JP4468258B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関し、例えば、強磁性トンネル接合素子の形状に関する。

強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子をメモリセルとして用いた磁気メモリが知られている。ＭＴＪ素子は、主に強磁性層／絶縁層／強磁性層で構成される。絶縁層をトンネルして流れる電流に対する接合抵抗値は２つの強磁性層の磁化の方向が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果と呼ばれている。

強磁性層の一方は、その磁化を固定され、例えば基準層と呼ばれる。他方の強磁性層は、その磁化が変化し、例えば記憶層と呼ばれる。基準層と記憶層の磁化の方向の平行または反平行を２値情報に対応づけることで情報が記憶される。情報の書き込みは、メモリセルの周囲に設けられた書き込み線を流れる書き込み電流によって発生する磁界により記憶層の磁化を反転させることにより行なわれる。

磁気メモリの集積度を上げるためにメモリセルが微細化されると、メモリセルを構成する強磁性体の大きさも小さくなる。一般に、強磁性体が小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力が大きくなると、記録層の磁化の方向を反転するために必要なスイッチング磁界の大きさが大きくなる。よって、スイッチング磁界を発生するのに必要な書き込み電流が大きくなり、消費電力が増加する。したがって、小さい強磁性体においても保磁力を低減することは、低消費電力を実現するために重要である。

一方、メモリセルが安定に長時間情報を保持するための目安として、熱揺らぎ定数といわれるパラメータが存在し、熱揺らぎはボリュームと保磁力に比例すると一般的に言われている。したがって、情報を長時間安定して保持するために高い熱安定性が必要であるにも関わらず、消費電力低減のために保磁力を低減すると熱安定性が低減する。

また、エッジドメインがスイッチング磁界に影響を与えることが知られている。エッジドメインは、例えば、一般に考えられる長方形の微小な強磁性体の短軸の幅が数ミクロンからサブミクロン程度以下になると端部に生じる特殊な磁区である。エッジドメインは、例えば、J. App. Phys. 81、 5471 (1997) （非特許文献１)に開示されている。

エッジドメインは、長方形の短辺では反磁界エネルギーを低減するために、磁化が辺に沿うようにして渦状に回転するパターンが形成されるために発生する。磁性体の中央部分においては磁気異方性に従った方向に磁化が生じるが、両端部においては、中央部分と異なる方向に磁化が生じる。この長方形の強磁性体における磁化反転の際、エッジドメインが成長してその領域を大きくしていくように進行することが知られている。このため、エッジドメインによって、スイッチング磁界が増大する。

エッジドメインは、強磁性体の形状に対して敏感であるため、楕円形の強磁性体を用いることが、米国特許第5,757,695号明細書（特許文献１）において提案されている。

また、磁化反転の際に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、米国特許第5,748,524号明細書（特許文献２）、特開2000-100153号公報（特許文献３）に開示されている。これにより、磁化反転の際の挙動は制御されるが、スイッチング磁界の低減は図れない。また、エッジドメインを固定するために別の構造を付加する必要があり、高密度化には適さない。
米国特許第5,757,695号明細書 米国特許第5,748,524号明細書 特開2000-100153号公報 J. App. Phys. 81、 5471 (1997)

本発明は、微細化が可能で、熱的に安定で、スイッチング磁界の小さな磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気メモリを提供しようとするものである。

本発明の第１の視点による磁気抵抗効果素子は、相互に向き合う第１面および第２面を有する非磁性層と、前記第１面上に設けられ、磁化の方向が固定された基準層と、前記第２面上に設けられ、磁化の方向が可変で、前記第２面と向き合う面における平面形状が、相互に向き合う第１長辺および第２長辺と相互に向き合う第１短辺および第２短辺とを有する四角形状部と、前記四角形状部の中央点から前記第１短辺に向かってずれた位置において前記第１長辺から突出する第１突出部と、前記中央点から前記第２短辺に向かってずれた位置において前記第２長辺から突出する第２突出部と、を含む磁化可変層と、を具備し、前記第１長辺と前記第１短辺とから第１角が構成され、前記第２長辺と前記第２短辺とから第２角が構成され、前記第１長辺と前記第２短辺とから第３角が構成され、前記第２長辺と前記第１短辺とから第４角が構成され、前記第１角が前記第３角より大きく、前記第２角が前記第４角より大きく、前記第１長辺が、前記第１突出部と前記第３角との間の部分において窪みを有し、前記第２長辺が、前記第２突出部と前記第４角との間の部分において窪みを有する、ことを特徴とする。

