(57)【要約】【課題】磁化反転に必要な書き込み電流をより低減する。【解決手段】磁気抵抗素子１０は、磁化の方向が固定された固定層１１と、膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能な自由層１３と、膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能であり、かつ自由層１３の磁化の方向の変化をアシストするアシスト層１５と、固定層１１と自由層１３との間に設けられ、かつ非磁性体からなる中間層１２と、自由層１３とアシスト層１５との間に設けられ、かつ非磁性体からなる中間層１４とを具備する。そして、アシスト層１５の磁化反転のためのエネルギー障壁は、自由層１３の磁化反転のためのエネルギー障壁よりも小さい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の方向が固定された固定層と、
膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能な自由層と、
膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能であり、かつ前記自由層の磁化の方向の変化をアシストするアシスト層と、
前記固定層と前記自由層との間に設けられ、かつ非磁性体からなる第１の中間層と、
前記自由層と前記アシスト層との間に設けられ、かつ非磁性体からなる第２の中間層と、
を具備し、
前記アシスト層の磁化反転のためのエネルギー障壁は、前記自由層の磁化反転のためのエネルギー障壁よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記アシスト層は、超常磁性体からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記自由層及び前記固定層は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記アシスト層は、強磁性体、或いはフェリ磁性体からなり、
前記アシスト層の磁気異方性は、前記自由層の磁気異方性よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記アシスト層は、強磁性体、或いはフェリ磁性体からなり、
前記アシスト層の飽和磁化と膜厚との積は、前記自由層の飽和磁化と膜厚との積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記固定層、前記自由層、及び前記アシスト層は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記固定層、前記自由層、及び前記アシスト層は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、
前記アシスト層の飽和磁化は、前記自由層の飽和磁化よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記固定層、前記自由層、及び前記アシスト層は、面内方向の磁気異方性を有し、
前記アシスト層の飽和磁化は、前記自由層の飽和磁化よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記第１の中間層は、絶縁体、或いは半導体からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
前記第２の中間層は、導電体からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
前記第１及び第２の電極に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗素子に双方向に電流を供給する書き込み回路をさらに具備することを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１３】
前記メモリセルは、前記第２の電極と前記書き込み回路との間に電気的に接続された選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項１２に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しい原理に基づいて情報を記録する固体メモリが多数提案されているが、中でも、固体磁気メモリとして、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が脚光を浴びている。ＭＲＡＭは、データをＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の磁化状態により記憶する点に特徴を有する。
【０００３】
従来型の配線電流による磁場で書き込みを行うＭＲＡＭにおいては、ＭＴＪ素子サイズを縮小すると保持力Ｈｃが大きくなるために、書き込みに必要な電流が大きくなる傾向がある。実際には、２５６Ｍｂｉｔｓ以上の大容量を有するＭＲＡＭを作製するには、チップサイズの縮小が必要であり、それを実現するためにはチップ内におけるセルアレイ占有率を上げ、ＭＴＪ素子サイズの縮小を抑えつつ、書き込み電流のμＡレベルへの低減が必要である。ＭＴＪ素子サイズの縮小と書き込み電流の低減は、相反的な関係にあり、従来型ＭＲＡＭでは、２５６Ｍｂｉｔｓを超えるような大容量化に向けたセルサイズの微細化と低電流化の両立は困難である。
【０００４】
このような課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（ＳＭＴ：Spin Momentum Transfer）書き込み方式を用いたＭＲＡＭが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。スピン角運動量移動（以下、スピン注入ともいう）磁化反転では、磁化反転に必要な電流Ｉｃは、電流密度Ｊｃで規定される。従って、素子面積が小さくなれば、磁化反転に必要な電流Ｉｃも小さくなる。
【０００５】
先に述べた従来型の磁場書き込み方式に比べると、電流密度を一定にして書き込む場合、ＭＴＪ素子サイズが小さくなれば書き込み電流も小さくなるために、スケーラビリティ性に優れることが期待される。しかしながら、現状のスピン注入ＭＲＡＭにおいては、その磁化反転に必要な電流密度Ｊｃは１０ｍＡ／ｃｍ2以上と非常に大きく、１００ｎｍ2サイズのＭＴＪ素子を用いた場合でも、書き込み電流としては１ｍＡ程度必要となる。
【０００６】
これは、スピン注入磁化反転方式の場合、双方向の通電が必要となり、通電方向によりスピン注入効率が異なることに起因している。すなわち、スピン注入磁化反転カーブは非対称となる。これは、磁化自由層と磁化固定層との磁化配列が平行から反平行になるように自由層の磁化方向を反転させる場合の電流は、反平行から平行に反転させる場合に比べて２倍程度必要となるからである。
【０００７】
この非対称性に伴う問題として、自由層と固定層との磁化配列が反平行から平行に反転するようにＭＴＪ素子に通電して書き込む場合は、電流閾値が小さく問題がない。しかし、自由層と固定層との磁化配列が平行から反平行に反転するようにＭＴＪ素子に通電して書き込む場合には、大きな書き込み電流が必要となる。これが原因となり、一定の電流密度Ｉp-apでＭＴＪ素子にデータを書き込むとすると、ＴＭＲ効果に見合った分だけ反平行配列時の素子抵抗Ｒapが上昇することになり、結果的に、書き込み電圧Ｖp-apが上昇する。
【０００８】
従って、トンネルバリア層の耐圧が十分高くない場合、磁化配列が反平行になる前に、トンネルバリア層の破壊電圧Ｖbdに到達してしまい、トンネルバリア層が絶縁破壊してしまう。また、たとえ絶縁破壊しなくとも、高電圧下での動作信頼性が確保されないという問題がある。
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【非特許文献１】C. Slonczewski, “Current-driven ecitation of magnetic multilayers”, JORNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS, VOLUME 159, 1996, pp.L1-L7
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、磁化反転に必要な書き込み電流をより低減することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた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】
【００１０】
本発明の第１の視点に係る磁気抵抗素子は、磁化の方向が固定された固定層と、膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能な自由層と、膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能であり、かつ前記自由層の磁化の方向の変化をアシストするアシスト層と、前記固定層と前記自由層との間に設けられ、かつ非磁性体からなる第１の中間層と、前記自由層と前記アシスト層との間に設けられ、かつ非磁性体からなる第２の中間層とを具備する。そして、前記アシスト層の磁化反転のためのエネルギー障壁は、前記自由層の磁化反転のためのエネルギー障壁よりも小さいことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の視点に係る磁気メモリは、上記第１の視点に係る磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、磁化反転に必要な書き込み電流をより低減することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１４】
