。但し、できるだけ十字型形状に近づくように、突出部１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは延在部１０ａの中央付近の側面から突出していることが望ましい。尚、図９の平面形状の場合、アスペクト比Ｌ／Ｗを規定する長さＬは、延在部１０ａにおけるＸ方向の両端の側面と側面とをＸ方向（磁化容易軸方向）で結んだときの最大距離で規定され、幅Ｗは、突出部１０ｂ，１０ｄのＹ方向における端部の側面と突出部１０ｃのＹ方向における端部の側面とを斜めに結んだ最大距離ではなく、Ｙ方向（磁化困難軸方向）で結んだ最大距離で規定される。

図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）乃至図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＭＴＪ素子１０の延在部１０ａが楕円形状であってもよく、延在部１０ａ及び突出部１０ｂ，１０ｃのコーナーや突出部１０ｂ，１０ｃの根元などが丸まっていてもよく、さらに、ＭＴＪ素子１０の各辺が曲線で構成されていてもよい。尚、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）乃至図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の平面形状の場合、アスペクト比Ｌ／Ｗを規定する長さＬは、延在部１０ａにおけるＸ方向の両端の先端と先端とをＸ方向（磁化容易軸方向）で結んだときの最大距離で規定され、幅Ｗは、突出部１０ｂのＹ方向における端部の先端と突出部１０ｃのＹ方向における端部の先端とをＹ方向（磁化困難軸方向）で結んだときの最大距離で規定される。

図１９に示すように、ＭＴＪ素子１０の延在部１０ａが平行四辺形で、突出部１０ｂ，１０ｃのコーナーが丸まっていてもよい。尚、図１９の平面形状の場合、アスペクト比Ｌ／Ｗを規定する長さＬは、延在部１０ａにおけるＸ方向の最大距離で規定され、幅Ｗは、突出部１０ｂのＹ方向における端部の先端と突出部１０ｃのＹ方向における端部の先端とをＹ方向（磁化困難軸方向）で結んだときの最大距離で規定される。ここで、平行四辺形からなる延在部１０ａの頂点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとした場合、長さＬは、辺ＡＢの中点Ｍａｂと辺ＣＤの中点Ｍｃｄとを結んだ距離で規定され、換言すると、辺ＡＤ又は辺ＢＣで規定される。

図２０に示すように、ＭＴＪ素子１０の延在部１０ａが平行四辺形で、突出部１０ｂ，１０ｃのコーナーが角張っていてもよい。尚、図２０の平面形状の場合、アスペクト比Ｌ／Ｗを規定する長さＬは、延在部１０ａにおけるＸ方向の最大距離で規定され、幅Ｗは、突出部１０ｂのＹ方向における端部の側面と突出部１０ｃのＹ方向における端部の側面とをＹ方向（磁化困難軸方向）で結んだときの最大距離で規定される。ここで、平行四辺形からなる延在部１０ａの頂点をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとした場合、長さＬは、辺ＡＢの中点Ｍａｂと辺ＣＤの中点Ｍｃｄとを結んだ距離で規定され、換言すると、辺ＡＤ又は辺ＢＣで規定される。

図２１（ａ）及び（ｂ）に示すように、図１９の形状の延在部１０ａの一部（例えば、頂点Ａの１箇所、頂点Ａ，Ｃの対向する２箇所）が欠けた形状であってもよいし、図２１（ｃ）に示すように、延在部１０ａのコーナーが丸まっていてもよい。このように、平行四辺形からなる延在部１０ａの一部が欠けた場合や延在部１０ａのコーナーが丸まった場合も、図１９と同様に、長さＬと幅Ｗを規定することが可能である。

尚、図７乃至図１８の形状の場合、磁化容易軸方向はＸ方向であり、磁化困難軸方向はＹ方向である。一方、図１９乃至図２１の形状の場合、すなわち延在部１０ａが平行四辺形の場合、磁化困難軸方向はＹ方向であるが、磁化容易軸方向はＸ方向のときもあるし、平行四辺形の形状によっては頂点Ａ，Ｃを結ぶ方向に近づくときもある。

［１−３］断面形状
図２２（ａ）及び（ｂ）乃至図２４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の断面図及び斜視図を示す。本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の断面形状は、例えば以下のように種々変更することが可能である。

ＭＴＪ素子１０は、反強磁性層１４、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の全ての側面が連続的に一致する断面形状となっていてもよい。このような構造として、例えば次のようなものがある。図２２（ａ）及び（ｂ）に示すように、反強磁性層１４、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の全ての平面形状が同じである、長方形の断面となっていてもよい。また、図２３（ａ）及び（ｂ）に示すように、反強磁性層１４、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３のうち上層ほど小さな平面形状となる、台形の断面となっていてもよい。

