WO2010113748A1 - 強磁性ランダムアクセスメモリ - Google Patents

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WO2010113748A1
WO2010113748A1 PCT/JP2010/055188 JP2010055188W WO2010113748A1 WO 2010113748 A1 WO2010113748 A1 WO 2010113748A1 JP 2010055188 W JP2010055188 W JP 2010055188W WO 2010113748 A1 WO2010113748 A1 WO 2010113748A1
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magnetization
layer
region
magnetization fixed
magnetic recording
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Application number
PCT/JP2010/055188
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English (en)
French (fr)
Inventor
聖万 永原
俊輔 深見
哲広 鈴木
則和 大嶋
延行 石綿
Original Assignee
日本電気株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a ferromagnetic random access memory using a TMR element that reads information using a tunneling magnetoresistance effect.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • the ferromagnetic tunnel junction has a laminated structure in which a nonmagnetic insulating film (hereinafter referred to as a “tunnel barrier film”) is sandwiched between a first ferromagnetic film and a second ferromagnetic film. Is configured using an element having this laminated structure as a memory cell.
  • the electrical resistance when a current flows in the direction of the thickness of the tunnel barrier film of the ferromagnetic tunnel junction changes depending on the relative angle of the magnetic moment of the first and second ferromagnetic films, and when the magnetic moments are parallel to each other The electric resistance becomes minimum, and the electric resistance becomes maximum when antiparallel.
  • TMR effect tunneling magnetoresistance effect
  • MR ratio ratio of the TMR effect to the electrical resistance value
  • one of the two ferromagnetic films is used as a “fixed layer” (or “pinned layer”) with a fixed magnetic moment, and the direction of the magnetic moment of the other ferromagnetic film is “fixed” Data is recorded by making it parallel or anti-parallel to the magnetic moment of the layer.
  • a ferromagnetic film on which data is recorded is generally called a “free layer” or a “recording layer”.
  • a ferromagnetic film on which data is recorded is referred to as a “magnetic recording layer”.
  • spin injection method As a write method that can suppress an increase in write current due to miniaturization, for example, a “spin injection method” as disclosed in Patent Document 4 and Non-Patent Document 1 has been proposed.
  • a spin injection method a spin-polarized current is injected into the ferromagnetic conductor, and the magnetization is reversed by a direct interaction between the spin of the conduction electron carrying the current and the magnetic moment of the conductor. (This phenomenon is hereinafter referred to as “Spin Transfer Magnetization Switching”).
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a typical magnetoresistive element 200.
  • the magnetoresistive effect element 200 includes a magnetic recording layer 10, a pinned layer 12, and a tunnel barrier film 11 sandwiched between them.
  • the x axis and the y axis are defined in parallel to the in-plane direction of the magnetic recording layer 10, and the z axis is defined in the film thickness direction of the magnetic recording layer 10.
  • the magnetic recording layer 10 includes a first magnetization fixed region 101, a magnetization switching region 102, and a second magnetization fixed region 103.
  • the first magnetization fixed region 101 is connected to the first boundary 21 of the magnetization switching region 102, and the magnetization direction is fixed in the + z direction.
  • the second magnetization fixed region 103 is connected to the second boundary 22 of the magnetization switching region 102, and the magnetization direction is fixed in the ⁇ z direction (opposite to the magnetization of the first magnetization fixed region 101).
  • the magnetizations of the first and second magnetization fixed regions 101 and 103 are antiparallel to each other.
  • the magnetization of the magnetization switching region 102 can be reversed in the film thickness direction of the magnetic recording layer 10 and is directed in either the + z direction or the ⁇ z direction in a steady state.
  • a domain wall (DW) is formed at one of the first boundary 21 and the second boundary 22.
  • the pinned layer 12 is formed so as to face the magnetization switching region 102 of the magnetic recording layer 10 with the tunnel barrier film 11 interposed therebetween.
  • the pinned layer 12, the tunnel barrier film 11, and the magnetization switching region 102 form a ferromagnetic tunnel junction.
  • the magnetoresistive effect element 200 includes a first magnetization fixed layer 19 bonded to the first magnetization fixed region 101 and a second magnetization fixed layer 20 bonded to the second magnetization fixed region 103.
  • the first magnetization fixed layer 19 is made of a magnetically hard ferromagnetic material and has a magnetization in the + z direction.
  • the second magnetization fixed layer 20 is made of a magnetically hard ferromagnetic material and has magnetization in the ⁇ z direction.
  • the first magnetization fixed layer 19 plays a role of fixing the magnetization of the first magnetization fixed region 101 in the + z direction
  • the second magnetization fixed layer 20 fixes the magnetization of the second magnetization fixed region 103 in the ⁇ z direction. Playing a role.
  • Data writing to the magnetoresistive effect element 200 is performed as follows. In the following, the state where the magnetization of the magnetization switching region 102 is oriented in the ⁇ z direction and the domain wall is located at the first boundary 21 is data “1”, the magnetization is oriented in the + z direction and the domain wall is located at the second boundary 22. The description will be made assuming that the state is associated with the data “0”. However, it will be apparent to those skilled in the art that the correspondence between the magnetization direction and the data value may be reversed.
  • a write current flows from the first magnetization fixed region 101 to the second magnetization fixed region 103 through the magnetization switching region 102. It is. That is, spin-polarized electrons are injected from the second magnetization fixed region 103 into the magnetization switching region 102. As a result, the domain wall moves from the second boundary 22 to the first boundary 21 and the magnetization of the magnetization switching region 102 is directed in the ⁇ z direction, that is, data “1” is written.
  • the write current 2 flows from the second magnetization fixed region 103 to the first magnetization fixed region 101 through the magnetization switching region 102. That is, spin-polarized electrons are injected from the first magnetization fixed region 101 into the magnetization switching region 102.
  • the domain wall moves from the first boundary 21 to the second boundary 22, and the magnetization of the magnetization switching region 102 is directed in the + z direction, that is, data “0” is written.
  • the domain wall (DW) in the magnetic recording layer 10 is formed between the first boundary 21 and the second boundary 22 of the magnetization switching region 102 by the current flowing between the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103. Data is written by moving between them.
  • the write current is reduced as the memory cell size is reduced. Further, as the memory cell size is reduced, the moving distance of the domain wall (DW) is reduced, so that the write speed increases with the miniaturization of the memory cell.
  • FIG. 1 shows the case where the magnetic recording layer 10 has perpendicular magnetic anisotropy and the magnetization of the magnetic recording layer 10 is directed in the film thickness direction. Can also be oriented in the in-plane direction. A configuration in which the magnetization of the magnetic recording layer is directed in the in-plane direction is disclosed in Non-Patent Document 2, for example.
  • Non-Patent Document 2 requires about 1 ⁇ 10 8 [A / cm 2 ] as the current density necessary for current-induced domain wall motion. In this case, for example, when the width of the magnetic recording layer 10 is 100 nm and the film thickness is 10 nm, the write current is 1 mA.
  • Non-Patent Document 3 reports that the write current can be sufficiently reduced by using a material having perpendicular magnetic anisotropy as the magnetic recording layer.
  • Non-Patent Document 4 reports that current-induced domain wall motion was observed in a material having perpendicular magnetic anisotropy.
  • the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 are used to fix the magnetization of the first and second magnetization fixed regions 101 and 103, the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 There is also a problem that the domain wall movement may be hindered by the leakage magnetic field. It is not preferable from the viewpoint of stable operation that the domain wall movement is hindered.
  • Non-Patent Document 4 as a method not using such a magnetization fixed layer, a method of forming a magnetic fine wire having a step structure by forming a magnetic fine wire and then removing a part thereof by etching is performed.
  • the reversal magnetic field in the thin region is smaller than the reversal magnetic field in the thick region, so that the thin region is reversed and the thick region is not reversed.
  • Domain walls can be introduced by using a large magnetic field.
  • a magnetic field perpendicular to the substrate surface is used as the external magnetic field.
  • an object of the present invention is to stably introduce a domain wall into a magnetic recording layer in an MRAM that uses domain wall motion for a write operation, and further prevent the domain wall motion from being hindered by a leakage magnetic field from the magnetization fixed layer. It is in.
  • a magnetic memory in one aspect of the present invention, includes an insulating layer, a magnetic recording layer formed on the insulating layer, a tunnel barrier layer, and a pinned layer.
  • the magnetic recording layer has reversible magnetization, a magnetization reversal region facing the pinned layer across the tunnel barrier layer, and a first magnetization in which the magnetization direction is fixed in the first direction. It has a fixed region and a second magnetization fixed region that is bonded to the magnetization switching region and whose magnetization direction is fixed in the second direction.
  • the insulating layer is provided with a step at a position corresponding to the boundary between the first magnetization fixed region and the magnetization switching region and a position corresponding to the boundary between the magnetization switching region and the second magnetization fixed region. In the layer, a first step is formed at the boundary between the first magnetization fixed region and the magnetization switching region, and a second step is formed at the boundary between the magnetization switching region and the second magnetization fixed region.
  • a technique for stably introducing a domain wall into a magnetic recording layer and further preventing the domain wall movement from being hindered by a magnetization fixed layer in an MRAM that uses domain wall motion for a write operation is provided.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the main part of the MRAM according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a portion corresponding to one memory cell of the MRAM.
  • the memory cell generally includes a memory element portion 300 and a selection transistor portion 301.
  • the configuration of the memory element portion 300 and the selection transistor portion 301 will be described in detail.
  • an xyz orthogonal coordinate system is defined in the MRAM, and description will be made using the xyz orthogonal coordinate system.
  • the selection transistor portion 301 will be described.
  • a semiconductor substrate for example, a p-type silicon substrate, a p-type well region
  • an element isolation insulating layer 42 for forming an STI (Shallow Trench Isolation) structure is formed.
  • MOS transistors n-channel MOS transistors
  • Tr1 and Tr2 used as read selection switches are formed.
  • a gate insulating film 43, a gate electrode 44, and a sidewall insulating layer 45 constituting the MOS transistors Tr1 and Tr2 are formed on the semiconductor substrate 41.
  • the gate electrode 44 is provided so as to extend in the y-axis direction, and functions as a read word line for selecting a read cell during a read operation.
  • Diffusion layers 46 and 47 are formed on both sides of the gate electrode 44.
  • An insulating layer is laminated so as to cover the MOS transistors Tr1 and Tr2, and a via contact 48 for connecting to the diffusion layers 46 and 47 is formed so as to penetrate the insulating layer.
  • a tungsten plug can be used.
  • a first metal layer is formed on the via contact 48 and the insulating layer. On the first metal layer, lands 49 and bit lines 50 for vertically stacking contacts are formed.
  • An insulating layer is further laminated on the first metal layer, and a via contact 51 is formed so as to penetrate the insulating layer. Further, a second metal layer is formed on the via contact 51 and the insulating layer. Lands 52 for vertically stacking a plurality of contacts are formed in the second metal layer. An insulating layer is further laminated on the second metal layer, and a via contact 54 is formed so as to penetrate the insulating layer. A third metal layer is formed on the via contact 54 and the insulating layer. In the third metal layer, the first wiring 31 and the second wiring 34 that are both used as write word lines are formed. The first wiring 31 is connected to the magnetoresistive effect element 200 via the first via contact 32, and the second wiring 34 is connected to the magnetoresistive effect element 200 via the second via contact 33.
  • the memory element portion 300 includes a magnetoresistive effect element 200.
  • the magnetoresistive effect element 200 includes a magnetic recording layer 10 that is a ferromagnetic layer, a pinned layer 12, and a tunnel barrier layer 11.
  • the tunnel barrier layer 11 is sandwiched between the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12, and a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed by the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 11, and the pinned layer 12.
  • the tunnel barrier layer 11 is a thin and nonmagnetic insulating layer, and is formed of, for example, an alumina oxide film (Al—Ox) or magnesium oxide (MgO) formed by oxidizing an Al film.
  • the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 are ferromagnetic films having perpendicular magnetic anisotropy, and the magnetization directions of the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 are directed in the film thickness direction.
  • the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 are made of, for example, iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), or an alloy containing any of these.
