JP2007173597A - 磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
【課題】 磁化反転に必要な電流量を低減可能な磁気メモリを提供する。
【解決手段】 磁界アシストがない場合のスピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は５×１０７Ａ／ｃｍ２であるが、磁界アシストをスピン注入と同時に用いた場合にはスピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は２．５×１０７Ａ／ｃｍ２となり、さらに磁気ヨークを用いた場合には、スピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は５×１０６Ａ／ｃｍ２となった。すなわち、磁気ヨークと磁界アシストを用いたスピン注入磁化反転型の磁気メモリの書き込み電流の大きさは、磁界アシストがない場合の書き込み電流の１／１０、磁界アシストがあって磁気ヨークがない場合の書き込み電流の１／５に低減することができた。
【選択図】 図１
【解決手段】 磁界アシストがない場合のスピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は５×１０７Ａ／ｃｍ２であるが、磁界アシストをスピン注入と同時に用いた場合にはスピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は２．５×１０７Ａ／ｃｍ２となり、さらに磁気ヨークを用いた場合には、スピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は５×１０６Ａ／ｃｍ２となった。すなわち、磁気ヨークと磁界アシストを用いたスピン注入磁化反転型の磁気メモリの書き込み電流の大きさは、磁界アシストがない場合の書き込み電流の１／１０、磁界アシストがあって磁気ヨークがない場合の書き込み電流の１／５に低減することができた。
【選択図】 図１
Description
本発明は、磁気メモリに関する。
現在、コンピュータや通信機器などの情報処理装置に用いられている汎用メモリとしてはＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどの揮発性メモリが使用されている。しかしながら、ＤＲＡＭなどの揮発性メモリでは、記憶を保持するためにリフレッシュを行うなど、絶えず電流を供給しておく必要が有り、また、電源を切った場合、全ての情報が失われる。そのため、情報を記憶する手段、すなわち、不揮発性のメモリを別に設ける必要が有り、フラッシュＥＥＰＲＯＭやハードディスク装置などが現在用いられている。これら不揮発性メモリにおいては情報処理の高速化に伴ってアクセスの高速化が重要な課題となっている。
しかしながら、これらの不揮発性メモリはアクセス速度、信頼性、消費電力などの点で、いまだ不十分である。
さらに携帯情報機器の急速な普及および高性能化にともない、いつでも何処でも情報処理が行える、いわゆるユビキタスコンピューティングを目指した情報機器の開発が急速に進められている。この様な機器の開発におけるキーデバイスとして、信頼性の高い高速、大容量不揮発メモリの開発が強く求められている。
不揮発メモリの高速化に有効な技術としては、強磁性体層の磁化容易軸に沿った磁化の方向によって情報を記憶する磁性薄膜素子が、マトリックス状に配列されたＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が有望視されている。ＭＲＡＭでは２つの強磁性体の、磁化の向きによって情報を記憶する。微小な強磁性体の磁化反転速度は２ｎｓｅｃ以下と言われており、高速メモリとしての可能性がある。記憶情報の読み出しには、基準の磁化の向きに対して、感磁層の磁化の向きが、平行化か反並行かによる抵抗変化が生じるのを電流または電圧の変化として検出する。
ＭＲＡＭには、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ；Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を用いるものがある。ＧＭＲ効果を用いたＭＲＡＭとしては、特許文献１に示されたものが知られている。ＧＭＲ効果とは、磁化容易軸に平行な２つの磁性層の磁化方向が平行な場合に抵抗値が最小になり、反平行の場合最大になる現象である。ＧＭＲ効果を用いたＭＲＡＭには２つの強磁性体の保持力の差を利用して情報を書き込み／読み出しをおこなうＰｓｅｕｄｏ ｓｐｉｎ ｖａｌｖｅ型、非磁性層を挟んで反強磁性層との反強磁性結合により磁化方向を固定し固定層と外部磁界により磁化方向が変わる自由層をもったＳｐｉｎ Ｖａｌｖｅ型がある。
ＧＭＲ効果を用いたＭＲＡＭでは抵抗値の変化を電流値または電圧値の変化により読み取る。また、いずれの場合も情報を書き込むためには、配線を流れる電流による誘導磁界（電流磁界）により磁性層の磁化方向を反転させる方法が取られている。
ＧＭＲでの抵抗変化をさらに改善するために、強磁性トンネル（ＴＭＲ；Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用したＭＲＡＭが提案されている。ＴＭＲ効果は、薄い絶縁層を挟んだ２つの強磁性層間の、磁化方向の相対角度により絶縁層を介して流れるトンネル電流が変化する現象である。磁化方向が平行な場合に抵抗値が最小になり、反平行の場合最大になる。ＴＭＲでは例えばＣｏＦｅ／Ａｌ酸化物／ＣｏＦｅにおいて抵抗変化率４０％以上と大きく、また抵抗値が高いため、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体デバイスと組み合わせた場合のインピダンスマッチングが取りやすい。そのため、ＧＭＲと比較して高出力化が容易で、記憶容量やアクセス速度の向上が期待されている。ＴＭＲ効果を用いたＭＲＡＭは、特許文献２及び特許文献３に記載されている。
ＴＭＲ効果を用いたＭＲＡＭでは、配線の電流磁界により、磁性膜の磁化方向を所定の方向に変化させて情報を記憶する方法が取られている。記憶された情報の読み出しには、絶縁層に垂直な方向に電流を流し、薄膜磁性素子の抵抗値の変化を検出することによって情報を読み出す方法が取られている。
