JP2008211008A - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁壁移動現象を利用した磁気抵抗効果素子に関し、熱揺らぎに対する安定性を低下することなく、磁壁の移動速度を向上しうる磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】 磁化方向が固定された固定磁化層３６と、固定磁化層３６上に形成された非磁性層４０と、強磁性層４２と、強磁性層４２上に形成された非磁性金属層４４と、非磁性金属層４４上に形成された強磁性層４６との積層体よりなる自由磁化層４８であって、複数の磁化記録領域６４を有し、磁化記録領域６４のそれぞれにおいて、強磁性層４２の磁化と強磁性層４６の磁化とが互いに反平行に結合しており、一の磁化記録領域６４が、非磁性層４０を介して固定磁化層３６と対向している自由磁化層４８とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置に係り、特に細線状の強磁性層内における磁壁移動現象を利用した磁気抵抗効果素子及びこれを用いた磁気メモリ装置に関する。

近年、書き換え可能な不揮発性メモリとして、磁気抵抗効果素子をマトリクス状に配列した磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memoryという）が注目されている。ＭＲＡＭは、２つの磁性層における磁化方向の組み合わせを利用して情報を記憶し、これら磁性層間の磁化方向が平行である場合と反平行である場合とにおける抵抗変化（すなわち電流或いは電圧の変化）を検知することによって記憶情報の読み出しを行うものである。

ＭＲＡＭを構成する磁気抵抗効果素子としては、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）素子やＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子が知られている。なかでも、大きな抵抗変化が得られるＴＭＲ素子が、ＭＲＡＭに用いる磁気抵抗効果素子として注目されている。ＴＭＲ素子は、２つの強磁性層がトンネル絶縁膜を介して積層されたものであり、２つの強磁性層の磁化方向の関係に基づいてトンネル絶縁膜を介して磁性層間を流れるトンネル電流が変化する現象を利用したものである。すなわち、ＴＭＲ素子は、２つの強磁性層の磁化方向が平行のときに低い素子抵抗を有し、反平行のときには高い素子抵抗を有する。この２つの状態をデータ“０”及びデータ“１”に関連づけることにより、記憶素子として用いることができる。

また、最近では、細線状の強磁性層内における磁壁移動現象と磁気抵抗効果とを利用して磁気メモリ装置を構成することが提案されている。このような磁気メモリ装置は、例えば特許文献３、特許文献４等に記載されている。
特開平１０−０７９３０３号公報 特開２００５−０５６４５４号公報 特開２００６−０７３９３０号公報 米国特許第６８３４００５号明細書 J. Hong et al., "Spin-valve head with specularly reflective oxide layers for over 100 Gb/in2", IEEE Trans. on Magn., Vol. 38, No. 11, 2002, pp. 15-19 S. S. S. Parkin et al., "Oscillations in exchange coupling and magnetoresistance in metallic superlattice structures: Co/Ru, Co/Cr, and Fe/Cr", Phys. Rev. Lett., Vol. 64, 1990, pp. 2304-2307 T. Nozaki et al., "Magnetic switching properties of magnetic tunnel junctions using a synthetic ferrimagnet free layer", J. Appl. Phys., Vol. 95, 2004, pp. 3745-3748 A. Yamaguchi et al., "Real space observation of current-driven domain wall motion in submicron magnetic wires", Phys. Rev. Lett., Vol. 92, 2004, pp. 077205-1-077205-4 池田等，第６７回日本応用物理学会学術講演会講演予稿集（２００６年秋），29p-ZK-11

新規ストレージメモリの製品化を実現するためには、既存のＤＲＡＭやフラッシュメモリを凌駕する性能を有するデバイスの開発が必須である。

しかしながら、細線状の強磁性層内における磁壁移動現象と磁気抵抗効果とを利用した従来の磁気メモリ装置では、十分な磁壁移動速度が得られておらず、ＤＲＡＭやフラッシュメモリ等に比肩するような動作速度を実現できていない。

本願発明者等が行った実験例では、線幅２２０ｎｍのパーマロイ細線に、パルス幅５μｓｅｃ、印加電流５ｍＡの条件で電圧パルスを印加したところ、磁壁の移動速度として〜３ｍ／ｓｅｃの結果が得られた。この値は、データ転送速度に換算すると４ＭＢｙｔｅ／ｓｅｃ程度であり、現状のハードディスク装置のデータ転送速度の１／１０以下である。