  • the perpendicular magnetic anisotropy can be stabilized.
  • B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, Hf, Ta, W , Re, Os, Ir, Au, Sm, and the like can be added to the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 so that desired magnetic characteristics are expressed.
  • materials that can be used as the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 include Co, Co—Pt, Co—Pd, Co—Cr, Co—Pt—Cr, Co—Cr—Ta, and Co—Cr.
  • perpendicular magnetic anisotropy can also be expressed by laminating a ferromagnetic film containing any one material selected from Fe, Co, and Ni and a nonmagnetic material film.
  • the laminated body that can be used as the magnetic recording layer 10 and the pinned layer 12 include a Co / Pd laminated film, a Co / Pt laminated film, and an Fe / Au laminated film.
  • An antiferromagnetic layer 15 is stacked on the pinned layer 12 in order to increase the coercive force of the pinned layer 12 and pin the magnetization. That is, by laminating the antiferromagnetic layer 15 on the pinned layer 12, the pinned layer 12 exhibits unidirectional anisotropy due to the exchange interaction that acts between the pinned layer 12 and the antiferromagnetic layer 15. Can be fixed in one direction.
  • a manganese alloy antiferromagnetic film such as iron / manganese (FeMn), platinum / manganese (PtMn), nickel / manganese (NiMn), cobalt oxide (CoO), nickel oxide, etc.
  • An oxide antiferromagnetic film such as a material (NiO) can be used.
  • the magnetic recording layer 10 has three regions: a first magnetization fixed region 101, a second magnetization fixed region 103, and a magnetization switching region 102.
  • the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103 have magnetizations whose directions are antiparallel to each other.
  • the magnetization switching region 102 has magnetization that can be switched between the + z direction and the ⁇ z direction. That is, the magnetization of the magnetization switching region 102 is allowed to be parallel or antiparallel to the magnetization of the pinned layer 12.
  • the magnetization switching region 102 is formed in a portion sandwiched between the first and second magnetization fixed regions 101 and 103.
  • the pinned layer 12 is formed so as to overlap with the magnetization switching region 102.
  • a part of the magnetization switching region 102 of the magnetic recording layer 10 faces the pinned layer 12 with the tunnel barrier layer 11 interposed therebetween, and the pinned layer 12, the tunnel barrier layer 11, and the magnetization switching region 102 are ferromagnetic.
  • a tunnel junction is formed.
  • the magnetization of the pinned layer 12 is fixed in the + z direction.
  • the magnetization of the first magnetization fixed region 101 is fixed in the + z direction, and the magnetization of the second magnetization fixed region 103 is fixed in the ⁇ z direction.
  • a first step 17 and a second step 18 are formed on the magnetic recording layer 10.
  • the first step 17 becomes a boundary between the first magnetization fixed region 101 and the magnetization switching region 102
  • the second step 18 becomes a boundary between the magnetization switching region 102 and the second magnetization fixed region 103.
  • the first step 17 and the second step 18 are formed by forming a step in the insulating layer 56 and forming the magnetic recording layer 10 so as to cover the step.
  • the height of the two steps 18 is substantially equal to or smaller than the film thickness of the magnetic recording layer 10.
  • the step is formed so that the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103 are located below the magnetization switching region 102 (that is, close to the substrate 41).
  • a step may be formed so that the magnetization switching region 102 is positioned below the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103.
  • the formation of the first step 17 and the second step 18 in the magnetic recording layer 10 is important for stably introducing the domain wall into the magnetic recording layer.
  • the magnetoresistive effect element 200 further includes a first magnetization fixed layer 19 joined to the first magnetization fixed region 101 and a second magnetization fixed layer 20 joined to the second magnetization fixed region 103.
  • the first magnetization fixed layer 19 has a function of fixing the magnetization of the first magnetization fixed region 101
  • the second magnetization fixed layer 20 has a function of fixing the magnetization of the second magnetization fixed region 103. Yes.
  • Both the first magnetization fixed layer 19 and the second magnetization fixed layer 20 are formed of a magnetically hard ferromagnetic material.
  • the first magnetization fixed layer 19 and the second magnetization fixed layer 20 are configured so that the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 is less likely to be reversed than the magnetization of the second magnetization fixed layer 20.
  • the first magnetization fixed layer 19 is made of a magnetically harder material than the second magnetization fixed layer 20.
  • the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 19 is directed to the + z direction similarly to the magnetization of the first magnetization fixed region 101, and the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 20 is the same as that of the second magnetization fixed region 103. Like the magnetization, it is oriented in the -z direction.
  • the first magnetization fixed layer 19 is directly bonded to the lower surface of the first magnetization fixed region 101, but may be bonded to the upper surface. Further, if the first magnetization fixed layer 19 is magnetically coupled to the first magnetization fixed region 101, it is not necessary to be directly joined.
  • the second magnetization fixed layer 20 may be directly bonded to the upper surface in FIG. 3, and the second magnetization fixed layer 20 is magnetically coupled to the first magnetization fixed region 101. If so, it is not necessary to be joined directly.
  • the end 19 a closest to the first step 17 of the first magnetization fixed layer 19 is formed away from the first step 17 that is the boundary between the first magnetization fixed region 101 and the magnetization switching region 102.
  • the fact that the end 19a of the first magnetization fixed layer 19 is formed away from the first step 17 prevents the domain wall movement from being hindered by the leakage magnetic field from the first magnetization fixed layer 19. It is valid.
  • the ends of the first magnetization fixed layer 20 other than the end 19a are formed so as to coincide with the ends of the first magnetization fixed region 101 or to be located outside thereof.
  • the end 20 a closest to the second step 18 of the second magnetization fixed layer 20 is formed away from the second step 18 that is the boundary between the magnetization switching region 102 and the second magnetization fixed region 103.
  • the fact that the end 20a of the second magnetization fixed layer 20 is formed away from the second step 18 prevents the domain wall movement from being hindered by the leakage magnetic field from the second magnetization fixed layer 20. It is valid.
  • the ends of the second magnetization fixed layer 20 other than the end 20a are formed so as to coincide with the ends of the second magnetization fixed region 103 or to be located outside thereof.
  • the memory element portion 300 is provided with a first wiring 31, a first via contact 32, a second via contact 33 and a second wiring 34.
  • the first wiring 31 is connected to the first magnetization fixed layer 19 via the first via contact 32
  • the second wiring 34 is connected to the second magnetization fixed layer 20 via the second via contact 33.
  • the first wiring 31 and the second wiring 34 are formed of a material having a low electrical resistance such as aluminum (Al), copper (Cu), tungsten (W), or the like.
  • the first wiring 31, the first via contact 32, the second via contact 33, and the second wiring 34 are disposed below the magnetic recording layer 10, but may be disposed above. It is.
  • the magnetoresistive effect element 200 of FIG. 3 is manufactured by the following processes, for example. After the first wiring 31 and the second wiring 34 are formed, an insulating layer 55 that covers the first wiring 31 and the second wiring 34 is formed. Further, after opening an opening in the insulating layer 55 by reactive etching (RIE) or the like, the opening is filled with a conductive material such as copper (Cu) or tungsten (W), whereby the first via contact 32 and the second via are formed. A contact 33 is formed. Further, after forming a ferromagnetic film to be the magnetization fixed layers 19 and 20 by sputtering or the like, unnecessary portions are removed by etching by ion milling or the like to form the first and second magnetization fixed layers 19 and 20. .
  • RIE reactive etching
  • an insulating film such as silicon oxide (SiO 2 ) to be the insulating layer 56 is laminated, and then the insulating film is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like to be formed on the first and second magnetization fixed layers 19 and 20.
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • the insulating film is completely removed.
  • an insulating film for forming a step is formed again, and this insulating film is processed by ion milling or reactive etching, so that it is positioned at a position corresponding to the first step 17 and the second step 18 of the magnetic recording layer 10.
  • a step structure is formed. Thereby, the insulating layer 56 having a step is formed.
  • the first ferromagnetic film, the insulating film, the second ferromagnetic film, and the antiferromagnetic film that become the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 11, the pinned layer 12, and the antiferromagnetic layer 15 are continuously formed by sputtering or the like.
  • the antiferromagnetic layer 15, the pinned layer 12, the tunnel barrier layer 11, and the magnetic recording layer 10 are formed in desired shapes by forming a film and processing it by ion milling or the like.
  • the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 and the first and second magnetization fixed regions 101 and 103 of the magnetic recording layer 10 are electrically and magnetically connected, and the pinned layer 12 and the tunnel barrier are also connected.
  • the surface roughness of the portion where the layer 11 is formed is also suppressed by planarization.
  • a desired magnetoresistance effect element 200 can be formed.
  • the introduction of the domain wall into the magnetic recording layer 10 is performed by the following procedure: First, the first magnetization fixed region 101, the magnetization switching region 102, the second magnetization fixed region 103, the first magnetization fixed layer 19, and the second magnetization fixed layer are performed by performing a heat treatment while applying an external magnetic field in the + z direction. Twenty magnetizations are oriented in the + z direction.
  • an external magnetic field is applied in the ⁇ z direction.
  • the magnitude of the magnetic field applied at this time depends on the magnetization of the magnetic recording layer 10 other than the portion magnetically coupled to the first magnetization fixed layer 19 of the first magnetic fixed region 101 and the magnetization of the second magnetization fixed layer 20.
  • the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 and the portion that is reversed and magnetically coupled to the first magnetization fixed layer 19 of the first magnetic fixed region 101 is set so as not to be reversed.
  • the first magnetization fixed layer 19 and the second magnetization fixed layer 20 are configured such that the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 is less likely to be reversed than the magnetization of the second magnetization fixed layer 20. Note that it is composed.
  • a portion of the magnetic recording layer 10 that is magnetically coupled to the first magnetization fixed layer 19 of the first magnetic fixed region 101 forms one magnetic domain.
  • the other part forms another magnetic domain. That is, a domain wall is generated at the position 21 corresponding to the end 19 a of the first magnetization fixed layer 19.
  • the external magnetic field is gradually increased.
  • the magnitude of the magnetic field at this time is large enough to reverse the magnetization of the portion of the first magnetic pinned region 101 that is not magnetically coupled to the first magnetization pinned layer 19 and the second pinned magnetization is fixed.
  • the magnetization of the region 103 is large enough not to reverse.
  • the domain wall can be formed in the first step 17.
  • the domain wall at the first step 17 moves toward the second step 18, the domain wall cannot move before the second step 18 because the second step 18 acts as a pin site. . Therefore, the domain wall can move only between the first step 17 and the second step 18.
  • the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56.
  • etching for partially reducing the thickness of the magnetic recording layer 10 is not performed. Pinsite can be generated stably. Therefore, the domain wall can be stably introduced into the magnetic recording layer 10.
  • the write operation in the first embodiment will be specifically described.
  • the state where the magnetization of the magnetization switching region 102 is oriented in the ⁇ z direction and the domain wall is located at the first step 17 is data “1”, and the magnetization is oriented in the + z direction and the domain wall is located at the second step 18.
  • the description will be made assuming that the state is associated with the data “0”.
  • the correspondence between the magnetization direction and the data value may be reversed.
  • a write current flows from the first magnetization fixed region 101 to the second magnetization fixed region 103 through the magnetization switching region 102. It is.
  • the first wiring 31, the first via contact 32, the second via contact 33, and the second wiring 34 are used for supplying the write current.
  • spin-polarized electrons are injected from the second magnetization fixed region 103 into the magnetization switching region 102.
  • the domain wall at the second step 18 tends to move toward the first step 17 due to the spin transfer effect. That is, the magnetization direction of the magnetization switching region 102 tends to change from the + z direction to the ⁇ z direction.
  • the first step 17 acts as a pin site, so that the domain wall can move only to the first step 17. Therefore, when the domain wall moves to the first step 17 due to the spin transfer effect, the magnetization reversal stops, and as a result, the domain wall remains at the first step 17.
  • the domain wall cannot move beyond the first step 17 and the second step 18 when writing either data “1” or “0”.