本発明の第２の視点による磁気抵抗効果素子は、相互に向き合う第１面および第２面を有する第１非磁性層と、前記第１面上に設けられ、磁化の方向が固定された第１基準層と、相互に向き合う第３面および第４面を有する第２非磁性層と、前記第３面上に設けられ、磁化の方向が固定された第２基準層と、前記第２面および前記第４面との間に設けられ、磁化の方向が可変で、前記第２面および前記第４面と向き合う面における平面形状が、相互に向き合う第１長辺および第２長辺と相互に向き合うそれぞれの第１短辺および第２短辺とを有する四角形状部と、前記四角形状部の中央点から前記第１短辺に向かってずれた位置において前記第１長辺から突出する第１突出部と、前記中央点から前記第２短辺に向かってずれた位置において前記第２長辺から突出する第２突出部と、を含む磁化可変層と、を具備し、前記第１長辺と前記第１短辺とから第１角が構成され、前記第２長辺と前記第２短辺とから第２角が構成され、前記第１長辺と前記第２短辺とから第３角が構成され、前記第２長辺と前記第１短辺とから第４角が構成され、前記第１角が前記第３角より大きく、前記第２角が前記第４角より大きく、前記第１長辺が、前記第１突出部と前記第３角との間の部分において窪みを有し、前記第２長辺が、前記第２突出部と前記第４角との間の部分において窪みを有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、微細化が可能で、熱的に安定で、スイッチング磁界の小さな磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気メモリを提供できる。

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

本発明の一実施形態について、計算機シミュレーションの結果の一例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子（磁気抵抗効果素子、磁気記録素子）を示す平面図である。図２に示すように、ＭＴＪ素子１は、少なくとも、順に積層された強磁性層１１、絶縁層１２、強磁性層１３を有する。

なお、強磁性層１１および（または）強磁性層１３は、複数のサブレイヤーからなる積層構造とすることも可能である。一方の強磁性層（例えば強磁性層１１）の磁化方向は固定されている。これは、例えば、強磁性層１１の下方に反強磁性層１４を設けることにより行なうことができる。以下、強磁性層１１を基準層と称する。

一方、強磁性層１３の磁化方向に対しては、このような固着化機構を設けない。よって、強磁性層１３の磁化方向は、可変である。以下、強磁性層１３を磁化可変層（記録層）と称する。強磁性層１１、１３、絶縁層１２は、図１に示す平面形状を有する。

また、ＭＴＪ素子１は、図２に示すように、いわゆる２重トンネルバリア層構造とすることもできる。この場合、ＭＴＪ素子１は、少なくとも、順に積層された強磁性層１１、絶縁層１２、強磁性層１３、絶縁層１５、強磁性層１６を有する。強磁性層１６は、その磁化の方向が固定されており、基準層として機能する。これは、例えば、強磁性層１６の上方に反強磁性層１７を設けることにより行なうことができる。強磁性層１１の磁化方向と、強磁性層１６の磁化方向は、平行に配置されている。強磁性層１６を、複数のサブレイヤーからなる積層構造とすることももちろん可能である。

なお、ＭＴＪ素子１を構成する各層１１乃至１７が、全て、同じ形状を有していることは必須でない。すなわち、少なくとも、その磁化が変化する強磁性層１３の形状が、図１の平面形状を有していればよい。

図１に示すように、ＭＴＪ素子１の平面形状は、長方形状部１ａと、２つの突出部１ｂ１、１ｂ２とから構成される。

長方形状部は、最も典型的な例としては長方形状であるが、実質的な長方形状を有していればよい。すなわち、少なくとも、相互に向きあう２本の長辺（第１長辺Ｌ１、第２長辺Ｌ２）と、相互に向き合い且つ長辺より短い２本の短辺（第１短辺Ｓ１、第２短辺Ｓ２）と、を有する四角形状である。そして、２本の長辺同士、および２本の短辺同士は、同様の方向に沿っていれば、必ずしも平行である必要は無い。

また長方形状部１ａの各辺は、完全に直線である必要は無く、一部が曲線で構成されていてもよい。すなわち、例えば、ある辺が、曲線部を含んでいたとしても、全体として１つの方向に沿うことにより実質的に直線形状を有していればよい。長方形状部１ａの角は、直角、鋭角、鈍角のいずれであっても、さらに、これらが丸みを帯びていてもよい。

２つの突出部（第１突出部１ｂ１、第２突出部１ｂ２）は、長方形状部１ａの長手方向と交わる方向に沿って突出する。一方の突出部（例えば突出部１ｂ１）は一方の長辺（例えばＬ１）に接続され、他方の突出部（例えば突出部１ｂ２）は他方の長辺（例えば長辺Ｌ２）に接続されている。各突出部１ｂ１、１ｂ２は、略台形状である。各台形状の幅は、長方形状部１ａから遠い方の辺から長方形状部に向かうに連れて広くなっている。

