WO2010047276A1 - 磁気抵抗素子、ｍｒａｍ及び磁気抵抗素子の初期化方法 - Google Patents

磁気抵抗素子、ｍｒａｍ及び磁気抵抗素子の初期化方法 Download PDF

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layer
magnetization fixed
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哲広 鈴木
俊輔 深見
聖万 永原
則和 大嶋
延行 石綿
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日本電気株式会社
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    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive element and an MRAM (magnetic random access memory) using the magnetoresistive element for a memory cell, and more particularly to a technique for initializing a domain wall motion type magnetoresistive element.
  • MRAM magnetic random access memory
  • MRAM is a promising nonvolatile memory from the viewpoint of high integration and high-speed operation.
  • a magnetoresistive element exhibiting a “magnetoresistance effect” such as a TMR (Tunnel MagnetoResistance) effect is used.
  • a magnetic tunnel junction (MTJ: Magnetic Tunnel Junction) in which a tunnel barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers is formed.
  • One of the two ferromagnetic layers is a magnetization fixed layer (pinned layer) whose magnetization direction is fixed, and the other one is a magnetization free layer (free layer) whose magnetization direction can be reversed. ).
  • the resistance value (R + ⁇ R) of the MTJ when the magnetization directions of the pinned layer and the free layer are “anti-parallel” is larger than the resistance value (R) when they are “parallel” due to the magnetoresistance effect. It is known.
  • the MRAM uses the magnetoresistive element having the MTJ as a memory cell, and stores data in a nonvolatile manner by utilizing the change in the resistance value. For example, the antiparallel state is associated with data “1”, and the parallel state is associated with data “0”. Data is written to the memory cell by reversing the magnetization direction of the magnetization free layer.
  • the most traditional method of writing data to the MRAM is a method of reversing the magnetization of the magnetization free layer by a current magnetic field.
  • the reversal magnetic field necessary for reversing the magnetization of the magnetization free layer becomes substantially inversely proportional to the memory cell size. That is, as the memory cell is miniaturized, the write current increases. This is not preferable in providing a highly integrated MRAM.
  • spin transfer method has been proposed as a write method that can suppress an increase in write current due to miniaturization (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-93488 (Patent Document 1)).
  • a spin-polarized current is injected into a ferromagnetic conductor, and the magnetization is reversed by a direct interaction between the spin of conduction electrons carrying the current and the magnetic moment of the conductor. This phenomenon is referred to as spin transfer magnetization switching.
  • Writing by the spin injection method is suitable for realizing a highly integrated MRAM because the write current decreases as the size of the magnetization free layer decreases.
  • Patent Document 2 discloses a magnetic shift register using spin injection.
  • This magnetic shift register stores information using a domain wall in a magnetic material.
  • a current is injected so as to pass through the domain wall, and the domain wall is moved by the current.
  • the magnetization direction of each region is treated as recorded data.
  • Such a magnetic shift register is used, for example, for recording a large amount of serial data.
  • An MRAM described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-191032 includes a magnetization fixed layer in which magnetization is fixed, a tunnel insulating layer stacked on the magnetization fixed layer, and a magnetization recording layer stacked on the tunnel insulating layer. . Since the magnetization recording layer includes a portion where the magnetization direction can be reversed and a portion where the magnetization direction is not substantially changed, it is referred to as a magnetization recording layer, not a magnetization free layer.
  • FIG. 1 shows the structure of the magnetic recording layer. In FIG. 1, the magnetization recording layer 100 has a linear shape.
  • the magnetization recording layer 100 includes a junction 103 that overlaps the tunnel insulating layer and the magnetization fixed layer, a constriction 104 adjacent to both ends of the junction 103, and a pair of magnetization fixed units formed adjacent to the constriction 104. 101, 102.
  • the pair of magnetization fixed portions 101 and 102 are provided with fixed magnetizations in opposite directions.
  • the magnetization of these magnetization fixed portions is fixed by an exchange bias magnetic field formed by laminating an antiferromagnetic layer, for example.
  • the MRAM further includes a pair of write terminals 105 and 106 that are electrically connected to the pair of magnetization fixed portions 101 and 102.
  • the write terminals 105 and 106 allow a write current to pass through the junction portion 103, the pair of constricted portions 104, and the pair of magnetization fixed portions 101 and 102 of the magnetization recording layer 100.
  • the constricted portion 104 serves as a pin potential with respect to the domain wall, and information is held depending on which of the constricted portions the domain wall is present on the left or right side or the magnetization direction of the joint portion 103.
  • the direction of the domain wall movement is controlled by the direction of the write current.
  • FIG. 2 shows the structure of the magnetic recording layer.
  • the magnetic recording layer 100 is composed of three regions having different thicknesses. Specifically, the magnetization recording layer 100 is composed of the thickest first magnetization fixed portion 101, the second thickest second magnetization fixed portion 102, and the thinnest bonding portion 103 disposed therebetween.
  • the step at the boundary between the junction 103, the magnetization fixed unit 101, and the magnetization fixed unit 102 functions as a pin potential. Therefore, the domain wall 112 moves between the two steps by applying a current.
  • a magnetic semiconductor having anisotropy perpendicular to the film surface is used as the magnetization recording layer, and the current for domain wall movement is as small as 0.35 mA.
  • the junction 103 is actually provided with a tunnel insulating layer and a magnetization fixed layer, which are not shown in FIG.
  • the magnetization directions of the two magnetization fixed portions of the magnetization recording layer need to be antiparallel.
  • a process of making the magnetization directions of the two magnetization fixed portions antiparallel by applying an external magnetic field having an appropriate magnitude is hereinafter referred to as “initialization”.
  • Patent Document 3 does not mention a method of making the magnetization directions of the two magnetization fixed portions antiparallel.
  • WO 2005/069368 discloses that initialization is performed by an external magnetic field after film formation by using a coercive force difference between the first magnetization fixed unit 101 and the second magnetization fixed unit 102.
  • a coercive force difference is provided by making the thicknesses of the first magnetization fixed portion 101 and the second magnetization fixed portion 102 different. Since the magnetization is less likely to be reversed as the magnetic layer is thicker, a magnetic field is applied so that the magnetization of the second magnetization fixed unit 102 and the junction 103 is reversed and the magnetization of the first magnetization fixed unit 101 is not reversed. Thus, the domain wall can be introduced at the boundary between the first magnetization fixed portion 101 and the joint portion 103.
  • the number of steps increases and the cost increases. That is, in order to make the thicknesses of the first magnetization fixed portion 101 and the second magnetization fixed portion 102 different, it is necessary to form two steps having different sizes. In order to form two different types of steps, it is necessary to repeat the exposure process twice. This means that the number of steps increases.
  • the magnetic layer of the joint 103 where the domain wall moves during writing is subject to etching damage when the step is formed.
  • the surface roughness caused by the etching damage may cause pinning of the domain wall, causing a defect that the domain wall does not move stably.
  • an object of the present invention is to provide an element structure in which the number of steps is small and a domain wall displacement defect does not occur in a current-driven domain wall motion type magnetoresistive element, and a method for introducing and initializing a domain wall into the structure. That is.
  • the magnetoresistive element includes a magnetization recording layer that is a ferromagnetic layer.
  • the magnetization recording layer includes a magnetization reversal region having reversible magnetization, a first magnetization fixed region connected to a first boundary of the magnetization reversal region, the magnetization direction being fixed in the first direction, and a magnetization reversal region first And a second magnetization fixed region connected to the two boundaries and having the magnetization direction fixed in the second direction.
  • at least one magnetization reversal facilitating structure that is a structure in which magnetization reversal is easier than in other parts is formed.
  • a method for initializing the magnetoresistive element is provided.
  • the first magnetic field is larger than the magnetic field that depins the domain wall located at the first boundary to the first magnetization fixed region, and larger than the magnetic field that depins the domain wall located at the second boundary to the second magnetization fixed region.
  • a step of applying in the opposite direction is applied in the opposite direction.
  • a current-driven domain wall motion type magnetoresistive element in which the number of steps is small and a domain wall motion defect does not occur, and a method for introducing and initializing a domain wall into the structure. it can.
  • FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a magnetization recording layer of a conventional magnetoresistive element.
  • FIG. 2 is a perspective view showing another configuration of the magnetization recording layer of the conventional magnetoresistive element.
  • FIG. 3A is a plan view showing the configuration of the magnetoresistive element according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • 3B is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element in FIG. 3A.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element of FIG. 3A.
  • FIG. 4 is a plan view showing another configuration of the magnetoresistive element according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view showing still another configuration of the magnetoresistive element of the first exemplary embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing still another configuration of the magnetoresistive element of the first exemplary embodiment.
  • FIG. 7A is a plan view showing step S1 of the initialization process of the magnetoresistive element of the first embodiment.
  • FIG. 7B is a plan view showing step S2 of the initialization process of the magnetoresistive element of the first embodiment.
  • FIG. 7C is a plan view showing step S3 of the initialization process of the magnetoresistive element of the first embodiment.
  • FIG. 7D is a plan view showing step S4 of the initialization process of the magnetoresistive element of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a procedure for writing data to the magnetoresistive element of the first embodiment.
  • FIG. 9A is a plan view showing the configuration of the magnetoresistive element according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element in FIG. 9A.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element in FIG. 9A.
  • FIG. 10A is a plan view showing another configuration of the magnetoresistive element of the second exemplary embodiment.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element of FIG. 10A.
  • FIG. 11A is a plan view showing step S1 of the initialization process of the magnetoresistive element shown in FIGS. 10A and 10B.
  • FIG. 11B is a plan view showing step S2 of the initialization process of the magnetoresistive element shown in FIGS. 10A and 10B.
  • FIG. 11C is a plan view showing step S3 of the initialization process of the magnetoresistive element shown in FIGS. 10A and 10B.
  • FIG. 11D is a plan view showing step S4 of the initialization process of the magnetoresistive element shown in FIGS. 10A and 10B.
  • FIG. 12 is a plan view showing still another configuration of the magnetoresistive element of the second exemplary embodiment.
  • FIG. 13A is a plan view showing step S1 of the initialization process of the magnetoresistive element shown in FIG.
  • FIG. 13B is a plan view showing step S2 of the initialization process of the magnetoresistive element shown in FIG. FIG.
  • FIG. 13C is a plan view showing step S3 of the initialization process of the magnetoresistive element shown in FIG.
  • FIG. 13D is a plan view showing step S4 of the initialization process of the magnetoresistive element shown in FIG.
  • FIG. 14A is a plan view showing a configuration of a magnetoresistive element according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • 14B is a cross-sectional view showing the configuration of the magnetoresistive element in FIG. 14A.
  • FIG. 15 is a conceptual diagram showing the configuration of the MRAM in one embodiment of the present invention.
  • the present invention can be applied to both the case where the magnetic recording layer of the magnetoresistive element has magnetization in the in-plane direction and the case where the magnetic recording layer has magnetization in the vertical direction.
  • a case where the recording layer is used will be described.
  • FIG. 3A is a plan view showing the structure of the magnetoresistive element 1 of the first embodiment
  • FIG. 3B is a cross-sectional view in the L1 cross section
  • FIG. 3C is a cross-sectional view in the L2 cross section.
  • the magnetoresistive element 1 includes a magnetization recording layer 10, a magnetization fixed layer 30, and a tunnel barrier layer 32 provided therebetween.
  • the tunnel barrier layer 32 is a nonmagnetic insulating layer, and is composed of a thin insulating film such as an Al 2 O 3 film or an MgO film.
  • the tunnel barrier layer 32 is sandwiched between the magnetization recording layer 10 and the magnetization fixed layer 30, and a magnetic tunnel junction (MTJ) is formed by the magnetization recording layer 10, the tunnel barrier layer 32, and the magnetization fixed layer 30.
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • the magnetization recording layer 10 is a ferromagnetic layer having anisotropy (perpendicular magnetic anisotropy) in a direction perpendicular to the substrate surface.
  • the magnetization recording layer 10 includes at least one material of Fe, Co, and Ni. Further, the perpendicular magnetic anisotropy can be stabilized when the magnetic recording layer 10 contains Pt or Pd.
  • the magnetic recording layer 10 has B, C, N, O, Al, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ag, By adding Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Au, and Sm, adjustment can be made so that desired magnetic properties are expressed.
  • the material of the magnetic recording layer 10 includes Co, Co—Pt, Co—Pd, Co—Cr, Co—Pt—Cr, Co—Cr—Ta, Co—Cr—B, and Co—Cr—.
  • Pt—B, Co—Cr—Ta—B, Co—V, Co—Mo, Co—W, Co—Ti, Co—Ru, Co—Rh, Fe—Pt, Fe—Pd, Fe—Co—Pt, Fe—Co—Pd, Sm—Co and the like can be mentioned.
  • a laminated body in which a layer containing at least one material of Fe, Co, and Ni is laminated with different layers can be used as the magnetization recording layer 10 that exhibits magnetic anisotropy in the perpendicular direction.
  • a laminate of Co film and Pd film, a laminate of Co film and Pt film, a laminate of Co film and Ni film, a laminate of Fe film and Au film, etc. can be used as the magnetization recording layer 10. is there.
  • the magnetization fixed layer 30 is composed of a ferromagnetic layer having a fixed magnetization or a laminated body of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer.
  • the magnetization fixed layer 30 has perpendicular magnetic anisotropy like the magnetization recording layer 10.
  • the magnetization fixed layer 30 is configured such that the magnetization direction thereof is not changed by the write and read operations. Therefore, the magnetization fixed layer 30 is configured so that the magnetic anisotropy is larger than that of the magnetization recording layer 10. This can be realized by appropriately selecting materials and compositions of the magnetization recording layer 10 and the magnetization fixed layer 30.
