JP2004128015A - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】すぐれたアステロイド曲線と、高い抵抗変化率および保磁力の低減、磁気特性の安定化を図ることができるようにする。
【解決手段】少なくとも１対の強磁性層５、７が中間層６を介して対向するように積層されて成り、この積層面に対して交叉する方向の通電によって磁気抵抗変化を得る構成による磁気抵抗効果素子であり、少なくとも情報記録層を構成する強磁性層の一方が、ＣｏＦｅＢ系合金、あるいはＣｏＦｅＮｉＢ系合金より成るアモルファス構造を有し、磁気抵抗効果素子の平面形状が、一方向に長軸を有し、この長軸方向に沿う両側縁が、直線もしくは外側に膨出する彎曲形状とされ、長軸方向の両端縁が、外側に膨出する彎曲ないしは屈曲形状とされたパターン形状とされ、更に、そのパターン形状の、短軸長：長軸長によるアスペクト比が、１：１．２から１：３．５の範囲に選定することによって、安定して、特性のばらつきが小さい、すぐれたアステロイド曲線が得られるようにするものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば磁気センサあるいは磁気メモリ素子として構成することのできる磁気抵抗効果素子、特にこの磁気抵抗効果素子を構成する積層膜の膜面に対して交叉する方向に通電がなされて磁気抵抗変化を得る磁気磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低電力化など、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術として、ますます重要になってきている。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ　；強誘電体メモリ）等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がマイクロ秒オーダーであるという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。
【０００４】
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ　）と呼ばれる磁気メモリ装置である（非特許文献１参照。）。
【０００５】
このＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転による記憶がなされることから、書換え可能回数がきわめて大きいという特徴がある。また、このＭＲＡＭは、アクセス時間をかなり高速化することができると予想されていて、既に、ナノ秒台での動作が可能であることの確認がなされている。
【０００６】
このＭＲＡＭのメモリ素子を構成する磁気抵抗効果素子として、トンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）素子がある。このＴＭＲ素子の基本的構造は、強磁性層／トンネルバリア層／強磁性層の積層構造による。
このＴＭＲ素子にあっては、そのトンネルバリア層を介して配置された対の強磁性層間に一定の電流を通電した状態で、外部磁場を印加することによって、両強磁性層の磁化の相対角度に応じて磁気抵抗効果が現れる。すなわち、このとき、両強磁性層の互いの磁化の向きが反平行の場合は抵抗値が最大となり、平行の場合は抵抗値が最小となる。したがって、このＴＭＲ素子は、外部磁場により上述した反平行と平行の状態を作り出すことによって、抵抗値変化として、情報の記録を行うことができ、メモリ素子として機能させることができる。
【０００７】
特にスピンバルブ型のＴＭＲ素子においては、対の強磁性層の一方の強磁性層は、これに反強磁性層を隣接配置して、この反強磁性層との反強磁性結合によって磁化の向きを一定の向きに固定させることによって固定磁化層とするものである。
そして、他方の強磁性層を、外部磁場等によって容易に磁化反転する磁化自由層とし、この磁化自由層をもって磁気メモリ装置においては、情報記録層とするものである。
【０００８】
このスピンバルブ型のＴＭＲ素子における抵抗値の変化率は、その対の強磁性層のそれぞれのスピン分極率をＰ１　，Ｐ２　とすると、下記の式（１）で表される。
２Ｐ１　Ｐ２　／（１−Ｐ１　Ｐ２　）　　　　　　　　（１）
つまり、両強磁性層のスピン分極率Ｐ１　，Ｐ２　が大きい程、抵抗変化率が大きくなる。この抵抗変化率と強磁性層の材料との関係については、すでに、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等のＦｅ族の強磁性元素や、それらのこれら金属の合金についての報告がなされている。
【０００９】
ところで、ＭＲＡＭの基本的構成は、複数のビット書き込み線（いわゆるビット線）と、これら複数のビット線に直交する複数のワード書き込み線（いわゆるワード線）とを設け、これらビット線とワード線との立体的交叉部に磁気メモリ素子としてのＴＭＲ素子が配置された構成による。このＭＲＡＭでの記録は、図１１に示すアステロイド特性を利用したＴＭＲ素子に対する選択書き込みによる（例えば、特許文献１参照。）
【００１０】
すなわち、ビット線およびワード線に選択的に所要の通電がなされて、これによって発生する互いに直交する方向の誘導磁界の合成による反転外部磁界を、選択されたＴＭＲ素子に印加して、その磁化自由層すなわち情報記録層の磁化の向きを上述した磁化固定層の磁化の向きと平行もしくは反平行として、例えば“０”，“１”の記録を行う。
【００１１】
このＭＲＡＭのビット線およびワード線に使用される導電材は、通常の半導体装置における配線材料のＣｕや、Ａｌ等の導体薄膜が用いられる。このような通常の配線材料を用い、かつ線幅０．２５μｍのビット線およびワード線によって例えば反転磁界Ｈｃが２０〔Ｏｅ〕である磁気メモリ素子に対して、書き込みを行うには、約２ｍＡの電流が必要となる。ビット線およびワード線の厚さが、線幅と同じ０．２５μｍである場合、このときの電流密度は、エレクトロマイグレーションによる断線限界値に近い３．２×１０^６Ａ／ｃｍ^２である。
【００１２】
したがって、配線の信頼性を維持するためには、書き込み電流の低減が不可欠である。
また、書き込み電流による発熱の問題や、消費電力の低減の観点からも、書き込み電流を低減させる必要がある。
ＭＲＡＭにおける書き込み電流の低減化を図るには、ＴＭＲ素子の保磁力（反転磁界）を低めることが必要となる。
【００１３】
図１１は、ＭＲＡＭにおけるメモリ素子を構成するＴＭＲ素子の情報記録層の反転磁界特性を示す、いわゆるアステロイド曲線である。この図１１で示すアステロイド曲線は、いわば理想的なアステロイド曲線を示す。すなわち、この場合のアステロイド曲線は、その縦横比が１、すなわち等しく、その曲線形状が弓形をなす特性を示す。
