JP5146836B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法 - Google Patents

磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP5146836B2
JP5146836B2 JP2008548197A JP2008548197A JP5146836B2 JP 5146836 B2 JP5146836 B2 JP 5146836B2 JP 2008548197 A JP2008548197 A JP 2008548197A JP 2008548197 A JP2008548197 A JP 2008548197A JP 5146836 B2 JP5146836 B2 JP 5146836B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
magnetization
layer
region
free layer
switching region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2008548197A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2008068967A1 (ja
Inventor
弘明 本庄
哲広 鈴木
則和 大嶋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2008548197A priority Critical patent/JP5146836B2/ja
Publication of JPWO2008068967A1 publication Critical patent/JPWO2008068967A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5146836B2 publication Critical patent/JP5146836B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Description

本出願は、２００６年１２月６日に出願された日本国特許出願２００６−３２９８１０に基づいており、優先権の利益を主張する。当該特許出願の開示内容は全て、参照することによりここに組み込まれる。
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、スピン注入方式のＭＲＡＭ及びその製造方法に関する。
ＭＲＡＭは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合（MTJ; Magnetic Tunnel Junction）が形成される。その２層の強磁性層は、磁化の向きが固定されたピン層（pinned layer）と、磁化の向きが反転可能なフリー層（free layer）である。
ピン層とフリー層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。メモリセルに対するデータの書き込みは、フリー層の磁化の向きを反転させることによって行われる。
ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として、従来、「アステロイド方式」や「トグル方式」が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。
微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入（spin transfer）方式」が提案されている。例えば、特開２００５−９３４８８号公報、あるいは、Yagami and Suzuki, Research Trends in Spin Transfer Magnetization Switching，日本応用磁気学会誌，Vol. 28, No. 9, 2004、を参照されたい。スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転：Spin Transfer Magnetization Switching」と参照される）。スピン注入磁化反転の概略を、図１を参照することによって説明する。
図１において、磁気抵抗素子は、フリー層１０１、ピン層１０３、及びフリー層１０１とピン層１０３に挟まれた非磁性層であるトンネルバリヤ層１０２を備えている。ここで、磁化の向きが固定されたピン層１０３は、フリー層１０１よりも厚くなるように形成されており、スピン偏極電流を作る機構（スピンフィルター）としての役割を果たす。フリー層１０１とピン層１０３の磁化の向きが平行である状態は、データ“０”に対応付けられ、それらが反平行である状態は、データ“１”に対応付けられている。
図１に示されるスピン注入磁化反転は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式により実現され、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。具体的には、データ“０”からデータ“１”への遷移時、電流はピン層１０３からフリー層１０１へ流れる。この場合、スピンフィルターとしてのピン層１０３と同じスピン状態を有する電子が、フリー層１０１からピン層１０３に移動する。そして、スピントランスファー（スピン角運動量の授受）効果により、フリー層１０１の磁化が反転する。一方、データ“１”からデータ“０”への遷移時、電流はフリー層１０１からピン層１０３へ流れる。この場合、スピンフィルターとしてのピン層１０３と同じスピン状態を有する電子が、ピン層１０３からフリー層１０１に移動する。スピントランスファー効果により、フリー層１０１の磁化が反転する。
このように、スピン注入磁化反転では、スピン電子の移動によりデータの書き込みが行われる。膜面に垂直に注入されるスピン偏極電流の方向により、フリー層１０１の磁化の向きを規定することが可能である。この時の書き込み（磁化反転）の閾値は電流密度に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、磁化反転に必要な書き込み電流が減少する。メモリセルの微細化に伴って書き込み電流が減少するため、スピン注入磁化反転は、ＭＲＡＭの大容量化の実現にとって重要である。
関連する技術として、スピン注入による磁性体中の磁壁の移動が、特開２００６−７３９３０号公報及び特開２００５−１９１０３２号公報に記載されている。
特開２００６−７３９３０号公報に記載された磁気メモリ素子は、第１の磁性層と、中間層と、第２の磁性層とを有する。第１の磁性層の磁化の方向と第２の磁性層の磁化の方向との関係に基づいて、情報が記録される。ここで、少なくとも一方の磁性層内に、互いに反平行磁化となる磁区とそれらの磁区を隔てる磁壁が定常的に形成される。その磁壁を磁性層内で移動させることにより、隣り合う磁区の位置が制御され、情報の記録が行われる。
特開２００５−１９１０３２号公報に記載された磁気記憶装置は、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化自由層とを備える。磁化自由層は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部、接合部の両端に隣接するくびれ部、及びくびれ部に隣接形成された一対の磁化固定部を有する。一対の磁化固定部には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。更に、磁気記憶装置は、一対の磁化固定部に電気的に接続された一対の磁気情報書き込み用端子を備える。この一対の磁気情報書き込み用端子により、磁化自由層の接合部、一対のくびれ部及び一対の磁化固定部を貫通する電流が流れる。
更に、磁性体中の磁壁の移動は、特開２００５−１５０３０３号公報や、Yamaguchi et al., PRL, Vol. 92, pp. 077205-1, 2004、などにも記載されている。
本発明の目的は、スピン注入による磁壁移動（Domain Wall Motion）を用いた新たなＭＲＡＭを提供することにある。
本発明の他の目的は、スピン注入による磁壁移動を用いたＭＲＡＭにおいて、その磁壁の移動度を向上させることができる技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、スピン注入による磁壁移動を用いたＭＲＡＭに関して、書き込み特性と読み出し特性を共に向上させることができる技術を提供することにある。
本発明によれば、スピン注入による磁壁の移動を用いたＭＲＡＭ（磁壁移動型ＭＲＡＭ）が提供される。本発明に係るＭＲＡＭは、磁化の向きが固定されたピン層と、第１非磁性層を介してピン層に接続された磁気記録層とを備えている。磁気記録層は、第１フリー層と、第２フリー層と、第１フリー層と第２フリー層との間に設けられた第２非磁性層とを有している。第２フリー層は、第１非磁性層に接触しており、また、反転可能な磁化を有している。つまり、ピン層と第１非磁性層と第２フリー層によって、ＭＴＪが構成されている。
第１フリー層は、磁化反転領域と、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域とを含んでいる。磁化反転領域は、反転可能な磁化を有し、また、第２フリー層とオーバーラップしている。第１磁化固定領域は、磁化反転領域の第１境界に接続されており、その磁化の向きは第１方向に固定されている。一方、第２磁化固定領域は、磁化反転領域の第２境界に接続されており、その磁化の向きは第２方向に固定されている。第１方向及び第２方向は共に、磁化反転領域へ向かう方向、又は、磁化反転領域から離れる方向である。磁化反転領域の磁化は、第１境界及び第２境界のいずれかへ向く。よって、第１フリー層において、磁壁が第１境界及び第２境界のいずれかに形成される。
本発明によれば、第２非磁性層は、少なくとも磁化反転領域を覆うように形成されている。そして、第１フリー層の磁化反転領域と第２フリー層は、第２非磁性層を介して磁気的に結合している。つまり、磁化反転領域の磁化の向きが変化した場合、その変化に応じて、第２フリー層の磁化の向きも変化する。その第２フリー層の磁化の向きとピン層の固定磁化の向きとの関係によって、データ“０”あるいは“１”が記録される。データの書き換え時には、第１フリー層の磁化反転領域の磁化の向きを変化させればよい。
