(57)【要約】本発明は、読み出し耐性及び保持特性等の信頼性を損なうことなく、スイッチング時の電流密度を低減することができる磁気メモリー素子及びその駆動方法を提供する。垂直磁化膜からなるフリー層１５及びピン層１３と、フリー層１５とピン層１３とによって挟まれた非磁性層１４とを備えるスピンバルブ構造の磁気トンネル接合部２０、及び、面内磁化膜１７を有し、電気パルスを印加することにより情報を記録する磁気メモリー素子である。面内磁化膜１７は、電気パルスの印加に基づく温度変化によって反強磁性（低温側）−強磁性（高温側）相転移を示す。磁気メモリー素子の情報記録・消去時は、面内磁化膜１７を介して磁気トンネル接合部２０に情報記録・消去に適応する極性の電気パルスを印加し、面内磁化膜１７の温度を転移温度以上にする。情報読み出し時は、情報読み出しに適応する極性の電気パルスを印加し、面内磁化膜１７の温度は転移温度以下である。
2011001746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁化膜からなるフリー層と、垂直磁化膜からなるピン層と、前記フリー層と前記ピン層とによって挟まれた非磁性層とを備えるスピンバルブ構造の磁気トンネル接合部を有し、前記磁気トンネル接合部に電気パルスを印加することにより情報を記録する磁気メモリー素子であって、
前記電気パルスの通路中に介在する形態で前記磁気トンネル接合部に面内磁化膜を配設し、
前記面内磁化膜は、前記磁気トンネル接合部への前記電気パルスの印加に基づく温度変化によって反強磁性（低温側）−強磁性（高温側）相転移を示すように構成されていることを特徴とする磁気メモリー素子。
【請求項２】
前記面内磁化膜は、非磁性金属層を介して前記磁気トンネル接合部に配設されることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリー素子。
【請求項３】
前記面内磁化膜は、前記フリー層側に配設されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気メモリー素子。
【請求項４】
前記面内磁化膜は、前記ピン層側に配設されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気メモリー素子。
【請求項５】
前記面内磁化膜が、ＦｅＲｈ合金からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリー素子。
【請求項６】
前記面内磁化膜を構成するＦｅＲｈ合金が、Ｉｒ、Ｐｄ、又はＰｔのうち少なくともいずれか１つの元素を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリー素子。
【請求項７】
前記面内磁化膜の膜厚が、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項５又は６に記載の磁気メモリー素子。
【請求項８】
垂直磁化膜からなるフリー層と、垂直磁化膜からなるピン層と、前記フリー層と前記ピン層とによって挟まれた非磁性層とを備えるスピンバルブ構造の磁気トンネル接合部を有する磁気メモリー素子の駆動方法であって、
温度に応じて反強磁性（低温側）−強磁性（高温側）相転移を示す面内磁化膜を前記磁気トンネル接合部に設けるステップと、
情報記録消去時において、前記面内磁化膜を介して前記磁気トンネル接合部に情報記録消去に適応する極性の電気パルスを印加することにより、前記面内磁化膜の温度を前記転移温度以上にするステップと、
情報読み出し時において、前記面内磁化膜を介して前記磁気トンネル接合部に情報読み出しに適応する極性の電気パルスを印加することにより、前記面内磁化膜の温度を前記転移温度以下にするステップと、
を含むことを特徴とする磁気メモリー素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的手段によって情報を記憶可能とする磁気メモリー素子及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュメモリーに代表される不揮発性半導体記憶装置の大容量化は著しく、３２Ｇバイトもの容量をもつ製品のリリースがアナウンスされるに至っている。不揮発性半導体記憶装置は、特にＵＳＢメモリ及び携帯電話用のストレージとしての商品価値が増している。すなわち、不揮発性半導体記憶装置は、耐振動性、高信頼性、及び低消費電力といった固体素子メモリならではの原理的な優位性をもつことから、上記の音楽用及び画像用の携帯型或いは可搬型電子機器用ストレージデバイスとして主流になりつつある。【０００３】
