JP4143020B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関し、特に記録磁界を低減する技術に関する。

近年、巨大磁気抵抗効果を示す強磁性トンネル接合素子を用いた磁気記憶装置に注目が集まっている。

強磁性トンネル接合素子は、主に第１の強磁性層／トンネル障壁層／第２の強磁性層の３層膜で構成され、トンネル障壁層を介して第１及び第２の強磁性層間にトンネル接合が形成され、第１及び第２の強磁性層間には両者への電圧印加に伴うトンネル電流が流れる。この場合、接合抵抗値は第１及び第２の強磁性層の磁化の相対角の余弦に比例して変化する。従って、抵抗値は第１及び第２の強磁性層の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。このような抵抗変化はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果と呼ばれている。例えば、最近の文献（非特許文献１）では、ＴＭＲ効果による抵抗値変化は室温において４９．７％にもなることが報告されている。

記憶装置に用いる強磁性トンネル接合素子では、第１または第２の強磁性層のうち、外部磁界が加わっても所定方向の磁化を保持する強磁性層を基準層（磁化固着層）とし、外部磁界が加わると磁化方向が回転する他の強磁性層を記憶層（磁化自由層）とすることができる。そして、この基準層と記憶層の磁化の方向が平行または反平行の状態をそれぞれ２進情報の“０”または“１”に対応づけることで、強磁性トンネル接合素子を、磁気情報の記憶セルとして用いることが可能となる。

磁気情報の書き込みは、この記憶セルの近傍に設けられた書き込み配線に電流を流し、発生する電流磁場によって記憶層の磁化を反転させることで達成できる。

また、書き込まれた磁気情報の読み出しは、強磁性トンネル接合素子にトンネル電流（センス電流）を流し、ＴＭＲ効果による抵抗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集積化された磁気記憶装置（ＭＲＡＭ）が構成される。

集積化されたＭＲＡＭは、多数並置された任意のセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭなどと同様に、各記憶セルに強磁性トンネル接合素子と直列接続するスイッチングトランジスタを配置し、この記憶セルに接続する行方向に伸びるビット線、列方向に伸びるワード線などを配線し、さらにこれらの配線の電流／印加電圧などを制御する周辺回路を記憶セル領域の行列方向端に組み込んで構成される。また、スイッチングトランジスタに替えてダイオードと強磁性トンネル接合素子を用いて記憶セルとする例も提案されている（特許文献１または２参照）。

さて、磁気記憶装置の高集積化を考えると、強磁性トンネル接合素子の面積を小さくする必要がある。従って、素子を構成する強磁性層の平面積も必然的に小さくなるが、一般に、強磁性層の面積を小さくするとその保磁力は大きくなる。この保磁力の大きさは、記憶層の磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさに比例し、従って、平面積の減少はスイッチング磁場の増大を意味する。

また、平面積とともに磁化自由層の体積も小さくなるが、記録後の磁化の向きを一方向に保つエネルギー（磁気異方性エネルギー）がそれに比例して小さくなるので、室温の熱揺らぎエネルギーと同等になってしまう。このような状態になると、記録した情報が不安定になる、いわゆる熱揺らぎ問題が起こってくる。この熱揺らぎ問題を解決するためには、磁化自由層の磁気異方性エネルギーを大きくする必要があるが、その結果、やはり保磁力は大きくなる。

以上のように、高密度化にともない、情報を書き込む際には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、消費電力の増加という好ましくない結果をもたらす。従って、磁化自由層の本質的な磁気異方性エネルギーを減らさずに、電流磁界による実効的な保磁力（書き込み磁界）を低減することは高集積化磁気記憶装置の実用化において重要な課題である。

この課題を解決するために、強磁性記憶層として、二つの強磁性層と、これらの間に介在する非磁性層を備える多層膜であって、二つの強磁性層が反強磁性結合している多層膜を用いる構造が提案されている（特許文献３参照）。この多層膜の二つの強磁性層は、その磁気モーメントまたは厚さが異なっており、反強磁性的結合により磁化が逆方向をむいている。このため、互いの磁化が実効的に相殺され、記憶層全体としては磁化容易軸方向に小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。この記憶層のもつ小さな磁化の向きと逆向きの外部磁場が印加されると、各強磁性層の磁化は反強磁性結合を保ったまま反転する。この際、磁力線が閉じていることから反磁場の影響が小さく、記録層のスイッチング磁場は各強磁性層の保磁力により決まるため、小さなスイッチング磁場での磁化反転が可能になる。しかし、この構成では形状磁気異方性の低減に基づく保磁力の低減であるので、上述の熱揺らぎ問題に対しては解決策とはならない。
Appl. Phys. Lett. 77, 283 (2000) 米国特許第５，６４０，３４３号明細書 米国特許第５，６５０，９５８号明細書 米国特許第５，９５３，２４８号明細書

本発明の目的は、熱揺らぎ耐性が高く、かつ磁化自由層の実効的なスイッチング磁場の低い磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することにある。

本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層／トンネル障壁層／第２の強磁性層の３層構造を含む強磁性トンネル接合を有し、前記第１の強磁性層は前記第２の強磁性層よりも保磁力が大きく、前記２つの強磁性層の磁化の相対的角度によりトンネルコンダクタンスが変化する磁気抵抗効果素子であって、前記第１および第２の強磁性層の磁気異方性が膜面内に向き、前記第２の強磁性層の２つの端部の磁化が膜面垂直方向成分を持つ方向に固着されていることを特徴とする。

本発明のさらに他の態様に係る磁気メモリは、第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の配線の上方において、前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられた、上述した磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の選択手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、磁化自由層の実効的なスイッチング磁場の低い磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することが可能となり、さらに、素子の高密度化にともなう熱揺らぎ問題を解決することが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子および磁気メモリについてより詳細に説明する。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層／トンネル障壁層／第２の強磁性層の３層構造を含む強磁性トンネル接合を有する。

第１の強磁性層は所定の外部磁場下において磁化の方向が実質的に変わらない磁化固着層である。ここで、所定の外部磁場とは、第２の強磁性層（磁化自由層または記憶層）の磁化が変化する程度の外部磁場をさす。第１の強磁性層の磁化固着は、第２の強磁性層よりも保磁力の強い強磁性材料を用いることで得ることができる。また、第１の強磁性層の磁化固着は、第１の強磁性層に隣接して設置された強磁性層もしくは反強磁性層からの交換結合、または隣接する保磁力の大きい強磁性層からの漏れ磁界（静磁結合）を利用して得ることもできる。

第１および第２の強磁性層には、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか１種、及びこれらの層を含む積層膜、これらを含む合金からなる層などのほか、周知の強磁性材料を用いることができる。各強磁性層の好ましい膜厚は１〜１０ｎｍである。

第１の強磁性層の磁化を固着する反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＮｉＭｎ、ＮｉＯなどを用いることができる。

トンネル障壁層としては、例えばＡｌ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｓｉ−Ｎなどの周知の非磁性誘電体材料を用いることができる。また、トンネル障壁層は、第１および／または第２の強磁性層の表面を酸化などによって改質させたものでもよい。トンネル障壁層の好ましい膜厚は０．５〜３ｎｍである。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を構成する各種の薄膜は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、蒸着法など通常の薄膜形成方法により形成することができる。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、第２の強磁性層（磁化自由層）の上にさらにトンネル障壁層および磁化固着層を積層した、いわゆる２重接合トンネル素子をも含む。

本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気記憶装置に適用でき、こうした磁気記録装置はさらに携帯電話などの携帯端末装置に搭載することもできる。本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッドおよびこの磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置に適用することもできる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。図１では、第１の強磁性層（磁化固着層）１１、トンネル障壁層１２、および第２の強磁性層（磁化自由層）１３の３層構造を含む強磁性トンネル接合を示している。第２の強磁性層（磁化自由層）１３は、磁気記憶装置の記憶セルでは記憶層、磁気ヘッドではフリー層などと称される。図１において、Ｈxは記録を行う際の外部磁界の印加方向を示し、Ｉは記録情報の再生時に流すセンス電流の向きを示す。また、第１の強磁性層１１および第２の強磁性層１３の矢印は、磁気モーメントの向きを示す。

