JP2013041912A - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】記録層に作用する参照層からの漏洩磁界を低減しつつ、トンネルバリア層の絶縁不良を低減する。
【解決手段】実施形態による磁気ランダムアクセスメモリは、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層１８と、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層１６と、記録層及び参照層間に設けられた第１の非磁性層１５と、をそれぞれ具備する複数の磁気抵抗素子１０を備え、記録層は、複数の磁気抵抗素子毎に物理的に分離され、参照層及び第１の非磁性層は、複数の磁気抵抗素子を跨いで連続的に延在する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気ランダムアクセスメモリに関する。

垂直磁化膜を記録層に用いたスピン注入ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory：磁気ランダムアクセスメモリ）は、書き込み電流の低減及び大容量化の点においに優れている。一般に、垂直磁化型のＭＴＪ素子では、面内磁化型のＭＴＪ素子と比べて、参照層から発生する漏れ磁界が大きい。また、参照層に比べて保磁力の小さい記録層は、参照層からの漏れ磁界の影響を強く受ける。具体的には、参照層からの漏れ磁界の影響により、熱安定性を低下させる問題が発生する。

垂直磁化型のＭＴＪ素子において、記録層に作用する参照層からの漏れ磁界を低減する一つの施策として、参照層と逆向きの磁化を持つ磁場キャンセル層を具備する構造（例えば、特許文献１参照）やデュアルピン構造等（例えば、特許文献２参照）が提案されている。しかし、素子サイズが小さくなると、素子サイズのばらつきの書き込み電流への影響が大きくなる。つまり、素子サイズにばらつきがあると、漏れ磁場をゼロにすることが不可能となり、漏れ磁場のばらつきによる、書き込み電流ばらつきの増大が問題となる。

また、ＭＴＪ素子では、１ｎｍ程度のトンネル絶縁膜の抵抗値を読み出す。このトンネル絶縁膜は極めて薄い。このため、ＭＴＪ素子の加工時にトンネル絶縁膜の側壁にダメージが生じる、金属の再堆積が生じ絶縁破壊が生じる、又は、トンネル絶縁膜の信頼性が劣化し、読み出し電流のばらつきが増大する（例えば、特許文献３参照）等の問題がある。

特開2010-080746号公報 特開2004-193595号公報 特開2010-080649号公報 特開2003-243744号公報

JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 105, 07C931 _2009

記録層に作用する参照層からの漏洩磁界を低減しつつ、トンネルバリア層の絶縁不良を低減することが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供する。

実施形態による磁気ランダムアクセスメモリは、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、前記記録層及び前記参照層間に設けられた第１の非磁性層と、をそれぞれ具備する複数の磁気抵抗素子を備え、前記記録層は、前記複数の磁気抵抗素子毎に物理的に分離され、前記参照層及び前記第１の非磁性層は、前記複数の磁気抵抗素子を跨いで連続的に延在する。

第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルの構造を示す概略的な断面図。 第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示す平面図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程（例１）を示す断面図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の断面ＴＥＭ像を示す図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造工程（例２）を示す断面図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ素子におけるＳｉＮ上のＣｏＦｅＢの磁気特性を示す図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ素子におけるＷ又はＴａ上のＣｏＦｅＢの磁気特性を示す図。 第２の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示す平面図。 第２の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの概略的なメモリセルであって、図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図。 第３の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示す概略的な断面図。 第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示す概略的な断面図。 第４の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイを示す図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。但し、図面は、模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本実施形態の技術思想を具体化するための磁気メモリを例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本実施形態の技術思想が特定されるものではない。尚、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。

［１］第１の実施形態
［１−１］メモリセルの構造
図１及び図２を用いて、第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセルの構造について説明する。本実施形態では、双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能なスピン注入ＭＲＡＭを例として挙げる。

図１は、ＭＲＡＭのメモリセルの断面図を示す。図２は、ＭＲＡＭのメモリセルの平面図を示す。図１は、図２のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

