(57)【要約】【課題】磁気抵抗素子の磁化自由層の磁歪定数の大きさを、高ＭＲを保ったまま安定的に小さくする。【解決手段】磁歪定数が正の強磁性層と磁歪定数が負の強磁性層とを非磁性層を介して適切な大きさで強磁性結合させることにより、それらの磁歪定数がキャンセルして全体の磁歪定数がゼロとなるように磁化自由層を形成する。【選択図】図４
2008306002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された磁化を有する磁化固定層と、
反転可能な磁化を有する磁化自由層と、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配置された非磁性層とを具備し、
前記磁化自由層は、
前記非磁性層に隣接し、磁歪定数が正である第一強磁性層と、
磁歪定数が負であり前記第一強磁性層と平行に結合された第二強磁性層と、
前記第一強磁性層と前記第二強磁性層との間に配置された平行結合非磁性層とを備え、
前記磁化自由層の全体としての実効的な磁歪定数の絶対値は１ｐｐｍ以下である
磁気抵抗素子。
【請求項２】
請求項１に記載された磁気抵抗素子であって、前記磁化自由層は、
前記第二強磁性層に対して前記非磁性層の反対側に配置され、磁歪定数が負である第三強磁性層を更に備え、
前記第三強磁性層の磁化は、残留磁化状態で前記第一強磁性層に平行に配置され、
前記磁化自由層に含まれる複数の強磁性層のうち前記第一強磁性層の磁化が平行な複数の層の実効的な磁歪定数の絶対値は１ｐｐｍ以下である
磁気抵抗素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された磁気抵抗素子であって、前記磁化自由層の前記平行結合非磁性層を介した界面強磁性結合エネルギーは、０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２以上０．３ｅｒｇ／ｃｍ２以下である磁気抵抗素子。
【請求項４】
請求項１又は２に記載された磁気抵抗素子であって、前記平行結合非磁性層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である磁気抵抗素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載された磁気抵抗素子であって、前記第二強磁性層はＮｉからなるか又はｘ＞８５％のＮｉｘＦｅ１−ｘ合金からなる磁気抵抗素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載された磁気抵抗素子であって、前記第一強磁性層はＦｅからなるか又はｘ＜８０％のＣｏｘＦｅ１−ｘ合金からなる磁気抵抗素子。
【請求項７】
請求項１に記載された磁気抵抗素子であって、前記第一強磁性層はＣｏＦｅ合金を含むアモルファス構造又は微結晶構造を有する磁気抵抗素子。
【請求項８】
請求項１に記載された磁気抵抗素子であって、前記平行結合非磁性層と前記第一強磁性層の界面と、前記平行結合非磁性層と前記第二強磁性層の界面とは、前記第一強磁性層の前記平行結合非磁性層と反対側の界面と、前記第二強磁性層の前記平行結合非磁性層と反対側の界面とに比べてラフネスが大きい磁気抵抗素子。
【請求項９】
請求項１に記載された磁気抵抗素子であって、前記第二強磁性層は微結晶構造又はアモルファス構造を有する磁気抵抗素子。
【請求項１０】
請求項１に記載された磁気抵抗素子であって、前記第二強磁性層の酸素又は窒素の含有量が前記第一強磁性層と前記平行結合非磁性層とに比べて大きい磁気抵抗素子。
【請求項１１】
記憶ビットと、
前記記憶ビットに情報の書き込みを行う書き込み配線と、
前記記憶ビットから情報の読み出しを行う読み出し配線
とを具備し、
前記記憶ビットは、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
反転可能な磁化を有する磁化自由層と、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配置された非磁性層とを具備し、
前記磁化自由層は、
前記非磁性層に隣接し、磁歪定数が正である第一強磁性層と、
磁歪定数が負であり前記第一強磁性層と平行に結合された第二強磁性層と、
前記第一強磁性層と前記第二強磁性層との間に配置された平行結合非磁性層とを備え、
前記磁化自由層の全体としての実効的な磁歪定数の絶対値は１ｐｐｍ以下であり、
前記磁化自由層の形状磁気異方性の容易軸方向は、前記書き込み配線の延伸方向に対して平行でなく且つ垂直でないか、又は前記読み出し配線の延伸方向に対して平行でなく且つ垂直でない
ＭＲＡＭ。
【請求項１２】
請求項１１に記載されたＭＲＡＭであって、前記磁化自由層は、
前記第二強磁性層の前記非磁性層に対して反対側に配置された反平行結合非磁性層と、
前記反平行結合非磁性層の前記非磁性層に対して反対側に配置され、磁歪定数が負である第三強磁性層と、
前記第三強磁性層の前記非磁性層に対して反対側に配置され、磁歪定数が正である第四強磁性層
とを更に備え、
前記第三強磁性層と前記第四強磁性層の全体としての実効的な磁歪定数の絶対値が１ｐｐｍ以下である
ＭＲＡＭ。
【請求項１３】
請求項１２に記載されたＭＲＡＭであって、
前記磁化自由層は、前記反平行結合非磁性層に対して積層方向に対称である
ＭＲＡＭ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子、および、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗素子は磁気ヘッド、磁界センサー、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）など多くの用途に使用される。磁気抵抗素子は磁化が反転可能な強磁性体である磁化自由層と、磁化が固定された強磁性体である磁化固定層、その間に介設された非磁性層とで構成され、磁化固定層に対する磁化自由層の角度によって抵抗値が変化する。磁化自由層の反転によって生じる最大の抵抗変化率は、磁気抵抗比［ＭＲ比＝（最大抵抗値−最小抵抗値）／最小抵抗値］として定義される。ＭＲ比が大きいほど高い信号変化が得られるため好適である。非磁性層が導体である磁気抵抗素子はＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子と呼ばれる。非磁性層が絶縁体の磁気抵抗素子はＭＴＪ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）と呼ばれる。ＭＴＪにおいては絶縁層（トンネルバリア）を介したトンネル抵抗が変化し、膜面に垂直に電流が流れる。
【０００３】
磁化自由層の磁化反転特性を向上するために積層フェリ構造が用いられる。積層フェリ構造は２層の磁性層がＲｕなどの非磁性層を介して反平行に結合した素子である。この構造においては、単層の磁性層それぞれが持つ反磁場が低減され、磁化反転において多磁区構造の発生が抑えられるという優位点がある。このＲｕを介して２層の磁性層の間に働く磁気結合力はＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎｎ、Ｋｉｔｔｅｌ、Ｋａｓｕｙａ、Ｙｏｓｈｉｄａ）相互作用を反映している。その磁気結合力はＲｕの厚さを増大させていくと反平行／平行に符号を変えながら振動的に減衰していく。積層フェリ構造ではＲｕ厚は、反平行結合力が発現する範囲に設定される。
【０００４】
