JP5360596B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ: Magnetic Random Access Memory）に関する。特に、本発明は、磁壁移動型のＭＲＡＭに関する。

近年、不揮発性メモリのひとつとして、磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭが提案されている。特に、大きな磁気抵抗効果を示す磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）を用いたＭＲＡＭの開発が盛んに行われている。

典型的なＭＴＪは、第１の強磁性層と第２の強磁性層の間に非磁性絶縁層（以下、「トンネルバリア層」と参照される）が挟まれた積層構造を有している。この積層構造の膜面に垂直な方向に電流が流れる時のＭＴＪの電気抵抗は、２つの強磁性層の磁化（磁気モーメント）の相対角度に依存して変化する。具体的には、磁化が互いに平行な状態において電気抵抗は極小となり、反平行な状態において電気抵抗が極大となる。このような抵抗の変化は、「トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）効果）」と呼ばれている。

ＭＲＡＭでは、このようなＭＴＪを含む素子（ＴＭＲ素子、ＭＴＪ素子）がメモリセルとして用いられ、ＭＴＪの抵抗値の大小がデータ「１」、「０」に対応付けられる。データの読み出しは、ＭＴＪの抵抗値を検出することによって行われる。一方、データの書き込みは、２つの強磁性層の磁化状態を「平行状態」と「反平行状態」との間でスイッチすることにより行われる。一般的には、２つの強磁性層のうち一方の磁化の向きは固定されており、他方の磁化を反転させることによりデータ書き込みが行われる。前者は、「ピン層（磁化固定層）」と呼ばれており、後者は「フリー層（磁化自由層）」あるいは「記録層」と呼ばれている。

ＭＲＡＭに対するデータの書き込み方式として、従来、「アステロイド方式」（例えば、米国特許第５６４０３４３号を参照）や、「トグル方式」（例えば、米国特許第６５４５９０６号、特表２００５−５０５８８９号公報を参照）が知られている。これらの書き込み方式によれば、メモリセルサイズにほぼ反比例して、フリー層の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。

微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制することができる書き込み方式として、「スピン注入（spin transfer）方式」が提案されている（例えば、特開２００５−０９３４８８号公報、J. C. Slonczewski, "Current-driven excitation of magnetic multilayers", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-L7, 1996、を参照）。スピン注入方式によれば、強磁性導体にスピン偏極電流（spin-polarized current）が注入され、その電流を担う伝導電子のスピンと導体の磁気モーメントとの間の直接相互作用（スピントランスファー）によって磁化が反転する（スピン注入磁化反転：Spin Transfer Magnetization Switching）。ここで、スピン注入磁化反転の閾値は「電流密度」に依存することが知られている。従って、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、磁化反転に必要な書き込み電流が減少する。

スピン注入方式がＭＴＪに適用される場合、トンネルバリア層を通してピン層とフリー層との間に書き込み電流が流される。ピン層とフリー層との間のスピントランスファー（スピン角運動量の授受）により、フリー層の磁化を反転させることができる。但し、この場合、ＭＴＪの積層構造を貫通するように書き込み電流が流れるため、トンネルバリア層が劣化する恐れがある。

これに対し、書き込み電流を面内に流す方式も提案されている（例えば、特開２００５−１９１０３２号公報、特開２００６−０７３９３０号公報を参照）。その方式を、図１を参照して説明する。

図１において、磁気抵抗効果素子は、磁気記録層１１０、ピン層１１２、及び磁気記録層１１０とピン層１１２に挟まれたトンネルバリア層１１１を備えている。磁気記録層１１０は、第１磁化固定領域１１０−１、第２磁化固定領域１１０−２及び磁化反転領域１１０−３を有している。このうち磁化反転領域１１０−３がピン層１１２とオーバーラップしており、トンネルバリア層１１１及びピン層１１２と共にＭＴＪを形成している。

第１磁化固定領域１１０−１は、磁化反転領域１１０−３の第１境界Ｂ１に接続されている。一方、第２磁化固定領域１１０−２は、磁化反転領域１１０−３の第２境界Ｂ２に接続されている。第１磁化固定領域１１０−１及び第２磁化固定領域１１０−２の磁化は、逆方向に固定されている。例えば図１において、第１磁化固定領域１１０−１の磁化は−Ｘ方向に固定されており、第２磁化固定領域１１０−２の磁化は＋Ｘ方向に固定されている。

一方、磁化反転領域１１０−３の磁化は、反転可能であり、第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２のいずれかへ向く。従って、磁気記録層１０において、磁壁（domain wall）ＤＷが、第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２に形成されることになる。図１においては、磁化反転領域１１０−３の磁化の向きは＋Ｘ方向であり、第１境界Ｂ１に磁壁ＤＷが形成されている。磁化反転領域１１０−３の磁化の向きとピン層１１２の磁化の向きの関係により、データ「１」あるいは「０」が規定される。

また、図１に示されるように、第１配線１３１が、第１コンタクト１３２を介して第１磁化固定領域１１０−１に接続されており、第２配線１３４が、第２コンタクト１３３を介して第２磁化固定領域１１０−２に接続されている。データ書き込み時、第１配線１３１と第２配線１３４との間に書き込み電流が流される。つまり、書き込み電流は、磁気記録層１１０が形成された面内を流れ、トンネルバリア層１１１を貫通しない。

例えば、図１で示された状態において、書き込み電流が、第２配線１３４から磁気記録層１１０を通して第１配線１３１に流れる。この場合、電子は、第１磁化固定領域１１０−１から第１境界Ｂ１を通して磁化反転領域１１０−３に流れ込む。第１磁化固定領域１１０−１からのスピン電子が磁化反転領域１１０−３に注入されるため、スピントランスファーにより、磁化反転領域１１０−３の磁化が−Ｘ方向に反転する。結果として、磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２に形成されることになる。言い換えれば、面内を流れる書き込み電流により、磁壁ＤＷが、第１境界Ｂ１から磁化反転領域１１０−３を通して第２境界Ｂ２に移動する。

逆に、書き込み電流が、第１配線１３１から磁気記録層１１０を通して第２配線１３４に流れる場合、磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２から磁化反転領域１１０−３を通して第１境界Ｂ１へ移動する。その結果、磁化反転領域１１０−３の磁化が＋Ｘ方向に反転する。

このように、第１磁化固定領域１１０−１と第２磁化固定領域１１０−２との間を流れる電流により、磁気記録層１１０中の磁壁ＤＷが、第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２との間を移動する。この現象は、「電流駆動磁壁移動（Current-Driven Domain Wall Motion）」と呼ばれている。そして、電流駆動磁壁移動を利用したデータ書き込み方式は、「磁壁移動方式」と呼ばれている。磁壁移動型のＭＲＡＭは、トンネルバリア層１１１の劣化が抑制されるという特徴を有している。また、スピン注入方式に基づいてデータ書き込みが行われるため、メモリセルサイズの縮小に伴い、書き込み電流が低減される。

上述の通り、図１で示された磁壁移動型ＭＲＡＭによれば、電流駆動磁壁移動によりデータ書き込みが行われる。但し、電流駆動磁壁移動を実現するためには、第１磁化固定領域１１０−１と第２磁化固定領域１１０−２の磁化を、逆向きに固定しておく必要がある。しかしながら、同一平面内において磁化を逆向きに固定することは、一般的に困難である。

