(57)【要約】【課題】自由層に作用するネール結合磁界をゼロにすることで、素子形状や界面状態等に依存することなくシフト磁界をゼロにすることを可能とし、これによってアステロイドのずれ発生を防止する。【解決手段】磁化方向の反転が可能な自由層２５と、磁化方向の反転しない固定層２３と、これらの間に挟まれる絶縁層２４とを含む積層構造を具備した磁気抵抗効果素子において、前記固定層２３を、中間非磁性層２３ｂを介して第一磁性層２３ｃおよび第二磁性層２３ａが積層された積層フェリ構造とする。そして、前記第一磁性層２３ｃの形成材料の飽和磁化が前記第二磁性層２３ａの形成材料の飽和磁化よりも小さくなるようにする。【選択図】　　　　図１
2004128237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備した磁気抵抗効果素子であって、
前記固定層は、中間非磁性層を介して第一磁性層および第二磁性層が積層された積層フェリ構造を有するとともに、前記絶縁層側に位置する前記第一磁性層の形成材料の飽和磁化が前記第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも小さい
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備した磁気抵抗効果素子であって、
前記固定層は、中間非磁性層を介して第一磁性層および第二磁性層が積層された積層フェリ構造を有するとともに、前記絶縁層側に位置する前記第一磁性層の形成材料の飽和磁化が前記第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも大きいかまたは等しく、かつ、前記第一磁性層の厚さが前記第二磁性層の厚さよりも１ｎｍ以上の膜厚差を持って薄く構成されている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備するとともに、前記固定層は中間非磁性層を介して第一磁性層および第二磁性層が積層された積層フェリ構造からなる磁気抵抗効果素子であって、
前記絶縁層側に位置する前記第一磁性層の形成材料の飽和磁化をＭｐ１、前記第二磁性層の形成材料の飽和磁化をＭｐ２、前記第一磁性層の厚さをｔｐ１、前記第二磁性層の厚さをｔｐ２とした場合に、これらＭｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１およびｔｐ２の値が、
Ｍｐ１／Ｍｐ２＝ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊（ｔｐ１＋ｔＲｕ）／λ）　＊｛１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔｐ２／λ）｝＊｛１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔｐ１／λ）｝−１
（ただし、ｔＲｕは前記中間非磁性層の厚さ、λは各層の平均結晶粒径）
を満たす
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
ｔＲｕ＝０．７〜１．２ｎｍ、
Ｍｐ１／Ｍｐ２＝０．１〜１０、
ｔｐ２＝１〜６ｎｍ、
λ＝１０〜１００ｎｍである
ことを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備する磁気抵抗効果素子を備え、当該磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行う磁気メモリ装置において、
前記磁気抵抗効果素子における固定層は、中間非磁性層を介して第一磁性層および第二磁性層が積層された積層フェリ構造を有するとともに、前記絶縁層側に位置する前記第一磁性層の形成材料の飽和磁化が前記第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも小さい
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項６】
磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備する磁気抵抗効果素子を備え、当該磁気抵抗効果素子における自由層の磁化方向の変化を利用して情報記録を行う磁気メモリ装置において、
前記磁気抵抗効果素子における固定層は、中間非磁性層を介して第一磁性層および第二磁性層が積層された積層フェリ構造を有するとともに、前記絶縁層側に位置する前記第一磁性層の形成材料の飽和磁化が前記第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも大きいかまたは等しく、かつ、前記第一磁性層の厚さが前記第二磁性層の厚さよりも１ｎｍ以上の膜厚差を持って薄く構成されている
