(57)【要約】【課題】微細な接合サイズであっても熱安定性指数７０以上の熱安定性を有する磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供する。【解決手段】参照層を構成する、磁化方向が不変である第１の磁性層１１と、記録層を構成する、磁化方向が可変である第２の磁性層１２と、第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の厚さ方向に沿って、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に配置された第１の非磁性層１３とを備えている。第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の少なくともいずれか一方は、厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有しており、その接合サイズは３０ｎｍ以下である。【選択図】図２
2015060239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が不変である第１の磁性層と、磁化方向が可変である第２の磁性層と、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の厚さ方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の少なくともいずれか一方は、前記厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、
Ｄ＜０．９ｔ＋１３
の関係を有していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の少なくともいずれか一方は、Ｄ＜ｔの関係を有してい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】
Ｄ＜０．９ｔ＋１３の関係を有する前記第１の磁性層および／または前記第２の磁性層は、前記接合サイズが３０ｎｍ以下であ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４】
Ｄ＜ｔの関係を有する前記第１の磁性層および／または前記第２の磁性層は、前記接合サイズが３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１の磁性層は、磁化が互いに反平行になるよう、２つの磁性層が非磁性層を介して結合された反平行結合積層構造を有してい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】
前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に配置された、磁化方向が不変である第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に配置された第２の非磁性層とを、
有す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】
前記第２の磁性層は、互いに異なる材料から成る複数の磁性層を有す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の磁性層の前記厚さ方向に沿った側面に電界を印加可能に設けられた電界印加手段を有す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】
互い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、
ゲート電極が前記ワード線に電気的に接続され、ソース電極が前記ソース線に電気的に接続された選択トランジスタと、
前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置され、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層のいずれか一方が前記選択トランジスタの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た請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子とを備え、
前記厚さ方向に沿って前記磁気抵抗効果素子に電流を印加可能に構成されていることを
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磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１４に示すように、従来の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）の磁気メモリセル１０５は、磁気抵抗効果素子１１０と選択トランジスタ１０９とが直列に電気的に接続された構造を有している。選択トランジスタ１０９のソース電極はソース線１０２に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子１１０を介してビット線１０４に、ゲート電極はワード線１０３にそれぞれ電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子１１０は、第１の強磁性層１１１と第２の強磁性層１１２との間に非磁性層１１３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１１０の抵抗値は、第１の強磁性層１１１の磁化と第２の強磁性層１１２の磁化とが平行配置の場合に小さくなり、反平行配置の場合に大きくなる。ＭＲＡＭのメモリセルでは、この２つの抵抗状態をビット情報「０」「１」に割り当てている。【０００３】
ＭＲＡＭは、高集積化のために、年々、磁気抵抗効果素子１１０が微細化されている。磁気抵抗効果素子１１０の第１の強磁性層１１１および第２の強磁性層１１２は共に、微細化すると磁化が熱擾乱し、ビット情報が消失してしまうことが懸念される。そこで、微細化してもビット情報を保持するために、記録層となる第２の強磁性層１１２は７０以上の熱安定性指数（Ｅ／ｋＢＴ）を有し、参照層となる第１の強磁性層１１１は第２の強磁性層１１２よりも大きな熱安定性指数（Ｅ／ｋＢＴ）を有することが必要である。ここで、Ｅは、磁化反転に要するエネルギー障壁であり、第１の強磁性層１１１もしくは第２の強磁性層１１２の磁気異方性エネルギー密度Ｋｅｆｆと体積Ｖとの積（Ｅ＝ＫｅｆｆＶ）である。また、ｋＢはボルツマン係数、Ｔは絶対温度である。【０００４】
高い熱安定性Ｅ／ｋＢＴを得るためには、第１の強磁性層１１１もしくは第２の強磁性層１１２の実効磁気異方性エネルギー密度Ｋｅｆｆを増加させる必要がある。この観点から、第１の強磁性層１１１もしくは第２の強磁性層１１２が垂直磁化容易軸を有する垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子が注目されている。このような垂直磁気異方性電極として、希土類基アモルファス合金、Ｌ１０−規則系（Ｃｏ、Ｆｅ）−Ｐｔ合金、Ｃｏ／（Ｐｄ、Ｐｔ）多層膜等が研究されている（例えば、非特許文献１、２または３参照）。【０００５】
また、本発明者等により、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造において、ＣｏＦｅＢの薄層化により垂直磁気異方性が発現することが見出され（例えば、特許文献１参照）、このＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造を垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子に適用することにより、記録層の第２の強磁性層１１２において、接合サイズ直径４０ｎｍで、Ｅ／ｋＢＴ≒４０が得られている（例えば、非特許文献４参照）。さらに、熱安定性の向上を目指し、２重ＣｏＦｅＢ−ＭｇＯ界面記録層構造にして記録層の磁性層を厚くすることにより、記録層の第２の強磁性層１１２において、接合サイズ直径４０ｎｍ台のとき、Ｅ／ｋＢＴが８０以上、接合サイズ直径２９ｎｍのとき、Ｅ／ｋＢＴ≒５９が得られている（例えば、非特許文献５参照）。ここで、強磁性層の接合サイズとは、隣り合う非磁性層や電極と接する接合面上で、最も長い直線の長さである。非特許文献４および５では、強磁性層が円柱形状を成し、接合面が円形であるため、接合サイズは接合面の直径となる。【０００６】
なお、図１５（ａ）に示すように、非特許文献４に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子は、第１の強磁性層１１１と第２の強磁性層１１２との間に非磁性層１１３が挟まれた３層構造に、下部非磁性電極１１４と上部非磁性電極１１５とを接続した基本構造を有している。ここで、記録層である第２の強磁性層１１２は、図１５（ｂ）に示すように、接合サイズＤが強磁性層厚ｔよりも大きくなっているという特徴を有している。【０００７】
また、図１５（ｃ）に示すように、非特許文献５に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子は、非磁性層１１３上の第２の強磁性層１１２に第２の非磁性層１１６を積層し、その上に第３の強磁性層１１７を積層し、第３の強磁性層１１７の上に、第３の強磁性層１１７との間に界面磁気異方性が発生する第３の非磁性層１１８を積層した５層構造を有している。非特許文献５には、この５層構造を用いることで、熱安定性を向上できることが記載されている。この構造においても、第２の非磁性層１１６を介して磁気的結合した第２の強磁性層１１２と第３の強磁性層１１７との合計の記録層の厚さｔは、接合サイズＤよりも小さいという特徴を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】N. Nishimura, T. Hirai, A. Koganei, T. Ikeda, K. Okano, Y. Sekiguchi, and Y. Osada, “Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory”, J. Appl. Phys. 2002, 91, 5246
【非特許文献２】G. Kim, Y. Sakuraba, M. Oogane, Y. Ando and T. Miyazaki, “Tunneling magnetoresistance of magnetic tunnel junctions using perpendicular magnetization electrodes”, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 172502
【非特許文献３】K. Mizunuma, S. Ikeda, J. H. Park, H. Yamamoto, H. D. Gan, K. Miura, H. Hasegawa, J. Hayakawa, F. Matsukura and H. Ohno, “MgO barrier-perpendicular magnetic tunnel junctions with CoFe/Pd multilayers and ferromagnetic insertion layers”, Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 232516.