図１に示すように、磁気抵抗素子であるＭＴＪ素子１０は、下から順に、下地層１３、記録層（記憶層、自由層）１８、トンネルバリア層１５、参照層（固定層）１６、上部電極１７が順に積層された積層構造を有する。このようなＭＴＪ素子１０は、２つの磁性体（参照層１６及び記録層１８）の相対的な磁化方向によって情報を記憶する記憶素子である。図１中の矢印は、磁化方向を示している。尚、本実施形態では、下地層１３が下部電極を兼ねて１つの層となっている構成を例示しているが、勿論、下地層１３と下部電極とを別々に積層してもよい。

ＭＴＪ素子１０の一端には、選択トランジスタＴｒを介してビット線ＢＬ（書き込み配線、読み出し配線）が電気的に接続されている。この選択トランジスタＴｒのゲートは、ワード線ＷＬに接続される。ＭＴＪ素子１０の他端には、図示せぬビット線（書き込み配線、読み出し配線）が電気的に接続されている。

このような本実施形態では、記録層１８及び下地層１３は、複数のＭＴＪ素子１０毎に物理的に分離されているのに対し、トンネルバリア層１５、参照層１６及び上部電極１７は、複数のＭＴＪ素子１０毎に物理的に分離されず、複数のＭＴＪ素子１０を跨いで連続的に延在している。つまり、トンネルバリア層１５、参照層１６及び上部電極１７のそれぞれは、ＸＹ平面の全方向において連続した層である。換言すると、トンネルバリア層１５、参照層１６及び上部電極１７は、ビット線ＢＬの延在方向（Ｘ方向）及びワード線ＷＬの延在方向（Ｙ方向）において、複数のＭＴＪ素子１０を跨いで連続的に延在している。尚、上部電極１７は、必ずしもトンネルバリア層１５及び参照層１６と同様に複数のＭＴＪ素子１０を跨いで連続的に延在する必要はなく、複数のＭＴＪ素子１０毎に物理的に分離されてもよい。

下地層１３の側面には、側壁層１２が形成されている。この側壁層１２の側面には、非磁性層１１が形成されている。非磁性層１１と下地層１３は、例えば、同じ膜厚であって、上面及び下面の高さが一致しているが、これに限定されない。側壁層１２は、トンネルバリア層１５と接している。

非磁性層１１上には、磁化吸収層１９が形成されている。この磁化吸収層１９は、記録層１８及び参照層１６からの漏れ磁場を吸収する層として機能する。磁化吸収層１９は、記録層１８と同一平面に形成されている。磁化吸収層１９と記録層１８は、同じ膜厚であって、上面及び下面の高さが一致していてもよい。磁化吸収層１９と記録層１８は、同じ材料で構成されている。但し、記録層１８は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有するのに対し、磁化吸収層１９は、膜面に平行方向の磁気異方性を有する。記録層１８及び磁化吸収層１９の磁気異方性の方向は、これら記録層１８及び磁化吸収層１９にそれぞれ接する下地層１３及び非磁性層１１の材料で制御される。この点については、後述する。磁化吸収層１９は、隣接する記録層１８間に配置され、記録層１８及び選択トランジスタＴｒと電気的に分離されている。

磁化吸収層１９と記録層１８の間には、側壁層１２又はトンネルバリア層１５が形成されている。つまり、磁化吸収層１９と記録層１８は、側壁層１２又はトンネルバリア層１５によって電気的に分離されている。尚、磁化吸収層１９と記録層１８の間には、後述する製造方法によって、側壁層１２とトンネルバリア層１５が密着するように形成された層が存在する。この磁化吸収層１９と記録層１８の間の層は、製造過程における熱処理条件や材料等によって、側壁層１２、トンネルバリア層１５、側壁層１２及びトンネルバリア層１５の両方からなる層のいずれかである。

