JP2008294056A - 磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極めて簡素且つ小サイズの構成で、製造工程増及び製造コスト増を招くことなく、誤動作を防止して信頼性の高いデータ読み出しを実現し、更なる高集積化をも可能とする磁気記録装置を提供する。
【解決手段】参照素子３０は、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅＢの積層構造からなる下部磁化層３１と、絶縁層３２を介した、ＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ及びＰｔＭｎの積層構造からなる上部磁化層３３とが順次積層されており、上部磁化層３３は、磁化方向が例えば平行方向とされ、下部磁化層３１は、磁化方向が上部磁化層３３の磁化方向と直交する方向とされている。
【選択図】図４

Description

本発明は、反転磁化を利用して磁気記憶を行う磁気記憶装置に関する。

電源を断っても記憶が消失しない不揮発性メモリ素子の一つに、磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic random access memory：ＭＲＡＭ）がある。ＭＲＡＭは、磁性体のスピンの方向によって抵抗値が変化することを利用したメモリデバイスである。ＭＲＡＭは、磁気抵抗素子であるＴＭＲ及びこのＴＭＲの上下に直交配線（ビット線及び書き込みワード線）を配置した複雑な構成により、データの書き込み及び読み取りを行う方式が主流とされている（例えば、特許文献１，２を参照）。

近時では、ＭＲＡＭの更なる高密度化・大容量（Ｇｂｉｔ超）化の要請が高まっており、これを実現するためにＴＭＲ膜の微小化が進められている。しかしながら、ＴＭＲ膜が微小化すると、フリー層の反磁場が増加し、磁化反転に必要な電流が増大して消費電力が増加すること、合成磁場が隣接素子に影響を与えてしまうこと等の解決すべき課題がある。

これらの問題を解決する手法として、スピン偏極した電流（スピン電流）を注入する「スピン注入磁化反転方式」の技術が提案されている（非特許文献１を参照）。
しかしながら、当該技術において、現状では磁化反転に必要な電流密度は、例えば１０⁷ [Ａ／ｃｍ²]程度と大きい。また、磁気メモリにおいても、より高密度なストレージメモリを目指すためには、フラッシュメモリ等で実現されているような多値化記録方式が将来不可欠となる。

そこで、Ｇｂｉｔ超の大容量メモリを目指した新しいメモリ方式として、スピントランスファー効果による磁壁の電流駆動現象（非特許文献２を参照）を応用した磁壁移動型ストレージメモリが提案されている（特許文献３を参照）。

特開平１１−３１７０７１号公報 特開２００２−２４６５６６号公報 特開２００６−２３７１８３号公報 スピン注入磁化反転の研究動向,屋上公二郎,鈴木義茂, 日本応用磁気学会Vol.28 No.9, 2004 Yamaguchi, Ono ; Physical Review Letters V92,Number.7 077205-1

しかしながら、上記の磁壁移動型ストレージメモリでは、データの読み取りに際して、誤動作を防止して信頼性の高いデータの読取部を設けようとすれば、その構成が複雑となって大サイズを要し、製造工程増及び製造コスト増を免れないという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、極めて簡素且つ小サイズの構成で、製造工程増及び製造コスト増を招くことなく、誤動作を防止して信頼性の高いデータ読み出しを実現し、更なる高集積化をも可能とする磁気記録装置を提供することを目的とする。

本発明の磁気記録装置は、複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、前記磁性細線に記録された前記データを読み出すデータ読出部とを含み、前記データ読出部は、前記磁性細線に形成された前記磁区の磁化方向を、抵抗値の変化に基づいて読み取る読取素子と、第１の方向に磁化された第１の磁化層と、前記第１の方向と交差する非平行の第２の方向に磁化された第２の磁化層とを有し、前記読取素子の抵抗値と参照される抵抗値を有する参照素子とを備える。

本発明の磁気記録装置は、複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、前記磁性細線に記録された前記データを読み出すデータ読出部とを含み、前記データ読出部は、前記磁性細線に形成された前記磁区の磁化方向を、抵抗値の変化に基づいて読み取る読取素子と、第１の方向に磁化された第１の磁化層と、磁壁が形成されており、当該磁壁を境界として相異なる第２の方向及び第３の方向に磁化された第２の磁化層とを有し、前記読取素子の抵抗値と参照される抵抗値を有する参照素子とを備える。

本発明によれば、極めて簡素且つ小サイズの構成で、製造工程増及び製造コスト増を招くことなく、誤動作を防止して信頼性の高いデータ読み出しを行い、更なる高集積化をも可能とする磁気記録装置が実現する。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［磁壁移動型ストレージメモリの構成］
本実施形態では、図１に示すようなメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリを提示する。
このメモリセルの基本構成は、不図示の基板の上方に、磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線１と、磁性細線１に記録されたデータを読み出すデータ読出部の一部であり、磁性細線１上に接続された読取素子２と、磁性細線１にデータを書き込むデータ書込部であり、磁性細線１上に接続された書込素子３とを備えている。