一方、上記のストレージとは別に、情報機器のメインメモリーとして現在使用されているＤＲＡＭに不揮発性を与えることによって、使用時には瞬時に起動し、待機時には消費電力を限りなく零とするコンピュータ、所謂「インスタント・オン・コンピュータ」の実現に向けた研究も精力的に行われている。これを実現するためには、ＤＲＡＭとして要求される技術仕様である、（１）スイッチング速度が５０ｎｓ未満、（２）書換え回数が１０１６を超える、という要求を満足し、なおかつ不揮発性を備えるメモリが必要であると言われている。【０００４】
このような次世代の不揮発性半導体記憶装置の候補として、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）、相変化メモリ（ＰＲＡＭ）等の各種の原理に基づく不揮発性メモリ素子の研究開発が行われている。その中でも、上記のＤＲＡＭを代替するための技術仕様を満たす候補として、ＭＲＡＭが有望と見られている。なお、上記技術仕様に挙げた書換え回数（＞１０１６）は、３０ｎｓで１０年間のアクセスを続ける場合のアクセス回数に基づいて想定されている数値である。メモリが不揮発性である場合にはリフレッシュサイクルが不要であるため、これほどの回数が必要ではない場合がある。ＭＲＡＭは、試作レベルではあるものの、１０１２以上の書換え回数をクリアしており、そのスイッチング速度も高速（＜１０ｎｓ）であることから、他の不揮発性半導体記憶装置の候補となる技術と比較して、実現性がとりわけ高いと見られている。【０００５】
このＭＲＡＭの問題点は、セル面積が大きいこと及びそれに伴うビットコストが高いことである。現在商品化されている小容量（４Ｍｂｉｔ程度）のＭＲＡＭは、電流磁場書換え型である。そのセル面積は、２０〜３０Ｆ２（Ｆは製造プロセスの最小加工寸法）以上と余りにも大きすぎるため、ＤＲＡＭの置き換え技術としては現実的ではない。これに対して、２つのブレークスルーとなる技術が状況を変えつつある。１つはＭｇＯトンネル絶縁膜を用いた磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子であり、２００％以上の磁気抵抗が容易に得られる技術である（例えば、非特許文献１参照）。もう１つは電流注入磁化反転方式（ＳＴＴ方式）である。ＳＴＴ方式は、電流磁場書換え方式においては致命的であった微細セルでの反転磁場が増大するという問題を回避可能な技術、つまり、スケーリングによる書き込みエネルギーの低減を可能とする技術である。このＳＴＴ方式により、理想的には１トランジスタ−１ＭＴＪが可能となるため、セル面積は６〜８Ｆ２とＤＲＡＭ並みになると想定される（例えば、非特許文献２参照）。【０００６】
ＳＴＴ方式は、電流の極性によりフリー層の磁化を反転させる方式である。フリー層とピン層の磁化が平行になるためには、フリー層側から電流を流す、すなわち、ピン層側から非磁性層を介してスピン偏極した電子をフリー層に注入する。逆に、反平行にするためには、ピン層側から電流を流す、すなわち、フリー層側から非磁性層を介してスピン偏極した電子をピン層側に注入する。このとき、ピン層と平行な電子のみ透過し、ピン層と平行でないスピンを有する電子は反射され、フリー層に蓄積される。その結果、フリー層の磁化は、ピン層と反平行配置になると考えられる。すなわち、局在スピンを含めた角運動量が保存するように電子を注入する方式である。【０００７】
上記のＳＴＴ方式においては、１Ｇビット以上の高集積化に際して、０．５ＭＡ／ｃｍ２までスイッチング時の電流密度を低減する必要があることから、様々な工夫がなされている。例えば、フリー層の磁化と直交する容易磁化軸を有する磁性層を、フリー層の上部に非磁性金属層を介して設けた構造が開示されている（特許文献１参照）。これはフリー層の磁化と直交するスピン流をフリー層に注入することで、スイッチングに必要な電流密度の低減を狙ったものである。特に、垂直磁化膜を用いたＭＴＪは、面内磁化膜を用いた素子と比較して、（１）電流密度の低減、（２）セル面積の低減、という利点が期待されていることから、垂直磁化膜を用いたＭＴＪにおいて上記の手法を適用することは有望であると考えられる。【０００８】
また、磁気相の転移、つまり、反強磁性から強磁性への転移及び強磁性から反強磁性への転移が可能な磁気相転移層をフリー層上に直接形成し、該２層を交換結合させた構造も開示されている。これは、上記２層を磁気的に結合させることで、垂直磁化から面内磁化への磁気相転移層の磁化の変化により、スイッチング時の磁化を小さくし、スイッチング時の電流密度を低減する効果を目指したものである（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２８３６２号公報
