JPH104227A - 磁気応答が制御可能な磁気トンネル接合 - Google Patents

磁気応答が制御可能な磁気トンネル接合

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JPH104227A JP9058777A JP5877797A JPH104227A JP H104227 A JPH104227 A JP H104227A JP 9058777 A JP9058777 A JP 9058777A JP 5877797 A JP5877797 A JP 5877797A JP H104227 A JPH104227 A JP H104227A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁場センサまたは磁気ランダム・アクセス・
メモリ・アレイ内のメモリ・セルとして使用可能な磁気
トンネル接合素子を提供すること。 【解決手段】 ＭＴＪ素子が拘束強磁性層１８を含み、
その磁化方向が層の平面内で配向されるが、対象範囲内
の印加磁場の存在の下では回転できないように固定され
る。"フリー"の強磁性層は、その磁化方向が拘束強磁性
層１８の固定磁化方向に対して層の平面内で回転可能で
あり、絶縁トンネル障壁層２０が両方の強磁性層間にそ
れらと接触して配置される。拘束強磁性層１８は、隣接
する反強磁性層１６との界面交換結合により拘束され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、メモリ及びセンシ
ング・アプリケーションのための磁気トンネル接合（Ｍ
ＴＪ）素子に関し、特に、ＭＴＪの各々の電極の磁場応
答が制御されるＭＴＪ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気トンネル接合は、薄い絶縁層により
分離される２つの強磁性電極から成り、スピン分極電子
トンネリングの現象にもとづく素子である。強磁性電極
の一方は他方よりも高い保磁性を有する。絶縁層は十分
に薄く、強磁性電極間で量子力学的トンネリングが発生
する。トンネリング現象は電子スピンに依存し、接合の
磁気応答を２つの電極の相対配向及びスピン分極の関数
にする。図１は従来のＭＴＪ素子を示し、Ｃｏ層及びＣ
ｏ−Ｆｅ層がアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）絶縁トンネル層によ
り分離される。図２は、印加磁場（磁界）に対する接合
抵抗の依存性の典型的な結果を示す。磁気抵抗（ΔＲ／
Ｒ）応答はヒステリシスを有し、最大抵抗のピークが磁
場が一方向の実質値（例えば１０−２００ Ｏｅ）から
反対方向の実質値にスイープするとき発生する。磁気抵
抗曲線上の矢印により示されるように、スイープの中央
付近では、２つの電極の磁化ベクトルが実質的に反対方
向を指し示すとき、抵抗が最大となる。
【０００３】強磁性体間のトンネリングを含むＭＴＪ素
子のアプリケーションの可能性は、長い間認識されてき
たが、実際の構造及び非低温において予測される大きさ
の応答を達成する困難により、真剣な関心が向けられて
こなかった。
【０００４】後述の本発明に先立ち、実際のマイクロ電
子デバイス構造に関して、室温において実用的に大きな
磁気抵抗応答（例えば１０％台）を有するＭＴＪ素子の
実例はこれまでに存在しなかった。強磁性体間のトンネ
リングの実験結果が、R．Meserveyらによる"Spin-polar
ized Electron Tunneling"（Physics Reports、Vol．23
8、pp．214-217）で示されており、室温では高々１％乃
至２％台の非常に小さな応答を示すに過ぎない。合理的
な大きさの応答は走査トンネル顕微鏡による２つの実験
から示されただけである。これらの１つは、１００％の
スピン分極ＣｒＯ2先端を採用し、室温において４０％
の分極電流変調を示した。これについては、R．Wiesend
angerらによる"Observation of Vacuum Tunneling of S
pin-polarized Electrons with the Scanning Tunnelin
g Microscope"（Physics ReviewLetters、Vol．65、pag
e 247（１９９０年））で述べられている。
【０００５】１８％の磁気抵抗応答を有する非常に大き
なＭＴＪ素子が、T．Miyazakiらによる"Giant Magnetic
Tunneling Effect in Fe/Al2O3/Fe Junction"（Journa
l of Magnetism and Magnetic Materials、Vol．139、N
o．L231（１９９５年））で報告されている。しかしな
がら、著者は１８％の磁気抵抗結果を再現することがで
きなかったと報告している。同一時期に製作された他の
接合は、１％乃至６％の応答を有するに過ぎない。
【０００６】その他には、大きなＣｏ−Ｆｅ／Ａｌ2Ｏ3
／Ｃｏ接合内で、室温において最大１８％の磁気抵抗を
有するＭＴＪ素子が、J．S．Mooderaらによる"Large Ma
gnetoresistance at Room Temperature in Ferromagnet
ic Thin Film Tunnel Junctions"（Physics Review Let
ters、Vol．74、page 3273（１９９５年））で報告され
ている。しかしながら、これらの素子は低温冷却される
基板上への蒸着を含む複雑な方法で形成されている。接
合抵抗は２００×３００μｍ2の大きな断面積を有する
接合では、数百Ωから数１０ＫΩの範囲である。
【０００７】以上から、室温において実用的に十分に大
きな磁気抵抗応答を有するＭＴＪ素子を形成することが
困難であったことが明らかである。室温での期待される
大きさの磁気抵抗応答の最初の観測はスピン分極走査ト
ンネル顕微鏡で発生した。実質的には従来技術において
も、室温において期待される大きさのＭＴＪ応答が得ら
れたが、これは異風で非現実的な薄膜付着技術を用いて
形成される大きな素子に限られた。現実的なマイクロ電
子デバイス構造において、大きな磁気抵抗応答を達成す
る方法はまだ例証されていない。
