JP3661652B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加える磁界によって抵抗値が変化するという、いわゆるＭＲ（MagnetoResistive）効果を発生する磁気抵抗効果素子、および、その磁気抵抗効果素子を用いて情報を記憶するメモリデバイスとして構成された磁気メモリ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信機器、特に携帯端末装置等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックといったデバイスには、高集積化、高速化、低電力化等、より一層の高性能化が求められている。特に、不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分（例えばヘッドシーク機構やディスク回転機構）の存在により本質的に小型化等が困難なハードディスク装置や光ディスク装置を置き換える相補的な技術として、益々重要になりつつある。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦｅＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory）等が広く知られている。ところが、フラッシュメモリは、情報の書き込み速度がＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の揮発性メモリに比べて遅いという欠点がある。また、ＦｅＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。そこで、これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして、磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）と呼ばれる磁気メモリ装置が提案され、注目を集めている（例えば、「Naji et al.ISSCC2001」）。
【０００４】
ＭＲＡＭは、巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistive；ＧＭＲ）型またはトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magnetoresistive；ＴＭＲ）型の記憶素子（以下、これらを「磁気抵抗効果素子」と総称する）を用いて情報記録を行うものである。磁気抵抗効果素子は、二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれる絶縁体層あるいは導体よりなる非磁性体層とを含む多層膜構造を有しており、一方の強磁性体層を磁化が反転可能な自由層（フリー層）、他方の強磁性体層を磁化方向が固定された固定層（ピンド層）として用い、自由層の磁化の向きに応じて抵抗が変化することを利用して、情報の「０」と「１」とを区別することで、情報記録を行うように構成されている。
【０００５】
ＭＲＡＭでは、このような磁気抵抗効果素子がマトリクス状に配列されているとともに、これらの素子群を縦横に横切るワード線およびビット線を有している。そして、ワード線およびビット線の両方に電流を流すことによって発生する合成電流磁界を用い、その交差領域に位置する磁気抵抗効果素子の自由層の磁化方向を制御することで、その磁気抵抗効果素子への情報の書き込みを行うようになっている。このとき、各磁気抵抗効果素子における自由層は、ワード線またはビット線が単独で発生する磁界では磁化が変化せず、双方の合成電流磁界によってのみ磁化が変化する。したがって、ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子がマトリクス状に配列されていても、所望する磁気抵抗効果素子に対して選択的に情報の書き込みを行うことができるのである。
【０００６】
一方、各磁気抵抗効果素子からの読み出しは、トランジスタ等の素子を用いて磁気抵抗効果素子の選択を行い、ＭＲ効果を通じてその磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。この点について詳しく説明すると、一般に、自由層または固定層といった強磁性体層中において電子スピンは偏極しており、アップスピンおよびダウンスピンは、状態密度の大きい多数スピンか、状態密度の小さい少数スピンかのいずれかとなる。例えば、自由層と固定層の磁化方向が平行な場合には、自由層でのアップスピンが多数スピンであったならば、固定層においてもアップスピンは多数スピンである。また、自由層と固定層の磁化方向が反平行な場合には、自由層でのアップスピンが多数スピンであったならば、固定層においてのアップスピンは少数スピンとなる。これに対し、電子が自由層と固定層の間の非磁性体層を通過する際には、スピンは保存され、かつ、あるスピンの通過確率は非磁性体層を挟む両強磁性体層のスピンの状態密度の積に比例する。故に、自由層と固定層の磁化方向が平行な場合には、状態密度の大きい多数スピン同士での通過が可能となるが、自由層と固定層の磁化方向が反平行な場合には、状態密度の大きい多数スピン同士での通過が不可能となる。これらのことから、自由層と固定層の磁化方向が反平行な場合には、平行な場合に比べて抵抗が大きくなる。したがって、ワード線およびビット線を通じて、自由層および固定層の間の電圧を検出すれば、その自由層に記録された情報の読み出しを行うことが可能となるのである。
【０００７】
このように、磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭは、その磁気抵抗効果素子における自由層の磁化の向きを情報の判別に用いるために、不揮発性で、かつ、優れた応答特性を有した情報記録を行うことが可能である。さらには、情報を保持する記憶素子（メモリセル）の構造も単純であるため、微細化および集積化に適したものとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子では、その構造の単純さのために微細化および集積化には向いているが、微細化や集積化等を進めていくと磁気抵抗効果素子の端部において磁化の乱れが生じてしまい、これが以下に述べるような問題を引き起こすことが考えられる。
【０００９】
詳しくは、ＭＲＡＭでは磁気抵抗効果素子がマトリクス状に配列されているため、微細化や集積化等を進めていくと、各磁気抵抗効果素子が隣接する磁気抵抗効果素子からの漏れ磁界による影響を受けてしまい、これにより各磁気抵抗効果素子の自由層における保磁力が変化してしまうおそれがある。このような保磁力の変化は、情報書き込み時における素子選択を困難にしてしまうものであるが、特に微細化や集積化等に伴って素子サイズが小さくなるほど深刻なものとなる。
【００１０】
また、一般に、磁気抵抗効果素子の自由層内においては、ミクロな磁気モーメントが一様でなく、静磁エネルギーを最小にするように、いわゆる渦状態、Ｃ状態、Ｓ状態等といった状態を採り得る。これらの各状態においての保磁力は、たとえ自由層が同じ強磁性体材料からなっていたとしても同一ではない。いかなる状態を採るかは磁気抵抗効果素子の形状やサイズに依存するが、従来の磁気抵抗効果素子として用いられる形状は矩形状や楕円形状が多いために、特に素子端部近傍において複数の状態を採る可能性がある。このような複数の状態は、各磁気抵抗効果素子の自由層における保磁力のばらつきを招くものであるため好ましくない。
【００１１】
そこで、本発明は、微細化や集積化等を進めていった場合であっても、保磁力の変化やばらつきが生じてしまうのを極力抑制し、良好な情報記録特性を実現することのできる磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された磁気抵抗効果素子で、少なくとも強磁性体からなる自由層と、非磁性体からなる非磁性層と、強磁性体からなり磁化方向が固定された固定層とが順に積層され、前記自由層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行うように構成された磁気抵抗効果素子において、前記自由層、前記非磁性層および前記固定層は、各層の積層方向に沿って延びる書き込み電極の周囲を囲む形状に形成されているとともに、前記自由層は、前記書き込み電極を囲む周上の２ヶ所で切断され、第１領域と第２領域との２つに分断されており、前記第１領域および前記第２領域は、いずれも平面形状が略Ｃ字形状若しくは略コ字形状またはこれらの組み合わせ形状に形成され、それぞれが向かい合い前記書き込み電極を囲むように配されており、前記書き込み電極を囲む前記第１領域および前記第２領域によって磁場を還流させるための磁場還流構造が形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された磁気メモリ装置で、少なくとも強磁性体からなる自由層と、非磁性体からなる非磁性層と、強磁性体からなり磁化方向が固定された固定層とが順に積層された磁気抵抗効果素子を備え、当該磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行うように構成された磁気メモリ装置において、前記磁気抵抗効果素子における前記自由層、前記非磁性層および前記固定層は、各層の積層方向に沿って延びる書き込み電極の周囲を囲む形状に形成されているとともに、前記自由層は、前記書き込み電極を囲む周上の２ヶ所で切断され、第１領域と第２領域との２つに分断されており、前記第１領域および前記第２領域は、いずれも平面形状が略Ｃ字形状若しくは略コ字形状またはこれらの組み合わせ形状に形成され、それぞれが向かい合い前記書き込み電極を囲むように配されており、前記書き込み電極を囲む前記第１領域および前記第２領域によって磁場を還流させるための磁場還流構造が形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