このため、磁壁移動現象を利用した磁気メモリ装置の実現のためには、磁壁移動速度を向上することが不可欠である。

本発明の目的は、磁壁移動現象を利用した磁気抵抗効果素子に関し、熱揺らぎに対する安定性を低下することなく、磁壁の移動速度を向上しうる磁気抵抗効果素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、このような磁気抵抗効果素子を用いることにより、信頼性が高く動作速度の速い磁気メモリ装置を提供することにある。

本発明の一観点によれば、磁化方向が固定された固定磁化層と、前記固定磁化層上に形成された非磁性層と、第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層上に形成された非磁性金属層と、前記非磁性金属層上に形成された第２の強磁性層との積層体よりなる自由磁化層であって、複数の磁化記録領域を有し、前記複数の磁化記録領域のそれぞれにおいて、前記第１の強磁性層の磁化と前記第２の強磁性層の磁化とが互いに反平行に結合しており、一の前記磁化記録領域が、前記非磁性層を介して前記固定磁化層と対向している自由磁化層とを有する磁気抵抗効果素子が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、磁化方向が固定された固定磁化層と、前記固定磁化層上に形成された非磁性層と、第１の強磁性層、前記第１の強磁性層上に形成された非磁性金属層及び前記非磁性金属層上に形成された第２の強磁性層の積層体よりなる自由磁化層であって、複数の磁化記録領域を有し、前記複数の磁化記録領域のそれぞれにおいて、前記第１の強磁性層の磁化と前記第２の強磁性層の磁化とが互いに反平行に結合しており、一の前記磁化記録領域が、前記非磁性層を介して前記固定磁化層と対向している自由磁化層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記非磁性層を介して前記固定磁化層と前記自由磁化層との間に読み出し電流を流す読み出し電流印加手段とを有する磁気メモリ装置が提供される。

本発明によれば、非磁性層を介して対向する強磁性層の一方が強磁性細線により構成される磁気抵抗効果素子において、強磁性細線を、強磁性層と、非磁性金属層と、強磁性層との積層膜により構成し、両強磁性層の磁化を互いに反平行に結合するので、強磁性細線の磁化を安定化できるとともに、強磁性細線の全体としての飽和磁化を小さくすることができる。これにより、熱揺らぎに対する安定性を低下することなく、磁壁の移動速度を向上することができる。また、このような磁気抵抗効果素子を用い、細線状の強磁性層内における磁壁移動現象と磁気抵抗効果とを利用した磁気メモリ装置を構成することにより、磁気メモリ装置の書き込み速度及び読み出し速度、並びに動作信頼性を向上することができる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子について図１乃至図３を用いて説明する。

図１は本実施形態による磁気抵抗効果素子の構造を示す概略断面図、図２は本実施形態による磁気抵抗効果素子の動作を説明する図、図３は本実施形態による磁気抵抗効果素子の効果を説明するためのモデルを示す図である。

はじめに、本実施形態による磁気抵抗効果素子の構造について図１を用いて説明する。図１（ａ）は本実施形態による磁気抵抗効果素子の概略断面図であり、図１（ｂ）は平面図である。図１（ｂ）のＡ−Ａ′線断面図が、図１（ａ）に対応している。

図１（ａ）に示すように、反強磁性層２８上には、強磁性層３０と、非磁性金属層３２と、強磁性層３４との積層体よりなる積層フェリ構造の固定磁化層３６が形成されている。固定磁化層３６上には、バリア絶縁膜４０が形成されている。バリア絶縁膜４０上には、強磁性層４２と、非磁性金属層４４と、強磁性層４６との積層体よりなる強磁性細線４８が形成されている。

強磁性細線４８には、図１（ｂ）に示すように、複数の切り欠き部分（以下、ノッチ６２という）が形成されている。ノッチ６２は、強磁性細線４８の線幅（断面積）が狭くなるように対向する部分に設けられている。また、ノッチ６２は、強磁性細線４８の延在方向に等間隔で複数設けられている。本願明細書では、ノッチ６２が形成された領域を規制領域と呼び、ノッチ６２とノッチ６２との間の線幅の広い部分を磁化記録領域６４と呼ぶものとする。

固定磁化層３６は、一の磁化記録領域６４の中央部分に配置されている。固定磁化層３６に対向する部分の磁化記録領域６４は、固定磁化層３６とともに磁気抵抗効果を奏する部分であり、一般的な磁気抵抗効果素子における自由磁化層に相当する。このような観点から、本願明細書では、強磁性細線４８の全体を、単に自由磁化層と表現することもある。