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加える磁界によって抵抗値が変化するという、いわゆるＭＲ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を発生する磁気抵抗効果素子およびその磁気抵抗効果素子を用いて情報を記憶するメモリデバイスとして構成された磁気メモリ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、メモリデバイスとして機能する磁気メモリ装置の一つとして、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）が注目されている。ＭＲＡＭは、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ　ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ；ＧＭＲ）型またはトンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌ　ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ；ＴＭＲ）型の磁気抵抗効果素子を用い、その磁気抵抗効果素子における磁化方向の反転を利用して情報記憶を行うものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、ＭＲＡＭの動作原理について簡単に説明する。ＭＲＡＭは、例えば図５に示すように、マトリクス状に配列された複数の磁気抵抗効果素子１を有するとともに、特定の磁気抵抗効果素子１への情報記録のためにこれら素子群を縦横に横切る導線（ワード線）２および読出し用線（ビット線）３を有している。そして、ワード線２およびビット線３の両方に電流を流すことによって発生する合成電流磁界を用いて、各磁気抵抗効果素子１における磁性体の磁化方向を制御することにより、各磁気抵抗効果素子１への情報記録を行うようになっている。
【０００４】
一方、磁気抵抗効果素子１からの情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いて磁気抵抗効果素子１の選択を行い、磁気抵抗効果を通じてその磁気抵抗効果素子１における磁性体の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。例えば図６に示すように、それぞれの磁気抵抗効果素子１の部分では、半導体基板４上にゲート電極５、ソース領域６およびドレイン領域７からなる電界効果トランジスタが配設され、さらにその上方にワード線２、磁気抵抗効果素子１およびビット線３が順に配設されている。そして、磁気抵抗効果素子１は、バイパス線８を介して電界効果トランジスタと接続している。このような構成により、ＭＲＡＭでは、各磁気抵抗効果素子１における磁性体の磁化方向を電圧信号として取り出し得るようになっている。
【０００５】
このような動作原理のＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子１は、例えばＴＭＲ型のものであれば、強磁性体／非磁性体／強磁性体からなる三層構造、すなわち強磁性トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）と呼ばれる積層構造を有している。そして、一方の強磁性層を磁化の向きが固定された固定層、他方の強磁性層を磁化の向きが反転可能な自由層（記録層）として用いることで、トンネル磁気抵抗効果を通じて自由層の磁化の向きと電圧信号を対応させている。具体的には、例えば図７に示すように、強磁性体からなる固定層１１と、絶縁体からなる非磁性の絶縁層１２と、強磁性体からなる自由層１３とが順に積層されてなる積層構造を有している。さらに、その積層構造は、層間絶縁膜１４を介してワード線２およびビット線３に上下から挟まれるように配されている。これにより、磁気抵抗効果素子１では、外部から自由層１３の磁化方向の反転に必要な磁界Ｈｃを超える値の磁界が与えられると、その自由層１３における磁化方向が反転し、磁化がある方向を向いたときは「１」、他方を向いたときは「０」といった情報記憶を行うようになっている。
【０００６】
ところで、ＭＲＡＭは複数の磁気抵抗効果素子１が配列されてなることから、情報記録を行う際にはいずれかの磁気抵抗効果素子１を選択する必要がある。ここで、情報記録時における素子選択について簡単に説明する。一般に、強磁性体の容易軸方向に磁化方向と反対向きの磁界を印加すると、ある臨界値±Ｈｓｗ（以下「反転磁界」という）において、磁化方向が印加された磁界の方向に反転することが知られている。この反転磁界の値は、理論的にはエネルギ最小条件から求めることができる。さらに、磁化容易軸だけでなく磁化困難軸方向にも磁界を印加した場合には、この反転磁界の絶対値が減少することが知られている。これも、やはりエネルギ最小条件から求めることができる。すなわち、磁化困難軸方向に印加した磁界をＨｘとすると、このときの反転磁界Ｈｙとの間には、Ｈｘ（２／３）＋Ｈｙ（２／３）＝Ｈｃ（２／３）という関係が成立する。ここでのＨｃは容易化軸方向の保磁力である。この曲線は、図８に示すように、Ｈｘ−Ｈｙ平面上でアステロイド（星芒）を形成するため、アステロイド曲線と呼ばれる。
【０００７】
ＭＲＡＭにおける素子選択は、このアステロイドを用いて説明するのが簡単である。ワード線２からの発生磁界が磁化容易軸方向とほぼ一致しているようなＭＲＡＭにおいては、そのワード線２からの発生磁界により磁気抵抗効果素子１の磁化を反転させて情報記録を行う。ところが、そのワード線２から等距離に位置する磁気抵抗効果素子１は複数個あるため、ワード線２に反転磁界以上の磁界を発生させる電流を流すと、これら等距離に位置する磁気抵抗効果素子１の全てについて同様に情報記録をしてしまうことになる。ただし、このときに、選択したい磁気抵抗効果素子１を横切るビット線３に電流を流し、磁化困難軸方向の磁界を発生させると、その選択したい磁気抵抗効果素子１における反転磁界は下がる。したがって、このときの反転磁界をＨｃ（ｈ）とし、ビット線磁界が「０」の場合の反転磁界をＨｃ（０）とすると、ワード線磁界ＨをＨｃ（ｈ）＜Ｈ＜Ｈｃ（０）となるように設定すれば、その選択したい磁気抵抗効果素子１のみに対して選択的に情報記録を行うことができるようになる。これがＭＲＡＭにおける情報記録時の素子選択の手法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【非特許文献１】