ＭＲＡＭでは、ビットセルとしてＭＴＪが用いられ、その上下に書き込み兼読み出し用に２本の配線が形成される。書き込みは、書き込み配線に電流を流して誘起される磁場により磁化自由層の磁化を反転させることによって行われる。読み出しは、磁気抵抗素子の抵抗値を読むことによって行われる。書き込み配線はビット線／ワード線と呼ばれる。ビット線とワード線の磁場が同時に引加されたセルにデータが書き込まれる。このときビット線及びワード線からの磁場に対するスイッチング閾値曲線はアステロイドになる。そのため、この書き込み方法はアステロイド書き込みと呼ばれる。
【０００５】
ＭＲＡＭの一種であるトグルＭＲＡＭでは、２層の強磁性層の磁化の差がほぼゼロである積層フェリ膜が磁化自由層に使用される（特許文献１参照）。特許文献１には、２層に限らず２層以上の強磁性層、例えば５層の強磁性層を互いに反平行に結合させた構成も開示されている。このような磁化自由層に対して外部磁場の印加方向を時系列的に変化させて書き込みが行われる。これはトグル書き込みと呼ばれる。また、このような残留磁化が小さい積層フェリを用いた磁化自由層に対して、その容易軸方向へ磁場が印加されたとき、磁化自由層は反平行結合を保ったまま双方向に反転する（ダイレクト反転）。このダイレクト反転も書き込みに使用できる。
【０００６】
ＭＲＡＭの書き込み方法は、配線電流から磁場を印加する方法に限られない。磁化自由層に直接スピン偏極した電流を流し、磁化自由層を反転させることによっても書き込むことができる。
【０００７】
ＭＲＡＭにおいて磁化自由層のスイッチングを行うために要求されるスイッチング磁場のばらつきの抑制は重要である。スイッチング磁場のばらつきが小さいほど、ＭＲＡＭの書き込み電流値が下がり、また書き込みマージンが増大するため、誤書き込みが低減する。スイッチング磁場の制御と共にスイッチング磁場ばらつきの抑制が望まれる。
【０００８】
磁気抵抗素子の応用では、しばしば磁化自由層の磁歪定数（λ）を適切に制御することが必要となる。特に多くの用途で、以下の理由により、λを０に近くなるように制御することが望まれる。デバイス中に生じている応力（σ）によって、σの印加方向に応力誘起磁気異方性が誘起される。このような異方性は磁化自由層に不所望の異方性を与え、書き込み特性を悪化させる。またはセンサー用途では、λが大きいと軟磁気特性が劣化するという問題が発生する。この異方性の大きさは磁化自由層の飽和磁化をＭｓとすると３λσ／（２Ｍｓ）で表される。σが正のときが引っ張り応力、σが負のときが圧縮応力と定義している。λが正の磁化自由層に対して引っ張り応力が加わると、引っ張り応力の方向を容易軸とする応力誘起磁気異方性が生じる。λが正の磁化自由層に対して圧縮応力が加わると圧縮応力方向に対して９０度方向を容易軸とする応力誘起磁気異方性が生じる。
【０００９】
特に実際のＭＲＡＭでは、書き込み配線や読み出し配線に起因して通常、応力が発生する。このような応力は各配線の延伸方向に対して平行または垂直方向に発生する。図１Ａ、１ＣはＭＲＡＭの平面図を、図１ＢはＭＲＡＭの断面図を示す。下地基板８上にＣＭＯＳトランジスタによる回路が形成される。基板８上に層間絶縁膜７が形成される。層間絶縁膜７上にワード線１が形成される。ワード線１の上部に層間絶縁膜６が形成される。層間絶縁膜６の内部に、ＭＴＪ下部電極４とＭＴＪ接合部３とを含むＭＴＪが形成される。ＭＴＪの上部にビット線２が形成される。ＭＴＪと下部の配線やＣＭＯＳ回路は下部ビアコンタクト５により電気的に接続される。
【００１０】
図１Ｃに示されるように、ワード線１、ビット線２の延伸方向に対して水平又は垂直にＭＴＪの形状磁気異方性の容易軸が設定される。そのため、各配線からの応力による応力誘起磁気異方性はＭＴＪの全磁気異方性の大きさには影響を与えるが、容易軸の方向を回転させることはない。
【００１１】
以下に先行技術文献を掲げる。特許文献２については後述する。
【特許文献１】米国特許６５４５９０６号明細書
【特許文献２】特開２００５−１６７２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、各配線からの応力による応力誘起磁気異方性により、容易軸の方向に影響が出る場合がある。図２Ａ、２Ｂには、トグルＭＲＡＭのように各配線の延伸方向に対してＭＴＪの形状磁気異方性の容易軸が平行／垂直でないＭＲＡＭセルが示されている。このようなＭＲＡＭセルでは、配線からの応力による応力誘起磁気異方性により、磁化容易軸が回転し、磁気異方性の角度分散が引き起こされる。この角度分散は、ＭＲＡＭの書き込み電流を増大させる。すなわち応力誘起磁気異方性の制御は、書き込み配線の延伸方向に対して、ＭＴＪの容易軸が平行／垂直でないＭＲＡＭセルでは特に重要となる。
【００１３】
このような不所望な応力誘起磁気異方性の低減の観点から、磁化自由層のλは小さいことが望ましい。典型的な磁化自由層の材料としてＮｉＦｅ合金でＮｉ組成が８０％付近で構成されるパーマロイが使用される。パーマロイは軟磁気特性に優れる。さらに、パーマロイのλはＮｉ組成が８２％付近でλがゼロになり、それよりもＮｉがリッチになるとλ＜０、Ｎｉがプワになるとλ＞０となる。この組成によってλが所望な値に調整される。ＮｉＦｅ合金はＮｉプアになるほどスピン分極率が向上するためＭＲ比が向上するが、λが増大していく。
【００１４】
磁化自由層の他の材料としてＣｏＦｅ系合金、または、ＣｏＦｅＢが挙げられる。ＣｏＦｅＢのようなＣｏＦｅ系材料は高いスピン分極率のためＮｉＦｅと比較して大きなＭＲ比が得られる。特にＭＴＪにおいてトンネルバリアに（００１）配向したＭｇＯを使用した場合、磁化自由層にｂｃｃ構造で（００１）配向したＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどを用いると、非常に大きなＭＲ比が得られる。これらの材料を非磁性層／磁化自由層界面に用いることが望まれる。
【００１５】
しかしながらこれらＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、特にｂｃｃ構造のＣｏＦｅ合金、あるいはそれをベースとしたＣｏＦｅＢ合金は、λが非常に大きい値を持ち、λを小さくすることができないという問題がある。
【００１６】
微細素子での反転磁場値を決定する形状磁気異方性を制御するためには、磁化自由層の磁化と磁化膜厚の積（磁化膜厚積）の総和を厳密に制御しなければならない。しかし、λと磁化自由層の膜厚を独立に制御することは難しい。
【００１７】
ＣｏＦｅ系材料を用いてλを制御する磁化自由層としてＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの２層構成とし、それぞれに対する膜厚比を変えることが提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、この方法においてＣｏＦｅのＮｉＦｅに対する比率を大きくすると、材料の平均磁気異方性が増大し、さらに異方性分散も増大する。この異方性分散の増大は反転磁場のばらつきの増大を招き問題である。実際の磁気抵抗素子では書き込みばらつきを抑制することが重要である。
【００１８】
さらにｂｃｃ構造のＣｏＦｅやＣｏＦｅＢのような非常に大きなλを持つ材料を使用した場合、λを十分に低減することが困難である問題が生じる。
【００１９】
このように従来技術の磁化自由層の実効的なλを安定に低減し、高いＭＲ比を得る方法が望まれている。とくに書き込み／読み出し配線の延伸方向に対して、ＭＴＪの容易軸が平行／垂直でないＭＲＡＭセルにおいて、不所望な応力誘起磁気異方性を低減する技術が望まれる。
【００２０】
