(57)【要約】【課題】  トグル書き込み方式による書き込みを行う磁性メモリの動作範囲を拡大するための技術を提供する。【解決手段】  本発明による磁性メモリは，自由磁性層１４を含む磁気抵抗素子３と，自由磁性層１４の容易軸に対して斜めであるｘ軸方向に延設されているワード線１と，ｙ軸方向に延設されているビット線２と，トグル書き込み方式によって自由磁性層にデータを書き込む書き込み回路（図示されない）とを備えている。自由磁性層１４は，強磁性層１５１〜１５４と，これらを分離する非磁性層１６１〜１６３とを備えている。自由磁性層１４は，強磁性層１５ｊ（ｊは２以上Ｎ−２以下の任意の整数）と強磁性層１５ｊ＋１とを反強磁性的に結合させる作用の強さが，第１強磁性層１５１と第２強磁性層１５２とを反強磁性的に結合させる作用の強さよりも強いように構成されている。【選択図】  図６
2006060003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記自由磁性層にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは４以上の整数）と，
第１〜第（Ｎ−１）非磁性層
とを備え，
前記第１〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの第ｉ非磁性層（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層と第ｉ＋１強磁性層との間に介設され，
前記自由磁性層は，前記第ｊ強磁性層と前記第ｊ＋１強磁性層（ｊは２以上Ｎ−２以下の任意の整数）とを反強磁性的に結合させる作用の強さが，前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とを反強磁性的に結合させる作用の強さよりも強いように構成されている
磁性メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁性メモリであって，
前記自由磁性層は，前記第ｊ強磁性層と前記第ｊ＋１強磁性層（ｊは２以上Ｎ−２以下の任意の整数）とを反強磁性的に結合させる作用の強さが，前記第Ｎ−１強磁性層と前記第Ｎ強磁性層とを反強磁性的に結合させる作用の強さよりも強いように構成されている
磁性メモリ。
【請求項３】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記自由磁性層にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第３強磁性層と，
第１及び第２非磁性層
とからなり，
前記第１非磁性層は，前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に介設され，
前記第２非磁性層は，前記第２強磁性層と前記第３強磁性層の間に介設され，
前記自由磁性層は，前記第２強磁性層と前記第３強磁性層とを反強磁性的に結合させる作用の強さが，前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とを反強磁性的に結合させる作用の強さよりも強いように構成されている
磁性メモリ。
【請求項４】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記磁気抵抗素子にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは４以上の整数）と，
第１〜第（Ｎ−１）非磁性層
とを備え，
前記第１〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの第ｉ非磁性層（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層と第ｉ＋１強磁性層との間に介設され，
前記第１非磁性層の厚さは，前記第２〜第Ｎ−２非磁性層の厚さよりも厚い
磁性メモリ。
【請求項５】
請求項４に記載の磁性メモリであって，
前記第Ｎ−１非磁性層の膜厚は，前記第２〜第Ｎ−２非磁性層の膜厚よりも厚い
磁性メモリ。
【請求項６】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記自由磁性層にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第３強磁性層と，
第１及び第２非磁性層
とからなり，
前記第１非磁性層は，前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に介設され，
前記第２非磁性層は，前記第２強磁性層と前記第３強磁性層の間に介設され，
前記第１非磁性層の膜厚は，前記第２非磁性層の膜厚よりも厚い
磁性メモリ。
【請求項７】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記磁気抵抗素子にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは３以上の整数）と，
第１〜第（Ｎ−１）非磁性層
とを備え，
前記第１〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの第ｉ非磁性層（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層と第ｉ＋１強磁性層との間に介設され，
前記第１強磁性層は，前記第２〜第Ｎ−１強磁性層と異なる材料で形成されている
磁性メモリ。
【請求項８】
請求項７に記載の磁性メモリであって，
前記第２〜第Ｎ−１強磁性層はＣｏを含み，
前記第１強磁性層は，Ｃｏを含まない，又は，そのＣｏの組成が，前記第２〜第Ｎ強磁性層のＣｏの組成よりも少ないように構成されている
磁性メモリ。
【請求項９】
請求項７に記載の磁性メモリであって，
Ｎは４以上であり，
前記第Ｎ強磁性層は，前記第２〜第Ｎ−１強磁性層と異なる材料で形成されている
磁性メモリ。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁性メモリであって，
前記第２〜第Ｎ−１強磁性層はＣｏを含み，
前記第１強磁性層は，Ｃｏを含まない，又は，そのＣｏの組成が前記第２〜第Ｎ強磁性層のＣｏの組成よりも少ないように構成され，
前記第Ｎ強磁性層は，Ｃｏを含まない，又は，そのＣｏの組成が前記第２〜第Ｎ強磁性層のＣｏの組成よりも少ないように構成されている
磁性メモリ。
【請求項１１】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記磁気抵抗素子にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは３以上の整数）と，
第１〜第（Ｎ−１）非磁性層
とを備え，
前記第１〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの第ｉ非磁性層（ｉはＮ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層と第ｉ＋１強磁性層との間に介設され，
前記第１強磁性層は，不活性ガスのプラズマに曝露するプラズマ処理がなされた強磁性体膜，又は，酸素を含む雰囲気中で成長された強磁性体膜で形成されている
磁性メモリ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の磁性メモリであって，
Ｎは４以上であり，
前記第Ｎ強磁性層は，不活性ガスのプラズマに曝露するプラズマ処理がなされた強磁性体膜，又は，酸素を含む雰囲気中で成長された強磁性体膜で形成されている
磁性メモリ。
【請求項１３】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記磁気抵抗素子にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは４以上の整数）と，
第１〜第（Ｎ−１）非磁性層
とを備え，
前記第１〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの第ｉ非磁性層（ｉはＮ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層と第ｉ＋１強磁性層との間に介設され，
前記第１非磁性層と前記第２〜第Ｎ−２非磁性層とは異なる材料で形成されている
磁性メモリ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の磁性メモリであって，
前記Ｎ−１非磁性層は，前記第２〜第Ｎ−２非磁性層とは異なる材料で形成されている
磁性メモリ。
【請求項１５】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記自由磁性層にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第３強磁性層と，
第１及び第２非磁性層
とからなり，
前記第１非磁性層は，前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に介設され，
前記第２非磁性層は，前記第２強磁性層と前記第３強磁性層の間に介設され，
前記第１非磁性層は，前記第２非磁性層と異なる材料で形成されている
磁性メモリ。
【請求項１６】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記磁気抵抗素子にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは３以上の整数）と，
第１〜第（Ｎ−１）非磁性層
とを備え，
前記第１〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの第ｉ非磁性層（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層と第ｉ＋１強磁性層との間に介設され，
前記第１強磁性層は，前記第２〜第Ｎ−１強磁性層よりも膜厚が薄い
磁性メモリ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の磁性メモリであって，
Ｎは４以上であり，
前記第Ｎ強磁性層は，前記第２〜第Ｎ−１強磁性層よりも膜厚が薄い
磁性メモリ。
【請求項１８】
自由磁性層を含む磁気抵抗素子と，
前記自由磁性層の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線と，
前記第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線と，
前記第１配線への第１書き込み電流の印加を開始した後，前記第１書き込み電流の印加が終了する前に，前記第２配線に第２書き込み電流を供給し始めることによって前記自由磁性層にデータを書き込む書き込み回路
