(57)【要約】【課題】磁化反転に必要な電流密度をより低減する。【解決手段】磁気抵抗素子１０は、スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する第１の自由層１５と、スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する第２の自由層１３と、磁化の方向が固定された固定層１１と、第１の自由層１５と第２の自由層１３との間に設けられた第１の非磁性層１４と、第２の自由層１３と固定層１１との間に設けられた第２の非磁性層１２とを具備する。そして、第１の自由層１５の磁気異方性定数Ｋｕ１と活性化体積Ｖ１との積Ｋｕ１×Ｖ１と、第２の自由層１３の磁気異方性定数Ｋｕ２と活性化堆積Ｖ２との積Ｋｕ２×Ｖ２との関係が、Ｋｕ１×Ｖ１＞Ｋｕ２×Ｖ２を満たす。【選択図】      図１
2008252036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する第１の自由層と、
スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する第２の自由層と、
磁化の方向が固定された固定層と、
前記第１の自由層と前記第２の自由層との間に設けられた第１の非磁性層と、
前記第２の自由層と前記固定層との間に設けられた第２の非磁性層と、
を具備し、
前記第１の自由層の磁気異方性定数Ｋｕ１と活性化体積Ｖ１との積Ｋｕ１×Ｖ１と、前記第２の自由層の磁気異方性定数Ｋｕ２と活性化堆積Ｖ２との積Ｋｕ２×Ｖ２との関係が、Ｋｕ１×Ｖ１＞Ｋｕ２×Ｖ２を満たすことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記第２の自由層は、磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造を有す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】
前記第２の自由層は、絶縁相中に磁性相が分散したグラニュラー構造を有す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４】
前記第１の自由層及び前記第２の自由層はそれぞれ、強磁性体からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第１の自由層は、強磁性体からなり、
前記第２の自由層は、常磁性体からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第１及び第２の非磁性層はそれぞれ、酸化物、窒化物、フッ化物、セレン化物、化合物半導体、或いは非磁性金属からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記第１及び第２の非磁性層はそれぞれ、酸化物、窒化物、フッ化物、セレン化物、或いは化合物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記第２の自由層の膜厚は、前記第１の自由層の膜厚より薄いことを特徴とする請求項１、２、４乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
請求項１乃至８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１０】
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９に記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
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１０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磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）は、不揮発性、高速動作、大容量、低消費電力を備えた不揮発性メモリとして期待されている。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を記憶素子として備え、このＭＴＪ素子の磁化状態により情報を記憶する。
【０００３】
従来型の配線電流による磁場で書き込みを行なうＭＲＡＭにおいては、微細化に伴い配線に流すことのできる電流値が減少するために、ＭＴＪ素子に十分な電流磁場を供給することが困難になる。さらに、ＭＴＪ素子に情報を記録するために必要とする電流磁場の大きさは、微細化に伴い増加する。このため、従来型のＭＲＡＭでは、１２６Ｍｂｉｔｓ〜２５６Ｍｂｉｔｓ世代で原理的な限界が来ると考えられている。
【０００４】
そこで、スピン角運動量移動（ＳＭＴ：Spin Momentum Transfer）を利用した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）。スピン角運動量移動（以下、スピン注入という）による磁化反転は、素子を微細化しても、磁化反転に必要な電流密度の大きさはほとんど増加しないため、高効率な書き込みが可能であるという利点を有している。