磁性細線１は、強磁性材料、例えばＮｉＦｅ及びＣｏＦｅＢの積層構造からなり、基板表面（水平面）に平行に配設された例えば幅３００ｎｍ以下の帯形状とされており、静磁気エネルギーが最小になるように複数の微小磁区１１，１２が形成自在とされ、磁区１１，１２の境界には磁壁（Domain Wall：ＤＷ）１３が形成される。ここで、微小磁区１１が矢印Ｍで示す方向（平行方向）、微小磁区１２が矢印Ｎで示す方向（反平行方向）に磁化されたものである。なお、磁性細線１下に形成される下部電極については、ここでは図示を省略し、後述する製造方法において図示して説明する。

磁性細線１では、磁化困難方向及び磁化容易方向がその形状により制御され、長手方向に単一な微小磁区１１，１２が形成される。この磁性細線１にパルス電流を印加すると、伝導電子が磁壁１３を横切る際に伝導電子のスピンは、ｓ−ｄ相互作用によって磁気モーメントに沿って回転する。この際、角運動量保存によって伝道電子のスピン角運動量は磁気モーメントへ吸収される。その結果、磁気モーメントは回転して磁壁１３の移動が生じる。即ち、このスピントルク・トランスファー効果により、電流駆動によって磁壁を移動させることが可能となる。例えば、非特許文献２で示された実験結果によれば、例えばＪ＝１．２×１０¹²Ａ／ｃｍ²、０．５μｓ〜５μｓのパルス電流により、３ｍ／ｓ程度の速度で磁壁１３が移動することが、ＭＦＭ測定から実証されている。このように、磁性細線１では、単一方向の微小磁区１１，１２の形成が可能であり、磁壁１３（磁区１１，１２）を電流駆動で移動させることができる。この電流駆動を行うための磁壁移動電流であるパルス電流Ｉｖは、不図示の配線から磁性細線１に供給される。

磁性細線１では、例えば１つの記録領域に１ビット（"０"又は"１"）のデータが記録される。ここで、図１の微小磁区１１，１２は、相異なる磁化方向で隣接して磁壁１３が形成されているため、それぞれ１つの記録領域とされている。同一の磁化方向とされた記録領域が隣接する場合、両者間には磁壁１３は形成させず、２つの記録領域からなる微小磁区が形成される。この一例として、同一の磁化方向（ここでは平行方向）とされた２つの記録領域からなる微小磁区を１１ａとして図示する。このようにして、１本の磁性細線１に多値のデータを記録することができる。

磁性細線１では、図示の例では読取素子２の右側部分がデータ蓄積領域１ａとされており、読取素子２の左側部分は、データ蓄積領域１ａにおける所望の記録領域のデータを読み取るために微小磁区１１，１２を移動させる際に、読取素子２を越えて移動した微小磁区１１，１２を保持するバッファ領域１ｂ（一部を図示する。）とされている。なお、データの書き込み及び読み出しの効率を考慮すれば、磁性細線１の中央部分にデータ蓄積領域を、両端部分に一対のバッファ領域を配設するように構成することが好適である。

読取素子２は、磁性細線１の記録領域１ａの一端上に形成されており、例えばＭｇＯからなりトンネル絶縁膜として機能する絶縁層１４と、例えばＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ及びＰｔＭｎの積層構造からなり、磁化方向が固定（ここでは例えば平行方向に固定）されてなる固定磁化層１５とが順次積層されて構成されている。読取素子２上には、上部電極１６が積層されている。上部電極１６の上面が読取電極４と接続されている。読取素子２は、磁性細線１と一体となっていわゆるＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）の読取素子として機能する。

書込素子３は、磁性細線１の記録領域１ａの他端上に形成されており、例えばＭｇＯからなりトンネル絶縁膜として機能する絶縁層１７と、例えばＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ及びＰｔＭｎの積層構造からなり、磁化方向が固定（ここでは例えば平行方向に固定）されてなる固定磁化層１８とが順次積層されて構成されている。書込素子３上には、上部電極１９が積層されている。上部電極１９の上面が書込電極５と接続されている。書込素子３は、磁性細線１と一体となっていわゆるＴＭＲの書込素子として機能する。

ここで、読取素子２と書込素子３とでは、絶縁層１４，１７、固定磁化層１５，１８、上部電極１６，１９がそれぞれ同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成されている。
上記のように構成された複数のメモリセルが、例えば複数の磁性細線１を並設するように配されることにより、メモリセルアレイ（不図示）が構成される。

記録されたデータを読み取る際には、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ｉｖを不図示のＩｖ供給電極（製造方法において説明する。）から磁性細線１に供給し、所望の記録領域（単一或いは連続した複数の記録領域）を読取素子２の直下まで移動させ、読取電極４により読取素子２に読取電流を供給する。読取素子２の固定磁化層１５は例えば平行方向に磁化されており、当該記録領域の磁化方向が平行方向である場合の読取素子２の抵抗値は、当該記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の読取素子２の抵抗値よりも低くなる。このように、記録領域の磁化方向に対応した抵抗値を読取電圧Ｖｓｐとして検出することにより、当該記録領域に対応した微小磁区の磁化方向をデータとして読み取る。この読み取り動作を経た後のデータ読み出し動作については後述する。

一方、データを書き込む際には、書込電極５からスピン電流を書込素子３に供給する。スピン電流の印加方向に対応して、書込素子３の直上に位置する磁性細線１の記録領域が平行方向又は反平行方向の方向に磁化される。磁化された記録領域は、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ｉｖを不図示のＩｖ供給電極（製造方法において説明する。）から磁性細線１に供給することにより移動し、引き続き所望の記録領域が上記のように磁化されてゆく。