  • the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 are located away from the first step 17 and the second step 18. Therefore, in the MRAM of this embodiment, the distance between the domain wall and the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 can be increased. This is effective in reducing the influence of the leakage magnetic field from the magnetization fixed layers 19 and 20 and stabilizing the operation.
  • the TMR effect is used to read data recorded on the magnetic recording layer 10.
  • a read current is supplied so as to flow between the pinned layer 12 and the magnetization switching region 102.
  • the read current is caused to flow from one of the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103 to the pinned layer 12 via the magnetization switching region 102 and the tunnel barrier layer 11, and further to the pinned layer.
  • the current flows through the readout wiring 35 formed on the layer 12.
  • the read current flows from the read wiring 35 through the pinned layer 12 to the first magnetization fixed region 101 or the second magnetization fixed region 103 via the tunnel barrier layer 11 and the magnetization switching region 102. May be.
  • the resistance value of the magnetoresistive effect element 200 is detected based on the read current or the potential difference generated by the read current, and the magnetization direction of the magnetization switching region 102, that is, the data recorded in the magnetic recording layer 10 is identified.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive effect element 200 according to the second embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 200 in the second embodiment generally has the same configuration as the magnetoresistive effect element 200 in the first embodiment.
  • the magnetic recording layer 10 is provided with two steps: the first step 17 and the second step 18, and the domain wall movement is performed between the first step 17 and the second step 18.
  • the magnetoresistive effect element 200 is provided with only one magnetization fixed layer. That is, while the first magnetization fixed layer 19 that is magnetically coupled to the first magnetization fixed region 101 is provided, no magnetization fixed layer is prepared for the second magnetization fixed region 103. In the present embodiment, the third contact via 36 is joined to the second magnetization fixed region 103 instead of the second magnetization fixed layer 20.
  • the magnetoresistive effect element 200 having the structure of FIG. 4 is manufactured, for example, by the following process. After the first wiring 31 and the second wiring 34 are formed, an insulating layer 55 that covers the first wiring 31 and the second wiring 34 is formed. Further, after opening an opening in the insulating layer 55 by reactive etching (RIE) or the like, the opening is filled with a conductive material such as copper (Cu) or tungsten (W), whereby the first via contact 32 and the second via are formed. A contact 33 is formed. Further, after forming a ferromagnetic film to be the first magnetization fixed layer 19 by sputtering or the like, unnecessary portions are removed by etching by ion milling or the like to form the first magnetization fixed layer 19.
  • RIE reactive etching
  • an insulating film such as silicon oxide (SiO 2 ) to be the insulating layer 56 is laminated, and then the insulating film is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like, and the insulating film on the first magnetization fixed layer 19 is completely formed. To remove. Subsequently, a third via contact 36 penetrating the insulating film is formed in the same manner as the first via contact 32 and the second via contact 33. Further, an insulating film for forming a step is formed again, and this insulating film is processed by ion milling or reactive etching, thereby forming a step at a position corresponding to the first step 17 and the second step 18 of the magnetic recording layer 10. A structure is formed.
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • the insulating layer 56 having a step is formed.
  • the first ferromagnetic film, the insulating film, the second ferromagnetic film, and the antiferromagnetic film that become the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 11, the pinned layer 12, and the antiferromagnetic layer 15 are continuously formed by sputtering or the like.
  • the antiferromagnetic layer 15, the pinned layer 12, the tunnel barrier layer 11, and the magnetic recording layer 10 are formed in desired shapes by forming a film and processing it by ion milling or the like.
  • the introduction of the domain wall (DW) into the magnetic recording layer 10 is performed as follows: First, initialization for fixing the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 in a desired direction (in the + z direction in the present embodiment) is performed. Specifically, heat treatment is performed with an external magnetic field applied in the + z direction, and the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 and the magnetization of the magnetic recording layer 10 are directed in the + z direction. As a result, the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 and the magnetization of the first magnetization fixed region 101 magnetically coupled to the first magnetization fixed layer 19 are fixed in the + z direction.
  • an external magnetic field in the ⁇ z direction is applied.
  • the external magnetic field at this time is adjusted to be sufficiently smaller than the magnitude of reversing the magnetization of the first magnetization fixed layer 19 while reversing the magnetization of the magnetization reversal region 102 and the second magnetization fixed region 103 of the magnetic recording layer 10.
  • heat treatment is not necessarily required.
  • the magnetization of the magnetic recording layer 10 other than the region magnetically bonded to the first magnetization fixed layer 19 is reversed, so that a domain wall is generated at the position 21 corresponding to the end 19 a of the first magnetization fixed layer 19.
  • the external magnetic field is gradually increased.
  • the direction of the external magnetic field at this time is the + z direction, which is the same as the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 19.
  • the magnitude of the external magnetic field at this time is set such that the domain wall moves beyond the first step 17 and moves between the first step 17 and the second step 18, that is, into the magnetization switching region 102.
  • the technical significance of applying the initialization current after moving the domain wall to the middle of the magnetization switching region 102 is as follows. If the application of the external magnetic field is stopped when the domain wall moves to the position of the first step 17, the domain wall stops at the position of the first step 17. In this case, as described above, the domain wall does not move beyond the step due to the formation of the pin site due to the step, and therefore, the domain wall may not move even when the write current is applied.
  • the procedure of moving the domain wall to the first step 17 or the second step 18 by moving the domain wall to the middle of the magnetization switching region 102 and then applying the initialization current avoids such a problem. Is effective for generating the first step 17 or the second step 18.
  • the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56.
  • etching for partially reducing the thickness of the magnetic recording layer 10 is not performed. Pinsite can be generated stably. Therefore, the domain wall can be stably introduced into the magnetic recording layer 10.
  • the write operation and read operation in the MRAM of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.
  • a write current is passed between the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103, and the domain wall is moved between the first step 17 and the second step 18.
  • the first magnetization pinned layer 19 is located away from the first step 17, and no magnetization pinned layer is provided around the second step 18, The influence of the leakage magnetic field from the single magnetization fixed layer 19 can be reduced, and the operation can be stabilized.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the structure of the magnetoresistive effect element 200 in the third embodiment
  • FIG. 6 is a cross-sectional view.
  • the magnetoresistive effect element 200 in the third embodiment has generally the same configuration as the magnetoresistive effect element 200 in the first and second embodiments.
  • the magnetic recording layer 10 is provided with two steps: the first step 17 and the second step 18, and the domain wall movement is performed between the first step 17 and the second step 18.
  • the difference between the MRAM of the third embodiment and the first and second embodiments is that in the third embodiment, a magnetization fixed layer is used to fix the magnetization of the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103. It is a point not to use.
  • the first via contact 32 is directly bonded to the first magnetization fixed region 101
  • the second via contact 33 is directly bonded to the second magnetization fixed region 103.
  • the pattern width of a part of the second magnetization fixed region 103 is larger than that of other parts. That is, as illustrated in FIG. 5, in the third embodiment, the second magnetization fixed region 103 includes the first portion 103a and the second portion 103b, and the width of the second portion 103b is the first portion. It is wider than the width of 103a.
  • the first portion 103a is a portion connected to the magnetization switching region 102 in the second magnetization fixed region 103
  • the second portion 103b is a portion connected to the first portion 103a.
  • the magnetoresistive effect element 200 of FIGS. 5 and 6 is manufactured, for example, by the following process. After the first wiring 31 and the second wiring 34 are formed, an insulating layer 55 that covers the first wiring 31 and the second wiring 34 is formed. Further, after opening an opening in the insulating layer 55 by reactive etching (RIE) or the like, the opening is filled with a conductive material such as copper (Cu) or tungsten (W), whereby the first via contact 32 and the second via are formed. A contact 33 is formed.
  • RIE reactive etching
  • an insulating film for forming a step is formed again, and this insulating film is processed by ion milling or reactive etching, so that it is positioned at a position corresponding to the first step 17 and the second step 18 of the magnetic recording layer 10.
  • a step structure is formed. Thereby, the insulating layer 55 having a step is formed.
  • the first ferromagnetic film, the insulating film, the second ferromagnetic film, and the antiferromagnetic film that become the magnetic recording layer 10, the tunnel barrier layer 11, the pinned layer 12, and the antiferromagnetic layer 15 are continuously formed by sputtering or the like.
  • the antiferromagnetic layer 15, the pinned layer 12, the tunnel barrier layer 11, and the magnetic recording layer 10 are formed in desired shapes by forming a film and processing it by ion milling or the like.
  • the magnetic recording layer 10 is processed so that the pattern width of a part of the second magnetization fixed region 103 is larger than that of the other part.
  • the first and second magnetization fixed layers 19 and 20 and the first and second magnetization fixed regions 101 and 103 of the magnetic recording layer 10 are electrically and magnetically connected, and the pinned layer 12 and the tunnel barrier are also connected.
  • the surface roughness of the portion where the layer 11 is formed is also suppressed by planarization.
  • a desired magnetoresistance effect element 200 can be formed.
  • the introduction of the domain wall into the magnetic recording layer 10 in the third embodiment is performed as follows. First, the magnetization direction of the magnetic recording layer 10 is aligned in one direction. In the present embodiment, an external magnetic field is applied in the ⁇ z direction, and the magnetizations of the first magnetization fixed region 101, the magnetization switching region 102, and the second magnetization fixed region 103 are directed in the ⁇ z direction. Next, an external magnetic field is applied in a direction opposite to the direction applied earlier (that is, the + z direction). The magnitude of the external magnetic field at this time is such a magnitude that the magnetization of the portion 103b where the pattern width of the second magnetization fixed region 103 is wide is not reversed. As shown in FIG.
  • the portion 103b of the second magnetization fixed region 103 has a pattern width larger than that of the other portion of the magnetic recording layer 10, and accordingly, a magnetic field (coercive force) necessary for magnetization reversal. Is larger than other parts. Therefore, it is possible not to reverse only the magnetization of the portion 103 b of the second magnetization fixed region 103. At this time, heat treatment is not necessarily required. Thereby, the magnetization of the portion 103a of the first magnetization fixed region 101, the magnetization switching region 102, and the second magnetization fixed region 103 of the magnetic recording layer 10 is reversed, and a domain wall is generated at the position 103c of the boundary between the portions 103a and 103b.
  • the external magnetic field moves so that the domain wall moves beyond the first step 17 and between the first step 17 and the second step 18, that is, in the middle of the magnetization switching region 102. It may be set to a large size. In this case, by subsequently applying an initialization current to the magnetization switching region 102, the domain wall that has moved to the middle of the magnetization switching region 102 is moved to the first step 17 or the second step 18.
  • the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56. Plays. In the structure in which the first step 17 and the second step 18 are provided in the magnetic recording layer 10 by forming a step in the insulating layer 56, etching for partially reducing the thickness of the magnetic recording layer 10 is not performed. Pinsite can be generated stably. Therefore, the domain wall can be stably introduced into the magnetic recording layer 10.
  • the write operation and read operation in the MRAM of the third embodiment are the same as those in the first and second embodiments.
  • a write current is passed between the first magnetization fixed region 101 and the second magnetization fixed region 103, and the domain wall is moved between the first step 17 and the second step 18.
  • the magnetization fixed layer since the magnetization fixed layer is not used, the problem that the domain wall movement due to the leakage magnetic field from the magnetization fixed layer is prevented in principle cannot occur. Therefore, in the third embodiment, the operation can be stabilized.