上記構成の磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置によれば、磁場還流構造を有していることから、磁気抵抗効果素子の自由層が発生させる磁場が還流され、その磁気抵抗効果素子の外部に磁界を極力漏らさないようになる。したがって、磁気抵抗効果素子が微細化や集積化等しても、隣接する磁気抵抗効果素子に対して漏れ磁界による影響を与えてしまうことがなくなる。また、磁場が還流することから、磁気抵抗効果素子の自由層内においては、磁気モーメントが一様な状態を採り得るようになり、これにより保磁力が安定することになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置について説明する。ここでは、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ型スピンバルブ素子（以下、単に「ＴＭＲ素子」という）を、また磁気メモリ装置としてＴＭＲ素子を具備したＭＲＡＭを、それぞれ例に挙げて説明する。
【００１６】
〔磁気メモリ装置の概要〕
先ず、はじめに、本発明に係る磁気メモリ装置全体の概略構成について説明する。図１は、ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配された複数のＴＭＲ素子１を備えている。さらに、これらのＴＭＲ素子１が配された行および列のそれぞれに対応するように、相互に交差する書き込み線２および下部導線３が、各ＴＭＲ素子１群を縦横に横切るように設けられている。そして、各ＴＭＲ素子１は、書き込み線２および下部導線３に上下から挟まれた状態で、かつ、これらの交差領域に位置するように、それぞれが配置されている。なお、書き込み線２および下部導線３は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）またはこれらの合金等の導電性物質を、化学的または物理的に堆積した後に選択的にエッチングする、といった周知の手法を用いて形成されるものとする。
【００１７】
図２は、ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の構成例を示す模式図である。それぞれのＴＭＲ素子１部分では、詳細を後述するように、そのＴＭＲ素子１の略央部を貫くように書き込み電極（ただし不図示）が設けられている。書き込み電極には、書き込み線２および下部導線３への選択的な電流の印加によって、図例のような下向きの電流あるいは上向きの電流のいずれかが流れる。この電流は、書き込み電極の周囲に、時計回りあるいは反時計回りのいずれかの電流磁界を発生させるものである。このような構成により、ＭＲＡＭでは、マトリクス状に配されたＴＭＲ素子１のうちのいずれか一つを貫く書き込み電極に選択的に電流を流すとともに、これにより発生する電流磁界を用いてＴＭＲ素子１における自由層の磁化方向を変化させることで、ＴＭＲ素子１への情報書き込みを行うようになっている。
【００１８】
図３は、ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。それぞれのＴＭＲ素子１部分では、半導体基板４上に、ゲート電極５、ソース領域６およびドレイン領域７からなる電界効果トランジスタが配設され、さらにその上方に、ＴＭＲ素子１、書き込み線２および下部導線３および書き込み電極８が配設されている。また、ＴＭＲ素子１の上方には、書き込み電極８を挟んで２つの読み出し線９ａ，９ｂが配設されている。このような構成により、ＭＲＡＭでは、電界効果トランジスタを用いてＴＭＲ素子１の選択を行い、そのＴＭＲ素子１における自由層の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって、そのＴＭＲ素子１に記録された情報の読み出しを行うようになっている。なお、２つの読み出し線９ａ，９ｂを用いた情報読み出しについては、その詳細を後述する。
【００１９】
〔磁気抵抗効果素子の構成〕
続いて、このようなＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子１自体の構成について説明する。図４は、ＴＭＲ素子の第１の構成例を示す模式図である。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ＴＭＲ素子１は、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction；ＭＴＪ）と呼ばれる構造の膜構成を有している。ＭＴＪ構造は、強磁性体／非磁性体／強磁性体からなる三層構造からなり、一方の強磁性体層を磁化方向が固定された固定層（ピンド層）１１、他方を自由層（フリー層）１２とし、これらの間に挟まれた非磁性体層をトンネル障壁層１３として用いる。そして、書き込み電極８が発生させる電流磁界によって、その自由層１２の磁化方向を変化させることで、情報の書き込み（記録）を行うとともに、トンネルＭＲ効果を通じてその自由層１２における磁化方向と電圧信号を対応させている。
【００２０】
固定層１１および自由層１２は、例えばＦｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）のうち１種若しくは２種以上の合金、またはこれらに異種の添加元素を含有した合金からなる強磁性体材料を用いて、２０ｎｍ厚程度で形成すればよい。また、トンネル障壁層１３は、例えばＡｌ（アルミニウム）の酸化物等の非磁性導電材料を用いて、１ｎｍ厚程度で形成すればよい。
【００２１】
ただし、これらの各層１１，１２，１３からなるＴＭＲ素子１の略央部には、その略央部を貫くように、各層１１，１２，１３の積層方向に沿って延びる書き込み電極８が設けられている。したがって、ＴＭＲ素子１を構成する各層１１，１２，１３は、書き込み電極８の周囲を囲む形状に形成されている。書き込み電極８を囲む形状としては、例えば内径が６０ｎｍ、外径が１２０ｎｍのリング状が挙げられる。なお、書き込み電極８は、例えばＣｕ、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｗ（タングステン）といった導電性を有した非磁性金属材料により形成されたものであればよい。
【００２２】
また、書き込み電極８を囲む固定層１１の一部、自由層１２およびトンネル障壁層１３は、リング状の周上の２ヶ所で切断されている。ただし、少なくとも自由層１２が切断されていれば、固定層１１およびトンネル障壁層１３については切断されていなくても構わない。また、これとは逆に、固定層１１の一部ではなく、全部が切断されていても構わない。
【００２３】
この切断により、少なくとも自由層１２は、図４（ｃ）に示すように、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの２つに分断されることになる。第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂは、いずれも平面形状が略Ｃ字形状（Ｃ字状の対称形状を含む）に形成されており、それぞれが向かい合い書き込み電極８を囲むように配されている。そして、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂは、それぞれがトンネル障壁層１３を介して固定層１１との間で独立した２つのＭＴＪ構造を構成している。
【００２４】
このように、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂがそれぞれ独立した２つのＭＴＪ構造を構成していることから、自由層１２等についての切断は、図４（ａ）に示すように、固定層１１における磁化固定方向に沿うように行われているものとする。さらに、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂには、それぞれの磁化方向を電圧信号として取り出すための読み出し線９ａ，９ｂが、それぞれ独立して接続されている。このことから、読み出し線９ａ，９ｂは、上述したように書き込み電極８を挟んで２つ配設されることになる。
【００２５】
これら第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂに囲まれる書き込み電極８は、その一端が書き込み線２に接続されている。また、他端は、一部のみが切断された固定層１１に接続されているが、その固定層１１を介して下部導線３に導通しているものとする。
