JP3769241B2 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果素子は、例えば、一対の強磁性層を非磁性層を介して積層した構造を有している。この磁気抵抗効果素子の抵抗値は、一方の強磁性層の磁化に対する他方の強磁性層の磁化の相対的な向きに応じて変化する。このような磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子は様々な用途で利用可能であり、磁気メモリは磁気抵抗効果素子の主要な用途の１つである。
【０００３】
磁気メモリでは、一方の強磁性層を磁場印加の際にその磁化の向きが変化しないピン強磁性層とし、他方の強磁性層を磁気抵抗効果素子に上記磁場印加の際にその磁化の向きが変化し得るフリー強磁性層として情報の記憶を行う。すなわち、情報を書き込む際には、ワード線に電流パルスを流すことにより発生する磁場とビット線に電流パルスを流すことにより発生する磁場との合成磁場を作用させる。これにより、フリー強磁性層の磁化を例えばピン強磁性層の磁化に対して平行な状態と反平行な状態との間で変化させる。このようにして、それら２つの状態に対応して二進情報（“０”、“１”）が記憶される。また、書き込んだ情報を読み出す際には、磁気抵抗効果素子に電流を流す。磁気抵抗効果素子の抵抗値は上記の２つの状態間で互いに異なるため、流れた電流（或いは抵抗値）を検出することにより記憶された情報を読み出すことができる。
【０００４】
ところで、磁気メモリを高集積化するうえでは、磁気抵抗効果素子の小面積化が極めて有効である。しかしながら、一般に、フリー強磁性層では、外部磁場がないか或いは十分に弱いとき、端部付近で複数の軸からなる複雑な磁区構造をとる。フリー強磁性層を小面積化すると、全体に対して端部が占める割合が大きくなり、例えば、長方形状のフリー強磁性層では、その長手方向両端部では磁化が中央部とは異なる方向に向いてしまう。すなわち、所謂「エッジドメイン」が生じてしまう（例えば、J. App. Phys. 81, 5471(1997)を参照のこと）。この場合、フリー強磁性層の磁化が低下し、その結果、磁気抵抗変化率が低下することとなる。また、この場合、磁化反転の際の磁気的構造の変化が複雑になるため、ノイズが発生するおそれが高くなるのに加え、保磁力が大きくなり、スイッチングに要する磁場の強さ（スイッチング磁場）が増大する。
【０００５】
エッジドメインを抑制する技術としては、フリー強磁性層の形状をその磁化容易軸に関して非対称とする，特には平行四辺形とする，ことが知られている（特開平１１−２６３４４号公報）。フリー強磁性層をそのような形状とした場合、エッジドメインの面積を小さくすることができ、強磁性層全体をほぼ単一の磁区で構成することができる。
【０００６】
また、磁化反転の際の磁気的構造変化の複雑化を抑制する技術としては、フリー強磁性層の両端部にハードバイアスが印加される構造を付加することによりエッジドメインを固定することが知られている（米国特許第５，７４８，５２４号、特開２０００−１００１５３号公報）。
【０００７】
さらに、フリー強磁性層の形状を、単純な四角形ではなく、その磁化容易軸に垂直な方向に向けて突出した小部分を設けて“Ｈ”または“Ｉ”型とすることにより、エッジドメインを安定化するとともに、複雑な磁区が形成されるのを回避する技術も知られている（米国特許第６，２０５，０５３号）。
【０００８】
しかしながら、一般に、フリー強磁性層の形状を平行四辺形とした場合、保磁力が過剰に大きくなる。保磁力の大きさはスイッチング磁場の大きさの目安であるので、これはスイッチング磁場の増大を意味する。すなわち、この場合、書き込みの際により大きな電流を書き込み配線に流さなければならなくなり、消費電力の増加や配線寿命の短命化などの好ましくない結果をもたらす。
【０００９】
また、フリー強磁性層の両端部にハードバイアスが印加される構造を付加した場合、磁気的構造変化の挙動を制御できるものの、保磁力が増加してしまう。しかも、この技術では、エッジドメインを固定するための構造を付加する必要があるため、大容量メモリなどに要求される高密度化には適さない。
【００１０】
さらに、フリー強磁性層の形状を“Ｈ”または“Ｉ”型とした場合、突出部分により得られる効果を十分に引き出すためには突出部分を大きくする必要がある。この場合、磁気抵抗効果素子が占有する面積が増加し、大容量メモリに要求される高集積化が困難となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小面積化した場合においてもフリー強磁性層の残留磁化が十分に大きく且つ十分に弱い磁場でフリー強磁性層の磁化を反転させることが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン強磁性層と、前記第１ピン強磁性層に対向し且つ前記磁場の印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー強磁性層と、前記第１ピン強磁性層と前記フリー強磁性層との間に介在した第１非磁性層とを具備し、前記フリー強磁性層のその主面に垂直な方向から観察した形状は、互いに平行な第１対辺と互いに平行な第２対辺とからなる四辺形状の第１部分及び前記四辺形状の第１部分の一対の対角部から前記第２対辺に平行な方向にそれぞれ延在し且つ前記第１対辺に平行な方向の最大幅が前記第１対辺の長さよりも狭い一対の第２部分のみを含み、前記フリー強磁性層の前記主面に垂直な方向から観察した前記形状は、前記第１部分の中心を通り且つ前記第２対辺に平行な直線に関して非対称であり、前記フリー強磁性層の磁化容易軸は、前記第２対辺に実質的に平行な第１方向、前記一対の第２部分の一方の輪郭と他方の輪郭とを結ぶ線分のうち最も長いものに実質的に平行な第２方向、または前記第１方向と前記第２方向との間であってこれらの方向が為す鋭角側の方向に平行であることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１３】
また、本発明は、磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン強磁性層と、前記第１ピン強磁性層に対向し且つ前記磁場の印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー強磁性層と、前記第１ピン強磁性層と前記フリー強磁性層との間に介在した第１非磁性層とを具備し、前記フリー強磁性層のその主面に垂直な方向から観察した形状は、互いに平行な第１対辺と互いに平行な第２対辺とからなる四辺形状の第１部分及び前記四辺形状の第１部分の一対の対角部から前記第２対辺に平行な方向にそれぞれ延在し且つ前記第１対辺に平行な方向の最大幅が前記第１対辺の長さよりも狭い一対の第２部分のみを含み、前記フリー強磁性層の前記主面に垂直な方向から観察した前記形状は、前記第１部分の中心を通り且つ前記第２対辺に平行な直線に関して非対称であり、前記第１ピン強磁性層の前記磁化は、前記第２対辺に実質的に平行な第１方向、前記一対の第２部分の一方の輪郭と他方の輪郭とを結ぶ線分のうち最も長いものに実質的に平行な第２方向、または前記第１方向と前記第２方向との間であってこれらの方向が為す鋭角側の方向に平行であることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１４】
さらに、本発明は、ワード線と、前記ワード線に交差したビット線と、前記ワード線と前記ビット線との交差部またはその近傍に位置したメモリセルとを具備し、前記メモリセルは上記の磁気抵抗効果素子を含んだことを特徴とする磁気メモリを提供する。
【００１５】
本発明において、第１非磁性層は非磁性金属層であってもよく或いは絶縁層であってもよい。
【００１６】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１非磁性層及びフリー強磁性層を介して第１ピン強磁性層に対向し且つ上記磁場の印加の際に磁化の向きが維持される第２ピン強磁性層と、フリー強磁性層と第２ピン強磁性層との間に介在した第２非磁性層とをさらに具備することができる。この場合、第１及び第２非磁性層のそれぞれは非磁性金属層であってもよく或いは絶縁層であってもよい。
【００１７】
このように、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果を示すものであってもよく、或いは、強磁性１重トンネル接合を形成した強磁性１重トンネル接合素子や強磁性２重トンネル接合を形成した強磁性２重トンネル接合素子のような強磁性トンネル接合素子であってもよい。
【００１８】
本発明において、第１部分は正方形または長方形の形状を有していてもよい。また、一対の第２部分の一方は他方に対して、第１部分の中心を通り且つフリー強磁性層の主面に垂直な軸を二回回転軸とした回転対称の関係にあってもよい。
【００１９】
本発明において、上記一対の第２部分のそれぞれは、三角形、半円形、正方形、及び長方形のいずれかの形状を有していてもよい。
なお、本発明において、「実質的に平行」とは、例えば、平行な状態からのずれが数°以内にあることを意味している。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似する機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例を概略的に示す斜視図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１は、ピン強磁性層２と非磁性層３とフリー強磁性層４とを積層した構造を有している。
【００２２】
ピン強磁性層２には矢印８で示す向きに一方向磁気異方性が付与されている。すなわち、ピン強磁性層２の磁化は矢印８に示す方向を向いており、その状態は磁気抵抗効果素子１に書き込み用の磁場を印加した際にも維持される。
【００２３】
他方、フリー強磁性層４には両矢印９で示す方向に一軸磁気異方性が付与されている。すなわち、両矢印９はフリー強磁性層４の磁化容易軸に相当している。フリー強磁性層４では、両矢印９で示すように、その磁化が右に向いた状態と左に向いた状態との２つの状態が安定であり、それら状態間の切り替えは書き込み用の磁場を印加することにより行うことができる。
【００２４】
フリー強磁性層４は、その主面に垂直な方向から観察した場合、第１部分４ａと一対の第２部分４ｂとを含んだ形状を有している。なお、図１では、第１部分４ａと第２部分４ｂとの境界を破線で示している。
【００２５】
第１部分４ａは、フリー強磁性層４としての主要な役割を果たす部分であり、互いに平行な一対の辺或いは端面を有している。第１部分４ａの上記一対の辺或いは端面に平行な方向の幅Ｗ1は、それら辺或いは端面の間で一定である。このような形状は、磁気抵抗効果素子１を磁気メモリなどで利用する場合、磁気メモリを高集積化する観点で有利である。
【００２６】
一対の第２部分４ｂは、フリー強磁性層４のエッジドメインの位置や大きさ並びに磁化反転の際の磁気的構造変化などを制御する補助的な役割を果たす部分である。これら第２部分４ｂは、第１部分４ａの左右の辺或いは端面４ａ1，４ａ2からそれらに垂直な方向にそれぞれ延在している。また、それら第２部分４ｂのそれぞれの幅Ｗ2は第１部分４ａの幅Ｗ1よりも狭く、第２部分４ｂの各々の面積は第１部分４ａの面積よりも小さい。
【００２７】
本実施形態では、フリー強磁性層４のその主面に垂直な方向から観察した形状は、第１部分４ａの中心を通り且つ第１部分４ａの左右の辺或いは端面に垂直な直線に関して非対称である。また、本実施形態では、フリー強磁性層４の磁化容易軸とフリー強磁性層４の形状とは所定の関係を満足している。これについては、図１１を参照しながら説明する。