このアステロイド曲線は、縦軸が磁化困難軸方向、横軸が磁化容易軸方向であり、ＭＲＡＭにおいては、それぞれ選択されたワード線への通電によって発生させる磁化困難軸方向の磁界Ｈｙと、ビット線への通電によって発生させる磁化容易軸方向の磁界（補助磁界）Ｈｘとを、これら選択されたワード線とビット線との交叉部に位置するＴＭＲ素子に印加することによって、ＴＭＲ素子における前述した一方の強磁性層による情報記録層に磁化反転を生じさせる反転磁界特性を示すものである。この磁化反転が、スピンの回転で起こると想定すると、この反転磁界特性は、直交するワード線とビット線とによる合成電流磁界により、アステロイド曲線Ｈｘ^２／３＋Ｈｙ^２／３＝Ｈｋ^２／３（Ｈｋは異方性磁界である。）に対応して変化する曲線となる。すなわちＨｘ^２／３＋Ｈｙ^２／３＜Ｈｋ^２／３で反転が生ずることがなく、Ｈｘ^２／３＋Ｈｙ^２／３＞Ｈｋ^２／３で磁化の反転が生じる。
【００１４】
上述したように、理想的すなわち良好なアステロイド曲線はその縦横比が等しいことであるが、この縦横比が大きくずれると、書き込みに必要な反転磁界と補助磁界の値が大きく異なることになって、ワード線とビット線への通電電流がアンバランスとなる。
【００１５】
また、アステロイド曲線は、弓形をなし、その曲率半径が小さいほど望ましい。これは、弓形であるほど、補助磁界に関する反転磁界の変化率、すなわち例えば補助磁界が、印加されない状態から、所要の磁界Ｈｓｕｂ　が与えられた状態への、保磁力すなわち反転磁界への変化率が大きく、補助磁界方向の感度が高いことによる。
【００１６】
すなわち、図１１で示すように、所要の補助磁界Ｈｓｕｂ　が印加された場合、破線曲線Ａｓ_１（図１１において、第１象限についてのみ示す）で示すように、その曲率が緩やかで、直線に近づく曲線となるにつれ、一定の補助磁界Ｈｓｕｂ　に対し、その反転磁界Ｈｃは、Ｈｃ_１へと減少するものの、曲率の急峻なすなわち曲率半径が小さい実線曲線Ａｓ_０による場合に比し、補助磁界Ｈｓｕｂ　が与えられたときの反転磁界Ｈｃ_０に比し、その変化率は小さい。すなわち、アステロイド曲線が直線的になるにつれ、補助磁界に対する感度が低くなり、同じ反転磁界の変化を得るための補助磁界を大きくする必要が生じ、ＭＲＡＭにおける書き込み電流の増大、したがって、消費電力が増加する。
【００１７】
また、アステロイド曲線Ａｓ_０およびＡｓ_１と、それぞれ磁界ＨｘおよびＨｙの最大領域を示す破線ａとによって囲まれる、それぞれの書き込み可能な領域いわゆるウィンドウの面積を対比することによって明らかなように、アステロイド曲線が直線的になるにつれ、その書き込み可能な領域が狭くなる。
更に、各メモリ素子すなわちＴＭＲ素子において、そのアステロイド特性に、ばらつきが存在すれば、そのアステロイド曲線は、図１１に示すような、一本の曲線とはならず、多数の曲線の集合となり、実質的に曲線の幅が広がることから、上述したウィンドウの面積は、より狭くなり選択書き込みが困難になって来る。したがって、書き込みエラーが増大する。
【００１８】
ところで、ＭＲＡＭにおいて、記録密度の向上、高集積化を図るためにＴＭＲ素子の微細化が必要となるが、ＴＭＲ素子を微細化すれば、磁化反転が生じにくくなることら、反転磁界がＨｃが上昇する。したがって、ＭＲＡＭの微細化すなわち高集積化と、書き込み電流の低減化とは現状において相容れないという問題がある。
【００１９】
また、ＭＲＡＭにおいて、各メモリ素子となるＴＭＲ素子の磁気特性が素子毎にばらついたり、同一素子についての繰り返し使用で、磁気特性にばらつきが生じると、図１１で説明したように、アステロイド特性を使用した選択書き込みが困難になり、書き込みエラーが大きくなるという問題がある。
【００２０】
したがって、ＴＭＲ素子においては、理想的なアステロイド曲線を描かせることが求められる。
このような理想的アステロイド曲線を描かせるためには、ＴＭＲ測定を行った際の、Ｒ−Ｈ（抵抗−磁場）曲線においてバルクハウゼンノイズ等のノイズが回避されること、角形性にすぐれていること、反転磁界Ｈｃが安定しており、かつ、ばらつきが小さいことが必要となる。
【００２１】
一方、ＴＭＲ素子の情報読み出しに関しては、上述したトンネルバリア層を介して配置された情報記録層と磁化固定層との磁気モーメントが反平行で抵抗値が高い状態の、例えば“１”、その逆に、互いの磁気モーメントが平行で抵抗値が低い状態の、例えば“０”を、例えば一定バイアス電圧での差電圧の検出により行う。
したがって、素子間の抵抗のばらつきが同じである場合には、ＴＭＲ比が高いほど、高速で集積度が高く、エラーレートの低いメモリ装置が実現できる。
【００２２】
また、ＴＭＲ素子には抵抗変化率のバイアス電圧依存性が存在し、バイアス電圧が上昇するにつれて、ＴＭＲ比が減少していくことが知られている。
そして、差電流または差電圧で読み出しを行う場合に、多くの場合、抵抗変化率が、バイアス電圧依存性により半減する電圧Ｖｈａｌｆで読み出し信号の最大値をとることが知られているので、バイアス電圧依存性が小さいほど読み出しエラーの低減において有効である。
【００２３】
【非特許文献１】
Ｗａｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｍａｇｎ．　３３（１９９７），４４９８
【特許文献１】
特開平１０−１１６４９０号公報。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、ＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子には、上述の書き込み特性要件と、読み出し特性要件とを同時に満足することが必要である。
しかしながら、ＴＭＲ素子の強磁性層の材料を選択する場合に、式（１）のＰ１　およびＰ２　で示されるスピン分極率が大きくなるような合金組成をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの強磁性遷移金属元素のみを成分とする材料から選択すると、一般的にＴＭＲ素子の反転磁界Ｈｃが増大する傾向にある。
【００２５】
例えばＣｏ_７５Ｆｅ_２５（原子％）合金等を情報記録層に用いた場合は、スピン分極率が大きく４０％以上の高いＴＭＲ比を確保できるが、反転磁界Ｈｃも高くなる。
これに対して、軟磁性材料として知られているパーマロイと呼称されるＮｉ_８０Ｆｅ_２０（原子％）合金等を用いた場合には、反転磁界Ｈｃの低減は可能ではあるものの、上述のＣｏ_７５Ｆｅ_２５（原子％）合金と比較してスピン分極率が小さくなることから、ＴＭＲ比が３３％程度まで低下してしまう。
また、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（原子％）は、約３７％のＴＭＲ比が得られるとともに、反転磁界Ｈｃを上述のＣｏ_７５Ｆｅ_２５（原子％）合金とＮｉ_８０Ｆｅ_２０（原子％）合金との中間程度に抑えられるが、Ｒ−Ｈ曲線の角形比が劣り、書き込みを可能とするアステロイド特性が得られない。また、素子毎の情報記録層の反転磁界が安定しないという問題も発生する。
【００２６】