また、一方の突出部（例えば突出部１ｂ１）は、長方形状部１ａの長手方向における中央から、一方の短辺（例えば短辺Ｓ１）に向かってずれた位置に位置する。他方の突出部（例えば突出部１ｂ２）は、長方形状部１ａの長手方向における中央から、他方の短辺（例えばＳ２）に向かってずれた位置に位置する。ただし、２つの突出部１ｂ１、１ｂ２は、長方形状部の角と長方形状部の中心との間に位置し、角に位置することはない。

長方形状の幾つかの角を、積極的に丸めることも可能である。この丸められる角は、各長辺が、２つの短辺とともに作る２つの角のうち、この長辺と接続される突出部が長方形状部１ａの中央点からずれる側の角である。すなわち、長辺Ｌ１と短辺Ｓ１とからなる角Ｃ１と、長辺Ｌ２と短辺Ｓ２とからなる角Ｃ２である。残りの、長辺Ｌ１と短辺Ｓ２とからなる角Ｃ３と、長辺Ｌ２と短辺Ｓ１とからなる角Ｃ４とが、実際に作製された結果、丸みを帯びた場合、角Ｃ１、Ｃ２の曲率半径は、角Ｃ３、Ｃ４の曲率半径より大きい。

以上のような平面形状を有しているため、図１の平面形状は、中央点に関して点対称であって、中央点を通る長手方向の直線に関して非線対称である。

以上の形状上の特徴を有するＭＴＪ素子１の各部の寸法は、以下の通りである。まず、最大幅は、１μｍ程度より小さいことが好ましい。ここで、最大幅は、ＭＴＪ素子１の中央での幅、すなわち、２つの長方形状部の短辺同士間の長さである。また、長さ（長手方向における長さ）は、最大幅の１倍乃至１０倍が好ましい。さらに、ＭＴＪ素子１を構成する強磁性層１１、１３、１６の厚さは、２０ｎｍ以下であり、１０ｎｍ以下がより好ましい。なお、ＭＴＪ素子１を高集積化するために、素子サイズは小さいことが好ましい。

強磁性層１１、１３、１６に用いる材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉやそれらの積層膜、合金等の磁性材料を用いることができる。また、強磁性層１１、１３、１６は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｕ、Ａｌ等、金属非磁性材料からなる層を含む積層膜であってもよい。なお、以下のシミュレーションでは、強磁性材料として、Ｎｉ₈Ｆｅが用いられている。

また、図１には、矢印によって、外部から磁界が印加されていない状態（以下、ゼロ磁界状態）での各位置の磁化方向（各磁区の磁化方向）が、模式的に示されている。図１において、大きな矢印は、矢印が描かれている位置およびその周辺の、大まかな磁化の方向を示している。図１に示すように、ＭＴＪ素子１の中央部を含む長方形状部１ａの大部分では、各磁区の磁化は、同じ方向（右方向）を向いている。また、突出部１ｂ１、１ｂ２においても、各磁区の磁化は、長方形状部の磁化と同じ方向を向いている。一方、長方形状部１ａの各短辺Ｓ１、Ｓ２近傍では、曲率半径の大きい角Ｃ１、Ｃ２の縁に沿い、かつ２つの短辺Ｓ１、Ｓ２の近傍で互いに同じ方向（左上から右下に向かう方向）に磁化が向いている。

ゼロ磁界の状態で、上記のような磁界のパターンが形成されている。このため、後述のように、ＭＴＪ素子１に、１方向のみに磁界を印加した場合と、２方向に磁界を印加した場合とで、磁界のパターンの変化の仕方が異なる。図４は、図１のＭＴＪ素子１に１方向のみに磁化を印加した場合の磁界の様子を示している。より具体的には、ＭＴＪ素子１の磁化容易軸方向（以下、単に容易軸方向）に沿って、図の右から左に向かう方向に磁界を印加した場合の状態を示している。すなわち、この状態は、後述のように、ＭＴＪ素子を行列状に配置することにより構成された磁気メモリにおける半選択のメモリセルの状態に対応する。

図４に示すように、ＭＴＪ素子１の中で、左上と右下に位置する位置に、突出部１ｂ１、１ｂ２のそれぞれ根元を中心に３／４円状の磁界パターンが見られる。これは、Ｃ型磁区を発展させたものであって、互いに逆方向を向く２つのいわゆるＣ型磁区が形成されている。ＭＴＪ素子１の中央部分、すなわち、突出部１ｂ１、１ｂ２との間の部分では、磁化が図の下から上に向かう方向に沿っている。よって、ＭＴＪ素子１の磁界は反転しにくい。すなわち、半選択状態では、ＭＴＪ１の磁界は反転しにくい。

一方、選択されるＭＴＪ素子では、容易軸方向に沿った磁界の印加に先立ち、ＭＴＪ素子１の磁化困難軸方向（以下、単に困難軸方向）に沿った方向、例えば、図４の上から下に向かう方向に磁界が印加される。このため、困難軸方向に印加された磁界によって、突出部１ｂ１、１ｂ２との間の部分では、磁化が図の上から下に向かう方向に沿う。よって、ＭＴＪ素子の磁化は、図１の磁化の状態から、容易軸方向に沿った磁界によってさらに反転しやすい状態になる。このため、選択ＭＴＪ素子１の磁化を容易に反転させることができる。