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、自由層に高効率にスピントルクを与えることにより、磁化反転に必要な電流密度をより低減することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の視点に係る磁気抵抗素子は、スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する第１の自由層と、スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する第２の自由層と、磁化の方向が固定された固定層と、前記第１の自由層と前記第２の自由層との間に設けられた第１の非磁性層と、前記第２の自由層と前記固定層との間に設けられた第２の非磁性層とを具備する。そして、前記第１の自由層の磁気異方性定数Ｋｕ１と活性化体積Ｖ１との積Ｋｕ１×Ｖ１と、前記第２の自由層の磁気異方性定数Ｋｕ２と活性化堆積Ｖ２との積Ｋｕ２×Ｖ２との関係が、Ｋｕ１×Ｖ１＞Ｋｕ２×Ｖ２を満たすことを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２の視点に係る磁気メモリは、前記第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。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、自由層に高効率にスピントルクを与えることにより、磁化反転に必要な電流密度をより低減することが可能な磁気抵抗素子及び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】
【０００９】
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。
【００１０】
（第１の実施形態）
スピン注入磁化反転を用いて１Ｇビット級のＭＲＡＭを実現するためには数十μＡ以下の電流値で磁化を反転させる必要がある。例えば磁気抵抗素子のサイズを、幅が４５ｎｍでアスペクト比が２の矩形と仮定すると、面積は４，０００ｎｍ２程度になる。また、トランジスタに流すことのできる電流値を仮に１００μА程度とすると、磁気抵抗素子に流すことのできる電流密度の最大値は、２．５×１０６А／ｃｍ２程度と見積もられる。
【００１１】
一方、１９９６年にＳｌｏｎｃｅｗｓｋｉが提唱したスピントルクモデルに基づき、近年、高いＭＲ（Magnetoresistance）比が得られているＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの磁化反転電流密度Ｊｃを計算すると、Ｊｃは１×１０７Ａ／ｃｍ２程度と予想される。ここで、減衰定数０．０１、飽和磁化１３００ｅｍｕ／ｃｃ、スピン分極率０．５、磁気異方性磁場３０Ｏｅ、熱ゆらぎ耐性（ＫｕＶ／ＫｂＴ）＝１００を用いた。Ｋｕは磁気異方性定数、Ｖは活性化体積、Ｔは温度、ＫｂＴは熱振動エネルギーである。ＭＲＡＭとしてスピントルクを用いた磁化反転を実用化するためには、電流密度Ｊｃを半減以下にする必要がある。
【００１２】
スピントルクモデルによれば、電流密度Ｊｃは、磁性膜セルの飽和磁化、活性化体積、異方性磁界、スピン分極率、及び減衰定数に依存する。スピン分極率を除く各種制御因子による電流密度Ｊｃの低減は、反転時間の増大、及び熱揺らぎ耐性の低下を招くため、これら因子による電流密度Ｊｃの低減には限界がある。スピン分極率Ｐに関しては、磁性層にハーフメタルを使用することによってＰ＝１になると提唱されているが、未だ室温で実現したという報告はない。
【００１３】
そこで、一般的なトンネル磁気抵抗効果が得られる、自由層、トンネルバリア層、及び固定層の構造において、トンネルバリア層と自由層との間に自由層より磁気異方性エネルギーＵが小さい磁性層を挟み込む構造を用いることによってスピントランスファー効率を向上させる構造を発明した。
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子（磁気抵抗素子）１０の構成を示す断面図である。図中の矢印は、磁化の方向を示している。ＭＴＪ素子１０は、固定層（或いは、ピン層ともいう）１１、トンネルバリア層（非磁性層）１２、第２の自由層１３、トンネルバリア層（非磁性層）１４、第１の自由層（或いは、フリー層、記録層ともいう）１５が順に積層された積層構造を有する。なお、この積層構造は、積層順序が逆転していても構わない。
【００１５】
本実施形態では、シングルピン層構造（自由層に対して固定層が１つ配置される構造）を有するＭＴＪ素子１０を例に説明する。しかし、これに限定されるものではなく、デュアルピン層構造（自由層の両側にそれぞれ２つの固定層が配置される構造）を有する磁気抵抗素子に適用することも可能である。
【００１６】
固定層１１は、磁化（或いは、スピン）の方向が固着されている。第１の自由層１５及び第２の自由層１３は、磁化の方向が変化（反転）する。固定層１１、第２の自由層１３、及び第１の自由層１５の容易磁化方向はそれぞれ、膜面に対して垂直である（以下、垂直磁化という）。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、固定層１１、第２の自由層１３、及び第１の自由層１５の磁化の方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型ＭＴＪ素子である。なお、本実施形態は、垂直磁化に限定されるものではなく、固定層１１、第２の自由層１３、及び第１の自由層１５の容易磁化方向が膜面に対して面内であっても良い（以下、面内磁化という）。
【００１７】
