磁気メモリ
【課題】磁気記録層の強磁性体膜が強い垂直磁気異方性を有する磁気メモリを提供する。
【解決手段】磁気メモリは、強磁性体の下地層５１と、下地層５１上にの第１非磁性５２と、第１非磁性５２上の垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層５３と、第２非磁性層２０を介してデータ記憶層５３に接続された参照層３０と、下地層５１の下側に接した第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとを具備する。データ記憶層５３は、反転可能な磁化を有し参照層３０とオーバーラップする磁化自由領域１３と、磁化自由領域１３の端に接続され、第１磁化固定層４１ａに＋ｚ方向に磁化固定された第１磁化固定領域１１ａと、磁化自由領域１３の他の端に接続され、第２磁化固定層４１ｂに−ｚ方向に磁化固定された第２磁化固定領域１１ｂとを備える。磁化自由領域１３下の第１非磁性５２は、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂ下の第１非磁性５２よりも厚い。
【解決手段】磁気メモリは、強磁性体の下地層５１と、下地層５１上にの第１非磁性５２と、第１非磁性５２上の垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層５３と、第２非磁性層２０を介してデータ記憶層５３に接続された参照層３０と、下地層５１の下側に接した第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとを具備する。データ記憶層５３は、反転可能な磁化を有し参照層３０とオーバーラップする磁化自由領域１３と、磁化自由領域１３の端に接続され、第１磁化固定層４１ａに＋ｚ方向に磁化固定された第１磁化固定領域１１ａと、磁化自由領域１３の他の端に接続され、第２磁化固定層４１ｂに−ｚ方向に磁化固定された第２磁化固定領域１１ｂとを備える。磁化自由領域１３下の第１非磁性５２は、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂ下の第１非磁性５２よりも厚い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関する。特に本発明は、磁壁移動型の磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
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である。ＭＲＡＭの実用化は一部で始まっており、また、より汎用性を高めるための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。記憶素子に所望のデータを書き込むためには、磁性体の磁化をそのデータに対応した向きにスイッチさせる。この磁化方向のスイッチング方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流（以下、「書き込み電流」と参照される）を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要である。
【０００３】
非特許文献１（Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ”，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．４２，ＮＯ．４，ｐｐ．８３０−８３８，２００７．）によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下へ低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。
【０００４】
ＭＲＡＭへのデータ書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に書き込み電流を流すことで磁場を発生させ、その磁場によって磁性記憶素子の磁化方向をスイッチングさせる方法である。この方法によれば、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。しかしながら、熱安定性及び外乱磁場耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁場は、一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度であり、このような磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の書き込み電流が必要となる。この場合、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣る。これに加えて、素子が微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリング性の点でも好ましくない。
【０００５】
近年、このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。
【０００６】
１つ目は、スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ Ｔｏｒｑｕｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式である。スピン注入磁化反転方式によれば、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化方向が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で書き込み電流が流される。このとき、スピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用により、第１の磁性層の磁化を反転させることができる。読み出しの際には、第１の磁性層と第２の磁性層との間で発現する磁気抵抗効果が利用される。従って、スピン注入磁化反転を用いた磁性記憶素子は、２端子の素子となる。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こるため、素子サイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな書き込み電流を、この絶縁層を貫通して流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込み電流経路と読み出し電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このように、スピン注入磁化反転はスケーリング性には優れているものの、実用化にはいくつかの障壁がある。
【０００７】
２つ目は、電流誘起磁壁移動（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ）方式である。電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭは、例えば特許文献１（特開２００５−１９１０３２号公報）に開示されている。一般的な電流誘起磁壁移動型のＭＲＡＭでは、反転可能な磁化を有する磁性層（データを記憶するデータ記憶層）が設けられ、そのデータ記憶層の両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定される。このような磁化配置により、データ記憶層内に磁壁が導入される。ここで、非特許文献２（Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．９２，ＮＯ．７，０７７２０５，２００４．）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、その磁壁は伝導電子の方向に移動する。従って、データ記憶層に面内方向の書き込み電流を流すことにより、その電流方向に応じた向きに磁壁を移動させ、所望のデータを書き込むことが可能となる。読み出しの際には、磁壁が移動する領域を含む磁気トンネル接合が用いられ、磁気抵抗効果に基づいて読み出しが行われる。従って、電流誘起磁壁移動を利用した磁性記憶素子は、３端子の素子となる。また、スピン注入磁化反転と同様に、電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こる。従って、電流誘起磁壁移動方式もスケーリング性に優れていると言える。それに加えて、電流誘起磁壁移動方式の場合、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また、書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となる。従って、スピン注入磁化反転の場合の上述の問題点が解決される。尚、上述の非特許文献２では、電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度が報告されている。
【０００８】
非特許文献３（Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．１０３，０７Ｅ７１８，２００８．）には、電流誘起磁壁移動方式における垂直磁気異方性材料の有用性が述べられている。具体的には、磁壁移動が起こるデータ記憶層が垂直磁気異方性を有している場合に書き込み電流を十分小さく低減できることが、マイクロマグネティックシミュレーションを通して判明している。
【０００９】
特許文献３（国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報）には、垂直磁気異方性を有する磁性体を用いた磁気抵抗効果素子、及びそれをメモリセルとして備えたＭＲＡＭが開示されている。図１は、国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報の磁気抵抗効果素子を模式的に示す断面図である。磁気抵抗効果素子は、磁気記憶層１１０と、スペーサ層１２０と、参照層１３０とを具備している。
【００１０】
磁気記憶層１１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成されている。磁気記憶層１１０は、第１磁化固定領域１１１ａ、第２磁化固定領域１１１ｂ、及び磁化自由領域１１３を有している。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂは磁化自由領域１１３の両側に配置されている。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化は互いに逆方向（反平行）に固定されている。例えば、図１に示されるように、第１磁化固定領域１１１ａの磁化方向は＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１１ｂの磁化方向は−ｚ方向に固定されている。一方、磁化自由領域１１３の磁化方向は、磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの一方から他方へ流れる書込み電流により反転可能であり、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向となる。従って、磁化自由領域１１３の磁化方向に応じて、磁気記憶層１１０内には磁壁１１２ａ又は磁壁１１２ｂが形成される。データは、磁化自由領域１１３の磁化の向きとして記憶される。磁壁１１２の位置（１１２ａ又は１１２ｂ）として記憶されると見ることもできる。磁化方向が固定された強磁性体である参照層１３０、非磁性層（絶縁層）のスペーサ層１２０及び磁化自由領域１１３は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成している。データは、ＭＴＪの抵抗値の大小として読み出される。
【００１１】
この特許文献３には、磁気記憶層１１０が垂直磁気異方性を有する場合、書き込み電流を低減することが可能であることが開示されている。
【００１２】
垂直磁気異方性を有する材料の中で一般的に知られているものには、ＣｏとＮｉ、ＣｏとＰｔおよびＣｏとＰｄの積層膜があり、ＣｏとＮｉの積層膜の上下または層間にＰｔやＰｄを入れることが可能である。また、ハードディスク媒体に用いられる材料としてＣｏＣｒ系合金および、ＣｏＣｒ系合金とＳｉＯ２やＴｉＯ２などの混合物などがある。また光磁気記録用の媒体に用いられる材料としてＴｂＦｅＣｏなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献２】米国特許第６，８３４，００５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ”，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．４２，ＮＯ．４，ｐｐ．８３０−８３８，（２００７）．
【非特許文献２】Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．９２，ＮＯ．７，０７７２０５，（２００４）．
【非特許文献３】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．１０３，０７Ｅ７１８，（２００８）．
【非特許文献４】Ａ． Ｔｈｉａｖｉｌｌｅ ｅｔ ａｌ．， “Ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｂｙ ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ： ａ ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｕｄｙ”， ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ， ＶＯＬ． ９５， ＮＯ． １１， ｐｐ．７０４９−７０５１， （２００４）．
【非特許文献５】Ｇ．Ｈ．Ｏ．Ｄａａｌｄｅｒｏｐ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ Ｃｏ／Ｎｉ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．６８，ＮＯ．５，ｐｐ．６８２−６８５，（１９９２）．
【非特許文献６】Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏ／Ｎｉ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｓｔｒｉｐ ｆｏｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ ＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，ＶＯＬ．４５，ＮＯ．１０，ｐｐ．３７７６−３７７９，（２００９）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述のように、強磁性体膜（例示：磁気記憶層１１０）が垂直磁気異方性を有することは、ＭＲＡＭの低定電流化のために重要である。また、強磁性体膜が磁壁移動に対する適性（例示：スピン分極率の高さ）を有することは、磁壁移動によりデータを記憶するために重要である。強磁性体膜の垂直磁気異方性や磁壁移動に対する適正は、選択する材料だけでなく、成膜時の下地層の材料や構造によっても影響を受ける。従って、垂直磁気異方性が高く、磁壁移動に対する適正も高い膜を得るためには、強磁性体膜の材料の選択と共に下地層の材料や構造の選択も重要である。
【００１６】
例えば、垂直磁気異方性を有する材料であって磁壁移動に適している材料として、Ｐｔ上に成膜したＣｏとＮｉの積層膜（［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜）がある。ただし、ｎはＣｏとＮｉの積層回数であり自然数である。ＣｏとＮｉの積層膜はスピン分極率が高いという点で有利である。その一方で、ＣｏとＮｉの積層膜はＣｏとＰｔの積層膜やＣｏとＰｄの積層膜と比較して垂直磁気異方性が低いという点で不利である。しかし、ＣｏとＮｉの積層膜をＰｔ膜上に形成すれば、垂直磁気異方性が高くなり、上記不利な点が解消する。
【００１７】
また、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向するとき垂直磁気異方性が高くなる。しかし、Ｃｏ／Ｎｉの結晶配向性は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の下地層の材料により変わり、それに対応して垂直磁気異方性の大きさも変わってくる。従って、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の下地層の材料の選定が重要である。
【００１８】
また、図１の磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化の固定を、それらの下方の磁化固定層（図示されず）との間の磁気的結合で行っている場合がある。その場合、磁気記憶層１１０（垂直磁気異方性を有する強磁性体膜）の下地層が磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂと磁化固定層との間の磁気的結合に影響を及ぼさないことも重要である。例えば、磁気記憶層１１０の下地層の膜厚が厚過ぎる場合、磁気的結合が切れ磁壁移動によるデータ記録が機能しなくなるおそれがある。
【００１９】
更に、強磁性体膜の成膜工程の後、他の工程において何らかの熱処理がなされる場合、その熱処理の温度により垂直磁気異方性が変化する場合がある。そのような熱処理による垂直磁気異方性の変化は、下地層の材料により異なる。そのため、この点に関しても、強磁性体膜の下地層の材料の選定が重要である。