多くのＭＲＡＭは、格子状に配線されたビット線とワード線の交点にＴＭＲ素子を配置した構造を有する。通常のＴＭＲ素子は、２つの強磁性層間に非磁性層を有する強磁性層／非磁性絶縁層／強磁性層の三層構造からなる。強磁性層は、通常は厚さ１０ｎｍ以下の遷移金属磁性元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）又は遷移金属磁性元素の合金（ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＮｉＦｅ等）からなり、非磁性絶縁層は、Ａｌ２Ｏ３やＭｇＯ等からなる。
ＴＭＲ素子を構成する一方の強磁性層（固定層）は、磁化の向きを固定しており、他方の強磁性層（感磁層又は自由層）は磁化の向きが外部磁界に応じて回転する。なお、固定層の構造としては、反強磁性層（ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等）を一方の強磁性層に付与した交換結合型が良く用いられる。
メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子を構成する２つの強磁性体の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか、反平行であるかに依存して規定される。これら２つの強磁性体の磁化の向きが反平行の時、磁化の向きが平行の時に比べて、厚み方向の電気抵抗の値が大きい。
したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子の厚み方向に電流を流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子の抵抗値又は電流値を測定することで行う。
「１」、「０」の情報の書き込みは、ＴＭＲ素子近傍に配置した配線に電流を流すことで形成される磁界の作用によって、ＴＭＲ素子の感磁層の磁化の向きを回転させることで行うことが、従来、行われている。
素子を高集積化して高密度のメモリの実現を図る場合、磁気抵抗効果素子の微小化に伴って磁性層の長さと厚みの比率が小さくなることにより、反磁界が増大し、磁性体の磁化方向を変えるための磁界強度が増大し、大きな書き込み電流が必要となる。
書き込み電流を低減するため、感磁層の磁化方向を情報の「１」、「０」に対応するように変える書き込み動作において、磁性体に磁界を印加することによる磁化反転方法の他、スピン偏極電流によるスピントランスファートルクを用いたスピン注入磁化反転が知られている。
情報の読み出し方法としては各セルに読み出し選択トランジスタを設け、選択セルの読み出しトランジスタのみを導通状態にして、選択セルの磁気抵抗効果素子の抵抗を読み取る方式が一般的である。
スピントランスファートルクとは、一方の強磁性体から非磁性層を介して他方の強磁性体に電流を流した場合、他方の強磁性体の磁化方向を変えようとするトルクである。したがって、注入電流のスピンの向きを制御すれば、他方の磁性体の磁化の向きを変更することが可能とされている。
例えば、微小な強磁性層／非磁性層／強磁性層からなる積層体の膜面に垂直な方向に電流を流すと強磁性体の磁化反転が生じる。この現象はスピン注入磁化反転と呼ばれており、強磁性層と非磁性層との接合面において上向きスピン（アップスピン）の電子と下向きスピン（ダウンスピン）の電子のエネルギー状態が異なるため、アップスピンおよびダウンスピンの電子の透過率や反射率が異なりスピン分極電流が流れる。
強磁性層に流れ込んだスピン分極電流のスピン偏極電子は強磁性層の電子と交換相互作用をして電子間にトルクが発生し磁化反転が生じる。これはオープンな電流磁界による磁化反転とは異なり、磁性体内部の電流により磁化反転がおきるため、隣接セルへの影響が小さく、素子の微小化に伴って書き込み電流が増大しにくく、逆に微小化により書き込み電流を減少させることができる。したがって、情報を記録する方法としてスピン注入磁化反転を用いることにより、高密度の磁気メモリを実現することができる。
スピントランスファートルクを利用して、強磁性体の磁化の向きを変える方法としては、（Ｉ）緩和スイッチ（Ｒｅｌａｘｉｎｇ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）法、（ＩＩ）歳差スイッチ（Ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎａｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）法、（ＩＩＩ）緩和歳差スイッチ（Ｒｅｌａｘｉｎｇ−Ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎａｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）法などが知られている。
緩和スイッチ法では、感磁層の磁化の向きを、固定層からのスピントランスファートルクで制御するが、固定層の磁化の向きは膜面内にあり、感磁層の磁化容易軸と平行である。したがって、感磁層の磁化の向きを反転させる場合、反転の初期段階において、スピントランスファートルクと、磁化を有効磁界方向に向けようとするＳｐｉｎ Ｒｅｌａｘｉｎｇが競合する。また、固定層の磁化の向きと感磁層の磁化の向きが平行に近い反転の初期段階では、スピントランスファートルクが小さいため、反転に時間を要する。すなわち、緩和スイッチ法では、これらの力に抗しながら平衡状態へ徐々に磁化の向きを変更させていくので、磁化の向きを反転させるためには、大きな電流が必要となる。磁化反転に必要なスピントランスファートルクの大きさはＬＬＧ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式に含まれるギルバート減衰定数に比例する。
歳差スイッチ法では、感磁層の磁化の向きを、固定層からのスピントランスファートルクで制御するが、固定層の磁化の向きは、膜面に対して垂直方向であり、感磁層の磁化容易軸に対して垂直である。スピントランスファートルクによって、感磁層の磁化の向きが、膜面に対して垂直成分を持ち、その反磁界によって、膜面内方向に回転を始める。スピントランスファートルクは、感磁層の磁化が面内で回転しても一定であるため、短時間で磁化反転が可能である。しかしながら、スピントランスファートルクは、感磁層の磁化反転後においても電流が流れている限り作用するため、電流の通電時間によっては感磁層の磁化が再反転してしまう。したがって、この方法では、非常に精密な電流の時間制御が要求される。
そこで考えられた緩和歳差スイッチ法は、歳差スイッチ法において、外部磁界を感磁層の磁化困難軸方向に印加する。この場合、歳差スイッチ法で要求された電流の精緻な時間制御を必要としないが、スピントランスファートルクの精密な制御が必要とされる。