本発明の１つの目的は、磁壁移動型ＭＲＡＭにおいて磁化を容易に且つ安定的に固定することができる技術を提供することにある。

本発明の１つの観点において、磁壁移動型の磁気ランダムアクセスメモリが提供される。その磁気ランダムアクセスメモリは、強磁性層である磁気記録層と、磁化の向きが固定された強磁性層である磁気結合層とを備える。磁気記録層は、第１領域と、第２領域と、第１領域と第２領域との間をつなぐ磁化反転領域とを有する。第１領域は、磁気結合層と磁気的に結合し、その磁化の向きは磁気結合層によって第１方向に固定される。第２領域は、磁気結合層と磁気的に結合せず、その磁化の向きは第１方向と逆の第２方向である。

本発明の他の観点において、磁壁移動型の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法が提供される。その製造方法は、強磁性層である磁気結合層を形成するステップと、強磁性層である磁気記録層を形成するステップと、第１外部磁界を印加し、熱処理を実施することにより、磁気結合層の磁化の向きを固定するステップと、ここで、磁気記録層のうち第１領域だけが磁気結合層と磁気的に結合し、その磁気結合層によって前記第１領域の磁化の向きは第１方向に固定され、上記磁化の向きを固定するステップの後、第１方向と逆向きの第２方向に沿った第２外部磁界を印加することによって、磁気記録層中に磁壁を生成するステップと、を含む。

本発明によれば、磁壁移動型ＭＲＡＭにおいて、磁化を容易に且つ安定的に固定することが可能となる。従って、製造コストが削減され、また、信頼性が向上する。

上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。

図１は、一般的な磁壁移動型ＭＲＡＭにおける磁気抵抗効果素子の構造を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る磁壁移動型ＭＲＡＭの構造を示す断面図である。 図３は、第１の実施の形態における記憶素子部の構造を示す模式図である。 図４は、第１の実施の形態における記憶素子部の構造を示す断面図である。 図５は、第２の実施の形態における記憶素子部の構造を示す模式図である。 図６は、第２の実施の形態における記憶素子部の構造を示す断面図である。 図７は、第３の実施の形態における記憶素子部の構造を示す模式図である。 図８は、第３の実施の形態における記憶素子部の構造を示す断面図である。 図９は、第４の実施の形態における記憶素子部の構造を示す模式図である。 図１０は、中間層としての非磁性金属層の厚さに対する交換磁気結合の強さの依存性を示すグラフである。 図１１は、第４の実施の形態における記憶素子部の他の例を示す模式図である。 図１２は、第４の実施の形態における記憶素子部の更に他の例を示す模式図である。 図１３Ａは、面内磁化膜における磁壁移動を説明するための模式図である。 図１３Ｂは、垂直磁化膜における磁壁移動を説明するための模式図である。 図１４は、磁壁移動に要するデピン電流密度及びデピン磁界のシミュレーション結果を示すグラフである。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。本発明の実施の形態によれば、「磁壁移動型のＭＲＡＭ」が提供される。そのＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを備えており、各メモリセルは、磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子を含んでいる。以下の実施の形態において、磁気抵抗効果素子は、ＴＭＲ効果を示すＭＴＪ素子である。

１．第１の実施の形態
１−１．構造
図２は、第１の実施の形態に係る磁壁移動型のＭＲＡＭ１００の主要部分の断面構造を示している。特に、図２では、１ビット分のメモリセルの断面構造の一例が示されている。メモリセルは、選択トランジスタ部ＰＴと記憶素子部ＰＭを含んでいる。

まず、選択トランジスタ部ＰＴについて説明する。図２において、半導体基板４１は、例えばｐ型シリコン基板（あるいはｐ型ウェル領域）である。その半導体基板４１中に、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造で例示される素子分離構造４２が形成されている。この素子分離構造４２に囲まれた領域に、読み出し選択スイッチが形成されている。

読み出し選択スイッチは、ＭＯＳトランジスタ（例えば、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ）で構成されている。具体的には、半導体基板４１上に、ゲート絶縁膜４３を介してゲート電極４４が形成されている。ゲート電極４４の側面には、サイドウォール４５が形成されている。ゲート電極４４の両側の半導体基板４１表面には、ソース／ドレインとして機能する拡散領域４６、４７が形成されている。ゲート電極４４は、Ｙ方向に沿って延びており、読み出し動作時に、読み出し対象セルを選択するための読み出しワード線として機能する。

半導体基板４１上には、層間絶縁膜を介して第１金属層（４９、５０）が形成されている。また、その層間絶縁膜を貫通するように、コンタクト４８が形成されている。第１金属層は、コンタクト４８を介して拡散領域４６に接続されるビット線５０と、コンタクト４８を介して拡散領域４７に接続される中間層４９を含んでいる。更に、第１金属層上には、層間絶縁膜を介して第２金属層（５２）が形成されている。第２金属層は、中間層５２として機能し、コンタクト５１を介して上記中間層４９に接続されている。更に、第２金属層上には、層間絶縁膜を介して第３金属層（３１、３４）が形成されている。第３金属層は、コンタクト５４を介して上記中間層５２に接続されている。

次に、記憶素子部ＰＭについて説明する。図２において、記憶素子部ＰＭは、上述の第３金属層、磁気抵抗効果素子１、及び読み出し配線３５を有している。第３金属層は、第１配線３１と第２配線３４を含んでおり、磁気抵抗効果素子１と電気的に接続されている。これら第１配線３１及び第２配線３４は、磁気抵抗効果素子１に書き込み電流を供給する書き込みワード線として機能する。一方、読み出し配線３５も磁気抵抗効果素子１と電気的に接続されている。この読み出し配線３５には、データ読み出し時に読み出し電流が流れる。

図３は、本実施の形態に係る記憶素子部ＰＭの構造をより詳細に示している。図３に示されるように、記憶素子部ＰＭは、磁気抵抗効果素子１、磁気結合層２０、第１配線３１及び第２配線３４を有している。

磁気抵抗効果素子１は、強磁性層である磁気記録層１０、非磁性層であるトンネルバリア層１１、強磁性層であるピン層１２、及び反強磁性層１５を含んでいる。磁気記録層１０とピン層１２は、トンネルバリア層１１を介して互いに接続されている。すなわち、トンネルバリア層１１は、磁気記録層１０とピン層１２によって挟まれており、これら磁気記録層１０、トンネルバリア層１１及びピン層１２によってＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）が形成されている。トンネルバリア層１１は、薄い絶縁膜であり、例えば、Ａｌ膜を酸化することにより得られるアルミナ酸化膜（Ａｌ−Ｏｘ）あるいは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜等である。

磁気記録層１０及びピン層１２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、あるいはこれらのうち少なくとも１つを含む合金からなる強磁性膜である。特に、本実施の形態において、磁気記録層１０及びピン層１２は、「垂直磁気異方性（perpendicular magnetic anisotropy）」を有している。そのような垂直磁気異方性を有する強磁性膜は、以下「垂直磁化膜（perpendicular magnetic film）」と参照される。垂直磁化膜の磁化の向きは、概ね、当該膜が形成される面に直交する、すなわち、当該膜の法線方向と平行である。例えば図３において、磁気記録層１０及びピン層１２は、ＸＹ平面に平行に形成されており、それらの磁化は概ね＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向を向く。

垂直磁化膜がＰｔやＰｄを含む場合、垂直磁気異方性はより安定化し、好適である。それに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって、垂直磁化膜が所望の磁気特性を発現するように調整を行うことができる。従って、磁気記録層１０やピン層１２の材料としては、Ｃｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏなどが例示される。あるいは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含む層が、別の層と積層されてもよい。この場合、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ａｕなどの積層構造が例示される。