【０００８】従来のＭＴＪ素子に関する別の問題は、磁
気抵抗応答と磁場との関係が図２に示されるように、特
徴的な２つのこぶ状の応答を有することである。ステッ
プ状の磁気抵抗応答は、制限された印加磁場範囲におい
て例証されている。これに関しては、T．Miyazakiらに
よる"Large Magnetoresistance Effect in 82Ni-Fe/Al-
Al2O3/Co Magnetic Tunneling Junction"（Journal of
Magnetism and Magnetic Materials、Vol．98、No．L7
（１９９１年））で述べられている。しかしながら、印
加磁場の変位（excursion）が一時的に余りにも大きい
と、磁気抵抗応答特性が図３乃至図４に示されるように
反転し得る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】磁気信号に対して不確
かでなく制御可能な磁気抵抗応答を有し、大量生産が可
能で、サイズをサブミクロン寸法に短小化可能なＭＴＪ
素子が必要とされる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、強磁性層の１
つがその磁化方向を固定または拘束（pinned）される磁
気トンネル接合（ＭＴＪ）素子である。ＭＴＪ素子が拘
束強磁性層を含み、その磁化方向が層の平面内で配向さ
れるが、対象範囲内の印加磁場の存在の下では回転でき
ないように固定される。"フリー"の強磁性層（以下、フ
リー強磁性層）は、その磁化方向が拘束強磁性層の固定
磁化方向に対して層の平面内で回転可能であり、絶縁ト
ンネル障壁層が両方の強磁性層間にそれらと接触して配
置される。拘束強磁性層は、隣接する反強磁性層との界
面交換結合により拘束される。ＭＴＪ素子の磁場センシ
ング・アプリケーションでは、フリー強磁性層の磁化方
向が、一般に拘束強磁性層の磁化方向に対して垂直に配
向され、センスされる外部磁場強度の関数として、ある
範囲を回転することができる。ＭＴＪ素子のメモリ・セ
ル・アプリケーションでは、フリー強磁性層の磁化方向
が拘束強磁性層の磁化方向と平行または逆平行に配向さ
れる。ＭＴＪメモリ・セルは書込み可能であり、すなわ
ちその磁気状態が、ＭＴＪトンネル障壁層を垂直方向に
通過しないで、ＭＴＪ電極を水平方向に通過する書込み
電流に関連付けられる磁場により変更される。これらの
磁場はフリー強磁性層の磁化方向を平行から逆平行に
（またはその逆に）回転させる。トンネル障壁層を通じ
て垂直方向に流れるトンネリング電流は、２つの強磁性
層の相対磁化方向に依存するので、ＭＴＪメモリ・セル
の磁気状態はＭＴＪに渡る電気抵抗の変化を検出するこ
とにより、センスされ得る。ＭＴＪの上部電極は絶縁材
料により取り囲まれ、絶縁材料内の穴を通じる電気リー
ドと接触される。このことは、それぞれの強磁性層を含
む上下の電極が、トンネル障壁層の領域内でオーバラッ
プしない２つの間隔をあけた別の平面内で形成されるこ
とを可能にし、それにより、あらゆる関係の無い磁極を
排除する。ＭＴＪ素子が低磁場において不確かでない磁
場応答を有し、大量生産にとって好都合な周囲温度にお
いて、従来の膜成長技術を用いることによりサブミクロ
ン寸法で形成され得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】図５乃至図８は、磁気メモリ・セ
ル・アプリケーションに好適なＭＴＪ構造の３つの実施
例を示す。第１の実施例は、図５にその断面図が図６に
上面図が示されるように、基板９、ベース電極多層スタ
ック１０、絶縁トンネル障壁層２０、上部電極スタック
３０、コンタクト・ホールが貫通する絶縁層４０及びそ
れ自身多層構造であり得る接点（コンタクト）及び上部
配線層５０を含む。トンネル障壁層２０は２つの強磁性
層スタック１０及び３０間にサンドイッチ状に挟まれ
る。
【００１２】基板９上に形成されるベース電極層スタッ
ク１０は、基板９上に付着される第１のシード層１２、
シード層１２上の"テンプレート"強磁性層１４、テンプ
レート層１４上の反強磁性材料層１６、及び下層の反強
磁性層１６上に形成されこれと交換結合される"拘束さ
れる（pinned）"強磁性層（以下、拘束強磁性層）１８
を含む。強磁性層１８はＭＴＪ素子の所望の対象範囲内
における印加磁場の存在の下で、その磁化方向の回転を
阻害されるために拘束層と呼ばれる。上部電極スタック
３０は"フリー"強磁性層３２、及びその上に形成される
保護層３４を含む。強磁性層３２は交換結合により拘束
されず、従って対象範囲内の印加磁場の存在の下で自由
に回転することができる。電極スタック１０及び３０内
の強磁性層１８及び３２の両者はそれぞれ、それらの磁
化容易軸が互いに平行になるように下方の配線層の長手
方向に平行に同一方向に形成される。この配線層は、ベ
ース電極１０の延長部分１１、１３（図６参照）として
形成される。この方向が図６において、矢印３３により
示される。絶縁層４０は上部接合電極スタック３０の最
上部に至る自己整合型コンタクト・ホールを有する。ト
ンネル障壁層２０の直下のスタック１０内の拘束強磁性
層１８は、その磁化方向を直下の反強磁性層１６との界
面交換結合により拘束される。反強磁性層１６もまたベ
ース電極スタック１０の一部を形成する。メモリ・セル
の読出し及び書込み操作の間にメモリ・セルに印加され
る磁場に匹敵する大きさの磁場に対して、拘束強磁性層
１８の磁化方向には１つの可能な配向だけが存在する。
上部電極スタック３０内のフリー強磁性層３２は、その
磁化特性において異方性であるが、その磁化方向または
ベクトルは拘束されない。むしろ、その磁化ベクトルは
所望範囲内での磁場の印加により、容易軸のいずれかの
方向に沿って安定的に配向される。
【００１３】図７は、絶縁層が平坦化された絶縁層６０
であり、上部接合電極スタック３０に至る自己整合型コ
ンタクト・ホールを有する以外は、図５及び図６の構造
と類似の構造の断面図である。絶縁層が上部接合電極３
０に至る自己整合型コンタクト・ホールを有さない、こ
のＭＴＪ素子のバージョンも可能であるが、その製作に
おいて余分な公差が許容されなければならないので余り
望ましくない。