（第１の実施形態）
［１］  磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子という）の構成及び磁化反転動作
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＲ素子１０の構成を示す断面図である。図１は、本実施形態のＭＲ素子１０の基本構成を示している。図中の矢印は、磁化方向を示している。
【００１５】
ＭＲ素子１０は、磁化固定層（ピン層）１１、第１の中間層（非磁性層）１２、磁化自由層（フリー層、記録層ともいう）１３、第２の中間層（非磁性層）１４、磁化反転アシスト層（アシスト層）１５が順に積層された積層構造を有している。なお、この基本構成は、積層順序が逆転していても構わない。
【００１６】
ここで、本ＭＲ素子１０では、中間層１２を挟むピン層１１及びフリー層１３の磁化状態の違いに起因する低抵抗状態及び高抵抗状態を検出し、“１”状態及び“０”状態を判別する。中間層１２としてオーミック伝導を示すような材料、例えば、金属材料を用いる場合は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistive）効果が発現する。一方、中間層１２としてトンネル伝導を示すような絶縁体、或いは半導体を用いる場合は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が発現し、このＭＲ素子をトンネル型磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）、或いは、磁気抵抗効果型トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）と呼ぶ。
【００１７】
ピン層１１は、磁化（或いはスピン）の方向が固着されている。フリー層１３及びアシスト層１５は、磁化方向が変化（反転）する。図１においては、ピン層１１及びフリー層１３の容易磁化方向は膜面（或いは積層面）に対して垂直である（以下、垂直磁化という）。すなわち、ピン層１１及びフリー層１３は、垂直磁気異方性を有している。本実施形態では、磁化方向は膜面に対して平行（以下、面内磁化という）であっても別段問題はない。この場合は、ピン層１１及びフリー層１３は、面内磁気異方性を有している。
【００１８】
但し、ピン層１１及びフリー層１３の容易磁化方向、すなわち、膜面に垂直方向か平行方向かは同じでなければならない。図１に示したのは、アシスト層１５に強磁性体、或いはフェリ磁性体を用いる場合であって、この場合は、ピン層１１、フリー層１３、及びアシスト層１５の容易磁化方向は同じでなければならない。
【００１９】
図１では、フリー層１３として垂直磁化膜を用いている。フリー層１３に垂直磁化膜を用いることにより、ＭＲ素子のアスペクト比Ａｒ（素子の短辺長と長辺長との比、すなわち、Ａｒ＝長辺長／短辺長）を１に設計することが可能となる。これは、面内磁化膜の場合は、熱的に安定するのに必要な異方性磁界は形状磁気異方性エネルギーにより賄われるために、ＭＴＪ素子のアスペクト比が１より大きくなる。これに対して、垂直磁化膜の場合は、熱的に安定するのに必要な異方性磁界は結晶磁気異方性エネルギーにより賄われるために、この異方性磁界はＭＲ素子のアスペクト比に依存しないからである。この結果、ＭＲ素子に垂直磁化膜を用いた場合、ＭＲ素子サイズを微細化することが可能となる。この場合、磁化反転に必要な電流密度Ｊｃが同じＴＭＲ膜を用いたならば、同じＭＲ素子幅を有する面内磁化膜と垂直磁化膜との磁化反転電流Ｉｃは、垂直磁化膜の方がアスペクト比Ａｒが小さいので低減される。
【００２０】
このように構成されたＭＲ素子１０において、データの書き込みは、以下のように行われる。なお、本実施形態において、電流は、電子の流れをいうものとする。先ず、ＭＲ素子１０は、膜面に垂直な方向において、双方向に電流通電される。
【００２１】
これにより、フリー層１３に、マジョリティーとマイノリティーとに偏極した電子スピンが供給される。そして、マジョリティーな電子スピンのスピン角運動量がフリー層１３に移動することにより、スピントルクがフリー層１３に印加され、フリー層１３の磁化回転を誘起する。スピントルクは、ピン層（或いはアシスト層）とフリー層との磁化方向の単位ベクトルの外積で表されるので、ピン層とアシスト層との両方からフリー層にスピントルクを印加できる。これにより、スピン注入による磁化反転電流を低減できる。
【００２２】
本実施形態においては、従来のデュアルピン構造（フリー層の両側にそれぞれ中間層を介して２つのピン層が配置される構造）のＭＲ素子と比べて、アシスト層１５の磁化を固着する必要がなく、かつ従来のデュアルピン構造と同様に高いスピン注入効率を得られるという効果がある。これにより、アシスト層１５の磁化配列の設計が容易となる。
【００２３】
以下に、本実施形態の効果が発揮される場合の磁化反転機構について、より詳細かつ具体的に説明する。本実施形態においては、アシスト層１５の磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁（Ｅ_ast）は、フリー層１３の磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁（Ｅ_free）よりも小さくなるように設定される。
【００２４】
ここで、実効的な磁気異方性エネルギーをＫeff、磁性体体積をＶとすると、磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁Ｅは、次式で表される。
【００２５】
Ｅ＝Ｋeff・Ｖ
従って、アシスト層１５のエネルギー障壁（Ｅ_ast）と、フリー層１３のエネルギー障壁（Ｅ_free）との関係は、次式で表される。
【００２６】
（Ｋeff・Ｖ）ast＜（Ｋeff・Ｖ）free
また、フリー層１３の磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁（Ｅ_free）は、ピン層１１の磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁（Ｅ_pin）よりも小さくなるように設定される。従って、ピン層１１のエネルギー障壁（Ｅ_pin）と、フリー層１３のエネルギー障壁（Ｅ_free）との関係は、次式で表される。
【００２７】
（Ｋeff・Ｖ）free＜（Ｋeff・Ｖ）pin
これにより、ピン層１１、フリー層１３、及びアシスト層１５のエネルギー障壁の関係は、次式で表される。
【００２８】
（Ｋeff・Ｖ）ast＜（Ｋeff・Ｖ）free＜（Ｋeff・Ｖ）pin
このように、本実施形態のＭＲ素子１０は、従来のデュアルピン構造のＭＲ素子の設計方針である、
（Ｋeff・Ｖ）ast＞（Ｋeff・Ｖ）free、かつ、（Ｋeff・Ｖ）free＜（Ｋeff・Ｖ）pin
とは異なる。
【００２９】
Ｅ_ast＜Ｅ_freeの関係を実現するには、フリー層１３及びアシスト層１５の材料設計を以下のようにすればよい。フリー層１３とアシスト層１５とが同じ磁気異方性エネルギーを有する（Ｋeff_free＝Ｋeff_ast）場合は、フリー層１３の体積Ｖ_freeと、アシスト層１５の体積Ｖ_astとの関係は、次式で表される。
【００３０】
Ｖ_ast＜Ｖ_free
また、フリー層１３とアシスト層１５とが同じ面積（Ｓ_free＝Ｓ_ast）の場合は、フリー層１３の膜厚ｔ_freeと、アシスト層１５の膜厚ｔ_astとの関係は、次式で表される。
【００３１】
ｔ_ast＜ｔ_free
また、フリー層１３とアシスト層１５とが同じ体積（Ｖ_free＝Ｖ_ast）の場合は、フリー層１３の実効的な異方性エネルギーＫeff_freeと、アシスト層１５の実効的な異方性エネルギーＫeff_astとの関係は、次式で表される。
【００３２】
Ｋeff_ast＜Ｋeff_free
ここで、面内磁化膜の場合、異方性エネルギーＫeffは、次式で表される。
【００３３】
Ｋeff＝Ｋｃ＋Ｋshape＝Ｋｃ＋Ｍｓ・４πＣshapeＭｓ
Ｋshape：形状異方性エネルギー、Ｋｃ：結晶磁気異方性エネルギー、Ｃshape：形状に応じた面内磁化反転の反磁界係数、Ｍｓ：飽和磁化である。
【００３４】
また、垂直磁化膜の場合、異方性エネルギーＫeffは、次式で表される。
【００３５】
Ｋeff＝Ｋｃ−２πＭｓ・Ｍｓ
従って、フリー層１３とアシスト層１５との結晶磁気異方性エネルギーＫｃが同じである場合、面内磁化フリー層１３の飽和磁化Ｍｓ_freeは、面内磁化アシスト層１５の飽和磁化Ｍｓ_astよりも大きくなるように設定される。
【００３６】
Ｍｓ_ast＜Ｍｓ_free
一方、フリー層１３とアシスト層１５との結晶磁気異方性エネルギーＫｃが同じである場合、垂直磁化フリー層１３の飽和磁化は、垂直磁化アシスト層１５の飽和磁化よりも小さくなるように設定される。
【００３７】
Ｍｓ_ast＞Ｍｓ_free
アシスト層１５は、磁化が自由に動くことができる。また、アシスト層１５の磁化方向とフリー層１３の磁化方向との関係は一意に定義されない。すなわち、本実施形態のフリー層１３、中間層１４、及びアシスト層１５のユニットは、常に反強磁性結合しているＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnet）構造のフリー層とは区別される。さらに具体的には、電流通電がない場合には、磁気的な結合エネルギー（例えば、層間結合エネルギー、或いは静磁結合エネルギー）は、アシスト層１５の磁化反転エネルギーを超えることはない。すなわち、電流通電がない場合に、アシスト層１５は、フリー層１３との磁気的結合により磁化方向が規定されているわけではない。