【００２０】
例えば、Ｃｕ配線工程では、熱処理の温度が３５０℃程度であり、更に将来的にはＣｕ配線工程での熱処理温度が下がる可能性がある。したがって、３５０℃又はその温度以下の熱処理温度で、強磁性体膜の垂直磁気異方性が高くなるように、下地層の材料を選定する必要がある。
【００２１】
磁気記録層の強磁性体膜の垂直磁気異方性や磁壁移動に対する適性が高くなるような下地層が望まれる。その強磁性体膜の磁化固定領域と磁化固定層との磁気的結合に悪影響を与えず、その強磁性体膜が熱処理に強くなるような下地層が望まれる。磁気メモリ製造過程を終了した後であっても、その強磁性体膜が強い垂直磁気異方性を有する磁気メモリが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２３】
本発明の磁気メモリは、下地層（５１）と、第１非磁性（５２、５２１）と、データ記憶層（５３）と、参照層（３０）と、第１磁化固定層（４１ａ）及び第２磁化固定層（４１ｂ）とを具備している。下地層（５１）は、強磁性体である。第１非磁性（５２、５２１）は、下地層（５１）上に設けられている。データ記憶層（５３）は、第１非磁性（５２、５２１）上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。参照層（３０）は、第２非磁性層（２０）を介してデータ記憶層（５３）に接続されている。第１磁化固定層（４１ａ）及び第２磁化固定層（４１ｂ）は、下地層（５１）の下側に接して設けられている。データ記憶層（５３）は、磁化自由領域（１３）と、第１磁化固定領域（１１ａ）と、第２磁化固定領域（１１ｂ）とを備えている。磁化自由領域（１３）は、反転可能な磁化を有し参照層（３０）とオーバーラップする。第１磁化固定領域（１１ａ）は、磁化自由領域（１３）の第１境界に接続され、第１磁化固定層（４１ａ）に磁化の向きを第１方向（＋ｚ）に固定されている。第２磁化固定領域（１１ｂ）は、磁化自由領域（１３）の第２境界に接続され、第２磁化固定層（４１ｂ）に磁化の向きを第１方向（＋ｚ）と反平行な第２方向（−ｚ）に固定されている。磁化自由領域（１３）の下側の第１非磁性（５２、５２１）は、第１磁化固定領域（１１ａ）及び第２磁化固定領域（１１ｂ）の下側の第１非磁性（５２、５２１）よりも厚い。
【００２４】
本発明の磁気メモリの製造方法は、互いに離間して設けられた第１磁化固定層（４１ａ）及び第２磁化固定層（４１ｂ）上に、下地層用の下地強磁性膜（５１ａ）と第１非磁性層用の第１非磁性膜（５２ａ、５２１ａ）とをこの順で積層する工程と、前記第１非磁性膜（５２ａ、５２１ａ）のうち、前記第１磁化固定層（４１ａ）上の少なくとも一部分及び前記第２磁化固定層（４１ｂ）上の少なくとも一部分を、他の部分と比較して薄くする工程と、前記第１非磁性膜（５２ａ、５２１ａ）上に、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層用の第１強磁性体膜（５３ａ）と、第２非磁性層用の第２非磁性膜（２０ａ）と、参照層用の第２強磁性体膜（３０ａ）とをこの順で積層する工程と、前記第２強磁性体膜（３０ａ）、前記第２非磁性膜（２０ａ）、前記第１強磁性体膜（５３ａ）、前記第１非磁性膜（５２ａ、５２１ａ）及び前記下地強磁性膜（５１ａ）を素子形状に加工して、前記下地層、前記第１非磁性層及び前記データ記憶層を形成する工程と、前記第２強磁性体膜（３０ａ）及び前記第２非磁性膜（２０ａ）層を前記参照層（３０）の形状に加工して、前記第２非磁性層及び前記参照層を形成する工程とを具備している。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に相応しい垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報の磁気抵抗効果素子を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリの主要部の概略構成を示す模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成例を示す断面図ある。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の構成例を示す側面図である。
【図４】図４は、データ記憶層に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、比較例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、比較例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、実施例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、図８Ａ〜図８Ｃの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図８Ａ〜図８Ｃの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示す平面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示すｘｚ断面図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示すｙｚ断面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示す平面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示すｘｚ断面図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示すｙｚ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリについて添付図面を参照して説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの主要部の概略構成を示す模式図である。磁気メモリは、磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）に例示され、行列状に配置された複数の磁気メモリセル８０を具備している。
【００２８】
磁気メモリセル８０は、磁気抵抗効果素子７０と、選択トランジスタＴｒａ、Ｔｒｂとを備えている。選択トランジスタＴｒａは、ゲートをワード線ＷＬに、ソース／ドレインの一方をビット線ＢＬに、ソース／ドレインの他方を磁気抵抗効果素子７０の第１磁化固定層４１ａ（後述）に第１電極層４２ａを介してそれぞれ接続されている。選択トランジスタＴｒｂは、ゲートをワード線ＷＬに、ソース／ドレインの一方をビット線／ＢＬに、ソース／ドレインの他方を磁気抵抗効果素子７０の第２磁化固定層４１ｂ（後述）に第２電極層４２ｂを介してそれぞれ接続されている。
【００２９】
磁気抵抗効果素子７０は、磁気記憶層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０とを備えている。更に、第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂを備えていても良い。
【００３０】
磁気記憶層１０は、磁化自由領域１３と、第１磁化固定領域１１ａと、第２磁化固定領域１１ｂとを含んでいる。磁化自由領域１３は、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。磁化自由領域１３は磁化反転が可能であり、その磁化状態に応じてデータを記憶する。また、磁化自由領域１３の両側には、それぞれ第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂが設けられている。磁化自由領域１３は、スペーサ層２０を介して参照層３０とオーバーラップしている。第１磁化固定領域１１ａの磁化と第２磁化固定領域１１ｂの磁化とは互いに逆方向（反平行）に固定されている。図２の例では、第１磁化固定領域１１ａの磁化方向は第１磁化固定層４１ａにより＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化方向は第２磁化固定層４１ｂにより−ｚ方向に固定されている。第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂは垂直磁気異方性を有する強磁性膜であり、磁気記録層１０と比べ高い保磁力を有する膜で構成される。
【００３１】
磁化自由領域１３の磁化方向は反転可能であり、＋ｚ方向及び−ｚ方向のいずれかになり得る。従って、磁化自由領域１３の磁化方向に応じて、磁気記憶層１０内には磁壁１２（１２ａ又は１２ｂ）が形成される。図２の例では、磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの間に磁壁１２ｂが形成される。一方、磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの間に磁壁１２ａが形成される。すなわち、磁気記憶層１０は少なくとも一つの磁壁１２（１２ａ又は１２ｂ）を有し、その磁壁１２の位置は磁化自由領域１３の磁化方向に対応している。
【００３２】
スペーサ層２０は、磁気記憶層１０に隣接して設けられている。特に、スペーサ層２０は、少なくとも磁気記憶層１０の磁化自由領域１３に隣接するように設けられている。このスペーサ層２０は非磁性体で形成されている。より好適には絶縁体（例示：アルミナ酸化膜（Ａｌ−Ｏｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ））で形成されている。
【００３３】
参照層３０は、スペーサ層２０に隣接して、磁気記憶層１０とは反対側に設けられている。つまり、参照層３０は、スペーサ層２０を介して磁気記憶層１０（磁化自由領域１３）に接続されている。この参照層３０は強磁性体で形成され、その磁化方向は一方向に固定されている。好適には、磁気記憶層１０と同様に、参照層３０も垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成される。この場合、参照層３０の磁化方向は、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向に固定される。図２の例では、参照層３０の磁化方向は、＋ｚ方向に固定されている。ただし、参照層３０は面内磁気異方性を有する強磁性体であってもよい。その場合、参照層３０は、磁化自由領域１３の真上ではなく、いずれかの方向にずれた（ｘｙ面内での重心が磁化自由領域３０の重心からずれた）位置に配置される。参照層３０の強磁性体の保磁力を大きくするために、反強磁性層を積層しても良い。反強磁性層としては、鉄・マンガン（ＦｅＭｎ）、白金・マンガン（ＰｔＭｎ）、ニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）などのマンガン合金反強磁性膜、或いは、コバルト酸化物（ＣｏＯ）、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）などの酸化物反強磁性膜が用いられる。
【００３４】
以上に説明された磁化自由領域１３、スペーサ層２０、及び参照層３０は、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を形成している。すなわち、磁化自由領域１３、スペーサ層２０、及び参照層３０は、ＭＴＪにおけるフリー層、バリア層、及びピン層に相当する。
【００３５】
なお、電極層が磁気記憶層１０の両端にそれぞれ電気的に接続されている。特に、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂのそれぞれに接続されるように、２つの電極層が設けられている。これら電極層は、磁気記憶層１０に書き込み電流を導入するために用いられる。これら電極層は、上述した第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂを介して磁気記憶層１０の両端に接続することができる。図２の例では、第１磁化固定層４１ａには第１電極層４２ａが設けられ、第２磁化固定層４１ｂには第２電極層４２ｂが設けられている。また、他の電極層が参照層３０に電気的に接続されている。
【００３６】
参照層３０及び磁気記録層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜であり、磁気記録層１０及び参照層３０の磁化に向きは、膜厚方向に向けられている。磁気記録層１０及び参照層３０は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）或いはこれらのいずれかを含む合金から構成されている。磁気記録層１０及び参照層３０が、ＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的には磁気記録層１０及び参照層３０として使用可能な材料としては、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層が、異なる層と積層されることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。
【００３７】
更に、そのような積層膜におけるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む層が、更に積層膜であっても良い。すなわち、その層が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む単相又は合金であり、上述された種々の材料のうちのいずれか一つである第１層と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む単相又は合金であり、上述された種々の材料のうちのいずれか一つであって第１層と異なる第２層とが、一回又は複数回、積層された層であっても良い。それにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的には、例えば、Ｐｔ膜上に成膜したＣｏとＮｉの積層膜（［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜）である。
【００３８】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの記憶状態について、図２の例を用いて説明する。
【００３９】
図２の例において、磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に、磁壁１２ｂが形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“０”の記憶状態に対応付けられる。一方、図２において、磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ａが形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに反平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“１”の記憶状態に対応付けられる。このように、磁化自由領域１３の磁化状態、すなわち、磁気記憶層１０中の磁壁の位置に対応して、２つの記憶状態が実現される。磁化自由領域１３は、その磁壁１２の位置に対応してデータを記憶している。
【００４０】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの書き込み方法について図２を参照して説明する。
【００４１】
データ“０”状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は互いに平行）において、データ“１”状態（互いに反平行）を書き込む場合、第１磁化固定領域１１ａから第２磁化固定領域１１ｂへ書き込み電流ＩＷを流す。伝導電子は、第２磁化固定領域１１ｂから第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２ｂにはスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ； ＳＴＴ）が働き、磁壁１２ｂは、第１磁化固定領域１１ａに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流（密度）は、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３との境界よりも第１磁化固定領域１１ａ側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界近傍で停止する。このようにして、磁壁１２ｂが第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“１”の書き込みが実現される。
【００４２】
次に、データ“１”状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は互いに反平行）において、データ“０”状態（互いに平行）を書き込む場合、第２磁化固定領域１１ｂから第１磁化固定領域１１ａへ書き込み電流ＩＷを流す。伝導電子は、第１磁化固定領域１１ａから第２磁化固定領域１１ｂへと流れる。このとき、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２ａにはスピントランスファートルクが働き、磁壁１２ａは、第２磁化固定領域１１ｂに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流（密度）は、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３との境界よりも第２磁化固定領域１１ｂ側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界近傍で停止する。このようにして、磁壁１２ａが第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“０”の書き込みが実現される。