一方、ＭＴＪ素子１０は、反強磁性層１４、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３の一部の側面が非連続な断面形状となっていてもよい。このような構造として、例えば次のようなものがある。図２４（ａ）及び（ｂ）に示すように、記録層１３の平面形状はいわゆる十字型形状となっており、反強磁性層１４、固定層１１及び非磁性層１２の平面形状は四角形状となっていてもよく、一部が凸型の断面形状となっている。この構造の場合、上記図２２（ａ）及び（ｂ）及び図２３（ａ）及び（ｂ）に比べて、固定層１１と記録層１３とがショートすることを抑制できる。

［１−４］トンネル接合構造
図２５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のトンネル接合構造の断面図を示す。本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の構造は、例えば以下のように種々変更することが可能である。

図２５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、１重トンネル接合構造又は２重トンネル接合構造のいずれでもよい。

図２５（ａ）に示すように、１重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０は、トンネル接合層として機能する非磁性層１２を１層有する。

図２５（ｂ）に示すように、２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０は、トンネル接合層として機能する非磁性層１２ａ，１２ｂを２層有する。従って、記録層１３の一端には、第１の非磁性層１２ａを介して第１の固定層１１ａが設けられ、記録層１３の他端には、第２の非磁性層１２ｂを介して第２の固定層１１ｂが設けられている。この２重トンネル接合構造の場合、１重トンネル接合構造と比べて、１つのトンネル接合あたりのバイアス電圧が印加電圧の１／２になるので、バイアス電圧の増大に伴うＭＲ（Magneto Resistive）比の減少を抑制できるという効果が得られる。

［１−５］層間交換結合構造
図２６（ａ）乃至（ｈ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の層間交換結合構造の断面図を示す。本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の構造は、例えば以下のように種々変更することが可能である。

図２６（ａ）乃至（ｈ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、固定層１１及び記録層１３のうち少なくとも一方が、反強磁性結合構造又は強磁性結合構造となっていてもよい。ここで、反強磁性結合構造は、非磁性層を挟む２枚の強磁性層の磁化方向が反平行となるように層間交換結合した構造であり、強磁性結合構造は、非磁性層を挟む２枚の強磁性層の磁化方向が平行となるように層間交換結合した構造である。

図２６（ａ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図２６（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０は、固定層１１が反強磁性結合構造となっている。すなわち、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図２６（ｃ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図２６（ｄ）に示すＭＴＪ素子１０は、固定層１１が強磁性結合構造となっている。すなわち、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図２６（ｅ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３及び固定層１１の両方が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

図２６（ｆ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３及び固定層１１の両方が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図２６（ｇ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が反強磁性結合構造となっており、固定層１１が強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。

図２６（ｈ）に示すＭＴＪ素子１０は、記録層１３が強磁性結合構造となっており、固定層１１が反強磁性結合構造となっている。すなわち、記録層１３は、強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層からなり、強磁性層１３−ｆ１，１３−ｆ２の磁化方向が平行状態となるように磁気結合している。また、固定層１１は、強磁性層１１−ｆ１／非磁性層１１−ｎ／強磁性層１１−ｆ２の３層からなり、強磁性層１１−ｆ１，１１−ｆ２の磁化方向が反平行状態となるように磁気結合している。

上記のように、固定層１１及び記録層１３の少なくとも一方が層間交換結合したＭＴＪ素子１０によれば、固定層１１及び記録層１３が単層の場合に比べて、漏れ磁場を低減することができる。

尚、記録層１３の膜厚Ｔは上記式（１）の関係を満たすことが望ましいが、層間交換結合構造のように記録層１３が多層の場合は、記録層１３を構成する多層の合計膜厚Ｔ（層間交換結合構造の場合は強磁性層１３−ｆ１／非磁性層１３−ｎ／強磁性層１３−ｆ２の３層の合計膜厚Ｔ）が、式（１）の関係を満たすように、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが望ましい。

また、図２６（ａ）乃至（ｈ）では、１重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０を例にあげて説明したが、２重トンネル接合構造のＭＴＪ素子１０にも勿論適用できる。また、固定層１１及び記録層１３は、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層からなることに限定されず、さらに層数を増やすことも可能である。また、固定層１１及び記録層１３は、複数の強磁性体からなる積層で形成されてもよい。