このような磁気メモリは、例えば、下記非特許文献１、非特許文献２に記載されている。
米国特許５，３４３，４２２号明細書
米国特許５，６２９，９２号明細書
特開平９−９１９４９号公報
Ｗ．Ｃ． Ｊｅｏｎｇ， Ｊ．Ｈ．Ｐａｒｋ， Ｊ．Ｈ．Ｏｈ， Ｇ．Ｔ．Ｊｅｏｎｇ， Ｈ．Ｓ． Ｊｅｏｎｇ ａｎｄ Ｋｉｎａｍ Ｋｉｍ、 ″Ｈｉｇｈｌｙ ｓｃａｌａｂｌｅ ＭＲＡＭ ｕｓｉｎｇ ｆｉｌｅｄ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｕｒｅｎｔ ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ″、Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ， ｐ．１８４−１８５， ２００５
森瀬博史、中村志保″第２９回日本磁気学会学術講演概要集″、Ｐ１８３、２００５
しかしながら、従来の磁気メモリにおいては、配線を流れる電流によって発生する磁界が、スピン注入による感磁層の磁化反転をアシストするが、磁化反転に必要な電流量が依然として高いという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、磁化反転に必要な電流量を低減可能な磁気メモリを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気メモリは、複数の記憶領域を配列してなる磁気メモリにおいて、個々の記憶領域が、第１配線と、第２配線と、第１配線と第２配線との間に配置され、且つ、第１配線と第２配線に電気的に接続された磁気抵抗効果素子と、スピン注入によって磁気抵抗効果素子における感磁層の磁化の向きが変化するよう、磁気抵抗効果素子に設けられたスピンフィルタと、第１及び第２配線を流れる電流によって発生する磁界を感磁層内に導くように磁気抵抗効果素子を囲む磁気ヨークとを備えていることを特徴とする。
また、第１配線と第２配線との間に電流を流すと、スピンフィルタによって特定の偏極スピンが感磁層内に導入され、磁化反転が生じる。ここで、磁気抵抗効果素子は、第１及び第２配線間に配置されているので、これらを流れる電流によって発生した磁界が、磁気抵抗効果素子の感磁層内に導入され、スピン注入と共に磁化反転がアシストされる。
本発明の磁気メモリでは、磁気ヨークが磁界中にあり、磁力線が効率的に感磁層内に導かれ、磁化反転のアシスト力が高くなる。すなわち、各配線を流れることによって発生した各磁界が磁気ヨーク内に引き込まれ、感磁層を含む磁気抵抗効果素子に集中して磁界を与えることとなる。磁気ヨークと磁界アシストを用いたスピン注入磁化反転型の磁気メモリの書き込み電流の大きさは、驚くことに、磁界アシストがない場合の書き込み電流の１／１０、磁界アシストがあって磁気ヨークがない場合の書き込み電流の１／５に低減することができた。
また、第１及び第２配線は、磁気抵抗効果素子の位置において、固定層の磁化の向き及び厚み方向の双方に垂直な方向に延びていることが好ましい。すなわち、第１及び第２配線の長手方向を囲む方向は、感磁層の位置において、固定層の磁化の向きに一致するため、情報書き込み時に第１及び第２配線に通電を行った場合には、磁化の向きの変更を有効にアシストすることができる。
また、スピンフィルタは、感磁層上に設けられた非磁性導電層と、非磁性導電層に接触した第２固定層とを備え、この第２固定層の磁化容易軸方向は、第１固定層の磁化容易軸方向に平行であることが好ましい。この場合、感磁層内に電子を注入しようとすると、特定の方向にスピンが偏極したスピン偏極電流が感磁層内に注入され、感磁層の電子との相互作用により、磁化が反転する。
また、本発明に係る磁気メモリは、複数の記憶領域を配列してなる磁気メモリにおいて、個々の前記記憶領域は、第１配線と、第２配線と、第１配線と第２配線との間に配置され、且つ、第１配線と第２配線に電気的に接続された磁気抵抗効果素子と、スピン注入によって磁気抵抗効果素子における感磁層の磁化の向きが変化するよう、磁気抵抗効果素子に設けられたスピンフィルタと、第1及び／又は第２配線の長手方向を囲み、感磁層の厚み方向に垂直な方向の延長線上に位置する端部を有する磁気メモリとを備えている。
この場合、第1及び／又は第２配線を電流が流れることによって、配線の周囲を囲むように発生した磁力線は、磁気ヨーク内を通り、その端部から感磁層内に導かれる。
この場合、第1及び／又は第２配線を電流が流れることによって、配線の周囲を囲むように発生した磁力線は、磁気ヨーク内を通り、その端部から感磁層内に導かれる。
本発明によれば、磁化反転に必要な電流量を低減可能な磁気メモリを提供することができる。
以下、実施の形態に係る磁気メモリについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。実施の形態に係る磁気メモリは、Ｘ列Ｙ行の複数の記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）を配列してなり、各記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）は磁気抵抗効果素子５を備えている。
図１は、１つの記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）の斜視図である。
個々の記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）は、第１配線６と、第２配線７と、第１配線６の途中位置６ａと第２配線７との間に配置され、且つ、第１配線６の途中位置６ａと第２配線７に電気的に接続された磁気抵抗効果素子５と、スピン注入によって磁気抵抗効果素子５における感磁層の磁化の向きが変化するよう、磁気抵抗効果素子５に設けられたスピンフィルタＦＬとを備えている。
第１配線６はＸ軸に沿って延びており、第２配線７もＸ軸に沿って延びている。各配線６，７の幅方向はＹ軸に平行であり、厚み方向はＺ軸に平行である。
第１配線６の途中位置６ａと第２配線７との間に電流を流すと、双方の配線６，７をそれぞれ囲むように磁界Ｅ６，Ｅ７が発生する。すなわち、磁界Ｅ６，Ｅ７はＸ軸を囲むように発生し、その向きは磁気抵抗効果素子５における感磁層の位置ではＹ軸に略平行となる。
第１配線６の両端はそれぞれ端子ＶＷと端子ＶＲに接続され、第２配線７の一端は端子ＶＣに接続され、他端は磁気抵抗効果素子５の下面に接続されている。第２配線７の一端と端子ＶＣとの間にはスイッチ（電界効果トランジスタ）ＱＲが介在している。
情報の読み出し時には、情報の書き込み用端子ＶＷを開放する。