【００２８】
図１１は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の例を概略的に示す平面図である。図１１において、縦方向に延びた一点鎖線４１は第１部分４の縦の辺に平行な直線であり、斜め方向に延びた一点鎖線４２は一対の第２部分４ｂの一方の輪郭と他方の輪郭とを結ぶ線分のうち最も長いもの或いはそれに平行な直線である。また、角度θはフリー強磁性層４の磁化容易軸９が直線４１に対して為す角度を示しており、角度θ1は直線４２が第１部分の縦の辺（または直線４１）に対して為す角度を示している。
【００２９】
本実施形態では、角度θを０°以上とし且つθ1以下とする。このような構造によると、フリー強磁性層４を小面積化した場合においても、十分に大きな残留磁化を得ること及び比較的弱い磁場で磁化反転を生じさせることの双方を同時に実現することが可能である。これについては、図１２（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。
【００３０】
図１２（ａ）は、図１１の磁気抵抗効果素子における角度θと保磁力Ｈcとの関係の一例を示すグラフである。また、図１２（ｂ）は、図１１の磁気抵抗効果素子における角度θと角型比Ｍr／Ｍs（物質定数に対する残留磁化の比）との関係の一例を示すグラフである。図１２（ａ），（ｂ）において、横軸は角度θを示している。また、図１２（ａ）において縦軸は保磁力Ｈcを示し、図１２（ｂ）において縦軸は角型比Ｍr／Ｍsを示している。
【００３１】
なお、図１２（ａ），（ｂ）に示すデータは、以下の条件でシミュレーションを行うことにより得られたものである。すなわち、第２部分４ｂを直角二等辺三角形とし、第１部分４ａの幅Ｗ1に対する第２部分４ｂの最大幅Ｗ2の比Ｗ2／Ｗ1を０．２５とした。また、フリー強磁性層４の材料としてＮｉＦｅを使用し、その厚さは２ｎｍとした。
【００３２】
図１２（ａ），（ｂ）に示すように、角度θが０°以上であり且つθ1以下である場合、保磁力Ｈc及び角型比Ｍr／Ｍsの双方が高い値を示している。すなわち、角度θをそのような範囲内とすることにより、十分に大きな残留磁化を得ること及び比較的弱い磁場で磁化反転を生じさせることの双方を同時に実現することが可能である。
【００３３】
また、このような構造によると、第２部分４ｂの形状のばらつきに起因してフリー強磁性層４の角型比Ｍr／Ｍsや保磁力Ｈcが大きくばらつくことがない。しかも、図１に示す構造において、フリー強磁性層４の磁化容易軸９及び／またはピン強磁性層２の磁化の向き８を第１部分４ａの左右の辺或いは端面に対してほぼ垂直とした場合、ほぼ平行とした場合に比べて、以下の点で有利である。
【００３４】
すなわち、例えば、フリー強磁性層４の磁化容易軸９やピン強磁性層２の磁化の向き８を図１に示す状態から９０°回転させた構造では、フリー強磁性層４の幅（Ｗ1方向）に対する長さ（Ｌ1方向）の比であるアスペクト比を小さくした場合に、角型比Ｍr／Ｍsの低下が大きい。これに対し、フリー強磁性層４の磁化容易軸９やピン強磁性層２の磁化の向き８を、例えば、図１に示す状態とした構造では、フリー強磁性層４のアスペクト比を小さくした場合であっても高い角型比Ｍr／Ｍsを得ることができる。したがって、磁気メモリを高集積化する観点でより有利である。
【００３５】
本実施形態において、第１部分４ａは、互いに平行な一対の辺或いは端面を有し且つそれらに平行な方向の幅Ｗ1がそれら辺或いは端面の間で一定であれば、その形状に特に制限はない。但し、第１部分４ａをその主面に垂直な方向から見た形状が正方形または長方形状である場合、磁気メモリを高集積化する観点でより有利である。
【００３６】
本実施形態において、フリー強磁性層４の幅に対する長さの比であるアスペクト比は、１乃至３の範囲内にあることが好ましく、１乃至２の範囲内にあることがより好ましく、１乃至１．５の範囲内にあることが最も好ましい。上記の通り、一般に、角型比Ｍr／Ｍsの低下はアスペクト比を小さくした場合に特に問題となる。したがって、上述した効果は、フリー強磁性層４のアスペクト比が上記範囲内にある場合に特に重要である。
【００３７】
本実施形態において、一対の第２部分４ｂの一方は他方に対して、第１部分４ａの中心を通り且つフリー強磁性層４の主面に垂直な軸を二回回転軸とした回転対称の関係にあることが好ましい。この場合、磁気抵抗効果素子１を磁気メモリに利用した際に、情報“０”から情報“１”への書き換え時と情報“１”から情報“０”への書き換え時とで互いに等しい効果を得ることができる。
【００３８】
第２部分４ｂのそれぞれの形状に特に制限はなく、例えば、三角形、半円形、半楕円形、正方形、或いは長方形などであってもよい。但し、通常、第２部分４ｂのそれぞれは第１部分４ａ側で最も幅が広い形状とする。
【００３９】
上述のように、第１部分４ａはフリー強磁性層４としての主要な役割を果たし、第２部分４ｂはフリー強磁性層４のエッジドメインの位置や大きさ並びに磁化反転の際の磁気的構造変化などを制御する補助的な役割を果たす。そのため、第２部分４ｂは第１部分４ａに対してより小さいことが望ましい。例えば、第１部分４ａの長さＬ1に対する第２部分４ｂの長さＬ2の比Ｌ2／Ｌ1は、１以下であることが好ましく、０．７５以下であることがより好ましい。また、第１部分４ａの幅Ｗ1に対する第２部分４ｂの最大幅Ｗ2の比Ｗ2／Ｗ1は、０．５以下であることが好ましく、０．３以下であることがより好ましい。
【００４０】
しかしながら、第２部分４ｂが第１部分４ａに対して過剰に小さい場合、第２部分４ｂが十分な効果を発揮できないことがある。したがって、比Ｌ2／Ｌ1は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。また、第１部分４ａの幅Ｗ1に対する第２部分４ｂの最大幅Ｗ2の比Ｗ2／Ｗ1は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。
【００４１】
第２部分４ｂは第１部分４ａの対角位置に設けることが好ましい。この場合、第２部分４ｂが小さくても、エッジドメインの位置や大きさ並びに磁化反転の際の磁気的構造変化などを十分に制御することができる。
【００４２】
本実施形態において、フリー強磁性層４の厚さは、５０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましく、５ｎｍ以下であることが最も好ましい。フリー強磁性層４の厚さの下限値は、それが強磁性層としての機能を失わない程度の厚さである。フリー強磁性層４がより薄い場合、その保磁力が小さくなる。そのため、磁気抵抗効果素子１を磁気メモリに利用した際に、書き込み時の消費電力を低減することができる。
【００４３】
次に、参考例について説明する。
図２は、参考例に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す斜視図である。図２に示す磁気抵抗効果素子１は、フリー強磁性層４の形状が異なっていることを除いて図１に示す磁気抵抗効果素子１とほぼ同様の構造を有している。すなわち、本参考例では、フリー強磁性層４は、第１部分４ａと一対の第２部分４ｂと一対の第３部分４ｃとで構成されている。
【００４４】
第３部分４ｃは、第２部分４ｂから離間しており、第１部分４ａの左右の辺或いは端面からそれらに垂直な方向にそれぞれ延在している。第３部分４ｃは第２部分４ｂよりも小面積であり、第２部分４ｂを設けることにより得られる各種効果を増大及び／またはバランスさせる役割を果たす。
【００４５】
第２部分４ｂの長さＬ2に対する第３部分４ｃの長さＬ3の比Ｌ3／Ｌ2は、１以下であることが好ましく、０．７以下であることがより好ましい。また、第２部分４ｂの最大幅Ｗ2に対する第３部分４ｃの最大幅Ｗ3の比Ｗ3／Ｗ2は、１以下であることが好ましく、０．７以下であることがより好ましい。この場合、エッジドメインの位置や大きさ並びに磁化反転の際の磁気的構造変化などを制御する効果が低減するのを抑制することができる。なお、比Ｌ3／Ｌ2や比Ｗ3／Ｗ2の下限値に特に制限はないが、通常、第３部分４ｃを設けることにより生じる効果は、比Ｌ3／Ｌ2が０．６以上である場合や、比Ｗ3／Ｗ2が０．５以上である場合に顕著である。
【００４６】
以上説明した実施形態及び参考例に係る磁気抵抗効果素子１には様々な変形が可能である。
図３（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を概略的に示す斜視図である。
【００４７】
図３（ａ）に示す磁気抵抗効果素子１では、ピン強磁性層２のフリー強磁性層４に対向した面の裏面に反強磁性層５が設けられている。このようにピン強磁性層２に隣接して反強磁性層５を設けた場合、ピン強磁性層２の磁化の向きをより強固に固着させることができる。また、図３（ａ）に示す磁気抵抗効果素子１では、ピン強磁性層２、非磁性層３、反強磁性層５の全てがフリー強磁性層４と等しい形状を有している。このような構造を採用した場合、ピン強磁性層２、非磁性層３、フリー強磁性層４、反強磁性層５のパターニングを単一のプロセスで実施することができる。
【００４８】
図３（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１では、フリー強磁性層４のピン強磁性層２に対向した面の裏面に非磁性層６及びピン強磁性層７が順次設けられている。すなわち、図３（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１は、例えば、非磁性層３，６がトンネル絶縁膜である強磁性２重トンネル接合素子である。このような構造は、より大きな出力電圧を得るうえで有利である。また、図３（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１では、非磁性層３とフリー強磁性層４とが互いに等しい形状を有し、非磁性層６とピン強磁性層７とが互いに等しい形状を有している。このような磁気抵抗効果素子１は、例えば、ピン強磁性層２のパターニング後、非磁性層３及びフリー強磁性層４のパターニングを単一のプロセスで実施し、さらにその後、非磁性層６及びピン強磁性層７のパターニングを単一のプロセスで実施することにより得られる。
【００４９】
図３（ｃ）に示す磁気抵抗効果素子１は、ピン強磁性層２，７、非磁性層３，６、及びフリー強磁性層４の形状が互いに等しいこと以外は図３（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１と同様の構造を有している。このような磁気抵抗効果素子１は、例えば、ピン強磁性層２、非磁性層３、フリー強磁性層４、非磁性層６、及びピン強磁性層７のパターニングを単一のプロセスで実施することにより得られる。なお、図３（ｂ），（ｃ）に示す磁気抵抗効果素子１には、ピン強磁性層２，７のいずれか一方の上に反強磁性層を設けてもよく、或いは、ピン強磁性層２，７の双方の上に反強磁性層を設けてもよい。
【００５０】
なお、図３（ａ）乃至（ｃ）を参照して説明した構造は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子だけでなく、参考例に係る磁気抵抗効果素子でも利用可能である。
【００５１】
図１乃至図３を参照して説明した磁気抵抗効果素子１は、半導体プロセスを利用して形成することができる。その際、図中、下方に描かれている層が基板に対向していてもよく、或いは、上方に描かれている層が基板に対向していてもよい。
【００５２】