【００２６】
〔磁気抵抗効果素子の製造〕
次に、以上のような構成のＴＭＲ素子１の製造手順について説明する。図５および図６は、ＴＭＲ素子の製造手順の一例を示す説明図である。ＴＭＲ素子１は、半導体基板４上に配設された電界効果トランジスタのさらに上方に形成される（図３参照）。なお、電界効果トランジスタ等については、従来と同様の手順で製造すればよいため、ここではその説明を省略する。
【００２７】
ＴＭＲ素子１の製造にあたっては、先ず、図５（ａ）に示すように、例えばスパッタ法を用いて、固定層１１、トンネル障壁層１３および自由層１２からなるＭＴＪ構造を順に成膜して形成し（図中上段参照）、その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、平面形状が略円状（ディスク状）であるＭＴＪ構造の積層膜を得る（図中下段参照）。
【００２８】
そして、略円状の積層膜を得た後は、素子間の絶縁および読み出し線の形成を行う。すなわち、図５（ｂ）に示すように、例えばＡｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）やＳｉＯ2（二酸化ケイ素）といった絶縁材料を成膜してＭＴＪ積層膜を埋め込んだ後、略円状の平面形状を得るために用いたレジスト膜２１を剥離して、そのＭＴＪ積層膜の上面を露出させる。さらには、ＭＴＪ積層膜の端部に接続する２本の読み出し線９ａ，９ｂを、所定方向（例えば、平面図中における上下方向）に延在するように形成する。読み出し線９ａ，９ｂの形成は、例えばＣｕ等の導電材料をスパッタすることで行えばよい。
【００２９】
読み出し線９ａ，９ｂの形成後は、図６（ａ）に示すように、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等で層間絶縁膜２２を堆積し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の研磨装置を用いて、その表面の平坦化を行う。
【００３０】
平坦化を行った後は、続いて、書き込み電極孔の開口およびＭＴＪ積層膜の切断を行う。すなわち、図６（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２１、ＭＴＪ積層膜を構成する自由層１２およびトンネル障壁層１３を貫通して、固定層１１を露出することになる開口２３を、例えばエッチング処理を行うことで形成する。この開口２３は、書き込み電極８を形成するためのものであると同時に、ＭＴＪ積層膜の一部分（特に自由層１２）の周上を２ヶ所で切断するためのものである。したがって、開口２３は、その平面形状が略φ字形状、すなわち円に２つの溝を加えた形状となっている。
【００３１】
開口２３の形成後は、図６（ｃ）に示すように、ＳｉＯ2等を堆積して、エッチバックすることによって、側壁絶縁膜（サイドウォール）２４を形成する。側壁絶縁膜２４は、書き込み電極８を形成するための円形の孔の内壁および自由層１２等を切断するための２つの溝を覆うように形成されるものとする。
【００３２】
そして、図６（ｆ）に示すように、側壁絶縁膜２４で覆われた開口２３内に、例えばＣｕ等の導電材料からなる書き込み電極８を形成するとともに、その書き込み電極８に接続する書き込み線２を、読み出し線９ａ，９ｂと同様の手法で、所定方向（例えば、読み出し線９ａ，９ｂとの直交方向である平面図中における左右方向）に延在するように形成する。以上のような手順を経ることで、上述した構成のＴＭＲ素子１（図３および図４参照）が構成されることになる。
【００３３】
〔磁気抵抗効果素子の動作例〕
次に、以上のような手順を経て得られたＴＭＲ素子１における動作例について説明する。ここでは、ＴＭＲ素子１に対する情報書き込み動作およびＴＭＲ素子１からの情報読み出し動作について、図４を参照しながらを説明する。
【００３４】
ＴＭＲ素子１に対する情報書き込みを行う場合には、既に説明したように、書き込み電極８に電流が流れる。そして、書き込み電極８の周囲には電流磁界が発生する。これにより、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂからなる自由層１２においては、図中の矢印で示すような上方から見て時計回り方向、あるいはこれとは逆の反時計回り方向のいずれかの磁化を形成することができる。つまり、ＴＭＲ素子１に対する情報書き込みは、書き込み電極８が発生する電流磁界を利用して、自由層１２における磁化を時計回り方向と反時計回り方向とのいずれかに切り換えることによって行うのである。したがって、書き込みを行わない素子に対して不必要な磁界が発生することがなく、書き込みエラーが生じてしまうのを回避することができる。
【００３５】
このとき、ＴＭＲ素子１では、自由層１２における磁化方向によって「０」または「１」といった情報を記憶することになるが、その自由層１２が第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの２つに分断されており、しかも第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂが互いに向かい合う略Ｃ字形状に形成されている。そのため、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの切断箇所、すなわち第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂの各端縁においては、その端縁から洩れた磁界が、これと対向する端縁に吸い込まれることになる。つまり、書き込み電極８を囲むように配された第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂによって、自由層が発生させる磁場を還流させるための磁場還流構造が形成されている。
【００３６】
したがって、自由層１２における磁化方向によって「０」または「１」といった情報を記憶する場合であっても、磁場還流構造によって磁場が還流されるので、自由層１２からの漏れ磁界を極力抑制することができ、隣接素子に対して漏れ磁界による悪影響を与えてしまうことがなくなる。
【００３７】
また、磁場還流構造によって磁場が還流されることから、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂのそれぞれでは、特にその端部近傍において磁化状態が一定の状態を採り得るようになる。具体的には、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂのいずれもが略Ｃ字形状であるため、ミクロな磁気モーメントはいわゆるＣ状態のみを採り、渦状態、Ｃ状態、Ｓ状態等といった様々な状態が混在することがない。そのため、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂにおける保磁力が安定することになる。
【００３８】
これらのことから、磁場還流構造を有した自由層１２は、その磁化方向によって情報記録を行う場合であっても、良好な情報記録を実現することができ、しかもＴＭＲ素子１の微細化や集積化等にも好適に対応し得ると言える。
【００３９】
一方、ＴＭＲ素子１からの情報読み出しは、自由層１２が第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの２つに分断されているので、それぞれに接続する２つの読み出し線９ａ，９ｂを用いてそれぞれにおけるＭＴＪ構造の抵抗値を測定し、互いの測定結果を比較することによって行う。詳しくは、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの切断箇所は固定層１１における磁化固定方向に沿うように配されているため、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂそれぞれにおける磁化方向（図４（ｃ）中における実線の矢印参照）は、固定層１１における磁化固定方向（図４（ｃ）中における破線の矢印参照）となす相対角が、必然的に互いに異なったものとなる。そのため、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとによって形成される２つの独立したＭＴＪ構造に電流を流した場合には、それぞれの抵抗値も必ず互いに異なったものとなる。そのため、両者の抵抗値の測定結果を比較し、どちらが大きいかを判別すれば、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂからなる自由層１２での磁化方向が時計回り方向であるか、あるいは反時計回り方向であるかを認識することができる。つまり、ＴＭＲ素子１からの情報読み出しは、書き込み電極８を挟んで対向する２つの領域１２ａ，１２ｂについてのＴＭＲ効果の違いを利用して、自由層１２における磁化を時計回り方向と反時計回り方向とのどちらであるかを判断することによって行うのである。
【００４０】
