(57)【要約】ＭＲＡＭのメモリセルのオフセット磁場をより効果的に減少させる技術を提供する。本発明によるＭＲＡＭは，反転可能な自由自発磁化を有するフリー層（１１）と，固定自発磁化を有する固定層（６）と，非磁性体で形成され，前記フリー層（１１）と前記固定層（６）との間に介設されたスペーサ層（１０）とを備えている。固定層（６）は，実質的に，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とをフリー層（１１）に及ぼさないように形成されている。
2004006335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，
固定自発磁化を有する固定層と，
非磁性体で形成され，前記フリー層と前記固定層との間に介設されたスペーサ層
とを備え，
前記固定層は，実質的に，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とを前記フリー層に及ぼさない
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
前記固定層は，
前記固定自発磁化の方向である第１方向とは反対の第２方向に向けて磁化方向が固定された他の固定自発磁化を有する第１ピン層と，
前記第１ピン層と前記フリー層との間に設けられ，且つ，前記固定自発磁化を有する第２ピン層
とを含み，
前記第１ピン層と前記第２ピン層とは，前記固定層が，実質的に，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とを前記フリー層に及ぼさないように形成されている
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
前記第１ピン層がオレンジピール効果によって前記フリー層に加える第１磁場と，前記第２ピン層がオレンジピール効果によって前記フリー層に加える第２磁場との和が実質的に０である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項４】
請求の範囲第２項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
前記固定層は，更に，前記第１ピン層と前記第２ピン層との間に介設された非磁性のスペーサ層を含み，
前記スペーサ層は，前記固定自発磁化と前記他の固定自発磁化とが反強磁性的に結合するような膜厚を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項５】
請求の範囲第２項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
前記固定層は，前記第１方向に延伸するように配設され，
前記固定層の端と前記フリー層との距離は，前記端における磁極により生成される磁場が，前記フリー層に実質的に鎖交しない程度に大きい
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項６】
反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，
積層フェリ固定層と，
非磁性体で形成され，前記フリー層と前記積層フェリ固定層との間に介設されたスペーサ層
とを備え，
前記積層フェリ固定層は，
第１方向に向けて固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，
前記第１方向とは反対の第２方向に向けて固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層
とを含み，
前記第１ピン層は，
前記第１方向に延伸するように配設された第１部分と，
前記第１部分の上に，当該磁気ランダムアクセスメモリが形成される基板の表面に垂直な方向において，前記第２ピン層と位置整合するように形成された第２部分
とを備え，
前記第１ピン層と前記第２ピン層とは，前記積層フェリ固定層が，実質的に，オレンジピール効果を前記フリー層に及ぼさないように形成され，
前記第１固定自発磁化の大きさをＭ１とし，前記第２固定自発磁化の大きさをＭ２とし，前記第２ピン層の厚さをｔ２としたとき，前記第２部分が実質的に（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２の厚さを有することにより，前記積層フェリ固定層は，静磁カップリング効果を前記フリー層に及ぼさないように形成された
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項７】
反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，
積層フェリ固定層と，
前記フリー層と前記積層フェリ固定層との間に介設される非磁性のスペーサ層
とを備え，
前記積層フェリ固定層は，
第１方向に固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，
前記フリー層と前記第１ピン層との間に設けられ，前記第１方向と反対の第２方向に固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層
とを含み，
前記第１ピン層がオレンジピール効果によって前記フリー層に与える第１磁場と，前記第２ピン層がオレンジピール効果によって前記フリー層に与える第２磁場との和が実質的に０である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項８】
請求の範囲第７項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
前記積層フェリ固定層は，更に，前記第１ピン層と前記第２ピン層との間に設けられた，非磁性の他のスペーサ層を含み，
前記他のスペーサ層は，前記第１固定自発磁化と前記第２固定自発磁化とが反強磁性的に結合するような膜厚を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，
第１方向に固定された固定自発磁化を有する固定層と，
非磁性体で形成され，前記フリー層と前記固定層との間に介設されたスペーサ層
とを備え，
前記固定層は，前記第１方向に延伸するように配設され，
前記固定層の端と前記フリー層との距離は，前記端における磁極によりが生成される磁場が，前記フリー層に実質的に鎖交しない程度に大きい
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，
積層フェリ固定層と，
前記フリー層と前記積層フェリ固定層との間に介設される非磁性のスペーサ層
とを備え，
前記積層フェリ固定層は，
第１方向に固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，
前記フリー層と前記第１ピン層との間に設けられ，前記第１方向と反対の第２方向に固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層
とを含み，
前記第１ピン層は，
前記第１方向及び前記第２方向に延伸するように配設された第１部分と，
前記第１部分の上に，当該磁気ランダムアクセスメモリが形成される基板の表面に垂直な方向において前記第２ピン層と位置整合するように形成された第２部分
とを含み，
前記第１固定自発磁化の大きさをＭ１とし，前記第２固定自発磁化の大きさをＭ２とし，前記第２ピン層の厚さをｔ２としたとき，