  • the magnetization direction of the magnetization fixed layer 30 is fixed by stacking an antiferromagnetic layer (not shown) on the surface of the magnetization fixed layer 30 opposite to the tunnel barrier layer and pinning the magnetization. Is also feasible.
  • the magnetization fixed layer 30 can also be configured using the same material as the magnetization recording layer 10.
  • the magnetization fixed layer 30 is composed of a laminated body including a ferromagnetic layer 34, a nonmagnetic layer 31, and a ferromagnetic layer 33.
  • the magnetization fixed layer 30 is configured such that the ferromagnetic layers 33 and 34 are antiferromagnetically coupled and the magnetizations of the ferromagnetic layers 33 and 34 are antiparallel to each other.
  • the magnetizations of the two ferromagnetic layers 33 and 34 can be coupled antiparallel to each other. In this case, if the magnetizations of the two ferromagnetic layers 34 and 33 are substantially equal, the leakage magnetic field from the magnetization fixed layer 30 can be suppressed.
  • a material having a large TMR effect such as CoFe or CoFeB may be used for a part of the magnetization recording layer 10 and the magnetization fixed layer 30, particularly a part in contact with the tunnel barrier layer.
  • the magnetoresistive element 1 of the present embodiment is configured to support a write operation by a domain wall motion method. More specifically, the magnetization recording layer 10 of the magnetoresistive element 1 has a first magnetization fixed region 11 a, a second magnetization fixed region 11 b, and a magnetization switching region 13. The magnetization switching region 13 is formed so as to face the magnetization fixed layer 30. In other words, a part of the magnetization switching region 13 of the magnetization recording layer 10 is connected to the magnetization fixed layer 30 via the tunnel barrier layer 32.
  • the magnetizations of the first magnetization fixed region 11a and the second magnetization fixed region 11b are fixed in antiparallel directions.
  • “magnetization is fixed” means that the magnetization direction does not change before and after the write operation. That is, even if the magnetization direction of a part of the magnetization fixed region changes during the write operation, it returns to the original state after the write operation is completed.
  • the magnetization of the second magnetization fixed region 11b is reversed by an external magnetic field as will be described later.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is reversible and is the + Z direction or the ⁇ Z direction. That is, the magnetization of the magnetization switching region 13 is allowed to be parallel or antiparallel to the magnetization of the first pinned magnetic layer 34.
  • FIG. 3B when the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is in the ⁇ Z direction, the magnetization switching region 13 and the first magnetization fixed region 11a form one magnetic domain, and the second domain The magnetization fixed region 11b forms another magnetic domain. That is, a domain wall 12 is formed between the second magnetization fixed region 11 b and the magnetization switching region 13.
  • the magnetization switching region 13 forms one magnetic domain, and the first magnetization fixed region 11a and the second magnetization fixed region 11b form another magnetic domain. That is, a domain wall is formed between the first magnetization fixed region 11 a and the magnetization switching region 13.
  • the first magnetization fixed region 11 a and the second magnetization fixed region 11 b have a wider shape than the magnetization switching region 13. This is because a domain wall pin potential is formed at the boundary between the first and second magnetization fixed regions 11 a and 11 b and the magnetization switching region 13. Since the energy of the domain wall is substantially proportional to the width of the magnetization recording layer 10, the domain wall generated in the first and second magnetization fixed regions 11 a and 11 b easily moves to the magnetization switching region 13, whereas in the magnetization switching region 13 The generated domain wall hardly moves to the first and second magnetization fixed regions 11a and 11b.
  • the domain wall is pinned to the boundary between the magnetization switching region 13 and the first and second magnetization fixed regions 11a and 11b by a static magnetic field from a portion of the first and second magnetization fixed regions 11a and 11b protruding from the magnetization switching region 13. Stopped.
  • the pin potential can also be formed by providing a constricted portion 10 a in the magnetization recording layer 10.
  • Current supply terminals 14a and 14b for applying a write current are connected to the first magnetization fixed region 11a and the second magnetization fixed region 11b, respectively.
  • a domain wall is introduced between the current supply terminals 14a and 14b by the initialization operation described later, and is driven in accordance with the write current.
  • the portion where the tunnel barrier layer 32 and the magnetization fixed layer 30 are stacked to form the MTJ must include the portion between the current supply terminals 14 a and 14 b in the magnetization recording layer 10. This is because the direction of magnetization during this time changes as a result of the write operation.
  • the current supply terminals 14a and 14b may be either above or below the magnetization recording layer 10, and can be formed by a via formation process or a cueing process.
  • a via formation process typically, after forming a via hole in the interlayer insulating film, a metal layer is formed on the entire surface, and then the metal layer is CMP (chemical mechanical polishing) so that only the metal layer inside the via hole remains.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the via contact is formed by processing.
  • the cueing process forms an insulating film to be an interlayer insulating film after first patterning the connecting metal layer connected to the magnetic recording layer 10, and then the insulating film until the connecting metal layer is exposed by CMP or the like. Is done by shaving.
  • the current supply terminal is formed by a via formation process, and is referred to as a via contact instead of the current supply terminal.
  • the magnetoresistive element of the present embodiment includes a magnetization recording layer 10 that is a ferromagnetic layer, and is connected to a magnetization switching region 13 having magnetization that can be reversed, and a first boundary between the magnetization switching region 13.
  • the first magnetization fixed region 11a whose magnetization direction is fixed in the first direction and the second magnetization fixed region 11b connected to the second boundary of the magnetization switching region and whose magnetization direction is fixed in the second direction
  • the magnetization reversal facilitating structure 16 which is a structure in which the magnetization reversal is easier than other portions, is formed in a part of the second magnetization fixed region 11 b.
  • the magnetization of the magnetization reversal facilitating structure 16 is reversed before the magnetization of the other part of the second magnetization fixed region 11b when an external magnetic field is applied.
  • the magnetization reversal induces magnetization reversal in the other part of the second magnetization fixed region 11b.
  • the magnetization of the second magnetization fixed region 11b is more easily reversed than the magnetization of the first magnetization fixed region 11a. This characteristic is useful in the initialization of the magnetic recording layer 10 as will be described later.
  • a step is provided in the second magnetization fixed region 11b in both of the magnetoresistive element 1 in FIGS. 3A to 3C and the magnetoresistive element 1 in FIG. Function as.
  • the step is formed by partially etching the interlayer film 19 having the same height as the via upper surface in the step after forming the via contact 14 a and the second via contact 14 b and before forming the magnetic recording layer 10. And forming a recess.
  • the magnetic recording layer 10 has a shape that is recessed downward by the amount of this depression.
  • the step of the second magnetization fixed region 11b promotes the generation of magnetization reversal nuclei in the magnetization reversal of the second magnetization fixed region 11b. That is, in the second magnetization fixed region 11b, the stepped portion is reversed in magnetization by a small magnetic field.
  • FIG. 5 is a perspective view showing another structure of the magnetic recording layer 10 in the present embodiment.
  • a portion 17 of the second magnetization fixed region 11 b is thin, and this portion 17 functions as the magnetization reversal facilitating structure 16.
  • the structure shown in FIG. 5 is obtained by etching the portion 17 after the magnetic recording layer 10 is formed. Since the magnetic characteristics of the etched portion 17 are deteriorated, the magnetization of the portion 17 is easily reversed. Note that the etched portion 17 is not necessarily required to form a clear step as shown in FIG. 5, and the same effect can be obtained even if the surface has minute irregularities. Further, instead of etching, techniques such as ion implantation and oxidation may be used.
  • FIG. 6 is a plan view showing another structure of the magnetic recording layer 10 in the present embodiment.
  • an intentional roughness 18 is provided at the pattern boundary of the second magnetization fixed region 11 b, and this roughness 18 functions as the magnetization reversal facilitating structure 16. Since the roughness 18 also promotes the generation of magnetization reversal nuclei, the magnetization of the second magnetization fixed region 11b is easily reversed.
  • FIGS. 7A to 7D an initialization process of the magnetoresistive element 1 according to the present embodiment, that is, introduction of a domain wall will be described with reference to FIGS. 7A to 7D.
  • FIG. 7A to FIG. 7D it is assumed that the region where the magnetization reversal nuclei are easily generated is formed by the step 16. Further, it is assumed that the coercive force of the magnetization fixed layer 30 is sufficiently larger than the coercivity of the magnetization recording layer 10, and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 30 is not changed in the initialization process, and the illustration of the magnetization fixed layer 30 is omitted. Yes.
  • step S1 when a large magnetic field is first applied in the ⁇ Z direction, all magnetizations are directed in the ⁇ Z direction (step S1).
  • step S2 when the magnetic field in the + Z direction is gradually increased, as shown in FIG. 7B, the magnetization of the region of the step 16 in the second magnetization fixed region is partially reversed (step S2).
  • This reversal begins with the generation of magnetization reversal nuclei in a very small region, but this magnetization reversal nuclei rapidly propagates and the entire region of the step 16 is reversed in magnetization. In this state, a domain wall is formed at the boundary between the step 16 and the other portion of the second magnetization fixed region 11b.
  • the domain wall depins from the boundary, the domain wall propagates in the second magnetization fixed region 11 b, and the domain wall is in contact with the magnetization switching region 13 and the second domain. It is formed at the boundary of the magnetization fixed region 11b (step S3).
  • the domain wall depins and propagates to the magnetization switching region 13, and the magnetization switching region 13 and the second magnetization fixed region 11b are switched. Then, the domain wall is initialized to the boundary between the first magnetization fixed region 11a and the magnetization switching region 13 (step S4).
  • H N — STEP Magnetic field generated by magnetization reversal nuclei at the step H N: generating a magnetic field of the magnetization reversal nucleus in stepless magnetic recording layer
  • HP_STEP Propagation magnetic field of domain wall at step H P : Domain wall propagation magnetic field in a magnetic recording layer without a step
  • HD_STEP Depin magnetic field of the domain wall from the stepped portion to the portion without the stepped portion
  • HD_TO_REV Depin magnetic field of the domain wall from the magnetization fixed regions 11a and 11b to the magnetization switching region 13
  • HD_TO_PIN Depin magnetic field of the domain wall from the magnetization switching region 13 to the magnetization fixed regions 11a and 11b
  • the pin potential at the boundary between the magnetization switching region 13 and the magnetization fixed regions 11a and 11b is HD_TO_REV ⁇ HD_TO_PIN : Is formed so that
  • H N_STEP ⁇ H N is required.
  • magnetization reversal nuclei should not occur in areas without steps, H N> H P_STEP, H P , H D_STEP, H D_TO_REV, H D_TO_PIN is required.
  • the reversal nucleation magnetic field at the stepped portion, the propagation magnetic field, the depinning magnetic field from the stepped portion, and the magnitude of the propagation magnetic field at the stepless portion may be any combination in the present invention. It reaches the boundary between the inversion region 13 and the second magnetization fixed region 11b.
  • This maximum magnetic field H MAX MAX (H N_STEP, H P_STEP, H P, H D_STEP) It is defined as When this maximum magnetic field is larger than HD_TO_PIN , the domain wall jumps to step S3 and step S4 and enters the first magnetization fixed region 11a at once. Therefore, H D_TO_PIN > H MAX is required. Also, HD_TO_REV > H MAX If so, the domain wall can be held at the position of step S3.
  • H N H D_TO_REV > H MAX
  • H N H D_TO_PIN > H MAX Is required.
  • the applied magnetic field during the initialization operation is performed by sequentially applying two types of magnetic fields that satisfy the following conditions. H_STEP1 ⁇ -H_D_TO_PIN H MAX ⁇ H _STEP3 ⁇ H D_TO_REV or H MAX ⁇ H _STEP4 ⁇ H D_TO_PIN
  • steps S2 and S3 are performed simultaneously, or It should be noted that steps S2 to S4 may be performed simultaneously and initialization may be performed by applying a two-step magnetic field.
  • the magnetic field application direction is not limited to the Z direction, and may have a certain amount of X or Y component.
  • FIG. 8 shows the data writing principle for the structure shown in FIG.
  • Data writing is performed by a domain wall motion method using spin injection.
  • the write current flows in a plane in the magnetization recording layer 10, not in the direction penetrating the MTJ.
  • the write current is supplied to the magnetization recording layer 10 from the via contact 14a and the second via contact 14b.
  • the state in which the magnetization direction of the ferromagnetic layer 34 of the magnetization fixed layer 30 and the magnetization direction of the magnetization switching region 13 are parallel is associated with data “0”.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is the ⁇ Z direction, and the domain wall 12 exists at the boundary between the magnetization switching region 13 and the second magnetization fixed region 11 b.
  • the state where the magnetization directions of the magnetization switching region 13 and the ferromagnetic layer 34 are antiparallel is associated with the data “1”.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is the + Z direction, and the domain wall 12 exists at the boundary between the magnetization switching region 13 and the first magnetization fixed region 11 a.
  • the write current IW1 flows from the first magnetization fixed region 11a through the magnetization switching region 13 to the second magnetization fixed region 11b.
  • spin electrons are injected into the magnetization switching region 13 from the second magnetization fixed region 11b.
  • the spin of the injected electrons drives the domain wall at the boundary between the magnetization switching region 13 and the second magnetization fixed region 11b in the direction of the first magnetization fixed region 11a.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is switched to the + Z direction. That is, due to the spin transfer effect, the magnetization of the magnetization switching region 13 is reversed and the magnetization direction is changed to the + Z direction.
  • the write current IW2 flows from the second magnetization fixed region 11b to the first magnetization fixed region 11a through the magnetization switching region 13.
  • spin electrons are injected into the magnetization switching region 13 from the first magnetization fixed region 11a.