このように、第１領域１２ａと第２領域１２ｂでのＴＭＲ効果の違いを利用して情報読み出しを行う場合には、抵抗値の測定結果の差分から自由層１２での磁化方向を判断することになるので、一般的なＴＭＲ素子のように単一の抵抗値の測定結果を基に情報読み出しを行う場合とは異なり、磁化方向判断のための閾値等の設定が不要となる。そのため、各素子の保磁力のばらつき等の影響を受けることなく適切に磁化方向を判断することが可能となるので、良好な読み出し特性を実現することができると言える。
【００４１】
また、自由層１２を２つに分断するだけで良好な読み出し特性を実現し得るので、そのための製造手順の複雑化を極力抑えることができる。
【００４２】
〔磁気抵抗効果素子の変形例〕
次に、本発明に係るＴＭＲ素子１の変形例について説明する。図７は、ＴＭＲ素子の第２の構成例を示す模式図である。上述した実施形態では、ＴＭＲ素子１の膜構成として、固定層１１、トンネル障壁層１３および自由層１２のみが順に積層されたＭＴＪ構造を例に挙げて説明したが、図７に示すように、固定層１１の下方に反強磁性層１４を付加することも考えられる。反強磁性層１４は、例えばＰｔＭｎ（白金マンガン）等を３０ｎｍ厚程度で成膜することによって形成すればよい。この反強磁性層１４を付加した場合には、固定層１１における磁化方向の固定がより確実なものとなり、ＴＭＲ素子１としての機能の安定性が向上することになる。
【００４３】
なお、ＴＭＲ素子１の膜構成は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、例えば積層順を逆にしたり、Ｔａ（タンタル）等からなる保護層を付加したりしても構わない。さらに、各層の材料や膜厚等についても同様であり、ＴＭＲ素子１のサイズ等を考慮して適宜決定すればよい。例えば、固定層１１については、自由層１２と同程度の大きさとするのではなく、複数の自由層１２を配列し得る大きさとし、これらの自由層１２で固定層１１を共有してＭＴＪ構造を構成することも考えられる。
【００４４】
また、上述した実施形態では、自由層１２を構成する第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂがいずれも略Ｃ字形状に形成されている場合を例に挙げて説明したが、磁場を還流させるための磁場還流構造を形成し得る形状であれば、他の形状に形成しても構わない。他の形状としては、例えば、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂがいずれも略コ字形状（コ字状の対称形状を含む）に形成されている場合や、Ｃ字形状とコ字形状とが組み合わされて形成されている場合（外周側がＣ字形状で内周側がコ字形状、あるいはその逆等）が考えられる。
【００４５】
自由層１２の分断数についても、上述した実施形態のような２箇所に限定されることはない。図８は、ＴＭＲ素子の第３の構成例を示す模式図である。図例では、自由層を第１領域１２ａ、第２領域１２ｂ、第３領域１２ｃおよび第４領域１２ｄからなる４つに分断した場合を示している。このように、自由層を４つに分断した場合であっても、各領域１２ａ〜１２ｄが書き込み電極８を囲むように配されており、かつ、各領域１２ａ〜１２ｄによって磁場還流構造が形成されていれば、上述した２箇所で分断した場合と全く同様に、外部への漏れ磁界の発生を抑制しつつ、ばらつきのない良好な保磁力が得られるようになる。なお、この場合に磁場還流構造を形成するための各領域１２ａ〜１２ｄの形状としては、図８（ａ）に示すような円弧状や、図８（ｂ）に示すような直線状、またはこれらを組み合わせたもの等が考えられる。
【００４６】
ところで、自由層を４つに分断した場合には、情報読み出しを行うための読み出し線９ａ，９ｂが第１領域１２ａと第２領域１２ｂとのみに接続されており、それぞれにおけるＭＴＪ構造の抵抗値を測定し、互いの測定結果を比較することで、当該自由層からの情報読み出しを行うものとする。したがって、第３領域１２ｃおよび第４領域１２ｄは、磁場還流構造を形成し得るものであれば、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂとは異なる材質からなるものであっても構わない。
【００４７】
このように、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂにおける抵抗値の測定結果を基にして情報読み出しを行えば、固定層１１における磁化固定方向との相対角度の差が、自由層を２つに分断した場合よりも大きくなるという利点がある。すなわち、情報読み出しにあたり、固定層１１における磁化固定方向と非平行成分については、その影響を極力排除することができる。したがって、自由層を２つに分断した場合よりも更に各素子の保磁力のばらつき等の影響を受けることなく適切に磁化方向を判断することができ、より一層良好な読み出し特性を実現することができるようになる。
【００４８】
自由層の分断数としては、上述したような２つまたは４つが望ましいが、本発明は必ずしもこれらに限定されないことは勿論である。自由層を２つまたは４つ以外の複数領域に分断することで、磁場還流構造を形成しても構わない。
【００４９】
また、磁場還流構造は、自由層を平面的に分断したもの以外によっても実現することが可能である。例えば図８に示すように、上述したような書き込み電極８を持たない構成のＴＭＲ素子１については、自由層１２に近接して配されたワード線またはビット線を挟んで対向する位置に磁性層３０を積層することで、磁場還流構造を形成しても構わない。この場合であっても、その磁場還流構造によって、自由層１１が発生させる磁場が還流するようになるので、そのＴＭＲ素子１の外部に磁界が極力漏れないようになるとともに、自由層１１内における磁気モーメントが一様な状態を採り得るようになる。
【００５０】
さらに、磁場還流構造は、ＴＭＲ素子のみならず、記憶層と固定層との間の非磁性体層がＣｕ等で構成されたＧＭＲ型のものについても、全く同様に適用することが考えられる。つまり、本発明は、ＭＲ効果を発生する磁気抵抗効果素子であれば適用することが可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、自由層が発生させる磁場を還流させるための磁場還流構造が漏れ磁場を発生させないので、磁気抵抗効果素子の微細化や集積化等しても漏れ磁場による悪影響が生じることない。また、磁場が還流することから、磁気抵抗効果素子の自由層における磁気モーメントが一様な状態となり、これにより保磁力が安定することになる。したがって、磁気抵抗効果素子の微細化や集積化等を進めていった場合であっても、保磁力の変化やばらつきが生じてしまうのを極力抑制し、良好な情報記録特性を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。
【図２】ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の構成例を示す模式図である。
【図３】ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。
【図４】本発明に係るＴＭＲ素子の第１の構成例を模式的に示す図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその側断面図、（ｃ）はその平面図である。
【図５】本発明が適用されたＴＭＲ素子の製造手順の一例を示す説明図（その１）であり、（ａ）および（ｂ）はいずれもその過程における構成例を示す図である。
【図６】本発明が適用されたＴＭＲ素子の製造手順の一例を示す説明図（その２）であり、（ａ）〜（ｄ）はいずれもその過程における構成例を示す図である。
【図７】本発明に係るＴＭＲ素子の第２の構成例を模式的に示す図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその側断面図である。
【図８】本発明に係るＴＭＲ素子の第３の構成例を模式的に示す図であり、（ａ）および（ｂ）はいずれもその平面図である。
【図９】本発明に係るＴＭＲ素子の第４の構成例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１…ＴＭＲ素子、８…書き込み電極、１１…固定層、１２…自由層、１２ａ…第１領域、１２ｂ…第２領域、１２ｃ…第３領域、１２ｄ…第４領域、１３…トンネル障壁層、３０…磁性層
