【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は強磁性体を用いた不揮発性メモリ装置に係わり、特に、強磁性トンネル接合を用いた磁気メモリ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】巨大磁気抵抗効果（Giant MagnetoResi
stance：以下、GMR 効果と略記する。 ）は、ある種の強磁性体と非磁性体との複合体において、強磁性体の磁化方向に依存して電気抵抗が変化する現象である。 このようなGMR 効果を示す具体的構成として、例えば、夫々数ｎｍ厚の強磁性金属層と非磁性金属層とを交互に積層した磁性人工格子膜がある。 磁性人工格子膜では、強磁性金属層の磁化方向が同方向を向いた平行の場合と、互い違いに逆方向を向いた反平行の場合とで、電気抵抗に数１０％以上の差が生じる。 磁性人工格子膜におけるGMR
効果は、Fe/Cr 人工格子膜（Phys. Rev. Lett., 61,
2472 (1988 ）) 、Co/Cu 人工格子膜（J. Magn. M
agn. Mater., 94, L1 (1991)）等で報告されている。

【０００３】上記の磁性人工格子膜における磁化の反平行状態の実現は、強磁性層間の反強磁性交換結合を利用して行われている。 しかし、一般にこのような反強磁性交換結合を用いた膜では層間結合が強いため、飽和磁界が大きく、また外部磁界に対するヒステリシスも大きいという問題を有している。

【０００４】そこで、層間結合を有さない強磁性金属層１／非磁性金属層／強磁性金属層２からなる三層膜において、一方の強磁性金属層１に反強磁性体を接触形成させること等により強磁性金属層１の磁化方向を固定した上で、他方の強磁性金属層２の材料に保磁力の小さな強磁性体を用いて、低磁界での強磁性金属層２の磁化方向の反転によりGMR 効果を発現するスピンバルブ膜が報告されている(Phys. Rev. B43, 1297 (1991).)。

【０００５】近年、このようなGMR 効果を示す素子（以下、GMR 素子と略記する。）の応用として、磁界センサ、磁気ヘッドの他、磁気ランダムアクセスメモリ（Ma
gneticRandom Access Memory． 以下、MRAMと略記する。 ）への利用が提案され注目を集めている。 MRAMでは、メモリアレイ中にGMR 効果を示す素子を多数配置する。 GMR 素子としては、前述のスピンバルブ膜が用いられる。 情報は、スピンバルブ膜を構成する強磁性金属層
1 の磁化方向として記録される。 記録情報の読み出しは、ワード線、ビット線に電流を流し、それによって生じた磁界により強磁性金属層２の磁化方向を反転させた際の素子抵抗の変化を検出することによって行う。 この際、磁界の大きさを強磁性金属層１の保磁力よりも小さく設定することにより、非破壊読み出しを実現することが可能である。 MRAMは、従来の誘電体キャパシタを用いた半導体メモリとその機能を比較すると、(1) 不揮発性であり、（2)非破壊読み出しが可能であり、読み出しサイクルを短くすることが可能である。 また、(3) 電荷蓄積型のメモリセルに比べ、放射線に対する耐性が強い、
等の多くの利点を有している。 その集積度は、例えば0.
25μm ルールでは64MB程度となる。

【０００６】しかし、MRAMに用いられるスピンバルブ膜の抵抗変化率は数％から十数％程度である。 さらに、スピンバルブ膜のシート抵抗は数10Ω／□程度であり、数
mAのセンス電流に対するセル読みだし電圧は数mV程度である。 これに対し、例えば、セル駆動用のトランジスタにおける電圧降下は、素子サイズの微細化とともに上昇し、0.25μm ルールでは100mV 程度に達する。 すなわち、トランジスタの抵抗値に10％のばらつきが存在すると、それにより10mV程度のノイズが現れる。 これらのノイズを低減するための補償回路も幾つか提案されているが、これらはいずれも集積度を低下させる要因となる。
すなわち、現在得られているGMR 素子の抵抗変化率、及びシート抵抗値では、セル読み出し電圧が小さいため、
高集積度と安定動作の両立が難しいという問題を有している。

【０００７】この点を解決するため、GMR 素子部分を強磁性トンネル効果を示す素子（Tunnel MR素子。以下、
TMR 素子と略記する。 ）に置き換える、という提案がなされている。 TMR 素子は、主として強磁性金属層１／絶縁障壁／強磁性金属層２からなる三層膜で構成され、電流は絶縁障壁をトンネルして流れる。 トンネルコンダクタンスは、両強磁性金属層の磁化の相対角の余弦に比例して変化し、両磁化が反平行の場合に極小値をとる。 例えばFe/Al ₂ O ₃ /Fe トンネル接合（J. Magn. Magn.
Mater., 139, L231 (1995).）において20％を越える抵抗変化率が見いだされている。 すなわちTMR 素子は、同じ三層構造であってもGMR 素子に比べ大きな抵抗変化率を有するという利点を持つ。