［１−６］材料
固定層１１及び記録層１３の材料には、次のような強磁性材料が用いられる。例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ、それらの積層膜、又はそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ_２，ＲＸＭｎＯ_３−Ｙ（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）などの酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂなどのホイスラー合金などを用いることが好ましい。また、これら磁性体には、強磁性を失わないかぎり、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどの非磁性元素が多少含まれていてもよい。

反強磁性層１４の材料には、例えば、Ｆｅ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ，Ｎｉ−Ｍｎ，Ｉｒ−Ｍｎ，ＮｉＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３などを用いることが好ましい。

非磁性層１２の材料には、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＭｇＯ，ＡｌＮ，Ｂｉ_２Ｏ_３，ＭｇＦ_２，ＣａＦ_２，ＳｒＴｉＯ_２，ＡｌＬａＯ_３などの様々な誘電体を使用することができる。これらの誘電体には、酸素、窒素、フッ素欠損が存在していてもかまわない。

上述する層間交換結合構造の場合、２枚の強磁性層で挟む非磁性層の材料としては、例えば、Ｃｕ，Ａｕ，Ｒｕ，Ａｌ等の金属非磁性材料が望ましい。

［１−７］実施例
（ａ）実施例１
図２７は、本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、実施例１のＭＴＪ素子について説明する。

図２７に示すように、ＭＴＪ素子１０は、延在部１０ａと突出部１０ｂとからなる、いわゆる十字型形状である。そして、ＭＴＪ素子１０において、Ｙ方向（磁化困難軸方向）における最大の幅Ｗは０．４８μｍ、Ｘ方向（磁化容易軸方向）における最大の長さＬは０．７９μｍであり、アスペクト比Ｌ／Ｗは約１．６５である。また、記録層１３の膜厚Ｔは、５ｎｍ又は８ｎｍである。

図２８は、図２７に示す平面形状を有するメモリセルにおいて、記録層１３の膜厚Ｔを３．５ｎｍ、５ｎｍ、８ｎｍと変化させた場合のアステロイド曲線を示す。ここで、アステロイド曲線は、容易軸方向の反転磁場を１として規格化した。また、図中の破線は、一斉回転モデルにおける理論アステロイド曲線を示している。また、記録層１３の材料としてはＮｉＦｅ合金を用いた。

図２８に示すように、記録層１３の膜厚Ｔが３．５ｎｍであるメモリセルのアステロイド曲線は、理論曲線（破線）より外側にプロットされる。これに対して、本発明で規定する記録層１３の膜厚Ｔの範囲（式（１））である５ｎｍと８ｎｍのメモリセルのアステロイド曲線は、理論曲線（破線）の内側にプロットされる。従って、この結果から、容易軸書き込み磁場Ｈｃに比べて十分小さい書き込み磁場Ｈｓｗが実現されることが確認できる。

（ｂ）実施例２
図２９は、本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子の平面図を示す。以下に、実施例２のＭＴＪ素子について説明する。

図２９に示すように、ＭＴＪ素子１０は、実施例１と同様にいわゆる十字型形状であるが、実施例１よりも細長い形状となっている。そして、ＭＴＪ素子１０において、Ｙ方向（磁化困難軸方向）における最大の幅Ｗは０．３５μｍ、Ｘ方向（磁化容易軸方向）における最大の長さＬは０．７２μｍであり、アスペクト比Ｌ／Ｗは約２．０６である。また、記録層１３の膜厚Ｔは、５ｎｍ又は８ｎｍである。

図３０は、図２９に示す平面形状を有するメモリセルにおいて、記録層１３の膜厚Ｔを３．５ｎｍ、５ｎｍ、８ｎｍと変化させた場合のアステロイド曲線を示す。ここで、アステロイド曲線は、容易軸方向の反転磁場を１として規格化した。また、図中の破線は、一斉回転モデルにおける理論アステロイド曲線を示している。また、記録層１３の材料としてはＮｉＦｅ合金を用いた。

図３０に示すように、記録層１３の膜厚Ｔが３．５ｎｍであるメモリセルのアステロイド曲線は、理論曲線（破線）より外側にプロットされる。これに対して、本発明で規定する記録層１３の膜厚Ｔの範囲（式（１））である５ｎｍと８ｎｍのメモリセルのアステロイド曲線は、理論曲線（破線）の内側にプロットされる。従って、この結果から、いわゆる十字型形状のＭＴＪ素子１０において、幅Ｗや長さＬを変化させても、記録層１２の膜厚Ｔを本発明で規定する範囲（式（１））に設定することで、容易軸書き込み磁場Ｈｃに比べて十分小さい書き込み磁場Ｈｓｗが実現されることが確認できる。

