(57)【要約】【課題】膜面内で垂直磁気記録をする記録層の熱安定性が高い磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリを提供する。【解決手段】磁化方向が不変である第１の強磁性層１０６と、磁化方向が可変である第２の強磁性層１０９と、第１の強磁性層１０６と第２の強磁性層１０９の間に設けられた第１の非磁性層１１０と、第１の強磁性層及び第２の強磁性層に接続される電流供給端子２０１、２０２と、第２の強磁性層１０９の第１の非磁性層１１０と反対側の面に設けられた非磁性結合層２０３と、非磁性結合層２０３の第２の強磁性層１０９の反対側の面に設けられた磁化方向が可変である第３の強磁性層２０４と、第３の強磁性層２０４の非磁性結合層２０３の反対側の面に設けられた第２の非磁性層２０５と、を備え、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４は、磁化方向が同じで、電流によりスピン注入磁化反転する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が不変である第１の強磁性層を含む固定層と、
磁化方向が可変である第２の強磁性層と、
前記第２の強磁性層に隣接して設けられる第１の非磁性層と、
前記第２の強磁性層の前記第１の非磁性層とは反対側の面に隣接して設けられる非磁性結合層と、
前記非磁性結合層の前記第２の強磁性層とは反対側の面に隣接して設けられた磁化方向が可変である第３の強磁性層と、
前記第３の強磁性層の前記非磁性結合層とは反対側の面に隣接して設けられた第２の非磁性層とを備え、
前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層の磁化方向は同じであることを
特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記非磁性結合層はＴａ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉのうちの少なくとも一つ含む金属で構成されることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも一つ含み、かつＢ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｐ，Ｓのうちの少なくとも一つを含む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１の非磁性層および前記第２の非磁性層は、Ｎ，Ｏ，Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍ以上０．６ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記非磁性結合層はＴａを含む金属であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層の膜厚が０．８ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層はＣｏとＦｅとＢとを含有していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層は酸化マグネシウムからなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第１の強磁性層に接続される第１の電流端子と、
前記第２の強磁性層に接続される第２の電流端子とを有し、
前記第１の強磁性層は前記第１の非磁性層に対して前記第２の強磁性層とは反対側の面に隣接して設けられ、
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は電流によりスピン注入磁化反転することを
特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
第１の電流端子と第２の電流端子と第３の電流端子とを有し、
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は、互いに反対方向に磁化された第１磁化固定領域および第２磁化固定領域と、磁化方向が可変である磁化自由領域とを有し、
前記固定層は前記第１の電流端子に接続され、
前記第１磁化固定領域は前記第２の電流端子に接続され、
前記第２磁化固定領域は第３の電流端子に接続されることを
特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
相互に平行に配置された複数のソース線と、
前記ソース線と交差する方向に、互いに平行に配置された複数のワード線と、
前記ソース線に平行に配置された複数のビット線と、
前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に設置された請求項１１記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を印加する回路とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の電流端子および前記第２の電流端子のいずれか一方が選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、他方が前記ビット線に電気的に接続され、
前記ワード線は前記選択トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、
前記ソース線は前記選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続されていることを
特徴とする磁気メモリ。
【請求項１４】
相互に平行に配置された複数の第１ビット線と第２ビット線と、
前記第１ビット線および第２ビット線と交差する方向に、相互に平行に配置された複数のワード線と、
前記第１ビット線および第２ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置された請求項１２記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜面内、および膜面垂直方向に電流を印加する回路とを有し、
前記第２の電流端子は第１選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、
前記第３の電流端子は第２選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、
前記第１選択トランジスタのもう一方のソース／ドレイン電極は前記第１ビット線に接続され、
前記第２選択トランジスタのもう一方のソース・ドレイン電極は前記第２ビット線に接続され、
前記第１選択トランジスタおよび前記第２選択トランジスタのゲート電極は前記ワード線に接続されていることを
特徴とする磁気メモリ。
【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、およびその磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリ（ＭＲＡＭと呼ぶ。）について説明する。
図２４は、従来の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリのメモリセルを示す図である。この図に示すように、磁気メモリセル２１００は、磁気抵抗効果素子２１０１と選択トランジスタ２１０２とが直列に電気的に接続された構造となっている。選択トランジスタ２１０２のソース電極はソース線２１０３に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子２１０１を介してビット線２１０４に、ゲート電極はワード線２１０５に、それぞれ電気的に接続される。【０００３】
磁気抵抗効果素子２１０１は、第１の強磁性層２１０６と第２の強磁性層２１０９との間に第１の非磁性層２１１０が挟まれた３層構造を基本としている。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、第１の強磁性層２１０６と第２の強磁性層２１０９の磁化が平行配置の場合に小さくなり、反平行配置の場合は大きくなる。【０００４】
磁気メモリのメモリセル２１００では、この２つの抵抗状態をビット情報「０」、「１」に割り当てる。ここで、第１の強磁性層２１０６の磁化方向は固定されており、第２の強磁性層２１０９の磁化が選択トランジスタから供給された電流によって、スピントランスファトルクにより反転させられる。電流が図２４中で下から上に流される場合、反平行磁化配置となり、逆方向に電流が流される場合、平行配置となる。結果として、選択トランジスタ２１０２から供給される電流の方向により、第１の強磁性層２１０６と第２の強磁性層２１０９の磁化方向配置を平行配置もしくは反平行配置に変更することが可能であり、それに伴い磁気抵抗効果素子２１０１の抵抗値が変化することで、ビット情報を書き込むことが可能となる。【０００５】
上記の例では、第１の強磁性層２１０６が、磁化が固定された参照層（固定層とも呼ばれている。）、第２の強磁性層２１０９が、磁化方向が可変である記録層（自由層とも呼ばれている。）として述べたが、逆の構成であってもＭＲＡＭとして機能する。【０００６】
ＭＲＡＭを実現するためには、記録素子である磁気抵抗効果素子２１０１は、１００％以上の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を有すること、記録層となる第２の強磁性層２１０９は、選択トランジスタのドライブ電流よりも低い書き込み電流（選択トランジスタのゲート幅をＦｎｍとすると、ドライブ電流はおおよそＦμＡである。）で磁化が反転すること、記録層となる第２の強磁性層２１０９は７０以上の熱安定性定数（Ｅ／ｋBＴ、Ｅはエネルギー障壁、ｋBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ））を有していること、の３つの特性を同時に満足する必要がある。【０００７】
高い磁気抵抗変化率を得るための磁気抵抗効果素子２１０１の膜構成として、第１の強磁性層２１０６並びに第２の強磁性層２１０９は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの３ｄ遷移金属の何れか一つの元素を含むｂｃｃ構造を有する材料で構成され、第１の非磁性層２１１０にＭｇＯを用いた構成が知られている。通常、このような材料を用いて磁気抵抗効果素子を作製すると、素子サイズに比べて第１の強磁性層２１０６と第２の強磁性層２１０９の膜厚が薄いために、膜面垂直方向に大きな反磁界が作用し、結果として第１の強磁性層２１０６と第２の強磁性層２１０９の磁化は膜面に平行な方向に向く。
磁化が膜面に平行な方向に向いている場合に、スピントランスファトルクを用いて磁化の方向を反転させるためには、膜面直方向に存在する大きな反磁界によるエネルギー障壁を乗り越える必要があり、スイッチング電流が大きくなるという問題がある。
この問題に対する解決手段としては、第１の強磁性層２１０６と第２の強磁性層２１０９の磁化の方向を垂直方向に向けることである。この場合は、スピントランスファトルクを用いた磁化反転の際に、スピントランスファトルクによる磁化反転に際してのエネルギー障壁は反磁界により減少するために、スイッチング電流の低減が可能である。【０００８】
図２５は、非特許文献１で報告された磁気抵抗効果素子２１０１の構造を示す断面図である。この図に示すように、磁気抵抗効果素子２１０１は、下地層２２０１と、下地層２２０１上に形成された第１の強磁性層２１０６からなる参照層と、参照層上に形成される第１の非磁性層２１１０と、第１の非磁性層２１１０上に形成される第２の強磁性層２１０９からなる記録層と、記録層上に形成されるキャップ層２２０２とから構成されている。【０００９】
非特許文献１によれば、磁気抵抗効果素子２１０１では、第１の強磁性層２１０６と第２の強磁性層２１０９にＣｏＦｅＢを用いて、第１の非磁性層２１１０にＭｇＯを用いた構成で、ＣｏＦｅＢの膜厚を薄くし、第１の非磁性層２１１０のＭｇＯ層との間に発生する界面磁気異方性を利用することで、磁化を膜面垂直方向に向けることが可能である。
前記のような構成で、非特許文献１では、１００％以上の高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比とも呼ばれている。）を維持したまま、直径４０ｎｍのデバイスで、熱安定性指数４０と、４９μＡという低い書き込み電流が実現できることが報告されている。しかし、熱安定性指数４０という数値は、１ビットの情報を１０年間保持するためには十分な値であるものの、ＭＲＡＭを実現するために必要な値である熱安定性指数７０には達していないという課題が残っている。【００１０】
図２６は、特許文献１に開示された磁気抵抗効果素子２３００の構造を示す断面図である。この図に示すように、特許文献１の図９で開示されている磁気抵抗効果素子２３００は、下地層２５０３と、下地層２５０３上に形成された固定層２３１０と、固定層２３１０上に形成される非磁性層２３７０と、非磁性層２３７０上に形成される強磁性層からなる記録層２３８０と、記録層２３８０上に形成されるキャップ層２５０４とから構成されている。固定層２３１０は、非磁性層２３１１と、強磁性層２３１２と、非磁性層２３１３と、強磁性層２３１４の５層構造からなり、固定層の磁化方向が膜面に垂直方向により安定化、つまり、熱安定性を向上させられることが開示されている。固定層２３１０内の非磁性層２３１３は、強磁性層２３１２と強磁性層２３１２との間に磁気的な結合を発生させることと、具体的な材料として、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2のような絶縁物と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｖ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅからなる金属が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１１−２５８５９６号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】S. Ikeda, K.Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan, M. Endo, S. Kanai, F. Matsukura,and H. Ohno, Nature Mater., 9, 721, (2010)