前記第２部分は，実質的に（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２の厚さを有する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１１】
反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，
積層フェリ固定層と，
前記フリー層と前記積層フェリ固定層との間に介設される非磁性のスペーサ層
とを備え，
前記積層フェリ固定層は，
第１方向に固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，
前記スペーサ層と前記第１ピン層との間に設けられ，前記第１方向と反対の第２方向に固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層
とを含み，
前記第１固定自発磁化の大きさと，前記第２固定自発磁化の大きさと，前記第１ピン層の膜厚と，前記第２ピン層の膜厚とは，前記積層フェリ固定層がオレンジピール効果によって前記フリー層に与える磁場の大きさと，前記積層フェリ固定層が静磁カップリング効果によって前記フリー層に与える磁場との大きさが，いずれも，１０（Ｏｅ）以下であるように定められた
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，
積層フェリ固定層と，
前記フリー層と前記積層フェリ固定層との間に介設される非磁性のスペーサ層
とを備え，
前記積層フェリ固定層は，
第１方向に固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，
前記スペーサ層と前記第１ピン層との間に設けられ，前記第１方向と反対の第２方向に固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層
とを含み，
前記第１固定自発磁化の大きさＭ１と，前記第２固定自発磁化の大きさＭ２と，前記第１ピン層の膜厚ｔ１と，前記第２ピン層の膜厚ｔ２とは，下記式：
2004006335.tif 000007
が成立するように定められた
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１３】
請求の範囲第１２項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
前記Ｍ１と前記Ｍ２とは，実質的に等しい
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１４】
請求の範囲第１２項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
前記第１ピン層と前記第２ピン層とは，同一の材料で形成されている
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１５】
請求の範囲第１２項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
下記式：
Ｍ１＞Ｍ２，
が成立する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１６】
請求の範囲第１項から第１５項までのいずれか一に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて，
前記スペーサ層は，非磁性体，且つ，絶縁体である材料で形成され，
前記スペーサ層の厚さは，厚さ方向にトンネル電流が流れる程度に薄い
磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は，磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に関する。本発明は，特に，ＭＲＡＭのメモリセルに発生し得るオフセット磁場を解消するための技術に関する
【背景技術】  磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：以下，「ＭＲＡＭ」という。）は，高速書き込みが可能であり，且つ，大きな書き換え回数を有する不揮発性メモリとして注目を集めている。
典型的なＭＲＡＭのメモリセルは，図１に示されているように，固定された自発磁化を有するピン層１０１と，反転可能な自発磁化を有するフリー層１０２と，ピン層１０１とフリー層１０２との間に介設された非磁性のスペーサ層１０３とにより構成される磁気抵抗素子１０４を含む。フリー層１０２は，その自発磁化の向きが，ピン層１０１の自発磁化の向きと平行，又は反平行に向くことが許されるように，反転可能に形成される。
メモリセルは，１ビットのデータを，フリー層１０２の自発磁化の方向として記憶する。メモリセルは，フリー層１０２の自発磁化とピン層１０１の自発磁化とが平行である”平行”状態と，フリー層１０２の自発磁化とピン層１０１の自発磁化とが反平行である”反平行”状態の２つの状態を取り得る。メモリセルは，”平行”状態と，”反平行”状態とのうちの一方を”０”に，他方を”１”に対応付けることにより，１ビットのデータを記憶する。
メモリセルからのデータの読み出しは，磁気抵抗効果によるメモリセルの抵抗の変化を検知することによって行われる。ピン層１０１及びフリー層１０２の自発磁化の方向は，メモリセルの抵抗に影響を及ぼす。ピン層１０１とフリー層１０２との自発磁化の向きが平行である場合には，メモリセルの抵抗は，第１値Ｒとなり，反平行である場合には，メモリセルの抵抗は，第２値Ｒ＋ΔＲになる。ピン層１０１及びフリー層１０２の自発磁化の方向，即ち，メモリセルに記憶されているデータは，メモリセルの抵抗を検知することにより判別することができる。
メモリセルへのデータの書き込みは，メモリセルアレイに配設される信号線（典型的には，ワード線及びビット線）に電流を流し，該電流により生じる磁場によってフリー層１０２の自発磁化の方向を反転させることによって行われる。
フリー層１０２を構成する強磁性体は，本質的には（即ち，該強磁性体のバルクの性質としては），印加磁場に対して対称な磁場−磁化特性（Ｈ−Ｍ特性）を有するから，メモリセルの抵抗値は，理想的には，図２Ａに示されているように，データの書き込みのために該メモリセルに印加される書き込み磁場に対して，対称的な特性を示す。
しかし，現実のメモリセルの抵抗値は，図２Ｂに示されているように，書き込み磁場に対して非対称な特性を示す，即ち，メモリがオフセット磁場ＨＯｆｆを有することがある。オフセット磁場ＨＯｆｆの存在は，データを書き込むために必要な磁場が，”１”と”０”とで異なることを意味している。オフセット磁場ＨＯｆｆは，メモリ動作余裕を小さくし，更に，データ書き込みに必要な電流を増加させるため好ましくない。
このオフセット磁場の発生の原因として，オレンジピール効果（Ｏｒａｎｇｅ  Ｐｅｅｌ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ，又はＮｅｅｌ’ｓ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が知られている。Ｋｏｏｌｓ等は，オレンジピール効果によるオフセット磁場の発生を，論文「Ｊ．Ｃ．Ｓ．Ｋｏｏｌｓ  ｅｔ  ａｌ．”Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｆｉｎｉｔｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｌｍ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ  ｏｎ  Ｎ▲ｅ▼ｅｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｉｎ  ｓｐｉｎ  ｖａｌｖｅｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８５，４４６６（１９９９）」に開示している。