側壁層１２の上方におけるトンネルバリア層１５の上面は、窪み部３０を有する。この窪み部３０は、後述する製造方法により、トンネルバリア層１５が側壁層１２に密着するように下方に形成されることによって生じたものである。

本実施形態では、記録層１８がトンネルバリア層１５と選択トランジスタＴｒの間に設けられた、いわゆるボトムフリー構造（トップピン構造）である。但し、参照層１６がトンネルバリア層１５と選択トランジスタＴｒの間に設けられた、いわゆるトップフリー構造（ボトムピン構造）にすることも可能である。

図２に示すように、トンネルバリア層１５、参照層１６及び上部電極１７は、複数の記録層１８及び下地層１３で共有する。つまり、記録層１８及び下地層１３は、１つのＭＴＪ素子１０毎に物理的に分離されるのに対し、トンネルバリア層１５、参照層１６及び上部電極１７は、複数のＭＴＪ素子１０を跨いで連続的に延在している。

［１−２］ＭＴＪ素子１０の材料
記録層１８及び参照層１６は、それぞれ、強磁性材料からなり、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有する。記録層１８及び参照層１６の容易磁化方向は、膜面に対して垂直である。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、記録層１８及び参照層１６の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化ＭＴＪ素子である。尚、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと、最も内部エネルギーが低くなる方向である。一方、困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと、最も内部エネルギーが大きくなる方向である。

記録層１８は、スピン偏極した電子の作用により磁化（又はスピン）方向が可変である（反転する）。参照層１６は、磁化方向が不変である（固着している）。参照層１６は、記録層１８よりも十分大きな垂直磁気異方性エネルギーを持つように設定される。磁気異方性の設定は、材料構成や膜厚を調整することで可能である。このようにして、記録層１８の磁化反転電流を小さくし、参照層１６の磁化反転電流を記録層１８の磁化反転電流よりも大きくする。これにより、所定の書き込み電流に対して、磁化方向が可変の記録層１８と磁化方向が不変の参照層１６とを備えたＭＴＪ素子１０を実現できる。

記録層１８は、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ等から構成されてもよい。ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢの場合、Ｆｅの濃度をＣｏの濃度よりも高くすることが望ましい。これにより、記録層１８の垂直磁気異方性を向上することができる。尚、磁化吸収層１９の材料は、上述するような記録層１８と同じ材料からなる。

参照層１６は、Ｃｏ／Ｐｔ人口格子、Ｃｏ／Ｐｄ人口格子、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＰｄ等のｈｃｐ合金、ＴｂＣｏＦｅ、ＤｙＣｏＦｅ等のＲＥ−ＴＭフェリ磁性体、ＭｎＡｌ、ＭｎＢｉ、ＭｎＧａ等のＭｎ系合金を用いることが可能である。これにより、垂直磁化膜を形成できる。尚、このような垂直磁化膜とトンネルバリア層１５の間にＣｏＦｅＢを挟むことで、高いＭＲを得ることが可能になる。

トンネルバリア層１５は、ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ、ＡｌＯ等の非磁性材料の絶縁体からなる。

下地層１３は、記録層１８の磁気異方性を向上させる機能を有する。下地層１３と記録層１８の材料を適切に選択することで、記録層１８に垂直磁気異方性を持たせることが可能になる。例えば、下地層１３は、Ｔａ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌのうち少なくとも１つの元素を含む材料を用いる。これにより、記録層１８の垂直磁気異方性を向上させることが可能である。

側壁層１２は、非磁性材料の絶縁体であり、Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉのうち少なくとも１つの元素を含む酸化物からなる。例えば、側壁層１２は、ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ、ＡｌＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ等からなる。

非磁性層１１は、磁化吸収層１９が面内磁化膜となるような材料で形成されることが望ましい。非磁性層１１は、Ｓｉを含む窒化物或いは酸化物からなる。例えば、非磁性層１１は、ＳｉＮ、ＳｉＯ等からなる。