【００３８】
次に、図２を用いて、フリー層１３の反平行磁化状態（高抵抗状態）から平行磁化状態（低抵抗状態）への磁化反転について説明する。この場合、ＭＲ素子１０には、ピン層１１側から電子が供給される。フリー層１３が磁化反転する臨界電流をＩｃと定義する。また、アシスト層が磁化反転する臨界電流をＩastと定義する。ここで、ＭＲ素子１０に通電される実効的な電流Ｉは、便宜的に変化させていく順序でＩ１、Ｉ２、Ｉ３（Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３）と記述した。
【００３９】
先ず、ピン層１１からフリー層１３にスピン流Ｉ１が注入される。この時、Ｉ１＜Ｉast＜Ｉｃである。スピン流Ｉ１の角運動量はフリー層１３に移動されるために、フリー層１３を抜けていく電子はフリー層１３の磁化方向に応じてスピン偏極され、このスピン偏極された電子がアシスト層１５に注入される（図２（ａ）参照)。
【００４０】
次に、あるスピン流Ｉ２がフリー層１３からアシスト層１５に注入されると、アシスト層１５がフリー層１３と同じ磁化方向に揃えられるように磁化反転する（図２（ｂ）参照）。この時、Ｉast＜Ｉ２＜Ｉｃである。次に、アシスト層１５により反射された電子のスピンがフリー層１３に注入される。そして、ピン層１１及びアシスト層１５からフリー層１３に臨界電流Ｉｃを超えるスピン流Ｉ３が注入されると、フリー層１３がピン層１１と同じ磁化方向に揃えられるように磁化反転する（図２（ｃ）参照）。
【００４１】
フリー層１３の磁化反転直前のピン層１１とアシスト層１５との磁化配列では、ピン層１１からのスピン注入効果と、アシスト層１５からのスピン反射の効果（スピン蓄積効果）の両方が存在する。これにより、ピン層１１とフリー層１３との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはＭＲ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、この場合をデータ“０”と規定する。
【００４２】
次に、図３を用いて、フリー層１３の平行磁化状態（低抵抗状態）から反平行磁化状態（高抵抗状態）への磁化反転について説明する。この場合、ＭＲ素子１０には、アシスト層１５側から電子が供給される。
【００４３】
先ず、フリー層１３により反射された電子のスピン流Ｉ１がアシスト層１５に注入される（図３（ａ）参照)。この時、Ｉ１＜Ｉast＜Ｉｃである。アシスト層１５に注入されるスピン流がＩ２になると、アシスト層１５は、フリー層１３と反平行な磁化配列となる。この時、Ｉast＜Ｉ２＜Ｉｃである。次に、アシスト層１５によりスピン偏極された電子のスピン流Ｉ３がフリー層１３に注入される。また、ピン層１１により反射された電子のスピン流Ｉ３がフリー層１３に注入される（図３（ｂ）参照）。これにより、フリー層１３がピン層１１と逆の磁化方向に揃えられるように磁化反転する（図３（ｃ）参照）。この時、Ｉast＜Ｉｃ＜Ｉ３である。
【００４４】
フリー層１３の磁化反転直前のピン層１１とアシスト層１５との磁化配列では、アシスト層１５からのスピン注入効果と、ピン層１１からのスピン反射の効果の両方が存在する。これにより、ピン層１１とフリー層１３との磁化方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはＭＲ素子１０の抵抗値は最も大きくなり、この場合をデータ“１”と規定する。
【００４５】
次に、データの読み出しは、以下のように行われる。ＭＲ素子１０に読み出し電流Ｉｒを流し、ＭＲ素子１０の抵抗値の変化を検出する。この読み出し電流Ｉｒは、書き込み電流よりも小さい値に設定される。より具体的には、読み出し電流Ｉｒは、フリー層１３の磁化反転電流Ｉｃより十分に小さな電流に設定されることが好ましい。ここでいう、「十分小さな電流」とは、Ｉastよりも小さな電流であり、さらには、Ｉastの１／２以下程度であることが好ましい。
【００４６】
［２］  アシスト層１５の他の構成例
一般的なデュアルピン構造の場合、フリー層１３／中間層１２／ピン層１１のユニットと、アシスト層１５／中間層１４／フリー層１３のユニットとでそれぞれ発現するＭＲが互いに相殺するために、ＭＲ素子の最大のＭＲが低下するという問題がある。
【００４７】
図４は、アシスト層１５の他の構成を示す断面図である。本実施形態では、アシスト層１５に磁化反転エネルギーが非常に小さい超常磁性体（スーパーパラ磁性体）を用いる。スーパーパラ磁性体は、局所的に磁化を有するが、残留状態での磁化はゼロであり、等方的（ランダム）である。従って、フリー層１３とピン層１１との間では中間層１２を介して磁気抵抗効果が発現するが、ランダムな磁化配列を有するアシスト層１５との間では中間層１４を介した磁気抵抗効果は発現しない。これは、大きなメリットであり、デュアルピン構造を有するＭＲ素子で問題であった２つ目のピン層による読み出し出力の劣化を回避することが可能となる。
【００４８】
このため、中間層１２及び中間層１４の両方で同じ材料、例えば、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯx（酸化アルミニウム）などの絶縁体を用いた場合、ピン層及びアシスト層によって高いスピン注入効率が得られると同時に、磁気抵抗効果が一方の中間層１２のみで発現するためにＭＲ比が相殺しないという効果を有している。
【００４９】
次に、図５を用いて、フリー層１３の反平行磁化状態（高抵抗状態）から平行磁化状態（低抵抗状態）への磁化反転について説明する。この場合、ＭＲ素子１０には、ピン層１１側から電子が供給される。ここで、フリー層１３が磁化反転する臨界電流をＩｃと定義する。また、超常磁性体からなるアシスト層１５の磁化が一方向に配列し、磁化方向が規定され得る電流をＩastと定義する。ＭＲ素子１０に通電される実効的な電流Ｉは、便宜的に変化させていく順序でＩ１、Ｉ２、Ｉ３（Ｉ１＜Ｉ２＜Ｉ３）と記述した。
【００５０】
先ず、ピン層１１からフリー層１３にスピン流Ｉ１が注入される。この時、Ｉ１＜Ｉast＜Ｉｃである。スピン流Ｉ１の角運動量はフリー層１３に移動されるために、フリー層１３を抜けていく電子はフリー層１３の磁化方向に応じてスピン偏極され、このスピン偏極された電子がアシスト層１５に注入される（図５（ａ）参照)。
【００５１】
続いて、フリー層１３からのスピン流Ｉ２により、アシスト層１５の磁化方向は、フリー層１３の磁化方向と同じ方向に揃えられる（図５（ｂ）参照）。この時、Ｉast＜Ｉ２＜Ｉｃである。次に、アシスト層１５により反射された電子のスピンがフリー層１３に注入される。ピン層１１及びアシスト層１５からフリー層１３に臨界電流Ｉｃを超えるスピン流が注入されると、フリー層１３がピン層１１と同じ磁化方向に揃えられるように磁化反転する（図５（ｃ）参照）。この時、Ｉast＜Ｉｃ＜Ｉ３である。その後、ＭＲ素子１０への電子の供給が停止されると、アシスト層１５の磁化はランダムになる。
【００５２】
次に、図６を用いて、フリー層１３の平行磁化状態（低抵抗状態）から反平行磁化状態（高抵抗状態）への磁化反転について説明する。この場合、ＭＲ素子１０には、アシスト層１５側から電子が供給される。
【００５３】
先ず、フリー層１３により反射された電子のスピン流Ｉ１がアシスト層１５に注入される（図６（ａ）参照）。この時、Ｉ１＜Ｉast＜Ｉｃである。アシスト層１５に注入されるスピン流がＩ２になると、アシスト層１５は、フリー層１３と反平行な磁化配列となる。この時、Ｉast＜Ｉ２＜Ｉｃである。次に、アシスト層１５によりスピン偏極された電子のスピン流Ｉ３がフリー層１３に注入される。また、ピン層１１により反射された電子のスピン流Ｉ３がフリー層１３に注入される（図６（ｂ）参照）。これにより、フリー層１３がピン層１１と逆の磁化方向に揃えられるように磁化反転する（図６（ｃ）参照）。この時、Ｉast＜Ｉｃ＜Ｉ３である。その後、ＭＲ素子１０への電子の供給が停止されると、アシスト層１５の磁化はランダムになる。
【００５４】
従来のデュアルピン構造においては、高いスピン注入効率は得られるものの、中間層１２及び中間層１４の両方で互いに相反な磁気抵抗効果が発現するために、読み出し時に必要なＴＭＲ比を下げてしまうという問題が生じていたが、アシスト層１５にスーパーパラ磁性体を用いることで、このような問題を回避することができる。
【００５５】
［３］  ＭＴＪ積層構成
図を用いてＭＴＪ膜の主な構成例について説明する。
【００５６】
図７には、ＭＲ素子１０の基本となる積層構成を示している。ピン層１１、中間層１２、フリー層１３、中間層１４、アシスト層１５からなる基本構成は、図１と同じである。基板（図示せず）側の最下層には、基本構成の結晶配向性或いは結晶性を制御するための下地層１６が設けられている。この下地層１６には、非磁性金属が用いられる。最上層には、基本構成を酸化及び腐食などの劣化から保護するためのキャップ層１７が設けられている。キャップ層１７には、非磁性金属が用いられる。これら非磁性金属としては、Ｗ（タングステン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、或いはＡｌＣｕなどが用いられる。
【００５７】