とを具備し， 
前記自由磁性層は，
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは３以上の整数）と，
第１〜第（Ｎ−１）非磁性層
とを備え，
前記第１〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの第ｉ非磁性層（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層と第ｉ＋１強磁性層との間に介設され，
前記自由磁性層は，その飽和磁界が，前記第１強磁性層と前記第２強磁性層と前記第１非磁性層とからなる積層フェリ構造の飽和磁界の２倍よりも大きくなるように構成されている
磁性メモリ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の磁性メモリであって，
前記自由磁性層は，その磁化−磁界曲線が，常に上に凸になるように構成されている
磁性メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，磁性メモリに関し，特に，複数の強磁性層と，それらを分離する非磁性層とから構成される積層フェリ構造を，自由磁性層として使用する磁性メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性メモリ（ＭＲＡＭ）とは，磁化の方向として不揮発的にデータを保存する半導体記憶装置である。磁性メモリのメモリセルとしては，最も典型的には，固定磁性層と自由磁性層と，固定磁性層と自由磁性層とを分離するスペーサ層とを備える磁気抵抗素子が使用される。データは，自由磁性層の磁化の方向として記憶される。メモリセルからのデータの読出しには，ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistance）効果，又はＧＭＲ（Giant Magnetoresistance）効果による磁気抵抗素子の抵抗の変化が利用される。データの読み出しにＴＭＲ効果が使用される場合には，スペーサ層として薄い絶縁層が使用され，ＧＭＲ効果が使用される場合には，薄い非磁性層が使用される。
【０００３】
このような磁性メモリの一つの課題は，書き込み動作時のメモリセルの選択性の向上である。一般的な磁性メモリは，選択メモリセルへのデータの書き込みを，選択メモリセルに交差する選択ワード線及び選択ビット線の両方に書き込み電流を流すことによって行う；選択ワード線又は選択ビット線の一方にのみ交差するメモリセルには，理想的には，データは書き込まれない。しかし，メモリセルの磁化を反転させる磁界の不均一性に起因して，選択ワード線又は選択ビット線の一方にのみ交差するメモリセルにデータが不所望に書き込まれることがある。このようなデータの不所望な書き込みを防止することが，磁性メモリの実現のために重要である。
【０００４】
特許文献１は，メモリセルの選択性を向上するために，積層フェリ構造を自由磁性層として採用する技術を開示している。積層フェリ構造とは，複数の強磁性体層と，それらの間に介設された中間非磁性層とからなる構造体である。積層フェリ構造では，隣接する強磁性体層が反強磁性的に結合されるように構成される。中間非磁性層の材料及び膜厚を適切に決定することにより，中間非磁性層を介した交換相互作用（以下，単に，「交換相互作用」という。）による結合が発現し，隣接する強磁性体層を反強磁性的に結合させることができることは，ＭＲＡＭの当業者に周知である。積層フェリ構造を自由磁性層として使用する利点は，積層フェリ構造が，基本的には，外部から印加される磁場に対して安定であることである。積層フェリ構造は，その全体の磁気モーメントを理想的には０にすることができる。これは，積層フェリ構造を構成する各強磁性層の磁化の方向が，外部磁場に影響されにくいことを意味している。なお，一般的には，積層フェリ構造とは，合成磁化が有限の場合を指すが，本明細書においては，合成磁化が０の場合を含めて積層フェリ構造という用語を用いる。
【０００５】
積層フェリ構造が外部から印加される磁場に対して安定であるということは，積層フェリ構造を使用する自由磁性層へのデータの書き込みも困難であるということも意味している；しかし，特許文献１は，積層フェリ構造を使用する自由磁性層へのデータの書き込みの困難性を克服するための方法，即ち，トグル書き込み方式（toggle writing method）を開示している。
【０００６】
図１は，特許文献１に開示された，トグル書き込み方式に対応するＭＲＡＭメモリアレイの構成を示す断面図であり，図２は，当該ＭＲＡＭメモリアレイの構成を示す平面図である。図１に示されているように，当該ＭＲＡＭメモリアレイは，ワード線１０１と，ビット線１０２と，その間に介設されたメモリセル１０３とを備えている。メモリセル１０３は，固定磁性層１０４と，自由磁性層１０５と，その間に介設されたトンネルバリア層１０６とから構成される。固定磁性層１０４と自由磁性層１０５は，いずれも，積層フェリ構造体で構成されている；固定磁性層１０４は，強磁性層１１１，１１２と，その間に介設された非磁性層１１３とで構成され，自由磁性層１０５は，強磁性層１１４，１１５と，その間に介設された非磁性層１１６とで構成される。以下の説明において，強磁性層１１４の磁化はＭ１，強磁性層１１５の磁化はＭ２，自由磁性層１０５全体としての磁化は，ＭＲと記載される。
【０００７】
図２に示されているように，強磁性層１１４，１１５の容易軸方向は，ワード線１０１とビット線１０２の両方に４５°の角をなす方向に向けられている。強磁性層１１４の磁化Ｍ１と強磁性層１１５の磁化Ｍ２とは，容易軸方向に平行に，且つ，互いに反対の方向に向けられている。
【０００８】
図３，図４は，特許文献２に開示された，トグル書き込み方式の手順を示す図である。図２を参照して，以下では，説明を容易にするためにｘ−ｙ座標系が導入されることに留意されたい。当該ｘ−ｙ座標系では，ｘ軸は，ワード線１０１と平行な方向に，ｙ軸は，ビット線１０２と平行な方向に規定されている。
【０００９】
図３に示されているように，トグル書き込み方式では，まず，ワード線１０１に＋ｘ方向の電流ＩＷＬが印加される（時刻ｔ１）。図４に示されているように，電流ＩＷＬの印加によって＋ｙ方向に磁場ＨＷＬが発生し，この磁場ＨＷＬにより，強磁性層１１４の磁化Ｍ１と強磁性層１１５の磁化Ｍ２とが＋ｙ方向に少し回転する。磁化Ｍ１，Ｍ２が回転する角度は，その合成磁化（resultant magnetization）ＭＲが＋ｙ方向に平行になるような角度である。
【００１０】
図３に示されているように，続いて，ビット線１０２に＋ｙ方向の電流ＩＢＬが印加される（時刻ｔ２）。図４に示されているように，電流ＩＢＬの印加により，ｘ軸，ｙ軸の両方に４５°の角をなす合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬが発生する。この合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬにより，磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とは，その合成磁化ＭＲが合成磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬに平行になるように時計回り方向に回転する。
【００１１】
更に続いて，ワード線１０１に印加されている電流ＩＷＬが遮断される（時刻ｔ３）。電流ＩＷＬの遮断により，強磁性層１１４，１１５には，＋ｘ方向の磁場ＨＢＬのみが印加されるようになる。この磁場ＨＢＬにより，磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とは，その合成磁化ＭＲが磁場ＨＢＬに平行になるように更に時計回り方向に回転する。
【００１２】
最後に，ビット線１０２に印加されている電流ＩＢＬが遮断される（時刻ｔ４）。電流ＩＢＬの遮断により，磁化Ｍ１，Ｍ２には磁場が印加されなくなり，磁化Ｍ１，Ｍ２は最も近い容易軸方向に戻る。この結果，磁化Ｍ１，Ｍ２は，元の方向と反対の方向に反転される。このトグル書き込み方式の一つの特徴は，元の磁化Ｍ１，Ｍ２の方向に依存せず，磁化Ｍ１，Ｍ２が，トグル書き込みを行う毎に反転することにある。
【００１３】
自由磁性層１０５の磁化を反転するために必要な磁界（以下では，しばしば，「フロップ磁界」とよばれる。）の大きさ，言い換えれば，書き込み電流の大きさを小さくすることは，磁性メモリの応用のために重要である。特許文献２は，積層フェリ構造で構成することによって磁化をトグルするために必要な電流の大きさを抑制する技術を開示している。特許文献２に開示されている磁性メモリは，図５に示されているように，強磁性層１１４ａ，１１４ｂ及び非磁性層１１４ｃからなる積層フェリ構造１１４と，強磁性層１１５ａ，１１５ｂ及び非磁性層１１５ｃからなる積層フェリ構造１１５と，これらの積層フェリ構造の間に介設されている非磁性層１１６とで構成された自由磁性層１０５を開示している。
【００１４】
発明者らは，上述されたトグル書き込み方式について検討した結果，トグル書き込み方式による書き込みを行うことができる磁界の範囲には，現実には上限があるという認識を得るに至った。自由磁性層の磁化を反転させるために印加されるワード線方向，及びビット線方向の磁界が過剰に大きいと，トグル書き込み方式による書き込みは達成できない。これは，ワード線方向，及びビット線方向の磁界が過剰に大きいと，自由磁性層を構成する強磁性層の磁化が同一方向に向いてしまうからである；隣接する強磁性層の磁化が同一方向に向いてしまうことは，トグル書き込み方式を阻害する。したがって，トグル書き込み方式による書き込み動作の安定化のためには，トグル書き込み方式による書き込みを行うことができる磁界の上限を増大させることが重要である。
【００１５】
このような背景から，トグル書き込み方式による書き込みを行うことができる磁界の範囲，即ち，磁性メモリの動作範囲を拡大することには技術的な必要性が存在する。
【００１６】
【特許文献１】米国特許６，５４５，９０６号公報
【特許文献２】米国特許６，７１４，４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は，トグル書き込み方式による書き込みを行う磁性メモリの動作範囲を拡大するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために，本発明は，積層フェリ構造を採用する自由磁性層を構成する強磁性層が同一の方向に揃う磁界（以下，「飽和磁界」（saturation field）という。）を増大させるという技術的思想を採用する。これは，トグル書き込み方式による書き込みを行うことができる磁界の範囲の上限は，自由磁性層の飽和磁界によって決定されるからである。自由磁性層の飽和磁界が小さいと，自由磁性層の強磁性層の磁化は小さい磁界によって容易に同一の方向に揃う。強磁性層の磁化が同一方向に揃うことは，磁界が除去された後の磁化の方向を不確定にし，トグル書き込み方式による書き込みを阻害する。したがって，磁性メモリの動作範囲を拡大するためには，自由磁性層の飽和磁界の増大が重要である。