本発明は、特定材料による強磁性層と、そのパターン形状の選定によって上述した書き込み特性と、読み出し特性とを同時に向上することができる磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置を提供するものである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気センサとして、あるいはＭＲＡＭのメモリ素子として用いられる磁気抵抗効果素子であり、少なくとも１対の強磁性層が中間層を介して対向するように積層されて成り、この積層面に対して交叉、具体的にはほぼ直交する方向の通電によって磁気抵抗変化を得る構成によるものである。
そして、本発明においては、少なくとも情報記録層を構成する強磁性層の一方が、ＣｏＦｅＢ系合金、あるいはＣｏＦｅＮｉＢ系合金を含有するアモルファス構造を有する合金層とする。
更に、本発明においては、同時に、その情報記録層の平面形状が、一方向に長軸を有し、この長軸方向に沿う両側縁が、直線もしくは外側に膨出する形状とされ、長軸方向の両端縁が、外側に膨出するパターン形状とする。
そして、このパターン形状の、短軸長：長軸長によるアスペクト比を、１：１．２から１：３．５の範囲とするものである。
【００２８】
また、本発明による磁気メモリ装置は、互いに立体的に交叉するを有し、これらワード線とビット線との立体的交叉部間にメモリ素子を構成する磁気抵抗素子が配置された構成を有する。
そして、その磁気抵抗効果素子は、上述した本発明による磁気抵抗効果素子によって構成し、選択されたワード線およびビット線への通電によって、その交叉部に位置する磁気抵抗効果素子によるメモリ素子に、所要の磁界を印加して、情報記録層の磁化の向きによる記録を行う。
【００２９】
本発明は、上述したように、磁気抵抗効果素子において、その情報記録層が、ＣｏＦｅＢ系合金、あるいはＣｏＦｅＮｉＢ系合金を含有するアモルファス構造を有する合金層とすること、またその平面形状を、一方向に長軸を有し、長軸方向に沿う両側縁が直線もしくは外側に膨出する形状とされ、長軸方向の両端縁が、外側に膨出する形状とされたパターン形状とすること、更に、その短軸長：長軸長によるアスペクト比が、１：１．２から１：３．５の範囲にある形状とすることによって、これらが相俟って、良好なアステロイド曲線が調整可能であり、安定してばらつきが小さい、優れたアステロイド特性を得ることができることを見出したものである。
【００３０】
すなわち、情報記録層を構成する強磁性層を、アモルファス層とすることによって、素子サイズ、すなわち短軸寸法を小さくすることに伴う反転磁界Ｈｃが大きくなり過ぎることを回避できる。また、このアモルファスの中でも、ＣｏＦｅＢ合金や、ＣｏＦｅＮｉＢ合金および合金元素が添加された合金は、大きなＴＭＲ比を示し、磁気異方性が大きいにも拘わらず、補助磁界方向の感度、すなわちアステロイド曲線の曲率を急峻とすることができる。
同時に、情報記録層の平面形状を、一方向に長軸を有する形状とするのみならず、その長軸と短軸の比（長軸／短軸）を、１．２以上、３．５以下とすることによって所要の形状異方性を有し、かつ磁化反転が阻害されることが回避されて、良好なアステロイド曲線を得ることができるものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
〔磁気抵抗効果素子〕
本発明による磁気抵抗効果素子の一実施形態は、磁気メモリ装置のメモリ素子としての磁気抵抗効果素子であるが、この実施形態に限られるものではない。
本発明による磁気抵抗効果素子は、少なくとも１対の強磁性層、具体的には、磁化自由層となる情報記録層と磁化固定層とが、中間層を介して対向された積層構造部を有し、その積層面に垂直、すなわち厚さ方向に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る、いわゆるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｔｏ　Ｐｌａｎｅ）構成による。
【００３２】
対の強磁性層の少なくとも情報記録層（磁化自由層）を構成する強磁性層は、強磁性遷移金属元素の少なくともＦｅおよびＣｏと共にＢを含有する、ＦｅＣｏＢ系あるいはＦｅＣｏＮｉＢ系の例えばスパッタ膜によるアモルファス層によって構成される。
中間層は、ＴＭＲ素子においては、トンネルバリア層によって構成される。
【００３３】
また、少なくともその情報記録層の平面形状、例えば磁気抵抗効果素子の平面形状は、一方向に長軸を有し、この長軸方向に沿う両側縁が、直線もしくは外側に膨出する彎曲形状とされ、長軸方向の両端縁が、外側に膨出する彎曲ないしは屈曲形状とされたパターン形状とされる。更に、これらパターン形状は、長軸方向および短軸方向の各中心軸に対してそれぞれ対称形状に選定される。
そして、このパターン形状において、短軸長：長軸長によるアスペクト比が、１：１．２から１：３．５の範囲に選定される。
対の強磁性層は、それぞれ単層構造とすることもできるが、多層構造とすることもできる。例えば磁化固定層を構成する強磁性層を、積層フェリ構造とすることができる。
【００３４】
図１は、この磁気抵抗効果素子、例えばスピンバルブ型のＴＭＲ素子１の一例の概略断面図を示す。
この例では、基板２例えばＳｉ基板上に、下地層３が形成され、この下地層３を介して反強磁性層４が形成され、この上に、中間層６を介して対の磁化固定層を構成する強磁性層５および情報記録層を構成する強磁性層７が積層形成された積層構造とされる。
この例では、反強磁性層４上に、磁化固定層を構成する強磁性層５が形成され、この上に、トンネルバリア層を構成する中間層６が形成され、更にこの上に、情報記録層を構成する磁化自由層となる強磁性層７が形成されて、この積層構造によって強磁性トンネル接合構造部（以下ＭＴＪという）９が構成される。そして、このＭＴＪ９上に保護層８いわゆるトップコート層が被着形成される。
【００３５】
下地層３は、例えば非磁性導電層のＴａ膜によって構成される。
反強磁性層４は、一方の強磁性層５による磁化固定層と反強磁性的に結合することにより、外部から印加される信号磁界、例えばメモリ装置における書き込み磁界によっても磁化が反転することなく、常に、磁化固定層を構成する強磁性層５の磁化の向きを一定の向きに設定するものである。
この反強磁性層４は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ等を含むＭｎ合金、Ｃｏ酸化物、Ｎｉ酸化物等によって構成することができるものであり、この反強磁性層４は、例えばＰｔＭｎによって構成する。
【００３６】
中間層６のトンネルバリア層は、金属膜例えばＡｌのスパッタ膜あるいは蒸着膜を酸化した酸化膜、あるいは窒化した窒化膜によって形成することができる。そのほか、このトンネルバリア層６は、有機金属と、酸素、オゾン、窒素、ハロゲン、ハロゲン化ガス等を用いたＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）　法による成膜によって構成することもできる。
【００３７】
そして、本発明においては、中間層６を介して積層される両強磁性層５，７、特に少なくとも情報記録層を構成する強磁性層７を、ＦｅＣｏＢあるいはＦｅＣｏＮｉＢを含有する例えばスパッタ膜による強磁性アモルファス層によって構成する。
【００３８】
