(57)【要約】【課題】記憶層にかかる漏れ磁場をキャンセルするために用いる磁性層の膜厚を低減することを可能にする。【解決手段】膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層２と、記憶層上に設けられた第１の非磁性層４と、第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する参照層６と、参照層上に設けられた反強磁性層８と、反強磁性層の上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有する強磁性層１０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層と、
前記記憶層上に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する参照層と、
前記参照層上に設けられた反強磁性層と、
前記反強磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに前参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有する強磁性層と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する強磁性層と、
前記強磁性層上に設けられた反強磁性層と、
前記反強磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有する参照層と、
前記参照層上に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記反強磁性層と前記強磁性層との間に設けられた第２の非磁性層とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第２の非磁性層は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｕのうち１つ以上の元素を含む金属からなることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記反強磁性層は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅのうち１つ以上の元素を含む金属層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記反強磁性層は、重希土類元素と遷移金属元素を含む金属層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記参照層の飽和磁化をＭｓ１、膜厚をｔ１とし、前記強磁性層の飽和磁化をＭｓ２、膜厚をｔ２とするとき、
Ｍｓ２＞Ｍｓ１或いはｔ２＞ｔ１
のうち少なくとも一方の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に対して通電を行う第１および第２の電極と、を含むメモリセルを備えていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項９】
前記第１の電極に電気的に接続された第１の配線と、
前記第２の電極に電気的に接続された第２の配線と、
前記第１の配線および前記第２の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗効果素子に双方向に電流を供給する書き込み回路と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項８記載の磁気メモリ。
【請求項１０】
前記磁気抵抗効果素子の前記第２の電極と前記第２の配線との間に接続される選択トランジスタと、
前記選択トランジスタのオン／オフを制御する第３の配線と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項９記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン角運動量移動（ＳＭＴ（Spin Momentum Transfer））を利用した書き込み方式を用いたＭＴＪ（Magneto Tunnel Junction）素子をメモリセルの記憶素子として備えた磁気メモリ（ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory））は、ＭＴＪ素子を微細化しても、磁化反転に必要な電流密度の大きさはほとんど増加しないため、大容量、低消費電力、不揮発性、高速動作を備えた不揮発性メモリとして期待されている。
【０００３】
情報の不揮発性を保持するためには、熱擾乱エネルギーより大きな磁気異方性エネルギーをＭＴＪ素子の記憶層に与えなければならない。磁気異方性エネルギーを確保する方法としては、磁化膜の膜面（例えば、上面）に対して略垂直方向に磁化容易軸を有するいわゆる垂直磁化膜を利用することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。垂直磁化膜は膜面に対して略平行方向に磁化容易軸を有するいわゆる面内磁化膜に比べ、垂直磁化膜の磁化を反転させるために必要な書き込み電流の大きさが小さくなるため、大容量メモリ開発の重要な技術として期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４２３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＴＪ素子は、記憶層と、参照層と、記憶層と参照層との間に設けられたトンネルバリア層とを有している。記憶層および参照層は磁性層からなっており、外部に対して磁場を発生している。一般に、記憶層および参照層が垂直磁化型であるＭＴＪ素子において参照層から発生する漏れ磁場は、面内磁化型のＭＴＪ素子のそれに比べて大きい。また、参照層に比べて保磁力の小さい記憶層は、参照層からの漏れ磁場の影響を強く受ける。具体的には、参照層からの漏れ磁場の影響により、熱安定性を低下させる問題が発生する。