本発明の第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、図１に示すように、磁化自由層１３の端部の磁化が磁化自由層１３の磁化容易軸方向と直交する成分を持つ方向に固着されている。ここで、磁化自由層１３の磁化容易軸方向は、磁化自由層１３の中央部の磁化の向きで知ることができる。なお、磁化自由層１３の端部とは磁化自由層１３の端から見て磁化自由層１３の全幅のおおよそ５〜２０％の長さを持つ部分を指し、磁化自由層１３の中央部とは前記端部を除く磁化自由層１３の全幅のおおよそ９５〜６０％の長さを持つ部分を指す。

図１では、わかりやすいように、磁化自由層１３の端部の磁化を膜面に垂直な方向に固着させているが、紙面に垂直な方向に固着させてもよい。また、図１では、わかりやすいように、対向する２つの端部の磁化を固着させているが、本発明に係る磁気抵抗効果素子の機能を発現するのには、磁化が固着される端部は矩形の磁化自由層のいずれか一辺（一個所）であれば充分である。なお、磁化を固着させた端部を複数設けた方が実効保磁力を低減する効果があるので好ましいが、素子構造が複雑化し、製造コストが増加する欠点がある。なお、端部における着磁方向は磁化自由層の磁気異方性の向きと完全に直交する必要はなく、直交する成分を有していればよい。

磁化自由層１３の端部の磁化を固着させるには、その部分だけ異なる向きの異方性を有するように、構成元素を変える、組成を変える、物理構造（界面の粗さ、密度）などの特性を変化させる方法を用いることができる。また、図２に模式的に示すように、磁化自由層１３の端部に隣接して、磁化自由層１３よりも保磁力の大きな物質からなる端部ピニング層２１を、交換結合を及ぼすように設置してもよい。端部ピニング層２１には、保磁力の大きな物質として、磁化固着層の固着に用いられるのと同様の反強磁性体を用いることもできる。

この磁気抵抗効果素子は、基板（図示せず）の表面に層間絶縁膜（図示せず）を介して形成された下部電極（図示せず）を備える。この磁気抵抗効果素子をトランジスタやダイオードなどの半導体素子と混載して磁気記憶装置に用いる場合には、基板材料として単結晶シリコンなどの半導体基板材料を用いることができる。この磁気抵抗効果素子を磁気ヘッドなどに用いる場合は、基板材料としてアルチック基板などの非磁性絶縁性基板を用いることができる。また、下部電極の下地には、この上層に形成される強磁性層などの結晶配向性を高めるために、周知の材料を用いることができる。

記録情報の再生（読み出し）時には、トンネル障壁層１２を介して磁化自由層１３と磁化固着層１１間にトンネル電流が流れる。このトンネル電流の値は磁化自由層および磁化固着層の磁化がなす相対角の余弦に比例し、相対角が反平行の状態でトンネル電流は最小値を、平行の状態でトンネル電流は最大値をとる。従って、この強磁性トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子に一定電圧を印加した時のトンネル電流量の変動、または一定電流を付与した時の電位変動を読むことで、この磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁気モーメントの向き（記録情報）に応じた抵抗変化を読み出すことができる。

所望の情報を記録（書き込み）する際には、磁化自由層１３に矢印Ｈxで示した方向の成分を持つ磁界を印加する。この磁界はビット線とワード線が発生する漏洩磁界によるものでもよいし、磁界コイルなどの磁界発生手段を用いて発生させてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の作用を以下に説明する。ＭＲＡＭなどで用いられる通常の磁気抵抗効果素子では、磁化自由層１３の端部は中央部とおおむね同じ向きの磁化を持つ。したがって、情報の記録の際に磁化自由層１３を磁化反転させるためには、まず局所的に磁気異方性の小さな部分に磁化反転の「核」を生成させ、そこから磁壁の移動を介して磁化自由層全体に逆向きの磁化を形成させる。一般には、反転核生成のエネルギーが磁壁の移動のエネルギーよりも大きいため、この記録過程に必要なエネルギー（外部印加磁界）は核生成のためのエネルギーとなる。

本発明の第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、磁化自由層１３の端部の磁化がその磁気異方性の方向と直交する方向に固着されている。このため、図１に示すように、磁化自由層１３内部の磁化の向きは、端部から徐々に本来持っている磁気異方性の向きに変化する形態をとる。詳細な磁化反転シミュレーションの結果、この形態の磁化自由層１３を磁化反転させるエネルギーは、端部の磁化が固着されていないものよりも小さいことがわかった。５５０ｎｍ×２５０ｎｍ×５ｎｍのパーマロイからなる磁化自由層の磁化反転をマイクロマグネティクスシミュレーション（ＬＬＧ方程式を時間展開で数値計算により解く方法）によって調べた。その結果、端部の磁化を固着させていない通常の磁化自由層の場合には保磁力が３１８Ｏｅであったが、短辺の両端の磁化を膜面直方向に固着した磁化自由層では保磁力が１３７Ｏｅに低下した。この理由ははっきりしないが、端部の磁化状態が磁化反転核形成にとって都合がよく、ほぼ磁壁移動のためのエネルギーだけで磁化反転ができるためであると思われる。

ところで、磁化自由層のサイズが小さくなる場合、例えば短辺の幅が数ミクロンからサブミクロン程度になると、反磁場の影響によって端部に磁性体（磁化自由層）の中央部とは異なる磁気構造が生じることが知られている。このような端部の磁気的構造は、エッジドメインと呼ばれている（例えば、 J. App. Phys. 81, 5471 (1997) 参照）。このような磁気構造では、磁化領域の中央部においては磁気異方性に従う方向に磁化が生じ、両端部においては中央部と異なる方向に磁化が生じる。このため、磁化反転における磁気的構造パターンの変化が複雑になり、その結果、保磁力が大きくなる。このような複雑な磁気的構造の変化が生じることをできるだけ防ぐ方法として、エッジドメインを固定することが考えられている（米国特許第５，７４８，５２４号明細書、特開２０００−１００１５３号公報）。これらの方法によれば、磁化反転の際の挙動を制御できるが、スイッチング磁場の低減は困難となる。これらの技術的思想は、不可避的に発生するエッジドメインをできる限りなくそうとするものである。しかし、本発明は、これらとは逆の技術的思想を持つものであり、実効保磁力を低下させるようにエッジドメインを制御する構造である。

本発明の第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、前記第１および第２の強磁性層の磁気異方性が膜面内に向き、前記第２の強磁性層の端部の磁化が膜面垂直方向成分を持っていてもよいし、膜面内方向成分を持っていてもよい。なお、第２の強磁性層の互いに対向する２つの端部の磁化が固着されている場合、２つの端部の磁化は平行になっていてもよいし、反平行になっていてもよい。

実際に、端部の磁化を種々の方向に固着させた磁化自由層を用意し、上述と同様のマイクロマグネティクスシミュレーションを行った。その結果、端部の磁化の固着方向は磁化自由層の磁気異方性の方向と直交してさえいれば、膜面内であっても膜面垂直方向であっても、平行であっても反平行であってもよいことがわかった。計算結果の一例を示す。上述したように、５５０ｎｍ×２５０ｎｍ×５ｎｍの保磁力が３１８Ｏｅであるパーマロイを基準として評価した。これに対して、このパーマロイの短辺両端部の磁化を固着する仕方に応じて保磁力は以下のようになった。すなわち、膜面垂直方向に平行に固着した場合には１３７Ｏｅ、膜面垂直方向に反平行に固着した場合には１４５Ｏｅ、膜面内方向に平行に固着した場合には１１８Ｏｅ、膜面内方向に反平行に固着した場合には１５０Ｏｅであり、いずれの場合でも実効保磁力を低減させる効果があった。反平行固着の場合には、この磁化構造にするために余分なプロセスまたは固着部の微調整が必要であるので、コストが増加する欠点があるが、漏洩磁界が閉じるのでエネルギー的に安定である利点がある。固着方向を膜面内方向にするか膜面垂直方向にするかは、固着を行う方法、磁気抵抗効果素子の材料、またはそれを用いるシステムの要求性能によって決定される。いずれの組み合わせでも本発明の効果を期待できる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図である。図３も、図１と同様に、第１の強磁性層（磁化固着層）１１、トンネル障壁層１２、および第２の強磁性層（磁化自由層）１３の３層構造を含む強磁性トンネル接合を示しており、矢印の意味も図１と同じである。

