磁気抵抗効果素子
【課題】スイッチング磁場の低減と誤書き込みの防止を図る。
【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、第１及び第２強磁性層の間に配置される非磁性層とを有する記憶層を備え、第１及び第２強磁性層の交換結合の強度は、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開く形となるように設定される。
【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、第１及び第２強磁性層の間に配置される非磁性層とを有する記憶層を備え、第１及び第２強磁性層の交換結合の強度は、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開く形となるように設定される。
【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形状及び構造に関し、特に、磁気ランダムアクセスメモリに適用される。
【背景技術】
【０００２】
固体磁気メモリは、従来より様々のタイプのものが提案されている。近年、巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子(magneto resistive element)を用いた磁気ランダムアクセスメモリの提案が行われ、磁気抵抗効果素子としては、強磁性トンネル接合を利用したものが主流になっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は、例えば、強磁性層／絶縁層（トンネルバリア層）／強磁性層の積層構造から構成される。ここで、絶縁層に電圧をかけると、その絶縁層にトンネル電流が流れる。この場合、強磁性トンネル接合の接合抵抗値（絶縁層のトンネルコンダクタンス）は、２つの強磁性層の磁化の相対的角度の余弦に比例して変化する。
【０００４】
つまり、２つの強磁性層の磁化が同じ向き（平行状態）のとき、接合抵抗値は最小になり、反対向き（反平行状態）のとき、接合抵抗値は最大になる。
【０００５】
このような現象は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ: tunneling magneto resistive）効果と呼ばれている。例えば、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２００％以上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、磁化状態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状態が変化する記憶層（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。また、データの読み出しは、例えば、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う。
【０００８】
このような磁気抵抗効果素子をメモリセルとしてアレイ状に配置することによりメモリセルアレイが構成される。メモリセルアレイの構造には様々のタイプのものが提案されている。例えば、高速ランダムアクセスが可能となるように、１つの磁気抵抗効果素子に１つのスイッチングトランジスタを接続させる１トランジスタ−１ＭＴＪタイプなどが知られている。
【０００９】
また、ワードラインとビットラインとが交差する領域においてダイオードと強磁性トンネル接合とを直列接続する構造も提案されている。
【００１０】
しかし、磁気ランダムアクセスメモリを実用化するに当たって解決しなければならない課題は多い。
【００１１】
例えば、データ書き込みに関しては、メモリセルアレイを構成する磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場のばらつきに起因するディスターブ問題を解決しなければならない。また、アストロイド曲線を窪ませ、磁気抵抗効果素子に書き込み選択性を持たせる工夫も必要である（例えば、特許文献１，２及び非特許文献１を参照）。
【００１２】
また、磁気抵抗効果素子の微細化と書き込み電流の低減との両立を図らなければならない。現状では、磁気抵抗効果素子のサイズを小さくすると、その保磁力が大きくなり、磁化反転に必要なスイッチング磁場も大きくなる。この場合、磁場を発生させる書き込み電流の低減が難しく、消費電力が増加する。
【００１３】
また、データを長時間安定に記憶するには、熱安定性を向上させなければならない。熱安定性は、熱揺らぎ定数と呼ばれるパラメータにより判断し、その値が大きいほど良い。しかし、熱揺らぎ定数は、強磁性層の体積と保磁力に比例するため、磁気抵抗効果素子の微細化が進むと、熱安定性が悪化する。
【特許文献１】特開平１１−２７３３３７号公報
【特許文献２】米国特許第６，００５，８００号
【非特許文献１】Y.K.Ha et al.,2004 Symp. VSLI Technol. Dig. Tech. Papers, P.24
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の例では、磁気ランダムアクセスメモリにおけるスイッチング磁場の低減、誤書き込みの防止及び熱安定性の向上を実現するための磁気抵抗効果素子の形状及び構造を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、第１及び第２強磁性層の間に配置される非磁性層とを有する記憶層を備え、第１及び第２強磁性層の交換結合の強度は、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開く形となるように設定される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の例によれば、磁気ランダムアクセスメモリにおけるスイッチング磁場の低減、誤書き込みの防止及び熱安定性の向上を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１８】
１． 概要
本発明の例は、ＳＡＦ(synthetic antiferromagnetic free layer)構造の記憶層を有する磁気抵抗効果素子に関し、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の交換結合の強度を調整することにより、書き込みマージンが大きく、誤書き込みが発生し難いアストロイド特性を実現するものである。
【００１９】
ＳＡＦ構造の基本構造は、非磁性層と、これを間に挟み込んで互いに反強磁性結合する２つの強磁性層とからなる。
【００２０】
ここで、このような磁気抵抗効果素子のアストロイド特性は、例えば、図１に示すように、磁化容易軸（Hx軸）上及び磁化困難軸（Hy軸）上でアストロイド曲線が閉じる形となっている。つまり、磁化容易軸方向又は磁化困難軸方向の磁場のみが印加されている半選択セルに対して、その磁場の大きさがスイッチング磁場（保磁力）Ｈｃ，Ｈｋを超えると誤書き込みが発生する。
【００２１】
データ書き込みは、アストロイド特性の２つの象限を利用する場合、例えば、第１及び第２象限を利用して実行される。
【００２２】
データ書き込みに使用する象限の窪みを大きくすれば、スイッチング（磁化反転）が可能な領域としての書き込みマージンを大きくできるため、書き込みポイントＷＰを原点に近付け、スイッチングに必要な磁化容易軸方向の磁場Ｈ１及び磁化困難軸方向の磁場Ｈ２の値をそれぞれ小さくできる。
【００２３】
しかし、メモリセルアレイを構成する複数の磁気抵抗効果素子の間には、ウェハプロセス上の理由から、図２に示すように、アストロイド曲線の形にばらつきが発生する。この場合、非選択セルや半選択セルの誤書き込み防止のために、書き込みマージンが小さくなる。
【００２４】
これに対し、本発明の例によれば、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の交換結合の強度を調整することにより、例えば、図３に示すように、磁化困難軸（Hy軸）上でアストロイド曲線が閉じず、磁化困難軸方向にアストロイド曲線が開いた形のアストロイド特性を実現できる。
【００２５】
具体的には、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の交換結合を弱くする。２つの強磁性層の交換結合の強度は、例えば、図４に示すように、２つの強磁性層の間に配置される非磁性層の厚さに依存する。そこで、本発明の例では、ＳＡＦ構造を構成する非磁性層（例えば、Ｒｕ）の厚さを１ｎｍ以上とし、磁化困難軸上でアストロイド曲線が閉じないアストロイド特性を実現する。
【００２６】
この場合、磁化困難軸方向の磁場のみが印加されるときは、その磁場の値にかかわらず、スイッチング（磁化反転）が生じることはないため、誤書き込み耐性を向上でき、かつ、大きな書き込みマージンを確保できる。
【００２７】
また、磁化容易軸方向の磁場のみが印加されるときについては、例えば、磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を、Ｃ形、台形などの磁化容易軸方向の中心線に対して非対称な平面形状の記憶層を持つ磁気抵抗効果素子を使用すると、アストロイド特性のHx軸上のスイッチング磁場（保磁力）Ｈｃの値を大きくできる。これらの形状では、磁化容易軸方向にのみ磁場が印加された場合(半選択セル)に、Ｃ型磁区を構成する。Ｃ型磁区は反転しにいため、スイッチング磁場（保磁力）が大きくなる。
【００２８】
その他、２回回転対称性(two times-rotation symmetry)を有し、かつ、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない形状とすることでも、スイッチング磁場（保磁力）Ｈｃの値を大きくできる。
【００２９】
ここで、２回回転対称であるとは、磁気抵抗効果素子の中心点Ｏを中心に右回り又は左回りに360°/2だけ回転したときに、初めの形状と合同になることである。つまり、２回回転対称性とは、磁気抵抗効果素子の中心点Ｏに対する点対称性(point symmetry)のことである。
【００３０】
このような形状としては、平行四辺形、Ｓ十字形などがある。Ｓ十字形の基本形は、平行四辺形にその長辺から磁化困難軸方向に突出する突出部を付加した形状である。Ｓ十字形の特徴は、残留磁化がＳ型磁区を構成し、磁化容易軸方向にのみ磁場が印加された場合(半選択セル)に、２つのＣ型磁区を構成する点にある。Ｃ型磁区は反転しにいため、スイッチング磁場（保磁力）が大きくなる。
【００３１】
磁気ランダムアクセスメモリの熱安定性を確保する上で最も重要なことは、ワードラインに流れる書き込み電流によって磁気抵抗効果素子の記憶層に印加される磁場HWL及びビットラインに流れる書き込み電流によって磁気抵抗効果素子の記憶層に印加される磁場HBLのうちのいずれか一方のみが印加される半選択セルの熱擾乱耐性を向上させる点にある。
【００３２】
磁化困難軸方向の熱擾乱耐性は、(1-HWL/Hk)2 に比例し、磁化容易軸方向の熱擾乱耐性は、(1-HBL/Hc)2 に比例する。
【００３３】
但し、Hkは、磁化困難軸方向の磁場Hyの絶対値を大きくし、磁化容易軸方向の磁場Hxの絶対値を小さくしていったときにアストロイド曲線が閉じる点であり、Hcは、磁化容易軸方向の磁場Hxの絶対値を大きくし、磁化困難軸方向の磁場Hyの絶対値を小さくしていったときにアストロイド曲線が閉じる点である。
【００３４】
従って、熱擾乱耐性を向上させるには、WPWL(ワードライン方向の書き込みポイント) = HWL/Hk と、WPBL(ビットライン方向の書き込みポイント) = HBL/Hc とをそれぞれ小さな値とすることが重要である。そのために、アストロイド曲線がより窪んだ形になるよう、記憶層の形状などを工夫する。
【００３５】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子では、Hkは、無限大であり、また、HBL/Hcは、記憶層の形状をＣ形、平行四辺形、Ｓ十字形などの形状とすることにより小さくできるため、熱擾乱耐性を向上できる。
【００３６】
次に、図３のアストロイド特性とデータ書き込み時の記憶層の磁化パターンとの関係を説明する。
【００３７】
磁気抵抗効果素子はＣ形とする。また、ＳＡＦ構造を構成する非磁性層は、例えば、厚さ約２ｎｍのＲｕから構成し、２つの強磁性層の交換結合の強度が弱くなるように設定する。
【００３８】
同図（ａ）〜（ｅ）に示すように、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の磁化方向はそれぞれ矢印で表す。また、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化は、Ｃ型磁区を構成しているものとする。
【００３９】
まず、同図（ｂ）に示すように、主に磁化容易軸方向の磁場Hxが印加される状態では、記憶層の磁化パターンは、１つのＣ型磁区を構成する。その結果、主に磁化容易軸方向の磁場Hxが印加される半選択セルについては、スイッチング磁場（反転磁場）Hswの値が大きくなる。
【００４０】
次に、同図（ｃ）に示すように、磁化容易軸方向の磁場Hxと磁化困難軸方向の磁場Hyが印加される状態では、記憶層の磁化パターンは、Ｓ型磁区を構成する。その結果、データ書き込みの対象となる選択セルについては、スイッチング磁場（反転磁場）Hswの値が小さくなり、アストロイド曲線が大きく窪む。
【００４１】
次に、同図（ｄ）に示すように、磁化困難軸方向の磁場Hyが大きくなると、記憶層の磁化は、磁化困難軸方向に近い方向を向くようになる。この時点では、２つの強磁性層の磁化の向きは、互いに反平行状態を維持する。
【００４２】
ここで、反平行状態とは、２つの強磁性層の磁化の向きが互いに逆向きである状態のことをいう。
【００４３】
次に、同図（ｅ）に示すように、さらに、磁化困難軸方向の磁場Hyを大きくしていくと、異方性磁界が小さい強磁性層の磁化は、異方性磁界が大きい強磁性層に比べて磁化容易軸方向に近い方向を向くようになる。このため、２つの強磁性層の磁化の向きは、反平行状態を維持できなくなり、アストロイド曲線は、磁化困難軸方向において開いた形となる。
【００４４】
尚、異方性磁界の大きさは、強磁性層の材料や厚さなどにより決定される。
【００４５】
このように、本発明の例によれば、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開いた形となるため、磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択セルの誤書き込みの防止と共に、スイッチング磁場の低減及び熱安定性の向上を実現できる。
【００４６】
図４は、ＳＡＦの交換結合の強度と非磁性層の厚さとの関係を示している。
【００４７】
交換結合には、反強磁性結合と強磁性結合がある。前者は、２つの強磁性層の磁化が反平行状態で互いに結合し、後者は、２つの強磁性層の磁化が平行状態で互いに結合する。
【００４８】
非磁性層の厚さにより交換結合の種類と強度が変わるため、例えば、非磁性層の厚さを0.7ｎｍ以上、好ましくは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下の範囲内の値であって、２つの強磁性層が反強磁性結合する値に設定する。
【００４９】
このようにすることで、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開くアストロイド特性を実現できる。
【００５０】
尚、非磁性層の厚さが0.7ｎｍ未満の場合には、２つの強磁性層の交換結合が強くなるため、アストロイド曲線は、磁化困難軸上で閉じた形となる。
【００５１】
図５は、ＳＡＦ構造を有する磁気抵抗効果素子の磁気相図を示している。図５は、hj=2.1, t2=0.5・t1, Ms2=Ms1 の場合である。但し、hjは、カップリングの強さを表すパラメータ、Jは、ＳＡＦ構造のカップリングエネルギー、Ms1, Ms2は、それぞれNiFeの磁化、Hk1, Hk2は、それぞれNiFeの異方性磁界であり、Hk1>Hk2とする。hjとJの関係は、厚い方の強磁性層のパラメータを用いて以下の式で表される。
【００５２】
J=hj・Hk1・Ms1・t1
hj=2.1のSAF構造は、MTJのピンド層(pinned layer)に用いられるSAF構造に比べると非常に交換結合が弱い。トグル書込みのフリー層に用いられるSAF構造に比べても少し弱い。
【００５３】
磁気相図において、外周は、飽和磁場(saturation field)に取り囲まれる。
【００５４】
尚、磁気抵抗効果素子の記憶層は、例えば図６に示す構造を持つ。典型例を示すと、厚さｔ１のNiFe、厚さｔ２のNiFe、及び、これらの間に配置されるRu (厚さ 2nm)から構成される。
【００５５】
磁化容易軸（Hx軸）近辺では、磁気抵抗効果素子の記憶層が少なくとも１つのＣ型磁区を構成することからスイッチング磁場の値が大きい。即ち、磁化容易軸方向の磁場のみでは、磁気抵抗効果素子の磁化は反転しないため、半選択セルのデータが失われることはない。
【００５６】
磁化困難軸（Hy軸）方向の磁場については、飽和磁場まで達しなければ、いかに大きな磁場を印加したとしても磁気抵抗効果素子の磁化が反転することはない。即ち、磁化困難軸方向の磁場のみでも、磁気抵抗効果素子の磁化は反転しないため、半選択セルのデータが失われることはない。
【００５７】
図３のように、困難軸方向に開いたアステロイド曲線が得られる条件は、SAF構造を構成するパラメータt1, t2, Hk1, Hk2, Ms1, Ms2, Jで与えられる。
【００５８】
例えば、 Ms1=Ms2=Msの場合は、t1/t2とHs=J(t1+t2)/(Ms・t1・t2)をパラメータにして図７の斜線部分で与えられる。即ち、t2/t1及びHsを図７の斜線分に相当する値で設計することにより、困難軸方向に開いたアステロイド曲線を得ることができる。
【００５９】
尚、t2/t1は、0.1以上、0.9以下が望ましい。Hsは、20 Oe以上、800 Oe以下が望ましい。hjは、0.6以上、80以下が望ましい。この範囲内では、全般に、t2/t1が大きくなると、Hsやhjの最適値は大きくなる。
【００６０】
図８に、p=t2/t1の関数として、hjの最適な範囲を図示した。斜線部が最適な範囲である。
【００６１】
一般式で表すと、凡そ以下の式になる。
hj≧12p4 式(1)
かつ hj≦580p4 式(2)
磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場を印加するときは、“０”−書き込み及び“１”−書き込み共に、小さな磁場でスイッチング磁場(switching field)を超えるため、容易にデータ書き込み、即ち、磁化反転を行うことができる。
【００６２】
本発明の例によるＳＡＦ構造を用いたデータ書き込みをトグル(toggle)書き込みと比較すると、本発明の例では、トグル書き込みに必要な磁場の半分以下の磁場で書き込みを行うことができる。
【００６３】
従って、本発明の例によるＳＡＦ構造は、トグル書き込み方式よりも書き込み電流の低減と低消費電力化の面で優れている。
【００６４】
次に、ワードラインに流れる書き込み電流により発生する磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択セルに関し、スイッチング（磁化反転）のために越えなければならないエネルギーバリアについて記す。
【００６５】
図９は、磁気抵抗効果素子の記憶層のエネルギーマップの例を示している。記憶層の構造は図６であり、hj=2.0, p=t2/t1=0.5の場合を計算したものである。
【００６６】
横軸は、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層(NiFe)のうちの一方の磁化方向が磁化容易軸となす角度を表し、縦軸は、２つの強磁性層(NiFe)のうちの他方の磁化方向が磁化容易軸となす角度を表している。
【００６７】
磁化反転時に越えなければならないエネルギーバリアは、図９（ａ），（ｂ）の矢印の両端のエネルギー差に相当する。一般に、(a)のゼロ磁場の場合に比べて、(b)の磁場中においてはエネルギーバリアが低下する。
【００６８】
ワードラインに流れる書き込み電流により発生する磁場HWL(=Hy)のみが印加される半選択状態（同図（ｂ））では、その磁場HWLの値としては、例えば、1.5 Hkに設定される。ここで、Hkは、ＳＡＦ構造の記憶層を構成する２つの強磁性層の異方性磁界のうち大きなほうの値である。
【００６９】
このような半選択状態では、スイッチング（磁化反転）に必要なエネルギーバリアは、hj = 2.0のときには、磁場が零のときのエネルギーバリア（同図（ａ））に比べて約0.60倍に低下する。この低下の度合いは、記憶層が１つの強磁性層のみからなる場合に比べて弱い。この低下の度合いは、記憶層が１つの強磁性層のみからなる場合の、書き込みポイントWPWL=0.23に相当する。
【００７０】
また、hj = 1.5のときには、スイッチングに必要なエネルギーバリアは、磁場が零のときのエネルギーバリアに比べて約0.72倍に低下する。この低下の度合いは、記憶層が１つの強磁性層のみからなる場合の、WPWL=0.15倍に相当する。
【００７１】
記憶層が１つの強磁性層のみからなる場合に、WPWLが0.15〜0.23に小さくなるようアストロイド曲線を窪ませることは困難である。本発明では、ＳＡＦ構造でかつ2枚の強磁性層の膜厚比に応じて交換結合の強度を最適値に調整することで、半選択状態でのエネルギーバリアの低下を従来よりも抑制した。
【００７２】
さらに、図１０では、p=t2/t1をパラメータにしてエネルギーバリアΔEの外部磁場依存性を計算した例を示す。
【００７３】
ここでは、hj=2.0の場合を計算した。横軸は、外部磁場HapplをHkでノーマライズ(normalize)した値、縦軸は、ΔEを外部磁場ゼロの値(ΔE０)でノーマライズした値である。
【００７４】
この図を見ると、p=0の単層フリー層の場合に比べて、SAFフリー層では外部磁場印加時のエネルギーバリアがあまり低下しないことが分かる。pが0.3以下では、エネルギーバリアの低下が顕著なので、pは0.3を越えることが望ましい。さらには、pが0.5以上の場合が、ΔE/ΔE０の極小値が0.5以上になるので望ましい。但し、pの最適値範囲は、hjに依存して変化する。
【００７５】
図１１では、hjをパラメータにしてエネルギーバリアΔEの外部磁場依存性を計算した例を示す。
【００７６】
ここでは、p=t2/t1=0.5の場合を計算した。横軸は、外部磁場HapplをHkでノーマライズした値、縦軸は、ΔEを外部磁場ゼロの値でノーマライズした値である。
【００７７】
尚、p=t2/t1=0.5の場合、hjが10を越えると、エネルギーバリアの低下が顕著になるため、hjは、10以下が望ましい。さらには、hjを2以下にすると、ΔE/ΔE０の極小値が0.5以上になるため、望ましい。但し、hjの最適値範囲は、pに依存して変化する。
【００７８】
図１２では、pの関数としてhjの最適範囲を描いた。斜線部が最適範囲である。また、図１３では、t1=4nmの場合について、t2の関数としてhjの最適範囲を描いた。斜線部が最適範囲である。
【００７９】
一般式で表すと、凡そ以下の式になる。
hj≦40p4 式(3)
このように、本発明の例によれば、半選択セルのエネルギーバリアを高くできるため、熱安定性に優れた磁気抵抗効果素子を提供できる。
【００８０】
前述した、困難軸方向に開いたアステロイド曲線が得られる条件である式(1)及び式(2)と、半選択時のエネルギーバリア低下分が50%以下となる条件である式(3)とを合わせると、本発明に最適な範囲は、凡そ以下の式で表される。
【００８１】
12p4≦hj≦40p4 式(4)
フリー層材料特性の安定性や再現性を考えると、pに適当な範囲がある。pが小さい場合は、薄い方の強磁性層が薄くなりすぎて連続膜になり難くなる問題や、上下の層との拡散で特性が不安定になる問題がある。
【００８２】
従って、pは、0.05以上が望ましい。さらには、pは、0.1以上が好ましい。SAF構造の材料異方性に起因するトータルのHkは、一般に、膜厚和／膜厚差に比例する。膜厚差が小さい場合は、膜厚誤差によってHkが大きく変化する。
【００８３】
このため、反転磁界バラツキを抑制する観点からは、pは、あまり1に近くない方が良い。即ち、pは、0.95以下が望ましい。さらには、pは、0.9以下が好ましい。これらのpの条件と式(3)及び式(4)から、hjは、33以下が望ましい。さらには、hjは、27以下が好ましい。
【００８４】
２． 磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状
本発明の例による効果を最大限に発揮するには、記憶層の平面形状が、磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称な形状であるとよい。
【００８５】
例えば、図１４の磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、平面形状がＣ形である。Ｃ形は、磁化容易軸方向の中心線に対して非対称な形状である。
【００８６】
また、記憶層の平面形状が、２回回転対称性を有し、かつ、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない形状を採用しても、本発明の例による効果を最大限に発揮できる。
【００８７】
例えば、図１５及び図１６の磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、共に、平面形状がＳ十字形である。Ｓ十字形は、２回回転対称性を有し、かつ、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない形状である。
【００８８】
Ｓ十字形の場合、アストロイド曲線の形状が磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でなくなる。例えば、アストロイド曲線の第１及び第３象限の窪みが第２及び第４象限の窪みよりも大きくなる。このような場合には、第１及び第３象限をデータ書き込みに使用する。
【００８９】
例えば、“１”−書き込み時にはアストロイド曲線の第１象限を用い、“０”−書き込み時にはアストロイド曲線の第３象限を用いる。この場合、“１”−書き込み時にワードライン及びビットラインに流れる書き込み電流の向きと、“０”−書き込み時にワードライン及びビットラインに流れる書き込み電流の向きとは、逆になる。
【００９０】
尚、磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状によっては、第２象限と第４象限が第１象限と第３象限に比べて大きく窪む場合がある。このような場合には、第２象限と第４象限とを用いてデータ書き込みを実行する。
【００９１】
図１７は、従来形、Ｓ十字形及びＣ形を比較して示している。
従来形としては、ここでは、十字形（従来形１）及び楕円形（従来形２）の２つを掲げている。
【００９２】
十字形及び楕円形は、２回回転対称性を有するが、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称である。
【００９３】
Ｃ形は、磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称である。
【００９４】
Ｓ十字形は、２回回転対称性を有すると共に、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない。
【００９５】
３． 実施の形態
次に、最良と思われる実施の形態について説明する。
【００９６】
(1) メモリセルアレイ構造
図１８は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイを示している。
メモリセルは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪから構成される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、アレイ状に配置される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪの形状は、例えば、磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称であり、磁化困難軸方向に延びる中心線に対して対称であるＣ形である。
【００９７】
磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下部には、ｘ方向に延びるワードラインＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１が配置される。ワードラインＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１の一端には、ワードラインドライバ／シンカー１が接続され、他端には、ワードラインドライバ／シンカー２が接続される。
【００９８】
アストロイド曲線の第１象限と第３象限を使用してデータ書き込みを行う場合には、ワードラインＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１には、書き込みデータの値に応じて異なる向きの書き込み電流ＩＷＬが流れる。
【００９９】
例えば、“１”−書き込み時には、ワードラインドライバ／シンカー２からワードラインドライバ／シンカー１に左向きの書き込み電流が流れ、“０”−書き込み時には、ワードラインドライバ／シンカー１からワードラインドライバ／シンカー２に右向きの書き込み電流が流れる。
【０１００】
尚、アストロイド曲線の第１象限と第２象限を使用してデータ書き込みを行う場合には、ワードラインＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１には常に一方向（右向き）の書き込み電流ＩＷＬを流せばよい。この場合には、ワードラインドライバ／シンカー１の代わりにワードラインドライバ１を置き、ワードラインドライバ／シンカー２の代わりにワードラインシンカー２を置けば良いので、回路構成が簡略化され、チップ面積が減少する利点がある。
【０１０１】
磁気抵抗効果素子ＭＴＪの上部には、ｙ方向に延びるビットラインＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１が配置される。ビットラインＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の一端には、ビットラインドライバ／シンカー３が接続され、他端には、ビットラインドライバ／シンカー４が接続される。
【０１０２】
ビットラインＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１には、書き込みデータの値に応じて異なる向きの書き込み電流ＩＢＬが流れる。
【０１０３】
例えば、“１”−書き込み時には、ビットラインドライバ／シンカー４からビットラインドライバ／シンカー３に下向きの書き込み電流が流れ、“０”−書き込み時には、ビットラインドライバ／シンカー３からビットラインドライバ／シンカー４に上向きの書き込み電流が流れる。
【０１０４】
読み出し回路については、図１８では省略しているが、データ読み出しは、メモリセルアレイのタイプに適した読み出し回路を用いて実行する。
【０１０５】
例えば、図１９に示すように、クロスポイントタイプでは、ワードラインＷＬｉには、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、ビットラインＢＬｊには、選択トランジスタＳＴＢを経由して電源が接続される。
【０１０６】
磁気抵抗効果素子ＣとワードラインＷＬｉとの間には、ダイオードＤが配置される。ダイオードＤは、クロスポイントタイプに特有の読み出し／書き込み時における回り込み電流(sneak current)を防止する機能を有する。
【０１０７】
回り込み電流は、非選択のワードラインＷＬｉと非選択のビットラインＢＬｊにバイアス電位を与えることにより回避する。
【０１０８】
また、図２０に示すように、はしごタイプでは、読み出しビット線ＲＢＬｊには、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。ビットラインＢＬｊ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。
【０１０９】
さらに、図２１及び図２２に示すように、１トランジスタ−１ＭＴＪタイプでは、磁気抵抗効果素子Ｃの一端には、選択トランジスタＳＴ２を経由してセンスアンプＳＡが接続される。ビットラインＢＬｊには、選択トランジスタＳＴ１を経由して電源が接続される。
【０１１０】
尚、図２２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、ワードラインＷＬｉを磁気抵抗効果素子Ｃの近傍に配置できる。
【０１１１】
(2) 磁気抵抗効果素子の構造例
次に、磁気抵抗効果素子の構造例について説明する。
【０１１２】
A. 構造例１
構造例１は、平面形状がＣ形である磁気抵抗効果素子に関し、図１４の平面形状に相当する。Ｃ形の角部は全て丸くなっている。
【０１１３】
磁気抵抗効果素子は、磁化容易軸方向に長く、磁化困難軸方向に短い。磁気抵抗効果素子の幅（磁化困難軸方向の幅）の最大値は、例えば、約０．３μｍに設定され、磁気抵抗効果素子の長さ（磁化容易軸方向の長さ）の最大値は、例えば、約０．６μｍに設定される。
【０１１４】
また、他の例として、磁気抵抗効果素子の幅の最大値は、例えば、約０．２μｍに設定され、磁気抵抗効果素子の長さの最大値は、例えば、約０．３μｍに設定される。
【０１１５】
磁気抵抗効果素子の幅については、これらの例に限定されることはないが、磁気抵抗効果素子の高集積化を考慮すると、１μｍ以下が好ましい。
【０１１６】
また、磁気抵抗効果素子の長さについては、磁気抵抗効果素子の幅の１倍から１０倍までの範囲内の値、さらに好ましくは、１．１倍から２．５倍までの範囲内の値に設定する。
【０１１７】
B. 構造例２
構造例２は、平面形状がＳ十字形である磁気抵抗効果素子に関し、図１５又は図１６の平面形状に相当する。
【０１１８】
Ｓ十字形は、延在部と突出部とからなり、例えば、図１５の形状の場合、延在部は、磁化容易軸方向に長い平行四辺形を有し、突出部は、平行四辺形の長辺から磁化困難軸方向に突出する。
【０１１９】
また、図１６の形状の場合、延在部は、磁化容易軸方向に長い長方形を有し、突出部は、長方形の長辺から磁化困難軸方向に突出する。また、長方形の２つの対角線の少なくとも１つ上に存在する角が切り落とされる。
【０１２０】
Ｓ十字形の角部は全て丸くなっている。
【０１２１】
磁気抵抗効果素子は、磁化容易軸方向に長く、磁化困難軸方向に短い。磁気抵抗効果素子の幅（磁化困難軸方向の幅）は、例えば、中央部で約０．５μｍに設定され、磁化容易軸方向の端部で約０．３５μｍに設定される。磁気抵抗効果素子の長さは、例えば、約０．８μｍに設定される。
【０１２２】
また、他の例として、磁気抵抗効果素子の幅は、例えば、中央部で約０．２μｍに設定され、磁化容易軸方向の端部で約０．１３μｍに設定される。磁気抵抗効果素子の長さは、例えば、約０．４μｍに設定される。
【０１２３】
磁気抵抗効果素子の幅については、これらの例に限定されることはないが、磁気抵抗効果素子の高集積化を考慮すると、１μｍ以下が好ましい。
【０１２４】
また、磁気抵抗効果素子の長さについては、磁気抵抗効果素子の幅の１倍から１０倍までの範囲内の値、さらに好ましくは、１．１倍から２．５倍までの範囲内の値に設定する。
【０１２５】
磁気抵抗効果素子の突出部の長さ（磁化困難軸方向の長さ）は、磁気抵抗効果素子の延在部の幅の最大値の１／７以上、１／４以下の範囲内の値に設定する。
【０１２６】
C. 構造例３
構造例３は、磁気抵抗効果素子の層構造に関する。
【０１２７】
図２３は、磁気抵抗効果素子の層構造の例を示している。
磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、ワードラインＷＬｉとビットラインＢＬｊの交差部に配置される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、例えば、反強磁性層／強磁性層（ピンド層）／絶縁層（トンネルバリア層）／強磁性層（フリー層）の積層構造から構成され、かつ、上部電極と下部電極によって挟み込まれている。
【０１２８】
フリー層は、ＳＡＦ構造を有する。即ち、フリー層は、強磁性層Ａ／非磁性層／強磁性層Ｂの積層構造から構成される。また、２つの強磁性層Ａ，Ｂの異方性磁界HkA,HkB は、異なり(例えば、HkA>HkB )、両者は、互いに弱く反強磁性結合している。
【０１２９】