ここで、このメモリセルにおける記録容量を試算した結果を示す。
例えば、記録領域の長さを６０ｎｍ、磁性細線１の長さを１．４ｍｍ(メモリ長１．４ｍｍ(トラック長))、磁性細線１の幅を５０ｎｍ(隣接する磁性細線１の離間距離も５０ｎｍとする) とし、磁性細線１（読取素子２及び書込素子３が各磁性細線１上に形成された構造とする）を１０００００本形成した場合、メモリ部サイズを１．４ｍｍ×１．１ｍｍで、１．２Ｇｂｉｔ程度の大容量が実現される。

図１に示したメモリセルの基本構成の他の構成例を図２に示す。
このメモリセルでは、図１に示したメモリセルと同様の機能及び作用・効果を有するが、データ書込部の構成が異なる点で相違する。

このメモリセルでは、データ書込部が、磁性細線１に近接配置（絶縁層により電気的に離間されて配置）された書込配線６で構成されている。
データを書き込む際には、書込配線６に電流を印加することにより磁界を発生させ、この磁界により磁性細線１の記録領域を磁化する。当該電流の印加方向に対応して、書込素子３の直上に位置する磁性細線１の記録領域が平行方向又は反平行方向の方向に磁化される。磁化された記録領域は、磁壁移動電流として所定のパルス電流Ｉｖを不図示の配線から磁性細線１に供給することにより移動し、引き続き所望の記録領域が上記のように磁化されてゆく。

磁壁移動型ストレージメモリのメモリセルでは、磁性細線に記録されたデータを読み出すために、読取素子２に対応した参照素子を設けることが必要である。
参照素子を含むデータ読出部の構成として考えられる一例を図３に示す。

本例におけるデータ読出部は、読取素子２に加えて、一対の参照素子２０ａ，２０ｂを有して構成される。
参照素子２０ａは、磁化方向が例えば平行方向とされてなる下部磁化層２１ａと、例えばＭｇＯからなる絶縁層２２ａと、磁化方向が下部磁化層２１ａの磁化方向と同一の向き、ここでは平行方向とされてなる上部磁化層２３ａとが順次積層されて構成されている。
参照素子２０ｂは、磁化方向が例えば平行方向とされてなる下部磁化層２１ｂと、例えばＭｇＯからなる絶縁層２２ｂと、磁化方向が下部磁化層２１ｂの磁化方向と逆向き、ここでは反平行方向とされてなる上部磁化層２３ｂとが順次積層されて構成されている。

ここで、下部磁化層２１ａ，２１ｂが磁化方向を自在に変えられる磁化反転層から、上部磁化層２３ａ，２３ｂが磁化方向が固定されてなる磁化固定層からそれぞれ形成されている。

参照素子２０ａに、読取素子２と同様の読取電流Ｉｒを供給した場合における抵抗値は、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が平行方向である場合の抵抗値と同様である。一方、参照素子２０ｂに、読取素子２と同様の読取電流Ｉｒを供給した場合における抵抗値は、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の抵抗値と同様である。前者の抵抗値に対応した電圧をＶｌ、後者の抵抗値に対応した電圧をＶｈ（Ｖｌ＜Ｖｈ）とする。

本例では、読取電流Ｉｒを供給する電流源２４と、例えば入力電圧を１／２倍して出力する１／２電圧回路２５を設け、参照素子２０ａ，２０ｂを直列接続してなる電圧（Ｖｌ＋Ｖｈ）から参照電圧Ｖｒｅｆ≒１／２（Ｖｌ＋Ｖｈ）を生成する。
例えば差動アンプ（不図示）を設け、読取素子２における読取電圧Ｖｓｐと参照素子２０ａ，２０ｂにおける参照電圧Ｖｒｅｆとを、それぞれ差動アンプに入力して、差分値の正負から両者の大小を比較する。Ｖｓｐ＞Ｖｒｅｆであれば、磁性細線１の記録領域の磁化方向は反平行方向であり、Ｖｓｐ＜Ｖｒｅｆであれば、磁性細線１の記録領域の磁化方向は平行方向であると判定される。例えば、磁化方向が平行方向である場合をデータ"０"に、反平行方向である場合をデータ"１"に対応させた場合であれば、前者の場合にはデータ"１"が、後者の場合にはデータ"０"がそれぞれ読み出されることになる。

しかしながら本例の場合、２つの参照素子２０ａ，２０ｂが必要であり、更には参照素子２０ａ，２０ｂに専用の１／２電圧回路２５を設ける必要もあるため、装置構成の複雑化及び大サイズ化を招き、製造工程増及び製造コスト増を免れないという問題が発生すると考えられる。

そこで本発明者は、上記の問題を解決すべく鋭意検討し、以下に示すようなデータ読出部に想到した。
本実施形態では、図１又は図２のメモリセルの基本構成に付随するデータ読出部として、以下の構成（１），（２）を開示する。便宜上、図１のメモリセルの基本構成を前提として説明する。