本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、図３に示すように、磁化自由層１３の両端部の磁化が、磁化自由層１３の磁化容易軸方向と同じ向きで互いに反平行に固着されており、両端部の磁化の向きは常に反平行である。したがって、図３の例において、磁化自由層が右（左）向きに記録されている場合には、突合せの磁化がある幅を持って緩和される領域である磁壁３１が右（左）側に形成される。この磁気抵抗効果素子の場合には、磁化自由層１３は磁化反転するというよりも、磁壁３１が左右に移動することで記録が行われることになる。上述したように、磁化反転核形成よりも磁壁移動の方が低いエネルギーで起こすことができるので、実効保磁力（実際には磁壁の左右の移動磁界）を低減することができる。上述と同様のマイクロマグネティクスシミュレーションを行った結果、保磁力は３１８Ｏｅから１１２Ｏｅへと低下した。

本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、第２の強磁性層の中央部と端部（磁化固着部分）との間に磁壁抗磁力の大きい磁壁トラップを設けてもよい。図４に、磁壁トラップを設けた第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面図を示す。図４に示されるように、磁化自由層１３の中央部と端部との間に磁壁トラップ４１が設けられている。磁壁トラップは磁壁抗磁力（磁壁を動かすのに必要な磁界の強さ）が大きい部分であれば特に限定されない。図４の素子では、磁壁の移動が磁壁トラップ４１である程度制限されるため、両側からの圧力（磁化を逆向きに曲げようとする力）が磁壁トラップ４１に集中し、結果として磁壁の幅が磁壁トラップ４１近傍に集中して狭くなる。図４ではこのことを模式的に示すために、図３で示した磁化の向きの遷移領域を省略している。実際には、磁化の向きが距離に対して急峻に変化する領域が磁壁トラップ４１近傍に存在する。また、磁化を逆向きに曲げようとする圧力の作用しない左側では、磁壁トラップ４１があってもそこでは磁化構造の変化は何も起こらない。

図４の構成を有する磁気抵抗効果素子では、記録状態の読み出し（ＴＭＲ再生）の効率が向上する。すなわち、磁壁が狭くなるためにＴＭＲ効果を受けるトンネル電流の通り道が広くなり、大きな抵抗変化が得られる。しかし、磁壁トラップ４１を形成することから素子のコストは増加する。

上述のように、磁壁トラップ４１は磁壁抗磁力が大きい部分であれば特に限定されない。磁壁トラップ４１の幅は、素子サイズと充分なＴＭＲを得るのに必要なトンネルジャンクション面積によって制限されるが、磁壁トラップがない場合の磁壁の幅（一般に√Ａ／Ｋｕで表される。Ａは交換スティフネス定数、Ｋｕは磁気異方性エネルギー密度）よりも狭く、かつ１ｎｍよりも広ければよい。

磁壁トラップは、エッチングなどによって、磁化自由層の厚さを局所的に薄くすることで形成してもよいし、単にその部分の表面粗さを変化させることでも形成できる。磁壁トラップの部分だけ、イオン打ち込みやエッチングなどによって組成を変調させることでも形成できる。磁壁トラップの部分だけ、イオン打ち込みやエッチングなどによって欠陥を導入するか、または密度を変化させることでも形成できる。

磁壁トラップ内では、飽和磁化、磁気異方性エネルギー、密度などの物性値が一定である必要はない。磁壁抗磁力が大きくなることが目的であるからである。磁壁抗磁力の違いは、たとえばＭＦＭ、スピンＳＥＭ、ローレンツＴＥＭなどの磁区観察手段を用いて磁区（その端部が磁壁である）を特定し、それが動く外部磁界の強さを知ることで推定できる。

磁壁抗磁力および磁壁トラップの機能は、ＶＳＭなどで測定できるヒステリシスループからも知ることができる。その例を図５に示す。図５はヒステリシスループの模式図である。通常のヒステリシスループにおけるＨｃに相当するところは、磁壁がトラップから外れる（ｄｅ−ｐｉｎｎｉｎｇする）磁界であり、左右のトラップの違いからＨ＝０の軸に対して対称とならない場合もある。しかし、磁壁がトラップされる位置は常に同じなので、何度測定してもＨｃの値や残留磁化Ｍｒの値に変化はない。

一方、図３に示す、磁壁トラップのない磁化自由層の場合、磁壁は磁化自由層の中のわずかな磁気特性の変化に応じた場所でピン止めされることになり、ヒステリシスループは図６に示すような多段の形態になりやすい。しかも、磁壁ピン止めはポテンシャルエネルギー差がわずかであり、毎回同じ場所で起こると限らないので、多段ループの変化点の再現性は小さい。また、磁壁がステップ的にピン止めされない場合には、多段ループの極限として、磁化がなだらかに変化する場合もありうる。以上説明したヒステリシスループは磁気抵抗効果素子の磁化状態を反映したものであり、同様に素子の磁化状態を反映する磁気抵抗特性（磁界−磁気抵抗曲線）においても同様な評価を行うことができることを付記しておく。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構造には、種々の変形例が考えられる。
例えば、図７に示す磁気抵抗効果素子のように、第２の強磁性層（磁化自由層）１３の面積が第１の強磁性層（磁化固着層）１１およびトンネル障壁層１２の面積よりも大きく、第２の強磁性層（磁化自由層）１３がはみ出している部分に端部ピニング層２１を積層してもよい。端部ピニング層２１を構成する材料は上述したものと同様であり、保磁力の大きな強磁性層または反強磁性層である。なお、図７では端部ピニング層２１は磁化自由層１３の上に設けているが、磁化自由層１３の下（磁化固着層側）に設けてもよい。図７の構造では、図２の場合に比べて、磁化自由層１３の端部の磁化固着が端部ピニング層２１と接する界面を介して行われるために、より強い固着力が得られる。また、磁化固着層１１−トンネル障壁層１２のほぼ全面をトンネル接合として使うことができるので、より大きな再生出力（読み出し出力）が得られる。

膜面垂直方向に磁化を固着するための端部ピニング層材料としては、大きな垂直磁気異方性を示しやすいＣｏ、Ｃｒ、Ｐｔを含む強磁性合金薄膜、２ｎｍ以下のＣｏ薄膜とＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、などの貴金属薄膜を繰り返し積層したいわゆる人工格子薄膜（反強磁性膜、フェリ磁性膜を含む）、または光磁気記録媒体に用いられている希土類＝遷移金属アモルファス合金薄膜（フェリ磁性薄膜）などを用いることができる。膜面内方向に磁化を固着するための端部ピニング層材料としては、上述した反強磁性材料を用い、磁界中アニールで所望の方向に磁気異方性を向かせたものを用いることができる。

また、図８に示すように、磁化自由層１３の端部をテーパ形状にして、そのテーパ部で交換結合が作用するように端部ピニング層２１を積層してもよい。この構造では、膜厚方向の素子高さを低くすることが可能になる。また、端部ピニング層２１と磁化自由層１３との接触面積が広くなるために、より強い固着力が得られるようになる。磁化自由層１３の端部のテーパはどの向きであってもよく、製造プロセスやシステム要求に応じて決定される。

本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子では、図９に示すように、トンネル電流を流すための電極に加えて、第２の強磁性層１３の一方の端部から他方の端部へ電流を流す端子部を設けてもよい。この磁気抵抗効果素子では、磁壁３１を有する磁化自由層１３に対して右方向または左方向に電流を流すことができる。

近年の研究により、磁性薄膜の磁化反転をスピントルクによって起こすことができることがわかってきた。具体的には、一方向に磁化された磁性体中を電子が流れると、電子のスピンはその磁化方向に向いた成分が多い、いわゆるスピン偏極電子となる。スピン偏極電子がそれと逆向きに磁化された第２の磁性体に注入されると、第２の磁性体のスピンはそれを回転させようとするトルクを受け、トルク総量が大きい場合には磁化反転する、というものである。この現象を起こすには、注入する電子量は１０⁷Ａ／ｃｍ²オーダの大きな値が必要である。また、この電流密度は反転しようとする磁性体の磁気異方性エネルギーにも比例すると考えられているため、熱揺らぎを受けない磁気抵抗効果素子にこの原理をそのまま適用するのは困難であると思われる。