【非特許文献４】S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan, M. Endo, S. Kanai, F. Matsukura, and H. Ohno, “A perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction”, Nature Mater., 2010, 9, 721
【非特許文献５】H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H. Ohno, “MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure in magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis”, IEEE Trans. Magn., 2013, 49, 4437
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−２５８５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現するためには、記録されたビット情報を１０年間保持する不揮発性が必要である。そのためには、記録層となる強磁性層は、熱安定性指数７０以上の熱安定性を有する必要がある。非特許文献４に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子では、記録層の接合サイズ直径４０ｎｍで熱安定性指数が約４０であり、熱安定性指数が７０以下である。また、非特許文献５に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子では、記録層の接合サイズ直径４０ｎｍ台のとき、熱安定性指数が８０以上になっているが、接合サイズ直径２９ｎｍのとき、熱安定性指数が約５９で熱安定性指数７０以下である。微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現するためには、微細な接合サイズでの熱安定性をさらに向上させる必要があるという課題があった。【００１１】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、微細な接合サイズであっても熱安定性指数７０以上の熱安定性を有する磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
磁気抵抗効果素子の高熱安定性を実現するために、本発明者等は、以下の原理に基づいて検討を行った。すなわち、磁気抵抗効果素子のビット情報の保持性能を決める、記録層として機能する強磁性層の熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴにおいて、エネルギー障壁Ｅは、磁気異方性エネルギー密度Ｋと記録層の体積Ｖとの積で表される。ここで、ｘ軸，ｙ軸を平面内、ｚ軸をその平面に垂直な面直方向にとった座標において、磁気異方性エネルギー密度Ｋは、以下の（１）式のように表される。【００１３】
【数１】
2015060239.tif 000003
ここで、Ｋｂは結晶磁気異方性や磁気弾性効果に由来するバルク磁気異方性エネルギー密度、ＮｚおよびＮｘはそれぞれｚ軸およびｘ軸の反磁界係数、Ｍｓは記録層の飽和磁化、μ０は真空の透磁率、Ｋｉは界面磁気異方性エネルギー密度、ｔは記録層の層厚である。なお、Ｎｘはｙ軸の反磁界係数Ｎｙと等しいとする。Ｋは、正符号の時に面直方向に磁化容易軸となる。【００１４】
また、反磁界係数Ｎｚ、Ｎｘは、以下の関係にある。
Ｄ＞ｔ  のとき、（Ｎｚ‐Ｎｘ）＞０
Ｄ＜ｔ  のとき、（Ｎｚ‐Ｎｘ）＜０【００１５】
この関係および（１）式から、接合サイズＤより記録層の層厚ｔを大きくすることにより、Ｋの値を大きくすることができ、熱安定性を高めることができることがわかる。これは、Ｄ＜ｔとすることで、形状磁気異方性により、磁化が接合面に対して垂直方向に向くことを助長するためであると考えられる。これに対し、図１５に示す非特許文献４および非特許文献５に記載のような従来の磁気抵抗効果素子では、記録層である強磁性層の層厚ｔが接合サイズＤよりも小さく（Ｄ＞ｔ）、垂直に向いた磁化を不安定にする方向に反磁界が影響するため、熱安定性を低下させてしまうものと考えられる。【００１６】
（１）式において、Ｋｂをゼロと仮定し、Ｋｉを３ｍＪ／ｍ２と仮定し、Ｍｓを非特許文献４および５の磁気抵抗効果素子で用いられているＣｏＦｅＢの１．４５Ｔとしたときの、接合サイズＤおよび層厚ｔに対する、熱安定性指数（Ｅ／ｋＢＴ＝ＫＶ／ｋＢＴ）を計算し、その計算結果を図１（ａ）に示す。図１（ａ）に示すように、Ｄ＞０．９ｔ＋１３のほとんどの領域では、面内容易軸となり、磁化が接合面に対して垂直方向には向かない。一方、Ｄ＜０．９ｔ＋１３の領域では、接合サイズＤに対して層厚ｔが大きくなるに従って、熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴも大きくなっていくことがわかる。また、Ｄ＜０．９ｔ＋１３の領域では、接合サイズＤが比較的小さいときでも、大きい熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴが得られている。例えば、Ｄ＝３０ｎｍのとき、ｔ≧２０ｎｍとすれば、Ｅ／ｋＢＴ≧７０を得ることができる。図１（ａ）を非特許文献４および５の結果と比較すると、Ｄ＜０．９ｔ＋１３とすることにより、より小さい接合サイズＤでも、非特許文献４および５よりも大きい熱安定性指数が得られることがわかる。なお、図１（ａ）のＤ＜０．９ｔ＋１３の領域で、Ｅ／ｋＢＴ≧７０が得られていない領域においても、強磁性層のＭｓを増加させることにより、熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴの増大を図ることができる。【００１７】
なお、（１）式において、ＫｂおよびＫｉを０ｍＪ／ｍ２と仮定し、Ｍｓを１．４５Ｔとしたときの熱安定性指数の計算結果を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、Ｄ＞ｔの領域では面内容易軸となり、Ｄ＜ｔの領域では垂直磁化容易軸となっている。これを図１（ａ）と比較すると、Ｋｉの値がゼロに近くなるに従って、図中での面内容易軸と垂直磁化容易軸との境界線が、下方に移動するとともに、その傾きがやや急になることがわかる。図１（ｂ）の結果から、Ｋｉの値が不明の場合や、ゼロに近いと考えられる場合には、Ｄ＜ｔとすることにより、確実に大きい熱安定性指数を得ることができるといえる。【００１８】
以上の検討結果から、本発明者等は本発明に至った。
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の磁性層と、磁化方向が可変である第２の磁性層と、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の厚さ方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の少なくともいずれか一方は、前記厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有していることを特徴とする。【００１９】
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の磁性層が参照層として機能し、磁化方向が可変である第２の磁性層が記録層として機能するようになっている。本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層および第２の磁性層の少なくともいずれか一方が、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有しているため、熱安定性を高めることができる。接合サイズおよび層厚を適切に定めることにより、熱安定性指数７０以上の熱安定性を得ることができる。特に、記録層として機能する第２の磁性層を、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有するよう形成することにより、優れた熱安定性が得られる。【００２０】
熱安定性指数７０以上の熱安定性を得るために、一般にＫｂを増加させた材料や薄層化によりＫｉを増加させた材料を磁性層に適用する方法がある。このような、ＫｂやＫｉを増加させた材料では、磁気ダンピング定数が大きいことが知られている。スピン注入磁化反転方式では、熱安定性を増加させ且つビット情報を書込むときの書込み電流を低減するためには、磁気ダンピング定数を小さくする必要がある。したがって、ＫｂやＫｉの大きな材料を適用した磁気抵抗効果素子では、書込み電流を低減することが困難である。これに対して、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、ＫｂやＫｉの大きな材料を用いずに、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  とすることで高い熱安定性を得ることができるため、低磁気ダンピング定数の磁性層を適用することができ、書込み電流を小さくすることができる。【００２１】