図３に示されているように，オレンジピール効果は，ピン層１０１とフリー層１０２との表面の非平坦性に起因している。ＭＲＡＭのメモリセルの製造工程において，ピン層１０１とフリー層１０２との表面は，実際上，完全に平坦化することは困難であり，ピン層１０１とフリー層１０２との表面は，現実には波打っている。ピン層１０１とフリー層１０２との波打ちは，ピン層１０１とフリー層１０２との自発磁化の間に層間結合磁場（Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）を生じさせる。この層間結合磁場は，メモリセルがオフセット磁場を有する原因となる。
オフセット磁場の発生の他の原因として，静磁カップリング効果（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｓｔａｔｉｃ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が知られている。静磁カップリング効果は，フリンジ効果と呼ばれることがある。図４に示されているように，静磁カップリング効果は，ピン層１０１の端に磁極が生成されることに起因している。該磁極が発生する磁場ＨＭＳは，フリー層１０２に印加され，従って，フリー層１０２の自発磁化が反転される反転磁場に非対称性が生じる。この反転磁場の非対称性は，メモリセルがオフセット磁場を有する原因となる。
米国特許Ｎｏ．６，２３３，１７２は，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とが，互いに逆の方向の磁場を発生させることを利用して，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とを相殺させることによってメモリセルのオフセット磁場をなくす技術を開示している。
図５は，上記の米国特許に開示されているＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す。当該構造は，基板１１２と，下部電極積層膜１１４と，スペーサ層１１６と，上部電極積層膜１１８とを備えている。下部電極積層膜１１４は，ボトム層１２０と，反強磁性体層１２２と，ピン強磁性体層１２４と，ルテニウム層１２６と，固定強磁性体層１２８とにより構成されている。上部電極積層膜１１８は，フリー強磁性層１３０と保護層１３２とにより構成されている。ピン強磁性体層１２４と固定強磁性体層１２８とは，固定された自発磁化を有し，フリー強磁性層１３０は，反転可能な自発磁化を有している。
当該米国特許は，オレンジピール効果と静磁カップリング効果との相殺は，下記式：
Ｍ１Ｔ１＜Ｍ２Ｔ２，
を満足させることによって達成可能であることを開示している。ここで，Ｔ１は，ピン強磁性体層１２４の膜厚であり，Ｍ１は，ピン強磁性体層１２４の磁化である。更に，Ｔ２は，固定強磁性体層１２８の膜厚であり，Ｍ２は，固定強磁性体層１２８の磁化である。当該式は，
Ｔ１＜Ｔ２，且つ，Ｍ１＝Ｍ２，
Ｔ１＝Ｔ２，且つ，Ｍ１＜Ｍ２，又は，
Ｔ１＜Ｔ２，且つ，Ｍ１＜Ｍ２
とすることによって成立され得る。
しかし，図６Ａ及び図６Ｂに示されているように，静磁カップリング効果は，フリー層１０２の内部において，均一な効果ではない。図６Ｂは，図６Ａに示されている形状を有する矩形のメモリセルについて，静磁カップリング効果によってフリー層１０２に印加される磁場の大きさを計算した結果を示している。フリー層１０２が受ける磁場は，ピン層１０１の端に近い位置で大きく，ピン層１０１の端から離れた位置で小さい。このように，フリー層１０２が受ける磁場は，均一でなく，メモリセルの内部の全体について，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とを相殺することは困難である。
更に，近年のＭＲＡＭの微細化の進展は，ＭＲＡＭに含まれる多数のメモリセルのそれぞれについてオレンジピール効果と静磁カップリング効果とを相殺することを困難にしている。ＭＲＡＭの微細化に伴ってフリー層は薄くなり，従って，オレンジピール効果は増大する。更に，ピン層の大きさは小さくなり，静磁カップリング効果は増大する。オレンジピール効果と静磁カップリング効果との増大は，それぞれ，オレンジピール効果と静磁カップリング効果との大きさの製造バラツキを増大させ，従って，これらの効果のメモリセル毎のバラツキを増大させる。このバラツキの増大は，メモリセルのそれぞれについてオレンジピール効果と静磁カップリング効果とを相殺することを困難にし，ＭＲＡＭのメモリセルアレイに含まれるメモリセルの全てについて，オフセット磁場を解消させることを妨げる。
公開特許公報（特開２０００−３３２３１８及び特開平１０−１８８２３５）は，フリー層に印加される外部磁場を制御することにより，感度が高く，且つ信頼性が高い磁気ヘッドを提供するための磁気抵抗素子の構造を開示している。しかし，これらの文献は，磁気抵抗素子のフリー層のオフセット磁場をなくすことについて何ら言及していない。磁気ヘッドは，フリー層が適正なバイアスポイントにあることを要求するが，フリー層のオフセット磁場をなくす必要はない。
このような背景から，メモリセルのオフセット磁場をより効果的に減少させる技術の提供が望まれている。特に，メモリセルの内部の全体について，オフセット磁場を均一に減少する技術や，製造バラツキに影響されずに，メモリセルのそれぞれについてオフセット磁場を解消することを可能にする技術の提供が望まれている。
【発明の開示】
本発明の目的は，ＭＲＡＭのメモリセルのオフセット磁場をより効果的に減少させる技術を提供することにある。
本発明の他の目的は，ＭＲＡＭのメモリセルの内部の全体について，オフセット磁場を均一に減少する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は，ＭＲＡＭの製造バラツキが，該ＭＲＡＭのメモリセルのオフセット磁場の解消に与える悪影響を抑制する技術を提供することにある。
本発明の一の観点において，ＭＲＡＭは，反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，固定自発磁化を有する固定層と，非磁性体で形成され，前記フリー層と前記固定層との間に介設されたスペーサ層とを備えている。固定層は，実質的に，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とをフリー層に及ぼさないように形成されている。当該ＭＲＡＭは，そもそもオレンジピール効果と静磁カップリング効果とをフリー層に及ぼさないため，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とのバラツキや，メモリセル内の静磁カップリング効果の不均一性の問題が発生しない。
固定層は，前記固定自発磁化の方向である第１方向とは反対の第２方向に向けて磁化方向が固定された他の固定自発磁化を有する第１ピン層と，第１ピン層と前記フリー層との間に設けられ，且つ，前記固定自発磁化を有する第２ピン層とを含む場合がある。この場合，第１ピン層と第２ピン層の構造の最適化により，前記固定層が，実質的に，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とを前記フリー層に及ぼさないように形成されていることが好適である。