反強磁性層１５は、ピン層１２上に積層されており、ピン層１２の磁化方向を固定する役割を果たしている。具体的には、ピン層１２と反強磁性層１５の間に働く交換相互作用により、ピン層１２の磁化が一方向に固定される。図３で示された例では、ピン層１２の磁化は、＋Ｚ方向に固定されている。反強磁性層１５の材料としては、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎなどのマンガン合金、あるいは、ＣｏＯ、ＮｉＯなどの金属酸化物が例示される。

図３に示されるように、本実施の形態に係る磁気記録層１０は、３つの異なる領域である第１磁化固定領域１０−１、第２磁化固定領域１０−２、及び磁化反転領域１０−３を有している。磁化反転領域１０−３は、第１磁化固定領域１０−１と第２磁化固定領域１０−２の間をつなぐようにＸ軸に沿って延びている。第１磁化固定領域１０−１及び第２磁化固定領域１０−２は、磁化反転領域１０−３を挟んで両側に形成されている。より詳細には、第１磁化固定領域１０−１と磁化反転領域１０−３は、第１境界Ｂ１において互いに接触しており、第２磁化固定領域１０−２と磁化反転領域１０−３は、第２境界Ｂ２において互いに接触している。磁化反転領域１０−３の第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２は、Ｘ軸と交差する対向する両側面と一致している。

第１磁化固定領域１０−１、第２磁化固定領域１０−２、及び磁化反転領域１０−３は、同一平面（ＸＹ面）上に形成されている。これらのうち磁化反転領域１０−３が、上述のピン層１２とオーバーラップしている。言い換えれば、磁気記録層１０の一部である磁化反転領域１０−３が、トンネルバリア層１１を介してピン層１２に接続されており、ＭＴＪの一部を担っている。

図３には、各領域の磁化の向きの一例が矢印によって示されている。第１磁化固定領域１０−１及び第２磁化固定領域１０−２の磁化の向きは、固定されている。特に、第１磁化固定領域１０−１の磁化と第２磁化固定領域１０−２の磁化は、逆向き（反平行）に固定されている。上述の通り、本実施の形態では磁気記録層１０が垂直磁気異方性を有するため、第１磁化固定領域１０−１と第２磁化固定領域１０−２の磁化は、Ｚ方向に沿って逆向きに固定される。図３で示された例では、第１磁化固定領域１０−１の磁化は＋Ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域１０−２の磁化は−Ｚ方向に固定されている。

一方、磁化反転領域１０−３は、反転可能な磁化を有している。つまり、磁化反転領域１０−３の磁化の向きは、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向となることが許される。図３で示された例では、磁化反転領域１０−３の磁化の向きは−Ｚ方向である。この場合、第２磁化固定領域１０−２と磁化反転領域１０−３が１つの磁区（magnetic domain）を形成し、第１磁化固定領域１０−１が別の磁区を形成する。従って、第１境界Ｂ１に磁壁ＤＷが形成される。一方、磁化反転領域１０−３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、第１磁化固定領域１０−１と磁化反転領域１０−３が１つの磁区を形成し、第２磁化固定領域１０−２が別の磁区を形成する。従って、第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが形成されることになる。このように、磁気記録層１０において、磁壁ＤＷが第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２に形成される。

ここで、上述のピン層１２の磁化の向きが、＋Ｚ方向に固定されているとする。磁化反転領域１０−３の磁化の向きが−Ｚ方向の場合、すなわち、第１境界Ｂ１に磁壁ＤＷが形成されている場合、ピン層１２と磁化反転領域１０−３の磁化は反平行である。この反平行状態は、ＭＴＪの抵抗値が比較的大きくなる状態であり、例えばデータ「１」に対応付けられる。一方、磁化反転領域１０−３の磁化の向きが＋Ｚ方向の場合、すなわち、第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが形成されている場合、ピン層１２と磁化反転領域１０−３の磁化は平行である。この平行状態は、ＭＴＪの抵抗値が比較的小さくなる状態であり、例えばデータ「０」に対応付けられる。このように、磁気記録層１０中の磁壁ＤＷの位置が、磁気抵抗効果素子１に記録されているデータを反映している。

更に、本実施の形態に係る磁気記録層１０は、次の特徴を有している。すなわち、第２磁化固定領域１０−２と磁化反転領域１０−３が接触する第２境界Ｂ２の位置において、第２磁化固定領域１０−２の断面積は、磁化反転領域１０−３の断面積よりも大きい。例えば図３に示されるように、第２境界Ｂ２の位置において、第２磁化固定領域１０−２のＹ軸に沿った幅は、磁化反転領域１０−３のＹ軸に沿った幅よりも大きい。言い換えれば、第２磁化固定領域１０−２は、磁化反転領域１０−３に比べて幅広に形成されている。但し、第２磁化固定領域１０−２の幅は、少なくとも第２境界Ｂ２の位置において、磁化反転領域１０−３の幅より大きければよい。第２磁化固定領域１０−２の幅は、第２境界Ｂ２からＸ方向に離れるにつれて、より大きくなってもよいし、逆にだんだん小さくなってもよい。

このように、第２境界Ｂ２の近傍において、第２磁化固定領域１０−２の断面積は、磁化反転領域１０−３の断面積よりも大きい。そのため、第２境界Ｂ２を通して磁化反転領域１０−３と第２磁化固定領域１０−２との間で電流が流れるとき、第２磁化固定領域１０−２における電流密度は、磁化反転領域１０−３における電流密度よりも小さくなる。後述されるように、このことは、磁壁ＤＷの第２磁化固定領域１０−２への侵入を阻止することに寄与する。

一方、第１磁化固定領域１０−１が磁化反転領域１０−３に比べて幅広である必要は、必ずしもない。第１境界Ｂ１の位置において、第１磁化固定領域１０−１の断面積は、磁化反転領域１０−３の断面積と同じであってもよい。その代わり、第１磁化固定領域１０−１の側には、「磁気結合層２０」が設けられる。

磁気結合層２０は、第１磁化固定領域１０−１と磁気的に結合する強磁性層である。磁気結合層２０は、第１磁化固定領域１０−１の磁化の向きを固定する役割を果たす。図３で示された例では、磁気結合層２０は、第１磁化固定領域１０−１の下面に接触するように形成されている。また、磁気結合層２０の磁化は＋Ｚ方向に固定されている。この磁気結合層２０の磁化により、第１磁化固定領域１０−１の磁化は＋Ｚ方向に固定される。

尚、図３において、磁気結合層２０の一端は、第１境界Ｂ１に隣接している。言い換えれば、磁化方向を固定するための磁気結合層２０の一端と整列する位置が、磁気記録層１０において第１磁化固定領域１０−１と磁化反転領域１０−３との境界である第１境界Ｂ１となる。ＸＹ平面における磁気結合層２０の形状は、第１磁化固定領域１０−１の形状とほぼ同じか、それより大きい。

また、磁気結合層２０は、第１磁化固定領域１０−１の上面に接触するように形成されていてもよい。あるいは、磁気結合層２０は、第１磁化固定領域１０−１から離れて形成されていてもよい。磁気結合層２０は、第１磁化固定領域１０−１の磁化の向きを＋Ｚ方向に固定するように第１磁化固定領域１０−１と磁気的に結合していればよい。後述されるように、磁気結合層２０は、磁壁ＤＷの第１磁化固定領域１０−１への侵入を阻止することに寄与する。更に、磁気結合層２０は、磁気記録装置１０における磁化固定領域（１０−１、１０−２）の磁化の固定を容易化する役割をも果たす。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、磁化反転領域１０−３の第１境界Ｂ１の側だけに磁気結合層２０が設けられる一方、第２境界Ｂ２の側は幅広に形成されている。これは逆であってもよい。すなわち、磁気記録層２０が第２境界Ｂ２（第２磁化固定領域１０−２）の側だけに設けられ、第１境界Ｂ１側の第１磁化固定領域１０−１が磁化反転領域１０−３に比べ幅広に形成されてもよい。

