(57)【要約】【課題】  情報の書き込みに要する電流値のばらつきが少なく、安定に動作すると共に、書き込みに要する電流値を低減することができる記憶素子を提供する。【解決手段】  情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層１７の上下に中間層１６，１８を介して磁化固定層３１，３２が設けられ、磁化固定層３１，３２がいずれも非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、反強磁性結合により磁化固定層３１，３２の各強磁性層の磁化の向きが互い違いになっており、上下の磁化固定層３１，３２のそれぞれ記憶層１７に最も近い強磁性層１５，１９の磁化Ｍ１５，Ｍ１９の向きが互いに反対向きであり、積層方向に電流を流すことにより記憶層１７の磁化Ｍ１の向きが変化して、記憶層１７に情報が記録される記憶素子３を構成する。【選択図】        図２
2006049436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、
前記磁化固定層が、いずれも非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、
それぞれの前記磁化固定層において、反強磁性結合により、積層された各前記強磁性層の磁化の向きが互い違いになっており、
前記記憶層の上下の前記磁化固定層において、それぞれ前記記憶層に最も近い前記強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであり、
積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項２】
前記記憶層の上下の前記磁化固定層のうち、一方の前記磁化固定層が奇数層の前記強磁性層から成り、他方の前記磁化固定層が偶数層の前記強磁性層から成り、それぞれの前記磁化固定層に対して前記記憶層の反対側に反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
それぞれの前記磁化固定層において、磁化の向きが互いに反対である各前記強磁性層の飽和磁化と膜厚との積の和が、ほぼ等しい関係を有していることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
互いに交差する２種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、前記記憶層の上下に、それぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記磁化固定層がいずれも非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、それぞれの前記磁化固定層において、反強磁性結合により、積層された各前記強磁性層の磁化の向きが互い違いになっており、前記記憶層の上下の前記磁化固定層において、それぞれ前記記憶層に最も近い前記強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであり、積層方向の電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、
前記２種類の配線の交点付近かつ前記２種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、  前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。
【請求項５】
前記記憶素子は、前記記憶層の上下の前記磁化固定層のうち、一方の前記磁化固定層が奇数層の前記強磁性層から成り、他方の前記磁化固定層が偶数層の前記強磁性層から成り、それぞれの前記磁化固定層に対して前記記憶層の反対側に反強磁性層が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のメモリ。
【請求項６】
前記記憶素子は、それぞれの前記磁化固定層において、磁化の向きが互いに反対である各前記強磁性層の飽和磁化と膜厚との積の和が、ほぼ等しい関係を有していることを特徴とする請求項４に記載のメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
【０００３】
そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている（例えば非特許文献１参照）。
【０００４】
ＭＲＡＭは、ほぼ直交する２種類のアドレス配線（ワード線、ビット線）にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。
【０００５】
一般的なＭＲＡＭの模式図（斜視図）を、図６に示す。
シリコン基板等の半導体基体１１０の素子分離層１０２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域１０８、ソース領域１０７、並びにゲート電極１０１が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極１０１の上方には、図中前後方向に延びるワード線１０５が設けられている。
ドレイン領域１０８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域１０８には、配線１０９が接続されている。
そして、ワード線１０５と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線１０６との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子１０３が配置されている。この磁気記憶素子１０３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
さらに、磁気記憶素子１０３は、水平方向のバイパス線１１１及び上下方向のコンタクト層１０４を介して、ソース領域１０７に電気的に接続されている。
ワード線１０５及びビット線１０６にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子１０３に印加して、これにより磁気記憶素子１０３の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
【０００６】
そして、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層（記憶層）が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、ＭＲＡＭを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
【０００７】
そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている（例えば、特許文献１参照）。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
【０００８】
例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。
【０００９】
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。
【００１０】