さらに、上記実施例１、２のいずれの場合においても、記録層１３の膜厚Ｔが５ｎｍ、８ｎｍの場合では、３．５ｎｍの場合に比べて、熱揺らぎ定数がそれぞれ１．５倍、２倍になり、熱安定性が向上したことが確認できた。

［１−８］製造方法例
上述するような形状のＭＴＪ素子１０を作製するための製造方法例を以下に述べる。

（ａ）製造方法例１
製造方法例１では、一般的な大きさのＭＴＪ素子１０の製造方法を説明する。

まず、スパッタ法でＭＴＪ材料層を形成し、このＭＴＪ材料層上にレジストを塗布する。そして、光、電子ビーム、Ｘ線のいずれかを用いてパターンを形成し、現像してレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、ＭＴＪ材料層をイオンミリング又はエッチングし、所望形状のＭＴＪ素子１０を形成する。その後、レジストを剥離する。

（ｂ）製造方法例２
製造方法例２では、比較的大きなサイズ、例えばミクロンオーダーのＭＴＪ素子１０の製造方法を説明する。

まず、スパッタ法でＭＴＪ材料層を形成する。次に、このＭＴＪ材料層上に、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン等のハードマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）によりハードマスクをエッチングし、所望形状のハードマスクパターンを形成する。このハードマスクパターンを用いて、ＭＴＪ材料層をイオンミリングすることで、所望形状のＭＴＪ素子１０を形成する。

（ｃ）製造方法例３
製造方法例３では、より小さい素子、例えば、２〜３μｍ程度から０．１μｍ程度のサブミクロンサイズのＭＴＪ素子１０の製造方法を説明する。このようなサイズのＭＴＪ素子の加工には、以下のように、光リソグラフィを用いることが可能である。

まず、スパッタ法でＭＴＪ材料層を形成する。次に、このＭＴＪ材料層上に、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン等のハードマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりハードマスクをエッチングし、所望形状のハードマスクパターンを形成する。このハードマスクパターンをマスクとして、光リソグラフィを用いて、ＭＴＪ材料層をエッチングことで、所望形状のＭＴＪ素子１０を形成する。

（ｄ）製造方法例４
製造方法例４では、さらに小さなサイズ、例えば０．５μｍ程度以下のサイズのＭＴＪ素子１０の製造方法を説明する。このような非常に小さなサイズのＭＴＪ素子の加工には、電子ビーム露光を用いることが可能である。

しかし、この場合は素子自体が非常に小さいため、本発明の一実施形態におけるエッジドメイン領域を広げるための形状部分はさらに小さくなるので、ＭＴＪ素子１０の作製が大変困難になる。

そこで、本発明の一実施形態に係る所望形状を作製するために、電子ビームの近接効果補正を利用する。この近接効果補正は、通常、電子ビームの基板からの後方散乱により生じる図形内の近接効果を補正し、正しいパターンを形成するために用いられるものである。この近接効果補正は、例えば次のように行われる。例えば長方形のパターンを形成する場合、長方形の頂点付近では蓄積電荷量が不足し、長方形の頂点が丸くなるという現象がみられる。この頂点をはっきりさせるために、頂点付近、特に０．５μｍ程度以下の素子の場合には図形の外側に、補正点ビームを打ち込んで蓄積電荷量を増やすことで、正常なパターンを得ることができる。

この製造方法例４では、上述する電子ビームの近接効果補正の方法を用いて、素子端部の幅が広がった形状を次のように形成する。例えばいわゆる十字形状を形成する場合、長方形を基本パターンとし、相対する２頂点付近にそれぞれ補正点ビームを打ち込むことで、素子端部の幅が広い形状を形成することが可能となる。この時、通常の近接効果補正の場合に比べて、打ち込む電荷量を多くするか、補正点ビームの打ち込み位置を適当に調節するか、又はその両方を用いて、頂点を回復する以上に形状を補正するとよい。さらに、例えばいわゆる十字形状を形成するために、複数点の補正点ビームを照射することも可能である。