【０００６】
垂直磁化型のＭＴＪ素子において、記憶層にかかる、参照層からの漏れ磁場を低減する一つの施策として、参照層からの漏れ磁場をキャンセルする磁性層を設ける方法が提案されている（特願２００８−２４８６３３号）。参照層からの漏れ磁場をキャンセルする磁性層に参照層と同程度の飽和磁化を有する材料を用いた場合、漏れ磁場をキャンセルする磁性層の膜厚は参照層の膜厚より厚く設計する必要がある。その結果、ＭＴＪ素子の膜厚が増加し製造コストが増加する問題を抱えていた。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、記憶層にかかる漏れ磁場をキャンセルするために用いる磁性層の膜厚を低減することの可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ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】
【０００８】
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層と、前記記憶層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する参照層と、前記参照層上に設けられた反強磁性層と、前記反強磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに前参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有する強磁性層と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する強磁性層と、前記強磁性層上に設けられた反強磁性層と、前記反強磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有する参照層と、前記参照層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第３の態様による磁気メモリは、第１乃至第２の態様のいずれかの磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に対して通電を行う第１および第２の電極と、を含むメモリセルを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、記憶層にかかる漏れ磁場をキャンセルするために用いる磁性層の膜厚を低減することの可能な磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図２】第１実施形態の磁気抵抗効果素子における、記憶層のシフト磁場に関する強磁性層の膜厚依存性を示す図。
【図３】第１実施形態において、参照層と反強磁性層との間に交換結合がある場合の磁化のヒステリシスループを示す図。
【図４】図３に示すヒステリシスループにおいて、外部磁場がゼロＯｅとなるときの磁気抵抗効果素子の磁化の配列を示す図。
【図５】第１実施形態において、参照層と反強磁性層との間に交換結合がない場合の磁化のヒステリシスループを示す図。
【図６】図５に示すヒステリシスループにおいて、外部磁場がゼロＯｅとなるときの磁気抵抗効果素子の磁化の配列を示す図。
【図７】第１実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図８】強磁性層１０の膜厚に関する磁気抵抗素子のサイズ依存性を示す図。
【図９】強磁性層１０の膜厚に関する磁気抵抗素子の参照層６の膜厚依存性を示す図。
【図１０】第２実施形態による磁気メモリの回路図。
【図１１】第２実施形態による磁気メモリのメモリセルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を図１に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、シングルピン構造のＭＴＪ素子１である。本実施形態のＭＴＪ素子１は、磁性層からなる記憶層２と、磁性層からなる参照層６と、磁性層からなる強磁性層１０と、記憶層２と参照層６の間に挟まれた非磁性層４と、参照層６と強磁性層１０の間に挟まれた反強磁性層８と、を有する積層構造を備えている。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１は、記憶層２、非磁性層４、参照層６、反強磁性層８、および強磁性層１０が、この順序で積層された積層構造（図１に示す順で形成された積層構造）であってもよいし、強磁性層１０、反強磁性層８、参照層６、非磁性層４、および記憶層２が、この順序で積層された積層構造（図１に示す順序とは逆の順で形成された積層構造）であってもよい。
【００１５】