上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの模式図を図４及び図５に示す。図４は斜視図、図５は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体６０の素子分離層５２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域５８、ソース領域５７、並びにゲート電極５１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極５１は、図５中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域５８は、図４中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域５８には、配線５９が接続されている。
そして、ソース領域５７と、上方に配置された、図４中左右方向に延びるビット線５６との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子５３が配置されている。
この記憶素子５３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。図中６１及び６２は磁性層を示しており、２層の磁性層６１，６２のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子５３は、ビット線５６と、ソース領域５７とに、それぞれ上下のコンタクト層５４を介して接続されている。これにより、記憶素子５３に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
【００１１】
このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図６に示した一般的なＭＲＡＭと比較して、デバイス構造を単純化することができる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
【００１２】
このスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいて、消費電力をさらに抑制するためには、スピン注入効率を改善して、入力する電流を減らす必要がある。
【００１３】
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには記憶層の両側に接している中間層をトンネルバリア層にすることが効果的である。
この場合、バリア層の耐電圧の制限が生じるため、この点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。
【００１４】
そこで、スピン注入時の電流を抑制するための解決策として、記憶素子を磁化固定層／中間層／記憶層／中間層／磁化固定層の積層構造として、記憶層の上下に設けた磁化固定層の磁化の向きを反対向きにした構成が提案されている（特許文献２参照）。
この構成によれば、上下の磁化固定層の磁化の向きを互いに反対向きにすることにより、スピン注入効率を倍増させることが可能である。
【００１５】
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献２】米国特許公開第２００４／００２７８５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
スピン注入による磁化反転を利用するには、記憶層の磁化量に対応するスピントルクを与える必要があること、発熱や耐圧の観点から流せる電流量に制限があること、また現実的にスピントルクは素子面積が十分に小さくないとはっきりと認められないことから、記憶素子を小さくする必要がある。
【００１７】
しかしながら、このように記憶素子を小さくした場合には、記憶層の体積が小さくなるため、磁化固定層が記憶層に及ぼす静磁結合磁界の影響が非常に大きいものになってしまう。
その結果、スピン注入によって記憶層の磁化の向きを、一方の向きから他方の向きに反転させるための電流と、他方の向きから一方の向きに反転させるための電流とが、大きく違ってくることになる。これにより、記憶層に情報を書き込むための電流の非対称性が非常に大きくなり、書き込み電流の低減に対して、逆効果となってしまう。
【００１８】
また、上述した特許文献２では、例えば、ブロッキング温度の異なる２種類の反強磁性材料を用いて、磁場中で２段階熱処理を行うことにより、記憶層の上下の磁化固定層の磁化の向きを互いに反対向きに固定している。
また、例えば、一方の磁化固定層を反強磁性層／強磁性層／中間層／強磁性層の積層フェリ構造にすることにより、記憶層の上下の磁化固定層の磁化の向きを互いに反対向きに固定している。
【００１９】
しかしながら、上記特許文献２には、磁化固定層から生じる静磁結合磁界が記憶層に影響を及ぼす、という問題については、何ら考慮されていない。そのため、記憶層の上下の磁化固定層のうち、一方の磁化固定層が単層の強磁性層によって構成されている。
このように単層の強磁性層により磁化固定層を構成すると、磁化固定層から生じる漏れ磁束による静磁結合磁界が大きくなり、この静磁結合磁界が記憶層に及ぼす影響が大きくなってしまうため、記憶層の磁化の向きを反転させる動作が不安定になり、反転電流値が大きくばらついてしまう。
【００２０】
また、記憶層の上層にある磁化固定層からの漏れ磁界と、記憶層の下層にある磁化固定層からの漏れ磁界とを、互いにキャンセルさせることにより、記憶層に到達する漏れ磁界の和をゼロにすることも可能であるが、そのように構成した場合も、理由は不明であるが、記憶層の磁化の向きを反転させる動作が不安定になり、反転電流値が大きくばらつく結果となる。
【００２１】
上述した問題の解決のために、本発明においては、情報の書き込みに要する電流値のばらつきが少なく、安定に動作すると共に、書き込みに要する電流値を低減することができる記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層の上下にそれぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、磁化固定層がいずれも非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、それぞれの磁化固定層において、反強磁性結合により、積層された各強磁性層の磁化の向きが互い違いになっており、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであり、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるものである。
【００２３】
本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は、記憶層の上下にそれぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられ、この磁化固定層がいずれも非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、それぞれの磁化固定層において、反強磁性結合により積層された各強磁性層の磁化の向きが互い違いになっており、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであり、積層方向の電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものである。
【００２４】
