JP2013232497A - 磁性体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性体層の磁化スイッチングに必要な電流を低減すること。
【解決手段】磁性体装置は、下地層、磁性体層及びキャップ層の積層構造を有する。下地層とキャップ層の材料は異なっている。磁性体層は、垂直磁気異方性を有する磁化自由領域と、第１面内方向において磁化自由領域の両側に位置する第１特性変化領域及び第２特性変化領域と、を有する。第１特性変化領域及び第２特性変化領域の垂直磁気異方性は、磁化自由領域のものより弱い。磁化自由領域には、第１面内方向の成分を含む外部磁界が印加される。また、磁化自由領域には、第１面内方向の電流が供給される。
【選択図】図６

Description

本発明は、磁性体装置及びその製造方法に関する。

磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）は、高速動作および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして有望であり、近年盛んな開発が行われている。ＭＲＡＭは、記憶素子として磁性体を用い、その磁性体の磁化の向きに対応させてデータを記憶する。磁気メモリにデータを書き込むためには、磁性体中の磁化方向を変化させる必要がある。

磁性体の磁化方向のスイッチング方法としては様々知られているが、近年、「スピン軌道相互作用（spin orbit coupling）」を利用した方法が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２を参照）。以下、スピン軌道相互作用を利用した磁化スイッチング方法を説明する。

図１において、下地層１１０上に磁性体層１２０が形成されており、磁性体層１２０上にキャップ層１３０が形成されている。つまり、下地層１１０、磁性体層１２０及びキャップ層１３０は、この順番で積層されている。その積層方向はＺ方向であり、Ｚ方向に直交する面内方向はＸ方向とＹ方向である。Ｘ方向とＹ方向は互いに直交している。

磁性体層１２０は、垂直磁気異方性を有する。図１において、磁性体層１２０の磁化Ｍの方向は、＋Ｚ方向である。また、磁性体層１２０は、下面において下地層１１０に接触しており、上面においてキャップ層１３０に接触している。ここで、下地層１１０とキャップ層１３０の材料は異なっている。非特許文献２に記載されている例では、下地層１１０／磁性体層１２０／キャップ層１３０の積層構造は、Ｐｔ／Ｃｏ／ＡｌＯである。従って、磁性体層１２０と下地層１１０との界面の特性は、磁性体層１２０とキャップ層１３０との界面の特性と異なっている。言い換えれば、磁性体層１２０は、上下で“非対称”な界面を有している。

このような磁性体層１２０に対して、面内方向（例：＋Ｘ方向）の電流Ｉｗが供給される場合を考える。この場合、スピン軌道相互作用によって、「ラシュバ磁界（Rashba effective magnetic field）Ｈ_Ｒ」が生じる。ラシュバ磁界Ｈ_Ｒの方向は、上記“非対称”の方向（＋Ｚ方向）と面内電流Ｉｗの方向（＋Ｘ方向）との外積の方向であり、図１の例では＋Ｙ方向である。

更に、図２に示されるように外部磁界Ｈが磁性体層１２０に印加されている場合、その外部磁界Ｈと上記のラシュバ磁界Ｈ_Ｒとにより、実効磁界Ｈ_Ｅが生じる。その実効磁界Ｈ_Ｅの方向は、ラシュバ磁界Ｈ_Ｒの方向と外部磁界Ｈの方向との外積の方向である。図２に示されるように外部磁界Ｈの方向が＋Ｘ方向の場合、−Ｚ方向の実効磁界Ｈ_Ｅが生じる。

このように生成される−Ｚ方向の実効磁界Ｈ_Ｅを作用させることによって、磁性体層１２０の磁化Ｍを−Ｚ方向に反転させることができる。逆に、電流Ｉｗの方向が−Ｘ方向に設定された場合は、＋Ｚ方向の実効磁界Ｈ_Ｅが生じる。そのような＋Ｚ方向の実効磁界Ｈ_Ｅを作用させることによって、磁性体層１２０の磁化Ｍを＋Ｚ方向に反転させることができる。すなわち、磁性体層１２０に供給される面内電流Ｉｗの方向を切り替えることによって、磁性体層１２０の磁化スイッチングが可能となる。

図３は、非特許文献２に記載されている素子の構成を示す概略図である。下地層１１０／磁性体層１２０／キャップ層１３０の積層構造は、Ｐｔ／Ｃｏ／ＡｌＯである。磁性体層１２０は、下地層１１０の一部の上に形成されており、磁性体層１２０にはその下地層１１０を介して上記の電流Ｉｗが供給される。具体的には、下地層１１０の両端の間に電流Ｉｗが流され、その電流Ｉｗの一部が磁性体層１２０に供給される。