更に、本発明においては、少なくともこの情報記録層すなわち強磁性層７の平面パターン、例えば磁気抵抗効果素子１の積層部の平面パターンを、１軸方向に長軸を有する形状で、長軸方向に沿う両側縁が、外側に膨出する形状、あるいは直線形状を有し、その長軸方向の両端が、外側に膨出するパターン形状とする。このようなパターン形状は、図２および図３の各Ａ１　〜Ａ６　図にパターン形状の例を模式的に示したように、長軸および短軸の中心軸に対して対象性を有する形状とされる。そして、例えば、図２Ａ１　の菱形形状のように、長軸方向に沿う両側縁およびその両端縁が外側に屈曲ないしは屈曲に近似する彎曲形状に膨出するパターン形状とすることができる。あるいは、両側縁が外側に彎曲膨出する形状の、例えば図２Ａ２　、図３Ａ４　のレモン形状、楕円、ないしは長円、あるいは図示しないが紡錘状等のパターン形状とする。または、両外側が直線的なカプセル形状（図３Ａ５　）、長方形状（図３Ａ６）等に形成することができる。
しかしながら、本発明は、この図２および図３の各Ａ１　〜Ａ６　に示した例に限定されるものではない。
そして、本発明においては、パターン形状の選定のみならず、その短軸と長軸の比を１：１．２〜１：３．５の範囲に選定する。
【００３９】
本発明構成においては、上述したように、少なくともその情報記録層を構成する強磁性層７、例えば両強磁性層５および７を、Ｂを含むＦｅＣｏＢあるいはＦｅＣｏＮｉＢによる材料によることによってアモルファス構造とするものであるが、この構成とすることによって、結晶質のみで強磁性層を構成する場合に比し、前記（１）式の分極率を高めることによる保磁力が高まるという不都合が回避された。
【００４０】
すなわち、アモルファス構造を有する強磁性材料を含有することによってスピン分極率の向上すなわちＴＭＲ比の向上と、保磁力すなわち反転磁界の低減すなわち書き込み電流の低減化を実現できた。
そして、強磁性層における磁気的困難軸と容易軸で示される磁気異方性の制御がなされ、Ｒ（抵抗）−Ｈ（磁界）曲線の角形性にすぐれ、情報記録層の反転磁界の安定化が図られた。
【００４１】
同時に、本発明においては、上述したように、情報記録層の平面パターンないしは磁気抵抗効果素子の平面パターン形状およびそのアスペクト比を制御したことによって、良好な弓形曲線によるアステロイド曲線を得ることができ、書き込み可能な反転磁界および補助磁界の許容範囲を大とすることができた。
すなわち、本発明構成による磁気抵抗効果素子は、上述したように、大きなＴＭＲ比を示し、磁気異方性が大きいにも拘わらず、補助磁界方向の感度が良好となる。
【００４２】
アモルファス強磁性層を構成するＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＮｉの組成比は、一般にソフトな磁気特性を示す範囲が望ましく、通常のＣｏＦｅ情報記録層や、ＣｏＦｅＮｉ情報記録層に用いられる組成によることができる。そして、これに添加されるＢは、アモルファス層を形成し得るために１０原子％以上が必要で、逆に磁性を維持するためには、３５原子％以下であることが必要である。
【００４３】
また、情報記録層を構成する強磁性層７は、膜厚１ｎｍ〜１０ｎｍとすることが、良好な磁気特性を確保する上で望ましい。これは、強磁性層７の膜厚が、１ｎｍ未満である場合は、磁化自由層としての磁気特性が大幅に損なわれ、また、１０ｎｍを超えると保磁力が大きくなり過ぎ、例えば磁気メモリ装置のメモリ素子として用いる場合、実用上不適当となるおそれがあることに因る。
【００４４】
強磁性層７は、上述したＦｅＣｏＢあるいはＦｅＣｏＮｉＢによる単層構造とするに限られるものではなく、例えばこの組成の強磁性層と、これに比し磁化量の小さいＮｉＦｅ層との積層構造とすることができ、この場合は、これら層の総厚が１０ｎｍを超える構成とすることもできる。
【００４５】
また、ＦｅＣｏＢあるいはＦｅＣｏＮｉＢによって磁化固定層５を構成する場合、その膜厚は、０．５ｎｍ〜６ｎｍに選定することが望ましい。
これは、磁化固定層５の膜厚が、０．５未満である場合には、磁化固定層としての磁気特性が損なわれ、また６ｎｍを超えると反強磁性層との交換結合磁界が充分に得られなくなることに因る。
【００４６】
尚、強磁性層が含有するＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＮｉＢの合金組成には、好ましい範囲が存在するものである。これらＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＮｉＢによる強磁性層については、本出願人による特許願２００２−１０６９２６号ですでに提案しているところである。また、この強磁性層は、磁場中アニールにより磁気異方性を完全に与える処理を行う。
【００４７】
次に、この強磁性層に含有するＦｅ、Ｃｏ、Ｂの合金組成について説明する。このＦｅ、Ｃｏ、Ｂの合金組成は、不可避な不純物元素を除いて、組成式Ｆｅ_ＸＣｏ_ｙＢ_ｚ（組成式中、ｘ、ｙ、ｚは、原子％を表す）から構成され、５≦ｘ≦４５、３５≦ｙ≦８５、１０≦ｚ≦３０であることが好ましい。このとき、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００である。これら組成の特定について以下説明する。
【００４８】
まず、Ｂの添加量について説明する。このＢの添加量が１０原子％未満であると、ベースとなるＦｅ−Ｃｏ合金の磁気特性が大きく反映され、緩やかな改善　効果が認められるのみである。したがって、１０原子％以上のＢを含有することにより、Ｆｅ、Ｃｏ等を同じ比率で含む合金と比較して、ＴＭＲ比が顕著に増大すると共に、抵抗−磁場曲線（Ｒ−Ｈ曲線）の角形性が改善される。また、ＴＭＲ比のバイアス依存性も改善され、更に、情報記録層の磁化状態が安定しているため、保磁力のばらつきが小さく、Ｒ−Ｈ曲線上に見られるノイズも大幅に低減する。
【００４９】
また、Ｂの添加量は、３０原子％以下であることが好ましい。これは、Ｂの添加量が３０原子％を超えると、例えば情報記録層としての強磁性的な特性および磁化固定層としての固定磁界が損なわれてくる。その結果、ＴＭＲ比の低下、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の劣化および保磁力の減少を来すおそれが生じる。したがって、Ｂを添加することによる効果を確実に得るためには、Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成によって若干変化するが、少なくとも一方の強磁性層の、情報記録層を構成する強磁性層７は、１０原子％以上、３０原子％以下のＢが含有する組成とすることが望ましい。
【００５０】
次に、ベースとなるＦｅ−Ｃｏ合金について説明する。
Ｂを含めた合金組成で少なくとも３５原子％のＣｏが必要である。Ｂが添加された場合の効果を促進し、しかも強磁性的な性質を保持するためである。その上で、Ｆｅが添加されると、Ｃｏ−Ｆｅベース合金での変化と同様に、ＴＭＲ比の向上および保磁力の増大効果が認められる。しかし、Ｆｅの含有量が、４５原子％を超えると実際の素子寸法では、保磁力が過剰に増大し、ＴＭＲ素子として不適当となる。また、Ｆｅの含有量が５原子％未満であると、強磁性層のスピン分極率が小さくなり、磁気抵抗効果素子として動作するに十分なＴＭＲ比が得られなくなるおそれがある。したがって、Ｆｅの含有量は、５原子％以上、４５原子％以下とすることが好ましい。