したがって本発明の目的は、磁気抵抗素子の磁化自由層に関して、実効的な磁歪λの大きさを安定的に小さく低減し、同時に高いＭＲ比を得る構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の第１の磁気抵抗素子は、固定された磁化を有する磁化固定層と、反転可能な磁化を有する磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層との間に配置された非磁性層とを備える。磁化自由層は、非磁性層に隣接し、磁歪定数が正である第一強磁性層と、磁歪定数が負であり第一強磁性層と平行に結合された第二強磁性層と、第一強磁性層と第二強磁性層との間に配置された平行結合非磁性層とを備える。磁化自由層の全体としての実効的な磁歪定数の絶対値は１ｐｐｍ以下である。
【００２２】
本発明の第１のＭＲＡＭは、本発明の第１の磁気抵抗素子を記憶ビットとして用いる。磁化自由層の形状磁気異方性の容易軸方向は、書き込み配線の延伸方向に対して平行でなく且つ垂直でないか、又は読み出し配線の延伸方向に対して平行でなく且つ垂直でない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高ＭＲを保ちつつ磁歪定数の大きさを安定的に小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施例１）
本発明の実施例１について説明する。図３は、本発明の実施例１に係る磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。磁気抵抗素子として磁気抵抗を発現する非磁性層がトンネルバリアで構成されたＭＴＪ素子をトグルＭＲＡＭセルに適用した例を説明する。ＭＴＪ素子９は、下地基板表面上に形成される層間絶縁膜１０の上に作製される。ＭＴＪ素子９は、下部電極層１１と、反強磁性層１２と、磁化固定層４１と、トンネルバリア層１６と、ＭＴＪ接合部３と、上部電極層１８とを備えている。ＭＴＪ接合部３は、トンネルバリア層１６に近い方から順に、磁化自由層４２と、キャップ層１７と、上部電極層１８とを備えている。
【００２５】
ＭＴＪ素子９は、図２Ａ、２Ｂに示されるようなトグル書き込み方式に対応するセルに配置される。具体的には、ＭＴＪ素子９は、その長手方向がワード線（及びそれに直交するビット線）に対して４５°の角度をなすように配置される。この配置において、磁化固定層４１及び磁化自由層４２を構成する強磁性層の容易軸とワード線（及びそれに直交するビット線）とのなす角度は４５°に設定される。ＭＴＪ素子は図３に示されるようにトンネルバリア層１６より上部がＭＴＪ接合部３パタンに加工され、トンネルバリア層１６より下部がＭＴＪ下部電極４パタンに加工される。以下では、ＭＴＪ素子９の構成について詳細に説明する。
【００２６】
下部電極層１１は、ＭＯＳトランジスタ（図示されない）が集積化された基板１０の上に形成される。下部電極層１１は、磁化固定層１３への電気的接続を提供する経路として使用される。下部電極層１１は、例えば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｕ、Ａｌで形成される。
【００２７】
反強磁性層１２は、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎのような反強磁性体で形成される。反強磁性層１２は、磁化固定層４１の磁化を固定する役割を有している。
【００２８】
磁化固定層４１は、例えばＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢのようなスピン分極率の高い強磁性体で形成される。磁化固定層４１の磁化は、反強磁性層１２が作用する交換相互作用によって固定される。磁化固定層４１は積層フェリ構造で構成されても良い。例えば、磁化固定層４１は、強磁性層１３、反平行結合非磁性層１４、強磁性層１５で構成される。典型的に強磁性層１３はＣｏＦｅ、反平行結合非磁性層１４はＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕで構成される。磁性層１４としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなど高スピン分極率材料が用いられる。トンネルバリア層１６は、トンネル電流を流す程度に薄い膜厚を有する絶縁体膜である。より具体的には、トンネルバリア層１６は、例えば、アルミナ（ＡｌＯｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などで形成される。特にトンネルバリア層１６を（００１）配向した結晶質ＭｇＯと磁化固定層１３にＢＣＣ構造を持つ材料とを組み合わせた材料によって形成すると、大きなＭＲ比が得られるので好適である。
【００２９】
磁化自由層４２は、４つの強磁性層２１〜２４と３つの非磁性層３１〜３３を備える。第一強磁性層２１と第二強磁性層２２は平行結合を発現する平行結合非磁性層３１で隔てられている。第二強磁性層２２と第三強磁性層２３とは反平行結合を発現する反平行結合非磁性層３２で隔てられている。第三強磁性層２３と第四強磁性層２４とは平行結合を発現する平行結合非磁性層３３で隔てられている。
【００３０】
トンネルバリア層１６の上には、高ＭＲ比を発現するようにＦｅリッチのＮｉＦｅやＣｏＦｅＢによって形成された第一強磁性層２１が配置される。またトンネルバリア層１６が（００１）配向したＭｇＯの場合は、第一強磁性層２１はｂｃｃ材料のＮｉＦｅやＣｏＦｅ、あるいはそれらに対して非磁性元素を添加したＣｏＦｅＢなどの複合物によって形成されることが好ましい。これらの材料のλは正である。
【００３１】
平行結合非磁性層３１は、第一強磁性層２１の上に形成されている。平行結合非磁性層３１の材料は、２ｎｍ以下の厚さのＴａやＴａＮなどの極薄非磁性層や、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕなど、非磁性層厚で結合の符号と大きさが振動的に変わるＲＫＫＹ相互作用的磁気結合を発現する材料から選んでも良い。それらの強磁性結合が利用される。この非磁性層においては、第一強磁性層２１と第二強磁性層２２の磁化反転が分離しないように、ある程度強い結合力が発現することが望まれる。
【００３２】
平行結合非磁性層３１の上に、第二強磁性層２２が形成される。第二強磁性層２２は、λが負になるような材料によって形成される。たとえばＮｉＦｅでＮｉ組成が８２％よりも高い材料が用いられる。第一強磁性層２１のλを打ち消すように負のλの値が調整される。Ｎｉ組成は８５％以上であればＮｉＦｅのλは−１ｐｐｍ以下となり、第一強磁性層２１の正磁歪をキャンセルし得るｐｐｍオーダーの負磁歪を持つので好適である。後述の実験例１ではＮｉ８６％組成が例示される。第一強磁性層２１／非磁性層３１／第二強磁性層２２の三層膜が残留磁化状態で磁化が平行を向いている強磁性層である。この強磁性層の全体の実効的なλがゼロに設定することが望まれる。
【００３３】
強磁性層２１の上に反平行結合非磁性層３２、第三強磁性層２３、平行結合非磁性層３３、及び第四強磁性層２４が、この順で順次に形成されている。反平行結合非磁性層３２はＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕなどの反平行結合によって実現される。
【００３４】
第三強磁性層２３／平行結合非磁性層３３／第四強磁性層２４の三層膜が、残留磁化状態で磁化が平行を向いている強磁性層である。この三層膜内での実効的なλをゼロにすることが求められる。さらにトグルＭＲＡＭとして使用する場合は、対称性の観点から強磁性層２３が負磁歪であり、強磁性層２４が正磁歪であることが望ましい。そのように設定することで磁化自由層４２内の各強磁性層の応力誘起磁気異方性に関して、磁化自由層４２内で対になってスピンフロップ配置に結合する強磁性層同士、すなわち外部磁場方向を中心としてその左右に同一角度をもって磁化配置する強磁性同士が有する応力誘起磁気異方性の方向が一致する。そして対となる強磁性層同士の磁気異方性の対称性が保たれ安定に磁化が回転する。その結果、応力誘起磁気異方性による不所望な書き込み磁場ばらつきを抑えられるなどの優位点があり、好適である。λに関してより対称性を確保するには、磁化自由層４２内の反平行結合非磁性層３２を中心として膜厚方向に各層の構成を対称にすればよい。