  • the magnetization of the magnetization switching region 13 is reversed and the magnetization direction is changed to the ⁇ Z direction.
  • the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is switched by the write currents IW1 and IW2 that flow in the magnetization recording layer 10 in a plane.
  • the first magnetization fixed region 11a and the second magnetization fixed region 11b serve as a supply source of electrons having different spins.
  • reading of data from the magnetoresistive element 1 is performed according to the following procedure.
  • a read current is supplied so as to flow between the magnetization fixed layer 30 and the magnetization switching region 13.
  • the read current flows from one of the magnetization fixed regions 11 a and 11 b to the ferromagnetic layer 34 of the magnetization fixed layer 30 via the magnetization switching region 13 and the tunnel barrier layer 32.
  • the read current flows from the ferromagnetic layer 34 of the magnetization fixed layer 30 via the tunnel barrier layer 32 and the magnetization switching region 13 to either of the magnetization fixed regions 11 a and 11 b.
  • the resistance value of the magnetoresistive element is detected, and the magnetization direction of the magnetization switching region 13 is sensed.
  • a region (step 16 in FIG. 8) in which magnetization reversal nuclei are easily formed is formed in the second magnetization fixed region 11b, but the write current and the read current do not pass through this region. In the writing and reading processes, the magnetization of this region does not change.
  • FIG. 9A is a plan view showing the structure of the magnetization recording layer 10 of the magnetoresistive element 1 according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 9B is a cross-sectional view showing the structure in the L1 cross section
  • FIG. It is sectional drawing which shows the structure in a cross section.
  • the magnetization recording layer 10 includes a first magnetization fixed region 11 a, a second magnetization fixed region 11 b, and a magnetization switching region 13.
  • the magnetization switching region 13 is a region coupled to a tunnel barrier layer and a magnetization fixed layer (both not shown) that form the MTJ.
  • a via contact 14 a, a second via contact 14 b, and fourth via contacts 14 c and 14 d are joined to the lower surface of the magnetization recording layer 10.
  • the via contacts 14a to 14d are formed by the same via formation process.
  • a via contact 14a is connected to the first magnetization fixed region 11a
  • a second via contact 14b and fourth via contacts 14c, 14d are connected to the second magnetization fixed region 11b.
  • At least one of the second via contact 14b and the fourth via contacts 14c and 14d (connected to the second magnetization fixed region 11b) and the via contact 14a (connected to the first magnetization fixed region 11a) are written Used as a current supply terminal for supplying current to the magnetization switching region 13.
  • the via contacts 14a to 14d are formed such that the upper surfaces thereof are lower than the upper surface of the interlayer film 19, and thereby the first contacts
  • a step is formed immediately above the via contacts 14a to 14d. This formed step functions as a structure that promotes magnetization reversal nucleation. Increasing the number of vias in the second magnetization fixed region 11b increases the probability that the magnetization of the second magnetization fixed region 11b is reversed. Therefore, the domain wall can be introduced and the domain wall position can be initialized by the initialization operation described above. become.
  • the via contact that is not used as the current supply terminal has a larger unevenness than the via contact that is used as the current supply terminal. It is preferable.
  • the generation of magnetization reversal nuclei can also occur in the first magnetization fixed region 11a. This is not preferable for performing initialization at a high yield.
  • FIG. 10A is a plan view showing the configuration of the magnetoresistive element 1 improved in this regard.
  • the first magnetization auxiliary region 21 a is provided in the magnetization recording layer 10 on the outer side of the first magnetization fixed region 11 a, that is, on the boundary different from that in contact with the magnetization switching region 13.
  • the width of the first magnetization auxiliary region 21a is narrower than the width of the first magnetization fixed region 11a, and a pin potential is formed at this boundary.
  • a first via contact 15a for supplying a write current is connected to the first magnetization auxiliary region 21a.
  • Another via contact for supplying a write current, the second via contact 14b, is provided so as to be connected to the second magnetization fixed region 11b.
  • the first via contact 15a and the second via contact 14b are formed by the same via formation process. As shown in FIG.
  • the second via contact 14b is intentionally formed such that a step is formed in the second magnetization fixed region 11b, and has a function of promoting the generation of magnetization switching nuclei.
  • two or more via contacts may be provided in the second magnetization fixed region 11b.
  • step S1 when a large magnetic field is first applied in the ⁇ Z direction, all magnetizations are directed in the ⁇ Z direction (step S1).
  • step S2 when the magnetic field in the + Z direction is gradually increased, as shown in FIG. 11B, the magnetization of the regions immediately above the vias provided in the first magnetization auxiliary region 21a and the second magnetization fixed region 11b. Is partially inverted (step S2).
  • This reversal initially begins with the creation of magnetization reversal nuclei in a very small area, but this magnetization reversal nuclei quickly propagates and the entire via region is reversed in magnetization.
  • a domain wall is formed at the boundary between the region having the via and the other magnetization recording layer.
  • the domain wall depins from the boundary, and the domain wall propagates in the first magnetization auxiliary region 21a and the second magnetization fixed region 11b.
  • Domain walls are formed at the boundary between the first magnetization auxiliary region 21a and the first magnetization fixed region and at the boundary between the magnetization switching region 13 and the second magnetization fixed region 11b (step S3).
  • the domain wall formed to strengthen the magnetization switching region 13 and the second magnetization fixed region 11b depins and propagates to the magnetization switching region 13.
  • step S4 the domain wall initialization is completed in step S3 or until step S4 may be determined in consideration of the magnitude of the depinning magnetic field as in the case of FIGS. 7A to 7D.
  • the domain wall is not only at the boundary between the magnetization switching region 13 and the first and second magnetization fixed regions 11a and 11b, but also at the boundary between the first magnetization auxiliary region 21a and the first magnetization fixed region 11a. Is also generated. The latter domain wall is also affected by the spin transfer effect during the write operation.
  • the depin threshold current from the first magnetization auxiliary region 21a to the first magnetization fixed region 11a is increased to move toward the first magnetization fixed region 11a during the write operation. It is necessary to design so as not to depin.
  • depinning toward the first magnetization assisting region 21a does not affect the writing and reading operations of this embodiment, and thus there is no need to provide a limit.
  • the step in the ⁇ Z direction is continued following step S3 or step S4.
  • the domain wall can be depinned toward the first magnetization auxiliary region 21a, and the magnetizations of the first magnetization fixed region 11a and the first magnetization auxiliary region 21a can be initialized in the same direction.
  • the configuration in which the first auxiliary magnetization region 21a illustrated in FIGS. 10A and 10B is added can surely initialize the domain wall as compared with the configuration illustrated in FIGS. 9A to 9C. There are advantages.
  • FIG. 12 is a plan view showing another configuration of the magnetoresistive element 1 for surely initializing the domain wall.
  • the second magnetization assisting region 21b in addition to the first magnetization assisting region 21a, the second magnetization assisting region 21b is provided outside the second magnetization fixed region 11b, that is, at a boundary different from the boundary in contact with the magnetization switching region 13. Yes.
  • the width of the second magnetization auxiliary region 21b is narrower than the width of the second magnetization fixed region 11b, and a pin potential is formed at this boundary.
  • the first via contact 15a and the third via contact 15b for supplying the write current are provided so as to be connected to the first magnetization auxiliary region 21a and the second magnetization auxiliary region 21b, respectively.
  • the second magnetization fixed region 11b is provided with one or more fourth via contacts 14c, 14d that are not connected to a current supply source, avoiding the write current path.
  • the fourth via contacts 14c and 14d are formed so that a step is intentionally formed in the second magnetization fixed region 11b, and thereby has a function of promoting the generation of magnetization reversal nuclei.
  • step S1 when a large magnetic field is first applied in the ⁇ Z direction, all the magnetizations are directed in the ⁇ Z direction (step S1).
  • step S2 when the magnetic field in the + Z direction is gradually increased, as shown in FIG. 13B, the first via contact 15a and the second magnetization auxiliary region 21b provided in the first magnetization auxiliary region 21a are provided.
  • step S2 The magnetizations of the third via contact 15b and the regions immediately above the via contacts 14c and 14d provided in the second magnetization fixed region 11b are partially reversed.
  • step S4 the domain wall initialization is completed in step S3 or until step S4 may be determined in consideration of the magnitude of the depinning magnetic field as in the case of FIGS. 7A to 7D.
  • the domain wall is not only the boundary between the magnetization switching region 13 and the first or second magnetization fixed region 11a, 11b, but also the first magnetization auxiliary region, as in the case of FIGS. 11A to 11D. It is also generated at the boundary between 21a and the first magnetization fixed region 11a. The influence of the latter domain wall can be removed as in the case of FIGS. 11A to 11D.
  • the fourth via contacts 14c and 14d for generating magnetization reversal nuclei in the second magnetization fixed region 11b are located off the write current path, but are on the write current path.
  • the first via contact 15a and the third via contact 15b are both located in the first and second magnetization auxiliary regions 21a and 21b. Therefore, even if magnetization reversal nuclei are generated or propagated by the write current, magnetization reversal can be suppressed in the first and second magnetization auxiliary regions 21a and 21b, and the first magnetization fixed region 11a, In addition, there is an advantage that it is guaranteed that the magnetization of the second magnetization fixed region 11b does not change.
  • FIG. 14A is a plan view showing a configuration of a magnetoresistive element 1 according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 14B is a cross-sectional view.
  • a separation metal layer 38 and a sense magnetic layer 39 are provided between the tunnel barrier layer 32 and the magnetization recording layer 10, and the separation metal layer 38, the sense magnetic layer 39, the tunnel barrier layer 32,
  • the stacked body including the magnetization fixed layer 30 is disposed at a position offset from the magnetization recording layer 10 in the Y direction.
  • the sense magnetic layer 39 is provided so that a part thereof faces the magnetization switching region 13, and the tunnel barrier layer 32 is provided on the sense magnetic layer 39.
  • the magnetization fixed layer 30 is provided on the tunnel barrier layer 32 so as to face the sense magnetic layer 39.
  • a magnetic material having in-plane magnetic anisotropy is used for both the sense magnetic layer 39 and the magnetization fixed layer 30. That is, the in-plane MTJ is formed by the magnetization fixed layer 30, the tunnel barrier layer 32, and the sense magnetic layer 39. In such a configuration, the leakage magnetic field from the magnetization recording layer 10 rotates the magnetization of the sense magnetic layer 39, so that the magnetization direction of the magnetization recording layer 10 is changed to the sense magnetic layer 39, the tunnel barrier layer 32, and the magnetization fixed layer.
  • the in-plane MTJ consisting of 30 can be read indirectly.
  • the initialization method, write method, and read method in this embodiment are the same as those in FIGS. It should be noted that the configuration for reading presented in this embodiment can be applied to both the first and second embodiments. Further, the tunnel barrier layer 32 and the magnetization fixed layer 30 may be provided below the magnetization recording layer 10.
  • the magnetoresistive element 1 of the first to third embodiments can be used by being integrated in an MRAM.
  • FIG. 15 is a conceptual diagram showing the configuration of such an MRAM.
  • the MRAM has a memory cell array 60 in which a plurality of memory cells 61 are arranged in a matrix. In each memory cell 61, a magnetoresistive element 1 and two select transistors TR1 and TR2 are integrated. One of the source / drain of the selection transistor TR1 is connected to the via contact 14a connected to the first magnetization fixed region 11a (or the first magnetization auxiliary region 21a), and the other is connected to the first bit line BL1.
  • One of the source / drain of the selection transistor TR2 is connected to the second via contact 14b of the second magnetization fixed region 11b (or the second magnetization auxiliary region 21b), and the other is connected to the second bit line BL2.
  • the gates of the selection transistors TR1 and TR2 are connected to the word line WL.
  • the magnetization fixed layer 30 of the magnetoresistive element 1 is connected to a ground line through wiring.
  • the word line WL is connected to the X selector 62.
  • the X selector 62 selects a word line WL corresponding to a target memory cell 61 (hereinafter referred to as “selected memory cell”) as a selected word line in writing / reading data.
  • the first bit line BL1 is connected to the Y-side current termination circuit 64, and the second bit line BL2 is connected to the Y selector 63.
  • the Y selector 63 selects the second bit line BL2 connected to the selected memory cell as the selected second bit line.
  • the Y-side current termination circuit 64 selects the first bit line BL1 connected to the selected memory cell as the selected first bit line.
  • the memory cell array 60 includes a reference cell 61r that is referred to when reading data, in addition to the memory cell 61 used for data recording.
  • the structure of the reference cell 61r is the same as that of the memory cell 61.
  • a first reference bit line BL1r and a second reference bit line BL2r are provided along the column of reference cells 61r.
  • the operation of the MRAM at the time of data writing is as follows:
  • the Y-side current source circuit 65 supplies or draws a predetermined write current (IW1, IW2) to the selected second bit line.
  • the Y-side power supply circuit 66 supplies a predetermined voltage to the Y-side current termination circuit 64 at the time of data writing.
  • the write currents (IW1, IW2) flow into or out of the Y selector 63.
  • These X selector 62, Y selector 63, Y side current termination circuit 64, Y side current source circuit 65, and Y side power supply circuit 66 are a write current supply circuit for supplying write currents IW 1 and IW 2 to the magnetoresistive element 1. Is configured.
  • the operation of the MRAM during data reading is as follows: the first bit line BL1 is set to “Open”.
  • the read current load circuit 67 supplies a predetermined read current to the selected second bit line.
  • the read current load circuit 67 supplies a predetermined current to the second reference bit line BL2r connected to the reference cell 61r corresponding to the selected word line.
  • the sense amplifier 68 determines the data stored in the selected memory cell from the potential difference between the second reference bit line BL2r and the selected second bit line, and outputs the data.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