上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層の上下にそれぞれ中間層を介して磁化固定層が設けられており、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、記憶層の上下の磁化固定層において、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが互いに反対向きであることによって、スピン注入効率を大幅に増大させることが可能になる。これにより、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量（閾値電流）を低減することができる。
さらに、磁化固定層がいずれも非磁性層を介して積層された複数層の強磁性層から成り、それぞれの磁化固定層において、反強磁性結合によって、積層された各強磁性層の磁化の向きが互い違いになっていることにより、それぞれの磁化固定層が所謂積層フェリ構造を有しており、磁化の向きが互いに反対である各強磁性層からの磁束が、互いに打ち消される。これにより、磁化固定層により形成されその側面から漏れる磁界を小さくすることができ、磁化固定層から漏れる磁界による、記憶層に対する影響を低減することができる。従って、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量（閾値電流）を、両極性の電流において非対称性を抑えて、ほぼ対称に近づけることが可能になる。また、閾値電流のばらつきも抑制することができる。
【００２５】
上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものであることにより、２種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、スピン注入により記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量（閾値電流）を低減することができる。
さらに、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量（閾値電流）を、両極性の電流において非対称性を抑えて、ほぼ対称に近づけることが可能になる。また閾値電流のばらつきも抑制することができる。
【００２６】
上記本発明の記憶素子及び上記本発明のメモリにおいて、記憶層の上下の磁化固定層のうち、一方の磁化固定層が奇数層の強磁性層から成り、他方の磁化固定層が偶数層の強磁性層から成り、それぞれの磁化固定層に対して記憶層の反対側に反強磁性層が設けられている構成とすることも可能である。
このように構成したときには、反強磁性層を配向するように磁場中熱処理を行えば、それぞれの磁化固定層の最も反強磁性層側の強磁性層の磁化の向きが、磁場の向きに合わせて同じ向きになる。そして、一方の磁化固定層が奇数層の強磁性層から成るので、この一方の磁化固定層の最も記憶層側の強磁性層の磁化の向きは、最も反強磁性層側の強磁性層の磁化の向きと同じになる。他方の磁化固定層が偶数層の強磁性層から成るので、この他方の磁化固定層の最も記憶層側の強磁性層の磁化の向きは、最も反強磁性層側の強磁性層の磁化の向きとは反対になる。これにより、一方の磁化固定層と他方の磁化固定層において、それぞれの最も記憶層側の強磁性層の磁化の向きが反対となる。即ち、反強磁性層を配向するように磁場中熱処理を行うことにより、容易に本発明の構成の記憶素子を製造することが可能になる。
【００２７】
上記本発明の記憶素子及び上記本発明のメモリにおいて、それぞれの磁化固定層における、磁化の向きが互いに反対である各強磁性層の飽和磁化と膜厚との積の和が、ほぼ等しい関係を有している構成とすることも可能である。
このように構成したときには、磁化の向きが互いに反対である各強磁性層の飽和磁化と膜厚との積の和がほぼ等しいので、磁化の向きが互いに反対である各強磁性層からの磁束が相殺される。即ち、磁化固定層全体の合成磁化がほぼゼロになる。
これにより、磁化固定層により形成される磁界が、磁化固定層側面からほとんど外部に漏れなくなり、記憶層に影響を与えなくなる。
従って、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を、両極性の電流においてほぼ対称とすることが可能になる。
【発明の効果】
【００２８】
上述の本発明によれば、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流量（閾値電流）の、非対称性とばらつきとを抑制することができるため、情報の記録に必要な電流量を低減することができる。
これにより、記憶素子に対して電流を流して情報を記録する、動作領域を拡大することが可能になり、動作のマージンを広く確保し、記憶素子を安定して動作させることができる。
従って、安定して動作する信頼性の高いメモリを実現することができる。
また、メモリ全体の消費電力を低減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明は、前述したスピン注入により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。記憶層は、強磁性層等の磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態（磁化の向き）により保持するものである。
【００３０】
スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）もしくはトンネル磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性（向き）は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。
【００３１】
スピン注入によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに、必要となる電流の閾値Ｉｃは、現象論的に、下記数１により表される（例えば、F.J.Albert他著、Appl.Phys.Lett.,77,p.3809,2000年、等を参照）。
【００３２】
【数１】
2006049436.tif 000003
【００３３】
本発明では、式（１）で表されるように、電流の閾値が、磁性層の体積Ｖ、磁性層の飽和磁化Ｍｓ、実効的な磁気異方性の大きさを制御することにより、任意に設定することが可能であることを利用する。
そして、磁化状態により情報を保持することができる磁性層（記憶層）と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する記憶素子を構成する。
【００３４】
記憶層の磁化状態を変化させる電流の閾値は、実際には、例えば記憶層の厚さが２ｎｍであり、平面パターンが１２０〜１３０ｎｍ×１００ｎｍの略楕円形の巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）において、＋側の閾値＋Ｉｃ＝＋０．６ｍＡであり、−側の閾値−Ｉｃ＝−０．２ｍＡであり、その際の電流密度は約６×１０６Ａ・ｃｍ２である。これらは、上記の式（１）にほぼ一致する（屋上他著，日本応用磁気学会誌，Vol.28,No.2,p.149,2004年参照）。
【００３５】
一方、電流磁場により磁化反転を行う通常のＭＲＡＭでは、書き込み電流が数ｍＡ以上必要となる。
これに対して、スピン注入により磁化反転を行う場合には、上述のように、書き込み電流の閾値が充分に小さくなるため、集積回路の消費電力を低減させるために有効であることがわかる。
また、通常のＭＲＡＭで必要とされる、電流磁界発生用の配線（図６の１０５）が不要となるため、集積度においても通常のＭＲＡＭに比較して有利である。
【００３６】