特に、本発明に係る磁気抵抗効果素子で、選択トランジスタに流せる電流の制約から、高い熱安定性を維持しつつ接合サイズを小さくして書込み電流を低減するためには、Ｄ＜０．９ｔ＋１３の関係を有する前記第１の磁性層および／または前記第２の磁性層は、前記接合サイズが３０ｎｍ以下であることが好ましい。また、図１（ａ）から、磁性層がＣｏＦｅＢの場合に熱安定性指数７０以上の熱安定性を得るために、Ｄ＜０．９ｔ＋１３の関係を有する第１の磁性層および／または第２の磁性層は、さらに層厚が１０ｎｍ以上であることが好ましい。なお、強磁性層のＭｓを増加させることにより熱安定性を増加させることができ、接合サイズを小さくしつつ膜厚も１０ｎｍ以下にすることができる。このように、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、接合サイズが３０ｎｍ以下の微細な接合サイズであっても熱安定性指数７０以上の熱安定性を得ることができる。【００２２】
なお、本発明に係る磁気抵抗効果素子で、Ｋｉの値が不明の場合や、ゼロに近いと考えられる場合には、第１の磁性層および／または第２の磁性層は、Ｄ＜ｔの関係を有していることが好ましい。この場合、確実に高い熱安定性を得ることができる。また、高い熱安定性を維持しつつ接合サイズを小さくして書込み電流を低減するためには、Ｄ＜ｔの関係を有する第１の磁性層および／または第２の磁性層は、接合サイズが３０ｎｍ以下であることが好ましい。また、図１（ｂ）から、磁性層がＣｏＦｅＢの場合に熱安定性指数７０以上の熱安定性を得るために、Ｄ＜ｔの関係を有する第１の磁性層および／または第２の磁性層は、さらに層厚が２０ｎｍ以上であることが好ましい。【００２３】
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、第１の磁性層および第２の磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されることが好ましい。第１の非磁性層は、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ、Ｈｆ２Ｏなどの酸素を含む化合物を有する材料など、第１の磁性層および第２の磁性層の材料との組み合わせで、磁気抵抗変化率が大きく発現する材料から構成されることが好ましい。【００２４】
なお、本発明に係る磁気抵抗効果素子で、接合サイズとは、強磁性層の厚さ方向に垂直な端面、すなわち隣り合う非磁性層や電極と接する接合面上で、最も長い直線の長さであり、接合面が円形のときにはその直径、楕円形のときにはその長径、四角形のときにはその対角線の長い方となる。【００２５】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に配置された、磁化方向が不変である第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に配置された第２の非磁性層とを、有していてもよい。この場合、第２の非磁性層に隣接する第１の磁性層の部分と、第３の磁性層とを磁気的に結合するとともに、第１の磁性層の結晶性を反映しない程度に、第２の非磁性層の厚さを調整することにより、大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。第３の磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されることが好ましい。第２の非磁性層は、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｉ、Ｖ、Ｃｒの内のいずれか一つを含む材料で構成されていてもよい。【００２６】
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記第１の磁性層は、磁化が互いに反平行になるよう、２つの磁性層が非磁性層を介して結合された反平行結合積層構造を有していてもよい。この場合、第１の磁性層が一方向の磁化方向のみを有する場合と比べて、第２の磁性層の磁化方向の向きによらず、高い熱安定性を得ることができる。第１の磁性層の２つの磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されることが好ましい。また、その２つの磁性層は、垂直磁化容易軸を有する合金膜や多層膜から成っていてもよく、全ての膜厚を接合サイズよりも大きくして、形状磁気異方性により垂直磁化容易軸を付与した合金膜や多層膜から成っていてもよい。第１の磁性層中の非磁性層は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｕの内のいずれか一つを含む材料で構成されていてもよい。【００２７】
本発明に係る磁気抵抗効果素子で、前記第２の磁性層は、互いに異なる材料から成る複数の磁性層を有していてもよい。この場合、第２の磁性層の各磁性層の磁化方向やキュリー温度を適切に設定することにより、スピン注入磁化反転による書込み電流を低減することができる。【００２８】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第２の磁性層の前記厚さ方向に沿った側面に電界を印加可能に設けられた電界印加手段を有していてもよい。この場合、スピン注入磁化反転方式ではなく、電界誘起磁化反転方式でビット情報の書込みを行うことができる。これにより、スピン注入磁化反転方式のときよりも、低消費電力化を図ることができる。【００２９】
本発明に係る磁気メモリは、互い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、ゲート電極が前記ワード線に電気的に接続され、ソース電極が前記ソース線に電気的に接続された選択トランジスタと、前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置され、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層のいずれか一方が前記選択トランジスタの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た本発明に係る磁気抵抗効果素子とを備え、前記厚さ方向に沿って前記磁気抵抗効果素子に電流を印加可能に構成されていることを特徴とする。【００３０】
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有しているため、熱安定性指数７０以上の熱安定性を得ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、微細な接合サイズであっても熱安定性指数７０以上の熱安定性を有する磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】磁気抵抗効果素子の記録層を構成する強磁性層の、接合サイズＤおよび層厚ｔに対する熱安定性指数（Ｅ／ｋＢＴ）の計算結果を示す（ａ）Ｋｉを３ｍＪ／ｍ２と仮定したときのグラフ、（ｂ）Ｋｉを０ｍＪ／ｍ２と仮定したときのグラフである。
【図２】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）第２の磁性層の斜視図、（ｃ）両端面の接合サイズが異なる第２の磁性層の斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第１の変形例を示す縦断面図である。
【図４】図３に示す磁気抵抗効果素子の第１の変形例の、素子抵抗と面直磁界との関係を示す（ａ）Ｄ＝１０ｎｍ（Ｄ＜０．９ｔ＋１３、かつＤ＜ｔ）のときのグラフ、（ｂ）Ｄ＝４０ｎｍ（Ｄ＞０．９ｔ＋１３、かつＤ＞ｔ）のときのグラフである。
【図５】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第２の変形例を示す縦断面図である。
【図６】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第３の変形例を示す縦断面図である。
【図７】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第４の変形例を示す縦断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第５の変形例を示す縦断面図である。
【図９】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第６の変形例を示す（ａ）第２の磁性層の縦断面図、（ｂ）Ｄ＜０．９ｔ１＋１３で、温度ＴがＴＣ１＞Ｔ＞ＴＣ２のときの第２の磁性層の縦断面図、（ｃ）Ｄ＜０．９（ｔ１＋ｔ２）＋１３かつＤ＞０．９ｔ１＋１３で、温度ＴがＴＣ１＞Ｔ＞ＴＣ２のときの第２の磁性層の縦断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第７の変形例を示す（ａ）第２の磁性層の縦断面図、（ｂ）Ｄ＜０．９ｔ１＋１３かつＤ＞０．９ｔ３＋１３で、温度ＴがＴＣ１≧ＴＣ３＞Ｔ＞ＴＣ２のときの第２の磁性層の縦断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第８の変形例を示す縦断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第８の異なる変形例を示す縦断面図である。