ワング（Ｗａｎｇ）、外６名、「フィーザビリティ　オブ　ウルトラ−デンス　スピン　トンネリング　ランダム　アクセス　メモリ（Ｆｅａｓａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ−ｄｅｎｓｅ　ｓｐｉｎ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｒａｎｄｏｍ　ａｃｃｅｓｓ　ｍｅｍｏｒｙ）」、アイトリプルイー　トランザクション　マグネティックス（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｍａｇｎ．）、米国、１９９７年、ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．６、ｐ．４４９８−４５１２
【特許文献１】
特開２００２−２４６５６６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のようなＭＲＡＭにおいて、情報記録時に必要となる磁界は、例えば図９に示す最小磁界Ｈｒのように、ワード線磁界とビット線磁界との合成値がアステロイド曲線の外側に達し、かつ、それぞれが１：１の割合で作用するのが最も効率良く、しかもこれらの磁界を発生させるための消費電力も最小で済む。ただし、例えば図１０に示すようにアステロイド曲線が原点からシフトしていると、一方（例えば正側）では情報記録が行えるが、他方（例えば負側）では情報記録が行えない、といった事態が発生してしまう。このような場合に、他方側での情報記録を可能にするには、さらに大きな合成磁界を発生させる必要があるが、そのためには消費電力の増大が伴ってしまう。また、このように発生磁界を大きくすると、記録可能であった側では、反転に必要な磁界が小さいため、情報の誤書き込みが生じてしまうおそれがある。これらのことから、アステロイド曲線に対するシフト磁界Ｈｆは、ゼロにすることが望ましい。
【００１０】
シフト磁界Ｈｆは、一般に、固定層１１から自由層１３に対して作用する二つの磁界成分に起因して発生し、これらの磁界成分の合成値によってその大きさが決まる。一つの磁界成分は、例えば図１１（ａ）に示すような固定層１１の端面に発生する磁荷によって生じる静磁界Ｈｓｔであり、自由層１３に対して固定層１１の磁化方向と反平行（逆方向）の向きに作用する。また、他の一つの磁界成分は、例えば図１１（ｂ）に示すような各層１１〜１３の界面の粗さによって生じる、いわゆるネール結合磁界Ｈｏであり、自由層１３に対して固定層１１の磁化方向と平行（同方向）の向きに作用する。
【００１１】
これら静磁界Ｈｓｔおよびネール結合磁界Ｈｏについては、自由層１３に作用する向きが互いに逆であることから、これらが差し引きゼロとなるように調整することで、結果としてシフト磁界Ｈｆをゼロに近づけることが考えられる。ところが、静磁界Ｈｓｔの大きさは、固定層１１の磁化量や磁化方向の寸法、自由層１３の磁化量や磁化方向の寸法、固定層１１と自由層１３の間の距離等、主に磁気抵抗効果素子１の形状や寸法に依存する。また、ネール結合磁界Ｈｏの大きさは、各層１１〜１３の界面の粗さ（粗さの振幅、繰り返し周期）や固定層１１または自由層１３の形成材料の飽和磁化等、主に各層１１〜１３の形成条件に依存する。つまり、静磁界Ｈｓｔおよびネール結合磁界Ｈｏは、それぞれが独立にばらつく要因を持っている。したがって、互いが差し引きゼロとなるように調整しても、磁気抵抗効果素子１の形状や寸法、その形成条件から定まる界面の状態等といった条件によっては、必ずしも磁気抵抗効果素子１のシフト磁界Ｈｆをゼロにできるとは限らない。
【００１２】
その一方で、静磁界Ｈｓｔについては、磁気抵抗効果素子１の形状や寸法等のばらつきに依存することなく、その大きさをゼロにすることが可能である。すなわち、静磁界Ｈｓｔの発生源は固定層１１であり、その磁界強度は固定層１１の飽和磁化と厚さの積（磁気モーメント）および素子幅に依存することから、例えばボトムタイプスピンバルブ素子の場合に、固定層１１を十分に大きな幅で形成した後、自由層１３のみを素子幅で形成するといったように、自由層１３の幅に比べて固定層１１の幅を十分に大きくすれば、静磁界Ｈｓｔの大きさをゼロにすることが可能となる。また、固定層１１および自由層１３を一括して素子幅に形成した後に、固定層１１の横にのみ他の磁性層を形成するといった手法によっても、静磁界Ｈｓｔの大きさをゼロにすることが可能となる。
【００１３】
このように、静磁界Ｈｓｔについては、種々の手法のいずれかを用いて、その大きさをゼロにすることが可能である。したがって、静磁界Ｈｓｔをゼロにしたら、あとはネール結合磁界Ｈｏをゼロにすることによって、結果としてシフト磁界Ｈｆをゼロにすることが可能となる。
【００１４】