構成（１）
図４は、本発明の構成（１）におけるメモリセルのデータ読出部の構成要素である参照素子のみを示す概略斜視図である。
構成（１）におけるデータ読出部は、読取素子２に加えて、１つの参照素子３０を有して構成される。

参照素子３０は、例えばＮｉＦｅ及びＣｏＦｅＢの積層構造からなる下部磁化層３１と、例えばＭｇＯからなる絶縁層３２を介した、例えばＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ及びＰｔＭｎの積層構造からなる上部磁化層３３とが順次積層されて構成されている。なお、下部磁化層３１下に形成される下部電極、及び上部磁化層３３上に形成される上部電極については、ここでは図示を省略し、後述する製造方法において図示して説明する。

上部磁化層３３は、磁化方向が例えば平行方向とされている。これに対して下部磁化層３１は、磁化方向が上部磁化層３３の磁化方向と交差する非平行方向とされている。後述するように、下部磁化層３１の磁化方向は、上部磁化層３３の磁化方向と直交する方向であることが最も好ましい。従って以下では、上部磁化層３３の磁化方向と直交する方向に磁化された下部磁化層３１を例示する。

ここで、下部磁化層３１が磁化方向を自在に変えられる磁化反転層から、上部磁化層３３が磁化方向が固定されてなる磁化固定層からそれぞれ形成されており、磁性細線１と下部磁化層３１、絶縁層１４と絶縁層３２、固定磁化層１５と上部磁化層３３がそれぞれ同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成されている。

本発明者は、反転磁化層上に絶縁層を介して固定磁化層を積層した積層体を備えた磁気抵抗素子を用い、反転磁化層の磁化状態を平行方向から反平行方向となるまで磁化方向を回転（回転角：θ）させ、抵抗変化について調べた。その結果、図５に示すように、固定磁化層の磁化方向と反転磁化層の磁化方向とが同一（例えば共に平行方向）とされた場合の抵抗値Ｒｌから、固定磁化層の磁化方向と反転磁化層の磁化方向とが逆方向（例えば前者が平行方向、後者が反平行方向）とされた場合の抵抗値Ｒｈに到るまで、略なだらかに抵抗値が増加してゆくことが判った。

この結果を踏まえて考察すれば、例えば平行方向に磁化された上部磁化層３３に対して、下部磁化層３１を上部磁化層３３の磁化方向と交差する非平行方向とすることにより、Ｒｌより大きくＲｈよりも小さい抵抗値を有する参照素子３０が実現する。この場合、読取素子２の参照素子として、最も安定且つ正確に機能させるためには、参照素子３０の抵抗値をＲｌとＲｈとの中間値である１／２（Ｒｌ＋Ｒｈ）程度とすれば良い。このとき、下部磁化層３１の磁化方向は、上部磁化層３３の磁化方向と略直交する方向となる。

参照素子３０を作製するには、図６に示すように、下部磁化層３１を、横幅が短辺、縦幅が長辺となる長方形状に形成する。一方、上部磁化層３３を、横幅が長辺、縦幅が短辺となる長方形状に形成する。磁性層は、いわゆる形状磁気異向性により、その長手方向に沿って磁化され易い性質を有している（エネルギー状態が安定である）ため、上部磁化層３３が例えば平行方向に磁化されるのに対して、下部磁化層３１が上部磁化層３３の磁化方向と略直交する方向に磁化される。ここで、下部磁化層３１において、長手方向に沿った方向の磁化を確実に発現させることを考慮として、長辺を短辺の１．５倍以上となる長方形状に形成することが望ましい。

ここで図示のように、下部磁化層３１と上部磁化層３３とを、双方の長辺が非平行となるように共に長方形状に加工形成する場合、下部磁化層３１の長辺と上部磁化層３３の長辺とを直交させるように加工することが最も容易であり、確実に形成できると考えられる。即ち、プロセスの容易性・確実性を考慮しても、下部磁化層３１が上部磁化層３３の磁化方向と略直交する方向に磁化されるように、換言すれば参照素子３０の抵抗値がＲｌとＲｈとの中間値である１／２（Ｒｌ＋Ｒｈ）程度となるように形成することが最も優れていると言える。

図７は、本発明の構成（１）におけるメモリセルについて、データ読出部を中心とした主要部のみ示す概略斜視図である。
参照素子３０に、読取素子２と同様の読取電流Ｉｒを供給した場合における抵抗値は、図５から、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が平行方向である場合の抵抗値Ｒｌと、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の抵抗値Ｒｈとの中間値、１／２（Ｒｌ＋Ｒｈ）程度となる。即ち構成（１）では、１つの参照素子３０のみにより、参照電圧Ｖｒｅｆ≒１／２（Ｖｌ＋Ｖｈ）が生成される。

ここでは、図３の例と同様に電流源２４及び差動アンプ３４を設け、読取素子２における読取電圧Ｖｓｐと参照素子３０における参照電圧Ｖｒｅｆをそれぞれ差動アンプ３４に入力して、差分値の正負から両者の大小を比較する。Ｖｓｐ＞Ｖｒｅｆであれば、磁性細線１の記録領域の磁化方向は反平行方向であり、Ｖｓｐ＜Ｖｒｅｆであれば、磁性細線１の記録領域の磁化方向は平行方向であると判定される。例えば、磁化方向が平行方向である場合をデータ"０"に、反平行方向である場合をデータ"１"に対応させた場合であれば、前者の場合にはデータ"１"が、後者の場合にはデータ"０"がそれぞれ読み出されることになる。