【非特許文献２】M. Yamanouchi,R. Koizumi, S. Ikeda, H. Sato, K. Mizunuma, K. Miura, H. D. Gan, F. Matsukura,and H. Ohno, J. Appl. Phys. 109, 07C712, (2011)
【非特許文献３】D. C.Worledge, G. Hu, David W. Abraham, J. Z. Sun, P. L. Trouilloud, J. Nowak, S.Brown, M. C. Gaidis, E. J. O'Sullivan, and R. P. Robertazzi, Appl. Phys. Lett.98, 022501, (2011)
【非特許文献４】S. S. P.Parkin, Phys. Rev. Lett. 67, 3598, (1991)
【非特許文献５】H. X. Yang, M.Chshiev, B. Dieny, J. H. Lee, A. Manchon, K. H. Shin, Phys. Rev. B. 84, 054401,(2011)
【非特許文献６】D. Abraham, D.C.Worledge, 56th Magnetism and Magnetic Materials, AF-01, AZ, USA, (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上、説明したように、垂直磁化記録をする磁気抵抗効果素子において、記録層の熱安定性指数を大きくするような記録層が得られていないという課題がある。【００１４】
本発明は上記課題に鑑み、垂直磁気記録をする記録層の熱安定性が高い磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者等は、鋭意研究を行った結果、垂直磁気記録層を、第２の強磁性層と非磁性結合層と第３の強磁性層とからなる層構造とし、第２の強磁性層と第３の強磁性層を例えばＣｏＦｅＢ合金とし、非磁性結合層を十分に厚さの薄いＴａ等で構成すれば、記録層の垂直磁気異方性エネルギー密度を弱めないことを見出し、従来に比べて大幅に熱安定性を向上させることで本発明を完成させるに至った。【００１６】
すなわち、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が不変である第１の強磁性層を含む固定層と、磁化方向が可変である第２の強磁性層と、前記第２の強磁性層に隣接して設けられる第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層の前記第１の非磁性層とは反対側の面に隣接して設けられる非磁性結合層と、前記非磁性結合層の前記第２の強磁性層とは反対側の面に隣接して設けられた磁化方向が可変である第３の強磁性層と、前記第３の強磁性層の前記非磁性結合層とは反対側の面に隣接して設けられた第２の非磁性層とを備え、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層の磁化方向は同じであることを特徴とする。【００１７】
本発明に係る磁気抵抗効果素子によれば、自由層を第２の強磁性層と非磁性結合層と第３の強磁性層とからなる三層構造とし、非磁性結合層としてＴａ等を用いることで、垂直磁化を維持しながら、記録層の膜厚を厚くすることが可能となり、熱安定性指数を大幅に増加することが可能である。【００１８】
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記非磁性結合層はＴａ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉのうちの少なくとも一つ含む金属で構成されることが好ましい。特に、前記非磁性結合層はＴａを含む金属であることが好ましい。この場合、熱処理を行うことで第２の強磁性層および第３の強磁性層からＢやＣなどの添加材料を非磁性結合層が吸収し、第２の強磁性層および第３の強磁性層の結晶化を促進することができる。また、非磁性結合層が第２の強磁性層および第３の強磁性層の垂直磁気異方性エネルギー密度を弱めることもない。なお、本発明者等は、非磁性結合層にＴａを用いることでこれらの効果が得られることを実験で確認している。また、理論的な考察から、Ｔａと同様な効果が、Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉでも得られることがわかる。【００１９】
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも一つ含み、かつＢ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｐ，Ｓのうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。特に、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層はＣｏとＦｅとＢとを含有していることが好ましく、具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金などから成ることが好ましい。【００２０】
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層は、Ｎ，Ｏ，Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいることが好ましい。特に、前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層は酸化マグネシウムからなることが好ましい。具体的には、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏなどから成る。【００２１】
また、第２の非磁性層の膜厚は０．５〜２ｎｍであり、第１の非磁性層の膜厚は第２の非磁性層の膜厚より薄くなっていることが好ましい。本発明に係る磁気抵抗効果素子から情報を読み出す際には、磁気抵抗効果が用いられる。第２の非磁性層は、この磁気抵抗効果の抵抗値に影響する。従って、その膜厚は、良好な読み出し特性が得られるような膜厚であることが望ましい。例えば、第１の非磁性層にＭｇ−Ｏを用いた場合、そのトンネル抵抗はＭｇ−Ｏ層の膜厚に対して指数関数的に変化する。良好な読み出し特性を得るためには、磁気抵抗効果素子のトンネル抵抗は概ね０．５〜１００ｋΩに設計される。このようなトンネル抵抗が得られるＭｇ−Ｏ層の膜厚は、素子のサイズにもよるが、概ね０．５〜２ｎｍ程度である。また、第１の非磁性層は、第２の強磁性層に垂直磁気異方性を付与できるだけの膜厚を有していればよい。これは、例えば第１の非磁性層にＭｇ−Ｏを用いた場合には、概ね０．５ｎｍ以上の膜厚において実現される。【００２２】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ未満であることが好ましい。特に、前記非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍ以上０．６ｎｍ未満であることが好ましい。非磁性結合層の膜厚が薄すぎると、第２の強磁性層および第３の強磁性層からの添加元素の吸収効果が無くなり、第２の強磁性層および第３の強磁性層の磁化容易軸が垂直方向に向きにくくなる。一方、非磁性結合層の膜厚が厚すぎると、第２の強磁性層および第３の強磁性層が独立に振る舞うようになり、熱安定性向上の効果が得られない。このようなことから非磁性結合層の膜厚の上限および下限が決定される。【００２３】
本発明者等は、非磁性結合層にＴａを用いた場合について、Ｔａ層の膜厚を０ｎｍから１．０ｎｍまで展開して素子を作製し、第２の強磁性層および第３の強磁性層の磁化の状態や外部磁場、電流に対する振る舞いを実験で調べた。その結果、Ｔａの膜厚が０．２ｎｍ未満のときは第２の強磁性層および第３の強磁性層は垂直磁化容易軸とならず、またＴａの膜厚が０．６ｎｍ以上のときには、第２の強磁性層および第３の強磁性層は垂直磁化にはなるものの、結合が弱く互いに独立に振る舞うことが確認された。なお、この膜厚範囲は、非磁性結合層に用いる材料や第２の強磁性層および第３の強磁性層に用いる材料、膜厚、ならびに磁気抵抗効果素子の成膜後の熱処理の温度によって、適宜変更されうる。【００２４】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層の膜厚が０．８ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましい。第２の強磁性層と第３の強磁性層との合計膜厚の下限に関しては、第２の強磁性層と第３の強磁性層とにおいて垂直方向が磁化容易軸となれば、どれだけ薄くてもよく、理論的には膜厚の下限は０となる。しかし、現実には膜厚が低減されると第２の強磁性層および第３の強磁性層は、徐々に常磁性的に振る舞うようになる。この強磁性から常磁性に遷移する膜厚は、薄膜の成膜やアニールのコンディションに強く依存するが、概ね０．４〜０．９ｎｍ程度である。このため、第２の強磁性層と第３の強磁性層との合計膜厚は、０．８ｎｍ以上であることが好ましい。また、熱安定性、動作の安定性、および製造容易性を高めるためには、これらの強磁性層の合計膜厚を厚くする必要があるため、第２の強磁性層と第３の強磁性層との合計膜厚は、２ｎｍ以上であることがより好ましい。【００２５】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第１の強磁性層に接続される第１の電流端子と、前記第２の強磁性層に接続される第２の電流端子とを有し、前記第１の強磁性層は前記第１の非磁性層に対して前記第２の強磁性層とは反対側の面に隣接して設けられ、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は電流によりスピン注入磁化反転することが好ましい。
この場合、本発明に係る磁気メモリは、相互に平行に配置された複数のソース線と、前記ソース線と交差する方向に、互いに平行に配置された複数のワード線と、前記ソース線に平行に配置された複数のビット線と、前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に設置された本発明に係る磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を印加する回路とを有し、前記磁気抵抗効果素子の一端は選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、前記磁気抵抗効果素子の他端は前記ビット線に電気的に接続され、前記ワード線は前記選択トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、前記ソース線は前記選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続されることを特徴とする。【００２６】
また、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１の電流端子と第２の電流端子と第３の電流端子とを有し、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は、互いに反対方向に磁化された第１磁化固定領域および第２磁化固定領域と、磁化方向が可変である磁化自由領域とを有し、前記固定層は前記第１の電流端子に接続され、前記第１磁化固定領域は前記第２の電流端子に接続され、前記第２磁化固定領域は第３の電流端子に接続されてもよい。
この場合、本発明に係る磁気メモリは、相互に平行に配置された複数の第１ビット線と第２ビット線と、前記第１ビット線および第２ビット線と交差する方向に、相互に平行に配置された複数のワード線と、前記第１ビット線および第２ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置された本発明に係る磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の膜面内、および膜面垂直方向に電流を印加する回路とを有し、前記第２の電流端子は第１選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、前記第３の電流端子は第２選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、前記第１選択トランジスタのもう一方のソース／ドレイン電極は前記第１ビット線に接続され、前記第２選択トランジスタのもう一方のソース・ドレイン電極は前記第２ビット線に接続され、前記第１選択トランジスタおよび前記第２選択トランジスタのゲート電極は前記ワード線に接続されることを特徴とする。【００２７】
この第１〜第３の電流端子を有する場合、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、強磁性層と非磁性層とを積層した積層構造を、３端子磁壁移動型磁気メモリに適用して成るため、小さな書き込み電流および大きな読み出し信号を同時に有している。また、第１磁化自由層が、少なくとも第１の非磁性層、第２の強磁性層、非磁性結合層、第３の強磁性層がこの順序で積層された積層構造を有しており、第２の強磁性層および第３の強磁性層との合計膜厚を大きくすることができるため、データの保持特性を飛躍的に高めることができ、熱安定性、動作の安定性、および製造容易性を高めることができる。【００２８】
