JP3693247B2 - 磁気抵抗効果記憶素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、磁気抵抗効果（以下、ＭＲと称す）を利用した素子に関し、特に、微細な形状の磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果磁気ヘッド、微細な形状の磁気抵抗効果記憶素子およびこのような磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置した高密度磁気抵抗効果記憶デバイスに関する。
【０００２】
（背景技術）
磁気抵抗効果（ＭＲ）膜を用いた固体記憶デバイス（ＭＲＡＭ）は、Ｌ．Ｊ．Ｓｃｈｗｅｅの、Ｐｒｏｃ．ＩＮＴＥＲＭＡＧ Ｃｏｎｆ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎ．Ｋｙｏｔｏ（１９７２）４０５．によって提案され、記録磁界発生用の電流線であるワード線とＭＲ膜を用いた読み出し用のセンス線より成る構成の様々なタイプのＭＲＡＭが研究されている。このような研究の例として、Ａ．Ｖ．Ｐｏｈｍらの、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎ．２８（１９９２）２３５６．が挙げられる。これらの記憶デバイスには、一般的にＭＲ変化率が２％程度の異方性ＭＲ効果（ＡＭＲ）を示すＮｉＦｅ膜等が使用され、出力される信号値の向上が課題であった。
【０００３】
非磁性膜を介して交換結合した磁性膜より成る人工格子膜が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を示すことが、Ｍ．Ｎ．Ｂａｉｂｉｃｈら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１（１９８８）２４７２．に記述されている。また、ＧＭＲ膜を用いたＭＲＡＭの提案が、Ｋ．Ｔ．Ｍ．Ｒａｎｍｕｔｈｕら、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎ．２９（１９９３）２５９３．によってなされている。しかしながら、この反強磁性交換結合をした磁性膜より成るＧＭＲ膜は、大きなＭＲ変化率を示すものの、ＡＭＲ膜に比べ大きな印加磁界を必要とし、大きな情報記録および読み出し電流を必要とする問題点がある。
【０００４】
上記の交換結合型ＧＭＲ膜に対して、非結合型ＧＭＲ膜としてはスピンバルブ膜があり、反強磁性膜を用いたものが、Ｂ．Ｄｉｅｎｙら、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．９３（１９９１）１０１．に記述されている。また、（半）硬質磁性膜を用いたものが、Ｈ．Ｓａｋａｋｉｍａら、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３３（１９９４）Ｌ１６６８．に記述されている。これらは、ＡＭＲ膜と同様の低磁界で、かつＡＭＲ膜より大きなＭＲ変化率を示す。また、反強磁性膜あるいは硬質磁性膜を用いたスピンバルブ型を用いたＭＲＡＭにおいて、記憶素子が非破壊読み出し特性（ＮＤＲＯ）を有することを示すものが、Ｙ．Ｉｒｉｅら、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４（１９９５）Ｌ４１５．に記述されている。
【０００５】
上記のＧＭＲ膜の非磁性膜はＣｕ等の導体膜であるが、非磁性膜にＡｌ2Ｏ3やＭｇＯ等の酸化物絶縁膜を用いたトンネル型ＧＭＲ膜（ＴＭＲ）の研究も盛んとなり、このＴＭＲ膜を用いたＭＲＡＭも提案されている。
【０００６】
ＧＭＲ膜で膜面に垂直に電流を流した場合のＭＲ効果（ＣＰＰＭＲ）の方が膜面に平行に電流を流した場合のＭＲ効果（ＣＩＰＭＲ）より大きいことが知られている。また、更にＴＭＲ膜はインピ−ダンスが高いので、ＴＭＲ膜を用いることにより大きな出力が得られることが期待される。
【０００７】
しかし、ＴＭＲ膜におけるトンネル接合においては、素子の微細化に伴って素子の接合インピーダンスが次第に大きくなるという問題がある。
【０００８】
トンネル接合で構成されるメモリセルの大きさがサブミクロン程度になってくると、接合インピーダンスが非常に高くなり、信号を読みとれなくなってしまうため、望ましい接合抵抗を提供可能なトンネル絶縁体が望まれる。
【０００９】
また、トンネル接合素子に於いて、トンネル接合界面での散乱が強いと好ましい素子特性が得られないことから、接合界面の状態は接合特性を大きく左右するといえる。
【００１０】
従来のＴＭＲ膜においては、非磁性絶縁層としてＡｌ2Ｏ3を用いてトンネル接合を構成するのが一般的である。このような非磁性絶縁層は、良好な絶縁特性を得るために、金属Ａｌ膜の自然酸化あるいはプラズマ酸化により作製される。
【００１１】
しかしながら、上記の様な作製法では、非磁性層中に金属層と絶縁層とが混在してしまう可能性、および強磁性体層にも酸化がおよぶことにより不要な絶縁層が生成されてしまう可能性があり、これらの欠点はトンネル特性を劣化させてしまう要因となってしまう。
【００１２】
また、トンネル接合素子の微細化にともなって要求されるトンネル接合素子の低抵抗化（あるいは低インピーダンス化）にとっても、非磁性絶縁層としてＡｌ2Ｏ3を用いたトンネル接合では、トンネル接合抵抗を１０Ωμｍ2以下に作製することは大変困難である。
【００１３】
本発明は、上記のような課題を鑑みて成されたものであり、トンネル接合抵抗が低減され、且つ理想的なトンネル接合界面を有する磁気抵抗素子、磁気抵抗効果磁気ヘッド、磁気抵抗効果記憶素子およびこのような磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置した高密度磁気抵抗効果記憶デバイスを提供することを目的とする。
【００１４】
（発明の開示）
本発明の磁気抵抗効果記憶素子は、第１強磁性膜と、第２強磁性膜と、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜との間に形成された第１非磁性膜と、上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方を磁化反転させる磁界を発生し、上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜と電気的に接していない第１導電膜と、上記第１強磁性膜、上記第１非磁性膜および上記第２強磁性膜に電流を流す、第２導電膜および第３導電膜と、を備え、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜とは、上記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、上記第１非磁性膜が少なくとも窒化物を含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方が窒化物を含んでもよい。
【００１６】
上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方が、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含んでもよい。
【００１７】
上記第２導電膜および第３導電膜の少なくとも一方が窒化物を含んでもよい。
【００１８】
上記第２導電膜および第３導電膜の少なくとも一方がＴｉＮを含んでもよい。
【００１９】
上記第１非磁性膜の厚さが０．５ｎｍ〜４ｎｍであってもよい。
【００２０】
上記第１非磁性膜がＡｌＮを含んでもよい。
【００２１】
上記第１非磁性膜がＢＮを含んでもよい。
【００２２】
上記第１非磁性膜がＩｎＮを含んでもよい。
【００２３】
上記第１非磁性膜は、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を上記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含んでもよい。
【００２４】
上記第１非磁性膜は、非磁性金属を窒化させることにより形成されてもよい。
【００２５】
上記第１非磁性膜が酸化物を更に含んでもよい。
【００２６】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において非磁性金属を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００２７】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００２８】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００２９】
上記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、上記第１非磁性膜の粒界部においては主としてＭ−Ｏを含んでもよい。
【００３０】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００３１】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００３２】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００３３】
上記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、上記第１非磁性膜内にＭ−Ｏが分散して含まれていてもよい。
【００３４】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００３５】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００３６】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００３７】
上記第１非磁性膜が、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、Ｏを酸素元素とするとき、少なくとも１つのＭ−Ｎ膜と少なくとも１つのＭ−Ｏ膜とを含んでもよい。
【００３８】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、上記少なくとも１つのＭ−Ｎ膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記少なくとも１つのＭ−Ｏ膜を、酸素雰囲気中において上記金属元素を酸化させることにより形成する第２の工程とを包含する。
【００３９】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００４０】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００４１】
本発明のＭＲＡＭデバイスは、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子を複数個含み、複数の上記第１導電膜、複数の上記第２導電膜および複数の上記第３導電膜が、それぞれ所定の方向に配置される。
【００４２】
本発明の磁気抵抗効果記憶素子は、複数の積層構造と、上記複数の積層構造の間にそれぞれ形成された少なくとも１つの第１の非磁性膜と、上記複数の積層構造に電流を流す第１の導電膜および第２の導電膜とを備える、磁気抵抗効果記憶素子であって、上記複数の積層構造のそれぞれが、第１強磁性膜と、第２強磁性膜と、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜との間に形成された第２非磁性膜とを備え、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜とは、上記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、上記磁気抵抗効果記憶素子は、上記複数の積層構造に含まれる複数の上記第１強磁性膜および複数の上記第２強磁性膜の内の少なくとも１つを磁化反転させる磁界を発生し、上記複数の第１強磁性膜および上記複数の第２強磁性膜と電気的に接していない第３導電膜を更に備え、上記複数の積層構造に含まれる複数の上記第２非磁性膜の内の少なくとも１つが、少なくとも窒化物を含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００４３】
上記複数の第１強磁性膜のそれぞれの保磁力の大きさが、互いに異なっていてもよい。
【００４４】
上記複数の第２強磁性膜のそれぞれの保磁力の大きさが、互いに異なっていてもよい。
【００４５】
上記複数の第１強磁性膜および上記複数の第２強磁性膜の内の少なくとも１つが窒化物を含んでもよい。
【００４６】
上記複数の第１強磁性膜および上記複数の第２強磁性膜の内の少なくとも１つが、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含んでもよい。
【００４７】
上記第１導電膜および上記第２導電膜の少なくとも一方が窒化物を含んでもよい。
【００４８】
上記第１導電膜および第２導電膜の少なくとも一方がＴｉＮを含んでもよい。
【００４９】
上記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を上記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含んでもよい。
【００５０】
上記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、非磁性金属を窒化させることにより形成されてもよい。
【００５１】
上記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、酸化物を含んでもよい。
【００５２】
本発明のＭＲＡＭデバイスは、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子を複数個含み、複数の上記第１導電膜、複数の上記第２導電膜および複数の上記第３導電膜が、それぞれ所定の方向に配置される。
【００５３】
本発明の磁気抵抗効果素子は、第１強磁性膜と、第２強磁性膜と、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜との間に形成された第１非磁性膜とを備え、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜とは、上記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、上記第１非磁性膜が少なくとも窒化物を含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００５４】
上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方が窒化物を含んでもよい。
【００５５】
上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方が、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含んでもよい。
【００５６】
上記第１非磁性膜の厚さが０．５ｎｍ〜４ｎｍであってもよい。
【００５７】
上記第１非磁性膜がＡｌＮを含んでもよい。
【００５８】
上記第１非磁性膜がＢＮを含んでもよい。
【００５９】
上記第１非磁性膜がＩｎＮを含んでもよい。
【００６０】
上記第１非磁性膜は、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を上記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含んでもよい。
【００６１】
上記第１非磁性膜は、非磁性金属を窒化させることにより形成されてもよい。
【００６２】
上記第１非磁性膜が酸化物を更に含んでもよい。
【００６３】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において非磁性金属を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００６４】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００６５】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００６６】
上記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、上記第１非磁性膜の粒界部においては主としてＭ−Ｏを含んでもよい。
【００６７】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００６８】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００６９】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含する。
【００７０】
上記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、上記第１非磁性膜内にＭ−Ｏが分散して含まれていてもよい。
【００７１】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００７２】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００７３】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００７４】
上記第１非磁性膜が、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、Ｏを酸素元素とするとき、少なくとも１つのＭ−Ｎ膜と少なくとも１つのＭ−Ｏ膜とを含んでもよい。
【００７５】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、上記少なくとも１つのＭ−Ｎ膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記少なくとも１つのＭ−Ｏ膜を、酸素雰囲気中において上記金属元素を酸化させることにより形成する第２の工程とを包含する。
【００７６】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００７７】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００７８】
本発明の製造方法は、金属絶縁膜の製造方法であって、上記金属絶縁膜は少なくとも窒化物を含み、窒素雰囲気中において所定の金属を窒化させることにより窒化物を形成する第１の工程と、上記窒化物を、酸素雰囲気中において酸化させる第２の工程とを包含する。
【００７９】
上記所定の金属元素は、Ａｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素であってもよい。
【００８０】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００８１】
本発明の製造方法は、金属絶縁膜の製造方法であって、上記金属絶縁膜は、Ｍを所定の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、Ｏを酸素元素とするとき、少なくとも１つのＭ−Ｎ膜と少なくとも１つのＭ−Ｏ膜とを含み、上記少なくとも１つのＭ−Ｎ膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記少なくとも１つのＭ−Ｏ膜を、酸素雰囲気中において上記金属元素を酸化させることにより形成する第２の工程とを包含する。
【００８２】
上記所定の金属元素は、Ａｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素であってもよい。
【００８３】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００８４】
本発明は、非磁性絶縁層に窒素物を、あるいは磁性層も共に窒化物を用いることを特徴とし、トンネル接合抵抗が低減され、且つ理想的なトンネル接合界面を有する磁気抵抗素子、磁気抵抗効果磁気ヘッド、磁気抵抗効果記憶素子およびこのような磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置した高密度磁気抵抗効果記憶デバイスが提供される。
【００８５】
特に、本発明においては、非磁性絶縁層を窒化物および酸化物の組み合わせにより構成する事により、窒化物非磁性絶縁層の有する低いトンネル接合抵抗のメリットを利用できる。また、作製条件のずれによって生じやすい非磁性層の窒化の不完全な部分を酸化させ、窒化の不完全な部分を高抵抗化させることで、リーク伝導路あるいはホッピング伝導路の出現を防ぐことができる。また、窒化と酸化を複数回繰り返して非磁性絶縁層を作製することにより、トンネル特性の制御性をより向上させる事ができる。
【００８６】
本発明によれば、非磁性絶縁層にＡｌ2Ｏ3単体を用いたトンネル接合抵抗と同等の低い接合抵抗を、より厚い非磁性絶縁層にて実現することができる。したがってＭＲ素子の製造が容易になり、集積性が求められる記憶素子などにおける特性均一性に優位性を発揮することができる。
【００８７】
（発明を実施するための最良の形態）
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果記憶素子１０００の断面図を示す。
【００８８】
磁気抵抗効果記憶素子１０００は、硬質磁性膜を用いたスピンバルブ型（以下ではＨＭスピンバルブ型と呼ぶ）磁気抵抗効果記憶素子である。
【００８９】
磁気抵抗効果記憶素子１０００においては、硬質磁性膜１１０（第２の強磁性膜）と、非磁性絶縁膜１２０と、軟磁性膜１３０（第１の強磁性膜）とによりＭＲ素子部１００が形成される。軟磁性膜１３０は硬質磁性膜１１０よりも外部磁界に対して磁化回転し易い。ＭＲ素子部１００は、センス線およびビット線を構成する導電膜１４０および１５０に接続される。また、ワード線を構成する導電膜１７０が絶縁膜１６０を介してＭＲ素子部１００上部に設けられている。
【００９０】
本発明の説明において、図示される各磁性膜中に示される矢印は、各磁性膜のそれぞれの磁化方向の一例を示している。ただし、各磁性膜の磁化方向は、図示される方向に限定されず、様々な実施の形態において変化し得るものであり、また、書き込み動作および読み出し動作において変化し得る。
【００９１】
磁気抵抗効果記憶素子１０００においては、導電膜１７０（ワード線）を流れる電流によって発生する磁界により、硬質磁性膜１１０を磁化反転させ情報を書き込む。情報の読み出しは、硬質磁性膜１１０の磁化反転を起こさずに、軟磁性膜１３０のみを磁化反転させることにより行う。また、導電膜１７０のみでなく、導電膜１４０または１５０（センス線）にも電流を流して磁界を発生させても良い。この場合には、導電膜１７０と１４０（１５０）とにより構成されるそれぞれの配線は、直交する関係にあることが好ましい。
【００９２】
このような書き込みおよび読み出し動作を行うことにより、磁気抵抗効果記憶素子１０００は、非破壊読み取り（ＮＤＲＯ）が可能となる。また、この場合、磁化反転させるための磁界のしきい値として、硬質磁性膜１１０および軟磁性膜１３０のそれぞれの保磁力に対応する記録用しきい値Ｈｈと読み出し用しきい値Ｈｓの２つが必要となる。
【００９３】
図２Ａおよび図２Ｂに、ＨＭスピンバルブ型である磁気抵抗効果記憶素子１０００の動作原理を示す。磁気抵抗効果記憶素子１０００への信号の記録は、図２Ａに示すように、導電膜１７０に正のパルス電流５０１または負のパルス電流５０２を流し、硬質磁性膜１１０のＨｈを越える磁界を硬質磁性膜１１０に印加し、硬質磁性膜１１０を磁化反転させ、 硬質磁性膜１１０の磁化方向により“１”または“０”の信号を記録することにより行われる。
【００９４】
記録された信号の読み出しは、導電膜１４０および１５０（図１）に定電流を流した状態で、導電膜１７０に弱電流パルスを流し、軟磁性膜１３０のＨｓ以上、硬質磁性膜１１０のＨｈ以下の磁界を発生させ、軟磁性膜１３０が磁化反転するか否かを判別することにより行われる。この場合、導電膜１４０および１５０を通じてモニターされたＭＲ素子部１００の抵抗値の変化により、“１”または“０”の記憶状態が識別される。
【００９５】
例えば、図２Ａに示される“１”および“０”の記憶状態において、正のパルス電流５０１と同様のパルス電流を導電膜１７０に流した場合は、記憶状態“１”の 磁気抵抗効果記憶素子１０００に対しては抵抗値の変化はなく、また、記憶状態“０” の磁気抵抗効果記憶素子１０００に対しては抵抗値が増加する。そして、反対に、負のパルス電流５０２と同様のパルス電流を導電膜１７０に流した場合は、抵抗値の変化は上記と逆になる。
【００９６】
更に、図２Ｂに示すように正→負のパルスを組み合わせたパルス電流５０３（ただし、パルス電流５０３の大きさは、硬質磁性膜１１０の磁化反転を起こさず、軟磁性膜１３０のみを磁化反転させ得るものである）を流した場合、記憶状態が“１”の 磁気抵抗効果記憶素子１０００に対しては、抵抗変化は零→正となるので、変化率（ΔＲ1／Δｔ）は正となり、反対に記憶状態が“０” の 磁気抵抗効果記憶素子１０００に対しては、抵抗の変化率（ΔＲ1／Δｔ）は負になる。
【００９７】
上記のような動作原理で、磁気抵抗効果記憶素子１０００から信号の読み出しが可能となる。磁気抵抗効果記憶素子１０００のようなＨＭスピンバルブ型記憶素子において特徴的なことは、硬質磁性膜１１０の磁化状態は読み出し中は不変であるので、ＮＤＲＯが可能となることである。
【００９８】
なお、硬質磁性膜１１０の代わりに半硬質磁性膜が用いられても良い。
【００９９】
また、硬質磁性膜１１０および軟磁性膜１３０とが逆に配置されていてもよい。特に、導電膜１７０を用いての磁界印加を効率的に行うためには、自由層として用いる軟質磁性膜１３０は、導電膜１７０に、より近接して配置するのが好ましい。
【０１００】
また、本実施の形態では、定電流印加の下での抵抗値変化を電圧変化として検出する、いわゆる定電流モードの例を示しているが、定電圧印加の下での抵抗値変化を電流変化として検出する、いわゆる定電圧モードによる記録情報の検出を用いても良い。