【特許文献２】特開２００９−８１２１５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】D.D. Djayaprawira他, “230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions”, Applied Physics Letters, Vol. 86, 092502, 2005年
【非特許文献２】J. Hayakawa他, “Current-induced magnetization switching in MgO barrier based magnetic tunnel junctions with CoFeB/Ru/CoFeB systhetic ferromagnetic free layer”, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 45, L1057-L1060, 2006年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、最初に引用した構造（特許文献１）では、スイッチング時の電流密度の低減は期待されるものの、それと引き換えに、不揮発メモリー素子としての信頼性が損なわれるという問題がある。すなわち、読み出し時においても、フリー層の上部に設けた磁性層から漏れる磁界が、情報を記憶しているフリー層の磁化へ作用していることから、読み出しディスターブの問題が引き起こされ、保持特性の劣化という問題が発生する。【００１２】
また、二番目に引用した構造（特許文献２）では、スイッチング特性が磁気相転移層とフリー層との磁気的結合、すなわち、前記交換結合の質に依存するという問題がある。すなわち、この結合の具合によって、スイッチング特性がばらつくという問題が懸念される。【００１３】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、読み出し耐性及び保持特性等の信頼性を損なうことなく、スイッチング時の電流密度を低減することができる磁気メモリー素子及びその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願の発明者らは、上記課題を吟味した結果、以下に示す磁気メモリー素子及びその駆動方法の発明に至った。【００１５】
すなわち、本発明に係る磁気メモリー素子は、垂直磁化膜からなるフリー層と、垂直磁化膜からなるピン層と、前記フリー層と前記ピン層とによって挟まれた非磁性層とを備えるスピンバルブ構造の磁気トンネル接合部を有し、前記磁気トンネル接合部に電気パルスを印加することにより情報を記録する磁気メモリー素子であって、前記電気パルスの通路中に介在する形態で前記磁気トンネル接合部に面内磁化膜を配設し、前記面内磁化膜は、前記磁気トンネル接合部への前記電気パルスの印加に基づく温度変化によって反強磁性（低温側）−強磁性（高温側）相転移を示すように構成されていることを特徴とする。【００１６】
また、本発明に係る磁気メモリー素子の駆動方法は、垂直磁化膜からなるフリー層と、垂直磁化膜からなるピン層と、前記フリー層と前記ピン層とによって挟まれた非磁性層とを備えるスピンバルブ構造の磁気トンネル接合部を有する磁気メモリー素子の駆動方法であって、温度に応じて反強磁性（低温側）−強磁性（高温側）相転移を示す面内磁化膜を前記磁気トンネル接合部に設けるステップと、情報記録消去時において、前記面内磁化膜を介して前記磁気トンネル接合部に情報記録消去に適応する極性の電気パルスを印加することにより、前記面内磁化膜の温度を前記転移温度以上にするステップと、情報読み出し時において、前記面内磁化膜を介して前記磁気トンネル接合部に情報読み出しに適応する極性の電気パルスを印加することにより、前記面内磁化膜の温度を前記転移温度以下にするステップと、を含むことを特徴とする。【００１７】
上記構成により、スイッチング時の電流密度を低減することができ、読み出し又は保持状態においては相転移面内磁化膜の漏れ磁界が発生しないため、高い信頼性を確保することが可能となる。【００１８】
