JP2007027415A - 磁気記憶装置 - 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】磁気記憶装置は、固定層１１と、記録層１３と、非磁性層１２とを含む磁気抵抗効果素子１０と、第１の方向に延在し、かつ磁気抵抗効果素子１０の記録層１３に情報を記録するための磁場を発生する第１の配線１５とを具備し、記録層１３は、第１の方向に対して０度より大きく２０度以下である角度を成すように回転した第２の方向に延在し、かつ互いに対向しかつ第２の方向にそれぞれ延在する第１及び第２の側面と互いに対向する第３及び第４の側面とを備えた延在部１０ａと、第１及び第２の側面から第２の方向に対して垂直な第３の方向にそれぞれ突出する第１及び第２の突出部１０ｂ，１０ｃとを有し、第３及び第４の側面は、第３の方向に対して延在部１０ａが回転する回転方向にそれぞれ傾いている。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁気記憶装置に係り、特に磁気抵抗効果素子をメモリセルに用いた磁気記憶装置に関する。

磁気メモリは、従来から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、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は，例えば第１の強磁性層、絶縁層、及び第２の強磁性層の３層で構成され、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化方向の相対角の余弦に応じて変化する。したがって、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化方向が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果と呼ばれており、このＴＭＲ効果による接合抵抗値の変化は室温において７０％を超える場合もある。

強磁性トンネル接合を含むメモリセルにおいては、少なくとも１つの強磁性層を基準層とみなしてその磁化方向を固定し、他の強磁性層を記録層とする。このメモリセルにおいて、基準層と記録層との磁化方向が平行或いは反平行に対し２進情報（“０”、“１”）を対応づけることで情報が記録される。メモリセルへの記録情報の書き込みは、このメモリセルに対して別に設けられた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記録層の磁化方向を反転させる。

また，メモリセルからの記録情報の読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗値の変化を検出することで行われる。このようなメモリセルを多数配置することで磁気メモリが構成される。実際の構成については、任意のセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）と同様に各セルに対してスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。また、ワード線とビット線とが交差する位置にダイオードとあわせて強磁性トンネル接合を組み込む方式も提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

強磁性トンネル接合を含むメモリセルを用いるＭＲＡＭ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。ＭＲＡＭでは、選択メモリセルに対して、磁化容易軸方向の磁場Ｈｘと磁化困難軸方向の磁場Ｈｙとによる合成磁場を印加することで、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、単一方向のみの磁場が印加される。ここで、単一方向に磁場が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、磁化容易軸方向及び磁化困難軸方向に磁場を印加した場合の磁化反転に必要なスイッチング磁場Ｈｓｗは、容易軸方向のみに磁場を加えた場合の容易軸スイッチング磁場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き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、誤書き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磁気抵抗効果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。

また、この種の関連技術として、磁気抵抗素子の磁化パターンを修正して書き込み特性を向上させる技術が開示されている（特許文献３参照）。
米国特許第５，６４０，３４３号明細書 米国特許第５，６５０，９５８号明細書 特許第３５４８０３６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記憶装置を提供する。

本発明の一視点に係る磁気記憶装置は、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含む磁気抵抗効果素子と、第１の方向に延在し、かつ前記磁気抵抗効果素子の前記記録層に情報を記録するための磁場を発生する第１の配線とを具備し、前記記録層は、前記第１の方向に対して０度より大きく２０度以下である角度を成すように回転した第２の方向に延在し、かつ互いに対向しかつ前記第２の方向にそれぞれ延在する第１及び第２の側面と互いに対向する第３及び第４の側面とを備えた延在部と、前記第１及び第２の側面から前記第２の方向に対して垂直な第３の方向にそれぞれ突出する第１及び第２の突出部とを有し、前記第３及び第４の側面は、前記第３の方向に対して前記延在部が回転する回転方向にそれぞれ傾いている。

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記憶装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

本発明者等は、誤書き込みを低減し、かつ歩留まりを上げるために、以下に説明するような磁気抵抗効果素子の一実施例であるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を製造した。