【０１０１】
また、磁気抵抗効果記憶素子１０００の構成は、磁気抵抗効果素子としても用いることができる。この場合は、磁気抵抗効果記憶素子１０００の構成からなる磁気抵抗効果素子は磁気ヘッドとして用いられ得、記録媒体等から印加される磁界はＭＲ素子部１００によって感知される。また、磁気ヘッドとして用いられる場合は、導電膜１７０は設けられていなくても良い。
【０１０２】
（実施の形態２）
図３に本発明の実施の形態２における磁気抵抗効果記憶素子２０００の断面図を示す。実施の形態１で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００と同一の構成要素については同一の参照符号で表し、これらについての詳細な説明は省略する。
【０１０３】
磁気抵抗効果記憶素子２０００は、反強磁性膜を用いたスピンバルブ型（以下ではＡＦスピンバルブ型と呼ぶ）磁気抵抗効果記憶素子である。
【０１０４】
磁気抵抗効果記憶素子２０００においては、反強磁性膜１８０と交換結合した強磁性膜１９０（第２の強磁性膜）と、非磁性絶縁膜１２０と、軟磁性膜１３０（第１の強磁性膜）とによりＭＲ素子部１０１が形成され、センス線およびビット線を構成する導電膜１４１および１５０がＭＲ素子部１０１に接続されている。軟磁性膜１３０は強磁性膜１９０よりも外部磁界に対して磁化回転し易い。
【０１０５】
強磁性膜１９０は、導電膜１７０（ワード線）を流れる電流によって発生する磁界では磁化反転せず、非磁性絶縁膜１２０を介して強磁性膜１９０と磁気的に分離された軟磁性膜１３０のみが磁化反転する。従って情報の書き込みと読み出しは軟磁性膜１３０の磁化反転によってのみ行われ、ＮＤＲＯは困難であるが、磁化反転させるための磁界のしきい値は一つで、動作原理はシンプルである。
【０１０６】
図４Ａおよび図４Ｂに、ＡＦスピンバルブ型記憶素子である磁気抵抗効果記憶素子２０００の動作原理を示す。
【０１０７】
磁気抵抗効果記憶素子２０００において、強磁性膜１９０は、反強磁性膜１８０と交換結合して、その磁化は一方向にピン止めされている。
【０１０８】
磁気抵抗効果記憶素子２０００への信号の記録は、図４Ａに示すように、導電膜１７０に正のパルス電流５１１または負のパルス電流５１２を流し、軟磁性膜１３０のＨｓ以上の磁界を軟磁性膜１３０に印加し、軟磁性膜１３０を磁化反転させ、軟磁性膜１３０の磁化方向により“１”または“０”の信号を記録することにより行われる。
【０１０９】
記録された信号の読み出しは、導電膜１４１および１５０（図３）に定電流を流した状態で、導電膜１７０に正または負の弱電流パルスを流して軟磁性膜１３０のＨｓ以上の磁界を発生させ、軟磁性膜１３０が磁化反転するか否かを判定することにより行われる。この場合、導電膜１４１および１５０を通じてモニターされたＭＲ素子部１０１の抵抗値の変化により、“１”または“０”の記憶状態が識別される。
【０１１０】
例えば、図４Ｂに示される“１”および“０”の記憶状態において、正のパルス電流５１３（ただし、パルス電流５１３の大きさは、強磁性膜１９０の磁化反転を起こさず、軟磁性膜１３０のみを磁化反転させ得るものである）を導電膜１７０に流した場合は、記憶状態“１” の磁気抵抗効果記憶素子２０００に対しては抵抗値の変化はない（ΔＲ2＝０）。また、正のパルス電流５１３を導電膜１７０に流した場合、記憶状態“０” の磁気抵抗効果記憶素子２０００に対しては抵抗値が変化する（ΔＲ2≠０）。そして、反対に負のパルス電流（図示せず）を導電膜１７０に流した場合は、抵抗値の変化は上記と逆になる。
【０１１１】
上記のような動作原理で、磁気抵抗効果記憶素子２０００からの信号の読み出しが可能となる。磁気抵抗効果記憶素子２０００のようなＡＦスピンバルブ型記憶素子においては、信号の読み出し時に記録された信号が破壊されるので、ＮＤＲＯは困難である。
【０１１２】
しかし、磁気抵抗効果記憶素子２０００のようなＡＦスピンバルブ型記憶素子においてもＮＤＲＯは可能である。具体的には、図４Ｃに示すように、ＭＲ素子部１０１の抵抗値と参照抵抗Ｒ1との差ΔＲ3を検出する方法により信号を読み出せば、導電膜１７０にパルス電流を流すことなく、記憶状態“１”または“０”を読み出すことができる。この場合は、信号の読み出し時に記録された信号が破壊されないので、ＮＤＲＯが可能である。このとき用いる参照抵抗Ｒ1の抵抗値は、比較するＭＲ素子部の抵抗値変化の範囲内の値であることが好ましく、磁気抵抗効果記憶素子が集積される場合は、磁気抵抗効果記憶素子の一つを参照抵抗Ｒ1として用いることが好ましい。
【０１１３】
なお、反強磁性膜１８０の代わりに磁化回転抑制層が用いられても良い。
【０１１４】
また、強磁性膜１９０と反強磁性膜１８０とを組み合わせた積層構造と、軟磁性膜１３０とが逆に配置されていてもよい。
【０１１５】
また、実施の形態１と同様に、磁気抵抗効果記憶素子２０００の構成は、磁気抵抗効果素子としても用いることができる。
【０１１６】
実施の形態１および本実施の形態で示された硬質磁性膜１１０（図１）および強磁性膜１９０（図３）は、磁気抵抗効果素子の固定層にあたる。硬質磁性膜１１０および強磁性膜１９０として用いられる金属磁性膜としては、Ｃｏ、ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金等の材料が優れている。特に、Ｃｏ、ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ合金が大きなＭＲ比を得るのに良いので、非磁性膜１２０との界面にはＣｏ、ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ合金を用いることが望ましい。
【０１１７】
また、更に非磁性層１２０には窒化物の絶縁体を用いることが好ましい。このとき、界面性を良好にするためには、硬質磁性膜１１０および強磁性膜１９０もＣｏ、ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅの窒化物であることが、より好ましい。
【０１１８】
また、更に、ＸＭｎＳｂ（ＸはＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕのうちの少なくとも一つから選ばれるのが好ましい。）は、高い磁性分極率を有するため、ＭＲ素子を構成した際、大きなＭＲ比が得られる。
【０１１９】
硬質磁性膜１１０および強磁性膜１９０として用いられる酸化物磁性膜としては、ＭＦｅ2Ｏ4（ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種もしくは２種以上の元素）が好ましい。これらは比較的高温まで強磁性を示し、Ｆｅ−ｒｉｃｈに比べＣｏ，Ｎｉ−ｒｉｃｈは極めて抵抗値が高い。また、Ｃｏ−ｒｉｃｈは磁気異方性が大きいという特性があるので、これらの組成比の調整により所望の特性の硬質磁性膜１１０および強磁性膜１９０が得られる。
【０１２０】
なお、軟質磁性膜１３０の全体の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。膜厚が厚いとシャント効果でＭＲ比が低下するが、薄すぎると軟磁性特性が劣化する。より望ましくは２ｎｍ以上７ｎｍ以下がよい。
【０１２１】
更に、強磁性膜１９０に接する反強磁性膜１８０として用いられる磁化回転抑制層としては、金属層として不規則合金系のＩｒ−Ｍｎ，Ｒｈ−Ｍｎ，Ｒｕ−Ｍｎ，Ｃｒ−Ｐｔ−Ｍｎ等があり、磁界中で成膜することにより強磁性膜１９０と交換結合させることができ、工程が簡便となる利点がある。一方、規則合金系のＮｉ−Ｍｎ，Ｐｔ−（Ｐｄ）−Ｍｎ等は規則化のための熱処理が必要であるが、熱的安定性に優れており、特にＰｔ−Ｍｎが好ましい。また酸化物膜としては、ａ−Ｆｅ2Ｏ3やＮｉＯ、あるいはＬＴＯ3（ＬはＣｅを除く希土類元素を示し、ＴはＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏを示す。）を用いることが好ましい。導電率の低いこのような材料を用いる場合には、図３に示すように導体１４１は、強磁性膜１９０と直接コンタクトが取れるように配するのが好ましい。
【０１２２】
実施の形態１および本実施の形態で示された軟質磁性膜１３０は、磁気抵抗効果素子の自由層にあたる。軟質磁性膜１３０として、ＣｏまたはＣｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金等の材料が優れている。特に、軟質磁性膜１３０として、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ膜を用いる場合には、
Ｎｉx ＣｏyＦｅz
０．６≦ｘ≦０．９
０≦ｙ≦０．４
０≦ｚ≦０．３
の原子組成比のＮｉ−ｒｉｃｈの軟磁性膜、もしくは、
Ｎｉx ’Ｃｏ y ’Ｆｅz ’
【０１２３】
０≦ｘ’≦０．４
０．２≦ｙ’≦ ０．９５
０≦ｚ’≦ ０．５
のＣｏ−ｒｉｃｈ膜を用いるのが望ましい。
【０１２４】
これらの組成膜はセンサーやＭＲヘッド用として要求される低磁歪特性（１×１０-5）を有する。
【０１２５】
（実施の形態３）
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに本発明の実施の形態３におけるＭＲＡＭデバイス３０００を示す。図５Ａは、ＭＲＡＭデバイス３０００の上面図であり、図５Ｂは、ＭＲＡＭデバイス３０００の一部分を示す斜視図である。実施の形態１および２で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００および２０００と同一の構成要素については同一の参照符号で表し、これらについての詳細な説明は省略する。ここでは、ＭＲ素子部１００（１０１）は、角柱形状にて表しているが、実施の形態に応じて円柱状（または楕円柱状）、円すい台形状または角すい台形状にて実現され得る。またＭＲ素子部１００（１０１）における面内形状は、形状異方性をつける上で、平面方向の幅をＷ1、長さをＬ1として表すと、Ｌ1＞Ｗ1にて実現されることが好ましい。
【０１２６】
また、導電膜１７０によるＭＲ素子部１００（１０１）への効率的な磁界印加を実現させるための、より好ましい導電膜１７０の断面形状を図５Ｃに示す。図５Ｃにおける角度ｈおよびｈ’（導電膜１７０の角型形状の内の少なくとも１つの角における角度を表す）が鋭角であることが好ましい。導電膜１７０の断面形状において、角度ｈおよびｈ’は、ＭＲ素子部１００（１０１）と対向する一辺と成される内角である。
【０１２７】
導電膜１７０の断面形状を図５Ｃに示されるような形状とすることは、導電膜１７０を一様に流れる電流において、ＭＲ素子部１００（１０１）に近接する部分に流れる電流分を実効的に増加させることができるので、効果的にＭＲ素子部１００（１０１）に磁界印加が行える上で好ましい。このような形状は、ＭＲＡＭデバイス３０００の微細化に伴って、導電膜１７０の断面形状のアスペクト比（幅／厚み）が低下する際には特に好ましい。
【０１２８】
この様に磁界印加を効率良く行う場合には、ＭＲ素子部１００（１０１）内の自由層は、導電膜１７０に、より近接するように配置するのが好ましい。この様な配置にすることにより、直交して配置された導電膜１７０とセンス線１５０にての合成磁界を用いる際にも、ＭＲＡＭデバイスとしてのＭＲ素子選択の動作マージンが取りやすく好ましい。このことは、導電膜１７０にて発生させる磁界とセンス線１５０にて発生させる磁界とが動作点にて１対１となることが最も磁化回転のための磁界が少なくて済むことに依っている。
【０１２９】
ＭＲＡＭデバイス３０００は、実施の形態１および２で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００または２０００を行列状に配置することにより構成される。磁気抵抗効果記憶素子１０００および２０００は共に、上述のＣＰＰＭＲ素子である。
【０１３０】
図５ＡおよびＢに示すように、ＣＰＰＭＲ素子を用いたＭＲＡＭにおいては、各磁気抵抗効果記憶素子は互いに並列につながれるため、磁気抵抗効果記憶素子の個数Ｎが増加してもＳ／Ｎ比はほとんど低下しない。
【０１３１】
図６Ａに、本発明の実施の形態の他の局面として、磁気抵抗効果記憶素子１００１の断面図を示す。
【０１３２】
磁気抵抗効果記憶素子１００１においては、硬質磁性膜１１１と、非磁性導電膜１２１と、軟磁性膜１３１とによりＭＲ素子部１０２が形成されている。ＭＲ素子部１０２は、センス線およびビット線を構成する導電膜１４２および１４３に接合される。また、ワード線を構成する導電膜１７１が絶縁膜１６１を介してＭＲ素子部１０２上部に設けられている。このような図６Ａに示される構成の磁気抵抗効果記憶素子１００１は、ＣＩＰＭＲ素子である。
【０１３３】
図６Ｂに示すように、ＣＩＰＭＲ素子型の磁気抵抗効果記憶素子１００１を行列状に配置してＭＲＡＭデバイス３００１が構成される。このとき、各磁気抵抗効果記憶素子は互いに直列につながれることとなる。このように、各磁気抵抗効果記憶素子が互いに直列につながれた場合、磁気抵抗効果記憶素子の個数Ｎが多くなると、一個の素子が示すＭＲ比は同じでも、ＭＲＡＭ全体としてのＳ／Ｎ比は低下すると考えられる。
【０１３４】
なお、図示される本発明の実施の形態全体の大部分において、ＭＲ素子部がセンス線およびワード線等の配線部よりも大きく表記されている。図５および図６においてもそのように表記されている。しかし、これは本発明の実施の形態を分かり易く説明するためのもので、ＭＲ素子部と配線部との大小関係は、上記に限定されない。また、ＭＲ素子部に効率的な磁界印加を行うには、配線部がＭＲ素子部を覆うような大小関係であることが好ましい。
【０１３５】
上述のＭＲＡＭデバイス３０００および３００１は磁気を活用する記憶素子であるので、電荷の蓄積を活用する半導体記憶素子のＤＲＡＭとは異なり不揮発性である。また、半導体のフラッシュ型記憶素子とは異なり、書き込み／読み出し回数が原理的には無制限であり、且つ、書き込み／消去時間もｎｓのオーダーで早いのが特徴である。
【０１３６】
１つの磁気抵抗効果記憶素子についての動作原理については、実施の形態１および２で既に述べたとおりである。ところで、実際にＭＲＡＭデバイスを構成する場合は、図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ｂに示したように、これら磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置する必要がある。その場合は、ワード線が行列状に配置され、各ワード線の交差点に隣接してＭＲ素子部が設けられる。なお、図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ｂに示されるワード線（導電膜１７０または１７１）は、図１、図３および図６Ａとの対比のため、行または列の一方向にしか記載されていない。行列状に配置されたワード線については、後述の実施の形態において更に詳しく述べる。
【０１３７】
このとき選択された（Ｎ、Ｍ）番地のＭＲ素子部に隣接して交差する２本のワード線によって発生した磁界が、そのＭＲ素子部に印加される。また、このとき、２本のワード線の内の１本をセンス線（またはビット線）で代用させてもよい。
【０１３８】
図１に示される磁気抵抗効果記憶素子１０００を用いてＭＲＡＭデバイスを構成する場合は、上記２本のワード線による合成磁界が、硬質磁性膜のアステロイド型曲線にて表されるスウィッチング磁界の値を越えれば情報の書き込みがなされる。また、その磁界の値を越えずに、軟磁性膜のスウィッチング磁界の値を越えれば情報の非破壊読み出しが所望の記憶素子について行われる。
【０１３９】
また、図３に示される磁気抵抗効果記憶素子２０００の場合も、合成磁界で軟磁性膜を磁化反転させて情報を書き込む点では基本的には同様である。また、これらの記憶素子の情報の読み出しに関しては、（Ｎ、Ｍ）番地の素子に隣接する２本のワード線（あるいはワード線とセンス線）に電流パルスを流し、同じく（Ｎ、Ｍ）番地の素子に接続されたセンス線およびビット線を通じてモニターされた抵抗変化により、（Ｎ、Ｍ）番地の素子部の情報を読み出すことが可能である。
【０１４０】
また、実施の形態２の図４Ｃで説明したように、ＭＲ素子部の抵抗値と参照抵抗との比較を行えば、（Ｎ、Ｍ）番地のＭＲ素子部の情報の読み出しをＮＤＲＯとすることが可能である。
【０１４１】
さらに、ワード線群とセンス線群に、トランジスタのようなスウィッチング素子をそれぞれ配置し、番地指定の信号により、Ｎ行とＭ列のワード線とＮ行Ｍ列のセンス線（ビット線）を選択して、（Ｎ、Ｍ）番地の記憶素子を選択することができる。
【０１４２】
また、他経路を介した信号パルスの流入や信号パルスの高速化に伴う高調波成分の逆戻りを防止し、信号パルスを効率よく伝送するために、各記憶素子に整流作用を有する非線形且つ非対称な電気特性を有する素子または半導体材料を配することが望ましい。非線形且つ非対称な電気特性を有する素子としては、例えばダイオードおよびトランジスタが挙げられる。なかでも高速なパルス応答に対応するために、これらのトランジスタとしてＭＯＳ型トランジスタを用いることが好ましい。それにより、行列状に配置された磁気抵抗効果記憶素子の選択性が向上する。
【０１４３】
この場合、図７に示される磁気抵抗効果記憶素子３１００のように、ＭＲ素子部１００と直列に、整流作用を有する非線形且つ非対称な電気特性を有する素子（以下非線形素子と称す）７０を配することが望ましい。図７ではＭＲ素子部１００の下部に非線形素子７０を配しているが、もちろん上部に配しても構わない。
【０１４４】
このような非線形素子７０として、金属（Ｍ）−絶縁体（Ｉ）−半導体（Ｓ）のＭ−Ｉ−Ｓ接合構造の素子、あるいは、Ｐ型半導体−Ｎ型半導体のＰ−Ｎ接合や、Ｐ型半導体−絶縁体（Ｉ）−Ｎ型半導体のＰ−Ｉ−Ｎ接合等により構成される素子が好ましい。
【０１４５】
また、一般にＭＲ素子の特性には熱処理温度依存性があり、一部の材料においては、約４００℃以上においてはＭＲ特性が得られにくくなることが知られている。そこで、本発明においては、ＭＲ素子部１００の成膜後に非線形素子７０を作製する場合においては、非線形素子７０の材料としてａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）等の約３００℃以下で作製可能な材料を用いるのが好ましい。
【０１４６】
また、記憶素子の高密度化に伴って、ワード線によって発生させる磁界の、選択するＭＲ素子部以外の場所への漏れ磁界の問題が大きくなってくる。これら漏れ磁界による選択されたＭＲ素子部以外への干渉効果を低減させるために、（Ｎ、Ｍ）番地に対して磁界を発生する１組のワード線のみに電流パルスを流すだけでなく、その両端あるいは隣り合う少なくとも１本あるいは１組以上のワード線にも電流パルスを流し、発生する漏れ磁界を打ち消して、その影響を低減させることが好ましい。
【０１４７】
また、本発明の磁気抵抗効果ヘッドは、図２０Ａおよび図２０Ｂに示されるように構成される。また、図２１Ａおよび図２１Ｂは、本発明の磁気抵抗効果ヘッド（記録再生分離型ヘッドで有り得る）を備えたハードディスク装置を示す。磁気抵抗効果素子シールド層６０２および６０３（図２０Ａ）で挟まれた部分が再生ヘッドとして働き、コイル６０７を挟む記録磁極６０５および６０６の部分が記録ヘッドとして働くように構成されている。本発明によれば、磁気抵抗効果素子のＭＲ特性の向上によって、高性能かつ高密度記録に対応した磁気抵抗効果ヘッドを提供することができる。磁気抵抗効果ヘッドの更に詳しい説明については後述の本発明の実施の形態１４において述べる。
【０１４８】
（実施の形態４）
図８Ａ〜図８Ｄに、本発明の実施の形態４における磁気抵抗効果記憶素子４０００の断面図を示す。
【０１４９】
磁気抵抗効果記憶素子４０００においては、ＭＲ素子部２００が、硬質磁性膜１１２、１１３および１１４と、軟磁性膜１３２、１３３および１３４と、非磁性絶縁膜１２２、１２３および１２４と、非磁性膜２２２および２２３とにより形成される。また、ワード線を構成する導電膜１７２が絶縁膜１６２を介してＭＲ素子部２００上部に設けられている。
【０１５０】
ＭＲ素子部２００は、軟磁性膜／非磁性絶縁膜／硬質磁性膜というパターンからなる構造を非磁性膜を介して複数回積層した構造となっている。磁気抵抗効果記憶素子４０００においては、積層数は３回となっている。なお、積層数は任意の回数が設定される。
【０１５１】
本実施の形態では、硬質磁性膜１１２、１１３および１１４として保磁力がそれぞれ異なるものを用い、その結果、記録時の磁界のしきい値が複数個存在するので、１つの磁気抵抗効果記憶素子４０００に多値記憶をさせることが可能である。各硬質磁性膜１１２、１１３および１１４の保磁力を変化させるには、それぞれの組成を変化させても良いし、それぞれの膜厚を変えても良い。この場合、図８Ａに示すように、ＭＲ素子部２００の抵抗値と参照抵抗Ｒ2との差ΔＲ4を検出する方法を用いて信号を読み出すことにより、多値記憶されたそれぞれの信号（例えば“０”、“１”、“２”および“３”等）を読み出すことができる。
【０１５２】
磁気抵抗効果記憶素子４０００の積層数は３回であり、図８Ａ〜図８Ｄに示されるように、ＭＲ素子部２００の磁化方向パターンは４パターンあるので、１つの磁気抵抗効果記憶素子４０００に４つの値（“０”、“１”、“２”および“３”）を記憶させることができる。
【０１５３】
磁気抵抗効果記憶素子４０００においては、導電膜１７２を流れるパルス電流５２１、５２２および５２３によって発生する磁界により、硬質磁性膜１１２、１１３および１１４を磁化反転させ、信号を書き込む。本実施の形態では、硬質磁性膜１１２の保磁力が一番小さく、硬質磁性膜１１４の保磁力が一番大きい。このとき、導電膜１７２を流れるパルス電流の大きさを調整することにより、硬質磁性膜１１２、１１３および１１４の内の磁化反転させる硬質磁性膜を選択することができる。図８Ａ〜図８Ｄに示される本実施の形態では、図８Ａから図８Ｄに移るに連れて、導電膜１７２を流れるパルス電流の値が順に大きくなっている。図８Ａにおいて導電膜１７２を流れるパルス電流５２０の値は、図８Ｂにおけるパルス電流５２１の値よりも更に小さい。図８Ａでは何れの硬質磁性膜も磁化反転せず、図８Ｄでは全ての硬質磁性膜が磁化反転している。
【０１５４】
読み出しは、上述のように、ＭＲ素子部２００の抵抗値と参照抵抗Ｒ2との差ΔＲ4を検出する方法を用いて信号を読み出す。
【０１５５】
また、読み出しにおいては、導電膜１７２に電流を流し、ＭＲ素子部２００の抵抗値の変化を読み出すことにより行っても良い。この場合、ＭＲ素子部２００の抵抗値の変化は、例えば参照抵抗Ｒ2の抵抗値との比較により検出され得る。
【０１５６】
また、軟磁性膜１３２、１３３および１３４においても保磁力がそれぞれ異なるものを用いても良い。この場合、導電膜１７２を流れるパルス電流の大きさを更に精密に調整し、軟磁性膜１３２、１３３および１３４の内で、磁化反転する軟磁性膜と磁化反転しない軟磁性膜とを設定することにより、１つの磁気抵抗効果記憶素子４０００に更に多くの信号を記憶させることができる。また、この場合の信号の読み出しは、上述のように、ＭＲ素子部２００の抵抗値と参照抵抗Ｒ2との差ΔＲ4を検出する方法を用いて信号を読み出すのが好ましい。
【０１５７】
また、全ての硬質磁性膜の磁化方向を固定し、本発明の実施の形態２で示したように、軟磁性膜のみを磁化反転させて信号を記憶させても良い。
【０１５８】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５として、実施の形態１で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００の作製方法を示す。
【０１５９】
図１を参照して、スパッタリングのターゲットとしてＮｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.75Ｐｔ0.25（硬質磁性膜１１０用）を用い（組成は全て原子比）、多元スパッタ装置により基板（図示せず）上に、図１に示されたようなサンドイッチタイプのＭＲ素子部１００を作製した。ＭＲ素子部１００の基本構成は、ＣｏＮｉＦｅ（１５）／ＡｌＮ（１）／ＣｏＰｔ（１０）である（このような構成要素の説明において、カッコ内は厚さ（ｎｍ）を表し、“／”は、各構成物質同士の組み合わせを表す）。なお各膜厚はシャッターで制御した。
【０１６０】
非磁性絶縁膜１２０として用いられる窒化物ＮＭであるＡｌＮは、（Ｎ2＋（Ａｒ））雰囲気中でＡｌをスパッタ成膜することにより作製した。
【０１６１】
硬質磁性膜１１０のＣｏＰｔを着磁し、素子のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比は２６％であった。Ｈｃで表されるＭＲが生じる磁界幅は５ Ｏｅ〜１００ Ｏｅであった。このときのトンネル接合面積は、およそ１平方マイクロメートルであった。このときのトンネル接合のインピーダンスは約２５Ωであった。さらに、トンネル接合のインピーダンスは成膜条件を変更することにより、数Ωから数百Ωの範囲で制御可能なことがわかった。上記のようにして作製されたＭＲ素子部１００を用いて、図１に示したような磁気抵抗効果記憶素子１０００を作製した。センス線およびビット線用の導電膜１４０および１５０にはＰｔまたはＡｕを用い、ワード線用の導電膜１７０にはＡｌ、ＡｕＣｒ、Ｔｉ／ＡｕまたはＣｕ／Ｔａを用いた。ＭＲ素子部１００と導電膜１７０との絶縁にはＣａＦ2、ＳｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4を用いた。
【０１６２】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子１０００の動作を以下のように確認した。
【０１６３】
まず、図９Ａに示すようなパルス電流５３１を導電膜１７０（ワード線）に流して硬質磁性膜１１０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図９Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５３２を流し、導電膜１４０および１５０（センス線およびビット線）を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）をモニターした。電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）の結果は、図９Ｂの下側のグラフに示すように記憶情報に応じたパルス５３３が検出され、所望の磁気抵抗効果記憶素子１０００が実現できたことが分かった。