再度図３を参照して、第１配線３１は、第１コンタクト３２及び磁気結合層２０を介して、磁気記録層１０の第１磁化固定領域１０−１に接続されている。一方、第２配線３４は、第２コンタクト３３及び第３コンタクト３６を介して、磁気記録層１０の第２磁化固定領域１０−２に接続されている。これら第１配線３１と第２配線３４との間で電流を流すことにより、磁気記録層１０の面内に電流を流すことができる。尚、図２で示された読み出し配線３５は、電極等を介して反強磁性層１５に接続されている。

１−２．データ書き込み／データ読み出し
次に、図３を参照して、データ書き込み動作を説明する。第１境界Ｂ１に磁壁ＤＷが形成されている状態（上述の反平行状態）は、データ「１」に対応付けられているとする。一方、第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが形成されている状態（上述の平行状態）は、データ「０」に対応付けられているとする。データ書き込みは、磁気記録層１０の面内に書き込み電流を流し、磁壁ＤＷを第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２の間で移動させることにより行われる。そのために、第１配線３１と第２配線３４との間に所定の電位差が印加される。

データ「０」の書き込み時、書き込み電流は、第２配線３４から磁気記録層１０を通って第１配線３１に流れ込む。この場合、磁気記録層１０において、電子は、第１磁化固定領域１０−１から第１境界Ｂ１を通して磁化反転領域１０−３に流れ込む。すなわち、磁化反転領域１０−３には、第１磁化固定領域１０−１から＋Ｚ方向のスピン電子が注入される。スピン電子によるスピントランスファーの結果、磁化反転領域１０−３の磁化は、第１境界Ｂ１近傍から徐々に＋Ｚ方向に反転し始める。このことは、磁壁ＤＷが、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ向けて移動することを意味する。

書き込み電流が流れ続けると、磁壁ＤＷは、磁化反転領域１０−３を通り抜け、第２境界Ｂ２に到達する。ここで、第２境界Ｂ２の位置において、第２磁化固定領域１０−２の断面積が、磁化反転領域１０−３の断面積よりも大きいことに留意されたい。つまり、第２境界Ｂ２の近傍に着目すると、第２磁化固定領域１０−２における電流密度は、磁化反転領域１０−３における電流密度よりも小さくなる。上述の通り、スピン注入磁化反転の閾値は電流密度に依存することが知られている。従って、磁壁ＤＷが第２境界Ｂ２に到達すると、それ以上磁壁ＤＷは移動しにくくなる。

スピン注入磁化反転に必要な閾値電流密度は、以下「デピン（depinning）電流密度」と参照される。本実施の形態では、磁化反転領域１０−３中の電流密度がデピン電流密度より大きくなるように、書き込み電流の大きさ及び磁化反転領域１０−３の形状が設計される。一方で、第２磁化固定領域１０−２中の電流密度がデピン電流密度より小さくなるように、書き込み電流の大きさ及び第２磁化固定領域１０−２の形状が設計される。その結果、磁壁ＤＷは、第１境界Ｂ１から磁化反転領域１０−３中を移動し、第２境界Ｂ２で停止する。磁壁ＤＷは、第２境界Ｂ２を超えて第２磁化固定領域１０−２へ侵入することはない。このことは、第２磁化固定領域１０−２中の固定磁化が安定であることを意味する。すなわち、本実施の形態特有の磁気記録層１０の形状により、第２磁化固定領域１０−２の固定磁化が安定化されている。

一方、データ「１」の書き込み時、書き込み電流は、第１配線３１から磁気記録層１０を通って第２配線３４に流れ込む。この場合、磁気記録層１０において、電子は、第２磁化固定領域１０−２から第２境界Ｂ２を通して磁化反転領域１０−３に流れ込む。すなわち、磁化反転領域１０−３には、第２磁化固定領域１０−２から−Ｚ方向のスピン電子が注入される。スピン電子によるスピントランスファーの結果、磁化反転領域１０−３の磁化は、第２境界Ｂ２近傍から徐々に−Ｚ方向に反転し始める。このことは、磁壁ＤＷが、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ向けて移動することを意味する。

書き込み電流が流れ続けると、磁壁ＤＷは、磁化反転領域１０−３を通り抜け、第１境界Ｂ１に到達する。上述の通り、第１磁化固定領域１０−１の磁化の向きは、磁気結合層２０によって＋Ｚ方向に固定されている。従って、第１境界Ｂ１を超えて、磁化が−Ｚ方向に反転することはない。すなわち、第１境界Ｂ１に移動してきた磁壁ＤＷは、その第１境界Ｂ１を超えて第１磁化固定領域１０−１へ侵入することはなく、第１境界Ｂ１で停止する。このことは、第１磁化固定領域１０−１中の固定磁化が安定であることを意味する。すなわち、磁気結合層２０により、第１磁化固定領域１０−１の固定磁化が安定化されている。

以上に説明されたように、第１磁化固定領域１０−１と第２磁化固定領域１０−２との間を流れる書き込み電流により、磁気記録層１０中の磁壁ＤＷが、第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２との間を移動する。すなわち、電流駆動磁壁移動（Current-Driven Domain Wall Motion）を利用した磁壁移動型のＭＲＡＭ１００が実現される。書き込み電流がトンネルバリア層１１を貫通しないため、トンネルバリア層１１の劣化が抑制される。

データ読み出し動作は、次の通りである。データ読み出し時、読み出し電流は、トンネルバリア層１１を通してピン層１２と磁化反転領域１０−３との間を流れるように供給される。例えば、図２で示されたＭＯＳトランジスタの一方がＯＮされ、読み出し電流が、ビット線５０からＯＮトランジスタを経由して、磁気記録層１０の第１磁化固定領域１０−１あるいは第２磁化固定領域１０−２へ流れ込む。読み出し電流は更に、ＭＴＪ（磁化反転領域１０−３、トンネルバリア層１１、ピン層１２）を貫通して、読み出し配線３５に流れる。その読み出し電流、あるいは、読み出し電流に応じた読み出し電位を所定のリファレンスレベルと比較することにより、ＭＴＪの抵抗値の大小が検出される。すなわち、磁化反転領域１０−３の磁化方向（＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向）がセンスされ、メモリセルに記録されたデータ（「０」または「１」）がセンスされる。

１−３．製造方法及び磁化固定方法
次に、図４を参照して、図３で示された構造の製造方法を説明する。第１配線３１及び第２配線３４は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）などの電気抵抗の小さい材料で形成される。続いて、第１配線３１及び第２配線３４を覆うように、ＳｉＯ_２膜などの絶縁層５５が堆積される。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等により、絶縁層５５にコンタクトホールが形成される。そのコンタクトホールに銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）などを埋め込むことにより、第１配線３１につながる第１コンタクト３２及び第２配線３４につながる第２コンタクト３３が形成される。

続いて、スパッタリング等により、磁気結合層２０となる磁性体膜が絶縁層５５上に形成される。不要な領域の磁性体膜をイオンミリング等で除去することにより、第１コンタクト３２につながる磁気結合層２０が形成される。次に、ＳｉＯ_２膜などの絶縁層５６が堆積される。続いて、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により、磁気結合層２０上の絶縁層５６が完全に除去される。その後、絶縁層５６を貫通して第２コンタクト３３につながる第３コンタクト３６が、第１コンタクト３２や第２コンタクト３３と同様に形成される。