ところで、例えば記憶層と磁化固定層から成る記憶素子において、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された積層フェリ構造によって磁化固定層を構成した場合には、磁化固定層の各強磁性層の磁化の向きが上下に互い違いになる。これにより、磁化の向きが反対の上下の強磁性層からの磁束が互いに相殺されるため、記憶層が受ける漏れ磁束の大きさは、磁化固定層を構成する複数層の強磁性層の飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積の差になる。なお、厳密には、各強磁性層から記憶層に加わる磁界の大きさが記憶層からの距離に反比例するので、記憶層からの距離の影響もあるが、概ね飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積の差になると考えてよい。
【００３７】
これに対して、磁化固定層を単層の強磁性層により構成した場合には、強磁性層からの磁束が相殺されないため、磁化固定層からの漏れ磁束が非常に大きくなる。例えば前述のＭＲＡＭにおいて磁化固定層を単層の強磁性層により構成し、外部磁界の印加により記憶層の磁化の向きを反転させて抵抗―磁界曲線を求めると、得られる曲線は外部磁界ゼロの原点に対して非対称になる。
同様のことが、スピン注入を用いた記憶素子においては、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流値の非対称性として、現れることになる。
【００３８】
従って、スピン注入を用いた記憶素子においても、磁化固定層を積層フェリ構造とすることにより、磁化固定層から記憶層に加わる漏れ磁束を非常に小さくすることが可能になる。
【００３９】
また、記憶層に対して、上下にそれぞれ磁化固定層を設けて、さらに上下の磁化固定層の磁化の向きを反対向きとした構成とすることにより、前記特許文献２に示されているように、スピン注入効率を向上して、スピン注入時の電流を低減することができる。
しかし、前記特許文献２に記載された構成では、一方の磁化固定層が単層の強磁性層から構成されているため、この一方の磁化固定層から記憶層に加わる漏れ磁束が、例えば１００Ｏｅ以上の大きい値となり、記憶層の磁化の向きを反転する際に、動作が不安定になり、反転電流値が大きくばらつく結果となる。
従って、上下２つの磁化固定層から記憶層への漏れ磁界のベクトルの和を充分に小さくする必要がある。
【００４０】
さらに、正負両極性の反転電流値が、電流ゼロに対して対称であることが必要である。
正負両極性の反転電流値が、電流ゼロに対して非対称であると、書き込み電流値を絶対値が大きい方の反転電流値に合わせて大きく設定しなければならないため、消費電力低減に逆効果となる。
【００４１】
そこで、本発明では、記憶層の上下の磁化固定層が共に、複数層の強磁性層が反強磁性結合した積層フェリ構造を有し、それぞれの磁化固定層内で各強磁性層からの磁束が相殺される関係にあると共に、上下２つの磁化固定層の、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが、互いに反平行の関係になっている構成とする。
これにより、上下の磁化固定層がいずれも積層フェリ構造であり、それぞれの積層フェリ構造の磁化固定層内で各強磁性層からの磁束が相殺される関係にあるため、いずれの磁化固定層からも記憶層に加わる漏れ磁界が非常に小さくなる。また、上下２つの磁化固定層の、それぞれ記憶層に最も近い強磁性層の磁化の向きが、互いに反平行の関係になっていることにより、スピン注入効率を向上して、スピン注入時の電流を低減することができる。
【００４２】
そして、より好ましくは、２つの磁化固定層が、一方は奇数層の強磁性層から成り、他方は偶数層の強磁性層から成り、それぞれの磁化固定層に対して記憶層の反対側に反強磁性層が設けられている構成とする。例えば、２つの磁化固定層が、一方は２層の強磁性層から成り、他方は３層の強磁性層から成る構成とする。
このようにすれば、反強磁性層を配向するように磁場中熱処理を行うことにより、容易に製造できる利点を有する。
この理由を詳細に説明する。
反強磁性層を配向するように磁場中熱処理を行えば、それぞれの磁化固定層の最も反強磁性層側の強磁性層の磁化の向きが、磁場の向きに合わせて同じ向きになる。
そして、一方の磁化固定層が奇数層の強磁性層から成るので、この一方の磁化固定層の最も記憶層側の強磁性層の磁化の向きは、最も反強磁性層側の強磁性層の磁化の向きと同じになる。
また、他方の磁化固定層が偶数層の強磁性層から成るので、この他方の磁化固定層の最も記憶層側の強磁性層の磁化の向きは、最も反強磁性層側の強磁性層の磁化の向きとは反対になる。
これにより、一方の磁化固定層と他方の磁化固定層において、それぞれの最も記憶層側の強磁性層の磁化の向きが反対となる。即ち、本発明の構成の記憶素子を製造することができる。
【００４３】
上述のように、２層の強磁性層が反強磁性結合した積層フェリ構造の磁化固定層と、３層の強磁性層が反強磁性結合した積層フェリ構造の磁化固定層とを、共に用いて構成した例はこれまでにない。
例えば、磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子として、磁化の向きを変化させることが可能な磁化自由層を中心に、上下を磁化固定層で挟んだ構造が提案されている。
この提案されている構成では、両側の磁化固定層が共に２層の強磁性層による積層フェリ構造であり、磁化固定層を構成する各強磁性層の磁化の向きを磁化自由層から見て対称になるようにしているため、両側の磁化固定層の磁化自由層に最も近い強磁性層の磁化の向きが同じになっている。
この磁気ヘッド用の磁気抵抗効果素子の構成を、スピン注入を用いた記憶素子に採用した場合には、上下それぞれの磁化固定層からの漏れ磁界は、積層フェリ構造によりキャンセルすることが可能であるが、両側の磁化固定層の磁化自由層に最も近い強磁性層の磁化の向きが同じになっているために、スピン注入の効率を向上することはできない。
【００４４】
なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。
【００４５】
また、本発明の記憶素子の構成において、磁化固定層の強磁性層の組み合わせを種々検討し、漏れ磁界を調整する試行錯誤を行った結果、各磁化固定層からの漏れ磁界の大きさが１５Ｏｅ以上の場合には、記憶素子の外周近傍に局所的な磁場分布が形成され、同一の記憶素子を繰り返し測定した場合でも反転電流のばらつきσ（標準偏差）が２０％以上になる。
一方、各磁化固定層からの漏れ磁界の大きさを１５Ｏｅ以下にすると、反転電流のばらつきは抑制される。
従って、各磁化固定層からの漏れ磁界が１５Ｏｅ以下になるように、磁化固定層の膜構成を設定することが望ましい。
【００４６】
また、記憶層の磁化の向きを、小さい電流で容易に反転できるように、記憶素子を小さくすることが望ましい。
従って、好ましくは、記憶素子の面積を０．０４μｍ２以下とする。
【００４７】
なお、磁化固定層からの漏れ磁界の大きさは、記憶層とその一方に磁化固定層を設けた磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子やＭＴＪ素子）を、サイズを異ならせて複数個作製し、各磁気抵抗効果素子について、印加する外部磁場の大きさを変化させて抵抗を測定して、得られる磁場−抵抗曲線における、外部磁界ゼロの原点からのずれ量から見積もることができる。
