磁気抵抗効果素子
【課題】半選択セルの誤書き込み防止とスイッチング磁場の低減を図る。
【解決手段】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有し、第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第１部分と、第１部分に結合され、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【解決手段】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有し、第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第１部分と、第１部分に結合され、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の構造に関し、特に、磁気ランダムアクセスメモリに使用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、巨大磁気抵抗(GMR: Giant Magneto Resistive)効果を示す磁気メモリ素子が開発されたことに伴い、強磁性トンネル接合を持つ素子が磁気メモリのメモリ素子として使用されるようになっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は、強磁性層／絶縁層／強磁性層の積層構造から構成され、２つの強磁性層の間に電圧を印加することにより絶縁層にトンネル電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、２つの強磁性層の磁化の向きの相対角の余弦に比例して変化する。
【０００４】
従って、接合抵抗値は、２つの強磁性層の磁化の向きが同じ（平行状態）であるときに、最も小さい値となり、逆に、２つの強磁性層の磁化の向きが逆（反平行状態）であるときに、最も大きい値となる。
【０００５】
このような接合抵抗値が２つの強磁性層の磁化パターンにより変化する現象は、トンネル磁気抵抗(TMR: Tunneling Magneto Resistive)効果と呼ばれている。最近では、ＴＭＲ効果によるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の抵抗値の変化率（ＭＲ比）は、常温において４９．７％になることが報告されている。
【０００６】
強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子においては、２つの強磁性層のうちの一方を、磁化パターンが固定された基準層（ピン層）とし、他方を、データに応じて磁化パターンが変化する記憶層（フリー層）とする。そして、例えば、基準層と記憶層の磁化が平行状態にあるときを“０”とし、反平行状態にあるときを“１”とする。
【０００７】
データの書き込みは、例えば、書き込み線に流す書き込み電流により発生する磁場を磁気抵抗効果素子に与え、その磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化の向きを反転させることにより行う。データの読み出しは、磁気抵抗効果素子の強磁性トンネル接合に読み出し電流を流し、ＴＭＲ効果による強磁性トンネル接合の抵抗変化を検出することにより行われる。
【０００８】
このような磁気抵抗効果素子をアレイ状に配置することにより磁気メモリが構成される。実際の構成については、磁気抵抗効果素子をランダムアクセスできるように、例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）と同様に、１つの磁気抵抗効果素子に対して１つのスイッチングトランジスタを接続させる。
【０００９】
また、ワード線とビット線が交差する位置に、ダイオードと強磁性トンネル接合とが組み合わされた磁気抵抗効果素子を配置する技術も提案されている。
【００１０】
さて、強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子の高集積化を考えると、セルサイズを小さくしなければならないため、磁気抵抗効果素子の強磁性層のサイズが必然的に小さくなる。
【００１１】
ここで、強磁性層の性質として、強磁性層の磁気構造（磁化パターン）は、複数の磁区から構成される。長方形の強磁性層の場合、長軸方向の中央部の磁気構造は、磁化が長辺に沿った方向を向く磁区を構成しているが、長軸方向の両端部の磁気構造は、磁化が短辺に沿った方向を向く磁区、いわゆるエッジドメインを構成している。
【００１２】
エッジドメインは、ＴＭＲ効果によるＭＲ比を低下させる原因となり、エッジドメインによるＭＲ比の低下の割合は、強磁性層のサイズが小さくなればなるほど大きくなる。また、強磁性層の磁化パターンのスイッチング（磁化反転）を行うに当たって、磁気構造の変化が複雑になるため、ノイズの発生原因となるばかりでなく、保磁力が大きくなり、スイッチング磁場が増大する。
【００１３】
この問題を解決するために、記憶層（強磁性層）の形状を、磁化容易軸に対して非対称となる形状、例えば、平行四辺形とする磁気抵抗効果素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１４】
この技術によれば、エッジドメインが小さくなるため、記憶層のほぼ全体にわたって単一の磁区を構成できる。
【００１５】
一方、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぐ方法として、記憶層（強磁性層）の端部にハードバイアスを与えてエッジドメインを常に固定しておく技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１６】
また、長方形の記憶層（強磁性層）に対して、磁化容易軸方向に垂直な方向に突出した部分を新たに付加し、記憶層の形状を、Ｈ型、若しくは、Ｉ型とする技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１７】
このように、記憶層の形状をＨ型、若しくは、Ｉ型とすることにより、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぎ、スイッチング磁場を低下させることができる。
【００１８】
ところで、強磁性層のサイズが小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力の大きさは、磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるため、保磁力が大きくなるということは、磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場が大きくなることを意味する。
【００１９】
従って、磁気抵抗効果素子の微細化により強磁性層のサイズが小さくなると、データの書き込み時に大きな書き込み電流が必要となり、消費電力の増加、配線寿命の短命化などの好ましくない結果をもたらす。
【００２０】
このようなことから、磁気抵抗効果素子の微細化とそれに用いる強磁性層の保磁力の低減とを同時に実現することが、大容量磁気メモリを実用化するに当たって必要不可欠な課題となっている。
【００２１】
この課題を解決するために、記憶層が、少なくとも、２つの強磁性層と、それらの間に配置される非磁性層とから構成される磁気抵抗効果素子が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【００２２】
この場合、２つの強磁性層は、磁気モーメント又は厚さが異なり、反強磁性結合により磁化の向きが互いに逆となる。このため、実効的には、互いに磁化による影響を相殺し合うため、記憶層全体としては、磁化容易軸方向に小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。
【００２３】
この磁化容易軸方向の小さな磁化の向きに対して逆に磁場を印加すると、強磁性層の磁化は、反強磁性結合を保ったまま反転する。この時、磁力線が閉じていることから反磁場による影響は小さくなる。また、記憶層のスイッチング磁場は、強磁性層の保磁力により決まるため、小さなスイッチング磁場で磁化の反転が可能になる。
【００２４】
尚、２つの強磁性層の間に層間結合がない場合には、これら強磁性層からの洩れ磁場によって静磁結合による相互作用が発生する。この場合においても、スイッチング磁場の低減を図ることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【００２５】
しかし、２つの強磁性層の間に層間結合がなく、静磁結合のみが存在する場合には、強磁性層の磁気構造が不安定になる。また、この場合、ヒステリシス曲線又は磁気抵抗曲線における角型比が小さくなり、大きな磁気抵抗比を得ることが困難となるので、磁気抵抗効果素子としては好ましくない。
このように、記憶層の磁区に関し、複雑化を避け、安定化させることは、大きくてノイズの少ない出力信号を得るために必要不可欠な要素となる。
【００２６】
しかし、一般に、平行四辺形の記憶層においては、磁気構造が簡単になり、ほぼ単一磁区となる反面、保磁力及びスイッチング磁場が大きくなる。
【００２７】
また、記憶層の端部にエッジドメインを固定するためのハードバイアス構造を付加することにより磁化反転の際の挙動が制御できるが、この場合も、保磁力が増加する。また、エッジドメインを固定するためのハードバイアス構造の付加が必要になるため、大容量メモリなどに要求される高密度化には適さない。
【００２８】
さらに、Ｈ型又はＩ型の記憶層においては、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぐ、という効果を最大限に引き出すには、磁化容易軸方向に垂直な方向に突出した部分を大きくする必要がある。しかし、この場合、磁気抵抗効果素子のサイズが実質的に増加するため、大容量メモリなどに要求される高集積化には適さない。
【００２９】
スイッチング磁場を低減することは、磁気メモリ、例えば、磁気ランダムアクセスメモリを実現するために必要不可欠な要素である。しかし、記憶層が微細になり、例えば、記憶層の短軸方向の幅が数ミクロンからサブミクロン程度になると、記憶層（磁化領域）の端部においては、反磁場の影響により、磁性体の中央部分の磁気的構造とは異なる磁気的構造（エッジドメイン）が生じる。
【００３０】
磁気ランダムアクセスメモリにおけるデータ書き込み動作では、磁気トンネル接合を持つＭＴＪ素子のスイッチング曲線が重要である。
【００３１】
ＭＴＪ素子は、互いに交差する２本の書き込み線の交差部に配置される。データ書き込みは、これら２本の書き込み線に流れる電流により発生する磁場によりＭＴＪ素子の磁化の向きを反転させることにより行う。２本の書き込み線のうちのいずれか１本に流れる電流により発生する磁場のみでは、ＭＴＪ素子に対するデータ書き込みは行われない。
【００３２】
従って、スイッチング曲線は、ＭＴＪ素子の記憶層の磁化容易軸(easy axis)と磁化困難軸(hard axis)により形成される平面上において、スイッチング（磁化反転）に必要な磁化容易軸方向の磁場の大きさと磁化困難軸方向の磁場の大きさにより定義される。
【００３３】
スイッチング曲線は、単磁区モデルでは、アステロイド曲線として表現されることが知られている。書き込み特性は、スイッチング曲線でほぼ決まるため、スイッチング曲線を変形させて、書き込みウインドウを大きく取ることや、２本の書き込み線のうちの１本に流れる電流により発生する磁場のみが印加される半選択状態のＭＴＪ素子の安定性を増すための試みが行われている。
【００３４】
そして、そのようなスイッチング曲線を実現するための方法として、ＭＴＪ素子の形状を変形させる、という提案がなされている。
【００３５】
例えば、そらまめ型（Ｃ型）ＭＴＪ素子というものがある（例えば、特許文献５参照）。そらまめ型ＭＴＪ素子の特徴は、磁化困難軸方向の磁場が小さいときには、磁気構造（磁化パターン）がＣ型磁区を構成し、磁化困難軸方向の磁場が大きいときには、磁気構造がＳ型磁区を構成するという点にある。
【００３６】
Ｃ型磁区を構成している場合、記憶層の磁化の向きは反転し難く、Ｓ型磁区を構成している場合、記憶層の磁化の向きは反転し易いため、半選択状態のＭＴＪ素子に対する誤書き込みを防止すると共に、書き込み時における保磁力を低下させ、スイッチング磁場を低下させることができる（Ｃ−Ｓスイッチング）。
【００３７】
また、磁化困難軸方向の磁場が小さいときの磁気構造がＣ型磁区を構成する形状としては、そらまめ型の他に、十字型が存在する。十字型ＭＴＪ素子は、磁化困難軸方向の磁場が小さいときの磁気構造が２つのＣ型磁区を構成する点に特徴を有する。十字型ＭＴＪ素子では、磁化容易軸又は磁化困難軸に対して４５°をなす方向のスイッチング磁場を低下させることができる。
【００３８】
しかし、いずれにしても、現状のそらまめ型若しくは十字型を有するＭＴＪ素子では、十分に満足できる書き込み特性を得ることができない。さらに、広い書き込みウインドウを持ち、かつ、半選択状態のＭＴＪ素子の状態を安定させることができる形状が要求されている。
【特許文献１】特開平１１−２７３３３７号公報
【特許文献２】米国特許第５，７４８，５２４号
【特許文献３】米国特許第６，２０５，０５３号
【特許文献４】米国特許第５，９５３，２４８号
【特許文献５】特開２００３−７８１１２
【非特許文献１】第24回日本応用磁気学会学術講演会12aB-3、12aB-7,第24回日本応用磁気学会学術講演概要集 p.26-27
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
本発明の目的は、微細化されても、安定な磁気構造を持ち、かつ、書き込み時には、半選択セルの誤書き込みを防止しつつ、スイッチング磁場を低減させることができる磁気抵抗効果素子を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有し、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第３強磁性層と、前記第３強磁性層上に積層され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第４強磁性層とを備える。