また、この場合、第２の強磁性層と第１の非磁性層との境界の第１界面、および、第３の強磁性層と第２の非磁性層との境界の第２界面における界面磁気異方性によって、第２の強磁性層および第３の強磁性層の磁化容易軸が基板垂直方向となるよう構成されることが好ましい。この場合、第２の強磁性層、第３の強磁性層と第２の非磁性層、第１の非磁性層の組み合わせは、第１界面および第２界面において基板垂直方向の界面磁気異方性が発現されるような材料の組み合わせから成る必要がある。また、第２の強磁性層と第３の強磁性層とは、磁気的に結合している必要があるため、非磁性結合層の膜厚は十分に薄いことが好ましい。なお、第１の非磁性層、第２の強磁性層、非磁性結合層、第３の強磁性層はいずれも、単一の材料のみから構成される必要はなく、異なる複数の材料が積層された構造であってもよい。【００２９】
本発明に係る磁気メモリは、本発明に係る磁気抵抗効果素子への情報の書き込み、および、本発明に係る磁気抵抗効果素子からの情報の読み出しを行うことができる。本発明に係る磁気メモリは、本発明に係る磁気抵抗効果素子を利用しているため、小さな書き込み電流および大きな読み出し信号を有し、熱安定性、動作の安定性、および製造容易性が高い。【００３０】
なお、本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記固定層は、第１の強磁性層と第２の非磁性結合層と第４の強磁性層とからなり、第４の強磁性層の磁化方向は、第１の強磁性層と同じであってもよい。また、前記固定層は、第１の強磁性層と第３の非磁性結合層と第５の強磁性層とからなり、第５の強磁性層の磁化方向は、第１の強磁性層と逆であってもよい。また、第１の強磁性層と第３の非磁性結合層の間に、さらに、第４の非磁性層と、磁化方向が不変でありかつその磁化方向が第１の強磁性層の磁化方向と同じである第６の強磁性層とを備えていてもよい。また、第３の非磁性結合層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒの内何れか一つを含む金属でなってもよい。また、第２並びに第４の非磁性結合層は、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖの何れか一つを含む合金でなってもよい。また、第４及び第５及び第６の強磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの内、少なくとも一つを含む金属とＰｔもしくはＰｄを含む金属を交互に積層した積層膜でなってもよい。【００３１】
また、本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記固定層は、少なくとも一部が、前記第１磁化固定領域および前記第２磁化固定領域の磁化方向に沿って前記磁化自由領域を延長した領域に重なるよう配置されていてもよい。この場合、固定層と第２の非磁性層と磁化自由領域とを貫通する方向に電流が流れるため、磁化自由領域の磁化と固定層の磁化との相対角によって生じる磁気抵抗効果を利用して、磁化自由領域に格納されている記憶情報を読み出すことができる。固定層は、磁化自由領域に対して少なくとも一部分がオーバーラップしていればよく、その大きさも磁化自由領域よりも大きく形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、垂直磁気記録をする記録層の熱安定性が高い磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の自由層の磁化を示す模式図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は非磁性結合層の材料としてＴａ、Ｒｕ、Ｐｄを用いた場合の磁化曲線を示す図、（ｄ）および（ｅ）は非磁性結合層の材料としてＴａを用い、その層厚を変化させた場合の磁化曲線を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、実施例２の磁気抵抗効果素子の外部磁場印加による磁気抵抗効果を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子と、図２４で示した従来構造の磁気抵抗効果素子の熱安定性を比較する図である。
【図６】図１に示す構造の磁気抵抗効果素子を、電流（スピントランスファトルク）を用いて記録層の磁化を反転させた結果を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例１を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例２を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例３を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例４を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例５を示す断面図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例６を示す断面図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例７を示す断面図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子を記憶素子とした、本発明の第１の実施の形態の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す（ａ）斜視図、（ｂ）断面図、（ｃ）第１磁化自由化の平面図である。
【図１６】図１５に示す磁気抵抗効果素子の、第１磁化自由層と第２の非磁性層との積層構造を示す断面図である。
【図１７】図１５に示す磁気抵抗効果素子の、（ａ）第１磁化自由層と磁化固定層との位置関係を示す断面図、（ｂ）その変形例を示す断面図である。
【図１８】図１５に示す磁気抵抗効果素子の、（ａ）メモリ情報として「０」が格納された状態、（ｂ）メモリ情報として「１」が格納された状態の磁化構造を示す断面図である。
【図１９】図１５に示す磁気抵抗効果素子の、（ａ）メモリ情報として「１」を書き込むときの動作方法、（ｂ）メモリ情報として「０」を書き込むときの動作方法を示す断面図である。
【図２０】図１５に示す磁気抵抗効果素子の、（ａ）メモリ情報として「０」を読み出すときの動作方法、（ｂ）メモリ情報として「１」を読み出すときの動作方法を示す断面図である。
【図２１】本発明の第２の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例８を示す（ａ）斜視図、（ｂ）ｘ−ｚ断面図、（ｃ）ｙ−ｚ断面図である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態の磁気メモリを示す回路ブロック図である。
【図２３】図２２に示す磁気メモリの磁気メモリセルを示す回路図である。
【図２４】従来の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリのメモリセルを模式的に示す断面図である。
【図２５】非特許文献１で報告された磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。
【図２６】特許文献１に開示された磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を参照しながら本発明を幾つかの実施の形態に基づいて具体的に説明する。
［本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子］
図１は、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１の構造を示す断面図であり、図２は、本発明の磁気抵抗効果素子１０１の自由層の磁化を示す模式図である。
図１に示すように、磁気抵抗効果素子１０１は、下地層２０１と、下地層２０１に隣接して形成された第１の強磁性層１０６からなり膜面内の磁化方向が垂直である固定層と、固定層に隣接して形成される第１の非磁性層１１０と、第１の非磁性層１１０に隣接して形成される第２の強磁性層１０９と非磁性結合層２０３と第３の強磁性層２０４とからなる自由層と、第３の強磁性層２０４に隣接して形成される第２の非磁性層２０５と、第２の非磁性層２０５上に形成されるキャップ層２０２と、を含んで構成されている。磁化が固定された固定層は、磁化が可変の自由層に対して参照層とも呼ばれている。また、磁化方向が可変である自由層は、その磁化方向に応じて記録ができるので記録層とも呼ばれている。
【００３５】
固定層（参照層）となる第１の強磁性層１０６は、磁化方向が固定されている。
磁化方向が可変である自由層（記録層）の第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の材料は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含み、添加材料Ｂ、Ｃなどの材料を少なくとも一つ含んだ材料で構成される。
なお、下地層２０１とキャップ層２０２とは、電極又は電極層とも呼ばれており、磁気抵抗効果素子１０１の電流供給端子となる。下地層２０１は、基板上に形成してもよい。このような基板としては、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、熱酸化膜付きＳｉ基板等を使用することができる。
【００３６】
下地層２０１としては、表面粗さが小さく、前記第１の強磁性層１０６において膜面垂直方向にｂｃｃ＜００１＞配向を実現できる材料が候補となる。具体的には、ＴａやＴａとＲｕを交互に積層したＴａ／Ｒｕ／Ｔａ積層膜が用いられる。キャップ層２０２には、具体的にはＴａなどが用いられる。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、上記自由層において、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の磁化方向は同じでかつ面直方向、つまり、第２の強磁性層１０９の面の垂直方向、図では矢印（↑）の紙面垂直方向である。この第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の磁化方向は、図２（ａ）に示すように、下地層２０１とキャップ層２０２とからなる電極に流す電流の向きを反転することで、変えることができる（図２（ｂ）参照）。つまり、上記自由層は、スピン注入で磁化反転が可能な層である。磁化方向に関しては、面直方向を垂直磁化方向、面内方向を水平磁化方向と呼ぶ場合もある。
【００３８】
第１の非磁性層１１０の材料は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの酸素を含む化合物である。第１の非磁性層１１０は、上記第１の強磁性層１０６と第２の強磁性層１０９の材料との組み合わせで磁気抵抗変化率が大きくなり、且つ界面磁気異方性が発現する材料が望ましい。
【００３９】
第２の非磁性層２０５は、記録層中の第３の強磁性層２０４との間で界面磁気異方性を発現する材料が望ましく、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などの酸素を含む化合物が挙げられる。
【００４０】
記録層中の非磁性結合層２０３の材料としては、熱処理を行うことでＢやＣなどの添加材料を第２の強磁性層１０９、第３の強磁性層２０４から吸収することが可能な材料でかつ、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の垂直磁気異方性エネルギー密度を弱めないことが重要である。非磁性結合層２０３の非磁性層の材料として、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ等が挙げられ、とくにＴａが望ましいことが分かった。
【００４１】
第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４にＣｏＦｅＢからなる三つの原子からなる強磁性体を使用することができる。この場合、ＣｏＦｅＢの各原子の組成を、（Ｃｏ１００−ＸＦｅＸ）１００−ＹＢＹとして表した場合には、Ｂの組成Ｙは原子数比で１５〜２５ａｔ％の範囲であることが好ましく、Ｆｅの組成については、Ｘは２０ａｔ％以上の領域であることが好ましい。また、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の膜厚の合計は、垂直磁化を維持できる領域に設定される必要がある。
【００４２】
次に、記録層の垂直磁化を維持できる厚さについて説明する。
界面磁気異方性を発生する界面を２枚有する強磁性体の磁気的なエネルギーは、下記（１）式により表される。
Ｋｅｆｆ＝２Ｋｉ／ｔ−Ｍｓ２／２μ０          （１）
実効的な磁気異方性エネルギー密度の符号がマイナスになる場合は、面内が磁化容易軸となり、プラスになる場合は、面直方向が磁化容易軸となる。
したがって、Ｋｅｆｆ＝０とすると、磁化容易軸が面内方向から面直方向に変わる臨界膜厚（ｔｔｈ）に関する下記（２）式が得られる。
ｔｔｈ＝２Ｋｉ／（Ｍｓ２／２μ０）            （２）
（２）式より、Ｋｉの増加とＭｓの減少が臨界膜厚の増加に効果的であることが分かる。
非特許文献５によると、理想的なＦｅ／ＭｇＯ構造で得られるＫｉは３ｍＪ／ｍ２程度である。一方、Ｍｓについては、非特許文献６で、０．３８ＴとなるＣｏＦｅＢ組成が使用されている。以上の値を（２）式に代入すると、臨界膜厚ｔｔｈは６０ｎｍとなる。したがって、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の膜厚の合計は６０ｎｍ以下に設計する。
【００４３】
記録層中の非磁性結合層２０３の厚さは、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の間に十分な大きさの磁気的な結合を供給する膜厚に設定する。
【００４４】
非磁性結合層２０３として、Ｒｕ、Ｐｄについても検討を行った。