磁場−抵抗曲線の原点からのずれ量は、漏れ磁界とネール磁界（膜面ラフネスにより微視的磁極が形成されて、発生する面内磁界）との和で示されるので、サイズの異なる複数個の磁気抵抗効果素子を作製してそれぞれの測定を行うことにより、無限大サイズでのずれ量を外挿することができる。この無限大サイズでのずれ量がネール磁界に相当するので、その分を差し引き、磁化固定層から情報記録層への漏れ磁界を求めることができる。
通常、ネール磁界は３Ｏｅ以下程度である。
【００４８】
続いて、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図（斜視図）を図１に示す。
このメモリは、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（例えばワード線）を兼ねている。
ドレイン領域８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
【００４９】
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線（例えばビット線）６との間に、記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子３は、２種類のアドレス配線１，６の交点付近に配置されている。
この記憶素子３は、ビット線６と、ソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１，６を通じて、記憶素子３に上下方向の電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
【００５０】
また、本実施の形態のメモリの記憶素子３の断面図を図２に示す。
図２に示すように、この記憶素子３は、スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に第１の磁化固定層３１を設け、上層に第２の磁化固定層３２を設けている。即ち、記憶層１７に対して、上下２つの磁化固定層３１，３２を設けた構成である。
第１の磁化固定層３１の下に反強磁性層１２が設けられ、この反強磁性層１２により、第１の磁化固定層３１の磁化の向きが固定される。また、第２の磁化固定層３２の上に反強磁性層２４が設けられ、この反強磁性層２４により、第２の磁化固定層３２の磁化の向きが固定される。
記憶層１７と下層の第１の磁化固定層３１との間には、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）となる絶縁層１６が設けられ、記憶層１７と第１の磁化固定層３１とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
記憶層１７と上層の第２の磁化固定層３２との間には、導電性の非磁性スペーサ層１８が設けられ、記憶層１７と第２の磁化固定層３２とにより、ＧＭＲ素子が構成されている。
【００５１】
また、反強磁性層１２の下には下地層１１が形成され、反強磁性層２４の上にはキャップ層２５が形成されている。
【００５２】
本実施の形態においては、特に、記憶素子３の第１の磁化固定層３１及び第２の磁化固定層３２が、いずれも積層フェリ構造となっている。
具体的には、第１の磁化固定層３１は、２層の強磁性層１３，１５が、非磁性層１４を介して積層されて反強磁性結合した構成であり、第２の磁化固定層３２は、３層の強磁性層１９，２１，２３が、非磁性層２０，２２を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
【００５３】
磁化固定層３１，３２を構成する各強磁性層１３，１５，１９，２１，２３からの漏れ磁束の大きさは、それぞれの強磁性層１３，１５，１９，２１，２３の飽和磁化と膜厚との積に比例する。
【００５４】
そして、第１の磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５が積層フェリ構造となっているため、強磁性層１３の磁化Ｍ１３が右向き、強磁性層１５の磁化Ｍ１５が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。
これにより、第１の磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
【００５５】
同様に、第２の磁化固定層３２の各強磁性層１９，２１，２３が積層フェリ構造となっているため、強磁性層１９の磁化Ｍ１９が右向き、強磁性層２１の磁化Ｍ２１が左向き、強磁性層２３の磁化Ｍ２３が右向きとなっており、互いに上下層で反対の向き（互い違いの向き）になっている。
これにより、第２の磁化固定層３２の各強磁性層１９，２１，２３から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
【００５６】
また、第１の磁化固定層３１内及び第２の磁化固定層３２内の、それぞれの各強磁性層からの磁束が相殺される関係にある。
具体的には、第１の磁化固定層３１及び第２の磁化固定層３２のそれぞれにおいて、合成磁化がほぼゼロとなるように、互いに磁化が反対の向きの強磁性層の飽和磁化と膜厚との積の和が等しいこと、即ち以下の関係が成り立つことが望ましい。
Ｍｓ１３・ｔ１３＝Ｍｓ１５・ｔ１５
Ｍｓ１９・ｔ１９＋Ｍｓ２３・ｔ２３＝Ｍｓ２１・ｔ２１
（ただし、Ｍｓ１３，Ｍｓ１５，Ｍｓ１９，Ｍｓ２１，Ｍｓ２３は、それぞれ強磁性層１３，１５，１９，２１，２３の飽和磁化であり、ｔ１３，ｔ１５，ｔ１９，ｔ２１，ｔ２３は、それぞれ強磁性層１３，１５，１９，２１，２３の膜厚である。）
【００５７】
そして、磁化固定層３１，３２を構成する各強磁性層１３，１５，１９，２１，２３の素子断面から磁束が漏れて、記憶層１７に磁界が加わるが、上述のようにそれぞれの磁化固定層３１，３２で各強磁性層から漏れる磁束が、磁化の向きが反対の強磁性層で打ち消し合い互いに相殺されるため、記憶層１７に加わる磁界の大きさを、ゼロもしくは非常に小さくすることができる。
【００５８】
さらに、本実施の形態においては、さらに、第１の磁化固定層３１のうち記憶層１７に最も近い強磁性層１５の磁化Ｍ１５が左向きであり、第２の磁化固定層３２のうち記憶層１７に最も近い強磁性層１９の磁化Ｍ１９が右向きであり、これらが互いに反対の向きになっている。
このように記憶層１７を挟む磁化固定層３１，３２において、それぞれ記憶層１７に最も近い強磁性層１５，１９の磁化Ｍ１５，Ｍ１９が互いに反対の向きになっていることにより、スピン注入効率を増大させることができるため、スピン注入により記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要な電流量を低減することができる。
【００５９】
記憶層１７の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにＮｂ、Ｚｒ等の遷移金属元素やＢ等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接（非磁性層を介さずに）積層して、記憶層１７を構成してもよい。
【００６０】
磁化固定層３１，３２の強磁性層１３，１５，１９，２１，２３の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにＮｂ、Ｚｒ等の遷移金属元素やＢ等の軽元素を含有させることもできる。
磁化固定層３１，３２の積層フェリを構成する非磁性層１４，２０，２２の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。非磁性層１４，２０，２２の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ０．５ｎｍから２．５ｎｍの範囲で使用する。