この例では、ピンド層がフリー層の下に配置されるボトムピンタイプであるが、ピンド層がフリー層の上に配置されるトップピンタイプであってもよい。
【０１３０】
また、ピンド層は、単層から構成されているが、これに代えて、２つの強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とから構成してもよい。
【０１３１】
(3) 磁気抵抗効果素子の材料例
ＳＡＦ構造フリー層の２つの強磁性層を構成する材料としては、本例では、NiFe が好ましいが、これに限られることはなく、例えば、Co9 Fe10, Fe, Co, Ni などの金属、これら金属を積層したもの、又は、これら金属の少なくとも１つを含む合金 (CoFeB, CoFeNi, NiFeZrなど)を使用することができる。
【０１３２】
ここで、２つの強磁性層のうちの一方の異方性磁界Hk2は、一方の異方性磁界Hk1の０．１倍以上、１倍未満に設定する。さらには、0.9倍以下が望ましい。
【０１３３】
２つの強磁性層の間に配置される非磁性層を構成する材料としては、Ru, Ir, Rh, Cu などの非磁性金属、又は、これら金属の少なくとも１つを含む合金を使用することができる。
【０１３４】
非磁性層の厚さは、磁化困難軸方向のアストロイド曲線を開くために、pに応じて適当な反強磁性結合(antiferromagnetic coupling）強度を確保する厚さ、具体的には、0.7ｎｍ以上、好ましくは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下の範囲内の値に設定する。
【０１３５】
ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の交換結合の強度は、上述のように非磁性層の厚さにより調整できるが、この他に、非磁性層を合金から構成し、その合金の組成を調節することで交換結合の強度を調整することもできる。
【０１３６】
交換結合の強度は、パラメータhj により規定される。本発明の例では、このパラメータhj は、0.6以上、80以下の値、好ましくは、1.1以上、27以下の範囲内の値に設定される。
【０１３７】
ここで、hj = J / (Hk・Ms・t) であり、Jは、ＳＡＦ構造のカップリングエネルギー、Hkは、２つの強磁性層の異方性磁界Hk1,Hk2のうち大きなほうの値、Ms 及びtは、それぞれ大きな異方性磁界Hkを持つ強磁性層の磁化及び厚さである。
【０１３８】
このように、ＳＡＦ構造における交換結合の強度を調整することにより、データを消失させる磁化困難軸方向の反転磁界は、記憶層が１つの強磁性層のみから構成されるときのそれの少なくとも２倍以上になる。
【０１３９】
(4) 交換結合の強度とアストロイド曲線（実験結果）
図２４及び図２５は、アストロイド特性の実験結果を示している。
この実験では、３種類のサンプルを用意し、交換結合の強度によりアストロイド曲線がどのように変化するかを検証する。
【０１４０】
サンプル１は、記憶層の構造を、上層から下層に向けてNiFe(3nm)/CoFe(0.5nm) /Ru(2nm)/CoFe(0.5nm)/NiFe(4nm)とした磁気抵抗効果素子（括弧内の数値は膜厚）であり、弱い交換結合（反強磁性結合）を持つＳＡＦ構造に関する。
【０１４１】
サンプル１のアストロイド特性は、図２４に示すように、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開いている。この場合、全ての象限において理想的なＬ形のアストロイド曲線を実現でき、誤書き込み耐性の向上を図れる。
【０１４２】
サンプル２は、記憶層の構造を、上層から下層に向けてNiFe(3nm)/CoFe(0.5nm) /Ru(0.8nm)/CoFe(0.5nm)/NiFe(4nm)とした磁気抵抗効果素子（括弧内の数値は膜厚）であり、強い交換結合（反強磁性結合）を持つＳＡＦ構造に関する。
【０１４３】
サンプル２のアストロイド特性は、図２５（ａ）に示すように、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が閉じている。この場合、特に、磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択状態における誤書き込み耐性が悪くなる。
【０１４４】
サンプル３は、記憶層の構造を、上層から下層に向けてNiFe(5nm)/CoFe(0.5nm)とした磁気抵抗効果素子（括弧内の数値は膜厚）である。
【０１４５】
サンプル３のアストロイド特性は、図２５（ｂ）に示すように、アストロイド曲線が磁化困難軸上及び磁化容易軸上で閉じている。この場合、磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択状態と磁化容易軸方向の磁場のみが印加される半選択状態の双方における誤書き込み耐性が悪くなる。
【０１４６】
尚、ここでは、アステロイド曲線が開くとは、磁化困難軸方向の磁場を強くしていったときに、アステロイド曲線が次第に磁化困難軸から離れていくことを意味し、アステロイド曲線が閉じるとは、磁化困難軸方向の磁場を強くしていったときに、アステロイド曲線が次第に磁化困難軸に近づくことを意味する。
【０１４７】
(5) 交換結合の強度とアストロイド曲線（シミュレーション結果）
図２６は、アストロイド特性のシミュレーション結果を示している。
磁気抵抗効果素子の形状（ＭＴＪ形状）は、同図（ａ）に示すように、サイズ0.5μｍ×0.29μｍのＣ形とする。ＳＡＦ：交換結合 弱は、サンプル１の条件に対応し、ＳＡＦ：交換結合 強は、サンプル２の条件に対応し、単層は、サンプル３の条件に対応する。
【０１４８】
このシミュレーションでは、上述の実験結果とほぼ同様のアストロイド特性を得ることができ、実験結果を裏付けることができた。
【０１４９】
図２７乃至図３０は、弱い交換結合を持つＳＡＦ構造の磁気抵抗効果素子に磁場を与えた場合の磁化状態をシミュレーションしたものである。
【０１５０】
強磁性層Ａ，Ｂは、ＳＡＦ構造を構成する層である。カップリングエネルギーＪは、0.02erg/cm2 とし、交換結合の強度は、上述の実験結果のサンプル１と同程度に設定する。この時、hjはおおよそ2程度である。
【０１５１】
弱い交換結合を持つＳＡＦ構造では、２つの強磁性層の異方性磁界を異なる値にすると、書き込み磁場としての外部磁場を与えたときに、異方性磁界の値が大きい強磁性層は、異方性磁界が小さい強磁性層よりも外部磁場の影響を受け易いために、反平行状態が崩れる。
【０１５２】
ここで、異方性磁界とは、強磁性層の残留磁化による磁界のことであり、その値は、形状（厚さを含む）と材料により決定される。
【０１５３】
形状による異方性磁界を形状異方性磁界、材料による異方性磁界を材料異方性磁界と呼び、両者を足し合わせたものを異方性磁界と称している。
【０１５４】
異方性磁界の値が大きいと、その磁化は、外部磁場の影響を受け易く、異方性磁界の値が小さいと、その磁化は、外部磁場によらず、残留磁化の磁化方向を向き易くなる。
【０１５５】
磁化困難軸方向の磁場Hyのみを磁気抵抗効果素子に与えた場合の磁化状態は、図２７及び図２８に示すようになる。
【０１５６】
磁化困難軸方向の磁場Hyの値が小さいとき（Hy=75 Oe）は、図２７に示すように、２つの強磁性層Ａ，Ｂの磁化方向は互いに反平行状態を維持するため、スイッチング磁場Hswの値(Hx)は小さくなる。
【０１５７】
これに対し、磁化困難軸方向の磁場Hyの値が大きくなると（Hy=150 Oe）、図２８に示すように、２つの強磁性層Ａ，Ｂの磁化方向は反平行状態を維持できなくなり、スイッチング磁場Hswの値は大きくなる。
【０１５８】
つまり、磁化困難軸方向の磁場Hyの値が大きくなるにつれて２つの強磁性層Ａ，Ｂのうち、異方性磁界の値が小さい強磁性層Ｂは、異方性磁界の大きい強磁性層Ａに比べて磁場Hyの影響を受け難いために、その磁化は、磁化容易軸方向に引き戻され、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開く。
【０１５９】
磁気抵抗効果素子に、磁化困難軸方向に一定の磁場Hyを与えた上で、さらに磁化容易軸方向に磁場Hxを少しずつ増大させながら与えた場合の磁化状態は、図２９及び図３０に示すようになる。
【０１６０】
磁化困難軸方向の磁場Hyの大きさは、固定(Hy=150 Oe)とする。
【０１６１】
図２９は、Hx=41 Oeの磁化反転直前の磁化状態を示している。
【０１６２】
これに対し、少し磁化容易軸方向の磁場Hxの値が大きくなると（Hx=42 Oe）、図３０に示すように、磁化反転が起きる。
【０１６３】
(5) ドライバ／シンカーの回路例
ドライバ／シンカーの回路例について説明する。
【０１６４】
ここでは、アストロイド曲線の第１象限と第３象限を用いてデータ書き込みを実行する場合のドライバ／シンカーの回路例について説明する。
【０１６５】
図３１は、ワードラインドライバ／シンカーの回路例を示している。
ワードラインドライバ／シンカー１，２は、例えば、図１８におけるワードラインドライバ／シンカー１，２に対応する。
【０１６６】
ワードラインドライバ／シンカー１は、ドライバとしてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１と、シンカーとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１と、デコーダとしてのＮＡＮＤゲート回路ＮＤ１及びアンドゲート回路ＡＤ１とから構成される。
【０１６７】
ワードラインドライバ／シンカー２は、ドライバとしてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２と、シンカーとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２と、デコーダとしてのＮＡＮＤゲート回路ＮＤ２及びアンドゲート回路ＡＤ２とから構成される。
【０１６８】
図３２は、ビットラインドライバ／シンカーの回路例を示している。
ビットラインドライバ／シンカー３，４は、例えば、図１８におけるビットラインドライバ／シンカー３，４に対応する。
【０１６９】
ビットラインドライバ／シンカー３は、ドライバとしてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ３と、シンカーとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ３と、デコーダとしてのＮＡＮＤゲート回路ＮＤ３及びアンドゲート回路ＡＤ３とから構成される。
【０１７０】
ビットラインドライバ／シンカー４は、ドライバとしてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ４と、シンカーとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ４と、デコーダとしてのＮＡＮＤゲート回路ＮＤ４及びアンドゲート回路ＡＤ４とから構成される。
【０１７１】
データ書き込み時には、書き込み信号ＷＲＩＴＥが“Ｈ”になる。また、選択されたｉ番目のロウのロウアドレス信号ｉの全ビットが“Ｈ”になり、選択されたｊ番目のカラムのカラムアドレス信号ｊの全ビットが“Ｈ”になる。
【０１７２】
書き込みデータが“１”である“１”−書き込み時には、ＤＡＴＡ＝“Ｈ”になるため、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２，Ｐ４及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ３がオン、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ３及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２，Ｎ４がオフになる。
【０１７３】
その結果、ワードラインドライバ／シンカー２からワードラインドライバ／シンカー１に左向きの書き込み電流が流れ、かつ、ビットラインドライバ／シンカー４からビットラインドライバ／シンカー３に下向きの書き込み電流が流れ、第１象限を用いたデータ書き込みが実行される。
【０１７４】
書き込みデータが“０”である“０”−書き込み時には、ＤＡＴＡ＝“Ｌ”になるため、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ３及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２，Ｎ４がオン、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２，Ｐ４及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ３がオフになる。
【０１７５】
その結果、ワードラインドライバ／シンカー１からワードラインドライバ／シンカー２に右向きの書き込み電流が流れ、かつ、ビットラインドライバ／シンカー３からビットラインドライバ／シンカー４に上向きの書き込み電流が流れ、第３象限を用いたデータ書き込みが実行される。
【０１７６】
(6) 製造方法
次に、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
【０１７７】
磁気抵抗効果素子は、一般的には、光、電子ビーム及びＸ線のいずれかを用いてレジストを露光し、かつ、現像によりレジストパターンを形成し、この後、このレジストパターンをマスクにして、イオンミリング又はエッチングにより磁性材料及び非磁性材料を加工することにより形成される。
【０１７８】
大きなサイズ、例えば、ミクロンオーダーの磁気抵抗効果素子を形成する場合には、レジストパターンを転写したハードマスク（例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなど）を形成し、このハードマスクをマスクにして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により磁性材料及び非磁性材料を加工し、磁気抵抗効果素子を得る。
【０１７９】
小さなサイズ、例えば、2〜3 μｍ から 0.1μｍまでのサブミクロンサイズの磁気抵抗効果素子を形成する場合には、光リソグラフィを用いることができる。この場合は、光リソグラフィによりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをハードマスクに転写する。このハードマスクをマスクにして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により磁性材料及び非磁性材料を加工し、磁気抵抗効果素子を得る。
【０１８０】
微細なサイズ、例えば、0.5μｍ以下のサイズを持つ磁気抵抗効果素子を形成する場合には、電子ビーム露光を用いることができる。この場合は、電子ビーム露光によりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをハードマスクに転写する。このハードマスクをマスクにして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により磁性材料及び非磁性材料を加工し、磁気抵抗効果素子を得る。
【０１８１】
他に、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の平面形状を得るに当たって有望な製造方法として、２ステップ・プロセスと呼ばれる製造方法がある。
【０１８２】
この２ステップ・プロセスは、磁気抵抗効果素子をパターニングするときのマスクとなるハードマスクの製造方法に関する。
【０１８３】
図３３は、２ステップ・プロセスの第１例を示している。
第１例は、図１４のＣ形を作る場合の例である。
【０１８４】
まず、同図（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１１のパターンをハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）１２に転写する。この時点では、ハードマスク１２の形状は台形である（第１ステップ）。
【０１８５】
次に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１３のパターンをハードマスク１２に転写する。即ち、ハードマスク（台形）１２の底辺（又は長辺）の中央部を窪ませると、Ｃ形のハードマスク１２が形成される（第２ステップ）。
【０１８６】
この後、このハードマスク１２を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、Ｃ形の磁気抵抗効果素子ＭＴＪが完成する。
【０１８７】
このような２ステップ・プロセスによれば、長さが0.5μｍ以下の微細なＣ形磁気抵抗効果素子を容易に形成できる。
【０１８８】
図３４は、２ステップ・プロセスの第２例を示している。
第２例も、図１４のＣ形を作る場合の例である。
【０１８９】
まず、同図（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１１のパターンをハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）１２に転写する。この時点では、ハードマスク１２の形状は台形であり、その幅Ｗ＋αは、完成予定幅Ｗよりも大きく設定される（第１ステップ）。
【０１９０】
次に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１３のパターンをハードマスク１２に転写する。即ち、ハードマスク（台形）１２の幅Ｗ＋αを狭めると共に、その底辺（又は長辺）の中央部を窪ませると、Ｃ形のハードマスク１２が形成される（第２ステップ）。
【０１９１】
この後、このハードマスク１２を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、Ｃ形の磁気抵抗効果素子ＭＴＪが完成する。
【０１９２】
このような２ステップ・プロセスにおいても、長さが0.5μｍ以下の微細なＣ形磁気抵抗効果素子を容易に形成できる。この方法の利点は、下側のふたつの角を直角に近いシャープな形に形成できることである。これによって磁化過程が好ましいものになる。
【０１９３】
図３５は、２ステップ・プロセスの第３例を示している。
第３例は、図１５のＳ十字形を作る場合の例である。
【０１９４】