　磁気抵抗素子が、強磁性層である磁化記録層を具備している。磁化記録層は、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域とを有する。第２磁化固定領域の一部に、他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造が少なくとも一つ形成されている。

Description

磁気抵抗素子、ＭＲＡＭ及び磁気抵抗素子の初期化方法

　本発明は、磁気抵抗素子及びそれをメモリセルに使用するＭＲＡＭ（magnetic random access memory）に関し、特に、磁壁移動型の磁気抵抗素子の初期化のための技術に関する。

　ＭＲＡＭは、高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果などの「磁気抵抗効果」を示す磁気抵抗素子が利用される。その磁気抵抗素子には、例えばトンネルバリヤ層が２層の強磁性層で挟まれた磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）が形成される。その２層の強磁性層のうちの１層は、磁化の向きが固定された磁化固定層（ピン層）であり、他の１層は、磁化の向きが反転可能な磁化自由層（フリー層）である。

　ピン層とフリー層の磁化の向きが“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭは、このＭＴＪを有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用い、その抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、反平行状態はデータ“１”に対応付けられ、平行状態はデータ“０”に対応付けられる。メモリセルに対するデータの書き込みは、磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行われる。

　ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方法として最も伝統的なものは、電流磁界によって磁化自由層の磁化を反転させる方法である。しかしながら、この書き込み方式では、メモリセルサイズにほぼ反比例して、磁化自由層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する。これは、高集積度のＭＲＡＭを提供するうえでは好ましくない。

　微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入（spin transfer）方式」が提案されている（例えば、特開２００５－９３４８８号公報（特許文献１））。スピン注入方式では、強磁性導体にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用によって磁化が反転する。この現象は、スピン注入磁化反転（Spin Transfer Magnetization Switching）と参照される。スピン注入方式による書き込みは、磁化自由層のサイズの減少と共に書き込み電流が減少するため、高集積度のＭＲＡＭを実現するのに適している。

　米国特許第６８３４００５号（特許文献２）には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁（domain wall）を利用して情報を記憶する。くびれ等により多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。

　このようなスピン注入による磁壁移動（Domain Wall Motion）を利用した「磁壁移動方式のＭＲＡＭ」が、特開２００５－１９１０３２号公報、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報（特許文献３、４）に記載されている。

　特開２００５－１９１０３２号公報に記載されたＭＲＡＭは、磁化が固定された磁化固定層と、磁化固定層上に積層されたトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層に積層された磁化記録層とを備える。磁化記録層には、磁化の向きが反転可能な部分と実質的に変化しない部分も含まれているため、磁化自由層ではなく、磁化記録層と呼ぶことにする。図１は、その磁化記録層の構造を示している。図１において、磁化記録層１００は、直線形状を有している。具体的には、磁化記録層１００は、トンネル絶縁層及び磁化固定層と重なる接合部１０３、接合部１０３の両端に隣接するくびれ部１０４、及びくびれ部１０４に隣接形成された一対の磁化固定部１０１、１０２を有する。一対の磁化固定部１０１、１０２には、互いに反対向きの固定磁化が付与されている。これらの磁化固定部の磁化は例えば反強磁性層を積層し、その交換バイアス磁界により固定される。更に、ＭＲＡＭは、一対の磁化固定部１０１、１０２に電気的に接続された一対の書き込み用端子１０５、１０６を備える。この書き込み用端子１０５、１０６により、磁化記録層１００の接合部１０３、一対のくびれ部１０４及び一対の磁化固定部１０１、１０２を貫通する書き込み電流が流れる。くびれ部１０４は磁壁に対するピンポテンシャルとしてはたらき、磁壁が左右どちらのくびれ部に存在するか、あるいは、接合部１０３の磁化方向によって情報が保持される。磁壁の移動の向きは書き込み電流の向きにより制御される。

　ＷＯ２００５／０６９３６８号公報に記載されたＭＲＡＭでは、ピンポテンシャルを形成する手段として段差が用いられている。図２はその磁化記録層の構造を示している。図２において、磁化記録層１００は厚さの異なる３つの領域からなっている。具体的には磁化記録層１００は最も厚い第１の磁化固定部１０１、次に厚い第２の磁化固定部１０２、及び、その間に配置された最も薄い接合部１０３から構成されている。図２では接合部１０３と磁化固定部１０１、及び、磁化固定部１０２の境界の段差がピンポテンシャルとして機能する。そのため、電流を印加することにより磁壁１１２は２つの段差の間を移動する。なお、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では膜面に垂直な異方性を有する磁性半導体が磁化記録層として用いられており、磁壁移動のための電流は０．３５ｍＡと小さい。接合部１０３には実際にはトンネル絶縁層及び磁化固定層が配置されるが図２には図示されていない。

　磁壁移動方式のＭＲＡＭでは、磁化記録層の２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする必要がある。例えば、適切な大きさの外部磁場を印加することにより、２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする工程を以下では、「初期化」と呼ぶ。特許文献３では、２つの磁化固定部の磁化方向を反平行にする方法については言及されていない。

　ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の保磁力差を利用して、成膜後に外部磁場により、初期化をすることを開示している。具体的には、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させることによって保磁力差をつけることを開示している。磁化は磁性層が厚いほど反転しにくくなるため、第２の磁化固定部１０２、及び、接合部１０３の磁化が反転し、第１の磁化固定部１０１の磁化が反転しないような磁界を印加することにより、磁壁を第１の磁化固定部１０１と接合部１０３の境界に導入することができる。

特開２００５－９３４８８号公報 米国特許第６８３４００５号 特開２００５－１９１０３２号公報 ＷＯ２００５／０６９３６８号公報

　しかしながら、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報のように、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させる構造を形成すると、工程数が増加し、コストが増加する原因になる。即ち、第１の磁化固定部１０１と第２の磁化固定部１０２の厚さを相違させるためには、異なる大きさの２つの段差を形成する必要がある。異なる２種類の段差を形成するためには、露光プロセスを２回繰り返す必要がある。これは工程数が増加することを意味する。

　さらに、ＷＯ２００５／０６９３６８号公報では、書込み中に磁壁が移動する接合部１０３の磁性層は、段差形成の際にエッチングダメージを受けることになる。エッチングダメージで生じた表面ラフネスは磁壁のピンニングの原因となる可能性があり、磁壁が安定して移動しない不良を引き起こす。

　したがって、本発明の目的は、電流駆動磁壁移動型の磁気抵抗素子において、工程数が少なく、磁壁移動の不良の生じない素子構造、及び、その構造に磁壁を導入し初期化する方法を提供することである。