磁化反転領域の磁化の向きの反転は、スピン注入方式により行われる。そのスピン注入は、第１フリー層内を平面的に流れる書き込み電流により実現可能である。それは、第１フリー層が上述のような構造を有しているからである。上述の第１フリー層において、第１磁化固定領域は、ある方向のスピン電子を磁化反転領域に供給する役割を果たしている。一方、第２磁化固定領域は、逆方向のスピン電子を磁化反転領域に供給する役割を果たしている。よって、第１フリー層内に書き込み電流をデータに応じた方向で流すことによって、磁化反転領域の磁化の向きを所望の向きに変えることができる。
具体的には、第１書き込み動作時、第１書き込み電流が、第１磁化固定領域から磁化反転領域を通って第２磁化固定領域に流される。これにより、第２磁化固定領域から磁化反転領域に向けてスピン注入が行われる。その結果、磁化反転領域において磁壁が第２境界から第１境界に移動する。一方、第２書き込み動作時、第２書き込み電流が、第２磁化固定領域から磁化反転領域を通って第１磁化固定領域に流される。これにより、第１磁化固定領域から磁化反転領域に向けてスピン注入が行われる。その結果、磁化反転領域において磁壁が第１境界から第２境界に移動する。このように、磁壁の移動によってデータ書き込みが実現される。
以上に説明されたように、本発明に係る書き込み方式によれば、書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、第１フリー層内を平面的に流れる。書き込み電流がＭＴＪを貫通しないため、ＭＴＪにおける第１非磁性層の劣化が抑制される。
また、書き込み動作時、上述の通り、磁壁は第１フリー層の磁化反転領域中を移動する。本発明によれば、第２非磁性層は、その磁化反転領域を少なくとも覆うように形成されている。この第２非磁性層は、製造プロセス中の酸化やエッチングによるダメージから磁化反転領域を保護する役割を果たしている。もし、磁化反転領域を覆う第２非磁性層がなければ、エッチングの際の反応性ガス、イオン、ラジカルなどによって、磁化反転領域の表面はダメージを受けてしまう。そうなると、磁化反転領域中で磁壁がスムーズに移動しなくなる。しかしながら、本発明によれば、第２非磁性層によって、磁化反転領域はダメージから保護される。従って、磁化反転領域における磁壁移動がスムーズに行われる、すなわち、磁壁の移動度が向上する。結果として、磁壁移動型ＭＲＡＭの信頼性及び歩留まりが向上する。
更に、本発明によれば、磁気記録層は、第１フリー層と第２フリー層を別々に有している。このうち第１フリー層は、磁壁が移動する層であり、書き込み特性（書き込み電流の大きさなど）に大きく寄与している。一方、第１非磁性層に接触する第２フリー層は、ピン層と共にＭＴＪを構成する層であり、読み出し特性（ＭＲ比など）に大きく寄与している。従って、本発明に係る構造によれば、書き込み特性と読み出し特性をそれぞれ独立に制御することが可能である。
例えば、スピン注入方式の場合、磁性層の飽和磁化が小さくなるにつれて、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することができる。一方で、磁性層の飽和磁化が減少すると、その磁性層の分極率が低下する。その場合、ＴＭＲ効果が減少するため、ＭＲ比が低下してしまう。すなわち、ＭＲ比の向上と書き込み電流の低減との間には、一般的にトレードオフの関係が存在する。しかしながら、本発明によれば、第１フリー層と第２フリー層をそれぞれ独立に設計することが可能である。よって、第１フリー層の飽和磁化を比較的小さく設計し、第２フリー層の飽和磁化を比較的大きく設計することができる。それにより、ＭＲ比（読み出しマージン）の増加と書き込み電流の低減とを両立させることが可能となる。
このように、本発明によれば、第１フリー層と第２フリー層の特性を独立して自由にコントロールすることができる。これは、素子設計の自由度の向上を意味し、書き込み特性と読み出し特性を共に向上させることが可能となる。そして、このメリットは、ＣＰＰスピン注入方式では得られない。それは、ＣＰＰスピン注入方式の場合、書き込み特性も読み出し特性も、トンネルバリヤ層に隣接する強磁性層によって支配されるからである。また、平面的な書き込み電流によるスピン注入方式であっても、フリー層が１層だけの場合（第２フリー層が無い場合）、上記メリットは得られない。それは、磁壁が移動する第１フリー層が、同時にＭＴＪの一端となり、書き込み特性と読み出し特性の両方に影響を与えてしまうからである。
本発明によれば、スピン注入による磁壁移動を用いた磁壁移動型ＭＲＡＭが提供される。その磁壁移動型ＭＲＡＭの製造プロセスにおいて、磁壁が移動する層（磁壁移動層）に対するダメージが防止される。従って、磁壁移動層における磁壁の移動がスムーズに行われる、すなわち、磁壁の移動度が向上する。結果として、磁壁移動型ＭＲＡＭの信頼性及び歩留まりが向上する。更に、本発明に係る磁壁移動型ＭＲＡＭによれば、読み出しマージンの増加と書き込み電流の低減とを両立させることが可能となる。すなわち、書き込み特性と読み出し特性を共に向上させることが可能となる。
図１は、スピン注入方式によるデータ書き込みを説明するための図である。 図２は、本発明の実施例に係る磁気メモリセルの構造の一例を示す全体図である。 図３は、本発明の実施例に係る磁壁移動層の一例を示す平面図である。 図４は、図３に示された磁壁移動層における磁壁移動を示す概念図である。 図５は、本発明の実施例に係る磁壁移動層の他の例と、その磁壁移動層における磁壁移動を示す概念図である。 図６は、本発明の実施例に係る磁壁移動層の更に他の例を示す平面図である。 図７は、図６に示された磁壁移動層における磁壁移動を示す概念図である。 図８は、本発明の実施例に係る磁壁移動層の更に他の例と、その磁壁移動層における磁壁移動を示す概念図である。 図９は、本発明の実施例に係る磁気メモリセルの構造の一例を示す側面図である。 図１０は、本発明の実施例に係る磁気メモリセルの構造の他の例を示す側面図である。 図１１は、本発明の実施例に係る磁気メモリセルの構造の更に他の例を側面図である。 図１２は、本発明の実施例に係る磁気メモリセルの製造工程を示す断面図である。 図１３は、本発明の実施例に係る磁気メモリセルの製造工程を示す断面図である。 図１４は、本発明の実施例に係る磁気メモリセルの製造工程を示す断面図である。
添付図面を参照して、本発明の実施例に係るＭＲＡＭ及びその製造方法を説明する。本実施例に係るＭＲＡＭは、スピン注入による磁壁移動を用いる「磁壁移動型のＭＲＡＭ」である。また、本実施例に係るＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルがＭＴＪを有している。
１．磁気メモリセルの全体構造
図２は、本実施例に係る磁気メモリセル１（磁気抵抗素子）の構造の一例を示している。磁気メモリセル１は、磁気記録層４０、トンネルバリヤ層５０、及びピン層６０を有している。トンネルバリヤ層５０は、磁気記録層４０とピン層６０に挟まれている。
ピン層６０は強磁性層であり、その磁化の向き（orientation）は固定されている。具体的には、ピン層６０は、トンネルバリヤ層５０に隣接した強磁性体膜を含んでおり、その強磁性体膜の磁化の向き（orientation）は実質的に一方向に固定されている。例えば、ピン層６０は、強磁性体膜としてＣｏＦｅ膜を含んでいる。例えば、ピン層６０は、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎの積層膜である。
トンネルバリヤ層５０は、非磁性層である。例えば、トンネルバリヤ層５０は、薄い絶縁膜である。その絶縁膜として、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＡｌＮ膜が例示される。またその他に、トンネルバリヤ層５０として、Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌなどの非磁性金属を用いることもできる。
磁気記録層４０は、トンネルバリヤ層５０を介してピン層６０に接続されている。より詳細には、磁気記録層４０は、第１フリー層１０、中間層２０、及び第２フリー層３０を含んでいる。中間層２０は、第１フリー層１０と第２フリー層３０との間に設けられている。このうち、第２フリー層３０がトンネルバリヤ層５０に接触している。
第１フリー層１０及び第２フリー層３０は、強磁性層であり、反転可能な磁化を有している。第１フリー層１０及び第２フリー層３０は、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏなどの強磁性金属で形成されている。第１フリー層１０及び第２フリー層３０は、添加物としてＢ、Ｃ、Ｏ、Ｚｒなどの非磁性元素を含んでいても良い。
一方、中間層２０は、非磁性層であり、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈなどの非磁性金属で形成されている。本実施例において、中間層２０は、第１フリー層１０上に、第１フリー層１０の少なくとも一部を覆うように形成されている。この中間層２０は、後述される製造プロセス中の酸化やエッチングによるダメージから第１フリー層１０を保護する役割を果たしている。そのため、中間層２０は、第１フリー層１０の全体を覆うように形成されることが好ましい。言い換えれば、中間層２０は、ＸＹ平面において、第１フリー層１０と同じ形状を有していることが好適である。
第１フリー層１０と第２フリー層３０は、中間層２０を介して磁気的に結合している。その磁気的結合としては、反強磁性結合（anti-ferromagnetic coupling）、強磁性結合（ferromagnetic coupling）、静磁結合（static coupling）が挙げられる。その磁気的結合の種類は、中間層２０の厚さを調整することにより決定される。第１フリー層１０と第２フリー層３０が磁気的に結合しているため、第１フリー層１０の磁化の向きが変化した場合、その変化に応じて、第２フリー層３０の磁化の向きも変化する。