図３（ａ）〜（ｅ）は、非磁性結合層２０３の材料としてＴａ、Ｒｕ、Ｐｄを用いた場合の磁化曲線である。図３には、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１の構造で、非磁性結合層２０３の材料としてＴａ、Ｒｕ、Ｐｄを用い、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４にＣｏＦｅＢを用いた積層膜の磁化曲線を示している。図３の横軸は印加磁界μ０Ｈ（Ｔ）であり、縦軸は磁化（任意目盛）である。図３（ａ）〜（ｃ）は、非磁性結合層２０３の材料としてＴａ、Ｒｕ、Ｐｄを用い、その層厚を０．４ｎｍとした場合であり、実線は垂直方向の磁化曲線であり、点線は面内方向の磁化曲線である。図３（ｄ）および（ｅ）は、非磁性結合層２０３の材料としてＴａを用い、その層厚をそれぞれ０．２ｎｍおよび０．４ｎｍとした場合であり、黒色の実線は垂直方向の磁化曲線であり、灰色の実線は面内方向の磁化曲線である。
図３に示すように、Ｔａを非磁性結合層２０３として用い、その層厚を０．４ｎｍにした場合には、磁化容易軸が面直方向に向いているのに対して、Ｒｕ、Ｐｄを非磁性結合層２０３として用いた場合には、磁化容易軸が面内方向に向いていることが分かる。つまり、ＣｏＦｅＢ層の磁化容易軸を面直方向に維持するためには、非磁性結合層２０３としてＴａを用い、その層厚を０．３乃至０．５ｎｍ程度にすることが望ましいということが分かった。
本発明者等は、非磁性結合層２０３として機能する材料を探査することを目的に、Ｔａ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／キャップ層もしくは、Ｔａ／下地層／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／Ｔａという積層構造において、種々の材料を下地材料もしくはキャップ層２０２に用いて、ＣｏＦｅＢ層の磁気異方性エネルギー密度の下地材料（キャップ材料）依存性を調べた。その結果、Ｒｈキャップを用いた場合、Ｔａキャップを用いた場合に比べて、垂直磁気異方性エネルギーが弱まることを確認した。Ｖについては、Ｔａと同族であるが、Ｔａを用いた場合よりも垂直磁気異方性エネルギー密度が小さいことが報告されており（非特許文献６参照）、また本発明者等のグループでも同様の実験事実を確認している。
【００４５】
［実施例１］
本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１は、以下のようにして作製することができる。
最初に、酸化膜付きＳｉ基板上に、下地層２０１と、固定層１０６と、第１の非磁性層１１０と、第２の強磁性層１０９と非磁性結合層２０３と第３の強磁性層２０４とからなる記録層と、第２の非磁性層２０５と、キャップ層２０２と、の順に、所定の厚さで堆積する。自由層や固定層１０６の強磁性体材料としては、ＣｏＦｅＢ等からなる合金を用いることができる。自由層中の非磁性結合層２０３としては、上記したＴａ等を用いることができる。第１非磁性層１１０及び第２の非磁性層２０５としては、ＭｇＯを用いることができる。これらの各層の堆積方法としては、物理蒸着法であるスパッタ法、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）などを用いることができる。
【００４６】
次に、電極形成工程には、マスク工程やエッチング工程により、磁気抵抗効果素子１０１のパターンを、下地層２０１及びキャップ層２０２に形成して、磁気抵抗効果素子１０１を作製することができる。
【００４７】
以上の結果より、本発明により、非磁性結合層２０３としてＴａを用いて、図１で示した構造を作製することで、高い熱安定性を示す磁気抵抗効果素子１０１を作製できることが分かった。
【００４８】
本発明の構造を用いて熱安定性の高い記録層を作製するためには、以下のような条件が必要となる。
（１）Ｔａ等からなる非磁性結合層２０３は、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４との間に磁気的な結合を発生させること。
（２）非磁性結合層２０３は、熱処理を行った後に、記録層の材料であるＢやＣを吸収可能で第２の強磁性層１０９と第１の非磁性層１１０、並びに第３の強磁性層２０４と第２の非磁性層２０５の間に発生する界面磁気異方性を増加させられること。
（３）記録層内の第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の垂直磁気異方性エネルギー密度を弱めないこと。
（４）記録層内の第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の間に磁気的な結合を得るために非磁性結合層２０３の膜厚を十分に薄くできること。
【００４９】
［実施例２］
実施例２では、実施例１の結果を受けて、非磁性結合層２０３の材料をＴａとして、第１の強磁性層（固定層）１０６、記録層の第２の強磁性層１０９及び第３の強磁性層２０４の磁性層の材料がＣｏＦｅＢであり、第１の非磁性層１１０と第２の非磁性層２０５の材料がＭｇＯである場合を例として説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は、実施例２の磁気抵抗効果素子１０１の外部磁場印加による磁気抵抗効果を示す図である。横軸は磁気抵抗効果素子１０１に印加される磁場μ０Ｈ（ｍＴ）であり、縦軸は磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値（ｋΩ）である。
図４には、一例として図１で示した構造で、磁化が固定された第１の強磁性層（固定層）１０６のＣｏＦｅＢ膜厚を０．９ｎｍ、記録層となる第２の強磁性層１０９のＣｏＦｅＢ膜厚を１．６ｎｍ、第３の強磁性層２０４のＣｏＦｅＢ膜厚を１ｎｍとし、第１の非磁性層１１０と第２の非磁性層２０５のＭｇＯ膜厚を０．９ｎｍとし、非磁性結合層２０３のＴａ膜厚を０．４、１．０ｎｍと変化させた場合の磁気抵抗効果素子１０１の抵抗変化を膜面に対して垂直方向に磁界を印加して測定した結果を示している。
【００５０】
図４（ａ）に示すように、非磁性結合層２０３のＴａ膜厚（ｔＴａ）が０．４ｎｍの磁気抵抗効果素子１０１は、典型的なマイナーＲＨ曲線である。
これに対して、Ｔａ膜厚が１．０ｎｍの場合には、図４（ｂ）と図４（ｃ）に示す２種類のマイナーＲＨ曲線が得られており、これはＴａを介したＣｏＦｅＢ層間の磁気的な結合が弱いために生じている。図４（ｂ）、（ｃ）では何れの場合も測定の初めに、負方向に大きな磁界を印加し、全ての強磁性層の磁化方向を一方向（下向き）に揃えている。図４（ｂ）では、正方向に磁界を印加し、第２の強磁性層１０９が反転した直後に外部磁界を減少させている。一方、図４（ｃ）で示した例では、第２の強磁性層１０９が反転した後も正方向の磁界を印加し、１１４ｍＴの磁界を印加後、外部磁界を減少させている。
【００５１】
図４（ｂ）では、非磁性結合層２０３であるＴａ上のＣｏＦｅＢ層は磁化反転せず、下向きに固定されたまま第２の強磁性層１０９のＣｏＦｅＢ層の磁化を反転させている。この時、第１の強磁性層１０６の磁化方向も下向きに固定されているために、第２の強磁性層１０９には、第１の強磁性層１０６並びに第３の強磁性層２０４からダイポール磁界が印加される。結果として、シフト磁界が４５ｍＴという非常に大きな値となっている。
【００５２】
一方、図４（ｃ）の例では、第２の強磁性層１０９が反転した後も、正方向の磁界強度を増加させて、非磁性結合層２０３となるＴａの上のＣｏＦｅＢ層も磁化反転させた状態、つまり非磁性結合層２０３となるＴａ上のＣｏＦｅＢ層の磁化方向を上向きに固定した状態で、ＲＨ曲線を測定している。この場合には、第３の強磁性層２０４からのダイポール磁界が第１の強磁性層１０６からのダイポール磁界を打ち消すために、シフト磁界は５ｍＴという小さな値となる。
【００５３】
以上の結果より、非磁性結合層２０３のＴａが０．４ｎｍの場合には、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４は強磁性的に結合しているのに対して、非磁性結合層２０３のＴａが１．０ｎｍの場合には、非磁性結合層２０３の上下のＣｏＦｅＢ層は独立に反転していることが分かった。
【００５４】
これにより、本発明の磁気抵抗効果素子１０１では、非磁性結合層２０３のＴａ膜厚を１．０ｎｍ未満に設計する必要があることが分かった。
【００５５】
発明の効果で述べたように、本発明により磁気抵抗効果素子１０１の熱安定性を向上させることが可能である。
図５は、本発明の磁気抵抗効果素子１０１と、図１５で示した従来構造の磁気抵抗効果素子の熱安定性を比較する図である。図５の横軸は記録層の面積（ｎｍ２）であり、縦軸は熱安定指数（Ｅ／ｋＢＴ）である。
比較例は、磁化が固定された第１の強磁性層２１０６の膜厚を０．９ｎｍ、磁化方向が可変である第２の強磁性層２１０９の膜厚を１．６ｎｍ、第１の非磁性層２１１０の膜厚を０．９ｎｍとした磁気抵抗効果素子２１０１の熱安定性指数である。
【００５６】
実施例の磁気抵抗効果素子は、図１に示す素子構造を有しており、本発明で見出したＴａを非磁性結合層２０３に適用し、実施例２で示したように第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４の間に十分な磁気的な結合を得るためにＴａ膜厚を０．４ｎｍとした。図５では、磁気抵抗効果素子１０１の熱安定性指数を素子の面積に対して示した。
【００５７】
何れの素子面積でも、本発明で用いたＴａを非磁性結合層２０３として用いた構造を具備する磁気抵抗効果素子１０１の方が高い熱安定性を示しており、ＭＲＡＭの実現に必要な熱安定性指数８０以上の値を実現できていることが分かる。
【００５８】
図６は、図１の構造の磁気抵抗効果素子１０１を、電流（スピントランスファートルク）を用いて記録層の磁化を反転させた結果を示す図である。横軸は磁気抵抗効果素子１０１に印加する電流（μＡ）で、縦軸は磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値（ｋΩ）である。
図６に示すように、本発明の磁気抵抗効果素子１０１を外部電流により磁化反転できることが分かった。つまり、電流により無磁場状態で、平行状態から反平行状態、並びに反平行状態から平行状態へと磁化状態を変えられていることが分かる。
以上の結果より、本発明の磁気抵抗効果素子１０１を用いて、外部から供給された電流により磁化状態を変えられることが分かった。
【００５９】
図１で示した例では、磁化が固定された参照層の磁化の向きは上向きに示されているが、下向きに固定されても良い。
【００６０】
図１の構造を用いた図４、図５及び図６の例では、第１、第２並びに第３の強磁性層１０６、１０９、２０４を全てＣｏＦｅＢとして構成しているが、磁化が固定された第１の強磁性層１０６にはＣｏとＰｔもしくはＰｄ、ＮｉとＰｔもしくはＰｄなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、ＴｂＦｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料で構成してもよい。
【００６１】
第１の強磁性層１０６と第１の非磁性層１１０の間にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの３ｄ遷移金属を少なくとも一種類含む強磁性体もしくはホイスラー合金を材料とした層を新たに挿入しても良い。前記構造において、高い磁気抵抗比を得るために、第１の強磁性層１０６におけるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉを少なくとも一つ含む層と、ＣｏとＰｔもしくはＰｄ、ＮｉとＰｔもしくはＰｄなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、ＴｂＦｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料を用いた強磁性層との間に、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖといった非磁性金属を挿入しても良い。
【００６２】
［変形例１］
図７は、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１Ａの変形例１の構造を示す断面図である。図７の磁気抵抗効果素子１０１Ａが、図１の磁気抵抗効果素子１０１と異なるのは、固定層である。固定層は、第１の強磁性層１０６と、さらに第４の強磁性層７０１と第２の非磁性結合層７０２とから構成されている。一例として、図７では、第１の非磁性層１１０と隣接する第１の強磁性層１０６にＣｏＦｅＢを用い、その下にＴａ、Ｃｒ、Ｖの内、少なくとも一つを含有する非磁性材料を第２の非磁性結合層７０２として挿入し、第２の非磁性結合層７０２の下に第４の強磁性層７０１としてＣｏとＰｔもしくはＰｄ、ＮｉとＰｔもしくはＰｄなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、ＴｂＦｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料を用いた強磁性層で構成される磁気抵抗効果素子１０１Ａの断面図を示した。
【００６３】
［変形例２］
図８は、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１Ｂの変形例２の構造を示す断面図である。
図１で示した磁気抵抗効果素子１０１では、磁化が固定された参照層は第１の強磁性層１０６の単層で構成されている。
図８の本発明の変形例２の磁気抵抗効果素子１０１Ｂでは、第１の強磁性層１０６の下に、第１の強磁性層１０６の磁化方向と逆向きの磁化を持った第５の強磁性層８０１を挿入しても良い。この場合、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４で構成される磁化方向が可変である記録層に働く漏洩磁界が小さくなるために、本発明の効果がより強調される。
【００６４】
図８の磁気抵抗効果素子１０１Ｂでは、第１の強磁性層１０６と第５の強磁性層８０１の間に、反強磁性的な層間結合を供給する第３の非磁性結合層８０２が挿入されている。
非特許文献４によると、第３の非磁性結合層８０２は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏを除く全ての遷移金属並びにその合金が候補であり、第３の非磁性結合層８０２の膜厚を最適に調整することで、第１の強磁性層１０６と第５の強磁性層８０１の間に反強磁性的な層間結合を働かせることが可能となる。