そして、本実施形態のＭＴＪ素子１は、記憶層２、参照層６、および強磁性層１０の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子である。すなわち、記憶層２、参照層６、及び強磁性層１０は、膜面に略垂直方向の磁気異方性を有している。ここで、「膜面」とは、各層の上面を意味する。記憶層２は、スピン偏極した電子の作用により、磁化の向きが反転することが可能となっている。参照層６および強磁性層１０は、磁化が互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。このＭＴＪ素子１は、非磁性層４が絶縁体の場合はＴＭＲ効果を有し、非磁性層４が金属の場合はＧＭＲ効果を有する。ここで、非磁性層４が絶縁体の場合はＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯ（酸化アルミニウム、例えばＡｌ２Ｏ３）等が用いられ、非磁性層４が金属の場合はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等が用いられる。反強磁性層８にはＭｎ、Ｃｒ、Ｆｅのうち１つ以上の３ｄ遷移元素を含む合金、或いは重希土類元素と遷移金属元素を含む合金が用いられる。例えば、３ｄ遷移元素を用いた合金としてはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＦｅＲｈなどの合金が用いられる。また重希土類元素と遷移金属元素とを含む合金としてはＴｂＣｏＦｅ、ＧｄＣｏなどの合金が用いられる。
【００１６】
次に、このＭＴＪ素子１において、記憶層２の磁化の向きを反転させる場合の方法を説明する。記憶層２の磁化の向きが参照層６の磁化の向きと反対の場合、すなわち、図１において、記憶層２の磁化の向きが上向きの場合は、電子電流（通常の電流とは逆向き）が、強磁性層１０、反強磁性層８、参照層６、非磁性層４、記憶層２の順序で流れるようにする。すると、この電子電流は参照層６によってスピン偏極される。記憶層２と同じ向きにスピン偏極された電子は記憶層２を通過するが、記憶層２の磁化と逆の向きにスピン偏極された電子は記憶層２の磁化にスピントルクを作用し、記憶層２の磁化の向きを反転する。
【００１７】
これに対して、記憶層２の磁化の向きが参照層６の磁化の向きと同じ場合、すなわち、図１において、記憶層２の磁化の向きが下向きの場合は、電子電流が、記憶層２、非磁性層４、参照層６、反強磁性層８、強磁性層１０の順序で流れるようにする。すると、この電子電流は記憶層２によってスピン偏極される。記憶層２の磁化と同じ向きにスピン偏極された電子電流は参照層６を通過するが、参照層６の磁化と逆の向きにスピン偏極された電子は参照層６によって反射され、非磁性層４を通して記憶層２に流入する。参照層６によって反射された電子は記憶層２の磁化にスピントルクを作用し、記憶層２の磁化の向き反転する。
【００１８】
このような構成のＭＴＪ素子において、参照層６と強磁性層１０に同じ飽和磁化Ｍｓを有する材料を用いた場合、強磁性層１０の膜厚ｔを参照層６の膜厚と同じ大きさにすると、記憶層２に加わる参照層６からの漏れ磁場を完全に打ち消すことができない。
【００１９】
そこで、本発明者達は、鋭意研究に努め、記憶層２に加わる漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すために必要なパラメータを求めた。ここで、“打ち消す”とは、記憶層にかかる漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚの面積平均が０となる場合を意味する。
【００２０】
まず、直径ＲがＲ＝５０ｎｍの円柱形状のシングルピン構造のＭＴＪ素子１の場合について、記憶層２に加わる漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための強磁性層１０の最適な膜厚を、ＬＬＧ(Landau-Lifshitz-Gilbert)方程式を用いた解析（シミュレーション）により求めた。この解析に用いたパラメータの値は、記憶層２の飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性定数Ｋｕ、膜厚ｔの大きさは、それぞれ、Ｍｓ＝１０００（ｅｍｕ／ｃｍ３）、Ｋｕ＝６×１０６（ｅｒｇ／ｃｍ３）、ｔ＝３ｎｍとし、参照層６の飽和磁化Ｍｓ１、磁気異方性定数Ｋｕ１、膜厚ｔ１の大きさは、それぞれ、Ｍｓ１＝１０００（ｅｍｕ／ｃｍ３）、Ｋｕ１＝７×１０６（ｅｒｇ／ｃｍ３）、ｔ１＝５ｎｍとする。ここで、非磁性層４の厚さを１ｎｍとし、反強磁性層８の厚さを３ｎｍとする。強磁性層１０の飽和磁化Ｍｓ２、磁気異方性定数Ｋｕ２の大きさを、それぞれ、Ｍｓ２＝１０００（ｅｍｕ／ｃｍ３）、Ｋｕ２＝２０×１０６（ｅｒｇ／ｃｍ３）とする。強磁性層１０の磁化の方向に対して反対方向に参照層６の磁化が安定するように反強磁性層８は参照層６に対して３０００Ｏｅの磁場印加に相当する交換結合を与えている。
【００２１】
この場合に、記憶層２にかかる参照層６からの漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための強磁性層１０の膜厚をｔ２とする。図２はｔ２に対する記憶層２のシフト磁場の大きさをプロットしたものである。ｔ２が大きくなるにつれてシフト磁場が小さくなり、ｔ２＝１２．７ｎｍのところでシフト磁場がゼロとなる。シフト磁場がゼロの場合において記憶層２に印加される漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚ大きさがゼロとなる。つまり、漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための最適膜厚としてｔ２＝１２．７ｎｍが求められる。
【００２２】