【０００８】さらに、TMR 素子においては、電流は絶縁障壁をトンネルして流れるため、GMR 素子に比べ高いセル抵抗が得られる。 したがってGMR 素子を用いた場合に比べ、同じセンス電流でもより大きなセル読み出し電圧が得られるという利点を有している。

【０００９】しかしながら、GMR 素子もしくはTMR 素子をMRAMとして利用するためには、その平面寸法を数mm以下に微細化する必要があり、そのため微細構造磁性体に特有の問題が生じる。 例えば、素子集積度を高める上で最適なGMR 素子の大きさは、概ねトランジスタのチャネル長の3 〜5 倍程度であり、前述の0.25μm ルールに従うと、1 μm 角程度の大きさとなる。 このような微小な強磁性体を膜面内に磁化した場合、その膜面内の磁化状態が膜の形状に依存して不均一となるという問題が生じる。 例えば端面に生じる磁極により自己減磁が生じ、膜端面部分の磁化方向が中心部のそれとは異なる、いわゆるエッジドメインが発生することが知られている(J. Ap
pl. Phys. 81, 5471(1997).)。 エッジドメインの存在は、ヒステリシス角形比の低下を招き、実効的な磁気抵抗変化率の減少を引き起こす要因となる。 さらに、エッジドメインの存在により、膜の磁化過程が不安定となるという問題が生じる。

【００１０】さらに、微少寸法の三層膜では、強磁性金属層１と強磁性金属層２との層間静磁結合が無視できない値となる(IEEE Trans. Mag. MAG-33,3286(1997).) 。
すなわち両金属層の磁化配列が平行な場合と反平行な場合とで、膜端面における磁力線分布が異なり、静磁エネルギーに差が生じる。 従って、強磁性金属層２の磁化を外部磁界により反転させた場合、ヒステリシスが非対称となるばかりでなく、磁化反転に要する磁界が増大するという問題が生じる。 さらに、層間静磁結合は前述の自己減磁と同様の作用を及ぼし、エッジドメインを発生させる要因となる。

【００１１】上述の微少構造磁性体における不均一な磁化状態の問題は、GMR 素子、TMR 素子いずれの場合にも共通な問題である。 今後、64MBを越えるような集積度を得るためには、個々の素子面積を1mm 以下に微細化する必要があり、素子の磁化状態の制御がより困難になるという問題が生じている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、TMR 素子をMRAMに利用することにより、GMR 素子を用いた場合に比べセル読み出し電圧をより大きくすることができ、
MRAMとして安定な動作を実現させることが可能である。
しかしながら、素子微細化による磁化状態の不均一性の問題は、未解決なままであり、今後、さらに高い素子集積度を得ようとして、素子面積をさらに微細化させると、素子の磁化状態の制御がより困難になるという問題を有している。

【００１３】本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、サブミクロンサイズの素子寸法においても磁化状態の均一性が良く、かつその磁化状態を好適に制御可能なTMR 素子を利用した磁気メモリ装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するための、本発明は、第一の強磁性層と、第一の強磁性層に絶縁障壁を介して対向した第二の強磁性層とを有する磁気メモリセルを備え、第一の強磁性層の磁化状態を、第二の強磁性層の磁化状態を変化させることにより得られるトンネルコンダクタンスの変化として検出する磁気メモリ装置において、第二の強磁性層は、前記絶縁障壁と接合する自由磁化領域、及び前記自由磁化領域に隣接する周辺部を備えることを特徴とする磁気メモリ装置を提供する。

【００１５】強磁性トンネル接合の形状及び面積は、両強磁性層に挟まれた絶縁障壁を構成する絶縁膜の形状及び面積によって規定される。 すなわち、仮に絶縁障壁と、その平面寸法よりも大きな強磁性電極と伴に強磁性トンネル接合を構成した場合、実際に強磁性電極として有効に作用する部分は、強磁性電極のうち、接合面の形状を、接合面に垂直な方向に投影した部分に限られる。
本発明における自由磁化領域は、このような強磁性トンネル接合の強磁性電極として有効に機能する部分であり、この自由磁化領域の形状及び面積は、絶縁障壁の形状をその接合面に垂直な方向に投影することで規定される。 周辺部はこの自由磁化領域に隣接するものである。