【００６５】
図８の例では、第１の強磁性層１０６としてＣｏＦｅＢを用いており、第５の強磁性層８０１としては、ＣｏとＰｔもしくはＰｄ、ＮｉとＰｔもしくはＰｄなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、ＴｂＦｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料が候補である。
また、第１の強磁性層１０６と第３の非磁性層８０２の間に垂直磁気異方性エネルギーが大きいＣｏとＰｔもしくはＰｄ、ＮｉとＰｔもしくはＰｄなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、ＴｂＦｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料を挿入した構造としてもよい。その場合には、高い磁気抵抗比を得るために、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖといった非磁性材料を、ＣｏＦｅＢ層と従来からある垂直磁気異方性材料の間に挿入しても良い。
【００６６】
［変形例３］
図９は、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１Ｃの変形例３の構造を示す断面図である。図９には、一例として、図８の磁気抵抗効果素子１０１Ｂにおいて、さらに、第１の強磁性層１０６にＣｏＦｅＢを用いてその下に第４の非磁性結合層９０１となるＴａを挿入し、更にその下にＣｏとＰｔもしくはＰｄ、ＮｉとＰｔもしくはＰｄなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、ＴｂＦｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料からなる第６の強磁性層９０２を具備した例を示した。
【００６７】
［変形例４］
図１０は、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１Ｄの変形例４の構造を示す断面図である。
本発明の別の観点によると、本発明の効果は、記録層と参照層の位置が第１の非磁性層１１０に対して相対的な位置が逆になった図１０に示した構成であっても同様の効果を発揮する。
実施例１では、第１の非磁性層１１０の下に配置された強磁性層が、磁化が固定された参照層として機能し、第１の非磁性層１１０の上に配置された第２の強磁性層１０９、第３の強磁性層２０４が、磁化方向が可変な記録層として機能している。
一方、図１０に示した構成では、第１の非磁性層１１０に対する記録層と参照層１０６の相対的な位置が逆になっている。図１０の例では、非磁性結合層２０３がＴａであり、参照層となる第１の強磁性層１０６、記録層となる第２の強磁性層１０９及び第３の強磁性層２０４の材料が全てＣｏＦｅＢであり、第１の非磁性層１１０と第２の非磁性層２０５の材料がＭｇＯである場合の例を示している。
【００６８】
図１０で示した例では、磁化が固定された参照層である第１の強磁性層１０６の磁化が上向きとなっているが、下向きとなってもよい。また、第１の強磁性層１０６にはＣｏとＰｔもしくはＰｄ、ＮｉとＰｔもしくはＰｄなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、ＴｂＦｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料で構成してもよい。
【００６９】
［変形例５］
図１０に示す磁気抵抗効果素子１０１Ｄにおいて、第１の強磁性層１０６の下にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの３ｄ遷移金属を少なくとも一種類含む強磁性体もしくはホイスラー合金を材料とした層を新たに挿入しても良い。その場合により大きな磁気抵抗変化率を得るために、前記で挿入されたＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性体もしくはホイスラー合金を材料とした層の上に、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖの何れか一つを含む非磁性材料を第５の非磁性結合層１１０１として挿入し、図１１に例示したような構造であってもよい。
図１１は、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１Ｅの変形例５の構造を示す断面図である。この図に示すように、本発明の変形例５の磁気抵抗効果素子１０１Ｅの構造は、図１０の第１の強磁性層１０６上にさらにＴａ、Ｃｒ、Ｖの何れか一つを含む層からなる第５の非磁性結合層１１０１と、第７の強磁性層１１０２が挿入されている。第７の強磁性層１１０２の磁化方向は上向きに固定されているが下向きに固定されても良い。
【００７０】
［変形例６］
本発明の別の観点によると、図１０で示した構造においても、変形例２で示したように第１の強磁性層１０６の上に更に第１の強磁性層１０６の磁化方向と逆向きの磁化方向を有する第８の強磁性層１２０１を付与しても良い。
図１２は、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１Ｆの変形例６の構造を示す断面図である。この図に示すように、本発明の変形例６の磁気抵抗効果素子１０１Ｆは、図１０で示した磁気抵抗効果素子１０１Ｄの第１の強磁性層１０６の上に、さらに、反強磁性的な層間結合を発生する第６の非磁性結合層１２０２を積層し、更にその上に、第１の強磁性層１０６と磁化方向が逆向きの磁化が固定された第８の強磁性層１２０１を備えている。本構造でも変形例３と同様に、第１の強磁性層１０６の上に更にＣｏとＰｔもしくはＰｄ、ＮｉとＰｔもしくはＰｄなどの多層膜や、ＦｅＰｔ、ＴｂＦｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料を積層した構造であってもよい。
【００７１】
［変形例７］
図１３は、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１Ｇの変形例７の構造を示す断面図である。この図に例示しているように、本発明の変形例７の磁気抵抗効果素子１０１Ｇは、図１２で示した磁気抵抗効果素子１０１Ｆの第１の強磁性層１０６の上に、さらに、第９の強磁性層１３０１を備えている。高い磁気抵抗比を得るために、従来から知られている別の垂直磁気異方性材料となる第９の強磁性層１３０１と第１の強磁性層１０６との間に、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖを少なくとも一つ含む合金層からなる第７の非磁性結合層１３０２を挿入した構造としても良い。
【００７２】
本発明の別の観点によると、第２の強磁性層１０９と第３の強磁性層２０４を製造する際に、スパッタリングターゲットと基板の相対位置を調整することによって、より大きな垂直磁気異方性エネルギーを得ることが可能である。垂直磁気異方性エネルギー密度の増加は、記録層膜厚の増加を可能にし、結果として熱安定性の増加につながる。
【００７３】
［本発明の第１の実施の形態の磁気メモリ］
本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１を記憶素子とした、本発明の第１の実施の形態の磁気メモリについて説明する。
図１４は、本発明の磁気抵抗効果素子１０１、１０１Ａ〜１０１Ｇを記憶素子とした磁気メモリ（ＭＲＡＭ）１４００の構成を示すブロック図である。
本発明の第１の実施の形態の磁気メモリによれば、実施例１、２、変形例１〜７の磁気抵抗効果素子１０１、１０１Ａ〜１０１Ｇを記録素子として利用することで磁気メモリ（ＭＲＡＭ）を実現することができる。図１４に示すように、磁気メモリ１４００のメモリアレイでは、互いに平行に配置された複数のソース線１０３と、ソース線１０３と平行に配置され、且つ互いに平行に配置されたビット線１０４と、ビット線１０４と垂直に配置され、且つ、互いに平行な複数のワード線１０５と、メモリセル１００内の磁気抵抗効果素子１０１の膜面垂直方向に電流を印加する回路と、周辺回路と、を備えており、磁気メモリ１４００のメモリセル１００は、ビット線１０４とワード線１０５の各交点に配置される。メモリセル１００中の磁気抵抗効果素子は、実施例１〜７の磁気抵抗効果素子１０１、１０１Ａ〜１０１Ｇの何れを使用してもよいが、例えば、実施例１の磁気抵抗効果素子１０１として説明する。
【００７４】
磁気メモリ１４００のメモリセル１００は、実施例１、２、変形例１〜７の磁気抵抗効果素子１０１と選択トランジスタ１０２を具備している。ビット線１０４は、磁気抵抗効果素子１０１を介して選択トランジスタ１０２のドレイン電極に電気的に接続されており、ソース線１０３は配線層を介して選択トランジスタ１０２のソース電極に電気的に接続されている。
また、ワード線１０５は選択トランジスタ１０２のゲート電極に電気的に接続されている。ソース線１０３とビット線１０４の一端は、電圧印加のためのライトドライバ１４０３とセンス増幅器１４０２に電気的に接続されている。ワード線１０５の一端はワードドライバ１４０１に電気的に接続されている。
【００７５】
選択用トランジスタ１０２及び周辺回路は、ＭＯＳトランジスタを用いて作製することができる。これらの回路は、低消費電力化のために相補型ＭＯＳからなる集積回路、所謂ＣＭＯＳ集積回路で構成してもよい。
【００７６】
「１」の書き込み動作では、ライトドライバ１４０３からソース線１０３に電圧を印加するとともに、ワードドライバ１４０１からワード線１０５に電圧を印加することによって、ソース線１０３から磁気抵抗効果素子１０１を介してビット線１０４に電流を流す。この時、磁気抵抗効果素子１０１の磁化方向が可変である記録層の磁化と磁化方向が固定されて参照層の磁化配置が反平行状態となり、磁気抵抗効果素子１０１は高抵抗状態となり、保持する情報は「１」となる。
【００７７】
一方、「０」の書き込み動作では、ライトドライバ１４０３からビット線１０４に電圧を印加するとともに、ワードドライバ１４０１からワード線１０５に電圧を印加することによって、ビット線１０４から磁気抵抗効果素子１０１を介してソース線１０３に電流を流す。つまり、「０」の書き込み動作では、「１」の書き込み動作とは逆方向に電流を流し、磁気抵抗効果素子１０１の自由層においてスピン注入磁化反転をさせる。この時、磁気抵抗効果素子１０１の磁化方向が可変である記録層の磁化と磁化方向が固定された参照層の磁化配置が平行状態となり、磁気抵抗効果素子１０１は低抵抗状態となり、保持する情報は「０」となる。
【００７８】
読み出し時は、センス増幅器１４０２を用いて、抵抗変化による信号の違いを読み取る。このようなメモリアレイを用いることで、磁気抵抗変化率が大きく、読み込み電流が小さく、従来構造よりも熱安定性を高めた磁気抵抗効果素子１０１を具備するＭＲＡＭを実現できる。
【００７９】
本発明の磁気メモリ１４００は、以下のようにして製作することができる。
最初に、Ｓｉ等の基板上に選択用トランジスタ１０２及び周辺回路をＣＭＯＳ工程で形成し、その後で、本発明の磁気メモリ１４００の磁気抵抗効果素子１０１を形成すればよい。具体的には、上記の工程で製作した選択用トランジスタ及び周辺回路の全体をさらに絶縁膜で被覆し、磁気抵抗効果素子１０１の各電極だけに接続される領域の窓開けを行い、磁気抵抗効果素子１０１を形成する。次に、形成した磁気抵抗効果素子１０１、各メモリセル１００、ビット線１０４、ワード線１０５等の配線を、層間絶縁層と電極配線による多層配線層で形成すればよい。
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法以外には、ＣＶＤ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
【００８０】
［本発明の第２の実施の形態の磁気抵抗効果素子］
図１５乃至図２０は、本発明の第２の実施の形態の磁気抵抗効果素子を示している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態の磁気抵抗効果素子と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
図１５に示すように、磁気抵抗効果素子１０１０は、第１磁化自由層３０１と第２の非磁性層２０５と固定層１０６と磁化固定層４０１、４０２とを有している。なお、図１５中のｘ−ｙ−ｚ座標系において、ｚ軸は基板垂直方向であり、ｘ−ｙ軸は基板平面に平行であるものとする。このｘ−ｙ−ｚ座標系の定義は、これ以降の図でも共通である。また、図１５（ｂ）中の矢印は、各層に含まれる強磁性体の磁化方向である。
【００８１】
図１６に示すように、第１磁化自由層３０１は、第１の非磁性層１１０と第２の強磁性層１０９と非磁性結合層２０３と第３の強磁性層２０４とを具備し、かつこれらの層はこの順に積層して設けられている。また、第２の非磁性層２０５は非磁性体から構成され、第３の強磁性層２０４に隣接して設けられている。第２の非磁性層２０５は、第１磁化自由層３０１の一方の面全体を覆うよう形成されている。
【００８２】
第２の強磁性層１０９と第１の非磁性層１１０との境界には第１界面Ｉ１が形成され、第３の強磁性層２０４と第２の非磁性層２０５との境界には第２界面Ｉ２が形成されている。第２の強磁性層１０９および第３の強磁性層２０４は、強磁性体を含んでいる。特に、第２の強磁性層１０９および第３の強磁性層２０４は、それぞれ３ｄ強磁性遷移金属元素であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含んでいることが好ましく、さらに、薄膜堆積直後にアモルファス状態となるよう、それぞれＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｓのうちの少なくとも一つを含んでいることが好ましい。第２の非磁性層２０５および第１の非磁性層１１０は、非磁性体を含んでおり、特に、Ｎ、Ｏ、Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいることが好ましい。これにより、第１界面Ｉ１および第２界面Ｉ２において基板垂直方向の界面磁気異方性が発現するため、第２の強磁性層１０９および第３の強磁性層２０４の磁化容易軸が基板垂直方向となっている。