次に、図１の形状のＭＴＪ素子１に関するシミュレーションの結果について説明する。図５は、図１の形状のＭＴＪ素子１に関するシミュレーションによって得られた磁化曲線を示している。

このシミュレーションにおいて用いられた各部の寸法は、以下の通りである。長さは、０．７２μｍである。また、長方形状部の短辺近傍での幅は、０．２４μｍである。一方、ＭＴＪ素子１の中央での幅）、すなわち、幅の最大値は、０．３６μｍである。強磁性層１１、１３、１６の厚さは、３ｎｍである。以上述べた、各部の寸法は、本実施形態を限定するものではなく、上記した特徴の形状を有していれば、適宜、異なる値に設定されて構わない。

図５の破線は、ＭＴＪ素子１の困難軸方向（図１の長手方向と直交する方向）に磁界が印加されていない状態で、磁化容易軸方向（図１のＭＴＪ素子１の長手方向）に印加される磁界を変化させた場合のＭＴＪ素子１（記録層１３）の磁化の変化を示している。すなわち、図１のＭＴＪ素子１を行列状に配置することにより構成された磁気メモリにおいて、半選択状態のＭＴＪ素子での、記録層１３の磁化と容易軸方向の磁界との関係を示している。

一方、図５の実線は、ＭＴＪ素子１の困難軸方向に４０Ｏｅの磁界が印加された状態で、容易軸方向に印加される磁界を変化させた場合のＭＴＪ素子１（記録層１３）の磁化の変化を示している。すなわち、図１のＭＴＪ素子１を行列状に配置することにより構成された磁気メモリにおいて、選択状態のＭＴＪ素子での、記録層１３の磁化と容易軸方向の磁界との関係を示している。

図５から分かるように、半選択状態のＭＴＪ素子と選択状態のＭＴＪ素子とでは、磁界の大きさの変化に応じた磁化の変化の仕方が異なる。

また、図５から分かるように、半選択状態のＭＴＪ素子の記録層の容易軸方向における保持力は、約１５０Ｏｅである。また、図５から分かるように、半選択状態のＭＴＪ素子では、磁化の大きさは、磁界の大きさの増加とともに徐々に減少し、磁化の大きさがある値に達すると一度ジャンプし、その後さらに減少した後に、磁化が反転する。

一方、選択状態のＭＴＪ素子では、半選択状態の場合に発生するジャンプが存在せず、また、磁界の大きさが、０からわずかに増加し、約４０Ｏｅに達したところで、磁化が反転する。すなわち、選択状態のＭＴＪ素子においては、磁化のスイッチングがシャープに行われ、“１”および”０”以外の中間的な磁化状態が生じない。この現象は、磁化反転過程において、微小な磁気ドメインが複雑な形で発生していないことを意味している。

以上示したように、本実施形態に係るＭＴＪ素子１の形状では、半選択時の磁化反転の過程と選択時の磁化反転の過程とが異なる。さらに、半選択時のスイッチング磁界の大きさと選択時のスイッチング磁界の大きさの差が大きい。これらのことは、半選択状態のＭＴＪ素子１が、意に反して反転する可能性が小さい、すなわち、ＭＴＪ素子１がディスターブされにくいことを意味している。

一般に、強磁性体の磁化方向にずれや乱れた部分があり、飽和磁化に対する残留磁化の割合が１より小さくなっているとき、その強磁性体を用いたＭＴＪ素子では、ずれや乱れのない場合に比べて、トンネル磁気抵抗比が減少する。しかし、本実施形態では、絶縁層１２、１５も含めて強磁性層１１、１３、１６が同じ形状になっているため、強磁性層１１、１３、１６はほぼ同様の磁気ドメイン構造を持っている。したがって、この割合が１より小さくなっているにも関わらず、磁化方向のトンネル磁気抵抗の減少はほとんどない。

図６は、図１の形状、上記した寸法、材料によるＭＴＪ素子１に関するシミュレーションによって得られたアステロイド曲線（実線）を示している。比較のために、いわゆるトラック型形状（Ｌ字形状）のＭＴＪ素子を用いて計算されたアステロイド曲線（破線）が併記されている。なお、図６は、容易軸方向の保磁力で規格化してプロットしたものである。

