(57)【要約】【課題】書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することを両立できる磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置を提供すること。【解決手段】磁気トンネル接合素子１０は、磁化方向が可変である自由層１５と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層１３と、自由層１５と固定層１３の間に積層された絶縁層１４と、を備え、自由層１５は、垂直磁気異方性を有し、高分極率である第１自由層１５Ａと、第１自由層１５Ａと反強磁性結合した第２自由層１５Ｂとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が可変である自由層と、
磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、
前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、
前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、高分極率である第１自由層と、前記第１自由層と反強磁性結合した第２自由層とを備える磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記第１自由層は、前記絶縁層と前記第２自由層との間に設けられ、
前記第２自由層の磁気異方性が前記第１自由層の磁気異方性より小さい請求項１に記載された磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記第１自由層は、前記絶縁層と前記第２自由層との間に設けられ、
前記第２自由層が前記第１自由層より薄い請求項１に記載された磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記第１自由層は、前記絶縁層と前記第２自由層との間に設けられ、
前記第１自由層が前記第２自由層より薄い請求項１に記載された磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記第１自由層と前記第２自由層との間に反強磁性結合を制御するＡＦＣ制御層を備える請求項１から４のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
前記ＡＦＣ制御層の厚さが２ｎｍ以下の磁性層を有する請求項５に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
前記ＡＦＣ制御層は、ＭｎＧａ、Ｒｕ、Ｉｒ、ＭｇＯ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ及びＴａの少なくとも一種を含む請求項５または６に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、高分極率である第１自由層と、前記第１自由層と反強磁性結合した第２自由層とを備える磁気トンネル接合素子と、
前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備える磁気抵抗メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直磁化を有し磁気抵抗効果によって読み出しを行う磁気抵抗素子は、微細化に対する熱擾乱耐性が高く、次世代のメモリ等として期待されている。
【０００３】
この次世代メモリは、磁化方向が可変である自由層（記憶層とも呼ばれる。）と、所定の磁化方向を維持する固定層（参照層とも呼ばれる。）と、この自由層と固定層との間にトンネルバリアとして設けられた絶縁層を有する磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子から構成される。
【０００４】
このような次世代メモリを基本構成するスピン分極磁性層の材料として、高垂直磁気異方性を有し、高いスピン分極率を持つ強磁性材料が要求されている。しかし、材料自体が垂直磁気異方性を持ち、実験的に高いスピン分極率を持っている材料の報告は少ない。また、垂直磁気異方性を持ち、高いスピン分極率を持っている材料は、実用的には界面磁気異方性を用いたＣｏＦｅＢ合金しかなく、選択できる材料の範囲が非常に狭いのが実状である。このように、高い垂直磁気異方性を持ち高いスピン分極率を有する材料を用いることは困難である。
【０００５】
一方、上記解決策として、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction：磁気トンネル接合）層に垂直磁化保持層を結合させる方法が提案されている。
【０００６】
このような複合膜で構成される記憶層は、Co基Heusler 合金は高いスピン偏極率、高いCurie温度を有するため、これらを用いる強磁性トンネル結合（Magnetic tunnel junction : MTJ）では巨大なトンネル磁気抵抗比が期待されている。この記憶層は、さらに、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、Ｃｏ／Ｐｔ、ＭｎＧａ、ＭｎＧｅを有する垂直磁化保持層を結合させることにより、磁化の熱安定性を向上させている。また、この記憶層は、２つの磁性層の間に磁気的結合制御層を具備することにより、磁気的な結合を制御して、磁化の熱的安定性を保持すると同時に磁化反転電流を小さくできるＥＣＣ構造、ＴｃＣ構造が提案されている。ＴｃＣ構造は垂直保持層のＣｕｒｉｅ温度を小さくした構造である。ＴｃＣ構造の欠点として高い使用温度では熱的安定性が悪い問題があった。ＴｃＣにおいて熱安定性の勾配が大きい理由は垂直保持層としてＴｃの小さな高磁気異方性層を用いるためであった。