【０１６４】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６として、実施の形態２で示した磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法を示す。
【０１６５】
上述の実施の形態５と同様の方法で、図３に示すような磁気抵抗効果記憶素子２０００を作製した。
【０１６６】
ターゲットにＮｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｎｉ0.2Ｆｅ2.8Ｏ4（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｎｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4 （１５）／ＡｌＮ（１．２）／ Ｎｉ0.2Ｆｅ2.8Ｏ4 （５）／ＩｒＭｎ（２５） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。なお、ＡｌＮは上述の実施の形態５で示した方法を用いて作製した。
【０１６７】
ＭＲ素子部１０１のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ２４％であった。このときのトンネル接合面積は、およそ１平方マイクロメートルであった。
【０１６８】
導電膜１４１および１５０にはＡｕを用い、導電膜１７０にはＡｕＣｒを用いた。ＭＲ素子部１０１と導電膜１７０との絶縁にはＳｉＯ2を用いている。なお、本実施の形態では絶縁にＳｉＯ2を用いたが、ＣａＦ2またはＡｌ2Ｏ3も用いられ得、あるいはＳｉ3Ｎ4が用いられても良い。
【０１６９】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子２０００の動作を以下のように確認した。
【０１７０】
まず、図１０Ａに示すようなパルス電流５４１を導電膜１７０に流して軟質磁性膜１３０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図１０Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５４２を流し、導電膜１４１および１５０を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＶ1）をモニターした。電圧変化（ΔＶ1）の結果は、図１０Ｂ下側のグラフに示すように、記憶情報に応じた電圧変化５４３として検出でき、所望の磁気抵抗効果記憶素子２０００が実現できたことが分かった。
【０１７１】
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７として、実施の形態２で示した磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法を示す。
【０１７２】
上述の実施の形態６と同様の方法で、図３に示すような磁気抵抗効果記憶素子２０００を作製した。
【０１７３】
ターゲットにＮｉ0.8Ｆｅ0.2（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2 （１０）／ＡｌＮ（ｄ）／ Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25 （５）／ＩｒＭｎ（２０） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。なお、ＡｌＮは上述の実施の形態５で示した方法を用いて作製した。
【０１７４】
図１１に、本実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法のフローチャートを示す。本実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法では、軟質磁性膜１３０が形成され（Ｓ１１）、窒素雰囲気中において非磁性金属を窒化させることにより非磁性絶縁膜１２０が形成される（Ｓ１２）。さらに、非磁性絶縁膜１２０を、酸素雰囲気中で酸化させ（Ｓ１３）、必要に応じてこれらの窒化工程と酸化工程とを複数回繰り返す（Ｓ１４）。さらに、強磁性膜１９０および反強磁性膜１８０が形成され（Ｓ１５）、センス線およびビット線（導電膜１４１および１５０）およびワード線（導電膜１７０）がそれぞれ形成される（Ｓ１６）。なお、これらの各構成要素の作製される順番は、実施の形態に応じて任意に入れ替わる。例えば、軟質磁性膜１３０の形成より前に強磁性膜１９０および反強磁性膜１８０が形成されてもよい。また、センス線またはビット線（導電膜１４１または１５０）は軟質磁性膜１３０の形成より前に形成され得る。
【０１７５】
作製されたＭＲ素子部１０１のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、図１２Ａに示すような振る舞いを示した。図１２Ａおよび図１２Ｂにおいて、Ｒ0は非磁性絶縁膜１２０の膜厚ｄ1が１．２ｎｍにおける規格化界面抵抗値［Ωμｍ2］を示す。■は非磁性絶縁膜１２０の比抵抗（Ｒ／Ｒ0）を、□はＭＲ比（％）を示す。
【０１７６】
図１２Ａより、本実施の形態により、制御性良く非磁性絶縁膜１２０を作製し、所望の磁気抵抗効果記憶素子２０００が実現できることが分かった。また、非磁性絶縁膜１２０の薄い場合には、リーク伝導路の出現と考えられる比抵抗の振る舞いが見られる。そこで、実施の形態５で示した方法で作製した非磁性絶縁膜１２０（すなわち窒化物膜）に対して、さらに酸素雰囲気中で熱処理を加える（Ｓ１３）ことにより、図１２Ｂに示すような非磁性絶縁膜１２０の特性変化が得られた。このことにより、非磁性絶縁膜１２０を所望の特性を有するように作製することができた。膜厚ｄが１ｎｍを越える場合には、本実施の形態で示すＡｌＮの成膜とその後の酸化工程とを交互に複数回繰り返して非磁性絶縁膜１２０を作製する（Ｓ１４）ことにより、特性の再現性や一様性が向上することが分かった。従って、本実施の形態の非磁性絶縁膜１２０の作製方法に依れば、窒化物非磁性膜を用いたトンネル接合を簡便かつ特性良く提供することができる。
【０１７７】
また、このような窒化物非磁性絶縁膜の作製方法は、ＭＲ素子の絶縁膜の作製方法としてのみ適用されるのみならず、絶縁膜を備える任意の半導体素子の作製方法として用いることが出来る。
【０１７８】
このような特性の向上は、図１３Ａに示すような窒化物膜４００に含まれ、主として粒界部分に現れやすい絶縁性の不完全な部分４０５を酸化させ、酸化物部分４１５とすることによって窒化物膜４１０全体の絶縁性を向上させることができるためである。
【０１７９】
あるいは、図１３Ｂに示すような窒化物膜４２０に分散して含まれる、窒化の不完全な部分４２５が存在する場合、それらを経由してホッピング的に伝導するリーク路が出現する。この場合、窒化の不完全な部分４２５を酸化させ、酸化物部分４３５とすることによって窒化物膜４３０全体の絶縁性を向上させることができる。
【０１８０】
結果として、窒化物膜４１０および４３０内に作製された酸化物部分４１５および４３５は高い絶縁性を有し、窒化物膜４１０および４３０の大半を占める窒化物がトンネル接合抵抗特性を支配するため、所望のＭＲ素子を提供することができる。本実施の形態に依れば、結果として提供される非磁性絶縁膜はＡｌ−Ｎ−（Ｏ）にて構成される。ここで、Ｎを窒素元素、（Ｏ）は窒化物膜に含まれる酸素元素とする。また、Ａｌの替わりにＢまたはＩｎ等の導電性金属が用いられ得る。
【０１８１】
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８として、実施の形態２で示した磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法を示す。
【０１８２】
上述の実施の形態６と同様の方法で、図３に示すような磁気抵抗効果記憶素子２０００を作製した。
【０１８３】
ターゲットにＮｉ0.8Ｆｅ0.2（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（強磁性膜１９０用）、ＰｔＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2 （１０）／（Ａｌ−Ｎ（ｄ）／Ａｌ−Ｏ（Ｄ））ｎ／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25 （５）／ＰｔＭｎ（２０） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。ここで、ｄは窒化物膜の厚み、Ｄは酸化物膜の厚み、ｎは窒化物膜および酸化物膜の積層回数を示す。
【０１８４】
図１４に、本実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法のフローチャートを示す。本実施の形態では、トンネル接合抵抗特性の更なる制御性の向上を目指すため、上記の構成でＭＲ素子部１０１を作製した。軟質磁性膜１３０を形成（Ｓ２１）し、非磁性絶縁膜１２０として図１５Ａに示すような窒化物膜４４１を実施の形態５の方法でまず作製し（Ｓ２２）、次いで、窒化物膜４４１上に酸化物膜４４２としてＡｌ−Ｏを成膜させた（Ｓ２３）。この場合、酸化物膜４４２はＡｌをスパッタ成膜した後に真空槽内自然酸化を行って作製した。この方法が最も制御性が良かったが、Ａｌ金属のプラズマ酸化による方法あるいはＡｌ2Ｏ3体を直接積層する方法によっても、もちろん酸化物膜４４２は作製可能である。
【０１８５】
本実施の形態において、非磁性絶縁膜１２０を１ｎｍ以上の厚みに設定した場合には、ｎが２以上の回数として窒化物膜４４１および酸化物膜４４２を多数回積層して非磁性絶縁膜１２０を作製した（Ｓ２４）。この場合、ｄの値を０．３−１ｎｍ、Ｄの値を０．２−０．５として非磁性絶縁膜１２０の作製を行った。
【０１８６】
次に、強磁性膜１９０および反強磁性膜１８０を形成し（Ｓ２５）、センス線およびビット線（導電膜１４１および１５０）およびワード線（導電膜１７０）をそれぞれ形成した（Ｓ２６）。なお、これらの各構成要素の作製される順番は、実施の形態に応じて任意に入れ替わる。例えば、軟質磁性膜１３０の形成より前に強磁性膜１９０および反強磁性膜１８０が形成されてもよい。また、ビット線またはセンス線（導電膜１４１または１５０）は軟質磁性膜１３０の形成より前に形成され得る。また、窒化物膜４４１の形成より前に酸化物膜４４２が形成されてもよい。
【０１８７】
非磁性絶縁膜１２０の上面および下面の両表面は、図１５Ａにおいては酸化物膜４４２および窒化物膜４４１にて構成されている。図３を参照して、このとき、非磁性絶縁膜１２０の上下に配する軟質磁性膜１３０および強磁性膜１９０の何れか一方が窒化物である場合には、窒化物である方に窒化物膜４４１を配する方が清浄な接合界面が得られる上で好ましい。また、非磁性絶縁膜の上下に配する軟質磁性膜１３０および強磁性膜１９０がいずれも窒化物である場合には、図１５Ｂに示すように非磁性絶縁膜１２０を構成するのが好ましい。また、図１５Ｃに示すように、多数回の積層構造にて非磁性絶縁膜１２０を作製する場合にも、上下に配する軟質磁性膜１３０および強磁性膜１９０の種類に応じて非磁性絶縁膜１２０の両表面に位置する膜の種類を選択するのが好ましい。
【０１８８】
（実施の形態９）
本発明の実施の形態９として、実施の形態３で示した磁気抵抗効果記憶素子３１００を基本とした磁気抵抗効果記憶素子３１０１の作製方法を示す。
【０１８９】
図７を参照して、非線形素子７０として、基板上にＰ−Ｉ−Ｎ型接合の薄膜を作製した。Ｐ−Ｉ−Ｎ薄膜の作製は約１８０〜約２６０℃で行った（典型的には約２２０℃）。Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層の厚さは、それぞれ、３０〜５０ｎｍ、３００〜４００ｎｍ、３０〜５０ｎｍで作製し、素子形状に加工を行った。作製された非線形素子７０上に、上述の実施の形態５と同様の方法で、ＭＲ素子部１００を作製し、図７に示すような磁気抵抗効果記憶素子３１００を作製した。
【０１９０】
ターゲットにＮｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｆｅ16Ｎ2（強磁性膜１１０用）を用いて、
Ｎｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4 （１５）／ＡｌＮ（１．２）／ Ｆｅ16Ｎ2 （１０）の基本構成部分を持つＭＲ素子部１００を作製した。なお、ＡｌＮは上述の実施の形態５で示した方法を用いて作製した。
【０１９１】
なお、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2との界面を観察したところ、界面状態は大変に平滑で、良好な界面性を実現していることがわかった。このことは、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2の両者が窒化物同士であり、接合の相性が良いことを反映したものであるといえる。
【０１９２】
磁気抵抗効果記憶素子３１００を基本として、図１６Ａに示すように作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０１を作製した。
【０１９３】
図１６Ａに示す磁気抵抗効果記憶素子３１０１おいては、基板１０上に、ＭＲ素子部１００と非線形素子７０とが形成されている。非線形素子７０はＰ層１１、Ｉ層１２およびＮ層１３によって構成されている。さらに、磁気抵抗効果記憶素子３１０１は、ＭＲ素子部１００と非線形素子７０とを電気的に接続するためおよびそれらと外部とを電気的に接続するために、導電膜１４０、１５０および１５１とコンタクト層１５とを備えている。さらに磁気抵抗効果記憶素子３１０１は、絶縁層１４を備えている。
【０１９４】
作製された図１６Ａに示されるような磁気抵抗効果記憶素子３１０１のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ２８％であった。このときのトンネル接合面積はおよそ１平方マイクロメートルであり、トンネル接合インピーダンスは約２０Ωであった。
【０１９５】
また、導電膜１４０、１５０および１５１にはＡｕを用い、導電膜１７０にはＡｕＣｒを用いた。ＭＲ素子部１００と導電膜１７０との絶縁にはプラズマＣＶＤ法により作製したＳｉＯ2あるいはＳｉ3Ｎ4を用いた。
【０１９６】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０１の動作を以下のように確認した。
【０１９７】
まず、図９Ａに示すようなパルス電流５３１を導電膜１７０（ワード線）に流して硬質磁性膜１１０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図９Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５３２を流し、導電膜１４０および１５０（センス線およびビット線）を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）をモニターした。電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）の結果は、図９Ｂの下側のグラフに示すように記憶情報に応じたパルス５３３が検出され、非磁性膜に絶縁体を用いた所望の磁気抵抗効果記憶素子３１０１が実現できたことが分かった。
【０１９８】
また、非線形素子７０としては、後述の実施の形態１０で説明するＭ−Ｉ−Ｓ型接合の非線形素子が用いられてもよい。非線形素子７０としては、非線形性の電流−電圧特性を示す任意の素子が用いられ得る。また、ＭＲ素子部１００の代わりにＭＲ素子部１０１（図３）が配置されてもよい。
【０１９９】
なお、本実施の形態では、強磁性膜１１０を構成する窒化物としてＦｅ16Ｎ2を用いたが、ＦｅＮx （０．１≦ｘ≦０．５）、あるいはＦｅＭＮy （０．５≦ｙ≦１．０）（ただし、ここでのＭはＴａ、Ａｌ、Ｎｉ、ＰｔおよびＣｏの何れか示す。）を用いても、所望の素子動作が確認された。また、非磁性絶縁膜１２０を構成する窒化物としてＡｌＮを用いたが、その他の窒化物についても、同様の特性が確認されている。それらの結果について、表１にまとめて記載する。
【０２００】
【表１】
（実施の形態１０）
本発明の実施の形態１０として、実施の形態３で示した磁気抵抗効果記憶素子３１００（図７）を基本とした磁気抵抗効果記憶素子３１０２の作製方法を示す。
【０２０１】
上述の実施の形態９と同様の方法で、図１６Ｂに示すような磁気抵抗効果記憶素子３１０２を作製した。
【０２０２】
ターゲットにＦｅ16Ｎ2（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｆｅ16Ｎ2（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｆｅ16Ｎ2 （１０）／ＡｌＮ（１．８）／ Ｆｅ16Ｎ2 （５）／ＩｒＭｎ（２５） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。
【０２０３】
なお、ＡｌＮはＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）を用いたプラズマ窒化により作製した。更に、このＭＲ素子部１０１上にＡｌまたはＣｒまたはＴｉを用いてコンタクト層１９を成膜し、コンタクト層１９上にａ−Ｓｉを用いてＭ−Ｉ−Ｓ型接合の非線形素子７１を作製した。Ｓｉ膜（Ｓ層）１８、絶縁膜（Ｉ層）１７は、それぞれ、約５０ｎｍ、約１００〜約２００ｎｍの厚さで作製した。金属膜（Ｍ層）１６はセンス線（またはビット線）として用いられる。非線形素子７１の作製は約１８０℃〜約２６０℃の温度範囲で行った（典型的には約２２０℃）。
【０２０４】
なお、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2との界面を観察したところ、界面状態は大変に平滑で、良好な界面性を実現していることがわかった。このことは、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2とが窒化物同士であり、接合の相性が良いことを反映したものであるといえる。
【０２０５】
作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０２のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ３８％であった。このときのトンネル接合面積はおよそ５平方マイクロメートルであり、トンネル接合インピーダンスは約２０Ωであった。このような高いＭＲ特性は非線形素子７１作製時の熱処理が、影響しているものと考えられる。得られた磁気抵抗効果記憶素子３１０２の電流−電圧特性は、図１７に示すような非対称性を有しており、磁気抵抗効果記憶素子３１０２の電流印加に対する電流−電圧特性の変化に方向性を付けられたことが確認された。
【０２０６】
また、導電膜１５０としてＴｉＮを用いた。ＴｉＮはＦｅ16Ｎ2と相性が良くコンタクト性が良いので、Ａｕよりも比抵抗が高いものの、Ａｕを用いるよりも接触抵抗を約２０％低減することができた。導電膜１７０にはＡｕＣｒを用いた。ＭＲ素子部１０１および非線形素子７１と導電膜１７０との絶縁にはプラズマＣＶＤ法により作製したＳｉＯ2を用いた。
【０２０７】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０２の動作を以下のように確認した。
【０２０８】
まず、図１０Ａに示すようなパルス電流５４１を導電膜１７０に流して軟質磁性膜１３０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図１０Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５４２を流し、金属膜１６および導電膜１５０を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＶ1）をモニターした。電圧変化（ΔＶ1）の結果は、図１０Ｂ下側のグラフに示すように、記憶情報に応じた電圧変化５４３として検出でき、所望の磁気抵抗効果記憶素子３１０２が実現できたことが分かった。
【０２０９】
なお、本実施の形態では、強磁性体としてＦｅの窒化物を用いたが、Ｃｏの窒化物を用いても同様に所望の動作得られることが確認された。
【０２１０】
（実施の形態１１）
本発明の実施の形態１１として、実施の形態４で示した磁気抵抗効果記憶素子４０００の作製方法を示す。
【０２１１】
上述の実施の形態５と同様の方法で、図８Ａ〜図８Ｄに示すような磁気抵抗効果記憶素子４０００を作製した。ターゲットとして、軟質磁性膜１３２、１３３および１３４用にＮｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12、非磁性絶縁膜１２２、１２３および１２４用にＡｌ、また、それぞれ保磁力の違う硬質磁性膜１１２、１１３および１１４用にＣｏ0.5Ｆｅ0.5、ＣｏおよびＣｏ0.9Ｆｅ0.1を用い、ＭＲ素子部２００を作製した。本実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子４０００を本発明の発明者らが作製したときの作製条件においては、硬質磁性膜の保磁力の大きさは、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1＜Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5＜Ｃｏの順になっている。
【０２１２】
作製したＭＲ素子部２００は、 Ｎｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12 （１０）／ ＡｌＮ （１．５）／ Ｃｏ （１５）／ ＡｌＮ （１５）／ Ｎｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12 （１０）／ ＡｌＮ （１．５）／Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5（１５）／ ＡｌＮ （１５）／ Ｎｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12 （１０）／ ＡｌＮ （１．５）／ Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1 （１５）の構成で、３接合アレイを形成している。なお、ＡｌＮは上述の実施の形態５の方法で作製した。ＭＲ素子部２００のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、アレイとしてのＭＲ比はおよそ２８％であった。このときのトンネル接合面積は、およそ２平方マイクロメートルであった。
【０２１３】
センス線およびビット線として用いられる導電膜（実施の形態１の導電膜１４０および１５０と同様の導電膜、図８Ａ〜図８Ｄにおいて図示せず）にはＡｕを用い、ワード線として用いられる導電膜１７２にはＡｕＣｒを用いた。ＭＲ素子部２００と導電膜１７２との絶縁にはＳｉＯ2を用いている。
【０２１４】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子４０００の動作を以下のように確認した。
【０２１５】
まず、図１８Ａに示すように、導電膜１７２にパルス電流５５１を流して硬質磁性膜１１２、１１３および１１４を一方向に磁化した。次に、図１８Ｂの上側のグラフに示すような立ち上がり方に傾斜の有るパルス電流５５２によって、それぞれの硬質磁性膜１１２、１１３および１１４の磁化方向を順番に反転させ、センス線およびビット線を通じて電圧Ｖ2の変化をモニターした。その結果、図１８Ｂの下側のグラフに示すような記憶情報に応じた電圧変化５５３が検出され、磁気抵抗効果記憶素子４０００に多値が記録されたことが確認された。
【０２１６】
本発明の磁気抵抗効果記憶素子４０００においては、適当なバイアスを印加することによる多値記録を行うことが出来る。また、定バイアス下における電圧Ｖ2の変化に応じて記録情報を検出することが出来る。
【０２１７】
（実施の形態１２）
図１５Ａおよび図１５Ｂに、本発明の実施の形態１２としてＭＲＡＭデバイス５０００を示す。
【０２１８】
ＭＲＡＭデバイス５０００が備える一つ一つの磁気抵抗効果素子として、実施の形態１０で示した磁気抵抗効果記憶素子３１０２（図１６Ｂ）を用いた。
【０２１９】
上述の実施の形態１０と同様の方法で、図１６Ｂに示すような磁気抵抗効果記憶素子３１０２を作製した。
【０２２０】
ターゲットにＮｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｆｅ16Ｎ2（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｎｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4 （５）／ＡｌＮ（１．２）／ Ｆｅ16Ｎ2 （１０）／ＩｒＭｎ（２０） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。
【０２２１】
なお、ＡｌＮは実施の形態５に示した方法により作製した。本実施の形態では更に、このＭＲ素子部１０１上にＡｌを用いてコンタクト層１９を成膜し、コンタクト層１９上にａ−Ｓｉを用いてＰ−Ｉ−Ｎ型接合の非線形素子７１を作製した。本実施の形態では図１６Ｂに示される非線形素子７１のＳｉ膜（Ｓ層）１８の代わりにＰ層を、金属膜（Ｍ層）１６の代わりにＮ層を形成した。
【０２２２】
非線形素子７１の作製は約１８０〜約２６０℃で行った（典型的には約２２０℃）。Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層の厚さは、それぞれ、約１００〜約２００ｎｍ、約１００〜約２００ｎｍ、約５０ｎｍとして作製した。
【０２２３】