固定層がフリー層に及ぼすオレンジピール効果の抑制は，第１ピン層がオレンジピール効果によって前記フリー層に加える第１磁場と，前記第２ピン層がオレンジピール効果によって前記フリー層に加える第２磁場との和が実質的に０であることにより効果的に達成され得る。
固定層が，更に，前記第１ピン層と前記第２ピン層との間に介設された非磁性の他のスペーサ層を含む場合，該他のスペーサ層は，前記固定自発磁化と前記他の固定自発磁化とが反強磁性的に結合するような膜厚を有することが好ましい。該他のスペーサ層は，前記固定自発磁化と前記他の固定自発磁化との方向を安定化し，当該ＭＲＡＭの動作を安定化する。
また，固定層が，前記第１方向に延伸するように配設される場合，固定層の端とフリー層との距離は，端における磁極により生成される磁場が，フリー層に実質的に鎖交しない程度に大きいことが好ましい。静磁カップリング効果は，固定層の端において生成される磁極に起因するから，端とフリー層との距離が充分に大きくとられることは，固定層がフリー層に及ぼす静磁カップリング効果を効果的に抑制する。
本発明の他の観点において，ＭＲＡＭは，反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，積層フェリ固定層と，非磁性体で形成され，フリー層と積層フェリ固定層との間に介設されたスペーサ層とを備えている。積層フェリ固定層は，第１方向に向けて固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，前記第１方向とは反対の第２方向に向けて固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層とを含む。第１ピン層は，前記第１方向に延伸するように配設された第１部分と，前記第１部分の上に，当該磁気ランダムアクセスメモリが形成される基板の表面に垂直な方向において，第２ピン層と位置整合（ａｌｉｇｎｅｄ）するように形成された第２部分とを備えている。第１ピン層と第２ピン層とは，積層フェリ固定層が，実質的に，オレンジピール効果をフリー層に及ぼさないように形成されている。更に，第１固定自発磁化の大きさをＭ１とし，前記第２固定自発磁化の大きさをＭ２とし，第２ピン層の厚さをｔ２としたとき，第２部分が実質的に（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２の厚さを有するように形成されている。このような厚さを有する第２部分は，第２ピン層の端における磁極が生成する磁場をキャンセルし，固定層が，フリー層に及ぼす静磁カップリング効果を効果的に抑制する。
本発明の更に他の観点において，ＭＲＡＭは，反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，積層フェリ固定層と，前記フリー層と前記積層フェリ固定層との間に介設される非磁性のスペーサ層とを備えている。積層フェリ固定層は，第１方向に固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，前記フリー層と前記第１ピン層との間に挿入され，前記第１方向と反対の前記第２方向に固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層とを含む。第１ピン層と第２ピン層とは，第１ピン層がオレンジピール効果によって前記フリー層に与える第１磁場と，第２ピン層がオレンジピール効果によって前記フリー層に与える第２磁場との和が実質的に０になるように形成されている。当該ＭＲＡＭでは，第２ピン層がフリー層に与えるオレンジピール効果が，第１ピン層がフリー層に与えるオレンジピール効果によって相殺され，積層フェリ固定層は，実質的にオレンジピール効果をフリー層に与えない。オレンジピール効果の抑制により，当該ＭＲＡＭは，メモリセルのオフセット磁場を効果的に抑制することができる。
積層フェリ固定層が，更に，前記第１ピン層と前記第２ピン層との間に介設された，非磁性の他のスペーサ層を含む場合，他のスペーサ層は，前記第１固定自発磁化と前記第２固定自発磁化とが反強磁性的に結合するような膜厚を有することが好ましい。
本発明の更に他の観点において，ＭＲＡＭは，反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，第１方向に固定された固定自発磁化を有する固定層と，非磁性体で形成され，前記フリー層と前記固定層との間に介設されたスペーサ層とを備えている。前記固定層は，前記第１方向に延伸するように配設され，前記固定層の端と前記フリー層との距離は，前記端における磁極により生成される磁場が，前記フリー層に実質的に鎖交しない程度に大きい。静磁カップリング効果は，固定層の端における磁極により生成される磁場に起因するから，前記固定層の端と前記フリー層との距離とを充分に大きくとることは，静磁カップリング効果を効果的に抑制する。
本発明の更に他の観点において，ＭＲＡＭは，反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，積層フェリ固定層と，フリー層と積層フェリ固定層との間に介設される非磁性のスペーサ層とを備えている。積層フェリ固定層は，第１方向に固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，フリー層と第１ピン層との間に挿入され，前記第１方向と反対の前記第２方向に固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層とを含む。第１ピン層は，前記第１方向及び前記第２方向に延伸するように配設された第１部分と，第１部分の上に，当該磁気ランダムアクセスメモリが形成される基板の表面に垂直な方向において前記第２ピン層と位置整合するように形成された第２部分とを含む。前記第１固定自発磁化の大きさをＭ１とし，前記第２固定自発磁化の大きさをＭ２とし，第２ピン層の厚さをｔ２としたとき，第２部分は，実質的に（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２の厚さを有するように形成される。（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２の厚さを有する第２部分は，第２ピン層が静磁カップリング効果によってフリー層に与える磁場と，ほぼ同じ大きさで，且つ，反対向きの磁場を静磁カップリング効果によって発生する。（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２の厚さを有する第２部分は，第２ピン層がフリー層に与える静磁カップリング効果をキャンセルし，積層フェリ固定層がフリー層に及ぼす静磁カップリング効果を効果的に抑制する。
本発明の更に他の観点において，ＭＲＡＭは，反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，積層フェリ固定層と，フリー層と積層フェリ固定層との間に介設される非磁性のスペーサ層とを備えている。積層フェリ固定層は，第１方向に固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，スペーサ層と第１ピン層との間に設けられ，前記第１方向と反対の第２方向に固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層とを含む。前記第１固定自発磁化の大きさと，前記第２固定自発磁化の大きさと，前記第１ピン層の膜厚と，前記第２ピン層の膜厚とは，前記積層フェリ固定層がオレンジピール効果によって前記フリー層に与える磁場の大きさと，前記積層フェリ固定層が静磁カップリング効果によって前記フリー層に与える磁場との大きさが，いずれも，１０（Ｏｅ）以下であるように定められている。当該ＭＲＡＭは，第１ピン層及び第２ピン層の最適化により，そもそもオレンジピール効果と静磁カップリング効果とをフリー層に及ぼさないように設計されている。ゆえに，当該ＭＲＡＭには，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とのバラツキや，メモリセル内の静磁カップリング効果の不均一性の問題が発生しない。