なお、容易磁化方向とは、あるサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。困難磁化方向とは、あるサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。
【００１８】
ところで、第１の自由層１５の磁性材料の磁気異方性定数Ｋｕ１と活性化体積Ｖ１との積（磁気異方性エネルギーＵ１）と、第２の自由層１３の磁性材料の磁気異方性定数Ｋｕ２と活性化体積Ｖ２との積（磁気異方性エネルギーＵ２）とは、Ｕ１＞Ｕ２の関係を有する。このような関係を満たすことにより、ＭＴＪ素子１０に書き込み電流が供給された場合、第２の自由層１３は、第１の自由層１５よりも早く磁化反転が起きることになる。本実施形態では、ＭＴＪ素子１０にデータが書き込まれた場合に、データに応じた磁化状態は、第１の自由層１５に記録される。第２の自由層１３は、データ書き込み及び読み出し時に、電子スピンをフィルターするための層として機能する。
【００１９】
例えば、第１の自由層１５と第２の自由層１３とに同じ材料を用い、第１の自由層１５の膜厚ｔ１と第２の自由層１３の膜厚ｔ２とがｔ１＞ｔ２の関係を有するように設計すれば、Ｕ１＞Ｕ２となる第１の自由層１５と第２の自由層１３とを作製することができる。また、第１の自由層１５と第２の自由層１３とが同じ材料でなくても良い。その場合、第１の自由層１５と第２の自由層１３との飽和磁化、或いは結晶磁気異方性を調整して、Ｕ１＞Ｕ２の関係を満たすようにすれば良い。
【００２０】
固定層１１及び第１の自由層１５としては、強磁性体が用いられ、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）のうち１つ以上の元素を含む強磁性体が用いられる。
【００２１】
垂直磁化型ＭＴＪ素子の場合、強磁性体としては例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｃｏ５０Ｐｄ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｍｎ５０Ａｌ５０、或いはＦｅ５０Ｎｉ５０の規則合金があげられる。これらの規則合金の組成比は一例であり、上記組成比に限定されない。なお、これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、Ａｇ（銀）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ、（クロム）、Ｖ（バナジウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｏｓ（オスミウム）等の不純物元素若しくはその合金、又は絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー、及び飽和磁化を低く調整することができる。また、組成比を調整することによってＬ１２型の規則合金を用いても良い。
【００２２】
自由層１５として例えば膜厚３ｎｍ程度のＦｅ５０Ｐｔ５０を用い、固定層１１も同様にＦｅ５０Ｐｔ５０を用いた場合、固定層１１は、自由層１５に比べ磁化反転電流が大きくなければならないので、自由層１５の膜厚より厚くする必要がある。例えば１０〜２０ｎｍの膜厚を用いれば、情報の書き込み時に磁化の方向が反転しない固定層１１として用いることができる。
【００２３】
固定層１１に必要となる条件は、自由層１５より異方性磁界が大きい、飽和磁化が大きい、膜厚が厚い、減衰定数が大きい、これら条件のいずれか一つ若しくは複数の条件を満たせば良いので、Ｆｅ５０Ｐｔ５０の他に、自由層１５より膜厚が厚いＬ１０型の結晶材料、Ｌ１２型の結晶材料を用いても良い。また、自由層１５及び固定層１１の磁性材料としては下記（１）〜（３）の材料を用いることも可能である。
【００２４】
（１）不規則合金
Ｃｏ（コバルト）を主成分とし、Ｃｒ（クロム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）のうち１つ以上の元素を含む合金。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等があげられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー、及び飽和磁化を調整することができる。
【００２５】
（２）人工格子
Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうちいずれか１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金と、Ｃｒ（クロム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）のうちいずれか１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金とが交互に積層された積層膜。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ人工格子、Ｃｏ／Ａｕ人工格子、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等があげられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー、及び飽和磁化を調整することができる。
【００２６】
（３）フェリ磁性体