図８には、界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層を備えたＭＲ素子１０について示している。ピン層１１と中間層１２との間には、界面ピン層２１が設けられている。中間層１２とフリー層１３との間には、界面フリー層２２が設けられている。フリー層１３と中間層１４との間には、界面フリー層２３が設けられている。中間層１４とアシスト層１５との間には、界面アシスト層２４が設けられている。界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層は、磁気抵抗効果を増大させる効果があり、さらには、スピン注入書き込み時に書き込み電流を低減する効果がある。
【００５８】
図８に示した構成は、主に保磁力差型のＭＲ素子に用いられる。この場合、磁化方向は、垂直磁化でも、面内磁化でもよい。アシスト層１５に超常磁性体を用いる場合は、界面アシスト層２４は挿入されない。図９には、アシスト層１５が超常磁性体である場合のＭＲ素子１０について示している。
【００５９】
フリー層の両側にそれぞれ界面フリー層を挿入する場合は、実質的なフリー層の膜厚は、フリー層と界面フリー層との膜厚の和になる。フリー層１３の膜厚、或いは飽和磁化と膜厚との積を比較する場合は、フリー層と界面フリー層との膜厚の和を用いる。また、磁気特性に関しても、界面フリー層とフリー層との総合的な特性が、実質的なフリー層の磁気特性とされる。
【００６０】
同様に、界面ピン層を挿入する場合は、実質的なピン層の膜厚は、ピン層と界面ピン層との膜厚の和になる。ピン層の膜厚、或いは飽和磁化と膜厚との積を比較する場合は、ピン層と界面ピン層との膜厚の和を用いる。また、磁気特性に関しても、界面ピン層とピン層との総合的な特性が、実質的なピン層の磁気特性とされる。界面アシスト層についても同様である。
【００６１】
面内磁化膜を用いたＭＴＪ膜においては、ピン層に軟磁性を有する強磁性体膜が用いられる。この場合は、下地層１６とピン層１１との間に反強磁性層２５を挿入する。これにより、ピン層１１と反強磁性層２５との交換結合により、ピン層１１の磁化が一方向に固着される。同時に、ピン層１１と反強磁性層２５との交換結合により、ピン層１１には高い磁気異方性エネルギーが付与され、ピン層１１としての機能が付与される。また、図１０に示すように、垂直磁化膜を用いたＭＴＪ膜においても、ピン層１１が反強磁性層２５により磁化固着されていても構わない。
【００６２】
さらに、アシスト層１５においても、反強磁性体との交換結合を利用してもよい。但し、アシスト層１５の磁化反転エネルギー障壁（Ｅ_ast）が、フリー層１３の磁化反転エネルギー障壁（Ｅ_free）を超えない場合に限られる。
【００６３】
また、図１１に示すように、ピン層１１としては、磁性層１１Ｃ／非磁性層１１Ｂ／磁性層１１Ａの構成からなり、磁気的には反強磁性的な磁化方向を有するＳＡＦ構造のピン層１１を用いてもよい。なお、積層膜の記載において、“／”の左側が上層、右側が下層を表している。
【００６４】
ＳＡＦ構造の非磁性層１１Ｂには、Ｒｕ（ルテニウム）やＯｓ（オスミウム）などの金属材料が用いられ、その膜厚は３ｎｍ以下に設定される。これは、非磁性層１１Ｂを介して、磁性層１１Ｃ及び１１Ａの十分強い反強磁性結合を得るためである。また、アシスト層１５においても、ＳＡＦ構造を用いてもよい。このＳＡＦ構造を用いることで、アシスト層１５の外部磁場に対する耐性、及び熱的な安定性を調整することができる。
【００６５】
なお、図７乃至図１１に示した構成を任意に組み合わせて、ＭＲ素子１０を構成してもよいことは言うまでもない。また、界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層については、図８に示した界面層を全て備えている必要はなく、一部の界面層を備えた場合でも、ＭＲ素子１０の特性を向上させることができる。
【００６６】
［４］  ＭＲ素子の断面構造
上記で説明したように、ピン層１１、フリー層１３、及びアシスト層１５の磁化反転エネルギー障壁の関係を作り出す方法としては、ＭＲ素子１０の断面形状を最適化することもよい。すなわち、エネルギー障壁Ｅは、
Ｅ＝Ｋeff・Ｖ
で表されるため、ピン層１１、フリー層１３、及びアシスト層１５の各層の体積を調整することによってもエネルギー障壁Ｅを調整することができる。よって、素子の各層の面積を調整することで、エネルギー障壁Ｅを調整できることになる。
【００６７】
図１２には、理想的にＭＴＪ膜が加工された場合のＭＲ素子１０の断面図を概略的に示している。ＭＲ素子１０の平面形状は、例えば、円、或いは楕円である。ＭＲ素子１０の側面の角度をθと定義する。図１２に示すように、理想的にはθ≒９０°となるとすると、磁化反転エネルギー障壁Ｅは、各層の結晶磁気異方性エネルギーＫｃ、飽和磁化Ｍｓ、及び膜厚ｔで調整することになる。
【００６８】
図１３には、θ＜９０°の場合のＭＲ素子１０の断面図を概略的に示している。図１３に示すように、ＭＲ素子１０の側面は、θ＜９０°になるように傾いている。すなわち、ＭＲ素子１０の断面形状は、上に向かって細くなるテーパー形状である。
【００６９】
ＭＲ素子１０の側面の角度が９０°未満になるように加工すれば、ピン層１１、フリー層１３、及びアシスト層１５の膜厚を同じにした場合でも、
（Ｋeff・Ｖ）ast＜（Ｋeff・Ｖ）free＜（Ｋeff・Ｖ）pin
の関係を満たすＭＲ素子を形成することができる。これにより、上記エネルギー障壁の関係を満たすＭＲ素子の形成が容易となる。
【００７０】
図１４には、断面形状がステップ形状を成す場合のＭＲ素子１０の断面図を概略的に示している。フリー層１３の面積は、ピン層１１の面積より小さい。アシスト層１５の面積は、フリー層１３の面積より小さい。換言すると、フリー層１３の膜面方向の長さは、ピン層１１の膜面方向の長さより短い。アシスト層１５の膜面方向の長さは、フリー層１３の膜面方向の長さより短い。また、ピン層１１、フリー層１３、及びアシスト層１５の側面は、ほぼ垂直である。パターニング工程及び加工工程を最適化することで、断面形状がステップ形状を成すＭＲ素子１０を形成することが可能である。
【００７１】
図１４に示したＭＲ素子１０においても、ピン層１１、フリー層１３、及びアシスト層１５の膜厚を同じにした場合でも、
（Ｋeff・Ｖ）ast＜（Ｋeff・Ｖ）free＜（Ｋeff・Ｖ）pin
の関係を満たすことが可能である。
【００７２】
［５］  ＭＲ素子１０に用いられる材料
以下に、ＭＲ素子１０を構成する各層の材料について順に説明する。
【００７３】
［５−１］  中間層１２及び中間層１４に用いられる材料
本実施形態のＭＲ素子１０においては、中間層１２には、絶縁体、或いは半導体が用いられる。この場合、フリー層１３／中間層１２／ピン層１１のユニットでトンネル磁気抵抗効果が発現する。従って、読み出し時は、ピン層１１及びフリー層１３の磁化方向が平行或いは反平行になることで、ＭＲ素子１０の抵抗値が低抵抗或いは高抵抗となり、それぞれの状態を例えばデータ“０”或いはデータ“１”と判別する。
【００７４】
アシスト層１５にスーパーパラ磁性体を用いる場合、アシスト層１５／中間層１４／フリー層１３のユニットでは、トンネル磁気抵抗効果が発現しない。これは、アシスト層１５の残留磁化状態における磁化（残留磁化）が垂直磁化方向及び面内磁化方向にもほとんどない状態、すなわち、ランダム配列磁化方向となるためである。この場合、アシスト層１５のネットＭｓは、ほぼゼロである。
【００７５】
従って、中間層１４には、金属導電体、絶縁体、及び半導体のどれを用いてもよい。但し、絶縁体及び半導体を用いた場合は、ＭＲ素子１０の抵抗値が上昇するので、金属導電体を用いることが好ましい。
【００７６】
ここで、中間層１４に用いられる金属導電体としては、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）、及びＡｕ（金）などが好ましい。さらには、ＭｇＯ−Ｃｕ、ＡｌＯx−Ｃｕなどの導電性金属相と絶縁相とのグラニュラー構造材料を用いてもよい。グラニュラー構造材料を用いる場合、中間層１４を流れる電流は、最もトンネル障壁が小さいパスを流れることになる。この電流狭窄（ＣＣＰ：current confined path）効果により、局所的に電流密度を向上させることができる。この結果、フリー層１３の磁化反転電流を低減することが可能となる。
【００７７】
中間層１２及び１４の膜厚は、トンネル磁気抵抗効果を利用する場合には、３ｎｍ以下となるように設定される。これは、情報の書き込み時に１×１０５〜１×１０７Ａ／ｃｍ２程度のトンネル電流を流す必要があるため、ＭＲ素子１０の抵抗×面積（ＲＡ：resistance and area product）を１００Ωμｍ２以下程度に小さくする必要があるからである。
【００７８】
中間層１２及び１４に用いられる絶縁体としては、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＣａＯ（酸化カルシウム）、ＳｒＯ（酸化ストロンチウム）、ＴｉＯ（酸化チタン）、ＥｕＯ（酸化ユーロビウム）、ＺｒＯ（酸化ジルコニウム）、或いはＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの酸化物があげられる。また、半導体としては、Ｇｅ（ゲルマニウム）、或いはＳｉ（シリコン）などの半導体、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、或いはＩｎＡｓ（インジウムヒ素）などの化合物半導体、ＴｉＯ２（酸化チタン）などの酸化物半導体があげられる。
【００７９】