フリー強磁性層４は、例えば、スパッタリング法などを利用して磁性膜または磁性積層膜を成膜し、その後、通常のフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより形成することができる。この方法では、パターニングの際に、フリー強磁性層４の平面形状に対応したパターンを有するフォトマスクを使用することにより、上述した形状のフリー強磁性層４を得ることができる。なお、上記の通り、本実施形態によれば、第２部分４ｂの形状が多少ばらついたとしても、フリー強磁性層４の保磁力が大きくばらつくことはない。したがって、加工精度誤差によりフリー強磁性層４の形状がばらついたとしても、その保磁力のばらつきは十分小さくでき、特に比Ｗ2／Ｗ1が０．５以下である場合には保磁力のばらつきを極めて小さくすることができる。
【００５３】
また、フリー強磁性層４は、以下の方法で形成してもよい。すなわち、まず、第１ステップとして、磁性膜または磁性積層膜をラインアンドスペースパターンへと加工する。このようなパターニングは、ライン及びスペースの幅のそれぞれを例えば０．１μｍとした場合でも数％以下の誤差で行うことができる。なお、ライン及びスペースの長手方向を磁化容易軸の方向とする。次いで、第２ステップとして、ラインアンドスペースパターンに対し、磁化容易軸方向に垂直な方向に加工を行う。以上のようにして、上述した形状のフリー強磁性層４を得る。なお、第２ステップの加工は、第１ステップの加工と同様の直線加工であってもよく、或いは、通常のマスクを用いた加工であってもよい。マスクを用いることにより生じる誤差が磁気的性質，特には保磁力，に与える影響は上記の通り小さい。
【００５４】
また、フリー強磁性層４は、電子ビーム描画法を利用して形成することもできる。この場合、所望の形状の第２部分４ｂを形成するために、第２部分４ｂの近傍で電子ビームのドーズ量を増やしたり、或いは、電子ビームをドット状に照射することで高精度な形状制御が可能である。
【００５５】
上述した磁気抵抗効果素子１は、例えば、磁気メモリ、磁気センサ、及び磁気再生装置の磁気ヘッドなどの様々な用途で利用することができる。以下、磁気抵抗効果素子１を利用した磁気メモリについて説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態及び参考例に係る磁気抵抗効果素子を利用した磁気ランダムアクセスメモリの例を概略的に示す等価回路図である。
【００５６】
図４（ａ）に示す磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭという）では、ローデコーダ１１に接続された読み出し用のワードライン（ＷＬ１）１３及び書き込み用のワードライン（ＷＬ２）１４と、カラムデコーダ１２に接続されたビットライン１５とが交差している。ワードライン１３，１４とビットライン１５との各交差部またはその近傍には、磁気抵抗効果素子１及びＭＯＳＦＥＴのようなトランジスタ２０を含むメモリセルが配置されている。
【００５７】
このＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子１に情報を書き込むに当り、ワードライン１４に電流パルスを流すことにより発生する磁界とビットライン１５に電流パルスを流すことにより発生する磁界との合成磁界により、磁気抵抗効果素子１のフリー強磁性層４の磁化を反転させる。また、このＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子１に書き込んだ情報を読み出すに当り、トランジスタ２０によって選択した磁気抵抗効果素子１に電流を流し、磁気抵抗効果素子１の抵抗に応じて書き込まれている情報が“１”及び“０”のいずれであるかを判断する。
【００５８】
図４（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、図示しないローデコーダに接続されたワードライン（ＷＬ）１６と、図示しないカラムデコーダに接続されたビットライン（ＢＬ）１７とが交差している。ワードライン１６とビットライン１７との各交差部近傍では、磁気抵抗効果素子１及びダイオード２１を含むメモリセルがそれらに直列接続されている。このような回路構成を採用することも可能である。
【００５９】
図４（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、上述した磁気抵抗効果素子１を使用している。そのため、高集積化した場合でも、書き込み時の消費電力が著しく増大することがなく、また、ノイズの少ない大きな信号を得ることができる。
【００６０】
なお、上述した磁気抵抗効果素子１は、図４（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭに限られず、様々なＭＲＡＭで利用可能である。例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、メモリセルを磁気抵抗効果素子１とトランジスタやダイオードなどのスイッチング素子とで構成して非破壊読み出し可能としたが、破壊読み出しを行う場合はメモリセルにスイッチング素子を使用しなくてもよい。また、図４（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、１つのメモリセルを１つの磁気抵抗効果素子と１つのスイッチング素子とで構成したが、１つのメモリセルを複数の磁気抵抗効果素子と複数のスイッチング素子とで構成して差動増幅読み出しや多値記憶を行ってもよい。
【００６１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（例１）
本例では、フリー強磁性層４に関して計算機を用いてシミュレーションを行い、その平面形状と特性との関係を調べた。なお、本例では、フリー強磁性層４の材料としてＮｉＦｅを使用し、その厚さは２ｎｍとした。
【００６２】
図５（ａ）乃至（ｈ）は、例１でシミュレーションに利用したフリー強磁性層の平面形状を示す図である。図５（ａ）乃至（ｈ）に示すフリー強磁性層４はいずれもｙ方向に平行な磁化容易軸を有している。また、図５（ａ）乃至（ｄ）に示す形状のフリー強磁性層４を有する磁気抵抗効果素子１は本発明の例に相当し、図５（ｅ）乃至（ｈ）に示す形状のフリー強磁性層４を有する磁気抵抗効果素子１は比較例に相当している。なお、図５（ａ）乃至（ｄ）の斜めの一点鎖線は、図１１に示す直線４２に相当している。
【００６３】
以下、シミュレーションに利用したフリー強磁性層４の寸法などについて説明する。
図５（ａ）乃至（ｃ）に示すフリー強磁性層４に関しては、第１部分４ａを一辺の長さが０．１μｍの正方形とし、第２部分４ｂはそれぞれ三角形、半円形、及び正方形とした。図５（ａ）に示すフリー強磁性層４に関しては、第２部分４ｂを直角二等辺三角形とし、先に説明した比Ｗ2／Ｗ1が０．０５、０．１、０．２５、０．５、０．７５である場合について計算を行った。なお、第２部分４ｂを三角形とする場合、直角二等辺三角形に限られる訳ではない。図５（ｂ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1が、０．２５、０．５、０．７５である場合について計算を行った。図５（ｃ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1が、０．２５、０．５、０．７５である場合について計算を行った。
【００６４】
図５（ｄ）に示すフリー強磁性層４に関しては、第１部分４ａを一辺の長さが０．１μｍの正方形とし、第２部分４ｂ及び第３部分４ｃの双方を半円形とした。このフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1が０．５であり且つ比Ｗ3／Ｗ1が０．２５である場合について計算を行った。
【００６５】
図５（ｅ）乃至（ｇ）に示すフリー強磁性層４に関しては、第１部分４ａを一辺の長さが０．１μｍの正方形とし、第２部分４ｂ及び第３部分４ｃはそれぞれ三角形、半円形、及び正方形とした。図５（ｅ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1及び比Ｗ3／Ｗ1の双方が０．２５及び０．５である場合について計算を行った。図５（ｆ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1及び比Ｗ3／Ｗ1の双方が０．０５、０．２５、０．５である場合について計算を行った。図５（ｇ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1及び比Ｗ3／Ｗ1の双方が０．２５である場合について計算を行った。
【００６６】
図５（ｈ）に示すフリー強磁性層４は平行四辺形である。このフリー強磁性層４に関しては、底辺が０．１μｍであり且つ高さが０．１μｍであり、４５°の鋭角をもつ平行四辺形として計算を行った。
【００６７】
図６は、図５（ａ）に示す形状のフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフである。図中、横軸はフリー強磁性層４の保磁力Ｈcを示しており、縦軸はその角型比Ｍr／Ｍsを示している。また、図６に示すヒステリシス曲線のうち、曲線３１乃至３５は、それぞれ、比Ｗ2／Ｗ1が０．０５、０．１、０．２５、０．５、０．７５である場合に得られたデータを示している。図６から明らかなように、角型比Ｍr／Ｍs及び保磁力Ｈcの双方が第２部分４ｂの大きさに依存している。
【００６８】
図７は、図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状のフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフである。図中、横軸はフリー強磁性層４の保磁力Ｈcを示しており、縦軸はその角型比Ｍr／Ｍsを示している。また、図中、“Ｎｏｒｍａｌ”は、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合に得られたデータを示している。なお、図７に対応したデータを以下の表１に示す。
【００６９】
【表１】
【００７０】
図７及び表１から明らかなように、図５（ａ）に示す形状のフリー強磁性層４に関して得られた傾向は、他の形状のフリー強磁性層４でも同様であった。また、第２部分４ｂを設けた場合、その形状に依存することなく、角型比Ｍr／Ｍsを改善することができた。実際、平面形状が正方形であるフリー強磁性層４では角型比Ｍr／Ｍsは０．７であったのに対し、平面形状が図５（ａ）に示す形状であり且つ比Ｗ2／Ｗ1が０．０５であるフリー強磁性層４では角型比Ｍr／Ｍsは０．７３であった。すなわち、角型比Ｍr／Ｍsは４％増加した。また、平面形状が図５（ａ）乃至（ｄ）に示す形状である他のフリー強磁性層４では、さらに高い角型比Ｍr／Ｍsが得られた。
【００７１】
また、先に説明したように、保磁力が過剰に大きいことは実用上好ましくはない。表１を参照すると、第２部分４ｂを設けた場合、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合（Ｎｏｒｍａｌ）に比べて、フリー強磁性層４の保磁力が大きくなっている。しかしながら、図５（ｈ）に示す平面形状を有するフリー強磁性層４に比べれば、保磁力の増大は遥かに抑制されている。特に、フリー強磁性層４に図５（ａ）に示す平面形状を採用し且つ比Ｗ2／Ｗ1が０．０５、０．１、０．２５である場合、フリー強磁性層４に図５（ｂ）に示す平面形状を採用し且つ比Ｗ2／Ｗ1が０．２５である場合、及び、フリー強磁性層４に図５（ｃ）に示す平面形状を採用し且つ比Ｗ2／Ｗ1が０．０５、０．２５である場合には、第２部分４ｂを設けることに伴う保磁力の増大は極めて僅かである。このように、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｄ）に示す構造を採用した場合、保磁力の大幅な増大を伴うことなく、角型比Ｍr／Ｍsを著しく向上させることができる。