希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体。例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）のうち１つ以上の元素と、遷移金属のうち１つ以上の元素とからなるアモルファス合金。具体的には、ＴｂＦｅ合金、ＴｂＣｏ合金、ＴｂＦｅＣｏ合金、ＤｙＴｂＦｅＣｏ合金、ＧｄＴｂＣｏ合金等があげられる。これらの合金は、組成比を調整することで磁気異方性エネルギー、及び飽和磁化を調整することができる。
【００２７】
一方、面内磁化型のＭＴＪ素子の場合、自由層１５としては２ｎｍ程度のＦｅ、Ｃｏ，Ｎｉのうち１つ以上の元素或いはこの１つの元素を含む合金からなる磁性金属からなっていても良い。又は、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ２、ＲＸＭｎＯ３-ｙ（Ｒ：希土類元素、Ｘ：Ｃａ（カルシウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｒ（ストロンチウム））等の酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金等を用いても良い。また、これら金属には、飽和磁化、結晶磁気異方性、及び減衰定数等を調整する意味で、強磁性を失わない範囲でＡｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）等の非磁性元素を含んでいても良い。
【００２８】
固定層１１としては、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｎｉのうち１つ以上の元素或いはこの１つの元素を含む合金からなる磁性金属からなっていても良い。又は、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ２、ＲＸＭｎＯ３-ｙ（Ｒ：希土類元素、Ｘ：Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ）等の酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金等を用いても良い。また、これら金属には、飽和磁化、結晶磁気異方性、及び減衰定数等を調整する意味で、強磁性を失わない範囲でＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ等の非磁性元素を含んでも良い。但し、固定層１１としては、第１の自由層１５より反転電流の大きな磁性層が用いられる。
【００２９】
スピン偏極した電子によって磁化反転を起こす場合、その反転電流は飽和磁化、異方性磁界、及び体積に比例するため、これらを適切に調整して、第１の自由層１５と固定層１１との反転電流に差をつけることで、固定層１１の磁化の方向を固定することができる。また、固定層１５に反強磁性層（ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、或いはＦｅＭｎ等）を付加して、固定層１１の磁化の方向を固定するようにしても良い。
【００３０】
第２の自由層１３としては、第１の自由層１５の材料として本実施例で挙げた強磁性体を自由に選択することが可能である。但し、Ｕ１＞Ｕ２の関係を満たす第１の自由層１５と第２の自由層１３との材料の選択が必要である。例えば、第２の自由層１３に第１の自由層１５と同じ材料を用いる場合は第２の自由層１３の膜厚を第１の自由層１５の膜厚より薄く設計すれば良い。また、第２の自由層１３は、室温かつ外部磁場がゼロの状態において磁化がゼロとなる、いわゆる常磁性体であっても良い。
【００３１】
また、第２の自由層１３は、グラニュラー構造を有していても良い。図２は、第２の自由層１３の一例を示す断面図である。第２の自由層１３は、絶縁相１３−１と、この絶縁相１３−１内に設けられた複数の粒状の磁性相１３−２とから構成されている。このように構成された第２の自由層１３では、第２の自由層１３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、第２の自由層１３を流れる電流密度を向上させることができる。この結果、高磁気異方性エネルギーを有する部分を磁化反転させるのに十分な電流密度が得られるようにＭＴＪ素子１０の設計が可能となる。磁性層１３−２には第１の自由層１５であげた材料を自由に選択することが可能である。例えば絶縁層１３−１にＭｇＯ、磁性層１３−２にＣｏＦｅ或いはＣｏＦｅＢを用いグラニュラー構造としても良い。
【００３２】
また、グラニュラー構造の第２の自由層１３を用いることで、第２の自由層１３の活性化体積を減らすことができる。この場合、第２の自由層１３と第１の自由層１５との膜厚を同じにした場合でも、第２の自由層１３の磁気異方性エネルギーＵ２を、第１の自由層１５の磁気異方性エネルギーＵ１より小さくすることができる。これにより、第２の自由層１３の磁気異方性エネルギーＵ２の設計が容易となる。
【００３３】
なお、第２の自由層１３の膜厚が増加すると、第２の自由層１３の磁化を反転させるために必要な電流値が増大する。また、第２の自由層１３の膜厚がスピン拡散長より長くなると、第２の自由層１３中でスピントルクが緩和してしまい、第２の自由層１３の磁化を反転させるために必要な電流値が増加してしまう。このため、第２の自由層１３の膜厚は、当該第２の自由層１３がもつスピン拡散長以下の膜厚であることが好ましい。同様の理由により、第１の自由層１５の膜厚は、当該第１の自由層１５がもつスピン拡散長以下の膜厚であることが好ましい。
【００３４】