［１−３］製造方法
図３（ａ）乃至（ｈ）を用いて、第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法の例１について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、選択トランジスタ（図示せず）に接続されるコンタクト電極（図示せず）が形成された後、このコンタクト電極上に例えばＳｉＮからなる非磁性層１１が堆積される。

次に、図３（ｂ）に示すように、リソグラフィ及びエッチングを用いて、非磁性層１１内にビア１１ａが開口される。

次に、図３（ｃ）に示すように、ビア１１ａ内及び非磁性層１１上に、例えばＭｇＯからなる側壁層１２が堆積される。

次に、図３（ｄ）に示すように、バイアスエッチング等を用いて、ビア１１ａの底面及び非磁性層１１上の側壁層１２が除去される。これにより、側壁層１２は、ビア１１ａ（非磁性層１１）の側面にのみ残る。

次に、図３（ｅ）に示すように、ビア１１ａ内、側壁層１２及び非磁性層１１上に、例えばＴａからなる下地層１３が堆積される。

次に、図３（ｆ）に示すように、ＣＭＰ等を用いて下地層１３が平坦化され、側壁層１２及び非磁性層１１の表面を露出させる。

次に、図３（ｇ）に示すように、下地層１３、側壁層１２及び非磁性層１１上に、例えば、ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）からなる磁性層１４、ＭｇＯ（１ｎｍ）からなるトンネルバリア層１５及び参照層１６が順に堆積される。

次に、図３（ｈ）に示すように、例えば真空中にて３５０℃の温度で１時間の熱処理が施される。これにより、側壁層１２のＭｇＯとトンネルバリア層１５のＭｇＯとが接着する。このため、下地層１３上の磁性層１４と非磁性層１１上の磁性層１４とが分離する。その結果、ＭＴＪ素子１０毎に分離された記録層１８が形成され、この記録層１８と同じ材料で形成された磁化吸収層１９が非磁性層１１上に残る。また、側壁層１２の上方におけるトンネルバリア層１５の上面には、窪み部３０が形成される。

尚、図４の断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）像から分かるように、熱処理により、ＭｇＯ（側壁層１２）とＭｇＯ（トンネルバリア層１５）間がつながり、ＣｏＦｅＢ（磁性層１４）が分断されている。さらに、ＭｇＯ（側壁層１２）の上方のＭｇＯ（トンネルバリア層１５）の上面には、窪み部３０が形成されていることが分かる。

次に、図５（ａ）乃至（ｇ）を用いて、第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法の例２について説明する。側壁層１２として、例１ではＭｇＯを用いたのに対し、例２ではＳｉＯＮを用いる。この例２では、上述した例１と異なる点について主に説明する。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えばＳｉＮからなる非磁性層１１内にビア１１ａが開口される。

次に、図５（ｃ）に示すように、ＳｉＮからなる非磁性層１１が酸化され、ビア１１ａ（非磁性層１１）の側面にＳｉＯＮからなる側壁層１２が形成される。尚、非磁性層１１上等に形成されたＳｉＯＮは除去される。

次に、図５（ｄ）乃至（ｆ）に示すように、例１と同様、下地層１３、側壁層１２及び非磁性層１１上に、例えば、ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）からなる磁性層１４、ＭｇＯ（１ｎｍ）からなるトンネルバリア層１５及び参照層１６が順に堆積される。

次に、図５（ｇ）に示すように、例えば真空中にて３５０℃の温度で１時間の熱処理が施される。これにより、側壁層１２のＳｉＯＮとトンネルバリア層１５のＭｇＯとが接着する。このため、下地層１３上の磁性層１４と非磁性層１１上の磁性層１４とが分離する。その結果、ＭＴＪ素子１０毎に分離された記録層１８が形成され、この記録層１８と同じ材料で形成された磁化吸収層１９が非磁性層１１上に残る。また、側壁層１２の上方におけるトンネルバリア層１５の上面には、窪み部３０が形成される。