【００４３】
なお、データ“０”状態におけるデータ“０”書き込み、及びデータ“１”状態におけるデータ“１”書き込みを行った場合には状態変化は起こらない。すなわちオーバーライトが可能である。
【００４４】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの読み出し方法について図２を参照して説明する。
【００４５】
本実施の形態では、トンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ； ＴＭＲ ｅｆｆｅｃｔ）を利用することにより、データ読み出しが行われる。そのために、ＭＴＪ（磁化自由領域１３、スペーサ層２０、参照層３０）を貫通する方向に、読み出し電流ＩＲが流される。なお、読み出し電流方向は任意である。このとき、磁気抵抗効果素子７０がデータ“０”状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。データ”１”状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。従って、この抵抗値の値を検出することで、データを読み出すことができる。
【００４６】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子７０の磁気記録層１０の詳細構成について更に説明する。図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成例を示す断面図ある。ただし、図３Ｂは図３Ａにおける磁気記録層１０のＳＳ’断面図である。
【００４７】
図３Ａ及び図３Ｂの例では、磁気抵抗効果素子７０は、磁気記憶層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０とを備え、更に、第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂとを備えている。磁気記録層１０は、下地層５１と、中間層５２と、データ記憶層５３とを含んでいる。
【００４８】
データ記憶層５３は、垂直磁気異方性を有し、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ及び磁化自由領域１３が形成される。すなわち、データを記憶する機能を有している。中間層５２及び下地層５１は、データ記憶層５３の下に設けられ、データ記憶層５３の磁気特性を所望の特性を有するように調整する機能を有している。本実施の形態では、データ記憶層５３の磁気特性が、その下地（下地層５１、中間層５２など）の材料に影響されることに鑑みて、その下地の材料の影響を詳細に検討した。特に、下地の材料によりデータ記憶層５３の結晶配向性が変わり、それに伴い垂直磁気異方性の大きさも変動する場合である。更に、その後の熱処理温度による垂直磁気異方性の変化も下地の材料により異なるため下地材料の選定が重要である。
【００４９】
下地層５１は、その下側（−ｚ側）の両端部（ｘ方向）で第１磁化固定層４１ａ及び第２磁化固定層４１ｂの上部に接している。下地層５１は、磁性体であり、強磁性体であることが好ましい。後述されるように、下地層５１が強磁性体であることは、第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとデータ記憶層５３との磁気的結合を補助するために好ましい。
【００５０】
下地層５１は、アモルファス又は微結晶構造であることが好ましい。下地層５１の表面の平坦性が高くなるからである。ただし、微結晶構造は、例えば、数ｎｍ〜２０ｎｍ程度の粒径の結晶を有する結晶相を含み、アモルファス相との混相であっても良い。下地層５１の表面が平坦であることは、その上に中間層５２を介して積層されるデータ記憶層５３を所望の結晶性を有する膜にするために好ましい。例えば、データ記憶層５３が［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の場合、Ｃｏ／Ｎｉを、垂直磁気異方性が高くなるｆｃｃ（１１１）に配向させるために好ましい。
【００５１】
下地層５１は、材料として、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの少なくとも一つを主成分として含み、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｗ、Ｂ、Ｎからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む。ただし、主成分とは、最も多い成分を意味する。例えば、下地層５１として、ＮｉＦｅＺｒ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＭｏ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＨｆ、ＣｏＴａ、ＣｏＴａＨｆ、ＣｏＮｂＨｆ，ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＨｆＰｄ、ＣｏＴａＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＭｏＮｉ、ＣｏＴｉがある。
【００５２】
その一方で中間層５２を厚くすると下地層５１の結晶性の影響をある程度は排除できる。そのため、中間層５２を厚くする場合、下地層５１は多結晶構造を有していても良い。また、磁化固定層４１ａ、４１ｂと磁化固定領域１１ａ、１１ｂとの間の磁気結合を高めるためには、下地層５１は垂直磁気異方性を有することが好ましい。それらを満たす下地層５１としては、特にＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＴａＰｔ、ＣｏＣｒ系合金、及び、ＣｏＣｒ系合金とＳｉＯ２やＴｉＯ２などとの混合物などが好ましい。
【００５３】
中間層５２は、下地層５１の上側（＋ｚ側）の略中央部（ｘ方向）に設けられている。すなわち、中間層５２は、磁化自由領域１３の下側に設けられているが、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの下側には設けられていない。中間層５２は、非磁性体である。中間層５２は、その上に積層される磁化自由領域１３の垂直磁気異方性を高めるべく、結晶配向しやすいように表面エネルギの小さい材料で形成することが好ましい。例えば、中間層５２は、Ｔａ膜に例示される。中間層５２は、Ｔａ膜の場合、後述されるように、膜厚２．０ｎｍ以上であることが好ましい。膜厚がそれより薄い場合には、出来上がりのＴａ膜厚のウェハ内ばらつきが大きくなるため、磁化自由領域１３の特性ばらつきを生む可能性があるからである。また、この磁気記憶層１０の構造では、中間層５２の端部（ｘ方向）によるデータ記憶層５３の段差により、磁化自由領域１３の端にある磁壁が移動し難くなる可能性がある。そのため、その段差が与える影響を小さくするために中間層５２の端部（ｘ方向）をテーパー形状にすることが好ましい。
【００５４】
中間層５２を設けることで、磁化自由領域１３と下地層５１との磁気結合を切ることができる。磁化自由領域１３と下地層５１とが磁気結合すると磁壁移動がし難くなる場合があるからである。一方、磁化固定領域１１ａ、１１ｂについては、その下側に中間層５２が無く下地層５１と接している。そのため、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が下地層５１及び磁化固定層４１ａ、４１ｂにより固定され易くなる。以上のように下地層５１を有する構造の場合、中間層５２は磁化自由領域１３の下側にあり、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの下側には無いことが好ましい。
【００５５】
データ記憶層５３は、中間層５２及びその両側（ｘ方向）の下地層５１を覆うように積層されている。データ記憶層５３は、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。磁気記憶層１０の第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ及び磁化自由領域１３は、このデータ記憶層５３に形成される。すなわち、データ記憶層５３は、磁壁が形成され、磁化自由領域１３の磁化方向又は磁壁の位置でデータが記憶される領域である。データ記憶層５３は、上述された磁気記録層１０に適する垂直磁気異方性を有する強磁性体材料を用いることができる。このとき、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂは、その下側（−ｚ側）に中間層５２は無く、その下側で下地層５１に接している。一方、磁化自由領域１３は、その下側（−ｚ側）に中間層５３が有り、その下側で中間層５３に接している。
【００５６】
基板部５０（主に磁化自由領域１３の下方（−ｚ方向）の下地層５１の下側（−ｚ側））は、半導体基板と、その上に形成され、層間絶縁層（例示：ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ）に埋設された素子（例示：選択トンランジスタＴｒａ、Ｔｒｂ）や配線（例示：ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬ、／ＢＬ）を含んでいる。
【００５７】
なお、本実施の形態において、磁気抵抗効果素子７０の製造の都合から、中間層５２と下地層５１との間に、薄い保護層５２１を更に備えていてもよい。図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の構成例を示す側面図である。この磁気抵抗効果素子７０は、下地層５１の上に薄膜の保護層５２１を備えている点で、図３Ａの場合と異なっている。この保護層５２１は、中間層５２をエッチング加工するとき、エッチングストッパ膜として使用される。保護膜５２１は、非磁性体の導電性の薄膜である。そのため、中間層５２やデータ記憶層５３の膜質に影響を与えない。また、データ記憶層５３と下地層５１や磁化固定層４１ａ、４１ｂとの磁気的結合にも影響を与えない。保護膜５２１は、ルテニウム（Ｒｕ）膜に例示される。
【００５８】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の実施例について、比較例と比較しながら説明する。なお、ここでは、磁気抵抗効果素子におけるデータ記憶層の磁気特性について以下のように、垂直磁気異方性の大きさの指標として飽和磁界を定義し、比較評価するものとする。図４は、データ記憶層に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。垂直磁気異方性の大きさの指標として飽和磁界Ｈｓは、面内に平行に外部磁場Ｈを印加し、磁化Ｍが外部磁界Ｈの方向に揃った時点での外部磁場の大きさに相当する。図中の磁化曲線ＡではＨＡが、磁化曲線ＢではＨＢがその飽和磁場Ｈｓに相当する。以下、比較例及び実施例について説明する。
【００５９】
［比較例１］（下地層５１をＮｉＦｅＺｒ膜とし、中間層５２を挿入しない場合の磁気特性）
図５Ａ及び図５Ｂは、比較例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面図及び側面図である。ただし、スペーサ層２０及び参照層３０は省略している。基板部５０は、一例としてＳｉＯ２を用いた。また、データ記憶層５３としては、一例として、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Ｐｔ膜５３ｂと、ＣｏとＮｉの積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜５３ａとを積層した［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜を用いた。なお、ここでは、更にキャップ層としてＰｔ膜５３ｃを積層した。
【００６０】
［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向するとき垂直磁気異方性が高くなる。しかし、下地膜の材料により結晶配向性が変わり、垂直磁気異方性の大きさも異なる。比較例１では、中間層５２を用いず、下地層５１の上に直接データ記憶層５３を積層した。すなわち、磁気記録層１０としては、下地層５１＋データ記憶層５３である。下地層５１としては、ＮｉＦｅＺｒ膜を用いた。膜厚は、２．０ｎｍとした。ここでは、膜本来の磁気特性を評価するために、膜にはパターニングを施していない。すなわち、ａｓ−ｄｅｏｐｓｏｔｅｄ膜（Ｐｔ／［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜５３／ＮｉＦｅＺｒ膜５１）の状態で、データ記憶層５３の膜の磁気特性を評価した。磁気特性の評価は、ＶＳＭ（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を用いた（以下、同様）。
【００６１】
まず、成膜後に処理を施していないデータ記憶層５３の膜の磁気特性について説明する。
図６Ａ及び図６Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図６Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線を示している。図６Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線を示している。垂直磁場を印加したときの磁化曲線（垂直ループ：図６Ａ）が立っていて、且つそのヒステリシスが大きく、一方で、面内磁場を印加したときの磁化曲線（面内ループ：図６Ｂ）が寝ていることがわかる。このことから、このデータ記憶層５３の膜は垂直磁気異方性を有する。すなわち、ＮｉＦｅＺｒ膜上の［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は垂直磁気異方性を有し、磁壁移動に適している可能性がある。
【００６２】
次に、磁気記録層１０を３００℃、２時間、不活性ガス中で熱処理した後のデータ記憶層５３の膜の磁気特性について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図７Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（垂直ループ）を示している。図７Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。図６Ａ及び図６Ｂと比較すると、垂直ループ（図７Ａ）がやや倒れて斜めになり、面内ループ（図７Ｂ）が更に立って傾きが急になることがわかる。このことは、３００℃の熱処理によりこのデータ記憶層５３の膜の垂直磁気異方性が低下したことを示している。更に、図６Ａと図７Ａとを比較すると、図７Ａの方がグラフの縦軸の値、すなわち飽和磁化と膜厚との積（Ｍｓ×ｔ）が大きくなっている。これは、３００℃の熱処理により面内磁気異方性を有するＮｉＦｅＺｒ膜と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜とが磁気的に結合することで磁化が増大したためである。また、磁気結合により垂直磁気異方性が低下したためと考えられる。
【００６３】
［比較例２］（Ｔａ下地の磁気結合の懸念点：下地層５１をＴａ膜とし、中間層５２を挿入しない場合の磁気特性）
比較例２では、磁気記録層１０の構成は比較例１と同様であるが、下地層５１としてＴａ膜を用いた点で、比較例１（下地層５１：ＮｉＦｅＺｒ膜）と異なっている。この場合、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向する（垂直磁気異方性を有する）ために、Ｔａ膜を用いた場合、膜厚として４．０ｎｍ以上が必要であった。この膜厚は、比較例１のＮｉＦｅＺｒ膜の膜厚２．０ｎｍと比較して２倍程度であり非常に厚い。このように非磁性体であるＴａ膜の膜厚が厚いため、比較例２では、第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとデータ記憶層５３との間で磁気結合が困難となった。そうなると、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が固定されず、データ記憶層５３でデータを記憶できなくなってしまう。
【００６４】
以上の比較例１や比較２から、熱処理後にＮｉＦｅＺｒ膜と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜とが不必要に磁気的に結合しないことや、第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとデータ記憶層５３との間での磁気的結合が切れないこと等を考慮して、以下のような実施例を見出した。
【００６５】
［実施例１］（下地層５１をＮｉＦｅＺｒ膜とし、中間層５２のＴａ膜を挿入した場合の磁気特性）
図８Ａ及び図８Ｂは、実施例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面図及び側面図である。ただし、いずれの場合にも、スペーサ層２０及び参照層３０は省略している。また、図８Ｂは、膜本来の磁気特性を評価するために、中間層５２は、下地層５１上の全面に設けられている。基板部５０は、一例としてＳｉＯ２を用いた。また、データ記憶層５３としては、比較例１と同様に、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Ｐｔ膜５３ｂと、ＣｏとＮｉの積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜５３ａとを積層した［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜を用いた。なお、ここでも、更にキャップ層としてＰｔ膜５３ｃを積層した。