ここで、スピンバルブ構造とは磁性層（ピン層）／非磁性層／磁性層（フリー層）からなる構造である。ピン層の磁化配置は、フリー層の磁化配置よりも、例えば電流注入磁化反転によって、反転しにくく構成されている。ピン層の磁化配置を反転しにくくするためには、ピン層に近接するように反強磁性層を設けて、当該ピン層と反強磁性層との間における磁化同士の交換結合相互作用によって、ピン層の実効的な保磁力を増大させる手法を用いることができる。また、別の態様として、ピン層の層厚を十分に厚くして磁化の変化をしにくくするようにもできるし、ピン層の磁気的性質をフリー層のものとは異なるようにしてもよい。いずれの場合であっても、情報の読み出しは、フリー層の磁化がピン層の磁化に対してなす角度に応じて相対的に変化した場合の磁化の組み合わせに対応して抵抗値が変わる現象、すなわち、フリー層の磁化とピン層の磁化が平行となる配置（平行配置）の場合に最も抵抗値が低く、フリー層の磁化とピン層の磁化が反平行となる配置（反平行配置）の場合に最も抵抗値が高くなる現象を利用することができる。【００１９】
非磁性層は、磁性層間（ピン層とフリー層との間）の磁気結合を切断する役割を果たしている。金属が用いられた場合には、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子として、絶縁体が用いられた場合には、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子としてそれぞれ動作する。但し、電流でスイッチングを行う場合には、ピン層は必ずしも保磁力（Ｈｃ）又は磁気異方性（Ｋｕ）が大きい必要はない。磁化（Ｍｓ）が十分大きく、スピンの才差運動が起こりにくいことが重要である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る磁気メモリー素子及びその駆動方法によれば、読み出し耐性及び保持特性等の信頼性を損なうことなく、スイッチング時の電流密度を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子の読み出し動作時（図２（ａ））と記録消去動作時（図２（ｂ））における相転移面内磁化膜の磁化（（ａ）は反強磁性、（ｂ）は強磁性）を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）は読み出し動作及び記録消去動作に使用する電気パルスの電流密度（ＪＲ、ＪＷ）を、図３（ｂ）は、電流密度ＪＲ、ＪＷの電気パルスを印加した時の相転移面内磁化膜１７の温度（ＴＲ、ＴＷ）と、相転移面内磁化膜１７のネール温度（ＴＮ）とを、図３（ｃ）は相転移面内磁化膜１７における磁化の温度依存性を、それぞれ示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子の、図４（ａ）フリー層上部、図４（ｂ）ピン層下部、に相転移面内磁化膜を設けた構造を示す模式図である。
【図５】本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子の、平行配置から反平行配置へのスイッチング過程を示した模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子の、反平行配置から平行配置へのスイッチング過程を示した模式図である。
【図７】本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子の相転移面内磁化膜として用いるＦｅＲｈ膜へのＩｒ、Ｐｄ置換によるＴＮの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る磁気メモリー素子及びその駆動方法の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る磁気メモリー素子に用いるＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子の断面図である。このＴＭＲ素子を作製する場合には、基板１１上に下部電極１２、垂直磁化膜からなるピン層１３、非磁性層１４としてのトンネル絶縁膜、垂直磁化膜からなるフリー層１５が順次スパッタ法により形成され、その上部に、２ｎｍ以下の膜厚を有する非磁性金属層１６と、２０ｎｍの膜厚を有する相転移面内磁化膜１７が形成される。
本実施形態では、上記下部電極１２をＣｕ／Ｔａによって、上記ピン層１３をＦｅＰｔによって、上記非磁性層１４をＭｇＯによって、上記フリー層１５をＦｅＰｔ／ＣｏＦｅによって、上記非磁性金属層１６をＣｕによって、また、上記相転移面内磁化膜１７をＦｅＲｈによって、それぞれ形成している。