［１−４］記録層１８及び磁化吸収層１９の磁気特性
図６及び図７を用いて、上記のような製造方法により形成された記録層１８及び磁化吸収層１９の磁気特性について説明する。

図６は、ＳｉＮ（非磁性層１１）上のＣｏＦｅＢ（磁化吸収層１９）の磁気特性を示す。図７は、Ｔａ（下地層１３）上のＣｏＦｅＢ（記録層１８）の磁気特性を示す。図６及び図７において、横軸は、膜面内方向に対して垂直に印加した場合（膜面垂直方向）の磁場の大きさ（Ｏｅ）を示し、縦軸は、膜面垂直方向の磁化の大きさ（ｅｍｕ／ｃｃ）を示す。尚、図中の“Ｅ”は、１０を底とする指数関数を意味する。

図６に示す磁気特性から分かるように、ＳｉＮ（非磁性層１１）上のＣｏＦｅＢ（磁化吸収層１９）は、面内方向の異方性が垂直方向の異方性より大きい面内磁化膜となる。

一方、図７に示す磁気特性から分かるように、Ｔａ（下地層１３）上のＣｏＦｅＢ（記録層１８）は、垂直磁化膜となる。

このように、本実施形態では、記録層１８下の下地層１３は、記録層１８が垂直磁化膜となるような材料で形成され、磁化吸収層１９下の非磁性層１１は、磁化吸収層１９が面内磁化膜となるような材料で形成されることが望ましい。

［１−５］効果
第１の実施形態によれば、参照層１６がセル毎に分断されず、複数のＭＴＪ素子１０を跨いで連続的に形成されている。このように参照層１６を完全に分断しない構造にすれば、漏れ磁場はほぼゼロとなる。参照層１６からの漏れ磁場をゼロにすると、記録層１８の磁化反転磁場のシフトがゼロとなり、シフト調整層が不要となり、製造コストの低減が可能となる。また、漏れ磁場の低減は、ＭＴＪ素子１０のサイズばらつきによって生じる漏れ磁場ばらつきを低減し、ＭＴＪ素子１０の熱擾乱耐性及び書き込み電流の低減も可能になる。

また、第１の実施形態では、トンネルバリア層１５がセル毎に分断されず、複数のＭＴＪ素子１０を跨いで連続的に形成されている。これにより、トンネルバリア層１５の加工時に生じる、トンネルバリア層１５の側壁への金属粒子の再堆積や、加工ダメージが無くなり、トンネルバリア層１５の絶縁不良を防ぎ、読み出し電流のばらつきを低減することも可能になる。

さらに、第１の実施形態では、隣接するＭＴＪ素子１０の間に、面内方向に磁気異方性を有する磁化吸収層１９が形成される。これにより、記録層１８及び参照層１６から漏れる磁場が磁化吸収層１９に吸収され、記録層１８及び参照層１６の漏れ磁場をさらに低減することが可能になる。

［２］第２の実施形態
第２の実施形態では、参照層１６をライン状に分離した構造にする。

［２−１］メモリセルの構造
図８及び図９を用いて、第２の実施形態に係るＭＲＡＭのメモリセルの構造について説明する。

図８は、ＭＲＡＭのメモリセルの平面図を示す。図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図を示す。尚、図８のＩ−Ｉ線に沿った断面図は、図１となる。

図８及び図９に示すように、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、参照層１６及び上部電極１７が、ライン状に分離されている点である。

具体的には、参照層１６及び上部電極１７は、ワード線ＷＬの延在方向（Ｙ方向）において、複数のＭＴＪ素子１０のうち少なくとも１つ以上のＭＴＪ素子１０毎に分離されている。参照層１６及び上部電極１７を、ライン状に分離する際には、複数のカラム（例えば２〜５本）毎で分離した方が、漏れ磁場をより低減できる。尚、ビット線ＢＬの延在方向（Ｘ方向）においては、第１の実施形態と同様、参照層１６及び上部電極１７は、複数のＭＴＪ素子１０を跨いで連続的に延在している。