【０００７】
更に、実用化の課題として−４０℃〜＋１５０℃の広範囲の動作温度でも、使用可能な低電力、高速反転、高信頼性を有する磁気トンネル接合素子デバイスが求められていた。
【０００８】
例えば非特許文献１では、垂直磁化を有するナノ磁性体において、切り替え電流（書き込み電流）を低減する研究が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Applied Physics Letters 106,042402(2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
磁気トンネル接合素子を用いた磁気抵抗メモリ装置では、書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することが求められているが。非特許文献１に示すように書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することが困難であった。
【００１１】
具体的には、非特許文献１のFig.1(a)に示されるように、書き込み電流のパルス幅Tpを小さくすると書き込み電流が大きくなってしまう。
【００１２】
本発明は、書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することを両立できる磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、高分極率である第１自由層と、前記第１自由層と反強磁性結合した第２自由層とを備えるようにした。
【００１４】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することができる。
【００１５】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記第１自由層は、前記絶縁層と前記第２自由層との間に設けられ、前記第２自由層の磁気異方性が前記第１自由層の磁気異方性より小さくしてもよい。
【００１６】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記第１自由層は、前記絶縁層と前記第２自由層との間に設けられ、前記第２自由層が前記第１自由層より薄くしてもよい。
【００１７】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、第１自由層及び第２自由層のダンピング係数が小さい領域で、書き込み電流を低減することができる。また、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、第２自由層が第１自由層より薄いことにより、第１自由層及び第２自由層のダンピング係数が小さい領域で、書き込み電流を低減することができる。
【００１８】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記第１自由層は、前記絶縁層と前記第２自由層との間に設けられ、前記第１自由層が前記第２自由層より薄くしてもよい。
【００１９】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、ダンピング係数が小さくするように、第１自由層の材料及び第２自由層の材料の組み合わせとすることにより、書き込み電流の低減及び書き込み速度の高速化を両立することができる。
【００２０】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記第１自由層と前記第２自由層との間に反強磁性結合を制御するＡＦＣ制御層を備えるようにしてもよい。
【００２１】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＡＦＣ制御層の厚さが２ｎｍ以下の磁性層を有するようにしてもよい。
【００２２】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ＡＦＣ制御層は、ＭｎＧａ、Ｒｕ、Ｉｒ、ＭｇＯ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ及びＴａの少なくとも一種を含むようにしてもよい。
【００２３】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁気異方性Ｋｕが小さい自由層で、書き込み電流の低減及び書き込み速度の高速化を両立することができる。
【００２４】
一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、高分極率である第１自由層と、前記第１自由層と反強磁性結合した第２自由層とを備える磁気トンネル接合素子と、前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備えるようにした。
【００２５】
一実施形態の磁気抵抗メモリ装置によれば、書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置によれば、書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することを両立できる磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】比較例の自由層のモデルと、実施の形態１の自由層のモデルを示す図である。