続いて、磁気記録層１０、トンネルバリア層１１及びピン層１２が、スパッタリング等により連続的に形成される。そして、イオンミリング等により、ピン層１２、トンネルバリア層１１及び磁気記録層１０が、それぞれ所望の形状に加工される。

このような方法により、磁気結合層２０と磁気記録層１０（第１磁化固定領域１０−１）を電気的・磁気的に結合することができる。また、ＣＭＰ工程の結果、ピン層１２及びトンネルバリア層１１が形成される部分の表面ラフネスが抑えられる。

次に、磁気記録層１０中の磁化固定領域（１０−１、１０−２）の磁化の固定方法を説明する。この磁化固定処理は、磁気記録層１０中に最初に磁壁ＤＷを発生させることに相当する。

上述の磁気結合層２０が形成された後、その磁気結合層２０の磁化の固着（初期化）が実施される。図４で示された構造の場合、＋Ｚ方向の強い外部磁界（第１外部磁界）が印加される。更に、第１外部磁界が印加された状態で、熱処理が実施される。その結果、磁気結合層２０の磁化の向きは、＋Ｚ方向に固定される。この磁気結合層２０の磁化によって、磁気結合層２０と磁気的に結合する第１磁化固定領域１０−１の磁化の向きも、＋Ｚ方向に固定されることになる。磁気結合層２０が第１磁化固定領域１０−１から離れている場合も同様である。磁気結合層２０の磁化によって第１磁化固定領域１０−１の磁化の向きが＋Ｚ方向に固定されるように、第１外部磁界の方向は設定される。

続いて、第１磁化固定領域１０−１の磁化の向きと逆方向の外部磁界（第２外部磁界）が印加される。図４で示された構造の場合、−Ｚ方向の第２外部磁界が印加される。第２外部磁界の大きさは、磁気記録層１０の磁化の反転に必要な大きさ以上に設定されている。同時に、第２外部磁界の大きさは、磁気結合層２０の磁化の反転に必要な大きさよりも十分小さく設定されている。この段階で、熱処理は必ずしも必要ではない。

このような第２外部磁界の印加により、第１磁化固定領域１０−１以外の磁気記録層１０の磁化は反転する。第１磁化固定領域１０−１の磁化は、磁気結合層２０によって固定されているため、反転しない。従って、磁気記録層１０の第２磁化固定領域１０−２及び磁化反転領域１０−３の磁化だけが、−Ｚ方向を向く。その結果、第１磁化固定領域１０−１と磁化反転領域１０−３の境界である第１境界Ｂ１に、磁壁ＤＷが生成される。一旦磁壁ＤＷが生成されると、上述の通り、その磁壁ＤＷは第１磁化固定領域１０−１や第２磁化固定領域１０−２に侵入しない。

以上に説明されたように、同じ磁気記録層１０において、第１磁化固定領域１０−１の磁化と第２磁化固定領域１０−２の磁化を、容易に逆向きに固定することが可能である。それは、磁気結合層２０が、第１磁化固定領域１０−１の側だけに設けられているからである。逆方向の第２外部磁界が印加されても、磁気結合層２０との磁気的結合があるため、第１磁化固定領域１０−１の磁化は反転しない。従って、第１磁化固定領域１０−１の磁化方向を保ったまま、第２磁化固定領域１０−２の磁化を反転させることができる。

１−４．効果
図１や図３、図４で示されたように、磁壁移動型のＭＲＡＭにおいては、同じ磁気記録層中の異なる領域の磁化を逆方向に固定する必要がある。図３、図４で示された例では、第１磁化固定領域１０−１の磁化の向きは＋Ｚ方向に固定される一方、第２磁化固定領域１０−２の磁化の向きは−Ｚ方向に固定される。

磁化固定領域１０−１、１０−２のそれぞれの磁化の向きを固定するための１つの手法として、磁化固定領域１０−１、１０−２のそれぞれに磁気結合層２０を設けることが考えられる。この場合、それぞれの磁気結合層２０の磁化の向きも逆向きになっている必要がある。

磁気結合層２０の磁化の向きを固着（初期化）するためには、一般的に、所定の方向に外部磁界が印加された状態で熱処理を実施する必要がある。２つの磁気結合層２０の磁化の向きをそれぞれ逆向きに固着するためには、次のような処理が実施される。まず、ある方向の強い外部磁界を用いることにより、一方の磁気結合層２０の磁化が初期化される。その後、逆方向の強い外部磁界を用いることにより、他方の磁気結合層２０の磁化が初期化される。この時、逆方向の外部磁界が印加された状態での熱処理によって、最初に初期化された磁気結合層２０の磁化の向きが乱されることになる。

これに対して、それぞれの磁気結合層２０の保磁力に差をつける方法や、ブロッキング温度の異なる材料を用いる方法等が考えられる。しかしながら、いずれの方法でも、最初に初期化された磁気結合層２０の磁化と反対方向に強い磁界が印加されることに変わりはない。このことは、最初に初期化された磁気結合層２０に少なからず影響を与える恐れがある。

本実施の形態によれば、磁気記録層１０中の２つの磁化固定領域のうちいずれか一方（第１磁化固定領域１０−１）の側だけに、１つの磁気結合層２０が設置される。従って、磁気結合層２０の初期化処理は、１回だけ実施される。逆方向の外部磁界を用いた２回目の初期化処理が無いため、磁気結合層２０の磁化の向きが乱されることが防止される。

磁気結合層２０の初期化処理の後、磁気記録層１０中に磁壁ＤＷを発生させる処理が実施される。具体的には、第２磁化固定領域１０−２と磁化反転領域１０−３の磁化を反転させるために、第２外部磁界が印加される。その第２外部磁界の大きさは、磁気結合層２０の磁化の反転に必要な大きさよりも十分小さく設定されている。また、熱処理は必要ない。従って、第２外部磁界の印加は、磁気結合層２０の磁化の向きに影響を及ぼさない。

第２外部磁界が印加されたとき、第１磁化固定領域１０−１の磁化は反転しない。それは、磁気結合層２０との磁気的結合があるためである。つまり、第１磁化固定領域１０−１の磁化方向を保ったまま、第２磁化固定領域１０−２の磁化を容易に反転させることができる。その結果、第１磁化固定領域１０−１の磁化と第２磁化固定領域１０−２の磁化が、互いに逆向きとなる。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、磁気記録層１０の磁化の設定（初期化）を、安定的に且つ容易に実施することが可能である。それは、磁気結合層２０が、磁気記録層１０中の一方の磁化固定領域の側だけに設けられているからである。

磁気結合層２０は、磁壁ＤＷの第１磁化固定領域１０−１への侵入を防止し、第１磁化固定領域１０−１の固定磁化を安定化させる役割も果たしている。あるいは、磁気記録層１０の第１境界Ｂ１の位置にノッチ構造が形成されてもよい。この場合、ノッチ構造が磁壁ＤＷを第１境界Ｂ１に留める役割を果たすが、磁気結合層２０は、依然として上述の磁化固定処理において有用な作用を提供する。

一方、第２磁化固定領域１０−２の側には磁気結合層が設けられていない。それでも、第２磁化固定領域１０−２の固定磁化は安定である。それは、第２磁化固定領域１０−２における電流密度が磁化反転領域１０−３における電流密度よりも小さくなるように、磁気記録層１０の形状が設計されているからである。これにより、磁化反転領域１０−３中の電流密度がデピン電流密度より大きくなり、第２磁化固定領域１０−２中の電流密度がデピン電流密度より小さくなるように、書き込み電流の大きさを設定することが可能となる。つまり、磁壁ＤＷが第２境界を超えて第２磁化固定領域１０−２に侵入しないように、書き込み電流の大きさを設定することが可能となる。磁壁ＤＷの第２磁化固定領域１０−２への侵入が防止されるため、第２磁化固定領域１０−２の固定磁化が安定化する。逆に言えば、第２磁化固定領域１０−２の側に磁気結合層２０は不要である。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、磁壁移動型ＭＲＡＭにおいて、磁化を容易に且つ安定的に固定することが可能となる。従って、製造コストが削減され、また、信頼性が向上する。