図１は、本発明に係るＭＴＪ素子１０の一実施例を示す平面図である。図２は、図１に示したＭＴＪ素子の断面図である。なお、図２は、例えば、図１に示したＸ方向に沿った断面図を示している。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施例に係るＭＴＪ素子１０は、少なくとも、磁化方向が固定された固定層（ピン層）１１と、磁化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Ｗ１が端部におけるＹ方向の幅Ｗ２よりも広くなっている。なお、図１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。

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。しかし、これに限定されるものではなく、突出部１０ｂ，１０ｃは、延在部１０ａに対して非対称な位置に設けられていてもよい。また、突出部１０ｂ，１０ｃの角は、角張っていてもよいし、丸まっていてもよい。すなわち、突出部１０ｂ，１０ｃの角が角張っている場合と丸まっている場合とで、ＭＴＪ素子１０のアステロイド曲線に与える影響は小さい。

延在部１０ａの平面形状は、例えば四角形であり、かつ隣り合う２つの側面が直角でない。すなわち、２組の対角のうち一方の組の対角（角Ａ，Ｃの角度）はそれぞれ鋭角であり、他方の組の対角（角Ｂ，Ｄの角度）はそれぞれ鈍角である。なお、延在部１０ａの４つの側面のうち突出部１０ｂ，１０ｃが設けられている対向する２つの側面は、例えば、互いに平行であり、かつ延在部１０ａの延在方向（Ｘ方向）にも平行である。

延在部１０ａの４つの側面のうち突出部１０ｂ，１０ｃが設けられていない対向する２つの側面は、必ずしも平行である必要はない。すなわち、上記２つの側面は、磁化困難軸方向に対して、それぞれ同じ方向に傾いていればよい。また、延在部１０ａの４つの角Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、角張っていてもよいし、丸まっていてもよい。なお、図１には、平面形状が平行四辺形である延在部１０ａを含むＭＴＪ素子１０を示している。

また、換言すると、ＭＴＪ素子１０の平面形状は、１８０度回転対称性（或いは、２回回転対称性）を有し、かつ鏡映対称性を有しない形状である。なお、図１及び図２に示すＭＴＪ素子１０は、固定層１１、非磁性層１２、記録層１３及び反強磁性層１４を全て同じ平面形状にしているが、記録層１３のみが前述した形状を有していてもよい。

ＭＴＪ素子１０のアスペクト比Ｌ／Ｗは、１より大きく設定される。また、ＭＴＪ素子１０のアスペクト比Ｌ／Ｗは、１．５乃至２．２であることが望ましい。これは、容易軸スイッチング磁場Ｈｃのばらつきを考慮して算出しており、上記範囲のアスペクト比の場合、磁場Ｈｃのばらつきを低減することができる。なお、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の平面形状を例に説明すると、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。換言すると、平行四辺形からなる延在部１０ａの角をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとした場合、長さＬは、角Ａと角Ｂとを結んだ辺ＡＢの中点Ｍａｂと、角Ｃと角Ｄとを結んだ辺ＣＤの中点Ｍｃｄとを結んだ距離で規定される。

次に、ＭＴＪ素子１０の材料の一例について説明する。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。

次に、このように構成されたＭＴＪ素子１０のアステロイド曲線について説明する。図３は、図１に示したＭＴＪ素子１０を備えたＭＲＡＭの主要部を示す平面図である。第１の書き込み配線１５は、Ｘ方向に延びるように設けられている。第２の書き込み配線１６は、Ｙ方向に延びるように設けられている。第１の書き込み配線１５は、ＭＴＪ素子１０に対してＹ方向の磁場を印加する。第２の書き込み配線１６は、ＭＴＪ素子１０に対してＸ方向の磁場を印加する。

ＭＴＪ素子１０は、第１の書き込み配線１５と第２の書き込み配線１６との交差領域に配置されている。具体的には、ＭＴＪ素子１０の磁化容易軸は、第１の書き込み配線１５とほぼ平行である。また、ＭＴＪ素子１０の磁化困難軸は、第２の書き込み配線１６とほぼ平行である。