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

　磁気メモリが、絶縁層と、絶縁層の上に形成された磁気記録層と、トンネルバリア層と、ピン層とを備えている。磁気記録層は、反転可能な磁化を有し、トンネルバリア層を挟んでピン層と対向する磁化反転領域と、磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第１方向に固定される第１磁化固定領域と、磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第２方向に固定される第２磁化固定領域とを有している。絶縁層には、第１磁化固定領域と磁化反転領域との境界に対応する位置、及び磁化反転領域と第２磁化固定領域との境界に対応する位置に段差が設けられ、これにより、磁気記録層には、第１磁化固定領域と磁化反転領域との境界に第１段差が形成され、磁化反転領域と第２磁化固定領域との境界に第２段差が形成されている。

Description

強磁性ランダムアクセスメモリ

　本発明は、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto Resistance）を利用して情報を読み出すＴＭＲ素子を用いた強磁性ランダムアクセスメモリに関する。

　近年、不揮発性メモリのひとつとして、磁化方向としてデータを記憶する強磁性膜を用いた強磁性ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory；以下、「ＭＲＡＭ」と記す）が提案され、特に、巨大な磁気抵抗効果を有する強磁性トンネル接合を用いたＭＲＡＭの開発がさかんに行われている。

　強磁性トンネル接合は、第１の強磁性膜と第２の強磁性膜の間に非磁性絶縁膜（以下、「トンネルバリア膜」と記す）が挟まれた積層構造を有しており、ＭＲＡＭは、この積層構造を備えた素子をメモリセルとして用いて構成されている。強磁性トンネル接合のトンネルバリア膜の膜厚方向に電流を流した際の電気抵抗は、第１及び第２の強磁性膜の磁気モーメントの相対角度により変化し、お互いの磁気モーメントが平行の時に電気抵抗は極小となり、反平行の時に電気抵抗は極大となる。この抵抗値の変化はトンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto Resistance：ＴＭＲ効果）と呼ばれ、電気抵抗値に対するＴＭＲ効果の比（ＭＲ比）が大きいほど、記録された情報の読み出しに有利となる。即ち、ＭＲＡＭにおいては、前記２つの強磁性層の磁気モーメントの向きが平行の場合と反平行の場合を、それぞれ、例えばデータ「１」、「０」と対応づけることでデータを記憶している。強磁性トンネル接合のＭＲ比が大きいほど、データ「１」、「０」の信号差が大きくなる。通常、２つの強磁性膜のうち、一方の強磁性膜を磁気モーメントが固定された「固定層」（又は「ピン層」）として使用し、他方の強磁性膜の磁気モーメントの向きを「固定層」の磁気モーメントに対して平行、或いは反平行にすることでデータが記録される。データが記録される強磁性膜は、一般に、「自由層」又は「記録層」と呼ばれる。本明細書では、データが記録される強磁性膜を「磁気記録層」と呼ぶことにする。

　ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として、従来、特許文献１に開示されているような「アステロイド方式」や、特許文献２、特許文献３に開示されているような「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、例えば、特許文献４、非特許文献１に開示されているような「スピン注入方式」が提案されている。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（このような現象を、以下では「スピン注入磁化反転（Spin Transfer Magnetization Switching)」と呼ぶ）。しかしながら、スピン注入磁化反転をＴＭＲ素子の磁化反転に適用する場合、強磁性トンネル接合の膜厚方向に電流を流すことになり、強磁性トンネル接合部に係る電圧によりトンネルバリア膜が破壊される恐れがある。

　これに対し、スピン偏極電流を磁気記録層の面内方向に流して磁壁を移動させ、これにより記録層の磁化を書き込み電流の方向に応じた向きに反転する方式が提案されている（例えば、特許文献５、特許文献６、特許文献７参照）。この、磁壁移動による書き込み方法について図１を参照しながら簡単に説明する。

　図１は、典型的な磁気抵抗効果素子２００の構成を示し断面図である。磁気抵抗効果素子２００は、磁気記録層１０と、ピン層１２と、それらに挟まれたトンネルバリア膜１１とを備えている。図１において、ｘ軸、ｙ軸は、磁気記録層１０の面内方向に平行に規定され、ｚ軸は、磁気記録層１０の膜厚方向に規定されている。磁気記録層１０は、第１磁化固定領域１０１と磁化反転領域１０２と第２磁化固定領域１０３とからなる。第１磁化固定領域１０１は、磁化反転領域１０２の第１境界２１に接続され、その磁化の向きは、＋ｚ方向に固定される。一方、第２磁化固定領域１０３は、磁化反転領域１０２の第２境界２２に接続され、その磁化の向きは（第１磁化固定領域１０１の磁化と反対の）－ｚ方向に固定される。第１及び第２磁化固定領域１０１、１０３の磁化は、お互い反平行方向である。

　一方、磁化反転領域１０２の磁化は、磁気記録層１０の膜厚方向において反転可能であり、定常状態では、＋ｚ方向又は－ｚ方向のいずれかの方向に向けられる。磁気記録層１０において、磁壁（Domain Wall；ＤＷ）は、第１境界２１及び第２境界２２のいずれかに形成されることになる。

　ピン層１２は、トンネルバリア膜１１を挟んで磁気記録層１０の磁化反転領域１０２に対向するように形成される。ピン層１２とトンネルバリア膜１１と磁化反転領域１０２とで、強磁性トンネル接合が形成される。