［２］磁気ランダムアクセスメモリ
次に、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。

上述した本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子１０は、磁気ランダムアクセスメモリにおけるメモリセルの記憶素子として用いるのに好適である。一般に、磁性体を記録層として用いる磁気ランダムアクセスメモリでは、隣接セルへの誤書き込みがなく、メモリセルを微細化した場合においても、記録情報を長期間保持するために熱的に安定な記録層をもつことが必要になる。そこで、上述した本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子１０を用いることにより、スイッチング磁場を低減でき、かつ熱揺らぎ定数が十分大きなメモリセルを提供できるため、記憶ビットの書き込みの際に必要な書き込み電流が小さくできる。

尚、ここでは、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセル構造の一例である、［２−１］選択トランジスタ型、［２−２］選択ダイオード型、［２−３］クロスポイント型、［２−４］トグル（Toggle）型のセルについて説明する。

［２−１］選択トランジスタ型
図３１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す。以下に、選択トランジスタ型におけるセル構造について説明する。

図３１（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択トランジスタ型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子につながるトランジスタ（例えばＭＯＳトランジスタ）Ｔｒと、ビット線（ＢＬ）２８と、ワード線（ＷＷＬ）２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

具体的には、ＭＴＪ素子１０の一端は、ベース金属層２７、コンタクト２４ａ，２４ｂ，２４ｃ及び配線２５ａ，２５ｂを介して、トランジスタＴｒの電流経路の一端（ドレイン拡散層）２３ａに接続されている。一方、ＭＴＪ素子１０の他端は、ビット線２８に接続されている。ＭＴＪ素子１０の下方には、ＭＴＪ素子１０と電気的に分離された書き込みワード線２６が設けられている。トランジスタＴｒの電流経路の他端（ソース拡散層）２３ｂは、コンタクト２４ｄ及び配線２５ｃを介して、例えばグランドに接続されている。トランジスタＴｒのゲート電極２２は、読み出しワード線（ＲＷＬ）として機能する。

尚、ベース金属層２７側のＭＴＪ素子１０の一端は、例えば固定層１２であり、ビット線２８側のＭＴＪ素子１０の他端は、例えば記録層１４であるが、その逆の配置でも勿論よい。また、ＭＴＪ素子１０とビット線２８との間に、例えばハードマスクが介在してもよい。また、ＭＴＪ素子１０は、磁化容易軸方向を書き込み配線の延在方向に対して種々の向きに配置することが可能であり、例えば、ビット線２８の延在方向に磁化容易軸方向を向けて配置することも可能であるし、ワード線２６の延在方向に磁化容易軸方向を向けて配置することも可能であるし、さらに、ビット線２８及びワード線２６の延在方向に対して磁化容易軸方向を例えば４５度傾けて配置することも可能である。

上記のような選択トランジスタ型のメモリセルにおいて、データの書き込み／読み出しは、以下のように行われる。

まず、書き込み動作は、次のように行われる。複数のＭＴＪ素子１０のうち選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線２８及び書き込みワード線２６が選択される。この選択されたビット線２８及び書き込みワード線２６に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２をそれぞれ流すと、これら書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２による合成磁界ＨがＭＴＪ素子１０に印加される。これにより、ＭＴＪ素子１０の記録層１３の磁化を反転させ、固定層１１及び記録層１３の磁化方向が平行となる状態又は反平行となる状態をつくる。ここで、例えば、平行状態を“１”状態、反平行状態を“０”状態と規定することで、２値のデータの書き込みが実現する。

次に、読み出し動作は、読み出し用スイッチング素子として機能するトランジスタＴｒを利用して、次のように行われる。選択されたＭＴＪ素子１０に対応するビット線２８及び読み出しワード線（ＲＷＬ）を選択し、ＭＴＪ素子１０の非磁性層１２をトンネルする読み出し電流Ｉｒを流す。ここで、接合抵抗値は固定層１１及び記録層１３の磁化の相対角の余弦に比例して変化し、ＭＴＪ素子１０の磁化が平行状態（例えば“１”状態）の場合は低抵抗となり、反平行状態（例えば“０”状態）の場合は高抵抗となる、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が得られる。このため、この抵抗値の違いを読み取ることで、ＭＴＪ素子１０の“１”、“０”状態を判別する。

［２−２］選択ダイオード型
図３２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す。以下に、選択ダイオード型におけるセル構造について説明する。

図３２（ａ）及び（ｂ）に示すように、選択ダイオード型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子につながるダイオードＤと、ビット線（ＢＬ）２８と、ワード線（ＷＬ）２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

ここで、ダイオードＤは、例えばＰＮ接合ダイオードであり、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とで構成されている。このダイオードＤの一端（例えばＰ型半導体層）は、ＭＴＪ素子１０に接続されている。一方、ダイオードＤの他端（例えばＮ型半導体層）は、ワード線２６に接続されている。そして、図示する構造では、ビット線２８からワード線２６へ電流が流れるようになっている。