【００４１】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有し、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第１部分と、前記第１部分に物理的に結合され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第２部分とを備える。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の例によれば、微細化されても、安定な磁気構造を持ち、かつ、書き込み時には、半選択セルの誤書き込みを防止しつつ、スイッチング磁場を低減させることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００４４】
１． 概要
本発明の例は、残留磁化がＣ型磁区を構成し、かつ、スイッチング（磁化反転）時には、記憶層（フリー層）の磁化パターンがＣ型磁区からＳ型磁区に変わる、といういわゆるＣ−Ｓスイッチングを行うのに適した構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。
【００４５】
Ｃ−Ｓスイッチングでは、磁化反転を行わない非選択及び半選択の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化反転に大きなスイッチング磁場を必要とするＣ型磁区を構成し、一方、磁化反転を行う選択された磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、Ｃ型磁区から、磁化反転を小さなスイッチング磁場で行うことができるＳ型磁区に変わるため、書き込みディスターブを改善でき、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。
【００４６】
このようなＣ−Ｓスイッチングを行うためには、具体的には、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸(easy axis)方向の磁場と磁化困難軸(hard axis)方向の磁場の合成磁場により磁化反転を行う場合、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンが複数のＣ型磁区を維持できる磁気抵抗効果素子の構造を提案すればよい。
【００４７】
そのような磁気抵抗効果素子の構造は、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する一般的な磁気抵抗効果素子に対して、磁化困難軸方向に弱い磁気異方性を有する部分を結合させる構造とする。そのような構造としたのは、磁化困難軸方向の磁気異方性が磁気抵抗効果素子の端部の磁区の形成に影響を与えるからである。
【００４８】
例えば、そらまめ型（Ｃ型）や十字型などの第１方向（磁化容易軸方向）に磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子の強磁性層（第１部分）に対して、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する強磁性層（第２部分）を結合させる。
【００４９】
結合の仕方としては、第１及び第２部分を同一面内で結合させてもよいし、また、第１及び第２部分を積み重ねて結合させてもよい。積み重ねる場合には、第１部分と第２部分は、同じ形状とし、さらに、両者の間に強磁性結合又は反強磁性結合が生じるように、両者を直接結合させるか、若しくは、両者の間に非磁性層を配置させる。積み重ねる強磁性層の数は、２つ以上とする。
【００５０】
尚、第１及び第２部分の間に非磁性層を配置する場合には、両者の間には、強磁性結合又は反強磁性結合に加えて層間結合が発生する。層間結合の発生は、第１及び第２部分の磁化の向きを異ならせるに当たって都合がよい。
【００５１】
また、第３方向が、第１又は第２方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度の方向、例えば、第１及び第２方向に対して９０°の方向を向いていると、より複数のＣ型磁区を作り易くなる。
【００５２】
磁気抵抗効果素子の記憶層の厚さは、０．１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲の値に設定されるのがよい。
【００５３】
このように、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層は、残留磁化、及び、磁化反転を行わない場合の磁化パターンが、それぞれ、複数のＣ型磁区を構成できる構造を有する。従って、Ｃ−Ｓスイッチングにより、書き込みディスターブを改善でき、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。
【００５４】
また、記憶層が複数の強磁性層の積層構造から構成されることにより、広い書き込みウインドウ、即ち、磁化反転を行う選択された磁気抵抗効果素子の反転磁場の値と、磁化反転を行わない非選択の磁気抵抗効果素子の反転磁場の値との差を大きくすることができる。
【００５５】
即ち、複数の強磁性層を互いに強磁性結合又は反強磁性結合させることにより、単磁区モデルでは、図２４に示すような磁化困難軸方向に長く伸びたアステロイド曲線を得ることができるため、かかる構造とＣ−Ｓスイッチングとを組み合わせることにより、広い書き込みウインドウを実現できる。
【００５６】
２． 実施の形態
以下、本発明の例を実施するに当たって最適と思われる複数の実施の形態について説明する。
【００５７】
本発明の例の対象となる磁気メモリ素子は、磁気抵抗(Magneto Resistive)効果を有する磁気抵抗効果素子、例えば、トンネル磁気抵抗効果を有するＭＴＪ(Magneto Tunnel Junction)素子である。そこで、まず、ＭＴＪ素子の基本構造について説明する。
【００５８】
ＭＴＪ素子の磁気トンネル接合は、図１に示すように、２つの強磁性層１ａ，１ｂと、これらの間に挟み込まれた薄い絶縁層（非磁性層）２とから構成される。強磁性層のうちの一つは、反強磁性層３により磁化パターン（磁化の向き）が固定された基準層（ピン層）１ａであり、他の一つは、データに応じて磁化パターン（磁化の向き）が変わる記憶層（フリー層）１ｂである。基準層１ａと記憶層１ｂの間に配置された絶縁層２は、トンネルバリアと呼ばれる。
【００５９】
通常、強磁性層１ａ，１ｂは、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、これら金属の合金や、ＣｏＦｅＢのようなアモルファス磁性体などから構成される。強磁性層１ａ，１ｂの各層は、スパッタ法やＭＢＥ法などにより形成され、その厚さは、０．１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲の値に設定される。また、絶縁層２は、例えば、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどの酸化物から構成される。絶縁層２の厚さは、１０ｎｍ以下に設定される。絶縁層２の厚さは、できるだけ薄いほうがよく、近年では、絶縁層２は、２ｎｍ以下、より好ましくは、１ｎｍ以下に設定される。
【００６０】
本発明の例は、上記概要の欄で説明したように、磁気抵抗効果素子の構造に関するものであるが、具体的には、磁気抵抗効果素子の記憶層（フリー層）の構造に関する。即ち、本発明の例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、磁化の向きが第１方向（磁化容易軸方向）となる第１部分と、この第１部分に結合され、磁化の向きが第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向となる第２部分とから構成される。
【００６１】
従って、以下の複数の実施の形態では、磁気抵抗効果素子の記憶層のみを取り出して、その記憶層の構造について説明する。
【００６２】
(1) 第１実施の形態
図２は、本発明の第１実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【００６３】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを結合させた概形を有する。ここで、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される（矢印の向きが磁気異方性を表すものとする。以下、全ての実施の形態において同じ。）。
【００６４】
尚、記憶層の磁気異方性については、記憶層としての強磁性層を堆積するときに、堆積時の諸条件を設定することで容易に調整することができる。
【００６５】
また、磁化容易軸方向の磁気異方性が磁化容易軸に平行であるとすると、磁化困難軸方向の磁気異方性は、磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度の方向に設定される。
【００６６】
この場合、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンは、第１部分においては、磁化容易軸方向を向き、第２部分においては、磁化困難軸方向（磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度方向）を向くことになる。
【００６７】
従って、磁化反転を行わない半選択及び非選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、複数のＣ型磁区から構成されることになるため、反転磁場が大きく、誤書き込みを有効に防止できる。
【００６８】
一方、磁化反転を行う選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の合成磁場により、Ｃ型磁区からＳ型磁区に変化するため、反転磁場が小さくなる。このため、小さなスイッチング磁場で磁化反転を行うことができる。
【００６９】
また、書き込み後の残留磁化は、複数のＣ型磁区から構成されるため、微細化されても、安定した磁気構造を確保できる。
【００７０】
図３は、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。また、図４は、単磁区モデルで得られるスイッチング曲線（アステロイド曲線）を示している。
【００７１】
図３と図４を比べると、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線は、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域において、単磁区モデルで得られるスイッチング曲線よりも窪んでいる。この窪みが大きいということは、スイッチング磁場（反転磁場）が小さいことを意味する。
【００７２】
従って、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子によれば、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【００７３】
尚、この窪みの大きさは、記憶層の厚さにも依存する。
【００７４】
スイッチング曲線の窪み自体は、記憶層の厚さを５０ｎｍ以下に設定することにより形成できる。但し、近年におけるメモリ素子の高集積化や低消費電流化を考慮すると、スイッチング曲線の窪みを考慮した記憶層の厚さは、２ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲内の値、さらには、４ｎｍ以上、１４ｎｍ以下の範囲内の値に設定することが好ましい。
【００７５】
記憶層の平面形状の縦横比については、縦（磁化困難軸方向）：横（磁化容易軸方向）が１：１から１：１０までの範囲内の値となるように設定するのが好ましい。実際には、メモリ素子の高集積化などの観点から、１：２から１：４までの範囲内の値（本例では、概ね、１：２）に設定される。
【００７６】
(2) 第２実施の形態
図５は、本発明の第２実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【００７７】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを背中合わせに結合させた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【００７８】
従って、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンは、第１部分においては、磁化容易軸方向を向き、第２部分においては、磁化困難軸方向（磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度方向）を向く。
【００７９】
本例においても、磁化反転を行わない非選択及び半選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、複数のＣ型磁区から構成されるため、反転磁場が大きく、誤書き込みを有効に防止できる。
【００８０】
一方、磁化反転を行う選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の合成磁場により、Ｃ型磁区からＳ型磁区に変化するため、反転磁場が小さくなる。このため、小さなスイッチング磁場で磁化反転を行うことができる。
【００８１】
また、書き込み後の残留磁化は、複数のＣ型磁区から構成されるため、微細化されても、安定した磁気構造を確保できる。
【００８２】
図６は、図５の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。
【００８３】
このスイッチング曲線は、図３のスイッチング曲線とほぼ同じとなる。即ち、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域において、図６のスイッチング曲線の窪みは、図４に示す単磁区モデルで得られるスイッチング曲線のそれよりも大きい。
【００８４】
従って、図５の記憶層を有する磁気抵抗効果素子によれば、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【００８５】
尚、スイッチング曲線の窪みの大きさが記憶層の厚さに依存することは、第１実施の形態と同じである。即ち、スイッチング曲線の窪み自体は、記憶層の厚さを５０ｎｍ以下に設定することにより形成できるが、実際の記憶層の厚さは、２ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲内の値、さらには、４ｎｍ以上、１４ｎｍ以下の範囲内の値に設定される。
【００８６】