上述の通り、第２フリー層３０はトンネルバリヤ層５０に接触している。つまり、第２フリー層３０とトンネルバリヤ層５０とピン層６０によって、ＭＴＪが構成されている。そのＭＴＪの抵抗値を検出することによって、磁気メモリセル１に記録されたデータが読み出される。その意味で、第２フリー層３０は「センス層」と参照される場合がある。センス層としての第２フリー層３０は、磁気メモリセル１の読み出し特性（ＭＲ比など）に大きく寄与する。
一方、データの書き込みは、第２フリー層３０の磁化の向きを反転させることにより行われる。第２フリー層３０の磁化の向きを変えるためには、第１フリー層１０の磁化を反転させればよい。次節で示されるように、本実施例に係る第１フリー層１０は、磁壁を有しており、第１フリー層１０における磁化反転は、その磁壁の移動により実現される。その意味で、第１フリー層１０は「磁壁移動層」と参照される場合がある。第１フリー層１０は、第２フリー層３０の磁化を反転させる役割を果たしており、書き込み特性（書き込み電流の大きさなど）に大きく寄与する。以下、磁壁移動層としての第１フリー層１０を詳細に説明する。
２．磁壁移動層
２−１．構造例１
図３は、本実施例に係る第１フリー層１０の構造の一例を示す平面図である。図３に示されるように、第１フリー層１０は、３つの異なる領域である第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３を有している。それら第１磁化固定領域１１、第２磁化固定領域１２、及び磁化反転領域１３は、同一平面（ＸＹ面）上に形成されている。第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２は、Ｙ方向に延びるように形成されている。一方、磁化反転領域１３は、Ｘ方向に延びるように形成されており、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２との間をつないでいる。第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３は、第１境界Ｂ１において互いに接続しており、第２磁化固定領域１２と磁化反転領域１３は、対向する第２境界Ｂ２において互いに接続している。言い換えれば、図３において、第１、第２磁化固定領域１１、１２、及び磁化反転領域１３は、“Ｕ字型”、又は、“凹型”に形成されている。
図３には、各領域の磁化の向きも矢印によって示されている。第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化の向きは固定されている。具体的には、第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、＋Ｙ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１から離れる（Ａｗａｙ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きも、＋Ｙ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２から離れる（Ａｗａｙ）方向である。つまり、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２は共に、それらの磁化の向きが磁化反転領域１３から離れるように形成されている。これは、第１磁化固定領域１１の磁化の向きと第２磁化固定領域１２の磁化の向きが、第１フリー層１０の形状に沿って逆向きであることを意味する。
一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向である。磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｘ方向の場合、すなわち、その磁化が第２境界Ｂ２へ向いている場合、第１磁化固定領域１１が１つの磁区（magnetic domain）を形成し、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１２が別の磁区を形成する。つまり、第１境界Ｂ１に「磁壁（domain wall）」が形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが−Ｘ方向の場合、すなわち、その磁化が第１境界Ｂ１へ向いている場合、第１磁化固定領域１１と磁化反転領域１３が１つの磁区を形成し、第２磁化固定領域１２が別の磁区を形成する。つまり、第２境界Ｂ２に磁壁が形成される。
本実施例によれば、この磁化反転領域１３が、上記第２フリー層３０とオーバーラップしている。そして、磁化反転領域１３と第２フリー層３０は、中間層２０を介して磁気的に結合している。つまり、磁化反転領域１３の磁化の向きが変化した場合、その変化に応じて、第２フリー層３０の磁化の向きも変化する。その第２フリー層３０の磁化の向きとピン層６０の固定磁化の向きとの関係によって、データ“０”あるいは“１”が記録される。よって、データの書き換え時には、磁化反転領域１３の磁化の向きを変化させればよい。
磁化反転領域１３の磁化の向きの反転、すなわち、データ書き込みは、スピン注入方式により行われる。以下、データ書き込みの原理を、図４を参照して説明する。図４において、状態（ａ）の場合、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２に存在する。一方、状態（ｂ）の場合、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。
状態（ａ）から状態（ｂ）への遷移時、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２から電子（スピン電子）が注入される。注入された電子のスピンは、磁化反転領域１３の磁気モーメントに影響を及ぼす。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、第２境界Ｂ２の方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｘ方向に変わる（スピン注入磁化反転）。またこの時、磁壁ＤＷは、電子の移動方向と一致して、磁化反転領域１３中を第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動している。
一方、状態（ｂ）から状態（ａ）への遷移時、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１から電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｘ方向に変わる。またこの時、磁壁ＤＷは、電子の移動方向と一致して、磁化反転領域１３中を第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動している。
このように、スピン注入による磁化反転が実現される。第１磁化固定領域１１は、ある方向のスピン電子を磁化反転領域１３に供給する役割を果たしている。一方、第２磁化固定領域１２は、逆方向のスピン電子を磁化反転領域１３に供給する役割を果たしている。よって、第１フリー層１０内に書き込み電流をデータに応じた方向で流すことによって、磁化反転領域１３の磁化の向きを所望の向きに変えることができる。これは、「磁壁の移動（Domain Wall Motion）」という観点から述べることもできる。つまり、第１フリー層１０中の磁壁ＤＷは、電子の移動方向に応じて、第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２の間を“シーソーあるいはフローメータ”のように行き来する。磁壁ＤＷは磁化反転領域１３内を移動しており、磁化反転領域１３を「磁壁移動領域」と呼ぶことも可能である。本実施例に係る磁気メモリセル１は、磁壁ＤＷの位置によってデータを記憶しているとも言える。
ここで着目すべきは、スピン注入が、第１フリー層１０内を平面的に流れる電流により実現されている点である。つまり、書き込み動作において、ＭＴＪを貫通するような書き込み電流を供給する必要がない。本実施例において、書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、第１フリー層１０内を平面的に流れる。書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２がＭＴＪを貫通しないため、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層５０の劣化が抑制される。
２−２．構造例２
第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、図３や図４で示された方向に限られない。第１磁化固定領域１１の磁化の向きと第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、第１フリー層１０の形状に沿って逆向きであればよい。図５は、第１フリー層１０の他の例を示している。図５は図４に相当する図であり、重複する説明は適宜省略される。
図５において、第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、−Ｙ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きも、−Ｙ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。つまり、第１磁化固定領域１１の磁化と第２磁化固定領域１２の磁化は、共に磁化反転領域１３へ向かう方向に固定されており、第１フリー層１０の形状に沿って逆方向を向いている。状態（ａ）において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２に存在する。一方、状態（ｂ）において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。