【００７２】
また、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｄ）に示す構造を採用した場合、保磁力のばらつきを抑制することが可能である。これについては、図８（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【００７３】
図８（ａ）及び（ｂ）は、外部磁場を印加していないときのフリー強磁性層の磁区の様子を概略的に示す図である。図８（ａ）は、図５（ａ）に示すフリー強磁性層４の磁区をマイクロマグネティクスに基づいて計算した結果を示している。また、図８（ｂ）は、図５（ｆ）に示すフリー強磁性層４の磁区をマイクロマグネティクスに基づいて計算した結果を示している。なお、図８（ａ），（ｂ）において、矢印は磁化の向きを示している。
【００７４】
図８（ａ）では、磁化の向きはフリー強磁性層４の輪郭に沿って緩やかに変化しており、平均的にはほぼ正方形の対角線方向を向いている。また、図８（ｂ）では、磁化の平均的な向きはわずかにｙ軸方向（図中、縦方向）から傾いているが、それぞれほぼ同一の方向に向いている。すなわち、図８（ａ），（ｂ）に示すいずれの状態においても、フリー強磁性層４はほぼ単一の磁区で構成されていると考えられる。
【００７５】
表１を参照すると、比Ｗ2／Ｗ1及び比Ｗ3／Ｗ1の双方が一定（＝０．２５）の条件下では、フリー強磁性層４に図５（ｅ）乃至（ｇ）に示す構造を採用した場合、保磁力は４８．７乃至１１６．０Ｏｅの範囲内でばらついている。これに対し、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｃ）に示す構造を採用した場合、比Ｗ2／Ｗ1が一定（＝０．２５）の条件下における保磁力のばらつきは４７．０乃至７９．２Ｏｅの範囲内に抑えられている。したがって、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｄ）に示す構造を採用した場合、パターニングの際にフリー強磁性層４の形状にばらつきが生じたとしても、保磁力がばらつくのを抑制することができる。
【００７６】
（例２）
本例では、図５（ａ）乃至（ｈ）に示す平面形状のフリー強磁性層４の磁化容易軸をｘ方向としたこと以外は例１で説明したのと同様の条件でシミュレーションを行った。なお、そのようなフリー強磁性層４を有する磁気抵抗効果素子１は比較例に相当している。
【００７７】
図９は、図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状を有し且つ磁化容易軸をｘ方向としたフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフである。図中、横軸はフリー強磁性層４の保磁力Ｈcを示しており、縦軸はその角型比Ｍr／Ｍsを示している。また、図中、“Ｎｏｒｍａｌ”は、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合に得られたデータを示している。なお、図９に対応したデータを以下の表２に示す。
【００７８】
【表２】
【００７９】
図９及び表２から明らかなように、磁化容易軸をｘ方向とすると、第２部分４ｂを設けた場合、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合に比べて、角型比Ｍr／Ｍsは低下する傾向にある。しかも、角型比Ｍr／Ｍsは第２部分４ｂの大きさや形状に依存して大きくばらついている。すなわち、磁化容易軸をｘ方向とした場合、高い角型比Ｍr／Ｍsを安定して得ることは困難である。
【００８０】
（例３）
本例では、フリー強磁性層４の材料にＣｏＦｅを使用したこと以外は例１で説明したのと同様の条件でシミュレーションを行った。
【００８１】
図１０は、図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状を有し且つＣｏＦｅを磁性材料として使用したフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフである。図中、横軸はフリー強磁性層４の保磁力Ｈcを示しており、縦軸はその角型比Ｍr／Ｍsを示している。また、図中、“Ｎｏｒｍａｌ”は、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合に得られたデータを示している。なお、図１０に対応したデータを以下の表３に示す。
【００８２】
【表３】
【００８３】
図１０及び表３から明らかなように、フリー強磁性層４の材料としてＣｏＦｅを使用した場合でも、ＮｉＦｅを使用した場合と同様の結果が得られた。すなわち、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｄ）に示す平面形状を採用した場合、保磁力Ｈcの大幅な増大を伴うことなく角型比Ｍr／Ｍsを向上させることができ、また、第２部分４ｂの形状のばらつきに起因して保磁力Ｈcや角型比Ｍr／Ｍsが大きくばらつくことはなかった。
【００８４】
上記の例１乃至例３では、フリー強磁性層４の材料としてＮｉＦｅ及びＣｏＦｅを使用した場合について説明したが、フリー強磁性層４の材料はそれらに限られるものではない。例えば、フリー強磁性層４の材料として、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属やそれらの合金並びにＦｅ2Ｏ3やＬａＭｎＯ3などの酸化物磁性体などを使用することができる。また、フリー強磁性層４は単層構造を有していてもよく、積層構造を有していてもよい。フリー強磁性層４に積層構造を採用する場合、複数種の磁性層を積層してもよく、或いは、非磁性金属層や誘電体層或いは絶縁層と磁性層とを交互に積層してもよい。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、フリー強磁性層が所定の平面形状を有し且つその平面形状とフリー強磁性層の磁化容易軸或いはピン強磁性層の磁化の向きとが所定の関係を満足するように磁気抵抗効果素子を構成する。そのため、フリー強磁性層を小面積化しても、十分に大きな残留磁化が得られ、また、十分に弱い磁場でフリー強磁性層の磁化を反転させることができる。
すなわち、本発明によると、小面積化した場合においてもフリー強磁性層の残留磁化が十分に大きく且つ十分に弱い磁場でフリー強磁性層の磁化を反転させることが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す斜視図。
【図２】 参考例に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す斜視図。
【図３】 （ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を概略的に示す斜視図。
【図４】 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態及び参考例に係る磁気抵抗効果素子を利用した磁気ランダムアクセスメモリの例を概略的に示す等価回路図。
【図５】 （ａ）乃至（ｈ）は、例１でシミュレーションに利用したフリー強磁性層の平面形状を示す図。
【図６】 図５（ａ）に示す形状のフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフ。
【図７】 図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状のフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフ。
【図８】 （ａ）及び（ｂ）は、外部磁場を印加していないときのフリー強磁性層の磁区の様子を概略的に示す図。
【図９】 図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状を有し且つ磁化容易軸をｘ方向としたフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフ。
【図１０】 図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状を有し且つＣｏＦｅを磁性材料として使用したフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフ。
【図１１】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の例を概略的に示す平面図。
【図１２】 （ａ）は図１１の磁気抵抗効果素子における角度θと保磁力Ｈcとの関係の一例を示すグラフ、（ｂ）は図１１の磁気抵抗効果素子における角度θと角型比Ｍr／Ｍsとの関係の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
１…磁気抵抗効果素子、２…ピン強磁性層、３…非磁性層、４…フリー強磁性層、４ａ…第１部分、４ｂ…第２部分、４ｃ…第３部分、４ａ1，４ａ2…端面、５…反強磁性層、６…非磁性層、７…ピン強磁性層、８…磁化の向き、９…磁化容易軸、１１…ローデコーダ、１２…カラムデコーダ、１３…ワードライン、１４…ワードライン、１５…ビットライン、１６…ワードライン、１７…ビットライン、２０…トランジスタ、２１…ダイオード、３１〜３５…曲線、４１，４２…直線。
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果素子は、例えば、一対の強磁性層を非磁性層を介して積層した構造を有している。この磁気抵抗効果素子の抵抗値は、一方の強磁性層の磁化に対する他方の強磁性層の磁化の相対的な向きに応じて変化する。このような磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子は様々な用途で利用可能であり、磁気メモリは磁気抵抗効果素子の主要な用途の１つである。
【０００３】
磁気メモリでは、一方の強磁性層を磁場印加の際にその磁化の向きが変化しないピン強磁性層とし、他方の強磁性層を磁気抵抗効果素子に上記磁場印加の際にその磁化の向きが変化し得るフリー強磁性層として情報の記憶を行う。すなわち、情報を書き込む際には、ワード線に電流パルスを流すことにより発生する磁場とビット線に電流パルスを流すことにより発生する磁場との合成磁場を作用させる。これにより、フリー強磁性層の磁化を例えばピン強磁性層の磁化に対して平行な状態と反平行な状態との間で変化させる。このようにして、それら２つの状態に対応して二進情報（“０”、“１”）が記憶される。また、書き込んだ情報を読み出す際には、磁気抵抗効果素子に電流を流す。磁気抵抗効果素子の抵抗値は上記の２つの状態間で互いに異なるため、流れた電流（或いは抵抗値）を検出することにより記憶された情報を読み出すことができる。
【０００４】