本発明の更に他の観点において，ＭＲＡＭは，反転可能な自由自発磁化を有するフリー層と，積層フェリ固定層と，フリー層と積層フェリ固定層との間に介設される非磁性のスペーサ層とを備えている。積層フェリ固定層は，第１方向に固定された第１固定自発磁化を有する第１ピン層と，前記スペーサ層と前記第１ピン層との間に設けられ，前記第１方向と反対の第２方向に固定された第２固定自発磁化を有する第２ピン層とを含む。第１固定自発磁化の大きさＭ１と，前記第２固定自発磁化の大きさＭ２と，前記第１ピン層の膜厚ｔ１と，前記第２ピン層の膜厚ｔ２とは，下記式：
2004006335.tif 000003
が成立するように定められている。このように，第１固定自発磁化の大きさＭ１と，前記第２固定自発磁化の大きさＭ２と，前記第１ピン層の膜厚ｔ１と，前記第２ピン層の膜厚ｔ２とを定めることは，オレンジピール効果を効果的に抑制する。
当該ＭＲＡＭの製造工程を簡素化するためには，第１ピン層と第２ピン層とは，同一の材料で形成され，前記Ｍ１と前記Ｍ２とは，実質的に等しいことが好ましい。
また，下記式：
Ｍ１＞Ｍ２
が成立することは，オレンジピール効果を実質的に０にすることを可能にする点で好適である。
以上の構成は，スペーサ層が，非磁性体，且つ，絶縁体である材料で形成され，スペーサ層の厚さは，厚さ方向にトンネル電流が流れる程度に薄い場合に，即ち，ＭＴＪがメモリセルに使用される場合に特に好適である。なぜなら，ＭＴＪがメモリセルに使用される場合，スペーサ層の膜厚が薄く，オレンジピール効果の影響が大きい。上記のＭＲＡＭの構成は，ＭＴＪが使用され，従って，オレンジピール効果が大きいメモリセルのオフセット磁場を効果的に抑制可能である。
以上に説明されているように，本発明は，ＭＲＡＭのメモリセルのオフセット磁場をより効果的に減少させる。
また，本発明は，ＭＲＡＭのメモリセルの内部の全体について，オフセット磁場を均一に減少する。
また，本発明は，ＭＲＡＭの製造バラツキが，該ＭＲＡＭのメモリセルのオフセット磁場の解消に与える悪影響を抑制する。
【図面の簡単な説明】  図１は，従来のＭＲＡＭを示す断面図である；
図２Ａは，理想的なメモリセルの抵抗の特性を示す；
図２Ｂは，現実のメモリセルの抵抗の特性を示す；
図３は，オレンジピール効果によるオフセット磁場を示す；
図４は，静磁カップリング効果によるオフセット磁場を示す；
図５は，従来のＭＲＡＭを示す断面図である；
図６Ａ及び６Ｂは，静磁カップリング効果によるオフセット磁場のメモリセル内での不均一性を説明する図である；
図７は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態を示す断面図である；
図８は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態を示す平面図である；
図９は，オレンジピール効果によるオフセット磁場を示すグラフである；
図１０は，第１ピン層７がフリー層１１に及ぼすオレンジピール効果を説明する図である；
図１１は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第２形態を示す断面図である；
図１２は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第２形態を示す平面図である；そして
図１３は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第２形態を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下，添付図面を参照しながら，本発明によるＭＲＡＭの実施の形態を説明する。
（実施の第１形態）
図７は，本発明の実施の第１形態のＭＲＡＭの構造を示している。当該構造の理解を助けるために，図７に示されているＭＲＡＭの構造の縦横の比率は，実際のＭＲＡＭの比率と異なっていることに留意されたい。
実施の第１形態のＭＲＡＭは，基板１と下部電極２とを備えている。下部電極２は，基板１の上に形成されている。下部電極２は，メタルリード層３，シード層４，及び反強磁性層５を含む。メタルリード層３は，典型的には，Ａｌ，又はＣｕで形成される。シード層４は，典型的には，Ｔａ膜，又は，Ｔａ膜とＲｕ膜の積層膜で形成される。反強磁性層５は，反強磁性体，典型的には，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，又はＰｔＭｎで形成される。
下部電極２の上に，積層フェリ固定層６が形成されている。積層フェリ固定層６は，第１ピン層７と，第２ピン層９と，これらの間に介設されている非磁性体スペーサ層８とを含む。第１ピン層７と，第２ピン層９とは，強磁性体で形成され，従って，それぞれに自発磁化を有している。第１ピン層７と，第２ピン層９とは，典型的には，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，又はＮｉＦｅＣｏで形成される。非磁性体スペーサ層８は，導電性の非磁性体，典型的には，Ｒｕで形成される。
第１ピン層７は，反強磁性層５の上に形成され，第１ピン層７が有する自発磁化は，第１ピン層７と反強磁性層５との間の交換結合により，−ｘ方向に向けて固定される。既述のシード層４は，反強磁性層５と第１ピン層７との間の交換結合特性を改善する作用を有している。良好な交換結合特性を得るためには，反強磁性層５と第１ピン層７との形成後に，数百エルステッド以上の磁場の中で，交換結合が消失するブロッキング温度以上の温度で熱処理が行われることが好ましい。反強磁性膜５としてＩｒＭｎが用いられる場合，２５０〜３００℃で，１時間の熱処理が行われることが好ましい。
第２ピン層９が有する自発磁化は，第１ピン層７と第２ピン層９との間の反強磁性的な交換結合により，＋ｘ方向に向けられて固定される。第１ピン層７と第２ピン層９とが有する自発磁化の向きは逆である。第１ピン層７と第２ピン層９との間の反強磁性的な交換結合を強くするために，非磁性体スペーサ層８の膜厚は，１０Å以下に抑えられる。
このような構成を有する積層フェリ固定層６の特性を良好にするためには，積層フェリ固定層６の形成の後，１００００エルステッド以上の磁場中で，２５０〜３００℃の温度で熱処理が行われることが好ましい。
積層フェリ固定層６の第２ピン層９の上には，絶縁バリア層１０が形成される。絶縁バリア層１０は，典型的には，酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成される。絶縁バリア層１０は，膜厚方向に（即ち，基板１に垂直な方向に）トンネル電流が流れるように薄く形成される。絶縁バリア層１０の膜厚は，典型的には，１〜５ｎｍである。
図８に示されているように，下部電極２，積層フェリ固定層６，及び絶縁バリア層１０は，ｘ軸方向に延伸するように配設される。
図７に示されているように，絶縁バリア層１０の上には，複数のフリー層１１が形成される。フリー層１１は，強磁性体で形成され，従って，自発磁化を有している。フリー層１１の自発磁化は，反転可能である。フリー層１１は，ｘ軸方向に細長くなるように形成され，フリー層１１の自発磁化は，＋ｘ方向，及び−ｘ方向に向くことが許されている。フリー層１１は，積層フェリ固定層６の端に生成される磁極６ａ，６ｂが発生する磁場が，フリー層１１を実質的に鎖交しないように，積層フェリ固定層６の端６ａ，６ｂから充分に離される。