【００３５】
しかしながら第三強磁性層２３／平行結合非磁性層３３／第四強磁性層２４の三層膜中では必ずしもλの大きな材料を使用する必要はない。そのため、第三強磁性層２３と第四強磁性層２４を同一組成とし、第三強磁性層２３／平行結合非磁性層３３／第四強磁性層２４全体でλをゼロにしても良い。第三強磁性層２３及び第四強磁性層２４の典型的な材料として、ｆｃｃ構造のＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などが挙げられる。平行結合非磁性層３３に関しては平行結合を発現させる必要があるので、平行結合非磁性層３１と同種の材料が使用される。
【００３６】
キャップ層１７は、磁化固定層１３、トンネルバリア層１６、及び磁化自由層４２を保護するために形成される。キャップ層１７は、例えば、Ｔａ、Ｒｕで形成される。キャップ層１７は、トンネル電流が流れる程度に極めて薄いＡｌＯｘとＴａの積層膜で形成されることも可能である。上部電極はＣｕ、Ａｌ、又はそれらの合金で形成される。
【００３７】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。図４は、本発明の実施例２に係るＭＴＪ素子の構成を示す断面図である。図４に示されているＭＴＪ素子は、磁化自由層４２以外は図３に示されているＭＴＪ素子９と同様に形成される。磁化自由層４２は、第一強磁性層２１、平行結合非磁性層３１及び第二強磁性層２２から構成される。
【００３８】
第一強磁性層２１を構成する材料としては、ＦｅリッチのＮｉＦｅやＣｏＦｅＢ、またはｂｃｃ材料のＮｉＦｅやＣｏＦｅが好適に用いられる。それらのλは５ｐｐｍ以上であり、単独で磁化自由層に使用すると大きいλのため軟磁気特性を得ることが難しい。とくにＣｏｘＦｅ１−ｘ合金でｘが８０％以下であればｂｃｃ構造をとる。ＢＣＣ材料は大きいＭＲ比を発現しうるので好適である。そのような材料のλは５ｐｐｍ以上であり、単独で使用すると大きいλのため軟磁気特性を得ることが難しい。非磁性元素を添加した第一強磁性層２１は、結晶磁気異方性とλが低減されるため、強磁性合金のみの場合よりも軟磁気特性的に優れている。好適な非磁性元素としてＢ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆなどが挙げられる。
【００３９】
平行結合非磁性層３１は、ＴａやＴａＮなどの薄い非磁性層や、ＲＫＫＹ的強磁性結合を発現する膜厚のＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕなどを用いて形成することができる。第二強磁性層２２は第一強磁性層２１のλをキャンセルできるくらいの負のλを有する材料により形成される。そうした材料として、典型的にはＮｉ９０Ｆｅなどが挙げられる。
【００４０】
しかしながら、第二強磁性層２２を構成する負磁歪を示すＮｉＦｅは、第一強磁性層２１を構成するｂｃｃ系材料と比較してＭｓが大幅に小さい。そのため、第一強磁性層２１のλをキャンセルするには、非常に大きな膜厚が必要とされる。第一強磁性層２１と第二強磁性層２２の磁化膜厚積の和が増大することにより、磁化自由層の反磁場の増大、書き込み磁場の増大、磁化自由層が多磁区構造をとりやすくなり磁化反転が妨げられるなどの問題が発生する。第一強磁性層２１を薄くすれば、第二強磁性層２２によってλをキャンセルしやすくなり、全体の膜厚も低減できる。しかし、ＭＲ比が低下するので望ましくない。
【００４１】
こうした問題を解決するために、図５に示す自由層構成が有効である。磁化自由層４２は４層の強磁性層２１、２２、５３、５４と３層の非磁性層３１、３２、５５から構成される。第一強磁性層２１、平行結合非磁性層３１及び第二強磁性層２２は先ほどの実施例と同等である。第二強磁性層２２の上に反平行結合強磁性層３２が形成される。反平行結合非磁性層３２の上に第三強磁性層５３が形成される。第三強磁性層５３の上に反平行結合非磁性層５５が形成される。反平行結合非磁性層５５の上に第四強磁性層５４が形成される。
【００４２】
反平行結合非磁性層３２及び反平行結合非磁性層５５は反平行結合する。これらはＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕなどによって形成される。膜厚は反強磁性結合を発現する範囲に設定される。第三強磁性層５３はｆｃｃ構造のＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの軟磁性材料で形成される。第三強磁性層５３のλは小さいことが望ましく、概ねゼロに設定されることがさらに望ましい。しかし条件によっては、必ずしもλが小さい必要はない。第四強磁性層５４は第二強磁性層２２と同様にλが負である材料で形成される。
【００４３】
発明者の実験により、強磁性層２１、２２、５４が残留磁化状態で平行配置をとり、負磁歪を持つ第四強磁性層５４が、第一強磁性層２１と直接平行結合していないが、第一強磁性層２１の大きな正磁歪を打ち消すことができることがわかった。強磁性層２１、２２、５４が発生する反磁場を、これらと残留磁化状態で反平行に結合している第三強磁性層５３により打ち消すことができる。
【００４４】
第一強磁性層２１の大きな正磁歪を図５の構成でも打ち消せない場合は、隣接強磁性層と反平行に結合する２層の強磁性層を追加し、強磁性層２１と残留磁化状態で平行配置となる強磁性層を負磁歪材料によって形成することにより、打ち消すことができる。
【００４５】
本実施例の効果を説明するため、磁化自由層に相当する自由層膜を作製し磁歪定数を調べた結果を示す。
基板側から順に、基板／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（０〜１０ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１０ｎｍ）という積層構造を有する構成において、Ｒｕ厚０〜１０ｎｍの範囲から平行結合を発現するＲｕ膜厚を持つ試料を作製した。ここで、Ａｌ（αｎｍ）Ｏｘとは、α（ｎｍ）のＡｌ膜を酸化することによって形成されたＡｌＯｘ膜を意味している。λは光梃子法により評価した。図６Ａの横軸にＲｕ厚、縦軸にλをプロットした。図よりＲｕ厚の増大に対してλは振動しながら減少していくことがわかる。
【００４６】
Ｒｕの上下の強磁性層の間にはＲｕを介してＲＫＫＹ的な磁気的相互作用が働き、Ｒｕ厚の増大に対して平行／反平行と符号を変えながら振動的に減衰する結合を発現することが知られている。図６Ａの実験から、このようなＲＫＫＹ的なＲｕの強磁性結合力の大きさとλの大きさが良く対応することがわかった。Ｒｕ厚がゼロである（参考例）試料はλが６．３ｐｐｍと最も大きい。Ｒｕ厚が増大し強磁性結合力が弱まるほどλは大幅に減少している。特にＲｕ厚が１．５〜２．１ｎｍの強磁性結合領域においてλはピークを持ち、これらは強磁性結合力の大きさの振動変化に対応している。
【００４７】