【００５１】
また、強磁性層としては、上述したように、Ｆｅ、Ｃｏ、ＢのほかにＮｉを含有する組成とすることができる。このＮｉを含有する場合でも、保磁力の増大を抑えつつ良好なＴＭＲ比を維持し、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の改善効果を得ることができる。この場合、Ｎｉ含有量の好ましい範囲が存在する。すなわちＮｉは、３５原子％以下であることが好ましい。これは、Ｎｉの含有量が、３５原子％を超えると保磁力が小さくなり過ぎて、ＴＭＲ素子の動作の制御が困難となるおそれがあることに因る。すなわち、ＦｅＣｏＮｉＢの強磁性層においては、不可避な不純物元素を除いて、組成式ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（組成式中、ａ〜ｄは原子％を表す）から構成され、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０であるとが好ましい。そして、このとき、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。
【００５２】
次に、情報記録層ないしは磁気抵抗効果素子の平面形状とアステロイド曲線　との関係を、図２および図３を参照して説明する。
前述したように、図２および図３において、各Ａ１　〜Ａ６　は、それぞれの情報記録層を構成する強磁性層７ないしは磁気抵抗効果素子１の平面パターン形状を模式的に示したもので、各Ｂ１　〜Ｂ６　は、Ａ１　〜Ａ６　のパターン形状による場合に得られるアステロイド曲線の傾向を模式的に示したものである。
これら図２および図３で示すように、強磁性層７ないしは磁気抵抗効果素子１の平面パターン形状の選定によってアステロイド曲線の形状を制御することができるものである。
【００５３】
すなわち、本発明においては、情報記録層の材料構成のみならず、その形状、すなわちアスペクト比も、所要のアステロイド曲線を得る上で、重要なパラメータであることを見出しことに基いてなされた発明であり、そのアスペクト比（短軸長：長軸長）は、前述したように、１：１．２〜１：３．５の範囲とする。これは、このアスペクト比が、１：１．２未満である場合、補助磁界方向の感度は、充分得られるものの、情報記録層お磁気的な形状異方性が小さくなり、磁化が不安定となり、反転磁界が著しく不安定となることが見出され、また、アスペクト比が、１：３．５を超えると反転磁界の増大傾向が著しくなることが見出された。
【００５４】
そして、情報記録層の磁気異方性は、素子形状によっても制御され、楕円形状が最もバランスに優れた形状であることが判明した。図２および図３で示されるように、例えば図３のＡ６　で示す長方形状に近い形状の場合、アステロイド曲線は図３のＢ６　に示すように、横長形状となり、その縦横比が大きく異なってくる。
これに対し、図２のＡ１　で示す菱形形状の場合、アステロイド曲線は図２Ｂ１　で示すように、異方性が強くなり、アステロイド曲線が直線的になる傾向を示し、このように直線的になる場合は、前述したように、補助磁界方向の感度が鈍ってくる。
これらのことから、情報記録層の平面パターンは、楕円形状もしくは長円形状とすることが望ましく、図２および図３のＡ２　〜Ａ５　で示すように、長軸方向に沿う両側縁が、直線もしくは外側に膨出する彎曲形状とされ、長軸方向の両端縁が、外側に凸の彎曲ないしは屈曲形状とされたパターン形状が望ましい。
そして、そのアスペクト比は、上述したように、１：１．２〜１：３．５の範囲に選定する。
【００５５】
上述した条件を満たすことにより、補助磁界方向の感度を制御することができ、小さな補助磁界の領域で、アステロイド曲線の接線の勾配、すなわち曲率半径を小さく、弓形形状となり、アステロイド曲線の形状を、理想的アステロイド曲線に近づけるように調整できることを、見出したのである。
そして、その結果、前述した書き込み可能領域を大きくすることができ、書き込みエラーの発生を著しく低減することができたのである。
【００５６】
尚、図１で示した例では、磁化固定層５を単層構造とした場合であるが、図４にその一例の概略断面図を示すように、磁化固定層５を、例えば強磁性積層フェリ構造とすることができる。
この例では、反強磁性層４上に、この反強磁性層４と反強磁性結合する第１の磁化固定層５ａが成膜され、この上に非磁性導電層５ｃを介して第２の磁化固定層５ｂが積層されている。
非磁性導電層５ｃは、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ等の金属膜によって構成することができる。
尚、図４において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５７】
また、上述した例では、中間層６が、トンネルバリア層であってＴＭＲ素子構成とした場合であるが、中間層６が、非磁性導電層によって構成され、膜厚方向に通電がなされるいわゆるＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｅｒｐｅｄｉｃｕｌａｒ　ｔｏ　Ｐｌａｎｅ）　構成のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子いわゆるＧＭＲとすることもできる。
【００５８】
次に、本発明による磁気メモリ装置の実施形態について説明するが、本発明による磁気メモリ装置は、この実施形態例に限定されるものではない。
【００５９】
〔磁気メモリ装置〕
本発明による磁気メモリ装置は、そのメモリセルを構成するメモリ素子が、上述した本発明の各構成による磁気抵抗効果素子、例えばＴＭＲ素子によって構成される。
この磁気メモリ装置は、例えば図５に、その一例の要部の概略構成の斜視図を示し、図６に、その１つのメモリセル１１の概略断面図を示すように、クロスポイント型のＭＲＡＭアレイ構造とすることができる。
【００６０】
すなわち、このＭＲＡＭにおいては、並置配列された複数のワード線ＷＬと、これらワード線ＷＬとそれぞれ立体的に交叉するように並置配列された複数のビット線ＢＬとを有し、これらワード線ＷＬとビット線ＢＬとの間の立体的交叉部に、それぞれメモリセル１１として、本発明による磁気抵抗効果素子、例えばＴＭＲ素子１が配置される。
図５においては、磁気メモリ装置における３×３のメモリセル１１がマトリクス状に配置された部分を示している。
【００６１】
各メモリセル１１は、図６に示すように、例えばシリコン基板より成る半導体基板２上すなわち半導体ウエハ上に、スイッチング用のトランジスタ１３が形成される。
このトランジスタ１３は、例えばＭＯＳトランジスタ（絶縁ゲート電界効果型トランジスタ）より成る。この場合、半導体基板２上にゲート絶縁層１４が形成され、この上にゲート電極１５が被着された絶縁ゲート部が構成される。
また、半導体基板２に、絶縁ゲート部を挟んでその両側にソース領域１６とドレイン領域１７とが形成される。この構成において、ゲート電極１５は、読み出し用のワード線ＷＬ１　を構成している。