記憶層の平面形状の縦横比についても、第１実施の形態と同様に、縦（磁化困難軸方向）：横（磁化容易軸方向）が１：１から１：１０までの範囲内の値となるように設定される。実際には、１：２から１：４までの範囲内の値（本例では、概ね、１：２）に設定される。
【００８７】
(3) 第３実施の形態
図７は、本発明の第３実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【００８８】
本例でも、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを背中合わせに結合させた概形を有する。具体的には、本例の記憶層は、２つの平行四辺形を交差させた概形を有する。
【００８９】
記憶層が２つの平行四辺形を交差させた概形を有するため、記憶層の先端部の形状は、四角ではなく、斜めに切り落とされたテーパ状となる。
【００９０】
尚、記憶層の先端部（鋭角部）の角度は、２０°以上、９０°未満の範囲内の値に設定される。
【００９１】
ここで、記憶層の先端部の角度とは、記憶層を加工する際に用いるマスクの対応部分における角度を意味する。実際に形成される記憶層に関しては、フォトリソグラフィの精度や、加工精度などに依存して、先端部は、鋭角ではなく、ある曲率をもって丸くなる。
【００９２】
実際に形成された記憶層の形状からこの角度を判断するには、例えば、記憶層の辺となる概ね直線部分をまっすぐ引き伸ばし、直線が交差する部分の交差角度を記憶層の先端部の角度とする。
【００９３】
このような場合においても、磁気抵抗効果素子の記憶層は、矢印で示すように、第１方向（例えば、磁化容易軸方向）に磁気異方性を有する第１部分と、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向（例えば、磁化困難軸方向）に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【００９４】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状は、中心点に対して対称的となるが、例えば、図８及び図９に示すように、中心点に対して非対称となるような形状とし、２つのＣ型磁区を形成し易くしてもよい。
【００９５】
また、図１０に示すように、１つの平行四辺形と１つの四角形とを交差させたような概形としてもよい。図１０の形状を実際にＭＴＪ素子に適用すると、例えば、図１１及び図１２に示すような概形となる。
【００９６】
図７乃至図１２の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【００９７】
尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。
【００９８】
(4) 第４実施の形態
図１３は、本発明の第４実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【００９９】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つの文字Ｃを結合させた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【０１００】
従って、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ３つのＣ型磁区から構成される。
【０１０１】
尚、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つを超える数の文字Ｃを結合させた概形となるように形成してもよい。
【０１０２】
図１４は、図１３の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。
【０１０３】
図１３の記憶層を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【０１０４】
尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。
【０１０５】
(5) 第５実施の形態
図１５は、本発明の第５実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【０１０６】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つの文字Ｃを結合させた概形を有する。具体的には、記憶層は、特定の１つの文字Ｃと、この特定の１つの文字Ｃに対して、同じ方向を向く文字Ｃと異なる方向を向く文字Ｃとを組み合わせた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【０１０７】
従って、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ３つのＣ型磁区から構成される。
【０１０８】
図１５の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【０１０９】
尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。
【０１１０】
(6) 第６実施の形態
図１６は、本発明の第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。
【０１１１】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、４つの文字Ｃを結合させた概形を有する。具体的には、記憶層は、特定の１つの文字Ｃと、この特定の１つの文字Ｃに対して、同じ方向を向く文字Ｃと異なる方向を向く文字Ｃとを組み合わせた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【０１１２】
従って、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ４つのＣ型磁区から構成される。
【０１１３】
図１６の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【０１１４】
尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。
【０１１５】
(7) 第７実施の形態
本実施の形態は、例えば、上述の第１乃至第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を、２つ以上の異なる強磁性層の積層構造から構成する例に関する。例えば、図１７に示すように、磁気抵抗効果素子の記憶層となる強磁性層は、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成される。
【０１１６】
磁気抵抗効果素子の記憶層を、このような２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成すると、図２４に示すように、磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線が磁化困難軸方向に大きく伸びる。
【０１１７】
このようなスイッチング曲線では、いわゆる半選択状態のメモリ素子の磁化状態を安定化させることができ、誤書き込みを有効に防止できる。また、この場合、スイッチング曲線が磁化困難軸から十分に離れているため、ネール結合や基準層からの漏れ磁場などによるスイッチング曲線のシフトの影響が小さくなり、スイッチング曲線のばらつきに強くなる。
【０１１８】
尚、ここで言う「２種類」とは、「異なる磁気特性」を意味し、異なる磁気特性は、例えば、強磁性層の膜厚、成膜条件、材料、構造（ソフト層、ハード層）などにより実現できる。
【０１１９】
図１８は、第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示している。
【０１２０】
本例は、図２の磁気抵抗効果素子の記憶層を、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成した点に特徴を有する。
【０１２１】
強磁性層１ｂ，１ｃは、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。また、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。
【０１２２】
尚、強磁性層１ｂ，１ｃの磁化状態については、同じ向きになっていてもよいし、また、互いに逆向きになっていてもよい。
【０１２３】
図１９は、第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示している。
【０１２４】
本例は、十字型磁気抵抗効果素子の記憶層を、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成した点に特徴を有する。
【０１２５】
また、本例は、強磁性層１ｂ，１ｃが、２つの文字Ｃを結合した概形を有する点に特徴を有するものであり、その一例として、十字型を示している。尚、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。
【０１２６】
強磁性層１ｂは、矢印で示すように、第１方向に磁気異方性を有するように構成される。強磁性層１ｃは、矢印で示すように、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有するように構成される。
【０１２７】
このように、磁気異方性の向きを異ならせるには、例えば、強磁性層１ｂを成膜する際に印加する磁場の向きと、強磁性層１ｃを成膜する際に印加する磁場の向きと異ならせる、という方法を用いることが可能である。
【０１２８】
図１９では、強磁性層１ｂと強磁性層１ｃとの間の領域では、磁化の向きが徐々に螺旋状に変化した磁区構造をとるものと考えられる。
【０１２９】
この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ２つのＣ型磁区から構成される。
【０１３０】
(8) 第８実施の形態
本実施の形態も、例えば、上述の第１乃至第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を、２つ以上の異なる強磁性層の積層構造から構成する例に関する。しかし、本実施の形態では、上述の第７実施の形態とは異なり、例えば、図２０及び図２１に示すように、磁気抵抗効果素子の記憶層となる強磁性層は、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成される。
【０１３１】
強磁性層１ｂ，１ｃの間に非磁性層４を配置することで、これら強磁性層１ｂ，１ｃの間に層間結合と呼ばれる結合が発生する。層間結合は、非磁性層４の厚さに依存して、強磁性層１ｂ，１ｃの間に強磁性結合又は反強磁性結合を生じさせる。
【０１３２】
尚、図２０の例は、非磁性層４が導電体の場合であり、図２１の例は、非磁性層４が絶縁体の場合である。
【０１３３】
磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成すると、図２４に示すように、磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線が磁化困難軸方向に大きく伸びる。
【０１３４】
このようなスイッチング曲線では、いわゆる半選択状態のメモリ素子の磁化状態を安定化させることができ、誤書き込みを有効に防止できる。また、この場合、スイッチング曲線が磁化困難軸から十分に離れているため、ネール結合や基準層からの漏れ磁場などによるスイッチング曲線のシフトの影響が小さくなり、スイッチング曲線のばらつきに強くなる。
【０１３５】
図２２は、第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示している。
【０１３６】
本例は、図２の磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成した点に特徴を有する。
【０１３７】
強磁性層１ｂ，１ｃは、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。また、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。
【０１３８】
尚、強磁性層１ｂ，１ｃの磁化状態については、同じ向きになっていてもよいし、また、互いに逆向きになっていてもよい。
【０１３９】
図２３は、第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示している。
【０１４０】
本例は、十字型磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成した点に特徴を有する。
【０１４１】
また、本例は、強磁性層１ｂ，１ｃが、２つの文字Ｃを結合した概形を有する点に特徴を有するものであり、その一例として、十字型を示している。尚、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。
【０１４２】
強磁性層１ｂは、矢印で示すように、第１方向に磁気異方性を有するように構成される。強磁性層１ｃは、矢印で示すように、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有するように構成される。
【０１４３】
このように、磁気異方性の向きを異ならせるには、例えば、強磁性層１ｂを成膜する際に印加する磁場の向きと、強磁性層１ｃを成膜する際に印加する磁場の向きと異ならせる、という方法を用いることが可能である。
【０１４４】
図２３では、強磁性層１ｂと強磁性層１ｃとの間の領域では、磁化の向きが徐々に螺旋状に変化した磁区構造をとるものと考えられる。
【０１４５】
この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ２つのＣ型磁区から構成される。
【０１４６】
(9) その他
本発明の例は、磁気抵抗効果素子の記憶層の磁気異方性により規定される。従って、上述の第１乃至第８実施の形態に関わる記憶層の形状は、一例に過ぎず、それ自体に特徴を有する、というものではない。
【０１４７】
但し、本発明の例に関わる磁気異方性を有する記憶層であって、上述の第１乃至第８実施の形態に関わる形状を有する記憶層は、強磁性層の加工時に使用するマスクの形状を工夫することにより容易に実現できる。
【０１４８】