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加える磁界によって抵抗値が変化するという、いわゆるＭＲ（MagnetoResistive）効果を発生する磁気抵抗効果素子、および、その磁気抵抗効果素子を用いて情報を記憶するメモリデバイスとして構成された磁気メモリ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信機器、特に携帯端末装置等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックといったデバイスには、高集積化、高速化、低電力化等、より一層の高性能化が求められている。特に、不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分（例えばヘッドシーク機構やディスク回転機構）の存在により本質的に小型化等が困難なハードディスク装置や光ディスク装置を置き換える相補的な技術として、益々重要になりつつある。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦｅＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory）等が広く知られている。ところが、フラッシュメモリは、情報の書き込み速度がＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の揮発性メモリに比べて遅いという欠点がある。また、ＦｅＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。そこで、これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして、磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）と呼ばれる磁気メモリ装置が提案され、注目を集めている（例えば、「Naji et al.ISSCC2001」）。
【０００４】
ＭＲＡＭは、巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistive；ＧＭＲ）型またはトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magnetoresistive；ＴＭＲ）型の記憶素子（以下、これらを「磁気抵抗効果素子」と総称する）を用いて情報記録を行うものである。磁気抵抗効果素子は、二つの強磁性体層とこれらの間に挟まれる絶縁体層あるいは導体よりなる非磁性体層とを含む多層膜構造を有しており、一方の強磁性体層を磁化が反転可能な自由層（フリー層）、他方の強磁性体層を磁化方向が固定された固定層（ピンド層）として用い、自由層の磁化の向きに応じて抵抗が変化することを利用して、情報の「０」と「１」とを区別することで、情報記録を行うように構成されている。
【０００５】
ＭＲＡＭでは、このような磁気抵抗効果素子がマトリクス状に配列されているとともに、これらの素子群を縦横に横切るワード線およびビット線を有している。そして、ワード線およびビット線の両方に電流を流すことによって発生する合成電流磁界を用い、その交差領域に位置する磁気抵抗効果素子の自由層の磁化方向を制御することで、その磁気抵抗効果素子への情報の書き込みを行うようになっている。このとき、各磁気抵抗効果素子における自由層は、ワード線またはビット線が単独で発生する磁界では磁化が変化せず、双方の合成電流磁界によってのみ磁化が変化する。したがって、ＭＲＡＭでは、磁気抵抗効果素子がマトリクス状に配列されていても、所望する磁気抵抗効果素子に対して選択的に情報の書き込みを行うことができるのである。
【０００６】
一方、各磁気抵抗効果素子からの読み出しは、トランジスタ等の素子を用いて磁気抵抗効果素子の選択を行い、ＭＲ効果を通じてその磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。この点について詳しく説明すると、一般に、自由層または固定層といった強磁性体層中において電子スピンは偏極しており、アップスピンおよびダウンスピンは、状態密度の大きい多数スピンか、状態密度の小さい少数スピンかのいずれかとなる。例えば、自由層と固定層の磁化方向が平行な場合には、自由層でのアップスピンが多数スピンであったならば、固定層においてもアップスピンは多数スピンである。また、自由層と固定層の磁化方向が反平行な場合には、自由層でのアップスピンが多数スピンであったならば、固定層においてのアップスピンは少数スピンとなる。これに対し、電子が自由層と固定層の間の非磁性体層を通過する際には、スピンは保存され、かつ、あるスピンの通過確率は非磁性体層を挟む両強磁性体層のスピンの状態密度の積に比例する。故に、自由層と固定層の磁化方向が平行な場合には、状態密度の大きい多数スピン同士での通過が可能となるが、自由層と固定層の磁化方向が反平行な場合には、状態密度の大きい多数スピン同士での通過が不可能となる。これらのことから、自由層と固定層の磁化方向が反平行な場合には、平行な場合に比べて抵抗が大きくなる。したがって、ワード線およびビット線を通じて、自由層および固定層の間の電圧を検出すれば、その自由層に記録された情報の読み出しを行うことが可能となるのである。
【０００７】
このように、磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭは、その磁気抵抗効果素子における自由層の磁化の向きを情報の判別に用いるために、不揮発性で、かつ、優れた応答特性を有した情報記録を行うことが可能である。さらには、情報を保持する記憶素子（メモリセル）の構造も単純であるため、微細化および集積化に適したものとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子では、その構造の単純さのために微細化および集積化には向いているが、微細化や集積化等を進めていくと磁気抵抗効果素子の端部において磁化の乱れが生じてしまい、これが以下に述べるような問題を引き起こすことが考えられる。
【０００９】
詳しくは、ＭＲＡＭでは磁気抵抗効果素子がマトリクス状に配列されているため、微細化や集積化等を進めていくと、各磁気抵抗効果素子が隣接する磁気抵抗効果素子からの漏れ磁界による影響を受けてしまい、これにより各磁気抵抗効果素子の自由層における保磁力が変化してしまうおそれがある。このような保磁力の変化は、情報書き込み時における素子選択を困難にしてしまうものであるが、特に微細化や集積化等に伴って素子サイズが小さくなるほど深刻なものとなる。
【００１０】
また、一般に、磁気抵抗効果素子の自由層内においては、ミクロな磁気モーメントが一様でなく、静磁エネルギーを最小にするように、いわゆる渦状態、Ｃ状態、Ｓ状態等といった状態を採り得る。これらの各状態においての保磁力は、たとえ自由層が同じ強磁性体材料からなっていたとしても同一ではない。いかなる状態を採るかは磁気抵抗効果素子の形状やサイズに依存するが、従来の磁気抵抗効果素子として用いられる形状は矩形状や楕円形状が多いために、特に素子端部近傍において複数の状態を採る可能性がある。このような複数の状態は、各磁気抵抗効果素子の自由層における保磁力のばらつきを招くものであるため好ましくない。
【００１１】
そこで、本発明は、微細化や集積化等を進めていった場合であっても、保磁力の変化やばらつきが生じてしまうのを極力抑制し、良好な情報記録特性を実現することのできる磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された磁気抵抗効果素子で、少なくとも強磁性体からなる自由層と、非磁性体からなる非磁性層と、強磁性体からなり磁化方向が固定された固定層とが順に積層され、前記自由層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行うように構成された磁気抵抗効果素子において、前記自由層、前記非磁性層および前記固定層は、各層の積層方向に沿って延びる書き込み電極の周囲を囲む形状に形成されているとともに、前記自由層は、前記書き込み電極を囲む周上の２ヶ所で切断され、第１領域と第２領域との２つに分断されており、前記第１領域および前記第２領域は、いずれも平面形状が略Ｃ字形状若しくは略コ字形状またはこれらの組み合わせ形状に形成され、それぞれが向かい合い前記書き込み電極を囲むように配されており、前記書き込み電極を囲む前記第１領域および前記第２領域によって磁場を還流させるための磁場還流構造が形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された磁気メモリ装置で、少なくとも強磁性体からなる自由層と、非磁性体からなる非磁性層と、強磁性体からなり磁化方向が固定された固定層とが順に積層された磁気抵抗効果素子を備え、当該磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行うように構成された磁気メモリ装置において、前記磁気抵抗効果素子における前記自由層、前記非磁性層および前記固定層は、各層の積層方向に沿って延びる書き込み電極の周囲を囲む形状に形成されているとともに、前記自由層は、前記書き込み電極を囲む周上の２ヶ所で切断され、第１領域と第２領域との２つに分断されており、前記第１領域および前記第２領域は、いずれも平面形状が略Ｃ字形状若しくは略コ字形状またはこれらの組み合わせ形状に形成され、それぞれが向かい合い前記書き込み電極を囲むように配されており、前記書き込み電極を囲む前記第１領域および前記第２領域によって磁場を還流させるための磁場還流構造が形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