ところで、同様のメカニズムによって、磁性細線中の磁壁が移動することも報告されている。上述したように、磁化反転核の形成が不要な分だけ磁壁移動のエネルギーは少なくてすむと思われるが、磁壁を移動させるのに必要な電流密度の定量的な見積もりは報告されていない。本発明者らは、マイクロマグネティクスシミュレーションと実験により、比較的低い電流密度で磁壁の移動が可能であることを見出し、それを磁気抵抗効果素子に効果的に応用できる構造を考案した。すなわち、磁化自由層の磁化反転を磁壁の移動に置き換えるようにし、磁壁の移動をスピン偏極した電子の注入によって行うようにする。

まず、スピン偏極した電子を生成する。そのために、図９に示すように、磁化自由層１３の両端部の磁化は、磁化自由層１３の磁化容易軸方向と同じ向きで互いに反平行に固着されている。こうした構造では、たとえば図９において右から左に電子を流すことによって、磁壁３１に対して左に動かすトルク（圧力）を発生させることができる。電子を流す向きを逆にすると、逆向きのトルクを発生させることができる。磁化自由層１３の両端部が反平行に固着されているために、電子を流す向きのみで圧力の発生方向を制御することができる。したがって、記録信号源９１として、記録（書き込み）すべき情報に従って正または負のパルスを発生する回路を設ける。印加する電流密度は磁壁３１が移動して磁化自由層１３の反対側の端部に達する程度に設定する。

また、図４に示すように磁壁トラップ４１を設けた磁気抵抗効果素子において、第２の強磁性層１３の一方の端部から他方の端部へ電流を流す端子部を設けてもよい。このような素子では、より安定した書き込みと大きな再生出力を両立させることができる。さらに、図７または図８に示した端部ピニング層の積層構造をとることも可能である。

また、書き込みのために、通常のＭＲＡＭで用いられているような、電流線からの漏洩磁界と、上述したスピン偏極電子の注入とを組み合わせてもよい。この場合、消費電力を低く抑えることができるが、素子構造が複雑になって素子の製造コストが増加する。

図１０は、本発明の一実施形態に係る磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の記憶セルの構成を示す斜視図である。図１０において、選択トランジスタ１０３はワードライン（ＷＬ１）１０２によって選択されるとソース／ドレイン配線１０１がＯＮになる。この選択トランジスタ１０３上に、配線１０４を介して本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０５が設けられている。磁気抵抗効果素子１０５は、ワードライン（ＷＬ２）１０６およびそれと交差する方向に延びるビットライン（ＢＬ）１０７にはさまれて設置され、ビットライン１０７は磁気抵抗効果素子１０５に接続されている。

磁気抵抗効果素子１０５への書き込み動作は、ワードライン（ＷＬ２）１０６とビットライン１０７に書き込み電流を流して電流磁界を発生させ、両者の合成磁界により磁気抵抗効果素子１０５の磁化自由層の磁化を反転させることにより行われる。読み出し動作は、選択トランジスタ１０３をオンし、磁気抵抗効果素子１０５にセンス電流を流して磁気抵抗変化を測定することにより行われる。

図１１は、本発明の他の実施形態に係る磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の記憶セルの構成を示す斜視図である。このＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を流す配線と、その配線の選択手段に加えて、磁気抵抗効果素子の第２の強磁性層の一方の端部から他方の端部へ電流を流す配線と、その配線の選択手段とを有する。ソース／ドレイン配線１０１、ワードライン（ＷＬ１）１０２、選択トランジスタ１０３、配線１０４、磁気抵抗効果素子１０５、ビットライン１０７の基本構成および動作は図１０のＭＲＡＭと同様である。図１１には、磁気抵抗効果素子１０５の磁化自由層１０９と磁化固着層１０８とを示している。本実施形態においては、この構成に加えて、磁気抵抗効果素子１０５の磁化自由層１０９の一方の端部に、第２の選択トランジスタ１１２を介して電流パルスを導入するワードライン（ＷＬ２）１１０が接続されており、磁化自由層１０９の他方の端部に向かって矢印１１１の方向に電流が流れるようになっている。第２の選択トランジスタ１１２にはビットライン１０７が接続されている。

磁気抵抗効果素子１０５への書き込み動作は、ビットライン１０７により第２の選択トランジスタ１１２をＯＮにし、ワードライン（ＷＬ２）１１０に印加されているパルス電流を磁気抵抗効果素子１０５の磁化自由層１０９に矢印１１１の向きに導入することにより行われる。パルス電流の磁化自由層１０９が磁化反転する強度に設定される。読み出し動作は、図１０の場合と同様に、選択トランジスタ１０３をＯＮし、磁気抵抗効果素子１０５にセンス電流を流して磁気抵抗変化を測定することにより行われる。

（実施例）
以下、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
図１に示す構造の強磁性トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を作製した。マグネトロンスパッタ装置を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上に、下地層として１０ｎｍのＴａと１０ｎｍのＮｉＦｅを順次堆積した。その上に、１２ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層と３ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる第１の強磁性層１１（あわせて磁化固着層として機能する）を順次積層した。その上に、１．５ｎｍのＡｌ−Ｏからなるトンネル障壁層１２を積層した。さらにその上に、５ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層１３（磁化自由層）を順次積層した。

全ての膜は真空を破ることなく形成した。トンネル障壁層を構成するＡｌ−Ｏは、Ａｌ金属をスパッタした後、プラズマ酸化することにより形成した。ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による観察では、膜質はｎｍオーダでは均質ではなく、化学量論組成となっているかどうか不明であったため、Ａｌ−Ｏという表記を用いている。なお、下地層、反強磁性層および第１の強磁性層は１００μｍ幅の下部配線形状の開口を有するマスクを通して成膜した。トンネル障壁層に変換されるＡｌは接合部形状の開口を有するマスクを通して成膜した。トンネル障壁層より上部の各層は下部配線に直交する方向に延びる１００μｍ幅の上部配線形状の開口を有するマスクを通して成膜した。これらのマスクは工程の途中で真空チャンバー内において交換した。別のマスクを用いて、トンネル接合部を接合面積１×１μｍ²のサイズにまで小さくした。また、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して、膜面内に一軸異方性を導入した。

磁化自由層の成膜後に、真空中でＦＩＢ（Focused Ion Beam）法を用いて、磁化自由層の対向する２つの端部にＧａイオンを照射した。ＦＩＢ処理によりイオンが照射された部分で磁気特性が変化し、弱い垂直磁気異方性を示すようになった。この試料に対して、試料振動型磁力計（ＶＳＭ）を用いて磁化曲線を測定したところ、膜面内方向、膜面垂直方向ともに残留磁化が観察されたことから、このことが確認された。

このようにして作製した磁気抵抗効果素子１０個について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定し、平均的な特性を調べた。その結果、約２２Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。ＦＩＢ処理していないときのスイッチング磁界が約２５Ｏｅであるのと比べ、磁化自由層の実効的な保磁力が減少していることがわかる。

（実施例２）
（実施例１）と同様の構造を有するが、ＦＩＢ照射領域を１つの端部のみとした素子１０個について磁気抵抗評価を行った。その結果、スイッチング磁界は約２４Ｏｅと、わずかではあるが実効保磁力の低減効果が得られることがわかった。ＦＩＢ処理を１個所だけ行えばよいので製造コストを下げることができる反面、実効保磁力の低減効果は小さい。

（実施例３）
磁化自由層の固着をより強固にすることを目的として、図２に示す構造の強磁性トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を作製した。（実施例１）と同様の製造工程を採用し、磁化自由層の形成後に、磁化自由層の端部に隣接する部分のみに開口を有するマスクを用いて、［Ｐｔ ０．６ｎｍ／Ｃｏ ０．３ｎｍ］₅からなる人工格子薄膜を端部ピニング層２１として積層した。［Ｐｔ ０．６ｎｍ／Ｃｏ ０．３ｎｍ］₅とは、Ｐｔ ０．６ｎｍ／Ｃｏ ０．３ｎｍの組を５回繰り返して積層したものである。ＶＳＭ測定の結果、端部ピニング層２１から生じると推定される量より多い垂直方向の残留磁化が確認され、磁化自由層１３が隣接する端部ピニング層２１と交換結合しており、端部が垂直方向に固着されていることがわかった。また、垂直方向の保磁力は１０００Ｏｅであり、磁化自由層１３の保磁力よりもはるかに大きい。