【００６６】
実施例１では、比較例１の構成に対して、下地層５１（ＮｉＦｅＺｒ膜）とデータ記憶層５３（［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜）とが磁気的に結合をしないように、両層の間に中間層５２を挿入した。すなわち、磁気記録層１０としては、下地層５１＋中間層５２＋データ記憶層５３である。中間層５２としては、Ｔａ膜を用いた。膜厚は、２．０ｎｍとした。各層が形成されたＰｔ／［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜５３／Ｔａ膜５２／ＮｉＦｅＺｒ膜５１の状態で、３００℃、２時間、不活性ガス中で熱処理を施した。
【００６７】
（磁気特性）
次に、３００℃、２時間、不活性ガス中での熱処理後のデータ記憶層の磁気特性について説明する。
図９Ａ及び図９Ｂは、図８Ａ及び図８Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図９Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（垂直ループ）を示している。図９Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。
図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂと比較すると、面内ループが寝ていることから３５０℃熱処理後にも垂直磁気異方性が大きいことがわかる。また、図７Ｂと比較すると、図９Ｂの方が、飽和磁界Ｈｓ（図４参照）が高いことが分かる。すなわち、図９Ｂの方が、磁化の向きを外部磁界の方向に向けるのに必要な磁界が高い。従って、中間層５２であるＴａ膜を挿入した図８Ａ及び図８Ｂの磁気記録層１０の方が、中間層５２のない図５Ａ及び図５Ｂの磁気記録層１０と比較して、データ記憶層５３の垂直磁気異方性が大きいことが分かる。
【００６８】
更に、中間層５２として、Ｔａ膜を５ｎｍに厚膜化した試料についても同様の評価を行った。その結果、上述したＴａ膜の膜厚２ｎｍの試料と同等の飽和磁界Ｈｓの値を得ることができた。すなわち中間層５２としてＴａ膜の膜厚を２ｎｍより厚くすることによっても、飽和磁界Ｈｓが低下することは無いことが確認された。
【００６９】
以上のように、中間層５２（例示：Ｔａ膜）の挿入により３５０℃という高温での熱処理後においても、図８Ａ及び図８Ｂの磁気記録層１０は、中間層５２を有さない（Ｔａ膜の膜厚０ｎｍ）場合と比較して、高い垂直磁気異方性を有していることが分かる。これは、面内磁気異方性を持つＮｉＦｅＺｒ膜（下地層５１）と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜（データ記憶層５３）との磁気結合が、Ｔａ膜（中間層５２）により抑制されているためと考えられる。
【００７０】
以上の比較例１、２及び実施例１、２の結果に示されるように、中間層５２であるＴａ膜を膜厚２．０ｎｍ以上で下地層５１と磁化自由領域１３との間に挿入することにより、データ記憶層５３の垂直磁気異方性や磁壁移動に対する適性を高くすることができる。また、実デバイスでは、図３Ａや図３Ｃのように、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂと下地層５１との間には中間層５２が無い。そのため、実デバイスの中間層５２は、第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとデータ記憶層５３の第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂとの間の磁気的結合に悪影響を与えることなく、データ記憶層５３を熱処理に強くすることができる。その結果、磁気メモリ製造過程を終了した後であっても、データ記憶層５３が強い垂直磁気異方性を有する磁気メモリを得ることができる。
【００７１】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリについて添付図面を参照して説明する。本実施の形態については、第１の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の一例について説明する。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。この磁気抵抗効果素子７０ａは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子７０（図３Ａなど）と比較すると、中間層５２の端部がテーパー形状に加工されていない点で異なっている。しかし、その相違点はエッチング条件によるもので、製造方法としては大きな相違は無い。したがって以下では磁気抵抗効果素子７０ａについて説明する。
【００７２】
磁気抵抗効果素子７０ａは、磁気記憶層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０とを備え、更に、第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂと、を備えている。磁気記録層１０は、下地層５１と、中間層５２と、データ記憶層５３とを含んでいる。磁気メモリ及び磁気メモリセル８０の構成を含めて、これらは、第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子７０と同様であるのでその説明を省略する。
【００７３】
次に、本実施の形態に係る磁気メモリの製造方法（作製プロセス）について説明する。図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃ〜図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃは、それぞれ本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図、ｘｚ断面図及びｙｚ断面図である。ここでは、第１、第２電極層４２ａ、４２ｂ（Ｃｕコンタクトビア）から上の層における磁気抵抗効果素子の部分の作製プロセスを図示し、ＣＭＯＳ基板及びＣｕ配線層は省略する。
【００７４】
まず、半導体基板上にＣＭＯＳなどの電子素子及びＣｕ配線などの配線を作製し、それらを層間絶縁膜６１で覆う（図示されず）。続いて、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃに示すように、層間絶縁膜６１を貫通し、他の配線と接続するように、第１、第２電極層４２ａ、４２ｂとしてのＣｕコンタクトビアを形成する。なお、本実施の形態では、第１、第２電極層４２ａ、４２ｂが直方体形状であるが、第１の実施の形態の場合と同様に円筒形状であっても良い。
【００７５】
次に、図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すように、基板全面に、第１磁化固定層４１ａ用の膜をスパッタ法で成膜する。そして、その膜を、ＰＲ（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）工程及びエッチング工程により、所定の位置において、第１磁化固定層４１ａ形状にパターニングする。それにより、第１電極層４２ａ上に第１磁化固定層４１ａが形成される。続いて、第２磁化固定層４１ｂ用の膜をスパッタ法で成膜する。そして、その膜を、ＰＲ工程及びエッチング工程により、所定の位置において、第２磁化固定層４１ｂ形状にパターニングする。それにより、第２電極層４２ａ上に第２磁化固定層４１ｂが形成される。このとき、磁気メモリセルの初期化を容易化するために、第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂとに対しては、互いに磁気特性の異なる膜が使用される。
【００７６】
その後、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すように、基板全面に層間絶縁膜６２を成膜し、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法でその平坦化を行い、第１磁化固定層４１ａ及び第２磁化固定層４１ｂの頭出しを行う。
【００７７】
次に、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示すように、基板全面に下地層５１用の膜５１ａ及び中間層５２用の膜５２ａをスパッタ法で成膜する。続いて、その上に更にハードマスク７１（ＳｉＯｘ／ＳｉＮｘ）をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜する。
【００７８】
次に、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示すように、ＰＲ工程及びエッチング工程により、ハードバスク７１をパターニングする。そして、そのハードマスク７１をマスクとして、中間層５２用の膜５２ａをエッチング加工する。その後、ハードマスク７１を除去する。このとき、下地層５１用の膜５１ａはエッチングせずに残す。それにより、中間層５２用の膜５２ａは、その両端部と第１磁化固定層４１ａの一端部及びそれと向かい合う第２磁化固定層４１ｂの一端部とがオーバーラップするように成形される。
【００７９】
続いて、図１６Ａ、図１６Ｂ及び図１６Ｃに示すように、下地層５１用の膜５１ａ及び中間層５２用の膜５２ａ上に、データ記憶層５３用の膜５３ａ、スペーサ層２０用の膜２０ａ及び参照層３０用の膜３０ａをスパッタ法で成膜する。
【００８０】
その後、図１７Ａ、図１７Ｂ及び図１７Ｃに示すように、データ記憶層５３及び下地層５１の形状となるように、ＰＲ工程及びエッチング工程により、参照層３０用の膜３０ａ、スペーサ層２０用の膜２０ａ、データ記憶層５３用の膜５３ａ、中間層５２用の膜５２ａ及び下地層５１用の膜５１ａを加工する。それにより、データ記憶層５３、中間層５２及び下地層５１が形成される。
【００８１】
続いて、図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃに示すように、参照層３０の形状となるように、ＰＲ工程及びエッチング工程により、参照層３０用の膜３０ａ及びスペーサ層２０用の膜２０ａを加工する。それにより、参照層３０及びスペーサ層２０が形成される。以上のようにして、磁気抵抗効果素子７０ａが形成された後、磁気メモリセルの上部配線を形成する。
【００８２】
以上のようにして、本実施の形態に係る磁気メモリが製造される。
【００８３】
なお、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示す工程において、下地層５１用の膜５１ａ及び中間層５２用の膜５２ａとの間に、更に保護膜５２１用の膜５２１ａをスパッタ法で成膜してもよい。図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃ〜図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃは、それぞれ本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示す平面図、ｘｚ断面図及びｙｚ断面図である。この場合、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃと、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示す工程が、図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃと、図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃに示す工程に置き換えられる。その前後の工程は上述のとおりである。
【００８４】
図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃに示すように、下地層５１用の膜５１ａ、保護膜５２１用の膜５２１ａ及び中間層５２用の膜５２ａをスパッタ法で成膜する。続いて、ハードマスク７１（ＳｉＯｘ／ＳｉＮｘ）をＣＶＤ法で成膜する。
【００８５】
次に、図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃに示すように、ＰＲ工程及びエッチング工程により、ハードバスク７１をパターニングする。そして、そのハードマスク７１をマスクとして、中間層５２用の膜５２ａをエッチング加工する。その際、保護膜５２１用の膜５２１ａがエッチングストッパ膜として機能する。それにより、下地層５１用の膜５１ａの表面を、エッチングダメージから保護することができる。その結果、下地層５１の磁気特性をより安定的に確保できる。すなわち、データ記憶層５３と下地層５１と第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとの間の磁気的結合をより安定的に得ることができる。その後、ハードマスク７１を除去する。以降の工程において、保護膜５２１用の膜５２１ａは、下地層５１と同様に加工される。
【００８６】
本実施の形態により製造された磁気メモリについても、第１の実施の形態で示された磁気メモリと同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０、１１０ 磁気記憶層
１１ａ、１１１ａ 第１磁化固定領域
１１ｂ、１１１ｂ 第２磁化固定領域
１２、１２ａ、１２ｂ、１１２、１１２ａ、１１２ｂ 磁壁
１３、１１３ 磁化自由領域
２０、１２０ スペーサ層
３０、１３０ 参照層
４１ 磁化固定層
４１ａ 第１磁化固定層
４１ｂ 第２磁化固定層
４２ａ 第１電極層
４２ｂ 第２電極層
５０ 基板
５１ 下地層
５２ 中間層
５２１ 保護層
５３ データ記憶層
５１ａ、５２ａ、５２１ａ、５３ａ、３０ａ、２０ａ 膜
６１ 層間絶縁膜
６２ 層間絶縁膜
７０、７０ａ 磁気抵抗効果素子
８０ 磁気メモリセル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関する。特に本発明は、磁壁移動型の磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
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である。ＭＲＡＭの実用化は一部で始まっており、また、より汎用性を高めるための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。記憶素子に所望のデータを書き込むためには、磁性体の磁化をそのデータに対応した向きにスイッチさせる。この磁化方向のスイッチング方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流（以下、「書き込み電流」と参照される）を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要である。
【０００３】
非特許文献１（Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ”，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．４２，ＮＯ．４，ｐｐ．８３０−８３８，２００７．）によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下へ低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。
【０００４】
ＭＲＡＭへのデータ書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に書き込み電流を流すことで磁場を発生させ、その磁場によって磁性記憶素子の磁化方向をスイッチングさせる方法である。この方法によれば、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。しかしながら、熱安定性及び外乱磁場耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁場は、一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度であり、このような磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の書き込み電流が必要となる。この場合、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣る。これに加えて、素子が微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリング性の点でも好ましくない。
【０００５】
近年、このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。
【０００６】