【００１６】このような構成を備えることから、自由磁化領域の磁化分布は第二の強磁性層の磁化分布の一部であるため、第二の強磁性層の周辺部に望ましくない磁化状態が存在しても、自由磁化領域は周辺部に比して均一な磁化状態となることができる。 従って、従来に比して、強磁性トンネル接合における磁化分布をより均一なものとできる。

【００１７】本発明の磁気メモリ装置において、自由磁化領域の磁化状態を、第二の強磁性層内の磁壁移動により反転することが好ましい。 すなわち、自由磁化領域を中心に、その磁化方向とは逆向きの磁界を局所的に印加することで、第二強磁性層内に逆磁区を形成し、逆磁区と既存の磁化方向を維持する領域との間の磁壁が自由磁化領域を通過し、自由磁化領域が逆磁区内に含まれると、自由磁化領域の磁化状態を反転させることができる。

【００１８】また、本発明の磁気メモリ装置において、
第二の強磁性層を、複数個の前記磁気メモリセルに共通に設け、自由磁化領域を磁気メモリセルの各々に設け、
かつ、隣接する磁気メモリセルの自由磁化領域を周辺部を介して互いに隣接させることで、高集積の磁気メモリ装置を簡便に得ることができる。 この際、複数個の自由磁化領域の磁化状態を、周辺部を介して隣接する自由磁化領域間の連続した磁壁移動により反転させることができる。 このように行うことで、より高速なデータ読み出しが可能となる。

【００１９】さらにまた、本発明の磁気メモリ装置において、周辺部は、隣接する自由磁化領域の磁壁の移動を制御するための、突起、括れ、膜厚の変更のような、周囲とは構造の異なる部分領域を備えることが好ましい。
このように、周辺部の形状を自由磁化領域のそれと変化させることで、自由磁化領域の磁化分布を好適に制御することができ、そのより安定な磁化分布の制御が可能となる。

【００２０】尚、複数のメモリセルを備える集積化された磁気メモリ装置では、第二の強磁性層の形状を、細線状とすることが好ましい。 このような細線形状をとることで、第二の強磁性層には細線長さ方向を容易軸とする形状磁気異方性が生じ、第二の強磁性層の磁化状態はより均一化、安定化される。

【００２１】さらに、集積化された磁気メモリ装置では、第二の強磁性層と各セルに電流を供給するための電流路とを一体に構成することが好ましい。 このように一体なものとすることで、集積度をより向上させることが可能である。

【００２２】また、トンネル障壁層としては、非磁性絶縁体からなる単一層の他、異なる非磁性絶縁層を用いた積層膜、絶縁体中に金属微粒子を分散させたグラニュラー構造、及び数nmの金属超薄膜を既述の絶縁膜で挟み込んだ構造等の複合構造も可能である。 これらの複合構造を障壁層として用いると、構造設計によりセル抵抗値を容易に制御することができ、実施上好ましい形態といえる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。 （第１の実施の形態）図１及び図２は、本発明の磁気メモリ装置の第１の実施形態を説明するための模式図である。 図１は、２つのメモリセルにおける断面構造を、図２は、対応の平面構造を示している。

【００２４】本実施形態のメモリセルは、Ｓｉ等の基板上に形成されるメモリセルの多層構造において、第１金属層１０、第２金属層２０、及び絶縁体からなるトンネル障壁層３０を主な構成として備える。 第１金属層１０
は非磁性金属層１１と強磁性金属層１２とからなり、一方、第２金属層２０は、強磁性体からなる磁気記録層２
１と非磁性金属層２２とから構成される。 そして、第１
金属層１０と第２金属層２０とは、層間絶縁層３１に開けられたコンタクトホール５０において、トンネル障壁層３０を挟んで対向しており、このトンネル障壁を介した両強磁性金属層間にてTMR が得られる。 従って、各TM
R メモリセルは、第１金属層１０と第２金属層２０とが重なり合う部分に形成され、第１金属層１０と第２金属層２０とが対向するトンネル障壁層３０の垂直投影像と自由磁化領域１３は重なりあう。 図１及び図２では、２
つのメモリセルを表示し、自由磁化領域１３は図２に破線で示す通り、各メモリセルに１つ形成される。 図２では、実質的なトンネル接合面を規定するコンタクトホール５０の形状を反映して、自由磁化領域１３は四角形である。

【００２５】第１金属層１０は、図１及び図２に示すように長手方向を有する細線形状を備えて複数のメモリセルに接続しており、各メモリセルに電流を供給するビット線として機能する。 第２金属層２０を構成する磁気記録層２１は、強磁性金属層１２に比べ高い保磁力を有しており、メモリセルにおける記録情報は該記録層２１の磁化方向として記録される。 非磁性金属層２２は、膜厚１００nmのCuAu膜からなり、メモリセルのトンネル接合とセルトランジスタを接続するために設けられている。
尚、セルトランジスタは、代表的にはMOSFET等の電界効果型トランジスタのような公知の技術を用いることができ、その詳細な説明と図示は省略する。