このように、本実施形態による磁気抵抗効果素子は、バリア絶縁膜を介して対向する強磁性層の一方が強磁性細線により構成される磁気抵抗効果素子において、強磁性細線４８が、強磁性層４２と、非磁性金属層４４と、強磁性層４６との積層膜よりなり、強磁性層４２の磁化と強磁性層４６の磁化とが反平行に結合していることに主たる特徴がある。

反強磁性層２８としては、例えばＲｅ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，ＩｒＰｔ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，ＡｕのいずれかとＭｎとを含む反強磁性材料、例えばＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ，ＲｈＭｎ，ＲｕＭｎ，ＦｅＭｎ等により構成することができる。

固定磁化層３６及び強磁性細線４８を構成する強磁性層３０，３４，４２，４６としては、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのいずれかを含む強磁性合金材料、例えばＣｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}（０≦ｘ≦１００），Ｎｉ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}（０≦ｘ≦１００）や、アモルファス材料、例えばＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＮｉ，ＣｏＦｅＮｉＢ，ＣｏＦｅＳｉ，ＣｏＦｅＢＳｉや、Ａ_２ＢＣで表されるハーフメタル材料（Ａ＝Ｃｏ，Ｆｅ又はＮｉ、Ｂ＝Ｍｎ又はＣｒ、Ｃ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ又はＶ）などを適用することができる。

非磁性金属層３２，４４としては、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｃｒ等の非磁性金属材料を用いることができる。

バリア絶縁膜４０は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｖ，Ｔａ，Ｓｉのいずれかを含む酸化物材料、酸窒化物材料又は窒化物材料、例えばＭｇＯ，ＡｌＯ，ＡｌＮ，ＨｆＯ，ＴｉＯ，ＶＯ，ＴａＯ，ＳｉＯ等を適用することができる。

次に、本実施形態による磁気抵抗効果素子の基本動作について図２を用いて説明する。なお、以下の説明では、固定磁化層３６の磁化方向とは強磁性層３４の磁化方向を意味し、強磁性細線４８の磁化方向とは固定磁化層３６と対向する磁化記録領域６４における強磁性層４２の磁化方向を意味するものとする。このように定義するのは、磁気抵抗効果素子の抵抗状態が、強磁性層４２の磁化方向と固定磁化層３６と対向する磁化記録領域６４における強磁性層４２の磁化方向との関係によって規定されるためである。

図２（ａ）に示すように、強磁性細線に磁化記録領域６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ，６４ｅが設けられており、各磁化記録領域６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ，６４ｅの磁化方向が、図面においてそれぞれ左向き、右向き、右向き、左向き、右向きである場合を考える。磁化方向が逆向きを向いている磁化記録領域６４ａと磁化記録領域６４ｂとの間、磁化記録領域６４ｃと磁化記録領域６４ｄとの間、磁化記録領域６４ｄと磁化記録領域６４ｅとの間には、磁壁６６ａ，６６ｂ，６６ｃが、それぞれ形成されている。なお、磁壁を介して磁化方向が反対方向を向くことは、強磁性体の一般的な性質である。また、固定磁化層３６は、磁化記録領域ｃに設けられているものとする。

図２（ａ）に示す状態において、強磁性細線４８の延在方向に沿って電流を流すと、電子スピンの流れる方向に磁壁６６ａ，６６ｂ，６６ｃが移動する。

例えば、図において左向きに電流Ｉを流すと、電子スピンは右向きに流れ、このスピントルクによって磁壁６６ａ，６６ｂ，６６ｃはそれぞれ右側に移動する（図２（ｂ））。逆に、図において右向きに電流Ｉを流すと、電子スピンは左向きに流れ、このスピントルクによって磁壁６６ａ，６６ｂ，６６ｃはそれぞれ左側に移動する（図２（ｃ））。

このとき、強磁性細線４８に流す電流パルスを適宜制御することにより、磁壁６６の移動距離を制御することができる。また、ノッチ６２が形成された箇所は、強磁性細線４８の断面積が小さくなっている。強磁性細線４８の断面積の小さい箇所は、強磁性細線４８のうちの断面積の大きい箇所と比較してエネルギー的に安定している。このため、ノッチ６２により断面積が小さくなっている箇所に、磁壁６６をトラップさせることができる。すなわちノッチ６２は、いわゆる磁壁ピニングサイトと呼ばれるものである。これにより、磁化記録領域６４間の箇所に、正確に磁壁６６を移動させることが可能となる。なお、図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、磁化記録領域６４を１つ分ずつ、磁壁６６を右側及び左側に移動させた状態である。

強磁性細線４８にノッチ６２を設けることにより、磁壁６６の移動を規制することができ、書き込み及び読み出しの際の動作信頼性を高めることができる。ノッチ６２は、図示するようなくさび形に限らず、台形形状、長方形形状、半円形など様々な形状においても同様の効果を得ることができるので、デバイス構造に合わせて自由に選択可能である。