ところで、磁気メモリを高集積化するうえでは、磁気抵抗効果素子の小面積化が極めて有効である。しかしながら、一般に、フリー強磁性層では、外部磁場がないか或いは十分に弱いとき、端部付近で複数の軸からなる複雑な磁区構造をとる。フリー強磁性層を小面積化すると、全体に対して端部が占める割合が大きくなり、例えば、長方形状のフリー強磁性層では、その長手方向両端部では磁化が中央部とは異なる方向に向いてしまう。すなわち、所謂「エッジドメイン」が生じてしまう（例えば、J. App. Phys. 81, 5471(1997)を参照のこと）。この場合、フリー強磁性層の磁化が低下し、その結果、磁気抵抗変化率が低下することとなる。また、この場合、磁化反転の際の磁気的構造の変化が複雑になるため、ノイズが発生するおそれが高くなるのに加え、保磁力が大きくなり、スイッチングに要する磁場の強さ（スイッチング磁場）が増大する。
【０００５】
エッジドメインを抑制する技術としては、フリー強磁性層の形状をその磁化容易軸に関して非対称とする，特には平行四辺形とする，ことが知られている（特開平１１−２６３４４号公報）。フリー強磁性層をそのような形状とした場合、エッジドメインの面積を小さくすることができ、強磁性層全体をほぼ単一の磁区で構成することができる。
【０００６】
また、磁化反転の際の磁気的構造変化の複雑化を抑制する技術としては、フリー強磁性層の両端部にハードバイアスが印加される構造を付加することによりエッジドメインを固定することが知られている（米国特許第５，７４８，５２４号、特開２０００−１００１５３号公報）。
【０００７】
さらに、フリー強磁性層の形状を、単純な四角形ではなく、その磁化容易軸に垂直な方向に向けて突出した小部分を設けて“Ｈ”または“Ｉ”型とすることにより、エッジドメインを安定化するとともに、複雑な磁区が形成されるのを回避する技術も知られている（米国特許第６，２０５，０５３号）。
【０００８】
しかしながら、一般に、フリー強磁性層の形状を平行四辺形とした場合、保磁力が過剰に大きくなる。保磁力の大きさはスイッチング磁場の大きさの目安であるので、これはスイッチング磁場の増大を意味する。すなわち、この場合、書き込みの際により大きな電流を書き込み配線に流さなければならなくなり、消費電力の増加や配線寿命の短命化などの好ましくない結果をもたらす。
【０００９】
また、フリー強磁性層の両端部にハードバイアスが印加される構造を付加した場合、磁気的構造変化の挙動を制御できるものの、保磁力が増加してしまう。しかも、この技術では、エッジドメインを固定するための構造を付加する必要があるため、大容量メモリなどに要求される高密度化には適さない。
【００１０】
さらに、フリー強磁性層の形状を“Ｈ”または“Ｉ”型とした場合、突出部分により得られる効果を十分に引き出すためには突出部分を大きくする必要がある。この場合、磁気抵抗効果素子が占有する面積が増加し、大容量メモリに要求される高集積化が困難となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小面積化した場合においてもフリー強磁性層の残留磁化が十分に大きく且つ十分に弱い磁場でフリー強磁性層の磁化を反転させることが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン強磁性層と、前記第１ピン強磁性層に対向し且つ前記磁場の印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー強磁性層と、前記第１ピン強磁性層と前記フリー強磁性層との間に介在した第１非磁性層とを具備し、前記フリー強磁性層のその主面に垂直な方向から観察した形状は、互いに平行な第１対辺と互いに平行な第２対辺とからなる四辺形状の第１部分及び前記四辺形状の第１部分の一対の対角部から前記第２対辺に平行な方向にそれぞれ延在し且つ前記第１対辺に平行な方向の最大幅が前記第１対辺の長さよりも狭い一対の第２部分のみを含み、前記フリー強磁性層の前記主面に垂直な方向から観察した前記形状は、前記第１部分の中心を通り且つ前記第２対辺に平行な直線に関して非対称であり、前記フリー強磁性層の磁化容易軸は、前記第２対辺に実質的に平行な第１方向、前記一対の第２部分の一方の輪郭と他方の輪郭とを結ぶ線分のうち最も長いものに実質的に平行な第２方向、または前記第１方向と前記第２方向との間であってこれらの方向が為す鋭角側の方向に平行であることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１３】
また、本発明は、磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン強磁性層と、前記第１ピン強磁性層に対向し且つ前記磁場の印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー強磁性層と、前記第１ピン強磁性層と前記フリー強磁性層との間に介在した第１非磁性層とを具備し、前記フリー強磁性層のその主面に垂直な方向から観察した形状は、互いに平行な第１対辺と互いに平行な第２対辺とからなる四辺形状の第１部分及び前記四辺形状の第１部分の一対の対角部から前記第２対辺に平行な方向にそれぞれ延在し且つ前記第１対辺に平行な方向の最大幅が前記第１対辺の長さよりも狭い一対の第２部分のみを含み、前記フリー強磁性層の前記主面に垂直な方向から観察した前記形状は、前記第１部分の中心を通り且つ前記第２対辺に平行な直線に関して非対称であり、前記第１ピン強磁性層の前記磁化は、前記第２対辺に実質的に平行な第１方向、前記一対の第２部分の一方の輪郭と他方の輪郭とを結ぶ線分のうち最も長いものに実質的に平行な第２方向、または前記第１方向と前記第２方向との間であってこれらの方向が為す鋭角側の方向に平行であることを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１４】
さらに、本発明は、ワード線と、前記ワード線に交差したビット線と、前記ワード線と前記ビット線との交差部またはその近傍に位置したメモリセルとを具備し、前記メモリセルは上記の磁気抵抗効果素子を含んだことを特徴とする磁気メモリを提供する。
【００１５】
本発明において、第１非磁性層は非磁性金属層であってもよく或いは絶縁層であってもよい。
【００１６】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１非磁性層及びフリー強磁性層を介して第１ピン強磁性層に対向し且つ上記磁場の印加の際に磁化の向きが維持される第２ピン強磁性層と、フリー強磁性層と第２ピン強磁性層との間に介在した第２非磁性層とをさらに具備することができる。この場合、第１及び第２非磁性層のそれぞれは非磁性金属層であってもよく或いは絶縁層であってもよい。
【００１７】
このように、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗効果を示すものであってもよく、或いは、強磁性１重トンネル接合を形成した強磁性１重トンネル接合素子や強磁性２重トンネル接合を形成した強磁性２重トンネル接合素子のような強磁性トンネル接合素子であってもよい。
【００１８】
本発明において、第１部分は正方形または長方形の形状を有していてもよい。また、一対の第２部分の一方は他方に対して、第１部分の中心を通り且つフリー強磁性層の主面に垂直な軸を二回回転軸とした回転対称の関係にあってもよい。
【００１９】
本発明において、上記一対の第２部分のそれぞれは、三角形、半円形、正方形、及び長方形のいずれかの形状を有していてもよい。
なお、本発明において、「実質的に平行」とは、例えば、平行な状態からのずれが数°以内にあることを意味している。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、同様または類似する機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例を概略的に示す斜視図である。図１に示す磁気抵抗効果素子１は、ピン強磁性層２と非磁性層３とフリー強磁性層４とを積層した構造を有している。
【００２２】
ピン強磁性層２には矢印８で示す向きに一方向磁気異方性が付与されている。すなわち、ピン強磁性層２の磁化は矢印８に示す方向を向いており、その状態は磁気抵抗効果素子１に書き込み用の磁場を印加した際にも維持される。
【００２３】
他方、フリー強磁性層４には両矢印９で示す方向に一軸磁気異方性が付与されている。すなわち、両矢印９はフリー強磁性層４の磁化容易軸に相当している。フリー強磁性層４では、両矢印９で示すように、その磁化が右に向いた状態と左に向いた状態との２つの状態が安定であり、それら状態間の切り替えは書き込み用の磁場を印加することにより行うことができる。
【００２４】
フリー強磁性層４は、その主面に垂直な方向から観察した場合、第１部分４ａと一対の第２部分４ｂとを含んだ形状を有している。なお、図１では、第１部分４ａと第２部分４ｂとの境界を破線で示している。
【００２５】
第１部分４ａは、フリー強磁性層４としての主要な役割を果たす部分であり、互いに平行な一対の辺或いは端面を有している。第１部分４ａの上記一対の辺或いは端面に平行な方向の幅Ｗ1は、それら辺或いは端面の間で一定である。このような形状は、磁気抵抗効果素子１を磁気メモリなどで利用する場合、磁気メモリを高集積化する観点で有利である。
【００２６】
一対の第２部分４ｂは、フリー強磁性層４のエッジドメインの位置や大きさ並びに磁化反転の際の磁気的構造変化などを制御する補助的な役割を果たす部分である。これら第２部分４ｂは、第１部分４ａの左右の辺或いは端面４ａ1，４ａ2からそれらに垂直な方向にそれぞれ延在している。また、それら第２部分４ｂのそれぞれの幅Ｗ2は第１部分４ａの幅Ｗ1よりも狭く、第２部分４ｂの各々の面積は第１部分４ａの面積よりも小さい。
【００２７】
本実施形態では、フリー強磁性層４のその主面に垂直な方向から観察した形状は、第１部分４ａの中心を通り且つ第１部分４ａの左右の辺或いは端面に垂直な直線に関して非対称である。また、本実施形態では、フリー強磁性層４の磁化容易軸とフリー強磁性層４の形状とは所定の関係を満足している。これについては、図１１を参照しながら説明する。
【００２８】
図１１は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の例を概略的に示す平面図である。図１１において、縦方向に延びた一点鎖線４１は第１部分４の縦の辺に平行な直線であり、斜め方向に延びた一点鎖線４２は一対の第２部分４ｂの一方の輪郭と他方の輪郭とを結ぶ線分のうち最も長いもの或いはそれに平行な直線である。また、角度θはフリー強磁性層４の磁化容易軸９が直線４１に対して為す角度を示しており、角度θ1は直線４２が第１部分の縦の辺（または直線４１）に対して為す角度を示している。
【００２９】
本実施形態では、角度θを０°以上とし且つθ1以下とする。このような構造によると、フリー強磁性層４を小面積化した場合においても、十分に大きな残留磁化を得ること及び比較的弱い磁場で磁化反転を生じさせることの双方を同時に実現することが可能である。これについては、図１２（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。
【００３０】
図１２（ａ）は、図１１の磁気抵抗効果素子における角度θと保磁力Ｈcとの関係の一例を示すグラフである。また、図１２（ｂ）は、図１１の磁気抵抗効果素子における角度θと角型比Ｍr／Ｍs（物質定数に対する残留磁化の比）との関係の一例を示すグラフである。図１２（ａ），（ｂ）において、横軸は角度θを示している。また、図１２（ａ）において縦軸は保磁力Ｈcを示し、図１２（ｂ）において縦軸は角型比Ｍr／Ｍsを示している。
【００３１】
なお、図１２（ａ），（ｂ）に示すデータは、以下の条件でシミュレーションを行うことにより得られたものである。すなわち、第２部分４ｂを直角二等辺三角形とし、第１部分４ａの幅Ｗ1に対する第２部分４ｂの最大幅Ｗ2の比Ｗ2／Ｗ1を０．２５とした。また、フリー強磁性層４の材料としてＮｉＦｅを使用し、その厚さは２ｎｍとした。