強磁性層１０の最適な膜厚ｔ２が１２．７ｎｍであるとき、解析計算により求めたＭＴＪ素子１のヒステリシスループを図３に示す。なお、この解析計算においては、上述したように、反強磁性層８は参照層６に対して３０００Ｏｅの磁場を印加している、すなわち、参照層６と反強磁性層８は交換結合が３０００Ｏｅであるとして計算されている。図３において、横軸が外部磁場を表し、縦軸は記憶層２と参照層６の磁化の和を、記憶層２と参照層６の飽和磁化の和で割った値となっている。実線が最大外部磁場５０００Ｏｅで外部磁場の値を変化させたときの磁化の変化を、点線は最大磁場１００００Ｏｅで外部磁場の値を変化させたときの磁化の変化を示している。図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）はそれぞれ、図３に示すヒステリシスループにおいて、外部磁場がゼロとなる点Ａ、Ｂ、Ｃの磁化の状態を示している。
【００２３】
ＭＴＪ素子１の磁化配列が図４（ａ）に示す状態Ａにあるとき、１００００Ｏｅの負（図面上で下向き）の外部磁場を印加した場合、記憶層２および参照層６の磁化の向きが反転し、ＭＴＪ素子１の磁化配列は図４（ｂ）に示す状態Ｂとなる。１００００Ｏｅの外部磁場は、記憶層２および参照層６の磁化の向きを反転させるが、強磁性層１０の磁化の向きまでは反転させない。ＭＴＪ素子１の磁化配列が図４（ｂ）に示す状態Ｂにあるとき、１００００Ｏｅの正の外部磁場を印加した場合、記憶層２および参照層６の磁化の向きが反転し、ＭＴＪ素子１の磁化配列は図４（ａ）に示す状態Ａとなる。
【００２４】
一方、ＭＴＪ素子１の磁化配列が図４（ｂ）に示す状態Ｂにあるとき、５０００Ｏｅの正（図面上で上向き）の外部磁場を印加した場合（電子電流を記憶層２から参照層６に流した場合に相当）、記憶層２の磁化の向きが反転し、ＭＴＪ素子１の磁化配列は図４（ｃ）に示す状態Ｃとなる。５０００Ｏｅの外部磁場（これに相当する大きさの電子電流）は、記憶層２の磁化の向きを反転させるが、参照層６の磁化の向きまでは反転させない。ＭＴＪ素子１の磁化配列が図４（ｃ）に示す状態Ｃにあるとき、５０００Ｏｅの負の外部磁場を印加した場合（電子電流を参照層６から記憶層２に流した場合に相当）、記憶層２の磁化の向きが反転し、ＭＴＪ素子１の磁化配列は図４（ｂ）に示す状態Ｂとなる。
【００２５】
このように、点Ｂと点Ｃの状態を制御することで記憶層２と参照層６の磁化の状態を反平行と平行の状態に切り替えることが可能なる。
【００２６】
一方、図３に示すヒステリシスループの解析計算において、参照層６と反強磁性層８の交換結合の大きさをゼロＯｅとして求めた、ＭＴＪ素子１のヒステリシスループを図５に示す。図５において、横軸が外部磁場を表し、縦軸は記憶層２と参照層６の磁化の和を、記憶層２と参照層６の飽和磁化の和で割った値となっている。実線が最大外部磁場５０００Ｏｅで外部磁場の値を変化させたときの磁化の変化を、点線は最大磁場１００００Ｏｅで外部磁場の値を変化させたときの磁化の変化を示している。図６（ａ）、６（ｂ）はそれぞれ、図５に示すヒステリシスループおいて外部磁場がゼロＯｅとなる点Ｄ、Ｅの磁化の状態を示している。参照層６と反強磁性層８の交換結合がゼロＯｅの場合は点Ｄと点Ｅの状態しかとらず、外部磁場がゼロＯｅの状態において記憶層２と参照層６の磁化の状態を反平行にすることができない。この原因は参照層６が強磁性層１０と記憶層２の漏れ磁場の影響を受けるためで、図４（ｃ）に示す点Ｃの状態において参照層６は強磁性層１０と記憶層２によって磁化を上に向けるトルクを受けている。その上に向けるトルクに対して十分な磁気異方性を参照層６が有していれば磁化は反転しないが、磁気異方性が小さいと参照層６の磁化は反転し、図６（ａ）に示す点Ｄの状態となってしまう。
【００２７】
ゼロ磁場の状態において記憶層２と参照層６が平行状態と反平行状態をとるようにするためには、本実施形態のように反強磁性層による交換結合磁場を参照層６に与える方法、参照層６の膜厚を厚くする方法、参照層６に材料磁気異方性エネルギーが大きい材料を選択する方法がある。ただし、参照層６の膜厚を厚くする方法では、参照層６からの漏れ磁場が増大し、参照層６からの漏れ磁場をキャンセルするために必要となる強磁性層１０の膜厚が厚くなる。その結果、磁気抵抗効果素子の合計膜厚が増大し、書き込み電流ばらつきが増大する、さらにはコストが増大する問題を抱える。また、参照層６に材料磁気異方性エネルギーが大きい材料を選択する方法も参照層６の活性化体積を十分に保つためには参照層６に一定の膜厚が必要となるため、参照層６からの漏れ磁場をキャンセルするために必要な強磁性層１０は厚くなる。一方、参照層６と強磁性層１０の間に反強磁性層８を挟み、参照層６に交換結合磁場を与える場合は、参照層６の膜厚を薄くすることが可能になるため、磁気抵抗効果素子の合計膜厚が低下し、書き込み電流のばらつきが低下する。更には、磁気抵抗効果素子の薄膜化によって製造コストが低下する優位性を持つ。
【００２８】
参照層６と反強磁性層８の間には強い交換結合が生じていることが望ましいが、強磁性層１０と反強磁性層８の間には交換結合が生じないことが望ましい。その理由は、ケース１およびケース２において後述する。そこで、例えば、図７に示すように、反強磁性層８と強磁性層１０の間に非磁性層１１を挟み、非磁性層１１によって反強磁性層８と強磁性層１０の間に生じる交換結合を小さくしても良い。非磁性層１１には反強磁性層８と強磁性層１０に対して拡散しない材料が望ましい。例えば非磁性層１１としてＭｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｕどの高融点を有する金属を用いるのが望ましい。また、反強磁性層８と強磁性層１０の間に非磁性層１１を１ｎｍ程度もしくはそれ以上挟むことで十分に反強磁性層８と強磁性層１０の間に生じる交換結合を小さくすることが可能になる。
【００２９】