分離された隣接する参照層１６の磁化方向は、互いに反平行にすることが望ましい。隣接する参照層１６の磁化方向を反平行にするには、参照層１６を切断後又はＭＲＡＭを製造後に、参照層１６のキュリー温度以上の温度にＭＴＪ素子１０を加熱し、冷却することで自己形成される。分離された隣接する参照層１６の磁化方向が互いに反平行となっていることは、例えばＭＦＭ（Magnetic Force Microscope：磁気力顕微鏡）を用いて分析可能である。

参照層１６の分離にあたり、参照層１６の端部が磁化吸収層１９により近づくような、以下の構造が望ましい。参照層１６の端部からの漏れ磁場を磁化吸収層１９でより吸収させるためである。

例えば、参照層１６のＹ方向の幅は、記録層１８のＹ方向の幅よりも大きいことが望ましく、記録層１８のＹ方向の幅とこの記録層１８の両側の側面の側壁層１２の幅を合わせた幅よりも大きい方がさらに望ましい。換言すると、分離された隣接する参照層１６間の距離は、磁化吸収層１９のＹ方向の幅よりも短いことが望ましい。参照層１６の側面は、側壁層１２の磁化吸収層１９側の側面より外側に突出することが望ましい。窪み部３０は、参照層１６の底面下に存在することが望ましい。

尚、第２の実施形態では、ライン状の参照層１６は、ビット線ＢＬの延在方向（Ｘ方向）に延びることに限定されず、ワード線ＷＬの延在方向（Ｙ方向）に延びてもよい。

［２−２］効果
上記第２の実施形態によれば、トンネルバリア層１５は分離されない。これにより、トンネルバリア層１５の加工時に生じる、トンネルバリア層１５の側壁への金属粒子の再堆積や、加工ダメージが無くなり、トンネルバリア層１５の絶縁不良を防ぎ、読み出し電流のばらつきを低減することが可能になる。

また、第２の実施形態によれば、参照層１６は、ライン状に分離されるが、ビット線ＢＬの延在方向（Ｘ方向）においては、第１の実施形態と同様、複数のＭＴＪ素子１０を跨いで連続的に延在している。このため、ビット線ＢＬの延在方向（Ｘ方向）においては、漏れ磁場を低減することが可能である。

また、第２の実施形態では、ライン状に分離した参照層１６の磁化方向は、互いに反平行にする。これにより、参照層１６からの漏れ磁場の低減が可能になる。

また、第２の実施形態では、参照層１６を１〜数カラム毎に分離している。これにより、複数のビットを同時に読み書きする場合、回り込み電流の発生を抑制することができる。

さらに、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様、隣接するＭＴＪ素子１０の間に、面内方向に磁気異方性を有する磁化吸収層１９が形成される。これにより、記録層１８及び参照層１６から漏れる磁場が磁化吸収層１９に吸収され、記録層１８及び参照層１６の漏れ磁場をさらに低減することが可能になる。

［３］第３の実施形態
第３の実施形態は、第２の実施形態の変形例であり、ライン状に分離した参照層１６の中心を記録層１８の中心からずらした構造である。

［３−１］メモリセルの構造
図１０を用いて、第３の実施形態に係るＭＲＡＭのメモリセルの構造について説明する。

図１０に示すように、第３の実施形態において、第２の実施形態と異なる点は、ライン状に分離した参照層１６の中心が、記録層１８の中心から距離Ｘだけずれている点である。ここで、距離Ｘは、０＜Ｘ＜（参照層１６の幅−記録層１８の幅）／２の関係を満たすことが望ましい。