特開２００９−２３９１３５号公報

Miron et al., "Current-drivenspin torque induced by the Rashba effect in a ferromagnetic metal layer",Nature Materials, Vol. 9, p230, 2010 Miron et al., "Perpendicularswitching of a single ferromagnetic layer induced by in-plane currentinjection", Nature, Vol. 476, 189, 2011

図３で示された構成の場合、下地層１１０を流れる電流の分だけ、磁性体層１２０の磁化スイッチングに必要な電流が増加する。下地層１１０への分流を抑えるためには、下地層１１０を薄くする、あるいは、下地層１１０の比抵抗を高くすることが考えられる。しかしながら、下地層１１０の抵抗の増加は、発熱、エレクトロマイグレーション、電圧の増大といった問題を引き起こす。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるだろう。

一実施の形態において、磁性体装置は、下地層、磁性体層及びキャップ層の積層構造を有する。下地層とキャップ層の材料は異なっている。磁性体層は、垂直磁気異方性を有する磁化自由領域と、第１面内方向において磁化自由領域の両側に位置する第１特性変化領域及び第２特性変化領域と、を有する。第１特性変化領域及び第２特性変化領域の垂直磁気異方性は、磁化自由領域のものより弱い。磁化自由領域には、第１面内方向の成分を含む外部磁界が印加される。また、磁化自由領域には、第１面内方向の電流が供給される。

他の実施の形態において、磁性体装置の製造方法が提供される。その製造方法は、下地層、磁性体層及びキャップ層の積層構造を形成する工程を含む。磁性体層は、垂直磁気異方性を有する。下地層とキャップ層の材料は異なっている。下地層は、第１面内方向に離間した一対の電流端子のそれぞれに接続された第１下地領域と第２下地領域を有する。磁性体層は、第１下地領域と接触する第１領域と、第２下地領域と接触する第２領域と、第１領域と第２領域との間に挟まれた第３領域と、を有する。その製造方法は、更に、第１領域及び第２領域の垂直磁気異方性を、第３領域のものより弱くする工程を含む。

磁性体層の磁化スイッチングに必要な電流が低減される。

図１は、スピン軌道相互作用を利用した磁化スイッチング方法を説明するための概念図である。 図２は、スピン軌道相互作用を利用した磁化スイッチング方法を説明するための概念図である。 図３は、非特許文献２に記載されている素子の構成を示す概略図である。 図４は、実施の形態に係る磁性体装置の基本構成を示す概略図である。 図５は、実施の形態に係る磁性体装置の磁性体層の構成を示す平面図である。 図６は、実施の形態に係る磁性体装置における磁化スイッチングを説明するための概念図である。 図７は、実施の形態に係る磁性体装置の構成の一例を示す概略図である。 図８は、実施の形態に係る磁性体装置の構成の他の例を示す概略図である。 図９は、実施の形態に係る磁性体装置の構成の更に他の例を示す概略図である。 図１０は、実施の形態に係る磁性体装置の構成の更に他の例を示す概略図である。 図１１は、実施の形態に係る磁性体装置の構成の更に他の例を示す概略図である。 図１２は、実施の形態に係る磁性体装置を利用したＭＴＪ素子の構成を示す概略図である。 図１３は、図１２で示されたＭＴＪ素子を利用したメモリセルの構成例を示している。 図１４は、図１３で示されたメモリセルを利用した磁気メモリの構成例を示している。 図１５Ａは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｂは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｃは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｄは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｅは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｆは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｇは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｈは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｉは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｊは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｋは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１５Ｌは、実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスを説明するための断面図である。

添付図面を参照して、実施の形態に係る磁性体装置及びその製造方法を説明する。

１．基本構成
図４は、本実施の形態に係る磁性体装置の基本構成を示す概略図である。磁性体装置は、下地層１０、磁性体層２０及びキャップ層３０を備えている。下地層１０上に磁性体層２０が形成されており、磁性体層２０上にキャップ層３０が形成されている。つまり、下地層１０、磁性体層２０及びキャップ層３０は、この順番で積層されている。その積層方向はＺ方向であり、Ｚ方向に直交する面内方向はＸ方向とＹ方向である。Ｘ方向とＹ方向は互いに直交している。

下地層１０は、導電材料（例：Ｐｔ、Ｔａ）で形成される。磁性体層２０は、磁性材料（例：Ｃｏ、ＣｏＦｅＢ）で形成される。キャップ層３０は、例えば、ＡｌＯやＭｇＯといった酸化物で形成される。