例えば図１に示す構造は、膜厚２ｎｍのＦｅＰｄ膜とその上の膜厚１ｎｍのＣｏＦｅＢ膜の積層構造を有する記憶層２を成膜し、この記憶層２のＣｏＦｅＢ膜上に、膜厚１ｎｍのＭｇＯの非磁性層４を成膜し、更にこの非磁性層４上に、膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅ膜とその上の膜厚３．５ｎｍのＦｅＰｔ膜の積層構造を有する参照層６を成膜し、次に、膜厚３ｎｍのＰｔＭｎ膜を成膜後、膜面に対して略垂直方向に磁場を印加しながら３５０℃の熱処理を施すことで、参照層６と反強磁性層８の間に交換結合を生じさせることが可能となる。更に反強磁性層８上に１０ｎｍ〜２０ｎｍのＦｅＰｔ膜の強磁性層１０を成膜することで記憶層２にかかる参照層６からの漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚをゼロにした膜を作製することができる。
【００３０】
参照層６と強磁性層１０の磁化を反平行にするには、ＭＴＪ素子１を記憶素子として有するＭＲＡＭのチップが完成後、膜面に垂直方向でかつ、反強磁性層８と参照層６が結合した交換結合磁場とは逆方向の磁場を印加して、強磁性層１０の磁化を一方向に揃える。次に、膜面に垂直方向でかつ、反強磁性層８と参照層６が結合した交換結合磁場と同じ方向の磁場を印加して、参照層６の磁化の向きを反転させる。その際、参照層６を反転させるために印加する磁場の大きさは強磁性層１０の磁化が反転しない範囲での磁場である必要がある。更に、参照層６と強磁性層１０の磁化は反平行の状態に対して熱的に安定な状態を保つ必要があるため、下記の制約を設ける必要がある。
【００３１】
（ケース１：参照層６と強磁性層１０が同じ材料の場合）
この場合は、以下の２つの方法がある。
（ａ）反強磁性層８と参照層６との界面、および反強磁性層８と強磁性層１０との界面の間に同じ方向の交換結合が生じ強磁性層１０の磁化反転磁場がシフトしても、強磁性層１０の磁化反転磁場が参照層８の磁化反転磁場の大きさより大きくなるよう強磁性層１０の膜厚を参照層６より厚くする。
（ｂ）図７に示した構造のように、反強磁性層８と強磁性層１０の間に非磁性層１１を挿入する。
【００３２】
（ケース２：参照層６と強磁性層１０が異なる材料の場合）
この場合は、以下の２つの方法がある。
（ａ）反強磁性層８と参照層６との界面、および反強磁性層８と強磁性層１０との界面に同じ方向の交換結合が生じ、参照層６と強磁性層１０を反平行にする際、反強磁性層８と強磁性層１０の交換結合によって強磁性層１０の熱擾乱耐性が小さくなる方向に変化しても、参照層６と強磁性層１０を反平行にした状態を保持でき、さらに参照層６と強磁性層１０が反平行状態である場合の熱擾乱耐性が、記録層２の熱擾乱耐性より大きくなるような垂直磁気異方性を持つような参照層６と強磁性層１０の材料の選択を行う。
（ｂ）図７に示した構造のように、反強磁性層８と強磁性層１０の間に非磁性層１１を挿入する。
【００３３】
また、強磁性層１０の膜厚ｔ２は、（１）磁気抵抗効果素子のサイズ、（２）参照層６と強磁性層１０の間の距離、（３）強磁性層１０の飽和磁化Ｍｓ２、（４）参照層６の飽和磁化Ｍｓ１および（５）参照層６の膜厚ｔ１によって決定される。厳密には強磁性層１０の膜厚ｔ２を決定するには上記５個のパラメータを厳密に決定した後に決められる。
【００３４】
例えば参照層６と強磁性層１０に同じ飽和磁化を有する磁性材料を用いた場合を考える。その時、素子サイズに対する参照層６から記録層２に漏れる磁場をキャンセルするために必要な強磁性層１０の膜厚ｔ２を、ＬＬＧ方程式を用いて解析すると図８に示した結果となる。黒く塗りつぶした点が参照層６と強磁性層１０に飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた場合、白く抜いた点が参照層６と強磁性層１０に飽和磁化４００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた場合を示している。記録層２には１０００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた。図８において参照層６と強磁性層１０の間には膜厚が３ｎｍの反強磁性層８を挟んでいる。また反強磁性層８と参照層６の間には１０００Ｏｅの交換結合磁場を与えている。大容量化を行うためには磁気抵抗効果素子のサイズは５０ｎｍ以下が望ましく、図８からわかるように、素子サイズが小さくなると参照層６から漏れる磁場をキャンセルするために必要とする磁性層１０の膜厚ｔ２は増大する。磁性層１０の膜厚の増加は製造コスト増を引き起こすため望ましくない。対策としては参照層６に飽和磁化の小さい材料を用いる、参照層６の膜厚ｔ１を薄くする、或いは反強磁性層８の膜厚を薄くする等の対策が必要となる。
【００３５】
図９は参照層６の膜厚に対する参照層６から記録層２に漏れる磁場をキャンセルするために必要な強磁性層１０の膜厚ｔ２を、ＬＬＧ方程式を用いて解析した結果を示す図である。黒く塗りつぶした点が参照層６と強磁性層１０に飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた場合、白く抜いた点が参照層６と強磁性層１０に飽和磁化４００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた場合を示している。記録層２および反強磁性層８には図８に示す場合と同じ条件を用いている。またＭＴＪ素子のサイズは直径５０ｎｍの円を用いた。図８に示す場合と同様に、参照層６の飽和磁化Ｍｓ１が小さいほうが強磁性層１０の膜厚ｔ２を薄くすることが可能となる。また、参照層６の膜厚ｔ１が薄いほうが強磁性層１０の膜厚ｔ２を薄くすることが可能である。例えば、参照層６と強磁性層１０との比較において、参照層６の飽和磁化Ｍｓ１を強磁性層１０の飽和磁化Ｍｓ２よりも小さくすること、おおよび参照層６の膜厚ｔ１を強磁性層１０の膜厚ｔ２よりも薄くすることの少なくとも一方の関係を満たすようにすれば、参照層６から記録層２に漏れる磁場を抑制することができる。ただし、参照層６の薄膜化は参照層に十分な熱擾乱耐性を持たせるため限界がある。