【００２６】尚、図１及び図２の４０はワード線を示す。 ワード線４０は、その長手方向及び電流方向が、第１金属層１０の長手方向に対し、垂直となるように形成されている。 つまり、図１及び図２では、ワード線４０
は紙面垂直方向に長手方向を有し、第１金属層１０は紙面内に長手方向を有する。 尚、磁気メモリ装置は、ワード線以外の書き込み／読み出し回路等の周辺回路を備えるが、この周辺回路は従来の半導体技術、例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリ、強誘電体をキャパシタ誘電体として用いたランダムアクセスメモリー、及び不揮発性記憶装置等に用いられる種々の半導体回路について採用することができ、その回路構成等の詳細な説明は省略する。 尚、読み出し／書き込み回路等の周辺回路と多数のメモリセルが集められ形成されたセル領域とは、SiO ₂等の層間絶縁膜により分離される。

【００２７】記録情報の書き込み動作は、ワード線４０
及びビット線として機能する第１金属層１０に電流を流して行う。 すなわち、ワード線４０および第１金属層１
０から生じる電流磁界の和が磁気記録層２１の磁化方向を反転させるに十分な値となるように、それぞれの電流値が設定される。 磁気記録層２１の磁化方向は、ワード線４０及び第１金属層１０を流れる電流の方向によって決定される。 本実施形態では、ワード線４０および第１
金属層１０とは互いに垂直な位置関係にあるので、どちらか一方の電流方向を変えることで上記目的は達成される。

【００２８】次に、本発明の磁気メモリセルにおける記録情報の読み出し動作を、図３（ａ）乃至図３（ｄ）に示す平面模式図を用いて説明する。 図３（ａ）乃至図３
（ｄ）において、５１は強磁性金属層１２の磁化、５２
は記録層２１の磁化について模式的に示したものであり、矢印の方向が夫々の磁化方向を示している。

【００２９】まず、初期状態において、図３（ａ）に示すように、すべての領域の磁化５１、５２が同一方向を向いている状態を記録状態“１”と定義する。 次に、図
3 （ｂ）に示すように、ワード線４０に紙面上向きの電流ｉを流すと、ワード線４０と強磁性金属層１２との上下関係から、強磁性金属層１２には、その磁化方向と逆向きの電流磁界が局所的に印加される。 尚、ワード線４
０と強磁性金属層１２との上下関係が図示の場合と逆であれば、ワード線の電流方向を反転すれば、同方向の電流磁界を強磁性金属層１２に与えることができる。 ここで、ワード線からの電流磁界により、強磁性金属層１２
には図３（ｂ）に二重線で示す磁壁５３で囲まれた、逆方向磁化５１´を備える逆磁区が発生し、磁壁５３が強磁性金属層１２内部を伝搬することで、逆磁区が広がる。

【００３０】さらに、一定時間経過後には、図３（ｃ）
に示すように、磁壁５３は自由磁化領域１３の領域を通過し、自由磁化領域１３の磁化反転が完了する。 これにより、磁気記録層２１と自由磁化領域１３との磁化の相対関係は平行から反平行へと変化し、これに伴い、トンネル障壁を介した両金属層１０、２０間の抵抗値は増加する。 従って、第１金属層１０より第２金属層２０へ一定電流を流しておけば、素子両端には上向きの電圧パルスが生じる。

【００３１】一方、初期状態として、磁気記録層２１の磁化が、強磁性金属層１２、自由磁化領域１３の磁化方向と反平行である場合、すなわち記録状態“０”では、
図３（ａ）乃至図３（ｃ）に示す読み出し動作を行うと、磁気記録層２１と自由磁化領域１３との磁化の相対関係は反平行から平行へと変化する。 そして、これに伴い、第１及び第２金属層１０、２０間の抵抗値は低減し、従って、第１及び第２金属層１０、２０間に一定電流を流しておけば、下向きの電圧パルスが生じる。 このようにして、電圧パルスの立ち上がり、立ち下がりを区別して検出することによって、磁気記録層２１の記録状態を読み出すことが可能である。

【００３２】尚、図３（ｂ）に示した、ワード線４０に流す電流ｉの値を、発生する電流磁界が磁気記録層２１
の保磁力以下となるように設定すれば、記憶情報を消去しない、非破壊読み出し動作が可能である。 逆に、電流磁界が磁気記録層２１の保磁力以上となるように電流ｉ
の値を設定すれば、破壊読み出しとなる。