【００１９】
より具体的には，本発明は，以下に述べられる手段を採用することによって動作範囲の拡大を達成する。その手段を構成する技術的事項の記述には，［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために，［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し，付加された番号・符号は，［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２０】
本発明による磁性メモリは，自由磁性層（１４，５４）を含む磁気抵抗素子（３）と，自由磁性層（１４，５４）の容易軸に対して斜めである第１方向（ｘ軸方向）に延設されている第１配線（１）と，前記第１方向に垂直な第２方向（ｙ軸方向）に延設されている第２配線（２）と，トグル書き込み方式によって自由磁性層にデータを書き込む書き込み回路（図示されない）とを備えている。トグル書き込み方式によるデータの書き込みは，第１配線（１）への第１書き込み電流（ＩＷＬ）の印加を開始した後，第１書き込み電流の印加が終了する前に，第２配線（２）に第２書き込み電流（ＩＢＬ）を供給し始めることによって行われる。自由磁性層（１４，５４他）は，第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは４以上の整数）（１５，５５他）と，第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（１６，５６他）とを備えている。第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（１６，５６）のうちの第ｉ非磁性層（１６ｉ，５６ｉ）（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層（１５ｉ，５５ｉ）と第ｉ＋１強磁性層（１５ｉ＋１，５５ｉ＋１）との間に介設されている。自由磁性層（１４，５４）は，第ｊ強磁性層（１５ｊ，５５ｊ）と第ｊ＋１強磁性層（１５ｊ＋１，５５ｊ＋１）（ｊは２以上Ｎ−２以下の任意の整数）とを反強磁性的に結合させる作用の強さが，第１強磁性層（１５１）と第２強磁性層（１５２）とを反強磁性的に結合させる作用の強さよりも強いように構成されている。
【００２１】
このような構成の磁性メモリでは，自由磁性層（１４，５４）のフロップ磁界は，近似的には第１強磁性層（１５１）と第２強磁性層（１５２）とを反強磁性的に結合させる作用の強さによって決定され，飽和磁界は，第ｊ強磁性層（１５ｊ，５５ｊ）と第ｊ＋１強磁性層（１５ｊ＋１，５５ｊ＋１）とを反強磁性的に結合させる作用の強さによって決定される。第１強磁性層（１５１）と第２強磁性層（１５２）とを反強磁性的に結合させる作用は相対的に弱く，第ｊ強磁性層（１５ｊ，５５ｊ）と第ｊ＋１強磁性層（１５ｊ＋１，５５ｊ＋１）とを反強磁性的に結合させる作用が相対的に強いように構成されている当該磁性メモリは，自由磁性層（１４，５４他）のフロップ磁界の増大を抑制しつつ飽和磁界を有効に増加させる。したがって，本発明の磁性メモリは，その動作範囲を有効に拡大することができる。
【００２２】
自由磁性層（５４）は，第Ｎ−１強磁性層（５４３）と第Ｎ強磁性層（５４４）とを反強磁性的に結合させる作用の強さが，第ｊ強磁性層（５５ｉ）と第ｊ＋１強磁性層（５５ｊ＋１）とを反強磁性的に結合させる作用の強さよりも弱いように構成されていることが好適である。かかる構成は，自由磁性層（５４）を一の積層フェリ構造として一体に機能することを促進し，トグル書き込み方式によるデータの書き込みを安定化させる。
【００２３】
自由磁性層（１４）に含まれる強磁性層の数は，３であることも可能である。より具体的には，本発明による磁性メモリは，自由磁性層（１４）を含む磁気抵抗素子（３）と，自由磁性層（１４）の容易軸に対して斜めである第１方向に延設されている第１配線（１）と，第１方向に垂直な第２方向に延設されている第２配線（２）と，トグル書き込み方式によって自由磁性層（１４）にデータを書き込む書き込み回路（図示されない）とを具備している。自由磁性層（１４）は，第１〜第３強磁性層と，第１及び第２非磁性層とからなる。［特許請求の範囲］の「とからなる」という用語は，自由磁性層（１４）に含まれる強磁性層の数が３であることを意味している。第１非磁性層は，第１強磁性層と第２強磁性層の間に介設され，第２非磁性層は，第２強磁性層と第３強磁性層の間に介設される。自由磁性層（１４）は，第１強磁性層と第２強磁性層とを反強磁性的に結合させる作用の強さが，第２強磁性層と前記第３強磁性層とを反強磁性的に結合させる作用の強さよりも弱いように構成される。
【００２４】
強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，非磁性層（１６，５６）の膜厚によって制御可能である。より具体的には，本発明による磁性メモリの自由磁性層（１４，５４）は，下記のような構成を採用し得る；自由磁性層（１４，５４）は，第１〜第Ｎ強磁性層（１５，５５）（Ｎは４以上の整数）と，第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（１６，５６）とを備えている。第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（１６）のうちの第ｉ非磁性層（１６ｉ）（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層（１５ｉ）と第ｉ＋１強磁性層（１５ｉ＋１）との間に介設されている。自由磁性層（１４）のうちで相対的に端に位置する第１非磁性層（１６１）の厚さは，第２〜第Ｎ−２非磁性層（１６２）の厚さよりも厚い。これにより，自由磁性層（１４）のフロップ磁界の増大を抑制しつつ飽和磁界を有効に増加させることができる。自由磁性層（１４，５４）を一の積層フェリ構造として一体に機能することを促進するためには，第Ｎ−１非磁性層（１６３）の膜厚は，第２〜第Ｎ−２非磁性層（１６２）の膜厚よりも厚いことが好ましい。
【００２５】
自由磁性層（１４）に含まれる強磁性層の数は，３であることも可能である。自由磁性層（１４）は，第１〜第３強磁性層と，第１及び第２非磁性層とからなる。第１非磁性層は，前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に介設され，第２非磁性層は，第２強磁性層と第３強磁性層の間に介設され，第１非磁性層の膜厚は，前記第２非磁性層の膜厚よりも厚い。
【００２６】
反強磁性的結合の強さは，自由磁性層に含まれる強磁性層の材料によっても制御可能である。具体的には，本発明による磁性メモリの自由磁性層（２４，６４）は，下記のような構成を採用し得る；自由磁性層（２４，６４）は，第１〜第Ｎ強磁性層（２５，６５）（Ｎは３以上の整数）と，第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（２６，６６）とを備えている。第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（２６，６６）のうちの第ｉ非磁性層（２６ｉ，６６ｉ）（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層（２５ｉ，６５ｉ）と第ｉ＋１強磁性層（２５ｉ＋１，６５ｉ＋１）との間に介設されている。第１強磁性層（２５１，６５１）は，第２〜第Ｎ−１強磁性層（２５２，２５３，６５２，６５３）と異なる材料で形成されている。好適には，第２〜第Ｎ−１強磁性層（２５２，２５３，６５２，６５３）はＣｏを含み，第１強磁性層（２５１，６５１）は，Ｃｏを含まない，又は，そのＣｏの組成が，前記第２〜第Ｎ強磁性層のＣｏの組成よりも少ないように構成される。これにより，自由磁性層（２４，６４）のフロップ磁界の増大を抑制しつつ飽和磁界を有効に増加させることができる。
【００２７】
自由磁性層（２４，６４）を一の積層フェリ構造として一体に機能することを促進するためには，Ｎが４以上であり，且つ，第Ｎ強磁性層（６５４）は，第２〜第Ｎ−１強磁性層（６５２，６５３）と異なる材料で形成されることが好ましい。具体的には，第２〜第Ｎ−１強磁性層（６５２，６５３）はＣｏを含み，第１強磁性層（６５１）及び第Ｎ強磁性層（６５４）は，Ｃｏを含まない，又は，そのＣｏの組成が前記第２〜第Ｎ強磁性層のＣｏの組成よりも少ないように構成されることが好ましい。
【００２８】
反強磁性的結合の強さは，自由磁性層に含まれる強磁性層の結晶性によっても制御可能である。強磁性層の結晶性は，当該強磁性層に特定の処理を施すことによって制御可能である。具体的には，本発明による磁性メモリの自由磁性層（２４，６４）は，下記のような構成を採用し得る；自由磁性層（２４，６４）は，第１〜第Ｎ強磁性層（２５，６５）（Ｎは３以上の整数）と，第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（２６，６６）とを備えている。第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（２６，６６）のうちの第ｉ非磁性層（２６ｉ，６６ｉ）（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層（２５ｉ，６５ｉ）と第ｉ＋１強磁性層（２５ｉ＋１，６５ｉ＋１）との間に介設されている。第１強磁性層は，不活性ガスのプラズマに曝露するプラズマ処理がなされた強磁性体膜（２５１’，６５１’），又は，酸素を含む雰囲気中で成長された強磁性体膜（２５１”，６５１”）で形成されている。これにより，自由磁性層（２４，６４）のフロップ磁界の増大を抑制しつつ飽和磁界を有効に増加させることができる。
【００２９】
自由磁性層（２４，６４）を一の積層フェリ構造として一体に機能することを促進するためには，Ｎが４以上であり，且つ，第Ｎ強磁性層は，不活性ガスのプラズマに曝露するプラズマ処理がなされた強磁性体膜（６５４’），又は，酸素を含む雰囲気中で成長された強磁性体膜（６５４’）で形成されている。
【００３０】