【００８３】
なお、具体的な一例では、第２の強磁性層１０９および第３の強磁性層２０４は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金から成り、合計膜厚が０．８ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。第２の非磁性層２０５および第１の非磁性層１１０はＭｇ−Ｏから成り、第２の非磁性層２０５の膜厚は０．５〜２ｎｍである。
【００８４】
非磁性結合層２０３は、金属を含んでおり、特に、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉのうちの少なくとも一つを含んでいることが好ましい。具体的な一例では、非磁性結合層２０３はＴａから成り、膜厚が０．２ｎｍ以上０．６ｎｍ未満である。
【００８５】
また、図１５（ｂ）および（ｃ）に示すように、第１磁化自由層３０１は、第１磁化固定領域３０２と、第２磁化固定領域３０３と、磁化自由領域３０４とを有している。なお、図１５では、第１磁化自由層３０１はｘ軸方向に延伸して形成され、磁化自由領域３０４は第１磁化固定領域３０２と第２磁化固定領域３０３とに挟まれて設けられているが、第１磁化固定領域３０２、第２磁化固定領域３０３、磁化自由領域３０４の位置関係はこれに限定されるものではない。第１磁化固定領域３０２および第２磁化固定領域３０３は、ｚ軸方向に固定された磁化を有しており、かつそれらは反平行方向に磁化されている。図１５の例では、第１磁化固定領域３０２の磁化は＋ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域３０３の磁化は−ｚ方向に固定されている。磁化自由領域３０４の磁化は、＋ｚ方向、または−ｚ方向のいずれかを向くことができるようになっている。
【００８６】
図１５に示すように、固定層１０６は、第２の非磁性層２０５に隣接して、第１磁化自由層３０１とは反対側に設けられている。固定層１０６は、垂直磁気異方性を有して磁化方向の固定された強磁性体を有している。固定層１０６は、第１０の強磁性層１０６１と第３の非磁性層１０６２と第１１の強磁性層１０６３とを有している。第１０の強磁性層１０６１および第１１の強磁性層１０６３は、垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成されている。第３の非磁性層１０６２は、非磁性体により構成され、第１０の強磁性層１０６１と第１１の強磁性層１０６３とに挟まれて設けられている。第１０の強磁性層１０６１および第１１の強磁性層１０６３の磁化は、反平行方向に固定され、第３の非磁性層１０６２は、第１０の強磁性層１０６１および第１１の強磁性層１０６３の磁化が反平行方向を向くように結合させる働きを有している。
【００８７】
第１０の強磁性層１０６１および第１１の強磁性層１０６３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んでいる。また、これらの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどを交互に積層することにより、垂直磁気異方性を有していてもよい。また、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｓｍ−Ｃｏのような希土類金属を含んだ垂直磁気異方性材料や、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｐｔなどの規則合金を用いてもよい。第３の非磁性層１０６２は、任意の材料から成っていてもよいが、好適には第１０の強磁性層１０６１と第１１の強磁性層１０６３とを反強磁性的に結合させる働きを有する、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅなどから成っていることが好ましい。
【００８８】
また、固定層１０６は、ｘ−ｙ平面において少なくとも第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４にオーバーラップするようにして設けられている。図１５に示す例では、固定層１０６は、磁化自由領域３０４の直上に配置され、ｘ−ｙ平面において磁化自由領域３０４に収まるよう設けられている。なお、固定層１０６は、磁化自由領域３０４に対してｘ−ｙ平面において少なくとも一部分でオーバーラップしていればよく、その大きさも磁化自由領域３０４よりも大きく形成されていても構わない。
【００８９】
図１５に示すように、磁化固定層４０１、４０２は、それぞれ少なくとも一部分において強磁性体を有している。磁化固定層４０１、４０２は、それぞれ第１磁化自由層３０１の第１磁化固定領域３０２と第２磁化固定領域３０３とに接し、磁気的に結合している。なお、この磁気的な結合は、交換結合であってもよいし、静磁結合であってもよい。磁化固定層４０１、４０２は、第１磁化自由層３０１の第１磁化固定領域３０２の磁化と第２磁化固定領域３０３の磁化とを反平行方向に固定する役割を有している。このため、磁化固定層４０１、４０２は、互いに反平行方向に固定された磁化を有している。また、磁化固定層４０１、４０２は、この役割さえ果たされるのであれば、３つ以上であっても、１つであっても、また設けられなくてもよい。
【００９０】
磁化固定層４０１、４０２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んでいる。また、これらの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕなどを交互に積層することにより、垂直磁気異方性を有していてもよい。また、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｓｍ−Ｃｏのような希土類金属を含んだ垂直磁気異方性材料や、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｐｔなどの規則合金を用いてもよい。
【００９１】
なお、磁化固定層４０１、４０２は、図１７（ａ）に示すように、第１磁化自由層３０１の第１の非磁性層１１０に隣接して設けられてもよく、図１７（ｂ）に示すように、第１磁化自由層３０１の第２の強磁性層１０９に隣接して設けられてもよい。図１７（ａ）に示すように、磁化固定層４０１、４０２が第１の非磁性層１１０に隣接して設けられる場合、磁化固定層４０１、４０２と第２の強磁性層１０９より上の層とは電気的に導通している必要があり、そのために第１の非磁性層１１０のトンネル抵抗は十分薄くなるよう構成されている必要がある。このためには、第１の非磁性層１１０の膜厚を薄くすることの他に、磁化固定層４０１、４０２の上部のラフネスが粗くなるようにし、それによって電流のリークパスが多くなるようにすることで導通を取ることもできる。
【００９２】
また、図１７（ｂ）に示すように、磁化固定層４０１、４０２が第２の強磁性層１０９と隣接して設けられる場合、第２の強磁性層１０９のうちの第１の非磁性層１１０と隣接する部分に関しては、界面磁気異方性によって垂直磁気異方性が発現され、第２の強磁性層１０９のうちの磁化固定層４０１、４０２と隣接する部分に関しては、磁化固定層との交換結合によって垂直磁気異方性が発現されるよう構成されている必要がある。この場合には、第１の非磁性層１１０の膜厚に上限は存在しなくなる。
【００９３】
なお、磁気抵抗効果素子１０１０は、外部の配線との接続のために、導電体から構成されるコンタクト層を有していてもよい。
【００９４】
［磁気抵抗効果素子１０１０のメモリ状態］
磁気抵抗効果素子１０１０では、第１磁化自由層３０１の磁化状態が記憶情報に関連付けられる。図１８（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０１０にメモリ情報として「０」が格納された状態においては、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の磁化は、＋ｚ方向を向いている。このとき、第１磁化固定領域３０２は＋ｚ方向、第２磁化固定領域３０３は−ｚ方向を向いているため、磁化自由領域３０４と第２磁化固定領域３０３との境界に、磁壁ＤＷが形成される。
【００９５】
一方、図１８（ｂ）に示すように、メモリ情報として「１」が格納された状態においては、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の磁化は、−ｚ方向を向いている。このとき、第１磁化固定領域３０２は＋ｚ方向、第２磁化固定領域３０３は−ｚ方向を向いているため、磁化自由領域３０４と第１磁化固定領域３０２との境界に、磁壁ＤＷが形成される。
【００９６】
このように、磁気抵抗効果素子１０１０では、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の磁化方向が、メモリ素子として見たときの記憶情報に対応しており、言い換えると、磁壁ＤＷの位置が記憶情報に対応している。なお、磁気抵抗効果素子１０１０におけるメモリ状態の定義はこれに限らず、第１磁化固定領域３０２、第２磁化固定領域３０３、磁化自由領域３０４の磁化方向とメモリ状態との関連付けには任意性がある。
【００９７】
［磁気抵抗効果素子１０１０への情報の書き込み方法］
磁気抵抗効果素子１０１０では、図１８に示す磁壁ＤＷを電流により移動させることによって情報の書き込みを行う。図１９（ａ）に示すように、メモリ情報として「１」を書き込む場合、「１」書き込み電流Ｉｗ１が、第１磁化自由層３０１の第１磁化固定領域３０２から磁化自由領域３０４を経由して第２磁化固定領域３０３へと導入される。このとき、第１磁化自由層３０１内において、伝導電子は、第２磁化固定領域３０３から磁化自由領域３０４を経由して第１磁化固定領域３０２へと流れる。これにより、磁化自由領域３０４と第２磁化固定領域３０３との境界に形成された磁壁ＤＷには、スピントランスファートルクが働き、磁壁ＤＷは、磁化自由領域３０４と第２磁化固定領域３０３との境界から、磁化自由領域３０４と第１磁化固定領域３０２との境界へと移動する。なお、第１磁化固定領域３０２の磁化が固定されているため、磁化自由領域３０４と第１磁化固定領域３０２との境界で磁壁ＤＷは止まる。これによって実現される磁化状態は、図１８（ｂ）に示す「１」状態に他ならない。このようにして、「１」書き込み電流Ｉｗ１を磁気抵抗効果素子１０１０に導入することによって、「０」状態から「１」状態への格納情報の書き換えを行うことができる。
【００９８】
一方、図１９（ｂ）に示すように、メモリ情報として「０」を書き込む場合、「０」書き込み電流Ｉｗ０が、第１磁化自由層３０１の第２磁化固定領域３０３から磁化自由領域３０４を経由して第１磁化固定領域３０２へと導入される。このとき、第１磁化自由層３０１内において、伝導電子は、第１磁化固定領域３０２から磁化自由領域３０４を経由して第２磁化固定領域３０３へと流れる。これにより、磁化自由領域３０４と第１磁化固定領域３０２との境界に形成された磁壁ＤＷには、スピントランスファートルクが働き、磁壁ＤＷは、磁化自由領域３０４と第１磁化固定領域３０２との境界から、磁化自由領域３０４と第２磁化固定領域３０３との境界へと移動する。なお、第２磁化固定領域３０３の磁化が固定されているため、磁化自由領域３０４と第２磁化固定領域３０３との境界で磁壁ＤＷが止まる。これによって実現される磁化状態は、図１８（ａ）に示す「０」状態に他ならない。このようにして、「０」書き込み電流Ｉｗ０を磁気抵抗効果素子１０１０に導入することによって、「１」状態から「０」状態への格納情報の書き換えを行うことができる。
【００９９】
このように、第１磁化自由層３０１に双方向の書き込み電流を導入することによって、「０」状態と「１」状態との間での格納情報の書き換えが可能である。なお、図１９では、書き込み電流Ｉｗ１、Ｉｗ０は、各磁化固定層４０１、４０２を経由しているが、書き込み電流の経路はこれに限定されるものではなく、第１磁化自由層３０１内で第１磁化固定領域３０２と磁化自由領域３０４との間、または、第２磁化固定領域３０３と磁化自由領域３０４との間で導入されれば、どのような経路をたどってもよい。
【０１００】
また、「０」状態において「０」書き込み電流Ｉｗ０が導入された場合、および、「１」状態において「１」書き込み電流Ｉｗ１が導入された場合には、メモリ状態の変化は起こらない。すなわち、磁気抵抗効果素子１０１０においては、情報のオーバーライトも可能である。
【０１０１】
［磁気抵抗効果素子１０１０からの情報の読み出し方法］
磁気抵抗効果素子１０１０では、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の磁化方向が、格納されている記憶情報に対応している。磁気抵抗効果素子１０１０では、この磁化自由領域３０４と固定層１０６の第１０の強磁性層１０６１との磁化の相対角によって生ずる磁気抵抗効果を利用して、情報の読み出しを行う。磁気抵抗効果素子１０１０では、読み出し電流Ｉｒを、固定層１０６、第２の非磁性層２０５、第１磁化自由層３０１を貫通するように導入することにより、情報の読み出しを行う。
【０１０２】
図２０（ａ）に示すように、メモリ情報として「０」を読み出す場合、第２の非磁性層２０５に隣接した固定層１０６の第１０の強磁性層１０６１の磁化方向は、＋ｚ方向を向いており、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の磁化も、＋ｚ方向を向いている。このため、固定層１０６、第２の非磁性層２０５、第１磁化自由層３０１を貫通する方向に電流を導入すると、磁気抵抗効果によって低抵抗状態が観測される。
【０１０３】
一方、図２０（ｂ）に示すように、メモリ情報として「１」を読み出す場合、第２の非磁性層２０５に隣接した固定層１０６の第１０の強磁性層１０６１の磁化方向は、−ｚ方向を向いており、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の磁化は、＋ｚ方向を向いている。このため、固定層１０６、第２の非磁性層２０５、第１磁化自由層３０１を貫通する方向に電流を導入すると、磁気抵抗効果によって高抵抗状態が観測される。