【００３３】ここで、図３（ｂ）及び図３（ｃ）の動作で生じた磁壁５３は、強磁性金属層１２が磁気的に均一であれば、強磁性金属層１２の細線長手方向に減衰することなく進行を続ける。 しかし、一般的には、強磁性金属層１２には、微細加工時に生じる端面のラフネスもしくは成膜時に生じる欠陥が存在するため、図３（ｄ）にピン止め位置５４で示した箇所に磁壁５３は束縛され、
その進行が停止する。

【００３４】このように、読み出しには磁壁５３の移動を伴うため、読み出し後に、自由磁化領域１３の磁化状態を初期状態に戻すためのリフレッシュ動作が必要となる。 リフレッシュ動作は、ワード線に読み出し時とは逆方向の電流を流すことによって容易に実現できる。

【００３５】図４は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した各磁気メモリセルの、セル読み出し電圧（Output Vo
ltage ）の磁界（Magnetic Field ）応答を示している。 この測定には、SiO ₂で主表面を被覆したSi基板に直接上述の磁気メモリセルを形成した試料であり、半導体回路部及びワード線の作製を省略した試料を用いた。
測定時に与えた磁界は、ワード線からの電流磁界に相当する。 この試料の強磁性金属層１２の幅は１mm、長さは
100mm 、コンタクトホール５０は0.5mm 角の矩形である。 コンタクトホール５０は強磁性金属層１２の長手方向に互いに3.5mm の間隔で２５個形成した。 磁界は試料全体に均一に印加し、測定電流は10mAの一定値とし、単一セルの出力電圧の磁界応答を測定した。 尚、測定は、
一旦、試料に500Oe の外部磁界を印加して強磁性金属層１２及び磁気記録層２１の磁化方向を平行にそろえた後に行った。 本試料において磁気記録層２１の保磁力は23
0Oe であり、図４に示す磁界範囲にわたって磁気記録層２１の磁化方向は初期状態に保たれる。

【００３６】図４に示す磁界応答には、二つの電圧状態が存在することがわかる。 この二つの電圧状態は、自由磁化領域１３の磁化が外部磁界により反転することによって生じ、自由磁化領域１３と磁気記録層２１との磁化の相対関係、すなわち両磁化が平行（出力電圧大）か反平行（出力電圧小）かを反映している。 磁界応答にはヒステリシスが存在するが、これは自由磁化領域１３の磁化過程を反映している。

【００３７】次に、図５に示す、従来技術の磁気メモリセルの試料について簡単に説明した後、そのセル読み出し電圧の磁界応答を図６を用いて説明する。 この試料は、図５にその断面を示すように、強磁性金属層１２が各セルに分断されて配置されていること以外、基本的構造は第一の実施形態の磁気メモリセルと同様である。 強磁性金属層１２の形状は0.5mm 角の矩形である。

【００３８】図６に示す従来メモリセルの磁気応答は、
第一の実施形態と同様なヒステリシスを示すが、明らかに正磁界と負磁界の出力電圧は非対称である。 さらに、
ヒステリシスの角形比は１より小さい。 ヒステリシスの角形比の低下は、セル出力電圧の低下を引き起こし、実用上好ましくない。 このようなヒステリシスの非対称性、角形比の低下は、前述したように強磁性金属層１２
のエッジに生じる自己減磁磁界や、強磁性金属層１２と磁気記録層２１との静磁結合によって生じる。 従って、
図４と図６とを比較すると、第一の実施形態のヒステリシスは、対称的であり、より小さな磁界で強磁性金属層１２の磁化反転が生じていることがわかる。

【００３９】本実施形態では、ヒステリシスの角形比はほぼ１となる。 このように、対称的な出力信号波形が得られ、かつ、磁化反転に必要な磁界が充分小さい点が、
本発明の大きな利点である。

【００４０】本実施形態における高角形比のヒステリシスは、強磁性金属層１２が細線形状を有しているため、
細線長手方向を容易軸とする強い形状磁気異方性を示すこと、及び、磁化反転機構が一斉の回転ではなく、磁壁移動によって行われることに起因している。 ここで、本実施形態と同様の角形比１のヒステリシスを得るためには、細線の長さと幅の比、すなわちアスペクト比を少なくとも１０：１以上とし、より細い形状とすることが好ましい。 図５の従来構造にて、このようなアスペクト比を有する強磁性金属層１２とすれば、接合面積ひいては素子面積の増加は避けられないが、本実施形態では、素子面積を一定に保ったまま、あるいは縮小しても、強磁性金属層１２に強い形状磁気異方性を付与し、実効的なセル出力信号の増大を図れることができる。

