JP2014036146A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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哲広 鈴木
Hidetsugu Kariyada
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Katsumi Suemitsu
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an initialization technique regarding a domain wall motion element, which is suitable for the case where a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy is used as a domain wall motion layer.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy; a first magnetization hard layer which has perpendicular magnetic anisotropy and is magnetically coupled with a first magnetization fixed region of the CoFeB film; a second magnetization hard layer which has perpendicular magnetization anisotropy and is magnetically coupled with a second magnetization fixed region of the CoFeB film; and a magnetization direction control layer having perpendicular magnetization anisotropy stronger than that of the second magnetization hard layer. The second magnetization hard layer is formed on the magnetization direction control layer via a non-magnetic layer and antiferromagnetically coupled with the magnetization direction control layer via the non-magnetic layer. A thickness of the magnetization direction control layer is smaller than a thickness of the second magnetization hard layer.

Description

本発明は、磁壁移動素子を備える半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a domain wall motion element and a manufacturing method thereof.

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。特に、近年、「電流駆動磁壁移動（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ）」を利用した磁壁移動型のＭＲＡＭが提案されている。磁壁移動型のＭＲＡＭは、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている。   Magnetic random access memory (MRAM) is expected as a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high-speed operation, and has been actively developed. In particular, in recent years, a domain wall motion type MRAM using “Current-Driven Domain Wall Motion” has been proposed. The domain wall motion type MRAM is described in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.

磁壁移動型のＭＲＡＭは、磁壁移動素子を記憶素子として用いる。図１は、典型的な磁壁移動素子の構成を示している。磁壁移動素子は、磁壁移動層２１０、トンネルバリア層２２０、及びリファレンス層２３０を備えている。   A domain wall motion type MRAM uses a domain wall motion element as a memory element. FIG. 1 shows a configuration of a typical domain wall motion element. The domain wall motion element includes a domain wall motion layer 210, a tunnel barrier layer 220, and a reference layer 230.

磁壁移動層２１０は、磁壁を有する磁性体層である。この磁壁移動層２１０は、第１磁化固定領域２１１、第２磁化固定領域２１２、及び第１磁化固定領域２１１と第２磁化固定領域２１２との間に挟まれた磁化反転領域２１３を備えている。第１磁化固定領域２１１及び第２磁化固定領域２１２の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図１に示される例では、磁壁移動層２１０は垂直磁化膜であり、第１磁化固定領域２１１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域２１２の磁化方向は−Ｚ方向に固定されている。磁化反転領域２１３の磁化方向は、反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向に向くことが許される。   The domain wall motion layer 210 is a magnetic layer having domain walls. The domain wall motion layer 210 includes a first magnetization fixed region 211, a second magnetization fixed region 212, and a magnetization switching region 213 sandwiched between the first magnetization fixed region 211 and the second magnetization fixed region 212. . The magnetization directions of the first magnetization fixed region 211 and the second magnetization fixed region 212 are fixed in opposite directions. In the example shown in FIG. 1, the domain wall motion layer 210 is a perpendicular magnetization film, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 211 is fixed in the + Z direction, and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 212 is the −Z direction. It is fixed to. The magnetization direction of the magnetization switching region 213 can be reversed and is allowed to face in the + Z direction or the −Z direction.

トンネルバリア層２２０は、非磁性層であり、磁壁移動層２１０上に形成されている。   The tunnel barrier layer 220 is a nonmagnetic layer and is formed on the domain wall motion layer 210.

リファレンス層２３０は、磁化方向が固定された磁性体層である。図１に示される例では、リファレンス層２３０の磁化方向は、＋Ｚ方向に固定されている。このリファレンス層２３０は、トンネルバリア層２２０上に形成されている。特に、リファレンス層２３０は、トンネルバリア層２２０を挟んで、磁壁移動層２１０の磁化反転領域２１３と対向するように形成されている。言い換えれば、トンネルバリア層２２０は、磁化反転領域２１３とリファレンス層２３０との間に挟まれている。これら磁化反転領域２１３、トンネルバリア層２２０及びリファレンス層２３０の積層によって、磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成されている。   The reference layer 230 is a magnetic layer whose magnetization direction is fixed. In the example shown in FIG. 1, the magnetization direction of the reference layer 230 is fixed in the + Z direction. This reference layer 230 is formed on the tunnel barrier layer 220. In particular, the reference layer 230 is formed to face the magnetization switching region 213 of the domain wall motion layer 210 with the tunnel barrier layer 220 interposed therebetween. In other words, the tunnel barrier layer 220 is sandwiched between the magnetization switching region 213 and the reference layer 230. A magnetic tunnel junction (MTJ) is formed by the lamination of the magnetization switching region 213, the tunnel barrier layer 220, and the reference layer 230.

図２は、図１で示された磁壁移動素子が取り得る２つの状態を示している。磁化反転領域２１３の磁化方向が＋Ｚ方向である場合、磁化反転領域２１３と第２磁化固定領域２１２との間の第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが形成される。このとき、磁化反転領域２１３とリファレンス層２３０の磁化方向は“平行”であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的低い。この状態は、「低抵抗状態」である。一方、磁化反転領域２１３の磁化方向が−Ｚ方向である場合、磁化反転領域２１３と第１磁化固定領域２１１との間の第１境界Ｂ１に磁壁ＤＷが形成される。このとき、磁化反転領域２１３とリファレンス層２３０の磁化方向は“反平行”であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的高い。この状態は、「高抵抗状態」である。磁壁移動素子は、このようなＭＴＪの抵抗値の大小によりデータ“０”、“１”を記憶する。例えば、低抵抗状態はデータ“０”に対応付けられ、高抵抗状態はデータ“１”に対応付けられる。   FIG. 2 shows two states that the domain wall motion element shown in FIG. 1 can take. When the magnetization direction of the magnetization switching region 213 is the + Z direction, the domain wall DW is formed at the second boundary B2 between the magnetization switching region 213 and the second magnetization fixed region 212. At this time, since the magnetization directions of the magnetization switching region 213 and the reference layer 230 are “parallel”, the resistance value of the MTJ is relatively low. This state is a “low resistance state”. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization switching region 213 is the −Z direction, the domain wall DW is formed at the first boundary B1 between the magnetization switching region 213 and the first magnetization fixed region 211. At this time, since the magnetization directions of the magnetization switching region 213 and the reference layer 230 are “antiparallel”, the resistance value of the MTJ is relatively high. This state is a “high resistance state”. The domain wall motion element stores data “0” and “1” depending on the magnitude of the resistance value of the MTJ. For example, the low resistance state is associated with data “0”, and the high resistance state is associated with data “1”.

データ書き換えは、磁壁ＤＷを移動させて磁化反転領域２１３の磁化方向を反転させることにより行われる。その磁壁移動のために、磁壁移動層２１０において、書き込み電流が面内方向に供給される。その書き込み電流を担う伝導電子の方向に従って、磁壁ＤＷが磁化反転領域２１３を移動する。この磁壁移動は、スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）に立脚しているため、素子の微細化に伴って書き込み電流が低減されるという利点を有する。   Data rewriting is performed by moving the domain wall DW to reverse the magnetization direction of the magnetization switching region 213. For the domain wall movement, a write current is supplied in the in-plane direction in the domain wall moving layer 210. The domain wall DW moves in the magnetization switching region 213 in accordance with the direction of conduction electrons that carry the write current. This domain wall movement is based on spin transfer magnetization switching, and thus has an advantage that the write current is reduced as the element is miniaturized.

データ読み出しは、トンネルバリア層２２０を通してリファレンス層２３０と磁化反転領域２１３との間に読み出し電流を流し、ＭＴＪの抵抗値の大小を検出することにより行われる。   Data reading is performed by passing a read current between the reference layer 230 and the magnetization switching region 213 through the tunnel barrier layer 220 and detecting the magnitude of the MTJ resistance value.

以上に説明されたように、磁壁移動素子は、磁壁移動層２１０中の磁壁ＤＷを利用してデータを記憶する。但し、製造プロセスにおける磁壁移動層２１０の成膜直後は、未だ磁壁ＤＷは形成されていない。磁壁移動素子を利用可能にするためには、第１磁化固定領域２１１と第２磁化固定領域２１２の磁化方向を逆向きに固定し、磁壁移動層２１０に磁壁ＤＷを導入する必要がある。この作業が、「初期化処理」である。しかしながら、外部磁界を印加することにより磁化固定領域２１１、２１２の磁化方向を逆向きに初期化することは、一般的には困難である。   As described above, the domain wall motion element stores data using the domain wall DW in the domain wall motion layer 210. However, immediately after the formation of the domain wall motion layer 210 in the manufacturing process, the domain wall DW is not yet formed. In order to use the domain wall motion element, it is necessary to fix the magnetization directions of the first magnetization fixed region 211 and the second magnetization fixed region 212 in opposite directions and introduce the domain wall DW into the domain wall motion layer 210. This operation is “initialization processing”. However, it is generally difficult to initialize the magnetization directions of the magnetization fixed regions 211 and 212 in the reverse direction by applying an external magnetic field.

特許文献２には、磁壁移動層２１０がＣｏ／Ｎｉ積層膜である場合の初期化技術が開示されている。より詳細には、第１磁化固定領域２１１及び第２磁化固定領域２１２のそれぞれに接触するように、第１磁化ハード層及び第２磁化ハード層が設けられている。第１磁化固定領域２１１と第１磁化ハード層は磁気的に結合しており、第２磁化固定領域２１２と第２磁化ハード層は磁気的に結合している。また、第１磁化ハード層の保磁力は、第２磁化ハード層の保磁力よりも大きい。   Patent Document 2 discloses an initialization technique when the domain wall motion layer 210 is a Co / Ni laminated film. More specifically, the first magnetization hard layer and the second magnetization hard layer are provided so as to be in contact with each of the first magnetization fixed region 211 and the second magnetization fixed region 212. The first magnetization fixed region 211 and the first magnetization hard layer are magnetically coupled, and the second magnetization fixed region 212 and the second magnetization hard layer are magnetically coupled. Moreover, the coercive force of the first magnetization hard layer is larger than the coercivity of the second magnetization hard layer.

このように構成された磁壁移動素子に対する初期化処理は、２ステップで実現される。第１ステップでは、磁壁移動層２１０、第１磁化ハード層及び第２磁化ハード層の全ての磁化方向が＋Ｚ方向となるような、＋Ｚ方向の強い外部磁界が印加される。続く第２ステップでは、第１磁化ハード層の磁化方向は反転しないが、第２磁化ハード層の磁化方向は反転する程度の、−Ｚ方向の外部磁界が印加される。その結果、第２磁化ハード層の磁化方向が−Ｚ方向に反転し、それにより、第２磁化ハード層と磁気的に結合する第２磁化固定領域２１２の磁化方向も−Ｚ方向に反転する。このようにして、磁壁移動層２１０に磁壁ＤＷが導入される。   The initialization process for the domain wall motion element configured as described above is realized in two steps. In the first step, a strong external magnetic field in the + Z direction is applied such that all the magnetization directions of the domain wall motion layer 210, the first magnetization hard layer, and the second magnetization hard layer are in the + Z direction. In the subsequent second step, an external magnetic field in the −Z direction is applied so that the magnetization direction of the first magnetization hard layer is not reversed, but the magnetization direction of the second magnetization hard layer is reversed. As a result, the magnetization direction of the second magnetization hard layer is reversed in the −Z direction, and thereby the magnetization direction of the second magnetization fixed region 212 that is magnetically coupled to the second magnetization hard layer is also reversed in the −Z direction. In this way, the domain wall DW is introduced into the domain wall moving layer 210.

その一方で、近年、磁壁移動層２１０の有望な材料として、「垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜」が着目されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。ＣｏＦｅＢ膜は、通常は面内磁化膜である。しかしながら、適切な条件（下地層、界面、膜厚等）の下では、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を形成することができる。そして、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層２１０として用いる場合、磁壁移動に要する書き込み電流が更に低減されることが報告されている。   On the other hand, in recent years, “CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy” has attracted attention as a promising material for the domain wall motion layer 210 (see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). The CoFeB film is usually an in-plane magnetization film. However, a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy can be formed under appropriate conditions (underlayer, interface, film thickness, etc.). It has been reported that when a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy is used as the domain wall motion layer 210, the write current required for domain wall motion is further reduced.