状態（ａ）から状態（ｂ）への遷移時、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２から電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動する。一方、状態（ｂ）から状態（ａ）への遷移時、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１から電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動する。
２−３．構造例３
第１フリー層１０の平面形状は、上述の平面形状に限られない。図６は、第１フリー層１０の構造の更に他の例を示す平面図である。図６において、第１、第２磁化固定領域１１、１２、及び磁化反転領域１３は、Ｘ方向に沿って“直線状”に形成されている。第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１から離れる（Ａｗａｙ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２から離れる（Ａｗａｙ）方向である。つまり、第１磁化固定領域１１の磁化と第２磁化固定領域１２の磁化は、共に磁化反転領域１３から離れる方向に固定されており、逆方向を向いている。磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向である。
図７は、磁化反転領域１３における磁化反転を示している。状態（ａ）において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２に存在する。一方、状態（ｂ）の場合、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。
状態（ａ）から状態（ｂ）への遷移時、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２から電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動する。一方、状態（ｂ）から状態（ａ）への遷移時、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１から電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動する。
２−４．構造例４
図８は、第１フリー層１０の更に他の例を示している。図８は図７に相当する図であり、重複する説明は適宜省略される。
図８において、第１磁化固定領域１１の磁化の向きは、＋Ｘ方向に固定されている。その向きは、第１境界Ｂ１へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。また、第２磁化固定領域１２の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されている。その向きは、第２境界Ｂ２へ向かう（Ｔｏｗａｒｄ）方向である。つまり、第１磁化固定領域１１の磁化と第２磁化固定領域１２の磁化は、共に磁化反転領域１３へ向かう方向に固定されており、逆方向を向いている。状態（ａ）において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第２境界Ｂ２に存在する。一方、状態（ｂ）において、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向であり、磁壁ＤＷは第１境界Ｂ１に存在する。
状態（ａ）から状態（ｂ）への遷移時、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１から磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１２に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１２から電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが−Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ移動する。一方、状態（ｂ）から状態（ａ）への遷移時、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１２から磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１に流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１から電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｘ方向に変わる。電子の移動方向に一致して、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ移動する。
２−５．磁化の固定
磁化固定領域１１、１２の磁化を固定する手法としては、様々考えられる。例えば、磁化固定領域１１、１２の近傍に、磁性体で作製されたピニング層（図示されない）が設けられる。そのピニング層と磁化固定領域１１、１２との静磁結合により、磁化が固定される。また、ピニング層は、磁化固定領域１１、１２に密着するように設けられてもよい。その場合、交換結合により磁化が固定される。
また、磁気異方性を利用することにより磁化が固定されてもよい。例えば、図３〜図５に示された構造の場合、第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の長手方向はＹ方向であり、磁化反転領域１３の長手方向はＸ方向である。従って、磁化固定領域１１、１２は、等しい向きの磁気異方性（magnetic anisotropy）を有し、磁化反転領域１３は、それら磁化固定領域１１、１２と異なる向きの磁気異方性を有する。よって、初期アニール工程において、＋Ｙ方向あるいは−Ｙ方向の磁場が印加されるとよい。その結果、磁化固定領域１１、１２の磁化の向きは、磁気異方性によって＋Ｙ方向あるいは−Ｙ方向に保持される。この場合、ピニング層を設ける必要がなく、好適である。すなわち、図３〜図５に示された“Ｕ字状”の形状は、磁化固定の観点から言えば、好ましい形状である。
３．磁気記録層
本実施例に係る磁気記録層４０において、第１フリー層１０の磁化反転領域１３と第２フリー層３０は、中間層２０を介して磁気的に結合している。その磁気的結合としては、反強磁性結合、強磁性結合、静磁結合が挙げられる。その磁気的結合の種類は、中間層２０の厚さを調整することにより決定される。
３−１．反強磁性結合
図９は、反強磁性結合の場合の磁気メモリセル１を概略的に示す側面図である。図９において、磁化反転領域１３と第２フリー層３０は、中間層２０を介して反強磁性結合している。よって、第２フリー層３０の磁化の向きは、磁化反転領域１３の磁化の向きの逆になる。
図９において、ピン層６０の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されている。データ「０」は、第２フリー層３０の磁化の向きが−Ｘ方向の場合に対応付けられている。この時、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向である。一方、データ「１」は、第２フリー層３０の磁化の向きが＋Ｘ方向の場合に対応付けられている。この時、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向である。ＭＴＪの抵抗値は、データ「１」の場合の方がデータ「０」の場合よりも大きくなる。
データ書き込み時、第１フリー層１０内で書き込み電流が平面的に流される。その結果、第２節で示されたように、磁化反転領域１３の磁化の向きが反転する。それに応じて、第２フリー層３０の磁化の向きも反転する。データ読み出し時、読み出し電流は、ピン層６０と第２フリー層３０との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、ピン層６０から、トンネルバリヤ層５０、第２フリー層３０、中間層２０、及び磁化反転領域１３を経由して、第１磁化固定領域１１と第２磁化固定領域１２のいずれかへ流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、ＭＴＪの抵抗値が検出され、第２フリー層３０（センス層）の磁化の向きがセンスされる。
３−２．強磁性結合
図１０は、強磁性結合の場合の磁気メモリセル１を概略的に示す側面図である。図１０において、磁化反転領域１３と第２フリー層３０は、中間層２０を介して強磁性結合している。よって、第２フリー層３０の磁化の向きは、磁化反転領域１３の磁化の向きと同じになる。
図１０において、ピン層６０の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されている。データ「０」は、第２フリー層３０の磁化の向きが−Ｘ方向の場合に対応付けられている。この時、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向である。一方、データ「１」は、第２フリー層３０の磁化の向きが＋Ｘ方向の場合に対応付けられている。この時、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向である。ＭＴＪの抵抗値は、データ「１」の場合の方がデータ「０」の場合よりも大きくなる。
データ書き込み時、第１フリー層１０内で書き込み電流が平面的に流される。その結果、第２節で示されたように、磁化反転領域１３の磁化の向きが反転する。それに応じて、第２フリー層３０の磁化の向きも反転する。データ読み出しは、上述の方法と同様の方法で行われる。
３−３．静磁結合
図１１は、静磁結合の場合の磁気メモリセル１を概略的に示す側面図である。図１１において、磁化反転領域１３と第２フリー層３０は、反強磁性結合も強磁性結合もしていない。磁化反転領域１３と第２フリー層３０は、磁壁からの漏れ磁場によって、互いに磁気的に結合している。よって、第２フリー層３０の磁化の向きは、磁化反転領域１３の磁化の向きの逆になる。
図１１において、ピン層６０の磁化の向きは、−Ｘ方向に固定されている。データ「０」は、第２フリー層３０の磁化の向きが−Ｘ方向の場合に対応付けられている。この時、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｘ方向である。一方、データ「１」は、第２フリー層３０の磁化の向きが＋Ｘ方向の場合に対応付けられている。この時、磁化反転領域１３の磁化の向きは−Ｘ方向である。ＭＴＪの抵抗値は、データ「１」の場合の方がデータ「０」の場合よりも大きくなる。