【００１４】図８は、ベース電極スタック１０'、絶縁
トンネル障壁２０'、及び上部電極スタック３０'が全て
同一の断面積を有する以外は、図５及び図７のセルと類
似のセルの断面図を示す。ベース電極スタック１０'が
配線リード１１'上に形成され、配線リード１１'が基板
９'上に形成される。絶縁層４０'がＭＴＪ素子全体を取
り囲み、配線リード１１'まで下方に延びる。この構造
はメモリ・セルがダイオードやトランジスタなどの個々
の磁気セルを通過するセンス電流を操作する電子素子上
で、容易に形成されるようにする。
【００１５】図５乃至図６に示される構造を有するＭＴ
Ｊ素子の代表的な材料セットについて、次に述べること
にする。ＭＴＪベース電極スタック１０は、２０ｎｍの
Ｐｔ、４ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19、１０ｎｍのＭｎ50Ｆ
ｅ50、及び８ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19（それぞれ、層１２、
１４、１６、１８に対応）のスタックを含み、これらが
基板９として機能する真性シリコン・ウエハ上に成長さ
れる。スタック１０は基板ウエハの表面に平行に印加さ
れる磁場の存在の下で成長される。磁場は最初の４ｎｍ
のＮｉ−Ｆｅ層１４の容易軸を配向する役目をし、層１
４はＭｎ50Ｆｅ50反強磁性層１６を配向するテンプレー
トとして機能する。層１６は交換結合により、８ｎｍの
Ｎｉ−Ｆｅフリー強磁性層１８の磁化方向を拘束する。
次にトンネル障壁層２０が、１ｎｍ乃至２ｎｍのＡｌ層
を付着し、続いてプラズマ酸化させることにより形成さ
れる。その結果、Ａｌ2Ｏ3絶縁トンネル障壁層２０が生
成される。ＭＴＪ上部電極スタック３０は８ｎｍのＣｏ
及び２０ｎｍのＰｔ（それぞれ層３２、３４に対応）の
スタックであり、数μｍ2またはそれ以下の断面積を有
する。下部電極スタック１０内の層が滑らかであり、Ａ
ｌ2Ｏ3層２０内に接合を電気的に短絡させるピンホール
が無いことが重要である。例えば金属多層スタック内に
優れた巨大磁気抵抗効果を生成することが知れているス
パッタリング技術により、成長を提供することが好適で
ある。上部電極スタック３０は１６０ｎｍのＳｉＯ2絶
縁層４０により取り囲まれ、絶縁層４０は下方の接合部
に自己整合されるスルーホールを有する。接合は上部配
線リード（図６参照）として機能する２０ｎｍのＡｇ／
３００ｎｍのＡｕコンタクト層５０と接触する。このＭ
ＴＪ素子では、全ての強磁性層がそれらの容易軸を同一
方向に整列される。強磁性層内のパターンは、（図６の
矢印３３により示されるように）磁化容易軸の方向に沿
う長手寸法に整列され、それにより形状異方性が各強磁
性層の真性異方性を増すことになる。このＭＴＪ構造
は、接合スタック内の全ての層（層１２、１４、１６、
１８、２０、３２、３４）を、周囲温度においてシリコ
ン基板上にスパッタリングし、次に接合を２工程により
イオン・ミリングすることにより、下部配線レベル及び
上部接合電極レベルを規定し、次に上部接合電極スタッ
クとの接触を可能にする自己整合型スルーホールを有す
る絶縁層４０を付着及びパターニングし、最後にリフト
オフ・ステンシルを通じてコンタクト層５０を付着する
ことにより形成される。図５及び図７に示されるタイプ
のセルを用いる高密度メモリ・アプリケーションでは、
その磁化方向により情報ビットを記憶するフリー強磁性
層３２が、使用されるリソグラフィック・プロセスに整
合するようにできる限り小さいことが重要である。この
ことが図５及び図７において、下部接合電極スタック１
０がより大きな面積であり、拘束強磁性層１８を含む理
由である。図８に示されるセルではフリー強磁性層３
２'及び拘束強磁性層１８'が、同一のサイズ及び形状で
あり、拘束強磁性層１８'が下部または上部電極スタッ
クのいずれかに配置され得る。拘束強磁性層が下部電極
内に含まれる場合、上部電極はより単純となり、１つの
強磁性層だけを含む。このＭＴＪ素子は、例えば８ｎｍ
のＮｉ−Ｆｅ／１０ｎｍ乃至１５ｎｍのＭｎ50Ｆｅ50の
構造の上部電極スタックを有する。
【００１６】ＭＴＪ素子のメモリ・セル・アプリケーシ
ョンでは、ＭＴＪへの書込みが上部及び下部電極配線層
１１、１３（図５乃至図６参照）を通じて、電流を流す
ことにより達成される。これらの両方のラインを通じて
十分に大きな電流が流れるとき、フリー強磁性層３２近
辺で生成される結合磁場がフリー強磁性層３２の磁化方
向を拘束強磁性層１８の磁化方向と平行から逆平行に
（またはその逆に）回転させる。生成される結合磁場が
フリー強磁性層のスイッチング場を越えるように、電流
レベルが選択される。これはもっぱら、フリー強磁性層
の磁気異方性により決定される。結合書込み電流により
生成されるこの磁場は、拘束強磁性層の磁化方向を回転
させるために要求される磁場よりも、はるかに小さく選
択される。書込み電流はＭＴＪ素子を通じて垂直方向に
は流れない。なぜならこの方向は配線層５０及び１１、
１３の抵抗に比較して、高抵抗を有するからである。
【００１７】ＭＴＪメモリ・セルはセンス電流をＭＴＪ
を通じて垂直方向に、拘束強磁性層からトンネル接合障
壁を通じて、フリー強磁性層に（またはその逆に）流す
ことにより読出される。Ａｌ2Ｏ3トンネル障壁の抵抗
は、Ａｌ2Ｏ3層の厚さに強く依存し、この層の厚さに対
してほぼ指数的に変化するので、このことはすなわち電
流が主として、Ａｌ2Ｏ3トンネル障壁を通じて垂直方向
に通過することを意味する。電荷キャリアが障壁を横切
り通り抜ける確率（トンネリング確率）は、Ａｌ2Ｏ3の
厚さが増すほど著しく低下し、従って、接合を通り抜け
るキャリアは接合層に垂直に横断するキャリアだけであ
る。メモリ・セルの状態は、センス電流（これは書込み
電流よりもはるかに小さい）がＭＴＪを垂直方向に流れ
るときに、メモリ・セルの抵抗を測定することにより決
定される。このセンス電流または書込み電流の自己場は
無視することができ、メモリ・セルの磁気状態に影響を
及ぼさない。トンネル障壁を電荷キャリアが通り抜ける
確率は、フリー及び拘束強磁性層の磁気モーメントの相
対アライメントに依存する。トンネル電流がスピン分極
され、このことは強磁性層の一方（例えば拘束強磁性