　加えて、磁気抵抗効果素子２００は、第１磁化固定領域１０１に接合された第１磁化固定層１９と、第２磁化固定領域１０３に接合された第２磁化固定層２０とを備えている。第１磁化固定層１９は、磁気的にハードな強磁性材料で構成されており、＋ｚ方向の磁化を有している。同様に、第２磁化固定層２０は、磁気的にハードな強磁性材料で構成されており、－ｚ方向の磁化を有している。第１磁化固定層１９は、第１磁化固定領域１０１の磁化を＋ｚ方向に固定する役割を果たしており、第２磁化固定層２０は、第２磁化固定領域１０３の磁化を－ｚ方向に固定する役割を果たしている。

　このような磁気抵抗効果素子２００に対するデータ書き込みは、次のように行われる。以下では、磁化反転領域１０２の磁化が－ｚ方向に向けられて磁壁が第１境界２１に位置する状態がデータ「１」、磁化が＋ｚ方向に向けられて磁壁が第２境界２２に位置する状態がデータ「０」に対応付けられているとして説明がなされる。ただし、磁化方向とデータの値の対応は逆でもよいことは当業者には明らかであろう。

　データ「０」が書き込まれている磁気記録層１０にデータ「１」を書き込む場合には、書き込み電流が、第１磁化固定領域１０１から磁化反転領域１０２を通って第２磁化固定領域１０３に流される。即ち、スピン偏極電子が、第２磁化固定領域１０３から磁化反転領域１０２に注入される。これにより、磁壁が第２境界２２から第１境界２１に移動し、磁化反転領域１０２の磁化が－ｚ方向へ向けられる、即ち、データ「１」が書き込まれる。

　一方、データ「０」を書き込む場合、書き込み電流２が、第２磁化固定領域１０３から磁化反転領域１０２を通って第１磁化固定領域１０１に流される。即ち、スピン偏極電子が、第１磁化固定領域１０１から磁化反転領域１０２に注入される。これにより、これにより、磁壁が第１境界２１から第２境界２２に移動し、磁化反転領域１０２の磁化が＋ｚ方向へ向けられる、即ち、データ「０」が書き込まれる。このように、第１磁化固定領域１０１と第２磁化固定領域１０３との間を流れる電流によって磁気記録層１０中の磁壁（ＤＷ）が磁化反転領域１０２の第１境界２１と第２境界２２の間を移動することで、データ書き込みが行われる。

　この方式によれば、書き込み時に流れる電流がトンネルバリア膜１１を貫通しないため、トンネルバリア膜１１の劣化が抑制される。また、スピン注入方式でデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴って書き込み電流が低減される。更に、メモリセルサイズが縮小されるにつれ磁壁（ＤＷ）の移動距離が小さくなるため、メモリセルの微細化に伴い書き込み速度が増加する。

　図１には、磁気記録層１０が垂直磁気異方性を有しており、磁気記録層１０の磁化が膜厚方向に向けられている場合が図示されているが、磁気記録層１０の磁化は、面内方向に向けられることも可能である。磁気記録層の磁化が面内方向に向けられる構成は、例えば、非特許文献２に開示されている。

　ただし、書き込み電流の低減の為には、磁気記録層の磁化が面内方向に向けられる構成よりも、磁気記録層１０の磁化が膜厚方向に向けられる構成のほうが好ましい。非特許文献２に開示された技術では、電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度を要している。この場合、例えば磁気記録層１０の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。一方、非特許文献３には、磁気記録層として垂直磁気異方性を有する材料を用いることによって、書き込み電流を十分小さく低減できることが報告されている。このようなことから、電流誘起磁壁移動を利用してＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層としては垂直磁気異方性を有する強磁性体を用いることが好ましいと言える。非特許文献４では垂直磁気異方性を有する材料において電流誘起磁壁移動が観測されたことが報告されている。このように垂直磁気異方性を有する材料における電流誘起磁壁移動現象を利用することによって、書き込み電流が低減されたＭＲＡＭが提供されることが期待される。

　書き込み動作において磁壁移動を利用するＭＲＡＭを製造する上の一つの問題は、磁壁移動が起こる層に磁壁を安定的に導入することである。特許文献５では、図１に図示されているように第１磁化固定領域１０１と第２磁化固定領域１０３の磁化の方向が互いに反対に向いていることで第１境界２１又は第２境界２２に磁壁が形成される。しかしながら、実際には、所望の位置に磁壁を導入しながら、お互い反対方向を向いた磁化をそれぞれの方向に固定することは容易ではない。

　加えて、第１、第２磁化固定層１９、２０を第１、第２磁化固定領域１０１、１０３の磁化の固定に使用する場合には、第１及び第２磁化固定層１９、２０からの漏洩磁界によって磁壁移動が妨げられる恐れがあるという問題も発生する。磁壁移動が妨げられることは、安定動作の観点で好ましくない。

　非特許文献４ではこのような磁化固定層を用いない方法として磁性細線を形成後、その一部分をエッチングにより除去することによってステップ構造を有する磁性細線を形成する手法を行っている。このようなステップ型の構造においては、膜厚の薄い領域の反転磁場は厚い領域の反転磁場に比べて小さくなることから、膜厚の薄い領域が反転し、厚い領域が反転しないような適当な大きさの磁場を用いることによって磁壁を導入できる。ここでこの外部磁場としては、基板面垂直方向の磁場を用いている。

　しかしながら、このようなステップ構造を設ける場合、エッチングによって磁壁移動領域の磁性層がダメージを受けることが避けられない。ダメージを受けることによって磁性層本来の磁気特性が劣化し、磁壁移動の妨げとなる恐れがある。

米国特許第５６４０３４３号 米国特許第６５４５９０６号 特表２００５－５０５８８９号公報 特開２００５－０９３４８８号公報 特開２００５－１９１０３２号公報 国際公開ＷＯ２００５／０６９３６８号 特開２００６－７３９３０号公報

Yagami and Suzuki, Research Trends in Spin Transfer Magnetization Switching　（スピン注入磁化反転の研究動向），日本応用磁気学会誌，Vol. 28， No. 9， 2004． Physical Review Letters, vol. 92, number 7,p.077205, (2004). Journal of Applied Physics,vol. 103, p.07E718,(2008). Applied Physics Express, vol. 1, p.011301.

　したがって、本発明の目的は、書き込み動作に磁壁移動を利用するＭＲＡＭにおいて、磁気記録層に安定的に磁壁を導入し、更に、磁化固定層からの漏洩磁界によって磁壁移動が妨げられることを防ぐことにある。

　本発明の一の観点では、磁気メモリが、絶縁層と、絶縁層の上に形成された磁気記録層と、トンネルバリア層と、ピン層とを備えている。磁気記録層は、反転可能な磁化を有し、トンネルバリア層を挟んでピン層と対向する磁化反転領域と、磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第１方向に固定される第１磁化固定領域と、磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第２方向に固定される第２磁化固定領域とを有している。絶縁層には、第１磁化固定領域と磁化反転領域との境界に対応する位置、及び磁化反転領域と第２磁化固定領域との境界に対応する位置に段差が設けられ、これにより、磁気記録層には、第１磁化固定領域と磁化反転領域との境界に第１段差が形成され、磁化反転領域と第２磁化固定領域との境界に第２段差が形成されている。

　本発明によれば、書き込み動作に磁壁移動を利用するＭＲＡＭにおいて、磁気記録層に安定的に磁壁を導入し、更に、磁化固定層によって磁壁移動が妨げられることを防ぐための技術が提供される。

従来の磁壁移動型ＭＲＡＭにおけるデータ書き込み方法について説明するための磁気抵抗効果素子の断面図である。 本発明の第１の実施形態のＭＲＡＭの構成を概略的に示す断面図である。 第１の実施形態のＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 第２の実施形態のＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 第３の実施形態のＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図である。 第３の実施形態のＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。

　以下、添付図面を参照しながら、本発明の様々な実施の形態について詳細に説明する。添付図面において、同一又は類似する構成要素は、同一又は対応する符号によって参照されていることに留意されたい。

１．第１の実施形態

　図２は、本発明の第１の実施形態のＭＲＡＭの主要部分の構造を示す断面図である。図２には、当該ＭＲＡＭの１つのメモリセルに対応する部分が図示されている。メモリセルは、概略的には、記憶素子部分３００と選択用トランジスタ部分３０１とから成る。以下、記憶素子部分３００と選択用トランジスタ部分３０１の構成について詳細に説明する。以下の説明では、ＭＲＡＭにｘｙｚ直交座標系が規定され、そのｘｙｚ直交座標系を用いて説明する。

　まず、選択用トランジスタ部分３０１について説明する。半導体基板（例えばｐ型シリコン基板、ｐ型ウェル領域等）４１内には、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｒｅｎｃｈ　Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造を形成するための素子分離絶縁層４２が形成される。この素子分離絶縁層４２に囲まれた領域に、読み出し選択スイッチとして使用されるＭＯＳトランジスタ（ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ）Ｔｒ１、Ｔｒ２が形成される。半導体基板４１には、ＭＯＳトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２を構成するゲート絶縁膜４３、ゲート電極４４及び側壁絶縁層４５が形成される。ゲート電極４４はｙ軸方向に延伸するように設けられており、読み出し動作時に、読み出しセルを選択するための読み出しワード線として機能する。ゲート電極４４の両側には拡散層４６、４７が形成される。ＭＯＳトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２を覆うように絶縁層が積層され、さらに拡散層４６、４７と接続するためのビアコンタクト４８がその絶縁層を貫通するように形成される。ビアコンタクト４８としては、例えば、タングステンプラグが使用され得る。更に第１金属層が、ビアコンタクト４８と当該絶縁層の上に形成される。第１金属層には、コンタクトを縦に積み重ねるためのランド４９とビット線５０とが形成される。第１金属層の上に更に絶縁層が積層され、その絶縁層を貫通するようにビアコンタクト５１が形成される。更に、そのビアコンタクト５１と当該絶縁層の上に第２金属層が形成される。第２金属層には、複数のコンタクトを縦に積み重ねるためのランド５２が形成される。第２金属層上にはさらに絶縁層が積層され、さらにその絶縁層を貫通するようにビアコンタクト５４が形成される。そのビアコンタクト５４と当該絶縁層の上に第３金属層が形成される。第３金属層には、いずれも書き込みワード線として使用される第１配線３１及び第２配線３４が形成される。第１配線３１は、第１ビアコンタクト３２を介して磁気抵抗効果素子２００に接続され、第２配線３４は、第２ビアコンタクト３３を介して磁気抵抗効果素子２００と接続される。