一のフリー層１１と，絶縁バリア層１０と，積層フェリ固定層６の第２ピン層９とは，それぞれにＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を形成し，一のＭＴＪは，一のメモリセルとして使用される。メモリセルに書き込まれるデータは，フリー層１１の自発磁化の向きとして記憶される。ＴＭＲ効果（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ効果）により，フリー層１１の自発磁化の向き，即ち，メモリセルに書き込まれるデータは，ＭＴＪの抵抗（即ち，メモリセルの抵抗）に影響を及ぼす。ＭＴＪの抵抗の変化を利用して，メモリセルに記憶されているデータが判別される。
複数のフリー層１１の上には，上部電極１２がそれぞれに形成される。上部電極１２は，キャップ層１３とメタルリード層１４とを含む。キャップ層１３は，典型的には，Ｔａで形成され，メタルリード層１４は，典型的には，Ａｌ，Ｃｕで形成される。
本実施の形態のＭＲＡＭは，オレンジピール効果と静磁カップリング効果とを互いに相殺するのではなく，積層フェリ固定層６がフリー層１１に及ぼすオレンジピール効果と静磁カップリング効果との両方を積極的に小さくし，実質的に０にすることによって，メモリセルのオフセット磁場を解消する。オレンジピール効果と静磁カップリング効果とによってフリー層１１に印加される磁場が小さい，又は，実質的に０であることは，オレンジピール効果と静磁カップリング効果のバラツキに起因するメモリセルのオフセット磁場の発生の問題を効果的に解消する。
積層フェリ固定層６がフリー層１１に与えるオレンジピール効果を実質的に０にすることは，第２ピン層９がフリー層１１に与えるオレンジピール効果を，第１ピン層７がフリー層１１に与えるオレンジピール効果で相殺することによって達成されている。それぞれの非平坦性に起因して，第１ピン層７と第２ピン層９とは，それぞれに，オレンジピール効果をフリー層１１に与える。第１ピン層７と第２ピン層９とが有する自発磁化は逆方向を向いているから，第１ピン層７と第２ピン層９とがオレンジピール効果によって与える磁場は，逆向きである。従って，第１ピン層７と第２ピン層９とがオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場の大きさを実質的に一致させることにより，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場を実質的に０にすることが可能である。
第２ピン層９がフリー層１１に与えるオレンジピール効果の，第１ピン層７がフリー層１１に与えるオレンジピール効果による相殺は，第１ピン層７の磁化Ｍ１，第１ピン層７の膜厚ｔ１，第２ピン層９の磁化Ｍ２，及び第２ピン層９の膜厚ｔ２との間の関係の最適化によって達成される。好適な磁化Ｍ１，Ｍ２，及び膜厚ｔ１，ｔ２の関係が以下で導かれる。
一の強磁性体膜が受けるオレンジピール効果は，該一の強磁性体膜と該オレンジピール効果を及ぼす他の強磁性体膜との距離が近い程大きく，且つ，該他の強磁性体膜の磁化が大きいほど大きい。従って，第２ピン層９よりもフリー層１１から離れている第１ピン層７の磁化Ｍ１を，第２ピン層９の磁化Ｍ２よりも大きくすることによって，第１ピン層７と第２ピン層９とがオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場の大きさを一致させ，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場を実質的に０にすることができる。
第１ピン層７の磁化Ｍ１を，第２ピン層９の磁化Ｍ２よりも大きくすることは，オレンジピール効果の抑制の観点では好ましいが，ＭＲＡＭの製造プロセスを簡素化する観点からは好ましくない。ＭＲＡＭの製造プロセスを簡素化するためには，第１ピン層７と第２ピン層９とを同一の材料で形成することが好適であり，この場合，第１ピン層７の磁化Ｍ１と第２ピン層９の磁化Ｍ２とは，実質的に一致することになる。
しかし，第１ピン層７の磁化Ｍ１と第２ピン層９の磁化Ｍ２とが実質的に一致する場合でも，第１ピン層７の膜厚ｔ１と，第２ピン層９の膜厚ｔ２とを最適化することにより，積層フェリ固定層６がフリー層１１に与えるオレンジピール効果を抑制し，実質的に０にすることが可能である。以下では，その理論的考察が行われる。
Ｊ．Ｃ．Ｓ．Ｋｏｏｌｓ等は，上述の従来技術で言及した論文において，２つの強磁性体膜が周期的に波打っている系においてオレンジピール効果によって発生するオフセット磁場ＨＯｆｆを算出し，開示している。Ｋｏｏｌｓ等のモデルによると，該オフセット磁場ＨＯｆｆは，近似的に，下記式：
2004006335.tif 000004
によって算出される。ここで，ｈは，強磁性体膜が波打つ振幅，λは，強磁性体膜が波打つ周期，ｔＦは，オレンジピール効果を受ける強磁性体膜の膜厚，ｔＡｌＯは，強磁性体膜の間に介設される非磁性膜の膜厚，ｔＰは，オレンジピール効果を与える強磁性体膜の膜厚，ＭＰは，オレンジピール効果を与える強磁性体膜の磁化である。Ｋｏｏｌｓ等のモデルを積層フェリ固定層６に適用できるように拡張すると，フリー層１１が積層フェリ固定層６からオレンジピール効果によって受けるオフセット磁場の大きさＨＯＦＦは，下記式：
2004006335.tif 000005
で表される。ここで，ｈは，第１ピン層７，第２ピン層９，及びフリー層１１が波打つ振幅，λは，これらの層が波打つ周期，ｔＲは，非磁性体スペーサ層８の膜厚，ｔＦは，フリー層１１の膜厚，ｔＡｌＯは，絶縁バリア層１０の膜厚，ｔ１は，第１ピン層７の膜厚，ｔ２は，第２ピン層９の膜厚，ＭＰは，第１ピン層７及び第２ピン層９の磁化の大きさであり，Ｍ１及びＭ２に等しい。
図９は，第２ピン層９の厚さｔ２をパラメータとして，ｔ１／ｔ２とオフセット磁場の大きさＨＯＦＦとの関係を示すグラフである。但し，該グラフは，ｈは，７Å，λは１８０Å，ｔＡｌＯは，１５Åとして作成されている。図９に示されているように，ｔ２が１０Å以下とし，ｔ１／ｔ２を約４．５にすることにより，フリー層１１が積層フェリ固定層６からオレンジピール効果によって受けるオフセット磁場の大きさＨＯＦＦを実質的に０にすることが可能である。他の条件においても，第１ピン層７の膜厚ｔ１と，第２ピン層９の膜厚ｔ２とを最適化することにより，オレンジピール効果によるオフセット磁場の大きさＨＯＦＦを実質的に０にすることが可能である。
但し，ＭＲＡＭの設計上の他の要因により，積層フェリ固定層６がフリー層１１に及ぼすオレンジピール効果を実質的に０にすることが好適でない場合が有り得る。この場合でも，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場は，積極的に減少されることが好ましい。積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場は，１０（Ｏｅ）以下に抑制されることが好適である。積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場を，１０（Ｏｅ）以下にすることは，第１ピン層７の磁化Ｍ１，第１ピン層７の膜厚ｔ１，第２ピン層９の磁化Ｍ２，及び第２ピン層９の膜厚ｔ２との間の関係を最適化することによって達成することが可能である。