スピントルクによって磁壁６６を移動する際、磁壁６６間の磁化記録領域６４における磁化情報は、そのままの状態で維持される。すなわち、各磁化記録領域６４に記録されていた磁化情報（磁化方向）は、磁壁６６の移動に伴い、磁壁６６の移動方向に沿ってそのまま隣接する磁化記録領域６４に並行移動させることができる。

このようにして、磁壁６６を強磁性細線４８の延在方向に沿って移動させることにより、任意の磁化記録領域６４に記録されている磁化情報を、固定磁化層３６に対向する部分の磁化記録領域６４に移動させることができる。これにより、任意の磁化記録領域６４に記録されている磁化情報を読み出すことができる。

すなわち、固定磁化層３６の磁化方向が例えば図面において右向きである場合、磁壁６６の移動後の状態が例えば図２（ａ）又は図２（ｂ）に示す状態となったときには、固定磁化層３６の磁化方向と磁化記録領域６４ｃの磁化方向とは平行となり、固定磁化層３６と磁化記録領域６４ｃとの間の素子抵抗は低抵抗状態となる。また、磁壁６６の移動後の状態が例えば図２（ｃ）に示す状態となったときには、固定磁化層３６の磁化方向と磁化記録領域６４ｃの磁化方向とは反平行となり、固定磁化層３６と磁化記録領域６４ｃとの間の素子抵抗は高抵抗状態となる。したがって、磁気抵抗効果素子に、面直方向、すなわちバリア絶縁膜４０を介して強磁性細線４８と固定磁化層３６との間に読み出し電流を流すことにより、磁気抵抗効果素子の抵抗状態に応じた電圧が出力される。この電圧を検出することにより、磁気抵抗効果素子が高抵抗状態であるのか低抵抗状態であるのか、すなわちデータ“０”が記録されているのかデータ“１”が記録されているのかを読み出すことができる。

このように、本実施形態による磁気抵抗効果素子は、電子スピン注入による強磁性細線４８内の磁壁６６の移動を用いた磁気抵抗効果素子である。上述のように、本実施形態による磁気抵抗効果素子の主たる特徴は、強磁性細線４８が、強磁性層４２と、非磁性金属層４４と、強磁性層４６との積層体よりなり、強磁性層４２の磁化と強磁性層４６の磁化とが反平行に結合していることに主たる特徴がある。このようにして磁気抵抗効果素子を構成することにより、熱揺らぎに対する安定性を低下することなく、磁壁の移動速度を向上することができる。

本実施形態による磁気抵抗効果素子の上記効果を説明するにあたり、図３に示すような、膜厚がｔ_１、飽和磁化がＭ_１の強磁性層Ｆ_１と、膜厚がｔ_２（≠ｔ_１）、飽和磁化がＭ_２の強磁性層Ｆ_２とが、非磁性金属層Ｎを介して積層され、強磁性層Ｆ_１の磁化と強磁性層Ｆ_２の磁化とが互いに反平行に結合した３層構造の強磁性細線に関し、強磁性細線の全体の飽和磁化Ｍｓについて考える。なお、２つの強磁性層の磁化が反平行に結合した状態の積層膜を、以下の説明では反平行結合膜と呼ぶこととする。

非磁性金属層Ｎを介して強磁性層Ｆ_１の磁化と強磁性層Ｆ_２の磁化とが反平行に結合している場合、反平行結合膜の見かけ上の磁化Ｍ_ｓは、
Ｍ_ｓ＝｜ｔ_１Ｍ_１−ｔ_２Ｍ_２｜／（ｔ_１＋ｔ_２） …（１）
として表すことができる。すなわち、強磁性層Ｆ_１の磁化と強磁性層Ｆ_２の磁化とが逆向きのため、見かけ上磁化は打ち消しあい、実効的な磁化は単層の場合よりも小さくなる（例えば、非特許文献３を参照）。

なお、強磁性層Ｆ_１と強磁性層Ｆ_２との間の非磁性金属層Ｎの膜厚は極めて薄いため、磁化Ｍ_ｓに対する寄与は十分に小さく、無視することができる。

一方、電子スピン注入による磁壁移動速度ｖは、スピントランスファー効果及び磁壁移動による磁気モーメントの変化量の関係から、以下のように表されることが知られている（例えば、非特許文献４を参照）。