磁気抵抗を調べる前に膜面垂直方向に１０ｋＯｅの磁界を印加し、両端部の端部ピニング層２１を平行な向きに着磁した。このようにして作製した磁気抵抗効果素子１０個について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定し、平均的な特性を調べた。図１２に、この素子の印加磁界−磁気抵抗比の変化を模式的に示す。約１７Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。通常の素子における約２５Ｏｅのスイッチング磁界との対比から、磁化自由層１３の実効的な保磁力が約８Ｏｅ減少したことがわかった。また、角形比が向上しており、再生出力信号の安定性も向上した。

（実施例４）
（実施例３）の素子から磁化自由層の対向する２つの端部を膜面垂直方向で互いに反平行に着磁させた磁気抵抗効果素子を作製した。（実施例３）の素子に対し、磁化自由層の両端に隣接する端部ピニング層の一方のみにさらに弱いエネルギーのＧａイオン照射（ＦＩＢ処理）を行った。このＦＩＢ処理を行った端部ピニング層は垂直磁気異方性が減少し、左右の端部ピニング層で保磁力に差が生じた。膜面垂直方向のヒステリシスループをＶＳＭで調べたところ、図１３のようになった。二段ループとなっているのは、両端の端部ピニング層の保磁力の違いが現れたためである。Ｈｃ₁、Ｈｃ₂がそれぞれの端部ピニング層の保磁力である。このようにして作製した１０個の素子についてそれぞれの端部ピニング層の保磁力を見積もった。その結果、すべての素子について、８００Ｏｅ以上の印加磁界で一方の端部ピニング層のみが磁化反転し、１５００Ｏｅ以上の印加磁界で両方の端部ピニング層が磁化反転することがわかった。そこで、まず膜面垂直方向に１０ｋＯｅの磁界を印加して両方の端部ピニング層を垂直方向に着磁した後、逆向きに１０００Ｏｅの磁界を印加して一方の端部ピニング層のみを逆方向に磁化反転させ、隣接する２つの端部ピニング層の磁化が反平行に向く状態にした。このようにして作製した磁気抵抗効果素子１０個について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定し、平均的な特性を調べた。印加磁界−磁気抵抗比曲線は図１２のようになり、約１９Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。通常の素子における約２５Ｏｅのスイッチング磁界との対比から、磁化自由層１３の実効的な保磁力が約６Ｏｅ減少したことがわかった。

（実施例５）
磁化自由層に隣接する端部ピニング層として面内磁化のＰｔＭｎを用いたこと以外は（実施例３）と同様にして磁気抵抗効果素子を作製した。磁化固着層１１の磁化を固着するＩｒＭｎ反強磁性層と、磁化自由層１３の端部の磁化を固着するＰｔＭｎ反強磁性端部ピニング層とのブロッキング温度の違いを利用し、ＩｒＭｎの磁気異方性の軸とＰｔＭｎの磁気異方性の軸とが、膜面内方向でそれぞれ直交するように磁場中アニール処理を施した。図１４に磁化自由層１３とＰｔＭｎ反強磁性端部ピニング層２１の着磁状態を模式的に示す。この図は素子の上部から見た平面図であり、説明のために磁化固着層とそれに隣接する端部ピニング層のみを抜き出して示しており、矢印は各層の磁気異方性の軸の向きである。

このようにして作製した磁気抵抗効果素子１０個について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定し、平均的な特性を調べた。その結果、図１２と同様の角形のよい印加磁界−磁気抵抗比曲線が得られ、約２０Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。通常の素子における約２５Ｏｅのスイッチング磁界との対比から、磁化自由層１３の実効的な保磁力が約５Ｏｅ減少したことがわかった。

（実施例６）
（実施例５）の素子から磁化自由層の対向する２つの端部を膜面内方向で互いに反平行に着磁させた磁気抵抗効果素子を作製した。（実施例５）の素子に対し、磁化自由層に隣接する端部ピニング層の一方のみに弱いエネルギーのＧａイオン照射（ＦＩＢ処理）を行った。（実施例４）と同様の評価により、作製した１０個の素子すべてについて、１００Ｏｅ以上の印加磁界で一方の端部ピニング層のみが磁化反転し、５００Ｏｅ以上の印加磁界で両方の端部ピニング層が磁化反転することがわかった。そこで、まず膜面内の一方向に１ｋＯｅの磁界を印加して、両方の端部ピニング層を着磁した後、逆向きに２００Ｏｅの磁界を印加し、一方の端部ピニング層のみを逆方向に磁化反転させ、磁化自由層に隣接する２つの端部ピニング層の磁化が反平行に向く状態にした。このようにして作製した磁気抵抗効果素子１０個について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定し、平均的な特性を調べた。印加磁界−磁気抵抗比曲線は図１２のようになり、約２２Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。通常の素子における約２５Ｏｅのスイッチング磁界との対比から、磁化自由層１３の実効的な保磁力が約３Ｏｅ減少したことがわかった。

（実施例７）
図３に示す構造の強磁性トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を作製した。マグネトロンスパッタ装置を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上に、Ｔａ １０ｎｍ／ＮｉＦｅ １０ｎｍからなる下地層、１２ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層、３ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる第１の強磁性層（磁化固着層）、１．５ｎｍのＡｌ−Ｓｉ−Ｏからなるトンネル障壁層、２ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層（磁化自由層）を順次積層した。

全ての膜は真空を破ることなく形成した。トンネル障壁層を構成するＡｌ―Ｓｉ−Ｏは、ＳｉＡｌ合金（混合物）をスパッタ成膜した後、プラズマ酸化することにより形成した。ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による観察では、膜質はｎｍオーダでは均質ではなく、化学量論組成となっているかどうか不明であったため、Ａｌ−Ｓｉ−Ｏという表記を用いている。なお、下地層、反強磁性層および第１の強磁性層は１００μｍ幅の下部配線形状の開口を有するマスクを通して成膜した。トンネル障壁層に変換されるＳｉＡｌは接合部形状の開口を有するマスクを通して成膜した。トンネル障壁層より上部の各層は下部配線に直交する方向に延びる１００μｍ幅の上部配線形状の開口を有するマスクを通して成膜した。これらのマスクは工程の途中で真空チャンバー内において交換した。別のマスクを用いて、トンネル接合部を接合面積１×１μｍ²のサイズにまで小さくした。また、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して、膜面内に一軸異方性を導入した。

磁化自由層の成膜後に、真空中でＦＩＢ（Focused Ion Beam）法を用いて、磁化自由層の対向する２つの端部にＣｓイオンを照射した。ＦＩＢ処理によりイオンが照射された部分では磁気異方性の向きは変わらないが保磁力が増加した。詳細な理由は不明であるが、欠陥が導入されたことによって磁化反転しにくくなったものと推察される。このとき、磁化自由層の両端部で異なるエネルギーのＣｓイオンを照射することで、両端部の保磁力を異なるものにすることができた。磁化自由層の各部分の保磁力は、中央部で２５Ｏｅ、一方の端部で５０Ｏｅ、他方の端部で１２０Ｏｅとなった。素子作製後に、図３の右方向に相当する向きに１ｋＯｅの外部磁界を印加し、その後、左方向に相当する向きに７０Ｏｅの磁界を印加したところ、図３に示すような磁化状態を実現できた。磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）で確認したところ、図３に示したように、磁化自由層の右側と左側とで向きが異なる磁化状態ができていることが確認でき、その間に磁壁が存在することが推定された。

このようにして作製した磁気抵抗効果素子１０個について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定し、平均的な特性を調べた。その結果、約１０Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。通常の素子における約２５Ｏｅのスイッチング磁界との対比から、磁化自由層１３の実効的な保磁力が約１５Ｏｅ減少したことがわかった。

上記の動作をＭＦＭ観察によって調べた。上部電極がない状態の素子を作製し、磁界中でＭＦＭ観察ができる装置に設置し、磁化自由層の磁気異方性の軸の方向に磁界を印加して磁化自由層の磁化状態を観察した。磁界印加の前は図１５に模式的に示す像が得られた。図において異なるハッチングはＭＦＭ観察で見られる磁気コントラストであり、上向きまたは下向きの漏洩磁界の存在を意味する。この観察で得られた結果から推定される磁化自由層内の磁化の向き図中に矢印で示した。図の１５１の位置に磁壁が存在している。この素子に図１５において右方向に相当する向きに磁界を３０Ｏｅまで印加したところ、図１６に模式的に示す像が得られた。この磁界でスイッチングが起こったものと思われる。この素子は上部電極がなく、また磁界印加を均一な外部磁界で行っているので、素子動作のときとは磁界強度がずれている。この実験より、スイッチング動作は磁壁の移動によって行われ、核生成などの磁化反転モードは起こっていないことが確認された。スイッチング磁界の低減は、この磁壁移動モード主体のスイッチング動作のためであると思われる。