この中でも、ＮａＣｌ構造を有するＭｇＯは、中間層としては好ましい材料である。これは、ＭｇＯを用いた場合が最もＭＲ比が大きくなるからである。ＭｇＯを用いた場合、ＭＲ素子１０の抵抗×面積（ＲＡ：resistance and area product）が５Ωμｍ２以上１０００Ωμｍ２以下の範囲内で１００％以上のＭＲ比を得ることが可能である。このＭｇＯはＮａＣｌ構造を有しており、ＭＲ比の観点から結晶配向性としては（１００）面配向が最も好ましい。また、ＭｇＯ層形成時に、ＭｇＯ上部或いは下部には、１ｎｍ以下のＭｇ層を挿入することで、ＭＲ比をさらに向上させることができる。
【００８０】
ＭｇＯ層は、ＭｇＯターゲットを用いて希ガス（Ａｒ（アルゴン）、Ｎｅ（ネオン）、Ｋｒ（クリプトン）、或いはＸｅ（キセノン））でのスパッタ法により形成されるか、或いは、Ｍｇターゲットを用いたＯ２雰囲気中での酸化反応性スパッタ法により形成される。また、Ｍｇ層を成膜した後に、酸素ラジカル、酸素イオン、或いはオゾンなどにより酸化することでも形成可能である。また、ＭｇＯを用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、或いは電子ビーム蒸着（electron beam evaporation）法によりエピタキシャル成長させることでも形成可能である。
【００８１】
ここで、大きいＭＲ比を得るためには、ＭｇＯの配向度の向上が必要である。ＭｇＯの面配向に基づいて、選択すべき下地層となる磁性層の配向性が決定される。ＭｇＯは、（１００）面配向が好ましい。ＭｇＯを（１００）面優先配向させるためには、その下地層（フリー層、ピン層、アシスト層、或いは界面層など）は、ＢＣＣ（Body-Centered Cubic）構造（１００）面配向、ＦＣＣ（Face-Centered Cubic）構造（１００）面配向、或いはアモルファス構造であることが好ましい。
【００８２】
ＢＣＣ構造の材料としては、ＢＣＣ−Ｆｅ１００−ｘＣｏｘ（０≦ｘ≦７０原子％）、ＢＣＣ構造上にエピタキシャル成長させた１ｎｍ以下のＢＣＣ−Ｃｏなどがあげられる。或いは、ＢＣＣ−Ｆｅ１００−ｘ（ＣｏＮｉ）ｘ（０≦ｘ≦７０原子％）などを用いてもよい。この場合、１０原子％以下の希薄Ｎｉ添加により１０〜２０％のＭＲ比の上昇効果が得られる。アモルファス材料としては、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｒ合金などがあげられる。
【００８３】
［５−２］  垂直磁化フリー層、垂直磁化ピン層、及び垂直磁化アシスト層に用いられる磁性材料
本実施形態においては、ピン層１１、フリー層１３、及びアシスト層１５に垂直磁化膜が用いられる。面内磁化フリー層を用いた場合、スイッチング磁界はＭＲ素子のサイズに強く依存するが、垂直磁化フリー層を用いることにより、ＭＲ素子のサイズ依存性が小さくなる。
【００８４】
面内磁化の場合、飽和磁化を利用した形状磁気異方性エネルギーにより磁化の安定性を維持させるため、素子形状及び素子サイズに依存してスイッチング磁界が変化する。一方、垂直磁化の場合、飽和磁化を小さくし、素子形状及び素子サイズに依存しない結晶磁気異方性エネルギーにより磁化の安定性を維持するために、スイッチング磁界の変化が素子形状及び素子サイズに依存しない。従って、垂直磁化フリー層を用いることで、ＭＲ素子を小さくするとスイッチング磁界が大きくなるという面内磁化膜を用いたＭＲ素子の問題が解決されるため、ＭＲ素子の微細化には好ましい。
【００８５】
本実施形態のＭＲ素子１０に用いられる垂直磁化膜としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、及びＭｎ（マンガン）のうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、及びＣｒ（クロム）のうち少なくとも１種類以上とを含む磁性体が用いられる。
【００８６】
さらには、飽和磁化の調整、結晶磁気異方性エネルギーの制御、結晶粒径及び結晶粒間結合の調整のために、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（シリコン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｙ（イットリウム）、及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を磁性体に添加してもよい。これらの元素を添加することで、飽和磁化及び結晶磁気異方性エネルギーを、垂直磁化を損なわせることなく低下させることが可能となり、結晶粒の分断及び微細化を促進できる。
【００８７】
Ｃｏを主成分とする磁性材料としては、ＨＣＰ（Hexagonal Closest Packing）構造を有するＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ合金、或いはＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｔａ合金などがあげられる。なお、“−”は合金を意味する。これらは、各元素の組成を調整することにより、１×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上１×１０７ｅｒｇ／ｃｃ未満の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することが可能である。これらの材料をピン層に用いる場合、下地層としてＨＣＰ構造を有するＲｕ（ルテニウム）を用いることが好ましい。
【００８８】
Ｃｏ−Ｐｔ合金は、Ｃｏ５０Ｐｔ５０（原子％）付近の組成において、Ｌ１０−ＣｏＰｔ規則合金を形成する。この規則合金は、ＦＣＴ（Face-Centered Tetragonal）構造を有する。中間層１２としてＭｇＯ（１００）を用いる場合、（００１）面配向したＦＣＴ−ＣｏＰｔ規則合金は、中間層１２との界面ミスフィットを小さくできるので好ましい。また、中間層とフリー層などとの間に界面層を挿入した場合でも、界面層が（１００）面配向しやすくなる。
【００８９】
Ｆｅを主成分とする磁性材料としては、Ｆｅ−Ｐｔ合金、或いはＦｅ−Ｐｄ合金があげられる。この中でも、Ｆｅ−Ｐｔ合金は、組成がＦｅ５０Ｐｔ５０（原子％）において規則化し、ＦＣＴ構造を基本構造とするＬ１０構造を有する。また、Ｆｅ−Ｐｔ合金は、組成がＦｅ７５Ｐｔ２５（原子％）において規則化し、ＦＣＴ構造を基本構造とするＬ１２構造（Ｆｅ３Ｐｔ構造）を有する。これにより、１×１０７ｅｒｇ／ｃｃ以上の大きな結晶磁気異方性エネルギーを発現することができる。
【００９０】
Ｆｅ５０Ｐｔ５０合金は、Ｌ１０構造に規則化する前は、ＦＣＣ構造を有する。この場合の結晶磁気異方性エネルギーは、１×１０６ｅｒｇ／ｃｃ程度である。従って、アニール温度、組成の調整、積層構成による規則度の制御、及び添加元素により、５×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上５×１０８ｅｒｇ／ｃｃ以下の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することができる。また、飽和磁化は、元素添加前はおおよそ８００乃至１１００ｅｍｕ／ｃｃであるが、元素添加により８００ｅｍｕ／ｃｃ以下に低減することが可能である。この磁性体をフリー層に使用する場合、スピン注入電流密度Ｊｃの低減という点で好ましい。
【００９１】
具体的には、Ｌ１０規則構造を有するＦｅ−Ｐｔ合金に、Ｃｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｍｎ（マンガン）、或いはＣｒ（クロム）などを３０原子％以下の範囲で添加することで、Ｆｅ−Ｐｔ合金の飽和磁化及び結晶磁気異方性エネルギーを制御することが可能である。また、Ｖ（バナジウム）に関しては、スピン注入磁化反転において重要なダンピング定数（磁化制動定数）を下げる効果があり、かつ磁化反転電流を低減する効果がある。
【００９２】
Ｌ１０或いはＬ１２構造に規則化したＦｅ−Ｐｔ合金はＦＣＴ構造を有し、規則化する前はＦＣＣ構造を有する。従って、ＭｇＯ（１００）とは非常に整合性がよい。具体的には、ＭｇＯ（１００）上に（１００）面配向したＢＣＣ−Ｆｅを成長させ、その上にＰｔ（１００）を積層することで、ＭｇＯ（１００）上に（１００）面優先配向成長したＬ１０構造或いはＬ１２構造のＦｅ−Ｐｔ規則合金を形成することが可能である。また、Ｆｅ−Ｐｔ規則合金とＭｇＯ（１００）との間にＢＣＣ−Ｃｒを形成すると、さらにＦｅ−Ｐｔ規則合金の（１００）面配向が優先的となり望ましい。
【００９３】
また、Ｌ１０或いはＬ１２構造のＦｅ−Ｐｔ規則合金を形成する場合、[Ｆｅ／Ｐｔ]ｎ（ｎは１以上の整数）の多層構造を形成すると理想的な規則に近いＬ１０或いはＬ１２構造のＦｅ−Ｐｔ規則合金を形成できる。ＦｅとＰｔとの積層順は問わない。この場合、Ｆｅ／Ｐｔの膜厚は、０．１ｎｍ以上３ｎｍ以下となるように設定することが望ましい。これは、均一な組成状態を作り出すためには必須であり、それにより、Ｌ１０或いはＬ１２構造のＦｅ−Ｐｔ合金の規則化の場合、ＦＣＣ構造からＦＣＴ構造へのマルテンサイト変態（martensitic transformation）を伴うため、この変態が促進されるので重要である。
【００９４】
また、Ｌ１０或いはＬ１２構造のＦｅ−Ｐｔ合金の規則化温度は５００度以上と高く、耐熱性に優れている。この点は、後工程でのアニール処理に対する耐性を有することになる。また、上述したＣｕやＰｄなどの３０原子％以下の範囲での添加元素により、その規則化温度を低下させることが可能である。
【００９５】