なお、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2との界面を観察したところ、界面状態は大変に平滑で、良好な界面性を実現していることがわかった。このことは、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2とが窒化物同士であり、接合の相性が良いことを反映したものであるといえる。
【０２２４】
作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０２のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ３３％であった。このときのトンネル接合面積はおよそ２平方マイクロメートルであり、トンネル接合インピーダンスは約１００Ωであった。このような高いＭＲ特性は非線形素子７１作製時の熱処理が、影響しているものと考えられる。得られた磁気抵抗効果記憶素子３１０２の電流電圧特性は、図１７に示すような非対称性を有しており、磁気抵抗効果記憶素子３１０２の電流印加に対する電流電圧特性の変化に方向性を付けられたことが確認された。
【０２２５】
本実施の形態におけるＭＲＡＭデバイス５０００は、上記のようにして作製された複数の磁気抵抗効果記憶素子３１０２が２５６×２５６の行列状に配置されることにより構成されている。
【０２２６】
ＭＲＡＭデバイス５０００においては、非線形素子７１のＮ層と電気的に接続されるセンス（またはビット）線である導電膜１４５としてはＡｕを用い、導電膜１７０としてはＡｕＣｒを用い、ＭＲ素子部１０１と導電膜１７０との絶縁にはＳｉＯ2を用いている。
【０２２７】
導電膜１４５および１５０（ビット線およびセンス線）、導電膜１７０（ワード線）は、図１９Ａに示すように行列状に配置されている。図１９Ａにおいて、導電膜１７０はＭＲ素子部１０１の側面に配置されているが、これは、ＭＲＡＭデバイス５０００の図示による説明を容易にするために、便宜上、導電膜１７０をＭＲ素子部１０１の側面に配置した状態を示している。本実施の形態で用いられるＭＲＡＭデバイス５０００は、図１９Ｂに示すように、導電膜１４５と導電膜１７０とがＭＲ素子部１０１に対して同一方向に配置される。なお、本発明においては、図１９Ａに示すような、導電膜１７０がＭＲ素子部１０１の側面に配置されるＭＲＡＭデバイスも構成され得る。また、導電膜１５０と導電膜１７０とがＭＲ素子部１０１に対して同一方向に配置されてもよい。
【０２２８】
また、アドレス指定用のスイッチ部４０１および４１１と、信号検出部４０２および４１２が、図１９Ｂに示すように配置されている。スイッチ部４０１および４１１により任意の導電膜１４５、１５０および１７０が選択される。また、信号検出部４０２および４１２によって、各導電膜の電流値または電圧値が検出される。
【０２２９】
ＭＲ素子部１０１への記憶の書き込みについては、電流パルスを行要素と列要素の導電膜１５０および１７０にそれぞれに流し、発生する合成の磁界によって、特定のＭＲ素子部１０１に対してのみ磁化状態を変化させることにより行われる。本実施の形態では、導電膜１５０（ビット線またはセンス線）は、ワード線としての機能も果たしている。
【０２３０】
任意の記憶状態にあるＭＲＡＭデバイス６０００に対する読み出し動作を以下のように確認した。
【０２３１】
スイッチ部４０１および４１１により、特定の導電膜１４５、１５０および１７０が選択される。そして、選択された各導電膜に対応するＭＲ素子部１０１の抵抗値をモニターした。そして、実施の形態２で示した読み出し方法と同様に、モニターされた上記対応するＭＲ素子１０１の抵抗値と参照抵抗との差分値を差分回路（図示せず、好ましくは信号検出部４０２および４１２に内蔵される）を通じてモニターし、差分値に応じて記憶状態を読み出すことができた。
【０２３２】
なお、このとき、ＭＲ素子１０１の記憶状態は保存されていることから、読み出し動作がＮＤＲＯ動作であることが確認された。
【０２３３】
これらの結果によって、本発明のＭＲＡＭデバイス５０００が実現できたことが分かった。
【０２３４】
また、本実施の形態では、図１６Ｂに示すように構成された磁気抵抗効果記憶素子３１０２を示したが、非線形素子７１を図１６Ａに示される非線形素子７０のように形成、配置し、その後、ＭＲ素子部１０１を図１６Ａに示される非線形素子ＭＲ素子部１００のように形成しても、本発明の所望の磁気抵抗効果素子およびＭＲＡＭデバイスを作製することが出来る。また、非線形素子７１としては、実施の形態１０で示したようなＭ−Ｉ−Ｓ型接合の非線形素子が用いられてもよい。非線形素子７１としては、非線形性の電流−電圧特性を示す任意の素子が用いられ得る。また、ＭＲ素子部１０１の代わりにＭＲ素子部１００（図１）が配置されてもよい。
【０２３５】
（実施の形態１３）
本発明の実施の形態１３として、実施の形態１で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００の作製方法を示す。
【０２３６】
上述の実施の形態５と同様の方法で、図１に示すような磁気抵抗効果記憶素子１０００を作製した。
【０２３７】
図１を参照して、スパッタリングのターゲットとしてＣｏ0.2Ｎｉ0.68Ｆｅ0.12（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（硬質磁性膜１１０用）、Ｃｏ0.75Ｐｔ0.25（硬質磁性膜１１０用）を用い、多元スパッタ装置により基板（図示せず）上に、図１に示されるＭＲ素子部１００を作製した。ＭＲ素子部１００の基本構成は、ＣｏＮｉＦｅ（１５）／ＡｌＮ（１）／ＣｏＦｅ（５）／ＣｏＰｔ（２５） である。
【０２３８】
本実施の形態では、硬質磁性膜１１０は、ＣｏＦｅ／ＣｏＰｔの２層から構成されている。
【０２３９】
上記のようなＭＲ素子部１００の作製方法として、まず、熱酸化処理を施したＳｉ基板上にＣｏＮｉＦｅを堆積させた。次に、非磁性絶縁膜１２０として、（Ｎ2＋Ａｒ）雰囲気中においてＡｌをスパッタ成膜することにより作製した。次に、非磁性絶縁膜１２０中のマイクロショートを生じさせるリーク部分を完全に絶縁体にするために、真空槽内の酸素雰囲気中で非磁性絶縁膜１２０に対し自然酸化処理を施した。このような窒化処理および酸化処理をそれぞれ２回ずつ繰り返し、厚さが約１ｎｍの非磁性絶縁膜１２０を形成した。このような処理を適当に制御することにより、良好なトンネル特性が得ることが出来た。次に、非磁性絶縁膜１２０上にＣｏＦｅおよびＣｏＰｔを堆積させた。
【０２４０】
作製されたＭＲ素子部１００のＣｏＰｔを着磁させ、素子のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比は３１％であった。これは窒化処理および酸化処理を１回ずつ行った非磁性絶縁膜１２０を備える同様の構成のＭＲ素子よりも高いＭＲ比であった。Ｈｃとして表されるＭＲが生じる磁界幅は５ Ｏｅ〜１００ Ｏｅであった。このときのトンネル接合面積は、およそ２平方マイクロメートルであった。このときのトンネル接合のインピーダンスは約３５Ωであった。さらに、トンネル接合のインピーダンスは成膜条件を変更することにより、数Ωから数百Ωの範囲で制御可能なことがわかった。
【０２４１】
本実施の形態のように、非磁性絶縁膜１２０に対して上記のように窒化処理および酸化処理を繰り返し行うことで、トンネル接合作製の歩留まりが向上し、本発明の作製方法がトンネル接合を用いた素子の製造に効果的であることが分かった。
【０２４２】
上記のようにして作製されたＭＲ素子部１００を用いて、図１に示したような磁気抵抗効果記憶素子１０００を作製した。センス線およびビット線用の導電膜１４０および１５０にはＰｔまたはＡｕを用い、ワード線用の導電膜１７０にはＡｌ、ＡｕＣｒ、Ｔｉ／ＡｕまたはＣｕ／Ｔａを用いた。ＭＲ素子部１００と導電膜１７０との絶縁にはＣａＦ2、ＳｉＯ2を用いた。
【０２４３】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子１０００の動作を以下のように確認した。
【０２４４】
まず、図９Ａに示すようなパルス電流５３１を導電膜１７０（ワード線）に流して硬質磁性膜１１０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図９Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５３２を流し、導電膜１４０および１５０（センス線およびビット線）を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）をモニターした。電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）の結果は、図９Ｂの下側のグラフに示すように記憶情報に応じたパルス５３３が検出され、所望の磁気抵抗効果記憶素子１０００が実現できたことが分かった。
【０２４５】
（実施の形態１４）
本発明の実施の形態１４として、実施の形態３で示した磁気抵抗効果ヘッド６０００の作製方法を示す。
【０２４６】
上述の実施の形態５と同様の方法で、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すような磁気抵抗効果ヘッド６０００を作製した。図２０Ａは、磁気抵抗効果ヘッド６０００の斜視図、図２０Ｂはその断面図を示している。
【０２４７】
スパッタリングのターゲットとしてＮｉ0.81Ｆｅ0.19、Ｎｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用い、ＮｉＦｅ（２０）／ＣｏＮｉＦｅ（８）／ＡｌＮ（０．６）／ＣｏＦｅ（６）／ＩｒＭｎ（２５） 基本構成からなるＭＲ素子部１０１を作製した。
【０２４８】
非磁性絶縁膜１２０として、（Ｎ2＋Ａｒ）雰囲気中においてＡｌをスパッタ成膜することにより作製した。作製されたＭＲ素子部１０１のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ２５％であった。このときのトンネル接合面積はおよそ３平方マイクロメートルであり、トンネル接合インピーダンスは約１０Ωであった。
【０２４９】
このようなＭＲ素子部１０１を備える磁気抵抗効果ヘッド６０００を作製した。
【０２５０】
図２０Ａおよび図２０Ｂを参照して、磁気抵抗効果ヘッド６０００は、Ａｌ2Ｏ3・ＴｉＣを主成分とする焼結体から成るスライダ用の基板６０１と、シールド層６０２および６０３と、ＮｉＦｅ合金から成る記録磁極６０５および６０６と、Ｃｕから成るコイル６０７と、Ａｌ2Ｏ3から成る各構成要素間のギャップ層６０８とを備える。シールド層６０２および６０３の膜厚はそれぞれ１μｍである。また、記録磁極６０５、６０６の膜厚はそれぞれ３μｍである。Ａｌ2Ｏ3から成るギャップ層６０８の膜厚は、シールド層６０２および６０３とＭＲ素子部１０１との間で０．１μｍであり、記録磁極６０５および６０６間では０．２μｍである。導電膜１５０と記録磁極６０５の間隔は約４μｍである。コイル６０７の膜厚は３μｍである。
【０２５１】
ＭＲ素子部１０１はシールド層６０２および６０３内に配置されており、ヘッド表面６０４に直接露出しない構成となっている。
【０２５２】
バイアス電流は導電膜１４１および１５０を通じてＭＲ素子部１０１に印加される。非磁性絶縁膜１２０を挟むように位置する軟質磁性膜１３０および強磁性膜１９０は、互いの磁化方向が直交する方向にそれぞれ磁化方向が向くように設定されており、再生信号に応じた磁化方向の変位を感度良く読みとることができた。
【０２５３】
また、図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、上記の磁気抵抗効果ヘッド６０００を備えた磁気ディスク装置７０００を作製した。図２１Ａは、磁気ディスク装置７０００の上面図を、図２１Ｂは磁気ディスク装置７０００の断面図を示している。
【０２５４】
磁気記録媒体７０１はＣｏ−Ｎｉ−Ｐｔ−Ｔａ系合金から成る。磁気抵抗効果ヘッド６０００は、磁気ヘッド支持部７０２により支持され、磁気ヘッド駆動部７０３により駆動される。磁気抵抗効果ヘッド６０００のトラック幅は５μｍとした。上記のような構成を磁気ディスク装置７０００は、図２１Ｂに示すように複数個備える。
【０２５５】
本発明の磁気抵抗効果ヘッド７０００は、従来のＣＩＰＭＲ素子であるＧＭＲ型磁気抵抗効果ヘッドよりも抵抗変化率が高い。従って、磁気抵抗効果ヘッド６０００は再生出力が高く、再生用磁気ヘッドとして大変有効である。同時に磁気ヘッドの低インピーダンス化を実現することが出来た。作製した磁気ディスク装置７０００から、磁気記録媒体７０１に記録された情報に応じた電圧変化が良好に検出でき、本発明の磁気抵抗効果ヘッド６０００が実現できたことが分かった。
【０２５６】
なお、本発明の全ての実施の形態で示したＭＲ素子部１００、１０１、１０２および２００は、本実施の形態と同様に、磁気抵抗効果ヘッドとして用いることが出来る。
【０２５７】
（産業上の利用可能性）
以上説明したように、本発明によれば、非磁性膜として窒化物の絶縁膜を用いることによって、トンネル特性が良好な磁気抵抗効果記憶素子および磁気抵抗効果型ヘッドを作製することが可能となる。さらに、強磁性体も窒化物で構成することによりトンネル接合界面が良好となり、より好ましい。
【０２５８】
さらに、本発明の磁気抵抗効果記憶素子および磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法によれば、トンネル接合のインピーダンスを低く抑えることができるため、非常に微細なパターンにおいても磁気抵抗効果記憶素子および磁気抵抗効果型ヘッドを構成することができる。
【０２５９】
本発明は、非磁性絶縁膜に窒素物を、あるいは磁性膜も共に窒化物を用いることを特徴とし、トンネル接合抵抗が低減され、且つ理想的なトンネル接合界面を有する磁気抵抗素子、磁気抵抗効果磁気ヘッド、磁気抵抗効果記憶素子およびこのような磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置した高密度磁気抵抗効果記憶デバイスが提供される。
【０２６０】
特に、本発明においては、非磁性絶縁膜を窒化物および酸化物の組み合わせにより構成する事により、窒化物非磁性絶縁膜の有する低いトンネル接合抵抗のメリットを利用できる。また、作製条件のずれによって生じやすい非磁性膜の窒化の不完全な部分を酸化させ、窒化の不完全な部分を高抵抗化させることで、リーク伝導路あるいはホッピング伝導路の出現を防ぐことができる。また、窒化と酸化を複数回繰り返して非磁性絶縁膜を作製することにより、トンネル特性の制御性をより向上させる事ができる。
【０２６１】
本発明によれば、非磁性絶縁膜にＡｌ2Ｏ3単体を用いたトンネル接合抵抗と同等の低い接合抵抗を、より厚い非磁性絶縁膜にて実現することができる。したがってＭＲ素子の製造が容易になり、集積性が求められる記憶素子などにおける特性均一性に優位性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスを示す上面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスの一部を示す斜視図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスの一部を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスの一部を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の実施の形態におけるＭＲ素子部の特性を示すグラフである。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の実施の形態におけるＭＲ素子部の特性を示すグラフである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施の形態における窒化物膜を示す断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施の形態における窒化物膜を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の実施の形態における金属絶縁膜を示す断面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の実施の形態における金属絶縁膜を示す断面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明の実施の形態における金属絶縁膜を示す断面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスを示す斜視図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスを示す上面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果ヘッドを示す斜視図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果ヘッドを示す断面図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、本発明の実施の形態における磁気ディスク装置を示す上面図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、本発明の実施の形態における磁気ディスク装置を示す断面図である。
（技術分野）
本発明は、磁気抵抗効果（以下、ＭＲと称す）を利用した素子に関し、特に、微細な形状の磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果磁気ヘッド、微細な形状の磁気抵抗効果記憶素子およびこのような磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置した高密度磁気抵抗効果記憶デバイスに関する。
【０００２】
（背景技術）
磁気抵抗効果（ＭＲ）膜を用いた固体記憶デバイス（ＭＲＡＭ）は、Ｌ．Ｊ．Ｓｃｈｗｅｅの、Ｐｒｏｃ．ＩＮＴＥＲＭＡＧ Ｃｏｎｆ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎ．Ｋｙｏｔｏ（１９７２）４０５．によって提案され、記録磁界発生用の電流線であるワード線とＭＲ膜を用いた読み出し用のセンス線より成る構成の様々なタイプのＭＲＡＭが研究されている。このような研究の例として、Ａ．Ｖ．Ｐｏｈｍらの、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎ．２８（１９９２）２３５６．が挙げられる。これらの記憶デバイスには、一般的にＭＲ変化率が２％程度の異方性ＭＲ効果（ＡＭＲ）を示すＮｉＦｅ膜等が使用され、出力される信号値の向上が課題であった。
【０００３】
非磁性膜を介して交換結合した磁性膜より成る人工格子膜が、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を示すことが、Ｍ．Ｎ．Ｂａｉｂｉｃｈら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１（１９８８）２４７２．に記述されている。また、ＧＭＲ膜を用いたＭＲＡＭの提案が、Ｋ．Ｔ．Ｍ．Ｒａｎｍｕｔｈｕら、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎ．２９（１９９３）２５９３．によってなされている。しかしながら、この反強磁性交換結合をした磁性膜より成るＧＭＲ膜は、大きなＭＲ変化率を示すものの、ＡＭＲ膜に比べ大きな印加磁界を必要とし、大きな情報記録および読み出し電流を必要とする問題点がある。
【０００４】
上記の交換結合型ＧＭＲ膜に対して、非結合型ＧＭＲ膜としてはスピンバルブ膜があり、反強磁性膜を用いたものが、Ｂ．Ｄｉｅｎｙら、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．９３（１９９１）１０１．に記述されている。また、（半）硬質磁性膜を用いたものが、Ｈ．Ｓａｋａｋｉｍａら、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３３（１９９４）Ｌ１６６８．に記述されている。これらは、ＡＭＲ膜と同様の低磁界で、かつＡＭＲ膜より大きなＭＲ変化率を示す。また、反強磁性膜あるいは硬質磁性膜を用いたスピンバルブ型を用いたＭＲＡＭにおいて、記憶素子が非破壊読み出し特性（ＮＤＲＯ）を有することを示すものが、Ｙ．Ｉｒｉｅら、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４（１９９５）Ｌ４１５．に記述されている。
【０００５】
上記のＧＭＲ膜の非磁性膜はＣｕ等の導体膜であるが、非磁性膜にＡｌ2Ｏ3やＭｇＯ等の酸化物絶縁膜を用いたトンネル型ＧＭＲ膜（ＴＭＲ）の研究も盛んとなり、このＴＭＲ膜を用いたＭＲＡＭも提案されている。
【０００６】
ＧＭＲ膜で膜面に垂直に電流を流した場合のＭＲ効果（ＣＰＰＭＲ）の方が膜面に平行に電流を流した場合のＭＲ効果（ＣＩＰＭＲ）より大きいことが知られている。また、更にＴＭＲ膜はインピ−ダンスが高いので、ＴＭＲ膜を用いることにより大きな出力が得られることが期待される。
【０００７】
しかし、ＴＭＲ膜におけるトンネル接合においては、素子の微細化に伴って素子の接合インピーダンスが次第に大きくなるという問題がある。
【０００８】
トンネル接合で構成されるメモリセルの大きさがサブミクロン程度になってくると、接合インピーダンスが非常に高くなり、信号を読みとれなくなってしまうため、望ましい接合抵抗を提供可能なトンネル絶縁体が望まれる。
【０００９】
また、トンネル接合素子に於いて、トンネル接合界面での散乱が強いと好ましい素子特性が得られないことから、接合界面の状態は接合特性を大きく左右するといえる。
【００１０】
従来のＴＭＲ膜においては、非磁性絶縁層としてＡｌ2Ｏ3を用いてトンネル接合を構成するのが一般的である。このような非磁性絶縁層は、良好な絶縁特性を得るために、金属Ａｌ膜の自然酸化あるいはプラズマ酸化により作製される。
【００１１】
しかしながら、上記の様な作製法では、非磁性層中に金属層と絶縁層とが混在してしまう可能性、および強磁性体層にも酸化がおよぶことにより不要な絶縁層が生成されてしまう可能性があり、これらの欠点はトンネル特性を劣化させてしまう要因となってしまう。
【００１２】
また、トンネル接合素子の微細化にともなって要求されるトンネル接合素子の低抵抗化（あるいは低インピーダンス化）にとっても、非磁性絶縁層としてＡｌ2Ｏ3を用いたトンネル接合では、トンネル接合抵抗を１０Ωμｍ2以下に作製することは大変困難である。
【００１３】
本発明は、上記のような課題を鑑みて成されたものであり、トンネル接合抵抗が低減され、且つ理想的なトンネル接合界面を有する磁気抵抗素子、磁気抵抗効果磁気ヘッド、磁気抵抗効果記憶素子およびこのような磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置した高密度磁気抵抗効果記憶デバイスを提供することを目的とする。
【００１４】
（発明の開示）
本発明の磁気抵抗効果記憶素子は、第１強磁性膜と、第２強磁性膜と、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜との間に形成された第１非磁性膜と、上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方を磁化反転させる磁界を発生し、上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜と電気的に接していない第１導電膜と、上記第１強磁性膜、上記第１非磁性膜および上記第２強磁性膜に電流を流す、第２導電膜および第３導電膜と、を備え、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜とは、上記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、上記第１非磁性膜が少なくとも窒化物を含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方が窒化物を含んでもよい。
【００１６】
上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方が、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含んでもよい。
【００１７】
上記第２導電膜および第３導電膜の少なくとも一方が窒化物を含んでもよい。
【００１８】
上記第２導電膜および第３導電膜の少なくとも一方がＴｉＮを含んでもよい。
【００１９】
上記第１非磁性膜の厚さが０．５ｎｍ〜４ｎｍであってもよい。
【００２０】
上記第１非磁性膜がＡｌＮを含んでもよい。
【００２１】
上記第１非磁性膜がＢＮを含んでもよい。
【００２２】
上記第１非磁性膜がＩｎＮを含んでもよい。
【００２３】
上記第１非磁性膜は、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を上記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含んでもよい。
【００２４】
上記第１非磁性膜は、非磁性金属を窒化させることにより形成されてもよい。
【００２５】
上記第１非磁性膜が酸化物を更に含んでもよい。
【００２６】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において非磁性金属を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００２７】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００２８】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００２９】
上記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、上記第１非磁性膜の粒界部においては主としてＭ−Ｏを含んでもよい。
【００３０】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００３１】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００３２】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００３３】
