(57)【要約】  磁気メモリのメモリセルに適用される磁気抵抗効果素子において高い熱安定性定数を実現する。  スピントランスファートルクによる電流磁化反転を用いて書き込みを行う磁気抵抗効果素子３０４の自由層４１５を、非磁性の反平行結合層４０４，４０６，４０８を介して積層された３層以上の強磁性層４０３，４０５，４０７，４０９により構成した。自由層を構成する複数の強磁性層の磁化方向４１１−４１４は固定層の磁化方向４１０と平行あるいは反平行であり、反平行結合層を挟んで設けられた２つの強磁性層の磁化方向は互いに反平行である。また、磁化方向が一方を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和は、磁化方向がそれと反平行を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和と略等しく設定した。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定された固定層と、前記固定層の上に形成された非磁性層と、前記非磁性層の上に形成された磁化方向が可変な自由層と、膜厚に垂直な方向に電流を流すための一対の電極とを有し、スピントランスファートルクによる電流磁化反転を用いて書き込みを行う磁気抵抗効果素子において、
前記自由層は、非磁性の反平行結合層を介して積層された３層以上の強磁性層を備え、前記複数の強磁性層の磁化方向は前記固定層の磁化方向と平行あるいは反平行であり、前記反平行結合層を挟んで設けられた２つの強磁性層の磁化方向は互いに反平行であり、磁化方向が一方を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和は、磁化方向がそれと反平行な方向を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和と略等しいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記自由層が備える強磁性層の数は偶数であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記自由層は膜厚が等しく同じ材料からなる４層の強磁性層を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記３層以上の強磁性層には膜厚の異なる強磁性層が含まれることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記３層以上の強磁性層には材料の異なる強磁性層が含まれることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記固定層に接して反強磁性層が設けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記反平行結合層の上下に拡散防止層を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記固定層の上に形成された非磁性層は絶縁層であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
磁化方向が固定された固定層と、前記固定層の上に形成された非磁性層と、前記非磁性層の上に形成された磁化方向が可変な自由層と、膜厚に垂直な方向に電流を流すための一対の電極とを有し、前記自由層は、非磁性の反平行結合層を介して積層された３層以上の強磁性層を備え、前記複数の強磁性層の磁化方向は前記固定層の磁化方向と平行あるいは反平行であり、前記反平行結合層を挟んで設けられた２つの強磁性層の磁化方向は互いに反平行であり、磁化方向が一方を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和は、磁化方向がそれと反平行な方向を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和と略等しく、スピントランスファートルクによる電流磁化反転を用いて書き込みを行う磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と
を備えることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、