また、図２、図５、図７〜図１３、図１５及び図１６に示される記憶層を、図１８及び図２２に示されるように、積層構造とすることも可能である。
【０１４９】
３． 応用例
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルに応用できる。
【０１５０】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、スイッチング磁場を十分に小さくすることができるため、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルにおける記憶層に適用すると最大の効果を発揮することができる。
【０１５１】
以下、磁気ランダムアクセスメモリの例についていくつか説明する。
【０１５２】
図２５は、クロスポイント型メモリセルアレイを示している。
【０１５３】
読み出し／書き込みワード線ＷＬと読み出し／書き込みビット線ＢＬとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。磁気抵抗効果素子Ｃは、読み出し／書き込みワード線ＷＬ及び読み出し／書き込みビット線ＢＬに電気的に接続される。
【０１５４】
磁気抵抗効果素子Ｃと読み出し／書き込みワード線ＷＬとの間には、ダイオードＤが配置される。ダイオードＤは、クロスポイント型メモリセルアレイに特有の読み出し／書き込み時におけるいわゆる回り込み電流を防止する機能を有する。回り込み電流は、例えば、このダイオードＤと、非選択の読み出し／書き込みワード線ＷＬ及び非選択の読み出し／書き込みビット線ＢＬにバイアス電圧を与えることにより回避する。
【０１５５】
読み出し／書き込みワード線ＷＬには、例えば、選択トランジスタＳＴｗを経由してセンスアンプＳＡが接続される。読み出し／書き込みビット線ＢＬには、例えば、選択トランジスタＳＴＢを経由して電源が接続される。
【０１５６】
図２６は、はしご型メモリセルアレイを示している。
【０１５７】
書き込みビット線ＢＬｗと読み出しビット線ＢＬｒとの間には、はしご状に複数の磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。書き込みビット線ＢＬｗと読み出しビット線ＢＬｒは、同一方向に延びている。
【０１５８】
磁気抵抗効果素子Ｃの直下には、書き込みワード線ＷＬが配置される。書き込みワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子Ｃから一定距離だけ離れて配置され、書き込みビット線ＢＬｗに交差する方向に延びる。
【０１５９】
読み出しビット線ＢＬｒには、例えば、選択トランジスタＳＴを経由して抵抗素子Ｒが接続される。センスアンプＳＡは、抵抗素子Ｒの両端に発生する電圧を検出することにより読み出しデータをセンスする。書き込みビット線ＢＬｗの一端には、電源が接続され、他端には、例えば、選択トランジスタＳＴを経由して接地点が接続される。
【０１６０】
図２７及び図２８は、それぞれ１トランジスタ−１ＭＴＪ型メモリセルアレイを示している。
【０１６１】
書き込みワード線ＷＬと読み出し／書き込みビット線ＢＬとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。磁気抵抗効果素子Ｃは、読み出し／書き込みビット線ＢＬに電気的に接続される。磁気抵抗効果素子Ｃの直下には、書き込みワード線ＷＬが配置される。書き込みワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子Ｃから一定距離だけ離れている。
【０１６２】
磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、例えば、選択トランジスタＳＴ２を経由してセンスアンプＳＡに接続される。読み出し／書き込みビット線ＢＬは、選択トランジスタＳＴ１を経由して電源に接続される。
【０１６３】
尚、図２８の構造では、磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、引き出し線としての下部電極Ｌに接続される。このため、磁気抵抗効果素子Ｃの直下に選択トランジスタＳＴ２が配置されても、書き込みワード線ＷＬを磁気抵抗効果素子Ｃの近傍に配置することができる。
【０１６４】
以上、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子が適用される磁気ランダムアクセスメモリの代表例について説明したが、本発明の例は、これら代表例以外の磁気ランダムアクセスメモリにも適用できる。
【０１６５】
尚、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、書き込みワード線に平行であってもよいし、書き込みビット線に平行であってもよい。また、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、２本の書き込み線（書き込みワード／ビット線）が延びる方向に対して４５°の方向を向いていてもよい。
【０１６６】
４． その他
本発明の例によれば、磁化反転の対象となる選択状態では、スイッチング曲線の書き込みポイント（窪み部分）におけるスイッチング磁場が小さくなり、かつ、磁化反転の対象とならない半選択状態及び非選択状態では、磁化状態が安定した磁気抵抗効果素子を提供できる。
【０１６７】
この磁気抵抗効果素子を磁気メモリのメモリセルとして用いた場合、磁化反転に必要なスイッチング磁場を生成するための書き込み電流を小さくでき、低消費電流を実現できる。このように、本発明の例によれば、消費電力が少なく、高集積化が可能で、かつ、スイッチング（磁化反転）が高速に行える磁気メモリを提供できる。
【０１６８】
本発明の例は、上述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、構成要素を変形して具体化できる。また、上述の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。
【図２】第１実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図３】図２の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。
【図４】単磁区モデルで得られるスイッチング曲線を示す図。
【図５】第２実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図６】図５の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。
【図７】第３実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図８】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図９】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図１０】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図１１】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図１２】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図１３】第４実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図１４】図１３の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。
【図１５】第５実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図１６】第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図１７】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。
【図１８】第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示す図。
【図１９】第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示す図。
【図２０】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。
【図２１】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。
【図２２】第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示す図。
【図２３】第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示す図。
【図２４】第７及び第８実施の形態の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。
【図２５】磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。
【図２６】磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。
【図２７】磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。
【図２８】磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。
【符号の説明】
【０１７０】
１ａ： 強磁性層（基準層）、 １ｂ： 強磁性層（記憶層）、 ２： トンネルバリア、 ３： 反強磁性層、 ４： 非磁性層、 Ｃ： 磁気抵抗効果素子、 Ｄ： ダイオード、 Ｒ： 抵抗素子、 ＳＡ： センスアンプ、 ＳＴｗ，ＳＴＢ，ＳＴ，ＳＴ１，ＳＴ２： 選択トランジスタ、 ＢＬ： 読み出し／書き込みビット線、 ＷＬ： 書き込みワード線、 ＢＬｗ： 書き込みビット線、 ＢＬｒ： 読み出しビット線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の構造に関し、特に、磁気ランダムアクセスメモリに使用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、巨大磁気抵抗(GMR: Giant Magneto Resistive)効果を示す磁気メモリ素子が開発されたことに伴い、強磁性トンネル接合を持つ素子が磁気メモリのメモリ素子として使用されるようになっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は、強磁性層／絶縁層／強磁性層の積層構造から構成され、２つの強磁性層の間に電圧を印加することにより絶縁層にトンネル電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、２つの強磁性層の磁化の向きの相対角の余弦に比例して変化する。
【０００４】
従って、接合抵抗値は、２つの強磁性層の磁化の向きが同じ（平行状態）であるときに、最も小さい値となり、逆に、２つの強磁性層の磁化の向きが逆（反平行状態）であるときに、最も大きい値となる。
【０００５】
このような接合抵抗値が２つの強磁性層の磁化パターンにより変化する現象は、トンネル磁気抵抗(TMR: Tunneling Magneto Resistive)効果と呼ばれている。最近では、ＴＭＲ効果によるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の抵抗値の変化率（ＭＲ比）は、常温において４９．７％になることが報告されている。
【０００６】
強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子においては、２つの強磁性層のうちの一方を、磁化パターンが固定された基準層（ピン層）とし、他方を、データに応じて磁化パターンが変化する記憶層（フリー層）とする。そして、例えば、基準層と記憶層の磁化が平行状態にあるときを“０”とし、反平行状態にあるときを“１”とする。
【０００７】
データの書き込みは、例えば、書き込み線に流す書き込み電流により発生する磁場を磁気抵抗効果素子に与え、その磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化の向きを反転させることにより行う。データの読み出しは、磁気抵抗効果素子の強磁性トンネル接合に読み出し電流を流し、ＴＭＲ効果による強磁性トンネル接合の抵抗変化を検出することにより行われる。
【０００８】
このような磁気抵抗効果素子をアレイ状に配置することにより磁気メモリが構成される。実際の構成については、磁気抵抗効果素子をランダムアクセスできるように、例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）と同様に、１つの磁気抵抗効果素子に対して１つのスイッチングトランジスタを接続させる。
【０００９】
また、ワード線とビット線が交差する位置に、ダイオードと強磁性トンネル接合とが組み合わされた磁気抵抗効果素子を配置する技術も提案されている。
【００１０】
さて、強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子の高集積化を考えると、セルサイズを小さくしなければならないため、磁気抵抗効果素子の強磁性層のサイズが必然的に小さくなる。
【００１１】
ここで、強磁性層の性質として、強磁性層の磁気構造（磁化パターン）は、複数の磁区から構成される。長方形の強磁性層の場合、長軸方向の中央部の磁気構造は、磁化が長辺に沿った方向を向く磁区を構成しているが、長軸方向の両端部の磁気構造は、磁化が短辺に沿った方向を向く磁区、いわゆるエッジドメインを構成している。
【００１２】
エッジドメインは、ＴＭＲ効果によるＭＲ比を低下させる原因となり、エッジドメインによるＭＲ比の低下の割合は、強磁性層のサイズが小さくなればなるほど大きくなる。また、強磁性層の磁化パターンのスイッチング（磁化反転）を行うに当たって、磁気構造の変化が複雑になるため、ノイズの発生原因となるばかりでなく、保磁力が大きくなり、スイッチング磁場が増大する。
【００１３】
この問題を解決するために、記憶層（強磁性層）の形状を、磁化容易軸に対して非対称となる形状、例えば、平行四辺形とする磁気抵抗効果素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１４】