そこで、本発明は、以上のような従来の実情に鑑み、自由層に作用するネール結合磁界Ｈｏをゼロにすることによって、磁気抵抗効果素子の形状やその形成条件等のばらつきに依存することなく、シフト磁界Ｈｆをゼロにすることを可能とし、これによってアステロイド曲線のずれ防止による選択記録のマージンを大きく確保し、結果として良好な情報記録特性を実現することのできる磁気抵抗効果素子およびその磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された磁気抵抗効果素子である。すなわち、磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備した磁気抵抗効果素子であって、前記固定層が、中間非磁性層を介して第一磁性層および第二磁性層が積層された積層フェリ構造を有するとともに、前記絶縁層側に位置する前記第一磁性層の形成材料の飽和磁化が前記第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも小さいことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備した磁気抵抗効果素子であって、前記固定層が、中間非磁性層を介して第一磁性層および第二磁性層が積層された積層フェリ構造を有するとともに、前記絶縁層側に位置する前記第一磁性層の形成材料の飽和磁化が前記第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも大きいかまたは等しく、かつ、前記第一磁性層の厚さが前記第二磁性層の厚さよりも１ｎｍ以上の膜厚差を持って薄く構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
上記構成の磁気抵抗効果素子では、積層フェリ構造における第一磁性層の飽和磁化が第二磁性層の飽和磁化よりも小さいか、あるいは第一磁性層の飽和磁化が大きいか等しい場合には、第一磁性層の厚さが第二磁性層の厚さよりも１ｎｍ以上の膜厚差を持って薄くなっている。そのために、絶縁層に遠い側に位置する第二磁性層のほうが、絶縁層側の第一磁性層よりも、自由層に対して磁気的に大きな影響を及ぼし得るようになる。つまり、自由層には、絶縁層側の第一磁性層に起因して生ずる磁界は勿論、第二磁性層からも磁界の影響が及ぶことになる。このことから、例えばネール結合磁界を例に挙げて考えると、第二磁性層からの影響を第一磁性層からの影響よりも強くすることによって、自由層におけるネール結合磁界をゼロにすることも可能となる。したがって、上記構成の磁気抵抗効果素子によれば、その形状やその形成条件等に依存することなく、自由層に対するシフト磁界をゼロにし得るようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置について説明する。ここでは、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ型の磁気抵抗効果素子（以下、単に「ＴＭＲ素子」という）を、また磁気メモリ装置としてＴＭＲ素子を備えたＭＲＡＭを、それぞれ例に挙げて説明する。
【００１９】
ここで説明するＭＲＡＭは、従来のもの（図５、図６参照）と略同様に、複数のＴＭＲ素子がマトリクス状に配列されたもので、ワード線およびビット線の交差領域に位置する素子のみに選択的に情報の書き込みを行うように構成されたものである。また、各ＴＭＲ素子からの記録情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いてＴＭＲ素子の選択を行い、トンネル磁気抵抗効果を通じてそのＴＭＲ素子における磁化方向を電圧信号として取り出すことで行うようになっている。
【００２０】
続いて、このようなＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子自体の構成について説明する。ここで説明するＴＭＲ素子は、少なくとも二つの強磁性層とこれらの間に挟まれる絶縁層とを含む積層構造を具備し、一方の強磁性層が磁化方向の反転可能な自由層として機能し、他方の強磁性層が磁化方向の反転しない固定層として機能するものである。すなわち、磁化方向の反転が可能な自由層と、磁化方向の反転しない固定層と、これらの間に挟まれる絶縁層とを含むＭＴＪ構造により、自由層における磁化方向の変化を利用して情報記録を行うとともに、その磁化方向によってトンネル電流の抵抗値が変わるように構成されたものである。
【００２１】
ここで、ＴＭＲ素子を構成する積層膜（以下、「ＴＭＲ膜」という）について、具体例を挙げてさらに詳しく説明する。図１は、ＴＭＲ膜の一具体例を示す側断面図である。図例のように、ＴＭＲ膜２０としては、例えば、Ｓｉ（ケイ素）等の半導体基板４上に、３ｎｍ厚のＴａ（タンタル）膜２１と、３０ｎｍ厚のＰｔＭｎ（白金マンガン）膜２２と、３ｎｍ厚のＣｏＦｅ（コバルト鉄）膜２３ａと、１ｎｍ厚のＲｕ（ルテニウム）膜２３ｂと、２ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ホウ素）膜２３ｃと、１．５ｎｍ厚のＡｌ−Ｏｘ（酸化アルミニウム）膜２４と、３ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ膜２５と、５ｎｍ厚のＴａ膜２６とが、順に積層されてなるものが挙げられる。
【００２２】