トンネルバリア層１２としては、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＳｉＯｘ、ＢｉＯｘ、ＳｒＴｉＯｘ、ＡｌＬａＯｘ等の酸化物、或いはＴｉＮ、ＶＮ等の窒化物、或いはＭｇＦｘ、ＣａＦｘ等のフッ化物、或いはＺｒＳｅ、ＺｎＳｅ等のセレン化物、ＡｌＡｓ等の化合物半導体があげられる。従って、本実施形態のＭＴＪ素子１０は、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）効果を有することになる。この中でも、酸化物絶縁体であるＭｇＯは、トンネルバリア層１２としては好ましい材料である。これは、ＭｇＯを用いた場合、ＭＲ比がより大きくなるからである。
【００３５】
また、トンネルバリア層１２として、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｓ（砒素）、Ａｇ（銀）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｇａ（カルシウム）、Ｐ（リン）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｃｕ（銅）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）のうち１つ以上の元素を含む非磁性金属を用いても良い。この非磁性金属を用いた場合は、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）効果を利用することができる。
【００３６】
トンネルバリア層１４としては、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＳｉＯｘ、ＢｉＯｘ、ＳｒＴｉＯｘ、ＡｌＬａＯｘ等の酸化物、或いはＴｉＮ、ＶＮ等の窒化物、或いはＭｇＦｘ、ＣａＦｘ等のフッ化物、或いはＺｒＳｅ、ＺｎＳｅ等のセレン化物、ＡｌＡｓ等の化合物半導体があげられる。或いは、トンネルバリア層１４として、Ａｌ、Ａｕ、Ａｓ、Ａｇ、Ｂｅ、Ｇａ、Ｐ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち１つ以上の元素を含む非磁性金属を用いても良い。この中で、酸化物絶縁体、窒化物絶縁体、或いは化合物半導体がより好ましい材料である。このような材料を用いることで、ＴＭＲ効果によるスピン分極率を向上させることができる。また、酸化物絶縁体であるＭｇＯは、トンネルバリア層１４としては好ましい材料である。これは、ＭｇＯを用いた場合、スピン分極率がより大きくなるからである。
【００３７】
なお、トンネルバリア層１２とトンネルバリア層１４とに同じ材料を用いる場合、トンネルバリア層１４は、トンネルバリア層１２より膜厚が薄くなるように設定される。これは、データ読み出し時に、ＭＲ比に差を持たせるためである。
【００３８】
次に、このように構成されたＭＴＪ素子１０の情報の書き込み動作について説明する。ＭＴＪ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。なお、ここでいう電流は、電子（ｅ）の流れをいう。
【００３９】
まず、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向を平行状態から反平行状態にする場合について説明する。図３は、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向を平行状態から反平行状態に変化させる場合におけるＭＴＪ素子１０の磁化状態を説明する図である。この場合、ＭＴＪ素子１０には、第１の自由層１５から固定層１１へ向かう電子が供給される。
【００４０】
第１の自由層１５側から電子を供給した場合、第１の自由層１５によりスピン偏極された電子が第２の自由層１３に注入される（図３（ａ）参照）。これにより、第２の自由層１３の磁化は、第１の自由層１５の磁化と同じ方向に揃えられる（図３（ｂ）参照）。
【００４１】
さらに、第２の自由層１３により電子が反射されることで第２の自由層１３の磁化と反対方向にスピン偏極された電子が、第１の自由層１５に注入される。これにより、第１の自由層１５の磁化は、固定層１１の磁化の方向と反対方向に揃えられる（図３（ｃ）参照）。これにより、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向が反平行配列となる。
【００４２】
次に、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向を反平行状態から平行状態に変化させる場合について説明する。図４は、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向を反平行状態から平行状態にする場合におけるＭＴＪ素子１０の磁化状態を説明する図である。この場合、ＭＴＪ素子１０には、固定層１１から第１の自由層１５へ向かう電子が供給される。
【００４３】
固定層１１側から電子を供給した場合、固定層１１によりスピン偏極された電子が第２の自由層１３に注入される（図４（ａ）参照）。この場合、第２の自由層１３の磁化の方向は、固定層１１の磁化の方向と同じ方向に揃えられる（図４（ｂ）参照）。
【００４４】
さらに、第２の自由層１３によりスピン偏極された電子が第１の自由層１５に注入され、第１の自由層１５の磁化は、固定層１１の磁化の方向と同じ方向に揃えられる（図４（ｃ）参照）。これにより、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向が平行配列となる。