【００６２】
このトランジスタ１３が形成された半導体基板２上には、ゲート電極１５を覆って第１の層間絶縁層３１が形成され、この第１の層間絶縁層３１の、各ソース領域１６およびドレイン領域１７上に、層間絶縁層３１を貫通してコンタクトホール１８が穿設され、各コンタクトホール１８に、導電性プラグ１９が充填される。
そして、第１の層間絶縁層３１上に、ソース領域１６に対する配線層２０が、ソース領域１６にコンタクトされた導電性プラグ１９上に跨がって被着形成される。
【００６３】
更に、配線層２０を覆って第１の層間絶縁層３１上に第２の層間絶縁層３２が形成される。
この第２の層間絶縁層３２には、ドレイン領域１７にコンタクトされた導電性プラグ１９上に、コンタクトホール１８が貫通穿設され、これに導電性プラグ１９が充填される。
【００６４】
第２の層間絶縁層３２上には、例えば読み出し用ワード線ＷＬ１　の延長方向に延長して図５のワード線ＷＬに相当する書き込み用ワード線ＷＬ２　が形成される。
また、この書き込み用ワード線ＷＬ２　を覆って、第２の層間絶縁層３２上に、例えば酸化シリコンより成る第３の層間絶縁層３３が形成される。この第３の層間絶縁層３３においても、ドレイン領域１７にコンタクトされた導電性プラグ１９上に、コンタクトホール１８が貫通穿設され、これに導電性プラグ１９が充填される。
【００６５】
そして、この第３の層間絶縁層３３を貫通する導電プラグ１９にコンタクトして、第３の層間絶縁層３３上に、図１あるいは図４で示した導電性の例えばＴａより成る下地層３を形成し、この下地層３上に、磁気抵抗効果素子例えばＴＭＲ素子１を形成する。
【００６６】
更に、この下地層３とこの上のＴＭＲ素子１を覆って第４の層間絶縁層３４が形成され、この上に、書き込み用ワード線ＷＬ上を横切って、ビット線ＢＬを形成する。
【００６７】
ビット線ＢＬ上には、図示しないが、表面絶縁層が必要に応じて形成される。上述した第１〜第４の各層間絶縁層や表面絶縁層等は、例えばプラズマＣＶＤによって形成することができる。
【００６８】
磁気抵抗効果素子のＴＭＲ素子１の構造および製造方法は、前述したように、図４あるいは図５の構造を、本発明製造方法で説明した構成材料および成膜方法によって、反強磁性層４、単層あるいは積層フェリ構造による磁化固定層５、中間層６をスパッタリングによって形成し、中間層６に対する酸化処理もしくは窒化処理を行い、続いて、磁化自由層７、保護層８のスパッタリングを行うことによって形成することができる。
【００６９】
したがって、この場合においても、磁化固定層の強磁性層５、および磁化自由層すなわち情報記録層の強磁性層７は、ＦｅＣｏＢあるいはＦｅＣｏＮｉＢのアモルファス層として形成される。
これら、メモリセル１１は、共通の半導体基板２すなわち半導体ウエハ上に、図４で示すように、マトリックス状に配列される。
【００７０】
この半導体基板２を、磁場中熱処理して、反強磁性層４の規則化すなわち反強磁性層４を所定の向きに磁化し、これによってこの反強磁性層４上に接して形成されこれと反強磁性結合された強磁性層による磁化固定層５の磁化を一方向に固定することができる。
【００７１】
この構成による磁気メモリ装置は、ビット線ＢＬと書き込みワード線ＷＬ（ＷＬ１　）とに所要の電流を通電することによって、選択された交叉部のメモリセル１１の磁気抵抗効果素子例えばＴＭＲ素子１の磁化自由層に、両ビット線ＢＬと書き込みワード線ＷＬによる発生磁界の合成による所要の書き込み磁界を印加して、前述したように、磁化自由層の磁化を反転させて、情報の記録を行う。
【００７２】
そして、この記録情報の読み出しは、選択された読み出しを行うメモリセルに関わるトランジスタ１３のゲート電極１５すなわち読み出しワード線ＷＬ１　に所要のオン電圧を印加してトランジスタ１３をオン状態とし、ビット線ＢＬとトランジスタ１３のソース領域１６の配線層２０との間に、読み出し電流を通電することによってその読み出しを行う。
【００７３】
上述した本発明によるＭＲＡＭは、そのメモリ素子としての磁気抵抗効果素子が、強磁性トンネル接合を構成する強磁性層の少なくとも一方の情報記録層を構成する強磁性層を、上述した特定の元素を含有し、またその平面形状とアスペクト比の選定がなされていることによって、そのメモリ素子のＴＭＲ素子がＴＭＲ出力に極めて優れ、メモリ動作の安定性が飛躍的に向上するものである。
また、本発明のＭＲＡＭは、ＴＭＲ比のバイアス電圧依存性が改善されていることによって、読み出し時に低抵抗状態と高抵抗状態との判別が容易となり、エラーレートが低下する。
更に、図７で示すように、Ｒ−Ｈ曲線上に見られるノイズも大幅に低減することから、アステロイド特性が向上する。したがって、書き込みエラーの低減も図られる。
【００７４】
図７中曲線６１および６２は、それぞれ情報記録層をＣｏ_７２Ｆｅ_８Ｂ_２０〔原子％〕によるＴＭＲ素子と、情報記録層をＣｏ_９０Ｆｅ_１０〔原子％〕によるＴＭＲ素子とを作製し、これらについて外部磁場の変化に対するＴＭＲ比〔％〕を求めた結果を示した。ＴＭＲ比〔％〕は、外部磁場による抵抗が最大となった値をＲ_ｍａｘとし、最小となった値をＲ_ｍｉｎとするときの｛（Ｒ_ｍａｘ−Ｒ_ｍｉｎ）／Ｒ_ｍｉｎ｝×１００〔％〕である。
【００７５】
これら曲線６１および６２を比較して明らかなように、情報記録層がＦｅ、Ｃｏ、Ｂを含有するＴＭＲ素子は、Ｆｅ、Ｃｏのみを含有するＴＭＲ素子に比してＴＭＲ比を高く維持しつつ、保磁力が低減し、更にＴＭＲ比−磁場ループの角形性が向上していることが分かり、また、バルクハウゼンノイズの改善もはかられている。
【００７６】
尚、本発明による磁気抵抗効果素子は、上述したＭＲＡＭのメモリ素子とする場合に限られるものではなく、例えば磁気ヘッドおよびこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらには、パーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【００７７】
そのほか、本発明構成において、種々の変形変更を行うことができる。例えば図１および図４で示した例では、反強磁性層が下層側に配置されたいわゆるボトム形構成とした場合であるが、これとは逆に反強磁性層が上層側に配置されるいわゆるトップ形構成とすることもできる。
【００７８】
次に、本発明による磁気抵抗効果素子もしくはＭＲＡＭにおけるメモリ素子の実施例および比較例を説明する。
〔実施例および比較例〕
この場合、各例に対応する特性評価用素子（以下ＴＥＧ（Ｔｅｓｔ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｇｒｏｕｐ）という）を作製して、これによって本発明実施例および比較例の特性評価を行った。
【００７９】
この場合、図６において説明したように、ＭＲＡＭにおいては、メモリ素子としての磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）１以外に、スイッチング用のトランジスタ１３が形成されるものであるが、このＴＥＧにおいては、半導体基板２すなわち半導体ウエハに対する上述したスイッチング用トランジスタ１３の形成を省略した。