反強磁性層１２，２４の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等の金属元素とマンガンとの合金、コバルトやニッケルの酸化物等が使用できる。
【００６１】
磁化固定層３１，３２の強磁性層１３，１５，１９，２１，２３の飽和磁化Ｍｓの値は、一般に、４００ｅｍｕ／ｃｃ以上２０００ｅｍｕ／ｃｃ以下の範囲が適当である。
【００６２】
第２の磁化固定層３２の真ん中の強磁性層２１の膜厚ｔ２１は、２ｎｍ以上６ｎｍ以下が適当であり、その他の強磁性層１３，１５，１９，２３の膜厚ｔ１３，ｔ１５，ｔ１９，ｔ２３は、１ｎｍ以上４ｎｍ以下が適当である。
【００６３】
また、第１の磁化固定層３１及び第２の磁化固定層３２から記憶層１７への漏れ磁界が各々１５Ｏｅ以下になるように、磁化固定層３１，３２の各層の材料・膜厚を選定することが望ましい。
【００６４】
本実施の形態の記憶素子３は、下地層１１からキャップ層２５までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工により記憶素子３のパターンを形成することにより、製造することができる。
【００６５】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７に対して、下層に第１の磁化固定層３１が設けられ、上層に第２の磁化固定層３２が設けられ、第１の磁化固定層３１が２層の強磁性層１３，１５から成る積層フェリ構造となっており、第２の磁化固定層３２が３層の強磁性層１９，２１，２３から成る積層フェリ構造となっているため、磁化固定層３１，３２を構成する強磁性層の磁化の向きが、上下の強磁性層で互い違いになっている。これにより、磁化固定層３１，３２を構成する各強磁性層から漏れる磁束が互いに打ち消し合う。
さらに、第１の磁化固定層３１内及び第２の磁化固定層３２内の、それぞれの各強磁性層からの磁束が相殺される関係にあることにより、各磁化固定層３１，３２から記憶層１７に加わる磁束の大きさを小さくすることができ、ゼロもしくは非常に小さくすることも可能である。
【００６６】
従って、記憶層１７に及ぶ磁界の影響を低減させることができるため、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させる際に必要な電流量（閾値電流）を、電流の両極性で対称にする（絶対値を等しくする）ことが可能になり、また電流量のばらつきも低減することが可能になる。
【００６７】
これにより、記憶素子３に対して電流を流して情報を記録する、動作領域を拡大することが可能になり、動作のマージンを広く確保し、記憶素子３を安定して動作させることができる。
従って、安定して動作する信頼性の高いメモリを実現することができる。
【００６８】
また、本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７を挟む磁化固定層３１，３２において、それぞれ記憶層１７に最も近い強磁性層１５，１９の磁化Ｍ１５，Ｍ１９が互いに反対の向きになっていることにより、スピン注入効率を増大させることができる。これにより、スピン注入によって記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要な電流量を、低減することができる。
従って、記憶素子３を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
【００６９】
次に、本発明の他の実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の断面図を図３に示す。
この記憶素子３０は、第１の磁化固定層３１及び第２の磁化固定層３２が、いずれも積層フェリ構造となっているが、各磁化固定層３１，３２の構成が図２に示した記憶素子３とは異なっている。
具体的には、第１の磁化固定層３１は、３層の強磁性層３３，３５，３７が、非磁性層３４，３６を介して積層されて反強磁性結合した構成であり、第２の磁化固定層３２は、２層の強磁性層３８，４０が、非磁性層３９を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
【００７０】
そして、第１の磁化固定層３１の各強磁性層３３，３５，３７が積層フェリ構造となっているため、強磁性層３３の磁化Ｍ３３が右向き、強磁性層３５の磁化Ｍ３５が左向き、強磁性層３７の磁化Ｍ３７が右向きとなっており、互いに上下層で反対の向きになっている。
これにより、第１の磁化固定層３１の各強磁性層３３，３５，３７から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
【００７１】
同様に、第２の磁化固定層３２の各強磁性層３８，４０が積層フェリ構造となっているため、強磁性層３８の磁化Ｍ３８が左向き、強磁性層４０の磁化Ｍ４０が右向きとなっており、互いに反対向きになっている。
これにより、第２の磁化固定層３２の各強磁性層３８，４０から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
【００７２】
また、第１の磁化固定層３１内及び第２の磁化固定層３２内の、それぞれの各強磁性層からの磁束が相殺される関係にある。
具体的には、第１の磁化固定層３１及び第２の磁化固定層３２のそれぞれにおいて、合成磁化がほぼゼロとなるように、互いに磁化が反対の向きの強磁性層の飽和磁化と膜厚との積の和が等しいこと、即ち以下の関係が成り立つことが望ましい。
Ｍｓ３３・ｔ３３＋Ｍｓ３７・ｔ３７＝Ｍｓ３５・ｔ３５
Ｍｓ３８・ｔ３８＝Ｍｓ４０・ｔ４０
（ただし、Ｍｓ３３，Ｍｓ３５，Ｍｓ３７，Ｍｓ３８，Ｍｓ４０は、それぞれ強磁性層３３，３５，３７，３８，４０の飽和磁化であり、ｔ３３，ｔ３５，ｔ３７，ｔ３８，ｔ４０は、それぞれ強磁性層３３，３５，３７，３８，４０の膜厚である。）
【００７３】
そして、磁化固定層３１，３２を構成する各強磁性層３３，３５，３７，３８，４０の素子断面から磁束が漏れて、記憶層１７に磁界が加わるが、上述のようにそれぞれの磁化固定層３１，３２で各強磁性層から漏れる磁束が、磁化の向きが反対の強磁性層で打ち消し合い互いに相殺されるため、記憶層１７に加わる磁界の大きさを、ゼロもしくは非常に小さくすることができる。
【００７４】
さらに、本実施の形態においては、さらに、第１の磁化固定層３１のうち記憶層１７に最も近い強磁性層３７の磁化Ｍ３７が右向きであり、第２の磁化固定層３２のうち記憶層１７に最も近い強磁性層３８の磁化Ｍ３８が左向きであり、これらが互いに反対の向きになっている。
このように記憶層１７を挟む磁化固定層３１，３２において、それぞれ記憶層１７に最も近い強磁性層３７，３８の磁化Ｍ３７，Ｍ３８が互いに反対の向きになっていることにより、スピン注入効率を増大させることができるため、スピン注入により記憶層１７の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を低減することができる。
【００７５】
その他の構成は、図２に示した記憶素子３と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００７６】
また、本実施の形態の記憶素子３０を用いて、図１に示したメモリと同様の構成のメモリを構成することができる。
即ち、記憶素子３０を２種類のアドレス配線の交点付近に配置してメモリを構成し、２種類のアドレス配線を通じて記憶素子３０に上下方向（積層方向）の電流を流して、スピン注入により記憶層１７の磁化の向きを反転させて、記憶素子３０に情報の記録を行うことができる。