【０１０４】
このように、磁化自由領域３０４の磁化の第１０の強磁性層１０６１に対する相対角によって、磁気抵抗効果素子１０１０における抵抗が変化するため、この抵抗の差を利用することで磁気抵抗効果素子１０１０からの情報の読み出しを行うことができる。
【０１０５】
なお、図２０では、読み出し電流Ｉｒは、各磁化固定層４０１、４０２から、第１磁化自由層３０１、第２の非磁性層２０５、固定層１０６を経由して＋ｚ方向に導入されているが、読み出し電流Ｉｒの経路はこれに限定されるものではない。すなわち、固定層１０６の第１０の強磁性層１０６１と第２の非磁性層２０５と第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４とを貫通する方向に電流が流れさえすれば、それ以外の経路がいかようであってもよい。
【０１０６】
［変形例８］
図２１は、本発明の第２の実施の形態の磁気抵抗効果素子の変形例８を示している。
図２１に示すように、磁気抵抗効果素子１０１０Ａは、第１磁化自由層３０１と第２の非磁性層２０５と固定層１０６と磁化固定層４０１、４０２と第２磁化自由層５０１と第４の非磁性層５０２とを有している。なお、以下の説明では、本発明の第２の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【０１０７】
第２磁化自由層５０１は、少なくとも一部分において強磁性体を有し、ｘ−ｙ面内において磁化方向を反転可能になっている。すなわち、第２磁化自由層５０１は、面内磁気異方性を有する強磁性体を有している。また、第２磁化自由層５０１は、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の中心からｘ−ｙ面内においてずれるようにして設けられている。図９に示す一例では、第２磁化自由層５０１は、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４に対して、＋ｙ方向にずれるようにして設けられている。
【０１０８】
第２磁化自由層５０１は、任意の材料を使用することができ、実際には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む強磁性体から構成されることが好ましい。特に、第２磁化自由層５０１は、所望の読み出し特性が得られるよう、材料や膜厚を設計することができる。
【０１０９】
第４の非磁性層５０２は、固定層１０６と第２磁化自由層５０１とに挟まれて設けられている。第４の非磁性層５０２は、任意の材料を使用することができ、あらゆる非磁性体を用いることができる。第２磁化自由層５０１の材料と第４の非磁性層５０２の材料との組み合わせとしては、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｍｇ−Ｏが好ましい。
【０１１０】
また、図２１に示すように、各磁化固定層４０１、４０２は、それぞれ第１磁化自由層３０１の第１磁化固定領域３０２および第２磁化固定領域３０３に隣接して、その上側の面上に設けられている。また、第１の非磁性層２０は、第１磁化自由層３０１の下側の面に隣接して設けられている。
【０１１１】
磁気抵抗効果素子１０１０Ａは、磁気抵抗効果素子１０１０と同じく、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の磁化の向きが上方向を向いているか下方向を向いているかで、格納されている情報の「０」と「１」とを区別する。磁気抵抗効果素子１０１０Ａでは、磁化自由領域３０４が上（＋ｚ方向）を向いている場合、第２磁化自由層５０１の位置では＋ｙ方向の漏洩磁界が発生することになる。この漏洩磁束によって、第２磁化自由層５０１の磁化は＋ｙ方向を向く。このとき、第２磁化自由層５０１と、第４の非磁性層５０２と隣接する固定層１０６の第１０の強磁性層１０６１との相対角度は、平行となる。
【０１１２】
一方、磁化自由領域３０４が下（−ｚ方向）を向いている場合、第２磁化自由層５０１の位置では−ｙ方向の漏洩磁界が発生することになる。この漏洩磁束によって、第２磁化自由層５０１の磁化は−ｙ方向を向く。このとき、第２磁化自由層５０１と、第４の非磁性層５０２と隣接する固定層１０６の第１０の強磁性層１０６１との相対角度は、反平行となる。このように、磁気抵抗効果素子１０１０Ａでは、第１磁化自由層３０１の磁化自由領域３０４の磁化方向が、漏洩磁界というかたちで第２磁化自由層２０に伝達され、読み出しは第２磁化自由層２０、第４の非磁性層５０２、固定層１０６の間で発生する磁気抵抗効果を利用することで行われる。
【０１１３】
なお、図２１では、磁気抵抗効果素子１０１０Ａは４端子の素子となっているが、実際には、読み出しを担う第２磁化自由層５０１、第４の非磁性層５０２、固定層１０６からなる積層体と、書き込みおよびデータ保持を担う第１磁化自由層３０１、第１の非磁性層２０とは、電気的に接続されていてもよい。この場合には、磁気抵抗効果素子１０１０Ａは、３端子の素子となる。
【０１１４】
［本発明の第２の実施の形態の磁気メモリ］
図２２および図２３は、本発明の第２の実施の形態の磁気メモリを示している。
図２２に示すように、本発明の第２の実施の形態の磁気メモリ１５００は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル１５０１を有している。また、図２３に示すように、各磁気メモリセル１５０１は、磁気抵抗効果素子１０１０を有している。
【０１１５】
［磁気メモリ１５００の回路構成］
図２３に示すように、磁気メモリセル１５０１では、磁気抵抗効果素子１０１０が第１ビット線１０２１、第２ビット線１０２２、ワード線１０３０、グラウンド線１０４０に接続されている。固定層１０６に繋がる端子は、グラウンド線１０４０に接続されている。第１磁化固定領域３０２は、磁化固定層４０１を経由して、第１セルトランジスタ１０５１のソース／ドレインに接続されている。第２磁化固定領域３０３は、磁化固定層４０２を経由して、第１セルトランジスタ１０５２のソース／ドレインに接続されている。第１セルトランジスタ１０５１および第２セルトランジスタ１０５２のゲート電極は、ワード線１０３０に接続されている。また、第１セルトランジスタ１０５１および第２セルトランジスタ１０５２のソース／ドレインのうちの磁気抵抗効果素子１０１０に接続される側とは反対側の端子は、それぞれ第１ビット線１０２１、第２ビット線１０２２に接続されている。
【０１１６】
情報を書き込む場合、ワード線１０３０をＨｉｇｈレベルに設定することにより、第１セルトランジスタ１０５１、第２セルトランジスタ１０５２がＯＮ状態になる。さらに、第１ビット線１０２１および第２ビット線１０２２のいずれかをＨｉｇｈに設定することにより、磁気抵抗効果素子１０１０への情報の書き込みが可能となる。
【０１１７】
情報を読み出す場合、ワード線１０３０をＨｉｇｈレベルに設定することにより、第１セルトランジスタ１０５１、第２セルトランジスタ１０５２がＯＮ状態になる。さらに、第１ビット線１０２１および第２ビット線１０２２の両方をＨｉｇｈに設定する、或いは、一方をＨｉｇｈに、他方をＯｐｅｎに設定することにより、磁気抵抗効果素子１０１０からの情報の読み出しが可能となる。
【０１１８】
図２２に示すように、磁気メモリ１５００は、メモリセルアレイ１５０２とＸドライバ１５０３とＹドライバ１５０４とコントローラ１５０５とを備えている。メモリセルアレイ１５０２は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル１５０１を有している。各磁気メモリセル１５０１は、第１ビット線１０２１、第２ビット線１０２２、ワード線１０３０、グラウンド線１０４０に接続されている。Ｘドライバ１５０３は、複数のワード線１０３０に接続されており、それら複数のワード線１０３０のうち、アクセス対象の磁気メモリセル１５０１に繋がるワード線１０３０を駆動するようになっている。
【０１１９】
Ｙドライバ１５０４は、複数の第１ビット線１０２１、第２ビット線１０２２に接続されており、それら複数の第１ビット線１０２１、第２ビット線１０２２を、所望のデータ書き込み、読み出し状態に設定するようになっている。コントローラ１５０５は、データ書き込み、あるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ１５０３およびＹドライバ１５０４のそれぞれを制御するようになっている。なお、磁気抵抗効果素子１０１０の固定層１０６へと接続されるグラウンド線１０４０は、Ｘドライバ１５０３へと接続されているが、これをＹドライバ１５０４に接続される読み出しビット線によって代用することも可能である。
【０１２０】
なお、図２２および図２３で示す回路構成は、磁気抵抗効果素子１０１０または１０１０Ａを用いて磁気メモリ１５００を形成する上での一例であり、他の回路構成を用いても同等の効果を有する磁気メモリを提供することができる。
【０１２１】
以上に示すように、磁気抵抗効果素子１０１０は、強磁性層と非磁性層とを積層した積層構造を、３端子磁壁移動型磁気メモリに適用して成るため、小さな書き込み電流および大きな読み出し信号を同時に有している。また、第１磁化自由層３０１の第２の強磁性層１０９および第３の強磁性層２０４との合計膜厚を大きくすることができるため、データの保持特性を飛躍的に高めることができ、熱安定性、動作の安定性、および製造容易性を高めることができる。
【０１２２】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、メガビット、ギガビットクラスの大規模なメモリアレイのみならず、キロビット、メガビットクラスの高速で動作するキャッシュメモリやシステムＬＳＩのロジック領域に設けられるレジスタのような単ビットや数ビットの一時的な記憶素子にも適用できる。加えて、レーストラックメモリのような細線上に形成される複数の磁区の各々の磁化の方向で複数の情報を記憶し、所望のビットへアクセスするために電流誘起磁壁移動を用いるようなデバイスにも適用が可能である。【０１２４】
このため、本発明に係る磁気メモリは、携帯電話などのモバイル機器やパソコンに使用される不揮発性の半導体メモリ装置や、自動車やゲーム機などに使用される不揮発性メモリ内蔵のマイコンにおけるメモリ部分、及びロジック部分に接続されるキャッシュメモリやレジスタなどの一時記憶素子などに利用可能であると考えられる。
【符号の説明】
【０１２５】
１００  磁気メモリのメモリセル
１０１、１０１Ａ〜１０１Ｇ  磁気抵抗効果素子
１０２  選択トランジスタ
１０３  ソース線
１０４  ビット線
１０５  ワード線
１０６  第１の強磁性層（固定層）
１０９  第２の強磁性層
１１０  第１の非磁性層
２０１  下地層
２０２  キャップ層
２０３  非磁性結合層
２０４  第３の強磁性層
２０５  第２の非磁性層
７０１  第４の強磁性層
７０２  第２の非磁性結合層
８０１  第５の強磁性層
８０２  第３の非磁性結合層
９０１  第４の非磁性結合層
９０２  第６の強磁性層
１１０１  第５の非磁性結合層
１１０２  第７の強磁性層
１２０１  第８の強磁性層
１２０２  第６の非磁性結合層
１３０１  第９の強磁性層
１３０２  第７の非磁性結合層
１４００  磁気メモリ（ＭＲＡＭ）
１４０１  ワードドライバ
１４０２  センス増幅器
１４０３  ライトドライバ
１０１０、１０１０Ａ  磁気抵抗効果素子
１０２１  第１ビット線
１０２２  第２ビット線
１０３０  ワード線
１０４０  グラウンド線
１０５１  第１セルトランジスタ
１０５２  第２セルトランジスタ
１０６１  第１０の強磁性層
１０６２  第３の非磁性層
１０６３  第１１の強磁性層
３０１  第１磁化自由層
３０２  第１磁化固定領域
３０３  第２磁化固定領域
３０４  磁化自由領域
４０１、４０２  磁化固定層
５０１  第２磁化自由層
５０２  第４の非磁性層
１５００  磁気メモリ
１５０１  磁気メモリセル
１５０２  メモリセルアレイ
１５０３  Ｘドライバ
１５０４  Ｙドライバ
１５０５  コントローラ
【図１】
2013153942.tif 000003
【図２】
2013153942.tif 000004
【図４】
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【図５】
2013153942.tif 000006
【図６】
2013153942.tif 000007
【図７】
2013153942.tif 000008
【図８】
2013153942.tif 000009
【図９】
2013153942.tif 000010
【図１０】
2013153942.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
2013153942.tif 000013
【図１３】
2013153942.tif 000014
【図１４】
2013153942.tif 000015
【図２４】
2013153942.tif 000016
【図２５】
2013153942.tif 000017
【図２６】
2013153942.tif 000018
【図３】
2013153942.tif 000019
【図１５】
2013153942.tif 000020
【図１６】
2013153942.tif 000021
【図１７】
2013153942.tif 000022
【図１８】
2013153942.tif 000023
【図１９】
2013153942.tif 000024
【図２０】
2013153942.tif 000025
【図２１】
2013153942.tif 000026
【図２２】
2013153942.tif 000027
【図２３】
2013153942.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月27日(2013.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が膜面垂直方向で不変である第１の強磁性層を含む固定層と、