【図１３】本発明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１４】従来の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリの磁気メモリセルを示す回路図である。
【図１５】（ａ）従来の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子を示す縦断面図、（ｂ）第２の強磁性層の斜視図、（ｃ）他の従来の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図２は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子を示している。
図２（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０は、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２と第１の非磁性層１３と下部非磁性電極１４と上部非磁性電極１５とを有している。
【００３４】
第１の磁性層１１は、円柱状を成し、磁化方向が厚さ方向に沿って上向きまたは下向きで不変であり、参照層として機能するよう構成されている。第１の磁性層１１は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。
【００３５】
第２の磁性層１２は、円柱状を成し、磁化方向が厚さ方向に沿って上下に可変であり、記録層として機能するよう構成されている。図２（ｂ）に示すように、第２の磁性層１２は、接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有するよう形成されている。また、第２の磁性層１２は、接合サイズＤが３０ｎｍ以下である。ここで、第２の磁性層１２の接合サイズＤは、円形を成す両端面の直径である。第２の磁性層１２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。
【００３６】
図２（ａ）に示すように、第１の非磁性層１３は、円柱状を成し、第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の厚さ方向に沿って、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に配置されている。第１の非磁性層１３は、両端面がそれぞれ第１の磁性層１１と第２の磁性層１２とに接合されている。第１の非磁性層１３は、第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の材料との組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ、Ｈｆ２Ｏなどの酸素を含む化合物を有する材料で構成されている。
【００３７】
下部非磁性電極１４は、第１の磁性層１１の、第１の非磁性層１３が接する端面とは反対側の端面に接続されている。上部非磁性電極１５は、第２の磁性層１２の、第１の非磁性層１３が接する端面とは反対側の端面に接続されている。
【００３８】
次に、作用について説明する。
磁気抵抗効果素子１０は、第２の磁性層１２がＤ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有しているため、形状磁気異方性により第２の磁性層１２の磁化が垂直に向くように助長され、熱安定性を高めることができる。また、磁気抵抗効果素子１０は、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  とした熱安定性が高い状態で、接合サイズＤをできる限り小さくすることにより、ビット情報を書込むときの書込み電流を小さくすることができる。第２の磁性層１２の接合サイズＤが３０ｎｍ以下であるため、熱安定性指数７０以上の熱安定性を得ることができる。
【００３９】
なお、磁気抵抗効果素子１０は、第１の磁性層１１も、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有するよう形成されていてもよい。この場合、より熱安定性を高めることができる。また、図２（ｃ）に示すように、通常のエッチングでは、両端面の接合サイズは、Ｄ１＞Ｄ２となり、一定にならない。この場合には、両端面の直径の大きい方を接合サイズと規定する。また、両端面の形状が円形でない場合もあり、その場合には、両端面上の最も長い直線の長さを接合サイズと規定する。
【００４０】
［第１の変形例］
図３は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０の、第１の変形例を示している。
図３に示す第１の変形例では、大きな磁気抵抗変化率を得るために、以下の構成を有している。
【００４１】
この第１の変形例では、図３に示すように、第１の磁性層１１と第１の非磁性層１３との間に配置された、磁化方向が不変である第３の磁性層１６と、第１の磁性層１１と第３の磁性層１６との間に配置された第２の非磁性層１７とを有している。
【００４２】
第３の磁性層１６は、第１の磁性層１１の磁化方向と同じ磁化方向を有している。また、第３の磁性層１６は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。
【００４３】
第２の非磁性層１７は、隣接する第１の磁性層１１と第３の磁性層１６とを磁気的に結合するとともに、第１の磁性層１１の結晶性を反映しない程度に、厚さが調整されている。第２の非磁性層１７は、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｉ、Ｖ、Ｃｒの内のいずれか一つを含む材料で構成されているが、第１の磁性層１１と第３の磁性層１６とが磁気的に結合されている限り、必ずしもこのような材料で構成される必要はない。なお、この第１の変形例では、第１の磁性層１１の上部に第２の非磁性層１７と第３の磁性層１６とを積層させた構造として説明しているが、第２の非磁性層１７と第３の磁性層１６とが第１の磁性層１１に含まれていると考えることもできる。
【００４４】
次に、この第１の変形例について、以下の磁気抵抗効果素子１０を作製し、素子抵抗と磁界との関係を調べる実験を行った。
Ｔａ（５）／Ｐｔ（５）／［Ｃｏ（０．３）／Ｐｔ（０．４）］×２０
／Ｃｏ（０．３）／Ｔａ（０．４）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（１）
／ＭｇＯ（１．０）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（２０）／Ｔａ（１）／Ｒｕ（５）
／Ｔａ（５０）
［小括弧内は層厚（単位：ｎｍ）である］
ここで、［Ｃｏ（０．３）／Ｐｔ（０．４）］×２０／Ｃｏ（０．３）が第１の磁性層１１、Ｔａ（０．４）が第２の非磁性層１７、Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（１）が第３の磁性層１６、ＭｇＯ（１．０）が第１の非磁性層１３、Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（２０）が第２の磁性層１２に対応している。第２の磁性層１２の層厚ｔは、２０ｎｍである。
【００４５】
磁気抵抗効果素子１０として、接合サイズＤが１０ｎｍのもの（Ｄ＜０．９ｔ＋１３、かつＤ＜ｔ）と、４０ｎｍのもの（Ｄ＞０．９ｔ＋１３、かつＤ＞ｔ）とを作製し、面直磁界±０．７５Ｔでスイープして実験を行った。また、素子抵抗は、直流４端子法で、印加電圧を１０ｍＶとして測定を行った。図４（ａ）および（ｂ）に、それぞれＤ＝１０ｎｍおよび４０ｎｍの磁気抵抗効果素子１０の素子抵抗（Ｒ）と面直磁界（μ０Ｈ）との関係を示す。図４中に、面直磁界±０．７５Ｔでスイープした方向を矢印で示している。また、第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の磁化の向きを、白抜きの矢印で示している。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、Ｄ＝１０ｎｍの磁気抵抗効果素子１０では、記録層および参照層がどちらも垂直磁化容易軸を有することを反映し、明瞭な磁化スイッチングに対応する素子抵抗−面直磁界曲線が得られている。これに対し、図４（ｂ）に示すように、Ｄ＝４０ｎｍの磁気抵抗効果素子１０では、第２の磁性層１２に対応するＣｏＦｅＢ記録層の磁化が面直方向を向くことができず、面直磁界に対し徐々に磁化の傾きが変わることを示唆する抵抗変化が得られている。これらの結果から、第２の磁性層１２の層厚ｔと接合サイズＤとの関係を、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  とすることにより、磁化が垂直方向に向いた第２の磁性層１２が得られることが確認できた。また、この構造において、磁界パルスによる磁化反転確率から見積った結果、第２の磁性層１２の層厚ｔと接合サイズＤとの関係を、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  とすることにより、熱安定性指数が７０以上になることもわかった。