１つ目は、スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ Ｔｏｒｑｕｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式である。スピン注入磁化反転方式によれば、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化方向が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で書き込み電流が流される。このとき、スピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用により、第１の磁性層の磁化を反転させることができる。読み出しの際には、第１の磁性層と第２の磁性層との間で発現する磁気抵抗効果が利用される。従って、スピン注入磁化反転を用いた磁性記憶素子は、２端子の素子となる。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こるため、素子サイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな書き込み電流を、この絶縁層を貫通して流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込み電流経路と読み出し電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このように、スピン注入磁化反転はスケーリング性には優れているものの、実用化にはいくつかの障壁がある。
【０００７】
２つ目は、電流誘起磁壁移動（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ）方式である。電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭは、例えば特許文献１（特開２００５−１９１０３２号公報）に開示されている。一般的な電流誘起磁壁移動型のＭＲＡＭでは、反転可能な磁化を有する磁性層（データを記憶するデータ記憶層）が設けられ、そのデータ記憶層の両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定される。このような磁化配置により、データ記憶層内に磁壁が導入される。ここで、非特許文献２（Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．９２，ＮＯ．７，０７７２０５，２００４．）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、その磁壁は伝導電子の方向に移動する。従って、データ記憶層に面内方向の書き込み電流を流すことにより、その電流方向に応じた向きに磁壁を移動させ、所望のデータを書き込むことが可能となる。読み出しの際には、磁壁が移動する領域を含む磁気トンネル接合が用いられ、磁気抵抗効果に基づいて読み出しが行われる。従って、電流誘起磁壁移動を利用した磁性記憶素子は、３端子の素子となる。また、スピン注入磁化反転と同様に、電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こる。従って、電流誘起磁壁移動方式もスケーリング性に優れていると言える。それに加えて、電流誘起磁壁移動方式の場合、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また、書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となる。従って、スピン注入磁化反転の場合の上述の問題点が解決される。尚、上述の非特許文献２では、電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度が報告されている。
【０００８】
非特許文献３（Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．１０３，０７Ｅ７１８，２００８．）には、電流誘起磁壁移動方式における垂直磁気異方性材料の有用性が述べられている。具体的には、磁壁移動が起こるデータ記憶層が垂直磁気異方性を有している場合に書き込み電流を十分小さく低減できることが、マイクロマグネティックシミュレーションを通して判明している。
【０００９】
特許文献３（国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報）には、垂直磁気異方性を有する磁性体を用いた磁気抵抗効果素子、及びそれをメモリセルとして備えたＭＲＡＭが開示されている。図１は、国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報の磁気抵抗効果素子を模式的に示す断面図である。磁気抵抗効果素子は、磁気記憶層１１０と、スペーサ層１２０と、参照層１３０とを具備している。
【００１０】
磁気記憶層１１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成されている。磁気記憶層１１０は、第１磁化固定領域１１１ａ、第２磁化固定領域１１１ｂ、及び磁化自由領域１１３を有している。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂは磁化自由領域１１３の両側に配置されている。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化は互いに逆方向（反平行）に固定されている。例えば、図１に示されるように、第１磁化固定領域１１１ａの磁化方向は＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１１ｂの磁化方向は−ｚ方向に固定されている。一方、磁化自由領域１１３の磁化方向は、磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの一方から他方へ流れる書込み電流により反転可能であり、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向となる。従って、磁化自由領域１１３の磁化方向に応じて、磁気記憶層１１０内には磁壁１１２ａ又は磁壁１１２ｂが形成される。データは、磁化自由領域１１３の磁化の向きとして記憶される。磁壁１１２の位置（１１２ａ又は１１２ｂ）として記憶されると見ることもできる。磁化方向が固定された強磁性体である参照層１３０、非磁性層（絶縁層）のスペーサ層１２０及び磁化自由領域１１３は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成している。データは、ＭＴＪの抵抗値の大小として読み出される。
【００１１】
この特許文献３には、磁気記憶層１１０が垂直磁気異方性を有する場合、書き込み電流を低減することが可能であることが開示されている。
【００１２】
垂直磁気異方性を有する材料の中で一般的に知られているものには、ＣｏとＮｉ、ＣｏとＰｔおよびＣｏとＰｄの積層膜があり、ＣｏとＮｉの積層膜の上下または層間にＰｔやＰｄを入れることが可能である。また、ハードディスク媒体に用いられる材料としてＣｏＣｒ系合金および、ＣｏＣｒ系合金とＳｉＯ２やＴｉＯ２などの混合物などがある。また光磁気記録用の媒体に用いられる材料としてＴｂＦｅＣｏなどがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献２】米国特許第６，８３４，００５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ”，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．４２，ＮＯ．４，ｐｐ．８３０−８３８，（２００７）．
【非特許文献２】Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．９２，ＮＯ．７，０７７２０５，（２００４）．
【非特許文献３】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．１０３，０７Ｅ７１８，（２００８）．
【非特許文献４】Ａ． Ｔｈｉａｖｉｌｌｅ ｅｔ ａｌ．， “Ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｂｙ ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ： ａ ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｕｄｙ”， ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ， ＶＯＬ． ９５， ＮＯ． １１， ｐｐ．７０４９−７０５１， （２００４）．
【非特許文献５】Ｇ．Ｈ．Ｏ．Ｄａａｌｄｅｒｏｐ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ Ｃｏ／Ｎｉ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．６８，ＮＯ．５，ｐｐ．６８２−６８５，（１９９２）．
【非特許文献６】Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏ／Ｎｉ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｓｔｒｉｐ ｆｏｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ ＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，ＶＯＬ．４５，ＮＯ．１０，ｐｐ．３７７６−３７７９，（２００９）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述のように、強磁性体膜（例示：磁気記憶層１１０）が垂直磁気異方性を有することは、ＭＲＡＭの低定電流化のために重要である。また、強磁性体膜が磁壁移動に対する適性（例示：スピン分極率の高さ）を有することは、磁壁移動によりデータを記憶するために重要である。強磁性体膜の垂直磁気異方性や磁壁移動に対する適正は、選択する材料だけでなく、成膜時の下地層の材料や構造によっても影響を受ける。従って、垂直磁気異方性が高く、磁壁移動に対する適正も高い膜を得るためには、強磁性体膜の材料の選択と共に下地層の材料や構造の選択も重要である。
【００１６】
例えば、垂直磁気異方性を有する材料であって磁壁移動に適している材料として、Ｐｔ上に成膜したＣｏとＮｉの積層膜（［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜）がある。ただし、ｎはＣｏとＮｉの積層回数であり自然数である。ＣｏとＮｉの積層膜はスピン分極率が高いという点で有利である。その一方で、ＣｏとＮｉの積層膜はＣｏとＰｔの積層膜やＣｏとＰｄの積層膜と比較して垂直磁気異方性が低いという点で不利である。しかし、ＣｏとＮｉの積層膜をＰｔ膜上に形成すれば、垂直磁気異方性が高くなり、上記不利な点が解消する。
【００１７】
また、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向するとき垂直磁気異方性が高くなる。しかし、Ｃｏ／Ｎｉの結晶配向性は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の下地層の材料により変わり、それに対応して垂直磁気異方性の大きさも変わってくる。従って、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の下地層の材料の選定が重要である。
【００１８】
また、図１の磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化の固定を、それらの下方の磁化固定層（図示されず）との間の磁気的結合で行っている場合がある。その場合、磁気記憶層１１０（垂直磁気異方性を有する強磁性体膜）の下地層が磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂと磁化固定層との間の磁気的結合に影響を及ぼさないことも重要である。例えば、磁気記憶層１１０の下地層の膜厚が厚過ぎる場合、磁気的結合が切れ磁壁移動によるデータ記録が機能しなくなるおそれがある。
【００１９】
更に、強磁性体膜の成膜工程の後、他の工程において何らかの熱処理がなされる場合、その熱処理の温度により垂直磁気異方性が変化する場合がある。そのような熱処理による垂直磁気異方性の変化は、下地層の材料により異なる。そのため、この点に関しても、強磁性体膜の下地層の材料の選定が重要である。
【００２０】
例えば、Ｃｕ配線工程では、熱処理の温度が３５０℃程度であり、更に将来的にはＣｕ配線工程での熱処理温度が下がる可能性がある。したがって、３５０℃又はその温度以下の熱処理温度で、強磁性体膜の垂直磁気異方性が高くなるように、下地層の材料を選定する必要がある。
【００２１】
磁気記録層の強磁性体膜の垂直磁気異方性や磁壁移動に対する適性が高くなるような下地層が望まれる。その強磁性体膜の磁化固定領域と磁化固定層との磁気的結合に悪影響を与えず、その強磁性体膜が熱処理に強くなるような下地層が望まれる。磁気メモリ製造過程を終了した後であっても、その強磁性体膜が強い垂直磁気異方性を有する磁気メモリが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２３】
本発明の磁気メモリは、下地層（５１）と、第１非磁性（５２、５２１）と、データ記憶層（５３）と、参照層（３０）と、第１磁化固定層（４１ａ）及び第２磁化固定層（４１ｂ）とを具備している。下地層（５１）は、強磁性体である。第１非磁性（５２、５２１）は、下地層（５１）上に設けられている。データ記憶層（５３）は、第１非磁性（５２、５２１）上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。参照層（３０）は、第２非磁性層（２０）を介してデータ記憶層（５３）に接続されている。第１磁化固定層（４１ａ）及び第２磁化固定層（４１ｂ）は、下地層（５１）の下側に接して設けられている。データ記憶層（５３）は、磁化自由領域（１３）と、第１磁化固定領域（１１ａ）と、第２磁化固定領域（１１ｂ）とを備えている。磁化自由領域（１３）は、反転可能な磁化を有し参照層（３０）とオーバーラップする。第１磁化固定領域（１１ａ）は、磁化自由領域（１３）の第１境界に接続され、第１磁化固定層（４１ａ）に磁化の向きを第１方向（＋ｚ）に固定されている。第２磁化固定領域（１１ｂ）は、磁化自由領域（１３）の第２境界に接続され、第２磁化固定層（４１ｂ）に磁化の向きを第１方向（＋ｚ）と反平行な第２方向（−ｚ）に固定されている。磁化自由領域（１３）の下側の第１非磁性（５２、５２１）は、第１磁化固定領域（１１ａ）及び第２磁化固定領域（１１ｂ）の下側の第１非磁性（５２、５２１）よりも厚い。
【００２４】
本発明の磁気メモリの製造方法は、互いに離間して設けられた第１磁化固定層（４１ａ）及び第２磁化固定層（４１ｂ）上に、下地層用の下地強磁性膜（５１ａ）と第１非磁性層用の第１非磁性膜（５２ａ、５２１ａ）とをこの順で積層する工程と、前記第１非磁性膜（５２ａ、５２１ａ）のうち、前記第１磁化固定層（４１ａ）上の少なくとも一部分及び前記第２磁化固定層（４１ｂ）上の少なくとも一部分を、他の部分と比較して薄くする工程と、前記第１非磁性膜（５２ａ、５２１ａ）上に、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層用の第１強磁性体膜（５３ａ）と、第２非磁性層用の第２非磁性膜（２０ａ）と、参照層用の第２強磁性体膜（３０ａ）とをこの順で積層する工程と、前記第２強磁性体膜（３０ａ）、前記第２非磁性膜（２０ａ）、前記第１強磁性体膜（５３ａ）、前記第１非磁性膜（５２ａ、５２１ａ）及び前記下地強磁性膜（５１ａ）を素子形状に加工して、前記下地層、前記第１非磁性層及び前記データ記憶層を形成する工程と、前記第２強磁性体膜（３０ａ）及び前記第２非磁性膜（２０ａ）層を前記参照層（３０）の形状に加工して、前記第２非磁性層及び前記参照層を形成する工程とを具備している。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に相応しい垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報の磁気抵抗効果素子を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリの主要部の概略構成を示す模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成例を示す断面図ある。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の構成例を示す側面図である。
【図４】図４は、データ記憶層に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、比較例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、比較例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、実施例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、図８Ａ〜図８Ｃの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図８Ａ〜図８Ｃの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｘｚ断面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示すｙｚ断面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示す平面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示すｘｚ断面図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示すｙｚ断面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示す平面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示すｘｚ断面図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示すｙｚ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリについて添付図面を参照して説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの主要部の概略構成を示す模式図である。磁気メモリは、磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）に例示され、行列状に配置された複数の磁気メモリセル８０を具備している。