本実施形態のＭＲ素子１０に用いられる他の垂直磁化膜としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、及び希土類元素のうち少なくとも１種類以上を含むフェリ磁性体があげられる。希土類元素としては、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジウム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｐｍ（ブロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、或いはＬｕ（ルテチウム）などがあげられる。
【００９６】
希土類元素を含むフェリ磁性体は、アモルファス構造を有する。このフェリ磁性体は、組成の調整により、飽和磁化を４００ｅｍｕ／ｃｃ以下に低減でき、かつ結晶磁気異方性エネルギーを１×１０６ｅｒｇ／ｃｃ以上に向上させることができる。
【００９７】
さらに、本実施形態のＭＲ素子１０に用いられる垂直磁化膜としては、金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体を用いてもよい。この場合、金属磁性相は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＭｎのうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ、及び希土類元素のうち少なくとも１種類以上とを含む強磁性体から構成される。絶縁相は、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ、及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を含む酸化物、窒化物、或いは酸窒化物から構成される。
【００９８】
金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体は、導電性を有する金属磁性体部と非導電性の絶縁体部とに分離しているために、金属磁性体部に電流が集中して通電面積が小さくなり、局所的な電流密度が上昇する。これにより、実質的に必要となる反転電流が小さくなる効果を有する。
【００９９】
このようなＣＣＰ効果を得るためには、結晶性を制御する必要がある。２相分離構造としては、グラニュラー（結晶粒分散）構造、アイランド（島状）構造、及びコラムナー（柱状）構造がある。コラムナー構造の場合は、金属磁性体部が層の上下に貫通しているので、電流狭窄効果が得られやすい。グラニュラー構造及びアイランド構造の場合は、電流はもっともトンネル障壁が小さいパスを通電することとなるので、コラムナー構造と同様にＣＣＰ効果が得られる。
【０１００】
その他、本実施形態のＭＲ素子１０に用いられる垂直磁化膜としては、Ｍｎ系強磁性合金、或いはＣｒ系強磁性合金があげられる。Ｍｎ系強磁性合金としては、Ｍｎ−Ａｌ合金、Ｍｎ−Ａｕ合金、Ｍｎ−Ｚｎ合金、Ｍｎ−Ｇａ合金、Ｍｎ−Ｉｒ合金、或いはＭｎ−Ｐｔ３合金などがあり、これらは、規則格子を有する特徴がある。また、Ｃｒ系強磁性合金としては、Ｃｒ−Ｐｔ３合金などがあげられる。これは、Ｌ１０規則格子を有し、フェリ磁性体としての特性を有する。
【０１０１】
［５−３］  アシスト層１５に用いられる超常磁性体
ある磁性体が磁化方向を維持するために必要なエネルギーは、その磁性体が置かれる環境温度に依存する。静的な状態での磁性体のエネルギーＥstは、前述したように、次式で表される。
【０１０２】
Ｅst＝Ｋeff・Ｖ
一方、ある環境温度Ｔでの熱エネルギーＥenvは、ボルツマン係数ｋＢとすると、次式で表される。
【０１０３】
Ｅenv＝ｋＢ・Ｔ
従って、磁性体のエネルギーが熱エネルギーより大きければ、磁性体は磁化方向を規定できる。しかしながら、熱エネルギーを下回る場合は、磁性体の静的な磁化方向は定まらない。この状態を「超常磁性状態」といい、この状態にある磁性体を「超常磁性体」という。超常磁性体は、非磁性体ではなく、局所的には磁化を有しているので、磁界中では磁場印加方向に磁化が規定される。すなわち、原理的には、トルクが働く方向に磁化が向くことになる。
【０１０４】
超常磁性体になるための磁性体のサイズは、磁気異方性エネルギーにも依存するが、現実系では、磁性体の平均直径で３ｎｍ程度となる。従って、平均結晶粒径で３ｎｍ以下となり、かつ結晶粒間が磁気的に分断された膜を作成すればよい。
【０１０５】
本実施形態で用いられる超常磁性体膜としては、ＦｅＣｏＮｉ−ＳｉＯx、ＦｅＣｏＮｉ−ＭｇＯなどの磁性体粒子が分散した酸化物が母相となるグラニュラー膜があげられる。ここで、ＦｅとＣｏとＮｉとの組成比は任意で良い。母相としては、酸化物だけではなく、窒化物であってもよい。酸化物母相としては、ＳｉＯx、ＭｇＯ、或いはＡｌＯxの他に、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、或いはＷの酸化物があげられる。酸化物の価数は問わない。また、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃａ，Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、或いはＷの窒化物であってもよい。
【０１０６】
さらには、非磁性金属が母相となるＦｅＣｏＮｉ−Ｃｕ、或いはＦｅＣｏＮｉ−Ａｕグラニュラー膜などがある。非磁性金属は、Ｆｅ、Ｃｏ、或いはＮｉとは非固溶な関係となることが好ましい。Ｆｅ、Ｃｏ、或いはＦｅＣｏ合金を用いる場合は、Ｃｕ、Ａｕ、或いはＡｇが非磁性金属として好ましい。また、抵抗制御の観点から、母相は非磁性金属が好ましいといえる。
【０１０７】
磁性体粒子の平均直径が３ｎｍ程度となる条件を満たすという意味では、超常磁性体からなるアシスト層１５を用いる場合、膜厚３ｎｍ以下の連続膜でもスピン注入磁化反転時の磁化反転単位となる磁性体が３ｎｍを下回るために、超常磁性体的な振る舞いとなりえる。実際には、もともと面内磁化を有する連続なＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉ膜においても、１．５ｎｍ以下では非電流通電時でも超常磁性的な振る舞いが観測される。ここで、ＣｏとＦｅとＮｉとの組成比は任意である。この時、上記の１．５ｎｍ以下の膜厚のＣｏＦｅＮｉ合金層は、その平均結晶粒径が３ｎｍ以下となっていることが望ましい。
【０１０８】
本実施形態では、アシスト層１５は中間層１４に隣接して形成されるので、上述したグラニュラー膜の母相となる材料と中間層１４の材料とを同一にすることで、第２の中間層１４と同一化することもできる。これにより、アシスト層１５からのスピン注入効率が向上することが望める。
【０１０９】
［５−４］  面内磁化フリー層、面内磁化ピン層、及び面内磁化アシスト層に用いられる磁性材料
本実施形態においては、フリー層１３、ピン層１１、及びアシスト層１５の磁化方向が面内であっても構わない。形成の容易性という観点からは、面内磁化膜がよく用いられる。
【０１１０】
本実施形態のＭＲ素子１０に用いられる面内磁化膜としては、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち少なくとも１種類以上を含む強磁性体が用いられる。この強磁性体としては、ＦＣＣ或いはＢＣＣ構造を有するＦｅｘＣｏｙＮｉｚ合金（ｘ、ｙ、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）があげられる。
【０１１１】
フリー層１３及びアシスト層１５には、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金が主として用いられる。また、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金の飽和磁化を低減するために、（ＦｅｘＣｏｙＮｉｚ）１００−ａＸａ合金（ｘ、ｙ、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ａ＞０、ａは原子％、Ｘは添加元素）も好ましい。飽和磁化を低減することにより、反転電流を大幅に低減することが可能となる。
【０１１２】
ＢＣＣ構造を崩さず、かつ、飽和磁化を低減できる添加元素、すなわち、置換型で固溶できる全率固溶体或いはある程度固溶源を有する添加元素としては、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇａ（ガリウム）、或いはＧｅ（ゲルマニウム）などがあげられる。この中でも、Ｖは、ダンピング定数（磁化制動定数）を低減する効果もあるため有効である。
【０１１３】
また、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、或いはＮ（窒素）などの侵入型元素を添加する、或いは、ほとんど固溶源を持たないＺｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ、或いは希土類元素などを添加することにより、結晶構造をアモルファス構造に変えることで飽和磁化を低減できる。このような材料としては、例えば、アモルファス構造を有する（ＦｅｘＣｏｙＮｉｚ）１００−ｂＸｂ合金（ｘ、ｙ、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｂ＞０、ｂは原子％、ＸはＢ、Ｃ、Ｎ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ、或いは希土類元素などの添加元素）があげられる。
【０１１４】