【００７７】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３０の記憶層１７に対して、下層に第１の磁化固定層３１が設けられ、上層に第２の磁化固定層３２が設けられ、第１の磁化固定層３１が３層の強磁性層３３，３５，３７から成る積層フェリ構造となっており、第２の磁化固定層３２が２層の強磁性層３８，４０から成る積層フェリ構造となっているため、磁化固定層３１，３２を構成する強磁性層の磁化の向きが、上下の強磁性層で互い違いになっている。これにより、磁化固定層３１，３２を構成する各強磁性層から漏れる磁束が互いに打ち消し合う。
さらに、第１の磁化固定層３１内及び第２の磁化固定層３２内の、それぞれの各強磁性層からの磁束が相殺される関係にあることにより、各磁化固定層３１，３２から記憶層１７に加わる磁束の大きさを小さくすることができ、ゼロもしくは非常に小さくすることも可能である。
【００７８】
従って、記憶層１７に及ぶ磁界の影響を低減させることができるため、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させる際に必要な電流量（閾値電流）を、電流の両極性で対称にする（絶対値を等しくする）ことが可能になり、また電流量のばらつきも低減することが可能になる。
【００７９】
これにより、記憶素子３０に対して電流を流して情報を記録する、動作領域を拡大することが可能になり、動作のマージンを広く確保し、記憶素子３０を安定して動作させることができる。
従って、安定して動作する信頼性の高いメモリを実現することができる。
【００８０】
また、本実施の形態によれば、記憶素子３０の記憶層１７を挟む磁化固定層３１，３２において、それぞれ記憶層１７に最も近い強磁性層３７，３８の磁化Ｍ３７，Ｍ３８が互いに反対の向きになっていることにより、スピン注入効率を増大させることができる。これにより、スピン注入によって記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるために必要な電流量を、低減することができる。
従って、記憶素子３０を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
【００８１】
（実施例）
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、特性を調べた。
実際には、メモリには、図１や図４に示したように、記憶素子以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、ここでは、記憶層の磁気抵抗特性を調べる目的で、記憶素子のみを形成したウエハにより検討を行った。
【００８２】
（実施例１）
厚さ０．５７５ｍｍのシリコン基板上に、厚さ２μｍの熱酸化膜を形成し、その上に図２に示した構成の記憶素子３を形成した。
具体的には、図２に示した構成の記憶素子３において、各層の材料及び膜厚を、下地膜１１を膜厚３ｎｍのＴａ膜、反強磁性層１２，２４を膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜、第１の磁化固定層３１を構成する強磁性層１３，１５を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜、積層フェリ構造の磁化固定層３１，３２を構成する非磁性層１４，２０，２２を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、トンネル絶縁層となる絶縁層１６を膜厚０．５ｎｍのＡｌ膜を酸化した酸化アルミニウム膜、記憶層１７を膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ膜・膜厚３ｎｍのＮｉＦｅ膜・膜厚１ｎｍのＣｏＦｅ膜の積層膜、非磁性スペーサ層１８を膜厚６ｎｍのＣｕ膜、第２の磁化固定層３２を構成する強磁性層１９，２３を膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅ膜、第２の磁化固定層３２を構成する強磁性層２１を膜厚５ｎｍのＣｏＦｅ膜、キャップ層２５を膜厚５ｎｍのＴａ膜と選定し、また下地膜１１と反強磁性層１２との間に図示しない膜厚１００ｎｍのＣｕ膜（後述するワード線となるもの）を設けて、各層を形成した。
上記膜構成で、ＰｔＭｎ膜の組成はＰｔ５０Ｍｎ５０（原子％）、ＣｏＦｅ膜の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０(原子％)、ＮｉＦｅ膜の組成はＮｉ８０Ｆｅ２０（原子％）とした。
酸化アルミニウム膜から成る絶縁層１６以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏｘ）膜から成る絶縁層１６は、まず金属Ａｌ膜をＤＣスパッタ法により０．５ｎｍ堆積させて、その後に酸素／アルゴンの流量比を１：１とし、チャンバーガス圧を１０Ｔｏｒｒとして、自然酸化法により金属Ａｌ層を酸化させた。酸化時間は１０分とした。
さらに、記憶素子３の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、１０ｋＯｅ・２７０℃・４時間の熱処理を行い、反強磁性層１２，２４のＰｔＭｎ膜の規則化熱処理を行った。
【００８３】
次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してＡｒプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線（下部電極）を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ５ｎｍまでエッチングされた。
【００８４】
その後、電子ビーム描画装置により記憶素子３のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子３を形成した。記憶素子３部分以外は、ワード線のＣｕ層直上までエッチングした。
なお、特性評価用の記憶素子には、磁化反転に必要なスピントルクを発生させるために、記憶素子に充分な電流を流す必要があるため、トンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要がある。そこで、記憶素子３のパターンを、短軸０．０９μｍ×長軸０．１８μｍの楕円形状として、記憶素子３の面積抵抗値（Ωμｍ2）が１０Ωμｍ2となるようにした。
【００８５】
次に、記憶素子３部分以外を、厚さ１００ｎｍ程度のＡｌ２Ｏ３のスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極となるビット線及び測定用のパッドを形成した。
このようにして、実施例１の試料を作製した。
【００８６】
（実施例２）
図３に示した記憶素子３０の構成とし、第１の磁化固定層３１を構成する強磁性層３３，３７を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜、第１の磁化固定層３１を構成する強磁性層３５を膜厚４ｎｍのＣｏＦｅ膜、第２の磁化固定層３１を構成する強磁性層３８，４０を膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅ膜、磁化固定層３１，３２を構成する非磁性層３４，３６，３９を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜と選定し、その他の構成は実施例１と同様にして、実施例２の試料を作製した。
【００８７】
（比較例１）