ｖ＝（μ_ＢＰ／ｅＭ_ｓ）ｊ …（２）
ここで、μ_Ｂはボーア磁子、ｅは電子の素電荷、Ｐは磁性体のスピン分極率、ｊは電流密度である。

式（２）から明らかなように、磁壁移動速度ｖは、電流密度ｊに比例し、飽和磁化Ｍ_ｓに反比例する。したがって、磁壁移動速度を向上するためには、電流密度ｊを増加し又は飽和磁化Ｍ_ｓを小さくすることが必要である。

これらのうち、電流密度ｊの増加は消費電力の増加に直結するため、電流密度ｊを高くしすぎることは好ましくない。一方、飽和磁化Ｍ_ｓは小さすぎると熱的安定性が低下するため、飽和磁化Ｍ_ｓを小さくしすぎることも好ましくない。

この点、図３に示すような反平行結合膜は、単層の強磁性膜と比較して高い熱的安定性を実現することができる（例えば、非特許文献５を参照）。したがって、反平行結合膜を用いることにより、高い熱的安定性を確保しつつ、飽和磁化Ｍ_ｓを小さくして磁壁移動速度ｖを向上することができる。また、強磁性細線を微細化した場合に懸念される熱揺らぎに対しても、安定性の向上が期待できる。

以上のことから、強磁性細線４８を構成する強磁性層４２，４６の飽和磁化（材料）及び膜厚は、強磁性細線４８の全体における実効的な飽和磁化Ｍ_ｓの値が可能な限り小さくなるように設定することが望ましいことが判る。

いま、２つの強磁性層Ｆ_１，Ｆ_２が同一材料（すなわち、Ｍ_ｓ＝Ｍ_１＝Ｍ_２）であり、強磁性層Ｆ_１の膜厚がｔ_１＝３０ｎｍ、強磁性層Ｆ_２の膜厚がｔ_２＝２０ｎｍ（ｔ_１＋ｔ_２＝５０ｎｍ）である反平行結合膜を仮定する。また、強磁性層Ｆ_１，Ｆ_２と同一材料よりなり、膜厚が５０ｎｍの単層の強磁性膜を仮定する。

反平行結合膜の飽和磁化をＭ_ｓｙ、単層の強磁性膜の飽和磁化をＭ_{ｓｉｎｇｌｅ}としたとき、飽和磁化Ｍ_ｓｙと飽和磁化Ｍ_{ｓｉｎｇｌｅ}とを比較すると、
Ｍ_ｓｙ／Ｍ_{ｓｉｎｇｌｅ}＝（｜３０×Ｍ_ｓ−２０×Ｍ_ｓ｜／５０）／Ｍ_ｓ＝１／５
となり、反平行結合膜の飽和磁化Ｍ_ｓｙは、見かけ上、単層の強磁性膜の飽和磁化Ｍ_{ｓｉｎｇｌｅ}の１／５となる。よって、式（２）よりこのときの磁壁移動速度は、単層膜の場合の５倍になると見積もることができる。

このように、本実施形態によれば、バリア絶縁膜を介して対向する強磁性層の一方が強磁性細線により構成される磁気抵抗効果素子において、強磁性細線を、強磁性層と、非磁性金属層と、強磁性層との積層膜により構成し、両強磁性層の磁化を互いに反平行に結合するので、強磁性細線の磁化を安定化できるとともに、強磁性細線の全体としての飽和磁化を小さくすることができる。これにより、熱揺らぎに対する安定性を低下することなく、磁壁の移動速度を向上することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置及びその製造方法について図４乃至図８を用いて説明する。なお、図１乃至図３に示す第１実施形態による磁気抵抗効果素子と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。

図４は本実施形態による磁気メモリ装置の構造を示す概略断面図及び平面図、図５は本実施形態による磁気メモリ装置の書き込み方法を示す図、図６乃至図８は本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図である。

はじめに、本実施形態による磁気メモリ装置の構造について図４を用いて説明する。

シリコン基板１０上には、活性領域を画定する素子分離膜１２が形成されている。素子分離膜１２により確定された活性領域には、ゲート電極１４及びソース／ドレイン領域ｊ１６，１８を有する選択トランジスタが形成されている。

選択トランジスタが形成されたシリコン基板１０上には、層間絶縁膜２０が形成されている。層間絶縁膜２０には、ソース／ドレイン領域１６に接続されたコンタクトプラグ２４が埋め込まれている。