磁化方向が固定された固定層と、前記固定層の上に形成された非磁性層と、前記非磁性層の上に形成された磁化方向が可変な自由層と、膜厚に垂直な方向に電流を流すための一対の電極とを有し、前記自由層は、非磁性の反平行結合層を介して積層された３層以上の強磁性層を備え、前記複数の強磁性層の磁化方向は前記固定層の磁化方向と平行あるいは反平行であり、前記反平行結合層を挟んで設けられた２つの強磁性層の磁化方向は互いに反平行であり、磁化方向が一方を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和は、磁化方向がそれと反平行な方向を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和と略等しく、スピントランスファートルクによる電流磁化反転を用いて書き込みを行う磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と
を備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子及びそれを用いる磁気メモリ、磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ダイナミック・ランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）に代表されるメモリの分野では高速、高集積、低消費電力という３つの要求を満たす、新しいメモリの研究開発が世界中で行われている。これらの条件を満たし、さらに不揮発性を有するメモリの候補として、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は非常に期待されている。【０００３】
ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果素子にビット情報を記録する。磁気抵抗効果素子は、非磁性層を２つの強磁性層で挟んだ３層構造を基本構造とする。強磁性層の一方（固定層）は磁化方向が固定されており、他方（自由層）は磁化方向が可変である。強磁性層の磁化方向が互いに平行のとき低抵抗に、反平行のとき高抵抗になる。ＭＲＡＭでは、この抵抗変化をビット情報の「０」と「１」に対応させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２９４７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁気抵抗効果素子をメモリセルに用いたＭＲＡＭでは、書き込みの対象とされる「０」と「１」のビット情報に応じて、スピントランスファートルクによる電流磁化反転を用いて書き込みを行う。「０」を「１」に書き換える際は、電子が自由層から固定層に向かって移動する向きに電流を印加する。この場合、自由層を通過して固定層に到達した電子は、固定層の磁化方向と同じ向きにスピン分極している電子のみ固定層を通過し、逆向きにスピン分極した電子は反射される。この反射された電子が自由層にトルクを与え、電流がある閾値を超えたとき、自由層の磁化は固定層と逆向きになるように反転する。従って、磁気抵抗効果素子は高抵抗になる。逆に「１」を「０」に書き換える際は、電子が固定層から自由層に向かって移動する向きに電流を印加する。固定層を通過した電子は、固定層と同じ向きにスピン分極されている。この電子が自由層にトルクを与えるため、自由層の磁化は、固定層と同じ向きになるように反転する。従って、磁気抵抗効果素子は低抵抗になる。この電流の閾値は、セルトランジスタの特性から２００μＡ以下である。従って、磁気抵抗効果素子の書込み電流密度を下げる必要がある。【０００６】
一方、読み出しでは、「０」もしくは「１」の情報に対応した、磁気抵抗効果素子の抵抗の値を区別する必要がある。一般的には、磁気抵抗効果素子に電圧を与えておき、ある時間に電圧を引き抜いた際の、電圧の減衰の違いから区別する。即ち、高い抵抗の場合はゆっくりと電圧が減衰するのに対し、低い抵抗の場合は急激に電圧が減衰する。したがって、読み出しの際も、書き込みの際と同様に磁気抵抗効果素子には電流が流れる。このため、読み出し電流でも自由層の磁化がトルクを受けてしまい、読み出し中に誤って書き込みが行われてしまう読み出しディスターブが起こる。【０００７】
読み出しディスターブを抑制するためには、磁気抵抗効果素子の自由層の熱安定性定数を増大させる必要がある。熱安定性定数は、磁化が反転するために必要なエネルギーＥと、外部の熱エネルギーｋBＴ（ｋBはボルツマン定数、Ｔは温度）との比Ｅ／ｋBＴで定義される物理定数である。ＭＲＡＭの記録保持時間を、不揮発性メモリに必要な１０年とし、Dynamic RAM（ＤＲＡＭ）のエラー率と同等まで抑えると、熱安定性定数は４０から６０以上が必要である。【０００８】