　本発明の一の観点では、磁気抵抗素子が、強磁性層である磁化記録層を具備している。磁化記録層は、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域とを有している。第２磁化固定領域の一部には、他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造が少なくとも一つ形成されている。

　本発明の他の観点では、上記の磁気抵抗素子の初期化方法が提供される。当該初期化方法は、第１境界に位置する磁壁を第１磁化固定領域にデピンする磁界よりも大きく、第２境界に位置する磁壁を第２磁化固定領域にデピンする磁界よりも大きい第１磁界を磁化記録層に印加する工程と、磁化反転容易化構造における磁化反転核生成磁界、プロパゲーション磁界、及びデピン磁界、並びに第２磁化固定領域におけるプロパゲーション磁界よりも大きい第２磁界を第１磁界と反対方向に印加する工程とを備えている。

　本発明によれば、電流駆動磁壁移動型の磁気抵抗素子において、工程数が少なく、磁壁移動の不良の生じない素子構造、及び、その構造に磁壁を導入し初期化する方法を提供することができる。

図１は、従来の磁気抵抗素子の磁化記録層の構成を示す平面図である。 図２は、従来の磁気抵抗素子の磁化記録層の他の構成を示す斜視図である。 図３Ａは、本発明の第１の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。 図３Ｂは、図３Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。 図３Ｃは、図３Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。 図４は、第１の実施形態の磁気抵抗素子の他の構成を示す平面図である。 図５は、第１の実施形態の磁気抵抗素子の更に他の構成を示す斜視図である。 図６は、第１の実施形態の磁気抵抗素子の更に他の構成を示す平面図である。 図７Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ１を示す平面図である。 図７Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ２を示す平面図である。 図７Ｃは、第１の実施形態の磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ３を示す平面図である。 図７Ｄは、第１の実施形態の磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ４を示す平面図である。 図８は、第１の実施形態の磁気抵抗素子へのデータ書き込みの手順を示す断面図である。 図９Ａは、本発明の第２の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。 図９Ｂは、図９Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。 図９Ｃは、図９Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。 図１０Ａは、第２の実施形態の磁気抵抗素子の他の構成を示す平面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。 図１１Ａは、図１０Ａ、図１０Ｂに図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ１を示す平面図である。 図１１Ｂは、図１０Ａ、図１０Ｂに図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ２を示す平面図である。 図１１Ｃは、図１０Ａ、図１０Ｂに図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ３を示す平面図である。 図１１Ｄは、図１０Ａ、図１０Ｂに図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ４を示す平面図である。 図１２は、第２の実施形態の磁気抵抗素子の更に他の構成を示す平面図である。 図１３Ａは、図１２に図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ１を示す平面図である。 図１３Ｂは、図１２に図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ２を示す平面図である。 図１３Ｃは、図１２に図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ３を示す平面図である。 図１３Ｄは、図１２に図示されている磁気抵抗素子の初期化過程のステップＳ４を示す平面図である。 図１４Ａは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗素子の構成を示す平面図である。 図１４Ｂは、図１４Ａの磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。 図１５は、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの構成を示す概念図である。

　以下、添付図面を参照して、本発明の様々な実施形態について説明する。本発明は、磁気抵抗素子の磁気記録層が面内方向に磁化を有する場合、及び、垂直方向に磁化を有する場合のいずれにも適用可能であるが、以下では、垂直方向に磁化を有する磁気記録層を使用する場合について説明する。磁気抵抗素子の性能の向上のためには、垂直方向に磁化を有する磁気記録層を使用することが好適である。

第１の実施形態：

（磁気抵抗素子の構造）

　図３Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗素子１の構造を示す平面図であり、図３Ｂは、Ｌ１断面における断面図であり、図３Ｃは、Ｌ２断面における断面図である。図３Ａに示されているように、磁気抵抗素子１は、磁化記録層１０と、磁化固定層３０と、その間に設けられたトンネルバリヤ層３２とを備えている。トンネルバリヤ層３２は、非磁性の絶縁層であり、例えば、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜等の薄い絶縁膜で構成される。トンネルバリヤ層３２は、磁化記録層１０と磁化固定層３０に挟まれており、これら磁化記録層１０、トンネルバリヤ層３２、及び磁化固定層３０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

　磁化記録層１０は、基板面に垂直な方向の異方性（垂直磁気異方性）を持つ強磁性層である。磁化記録層１０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つ以上の材料を含む。さらに、磁化記録層１０がＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、磁化記録層１０にＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的には、磁化記録層１０の材料としては、Ｃｏ、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ、Ｃｏ－Ｐｔ－Ｃｒ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｂ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ－Ｂ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｂ、Ｃｏ－Ｖ、Ｃｏ－Ｍｏ、Ｃｏ－Ｗ、Ｃｏ－Ｔｉ、Ｃｏ－Ｒｕ、Ｃｏ－Ｒｈ、Ｆｅ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｐｄ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｐｔ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｐｄ、Ｓｍ－Ｃｏなどが挙げられる。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つの材料を含む層が、異なる層と積層された積層体は、垂直方向の磁気異方性を発現する磁化記録層１０として使用することができる。具体的にはＣｏ膜とＰｄ膜の積層体、Ｃｏ膜とＰｔ膜の積層体、Ｃｏ膜とＮｉ膜の積層体、Ｆｅ膜とＡｕ膜の積層体などが、磁化記録層１０として使用可能である。

　磁化固定層３０は、固定された磁化を有する強磁性層、又は、強磁性層と非磁性層の積層体で構成される。磁化固定層３０は、磁化記録層１０と同様に垂直磁気異方性を有している。加えて、磁化固定層３０は、その磁化の向きが、書込み、及び、読出し動作によって変化しないように構成される。このために、磁化固定層３０は、磁気異方性が磁化記録層１０よりも大きいように構成される。これは、磁化記録層１０と磁化固定層３０の材料、組成を適切に選択することにより実現可能である。また、磁化固定層３０の磁化の向きの固定は、磁化固定層３０のトンネルバリヤ層とは反対側の面に反強磁性体層（図示せず）を積層し、磁化をピン止めすることによっても実現可能である。磁化固定層３０も磁化記録層１０と同様な材料を用いて構成することができる。

　本実施形態では、図３Ｂに示されているように、磁化固定層３０は、強磁性層３４、非磁性層３１、強磁性層３３からなる積層体で構成されている。ここで、磁化固定層３０は、強磁性層３３、３４が反強磁性的に結合され、強磁性層３３、３４の磁化が互いに反平行になるように構成される。例えば、非磁性層３１としてＲｕ膜又はＣｕ膜を用い、その膜厚を適切に選択することにより、２つの強磁性層３３、３４の磁化を互いに反平行に結合することができる。この場合、２つの強磁性層３４、３３の磁化をほぼ等しくすれば、磁化固定層３０からの漏洩磁界を抑制することができる。

　また、磁化記録層１０及び磁化固定層３０の一部分、特にトンネルバリヤ層と接する部分にＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどＴＭＲ効果の大きな材料を用いても良い。

　本実施形態の磁気抵抗素子１は、磁壁移動方式による書き込み動作に対応するように構成されている。より具体的には、磁気抵抗素子１の磁化記録層１０が、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化反転領域１３を有している。磁化反転領域１３は、磁化固定層３０と対向するように形成されている。言い換えれば、磁化記録層１０の磁化反転領域１３の一部が、トンネルバリヤ層３２を介して磁化固定層３０に接続されている。

　後述する初期化動作により、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、互いに反平行な方向に固定される。尚、「磁化が固定されている」とは、書き込み動作の前後で磁化の方向が変わらないことを意味する。すなわち、書き込み動作中に、磁化固定領域の一部の磁化の方向が変化しても、書き込み動作終了後には元に戻る。また、初期化動作においては後述のように第２磁化固定領域１１ｂの磁化は外部磁界により反転する。

　一方、磁化反転領域１３の磁化の向きは反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは－Ｚ方向である。つまり、磁化反転領域１３の磁化は第１ピン磁性層３４の磁化と平行あるいは反平行になることが許される。図３Ｂに示されているように、磁化反転領域１３の磁化の向きが－Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａが１つの磁区（magnetic domain）を形成し、第２磁化固定領域１１ｂが別の磁区を形成する。つまり、第２磁化固定領域１１ｂと磁化反転領域１３の間に磁壁（domain wall）１２が形成される。一方、磁化反転領域１３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、磁化反転領域１３が１つの磁区を形成し、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂが別の磁区を形成する。つまり、第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の間に磁壁が形成される。

　第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂは磁化反転領域１３と比較して幅広い形状をしている。これは第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化反転領域１３との境界に磁壁のピンポテンシャルを形成するためである。磁壁のエネルギーは磁化記録層１０の幅にほぼ比例するので、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂに生じた磁壁は磁化反転領域１３に容易に移動するのに対し、磁化反転領域１３に生じた磁壁は第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂには移動しにくい。また、第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化反転領域１３からはみ出した部分からの静磁界により、磁壁は磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界にピン止めされる。図４で示されているように、ピンポテンシャルは磁化記録層１０にくびれ部１０ａを設けることにより形成することもできる。

　第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂには、書き込み電流を印加するための電流供給端子１４ａ、１４ｂがそれぞれに接続されている。後述の初期化動作によって磁壁が電流供給端子１４ａと１４ｂの間に導入され、書き込み電流に応じて駆動される。トンネルバリヤ層３２及び磁化固定層３０が積層されてＭＴＪを構成する部分は、磁化記録層１０のうち、電流供給端子１４ａと１４ｂの間の部分を含まなければならない。これは、書き込み動作の結果、この間の磁化の方向が変化するためである。

　電流供給端子１４ａ、１４ｂは磁化記録層１０の上下どちらにあってもよく、また、ビア形成プロセスや頭出しプロセスなどにより形成可能である。ビア形成プロセスは、典型的には、層間絶縁膜にビアホールを形成した後に金属層を全面に形成し、その後、ビアホールの内部の金属層のみが残存するように金属層をＣＭＰ（chemical mechanical polishing）等によって加工してビアコンタクトを形成することによって行われる。一方、頭出しプロセスは、磁化記録層１０に接続する接続金属層を先にパターニングした後で層間絶縁膜となる絶縁膜を形成し、その後、ＣＭＰなどによって接続金属層が露出されるまで絶縁膜を削ることによって行われる。以下、電流供給端子はビア形成プロセスにより形成されるとし、電流供給端子のかわりにビアコンタクトと呼ぶことにする。

　本実施形態の磁気抵抗素子は、強磁性層である磁化記録層１０を具備し、磁化記録層１０が反転可能な磁化を有する磁化反転領域１３と、磁化反転領域１３の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域１１ａと、磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域１１ｂとを有する磁気抵抗素子１とを有し、第２磁化固定領域１１ｂの一部に、他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造１６が形成されている構成とされる。この磁化反転容易化構造１６の磁化は、外部磁場の印加があると第２磁化固定領域１１ｂの他の部分の磁化よりも先に反転する。磁化反転容易化構造１６の磁化が反転すると、その磁化反転によって第２磁化固定領域１１ｂの他の部分の磁化反転が誘起される。これにより、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は、第１磁化固定領域１１ａの磁化よりも反転しやすくなる。この特性は、後述されるように、磁化記録層１０の初期化において有用である。

　本実施形態では、図３Ａ～図３Ｃの磁気抵抗素子１及び図４の磁気抵抗素子１のいずれにおいても、第２磁化固定領域１１ｂ内に段差が設けられ、この段差が磁化反転容易化構造１６として機能する。図３Ｃを参照すると、段差は、ビアコンタクト１４ａ、第２ビアコンタクト１４ｂを形成後、磁化記録層１０を成膜する前の工程において、ビア上面と同じ高さの層間膜１９を部分的にエッチングして窪みを形成することにより形成される。磁化記録層１０は、この窪みの分だけ下にへこむ形状となる。第２磁化固定領域１１ｂの段差は、第２磁化固定領域１１ｂの磁化反転において、磁化反転核の生成を促進する。すなわち、第２磁化固定領域１１ｂのうち、この段差の部分が、小さな磁界で磁化反転することになる。