特開２００９−２３９１３５号公報JP 2009-239135 A 特開２０１０−２１９１０４号公報JP 2010-219104 A

Ｉｋｅｄａ ｅｔ ａｌ．， “Ａ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ＣｏＦｅＢ−ＭｇＯ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ”， Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｖｏｌ． ９， ｐｐ． ７２１−７２４， （２０１０）Ikeda et al. "Aperpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction", Nature Materials, vol. 9, pp. 721-724 (2010) Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．， “Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｙ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ＣｏＦｅＢ ｎａｎｏｗｉｒｅ”， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ， ｖｏｌ． ９８， ０８２５０４ （２０１１）Fukami et al. , “Current-induced domain wall motion in perpen- dularly magnified CoFeB nanowire”, Applied Physics Letter, vol. 98, 082504 (2011)

上記のように、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜は、書き込み電流低減の観点から有望である。しかしながら、本願発明者は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層として用いる場合の初期化処理に関して、次のような新たな課題を発見した。   As described above, the CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy is promising from the viewpoint of reducing the write current. However, the inventor of the present application has discovered the following new problem regarding the initialization process in the case where a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy is used as the domain wall motion layer.

垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜の場合、その膜厚が１ｎｍ程度と極めて薄く、反転核生成磁界（磁化反転核の生成に必要な磁界）が小さい。反転核生成磁界が小さいと、上記の初期化処理の第２ステップにおいて、ＣｏＦｅＢ膜中の所望でない位置で磁化反転が発生したりする可能性がある。また、書き込み電流の大きさに依らず全く移動しない磁壁である「恒久磁壁」が形成される可能性もある。このような、恒久磁壁の発生や所望でない位置での磁化反転は、初期化処理の失敗を意味する。すなわち、上記の２ステップの外部磁界印加からなる初期化処理は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜の場合には適用不可能である。   In the case of a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy, the film thickness is as extremely thin as about 1 nm, and the inversion nucleation magnetic field (the magnetic field necessary for the generation of magnetization inversion nuclei) is small. When the reversal nucleation magnetic field is small, there is a possibility that magnetization reversal occurs at an undesired position in the CoFeB film in the second step of the initialization process. In addition, there is a possibility that a “permanent domain wall” that is a domain wall that does not move at all regardless of the magnitude of the write current is formed. Such generation of a permanent domain wall or magnetization reversal at an undesired position means failure of the initialization process. That is, the initialization process including the application of the two-step external magnetic field is not applicable to a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy.

垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層として用いる場合に好適な初期化技術が望まれる。   An initialization technique suitable for using a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy as a domain wall motion layer is desired.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるだろう。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

一実施の形態において、半導体装置が提供される。その半導体装置は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜と、垂直磁気異方性を有しＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合した第１磁化ハード層と、垂直磁気異方性を有しＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合した第２磁化ハード層と、第２磁化ハード層よりも強い垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層と、を備える。第２磁化ハード層は、磁化方向制御層上に非磁性層を介して形成されており、非磁性層を介して磁化方向制御層と反強磁性的に結合している。磁化方向制御層の厚さは、第２磁化ハード層の厚さより小さい。第２磁化ハード層の厚さがｔ１［ｎｍ］であり、第２磁化ハード層と磁化方向制御層との厚さの差がΔｔ［ｎｍ］であり、第２磁化ハード層の飽和磁化がＭｓ［Ｔ］であり、ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界がＨｎ［Ｏｅ］であるとき、次の関係式が成り立つ。   In one embodiment, a semiconductor device is provided. The semiconductor device includes a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy, a first magnetization hard layer having perpendicular magnetic anisotropy and magnetically coupled to a first magnetization fixed region of the CoFeB film, and perpendicular magnetic anisotropy. And a second magnetization hard layer magnetically coupled to the second magnetization fixed region of the CoFeB film, and a magnetization direction control layer having perpendicular magnetic anisotropy stronger than that of the second magnetization hard layer. The second magnetization hard layer is formed on the magnetization direction control layer via a nonmagnetic layer, and is antiferromagnetically coupled to the magnetization direction control layer via the nonmagnetic layer. The thickness of the magnetization direction control layer is smaller than the thickness of the second magnetization hard layer. The thickness of the second magnetization hard layer is t1 [nm], the difference in thickness between the second magnetization hard layer and the magnetization direction control layer is Δt [nm], and the saturation magnetization of the second magnetization hard layer is Ms. When [T] and the inversion nucleation magnetic field of the CoFeB film is Hn [Oe], the following relational expression holds.

Figure 2014036146
Figure 2014036146

他の実施の形態において、半導体装置の製造方法が提供される。その製造方法は、（Ａ）垂直磁気異方性を有する第１磁化ハード層を形成する工程と、（Ｂ）垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層を形成する工程と、（Ｃ）磁化方向制御層上に非磁性層を介して、垂直磁気異方性を有する第２磁化ハード層を形成する工程と、を含む。ここで、磁化方向制御層と第２磁化ハード層とは非磁性層を介して反強磁性的に結合する。磁化方向制御層の垂直磁気異方性は、第２磁化ハード層の垂直磁気異方性よりも強い。磁化方向制御層の厚さは、第２磁化ハード層の厚さより小さい。製造方法は、更に、（Ｄ）第１磁化ハード層及び第２磁化ハード層上に、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を形成する工程を含む。ここで、第１磁化ハード層は、ＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合し、第２磁化ハード層は、ＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合する。製造方法は、更に、（Ｘ）第１方向の外部磁界を全体に印加し、第１磁化ハード層、磁化方向制御層、第２磁化ハード層及びＣｏＦｅＢ膜の全ての磁化方向を第１方向にする工程と、（Ｙ）外部磁界の印加を停止する工程と、を含む。第２磁化ハード層の厚さがｔ１［ｎｍ］であり、第２磁化ハード層と磁化方向制御層との厚さの差がΔｔ［ｎｍ］であり、第２磁化ハード層の飽和磁化がＭｓ［Ｔ］であり、ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界がＨｎ［Ｏｅ］であるとき、次の関係式が成り立つ。   In another embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device is provided. The manufacturing method includes (A) a step of forming a first magnetization hard layer having perpendicular magnetic anisotropy, (B) a step of forming a magnetization direction control layer having perpendicular magnetic anisotropy, and (C) magnetization. Forming a second magnetization hard layer having perpendicular magnetic anisotropy on the direction control layer via a nonmagnetic layer. Here, the magnetization direction control layer and the second magnetization hard layer are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer. The perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization direction control layer is stronger than the perpendicular magnetic anisotropy of the second magnetization hard layer. The thickness of the magnetization direction control layer is smaller than the thickness of the second magnetization hard layer. The manufacturing method further includes (D) forming a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy on the first magnetization hard layer and the second magnetization hard layer. Here, the first magnetization hard layer is magnetically coupled to the first magnetization fixed region of the CoFeB film, and the second magnetization hard layer is magnetically coupled to the second magnetization fixed region of the CoFeB film. In the manufacturing method, further, (X) an external magnetic field in the first direction is applied to the whole, and all magnetization directions of the first magnetization hard layer, the magnetization direction control layer, the second magnetization hard layer, and the CoFeB film are set to the first direction. And (Y) stopping the application of the external magnetic field. The thickness of the second magnetization hard layer is t1 [nm], the difference in thickness between the second magnetization hard layer and the magnetization direction control layer is Δt [nm], and the saturation magnetization of the second magnetization hard layer is Ms. When [T] and the inversion nucleation magnetic field of the CoFeB film is Hn [Oe], the following relational expression holds.

Figure 2014036146
Figure 2014036146

垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層として用いる場合に好適な初期化技術が実現される。   An initialization technique suitable for using a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy as a domain wall motion layer is realized.

図１は、典型的な磁壁移動素子の構成を概略的に示している。FIG. 1 schematically shows a configuration of a typical domain wall motion element. 図２は、図１で示された磁壁移動素子が取り得る２つの状態を概略的に示している。FIG. 2 schematically shows two states that the domain wall motion element shown in FIG. 1 can take. 図３は、実施の形態に係る磁壁移動素子の基本構成を概略的に示している。FIG. 3 schematically shows a basic configuration of the domain wall motion element according to the embodiment. 図４は、実施の形態に係る磁壁移動素子の磁壁移動層の構成を示す平面図である。FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the domain wall motion layer of the domain wall motion element according to the embodiment. 図５は、実施の形態に係る磁壁移動素子が取り得る２つの状態及びそれに対する書き込み動作を示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing two states that can be taken by the domain wall motion element according to the embodiment and write operations for the two states. 図６は、実施の形態に係る磁壁移動素子に対する読み出し動作を示す概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a read operation for the domain wall motion element according to the embodiment. 図７は、実施の形態に係る磁壁移動素子の構成を概略的に示している。FIG. 7 schematically shows the configuration of the domain wall motion element according to the embodiment. 図８は、実施の形態に係る磁壁移動素子に対する初期化処理を示す概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram showing an initialization process for the domain wall motion element according to the embodiment. 図９は、実施の形態に係る磁壁移動素子に対する初期化処理を示す概念図である。FIG. 9 is a conceptual diagram showing an initialization process for the domain wall motion element according to the embodiment. 図１０は、実施の形態に係る磁壁移動素子の膜構成例を示している。FIG. 10 shows a film configuration example of the domain wall motion element according to the embodiment. 図１１は、実施の形態に係る磁壁移動素子による効果を説明するためのグラフ図である。FIG. 11 is a graph for explaining the effect of the domain wall motion element according to the embodiment. 図１２Ａは、実施の形態に係る磁壁移動素子の特性を示すグラフ図である。FIG. 12A is a graph illustrating characteristics of the domain wall motion element according to the embodiment. 図１２Ｂは、実施の形態に係る磁壁移動素子の特性を示すグラフ図である。FIG. 12B is a graph illustrating characteristics of the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ａは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13A is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ｂは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13B is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ｃは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13C is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ｄは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13D is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ｅは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13E is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ｆは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13F is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ｇは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13G is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ｈは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13H is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１３Ｉは、実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。FIG. 13I is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the domain wall motion element according to the embodiment. 図１４は、実施の形態に係る磁壁移動素子を用いたメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a memory cell using the domain wall motion element according to the embodiment. 図１５は、図１４で示されたメモリセルを用いた磁気メモリの回路構成を示すブロック図である。FIG. 15 is a block diagram showing a circuit configuration of a magnetic memory using the memory cell shown in FIG.

１．磁壁移動素子の基本構成及び基本動作
まず、実施の形態に係る磁壁移動素子の基本構成及び基本動作を説明する。図３は、本実施の形態に係る磁壁移動素子の基本構成を概略的に示している。磁壁移動素子は、下地層１００、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０を備えている。 1. First, the basic configuration and basic operation of the domain wall motion element according to the embodiment will be described. FIG. 3 schematically shows the basic configuration of the domain wall motion element according to the present embodiment. The domain wall motion element includes an underlayer 100, a domain wall motion layer 110, a tunnel barrier layer 120, and a reference layer 130.

磁壁移動層１１０は、下地層１００上に形成されている。トンネルバリア層１２０は、磁壁移動層１１０上に形成されている。リファレンス層１３０は、トンネルバリア層１２０上に形成されている。つまり、下地層１００、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０は、この順番に積層されている。この積層方向（膜面垂直方向）は、Ｚ方向と参照される。Ｚ方向と直交する面内方向は、Ｘ方向とＹ方向である。Ｘ方向とＹ方向は、互いに直交している。   The domain wall motion layer 110 is formed on the underlayer 100. The tunnel barrier layer 120 is formed on the domain wall motion layer 110. The reference layer 130 is formed on the tunnel barrier layer 120. That is, the underlayer 100, the domain wall motion layer 110, the tunnel barrier layer 120, and the reference layer 130 are laminated in this order. This stacking direction (direction perpendicular to the film surface) is referred to as the Z direction. In-plane directions orthogonal to the Z direction are the X direction and the Y direction. The X direction and the Y direction are orthogonal to each other.

本実施の形態において、磁壁移動層１１０は、垂直磁気異方性を有する磁性体層である。より詳細には、磁壁移動層１１０は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜である。そのＣｏＦｅＢ膜の膜厚は、典型的には、１〜１．２ｎｍ程度である。   In the present embodiment, the domain wall motion layer 110 is a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. More specifically, the domain wall motion layer 110 is a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy. The thickness of the CoFeB film is typically about 1 to 1.2 nm.