２．第２の実施の形態
第２の実施の形態において、既出の第１の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。

図５は、第２の実施の形態に係るＭＲＡＭ１００の記憶素子部ＰＭの構造を示している。本実施の形態において、第２磁化固定領域１０−２の厚さ（Ｚ方向）は、磁化反転領域１０−３の厚さよりも大きい。すなわち、第２境界Ｂ２の位置において、第２磁化固定領域１０−２の断面積は、磁化反転領域１０−３の断面積よりも大きい。従って、第１の実施の形態の場合と同様に、第２磁化固定領域１０−２における電流密度は、磁化反転領域１０−３における電流密度よりも小さくなる。

図５で示された例では、第２磁化固定領域１０−２は、下方部１０−２ａと、その下方部１０−２ａの上に形成された上方部１０−２ｂに区分けされる。下方部１０−２ａと上方部１０−２ｂは、同じ材料で形成される。下方部１０−２ａの厚さは、磁気結合層２０の厚さと略等しい。上方部１０−２ｂの厚さは、第１磁化固定領域１０−１や磁化反転領域１０−３の厚さと略等しい。従って、第２磁化固定領域１０−２全体の厚さは、磁化反転領域１０−３の厚さよりも大きい。

尚、第２磁化固定領域１０−２の厚さは、少なくとも第２境界Ｂ２の位置において、磁化反転領域１０−３の厚さより大きければよい。第２磁化固定領域１０−２の厚さは、第２境界Ｂ２からＸ方向に離れるにつれて、より厚くなってもよいし、逆にだんだん薄くなってもよい。また、第２磁化固定領域１０−２のＹ軸に沿った幅は、磁化反転領域１０−３や第１磁化固定領域１０−１のＹ軸に沿った幅と同じであってもよい。

次に、図６を参照して、図５で示された構造の製造方法を説明する。第１の実施の形態と同様に、第１配線３１、第２配線３４、第１コンタクト３２、第２コンタクト３３、磁気結合層２０が形成される。続いて、第２磁化固定領域１０−２の下方部１０−２ａとなる磁性体膜が、スパッタリング等により成膜される。イオンミリング等による磁性体膜のパターニングの結果、第２磁化固定領域１０−２が形成される領域に下方部１０−２ａが形成される。このときの下方部１０−２ａの一端と整列する位置が、磁気記録層１０における第２境界Ｂ２となる。

次に、ＳｉＯ_２膜などの絶縁層５６が堆積される。続いて、ＣＭＰにより、磁気結合層２０及び下方部１０−２ａ上の絶縁層５６が完全に除去される。その後、磁気記録層１０、トンネルバリア層１１及びピン層１２が、スパッタリング等により連続的に形成される。そして、イオンミリング等により、ピン層１２、トンネルバリア層１１及び磁気記録層１０が、それぞれ所望の形状に加工される。このような方法により、磁気記録層１０の第２磁化固定領域１０−２の膜厚を実効的に大きくすることが可能となる。

磁気記録層１０中の磁化固定領域（１０−１、１０−２）の磁化の固定方法は、第１の実施の形態と同じである。データ書き込み動作及びデータ読み出し動作は、第１の実施の形態と同様である。

図５及び図６で示された構造によっても、第１の実施の形態の場合と同じ効果が得られる。

３．第３の実施の形態
第３の実施の形態において、既出の第１の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。

図７は、第３の実施の形態に係るＭＲＡＭ１００の記憶素子部ＰＭの構造を示している。本実施の形態に係る記憶素子部ＰＭは、既出の構成に加えて、非磁性金属層である分流層２５を備えている。分流層２５の電気抵抗率は、磁気記録層１０のものと大きく異ならない程度であればよい。この分流層２５は、磁気記録層１０の第２磁化固定領域１０−２に接触しており、また、第２コンタクト３３を介して第２配線３４に電気的に接続している。分流層２５の一端は、第２境界Ｂ２に隣接している。逆に言えば、分流層２５の一端と整列する位置が、磁気記録層１０における第２境界Ｂ２となる。

従って、第２境界Ｂ２を通して磁化反転領域１０−３と第２磁化固定領域１０−２との間で電流が流れるとき、その電流は、第２磁化固定領域１０−２と接触する分流層２５にも流れる。その結果、第１の実施の形態の場合と同様に、第２磁化固定領域１０−２における電流密度は、磁化反転領域１０−３における電流密度よりも小さくなる。

次に、図８を参照して、図７で示された構造の製造方法を説明する。第１の実施の形態と同様に、第１配線３１、第２配線３４、第１コンタクト３２、第２コンタクト３３、磁気結合層２０が形成される。続いて、分流層２５となる非磁性金属膜が、スパッタリング等により成膜される。イオンミリング等による非磁性金属膜のパターニングの結果、第２磁化固定領域１０−２が形成される領域に分流層２５が形成される。このときの分流層２５の一端と整列する位置が、磁気記録層１０における第２境界Ｂ２となる。

次に、ＳｉＯ_２膜などの絶縁層５６が堆積される。続いて、ＣＭＰにより、磁気結合層２０及び分流層２５上の絶縁層５６が完全に除去される。その後、磁気記録層１０、トンネルバリア層１１及びピン層１２が、スパッタリング等により連続的に形成される。そして、イオンミリング等により、ピン層１２、トンネルバリア層１１及び磁気記録層１０が、それぞれ所望の形状に加工される。第２磁化固定領域１０−２の幅や厚さは、第１磁化固定領域１０−１や磁化反転領域１０−３の幅や厚さと同じでもよい。

磁気記録層１０中の磁化固定領域（１０−１、１０−２）の磁化の固定方法は、第１の実施の形態と同じである。データ書き込み動作及びデータ読み出し動作は、第１の実施の形態と同様である。

図７及び図８で示された構造によっても、第１の実施の形態の場合と同じ効果が得られる。

４．第４の実施の形態
第４の実施の形態において、既出の実施の形態における構成と同じ構成には同一の符号が付され、重複する説明は適宜省略される。

図９は、第４の実施の形態に係るＭＲＡＭ１００の記憶素子部ＰＭの構造を示している。本実施の形態に係る記憶素子部ＰＭは、既出の構成に加えて、磁気結合層２０と磁気記録層１０の間に形成された中間層２７を備えている。図９で示される例では、中間層２７は、第１磁化固定領域１０−１と磁気結合層２０との間に挟まれている。つまり、磁気結合層２０は、中間層２７を介して少なくとも第１磁化固定領域１０−１に接続されている。中間層２７としては、薄い絶縁層であるＡｌ_２Ｏ_３層や、非磁性金属層であるＲｕ層やＣｕ層などを用いることができる。いずれの材料であっても、この中間層２７を介して磁気結合層２０と第１磁化固定領域１０−１が磁気的に結合する。その結果、既出の実施の形態と同じ効果が得られる。