　次に記憶素子部分３００について説明する。図２に図示されているように、記憶素子部分３００は、磁気抵抗効果素子２００を有している。図３に図示されているように、磁気抵抗効果素子２００は、強磁性体層である磁気記録層１０と、ピン層１２と、トンネルバリア層１１とを備えている。トンネルバリア層１１は、磁気記録層１０とピン層１２に挟まれており、これら磁気記録層１０、トンネルバリア層１１、及びピン層１２によって強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction；ＭＴＪ）が形成されている。トンネルバリア層１１は、薄く、且つ、非磁性の絶縁層であり、例えばＡｌ膜を酸化して形成したアルミナ酸化膜（Ａｌ－Ｏｘ）或いは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で形成される。

　磁気記録層１０及びピン層１２は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜であり、磁気記録層１０及びピン層１２の磁化の向きは、膜厚方向に向けられている。磁気記録層１０及びピン層１２は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）又は、これらのいずれかを含む合金から構成される。磁気記録層１０及びピン層１２が、ＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを磁気記録層１０及びピン層１２に添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することもできる。具体的には、磁気記録層１０及びピン層１２として使用可能な材料としては、Ｃｏ、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ、Ｃｏ－Ｐｔ－Ｃｒ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｂ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ－Ｂ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｂ、Ｃｏ－Ｖ、Ｃｏ－Ｍｏ、Ｃｏ－Ｗ、Ｃｏ－Ｔｉ、Ｃｏ－Ｒｕ、Ｃｏ－Ｒｈ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｐｄ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｐｄ、Ｓｍ－Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む強磁性膜と非磁性材料膜とを積層することにより垂直磁気異方性を発現させることもできる。具体的には、磁気記録層１０及びピン層１２として使用可能な積層体としては、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｆｅ／Ａｕ積層膜が例示される。

　また、ピン層１２の保磁力を増大させて磁化を固定するために、反強磁性層１５がピン層１２の上に積層される。即ち、反強磁性層１５をピン層１２に積層させることで、ピン層１２と反強磁性層１５の間に働く交換相互作用により、ピン層１２に一方向の異方性を発現させて磁化を一方向に固定することが可能となる。上記の反強磁性層１５としては、鉄・マンガン（ＦｅＭｎ）、白金・マンガン（ＰｔＭｎ）、ニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）などのマンガン合金反強磁性膜、或いは、コバルト酸化物（ＣｏＯ）、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）などの酸化物反強磁性膜が使用可能である。

　本実施形態では、磁気記録層１０が、３つの領域：第１磁化固定領域１０１、第２磁化固定領域１０３、及び磁化反転領域１０２を有している。第１磁化固定領域１０１、第２磁化固定領域１０３は、向きが互いに反平行である磁化を有している。一方、磁化反転領域１０２は、＋ｚ方向と－ｚ方向の間で反転可能な磁化を有している。つまり、磁化反転領域１０２の磁化は、ピン層１２の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。磁化反転領域１０２は、第１及び第２磁化固定領域１０１、１０３に挟まれた部分に形成されている。上記のピン層１２は、この磁化反転領域１０２とオーバーラップするように形成されている。言い換えれば、磁気記録層１０の磁化反転領域１０２の一部が、トンネルバリア層１１を挟んでピン層１２に対向しており、ピン層１２、トンネルバリア層１１、及び磁化反転領域１０２で強磁性トンネル接合が形成されている。本実施形態では、ピン層１２の磁化は、＋ｚ方向に固定されているとする。また、第１磁化固定領域１０１の磁化は＋ｚ方向に、第２磁化固定領域１０３の磁化は－ｚ方向に、それぞれ固定されているとする。

　磁気記録層１０には、図３に図示されているように、２つの段差：第１段差１７、第２段差１８が形成される。本実施形態では、この第１段差１７が第１磁化固定領域１０１と磁化反転領域１０２の境界となり、第２段差１８が磁化反転領域１０２と第２磁化固定領域１０３との境界となる。これらの第１段差１７、第２段差１８は、絶縁層５６に段差を形成し、その段差を覆うように磁気記録層１０を形成することによって形成されたものであり、第１段差１７、第２段差１８の高さは磁気記録層１０の膜厚と略等しいかそれより小さい。図３では、第１磁化固定領域１０１及び第２磁化固定領域１０３が磁化反転領域１０２よりも下方に位置するように（即ち、基板４１に近いように）段差が形成されているが、逆に磁化反転領域１０２が第１磁化固定領域１０１及び第２磁化固定領域１０３よりも下方に位置するように段差が形成されてもよい。後述されるように、磁気記録層１０に第１段差１７、第２段差１８が形成されることが、磁気記録層に安定的に磁壁を導入するために重要である。

　磁気抵抗効果素子２００は、更に、第１磁化固定領域１０１に接合された第１磁化固定層１９と、第２磁化固定領域１０３に接合された第２磁化固定層２０とを備えている。第１磁化固定層１９は、第１磁化固定領域１０１の磁化を固定する機能を有しており、第２磁化固定層２０は、第２磁化固定領域１０３の磁化を固定する機能を有している。第１磁化固定層１９と第２磁化固定層２０は、いずれも、磁気的にハードな強磁性体で形成される。第１の実施形態では、第１磁化固定層１９と第２磁化固定層２０とが、第１磁化固定層１９の磁化が第２磁化固定層２０の磁化よりも反転しにくいように構成される。例えば、第１磁化固定層１９が第２磁化固定層２０よりも磁気的にハードな材料で構成される。

　第１磁化固定層１９の磁化の向きは、第１磁化固定領域１０１の磁化と同様に＋ｚ方向に向けられており、第２磁化固定層２０の磁化の向きは、第２磁化固定領域１０３の磁化と同様に－ｚ方向に向けられている。図３では第１磁化固定層１９が第１磁化固定領域１０１の下面に直接に接合されているが、上面に接合されていてもよい。また、第１磁化固定層１９が第１磁化固定領域１０１に磁気的に結合されていれば、直接に接合される必要は無い。第２磁化固定層２０についても同様に、図３では第２磁化固定層２０は上面に直接に接合されていてもよく、第２磁化固定層２０が第１磁化固定領域１０１に磁気的に結合されていれば、直接に接合される必要は無い。

　本実施形態では、第１磁化固定層１９の第１段差１７に最近接する端１９ａが、第１磁化固定領域１０１と磁化反転領域１０２の境界である第１段差１７から離れて形成されている。後述されるように、第１磁化固定層１９の端１９ａが第１段差１７から離れて形成されていることが、第１磁化固定層１９からの漏洩磁場によって磁壁移動が妨げられることを防ぐために有効である。端１９ａ以外の第１磁化固定層２０の端は、第１磁化固定領域１０１の端と一致しているか、それより外側に位置するように形成される。

　同様に、第２磁化固定層２０の第２段差１８に最近接する端２０ａが、磁化反転領域１０２と第２磁化固定領域１０３の境界である第２段差１８から離れて形成されている。後述されるように、第２磁化固定層２０の端２０ａが第２段差１８から離れて形成されていることが、第２磁化固定層２０からの漏洩磁場によって磁壁移動が妨げられることを防ぐために有効である。端２０ａ以外の第２磁化固定層２０の端は、第２磁化固定領域１０３の端と一致しているか、それより外側に位置するように形成される。

　書き込み電流を流すために、記憶素子部分３００には、第１配線３１、第１ビアコンタクト３２、第２ビアコンタクト３３及び第２配線３４が設けられる。第１配線３１は、第１ビアコンタクト３２を介して第１磁化固定層１９に接続されており、第２配線３４は、第２ビアコンタクト３３を介して第２磁化固定層２０に接続されている。第１配線３１及び第２配線３４は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）などの電気抵抗の小さい材料によって形成される。本実施形態では、第１配線３１、第１ビアコンタクト３２、第２ビアコンタクト３３及び第２配線３４が磁気記録層１０に対して下方に配置されているが、上方に配置されることも可能である。

　図３の磁気抵抗効果素子２００は、例えば、下記の工程で製造される。第１配線３１及び第２配線３４が形成された後、第１配線３１及び第２配線３４を覆う絶縁層５５が形成される。更に、絶縁層５５に反応性エッチング（ＲＩＥ）等で開口を開けた後、その開口を銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）などの導電材料で埋め込むことにより、第１ビアコンタクト３２及び第２ビアコンタクト３３が形成される。さらに、磁化固定層１９、２０となる強磁性膜をスパッタリング等により成膜した後、イオンミリング等により不要な部分をエッチングにより除去して第１及び第２磁化固定層１９、２０が形成される。その後、絶縁層５６となる酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの絶縁膜を積層した後、その絶縁膜をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により平坦化し、第１及び第２磁化固定層１９、２０の上の絶縁膜を完全に除去する。続いて、段差を形成するための絶縁膜を再び形成し、この絶縁膜をイオンミリング或いは反応性エッチングにより加工することで磁気記録層１０の第１段差１７及び第２段差１８に対応する位置に段差構造が形成される。これにより、段差を有する絶縁層５６が形成される。次に磁気記録層１０、トンネルバリア層１１、ピン層１２及び反強磁性層１５となる第１の強磁性膜、絶縁膜、第２の強磁性膜、及び反強磁性膜をスパッタリング等により連続的に成膜し、イオンミリング等によって加工することにより、反強磁性層１５、ピン層１２、トンネルバリア層１１及び磁気記録層１０が所望の形状に形成される。これにより、第１及び第２磁化固定層１９、２０と磁気記録層１０の第１及び第２磁化固定領域１０１、１０３とが電気的に且つ磁気的に接続され、またピン層１２及びトンネルバリア層１１が形成される部分も平坦化により表面ラフネスも抑えられることになる。こうして、所望の磁気抵抗効果素子２００を形成できる。

　磁気記録層１０への磁壁の導入は、下記の手順で行われる：

　まず、外部磁場を＋ｚ方向に印加した状態で熱処理を施すことにより、第１磁化固定領域１０１、磁化反転領域１０２、第２磁化固定領域１０３、第１磁化固定層１９、及び第２磁化固定層２０の磁化が＋ｚ方向に向けられる。