データ書き込み時、第１フリー層１０内で書き込み電流が平面的に流される。その結果、第２節で示されたように、磁化反転領域１３の磁化の向きが反転する。それに応じて、第２フリー層３０の磁化の向きも反転する。データ読み出しは、上述の方法と同様の方法で行われる。
４．製造方法
次に、本実施例に係る磁気メモリセル１の製造工程の一例を説明する。
まず、図１２に示されるように、シード層５の上に、上記第１フリー層１０としての第１強磁性層１０が形成される。シード層５は、第１強磁性層１０の形成時の結晶成長をコントロールするための層である。シード層５の材料としては、電気抵抗の高い材料が用いられる。第１強磁性層１０としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏなどの強磁性金属層が例示される。第１強磁性層１０は、添加物としてＢ、Ｃ、Ｏ、Ｚｒなどの非磁性元素を含んでいても良い。
次に、第１強磁性層１０の上に、中間層２０が形成される。中間層２０は、非磁性層であり、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｒｈなどの非磁性金属で形成されている。この中間層２０の厚さは、第１フリー層１０と第２フリー層３０との間の所望の磁気的結合を実現するように設計される。尚、後述されるように、中間層２０は、酸化やエッチングによるダメージから第１強磁性層１０を保護する役割を果たす。
次に、中間層２０上に、上記第２フリー層３０としての第２強磁性層３０が形成される。第２強磁性層３０としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏなどの強磁性金属層が例示される。第２強磁性層３０は、添加物としてＢ、Ｃ、Ｏ、Ｚｒなどの非磁性元素を含んでいても良い。
次に、第２強磁性層３０上に、非磁性層であるトンネルバリヤ層５０が形成される。例えば、トンネルバリヤ層５０は、薄い絶縁膜である。その絶縁膜として、Ａｌ２Ｏ３膜、ＳｉＯ２膜、ＭｇＯ膜、ＡｌＮ膜が例示される。またその他に、トンネルバリヤ層５０として、Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌなどの非磁性金属を用いることもできる。
次に、トンネルバリヤ層５０上に、上記ピン層６０としての第３強磁性層６０が形成される。第３強磁性層６０としては、ＣｏＦｅ膜が例示される。更に、第３強磁性層６０上に、その第３強磁性層６０の磁化の向きを固定するための反強磁性層７０が形成される。更に、反強磁性層７０上にキャップ層７５が形成される。このようにして、図１２に示される積層構造が得られる。
次に、図１３に示されるように、フォトリソグラフィ技術により、所定のパターンを有するマスク８０が上記積層構造上に形成される。続いて、そのマスク８０を用いたエッチングが実行される。エッチングとしては、例えば、反応性ガスエッチング（ＲＩＥ）あるいはイオンミリングが行われる。また、そのエッチングにおいて、中間層２０が「エッチングストップ層」として用いられる。つまり、中間層２０が露出するまで、キャップ層７５、反強磁性層７０、第３強磁性層６０、トンネルバリヤ層５０、及び第２フリー層３０が順番にエッチングされる。
上述の通り、書き込み動作時、磁壁ＤＷは、第１フリー層１０の磁化反転領域１３中を移動する。もし、エッチングの際の反応性ガス、イオン、ラジカルなどによって、磁化反転領域１３の表面がダメージを受けたら、磁化反転領域１３中で磁壁がスムーズに移動しなくなる。本実施例によれば、エッチングストップ層２０（中間層２０）によって、第１強磁性層１０はダメージから保護される。従って、書き込み動作時、磁化反転領域１３における磁壁移動はスムーズに行われる、すなわち、磁壁の移動度が向上する。
次に、中間層２０及び第１強磁性層１０のパターニングが行われる。その結果、本実施例に係る第１フリー層１０の構造が得られる（図２〜図８参照）。中間層２０は、第１フリー層１０と同じ平面形状を有していてもよい。上記理由から、中間層２０は、少なくとも第１フリー層１０の磁化反転領域１３を覆っていることが好適である。更に、第１フリー層１０の第１磁化固定領域１１及び第２磁化固定領域１２の磁化の向きが固定される。磁化の固定は、既出の第２−５節で述べられた通りである。
次に、図１４に示されるように、層間絶縁膜８５が全面に形成され、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）が行われる。続いて、キャップ層７５に到達するようにビアホールが形成され、そのビアホールに金属を埋め込むことによってビア９０が形成される。更に、ビア９０に接続される上部電極９５が形成される。このようにして、本実施例に係る磁気メモリセル１が作製される。
５．効果
本実施例に係る磁壁移動型ＭＲＡＭの書き込み方式による効果は、次の通りである。
まず、アステロイド方式と比較して、優れたメモリセルの選択性が確保される。アステロイド方式の場合、書き込み磁界の閾値のばらつきが、２次元メモリセルアレイにおけるメモリセルの選択性を低下させる。しかしながら、スピン注入方式によれば、書き込み電流が対象メモリセルだけに作用する。従って、ディスターバンスが大幅に低減される。すなわち、選択書き込み性が向上する。
また、アステロイド方式やトグル方式と比較して、書き込み電流のスケーリング性が向上する。アステロイド方式やトグル方式の場合、メモリセルサイズにほぼ反比例して、磁化反転領域の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。しかしながら、スピン注入方式によれば、磁化反転の閾値は電流密度に依存する。メモリセルサイズが縮小されるにつれて電流密度は増加するので、メモリセルの微細化に伴い書き込み電流を低減することが可能である。言い換えれば、メモリセルサイズが縮小されても、書き込み電流を大きくする必要がなくなる。その意味で、書き込み電流のスケーリング性が向上する。このことは、大容量のＭＲＡＭを実現にとって重要である。
また、アステロイド方式やトグル方式と比較して、電流磁界変換効率が増加する。アステロイド方式やトグル方式の場合、書き込み電流はジュール熱で消費される。電流磁界変換効率を向上させるためには、フラックスキーパーやヨーク構造といった書き込み専用配線を設ける必要があった。これは、製造プロセスの複雑化や配線インダクタンスの増加を招く。しかしながら、スピン注入方式によれば、書き込み電流が、スピントランスファーに直接寄与する。従って、電流磁界変換効率が増加する。これにより、製造プロセスの複雑化や配線インダクタンスの増加が防止される。
更に、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）方式のスピン注入方式と比較して、ＭＴＪ（トンネルバリヤ層５０）の劣化が抑制される。ＣＰＰ方式の場合、書き込み電流は膜面に垂直に注入される。データ書き込み時の書き込み電流は、読み出し電流よりもはるかに大きく、その大電流がトンネルバリヤ層５０を破壊する恐れがあった。しかしながら、本実施例に係る書き込み方式によれば、読み出し時の電流経路と書き込み時の電流経路が分離されている。具体的には、データ書き込み時、書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２は、ＭＴＪを貫通せず、第１フリー層１０の面内を流れる。データ書き込み時、大電流をＭＴＪ膜面に垂直に注入する必要がない。従って、ＭＴＪにおけるトンネルバリヤ層５０の劣化が抑制される。
更に、メモリセルの微細化に伴い、書き込み速度が増加する。それは、本実施例において、データ書き込みが第１フリー層１０内の磁壁移動によって実現されるからである。メモリセルサイズが縮小されることは、磁壁ＤＷの移動距離が小さくなることを意味する。従って、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き込み速度が増加する。
また、本実施例に係る磁壁移動型ＭＲＡＭの磁気記録層４０は、磁気的に結合した複数（２以上）のフリー層を含んでいる。そのような構造による効果は、次の通りである。
書き込み動作時、磁壁は第１フリー層１０の磁化反転領域１３中を移動する。本実施例によれば、中間層２０は、その磁化反転領域１３を少なくとも覆うように形成されている。この中間層２０は、製造プロセス中の酸化やエッチングによるダメージから磁化反転領域１３を保護する役割を果たしている。もし、磁化反転領域１３を覆う中間層２０がなければ、エッチングの際の反応性ガス、イオン、ラジカルなどによって、磁化反転領域１３の表面はダメージを受けてしまう。そうなると、磁化反転領域１３中で磁壁がスムーズに移動しなくなる。しかしながら、本実施例によれば、中間層２０によって、磁化反転領域１３はダメージから保護される。従って、磁化反転領域１３における磁壁移動がスムーズに行われる、すなわち、磁壁の移動度が向上する。結果として、磁壁移動型ＭＲＡＭの信頼性及び歩留まりが向上する。
更に、本実施例によれば、磁気記録層４０は、第１フリー層１０と第２フリー層３０を別々に有している。このうち第１フリー層１０は、磁壁が移動する磁壁移動層であり、書き込み特性（書き込み電流の大きさ）などに大きく寄与している。一方、トンネルバリヤ層５０に接触する第２フリー層３０は、ピン層６０と共にＭＴＪを構成するセンス層であり、読み出し特性（ＭＲ比など）に大きく寄与している。従って、本実施例に係る構造によれば、書き込み特性と読み出し特性をそれぞれ独立に制御することが可能である。
例えば、書き込み特性が主に第１フリー層１０によって支配されるため、その第１フリー層１０の材料として、書き込み特性を高めるような材料（ＮｉＦｅなど）を用いることができる。一方、読み出し特性が主に第２フリー層３０によって支配されるため、その第２フリー層３０の材料として、読み出し特性を高めるような材料（ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなど）を用いることができる。