下地層１００は、非磁性層である。この下地層１００は、磁壁移動層（ＣｏＦｅＢ膜）１１０に垂直磁気異方性を付与するような材料で形成される。例えば、下地層１００の材料はＴａである。そのＴａ膜の膜厚は、典型的には、０．４〜３ｎｍである。   The underlayer 100 is a nonmagnetic layer. The underlayer 100 is formed of a material that imparts perpendicular magnetic anisotropy to the domain wall motion layer (CoFeB film) 110. For example, the material of the underlayer 100 is Ta. The thickness of the Ta film is typically 0.4-3 nm.

トンネルバリア層１２０は、非磁性層である。例えば、トンネルバリア層１２０は、ＭｇＯ膜である。ＭｇＯ膜は、磁壁移動層（ＣｏＦｅＢ膜）１１０に垂直磁気異方性を付与するために有効であると共に、高いＭＲ比が得られる点でも好ましい。   The tunnel barrier layer 120 is a nonmagnetic layer. For example, the tunnel barrier layer 120 is an MgO film. The MgO film is effective for imparting perpendicular magnetic anisotropy to the domain wall motion layer (CoFeB film) 110 and is also preferable in that a high MR ratio can be obtained.

リファレンス層（ピン層）１３０は、垂直磁気異方性を有する磁性体層である。リファレンス層１３０の磁化方向は固定されており、書き込み、及び、読み出し動作によって変化しない。そのために、例えば、リファレンス層１３０上に反強磁性層（図示されない）が積層されてもよい。また、リファレンス層１３０は、強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層フェリ膜であってもよい。そのような積層フェリ膜において、強磁性層としてはＣｏ／Ｐｔ積層膜、非磁性層としてはＲｕ膜が例示される。図３に示される例では、リファレンス層１３０のうちトンネルバリア層１２０に接触する部分の磁化方向は、＋Ｚ方向に固定されている。   The reference layer (pinned layer) 130 is a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. The magnetization direction of the reference layer 130 is fixed and does not change by writing and reading operations. Therefore, for example, an antiferromagnetic layer (not shown) may be stacked on the reference layer 130. The reference layer 130 may be a laminated ferrimagnetic film made up of a ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a ferromagnetic layer. In such a laminated ferrimagnetic film, the ferromagnetic layer is exemplified by a Co / Pt laminated film, and the nonmagnetic layer is exemplified by a Ru film. In the example shown in FIG. 3, the magnetization direction of the portion of the reference layer 130 that contacts the tunnel barrier layer 120 is fixed in the + Z direction.

図４は、磁壁移動層１１０の構成を示す平面図である。図３及び図４に示されるように、磁壁移動層１１０は、第１磁化固定領域１１１、第２磁化固定領域１１２、及び磁化反転領域１１３を備えている。第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２は、磁化反転領域１１３の両側に形成されている。言い換えれば、磁化反転領域１１３は、第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２との間に挟まれている。第１磁化固定領域１１１と磁化反転領域１１３との境界は第１境界Ｂ１であり、第２磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３との境界は第２境界Ｂ２である。   FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the domain wall motion layer 110. As shown in FIGS. 3 and 4, the domain wall motion layer 110 includes a first magnetization fixed region 111, a second magnetization fixed region 112, and a magnetization switching region 113. The first magnetization fixed region 111 and the second magnetization fixed region 112 are formed on both sides of the magnetization switching region 113. In other words, the magnetization switching region 113 is sandwiched between the first magnetization fixed region 111 and the second magnetization fixed region 112. The boundary between the first magnetization fixed region 111 and the magnetization switching region 113 is the first boundary B1, and the boundary between the second magnetization fixed region 112 and the magnetization switching region 113 is the second boundary B2.

第１磁化固定領域１１１及び第２磁化固定領域１１２の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図３及び図４に示される例では、第１磁化固定領域１１１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域１１２の磁化方向は−Ｚ方向に固定されている。この磁化方向の固定は、後述の磁化ハード層との磁気的結合により実現される。一方、磁化反転領域１１３の磁化方向は、反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向に向くことが許される。   The magnetization directions of the first magnetization fixed region 111 and the second magnetization fixed region 112 are fixed in opposite directions. In the example shown in FIG. 3 and FIG. 4, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 111 is fixed in the + Z direction, and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 112 is fixed in the −Z direction. The magnetization direction is fixed by magnetic coupling with a magnetization hard layer described later. On the other hand, the magnetization direction of the magnetization switching region 113 can be reversed and is allowed to face in the + Z direction or the −Z direction.

この磁壁移動層１１０のうち磁化反転領域１１３が、リファレンス層１３０とオーバーラップしており、トンネルバリア層１２０を介してリファレンス層１３０に接続されている。言い換えれば、リファレンス層１３０は、トンネルバリア層１２０を挟んで、磁壁移動層１１０の磁化反転領域１１３と対向するように形成されている。尚、トンネルバリア層１２０は、少なくとも磁化反転領域１１３上に形成されていればよく、磁化反転領域１１３とリファレンス層１３０との間に挟まれていればよい。これら磁化反転領域１１３、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０の積層によって、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。   In the domain wall motion layer 110, the magnetization switching region 113 overlaps the reference layer 130 and is connected to the reference layer 130 through the tunnel barrier layer 120. In other words, the reference layer 130 is formed to face the magnetization switching region 113 of the domain wall motion layer 110 with the tunnel barrier layer 120 interposed therebetween. The tunnel barrier layer 120 only needs to be formed at least on the magnetization switching region 113, and may be sandwiched between the magnetization switching region 113 and the reference layer 130. A magnetic tunnel junction (MTJ) is formed by the lamination of the magnetization switching region 113, the tunnel barrier layer 120, and the reference layer 130.

図５は、図３及び図４で示された磁壁移動素子が取り得る２つの状態を示している。磁化反転領域１１３の磁化方向が＋Ｚ方向である場合、磁化反転領域１１３と第２磁化固定領域１１２との間の第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが形成される。このとき、磁化反転領域１１３とリファレンス層１３０の磁化方向は“平行”であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的低い。この状態は、「低抵抗状態」である。一方、磁化反転領域１１３の磁化方向が−Ｚ方向である場合、磁化反転領域１１３と第１磁化固定領域１１１との間の第１境界Ｂ１に磁壁ＤＷが形成される。このとき、磁化反転領域１１３とリファレンス層１３０の磁化方向は“反平行”であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的高い。この状態は、「高抵抗状態」である。磁壁移動素子は、このようなＭＴＪの抵抗値の大小によりデータ“０”、“１”を記憶する。例えば、低抵抗状態はデータ“０”に対応付けられ、高抵抗状態はデータ“１”に対応付けられる。   FIG. 5 shows two states that the domain wall motion element shown in FIGS. 3 and 4 can take. When the magnetization direction of the magnetization switching region 113 is the + Z direction, the domain wall DW is formed at the second boundary B2 between the magnetization switching region 113 and the second magnetization fixed region 112. At this time, since the magnetization directions of the magnetization switching region 113 and the reference layer 130 are “parallel”, the resistance value of the MTJ is relatively low. This state is a “low resistance state”. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization switching region 113 is the −Z direction, the domain wall DW is formed at the first boundary B1 between the magnetization switching region 113 and the first magnetization fixed region 111. At this time, since the magnetization directions of the magnetization switching region 113 and the reference layer 130 are “antiparallel”, the resistance value of the MTJ is relatively high. This state is a “high resistance state”. The domain wall motion element stores data “0” and “1” depending on the magnitude of the resistance value of the MTJ. For example, the low resistance state is associated with data “0”, and the high resistance state is associated with data “1”.

データ書き換えは、スピン注入に基づく“電流駆動磁壁移動方式”で行われる。書き込み電流は、ＭＴＪを貫通する方向ではなく、磁壁移動層１１０において面内方向に流される。その書き込み電流を担う伝導電子の方向に従って、磁壁ＤＷが磁化反転領域１１３を移動し、それにより、磁化反転領域１１３の磁化方向が反転する。   Data rewriting is performed by a “current driven domain wall motion method” based on spin injection. The write current flows in the in-plane direction in the domain wall motion layer 110, not in the direction penetrating the MTJ. The domain wall DW moves in the magnetization switching region 113 in accordance with the direction of the conduction electrons that carry the write current, whereby the magnetization direction of the magnetization switching region 113 is reversed.

図５に示されるように、データ“０”からデータ“１”への書き換え時、第１書き込み電流ＩＷ１が供給される。その第１書き込み電流ＩＷ１は、第１磁化固定領域１１１から磁化反転領域１１３を通って第２磁化固定領域１１２へ流れる。この場合、磁化反転領域１１３には、第２磁化固定領域１１２からスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、第２境界Ｂ２にある磁壁ＤＷを第１磁化固定領域１１１の方向に駆動する。その結果、磁壁ＤＷが第１境界Ｂ１へ移動し、磁化反転領域１１３の磁化方向が−Ｚ方向へスイッチする。   As shown in FIG. 5, the first write current IW1 is supplied at the time of rewriting from data “0” to data “1”. The first write current IW1 flows from the first magnetization fixed region 111 to the second magnetization fixed region 112 through the magnetization switching region 113. In this case, spin electrons are injected from the second magnetization fixed region 112 into the magnetization switching region 113. The spin of the injected electrons drives the domain wall DW at the second boundary B2 in the direction of the first magnetization fixed region 111. As a result, the domain wall DW moves to the first boundary B1, and the magnetization direction of the magnetization switching region 113 is switched to the −Z direction.

一方、データ“１”からデータ“０”への書き換え時、第２書き込み電流ＩＷ２が供給される。その第２書き込み電流ＩＷ２は、第２磁化固定領域１１２から磁化反転領域１１３を通って第１磁化固定領域１１１へ流れる。この場合、磁化反転領域１１３には、第１磁化固定領域１１１からスピン電子が注入される。注入された電子のスピンは、第１境界Ｂ１にある磁壁ＤＷを第２磁化固定領域１１２の方向に駆動する。その結果、磁壁ＤＷが第２境界Ｂ２へ移動し、磁化反転領域１１３の磁化方向が＋Ｚ方向へスイッチする。   On the other hand, at the time of rewriting data “1” to data “0”, the second write current IW2 is supplied. The second write current IW2 flows from the second magnetization fixed region 112 to the first magnetization fixed region 111 through the magnetization switching region 113. In this case, spin electrons are injected into the magnetization switching region 113 from the first magnetization fixed region 111. The spin of the injected electrons drives the domain wall DW at the first boundary B <b> 1 in the direction of the second magnetization fixed region 112. As a result, the domain wall DW moves to the second boundary B2, and the magnetization direction of the magnetization switching region 113 is switched to the + Z direction.

このように、磁化方向が逆向きに固定された第１磁化固定領域１１１及び第２磁化固定領域１１２は、異なるスピンを有する電子の供給源の役割を果たしている。そして、第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２との間を流れる書き込み電流により、磁壁ＤＷが第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２との間を移動する。その結果、磁化反転領域１１３の磁化方向がスイッチする。すなわち、電流駆動磁壁移動を利用したデータ書き換えが実現される。書き込み電流がトンネルバリア層１２０を貫通しないため、トンネルバリア層１２０の劣化が抑制される。   As described above, the first magnetization fixed region 111 and the second magnetization fixed region 112, whose magnetization directions are fixed in opposite directions, serve as a supply source of electrons having different spins. The domain wall DW moves between the first boundary B1 and the second boundary B2 by the write current flowing between the first magnetization fixed region 111 and the second magnetization fixed region 112. As a result, the magnetization direction of the magnetization switching region 113 is switched. That is, data rewriting using current-driven domain wall motion is realized. Since the write current does not penetrate the tunnel barrier layer 120, the deterioration of the tunnel barrier layer 120 is suppressed.