層）から流れる電流が、もっぱら１スピン・タイプ（強
磁性層の磁化方向に依存してスピン・アップまたはスピ
ン・ダウン）の電子から成ることを意味する。電流のス
ピン分極の度合いは、強磁性層とトンネル障壁との界面
において強磁性層を構成する磁性材料の電子帯構造によ
り決定される。それ故、第１の強磁性層のトンネル障壁
はスピン・フィルタとして機能する。電荷キャリアのト
ンネリング確率は第２の強磁性層内の電流のスピン分極
と同じスピン分極の電子状態の可用性に依存する。通
常、第２の強磁性層の磁気モーメントが、第１の強磁性
層の磁気モーメントと平行な場合、第２の強磁性層の磁
気モーメントが第１の強磁性層のそれと逆平行な場合よ
りも、より多くの使用可能な電子状態が存在する。従っ
て、電荷キャリアのトンネリング確率は、両方の層の磁
気モーメントが平行な時に最も高くなり、磁気モーメン
トが逆平行の時に最も低くなる。磁気モーメントが平行
でも逆平行でもなく配列されると、トンネリング確率は
中間の値を取る。従って、ＭＴＪメモリ・セルの電気抵
抗は、電流のスピン分極と両強磁性層内の電子状態の両
方に依存する。その結果、フリー強磁性層の２つの可能
な磁化方向が、一意的にメモリ・セルの２つの可能なビ
ット状態（０または１）を定義する。
【００１８】図９乃至図１１は、図５乃至図６のＭＴＪ
素子に関して上述したように形成される代表的なＭＴＪ
素子からの、磁気応答特性及び磁気抵抗応答特性を示
す。図９は、ＭＴＪ素子の低磁場（＋／−６０Ｏｅ）磁
気抵抗特性を示す。ゼロ磁場では、ＭＴＪ素子の２つの
安定な抵抗値が存在する。２０Ｏｅ乃至３５Ｏｅより大
きな絶対値の負方向の磁場を印加した後、ゼロ磁場にお
ける素子抵抗は約１９５０Ωである。約６０Ｏｅより大
きな絶対値の正方向の磁場を印加した後、ゼロ磁場にお
ける素子抵抗は約２１５０Ωである。これらの２つの抵
抗状態は上部接合電極３０内の８ｎｍのＣｏ層３２／２
０ｎｍのＰｔフリー強磁性層３２の磁化方向の反転から
生じる。この電極は、容易軸方向に８μｍの長さ、困難
軸方向に２μｍの幅を有する。この低磁場範囲内の全て
の印加磁場に対して、下部電極スタック１０内の８ｎｍ
のＮｉ81Ｆｅ19拘束強磁性層１８の磁化方向は、Ｍｎ50
Ｆｅ50反強磁性層１６からの交換結合による拘束により
不変であった。ゼロ磁場付近の抵抗値は素子が最近、上
記最小値の正または負のどちらの磁場に露呈されたかだ
けに依存する。それ故、ＭＴＪ素子はその抵抗値が記憶
状態を示すメモリ記憶素子またはセルとして機能する。
図９に示されるＭＴＪ素子では、図３乃至図４に示され
た従来技術において可能な反転ステップ応答の可能性は
ない。
【００１９】下部電極スタック１０内の強磁性層１８の
拘束は、図１０に示されるパターニング前のＭＴＪスタ
ックの磁化データから最も明らかとなる。約＋１００Ｏ
ｅ以下の磁場に対する磁化（Ｍ）応答は、完全に上部電
極内の強磁性層による。より大きな正磁場では、約９０
Ｏｅ及び１６０Ｏｅの磁場において、接合の下部電極強
磁性層（すなわち、Ｍｎ50Ｆｅ50層１６との交換結合に
より拘束される８ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19層１８）の反転に
関連付けられるヒステリシスを示す。他の拘束磁性層
（すなわち、同様にＭｎ50Ｆｅ50層１６との交換結合に
より拘束される４ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19テンプレート強磁
性層１４）の反転に関連付けられるヒステリシスが、約
３００Ｏｅ及び３６０Ｏｅの磁場において示される。図
１０の磁化データは、図１１に示されるパターニング後
の８×１μｍ2のＭＴＪ素子の高磁場磁気抵抗応答と比
較される。上部電極の磁化反転が約−６０Ｏｅ及び＋８
０Ｏｅ付近の磁気抵抗変化に反映され、接合の下部電極
内の強磁性層の磁化反転が約１３０Ｏｅ及び２５０Ｏｅ
付近の磁気抵抗変化に反映される。絶縁トンネル障壁層
２０に隣接しないテンプレートＮｉ−Ｆｅ層１４の反転
に関連付けられる接合磁気抵抗効果は存在しない。
【００２０】磁化方向反転を生じるために必要な磁場
は、上部電極配線層及びベース電極配線層（図６に示さ
れる上部層５０及び下部層１１、１３）に同時に電流を
流すことにより提供され得る。上部配線層または下部配
線層のいずれかを通じて電流を流すだけでは不十分であ
り、フリー強磁性層１８の状態を変化させるために要求
されるしきい値再編成磁場（the threshold realignmen
t field）を越えることができない。
【００２１】本発明のＭＴＪ構造には、従来技術に勝る
幾つかの利点が存在する。第１に、上部強磁性層１８が
平坦である。従来技術（図１参照）では、上部電極強磁
性層がステップ状に交差しなければならない。電極層が
ステップ状に交差する度に、必然的にステップ・エッジ
に磁極が存在する。これらが好ましくない迷磁場を生成
し、これが特に高密度メモリ・アプリケーションにおい
て問題となる。ＭＴＪ素子内の反強磁性交換バイアス層
は低印加磁場において、電極層の磁化方向の１つが固有
且つ固定であること、従って低印加磁場において、ＭＴ
Ｊメモリ・セルの固有の磁気抵抗応答特性を保証する。
１つの低い保磁性及び１つの高い保磁性を用いることに
より、低印加磁場においてステップ状の磁気抵抗応答を
達成する従来素子にとって、セルが一時的に高磁場に露
呈される場合、図３乃至図４に示されるように応答特性
が反転され得る。自己整合型コンタクト・ホールを有す
る本発明によるＭＴＪ素子（図５及び図７参照）は、Ｍ
ＴＪメモリ・セルが最小リソグラフィック・ピッチで構
成され、配線されることを可能にする。余分な横公差が
要求されない。平坦な上部接合電極及び自己整合型コン
タクト・ホールの追加の利点は、その構造及び製作方法
の両方が、容易に小さな寸法にスケーリングされること
である。これは平坦化された接合逆電極及び自己整合型
コンタクトを有さないＭＴＪ素子の場合には当てはまら
ない。なぜなら、小さな寸法では、位置不整合並びに関
係の無い磁極の迷磁場の影響により、性能制限が益々厳
しくなるからである。
【００２２】フリー強磁性層の特性は、最適書込み磁