【００８０】
このＴＥＧは、図８に概略平面図を示し、図９に、図８のＡ−Ａ線の概略断面図を示すように、表面に厚さ２μｍの熱酸化膜による絶縁層１２が形成された、厚さ０．６ｍｍの半導体基板（半導体ウエハ）２を用意した。
この半導体基板２上に、ワード線を構成する金属膜の形成、およびフォトリソグラフィによるパターンエッチングを行って、一方向に延長するワード線ＷＬを形成した。
このとき、ワード線ＷＬの形成部以外のエッチング部においては、半導体基板２の表面の酸化膜すなわち絶縁層１２が深さ５ｎｍまでエッチングされた。
【００８１】
ワード線ＷＬ上の一部に、ＴＭＲ素子１を作製した。このＴＭＲ素子１の形成は、先ず、半導体基板２側から、それぞれ全面的に、順次、厚さ３ｎｍのＴａ層と厚さ１００ｎｍのＣｕ層とによる下地層３、厚さ２０ｎｍのＰｔＭｎ層による反強磁性層４、厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層と厚さ０．８ｎｍのＲｕ層による非磁性導電層と厚さ２．５ｎｍのＣｏＦｅ層とのフェリ磁性層による磁化固定層５、厚さ１ｎｍのＡｌを酸化処理した中間層６、厚さ５ｎｍのＦｅＣｏＢ層による磁化自由層７、厚さ５ｎｍのＴａ層より成る保護層８を形成した。
【００８２】
このようにして、形成した積層膜の一部によってＴＭＲ素子１を構成するものであり、このために積層膜のＴＭＲ素子１の形成部上に、フォトレジスト層によるマスク層（図示せず）をフォトリソグラフィによって形成する。
このマスク層を、エッチングマスクとして、上述の積層膜に対するエッチング例えばドライエッチングを行って、上述した積層膜によるＴＭＲ素子１を形成する。
更に、フォトレジスト層によるマスク層上から、ＴＭＲ素子１の周囲を覆って厚さ１００ｎｍ程度に、Ａｌ_２Ｏ_３をスパッタし、その後、マスク層の除去を行って、ＴＭＲ素子１上の絶縁層の除去、すなわちリフトオフを行ってＴＭＲ１の表面を露出する。
【００８３】
この露出したＴＭＲ素子１上にコンタクトして全面的に金属膜の形成を成膜し、この金属膜をフォトリソグラフィによってパターンエッチングしてビット線ＢＬを形成する。
このビット線ＢＬと上述したワード線ＷＬとは、それぞれＣｕ層によって形成し、相互に交叉する方向に延長するパターンに形成する。
【００８４】
磁化自由層すなわち情報記録層を構成する強磁性層７のＦｅＣｏＢの組成は、Ｆｅ_８Ｃｏ_７２Ｂ_２０〔原子％〕とした。
また、磁化固定層を構成する強磁性層５のＣｏＦｅの組成は、Ｃｏ_７５Ｆｅ_２５〔原子％〕とした。
中間層６のトンネルバリア層は、先ずＡｌ膜をＤＣスパッタ法により厚さ１ｎｍに堆積し、その後に、酸素とアルゴンの流量比は、１：１とし、チャンバーのガス圧を０．１ｍＴｏｒｒとし、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ：　誘導結合型プラズマ）により金属Ａｌ膜をプラズマ酸化することによって形成した。
この酸化時間は、ＩＣＰプラズマ出力に依存するが、この例では３０秒の酸化処理を行った。
この中間層６以外の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。ＴＭＲ素子１は、短軸０．５μｍ、長軸１．０μｍの楕円形パターンに形成した。
【００８５】
ワード線ＷＬおよびビット線ＢＬは、それぞれ金属膜を形成し、これをフォトリソグラフィを用いたＡｒプラズマエッチングによってパターン化して形成するした。
ワード線ＷＬおよびビット線ＢＬの両端には、図８に示すように、それぞれ端子パッドを２３および２４を延長形成した。
このＴＥＧは、共通の基板２上に、多数個配列形成した。
【００８６】
この構成によるＴＥＧにおいて、ワード線およびビット線に流せる電流は、それぞれ最大２０ｍＡであり、ＴＭＲ積層膜および素子形成条件により磁化反転電流は２０ｍＡ以下に制御されている。
【００８７】
このようにして作製したＴＥＧを上述した磁場中熱処理装置よって、磁場中熱処理した。この熱処理は、ＰｔＭｎによる反強磁性層４の規則化熱処理であり、これによって強磁性トンネル接合ＭＴＪを構成した。
この磁場中熱処理は、熱処理温度２７０℃、磁場強度１０ｋＯｅ、熱処理時間（具体的には加熱保持時間）は、２時間とした。
【００８８】
このようにして作製されたＴＥＧにおいて、その磁気抵抗効果素子の情報記録層の材料、膜厚、アスペクト比、素子形状を変化させたＴＥＧ（サンプル１〜２０）を作製した。
そして、これらＴＥＧに対して、電流源から電流を供給し、ワード線電流およびビット線電流を段階的に変化させて、各素子のアステロイド曲線を求めた。この場合、同一チップ、すなわち同一基板２内にある１０，０００個の素子のアステロイド曲線を重ね、書き込み可能範囲を求めた。
この１０，０００個の素子に対するアステロイド曲線を重ねたとき、書き込みエラーをゼロにするためには、反転磁界方向および補助磁界方向の両方向に関して直径を３ｍＡとする領域が１００％の確率で得られることである。
【００８９】
作製したＴＥＧのサンプル１〜２０のうち、サンプル１〜６は、その情報記録層の形状を、図３Ａ４　で示す楕円形状とし、そのアスペクト比を２．５とした場合であり、これらサンプル１〜６の強磁性層７を構成する材料と膜厚を、表１に列記する。
【００９０】
【表１】

【００９１】
そして、サンプル１〜２０のうちの、サンプル７〜１４は、その情報記録層の形状を楕円形状としてその膜構成を表１で示したサンプル２と同様の構成とした。そして、そのアスペクト比を、表２で列記する値に選定した。
【００９２】
【表２】

【００９３】
更に、サンプル１５〜２０は、その情報記録層の膜構成を、表２で示した構成とし、アスペクト比を２．５とした。そして、その情報記録層の形状を、それぞれ表３で列記する形状とした。
【００９４】
【表３】

【００９５】
上述した各サンプルについて、アステロイド曲線を求めた。これらアステロイド曲線において、ばらつきの幅を（ΔＨｃ／Ｈｃ）×１００〔％〕として求めた。図１０において、そのばらつきを、アステロイド曲線Ａの外側および内側に破線Ａｓ１　およびＡｓ２　の広がりをもって、そのばらつきの示す。
１０，０００個の素子に対するアステロイド曲線を重ねたとき、そのばらつきを考慮しつつ、エラーをゼロにするためには、その書き込み可能領域ａにおける反転磁界方向および補助磁界方向の両方に対して許容する破線図示の円の領域が直径φ３ｍＡ以上得られることが必要であり、このためには、（ΔＨｃ／Ｈｃ）×１００〔％〕が、１０％未満であることが必要条件である。
【００９６】
各サンプルについての（ΔＨｃ／Ｈｃ）×１００〔％〕の値、アステロイド曲線の、縦横比、曲率を、表４に列記した。
その縦横比については、ワード線およびビット線からの磁場発生効率を考慮すると、縦横比は、２．５以下である必要がある。
また、アステロイド曲線の曲率は、Ｓ１　／Ｓ０　の値として求めた。すなわち、例えば図１０の第１象限で示す曲線Ａｓ１　と、その両端を結ぶ破線直線ｃとで囲まれる面積をＳ１　とし、同様の破線直線ｃとアステロイド曲線の中心を通る縦軸および横軸の破線ｄとで囲まれる三角形の面積をＳ０　とし、その比をアステロイド曲線の曲率とした。