磁性体層２０は、下面２０Ｌにおいて下地層１０に接触しており、上面２０Ｕにおいてキャップ層３０に接触している。ここで、本実施の形態によれば、下地層１０とキャップ層３０の材料は異なっている。例えば、下地層１０／磁性体層２０／キャップ層３０の積層構造は、Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯである。従って、磁性体層２０と下地層１０との界面の特性は、磁性体層２０とキャップ層３０との界面の特性と異なっている。言い換えれば、磁性体層２０は、上下で“非対称”な界面を有している。

図５は、本実施の形態における磁性体層２０の構成を示す平面図である。図４及び図５に示されるように、磁性体層２０は、第１特性変化領域２１、第２特性変化領域２２、及び磁化自由領域２３を有している。第１特性変化領域２１と第２特性変化領域２２は、Ｘ方向において磁化自由領域２３の両側に隣接して位置している。言い換えれば、磁化自由領域２３は、Ｘ方向において第１特性変化領域２１と第２特性変化領域２２との間に挟まれている。尚、磁化自由領域２３は、特性変化領域に周囲を囲まれていてもよい。この場合であっても、Ｘ方向において磁化自由領域２３が上記のような第１特性変化領域２１と第２特性変化領域２２との間に挟まれていることに変わりはない。

磁化自由領域２３は、垂直磁気異方性を有している。つまり、磁化自由領域２３は、垂直磁化膜としての磁気特性を示し、その磁化Ｍは、垂直方向（Ｚ方向）成分を主成分として有する。尚、磁化自由領域２３の磁化Ｍの方向は、固定されておらず、反転可能である。

第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２は、磁化自由領域２３とは異なる磁気特性を有している。具体的には、第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２の垂直磁気異方性は、磁化自由領域２３の垂直磁気異方性よりも弱い。例えば、第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２は、面内磁化膜としての磁気特性を示し、その磁化は面内方向成分を主成分として有する。あるいは、第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２において、磁化が消滅していてもよい。いずれにせよ、垂直磁化膜として機能する部分に着目すれば、本実施の形態に係る磁性体層２０の構成は、磁化自由領域２３がパターニングされた場合と等価である。

再度図４を参照して、下地層１０は、磁性体層２０の上記領域２１、２２、２３のそれぞれに対応する第１下地領域１１、第２下地領域１２、及び第３下地領域１３に区分され得る。より詳細には、第１下地領域１１は、第１特性変化領域２１の下面２０Ｌと接触している。第２下地領域１２は、第２特性変化領域２２の下面２０Ｌと接触している。第３下地領域１３は、磁化自由領域２３の下面２０Ｌと接触している。

更に、本実施の形態に係る磁性体装置は、第１下部電極４１及び第２下部電極４２を備えている。第１下部電極４１及び第２下部電極４２は、下地層１０の下方において、Ｘ方向に離間して設けられている。より詳細には、第１下部電極４１は、下地層１０のうち第１下地領域１１に接続されている。一方、第２下部電極４２は、下地層１０のうち第２下地領域１２に接続されている。図４に示される例では、第１下部電極４１は、第１下地領域１１の下面１０Ｌに接触しており、第２下部電極４２は、第２下地領域１２の下面１０Ｌに接触している。

第１下部電極４１と第２下部電極４２は、下地層１０及び磁性体層２０に面内電流Ｉｗを供給するための「一対の電流端子」としての役割を果たす。すなわち、一対の電流端子４１、４２がＸ方向に離間して設けられているため、それらの間に電流を流すことによってＸ方向の面内電流Ｉｗが実現される。特に、一対の電流端子４１、４２は第１下地領域１１、第２下地領域１２のそれぞれに接続されており、且つ、磁化自由領域２３はそれら第１下地領域１１と第２下地領域１２との間に位置しているため、少なくとも磁化自由領域２３にはＸ方向の面内電流Ｉｗが流れることになる。

図６を参照して、本実施の形態における磁性体層２０（磁化自由領域２３）に対する磁化スイッチング方法を説明する。一例として、磁化自由領域２３の磁化Ｍの方向が＋Ｚ方向である状態を考える。また、後述の「外部磁界印加手段」によって、少なくとも磁化自由領域２３には、＋Ｘ方向の成分を含む外部磁界Ｈが印加されているとする。

一対の電流端子（４１、４２）を用いることにより、第１下部電極４１から第２下部電極４２へ向かう電流Ｉｗ（書き込み電流）が供給される。これにより、上述の通り、少なくとも磁化自由領域２３には＋Ｘ方向の面内電流Ｉｗが流れることになる。

ここで、第１下部電極４１に接続されている第１下地領域１１は、第１特性変化領域２１と接触しているため、第１下地領域１１と第１特性変化領域２１との間で電流Ｉｗが分流されることに留意されたい。すなわち、第１下地領域１１が電流Ｉｗの全てを担うという事態が回避されている。同様に、第２下地領域１２と第２特性変化領域２２との間で電流Ｉｗが分流されるため、第２下地領域１２が電流Ｉｗの全てを担うという事態が回避される。