また、スピン注入方式の場合、磁性層の飽和磁化が小さくなるにつれて、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することができる。一方で、磁性層の飽和磁化が減少すると、その磁性層の分極率が低下する。その場合、ＴＭＲ効果が減少するため、ＭＲ比が低下してしまう。すなわち、ＭＲ比の向上と書き込み電流の低減との間には、一般的にトレードオフの関係が存在する。しかしながら、本実施例によれば、第１フリー層１０と第２フリー層３０をそれぞれ独立に設計することが可能である。よって、第１フリー層１０の飽和磁化を比較的小さく設計し、第２フリー層３０の飽和磁化を比較的大きく設計することができる。それにより、ＭＲ比（読み出しマージン）の増加と書き込み電流の低減とを両立させることが可能となる。
このように、本実施例によれば、第１フリー層１０と第２フリー層３０の特性を独立して自由にコントロールすることができる。これは、素子設計の自由度の向上を意味し、書き込み特性と読み出し特性を共に向上させることが可能となる。そして、このメリットは、ＣＰＰスピン注入方式では得られない。それは、ＣＰＰスピン注入方式の場合、書き込み特性も読み出し特性も、トンネルバリヤ層に隣接する強磁性層によって支配されるからである。また、平面的な書き込み電流によるスピン注入方式であっても、フリー層が１層だけの場合（第２フリー層３０が無い場合）、上記メリットは得られない。それは、磁壁が移動する第１フリー層１０が、同時にＭＴＪの一端となり、書き込み特性と読み出し特性の両方に影響を与えてしまうからである。
本実施例によれば、上述の効果が同時に得られる。高集積・高速動作・低消費電力のＭＲＡＭを実現するために、本実施例に係る技術は極めて有用である。
以上、本発明の実施例が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、既出の実施例に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

Claims (10)

  1. 磁化の向きが固定されたピン層と、
    第１非磁性層を介して前記ピン層に接続された磁気記録層と
    を備え、
    前記磁気記録層は、
    第１フリー層と、
    前記第１非磁性層に接触し、反転可能な磁化を有する第２フリー層と、
    前記第１フリー層と前記第２フリー層との間に設けられた第２非磁性層と、
    を有し、
    前記第１フリー層は、
    反転可能な磁化を有し前記第２フリー層とオーバーラップする磁化反転領域と、
    前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
    前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域と
    を含み、
    前記第１方向及び前記第２方向は共に、前記磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記磁化反転領域から離れる方向であり、
    前記第２非磁性層は、少なくとも前記磁化反転領域を覆うように形成され、
    前記第１フリー層の前記磁化反転領域と前記第２フリー層は、前記第２非磁性層を介して磁気的に結合している
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  2. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第２非磁性層は、前記第１フリー層の全体を覆うように形成された
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  3. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第２非磁性層は、前記第１フリー層と同じ平面形状を有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  4. 請求の範囲１乃至３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化反転領域と前記第２フリー層は、前記第２非磁性層を介して、反強磁性結合している
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  5. 請求の範囲１乃至３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化反転領域と前記第２フリー層は、前記第２非磁性層を介して、強磁性結合している
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  6. 請求の範囲１乃至３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化反転領域と前記第２フリー層は、前記第２非磁性層を介して、静磁結合している
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  7. 請求の範囲１乃至６のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化反転領域、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域は、同一平面上に形成された
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  8. 請求の範囲１乃至７のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化反転領域の磁化は、前記第１境界及び前記第２境界のいずれかへ向き、
    前記第１フリー層において、磁壁が前記第１境界及び前記第２境界のいずれかに形成され、
    データ書き込みは、前記磁壁の移動により行われる
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  9. 請求の範囲１乃至７のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    第１書き込み動作時、第１書き込み電流が、前記第１磁化固定領域から前記磁化反転領域を通って前記第２磁化固定領域に流され、前記磁化反転領域において磁壁が前記第２境界から前記第１境界に移動し、
    第２書き込み動作時、第２書き込み電流が、前記第２磁化固定領域から前記磁化反転領域を通って前記第１磁化固定領域に流され、前記磁化反転領域において磁壁が前記第１境界から前記第２境界に移動する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  10. （ａ）第１強磁性層上にエッチングストップ層を形成する工程と、
    （ｂ）前記第１強磁性層と磁気的に結合する第２強磁性層を、前記エッチングストップ層上に形成する工程と、
    （ｃ）前記第２強磁性層上に非磁性層を介して第３強磁性層を形成する工程と、
    （ｄ）前記第３強磁性層の磁化の向きを固定する反強磁性層を、前記第３強磁性層上に形成する工程と、
    （ｅ）所定のマスクを用いることにより、前記エッチングストップ層が露出するまで、前記反強磁性層、前記第３強磁性層、前記非磁性層、及び前記第２強磁性層をエッチングする工程と、
    （ｆ）前記第１強磁性層のパターニングにより、フリー層を形成する工程と
    を有し、
    前記フリー層は、反転可能な磁化を有し前記エッチング後の前記第２強磁性層とオーバーラップする磁化反転領域を含み、
    前記（ｆ）工程は、
    （ｆ１）前記フリー層中に、前記磁化反転領域の第１境界に接続され磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域を形成する工程と、
    （ｆ２）前記フリー層中に、前記磁化反転領域の第２境界に接続され磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域を形成する工程と
    を含み、
    前記第１方向及び前記第２方向は共に、前記磁化反転領域へ向かう方向、又は、前記磁化反転領域から離れる方向である
    磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
JP2008548197A 2006-12-06 2007-10-22 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法 Active JP5146836B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008548197A JP5146836B2 (ja) 2006-12-06 2007-10-22 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006329810 2006-12-06
JP2006329810 2006-12-06
JP2008548197A JP5146836B2 (ja) 2006-12-06 2007-10-22 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法
PCT/JP2007/070553 WO2008068967A1 (ja) 2006-12-06 2007-10-22 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2008068967A1 JPWO2008068967A1 (ja) 2010-03-18
JP5146836B2 true JP5146836B2 (ja) 2013-02-20

Family

ID=39491877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008548197A Active JP5146836B2 (ja) 2006-12-06 2007-10-22 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8300456B2 (ja)
JP (1) JP5146836B2 (ja)