特に、中間層２７が非磁性金属層である場合、交換磁気結合がより強くなり、好適である。図１０のグラフは、中間層２７としての非磁性金属層（例：Ｒｕ層）の厚さに対する交換磁気結合の強さの依存性を示している。図１０に示されるように、磁気結合の強度は非磁性金属層の厚さに依存して変化、また、磁気結合の性質も非磁性金属層の厚さに依存して異なり得る。具体的には、磁気結合の性質は、“強磁性的”、“ゼロ”、“反強磁性的”の間で振動的に変化する。

従って、中間層（非磁性金属層）２７の厚さを、例えば図１０中の第１正ピークに相当する値に設計することによって、磁気結合層２０と第１磁化固定領域１０−１との間に非常に大きな強磁性的結合を発生させることができる。また、中間層２７の厚さを例えば図１０中の第１負ピークに相当する値に設計することも可能である。この場合、磁気結合層２０と第１磁化固定領域１０−１との間に、非常に大きな反強磁性的結合を発生させることができる。図１１は、この場合の記憶素子部ＰＭの磁化状態を示している。磁気結合層２０と第１磁化固定領域１０−１が反強磁性的に結合しているため、図１１に示されるように、それらの磁化方向は互いに逆向きとなる。この場合でもあっても、第１磁化固定領域１０−１の磁化方向が、磁気結合層２０によって固定されていることにかわりはない。

図１２は、変形例を示している。図１２において、中間層２７は、磁気記録層１０全体に接触するように形成されている。この場合、中間層２７は、磁気記録層１０の下地層としての役割も果たす。下地層としての中間層２７上に磁気記録層１０を形成することにより、磁気記録層１０の磁気特性を改善することができ、好適である。

本実施の形態における構造の製造方法は、中間層２７を形成する工程が追加されること以外、既出の実施の形態と同じである。つまり、磁気結合層２０と接触するように中間層２７が形成される。上述の通り、中間層２７の材質、膜厚、形状は適宜設計される。更に、少なくとも第１磁化固定領域１０−１が中間層２７と接触するように磁気記録層１０が形成される。これにより、図９、図１１、図１２で例示された構造を得ることができる。

尚、中間層２７としてＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを含む磁性金属を用いることにより、直接的に磁気結合層２０と第１磁化固定領域１０−１を磁気結合させることも可能である。

磁化の固定方法、データ書き込み動作及びデータ読み出し動作は、既出の実施の形態と同様である。また、第４の実施の形態は、既出の実施の形態のいずれとも組み合わせることができる。

５．垂直磁気異方性
上述の実施の形態では、磁気記録層１０及びピン層１２が垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜である場合が説明された。但し、本発明はそれに限られない。本発明は、磁気記録層１０やピン層１２が面内磁気異方性を有する面内磁化膜である場合（図１参照）にも適用可能である。その場合でも、一方の磁化固定領域の側に磁気結合層２０が設けられる。また、他方の磁化固定領域における電流密度が磁化反転領域における電流密度よりも小さくなるように設計が行われる。それにより、磁気記録層において、磁化を容易に且つ安定的に固定することが可能となる。

但し、磁気記録層１０が垂直磁化膜である場合、面内磁化膜の場合と比較して、磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能となる。電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭにおいて、書き込み電流を低減することは重要である。例えば、磁気抵抗効果素子に用いられる強磁性体の電気抵抗は一般的な配線の電気抵抗に比べて高いため、素子部での発熱を抑制する観点から、書き込み電流を低減することは重要である。以下、書き込み電流の低減について詳しく述べる。

例えば、磁壁移動に最低限要する閾値電流密度は、概ね１０^８Ａ／ｃｍ^２程度であることが報告されている（参照：Yamaguchi et al., "Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires", PRL, Vol. 92, pp. 077205-1-4, 2004.）。磁壁移動が発生する層の幅が１００ｎｍであり、その膜厚が１０ｎｍの場合、最低限必要な書き込み電流の大きさは１ｍＡである。書き込み電流を更に低減するために、膜厚を小さくすることが考えられる。しかしながら、膜厚が小さくなると、磁壁移動に要する閾値電流密度が増加してしまうことも報告されている（参照：Yamaguchi et al., "Reduction of Threshold Current Density for Current-Driven Domain Wall Motion using Shape Control", Japanese Journal of Applied Physics, vol.45, No.5A, pp.3850-3853, 2006.）。

スピン偏極電流を考慮に入れたときの磁性体のローカルな磁化の振る舞いは、次の式（１）で表される（参照：Thiaville et al., "Micromagnetic understanding of current-driven domain wall motion in patterned nanowires", Europhysics Letters, vol.69, pp.990-996, 2005）。

ここで、ｍはローカルな磁気モーメント、Ｈは磁界、γ_０はジャイロ磁気定数、αはギルバートのダンピング定数、βは非断熱スピントルク項の係数である。ｕは実効的な電流密度を表し、次の式（２）で与えられる。

ここで、Ｐはスピン分極率、ｇはランデのｇ因子、μ_Ｂはボーア磁子、ｅは電気素量、Ｍｓは飽和磁化である。ｊは［Ａ／ｍ^２］の次元を持つ一般的な電流密度である。このとき、実効的な電流密度ｕは、［ｍ／ｓ］の次元をもつ量となる。上記式（１）は、左辺で表される磁化ｍの時間的な変化が、右辺で表される複数の要因に依存していることを記述している。式（１）の右辺の第２項までは、古典的なＬＬＧ方程式である。右辺第１項は磁界によるトルクを、第２項はダンピングを、第３項は断熱のスピントルク効果を、第４項は非断熱のスピントルク効果を表す。以下、第２項、第３項、第４項は、それぞれα項、スピントルク項、β項と参照される。

図１３Ａは、面内磁化膜における磁壁移動を説明するための模式図である。磁化領域９１の磁化は＋Ｘ方向を向き、磁化領域９２の磁化は−Ｘ方向を向いている。よって、磁化領域９１と磁化領域９２の間に磁壁９３が形成されている。図中の破線矢印の方向に、伝導電子が流れた場合を考える。

図１３Ａに示されているように、磁壁９３内の磁気モーメントｍは、スピントルク項によって、ＸＹ面内で回転方向Ｒ２へ回転しようとする。同時に、α項及びβ項によって、磁気モーメントｍは、ＹＺ面内で回転方向Ｒ３へ回転しようとする。その回転方向は、α項とβ項の大小関係により決まる。ここでβ項の効果がない場合、α項による磁化の回転方向は、磁化の回転方向Ｒ２への回転、すなわち、磁壁の運動を妨げる方向となる。このことは、次のように解釈することもできる。つまり、電流によるエネルギーが、α項による回転方向Ｒ３への回転で生成されるエネルギーと釣り合い、磁壁の移動が停止する。この釣り合いは、β項の効果の付与により崩れ、このときに電流駆動磁壁移動が観測される（参照：Thiaville et al., "Micromagnetic understanding of current-driven domain wall motion in patterned nanowires", Europhysics Letters, vol.69, pp.990-996, 2005.）。すなわち、面内磁化膜における磁壁移動は「β項駆動」と言うことができる。

一方、図１３Ｂは、垂直磁化膜における磁壁移動を説明するための模式図である。磁化領域９１の磁化は＋Ｚ方向を向き、磁化領域９２の磁化は−Ｚ方向を向いている。よって、磁化領域９１と磁化領域９２の間に磁壁９３が形成されている。図中の破線矢印の方向に、伝導電子が流れた場合を考える。