（実施例８）
（実施例７）の構成の磁気抵抗効果素子に磁壁トラップを導入することを試みた。（実施例７）の素子に対し、両方の端から１００ｎｍまでの部分の磁化を固着する処理を行った後、端から１５０ｎｍ〜２００ｎｍまでの範囲の部分をごく弱いエネルギーでＧａイオン照射（ＦＩＢ処理）した。このエネルギーは磁化自由層を削り取るほどの強さではなく、断面ＴＥＭ観察で表面（界面）に若干の乱れが確認される程度の変化を誘起するものであった。このようにして作製した磁化自由層の模式図を図１７に示す。図中１７１は表面を荒らすＦＩＢ処理をした部分であり、この部分が磁壁トラップとなることが推定される。この素子を上記と同様の手法で図３のような磁化構造にし、磁化状態のＭＦＭ観察を行った。その結果、図１８に模式的に示す磁化コントラストが得られた。磁壁トラップ作製部に磁壁１５１が集中していることが推測される。

このようにして作製した磁気抵抗効果素子１０個について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定し、平均的な特性を調べた。その結果、約１３Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。通常の素子における約２５Ｏｅのスイッチング磁界との対比から、磁化自由層１３の実効的な保磁力は約１２Ｏｅ減少したことがわかった。図１９にこの素子の印加磁界−磁気抵抗比の変化を模式的に示す。磁壁トラップの導入によりスイッチング磁界は若干増加したものの、角形がよくなり、素子としての動作安定性が向上した。

（実施例９）
（実施例８）と同様の製造工程を採用したが、Ｇａイオン照射時間を長くして磁化自由層が約０．５ｎｍエッチングされる条件のＦＩＢ処理を行うように変更して磁気抵抗効果素子を作製した。図２０に磁化自由層１３の断面を模式的に示す。ＦＩＢ処理によって磁化自由層１３に形成されたくぼみ２０１が磁壁１トラップになる。この素子では、約１５Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。ヒステリシスの角形比は図１９と同様に１に近いものであった。ゼロ磁界下での磁化状態を（実施例８）と同様の手法で観察したところ、図１８と同様に、磁壁トラップの位置に磁壁が集中した状態になっていることが確認された。

（実施例１０）
（実施例８）と同様の製造工程を採用したが、分圧比でＧａ：Ｏ₂＝１０：１の混合ガスをイオン化して照射するように変更して磁気抵抗効果素子を作製した。酸素イオンが打ち込まれることで、磁化自由層内に、Ｆｅ−Ｏが形成されて、Ｃｏリッチ磁性体に対応する磁気特性を示す組成変調部分が形成される。この組成変調部分が磁壁トラップとなる。この素子では、約１２Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。ヒステリシスの角形比は図１９と同様に１に近いものであった。ゼロ磁界下での磁化状態を（実施例８）と同様の手法で観察したところ、図１８と同様に、磁壁トラップの位置に磁壁が集中した状態になっていることが確認された。

（実施例１１）
（実施例８）と同様の製造工程を採用したが、Ｘｅイオンを照射するように変更して磁気抵抗効果素子を作製した。磁化自由層では、Ｘｅイオンにより若干のＣｏ原子とＦｅ原子がスパッタされるとともに、Ｘｅ原子が膜中に入り込んでＣｏ原子やＦｅ原子を押しのける、いわゆるカスケード現象が起こる。このことにより、磁化自由層内で欠陥密度の増えた部分が形成され、そこが磁壁トラップとなる。断面ＴＥＭによる観察で、コントラストで白く見える（電子が透過する）欠陥が確認された。欠陥密度に関しては、Ｘｅイオンを打ち込んだ部分は磁化自由層中央部よりも４倍以上の高密度であった。この素子は、約１３Ｏｅのスイッチング磁界で４０％の磁気抵抗変化が観測された。ヒステリシスの角形比は図１９と同様に１に近いものであった。ゼロ磁界下での磁化状態を（実施例８）と同様の手法で観察したところ、図１８と同様に、磁壁トラップの位置に磁壁が集中した状態になっていることが確認された。

（実施例１２）
図７に示す構造の強磁性トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を作製した。マグネトロンスパッタ装置を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上に、Ｔａ １０ｎｍ／ＮｉＦｅ １０ｎｍからなる下地層、１２ｎｍのＩｒＭｎからなる反強磁性層、３ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる第１の強磁性層（磁化固着層）、１．５ｎｍのＡｌ−Ｏからなるトンネル障壁層、２ｎｍのＣｏ₉Ｆｅからなる第２の強磁性層（磁化自由層）を順次積層した。

全ての膜は真空を破ることなく形成した。トンネル障壁層を構成するＡｌ−Ｏは、Ａｌをスパッタ成膜した後、プラズマ酸化することにより形成した。ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）による観察では、膜質はｎｍオーダでは均質ではなく、化学量論組成となっているかどうか不明であったため、Ａｌ−Ｏという表記を用いている。なお、下地層、反強磁性層および第１の強磁性層は１００μｍ幅の下部配線形状の開口を有するマスクを通して成膜した。トンネル障壁層に変換されるＡｌは接合部形状の開口を有するマスクを通して成膜した。その後、別のマスクを用いて、トンネル接合部として第１の強磁性層およびトンネル障壁層を１×１μｍ²のサイズに加工した。トンネル障壁層より上部の各層は下部配線に直交する方向に延びる１００μｍ幅の上部配線形状の開口を有するマスクを通して成膜した。その後、別のマスクを用いて、第２の強磁性層（磁化自由層）をトンネル接合部とほぼ同じ形状の１×１μｍ²のサイズに加工した。ただし、上部配線の幅方向に沿って磁化自由層をトンネル接合部よりも２００ｎｍ広くなる（磁化自由層の両端部がそれぞれ１００ｎｍずつ広くなる）ように加工した。図２１にこの時点での加工形状を模式的に示す。２１１は下部配線、２１２は磁化固着層およびトンネル障壁層、２１３は磁化自由層、２１４は上部配線である。これらの工程において、マスクはすべて真空チャンバー内で交換した。また、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して、膜面内に一軸異方性を導入してある。

上部配線を形成する前に、図７に示すように、磁化自由層１３のはみ出している部分に端部ピニング層２１を積層した。端部ピニング層２１は、（実施例３）と同じ［Ｐｔ ０．６ｎｍ／Ｃｏ ０．３ｎｍ］₅からなる人工格子薄膜である。ＶＳＭ測定の結果、端部ピニング層２１から生じると推定される量より多い垂直方向の残留磁化が確認され、磁化自由層１３が端部ピニング層２１と交換結合しており、磁化自由層１３の両端部が垂直方向に固着されていることがわかった。垂直方向の保磁力は１５００Ｏｅであり、磁化自由層１３の保磁力よりもはるかに大きい。

（実施例３）と同様に、磁気抵抗を調べる前に膜面垂直方向に１０ｋＯｅの磁界を印加し、両端部の端部ピニング層２１を平行な向きに着磁した。このようにして作製した磁気抵抗効果素子１０個について、４端子法を用いて磁気抵抗を測定し、平均的な特性を調べた。また、（実施例４）と同様の処理によって、反平行着磁の素子を１０個作製した。

一方、（実施例５）または（実施例６）のように面内磁化の端部ピニング層を用い、両端部の端部ピニング層を平行または反平行に着磁した素子をそれぞれ１０個作製した。

また、上述した垂直磁化の端部ピニング層の代わりに、磁化自由層と同じ組成の合金からなる端部ピニング層を積層した。図２１からわかるように、端部ピニング層は図の上下方向に長い矩形となっているので上下方向に形状磁気異方性が発生する。そこで、磁化固着層の磁気異方性の方向を図２１の左右方向とすれば、図１４に示したような面内直交関係を得ることができる。さらに、垂直磁化の端部ピニング層と同様の処理を施すことで左右の端部ピニング層の保磁力を変えて、反平行磁化状態の素子も作れる。このようにして、それぞれ１０個の磁気抵抗効果素子を作製した。