より詳細には，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場は，Ｍ１／Ｍ２を大きくすることによって減少することが可能である。既述の通り，第１ピン層７と第２ピン層９とがそれぞれ有する自発磁化の向きは逆であり，且つ，第１ピン層７は，フリー層１１からの距離が第２ピン層９よりも遠い。オレンジピール効果によってフリー層１１に与えられる磁場の大きさは，オレンジピール効果を作用させる強磁性体膜とフリー層１１との距離が大きいほど小さから，Ｍ１をＭ２よりも大きくすることにより，即ち，Ｍ１／Ｍ２を大きくすることによって積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場を小さくすることができる。
更に，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場は，ｔ１／ｔ２を増加することによって減少させることも可能である。図１０は，その理由を説明する図である。第２ピン層９の膜厚ｔ２が小さいほど，第１ピン層７と第２ピン層９とがオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場の大きさは近い値になる。既述の通り，第１ピン層７と第２ピン層９とがオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場の向きは反対であるから，第２ピン層９の膜厚ｔ２が小さいほど，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場は，小さくなる。
一方，第１ピン層７の膜厚ｔ１が大きいほど，第２ピン層９がオレンジピール効果によってフリー層１１に加える磁場を，第１ピン層７がオレンジピール効果によってフリー層１１に加える磁場によって打ち消す効果は大きくなる。その理由は以下の通りである。第２ピン層９がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場Ｈ２は，第２ピン層９が非磁性スペーサ層８に接合する界面に発生する磁極が生成する磁場と，第２ピン層９が絶縁バリア層１０に接合する界面に発生する磁極が生成する磁場との合成磁場である。後者の磁場の方が強いため，合成磁場Ｈ２の向きは，第２ピン層９が有する自発磁化の向きに一致する。
一方，第１ピン層７がオレンジピール効果によってフリー層１１に加える磁場は，
（１）第１ピン層７が反強磁性層５に接合する界面７ａに発生する磁極ｍ１ｂ，
（２）第１ピン層７が非磁性スペーサ層８に接合する界面７ｂに発生する磁極ｍ１ｔ
によって発生される。磁極ｍ１ｔが発生する磁場Ｈ１ｔは，第２ピン層９がフリー層１１にオレンジピール効果によって与える磁場Ｈ２を打ち消す作用を有する一方，磁極ｍ１ｂが発生する磁場Ｈ１ｂは，磁場Ｈ２と同一の方向であり，フリー層１１のオフセット磁場を増加する作用を有する。従って，磁極ｍ１ｂが発生する磁場Ｈ１ｂは，フリー層１１に印加されないことが望ましい。第１ピン層７の膜厚ｔ１が大きいほど，磁極ｍ１ｂがフリー層１１に印加する磁場Ｈ１ｂは小さくなり，ゆえに，第２ピン層９がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場を打ち消す磁極ｍ１ｔの作用が強くなる。従って，第２ピン層９がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場を，第１ピン層７がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場によって打ち消す効果は，第１ピン層７の膜厚ｔ１が大きいほど大きくなる。
このように，第１ピン層７の膜厚ｔ１が大きく，第２ピン層９の膜厚ｔ２が小さい程，即ち，ｔ１／ｔ２が大きいほど，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場は，小さくなる。
Ｍ１／Ｍ２とｔ１／ｔ２とが，それぞれに大きいほど，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場を小さくすることができるが，Ｍ１／Ｍ２とｔ１／ｔ２とは，下記式：
2004006335.tif 000006
が成立する程度に大きくされることが好適である。式（３）が成立する程度にＭ１／Ｍ２とｔ１／ｔ２とが大きくされることにより，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場を効果的に小さくすることができる。
このとき，上述と同様に，ＭＲＡＭの製造プロセスを簡素化するためには，第１ピン層７と第２ピン層９とを同一の材料で形成することが好適である。この場合，第１ピン層７の磁化Ｍ１と第２ピン層９の磁化Ｍ２とは，実質的に一致することになる。Ｍ１とＭ２とが実質的に一致される場合，第１ピン層７の膜厚ｔ１を第２ピン層９の膜厚ｔ２よりも大きくすることによって，即ち，ｔ１＞ｔ２とすることによって，式（３）を成立させることが可能である。
一方，積層フェリ固定層６が，静磁カップリング効果によってフリー層１１に加える磁場の抑制は，図８に示されているように，積層フェリ固定層６を，充分にｘ軸方向に充分に長く延設し，フリー層１１を積層フェリ固定層６の端６ａ，６ｂから充分に離れるようにすることによって達成されている。フリー層１１は，積層フェリ固定層６の端６ａ，６ｂに生成される磁極が発生する磁場がフリー層１１を実質的に鎖交しない程度に，積層フェリ固定層６の端６ａ，６ｂから離される。静磁カップリング効果は，端６ａ，６ｂに生成される磁極によって引き起こされるから，積層フェリ固定層６の端６ａ，６ｂをフリー層１１から充分に離すことにより，積層フェリ固定層６がフリー層１１に及ぼす静磁カップリング効果を実質的に０にすることができる。
但し，ＭＲＡＭの設計上の他の要因により，積層フェリ固定層６がフリー層１１に及ぼす静磁カップリング効果を実質的に０にすることが好適でない場合が有り得る。この場合でも，積層フェリ固定層６が，静磁カップリング効果によってフリー層１１に与える磁場が積極的に小さくされ，好適には，１０（Ｏｅ）以下にされることが好ましい。積層フェリ固定層６の端６ａ，６ｂとフリー層１１との距離を適切に大きくすることにより，積層フェリ固定層６が，静磁カップリング効果によってフリー層１１に与える磁場を１０（Ｏｅ）以下にすることは容易に実現可能である。
以上に説明されているように，本実施の形態のＭＲＡＭでは，積層フェリ固定層６に含まれる第１ピン層７の磁化Ｍ１，及び膜厚ｔ１，並びに第２ピン層９の磁化Ｍ２，及び膜厚ｔ２の最適化により，積層フェリ固定層６がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場の大きさが実質的に０にされ，又は，１０（Ｏｅ）以下にされる。更に，積層フェリ固定層６の端６ａ，６ｂをフリー層１１から充分に離すことにより，積層フェリ固定層６が静磁カップリング効果によってフリー層１１に与える磁場の大きさが実質的に０にされ，又は，１０（Ｏｅ）以下にされる。これらにより，メモリセルのオフセット磁場が，効果的に減少されている。積層フェリ固定層６がオレンジピール効果と静磁カップリング効果とによってフリー層１１に及ぼす磁場がそれぞれに小さくされているから，製造バラツキによる影響は少なく，更に，メモリセルの内部における不均一性も抑制される。
（実施の第２形態）
図１１は，本発明によるＭＲＡＭの実施の第２形態を示す。理解を容易にするために，図１１に示されているＭＲＡＭの構造の縦横の比率は，実際のＭＲＡＭと異なっていることに留意されたい。
実施の第２形態のＭＲＡＭでは，実施の第１形態の積層フェリ固定層６と異なる構造を有する積層フェリ固定層６’により，オレンジピール効果と静磁カップリング効果との抑制が行われている。