上記構成の磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置によれば、磁場還流構造を有していることから、磁気抵抗効果素子の自由層が発生させる磁場が還流され、その磁気抵抗効果素子の外部に磁界を極力漏らさないようになる。したがって、磁気抵抗効果素子が微細化や集積化等しても、隣接する磁気抵抗効果素子に対して漏れ磁界による影響を与えてしまうことがなくなる。また、磁場が還流することから、磁気抵抗効果素子の自由層内においては、磁気モーメントが一様な状態を採り得るようになり、これにより保磁力が安定することになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置について説明する。ここでは、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ型スピンバルブ素子（以下、単に「ＴＭＲ素子」という）を、また磁気メモリ装置としてＴＭＲ素子を具備したＭＲＡＭを、それぞれ例に挙げて説明する。
【００１６】
〔磁気メモリ装置の概要〕
先ず、はじめに、本発明に係る磁気メモリ装置全体の概略構成について説明する。図１は、ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配された複数のＴＭＲ素子１を備えている。さらに、これらのＴＭＲ素子１が配された行および列のそれぞれに対応するように、相互に交差する書き込み線２および下部導線３が、各ＴＭＲ素子１群を縦横に横切るように設けられている。そして、各ＴＭＲ素子１は、書き込み線２および下部導線３に上下から挟まれた状態で、かつ、これらの交差領域に位置するように、それぞれが配置されている。なお、書き込み線２および下部導線３は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）またはこれらの合金等の導電性物質を、化学的または物理的に堆積した後に選択的にエッチングする、といった周知の手法を用いて形成されるものとする。
【００１７】
図２は、ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の構成例を示す模式図である。それぞれのＴＭＲ素子１部分では、詳細を後述するように、そのＴＭＲ素子１の略央部を貫くように書き込み電極（ただし不図示）が設けられている。書き込み電極には、書き込み線２および下部導線３への選択的な電流の印加によって、図例のような下向きの電流あるいは上向きの電流のいずれかが流れる。この電流は、書き込み電極の周囲に、時計回りあるいは反時計回りのいずれかの電流磁界を発生させるものである。このような構成により、ＭＲＡＭでは、マトリクス状に配されたＴＭＲ素子１のうちのいずれか一つを貫く書き込み電極に選択的に電流を流すとともに、これにより発生する電流磁界を用いてＴＭＲ素子１における自由層の磁化方向を変化させることで、ＴＭＲ素子１への情報書き込みを行うようになっている。
【００１８】
図３は、ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。それぞれのＴＭＲ素子１部分では、半導体基板４上に、ゲート電極５、ソース領域６およびドレイン領域７からなる電界効果トランジスタが配設され、さらにその上方に、ＴＭＲ素子１、書き込み線２および下部導線３および書き込み電極８が配設されている。また、ＴＭＲ素子１の上方には、書き込み電極８を挟んで２つの読み出し線９ａ，９ｂが配設されている。このような構成により、ＭＲＡＭでは、電界効果トランジスタを用いてＴＭＲ素子１の選択を行い、そのＴＭＲ素子１における自由層の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって、そのＴＭＲ素子１に記録された情報の読み出しを行うようになっている。なお、２つの読み出し線９ａ，９ｂを用いた情報読み出しについては、その詳細を後述する。
【００１９】
〔磁気抵抗効果素子の構成〕
続いて、このようなＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子１自体の構成について説明する。図４は、ＴＭＲ素子の第１の構成例を示す模式図である。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、ＴＭＲ素子１は、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction；ＭＴＪ）と呼ばれる構造の膜構成を有している。ＭＴＪ構造は、強磁性体／非磁性体／強磁性体からなる三層構造からなり、一方の強磁性体層を磁化方向が固定された固定層（ピンド層）１１、他方を自由層（フリー層）１２とし、これらの間に挟まれた非磁性体層をトンネル障壁層１３として用いる。そして、書き込み電極８が発生させる電流磁界によって、その自由層１２の磁化方向を変化させることで、情報の書き込み（記録）を行うとともに、トンネルＭＲ効果を通じてその自由層１２における磁化方向と電圧信号を対応させている。
【００２０】
固定層１１および自由層１２は、例えばＦｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）のうち１種若しくは２種以上の合金、またはこれらに異種の添加元素を含有した合金からなる強磁性体材料を用いて、２０ｎｍ厚程度で形成すればよい。また、トンネル障壁層１３は、例えばＡｌ（アルミニウム）の酸化物等の非磁性導電材料を用いて、１ｎｍ厚程度で形成すればよい。
【００２１】
ただし、これらの各層１１，１２，１３からなるＴＭＲ素子１の略央部には、その略央部を貫くように、各層１１，１２，１３の積層方向に沿って延びる書き込み電極８が設けられている。したがって、ＴＭＲ素子１を構成する各層１１，１２，１３は、書き込み電極８の周囲を囲む形状に形成されている。書き込み電極８を囲む形状としては、例えば内径が６０ｎｍ、外径が１２０ｎｍのリング状が挙げられる。なお、書き込み電極８は、例えばＣｕ、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｗ（タングステン）といった導電性を有した非磁性金属材料により形成されたものであればよい。
【００２２】
また、書き込み電極８を囲む固定層１１の一部、自由層１２およびトンネル障壁層１３は、リング状の周上の２ヶ所で切断されている。ただし、少なくとも自由層１２が切断されていれば、固定層１１およびトンネル障壁層１３については切断されていなくても構わない。また、これとは逆に、固定層１１の一部ではなく、全部が切断されていても構わない。
【００２３】
この切断により、少なくとも自由層１２は、図４（ｃ）に示すように、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの２つに分断されることになる。第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂは、いずれも平面形状が略Ｃ字形状（Ｃ字状の対称形状を含む）に形成されており、それぞれが向かい合い書き込み電極８を囲むように配されている。そして、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂは、それぞれがトンネル障壁層１３を介して固定層１１との間で独立した２つのＭＴＪ構造を構成している。
【００２４】
このように、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂがそれぞれ独立した２つのＭＴＪ構造を構成していることから、自由層１２等についての切断は、図４（ａ）に示すように、固定層１１における磁化固定方向に沿うように行われているものとする。さらに、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂには、それぞれの磁化方向を電圧信号として取り出すための読み出し線９ａ，９ｂが、それぞれ独立して接続されている。このことから、読み出し線９ａ，９ｂは、上述したように書き込み電極８を挟んで２つ配設されることになる。
【００２５】
これら第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂに囲まれる書き込み電極８は、その一端が書き込み線２に接続されている。また、他端は、一部のみが切断された固定層１１に接続されているが、その固定層１１を介して下部導線３に導通しているものとする。
【００２６】
〔磁気抵抗効果素子の製造〕
次に、以上のような構成のＴＭＲ素子１の製造手順について説明する。図５および図６は、ＴＭＲ素子の製造手順の一例を示す説明図である。ＴＭＲ素子１は、半導体基板４上に配設された電界効果トランジスタのさらに上方に形成される（図３参照）。なお、電界効果トランジスタ等については、従来と同様の手順で製造すればよいため、ここではその説明を省略する。
【００２７】
ＴＭＲ素子１の製造にあたっては、先ず、図５（ａ）に示すように、例えばスパッタ法を用いて、固定層１１、トンネル障壁層１３および自由層１２からなるＭＴＪ構造を順に成膜して形成し（図中上段参照）、その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、平面形状が略円状（ディスク状）であるＭＴＪ構造の積層膜を得る（図中下段参照）。
【００２８】