図６から分かるように、トラック型形状では、アステロイド曲線が原点に向かって大きくは窪んでいないため、スイッチング磁界（アステロイド曲線の外側に位置する点の磁界）は、大きく、保持力Ｈｃに対しても大きい。このため、ＭＴＪ素子を選択状態とするために半選択時に印加されているべき一方の磁界（例えばＨｘ）も大きくなければならない。半選択時に印加されているべき磁界の大きさが大きいほど、半選択とするための磁界（例えばＨｘ）のみで記録層の磁化が反転しやすくなる。すなわち、半選択時の熱安定性は低い。

一方、本実施形態に係るＭＴＪ素子１の形状では、トラック型形状に比べて、アステロイド曲線が原点に向かって大きく窪んでいるため、スイッチング磁界は、小さく、保持力Ｈｃに対しても小さい。このため、ＭＴＪ素子を選択状態とするために半選択時に印加されているべき一方の磁界（例えばＨｘ）を小さくできる。半選択時に印加されているべき磁界の大きさを小さくできるので、半選択とするための磁界（例えばＨｘ）のみでは、記録層の磁化は反転しにくい。すなわち、半選択時の熱安定性は高い。

なお、本実施形態に係るＭＴＪ素子１では、飽和磁化に対する容易軸方向の残留磁化の割合が０．９２となり、長方形形状のＭＴＪ素子のそれとほとんど同じである。これは、エッジドメインが存在しているためである。

一実施形態に係るＭＴＪ素子は、以下に示す形状的な特徴を付加的に有していてもよい。図７は、本発明の一実施形態の他の例に係るＭＴＪ素子を示す平面図である。図７に示すように、長辺Ｌ１は、突出部１ｂ１の、突出部１ｂ１がずれる方向と反対側（すなわち角Ｃ３側）の部分において窪みＤを有している。同様に、長辺Ｌ２は、突出部１ｂ２の、突出部１ｂ２がずれる方向と反対側（すなわち角Ｃ４側）の部分において窪みＤを有している。

図７の形状においても、ＭＴＪ素子１は、中央点に関して点対称であって、中央点を通る長手方向に関して非線対称である。

図７には、図１と同じく、矢印によって、ゼロ磁界における各位置の磁化方向が模式的に示されている。図７に示すように、ＭＴＪ素子１が、上記のような平面形状を有しているため、各磁区は、以下に示すような方向を向いている。すなわち、図１の場合と同じく、ＭＴＪ素子１の中央部を含む長方形状部１ａの大部分では、各磁区の磁化は、同じ方向（右方向）を向いている。また、突出部１ｂ１、１ｂ２においても、各磁区の磁化は、長方形状部の磁化と同じ方向を向いている。一方、長方形状部１ａの各短辺Ｓ１、Ｓ２近傍では、曲率半径の大きい角Ｃ１、Ｃ２の縁に沿い、かつ２つの短辺Ｓ１、Ｓ２の近傍で互いに同じ方向（左上から右下に向かう方向）に磁化が向いている。

図８は、図４の場合と同様に、図７のＭＴＪ素子１に１方向のみに磁界を印加した場合の磁化の様子を示している。図８に示すように、図４と同様、ＭＴＪ素子１の長手方向の中央の左右両側において、窪みＤを中心として、互いに逆方向を向く２つのＣ型磁区が形成されている。このため、やはり、半選択状態では、ＭＴＪ１の磁界は反転しにくい。

選択状態のＭＴＪ素子１の場合も、図１の場合と同様の磁化パターンを取る。

図９は、図７に示す形状のＭＴＪ素子１に関するシミュレーションによって得られた磁化曲線を示している。このシミュレーションにおいて用いられた各部の寸法は、以下の通りである。長さは０．７６μｍであり、端部の幅は０．２８μｍであり、中央部の幅（幅の最大値）は、０．３８μｍである。なお、強磁性層１１、１３、１６の厚さは、３ｎｍである。

図９の破線は、図５の場合と同様に、ＭＴＪ素子１の困難軸方向に磁界が印加されていない状態で、容易軸方向に印加される磁界を変化させた場合のＭＴＪ素子１（記録層１３）の磁化の変化を示している。すなわち、半選択状態のＭＴＪ素子１での、記録層１３の磁化と容易軸方向の磁界との関係を示している。

一方、図９の実線は、図５の場合と同様に、ＭＴＪ素子１の困難軸方向に４０Ｏｅの磁界が印加された状態で、容易軸方向に印加される磁界を変化させた場合のＭＴＪ素子１（記録層１３）の磁化の変化を示している。すなわち、選択状態のＭＴＪ素子１での、記録層１３の磁化と容易軸方向の磁界との関係を示している。

図９から分かるように、図５の場合と同様に、選択状態のＭＴＪ素子１では、磁化のスイッチングがシャープに行われ、半選択状態のＭＴＪ素子１では、磁化のスイッチングが行なわれにくい。また、半選択時のスイッチング磁界の大きさと選択時のスイッチング磁界の大きさの差が大きい。このため、図５の場合と同様に、すなわち、ＭＴＪ素子１は、熱安定性が高く、またディスターブされにくいことを意味している。