強磁性結合力とλの関係に関してより定量的な考察を行う。Ｒｕを介した磁気相互作用は結合エネルギーＪを用いて定量化される。Ｒｕの上下の強磁性層の磁化相対角度をθとすると、これらの結合エネルギーはＪｃｏｓθで表される。Ｊが正は反平行結合、Ｊが負は平行結合である。図６Ｂにこれらの試料のＪとλの大きさをプロットした。Ｊの値は、以下のように求めた。基板／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）ＩｒＭｎ（４０ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（０〜１０ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ構成の積層膜の磁化曲線を測定する。ＩｒＭｎ（４０ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）とＮｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）の膜がＪの大きさで強磁性結合しているモデルを仮定した計算を用いて実測された磁化曲線をフィッティングすることで、Ｊが得られる。但しＲｕ厚がゼロのときの値はこの方法ではわからないためバルクにおける磁性元素同士の交換結合エネルギーの文献値を使用した。
【００４８】
図６Ｂで明らかなように、Ｊの絶対値が大きいほどλは大きい。参考例では、ＮｉＦｅとＣｏＦｅＢが直接積層されている（Ｊ＝１０ｅｒｇ／ｃｍ２）。これに対して、Ｊ＝０．２１ｅｒｇ／ｃｍ２まで減少させると、λは僅かではあるが０．７ｐｐｍ減少している。Ｊが０．３ｅｒｇ／ｃｍ２以下のときに効果が確かめられた。そのときのＲｕ膜厚は０．５ｎｍである。さらにＪを０．１ｅｒｇ／ｃｍ２以下に低減するとλは１．５ｐｐｍ以上減少しており、実用上効果的なｐｐｍオーダーでλを減少できるのでより好適である。そのときのＲｕ膜厚は１ｎｍ以上である。弱い強磁性結合によってこのようなλの低減効果があることは本発明の実験により始めて明らかになったことである。
【００４９】
Ｊを弱めるほどλを低減できると考えられるが、Ｊを弱めすぎるとＮｉＦｅとＣｏＦｅＢの磁化反転が分離するおそれがある。そのような反転分離を防止するには、少なくともＪ＝０．０００１ｅｒｇ／ｃｍ２以上は必要である。少なくともＲｕ非磁性層が１０ｎｍ以下でないと、必要な大きさの強磁性結合力が得られない。
【００５０】
図７に基板／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（２〜８ｎｍ）／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１０ｎｍ）の構成を備えた自由層膜及び、基板／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（２〜８ｎｍ）／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１０ｎｍ）の構成を備えた自由層膜のλのＮｉ８９Ｆｅ１１膜厚依存性を示す。前者は参考例の複数の強磁性層が直接接する構造であり、後者が本実施例の複数の強磁性層が非磁性層を介して強磁性結合した構成である。いずれもＮｉＦｅ厚を増大させるほどλは減少していくが、後者は前者に比べてより薄いＮｉ８９Ｆｅ１１でλを低減させることができる。これは実用上非常に有利な特性である。さらに前者に対して後者では第一強磁性層と第二強磁性層は非磁性層で隔てられていれ分離しているので、各層の膜質も安定であり、λを安定に制御できる利点がある。０．５ｎｍ以上の非磁性層厚であれば、非磁性層が連続膜に変化しつつあるので、各強磁性層を分離できる。さらに１ｎｍ以上の非磁性層であればより安定に分離でき、好適である。このように発明者の実験によって、本実施例の磁化自由層構造においてＪを低減することでλをより効果的に減少できることがわかった。
【００５１】
（実施例３）
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例においては、さらなる効果として、磁化自由層のλを安定に低減することができる。すなわちλの平均値をゼロに近づけ、そのばらつきを抑制することが可能である。
【００５２】
図８に基板／Ｔａ／ＡｌＯ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｔａ、薄膜のλのＮｉＦｅ磁性膜厚依存性を示す。λはＮｉＦｅ膜厚の逆数に比例する。特に薄い膜厚では、膜厚の減少によって急激にλは増大する。この結果より、磁化自由層のような薄い薄膜内では、自由層の膜厚のばらつきに応じて局所的にλ変化するものと考えられる。
【００５３】
このような特性を鑑み、図９のような磁化自由層構成によって磁化自由層内のλのばらつきを抑制することができる。ＭＴＪのトンネルバリアなどＭＲ比を発現する非磁性層の上に磁化自由層が形成される。磁化自由層はトンネルバリア層１６側の第一強磁性層２１、平行結合非磁性層３１、第二強磁性層２２と三層構成になっている。強磁性結合した非磁性層を介してバリア界面側の磁性層のλが正であり、非磁性層側の磁性層のλが負である。磁化自由層全体としての実効的なλがゼロを実現している。トンネルバリア層１６側の上に形成した第一強磁性層２１は平行結合非磁性層３１との界面では膜厚ばらつきを有する。これは実際の薄膜では結晶粒や製膜ばらつきにより界面の凹凸が発生するためである。このような第一強磁性層２１内の厚さの局所的なばらつきにより、図に示されるようなλの膜面内ばらつきが発生する。さらに平行結合非磁性層３１上に第二強磁性層２２が形成される。
【００５４】
第二強磁性層２２と、その上側に形成される層（典型的にはキャップ層１７）との界面を下界面よりフラットに形成することにより、λのバラつきを低減することができる。なぜなら、磁化自由層の平面内において、第一強磁性層２１の膜厚がその平均値と比較して大きい場所（ａｒｅａ  Ａ）では、第二強磁性層２２の膜厚がその平均値と比較して小さくなる。第一強磁性層のλは局所的に減少するが、第二強磁性層のλが局所的に増大するため、その場所において磁化自由層全体としてλの変化が相殺される。同様に、第一強磁性層２１の膜厚がその平均値と比較して小さい場所（ａｒｅａ  Ｂ）では第二強磁性層２２の膜厚がその平均値と比較して大きいため、磁化自由層全体としてλの変化が相殺される。
【００５５】
非磁性層３１の界面のラフネスに対して、第二強磁性層２２とキャップ層１７との界面は平坦であることが好ましい。そのために、磁化自由層各層を製膜する際に、製膜条件、材料、平坦化処理などによって各層の界面のラフネスが制御される。トンネルバリア１６／第一強磁性層２１界面も平坦であることが好ましい。高ＭＲ比や磁化自由層と磁化固定層の界面の強磁性結合（ネール結合）を低減する観点からも、トンネルバリア１６／第一強磁性層２１の界面は平坦に作製されることが望ましい。
【００５６】
磁化自由層の作製方法のいくつかの例を説明する。磁化自由層の下部電極層（本例ではトンネルバリア層１６）までの層が平坦に作製される。その上の第一強磁性層２１が、λが正のＮｉＦｅ或いはｂｃｃ−ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどで形成される。その上の平行結合非磁性層３１は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕなどを反強磁性結合を発現する膜厚で形成することにより、或いはＴａやＴａＮで膜厚が２ｎｍ以下の極薄非磁性層を形成することにより、作製される。
【００５７】