構成（１）では、１つの参照素子３０のみを設けることにより、図３の例のように参照素子専用の１／２電圧回路を設ける必要もなく、安定且つ正確に読取素子２で読み取られたデータを正確に判定することができる。
このように、構成（１）を適用した本実施形態によれば、極めて簡素且つ小サイズの構成で、製造工程増及び製造コスト増を招くことなく、誤動作を防止して信頼性の高いデータ読み出しを行い、更なる高集積化をも可能とする磁壁移動型ストレージメモリが実現する。

構成（２）
図８は、本発明の構成（２）におけるメモリセルのデータ読出部の構成要素である参照素子のみを示す概略斜視図である。
構成（２）におけるデータ読出部は、読取素子２に加えて、１つの参照素子４０を有して構成される。

参照素子４０は、例えばＮｉＦｅ及びＣｏＦｅＢの積層構造からなる下部磁化層４１と、例えばＭｇＯからなる絶縁層４２を介し、例えばＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ及びＰｔＭｎの積層構造からなる上部磁化層４３とが順次積層されて構成されている。なお、下部磁化層４１下に形成される下部電極、及び上部磁化層３３上に形成される上部電極については、ここでは図示を省略し、後述する製造方法において図示して説明する。

上部磁化層４３は、磁化方向が第１の方向、例えば平行方向とされてなる。これに対して下部磁化層４１は、磁壁４１ｃが形成されており、当該磁壁を境界として相異なる第２の方向及び第３の方向に磁化された第２の磁化層とを有している。後述するように、下部磁化層３１は、磁壁が中央部分に形成され、第２の方向と第３の方向の一方が平行方向、他方が反平行方向であることが最も好ましい。従って以下では、第２の方向が平行方向、第３の方向が反平行方向とされた下部磁化層４１を例示する。

ここで、下部磁化層４１が磁化方向を自在に変えられる磁化反転層から、上部磁化層３３が磁化方向が固定されてなる磁化固定層からそれぞれ形成されており、磁性細線１と下部磁化層４１、絶縁層１４と絶縁層４２、固定磁化層１５と上部磁化層４３がそれぞれ同一層、即ち同一材料で同一層位置に形成されている。

本発明者は、第１の方向、例えば平行方向に磁化された上部磁化層３３に対して、これと絶縁層４２を介して対抗する下部磁化層４１を磁壁で２つの領域に分割した構造、即ち各領域が互いに相反する磁化方向とすれば、抵抗値Ｒｌよりも大きく、抵抗値Ｒｈよりも小さい抵抗値が得られることを見出した。この場合、読取素子２の参照素子として、最も安定且つ正確に機能させるためには、参照素子３０の抵抗値をＲｌとＲｈとの中間値である１／２（Ｒｌ＋Ｒｈ）程度とすれば良い。このとき、下部磁化層４１の磁化方向は、一方の領域が平行方向、他方の方向が反平行方向となる。

参照素子４０を作製するには、図９に示すように、下部磁化層４１及び上部磁化層４３を、共に横幅が短辺、縦幅が長辺となる長方形状に形成する。ここで、下部磁化層４１に磁壁を形成して２つの領域に分割するには、下部磁化層４１を加工形成する際に、ネック状となるように一対の切り込みを形成し、当該ネックにより磁壁が形成され易くすれば良い。ここで図示のように、下部磁化層４１の長辺の中央部分に対称となるように一対の切り込み４１ａ，４１ｂを形成することが最も容易であり、確実に形成できると考えられる。即ち、プロセスの容易性・確実性を考慮しても、下部磁化層４１において、磁壁が中央部分に形成され、第２の方向と第３の方向の一方が平行方向、他方が反平行方向となるように、換言すれば参照素子４０の抵抗値が最小値であるＲｌと最大値であるＲｈとの中間値、即ち１／２（Ｒｌ＋Ｒｈ）程度となるように形成することが最も優れていると言える。

ここで、下部磁化層４１において、磁壁を確実に形成することを考慮として、上記のネック部分における幅をそれ以外の部分における幅の９５％以下とすることが望ましい。

図１０は、本発明の構成（２）におけるメモリセルについて、データ読出部を中心とした主要部のみ示す概略斜視図である。
参照素子４０に、読取素子２と同様の読取電流Ｉｒを供給した場合における抵抗値は、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が平行方向である場合の抵抗値Ｒｌと、読取素子２で磁性細線１の記録領域の磁化方向が反平行方向である場合の抵抗値Ｒｈとの中間値、１／２（Ｒｌ＋Ｒｈ）程度となる。即ち構成（１）では、１つの参照素子４０のみにより、参照電圧Ｖｒｅｆ≒１／２（Ｖｌ＋Ｖｈ）が生成される。