【００３２】
図１２（ａ），（ｂ）に示すように、角度θが０°以上であり且つθ1以下である場合、保磁力Ｈc及び角型比Ｍr／Ｍsの双方が高い値を示している。すなわち、角度θをそのような範囲内とすることにより、十分に大きな残留磁化を得ること及び比較的弱い磁場で磁化反転を生じさせることの双方を同時に実現することが可能である。
【００３３】
また、このような構造によると、第２部分４ｂの形状のばらつきに起因してフリー強磁性層４の角型比Ｍr／Ｍsや保磁力Ｈcが大きくばらつくことがない。しかも、図１に示す構造において、フリー強磁性層４の磁化容易軸９及び／またはピン強磁性層２の磁化の向き８を第１部分４ａの左右の辺或いは端面に対してほぼ垂直とした場合、ほぼ平行とした場合に比べて、以下の点で有利である。
【００３４】
すなわち、例えば、フリー強磁性層４の磁化容易軸９やピン強磁性層２の磁化の向き８を図１に示す状態から９０°回転させた構造では、フリー強磁性層４の幅（Ｗ1方向）に対する長さ（Ｌ1方向）の比であるアスペクト比を小さくした場合に、角型比Ｍr／Ｍsの低下が大きい。これに対し、フリー強磁性層４の磁化容易軸９やピン強磁性層２の磁化の向き８を、例えば、図１に示す状態とした構造では、フリー強磁性層４のアスペクト比を小さくした場合であっても高い角型比Ｍr／Ｍsを得ることができる。したがって、磁気メモリを高集積化する観点でより有利である。
【００３５】
本実施形態において、第１部分４ａは、互いに平行な一対の辺或いは端面を有し且つそれらに平行な方向の幅Ｗ1がそれら辺或いは端面の間で一定であれば、その形状に特に制限はない。但し、第１部分４ａをその主面に垂直な方向から見た形状が正方形または長方形状である場合、磁気メモリを高集積化する観点でより有利である。
【００３６】
本実施形態において、フリー強磁性層４の幅に対する長さの比であるアスペクト比は、１乃至３の範囲内にあることが好ましく、１乃至２の範囲内にあることがより好ましく、１乃至１．５の範囲内にあることが最も好ましい。上記の通り、一般に、角型比Ｍr／Ｍsの低下はアスペクト比を小さくした場合に特に問題となる。したがって、上述した効果は、フリー強磁性層４のアスペクト比が上記範囲内にある場合に特に重要である。
【００３７】
本実施形態において、一対の第２部分４ｂの一方は他方に対して、第１部分４ａの中心を通り且つフリー強磁性層４の主面に垂直な軸を二回回転軸とした回転対称の関係にあることが好ましい。この場合、磁気抵抗効果素子１を磁気メモリに利用した際に、情報“０”から情報“１”への書き換え時と情報“１”から情報“０”への書き換え時とで互いに等しい効果を得ることができる。
【００３８】
第２部分４ｂのそれぞれの形状に特に制限はなく、例えば、三角形、半円形、半楕円形、正方形、或いは長方形などであってもよい。但し、通常、第２部分４ｂのそれぞれは第１部分４ａ側で最も幅が広い形状とする。
【００３９】
上述のように、第１部分４ａはフリー強磁性層４としての主要な役割を果たし、第２部分４ｂはフリー強磁性層４のエッジドメインの位置や大きさ並びに磁化反転の際の磁気的構造変化などを制御する補助的な役割を果たす。そのため、第２部分４ｂは第１部分４ａに対してより小さいことが望ましい。例えば、第１部分４ａの長さＬ1に対する第２部分４ｂの長さＬ2の比Ｌ2／Ｌ1は、１以下であることが好ましく、０．７５以下であることがより好ましい。また、第１部分４ａの幅Ｗ1に対する第２部分４ｂの最大幅Ｗ2の比Ｗ2／Ｗ1は、０．５以下であることが好ましく、０．３以下であることがより好ましい。
【００４０】
しかしながら、第２部分４ｂが第１部分４ａに対して過剰に小さい場合、第２部分４ｂが十分な効果を発揮できないことがある。したがって、比Ｌ2／Ｌ1は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。また、第１部分４ａの幅Ｗ1に対する第２部分４ｂの最大幅Ｗ2の比Ｗ2／Ｗ1は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがより好ましい。
【００４１】
第２部分４ｂは第１部分４ａの対角位置に設けることが好ましい。この場合、第２部分４ｂが小さくても、エッジドメインの位置や大きさ並びに磁化反転の際の磁気的構造変化などを十分に制御することができる。
【００４２】
本実施形態において、フリー強磁性層４の厚さは、５０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましく、５ｎｍ以下であることが最も好ましい。フリー強磁性層４の厚さの下限値は、それが強磁性層としての機能を失わない程度の厚さである。フリー強磁性層４がより薄い場合、その保磁力が小さくなる。そのため、磁気抵抗効果素子１を磁気メモリに利用した際に、書き込み時の消費電力を低減することができる。
【００４３】
次に、参考例について説明する。
図２は、参考例に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す斜視図である。図２に示す磁気抵抗効果素子１は、フリー強磁性層４の形状が異なっていることを除いて図１に示す磁気抵抗効果素子１とほぼ同様の構造を有している。すなわち、本参考例では、フリー強磁性層４は、第１部分４ａと一対の第２部分４ｂと一対の第３部分４ｃとで構成されている。
【００４４】
第３部分４ｃは、第２部分４ｂから離間しており、第１部分４ａの左右の辺或いは端面からそれらに垂直な方向にそれぞれ延在している。第３部分４ｃは第２部分４ｂよりも小面積であり、第２部分４ｂを設けることにより得られる各種効果を増大及び／またはバランスさせる役割を果たす。
【００４５】
第２部分４ｂの長さＬ2に対する第３部分４ｃの長さＬ3の比Ｌ3／Ｌ2は、１以下であることが好ましく、０．７以下であることがより好ましい。また、第２部分４ｂの最大幅Ｗ2に対する第３部分４ｃの最大幅Ｗ3の比Ｗ3／Ｗ2は、１以下であることが好ましく、０．７以下であることがより好ましい。この場合、エッジドメインの位置や大きさ並びに磁化反転の際の磁気的構造変化などを制御する効果が低減するのを抑制することができる。なお、比Ｌ3／Ｌ2や比Ｗ3／Ｗ2の下限値に特に制限はないが、通常、第３部分４ｃを設けることにより生じる効果は、比Ｌ3／Ｌ2が０．６以上である場合や、比Ｗ3／Ｗ2が０．５以上である場合に顕著である。
【００４６】
以上説明した実施形態及び参考例に係る磁気抵抗効果素子１には様々な変形が可能である。
図３（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を概略的に示す斜視図である。
【００４７】
図３（ａ）に示す磁気抵抗効果素子１では、ピン強磁性層２のフリー強磁性層４に対向した面の裏面に反強磁性層５が設けられている。このようにピン強磁性層２に隣接して反強磁性層５を設けた場合、ピン強磁性層２の磁化の向きをより強固に固着させることができる。また、図３（ａ）に示す磁気抵抗効果素子１では、ピン強磁性層２、非磁性層３、反強磁性層５の全てがフリー強磁性層４と等しい形状を有している。このような構造を採用した場合、ピン強磁性層２、非磁性層３、フリー強磁性層４、反強磁性層５のパターニングを単一のプロセスで実施することができる。
【００４８】
図３（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１では、フリー強磁性層４のピン強磁性層２に対向した面の裏面に非磁性層６及びピン強磁性層７が順次設けられている。すなわち、図３（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１は、例えば、非磁性層３，６がトンネル絶縁膜である強磁性２重トンネル接合素子である。このような構造は、より大きな出力電圧を得るうえで有利である。また、図３（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１では、非磁性層３とフリー強磁性層４とが互いに等しい形状を有し、非磁性層６とピン強磁性層７とが互いに等しい形状を有している。このような磁気抵抗効果素子１は、例えば、ピン強磁性層２のパターニング後、非磁性層３及びフリー強磁性層４のパターニングを単一のプロセスで実施し、さらにその後、非磁性層６及びピン強磁性層７のパターニングを単一のプロセスで実施することにより得られる。
【００４９】
図３（ｃ）に示す磁気抵抗効果素子１は、ピン強磁性層２，７、非磁性層３，６、及びフリー強磁性層４の形状が互いに等しいこと以外は図３（ｂ）に示す磁気抵抗効果素子１と同様の構造を有している。このような磁気抵抗効果素子１は、例えば、ピン強磁性層２、非磁性層３、フリー強磁性層４、非磁性層６、及びピン強磁性層７のパターニングを単一のプロセスで実施することにより得られる。なお、図３（ｂ），（ｃ）に示す磁気抵抗効果素子１には、ピン強磁性層２，７のいずれか一方の上に反強磁性層を設けてもよく、或いは、ピン強磁性層２，７の双方の上に反強磁性層を設けてもよい。
【００５０】
なお、図３（ａ）乃至（ｃ）を参照して説明した構造は、実施形態に係る磁気抵抗効果素子だけでなく、参考例に係る磁気抵抗効果素子でも利用可能である。
【００５１】
図１乃至図３を参照して説明した磁気抵抗効果素子１は、半導体プロセスを利用して形成することができる。その際、図中、下方に描かれている層が基板に対向していてもよく、或いは、上方に描かれている層が基板に対向していてもよい。
【００５２】
フリー強磁性層４は、例えば、スパッタリング法などを利用して磁性膜または磁性積層膜を成膜し、その後、通常のフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより形成することができる。この方法では、パターニングの際に、フリー強磁性層４の平面形状に対応したパターンを有するフォトマスクを使用することにより、上述した形状のフリー強磁性層４を得ることができる。なお、上記の通り、本実施形態によれば、第２部分４ｂの形状が多少ばらついたとしても、フリー強磁性層４の保磁力が大きくばらつくことはない。したがって、加工精度誤差によりフリー強磁性層４の形状がばらついたとしても、その保磁力のばらつきは十分小さくでき、特に比Ｗ2／Ｗ1が０．５以下である場合には保磁力のばらつきを極めて小さくすることができる。
【００５３】
また、フリー強磁性層４は、以下の方法で形成してもよい。すなわち、まず、第１ステップとして、磁性膜または磁性積層膜をラインアンドスペースパターンへと加工する。このようなパターニングは、ライン及びスペースの幅のそれぞれを例えば０．１μｍとした場合でも数％以下の誤差で行うことができる。なお、ライン及びスペースの長手方向を磁化容易軸の方向とする。次いで、第２ステップとして、ラインアンドスペースパターンに対し、磁化容易軸方向に垂直な方向に加工を行う。以上のようにして、上述した形状のフリー強磁性層４を得る。なお、第２ステップの加工は、第１ステップの加工と同様の直線加工であってもよく、或いは、通常のマスクを用いた加工であってもよい。マスクを用いることにより生じる誤差が磁気的性質，特には保磁力，に与える影響は上記の通り小さい。
【００５４】
また、フリー強磁性層４は、電子ビーム描画法を利用して形成することもできる。この場合、所望の形状の第２部分４ｂを形成するために、第２部分４ｂの近傍で電子ビームのドーズ量を増やしたり、或いは、電子ビームをドット状に照射することで高精度な形状制御が可能である。
【００５５】
上述した磁気抵抗効果素子１は、例えば、磁気メモリ、磁気センサ、及び磁気再生装置の磁気ヘッドなどの様々な用途で利用することができる。以下、磁気抵抗効果素子１を利用した磁気メモリについて説明する。