図６は、データ読み出し動作を示している。データ読み出し時、読み出し電流ＩＲは、トンネルバリア層１２０を通してリファレンス層１３０と磁化反転領域１１３との間を流れるように供給される。その読み出し電流ＩＲ、あるいは、読み出し電流ＩＲに応じた読み出し電位を所定のリファレンスレベルと比較することにより、ＭＴＪの抵抗値の大小が検出される。すなわち、磁化反転領域１１３の磁化方向（＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向）がセンスされ、記憶データ（“０”または“１”）がセンスされる。   FIG. 6 shows a data read operation. When reading data, the read current IR is supplied so as to flow between the reference layer 130 and the magnetization switching region 113 through the tunnel barrier layer 120. The magnitude of the MTJ resistance value is detected by comparing the read current IR or a read potential corresponding to the read current IR with a predetermined reference level. That is, the magnetization direction (+ Z direction or −Z direction) of the magnetization switching region 113 is sensed, and the stored data (“0” or “1”) is sensed.

２．初期化技術
上述の通り、磁壁移動素子は、磁壁移動層１１０中の磁壁ＤＷを利用してデータを記憶する。但し、製造プロセスにおける磁壁移動層１１０の成膜直後は、未だ磁壁ＤＷは形成されていない。磁壁移動素子を利用可能にするためには、第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２の磁化方向を逆向きに固定し、磁壁移動層１１０に磁壁ＤＷを導入する必要がある。つまり、磁壁移動層１１０の磁化を初期化する必要がある。以下、本実施の形態に係る初期化技術を詳しく説明する。 2. Initialization Technique As described above, the domain wall motion element stores data using the domain wall DW in the domain wall motion layer 110. However, immediately after the formation of the domain wall motion layer 110 in the manufacturing process, the domain wall DW is not yet formed. In order to use the domain wall motion element, it is necessary to fix the magnetization directions of the first magnetization fixed region 111 and the second magnetization fixed region 112 in opposite directions and introduce the domain wall DW into the domain wall motion layer 110. That is, it is necessary to initialize the magnetization of the domain wall motion layer 110. Hereinafter, the initialization technique according to the present embodiment will be described in detail.

２−１．構成
図７は、本実施の形態に係る磁壁移動素子の構成を概略的に示している。尚、図７に示されているのは、初期化処理の前の状態である。本実施の形態に係る磁壁移動素子は、上記の基本構成に加えて、第１磁化ハード層３０、磁化方向制御層４０、非磁性層５０、及び第２磁化ハード層６０を備えている。 2-1. Configuration FIG. 7 schematically shows the configuration of the domain wall motion element according to the present embodiment. FIG. 7 shows a state before the initialization process. The domain wall motion element according to the present embodiment includes a first magnetization hard layer 30, a magnetization direction control layer 40, a nonmagnetic layer 50, and a second magnetization hard layer 60 in addition to the above basic configuration.

第１磁化ハード層３０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、第１磁化ハード層３０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。この第１磁化ハード層３０は、磁壁移動層１１０の第１磁化固定領域１１１の下方の下地層１００に接触して設けられている。そして、第１磁化ハード層３０は、下地層１００を介して、磁壁移動層１１０の第１磁化固定領域１１１と磁気的に結合している。この第１磁化ハード層３０との磁気的結合により、第１磁化固定領域１１１の磁化方向は一方向に固定されることになる（後述される）。   The first magnetization hard layer 30 is a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. For example, the first magnetization hard layer 30 is a Co / Pt laminated film. The first magnetization hard layer 30 is provided in contact with the underlying layer 100 below the first magnetization fixed region 111 of the domain wall motion layer 110. The first magnetization hard layer 30 is magnetically coupled to the first magnetization fixed region 111 of the domain wall motion layer 110 via the underlayer 100. Due to the magnetic coupling with the first magnetization hard layer 30, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 111 is fixed in one direction (described later).

第２磁化ハード層６０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、第２磁化ハード層６０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。この第２磁化ハード層６０は、磁壁移動層１１０の第２磁化固定領域１１２の下方の下地層１００に接触して設けられている。そして、第２磁化ハード層６０は、下地層１００を介して、磁壁移動層１１０の第２磁化固定領域１１２と磁気的に結合している。この第２磁化ハード層６０との磁気的結合により、第２磁化固定領域１１２の磁化方向は一方向に固定されることになる（後述される）。   The second magnetization hard layer 60 is a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. For example, the second magnetization hard layer 60 is a Co / Pt laminated film. The second magnetization hard layer 60 is provided in contact with the underlying layer 100 below the second magnetization fixed region 112 of the domain wall motion layer 110. The second magnetization hard layer 60 is magnetically coupled to the second magnetization fixed region 112 of the domain wall motion layer 110 via the underlayer 100. By the magnetic coupling with the second magnetization hard layer 60, the magnetization direction of the second magnetization fixed region 112 is fixed in one direction (described later).

磁化方向制御層４０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、磁化方向制御層４０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。   The magnetization direction control layer 40 is a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. For example, the magnetization direction control layer 40 is a Co / Pt laminated film.

非磁性層５０は、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０との間に介在している。非磁性層５０は、例えば、Ｒｕ層である。磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０は、この非磁性層５０を介して、反強磁性的に結合している。逆に言えば、そのような反強磁性結合が実現されるように、非磁性層５０の膜厚は適切に設計される（積層フェリ技術：ＲＫＫＹ的超交換相互作用）。例えば、２ｎｄＡＦＣピークを利用する場合、非磁性層（Ｒｕ層）５０の膜厚は、０．８〜１．０ｎｍ程度に設定される。１ｓｔＡＦＣピークを利用する場合、非磁性層（Ｒｕ層）５０の膜厚は、０．３〜０．５ｎｍ程度に設定される。   The nonmagnetic layer 50 is interposed between the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60. The nonmagnetic layer 50 is, for example, a Ru layer. The magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 are antiferromagnetically coupled via the nonmagnetic layer 50. In other words, the film thickness of the nonmagnetic layer 50 is appropriately designed so that such antiferromagnetic coupling is realized (laminated ferri technology: RKKY superexchange interaction). For example, when the 2nd AFC peak is used, the film thickness of the nonmagnetic layer (Ru layer) 50 is set to about 0.8 to 1.0 nm. When the 1st AFC peak is used, the film thickness of the nonmagnetic layer (Ru layer) 50 is set to about 0.3 to 0.5 nm.

磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０の位置関係は、次の通りである。すなわち、磁化方向制御層４０は、第２磁化ハード層６０の下方に形成されている。言い換えれば、第２磁化ハード層６０は、磁化方向制御層４０上に非磁性層５０を介して形成されている。磁壁移動層１１０から見れば、第２磁化ハード層６０の方が近くに位置し、磁化方向制御層４０の方が遠くに位置している。   The positional relationship between the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 is as follows. That is, the magnetization direction control layer 40 is formed below the second magnetization hard layer 60. In other words, the second magnetization hard layer 60 is formed on the magnetization direction control layer 40 via the nonmagnetic layer 50. When viewed from the domain wall motion layer 110, the second magnetization hard layer 60 is located closer and the magnetization direction control layer 40 is located farther.

磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性の強さは、次の通りである。すなわち、磁化方向制御層４０の垂直磁気異方性は、第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性よりも強い。垂直磁気異方性を変えるための手法として、例えば、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０のそれぞれの成膜時に異なるプロセスガス種を用いることが考えられる（後述される）。   The strength of perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 is as follows. That is, the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization direction control layer 40 is stronger than the perpendicular magnetic anisotropy of the second magnetization hard layer 60. As a method for changing the perpendicular magnetic anisotropy, for example, it is conceivable to use different process gas types when forming the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 (described later).

磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０の厚さは、次の通りである。すなわち、磁化方向制御層４０の厚さｔ２は、第２磁化ハード層６０の厚さｔ１よりも小さい（ｔ２＜ｔ１）。例えば、第２磁化ハード層６０の厚さｔ１は５〜１０ｎｍであり、磁化方向制御層４０の厚さｔ２はそれより小さい。   The thicknesses of the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 are as follows. That is, the thickness t2 of the magnetization direction control layer 40 is smaller than the thickness t1 of the second magnetization hard layer 60 (t2 <t1). For example, the thickness t1 of the second magnetization hard layer 60 is 5 to 10 nm, and the thickness t2 of the magnetization direction control layer 40 is smaller.

２−２．初期化処理
図８及び図９は、図７で示された磁壁移動素子に対する初期化処理を概念的に示している。 2-2. Initialization Process FIGS. 8 and 9 conceptually show an initialization process for the domain wall motion element shown in FIG.

まず、図８に示されるように、＋Ｚ方向の外部磁界ＨＥが磁壁移動素子全体に印加される。外部磁界ＨＥの強さは、磁壁移動素子の全ての磁性体の磁化方向が＋Ｚ方向を向くのに十分な大きさに設定される。例えば、外部磁界ＨＥは５０００Ｏｅである。このような外部磁界ＨＥの印加の結果、第１磁化ハード層３０、磁化方向制御層４０、第２磁化ハード層６０、磁壁移動層１１０及びリファレンス層１３０のそれぞれの磁化方向が＋Ｚ方向となる。   First, as shown in FIG. 8, an external magnetic field HE in the + Z direction is applied to the entire domain wall motion element. The strength of the external magnetic field HE is set to a magnitude sufficient for the magnetization direction of all the magnetic bodies of the domain wall motion element to face the + Z direction. For example, the external magnetic field HE is 5000 Oe. As a result of the application of the external magnetic field HE, the magnetization directions of the first magnetization hard layer 30, the magnetization direction control layer 40, the second magnetization hard layer 60, the domain wall motion layer 110, and the reference layer 130 become the + Z direction.

その後、外部磁界ＨＥの印加は停止させられる（ＨＥ＝０）。この時、図９に示されるように、磁化方向制御層４０の磁化方向は＋Ｚ方向のまま、第２磁化ハード層６０の磁化方向が−Ｚ方向に自動的に反転する。それは、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０が反強磁性結合しており、且つ、磁化方向制御層４０の垂直磁気異方性の方が第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性よりも強いからである。つまり、反強磁性結合している磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０のうち、垂直磁気異方性が弱い方の第２磁化ハード層６０の磁化が自動的に反転する。   Thereafter, the application of the external magnetic field HE is stopped (HE = 0). At this time, as shown in FIG. 9, the magnetization direction of the second magnetization hard layer 60 is automatically reversed to the −Z direction while the magnetization direction of the magnetization direction control layer 40 remains in the + Z direction. This is because the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 are antiferromagnetically coupled, and the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization direction control layer 40 is perpendicular to the perpendicular magnetic anisotropy of the second magnetization hard layer 60. Because it is stronger than sex. That is, of the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 that are antiferromagnetically coupled, the magnetization of the second magnetization hard layer 60 having the weaker perpendicular magnetic anisotropy is automatically reversed.

また、上述の通り、磁壁移動層１１０の第２磁化固定領域１１２は、第２磁化ハード層６０と磁気的に結合している。そのため、第２磁化ハード層６０の磁化方向の反転の結果、第２磁化固定領域１１２の磁化方向も＋Ｚ方向から−Ｚ方向に自動的に反転することになる。ここで、磁化方向制御層４０の第２磁化固定領域１１２への影響力を考えたとき、それは、第２磁化ハード層６０の第２磁化固定領域１１２への影響力より小さいことに留意されたい。何故なら、第２磁化固定領域１１２から見て磁化方向制御層４０の方が第２磁化ハード層６０よりも遠くに位置しており、更に、磁化方向制御層４０の厚さｔ２は第２磁化ハード層６０の厚さｔ１よりも小さいからである。   Further, as described above, the second magnetization fixed region 112 of the domain wall motion layer 110 is magnetically coupled to the second magnetization hard layer 60. Therefore, as a result of the reversal of the magnetization direction of the second magnetization hard layer 60, the magnetization direction of the second magnetization fixed region 112 is also automatically reversed from the + Z direction to the −Z direction. Here, it should be noted that when the influence of the magnetization direction control layer 40 on the second magnetization fixed region 112 is considered, it is smaller than the influence of the second magnetization hard layer 60 on the second magnetization fixed region 112. . This is because the magnetization direction control layer 40 is located farther than the second magnetization hard layer 60 when viewed from the second magnetization fixed region 112, and the thickness t2 of the magnetization direction control layer 40 is equal to the second magnetization. This is because the thickness is smaller than the thickness t1 of the hard layer 60.