ここでは、図３の例と同様に電流源２４及び差動アンプ３４を設け、読取素子２における読取電圧Ｖｓｐと参照素子４０における参照電圧Ｖｒｅｆをそれぞれ差動アンプ３４に入力して、差分値の正負から両者の大小を比較する。Ｖｓｐ＞Ｖｒｅｆであれば、磁性細線１の記録領域の磁化方向は反平行方向であり、Ｖｓｐ＜Ｖｒｅｆであれば、磁性細線１の記録領域の磁化方向は平行方向であると判定される。例えば、磁化方向が平行方向である場合をデータ"０"に、反平行方向である場合をデータ"１"に対応させた場合であれば、前者の場合にはデータ"１"が、後者の場合にはデータ"０"がそれぞれ読み出されることになる。

構成（２）では、１つの参照素子４０のみを設けることにより、図３の例のように参照素子専用の１／２電圧回路を設ける必要もなく、安定且つ正確に読取素子２で読み取られたデータを正確に判定することができる。
このように、構成（２）を適用した本実施形態によれば、極めて簡素且つ小サイズの構成で、製造工程増及び製造コスト増を招くことなく、誤動作を防止して信頼性の高いデータ読み出しを行い、更なる高集積化をも可能とする磁壁移動型ストレージメモリが実現する。

［磁壁移動型ストレージメモリの製造方法］
以下、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法について説明する。
図１１及び図１２は、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

先ず、図１１（ａ）に示すように、シリコン基板５１上に、絶縁膜５２内に埋め込まれてなる下部電極５３を形成する。
詳細には、シリコン基板５１上に、例えばＣＶＤ法により絶縁膜５２、ここではシリコン酸化膜を例えば膜厚２００ｎｍ程度に堆積形成する。
次に、絶縁膜５２をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工して各電極形成用の溝５２ａを形成し、各溝５２ａを埋め込むように、例えばスパッタ法により導電材料、ここではＣｕを例えば膜厚４００ｎｍ程度に堆積する。そして、堆積したＣｕを絶縁膜５２の表面が露出するまで化学機械研磨（ＣＭＰ）法により研磨して平坦化し、各溝５２ａをＣｕで充填してなる下部電極５３を形成する。

続いて、図１１（ｂ）に示すように、磁性細線１と、下部磁化層３１又は下部磁化層４１（以下、下部磁化層３１（４１）と記す。）とを形成する。
詳細には、下部磁性膜として、例えば膜厚３０ｎｍ程度のＮｉＦｅ及び膜厚２ｎｍ程度のＣｏＦｅＢの積層構造を堆積形成する。そして、リソグラフィー及びドライエッチングにより、この下部磁性膜をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工する。即ち、メモリ形成領域５０ａと参照素子形成領域５０ｂとで下部磁性膜を分断すると共に、メモリ形成領域５０ａではストライプ状の複数の磁性細線１を、例えば幅及びピッチが５０ｎｍ程度のＬ＆Ｓ（line and Space）となるように並設形成し、参照素子形成領域５０ｂでは磁性細線１毎に対応するように下部磁化層３１（４１）を形成する。ここで、以下に示すように、構成（１）を形成する場合には下部磁化層３１を、構成（２）を形成する場合には下部磁化層４１をそれぞれ形成する。

構成（１）を形成する場合
ここで、参照素子形成領域５０ｂに上述した構成（１）の参照素子３０を形成する場合には、図６に示したように、下部磁化層３１を例えば縦幅が２００ｎｍ、横幅が１００ｎｍとなる長方形状となるように積層体を加工する。

上述のように、下部磁化層３１は、形状磁気異向性により長手方向に磁化されるため、上部磁化層３３の磁化方向に対して垂直方向に磁化を設定することが可能である。なお、下部磁化層３１を上部磁化層３３と同様の横長の長方形状に形成し、上部磁化層３３の磁化方向が変更されない程度の弱い磁場で、上部磁化層３３の磁化方向と直交する方向に磁化しても良い。

構成（２）を形成する場合
ここで、参照素子形成領域５０ｂに上述した構成（２）の参照素子４０を形成する場合には、図９に示したように、下部磁化層４１を例えば縦幅が１００ｎｍ、横幅が２００ｎｍとなる長方形であり、長辺の中央部分に対称となるように一対の切り込み４１ａ，４１ｂを有する形状に積層体を加工する。

ここで、切り込み４１ａ，４１ｂにより形成されるネック部分における幅をそれ以外の部分における幅の９５％以下、ここでは９０％（即ち９０ｎｍ幅）程度に形成する。ネック部分には磁壁が形成され易く、下部磁化層４１の加工形成後に、外部磁場の印加又は電流加熱により、当該ネック部分に磁壁を形成することができる。

続いて、図１１（ｃ）に示すように、磁性細線１と、下部磁化層３１（４１）とを覆うように、絶縁膜５５、上部磁性膜５６、及び導電膜５７を順次積層する。
詳細には、絶縁膜５５としては例えば膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯを、上部磁性膜５６としては例えば膜厚２．３ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ、膜厚０．８ｎｍ程度のＲｕ、膜厚１．７ｎｍ程度のＣｏＦｅ及び反強磁性層として膜厚１００ｎｍ程度のＰｔＭｎの積層構造を、導電膜５７としては例えば膜厚５０ｎｍ程度のＴａを順次形成する。