　磁化反転容易化構造１６としては、他に以下のようなものが考えられる。図５は、本実施形態における磁化記録層１０の他の構造を示す斜視図である。図５においては第２磁化固定領域１１ｂの一部分１７が薄くなっており、この部分１７が、磁化反転容易化構造１６として機能する。図５の構造は、磁化記録層１０の成膜後、部分１７をエッチングすることによって得られる。エッチングされた部分１７の磁気特性は劣化するため、部分１７の磁化は反転しやすくなる。なお、エッチングされた部分１７は、必ずしも、図５に示したような明確な段差を形成する必要はなく、表面に微小な凹凸を有しているだけでも同様な効果を生じる。また、エッチングの変わりにイオン注入、酸化などの技術を用いてもよい。

　図６は、本実施形態における磁化記録層１０の他の構造を示す平面図である。図６においては第２磁化固定領域１１ｂのパターンの境界に意図的なラフネス１８が設けられ、このラフネス１８が磁化反転容易化構造１６として機能する。ラフネス１８も、やはり磁化反転核の生成を促進するため、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が反転しやすくなる。

　図５、図６いずれの場合も、第２磁化固定領域１１ｂにおいて磁化反転核の生成が促進され、磁化が反転しやすくなっている領域が書き込み電流の印加される経路からずれていることに注意されたい。これは電流印加に伴うジュール熱、電流磁界、スピントルク効果などにより、書込み中に反転核が形成されてしまうことを避けるためである。

（磁化固定領域の初期化）

　次に本実施形態の磁気抵抗素子１の初期化過程、すなわち磁壁導入について図７Ａ～図７Ｄを用いて説明する。図７Ａ～図７Ｄの麗では、磁化反転核が生成されやすい領域は段差１６により形成されているとする。また、磁化固定層３０の保磁力は磁化記録層１０の保磁力よりも十分大きく、磁化固定層３０の磁化方向は初期化過程で変化しないと仮定し、磁化固定層３０の図示を省略している。

　図７Ａに示されているように、最初に－Ｚ方向に大きな磁界を印加すると、全ての磁化は－Ｚ方向を向く（ステップＳ１）。次に＋Ｚ方向の磁界を徐々に大きくしていくと、図７Ｂに示されているように、第２磁化固定領域のうち段差１６の領域の磁化が部分的に反転する（ステップＳ２）。この反転は最初、非常に小さな領域における磁化反転核生成で始まるが、この磁化反転核は速やかにプロパゲートし、段差１６の領域全体が磁化反転する。この状態では段差１６と第２磁化固定領域１１ｂのそれ以外の部分の境界に磁壁が形成されることになる。さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、図７Ｃに示されているように、この磁壁は境界からデピンし、磁壁は第２磁化固定領域１１ｂ内をプロパゲートし、磁壁が磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界に形成される（ステップＳ３）。図７Ｄに示されているように、さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると磁壁はデピンし、磁化反転領域１３にまでプロパゲートしていき、磁化反転領域１３、及び、第２磁化固定領域１１ｂが反転し、磁壁が第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の境界に初期化される（ステップＳ４）。

　このように磁壁の導入、及び、磁壁位置の初期化がおこなわれるためには、磁化記録層の磁化反転特性に応じて、適切に印加磁界を設定する必要がある。説明のために、以下の磁界を定義する。

ＨＮ＿ＳＴＥＰ：　段差部分での磁化反転核の生成磁界

ＨＮ：　段差のない磁化記録層における磁化反転核の生成磁界

ＨＰ＿ＳＴＥＰ：　段差部分での磁壁のプロパゲーション磁界

ＨＰ：　段差のない磁化記録層における磁壁プロパゲーション磁界

ＨＤ＿ＳＴＥＰ：　段差部分から段差のない部分への磁壁のデピン磁界

ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ：　磁化固定領域１１ａ、１１ｂから磁化反転領域１３への磁壁のデピン磁界

ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ：　磁化反転領域１３から磁化固定領域１１ａ、１１ｂへの磁壁のデピン磁界

　また、前述のように磁化反転領域１３と磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界のピンポテンシャルは

　ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ＜ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ：

となるように形成されているとする。

　まず、最初に段差部分での磁化反転核が生じるために、

　ＨＮ＿ＳＴＥＰ＜ＨＮ

が必要である。次に、初期化動作において、段差のない領域で磁化反転核が生じてはいけないので、

　ＨＮ＞ＨＰ＿ＳＴＥＰ，ＨＰ，ＨＤ＿ＳＴＥＰ，ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ，ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ

が必要である。段差部分での反転核生成磁界、プロパゲーション磁界、段差部分からのデピン磁界、段差がない部分でのプロパゲーション磁界の大小は本発明ではどの組み合わせでもよく、このうちの最大磁界で、磁壁は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界にまで達する。この最大磁界を

　ＨＭＡＸ＝ＭＡＸ（ＨＮ＿ＳＴＥＰ，ＨＰ＿ＳＴＥＰ，ＨＰ，ＨＤ＿ＳＴＥＰ）

と定義する。この最大磁界がＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮよりも大きい場合、磁壁はステップＳ３、ステップＳ４を飛び越えて、一気に第１磁化固定領域１１ａまで侵入してしまう。従って、

　ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ＞ＨＭＡＸ

が必要である。また、

ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ＞ＨＭＡＸ

であれば、磁壁をステップＳ３の位置で留めることもできる。

　結局、ステップＳ３までの初期化動作で磁壁を初期化する場合は

ＨＮ＞ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ＞ＨＭＡＸ

が必要であり、また、ステップＳ４までの初期化動作で磁壁を初期化する場合は

ＨＮ＞ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ＞ＨＭＡＸ

が必要となる。それぞれの場合において、初期化動作時の印加磁界は下記の条件を満たす２種類の磁界をシーケンシャルに印加することによりおこなわれる。

　Ｈ＿ＳＴＥＰ１＜－Ｈ＿Ｄ＿ＴＯ＿ＰＩＮ

　ＨＭＡＸ＜Ｈ＿ＳＴＥＰ３＜ＨＤ＿ＴＯ＿ＲＥＶ又はＨＭＡＸ＜Ｈ＿ＳＴＥＰ４＜ＨＤ＿ＴＯ＿ＰＩＮ

　なお、図７Ａ～図７Ｄにおいては、原理の理解を容易にするため、３段階又は４段階の動作を示したが、実際の初期化プロセスにおいては、ステップＳ２、Ｓ３が同時に行われ、又は、ステップＳ２～Ｓ４が同時に行われ、２段階の磁界印加で初期化がおこなわれてもよいことに注意されたい。

　以上述べた初期化動作において磁界方向を全て反対方向に設定しても、所望の初期状態が得られることは言うまでもない。また、磁界印加方向はＺ方向だけでなく、ある程度のＸ、または、Ｙ成分を有していてもよい。

（書き込み、及び、読み出し動作）

　次に、磁気抵抗素子１に対するデータの書き込みについて説明する。

　図８は、図３で示された構造に対するデータの書込み原理を示している。データ書き込みは、スピン注入を利用した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、磁化記録層１０内を平面的に流れる。その書き込み電流は、ビアコンタクト１４ａ、第２ビアコンタクト１４ｂから磁化記録層１０に供給される。磁化固定層３０の強磁性層３４の磁化と磁化反転領域１３の磁化の向きが平行である状態が、データ“０”に対応付けられている。データ“０”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは－Ｚ方向であり、磁壁１２は磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に存在する。一方、磁化反転領域１３と強磁性層３４の磁化の向きが反平行である状態が、データ“１”に対応付けられている。データ“１”状態において、磁化反転領域１３の磁化の向きは＋Ｚ方向であり、磁壁１２は磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界に存在する。

　データ“１”の書き込み時には、書き込み電流ＩＷ１が、第１磁化固定領域１１ａから磁化反転領域１３を通って第２磁化固定領域１１ｂに流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第２磁化固定領域１１ｂ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、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界にある磁壁を第１磁化固定領域１１ａの方向に駆動する。その結果、磁化反転領域１３の磁化の向きは、＋Ｚ方向へスイッチする。つまり、スピントランスファー効果により、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが＋Ｚ方向に変わる。

　データ“０”の書き込み時には、書き込み電流ＩＷ２が、第２磁化固定領域１１ｂから磁化反転領域１３を通って第１磁化固定領域１１ａに流れる。この場合、磁化反転領域１３には、第１磁化固定領域１１ａからスピン電子が注入される。その結果、磁化反転領域１３の磁化が反転し、その磁化の向きが－Ｚ方向に変わる。このように、磁化記録層１０内を平面的に流れる書き込み電流ＩＷ１、ＩＷ２によって、磁化反転領域１３の磁化の方向がスイッチする。第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂ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。

　また、磁気抵抗素子１からのデータの読み出しは、以下の手順で行われる。データ読み出し時には、読み出し電流が磁化固定層３０と磁化反転領域１３との間を流れるように供給される。例えば、読み出し電流は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのいずれかから、磁化反転領域１３及びトンネルバリヤ層３２を経由して、磁化固定層３０の強磁性層３４へ流れる。あるいは、読み出し電流は、磁化固定層３０の強磁性層３４から、トンネルバリヤ層３２及び磁化反転領域１３を経由して、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのいずれかへ流れる。その読み出し電流あるいは読み出し電位に基づいて、磁気抵抗素子の抵抗値が検出され、磁化反転領域１３の磁化の向きがセンスされる。

　本実施形態では、第２磁化固定領域１１ｂには磁化反転核が形成されやすい領域（図８では、段差１６）が形成されているが、書き込み電流、及び、読み出し電流はこの領域を通過しないので、書き込み、読み出し過程において、この領域の磁化が変化することはない。

第２の実施形態：

　図９Ａは本発明の第２の実施形態の磁気抵抗素子１の磁化記録層１０の構造を示す平面図であり、図９Ｂは、Ｌ１断面における構造を示す断面図であり、図９Ｃは、Ｌ２断面における構造を示す断面図である。磁化記録層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂと、磁化反転領域１３から構成されている。上述のように、磁化反転領域１３とは、ＭＴＪを形成するトンネルバリヤ層、磁化固定層（共に図示せず）と結合される領域である。

　本実施形態では、磁化記録層１０の下面にビアコンタクト１４ａ、第２ビアコンタクト１４ｂ、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄが接合されている。ビアコンタクト１４ａ～１４ｄは、同一のビア形成プロセスで形成される。第１磁化固定領域１１ａにはビアコンタクト１４ａが、第２磁化固定領域１１ｂには第２ビアコンタクト１４ｂ、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄが接続されている。（第２磁化固定領域１１ｂに接続された）第２ビアコンタクト１４ｂ、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄの内の少なくとも一つと、（第１磁化固定領域１１ａに接続された）ビアコンタクト１４ａは、書き込み電流を磁化反転領域１３に供給するための電流供給端子として使用される。

　本実施形態においては、図９Ｂ、図９Ｃに示されているように、ビアコンタクト１４ａ～１４ｄは、その上面が層間膜１９の上面よりも低い位置になるように形成され、これにより、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの形成の際にビアコンタクト１４ａ～１４ｄの直上に段差が形成される。形成されたこの段差が磁化反転核生成を促進する構造として機能する。第２磁化固定領域１１ｂにおけるビアの数を増やすことにより、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が反転する確率が高まるため、前述の初期化動作により磁壁の導入、及び、磁壁位置の初期化が可能になる。本実施形態においては段差を形成するための特別な工程が必要ないので、プロセスが簡略化されるという長所がある。図９Ａ～図９Ｃの構造において、第２ビアコンタクト１４ｂ、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄのうち、電流供給端子として使用されないビアコンタクトは、電流供給端子として使用されるビアコンタクトよりも大きな凹凸を有していることが好ましい。