磁化自由領域２３に＋Ｘ方向の面内電流Ｉｗが供給されると、スピン軌道相互作用によって、ラシュバ磁界Ｈ_Ｒが生じる。ラシュバ磁界Ｈ_Ｒの方向は、上記の界面の“非対称”の方向（＋Ｚ方向）と面内電流Ｉｗの方向（＋Ｘ方向）との外積の方向であり、図６の例では＋Ｙ方向である。更に、外部磁界Ｈとラシュバ磁界Ｈ_Ｒとにより、実効磁界Ｈ_Ｅが生じる。その実効磁界Ｈ_Ｅの方向は、ラシュバ磁界Ｈ_Ｒの方向（＋Ｙ方向）と外部磁界Ｈの方向（＋Ｘ方向）との外積の方向であり、図６の例では−Ｚ方向である。

このように生成される−Ｚ方向の実効磁界Ｈ_Ｅを作用させることによって、磁化自由領域２３の磁化Ｍを−Ｚ方向に反転させることができる。逆に、電流Ｉｗの方向が−Ｘ方向に設定された場合は、＋Ｚ方向の実効磁界Ｈ_Ｅが生じる。そのような＋Ｚ方向の実効磁界Ｈ_Ｅを作用させることによって、磁化自由領域２３の磁化Ｍを＋Ｚ方向に反転させることができる。すなわち、一対の電流端子（４１、４２）の間に供給される電流Ｉｗの方向を切り替えることによって、磁化自由領域２３の磁化スイッチングが可能となる。

本実施の形態によれば、一対の電流端子（４１、４２）の間の電流経路の全体にわたって、下地層１０と磁性体層２０の積層構造が設けられている。すなわち、その電流経路の全体にわたって、下地層１０と磁性体層２０との間で分流が発生する。下地層１０だけで電流Ｉｗの全てを担うような部分がなくなるため、下地層１０の抵抗を増加させても、発熱、エレクトロマイグレーション、電圧の増大といった問題は生じない。むしろ、下地層１０の抵抗を増加させることにより、下地層１０を流れる電流の比率が少なくなる。このことは、磁化自由領域２３に対して電流Ｉｗを効率的に供給できることを意味する。結果として、磁化自由領域２３の磁化スイッチングに必要な電流Ｉｗの総量が低減され、好適である。

下地層１０の抵抗を増加させるために、下地層１０を薄くすることや、下地層１０の比抵抗を高くすることが考えられる。例えば、下地層１０の厚さが、磁性体層２０の厚さよりも小さいことが好適である。これにより、素子全体としての抵抗を増大させることなく、下地層１０を流れる電流の比率を少なくすることができる。その結果、磁化自由領域２３の磁化スイッチングに必要な電流Ｉｗの総量が低減される。

本実施の形態に係る磁性体装置は、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、ＭＲＡＭを混載メモリとして搭載したマイコン等に適用可能である。

２．外部磁界印加手段
磁性体層２０の磁化自由領域２３に＋Ｘ方向の成分を含む外部磁界Ｈを印加するための「外部磁界印加手段」としては、様々な例が考えられる。

図７に示される例では、第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２が、面内磁化膜としての磁気特性を示し、その磁化は面内方向成分を主成分として有している。より詳細には、第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２は共に、＋Ｘ方向の磁化成分を有している。これにより、磁化自由領域２３には、＋Ｘ方向の成分を含む外部磁界Ｈが印加される。すなわち、第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２が、「外部磁界印加手段」として機能する。

図８及び図９に示される例では、「外部磁界印加手段」として、第１磁化ハード層５１及び第２磁化ハード層５２が設けられている。第１磁化ハード層５１は、下地層１０の第１下地領域１１の下方に設けられている。例えば、第１磁化ハード層５１は、第１下部電極４１と第１下地領域１１との間に挟まれるように形成されている（この場合、第１下部電極４１と第１磁化ハード層５１とで、上記の一対の電流端子の一方が構成される）。同様に、第２磁化ハード層５２は、下地層１０の第２下地領域１２の下方に設けられている。例えば、第２磁化ハード層５２は、第２下部電極４２と第２下地領域１２との間に挟まれるように形成されている（この場合、第２下部電極４２と第２磁化ハード層５２とで、上記の一対の電流端子の他方が構成される）。

第１磁化ハード層５１の磁化方向は固定されている。第１磁化ハード層５１の固定磁化は、以下「第１固定磁化」と参照される。同様に、第２磁化ハード層５２の磁化方向は固定されている。第２磁化ハード層５２の固定磁化は、以下「第２固定磁化」と参照される。これら第１固定磁化及び第２固定磁化によって、磁化自由領域２３には＋Ｘ方向の成分を含む外部磁界Ｈが印加される。逆に言えば、そのような外部磁界Ｈが磁化自由領域２３に印加されるように、第１固定磁化及び第２固定磁化のそれぞれの方向が設定されている。