【００４１】次に、本実施形態の磁気メモリ装置の製造方法について詳述する。 図１（ａ）の非磁性金属層１１
は、膜厚100nm のCuAu膜と膜厚20nmのＰｔが積層された二層構造からなる。 ここで、前者のCuAu膜はビット線として形成されたものであり、他にCu、Al等の低抵抗配線材料で代替することができる。 Ｐｔ層は非磁性金属層１
１上に成長する強磁性金属層１２の結晶配向を助けるためのテンプレートとして機能する。 図１（ａ）の強磁性金属層１２は膜厚10nmのNi ₈₂ Fe ₁₈合金を用い、電極長手方向に平行な磁界の存在下で成膜し、強磁性金属層１２
に電極長手方向を磁化容易軸とする一軸磁気異方性を付与する。 尚、このような誘導磁気異方性の付与手段としては、上記磁界中成膜の他、成膜後の磁界中熱処理も有効である。 図１の絶縁膜３０にはAl酸化膜を用い、強磁性金属層１２上に2nm 以下のAl膜を形成後、次いで該Al
膜を酸素プラズマを用いて酸化して形成する。 トンネル障壁層３０に用いられる材料としては、2nm 以下の極めて薄い膜厚で良好な絶縁特性を有することが求められ、
その材料としては、上記Alのプラズマ酸化膜の他、例えばAlの自然酸化膜、または直接成膜されたAl ₂ O ₃膜、
AlN 膜が利用可能である。 また、既に説明したように、
異なる非磁性絶縁体からなる積層膜や、絶縁体中に金属微粒子を分散させたグラニュラー構造、また数nmの金属超薄膜を既述の絶縁膜で挟み込んだ構造等の複合構造も可能である。 図１の絶縁膜３０上には磁気記録層２１として膜厚10nmのCoを強磁性金属層１２と同様にする。

【００４２】磁気記録層２１の成膜後、図２のコンタクトホール５０を形成するためのポジ型レジストパターンを作製し、コンタクトホール部以外の磁気記録層２１
を、絶縁膜３０に達するまで反応性イオンエッチングにより除去する。 エッチング後、膜厚50nmのSiO ₂からなる層間絶縁膜３１を全面に成膜し、リフトオフ処理を行う。 以上の工程によって、図１及び図２のコンタクトホール５０によってトンネル接合面積が規定された、自由磁化領域１３、絶縁膜３０、磁気記録層２１からなる磁気メモリセルが形成される。 なお、ここでは磁気記録層２１とコンタクトホール５０との位置合わせが自己整合した、いわゆるセルフアラインメント法について説明したが、これ以外の素子形成プロセスも可能である。 非磁性金属層２２は、膜厚１００nmのCuAu膜等を用いた。

【００４３】以上の各金属膜、層間絶縁膜の形成は、従来のスパッタリング技術、CVD 技術を用いて行うことが可能である。 また、素子特性を向上させるために、各金属膜、絶縁膜の膜厚、組成は変更することが可能である。

【００４４】図１及び図２のワード線４０は、非磁性金属層２２の成膜と、セル読みだしトランジスタへのコンタクト２３を形成した後、膜厚100nm のSiO ₂からなる層間絶縁膜４１により、磁気メモリセルとの層間分離を行った後、形成する。 この際に、層間絶縁膜４１表面を化学的機械研磨等の方法で平坦化することが好ましい。
その後、図１及び図２のワ−ド線として、膜厚200nm の
CuAu膜を形成し、磁気メモリ装置のメモリセル部が完成する。 磁気メモリ装置の製造は、このメモリセル部の製造の前後、あるいは、メモリセル部の一部の工程と併合した工程にて周辺回路部とその接続を行うことで完了する。

【００４５】次に、第一実施形態の磁気メモリセル構造の変形例について、図７の断面模式図を用いて説明する。 この変形例は、図７に示すように、第１金属層１０
と第２金属層２０との上下関係が入れ替わった構造を有する。 また、強磁性金属層１２の自由磁化領域は、各メモリセルのトンネル接合部である、コンタクトホール５
０に対応して厚膜化している。 但し、本発明の効果を最大限に利用するためには、強磁性金属層１２は、極力その膜厚を一定とすることが望ましい。 これは、自由磁化領域において、膜厚の変化が生じると、その矩形部分に磁極が生じ、それによる自己減磁が生じてしまうためである。