続いて、図１２（ａ）に示すように、読取素子２、書込素子３、参照素子３０（４０）及び各上部電極１６，１９，５８を形成する。
する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、導電膜５７、上部磁性膜５６、及び絶縁膜５５からなる積層体を加工する。このドライエッチングでは、磁性細線１の表面及び下部磁化層３１（４１）の表面をエッチングストッパーとして行う。

即ち、メモリ形成領域５０ａでは、磁性細線１上の各下部電極５３の上方に相当する、読取素子２及び書込素子３の形成部分に積層体を残す。一方、参照素子形成領域５０ｂでは、下部磁化層３１（４１）上に、下部磁化層３１（４１）よりも小サイズの横長の長方形状となるように積層体を残す。ここで、下部磁化層４１を形成した場合、下部磁化層４１の切り込み４１ａ，４１ｂに対応した部分が残らないように積層体を加工する。

以上により、メモリ形成領域５０ａでは、磁性細線１と、この磁性細線１上の下部電極５３の上方に相当する部分に、絶縁層１４及び固定磁化層１５が順次積層されてなる読取素子２と、絶縁層１７及び固定磁化層１８が順次積層されてなる書込素子３とを備えたメモリ部分（メモリセルの基本構成）が形成される。ここで、読取素子２上には上部電極１６が、書込素子３上には上部電極１９がそれぞれ形成される。

一方、参照素子形成領域５０ｂでは、下部磁化層３１（４１）と、この下部磁化層３１（４１）上に絶縁層３２（４２）を介して上部磁化層３３又は上部磁化層４３（以下、上部磁化層３３（４３）と記す。）が積層されてなる参照素子３０又は参照素子４０（以下、参照素子３０（４０）と記す。）が形成される。ここで、参照素子３０（４０）上には上部電極５８が形成される。

続いて、図１２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜５９及びコンタクトプラグ６０を形成する。
詳細には、例えばＣＶＤ法により絶縁膜、ここでは膜厚２００ｎｍ程度のシリコン酸化膜を全面に形成し、層間絶縁膜５９を形成する。
次に、上部電極１６，１９，５８の各表面が露出するまで層間絶縁膜５９をＣＭＰ法により研磨して平坦化する。

次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより、磁性細線１の表面の一端を露出するように層間絶縁膜５９を加工し、層間絶縁膜５９にビア孔５９ａを形成する。
そして、例えばＣＶＤ法により、ビア孔５９ａの内壁面を覆うようにＴｉＮ膜を堆積してバリアメタル膜（不図示）を形成した後、ＣＶＤ法により、バリアメタル膜を介してビア孔５９ａを埋め込むようにタングステン（Ｗ）膜を堆積する。層間絶縁膜５９の表面が露出するまでＷ膜及びバリアメタル膜をエッチバック又はポリッシュバックし、バリアメタル膜を介してＷでビア孔５９ａを充填し、磁性細線１と一端で電気的に接続されてなるコンタクトプラグ６０を形成する。

続いて、図１２（ｃ）に示すように、読取電極４、書込電極５、Ｉｒ供給電極６１、及びＩｖ供給電極６２を形成する。ここで、Ｉｒ供給電極６１は、読取素子２に読取電極４から読取電流を供給するのと同時に参照素子３０（４０）に読取電流を供給するための電極である。Ｉｖ供給電極６２は、磁性細線１に磁壁移動電流を供給するための電極である。
詳細には、コンタクトプラグ６０及び上部電極１６，１９，５８の各表面が露出する層間絶縁膜５９上に、導電材料、ここではＣｕを膜厚２００ｎｍ程度に堆積する。このＣｕをリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、露出したコンタクトプラグ６０及び上部電極１６，１９，５８の各表面上にこの順序で、Ｉｖ供給電極６２、読取電極４、書込電極５、及びＩｒ供給電極６１を同時形成する。

しかる後、例えばＣＶＤ法により、読取電極４、書込電極５、Ｉｒ供給電極６１、及びＩｖ供給電極６２を覆うように全面に絶縁膜、ここではシリコン酸化膜を膜厚４００ｎｍ程度に堆積し、保護膜６３を形成する。
以上の工程を経ることにより、図１に示すようなメモリセルの基本構成を有する、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリを完成させる。

なおここでは、図１に示すようなメモリセルの基本構成を有する磁壁移動型ストレージメモリの製造方法について例示したが、図２に示すようなメモリセルの基本構成を有する磁壁移動型ストレージメモリには、書込素子２を形成する代わりに、磁性細線１の上方で下部電極５３の上方に位置整合する部位に、層間絶縁膜５９内で磁性細線１と所定距離だけ離間するように、例えばＣｕを材料として書込配線６を形成すれば良い。他の工程は上記と同様である。

また、上記の実施形態では、読取素子２及び書込素子３として、ＴＭＲ型のスピン注入素子を用いた場合を例示したが、ＧＭＲ型の素子としても良い。

また、上記の実施形態では、磁性細線１及び下部磁化層３１（４１）として、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅＢの積層構造により構成する場合を例示したが、これらの強磁性層としては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等の強磁性材料 又はこれらの合金(ＣｏＦｅ, ＮｉＦｅ, ＣｏＦｅＢ等)からなる強磁性材料により構成しても良い。