まず、同図（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１１のパターンをハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）１２に転写する。この時点では、ハードマスク１２の延在部に相当する部分は長方形である（第１ステップ）。
【０１９５】
次に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１３のパターンをハードマスク１２に転写する。即ち、ハードマスク１２の延在部に相当する部分（長方形）の短辺を斜めに切り落とす（第２ステップ）。
【０１９６】
この後、このハードマスク１２を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、平行四辺形の延在部とこの延在部から突出する突出部とを有するＳ十字形となる。
【０１９７】
このような２ステップ・プロセスによれば、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの延在部の形状を、短辺が直線的に切り落とされた平行四辺形にすることができる。この場合、アストロイド曲線の非対称性が顕著に現れるため、第１象限と第３象限（又は第２象限と第４象限）を用いた書き込み方法が有効となる。
【０１９８】
図３６は、２ステップ・プロセスの第４例を示している。
第４例も、図１５のＳ十字形を作る場合の例である。
【０１９９】
まず、同図（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１４のパターンをハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）１５に転写する。ハードマスク１５は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの延在部の形状を決定する（第１ステップ）。
【０２００】
次に、同図（ｂ）に示すように、ハードマスク１５の側壁(サイドウォール)に絶縁層（例えば、ＳｉＮ）１６を形成する。
【０２０１】
そして、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１７のパターンをハードマスクとしての絶縁層１６に転写する。ハードマスクとしての絶縁層１６は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの突出部の形状を決定する（第２ステップ）。
【０２０２】
この後、これらハードマスク１５，１６を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、短辺の一部が切り落とされた長方形の延在部とこの延在部から突出する突出部とを有するＳ十字形となる。
【０２０３】
２ステップ・プロセスの第３例と第４例を組み合わせた３ステップ・プロセスを用いると、さらに望ましいＭＴＪ形状を微細に作りこむことが出来る。
【０２０４】
図３７に、３ステップ・プロセスの例を示している。
延在部と突出部の両方の形状を精密に制御して作り込むプロセスである。
【０２０５】
まず、同図(a)に示すように、複数のメモリセルに跨ってライン＆スペースからなるハードマスク(例えばSiO2)を形成する。次に、同図（ｂ）に示すように、ハードマスク１５の側壁(サイドウォール)に絶縁層（例えば、ＳｉＮ）１６を形成する（第１ステップ）。
【０２０６】
そして、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１３のパターンをハードマスク１５と絶縁層１６に転写する。即ち、ハードマスク１５の延在部の形状を決定する（第２ステップ）。
【０２０７】
さらに、同図（e）及び（f）に示すように、3回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１７のパターンをハードマスクとしての絶縁層１６に転写する。ハードマスクとしての絶縁層１６は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの突出部の形状を決定する（第3ステップ）。
【０２０８】
この後、これらハードマスク１５，１６を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、延在部と突出部の両方が、磁気特性からみて望ましい形状を有するＳ十字形となる。
【０２０９】
このような２ステップ・プロセスや３ステップ・プロセスによれば、突出部の形状を精密に制御できるため、アストロイド曲線のばらつきの低減に有効である。
【０２１０】
(7) 情報書き込み方法
図３８は、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子に適用される情報書き込み方法のいくつかの例を示している。
【０２１１】
本発明の例で提案する磁気抵抗効果素子に対する情報書き込み方法で重要な点は、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加を終了した後に、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界印加を終了する点にある。
【０２１２】
同図（ａ）〜（ｄ）に示す４種類の情報書き込み方法により得られるアステロイド特性を説明する。灰色部は、磁化反転しない領域を示し、斜線部は、磁化反転する領域を示している。実線矢印は、磁化フリー層の磁化方向を左向きから右向きに反転させる際の磁界ベクトルである。
【０２１３】
本発明の例に関わる書き込み方法では、同図（ａ）又は（ｃ）に示すように、磁化反転を行った後の磁界の消滅の仕方に関し、まず、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加を終了した後に、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界印加を終了する。
【０２１４】
これに対し、比較例としての書き込み方向では、同図（ｂ）又は（ｄ）に示すように、磁化反転を行った後の磁界の消滅の仕方に関し、まず、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界印加を終了した後に、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加を終了する。
【０２１５】
本発明の例と比較例とを比べると、本発明の例では、磁化反転が起こる斜線部の領域が顕著に広く、広い動作マージンが確保されるのに対し、比較例では、点線で囲った領域に磁化反転が起こらない領域が現れ、動作マージンが狭くなっていることが分かる。
【０２１６】
これらの書き込み方法によるアステロイド特性の違いは、書き込みが終了した時点で磁化が向くべき方向、即ち、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界のみを印加した状態から、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界の大きさを小さくしていき、磁界印加を終了させることにより、磁化反転が安定して行われることを意味している。
【０２１７】
以上のように、磁化反転を行った後、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加を終了した後に、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界のみが印加される状態を作ることにより、高集積メモリに必要なアステロイド特性を得ることができる。
【０２１８】
尚、磁化反転前における磁界印加の方法については、特に限定されない。
【０２１９】
例えば、同図（ａ）又は（ｂ）に示すように、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界を与えた後に、磁化困難軸Ｈｙ方向と磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界を印加して磁化反転を行うようにしてもよいし、同図（ｃ）又は（ｄ）に示すように、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界を与えた後に、磁化困難軸Ｈｙ方向と磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界を印加して磁化反転を行うようにしてもよい。
【０２２０】
さらには、同図（ｅ）に示すように、磁化困難軸Ｈｙ方向と磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界を同時に印加するようにしても、磁化反転後の磁界印加を終了する順番を、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加の終了→磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界印加の終了、とすることにより、動作マージンを広げることができる。
【０２２１】
(8) その他
メモリセルアレイ構造（図１８）に関し、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、全て同じ方向を向いていることを前提とする。
【０２２２】
但し、ｘ方向に隣接する２つの磁気抵抗効果素子ＭＴＪを鏡映対称又は点対称にレイアウトすることもできる。また、ｙ方向に隣接する２つの磁気抵抗効果素子ＭＴＪを鏡映対称又は点対称にレイアウトすることもできる。
【０２２３】
これらの場合において、１トランジスタ−１ＭＴＪタイプのセルアレイ構造を採用する場合には、１つのトランジスタ（選択素子）を複数の磁気抵抗効果素子ＭＴＪで共有することができる。
【０２２４】
４． 効果
本発明の例によれば、以下の効果を得ることができる。
【０２２５】
a) ＳＡＦ構造における２つの強磁性層の交換結合の強度を、二つの磁性層の膜厚比に応じて適度に弱くすることで、磁化困難軸方向におけるアストロイド曲線が開き、ワード線に流れる書き込み電流により発生する磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択セルの誤書き込み耐性を向上できる。
【０２２６】
b) また、Ｃ形、Ｓ十字形などの形状を採用することで、ビット線に流れる書き込み電流により発生する磁化容易軸方向の磁場のみが印加される半選択セルについては、少なくとも１つのＣ型磁区が構成されることにより、同様に、誤書き込み耐性を向上できる。
【０２２７】
c) 全ての象限についてアストロイド曲線はＬ形になるため、書き込みマージンが増大する。また、書き込みポイントの位置を下げる、即ち、書き込みポイントをアストロイド特性図における原点に近付けることにより、書き込み電流の低減と低消費電力化に貢献できる。
【０２２８】
d) 書き込みポイントの位置が下がることで、半選択セルの熱擾乱耐性が向上すると共に、磁気抵抗効果素子のサイズの縮小化を実現でき、メモリセルのスケーラビリティ(scalability)が向上する。
【０２２９】
e) また、２ステップ・プロセスや３ステップ・プロセスを採用すれば、Ｃ形やＳ十字形などの平面形状を有する磁気抵抗効果素子に関し、プロセスの面から実際にそのサイズを縮小できるため、高集積、高速、低消費電力の磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。
【０２３０】
f) 第１象限と第２象限（又は第３象限と第４象限）のアストロイド曲線が非対称であるときは、第１象限と第３象限（又は第２象限と第４象限）を利用してデータ書き込みを実行することもできる。
【０２３１】
g) 本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施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、上述の実施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、異なる実施の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】
【０２３２】
【図１】参考例としてのアストロイド曲線を示す図。
【図２】参考例としてのアストロイド曲線を示す図。
【図３】本発明の例に関わるアストロイド曲線を示す図。
【図４】ＳＡＦの交換結合の強度と非磁性層の厚さとの関係を示す図。
【図５】ＳＡＦの磁気相図を示す図。
【図６】図５の磁気相図に関わる記憶層の構造を示す図。
【図７】Hsとpとの関係を示す図。
【図８】pとhjとの関係を示す図。
【図９】ＳＡＦとしての記憶層のエネルギーマップを示す図。
【図１０】エネルギーバリアの外部磁場依存性を示す図。
【図１１】エネルギーバリアの外部磁場依存性を示す図。
【図１２】pの関数としてhjの最適範囲を示す図。
【図１３】t2の関数としてhjの最適範囲を示す図。
【図１４】Ｃ形磁気抵抗効果素子を示す図。
【図１５】Ｓ十字形磁気抵抗効果素子を示す図。
【図１６】Ｓ十字形磁気抵抗効果素子を示す図。
【図１７】Ｃ形、Ｓ十字形及び従来形を比較して示す図。
【図１８】磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイの例を示す図。
【図１９】読み出し回路の例を示す図。
【図２０】読み出し回路の例を示す図。
【図２１】読み出し回路の例を示す図。
【図２２】読み出し回路の例を示す図。
【図２３】磁気抵抗効果素子の構造例を示す図。
【図２４】弱い交換結合のＳＡＦのアストロイド曲線を示す図。
【図２５】強い交換結合のＳＡＦと単層構造の記憶層のアストロイド曲線を示す図。
【図２６】困難軸方向に開くアストロイド曲線を示す図。
【図２７】困難軸方向の磁場による磁気抵抗効果素子の磁化状態を示す図。
【図２８】困難軸方向の磁場による磁気抵抗効果素子の磁化状態を示す図。
【図２９】容易軸及び困難軸方向の磁場による磁気抵抗効果素子の磁化状態を示す図。
【図３０】容易軸及び困難軸方向の磁場による磁気抵抗効果素子の磁化状態を示す図。
【図３１】ワードラインドライバ／シンカーの例を示す回路図。
【図３２】ビットラインドライバ／シンカーの例を示す回路図。
【図３３】ハードマスクの製造方法の第１例（Ｃ形）を示す図。
【図３４】ハードマスクの製造方法の第２例（Ｃ形）を示す図。
【図３５】ハードマスクの製造方法の第３例（Ｓ十字形）を示す図。
【図３６】ハードマスクの製造方法の第４例（Ｓ十字形）を示す図。
【図３７】３ステップ・プロセスの例を示す図。
【図３８】情報書き込み方法を示す図。
【符号の説明】
【０２３３】
１，２： ワードラインドライバ／シンカー、 ３，４： ビットラインドライバ／シンカー、 １１，１３，１４，１７： フォトレジスト、 １２，１５，１６： ハードマスク、 ＭＴＪ： 磁気抵抗効果素子、 ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１： ワードライン、 ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１： ビットライン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の形状及び構造に関し、特に、磁気ランダムアクセスメモリに適用される。
【背景技術】
【０００２】
固体磁気メモリは、従来より様々のタイプのものが提案されている。近年、巨大磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子(magneto resistive element)を用いた磁気ランダムアクセスメモリの提案が行われ、磁気抵抗効果素子としては、強磁性トンネル接合を利用したものが主流になっている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は、例えば、強磁性層／絶縁層（トンネルバリア層）／強磁性層の積層構造から構成される。ここで、絶縁層に電圧をかけると、その絶縁層にトンネル電流が流れる。この場合、強磁性トンネル接合の接合抵抗値（絶縁層のトンネルコンダクタンス）は、２つの強磁性層の磁化の相対的角度の余弦に比例して変化する。
【０００４】
つまり、２つの強磁性層の磁化が同じ向き（平行状態）のとき、接合抵抗値は最小になり、反対向き（反平行状態）のとき、接合抵抗値は最大になる。
【０００５】
このような現象は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ: tunneling magneto resistive）効果と呼ばれている。例えば、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２００％以上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、磁化状態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状態が変化する記憶層（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。また、データの読み出しは、例えば、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う。
【０００８】
このような磁気抵抗効果素子をメモリセルとしてアレイ状に配置することによりメモリセルアレイが構成される。メモリセルアレイの構造には様々のタイプのものが提案されている。例えば、高速ランダムアクセスが可能となるように、１つの磁気抵抗効果素子に１つのスイッチングトランジスタを接続させる１トランジスタ−１ＭＴＪタイプなどが知られている。
【０００９】
また、ワードラインとビットラインとが交差する領域においてダイオードと強磁性トンネル接合とを直列接続する構造も提案されている。
【００１０】
しかし、磁気ランダムアクセスメモリを実用化するに当たって解決しなければならない課題は多い。
【００１１】
例えば、データ書き込みに関しては、メモリセルアレイを構成する磁気抵抗効果素子のスイッチング磁場のばらつきに起因するディスターブ問題を解決しなければならない。また、アストロイド曲線を窪ませ、磁気抵抗効果素子に書き込み選択性を持たせる工夫も必要である（例えば、特許文献１，２及び非特許文献１を参照）。
【００１２】
また、磁気抵抗効果素子の微細化と書き込み電流の低減との両立を図らなければならない。現状では、磁気抵抗効果素子のサイズを小さくすると、その保磁力が大きくなり、磁化反転に必要なスイッチング磁場も大きくなる。この場合、磁場を発生させる書き込み電流の低減が難しく、消費電力が増加する。