場、並びに磁場変位に対するセルの安定性の点で選択さ
れる。Ｎｉ−Ｆｅ合金層は最小のスイッチング場を生じ
る一方で小さな信号を生じる。Ｃｏ−Ｆｅ合金は高いス
イッチング場を要求するが、大きな信号並びに磁場変位
に対する大きな安定性を有する。Ｃｏ−Ｆｅ層はまた、
大きな磁気歪を有し、これがパターン化配列において非
一様の特性に導き得る。最適なフリー強磁性層は、フリ
ー強磁性層と絶縁トンネル層との界面の薄いＣｏ−Ｆｅ
層から成り、層の大部分がＮｉ−Ｆｅなどの低磁気歪の
磁性材料である。拘束強磁性層の特性は磁場変位に対す
る最大の安定性を考慮して選択される。Ｎｉ−Ｆｅ合金
は、Ｆｅ−Ｍｎ合金の反強磁性層を用いて、最大の安定
性を発揮する。これはＣｏ−Ｆｅ合金層と比較して、よ
り高い一方向の交換異方性による。最適拘束強磁性層は
ゼロ磁気歪のＮｉ−Ｆｅ層から成り、薄い界面層が最適
信号のためにＣｏ−Ｆｅ層から成る。最適信号は最高の
分極のＣｏ−Ｆｅ合金と共に獲得される。これはＦｅ−
Ｃｏ−Ｎｉ合金の１原子当たりの磁気モーメント対電子
数の関係を表す、スレイタ−ポーリング曲線を調査する
ことにより容易に決定される。Ｆｅ−Ｍｎ反強磁性層は
Ｎｉ−Ｍｎ層と、または拘束強磁性層内の強磁性材料と
バイアス交換する他の好適な反強磁性金属層と置換され
得る。例えば、添加ＮｉＯまたはＣｏＯなどの導電性の
反強磁性酸化物層が使用され得る。
【００２３】同様に、拘束強磁性層の安定性は、それを
薄い金属層により分離される２つの磁性層（Ｃｏまたは
Ｃｏ−Ｆｅ合金など）のサンドイッチから形成し、それ
により２つの磁性層の反強磁性結合を生じることによ
り、一層向上する。このタイプの拘束層が、ＩＢＭの米
国特許第５４６５１８５号で述べられている。更にこの
タイプの拘束層は、ベース電極のネットの磁気モーメン
トを低減し、従ってメモリ・アレイ内の隣接する磁気素
子の静磁気結合を低減する。
【００２４】ＭＴＪ磁場センサ：図１２乃至図１３は、
外部磁場センサとして使用されるＭＴＪ素子構造の実施
例の、それぞれ断面図及び上面図を示す。この構造は、
上部接合電極スタック７０がトンネル障壁層２０に隣接
する強磁性層７２を含み、その磁化容易軸が下部電極ス
タック１０内の拘束層１８の磁化方向に平行ではなく、
垂直に配列される以外は図５乃至図６の構造と類似であ
る。上部配線層５０は平坦化された絶縁層４０により、
接合から間隔をあけられる。意図する範囲の磁場をセン
スするために、異方性の大きさが適切に設計される必要
があり、これは真性異方性、歪に起因する異方性、形状
異方性、静磁気結合場、及び補正場の付加的組み合わせ
として達成され得る。ＭＴＪメモリ・セルに関して上述
したように、低印加外部磁場に対して下部電極１０内の
強磁性層１８の磁化方向（矢印１９）が拘束され、フリ
ー強磁性層７２の磁化方向が矢印７３に平行または逆平
行になるように、基板９の平面内で自由に回転すること
ができる。
【００２５】磁場センス用のＭＴＪ素子は、上部電極７
０がフリー強磁性層７２の容易軸をベース電極１０内の
拘束強磁性層１８の容易軸に垂直にする形状異方性を提
供される以外は、メモリ・セル素子に関して上述したよ
うに形成される。図１４は、ＭＴＪ磁場センス素子の低
磁場（＋／−６０Ｏｅ）磁気抵抗特性を示す。この素子
内の上部電極７０（図１３参照）は、２．５μｍの幅、
及びベース電極１０内の拘束強磁性層１８の磁化方向１
９に垂直に、矢印７３方向に１２．５μｍの長さを有
し、垂直形状異方性を提供する。印加磁場がベース電極
の磁化容易軸の方向に沿って、約−１０Ｏｅから６０Ｏ
ｅにスイープするとき、ＭＴＪ抵抗が約２２５０Ωから
約２５００Ωに比較的滑らかに単調に増加する。印加磁
場が約３５Ｏｅから−４０Ｏｅにスイープするとき、抵
抗は２５００Ωから再度２２５０Ωに変化する。このＭ
ＴＪ素子では、フリー強磁性層７２の異方性が、主に、
矢印７３方向に沿う上部電極７０の２．５×１２．５μ
ｍ2のパターンの形状異方性により決定され、これは矢
印１９方向に沿う上部電極の真性異方性に垂直である。
センサ応答の滑らかさを改善し、センサ応答のヒステリ
シスを低減するために、真性異方性と後に形状異方性に
より誘導される異方性の両方を、ベース電極１０内の拘
束強磁性層１８の容易軸１９に垂直に矢印７３方向に整
列させることが達成され得る。上部電極の真性異方性の
こうした配列は、所望の方向７３に印加される外部磁場
内において、上部電極を成長させることにより達成され
得る。
【００２６】自己整合型の平坦化されたコンタクト層を
有する図７及び図１２のＭＴＪ構造は、メモリ・セル及
び外部磁場センシング・アプリケーションの両方におい
て、好適である。これらの素子を用意するための好適な
プロセス・シーケンスについて、図１５乃至図２２のプ
ロセス・フロー図を参照して述べることにする。最初
に、ＭＴＪ接合スタックの全ての層が高真空室内で、基
板ウエハ全体上に用意される（図１５参照）。熱酸化物
により覆われた平坦なシリコン基板ウエハが、好適な基
板９である。基板を周囲温度においてＡｒガスを用いて
マグネトロン・スパッタリングすることにより、膜成長
が達成される。スパッタ成長が非常に滑らかな膜を生成
するように注意が払われなければならない。これは、同
一の成長条件下で成長されるテスト用の多層金属構造内
の巨大磁気抵抗効果を測定することによりテストされ得
る。磁性層の成長の間に磁気異方性をこれらの層内に誘
導するために、基板平面内に磁場方向を有する絶対値２
０Ｏｅ乃至１００Ｏｅの印加磁場が使用される。第１の
層１２は、例えば２０ｎｍ台の厚さのＰｔなどの良導体
である。その上には厚さ４ｎｍのパーマロイ（Ｎｉ81Ｆ
ｅ19）層１４が成長される。この層は緩衝層であり、次
に付着される拘束層の適正な配向のためにテンプレート
を提供する役割をする。拘束層は、Ｍｎ50Ｆｅ50スパッ
タリング・ターゲットから付着される厚さ１０ｎｍのＭ
ｎ−Ｆｅ反強磁性層１６である。こうした成長は、Ｍｎ
50Ｆｅ50層１６が下層の４ｎｍのＮｉ−Ｆｅ層１４、及
び続いて成長される８ｎｍのＣｏ層１８の両者を拘束す
ることを保証する。このＰｔ／Ｎｉ−Ｆｅ／Ｍｎ−Ｆｅ
／Ｃｏスタックは、ＭＴＪ素子のベース電極スタック１
０を構成する。次に、スタック１０の最上層上に薄い
（厚さ１ｎｍ乃至２ｎｍ）Ａｌ層が付着される。このＡ