ピン層１３及びフリー層１５の材料としてＦｅＰｔを使用し、相転移面内磁化膜１７の材料としてＦｅＲｈを使用する際には、成膜温度を３５０〜５００℃に設定することが好ましい。また、積層膜を一括して作製した後に、ランプ又はレーザーを用いたＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）による結晶化プロセスを用いてもよい。
次に、このようにして作製した磁性多層膜をＡｒイオンミリング等の手法により２００×１００ｎｍの接合サイズに加工し、その後、層間絶縁膜１８（ＳｉＯ２）を形成する。その後、要素１３〜１５からなる磁気トンネル接合部２０及び下部電極１２を介して上部電極１９（Ｃｕ／Ｔａ）を形成する。本実施形態では、上記したように、ピン層１３の材料として、巨大な磁気異方性（Ｋｕ）を有するＦｅＰｔを使用しているが、その理由は以下の通りである。すなわち、ピン層１３としてＦｅＰｔを採用すると、相転移面内磁化膜１７からの面内成分スピン流によっても垂直ピン層１３は反転しないからである。また、本実施形態では、垂直フリー層１５としてＦｅＰｔ／ＣｏＦｅの二層構造を用いるが、その理由は以下の通りである。すなわち、ＦｅＰｔは、磁化の反転に要するエネルギーが大きいが、ＣｏＦｅは、磁化の反転に要するエネルギーが小さい。したがって、フリー層１５をＦｅＰｔのみで形成するよりも、ＦｅＰｔにＣｏＦｅを付加した材料で形成した方が、フリー層１５の磁化の反転が容易となるからである。
なお、上記非磁性金属層１６としては、上記各要素の材料として用いられているＦｅＲｈ（２．９８６Å）、ＦｅＰｔ（３．７Å）、ＭｇＯ（４．２Å）に対して格子不整合の小さい材料を用いることが望ましい。具体的には、面内の格子がＦｅＰｔ、ＭｇＯ等に対して平行となる配置をとることが可能なＡｇ（４．０８６Å）、Ａｌ（４．０４９Å）、又はＦｅＲｈと同様に、４５度傾いた配置をとることが可能なＣｒ（２．８８４Å）等が好ましい。これらの材料によれば、良好な格子定数の関係が得られるので、良好な結晶性をもつ磁性多層膜を作製することが可能となる。
【００２４】
上記したように、フリー層１５は、垂直磁化膜によって形成されている。このフリー層１５によれば、形状異方性を付与することなく安定なスイッチングが可能になるため、素子面積を等方的に（具体的には円又は正方形に）することができる。すなわち、集積度向上の点で有利となる。
【００２５】
本発明の実施形態に係る磁気メモリー素子は、上記ＴＭＲ素子を用いて構成される。図２（ａ）は、この磁気メモリー素子の読み出し動作時における相転移面内磁化膜１７の磁化の形態（反強磁性）を示す模式図であり、また、図２（ｂ）は、該磁気メモリー素子の記録消去動作時における相転移面内磁化膜１７の磁化の形態（強磁性）を示す模式図である。非動作時又は読み出し動作時において、スピンバルブ構造を有するＭＴＪ２０の上部に位置した相転移面内磁化膜１７の温度は相転移面内磁化膜１７のネール温度（ＴＮ）以下である。そのため、相転移面内磁化膜１７は反強磁性相となり、漏れ磁界は発生しない。一方、記録消去時には、電気パルスが微小な磁気トンネル接合部２０に印加され、これに伴って、相転移面内磁化膜１７の温度は上昇する。相転移面内磁化膜１７の温度は、一般には、１００℃以上にまで上昇する。相転移面内磁化膜１７のＴＮを記録消去時の上昇温度以下にすることで、該膜１７に強磁性相が発現する。このとき、本実施形態では、相転移面内磁化膜１７として容易磁化軸が面内にある磁性体を使用しているので、記録消去時の電気パルスに伴う電流によって、面内成分をもったスピン流がフリー層１５に注入され、その結果、フリー層１５の磁化反転（スイッチング）が容易になるという効果が得られる。
【００２６】
図３（ａ）は読み出し動作及び記録消去動作に使用する電気パルスの電流密度（ＪＲ、ＪＷ）を示すグラフである。図３（ｂ）は、電流密度ＪＲ、ＪＷの電気パルスを印加した時の相転移面内磁化膜１７の温度（ＴＲ、ＴＷ）と、相転移面内磁化膜１７のネール温度（ＴＮ）とを示すグラフである。また、図３（ｃ）は相転移面内磁化膜１７における磁化の温度依存性を示すグラフである。
図３（ａ）に示すように、読み出し時の電流密度ＪＲは十分小さい値（例えば、５０μＡ）を使用し、記録消去時の電流密度ＪＷは十分大きい値（例えば、５００μＡ）を使用する。このとき磁気トンネル接合部２０の温度は、図３（ｂ）に示すように、ＴＲからＴＷへと、ＴＮを挟んで変化する。そして、図３（ｃ）に示すように、相転移面内磁化膜１７における面内磁化膜の磁化は温度Ｔに依存する。すなわち、Ｔ＝ＴＲのときには反強磁性相を示し、Ｔ＝ＴＷのときには強磁性相を示す。このことから、図２に示したように、スピンバルブ構造を有する磁気トンネル接合部２０の上部に形成した相転移面内磁化膜１７は、読み出し時には反強磁性相となり、記録消去時には強磁性相となる。