コンタクトプラグ２４が埋め込まれた層間絶縁膜２０上には、コンタクトプラグ２４を介してソース／ドレイン領域１６に電気的に接続された下部電極層２６と、下部電極層２６上に形成された反強磁性層２８と、反強磁性層２８上に形成され、強磁性層３４／非磁性金属層３２／強磁性層３０の積層フェリ構造よりなる固定磁化層３６とが形成されている。下部電極層２６、反強磁性層２８及び固定磁化層３６が形成された領域以外の層間絶縁膜２０上には、層間絶縁膜３８が形成されている。

層間絶縁膜３８上には、バリア絶縁膜４０が形成されている。バリア絶縁膜４０上には、強磁性層４６／非磁性金属層４４／強磁性層４２の積層フェリ構造よりなる強磁性細線４８が形成されている。強磁性細線４８には、図４（ｂ）に示すように、等間隔にノッチ６２が形成されており、ノッチ６２により複数の磁化記録領域６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ，６４ｅ，…が規定されている。また、一の磁化記録領域（磁化記録領域６４ａ）は、バリア絶縁膜４０を介して固定磁化層３６に対向している。

強磁性細線４８が形成されたバリア絶縁膜４０上には、層間絶縁膜５２が形成されている。層間絶縁膜５２上には、書き込み用配線５４が形成されている。書き込み用配線５４は、図４（ｂ）に示すように、強磁性細線４８の一の磁化記録領域（磁化記録領域６４ｅ）上に直交するように配置されている。

このように、本実施形態による磁気メモリ装置は、第１実施形態による磁気抵抗効果素子を用いて構成したものである。

次に、本実施形態による磁気メモリ装置の書き込み方法について図５を用いて説明する。

本実施形態による磁気メモリ装置の書き込みには、書き込み用配線５４を用いる。

図５（ａ）に示すように、書き込み用配線５４に図面上向きに書き込み電流Ｉを流すと、磁化記録領域６４ｅには図面左向きの外部磁場が印加される。これにより、磁化記録領域６４ｅの磁化方向が、外部磁場に揃うように左方向を向く。

また、図５（ｂ）に示すように、書き込み用配線５４に図面下向きに書き込み電流Ｉを流すと、図面右向きの外部磁場が印加される。これにより、磁化記録領域６４ｅの磁化方向が、外部磁場に揃うように右側を向く。

なお、強磁性層４２と強磁性層４６とが反平行に結合している第１実施形態のような磁気抵抗効果素子では、外部から見た磁化記録領域６４ｅの全体としての実効的な磁化方向が、外部磁場に揃うようになる。

磁気メモリ装置の書き込みには、上述のような外部磁場印加による書き込み方法のほか、スピン注入磁化反転のメカニズムを用いた書き込み方法を適用してもよい。スピン注入磁化反転を用いる場合、強磁性細線４８と固定磁化層３６との間に所定の向きの書き込み電流を流すことにより、固定磁化層３６に対向する磁化記録領域６４の磁化方向を任意の向きに反転させることができる。

すなわち、固定磁化層３６側から磁気記録領域６４側に向けて書き込み電流を流すと、固定磁化層３６の強磁性層３４と磁気記録領域６４の強磁性層４２とが互いに反平行方向を向くように、強磁性層４２，４６における磁化反転が生じる。逆に、磁気記録領域６４側から固定磁化層３６側に向けて書き込み電流を流すと、固定磁化層３６の強磁性層３４と磁気記録領域６４の強磁性層４２とが互いに平行方向を向くように、強磁性層４２，４６における磁化反転が生じる。

スピン注入磁化反転の際に用いる電流の電流密度は、磁壁移動に用いられる電流の電流密度よりも１桁程度小さいため、磁壁の移動を伴うことなく磁化記録領域の強磁性層の磁化方向を反転することができる。

上述の方法により磁化記録領域６４ｅへの磁化情報の書き込みが終了後、強磁性細線４８に電流を流して磁壁を移動し、すなわち磁化記録領域６４ｅに記録された磁化情報を隣接する磁化記録領域６４ｄ又は磁化記録領域６４ｆへ移動する。

以上のステップを繰り返して行うことにより、強磁性細線４８上の複数の磁化記録領域に順次所定の磁化情報を書き込むことができる。

本実施形態による磁気メモリ装置の読み出し方法については、第１実施形態による磁気抵抗効果素子の読み出し方法と同様である。

次に、本実施形態による磁気メモリ装置の製造方法について図６乃至図８を用いて説明する。

まず、シリコン基板１０上に、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）法により、活性領域を画定する素子分離膜１２を形成する。

次いで、素子分離膜１２により画定された活性領域に、通常のＭＯＳトランジスタの形成方法と同様にして、ゲート電極１４及びソース／ドレイン領域１６，１８を有する選択トランジスタを形成する（図６（ａ））。