【００１３】
また、データを長時間安定に記憶するには、熱安定性を向上させなければならない。熱安定性は、熱揺らぎ定数と呼ばれるパラメータにより判断し、その値が大きいほど良い。しかし、熱揺らぎ定数は、強磁性層の体積と保磁力に比例するため、磁気抵抗効果素子の微細化が進むと、熱安定性が悪化する。
【特許文献１】特開平１１−２７３３３７号公報
【特許文献２】米国特許第６，００５，８００号
【非特許文献１】Y.K.Ha et al.,2004 Symp. VSLI Technol. Dig. Tech. Papers, P.24
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の例では、磁気ランダムアクセスメモリにおけるスイッチング磁場の低減、誤書き込みの防止及び熱安定性の向上を実現するための磁気抵抗効果素子の形状及び構造を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、第１及び第２強磁性層の間に配置される非磁性層とを有する記憶層を備え、第１及び第２強磁性層の交換結合の強度は、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開く形となるように設定される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の例によれば、磁気ランダムアクセスメモリにおけるスイッチング磁場の低減、誤書き込みの防止及び熱安定性の向上を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１８】
１． 概要
本発明の例は、ＳＡＦ(synthetic antiferromagnetic free layer)構造の記憶層を有する磁気抵抗効果素子に関し、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の交換結合の強度を調整することにより、書き込みマージンが大きく、誤書き込みが発生し難いアストロイド特性を実現するものである。
【００１９】
ＳＡＦ構造の基本構造は、非磁性層と、これを間に挟み込んで互いに反強磁性結合する２つの強磁性層とからなる。
【００２０】
ここで、このような磁気抵抗効果素子のアストロイド特性は、例えば、図１に示すように、磁化容易軸（Hx軸）上及び磁化困難軸（Hy軸）上でアストロイド曲線が閉じる形となっている。つまり、磁化容易軸方向又は磁化困難軸方向の磁場のみが印加されている半選択セルに対して、その磁場の大きさがスイッチング磁場（保磁力）Ｈｃ，Ｈｋを超えると誤書き込みが発生する。
【００２１】
データ書き込みは、アストロイド特性の２つの象限を利用する場合、例えば、第１及び第２象限を利用して実行される。
【００２２】
データ書き込みに使用する象限の窪みを大きくすれば、スイッチング（磁化反転）が可能な領域としての書き込みマージンを大きくできるため、書き込みポイントＷＰを原点に近付け、スイッチングに必要な磁化容易軸方向の磁場Ｈ１及び磁化困難軸方向の磁場Ｈ２の値をそれぞれ小さくできる。
【００２３】
しかし、メモリセルアレイを構成する複数の磁気抵抗効果素子の間には、ウェハプロセス上の理由から、図２に示すように、アストロイド曲線の形にばらつきが発生する。この場合、非選択セルや半選択セルの誤書き込み防止のために、書き込みマージンが小さくなる。
【００２４】
これに対し、本発明の例によれば、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の交換結合の強度を調整することにより、例えば、図３に示すように、磁化困難軸（Hy軸）上でアストロイド曲線が閉じず、磁化困難軸方向にアストロイド曲線が開いた形のアストロイド特性を実現できる。
【００２５】
具体的には、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の交換結合を弱くする。２つの強磁性層の交換結合の強度は、例えば、図４に示すように、２つの強磁性層の間に配置される非磁性層の厚さに依存する。そこで、本発明の例では、ＳＡＦ構造を構成する非磁性層（例えば、Ｒｕ）の厚さを１ｎｍ以上とし、磁化困難軸上でアストロイド曲線が閉じないアストロイド特性を実現する。
【００２６】
この場合、磁化困難軸方向の磁場のみが印加されるときは、その磁場の値にかかわらず、スイッチング（磁化反転）が生じることはないため、誤書き込み耐性を向上でき、かつ、大きな書き込みマージンを確保できる。
【００２７】
また、磁化容易軸方向の磁場のみが印加されるときについては、例えば、磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状を、Ｃ形、台形などの磁化容易軸方向の中心線に対して非対称な平面形状の記憶層を持つ磁気抵抗効果素子を使用すると、アストロイド特性のHx軸上のスイッチング磁場（保磁力）Ｈｃの値を大きくできる。これらの形状では、磁化容易軸方向にのみ磁場が印加された場合(半選択セル)に、Ｃ型磁区を構成する。Ｃ型磁区は反転しにいため、スイッチング磁場（保磁力）が大きくなる。
【００２８】
その他、２回回転対称性(two times-rotation symmetry)を有し、かつ、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない形状とすることでも、スイッチング磁場（保磁力）Ｈｃの値を大きくできる。
【００２９】
ここで、２回回転対称であるとは、磁気抵抗効果素子の中心点Ｏを中心に右回り又は左回りに360°/2だけ回転したときに、初めの形状と合同になることである。つまり、２回回転対称性とは、磁気抵抗効果素子の中心点Ｏに対する点対称性(point symmetry)のことである。
【００３０】
このような形状としては、平行四辺形、Ｓ十字形などがある。Ｓ十字形の基本形は、平行四辺形にその長辺から磁化困難軸方向に突出する突出部を付加した形状である。Ｓ十字形の特徴は、残留磁化がＳ型磁区を構成し、磁化容易軸方向にのみ磁場が印加された場合(半選択セル)に、２つのＣ型磁区を構成する点にある。Ｃ型磁区は反転しにいため、スイッチング磁場（保磁力）が大きくなる。
【００３１】
磁気ランダムアクセスメモリの熱安定性を確保する上で最も重要なことは、ワードラインに流れる書き込み電流によって磁気抵抗効果素子の記憶層に印加される磁場HWL及びビットラインに流れる書き込み電流によって磁気抵抗効果素子の記憶層に印加される磁場HBLのうちのいずれか一方のみが印加される半選択セルの熱擾乱耐性を向上させる点にある。
【００３２】
磁化困難軸方向の熱擾乱耐性は、(1-HWL/Hk)2 に比例し、磁化容易軸方向の熱擾乱耐性は、(1-HBL/Hc)2 に比例する。
【００３３】
但し、Hkは、磁化困難軸方向の磁場Hyの絶対値を大きくし、磁化容易軸方向の磁場Hxの絶対値を小さくしていったときにアストロイド曲線が閉じる点であり、Hcは、磁化容易軸方向の磁場Hxの絶対値を大きくし、磁化困難軸方向の磁場Hyの絶対値を小さくしていったときにアストロイド曲線が閉じる点である。
【００３４】
従って、熱擾乱耐性を向上させるには、WPWL(ワードライン方向の書き込みポイント) = HWL/Hk と、WPBL(ビットライン方向の書き込みポイント) = HBL/Hc とをそれぞれ小さな値とすることが重要である。そのために、アストロイド曲線がより窪んだ形になるよう、記憶層の形状などを工夫する。
【００３５】
本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子では、Hkは、無限大であり、また、HBL/Hcは、記憶層の形状をＣ形、平行四辺形、Ｓ十字形などの形状とすることにより小さくできるため、熱擾乱耐性を向上できる。
【００３６】
次に、図３のアストロイド特性とデータ書き込み時の記憶層の磁化パターンとの関係を説明する。
【００３７】
磁気抵抗効果素子はＣ形とする。また、ＳＡＦ構造を構成する非磁性層は、例えば、厚さ約２ｎｍのＲｕから構成し、２つの強磁性層の交換結合の強度が弱くなるように設定する。
【００３８】
同図（ａ）〜（ｅ）に示すように、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の磁化方向はそれぞれ矢印で表す。また、磁気抵抗効果素子の記憶層の残留磁化は、Ｃ型磁区を構成しているものとする。
【００３９】
まず、同図（ｂ）に示すように、主に磁化容易軸方向の磁場Hxが印加される状態では、記憶層の磁化パターンは、１つのＣ型磁区を構成する。その結果、主に磁化容易軸方向の磁場Hxが印加される半選択セルについては、スイッチング磁場（反転磁場）Hswの値が大きくなる。
【００４０】
次に、同図（ｃ）に示すように、磁化容易軸方向の磁場Hxと磁化困難軸方向の磁場Hyが印加される状態では、記憶層の磁化パターンは、Ｓ型磁区を構成する。その結果、データ書き込みの対象となる選択セルについては、スイッチング磁場（反転磁場）Hswの値が小さくなり、アストロイド曲線が大きく窪む。
【００４１】
次に、同図（ｄ）に示すように、磁化困難軸方向の磁場Hyが大きくなると、記憶層の磁化は、磁化困難軸方向に近い方向を向くようになる。この時点では、２つの強磁性層の磁化の向きは、互いに反平行状態を維持する。
【００４２】
ここで、反平行状態とは、２つの強磁性層の磁化の向きが互いに逆向きである状態のことをいう。
【００４３】
次に、同図（ｅ）に示すように、さらに、磁化困難軸方向の磁場Hyを大きくしていくと、異方性磁界が小さい強磁性層の磁化は、異方性磁界が大きい強磁性層に比べて磁化容易軸方向に近い方向を向くようになる。このため、２つの強磁性層の磁化の向きは、反平行状態を維持できなくなり、アストロイド曲線は、磁化困難軸方向において開いた形となる。
【００４４】
尚、異方性磁界の大きさは、強磁性層の材料や厚さなどにより決定される。
【００４５】
このように、本発明の例によれば、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開いた形となるため、磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択セルの誤書き込みの防止と共に、スイッチング磁場の低減及び熱安定性の向上を実現できる。
【００４６】
図４は、ＳＡＦの交換結合の強度と非磁性層の厚さとの関係を示している。
【００４７】
交換結合には、反強磁性結合と強磁性結合がある。前者は、２つの強磁性層の磁化が反平行状態で互いに結合し、後者は、２つの強磁性層の磁化が平行状態で互いに結合する。
【００４８】
非磁性層の厚さにより交換結合の種類と強度が変わるため、例えば、非磁性層の厚さを0.7ｎｍ以上、好ましくは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下の範囲内の値であって、２つの強磁性層が反強磁性結合する値に設定する。
【００４９】
このようにすることで、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開くアストロイド特性を実現できる。
【００５０】
尚、非磁性層の厚さが0.7ｎｍ未満の場合には、２つの強磁性層の交換結合が強くなるため、アストロイド曲線は、磁化困難軸上で閉じた形となる。
【００５１】
図５は、ＳＡＦ構造を有する磁気抵抗効果素子の磁気相図を示している。図５は、hj=2.1, t2=0.5・t1, Ms2=Ms1 の場合である。但し、hjは、カップリングの強さを表すパラメータ、Jは、ＳＡＦ構造のカップリングエネルギー、Ms1, Ms2は、それぞれNiFeの磁化、Hk1, Hk2は、それぞれNiFeの異方性磁界であり、Hk1>Hk2とする。hjとJの関係は、厚い方の強磁性層のパラメータを用いて以下の式で表される。
【００５２】
J=hj・Hk1・Ms1・t1
hj=2.1のSAF構造は、MTJのピンド層(pinned layer)に用いられるSAF構造に比べると非常に交換結合が弱い。トグル書込みのフリー層に用いられるSAF構造に比べても少し弱い。
【００５３】
磁気相図において、外周は、飽和磁場(saturation field)に取り囲まれる。
【００５４】
尚、磁気抵抗効果素子の記憶層は、例えば図６に示す構造を持つ。典型例を示すと、厚さｔ１のNiFe、厚さｔ２のNiFe、及び、これらの間に配置されるRu (厚さ 2nm)から構成される。
【００５５】
磁化容易軸（Hx軸）近辺では、磁気抵抗効果素子の記憶層が少なくとも１つのＣ型磁区を構成することからスイッチング磁場の値が大きい。即ち、磁化容易軸方向の磁場のみでは、磁気抵抗効果素子の磁化は反転しないため、半選択セルのデータが失われることはない。
【００５６】
磁化困難軸（Hy軸）方向の磁場については、飽和磁場まで達しなければ、いかに大きな磁場を印加したとしても磁気抵抗効果素子の磁化が反転することはない。即ち、磁化困難軸方向の磁場のみでも、磁気抵抗効果素子の磁化は反転しないため、半選択セルのデータが失われることはない。
【００５７】
図３のように、困難軸方向に開いたアステロイド曲線が得られる条件は、SAF構造を構成するパラメータt1, t2, Hk1, Hk2, Ms1, Ms2, Jで与えられる。
【００５８】
例えば、 Ms1=Ms2=Msの場合は、t1/t2とHs=J(t1+t2)/(Ms・t1・t2)をパラメータにして図７の斜線部分で与えられる。即ち、t2/t1及びHsを図７の斜線分に相当する値で設計することにより、困難軸方向に開いたアステロイド曲線を得ることができる。
【００５９】
尚、t2/t1は、0.1以上、0.9以下が望ましい。Hsは、20 Oe以上、800 Oe以下が望ましい。hjは、0.6以上、80以下が望ましい。この範囲内では、全般に、t2/t1が大きくなると、Hsやhjの最適値は大きくなる。
【００６０】
図８に、p=t2/t1の関数として、hjの最適な範囲を図示した。斜線部が最適な範囲である。
【００６１】
一般式で表すと、凡そ以下の式になる。
hj≧12p4 式(1)
かつ hj≦580p4 式(2)
磁化容易軸方向の磁場と磁化困難軸方向の磁場を印加するときは、“０”−書き込み及び“１”−書き込み共に、小さな磁場でスイッチング磁場(switching field)を超えるため、容易にデータ書き込み、即ち、磁化反転を行うことができる。
【００６２】
本発明の例によるＳＡＦ構造を用いたデータ書き込みをトグル(toggle)書き込みと比較すると、本発明の例では、トグル書き込みに必要な磁場の半分以下の磁場で書き込みを行うことができる。
【００６３】
従って、本発明の例によるＳＡＦ構造は、トグル書き込み方式よりも書き込み電流の低減と低消費電力化の面で優れている。
【００６４】
次に、ワードラインに流れる書き込み電流により発生する磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択セルに関し、スイッチング（磁化反転）のために越えなければならないエネルギーバリアについて記す。
【００６５】
図９は、磁気抵抗効果素子の記憶層のエネルギーマップの例を示している。記憶層の構造は図６であり、hj=2.0, p=t2/t1=0.5の場合を計算したものである。
【００６６】
横軸は、ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層(NiFe)のうちの一方の磁化方向が磁化容易軸となす角度を表し、縦軸は、２つの強磁性層(NiFe)のうちの他方の磁化方向が磁化容易軸となす角度を表している。
【００６７】
磁化反転時に越えなければならないエネルギーバリアは、図９（ａ），（ｂ）の矢印の両端のエネルギー差に相当する。一般に、(a)のゼロ磁場の場合に比べて、(b)の磁場中においてはエネルギーバリアが低下する。
【００６８】
ワードラインに流れる書き込み電流により発生する磁場HWL(=Hy)のみが印加される半選択状態（同図（ｂ））では、その磁場HWLの値としては、例えば、1.5 Hkに設定される。ここで、Hkは、ＳＡＦ構造の記憶層を構成する２つの強磁性層の異方性磁界のうち大きなほうの値である。
【００６９】
このような半選択状態では、スイッチング（磁化反転）に必要なエネルギーバリアは、hj = 2.0のときには、磁場が零のときのエネルギーバリア（同図（ａ））に比べて約0.60倍に低下する。この低下の度合いは、記憶層が１つの強磁性層のみからなる場合に比べて弱い。この低下の度合いは、記憶層が１つの強磁性層のみからなる場合の、書き込みポイントWPWL=0.23に相当する。
【００７０】
また、hj = 1.5のときには、スイッチングに必要なエネルギーバリアは、磁場が零のときのエネルギーバリアに比べて約0.72倍に低下する。この低下の度合いは、記憶層が１つの強磁性層のみからなる場合の、WPWL=0.15倍に相当する。
【００７１】
記憶層が１つの強磁性層のみからなる場合に、WPWLが0.15〜0.23に小さくなるようアストロイド曲線を窪ませることは困難である。本発明では、ＳＡＦ構造でかつ2枚の強磁性層の膜厚比に応じて交換結合の強度を最適値に調整することで、半選択状態でのエネルギーバリアの低下を従来よりも抑制した。
【００７２】
さらに、図１０では、p=t2/t1をパラメータにしてエネルギーバリアΔEの外部磁場依存性を計算した例を示す。
【００７３】
ここでは、hj=2.0の場合を計算した。横軸は、外部磁場HapplをHkでノーマライズ(normalize)した値、縦軸は、ΔEを外部磁場ゼロの値(ΔE０)でノーマライズした値である。
【００７４】
この図を見ると、p=0の単層フリー層の場合に比べて、SAFフリー層では外部磁場印加時のエネルギーバリアがあまり低下しないことが分かる。pが0.3以下では、エネルギーバリアの低下が顕著なので、pは0.3を越えることが望ましい。さらには、pが0.5以上の場合が、ΔE/ΔE０の極小値が0.5以上になるので望ましい。但し、pの最適値範囲は、hjに依存して変化する。
【００７５】
図１１では、hjをパラメータにしてエネルギーバリアΔEの外部磁場依存性を計算した例を示す。
【００７６】
ここでは、p=t2/t1=0.5の場合を計算した。横軸は、外部磁場HapplをHkでノーマライズした値、縦軸は、ΔEを外部磁場ゼロの値でノーマライズした値である。
【００７７】
尚、p=t2/t1=0.5の場合、hjが10を越えると、エネルギーバリアの低下が顕著になるため、hjは、10以下が望ましい。さらには、hjを2以下にすると、ΔE/ΔE０の極小値が0.5以上になるため、望ましい。但し、hjの最適値範囲は、pに依存して変化する。
【００７８】