反強磁性的結合の強さは，自由磁性層に含まれる非磁性層の材料によって制御されることも可能である。具体的には，本発明による磁性メモリの自由磁性層（３４，７４）は，下記のような構成を採用し得る；自由磁性層（３４，７４）は，第１〜第Ｎ強磁性層（３５，７５）（Ｎは４以上の整数）と，第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（３６，７６）とを備えている。第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（３６，７６）のうちの第ｉ非磁性層（３６ｉ，７６ｉ）（ｉはＮ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層（３５ｉ，７５ｉ）と第ｉ＋１強磁性層（３５ｉ＋１，７５ｉ＋１）との間に介設されている。第１非磁性層（３６１，７６１）と，第２〜第Ｎ−２非磁性層（３６２，７６２）とは異なる材料で形成されている。このような構造は，自由磁性層（３４，７４）のフロップ磁界の増大を抑制しつつ飽和磁界を有効に増加させるために好適である。自由磁性層（７４）を一の積層フェリ構造として一体に機能することを促進するためには，第Ｎ−１非磁性層（７６３）は，第２〜第Ｎ−２非磁性層（７６２）とは異なる材料で形成されていることが好適である。
【００３１】
自由磁性層（１４）に含まれる強磁性層の数は，３であることも可能であることに留意されたい。この場合，自由磁性層（１４）は，第１〜第３強磁性層と，第１強磁性層と第２強磁性層の間に介設された第１非磁性層と，前記第２強磁性層と前記第３強磁性層の間に介設されている第２非磁性層とからなる。第１非磁性層は，前記第２非磁性層と異なる材料で形成される。かかる構成も，自由磁性層（３４）のフロップ磁界の増大を抑制しつつ飽和磁界を有効に増加させるために好適である。
【００３２】
反強磁性的結合の強さは，自由磁性層に含まれる強磁性層の膜厚によって制御されることも可能である。具体的には，本発明による磁性メモリの自由磁性層（４４，８４）は，下記のような構成を採用し得る；自由磁性層（４４，８４）は，第１〜第Ｎ強磁性層（４５，８５）（Ｎは３以上の整数）と，第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（４６，８６）とを備えている。第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（４６，８６）とのうちの第ｉ非磁性層（４６ｉ，８６ｉ）（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層（４５ｉ，８５ｉ）と第ｉ＋１強磁性層（４５ｉ＋１，８５ｉ＋１）との間に介設される。第１強磁性層（４５１，８５１）は，第２〜第Ｎ−１強磁性層（４５２，４５３，８５２，８５３）よりも膜厚が薄い。このような構造は，自由磁性層（３４，７４）のフロップ磁界の増大を抑制しつつ飽和磁界を有効に増加させるために好適である。自由磁性層（７４）を一の積層フェリ構造として一体に機能することを促進するためには，Ｎは４以上であり，第Ｎ強磁性層（８５４）は，第２〜第Ｎ−１強磁性層（８５２，８５３）よりも膜厚が薄いことが好適である。
【００３３】
他の観点において，本発明による磁性メモリは，自由磁性層（１４，５４）を含む磁気抵抗素子（３）と，自由磁性層（１４，５４）の容易軸に対して斜めである第１方向（ｘ軸方向）に延設されている第１配線（１）と，前記第１方向に垂直な第２方向（ｙ軸方向）に延設されている第２配線（２）と，トグル書き込み方式によって自由磁性層にデータを書き込む書き込み回路（図示されない）とを備えている。トグル書き込み方式によるデータの書き込みは，第１配線（１）への第１書き込み電流（ＩＷＬ）の印加を開始した後，第１書き込み電流の印加が終了する前に，第２配線（２）に第２書き込み電流（ＩＢＬ）を供給し始めることによって行われる。自由磁性層（１４，５４他）は，第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは４以上の整数）（１５，５５他）と，第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（１６，５６他）とを備えている。第１〜第（Ｎ−１）非磁性層（１６，５６）のうちの第ｉ非磁性層（１６ｉ，５６ｉ）（ｉは１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は，第ｉ強磁性層（１５ｉ，５５ｉ）と第ｉ＋１強磁性層（１５ｉ＋１，５５ｉ＋１）との間に介設されている。自由磁性層（１４，５４）は，その飽和磁界が，第１強磁性層（１５１，５４１）と第２強磁性層（１５２，５４２）と第１非磁性層（１６１，５６１）とからなる積層フェリ構造の飽和磁界の２倍よりも大きくなるように構成されている。自由磁性層（１４，５４）は，その磁化−磁界曲線が，常に上に凸になるように構成されていることが好適である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば，トグル書き込み方式による書き込みを行う磁性メモリの動作範囲を拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
第１  実施の第１形態
図６は，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの構造を示す断面図である。本実施の形態の磁性メモリは，ワード線１と，ビット線２と，メモリセルとして使用される磁気抵抗素子３とを備えている。ワード線１とビット線２とは，互いに垂直な方向に延設される；本実施の形態では，ワード線１の方向がｘ軸方向，ビット線２の方向がｙ軸方向と定義される。ワード線１とビット線２とは，それぞれに書き込み電流ＩＷＬ，ＩＢＬを供給する書き込み回路（図示されない）に接続されている。書き込み回路は，典型的には，デコーダと書き込み電流ＩＷＬ，ＩＢＬを生成するための電流源とを含んでいる。磁気抵抗素子３は，反強磁性層１１と，固定磁性層１２と，トンネルバリア１３と，自由磁性層１４とを備えている。固定磁性層１２は，強磁性体層，又は積層フェリ構造で構成され，その磁化は，反強磁性層１１によって固定される。固定磁性層１２を構成する強磁性層（又は積層フェリ構造）の容易軸は，ワード線１とビット線２とに４５°の角をなす方向に向けられている。トンネルバリア１３は，固定磁性層１２と自由磁性層１４との間に介設されている絶縁体層であり，その膜厚は，トンネル電流が流れ得る程度に薄い。
【００３６】
磁気抵抗素子３の自由磁性層１４としては，積層フェリ構造が使用される。具体的には，本実施の形態では，自由磁性層１４は，強磁性層１５１〜１５４と，非磁性層１６１〜１６３とから構成される。強磁性層１５１〜１５４は，非磁性層１６１〜１６３によって相互に分離されている。強磁性層１５１〜１５４の容易軸は，ワード線１とビット線２とに４５°の角をなす方向に向けられている。自由磁性層１４の内部では，隣接する強磁性層は反強磁性的に結合しており，磁場が印加されていない状態では，隣接する強磁性層の磁化は反対方向に向けられている。隣接する強磁性層の磁化が反対方向に向けられている状態が保たれることは，上述されているように，トグル書き込み方式の実現のために重要である。本明細書において，単に反強磁性的結合と言及した場合には，反強磁性的結合には，交換相互作用による結合と強磁性層の端部に現れる磁極による静磁的結合との両方が含まれると解釈されなくてはならない。強磁性層１５１〜１５４に作用する交換相互作用の強さは，非磁性層１６１〜１６３を構成する材料，及び膜厚に依存している。非磁性層１６１〜１６３のそれぞれは，それぞれが接合する２つの強磁性層を交換相互作用によって反強磁性的に結合するように，適切な材料で，且つ，適切な膜厚を有するように形成される。一方，静磁的結合の強さは，強磁性層１５１〜１５４の材料及び膜厚に依存している。
【００３７】
図６の磁性メモリのメモリセルへのデータの書き込みには，トグル書き込み方式が採用される。トグル書き込み方式の過程は，背景技術において説明されているとおりである。トグル書き込み方式によるデータの書き込みは，メモリセルに記憶されているデータの読み出しで開始される。書き込まれるべきデータと，記憶されているデータとが一致していない場合，自由磁性層１４の強磁性層１５１〜１５４の磁化が反転される。磁化の反転は，ワード線１に書き込み電流ＩＷＬを流すことで開始される。続いて，書き込み電流ＩＷＬが流されている状態で，ビット線２に書き込み電流ＩＢＬが流され始める。続いて，ビット線２に書き込み電流ＩＢＬが流されている状態で，書き込み電流ＩＷＬの供給が停止される。その後，書き込み電流ＩＢＬの供給が停止され，これにより，強磁性層１５１〜１５４の磁化の反転が完了する。
【００３８】
自由磁性層１４を構成する強磁性層の数が３以上であることは，自由磁性層１４の飽和磁界を増大させ，トグル書き込み方式による書き込み時の磁性メモリの動作範囲を増大させるために重要である。図８Ａは，強磁性層の数の増大の効果を示すグラフであり，具体的には，様々な数の強磁性層を有する積層フェリ構造の全体の磁化Ｍｘと，積層フェリ構造に印加される磁界との関係を示すグラフである。図８Ａのグラフでは，積層フェリ構造体の全体の磁化Ｍｘは，積層フェリ構造の飽和磁化Ｍｓ（即ち，当該積層フェリ構造の強磁性層が同一の方向に向けられているときの磁化）で規格化されており，Ｍｘ／Ｍｓが１となる磁界が飽和磁界である。図８Ａのグラフは，Landau-Lifshitzシミュレーションによって得られており，該積層フェリ構造は，同一の材料で，且つ，同一の膜厚で構成される強磁性層と，同一の材料で，且つ，同一の膜厚で構成される非磁性層とで構成されていると仮定されていることに留意されたい。図８Ａに示されているように，積層フェリ構造に含まれる強磁性層の数が増加すると，飽和磁界も増加する。図８Ｂは，積層フェリ構造の飽和磁界の，強磁性層の数による依存性を示すグラフである。積層フェリ構造の飽和磁界は，強磁性層の数の増加に伴って，強磁性層の数が２の場合の飽和磁界の約２倍で飽和する。
【００３９】
更に，本実施の形態では，自由磁性層１４の内部における反強磁性的結合の強さに強弱が与えられ，これにより，磁性メモリの動作範囲の一層の拡大が図られている。より具体的には，自由磁性層１４は，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間に作用する反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４との間の反強磁性的結合が，強磁性層１５１と強磁性層１５２との間の反強磁性的結合よりも強くなるように構成されている。このような反強磁性的結合の強さの最適化が磁性メモリの動作範囲を拡大させる原理は，後に詳細に説明される。
【００４０】
図６の磁性メモリでは，隣接する強磁性層の間の反強磁性的結合の制御は，非磁性層１６１〜１６３の膜厚によって制御されている。具体的には，非磁性層１６１〜１６３の膜厚は，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間に作用する反強磁性的な交換相互作用，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４との間に作用する反強磁性的な交換相互作用は，強磁性層１５１と強磁性層１５２との間に作用する反強磁性的な交換相互作用よりも強くなるように選ばれる。図７に示されているように，交換相互作用の強さ，即ち，交換相互作用の結合係数は，非磁性層の膜厚の増加と共に，減衰的に振動する；図７では，反強磁性的な交換相互作用を示す結合定数が正と定義されていることに留意されたい。非磁性層の膜厚に依存する交換相互作用の結合定数の変化を利用して，隣接する強磁性層の間の反強磁性的結合が制御される。