次いで、選択トランジスタが形成されたシリコン基板１０上に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を堆積後、ＣＭＰ法によりこの表面を平坦化し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜２０を形成する。

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜２０に、ソース／ドレイン領域１６に達するコンタクトホール２２を形成する。

次いで、例えばＣＶＤ法により、バリアメタルとしての窒化チタン膜及びタングステン膜を堆積後、これら導電膜をエッチバック或いはポリッシュバックし、コンタクトホール２２に埋め込まれソース／ドレイン領域１６に電気的に接続されたコンタクトプラグ２４を形成する（図６（ｂ））。

次いで、コンタクトプラグ２４が埋め込まれた層間絶縁膜２０上に、例えばスパッタ法により、導電性材料、例えば膜厚５ｎｍのＴａ等よりなる導電層２６ａと、反強磁性材料、例えば膜厚１０ｎｍのＰｔＭｎ等よりなる反強磁性層２８と、強磁性材料、例えば膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ等よりなる強磁性層３０と、非磁性金属材料、例えば膜厚０．７ｎｍのＲｕ等よりなる非磁性金属層３２と、強磁性材料、例えば膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＢ等よりなる強磁性層３４とを順次形成する（図６（ｃ））。

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、強磁性層３４、非磁性金属層３２、強磁性層３０及び反強磁性層２８をパターニングする。これにより、強磁性層３４／非磁性金属層３２／強磁性層３０の積層膜よりなる積層フェリ構造の固定磁化層３６を形成する。

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、導電膜２６ａをパターニングし、導電膜２６ａよりなる下部電極層２６を形成する（図７（ａ））。

次いで、下部電極層２６、反強磁性層２８及び固定磁化層３６が形成された層間絶縁膜２０上に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を堆積後、固定磁化層３６が露出するまでこの表面をＣＭＰ法により研磨し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜３８を形成する（図７（ｂ））。

次いで、固定磁化層３６が埋め込まれた層間絶縁膜３８上に、例えばスパッタ法により、絶縁材料、例えば膜厚１ｎｍのＭｇＯ等を堆積し、この絶縁材料よりなるバリア絶縁膜４０を形成する。

次いで、バリア絶縁膜４０上に、例えばスパッタ法により、強磁性材料、例えば膜厚２０ｎｍのＣｏＦｅ等よりなる強磁性層４２と、非磁性金属材料、例えば膜厚０．７ｎｍのＲｕ等よりなる非磁性金属層４４と、強磁性材料、例えば膜厚３０ｎｍのＣｏＦｅ等よりなる強磁性層４６とを順次形成する。

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、強磁性層４６、非磁性金属層４４及び強磁性層４２をパターニングし、強磁性層４６／非磁性金属層４４／強磁性層４２の積層膜よりなる積層フェリ構造の強磁性細線４８を形成する。

こうして、反強磁性層２８、固定磁化層３６、バリア絶縁膜４０及び強磁性細線４８を有するＴＭＲ構造の磁気抵抗効果素子５０を形成する（図８（ａ））。

次いで、磁気抵抗効果素子５０が形成されたバリア絶縁膜４０上に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を堆積後、ＣＭＰ法によりこの表面を平坦化し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜５２を形成する。

次いで、層間絶縁膜５２上に導電膜を堆積してパターニングし、書き込み用配線５４を形成する（図８（ｂ））。

この後、必要に応じて更に上層に絶縁層や配線層等を形成し、本実施形態による磁気メモリ装置を完成する。

このように、本実施形態によれば、第１実施形態による磁気抵抗効果素子を用いて磁気メモリ装置を構成するので、磁気抵抗効果素子の熱揺らぎに対する安定性を低下することなく、磁壁の移動速度を向上することができる。したがって、磁気メモリ装置の書き込み速度及び読み出し速度、並びに動作信頼性を向上することができる。

［変形実施形態］
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態に記載の磁気抵抗効果素子の構成材料は、代表的な構成材料を挙げたものであり、これに限定されるものではない。

また、上記実施形態では、固定磁化層３６を、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅからなる積層フェリ構造とすることにより、固定磁化層３６からの漏洩磁界を低減する構成としたが、上述の材料により単層構造の固定磁化層を形成してもよい。

また、上記実施形態では、ノッチにより磁壁の移動を規制するための規制領域を形成したが、例えば同一出願人による特願２００６−１５１１８０号明細書に記載されているように、強磁性細線に選択的にイオンビームを照射して強磁性材料の磁気的物性を選択的に変化させることにより、規制領域を形成してもよい。