この技術によれば、エッジドメインが小さくなるため、記憶層のほぼ全体にわたって単一の磁区を構成できる。
【００１５】
一方、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぐ方法として、記憶層（強磁性層）の端部にハードバイアスを与えてエッジドメインを常に固定しておく技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１６】
また、長方形の記憶層（強磁性層）に対して、磁化容易軸方向に垂直な方向に突出した部分を新たに付加し、記憶層の形状を、Ｈ型、若しくは、Ｉ型とする技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１７】
このように、記憶層の形状をＨ型、若しくは、Ｉ型とすることにより、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぎ、スイッチング磁場を低下させることができる。
【００１８】
ところで、強磁性層のサイズが小さくなると、その保磁力は大きくなる。保磁力の大きさは、磁化を反転するために必要なスイッチング磁場の大きさの目安となるため、保磁力が大きくなるということは、磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場が大きくなることを意味する。
【００１９】
従って、磁気抵抗効果素子の微細化により強磁性層のサイズが小さくなると、データの書き込み時に大きな書き込み電流が必要となり、消費電力の増加、配線寿命の短命化などの好ましくない結果をもたらす。
【００２０】
このようなことから、磁気抵抗効果素子の微細化とそれに用いる強磁性層の保磁力の低減とを同時に実現することが、大容量磁気メモリを実用化するに当たって必要不可欠な課題となっている。
【００２１】
この課題を解決するために、記憶層が、少なくとも、２つの強磁性層と、それらの間に配置される非磁性層とから構成される磁気抵抗効果素子が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【００２２】
この場合、２つの強磁性層は、磁気モーメント又は厚さが異なり、反強磁性結合により磁化の向きが互いに逆となる。このため、実効的には、互いに磁化による影響を相殺し合うため、記憶層全体としては、磁化容易軸方向に小さな磁化を持った強磁性体と同等と考えることができる。
【００２３】
この磁化容易軸方向の小さな磁化の向きに対して逆に磁場を印加すると、強磁性層の磁化は、反強磁性結合を保ったまま反転する。この時、磁力線が閉じていることから反磁場による影響は小さくなる。また、記憶層のスイッチング磁場は、強磁性層の保磁力により決まるため、小さなスイッチング磁場で磁化の反転が可能になる。
【００２４】
尚、２つの強磁性層の間に層間結合がない場合には、これら強磁性層からの洩れ磁場によって静磁結合による相互作用が発生する。この場合においても、スイッチング磁場の低減を図ることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【００２５】
しかし、２つの強磁性層の間に層間結合がなく、静磁結合のみが存在する場合には、強磁性層の磁気構造が不安定になる。また、この場合、ヒステリシス曲線又は磁気抵抗曲線における角型比が小さくなり、大きな磁気抵抗比を得ることが困難となるので、磁気抵抗効果素子としては好ましくない。
このように、記憶層の磁区に関し、複雑化を避け、安定化させることは、大きくてノイズの少ない出力信号を得るために必要不可欠な要素となる。
【００２６】
しかし、一般に、平行四辺形の記憶層においては、磁気構造が簡単になり、ほぼ単一磁区となる反面、保磁力及びスイッチング磁場が大きくなる。
【００２７】
また、記憶層の端部にエッジドメインを固定するためのハードバイアス構造を付加することにより磁化反転の際の挙動が制御できるが、この場合も、保磁力が増加する。また、エッジドメインを固定するためのハードバイアス構造の付加が必要になるため、大容量メモリなどに要求される高密度化には適さない。
【００２８】
さらに、Ｈ型又はＩ型の記憶層においては、スイッチング時における強磁性層の磁気構造の複雑な変化を防ぐ、という効果を最大限に引き出すには、磁化容易軸方向に垂直な方向に突出した部分を大きくする必要がある。しかし、この場合、磁気抵抗効果素子のサイズが実質的に増加するため、大容量メモリなどに要求される高集積化には適さない。
【００２９】
スイッチング磁場を低減することは、磁気メモリ、例えば、磁気ランダムアクセスメモリを実現するために必要不可欠な要素である。しかし、記憶層が微細になり、例えば、記憶層の短軸方向の幅が数ミクロンからサブミクロン程度になると、記憶層（磁化領域）の端部においては、反磁場の影響により、磁性体の中央部分の磁気的構造とは異なる磁気的構造（エッジドメイン）が生じる。
【００３０】
磁気ランダムアクセスメモリにおけるデータ書き込み動作では、磁気トンネル接合を持つＭＴＪ素子のスイッチング曲線が重要である。
【００３１】
ＭＴＪ素子は、互いに交差する２本の書き込み線の交差部に配置される。データ書き込みは、これら２本の書き込み線に流れる電流により発生する磁場によりＭＴＪ素子の磁化の向きを反転させることにより行う。２本の書き込み線のうちのいずれか１本に流れる電流により発生する磁場のみでは、ＭＴＪ素子に対するデータ書き込みは行われない。
【００３２】
従って、スイッチング曲線は、ＭＴＪ素子の記憶層の磁化容易軸(easy axis)と磁化困難軸(hard axis)により形成される平面上において、スイッチング（磁化反転）に必要な磁化容易軸方向の磁場の大きさと磁化困難軸方向の磁場の大きさにより定義される。
【００３３】
スイッチング曲線は、単磁区モデルでは、アステロイド曲線として表現されることが知られている。書き込み特性は、スイッチング曲線でほぼ決まるため、スイッチング曲線を変形させて、書き込みウインドウを大きく取ることや、２本の書き込み線のうちの１本に流れる電流により発生する磁場のみが印加される半選択状態のＭＴＪ素子の安定性を増すための試みが行われている。
【００３４】
そして、そのようなスイッチング曲線を実現するための方法として、ＭＴＪ素子の形状を変形させる、という提案がなされている。
【００３５】
例えば、そらまめ型（Ｃ型）ＭＴＪ素子というものがある（例えば、特許文献５参照）。そらまめ型ＭＴＪ素子の特徴は、磁化困難軸方向の磁場が小さいときには、磁気構造（磁化パターン）がＣ型磁区を構成し、磁化困難軸方向の磁場が大きいときには、磁気構造がＳ型磁区を構成するという点にある。
【００３６】
Ｃ型磁区を構成している場合、記憶層の磁化の向きは反転し難く、Ｓ型磁区を構成している場合、記憶層の磁化の向きは反転し易いため、半選択状態のＭＴＪ素子に対する誤書き込みを防止すると共に、書き込み時における保磁力を低下させ、スイッチング磁場を低下させることができる（Ｃ−Ｓスイッチング）。
【００３７】
また、磁化困難軸方向の磁場が小さいときの磁気構造がＣ型磁区を構成する形状としては、そらまめ型の他に、十字型が存在する。十字型ＭＴＪ素子は、磁化困難軸方向の磁場が小さいときの磁気構造が２つのＣ型磁区を構成する点に特徴を有する。十字型ＭＴＪ素子では、磁化容易軸又は磁化困難軸に対して４５°をなす方向のスイッチング磁場を低下させることができる。
【００３８】
しかし、いずれにしても、現状のそらまめ型若しくは十字型を有するＭＴＪ素子では、十分に満足できる書き込み特性を得ることができない。さらに、広い書き込みウインドウを持ち、かつ、半選択状態のＭＴＪ素子の状態を安定させることができる形状が要求されている。
【特許文献１】特開平１１−２７３３３７号公報
【特許文献２】米国特許第５，７４８，５２４号
【特許文献３】米国特許第６，２０５，０５３号
【特許文献４】米国特許第５，９５３，２４８号
【特許文献５】特開２００３−７８１１２
【非特許文献１】第24回日本応用磁気学会学術講演会12aB-3、12aB-7,第24回日本応用磁気学会学術講演概要集 p.26-27
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
本発明の目的は、微細化されても、安定な磁気構造を持ち、かつ、書き込み時には、半選択セルの誤書き込みを防止しつつ、スイッチング磁場を低減させることができる磁気抵抗効果素子を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有し、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第３強磁性層と、前記第３強磁性層上に積層され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第４強磁性層とを備える。
【００４１】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有し、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第１部分と、前記第１部分に物理的に結合され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第２部分とを備える。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の例によれば、微細化されても、安定な磁気構造を持ち、かつ、書き込み時には、半選択セルの誤書き込みを防止しつつ、スイッチング磁場を低減させることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００４４】
１． 概要
本発明の例は、残留磁化がＣ型磁区を構成し、かつ、スイッチング（磁化反転）時には、記憶層（フリー層）の磁化パターンがＣ型磁区からＳ型磁区に変わる、といういわゆるＣ−Ｓスイッチングを行うのに適した構造を有する磁気抵抗効果素子に関する。
【００４５】
Ｃ−Ｓスイッチングでは、磁化反転を行わない非選択及び半選択の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化反転に大きなスイッチング磁場を必要とするＣ型磁区を構成し、一方、磁化反転を行う選択された磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、Ｃ型磁区から、磁化反転を小さなスイッチング磁場で行うことができるＳ型磁区に変わるため、書き込みディスターブを改善でき、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。
【００４６】
このようなＣ−Ｓスイッチングを行うためには、具体的には、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸(easy axis)方向の磁場と磁化困難軸(hard axis)方向の磁場の合成磁場により磁化反転を行う場合、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンが複数のＣ型磁区を維持できる磁気抵抗効果素子の構造を提案すればよい。
【００４７】
そのような磁気抵抗効果素子の構造は、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する一般的な磁気抵抗効果素子に対して、磁化困難軸方向に弱い磁気異方性を有する部分を結合させる構造とする。そのような構造としたのは、磁化困難軸方向の磁気異方性が磁気抵抗効果素子の端部の磁区の形成に影響を与えるからである。
【００４８】
例えば、そらまめ型（Ｃ型）や十字型などの第１方向（磁化容易軸方向）に磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子の強磁性層（第１部分）に対して、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する強磁性層（第２部分）を結合させる。
【００４９】
結合の仕方としては、第１及び第２部分を同一面内で結合させてもよいし、また、第１及び第２部分を積み重ねて結合させてもよい。積み重ねる場合には、第１部分と第２部分は、同じ形状とし、さらに、両者の間に強磁性結合又は反強磁性結合が生じるように、両者を直接結合させるか、若しくは、両者の間に非磁性層を配置させる。積み重ねる強磁性層の数は、２つ以上とする。
【００５０】
尚、第１及び第２部分の間に非磁性層を配置する場合には、両者の間には、強磁性結合又は反強磁性結合に加えて層間結合が発生する。層間結合の発生は、第１及び第２部分の磁化の向きを異ならせるに当たって都合がよい。
【００５１】
また、第３方向が、第１又は第２方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度の方向、例えば、第１及び第２方向に対して９０°の方向を向いていると、より複数のＣ型磁区を作り易くなる。
【００５２】
磁気抵抗効果素子の記憶層の厚さは、０．１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲の値に設定されるのがよい。
【００５３】
このように、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層は、残留磁化、及び、磁化反転を行わない場合の磁化パターンが、それぞれ、複数のＣ型磁区を構成できる構造を有する。従って、Ｃ−Ｓスイッチングにより、書き込みディスターブを改善でき、誤書き込みの防止、選択性の向上を実現できる。
【００５４】
また、記憶層が複数の強磁性層の積層構造から構成されることにより、広い書き込みウインドウ、即ち、磁化反転を行う選択された磁気抵抗効果素子の反転磁場の値と、磁化反転を行わない非選択の磁気抵抗効果素子の反転磁場の値との差を大きくすることができる。
【００５５】
即ち、複数の強磁性層を互いに強磁性結合又は反強磁性結合させることにより、単磁区モデルでは、図２４に示すような磁化困難軸方向に長く伸びたアステロイド曲線を得ることができるため、かかる構造とＣ−Ｓスイッチングとを組み合わせることにより、広い書き込みウインドウを実現できる。
【００５６】
２． 実施の形態
以下、本発明の例を実施するに当たって最適と思われる複数の実施の形態について説明する。
【００５７】
本発明の例の対象となる磁気メモリ素子は、磁気抵抗(Magneto Resistive)効果を有する磁気抵抗効果素子、例えば、トンネル磁気抵抗効果を有するＭＴＪ(Magneto Tunnel Junction)素子である。そこで、まず、ＭＴＪ素子の基本構造について説明する。