【００４５】
次に、ＭＴＪ素子１０のデータ読み出し動作について説明する。データの読み出しは、ＭＴＪ素子１０に読み出し電流を供給することで行われる。この読み出し電流は、書き込み電流よりも小さい値に設定され、かつ第１の自由層１５の磁化が反転しない電流に設定される。
【００４６】
まず、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向が反平行状態の場合のデータ読み出し動作について説明する。図５は、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向が反平行状態におけるデータ読み出し時のＭＴＪ素子１０の磁化状態を説明する図である。
【００４７】
例えば第１の自由層１５から固定層１１に向かう読み出し電流をＭＴＪ素子１０に供給すると、第１の自由層１５によりスピン偏極された電子が第２の自由層１３に注入される（図５（ａ）参照）。これにより、第２の自由層１３の磁化は、第１の自由層１５の磁化の方向と同じ方向に揃えられる（図５（ｂ）参照）。
【００４８】
この結果、固定層１１と第２の自由層１３との磁化の方向は、反平行配列となる。この反平行配列のときはＭＴＪ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。
【００４９】
次に、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向が平行状態の場合のデータ読み出し動作について説明する。図５は、固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向が平行状態におけるデータ読み出し時のＭＴＪ素子１０の磁化状態を説明する図である。
【００５０】
例えば第１の自由層１５から固定層１１に向かう読み出し電流をＭＴＪ素子１０に供給すると、第１の自由層１５によりスピン偏極された電子が第２の自由層１３に注入される（図６（ａ）参照）。これにより、第２の自由層１３の磁化は、第１の自由層１５の磁化の方向と同じ方向に揃えられる（図６（ｂ）参照）。
【００５１】
この結果、固定層１１と第２の自由層１３との磁化の方向は、平行配列となる。この平行配列のときはＭＴＪ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。このＭＴＪ素子１０の抵抗値の変化を検出することで、ＭＴＪ素子１０に記録されたデータの読み出しを行う。
【００５２】
以下に、ＭＴＪ素子１０の他の構成例について説明する。まず、第１の例として、第２の自由層１３の他の構成について説明する。第２の自由層１３は、磁性層とトンネルバリア層（非磁性層）とが複数積層された積層構造である。図７は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。
【００５３】
図７に示すように、第２の自由層１３は、磁性層１３Ａ、トンネルバリア層１３Ｂ、磁性層１３Ｃが積層されて構成されている。トンネルバリア層１３Ｂの材料としては、トンネルバリア層１４と同じ材料が用いられる。また、第２の自由層１３を構成する磁性層１３Ａ、１３Ｃとしては、前述したように、強磁性体、或いは常磁性体が用いられる。また、磁性層１３Ａ及び１３Ｃの磁気異方性エネルギーはそれぞれ、第１の自由層１５の磁気異方性エネルギーＵ１より小さく設定される。
【００５４】
ＭＴＪ素子１０を構成する層の具体例として、例えば、ＦｅＰｔ（２ｎｍ）／ＭｇＯ（０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／ＭｇＯ（０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）を用いることができる。ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）は図示していないが、界面層に相当するものであり、固定層１１とトンネルバリア層１２との間に設けられるものである。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。
【００５５】
磁性層とトンネルバリア層とを複数積層して第２の自由層１３を構成することで、第１の自由層１５とトンネルバリア層１４との界面のスピン分極率をより向上させることが可能となる。これにより、効率良くスピントランスファートルクを第１の自由層１５に与えることができるため、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。なお、第２の自由層１３を構成する磁性層が３層以上であっても良い。
【００５６】
トンネルバリア層１３Ｂの材料として非磁性金属層を用いても良い。この場合はＧＭＲ効果を利用することになる。磁性層と非磁性金属層とを複数積層して第２の自由層１３を構成することで、第１の自由層１５とトンネルバリア層１４との界面のスピン分極率をより向上させることが可能となる。これにより、効率良くスピントランスファートルクを第１の自由層１５に与えることができるため、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。
【００５７】