第二強磁性層２２は、Ｎｉ組成が８２％以上のλが負である材料を用いて、その粒成長を抑制するように製膜条件を制御して形成することが有効である。例として、到達真空度を落として製膜する、スパッタのパワーを落とす、またはＡｒ圧を増大させる、などの制御が挙げられる。また微量のＮ２やＯ２をアルゴンガス中に添加して製膜すると、第二強磁性層２２の結晶粒が微細化され、またそれらの表面エネルギーが低下して層状の成長が促進されるので、第二強磁性層の上面を平坦にすることができる。第二強磁性層２２は、Ｎｉ組成が８２％以上のλが負であるＮｉＦｅ中に微量の非磁性元素を添加して、結晶のグレインサイズを低減、或いはアモルファス化することにより形成しても良い。このような粒系の小さい膜は下地の凹凸をキャンセルし平坦に形成することが可能である。添加する非磁性層としてＢ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｚｎから一つ以上選択される材料が用いられる。ＮｉＦｅに対する非磁性層の組成比は３〜３０％の範囲に設定される。これらを添加することによって結晶粒サイズを低減することが可能である。
【００５８】
さらに第二強磁性層２２の最上部にプラズマ処理を行うことが有効である。第二強磁性層を負のλを有する材料として、その最上部まで製膜を終える。その最表面に対して、低パワーのＡｒイオンを照射すると、スパッタ効果により第二強磁性層２２表面の凸の部分が削られる。Ａｒ以外の希ガス、或いは、酸素イオンや窒素イオンなど他の元素を照射しても良い。またＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）での平坦化も有効である。その場合第二強磁性層２２を厚く製膜し、ＣＰＭ処理によって削りながら平坦化する。その後再び製膜装置内で第二強磁性層２２の一部或いはキャップ層１７を製膜する。
【００５９】
以下、本発明に関連して発明者が行った実験例について説明する。
［実験例１．トグルＭＲＡＭにおける書き込み特性及びＭＲ比の改善］
シリコン基板に近い側から幅１．５ｕｍのＡｌのワード線とＳｉＯ２層間絶縁膜が順次形成されている下地基板上に、マグネトロンスパッタとラジカル酸化によってトグルＭＲＡＭのセルを形成した。セルはＭＴＪであり、膜構成は、基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１００ｎｍ）である。
【００６０】
磁化自由層は以下の３種類を作製した。
試料１（参考例）
Ｎｉ８０Ｆｅ２０（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８０Ｆｅ２０（２．１ｎｍ）／Ｒｕ（２．４ｎｍ）／Ｎｉ８０Ｆｅ２０（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８０Ｆｅ２０（２．１ｎｍ）
試料２（参考例）
Ｎｉ８３Ｆｅ１７（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８３Ｆｅ１３（２．１ｎｍ）／Ｒｕ（２．４ｎｍ）／Ｎｉ８３Ｆｅ１３（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８３Ｆｅ１７（２．１ｎｍ）
試料３（本実験例）
Ｎｉ８０Ｆｅ２０（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８６Ｆｅ１４（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（２．４ｎｍ）／Ｎｉ８６Ｆｅ１４（２．５ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８０Ｆｅ２０（２．１ｎｍ）
【００６１】
基板の上に順次に形成されたＴａ膜、ＰｔＭｎ膜、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ積層体、Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ膜が、それぞれ、実施例において説明された下部電極層１１、反強磁性層１２、磁化固定層４１、トンネルバリア層１６に相当している。磁化自由層の上に形成されたＡｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ膜／Ｔａ膜が、キャップ層１７に相当している。
【００６２】
これらの膜を基板上に製膜後、２７５℃５時間、１．２Ｔの磁場熱処理を行うことにより、磁気異方性を付与した。その後ＫｒＦリソグラフィとイオンミリングを用いて基板上に複数のＭＴＪを形成した。ＭＴＪの上部にはワード線の延伸方向に対して９０度方向に延伸されているＡｌのビット線が形成された。ＭＴＪ素子の平面形状は、０．３２×０．９６μｍ２の長円形である。ＭＴＪは図２に示されるようにビット線とワード線の延伸方向に対して４５度方向に磁化容易軸が設定されている。
【００６３】
またλを測定する試料として基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／ＮｉＦｅ／Ｔａ（０．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ／Ｒｕ（２．４ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）積層膜を同時作製した。ＮｉＦｅ（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２．１ｎｍ）各層の組成と膜厚は、試料１〜３の磁化自由層の最初の三層と同様である。これらの試料のλを光梃子法により評価した。試料１はλ＝３ｐｐｍ、試料２はλ＝１ｐｐｍ、試料３はλ＝０．５ｐｐｍであった。
【００６４】
それぞれ１２０個の試料１〜３のＭＴＪデバイスの素子について１２０個の素子に対して２軸の外部磁場と直流４端子法（引加電圧１００ｍＶ）によってトグル書き込み評価を行った。同時にＭＲ比も測定した。図１０にこれらの試料のトグル書き込み特性とＭＲ比をまとめた。図１１〜１３に試料１〜３のワード線／ビット線方向に対するフロップ磁場値をそれぞれプロットした。フロップ磁場値の大きさは書き込み磁場に相当する。
【００６５】
試料１ではワード線／ビット線方向に対してフロップ磁場値が対称でない。ワード線方向のフロップ磁場値ｈｆｌｏｐ＿ｗがビット線方向のフロップ磁場値ｈｆｌｏｐ＿ｂに対して大きい。また、図１０に示されるように、それらを合成したフロップ磁場の大きさＨｆｌｏｐ＝（ｈｆｌｏｐ＿ｗ＾２  ＋  ｈｆｌｏｐ＿ｂ＾２）＾０．５も大きい。
【００６６】
図１０には、原点から各フロップ値に対する角度の平均値と標準偏差（ばらつき）が同時に示されている。この角度は磁化自由層の磁化容易軸の角度に相当する。ＭＴＪの長辺方向を０度として、−４５度がビット線に平行、＋４５度がワード線に平行と定義している。観測された磁化容易軸はＭＴＪ長辺方向に対して１１．７度傾いている。さらにそのばらつきも５．８度と大きい。ＭＲ比は３２％と大きい。
【００６７】
試料２においては、そのような非対称性が若干改善されている。しかし磁化容易軸角度が３度方向であり、まだ磁気異方性の軸に回転が見られる。さらにＭＲ比は３０％と低い。ＭＲ比の低下は磁化自由層界面がＮｉ８３％とＮｉリッチであるためと考えられる。
【００６８】
それに対して試料３はほぼｈｆｌｏｐ＿ｗ＝ｈｆｌｏｐ＿ｂであり、Ｈｆｌｏｐも小さい。同時にＭＲ比も３２％と、試料１と同等の値が得られている。フロップ値の特性はλ測定用の試料で観測されたλの値と対応している。
【００６９】
図２Ｂに示されるように、これらの試料ではワード線方向への一軸性の引っ張り応力がＭＴＪに加わっている。λが正に大きい試料１、試料２では、ワード線方向を容易軸とする応力誘起磁気異方性が発生する。この応力誘起磁気異方性と形状／材料磁気異方性のベクトル和が実効的な容易軸となる。その結果、ワード線方向へ容易軸が傾きｈｆｌｏｐ＿ｗのみが増大し、さらにＨｆｌｏｐも増大したものと考えられる。このようにλを十分に低減しないと、片側のｈｆｌｏｐ＿ｗが増大し、Ｈｆｌｏｐの大きさも増大するため問題となる。