このようなＴＭＲ膜２０において、ＣｏＦｅＢ膜２５は自由層として、Ａｌ−Ｏｘ膜２４は絶縁層として、それぞれ機能する。また、固定層は、中間非磁性層であるＲｕ膜２３ｂを介して、第一磁性層であるＣｏＦｅＢ膜２３ｃと、第二磁性層であるＣｏＦｅ膜２３ａが積層された積層フェリ構造２３によって、その機能が実現される。つまり、積層フェリ構造２３、Ａｌ−Ｏｘ膜２４およびＣｏＦｅＢ膜２５によってＭＴＪ構造が構成されているのである。なお、Ｔａ膜２１は下地層として、ＰｔＭｎ膜２２は固定層の磁化方向を直接的または間接的に固定するための反強磁性層として、Ｔａ膜２６は保護（キャップ）層として、それぞれ機能するようになっている。
【００２３】
以上のような本発明に係わるＴＭＲ素子を構成するＴＭＲ膜２０では、固定層として機能する積層フェリ構造２３において、Ａｌ−Ｏｘ膜２４側に位置するＣｏＦｅＢ膜２３ｃの形成材料の飽和磁化が、ＰｔＭｎ膜２２側に位置するＣｏＦｅ膜２３ａの形成材料の飽和磁化よりも小さいことと、Ａｌ−Ｏｘ膜２４側に位置するＣｏＦｅＢ膜２３ｃの膜厚が、ＰｔＭｎ膜２２側に位置するＣｏＦｅ膜２３ａの膜厚よりも小さい点に、大きな特徴がある。すなわち、積層フェリ構造２３を構成する二つの磁性層２３ａ，２３ｃのうち、自由層として機能するＣｏＦｅＢ膜２５から遠い側については例えばＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）（膜厚３ｎｍ、飽和磁化１５００ｅｍｕ／ｃｃ程度）で形成するのに対し、ＣｏＦｅＢ膜２５に近い側については例えば（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ２５（原子％）（膜厚２ｎｍ、飽和磁化７７０ｅｍｕ／ｃｃ程度）で形成するといったように、ＣｏＦｅＢ膜２５に近い側の飽和磁化および膜厚を、そのＣｏＦｅＢ膜２５から遠い側よりも小さくしている。
【００２４】
図２は、上述した構成のＴＭＲ膜におけるネール結合磁界の測定結果の一具体例を示す説明図である。図例のように、上述した構成のＴＭＲ膜２０によれば、ＣｏＦｅＢ膜２５に作用するネール結合磁界Ｈｏの測定結果が、所望の０．００Ｏｅとなっていることがわかる。
【００２５】
なお、このＴＭＲ膜２０をＴＭＲ素子の素子形状にしてしまうと、既に説明したように、ＣｏＦｅＢ膜２５には、ネール結合磁界Ｈｏだけではなく、静磁界Ｈｓｔも作用してしまう。そこで、実験では、静磁界Ｈｓｔの影響を無視できる約８ｍｍ角のシート膜を用いて、ネール結合磁界Ｈｏのみの評価を行った。またさらに、評価は、試料振動型磁化測定器（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｓａｍｐｌｅ　ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ；ＶＳＭ）を用いて行った。
【００２６】
図２には、比較のため、積層フェリ構造２３におけるＣｏＦｅ膜２３ａが３ｎｍ厚のものの他に、その膜厚が３．５ｎｍのものおよび４ｎｍのものについてもネール結合磁界Ｈｏを測定した結果も図示している。その測定結果はそれぞれ−０．５０Ｏｅ程度および−１．００Ｏｅ程度となっている。
【００２７】
以上のように、ＣｏＦｅＢ膜２３ｃの飽和磁化および膜厚を、ＣｏＦｅ膜２３ａの飽和磁化および膜厚より小さくすれば、ＣｏＦｅＢ膜２５に作用するネール結合磁界Ｈｏがゼロになることがわかる。すなわち、ＣｏＦｅＢ膜２３ｃの飽和磁化および膜厚を、ＣｏＦｅ膜２３ａの飽和磁化および膜厚より小さくすることは、ＣｏＦｅＢ膜２５に作用するネール結合磁界Ｈｏの低減に有効であることがわかる。
【００２８】
また、図２からは、各膜２３ａ，２３ｃにおける膜厚とＣｏＦｅＢ膜２５に作用するネール結合磁界Ｈｏの大きさとの間には、図２中の各点（実験値）によって特定される関係のように、一定の定量的な関係があると推定できる。
【００２９】
そこで、次に、ネール結合磁界Ｈｏがゼロとなるような積層フェリ構造２３の各膜の飽和磁化および膜厚との定量的な関係を、理論式と図２に示された実験値に基づきながら明らかにしていく。
【００３０】
ネール結合磁界Ｈｏは、既に説明したように、界面の粗さ（粗さの振幅、繰り返し周期）および自由層と固定層の距離、固定層に用いられている磁性層の飽和磁化や厚さ等に依存する。クールス（Ｋｏｏｌｓ）らの報告（ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．８５，Ｎｏ．８，１９９９）では、固定層が積層フェリ構造ではなく単層構造のボトム型のＴＭＲ膜で、積層界面がすべて同じ粗さであった場合に、ネール結合磁界が以下の（１）式で与えられるとしている。なお、（１）式中において、Ｍｐは固定層の飽和磁化、ｔＦは自由層の厚さ、ｔＰは固定層の厚さ、ｔＳは絶縁層の厚さ、λは各層の平均結晶粒径、ｈは各層の粗さの振幅である（図３（ｂ）参照）。
【００３１】
Ｈｏ＝Ａ＊Ｂ＊Ｃ＊Ｄ＊Ｅ・・・（１）
ただし、　Ａ＝π＾２＊ｈ＾２＊Ｍｐ
Ｂ＝１／（ｓｑｒｔ（２）＊λ＊ｔＦ）
Ｃ＝１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔＦ／λ）
Ｄ＝１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔＰ／λ）
Ｅ＝ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔＳ／λ）
【００３２】