図８に示される例の場合、第１固定磁化及び第２固定磁化は共に、外部磁界Ｈと同じ＋Ｘ方向の成分を含んでいる。これにより、磁化自由領域２３には、＋Ｘ方向の成分を含む外部磁界Ｈが印加される。尚、本例では、各磁化ハード層（５１、５２）として、面内磁化膜が用いられる。そのような面内磁化膜としては、ＣｏＣｒＰｔ膜、ＮｉＦｅ膜、ＮｉＦｅＣｏ膜、ＣｏＦｅ膜、あるいは、それらと反強磁性層（ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ等）との積層膜が挙げられる。

図９に示される例の場合、第１固定磁化及び第２固定磁化は、互いに反平行な垂直方向成分を含んでいる。具体的には、第１固定磁化は、＋Ｚ方向の成分を含んでおり、第２固定磁化は、それとは逆の−Ｚ方向の成分を含んでいる。これにより、磁化自由領域２３には、＋Ｘ方向の成分を含む外部磁界Ｈが印加される。尚、本例では、各磁化ハード層（５１、５２）として、垂直磁化膜が用いられる。そのような垂直磁化膜としては、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、あるいは、それらと反強磁性層との積層膜が挙げられる。

図１０に示される例では、第１磁化ハード層５１は、第１特性変化領域２１の上方に設けられており、第２磁化ハード層５２は、第２特性変化領域２２の上方に設けられている。より詳細には、第１磁化ハード層５１及び第２磁化ハード層５２は共に、キャップ層３０上に形成されている。第１固定磁化及び第２固定磁化は、図８や図９で示された例の場合と同様である。これによっても、磁化自由領域２３には、＋Ｘ方向の成分を含む外部磁界Ｈが印加され得る。但し、後述されるように参照層６０がキャップ層３０上に形成される場合、その参照層６０と各磁化ハード層（５１、５２）との間にはある程度のスペース（マージン）を確保する必要がある。上記の図８や図９の構成の場合は、そのようなマージンを気にする必要がないため、サイズ縮小が容易であり、好適である。

図１１に示される例では、セル毎ではなく、チップ全体に外部磁界Ｈが印加される。そのために、チップに隣接して永久磁石が設けられている。あるいは、永久磁石は、チップではなくパッケージに隣接して設けられていてもよい。

尚、図８〜図１１で示された例の場合、第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２において、磁化が消滅していてもよい。

３．ＭＴＪ素子及び磁気メモリ
次に、本実施の形態に係る磁性体装置を、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel
Junction）素子として利用することを考える。図１２は、本実施の形態に係る磁性体装置を利用したＭＴＪ素子の構成を示している。図１２に示されるように、ＭＴＪ素子は、上述の構成要素に加えて、参照層６０と上部電極７０を更に備えている。尚、外部磁界印加手段の図示は省略されている。

参照層６０は、キャップ層３０上の、磁化自由領域２３と対向する位置に形成されている。つまり、参照層６０は、キャップ層３０を介して、磁性体層２０の磁化自由領域２３に接続されている。この参照層６０は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜であり、その磁化方向は一方向（例：＋Ｚ方向）に固定されている。例えば、参照層６０は、垂直磁気異方性を有するＣｏ／Ｐｔ積層膜とＲｕ膜等の非磁性金属膜とを積層した積層フェリ構造を有する。

これら磁化自由領域２３、キャップ層３０、及び参照層６０により、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成される。キャップ層３０は、例えばＡｌＯ膜やＭｇＯ膜といった酸化膜で形成され、ＭＴＪのトンネルバリア層として機能する。このＭＴＪの抵抗値は、磁化自由領域２３の磁化方向と参照層６０の磁化方向との間の相対的関係に依存して変動する。具体的には、それらの磁化方向が平行の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的低くなり、それらの磁化方向が反平行の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的高くなる。このような抵抗値の大小が、データ「０」、「１」に対応付けられる。

データ読み出し時、参照層６０に接続された上部電極７０と第１下部電極４１あるいは第２下部電極４２との間に、読み出し電流が流される。その読み出し電流あるいは読み出し電圧に基づいて、ＭＴＪの抵抗値の大小、すなわち、ＭＴＪ素子に記憶されているデータを判定することが可能である。