【００７０】
試料３では応力誘起磁気異方性が殆どないため、Ｈｆｌｏｐが小さく、さらにワード線／ビット線方向に対するフロップ磁場値の非対称性も抑制されたものと考えられる。さらにｈｆｌｏｐ＿ｗ及びｈｆｌｏｐ＿ｂが最小で、容易軸の角度分散も小さい。これは磁化自由層を磁歪定数が正の膜と負の膜で構成することによる書き込み特性の改善効果と考えられる。さらにＭＲ比も高い値に維持されている。
【００７１】
［実験例２．電流誘起磁場書き込み方式のＭＲＡＭにおける書き込み特性及びＭＲ比の改善１］
ＭＴＪをセルとした電流誘起磁場書き込みＭＲＡＭの実験例を以下に示す。ＭＴＪの容易軸は、ビット線／ワード線の延伸方向に対して４５度方向に設定されている。ＭＴＪの膜構成は異なるが、デバイス構造とレイアウトは実験例１とほぼ同一になっている。このような構成は、２つのトランジスタでワード線を選択することで書き込みを行うＭＲＡＭに適している。図２Ａのセル構造において、書き込みたいセルのワード線をトランジスタで選択し、ワード線に電流を流すと、発生する磁場は磁化自由層のアステロイドスイッチング特性の最も書き込み磁場が小さくなる方向の磁場となるため、書き込み磁場を低減できる。
【００７２】
ＭＴＪの膜構成は以下のとおりである。
基板／Ｔａ（５ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２．５ｎｍ）／ＭｇＯ（１．８ｎｍ）／磁化自由層／Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（１００ｎｍ）
【００７３】
磁化自由層は以下の７種類を作製した。
試料４（参考例）
Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）
試料５（参考例）
Ｎｉ８２Ｆｅ１８（４ｎｍ）
試料６（参考例）
Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（４ｎｍ）
試料７（本実験例）
Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）
試料８（本実験例）
Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１．１ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（４ｎｍ）
試料９（本実験例）
Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（６ｎｍ）／Ｒｕ（１．１ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（４ｎｍ）
試料１０（本実験例）
Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１．１ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（８ｎｍ）／Ｒｕ（１．１ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）
【００７４】
試料中のＲｕ１．７ｎｍはＲＫＫＹ振動の強磁性結合を示す膜厚であり、試料中のＲｕ１．１ｎｍはＲＫＫＹ振動の反強磁性結合を示す膜厚である。試料８及び試料９は磁化自由層内に反平行結合を持つ積層フェリ構造を有する。これらを実験例１と全く同じ方法で同じ構造のデバイスに加工した。ワード線が形成された基板に製膜後、２７５℃５時間、１．２Ｔの磁場熱処理を行い、磁気異方性を付与した。その後ＫｒＦリソグラフィとイオンミリングを用いて基板上に複数のＭＴＪを作製した。ＭＴＪの上部にはワード線の延伸方向に対して９０度方向に延伸されているＡｌのビット線が形成された。ＭＴＪ素子の平面形状は、０．３２×０．９６μｍ２の長円形である。
【００７５】
実験例１と同様にλ測定用の試料を作製した。試料は基板／Ｔａ（５ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２．５ｎｍ）／ＭｇＯ（１．８ｎｍ）の上に以下の磁化自由層を成膜することにより形成された。
試料１１  Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、
試料１２  Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（４ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、
試料１３  Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８７Ｆｅ１３（４ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、
試料１４  Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（４ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）
試料１５  Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）
【００７６】
作製された膜のλを光梃子法によって評価した。試料１１、１２、１３のλは、それぞれ試料４、６、７のλに相当し、さらに試料１４、試料１５のλは、試料６の第二強磁性層Ｎｉ８２Ｆｅ１９（４ｎｍ）及び試料６、７、９の第二強磁性層Ｎｉ８９Ｆｅ１１（４ｎｍ）のλにそれぞれ相当する。試料１４のλは大雑把に試料５のλとも見なせる。なお試料８、試料９のような反平行結合した強磁性層を有する磁化自由層の実効的なλに関しては、この方法で評価することができないのでわからない。測定されたλを図１５にまとめた。
【００７７】
試料４〜９が素子に加工された。それぞれ１２０素子のＭＲ曲線を引加電圧１００ｍＶで測定した。その際にデバイスの実効的な容易軸を調べるために、ＭＴＪの長辺方向を０度として、−４５度（ビット線に平行）から＋４５度（ワード線に平行）まで角度を変化させながらＭＲ曲線を測定した。得られたスイッチング磁場の値が最大となった角度を実効的な容易軸とした。図１０と同様に、スイッチング磁場、磁化容易軸とばらつき、ＭＲ比を図１４に示した。
【００７８】
磁化自由層のトンネルバリアとの界面の材料がＮｉＦｅで構成されている試料５はＭＲ比が５３％と小さい。それ以外の試料ではトンネルバリアとの界面の材料がＣｏＦｅＢで構成されているためＭＲ比が１６０〜１８０％と大きい。
【００７９】
試料４、６は容易軸がそれぞれ３４．４度、及び３０度であり、異方性がワード線方向へ大きく傾いている。それに対してλが小さいＮｉＦｅ層の試料５は２．９度であり、ＭＴＪ長辺方向へ容易軸方向がほぼ向いている。試料６の第二強磁性層をＮｉ８９Ｆｅ１１の負磁歪層に変えた本発明の試料７も容易軸方向がＭＴＪ長辺方向へ近くなっている。積層フェリ構造を含む試料８〜１０では、第一強磁性層と平行に向いているＮｉ８９Ｆｅ１１強磁性層の総厚が増大するほど、ｂｉｔ線方向へ容易軸が回転していく。これは試料８、９、１０の順番で実デバイスでのフリー層のλが正から負へ減少していることを示している。
【００８０】
試料１０のような多層積層フェリ構造であってもλが負の強磁性層を、残留磁化状態で平行方向に配列するように付加することにより、全体の実効的なλを減少させることができることが本実験よりわかった。さらに本実験例の試料７から１０では、磁化容易軸の角度のばらつきが小さい。本実験例のように正のλを持つ層と負のλを持つ層で構成することによりバランスさせた磁化自由層では、応力誘起磁気異方性に起因するバラつきの影響を低減できることが示された。