図９に示されるように、第１磁化ハード層３０の磁化方向は＋Ｚ方向であり、その第１磁化ハード層３０との磁気的結合により、第１磁化固定領域１１１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定される。また、第２磁化ハード層６０の磁化方向は−Ｚ方向であり、その第２磁化ハード層６０との磁気的結合により、第２磁化固定領域１１２の磁化方向は−Ｚ方向に固定される。磁化反転領域１１３の磁化方向は＋Ｚ方向である。従って、第２磁化固定領域１１２と磁化反転領域１１３との間の第２境界Ｂ２に、１つの磁壁ＤＷが形成される。すなわち、磁壁移動層１１０に１つの磁壁ＤＷが正常に導入され、磁壁移動素子はデータ“０”の状態（図５参照）に初期化される。   As shown in FIG. 9, the magnetization direction of the first magnetization hard layer 30 is the + Z direction, and due to the magnetic coupling with the first magnetization hard layer 30, the magnetization direction of the first magnetization fixed region 111 is in the + Z direction. Fixed. The magnetization direction of the second magnetization hard layer 60 is the −Z direction, and the magnetization direction of the second magnetization fixed region 112 is fixed to the −Z direction by magnetic coupling with the second magnetization hard layer 60. The magnetization direction of the magnetization switching region 113 is the + Z direction. Therefore, one domain wall DW is formed at the second boundary B <b> 2 between the second magnetization fixed region 112 and the magnetization switching region 113. That is, one domain wall DW is normally introduced into the domain wall motion layer 110, and the domain wall motion element is initialized to a data “0” state (see FIG. 5).

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、１回の外部磁界ＨＥの印加だけで、初期化処理を実現することができる。従来技術のような２ステップの外部磁界印加は不要である。従って、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層１１０として用いる場合であっても、恒久磁壁の発生等の不具合が抑制される。すなわち、本実施の形態に係る初期化技術は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を磁壁移動層１１０として用いる場合に極めて有効である。   As described above, according to the present embodiment, the initialization process can be realized only by applying the external magnetic field HE once. The two-step external magnetic field application as in the prior art is not necessary. Therefore, even when a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy is used as the domain wall motion layer 110, problems such as the generation of permanent domain walls are suppressed. That is, the initialization technique according to the present embodiment is extremely effective when a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy is used as the domain wall motion layer 110.

尚、初期化処理は、外部磁界印加装置を用いて行われる。磁界の面内均一性が確保された装置であれば、磁壁移動素子をひとつずつ初期化する必要は無く、磁気メモリセルアレイ全体、ウェハ全体、バッチ式の装置であれば複数枚のウェハに存在する多くの磁壁移動素子を一度の処理で同時に初期化することも可能である。また、外部磁界ＨＥの上限は存在しない。すなわち、初期化処理におけるプロセスマージンは極めて広い。そのため、外部磁界印加装置の磁界強度の面内均一性が悪い場合であっても、何も問題とはならない。   The initialization process is performed using an external magnetic field application device. There is no need to initialize the domain wall motion elements one by one if the in-plane uniformity of the magnetic field is ensured, and the entire magnetic memory cell array, the whole wafer, and batch type devices exist on multiple wafers. It is also possible to initialize many domain wall motion elements simultaneously in a single process. There is no upper limit of the external magnetic field HE. That is, the process margin in the initialization process is extremely wide. Therefore, even if the in-plane uniformity of the magnetic field strength of the external magnetic field application device is bad, no problem is posed.

２−３．実験例
図１０は、実験に用いられたサンプルの膜構成を示している。シリコン基板上に、下地層及び磁化方向制御層４０が、この順番でスパッタリングにより成膜された。下地層は、Ｔａ膜（５ｎｍ）とＰｔ膜（５ｎｍ）の積層膜である。磁化方向制御層４０は、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）の積層膜である。ここまでのスパッタリング成膜では、Ｘｅガスがプロセスガスとして用いられた。 2-3. Experimental Example FIG. 10 shows a film configuration of a sample used in the experiment. On the silicon substrate, the underlayer and the magnetization direction control layer 40 were formed by sputtering in this order. The underlayer is a laminated film of a Ta film (5 nm) and a Pt film (5 nm). The magnetization direction control layer 40 includes a Co film (0.35 nm), a Pt film (0.7 nm), a Co film (0.35 nm), a Pt film (0.7 nm), a Co film (0.35 nm), and a Pt film ( 0.7 nm) and a Co film (0.35 nm). In the sputtering film formation so far, Xe gas has been used as the process gas.

続いて、非磁性層５０、第２磁化ハード層６０、下地層１００、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０、及びキャップ層が、この順番でスパッタリングにより成膜された。非磁性層５０は、Ｒｕ膜（０．９５ｎｍ）である。第２磁化ハード層６０は、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）、Ｐｔ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ膜（０．３５ｎｍ）の積層膜である。下地層１００は、Ｔａ膜（０．４ｎｍ）である。磁壁移動層１１０は、ＣｏＦｅＢ膜（１ｎｍ）である。トンネルバリア層１２０は、ＭｇＯ膜（１．４ｎｍ）である。キャップ層は、Ｔａ（５ｎｍ）である。ここでのスパッタリング成膜では、Ａｒガスがプロセスガスとして用いられた。   Subsequently, the nonmagnetic layer 50, the second magnetization hard layer 60, the underlayer 100, the domain wall motion layer 110, the tunnel barrier layer 120, and the cap layer were formed in this order by sputtering. The nonmagnetic layer 50 is a Ru film (0.95 nm). The second magnetization hard layer 60 includes a Co film (0.35 nm), a Pt film (0.7 nm), a Co film (0.35 nm), a Pt film (0.7 nm), a Co film (0.35 nm), and a Pt film. (0.7 nm), Co film (0.35 nm), Pt film (0.7 nm), Co film (0.35 nm), Pt film (0.7 nm), Co film (0.35 nm), Pt film (0 0.7 nm) and a Co film (0.35 nm). The underlayer 100 is a Ta film (0.4 nm). The domain wall motion layer 110 is a CoFeB film (1 nm). The tunnel barrier layer 120 is an MgO film (1.4 nm). The cap layer is Ta (5 nm). In the sputtering film formation here, Ar gas was used as a process gas.

このように、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０とで、成膜時のプロセスガス種を異ならせた。これにより、同じ材料であっても、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０とで垂直磁気異方性の強さを変えることができる。具体的には、磁化方向制御層４０の垂直磁気異方性は、第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性よりも強くなる。また、このサンプルにおいて、磁化方向制御層４０の膜厚は、第２磁化ハード層６０の膜厚よりも小さくなっている。   In this way, the process gas species at the time of film formation is different between the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60. Thereby, even with the same material, the strength of perpendicular magnetic anisotropy can be changed between the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60. Specifically, the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization direction control layer 40 is stronger than the perpendicular magnetic anisotropy of the second magnetization hard layer 60. In this sample, the thickness of the magnetization direction control layer 40 is smaller than the thickness of the second magnetization hard layer 60.

成膜後、真空雰囲気中でサンプルに対して熱処理（ＰＤＡ；Ｐｏｓｔ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）が実施された。温度は３５０℃であり、処理時間は２時間であった。尚、磁壁移動層（ＣｏＦｅＢ膜）１１０の反転核生成磁界Ｈｎは６６０Ｏｅであり、第２磁化ハード層６０の飽和磁化Ｍｓは０．５８２［Ｔ］であった。   After the film formation, heat treatment (PDA; Post Deposition Annealing) was performed on the sample in a vacuum atmosphere. The temperature was 350 ° C. and the treatment time was 2 hours. Incidentally, the inversion nucleation magnetic field Hn of the domain wall motion layer (CoFeB film) 110 was 660 Oe, and the saturation magnetization Ms of the second magnetization hard layer 60 was 0.582 [T].

このようにして得られたサンプルの膜特性が、試料振動型磁力計（ＶＳＭ；Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）によって測定された。図１１は、その測定結果を示している。図１１において、横軸は、サンプルに印加されている＋Ｚ方向の外部磁界ＨＥの強さを表し、縦軸は、サンプル全体の＋Ｚ方向の磁気モーメントを表している。   The film properties of the sample thus obtained were measured by a sample vibration type magnetometer (VSM). FIG. 11 shows the measurement results. In FIG. 11, the horizontal axis represents the strength of the external magnetic field HE in the + Z direction applied to the sample, and the vertical axis represents the magnetic moment in the + Z direction of the entire sample.

最初、＋Ｚ方向に８０００Ｏｅの外部磁界ＨＥが印加された。その結果、磁化方向制御層４０、第２磁化ハード層６０及び磁壁移動層１１０の全ての磁化方向が＋Ｚ方向に向き、磁気モーメントは正値を取る。その後、外部磁界ＨＥの強さが徐々に弱められた。外部磁界ＨＥがある程度まで弱くなると、磁気モーメントが急激に減少し、負値を取ることが分かる。これは、第２磁化ハード層６０及び磁壁移動層１１０の磁化方向が、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に反転したことを意味する（Ｆ２の部分）。外部磁界ＨＥが０となったとき、磁化方向制御層４０は＋Ｚ方向であり、第２磁化ハード層６０と磁壁移動層１１０の磁化方向は−Ｚ方向である。これは、本実施の形態の初期化処理が成功していることを意味する。   Initially, an external magnetic field HE of 8000 Oe was applied in the + Z direction. As a result, all the magnetization directions of the magnetization direction control layer 40, the second magnetization hard layer 60, and the domain wall motion layer 110 are directed in the + Z direction, and the magnetic moment takes a positive value. Thereafter, the strength of the external magnetic field HE was gradually weakened. It can be seen that when the external magnetic field HE becomes weak to some extent, the magnetic moment decreases rapidly and takes a negative value. This means that the magnetization directions of the second magnetization hard layer 60 and the domain wall motion layer 110 are reversed from the + Z direction to the −Z direction (portion F2). When the external magnetic field HE becomes 0, the magnetization direction control layer 40 is in the + Z direction, and the magnetization directions of the second magnetization hard layer 60 and the domain wall motion layer 110 are in the −Z direction. This means that the initialization process of the present embodiment has succeeded.

尚、外部磁界ＨＥを−Ｚ方向に強めていくと、磁気モーメントの負値がもう一段階大きくなることが分かる。これは、−Ｚ方向の外部磁界ＨＥの印加により、磁化方向制御層４０の磁化方向も、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に反転したことを意味する（Ｆ１の部分）。   It can be seen that when the external magnetic field HE is increased in the −Z direction, the negative value of the magnetic moment is increased by another level. This means that by applying the external magnetic field HE in the −Z direction, the magnetization direction of the magnetization direction control layer 40 is also reversed from the + Z direction to the −Z direction (part F1).

２−４．ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界Ｈｎについて
次に、ＣｏＦｅＢ膜（磁壁移動層）１１０の反転核生成磁界Ｈｎについて考察する。反転核生成磁界Ｈｎとは、磁化反転核の生成に必要な磁界のことである。従って、反転核生成磁界Ｈｎが大き過ぎると、初期化処理において、図９で示されたようなＣｏＦｅＢ膜１１０（第２磁化固定領域１１２）の磁化反転が起こらなくなる。これは、初期化処理の失敗を意味する。従って、初期化処理の観点から、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎの「上限値」が規定され得る。 2-4. Next, the reversal nucleation magnetic field Hn of the CoFeB film (domain wall moving layer) 110 will be considered. The inversion nucleation magnetic field Hn is a magnetic field necessary for generating magnetization inversion nuclei. Therefore, if the reversal nucleation magnetic field Hn is too large, the magnetization reversal of the CoFeB film 110 (second magnetization fixed region 112) as shown in FIG. 9 does not occur in the initialization process. This means that the initialization process has failed. Therefore, from the viewpoint of initialization processing, the “upper limit value” of the reversal nucleation magnetic field Hn of the CoFeB film 110 can be defined.

一方、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎが小さ過ぎると、所望でない位置でも容易に磁化反転が起こってしまう。このことは、ＣｏＦｅＢ膜１１０中の恒久磁壁の発生を引き起こす。恒久磁壁の発生も初期化処理の失敗を意味する。従って、恒久磁壁の発生防止の観点から、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎの「下限値」が規定され得る。   On the other hand, if the reversal nucleation magnetic field Hn of the CoFeB film 110 is too small, magnetization reversal easily occurs even at an undesired position. This causes the generation of permanent domain walls in the CoFeB film 110. The generation of a permanent domain wall also means that the initialization process has failed. Therefore, the “lower limit value” of the reversal nucleation magnetic field Hn of the CoFeB film 110 can be defined from the viewpoint of preventing the generation of permanent domain walls.