【００２８】
磁気メモリセル８０は、磁気抵抗効果素子７０と、選択トランジスタＴｒａ、Ｔｒｂとを備えている。選択トランジスタＴｒａは、ゲートをワード線ＷＬに、ソース／ドレインの一方をビット線ＢＬに、ソース／ドレインの他方を磁気抵抗効果素子７０の第１磁化固定層４１ａ（後述）に第１電極層４２ａを介してそれぞれ接続されている。選択トランジスタＴｒｂは、ゲートをワード線ＷＬに、ソース／ドレインの一方をビット線／ＢＬに、ソース／ドレインの他方を磁気抵抗効果素子７０の第２磁化固定層４１ｂ（後述）に第２電極層４２ｂを介してそれぞれ接続されている。
【００２９】
磁気抵抗効果素子７０は、磁気記憶層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０とを備えている。更に、第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂを備えていても良い。
【００３０】
磁気記憶層１０は、磁化自由領域１３と、第１磁化固定領域１１ａと、第２磁化固定領域１１ｂとを含んでいる。磁化自由領域１３は、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。磁化自由領域１３は磁化反転が可能であり、その磁化状態に応じてデータを記憶する。また、磁化自由領域１３の両側には、それぞれ第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂが設けられている。磁化自由領域１３は、スペーサ層２０を介して参照層３０とオーバーラップしている。第１磁化固定領域１１ａの磁化と第２磁化固定領域１１ｂの磁化とは互いに逆方向（反平行）に固定されている。図２の例では、第１磁化固定領域１１ａの磁化方向は第１磁化固定層４１ａにより＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化方向は第２磁化固定層４１ｂにより−ｚ方向に固定されている。第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂは垂直磁気異方性を有する強磁性膜であり、磁気記録層１０と比べ高い保磁力を有する膜で構成される。
【００３１】
磁化自由領域１３の磁化方向は反転可能であり、＋ｚ方向及び−ｚ方向のいずれかになり得る。従って、磁化自由領域１３の磁化方向に応じて、磁気記憶層１０内には磁壁１２（１２ａ又は１２ｂ）が形成される。図２の例では、磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの間に磁壁１２ｂが形成される。一方、磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの間に磁壁１２ａが形成される。すなわち、磁気記憶層１０は少なくとも一つの磁壁１２（１２ａ又は１２ｂ）を有し、その磁壁１２の位置は磁化自由領域１３の磁化方向に対応している。
【００３２】
スペーサ層２０は、磁気記憶層１０に隣接して設けられている。特に、スペーサ層２０は、少なくとも磁気記憶層１０の磁化自由領域１３に隣接するように設けられている。このスペーサ層２０は非磁性体で形成されている。より好適には絶縁体（例示：アルミナ酸化膜（Ａｌ−Ｏｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ））で形成されている。
【００３３】
参照層３０は、スペーサ層２０に隣接して、磁気記憶層１０とは反対側に設けられている。つまり、参照層３０は、スペーサ層２０を介して磁気記憶層１０（磁化自由領域１３）に接続されている。この参照層３０は強磁性体で形成され、その磁化方向は一方向に固定されている。好適には、磁気記憶層１０と同様に、参照層３０も垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成される。この場合、参照層３０の磁化方向は、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向に固定される。図２の例では、参照層３０の磁化方向は、＋ｚ方向に固定されている。ただし、参照層３０は面内磁気異方性を有する強磁性体であってもよい。その場合、参照層３０は、磁化自由領域１３の真上ではなく、いずれかの方向にずれた（ｘｙ面内での重心が磁化自由領域３０の重心からずれた）位置に配置される。参照層３０の強磁性体の保磁力を大きくするために、反強磁性層を積層しても良い。反強磁性層としては、鉄・マンガン（ＦｅＭｎ）、白金・マンガン（ＰｔＭｎ）、ニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）などのマンガン合金反強磁性膜、或いは、コバルト酸化物（ＣｏＯ）、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）などの酸化物反強磁性膜が用いられる。
【００３４】
以上に説明された磁化自由領域１３、スペーサ層２０、及び参照層３０は、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を形成している。すなわち、磁化自由領域１３、スペーサ層２０、及び参照層３０は、ＭＴＪにおけるフリー層、バリア層、及びピン層に相当する。
【００３５】
なお、電極層が磁気記憶層１０の両端にそれぞれ電気的に接続されている。特に、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂのそれぞれに接続されるように、２つの電極層が設けられている。これら電極層は、磁気記憶層１０に書き込み電流を導入するために用いられる。これら電極層は、上述した第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂを介して磁気記憶層１０の両端に接続することができる。図２の例では、第１磁化固定層４１ａには第１電極層４２ａが設けられ、第２磁化固定層４１ｂには第２電極層４２ｂが設けられている。また、他の電極層が参照層３０に電気的に接続されている。
【００３６】
参照層３０及び磁気記録層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性膜であり、磁気記録層１０及び参照層３０の磁化に向きは、膜厚方向に向けられている。磁気記録層１０及び参照層３０は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）或いはこれらのいずれかを含む合金から構成されている。磁気記録層１０及び参照層３０が、ＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。具体的には磁気記録層１０及び参照層３０として使用可能な材料としては、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層が、異なる層と積層されることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。
【００３７】
更に、そのような積層膜におけるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む層が、更に積層膜であっても良い。すなわち、その層が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む単相又は合金であり、上述された種々の材料のうちのいずれか一つである第１層と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む単相又は合金であり、上述された種々の材料のうちのいずれか一つであって第１層と異なる第２層とが、一回又は複数回、積層された層であっても良い。それにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的には、例えば、Ｐｔ膜上に成膜したＣｏとＮｉの積層膜（［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜）である。
【００３８】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの記憶状態について、図２の例を用いて説明する。
【００３９】
図２の例において、磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に、磁壁１２ｂが形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“０”の記憶状態に対応付けられる。一方、図２において、磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２ａが形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに反平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“１”の記憶状態に対応付けられる。このように、磁化自由領域１３の磁化状態、すなわち、磁気記憶層１０中の磁壁の位置に対応して、２つの記憶状態が実現される。磁化自由領域１３は、その磁壁１２の位置に対応してデータを記憶している。
【００４０】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの書き込み方法について図２を参照して説明する。
【００４１】
データ“０”状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は互いに平行）において、データ“１”状態（互いに反平行）を書き込む場合、第１磁化固定領域１１ａから第２磁化固定領域１１ｂへ書き込み電流ＩＷを流す。伝導電子は、第２磁化固定領域１１ｂから第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２ｂにはスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ； ＳＴＴ）が働き、磁壁１２ｂは、第１磁化固定領域１１ａに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流（密度）は、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３との境界よりも第１磁化固定領域１１ａ側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界近傍で停止する。このようにして、磁壁１２ｂが第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“１”の書き込みが実現される。
【００４２】
次に、データ“１”状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は互いに反平行）において、データ“０”状態（互いに平行）を書き込む場合、第２磁化固定領域１１ｂから第１磁化固定領域１１ａへ書き込み電流ＩＷを流す。伝導電子は、第１磁化固定領域１１ａから第２磁化固定領域１１ｂへと流れる。このとき、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２ａにはスピントランスファートルクが働き、磁壁１２ａは、第２磁化固定領域１１ｂに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流（密度）は、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３との境界よりも第２磁化固定領域１１ｂ側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界近傍で停止する。このようにして、磁壁１２ａが第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“０”の書き込みが実現される。
【００４３】
なお、データ“０”状態におけるデータ“０”書き込み、及びデータ“１”状態におけるデータ“１”書き込みを行った場合には状態変化は起こらない。すなわちオーバーライトが可能である。
【００４４】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの読み出し方法について図２を参照して説明する。
【００４５】
本実施の形態では、トンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ； ＴＭＲ ｅｆｆｅｃｔ）を利用することにより、データ読み出しが行われる。そのために、ＭＴＪ（磁化自由領域１３、スペーサ層２０、参照層３０）を貫通する方向に、読み出し電流ＩＲが流される。なお、読み出し電流方向は任意である。このとき、磁気抵抗効果素子７０がデータ“０”状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。データ”１”状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。従って、この抵抗値の値を検出することで、データを読み出すことができる。
【００４６】
次に、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子７０の磁気記録層１０の詳細構成について更に説明する。図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成例を示す断面図ある。ただし、図３Ｂは図３Ａにおける磁気記録層１０のＳＳ’断面図である。
【００４７】
図３Ａ及び図３Ｂの例では、磁気抵抗効果素子７０は、磁気記憶層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０とを備え、更に、第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂとを備えている。磁気記録層１０は、下地層５１と、中間層５２と、データ記憶層５３とを含んでいる。
【００４８】
データ記憶層５３は、垂直磁気異方性を有し、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ及び磁化自由領域１３が形成される。すなわち、データを記憶する機能を有している。中間層５２及び下地層５１は、データ記憶層５３の下に設けられ、データ記憶層５３の磁気特性を所望の特性を有するように調整する機能を有している。本実施の形態では、データ記憶層５３の磁気特性が、その下地（下地層５１、中間層５２など）の材料に影響されることに鑑みて、その下地の材料の影響を詳細に検討した。特に、下地の材料によりデータ記憶層５３の結晶配向性が変わり、それに伴い垂直磁気異方性の大きさも変動する場合である。更に、その後の熱処理温度による垂直磁気異方性の変化も下地の材料により異なるため下地材料の選定が重要である。
【００４９】
下地層５１は、その下側（−ｚ側）の両端部（ｘ方向）で第１磁化固定層４１ａ及び第２磁化固定層４１ｂの上部に接している。下地層５１は、磁性体であり、強磁性体であることが好ましい。後述されるように、下地層５１が強磁性体であることは、第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとデータ記憶層５３との磁気的結合を補助するために好ましい。
【００５０】
下地層５１は、アモルファス又は微結晶構造であることが好ましい。下地層５１の表面の平坦性が高くなるからである。ただし、微結晶構造は、例えば、数ｎｍ〜２０ｎｍ程度の粒径の結晶を有する結晶相を含み、アモルファス相との混相であっても良い。下地層５１の表面が平坦であることは、その上に中間層５２を介して積層されるデータ記憶層５３を所望の結晶性を有する膜にするために好ましい。例えば、データ記憶層５３が［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の場合、Ｃｏ／Ｎｉを、垂直磁気異方性が高くなるｆｃｃ（１１１）に配向させるために好ましい。
【００５１】
下地層５１は、材料として、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの少なくとも一つを主成分として含み、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｗ、Ｂ、Ｎからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む。ただし、主成分とは、最も多い成分を意味する。例えば、下地層５１として、ＮｉＦｅＺｒ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＭｏ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＨｆ、ＣｏＴａ、ＣｏＴａＨｆ、ＣｏＮｂＨｆ，ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＨｆＰｄ、ＣｏＴａＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＭｏＮｉ、ＣｏＴｉがある。
【００５２】