WO (1) WO2008068967A1 (ja)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5099368B2 (ja) 2006-04-11 2012-12-19 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ
JP5146836B2 (ja) 2006-12-06 2013-02-20 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法
US8625327B2 (en) 2008-07-15 2014-01-07 Nec Corporation Magnetic random access memory and initializing method for the same
WO2010074132A1 (ja) * 2008-12-25 2010-07-01 日本電気株式会社 磁気メモリ素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
US8994130B2 (en) 2009-01-30 2015-03-31 Nec Corporation Magnetic memory element and magnetic memory
WO2010095589A1 (ja) * 2009-02-17 2010-08-26 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
WO2012160937A1 (ja) * 2011-05-20 2012-11-29 日本電気株式会社 磁気メモリ素子および磁気メモリ
US8829901B2 (en) * 2011-11-04 2014-09-09 Honeywell International Inc. Method of using a magnetoresistive sensor in second harmonic detection mode for sensing weak magnetic fields
WO2013161769A1 (ja) * 2012-04-26 2013-10-31 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置
EP2741296B1 (en) * 2012-12-07 2019-01-30 Crocus Technology S.A. Self-referenced magnetic random access memory (MRAM) and method for writing to the MRAM cell with increased reliability and reduced power consumption
JP6219200B2 (ja) 2014-02-27 2017-10-25 株式会社東芝 磁気装置
JP6193190B2 (ja) 2014-08-25 2017-09-06 株式会社東芝 磁気記憶素子および磁気メモリ
JP6523666B2 (ja) * 2014-12-02 2019-06-05 東芝メモリ株式会社 磁気記憶素子および磁気メモリ
JP2017162970A (ja) * 2016-03-09 2017-09-14 株式会社東芝 磁気記憶装置
US10332576B2 (en) * 2017-06-07 2019-06-25 International Business Machines Corporation Magnetic exchange coupled MTJ free layer with double tunnel barriers having low switching current and high data retention
US10510390B2 (en) * 2017-06-07 2019-12-17 International Business Machines Corporation Magnetic exchange coupled MTJ free layer having low switching current and high data retention
US10056126B1 (en) 2017-10-27 2018-08-21 Honeywell International Inc. Magnetic tunnel junction based memory device
US10374148B1 (en) * 2018-02-08 2019-08-06 Sandisk Technologies Llc Multi-resistance MRAM
KR102662153B1 (ko) * 2019-08-16 2024-05-03 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001156357A (ja) * 1999-09-16 2001-06-08 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気記録素子
JP2004153070A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Nec Corp 磁気ランダムアクセスメモリ，及びその製造方法
JP2005150303A (ja) * 2003-11-13 2005-06-09 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
JP2005191032A (ja) * 2003-12-24 2005-07-14 Toshiba Corp 磁気記憶装置及び磁気情報の書込み方法
JP2005522044A (ja) * 2002-04-03 2005-07-21 マイクロン テクノロジー インコーポレイテッド 高密度ｍｒａｍ用途用の合成フェリ磁性体センス層
JP2006073930A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Canon Inc 磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子の磁化状態の変化方法及び該方法を用いた磁気メモリ素子、固体磁気メモリ
JP2006093578A (ja) * 2004-09-27 2006-04-06 Hitachi Ltd 低消費電力磁気メモリ及び磁化情報書き込み装置
JP2007317895A (ja) * 2006-05-26 2007-12-06 Fujitsu Ltd 磁気抵抗メモリ装置

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5640343A (en) 1996-03-18 1997-06-17 International Business Machines Corporation Magnetic memory array using magnetic tunnel junction devices in the memory cells
JPH11195824A (ja) 1997-11-10 1999-07-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果型ヘッド
JP2000195250A (ja) 1998-12-24 2000-07-14 Toshiba Corp 磁気メモリ装置
US6767655B2 (en) * 2000-08-21 2004-07-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magneto-resistive element
JP2002170937A (ja) 2000-11-30 2002-06-14 Canon Inc 半導体記憶装置及びその駆動方法
JP4666774B2 (ja) 2001-01-11 2011-04-06 キヤノン株式会社 磁気薄膜メモリ素子、磁気薄膜メモリおよび情報記録再生方法
US6545906B1 (en) 2001-10-16 2003-04-08 Motorola, Inc. Method of writing to scalable magnetoresistance random access memory element
KR100450794B1 (ko) 2001-12-13 2004-10-01 삼성전자주식회사 마그네틱 랜덤 엑세스 메모리 및 그 작동 방법
US7064974B2 (en) 2002-09-12 2006-06-20 Nec Corporation Magnetic random access memory and method for manufacturing the same
US20070058422A1 (en) 2002-10-03 2007-03-15 Konninklijke Philips Electronics N.V. Groenewoudseweg 1 Programmable magnetic memory device
US6775183B2 (en) 2002-10-22 2004-08-10 Btg International Ltd. Magnetic memory device employing giant magnetoresistance effect
US7184301B2 (en) 2002-11-27 2007-02-27 Nec Corporation Magnetic memory cell and magnetic random access memory using the same
US6834005B1 (en) 2003-06-10 2004-12-21 International Business Machines Corporation Shiftable magnetic shift register and method of using the same
US7064934B2 (en) 2003-06-12 2006-06-20 Seagate Technology Llc Magnetoresistive sensor with reduced operating temperature