ＭＲＡＭに適用される磁気抵抗効果素子は、これらの条件を同時に満たす必要があるが、書き込み電流密度の低減と熱安定性定数の増大は基本的にはトレードオフの関係にある。このため、これらの条件を両立することは、非常に難しい課題とされてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、スピントランスファートルクによる電流磁化反転を用いて書き込みを行う磁気抵抗効果素子の自由層を、非磁性の反平行結合層を介して積層された３層以上の強磁性層により構成した。自由層を構成する複数の強磁性層の磁化方向は固定層の磁化方向と平行あるいは反平行であり、反平行結合層を挟んで設けられた２つの強磁性層の磁化方向は互いに反平行である。また、磁化方向が一方を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和は、磁化方向がそれと反平行な方向を向いた強磁性層の体積と磁化の積の和と略等しい。【００１０】
本発明による磁気メモリセルは、上記磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備える。【００１１】
また、磁気ランダムアクセスメモリは、複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、書き込み電流を大きく増大させることなく、熱安定性を向上させた磁気メモリを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した磁気抵抗効果素子の書き込み原理を示した模式図。
【図２】本発明を適用した磁気抵抗効果素子の保磁力増大を示した模式図。
【図３】磁気メモリのメモリセル断面図。
【図４】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図５】磁気ランダムアクセスメモリの模式図。
【図６】自由層を構成する強磁性層の層数をパラメータとした、磁気抵抗効果素子の書き込み電流密度と熱安定性定数の関係を示す図。
【図７】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図８】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図９】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図１０】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した磁気メモリ及び磁気抵抗効果素子について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
最初に、本発明の磁気抵抗効果素子によって、書き込み電流密度の低減と、熱安定性定数の増大を実現する原理について以下に説明する。ここでは、自由層を非磁性の反平行結合層を介して積層した４層の強磁性層によって構成した場合を例にとって説明する。なお、４層の強磁性層は、それぞれ膜厚が等しく、同じ材料からなるものとし、固定層に近い側から第１の強磁性層、第２の強磁性層、第３の強磁性層、第４の強磁性層という。
【００１６】
従来からあるいわゆる積層フェリ構造の場合、強磁性層は２層である。特許文献１にあるように、２層の場合は、スピントランスファートルクによる電流磁化反転は実験的に実証されている。４層の場合は２層に比べて体積が大きくなるため、スピントランスファートルクによる磁化反転が起こりにくいとされていた。しかし、以下に説明するように、それぞれ略反平行に磁化が結合した４層の強磁性層をスピンが通過する場合、各層でスピントランスファートルクによる角運動量の授受があることが明らかになった。
【００１７】
図１は、電子が下から上に移動する場合の、電子１つが各層の磁化に対して角運動量の授受を行っている様子を模式的に示したものである。図１（ａ）は、電子が固定層１０１を通過して、固定層１０１の磁化と同方向のスピンを持っていることを示している。図１（ｂ）では、電子は自由層１０２の第１の強磁性層の磁化を電子のスピンと同方向に向けようとし、角運動量の授受を行っている。このとき、角運動量は保存するため、電子のスピンは逆向きのトルクを受ける。図１（ｃ）では、電子は自由層１０２の第２の強磁性層と角運動量の授受を行っている。本発明の磁気抵抗効果素子では、自由層を構成する強磁性層は４層あり、それぞれに対して電子は角運動量の授受を行っている。このため、自由層を構成する４層の強磁性層の材料と膜厚が等しい場合、角運動量の保存を考えると、図１（ｆ）に示されるように、自由層を通過した電子の角運動量は、原理的には図１（ａ）に示される電子と同じ状態になる。つまり、電子の角運動量は最初と最後の状態で変化がないため、電子は自由層を構成する４層の各強磁性層に効率よくトルクを与えることができ、書き込み電流密度は体積が大きくなっても増大しないことになる。電子が逆向きに移動する場合も、同様の効果が得られる。