その一方で中間層５２を厚くすると下地層５１の結晶性の影響をある程度は排除できる。そのため、中間層５２を厚くする場合、下地層５１は多結晶構造を有していても良い。また、磁化固定層４１ａ、４１ｂと磁化固定領域１１ａ、１１ｂとの間の磁気結合を高めるためには、下地層５１は垂直磁気異方性を有することが好ましい。それらを満たす下地層５１としては、特にＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＴａＰｔ、ＣｏＣｒ系合金、及び、ＣｏＣｒ系合金とＳｉＯ２やＴｉＯ２などとの混合物などが好ましい。
【００５３】
中間層５２は、下地層５１の上側（＋ｚ側）の略中央部（ｘ方向）に設けられている。すなわち、中間層５２は、磁化自由領域１３の下側に設けられているが、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの下側には設けられていない。中間層５２は、非磁性体である。中間層５２は、その上に積層される磁化自由領域１３の垂直磁気異方性を高めるべく、結晶配向しやすいように表面エネルギの小さい材料で形成することが好ましい。例えば、中間層５２は、Ｔａ膜に例示される。中間層５２は、Ｔａ膜の場合、後述されるように、膜厚２．０ｎｍ以上であることが好ましい。膜厚がそれより薄い場合には、出来上がりのＴａ膜厚のウェハ内ばらつきが大きくなるため、磁化自由領域１３の特性ばらつきを生む可能性があるからである。また、この磁気記憶層１０の構造では、中間層５２の端部（ｘ方向）によるデータ記憶層５３の段差により、磁化自由領域１３の端にある磁壁が移動し難くなる可能性がある。そのため、その段差が与える影響を小さくするために中間層５２の端部（ｘ方向）をテーパー形状にすることが好ましい。
【００５４】
中間層５２を設けることで、磁化自由領域１３と下地層５１との磁気結合を切ることができる。磁化自由領域１３と下地層５１とが磁気結合すると磁壁移動がし難くなる場合があるからである。一方、磁化固定領域１１ａ、１１ｂについては、その下側に中間層５２が無く下地層５１と接している。そのため、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が下地層５１及び磁化固定層４１ａ、４１ｂにより固定され易くなる。以上のように下地層５１を有する構造の場合、中間層５２は磁化自由領域１３の下側にあり、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの下側には無いことが好ましい。
【００５５】
データ記憶層５３は、中間層５２及びその両側（ｘ方向）の下地層５１を覆うように積層されている。データ記憶層５３は、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。磁気記憶層１０の第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ及び磁化自由領域１３は、このデータ記憶層５３に形成される。すなわち、データ記憶層５３は、磁壁が形成され、磁化自由領域１３の磁化方向又は磁壁の位置でデータが記憶される領域である。データ記憶層５３は、上述された磁気記録層１０に適する垂直磁気異方性を有する強磁性体材料を用いることができる。このとき、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂは、その下側（−ｚ側）に中間層５２は無く、その下側で下地層５１に接している。一方、磁化自由領域１３は、その下側（−ｚ側）に中間層５３が有り、その下側で中間層５３に接している。
【００５６】
基板部５０（主に磁化自由領域１３の下方（−ｚ方向）の下地層５１の下側（−ｚ側））は、半導体基板と、その上に形成され、層間絶縁層（例示：ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ）に埋設された素子（例示：選択トンランジスタＴｒａ、Ｔｒｂ）や配線（例示：ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬ、／ＢＬ）を含んでいる。
【００５７】
なお、本実施の形態において、磁気抵抗効果素子７０の製造の都合から、中間層５２と下地層５１との間に、薄い保護層５２１を更に備えていてもよい。図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の構成例を示す側面図である。この磁気抵抗効果素子７０は、下地層５１の上に薄膜の保護層５２１を備えている点で、図３Ａの場合と異なっている。この保護層５２１は、中間層５２をエッチング加工するとき、エッチングストッパ膜として使用される。保護膜５２１は、非磁性体の導電性の薄膜である。そのため、中間層５２やデータ記憶層５３の膜質に影響を与えない。また、データ記憶層５３と下地層５１や磁化固定層４１ａ、４１ｂとの磁気的結合にも影響を与えない。保護膜５２１は、ルテニウム（Ｒｕ）膜に例示される。
【００５８】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の実施例について、比較例と比較しながら説明する。なお、ここでは、磁気抵抗効果素子におけるデータ記憶層の磁気特性について以下のように、垂直磁気異方性の大きさの指標として飽和磁界を定義し、比較評価するものとする。図４は、データ記憶層に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。垂直磁気異方性の大きさの指標として飽和磁界Ｈｓは、面内に平行に外部磁場Ｈを印加し、磁化Ｍが外部磁界Ｈの方向に揃った時点での外部磁場の大きさに相当する。図中の磁化曲線ＡではＨＡが、磁化曲線ＢではＨＢがその飽和磁場Ｈｓに相当する。以下、比較例及び実施例について説明する。
【００５９】
［比較例１］（下地層５１をＮｉＦｅＺｒ膜とし、中間層５２を挿入しない場合の磁気特性）
図５Ａ及び図５Ｂは、比較例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面図及び側面図である。ただし、スペーサ層２０及び参照層３０は省略している。基板部５０は、一例としてＳｉＯ２を用いた。また、データ記憶層５３としては、一例として、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Ｐｔ膜５３ｂと、ＣｏとＮｉの積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜５３ａとを積層した［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜を用いた。なお、ここでは、更にキャップ層としてＰｔ膜５３ｃを積層した。
【００６０】
［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向するとき垂直磁気異方性が高くなる。しかし、下地膜の材料により結晶配向性が変わり、垂直磁気異方性の大きさも異なる。比較例１では、中間層５２を用いず、下地層５１の上に直接データ記憶層５３を積層した。すなわち、磁気記録層１０としては、下地層５１＋データ記憶層５３である。下地層５１としては、ＮｉＦｅＺｒ膜を用いた。膜厚は、２．０ｎｍとした。ここでは、膜本来の磁気特性を評価するために、膜にはパターニングを施していない。すなわち、ａｓ−ｄｅｏｐｓｏｔｅｄ膜（Ｐｔ／［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜５３／ＮｉＦｅＺｒ膜５１）の状態で、データ記憶層５３の膜の磁気特性を評価した。磁気特性の評価は、ＶＳＭ（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を用いた（以下、同様）。
【００６１】
まず、成膜後に処理を施していないデータ記憶層５３の膜の磁気特性について説明する。
図６Ａ及び図６Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図６Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線を示している。図６Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線を示している。垂直磁場を印加したときの磁化曲線（垂直ループ：図６Ａ）が立っていて、且つそのヒステリシスが大きく、一方で、面内磁場を印加したときの磁化曲線（面内ループ：図６Ｂ）が寝ていることがわかる。このことから、このデータ記憶層５３の膜は垂直磁気異方性を有する。すなわち、ＮｉＦｅＺｒ膜上の［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は垂直磁気異方性を有し、磁壁移動に適している可能性がある。
【００６２】
次に、磁気記録層１０を３００℃、２時間、不活性ガス中で熱処理した後のデータ記憶層５３の膜の磁気特性について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図７Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（垂直ループ）を示している。図７Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。図６Ａ及び図６Ｂと比較すると、垂直ループ（図７Ａ）がやや倒れて斜めになり、面内ループ（図７Ｂ）が更に立って傾きが急になることがわかる。このことは、３００℃の熱処理によりこのデータ記憶層５３の膜の垂直磁気異方性が低下したことを示している。更に、図６Ａと図７Ａとを比較すると、図７Ａの方がグラフの縦軸の値、すなわち飽和磁化と膜厚との積（Ｍｓ×ｔ）が大きくなっている。これは、３００℃の熱処理により面内磁気異方性を有するＮｉＦｅＺｒ膜と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜とが磁気的に結合することで磁化が増大したためである。また、磁気結合により垂直磁気異方性が低下したためと考えられる。
【００６３】
［比較例２］（Ｔａ下地の磁気結合の懸念点：下地層５１をＴａ膜とし、中間層５２を挿入しない場合の磁気特性）
比較例２では、磁気記録層１０の構成は比較例１と同様であるが、下地層５１としてＴａ膜を用いた点で、比較例１（下地層５１：ＮｉＦｅＺｒ膜）と異なっている。この場合、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向する（垂直磁気異方性を有する）ために、Ｔａ膜を用いた場合、膜厚として４．０ｎｍ以上が必要であった。この膜厚は、比較例１のＮｉＦｅＺｒ膜の膜厚２．０ｎｍと比較して２倍程度であり非常に厚い。このように非磁性体であるＴａ膜の膜厚が厚いため、比較例２では、第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとデータ記憶層５３との間で磁気結合が困難となった。そうなると、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が固定されず、データ記憶層５３でデータを記憶できなくなってしまう。
【００６４】
以上の比較例１や比較２から、熱処理後にＮｉＦｅＺｒ膜と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜とが不必要に磁気的に結合しないことや、第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとデータ記憶層５３との間での磁気的結合が切れないこと等を考慮して、以下のような実施例を見出した。
【００６５】
［実施例１］（下地層５１をＮｉＦｅＺｒ膜とし、中間層５２のＴａ膜を挿入した場合の磁気特性）
図８Ａ及び図８Ｂは、実施例の磁気抵抗効果素子の構成例を示す断面図及び側面図である。ただし、いずれの場合にも、スペーサ層２０及び参照層３０は省略している。また、図８Ｂは、膜本来の磁気特性を評価するために、中間層５２は、下地層５１上の全面に設けられている。基板部５０は、一例としてＳｉＯ２を用いた。また、データ記憶層５３としては、比較例１と同様に、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Ｐｔ膜５３ｂと、ＣｏとＮｉの積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜５３ａとを積層した［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜を用いた。なお、ここでも、更にキャップ層としてＰｔ膜５３ｃを積層した。
【００６６】
実施例１では、比較例１の構成に対して、下地層５１（ＮｉＦｅＺｒ膜）とデータ記憶層５３（［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜）とが磁気的に結合をしないように、両層の間に中間層５２を挿入した。すなわち、磁気記録層１０としては、下地層５１＋中間層５２＋データ記憶層５３である。中間層５２としては、Ｔａ膜を用いた。膜厚は、２．０ｎｍとした。各層が形成されたＰｔ／［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜５３／Ｔａ膜５２／ＮｉＦｅＺｒ膜５１の状態で、３００℃、２時間、不活性ガス中で熱処理を施した。
【００６７】
（磁気特性）
次に、３００℃、２時間、不活性ガス中での熱処理後のデータ記憶層の磁気特性について説明する。
図９Ａ及び図９Ｂは、図８Ａ及び図８Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図９Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（垂直ループ）を示している。図９Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。
図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂと比較すると、面内ループが寝ていることから３５０℃熱処理後にも垂直磁気異方性が大きいことがわかる。また、図７Ｂと比較すると、図９Ｂの方が、飽和磁界Ｈｓ（図４参照）が高いことが分かる。すなわち、図９Ｂの方が、磁化の向きを外部磁界の方向に向けるのに必要な磁界が高い。従って、中間層５２であるＴａ膜を挿入した図８Ａ及び図８Ｂの磁気記録層１０の方が、中間層５２のない図５Ａ及び図５Ｂの磁気記録層１０と比較して、データ記憶層５３の垂直磁気異方性が大きいことが分かる。
【００６８】
更に、中間層５２として、Ｔａ膜を５ｎｍに厚膜化した試料についても同様の評価を行った。その結果、上述したＴａ膜の膜厚２ｎｍの試料と同等の飽和磁界Ｈｓの値を得ることができた。すなわち中間層５２としてＴａ膜の膜厚を２ｎｍより厚くすることによっても、飽和磁界Ｈｓが低下することは無いことが確認された。
【００６９】
以上のように、中間層５２（例示：Ｔａ膜）の挿入により３５０℃という高温での熱処理後においても、図８Ａ及び図８Ｂの磁気記録層１０は、中間層５２を有さない（Ｔａ膜の膜厚０ｎｍ）場合と比較して、高い垂直磁気異方性を有していることが分かる。これは、面内磁気異方性を持つＮｉＦｅＺｒ膜（下地層５１）と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜（データ記憶層５３）との磁気結合が、Ｔａ膜（中間層５２）により抑制されているためと考えられる。
【００７０】
以上の比較例１、２及び実施例１、２の結果に示されるように、中間層５２であるＴａ膜を膜厚２．０ｎｍ以上で下地層５１と磁化自由領域１３との間に挿入することにより、データ記憶層５３の垂直磁気異方性や磁壁移動に対する適性を高くすることができる。また、実デバイスでは、図３Ａや図３Ｃのように、第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂと下地層５１との間には中間層５２が無い。そのため、実デバイスの中間層５２は、第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとデータ記憶層５３の第１、第２磁化固定領域１１ａ、１１ｂとの間の磁気的結合に悪影響を与えることなく、データ記憶層５３を熱処理に強くすることができる。その結果、磁気メモリ製造過程を終了した後であっても、データ記憶層５３が強い垂直磁気異方性を有する磁気メモリを得ることができる。
【００７１】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリについて添付図面を参照して説明する。本実施の形態については、第１の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の一例について説明する。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成例を示す側面図である。この磁気抵抗効果素子７０ａは、第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子７０（図３Ａなど）と比較すると、中間層５２の端部がテーパー形状に加工されていない点で異なっている。しかし、その相違点はエッチング条件によるもので、製造方法としては大きな相違は無い。したがって以下では磁気抵抗効果素子７０ａについて説明する。
【００７２】
磁気抵抗効果素子７０ａは、磁気記憶層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０とを備え、更に、第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂと、を備えている。磁気記録層１０は、下地層５１と、中間層５２と、データ記憶層５３とを含んでいる。磁気メモリ及び磁気メモリセル８０の構成を含めて、これらは、第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子７０と同様であるのでその説明を省略する。
