JP2003243744A - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置 - Google Patents
磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置Info
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- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 少なくとも強磁性体からなる自由層１２
と、非磁性体からなる非磁性層１３と、強磁性体からな
り磁化方向が固定された固定層１１とが順に積層され、
自由層１２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、自由層１
２を複数領域１２ａ，１２ｂに分断し、これら複数領域
１２ａ，１２ｂを各層１１〜１３の積層方向に沿って延
びる書き込み電極８の周囲に当該書き込み電極８を囲む
ように配し、その書き込み電極８を囲む各領域１２ａ，
１２ｂによって磁場を還流させるための磁場還流構造を
形成する。
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。 【解決手段】 少なくとも強磁性体からなる自由層１２
と、非磁性体からなる非磁性層１３と、強磁性体からな
り磁化方向が固定された固定層１１とが順に積層され、
自由層１２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、自由層１
２を複数領域１２ａ，１２ｂに分断し、これら複数領域
１２ａ，１２ｂを各層１１〜１３の積層方向に沿って延
びる書き込み電極８の周囲に当該書き込み電極８を囲む
ように配し、その書き込み電極８を囲む各領域１２ａ，
１２ｂによって磁場を還流させるための磁場還流構造を
形成する。
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（Ma
gnetoResistive）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。
界によって抵抗値が変化するという、いわゆるＭＲ（Ma
gnetoResistive）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。
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（Fe
rro 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（DynamicRandom 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、ＦｅＲＡ
Ｍ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、「Na
ji et al.ISSCC2001」）。
フラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦｅＲＡＭ（Fe
rro 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（DynamicRandom 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、ＦｅＲＡ
Ｍ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、「Na
ji et al.ISSCC2001」）。
【０００４】ＭＲＡＭは、巨大磁気抵抗効果（Giant Ma
gnetoresistive；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。
gnetoresistive；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、ＭＲ
ＡＭ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。
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、ＭＲ
ＡＭ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。
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Ｍ
ＲＡＭ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。
ＲＡＭ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。
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。
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。
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。
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、前記自由層が発生させる磁場を還流させるため
の磁場還流構造を有していることを特徴とするものであ
る。
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、前記自由層が発生させる磁場を還流させるため
の磁場還流構造を有し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
抵抗効果素子の自由層が発生させる磁場を還流させるた
めの磁場還流構造を有していることを特徴とするもので
ある。
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
抵抗効果素子の自由層が発生させる磁場を還流させるた
めの磁場還流構造を有し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。
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。
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ＴＭ
Ｒ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。
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ＴＭ
Ｒ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ＴＭ
Ｒ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、ＴＭ
Ｒ素子１への情報書き込みを行うようになっている。
素子部分の構成例を示す模式図である。それぞれのＴＭ
Ｒ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、ＴＭ
Ｒ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、Ｔ
ＭＲ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９
ａ，９ｂが配設されている。このような構成により、Ｍ
ＲＡＭ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Ｔ
ＭＲ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。
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、Ｔ
ＭＲ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９
ａ，９ｂが配設されている。このような構成により、Ｍ
ＲＡＭ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Ｔ
ＭＲ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 T
unnel 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。
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 T
unnel 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Ｆ
ｅ（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。
ｅ（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。
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。
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１
２ａ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１２
ｂは、それぞれがトンネル障壁層１３を介して固定層１
１との間で独立した２つのＭＴＪ構造を構成している。
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１
２ａ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１２
ｂは、それぞれがトンネル障壁層１３を介して固定層１
１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，９
ｂ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。
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，９
ｂ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１２
ｂ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。
ｂ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。
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）。
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。
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 Polish
ing）等の研磨装置を用いて、その表面の平坦化を行
う。
（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 Polish
ing）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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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１
２ｂ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。
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１
２ｂ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１
２ｂ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。
２ｂ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。
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。
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。
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。
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１２
ａ〜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。
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１２
ａ〜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１２
ｃ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。
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１２
ｃ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
的に示す図である。
１…ＴＭＲ素子、８…書き込み電極、１１…固定層、１
２…自由層、１２ａ…第１領域、１２ｂ…第２領域、１
２ｃ…第３領域、１２ｄ…第４領域、１３…トンネル障
壁層、３０…磁性層
２…自由層、１２ａ…第１領域、１２ｂ…第２領域、１
２ｃ…第３領域、１２ｄ…第４領域、１３…トンネル障
壁層、３０…磁性層
Claims (10)
- 【請求項１】 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、 前記自由層が発生させる磁場を還流させるための磁場還
流構造を有していることを特徴とする磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項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、 前記自由層は、複数領域に分断されており、 前記複数領域は、各層の積層方向に沿って延びる書き込
み電極の周囲に、当該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各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。 - 【請求項３】 前記自由層は、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た２つ
の領域に分断されていることを特徴とする請求項２記載
の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項４】 前記自由層は、円弧状若しくは直線状ま
たはこれらの組み合わせ形状に形成された４つの領域に
分断されていることを特徴とする請求項２記載の磁気抵
抗効果素子。 - 【請求項５】 前記書き込み電極を挟んで対向する２つ
の領域についての磁気抵抗効果の違いを利用して情報取
り出しを行うように構成されたことを特徴とする請求項
２記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項６】 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の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を有していることを特徴とす
る磁気メモリ装置。 - 【請求項７】 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の自由層は、複数領域に分断され
ており、 前記複数領域は、各層の積層方向に沿って延びる書き込
み電極の周囲に、当該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各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。 - 【請求項８】 前記自由層は、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た２つ
の領域に分断されていることを特徴とする請求項７記載
の磁気メモリ装置。 - 【請求項９】 前記自由層は、円弧状若しくは直線状ま
たはこれらの組み合わせ形状に形成された４つの領域に
分断されていることを特徴とする請求項７記載の磁気メ
モリ装置。 - 【請求項１０】 前記書き込み電極を挟んで対向する２
つの領域についての磁気抵抗効果の違いを利用して情報
取り出しを行うように構成されたことを特徴とする請求
項７記載の磁気メモリ装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002037660A JP3661652B2 (ja) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置 |
| US10/360,166 US6768152B2 (en) | 2002-02-15 | 2003-02-06 | Magnetoresistive effect element and magnetic memory device |
| KR1020030007390A KR100954507B1 (ko) | 2002-02-15 | 2003-02-06 | 자기저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치 |
| DE10305823.0A DE10305823B4 (de) | 2002-02-15 | 2003-02-12 | Magnetowiderstandseffekt-Element und Magnetspeicher mit einem solchen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002037660A JP3661652B2 (ja) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003243744A true JP2003243744A (ja) | 2003-08-29 |
| JP3661652B2 JP3661652B2 (ja) | 2005-06-15 |
Family
ID=27655114
Family Applications (1)
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