【００４７】
［第２の変形例］
図５は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０の、第２の変形例を示している。
この第２の変形例では、図５に示すように、第１の磁性層１１は、第１の磁性層２１と第２の磁性層２２と非磁性層２３とから構成されている。第１の磁性層１１は、磁化が厚さ方向に沿って互いに反平行になるよう、第１の磁性層２１および第２の磁性層２２が非磁性層２３を介して結合された反平行結合積層構造を有している。
【００４８】
第１の磁性層２１および第２の磁性層２２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。なお、第１の磁性層２１および第２の磁性層２２は、垂直磁化容易軸を有する合金膜や多層膜から成っていてもよく、全ての膜厚ｔと接合サイズＤとの関係を、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  として、形状磁気異方性により垂直磁化容易軸を付与した合金膜や多層膜から成っていてもよい。
【００４９】
非磁性層２３は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｕの内のいずれか一つを含む材料で構成されている。なお、非磁性層２３は、第１の磁性層２１の磁化と第２の磁性層２２の磁化とが反平行になる場合、必ずしもこのような材料で構成される必要はない。
【００５０】
第１の磁性層１１の磁化が厚さ方向に沿って一方向に固定されている場合、第１の磁性層１１の磁化の向きと第２の磁性層１２の磁化の向きとが反平行配列しているときに、第１の磁性層１１からの磁界が第２の磁性層１２の磁化の向きを不安定にするように働く。このため、反平行配列時の熱安定性が低下してしまう。これに対し、図５に示す第２の変形例では、第１の磁性層１１を反平行結合積層構造にすることにより、第１の磁性層１１からの磁界を弱めることができ、第２の磁性層２２の磁化と第２の磁性層１２の磁化とが反平行時の熱安定性を改善することができる。このように、第２の変形例では、図２（ａ）および図３の磁気抵抗効果素子１０と比べて、第２の磁性層１２の磁化方向の向きによらず、高い熱安定性を得ることができる。
【００５１】
［第３の変形例］
図６は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０の、第３の変形例を示している。図６に示す第３の変形例では、第２の変形例と比べて大きな磁気抵抗変化率を得るために、以下の構成を有している。
【００５２】
この第３の変形例では、図６に示すように、第２の変形例の第１の磁性層１１と第１の非磁性層１３との間に配置された、磁化方向が不変である第３の磁性層１６と、第１の磁性層１１と第３の磁性層１６との間に配置された第２の非磁性層１７とを有している。
【００５３】
第３の磁性層１６は、第１の磁性層１１の第２の磁性層２２の磁化方向と同じ磁化方向を有している。また、第３の磁性層１６は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。
【００５４】
第２の非磁性層１７は、隣接する第１の磁性層１１の第２の磁性層２２と、第３の磁性層１６とを磁気的に結合するとともに、第２の磁性層２２の結晶性を反映しない程度に、厚さが調整されている。第２の非磁性層１７は、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｉ、Ｖ、Ｃｒの内のいずれか一つを含む材料で構成されているが、第２の磁性層２２と第３の磁性層１６とが磁気的に結合されている限り、必ずしもこのような材料で構成される必要はない。なお、この第３の変形例では、第１の磁性層１１の上部に第２の非磁性層１７と第３の磁性層１６とを積層させた構造として説明しているが、第２の非磁性層１７と第３の磁性層１６とが第１の磁性層１１に含まれていると考えることもできる。
【００５５】
第２の磁性層１２として、Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（２０）を使用し、反平行結合構造を有する第１の磁性層１１を変更した以下の構造の場合について、第１の実施例と同様の実験を行った。
基板／Ｔａ（５）／Ｐｔ（５）／［Ｃｏ（０．３）／Ｐｔ（０．４）］ｘ６
／Ｃｏ（０．３）／Ｒｕ（０．４）
／［Ｃｏ（０．３）／Ｐｔ（０．４）］ｘ２／Ｃｏ（０．３）
／Ｔａ（０．４）／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（１）／ＭｇＯ（１．０）
／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（２０）／Ｔａ（１）／Ｒｕ（５）／Ｔａ（５０）
［小括弧内は層厚（単位：ｎｍ）である］
ここで、［Ｃｏ（０．３）／Ｐｔ（０．４）］ｘ６／Ｃｏ（０．３）が第１の磁性層１１の第１の磁性層２１、Ｒｕ（０．４）が非磁性層２３、［Ｃｏ（０．３）／Ｐｔ（０．４）］ｘ２／Ｃｏ（０．３）が第２の磁性層２２、Ｔａ（０．４）が第２の非磁性層１７、Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（１）が第３の磁性層１６、ＭｇＯ（１．０）が第１の非磁性層１３、Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（２０）が第２の磁性層１２に対応している。実験の結果、図４と同様の垂直磁化容易軸を反映した素子抵抗−磁界曲線が得られた。
【００５６】
さらに、第２の磁性層１２をＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（２０）からＣｏ５０Ｆｅ５０（２０）に変更した場合にも、図４と同様の結果が得られた。
また、これらの構造において、磁界パルスによる磁化反転確率から見積った結果、第２の磁性層１２の層厚ｔと接合サイズＤとの関係を、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  とすることにより、熱安定性指数が７０以上になることもわかった。
【００５７】
［第４の変形例］
図７は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０の、第４の変形例を示している。図７に示す第４の変形例では、第３の変形例よりもさらに大きな磁気抵抗変化率を得るために、以下の構成を有している。
【００５８】
この第４の変形例では、図７に示すように、第２の磁性層１２は、第１の磁性層２４と非磁性層２５と第２の磁性層２６とをこの順序で積層した複合記録層として構成されている。第１の磁性層２４および第２の磁性層２６は、磁化方向が厚さ方向に沿って上下に可変である。第１の磁性層２４および第２の磁性層２６は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。
【００５９】
非磁性層２５は、隣接する第１の磁性層２４と第２の磁性層２６との磁気的結合を保ち、かつ第２の磁性層２６の結晶性を反映しない程度に、厚さが調整されている。非磁性層２５は、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｉ、Ｖ、Ｃｒの内のいずれか一つを含む材料で構成されているが、第１の磁性層２４と第２の磁性層２６とが磁気的に結合されている限り、必ずしもこのような材料で構成される必要はない。
【００６０】
［第５の変形例］
図８は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０の、第５の変形例を示している。図８に示す第５の変形例では、記録層の書込みに要する電流を低減するために、以下の構成を有している。
【００６１】
この第５の変形例では、図８に示すように、第２の磁性層１２の上部に、第３の非磁性層１８と、第１の磁性層１１の磁化と逆方向に磁化させた第４の磁性層１９とを積層させた構造を有している。第３の非磁性層１８は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ、Ｈｆ２Ｏなどの酸素を含む化合物から成り、第１の非磁性層１３に対して膜厚差を有している。なお、第３の非磁性層１８は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等から成っていてもよい。第４の磁性層１９は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。第４の磁性層１９は、第１の磁性層１１に対して保磁力差を有している。
【００６２】
この第５の変形例では、上下の参照層である第１の磁性層１１および第４の磁性層１９から流出する多数スピンが、記録層である第２の磁性層１２に作用してスピントルクが働くため、スピン注入磁化反転による書込み電流を低減することができる。
【００６３】