図２の記憶素子３の構成の第２の磁化固定層３２の代わりに、単層の強磁性層を設け、この強磁性層を膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅ膜と選定し、その他の構成は実施例１と同様にして、比較例１の試料を作製した。
即ち、この比較例１の試料は、記憶層の下層の磁化固定層が２層の強磁性層から成る積層フェリ構造であり、記憶層の上層の磁化固定層が単層の強磁性層から成る構成である。
【００８８】
（比較例２）
図２の記憶素子３の構成において、第１の磁化固定層３１を構成する強磁性層１３を膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅ膜、強磁性層１５を膜厚３．５ｎｍのＣｏＦｅ膜と選定し、その他の構成は実施例１と同様にして、比較例２の試料を作製した。
即ち、この比較例２の試料は、記憶層１７の下層の第１の磁化固定層３１の２層の強磁性層１３，１５の膜厚ｔ１３，ｔ１５が異なり、第１の磁化固定層３１の合成磁化がゼロにならない（Ｍｓ１３・ｔ１３＜Ｍｓ１５・ｔ１５）構成である。
【００８９】
（比較例３）
図２の記憶素子３の構成において、第２の磁化固定層３２を構成する強磁性層２３を膜厚５ｎｍのＣｏＦｅ膜と選定し、その他の構成は実施例１と同様にして、比較例３の試料を作製した。
即ち、この比較例３の試料は、記憶層１７の上層の第２の磁化固定層３２の強磁性層１９，２３の膜厚ｔ１９，ｔ２３が異なり、第２の磁化固定層３２の合成磁化がゼロにならない（Ｍｓ１９・ｔ１９＋Ｍｓ２３・ｔ２３＞Ｍｓ２１・ｔ２１）構成である。
【００９０】
これら各実施例及び各比較例の試料に対して、それぞれ以下のようにして特性の評価を行った。
測定に先立ち、反転電流のプラス方向とマイナス方向の値を対称になるように制御することを可能にするため、記憶素子に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。また、記憶素子に流す電流量が、絶縁層１６が破壊しない範囲内の１ｍＡまでとなるように設定した。
【００９１】
（反転電流値の測定）
記憶素子に電流を流して、その後の記憶素子の抵抗値を測定した。記憶素子の抵抗値を測定する際には、温度を室温２５℃として、ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が１０ｍＶとなるように調節した。さらに、記憶素子に流す電流量を変化させて、この記憶素子の抵抗値の測定を行い、測定結果から抵抗−電流曲線を得た。この抵抗−電流曲線から、抵抗値が変化する電流値を求めて、これを磁化の向きを反転させる反転電流値とした。なお、この抵抗−電流曲線を得る測定は、両極性（プラス方向及びマイナス方向）の電流について行い、両極性の反転電流値を求めた。
さらに、同一の試料に対して、抵抗−電流曲線を得る測定を５０回繰り返し、反転電流値の平均値及び繰り返しばらつきσを求めた。
【００９２】
（非対称性の測定）
反転電流値のプラス方向とマイナス方向の非対称性を外部磁界を与えることによって補正し、プラス側とマイナス側の各反転電流値を求めた。
そして、外部磁界の大きさを変化させて、それぞれ反転電流値の測定を行い、プラス側とマイナス側の各反転電流の絶対値がほぼ一致したときの外部磁界の大きさ（Ｏｅ）を、非対称性の指標として求めた。
【００９３】
得られた結果をまとめて表１に示す。
【００９４】
【表１】
2006049436.tif 000004
【００９５】
表１より、実施例１及び実施例２は、反転電流値のプラス側の値とマイナス側の値が対称であり、反転電流のばらつきσが１０％以下であり、非対称性が５Ｏｅや７Ｏｅと小さくなることがわかる。
一方、比較例１〜比較例３は、反転電流値のプラス側の値とマイナス側の値が非対称であり、反転電流のばらつきσが１０％以上であり、非対称性が６０Ｏｅ〜１４０Ｏｅと大きくなっていることがわかる。即ち、比較例１のように一方の磁化固定層が単層の強磁性層である構成や、比較例２及び比較例３のように一方の磁化固定層の合成磁化がゼロにならない構成とすると、反転電流のばらつきや非対称性が大きくなることがわかる。
【００９６】
従って、実施例１及び実施例２のように、本発明の構成とすることにより、優れた磁化反転特性が得られることがわかる。
そして、実施例１及び実施例２の構成により、０．５ｍＡ以下の比較的小さい電流値で情報の書き込みを行うことが可能な記憶素子を作製することができ、これまでにない低消費電力型の磁気メモリを実現することが可能になる。
【００９７】
本発明では、上述の各実施の形態で示した記憶素子３，３０の膜構成に限らず、様々な膜構成を採用することが可能である。
【００９８】
上述の各実施の形態では、記憶素子の各磁化固定層を２層フェリ構造と３層フェリ構造の組み合わせとしているが、各磁化固定層から漏れ磁界が発生しないなら、３層フェリと４層フェリの組み合わせ、或いは４層フェリと５層フェリの組み合わせとしても問題はない。
このように、一方の磁化固定層を偶数層の強磁性層から成るフェリ構造、他方の磁化固定層を奇数層の強磁性層から成るフェリ構造とすれば、例えば上下の磁化固定層に設けられた反強磁性層を磁場中熱処理により配向させることにより、容易に製造することができる。
【００９９】
一方、記憶層の上下の磁化固定層を、共に偶数層の強磁性層から成るフェリ構造又は共に奇数層の強磁性層から成るフェリ構造とすることも、記憶素子の構成としては可能である。
ただし、このような構成は、上述した、磁場中熱処理により上下の反強磁性層を配向させる方法では製造が困難であるため、製造方法に工夫を要する。
【０１００】
反強磁性層は、その反強磁性層により磁化の向きが固定される磁化固定層から見て、記憶層とは反対側に設ける。反強磁性層が記憶層側に設けられていると、記憶層の磁化の向きを反転させることが難しくなる。
なお、磁化固定層の各強磁性層の磁化の向きがある程度固定されていれば、反強磁性層を設けなくても問題はない。
また、一方の磁化固定層に対してだけ反強磁性層が設けられていてもよい。
【０１０１】
また、磁化固定層の積層フェリ構造の各強磁性層は、単層に限らず、実施例１及び実施例２の記憶層１７のように、材料の異なる複数の強磁性膜が直接（非磁性層を介さずに）積層した積層膜であってもよい。
【０１０２】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の一実施の形態のメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図２】図１の記憶素子の断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の記憶素子の断面図である。
【図４】スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図５】図４のメモリの断面図である。
【図６】従来のＭＲＡＭの構成を模式的に示した斜視図である。
【符号の説明】
【０１０４】
３，３０  記憶素子、１１  下地層、１２，２４  反強磁性層、１３，１５，１９，２１，２３，３３，３５，３７，３８，４０  強磁性層、１４，２０，２２，３４，３６，３９  非磁性層、１６  絶縁層、１７  記憶層、１８  非磁性スペーサ層、２５  キャップ層、３１  第１の磁化固定層、３２  第２の磁化固定層
【図１】
2006049436.tif 000005
【図２】
2006049436.tif 000006
【図３】
2006049436.tif 000007
【図４】
2006049436.tif 000008
【図５】
2006049436.tif 000009
【図６】
2006049436.tif 000010