上記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、上記第１非磁性膜内にＭ−Ｏが分散して含まれていてもよい。
【００３４】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００３５】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００３６】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００３７】
上記第１非磁性膜が、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、Ｏを酸素元素とするとき、少なくとも１つのＭ−Ｎ膜と少なくとも１つのＭ−Ｏ膜とを含んでもよい。
【００３８】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、上記少なくとも１つのＭ−Ｎ膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記少なくとも１つのＭ−Ｏ膜を、酸素雰囲気中において上記金属元素を酸化させることにより形成する第２の工程とを包含する。
【００３９】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００４０】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００４１】
本発明のＭＲＡＭデバイスは、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子を複数個含み、複数の上記第１導電膜、複数の上記第２導電膜および複数の上記第３導電膜が、それぞれ所定の方向に配置される。
【００４２】
本発明の磁気抵抗効果記憶素子は、複数の積層構造と、上記複数の積層構造の間にそれぞれ形成された少なくとも１つの第１の非磁性膜と、上記複数の積層構造に電流を流す第１の導電膜および第２の導電膜とを備える、磁気抵抗効果記憶素子であって、上記複数の積層構造のそれぞれが、第１強磁性膜と、第２強磁性膜と、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜との間に形成された第２非磁性膜とを備え、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜とは、上記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、上記磁気抵抗効果記憶素子は、上記複数の積層構造に含まれる複数の上記第１強磁性膜および複数の上記第２強磁性膜の内の少なくとも１つを磁化反転させる磁界を発生し、上記複数の第１強磁性膜および上記複数の第２強磁性膜と電気的に接していない第３導電膜を更に備え、上記複数の積層構造に含まれる複数の上記第２非磁性膜の内の少なくとも１つが、少なくとも窒化物を含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００４３】
上記複数の第１強磁性膜のそれぞれの保磁力の大きさが、互いに異なっていてもよい。
【００４４】
上記複数の第２強磁性膜のそれぞれの保磁力の大きさが、互いに異なっていてもよい。
【００４５】
上記複数の第１強磁性膜および上記複数の第２強磁性膜の内の少なくとも１つが窒化物を含んでもよい。
【００４６】
上記複数の第１強磁性膜および上記複数の第２強磁性膜の内の少なくとも１つが、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含んでもよい。
【００４７】
上記第１導電膜および上記第２導電膜の少なくとも一方が窒化物を含んでもよい。
【００４８】
上記第１導電膜および第２導電膜の少なくとも一方がＴｉＮを含んでもよい。
【００４９】
上記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を上記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含んでもよい。
【００５０】
上記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、非磁性金属を窒化させることにより形成されてもよい。
【００５１】
上記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、酸化物を含んでもよい。
【００５２】
本発明のＭＲＡＭデバイスは、上記に記載の磁気抵抗効果記憶素子を複数個含み、複数の上記第１導電膜、複数の上記第２導電膜および複数の上記第３導電膜が、それぞれ所定の方向に配置される。
【００５３】
本発明の磁気抵抗効果素子は、第１強磁性膜と、第２強磁性膜と、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜との間に形成された第１非磁性膜とを備え、上記第１強磁性膜と上記第２強磁性膜とは、上記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、上記第１非磁性膜が少なくとも窒化物を含み、そのことにより上記目的が達成される。
【００５４】
上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方が窒化物を含んでもよい。
【００５５】
上記第１強磁性膜および上記第２強磁性膜の少なくとも一方が、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含んでもよい。
【００５６】
上記第１非磁性膜の厚さが０．５ｎｍ〜４ｎｍであってもよい。
【００５７】
上記第１非磁性膜がＡｌＮを含んでもよい。
【００５８】
上記第１非磁性膜がＢＮを含んでもよい。
【００５９】
上記第１非磁性膜がＩｎＮを含んでもよい。
【００６０】
上記第１非磁性膜は、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を上記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含んでもよい。
【００６１】
上記第１非磁性膜は、非磁性金属を窒化させることにより形成されてもよい。
【００６２】
上記第１非磁性膜が酸化物を更に含んでもよい。
【００６３】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において非磁性金属を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００６４】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００６５】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００６６】
上記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、上記第１非磁性膜の粒界部においては主としてＭ−Ｏを含んでもよい。
【００６７】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００６８】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００６９】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含する。
【００７０】
上記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、上記第１非磁性膜内にＭ−Ｏが分散して含まれていてもよい。
【００７１】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、上記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程とを包含する。
【００７２】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００７３】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００７４】
上記第１非磁性膜が、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、Ｏを酸素元素とするとき、少なくとも１つのＭ−Ｎ膜と少なくとも１つのＭ−Ｏ膜とを含んでもよい。
【００７５】
本発明の製造方法は、上記に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、上記少なくとも１つのＭ−Ｎ膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記少なくとも１つのＭ−Ｏ膜を、酸素雰囲気中において上記金属元素を酸化させることにより形成する第２の工程とを包含する。
【００７６】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００７７】
本発明の製造方法は、上記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、上記第２強磁性膜を形成する第４の工程とを更に包含してもよい。
【００７８】
本発明の製造方法は、金属絶縁膜の製造方法であって、上記金属絶縁膜は少なくとも窒化物を含み、窒素雰囲気中において所定の金属を窒化させることにより窒化物を形成する第１の工程と、上記窒化物を、酸素雰囲気中において酸化させる第２の工程とを包含する。
【００７９】
上記所定の金属元素は、Ａｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素であってもよい。
【００８０】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００８１】
本発明の製造方法は、金属絶縁膜の製造方法であって、上記金属絶縁膜は、Ｍを所定の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、Ｏを酸素元素とするとき、少なくとも１つのＭ−Ｎ膜と少なくとも１つのＭ−Ｏ膜とを含み、上記少なくとも１つのＭ−Ｎ膜を、窒素雰囲気中において上記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、上記少なくとも１つのＭ−Ｏ膜を、酸素雰囲気中において上記金属元素を酸化させることにより形成する第２の工程とを包含する。
【００８２】
上記所定の金属元素は、Ａｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素であってもよい。
【００８３】
上記第１の工程と上記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれてもよい。
【００８４】
本発明は、非磁性絶縁層に窒素物を、あるいは磁性層も共に窒化物を用いることを特徴とし、トンネル接合抵抗が低減され、且つ理想的なトンネル接合界面を有する磁気抵抗素子、磁気抵抗効果磁気ヘッド、磁気抵抗効果記憶素子およびこのような磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置した高密度磁気抵抗効果記憶デバイスが提供される。
【００８５】
特に、本発明においては、非磁性絶縁層を窒化物および酸化物の組み合わせにより構成する事により、窒化物非磁性絶縁層の有する低いトンネル接合抵抗のメリットを利用できる。また、作製条件のずれによって生じやすい非磁性層の窒化の不完全な部分を酸化させ、窒化の不完全な部分を高抵抗化させることで、リーク伝導路あるいはホッピング伝導路の出現を防ぐことができる。また、窒化と酸化を複数回繰り返して非磁性絶縁層を作製することにより、トンネル特性の制御性をより向上させる事ができる。
【００８６】
本発明によれば、非磁性絶縁層にＡｌ2Ｏ3単体を用いたトンネル接合抵抗と同等の低い接合抵抗を、より厚い非磁性絶縁層にて実現することができる。したがってＭＲ素子の製造が容易になり、集積性が求められる記憶素子などにおける特性均一性に優位性を発揮することができる。
【００８７】
（発明を実施するための最良の形態）
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１における磁気抵抗効果記憶素子１０００の断面図を示す。
【００８８】
磁気抵抗効果記憶素子１０００は、硬質磁性膜を用いたスピンバルブ型（以下ではＨＭスピンバルブ型と呼ぶ）磁気抵抗効果記憶素子である。
【００８９】
磁気抵抗効果記憶素子１０００においては、硬質磁性膜１１０（第２の強磁性膜）と、非磁性絶縁膜１２０と、軟磁性膜１３０（第１の強磁性膜）とによりＭＲ素子部１００が形成される。軟磁性膜１３０は硬質磁性膜１１０よりも外部磁界に対して磁化回転し易い。ＭＲ素子部１００は、センス線およびビット線を構成する導電膜１４０および１５０に接続される。また、ワード線を構成する導電膜１７０が絶縁膜１６０を介してＭＲ素子部１００上部に設けられている。
【００９０】
本発明の説明において、図示される各磁性膜中に示される矢印は、各磁性膜のそれぞれの磁化方向の一例を示している。ただし、各磁性膜の磁化方向は、図示される方向に限定されず、様々な実施の形態において変化し得るものであり、また、書き込み動作および読み出し動作において変化し得る。
【００９１】
磁気抵抗効果記憶素子１０００においては、導電膜１７０（ワード線）を流れる電流によって発生する磁界により、硬質磁性膜１１０を磁化反転させ情報を書き込む。情報の読み出しは、硬質磁性膜１１０の磁化反転を起こさずに、軟磁性膜１３０のみを磁化反転させることにより行う。また、導電膜１７０のみでなく、導電膜１４０または１５０（センス線）にも電流を流して磁界を発生させても良い。この場合には、導電膜１７０と１４０（１５０）とにより構成されるそれぞれの配線は、直交する関係にあることが好ましい。
【００９２】
このような書き込みおよび読み出し動作を行うことにより、磁気抵抗効果記憶素子１０００は、非破壊読み取り（ＮＤＲＯ）が可能となる。また、この場合、磁化反転させるための磁界のしきい値として、硬質磁性膜１１０および軟磁性膜１３０のそれぞれの保磁力に対応する記録用しきい値Ｈｈと読み出し用しきい値Ｈｓの２つが必要となる。
【００９３】
図２Ａおよび図２Ｂに、ＨＭスピンバルブ型である磁気抵抗効果記憶素子１０００の動作原理を示す。磁気抵抗効果記憶素子１０００への信号の記録は、図２Ａに示すように、導電膜１７０に正のパルス電流５０１または負のパルス電流５０２を流し、硬質磁性膜１１０のＨｈを越える磁界を硬質磁性膜１１０に印加し、硬質磁性膜１１０を磁化反転させ、 硬質磁性膜１１０の磁化方向により“１”または“０”の信号を記録することにより行われる。
【００９４】
記録された信号の読み出しは、導電膜１４０および１５０（図１）に定電流を流した状態で、導電膜１７０に弱電流パルスを流し、軟磁性膜１３０のＨｓ以上、硬質磁性膜１１０のＨｈ以下の磁界を発生させ、軟磁性膜１３０が磁化反転するか否かを判別することにより行われる。この場合、導電膜１４０および１５０を通じてモニターされたＭＲ素子部１００の抵抗値の変化により、“１”または“０”の記憶状態が識別される。
【００９５】
例えば、図２Ａに示される“１”および“０”の記憶状態において、正のパルス電流５０１と同様のパルス電流を導電膜１７０に流した場合は、記憶状態“１”の 磁気抵抗効果記憶素子１０００に対しては抵抗値の変化はなく、また、記憶状態“０” の磁気抵抗効果記憶素子１０００に対しては抵抗値が増加する。そして、反対に、負のパルス電流５０２と同様のパルス電流を導電膜１７０に流した場合は、抵抗値の変化は上記と逆になる。
【００９６】
更に、図２Ｂに示すように正→負のパルスを組み合わせたパルス電流５０３（ただし、パルス電流５０３の大きさは、硬質磁性膜１１０の磁化反転を起こさず、軟磁性膜１３０のみを磁化反転させ得るものである）を流した場合、記憶状態が“１”の 磁気抵抗効果記憶素子１０００に対しては、抵抗変化は零→正となるので、変化率（ΔＲ1／Δｔ）は正となり、反対に記憶状態が“０” の 磁気抵抗効果記憶素子１０００に対しては、抵抗の変化率（ΔＲ1／Δｔ）は負になる。
【００９７】
上記のような動作原理で、磁気抵抗効果記憶素子１０００から信号の読み出しが可能となる。磁気抵抗効果記憶素子１０００のようなＨＭスピンバルブ型記憶素子において特徴的なことは、硬質磁性膜１１０の磁化状態は読み出し中は不変であるので、ＮＤＲＯが可能となることである。
【００９８】
なお、硬質磁性膜１１０の代わりに半硬質磁性膜が用いられても良い。
【００９９】
また、硬質磁性膜１１０および軟磁性膜１３０とが逆に配置されていてもよい。特に、導電膜１７０を用いての磁界印加を効率的に行うためには、自由層として用いる軟質磁性膜１３０は、導電膜１７０に、より近接して配置するのが好ましい。
【０１００】
また、本実施の形態では、定電流印加の下での抵抗値変化を電圧変化として検出する、いわゆる定電流モードの例を示しているが、定電圧印加の下での抵抗値変化を電流変化として検出する、いわゆる定電圧モードによる記録情報の検出を用いても良い。
【０１０１】
また、磁気抵抗効果記憶素子１０００の構成は、磁気抵抗効果素子としても用いることができる。この場合は、磁気抵抗効果記憶素子１０００の構成からなる磁気抵抗効果素子は磁気ヘッドとして用いられ得、記録媒体等から印加される磁界はＭＲ素子部１００によって感知される。また、磁気ヘッドとして用いられる場合は、導電膜１７０は設けられていなくても良い。
【０１０２】
（実施の形態２）
図３に本発明の実施の形態２における磁気抵抗効果記憶素子２０００の断面図を示す。実施の形態１で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００と同一の構成要素については同一の参照符号で表し、これらについての詳細な説明は省略する。
【０１０３】
磁気抵抗効果記憶素子２０００は、反強磁性膜を用いたスピンバルブ型（以下ではＡＦスピンバルブ型と呼ぶ）磁気抵抗効果記憶素子である。
【０１０４】
磁気抵抗効果記憶素子２０００においては、反強磁性膜１８０と交換結合した強磁性膜１９０（第２の強磁性膜）と、非磁性絶縁膜１２０と、軟磁性膜１３０（第１の強磁性膜）とによりＭＲ素子部１０１が形成され、センス線およびビット線を構成する導電膜１４１および１５０がＭＲ素子部１０１に接続されている。軟磁性膜１３０は強磁性膜１９０よりも外部磁界に対して磁化回転し易い。
【０１０５】
強磁性膜１９０は、導電膜１７０（ワード線）を流れる電流によって発生する磁界では磁化反転せず、非磁性絶縁膜１２０を介して強磁性膜１９０と磁気的に分離された軟磁性膜１３０のみが磁化反転する。従って情報の書き込みと読み出しは軟磁性膜１３０の磁化反転によってのみ行われ、ＮＤＲＯは困難であるが、磁化反転させるための磁界のしきい値は一つで、動作原理はシンプルである。
【０１０６】
図４Ａおよび図４Ｂに、ＡＦスピンバルブ型記憶素子である磁気抵抗効果記憶素子２０００の動作原理を示す。
【０１０７】
磁気抵抗効果記憶素子２０００において、強磁性膜１９０は、反強磁性膜１８０と交換結合して、その磁化は一方向にピン止めされている。
【０１０８】
磁気抵抗効果記憶素子２０００への信号の記録は、図４Ａに示すように、導電膜１７０に正のパルス電流５１１または負のパルス電流５１２を流し、軟磁性膜１３０のＨｓ以上の磁界を軟磁性膜１３０に印加し、軟磁性膜１３０を磁化反転させ、軟磁性膜１３０の磁化方向により“１”または“０”の信号を記録することにより行われる。
【０１０９】
記録された信号の読み出しは、導電膜１４１および１５０（図３）に定電流を流した状態で、導電膜１７０に正または負の弱電流パルスを流して軟磁性膜１３０のＨｓ以上の磁界を発生させ、軟磁性膜１３０が磁化反転するか否かを判定することにより行われる。この場合、導電膜１４１および１５０を通じてモニターされたＭＲ素子部１０１の抵抗値の変化により、“１”または“０”の記憶状態が識別される。
【０１１０】
例えば、図４Ｂに示される“１”および“０”の記憶状態において、正のパルス電流５１３（ただし、パルス電流５１３の大きさは、強磁性膜１９０の磁化反転を起こさず、軟磁性膜１３０のみを磁化反転させ得るものである）を導電膜１７０に流した場合は、記憶状態“１” の磁気抵抗効果記憶素子２０００に対しては抵抗値の変化はない（ΔＲ2＝０）。また、正のパルス電流５１３を導電膜１７０に流した場合、記憶状態“０” の磁気抵抗効果記憶素子２０００に対しては抵抗値が変化する（ΔＲ2≠０）。そして、反対に負のパルス電流（図示せず）を導電膜１７０に流した場合は、抵抗値の変化は上記と逆になる。
【０１１１】
上記のような動作原理で、磁気抵抗効果記憶素子２０００からの信号の読み出しが可能となる。磁気抵抗効果記憶素子２０００のようなＡＦスピンバルブ型記憶素子においては、信号の読み出し時に記録された信号が破壊されるので、ＮＤＲＯは困難である。
【０１１２】
しかし、磁気抵抗効果記憶素子２０００のようなＡＦスピンバルブ型記憶素子においてもＮＤＲＯは可能である。具体的には、図４Ｃに示すように、ＭＲ素子部１０１の抵抗値と参照抵抗Ｒ1との差ΔＲ3を検出する方法により信号を読み出せば、導電膜１７０にパルス電流を流すことなく、記憶状態“１”または“０”を読み出すことができる。この場合は、信号の読み出し時に記録された信号が破壊されないので、ＮＤＲＯが可能である。このとき用いる参照抵抗Ｒ1の抵抗値は、比較するＭＲ素子部の抵抗値変化の範囲内の値であることが好ましく、磁気抵抗効果記憶素子が集積される場合は、磁気抵抗効果記憶素子の一つを参照抵抗Ｒ1として用いることが好ましい。
【０１１３】
なお、反強磁性膜１８０の代わりに磁化回転抑制層が用いられても良い。
【０１１４】
また、強磁性膜１９０と反強磁性膜１８０とを組み合わせた積層構造と、軟磁性膜１３０とが逆に配置されていてもよい。
【０１１５】
また、実施の形態１と同様に、磁気抵抗効果記憶素子２０００の構成は、磁気抵抗効果素子としても用いることができる。
【０１１６】
実施の形態１および本実施の形態で示された硬質磁性膜１１０（図１）および強磁性膜１９０（図３）は、磁気抵抗効果素子の固定層にあたる。硬質磁性膜１１０および強磁性膜１９０として用いられる金属磁性膜としては、Ｃｏ、ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ合金等の材料が優れている。特に、Ｃｏ、ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ合金が大きなＭＲ比を得るのに良いので、非磁性膜１２０との界面にはＣｏ、ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ合金を用いることが望ましい。
【０１１７】
また、更に非磁性層１２０には窒化物の絶縁体を用いることが好ましい。このとき、界面性を良好にするためには、硬質磁性膜１１０および強磁性膜１９０もＣｏ、ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅの窒化物であることが、より好ましい。
【０１１８】
また、更に、ＸＭｎＳｂ（ＸはＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕのうちの少なくとも一つから選ばれるのが好ましい。）は、高い磁性分極率を有するため、ＭＲ素子を構成した際、大きなＭＲ比が得られる。
【０１１９】
硬質磁性膜１１０および強磁性膜１９０として用いられる酸化物磁性膜としては、ＭＦｅ2Ｏ4（ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種もしくは２種以上の元素）が好ましい。これらは比較的高温まで強磁性を示し、Ｆｅ−ｒｉｃｈに比べＣｏ，Ｎｉ−ｒｉｃｈは極めて抵抗値が高い。また、Ｃｏ−ｒｉｃｈは磁気異方性が大きいという特性があるので、これらの組成比の調整により所望の特性の硬質磁性膜１１０および強磁性膜１９０が得られる。
【０１２０】
なお、軟質磁性膜１３０の全体の膜厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。膜厚が厚いとシャント効果でＭＲ比が低下するが、薄すぎると軟磁性特性が劣化する。より望ましくは２ｎｍ以上７ｎｍ以下がよい。
【０１２１】
更に、強磁性膜１９０に接する反強磁性膜１８０として用いられる磁化回転抑制層としては、金属層として不規則合金系のＩｒ−Ｍｎ，Ｒｈ−Ｍｎ，Ｒｕ−Ｍｎ，Ｃｒ−Ｐｔ−Ｍｎ等があり、磁界中で成膜することにより強磁性膜１９０と交換結合させることができ、工程が簡便となる利点がある。一方、規則合金系のＮｉ−Ｍｎ，Ｐｔ−（Ｐｄ）−Ｍｎ等は規則化のための熱処理が必要であるが、熱的安定性に優れており、特にＰｔ−Ｍｎが好ましい。また酸化物膜としては、ａ−Ｆｅ2Ｏ3やＮｉＯ、あるいはＬＴＯ3（ＬはＣｅを除く希土類元素を示し、ＴはＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏを示す。）を用いることが好ましい。導電率の低いこのような材料を用いる場合には、図３に示すように導体１４１は、強磁性膜１９０と直接コンタクトが取れるように配するのが好ましい。
【０１２２】
実施の形態１および本実施の形態で示された軟質磁性膜１３０は、磁気抵抗効果素子の自由層にあたる。軟質磁性膜１３０として、ＣｏまたはＣｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金等の材料が優れている。特に、軟質磁性膜１３０として、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ膜を用いる場合には、
Ｎｉx ＣｏyＦｅz
０．６≦ｘ≦０．９
０≦ｙ≦０．４
０≦ｚ≦０．３
の原子組成比のＮｉ−ｒｉｃｈの軟磁性膜、もしくは、
Ｎｉx ’Ｃｏ y ’Ｆｅz ’
【０１２３】
０≦ｘ’≦０．４
０．２≦ｙ’≦ ０．９５
０≦ｚ’≦ ０．５
のＣｏ−ｒｉｃｈ膜を用いるのが望ましい。
【０１２４】
これらの組成膜はセンサーやＭＲヘッド用として要求される低磁歪特性（１×１０-5）を有する。