磁化方向が膜面垂直方向で可変である第２の強磁性層と、
前記第２の強磁性層に隣接して設けられる第１の非磁性層と、
前記第２の強磁性層の前記第１の非磁性層とは反対側の面に隣接して設けられる非磁性結合層と、
前記非磁性結合層の前記第２の強磁性層とは反対側の面に隣接して設けられた磁化方向が膜面垂直方向で可変である第３の強磁性層と、
前記第３の強磁性層の前記非磁性結合層とは反対側の面に隣接して設けられた第２の非磁性層とを備え、
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は、それぞれＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含み、さらに、薄膜堆積直後にアモルファス状態となるよう、それぞれＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｓのうちの少なくとも一つを含んでおり、
前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層の磁化方向は同じであり、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との合計膜厚は、２ｎｍ以上であり、
前記非磁性結合層の膜厚は、０．３ｎｍ以上１．０ｎｍ未満であることを
特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記非磁性結合層はＴａ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉのうちの少なくとも一つ含む金属で構成されることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層は、Ｎ，Ｏ，Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
前記非磁性結合層はＴａを含む金属であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層の膜厚が０．８ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層はＣｏとＦｅとＢとを含有していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層は酸化マグネシウムからなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第１の強磁性層に接続される第１の電流端子と、
前記第２の強磁性層に接続される第２の電流端子とを有し、
前記第１の強磁性層は前記第１の非磁性層に対して前記第２の強磁性層とは反対側の面に隣接して設けられ、
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は電流によりスピン注入磁化反転することを
特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
第１の電流端子と第２の電流端子と第３の電流端子とを有し、
前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は、互いに反対方向に磁化された第１磁化固定領域および第２磁化固定領域と、磁化方向が可変である磁化自由領域とを有し、
前記固定層は前記第１の電流端子に接続され、
前記第１磁化固定領域は前記第２の電流端子に接続され、
前記第２磁化固定領域は第３の電流端子に接続されることを
特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
相互に平行に配置された複数のソース線と、
前記ソース線と交差する方向に、互いに平行に配置された複数のワード線と、
前記ソース線に平行に配置された複数のビット線と、
前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に設置された請求項１１記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を印加する回路とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の電流端子および前記第２の電流端子のいずれか一方が選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、他方が前記ビット線に電気的に接続され、
前記ワード線は前記選択トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、
前記ソース線は前記選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続されていることを
特徴とする磁気メモリ。
【請求項１４】
相互に平行に配置された複数の第１ビット線と第２ビット線と、
前記第１ビット線および第２ビット線と交差する方向に、相互に平行に配置された複数のワード線と、
前記第１ビット線および第２ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置された請求項１２記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の膜面内、および膜面垂直方向に電流を印加する回路とを有し、
前記第２の電流端子は第１選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、
前記第３の電流端子は第２選択トランジスタのソース／ドレイン電極に電気的に接続され、
前記第１選択トランジスタのもう一方のソース／ドレイン電極は前記第１ビット線に接続され、
前記第２選択トランジスタのもう一方のソース・ドレイン電極は前記第２ビット線に接続され、
前記第１選択トランジスタおよび前記第２選択トランジスタのゲート電極は前記ワード線に接続されていることを
特徴とする磁気メモリ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
［００１３］
以上、説明したように、垂直磁化記録をする磁気抵抗効果素子において、記録層の熱安定性指数を大きくするような記録層が得られていないという課題がある。
［００１４］
本発明は上記課題に鑑み、垂直磁気記録をする記録層の熱安定性が高い磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリを提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
［００１５］
本発明者等は、鋭意研究を行った結果、垂直磁気記録層を、第２の強磁性層と非磁性結合層と第３の強磁性層とからなる層構造とし、第２の強磁性層と第３の強磁性層を例えばＣｏＦｅＢ合金とし、非磁性結合層を十分に厚さの薄いＴａ等で構成すれば、記録層の垂直磁気異方性エネルギー密度を弱めないことを見出し、従来に比べて大幅に熱安定性を向上させることで本発明を完成させるに至った。
［００１６］
すなわち、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が膜面垂直方向で不変である第１の強磁性層を含む固定層と、磁化方向が膜面垂直方向で可変である第２の強磁性層と、前記第２の強磁性層に隣接して設けられる第１の非磁性層と、前記第２の強磁性層の前記第１の非磁性層とは反対側の面に隣接して設けられる非磁性結合層と、前記非磁性結合層の前記第２の強磁性層とは反対側の面に隣接して設けられた磁化方向が膜面垂直方向で可変である第３の強磁性層と、前記第３の強磁性層の前記非磁性結合層とは反対側の面に隣接して設けられた第２の非磁性層とを備え、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層は、それぞれＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを含み、さらに、薄膜堆積直後にアモルファス状態となるよう、それぞれＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ、Ｓのうちの少なくとも一つを含んでおり、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層の磁化方向は同じであり、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との合計膜厚は、２ｎｍ以上であり、前記非磁性結合層の膜厚は、０．３ｎｍ以上１．０ｎｍ未満であることを特徴とする。
［００１７］
本発明に係る磁気抵抗効果素子によれば、自由層を第２の強磁性層と非磁性結合層と第３の強磁性層とからなる三層構造とし、非磁性結合層としてＴａ等を用いることで、垂直磁化を維持しながら、記録層の膜厚を厚くすることが可能となり、熱安定性指数を大幅に増加することが可能である。
［００１８］
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記非磁性結合層はＴａ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉのうちの少なくとも一つ含む金属で構成されることが好
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
ましい。特に、前記非磁性結合層はＴａを含む金属であることが好ましい。この場合、熱処理を行うことで第２の強磁性層および第３の強磁性層からＢやＣなどの添加材料を非磁性結合層が吸収し、第２の強磁性層および第３の強磁性層の結晶化を促進することができる。また、非磁性結合層が第２の強磁性層および第３の強磁性層の垂直磁気異方性エネルギー密度を弱めることもない。なお、本発明者等は、非磁性結合層にＴａを用いることでこれらの効果が得られることを実験で確認している。また、理論的な考察から、Ｔａと同様な効果が、Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉでも得られることがわかる。
［００１９］
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、特に、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層はＣｏとＦｅとＢとを含有していることが好ましく、具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金などから成ることが好ましい。
［００２０］
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層は、Ｎ，Ｏ，Ｃのうちの少なくとも一つを含んでいることが好ましい。特に、前記第１の非磁性層および前記第２の非磁性層は酸化マグネシウムからなることが好ましい。具体的には、Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏなどから成る。
［００２１］
また、第２の非磁性層の膜厚は０．５〜２ｎｍであり、第１の非磁性層の膜厚は第２の非磁性層の膜厚より薄くなっていることが好ましい。本発明に係る磁気抵抗効果素子から情報を読み出す際には、磁気抵抗効果が用いられる。第２の非磁性層は、この磁気抵抗効果の抵抗値に影響する。従って、その膜厚は、良好な読み出し特性が得られるような膜厚であることが望ましい。例えば、第１の非磁性層にＭｇ−Ｏを用いた場合、そのトンネル抵抗はＭｇ−Ｏ層の膜厚に対して指数関数的に変化する。良好な読み出し特性を得るためには、磁気抵抗効果素子のトンネル抵抗は概ね０．５〜１００ｋΩに設
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
計される。このようなトンネル抵抗が得られるＭｇ−Ｏ層の膜厚は、素子のサイズにもよるが、概ね０．５〜２ｎｍ程度である。また、第１の非磁性層は、第２の強磁性層に垂直磁気異方性を付与できるだけの膜厚を有していればよい。これは、例えば第１の非磁性層にＭｇ−Ｏを用いた場合には、概ね０．５ｎｍ以上の膜厚において実現される。
［００２２］
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ未満であってもよい。また、前記非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍ以上０．６ｎｍ未満であってもよい。非磁性結合層の膜厚が薄すぎると、第２の強磁性層および第３の強磁性層からの添加元素の吸収効果が無くなり、第２の強磁性層および第３の強磁性層の磁化容易軸が垂直方向に向きにくくなる。一方、非磁性結合層の膜厚が厚すぎると、第２の強磁性層および第３の強磁性層が独立に振る舞うようになり、熱安定性向上の効果が得られない。このようなことから非磁性結合層の膜厚の上限および下限が決定される。
［００２３］
本発明者等は、非磁性結合層にＴａを用いた場合について、Ｔａ層の膜厚を０ｎｍから１．０ｎｍまで展開して素子を作製し、第２の強磁性層および第３の強磁性層の磁化の状態や外部磁場、電流に対する振る舞いを実験で調べた。その結果、Ｔａの膜厚が０．２ｎｍ未満のときは第２の強磁性層および第３の強磁性層は垂直磁化容易軸とならず、またＴａの膜厚が０．６ｎｍ以上のときには、第２の強磁性層および第３の強磁性層は垂直磁化にはなるものの、結合が弱く互いに独立に振る舞うことが確認された。なお、この膜厚範囲は、非磁性結合層に用いる材料や第２の強磁性層および第３の強磁性層に用いる材料、膜厚、ならびに磁気抵抗効果素子の成膜後の熱処理の温度によって、適宜変更されうる。
［００２４］
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第２の強磁性層および前記第３の強磁性層の膜厚が０．８ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることが好ましい。第２の強磁性層と第３の強磁性層との合計膜厚の下限に関しては、第２の強磁性層と第３の強磁性層とにおいて垂直方向が磁化容易軸となれば、どれだけ薄
【国際調査報告】
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