また、固定磁化層１５，１８及び上部磁化層３３（４３）の反強磁性層として、ＰｔＭｎにより構成する場合を例示したが、反強磁性層としては、ＩｒＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ等の反強磁性材料により構成しても良い。
固定磁化層１５，１８及び上部磁化層３３（４３）の非磁性層をＲｕにより構成する場合を例示したが、これらの非磁性層としては、Ｒｈ，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ等の非磁性材料により構成しても良い。

また、絶縁層１４，１７，３２又は４２をＭｇＯにより構成する場合を例示したが、トンネル絶縁膜としては、ＡｌＯｘ，ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘ（１≦ｘ≦２）等の絶縁材料により構成しても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、極めて簡素且つ小サイズの構成で、製造工程増及び製造コスト増を招くことなく、誤動作を防止して信頼性の高いデータ読み出しを行い、更なる高集積化をも可能とする磁壁移動型ストレージメモリが実現する。

本発明におけるメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリを示す概略斜視図である。 本発明におけるメモリセルの基本構成を有する多値型の磁壁移動型ストレージメモリの他の例を示す概略斜視図である。 参照素子を含むデータ読出部の構成として考えられる一例を示す模式図である。 本発明の構成（１）におけるメモリセルのデータ読出部の構成要素である参照素子のみを示す概略斜視図である。 反転磁化層上に絶縁層を介して固定磁化層を積層した積層体を備えた磁気抵抗素子を用い、反転磁化層の磁化状態を平行方向から反平行方向となるまで磁化方向を回転させ、抵抗変化について調べた結果を示す特性図である。 本発明の構成（１）におけるメモリセルのデータ読出部の構成要素である参照素子の一例を示す概略斜視図である。 本発明の構成（１）におけるメモリセルについて、データ読出部を中心とした主要部のみ示す概略斜視図である。 本発明の構成（２）におけるメモリセルのデータ読出部の構成要素である参照素子のみを示す概略斜視図である。 本発明の構成（２）におけるメモリセルのデータ読出部の構成要素である参照素子の一例を示す概略斜視図である。 本発明の構成（２）におけるメモリセルについて、データ読出部を中心とした主要部のみ示す概略斜視図である。 本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図１１に引き続き、本実施形態による多値型の磁壁移動型ストレージメモリの製造方法を工程順に示す概略断面図である。

符号の説明

１ 磁性細線
１ａ データ蓄積領域
１ｂ バッファ領域
２ 読取素子
３ 書込素子
４ 読取電極
５ 書込電極
６ 書込配線
１１，１１ａ，１２ 微小磁区
１３，４１ｃ 磁壁
１４，１７，２２ａ，２２ｂ，３２，４２ 絶縁層
１５，１８ 固定磁化層
１６，１９，５８ 上部電極
２０ａ，２０ｂ，３０，４０ 参照素子
２１ａ，２１ｂ，３１，４１ 下部磁化層
２３ａ，２３ｂ，３３，４３ 上部磁化層
２４ 電流源
２５ １／２電圧回路
３４ 差動アンプ
４１ａ，４１ｂ 切り込み
５０ａ メモリ形成領域
５０ｂ 参照素子形成領域
５１ シリコン基板
５２，５５ 絶縁膜
５２ａ 溝
５３ 下部電極
５６ 上部磁性膜
５７ 導電膜
５９ 層間絶縁膜
５９ａ ビア孔
６０ コンタクトプラグ
６１ Ｉｒ供給電極
６２ Ｉｖ供給電極
６３ 保護膜

Claims (6)

1. 複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、
   前記磁性細線に記録された前記データを読み出すデータ読出部と
   を含み、
   前記データ読出部は、
   前記磁性細線に形成された前記磁区の磁化方向を、抵抗値の変化に基づいて読み取る読取素子と、
   第１の方向に磁化された第１の磁化層と、前記第１の方向と交差する非平行の第２の方向に磁化された第２の磁化層とを有し、前記読取素子の抵抗値と参照される抵抗値を有する参照素子と
   を備えることを特徴とする磁気記録装置。
2. 前記第２の磁化層は、前記第２の方向が前記第１の方向と直交するものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気記録装置。
3. 前記第１の磁化層は、長辺が前記第１の方向である長方形状であるとともに、前記第２の磁化層は、長辺が前記第１の方向と直交する方向の長方形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記録装置。
4. 複数の磁区が形成自在とされており、前記磁区の磁化方向に対応したデータを記録する磁性細線と、
   前記磁性細線に記録された前記データを読み出すデータ読出部と
   を含み、
   前記データ読出部は、
   前記磁性細線に形成された前記磁区の磁化方向を、抵抗値の変化に基づいて読み取る読取素子と、
   第１の方向に磁化された第１の磁化層と、磁壁が形成されており、当該磁壁を境界として相異なる第２の方向及び第３の方向に磁化された第２の磁化層とを有し、前記読取素子の抵抗値と参照される抵抗値を有する参照素子と
   を備えることを特徴とする磁気記録装置。
5. 前記第２の磁化層は、切り込みによる幅狭部位が形成されており、前記幅狭部位に前記磁壁が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気記録装置。
6. 前記第２の磁化層は、前記磁壁が中央部位に形成されており、前記第２の方向が前記第１の方向と平行であり、前記第３の方向が前記第１の方向と反平行であることを特徴とする請求項４又は５に記載の磁気記録装置。

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