ｌ層が次に、酸素圧１００ｍＴｏｒｒ及び電力密度２５
Ｗ／ｃｍ2にて６０秒乃至２４０秒の間、酸化され、Ａ
ｌ2Ｏ3の絶縁トンネル障壁層２０が形成される。トンネ
ル障壁層２０が次に８ｎｍのＮｉ81Ｆｅ19層、続いて２
０ｎｍのＰｔコンタクト層３４により覆われる。層３
２、３４は上部電極スタック３０を形成する。この時点
で、基板ウエハ全体を覆う単一のＭＴＪスタックが存在
する（図１５参照）。
【００２７】次の工程シーケンスは、大きな接合を多数
の小さな接合にパターン化し、これらの接合を分離及び
接触させるために実行される。パターンは上下の電極形
状の長手寸法が磁性膜の容易軸方向に沿うように方向付
けられる。所望の上部電極層のパターン内のレジスト・
ステンシル８０が、最初にウエハ上に付着される。メモ
リ・セル・アプリケーションでは、形状異方性が上部層
の真性異方性を増すように、上部電極の形状が容易磁化
アクセス方向に沿って僅かに長くてもよく、例えば長さ
対幅の比が２：１に設定される。接合スタックが次にレ
ジスト・ステンシル８０により保護されない領域内で、
Ａｒイオン・ミリングによりＡｌ2Ｏ3層まで薄くされ
る。４００Ｖのイオン加速度ポテンシャルが好適であ
り、ミリング停止は好適には、ミリング校正実行にもと
づくタイミングにより達成されるが、スタックからスパ
ッタし戻されるアルミニウムまたは酸素の存在を検出す
ることにより達成されてもよい。エッチングは完全に上
部電極スタック３０を通じて実行されなければならず、
好適には、トンネル障壁層２０の内部のどこかで停止す
べきである。図１６はミリング工程が完了し、レジスト
・ステンシル８０が剥ぎ取られる以前の構造断面図を示
す。図１７はレジスト・ステンシル８０が剥ぎ取られた
後の構造断面図を示す。第２のレジスト・パターン９０
が次にウエハ上に付着され、レジストにより保護されな
いトンネル障壁２０並びにベース電極スタック１０の選
択領域のＡｒイオン・ミリング除去を可能にする。タイ
ミング式イオン・ミリングが再度、このプロセス工程の
ために使用される。図１８は、ベース電極ミリングの完
了後の、レジスト・パターンを残した構造断面図を示
す。図１９は、レジスト・ステンシル８０が剥ぎ取られ
た後の構造を示す。次に、図２０に示されるように、共
形の絶縁層６０（好適にはＳｉＯ2のスパッタリングに
よる）が、パターン化された接合構造全体上に付着され
る。この層の厚さは約１５０ｎｍ乃至２００ｎｍであ
る。ミリング及び付着工程の間に接合温度を約１５０℃
以上に上げないように注意が必要である。次に、上部接
合電極層に延びるコンタクト・ホールが開けられる。こ
れは好適には、スパッタリングされたＳｉＯ2層６０の
化学的−機械的研磨により達成され、接合逆電極が露呈
されるとき停止される。停止時間は校正実行により決定
される。研磨工程の完了後の結果の構造が、図２１に示
される。上部配線層５０は、例えば厚さ１００ｎｍ乃至
３００ｎｍのＰｔであり、この構造上にスパッタリング
されて、接合上部電極との接触を形成し、配線層を提供
する。Ｐｔの付着以前に、好適には薄い１ｎｍのＴｉ層
が、良好な接着を推進するために使用される。この層上
にレジスト・パターンが形成され、Ｐｔがエッチングま
たはミリングされ、所望の上部電極配線パターンが取り
残される。図２２はＰｔ層５０が付着された後の構造の
断面図を示す。この構造では、最上部層が断面方向に沿
って配線のために使用されるので、最上部層の紙面から
外れる方向のパターニングは明らかではない。Ｐｔ層の
代わりに、Ａｌ、Ｗ、またはＣｕが代替配線層として使
用され得る。
【００２８】上記の製作工程シーケンスは、メモリ・セ
ル素子の製作には最適である。外部磁場センス用のＭＴ
Ｊ素子を製作するためには、層の成長の間に上部接合電
極層の真性異方性並びに形状異方性の方向を、９０゜回
転する変更だけで済む。Ｎｉ81Ｆｅ19の上部接合電極層
が、ベース電極強磁性層において使用される磁場方向か
ら、基板平面内で９０゜回転される外部磁場内で成長さ
れることが好ましい。これはベース電極スタックの成長
後、基板ウエハを成長室内で９０゜回転するか、成長の
間に使用される印加磁場の方向を回転することにより達
成される。外部磁場センサＭＴＪ素子では、上部電極層
の異方性を向上させるために使用される任意の形状異方
性が、上部電極の容易軸方向に沿うべきであり、従っ
て、ベース電極の容易軸に垂直になる。
【００２９】Ａｌ層２０の厚さ及び酸化時間が、使用さ
れる接合サイズ及び所望のアプリケーションに従い、微
調整されなければならない。メモリ・セル・アプリケー
ションでは、セル抵抗が比較的高いことが好ましく、少
なくとも１０００Ω以上である。外部磁場センシング・
アプリケーションにおける高速性のためには、ＭＴＪ抵
抗は５０Ω乃至１００Ωのオーダであることが好まし
い。
【００３０】メモリ及びセンシング・アプリケーション
の両方において、トンネル障壁層２０に隣接して、所望
の範囲の保磁力場を提供する最も高い分極層を使用する
ことが好ましい。Ｃｏ、Ｆｅ−ＣｏまたはＮｉ−Ｍｎ−
Ｓｂなどの高分極材料の非常に薄い界面層が素子の磁気
抵抗を向上させるために、トンネル障壁２０に直接隣接
して使用され得るが、これらは強磁性層１８及び３２の
保磁力場を適度に変更しない。
【００３１】本発明のＭＴＪ素子では、数ミクロンの寸
法まで小型化されたＭＴＪ素子において、最大１８％の
磁気抵抗応答が達成された。また、より単純な手段によ
りパターン化されたより大きなテスト構造を用いること
により、２５％程度の磁気抵抗応答が、より最適化され
たＭＴＪ層において達成された。
【００３２】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００３３】（１）基板と、前記基板上に形成される平
坦な拘束強磁性層と、前記拘束強磁性層に隣接してそれ
と接触し、前記拘束強磁性層の磁化方向を好適な方向に
拘束し、印加磁場の存在の下で、前記磁化方向の回転を
阻止する反強磁性層とを有する第１の電極と、印加磁場
の存在の下で、磁化方向を自由に回転することができる
平坦なフリー強磁性層を有する第２の電極と、前記拘束
強磁性層と前記フリー強磁性層との間に配置され、前記
拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層に垂直な方向のト
ンネル電流を許可する絶縁トンネル層であって、前記拘
束強磁性層または前記フリー強磁性層が、前記絶縁トン
ネル層の側部周囲を越えて延びることのない側部周囲を
有し、前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層が前記
絶縁トンネル層とオーバラップすること無く、間隔をあ
けた別の平面内に保持される、前記絶縁トンネル層と、
を含む、磁気トンネル接合素子。 （２）前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層の容易
軸の磁化方向が、印加磁場の存在の下で互いに平行また
は逆平行である、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （３）前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層の前記
側部周囲が矩形形状であり、前記拘束強磁性層及び前記
フリー強磁性層の前記磁化容易軸が前記矩形の長手に沿
って配列される、前記（１）記載の磁気トンネル接合素
子。 （４）前記フリー強磁性層の前記容易軸磁化方向が、前
記拘束層の磁化方向と垂直である、前記（１）記載の磁
気トンネル接合素子。 （５）前記拘束強磁性層が前記基板と前記フリー強磁性
層との間に配置され、更に、前記フリー強磁性層の前記
側部周囲を取り囲む絶縁層と、前記絶縁層上に形成さ
れ、前記絶縁層を通じて前記フリー強磁性層と接触する
部分を含む非磁気導体層とを含む、前記（１）記載の磁
気トンネル接合素子。 （６）前記拘束強磁性層と接触し、界面交換結合により
前記フリー強磁性層の磁化方向を拘束する反強磁性層を
含む、前記（１）記載の磁気トンネル接合素子。 （７）前記第１の電極が前記基板上に形成され、前記反
強磁性層と接触するテンプレート強磁性層を含み、前記
反強磁性層が前記テンプレートと前記拘束強磁性層との
間に配置される、前記（６）記載の磁気トンネル接合素
子。 （８）２つの磁気状態を有し、不揮発性磁気メモリ・セ
ル・アレイにおいて使用可能な磁気トンネル接合メモリ
であって、前記アレイが前記アレイ内の個々のメモリ・
セルの前記磁気状態を検出するセンス回路に接続される
ものにおいて、磁化方向をその平面内に有する拘束強磁
性層と、前記拘束強磁性層と接触する反強磁性層であっ
て、前記拘束層の磁化方向を好適な方向に拘束し、所定
磁場強度以下の磁場に露呈されるとき、前記磁化方向の
回転を阻止する、前記反強磁性層と、前記拘束強磁性層
と接触する絶縁トンネル障壁層と、前記トンネル障壁層
と接触するフリー強磁性層であって、前記所定磁場強度
以下の磁場に露呈されるとき、前記フリー強磁性層の前
記平面内で、前記拘束強磁性層の前記磁化方向に平行な
方向と逆平行な方向との間で、自由に回転可能な磁化方
向を有する、前記フリー強磁性層と、を含み、前記拘束
強磁性層、前記トンネル障壁層及び前記フリー強磁性層
が、前記強磁性層の前記平面に垂直な方向の垂直スタッ
クとして形成され、前記強磁性層が前記センス回路に接
続されるとき、前記トンネル障壁層を前記強磁性層と垂
直な方向に流れる電流の電気抵抗が前記フリー強磁性層
の前記平行または逆平行の磁化方向により決定され、前
記電気抵抗の値が前記メモリ・セルの磁気状態を決定す
る、磁気トンネル接合メモリ・セル。 （９）前記垂直スタックが矩形形状のベースを有し、前
記拘束強磁性層の前記磁化方向が前記矩形形状のベース
の長手に平行である、前記（８）記載の磁気トンネル接
合メモリ・セル。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＭＴＪ素子の斜視図である。
【図２】従来のＭＴＪ素子の２つのピークを有する磁気
抵抗応答を示す図である。
【図３】制限付き振幅の印加磁場に露呈される従来のＭ
ＴＪ素子からの１つの可能なステップ状応答を示す図で
ある。
【図４】制限付き振幅の印加磁場に露呈される従来のＭ
ＴＪ素子からのもう１つの可能なステップ状応答を示す
図である。
【図５】絶縁体を貫通する自己整合型コンタクト・ホー
ルを有する、メモリ・セル・アプリケーション用に構成
された本発明のＭＴＪ素子の断面図である。
【図６】絶縁体を貫通する自己整合型コンタクト・ホー
ルを有する、メモリ・セル・アプリケーション用に構成
された本発明のＭＴＪ素子の上面図である。
【図７】平坦化された自己整合型コンタクト・ホールを
有する本発明によるＭＴＪ素子の断面図である。
【図８】電極及び絶縁トンネル障壁の両方が同一の断面
積を有する以外は、図５のＭＴＪ素子に類似のＭＴＪメ
モリ・セルの断面図である。
【図９】図５乃至図６に示されるタイプの代表的なＭＴ
Ｊ素子からの磁気応答特性及び磁気抵抗応答特性を示す
図である。
【図１０】図５乃至図６に示されるタイプの代表的なＭ
ＴＪ素子からの磁気応答特性及び磁気抵抗応答特性を示
す図である。
【図１１】図５乃至図６に示されるタイプの代表的なＭ
ＴＪ素子からの磁気応答特性及び磁気抵抗応答特性を示
す図である。
【図１２】磁場センシング・アプリケーション用に構成
された本発明のＭＴＪ素子の断面図である。
【図１３】磁場センシング・アプリケーション用に構成
された本発明のＭＴＪ素子の上面図である。
【図１４】ＭＴＪ磁場センシング素子の低磁場磁気抵抗
応答を示す図である。
【図１５】自己整合型コンタクト・ホールを有する平坦
化されたＭＴＪ素子の形成のためのプロセス・ステップ
を示す図である。
【図１６】自己整合型コンタクト・ホールを有する平坦
化されたＭＴＪ素子の形成のためのプロセス・ステップ
を示す図である。
【図１７】自己整合型コンタクト・ホールを有する平坦
化されたＭＴＪ素子の形成のためのプロセス・ステップ
を示す図である。
【図１８】自己整合型コンタクト・ホールを有する平坦
化されたＭＴＪ素子の形成のためのプロセス・ステップ
を示す図である。
【図１９】自己整合型コンタクト・ホールを有する平坦
化されたＭＴＪ素子の形成のためのプロセス・ステップ
を示す図である。
【図２０】自己整合型コンタクト・ホールを有する平坦
化されたＭＴＪ素子の形成のためのプロセス・ステップ