【００４１】
より具体的には，非磁性層１６２，１６３の膜厚は，交換相互作用の結合係数の１次ピークに対応する膜厚ｔ１に調節され，非磁性層１６１の膜厚は，２次ピークに対応する膜厚ｔ２に調節される；膜厚ｔ２は，膜厚ｔ１よりも厚いことに留意されたい。これにより，強磁性層１５１と強磁性層１５２との間に相対的に弱い反強磁性的な交換相互作用を，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４との間に相対的に強い交換相互作用を発現させることができる。加えて，非磁性層の膜厚は，交換相互作用の結合係数が極値を取るように選ばれることは，反強磁性的な交換相互作用を安定的に発現させるために有用である。
【００４２】
このような反強磁性的結合の強さの最適化は，自由磁性層１４を構成する全強磁性層の反転に必要な磁界（フロップ磁界）を小さくしつつ，自由磁性層１４の飽和磁界を増大させることを可能にする。これは，自由磁性層１４全体のフロップ磁界は，近似的には，自由磁性層１４の内部の反強磁性的結合のうちの最も弱いものに主として依存するのに対し，自由磁性層１４全体の飽和磁界は，近似的には，自由磁性層１４の内部の反強磁性的結合のうちの相対的に強い結合に主として依存するためである。強磁性層１５１と強磁性層１５２との間に作用する反強磁性的結合が相対的に弱いことは，強磁性層１５１〜１５４のうちで強磁性層１５１の磁化を最も反転しやすくする。自由磁性層１４全体のフロップ磁界は，概略的には，最も磁化が反転しやすい強磁性層の反転磁界で定まるから，強磁性層１５１の反転磁界が小さいことは，自由磁性層１４全体のフロップ磁界の増加を抑制する。一方，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４との間の反強磁性的結合が相対的に強いことは，自由磁性層１４の飽和磁界を増大させる。
【００４３】
ただし，相対的に弱い反強磁性的結合で結合する強磁性層の組が，自由磁性層１４の中間に位置することは好ましくない。より具体的には，相対的に弱い交換相互作用を発現させる非磁性層が非磁性層１６１ではなく，非磁性層１６２であることは，好ましくない。なぜなら，相対的に弱い交換相互作用を発現させる非磁性層が自由磁性層１４の中間に位置することは，自由磁性層１４を当該非磁性層を境界とする複数の独立した強磁性層の積層体として機能させるためである；言い換えれば，自由磁性層１４が全体として一の積層フェリ構造として機能することを妨げる。これは，トグル書き込み方式による書き込みを阻害するため好ましくない。
【００４４】
図９Ａは，上述された，反強磁性的結合の強さの最適化による効果を裏付けるグラフであり，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さと，自由磁性層１４の磁化−磁界曲線との関係を示している。図９Ａのグラフは，Landau-Lifshitzシミュレーションによって得られている。図９Ａのグラフにおいて，自由磁性層１４の磁化Ｍｘは，自由磁性層１４の飽和磁化Ｍｓによって規格化されている。磁化−磁界曲線が立ち上がる磁界が，自由磁性層１４のフロップ磁界であり，Ｍｘ／Ｍｓが１になるような磁界が，自由磁性層１４の飽和磁界である。記号”４層（ＡＦ結合：３００，３００，３００［Ｏｅ］）”が付されている曲線は，強磁性層１５１と強磁性層１５２との間の反強磁性的結合，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さが，いずれも３００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さである自由磁性層１４の磁化−磁界曲線である。この曲線は，強磁性層の数の増加による自由磁性層１４の飽和磁化の増大の効果を示している。同様に，記号”４層（ＡＦ結合：３００，６００，６００［Ｏｅ］）”が付されている曲線は，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さが，６００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さである自由磁性層１４の磁化−磁界曲線である。また，記号”４層（ＡＦ結合：３００，１２００，１２００［Ｏｅ］）”が付されている曲線は，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さが，１２００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さである自由磁性層１４の磁化−磁界曲線である。これらのいずれの曲線においても，強磁性層１５１と強磁性層１５２との間の反強磁性的結合の強さは，いずれも，３００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さであり，同一であることに留意されたい。また，記号”２層（ＡＦ結合：３００［Ｏｅ］）”が付されている曲線は，強磁性層の数が２であり，且つ，それらの強磁性層が３００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さの反強磁性的結合によって結合されている積層フェリ構造の磁化−磁界曲線を示している。この積層フェリ構造は，強磁性層１５１，１５２及び非磁性層１６１からなる積層フェリ構造に対応している。
【００４５】
図９Ａのグラフから理解されるように，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合を相対的に強くすることにより，自由磁性層１４の飽和磁界を顕著に増大させることができる。より定量的には，かかる反強磁性的結合の強さの最適化は，自由磁性層１４の飽和磁界を，強磁性層１５１，１５２及び非磁性層１６１のみからなる積層フェリ構造の飽和磁界の２倍よりも大きくすることが可能である。反強磁性的結合の強さの最適化により，強磁性層の数の増加による飽和磁化の増大を超えるような，自由磁性層１４の飽和磁界の増大を実現可能であることを意味している；強磁性層の数の増加による飽和磁化の増大は，図８Ｂを参照して説明されているように，強磁性層の数が２である場合の約２倍で飽和することに留意されたい。
【００４６】
一方，強磁性層１５１と強磁性層１５２の間の反強磁性的結合を相対的に弱くすることにより，自由磁性層１４のフロップ磁界の増加は抑制されている；強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合を相対的に強くすることは，自由磁性層１４のフロップ磁界の増加を招かない。
【００４７】
以上に説明されているように，図６の自由磁性層１４の構造は，自由磁性層１４を構成する全強磁性層の反転に必要な磁界（フロップ磁界）を小さくしつつ，自由磁性層１４の飽和磁界を増大させることを可能にする。
【００４８】
ただし，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さは，過剰に大きくすることは好ましくない。図９Ａに示されているように，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さが，強磁性層１５１と強磁性層１５２との間の反強磁性的結合と大きく相違すると，自由磁性層１４の磁化−磁界曲線に変曲点が現れる。これは，強磁性層１５１の磁化の挙動が，残りの強磁性層１５２〜１５４の磁化と独立していることを意味しており，トグル書き込み方式にとっては好ましくない。例えば，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さが１２００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さである自由磁性層１４の磁化−磁界曲線には，変曲点が現れている。強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さには，ある適切な範囲が存在する。
【００４９】
図９Ｂは，自由磁性層１４の磁化−磁界曲線の変曲点近傍における拡大図であり，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の適切な強さを示している。記号”Ｘ［Ｏｅ］”が付されている曲線は，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さがＸ［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さである自由磁性層１４の磁化−磁界曲線である。図９Ｂから理解されるように，磁化−磁界曲線に変曲点が発現することを防止するためには，強磁性層１５２と強磁性層１５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さは，強磁性層１５１と強磁性層１５２との間の反強磁性的結合の強さの３倍以下であることが好ましい。
【００５０】
隣接する強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，非磁性層１６１〜１６３の膜厚の制御以外の様々な方法によって制御され得る。例えば，強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，強磁性層を構成する材料によって制御することが可能である。これは，非磁性層によって分離されている２層の強磁性層に作用する交換相互作用の強さは，該強磁性層の材料に依存するという現象に基づいている。例えば，非磁性層がＲｕによって構成されている場合，強磁性層に含まれるＣｏの組成が多いほど交換相互作用の強さは強くなる。従って，ＣｏＦｅで構成されている２つの強磁性層の間に作用する交換相互作用の強さは，ＮｉＦｅで構成されている２つの強磁性層の間に作用する交換相互作用の強さよりも強い。また，Ｃｏが相対的に多い組成を有するＮｉＣｏＦｅで構成されている２つの強磁性層の間に作用する交換相互作用の強さは，Ｃｏが相対的に少ない組成を有するＮｉＣｏＦｅで構成されている２つの強磁性層の間に作用する交換相互作用の強さよりも強い。
【００５１】