書き込み用端子ＶＷを開放した状態で、端子ＶＣの電位を読み出し用端子ＶＲの電位に対して相対的に高くし、スイッチＱＲをＯＮすると、第２配線７の端子ＶＣから磁気抵抗効果素子５を介して第１配線６の読み出し用端子ＶＲに情報読み出し電流ＩＲ１が流れ、互いに同一回転方向の磁界Ｅ６及び磁界Ｅ７が発生する。情報の読み出し時における磁界Ｅ６及び磁界Ｅ７は、Ｘ軸正方向に進む方向に共に右回りである。したがって、これらの配線間に位置する磁気抵抗効果素子５の位置における磁界Ｅ６，Ｅ７は互い相殺する。なお、磁界Ｅ６，Ｅ７は磁気ヨーク内を通っている。このような磁気ヨークは、第1及び／又は第２配線６，７の長手方向を囲み、感磁層２の厚み方向に垂直な方向の延長線上に位置する端部を有している。第1及び／又は第２配線６，７を電流が流れることによって、配線の周囲を囲むように発生した磁力線は、磁気ヨーク内を通り、その端部から感磁層内に導かれる。
一方、書き込み用端子ＶＷを開放した状態で、端子ＶＣの電位を、読み出し用端子ＶＲの電位に対して相対的に低くし、スイッチＱＲをＯＮすると、第１配線６の読み出し用端子ＶＲから磁気抵抗効果素子５を介して第２配線７の端子ＶＣに情報読み出し電流ＩＲ２が流れ、互いに同一回転方向の磁界Ｅ６及び磁界Ｅ７が発生する。情報の読み出し時における磁界Ｅ６及び磁界Ｅ７は、Ｘ軸負方向に進む方向に共に右回りである。したがって、これらの配線間に位置する磁気抵抗効果素子５の位置における磁界Ｅ６，Ｅ７は互い相殺する。
このように、情報の読み出し時には、第１配線６及び第２配線７を流れる読み出し電流ＩＲ１，ＩＲ２の向きが同一であって、第１配線６及び第２配線７の周囲の磁界Ｅ６，Ｅ７が、磁気抵抗効果素子５の感磁層内において相殺されるように配置されている。情報読み出し時においては、双方の磁界Ｅ６，Ｅ７が相殺しているので、感磁層の磁化の向きを変更する力が弱くなり、したがって、ノイズの混入や読み出し電流の増加によっても感磁層の磁化反転が生じず、磁気メモリの信頼性を向上させることができる。
逆に、情報の書き込み時には、情報の読み出し用端子ＶＲを開放する。読み出し用端子ＶＲを開放した状態で、端子ＶＣの電位を書き込み用端子ＶＷの電位に対して相対的に高くし、スイッチＱＲをＯＮすると、第２配線７の端子ＶＣから磁気抵抗効果素子５を介して第１配線６の書き込み用端子ＶＷに情報書き込み電流ＩＷ０が流れ、互いに逆回転方向の磁界Ｅ６及び磁界Ｅ７が発生する。このとき、情報の書き込み時における磁界Ｅ６はＸ軸負方向に進む方向に右回りであり、磁界Ｅ７はＸ軸正方向に進む方向に右回りである。したがって、これらの配線間に位置する磁気抵抗効果素子５には、Ｙ軸負方向の向き磁界が作用する。
一方、読み出し用端子ＶＲを開放した状態で、端子ＶＣの電位を、書き込み用端子ＶＷの電位に対して相対的に低くし、スイッチＱＲをＯＮすると、第１配線６の書き込み用端子ＶＷから磁気抵抗効果素子５を介して第２配線７の端子ＶＣに情報書き込み電流ＩＷ１が流れ、互いに逆回転方向の磁界Ｅ６及び磁界Ｅ７が発生する。このとき、情報の書き込み時における磁界Ｅ６はＸ軸正方向に進む方向に右回りであり、磁界Ｅ７はＸ軸負方向に進む方向に右回りである。したがって、これらの配線間に位置する磁気抵抗効果素子５には、Ｙ軸正方向の向き磁界が作用する。
ここで、第１配線６及び第２配線７は、情報の書き込み時には、第１配線６及び第２配線７を流れる電流ＩＷ０、ＩＷ１の向きが逆向きであって、第１配線６及び第２配線７の周囲の磁界Ｅ６，Ｅ７の双方が、感磁層の磁化の向きをスピン注入によって変更する力（スピンランスファートルク）をアシストするように配置されている。特定の偏極したスピンは、スピンフィルタＦＬを透過又は反射して、感磁層内へ注入され、スピントランスファートルクを発生する。したがって、情報の書き込み時においては、スピン注入時の磁化の向きの変更力に加えて、第１配線６及び第２配線７を流れる電流に起因する磁界Ｅ６，Ｅ７のアシスト力によって、感磁層の磁化の向きが容易に変更される。
なお、スピン注入磁化反転を伴った磁気抵抗効果素子では、強磁性体を含む積層体の膜面に垂直な方向に電流を流すことにより強磁性体の磁化方向を反転させる。強磁性層と非磁性層との接合面においてアップスピン電子とダウンスピン電子の透過率の違いにより、スピン分極電流が流れる。強磁性層に流れ込んだスピン分極電流のスピン偏極電子は強磁性層の電子と交換相互作用をして電子間にトルクが発生し磁化反転が生じる。強磁性層の磁化反転の方向は、積層体に流す書き込み電流ＩＷ０，ＩＷ１の方向により決定される。したがって、電流の向きにより強磁性体の磁化方向の平行／反平行を制御でき、情報を記録することができる。
図２は、磁気抵抗効果素子５の縦断面図（磁化の向き平行時）（ａ）、磁気抵抗効果素子５の縦断面図（磁化の向き反平行時）（ｂ）である。
磁気抵抗効果素子５は、トンネルバリア層を構成する絶縁層３を、感磁層２と固定層４とで挟んだ構造を有する。固定層４は、強磁性層４ａと、磁化の向きを固定化させるために強磁性層４ａに接合した反強磁性層４ｂとを備えており、磁気抵抗効果素子５はＴＭＲ素子を構成している。すなわち、磁気抵抗効果素子５は、感磁層２と（第１）固定層４との間に絶縁層３を備えたＴＭＲ素子である。ＴＭＲ素子は、記憶された感磁層２の磁化の向きと固定層４の磁化の向きとの相違に応じて、読み出し時に絶縁層３をトンネルバリア層として通過する電子割合が異なる現象を利用した素子であり、高感度の記憶情報検出を行うことができる。
なお、図１に示したスピンフィルタＦＬは、固定層と非磁性層を接合してなり、この非磁性層は感磁層２に接合している。スピンフィルタＦＬを通過した電子は、ＴＭＲ素子に導入されるため、感磁層２の磁化の向きと固定層４の磁化の向きの平行、反平行に応じて、情報の書き込み・読み出しを行うことができる。
メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子を構成する固定層４と感磁層２の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか（図２（ａ））、反平行であるか（図２（ｂ））に依存して規定される。固定層４と感磁層２の磁化の向きが反平行の時（図２（ｂ））、磁化の向きが平行の時に比べて（図２（ａ））、厚み方向の電気抵抗Ｒの値が大きい。換言すれば、平行時の抵抗Ｒは閾値Ｒ０以下であり、反平行時の抵抗Ｒは閾値Ｒ０よりも大きくなる。したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子の厚み方向に電流ＩＲ（ＩＲ１又はＩＲ２）を流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子の抵抗値又は電流値を測定することで行う。例えば、低抵抗の平行状態を「０」、高抵抗の反平行状態を「１」とする。