そのような上限値及び下限値を規定するため、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０の積層フェリ構造からＣｏＦｅＢ膜１１０にかかる漏洩磁界の空間分布が数値計算により求められた。そして、得られた漏洩磁界の空間分布に基づいて、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎ［Ｏｅ］の上限値及び下限値が算出された。この数値計算において、ＣｏＦｅＢ膜１１０の膜厚は１ｎｍに、下地層１００（Ｔａ膜）の膜厚は１ｎｍに、非磁性層５０（Ｒｕ膜）の膜厚は１ｎｍにそれぞれ設定された。第２磁化ハード層６０の膜厚ｔ１［ｎｍ］は、５ｎｍ、７ｎｍ及び１０ｎｍの３パターンに設定された。また、各パターンにおいて、第２磁化ハード層６０と磁化方向制御層４０との膜厚差Δｔ（＝ｔ１−ｔ２）［ｎｍ］が様々に設定された。また、第２磁化ハード層６０の飽和磁化Ｍｓ［Ｔ］は、０．５Ｔに設定された。   In order to define such upper and lower limits, the spatial distribution of the leakage magnetic field applied to the CoFeB film 110 from the laminated ferrimagnetic structure of the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 was obtained by numerical calculation. Then, based on the obtained spatial distribution of the leakage magnetic field, the upper limit value and the lower limit value of the inversion nucleation magnetic field Hn [Oe] of the CoFeB film 110 were calculated. In this numerical calculation, the thickness of the CoFeB film 110 was set to 1 nm, the thickness of the underlayer 100 (Ta film) was set to 1 nm, and the thickness of the nonmagnetic layer 50 (Ru film) was set to 1 nm. The film thickness t1 [nm] of the second magnetization hard layer 60 was set to three patterns of 5 nm, 7 nm, and 10 nm. In each pattern, the film thickness difference Δt (= t1−t2) [nm] between the second magnetization hard layer 60 and the magnetization direction control layer 40 was set variously. Further, the saturation magnetization Ms [T] of the second magnetization hard layer 60 was set to 0.5T.

図１２Ａは、計算結果を示している。横軸は膜厚差Δｔ［ｎｍ］を表し、縦軸は漏洩磁界［Ｏｅ］を表している。また、グラフ中の丸印と三角印は、それぞれ、ＣｏＦｅＢ膜１１０の反転核生成磁界Ｈｎの上限値と下限値を表している。また、ｔ１＝５ｎｍ、７ｎｍ、１０ｎｍの３パターンのそれぞれについて、計算結果が示されている。図１２Ａに示されるように、膜厚差Δｔが大きくなるほど、反転核生成磁界Ｈｎの上限値は増加する、すなわち、マージンが増える。一方、反転核生成磁界Ｈｎの下限値は、膜厚差Δｔに依らずあまり変動しない。   FIG. 12A shows the calculation result. The horizontal axis represents the film thickness difference Δt [nm], and the vertical axis represents the leakage magnetic field [Oe]. Moreover, the circle mark and the triangle mark in the graph represent the upper limit value and the lower limit value of the inversion nucleation magnetic field Hn of the CoFeB film 110, respectively. The calculation results are shown for each of the three patterns of t1 = 5 nm, 7 nm, and 10 nm. As shown in FIG. 12A, as the film thickness difference Δt increases, the upper limit value of the reversal nucleation magnetic field Hn increases, that is, the margin increases. On the other hand, the lower limit value of the reversal nucleation magnetic field Hn does not vary much regardless of the film thickness difference Δt.

図１２Ｂは、図１２Ａで示された計算結果を、規格化された座標系で示している。横軸は、ｔ１で規格化されている。縦軸は、“Ｍｓ（５００ｌｎ（ｔ１）＋６２）”で規格化されている。このような規格化により、ｔ１＝５ｎｍ、７ｎｍ、１０ｎｍの３パターンのそれぞれの計算結果（特に上限値）がグラフ上で重なることが分かる。よって、反転核生成磁界Ｈｎに要求される条件を規定しやすくなる。具体的には、規格化された反転核生成磁界（＝Ｈｎ／（Ｍｓ（５００ｌｎ（ｔ１）＋６２）））が、図１２Ｂ中の上限値と下限値で挟まれた範囲にあることが望ましい。その範囲は、近似的に、図１２Ｂ中の斜線領域で表される。規格化された反転核生成磁界が斜線領域にあることは、次のような関係式で表される。   FIG. 12B shows the calculation result shown in FIG. 12A in a standardized coordinate system. The horizontal axis is normalized by t1. The vertical axis is normalized by “Ms (500ln (t1) +62)”. It can be seen that the calculation results (particularly the upper limit value) of the three patterns of t1 = 5 nm, 7 nm, and 10 nm overlap on the graph by such normalization. Therefore, it becomes easy to specify the conditions required for the reversal nucleation magnetic field Hn. Specifically, it is desirable that the standardized reversal nucleation magnetic field (= Hn / (Ms (500ln (t1) +62))) is in a range between the upper limit value and the lower limit value in FIG. 12B. The range is approximately represented by the hatched area in FIG. 12B. The fact that the standardized reversal nucleation magnetic field is in the shaded region is expressed by the following relational expression.

Figure 2014036146
Figure 2014036146

上記関係式が成り立つ場合に、本実施の形態に係る初期化処理が失敗せずに正常に実施され、好適である。   When the above relational expression holds, the initialization process according to the present embodiment is preferably carried out normally without failure.

３．製造方法
図１３Ａ〜図１３Ｉは、本実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法を示す断面図である。図１３Ａ〜図１３Ｉを参照して、本実施の形態に係る磁壁移動素子の製造方法の一例を説明する。 3. Manufacturing Method FIGS. 13A to 13I are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a domain wall motion element according to the present embodiment. With reference to FIGS. 13A to 13I, an example of a method for manufacturing a domain wall motion element according to the present embodiment will be described.

まず、図１３Ａに示されるように、絶縁膜１０中の所定の端子位置にビア２０が形成される。ビア２０は、基板上に形成されたトランジスタ（図示されない）等に接続されている。更に、絶縁膜１０及びビア２０を覆うように、第１磁化ハード層３０が堆積される。第１磁化ハード層３０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、第１磁化ハード層３０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜であり、スパッタリングにより成膜される。   First, as shown in FIG. 13A, vias 20 are formed at predetermined terminal positions in the insulating film 10. The via 20 is connected to a transistor (not shown) formed on the substrate. Further, the first magnetization hard layer 30 is deposited so as to cover the insulating film 10 and the via 20. The first magnetization hard layer 30 is a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. For example, the first magnetization hard layer 30 is a Co / Pt laminated film and is formed by sputtering.

次に、図１３Ｂに示されるように、第１磁化ハード層３０のパターニングが行われる。パターニングは、フォトリソグラフィや電子線リソグラフィなどのリソグラフィ技術、及びイオンミリングやＲＩＥなどのエッチング技術を用いることにより行われる。パターニング後の第１磁化ハード層３０は、一方のビア２０と電気的に接続されている。   Next, as shown in FIG. 13B, patterning of the first magnetization hard layer 30 is performed. The patterning is performed by using a lithography technique such as photolithography or electron beam lithography and an etching technique such as ion milling or RIE. The first magnetization hard layer 30 after patterning is electrically connected to one via 20.

次に、図１３Ｃに示されるように、磁化方向制御層４０、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０が、この順番で堆積される。   Next, as shown in FIG. 13C, the magnetization direction control layer 40, the nonmagnetic layer 50, and the second magnetization hard layer 60 are deposited in this order.

磁化方向制御層４０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、磁化方向制御層４０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。   The magnetization direction control layer 40 is a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. For example, the magnetization direction control layer 40 is a Co / Pt laminated film.

非磁性層５０は、例えば、Ｒｕ層である。   The nonmagnetic layer 50 is, for example, a Ru layer.

第２磁化ハード層６０は、垂直磁気異方性を有する強磁性層である。例えば、第２磁化ハード層６０は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜である。   The second magnetization hard layer 60 is a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. For example, the second magnetization hard layer 60 is a Co / Pt laminated film.

磁化方向制御層４０、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０は、スパッタリングにより、連続的に成膜される。ここで、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０のそれぞれの成膜時に異なるプロセスガス種を用いることにより、同じ材料であっても垂直磁気異方性の強さを変えることができる。例えば、磁化方向制御層４０の成膜時にはＸｅガスをプロセスガスとして用い、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０の成膜時にはＡｒガスをプロセスガスとして用いることが好適である。これにより、磁化方向制御層４０の垂直磁気異方性は、第２磁化ハード層６０の垂直磁気異方性よりも強くなる。   The magnetization direction control layer 40, the nonmagnetic layer 50, and the second magnetization hard layer 60 are continuously formed by sputtering. Here, by using different process gas types when forming the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60, the strength of perpendicular magnetic anisotropy can be changed even with the same material. For example, it is preferable to use Xe gas as a process gas when forming the magnetization direction control layer 40 and to use Ar gas as a process gas when forming the nonmagnetic layer 50 and the second magnetization hard layer 60. Thereby, the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization direction control layer 40 becomes stronger than the perpendicular magnetic anisotropy of the second magnetization hard layer 60.

また、磁化方向制御層４０の厚さｔ２は、第２磁化ハード層６０の厚さｔ１よりも小さくなるように形成される。例えば、第２磁化ハード層６０の厚さｔ１は５〜１０ｎｍであり、磁化方向制御層４０の厚さｔ２はそれより小さい。また、膜厚ｔ１［ｎｍ］、膜厚差Δｔ（＝ｔ１−ｔ２）［ｎｍ］に関して、上記の関係式が成り立つように設計が行われる。   Further, the thickness t2 of the magnetization direction control layer 40 is formed to be smaller than the thickness t1 of the second magnetization hard layer 60. For example, the thickness t1 of the second magnetization hard layer 60 is 5 to 10 nm, and the thickness t2 of the magnetization direction control layer 40 is smaller. In addition, the design is performed so that the above relational expression is satisfied with respect to the film thickness t1 [nm] and the film thickness difference Δt (= t1−t2) [nm].

非磁性層５０は、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０との間に介在している。非磁性層５０の膜厚は、磁化方向制御層４０と第２磁化ハード層６０とが反強磁性的に結合するように設計される。例えば、２ｎｄＡＦＣピークを利用する場合、非磁性層（Ｒｕ層）５０の膜厚は、０．８〜１．０ｎｍ程度に設定される。１ｓｔＡＦＣピークを利用する場合、非磁性層（Ｒｕ層）５０の膜厚は、０．３〜０．５ｎｍ程度に設定される。   The nonmagnetic layer 50 is interposed between the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60. The film thickness of the nonmagnetic layer 50 is designed so that the magnetization direction control layer 40 and the second magnetization hard layer 60 are antiferromagnetically coupled. For example, when the 2nd AFC peak is used, the film thickness of the nonmagnetic layer (Ru layer) 50 is set to about 0.8 to 1.0 nm. When the 1st AFC peak is used, the film thickness of the nonmagnetic layer (Ru layer) 50 is set to about 0.3 to 0.5 nm.

次に、図１３Ｄに示されるように、磁化方向制御層４０、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０の積層構造のパターニングが行われる。パターニング後の積層構造は、他方のビア２０と電気的に接続されている。   Next, as shown in FIG. 13D, patterning of the laminated structure of the magnetization direction control layer 40, the nonmagnetic layer 50, and the second magnetization hard layer 60 is performed. The laminated structure after patterning is electrically connected to the other via 20.

次に、図１３Ｅに示されるように、全面に層間絶縁膜７０が堆積される。層間絶縁膜７０は、ＳｉＮ膜あるいはＳｉＯ２膜である。 Next, as shown in FIG. 13E, an interlayer insulating film 70 is deposited on the entire surface. The interlayer insulating film 70 is a SiN film or a SiO 2 film.