　続いて、磁気記録層１０に磁壁（ＤＷ）を形成するために、外部磁場が－ｚ方向に印加される。このとき印加する磁界の大きさは、磁気記録層１０の、第１磁気固定領域１０１の第１磁化固定層１９に磁気的に結合した部分以外の部分と、第２磁化固定層２０の磁化を反転し、且つ、第１磁気固定領域１０１の第１磁化固定層１９に磁気的に結合した部分と第１磁化固定層１９の磁化は反転しない程度の大きさに設定される。ここで、第１の実施形態では、第１磁化固定層１９と第２磁化固定層２０とが、第１磁化固定層１９の磁化が第２磁化固定層２０の磁化よりも反転しにくいように構成されることに留意されたい。この外部磁場の印加により、磁気記録層１０の、第１磁気固定領域１０１の第１磁化固定層１９に磁気的に結合した部分が１つの磁区（magnetic domain）を形成し、磁気記録層１０の他の部分が別の磁区を形成する。即ち、第１磁化固定層１９の端１９ａに対応する位置２１に磁壁が生成される。続いて、位置２１に形成された磁壁を第１段差１７の位置に移動させるために、外部磁場を徐々に増加させる。このときの磁界の大きさは、第１磁気固定領域１０１の第１磁化固定層１９に磁気的に結合していない部分の磁化を反転させるには十分な大きさで、且つ、第２磁化固定領域１０３の磁化は反転させない程度の大きさである。このようにして、磁壁を第１段差１７に形成することができる。ここで、第１段差１７にある磁壁が第２段差１８のほうに移動する際、第２段差１８がピンサイトとして働くため、磁壁は第２段差１８より先には移動できないことに留意されたい。従って、磁壁は第１段差１７と第２段差１８の間のみ移動できることになる。

　磁壁の導入においては、絶縁層５６に段差を形成することによって磁気記録層１０に第１段差１７及び第２段差１８が設けられることが重要な役割を果たしている。絶縁層５６に段差を形成することによって磁気記録層１０に第１段差１７及び第２段差１８が設けられる構造では、磁気記録層１０の膜厚を部分的に薄くするためのエッチングを行わずにピンサイトを安定的に生成することができる。したがって、磁気記録層１０に安定的に磁壁を導入することができる。

　次に、第１の実施形態における書き込み動作について具体的に述べる。

　以下では、磁化反転領域１０２の磁化が－ｚ方向に向けられて磁壁が第１段差１７に位置する状態がデータ「１」、磁化が＋ｚ方向に向けられて磁壁が第２段差１８に位置する状態がデータ「０」に対応付けられているとして説明がなされる。ただし、磁化方向とデータの値の対応は逆でもよいことは当業者には明らかであろう。

　データ「０」が書き込まれている磁気記録層１０にデータ「１」を書き込む場合には、書き込み電流が、第１磁化固定領域１０１から磁化反転領域１０２を通って第２磁化固定領域１０３に流される。書き込み電流の供給には、第１配線３１と第１ビアコンタクト３２と第２ビアコンタクト３３と第２配線３４とが使用される。書き込み電流が流されることにより、スピン偏極電子が、第２磁化固定領域１０３から磁化反転領域１０２に注入される。スピン偏極電子が注入されると、スピントランスファー効果により、第２段差１８にある磁壁が、第１段差１７のほうに移動しようとする。つまり、磁化反転領域１０２の磁化の向きが＋ｚ方向から－ｚ方向へ変わろうとする。この磁壁の移動においては第１段差１７がピンサイトとして働くから、磁壁は第１段差１７までしか移動できない。従って、前記スピントランスファー効果により磁壁が第１段差１７まで移動すると、磁化反転が停止し、結果として磁壁は第１段差１７に留まることになる。

　データ「１」が書き込まれている磁気記録層１０にデータ「０」を書き込む場合も同様である。データ「０」を書き込む場合、書き込み電流が、第２磁化固定領域１０３から磁化反転領域１０２を通って第１磁化固定領域１０１に流される。即ち、スピン偏極電子が、第１磁化固定領域１０１から磁化反転領域１０２に注入される。スピン偏極電子が注入されると、スピントランスファー効果により、第１段差１７にある磁壁が、第２段差１８のほうに移動しようとする。つまり、磁化反転領域１０２の磁化の向きが－ｚ方向から＋ｚ方向へ変わろうとする。この磁壁の移動においては第２段差１８がピンサイトとして働くから、磁壁は第２段差１８までしか移動できない。従って、スピントランスファー効果により磁壁が第２段差１８まで移動すると、磁化反転が停止し、結果として磁壁は第２段差１８に留まることになる。

　以上に説明されているように、データ「１」、「０」のいずれを書き込む場合でも、磁壁が第１段差１７及び第２段差１８を超えて移動できない。その一方で、本実施形態のＭＲＡＭにおいては第１及び第２磁化固定層１９、２０が、第１段差１７及び第２段差１８から離れて位置している。したがって、本実施形態のＭＲＡＭでは、磁壁と第１及び第２磁化固定層１９、２０との距離を離すことができる。これは、磁化固定層１９、２０からの漏洩磁界の影響を小さくし、動作を安定化させることに有効である。

　一方、磁気記録層１０に記録されているデータの読み出しにはＴＭＲ効果が利用される。データ読み出し時には、読み出し電流が、ピン層１２と磁化反転領域１０２との間を流れるように供給される。一実施形態では、読み出し電流は、第１磁化固定領域１０１と第２磁化固定領域１０３のいずれかから、磁化反転領域１０２及びトンネルバリア層１１を経由して、ピン層１２へ流され、さらにピン層１２の上に形成された読み出し配線３５に流される。その代わりに、読み出し電流が、読み出し配線３５からピン層１２を通り、トンネルバリア層１１及び磁化反転領域１０２を経由して、第１磁化固定領域１０１と第２磁化固定領域１０３のいずれかへ流されてもよい。その読み出し電流又は読み出し電流によって生じた電位差に基づいて磁気抵抗効果素子２００の抵抗値が検出され、磁化反転領域１０２の磁化方向、即ち、磁気記録層１０に記録されているデータが識別される。

２．第２の実施形態

　図４は、第２の実施形態における磁気抵抗効果素子２００の構造を示す断面図である。第２の実施形態における磁気抵抗効果素子２００は、概ね、第１の実施形態における磁気抵抗効果素子２００と同様の構成を有している。第２の実施形態においても、磁気記録層１０に２つの段差：第１段差１７、第２段差１８が設けられ、磁壁移動が第１段差１７と第２段差１８の間で行われる。

　第１の実施形態と第２の実施形態の相違点は、第２の実施形態では磁気抵抗効果素子２００に磁化固定層が一つだけしか設けられない点である。即ち、第１磁化固定領域１０１に磁気的に結合する第１磁化固定層１９が設けられる一方で、第２磁化固定領域１０３に対しては磁化固定層が用意されない。本実施形態では、第２磁化固定層２０の代わりに第３コンタクトビア３６が第２磁化固定領域１０３に接合される。

　図４の構造の磁気抵抗効果素子２００は、例えば、下記の工程で製造される。第１配線３１及び第２配線３４が形成された後、第１配線３１及び第２配線３４を覆う絶縁層５５が形成される。更に、絶縁層５５に反応性エッチング（ＲＩＥ）等で開口を開けた後、その開口を銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）などの導電材料で埋め込むことにより、第１ビアコンタクト３２及び第２ビアコンタクト３３が形成される。さらに、第１磁化固定層１９となる強磁性膜をスパッタリング等により成膜した後、イオンミリング等により不要な部分をエッチングにより除去して第１磁化固定層１９が形成される。その後、絶縁層５６となる酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの絶縁膜を積層した後、その絶縁膜をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により平坦化し、第１磁化固定層１９の上の絶縁膜を完全に除去する。続いて、当該絶縁膜を貫通する第３ビアコンタクト３６が、第１ビアコンタクト３２及び第２ビアコンタクト３３と同様な方法で形成される。更に、段差を形成するための絶縁膜を再び形成し、この絶縁膜をイオンミリング或いは反応性エッチングにより加工することで磁気記録層１０の第１段差１７及び第２段差１８に対応する位置に段差構造が形成される。これにより、段差を有する絶縁層５６が形成される。次に磁気記録層１０、トンネルバリア層１１、ピン層１２及び反強磁性層１５となる第１の強磁性膜、絶縁膜、第２の強磁性膜、及び反強磁性膜をスパッタリング等により連続的に成膜し、イオンミリング等によって加工することにより、反強磁性層１５、ピン層１２、トンネルバリア層１１及び磁気記録層１０が所望の形状に形成される。

　本実施形態では、磁気記録層１０への磁壁（ＤＷ）の導入は次のように行われる：

　初めに第１磁化固定層１９の磁化を所望方向に（本実施形態では＋ｚ方向に）固着するための初期化が行われる。具体的には、＋ｚ方向に外部磁場を印加した状態で熱処理が施され、第１磁化固定層１９の磁化と磁気記録層１０の磁化が＋ｚ方向に向けられる。これにより、第１磁化固定層１９の磁化、及び、第１磁化固定層１９と磁気的に結合している第１磁化固定領域１０１の磁化が＋ｚ方向に固定される。

　次に、－ｚ方向の外部磁場が印加される。このときの外部磁場は、磁気記録層１０の磁化反転領域１０２及び第２磁化固定領域１０３の磁化が反転させる一方、第１磁化固定層１９の磁化を反転させる大きさより十分小さいように調節される。この外部磁場の印加においては、熱処理は必ずしも必要としない。これにより、第１磁化固定層１９と磁気的に接合した領域以外の磁気記録層１０の磁化は反転し、従って第１磁化固定層１９の端１９ａに対応する位置２１に磁壁が生成される。続いて、位置２１に形成された磁壁を第１段差１７の位置に移動させるために、外部磁場を徐々に増加させる。このときの外部磁場の方向は第１磁化固定層１９の磁化の向きと同じ＋ｚ方向である。この外部磁場の印加によって、磁気記録層１０において、磁化が＋ｚ方向に向けられている領域が徐々に広がっていく。従って、磁壁は、磁化が＋ｚ方向の領域を増加させる方向に移動するため、結果として第１段差１７のほうに移動する。このときの外部磁場の大きさとしては、磁壁が第１段差１７を越えて、第１段差１７と第２段差１８の間、即ち、磁化反転領域１０２内に移動するような大きさに設定される。その後、磁化反転領域１０２に初期化電流を印加することで、磁化反転領域１０２の中間まで移動した磁壁を第１段差１７又は第２段差１８に移動させる。