【０１２５】
（実施の形態３）
図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに本発明の実施の形態３におけるＭＲＡＭデバイス３０００を示す。図５Ａは、ＭＲＡＭデバイス３０００の上面図であり、図５Ｂは、ＭＲＡＭデバイス３０００の一部分を示す斜視図である。実施の形態１および２で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００および２０００と同一の構成要素については同一の参照符号で表し、これらについての詳細な説明は省略する。ここでは、ＭＲ素子部１００（１０１）は、角柱形状にて表しているが、実施の形態に応じて円柱状（または楕円柱状）、円すい台形状または角すい台形状にて実現され得る。またＭＲ素子部１００（１０１）における面内形状は、形状異方性をつける上で、平面方向の幅をＷ1、長さをＬ1として表すと、Ｌ1＞Ｗ1にて実現されることが好ましい。
【０１２６】
また、導電膜１７０によるＭＲ素子部１００（１０１）への効率的な磁界印加を実現させるための、より好ましい導電膜１７０の断面形状を図５Ｃに示す。図５Ｃにおける角度ｈおよびｈ’（導電膜１７０の角型形状の内の少なくとも１つの角における角度を表す）が鋭角であることが好ましい。導電膜１７０の断面形状において、角度ｈおよびｈ’は、ＭＲ素子部１００（１０１）と対向する一辺と成される内角である。
【０１２７】
導電膜１７０の断面形状を図５Ｃに示されるような形状とすることは、導電膜１７０を一様に流れる電流において、ＭＲ素子部１００（１０１）に近接する部分に流れる電流分を実効的に増加させることができるので、効果的にＭＲ素子部１００（１０１）に磁界印加が行える上で好ましい。このような形状は、ＭＲＡＭデバイス３０００の微細化に伴って、導電膜１７０の断面形状のアスペクト比（幅／厚み）が低下する際には特に好ましい。
【０１２８】
この様に磁界印加を効率良く行う場合には、ＭＲ素子部１００（１０１）内の自由層は、導電膜１７０に、より近接するように配置するのが好ましい。この様な配置にすることにより、直交して配置された導電膜１７０とセンス線１５０にての合成磁界を用いる際にも、ＭＲＡＭデバイスとしてのＭＲ素子選択の動作マージンが取りやすく好ましい。このことは、導電膜１７０にて発生させる磁界とセンス線１５０にて発生させる磁界とが動作点にて１対１となることが最も磁化回転のための磁界が少なくて済むことに依っている。
【０１２９】
ＭＲＡＭデバイス３０００は、実施の形態１および２で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００または２０００を行列状に配置することにより構成される。磁気抵抗効果記憶素子１０００および２０００は共に、上述のＣＰＰＭＲ素子である。
【０１３０】
図５ＡおよびＢに示すように、ＣＰＰＭＲ素子を用いたＭＲＡＭにおいては、各磁気抵抗効果記憶素子は互いに並列につながれるため、磁気抵抗効果記憶素子の個数Ｎが増加してもＳ／Ｎ比はほとんど低下しない。
【０１３１】
図６Ａに、本発明の実施の形態の他の局面として、磁気抵抗効果記憶素子１００１の断面図を示す。
【０１３２】
磁気抵抗効果記憶素子１００１においては、硬質磁性膜１１１と、非磁性導電膜１２１と、軟磁性膜１３１とによりＭＲ素子部１０２が形成されている。ＭＲ素子部１０２は、センス線およびビット線を構成する導電膜１４２および１４３に接合される。また、ワード線を構成する導電膜１７１が絶縁膜１６１を介してＭＲ素子部１０２上部に設けられている。このような図６Ａに示される構成の磁気抵抗効果記憶素子１００１は、ＣＩＰＭＲ素子である。
【０１３３】
図６Ｂに示すように、ＣＩＰＭＲ素子型の磁気抵抗効果記憶素子１００１を行列状に配置してＭＲＡＭデバイス３００１が構成される。このとき、各磁気抵抗効果記憶素子は互いに直列につながれることとなる。このように、各磁気抵抗効果記憶素子が互いに直列につながれた場合、磁気抵抗効果記憶素子の個数Ｎが多くなると、一個の素子が示すＭＲ比は同じでも、ＭＲＡＭ全体としてのＳ／Ｎ比は低下すると考えられる。
【０１３４】
なお、図示される本発明の実施の形態全体の大部分において、ＭＲ素子部がセンス線およびワード線等の配線部よりも大きく表記されている。図５および図６においてもそのように表記されている。しかし、これは本発明の実施の形態を分かり易く説明するためのもので、ＭＲ素子部と配線部との大小関係は、上記に限定されない。また、ＭＲ素子部に効率的な磁界印加を行うには、配線部がＭＲ素子部を覆うような大小関係であることが好ましい。
【０１３５】
上述のＭＲＡＭデバイス３０００および３００１は磁気を活用する記憶素子であるので、電荷の蓄積を活用する半導体記憶素子のＤＲＡＭとは異なり不揮発性である。また、半導体のフラッシュ型記憶素子とは異なり、書き込み／読み出し回数が原理的には無制限であり、且つ、書き込み／消去時間もｎｓのオーダーで早いのが特徴である。
【０１３６】
１つの磁気抵抗効果記憶素子についての動作原理については、実施の形態１および２で既に述べたとおりである。ところで、実際にＭＲＡＭデバイスを構成する場合は、図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ｂに示したように、これら磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置する必要がある。その場合は、ワード線が行列状に配置され、各ワード線の交差点に隣接してＭＲ素子部が設けられる。なお、図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ｂに示されるワード線（導電膜１７０または１７１）は、図１、図３および図６Ａとの対比のため、行または列の一方向にしか記載されていない。行列状に配置されたワード線については、後述の実施の形態において更に詳しく述べる。
【０１３７】
このとき選択された（Ｎ、Ｍ）番地のＭＲ素子部に隣接して交差する２本のワード線によって発生した磁界が、そのＭＲ素子部に印加される。また、このとき、２本のワード線の内の１本をセンス線（またはビット線）で代用させてもよい。
【０１３８】
図１に示される磁気抵抗効果記憶素子１０００を用いてＭＲＡＭデバイスを構成する場合は、上記２本のワード線による合成磁界が、硬質磁性膜のアステロイド型曲線にて表されるスウィッチング磁界の値を越えれば情報の書き込みがなされる。また、その磁界の値を越えずに、軟磁性膜のスウィッチング磁界の値を越えれば情報の非破壊読み出しが所望の記憶素子について行われる。
【０１３９】
また、図３に示される磁気抵抗効果記憶素子２０００の場合も、合成磁界で軟磁性膜を磁化反転させて情報を書き込む点では基本的には同様である。また、これらの記憶素子の情報の読み出しに関しては、（Ｎ、Ｍ）番地の素子に隣接する２本のワード線（あるいはワード線とセンス線）に電流パルスを流し、同じく（Ｎ、Ｍ）番地の素子に接続されたセンス線およびビット線を通じてモニターされた抵抗変化により、（Ｎ、Ｍ）番地の素子部の情報を読み出すことが可能である。
【０１４０】
また、実施の形態２の図４Ｃで説明したように、ＭＲ素子部の抵抗値と参照抵抗との比較を行えば、（Ｎ、Ｍ）番地のＭＲ素子部の情報の読み出しをＮＤＲＯとすることが可能である。
【０１４１】
さらに、ワード線群とセンス線群に、トランジスタのようなスウィッチング素子をそれぞれ配置し、番地指定の信号により、Ｎ行とＭ列のワード線とＮ行Ｍ列のセンス線（ビット線）を選択して、（Ｎ、Ｍ）番地の記憶素子を選択することができる。
【０１４２】
また、他経路を介した信号パルスの流入や信号パルスの高速化に伴う高調波成分の逆戻りを防止し、信号パルスを効率よく伝送するために、各記憶素子に整流作用を有する非線形且つ非対称な電気特性を有する素子または半導体材料を配することが望ましい。非線形且つ非対称な電気特性を有する素子としては、例えばダイオードおよびトランジスタが挙げられる。なかでも高速なパルス応答に対応するために、これらのトランジスタとしてＭＯＳ型トランジスタを用いることが好ましい。それにより、行列状に配置された磁気抵抗効果記憶素子の選択性が向上する。
【０１４３】
この場合、図７に示される磁気抵抗効果記憶素子３１００のように、ＭＲ素子部１００と直列に、整流作用を有する非線形且つ非対称な電気特性を有する素子（以下非線形素子と称す）７０を配することが望ましい。図７ではＭＲ素子部１００の下部に非線形素子７０を配しているが、もちろん上部に配しても構わない。
【０１４４】
このような非線形素子７０として、金属（Ｍ）−絶縁体（Ｉ）−半導体（Ｓ）のＭ−Ｉ−Ｓ接合構造の素子、あるいは、Ｐ型半導体−Ｎ型半導体のＰ−Ｎ接合や、Ｐ型半導体−絶縁体（Ｉ）−Ｎ型半導体のＰ−Ｉ−Ｎ接合等により構成される素子が好ましい。
【０１４５】
また、一般にＭＲ素子の特性には熱処理温度依存性があり、一部の材料においては、約４００℃以上においてはＭＲ特性が得られにくくなることが知られている。そこで、本発明においては、ＭＲ素子部１００の成膜後に非線形素子７０を作製する場合においては、非線形素子７０の材料としてａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）等の約３００℃以下で作製可能な材料を用いるのが好ましい。
【０１４６】
また、記憶素子の高密度化に伴って、ワード線によって発生させる磁界の、選択するＭＲ素子部以外の場所への漏れ磁界の問題が大きくなってくる。これら漏れ磁界による選択されたＭＲ素子部以外への干渉効果を低減させるために、（Ｎ、Ｍ）番地に対して磁界を発生する１組のワード線のみに電流パルスを流すだけでなく、その両端あるいは隣り合う少なくとも１本あるいは１組以上のワード線にも電流パルスを流し、発生する漏れ磁界を打ち消して、その影響を低減させることが好ましい。
【０１４７】
また、本発明の磁気抵抗効果ヘッドは、図２０Ａおよび図２０Ｂに示されるように構成される。また、図２１Ａおよび図２１Ｂは、本発明の磁気抵抗効果ヘッド（記録再生分離型ヘッドで有り得る）を備えたハードディスク装置を示す。磁気抵抗効果素子シールド層６０２および６０３（図２０Ａ）で挟まれた部分が再生ヘッドとして働き、コイル６０７を挟む記録磁極６０５および６０６の部分が記録ヘッドとして働くように構成されている。本発明によれば、磁気抵抗効果素子のＭＲ特性の向上によって、高性能かつ高密度記録に対応した磁気抵抗効果ヘッドを提供することができる。磁気抵抗効果ヘッドの更に詳しい説明については後述の本発明の実施の形態１４において述べる。
【０１４８】
（実施の形態４）
図８Ａ〜図８Ｄに、本発明の実施の形態４における磁気抵抗効果記憶素子４０００の断面図を示す。
【０１４９】
磁気抵抗効果記憶素子４０００においては、ＭＲ素子部２００が、硬質磁性膜１１２、１１３および１１４と、軟磁性膜１３２、１３３および１３４と、非磁性絶縁膜１２２、１２３および１２４と、非磁性膜２２２および２２３とにより形成される。また、ワード線を構成する導電膜１７２が絶縁膜１６２を介してＭＲ素子部２００上部に設けられている。
【０１５０】
ＭＲ素子部２００は、軟磁性膜／非磁性絶縁膜／硬質磁性膜というパターンからなる構造を非磁性膜を介して複数回積層した構造となっている。磁気抵抗効果記憶素子４０００においては、積層数は３回となっている。なお、積層数は任意の回数が設定される。
【０１５１】
本実施の形態では、硬質磁性膜１１２、１１３および１１４として保磁力がそれぞれ異なるものを用い、その結果、記録時の磁界のしきい値が複数個存在するので、１つの磁気抵抗効果記憶素子４０００に多値記憶をさせることが可能である。各硬質磁性膜１１２、１１３および１１４の保磁力を変化させるには、それぞれの組成を変化させても良いし、それぞれの膜厚を変えても良い。この場合、図８Ａに示すように、ＭＲ素子部２００の抵抗値と参照抵抗Ｒ2との差ΔＲ4を検出する方法を用いて信号を読み出すことにより、多値記憶されたそれぞれの信号（例えば“０”、“１”、“２”および“３”等）を読み出すことができる。
【０１５２】
磁気抵抗効果記憶素子４０００の積層数は３回であり、図８Ａ〜図８Ｄに示されるように、ＭＲ素子部２００の磁化方向パターンは４パターンあるので、１つの磁気抵抗効果記憶素子４０００に４つの値（“０”、“１”、“２”および“３”）を記憶させることができる。
【０１５３】
磁気抵抗効果記憶素子４０００においては、導電膜１７２を流れるパルス電流５２１、５２２および５２３によって発生する磁界により、硬質磁性膜１１２、１１３および１１４を磁化反転させ、信号を書き込む。本実施の形態では、硬質磁性膜１１２の保磁力が一番小さく、硬質磁性膜１１４の保磁力が一番大きい。このとき、導電膜１７２を流れるパルス電流の大きさを調整することにより、硬質磁性膜１１２、１１３および１１４の内の磁化反転させる硬質磁性膜を選択することができる。図８Ａ〜図８Ｄに示される本実施の形態では、図８Ａから図８Ｄに移るに連れて、導電膜１７２を流れるパルス電流の値が順に大きくなっている。図８Ａにおいて導電膜１７２を流れるパルス電流５２０の値は、図８Ｂにおけるパルス電流５２１の値よりも更に小さい。図８Ａでは何れの硬質磁性膜も磁化反転せず、図８Ｄでは全ての硬質磁性膜が磁化反転している。
【０１５４】
読み出しは、上述のように、ＭＲ素子部２００の抵抗値と参照抵抗Ｒ2との差ΔＲ4を検出する方法を用いて信号を読み出す。
【０１５５】
また、読み出しにおいては、導電膜１７２に電流を流し、ＭＲ素子部２００の抵抗値の変化を読み出すことにより行っても良い。この場合、ＭＲ素子部２００の抵抗値の変化は、例えば参照抵抗Ｒ2の抵抗値との比較により検出され得る。
【０１５６】
また、軟磁性膜１３２、１３３および１３４においても保磁力がそれぞれ異なるものを用いても良い。この場合、導電膜１７２を流れるパルス電流の大きさを更に精密に調整し、軟磁性膜１３２、１３３および１３４の内で、磁化反転する軟磁性膜と磁化反転しない軟磁性膜とを設定することにより、１つの磁気抵抗効果記憶素子４０００に更に多くの信号を記憶させることができる。また、この場合の信号の読み出しは、上述のように、ＭＲ素子部２００の抵抗値と参照抵抗Ｒ2との差ΔＲ4を検出する方法を用いて信号を読み出すのが好ましい。
【０１５７】
また、全ての硬質磁性膜の磁化方向を固定し、本発明の実施の形態２で示したように、軟磁性膜のみを磁化反転させて信号を記憶させても良い。
【０１５８】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５として、実施の形態１で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００の作製方法を示す。
【０１５９】
図１を参照して、スパッタリングのターゲットとしてＮｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.75Ｐｔ0.25（硬質磁性膜１１０用）を用い（組成は全て原子比）、多元スパッタ装置により基板（図示せず）上に、図１に示されたようなサンドイッチタイプのＭＲ素子部１００を作製した。ＭＲ素子部１００の基本構成は、ＣｏＮｉＦｅ（１５）／ＡｌＮ（１）／ＣｏＰｔ（１０）である（このような構成要素の説明において、カッコ内は厚さ（ｎｍ）を表し、“／”は、各構成物質同士の組み合わせを表す）。なお各膜厚はシャッターで制御した。
【０１６０】
非磁性絶縁膜１２０として用いられる窒化物ＮＭであるＡｌＮは、（Ｎ2＋（Ａｒ））雰囲気中でＡｌをスパッタ成膜することにより作製した。
【０１６１】
硬質磁性膜１１０のＣｏＰｔを着磁し、素子のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比は２６％であった。Ｈｃで表されるＭＲが生じる磁界幅は５ Ｏｅ〜１００ Ｏｅであった。このときのトンネル接合面積は、およそ１平方マイクロメートルであった。このときのトンネル接合のインピーダンスは約２５Ωであった。さらに、トンネル接合のインピーダンスは成膜条件を変更することにより、数Ωから数百Ωの範囲で制御可能なことがわかった。上記のようにして作製されたＭＲ素子部１００を用いて、図１に示したような磁気抵抗効果記憶素子１０００を作製した。センス線およびビット線用の導電膜１４０および１５０にはＰｔまたはＡｕを用い、ワード線用の導電膜１７０にはＡｌ、ＡｕＣｒ、Ｔｉ／ＡｕまたはＣｕ／Ｔａを用いた。ＭＲ素子部１００と導電膜１７０との絶縁にはＣａＦ2、ＳｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4を用いた。
【０１６２】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子１０００の動作を以下のように確認した。
【０１６３】
まず、図９Ａに示すようなパルス電流５３１を導電膜１７０（ワード線）に流して硬質磁性膜１１０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図９Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５３２を流し、導電膜１４０および１５０（センス線およびビット線）を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）をモニターした。電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）の結果は、図９Ｂの下側のグラフに示すように記憶情報に応じたパルス５３３が検出され、所望の磁気抵抗効果記憶素子１０００が実現できたことが分かった。
【０１６４】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６として、実施の形態２で示した磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法を示す。
【０１６５】
上述の実施の形態５と同様の方法で、図３に示すような磁気抵抗効果記憶素子２０００を作製した。
【０１６６】
ターゲットにＮｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｎｉ0.2Ｆｅ2.8Ｏ4（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｎｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4 （１５）／ＡｌＮ（１．２）／ Ｎｉ0.2Ｆｅ2.8Ｏ4 （５）／ＩｒＭｎ（２５） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。なお、ＡｌＮは上述の実施の形態５で示した方法を用いて作製した。
【０１６７】
ＭＲ素子部１０１のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ２４％であった。このときのトンネル接合面積は、およそ１平方マイクロメートルであった。
【０１６８】
導電膜１４１および１５０にはＡｕを用い、導電膜１７０にはＡｕＣｒを用いた。ＭＲ素子部１０１と導電膜１７０との絶縁にはＳｉＯ2を用いている。なお、本実施の形態では絶縁にＳｉＯ2を用いたが、ＣａＦ2またはＡｌ2Ｏ3も用いられ得、あるいはＳｉ3Ｎ4が用いられても良い。
【０１６９】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子２０００の動作を以下のように確認した。
【０１７０】
まず、図１０Ａに示すようなパルス電流５４１を導電膜１７０に流して軟質磁性膜１３０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図１０Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５４２を流し、導電膜１４１および１５０を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＶ1）をモニターした。電圧変化（ΔＶ1）の結果は、図１０Ｂ下側のグラフに示すように、記憶情報に応じた電圧変化５４３として検出でき、所望の磁気抵抗効果記憶素子２０００が実現できたことが分かった。
【０１７１】
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７として、実施の形態２で示した磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法を示す。
【０１７２】
上述の実施の形態６と同様の方法で、図３に示すような磁気抵抗効果記憶素子２０００を作製した。
【０１７３】
ターゲットにＮｉ0.8Ｆｅ0.2（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2 （１０）／ＡｌＮ（ｄ）／ Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25 （５）／ＩｒＭｎ（２０） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。なお、ＡｌＮは上述の実施の形態５で示した方法を用いて作製した。
【０１７４】
図１１に、本実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法のフローチャートを示す。本実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法では、軟質磁性膜１３０が形成され（Ｓ１１）、窒素雰囲気中において非磁性金属を窒化させることにより非磁性絶縁膜１２０が形成される（Ｓ１２）。さらに、非磁性絶縁膜１２０を、酸素雰囲気中で酸化させ（Ｓ１３）、必要に応じてこれらの窒化工程と酸化工程とを複数回繰り返す（Ｓ１４）。さらに、強磁性膜１９０および反強磁性膜１８０が形成され（Ｓ１５）、センス線およびビット線（導電膜１４１および１５０）およびワード線（導電膜１７０）がそれぞれ形成される（Ｓ１６）。なお、これらの各構成要素の作製される順番は、実施の形態に応じて任意に入れ替わる。例えば、軟質磁性膜１３０の形成より前に強磁性膜１９０および反強磁性膜１８０が形成されてもよい。また、センス線またはビット線（導電膜１４１または１５０）は軟質磁性膜１３０の形成より前に形成され得る。
【０１７５】
作製されたＭＲ素子部１０１のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、図１２Ａに示すような振る舞いを示した。図１２Ａおよび図１２Ｂにおいて、Ｒ0は非磁性絶縁膜１２０の膜厚ｄ1が１．２ｎｍにおける規格化界面抵抗値［Ωμｍ2］を示す。■は非磁性絶縁膜１２０の比抵抗（Ｒ／Ｒ0）を、□はＭＲ比（％）を示す。
【０１７６】
図１２Ａより、本実施の形態により、制御性良く非磁性絶縁膜１２０を作製し、所望の磁気抵抗効果記憶素子２０００が実現できることが分かった。また、非磁性絶縁膜１２０の薄い場合には、リーク伝導路の出現と考えられる比抵抗の振る舞いが見られる。そこで、実施の形態５で示した方法で作製した非磁性絶縁膜１２０（すなわち窒化物膜）に対して、さらに酸素雰囲気中で熱処理を加える（Ｓ１３）ことにより、図１２Ｂに示すような非磁性絶縁膜１２０の特性変化が得られた。このことにより、非磁性絶縁膜１２０を所望の特性を有するように作製することができた。膜厚ｄが１ｎｍを越える場合には、本実施の形態で示すＡｌＮの成膜とその後の酸化工程とを交互に複数回繰り返して非磁性絶縁膜１２０を作製する（Ｓ１４）ことにより、特性の再現性や一様性が向上することが分かった。従って、本実施の形態の非磁性絶縁膜１２０の作製方法に依れば、窒化物非磁性膜を用いたトンネル接合を簡便かつ特性良く提供することができる。
【０１７７】
また、このような窒化物非磁性絶縁膜の作製方法は、ＭＲ素子の絶縁膜の作製方法としてのみ適用されるのみならず、絶縁膜を備える任意の半導体素子の作製方法として用いることが出来る。
【０１７８】
このような特性の向上は、図１３Ａに示すような窒化物膜４００に含まれ、主として粒界部分に現れやすい絶縁性の不完全な部分４０５を酸化させ、酸化物部分４１５とすることによって窒化物膜４１０全体の絶縁性を向上させることができるためである。
【０１７９】
あるいは、図１３Ｂに示すような窒化物膜４２０に分散して含まれる、窒化の不完全な部分４２５が存在する場合、それらを経由してホッピング的に伝導するリーク路が出現する。この場合、窒化の不完全な部分４２５を酸化させ、酸化物部分４３５とすることによって窒化物膜４３０全体の絶縁性を向上させることができる。
【０１８０】
結果として、窒化物膜４１０および４３０内に作製された酸化物部分４１５および４３５は高い絶縁性を有し、窒化物膜４１０および４３０の大半を占める窒化物がトンネル接合抵抗特性を支配するため、所望のＭＲ素子を提供することができる。本実施の形態に依れば、結果として提供される非磁性絶縁膜はＡｌ−Ｎ−（Ｏ）にて構成される。ここで、Ｎを窒素元素、（Ｏ）は窒化物膜に含まれる酸素元素とする。また、Ａｌの替わりにＢまたはＩｎ等の導電性金属が用いられ得る。
【０１８１】
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８として、実施の形態２で示した磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法を示す。
【０１８２】
上述の実施の形態６と同様の方法で、図３に示すような磁気抵抗効果記憶素子２０００を作製した。
【０１８３】
ターゲットにＮｉ0.8Ｆｅ0.2（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（強磁性膜１９０用）、ＰｔＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｎｉ0.8Ｆｅ0.2 （１０）／（Ａｌ−Ｎ（ｄ）／Ａｌ−Ｏ（Ｄ））ｎ／Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25 （５）／ＰｔＭｎ（２０） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。ここで、ｄは窒化物膜の厚み、Ｄは酸化物膜の厚み、ｎは窒化物膜および酸化物膜の積層回数を示す。
【０１８４】