ところで、上述した構成のＴＭＲ膜２０では、固定層としての機能が積層フェリ構造２３によって実現されている。そこで、本発明者は、（１）式を拡張して積層フェリ構造２３に適用することにより、ＴＭＲ膜２０におけるネール結合磁界Ｈｏを表す式として、以下の（２）式を得た。なお、（２）式中において、Ｍｐ１はＣｏＦｅＢ膜２５（Ａｌ−Ｏｘ膜２４）側に位置するＣｏＦｅＢ膜２３ｃの飽和磁化、ｔｐ１はそのＣｏＦｅＢ膜２３ｃの厚さ、Ｍｐ２はＣｏＦｅＢ膜２５（Ａｌ−Ｏｘ膜２４）から遠い側に位置するＣｏＦｅ膜２３ａの飽和磁化、ｔｐ２はそのＣｏＦｅ膜２３ａの厚さ、ｔＲｕは積層フェリ構造２３の中間非磁性層であるＲｕ膜２３ｂの厚さである（図３（ａ）参照）。
【００３３】
Ｈｏ＝Ａ＊Ｂ＊Ｃ＊（Ｄ＋Ｅ＋Ｆ＋Ｇ）・・・（２）
ただし、Ａ＝π＾２＊ｈ＾２＊Ｍｐ
Ｂ＝１／（ｓｑｒｔ（２）＊λ＊ｔＦ）
Ｃ＝１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔＦ／λ）
Ｄ＝１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔＰ／λ）
Ｅ＝Ｍｐ１＊｛−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊（ｔＳ＋ｔｐ１）／λ）｝
Ｆ＝Ｍｐ２＊｛−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊（ｔＳ＋ｔｐ１＋ｔＲｕ）／λ）｝
Ｇ＝Ｍｐ２＊｛ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊（ｔＳ＋ｔｐ１＋ｔＲｕ＋ｔｐ２）／λ）｝
【００３４】
この（２）式によれば、ＣｏＦｅＢ膜２５には、ＣｏＦｅＢ膜２３ｃの界面粗さに起因して生ずる磁界の他に、ＣｏＦｅ膜２３ａの界面からも、ＣｏＦｅＢ膜２５からの距離は離れるが、影響が及んでいる。つまり、（２）式からも、ＣｏＦｅ膜２３ａからの影響をＣｏＦｅＢ膜２３ｃからの影響よりも強くすることで、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにすることが可能であることがわかる。
【００３５】
またさらに、
Ｍｐ１＝７７０ｅｍｕ／ｃｃ
Ｍｐ２＝１５００ｅｍｕ／ｃｃ
ｔｐ１＝１．５ｎｍ
ｔＲｕ＝１．０ｎｍ
λ＝２０ｎｍ
ｈ＝０．６９ｎｍ
とし、ｔｐ２をパラメータとした場合を考えると、この場合に（２）式は、図２に示した実験値を実際に良く再現することがわかる（図中の実線参照）。
【００３６】
これらのことから、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにするためには、（２）式においてネール結合磁界Ｈｏをゼロとおいて変形した、以下の（３）式を満たすＭｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１、ｔｐ２、ｔＲｕおよびλの値の膜構成を備えていればよい。
【００３７】
（Ｍｐ１／Ｍｐ２）＊｛１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔｐ１／λ）｝−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊（ｔｐ１＋ｔＲｕ）／λ）　＊｛１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔｐ２／λ）｝＝０・・・（３）
【００３８】
さらに、この（３）式から、以下の（４）式が導き出せる。
【００３９】
Ｍｐ１／Ｍｐ２＝ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊（ｔｐ１＋ｔＲｕ）／λ）　＊｛１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔｐ２／λ）｝＊｛１−ｅｘｐ（−２π＊ｓｑｒｔ（２）＊ｔｐ１／λ）｝−１
【００４０】
したがって、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにするためには、ある粗さのパラメータλを持つ膜において，Ｍｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１、ｔｐ２、ｔＲｕの値が、（４）式を満たす膜構成であればよいことがわかる。
【００４１】
ただし、ｔＲｕは、ＣｏＦｅ膜２３ａおよびＣｏＦｅＢ膜２３ｃ、すなわち積層フェリ構造２３における二つの磁性層を反平行に結合させるために最適値があり、一般にｔＲｕ＝０．７〜１．２ｎｍ付近で固定になる。
【００４２】
また、ＴＭＲ膜２０を現実に構成することを考えると、各パラメータに対しても一定の制限が生じる。したがって、各パラメータは、好ましくは以下に述べるような範囲である必要がある。
【００４３】
例えば、ＴＭＲ膜２０に使用可能な磁性材料を考えたとき、その飽和磁化は、最も大きいもので１９００ｅｍｕ／ｃｃ程度であり、また小さくても数百ｅｍｕ／ｃｃ程度である。そのため、好ましくはＭｐ１／Ｍｐ２＝０．１〜１０である必要がある。
【００４４】
また、反強磁性層であるＰｔＭｎ膜２２のバイアス強度や、積層フェリ構造２３の結合強度から考えると、固定層として機能する積層フェリ構造２３全体の厚さは、６ｎｍ以下が現実的である。さらに、隣接層の影響や層として形成可能な限界を考えると、厚さの下限は、１ｎｍ程度であると思われる。そのため、ｔｐ１およびｔｐ２は、いずれも好ましくは１〜６ｎｍである必要がある。
【００４５】
一方、粗さは、主に、その膜の結晶粒径に起因していると考えられることから、多結晶系で考えられる範囲を採用し、λ＝１０〜１００ｎｍの値を採る。
【００４６】