図３は、図１に示した磁気抵抗効果素子５を含む記憶部のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
磁気抵抗効果素子５の周囲には、磁気ヨーク８が配置されている。磁気ヨーク８は、第１配線６の周囲に設けられた断面Ｕ字型の上部磁気ヨーク８Ａと、第２配線７の周囲に設けられた断面Ｕ字型の下部磁気ヨーク８Ｂとからなり、それぞれの磁気ヨーク８Ａ、８Ｂの開放端は対向している。なお、スピンフィルタの記載は省略している。
図３（ａ）に示すように、書き込み電流ＩＷ０を配線６，７に流した場合、磁界Ｅ６及びＥ７は、磁気抵抗効果素子５の感磁層２の位置において、略同一方向を向き、その強度を強め合う。
図３（ｂ）に示すように、逆方向の書き込み電流ＩＷ１を配線６，７に流した場合、磁界Ｅ６及びＥ７は、磁気抵抗効果素子５の感磁層２の位置において、図３（ａ）とは逆向きの略同一方向を向き、その強度を強め合う。
図３（ｃ）に示すように、読み出し電流ＩＲ１を配線６，７に流した場合、磁界Ｅ６及びＥ７は、磁気抵抗効果素子５の感磁層２の位置において、互いに逆方向を向き、その強度を弱め合う。
図３（ｄ）に示すように、読み出し電流ＩＲ２を配線６，７に流した場合、磁界Ｅ６及びＥ７は、磁気抵抗効果素子５の感磁層２の位置において、磁界の向きは図３（ｃ）の場合とはそれぞれ逆ではあるが、互いに逆方向を向き、その強度を弱め合う。
図１に示した磁界Ｅ６，Ｅ７について補足説明すると、第１配線６及び第２配線７を流れることによって発生する磁界Ｅ６，Ｅ７は、略同一平面（ＹＺ平面）内において発生しているが、厳密には配線の長手方向（Ｘ軸）に沿ってずれている。すなわち、感磁層２内における磁界の相殺は、完全ではない。
本例では、個々の記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）の記憶部は、磁気抵抗効果素子５を囲む磁気ヨーク８を備えているので、各配線６，７を流れることによって発生した各磁界Ｅ６，Ｅ７が磁気ヨーク８内に引き込まれ、感磁層２を含む磁気抵抗効果素子５に集中して磁界Ｅ６，Ｅ７を与えている。すなわち、情報の読み出し時における感磁層２内における磁界Ｅ６，Ｅ７が近接し、その相殺が効率的に行われている。また、上述の磁界アシストを用いたスピン注入型の磁気メモリにおいては、情報の書き込み時において、磁気ヨークを用いることにより、感磁層２内における磁界Ｅ６，Ｅ７を近接させ、合成磁界強度を増加させて、書き込み電流を著しく低減することができる。
磁界アシストがない場合のスピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は５×１０７Ａ／ｃｍ２であるが、磁界アシストをスピン注入と同時に用いた場合にはスピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は２．５×１０７Ａ／ｃｍ２となり、さらに磁気ヨークを用いた場合には、スピン注入磁化反転に要する書き込み電流の閾値は５×１０６Ａ／ｃｍ２となった。すなわち、磁気ヨークと磁界アシストを用いたスピン注入磁化反転型の磁気メモリの書き込み電流の大きさは、磁界アシストがない場合の書き込み電流の１／１０、磁界アシストがあって磁気ヨークがない場合の書き込み電流の１／５に低減することができた。
なお、磁気ヨークの構造には種々のものがある。
図４は、磁気ヨークの形状を変更した記憶分の縦断面図である。なお、スピンフィルタの記載は省略してある。
図４（ａ）は、磁気ヨーク８が上部磁気ヨーク８Ａのみからなるもの、図４（ｂ）は上部磁気ヨーク８Ａ及び下部磁気ヨーク８Ｂからなるもの、図４（ｃ）は第１配線６の下面にまで回りこんだ上部磁気ヨーク８Ａ’からなるもの、図４（ｄ）は第２配線７の側部まで延びた上部磁気ヨーク８Ａ”からなるものを示している。なお、上部及び下部なる用語は図面の上下に従うものであり、下部磁気ヨークのみを用いる場合は、上部磁気ヨークのみを用いる場合と同じである。
図５は、磁気抵抗効果素子５を含む素子主要部の縦断面構成を示す図である。
この素子主要部は、反強磁性層４ｂ上に積層した強磁性層４ａ、絶縁層３、感磁層２からなるＴＭＲ素子と、ＴＭＲ素子上に積層した非磁性導電層４１及び固定層４０からなるスピンフィルタＦＬとを備えている。固定層４、４１の磁化の向きはＹ軸に平行である。
なお、上述の第１配線６及び第２配線７は、磁気抵抗効果素子５の位置において、固定層４の磁化の向き（Ｙ軸）及び厚み方向（Ｚ軸）の双方に垂直な方向（Ｘ軸）に延びている。第１配線６及び第２配線７の長手方向（Ｘ軸）を囲む方向は、感磁層２の位置において、固定層４の磁化の向きに一致するため、情報書き込み時に第１配線６及び第２配線７に通電を行った場合には、磁化の向きの変更を有効にアシストすることができる。
また、スピンフィルタＦＬは、感磁層２上に設けられた非磁性導電層４１と、非磁性導電層４１に接触した（第２）固定層４０とを備え、この第２固定層４０の磁化容易軸の向き（Ｙ軸）は、（第１）固定層４の磁化容易軸の向き（Ｙ軸）と平行である。したがって、感磁層２内に電子を注入する場合、特定の方向にスピンが偏極したスピン偏極電流が感磁層２内に注入され、感磁層２の電子との相互作用により磁化が反転する。
感磁層２の材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＣｏＦｅＢなどの強磁性材料を用いることができる。感磁層２は配線層より膜面に垂直に流れる電流により磁化方向を変化させることができ、感磁層２の面積が小さいほど磁化反転のために必要な電流（電流の閾値）を小さくすることができる。感磁層２の面積は０．０１μｍ２以下が好ましい。感磁層２の面積が０．０１μｍ２を超えると、磁化反転に必要な閾値電流値が増大するために、情報の記録が困難になる。さらに感磁層２は厚みが小さいほど磁化反転のための電流の閾値を小さくすることができる。感磁層２の厚みは０．０１μｍ以下が好ましい。厚みが０．０１μｍを超えると磁化反転に必要な電流値が増大し、情報の記録が困難になる。