実施の第２形態のＭＲＡＭに採用される積層フェリ固定層６’は，一の第１ピン層７’と，複数の非磁性体スペーサ層８’と，非磁性体スペーサ層８’の上にそれぞれに形成されている第２ピン層９’とを含む。第１ピン層７’と第２ピン層８’とは，強磁性体で形成され，従って，それぞれに自発磁化を有している。第１ピン層７’と，第２ピン層９’とは，典型的には，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，又はＮｉＦｅＣｏで形成される。非磁性体スペーサ層８’は，導電性の非磁性体，典型的には，Ｒｕで形成される。
第１ピン層７’は，反強磁性層５の上に形成され，第１ピン層７’が有する自発磁化は，第１ピン層７と反強磁性層５との間の交換結合により，−ｘ方向に向けて固定される。第２ピン層９’が有する自発磁化は，第１ピン層７’と第２ピン層９’との間の反強磁性的な交換結合により，＋ｘ方向に向けられて固定される。第１ピン層７’と第２ピン層９’とが有する自発磁化の向きは逆である。
第１ピン層７’は，反強磁性層５の上に形成されている第１部分７ａ’と，第２部分７ｂ’とから構成されている。第１部分７ａ’は，ｘ軸方向に延伸するように配設され，第１部分７ａ’の端は，フリー層１１から充分に離されて形成されている。
第１部分７ａ’の上には，複数の第２部分７ｂ’が設けられる。第２ピン層９’のそれぞれに対して一の第２部分７ｂ’が設けられる。第２部分７ｂ’の上には，非磁性体スペーサ層８’が形成され，非磁性体スペーサ層８’の上には，第２ピン層９’が形成される。第２ピン層９’の上には，絶縁バリア層１０，フリー層１１，及び上部電極１２が順次に形成される。
第２部分７ｂ’，非磁性体スペーサ層８’，第２ピン層９’，絶縁バリア層１０，フリー層１１，及び上部電極１２は，自己整合的にエッチングされて形成されている。従って，基板１の表面に垂直な方向からみて，第２ピン層９’と第２部分７ｂ’とは，同一の形状を有し，且つ，位置整合している。
実施の第２形態でも，実施の第１形態のＭＲＡＭと同様に，積層フェリ固定層６’がフリー層１１に及ぼすオレンジピール効果と静磁カップリング効果とを積極的に小さくし，実質的に０にすることによって，メモリセルのオフセット磁場が抑制され，解消されている。
積層フェリ固定層６’がフリー層１１に及ぼすオレンジピール効果の抑制は，実施の第１形態と同様に，第１ピン層７’の膜厚ｔ１及び磁化Ｍ１，並びに，第２ピン層９’の膜厚ｔ２及び磁化Ｍ２の最適化により達成されている。ここで，実施の第２形態の第１ピン層７’の膜厚ｔ１とは，第１部分７ａ’の膜厚ｔ１ｂと，第２部分７ｂ’の膜厚ｔ１ｔとの和を意味する。積層フェリ固定層６’がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場は，積極的に減少され，好適には１０（Ｏｅ）以下に，最も好適には，実質的に０に抑制される。
既述のように，Ｍ１＞Ｍ２とすることにより，又は，Ｍ１＝Ｍ２とする場合でも，膜厚ｔ１，ｔ２を最適化することにより，積層フェリ固定層６’がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場は，実質的に０にすることが可能である。
更に，積層フェリ固定層６’がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場が実質的に０にされない場合には，式（３）が成立するように，第１ピン層７’の膜厚ｔ１及び磁化Ｍ１，並びに，第２ピン層９’の膜厚ｔ２及び磁化Ｍ２が定められることにより，積層フェリ固定層６’がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場が抑制される。製造工程の簡便化の観点から第１ピン層７’と第２ピン層９’とに同一の材料が採用され，磁化Ｍ１，Ｍ２が実質的に同一にされる場合には，ｔ１＞ｔ２が成立するように，第１ピン層７’の膜厚ｔ１と第２ピン層９’の膜厚ｔ２とが定められる。
一方，静磁カップリング効果の抑制は，第１ピン層７’の第１部分７ａ’と第２部分７ｂ’との構造の最適化によって行われる。図１２に示されているように，第１部分７ａ’は，第１部分７ａ’の端７ｃ’，７ｄ’がフリー層１１から充分に離れるように，ｘ軸方向に長く延設される。より詳細には，第１部分７ａ’の端７ｃ’，７ｄ’は，端７ｃ’，７ｄ’に生成される磁極が発生する磁場が，フリー層１１を実質的に鎖交しないように，フリー層１１から充分に離される。
第２部分７ｂ’は，図１３に示されているように，第２ピン層９’がフリー層１１に及ぼす静磁カップリング効果を，第２部分７ｂ’がフリー層１１に及ぼす静磁カップリング効果によって相殺するように形成される。より具体的には，第２部分７ｂ’の膜厚ｔ１ｔは，実質的に（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２に一致するように形成される。このように膜厚ｔ１ｔが定められた第２部分７ｂ’は，第２ピン層９’がフリー層１１に及ぼす静磁カップリング効果を相殺し，これにより，積層フェリ固定層６’が静磁カップリング効果によってフリー層１１に及ぼす磁場を実質的に０にすることを可能にする。第２部分７ｂ’の端７ｅ’，７ｆ’に生成される磁極が発生する磁場Ｈ１ｔｃの大きさは，Ｍ１・ｔ１ｔに比例する。一方，第２ピン層９’の端９ａ’，９ｂ’に生成される磁極が発生する磁場Ｈ２ｃの大きさは，Ｍ２・ｔ２に比例する。既述のように，磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との向きは逆であるから，磁場Ｈ１ｔｃと磁場Ｈ２ｃとの向きも逆である。従って，第２部分７ｂ’の膜厚ｔ１ｔを（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２に実質的に一致させることにより，磁場Ｈ１ｔｃと磁場Ｈ２ｃとの大きさを実質的に一致させ，これにより，第２ピン層９’がフリー層１１に及ぼす静磁カップリング効果を，第２部分７ｂ’がフリー層１１に及ぼす静磁カップリング効果によって相殺することが可能である。
上記のように第１部分７ａ’と第２部分７ｂ’との構造を最適化することにより，積層フェリ固定層６’が静磁カップリング効果によってフリー層１１に与える磁場を実質的に０にすることができる。積層フェリ固定層６’が静磁カップリング効果によってフリー層１１に与える磁場が実質的に０にされない場合でも，第２部分７ｂ’の膜厚ｔ１ｔを（Ｍ２／Ｍ１）・ｔ２の近傍に定めることにより，積層フェリ固定層６’が静磁カップリング効果によってフリー層１１に与える磁場を容易に１０（Ｏｅ）以下にすることができる。
以上に説明されているように，実施の第２形態のＭＲＡＭでは，積層フェリ固定層６’に含まれる第１ピン層７’の磁化Ｍ１，及び膜厚ｔ１，並びに第２ピン層９’の磁化Ｍ２，及び膜厚ｔ２の最適化により，積層フェリ固定層６’がオレンジピール効果によってフリー層１１に与える磁場の大きさが実質的に０にされ，又は，１０（Ｏｅ）以下にされる。更に，第１ピン層７’の第１部分７ａ’と第２部分７ｂ’との構造の最適化により，積層フェリ固定層６’が静磁カップリング効果によってフリー層１１に与える磁場の大きさが実質的に０にされ，又は，１０（Ｏｅ）以下にされる。これらにより，メモリセルのオフセット磁場が，効果的に減少されている。積層フェリ固定層６’がオレンジピール効果と静磁カップリング効果とによってフリー層１１に及ぼす磁場がそれぞれに小さくされているから，製造バラツキによる影響は少なく，更に，メモリセルの内部における不均一性も抑制される。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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