図４は、図３に示したＭＴＪ素子１０のアステロイド曲線を示す図である。ここで、Ｘ軸から４５度傾いた直線Ｌとアステロイド曲線とが交わる点Ｐにおける磁化反転に必要な書き込み磁場（磁化容易軸方向及び磁化困難軸方向の合成磁場）をスイッチング磁場Ｈｓｗとする。また、磁化容易軸方向のみの磁化反転に必要な書き込み磁場（すなわち、アステロイド曲線とＸ軸とが交わる点の磁場）を容易軸スイッチング磁場Ｈｃとする。

磁化容易軸方向及び磁化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、磁化容易軸方向のみに磁場を加えた場合の磁場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き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、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。

図４に示すように、図１に示した形状を有するＭＴＪ素子１０は、Ｈｓｗに対してＨｃが十分大きく、書き込みマージン及び熱安定性が向上しているのが分かる。

しかしながら、アステロイド曲線のＸ軸近傍を細かく見ると、第一象限と第二象限とのアステロイド形状に非対称性が生じている。また、Ｙ軸方向に磁場を印加してアステロイド曲線が閉じる点Ｑが、Ｙ軸からずれている。これは、書き込みマージンを減少させてしまうため好ましくない。

（第１の実施形態）
図５は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０を備えたＭＲＡＭの主要部を示す平面図である。第１の実施形態では、図１及び図２を用いて説明したＭＴＪ素子と同じ形状を有する第１の例のＭＴＪ素子１０を用いている。

第１の書き込み配線１５は、Ｘ方向に延びるように設けられている。第２の書き込み配線１６は、Ｘ方向に垂直なＹ方向に延びるように設けられている。第１の書き込み配線１５は、ＭＴＪ素子１０に対してＹ方向の磁場を印加する。第２の書き込み配線１６は、ＭＴＪ素子１０に対してＸ方向の磁場を印加する。第１の書き込み配線１５及び第２の書き込み配線１６はそれぞれ、ＭＴＪ素子１０に対して所定距離を空けて設けられていてもよいし、ＭＴＪ素子１０に電気的に接続されていてもよい。

ＭＴＪ素子１０は、第１の書き込み配線１５と第２の書き込み配線１６との交差領域に配置されている。また、ＭＴＪ素子１０は、磁化容易軸が第１の書き込み配線１５の延在方向（すなわち、Ｘ方向）に対して例えば５度（°）傾くように（或いは、５度回転するように）配置されている。換言すると、ＭＴＪ素子１０は、磁化困難軸が第２の書き込み配線１６の延在方向（すなわち、Ｙ方向）に対して例えば５度傾くように配置されている。

また、ＭＴＪ素子１０を回転させる方向は、延在部１０ａの４つの側面のうちで突出部１０ｂ，１０ｃが設けられていない２つの対向する側面を磁化困難軸方向に対して傾ける（或いは、回転させる）方向と同じである。

図６は、図５に示したＭＴＪ素子１０のアステロイド曲線を示す図である。なお、図５には、比較例である磁化容易軸と第１の書き込み配線１５とがほぼ平行（回転角度０度）の場合のアステロイド曲線（すなわち、図３に示したＭＴＪ素子１０のアステロイド曲線）についても示している。

図６に示すように、Ｘ軸近傍のアステロイド曲線を０度と５度との場合で比較すると、５度回転させることで、第一象限と第二象限間とのアステロイド曲線の非対称性が小さくなっている。これにより、ＭＴＪ素子１０の書き込みマージンを向上させることができる。

また、Ｙ軸近傍のアステロイド曲線を０度と５度との場合で比較すると、ＭＴＪ素子１０を５度回転させることで、Ｙ軸方向に磁場を印加してアステロイド曲線が閉じる点Ｑが、Ｙ軸とほぼ一致するようになっている。すなわち、Ｙ軸近傍のアステロイド曲線においても、第一象限と第二象限間との非対称性が小さくなっている。

次に、ＭＴＪ素子１０の回転角度を変化させた場合の容易軸スイッチング磁場Ｈｃ及び磁場ＨｃのばらつきσＨｃについて説明する。

図７は、ＭＴＪ素子１０における磁場Ｈｃの回転角度依存性を示す図である。横軸は、回転角度（度）を表している。縦軸は、Ｈｃ０に対するＨｃの比を表している。なお、Ｈｃ０は、回転角度０度の場合のＨｃを表している。すなわち、図７において、磁場Ｈｃは、回転角度０度でのＭＴＪ素子１０の容易軸スイッチング磁場Ｈｃ０で規格化されている。