次に、第２の例として、第１の自由層１５の他の構成について説明する。図８は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。第１の自由層１５は、磁性層１５Ｃ／非磁性層１５Ｂ／磁性層１５Ａの積層構造を有している。磁性層１５Ａと磁性層１５Ｃとの磁化方向は、互いに反平行に設定される。また、磁性層１５Ａと磁性層１５Ｃとは非磁性層１５Ｂを挟んで反強磁性結合している。非磁性層１５Ｂとしては、例えば非磁性金属が用いられる。
【００５８】
非磁性層を介して互いの磁化の方向が反平行である第１の磁性層／非磁性層／第２の磁性層の積層構造をシンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnet）構造という。このＳＡＦ構造を用いることで、第１の自由層１５の外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性を向上させることができる。
【００５９】
ＭＴＪ素子１０を構成する層の具体例として、例えば、ＦｅＰｔ（２ｎｍ）／Ｒｕ（０．８）／ＦｅＰｔ（２ｎｍ）／ＭｇＯ（０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）を用いることができる。ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）は図示していないが、界面層に相当するものであり、固定層１１とトンネルバリア層１２との間に設けられるものである。
【００６０】
次に、第３の例として、固定層１１の他の構成について説明する。図９は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。固定層１１は、磁性層１１Ｃ／非磁性層１１Ｂ／磁性層１１Ａの積層構造を有している。磁性層１１Ａと磁性層１１Ｃとの磁化方向は、互いに反平行に設定される。また、磁性層１１Ａと磁性層１１Ｃとは非磁性層１１Ｂを挟んで反強磁性結合している。非磁性層１１Ｂとしては、例えば非磁性金属が用いられる。
【００６１】
固定層１１にＳＡＦ構造を用いることで、固定層１１の磁化固着力が増強され、外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性を向上させることができる。また、ＳＡＦ構造において、磁性層１１Ｃの飽和磁化をＭｓ１、膜厚をｔ１、磁性層１１Ａの飽和磁化をＭｓ２、膜厚をｔ２とすると、Ｍｓ１・ｔ１≒Ｍｓ２・ｔ２に設定することで、固定層１１の見かけ上の飽和磁化と膜厚との積Ｍｓ・ｔをほぼゼロとすることが可能となる。これにより、固定層１１は、外部磁場に反応しにくくなり、さらに外部磁場耐性を向上させることができる。
【００６２】
ＭＴＪ素子１０を構成する層の具体例として、例えば、ＦｅＰｔ（２ｎｍ）／ＭｇＯ（０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）／ＦｅＰｔ（８ｎｍ）／Ｒｕ（０．８）／ＦｅＰｔ（１０）を用いることができる。ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）は図示していないが、界面層に相当するものであり、固定層１１とトンネルバリア層１２との間に設けられるものである。
【００６３】
以上詳述したように本実施形態では、固定層１１と第１の自由層１５との間に第２の自由層１３を設け、第２の自由層１３の磁気異方性エネルギーＵ２を第１の自由層１５の磁気異方性エネルギーＵ１より小さくなるように設定している。
【００６４】
従って本実施形態によれば、第１の自由層１５とトンネルバリア層１４との界面でのスピン分極率を向上させることができる。これにより、効率良くスピントランスファートルクを第１の自由層１５に与えることができるため、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。さらに、ＭＴＪ素子１０の微細化が可能となるため、このＭＴＪ素子１０を用いて大容量（例えば２５６Ｍｂｉｔｓ以上）のＭＲＡＭを具現化することができる。
【００６５】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、前述したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の例について示している。
【００６６】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。固定層１１、トンネルバリア層１２、第２の自由層１３、トンネルバリア層１４、第１の自由層１５が順に積層された基本構成は、第１の実施形態と同じであり、この基本構成を上下で挟むように、上部電極１７及び下部電極１６が設けられている。上部電極１７及び下部電極１６としては、例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化チタン（ＴｉＮ）が用いられる。
【００６７】
図１１は、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２０を備えている。メモリセルアレイ２０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２０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。
【００６８】