図１０は，強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さが強磁性層を構成する材料によって制御されている自由磁性層２４の構造を示している。自由磁性層２４は，ＮｉＦｅで形成されている強磁性層２５１と，ＣｏＦｅで形成されている強磁性層２５２〜２５４と，Ｒｕで形成されている非磁性層２６１〜２６３で構成されている；以下の図１０の説明においては，強磁性層２５１あ，ははＮｉＦｅ層２５１と記載されることがあり，強磁性層２５２〜２５４はＣｏＦｅ層２５２〜２５４と記載されることがある。図１０の自由磁性層２４では，ＮｉＦｅ層２５１，ＣｏＦｅ層２５２の間に作用する反強磁性的結合の強さは相対的に弱く，ＣｏＦｅ層２５２とＣｏＦｅ層２５３との間の反強磁性的結合，及びＣｏＦｅ層２５３とＣｏＦｅ層２５４の間の反強磁性的結合の強さは，相対的に強い。したがって，図１０の構造は，図６の自由磁性層１４と同様に，自由磁性層２４のフロップ磁界を小さく保ったまま，自由磁性層２４の飽和磁界を増加させることができる。
【００５２】
また，強磁性層２５１は，Ｃｏが相対的に少ない組成を有するＮｉＣｏＦｅで構成され，強磁性層２５２〜２５４は，Ｃｏが相対的に多い組成を有するＮｉＣｏＦｅで構成されることも可能である。かかる構成が，同じ作用を発現させることは，当業者には自明的であろう。
【００５３】
ＮｉＦｅ層２５１とＣｏＦｅ層２５２との間の反強磁性的結合を弱めるためには，図１１に示されているように，ＣｏＦｅ層２５２と非磁性層２６１の間にＮｉＦｅ層２７が挿入されることも可能である。ある非磁性層を介する交換相互作用の強さは，該非磁性層の両面に接する強磁性層の材料に依存するから，ＮｉＦｅ層２７を挿入することにより，ＮｉＦｅ層２５１とＣｏＦｅ層２５２との間の反強磁性的結合を弱めることができる。
【００５４】
図１２を参照して，強磁性層２５１〜２５４のそれぞれが，ＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層の積層体で形成されている場合には，強磁性層２５１〜２５４のＣｏの組成は，ＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層の膜厚の比率によって調節され得る。図１２の自由磁性層２４では，強磁性層２５１は，ＮｉＦｅ層２５ａ１，ＣｏＦｅ層２５ｂ１で構成されており，強磁性層２５２は，ＮｉＦｅ層２５ａ２，ＣｏＦｅ層２５ｂ２で構成されている。同様に，強磁性層２５３は，ＮｉＦｅ層２５ａ３，ＣｏＦｅ層２５ｂ３で構成されており，強磁性層２５４は，ＮｉＦｅ層２５ａ４，ＣｏＦｅ層２５ｂ４で構成されている。強磁性層２５１は，それに含まれるＣｏＦｅ層２５ｂ１の膜厚が薄く，他の強磁性層２５２〜２５４は，それらに含まれるＣｏＦｅ層２５ｂ１，２５ｂ２の膜厚が厚い。このような構造は，強磁性層２５１と強磁性層２５２の間の反強磁性的結合を相対的に弱め，強磁性層２５２と強磁性層２５３の間の反強磁性的結合及び強磁性層２５３と強磁性層２５４の間の反強磁性的結合を相対的に強める。したがって，図１２の自由磁性層２４の構造は，図６の自由磁性層１４と同様に，自由磁性層２４のフロップ磁界を小さく保ったまま，自由磁性層２４の飽和磁界を増加させることを可能にする。
【００５５】
隣接する強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，各強磁性層の結晶性によっても制御可能である。交換相互作用の強さは，強磁性層の結晶性が高いほど強く，逆に，結晶性が低いほど弱い。強磁性層の結晶性は，強磁性層に様々な処理を行うことによって制御され得る。例えば，強磁性層を不活性ガスのプラズマ，例えば，Ａｒプラズマに曝すプラズマ処理を行うことは，当該強磁性層の結晶性を低下させ，交換相互作用を弱める。同様に，強磁性層の成長の間に微量の酸素を導入するサーファクタント処理も，当該強磁性層の結晶性を低下させて交換相互作用を弱める。
【００５６】
図１３Ａは，各強磁性層の結晶性によって反強磁性的結合の強さが最適化されている自由磁性層２４の構成を示している。図１３Ａの自由磁性層２４は，プラズマ処理が行われたプラズマ処理層２５１’と，プラズマ処理がなされていない強磁性層２５２〜２５４と，非磁性層２６１〜２６３で構成されている。このような構造は，プラズマ処理層２５１’と強磁性層２５２の間の反強磁性的結合を相対的に弱め，強磁性層２５２と強磁性層２５３の間の反強磁性的結合及び強磁性層２５３と強磁性層２５４の間の反強磁性的結合を相対的に強める。したがって，図１３Ａの自由磁性層２４の構造は，図６の自由磁性層１４と同様に，自由磁性層２４のフロップ磁界を小さく保ったまま，自由磁性層２４の飽和磁界を増加させることを可能にする。
【００５７】
プラズマ処理の代わりに，サーファクタント処理によって強磁性層の結晶性の制御を行うことも可能である。より具体的には，図１３Ｂに示されているように，プラズマ処理層２５１’に代えて，微量の酸素を導入しながら成長されている強磁性層であるサーファクタント層２５１”が使用されることが可能である。このような構造によっても，自由磁性層２４のフロップ磁界を小さく保ったまま，自由磁性層２４の飽和磁界を増加させることが可能である。
【００５８】
隣接する強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，その間に介設されている非磁性層の材料によって制御されることも可能である。Ｒｕで形成された非磁性層は，相対的に強い交換相互作用を発現させ，Ｒｕ以外の非磁性金属，例えば，Ｉｒで形成された非磁性層は，相対的に弱い交換相互作用を発現させる。
【００５９】
図１４は，反強磁性的結合の強さが非磁性層の材料によって制御されている自由磁性層３４の構造を示している。自由磁性層３４は，強磁性層３５１〜３５４と，強磁性層３５１，３５２を分離するＩｒ層３６１と，強磁性層３５２〜３５４を相互に分離するＲｕ層３６２，３６３とを備えている。このような構造は，強磁性層３５１と強磁性層３５２の間の反強磁性的結合を相対的に弱め，強磁性層３５２と強磁性層３５３の間の反強磁性的結合及び強磁性層３５３と強磁性層３５４の間の反強磁性的結合を相対的に強める。したがって，図１４の自由磁性層３４の構造は，図６の自由磁性層１４と同様に，自由磁性層３４のフロップ磁界を小さく保ったまま，自由磁性層３４の飽和磁界を増加させることを可能にする。
【００６０】
隣接する強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，各強磁性層の膜厚によって制御されることも可能である。厚い強磁性層は，強い静磁的結合を生じさせ，したがって，隣接する強磁性層との反強磁性的結合の強さを強くする。逆に，薄い強磁性層は，隣接する強磁性層との反強磁性的結合の強さを弱くする。
【００６１】
図１５は，反強磁性的結合の強さが強磁性層の膜厚によって制御されている自由磁性層４４の構造を示している。自由磁性層４４は，強磁性層４５１〜４５４と，非磁性層４６１〜４６３とを備えている。強磁性層４５１は，相対的に薄い膜厚ｄ２を有しており，残りの強磁性層４５２〜４５４は，相対的に厚い膜厚ｄ１を有している。このような構造は，強磁性層４５１と強磁性層４５２の間の反強磁性的結合を相対的に弱め，強磁性層４５２と強磁性層４５３の間の反強磁性的結合及び強磁性層４５３と強磁性層４５４の間の反強磁性的結合を相対的に強める。したがって，図１５の自由磁性層４４の構造は，図６の自由磁性層１４と同様に，自由磁性層４４のフロップ磁界を小さく保ったまま，自由磁性層３４の飽和磁界を増加させることを可能にする。
【００６２】
なお，本実施の形態において，自由磁性層に含まれる強磁性層の数は４に限られず，３以上であれば良いことに留意されたい。自由磁性層に含まれる強磁性層が３である場合には，自由磁性層の一の端と中間に位置する２つの強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さが，他の端と中間に位置する２つの強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さよりも強くなるように自由磁性層が構成される。強磁性層の数が５以上である場合には，自由磁性層の一の端とそれに隣接する２つの強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さと比較して，他の隣接する２つの強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さが強くなるように自由磁性層が構成される。かかる構成により，自由磁性層のフロップ磁界を小さく保ったまま，該自由磁性層の飽和磁界を増加させることが可能になる。
【００６３】
また，本実施の形態において，自由磁性層反強磁性的結合の強さを制御する手段として，複数の異なる手段が組み合わされることも可能であることは自明的である。
【００６４】
第２  実施の第２形態
図９Ｂを参照して説明されているように，実施の第１形態の磁性メモリでは，強磁性層１５１と強磁性層１５２の間の反強磁性的結合の強さと，強磁性層１５２と強磁性層１５３の間の反強磁性的結合及び強磁性層１５３と強磁性層１５４の間の反強磁性的結合の強さとの差が大きくなると，強磁性層１５１の磁化が他の強磁性層１５２〜１５４の磁化と独立した挙動を示すようになり，強磁性層１５１〜１５４を全体として一の積層フェリ構造として機能しなくなる。これは，トグル書き込み方式による書き込みを阻害するため好ましくない。
【００６５】
かかる挙動を防ぐためには，自由磁性層の両端に位置する強磁性層と，それらに隣接する強磁性層との間に作用する反強磁性的結合と比較して，自由磁性層の中間に位置する，２つの強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さが強くなるように自由磁性層を構成することが有効である。
【００６６】
図１６は，このような磁性メモリの構成を示す断面図である。図１６に示されている磁性メモリの自由磁性層５４は，強磁性層５５１〜５５４と非磁性層５６１〜５６３とから構成されている。非磁性層５６２の膜厚は，交換相互作用の結合係数の１次ピークに対応する膜厚ｔ１に調節され，非磁性層５６１，５６３の膜厚は，２次ピークに対応する膜厚ｔ２に調節される。図７に示されているように，膜厚ｔ２は，膜厚ｔ１よりも薄いことに留意されたい。このような自由磁性層５４の構造は，中間に位置する強磁性層５５２，５５３の間の反強磁性的結合を，端に位置する強磁性層５５１，５５２の間の反強磁性的結合，及び強磁性層５５３，５５４の間の反強磁性的結合よりも強くする。
【００６７】