データ書き込みは、磁性体層２０の磁化自由領域２３の磁化方向を反転させることに相当する。つまり、一対の電流端子（４１、４２）の間に供給される上述の電流Ｉｗが、書き込み電流に相当する。その書き込み電流Ｉｗの方向を切り替えることによって、所望のデータをＭＴＪ素子に書き込むことができる。磁化自由領域２３を有する磁性体層２０は、データを記録する記録層としての役割を果たしていると言える。

図１３は、図１２で示されたＭＴＪ素子を利用したメモリセル１の構成例を示している。第１下部電極４１は、第１選択トランジスタＴＲ１を介して、第１ビット線ＢＬ１に接続されている。第２下部電極４２は、第２選択トランジスタＴＲ２を介して、第２ビット線ＢＬ２に接続されている。第１選択トランジスタＴＲ１及び第２選択トランジスタＴＲ２のゲート電極は共にワード線ＷＬに接続されている。上部電極７０は、読み出しビット線ＲＢＬに接続されている。

ワード線ＷＬに選択電圧が印加されると、第１選択トランジスタＴＲ１及び第２選択トランジスタＴＲ２はＯＮする。そして、第１ビット線ＢＬ１、第２ビット線ＢＬ２及び読み出しビット線ＲＢＬのそれぞれの電圧状態を適切に設定することによって、上述の読み出し電流あるいは書き込み電流Ｉｗをメモリセル１に供給することが可能である。

図１４は、図１３で示されたメモリセル１を利用した磁気メモリの構成例を示している。その磁気メモリは、メモリセルアレイ、ワード線セレクタ８１、ビット線電流源回路８２、ビット線セレクタ８３、読み出しビット線電流源回路８４、及び読み出しビット線セレクタ８５を備えている。メモリセルアレイは、アレイ状に配置された複数のメモリセル１を備えている。

ワード線セレクタ８１は、ワード線ＷＬに接続されており、指定されたワード線ＷＬを駆動する。ビット線電流源回路８２は、第１ビット線ＢＬ１に接続されており、第１ビット線ＢＬ１に書き込み電流Ｉｗを供給する。ビット線セレクタ８３は、第２ビット線ＢＬ２に接続されており、指定された第２ビット線ＢＬ２を選択する。読み出しビット線電流源回路８４は、読み出しビット線ＲＢＬに接続されており、読み出しビット線ＲＢＬに読み出し電流を供給する。読み出しビット線セレクタ８５は、読み出しビット線ＲＢＬに接続されており、指定された読み出しビット線ＲＢＬを選択する。このような構成により、上述の読み出し電流あるいは書き込み電流Ｉｗを、所望のメモリセル１に供給することが可能である。

４．製造プロセス
図１５Ａ〜図１５Ｌは、本実施の形態に係る磁性体装置の製造プロセスの一例を説明するための断面図である。ここでは、既出の図８で示されたように第１磁化ハード層５１及び第２磁化ハード層５２を備えた構成の場合を説明する。尚、それら第１磁化ハード層５１及び第２磁化ハード層５２は、一対の電流端子に相当する。

図１５Ａに示されるように、下地層５０、第１磁化ハード層５１、キャップ層５３、ハードマスク層（ＳｉＮ）５４、及びハードマスク層（ＳｉＯ２）５５が順番に堆積される。

次に、所定のレジストマスクを用いることにより、ハードマスク層５５、ハードマスク層５４、及びキャップ層５３のエッチングが行われる。その結果、図１５Ｂに示されるようなハードマスクが形成される。

続いて、図１５Ｃに示されるように、そのハードマスクを用いたエッチングにより、第１磁化ハード層５１のパターンニングが行われる。

次に、図１５Ｄに示されるように、下地層５６、第２磁化ハード層５２、キャップ層５７、ハードマスク層（ＳｉＮ）５８、及びハードマスク層（ＳｉＯ２）５９が順番に堆積される。

続いて、上記の図１５Ｂの場合と同様にハードマスクが形成される。そして、図１５Ｅに示されるように、そのハードマスクを用いたエッチングにより、第２磁化ハード層５２のパターンニングが行われる。

次に、層間絶縁膜（ＳｉＮ）６１が全面に形成され、その後、ＣＭＰ（Chemical
Mechanical Polishing）が行われる。その結果、図１５Ｆに示されるように、第１磁化ハード層５１及び第２磁化ハード層５２の上部が露出する。

続いて、図１５Ｇに示されるように、下地層１０、磁性体層２０、トンネルバリア層（キャップ層）３０、及び参照層６０が順番に堆積される。

ここで、下地層１０は、第１磁化ハード層５１及び第２磁化ハード層５２に接触している。それら第１磁化ハード層５１及び第２磁化ハード層５２は、面内方向（Ｘ方向）に離間している。そして、それら第１磁化ハード層５１及び第２磁化ハード層５２のそれぞれに接続された下地層１０の領域が、上述の第１下地領域１１及び第２下地領域１２に相当する。