【図３】ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図４】ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図５】実施の形態２にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。
【図６】ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図７】ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図８】ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図９】ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１０】実施の形態３にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。
【図１１】実施の形態４にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。
【図１２】ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１３】実施形態５にかかる磁気抵抗メモリ装置の一例の要部を表す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、基板１１と、バッファ層１２と、固定層１３と、絶縁層１４と、自由層１５と、キャップ層１６と、を備える。
【００２９】
基板１１は、Ｓｉ基板である。また、基板１１は、熱酸化膜付きＳｉ基板、またはＳｉ単結晶基板であってもよい。
【００３０】
バッファ層１２は、基板１１上に形成された安定化層である。具体的には、バッファ層１２は、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ａｕ、Ｗ、ＰｔまたはＴｉを含む層である。
【００３１】
固定層１３は、磁化方向を所定の方向に維持する層である。固定層１３は、固定層１３としては、自由層１５に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。即ち、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ及び飽和磁化Ｍｓが大きく、また、磁気緩和定数αが大きい材料を選択することが好ましい。
【００３２】
しかしながら、固定層１３を構成する材料は、特に限定されるものではなく、諸条件により任意の材料から選択することができる。例えば、固定層１３は、ＣｏＦｅＢを主成分とする層１３Ａと、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂとから構成される。また、層１３Ａは、ホイスラー合金膜でを主成分とする層あってもよい。好ましくはホイスラー合金膜を主成分とする層１３Ａは、Ｃｏ基フルホイスラー（Co-based full-Heusler）合金を主成分とする層である。具体的には、Ｃｏ基フルホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、またはＣｏ２ＣｒＡｌとすることができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂは、大きな垂直磁気異方性を持たせるために備えられている。図１に示すように、ホイスラー合金膜を主成分とする層１３Ａは、絶縁層１４と接合し、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂは、バッファ層１２と接合している。固定層１３を上述のいずれかの構成とすることにより、固定層１３は、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。また、固定層１３は、参照層とも呼ばれる。
【００３３】
絶縁層１４は、絶縁物質を主成分とする層である。そして、絶縁層１４は、（００１）のテクスチャを有する層である。絶縁層１４は、強磁性を有する固定層１３及び自由層１５に挟まれている。ＭｇＯ等の絶縁膜から構成されている。なお、絶縁層１４を構成する材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましく、前述したＭｇＯの他、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ等が挙げられるが、絶縁層１４としての機能に支障をきたさない限り、特に限定されるものではない。たとえば、スピネル型ＭｇＡｌ２Ｏ４なども用いることが可能である。そして、固定層１３及び自由層１５との接合面に対して垂直に電圧が印加されることにより、トンネル効果によって磁気トンネル接合素子１０に電流が流れる。
【００３４】
自由層１５は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化回転により、磁化方向が可変である層である。自由層１５は、第１自由層１５Ａと第２自由層１５Ｂを備える。また、自由層１５は、記憶層とも呼ばれる。
第１自由層１５Ａは、垂直磁気異方性を有し、高分極率である自由層である。
第２自由層１５Ｂは、第１自由層１５Ａと反強磁性結合した自由層である。
【００３５】
キャップ層１６は、自由層１５上に形成された安定化層である。例えば、キャップ層１６は、Ｒｕを含む層であることが好ましい。
【００３６】
以上により、実施の形態１の磁気トンネル接合素子が構成される。
次に、比較例を用いて実施の形態１の磁気トンネル接合素子の効果を説明する。図２は、比較例の自由層のモデルと、実施の形態１の自由層のモデルを示す図である。図２において、比較例の自由層２５は、一つの強磁性層からなる。そして、図２において、実施の形態１の自由層１５は、第１自由層１５Ａと第２自由層１５Ｂの２つの層を備える。第１自由層１５Ａと第２自由層１５Ｂは、反強磁性結合している。