Ｍｎを含む材料としては、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金があげられる。ホイスラー合金は、ハーフメタル的な伝導特性を示す材料である。ここで、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金は、Ａ２ＭｎＸで表される規則格子を有するＢＣＣ系合金である。Ａ元素は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＣｏから選択される材料である。Ｘ元素は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（すず）、Ｇａ（ガリウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｂ（アンチモン）、及びＳｉ（シリコン）から選択される材料である。ホイスラー合金のうち、ＢＣＣ構造を有するＣｏ２ＭｎＡｌ合金などは、ＢＣＣ（１００）面配向させることにより、ＭｇＯ（１００）との整合性が良好となる。
【０１１５】
ピン層１１に用いられる材料としては、分極率が大きく、原理的に１００％の分極率を実現できるハーフメタル的な材料が好ましい。Ｍｎを含む材料としては、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金がハーフメタルとしてあげられる。ここで、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金は、Ａ２ＭｎＸで表される規則格子を有するＢＣＣ系合金である。Ａ元素は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＣｏから選択される材料である。Ｘ元素は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｂ、及びＳｉから選択される材料である。ホイスラー合金のうち、ＢＣＣ構造を有するＣｏ２ＭｎＡｌ合金などは、ＢＣＣ（１００）面配向させることにより、ＭｇＯ（１００）との整合性が良好となる。
【０１１６】
ピン層中の強磁性層の膜厚は、１ｎｍ以上が必要である。なぜなら、上記の膜厚未満では、強磁性層が連続膜にならず、磁性層としての特性が十分に発揮されず、十分な磁気抵抗効果比（ＴＭＲ比、或いはＧＭＲ比）が得られない。また、最大膜厚は、３ｎｍ以下であることが望ましい。これは、膜厚が３ｎｍを超えると、コヒーレントなスピンの歳差運動長さをはるかに越えてしまうために、スピン注入磁化反転に必要な電流閾値が大幅に大きくなってしまうからである。
【０１１７】
また、上述した面内磁化ピン層がＭｇＯ中間層の下地層となる場合、ＦｅｘＣｏｙＮｉｚ合金（ｘ、ｙ、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）材料は、（１００）面配向を有し、ＢＣＣ構造を有することが好ましい。さらには、ＦｅｘＣｏｙＮｉｚ合金に、Ｂ、Ｃ、或いはＮなどを３０原子％以下の濃度で添加し、アモルファス構造にすることも好ましい。これは、アモルファス構造を有する膜上では、ＭｇＯは（１００）面優先配向しやすいからである。
【０１１８】
［５−５］  界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層に用いられる材料
本実施形態においては、中間層１２とフリー層１３の間、及びフリー層１３と中間層１４との間に、すなわち界面に、界面フリー層を挿入するようにしてもよい。また、ピン層１１と中間層１２との間に、界面ピン層を挿入するようにしてもよい。また、中間層１４とアシスト層１５の間に、界面アシスト層を挿入するようにしてもよい。
【０１１９】
界面ピン層、界面フリー層、及び界面アシスト層（以下、これらを指して界面層）は、磁気抵抗効果を増大させる効果があり、さらには、スピン注入書き込み時に書き込み電流を低減する効果がある。磁気抵抗効果を増大させる界面層は、その材料自身のバルク的な分極率が大きいことが望ましく、さらには、中間層との界面分極率が増大されるように材料を選択することが好ましい。
【０１２０】
本実施形態のＭＲ素子１０に用いられる界面層としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＣｒのうち少なくとも１種類以上を含む強磁性体が用いられる。Ｆｅ、Ｃｏ、或いはＮｉを主成分とする材料としては、ＦＣＣ或いはＢＣＣ構造を有するＦｅｘＣｏｙＮｉｚ合金があげられる。また、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金の飽和磁化を低減するために、（ＦｅｘＣｏｙＮｉｚ）１００−ａＸａ合金（ｘ、ｙ、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ａ＞０、ａは原子％、Ｘは添加元素）も好ましい。飽和磁化を低減することにより、反転電流を大幅に低減することが可能となる。
【０１２１】
ＢＣＣ構造を崩さず、かつ、飽和磁化を低減できる添加元素、すなわち、置換型で固溶できる全率固溶体或いはある程度固溶源を有する添加元素としては、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｇａ、或いはＧｅなどがあげられる。この中でも、Ｖは、ダンピング定数（磁化制動定数）を低減する効果もあるため有効である。
【０１２２】
また、Ｂ、Ｃ、或いはＮなどの侵入型元素を添加する、或いは、ほとんど固溶源を持たないＺｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ、或いは希土類元素などを添加することにより、結晶構造をアモルファス構造に変えることで飽和磁化を低減できる。このような材料として、例えば、アモルファス構造を有する（ＦｅｘＣｏｙＮｉｚ）１００−ｂＸｂ合金（ｘ、ｙ、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｂ＞０、ｂは原子％、ＸはＢ、Ｃ、Ｎ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ、或いは希土類元素などの添加元素）があげられる。但し、ある程度のＴＭＲ比を得るためには、部分的に、すなわち、ＭｇＯとの界面において再結晶化を促進させることが重要となる。
【０１２３】
Ｍｎを含む材料としては、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金があげられる。ここで、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金は、Ａ２ＭｎＸで表される規則格子を有するＢＣＣ系合金である。Ａ元素は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＣｏから選択される材料である。Ｘ元素は、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｂ、及びＳｉから選択される材料である。ホイスラー合金のうち、ＢＣＣ構造を有するＣｏ２ＭｎＡｌ合金などは、ＢＣＣ（１００）面配向させることにより、ＭｇＯ（１００）との整合性が良好となる。Ｍｎ系ホイスラー合金は、ハーフメタル的な伝導特性を示す場合がある。
【０１２４】
また、界面層として、酸化物材料を用いることもできる。酸化物材料としては、Ｆｅ２Ｏ３などのハーフメタルが界面層として適用可能である。
【０１２５】
フリー層やピン層などの磁性層の上に形成される界面層の膜厚は、０．５ｎｍ以上が必要であり、同様に、絶縁層或いは半導体層上に形成される界面層の膜厚も、０．５ｎｍ以上が必要である。なぜなら、上記の膜厚未満では、界面層が連続膜にならず、界面層としての特性が十分に発揮されず、十分な磁気抵抗効果比（ＴＭＲ比、或いはＧＭＲ比）が得られない。また、界面層の最大膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。これは、膜厚が５ｎｍを超えると、コヒーレントなスピンの歳差運動長さをはるかに越えてしまうために、スピン注入磁化反転に必要な電流閾値が大幅に大きくなってしまうからである。
【０１２６】
以上詳述したように本実施形態によれば、フリー層１３の磁化を反転させる場合に、ピン層１１及び１５からのスピン注入効果及びスピン蓄積効果を利用することができる。これにより、スピン注入効率を向上させることができ、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することが可能となる。
【０１２７】
また、アシスト層１５として超常磁性体を用いた場合、フリー層１３とピン層１１との間では中間層１２を介して磁気抵抗効果が発現するが、ランダムな磁化配列を有するアシスト層１５との間では中間層１４を介した磁気抵抗効果は発現しない。これにより、データ読み出し時のＭＲ比の低下を抑制することができる。
【０１２８】
また、アシスト層１５の磁化を固着する必要がないため、アシスト層１５の磁化配列の設計が容易となる。さらに、従来のデュアルピン構造に比べて、アシスト層１５の膜厚を薄くすることができるため、ＭＲ素子１０の膜厚方向の微細化が可能となる。
【０１２９】
また、磁気抵抗効果が発現しない中間層１４に金属等の導電体を用いることが可能である。これにより、ＭＲ素子の抵抗値を低減することができ、中間層１４の直列回路的に寄与する寄生抵抗が低減されるために、ＭＲ比を増大させることができる。
【０１３０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、前述したＭＲ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の実施例について示している。
【０１３１】