【００１８】
また、熱安定性定数は自由層の保磁力に比例する。保磁力とは、磁化を一つの方向に止めようとする力を磁界の大きさで表した量である。図２（ａ）に示すように、本発明を適用した磁気抵抗効果素子の自由層１０２の第１の強磁性層（固定層１０１に最も近い強磁性層）の磁化の向きと同じ方向に磁界がかかった場合を考える。このとき、図２（ｂ）に示すように、自由層１０２の第２の強磁性層の磁化と第４の強磁性層の磁化は磁界の方向を向こうとし、その方向が傾く。これにつられて、第２の強磁性層の磁化や第４の強磁性層の磁化と反平行に結合している、第１の強磁性層の磁化及び前記第３の強磁性層の磁化も方向を変える（図２（ｃ））。ここで、第１の強磁性層の磁化及び第３の強磁性層の磁化は再び磁界の方向を向こうとするため（図２（ｄ））、第２の強磁性層の磁化及び第４の強磁性層の磁化は元の向きに戻される（図２（ｅ））。この釣り合いの関係のため、保磁力は増大する。
【００１９】
また、熱安定性定数は、外部からの磁界によって減少することが知られており、これには磁気抵抗効果素子自身の漏れ磁界も影響する。しかし、自由層の第１、第２、第３、第４の強磁性層の磁化は互いに略反平行に結合しているから、各強磁性層から出る磁力線が閉じる。従って、これらの強磁性層から、固定層に磁界がかかることがなく、他の構造と比べて熱安定性は向上する。
【００２０】
さらに、熱安定性定数は、磁気抵抗効果素子の自由層の体積に比例する。上記磁気抵抗効果素子では、自由層を構成する強磁性層は４層であり、従来構造の２層の場合に比べて大きくなり、熱安定性定数は増大する。
【００２１】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
【００２２】
図３に、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリのメモリセル３００を示す。このメモリセル３００は、相互に平行に並べられた複数のビット線３０１と、ビット線３０１と平行であり且つ互いに平行に並べられた複数のソース線３０２と、ビット線３０１と交差し且つ互いに平行に並べられた複数のワード線３０３を有する。ビット線３０１とワード線３０３とが交差する部分には、磁気抵抗効果素子３０４が配置されている。磁気抵抗効果素子３０４は、上部がビット線３０１と電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子３０４の下部は、第１のメタル配線層３０５を介してトランジスタのドレイン電極３０６に電気的に接続されている。また、ソース線３０２は第２のメタル配線層３０７を介して、トランジスタのソース電極３０８に電気的に接続されている。ワード線３０３はトランジスタのゲート電極に電気的に接続されている。
【００２３】
磁気抵抗効果素子の例を図４に示す。図４に示した、磁気抵抗効果素子３０４は、非磁性４０２を挟んで磁化方向が固定されている固定層（強磁性層）４０１と、自由層４１５とが積層された構造を有する。自由層４１５は、磁化方向が可変である第１から第４の強磁性層４０３，４０５，４０７，４０９と、その間に形成された非磁性の反平行結合層４０４，４０６，４０８とを備える。強磁性層の磁化方向は磁気異方性を付与することにより、２方向（＋方向と−方向）に限定した。第１の強磁性層４０３の磁化方向４１１と第２の強磁性層４０５の磁化方向４１２は略反平行であり、磁化方向４１２と第３の強磁性層４０７の磁化方向４１３は略反平行であり、磁化方向４１３と第４の強磁性層４０９との磁化方向４１４は略反平行である。自由層４１５はいわゆる積層フェリ構造を４層にしたものである。
【００２４】
図５には、メモリアレイの模式図を示した。メモリセルを構成する複数の磁気抵抗効果素子３０４がアレイ状に配置されている。書き込みの際は、選択したビット線３０１とソース線３０２の間に書き込みたいビット情報に対応した電圧を加え、ワード線３０３に電圧を与えることによりメモリセルのセルトランジスタをオン状態にする。トランジスタがオン状態になると、磁気抵抗効果素子３０４に書き込みたいビット情報に対応した向きの電流が流れるため、スピントランスファートルクが磁気抵抗効果素子３０４の自由層４１５に働き、磁化反転が起こる。
【００２５】
本例の磁気抵抗効果素子３０４では、自由層の中の強磁性層は全て同じ材料からなる等膜厚の４層とした。このため、自由層を構成する強磁性層の磁化方向は２種類であるが、磁化方向が＋方向である強磁性層と−方向である強磁性層の数は同じである。強磁性層が等膜厚であることから、磁化方向が＋方向である強磁性層の体積と−方向である強磁性層の体積は同じである。従って、異なる向きの磁化量で決まる自由層の保磁力は増大する。また、磁力線が自由層で閉じる効果のため、磁気抵抗効果素子の端面からの漏れ磁場がなく熱安定性の低減を抑えることができる。さらに、強磁性層が４層であることから、従来の強磁性層が２層の積層フェリ構造よりも体積が大きく、熱安定性を向上することができる。