このような自由磁性層５４の構成は，強磁性層５５１〜５５４を全体として一の積層フェリ構造として機能させる。図１７は，自由磁性層５４が一の積層フェリ構造として機能することを裏付ける，自由磁性層５４の磁化−磁界曲線のグラフである。図１７のグラフは，Landau-Lifshitzシミュレーションによって得られている。図１７のグラフにおいて，磁化Ｍｘは，自由磁性層５４の飽和磁化Ｍｓによって規格化されている。磁化−磁界曲線が立ち上がる磁界が，自由磁性層５４のフロップ磁界であり，Ｍｘ／Ｍｓが１になるような磁界が，自由磁性層５４の飽和磁界である。記号”４層（ＡＦ結合：３００，３００，３００［Ｏｅ］）”が付されている曲線は，強磁性層５５１と強磁性層５５２との間の反強磁性的結合，強磁性層５５２と強磁性層５５３との間の反強磁性的結合，及び強磁性層５５３と強磁性層５５４の間の反強磁性的結合の強さが，いずれも，３００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さである自由磁性層５４の磁化−磁界曲線である。同様に，記号”４層（ＡＦ結合：３００，６００，３００［Ｏｅ］）”が付されている曲線は，強磁性層５５２と強磁性層５５３との間の反強磁性的結合の強さが６００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さであり，強磁性層５５１と強磁性層５５２の間の反強磁性的結合及び強磁性層５５３と強磁性層５５４の間の反強磁性的結合の強さが３００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さである自由磁性層５４の磁化−磁界曲線である。また，記号”４層（ＡＦ結合：３００，１２００，３００［Ｏｅ］）”が付されている曲線は，強磁性層５５２と強磁性層５５３との間の反強磁性的結合の強さが１２００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さであり，強磁性層５５１と強磁性層５５２の間の反強磁性的結合及び強磁性層５５３と強磁性層５５４の間の反強磁性的結合の強さが３００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さである自由磁性層５４の磁化−磁界曲線である。これらのいずれの曲線においても，強磁性層５５１と強磁性層５５２との間の反強磁性的結合及び強磁性層５５３と強磁性層５５４との間の反強磁性的結合の強さは，いずれも，３００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さであり，同一であることに留意されたい。また，記号”２層（ＡＦ結合：３００［Ｏｅ］）”が付されている曲線は，強磁性層の数が２であり，且つ，それらの強磁性層が３００［Ｏｅ］の結合磁界に相当する強さの反強磁性的結合によって結合されている積層フェリ構造の磁化−磁界曲線を示している。この積層フェリ構造は，強磁性層５５１，５５２及び非磁性層５６１のみからなる積層フェリ構造に対応している。
【００６８】
図１７に示されているように，中間に位置する強磁性層５５２，５５３の間の反強磁性的結合を，相対的に強くすることにより，自由磁性層５４の飽和磁界は増大されている。更に，相対的に弱い反強磁性的結合が存在することにより，自由磁性層５４のフロップ磁界は小さいままに維持されている。
【００６９】
加えて，自由磁性層５４の端に位置する強磁性層の組，即ち，強磁性層５５１，５５２及び強磁性層５５３，５５４の間にそれぞれに作用する反強磁性的結合の両方が相対的に弱いことは，強磁性層５５１〜５５４が全体として一の積層フェリ構造として機能することを促進する；これは，図１７の自由磁性層５４の磁化−磁界曲線が，常に上に凸に保たれ，変曲点が現れないことに現れている。強磁性層５５１〜５５４が全体として一の積層フェリ構造として機能することは，トグル書き込み方式による書き込み動作の安定化に有効である。
【００７０】
以上に説明されているように，図１７の自由磁性層５４の構造は，磁性メモリの動作範囲の拡大に加え，トグル書き込み方式による書き込み動作の安定化に有効である。
【００７１】
実施の第１形態と同様に，隣接する強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，非磁性層５６１〜５６３の膜厚の制御以外の様々な方法によって制御され得る。例えば，強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，強磁性層を構成する材料によって制御することが可能である。
【００７２】
図１８は，強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さが強磁性層を構成する材料によって制御されている自由磁性層６４の構造を示している。自由磁性層２４は，ＮｉＦｅで形成されている強磁性層６５１と，ＣｏＦｅで形成されている強磁性層６５２，６５３と，ＮｉＦｅで形成されている強磁性層６５４と，Ｒｕで形成されている非磁性層２６１〜２６３で構成されている；以下の図１８の説明においては，強磁性層６５１あ，は，６５４は，ＮｉＦｅ層６５１，６５４と記載されることがあり，強磁性層６５２，６５３はＣｏＦｅ層６５２，６５３と記載されることがある。図１８の自由磁性層６４では，ＮｉＦｅ層６５１，ＣｏＦｅ層６５２の間に作用する反強磁性的結合，及びＣｏＦｅ層６５３，及びＮｉＦｅ層６５４の間に作用する反強磁性的結合の強さは相対的に弱く，ＣｏＦｅ層６５２とＣｏＦｅ層６５３との間の反強磁性的結合の強さは，相対的に強い。したがって，図１８の構造は，図１６の自由磁性層５４と同様に，自由磁性層６４のフロップ磁界を小さく保ったまま，自由磁性層６４の飽和磁界を増加させることができる。
【００７３】
また，強磁性層６５１は，Ｃｏが相対的に少ない組成を有するＮｉＣｏＦｅで構成され，強磁性層６５２〜６５４は，Ｃｏが相対的に多い組成を有するＮｉＣｏＦｅで構成されることも可能である。かかる構成が，同じ作用を発現させることは，当業者には自明的であろう。
【００７４】
ＮｉＦｅ層６５１とＣｏＦｅ層６５２との間の反強磁性的結合，及びＣｏＦｅ層６５３，及びＮｉＦｅ層６５４の間の反強磁性的結合を更に弱めるためには，図１９に示されているように，ＣｏＦｅ層６５２と非磁性層６６１の間，及びＣｏＦｅ層６５３と非磁性層６６３の間にＮｉＦｅ層６７が挿入されることも可能である。ある非磁性層を介する交換相互作用の強さは，該非磁性層の両面に接する強磁性層の材料に依存するから，ＮｉＦｅ層６７を挿入することにより，ＮｉＦｅ層６５１とＣｏＦｅ層６５２との間の反強磁性的結合，及びＣｏＦｅ層６５３，及びＮｉＦｅ層６５４の間の反強磁性的結合を弱めることができる。
【００７５】
図２０を参照して，強磁性層６５１〜６５４のそれぞれが，ＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層の積層体で形成されている場合には，強磁性層６５１〜６５４のＣｏの組成は，ＮｉＦｅ層とＣｏＦｅ層の膜厚の比率によって調節され得る。図２０の自由磁性層６４では，強磁性層６５１は，ＮｉＦｅ層６５ａ１，ＣｏＦｅ層６５ｂ１で構成されており，強磁性層６５２は，ＮｉＦｅ層６５ａ２，ＣｏＦｅ層６５ｂ２で構成されている。同様に，強磁性層６５３は，ＮｉＦｅ層６５ａ３，ＣｏＦｅ層６５ｂ３で構成されており，強磁性層６５４は，ＮｉＦｅ層６５ａ４，ＣｏＦｅ層６５ｂ４で構成されている。強磁性層６５１は，それに含まれるＣｏＦｅ層６５ｂ１の膜厚が薄く，他の強磁性層６５２〜６５４は，それらに含まれるＣｏＦｅ層６５ｂ１，６５ｂ２の膜厚が厚い。このような構造は，強磁性層６５１と強磁性層６５２の間の反強磁性的結合を相対的に弱め，強磁性層６５２と強磁性層６５３の間の反強磁性的結合及び強磁性層６５３と強磁性層６５４の間の反強磁性的結合を相対的に強める。したがって，図２０の自由磁性層６４の構造は，図１６の自由磁性層５４と同様に，自由磁性層６４のフロップ磁界を小さく保ったまま自由磁性層６４の飽和磁界を増加させ，且つ，強磁性層６５１〜６５４を全体として一の積層フェリ構造として機能させることが可能である。
【００７６】
隣接する強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，各強磁性層の結晶性によっても制御可能である。既述のように，強磁性層を不活性ガスのプラズマ，例えば，Ａｒプラズマに曝すプラズマ処理を行うことは，当該強磁性層の結晶性を低下させ，交換相互作用を弱める。同様に，強磁性層の成長の間に微量の酸素を導入するサーファクタント処理も，当該強磁性層の結晶性を低下させて交換相互作用を弱める。
【００７７】
図２１Ａは，各強磁性層の結晶性によって反強磁性的結合の強さが最適化されている自由磁性層６４の構成を示している。図２１Ａの自由磁性層６４は，プラズマ処理が行われたプラズマ処理層６５１’，６５４’と，プラズマ処理がなされていない強磁性層６５２，６５４と，非磁性層２６１〜２６３で構成されている。このような構造は，プラズマ処理層６５１’と強磁性層６５２の間の反強磁性的結合，及び強磁性層６５３とプラズマ処理層６５４’の反強磁性的結を相対的に弱め，強磁性層６５２と強磁性層６５３の間の反強磁性的結合を相対的に強める。したがって，図２１Ａの自由磁性層２４の構造は，図１６の自由磁性層５４と同様に，自由磁性層６４のフロップ磁界を小さく保ったまま自由磁性層６４の飽和磁界を増加させ，且つ，強磁性層６５１〜６５４を全体として一の積層フェリ構造として機能させることが可能である。
【００７８】
プラズマ処理の代わりに，サーファクタント処理によって強磁性層の結晶性の制御を行うことも可能である。より具体的には，図２１Ｂに示されているように，プラズマ処理層６５１’，６５４’に代えて，微量の酸素を導入しながら成長されている強磁性層であるサーファクタント層６５１”，６５４”が使用されることが可能である。
【００７９】
隣接する強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，その間に介設されている非磁性層の材料によって制御されることも可能である。
【００８０】
図２２は，反強磁性的結合の強さが非磁性層の材料によって制御されている自由磁性層７４の構造を示している。自由磁性層７４は，強磁性層７５１〜７５４と，強磁性層７５１，７５２を分離するＩｒ層７６１と，強磁性層７５２，７５３を分離するＲｕ層３６２と，強磁性層７５３，７５４を分離するＩｒ層７６３とを備えている。このような構造は，強磁性層７５１と強磁性層７５２の間の反強磁性的結合，及び強磁性層７５３と強磁性層７５４の間の反強磁性的結合を相対的に弱め，強磁性層７５２と強磁性層７５３の間の反強磁性的結合を相対的に強める。したがって，図２２の自由磁性層７４の構造は，図１６の自由磁性層５４と同様に，自由磁性層７４のフロップ磁界を小さく保ったまま自由磁性層７４の飽和磁界を増加させ，且つ，強磁性層７５１〜７５４を全体として一の積層フェリ構造として機能させることが可能である。
【００８１】
隣接する強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さは，各強磁性層の膜厚によって制御されることも可能である。図２３は，反強磁性的結合の強さが強磁性層の膜厚によって制御されている自由磁性層８４の構造を示している。自由磁性層８４は，強磁性層８５１〜８５４と，非磁性層８６１〜８６３とを備えている。強磁性層８５１，８５４は，相対的に薄い膜厚ｄ２を有しており，強磁性層８５２，８５３は，相対的に厚い膜厚ｄ１を有している。このような構造は，強磁性層８５１と強磁性層８５２の間の反強磁性的結合，及び強磁性層８５３と強磁性層８５４の間の反強磁性的結合を相対的に弱め，強磁性層８５２と強磁性層８５３の間の反強磁性的結合を相対的に強める。したがって，図２３の自由磁性層８４の構造は，図１６の自由磁性層６４と同様に，自由磁性層７４のフロップ磁界を小さく保ったまま自由磁性層７４の飽和磁界を増加させ，且つ，強磁性層７５１〜７５４を全体として一の積層フェリ構造として機能させることが可能である。