非磁性絶縁層３の材料としては、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇといった金属の酸化物または窒化物、例えばＡｌ２Ｏ３やＭｇＯが好適である。固定層４、４０の構造としては、反強磁性層を強磁性材料層に付与した交換結合型を用いることができる。また、反強磁性体の材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＮｉＯ、またはこれらのうち任意の組み合わせの材料を用いることができる。非磁性層４１の材料としては、ＣｕやＲｕを用いることができる。各種配線材料としては、Ｃｕ、ＡｕＣｕ、Ｗ、Ａｌ等を用いることができる。非磁性導電層４１の材料としては、例えばＣｕを用いることができる。
図６は、上記記憶領域Ｐを複数備えた磁気メモリの回路図である。
この磁気メモリは、スイッチＱＲの導通を制御するゲートに接続されたワード線ＷＬを備えており、ワード線ＷＬの電位はスイッチング回路ＳＷＣによって決定される。また、読み出し用端子ＶＲは第１ビット線ＢＬ１、書き込み用端子ＶＷは第２ビット線ＢＬ２、端子ＶＣは第３ビット線ＢＬ３に接続され、これらのビット線ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３の電位は制御回路ＣＯＮＴによって制御される。
なお、特定のアドレスの記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）に情報を書き込む場合（例えば「１」）、該当するＹ列目の記憶領域の読み出し用端子ＶＲを開放し、書き込み用端子ＶＷの電位を共通端子ＶＣに対して相対的に増加させ、スイッチング回路ＳＷＣがワード線ＷＬの電位を制御してＸ行目のスイッチＱＲをＯＮする。これにより、磁気抵抗効果素子５の感磁層の磁化の向きが固定層の磁化の向きに対して、例えば、「反平行」となり、「１」が書き込まれる。
「０」と書き込む場合には、これらの磁化の向きを、例えば、「平行」とする。すなわち、特定のアドレスの記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）に情報を書き込む場合（例えば「０」）、該当するＹ列目の記憶領域の読み出し用端子ＶＲを開放し、書き込み用端子ＶＷの電位を共通端子ＶＣに対して相対的に減少させ、スイッチング回路ＳＷＣがワード線ＷＬの電位を制御してＸ行目のスイッチＱＲをＯＮする。これにより、例えば、「０」が書き込まれる。
特定のアドレスの記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）の情報を読み出す場合、該当するＹ列目の記憶領域の書き込み用端子ＶＷを開放し、読み出し用端子ＶＲの電位を共通端子ＶＣに対して相対的に増加させ、スイッチング回路ＳＷＣがワード線ＷＬの電位を制御してＸ行目のスイッチＱＲをＯＮする。これにより、記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）に位置する磁気抵抗効果素子５に書き込まれた情報「１」「０」に応じた電流が、読み出し用端子ＶＲと共通端子ＶＣとの間を流れ、これに基づき記憶情報を判別することができる。なお、読み出し時の電流の向きは、これとは逆であってもよく、設計に応じて適宜設定すればよい。
なお、スイッチング回路ＳＷＣ及び制御回路ＣＯＮＴは、半導体基板内に形成される。
図７は、図６に示した磁気メモリのＶＩＩ−ＶＩＩ矢印縦断面図である。
読み出し配線７を構成する下部電極は、半導体基板１００上に形成された絶縁層２００を厚み方向に貫通する垂直配線Ａ１を介して、読み出しトランジスタＱＲのソース又はドレイン電極３４ａに接続されている。ここでは、ドレイン電極３４ａとする。読み出しトランジスタＱＲのゲート電極３４ｇは、ワード線ＷＬ自体を構成する又はワード線ＷＬに接続されている。読み出しトランジスタＱＲは、ドレイン電極３４ａ，ソース電極３４ｂと、ゲート電極３４ｇと、ドレイン電極３４ａ，ソース電極３４ｂ直下に形成されたドレイン領域３４ａ’，ソース領域３４ｂ’からなり、ゲート電極３４ｇの電位に応じてドレイン電極３４ａ，ソース電極３４ｂは接続される。ソース電極３４ｂは、内部接続配線１５を介してビット線ＢＬ３に接続されている。
図８は、図６に示した磁気メモリのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢印縦断面図である。
読み出しトランジスタＱＲの周囲には、ＬＯＣＯＳ（ｌｏｃａｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ）による酸化膜（ＳｉＯ２）Ｆが形成されている。
また、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２，ＢＬ３やワード線ＷＬは、半導体基板１００上に形成された下部絶縁層２００内に埋設されており、下部絶縁層２００上には上部絶縁層２４が成されている。また、下部絶縁層２００内には必要に応じて複数の配線が設けられる。垂直配線Ａ１は、半導体基板１００の表面から下部絶縁層２００を貫通する配線である。半導体基板１００は例えばＳｉからなり、ソース領域及びドレイン領域には半導体基板１００とは異なる導電型の不純物が添加されている。下部絶縁層２００はＳｉＯ２等からなる。
なお、上述の磁気ヨーク８は、磁気抵抗効果素子５の側方の周囲を全て覆う密閉型としてもよい。なお、有効磁界の感磁層への集中を行う観点からは、密閉型ではなく、上述のように、配線の前後方向が開放している磁気ヨークの方が好ましい。
図９は、密閉型の磁気ヨーク８を備えた記憶部の斜視図である。
下部絶縁層２００上に、第２配線７、磁気抵抗効果素子５、第１配線６を順次積層した後、これを覆う絶縁被覆を形成し、この上に磁気ヨーク８を形成する。磁気ヨーク８の側壁は、磁気抵抗効果素子５のＺ軸の周囲の全てにおいて連続しており、磁気ヨーク８の頂壁は側壁の頂面に設けられ、磁気抵抗効果素子５を封止している。
下部絶縁層２００には、半導体基板１００に到達するスルーホールＨ１，Ｈ２，Ｈ３が設けられている。水平方向（ＸＹ平面内）に延びた第２配線７の一端は垂直配線Ａ１に接続され、垂直配線Ａ１はスルーホールＨ１を介して半導体基板１００内の素子（トランジスタＱＲ）に接続されている。水平方向に延びた第１配線６の一端は、垂直配線Ａ２に接続され、垂直配線Ａ２はスルーホールＨ２を介して半導体基板１００内の素子（端子ＶＷ）に接続されている。水平方向に延びた第１配線６の他端は、垂直配線Ａ３に接続され、垂直配線Ａ３はスルーホールＨ３を介して半導体基板１００内の素子（端子ＶＲ）に接続されている。
上述の密閉型の磁気ヨーク８を用いた場合、磁気抵抗効果素子５の外部からの漏れ磁束やノイズが、側方のいずれの方向から伝播してきても、磁気ヨーク８によって全てシールドされるため、信頼性に優れるという効果がある。