【００３７】
この比較例の自由層２５と実施の形態１の自由層１５について、以下の計算条件で計算を行った。
計算条件
比較例（単層の自由層２５）
形状：円盤
直径：３０ｎｍ
厚さ：２ｎｍ
実施の形態１（第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂ）
形状：円盤
直径：３０ｎｍ
厚さ：第１自由層１５Ａ：１ｎｍ
第２自由層１５Ｂ：１ｎｍ
材料定数（比較例、実施の形態１共通）
第１自由層１５Ａの飽和磁化Ｍｓ  ：６００ｅｍｕ／ｃｍ３
第２自由層１５Ｂの飽和磁化Ｍｓ２：３００ｅｍｕ／ｃｍ３
磁気交換スティフネス結合定数：Ａ＝１×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ
反強磁性結合定数：ＡＩＬ＝−１×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ
ダンピング係数：α＝０．００１〜１．０
垂直磁気異方性Ｋｕ：
比較例（単層の自由層２５）      ：３．４８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３
実施の形態１（第１自由層１５Ａ）：３．０８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３
実施の形態１（第２自由層１５Ｂ）：３．０８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３
また、熱安定性指数：△ＫｕＶ／ｋｔが６０になるように設定した。ここでｋ：ボルツマン定数、ｔは温度である。
【００３８】
以上の条件でダンピング係数と電流密度との関係を計算した結果を図３に示す。図３は、ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。図３では、自由層に流す電流のパルス幅を変化させた場合の計算結果をグラフに示している。
【００３９】
図３において、横軸はダンピング係数を示し、縦軸は電流密度を示す。また、図３において、ＳＬはSingle Layer、すなわち自由層が単層の自由層２５（比較例）を示す。また、ＡＦＣはAntiferro coupling、すなわち自由層が第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂ（実施の形態１）を示す。また、Ｔｐは、自由層に流す電流のパルス幅を示す。
【００４０】
図３に示すように、比較例と実施の形態１と同じＴｐで比較すると、いずれも電流密度の低減が認められる。
【００４１】
このように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、第１自由層と反強磁性結合した第２自由層とを備えることにより、書き込み電流を低減することができる。
【００４２】
次に、ダンピング係数と電流密度との関係を計算した結果を図４に示す。図４は、ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。図４では、第１自由層１５Ａと第２自由層１５Ｂの反強磁性結合定数の条件を変化させた場合の計算結果をグラフに示している。
【００４３】
図４において、横軸はダンピング係数を示し、縦軸は電流密度を示す。また、ＡＦＣはAntiferro coupling、すなわち自由層が第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂ（実施の形態１）を示す。また、Ａは、第１自由層１５Ａと第２自由層１５Ｂの反強磁性結合定数（カップリング交換定数）を示す。なお、図４の計算結果は、自由層に流す電流のパルス幅Ｔｐを１．０ｎｓに設定したときの結果である。
【００４４】
図４に示すように、反強磁性結合定数Ａが低い（負の値で且つ絶対値が大きい）場合、ダンピング定数が小さい領域で電流密度が低い。また、反強磁性結合定数Ａが高い（負の値で且つ絶対値が小さい）場合、ダンピング定数が大きい領域で電流密度が低い。
【００４５】
したがって、反強磁性結合定数Ａを最適な値とすることにより、ダンピング定数と電流密度の最適解を決定することができる。すなわち、書き込み電流の低減及び書き込み速度の高速化を両立することができる。
【００４６】
このように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、第１自由層と反強磁性結合した第２自由層とを備えることにより、書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することができる。また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、第１自由層と第２自由層が反強磁性結合しているので、自由層全体での磁化量が低減し、書き込み電流を低減することができる。例えば、反強磁性結合定数が低い領域では、第１自由層及び第２自由層のダンピング定数が小さい領域で書き込み電流を低減することができる。
【００４７】
（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１の第２自由層が第１自由層より薄い例について説明する。言い換えれば絶縁層１４に近い第１自由層が第２自由層より厚い例である。
【００４８】
図５は、実施の形態２にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。磁気トンネル接合素子２０は、基板１１と、バッファ層１２と、固定層１３と、絶縁層１４と、自由層１５と、キャップ層１６と、を備える。図５において、図１と同一の構成については、同一の番号を付し、説明を省略する。