また、図９の場合、図５に比べて、スイッチング磁界が小さい。このため、図７の形状のＭＴＪ素子１の磁化をスイッチングさせるのに要する書き込み電流は、図１のそれより小さくて済む。さらに、図９から分かるように、残留の磁化状態は０．９２７と高い。

次に、一実施形態に係るＭＴＪ素子の製造方法について説明する。一般に、このような素子は、以下の工程によって形成される。まず、ＭＴＪ素子を構成する各膜からなる積層膜が形成される。次に、この積層膜の上にレジストからなるマスク材が塗布され、このマスク材に、光、電子ビーム、Ｘ線等を用いてパターンが転写される。次に、マスク材が現像されることにより、マスク材にパターンが形成される。次に、マスク材をマスクとしてイオンミリングまたはエッチングが行われることにより、積層膜がマスク材のパターンに応じた形状にパターニングされる。次に、マスク材が剥離される。

比較的大きなサイズ、例えばミクロンオーダーのＭＴＪ素子を作製する場合、以下の工程が実施されてもよい。まず、積層膜が例えばスパッタにより形成された後に、積層膜上に酸化シリコン、窒化シリコン等のハードマスクが作製される。次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ハードマスクがパターニングされる。次に、ハードマスクを用いて、積層膜をイオンミリングすることにより、ＭＴＪ素子が形成される。

より小さいＭＴＪ素子、例えば、２乃至３μｍ程度から０．１μｍ程度のサブミクロンサイズのＭＴＪ素子を作製する場合、光リソグラフィーを用いることができる。この場合は、あらかじめ作製されるＭＴＪ素子の形状パターンを持つハードマスクを作製しておき、このハードマスクを用いて積層膜がパターニングされる。

さらに小さなサイズ、例えば０．５μｍ程度以下のＭＴＪ素子を作製する場合、電子ビーム露光を用いることができる。しかし、この場合には素子自体が小さいため、本実施形態に係るＭＴＪ素子１におけるエッジドメイン領域を広げるための形状部分はさらに小さくなり、作製が非常に困難になる。そこで、本実施形態に係るＭＴＪ素子１を作製するために、電子ビームの近接効果補正を利用することができる。

通常、近接効果補正は、電子ビームの基板からの後方散乱により生じる図形内での近接効果を補正することにより、希望のパターンにより近いパターンを形成するために用いられる。例えば、長方形のパターンを形成する場合、角付近では蓄積電荷量が不足し、長方形の角が丸くなるという現象が発生する。そこで、角をはっきりさせるために、頂点付近、特に０．５μｍ程度以下の素子の場合にはパターンの外側に補正点ビームを打ち込んで蓄積電荷量を増やすことによって、希望のパターンにより近いパターンを得ることができる。

ここでは、この近接効果補正を、ＭＴＪ素子の端部の幅が広がった形状を形成することに用いる。例えば、実施形態の図１、図７の形状を形成する場合、長方形を基本パターンとし、相対する２つの角の付近に補正点ビームを打ち込むことによって、端部の幅の広い形状が形成可能となる。この時、通常の近接効果補正の場合に比べて打ち込む電荷量を多くするか、または補正点ビームの打ち込み位置を適当に調節するか、またはその両方を用いて、角の形状を補正するだけでなく形状を制御することができる。こうすることにより、本実施形態に係るＭＴＪ素子１の形状を実現できる。さらに、複数点の補正点ビームを照射することによって、突出部を形成したり、長方形状部の角の丸みを実現することも可能である。

本実施形態に係るＭＴＪ素子１は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に適用できる。一般に、ランダムアクセスメモリにおいては、小さなサイズで大容量であることが要求される。従って、配線幅および各メモリセルの面積は小さいことが好ましい。ＭＴＪ素子１によって、スイッチング磁界は小さく、データの書き込みの際に必要な書き込み電流および消費電力が小さく、かつ高速なスイッチングが可能なメモリセルを実現できる。したがって、ＭＴＪ素子１は、ＭＲＡＭのメモリセルに用いるのに好適である。

本実施形態に係るＭＴＪ素子１が、ＭＲＡＭのメモリセルとして用いられる場合について、図１０乃至図１２を参照して、以下に説明する。

図１０は、ＭＲＡＭのセルアレイの平面レイアウトの一例を模式的に示している。図１０に示すように、複数の書き込みおよび読み出し用のビット線ＢＬと、複数のワード線ＷＬ（書き込みワード線ＷＷＬ）と、が相互に異なる方向に沿って延びている。典型例として、ワード線ＷＬはｘ方向に沿って延び、ビット線ＢＬは、ｘ方向と直交するｙ方向に沿って延びている。ビット線ＢＬとワード線ＷＬの各交点には、ＭＴＪ素子１を含んだメモリセルＭＣが設けられる。