【００９７】
反転磁界方向および補助磁界方向の両方に直径を３ｍＡとする領域を得るには、Ｓ１　／Ｓ０　の値が大きいほうが望ましいが、その境界は、（ΔＨｃ／Ｈｃ）×１００〔％〕が、１０％未満のとき、０．２以上である。
【００９８】
【表４】

【００９９】
表４から明らかなように、１０，０００個のメモリ素子のアステロイド曲線に対して、反転磁界方向および補助磁界方向の両方向に直径３ｍＡとする領域が得られることが分かる。
すなわち、表４の備考欄に、本発明実施例と記したサンプル１〜３、サンプル８〜１３、サンプル１７〜１９によれば、動作範囲が確保されたＭＲＡＭが構成される。
【０１００】
上述したように、本発明によれば、少なくとも情報記録層としての強磁性層を、Ｂを含有するＦｅＣｏＢあるいはＦｅＣｏＮｉＢによって構成したアモルファス膜による構成とし、更に、情報記録層の平面形状を特定し、かつそのアスペクト比の特定によって、Ｒ−Ｈ特性において、角形比にすぐれ、保磁力すなわち反転磁界の増加を抑制しつつ、スピン分極率の向上、したがって、高いＴＭＲ比が得られ、またバルクハウゼンノイズの低減が図られ、弓形特性を有する優れた特性のアステロイド曲線を、安定して得ることができる。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明による磁気抵抗効果素子およびこれをメモリ素子とする磁気メモリ素子は、上述したように、Ｒ−Ｈ特性において、角形比にすぐれ、保磁力すなわち反転磁界の増加を抑制しつつ、スピン分極率の向上、したがって、高いＴＭＲ比が得られ、またバルクハウゼンノイズの低減が図られ、弓形特性を有する優れた特性のアステロイド曲線を、安定して得ることができた、書き込み可能領域を確保できたことから、書き込みエラーの改善が図られた、安定した書き込み特性を得ることができる。また、同時に高いＴＭＲ比が得られること、バイアス依存性の低減が図られることから、記録情報の読み出しにおいても、エラーの改善が図られ、安定した読み出しを行うことができる優れた読み出し特性を有する例えば磁気メモリ装置を構成することができる。
【０１０２】
このように、安定して、書き込みおよび読み取り特性に優れた磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置を構成とすることができることから、その工業的利益および実用上の利益は甚大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気抵抗効果素子の一例の概略断面図である。
【図２】Ａ１　〜Ａ３　は、本発明の磁気抵抗効果素子の情報記録層の模式的平面パターン図、Ｂ１　〜Ｂ３　は、これら平面パターンに対応する模式的アステロイド曲線図である。
【図３】Ａ４　〜Ａ６　は、本発明の磁気抵抗効果素子の情報記録層の模式的平面パターン図、Ｂ４　〜Ｂ６　は、これら平面パターンに対応する模式的アステロイド曲線図である。
【図４】本発明による磁気抵抗効果素子の他の例の概略断面図である。
【図５】本発明による磁気メモリ装置の一例の概略構成の斜視図である。
【図６】本発明による磁気メモリ装置の一例のメモリセルの概略断面図である。
【図７】本発明および従来のＴＭＲ素子の外部磁場に対するＴＭＲ測定曲線を示す図である。
【図８】本発明の実施例および比較例の説明に供する特性評価素子の概略平面図である。
【図９】特性評価素子の概略断面図である。
【図１０】特性評価の説明に供するアステロイド曲線図である。
【図１１】理想的アステロイド曲線の説明図である。
【符号の説明】
１・・・磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）、２・・・基板、３・・・下地層、４・・・反強磁性層、５・・・強磁性層（磁化固定層）、５ａ・・・第１の磁化固定層、５ｂ・・・第２の磁化固定層、５ｃ・・・非磁性導電層、６・・・中間層（トンネルバリア層）、７・・・強磁性層（情報記録層）、８・・・保護層、９・・・強磁性トンネル接合、１１・・・メモリセル、１２・・・絶縁層、１３・・・トランジスタ、１４・・・ゲート絶縁層、１５・・・ゲート電極、１６・・・ソース領域、１７・・・ドレイン領域、１８・・・コンタクトホール、１９・・・導電性プラグ、２０・・・配線層、２３，２４・・・端子パッド、３０・・・絶縁層、３１〜３４・・・第１〜第４の層間絶縁層

Claims (6)

1. 少なくとも１対の強磁性層が中間層を介して対向するように積層されて成り、該積層面に対して交叉する方向の通電によって磁気抵抗変化を得る構成による磁気抵抗効果素子であって、
   少なくとも情報記録層を構成する上記強磁性層の一方が、
   ＣｏＦｅＢ系合金、あるいはＣｏＦｅＮｉＢ系合金を含有するアモルファス構造を有し、
   上記情報記録層の平面形状が、一方向に長軸を有し、該長軸方向に沿う両側縁が、直線もしくは外側に膨出する形状とされ、長軸方向の両端縁が、外側に膨出する形状とされたパターン形状とされ、
   該パターン形状の、短軸長：長軸長によるアスペクト比が、１：１．２から１：３．５の範囲にあることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 上記情報記録の平面形状が、長軸方向および短軸方向の各中心軸に対してそれぞれ対称形状とされたことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
3. 上記情報記録の平面形状の、長軸方向に沿う方向の両側縁形状が外側に彎曲膨出する、楕円ないしは長円形状であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 互いに立体的に交叉するワード線とビット線とを有し、
   これらワード線とビット線との立体的交叉部間に、メモリ素子を構成する磁気抵抗素子が配置されて成り、
   該磁気抵抗素子は、少なくとも１対の強磁性層が中間層を介して対向するように積層されて成り、該積層面に対して交叉する方向の通電によって磁気抵抗変化を得る構成による磁気抵抗効果素子であって、
   少なくとも情報記録層を構成する上記強磁性層の一方が、
   ＣｏＦｅＢ系合金、あるいはＣｏＦｅＮｉＢ系合金を含有するアモルファス構造を有し、
   上記情報記録層の平面形状が、一方向に長軸を有し、該長軸方向に沿う両側縁が、直線もしくは外側に膨出する形状とされ、長軸方向の両端縁が、外側に膨出する形状とされたパターン形状とされ、
   該パターン形状の、短軸長：長軸長によるアスペクト比が、１：１．２から１：３．５の範囲にあることを特徴とする磁気メモリ装置。
5. 上記情報記録の平面形状が、長軸方向および短軸方向の各中心軸に対してそれぞれ対称形状とされたことを特徴とする請求項４に記載の磁気メモリ装置。
6. 上記情報記録の平面形状の、長軸方向に沿う方向の両側縁形状が外側に彎曲膨出する、楕円ないしは長円形状であることを特徴とする請求項４に記載の磁気メモリ装置。

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