尚、図１０では、分離された隣接する２つの参照層１６は、両方とも紙面の左方向にずらしているが、これに限定されない。分離された隣接する参照層１６は、互いに近づくようにずらしてもよい。例えば、紙面右側の参照層１６は、紙面の左方向にずらし、紙面左側の参照層１６は、紙面の右方向にずらしてもよい。

また、参照層１６の側面の一方は、図１０に示すように、窪み部３０上に位置するようにずらしてもよい。これにより、参照層１６を記録層１６により近づけることができ、記録層１８のＺ端部に、より大きな漏れ磁場が印加できるようになる。

［３−２］効果
上記第３の実施形態によれば、参照層１６をライン状に分離することで、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第３の実施形態では、ライン状に分離した参照層１６の中心を、記録層１８の中心から距離Ｘだけずらしている。これにより、記録層１８のＹ端部より、記録層１８のＺ端部の方に、より大きな漏れ磁場が印加される。結果として、記録層１８のＺ端部のスピンの熱擾乱耐性が劣化し、スピン注入磁化反転をＺ端部から発生させることが可能になる。スピン注入磁化反転を１方向に制御することで、スピンの歳差運動の制御が可能になり、書き込み時間の低減が可能になる。

［４］第４の実施形態
上記第１の実施形態では、図１に示すように、参照層１６及び上部電極１７をセル毎に分離しない構造とする。この場合、複数のビットを同時に読み書きすると、回り込み電流が生じる恐れがある。

そこで、第４の実施形態では、参照層１６及び上部電極１７をセル毎に分離しない構造の場合に、参照層１６として、膜面内に対してＣ軸に配向したペロブスカイト構造を有する磁性体を用いる。例えば、ペロブスカイト構造を有するＹＢａＣｏＯ、ＳｒＹＣｏＯ等を参照層１６に用いることで、第４の実施形態を実現することができる。

［４−１］メモリセルの構造
図１１を用いて、第４の実施形態に係るＭＲＡＭのメモリセルの構造について説明する。

図１１に示すように、第４の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、参照層１６が、膜面に対して平行方向に流れる電流が膜面に対して垂直方向に流れる電流より小さく、かつ膜面に対して垂直方向に配向したペロブスカイト構造を有する磁性体で構成される点である。

ここで、選択トランジスタＴｒは、個々のＭＴＪ素子１０に対して１対１で接続され、選択トランジスタＴｒに接続したワードラインＷＬとビットライン／ＢＬは、直交するように設置される。また、ＭＴＪ素子１０に接続されたビットラインＢＬは、ワードラインＷＬと直交するように接続する。つまり、ワードラインＷＬに対して、２本のビットライン／ＢＬ、ＢＬが直交するように設置することで、回り込み電流を抑制し、ランダムアクセスが可能になる。

尚、図１１は、ビットラインＢＬと参照層１６及び上部電極１７とは、電極２０でつないだ構造である。しかし、ビットラインＢＬと電極２０を省き、上部電極１７をビットラインＢＬにすることも可能である。

また、第４の実施形態による上述した構成の参照層１６は、第１の実施形態だけでなく、第２又は第３の実施形態に適用することも可能である。

［４−２］効果
上記第４の実施形態によれば、第１乃至第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第４の実施形態では、参照層１６を、膜面に対して平行方向に流れる電流が膜面に対して垂直方向に流れる電流より小さく、かつ膜面に対して垂直方向に配向したペロブスカイト構造を有する磁性体で構成する。つまり、Ｚ方向には電流が流れ、ＸＹ方向には電流が流れ難くすることで、回り込み電流を抑制し、ランダムアクセスが可能になる（図１２）。

以上のように、上述した実施形態の磁気ランダムアクセスメモリによれば、記録層に作用する参照層からの漏洩磁界を低減しつつ、トンネルバリア層の絶縁不良を低減することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ＭＴＪ素子、１１…非磁性層、１１ａ…ビア、１２…側壁層、１３…下地層、１４…磁性層、１５…トンネルバリア層、１６…参照層、１７…上部電極、１８…記録層、１９…磁性層、２０…電極、２１…書き込み回路／読み出し回路、２２…カラムデコーダ、２３…ロウデコーダ、３０…窪み部。