以上のような範囲に各パラメータを限定した場合には、λの値によって領域は異なるが、Ｍｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１およびｔｐ２といった各パラメータが図４（ａ）〜（ｆ）に示す領域（図中におけるハッチング部分）に属するような値であるときに、ネール結合磁界Ｈｏはゼロとなる。すなわち、図中の一番外側の線に囲まれた領域に属するようなＭｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１およびｔｐ２の値のときに、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにすることが可能となる。
【００４７】
具体的には、上述した（４）式において、Ｍｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１およびｔｐ２の値が、ｔｐ１＝１ｎｍの場合のＭｐ１／Ｍｐ２曲線と、ｔｐ１＝６ｎｍの場合のＭｐ１／Ｍｐ２曲線とに挟まれる領域（ただし、１ｎｍ≦ｔｐ２≦６ｎｍ）内に属することになる。さらに、近似的には、（ｔｐ１，ｔｐ２）の座標値が、（１，１）、（１，６）、（６，１）、（６，６）の４点に囲まれる領域内に属するようなＭｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１およびｔｐ２の値となる。
【００４８】
この領域内に属するようにするには、例えば上述した構成のＴＭＲ膜２０のように、ＣｏＦｅＢ膜２３ｃの飽和磁化Ｍｐ１を、ＣｏＦｅ膜２３ａの飽和磁化Ｍｐ２よりも小さくすれば達成できる。
【００４９】
このようにＭｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１およびｔｐ２の値を決定した後は、その決定値に従いつつ、ＴＭＲ膜２０を構成する各膜２１〜２６の成膜を行うとともに、そのＴＭＲ膜２０に対する外形成形加工等を行って、ＴＭＲ素子を製造すればよい。なお、成膜加工や成形加工等については、従来のものと同様に行えばよいため、ここではその説明を省略する。
【００５０】
なお、磁性膜の飽和磁化を小さくするためには、上述したように、同じ組成の磁性材料部分（例えばＣｏＦｅ）に磁性材ではない第３元素（例えばＢ）を添加することが考えられるが、全く異なる組成の磁性材料を用いてもよいことは勿論である。また、各層とも、異なった材料が積層された膜であってもよい。ただし、固定層における自由層側の部分は、直接ＭＲ比に影響を及ぼすため、分極率が高く、比較的飽和磁化の小さい材料を用いることが望ましい。このことから、積層フェリ構造２３に使用可能な磁性材料としては、ＣｏＦｅの他に、ＮｉＦｅ（ニッケル鉄）が挙げられる。因みに、飽和磁化の大きさは、Ｃｏ５０Ｆｅ５０（原子％）で１９００ｅｍｕ／ｃｃ程度、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（原子％）で１４００ｅｍｕ／ｃｃ程度、Ｎｉ８０Ｆｅ２０（原子％）で８００ｅｍｕ／ｃｃ程度である。
【００５１】
また、ＴＭＲ素子は、ＴＭＲ膜２０に対して、その外形形状を所定形状化することによって構成されたものである。所定の外形形状としては、平面形状が楕円状である場合や矩形状である場合等が挙げられる。ただし、必ずしもこれらの形状である必要はなく、円形状といった他の形状であってもよいことは勿論である。
【００５２】
以上のような膜構成によりＴＭＲ素子を形成すれば、各層の形成条件や界面の状態（例えばλの値）等に拘わらずに、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにすることが可能である。そして、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにすれば、静磁界Ｈｓｔをゼロにすることを条件に、ＴＭＲ素子の形状やその形成条件等のばらつきに依存することなく、シフト磁界Ｈｆをゼロにすることが可能となる。したがって、そのＴＭＲ素子を用いてＭＲＡＭを構成すれば、シフト磁界Ｈｆをゼロにできることから、アステロイド曲線のずれ防止による選択記録のマージンを大きく確保することができ、結果として良好な情報記録特性を実現することができる。
【００５３】
ところで、以上の説明では、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにするために、固定層として機能する積層フェリ構造２３において、その積層フェリ構造２３を構成する二つの磁性層２３ａ，２３ｃのうち、自由層として機能するＣｏＦｅＢ膜２５に近い側の第一磁性層についてはＣｏＦｅＢを形成材料に用い、ＣｏＦｅＢ膜２５から遠い側の第二磁性層についてはＣｏＦｅを形成材料に用いるといったように、それぞれの形成材料の選択によってＣｏＦｅＢ膜２３ｃの飽和磁化Ｍｐ１及び、膜厚ｔｐ１をＣｏＦｅ膜２３ａの飽和磁化Ｍｐ２及び、膜厚ｔｐ２よりも小さくしている。ただし、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにするためには、積層フェリ構造２３を構成する二つの磁性層２３ａ，２３ｃの間の飽和磁化あるいは、膜厚に差を生じさせることが必要となるが、上述した（４）式からも明らかなように、必ずしも飽和磁化の差を形成材料の選択のみによって生じさせる必要はなく、他の手法によって生じさせしても構わない。
【００５４】