また、上記実施形態では、ＴＭＲ型の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリ装置に本発明を適用した場合を示したが、ＧＭＲ型の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリ装置においても同様に適用することができる。この場合、バリア絶縁膜４０に変えて、導電性の非磁性層を設ければよい。ただし、磁気抵抗効果による抵抗値の変化量の観点からは、ＴＭＲ型の磁気抵抗効果素子を用いることが望ましい。

また、本発明の磁気抵抗効果素子は、上記第２実施形態による磁気メモリ装置に限らず、種々の構造の磁気メモリ装置に適用することが可能である。強磁性細線内の磁壁移動を利用した磁気メモリ装置としては、同一出願人による特許出願として、特願２００６−０９３４４６号、特願２００６−１４６１３５号、特願２００６−１４９５３５号、特願２００６−１５１１８０号及び特願２００６−１５１２５３号等がある。本発明の磁気抵抗効果素子は、これら出願に記載された磁気メモリ装置へも適用可能である。

本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構造を示す概略断面図である。 本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の動作を説明する図である。 本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の効果を説明するためのモデルを示す図である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の構造を示す概略断面図及び平面図である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の書き込み方法を示す図である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。 本発明の第２実施形態による磁気メモリ装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。

符号の説明

１０…シリコン基板
１２…素子分離膜
１４…ゲート電極
１６，１８…ソース／ドレイン領域
２０，３８，５２…層間絶縁膜
２２…コンタクトホール
２４…コンタクトプラグ
２６…下部電極層
２８…反強磁性層
３０，３４，４２，４６…強磁性層
３２，４４…非磁性金属層
３６…固定磁化層
４０…バリア絶縁膜
４８…強磁性細線
５０…磁気抵抗効果素子
５４…書き込み用配線
６２…ノッチ
６４…磁化記録領域
６６…磁壁

Claims (8)

1. 磁化方向が固定された固定磁化層と、
   前記固定磁化層上に形成された非磁性層と、
   第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層上に形成された非磁性金属層と、前記非磁性金属層上に形成された第２の強磁性層との積層体よりなる自由磁化層であって、複数の磁化記録領域を有し、前記複数の磁化記録領域のそれぞれにおいて、前記第１の強磁性層の磁化と前記第２の強磁性層の磁化とが互いに反平行に結合しており、一の前記磁化記録領域が、前記非磁性層を介して前記固定磁化層と対向している自由磁化層と
   を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、
   前記自由磁化層は、一定間隔で形成された磁壁の移動を規制する複数の規制領域を有し、前記複数の規制領域によって前記複数の磁化記録領域が規定されている
   ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. 請求項１又は２記載の磁気抵抗効果素子において、
   前記非磁性層は、絶縁材料により構成されている
   ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
4. 磁化方向が固定された固定磁化層と、前記固定磁化層上に形成された非磁性層と、第１の強磁性層、前記第１の強磁性層上に形成された非磁性金属層及び前記非磁性金属層上に形成された第２の強磁性層の積層体よりなる自由磁化層であって、複数の磁化記録領域を有し、前記複数の磁化記録領域のそれぞれにおいて、前記第１の強磁性層の磁化と前記第２の強磁性層の磁化とが互いに反平行に結合しており、一の前記磁化記録領域が、前記非磁性層を介して前記固定磁化層と対向している自由磁化層とを有する磁気抵抗効果素子と、
   前記非磁性層を介して前記固定磁化層と前記自由磁化層との間に読み出し電流を流す読み出し電流印加手段と
   を有することを特徴とする磁気メモリ装置。
5. 請求項４記載の磁気メモリ装置において、
   前記自由磁化層の延在方向に沿って電流を流すことにより前記磁化記録領域間に形成された磁壁を移動する磁壁移動手段を更に有する
   ことを特徴とする磁気メモリ装置。
6. 請求項４又は５記載の磁気メモリ装置において、
   前記磁化記録領域に任意の磁化情報を書き込む書き込み手段を更に有する
   ことを特徴とする磁気メモリ装置。
7. 請求項６記載の磁気メモリ装置において、
   前記書き込み手段は、前記磁化記録領域に外部磁界を印加することにより、前記磁化記録領域に任意の磁化情報を書き込む
   ことを特徴とする磁気メモリ装置。
8. 請求項６記載の磁気メモリ装置において、
   前記書き込み手段は、前記固定磁化層と前記自由磁化層との間に電流を流して電子スピンを注入することにより、前記固定磁化層に対向する前記磁化記録領域に任意の磁化情報を書き込む
   ことを特徴とする磁気メモリ装置。

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