尚、ダイオードＤの配置箇所や向きは、種々に変更することが可能である。例えば、ダイオードＤは、ワード線２６からビット線２８へ電流が流れる向きに配置してもよい。また、ダイオードＤは、半導体基板２１内に形成することも可能である。また、ダイオードＤは、ＭＴＪ素子１０と同じ形状（例えばいわゆる十字型）にすることも可能である。

上記のような選択ダイオード型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、ビット線２８及びワード線２６に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を流して、ＭＴＪ素子１０の磁化を平行又は反平行状態にする。

一方、データの読み出し動作も、上記選択トランジスタ型とほぼ同じであるが、選択ダイオード型の場合、ダイオードＤを読み出し用スイッチング素子として利用する。すなわち、ダイオードＤの整流性を利用し、非選択のＭＴＪ素子は逆バイアスとなるようにビット線２８及びワード線２６のバイアスを制御し、選択したＭＴＪ素子１０にのみ読み出し電流Ｉｒが流れるようにする。

［２−３］クロスポイント型
図３３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す。以下に、クロスポイント型におけるセル構造について説明する。

図３３（ａ）及び（ｂ）に示すように、クロスポイント型の１セルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、ビット線２８と、ワード線２６とを含んで構成されている。そして、このメモリセルＭＣをアレイ状に複数個配置することで、メモリセルアレイＭＣＡを構成する。

具体的には、ＭＴＪ素子１０は、ビット線２８及びワード線２６の交点付近に配置され、ＭＴＪ素子１０の一端はワード線２６に接続され、ＭＴＪ素子１０の他端はビット線２８に接続されている。

上記のようなクロスポイント型のメモリセルにおいて、データの書き込み動作は、上記選択トランジスタ型と同様で、ビット線２８及びワード線２６に書き込み電流Ｉｗ１，Ｉｗ２を流して、ＭＴＪ素子１０の磁化を平行又は反平行状態にする。一方、データの読み出し動作は、選択されたＭＴＪ素子１０に接続するビット線２８及びワード線２６に読み出し電流Ｉｒを流すことで、ＭＴＪ素子１０のデータを読み出す。

［２−４］トグル型
図３４は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのトグル型のメモリセルの平面図を示す。以下に、トグル型におけるセル構造について説明する。

図３４に示すように、トグル型のセルでは、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸が、ビット線２８の延在方向（Ｘ方向）又はワード線２６の延在方向（Ｙ方向）に対して傾くように、換言すると、ビット線２８に流す書き込み電流Ｉｗ１の方向又はワード線２６に流す書き込み電流Ｉｗ２の方向に対して傾くように、ＭＴＪ素子１０を配置する。ここで、ＭＴＪ素子１０の傾きは、例えば３０度乃至６０度程度であり、４５度程度が望ましい。尚、ＭＴＪ素子１０は、上述する種々の構造を利用することができるが、少なくとも記録層１３が反強磁性結合構造であるのが望ましい。

上記のようなトグル型のメモリセルにおいて、データの書き込み／読み出しは、以下のように行われる。

まず、書き込み動作は、次のように行われる。トグル書き込みでは、選択セルに任意のデータを書き込む前にその選択セルのデータを読み出す。従って、選択セルのデータを読み出した結果、任意のデータが既に書き込まれていた場合は書き込みを行わず、任意のデータと異なるデータが書き込まれていた場合はデータを書き換えるために書き込みが行われる。

上記のような確認サイクルの後、選択セルにデータを書き込む必要がある場合は、２本の書き込み配線（ビット線２８，ワード線２６）を順にＯＮし、先にＯＮした書き込み配線を先にＯＦＦしてから、後にＯＮした書き込み配線をＯＦＦする。例えば、ワード線２６をＯＮして書き込み電流Ｉｗ２を流す→ビット線２８をＯＮして書き込み電流Ｉｗ１を流す→ワード線２６をＯＦＦして書き込み電流Ｉｗ２を流すのをやめる→ビット線２８をＯＦＦして書き込み電流Ｉｗ１を流すのをやめるという４サイクルの手順となる。

一方、データの読み出し動作は、選択されたＭＴＪ素子１０に接続するビット線２８及びワード線２６に読み出し電流Ｉｒを流すことで、ＭＴＪ素子１０のデータを読み出せばよい。