なお、この第５の変形例で、第１の磁性層１１を図５や図６に示す反平行結合積層構造等にしたとき、第４の磁性層１９を、その反平行結合積層構造と逆の順序に積層し、第１の磁性層１１の磁化と第４の磁性層１９の磁化とを反対方向に配列させてもよい。また、この第５の変形例では、第２の磁性層１２の上部に第３の非磁性層１８と参照層の第４の磁性層１９とを積層させた構造として説明しているが、第２の磁性層１２が、磁化方向が可変の記録層と、第３の非磁性層１８と参照層の第４の磁性層１９とを積層した構造から成るものと考えることもできる。
【００６４】
［第６の変形例］
図９は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０の、第６の変形例を示している。図９に示す第６の変形例では、記録層の書込みに要する電流を低減するために、以下の構成を有している。
【００６５】
この第６の変形例では、図９（ａ）に示すように、第２の磁性層１２は、厚さｔ１の下部磁性層３１と厚さｔ２の上部磁性層３２とから形成され、下部磁性層３１のキュリー温度ＴＣ１が上部磁性層３２のキュリー温度ＴＣ２よりも高くなるよう構成されている。
【００６６】
この第６の変形例では、図９（ｂ）に示すように、Ｄ＜０．９ｔ１＋１３で、温度ＴがＴＣ１＞Ｔ＞ＴＣ２のとき、上部磁性層３２は常磁性となり、下部磁性層３１のみ磁化反転すればよいため、モーメントの総和が減少し、スピン注入磁化反転を低電流で行うことができる。また、図９（ｃ）に示すように、Ｄ＜０．９（ｔ１＋ｔ２）＋１３かつＤ＞０．９ｔ１＋１３で、温度ＴがＴＣ１＞Ｔ＞ＴＣ２のとき、上部磁性層３２は常磁性となり、下部磁性層３１は形状磁気異方性の寄与がなくなり面内に磁化が向く。このため、下部磁性層３１のみ９０°磁化反転すればよく、この構造においてもスピン注入磁化反転を低電流で行うことができる。
【００６７】
なお、記録層である第２の磁性層１２は、２層以上の磁性層で構成されていてもよい。また、温度の上昇は、配線に流す電流によるジュール熱によるものであってもよい。図９では、下部磁性層３１と上部磁性層３２との間でキュリー温度が異なる例を示しているが、より一般的には、キュリー温度以外の物性が異なっていてもよい。例えば、第１の非磁性層１３と接する下部磁性層３１は、磁気抵抗効果による抵抗変化が大きくなるように特化した材料で構成され、下部磁性層３１の上部に設けられる上部磁性層３２は、スピン注入磁化反転を低電流で行えることに特化した材料で構成されていてもよい。具体的には、下部磁性層３１には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用い、上部磁性層３２には、ダンピング定数の小さいＦｅを用いることにより、良好な書込み特性と読み出し特性とを両立することができる。
【００６８】
［第７の変形例］
図１０は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０の、第７の変形例を示している。図１０に示す第７の変形例では、記録層の書込みに要する電流を低減するために、以下の構成を有している。
【００６９】
この第７の変形例では、図１０（ａ）に示すように、第２の磁性層１２は、厚さｔ１の下部磁性層３３と、厚さｔ２の中間磁性層３４と、上部磁性層３５とから形成され、下部磁性層３３のキュリー温度ＴＣ１、中間磁性層３４のキュリー温度ＴＣ２、および上部磁性層３５のキュリー温度ＴＣ３が、ＴＣ１≧ＴＣ３＞ＴＣ２の関係になるよう構成されている。
【００７０】
この第７の変形例では、図１０（ｂ）に示すように、Ｄ＜０．９ｔ１＋１３かつＤ＞０．９ｔ３＋１３で、温度ＴがＴＣ１≧ＴＣ３＞Ｔ＞ＴＣ２のとき、中間磁性層３４は常磁性となり、上部磁性層３５が面内に磁化が向いた面内磁化分極層となり、下部磁性層３３の磁化反転をアシストするように働くため、スピン注入磁化反転を低電流で行うことができる。
【００７１】
［第８の変形例］
図１１および図１２は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子１０の、第８の変形例を示している。
スピン注入磁化反転方式よりも電界誘起磁化反転方式の方が書込みの低消費電力化を図ることができると期待されているため、第８の変形例では、電界誘起磁化反転方式の構成を有している。
【００７２】
この第８の変形例では、図１１に示すように、記録層である第２の磁性層１２の側面を覆う絶縁層４１と、絶縁層４１の外側に、第２の磁性層１２の側面に電界を印加可能に設けられた電界印加手段４２とを有している。第２の磁性層１２の層厚ｔと接合サイズＤとの関係を、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  とした構造では、側面の面積が大きくなるため、電界印加手段４２により記録層に電界をかけることにより、電界誘起磁化反転を助長することができる。
【００７３】
また、図１２に示すように、第２の磁性層１２の側面だけでなく、上面にも絶縁層４１と電界印加手段４２とを設けてもよい。この場合、より電界誘起磁化反転を助長することができる。
【００７４】
［本発明の実施の形態の磁気メモリ１］
図１３は、本発明の実施の形態の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）を示している。
図１３に示すように、磁気メモリ１は、それぞれ複数から成るソース線２とワード線３とビット線４とメモリセル５とを有している。
【００７５】
各ソース線２は、互いに平行に配置されている。各ワード線３は、各ソース線２と垂直に交差する方向に、互いに平行に配置されている。各ビット線４は、各ソース線２に平行に、互いに平行に配置されている。各ソース線２および各ビット線４は、互いに平行に、横方向に交互に並んで配置されている。各ソース線２および各ビット線４の一端は、電圧印加のためのライトドライバ６およびセンス増幅器７に電気的に接続されている。各ワード線３の一端は、ワードドライバ８に電気的に接続されている。
【００７６】
各メモリセル５は、各ビット線４と各ワード線３との各交点に配置されている。各メモリセル５は、選択トランジスタ９と磁気抵抗効果素子１０とを有している。選択トランジスタ９は、ゲート電極がワード線３に電気的に接続され、ソース電極が配線層を介してソース線２に電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子１０は、下部非磁性電極１４または上部非磁性電極１５を介して、第１の磁性層１１および第２の磁性層１２のいずれか一方が選択トランジスタ９のドレイン電極に電気的に接続され、他方がビット線４に電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子１０は、図２〜図３または図５〜図１２のいずれか１つから成っている。磁気メモリ１は、厚さ方向に沿って磁気抵抗効果素子１０に電流を印加可能に構成されている。
【００７７】
次に、作用について説明する。
「１」の書込み動作では、ライトドライバ６からソース線２に電圧を印加するとともに、ワードドライバ８からワード線３に電圧を印加することによって、ソース線２から磁気抵抗効果素子１０を介してビット線４に電流を流す。このとき、磁気抵抗効果素子１０の磁化方向が可変の記録層である第２の磁性層１２の磁化方向と、磁化方向が固定された参照層である第１の磁性層１１の磁化方向とが反平行状態となる。これにより、磁気抵抗効果素子１０は高抵抗状態となり、磁気抵抗効果素子１０の保持する情報は「１」となる。
【００７８】
一方、「０」の書込み動作では、ライトドライバ６からビット線４に電圧を印加するとともに、ワードドライバ８からワード線３に電圧を印加することによって、ビット線４から磁気抵抗効果素子１０を介してソース線２に電流を流す。このとき、磁気抵抗効果素子１０の磁化方向が可変の記録層である第２の磁性層１２の磁化方向と、磁化方向が固定された参照層である第１の磁性層１１の磁化方向とが平行状態となる。これにより、磁気抵抗効果素子１０は低抵抗状態となり、磁気抵抗効果素子１０の保持する情報は「０」となる。
【００７９】
読み出し時は、センス増幅器７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により、磁気抵抗変化率が大きく、書込み電流が小さく、従来構造よりも熱安定性が高い磁気抵抗効果素子１０を具備するＭＲＡＭを実現することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１  磁気メモリ
２  ソース線
３  ワード線
４  ビット線
５  メモリセル
６  ライトドライバ
７  センス増幅器
８  ワードドライバ
９  選択トランジスタ
１０  磁気抵抗効果素子
１１  第１の磁性層
２１  第１の磁性層
２２  第２の磁性層
２３  非磁性層
１２  第２の磁性層
２４  第１の磁性層
２５  非磁性層
２６  第２の磁性層
３１  下部磁性層
３２  上部磁性層
３３  下部磁性層
３４  中間磁性層
３５  上部磁性層
１３  第１の非磁性層
１４  下部非磁性電極
１５  上部非磁性電極
１６  第３の磁性層
１７  第２の非磁性層
１８  第３の非磁性層
１９  第４の磁性層
４１  絶縁層