【００５８】
ＭＴＪ素子の磁気トンネル接合は、図１に示すように、２つの強磁性層１ａ，１ｂと、これらの間に挟み込まれた薄い絶縁層（非磁性層）２とから構成される。強磁性層のうちの一つは、反強磁性層３により磁化パターン（磁化の向き）が固定された基準層（ピン層）１ａであり、他の一つは、データに応じて磁化パターン（磁化の向き）が変わる記憶層（フリー層）１ｂである。基準層１ａと記憶層１ｂの間に配置された絶縁層２は、トンネルバリアと呼ばれる。
【００５９】
通常、強磁性層１ａ，１ｂは、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、これら金属の合金や、ＣｏＦｅＢのようなアモルファス磁性体などから構成される。強磁性層１ａ，１ｂの各層は、スパッタ法やＭＢＥ法などにより形成され、その厚さは、０．１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲の値に設定される。また、絶縁層２は、例えば、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどの酸化物から構成される。絶縁層２の厚さは、１０ｎｍ以下に設定される。絶縁層２の厚さは、できるだけ薄いほうがよく、近年では、絶縁層２は、２ｎｍ以下、より好ましくは、１ｎｍ以下に設定される。
【００６０】
本発明の例は、上記概要の欄で説明したように、磁気抵抗効果素子の構造に関するものであるが、具体的には、磁気抵抗効果素子の記憶層（フリー層）の構造に関する。即ち、本発明の例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、磁化の向きが第１方向（磁化容易軸方向）となる第１部分と、この第１部分に結合され、磁化の向きが第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向となる第２部分とから構成される。
【００６１】
従って、以下の複数の実施の形態では、磁気抵抗効果素子の記憶層のみを取り出して、その記憶層の構造について説明する。
【００６２】
(1) 第１実施の形態
図２は、本発明の第１実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【００６３】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを結合させた概形を有する。ここで、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される（矢印の向きが磁気異方性を表すものとする。以下、全ての実施の形態において同じ。）。
【００６４】
尚、記憶層の磁気異方性については、記憶層としての強磁性層を堆積するときに、堆積時の諸条件を設定することで容易に調整することができる。
【００６５】
また、磁化容易軸方向の磁気異方性が磁化容易軸に平行であるとすると、磁化困難軸方向の磁気異方性は、磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度の方向に設定される。
【００６６】
この場合、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンは、第１部分においては、磁化容易軸方向を向き、第２部分においては、磁化困難軸方向（磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度方向）を向くことになる。
【００６７】
従って、磁化反転を行わない半選択及び非選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、複数のＣ型磁区から構成されることになるため、反転磁場が大きく、誤書き込みを有効に防止できる。
【００６８】
一方、磁化反転を行う選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の合成磁場により、Ｃ型磁区からＳ型磁区に変化するため、反転磁場が小さくなる。このため、小さなスイッチング磁場で磁化反転を行うことができる。
【００６９】
また、書き込み後の残留磁化は、複数のＣ型磁区から構成されるため、微細化されても、安定した磁気構造を確保できる。
【００７０】
図３は、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。また、図４は、単磁区モデルで得られるスイッチング曲線（アステロイド曲線）を示している。
【００７１】
図３と図４を比べると、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線は、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域において、単磁区モデルで得られるスイッチング曲線よりも窪んでいる。この窪みが大きいということは、スイッチング磁場（反転磁場）が小さいことを意味する。
【００７２】
従って、図２の記憶層を有する磁気抵抗効果素子によれば、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【００７３】
尚、この窪みの大きさは、記憶層の厚さにも依存する。
【００７４】
スイッチング曲線の窪み自体は、記憶層の厚さを５０ｎｍ以下に設定することにより形成できる。但し、近年におけるメモリ素子の高集積化や低消費電流化を考慮すると、スイッチング曲線の窪みを考慮した記憶層の厚さは、２ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲内の値、さらには、４ｎｍ以上、１４ｎｍ以下の範囲内の値に設定することが好ましい。
【００７５】
記憶層の平面形状の縦横比については、縦（磁化困難軸方向）：横（磁化容易軸方向）が１：１から１：１０までの範囲内の値となるように設定するのが好ましい。実際には、メモリ素子の高集積化などの観点から、１：２から１：４までの範囲内の値（本例では、概ね、１：２）に設定される。
【００７６】
(2) 第２実施の形態
図５は、本発明の第２実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【００７７】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを背中合わせに結合させた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【００７８】
従って、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域において、記憶層の磁化パターンは、第１部分においては、磁化容易軸方向を向き、第２部分においては、磁化困難軸方向（磁化容易軸方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度方向）を向く。
【００７９】
本例においても、磁化反転を行わない非選択及び半選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、複数のＣ型磁区から構成されるため、反転磁場が大きく、誤書き込みを有効に防止できる。
【００８０】
一方、磁化反転を行う選択状態の磁気抵抗効果素子の記憶層の磁化パターンは、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の合成磁場により、Ｃ型磁区からＳ型磁区に変化するため、反転磁場が小さくなる。このため、小さなスイッチング磁場で磁化反転を行うことができる。
【００８１】
また、書き込み後の残留磁化は、複数のＣ型磁区から構成されるため、微細化されても、安定した磁気構造を確保できる。
【００８２】
図６は、図５の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。
【００８３】
このスイッチング曲線は、図３のスイッチング曲線とほぼ同じとなる。即ち、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域において、図６のスイッチング曲線の窪みは、図４に示す単磁区モデルで得られるスイッチング曲線のそれよりも大きい。
【００８４】
従って、図５の記憶層を有する磁気抵抗効果素子によれば、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【００８５】
尚、スイッチング曲線の窪みの大きさが記憶層の厚さに依存することは、第１実施の形態と同じである。即ち、スイッチング曲線の窪み自体は、記憶層の厚さを５０ｎｍ以下に設定することにより形成できるが、実際の記憶層の厚さは、２ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の範囲内の値、さらには、４ｎｍ以上、１４ｎｍ以下の範囲内の値に設定される。
【００８６】
記憶層の平面形状の縦横比についても、第１実施の形態と同様に、縦（磁化困難軸方向）：横（磁化容易軸方向）が１：１から１：１０までの範囲内の値となるように設定される。実際には、１：２から１：４までの範囲内の値（本例では、概ね、１：２）に設定される。
【００８７】
(3) 第３実施の形態
図７は、本発明の第３実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【００８８】
本例でも、磁気抵抗効果素子の記憶層は、２つの文字Ｃを背中合わせに結合させた概形を有する。具体的には、本例の記憶層は、２つの平行四辺形を交差させた概形を有する。
【００８９】
記憶層が２つの平行四辺形を交差させた概形を有するため、記憶層の先端部の形状は、四角ではなく、斜めに切り落とされたテーパ状となる。
【００９０】
尚、記憶層の先端部（鋭角部）の角度は、２０°以上、９０°未満の範囲内の値に設定される。
【００９１】
ここで、記憶層の先端部の角度とは、記憶層を加工する際に用いるマスクの対応部分における角度を意味する。実際に形成される記憶層に関しては、フォトリソグラフィの精度や、加工精度などに依存して、先端部は、鋭角ではなく、ある曲率をもって丸くなる。
【００９２】
実際に形成された記憶層の形状からこの角度を判断するには、例えば、記憶層の辺となる概ね直線部分をまっすぐ引き伸ばし、直線が交差する部分の交差角度を記憶層の先端部の角度とする。
【００９３】
このような場合においても、磁気抵抗効果素子の記憶層は、矢印で示すように、第１方向（例えば、磁化容易軸方向）に磁気異方性を有する第１部分と、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向（例えば、磁化困難軸方向）に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【００９４】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状は、中心点に対して対称的となるが、例えば、図８及び図９に示すように、中心点に対して非対称となるような形状とし、２つのＣ型磁区を形成し易くしてもよい。
【００９５】
また、図１０に示すように、１つの平行四辺形と１つの四角形とを交差させたような概形としてもよい。図１０の形状を実際にＭＴＪ素子に適用すると、例えば、図１１及び図１２に示すような概形となる。
【００９６】
図７乃至図１２の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【００９７】
尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。
【００９８】
(4) 第４実施の形態
図１３は、本発明の第４実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【００９９】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つの文字Ｃを結合させた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【０１００】
従って、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ３つのＣ型磁区から構成される。
【０１０１】
尚、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つを超える数の文字Ｃを結合させた概形となるように形成してもよい。
【０１０２】
図１４は、図１３の記憶層を有する磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示している。
【０１０３】
図１３の記憶層を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【０１０４】
尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。
【０１０５】
(5) 第５実施の形態
図１５は、本発明の第５実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示している。
【０１０６】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、３つの文字Ｃを結合させた概形を有する。具体的には、記憶層は、特定の１つの文字Ｃと、この特定の１つの文字Ｃに対して、同じ方向を向く文字Ｃと異なる方向を向く文字Ｃとを組み合わせた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【０１０７】
従って、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ３つのＣ型磁区から構成される。
【０１０８】
図１５の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【０１０９】
尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。
【０１１０】
(6) 第６実施の形態
図１６は、本発明の第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を示している。
【０１１１】
本例では、磁気抵抗効果素子の記憶層は、４つの文字Ｃを結合させた概形を有する。具体的には、記憶層は、特定の１つの文字Ｃと、この特定の１つの文字Ｃに対して、同じ方向を向く文字Ｃと異なる方向を向く文字Ｃとを組み合わせた概形を有する。ここでも、記憶層は、矢印で示すように、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。