　ただし、図９Ａ～図９Ｃの構造では、磁化反転核の生成が第１磁化固定領域１１ａでも起こり得る。これは、高い歩留りで初期化をおこなうためには好ましくない。

　図１０Ａは、この点について改良された磁気抵抗素子１の構成を示す平面図である。本変形例において、磁化記録層１０のうち、第１磁化固定領域１１ａの外側、すなわち、磁化反転領域１３と接するのとは別の境界に第１磁化補助領域２１ａが設けられている。第１磁化補助領域２１ａの幅は第１磁化固定領域１１ａの幅よりも狭く、この境界にはピンポテンシャルが形成される。例えば、この幅を磁化反転領域１３の幅と等しく設計すれば、このピンポテンシャルにおける磁壁が第１磁化固定領域１１ａの方向にデピンするために必要な磁界と、磁化反転領域１３と第１磁化固定領域１１ａの境界の磁壁が第１磁化固定領域１１ａの境界にデピンするために必要な磁界はほぼ等しくなる。第１磁化補助領域２１ａには、書き込み電流を供給するための第１ビアコンタクト１５ａが接続される。書き込み電流を供給するためのもう一つのビアコンタクト、第２ビアコンタクト１４ｂは、第２磁化固定領域１１ｂに接続するように設けられる。第１ビアコンタクト１５ａと第２ビアコンタクト１４ｂとは、同一のビア形成プロセスによって形成される。図１０Ｂに示されているように、第２ビアコンタクト１４ｂは、意図的に第２磁化固定領域１１ｂに段差が形成されるように形成され、磁化反転核の生成を促進する機能をもつ。このとき、第２磁化固定領域１１ｂには２つ以上のビアコンタクトを設けても良い。

　次に、本実施形態の初期化過程、すなわち磁壁導入について、図１１Ａ～図１１Ｄを用いて説明する。図１１Ａに示されているように、最初に－Ｚ方向に大きな磁界を印加すると、全ての磁化は－Ｚ方向を向く（ステップＳ１）。次に＋Ｚ方向の磁界を徐々に大きくしていくと、図１１Ｂに示されているように、第１磁化補助領域２１ａ、及び、第２磁化固定領域１１ｂに設けられたビア直上の領域の磁化が部分的に反転する（ステップＳ２)。この反転は最初、非常に小さな領域における磁化反転核生成で始まるが、この磁化反転核は速やかにプロパゲートし、ビアの領域全体が磁化反転する。この状態ではビアのある領域とそれ以外の磁化記録層の境界に磁壁が形成されることになる。さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、図１１Ｃに示されているように、この磁壁は境界からデピンし、磁壁は第１磁化補助領域２１ａ、及び、第２磁化固定領域１１ｂ内をプロパゲートし、磁壁が第１磁化補助領域２１ａと第１磁化固定領域の境界、及び、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界に形成される（ステップＳ３）。さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、図１１Ｄに示されているように、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの強化に形成された磁壁はデピンし、磁化反転領域１３にまでプロパゲートしていき、磁化反転領域１３、及び、第２磁化固定領域１１ｂが反転し、磁壁が第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の境界に初期化される(ステップＳ４)。磁壁の初期化をステップＳ３で終えるか、ステップＳ４までおこなうかは、図７Ａ～図７Ｄの場合と同様に、デピン磁界の大きさを考慮して定めればよい。

　本実施形態の初期化動作においては、磁壁は磁化反転領域１３と第１及び第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界だけではなく、第１磁化補助領域２１ａと第１磁化固定領域１１ａの境界にも生成される。後者の磁壁も書き込み動作時に、スピントランスファー効果の影響をうける。磁化固定領域１３の磁化を不変に保つためには、第１磁化補助領域２１ａから第１磁化固定領域１１ａへのデピン閾値電流を大きくすることにより、書き込み動作時に第１磁化固定領域１１ａの側へデピンすることがないように設計しておく必要がある。逆に、第１磁化補助領域２１ａの側へのデピンは本実施形態の書き込み、読み出し動作に影響を与えないので、制限を設ける必要はない。なお、第１磁化固定領域１１ａから、第１磁化補助領域２１ａへのデピン磁界がビアコンタクト１４ａにおける磁化反転核生成磁界よりも小さい場合は、ステップＳ３、あるいは、ステップＳ４に引き続き、－Ｚ方向の磁界を印加することにより、磁壁を第１磁化補助領域２１ａの側にデピンさせ、第１磁化固定領域１１ａと第１磁化補助領域２１ａの磁化を同一方向に初期化することもできる。

　このように、図１０Ａ、１０Ｂにおいて図示されている第１磁化補助領域２１ａを付加した構成は、図９Ａ～図９Ｃで図示されている構成と比較して、確実に磁壁の初期化がおこなえるという長所がある。

　図１２は、確実に磁壁の初期化を行うための磁気抵抗素子１の他の構成を示す平面図である。図１２の構成においては、第１磁化補助領域２１ａに加えて、第２磁化固定領域１１ｂの外側、すなわち、磁化反転領域１３と接する境界と別の境界に第２磁化補助領域２１ｂが設けられている。第２磁化補助領域２１ｂの幅は第２磁化固定領域１１ｂの幅よりも狭く、この境界にはピンポテンシャルが形成される。書き込み電流を供給するための第１ビアコンタクト１５ａ、第３ビアコンタクト１５ｂは、それぞれ、第１磁化補助領域２１ａ及び第２磁化補助領域２１ｂに接続するように設けられる。また、第２磁化固定領域１１ｂには電流供給源と接続していない１つ以上の第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄが、書き込み電流の経路を避けて設けられている。これらの第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄは、第２磁化固定領域１１ｂに意図的に段差が形成されるように形成され、これにより、磁化反転核の生成を促進する機能をもつ。

　続いて、図１２の磁気抵抗素子１の初期化過程、すなわち磁壁導入について図１３Ａ～図１３Ｄを用いて説明する。図１３Ａに示されているように、最初に－Ｚ方向に大きな磁界を印加すると、全ての磁化は－Ｚ方向を向く（ステップＳ１）。次に＋Ｚ方向の磁界を徐々に大きくしていくと、図１３Ｂに示されているように、第１磁化補助領域２１ａに設けられた第１ビアコンタクト１５ａ、第２磁化補助領域２１ｂに設けられた第３ビアコンタクト１５ｂ、及び、第２磁化固定領域１１ｂに設けられたビアコンタクト１４ｃ、１４ｄの直上の領域の磁化が部分的に反転する（ステップＳ２)。この反転は最初、非常に小さな領域における磁化反転核生成で始まるが、この磁化反転核は速やかにプロパゲートし、第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄ、第１ビアコンタクト１５ａ、第３ビアコンタクト１５ｂの直上の領域全体の磁化が反転する。この状態ではビアコンタクト１４ｃ、１４ｄ、第１ビアコンタクト１５ａ、第３ビアコンタクト１５ｂのある領域と磁化記録層１０のそれ以外の領域との境界に磁壁が形成されることになる。図１３Ｃに示されているように、さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、この磁壁は境界からデピンし、磁壁は第１磁化補助領域２１ａ、第２磁化補助領域２１ｂ、及び、第２磁化固定領域１１ｂ内をプロパゲートし、磁壁が、第１磁化補助領域２１ａと第１磁化固定領域１１ａの境界、及び、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの境界に形成される（ステップＳ３）。さらに＋Ｚ方向の磁界を大きくすると、図１３Ｄに示されているように、磁化反転領域１３と第２磁化固定領域１１ｂの強化に形成された磁壁はデピンし、磁化反転領域１３にまでプロパゲートしていき、磁化反転領域１３、及び、第２磁化固定領域１１ｂが反転し、磁壁が第１磁化固定領域１１ａと磁化反転領域１３の境界に初期化される(ステップＳ４)。磁壁の初期化をステップＳ３で終えるか、ステップＳ４まで行うかは、図７Ａ～図７Ｄの場合と同様に、デピン磁界の大きさを考慮して定めればよい。

　本変形例の初期化動作においても、図１１Ａ～図１１Ｄの場合と同様に、磁壁は磁化反転領域１３と第１又は第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの境界だけではなく、第１磁化補助領域２１ａと第１磁化固定領域１１ａの境界にも生成される。後者の磁壁の影響を取り除くことが可能なのは図１１Ａ～図１１Ｄの場合と同様である。

　図１２の構成では、第２磁化固定領域１１ｂに磁化反転核を生成するための第４ビアコンタクト１４ｃ、１４ｄが書き込み電流の経路から外れて位置している一方で、書き込み電流の経路上にある第１ビアコンタクト１５ａ、第３ビアコンタクト１５ｂは、いずれも第１、及び、第２磁化補助領域２１ａ、２１ｂ内に位置している。そのため、仮に書き込み電流により磁化反転核の生成やプロパゲーションが生じても、磁化の反転を第１、及び、第２磁化補助領域２１ａ、２１ｂ内におさめることができ、第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化が変化しないことが保証されるという長所がある。

第３の実施形態：

　図１４Ａは、本発明の第３の実施形態の磁気抵抗素子１の構成を示す平面図であり、図１４Ｂは、断面図である。第３の実施形態では、トンネルバリヤ層３２と磁化記録層１０の間に、分離金属層３８及びセンス磁性層３９が設けられており、分離金属層３８、センス磁性層３９、トンネルバリヤ層３２、及び磁化固定層３０で構成される積層体は磁化記録層１０からＹ方向にオフセットした位置に配置されている。詳細には、センス磁性層３９は、その一部が磁化反転領域１３に対向するように設けられており、トンネルバリヤ層３２は、センス磁性層３９の上に設けられている。磁化固定層３０は、トンネルバリヤ層３２の上にセンス磁性層３９と対向するように設けられている。

　第３の実施形態では、センス磁性層３９及び磁化固定層３０共に面内磁気異方性を有する磁性材料が用いられる。即ち、磁化固定層３０、トンネルバリヤ層３２、及びセンス磁性層３９により、面内ＭＴＪが形成される。このような構成では、磁化記録層１０からの漏洩磁界がセンス磁性層３９の磁化を回転させることにより、磁化記録層１０の磁化方向をセンス磁性層３９、トンネルバリヤ層３２、及び、磁化固定層３０からなる面内ＭＴＪで間接的に読み出すことができる。本実施形態における初期化方法、書み込み方法、読み出し方法は図７、図８と同様である。また、本実施形態で提示されている読み出しのための構成は、第１及び第２の実施形態のいずれにも適用できることに留意されたい。また、トンネルバリヤ層３２、及び磁化固定層３０は、磁化記録層１０の下部に設けられても良い。

ＭＲＡＭへの集積化：

　第１乃至第３の実施形態の磁気抵抗素子１は、ＭＲＡＭに集積化されて使用され得る。図１５は、このようなＭＲＡＭの構成を示す概念図である。当該ＭＲＡＭは、複数のメモリセル６１がマトリックス状に配置されたメモリセルアレイ６０を有している。各メモリセル６１には、磁気抵抗素子１と、２つの選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２とが集積化されている。選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインの一方は、第１磁化固定領域１１ａ（又は第１磁化補助領域２１ａ）に接続されたビアコンタクト１４ａに接続され、他方は第１ビット線ＢＬ１に接続されている。選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインの一方は、第２磁化固定領域１１ｂ（又は第２磁化補助領域２１ｂ）の第２ビアコンタクト１４ｂに接続され、他方は第２ビット線ＢＬ２に接続されている。選択トランジスタＴＲ１、ＴＲ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。磁気抵抗素子１の磁化固定層３０は、配線を介して接地線に接続されている。

　ワード線ＷＬは、Ｘセレクタ６２に接続されている。Ｘセレクタ６２は、データの書き込み・読み出しにおいて、対象のメモリセル６１（以下、「選択メモリセル」という。）に対応するワード線ＷＬを選択ワード線として選択する。第１ビット線ＢＬ１はＹ側電流終端回路６４に接続されており、第２ビット線ＢＬ２はＹセレクタ６３に接続されている。Ｙセレクタ６３は、選択メモリセルにつながる第２ビット線ＢＬ２を選択第２ビット線として選択する。Ｙ側電流終端回路６４は、選択メモリセルにつながる第１ビット線ＢＬ１を選択第１ビット線として選択する。