４２  電界印加手段
【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８】
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【図９】
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【図１０】
2015060239.tif 000012
【図１１】
2015060239.tif 000013
【図１２】
2015060239.tif 000014
【図１３】
2015060239.tif 000015
【図１４】
2015060239.tif 000016
【図１５】
2015060239.tif 000017
【図１】
2015060239.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月23日(2015.2.23)
【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】
磁化方向が不変である第１の磁性層と、磁化方向が可変である第２の磁性層と、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の厚さ方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記第２の磁性層は、前記厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、
Ｄ＜０．９ｔ＋１３
の関係を有していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
前記第１の磁性層も、
Ｄ＜０．９ｔ＋１３
の関係を有してい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１１】
磁化方向が不変である第１の磁性層と、磁化方向が可変である第２の磁性層と、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の厚さ方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の少なくともいずれか一方は、前記厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、
Ｄ＜ｔ
の関係を有していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
Ｄ＜０．９ｔ＋１３の関係を有する前記第２の磁性層または、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層は、前記接合サイズが３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または１０記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
Ｄ＜ｔの関係を有する前記第１の磁性層および／または前記第２の磁性層は、前記接合サイズが３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１の磁性層は、磁化が互いに反平行になるよう、２つの磁性層が非磁性層を介して結合された反平行結合積層構造を有していることを特徴とする請求項１および１０乃至１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に配置された、磁化方向が不変である第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に配置された第２の非磁性層とを、
有することを特徴とする請求項１および１０乃至１４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記第２の磁性層は、互いに異なる材料から成る複数の磁性層を有することを特徴とする請求項１および１０乃至１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記第２の磁性層の前記厚さ方向に沿った側面に電界を印加可能に設けられた電界印加手段を有することを特徴とする請求項１および１０乃至１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
互い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、
ゲート電極が前記ワード線に電気的に接続され、ソース電極が前記ソース線に電気的に接続された選択トランジスタと、
前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置され、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層のいずれか一方が前記選択トランジスタの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た請求項１および１０乃至１７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子とを備え、
前記厚さ方向に沿って前記磁気抵抗効果素子に電流を印加可能に構成されていることを
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】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
０．９ｔ＋１３の領域では、接合サイズＤに対して層厚ｔが大きくなるに従って、熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴも大きくなっていくことがわかる。また、Ｄ＜０．９ｔ＋１３の領域では、接合サイズＤが比較的小さいときでも、大きい熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴが得られている。例えば、Ｄ＝３０ｎｍのとき、ｔ≧２０ｎｍとすれば、Ｅ／ｋＢＴ≧７０を得ることができる。図１（ａ）を非特許文献４および５の結果と比較すると、Ｄ＜０．９ｔ＋１３とすることにより、より小さい接合サイズＤでも、非特許文献４および５よりも大きい熱安定性指数が得られることがわかる。なお、図１（ａ）のＤ＜０．９ｔ＋１３の領域で、Ｅ／ｋＢＴ≧７０が得られていない領域においても、強磁性層のＭａを増加させることにより、熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴの増大を図ることができる。
［００１７］
なお、（１）式において、ＫｂおよびＫｉを０ｍＪ／ｍ２と仮定し、Ｍａを１．４５Ｔとしたときの熱安定性指数の計算結果を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、Ｄ＞ｔの領域では面内容易軸となり、Ｄ＜ｔの領域では垂直磁化容易軸となっている。これを図１（ａ）と比較すると、Ｋｉの値がゼロに近くなるに従って、図中での面内容易軸と垂直磁化容易軸との境界線が、下方に移動するとともに、その傾きがやや急になることがわかる。図１（ｂ）の結果から、Ｋｉの値が不明の場合や、ゼロに近いと考えられる場合には、Ｄ＜ｔとすることにより、確実に大きい熱安定性指数を得ることができるといえる。
［００１８］
以上の検討結果から、本発明者等は本発明に至った。
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の磁性層と、磁化方向が可変である第２の磁性層と、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の厚さ方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、前記第２の磁性層は、前記厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有してい
【手続補正３】
【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】
ることを特徴とする。本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記第１の磁性層も、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有していてもよい。
［００１９］
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の磁性層が参照層として機能し、磁化方向が可変である第２の磁性層が記録層として機能するようになっている。本発明に係る磁気抵抗効果素子は、第２の磁性層または、第１の磁性層および第２の磁性層が、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有しているため、熱安定性を高めることができる。接合サイズおよび層厚を適切に定めることにより、熱安定性指数７０以上の熱安定性を得ることができる。
［００２０］