【００７３】
次に、本実施の形態に係る磁気メモリの製造方法（作製プロセス）について説明する。図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃ〜図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃは、それぞれ本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法を示す平面図、ｘｚ断面図及びｙｚ断面図である。ここでは、第１、第２電極層４２ａ、４２ｂ（Ｃｕコンタクトビア）から上の層における磁気抵抗効果素子の部分の作製プロセスを図示し、ＣＭＯＳ基板及びＣｕ配線層は省略する。
【００７４】
まず、半導体基板上にＣＭＯＳなどの電子素子及びＣｕ配線などの配線を作製し、それらを層間絶縁膜６１で覆う（図示されず）。続いて、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃに示すように、層間絶縁膜６１を貫通し、他の配線と接続するように、第１、第２電極層４２ａ、４２ｂとしてのＣｕコンタクトビアを形成する。なお、本実施の形態では、第１、第２電極層４２ａ、４２ｂが直方体形状であるが、第１の実施の形態の場合と同様に円筒形状であっても良い。
【００７５】
次に、図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すように、基板全面に、第１磁化固定層４１ａ用の膜をスパッタ法で成膜する。そして、その膜を、ＰＲ（ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）工程及びエッチング工程により、所定の位置において、第１磁化固定層４１ａ形状にパターニングする。それにより、第１電極層４２ａ上に第１磁化固定層４１ａが形成される。続いて、第２磁化固定層４１ｂ用の膜をスパッタ法で成膜する。そして、その膜を、ＰＲ工程及びエッチング工程により、所定の位置において、第２磁化固定層４１ｂ形状にパターニングする。それにより、第２電極層４２ａ上に第２磁化固定層４１ｂが形成される。このとき、磁気メモリセルの初期化を容易化するために、第１磁化固定層４１ａと第２磁化固定層４１ｂとに対しては、互いに磁気特性の異なる膜が使用される。
【００７６】
その後、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すように、基板全面に層間絶縁膜６２を成膜し、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法でその平坦化を行い、第１磁化固定層４１ａ及び第２磁化固定層４１ｂの頭出しを行う。
【００７７】
次に、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示すように、基板全面に下地層５１用の膜５１ａ及び中間層５２用の膜５２ａをスパッタ法で成膜する。続いて、その上に更にハードマスク７１（ＳｉＯｘ／ＳｉＮｘ）をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜する。
【００７８】
次に、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示すように、ＰＲ工程及びエッチング工程により、ハードバスク７１をパターニングする。そして、そのハードマスク７１をマスクとして、中間層５２用の膜５２ａをエッチング加工する。その後、ハードマスク７１を除去する。このとき、下地層５１用の膜５１ａはエッチングせずに残す。それにより、中間層５２用の膜５２ａは、その両端部と第１磁化固定層４１ａの一端部及びそれと向かい合う第２磁化固定層４１ｂの一端部とがオーバーラップするように成形される。
【００７９】
続いて、図１６Ａ、図１６Ｂ及び図１６Ｃに示すように、下地層５１用の膜５１ａ及び中間層５２用の膜５２ａ上に、データ記憶層５３用の膜５３ａ、スペーサ層２０用の膜２０ａ及び参照層３０用の膜３０ａをスパッタ法で成膜する。
【００８０】
その後、図１７Ａ、図１７Ｂ及び図１７Ｃに示すように、データ記憶層５３及び下地層５１の形状となるように、ＰＲ工程及びエッチング工程により、参照層３０用の膜３０ａ、スペーサ層２０用の膜２０ａ、データ記憶層５３用の膜５３ａ、中間層５２用の膜５２ａ及び下地層５１用の膜５１ａを加工する。それにより、データ記憶層５３、中間層５２及び下地層５１が形成される。
【００８１】
続いて、図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃに示すように、参照層３０の形状となるように、ＰＲ工程及びエッチング工程により、参照層３０用の膜３０ａ及びスペーサ層２０用の膜２０ａを加工する。それにより、参照層３０及びスペーサ層２０が形成される。以上のようにして、磁気抵抗効果素子７０ａが形成された後、磁気メモリセルの上部配線を形成する。
【００８２】
以上のようにして、本実施の形態に係る磁気メモリが製造される。
【００８３】
なお、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示す工程において、下地層５１用の膜５１ａ及び中間層５２用の膜５２ａとの間に、更に保護膜５２１用の膜５２１ａをスパッタ法で成膜してもよい。図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃ〜図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃは、それぞれ本発明の第２の実施の形態に係る磁気メモリの製造方法の変形例を示す平面図、ｘｚ断面図及びｙｚ断面図である。この場合、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃと、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示す工程が、図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃと、図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃに示す工程に置き換えられる。その前後の工程は上述のとおりである。
【００８４】
図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃに示すように、下地層５１用の膜５１ａ、保護膜５２１用の膜５２１ａ及び中間層５２用の膜５２ａをスパッタ法で成膜する。続いて、ハードマスク７１（ＳｉＯｘ／ＳｉＮｘ）をＣＶＤ法で成膜する。
【００８５】
次に、図２０Ａ、図２０Ｂ及び図２０Ｃに示すように、ＰＲ工程及びエッチング工程により、ハードバスク７１をパターニングする。そして、そのハードマスク７１をマスクとして、中間層５２用の膜５２ａをエッチング加工する。その際、保護膜５２１用の膜５２１ａがエッチングストッパ膜として機能する。それにより、下地層５１用の膜５１ａの表面を、エッチングダメージから保護することができる。その結果、下地層５１の磁気特性をより安定的に確保できる。すなわち、データ記憶層５３と下地層５１と第１、第２磁化固定層４１ａ、４１ｂとの間の磁気的結合をより安定的に得ることができる。その後、ハードマスク７１を除去する。以降の工程において、保護膜５２１用の膜５２１ａは、下地層５１と同様に加工される。
【００８６】
本実施の形態により製造された磁気メモリについても、第１の実施の形態で示された磁気メモリと同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０、１１０ 磁気記憶層
１１ａ、１１１ａ 第１磁化固定領域
１１ｂ、１１１ｂ 第２磁化固定領域
１２、１２ａ、１２ｂ、１１２、１１２ａ、１１２ｂ 磁壁
１３、１１３ 磁化自由領域
２０、１２０ スペーサ層
３０、１３０ 参照層
４１ 磁化固定層
４１ａ 第１磁化固定層
４１ｂ 第２磁化固定層
４２ａ 第１電極層
４２ｂ 第２電極層
５０ 基板
５１ 下地層
５２ 中間層
５２１ 保護層
５３ データ記憶層
５１ａ、５２ａ、５２１ａ、５３ａ、３０ａ、２０ａ 膜
６１ 層間絶縁膜
６２ 層間絶縁膜
７０、７０ａ 磁気抵抗効果素子
８０ 磁気メモリセル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体の下地層と、
前記下地層上に設けられた第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層と、
第２非磁性層を介して前記データ記憶層に接続された参照層と、
前記下地層の下側に接して設けられた第１磁化固定層ａ及び第２磁化固定層とを具備し、
前記データ記憶層は、
反転可能な磁化を有し前記参照層とオーバーラップする磁化自由領域と、
前記磁化自由領域の第１境界に接続され、前記第１磁化固定層で磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
前記磁化自由領域の第２境界に接続され、前記第２磁化固定層で磁化の向きが前記第１方向と反平行な第２方向に固定された第２磁化固定領域とを備え、
前記磁化自由領域の下側の前記第１非磁性層は、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の下側の前記第１非磁性層よりも厚い
磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の下側の前記第１非磁性層の膜厚はゼロであり、
前記磁化自由領域の下側は前記第１非磁性層と接し、
前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の下側は前記下地層に接する
磁気メモリ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１非磁性層は、前記磁化自由領域の下側の端部がテーパー形状に加工された構造を有する
磁気メモリ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１非磁性層は、膜厚２．０ｎｍ以上のＴａ膜を含む
磁気メモリ。
【請求項５】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１非磁性層は、前記下地層上に設けられたエッチングストッパ膜を含む
磁気メモリ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層は垂直磁気異方性を有する強磁性体を含む
磁気メモリ。
【請求項７】
互いに離間して設けられた第１磁化固定層及び第２磁化固定層上に、下地層用の下地強磁性膜と第１非磁性層用の第１非磁性膜とをこの順で積層する工程と、
前記第１非磁性膜のうち、前記第１磁化固定層上の少なくとも一部分及び前記第２磁化固定層上の少なくとも一部分を、他の部分と比較して薄くする工程と、
前記第１非磁性膜上に、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層用の第１強磁性体膜と、第２非磁性層用の第２非磁性膜と、参照層用の第２強磁性体膜とをこの順で積層する工程と、
前記第２強磁性体膜、前記第２非磁性膜、前記第１強磁性体膜、前記第１非磁性膜及び前記下地強磁性膜を素子形状に加工して、前記下地層、前記第１非磁性層及び前記データ記憶層を形成する工程と、
前記第２強磁性体膜及び前記第２非磁性膜層を前記参照層の形状に加工して、前記第２非磁性層及び前記参照層を形成する工程と
を具備する
磁気メモリの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気メモリの製造方法において、
前記第１非磁性膜の部分を薄くする工程は、
前記第１非磁性膜のうち、前記第１磁化固定層上の少なくとも一部分及び前記第２磁化固定層上の少なくとも一部分の膜厚をゼロにする工程を更に具備する
磁気メモリの製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の磁気メモリの製造方法において、
前記第１非磁性膜は、前記下地層上に設けられたエッチングストッパ膜を含み、
前記第１非磁性膜の部分を薄くする工程は、
前記第１非磁性膜のうち、前記第１磁化固定層上の少なくとも一部分及び前記第２磁化固定層上の少なくとも一部分において、前記エッチングストッパ膜のみを残す工程を備える
磁気メモリの製造方法。
【請求項１】
強磁性体の下地層と、
前記下地層上に設けられた第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層と、
第２非磁性層を介して前記データ記憶層に接続された参照層と、
前記下地層の下側に接して設けられた第１磁化固定層ａ及び第２磁化固定層とを具備し、
前記データ記憶層は、
反転可能な磁化を有し前記参照層とオーバーラップする磁化自由領域と、
前記磁化自由領域の第１境界に接続され、前記第１磁化固定層で磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
前記磁化自由領域の第２境界に接続され、前記第２磁化固定層で磁化の向きが前記第１方向と反平行な第２方向に固定された第２磁化固定領域とを備え、
前記磁化自由領域の下側の前記第１非磁性層は、前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の下側の前記第１非磁性層よりも厚い
磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の下側の前記第１非磁性層の膜厚はゼロであり、
前記磁化自由領域の下側は前記第１非磁性層と接し、
前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の下側は前記下地層に接する
磁気メモリ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１非磁性層は、前記磁化自由領域の下側の端部がテーパー形状に加工された構造を有する
磁気メモリ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１非磁性層は、膜厚２．０ｎｍ以上のＴａ膜を含む
磁気メモリ。
【請求項５】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記第１非磁性層は、前記下地層上に設けられたエッチングストッパ膜を含む
磁気メモリ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層は垂直磁気異方性を有する強磁性体を含む
磁気メモリ。
【請求項７】
互いに離間して設けられた第１磁化固定層及び第２磁化固定層上に、下地層用の下地強磁性膜と第１非磁性層用の第１非磁性膜とをこの順で積層する工程と、
前記第１非磁性膜のうち、前記第１磁化固定層上の少なくとも一部分及び前記第２磁化固定層上の少なくとも一部分を、他の部分と比較して薄くする工程と、
前記第１非磁性膜上に、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層用の第１強磁性体膜と、第２非磁性層用の第２非磁性膜と、参照層用の第２強磁性体膜とをこの順で積層する工程と、
前記第２強磁性体膜、前記第２非磁性膜、前記第１強磁性体膜、前記第１非磁性膜及び前記下地強磁性膜を素子形状に加工して、前記下地層、前記第１非磁性層及び前記データ記憶層を形成する工程と、
前記第２強磁性体膜及び前記第２非磁性膜層を前記参照層の形状に加工して、前記第２非磁性層及び前記参照層を形成する工程と
を具備する
磁気メモリの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の磁気メモリの製造方法において、
前記第１非磁性膜の部分を薄くする工程は、
前記第１非磁性膜のうち、前記第１磁化固定層上の少なくとも一部分及び前記第２磁化固定層上の少なくとも一部分の膜厚をゼロにする工程を更に具備する
磁気メモリの製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の磁気メモリの製造方法において、
前記第１非磁性膜は、前記下地層上に設けられたエッチングストッパ膜を含み、
前記第１非磁性膜の部分を薄くする工程は、
前記第１非磁性膜のうち、前記第１磁化固定層上の少なくとも一部分及び前記第２磁化固定層上の少なくとも一部分において、前記エッチングストッパ膜のみを残す工程を備える
磁気メモリの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１７Ｃ】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１８Ｃ】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図１９Ｃ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１４Ｃ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１７Ｃ】
【図１８Ａ】
【図１８Ｂ】
【図１８Ｃ】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図１９Ｃ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２０Ｃ】
【公開番号】特開２０１３−６９９０６（Ｐ２０１３−６９９０６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０７９２７（Ｐ２０１１−２０７９２７）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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