【００４９】
自由層１５は、磁化方向が変化する層である。自由層１５は、第１自由層１５Ａと、第２自由層１５Ｂを備える。
【００５０】
実施の形態２において、絶縁層１４と第２自由層１５Ｂの間に第１自由層１５Ａが設けられた位置関係において、第２自由層１５Ｂは、第１自由層１５Ａより薄く形成されている。第１自由層１５Ａの磁気異方性定数Ｋｕは、第２自由層１５Ｂの磁気異方性定数Ｋｕよりも大きい。
【００５１】
ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式に基づくマイクロマグネティックシミュレーションを用いて、ダンピング係数と電流密度との関係を計算した。
計算条件
比較例（単層の自由層２５）
形状：円盤
直径：３０ｎｍ
厚さ：３ｎｍ
実施の形態２（第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂ）
形状：円盤
直径：３０ｎｍ
厚さ：第１自由層１５Ａ：３ｎｍ
第２自由層１５Ｂ：０．５〜２．５ｎｍ
材料定数（比較例、実施の形態１共通）
第１自由層１５Ａの飽和磁化Ｍｓ  ：６００ｅｍｕ／ｃｍ３
第２自由層１５Ｂの飽和磁化Ｍｓ２：６００ｅｍｕ／ｃｍ３
磁気交換スティフネス結合定数：Ａ＝１×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ
反強磁性結合定数：ＡＩＬ＝−１×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ
ダンピング係数：α＝０．００１〜１．０
垂直磁気異方性Ｋｕ
比較例（単層の自由層２５）：２．７２Ｍｅｒｇ／ｃｍ３
実施の形態２
第１自由層１５Ａ：
３．２４Ｍｅｒｇ／ｃｍ３（第２自由層１５Ｂの厚さＨｓ＝０．５ｎｍ）
３．７０Ｍｅｒｇ／ｃｍ３（Ｈｓ＝１．０ｎｍ）
４．１０Ｍｅｒｇ／ｃｍ３（Ｈｓ＝１．５ｎｍ）
４．４４Ｍｅｒｇ／ｃｍ３（Ｈｓ＝２．０ｎｍ）
４．７６Ｍｅｒｇ／ｃｍ３（Ｈｓ＝２．５ｎｍ）
第２自由層１５Ｂ：
０Ｍｅｒｇ／ｃｍ３（Ｈｓ＝０．５ｎｍ〜２．５ｎｍ）
【００５２】
以上の条件でダンピング係数と電流密度との関係を計算した結果を図６に示す。図６は、ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。図６では、第２自由層１５Ｂの厚さＨｓの条件を０．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲で変化させた場合の計算結果をグラフに示している。
【００５３】
図６において、横軸はダンピング係数を示し、縦軸は電流密度を示す。また、図６において、ＳＬはSingle Layer、すなわち自由層が単層の自由層２５（比較例）を示す。また、ＡＦＣはAntiferro coupling、すなわち自由層が第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂ（実施の形態２）を示す。また、自由層に流す電流のパルス幅は１．０ｎｓに設定した。
【００５４】
上述の図６では、第１自由層１５Ａの厚さＨが３ｎｍである例について説明しているが、さらに第１自由層１５Ａの厚さＨが２ｎｍまたは５ｎｍである例について以下に示す。
【００５５】
図７及び図８は、ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。図７では、第１自由層１５Ａの厚さＨが２ｎｍである条件でのグラフを示す。また、図７では、第２自由層１５Ｂの厚さＨｓを、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲で変化させた場合の計算結果をグラフに示している。
【００５６】
また図８では、第１自由層１５Ａの厚さＨが５ｎｍである条件でのグラフを示す。また、図７では、第２自由層１５Ｂの厚さＨｓを、１．０ｎｍ〜４．５ｎｍの範囲で変化させた場合の計算結果をグラフに示している。
【００５７】
図７及び図８において、第１自由層１５Ａの厚さＨ及び第２自由層１５Ｂの厚さＨｓ以外の条件は、図６の条件に準ずる。また熱安定性指数△ＫｕＶ／ｋＴ＝６０になるように調整している。
【００５８】
さらに、第１自由層１５Ａの飽和磁化Ｍｓ及び第２自由層１５Ｂの飽和磁化Ｍｓ２を８００とした例を図９に示す。図９において、横軸はダンピング係数を示し、縦軸は電流密度を示す。図９の例において、飽和磁化以外の条件は、図７に準ずる。また熱安定性指数△ＫｕＶ／ｋＴ＝６０になるように調整している。
【００５９】
図６〜９に示すように、比較例と実施の形態２とを比較すると、ダンピング係数が小さい領域で、実施の形態２の電流密度が比較例の電流密度より低い。したがって、第１自由層１５Ａの垂直磁気異方性Ｋｕが第２自由層１５Ｂの垂直磁気異方性Ｋｕより高く、ダンピング係数が小さくするように、第１自由層１５Ａの材料及び第２自由層１５Ｂの材料の組み合わせとすることにより、書き込み電流の低減及び書き込み速度の高速化を両立することができる。なお、ダンピング係数とＫｕの関係が材料により定まることは、S.Mizukami,et al.,Appl. Phys. Lett. 103,142405(2013)及びS.Mizukami,et al.,Scripta Mater. 118, 70(2016)に示されるように明らかである。
【００６０】
このように、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、第２自由層の磁気異方性が第１自由層の磁気異方性より小さいことにより、第１自由層及び第２自由層のダンピング係数が小さい領域で、書き込み電流を低減することができる。また、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、第２自由層が第１自由層より薄いことにより、第１自由層及び第２自由層のダンピング係数が小さい領域で、書き込み電流を低減することができる。