以上、上記本発明の一実施形態によるＭＴＪ素子１０及びこのＭＴＪ素子１０を備えた磁気ランダムアクセスメモリによれば、次のような効果を得ることができる。

第１に、固定層１１、非磁性層１２及び記録層１３のうち少なくとも記録層１３の平面形状をいわゆる十字型のように困難軸方向に突出する部分を有する形状にすることで、容易軸反転磁場Ｈｃに比べてスイッチング磁場Ｈｓｗを十分小さくできるため、隣接するメモリセルへの誤書込みを低減することができる。

第２に、上記のようにＭＴＪ素子１０の平面形状をいわゆる十字型にしたことでＭＴＪ素子１０が小さくなっても、記録層１３の膜厚Ｔを５ｎｍから２０ｎｍに規定し、アスペクト比Ｌ／Ｗを１．５から２．２と規定することで、記録層１３の体積を十分大きくできる。このため、微細化されたＭＴＪ素子１０においても、十分な熱揺らぎ定数を保持でき、熱安定性が高い特性を実現することができる。

尚、特許文献１には、ＭＴＪ素子１０の平面形状をいわゆる十字型にする点が開示されている。しかし、この特許文献１には、熱安定性を高めるために記録層１３の膜厚とアスペクト比との関係を規定することについては着目していない。このため、記録層１３の膜厚が薄い状態で、いわゆる十字型のＭＴＪ素子１０を現実に作成した場合には、周囲に形成される膜材料の不均一性による乱雑な磁気異方性や作成プロセスの不均一性による有限の形状ばらつきが存在するために、形状に起因した磁気的構造の形成が抑制され、目的とする反転特性を示さないことが課題として残されている。

これに対して、本発明の一実施形態では、十字形状を持つ記録層１３の膜厚を５ｎｍから２０ｎｍと規定し、記録層１３のアスペクト比を１．５から２．２と規定する。この両者を用いることで、形状に特有の磁気的構造、特にエッジドメインの制御を容易にすることができ、書き込みに必要な磁場が十分小さく、半選択セルへの誤書込みがない磁気ランダムアクセスメモリを歩留まりよく提供できる。

その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

図１（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図、図１（ｃ）斜視図。 本発明の一実施形態に係る書き込み磁場の比Ｈｓｗ／Ｈｃを説明するためのアステロイド曲線の一部を示す図。 本発明の一実施形態に係る書き込み磁場の比Ｈｓｗ／Ｈｃと書き込みマージンを説明するためのアステロイド曲線の一部を示す図。 本発明の一実施形態に係る書き込み磁場の比Ｈｓｗ／Ｈｃに対する書き込みマージンを示す表。 本発明の一実施形態に係るアスペクト比とＨｓｗ／Ｈｃとの関係を示す図。 本発明の一実施形態に係るＨｃばらつきとアスペクト比との関係の実験結果を示す図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のいわゆる凸型形状を示す平面図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の突出部の配置が非対称である場合を示す平面図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の突出部が２つ以上である場合を示す平面図。 図１０（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図１１（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図１２（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図１３（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図１４（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図１５（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図１６（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図１７（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図１８（ａ）乃至（ｃ）は本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の延在部が平行四辺形で、かつ突出部のコーナーが丸まった場合を示す平面図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の延在部が平行四辺形で、かつ突出部のコーナーが角張った場合を示す平面図。 図２１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の延在部が平行四辺形で、かつ延在部の一部が欠けた場合及びコーナーが丸まった場合を示す平面図。 図２２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の側面が連続的に一致する場合を示す図であり、図２２（ａ）は断面図、図２２（ｂ）は斜視図。 図２３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の側面が連続的に一致する台形断面の場合を示す図であり、図２３（ａ）は断面図、図２３（ｂ）は斜視図。 図２４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の側面の一部が非連続な断面の場合を示す図であり、図２４（ａ）は断面図、図２４（ｂ）は斜視図。 図２５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子のトンネル接合構造を示す断面図であり、図２５（ａ）は１重トンネル接合構造の断面図、図２５（ｂ）は２重トンネル接合構造の断面図。 図２６（ａ）乃至（ｈ）は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の層間交換結合構造を示す断面図。 本発明の実施例１に係るＭＴＪ素子を示す平面図。 図２７の平面形状のＭＴＪ素子において、記録層の膜厚を変化させた場合のアステロイド曲線を示す図。 本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子を示す平面図。 図２９の平面形状のＭＴＪ素子において、記録層の膜厚を変化させた場合のアステロイド曲線を示す図。 図３１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択トランジスタ型のメモリセルを示す図であり、図３１（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図３１（ｂ）は１セルを示す断面図。 図３２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの選択ダイオード型のメモリセルを示す図であり、図３２（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図３２（ｂ）は１セルを示す断面図。 図３３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント型のメモリセルを示す図であり、図３３（ａ）はメモリセルアレイを示す回路図、図３３（ｂ）は１セルを示す断面図。 本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのトグル型のメモリセルを示す平面図。