ＭＴＪ素子１は、長手方向がワード線ＷＬに沿うように、配置されている。各ビット線ＢＬは、同一行（または列）の複数のＭＴＪ素子１の一端と電気的に接続されており、各ワード線ＷＬは同一の列（または行）の複数のＭＴＪ素子１の他端に近接して対向するように配置されている。各メモリセルＭＣは、後述のように、例えば、いわゆるクロスポイント構造、またはいわゆる１Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造とすることができる。

ワード線ＷＬに、Ｘ方向に沿って左に向かう方向に書き込み電流が流れることにより、このワード線ＷＬが通るメモリセルＭＣに、ｙ方向に沿って上に向かう方向に磁界Ｈｙが印加される。また、ビット線ＢＬに、ｙ方向に沿って上に向かう方向に書き込み電流が流れることにより、このビット線ＢＬが通るメモリセルＭＣに、ｘ方向に沿って左に向かう磁界Ｈｘが印加される。

ビット線ＢＬとワード線ＷＬの交点のメモリセルＭＣのＭＴＪ素子１に２つの磁界が印加されることにより、このＭＴＪ素子１の記録層１３の磁化方向が反転する。このようにして、任意のメモリセルＭＣに情報が書き込まれる。

情報の読み出しは、例えば選択されたメモリセルＭＣの記録層１３および基準層１１に電圧を印加し、これを流れる電流から抵抗値を読み取ることにより行われる。または、定電流を選択メモリセルのＭＴＪ素子１に流し、記録層１３と基準層１１との間の電圧を読み出すことによっても可能である。

図１１は、本実施形態に係るＭＴＪ素子１が、いわゆるクロスポイント構造のメモリセルに適用された場合を示している。図１１に示すように、メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１のみから構成される。ＭＴＪ素子１の一端は電極ＵＥを介してビット線ＢＬに電気的に接続され、ＭＴＪ素子１の他端は電極ＢＥを介してワード線ＷＬに電気的に接続されている。

ビット線ＢＬ、ワード線ＷＬは、書き込まれるデータに応じた方向に電流を流すためのドライバ回路、シンカ回路と接続されている。シンカ回路、ドライバ回路は、デコーダ回路と接続されている。デコーダ回路は、外部から供給されるアドレス信号に応じたＭＴＪ素子１に磁界が印加されるように、ビット線ＢＬおよびワード線ＷＬに電流が流れるように、シンカ回路およびドライバ回路を制御する。ビット線ＢＬは、また、センスアンプ等の読み出し系の回路と接続される。

図１２は、本発明の実施形態に係るＭＴＪ素子１が、いわゆる１Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造のメモリセルに適用された場合を示している。図１２に示すように、メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１（図２の場合を例示）と、読み出し用のスイッチング素子としてのＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタＴＲと、から構成される。

ＭＴＪ素子１の一端は上部電極ＵＥを介してビット線ＢＬに電気的に接続される。ＭＴＪ素子１の他端は下部電極ＢＥ、導電層ＩＣ、コンタクトＣＰを介してスイッチング素子ＴＲの一端に電気的に接続され、スイッチング素子ＴＲの他端は接地される。

なお、スイッチング素子ＴＲとして、ＭＯＳトランジスタの代わりに、ダイオードを用いることも可能である。

ワード線（書き込みワード線）ＷＬは、書き込み時に電流を流すために用いられ、導電層ＩＣの下方に、導電層ＩＣと離れて位置する。ワード線ＷＬは、ドライバ回路およびシンク回路と接続され、ドライバ回路およびシンク回路はデコーダと接続される。ビット線は、ドライバ回路、シンク回路、センスアンプ等の読み出し系の回路と接続される。スイッチング素子ＴＲには、読み出しワード線（図示せぬ）を介して読み出し時に所定のメモリセルＭＣを選択するための信号が供給される。

本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子１によれば、略長方形状の長方形状部と、長方形状部の長手方向における中央から長手方向に沿って互いに反対の方向に向かってずれている２つの突出部と、から構成される。このような形状とすることにより、ＭＴＪ素子１の強磁性層（強磁性層１１、１３、１６）の磁気的構造、特にエッジドメインが好適に制御される。この結果、ＭＴＪ素子１がＭＡＲＭのメモリセルとして用いられた場合、強磁性層の磁気的構造が半選択状態と選択状態との間で異なる。よって、従来より大きな書き込みマージンを確保することができ、熱的に安定なＭＴＪ素子１を実現できる。

また、熱安定性が高いため、ＭＴＪ素子１を小さくしても、熱揺らぎによる誤書き込みが発生しにくい。ＭＴＪ素子１を小さくできる結果、ＭＴＪ素子１がＭＡＲＭのメモリセルとして用いられた場合、メモリセルの集積度の向上を実現できる。また、寸法が小さく且つスイッチング磁界が小さいＭＴＪ素子１を実現できるので、ＭＲＡＭの消費電力の低下を実現できる。