そして、略円状の積層膜を得た後は、素子間の絶縁および読み出し線の形成を行う。すなわち、図５（ｂ）に示すように、例えばＡｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）やＳｉＯ2（二酸化ケイ素）といった絶縁材料を成膜してＭＴＪ積層膜を埋め込んだ後、略円状の平面形状を得るために用いたレジスト膜２１を剥離して、そのＭＴＪ積層膜の上面を露出させる。さらには、ＭＴＪ積層膜の端部に接続する２本の読み出し線９ａ，９ｂを、所定方向（例えば、平面図中における上下方向）に延在するように形成する。読み出し線９ａ，９ｂの形成は、例えばＣｕ等の導電材料をスパッタすることで行えばよい。
【００２９】
読み出し線９ａ，９ｂの形成後は、図６（ａ）に示すように、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等で層間絶縁膜２２を堆積し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の研磨装置を用いて、その表面の平坦化を行う。
【００３０】
平坦化を行った後は、続いて、書き込み電極孔の開口およびＭＴＪ積層膜の切断を行う。すなわち、図６（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２１、ＭＴＪ積層膜を構成する自由層１２およびトンネル障壁層１３を貫通して、固定層１１を露出することになる開口２３を、例えばエッチング処理を行うことで形成する。この開口２３は、書き込み電極８を形成するためのものであると同時に、ＭＴＪ積層膜の一部分（特に自由層１２）の周上を２ヶ所で切断するためのものである。したがって、開口２３は、その平面形状が略φ字形状、すなわち円に２つの溝を加えた形状となっている。
【００３１】
開口２３の形成後は、図６（ｃ）に示すように、ＳｉＯ2等を堆積して、エッチバックすることによって、側壁絶縁膜（サイドウォール）２４を形成する。側壁絶縁膜２４は、書き込み電極８を形成するための円形の孔の内壁および自由層１２等を切断するための２つの溝を覆うように形成されるものとする。
【００３２】
そして、図６（ｆ）に示すように、側壁絶縁膜２４で覆われた開口２３内に、例えばＣｕ等の導電材料からなる書き込み電極８を形成するとともに、その書き込み電極８に接続する書き込み線２を、読み出し線９ａ，９ｂと同様の手法で、所定方向（例えば、読み出し線９ａ，９ｂとの直交方向である平面図中における左右方向）に延在するように形成する。以上のような手順を経ることで、上述した構成のＴＭＲ素子１（図３および図４参照）が構成されることになる。
【００３３】
〔磁気抵抗効果素子の動作例〕
次に、以上のような手順を経て得られたＴＭＲ素子１における動作例について説明する。ここでは、ＴＭＲ素子１に対する情報書き込み動作およびＴＭＲ素子１からの情報読み出し動作について、図４を参照しながらを説明する。
【００３４】
ＴＭＲ素子１に対する情報書き込みを行う場合には、既に説明したように、書き込み電極８に電流が流れる。そして、書き込み電極８の周囲には電流磁界が発生する。これにより、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂからなる自由層１２においては、図中の矢印で示すような上方から見て時計回り方向、あるいはこれとは逆の反時計回り方向のいずれかの磁化を形成することができる。つまり、ＴＭＲ素子１に対する情報書き込みは、書き込み電極８が発生する電流磁界を利用して、自由層１２における磁化を時計回り方向と反時計回り方向とのいずれかに切り換えることによって行うのである。したがって、書き込みを行わない素子に対して不必要な磁界が発生することがなく、書き込みエラーが生じてしまうのを回避することができる。
【００３５】
このとき、ＴＭＲ素子１では、自由層１２における磁化方向によって「０」または「１」といった情報を記憶することになるが、その自由層１２が第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの２つに分断されており、しかも第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂが互いに向かい合う略Ｃ字形状に形成されている。そのため、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの切断箇所、すなわち第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂの各端縁においては、その端縁から洩れた磁界が、これと対向する端縁に吸い込まれることになる。つまり、書き込み電極８を囲むように配された第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂによって、自由層が発生させる磁場を還流させるための磁場還流構造が形成されている。
【００３６】
したがって、自由層１２における磁化方向によって「０」または「１」といった情報を記憶する場合であっても、磁場還流構造によって磁場が還流されるので、自由層１２からの漏れ磁界を極力抑制することができ、隣接素子に対して漏れ磁界による悪影響を与えてしまうことがなくなる。
【００３７】
また、磁場還流構造によって磁場が還流されることから、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂのそれぞれでは、特にその端部近傍において磁化状態が一定の状態を採り得るようになる。具体的には、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂのいずれもが略Ｃ字形状であるため、ミクロな磁気モーメントはいわゆるＣ状態のみを採り、渦状態、Ｃ状態、Ｓ状態等といった様々な状態が混在することがない。そのため、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂにおける保磁力が安定することになる。
【００３８】
これらのことから、磁場還流構造を有した自由層１２は、その磁化方向によって情報記録を行う場合であっても、良好な情報記録を実現することができ、しかもＴＭＲ素子１の微細化や集積化等にも好適に対応し得ると言える。
【００３９】
一方、ＴＭＲ素子１からの情報読み出しは、自由層１２が第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの２つに分断されているので、それぞれに接続する２つの読み出し線９ａ，９ｂを用いてそれぞれにおけるＭＴＪ構造の抵抗値を測定し、互いの測定結果を比較することによって行う。詳しくは、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとの切断箇所は固定層１１における磁化固定方向に沿うように配されているため、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂそれぞれにおける磁化方向（図４（ｃ）中における実線の矢印参照）は、固定層１１における磁化固定方向（図４（ｃ）中における破線の矢印参照）となす相対角が、必然的に互いに異なったものとなる。そのため、第１領域１２ａと第２領域１２ｂとによって形成される２つの独立したＭＴＪ構造に電流を流した場合には、それぞれの抵抗値も必ず互いに異なったものとなる。そのため、両者の抵抗値の測定結果を比較し、どちらが大きいかを判別すれば、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂからなる自由層１２での磁化方向が時計回り方向であるか、あるいは反時計回り方向であるかを認識することができる。つまり、ＴＭＲ素子１からの情報読み出しは、書き込み電極８を挟んで対向する２つの領域１２ａ，１２ｂについてのＴＭＲ効果の違いを利用して、自由層１２における磁化を時計回り方向と反時計回り方向とのどちらであるかを判断することによって行うのである。
【００４０】
このように、第１領域１２ａと第２領域１２ｂでのＴＭＲ効果の違いを利用して情報読み出しを行う場合には、抵抗値の測定結果の差分から自由層１２での磁化方向を判断することになるので、一般的なＴＭＲ素子のように単一の抵抗値の測定結果を基に情報読み出しを行う場合とは異なり、磁化方向判断のための閾値等の設定が不要となる。そのため、各素子の保磁力のばらつき等の影響を受けることなく適切に磁化方向を判断することが可能となるので、良好な読み出し特性を実現することができると言える。
【００４１】
また、自由層１２を２つに分断するだけで良好な読み出し特性を実現し得るので、そのための製造手順の複雑化を極力抑えることができる。
【００４２】
〔磁気抵抗効果素子の変形例〕
次に、本発明に係るＴＭＲ素子１の変形例について説明する。図７は、ＴＭＲ素子の第２の構成例を示す模式図である。上述した実施形態では、ＴＭＲ素子１の膜構成として、固定層１１、トンネル障壁層１３および自由層１２のみが順に積層されたＭＴＪ構造を例に挙げて説明したが、図７に示すように、固定層１１の下方に反強磁性層１４を付加することも考えられる。反強磁性層１４は、例えばＰｔＭｎ（白金マンガン）等を３０ｎｍ厚程度で成膜することによって形成すればよい。この反強磁性層１４を付加した場合には、固定層１１における磁化方向の固定がより確実なものとなり、ＴＭＲ素子１としての機能の安定性が向上することになる。