Claims (12)

1. 膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、
   膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、
   前記記録層及び前記参照層間に設けられた第１の非磁性層と、
   をそれぞれ具備する複数の磁気抵抗素子を備え、
   前記記録層は、前記複数の磁気抵抗素子毎に物理的に分離され、
   前記参照層及び前記第１の非磁性層は、前記複数の磁気抵抗素子を跨いで連続的に延在することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 前記記録層と同一平面に配置され、前記記録層と電気的に分離され、前記記録層を構成する材料と同一の材料で形成され、膜面に平行方向の磁気異方性を有する第１の磁性層をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 前記記録層の前記第１の非磁性層が設けられた面と反対面上に形成された第２の非磁性層と、
   前記第２の非磁性層の側壁上に形成された第３の非磁性層と、
   前記第３の非磁性層の側壁上に形成された第４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又は２に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 前記第３の非磁性層の材料は、前記第１の非磁性層の材料と同一であることを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 前記第３の非磁性層の上方における前記第１の非磁性層の上面は、窪み部を有することを特徴とする請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 前記参照層は、第１の方向では前記複数の磁気抵抗素子を跨いで連続的に延在し、前記第１の方向と直交する第２の方向では前記複数の磁気抵抗素子のうち少なくとも１つ以上の磁気抵抗素子毎に物理的に分離されることを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 分離された隣接する参照層の磁化方向は、反平行であることを特徴とする請求項６に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 前記記録層は、ＦｅＢ又はＣｏＦｅＢからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 前記参照層は、前記膜面に対して平行方向に流れる電流が前記膜面に対して垂直方向に流れる電流より小さく、かつ前記膜面に対して垂直方向に配向したペロブスカイト構造を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
10. 前記第２の非磁性層は、Ｔａ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｗ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｌのうち少なくとも１つの元素を含む材料からなり、
    前記第３の非磁性層は、Ｍｇ、Ａｌ及びＳｉのうち少なくとも１つの元素を含む酸化物からなり、
    前記第４の非磁性層は、Ｓｉ及びＡｌのうち少なくとも１つの元素を含む窒化物からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
11. ソース／ドレインの一方が前記記録層に電気的に接続された選択トランジスタと、
    前記選択トランジスタのゲートに接続され、前記第２の方向に延在する第１の配線と、
    前記参照層に電気的に接続され、前記第１の方向に延在する第２の配線と、
    前記選択トランジスタの前記ソース／ドレインの他方に電気的に接続され、前記第１の方向に延在する第３の配線と、
    をさらに具備し、
    前記記録層は、前記第１の非磁性層と前記選択トランジスタとの間に設けられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
12. 第１の非磁性層を形成する工程と、
    前記第１の非磁性層内にビアを形成する工程と、
    前記ビアの側面に側壁層を形成する工程と、
    前記ビア内、前記側壁層及び前記第１の非磁性層上に、下地層を形成する工程と、
    前記側壁層及び前記第１の非磁性層の表面が露出するまで前記下地層を平坦化する工程と、
    前記下地層、前記側壁層及び前記第１の非磁性層上に、磁性層、第２の非磁性層及び参照層を順に形成する工程と、
    熱処理により、前記側壁層と前記第２の非磁性層とを接着させ、前記下地層上の前記磁性層と前記第１の非磁性層上の前記磁性層とを分離する工程と、
    を具備し、
    前記下地層上の前記磁性層からなる記録層と前記第２の非磁性層と前記参照層とを有する複数の磁気抵抗効果素子を備え、
    前記記録層は、前記複数の磁気抵抗素子毎に物理的に分離され、
    前記参照層及び前記第２の非磁性層は、前記複数の磁気抵抗素子を跨いで連続的に延在することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。

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