【００３６】
以上説明したような構成にすることにより、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、記憶層にかかる漏れ磁場を可及的に低減することができる。
【００３７】
次に、第１実施形態における、記憶層２、参照層６および強磁性層１０に用いられる垂直磁気異方性を有する磁性材料について説明する。本実施形態のＭＴＪ素子に用いられる垂直磁化材料としては、以下の材料が用いられる。
【００３８】
（１）規則合金
膜面内方向に対して（００１）面に配向したｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を基本構造とするＬ１０構造の規則合金を用いることができる。
【００３９】
記憶層２および参照層６の磁性材料には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びマンガン（Ｍｎ）のうち１つ以上の元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、およびアルミ（Ａｌ）のうち１つ以上の元素とを含む合金であって、かつ結晶構造がＬ１０構造の規則合金が挙げられる。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｆｅ5０Ｐｔ3０Ｒｈ20、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｍｎ５０Ａｌ５０等の規則合金が挙げられる。これらの規則合金の組成比は一例であり、上記組成比に限定されるものではない。なお、これらの規則合金に、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、ボロン（Ｂ）等の不純物元素単体或いはそれらの合金、又は絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を低く調整することができる。また、組成比を調整することによって、Ｌ１０構造の規則合金とＬ１２構造の規則合金との混合層を用いても良い。
【００４０】
（２）不規則合金
コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を含む不規則合金を用いることができる。不規則合金として、例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
【００４１】
（３）人工格子
鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１つの元素を含む合金と、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）のうちの少なくとも１つの元素を含む合金とが交互に積層された積層膜からなる人工格子が用いられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ人工格子、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
【００４２】
（４）重希土類金属
重希土類金属と遷移金属との合金からなる磁性体を用いることができる。例えば、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、或いはガドリニウム（Ｇｄ）と、遷移金属のうちの少なくとも１つの元素とを含むアモルファス合金を用いることができる。或いはサマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）と、遷移金属のうちの少なくとも１つの元素を含む合金を用いることができる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ、ＳｍＣｏ、ＮｄＣｏ、ＤｙＣｏ等が挙げられる。これらの合金は、組成比を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
【００４３】
また記憶層２と参照層６は非磁性層４と接する界面において高分極率を有するＣｏＦｅＢ或いはＣｏＦｅ、Ｆｅを挟んだ積層膜を用いることで高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子を形成してもよい。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリ（ＭＲＡＭ）について図１０乃至図１１を参照して説明する。
【００４５】
本実施形態のＭＲＡＭの回路図を図１０に示す。本実施形態のＭＲＡＭは、第１実施形態のＭＴＪ素子１をメモリセルの記憶素子として用いている。このＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ３０を備えている。メモリセルアレイ３０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ、／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ３０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。