次に、図１３Ｆに示されるように、第１磁化ハード層３０及び第２磁化ハード層６０の上面が露出するまで、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が行われる。   Next, as shown in FIG. 13F, CMP (Chemical Mechanical Polishing) is performed until the upper surfaces of the first magnetization hard layer 30 and the second magnetization hard layer 60 are exposed.

次に、図１３Ｇに示されるように、下地層１００、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０が、この順番で堆積される。   Next, as shown in FIG. 13G, the underlayer 100, the domain wall motion layer 110, the tunnel barrier layer 120, and the reference layer 130 are deposited in this order.

下地層１００は、非磁性層である。この下地層１００は、磁壁移動層（ＣｏＦｅＢ膜）１１０に垂直磁気異方性を付与するような材料で形成される。例えば、下地層１００の材料はＴａである。そのＴａ膜の膜厚は、典型的には、０．４〜３ｎｍである。   The underlayer 100 is a nonmagnetic layer. The underlayer 100 is formed of a material that imparts perpendicular magnetic anisotropy to the domain wall motion layer (CoFeB film) 110. For example, the material of the underlayer 100 is Ta. The thickness of the Ta film is typically 0.4-3 nm.

磁壁移動層１１０は、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜である。そのＣｏＦｅＢ膜の膜厚は、典型的には、１〜１．２ｎｍ程度である。   The domain wall motion layer 110 is a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy. The thickness of the CoFeB film is typically about 1 to 1.2 nm.

トンネルバリア層１２０は、例えば、ＭｇＯ膜である。ＭｇＯ膜は、酸化物ターゲットをＲＦスパッタリングにより直接的に堆積させる方法で形成されてもよい。あるいは、ＭｇＯ膜は、ＤＣスパッタにより金属Ｍｇを堆積した後にラジカル酸化などの表面処理を行う方法で形成されてもよい。   The tunnel barrier layer 120 is, for example, an MgO film. The MgO film may be formed by a method in which an oxide target is directly deposited by RF sputtering. Alternatively, the MgO film may be formed by a method of performing surface treatment such as radical oxidation after depositing metal Mg by DC sputtering.

リファレンス層１３０は、垂直磁気異方性を有する磁性体層である。例えば、リファレンス層１３０は、強磁性層、非磁性層、強磁性層からなる積層フェリ膜である。そのような積層フェリ膜において、強磁性層としてはＣｏ／Ｐｔ積層膜、非磁性層としてはＲｕ膜が例示される。   The reference layer 130 is a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy. For example, the reference layer 130 is a laminated ferrimagnetic film including a ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a ferromagnetic layer. In such a laminated ferrimagnetic film, the ferromagnetic layer is exemplified by a Co / Pt laminated film, and the nonmagnetic layer is exemplified by a Ru film.

ここで、膜質向上のため、成膜後の熱処理（ＰＤＡ）が実施されてもよい。   Here, in order to improve the film quality, a heat treatment (PDA) after film formation may be performed.

次に、図１３Ｈに示されるように、下地層１００、磁壁移動層１１０及びトンネルバリア層１２０の積層構造のパターニングが行われる。パターニング後の積層構造は、第１磁化ハード層３０及び第２磁化ハード層６０の上面と接触している。磁壁移動層１１０のうち、下地層１００を挟んで第１磁化ハード層３０と対向する領域が、第１磁化固定領域１１１である。第１磁化ハード層３０と第１磁化固定領域１１１は、下地層１００を介して磁気的に結合する。また、磁壁移動層１１０のうち、下地層１００を挟んで第２磁化ハード層６０と対向する領域が、第２磁化固定領域１１２である。第２磁化ハード層６０と第２磁化固定領域１１２は、下地層１００を介して磁気的に結合する。また、第１磁化固定領域１１１と第２磁化固定領域１１２との間に挟まれた領域が、磁化反転領域１１３である。   Next, as shown in FIG. 13H, patterning of the laminated structure of the underlayer 100, the domain wall motion layer 110, and the tunnel barrier layer 120 is performed. The laminated structure after the patterning is in contact with the upper surfaces of the first magnetization hard layer 30 and the second magnetization hard layer 60. In the domain wall motion layer 110, a region facing the first magnetization hard layer 30 with the underlayer 100 interposed therebetween is a first magnetization fixed region 111. The first magnetization hard layer 30 and the first magnetization fixed region 111 are magnetically coupled via the underlayer 100. In the domain wall motion layer 110, a region facing the second magnetization hard layer 60 with the underlayer 100 interposed therebetween is the second magnetization fixed region 112. The second magnetization hard layer 60 and the second magnetization fixed region 112 are magnetically coupled via the underlayer 100. A region sandwiched between the first magnetization fixed region 111 and the second magnetization fixed region 112 is a magnetization switching region 113.

更に、全面に層間絶縁膜１４０が堆積される。層間絶縁膜１４０は、ＳｉＮ膜あるいはＳｉＯ２膜である。更に、ＣＭＰにより層間絶縁膜１４０の平坦化が行われる。 Further, an interlayer insulating film 140 is deposited on the entire surface. The interlayer insulating film 140 is a SiN film or a SiO 2 film. Further, the interlayer insulating film 140 is planarized by CMP.

次に、図１３Ｉに示されるように、リファレンス層１３０のパターニングが行われる。このパターニング時、下層の磁壁移動層１１０を保護するために、トンネルバリア層１２０の上面にてエッチングをストップすることが好適である。パターニング後のリファレンス層１３０は、トンネルバリア層１２０を挟んで磁壁移動層１１０の磁化反転領域１１３と対向している。   Next, as shown in FIG. 13I, the reference layer 130 is patterned. During this patterning, it is preferable to stop the etching on the upper surface of the tunnel barrier layer 120 in order to protect the lower domain wall motion layer 110. The patterned reference layer 130 faces the magnetization switching region 113 of the domain wall motion layer 110 with the tunnel barrier layer 120 interposed therebetween.

更に、全面に層間絶縁膜１５０が堆積される。層間絶縁膜１５０は、ＳｉＮ膜あるいはＳｉＯ２膜である。更に、ＣＭＰにより層間絶縁膜１５０の平坦化が行われる。その後、リファレンス層１３０につながる端子等が形成される。 Further, an interlayer insulating film 150 is deposited on the entire surface. The interlayer insulating film 150 is a SiN film or a SiO 2 film. Further, the interlayer insulating film 150 is planarized by CMP. Thereafter, terminals and the like connected to the reference layer 130 are formed.

このようにして、図７で示されたような磁壁移動素子が製造される。その後、図８及び図９で示されたような初期化処理が実施される。この初期化処理によって、各磁性体の磁化方向が初期設定され、磁壁移動層１１０には１つの磁壁ＤＷが導入される。これにより、磁壁移動素子が使用可能となる。   In this way, the domain wall motion element as shown in FIG. 7 is manufactured. Thereafter, an initialization process as shown in FIGS. 8 and 9 is performed. By this initialization process, the magnetization direction of each magnetic material is initialized, and one domain wall DW is introduced into the domain wall moving layer 110. Thereby, the domain wall motion element can be used.

４．回路構成例
図１４は、本実施の形態に係る磁壁移動素子を用いたメモリセルＭＣの構成を示している。メモリセルＭＣは、磁壁移動素子、第１選択トランジスタＴＲａ及び第２選択トランジスタＴＲｂを備えている。 4). Circuit Configuration Example FIG. 14 shows a configuration of a memory cell MC using the domain wall motion element according to the present embodiment. The memory cell MC includes a domain wall motion element, a first selection transistor TRa, and a second selection transistor TRb.

第１選択トランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方は、第１ビット線ＢＬａに接続されており、その他方は、磁壁移動素子の第１磁化ハード層３０に接続されている。第２選択トランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方は、第２ビット線ＢＬｂに接続されており、その他方は、磁壁移動素子の磁化方向制御層４０に接続されている。第１選択トランジスタＴＲａと第２選択トランジスタＴＲｂのゲートは共にワード線ＷＬに接続されている。磁壁移動素子のリファレンス層１３０は、グランド線ＧＬに接続されている。   One of the source / drain of the first selection transistor TRa is connected to the first bit line BLa, and the other is connected to the first magnetization hard layer 30 of the domain wall motion element. One of the source / drain of the second selection transistor TRb is connected to the second bit line BLb, and the other is connected to the magnetization direction control layer 40 of the domain wall motion element. The gates of the first selection transistor TRa and the second selection transistor TRb are both connected to the word line WL. The reference layer 130 of the domain wall motion element is connected to the ground line GL.

図１４に示される構成において、第１磁化ハード層３０は、磁壁移動層１１０の第１磁化固定領域１１１に対して電流を供給するための「第１電流供給端子」として機能する。また、磁化方向制御層４０、非磁性層５０及び第２磁化ハード層６０の積層構造は、磁壁移動層１１０の第２磁化固定領域１１２に対して電流を供給するための「第２電流供給端子」として機能する。   In the configuration shown in FIG. 14, the first magnetization hard layer 30 functions as a “first current supply terminal” for supplying a current to the first magnetization fixed region 111 of the domain wall motion layer 110. The stacked structure of the magnetization direction control layer 40, the nonmagnetic layer 50, and the second magnetization hard layer 60 has a “second current supply terminal” for supplying current to the second magnetization fixed region 112 of the domain wall motion layer 110. ”.

データ書き込み時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定される。これにより、第１選択トランジスタＴＲａと第２選択トランジスタＴＲｂの両方がＯＮする。データ“１”の書き込み時（図５参照）、第１ビット線ＢＬａがＨｉｇｈレベルに設定され、第２ビット線ＢＬｂがＬｏｗレベル（グランドレベル）に設定される。これにより、第１書き込み電流ＩＷ１が、第１ビット線ＢＬａから、第１選択トランジスタＴＲａ、第１電流供給端子、磁壁移動層１１０、第２電流供給端子、及び第２選択トランジスタＴＲｂを通して、第２ビット線ＢＬｂに流れる。一方、データ“０”の書き込み時（図５参照）、第１ビット線ＢＬａがＬｏｗレベルに設定され、第２ビット線ＢＬｂがＨｉｇｈレベルに設定される。これにより、第２書き込み電流ＩＷ２が、第２ビット線ＢＬｂから、第２選択トランジスタＴＲｂ、第２電流供給端子、磁壁移動層１１０、第１電流供給端子、及び第１選択トランジスタＴＲａを通して、第１ビット線ＢＬａに流れる。   At the time of data writing, the word line WL is set to a high level. As a result, both the first selection transistor TRa and the second selection transistor TRb are turned on. When data “1” is written (see FIG. 5), the first bit line BLa is set to the high level, and the second bit line BLb is set to the low level (ground level). As a result, the first write current IW1 is transmitted from the first bit line BLa through the first selection transistor TRa, the first current supply terminal, the domain wall motion layer 110, the second current supply terminal, and the second selection transistor TRb. It flows to the bit line BLb. On the other hand, when data “0” is written (see FIG. 5), the first bit line BLa is set to the Low level, and the second bit line BLb is set to the High level. Accordingly, the second write current IW2 is supplied from the second bit line BLb through the second selection transistor TRb, the second current supply terminal, the domain wall motion layer 110, the first current supply terminal, and the first selection transistor TRa. It flows to the bit line BLa.

データ読み出し時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定される。これにより、第１選択トランジスタＴＲａと第２選択トランジスタＴＲｂの両方がＯＮする。第１ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、第２ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流ＩＲが、第２ビット線ＢＬｂから、第２選択トランジスタＴＲｂ、第２電流供給端子、磁壁移動層１１０、トンネルバリア層１２０及びリファレンス層１３０を通して、グランド線ＧＬに流れる。   When reading data, the word line WL is set to a high level. As a result, both the first selection transistor TRa and the second selection transistor TRb are turned on. The first bit line BLa is set to an open state, and the second bit line BLb is set to a high level. As a result, the read current IR flows from the second bit line BLb to the ground line GL through the second selection transistor TRb, the second current supply terminal, the domain wall motion layer 110, the tunnel barrier layer 120, and the reference layer 130.