以上の６種類の磁気抵抗効果素子について、４０％の磁気抵抗変化が観測されたスイッチング磁界の強さを以下に示す。なお、角形は飽和領域とゼロ磁界下での磁気抵抗の比である。

端部ピニング層 磁化構成 スイッチング磁界（Ｏｅ） 角形
垂直 平行 約１１ ０．９５
垂直 反平行 約１２ ０．９５
面内（反強磁性体） 平行 約１３ ０．８８
面内（反強磁性体） 反平行 約１４ ０．８６
面内（Ｃｏ９Ｆｅ） 平行 約１０ ０．９６
面内（Ｃｏ９Ｆｅ） 反平行 約９ ０．９６
いずれの構成においても磁化自由層の実効保磁力低減の効果が得られることがわかった。図２のように端部ピニング層が磁化自由層に隣接している場合よりも低減効果が大きいのは、図７では端部ピニング層と磁化自由層との接触面積が増えたために、交換磁界が大きく作用し、磁化自由層の両端部の磁化固着がより強く行われたためであると推定される。

（実施例１３）
（実施例９）で説明した磁壁トラップを設けた磁気抵抗効果素子に対して、磁化自由層の両端部に端部ピニング層を積層して効果を調べた。平面構成は図２１と同様のものとし、（実施例１２）と同じ６種類の端部ピニング層の試料を作製した。図２２に、これらの素子における磁壁トラップ２０１、磁化自由層１３のはみ出し部分、および端部ピニング層２１の位置関係を示す。磁壁トラップ構造の場合、端部ピニング層２１は磁化自由層１３と同じ方向で反平行の磁化を持つ必要がある。このような端部ピニング層２１を実現する材料として、（実施例５）および（実施例６）で用いたのと同様の反強磁性体を用いることができる。また、（実施例５）および（実施例６）で用いたのと同様の反強磁性体または磁化固着層を固着するのに用いたのと同様の反強磁性体によって磁化固着されたＣｏ₉Ｆｅを用いることができる。端部ピニング層２１にＣｏ₉Ｆｅを用いると、磁化自由層１３と同種材料であるため、より強い磁化固着効果が得られる。ただし、Ｃｏ₉Ｆｅの上に反強磁性体をなどからなる別のピニング層を積層する必要がある。ＰｔＭｎを端部ピニング層としたもの、ＰｔＭｎで磁化固着されたＣｏ₉Ｆｅを端部ピニング層としたものについて、それぞれ１０個の磁気抵抗効果素子を作製し、４０％の磁気抵抗変化が観測されたスイッチング磁界を調べた。結果を以下に示す。

端部ピニング層 磁化構成 スイッチング磁界（Ｏｅ） 角形
ＰｔＭｎ 反平行 約１２ ０．９６
ＰｔＭｎ／Ｃｏ９Ｆｅ 反平行 約１０ ０．９７
（実施例９）に比べて端部の磁化固着が強いために実効保磁力がより低減された。

（実施例１４）
端部ピニング層を磁化自由層の両端部の下（基板側）に設けた磁気抵抗効果素子を作製した。磁化固着層、トンネル障壁層、磁化自由層の構成は（実施例１２）と同じである。ただし、トンネル障壁層の形成後に、磁化自由層がはみ出す予定の部分に開口のあるマスクを用いて、端部ピニング層を作製した。

膜面垂直磁化の端部ピニング層としては、Ｐｔ８ｎｍ／［Ｐｔ ０．６ｎｍ／Ｃｏ ０．３ｎｍ］₈からなる人工格子薄膜を用いた。ＩｒＭｎ反強磁性層の部分までエッチングしているので、Ｐｔ下地を用いることができ、人工格子の積層数も多くできる。こうした人工格子薄膜を用いることにより、端部ピニング層自体の磁気異方性エネルギーが向上し、より強い磁化固着が期待できる。膜面内磁化の端部ピニング層となるＰｔＭｎ反強磁性層については、ＰｔＭｎ単層を１７ｎｍの厚さで積層した。膜面内磁化の端部ピニング層となるＣｏ₉Ｆｅについては、単層を１４ｎｍの厚さで積層した。

図２３および図２４に本実施例における強磁性トンネル接合の断面形状を模式的に示す。これらの図に示されるように、端部ピニング層２１とトンネル障壁層１２との高さが一致していないために、磁化自由層１３は端部ピニング層のところで湾曲部２４１を持つ構造となる。このような構造でも、本発明に係る磁気抵抗効果素子の作用効果を発揮することができる。

また、（実施例１３）と同様に磁化自由層に磁壁トラップを形成した素子を作製した。磁壁トラップは磁化自由層の湾曲部２４１をわずかにエッチングすることによって形成した。

以上のようにして、（実施例１２）と同様の６種類および（実施例１３）と同様の２種類の端部ピニング層を作製し、４０％の磁気抵抗変化が観測されたスイッチング磁界を調べた。その結果を以下に示す。

［磁壁トラップなし構造］
端部ピニング層 磁化構成 スイッチング磁界（Ｏｅ） 角形
垂直 平行 約９ ０．９５
垂直 反平行 約１０ ０．９５
面内（反強磁性体） 平行 約１１ ０．８８
面内（反強磁性体） 反平行 約１１ ０．８６
面内（Ｃｏ９Ｆｅ） 平行 約９ ０．９６
面内（Ｃｏ９Ｆｅ） 反平行 約１０ ０．９６
［磁壁トラップ構造］
端部ピニング層 磁化構成 スイッチング磁界（Ｏｅ） 角形
ＰｔＭｎ 反平行 約１１ ０．９６
ＰｔＭｎ／Ｃｏ９Ｆｅ 反平行 約１０ ０．９７
いずれの構成でも、端部ピニング層を磁化自由層の下（基板側）に設置したことで磁化固着の効果が大きくなり、磁化自由層の実効保磁力の低減が達成できた。角形に関しては、磁壁トラップ構造の有無による依存性が大きいためか、基板側に端部ピニング層を導入したことによる差は見られなかった。

（実施例１５）
図８に示す構造の強磁性トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を作製した。基本的な素子構成、製造工程は（実施例１２）と同様であるが、磁化自由層の両端部をそれぞれ１００ｎｍずつ広い形状となるように加工した後に、両端部にテーパをつける加工を施した。

図２５（ａ）〜（ｄ）を参照して本実施例の素子の製造工程を説明する。図２５では、磁化自由層の一方の端部のみを示している。図２５（ａ）に示すように、磁化固着層１１、トンネル障壁層１２、およびこれらより幅の広い磁化自由層１３を加工する。その後、磁化自由層１３上に、磁化自由層１３の端部に対応する開口を持つレジスト２５１を形成する。図２５（ｂ）に示すように、レジスト２５１をアニールして、レジスト２５１の端部形状をなだらかな形状にする。この状態で、図２５（ｃ）のように磁化自由層１３のエッチングを行うと、レジストマスクの薄い部分ほどエッチングされやすいので、磁化自由層１３の端部にテーパをつけることができる。図２５（ｄ）のようにレジストを除去することによってテーパ加工された磁化自由層１３を得ることができる。

上記の製造工程は磁気記録ヘッドのハード膜を固着する方法に用いられているのと同様のものである。ただし、これ以外の手法を用いてテーパ形状を形成してもよい。

磁化自由層１３のテーパ加工された端部上に端部ピニング層を積層し、図８に示す構造を有する磁気抵抗効果素子を作製した。図８では端部ピニング層２１の上部と磁化自由層１３の上部とが揃っているように図示しているが、実際には図２６または図２７に示すように端部ピニング層２１の上部と磁化自由層１３の上部とが揃っている必要はない。

また、（実施例１４）と同様に、磁化自由層の下に端部ピニング層を設けた構成の素子も作製した。（実施例１４）と同様な製造工程を採用したが、端部ピニング層を形成した後にその上部を図２５（ａ）〜（ｄ）と同様な方法でテーパ形状に加工し、その上に磁化自由層を積層するように変更した。

さらに、磁化自由層の上部または下部に端部ピニング層を設けた構成のそれぞれについて、（実施例１４）と同様に、磁壁トラップを設けた構成の磁気抵抗効果素子も作製した。

磁化自由層の上部または下部に端部ピニング層を設ける構成で、それぞれ（実施例１２）と同様の６種類および（実施例１３）と同様の２種類の端部ピニング層を作製し、４０％の磁気抵抗変化が観測されたスイッチング磁界の強さを調べた。その結果を以下に示す。