さらに、本実施形態では、エッジドメインをＭＴＪ素子１にバイアス磁界を印加することにより制御する構成が採用されていない。このため、バイアス磁界を印加するための付加的な構造も不要である。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子を示す平面図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜視図。 本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の斜視図。 図１のＭＴＪ素子に１方向のみに磁界を印加した場合の磁化の様子を示す図。 図１のＭＴＪ素子に関するシミュレーションによって得られた磁化曲線を示す図。 図１のＭＴＪ素子に関するシミュレーションによって得られたアステロイド曲線を示す図。 本発明の一実施形態の他の例に係るＭＴＪ素子を示す平面図。 図７のＭＴＪ素子に１方向のみに磁界を印加した場合の磁化の様子を示す図。 図７のＭＴＪ素子に関するシミュレーションによって得られた磁化曲線を示す図。 ＭＲＡＭのセルアレイの平面レイアウトの一例を示す図。 クロスポイント構造のメモリセルを示す図。 １Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造のメモリセルを示す図。

符号の説明

１…ＭＴＪ素子、１１、１３、１６…強磁性層、１２、１５…絶縁層、１４、１７…反強磁性層。

Claims (6)

1. 相互に向き合う第１面および第２面を有する非磁性層と、
   前記第１面上に設けられ、磁化の方向が固定された基準層と、
   前記第２面上に設けられ、磁化の方向が可変で、前記第２面と向き合う面における平面形状が、相互に向き合う第１長辺および第２長辺と相互に向き合う第１短辺および第２短辺とを有する四角形状部と、前記四角形状部の中央点から前記第１短辺に向かってずれた位置において前記第１長辺から突出する第１突出部と、前記中央点から前記第２短辺に向かってずれた位置において前記第２長辺から突出する第２突出部と、を含む磁化可変層と、
   を具備し、
   前記第１長辺と前記第１短辺とから第１角が構成され、前記第２長辺と前記第２短辺とから第２角が構成され、前記第１長辺と前記第２短辺とから第３角が構成され、前記第２長辺と前記第１短辺とから第４角が構成され、
   前記第１角が前記第３角より大きく、
   前記第２角が前記第４角より大きく、
   前記第１長辺が、前記第１突出部と前記第３角との間の部分において窪みを有し、
   前記第２長辺が、前記第２突出部と前記第４角との間の部分において窪みを有する、
   ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 相互に向き合う第１面および第２面を有する第１非磁性層と、
   前記第１面上に設けられ、磁化の方向が固定された第１基準層と、
   相互に向き合う第３面および第４面を有する第２非磁性層と、
   前記第３面上に設けられ、磁化の方向が固定された第２基準層と、
   前記第２面および前記第４面との間に設けられ、磁化の方向が可変で、前記第２面および前記第４面と向き合う面における平面形状が、相互に向き合う第１長辺および第２長辺と相互に向き合うそれぞれの第１短辺および第２短辺とを有する四角形状部と、前記四角形状部の中央点から前記第１短辺に向かってずれた位置において前記第１長辺から突出する第１突出部と、前記中央点から前記第２短辺に向かってずれた位置において前記第２長辺から突出する第２突出部と、を含む磁化可変層と、
   を具備し、
   前記第１長辺と前記第１短辺とから第１角が構成され、前記第２長辺と前記第２短辺とから第２角が構成され、前記第１長辺と前記第２短辺とから第３角が構成され、前記第２長辺と前記第１短辺とから第４角が構成され、
   前記第１角が前記第３角より大きく、
   前記第２角が前記第４角より大きく、
   前記第１長辺が、前記第１突出部と前記第３角との間の部分において窪みを有し、
   前記第２長辺が、前記第２突出部と前記第４角との間の部分において窪みを有する、
   ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. 前記平面形状が、前記中央点に関して点対称であって、前記中央点を通る長手方向の直線に関して非線対称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。
4. 前記第１角、前記第２角、前記第３角、および前記第４角は曲線から構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記第１角の曲率半径が前記第３角の曲率半径より大きく、
   前記第２角の曲率半径が前記第４角の曲率半径より大きい、
   ことを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 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を記録素子として複数個含み、前記磁気抵抗効果素子が行列状に配置されたメモリセルアレイと、
   同じ行に属する前記磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端と電気的に接続された第１配線と、
   同じ列に属する前記磁気抵抗効果素子のそれぞれの他端と電気的に接続された第２配線と、
   前記第１配線および前記第２配線と接続され、任意の前記磁気抵抗効果素子を対象とした情報の書き込みおよび読み出しを行う制御回路と、
   を具備することを特徴とする磁気メモリ。

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