【０１１２】
従って、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ４つのＣ型磁区から構成される。
【０１１３】
図１６の平面形状を有する磁気抵抗効果素子においても、磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）において、反転磁場を大きくして誤書き込みを防止することができると共に、磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場の双方が存在する領域（選択の場合）において、反転磁場を小さくして、書き込み電流の低下による低消費電流化を図ることができる。
【０１１４】
尚、記憶層の厚さと縦横比については、第１実施の形態と同じなので、ここでは、その説明については省略する。
【０１１５】
(7) 第７実施の形態
本実施の形態は、例えば、上述の第１乃至第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を、２つ以上の異なる強磁性層の積層構造から構成する例に関する。例えば、図１７に示すように、磁気抵抗効果素子の記憶層となる強磁性層は、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成される。
【０１１６】
磁気抵抗効果素子の記憶層を、このような２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成すると、図２４に示すように、磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線が磁化困難軸方向に大きく伸びる。
【０１１７】
このようなスイッチング曲線では、いわゆる半選択状態のメモリ素子の磁化状態を安定化させることができ、誤書き込みを有効に防止できる。また、この場合、スイッチング曲線が磁化困難軸から十分に離れているため、ネール結合や基準層からの漏れ磁場などによるスイッチング曲線のシフトの影響が小さくなり、スイッチング曲線のばらつきに強くなる。
【０１１８】
尚、ここで言う「２種類」とは、「異なる磁気特性」を意味し、異なる磁気特性は、例えば、強磁性層の膜厚、成膜条件、材料、構造（ソフト層、ハード層）などにより実現できる。
【０１１９】
図１８は、第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示している。
【０１２０】
本例は、図２の磁気抵抗効果素子の記憶層を、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成した点に特徴を有する。
【０１２１】
強磁性層１ｂ，１ｃは、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。また、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。
【０１２２】
尚、強磁性層１ｂ，１ｃの磁化状態については、同じ向きになっていてもよいし、また、互いに逆向きになっていてもよい。
【０１２３】
図１９は、第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示している。
【０１２４】
本例は、十字型磁気抵抗効果素子の記憶層を、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃから構成した点に特徴を有する。
【０１２５】
また、本例は、強磁性層１ｂ，１ｃが、２つの文字Ｃを結合した概形を有する点に特徴を有するものであり、その一例として、十字型を示している。尚、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。
【０１２６】
強磁性層１ｂは、矢印で示すように、第１方向に磁気異方性を有するように構成される。強磁性層１ｃは、矢印で示すように、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有するように構成される。
【０１２７】
このように、磁気異方性の向きを異ならせるには、例えば、強磁性層１ｂを成膜する際に印加する磁場の向きと、強磁性層１ｃを成膜する際に印加する磁場の向きと異ならせる、という方法を用いることが可能である。
【０１２８】
図１９では、強磁性層１ｂと強磁性層１ｃとの間の領域では、磁化の向きが徐々に螺旋状に変化した磁区構造をとるものと考えられる。
【０１２９】
この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ２つのＣ型磁区から構成される。
【０１３０】
(8) 第８実施の形態
本実施の形態も、例えば、上述の第１乃至第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を、２つ以上の異なる強磁性層の積層構造から構成する例に関する。しかし、本実施の形態では、上述の第７実施の形態とは異なり、例えば、図２０及び図２１に示すように、磁気抵抗効果素子の記憶層となる強磁性層は、２種類の強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成される。
【０１３１】
強磁性層１ｂ，１ｃの間に非磁性層４を配置することで、これら強磁性層１ｂ，１ｃの間に層間結合と呼ばれる結合が発生する。層間結合は、非磁性層４の厚さに依存して、強磁性層１ｂ，１ｃの間に強磁性結合又は反強磁性結合を生じさせる。
【０１３２】
尚、図２０の例は、非磁性層４が導電体の場合であり、図２１の例は、非磁性層４が絶縁体の場合である。
【０１３３】
磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成すると、図２４に示すように、磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線が磁化困難軸方向に大きく伸びる。
【０１３４】
このようなスイッチング曲線では、いわゆる半選択状態のメモリ素子の磁化状態を安定化させることができ、誤書き込みを有効に防止できる。また、この場合、スイッチング曲線が磁化困難軸から十分に離れているため、ネール結合や基準層からの漏れ磁場などによるスイッチング曲線のシフトの影響が小さくなり、スイッチング曲線のばらつきに強くなる。
【０１３５】
図２２は、第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示している。
【０１３６】
本例は、図２の磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成した点に特徴を有する。
【０１３７】
強磁性層１ｂ，１ｃは、磁化容易軸方向に磁気異方性を有する第１部分と、磁化困難軸方向に磁気異方性を有する第２部分とから構成される。また、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。
【０１３８】
尚、強磁性層１ｂ，１ｃの磁化状態については、同じ向きになっていてもよいし、また、互いに逆向きになっていてもよい。
【０１３９】
図２３は、第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示している。
【０１４０】
本例は、十字型磁気抵抗効果素子の記憶層を、強磁性層１ｂ，１ｃと、これらの間に配置される非磁性層４とから構成した点に特徴を有する。
【０１４１】
また、本例は、強磁性層１ｂ，１ｃが、２つの文字Ｃを結合した概形を有する点に特徴を有するものであり、その一例として、十字型を示している。尚、強磁性層１ｂ，１ｃは、強磁性結合又は反強磁性結合させる。
【０１４２】
強磁性層１ｂは、矢印で示すように、第１方向に磁気異方性を有するように構成される。強磁性層１ｃは、矢印で示すように、第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有するように構成される。
【０１４３】
このように、磁気異方性の向きを異ならせるには、例えば、強磁性層１ｂを成膜する際に印加する磁場の向きと、強磁性層１ｃを成膜する際に印加する磁場の向きと異ならせる、という方法を用いることが可能である。
【０１４４】
図２３では、強磁性層１ｂと強磁性層１ｃとの間の領域では、磁化の向きが徐々に螺旋状に変化した磁区構造をとるものと考えられる。
【０１４５】
この場合、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化及び磁化困難軸方向の磁場が零又は小さい領域（非選択又は半選択の場合）における磁化パターンは、それぞれ２つのＣ型磁区から構成される。
【０１４６】
(9) その他
本発明の例は、磁気抵抗効果素子の記憶層の磁気異方性により規定される。従って、上述の第１乃至第８実施の形態に関わる記憶層の形状は、一例に過ぎず、それ自体に特徴を有する、というものではない。
【０１４７】
但し、本発明の例に関わる磁気異方性を有する記憶層であって、上述の第１乃至第８実施の形態に関わる形状を有する記憶層は、強磁性層の加工時に使用するマスクの形状を工夫することにより容易に実現できる。
【０１４８】
また、図２、図５、図７〜図１３、図１５及び図１６に示される記憶層を、図１８及び図２２に示されるように、積層構造とすることも可能である。
【０１４９】
３． 応用例
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルに応用できる。
【０１５０】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子は、スイッチング磁場を十分に小さくすることができるため、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルにおける記憶層に適用すると最大の効果を発揮することができる。
【０１５１】
以下、磁気ランダムアクセスメモリの例についていくつか説明する。
【０１５２】
図２５は、クロスポイント型メモリセルアレイを示している。
【０１５３】
読み出し／書き込みワード線ＷＬと読み出し／書き込みビット線ＢＬとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。磁気抵抗効果素子Ｃは、読み出し／書き込みワード線ＷＬ及び読み出し／書き込みビット線ＢＬに電気的に接続される。
【０１５４】
磁気抵抗効果素子Ｃと読み出し／書き込みワード線ＷＬとの間には、ダイオードＤが配置される。ダイオードＤは、クロスポイント型メモリセルアレイに特有の読み出し／書き込み時におけるいわゆる回り込み電流を防止する機能を有する。回り込み電流は、例えば、このダイオードＤと、非選択の読み出し／書き込みワード線ＷＬ及び非選択の読み出し／書き込みビット線ＢＬにバイアス電圧を与えることにより回避する。
【０１５５】
読み出し／書き込みワード線ＷＬには、例えば、選択トランジスタＳＴｗを経由してセンスアンプＳＡが接続される。読み出し／書き込みビット線ＢＬには、例えば、選択トランジスタＳＴＢを経由して電源が接続される。
【０１５６】
図２６は、はしご型メモリセルアレイを示している。
【０１５７】
書き込みビット線ＢＬｗと読み出しビット線ＢＬｒとの間には、はしご状に複数の磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。書き込みビット線ＢＬｗと読み出しビット線ＢＬｒは、同一方向に延びている。
【０１５８】
磁気抵抗効果素子Ｃの直下には、書き込みワード線ＷＬが配置される。書き込みワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子Ｃから一定距離だけ離れて配置され、書き込みビット線ＢＬｗに交差する方向に延びる。
【０１５９】
読み出しビット線ＢＬｒには、例えば、選択トランジスタＳＴを経由して抵抗素子Ｒが接続される。センスアンプＳＡは、抵抗素子Ｒの両端に発生する電圧を検出することにより読み出しデータをセンスする。書き込みビット線ＢＬｗの一端には、電源が接続され、他端には、例えば、選択トランジスタＳＴを経由して接地点が接続される。
【０１６０】
図２７及び図２８は、それぞれ１トランジスタ−１ＭＴＪ型メモリセルアレイを示している。
【０１６１】
書き込みワード線ＷＬと読み出し／書き込みビット線ＢＬとは、互いに交差しており、その交差部に磁気抵抗効果素子Ｃが配置される。磁気抵抗効果素子Ｃは、読み出し／書き込みビット線ＢＬに電気的に接続される。磁気抵抗効果素子Ｃの直下には、書き込みワード線ＷＬが配置される。書き込みワード線ＷＬは、磁気抵抗効果素子Ｃから一定距離だけ離れている。
【０１６２】
磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、例えば、選択トランジスタＳＴ２を経由してセンスアンプＳＡに接続される。読み出し／書き込みビット線ＢＬは、選択トランジスタＳＴ１を経由して電源に接続される。
【０１６３】
尚、図２８の構造では、磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、引き出し線としての下部電極Ｌに接続される。このため、磁気抵抗効果素子Ｃの直下に選択トランジスタＳＴ２が配置されても、書き込みワード線ＷＬを磁気抵抗効果素子Ｃの近傍に配置することができる。
【０１６４】
以上、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子が適用される磁気ランダムアクセスメモリの代表例について説明したが、本発明の例は、これら代表例以外の磁気ランダムアクセスメモリにも適用できる。
【０１６５】
尚、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、書き込みワード線に平行であってもよいし、書き込みビット線に平行であってもよい。また、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向は、２本の書き込み線（書き込みワード／ビット線）が延びる方向に対して４５°の方向を向いていてもよい。
【０１６６】
４． その他
本発明の例によれば、磁化反転の対象となる選択状態では、スイッチング曲線の書き込みポイント（窪み部分）におけるスイッチング磁場が小さくなり、かつ、磁化反転の対象とならない半選択状態及び非選択状態では、磁化状態が安定した磁気抵抗効果素子を提供できる。
【０１６７】