【００６１】
さらに、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、ダンピング係数が小さくするように、第１自由層の材料及び第２自由層の材料の組み合わせとすることにより、書き込み電流の低減及び書き込み速度の高速化を両立することができる。
【００６２】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１の第１自由層と第２自由層の間に反強磁性結合を制御するＡＦＣ制御層を備える例について説明する。
【００６３】
図１０は、実施の形態３にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、基板１１と、バッファ層１２と、固定層１３と、絶縁層１４と、自由層１５と、キャップ層１６と、を備える。
【００６４】
自由層１５は、磁化方向が変化する層である。自由層１５は、第１自由層１５Ａと、ＡＦＣ制御層１５Ｃと、第２自由層１５Ｂを備える。
【００６５】
ＡＦＣ制御層１５Ｃは、第１自由層１５Ａと第２自由層１５Ｂの反強磁性結合を制御する層である。ＡＦＣ制御層１５Ｃは、第１自由層１５Ａと第２自由層１５Ｂの間に積層された層である。例えば、ＡＦＣ制御層１５Ｃは、ＭｎＧａ、Ｒｕ、Ｉｒ、ＭｇＯ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｗ及びＴａの少なくとも１種を含む層であることが好ましい。また、ＡＦＣ制御層１５Ｃの磁気的な結合の大きさは、磁気結合制御層の厚さ（膜厚）が２ｎｍ以下となるように適宜変化させることで、抵抗変化率、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等のパラメータを最適化することができる。以上の構成により、ＡＦＣ制御層１５Ｃは、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）相互作用を有する構造となる。そして、Ｒｕ、Ｉｒなどを用いると自由層１５全体の磁化を小さくすることができ反転の高速化に有利であるという効果を奏する。
【００６６】
このように、実施の形態３の磁気トンネル接合素子によれば、反強磁性結合する第１自由層及び第２自由層の間に反強磁性結合を制御するＡＦＣ制御層を備えることにより、制御層の材料と膜厚を変化させることにより反強磁性結合の強さを最適化でき、書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することができる。
【００６７】
（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態１の第１自由層が第２自由層より薄い例について説明する。言い換えれば絶縁層１４に近い第１自由層が第２自由層より薄い例である。
【００６８】
図１１は、実施の形態４にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、基板１１と、バッファ層１２と、固定層１３と、絶縁層１４と、自由層１５と、キャップ層１６と、を備える。図１１において、図１と同一の構成については、同一の番号を付し、説明を省略する。
【００６９】
自由層１５は、磁化方向が変化する層である。自由層１５は、第１自由層１５Ａと、第２自由層１５Ｂを備える。
【００７０】
実施の形態４において、絶縁層１４と第２自由層１５Ｂの間に第１自由層１５Ａが設けられた位置関係において、第１自由層１５Ａは、第２自由層１５Ｂより薄く形成されている。
【００７１】
ＬＬＧ方程式に基づくマイクロマグネティックシミュレーションを用いて、ダンピング係数と電流密度との関係を計算した。
計算条件
比較例（単層の自由層）
形状：円盤
直径：３０ｎｍ
厚さ：２ｎｍ
実施の形態４（第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂ）
形状：円盤
直径：３０ｎｍ
厚さ：第１自由層１５Ａ：１ｎｍ
第２自由層１５Ｂ：１ｎｍ、２ｎｍ
材料定数（比較例、実施の形態１共通）
第１自由層１５Ａの飽和磁化Ｍｓ  ：６００ｅｍｕ／ｃｍ３
第２自由層１５Ｂの飽和磁化Ｍｓ２：３００ｅｍｕ／ｃｍ３、１５０ｅｍｕ／ｃｍ３
磁気交換スティフネス結合定数：Ａ＝１×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ
反強磁性結合定数：ＡＩＬ＝−１×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ
ダンピング係数：α＝０．００１〜１．０
垂直磁気異方性Ｋｕ
比較例（単層の自由層）：３．４８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３
実施の形態４（第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂ）：１．９６Ｍｅｒｇ／ｃｍ３
【００７２】
以上の条件でダンピング係数と電流密度との関係を計算した結果を図１２に示す。図１２は、ダンピング係数と電流密度との関係を示すグラフである。図１２では、第２自由層１５Ｂの厚さＨｓの条件を１ｎｍ〜２ｎｍの範囲で変化させた場合の計算結果をグラフに示している。
【００７３】