磁性体層２０は、垂直磁化膜であり、下地層１０上に形成されている。磁性体層２０は、第１下地領域１１と接触する第１領域（第１特性変化領域２１に相当）、第２下地領域１２と接触する第２領域（第２特性変化領域２２に相当）、及び第１領域と第２領域との間に挟まれた第３領域（磁化自由領域２３に相当）を有する。

トンネルバリア層３０は、磁性体層２０上に形成されている。トンネルバリア層３０の材料は、下地層１０の材料と異なっている。

参照層６０は、垂直磁化膜であり、トンネルバリア層３０上に形成されている。

次に、図１５Ｈに示されるように、参照層６０上に、ハードマスク層（ＳｉＮ）６２及びハードマスク層（ＳｉＯ２）６３が順番に堆積される。更に、所定のレジストマスクを用いることにより、ハードマスク層６３のパターンニングが行われる。

続いて、ハードマスク層６３をマスクとして用いることにより、ハードマスク層６２以下の積層構造のパターンニングが行われる。その結果、図１５Ｉに示されるような積層構造が得られる。

次に、図１５Ｊに示されるように、層間絶縁膜６４が全面に形成される。更に、フォトリソグラフィにより、所定のパターンを有するレジストマスク６５が層間絶縁膜６４上に形成される。具体的には、レジストマスク６５は、磁化自由領域２３として用いられる第３領域を覆うように形成される。

続いて、そのレジストマスク６５を用いたエッチングにより、層間絶縁膜６４のパターンニングが行われる。その結果、図１５Ｋに示されるように、層間絶縁膜６４の一部からなるハードマスクが形成される。このハードマスク６４も、磁化自由領域２３として用いられる第３領域を覆っている。

続いて、図１５Ｌに示されるように、ハードマスク６４を用いたエッチングにより、ハードマスク層６２、更には参照層６０のパターンニングが行われる。

ここで、ハードマスク６４で覆われていない領域のトンネルバリア層３０は露出し、エッチングにさらされる。この時、エッチング条件及びエッチングガスを適切に選択することにより、ハードマスク６４で覆われていない領域（第１領域、第２領域）の磁性体層２０の特性を変化させることができる。具体的には、ハードマスク６４で覆われていない領域（第１領域、第２領域）の垂直磁気異方性が、ハードマスク６４で覆われている第３領域の垂直磁気異方性よりも弱くなる。

例えば、下地層１０（Ｔａ）／磁性体層２０（ＣｏＦｅＢ）／トンネルバリア層３０（ＭｇＯ）／参照層６０の積層構造を考える。その積層構造に対し、アルコールを含んだガスを用いることによって参照層６０のエッチングが行われると、磁性体層２０（ＣｏＦｅＢ）の磁化が消滅することが確認された。これは、ＣｏＦｅＢの垂直磁気異方性がＭｇＯ界面に起因しているためであり、エッチングにさらされた領域のＭｇＯが変質したためと考えられる。また、イオン注入を適宜行うことによって、当該領域の磁化を面内磁化にすることもできる。

このように、ハードマスク６４で覆われておらず、垂直磁気異方性が弱くなった第１領域及び第２領域が、第１特性変化領域２１及び第２特性変化領域２２となる。一方、ハードマスク６４で覆われていた第３領域が、磁化自由領域２３となる。磁化自由領域２３は、第１特性変化領域２１と第２特性変化領域２２との間に挟まれる。また、磁化自由領域２３の両側の第１特性変化領域２１と第２特性変化領域２２は、それぞれ、第１下地領域１１と第２下地領域１２に接触する。参照層６０は、トンネルバリア層３０上の、磁化自由領域２３と対向する位置に形成される。つまり、参照層６０は、トンネルバリア層３０を介して、磁化自由領域２３に接続される。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ メモリセル
１０ 下地層
１１ 第１下地領域
１２ 第２下地領域
１３ 第３下地領域
２０ 磁性体層、記録層
２１ 第１特性変化領域
２２ 第２特性変化領域
２３ 磁化自由領域
３０ キャップ層、トンネルバリア層
４１ 第１下部電極
４２ 第２下部電極
５１ 第１磁化ハード層
５２ 第２磁化ハード層
６０ 参照層
７０ 上部電極
８１ ワード線セレクタ
８２ ビット線電流源回路
８３ ビット線セレクタ
８４ 読み出しビット線電流源回路
８５ 読み出しビット線セレクタ
Ｈ_Ｒ ラシュバ磁界
Ｈ_Ｅ 実効磁界
ＷＬ ワード線
ＢＬ１ 第１ビット線
ＢＬ２ 第２ビット線
ＲＢＬ 読み出しビット線
ＴＲ１ 第１選択トランジスタ
ＴＲ２ 第２選択トランジスタ