図１４に、本実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子２０００の作製方法のフローチャートを示す。本実施の形態では、トンネル接合抵抗特性の更なる制御性の向上を目指すため、上記の構成でＭＲ素子部１０１を作製した。軟質磁性膜１３０を形成（Ｓ２１）し、非磁性絶縁膜１２０として図１５Ａに示すような窒化物膜４４１を実施の形態５の方法でまず作製し（Ｓ２２）、次いで、窒化物膜４４１上に酸化物膜４４２としてＡｌ−Ｏを成膜させた（Ｓ２３）。この場合、酸化物膜４４２はＡｌをスパッタ成膜した後に真空槽内自然酸化を行って作製した。この方法が最も制御性が良かったが、Ａｌ金属のプラズマ酸化による方法あるいはＡｌ2Ｏ3体を直接積層する方法によっても、もちろん酸化物膜４４２は作製可能である。
【０１８５】
本実施の形態において、非磁性絶縁膜１２０を１ｎｍ以上の厚みに設定した場合には、ｎが２以上の回数として窒化物膜４４１および酸化物膜４４２を多数回積層して非磁性絶縁膜１２０を作製した（Ｓ２４）。この場合、ｄの値を０．３−１ｎｍ、Ｄの値を０．２−０．５として非磁性絶縁膜１２０の作製を行った。
【０１８６】
次に、強磁性膜１９０および反強磁性膜１８０を形成し（Ｓ２５）、センス線およびビット線（導電膜１４１および１５０）およびワード線（導電膜１７０）をそれぞれ形成した（Ｓ２６）。なお、これらの各構成要素の作製される順番は、実施の形態に応じて任意に入れ替わる。例えば、軟質磁性膜１３０の形成より前に強磁性膜１９０および反強磁性膜１８０が形成されてもよい。また、ビット線またはセンス線（導電膜１４１または１５０）は軟質磁性膜１３０の形成より前に形成され得る。また、窒化物膜４４１の形成より前に酸化物膜４４２が形成されてもよい。
【０１８７】
非磁性絶縁膜１２０の上面および下面の両表面は、図１５Ａにおいては酸化物膜４４２および窒化物膜４４１にて構成されている。図３を参照して、このとき、非磁性絶縁膜１２０の上下に配する軟質磁性膜１３０および強磁性膜１９０の何れか一方が窒化物である場合には、窒化物である方に窒化物膜４４１を配する方が清浄な接合界面が得られる上で好ましい。また、非磁性絶縁膜の上下に配する軟質磁性膜１３０および強磁性膜１９０がいずれも窒化物である場合には、図１５Ｂに示すように非磁性絶縁膜１２０を構成するのが好ましい。また、図１５Ｃに示すように、多数回の積層構造にて非磁性絶縁膜１２０を作製する場合にも、上下に配する軟質磁性膜１３０および強磁性膜１９０の種類に応じて非磁性絶縁膜１２０の両表面に位置する膜の種類を選択するのが好ましい。
【０１８８】
（実施の形態９）
本発明の実施の形態９として、実施の形態３で示した磁気抵抗効果記憶素子３１００を基本とした磁気抵抗効果記憶素子３１０１の作製方法を示す。
【０１８９】
図７を参照して、非線形素子７０として、基板上にＰ−Ｉ−Ｎ型接合の薄膜を作製した。Ｐ−Ｉ−Ｎ薄膜の作製は約１８０〜約２６０℃で行った（典型的には約２２０℃）。Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層の厚さは、それぞれ、３０〜５０ｎｍ、３００〜４００ｎｍ、３０〜５０ｎｍで作製し、素子形状に加工を行った。作製された非線形素子７０上に、上述の実施の形態５と同様の方法で、ＭＲ素子部１００を作製し、図７に示すような磁気抵抗効果記憶素子３１００を作製した。
【０１９０】
ターゲットにＮｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｆｅ16Ｎ2（強磁性膜１１０用）を用いて、
Ｎｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4 （１５）／ＡｌＮ（１．２）／ Ｆｅ16Ｎ2 （１０）の基本構成部分を持つＭＲ素子部１００を作製した。なお、ＡｌＮは上述の実施の形態５で示した方法を用いて作製した。
【０１９１】
なお、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2との界面を観察したところ、界面状態は大変に平滑で、良好な界面性を実現していることがわかった。このことは、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2の両者が窒化物同士であり、接合の相性が良いことを反映したものであるといえる。
【０１９２】
磁気抵抗効果記憶素子３１００を基本として、図１６Ａに示すように作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０１を作製した。
【０１９３】
図１６Ａに示す磁気抵抗効果記憶素子３１０１おいては、基板１０上に、ＭＲ素子部１００と非線形素子７０とが形成されている。非線形素子７０はＰ層１１、Ｉ層１２およびＮ層１３によって構成されている。さらに、磁気抵抗効果記憶素子３１０１は、ＭＲ素子部１００と非線形素子７０とを電気的に接続するためおよびそれらと外部とを電気的に接続するために、導電膜１４０、１５０および１５１とコンタクト層１５とを備えている。さらに磁気抵抗効果記憶素子３１０１は、絶縁層１４を備えている。
【０１９４】
作製された図１６Ａに示されるような磁気抵抗効果記憶素子３１０１のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ２８％であった。このときのトンネル接合面積はおよそ１平方マイクロメートルであり、トンネル接合インピーダンスは約２０Ωであった。
【０１９５】
また、導電膜１４０、１５０および１５１にはＡｕを用い、導電膜１７０にはＡｕＣｒを用いた。ＭＲ素子部１００と導電膜１７０との絶縁にはプラズマＣＶＤ法により作製したＳｉＯ2あるいはＳｉ3Ｎ4を用いた。
【０１９６】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０１の動作を以下のように確認した。
【０１９７】
まず、図９Ａに示すようなパルス電流５３１を導電膜１７０（ワード線）に流して硬質磁性膜１１０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図９Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５３２を流し、導電膜１４０および１５０（センス線およびビット線）を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）をモニターした。電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）の結果は、図９Ｂの下側のグラフに示すように記憶情報に応じたパルス５３３が検出され、非磁性膜に絶縁体を用いた所望の磁気抵抗効果記憶素子３１０１が実現できたことが分かった。
【０１９８】
また、非線形素子７０としては、後述の実施の形態１０で説明するＭ−Ｉ−Ｓ型接合の非線形素子が用いられてもよい。非線形素子７０としては、非線形性の電流−電圧特性を示す任意の素子が用いられ得る。また、ＭＲ素子部１００の代わりにＭＲ素子部１０１（図３）が配置されてもよい。
【０１９９】
なお、本実施の形態では、強磁性膜１１０を構成する窒化物としてＦｅ16Ｎ2を用いたが、ＦｅＮx （０．１≦ｘ≦０．５）、あるいはＦｅＭＮy （０．５≦ｙ≦１．０）（ただし、ここでのＭはＴａ、Ａｌ、Ｎｉ、ＰｔおよびＣｏの何れか示す。）を用いても、所望の素子動作が確認された。また、非磁性絶縁膜１２０を構成する窒化物としてＡｌＮを用いたが、その他の窒化物についても、同様の特性が確認されている。それらの結果について、表１にまとめて記載する。
【０２００】
【表１】
本発明の実施の形態１０として、実施の形態３で示した磁気抵抗効果記憶素子３１００（図７）を基本とした磁気抵抗効果記憶素子３１０２の作製方法を示す。
【０２０１】
上述の実施の形態９と同様の方法で、図１６Ｂに示すような磁気抵抗効果記憶素子３１０２を作製した。
【０２０２】
ターゲットにＦｅ16Ｎ2（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｆｅ16Ｎ2（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｆｅ16Ｎ2 （１０）／ＡｌＮ（１．８）／ Ｆｅ16Ｎ2 （５）／ＩｒＭｎ（２５） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。
【０２０３】
なお、ＡｌＮはＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）を用いたプラズマ窒化により作製した。更に、このＭＲ素子部１０１上にＡｌまたはＣｒまたはＴｉを用いてコンタクト層１９を成膜し、コンタクト層１９上にａ−Ｓｉを用いてＭ−Ｉ−Ｓ型接合の非線形素子７１を作製した。Ｓｉ膜（Ｓ層）１８、絶縁膜（Ｉ層）１７は、それぞれ、約５０ｎｍ、約１００〜約２００ｎｍの厚さで作製した。金属膜（Ｍ層）１６はセンス線（またはビット線）として用いられる。非線形素子７１の作製は約１８０℃〜約２６０℃の温度範囲で行った（典型的には約２２０℃）。
【０２０４】
なお、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2との界面を観察したところ、界面状態は大変に平滑で、良好な界面性を実現していることがわかった。このことは、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2とが窒化物同士であり、接合の相性が良いことを反映したものであるといえる。
【０２０５】
作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０２のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ３８％であった。このときのトンネル接合面積はおよそ５平方マイクロメートルであり、トンネル接合インピーダンスは約２０Ωであった。このような高いＭＲ特性は非線形素子７１作製時の熱処理が、影響しているものと考えられる。得られた磁気抵抗効果記憶素子３１０２の電流−電圧特性は、図１７に示すような非対称性を有しており、磁気抵抗効果記憶素子３１０２の電流印加に対する電流−電圧特性の変化に方向性を付けられたことが確認された。
【０２０６】
また、導電膜１５０としてＴｉＮを用いた。ＴｉＮはＦｅ16Ｎ2と相性が良くコンタクト性が良いので、Ａｕよりも比抵抗が高いものの、Ａｕを用いるよりも接触抵抗を約２０％低減することができた。導電膜１７０にはＡｕＣｒを用いた。ＭＲ素子部１０１および非線形素子７１と導電膜１７０との絶縁にはプラズマＣＶＤ法により作製したＳｉＯ2を用いた。
【０２０７】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０２の動作を以下のように確認した。
【０２０８】
まず、図１０Ａに示すようなパルス電流５４１を導電膜１７０に流して軟質磁性膜１３０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図１０Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５４２を流し、金属膜１６および導電膜１５０を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＶ1）をモニターした。電圧変化（ΔＶ1）の結果は、図１０Ｂ下側のグラフに示すように、記憶情報に応じた電圧変化５４３として検出でき、所望の磁気抵抗効果記憶素子３１０２が実現できたことが分かった。
【０２０９】
なお、本実施の形態では、強磁性体としてＦｅの窒化物を用いたが、Ｃｏの窒化物を用いても同様に所望の動作得られることが確認された。
【０２１０】
（実施の形態１１）
本発明の実施の形態１１として、実施の形態４で示した磁気抵抗効果記憶素子４０００の作製方法を示す。
【０２１１】
上述の実施の形態５と同様の方法で、図８Ａ〜図８Ｄに示すような磁気抵抗効果記憶素子４０００を作製した。ターゲットとして、軟質磁性膜１３２、１３３および１３４用にＮｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12、非磁性絶縁膜１２２、１２３および１２４用にＡｌ、また、それぞれ保磁力の違う硬質磁性膜１１２、１１３および１１４用にＣｏ0.5Ｆｅ0.5、ＣｏおよびＣｏ0.9Ｆｅ0.1を用い、ＭＲ素子部２００を作製した。本実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子４０００を本発明の発明者らが作製したときの作製条件においては、硬質磁性膜の保磁力の大きさは、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1＜Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5＜Ｃｏの順になっている。
【０２１２】
作製したＭＲ素子部２００は、 Ｎｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12 （１０）／ ＡｌＮ （１．５）／ Ｃｏ （１５）／ ＡｌＮ （１５）／ Ｎｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12 （１０）／ ＡｌＮ （１．５）／Ｃｏ0.5Ｆｅ0.5（１５）／ ＡｌＮ （１５）／ Ｎｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12 （１０）／ ＡｌＮ （１．５）／ Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1 （１５）の構成で、３接合アレイを形成している。なお、ＡｌＮは上述の実施の形態５の方法で作製した。ＭＲ素子部２００のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、アレイとしてのＭＲ比はおよそ２８％であった。このときのトンネル接合面積は、およそ２平方マイクロメートルであった。
【０２１３】
センス線およびビット線として用いられる導電膜（実施の形態１の導電膜１４０および１５０と同様の導電膜、図８Ａ〜図８Ｄにおいて図示せず）にはＡｕを用い、ワード線として用いられる導電膜１７２にはＡｕＣｒを用いた。ＭＲ素子部２００と導電膜１７２との絶縁にはＳｉＯ2を用いている。
【０２１４】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子４０００の動作を以下のように確認した。
【０２１５】
まず、図１８Ａに示すように、導電膜１７２にパルス電流５５１を流して硬質磁性膜１１２、１１３および１１４を一方向に磁化した。次に、図１８Ｂの上側のグラフに示すような立ち上がり方に傾斜の有るパルス電流５５２によって、それぞれの硬質磁性膜１１２、１１３および１１４の磁化方向を順番に反転させ、センス線およびビット線を通じて電圧Ｖ2の変化をモニターした。その結果、図１８Ｂの下側のグラフに示すような記憶情報に応じた電圧変化５５３が検出され、磁気抵抗効果記憶素子４０００に多値が記録されたことが確認された。
【０２１６】
本発明の磁気抵抗効果記憶素子４０００においては、適当なバイアスを印加することによる多値記録を行うことが出来る。また、定バイアス下における電圧Ｖ2の変化に応じて記録情報を検出することが出来る。
【０２１７】
（実施の形態１２）
図１５Ａおよび図１５Ｂに、本発明の実施の形態１２としてＭＲＡＭデバイス５０００を示す。
【０２１８】
ＭＲＡＭデバイス５０００が備える一つ一つの磁気抵抗効果素子として、実施の形態１０で示した磁気抵抗効果記憶素子３１０２（図１６Ｂ）を用いた。
【０２１９】
上述の実施の形態１０と同様の方法で、図１６Ｂに示すような磁気抵抗効果記憶素子３１０２を作製した。
【０２２０】
ターゲットにＮｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｆｅ16Ｎ2（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用いて、
Ｎｉ0.1Ｆｅ2.9Ｏ4 （５）／ＡｌＮ（１．２）／ Ｆｅ16Ｎ2 （１０）／ＩｒＭｎ（２０） の基本構成部分を持つＭＲ素子部１０１を作製した。
【０２２１】
なお、ＡｌＮは実施の形態５に示した方法により作製した。本実施の形態では更に、このＭＲ素子部１０１上にＡｌを用いてコンタクト層１９を成膜し、コンタクト層１９上にａ−Ｓｉを用いてＰ−Ｉ−Ｎ型接合の非線形素子７１を作製した。本実施の形態では図１６Ｂに示される非線形素子７１のＳｉ膜（Ｓ層）１８の代わりにＰ層を、金属膜（Ｍ層）１６の代わりにＮ層を形成した。
【０２２２】
非線形素子７１の作製は約１８０〜約２６０℃で行った（典型的には約２２０℃）。Ｐ層、Ｉ層、Ｎ層の厚さは、それぞれ、約１００〜約２００ｎｍ、約１００〜約２００ｎｍ、約５０ｎｍとして作製した。
【０２２３】
なお、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2との界面を観察したところ、界面状態は大変に平滑で、良好な界面性を実現していることがわかった。このことは、ＡｌＮとＦｅ16Ｎ2とが窒化物同士であり、接合の相性が良いことを反映したものであるといえる。
【０２２４】
作製された磁気抵抗効果記憶素子３１０２のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ３３％であった。このときのトンネル接合面積はおよそ２平方マイクロメートルであり、トンネル接合インピーダンスは約１００Ωであった。このような高いＭＲ特性は非線形素子７１作製時の熱処理が、影響しているものと考えられる。得られた磁気抵抗効果記憶素子３１０２の電流電圧特性は、図１７に示すような非対称性を有しており、磁気抵抗効果記憶素子３１０２の電流印加に対する電流電圧特性の変化に方向性を付けられたことが確認された。
【０２２５】
本実施の形態におけるＭＲＡＭデバイス５０００は、上記のようにして作製された複数の磁気抵抗効果記憶素子３１０２が２５６×２５６の行列状に配置されることにより構成されている。
【０２２６】
ＭＲＡＭデバイス５０００においては、非線形素子７１のＮ層と電気的に接続されるセンス（またはビット）線である導電膜１４５としてはＡｕを用い、導電膜１７０としてはＡｕＣｒを用い、ＭＲ素子部１０１と導電膜１７０との絶縁にはＳｉＯ2を用いている。
【０２２７】
導電膜１４５および１５０（ビット線およびセンス線）、導電膜１７０（ワード線）は、図１９Ａに示すように行列状に配置されている。図１９Ａにおいて、導電膜１７０はＭＲ素子部１０１の側面に配置されているが、これは、ＭＲＡＭデバイス５０００の図示による説明を容易にするために、便宜上、導電膜１７０をＭＲ素子部１０１の側面に配置した状態を示している。本実施の形態で用いられるＭＲＡＭデバイス５０００は、図１９Ｂに示すように、導電膜１４５と導電膜１７０とがＭＲ素子部１０１に対して同一方向に配置される。なお、本発明においては、図１９Ａに示すような、導電膜１７０がＭＲ素子部１０１の側面に配置されるＭＲＡＭデバイスも構成され得る。また、導電膜１５０と導電膜１７０とがＭＲ素子部１０１に対して同一方向に配置されてもよい。
【０２２８】
また、アドレス指定用のスイッチ部４０１および４１１と、信号検出部４０２および４１２が、図１９Ｂに示すように配置されている。スイッチ部４０１および４１１により任意の導電膜１４５、１５０および１７０が選択される。また、信号検出部４０２および４１２によって、各導電膜の電流値または電圧値が検出される。
【０２２９】
ＭＲ素子部１０１への記憶の書き込みについては、電流パルスを行要素と列要素の導電膜１５０および１７０にそれぞれに流し、発生する合成の磁界によって、特定のＭＲ素子部１０１に対してのみ磁化状態を変化させることにより行われる。本実施の形態では、導電膜１５０（ビット線またはセンス線）は、ワード線としての機能も果たしている。
【０２３０】
任意の記憶状態にあるＭＲＡＭデバイス６０００に対する読み出し動作を以下のように確認した。
【０２３１】
スイッチ部４０１および４１１により、特定の導電膜１４５、１５０および１７０が選択される。そして、選択された各導電膜に対応するＭＲ素子部１０１の抵抗値をモニターした。そして、実施の形態２で示した読み出し方法と同様に、モニターされた上記対応するＭＲ素子１０１の抵抗値と参照抵抗との差分値を差分回路（図示せず、好ましくは信号検出部４０２および４１２に内蔵される）を通じてモニターし、差分値に応じて記憶状態を読み出すことができた。
【０２３２】
なお、このとき、ＭＲ素子１０１の記憶状態は保存されていることから、読み出し動作がＮＤＲＯ動作であることが確認された。
【０２３３】
これらの結果によって、本発明のＭＲＡＭデバイス５０００が実現できたことが分かった。
【０２３４】
また、本実施の形態では、図１６Ｂに示すように構成された磁気抵抗効果記憶素子３１０２を示したが、非線形素子７１を図１６Ａに示される非線形素子７０のように形成、配置し、その後、ＭＲ素子部１０１を図１６Ａに示される非線形素子ＭＲ素子部１００のように形成しても、本発明の所望の磁気抵抗効果素子およびＭＲＡＭデバイスを作製することが出来る。また、非線形素子７１としては、実施の形態１０で示したようなＭ−Ｉ−Ｓ型接合の非線形素子が用いられてもよい。非線形素子７１としては、非線形性の電流−電圧特性を示す任意の素子が用いられ得る。また、ＭＲ素子部１０１の代わりにＭＲ素子部１００（図１）が配置されてもよい。
【０２３５】
（実施の形態１３）
本発明の実施の形態１３として、実施の形態１で示した磁気抵抗効果記憶素子１０００の作製方法を示す。
【０２３６】
上述の実施の形態５と同様の方法で、図１に示すような磁気抵抗効果記憶素子１０００を作製した。
【０２３７】
図１を参照して、スパッタリングのターゲットとしてＣｏ0.2Ｎｉ0.68Ｆｅ0.12（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.9Ｆｅ0.1（硬質磁性膜１１０用）、Ｃｏ0.75Ｐｔ0.25（硬質磁性膜１１０用）を用い、多元スパッタ装置により基板（図示せず）上に、図１に示されるＭＲ素子部１００を作製した。ＭＲ素子部１００の基本構成は、ＣｏＮｉＦｅ（１５）／ＡｌＮ（１）／ＣｏＦｅ（５）／ＣｏＰｔ（２５） である。
【０２３８】
本実施の形態では、硬質磁性膜１１０は、ＣｏＦｅ／ＣｏＰｔの２層から構成されている。
【０２３９】
上記のようなＭＲ素子部１００の作製方法として、まず、熱酸化処理を施したＳｉ基板上にＣｏＮｉＦｅを堆積させた。次に、非磁性絶縁膜１２０として、（Ｎ2＋Ａｒ）雰囲気中においてＡｌをスパッタ成膜することにより作製した。次に、非磁性絶縁膜１２０中のマイクロショートを生じさせるリーク部分を完全に絶縁体にするために、真空槽内の酸素雰囲気中で非磁性絶縁膜１２０に対し自然酸化処理を施した。このような窒化処理および酸化処理をそれぞれ２回ずつ繰り返し、厚さが約１ｎｍの非磁性絶縁膜１２０を形成した。このような処理を適当に制御することにより、良好なトンネル特性が得ることが出来た。次に、非磁性絶縁膜１２０上にＣｏＦｅおよびＣｏＰｔを堆積させた。
【０２４０】
作製されたＭＲ素子部１００のＣｏＰｔを着磁させ、素子のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比は３１％であった。これは窒化処理および酸化処理を１回ずつ行った非磁性絶縁膜１２０を備える同様の構成のＭＲ素子よりも高いＭＲ比であった。Ｈｃとして表されるＭＲが生じる磁界幅は５ Ｏｅ〜１００ Ｏｅであった。このときのトンネル接合面積は、およそ２平方マイクロメートルであった。このときのトンネル接合のインピーダンスは約３５Ωであった。さらに、トンネル接合のインピーダンスは成膜条件を変更することにより、数Ωから数百Ωの範囲で制御可能なことがわかった。
【０２４１】
本実施の形態のように、非磁性絶縁膜１２０に対して上記のように窒化処理および酸化処理を繰り返し行うことで、トンネル接合作製の歩留まりが向上し、本発明の作製方法がトンネル接合を用いた素子の製造に効果的であることが分かった。
【０２４２】
上記のようにして作製されたＭＲ素子部１００を用いて、図１に示したような磁気抵抗効果記憶素子１０００を作製した。センス線およびビット線用の導電膜１４０および１５０にはＰｔまたはＡｕを用い、ワード線用の導電膜１７０にはＡｌ、ＡｕＣｒ、Ｔｉ／ＡｕまたはＣｕ／Ｔａを用いた。ＭＲ素子部１００と導電膜１７０との絶縁にはＣａＦ2、ＳｉＯ2を用いた。
【０２４３】
上記のような方法で作製された磁気抵抗効果記憶素子１０００の動作を以下のように確認した。
【０２４４】
まず、図９Ａに示すようなパルス電流５３１を導電膜１７０（ワード線）に流して硬質磁性膜１１０を一方向に磁化した。次に、やはり導電膜１７０に、図９Ｂ上側のグラフに示すようなパルス電流５３２を流し、導電膜１４０および１５０（センス線およびビット線）を通じて測定した記憶素子の電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）をモニターした。電圧変化（ΔＲ5／Δｔ）の結果は、図９Ｂの下側のグラフに示すように記憶情報に応じたパルス５３３が検出され、所望の磁気抵抗効果記憶素子１０００が実現できたことが分かった。
【０２４５】
（実施の形態１４）
本発明の実施の形態１４として、実施の形態３で示した磁気抵抗効果ヘッド６０００の作製方法を示す。
【０２４６】
上述の実施の形態５と同様の方法で、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すような磁気抵抗効果ヘッド６０００を作製した。図２０Ａは、磁気抵抗効果ヘッド６０００の斜視図、図２０Ｂはその断面図を示している。
【０２４７】
スパッタリングのターゲットとしてＮｉ0.81Ｆｅ0.19、Ｎｉ0.68Ｃｏ0.2Ｆｅ0.12（軟質磁性膜１３０用）、Ａｌ（非磁性絶縁膜１２０用）、Ｃｏ0.75Ｆｅ0.25（強磁性膜１９０用）、ＩｒＭｎ（反強磁性膜１８０としての磁化回転抑制層用）を用い、ＮｉＦｅ（２０）／ＣｏＮｉＦｅ（８）／ＡｌＮ（０．６）／ＣｏＦｅ（６）／ＩｒＭｎ（２５） 基本構成からなるＭＲ素子部１０１を作製した。
【０２４８】
非磁性絶縁膜１２０として、（Ｎ2＋Ａｒ）雰囲気中においてＡｌをスパッタ成膜することにより作製した。作製されたＭＲ素子部１０１のＭＲ特性を室温、印加磁界１００ Ｏｅで測定したところ、ＭＲ比はおよそ２５％であった。このときのトンネル接合面積はおよそ３平方マイクロメートルであり、トンネル接合インピーダンスは約１０Ωであった。