図７に示すように、ＭＴＪ素子１０の回転角度を０度から２０度までの範囲で変化させた場合、この範囲では磁場Ｈｃは殆ど変化しないことが分かる。すなわち、少なくとも０度から２０度までの範囲では、Ｈｓｗに対してＨｃが十分大きく、書き込みマージン及び熱安定性が向上するという効果は、回転角度０度の場合と同様である。

図８は、ＭＴＪ素子１０における磁場ＨｃのばらつきσＨｃの回転角度依存性を示す図である。横軸は、回転角度（度）を表している。縦軸は、σＨｃ０に対するσＨｃの比を表している。σＨｃ０は、回転角度０度の場合のσＨｃを表している。すなわち、図８において、ばらつきσＨｃは、回転角度０度でのＭＴＪ素子１０のばらつきσＨｃ０で規格化されている。図９は、図８に示した曲線の回転角度０度、２度、５度、１０度及び２０度における具体的な数値を示している。

図８に示すように、ＭＴＪ素子１０を回転させると、σＨｃ／σＨｃ０の値が減少しているのが分かる。また、回転角度が０度より大きくかつ２度以下の範囲でσＨｃ／σＨｃ０の値が急激に減少し、回転角度２度でσＨｃ／σＨｃ０の値が最小となっている。

σＨｃ／σＨｃ０の値が１より小さければ、ばらつきσＨｃが減少するため書き込みマージンが向上する。すなわち、回転角度が０度より大きくかつ２０度以下であれば、ばらつきσＨｃを低減させることができる。

また、回転角度が０度より大きくかつ１５度以下であれば、ばらつきσＨｃが１割以上減少している。よって、この範囲では、ばらつきσＨｃを低減するという効果が大きい。また、回転角度１０度の場合は、ばらつきσＨｃが１割より大きく（具体的には、０．８８）減少している。また、回転角度５度の場合は、ばらつきσＨｃが０．８７まで減少している。よって、回転角度が０度より大きくかつ５度以下であることが最も望ましい。

以上詳述したように本実施形態によれば、Ｈｓｗに対してＸ軸方向のスイッチング磁場Ｈｃを十分大きくすることができる。この結果、書き込みマージンを向上させることができ、かつ熱安定性を向上させることができるため、ＭＴＪ素子１０への誤書き込みを低減させることができる。

さらに、磁場Ｈｃを減少させずに、磁場ＨｃのばらつきσＨｃを低減させることができる。この結果、ＭＴＪ素子１０の歩留まりを上げることができる。

なお、延在部１０ａの４つの側面のうち突出部１０ｂ，１０ｃが設けられていない対向する２つの側面の磁化困難軸に対する傾き（磁化困難軸に対する上記２つの側面の回転角度）が変化すると、アステロイド曲線のＨｓｗも変化する。しかし、上記２つの側面の回転角度が変化した場合でも、アステロイド曲線の非対称性はほとんど変わらない。よって、上記２つの側面の回転角度を変化させたＭＴＪ素子１０に本実施形態を適用しても、同様の効果を得ることができる。

また、前述したように、記録層１３のみ延在部１０ａ及び突出部１０ｂ，１０ｃを有するようにＭＴＪ素子１０を構成してもよい。すなわち、ＭＴＪ素子１０のアステロイド曲線は、記録層１３の平面形状によってほぼ決まってくる。よって、固定層１１、非磁性層１２及び反強磁性層１４の平面形状は、特に限定されず、例えば四角形等であってもよい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態で用いたＭＴＪ素子１０は、図１に示した形状に限定されるものではなく、種々変形することが可能である。本実施形態では、ＭＴＪ素子１０の他の形状について説明する。なお、これらのＭＴＪ素子１０は、第１の実施形態同様に、磁化容易軸が第１の書き込み配線１５の延在方向に対して０度より大きくかつ２０以下の角度で回転させて使用されることは勿論である。