符号の説明

１０…ＭＴＪ素子、１０ａ…延在部、１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…突出部、１１…固定層、１２…非磁性層、１３…記録層、１４…反強磁性層、２１…半導体基板、２２…ゲート電極、２３ａ…ドレイン拡散層、２３ｂ…ソース拡散層、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…コンタクト、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…配線、２６…ワード線、２７…ベース金属層、２８…ビット線、ＭＣ…メモリセル、ＭＣＡ…メモリセルアレイ、Ｔｒ…トランジスタ、Ｄ…ダイオード。

Claims (17)

1. 磁化の向きが固定された第１の固定層と、
   磁化の向きが変化する記録層と、
   前記第１の固定層及び前記記録層間に設けられた第１の非磁性層と
   を具備する磁気抵抗効果素子であって、
   前記記録層の膜厚は、５ｎｍ乃至２０ｎｍであり、
   前記記録層は、第１の方向に延在する延在部と、前記延在部の側面から前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に突出する突出部とを有し、
   前記記録層の前記第１の方向における最大の長さを第１の長さと規定し、前記記録層の前記第２の方向における最大の長さを第２の長さと規定した場合、前記第１の長さ／前記第２の長さは１．５乃至２．２である
   ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第１の方向は磁化容易軸方向であり、前記第２の方向は磁化困難軸方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第１の長さ／前記第２の長さは１．８乃至２．０であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記記録層の平面形状は十字型であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記記録層の平面形状は凸型であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記突出部は、
   前記延在部の一方の側面に設けられた第１の突出部と、
   前記延在部の他方の側面に設けられた第２の突出部と
   を有し、
   前記第１及び第２の突出部は、前記延在部に対して非対称な位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記延在部は平行四辺形であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記磁気抵抗効果素子は、複数の丸まったコーナーを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
9. 磁化の向きが固定された第２の固定層と、
   前記第２の固定層及び前記記録層間に設けられた第２の非磁性層と
   をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記第１の固定層及び前記記録層の少なくとも一方は、
    第１の強磁性層と、
    第２の強磁性層と、
    前記第１及び第２の強磁性層に挟まれた第３の非磁性層と
    を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
11. 前記第１の固定層及び前記記録層の少なくとも一方は、複数の強磁性層で形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
12. 磁化の向きが固定された固定層と、
    磁化の向きが変化する記録層と、
    前記固定層及び前記記録層間に設けられた非磁性層と
    を具備する磁気抵抗効果素子であって、
    前記記録層の膜厚は、５ｎｍ乃至２０ｎｍであり、
    前記記録層は、磁化容易軸方向を規定する延在部と、前記延在部の側面から磁化困難軸方向に突出する突出部とを有し、
    前記記録層の前記磁化容易軸方向における最大の長さを第１の長さと規定し、前記記録層の前記磁化容易軸方向に対して垂直な方向における最大の長さを第２の長さと規定した場合、前記第１の長さ／前記第２の長さは１．５乃至２．２である
    ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
13. メモリセルに、前記請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の前記磁気抵抗効果素子を具備することを特徴とする磁気記録装置。
14. 前記メモリセルは、
    前記磁気抵抗効果素子の一端に接続されたビット線又はワード線と、
    前記磁気抵抗効果素子の他端に接続されたスイッチング素子と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の磁気記録装置。
15. 前記メモリセルは、
    前記磁気抵抗効果素子と電気的に分離され、前記磁気抵抗効果素子に情報を記録する際の書き込み電流を流す書き込みワード線と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載の磁気記録装置。
16. 前記メモリセルは、
    前記磁気抵抗効果素子の一端に接続されたビット線と、
    前記磁気抵抗効果素子の他端に接続されたワード線と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の磁気記録装置。
17. 前記メモリセルは、
    前記磁気抵抗効果素子を挟む第１及び第２の書き込み配線をさらに具備し、
    前記磁気抵抗効果素子の磁化容易軸の方向は、前記第１又は第２の書き込み配線の延在方向に対して、３０度乃至６０度傾いている
    ことを特徴とする請求項１３に記載の磁気記録装置。

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