【００２６】
図６に、自由層を構成する強磁性層が３層、４層、５層、６層の場合の熱安定性定数と書き込み電流密度の分布の実験データを示した。自由層を構成する強磁性層の材料は全て同じで、膜厚も等しい。熱安定性定数に着目すると、本発明を適用した場合の熱安定性定数は、４層の場合が５２、６層の場合が７８と、５０以上になった。３層及び５層の場合は、熱安定性定数はそれぞれ３８，３５になった。これは、層数が奇数の場合、磁化方向が＋方向である強磁性層の体積と−方向である強磁性層の体積が同じにならず、磁力線が自由層で閉じないため、漏れ磁場が発生し熱安定性定数が減少したものと考えられる。なお、層数を増しても、書き込み電流の増加は見られなかった。
【００２７】
一方、自由層はその体積が大きくなると、書き込み電流密度は大きくなる。書き込み電流密度は自由層の磁化の大きさにも比例する。しかし、前述のように本発明を適用した磁気抵抗効果素子では、スピントランスファートルクが効率的に働く。自由層を構成する強磁性層のうち、磁化方向の異なる強磁性層の体積が同じとき、スピントランスファートルクが最も効率的に働く。従って、本発明を適用した磁気抵抗効果素子３０４では、体積が増大しても、書き込み電流密度はほとんど増大せず、６×１０６Ａ／ｃｍ2となり、図６にあるように、体積が小さい３層の場合とほとんど変わらないことがわかった。
【００２８】
本発明を適用するにあたり、固定層４０１及び自由層の第１、第２、第３、第４の強磁性層４０３，４０５，４０７，４０９の材料としてＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20を用いたが、この材料の異なる組成を用いても良い。また、その他の材料としては全ての強磁性体が候補となるが、スピントランスファートルクの効率及び抵抗変化率を考えるとスピン分極率の高い材料が適している。また、非磁性層４０２は、その上下にある固定層４０１の磁化方向４１０と自由層４１５の第１の強磁性層４０３の磁化方向４１１によって抵抗を変化させる役割を担う。非磁性層４０２の材料としては、全ての非磁性体が候補になる。また、この層には絶縁体を用いても良い。この場合、磁気抵抗効果素子はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子として作用し、その抵抗変化率は大きくなる。絶縁体としては、同様に全ての絶縁体が候補になるが、例えばＭｇＯなどを用いることができる。反平行結合層４０４，４０６，４０８の材料は、これらの層を挟んだ２つの強磁性層の磁化方向を反平行に結合する役割を担う。材料としては全ての非磁性体が候補となるが、例えばＲｕなどを用いることができる。
【００２９】
本発明の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子の自由層を構成する強磁性層を、全て同じ材料で膜厚を等しくし、層数を６層以上の偶数（ｎを自然数として２ｎ層）としてもよい。これは前述のように、磁化方向が＋方向である強磁性層の体積と−方向である強磁性層の体積が同じであれば、漏れ磁場の影響が現れないためである。さらに、層数が増えるとともに体積が増大し、熱安定性定数は増大する。一方、等膜厚の場合、層数が奇数であると、漏れ磁場の影響から熱安定性定数が減少するとともに、書き込み電流密度も増大する。６層の強磁性層で自由層を構成した磁気抵抗効果素子７００の概念図を図７に示す。自由層４１５はいわゆる積層フェリ構造を２ｎ層にしたものである。図６に示したように、６層の場合、熱安定性定数は８０となり、４層と比べて大きいにもかかわらず、書き込み電流密度はほとんど変わらないことがわかった。
【００３０】
本発明の磁気抵抗効果素子は、自由層を構成する複数の強磁性層が全て同じ材料であるが、膜厚が等しくない場合には、強磁性層の層数は偶数に限定されない。即ち、自由層を構成する強磁性層のうち、磁化方向が＋方向である強磁性層の体積と−方向である強磁性層の体積が等しくなるよう設計しても良い。
【００３１】
図８に、その一例を示す。図８に示した磁気抵抗効果素子８００は、非磁性４０２を挟んで磁化方向が固定されている固定層（強磁性層）４０１と、自由層４１５とが積層された構造を有する。自由層４１５は、磁化方向が可変である第１から第３の強磁性層４０３、４０３，４０７と、各強磁性層の間に配置された非磁性の反強磁性結合層４０４，４０６備える。自由層の第１の強磁性層４０３の磁化方向４１１と第２の強磁性層４０５の磁化方向４１２は略反平行であり、磁化方向４１２と第３の強磁性層４０７の磁化方向４１３は略反平行である。この場合、自由層４１５は３層構造である。
