WO2008068967A1

WO2008068967A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法

Info

Publication number: WO2008068967A1
Application number: PCT/JP2007/070553
Authority: WO
Inventors: Hiroaki Honjou; Tetsuhiro Suzuki; Norikazu Ohshima
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2008-06-12
Also published as: JP5146836B2; US20100046288A1; US8300456B2; JPWO2008068967A1

Abstract

　本発明に係るＭＲＡＭは、ピン層６０と、トンネルバリヤ層５０を介してピン層６０に接続された磁気記録層４０とを備える。磁気記録層４０は、第１フリー層１０と、トンネルバリヤ層５０に接触する第２フリー層３０と、第１フリー層１０と第２フリー層３０との間に設けられた中間層２０とを有する。第１フリー層１０は、磁化反転領域１３と、第１磁化固定領域１１と、第２磁化固定領域１２とを含む。磁化反転領域１３は、反転可能な磁化を有し、第２フリー層３０とオーバーラップする。第１磁化固定領域１１は、磁化反転領域１３の第１境界Ｂ１に接続され、その磁化の向きは第１方向に固定される。一方、第２磁化固定領域１２は、磁化反転領域１３の第２境界Ｂ２に接続され、その磁化の向きは第２方向に固定される。第１方向及び第２方向は共に、磁化反転領域１３へ向かう方向、又は、磁化反転領域１３から離れる方向である。中間層２０は、少なくとも磁化反転領域１３を覆うように形成される。その磁化反転領域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。

Description

明細書

磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法

技術分野

[0001] 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糸且み込まれる。

[0002] 本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM： Magnetic Random Access Memor y)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背景技術

[0003] 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。

[0004] ピン層とフリー層の磁化の向き力反平行"である場合の MTJの抵抗値 (R+ A R) 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。

[0005] MRAMに対するデータの書き込み方法として、従来、「ァステロイド方式」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。

[0006] 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号公幸! ¾、あるヽ (ュ、 fagami ana Suzuki, Research frenas in Spin Transfer Magnetization S witching, 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つて磁化が反転する（以下、「スピン注入磁化反転： Spin Transfer Magnetization Swit ching」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。

[0007] 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。

[0008] 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" 力、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力フリー層 101 力もピン層 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";! "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、スピンフィルタ一としてのピン層 103と同じスピン状態を有する電子力ピン層 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。

[0009] 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。

[0010] 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力特開 2006— 73 930号公報及び特開 2005— 191032号公報に記載されている。

[0011] 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 fiわれる。

[0012] 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ィしれ · ₀

[0013] 更に、磁性体中の磁壁の移動は、特開 2005— 150303号公報や、 Yamaguchi et al.， PRし， Vol. 92， pp. 077205-1， 2004、などにも記載されている。

発明の開示

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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 [0017] 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 MR AM)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。

[0018] 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。

[0019] 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"；! "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。

[0020] 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力 Sでさる。

[0021] 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。

[0022] 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ぐ第 1フリー層内を平面的に流れる。書き込み電流が M TJ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。

[0023] 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力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力 S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。

[0024] 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。

[0025] 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。し力、しながら、本発明によれば、第 1フリ一層と第 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力 S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。

[0026] 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力 S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。

[0027] 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 MRA M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面の簡単な説明

[0028] [図 1]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]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

[図 3]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]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]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]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]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]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]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 [図 10]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]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]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]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]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。

発明を実施するための最良の形態

[0029] 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。

[0030] 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。

[0031] 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、 Co Fe/Ru/CoFe/PtMnの積層膜である。

[0032] 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、 Al O膜、 SiO膜、 MgO膜、 A1N膜が例示される。ま

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たその他に、トンネノレバリヤ層 50として、 Cu, Zn, Au, Ag, Alなどの非磁性金属を用いることあでさる。

[0033] 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。

[0034] 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、 0、 Zrなどの非磁性元素を含んでいても良い。

[0035] 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力 S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。

[0036] 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（f erromagnetic coupling)ゝ青 ¾&結合、 static couplingリカ、孕られ ό。その揪 5^1日勺結合の種類は、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。