図１５は、図１４で示されたメモリセルＭＣを用いた磁気メモリ（半導体装置）の回路構成を示すブロック図である。磁気メモリは、メモリセルアレイ１７０、Ｘセレクタ１７１、Ｙセレクタ−電源回路１７２、及びＹ電流源回路１７３を備えている。メモリセルアレイ１７０は、アレイ状に配置された複数のメモリセルＭＣを備えている。   FIG. 15 is a block diagram showing a circuit configuration of a magnetic memory (semiconductor device) using the memory cell MC shown in FIG. The magnetic memory includes a memory cell array 170, an X selector 171, a Y selector-power supply circuit 172, and a Y current source circuit 173. The memory cell array 170 includes a plurality of memory cells MC arranged in an array.

Ｘセレクタ１７１は、ワード線ＷＬに接続されている。データ書き込み及びデータ読み出し時、Ｘセレクタ１７１は、対象メモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬを選択し、選択ワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルに設定する。それにより、対象メモリセルＭＣの第１選択トランジスタＴＲａと第２選択トランジスタＴＲｂの両方がＯＮする。   The X selector 171 is connected to the word line WL. At the time of data writing and data reading, the X selector 171 selects the word line WL connected to the target memory cell MC, and sets the selected word line WL to the high level. Thereby, both the first selection transistor TRa and the second selection transistor TRb of the target memory cell MC are turned on.

Ｙセレクタ−電源回路１７２は、第２ビット線ＢＬｂに接続されている。データ書き込み時、Ｙセレクタ−電源回路１７２は、対象メモリセルＭＣに接続された第２ビット線ＢＬｂを選択し、選択第２ビット線ＢＬｂをＨｉｇｈレベルあるいはＬｏｗレベルに設定する。データ読み出し時、Ｙセレクタ−電源回路１７２は、対象メモリセルＭＣに接続された第２ビット線ＢＬｂを選択し、選択第２ビット線ＢＬｂをＨｉｇｈレベルに設定する。   The Y selector-power supply circuit 172 is connected to the second bit line BLb. At the time of data writing, the Y selector-power supply circuit 172 selects the second bit line BLb connected to the target memory cell MC, and sets the selected second bit line BLb to the high level or the low level. When reading data, the Y selector-power supply circuit 172 selects the second bit line BLb connected to the target memory cell MC, and sets the selected second bit line BLb to the high level.

Ｙ電流源回路１７３は、第１ビット線ＢＬａに接続されている。データ書き込み時、Ｙ電流源回路１７３は、対象メモリセルＭＣに接続された第１ビット線ＢＬａを選択し、選択第１ビット線ＢＬａをＬｏｗレベルあるいはＨｉｇｈレベルに設定する。データ読み出し時、Ｙ電流源回路１７３は、第１ビット線ＢＬａをオープン状態に設定する。   The Y current source circuit 173 is connected to the first bit line BLa. At the time of data writing, the Y current source circuit 173 selects the first bit line BLa connected to the target memory cell MC, and sets the selected first bit line BLa to the Low level or the High level. At the time of data reading, the Y current source circuit 173 sets the first bit line BLa to an open state.

このようにして、対象メモリセルＭＣに対するデータ書き込み及びデータ読み出しが実現される。   In this manner, data writing and data reading with respect to the target memory cell MC are realized.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

１０ 絶縁膜
２０ ビア
３０ 第１磁化ハード層
４０ 磁化方向制御層
５０ 非磁性層
６０ 第２磁化ハード層
７０ 層間絶縁膜
１００ 下地層
１１０ 磁壁移動層、ＣｏＦｅＢ膜
１１１ 第１磁化固定領域
１１２ 第２磁化固定領域
１１３ 磁化反転領域
１２０ トンネルバリア層
１３０ リファレンス層
１４０ 層間絶縁膜
１５０ 層間絶縁膜
１７０ メモリセルアレイ
１７１ Ｘセレクタ
１７２ Ｙセレクタ−電源回路
１７３ Ｙ電流源回路
Ｂ１ 第１境界
Ｂ２ 第２境界
ＩＷ１ 第１書き込み電流
ＩＷ２ 第２書き込み電流
ＩＲ 読み出し電流
ＨＥ 外部磁界
ＭＣ メモリセル
ＷＬ ワード線
ＧＬ グランド線
ＢＬａ 第１ビット線
ＢＬｂ 第２ビット線
ＴＲａ 第１選択トランジスタ
ＴＲｂ 第２選択トランジスタ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Insulating film 20 Via 30 1st magnetization hard layer 40 Magnetization direction control layer 50 Nonmagnetic layer 60 2nd magnetization hard layer 70 Interlayer insulation film 100 Underlayer 110 Domain wall moving layer, CoFeB film 111 1st magnetization fixed area | region 112 2nd magnetization Fixed region 113 Magnetization inversion region 120 Tunnel barrier layer 130 Reference layer 140 Interlayer insulating film 150 Interlayer insulating film 170 Memory cell array 171 X selector 172 Y selector-power supply circuit 173 Y current source circuit B1 1st boundary B2 2nd boundary IW1 1st write Current IW2 Second write current IR Read current HE External magnetic field MC Memory cell WL Word line GL Ground line BLa First bit line BLb Second bit line TRa First selection transistor TRb Second selection transistor

Claims (6)

垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜と、
垂直磁気異方性を有し、前記ＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合した第１磁化ハード層と、
垂直磁気異方性を有し、前記ＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合した第２磁化ハード層と、
前記第２磁化ハード層よりも強い垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層と
を備え、
前記第２磁化ハード層は、前記磁化方向制御層上に非磁性層を介して形成されており、前記非磁性層を介して前記磁化方向制御層と反強磁性的に結合しており、
前記磁化方向制御層の厚さは、前記第２磁化ハード層の厚さより小さく、
前記第２磁化ハード層の厚さがｔ１［ｎｍ］であり、
前記第２磁化ハード層と前記磁化方向制御層との厚さの差がΔｔ［ｎｍ］であり、
前記第２磁化ハード層の飽和磁化がＭｓ［Ｔ］であり、
前記ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界がＨｎ［Ｏｅ］であるとき、
Figure 2014036146
 の関係が成り立つ
半導体装置。 A CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy;
A first magnetization hard layer having perpendicular magnetic anisotropy and magnetically coupled to the first magnetization fixed region of the CoFeB film;
A second magnetization hard layer having perpendicular magnetic anisotropy and magnetically coupled to the second magnetization fixed region of the CoFeB film;
A magnetization direction control layer having perpendicular magnetic anisotropy stronger than that of the second magnetization hard layer,
The second magnetization hard layer is formed on the magnetization direction control layer via a nonmagnetic layer, and is antiferromagnetically coupled to the magnetization direction control layer via the nonmagnetic layer,
The magnetization direction control layer has a thickness smaller than that of the second magnetization hard layer,
The thickness of the second magnetization hard layer is t1 [nm],
A difference in thickness between the second magnetization hard layer and the magnetization direction control layer is Δt [nm];
The saturation magnetization of the second magnetization hard layer is Ms [T],
When the inversion nucleation magnetic field of the CoFeB film is Hn [Oe],
Figure 2014036146
 This is a semiconductor device. 請求項１に記載の半導体装置であって、
前記第１磁化ハード層の磁化方向は、第１方向であり、
前記第２磁化ハード層の磁化方向は、前記第１方向と逆の第２方向であり、
前記磁化方向制御層の磁化方向は、前記第１方向であり、
前記第１磁化固定領域の磁化方向と前記第２磁化固定領域の磁化方向は、逆向きに固定されている
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A magnetization direction of the first magnetization hard layer is a first direction;
The magnetization direction of the second magnetization hard layer is a second direction opposite to the first direction,
The magnetization direction of the magnetization direction control layer is the first direction,
The semiconductor device, wherein the magnetization direction of the first magnetization fixed region and the magnetization direction of the second magnetization fixed region are fixed in opposite directions. 請求項２に記載の半導体装置であって、
前記ＣｏＦｅＢ膜の前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間の磁化反転領域上に少なくとも形成されたバリア層と、
磁化方向が固定され、前記バリア層を挟んで前記磁化反転領域と対向するように形成されたリファレンス層と
を更に備える
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
A barrier layer formed at least on a magnetization switching region between the first magnetization fixed region and the second magnetization fixed region of the CoFeB film;
A semiconductor device, further comprising: a reference layer having a magnetization direction fixed and facing the magnetization switching region with the barrier layer interposed therebetween. （Ａ）垂直磁気異方性を有する第１磁化ハード層を形成する工程と、
（Ｂ）垂直磁気異方性を有する磁化方向制御層を形成する工程と、
（Ｃ）前記磁化方向制御層上に非磁性層を介して、垂直磁気異方性を有する第２磁化ハード層を形成する工程と、
ここで、
前記磁化方向制御層と前記第２磁化ハード層とは前記非磁性層を介して反強磁性的に結合し、
前記磁化方向制御層の垂直磁気異方性は、前記第２磁化ハード層の垂直磁気異方性よりも強く、
前記磁化方向制御層の厚さは、前記第２磁化ハード層の厚さより小さく、
（Ｄ）前記第１磁化ハード層及び前記第２磁化ハード層上に、垂直磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ膜を形成する工程と、
ここで、
前記第１磁化ハード層は、前記ＣｏＦｅＢ膜の第１磁化固定領域と磁気的に結合し、
前記第２磁化ハード層は、前記ＣｏＦｅＢ膜の第２磁化固定領域と磁気的に結合し、
（Ｘ）第１方向の外部磁界を全体に印加し、前記第１磁化ハード層、前記磁化方向制御層、前記第２磁化ハード層及び前記ＣｏＦｅＢ膜の全ての磁化方向を前記第１方向にする工程と、
（Ｙ）前記外部磁界の印加を停止する工程と
を含み、
前記第２磁化ハード層の厚さがｔ１［ｎｍ］であり、
前記第２磁化ハード層と前記磁化方向制御層との厚さの差がΔｔ［ｎｍ］であり、
前記第２磁化ハード層の飽和磁化がＭｓ［Ｔ］であり、
前記ＣｏＦｅＢ膜の反転核生成磁界がＨｎ［Ｏｅ］であるとき、
Figure 2014036146
 の関係が成り立つ
半導体装置の製造方法。 (A) forming a first magnetization hard layer having perpendicular magnetic anisotropy;
(B) forming a magnetization direction control layer having perpendicular magnetic anisotropy;
(C) forming a second magnetization hard layer having perpendicular magnetic anisotropy on the magnetization direction control layer via a nonmagnetic layer;
here,
The magnetization direction control layer and the second magnetization hard layer are antiferromagnetically coupled through the nonmagnetic layer,
The perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization direction control layer is stronger than the perpendicular magnetic anisotropy of the second magnetization hard layer,
The magnetization direction control layer has a thickness smaller than that of the second magnetization hard layer,
(D) forming a CoFeB film having perpendicular magnetic anisotropy on the first magnetization hard layer and the second magnetization hard layer;
here,
The first magnetization hard layer is magnetically coupled to the first magnetization fixed region of the CoFeB film;
The second magnetization hard layer is magnetically coupled to the second magnetization fixed region of the CoFeB film;
(X) An external magnetic field in the first direction is applied to the whole, and all the magnetization directions of the first magnetization hard layer, the magnetization direction control layer, the second magnetization hard layer, and the CoFeB film are set to the first direction. Process,
(Y) stopping the application of the external magnetic field,
The thickness of the second magnetization hard layer is t1 [nm],
A difference in thickness between the second magnetization hard layer and the magnetization direction control layer is Δt [nm];
The saturation magnetization of the second magnetization hard layer is Ms [T],
When the inversion nucleation magnetic field of the CoFeB film is Hn [Oe],
Figure 2014036146
 A semiconductor device manufacturing method in which 請求項４に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記磁化方向制御層と前記第２磁化ハード層とで成膜時のプロセスガス種が異なる
半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein different types of process gases are used for forming the magnetization direction control layer and the second magnetization hard layer. 請求項４又は５に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記（Ｄ）工程の後で、前記（Ｘ）工程の前に、
（Ｅ）前記ＣｏＦｅＢ膜の前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間の磁化反転領域上に、バリア層を形成する工程と、
（Ｆ）前記バリア層を挟んで前記磁化反転領域と対向するようにリファレンス層を形成する工程と
を更に含む
半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4 or 5,
After the step (D) and before the step (X),
(E) forming a barrier layer on the magnetization switching region between the first magnetization fixed region and the second magnetization fixed region of the CoFeB film;
(F) A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising: forming a reference layer so as to face the magnetization switching region with the barrier layer interposed therebetween.
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