図１５は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ３０を備えている。メモリセルアレイ３０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬが配置されている。また、メモリセルアレイ３０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配置されている。
【０１３２】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＲ素子１０、及び選択トランジスタ３１を備えている。ＭＲ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＲ素子１０の他端は、選択トランジスタ３１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ３１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ３１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【０１３３】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路３４及び読み出し回路３５が接続されている。書き込み回路３４及び読み出し回路３５には、カラムデコーダ３３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３２及びカラムデコーダ３３により選択される。
【０１３４】
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行なうメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ３１がターンオンする。
【０１３５】
ここで、ＭＲ素子１０には、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＲ素子１０に左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線ＢＬに正の電位を印加し、ビット線／ＢＬに接地電位を印加する。また、ＭＲ素子１０に右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線／ＢＬに正の電位を印加し、ビット線ＢＬに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
【０１３６】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ３１がターンオンする。読み出し回路３５は、ＭＲ素子１０に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路３５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＲ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＲ素子１０に記憶されたデータを読み出すことができる。
【０１３７】
次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図１６は、ＭＲ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの断面図である。ＭＲ素子１０は、シリコンなどからなる半導体基板に形成された選択トランジスタ３１の上方に層間絶縁層を介して形成される。
【０１３８】
引き出し電極（下部電極）３７上には、ＭＲ素子１０が設けられている。引き出し電極３７は、ビアプラグ３６を介して選択トランジスタ３１のドレイン領域に電気的に接続される。ＭＲ素子１０上には、ハードマスク３８が設けられている。ハードマスク３８は、上部電極として機能する。ハードマスク３８上には、ビット線ＢＬが設けられている。
【０１３９】
ビアプラグ３６、引き出し電極３７、ハードマスク３８、及びビット線ＢＬとしては、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、或いはＡｌＣｕなどが用いられる。Ｃｕを用いた金属配線層或いはビアプラグの場合には、Ｃｕダマシン或いはＣｕデュアルダマシンプロセスが用いられる。
【０１４０】
図１７は、ＭＲ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの他の構成例の断面図である。ビアプラグ３６上には、直接にＭＲ素子１０が設けられている。すなわち、図１７のＭＲＡＭは、図１６のＭＲＡＭと比べて、引き出し電極３７が省略されている。ＭＲ素子１０上には、ハードマスク３８が設けられている。ハードマスク３８上には、ビット線ＢＬが設けられている。
【０１４１】
ＭＲ素子１０は、図１６に示すように引き出し電極３７によりビアプラグ３６と電気的に接続される場合と、図１７に示すようにＭＲ素子１０がビアプラグ３６上に直接形成される場合とがある。図１７の構成を用いる場合、ビアサイズよりもＭＲ素子サイズが小さい方が好ましい。
【０１４２】
リソグラフィやエッチング技術等によって決まる最小加工寸法をＦ（Minimum Feature Size）とすると、図１６のレイアウトを用いた場合、最小セルサイズは８Ｆ２である。これに対して、図１７のレイアウトを用いた場合、最小セルサイズを４Ｆ２にまで縮小することが可能となる。
【０１４３】
このように構成されたＭＲＡＭにおいて、ＭＲ素子１０にデータを書き込む際の書き込み速度を向上させることができる。具体的には、書き込み速度としては、数ナノ秒から数マイクロ秒までのパルス幅を有する電流でスピン注入書き込みを行うことが可能となる。
【０１４４】
なお、読み出し時にＭＲ素子１０に供給される読み出し電流Ｉｒは、書き込み時にＭＲ素子１０に供給される書き込み電流Ｉｗよりもパルス幅が小さいことが望ましい。これは、書き込み電流Ｉｗのパルス幅が短い方が、書き込み電流値の絶対値が大きくなるからである。これにより、読み出し電流Ｉｒでの誤書き込みを低減することができる。
【０１４５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＲ素子１０の構成を示す断面図。
【図２】図１に示すフリー層１３が反平行磁化状態から平行磁化状態へ磁化反転する動作を説明する図。
【図３】図１に示すフリー層１３が平行磁化状態から反平行磁化状態へ磁化反転する動作を説明する図。
【図４】アシスト層１５の他の構成を示す断面図。
【図５】図４に示すフリー層１３が反平行磁化状態から平行磁化状態へ磁化反転する動作を説明する図。
【図６】図４に示すフリー層１３が平行磁化状態から反平行磁化状態へ磁化反転する動作を説明する図。
【図７】ＭＲ素子１０の他の構成例を示す断面図。
【図８】界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層を備えたＭＲ素子１０の構成を示す断面図。
【図９】界面フリー層及び界面ピン層を備えかつアシスト層１５が超常磁性体である場合のＭＲ素子１０の構成を示す断面図。
【図１０】反強磁性層を備えたＭＲ素子１０の構成を示す断面図。
【図１１】ピン層１１がＳＡＦ構造を有する場合のＭＲ素子１０の構成を示す断面図。
【図１２】ＭＴＪ膜を加工して形成されたＭＲ素子１０の断面図。
【図１３】断面形状がテーパー形状を有するＭＲ素子１０の構成を示す断面図。
【図１４】断面形状がステップ形状を有するＭＲ素子１０の構成を示す断面図。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。
【図１６】ＭＲ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの断面図。
【図１７】ＭＲ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの他の構成例の断面図。
【符号の説明】
【０１４７】
ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、１０…ＭＲ素子、１１…磁化固定層、１１Ａ，１１Ｃ…磁性層、１１Ｂ…非磁性層、１２…第１の中間層、１３…磁化自由層、１４…第２の中間層、１５…磁化反転アシスト層、１６…下地層、１７…キャップ層、２１…界面ピン層、２２，２３…界面フリー層、２４…界面アシスト層、２５…反強磁性層、３０…メモリセルアレイ、３１…選択トランジスタ、３２…ロウデコーダ、３３…カラムデコーダ、３４…書き込み回路、３５…読み出し回路、３６…ビアプラグ、３７…引き出し電極、３８…ハードマスク。
【図１】
2008252037.tif 000003
【図２】
2008252037.tif 000004
【図３】
2008252037.tif 000005
【図４】
2008252037.tif 000006
【図５】
2008252037.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2008252037.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2008252037.tif 000012
【図１１】
2008252037.tif 000013
【図１２】
2008252037.tif 000014
【図１３】
2008252037.tif 000015
【図１４】
2008252037.tif 000016
【図１５】
2008252037.tif 000017
【図１６】
2008252037.tif 000018
【図１７】
2008252037.tif 000019