図１０は、ＭＴＪ素子１０の第２の例を示す平面図である。延在部１０ａは、例えば平行四辺形である。突出部１０ｂ，１０ｃはそれぞれ、角が丸まっている。また、突出部１０ｂ，１０ｃはそれぞれ、角のみが丸まっていてもよく、或いは図１０に示すように根元から全体的に丸まっていてもよい。すなわち、丸まり方の大きさ（具体的には、曲率半径（角の曲線を含む円の半径Ｒの大きさ））は、特に限定されない。また、突出部１０ｂ，１０ｃの角が、丸みを帯びずに、欠けた形状であってもよい。図１０に示したＭＴＪ素子１０のアスペクト比は、図１に示したＭＴＪ素子１０のアスペクト比と同じである。

図１１は、ＭＴＪ素子１０の第３の例を示す平面図である。図１１に示したＭＴＪ素子１０は、図１０に示したＭＴＪ素子１０のアスペクト比を小さくしたものである。ただし、アスペクト比が１以上の条件は、満足している。このように、アスペクト比が小さいＭＴＪ素子１０を用いることも可能である。

図１２は、ＭＴＪ素子１０の第４の例を示す平面図である。延在部１０ａは、角が丸まっている。角の曲率半径は、特に限定されない。また、延在部１０ａの角が、丸みを帯びずに、欠けた形状であってもよい。突出部１０ｂ，１０ｃは、例えば角が丸まっている。また、突出部１０ｂ，１０ｃは、角が角張っていてもよい。実際には、製造工程のエッチング精度の関係上、図１に示したような全ての角が角張っているＭＴＪ素子１０を形成するのは難しく、図１２に示したＭＴＪ素子１０を用いることが可能性が高いと言える。なお、図１２に示したＭＴＪ素子１０の長さＬについても、延在部１０ａの辺ＡＢの中点Ｍａｂと辺ＣＤの中点Ｍｃｄとを結んだ距離で規定される。

図１３は、ＭＴＪ素子１０の第５の例を示す平面図である。延在部１０ａの４つの側面のうち突出部１０ｂ，１０ｃが設けられていない対向する２つの側面は、磁化困難軸方向に対してそれぞれ同じ方向に回転している。そして、上記２つの側面は、磁化困難軸方向に対する回転角度が異なっている。

換言すると、２組の対角のうち一方の組の対角はそれぞれ鋭角であり、他方の組の対角はそれぞれ鈍角である。そして、鋭角である２つの角Ａ，Ｃは、互いに角度が異なっている。同様に、鈍角である２つの角Ｂ，Ｄは、互いに角度が異なっている。また、延在部１０ａは、例えば角が丸まっている。突出部１０ｂ，１０ｃは、例えば角が丸まっている。

図１４は、ＭＴＪ素子１０の第６の例を示す平面図である。延在部１０ａの鋭角である２つの角Ａ，Ｃの曲率半径がそれぞれ異なっている。すなわち、鋭角である２つの角Ａ，Ｃのうち一方の角Ａが他方の角Ｃより丸まり方が小さくなっている。突出部１０ｂ，１０ｃは、例えば角が丸まっている。

以上説明した複数の例のＭＴＪ素子１０を用い、かつＭＴＪ素子１０を回転させて配置した場合でも、第１の実施形態と同じ効果を得ることができる。なお、ＭＴＪ素子１０の記録層１３のみが上記形状を有していてもよいことは勿論である。

次に、ＭＴＪ素子１０を作製するための製造方法について説明する。

[１]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。

[２]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、窒化シリコン等から構成される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）法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。

[３]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、窒化シリコン等から構成されるハードマスクを形成する。そして、ＲＩＥ法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、ＲＩＥ法を用いて、ＭＴＪ材料層をエッチングすることで、所望形状のＭＴＪ素子１０を形成する。

[４]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のＭＴＪ素子１０を作製するために、電子ビームの近接効果補正（ＯＰＣ：Optical Proximity Correction）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（例えば、角を尖らせる等）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。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、ＭＴＪ素子１０を用いたＭＲＡＭの構成例を示している。

上述したＭＴＪ素子１０は、ＭＲＡＭ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ＭＲＡＭ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。これにより、記憶ビットの書き込みの際に必要な書き込み電流を小さくすることができる。