　磁壁を磁化反転領域１０２の中間に移動させた後で初期化電流を印加する技術的意義は、下記の通りである。仮に第１段差１７の位置まで磁壁が移動した時点で外部磁場の印加を止めた場合、磁壁は第１段差１７の位置に止まる。この場合、先に述べたように、段差によってピンサイトが形成されることによって磁壁が段差を超えて移動しないため、書き込み電流を印加しても磁壁が移動できない恐れが生じる。一旦、磁壁を磁化反転領域１０２の中間まで移動させた後、初期化電流を印加することで磁壁を第１段差１７又は第２段差１８に移動させる手順は、このような問題を回避し、磁壁を第１段差１７又は第２段差１８に生成させる為に有効である。

　磁壁の導入においては、絶縁層５６に段差を形成することによって磁気記録層１０に第１段差１７及び第２段差１８が設けられることが重要な役割を果たしている。絶縁層５６に段差を形成することによって磁気記録層１０に第１段差１７及び第２段差１８が設けられる構造では、磁気記録層１０の膜厚を部分的に薄くするためのエッチングを行わずにピンサイトを安定的に生成することができる。したがって、磁気記録層１０に安定的に磁壁を導入することができる。

　第２の実施形態のＭＲＡＭにおける書き込み動作及び読み出し動作は、第１の実施形態と同様である。第１の実施形態と同様に、第１磁化固定領域１０１と第２磁化固定領域１０３の間で書き込み電流が流され、第１段差１７と第２段差１８の間で磁壁が移動される。このとき、第２の実施形態においても、第１磁化固定層１９が第１段差１７から離れて位置している上、第２段差１８の周辺には磁化固定層が設けられていないから、第１磁化固定層１９からの漏洩磁界の影響を小さくし、動作を安定化させることができる。

３．第３の実施の形態

　図５は、第３の実施形態における磁気抵抗効果素子２００の構造を示す斜視図であり、図６は、断面図である。第３の実施形態における磁気抵抗効果素子２００は、概ね、第１及び第２の実施形態の磁気抵抗効果素子２００と同様の構成を有している。第３の実施形態においても、磁気記録層１０に２つの段差：第１段差１７、第２段差１８が設けられ、磁壁移動が第１段差１７と第２段差１８の間で行われる。

　第３の実施形態のＭＲＡＭと第１及び第２の実施形態との相違点は、第３の実施形態では第１磁化固定領域１０１及び第２磁化固定領域１０３の磁化の固定に磁化固定層を使用しない点である。第３の実施形態では、第１磁化固定領域１０１に第１ビアコンタクト３２が直接に接合され、第２磁化固定領域１０３に第２ビアコンタクト３３が直接に接合される。

　加えて、第３の実施形態では、第２磁化固定領域１０３の一部分のパターン幅が他の部分に比べて大きくなっている。即ち、図５に図示されているように、第３の実施形態では、第２磁化固定領域１０３が第１部分１０３ａ及び第２部分１０３ｂを備えており、第２部分１０３ｂの幅が第１部分１０３ａの幅よりも広い。ここで、第１部分１０３ａは、第２磁化固定領域１０３のうち磁化反転領域１０２に接続される部分であり、第２部分１０３ｂは、第１部分１０３ａに接続される部分である。

　図５、図６の磁気抵抗効果素子２００は、例えば、下記の工程で製造される。第１配線３１及び第２配線３４が形成された後、第１配線３１及び第２配線３４を覆う絶縁層５５が形成される。更に、絶縁層５５に反応性エッチング（ＲＩＥ）等で開口を開けた後、その開口を銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）などの導電材料で埋め込むことにより、第１ビアコンタクト３２及び第２ビアコンタクト３３が形成される。続いて、段差を形成するための絶縁膜を再び形成し、この絶縁膜をイオンミリング或いは反応性エッチングにより加工することで磁気記録層１０の第１段差１７及び第２段差１８に対応する位置に段差構造が形成される。これにより、段差を有する絶縁層５５が形成される。次に磁気記録層１０、トンネルバリア層１１、ピン層１２及び反強磁性層１５となる第１の強磁性膜、絶縁膜、第２の強磁性膜、及び反強磁性膜をスパッタリング等により連続的に成膜し、イオンミリング等によって加工することにより、反強磁性層１５、ピン層１２、トンネルバリア層１１及び磁気記録層１０が所望の形状に形成される。上述のように、磁気記録層１０は、第２磁化固定領域１０３の一部分のパターン幅が他の部分に比べて大きくなるように加工される。これにより、第１及び第２磁化固定層１９、２０と磁気記録層１０の第１及び第２磁化固定領域１０１、１０３とが電気的に且つ磁気的に接続され、またピン層１２及びトンネルバリア層１１が形成される部分も平坦化により表面ラフネスも抑えられることになる。こうして、所望の磁気抵抗効果素子２００を形成できる。

　第３の実施形態における磁気記録層１０への磁壁の導入は次のように行われる。

　初めに磁気記録層１０の磁化の向きが一方向に揃えられる。本実施形態では、外部磁場が－ｚ方向に印加され、第１磁化固定領域１０１、磁化反転領域１０２、及び第２磁化固定領域１０３の磁化が－ｚ方向に向けられる。次に、先ほど印加した方向とは反対方向（即ち、＋ｚ方向）の外部磁場が印加される。このときの外部磁場の大きさは、第２磁化固定領域１０３のパターン幅が広い部分１０３ｂの磁化が反転しない程度の大きさである。第２磁化固定領域１０３の部分１０３ｂは、図５に図示されているように、磁気記録層１０の他の部分よりパターン幅が大きくなっており、従って、磁化反転に必要な磁場（保磁力）が他の部分より大きい。従って、第２磁化固定領域１０３の部分１０３ｂの磁化のみ反転させないことが可能である。また、このとき熱処理は必ずしも必要としない。これにより、磁気記録層１０の第１磁化固定領域１０１、磁化反転領域１０２、及び第２磁化固定領域１０３の部分１０３ａの磁化は反転し、部分１０３ａ、１０３ｂの境界の位置１０３ｃに磁壁が生成される。この磁壁を第２段差１８に移動させるために、再び外部磁場が－ｚ方向に印加される。これにより、磁化が－ｚ方向の領域が徐々に広がっていき、即ち、位置１０３ｃにあった磁壁が第２段差１８の方向に移動していき、最終的には、第２段差１８に到達する。このとき、第２の実施形態と同様に、外部磁場が、磁壁が第１段差１７を越えて、第１段差１７と第２段差１８の間、即ち、磁化反転領域１０２の中間に移動するような大きさに設定されてもよい。この場合、その後に磁化反転領域１０２に初期化電流を印加することで、磁化反転領域１０２の中間まで移動した磁壁を第１段差１７又は第２段差１８に移動させる。

　第１及び第２の実施形態と同様に、磁壁の導入においては、絶縁層５６に段差を形成することによって磁気記録層１０に第１段差１７及び第２段差１８が設けられることが重要な役割を果たしている。絶縁層５６に段差を形成することによって磁気記録層１０に第１段差１７及び第２段差１８が設けられる構造では、磁気記録層１０の膜厚を部分的に薄くするためのエッチングを行わずにピンサイトを安定的に生成することができる。したがって、磁気記録層１０に安定的に磁壁を導入することができる。

　第３の実施形態のＭＲＡＭにおける書き込み動作及び読み出し動作は、第１及び第２の実施形態と同様である。第１の実施形態と同様に、第１磁化固定領域１０１と第２磁化固定領域１０３の間で書き込み電流が流され、第１段差１７と第２段差１８の間で磁壁が移動される。このとき、第３の実施形態においては、磁化固定層が使用されないから、磁化固定層からの漏洩磁界による磁壁移動が妨げられる問題は原理的に起こりえない。従って、第３の実施形態では、動作を安定化させることができる。　
この出願は、２００９年３月３１日に出願された特願２００９－８６０４８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (7)


  1. 　絶縁層と、

    　前記絶縁層の上に形成された磁気記録層と、

    　トンネルバリア層と、

    　ピン層

    とを備え、

    　前記磁気記録層は、

    　　反転可能な磁化を有し、前記トンネルバリア層を挟んで前記ピン層と対向する磁化反転領域と、

    　　前記磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第１方向に固定される第１磁化固定領域と、

    　　前記磁化反転領域に接合され、磁化の向きが第２方向に固定される第２磁化固定領域

    とを有し、

    　前記絶縁層には、前記第１磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界に対応する位置、及び前記磁化反転領域と前記第２磁化固定領域との境界に対応する位置に段差が設けられ、これにより、前記磁気記録層には、前記第１磁化固定領域と前記磁化反転領域との境界に第１段差が形成され、前記磁化反転領域と前記第２磁化固定領域との境界に第２段差が形成されている

    　磁気メモリ。

  2. 　請求項１に記載の磁気メモリであって、

    　更に、

    　前記第１磁化固定領域と磁気的に結合され、前記第１磁化固定領域の磁化を固定する第１磁化固定層を備えており、

    　前記第１磁化固定層の端が、前記第１段差から離れて位置している

    　磁気メモリ。

  3. 　請求項２に記載の磁気メモリであって、

    　更に、

    　前記第２磁化固定領域と磁気的に結合され、前記第２磁化固定領域の磁化を固定する第２磁化固定層を備えており、

    　前記第２磁化固定層の端が、前記第２段差から離れて位置している

    　磁気メモリ。

  4. 　請求項１に記載の磁気メモリであって、

    　前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域のいずれにも、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の磁化を固定するための磁化固定層が磁気的に結合されていない

    　磁気メモリ。

  5. 　請求項４に記載の磁気メモリであって、

    　前記第２磁化固定領域は、

    　　前記磁化反転領域に接合された第１部分と、

    　　前記第１部分に接合され、前記第１部分よりも幅が広い第２部分

    とを有する

    　磁気メモリ。

  6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気メモリであって、

    　前記第１段差及び前記第２の高さが磁気記録層の膜厚と略等しいかそれより小さい

    　磁気メモリ。

  7. 　請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気メモリであって、

    　前記第１磁化固定領域、前記第２磁化固定領域、及び前記磁化反転領域の膜厚が等しい

    　磁気メモリ。
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