図１２において、横軸はダンピング係数を示し、縦軸は電流密度を示す。また、図１２において、ＳＬはSingle Layer、すなわち自由層が単層の自由層（比較例）を示す。また、ＡＦＣはAntiferro coupling、すなわち自由層が第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂ（実施の形態４）を示す。また、自由層に流す電流のパルス幅は１．０ｎｓに設定した。
【００７４】
図１２に示すように、比較例と実施の形態４とを比較すると、ダンピング係数が小さい領域で、実施の形態４の電流密度が比較例の電流密度より低い。特に、第１自由層１５Ａ及び第２自由層１５Ｂの垂直磁気異方性Ｋｕを小さくできる。
【００７５】
このように、実施の形態４の磁気トンネル接合素子によれば、第１自由層が第２自由層より薄いことにより、第１自由層及び第２自由層のダンピング係数が小さい領域で、書き込み電流の低減及び書き込み速度の高速化を両立することができる。さらに、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁気異方性Ｋｕが小さい自由層で、書き込み電流の低減及び書き込み速度の高速化を両立することができる。
【００７６】
（実施の形態５）
実施の形態５では、実施の形態１〜４の磁気トンネル接合素子を用いた磁気抵抗メモリ装置について説明する。
【００７７】
図１３は、実施形態５にかかる磁気抵抗メモリ装置の一例の要部を表す斜視図である。
【００７８】
図１３において、磁気抵抗メモリ装置は、メモリセル３０、ビット線３１、コンタクトプラグ３５及び３７、及びワード線３８を備える。
【００７９】
メモリセル３０は、半導体基板３２、拡散領域３３及び３４、ソース線３６、ゲート絶縁膜３９及び磁気トンネル接合素子１０を備える。磁気トンネル接合素子１０は、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０に対応するが、実施の形態２〜４の磁気トンネル接合素子を用いてもよい。
【００８０】
磁気抵抗メモリ装置は、複数のメモリセル３０をマトリクス状に配置し、複数本のビット線１及び複数本のワード線３８を用いて、互いに接続することにより形成される。ＭＲＡＭは、スピントルク注入方式を用いて、データの書き込み処理が実行される。
【００８１】
半導体基板３２は、上面に拡散領域３３及び３４を有し、拡散領域３３は、拡散領域３４から所定の間隔を空けて配置されている。拡散領域３３はドレイン領域として機能し、拡散領域３４はソース領域として機能する。拡散領域３３は、コンタクトプラグ３７を介して磁気トンネル接合素子１０に接続される。
【００８２】
ビット線側電極３１は、半導体基板３２の上方に配置されるとともに、磁気トンネル接合素子１０に接続される。ビット線３１は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。
【００８３】
拡散領域３４はコンタクトプラグ３５を介してソース線３６に接続される。ソース線３６は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。
【００８４】
ワード線３８は、拡散領域３３及び拡散領域３４に接するように、ゲート絶縁膜３９を介して半導体基板３２に配置される。ワード線３８とゲート絶縁膜３９とは、選択トランジスタとして機能する。ワード線３８は、図示しない回路から電流を供給されて活性化し、選択トランジスタとしてターンオンする。
【００８５】
この磁気抵抗メモリ装置は、ビット線３１と拡散領域３３とが電極として、磁気トンネル接合素子１０に電圧を印加し、電圧印加により一定方向に揃えられた電子のスピントルクが強磁性体層の磁化方向を変化させる。そして、電流方向を変えることにより、磁気抵抗メモリ装置に記録されるデータの値を変えることができる。
【００８６】
このように、実施の形態５の磁気抵抗メモリ装置によれば、第１自由層と反強磁性結合した第２自由層とを備えることにより、書き込み電流の低減及び書き込み速度を高速化することができる。また、実施の形態５の磁気抵抗メモリ装置によれば、第１自由層と第２自由層が反強磁性結合しているので、自由層全体での磁化量が低減し、書き込み電流を低減することができる。例えば、反強磁性結合定数が低い領域では、第１自由層及び第２自由層のダンピング定数が小さい領域で書き込み電流を低減することができる。
【００８７】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明の磁気抵抗素子は、基板、バッファ層、固定層、絶縁層、自由層及びキャップ層のそれぞれの間に、本発明の各層の機能を損なわない範囲で別の層を備えても良い。例えば、層間の格子不整合を整えるための層や格子欠陥を解消する層を加えても良い。第１自由層と第２自由層の間にも本発明の各層の機能を損なわない範囲で別の層を備えても良い。第１自由層、ＡＦＣ制御層及び第２自由層の間に本発明の各層の機能を損なわない範囲で別の層を備えても良い。また、基板１１は、絶縁層１４から見て自由層１５側に設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１０  磁気トンネル接合素子
１１  基板
１２  バッファ層
１３  固定層
１３Ａ  第１固定層
１３Ｂ  第２固定層
１４  絶縁層
１５、２５  自由層
１５Ａ  第１自由層
１５Ｂ  第２自由層
１５Ｃ  ＡＦＣ制御層
１６  キャップ層
２０  磁気トンネル接合素子
３０  メモリセル
３１  ビット線
３２  半導体基板
３３、３４  拡散領域
３５、３７  コンタクトプラグ
３６  ソース線
３８  ワード線
３９  ゲート絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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