[0037] 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フリ一層 30とトンネノレバリヤ層 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。

[0038] 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。

[0039] 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 1 1、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 1 3は、 "U字型"、又は、 "凹型"に形成されている。

[0040] 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の磁化の向き力第 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。

[0041] 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 domai n)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。

[0042] 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。

[0043] 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 Β2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。

[0044] 状態（a)から状態 (b) の遷移時、第 1書き込み電流 IW1が、第 1磁化固定領域 11 力、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の方向へスィッチする。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。

[0045] 一方、状態 (b)から状態（a) 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。

[0046] 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あ言； ^る。

[0047] 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 FW1、 FW2は、 MTJを貫通する方向ではなぐ第 1フリー層 10内を平面的に流れる。書き込み電流 I Wl , 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。

[0048] 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フリ一層 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。

[0049] 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へ向力、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（To ward)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へ向力、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 + Χ方向であり、磁壁 DWは第 2境界 Β2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 B 1に存在する。

[0050] 状態（a)から状態 (b) の遷移時、第 1書き込み電流 IW1が、第 1磁化固定領域 11 力、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 移動する。

[0051] 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。

[0052] 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。

[0053] 状態（a)から状態 (b) の遷移時、第 1書き込み電流 IW1が、第 1磁化固定領域 11 力、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 1 1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 1 1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 B 1から第 2境界 2 移動する。

[0054] 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。

[0055] 図 8において、第 1磁化固定領域 1 1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 B 1へ向力、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（To ward)方向である。つまり、第 1磁化固定領域 1 1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 1 3へ向力、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 B 1に存在する。

[0056] 状態（a)から状態 (b) の遷移時、第 1書き込み電流 IW1が、第 1磁化固定領域 1 1 力、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 B 1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 1 1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 1 1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 B 1から第 2境界 2 移動する。

[0057] 2— 5.磁化の固定

磁化固定領域 1 1、 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 1 1、 12の近傍に、磁性体で作製されたピユング層（図示されない）が設けられる。そのピユ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、ピユング層は、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。

[0058] 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、初期ァニール工程にぉレ、て、 +Y方向あるいは Y方向の磁場が印加されるとょレ、。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、ピユング層を設ける必要がなぐ好適である。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。

[0059] 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。

[0060] 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。

[0061] 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 1 3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。

[0062] 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。

[0063] 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 1 0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。

[0064] 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 1 3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。

[0065] 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。

[0066] 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 1 3の磁化の向きの逆になる。

[0067] 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 1 3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。

[0068] 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。

[0069] 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。

[0070] 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、 0、 Zrなどの非磁性元素を含んでいても良い。

[0071] 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。

[0072] 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、 0、 Zrなどの非磁性元素を含んでいても良い。

[0073] 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、 Al O膜、 SiO

2 3 2 膜、 MgO膜、 A1N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, Z n, Au, Ag, Alなどの非磁性金属を用いることもできる。

[0074] 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。

[0075] 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「エツチングストップ層」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。

[0076] 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のパターユングが行われる。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フリ一層 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。

[0078] 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。

[0079] 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

[0080] まず、ァ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。ァ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。し力、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。

[0081] また、ァ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。ァ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。し力、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。メモリセルサィ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一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。

[0082] また、ァ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。ァ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。し力、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。

[0083] 更に、 CPP (Current Perpendicular to Plane)方式のスピン注入方式と比較して、 M TJ (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ぐその大電流力 S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 IW 1 , 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ャ層 50の劣化が抑制される。

[0084] 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。

[0085] 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

[0086] 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。し力もながら、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における磁壁移動力 S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。

[0087] 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。

[0088] 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フリ一層 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）を用いること力 Sでさる。

[0089] 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、 M R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。し力、しながら、本実施例によれば、第 1フリ一層 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力できる。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。

[0090] 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力、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。

[0091] 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。

[0092] 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

請求の範囲

[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 V、ずれか向き、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 V、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 V、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。

(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強磁性層のパターユングにより、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強磁性層とォ一バーラップする磁化反転領域を含み、

前記 (f)工程は、

(fl)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