尚、ここでは、ＭＲＡＭのメモリセル構造の一例である、［１］選択トランジスタ型、［２］選択ダイオード型、［３］クロスポイント型について説明する。

［１］選択トランジスタ型
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る選択トランジスタ型のＭＲＡＭを示す回路図である。図１６は、図１５に示した選択トランジスタ型のＭＲＡＭの構成を示す平面図である。図１７は、図１５に示した選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルＭＣを示す断面図である。なお、図１６では、簡略化のために、ビット線（ＢＬ）、ワード線（ＷＷＬ）及びＭＴＪ素子１０のみ図示している。また、図１７では、半導体基板２１とビット線（ＢＬ）２８との間は、絶縁層（図示せず）で満たされている。

選択トランジスタ型の１つのメモリセルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０に接続されたトランジスタ（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。なお、ワード線（ＷＷＬ）２６は、図５に示した第１の書き込み配線１５に対応し、ビット線（ＢＬ）２８は、図５に示した第２の書き込み配線１６に対応する。

具体的には、ＭＴＪ素子１０の一端は、ベース金属層２７、コンタクトプラグ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ及び配線層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（ＷＷＬ）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、コンタクトプラグ２４ｄ及び配線層２５ｃを介して、例えばグランド電位に接続されている。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。

なお、ベース金属層２７側のＭＴＪ素子１０の一端は、例えば固定層１１であり、ビット線２８側のＭＴＪ素子１０の他端は、例えば記録層１３であるが、その逆の配置でも勿論かまわない。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いてもよい。

また、図１６に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁化容易軸がワード線（ＷＷＬ）２６の延在方向に対して例えば５度傾くように（或いは、５度回転するように）配置されている。換言すると、ＭＴＪ素子１０は、磁化困難軸がビット線（ＢＬ）２８の延在方向に対して例えば５度傾くように配置されている。ＭＴＪ素子１０としては、例えば、図１２で示した平面形状を有するものが用いられる。

上記のような選択トランジスタ型のメモリセルＭＣにおいて、データの書き込み動作及び読み出し動作は、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の磁化方向を反転させ、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）２２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の磁化方向の相対角の余弦に応じて変化し、固定層１１及び記録層１３の磁化方向が平行状態（例えば“１”状態）の場合は接合抵抗値が低抵抗となり、固定層１１及び記録層１３の磁化方向が反平行状態（例えば“０”状態）の場合は接合抵抗値が高抵抗となる、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］選択ダイオード型
図１８は、選択ダイオード型のＭＲＡＭを示す回路図である。図１９は、図１８に示した選択ダイオード型のＭＲＡＭのメモリセルＭＣを示す断面図である。なお、図１８では、半導体基板２１とビット線（ＢＬ）２８との間は、絶縁層（図示せず）で満たされている。

図１８及び図１９に示すように、選択ダイオード型の１つのメモリセルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０と、このＭＴＪ素子１０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。さらに、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。

さらに、ＭＴＪ素子１０は、磁化容易軸がワード線（ＷＬ）２６の延在方向に対して例えば５度傾くように（或いは、５度回転するように）配置されている。換言すると、ＭＴＪ素子１０は、磁化困難軸がビット線（ＢＬ）２８の延在方向に対して例えば５度傾くように配置されている。ＭＴＪ素子１０としては、例えば、図１２で示した平面形状を有するものが用いられる。

上記のような選択ダイオード型のメモリセルＭＣ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の固定層１１及び記録層１３の磁化方向を平行状態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。

［３］クロスポイント型
図２０は、クロスポイント型のＭＲＡＭを示す回路図である。図２１は、図２０に示したクロスポイント型のＭＲＡＭのメモリセルＭＣを示す断面図である。なお、図２１では、半導体基板２１とビット線（ＢＬ）２８との間は、絶縁層（図示せず）で満たされている。

図２０及び図２１に示すように、クロスポイント型の１つのメモリセルＭＣは、１つのＭＴＪ素子１０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。