このように、上述の磁気メモリは、磁気抵抗効果素子を高密度化しても、書き込み電流の増加が抑制でき、また、隣接する磁気抵抗効果素子に影響を与えず、また、アシスト磁界をスピン注入と共に用いるため、高速のアクセス速度を得ることができる。
図１０は、図１に示した磁気メモリにおける読み出し電流ＩＲ及び書き込み電流ＩＷ０、ＩＷ１の値と磁気抵抗効果素子５の抵抗値との関係を示すグラフである。
情報記録時の書き込み電流ＩＷ１，ＩＷ０の絶対値は１ｍＡ前後であり、情報読み出し時の読み出し電流ＩＲの絶対値は０．４ｍＡ前後である。正の書き込み電流ＩＷ１の絶対値が０．８ｍＡを超えると、感磁層の磁化反転が生じて反平行状態「１」が記録され、負の書き込み電流ＩＷ０の絶対値が０．８ｍＡを超えると、感磁層の磁化反転が生じて平行状態「０」が記録される。
すなわち、強磁性層（磁化固定層）／非磁性層／強磁性層の積層体において、積層体の正方向に電流を増やしてゆくと所定の閾値（臨界電流）で強磁性層の磁化方向が反転し、磁化固定層と強磁性層との磁化方向が反平行（＝「１」）となり磁気抵抗効果素子の抵抗値が増大する。その後、電流値を負の方向に減少させてゆくと、負の所定の閾値（臨界電流）で強磁性層の磁化が反転し、磁化固定層と強磁性層との磁化方向が平行（＝「０」）となり磁気抵抗効果素子５の抵抗値が減少する。なお、これらの情報の記録ができる電流値は、消費電力や外部へのノイズの影響も考慮して１．５ｍＡ以下に設定してある。
なお、スピン注入磁化反転を伴った記録素子では、臨界電流値を超えない電流を流した場合は、強磁性体の磁化方向は変化することはないため、読出しのための電流を臨界電流値以下にすることにより、記録した情報を書き換えることなく、非破壊による読み出しを行うことができる。
また、膜面に垂直に流れる電流により感磁層の磁化反転を行うことにより、データに記録を行うスピン注入記録においては、反転のための電流は１×１０８〜１×１０６Ａ／ｃｍ２と大きく、また、ＴＭＲ素子の抵抗は比較的高い。したがって、書込み電流を流した場合、ＴＭＲ素子部の発熱が大きくなる傾向があるが、上述の磁気メモリでは、配線に磁気ヨーク８を設けているので、配線を流れる電流によって生じる電流磁界を効率的に感磁層に印加し、より少ない電流でスピン注入磁化反転を行わせている。さらに、磁気ヨーク８により外部磁界による外部磁界によるデータを記録した感磁層への影響を低減でき、メモリデバイスの外部磁界耐性を改善することができる。
次に、上述の磁気メモリの製造方法について説明する。ここでは、（図４（ａ））の構造の磁気メモリについて説明する。
まず、図１１（ａ）に示すように、下部絶縁層２００上に中央部が開口したホトレジストＰＲ１をパターニングする。次に、図１１（ｂ）に示すように、スパッタ法などでホトレジストＰＲ１上に電極層７を堆積する。さらに、図１１（ｃ）に示すように、リフトオフを行い、ホトレジストＰＲ１上の電極材料を除去する。しかる後、図１１（ｄ）に示すように、下部絶縁層２００上にタンタルからなる下地層２０１、ＩｒＭｎからなる反強磁性層４ｂ、ＣｏＦｅからなる強磁性層４ａ、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁層３、ＣｏＦｅからなる感磁層２、Ｒｕからなる非磁性導電層４１、ＣｏＦｅからなる強磁性層４０、タンタルからなるキャップ層２０２を順次堆積する。なお、絶縁層３は、Ａｌの堆積後にこれを酸化することで形成することもできる。堆積にはスパッタ法を用いることができる。次に、図１１（ｅ）に示すように、キャップ層２０２の中央部上にホトレジストＰＲ２をパターニングする。すなわち、ホトレジストＰＲ２は下部配線７の上方に位置する。
しかる後、図１２（ｆ）に示すように、ホトレジストＰＲ２をマスクとして、積層体のドライエッチングを行う。このエッチングは下部配線７の表面が露出するまで行う。次に、図１２（ｇ）に示すように、ホトレジストＰＲ２を除去した後、下部絶縁層２００上にＳｉＯ２からなる中間絶縁層２００’をスパッタ法やＣＶＤ法などでキャップ層２０２が中間絶縁層２００’内に埋め込まれるまで堆積する。そして、図１２（ｈ）に示すように、キャップ層２０２の表面が露出するまで、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polish)装置を用いて中間絶縁層２００’を研磨し、中間絶縁層２００’の表面を平滑化する。
次に、図１３（ｉ）に示すように、中間絶縁層２００’の表面上に中央部が開口したホトレジストＰＲ３をパターニングする。しかる後、ホトレジストＰＲ３上にスパッタ法などで配線材料６を堆積し（図１３（ｊ））、ホトレジストＰＲ３のリフトオフを行い、キャップ層２０２上に上部配線６を形成する（図１３（ｋ））。配線構造としては、Ｔｉ，Ｃｕ，Ｔａなどの材料の１種からなる単層構造あるいは複数種からなる多層構造などを用いることができる。
更に、中間絶縁層２００’上に上部配線６の形成領域を含む領域が開口したホトレジストＰＲ４をパターニングする（図１４（ｌ））。次に、ホトレジストＰＲ４上にスパッタ法などでＮｅＦｅなどの磁性材料８を堆積する（図１４（ｍ））。次に、リフトオフを行い、余分な磁性材料をホトレジストＰＲ４と共に除去し、上部磁気ヨーク８Ａ（８）を形成する（図１４（ｎ））。最後に、図１５に示すように、ＣＶＤ装置を用いてＳｉＯ２からなる上部絶縁層２４を磁気ヨーク８上に堆積する。
次に、下部磁気ヨークも備えた磁気メモリの製造方法について説明する。ここでは、（図４（ｂ））の構造の磁気メモリについて説明する。
まず、図１６（ａ）に示すように、下部絶縁層２００上に中央部が大きく開口したホトレジストＰＲ１をパターニングする。次に、図１６（ｂ）に示すように、スパッタ法などでホトレジストＰＲ１上にＮｉＦｅなどの磁性材料８Ｂ（８）を堆積する。このホトレジストＰＲ１をリフトオフして中央に磁性材料を残し、さらに、磁性材料８Ｂの周辺部が開口したホトレジストＰＲ２を基板上にパターニングする（図１６（ｃ））。
次に、図１６（ｄ）に示すように、スパッタ法などでホトレジストＰＲ１上にＮｉＦｅなどの磁性材料を更に堆積し、続いて、リフトオフを行う（図１６（ｅ））。これにより、断面がＵ字形の下部磁気ヨー８Ｂが完成する。しかる後、下部磁気ヨーク８Ｂの凹部内が露出する開口を有するホトレジストＰＲ３をパターニングする（図１６（ｆ））。