熱安定性指数７０以上の熱安定性を得るために、一般にＫｂを増加させた材料や薄層化によりＫｉを増加させた材料を磁性層に適用する方法がある。このような、ＫｂやＫｉを増加させた材料では、磁気ダンピング定数が大きいことが知られている。スピン注入磁化反転方式では、熱安定性を増加させ且つビット情報を書込むときの書込み電流を低減するためには、磁気ダンピング定数を小さくする必要がある。したがって、ＫｂやＫｉの大きな材料を適用した磁気抵抗効果素子では、書込み電流を低減することが困難である。これに対して、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、ＫｂやＫｉの大きな材料を用いずに、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  とすることで高い熱安定性を得ることができるため、低磁気ダンピング定数の磁性層を適用することができ、書込み電流を小さくすることができる。
［００２１］
特に、本発明に係る磁気抵抗効果素子で、選択トランジスタに流せる電流の制約から、高い熱安定性を維持しつつ接合サイズを小さくして書込み電流を低減するためには、Ｄ＜０．９ｔ＋１３の関係を有する第２の磁性層または、第１の磁性層および第２の磁性層は、前記接合サイズが３０ｎｍ以下であることが好ましい。また、図１（ａ）から、磁性層がＣｏＦｅＢの場合に熱安定性指数７０以上の熱安定性を得るために、Ｄ＜０．９ｔ＋１３の関係を有する第２の磁性層または、第１の磁性層および第２の磁性層は、さらに層厚が１０ｎｍ以
【手続補正書】
【提出日】平成27年6月3日(2015.6.3)
【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】
磁化方向が厚さ方向に沿って上向きまたは下向きで不変である第１の磁性層と、磁化方向が厚さ方向に沿って上下に可変である第２の磁性層と、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の厚さ方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記第２の磁性層は、前記厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、
Ｄ＜０．９ｔ＋１３
の関係を有していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
（削除）
【請求項１０】
前記第１の磁性層も、
Ｄ＜０．９ｔ＋１３
の関係を有してい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１１】
磁化方向が厚さ方向に沿って上向きまたは下向きで不変である第１の磁性層と、磁化方向が厚さ方向に沿って上下に可変である第２の磁性層と、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の厚さ方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の少なくともいずれか一方は、前記厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、
Ｄ＜ｔ
の関係を有していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
Ｄ＜０．９ｔ＋１３の関係を有する前記第２の磁性層または、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層は、前記接合サイズが３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または１０記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
Ｄ＜ｔの関係を有する前記第１の磁性層および／または前記第２の磁性層は、前記接合サイズが３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１の磁性層は、磁化が互いに反平行になるよう、２つの磁性層が非磁性層を介して結合された反平行結合積層構造を有していることを特徴とする請求項１および１０乃至１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に配置された、磁化方向が不変である第３の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に配置された第２の非磁性層とを、
有することを特徴とする請求項１および１０乃至１４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記第２の磁性層は、互いに異なる材料から成る複数の磁性層を有することを特徴とする請求項１および１０乃至１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記第２の磁性層の前記厚さ方向に沿った側面に電界を印加可能に設けられた電界印加手段を有することを特徴とする請求項１および１０乃至１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
互い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、
ゲート電極が前記ワード線に電気的に接続され、ソース電極が前記ソース線に電気的に接続された選択トランジスタと、
前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置され、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層のいずれか一方が前記選択トランジスタの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た請求項１および１０乃至１７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子とを備え、
前記厚さ方向に沿って前記磁気抵抗効果素子に電流を印加可能に構成されていることを
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】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
０．９ｔ＋１３の領域では、接合サイズＤに対して層厚ｔが大きくなるに従って、熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴも大きくなっていくことがわかる。また、Ｄ＜０．９ｔ＋１３の領域では、接合サイズＤが比較的小さいときでも、大きい熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴが得られている。例えば、Ｄ＝３０ｎｍのとき、ｔ≧２０ｎｍとすれば、Ｅ／ｋＢＴ≧７０を得ることができる。図１（ａ）を非特許文献４および５の結果と比較すると、Ｄ＜０．９ｔ＋１３とすることにより、より小さい接合サイズＤでも、非特許文献４および５よりも大きい熱安定性指数が得られることがわかる。なお、図１（ａ）のＤ＜０．９ｔ＋１３の領域で、Ｅ／ｋＢＴ≧７０が得られていない領域においても、強磁性層のＭｓを増加させることにより、熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴの増大を図ることができる。
［００１７］
なお、（１）式において、ＫｂおよびＫｉを０ｍＪ／ｍ２と仮定し、Ｍｓを１．４５Ｔとしたときの熱安定性指数の計算結果を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、Ｄ＞ｔの領域では面内容易軸となり、Ｄ＜ｔの領域では垂直磁化容易軸となっている。これを図１（ａ）と比較すると、Ｋｉの値がゼロに近くなるに従って、図中での面内容易軸と垂直磁化容易軸との境界線が、下方に移動するとともに、その傾きがやや急になることがわかる。図１（ｂ）の結果から、Ｋｉの値が不明の場合や、ゼロに近いと考えられる場合には、Ｄ＜ｔとすることにより、確実に大きい熱安定性指数を得ることができるといえる。
［００１８］
以上の検討結果から、本発明者等は本発明に至った。
すなわち、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向が厚さ方向に沿って上向きまたは下向きで不変である第１の磁性層と、磁化方向が厚さ方向に沿って上下に可変である第２の磁性層と、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の厚さ方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、前記第２の磁性層は、前記厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、層厚ｔ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜０．９ｔ＋１３  の関係を有してい
【国際調査報告】
2015060239.tif 000019
2015060239.tif 000020