【００８１】
［実験例３．コンベンショナルな磁場書き込み方式のＭＲＡＭにおける書き込み特性及びＭＲ比の改善２］
実験例２と同様のデバイス構造で自由層が異なるＭＴＪを作製し、書き込み特性及びＭＲ比を調べた。その膜構成を以下に示す。
基板／Ｔａ（５ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２．５ｎｍ）／ＭｇＯ（１．８ｎｍ）／磁化自由層／Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（１００ｎｍ）
試料１６  Ｎｉ８２Ｆｅ１８（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（２ｎｍ）
試料１７  Ｎｉ８０Ｆｅ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／（Ｎｉ８５Ｆｅ１５）Ｎｘ（２．５ｎｍ）
試料１８  Ｎｉ８０Ｆｅ２０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／（Ｎｉ８７Ｆｅ１３）９５Ｚｒ５（２．５ｎｍ）
【００８２】
試料１６は同一組成で形成された自由層を有する参考例である。他は正のλを有する第一強磁性層と負のλを有する第二強磁性層で構成されている本実験例である。試料１７の第二強磁性層はＡｒが５０ｓｃｃｍ、窒素が２ｓｃｃｍの流量の条件で、反応性スパッタを行って形成した。試料１８の第二強磁性層は、ＮｉＦｅに微量のＺｒを添加して形成した。組成比は（Ｎｉ８５Ｆｅ１５）９５Ｚｒ５である。試料１７及び試料１８は、第二強磁性層の最表面の膜平坦性を改善した、本実験例の構成である。
【００８３】
これらの構成を備えるべた膜を別途作製し、磁歪測定を行った。試料１６は０．３ｐｐｍ、試料１７は０．３ｐｐｍ、試料１８は−０．２ｐｐｍであり、それぞれ非常に小さい値が保たれていた。これらのＭＲ比、実効容易軸とそのばらつき、書き込み磁場値を図１６に示す。試料１６〜試料１８の反転磁場はいずれもほぼ同じ値であり、実効容易軸もほぼ０度である。本実験例の試料１７〜試料１８の磁化容易軸のばらつきは試料１６よりも小さい。ＭＲ比に関してはいずれもほぼ同じ値が得られている。
【００８４】
これらのＮｉＦｅの結晶構造と平坦性を調べるため、以下の膜が作製された。
試料１９  基板／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｎｉ８２Ｆｅ１８（１０ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）
試料２０  基板／Ｔａ（５ｎｍ）／（Ｎｉ８５Ｆｅ１５）１００−ＸＮｘ（１０ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）
試料２１  基板／Ｔａ（５ｎｍ）／（Ｎｉ８７Ｆｅ１３）９５Ｚｒ５（１０ｎｍ）／Ｔａ（３ｎｍ）
【００８５】
これらの試料をＸ線回折で調べた。試料１９のＮｉ８２Ｆｅ１８ではｆｃｃ（１１１）の強い回折ピークが観測された。試料２０及び２１でははっきりとした回折ピークは観測されず、微結晶、もしくはアモルファス的になっていることがわかった。ＡＦＭにより最表面の平坦性を調べた。試料１９の平均表面粗さは０．５６ｎｍであったのに対して、試料２０及び試料２１はそれぞれ０．２５ｎｍであり、最表面が非常に平坦であることがわかった。
【００８６】
以上のことから本実験例のように正および負の磁歪定数により自由層の実効的な磁歪をゼロにし、また第二強磁性層の最上部を平坦化することによって、膜面内膜厚分布に起因した磁歪定数のバラつきが抑えられ、応力誘起磁気異方性のばらつきが抑制された結果、反転磁場ばらつきが低減されることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１Ａ】ＭＴＪの長辺が書き込み配線と平行である典型的なＭＲＡＭのセル構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】ＭＴＪの長辺が書き込み配線と平行である典型的なＭＲＡＭのセル構成を示す断面図である。
【図１Ｃ】ＭＴＪの長辺が書き込み配線と平行である典型的なＭＲＡＭのセル構造に生じる応力と、各磁気異方性の関係を示した平面図である。
【図２Ａ】ＭＴＪの長辺が書き込み配線に対して４５度傾いている典型的なＭＲＡＭのセル構造を示す平面図である。
【図２Ｂ】ＭＴＪの長辺が書き込み配線に対して４５度傾いている典型的なＭＲＡＭのセル構造に生じる応力と、各磁気異方性の関係を示した平面図である。
【図３】実施例１におけるＭＴＪの断面図である。
【図４】実施例２におけるＭＴＪの断面図である。
【図５】実施例２における他の構成のＭＴＪの断面図である。
【図６Ａ】実施例２における磁化自由層膜の磁歪定数のＲｕ厚依存性を示すグラフである。
【図６Ｂ】実施例２における磁化自由層膜の磁歪定数のＲｕを介した強磁性結合エネルギーに対する依存性を示すグラフである。
【図７】Ｔａ／ＡｌＯ／ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅ／ＡｌＯ／Ｔａの構成を備える自由層膜及びＴａ／ＡｌＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ／ＡｌＯ／Ｔａの構成を備える自由層膜の磁歪定数のＮｉＦｅ厚依存性を示すグラフである。
【図８】実施例３における基板／Ｔａ／ＡｌＯ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｔａ薄膜の磁歪定数のＮｉＦｅ膜厚依存性である。
【図９】実施例３における磁化自由層の断面図である。
【図１０】実験例１の試料のフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ、容易軸、容易軸のばらつき、ＭＲ比を示す表である。
【図１１】試料１のワード線及びビット線方向の磁場に対するフロップ磁場をプロットした図である。
【図１２】試料２のワード線及びビット線方向の磁場に対するフロップ磁場をプロットした図である。
【図１３】試料３のワード線及びビット線方向の磁場に対するフロップ磁場をプロットした図である。
【図１４】実験例２の試料のフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ、容易軸、容易軸のばらつき、ＭＲ比を示す表である。
【図１５】実験例２の試料の磁歪定数を示す表である。
【図１６】実験例３の試料のフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ、容易軸、容易軸のばらつき、ＭＲ比を示す表である。
【符号の説明】
【００８８】
１：ワード線
２：ビット線
３：ＭＴＪ接合部
４：ＭＴＪ下部電極
５：下部ビアコンタクト
６、７：層間絶縁膜
８：基板
９：ＭＴＪ素子
１０：下地基板上の層間絶縁層
１１：下部電極層
１２：反強磁性層
１３：強磁性層
１４：反平行結合非磁性層  
１５：強磁性層
１６：トンネルバリア層
１７：キャップ層
１８：上部電極層
２１：第一強磁性層
２２：第二強磁性層
２３：第三強磁性層
２４：第四強磁性層
３１：平行結合非磁性層
３２：反平行結合非磁性層
３３：平行結合非磁性層
５３：第三強磁性層
５４：第四強磁性層
５５：反平行結合非磁性層
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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