次に、図１７（ｇ）に示すように、スパッタ法などでホトレジストＰＲ３上に電極層７を堆積する。さらに、図１７（ｂ）に示すように、リフトオフを行い、ホトレジストＰＲ３上の電極材料を除去する。しかる後、図１７（ｈ）に示すように、下部絶縁層２００上にＣＶＤ法やスパッタ法を用いてＳｉＯ２からなる第１中間絶縁層２００’を堆積する。なお、ＣＶＤ法におけるＳｉＯ２の原料は例えばSi(OC2H5)4である。次に、図１７（ｉ）に示すように、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polish)装置を用いて第１中間絶縁層２００’を研磨し、第１中間絶縁層２００’の表面を平滑化する。
次に、図１７（ｊ）に示すように、第１中間絶縁層２００’の表面上にタンタルからなる下地層２０１、ＩｒＭｎからなる反強磁性層４ｂ、ＣｏＦｅからなる強磁性層４ａ、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁層３、ＣｏＦｅからなる感磁層２、Ｒｕからなる非磁性導電層４１、ＣｏＦｅからなる強磁性層４０、タンタルからなるキャップ層２０２を順次堆積する。なお、絶縁層３は、Ａｌの堆積後にこれを酸化することで形成することもできる。堆積にはスパッタ法を用いることができる。
次に、図１８（ｋ）に示すように、キャップ層２０２の中央部上にホトレジストＰＲ４をパターニングする。すなわち、ホトレジストＰＲ４は下部配線７の上方に位置する。
しかる後、図１８（ｌ）に示すように、ホトレジストＰＲ４をマスクとして、積層体のドライエッチングを行う。このエッチングは下部配線７の表面が露出するまで行う。次に、図１８（ｍ）に示すように、ホトレジストＰＲ４を除去した後、第１中間絶縁層２００’上にＳｉＯ２からなる第２中間絶縁層２００”を、スパッタ法やＣＶＤ法などでキャップ層２０２が第２中間絶縁層２００”内に埋め込まれるまで堆積する。そして、図１９（ｎ）に示すように、キャップ層２０２の表面が露出するまで、ＣＭＰ装置を用いて第２中間絶縁層２００”を研磨し、第２中間絶縁層２００”の表面を平滑化する。
次に、図１９（ｏ）に示すように、第２中間絶縁層２００”の表面上に中央部が開口したホトレジストＰＲ５をパターニングする。しかる後、ホトレジストＰＲ５上にスパッタ法などで配線材料６を堆積し（図１９（ｐ））、ホトレジストＰＲ５のリフトオフを行い、キャップ層２０２上に上部配線６を形成する（図２０（ｑ））。配線構造としては、Ｔｉ，Ｃｕ，Ｔａなどの材料の１種からなる単層構造あるいは複数種からなる多層構造などを用いることができる。
更に、第２中間絶縁層２００”上に上部配線６の形成領域を含む領域が開口したホトレジストＰＲ６をパターニングする（図２０（ｒ））。次に、ホトレジストＰＲ６上にスパッタ法などでＮｅＦｅなどの磁性材料８を堆積する（図２０（ｓ））。次に、リフトオフを行い、余分な磁性材料をホトレジストＰＲ６と共に除去し、上部磁気ヨーク８Ａ（８）を形成する（図２１（ｔ））。最後に、図２１（ｕ）に示すように、ＣＶＤ装置を用いてＳｉＯ２からなる上部絶縁層２４を磁気ヨーク８上に堆積する。
なお、密閉型の磁気ヨークも備えた磁気メモリの製造方法について説明する。ここでは、図９の構造の磁気メモリについて説明する。
下部配線７は下部絶縁層２００のスルーホールを介して半導体基板の素子に接続しておき、図１１（a）から図１３（ｋ）までの工程を実行する。
しかる後、図２２に示すように、上部配線６をマスクとして周囲の絶縁層２００’を下部絶縁層２００の表面が露出するまでドライエッチングし、露出した素子及び基板表面上を保護絶縁膜２００ｉで被覆する（図２２（ｌ））。しかる後、下部絶縁層２００上に素子形成領域を含む領域が開口したホトレジストＰＲをパターニングし（図２２（ｍ）、続いて、この上にＮｉＦｅなどの磁気材料を堆積し、リフトオフを行って密閉型の磁気ヨーク８が完成する（図２２（ｎ））。
本発明は、磁気メモリに利用することができる。
２・・・感磁層、３・・・非磁性絶縁層、４・・・固定層、５・・・磁気抵抗効果素子、６・・・上部配線、６ａ・・・途中位置、７・・・下部配線、８・・・磁気ヨーク、２４・・・上部絶縁層、４１・・・非磁性導電層、１００・・・半導体基板、２００・・・下部絶縁層、２０１・・・下地層、２０２・・・キャップ層、Ａ１・・・垂直配線、Ａ２・・・垂直配線、ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３・・・ビット線、ＣＯＮＴ・・・制御回路、ＦＬ・・・スピンフィルタ、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３・・・スルーホール、Ｐ・・・記憶領域、ＱＲ・・・トランジスタ、ＳＷＣ・・・スイッチング回路、ＶＣ・・・共通端子、ＶＲ・・・端子、ＷＬ・・・ワード線。
Claims (4)
- 複数の記憶領域を配列してなる磁気メモリにおいて、
個々の前記記憶領域は、
第１配線と、
第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線との間に配置され、且つ、前記第１配線と前記第２配線に電気的に接続された磁気抵抗効果素子と、
スピン注入によって前記磁気抵抗効果素子における感磁層の磁化の向きが変化するよう、前記磁気抵抗効果素子に設けられたスピンフィルタと、
前記第１及び第２配線を流れる電流によって発生する磁界を前記感磁層内に導くように前記磁気抵抗効果素子を囲む磁気ヨークと、
を備えていることを特徴とする磁気メモリ。 - 前記第１及び第２配線は、前記磁気抵抗効果素子の位置において、前記固定層の磁化の向き及び厚み方向の双方に垂直な方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
- 前記スピンフィルタは、
前記感磁層上に設けられた非磁性導電層と、
前記非磁性導電層に接触した第２固定層と、
を備え、
この第２固定層の磁化の向きは、前記第１固定層の磁化の向きと平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気メモリ。 - 複数の記憶領域を配列してなる磁気メモリにおいて、
個々の前記記憶領域は、
第１配線と、
第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線との間に配置され、且つ、前記第１配線と前記第２配線に電気的に接続された磁気抵抗効果素子と、
スピン注入によって前記磁気抵抗効果素子における感磁層の磁化の向きが変化するよう、前記磁気抵抗効果素子に設けられたスピンフィルタと、
前記第1及び／又は第２配線の長手方向を囲み、前記感磁層の厚み方向に垂直な方向の延長線上に位置する端部を有する磁気メモリと、
を備えていることを特徴とする磁気メモリ。
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