【００４６】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１、及びｎチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ３１を備えている。ＭＴＪ素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ３１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ３１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ３１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【００４７】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３２が接続されている。ビット線対ＢＬ、／ＢＬには、書き込み回路３４及び読み出し回路３５が接続されている。書き込み回路３４及び読み出し回路３５には、カラムデコーダ３３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３２及びカラムデコーダ３３により選択される。
【００４８】
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ３１がオン状態となる。ここで、ＭＴＪ素子１には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＴＪ素子１に、図１０において左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、ＭＴＪ素子１に、図１０において右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
【００４９】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、データ読み出しを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ３１がオン状態にとなる。読み出し回路３５は、ＭＴＪ素子１に、例えば図１０において右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路３５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１に記憶されたデータを読み出すことができる。
【００５０】
次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図１１は、１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【００５１】
ｐ型半導体基板４０の表面領域には、素子分離絶縁層４１が設けられ、この素子分離絶縁層４１が設けられていない半導体基板４０の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層４１は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。
【００５２】
半導体基板４０の素子領域に選択トランジスタ３１が形成される。この選択トランジスタ３１は、互いに離間したソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂが設けられている。このソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂはそれぞれ、半導体基板４０内に高濃度のｎ＋型不純物を導入して形成されたｎ＋型拡散領域から構成される。ソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂ間のチャネル４３となる半導体基板４０の領域上には、ゲート絶縁膜５１が形成され、このゲート絶縁膜５１上にゲート電極５２が設けられている。ゲート電極５２は、ワード線ＷＬとして機能する。
【００５３】
ソース領域４２ａ上には、コンタクト６２を介して配線層６３が設けられている。配線層６３は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域４２ｂ上には、コンタクト６４を介して引き出し線６５が設けられている。引き出し線６５上には、下部電極７１と、上部電極７２に挟まれたＭＴＪ素子１が設けられている。上部電極７２上には、配線層７６が設けられている。配線層７６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板４０と配線層７６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層６７で満たされている。
【００５４】
以上詳述したように本実施形態によれば、第１実施形態のＭＴＪ素子１を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、ＭＴＪ素子１は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  磁気抵抗効果素子
２  記憶層
４  非磁性層
６  参照層
８  反強磁性層
１０  強磁性層
１１  非磁性層
【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】
2010232447.tif 000008
【図７】
2010232447.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010232447.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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