【０２４９】
このようなＭＲ素子部１０１を備える磁気抵抗効果ヘッド６０００を作製した。
【０２５０】
図２０Ａおよび図２０Ｂを参照して、磁気抵抗効果ヘッド６０００は、Ａｌ2Ｏ3・ＴｉＣを主成分とする焼結体から成るスライダ用の基板６０１と、シールド層６０２および６０３と、ＮｉＦｅ合金から成る記録磁極６０５および６０６と、Ｃｕから成るコイル６０７と、Ａｌ2Ｏ3から成る各構成要素間のギャップ層６０８とを備える。シールド層６０２および６０３の膜厚はそれぞれ１μｍである。また、記録磁極６０５、６０６の膜厚はそれぞれ３μｍである。Ａｌ2Ｏ3から成るギャップ層６０８の膜厚は、シールド層６０２および６０３とＭＲ素子部１０１との間で０．１μｍであり、記録磁極６０５および６０６間では０．２μｍである。導電膜１５０と記録磁極６０５の間隔は約４μｍである。コイル６０７の膜厚は３μｍである。
【０２５１】
ＭＲ素子部１０１はシールド層６０２および６０３内に配置されており、ヘッド表面６０４に直接露出しない構成となっている。
【０２５２】
バイアス電流は導電膜１４１および１５０を通じてＭＲ素子部１０１に印加される。非磁性絶縁膜１２０を挟むように位置する軟質磁性膜１３０および強磁性膜１９０は、互いの磁化方向が直交する方向にそれぞれ磁化方向が向くように設定されており、再生信号に応じた磁化方向の変位を感度良く読みとることができた。
【０２５３】
また、図２１Ａおよび図２１Ｂに示すように、上記の磁気抵抗効果ヘッド６０００を備えた磁気ディスク装置７０００を作製した。図２１Ａは、磁気ディスク装置７０００の上面図を、図２１Ｂは磁気ディスク装置７０００の断面図を示している。
【０２５４】
磁気記録媒体７０１はＣｏ−Ｎｉ−Ｐｔ−Ｔａ系合金から成る。磁気抵抗効果ヘッド６０００は、磁気ヘッド支持部７０２により支持され、磁気ヘッド駆動部７０３により駆動される。磁気抵抗効果ヘッド６０００のトラック幅は５μｍとした。上記のような構成を磁気ディスク装置７０００は、図２１Ｂに示すように複数個備える。
【０２５５】
本発明の磁気抵抗効果ヘッド７０００は、従来のＣＩＰＭＲ素子であるＧＭＲ型磁気抵抗効果ヘッドよりも抵抗変化率が高い。従って、磁気抵抗効果ヘッド６０００は再生出力が高く、再生用磁気ヘッドとして大変有効である。同時に磁気ヘッドの低インピーダンス化を実現することが出来た。作製した磁気ディスク装置７０００から、磁気記録媒体７０１に記録された情報に応じた電圧変化が良好に検出でき、本発明の磁気抵抗効果ヘッド６０００が実現できたことが分かった。
【０２５６】
なお、本発明の全ての実施の形態で示したＭＲ素子部１００、１０１、１０２および２００は、本実施の形態と同様に、磁気抵抗効果ヘッドとして用いることが出来る。
【０２５７】
（産業上の利用可能性）
以上説明したように、本発明によれば、非磁性膜として窒化物の絶縁膜を用いることによって、トンネル特性が良好な磁気抵抗効果記憶素子および磁気抵抗効果型ヘッドを作製することが可能となる。さらに、強磁性体も窒化物で構成することによりトンネル接合界面が良好となり、より好ましい。
【０２５８】
さらに、本発明の磁気抵抗効果記憶素子および磁気抵抗効果型ヘッドおよびそれらの製造方法によれば、トンネル接合のインピーダンスを低く抑えることができるため、非常に微細なパターンにおいても磁気抵抗効果記憶素子および磁気抵抗効果型ヘッドを構成することができる。
【０２５９】
本発明は、非磁性絶縁膜に窒素物を、あるいは磁性膜も共に窒化物を用いることを特徴とし、トンネル接合抵抗が低減され、且つ理想的なトンネル接合界面を有する磁気抵抗素子、磁気抵抗効果磁気ヘッド、磁気抵抗効果記憶素子およびこのような磁気抵抗効果記憶素子を行列状に配置した高密度磁気抵抗効果記憶デバイスが提供される。
【０２６０】
特に、本発明においては、非磁性絶縁膜を窒化物および酸化物の組み合わせにより構成する事により、窒化物非磁性絶縁膜の有する低いトンネル接合抵抗のメリットを利用できる。また、作製条件のずれによって生じやすい非磁性膜の窒化の不完全な部分を酸化させ、窒化の不完全な部分を高抵抗化させることで、リーク伝導路あるいはホッピング伝導路の出現を防ぐことができる。また、窒化と酸化を複数回繰り返して非磁性絶縁膜を作製することにより、トンネル特性の制御性をより向上させる事ができる。
【０２６１】
本発明によれば、非磁性絶縁膜にＡｌ2Ｏ3単体を用いたトンネル接合抵抗と同等の低い接合抵抗を、より厚い非磁性絶縁膜にて実現することができる。したがってＭＲ素子の製造が容易になり、集積性が求められる記憶素子などにおける特性均一性に優位性を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作原理を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスを示す上面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスの一部を示す斜視図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスの一部を示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスの一部を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の実施の形態におけるＭＲ素子部の特性を示すグラフである。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の実施の形態におけるＭＲ素子部の特性を示すグラフである。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施の形態における窒化物膜を示す断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施の形態における窒化物膜を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の実施の形態における金属絶縁膜を示す断面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の実施の形態における金属絶縁膜を示す断面図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明の実施の形態における金属絶縁膜を示す断面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果記憶素子の動作を示す図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスを示す斜視図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、本発明の実施の形態におけるＭＲＡＭデバイスを示す上面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果ヘッドを示す斜視図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の実施の形態における磁気抵抗効果ヘッドを示す断面図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、本発明の実施の形態における磁気ディスク装置を示す上面図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、本発明の実施の形態における磁気ディスク装置を示す断面図である。
Claims (61)
- 第１強磁性膜と、
第２強磁性膜と、
前記第１強磁性膜と前記第２強磁性膜との間に形成された第１非磁性膜と、
前記第１強磁性膜および前記第２強磁性膜の少なくとも一方を磁化反転させる磁界を発生し、前記第１強磁性膜および前記第２強磁性膜と電気的に接していない第１導電膜と、
前記第１強磁性膜、前記第１非磁性膜および前記第２強磁性膜に電流を流す、第２導電膜および第３導電膜と、
を備え、
前記第１強磁性膜と前記第２強磁性膜とは、前記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、
前記第１非磁性膜が少なくとも窒化物を含み、
前記第１非磁性膜は、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を前記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含む、磁気抵抗効果記憶素子。 - 前記第１強磁性膜および前記第２強磁性膜の少なくとも一方が窒化物を含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１強磁性膜および前記第２強磁性膜の少なくとも一方が、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含む、請求項２に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第２導電膜および第３導電膜の少なくとも一方が窒化物を含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第２導電膜および第３導電膜の少なくとも一方がＴｉＮを含む、請求項４に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１非磁性膜の厚さが０．５ｎｍ〜４ｎｍである、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１非磁性膜がＡｌＮを含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１非磁性膜がＢＮを含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１非磁性膜がＩｎＮを含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１非磁性膜は、非磁性金属を窒化させることにより形成される、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１非磁性膜が酸化物を更に含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 請求項１１に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、
前記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において非磁性金属を窒化させることにより形成する第１の工程と、
前記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程と、
を包含する、磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。 - 前記第１の工程と前記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれる、請求項１２に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。
- 前記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、
前記第２強磁性膜を形成する第４の工程と、
を更に包含する、請求項１２に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。 - 前記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、前記第１非磁性膜の粒界部においては主としてＭ−Ｏを含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 請求項１５に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、
前記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において前記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、
前記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程と、
を包含する、磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。 - 前記第１の工程と前記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれる、請求項１６に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。
- 前記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、
前記第２強磁性膜を形成する第４の工程と、
を更に包含する、請求項１６に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。 - 前記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、前記第１非磁性膜内にＭ−Ｏが分散して含まれている、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 請求項１９に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、
前記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において前記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、
前記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程と、
を包含する、磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。 - 前記第１の工程と前記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれる、請求項２０に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。
- 前記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、
前記第２強磁性膜を形成する第４の工程と、
を更に包含する、請求項２０に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。 - 前記第１非磁性膜が、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、Ｏを酸素元素とするとき、少なくとも１つのＭ−Ｎ膜と少なくとも１つのＭ−Ｏ膜とを含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 請求項２３に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法であって、
前記少なくとも１つのＭ−Ｎ膜を、窒素雰囲気中において前記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、
前記少なくとも１つのＭ−Ｏ膜を、酸素雰囲気中において前記金属元素を酸化させることにより形成する第２の工程と、
を包含する、磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。 - 前記第１の工程と前記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれる、請求項２４に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。
- 前記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、
前記第２強磁性膜を形成する第４の工程と、
を更に包含する、請求項２４に記載の磁気抵抗効果記憶素子の製造方法。 - 請求項１に記載の磁気抵抗効果記憶素子を複数個含み、複数の前記第１導電膜、複数の前記第２導電膜および複数の前記第３導電膜が、それぞれ所定の方向に配置される、ＭＲＡＭデバイス。
- 複数の積層構造と、
前記複数の積層構造の間にそれぞれ形成された少なくとも１つの第１の非磁性膜と、
前記複数の積層構造に電流を流す第１の導電膜および第２の導電膜と、
を備える、磁気抵抗効果記憶素子であって、
前記複数の積層構造のそれぞれが、第１強磁性膜と、第２強磁性膜と、前記第１強磁性膜と前記第２強磁性膜との間に形成された第２非磁性膜とを備え、
前記第１強磁性膜と前記第２強磁性膜とは、前記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、
前記磁気抵抗効果記憶素子は、
前記複数の積層構造に含まれる複数の前記第１強磁性膜および複数の前記第２強磁性膜の内の少なくとも１つを磁化反転させる磁界を発生し、前記複数の第１強磁性膜および前記複数の第２強磁性膜と電気的に接していない第３導電膜を更に備え、
前記複数の積層構造に含まれる複数の前記第２非磁性膜の内の少なくとも１つが、少なくとも窒化物を含み、
前記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を前記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含む、磁気抵抗効果記憶素子。 - 前記複数の第１強磁性膜のそれぞれの保磁力の大きさが、互いに異なっている、請求項２８に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記複数の第２強磁性膜のそれぞれの保磁力の大きさが、互いに異なっている、請求項２８に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記複数の第１強磁性膜および前記複数の第２強磁性膜の内の少なくとも１つが窒化物を含む、請求項２８に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記複数の第１強磁性膜および前記複数の第２強磁性膜の内の少なくとも１つが、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含む、請求項３１に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１導電膜および前記第２導電膜の少なくとも一方が窒化物を含む、請求項２８に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記第１導電膜および第２導電膜の少なくとも一方がＴｉＮを含む、請求項３３に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、非磁性金属を窒化させることにより形成される、請求項２８に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 前記複数の第２非磁性膜の少なくとも１つは、酸化物を含む、請求項２８に記載の磁気抵抗効果記憶素子。
- 請求項２８に記載の磁気抵抗効果記憶素子を複数個含み、複数の前記第１導電膜、複数の前記第２導電膜および複数の前記第３導電膜が、それぞれ所定の方向に配置される、ＭＲＡＭデバイス。
- 第１強磁性膜と、
第２強磁性膜と、
前記第１強磁性膜と前記第２強磁性膜との間に形成された第１非磁性膜と、
を備え、
前記第１強磁性膜と前記第２強磁性膜とは、前記磁界に対する磁化反転の特性が異なり、
前記第１非磁性膜が少なくとも窒化物を含み、
前記第１非磁性膜は、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、（Ｏ）を前記窒化物中に含まれる酸素元素とするとき、少なくともＭ−Ｎ−（Ｏ）を含む、磁気抵抗効果素子。 - 前記第１強磁性膜および前記第２強磁性膜の少なくとも一方が窒化物を含む、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１強磁性膜および前記第２強磁性膜の少なくとも一方が、ＦｅおよびＣｏの内の少なくとも１つを主成分とする窒化物を含む、請求項３９に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性膜の厚さが０．５ｎｍ〜４ｎｍである、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性膜がＡｌＮを含む、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性膜がＢＮを含む、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性膜がＩｎＮを含む、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性膜は、非磁性金属を窒化させることにより形成される、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１非磁性膜が酸化物を更に含む、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項４６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において非磁性金属を窒化させることにより形成する第１の工程と、
前記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程と、
を包含する、磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１の工程と前記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれる、請求項４７に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、
前記第２強磁性膜を形成する第４の工程と、
を更に包含する、請求項４７に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、前記第１非磁性膜の粒界部においては主としてＭ−Ｏを含む、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項５０に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において前記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、
前記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程と、
を包含する、磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１の工程と前記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれる、請求項５１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、
前記第２強磁性膜を形成する第４の工程と、
を更に包含する、請求項５１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１非磁性膜は、主としてＭ−Ｎを含み、前記第１非磁性膜内にＭ−Ｏが分散して含まれている、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項５４に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第１非磁性膜を、窒素雰囲気中において前記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、
前記第１非磁性膜を、酸素雰囲気中で酸化させる第２の工程と、
を包含する、磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１の工程と前記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれる、請求項５５に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、
前記第２強磁性膜を形成する第４の工程と、
を更に包含する、請求項５５に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１非磁性膜が、ＭをＡｌ、ＢおよびＩｎの内の少なくとも１種類の金属元素とし、Ｎを窒素元素とし、Ｏを酸素元素とするとき、少なくとも１つのＭ−Ｎ膜と少なくとも１つのＭ−Ｏ膜とを含む、請求項３８に記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項５８に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記少なくとも１つのＭ−Ｎ膜を、窒素雰囲気中において前記金属元素を窒化させることにより形成する第１の工程と、
前記少なくとも１つのＭ−Ｏ膜を、酸素雰囲気中において前記金属元素を酸化させることにより形成する第２の工程と、
を包含する、磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 前記第１の工程と前記第２の工程の内の少なくとも一方が複数回行なわれる、請求項５９に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
- 前記第１強磁性膜を形成する第３の工程と、
前記第２強磁性膜を形成する第４の工程と、
を更に包含する、請求項５９に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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