［上側端部ピニング層＋磁壁トラップなし構造］
端部ピニング層 磁化構成 スイッチング磁界（Ｏｅ） 角形
垂直 平行 約１０ ０．９５
垂直 反平行 約１０ ０．９５
面内（反強磁性体） 平行 約１２ ０．８８
面内（反強磁性体） 反平行 約１３ ０．８６
面内（Ｃｏ９Ｆｅ） 平行 約８ ０．９６
面内（Ｃｏ９Ｆｅ） 反平行 約９ ０．９６
［上側端部ピニング層＋磁壁トラップ構造］
端部ピニング層 磁化構成 スイッチング磁界（Ｏｅ） 角形
ＰｔＭｎ 反平行 約１０ ０．９６
ＰｔＭｎ／Ｃｏ９Ｆｅ 反平行 約９ ０．９７
［下側端部ピニング層＋磁壁トラップなし構造］
端部ピニング層 磁化構成 スイッチング磁界（Ｏｅ） 角形
垂直 平行 約８ ０．９５
垂直 反平行 約８ ０．９５
面内（反強磁性体） 平行 約９ ０．８８
面内（反強磁性体） 反平行 約１０ ０．８６
面内（Ｃｏ９Ｆｅ） 平行 約７ ０．９６
面内（Ｃｏ９Ｆｅ） 反平行 約８ ０．９６
［下側端部ピニング層＋磁壁トラップ構造］
端部ピニング層 磁化構成 スイッチング磁界（Ｏｅ） 角形
ＰｔＭｎ 反平行 約９ ０．９６
ＰｔＭｎ／Ｃｏ９Ｆｅ 反平行 約８ ０．９７
磁化自由層へのテーパ導入により磁化固着がより強くなり、磁化自由層の実効保磁力をさらに低減できる効果が得られた。また、端部ピニング層を磁化自由層の下（基板側）に設置すると磁化固着の効果が大きくなり、磁化自由層の実効保磁力の低減が達成できた。角形に関しては、磁壁トラップ構造の有無による依存性が大きいためか、端部ピニング層の導入位置による差は見られない。

（実施例１６）
図９に示す構造を有する強磁性トンネル接合を含む磁気抵抗効果素子を作製した。基本的な素子構成、製造工程は（実施例１４）に記載したように、ＰｔＭｎ／Ｃｏ₉Ｆｅからなる端部ピニング層の上に磁化自由層を形成し、磁化自由層の湾曲部２４１のＦＩＢ処理で溝型の磁壁トラップを形成する構成とした。さらに、磁化自由層に、磁化自由層の一方の端部から他方の端部へパルス電流を流すための端子を接続した。磁化自由層には５×１０⁷Ａ／ｃｍ²の電流密度で１００ｎｓ幅のパルスが流せるように外部回路を組んだ。また、パルス電流を流す際には、トンネル障壁層を通って磁気抵抗検出回路へ電流が流れないように、磁化固着層を常に磁化自由層と同電位にするための電位補償回路も設けている。端部ピニング層を反平行に着磁した後の磁化状態をＭＦＭで確認したところ、図１８に示したようになり、磁壁の存在が確認された。

上記の回路に正負の電流パルスをそれぞれ３回印加し、パルス回路をオープンとしたときの磁気抵抗を調べた。その結果、正／負のパルスに応じて磁気抵抗比が４０％変化することがわかった。この変化は図１２の外部磁界による変化に対応しており、電流パルス印加によって磁化自由層の磁化反転が起こり、磁気抵抗が変化したためと思われる。上部電極がない試料に同様な正負の電流パルスを印加して、その後の磁化自由層の磁化状態をＭＦＭで観察したところ、図１５と図１６との間で変化していることがわかった。このことからも、電流パルス印加によって磁化自由層の実質的な磁化反転（磁壁の移動）が起こり、磁気抵抗が変化したものと思われる。以上のことより、ワード線、ビット線への電流印加による漏洩磁界発生によるスイッチングとは異なる機構でスイッチングが可能な磁気抵抗効果素子を実現できることが実証された。

同様な動作は、溝以外の磁壁トラップの場合、磁壁トラップがない場合、端部ピニング層を上部に積層した場合、端部ピニング層が反強磁性体のみの場合、および磁化自由層に隣接する端部ピニング層を用いた場合についても確認された。すなわち、磁化自由層内に磁壁が形成されているという構成であれば、上記の動作を実現できるが確認された。

なお、磁壁トラップがない場合には、磁気抵抗の変化のばらつきが大きく、磁壁の位置が毎回同じにはなっていないことが推定される。この構成では、再生出力の安定性では劣るが、素子の製造の容易さで優っている。したがって、この構成を選択するかどうかは、システムが要求する素子コストと素子性能に応じて決定される。

本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の一例を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面図。 本発明に係る、磁化自由層に磁壁トラップを有する磁気抵抗効果素子のヒステリシスループを模式的に示す図。 本発明に係る、磁化自由層に磁壁トラップのない磁気抵抗効果素子のヒステリシスループを模式的に示す図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の回路構成を示す図。 本発明の一実施形態に係る磁気メモリの記憶セルの構成を示す斜視図。 本発明の他の実施形態に係る磁気メモリの記憶セルの構成を示す斜視図。 実施例３における磁気抵抗効果素子の印加磁界−磁気抵抗比の変化を模式的に示す図。 実施例４における磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向のヒステリシスループを模式的に示す図。 実施例５における磁気抵抗効果素子の磁化自由層と端部ピニング層の着磁状態を模式的に示す図。 実施例７における磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化状態を模式的に示す図。 実施例７における磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化状態を模式的に示す図。 実施例８における磁気抵抗効果素子の磁壁トラップを有する磁化自由層を模式的に示す図。 実施例８における磁気抵抗効果素子の磁壁トラップを有する磁化自由層を磁化状態を模式的に示す図。 実施例８における磁気抵抗効果素子の印加磁界−磁気抵抗比の変化を模式的に示す図。 実施例９における磁気抵抗効果素子の磁化自由層の断面図。 実施例１２における磁気抵抗効果素子の加工形状を示す平面図。 実施例１３における磁気抵抗効果素子の磁壁トラップ、磁化自由層のはみ出し部分、端部ピニング層の位置関係を示す断面図。 実施例１４における磁気抵抗効果素子の断面図。 実施例１４における磁気抵抗効果素子の断面図。 実施例１５における磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 実施例１５の変形例の磁気抵抗効果素子を示す断面図。 実施例１５の変形例の磁気抵抗効果素子を示す断面図。

符号の説明

１１…第１の強磁性層（磁化固着層）、１２…トンネル障壁層、１３…第２の強磁性層（磁化自由層）、２１…端部ピニング層、３１…磁壁、４１…磁壁トラップ、９１…記録信号源、１５１…磁壁、１７１…磁壁トラップ、２０１…磁壁トラップ、２１１…下部配線、２１２…磁化固着層およびトンネル障壁層、２１３…磁化自由層、２１４…上部配線、２４１…湾曲部、２５１…レジスト。

Claims (4)

1. 第１の強磁性層／トンネル障壁層／第２の強磁性層の３層構造を含む強磁性トンネル接合を有し、前記第１の強磁性層は前記第２の強磁性層よりも保磁力が大きく、前記２つの強磁性層の磁化の相対的角度によりトンネルコンダクタンスが変化する磁気抵抗効果素子であって、前記第１および第２の強磁性層の磁気異方性が膜面内に向き、前記第２の強磁性層の２つの端部の磁化が膜面垂直方向成分を持つ方向に固着されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第２の強磁性層の端部と交換結合してその磁化を固着させる、保磁力の大きな強磁性材料または反強磁性材料で形成された端部ピニング層を有す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. 第１の方向に延在する第１の配線と、
   前記第１の配線の上方において、前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線と、
   前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられた請求項１に記載の磁気抵抗効果素子と、
   前記磁気抵抗効果素子の選択手段と
   を有することを特徴とする磁気メモリ。
4. 前記磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を流す配線と、その配線の選択手段と、前記磁気抵抗効果素子の第２の強磁性層の一方の端部から他方の端部へ電流を流す配線と、その配線の選択手段とを有することを特徴とする請求項３に記載の磁気メモリ。

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