図１２では、pの関数としてhjの最適範囲を描いた。斜線部が最適範囲である。また、図１３では、t1=4nmの場合について、t2の関数としてhjの最適範囲を描いた。斜線部が最適範囲である。
【００７９】
一般式で表すと、凡そ以下の式になる。
hj≦40p4 式(3)
このように、本発明の例によれば、半選択セルのエネルギーバリアを高くできるため、熱安定性に優れた磁気抵抗効果素子を提供できる。
【００８０】
前述した、困難軸方向に開いたアステロイド曲線が得られる条件である式(1)及び式(2)と、半選択時のエネルギーバリア低下分が50%以下となる条件である式(3)とを合わせると、本発明に最適な範囲は、凡そ以下の式で表される。
【００８１】
12p4≦hj≦40p4 式(4)
フリー層材料特性の安定性や再現性を考えると、pに適当な範囲がある。pが小さい場合は、薄い方の強磁性層が薄くなりすぎて連続膜になり難くなる問題や、上下の層との拡散で特性が不安定になる問題がある。
【００８２】
従って、pは、0.05以上が望ましい。さらには、pは、0.1以上が好ましい。SAF構造の材料異方性に起因するトータルのHkは、一般に、膜厚和／膜厚差に比例する。膜厚差が小さい場合は、膜厚誤差によってHkが大きく変化する。
【００８３】
このため、反転磁界バラツキを抑制する観点からは、pは、あまり1に近くない方が良い。即ち、pは、0.95以下が望ましい。さらには、pは、0.9以下が好ましい。これらのpの条件と式(3)及び式(4)から、hjは、33以下が望ましい。さらには、hjは、27以下が好ましい。
【００８４】
２． 磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状
本発明の例による効果を最大限に発揮するには、記憶層の平面形状が、磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称な形状であるとよい。
【００８５】
例えば、図１４の磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、平面形状がＣ形である。Ｃ形は、磁化容易軸方向の中心線に対して非対称な形状である。
【００８６】
また、記憶層の平面形状が、２回回転対称性を有し、かつ、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない形状を採用しても、本発明の例による効果を最大限に発揮できる。
【００８７】
例えば、図１５及び図１６の磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、共に、平面形状がＳ十字形である。Ｓ十字形は、２回回転対称性を有し、かつ、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない形状である。
【００８８】
Ｓ十字形の場合、アストロイド曲線の形状が磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でなくなる。例えば、アストロイド曲線の第１及び第３象限の窪みが第２及び第４象限の窪みよりも大きくなる。このような場合には、第１及び第３象限をデータ書き込みに使用する。
【００８９】
例えば、“１”−書き込み時にはアストロイド曲線の第１象限を用い、“０”−書き込み時にはアストロイド曲線の第３象限を用いる。この場合、“１”−書き込み時にワードライン及びビットラインに流れる書き込み電流の向きと、“０”−書き込み時にワードライン及びビットラインに流れる書き込み電流の向きとは、逆になる。
【００９０】
尚、磁気抵抗効果素子の記憶層の平面形状によっては、第２象限と第４象限が第１象限と第３象限に比べて大きく窪む場合がある。このような場合には、第２象限と第４象限とを用いてデータ書き込みを実行する。
【００９１】
図１７は、従来形、Ｓ十字形及びＣ形を比較して示している。
従来形としては、ここでは、十字形（従来形１）及び楕円形（従来形２）の２つを掲げている。
【００９２】
十字形及び楕円形は、２回回転対称性を有するが、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称である。
【００９３】
Ｃ形は、磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称である。
【００９４】
Ｓ十字形は、２回回転対称性を有すると共に、磁化容易軸方向に延びる中心線及び磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない。
【００９５】
３． 実施の形態
次に、最良と思われる実施の形態について説明する。
【００９６】
(1) メモリセルアレイ構造
図１８は、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイを示している。
メモリセルは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪから構成される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、アレイ状に配置される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪの形状は、例えば、磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称であり、磁化困難軸方向に延びる中心線に対して対称であるＣ形である。
【００９７】
磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下部には、ｘ方向に延びるワードラインＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１が配置される。ワードラインＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１の一端には、ワードラインドライバ／シンカー１が接続され、他端には、ワードラインドライバ／シンカー２が接続される。
【００９８】
アストロイド曲線の第１象限と第３象限を使用してデータ書き込みを行う場合には、ワードラインＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１には、書き込みデータの値に応じて異なる向きの書き込み電流ＩＷＬが流れる。
【００９９】
例えば、“１”−書き込み時には、ワードラインドライバ／シンカー２からワードラインドライバ／シンカー１に左向きの書き込み電流が流れ、“０”−書き込み時には、ワードラインドライバ／シンカー１からワードラインドライバ／シンカー２に右向きの書き込み電流が流れる。
【０１００】
尚、アストロイド曲線の第１象限と第２象限を使用してデータ書き込みを行う場合には、ワードラインＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１には常に一方向（右向き）の書き込み電流ＩＷＬを流せばよい。この場合には、ワードラインドライバ／シンカー１の代わりにワードラインドライバ１を置き、ワードラインドライバ／シンカー２の代わりにワードラインシンカー２を置けば良いので、回路構成が簡略化され、チップ面積が減少する利点がある。
【０１０１】
磁気抵抗効果素子ＭＴＪの上部には、ｙ方向に延びるビットラインＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１が配置される。ビットラインＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１の一端には、ビットラインドライバ／シンカー３が接続され、他端には、ビットラインドライバ／シンカー４が接続される。
【０１０２】
ビットラインＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１には、書き込みデータの値に応じて異なる向きの書き込み電流ＩＢＬが流れる。
【０１０３】
例えば、“１”−書き込み時には、ビットラインドライバ／シンカー４からビットラインドライバ／シンカー３に下向きの書き込み電流が流れ、“０”−書き込み時には、ビットラインドライバ／シンカー３からビットラインドライバ／シンカー４に上向きの書き込み電流が流れる。
【０１０４】
読み出し回路については、図１８では省略しているが、データ読み出しは、メモリセルアレイのタイプに適した読み出し回路を用いて実行する。
【０１０５】
例えば、図１９に示すように、クロスポイントタイプでは、ワードラインＷＬｉには、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、ビットラインＢＬｊには、選択トランジスタＳＴＢを経由して電源が接続される。
【０１０６】
磁気抵抗効果素子ＣとワードラインＷＬｉとの間には、ダイオードＤが配置される。ダイオードＤは、クロスポイントタイプに特有の読み出し／書き込み時における回り込み電流(sneak current)を防止する機能を有する。
【０１０７】
回り込み電流は、非選択のワードラインＷＬｉと非選択のビットラインＢＬｊにバイアス電位を与えることにより回避する。
【０１０８】
また、図２０に示すように、はしごタイプでは、読み出しビット線ＲＢＬｊには、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。ビットラインＢＬｊ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。
【０１０９】
さらに、図２１及び図２２に示すように、１トランジスタ−１ＭＴＪタイプでは、磁気抵抗効果素子Ｃの一端には、選択トランジスタＳＴ２を経由してセンスアンプＳＡが接続される。ビットラインＢＬｊには、選択トランジスタＳＴ１を経由して電源が接続される。
【０１１０】
尚、図２２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、ワードラインＷＬｉを磁気抵抗効果素子Ｃの近傍に配置できる。
【０１１１】
(2) 磁気抵抗効果素子の構造例
次に、磁気抵抗効果素子の構造例について説明する。
【０１１２】
A. 構造例１
構造例１は、平面形状がＣ形である磁気抵抗効果素子に関し、図１４の平面形状に相当する。Ｃ形の角部は全て丸くなっている。
【０１１３】
磁気抵抗効果素子は、磁化容易軸方向に長く、磁化困難軸方向に短い。磁気抵抗効果素子の幅（磁化困難軸方向の幅）の最大値は、例えば、約０．３μｍに設定され、磁気抵抗効果素子の長さ（磁化容易軸方向の長さ）の最大値は、例えば、約０．６μｍに設定される。
【０１１４】
また、他の例として、磁気抵抗効果素子の幅の最大値は、例えば、約０．２μｍに設定され、磁気抵抗効果素子の長さの最大値は、例えば、約０．３μｍに設定される。
【０１１５】
磁気抵抗効果素子の幅については、これらの例に限定されることはないが、磁気抵抗効果素子の高集積化を考慮すると、１μｍ以下が好ましい。
【０１１６】
また、磁気抵抗効果素子の長さについては、磁気抵抗効果素子の幅の１倍から１０倍までの範囲内の値、さらに好ましくは、１．１倍から２．５倍までの範囲内の値に設定する。
【０１１７】
B. 構造例２
構造例２は、平面形状がＳ十字形である磁気抵抗効果素子に関し、図１５又は図１６の平面形状に相当する。
【０１１８】
Ｓ十字形は、延在部と突出部とからなり、例えば、図１５の形状の場合、延在部は、磁化容易軸方向に長い平行四辺形を有し、突出部は、平行四辺形の長辺から磁化困難軸方向に突出する。
【０１１９】
また、図１６の形状の場合、延在部は、磁化容易軸方向に長い長方形を有し、突出部は、長方形の長辺から磁化困難軸方向に突出する。また、長方形の２つの対角線の少なくとも１つ上に存在する角が切り落とされる。
【０１２０】
Ｓ十字形の角部は全て丸くなっている。
【０１２１】
磁気抵抗効果素子は、磁化容易軸方向に長く、磁化困難軸方向に短い。磁気抵抗効果素子の幅（磁化困難軸方向の幅）は、例えば、中央部で約０．５μｍに設定され、磁化容易軸方向の端部で約０．３５μｍに設定される。磁気抵抗効果素子の長さは、例えば、約０．８μｍに設定される。
【０１２２】
また、他の例として、磁気抵抗効果素子の幅は、例えば、中央部で約０．２μｍに設定され、磁化容易軸方向の端部で約０．１３μｍに設定される。磁気抵抗効果素子の長さは、例えば、約０．４μｍに設定される。
【０１２３】
磁気抵抗効果素子の幅については、これらの例に限定されることはないが、磁気抵抗効果素子の高集積化を考慮すると、１μｍ以下が好ましい。
【０１２４】
また、磁気抵抗効果素子の長さについては、磁気抵抗効果素子の幅の１倍から１０倍までの範囲内の値、さらに好ましくは、１．１倍から２．５倍までの範囲内の値に設定する。
【０１２５】
磁気抵抗効果素子の突出部の長さ（磁化困難軸方向の長さ）は、磁気抵抗効果素子の延在部の幅の最大値の１／７以上、１／４以下の範囲内の値に設定する。
【０１２６】
C. 構造例３
構造例３は、磁気抵抗効果素子の層構造に関する。
【０１２７】
図２３は、磁気抵抗効果素子の層構造の例を示している。
磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、ワードラインＷＬｉとビットラインＢＬｊの交差部に配置される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、例えば、反強磁性層／強磁性層（ピンド層）／絶縁層（トンネルバリア層）／強磁性層（フリー層）の積層構造から構成され、かつ、上部電極と下部電極によって挟み込まれている。
【０１２８】
フリー層は、ＳＡＦ構造を有する。即ち、フリー層は、強磁性層Ａ／非磁性層／強磁性層Ｂの積層構造から構成される。また、２つの強磁性層Ａ，Ｂの異方性磁界HkA,HkB は、異なり(例えば、HkA>HkB )、両者は、互いに弱く反強磁性結合している。
【０１２９】
この例では、ピンド層がフリー層の下に配置されるボトムピンタイプであるが、ピンド層がフリー層の上に配置されるトップピンタイプであってもよい。
【０１３０】
また、ピンド層は、単層から構成されているが、これに代えて、２つの強磁性層とこれらの間に配置される非磁性層とから構成してもよい。
【０１３１】
(3) 磁気抵抗効果素子の材料例
ＳＡＦ構造フリー層の２つの強磁性層を構成する材料としては、本例では、NiFe が好ましいが、これに限られることはなく、例えば、Co9 Fe10, Fe, Co, Ni などの金属、これら金属を積層したもの、又は、これら金属の少なくとも１つを含む合金 (CoFeB, CoFeNi, NiFeZrなど)を使用することができる。
【０１３２】
ここで、２つの強磁性層のうちの一方の異方性磁界Hk2は、一方の異方性磁界Hk1の０．１倍以上、１倍未満に設定する。さらには、0.9倍以下が望ましい。
【０１３３】
２つの強磁性層の間に配置される非磁性層を構成する材料としては、Ru, Ir, Rh, Cu などの非磁性金属、又は、これら金属の少なくとも１つを含む合金を使用することができる。
【０１３４】
非磁性層の厚さは、磁化困難軸方向のアストロイド曲線を開くために、pに応じて適当な反強磁性結合(antiferromagnetic coupling）強度を確保する厚さ、具体的には、0.7ｎｍ以上、好ましくは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下の範囲内の値に設定する。
【０１３５】
ＳＡＦ構造を構成する２つの強磁性層の交換結合の強度は、上述のように非磁性層の厚さにより調整できるが、この他に、非磁性層を合金から構成し、その合金の組成を調節することで交換結合の強度を調整することもできる。
【０１３６】
交換結合の強度は、パラメータhj により規定される。本発明の例では、このパラメータhj は、0.6以上、80以下の値、好ましくは、1.1以上、27以下の範囲内の値に設定される。
【０１３７】
ここで、hj = J / (Hk・Ms・t) であり、Jは、ＳＡＦ構造のカップリングエネルギー、Hkは、２つの強磁性層の異方性磁界Hk1,Hk2のうち大きなほうの値、Ms 及びtは、それぞれ大きな異方性磁界Hkを持つ強磁性層の磁化及び厚さである。
【０１３８】
このように、ＳＡＦ構造における交換結合の強度を調整することにより、データを消失させる磁化困難軸方向の反転磁界は、記憶層が１つの強磁性層のみから構成されるときのそれの少なくとも２倍以上になる。
【０１３９】
(4) 交換結合の強度とアストロイド曲線（実験結果）
図２４及び図２５は、アストロイド特性の実験結果を示している。
この実験では、３種類のサンプルを用意し、交換結合の強度によりアストロイド曲線がどのように変化するかを検証する。
【０１４０】
サンプル１は、記憶層の構造を、上層から下層に向けてNiFe(3nm)/CoFe(0.5nm) /Ru(2nm)/CoFe(0.5nm)/NiFe(4nm)とした磁気抵抗効果素子（括弧内の数値は膜厚）であり、弱い交換結合（反強磁性結合）を持つＳＡＦ構造に関する。
【０１４１】
サンプル１のアストロイド特性は、図２４に示すように、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開いている。この場合、全ての象限において理想的なＬ形のアストロイド曲線を実現でき、誤書き込み耐性の向上を図れる。
【０１４２】
サンプル２は、記憶層の構造を、上層から下層に向けてNiFe(3nm)/CoFe(0.5nm) /Ru(0.8nm)/CoFe(0.5nm)/NiFe(4nm)とした磁気抵抗効果素子（括弧内の数値は膜厚）であり、強い交換結合（反強磁性結合）を持つＳＡＦ構造に関する。
【０１４３】
サンプル２のアストロイド特性は、図２５（ａ）に示すように、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が閉じている。この場合、特に、磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択状態における誤書き込み耐性が悪くなる。
【０１４４】
サンプル３は、記憶層の構造を、上層から下層に向けてNiFe(5nm)/CoFe(0.5nm)とした磁気抵抗効果素子（括弧内の数値は膜厚）である。
【０１４５】
サンプル３のアストロイド特性は、図２５（ｂ）に示すように、アストロイド曲線が磁化困難軸上及び磁化容易軸上で閉じている。この場合、磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択状態と磁化容易軸方向の磁場のみが印加される半選択状態の双方における誤書き込み耐性が悪くなる。
【０１４６】