図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態及び参考例に係る磁気抵抗効果素子を利用した磁気ランダムアクセスメモリの例を概略的に示す等価回路図である。
【００５６】
図４（ａ）に示す磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭという）では、ローデコーダ１１に接続された読み出し用のワードライン（ＷＬ１）１３及び書き込み用のワードライン（ＷＬ２）１４と、カラムデコーダ１２に接続されたビットライン１５とが交差している。ワードライン１３，１４とビットライン１５との各交差部またはその近傍には、磁気抵抗効果素子１及びＭＯＳＦＥＴのようなトランジスタ２０を含むメモリセルが配置されている。
【００５７】
このＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子１に情報を書き込むに当り、ワードライン１４に電流パルスを流すことにより発生する磁界とビットライン１５に電流パルスを流すことにより発生する磁界との合成磁界により、磁気抵抗効果素子１のフリー強磁性層４の磁化を反転させる。また、このＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子１に書き込んだ情報を読み出すに当り、トランジスタ２０によって選択した磁気抵抗効果素子１に電流を流し、磁気抵抗効果素子１の抵抗に応じて書き込まれている情報が“１”及び“０”のいずれであるかを判断する。
【００５８】
図４（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、図示しないローデコーダに接続されたワードライン（ＷＬ）１６と、図示しないカラムデコーダに接続されたビットライン（ＢＬ）１７とが交差している。ワードライン１６とビットライン１７との各交差部近傍では、磁気抵抗効果素子１及びダイオード２１を含むメモリセルがそれらに直列接続されている。このような回路構成を採用することも可能である。
【００５９】
図４（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、上述した磁気抵抗効果素子１を使用している。そのため、高集積化した場合でも、書き込み時の消費電力が著しく増大することがなく、また、ノイズの少ない大きな信号を得ることができる。
【００６０】
なお、上述した磁気抵抗効果素子１は、図４（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭに限られず、様々なＭＲＡＭで利用可能である。例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、メモリセルを磁気抵抗効果素子１とトランジスタやダイオードなどのスイッチング素子とで構成して非破壊読み出し可能としたが、破壊読み出しを行う場合はメモリセルにスイッチング素子を使用しなくてもよい。また、図４（ａ），（ｂ）に示すＭＲＡＭでは、１つのメモリセルを１つの磁気抵抗効果素子と１つのスイッチング素子とで構成したが、１つのメモリセルを複数の磁気抵抗効果素子と複数のスイッチング素子とで構成して差動増幅読み出しや多値記憶を行ってもよい。
【００６１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
（例１）
本例では、フリー強磁性層４に関して計算機を用いてシミュレーションを行い、その平面形状と特性との関係を調べた。なお、本例では、フリー強磁性層４の材料としてＮｉＦｅを使用し、その厚さは２ｎｍとした。
【００６２】
図５（ａ）乃至（ｈ）は、例１でシミュレーションに利用したフリー強磁性層の平面形状を示す図である。図５（ａ）乃至（ｈ）に示すフリー強磁性層４はいずれもｙ方向に平行な磁化容易軸を有している。また、図５（ａ）乃至（ｄ）に示す形状のフリー強磁性層４を有する磁気抵抗効果素子１は本発明の例に相当し、図５（ｅ）乃至（ｈ）に示す形状のフリー強磁性層４を有する磁気抵抗効果素子１は比較例に相当している。なお、図５（ａ）乃至（ｄ）の斜めの一点鎖線は、図１１に示す直線４２に相当している。
【００６３】
以下、シミュレーションに利用したフリー強磁性層４の寸法などについて説明する。
図５（ａ）乃至（ｃ）に示すフリー強磁性層４に関しては、第１部分４ａを一辺の長さが０．１μｍの正方形とし、第２部分４ｂはそれぞれ三角形、半円形、及び正方形とした。図５（ａ）に示すフリー強磁性層４に関しては、第２部分４ｂを直角二等辺三角形とし、先に説明した比Ｗ2／Ｗ1が０．０５、０．１、０．２５、０．５、０．７５である場合について計算を行った。なお、第２部分４ｂを三角形とする場合、直角二等辺三角形に限られる訳ではない。図５（ｂ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1が、０．２５、０．５、０．７５である場合について計算を行った。図５（ｃ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1が、０．２５、０．５、０．７５である場合について計算を行った。
【００６４】
図５（ｄ）に示すフリー強磁性層４に関しては、第１部分４ａを一辺の長さが０．１μｍの正方形とし、第２部分４ｂ及び第３部分４ｃの双方を半円形とした。このフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1が０．５であり且つ比Ｗ3／Ｗ1が０．２５である場合について計算を行った。
【００６５】
図５（ｅ）乃至（ｇ）に示すフリー強磁性層４に関しては、第１部分４ａを一辺の長さが０．１μｍの正方形とし、第２部分４ｂ及び第３部分４ｃはそれぞれ三角形、半円形、及び正方形とした。図５（ｅ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1及び比Ｗ3／Ｗ1の双方が０．２５及び０．５である場合について計算を行った。図５（ｆ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1及び比Ｗ3／Ｗ1の双方が０．０５、０．２５、０．５である場合について計算を行った。図５（ｇ）に示すフリー強磁性層４に関しては、比Ｗ2／Ｗ1及び比Ｗ3／Ｗ1の双方が０．２５である場合について計算を行った。
【００６６】
図５（ｈ）に示すフリー強磁性層４は平行四辺形である。このフリー強磁性層４に関しては、底辺が０．１μｍであり且つ高さが０．１μｍであり、４５°の鋭角をもつ平行四辺形として計算を行った。
【００６７】
図６は、図５（ａ）に示す形状のフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフである。図中、横軸はフリー強磁性層４の保磁力Ｈcを示しており、縦軸はその角型比Ｍr／Ｍsを示している。また、図６に示すヒステリシス曲線のうち、曲線３１乃至３５は、それぞれ、比Ｗ2／Ｗ1が０．０５、０．１、０．２５、０．５、０．７５である場合に得られたデータを示している。図６から明らかなように、角型比Ｍr／Ｍs及び保磁力Ｈcの双方が第２部分４ｂの大きさに依存している。
【００６８】
図７は、図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状のフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフである。図中、横軸はフリー強磁性層４の保磁力Ｈcを示しており、縦軸はその角型比Ｍr／Ｍsを示している。また、図中、“Ｎｏｒｍａｌ”は、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合に得られたデータを示している。なお、図７に対応したデータを以下の表１に示す。
【００６９】
【表１】
図７及び表１から明らかなように、図５（ａ）に示す形状のフリー強磁性層４に関して得られた傾向は、他の形状のフリー強磁性層４でも同様であった。また、第２部分４ｂを設けた場合、その形状に依存することなく、角型比Ｍr／Ｍsを改善することができた。実際、平面形状が正方形であるフリー強磁性層４では角型比Ｍr／Ｍsは０．７であったのに対し、平面形状が図５（ａ）に示す形状であり且つ比Ｗ2／Ｗ1が０．０５であるフリー強磁性層４では角型比Ｍr／Ｍsは０．７３であった。すなわち、角型比Ｍr／Ｍsは４％増加した。また、平面形状が図５（ａ）乃至（ｄ）に示す形状である他のフリー強磁性層４では、さらに高い角型比Ｍr／Ｍsが得られた。
【００７１】
また、先に説明したように、保磁力が過剰に大きいことは実用上好ましくはない。表１を参照すると、第２部分４ｂを設けた場合、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合（Ｎｏｒｍａｌ）に比べて、フリー強磁性層４の保磁力が大きくなっている。しかしながら、図５（ｈ）に示す平面形状を有するフリー強磁性層４に比べれば、保磁力の増大は遥かに抑制されている。特に、フリー強磁性層４に図５（ａ）に示す平面形状を採用し且つ比Ｗ2／Ｗ1が０．０５、０．１、０．２５である場合、フリー強磁性層４に図５（ｂ）に示す平面形状を採用し且つ比Ｗ2／Ｗ1が０．２５である場合、及び、フリー強磁性層４に図５（ｃ）に示す平面形状を採用し且つ比Ｗ2／Ｗ1が０．０５、０．２５である場合には、第２部分４ｂを設けることに伴う保磁力の増大は極めて僅かである。このように、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｄ）に示す構造を採用した場合、保磁力の大幅な増大を伴うことなく、角型比Ｍr／Ｍsを著しく向上させることができる。
【００７２】
また、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｄ）に示す構造を採用した場合、保磁力のばらつきを抑制することが可能である。これについては、図８（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。
【００７３】
図８（ａ）及び（ｂ）は、外部磁場を印加していないときのフリー強磁性層の磁区の様子を概略的に示す図である。図８（ａ）は、図５（ａ）に示すフリー強磁性層４の磁区をマイクロマグネティクスに基づいて計算した結果を示している。また、図８（ｂ）は、図５（ｆ）に示すフリー強磁性層４の磁区をマイクロマグネティクスに基づいて計算した結果を示している。なお、図８（ａ），（ｂ）において、矢印は磁化の向きを示している。
【００７４】
図８（ａ）では、磁化の向きはフリー強磁性層４の輪郭に沿って緩やかに変化しており、平均的にはほぼ正方形の対角線方向を向いている。また、図８（ｂ）では、磁化の平均的な向きはわずかにｙ軸方向（図中、縦方向）から傾いているが、それぞれほぼ同一の方向に向いている。すなわち、図８（ａ），（ｂ）に示すいずれの状態においても、フリー強磁性層４はほぼ単一の磁区で構成されていると考えられる。
【００７５】
表１を参照すると、比Ｗ2／Ｗ1及び比Ｗ3／Ｗ1の双方が一定（＝０．２５）の条件下では、フリー強磁性層４に図５（ｅ）乃至（ｇ）に示す構造を採用した場合、保磁力は４８．７乃至１１６．０Ｏｅの範囲内でばらついている。これに対し、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｃ）に示す構造を採用した場合、比Ｗ2／Ｗ1が一定（＝０．２５）の条件下における保磁力のばらつきは４７．０乃至７９．２Ｏｅの範囲内に抑えられている。したがって、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｄ）に示す構造を採用した場合、パターニングの際にフリー強磁性層４の形状にばらつきが生じたとしても、保磁力がばらつくのを抑制することができる。