【００４３】
なお、ＴＭＲ素子１の膜構成は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、例えば積層順を逆にしたり、Ｔａ（タンタル）等からなる保護層を付加したりしても構わない。さらに、各層の材料や膜厚等についても同様であり、ＴＭＲ素子１のサイズ等を考慮して適宜決定すればよい。例えば、固定層１１については、自由層１２と同程度の大きさとするのではなく、複数の自由層１２を配列し得る大きさとし、これらの自由層１２で固定層１１を共有してＭＴＪ構造を構成することも考えられる。
【００４４】
また、上述した実施形態では、自由層１２を構成する第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂがいずれも略Ｃ字形状に形成されている場合を例に挙げて説明したが、磁場を還流させるための磁場還流構造を形成し得る形状であれば、他の形状に形成しても構わない。他の形状としては、例えば、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂがいずれも略コ字形状（コ字状の対称形状を含む）に形成されている場合や、Ｃ字形状とコ字形状とが組み合わされて形成されている場合（外周側がＣ字形状で内周側がコ字形状、あるいはその逆等）が考えられる。
【００４５】
自由層１２の分断数についても、上述した実施形態のような２箇所に限定されることはない。図８は、ＴＭＲ素子の第３の構成例を示す模式図である。図例では、自由層を第１領域１２ａ、第２領域１２ｂ、第３領域１２ｃおよび第４領域１２ｄからなる４つに分断した場合を示している。このように、自由層を４つに分断した場合であっても、各領域１２ａ〜１２ｄが書き込み電極８を囲むように配されており、かつ、各領域１２ａ〜１２ｄによって磁場還流構造が形成されていれば、上述した２箇所で分断した場合と全く同様に、外部への漏れ磁界の発生を抑制しつつ、ばらつきのない良好な保磁力が得られるようになる。なお、この場合に磁場還流構造を形成するための各領域１２ａ〜１２ｄの形状としては、図８（ａ）に示すような円弧状や、図８（ｂ）に示すような直線状、またはこれらを組み合わせたもの等が考えられる。
【００４６】
ところで、自由層を４つに分断した場合には、情報読み出しを行うための読み出し線９ａ，９ｂが第１領域１２ａと第２領域１２ｂとのみに接続されており、それぞれにおけるＭＴＪ構造の抵抗値を測定し、互いの測定結果を比較することで、当該自由層からの情報読み出しを行うものとする。したがって、第３領域１２ｃおよび第４領域１２ｄは、磁場還流構造を形成し得るものであれば、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂとは異なる材質からなるものであっても構わない。
【００４７】
このように、第１領域１２ａおよび第２領域１２ｂにおける抵抗値の測定結果を基にして情報読み出しを行えば、固定層１１における磁化固定方向との相対角度の差が、自由層を２つに分断した場合よりも大きくなるという利点がある。すなわち、情報読み出しにあたり、固定層１１における磁化固定方向と非平行成分については、その影響を極力排除することができる。したがって、自由層を２つに分断した場合よりも更に各素子の保磁力のばらつき等の影響を受けることなく適切に磁化方向を判断することができ、より一層良好な読み出し特性を実現することができるようになる。
【００４８】
自由層の分断数としては、上述したような２つまたは４つが望ましいが、本発明は必ずしもこれらに限定されないことは勿論である。自由層を２つまたは４つ以外の複数領域に分断することで、磁場還流構造を形成しても構わない。
【００４９】
また、磁場還流構造は、自由層を平面的に分断したもの以外によっても実現することが可能である。例えば図８に示すように、上述したような書き込み電極８を持たない構成のＴＭＲ素子１については、自由層１２に近接して配されたワード線またはビット線を挟んで対向する位置に磁性層３０を積層することで、磁場還流構造を形成しても構わない。この場合であっても、その磁場還流構造によって、自由層１１が発生させる磁場が還流するようになるので、そのＴＭＲ素子１の外部に磁界が極力漏れないようになるとともに、自由層１１内における磁気モーメントが一様な状態を採り得るようになる。
【００５０】
さらに、磁場還流構造は、ＴＭＲ素子のみならず、記憶層と固定層との間の非磁性体層がＣｕ等で構成されたＧＭＲ型のものについても、全く同様に適用することが考えられる。つまり、本発明は、ＭＲ効果を発生する磁気抵抗効果素子であれば適用することが可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、自由層が発生させる磁場を還流させるための磁場還流構造が漏れ磁場を発生させないので、磁気抵抗効果素子の微細化や集積化等しても漏れ磁場による悪影響が生じることない。また、磁場が還流することから、磁気抵抗効果素子の自由層における磁気モーメントが一様な状態となり、これにより保磁力が安定することになる。したがって、磁気抵抗効果素子の微細化や集積化等を進めていった場合であっても、保磁力の変化やばらつきが生じてしまうのを極力抑制し、良好な情報記録特性を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。
【図２】ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の構成例を示す模式図である。
【図３】ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。
【図４】本発明に係るＴＭＲ素子の第１の構成例を模式的に示す図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその側断面図、（ｃ）はその平面図である。
【図５】本発明が適用されたＴＭＲ素子の製造手順の一例を示す説明図（その１）であり、（ａ）および（ｂ）はいずれもその過程における構成例を示す図である。
【図６】本発明が適用されたＴＭＲ素子の製造手順の一例を示す説明図（その２）であり、（ａ）〜（ｄ）はいずれもその過程における構成例を示す図である。
【図７】本発明に係るＴＭＲ素子の第２の構成例を模式的に示す図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその側断面図である。
【図８】本発明に係るＴＭＲ素子の第３の構成例を模式的に示す図であり、（ａ）および（ｂ）はいずれもその平面図である。
【図９】本発明に係るＴＭＲ素子の第４の構成例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１…ＴＭＲ素子、８…書き込み電極、１１…固定層、１２…自由層、１２ａ…第１領域、１２ｂ…第２領域、１２ｃ…第３領域、１２ｄ…第４領域、１３…トンネル障壁層、３０…磁性層
Claims (2)
- 少なくとも強磁性体からなる自由層と、非磁性体からなる非磁性層と、強磁性体からなり磁化方向が固定された固定層とが順に積層され、前記自由層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行うように構成された磁気抵抗効果素子において、
前記自由層、前記非磁性層および前記固定層は、各層の積層方向に沿って延びる書き込み電極の周囲を囲む形状に形成されているとともに、
前記自由層は、前記書き込み電極を囲む周上の２ヶ所で切断され、第１領域と第２領域との２つに分断されており、
前記第１領域および前記第２領域は、いずれも平面形状が略Ｃ字形状若しくは略コ字形状またはこれらの組み合わせ形状に形成され、それぞれが向かい合い前記書き込み電極を囲むように配されており、
前記書き込み電極を囲む前記第１領域および前記第２領域によって磁場を還流させるための磁場還流構造が形成されている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 少なくとも強磁性体からなる自由層と、非磁性体からなる非磁性層と、強磁性体からなり磁化方向が固定された固定層とが順に積層された磁気抵抗効果素子を備え、当該磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行うように構成された磁気メモリ装置において、
前記磁気抵抗効果素子における前記自由層、前記非磁性層および前記固定層は、各層の積層方向に沿って延びる書き込み電極の周囲を囲む形状に形成されているとともに、
前記自由層は、前記書き込み電極を囲む周上の２ヶ所で切断され、第１領域と第２領域との２つに分断されており、
前記第１領域および前記第２領域は、いずれも平面形状が略Ｃ字形状若しくは略コ字形状またはこれらの組み合わせ形状に形成され、それぞれが向かい合い前記書き込み電極を囲むように配されており、
前記書き込み電極を囲む前記第１領域および前記第２領域によって磁場を還流させるための磁場還流構造が形成されている
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
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