尚、ここでは、アステロイド曲線が開くとは、磁化困難軸方向の磁場を強くしていったときに、アステロイド曲線が次第に磁化困難軸から離れていくことを意味し、アステロイド曲線が閉じるとは、磁化困難軸方向の磁場を強くしていったときに、アステロイド曲線が次第に磁化困難軸に近づくことを意味する。
【０１４７】
(5) 交換結合の強度とアストロイド曲線（シミュレーション結果）
図２６は、アストロイド特性のシミュレーション結果を示している。
磁気抵抗効果素子の形状（ＭＴＪ形状）は、同図（ａ）に示すように、サイズ0.5μｍ×0.29μｍのＣ形とする。ＳＡＦ：交換結合 弱は、サンプル１の条件に対応し、ＳＡＦ：交換結合 強は、サンプル２の条件に対応し、単層は、サンプル３の条件に対応する。
【０１４８】
このシミュレーションでは、上述の実験結果とほぼ同様のアストロイド特性を得ることができ、実験結果を裏付けることができた。
【０１４９】
図２７乃至図３０は、弱い交換結合を持つＳＡＦ構造の磁気抵抗効果素子に磁場を与えた場合の磁化状態をシミュレーションしたものである。
【０１５０】
強磁性層Ａ，Ｂは、ＳＡＦ構造を構成する層である。カップリングエネルギーＪは、0.02erg/cm2 とし、交換結合の強度は、上述の実験結果のサンプル１と同程度に設定する。この時、hjはおおよそ2程度である。
【０１５１】
弱い交換結合を持つＳＡＦ構造では、２つの強磁性層の異方性磁界を異なる値にすると、書き込み磁場としての外部磁場を与えたときに、異方性磁界の値が大きい強磁性層は、異方性磁界が小さい強磁性層よりも外部磁場の影響を受け易いために、反平行状態が崩れる。
【０１５２】
ここで、異方性磁界とは、強磁性層の残留磁化による磁界のことであり、その値は、形状（厚さを含む）と材料により決定される。
【０１５３】
形状による異方性磁界を形状異方性磁界、材料による異方性磁界を材料異方性磁界と呼び、両者を足し合わせたものを異方性磁界と称している。
【０１５４】
異方性磁界の値が大きいと、その磁化は、外部磁場の影響を受け易く、異方性磁界の値が小さいと、その磁化は、外部磁場によらず、残留磁化の磁化方向を向き易くなる。
【０１５５】
磁化困難軸方向の磁場Hyのみを磁気抵抗効果素子に与えた場合の磁化状態は、図２７及び図２８に示すようになる。
【０１５６】
磁化困難軸方向の磁場Hyの値が小さいとき（Hy=75 Oe）は、図２７に示すように、２つの強磁性層Ａ，Ｂの磁化方向は互いに反平行状態を維持するため、スイッチング磁場Hswの値(Hx)は小さくなる。
【０１５７】
これに対し、磁化困難軸方向の磁場Hyの値が大きくなると（Hy=150 Oe）、図２８に示すように、２つの強磁性層Ａ，Ｂの磁化方向は反平行状態を維持できなくなり、スイッチング磁場Hswの値は大きくなる。
【０１５８】
つまり、磁化困難軸方向の磁場Hyの値が大きくなるにつれて２つの強磁性層Ａ，Ｂのうち、異方性磁界の値が小さい強磁性層Ｂは、異方性磁界の大きい強磁性層Ａに比べて磁場Hyの影響を受け難いために、その磁化は、磁化容易軸方向に引き戻され、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開く。
【０１５９】
磁気抵抗効果素子に、磁化困難軸方向に一定の磁場Hyを与えた上で、さらに磁化容易軸方向に磁場Hxを少しずつ増大させながら与えた場合の磁化状態は、図２９及び図３０に示すようになる。
【０１６０】
磁化困難軸方向の磁場Hyの大きさは、固定(Hy=150 Oe)とする。
【０１６１】
図２９は、Hx=41 Oeの磁化反転直前の磁化状態を示している。
【０１６２】
これに対し、少し磁化容易軸方向の磁場Hxの値が大きくなると（Hx=42 Oe）、図３０に示すように、磁化反転が起きる。
【０１６３】
(5) ドライバ／シンカーの回路例
ドライバ／シンカーの回路例について説明する。
【０１６４】
ここでは、アストロイド曲線の第１象限と第３象限を用いてデータ書き込みを実行する場合のドライバ／シンカーの回路例について説明する。
【０１６５】
図３１は、ワードラインドライバ／シンカーの回路例を示している。
ワードラインドライバ／シンカー１，２は、例えば、図１８におけるワードラインドライバ／シンカー１，２に対応する。
【０１６６】
ワードラインドライバ／シンカー１は、ドライバとしてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１と、シンカーとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１と、デコーダとしてのＮＡＮＤゲート回路ＮＤ１及びアンドゲート回路ＡＤ１とから構成される。
【０１６７】
ワードラインドライバ／シンカー２は、ドライバとしてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２と、シンカーとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２と、デコーダとしてのＮＡＮＤゲート回路ＮＤ２及びアンドゲート回路ＡＤ２とから構成される。
【０１６８】
図３２は、ビットラインドライバ／シンカーの回路例を示している。
ビットラインドライバ／シンカー３，４は、例えば、図１８におけるビットラインドライバ／シンカー３，４に対応する。
【０１６９】
ビットラインドライバ／シンカー３は、ドライバとしてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ３と、シンカーとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ３と、デコーダとしてのＮＡＮＤゲート回路ＮＤ３及びアンドゲート回路ＡＤ３とから構成される。
【０１７０】
ビットラインドライバ／シンカー４は、ドライバとしてのＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ４と、シンカーとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ４と、デコーダとしてのＮＡＮＤゲート回路ＮＤ４及びアンドゲート回路ＡＤ４とから構成される。
【０１７１】
データ書き込み時には、書き込み信号ＷＲＩＴＥが“Ｈ”になる。また、選択されたｉ番目のロウのロウアドレス信号ｉの全ビットが“Ｈ”になり、選択されたｊ番目のカラムのカラムアドレス信号ｊの全ビットが“Ｈ”になる。
【０１７２】
書き込みデータが“１”である“１”−書き込み時には、ＤＡＴＡ＝“Ｈ”になるため、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２，Ｐ４及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ３がオン、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ３及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２，Ｎ４がオフになる。
【０１７３】
その結果、ワードラインドライバ／シンカー２からワードラインドライバ／シンカー１に左向きの書き込み電流が流れ、かつ、ビットラインドライバ／シンカー４からビットラインドライバ／シンカー３に下向きの書き込み電流が流れ、第１象限を用いたデータ書き込みが実行される。
【０１７４】
書き込みデータが“０”である“０”−書き込み時には、ＤＡＴＡ＝“Ｌ”になるため、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ３及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２，Ｎ４がオン、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２，Ｐ４及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ３がオフになる。
【０１７５】
その結果、ワードラインドライバ／シンカー１からワードラインドライバ／シンカー２に右向きの書き込み電流が流れ、かつ、ビットラインドライバ／シンカー３からビットラインドライバ／シンカー４に上向きの書き込み電流が流れ、第３象限を用いたデータ書き込みが実行される。
【０１７６】
(6) 製造方法
次に、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
【０１７７】
磁気抵抗効果素子は、一般的には、光、電子ビーム及びＸ線のいずれかを用いてレジストを露光し、かつ、現像によりレジストパターンを形成し、この後、このレジストパターンをマスクにして、イオンミリング又はエッチングにより磁性材料及び非磁性材料を加工することにより形成される。
【０１７８】
大きなサイズ、例えば、ミクロンオーダーの磁気抵抗効果素子を形成する場合には、レジストパターンを転写したハードマスク（例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなど）を形成し、このハードマスクをマスクにして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により磁性材料及び非磁性材料を加工し、磁気抵抗効果素子を得る。
【０１７９】
小さなサイズ、例えば、2〜3 μｍ から 0.1μｍまでのサブミクロンサイズの磁気抵抗効果素子を形成する場合には、光リソグラフィを用いることができる。この場合は、光リソグラフィによりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをハードマスクに転写する。このハードマスクをマスクにして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により磁性材料及び非磁性材料を加工し、磁気抵抗効果素子を得る。
【０１８０】
微細なサイズ、例えば、0.5μｍ以下のサイズを持つ磁気抵抗効果素子を形成する場合には、電子ビーム露光を用いることができる。この場合は、電子ビーム露光によりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをハードマスクに転写する。このハードマスクをマスクにして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により磁性材料及び非磁性材料を加工し、磁気抵抗効果素子を得る。
【０１８１】
他に、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子の平面形状を得るに当たって有望な製造方法として、２ステップ・プロセスと呼ばれる製造方法がある。
【０１８２】
この２ステップ・プロセスは、磁気抵抗効果素子をパターニングするときのマスクとなるハードマスクの製造方法に関する。
【０１８３】
図３３は、２ステップ・プロセスの第１例を示している。
第１例は、図１４のＣ形を作る場合の例である。
【０１８４】
まず、同図（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１１のパターンをハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）１２に転写する。この時点では、ハードマスク１２の形状は台形である（第１ステップ）。
【０１８５】
次に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１３のパターンをハードマスク１２に転写する。即ち、ハードマスク（台形）１２の底辺（又は長辺）の中央部を窪ませると、Ｃ形のハードマスク１２が形成される（第２ステップ）。
【０１８６】
この後、このハードマスク１２を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、Ｃ形の磁気抵抗効果素子ＭＴＪが完成する。
【０１８７】
このような２ステップ・プロセスによれば、長さが0.5μｍ以下の微細なＣ形磁気抵抗効果素子を容易に形成できる。
【０１８８】
図３４は、２ステップ・プロセスの第２例を示している。
第２例も、図１４のＣ形を作る場合の例である。
【０１８９】
まず、同図（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１１のパターンをハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）１２に転写する。この時点では、ハードマスク１２の形状は台形であり、その幅Ｗ＋αは、完成予定幅Ｗよりも大きく設定される（第１ステップ）。
【０１９０】
次に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１３のパターンをハードマスク１２に転写する。即ち、ハードマスク（台形）１２の幅Ｗ＋αを狭めると共に、その底辺（又は長辺）の中央部を窪ませると、Ｃ形のハードマスク１２が形成される（第２ステップ）。
【０１９１】
この後、このハードマスク１２を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、Ｃ形の磁気抵抗効果素子ＭＴＪが完成する。
【０１９２】
このような２ステップ・プロセスにおいても、長さが0.5μｍ以下の微細なＣ形磁気抵抗効果素子を容易に形成できる。この方法の利点は、下側のふたつの角を直角に近いシャープな形に形成できることである。これによって磁化過程が好ましいものになる。
【０１９３】
図３５は、２ステップ・プロセスの第３例を示している。
第３例は、図１５のＳ十字形を作る場合の例である。
【０１９４】
まず、同図（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１１のパターンをハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）１２に転写する。この時点では、ハードマスク１２の延在部に相当する部分は長方形である（第１ステップ）。
【０１９５】
次に、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１３のパターンをハードマスク１２に転写する。即ち、ハードマスク１２の延在部に相当する部分（長方形）の短辺を斜めに切り落とす（第２ステップ）。
【０１９６】
この後、このハードマスク１２を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、平行四辺形の延在部とこの延在部から突出する突出部とを有するＳ十字形となる。
【０１９７】
このような２ステップ・プロセスによれば、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの延在部の形状を、短辺が直線的に切り落とされた平行四辺形にすることができる。この場合、アストロイド曲線の非対称性が顕著に現れるため、第１象限と第３象限（又は第２象限と第４象限）を用いた書き込み方法が有効となる。
【０１９８】
図３６は、２ステップ・プロセスの第４例を示している。
第４例も、図１５のＳ十字形を作る場合の例である。
【０１９９】
まず、同図（ａ）に示すように、１回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１４のパターンをハードマスク（例えば、ＳｉＯ２）１５に転写する。ハードマスク１５は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの延在部の形状を決定する（第１ステップ）。
【０２００】
次に、同図（ｂ）に示すように、ハードマスク１５の側壁(サイドウォール)に絶縁層（例えば、ＳｉＮ）１６を形成する。
【０２０１】
そして、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１７のパターンをハードマスクとしての絶縁層１６に転写する。ハードマスクとしての絶縁層１６は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの突出部の形状を決定する（第２ステップ）。
【０２０２】
この後、これらハードマスク１５，１６を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、短辺の一部が切り落とされた長方形の延在部とこの延在部から突出する突出部とを有するＳ十字形となる。
【０２０３】
２ステップ・プロセスの第３例と第４例を組み合わせた３ステップ・プロセスを用いると、さらに望ましいＭＴＪ形状を微細に作りこむことが出来る。
【０２０４】
図３７に、３ステップ・プロセスの例を示している。
延在部と突出部の両方の形状を精密に制御して作り込むプロセスである。
【０２０５】
まず、同図(a)に示すように、複数のメモリセルに跨ってライン＆スペースからなるハードマスク(例えばSiO2)を形成する。次に、同図（ｂ）に示すように、ハードマスク１５の側壁(サイドウォール)に絶縁層（例えば、ＳｉＮ）１６を形成する（第１ステップ）。
【０２０６】
そして、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、２回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１３のパターンをハードマスク１５と絶縁層１６に転写する。即ち、ハードマスク１５の延在部の形状を決定する（第２ステップ）。
【０２０７】
さらに、同図（e）及び（f）に示すように、3回目の光リソグラフィ及びエッチングステップを行い、フォトレジスト１７のパターンをハードマスクとしての絶縁層１６に転写する。ハードマスクとしての絶縁層１６は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの突出部の形状を決定する（第3ステップ）。
【０２０８】
この後、これらハードマスク１５，１６を用いて磁気抵抗効果素子ＭＴＪのパターニングを行うと、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、延在部と突出部の両方が、磁気特性からみて望ましい形状を有するＳ十字形となる。
【０２０９】
このような２ステップ・プロセスや３ステップ・プロセスによれば、突出部の形状を精密に制御できるため、アストロイド曲線のばらつきの低減に有効である。
【０２１０】
(7) 情報書き込み方法
図３８は、本発明の例に関わる磁気抵抗効果素子に適用される情報書き込み方法のいくつかの例を示している。
【０２１１】