【００３２】
また、一例として、第１の強磁性層４０３と第３の強磁性層４０７は膜厚が等しく、第２の強磁性層４０５の膜厚は、第１の強磁性層４０３の膜厚の２倍である。したがって、自由層を構成する強磁性層のうち、磁化方向が＋方向である強磁性層の体積と−方向である強磁性層の体積が等しくなる。このため、この構造では磁気抵抗効果素子端面からの漏れ磁場の影響がなく、熱安定性定数の減少を抑えることができる。さらに、スピントランスファートルクが効率的に働くこと、非磁性層４０４，４０６にスピンが蓄積する効果が働くことにより、書き込み電流密度の増大を抑制できることがわかった。
【００３３】
また、自由層を構成する強磁性膜４０３，４０５，４０７の膜厚の関係は上記の場合に限定されるものではなく、磁化方向が＋方向である強磁性層の体積と−方向である強磁性層の体積が等しくなるよう設計していれば良い。
【００３４】
また、本発明の磁気抵抗効果素子は、自由層を構成する強磁性層の材料あるいは膜厚が、層ごとに異なっていても良い。この場合、自由層を構成する強磁性層のうち、磁化方向が＋方向である強磁性層の体積とその強磁性層各層の磁化の積の総和が、磁化方向が−方向である強磁性層の体積とその強磁性層各層の磁化の積の総和と等しくなるよう設計すればよい。
【００３５】
磁気抵抗効果素子は、固定層の磁化を固定するための反強磁性層を備えていてもよい。図９に、自由層を構成する強磁性層が４層の場合の、反強磁性層９０１を備えた磁気抵抗効果素子９００の例を示した。この構成では、固定層４０１の磁化方向が反強磁性層９０１によって強く固定されるため、書き込み時の動作が安定化した。
【００３６】
また、本発明の磁気抵抗効果素子は、固定層が積層フェリ構造であってもよい。図１０に、自由層４１５を構成する強磁性層が４層の場合に、固定層として積層フェリ構造を採用した磁気抵抗効果素子１０００の例を示す。この構成の場合、強磁性層１００１の磁化方向１００３が、第１の反強磁性層９０１によって強く固定される。強磁性層４０１の磁化方向４１０と強磁性層１００１の磁化方向１００３は、非磁性の反平行結合層１００２を介して略反平行に結合する。このため、強磁性層１００１と非磁性層１００２と強磁性層４０１が固定層として作用し、この部分の漏れ磁場は抑制される。強磁性層１００１の膜厚と磁化の積と、強磁性層４０１の膜厚と磁化の積は、同じであることが望ましい。
【００３７】
以上説明した磁気抵抗効果素子の自由層では、非磁性の反平行結合層はその上下の強磁性層の磁化方向を略反平行に結合する作用を持つ。この結合は反平行結合層の膜厚に非常に敏感であり、反平行結合層の材料をＲｕとした場合、その最適値はおよそ１ｎｍである。しかし、反平行結合層は熱によって拡散してしまう場合がある。従って、以上に説明した磁気抵抗効果素子において、この拡散を抑える新たな層を反平行結合層の上下に適用してもよい。反平行結合層にＲｕを用いた場合、Ｒｕ層の上下にＴａ層を適用することで、Ｒｕの拡散を抑えることができた。拡散を抑える層の材料としては、全ての非磁性材料が候補になる。拡散防止層の膜厚は０．１ｎｍから１ｎｍ程度にすることが望ましい。また、図１０に示した磁気抵抗効果素子の場合、固定層中の反平行結合層１００２にも拡散を抑える層を適用してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０１  固定層
１０２  自由層
３００  磁気メモリ
３０１  ビット線
３０２  ソース線
３０３  ワード線
３０４  磁気抵抗効果素子
３０６  トランジスタのドレイン電極
３０８  トランジスタのソース電極
４０１  固定層
４０２  非磁性層
４０３  第１の強磁性層
４０４  反平行結合層
４０５  第２の強磁性層
４０６  反平行結合層
４０７  第３の強磁性層
４０８  反平行結合層
４０９  第４の強磁性層
４１５  自由層
７００  磁気抵抗効果素子
８００  磁気抵抗効果素子
９００  磁気抵抗効果素子
９０１  反強磁性層
１０００  磁気抵抗効果素子
１００１  強磁性層
１００２  反平行結合層
【図１】
2010024201.tif 000003
【図２】
2010024201.tif 000004
【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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【国際調査報告】
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