この磁気抵抗効果素子を磁気メモリのメモリセルとして用いた場合、磁化反転に必要なスイッチング磁場を生成するための書き込み電流を小さくでき、低消費電流を実現できる。このように、本発明の例によれば、消費電力が少なく、高集積化が可能で、かつ、スイッチング（磁化反転）が高速に行える磁気メモリを提供できる。
【０１６８】
本発明の例は、上述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、構成要素を変形して具体化できる。また、上述の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１６９】
【図１】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。
【図２】第１実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図３】図２の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。
【図４】単磁区モデルで得られるスイッチング曲線を示す図。
【図５】第２実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図６】図５の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。
【図７】第３実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図８】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図９】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図１０】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図１１】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図１２】図７の磁気抵抗効果素子の変形例を示す図。
【図１３】第４実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図１４】図１３の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。
【図１５】第５実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図１６】第６実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層を示す図。
【図１７】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。
【図１８】第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示す図。
【図１９】第７実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示す図。
【図２０】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。
【図２１】本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の断面構造を示す図。
【図２２】第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例１を示す図。
【図２３】第８実施の形態に関わる磁気抵抗効果素子の記憶層の構造例２を示す図。
【図２４】第７及び第８実施の形態の磁気抵抗効果素子のスイッチング曲線を示す図。
【図２５】磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。
【図２６】磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。
【図２７】磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。
【図２８】磁気ランダムアクセスメモリの例を示す図。
【符号の説明】
【０１７０】
１ａ： 強磁性層（基準層）、 １ｂ： 強磁性層（記憶層）、 ２： トンネルバリア、 ３： 反強磁性層、 ４： 非磁性層、 Ｃ： 磁気抵抗効果素子、 Ｄ： ダイオード、 Ｒ： 抵抗素子、 ＳＡ： センスアンプ、 ＳＴｗ，ＳＴＢ，ＳＴ，ＳＴ１，ＳＴ２： 選択トランジスタ、 ＢＬ： 読み出し／書き込みビット線、 ＷＬ： 書き込みワード線、 ＢＬｗ： 書き込みビット線、 ＢＬｒ： 読み出しビット線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第３強磁性層と、前記第３強磁性層上に積層され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第４強磁性層とを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第４強磁性層は、前記第３強磁性層上に直接積層されることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第４強磁性層は、前記第３強磁性層上に非磁性層を介して積層されることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第３及び第４強磁性層は、同じ形状を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第３及び第４強磁性層は、２つ以上の文字Ｃを結合した概形を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第３及び第４強磁性層は、十字の概形を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第３及び第４強磁性層により複数のＣ型磁区が構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第３及び第４強磁性層は、互いに強磁性結合又は反強磁性結合していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第１部分と、前記第１部分に物理的に結合され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第２部分とを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１及び第２部分により２つ以上の文字Ｃを結合した概形が得られることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記２つ以上の文字Ｃは、同じ方向を向いていることを特徴とする請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記２つ以上の文字Ｃは、異なる方向を向いていることを特徴とする請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第１及び第２部分により十字の概形が得られることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１及び第２部分により２つの平行四辺形を交差させた概形が得られることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１及び第２部分により平行四辺形と四角形とを交差させた概形が得られることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記第１及び第２部分により複数のＣ型磁区が構成されることを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、２つの磁性層を備え、かつ、これらの２つの磁性層は、互いに強磁性結合又は反強磁性結合していることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、２つの磁性層と、これら２つの磁性層の間の非磁性層とを備え、かつ、これらの２つの磁性層は、互いに強磁性結合又は反強磁性結合していることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
前記第３方向は、前記第１又は第２方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度の方向を向いていることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
前記第１及び第２強磁性層の厚さは、０．１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲の値に設定されることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１】
第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第３強磁性層と、前記第３強磁性層上に積層され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第４強磁性層とを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第４強磁性層は、前記第３強磁性層上に直接積層されることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第４強磁性層は、前記第３強磁性層上に非磁性層を介して積層されることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第３及び第４強磁性層は、同じ形状を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第３及び第４強磁性層は、２つ以上の文字Ｃを結合した概形を有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第３及び第４強磁性層は、十字の概形を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第３及び第４強磁性層により複数のＣ型磁区が構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第３及び第４強磁性層は、互いに強磁性結合又は反強磁性結合していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
第１及び第２強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とからなる積層構造を有する磁気抵抗効果素子において、前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、第１方向に磁気異方性を有する第１部分と、前記第１部分に物理的に結合され、前記第１方向及びこれと逆向きの第２方向とは異なる第３方向に磁気異方性を有する第２部分とを備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１及び第２部分により２つ以上の文字Ｃを結合した概形が得られることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記２つ以上の文字Ｃは、同じ方向を向いていることを特徴とする請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記２つ以上の文字Ｃは、異なる方向を向いていることを特徴とする請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第１及び第２部分により十字の概形が得られることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１及び第２部分により２つの平行四辺形を交差させた概形が得られることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１及び第２部分により平行四辺形と四角形とを交差させた概形が得られることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記第１及び第２部分により複数のＣ型磁区が構成されることを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、２つの磁性層を備え、かつ、これらの２つの磁性層は、互いに強磁性結合又は反強磁性結合していることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
前記第１及び第２強磁性層のうちの少なくとも１つは、２つの磁性層と、これら２つの磁性層の間の非磁性層とを備え、かつ、これらの２つの磁性層は、互いに強磁性結合又は反強磁性結合していることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
前記第３方向は、前記第１又は第２方向に対して、３０°以上、９０°以下の範囲内の角度の方向を向いていることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
前記第１及び第２強磁性層の厚さは、０．１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の範囲の値に設定されることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして用いたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２００６−１２８３９４（Ｐ２００６−１２８３９４Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１４３５９（Ｐ２００４−３１４３５９）
【出願日】平成１６年１０月２８日（２００４．１０．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２８日（２００４．１０．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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