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、ＭＴＪ素子１０、及び選択トランジスタ２１を備えている。ＭＴＪ素子１０の上部電極１７は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の下部電極１６は、選択トランジスタ２１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ２１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２１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【００６９】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ２２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路２４及び読み出し回路２５が接続されている。書き込み回路２４及び読み出し回路２５には、カラムデコーダ２３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ２２及びカラムデコーダ２３により選択される。
【００７０】
メモリセルＭＣへのデータ書き込みは、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２１がターンオンする。
【００７１】
ここで、ＭＴＪ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、ＭＴＪ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２４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、ＭＴＪ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２４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。
【００７２】
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２１がターンオンする。読み出し回路２５は、ＭＴＪ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２５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１０に記憶されたデータを読み出すことができる。
【００７３】
以上詳述したように本実施形態によれば、第１の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成することができる。また、第１の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いることで、微細化が可能で、かつ反転電流密度を低減することが可能なＭＲＡＭを構成することができる。
【００７４】
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良いし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。
【図２】第２の自由層１３の一例を示す断面図。
【図３】固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向を平行状態から反平行状態に変化させる場合におけるＭＴＪ素子１０の磁化状態を説明する図。
【図４】固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向を反平行状態から平行状態に変化させる場合におけるＭＴＪ素子１０の磁化状態を説明する図。
【図５】固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向が反平行状態におけるデータ読み出し時のＭＴＪ素子１０の磁化状態を説明する図。
【図６】固定層１１と第１の自由層１５との磁化の方向が平行状態におけるデータ読み出し時のＭＴＪ素子１０の磁化状態を説明する図。
【図７】ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図。
【図８】ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図。
【図９】ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。
【図１１】第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。
【符号の説明】
【００７６】
１０…ＭＴＪ素子、１１…固定層、１１Ｃ，１１Ａ…磁性層、１１Ｂ…非磁性層、１２…トンネルバリア層、１３…第２の自由層、１３−１…絶縁相、１３−２…磁性相、１３Ａ，１３Ｃ…磁性層、１３Ｂ…トンネルバリア層、１４…トンネルバリア層、１５…第１の自由層、１５Ｃ，１５Ａ…磁性層、１５Ｂ…非磁性層、１６…下部電極、１７…上部電極、２０…メモリセルアレイ、２１…選択トランジスタ、２２…ロウデコーダ、２３…カラムデコーダ、２４…書き込み回路、２５…読み出し回路、ＭＣ…メモリセル、ＷＬ…ワード線、ＢＬ…ビット線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2008252036.tif 000010
【図９】
2008252036.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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