　メモリセルアレイ６０は、データの記録に用いられるメモリセル６１に加え、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル６１ｒを含んでいる。リファレンスセル６１ｒの構造は、メモリセル６１と同じである。リファレンスセル６１ｒの列に沿って、第１リファレンスビット線ＢＬ１ｒ及び第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒが設けられている。

　データ書き込み時のＭＲＡＭの動作は、下記の通りである：Ｙ側電流源回路６５は、選択第２ビット線に対して所定の書き込み電流（ＩＷ１、ＩＷ２）の供給又は引き込みを行う。Ｙ側電源回路６６は、データ書き込み時、Ｙ側電流終端回路６４に所定の電圧を供給する。その結果、書き込み電流（ＩＷ１，ＩＷ２）は、Ｙセレクタ６３へ流れ込む、あるいは、Ｙセレクタ６３から流れ出す。これらＸセレクタ６２、Ｙセレクタ６３、Ｙ側電流終端回路６４、Ｙ側電流源回路６５、及びＹ側電源回路６６は、磁気抵抗素子１に書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ２を供給するための書き込み電流供給回路を構成している。

　一方、データ読み出し時のＭＲＡＭの動作は下記の通りである：第１ビット線ＢＬ１は“Ｏｐｅｎ”に設定される。読み出し電流負荷回路６７は、選択第２ビット線に所定の読み出し電流を流す。また、読み出し電流負荷回路６７は、選択ワード線に対応するリファレンスセル６１ｒにつながる第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒに所定の電流を流す。センスアンプ６８は、第２リファレンスビット線ＢＬ２ｒの電位と選択第２ビット線の電位差から選択メモリセルに記憶されているデータを判別し、そのデータを出力する。

　以上には本発明の実施形態が様々に記載されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２００８年１０月２０日に出願された特許出願番号２００８－２７０００２号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。

Claims (19)


  1. 　強磁性層である磁化記録層を具備し、

    　前記磁化記録層は、

    　　反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、

    　　前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、

    　　前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域

    とを有し、

    　前記第２磁化固定領域の一部に、他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造が少なくとも一つ形成されている

    　磁気抵抗素子。

  2. 　請求の範囲１に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記磁化反転容易化構造が、前記第２磁化固定領域に形成された段差である

    　磁気抵抗素子。

  3. 　請求の範囲２に記載の磁気抵抗素子であって、

    　更に、

    　層間膜と、

    　第２ビアコンタクト

    とを備え、

    　前記磁化記録層は、前記層間膜の上に形成され、

    　前記第２ビアコンタクトは、前記層間膜を貫通して前記第２磁化固定領域に接続され、

    　前記第２ビアコンタクトの上面は、前記層間膜の上面よりも低い位置にあり、

    　前記段差は、前記第２ビアコンタクトの直上に形成される

    　磁気抵抗素子。

  4. 　請求の範囲３に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記磁化記録層は、更に、前記第１磁化固定領域に接して設けられ、前記第１磁化固定領域との境界にピンポテンシャルが形成される第１磁化補助領域を有し、

    　当該磁気抵抗素子は、更に、前記第２ビアコンタクトと同一のビア形成プロセスによって形成された、前記層間膜を貫通して前記第１磁化補助領域に接続される第１ビアコンタクトを有しており、

    　前記磁化記録層に供給される書き込み電流は、前記第１ビアコンタクトを介して前記磁化記録層に供給される

    　磁気抵抗素子。

  5. 　請求の範囲４に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記第１磁化固定領域と前記第１磁化補助領域の境界において、前記第１磁化補助領域の幅が前記第１磁化固定領域の幅よりも狭い

    　磁気抵抗素子。

  6. 　請求の範囲４又は５に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記磁化記録層に供給される書き込み電流が、前記第２ビアコンタクトを介して前記磁化記録層に供給される

    　磁気抵抗素子。

  7. 　請求の範囲３から５のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記磁化記録層は、更に、前記第２磁化固定領域に接して設けられ、前記第２磁化固定領域との境界にピンポテンシャルが形成される第２磁化補助領域を有し、

    　当該磁気抵抗素子は、更に、前記第２ビアコンタクトと同一のビア形成プロセスによって形成された、前記層間膜を貫通して前記第２磁化補助領域に接続される第３ビアコンタクトを有しており、

    　前記磁化記録層に供給される書き込み電流は、前記第３ビアコンタクトを介して前記磁化記録層に供給される

    　磁気抵抗素子。

  8. 　請求の範囲７に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記第２磁化固定領域と前記第２磁化補助領域の境界において、前記第２磁化補助領域の幅が前記第２磁化固定領域の幅よりも狭い

    　磁気抵抗素子。

  9. 　請求の範囲３から８のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記第２磁化固定領域の一部に、他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造が複数形成され、前記段差以外の磁化反転容易化構造は、書き込み電流の経路から外れて形成されている

    　磁気抵抗素子。

  10. 　請求の範囲９に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記少なくとも一つの磁化反転容易化構造以外の磁化反転容易化構造は、前記第２ビアコンタクトと同一プロセスによって形成された第４ビアコンタクトを含む

    　磁気抵抗素子。

  11. 　請求の範囲９又は１０に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記段差以外の磁化反転容易化構造は、前記段差よりも大きな凹凸を有する

    　磁気抵抗素子。

  12. 　請求の範囲１から１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記磁化反転容易化構造が前記第２磁化固定領域の端面のラフネスである

    　磁気抵抗素子。

  13. 　請求の範囲１から１２のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、

    　前記磁化反転領域と前記第１磁化固定領域の境界において、前記磁化反転領域の幅が前記第１磁化固定領域の幅よりも狭く、

    　前記磁化反転領域と前記第２磁化固定領域の境界において、前記磁化反転領域の幅が前記第２磁化固定領域の幅よりも狭い

    　磁気抵抗素子。

  14. 　請求の範囲１から１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、

    　更に、

    　前記磁化反転領域に対向するように形成された磁化固定層と、

    　前記磁化固定層と前記磁化反転領域との間に設けられたトンネルバリヤ層

    とを具備し、

    　前記磁化記録層と前記磁化固定層が、いずれも、垂直磁気異方性を有している

    　磁気抵抗素子。

  15. 　請求の範囲１から１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子であって、

    　更に、

    　前記磁化反転領域に少なくとも部分的に対向するセンス磁性層と、

    　前記センス磁性層の上に設けられたとトンネルバリヤ層と、

    　前記トンネルバリヤ層の上に設けられた磁化固定層

    とを具備し、

    　前記磁化記録層が垂直磁気異方性を有しており、

    　前記センス磁性層及び前記磁化固定層が面内の磁気異方性を有している

    　磁気抵抗素子。

  16. 　それぞれが、請求の範囲１から１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子を備える複数のメモリセルを具備する

    　ＭＲＡＭ。

  17. 　強磁性層である磁化記録層を具備し、前記磁化記録層が、反転可能な磁化を有する磁化反転領域と、前記磁化反転領域の第１境界に接続され、磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、前記磁化反転領域の第２境界に接続され、磁化の向きが第２方向に固定された第２磁化固定領域とを有する磁気抵抗素子の初期化方法であって、

    　前記第１境界に位置する磁壁を前記第１磁化固定領域にデピンする磁界よりも大きく、前記第２境界に位置する磁壁を前記第２磁化固定領域にデピンする磁界よりも大きい第１磁界を前記磁化記録層に印加する工程と、

    　前記第２磁化固定領域の一部に設けられ、他の部分よりも磁化反転しやすい構造である磁化反転容易化構造における磁化反転核生成磁界、プロパゲーション磁界、及びデピン磁界、並びに前記第２磁化固定領域におけるプロパゲーション磁界よりも大きい第２磁界を前記第１磁界と反対方向に印加する工程

    とを備える

    　磁気抵抗素子の初期化方法。

  18. 　請求の範囲１７に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、

    　前記第２磁界が、前記第１境界に位置する磁壁を前記第１磁化固定領域にデピンするための磁界より小さく、前記第２境界に位置する磁壁を前記第２磁化固定領域にデピンするための磁界より小さい

    　磁気抵抗素子の初期化方法。

  19. 　請求の範囲１８に記載の磁気抵抗素子の初期化方法であって、

    　前記第２磁界が、前記第１境界に位置する磁壁を前記磁化反転領域にデピンするための磁界より小さく、前記第２境界に位置する磁壁を前記磁化反転領域にデピンするための磁界より小さい

    　磁気抵抗素子の初期化方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI503819B (zh) * 2011-06-24 2015-10-11 Micron Technology Inc 具有對稱切換及單一方向程式化之自旋轉矩轉移記憶體單元結構
JPWO2014065049A1 (ja) * 2012-10-25 2016-09-08 日本電気株式会社 磁壁移動型メモリセル及びその初期化処理方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5786341B2 (ja) 2010-09-06 2015-09-30 ソニー株式会社 記憶素子、メモリ装置
KR20130093394A (ko) 2012-02-14 2013-08-22 삼성전자주식회사 멀티 모드 스위칭 전류를 사용하여 기입 동작을 수행하는 저항성 메모리 장치, 이를 포함하는 메모리 시스템 및 저항성 메모리 장치의 데이터 기입 방법
KR101997079B1 (ko) 2012-07-26 2019-07-08 삼성전자주식회사 가변 저항 메모리를 포함하는 저장 장치 및 그것의 동작 방법
US8923039B2 (en) 2012-11-06 2014-12-30 International Business Machines Corporation Multiple bit nonvolatile memory based on current induced domain wall motion in a nanowire magnetic tunnel junction
US9431600B2 (en) 2014-10-06 2016-08-30 International Business Machines Corporation Magnetic domain wall shift register memory devices with high magnetoresistance ratio structures
CN108292702B (zh) 2015-11-27 2022-01-28 Tdk株式会社 磁阻效应元件、磁存储器、磁化反转方法及自旋流磁化反转元件

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005150303A (ja) * 2003-11-13 2005-06-09 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
WO2005069368A1 (ja) * 2004-01-15 2005-07-28 Japan Science And Technology Agency 電流注入磁壁移動素子
WO2007119748A1 (ja) * 2006-04-11 2007-10-25 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法
JP2007324172A (ja) * 2006-05-30 2007-12-13 Fujitsu Ltd 磁気メモリ装置及びその製造方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6834005B1 (en) 2003-06-10 2004-12-21 International Business Machines Corporation Shiftable magnetic shift register and method of using the same
JP2005093488A (ja) 2003-09-12 2005-04-07 Sony Corp 磁気抵抗効果素子とその製造方法、および磁気メモリ装置とその製造方法
JP4413603B2 (ja) 2003-12-24 2010-02-10 株式会社東芝 磁気記憶装置及び磁気情報の書込み方法
JP4575181B2 (ja) * 2005-01-28 2010-11-04 株式会社東芝 スピン注入磁気ランダムアクセスメモリ

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005150303A (ja) * 2003-11-13 2005-06-09 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
WO2005069368A1 (ja) * 2004-01-15 2005-07-28 Japan Science And Technology Agency 電流注入磁壁移動素子
WO2007119748A1 (ja) * 2006-04-11 2007-10-25 Nec Corporation 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法
JP2007324172A (ja) * 2006-05-30 2007-12-13 Fujitsu Ltd 磁気メモリ装置及びその製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI503819B (zh) * 2011-06-24 2015-10-11 Micron Technology Inc 具有對稱切換及單一方向程式化之自旋轉矩轉移記憶體單元結構
JPWO2014065049A1 (ja) * 2012-10-25 2016-09-08 日本電気株式会社 磁壁移動型メモリセル及びその初期化処理方法

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