図１３Ｂに示されているように、磁壁９３内の磁気モーメントｍは、スピントルク項によって、ＹＺ面内で回転方向Ｒ３へ回転しようとする。同時に、α項及びβ項によって、磁気モーメントｍは、ＸＹ面内で回転方向Ｒ２へ回転しようとする。その回転方向は、α項とβ項の大小関係により決まる。上述の面内磁化膜の場合、α項による回転方向は、エネルギー的に不安定な状態へと向かう方向であり、磁壁移動のブレーキとなる。しかしながら、垂直磁化膜の場合、α項によってＸＹ面で磁化回転が起こっても、エネルギーの増加は面内磁化膜の場合に比べて極めて小さい。従って、磁壁９３内の磁気モーメントｍは、α項及びβ項によって、ＸＹ面でほぼ自由に回転することできる。これは、スピントルク項によるＹＺ面内での回転をほとんど妨げない。すなわち、垂直磁化膜における磁壁移動は「スピントルク項駆動」と言うことができる。垂直磁化膜の場合、ごく小さな電流でもスピントルク項による磁壁駆動が可能である。

上述のように、面内磁化膜の場合の磁壁移動はβ項駆動であり、一方、垂直磁化膜の場合の磁壁移動はスピントルク項駆動である。いずれの場合も磁壁移動は可能であるが、ピニングポテンシャルから磁壁をデピンさせる場合には、スピントルク項駆動が好適である。そのことを、図１４を参照して説明する。

図１４は、あるピニングポテンシャルから磁壁をデピンするのに必要な、デピン磁界Ｈ及び実効的なデピン電流密度ｕを示している。デピン磁界Ｈや実効的なデピン電流密度ｕは、上記式（１）に基づいたマイクロマグネティクス計算により得られた。ピニングポテンシャルは、素子に大きさの異なる５種類のノッチを設けることにより設定された。図１４には、膜厚が５ｎｍと２０ｎｍの面内磁化膜の場合、及び、膜厚が２ｎｍと２０ｎｍの垂直磁化膜の場合での計算結果が示されている。

図１４に示されるように、垂直磁化膜の場合、面内磁化膜の場合と比較して、デピン磁界Ｈは約１桁大きく、一方、デピン電流密度ｕは約１桁小さい。このことは、垂直磁化膜の場合に、熱安定性や外乱磁界耐性（ディスターバンス耐性）が高くなり、且つ、書き込み電流が低減されることを意味する。

また、図１４において、実効的なデピン電流密度ｕが６０［ｍ／ｓ］であるレベルが、点線で示されている。Ｍ_Ｓ＝５００［ｅｍｕ／ｃｍ^３］、Ｐ＝０．５のとき、点線で示されるレベルは、電流密度ｊが１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］となる場合に相当する。電流密度ｊが１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］より大きくなると、発熱の影響が顕著となる。また、エレクトロマイグレーション等の影響も懸念される。従って、およそ１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］以下の電流密度ｊで、データ書き込みを行うことが好適である。

図１４に示されるように、膜厚が２０ｎｍの垂直磁化膜の場合、実効的なデピン電流密度ｕは、ほぼ点線上に位置している。膜厚が更に薄くなると、より小さい電流密度でデピンが可能となる。従って、磁気記録層１０が垂直磁化膜であり、その膜厚が２０ｎｍ以下であることが好適である。より好適には、垂直磁化膜の膜厚は１０ｎｍ以下である。但し、膜厚の下限は、約１ｎｍである。これは、膜厚が約１ｎｍ以下になると、室温では垂直磁化を安定的に維持できなくなるからである（参照：Imada et al., "Perpendicular magnetization of L1₀-ordered FePt films in the thinnest limit", Applied Physics Letters, vol. 90, pp. 132507, 2007）。

膜厚が小さくなると、デピン電流密度ｕが小さくなるだけでなく、その膜厚と電流密度の積に依存するトータルの電流量も小さくなる。つまり、膜厚が小さくなるにつれて、トータルの電流が大幅に削減される。上述の通り、磁気記録層の幅が１００ｎｍであり、その膜厚が１０ｎｍであり、電流密度ｊが１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］の場合、書き込み電流の大きさは１ｍＡである。垂直磁化膜を用い、その膜厚をより薄くすることによって、電流密度ｊをより小さくすることができる。結果として、書き込み電流の大きさを１ｍＡから大幅に削減することが可能となる。

尚、図１４から明らかなように、面内磁化膜の場合は、垂直磁化膜の場合と逆に、膜厚が小さくなるほどデピン電流密度ｕが増加する。デピン電流密度ｕを小さくするには、膜厚を大きくする必要がある。従って、面内磁化の場合は、書き込み電流を低減しにくい。この点でも、垂直磁化膜は面内磁化膜よりも優れていると言える。

以上に説明されたように、垂直磁化膜を磁気記録層１０として用いることは好適である。それにより、磁壁移動に要する書き込み電流を大幅に低減することが可能となる。また、磁気抵抗効果素子における発熱が抑制される。更に、熱安定性や外乱磁界耐性（ディスターバンス耐性）が向上する。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

本出願は、２００７年８月３日に出願された日本国特許出願２００７−２０３６６９、及び２００７年１２月１４日に出願された日本国特許出願２００７−３２３２９６を基礎とする優先権を主張し、それら開示の全てをここに取り込む。

Claims (10)

1. 磁壁移動型の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   強磁性層であり、垂直磁気異方性を有する磁気記録層と、
   磁化の向きが固定された強磁性層であり、垂直磁気異方性を有する磁気結合層と
   を具備し、
   前記磁気記録層は、
   前記磁気結合層と磁気的に結合し、前記磁気結合層によって磁化の向きが第１方向に固定された第１領域と、
   磁化の向きが前記第１方向と逆の第２方向に固定された第２領域と、
   前記第１領域と前記第２領域との間をつなぐ磁化反転領域と
   を有し、
   前記第２領域に磁気的に結合する層が設けられず、
   前記第２領域と前記磁化反転領域との境界の位置において、前記第２領域の断面積は前記磁化反転領域の断面積よりも大きい
   磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２領域と前記磁化反転領域との境界の位置において、前記第２領域の幅は前記磁化反転領域の幅よりも大きい
   磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２領域と前記磁化反転領域との境界の位置において、前記第２領域の厚さは前記磁化反転領域の厚さよりも大きい
   磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２領域に接触する非磁性金属層を更に具備する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第２領域と前記磁化反転領域との間で電流が流れるとき、前記第２領域における電流密度は、前記磁化反転領域における電流密度よりも小さい
   磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 請求の範囲１乃至５のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記磁気結合層は、前記第１領域に接触している
   磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 請求の範囲１乃至５のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記磁気結合層は、中間層を介して少なくとも前記第１領域に接続されている
   磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 請求の範囲７に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記中間層は非磁性金属層である
   磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 請求の範囲１乃至８のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記第１方向及び前記第２方向は、前記磁気記録層が形成される面に略直交する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
10. 第１領域、磁化反転領域、及び第２領域を有する強磁性層である磁気記録層と、前記第１領域に対応する位置に設けられた磁気結合層と、を備える磁気ランダムアクセスメモリの製造方法であって、
    前記第２領域に磁気的に結合する層が設けられず、
    前記第２領域と前記磁化反転領域との境界の位置において、前記第２領域の断面積は前記磁化反転領域の断面積よりも大きく、
    （ａ）前記磁気記録層に垂直な方向の第１外部磁界を印加し、熱処理を実施することにより、前記磁気結合層の磁化の向きを固定し、且つ、前記磁気結合層の磁化を前記第１領域の磁化と結合させるステップと、
    （ｂ）前記ステップ（ａ）の後、前記磁気記録層に垂直な方向であって前記第１外部磁界と逆向きの第２外部磁界を印加することにより、前記磁気記録層中に磁壁を生成するステップと、
    を含む
    磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。

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