を示す図である。
【図２１】自己整合型コンタクト・ホールを有する平坦
化されたＭＴＪ素子の形成のためのプロセス・ステップ
を示す図である。
【図２２】自己整合型コンタクト・ホールを有する平坦
化されたＭＴＪ素子の形成のためのプロセス・ステップ
を示す図である。
【符号の説明】
９、９' 基板 １０、１０' ベース電極スタック １１、１１'、１３ 電極配線層 １２ シード層 １４ テンプレート層 １６ 反強磁性層 １８、１８' 拘束強磁性層 １９ 容易軸 ２０、２０' 絶縁トンネル障壁層 ３０、３０'、７０ 上部電極スタック ３２、３２' フリー強磁性層 ３４ 保護層 ４０、４０'、６０ 絶縁層 ５０ 接触及び上部配線層 ７０ 上部接合電極スタック ７２ 強磁性層 ８０ レジスト・ステンシル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチュアート・ステイーヴン・パプワー ス・パーキン アメリカ合衆国95123、カリフォルニア州 サン・ホセ、ロイヤル・オーク・コート 6264 (72)発明者 ジョン・カシミール・スロンクゼウスキー アメリカ合衆国10536、ニューヨーク州カ トナ、アリソン・ロード 161 (72)発明者 ジョナサン・ザンホン・サン アメリカ合衆国10547、ニューヨーク州モ ーガン・レイク、ケネス・スタート・プレ ース 20ビィ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板と、 前記基板上に形成される平坦な拘束強磁性層と、前記拘
    束強磁性層に隣接してそれと接触し、前記拘束強磁性層
    の磁化方向を好適な方向に拘束し、印加磁場の存在の下
    で、前記磁化方向の回転を阻止する反強磁性層とを有す
    る第１の電極と、 印加磁場の存在の下で、磁化方向を自由に回転すること
    ができる平坦なフリー強磁性層を有する第２の電極と、 前記拘束強磁性層と前記フリー強磁性層との間に配置さ
    れ、前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層に垂直な
    方向のトンネル電流を許可する絶縁トンネル層であっ
    て、前記拘束強磁性層または前記フリー強磁性層が、前
    記絶縁トンネル層の側部周囲を越えて延びることのない
    側部周囲を有し、前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁
    性層が前記絶縁トンネル層とオーバラップすること無
    く、間隔をあけた別の平面内に保持される、前記絶縁ト
    ンネル層と、 を含む、磁気トンネル接合素子。
  2. 【請求項２】前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層
    の容易軸の磁化方向が、印加磁場の存在の下で互いに平
    行または逆平行である、請求項１記載の磁気トンネル接
    合素子。
  3. 【請求項３】前記拘束強磁性層及び前記フリー強磁性層
    の前記側部周囲が矩形形状であり、前記拘束強磁性層及
    び前記フリー強磁性層の前記磁化容易軸が前記矩形の長
    手に沿って配列される、請求項１記載の磁気トンネル接
    合素子。
  4. 【請求項４】前記フリー強磁性層の前記容易軸磁化方向
    が、前記拘束層の磁化方向と垂直である、請求項１記載
    の磁気トンネル接合素子。
  5. 【請求項５】前記拘束強磁性層が前記基板と前記フリー
    強磁性層との間に配置され、更に、前記フリー強磁性層
    の前記側部周囲を取り囲む絶縁層と、前記絶縁層上に形
    成され、前記絶縁層を通じて前記フリー強磁性層と接触
    する部分を含む非磁気導体層とを含む、請求項１記載の
    磁気トンネル接合素子。
  6. 【請求項６】前記拘束強磁性層と接触し、界面交換結合
    により前記フリー強磁性層の磁化方向を拘束する反強磁
    性層を含む、請求項１記載の磁気トンネル接合素子。
  7. 【請求項７】前記第１の電極が前記基板上に形成され、
    前記反強磁性層と接触するテンプレート強磁性層を含
    み、前記反強磁性層が前記テンプレートと前記拘束強磁
    性層との間に配置される、請求項６記載の磁気トンネル
    接合素子。
  8. 【請求項８】２つの磁気状態を有し、不揮発性磁気メモ
    リ・セル・アレイにおいて使用可能な磁気トンネル接合
    メモリであって、前記アレイが前記アレイ内の個々のメ
    モリ・セルの前記磁気状態を検出するセンス回路に接続
    されるものにおいて、 磁化方向をその平面内に有する拘束強磁性層と、 前記拘束強磁性層と接触する反強磁性層であって、前記
    拘束層の磁化方向を好適な方向に拘束し、所定磁場強度
    以下の磁場に露呈されるとき、前記磁化方向の回転を阻
    止する、前記反強磁性層と、 前記拘束強磁性層と接触する絶縁トンネル障壁層と、 前記トンネル障壁層と接触するフリー強磁性層であっ
    て、前記所定磁場強度以下の磁場に露呈されるとき、前
    記フリー強磁性層の前記平面内で、前記拘束強磁性層の
    前記磁化方向に平行な方向と逆平行な方向との間で、自
    由に回転可能な磁化方向を有する、前記フリー強磁性層
    と、 を含み、前記拘束強磁性層、前記トンネル障壁層及び前
    記フリー強磁性層が、前記強磁性層の前記平面に垂直な
    方向の垂直スタックとして形成され、前記強磁性層が前
    記センス回路に接続されるとき、前記トンネル障壁層を
    前記強磁性層と垂直な方向に流れる電流の電気抵抗が前
    記フリー強磁性層の前記平行または逆平行の磁化方向に
    より決定され、前記電気抵抗の値が前記メモリ・セルの
    磁気状態を決定する、磁気トンネル接合メモリ・セル。
  9. 【請求項９】前記垂直スタックが矩形形状のベースを有
    し、前記拘束強磁性層の前記磁化方向が前記矩形形状の
    ベースの長手に平行である、請求項８記載の磁気トンネ
    ル接合メモリ・セル。
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