Claims (12)

1. 下地層と、
   前記下地層とは材料が異なるキャップ層と、
   下面が前記下地層と接触し、上面が前記キャップ層と接触している磁性体層と、
   前記下地層及び前記磁性体層に電流を供給するための一対の電流端子と
   を備え、
   前記磁性体層は、
   垂直磁気異方性を有する磁化自由領域と、
   第１面内方向において前記磁化自由領域の両側に位置する第１特性変化領域及び第２特性変化領域と
   を有し、
   前記第１特性変化領域及び前記第２特性変化領域の垂直磁気異方性は、前記磁化自由領域のものより弱く、
   前記磁化自由領域には、前記第１面内方向の成分を含む外部磁界が印加されており、
   前記下地層は、
   前記第１特性変化領域の前記下面と接触する第１下地領域と、
   前記第２特性変化領域の前記下面と接触する第２下地領域と
   を有し、
   前記一対の電流端子は、前記第１下地領域と前記第２下地領域のそれぞれに接続されている
   磁性体装置。
2. 請求項１に記載の磁性体装置であって、
   更に、垂直磁気異方性を有し磁化方向が固定された参照層を備え、
   前記キャップ層は、トンネルバリア層であり、
   前記参照層は、前記トンネルバリア層を介して、前記磁化自由領域と接続されている
   磁性体装置。
3. 請求項１に記載の磁性体装置であって、
   前記第１特性変化領域及び前記第２特性変化領域の各々は、前記第１面内方向の成分を含む磁化を有し、
   前記磁化自由領域に印加される前記外部磁界は、前記第１特性変化領域及び前記第２特性変化領域によって生成される
   磁性体装置。
4. 請求項１に記載の磁性体装置であって、
   更に、
   前記第１下地領域の下方に設けられ、第１固定磁化を有する第１磁化ハード層と、
   前記第２下地領域の下方に設けられ、第２固定磁化を有する第２磁化ハード層と
   を備え、
   前記磁化自由領域に印加される前記外部磁界が前記第１固定磁化及び前記第２固定磁化によって生成されるように、前記第１固定磁化及び前記第２固定磁化のそれぞれの方向が設定されている
   磁性体装置。
5. 請求項４に記載の磁性体装置であって、
   前記第１固定磁化及び前記第２固定磁化は共に、前記第１面内方向の成分を含んでいる
   磁性体装置。
6. 請求項４に記載の磁性体装置であって、
   前記第１固定磁化は、第１垂直方向の成分を含み、
   前記第２固定磁化は、前記第１垂直方向と逆方向の第２垂直方向の成分を含む
   磁性体装置。
7. 請求項４に記載の磁性体装置であって、
   前記第１特性変化領域及び前記第２特性変化領域は、磁化を有していない
   磁性体装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁性体装置であって、
   前記下地層の厚さは、前記磁性体層の厚さよりも小さい
   磁性体装置。
9. （Ａ）一対の電流端子と接続された下地層を形成することと、
   ここで、前記一対の電流端子は、第１面内方向に離間しており、且つ、前記下地層の第１下地領域及び第２下地領域のそれぞれに接続され、
   （Ｂ）前記下地層上に垂直磁気異方性を有する磁性体層を形成することと、
   ここで、前記磁性体層は、
   前記第１下地領域と接触する第１領域と、
   前記第２下地領域と接触する第２領域と、
   前記第１領域と前記第２領域との間に挟まれた第３領域と
   を有し、
   （Ｃ）前記磁性体上にキャップ層を形成することと、
   ここで、前記キャップ層の材料は、前記下地層の材料と異なっており、
   （Ｄ）前記第１領域及び前記第２領域の垂直磁気異方性を、前記第３領域のものより弱くすることと
   を含む
   磁性体装置の製造方法。
10. 請求項９に記載の磁性体装置の製造方法であって、
    更に、
    前記キャップ層上に垂直磁化膜を形成することと、
    前記第３領域を覆うマスクを用いて前記垂直磁化膜をエッチングすることによって、前記キャップ層を介して前記第３領域と接続された参照層を形成することと
    を含む
    磁性体装置の製造方法。
11. 請求項１０に記載の磁性体装置の製造方法であって、
    前記キャップ層のうち前記マスクに覆われていない領域が前記エッチングにさらされることにより、前記第１領域及び前記第２領域の垂直磁気異方性が、前記第３領域のものより弱くなる
    磁性体装置の製造方法。
12. 請求項１０又は１１に記載の磁性体装置の製造方法であって、
    前記エッチングにおいて、アルコールを含んだガスが用いられる
    磁性体装置の製造方法。

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