【００７６】
（例２）
本例では、図５（ａ）乃至（ｈ）に示す平面形状のフリー強磁性層４の磁化容易軸をｘ方向としたこと以外は例１で説明したのと同様の条件でシミュレーションを行った。なお、そのようなフリー強磁性層４を有する磁気抵抗効果素子１は比較例に相当している。
【００７７】
図９は、図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状を有し且つ磁化容易軸をｘ方向としたフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフである。図中、横軸はフリー強磁性層４の保磁力Ｈcを示しており、縦軸はその角型比Ｍr／Ｍsを示している。また、図中、“Ｎｏｒｍａｌ”は、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合に得られたデータを示している。なお、図９に対応したデータを以下の表２に示す。
【００７８】
【表２】
図９及び表２から明らかなように、磁化容易軸をｘ方向とすると、第２部分４ｂを設けた場合、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合に比べて、角型比Ｍr／Ｍsは低下する傾向にある。しかも、角型比Ｍr／Ｍsは第２部分４ｂの大きさや形状に依存して大きくばらついている。すなわち、磁化容易軸をｘ方向とした場合、高い角型比Ｍr／Ｍsを安定して得ることは困難である。
【００８０】
（例３）
本例では、フリー強磁性層４の材料にＣｏＦｅを使用したこと以外は例１で説明したのと同様の条件でシミュレーションを行った。
【００８１】
図１０は、図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状を有し且つＣｏＦｅを磁性材料として使用したフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフである。図中、横軸はフリー強磁性層４の保磁力Ｈcを示しており、縦軸はその角型比Ｍr／Ｍsを示している。また、図中、“Ｎｏｒｍａｌ”は、フリー強磁性層４の平面形状が正方形である場合に得られたデータを示している。なお、図１０に対応したデータを以下の表３に示す。
【００８２】
【表３】
図１０及び表３から明らかなように、フリー強磁性層４の材料としてＣｏＦｅを使用した場合でも、ＮｉＦｅを使用した場合と同様の結果が得られた。すなわち、フリー強磁性層４に図５（ａ）乃至（ｄ）に示す平面形状を採用した場合、保磁力Ｈcの大幅な増大を伴うことなく角型比Ｍr／Ｍsを向上させることができ、また、第２部分４ｂの形状のばらつきに起因して保磁力Ｈcや角型比Ｍr／Ｍsが大きくばらつくことはなかった。
【００８４】
上記の例１乃至例３では、フリー強磁性層４の材料としてＮｉＦｅ及びＣｏＦｅを使用した場合について説明したが、フリー強磁性層４の材料はそれらに限られるものではない。例えば、フリー強磁性層４の材料として、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属やそれらの合金並びにＦｅ2Ｏ3やＬａＭｎＯ3などの酸化物磁性体などを使用することができる。また、フリー強磁性層４は単層構造を有していてもよく、積層構造を有していてもよい。フリー強磁性層４に積層構造を採用する場合、複数種の磁性層を積層してもよく、或いは、非磁性金属層や誘電体層或いは絶縁層と磁性層とを交互に積層してもよい。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、フリー強磁性層が所定の平面形状を有し且つその平面形状とフリー強磁性層の磁化容易軸或いはピン強磁性層の磁化の向きとが所定の関係を満足するように磁気抵抗効果素子を構成する。そのため、フリー強磁性層を小面積化しても、十分に大きな残留磁化が得られ、また、十分に弱い磁場でフリー強磁性層の磁化を反転させることができる。
すなわち、本発明によると、小面積化した場合においてもフリー強磁性層の残留磁化が十分に大きく且つ十分に弱い磁場でフリー強磁性層の磁化を反転させることが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す斜視図。
【図２】 参考例に係る磁気抵抗効果素子を概略的に示す斜視図。
【図３】 （ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を概略的に示す斜視図。
【図４】 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態及び参考例に係る磁気抵抗効果素子を利用した磁気ランダムアクセスメモリの例を概略的に示す等価回路図。
【図５】 （ａ）乃至（ｈ）は、例１でシミュレーションに利用したフリー強磁性層の平面形状を示す図。
【図６】 図５（ａ）に示す形状のフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフ。
【図７】 図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状のフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフ。
【図８】 （ａ）及び（ｂ）は、外部磁場を印加していないときのフリー強磁性層の磁区の様子を概略的に示す図。
【図９】 図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状を有し且つ磁化容易軸をｘ方向としたフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフ。
【図１０】 図５（ａ）乃至（ｈ）に示す形状を有し且つＣｏＦｅを磁性材料として使用したフリー強磁性層に関して得られたデータを示すグラフ。
【図１１】 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の例を概略的に示す平面図。
【図１２】 （ａ）は図１１の磁気抵抗効果素子における角度θと保磁力Ｈcとの関係の一例を示すグラフ、（ｂ）は図１１の磁気抵抗効果素子における角度θと角型比Ｍr／Ｍsとの関係の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
１…磁気抵抗効果素子、２…ピン強磁性層、３…非磁性層、４…フリー強磁性層、４ａ…第１部分、４ｂ…第２部分、４ｃ…第３部分、４ａ1，４ａ2…端面、５…反強磁性層、６…非磁性層、７…ピン強磁性層、８…磁化の向き、９…磁化容易軸、１１…ローデコーダ、１２…カラムデコーダ、１３…ワードライン、１４…ワードライン、１５…ビットライン、１６…ワードライン、１７…ビットライン、２０…トランジスタ、２１…ダイオード、３１〜３５…曲線、４１，４２…直線。
Claims (10)
- 磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン強磁性層と、前記第１ピン強磁性層に対向し且つ前記磁場の印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー強磁性層と、前記第１ピン強磁性層と前記フリー強磁性層との間に介在した第１非磁性層とを具備し、
前記フリー強磁性層のその主面に垂直な方向から観察した形状は、互いに平行な第１対辺と互いに平行な第２対辺とからなる四辺形状の第１部分及び前記四辺形状の第１部分の一対の対角部から前記第２対辺に平行な方向にそれぞれ延在し且つ前記第１対辺に平行な方向の最大幅が前記第１対辺の長さよりも狭い一対の第２部分のみを含み、
前記フリー強磁性層の前記主面に垂直な方向から観察した前記形状は、前記第１部分の中心を通り且つ前記第２対辺に平行な直線に関して非対称であり、
前記フリー強磁性層の磁化容易軸は、前記第２対辺に実質的に平行な第１方向、前記一対の第２部分の一方の輪郭と他方の輪郭とを結ぶ線分のうち最も長いものに実質的に平行な第２方向、または前記第１方向と前記第２方向との間であってこれらの方向が為す鋭角側の方向に平行であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 磁場印加の際に磁化の向きが維持される第１ピン強磁性層と、前記第１ピン強磁性層に対向し且つ前記磁場の印加の際に磁化の向きが変化し得るフリー強磁性層と、前記第１ピン強磁性層と前記フリー強磁性層との間に介在した第１非磁性層とを具備し、
前記フリー強磁性層のその主面に垂直な方向から観察した形状は、互いに平行な第１対辺と互いに平行な第２対辺とからなる四辺形状の第１部分及び前記四辺形状の第１部分の一対の対角部から前記第２対辺に平行な方向にそれぞれ延在し且つ前記第１対辺に平行な方向の最大幅が前記第１対辺の長さよりも狭い一対の第２部分のみを含み、
前記フリー強磁性層の前記主面に垂直な方向から観察した前記形状は、前記第１部分の中心を通り且つ前記第２対辺に平行な直線に関して非対称であり、
前記第１ピン強磁性層の前記磁化は、前記第２対辺に実質的に平行な第１方向、前記一対の第２部分の一方の輪郭と他方の輪郭とを結ぶ線分のうち最も長いものに実質的に平行な第２方向、または前記第１方向と前記第２方向との間であってこれらの方向が為す鋭角側の方向に平行であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記第１非磁性層は絶縁層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性層及び前記フリー強磁性層を介して前記第１ピン強磁性層に対向し且つ前記磁場の印加の際に磁化の向きが維持される第２ピン強磁性層と、前記フリー強磁性層と前記第２ピン強磁性層との間に介在した第２非磁性層とをさらに具備したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１及び第２非磁性層のそれぞれは絶縁層であることを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１部分は正方形または長方形の形状を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記一対の第２部分の一方は他方に対して、前記第１部分の中心を通り且つ前記フリー強磁性層の主面に垂直な軸を二回回転軸とした回転対称の関係にあることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記一対の第２部分のそれぞれは、三角形、半円形、正方形、及び長方形のいずれかの形状を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記フリー強磁性層の磁化容易軸または前記第１ピン強磁性層の前記磁化の向きは前記第２対辺に対して実質的に平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
- ワード線と、前記ワード線に交差したビット線と、前記ワード線と前記ビット線との交差部またはその近傍に位置したメモリセルとを具備し、前記メモリセルは請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を含んだことを特徴とする磁気メモリ。
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