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。

また、ＭＴＪ素子１０は、磁化容易軸がワード線（ＷＬ）２６の延在方向に対して例えば５度傾くように（或いは、５度回転するように）配置されている。換言すると、ＭＴＪ素子１０は、磁化困難軸がビット線（ＢＬ）２８の延在方向に対して例えば５度傾くように配置されている。ＭＴＪ素子１０としては、例えば、図１２で示した平面形状を有するものが用いられる。

上記のようなクロスポイント型のメモリセルＭＣ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の固定層１１及び記録層１３の磁化方向を平行状態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。

以上詳述したように本実施形態によれば、ＭＴＪ素子１０を用いて複数の種類の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を構成することができる。なお、前述した各型の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は一例であり、他の型の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に適用することも可能である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その他、本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形して実施可能である。

本発明に係るＭＴＪ素子１０の一実施例を示す平面図。 図１に示したＭＴＪ素子の断面図。 図１に示したＭＴＪ素子１０を備えたＭＲＡＭの主要部を示す平面図。 図３に示したＭＴＪ素子１０のアステロイド曲線を示す図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０を備えたＭＲＡＭの主要部を示す平面図。 図５に示したＭＴＪ素子１０のアステロイド曲線を示す図。 ＭＴＪ素子１０における磁場Ｈｃの回転角度依存性を示す図。 ＭＴＪ素子１０における磁場ＨｃのばらつきσＨｃの回転角度依存性を示す図。 図８に示した曲線の具体的な数値を示す図。 ＭＴＪ素子１０の第２の例を示す平面図。 ＭＴＪ素子１０の第３の例を示す平面図。 ＭＴＪ素子１０の第４の例を示す平面図。 ＭＴＪ素子１０の第５の例を示す平面図。 ＭＴＪ素子１０の第６の例を示す平面図。 本発明の第３の実施形態に係る選択トランジスタ型のＭＲＡＭを示す回路図。 図１５に示した選択トランジスタ型のＭＲＡＭの構成を示す平面図。 図１５に示した選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルＭＣを示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係る選択ダイオード型のＭＲＡＭを示す回路図。 図１８に示した選択ダイオード型のＭＲＡＭのメモリセルＭＣを示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係るクロスポイント型のＭＲＡＭを示す回路図。 図２０に示したクロスポイント型のＭＲＡＭのメモリセルＭＣを示す断面図。

符号の説明

１０…ＭＴＪ素子、１０ａ…延在部、１０ｂ，１０ｃ…突出部、１１…固定層、１２…非磁性層、１３…記録層、１４…反強磁性層、１５…第１書き込み配線、１６…第２書き込み配線、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…コンタクトプラグ、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…配線層、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 (8)

1. 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含む磁気抵抗効果素子と、
   第１の方向に延在し、かつ前記磁気抵抗効果素子の前記記録層に情報を記録するための磁場を発生する第１の配線と
   を具備し、
   前記記録層は、
   前記第１の方向に対して０度より大きく２０度以下である角度を成すように回転した第２の方向に延在し、かつ互いに対向しかつ前記第２の方向にそれぞれ延在する第１及び第２の側面と互いに対向する第３及び第４の側面とを備えた延在部と、
   前記第１及び第２の側面から前記第２の方向に対して垂直な第３の方向にそれぞれ突出する第１及び第２の突出部と
   を有し、
   前記第３及び第４の側面は、前記第３の方向に対して前記延在部が回転する回転方向にそれぞれ傾いている
   ことを特徴とする磁気記憶装置。
2. 前記第２の方向は、磁化容易軸方向に沿った方向であり、
   前記第３の方向は、磁化困難軸方向に沿った方向であることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記記録層の平面形状は、１８０度回転対称性を有し、かつ鏡映対称性を有しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記憶装置。
4. 前記延在部の平面形状は、４つの角を有する四角形であり、一方の対角はそれぞれ鋭角であり、他方の対角はそれぞれ鈍角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記憶装置。
5. 前記延在部の平面形状は、平行四辺形であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気記憶装置。
6. 前記記録層は、複数の丸まった角を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気記憶装置。
7. 前記角度は、０度より大きく１５度以下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記憶装置。
8. 前記第１の方向に対して垂直な第４の方向に延在し、かつ前記磁気抵抗効果素子の前記記録層に情報を記録するための磁場を発生する第２の配線をさらに具備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記憶装置。

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