【００４６】磁壁のピン止め位置を積極的に制御する目的で、図８の平面模式図に示すように、強磁性金属層１
２の適当な箇所にピン止め構造として、括れ５５を形成しても良い。 括れ５５では、局所的に磁壁５３の断面積が減少するため、磁壁のエネルギーが減少し、磁壁５３
はその位置でピン止めされる。 尚、磁壁のピン止めを行う構造例としては、括れの他、ピン止め位置の強磁性金属層１２の膜厚を他の領域に比して薄膜化したり、ピンホールを挿入する等の構造も可能である。 尚、図８では、説明の便宜上、ワード線４０と、電流方向、両強磁性層１２、２１の磁化方向の図示を省略した。

【００４７】（第２の実施形態）第１の実施形態において、自由磁化領域１２に用いたNiFe合金の場合、磁壁の直径は概ね数１０nm程度である。 従って、細線長さ方向にミクロンサイズ以上の寸法を有する強磁性金属層１２
を形成した場合に、その強磁性金属層１２が単磁区として振る舞うことはほとんどない。 しかしながら、強磁性金属層１２の細線幅方向の寸法をサブミクロンサイズとすると、逆磁区発生時に１８０°磁壁の形成が阻害されるため、磁化反転過程初期に渦磁区が形成される可能性がある。 渦磁区の存在は、反転磁界が増大する要因となり、好ましくない。

【００４８】第二の実施形態では、図９（ａ）及び図９
（ｂ）の平面模式図に示したように、強磁性金属層１２
の括れ５５と自由磁化領域１３との間に逆磁区を形成し、これにより、渦磁区の発生を防止することが可能である。 逆磁区の導入は、図９（ａ）に示すように、強磁性金属層１２の一部に突起部分５６を設けても良いし、
図９（ｂ）のように、強磁性金属層１２の一部にCoPtなどの硬質磁性体、MnPt等の反強磁性体、または強磁性結合や反強磁性結合のような層間結合を有する磁性人工格子からなるピン止め層５７を強磁性金属層１２に密接させることで、交換バイアスにより逆磁区を導入することができる。 図９（ｂ）に示す構造では、図示のごとく磁壁５３は括れ５５に束縛される。

【００４９】図９（ｂ）のように、強磁性金属層１２にあらかじめ逆磁区が導入され磁壁５３がピン止めされると、磁壁５３を一つのピン止め位置から次のピン止め位置に移動させるために必要な限界磁界Ｈｏは近似的に次のような式１で表される。

【００５０】

【数１】Ｈｏ＝（ｒ/Iｓ）×（Ｒ／Ｌ ² ） この式でＲは単位面積あたりの磁壁のエネルギー、Ｉｓ
は飽和磁化、Ｌは強磁性細線の幅、ｒはピン止めサイトの大きさ（半径ｒの空孔とする。）である。 この式にFe
におけるγ、Ｉｓを用い、ｒ＝0.2 ＬとＬ＝１mmを代入すると、Ｈｏは10Ｏe 程度の値になる。 一方、図５に示す構造を有する従来のメモリセルでは、強磁性電極１２
の形状は0.5mm 角の矩形である。 このような矩形の強磁性電極１２では磁化反転は一斉回転により行われ、その保磁力Ｈｃは膜の平面寸法に依存する。 膜厚10nm、幅0.
5mm 、アスペクト比1.5:1 のNiFe合金膜では、Ｈｃ＝15
0Ｏｅとなる。 すなわち、本実施形態の磁気メモリ装置によれば、記録情報の読み出し動作に必要な磁界の大きさは、従来に比べて数分の一以下でよい。 従って、磁界発生に必要なワード線電流を低減することが可能である。

【００５１】（第３の実施の形態）第３の実施の形態は、第２の実施形態において説明したような磁壁のピン止め制御構造を備えるメモリセルを複数個接続したメモリセルアレイにおいて、磁壁移動を積極的に利用した記録情報の読み出し方法について、説明する。 図１０
（ａ）乃至図１０（ｃ）は、この読み出し方法を説明するための、平面模式図である。 図１０（ａ）は、図３
（ａ）乃至図３（ｄ）に示す読み出し動作によりメモリセル１０１の記録情報が読み出された後の状態を示している。 読み出し動作は、メモリセル１０１に対応するワード線４０１に図示の上向きの電流パルスｉを印加することで行っている。 読み出し動作終了後、磁壁５３は図１０（ａ）に示すピン止め用括れ５５に束縛されており、磁壁５３からメモリセル１０１側の強磁性金属層１
２は紙面左方向の磁化を有し、磁壁５３からメモリセル１０１とは反対側の強磁性金属層１２は、紙面右方向の磁化を備える。 この状態で、図１０（ｂ）に示すように、メモリセル１０２に対応するワード線４０２に、メモリセル１０１の読み出し動作と同様に上向きの電流パルスｉを印加する。 この動作により、図１０（ｂ）に示すごとく、ピン止め用括れ５５に束縛された磁壁５３は右向き磁界によって圧力を受け、括れ５５から離れ、その右側にある次の括れ５５に移動する。 従って、この磁壁５３移動により、セル１０２の記録情報が読み出される。 次に図１０（ｃ）に示すように、メモリセル１０３
に対応するワード線４０３に同様の電流パルスｉを印加することによって、磁壁５３は、図示せぬ、さらに右側に位置する括れに移動し、セル１０３の読み出し動作が完了する。