【００２７】
図４に示すように、上記相転移面内磁化膜１７は、フリー層１５の上部に形成する構造（図４（ａ））の他に、ピン層１３の下部に非磁性金属層１６を挟んで形成してもよい（図４（ｂ））。なぜなら、相転移面内磁化膜１７から注入される面内成分をもったスピン流は、ピン層１３を透過してフリー層１５に作用することが可能だからである。このとき、ピン層１３は反転しないように設計する必要がある。このピン層１３の反転は、該層１３の膜厚を十分厚くする、磁気異方性（Ｋｕ）の大きい材料を該層１３の材料として選択する等の公知の方法を用いることによって回避することができる。
【００２８】
次に、磁気トンネル接合部２０におけるフリー層１５の垂直磁化膜に相転移面内磁化膜１７における面内成分のスピン流を注入した際に、どのようにスイッチングが起こるかについて説明する。図５は、図４（ａ）の構成における平行配置から反平行配置へのスイッチング過程を示した模式図である。図４では、電子が、磁気トンネル接合部２０の上方から下方に向けて流れ込む配置としている。図５（ａ）は初期状態を示す。この初期状態において、相転移面内磁化膜１７は反強磁性相としての形態を有し、したがって、漏れ磁界は発生していない。図５（ｂ）は、記録消去動作に対応した電気パルスＪＷを印加した際の模式図である。このとき、相転移面内磁化膜１７の温度が上昇し、相転移面内磁化膜１７は強磁性相となるため、面内磁化が発生する。これにより、面内成分をもったスピン流がフリー層１５に注入され、フリー層１５の垂直磁化は傾き、反転又は才差運動が誘起される。その結果、垂直方向の成分は反転する（図５（ｃ））。電気パルスの印加後には、相転移面内磁化膜１７の温度はＴＮ以下に低下するため、スピン流の面内成分は消失し、フリー層１５の磁化は反転を完了する（図５（ｄ））。
【００２９】
図６は、反平行配置から平行配置へのスイッチング過程を示した模式図である。ここでは、電流の極性が反転されるので、電子は、磁気トンネル接合部２０の下方から上方に向けて流れ込む。図６（ａ）は初期状態を示す。図５に示す平行配置から反平行配置へのスイッチングと異なる点は、電子がピン層１３側から注入されるため、フリー層１５に作用する面内成分のスピン流が、一旦相転移面内磁化膜１７で反射して、相転移面内磁化膜１７の磁化と反対方向の面内成分をもつことである。しかし、反転及び才差運動のしやすさは、面内方向の成分の向きには依存しない。したがって、図５の場合と同様に、フリー層１５の垂直磁化は傾き、反転又は才差運動が誘起され（図６（ｂ））、それによって垂直方向の成分は反転し（図６（ｃ））、電気パルスの印加後にフリー層１５の磁化は反転を完了する（図６（ｄ））。
【００３０】
このような反強磁性−強磁性相転移を示す相転移面内磁化膜１７の面内磁化膜としては、ＦｅＲｈ合金を用いることが有用である。ＦｅＲｈは、室温以上（およそ７０℃）のネール温度ＴＮで反強磁性−強磁性相転移をし、キュリー温度はおよそ４００℃と十分高い。また、ＦｅＲｈはｂｃｃ（Ｂｏｄｙ  Ｃｅｎｔｅｒｅｄ  Ｃｕｂｉｃ）構造をとり、３５０〜５００℃のプロセス温度で結晶性の優れた膜を作製することが可能である。そのため、例えば同じｂｃｃ構造を有するＣｒ、あるいは、ｆｃｃ（Ｆａｃｅ  Ｃｅｎｔｅｒｅｄ  Ｃｕｂｉｃ）構造ではあるが格子不整合の小さいＡｌ、Ａｇ等の非磁性金属層１６を介して、ＦｅＰｔ、ＣｏＦｅ等のｂｃｃ構造を有するフリー層１５上に、優れた磁気特性を示す相転移面内磁化膜１７としての薄膜を作製することが可能である。既に述べたように、ＦｅＲｈの格子定数は２．９８６Åであり、ＭｇＯの格子定数は４．２Åである。ＦｅＲｈの格子を面内で４５度回転させると４．２Åとなり格子整合が良い。このＦｅＲｈからなる相転移面内磁化膜１７は、ＭｇＯ上又はＭｇＯ上にエピタキシャル成長したｂｃｃ構造を有するフリー層１５上で結晶成長しやすい。
【００３１】