JP2005093488A (ja) 2003-09-12 2005-04-07 Sony Corp 磁気抵抗効果素子とその製造方法、および磁気メモリ装置とその製造方法
US6970379B2 (en) 2003-10-14 2005-11-29 International Business Machines Corporation System and method for storing data in an unpatterned, continuous magnetic layer
JP2005223086A (ja) 2004-02-04 2005-08-18 Sony Corp 磁気記憶素子及びその駆動方法、磁気メモリ
JP2006005308A (ja) 2004-06-21 2006-01-05 Victor Co Of Japan Ltd 不揮発性磁気メモリ
US7193259B2 (en) 2004-07-23 2007-03-20 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Thermally written magnetic memory device
JP2006073960A (ja) 2004-09-06 2006-03-16 Yamaha Motor Co Ltd 部品認識装置及び表面実装機並びに部品試験装置
JP4932275B2 (ja) 2005-02-23 2012-05-16 株式会社日立製作所 磁気抵抗効果素子
JP2006269885A (ja) 2005-03-25 2006-10-05 Sony Corp スピン注入型磁気抵抗効果素子
JP2006303159A (ja) 2005-04-20 2006-11-02 Fuji Electric Holdings Co Ltd スピン注入磁区移動素子およびこれを用いた装置
WO2006115275A1 (ja) 2005-04-26 2006-11-02 Kyoto University Ｍｒａｍおよびその書き込み方法
JP4962889B2 (ja) 2005-08-01 2012-06-27 独立行政法人科学技術振興機構 磁気メモリー
JP4817148B2 (ja) 2005-08-02 2011-11-16 独立行政法人科学技術振興機構 ナノ構造体を有する磁気及び電気エネルギーの相互変換素子
US7929342B2 (en) * 2005-08-15 2011-04-19 Nec Corporation Magnetic memory cell, magnetic random access memory, and data read/write method for magnetic random access memory
JP4444241B2 (ja) 2005-10-19 2010-03-31 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリ、電子カード及び電子装置
KR100763910B1 (ko) 2006-02-23 2007-10-05 삼성전자주식회사 마그네틱 도메인 드래깅을 이용하는 자성 메모리 소자
KR100923302B1 (ko) 2006-02-27 2009-10-27 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자
JP5077732B2 (ja) 2006-03-23 2012-11-21 日本電気株式会社 磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリ、半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP4969981B2 (ja) 2006-10-03 2012-07-04 株式会社東芝 磁気記憶装置
JP5146836B2 (ja) 2006-12-06 2013-02-20 日本電気株式会社 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法
WO2008072421A1 (ja) * 2006-12-12 2008-06-19 Nec Corporation 磁気抵抗効果素子及びｍｒａｍ
WO2008099626A1 (ja) * 2007-02-13 2008-08-21 Nec Corporation 磁気抵抗効果素子、および磁気ランダムアクセスメモリ
US8310866B2 (en) 2008-07-07 2012-11-13 Qimonda Ag MRAM device structure employing thermally-assisted write operations and thermally-unassisted self-referencing operations

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001156357A (ja) * 1999-09-16 2001-06-08 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気記録素子
JP2005522044A (ja) * 2002-04-03 2005-07-21 マイクロン テクノロジー インコーポレイテッド 高密度ｍｒａｍ用途用の合成フェリ磁性体センス層
JP2004153070A (ja) * 2002-10-31 2004-05-27 Nec Corp 磁気ランダムアクセスメモリ，及びその製造方法
JP2005150303A (ja) * 2003-11-13 2005-06-09 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
JP2005191032A (ja) * 2003-12-24 2005-07-14 Toshiba Corp 磁気記憶装置及び磁気情報の書込み方法
JP2006073930A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Canon Inc 磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子の磁化状態の変化方法及び該方法を用いた磁気メモリ素子、固体磁気メモリ
JP2006093578A (ja) * 2004-09-27 2006-04-06 Hitachi Ltd 低消費電力磁気メモリ及び磁化情報書き込み装置
JP2007317895A (ja) * 2006-05-26 2007-12-06 Fujitsu Ltd 磁気抵抗メモリ装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20100046288A1 (en) 2010-02-25
JPWO2008068967A1 (ja) 2010-03-18
WO2008068967A1 (ja) 2008-06-12
US8300456B2 (en) 2012-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5146836B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法
JP5062481B2 (ja) 磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリ、及び磁気ランダムアクセスメモリへのデータ読み書き方法
JP5338666B2 (ja) 磁壁ランダムアクセスメモリ
JP5470602B2 (ja) 磁気記憶装置
JP5206414B2 (ja) 磁気メモリセルおよび磁気ランダムアクセスメモリ
US7848137B2 (en) MRAM and data read/write method for MRAM
JP2007273495A (ja) 磁気メモリ装置及びその駆動方法
JP5201539B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ
US8787076B2 (en) Magnetic memory and method of manufacturing the same
WO2016182085A1 (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置
US8625327B2 (en) Magnetic random access memory and initializing method for the same
JP2008211008A (ja) 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置
JP2011210830A (ja) 磁気記憶素子および磁気記憶装置
US7683446B2 (en) Magnetic memory using spin injection flux reversal
JP5625380B2 (ja) 磁気抵抗記憶素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
JP5472821B2 (ja) 磁気抵抗素子の初期化方法、及び磁気抵抗素子
JP2008218736A (ja) 磁気記憶装置
JP2007123512A (ja) 磁気記憶装置
JP2009146995A (ja) 磁気記憶装置
WO2011118461A1 (ja) 磁気メモリ
WO2006035943A1 (ja) 磁気メモリ

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100809

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121102

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121115

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5146836

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151207

Year of fee payment: 3