本発明の例で提案する磁気抵抗効果素子に対する情報書き込み方法で重要な点は、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加を終了した後に、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界印加を終了する点にある。
【０２１２】
同図（ａ）〜（ｄ）に示す４種類の情報書き込み方法により得られるアステロイド特性を説明する。灰色部は、磁化反転しない領域を示し、斜線部は、磁化反転する領域を示している。実線矢印は、磁化フリー層の磁化方向を左向きから右向きに反転させる際の磁界ベクトルである。
【０２１３】
本発明の例に関わる書き込み方法では、同図（ａ）又は（ｃ）に示すように、磁化反転を行った後の磁界の消滅の仕方に関し、まず、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加を終了した後に、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界印加を終了する。
【０２１４】
これに対し、比較例としての書き込み方向では、同図（ｂ）又は（ｄ）に示すように、磁化反転を行った後の磁界の消滅の仕方に関し、まず、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界印加を終了した後に、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加を終了する。
【０２１５】
本発明の例と比較例とを比べると、本発明の例では、磁化反転が起こる斜線部の領域が顕著に広く、広い動作マージンが確保されるのに対し、比較例では、点線で囲った領域に磁化反転が起こらない領域が現れ、動作マージンが狭くなっていることが分かる。
【０２１６】
これらの書き込み方法によるアステロイド特性の違いは、書き込みが終了した時点で磁化が向くべき方向、即ち、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界のみを印加した状態から、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界の大きさを小さくしていき、磁界印加を終了させることにより、磁化反転が安定して行われることを意味している。
【０２１７】
以上のように、磁化反転を行った後、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加を終了した後に、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界のみが印加される状態を作ることにより、高集積メモリに必要なアステロイド特性を得ることができる。
【０２１８】
尚、磁化反転前における磁界印加の方法については、特に限定されない。
【０２１９】
例えば、同図（ａ）又は（ｂ）に示すように、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界を与えた後に、磁化困難軸Ｈｙ方向と磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界を印加して磁化反転を行うようにしてもよいし、同図（ｃ）又は（ｄ）に示すように、磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界を与えた後に、磁化困難軸Ｈｙ方向と磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界を印加して磁化反転を行うようにしてもよい。
【０２２０】
さらには、同図（ｅ）に示すように、磁化困難軸Ｈｙ方向と磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界を同時に印加するようにしても、磁化反転後の磁界印加を終了する順番を、磁化困難軸Ｈｙ方向の磁界印加の終了→磁化容易軸Ｈｘ方向の磁界印加の終了、とすることにより、動作マージンを広げることができる。
【０２２１】
(8) その他
メモリセルアレイ構造（図１８）に関し、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、全て同じ方向を向いていることを前提とする。
【０２２２】
但し、ｘ方向に隣接する２つの磁気抵抗効果素子ＭＴＪを鏡映対称又は点対称にレイアウトすることもできる。また、ｙ方向に隣接する２つの磁気抵抗効果素子ＭＴＪを鏡映対称又は点対称にレイアウトすることもできる。
【０２２３】
これらの場合において、１トランジスタ−１ＭＴＪタイプのセルアレイ構造を採用する場合には、１つのトランジスタ（選択素子）を複数の磁気抵抗効果素子ＭＴＪで共有することができる。
【０２２４】
４． 効果
本発明の例によれば、以下の効果を得ることができる。
【０２２５】
a) ＳＡＦ構造における２つの強磁性層の交換結合の強度を、二つの磁性層の膜厚比に応じて適度に弱くすることで、磁化困難軸方向におけるアストロイド曲線が開き、ワード線に流れる書き込み電流により発生する磁化困難軸方向の磁場のみが印加される半選択セルの誤書き込み耐性を向上できる。
【０２２６】
b) また、Ｃ形、Ｓ十字形などの形状を採用することで、ビット線に流れる書き込み電流により発生する磁化容易軸方向の磁場のみが印加される半選択セルについては、少なくとも１つのＣ型磁区が構成されることにより、同様に、誤書き込み耐性を向上できる。
【０２２７】
c) 全ての象限についてアストロイド曲線はＬ形になるため、書き込みマージンが増大する。また、書き込みポイントの位置を下げる、即ち、書き込みポイントをアストロイド特性図における原点に近付けることにより、書き込み電流の低減と低消費電力化に貢献できる。
【０２２８】
d) 書き込みポイントの位置が下がることで、半選択セルの熱擾乱耐性が向上すると共に、磁気抵抗効果素子のサイズの縮小化を実現でき、メモリセルのスケーラビリティ(scalability)が向上する。
【０２２９】
e) また、２ステップ・プロセスや３ステップ・プロセスを採用すれば、Ｃ形やＳ十字形などの平面形状を有する磁気抵抗効果素子に関し、プロセスの面から実際にそのサイズを縮小できるため、高集積、高速、低消費電力の磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。
【０２３０】
f) 第１象限と第２象限（又は第３象限と第４象限）のアストロイド曲線が非対称であるときは、第１象限と第３象限（又は第２象限と第４象限）を利用してデータ書き込みを実行することもできる。
【０２３１】
g) 本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施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、上述の実施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、異なる実施の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】
【０２３２】
【図１】参考例としてのアストロイド曲線を示す図。
【図２】参考例としてのアストロイド曲線を示す図。
【図３】本発明の例に関わるアストロイド曲線を示す図。
【図４】ＳＡＦの交換結合の強度と非磁性層の厚さとの関係を示す図。
【図５】ＳＡＦの磁気相図を示す図。
【図６】図５の磁気相図に関わる記憶層の構造を示す図。
【図７】Hsとpとの関係を示す図。
【図８】pとhjとの関係を示す図。
【図９】ＳＡＦとしての記憶層のエネルギーマップを示す図。
【図１０】エネルギーバリアの外部磁場依存性を示す図。
【図１１】エネルギーバリアの外部磁場依存性を示す図。
【図１２】pの関数としてhjの最適範囲を示す図。
【図１３】t2の関数としてhjの最適範囲を示す図。
【図１４】Ｃ形磁気抵抗効果素子を示す図。
【図１５】Ｓ十字形磁気抵抗効果素子を示す図。
【図１６】Ｓ十字形磁気抵抗効果素子を示す図。
【図１７】Ｃ形、Ｓ十字形及び従来形を比較して示す図。
【図１８】磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルアレイの例を示す図。
【図１９】読み出し回路の例を示す図。
【図２０】読み出し回路の例を示す図。
【図２１】読み出し回路の例を示す図。
【図２２】読み出し回路の例を示す図。
【図２３】磁気抵抗効果素子の構造例を示す図。
【図２４】弱い交換結合のＳＡＦのアストロイド曲線を示す図。
【図２５】強い交換結合のＳＡＦと単層構造の記憶層のアストロイド曲線を示す図。
【図２６】困難軸方向に開くアストロイド曲線を示す図。
【図２７】困難軸方向の磁場による磁気抵抗効果素子の磁化状態を示す図。
【図２８】困難軸方向の磁場による磁気抵抗効果素子の磁化状態を示す図。
【図２９】容易軸及び困難軸方向の磁場による磁気抵抗効果素子の磁化状態を示す図。
【図３０】容易軸及び困難軸方向の磁場による磁気抵抗効果素子の磁化状態を示す図。
【図３１】ワードラインドライバ／シンカーの例を示す回路図。
【図３２】ビットラインドライバ／シンカーの例を示す回路図。
【図３３】ハードマスクの製造方法の第１例（Ｃ形）を示す図。
【図３４】ハードマスクの製造方法の第２例（Ｃ形）を示す図。
【図３５】ハードマスクの製造方法の第３例（Ｓ十字形）を示す図。
【図３６】ハードマスクの製造方法の第４例（Ｓ十字形）を示す図。
【図３７】３ステップ・プロセスの例を示す図。
【図３８】情報書き込み方法を示す図。
【符号の説明】
【０２３３】
１，２： ワードラインドライバ／シンカー、 ３，４： ビットラインドライバ／シンカー、 １１，１３，１４，１７： フォトレジスト、 １２，１５，１６： ハードマスク、 ＭＴＪ： 磁気抵抗効果素子、 ＷＬｉ−１，ＷＬｉ，ＷＬｉ＋１： ワードライン、 ＢＬｊ−１，ＢＬｊ，ＢＬｊ＋１： ビットライン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２強磁性層と、前記第１及び第２強磁性層の間に配置される非磁性層とを有する記憶層を具備し、前記第１及び第２強磁性層の交換結合の強度は、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開く形となるように設定されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記非磁性層の厚さは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下であ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１及び第２強磁性層の異方性磁界の値は異なり、前記磁化困難軸方向の磁場のみが印加されるときの前記第１及び第２強磁性層の磁化の向きは反平行状態でないことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１及び第２強磁性層の内、異方性磁界の大きな方の磁性層の異方性磁界Hkと磁化Msと膜厚tと第１及び第２強磁性層のカップリングエネルギーJとを用いてhj=J/(Hk・Ms・t)の式で表されるパラメータhjと、前記第１及び第２強磁性層の内、異方性磁界の大きな方の磁性層の膜厚tに対する異方性磁界の小さな方の磁性層の膜厚t’の比p=t’/t とを使って、hjとpとの関係が12p4≦hj≦40p4であることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記記憶層は、磁化容易軸方向の中心線に対して非対称な形状を有す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】
前記記憶層は、２回回転対称性を有し、かつ、磁化容易軸方向に延びる中心線及び前記磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない形状を有す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７】
前記記憶層の角部は全て丸くなっていることを特徴とする請求項５又は６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第１及び第２強磁性層は、それぞれ、NiFe, Co9 Fe10, Fe, Co, Ni を含む金属のうちの１つ、これら金属を積層したもの、又は、これら金属の少なくとも１つを含む合金から構成され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】
前記非磁性層は、Ru, Ir, Rh, Cu を含む金属のうちの１つ、又は、これら金属の少なくとも１つを含む合金から構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称の台形からなる第１パターンを形成する工程と、前記台形の底辺の中央部に窪みを形成し、Ｃ形からなる第２パターンを形成する工程と、前記第２パターンをハードマスクとして磁気抵抗効果素子のパターニングを行う工程とを具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】
磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称の台形からなる第１パターンを形成する工程と、前記台形の幅を狭めると共に前記台形の底辺の中央部に窪みを形成し、Ｃ形からなる第２パターンを形成する工程と、前記第２パターンをハードマスクとして磁気抵抗効果素子のパターニングを行う工程とを具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１乃至９に記載の磁気抵抗効果素子に対して、磁界による情報書き込みを行う際に、磁化困難軸方向への磁界印加を終了した後に、磁化容易軸方向への磁界印加を終了することを特徴とする情報書き込み方法。
【請求項１】
第１及び第２強磁性層と、前記第１及び第２強磁性層の間に配置される非磁性層とを有する記憶層を具備し、前記第１及び第２強磁性層の交換結合の強度は、磁化困難軸方向のアストロイド曲線が開く形となるように設定されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記非磁性層の厚さは、１ｎｍ以上、５ｎｍ以下であ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１及び第２強磁性層の異方性磁界の値は異なり、前記磁化困難軸方向の磁場のみが印加されるときの前記第１及び第２強磁性層の磁化の向きは反平行状態でないことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１及び第２強磁性層の内、異方性磁界の大きな方の磁性層の異方性磁界Hkと磁化Msと膜厚tと第１及び第２強磁性層のカップリングエネルギーJとを用いてhj=J/(Hk・Ms・t)の式で表されるパラメータhjと、前記第１及び第２強磁性層の内、異方性磁界の大きな方の磁性層の膜厚tに対する異方性磁界の小さな方の磁性層の膜厚t’の比p=t’/t とを使って、hjとpとの関係が12p4≦hj≦40p4であることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記記憶層は、磁化容易軸方向の中心線に対して非対称な形状を有す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】
前記記憶層は、２回回転対称性を有し、かつ、磁化容易軸方向に延びる中心線及び前記磁化困難軸方向に延びる中心線に対して鏡映対称でない形状を有す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７】
前記記憶層の角部は全て丸くなっていることを特徴とする請求項５又は６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第１及び第２強磁性層は、それぞれ、NiFe, Co9 Fe10, Fe, Co, Ni を含む金属のうちの１つ、これら金属を積層したもの、又は、これら金属の少なくとも１つを含む合金から構成され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】
前記非磁性層は、Ru, Ir, Rh, Cu を含む金属のうちの１つ、又は、これら金属の少なくとも１つを含む合金から構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称の台形からなる第１パターンを形成する工程と、前記台形の底辺の中央部に窪みを形成し、Ｃ形からなる第２パターンを形成する工程と、前記第２パターンをハードマスクとして磁気抵抗効果素子のパターニングを行う工程とを具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】
磁化容易軸方向に延びる中心線に対して非対称の台形からなる第１パターンを形成する工程と、前記台形の幅を狭めると共に前記台形の底辺の中央部に窪みを形成し、Ｃ形からなる第２パターンを形成する工程と、前記第２パターンをハードマスクとして磁気抵抗効果素子のパターニングを行う工程とを具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１乃至９に記載の磁気抵抗効果素子に対して、磁界による情報書き込みを行う際に、磁化困難軸方向への磁界印加を終了した後に、磁化容易軸方向への磁界印加を終了することを特徴とする情報書き込み方法。
【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２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【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２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【公開番号】特開２００７−９６０９２（Ｐ２００７−９６０９２Ａ）
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８５０５４（Ｐ２００５−２８５０５４）
【出願日】平成１７年９月２９日（２００５．９．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２９日（２００５．９．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]