【００５２】磁壁の移動速度は、印加磁界の強さに比例し、また強磁性体の磁化状態、膜厚にも依存する。 膜厚
10nmのNiFe合金細線においては、100m/Oe ・s 程度の速度が観測される。 従って、上述の構造を持つメモリセルアレイにおいて10Oeの磁界を印加し、セル間の間隔が3.
5mm では、読み出し速度は3.5ns となる。 この値は、周辺半導体回路、配線のRC定数から決まるアクセス速度に比べ一桁以上小さな値であり、実用上問題とならない。

【００５３】すなわち上述の方法によれば、強磁性金属層１２に接続された複数個のメモリセルの記録情報を、
各セルに対応したワード線に電流パルスを逐次印加することにより読み出すことが可能である。 これは、従来のメモリ技術におけるニブルモードに対応したものとなり、リード・ライトモードに比べ高速読み出しが可能となる利点を有する。

【００５４】尚、図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示す構造では、各セルに対応したピン止め用括れ５５間を磁壁５３を移動させるため、各ワード線からの印加磁界を必要としたが、強磁性金属層１２が磁気的に均一性良く作成され、磁壁移動が強磁性金属層１２中を人為的に作成したピン止め以外でスムーズに行われるのであれば、
別の方式の読み出し方法が可能である。 すなわち図１１
（ａ）に示すように、メモリセル４０１の読み出し動作を行った後、図１１（ｂ）に示すように、磁壁５３をそのまま伝搬させ、ワード線４０２に電流を流すことなく、磁壁５３がセル１０２を通過し、メモリセル１０２
の自由磁化領域１３の磁化反転が完了する。 最終的に、
磁壁５３はピン止め用括れ５５に束縛され、一連の読み出し動作が完了する。

【００５５】この方法は、従来スタティックコラムモードとして知られている読み出し方法に対応したもので、
ニブルモードと同様、リード・ライトモードに比べ高速読み出しが可能となる利点を有する。 さらにニブルモードに比べ、ワード線の動作回数が少なく済み、消費電力の大幅な低減を実現できる。

【００５６】

【発明の効果】本発明の磁気メモリ装置によれば、端面における自己減磁効果、及び強磁性電極間の層間静磁結合による不均一な磁化分布の発生を避けることが可能となり、従って、セル寸法を微細化した場合においても、
反転磁界の増大を防ぐことができるだけでなく、対称的な磁化応答、高いヒステリシス角形比を維持することができ、安定なメモリ動作を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態に関わる、磁気メモリ装置の断面模式図である。

【図２】 本発明の第１の実施形態に関わる、磁気メモリ装置の平面模式図である。

【図３】 本発明の第１の実施形態に関わる、磁気メモリ装置の読み出し動作を説明するための平面模式図である。

【図４】 本発明の第１の実施形態に関わる、磁気メモリ装置の出力信号の磁界応答を示した図（磁界―出力電圧特性）である。

【図５】 本発明の第１の実施形態との比較例である従来の磁気メモリ装置の断面模式図である。

【図６】 図５に示した従来の磁気メモリ装置の磁界―
出力電圧特性である。

【図７】 本発明の第１の実施形態の変形例を示す、平面模式図である。

【図８】 本発明の第２の実施形態に関わる、逆磁区制御構造を備える磁気メモリ装置の平面模式図である。

【図９】 本発明の第２の実施形態に関わる、磁気メモリ装置の平面模式図である。

【図１０】 本発明の第３の実施形態に関わる、磁気メモリ装置における読み出し動作を説明するための平面模式図である。

【図１１】 本発明の第３の実施形態に関わる、磁気メモリ装置の読み出し動作の他の例を説明するための平面模式図である。

【符号の説明】

１０…第一金属層 １１、２２…非磁性金属層 １２…強磁性金属層 １３…自由磁化領域 ２０…第二金属層 ２１…磁気記録層 ２３・・・セルトランジスタへのコンタクト ３０…トンネル障壁層 ３１、４１…層間絶縁層 ４０、４０１、４０２、４０３…ワード線 ５０…コンタクトホール ５１、５１´、５２…磁化 ５３…磁壁 ５５…括れ ５６…突起 ５７…ピン止め層 １０１、１０２、１０３…メモリセル