【００８２】
なお，本実施の形態において，自由磁性層に含まれる強磁性層の数は４に限られず，４以上であれば良いことに留意されたい。強磁性層の数が５以上である場合には，自由磁性層の両端の強磁性層とそれにそれぞれに隣接する２つの強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さと比較して，他の隣接する２つの強磁性層の間に作用する反強磁性的結合の強さが強くなるように自由磁性層が構成される。かかる構成により，自由磁性層のフロップ磁界を小さく保ったまま，該自由磁性層の飽和磁界を増加させ，更に，自由磁性層全体として一の積層フェリ構造として機能させることが可能である。
【００８３】
また，本実施の形態において，自由磁性層反強磁性的結合の強さを制御する手段として，複数の異なる手段が組み合わされることも可能であることは当業者には自明的である。
【実施例】
【００８４】
上述の実施の形態で説明されている反強磁性的結合の最適化の効果が，図２４Ａ及び図２４Ｂに示されている構造を有するサンプルで実験的に確かめられた。
【００８５】
図２４Ａは，比較例の磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。比較例の磁気抵抗素子は，下部電極１７と，反強磁性層１１と，固定磁性層１２と，トンネルバリア１３と，自由磁性層１１４と，キャップ層１８と，上部電極１９とで構成されている。下部電極１７としては，厚さ２０ｎｍのＴａ膜が使用され，反強磁性層１１としては，厚さ２０ｎｍのＰｔＭｎ膜が使用されている。固定磁性層１２としては，ＣｏＦｅ膜１２ａ１，１２ａ２と，その間に挟まれたＲｕ膜１２ｂとで構成されている積層フェリ構造が使用されている。ＣｏＦｅ膜１２ａ１，１２ａ２の厚さは２．５ｎｍであり，Ｒｕ膜１２ｂの厚さは０．８８ｎｍである。トンネルバリア１３は，厚さ１ｎｍのＡｌ膜が酸化されることによって形成されている。自由磁性層２１４は，２層の強磁性層２１５１，２１５２とその間に介設された非磁性層２１６から構成される積層フェリ構造で構成されている；強磁性層２１５１，２１５２としては，厚さ４ｎｍのＮｉＦｅ膜と厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ膜の積層体が使用され，非磁性層２１６としては，厚さ２．１ｎｍのＲｕ膜が使用されている。キャップ層１８は，厚さ０．７ｎｍのＡｌ膜が酸化されることによって形成されている。上部電極１９は，厚さ１００ｎｍのＴａ膜で形成されている。
【００８６】
図２４Ｂは，本発明の実施例の磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。実施例の磁気抵抗素子は，比較例の磁気抵抗素子と，自由磁性層の構造においてのみ相違している。実施例の磁気抵抗素子の自由磁性層１４は，実施の第２形態に対応する積層フェリ構造を有しており，強磁性層１５１〜１５４と非磁性層１６１〜１６３で構成されている。強磁性層１５１〜１５４としては，厚さ４ｎｍのＮｉＦｅ膜と厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ膜の積層体が使用されている。非磁性層１６１〜１６３としては，いずれも，Ｒｕ膜が使用されている。非磁性層１６１，１６３の厚さは，いずれも，２．１ｎｍである。自由磁性層１４の中間に位置する非磁性層１６２の厚さは，０．９ｎｍ，２．１ｎｍのうちから選択された。非磁性層１６２として厚さ２．１ｎｍのＲｕ膜を有する磁気抵抗素子は，強磁性層１５１〜１５４の数による自由磁性層１４の飽和磁界の増大の効果を確認するためのサンプルであり，非磁性層１６２として厚さ０．９ｎｍのＲｕ膜を有する磁気抵抗素子は，反強磁性的結合の強さの最適化による飽和磁界の増大の効果を確認するためのサンプルである。
【００８７】
図２５に示されているように，非磁性層１６２として厚さ２．１ｎｍのＲｕ膜を有する磁気抵抗素子は，その自由磁性層１４の飽和磁界が１１８０［Ｏｅ］であり，比較例の磁気抵抗素子と比較して大きい飽和磁界が得られた。これは，自由磁性層を構成する強磁性層の数の増大が，飽和磁界の増大に有効であることを示している。
【００８８】
非磁性層１６２として厚さ０．９ｎｍのＲｕ膜を有する磁気抵抗素子は，その自由磁性層１４の飽和磁界が２０００［Ｏｅ］を超えており，一層に大きい飽和磁界が得られた。これは，上述されているような反強磁性的結合の強さの最適化が，飽和磁界の一層の増大に有効であることを示している。
【００８９】
一方，自由磁性層１４のフロップ磁界は，いずれのサンプルでも有意な違いが見出されなかった。これは，上述の反強磁性的結合の強さの最適化が，フロップ磁界の増加を伴わずに飽和磁界を増大させることが可能であること，即ち，磁性メモリの動作範囲の拡大を可能にすることを実験的に証明している。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１は，従来の，トグル書き込み方式に対応した磁性メモリの構造を示す断面図である。
【図２】図２は，従来の，トグル書き込み方式に対応した磁性メモリの構造を示す平面図である。
【図３】図３は，トグル書き込み方式の手順を示すタイミングチャートである。
【図４】図４は，トグル書き込み方式による書き込みの間の磁化の挙動を示す概念図である。
【図５】図５は，従来の，トグル書き込み方式に対応した磁性メモリの構造を示す断面図である。
【図６】図６は，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの構造を示す断面図である。
【図７】図７は，非磁性層の膜厚と，交換相互作用の結合定数の関係を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは，積層フェリ構造の磁化−磁界曲線と，積層フェリ構造に含まれる強磁性層の数との関係を示すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは，積層フェリ構造の飽和磁界の，強磁性層の数による依存性を示すグラフである。
【図９Ａ】図９Ａは，実施の第１形態における積層フェリ構造の反強磁性的結合の強さの最適化が，積層フェリ構造の磁化−磁界曲線に及ぼす作用を示すグラフである。
【図９Ｂ】図９Ｂは，図９Ａの磁化−磁界曲線の変曲点の近傍の拡大図である。
【図１０】図１０は，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの他の構造を示す断面図である。
【図１１】図１１は，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図１２】図１２は，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図１４】図１４は，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図１５】図１５は，本発明の実施の第１形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図１６】図１６は，本発明の実施の第２形態の磁性メモリの構造を示す断面図である。
【図１７】図１７は，実施の第２形態における積層フェリ構造の反強磁性的結合の強さの最適化が，積層フェリ構造の磁化−磁界曲線に及ぼす作用を示すグラフである。
【図１８】図１８は，本発明の実施の第２形態の磁性メモリの他の構造を示す断面図である。
【図１９】図１９は，本発明の実施の第２形態の磁性メモリの他の構造を示す断面図である。
【図２０】図２０は，本発明の実施の第２形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは，本発明の実施の第２形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは，本発明の実施の第２形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図２２】図２２は，本発明の実施の第２形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図２３】図２３は，本発明の実施の第２形態の磁性メモリの更に他の構造を示す断面図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは，比較例の磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは，実施例の磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。
【図２５】図２５は，比較例及び実施例の磁気抵抗素子のフロップ磁界及び飽和磁界を示す表である。
【符号の説明】
【００９１】
１：ワード線
２：ビット線
３：磁気抵抗素子
１１：反強磁性層
１２：固定磁性層
１３：トンネルバリア
１４：自由磁性層
１５１，１５２，１５３，１５４：強磁性層
１６１，１６２，１６３：非磁性層
２４：自由磁性層
２５１，２５２，２５３，２５４：強磁性層
２５１’：プラズマ処理層
２５１”：サーファクタント層
２６１，２６２，２６３：非磁性層
２７：ＮｉＦｅ層
３４：自由磁性層
３５１，３５２，３５３，３５４：強磁性層
３６１，３６２，３６３：非磁性層
４４：自由磁性層
４５１，４５２，４５３，４５４：強磁性層
４６１，４６２，４６３：非磁性層
５４：自由磁性層
５５１，５５２，５５３，５５４：強磁性層
５６１，５６２，５６３：非磁性層
６４：自由磁性層
６５１，６５２，６５３，６５４：強磁性層
６５１’，６５４’：プラズマ処理層
６５１”，６５４”：サーファクタント層
６６１，６６２，６６３：非磁性層
６７：ＮｉＦｅ層
７４：自由磁性層
７５１，７５２，７５３，７５４：強磁性層
７６１，７６２，７６３：非磁性層
８４：自由磁性層
８５１，８５２，８５３，８５４：強磁性層
８６１，８６２，８６３：非磁性層
２１４：自由磁性層
２１５１，２１５２：強磁性層
２１６：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】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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