さらに、相転移面内磁化膜１７の材料であるＦｅＲｈにＩｒを置換（添加）することにより、ＴＮを２００℃にまで調整することが可能である。図７に示すように、置換量ｘに対してＴＮの増加はほぼ線形である。Ｉｒは、２％の添加で１３０℃、４％の添加で２００℃にまでＴＮを増大させることが可能である。但し、あまりＴＮを増大させると、相転移に必要となる電気パルスの値が大きくなってしまうことに注意する必要がある。ＴＮは、８０〜１００℃の範囲が好ましい。一方、ＴＮはＰｄ、Ｐｔの添加によって減少する。例えば図５に示すように、Ｐｄ２％の添加でＴＮは３０℃程度まで減少する。この場合、使用温度によっては多少の漏れ磁界が発生する。しかし、ＴＮが低いため、デバイスの要求仕様によっては、電流密度をより低減することが可能となる。このように、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ等の置換（添加）によりＴＮを調整できるということは、デバイス動作温度設計の際に大変役に立つ。例えば、−３０〜８０℃での動作を保証する場合には、ＴＮを８０℃に設定することによって、相転移面内磁化膜１７は反強磁性相となるため、読み出しのディスターブ及び保持特性の劣化を防止することができる。また、ＦｅＲｈは２０ｎｍの膜厚でシャープな反強磁性−強磁性相転移をするということが知られているため、フリー層１５の膜厚は２０ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、読み出し動作と記録消去動作とのマージンを広くとることが可能となる。
【００３２】
以上において、図４（ａ）に示す構成に基づいて動作を説明したが、図４（ｂ）に示す構成においても、上記の動作に準じた動作が行われるので、その動作について説明を省略する。
【００３３】
上記構成の磁気メモリー素子では、相転移面内磁化膜１７を設けてあるので、スイッチングに必要な反転電流密度を、平行から反平行の場合には最大およそ５０％、反平行から平行の場合には最大およそ３０％減少させることが可能となり、スイッチング時間は５０％程度短縮される。
また、上記構成におけるネール温度ＴＮはおよそ８０℃であるため、読み出し時に、相転移面内磁化膜１７からの漏れ磁界はない。そのため、読み出し時のディスターブはなく、室温（２７℃）〜８０℃の間では保持特性の劣化は全くない。
なお、図５（ｂ）に示す記録消去時においては、相転移面内磁化膜１７が強磁性相となるので、面内磁化を発生する。その際、フリー層１５との静磁結合により膜面内から磁化が垂直方向に傾くことがある。この場合も同様に、反転電流密度の低減が可能であることが確認されている。磁化の角度によっては、反転電流密度はより低減する場合もある。
【００３４】
以上のように、本発明に係る磁気メモリー素子及びその駆動方法においては、相転移面内磁化膜を設けることにより、読み出し耐性及び保持特性等の信頼性を損なうことなく、スイッチングに必要となる電流密度を低減した磁気トンネル接合部２０が実現可能となる。なお、本実施形態で例示した各構成の材料及びその組成、ならびに形成方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、相転移面内磁化膜１７の材料であるＦｅＲｈの組成比は必ずしもＦｅ：Ｒｈ＝１：１である必要はなく、Ｒｈが多いとＴＮが高くなるという特性を利用して、Ｉｒ、又はＰｄ、Ｐｔの添加により、適宜ＴＮを調整すればよい。好ましくは、Ｒｈは４０〜６０％、Ｉｒ、又はＰｄ、Ｐｔは１〜４％の範囲とすることで、素子の使用温度上限（およそ８０℃）にＴＮを設定することが可能となる。また、ピン層１３及びフリー層１５は垂直磁化膜としてＦｅＰｔを使用した例を提示したが、その他、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＣｏ等のアモルファス希土類遷移金属、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜等、様々な材料を適宜用いることが可能である。特に、フリー層１５に上記アモルファス材料や格子整合の良くない結晶を用いる場合においても、ＦｅＲｈと格子整合した材料を非磁性金属層１６として用いることによって、良好な結晶のＦｅＲｈを得ることができる。これは非磁性金属層１６がＦｅＲｈのバッファ層として作用し、アモルファス層あるいは格子整合の良くない層上にＦｅＲｈ膜を形成する際に避けられない欠陥を非磁性金属層１６内で解消することが可能なためである。
【符号の説明】
【００３５】
１１  基板
１２  下部電極
１３  垂直ピン層
１４  非磁性層
１５  垂直フリー層
１６  非磁性金属層
１７  相転移面内磁化膜
１８  層間絶縁膜
１９  上部電極
２０  磁気トンネル接合部
【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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【国際調査報告】
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