そこで、次に、本発明に係るＴＭＲ素子およびＭＲＡＭの他の実施の形態について説明する。ここで説明するＴＭＲ素子およびＭＲＡＭは、既に説明した実施の形態の場合と略同様の構成のＴＭＲ膜を用いたものであるが、そのＴＭＲ膜が以下に述べる点で上述した実施の形態の場合と異なっている。すなわち、ここで説明するＴＭＲ膜は、積層フェリ構造２３における第一磁性層の形成材料の飽和磁化が第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも大きいか、または等しい点で、既に説明した実施の形態におけるＴＭＲ膜２０と異なる。さらには、第一磁性層の厚さが第二磁性層の厚さよりも１ｎｍ以上の膜厚差を持って薄く構成されている点で、既に説明した実施の形態におけるＴＭＲ膜２０と異なる。
【００５５】
このように、第一磁性層の形成材料の飽和磁化が第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも大きいか、または等しいＴＭＲ膜であっても、第一磁性層の厚さが第二磁性層の厚さよりも１ｎｍ以上の膜厚差を持って薄く構成されていれば、上述した（４）式によって特定される条件、特に図４に示した領域内に属するＭｐ１、Ｍｐ２、ｔｐ１およびｔｐ２の値を満たすことが可能である。したがって、そのＴＭＲ膜を用いてＴＭＲ素子を形成すれば、各層の形成条件や界面の状態等に拘わらずに、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにすることが可能となり、結果としてアステロイド曲線のずれを防止して良好な情報記録特性のＭＲＡＭを実現できるようになる。
【００５６】
また、第一磁性層の形成材料の飽和磁化が第二磁性層の形成材料の飽和磁化よりも大きいかまたは等しく、Ｍｐ１＞Ｍｐ２またはＭｐ１＝Ｍｐ２が成り立つことから、良好なＴＭＲ比を得られることが期待される。これは、一般的には飽和磁化が大きい材料のほうがＴＭＲ比（分極率）も大きい傾向にあるが、直接ＴＭＲ比に影響を及ぼす第一磁性層の飽和磁化を、既に説明したＴＭＲ膜２０の場合よりも大きくし得るからである。
【００５７】
なお、第一磁性層と第二磁性層との膜厚差を１ｎｍ以上としたのは、Ｍｐ１＞Ｍｐ２またはＭｐ１＝Ｍｐ２であるが故に、１ｎｍ以上の膜厚差が無ければ、自由層に対して第一磁性層に起因して生ずる磁界の他に第二磁性層からも磁界の影響を及ぼすことが困難になってしまい、結果として自由層におけるネール結合磁界をゼロにできないからである。
【００５８】
このように、本発明に係るＴＭＲ素子およびＭＲＡＭについて、二つの実施形態を用いて説明したが、これらの他にも、すなわち反強磁性層、絶縁層または自由層の構造や材料等が異なるものであっても、ボトム型の積層フェリ構造の固定層を用いたスピンバルブ型のＭＲ膜であれば、本発明を適用することによって、ネール結合磁界Ｈｏをゼロにすることが可能であり、結果として良好な情報記録特性が得られるようになる。
【００５９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る磁気抵抗効果素子によれば、自由層に作用するネール結合磁界Ｈｏをゼロにすることによって、磁気抵抗効果素子の形状やその形成条件等のばらつきに依存することなく、シフト磁界Ｈｆをゼロにすることを可能となるので、アステロイド曲線のずれが極めて小さい、選択記録のマージンを大きく確保することのできる磁気抵抗効果素子を得ることができる。したがって、その磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置、すなわち本発明に係る磁気メモリ装置によれば、各磁気抵抗効果素子における反転磁界や反転動作等のばらつきが抑えられ、安定して選択的な情報書き込み動作を行うことが可能となり、その結果良好な情報記録特性を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＴＭＲ素子を構成するＴＭＲ膜の一具体例を示す側断面図である。
【図２】図１のＴＭＲ膜におけるネール結合磁界の測定結果の一具体例を示す説明図である。
【図３】ネール結合磁界の算出式を説明するための模式図であり、（ａ）は図１のＴＭＲ膜における場合を示す図、（ｂ）は一般的なＴＭＲ膜における場合を示す図である。
【図４】ネール結合磁界をゼロにし得るパラメータの具体例を示す説明図であり、（ａ）はλ＝１００ｎｍの場合を示す図、（ｂ）はλ＝７０ｎｍの場合を示す図、（ｃ）はλ＝５０ｎｍの場合を示す図、（ｄ）はλ＝３０ｎｍの場合を示す図、（ｅ）はλ＝２０ｎｍの場合を示す図、（ｆ）はλ＝１０ｎｍの場合を示す図である。
【図５】ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。
【図６】ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の構成例を示す模式図である。
【図７】ＭＴＪ構造の基本的な構成例を示す模式図である。
【図８】ＭＲＡＭを構成するＴＭＲ素子の磁界応答の一例を示すアステロイド図である。
【図９】情報記録時に必要となる最小磁界を説明するための模式図である。
【図１０】アステロイド曲線のずれを説明するための模式図である。
【図１１】アステロイド曲線のずれの要因となる磁界成分を説明するための模式図であり、（ａ）は静磁界を示す図、（ｂ）はネール結合磁界を示す図である。
【符号の説明】
４…半導体基板、２０…ＴＭＲ膜、２１…Ｔａ膜、２２…ＰｔＭｎ膜、２３…積層フェリ構造部、２３ａ…ＣｏＦｅ膜、２３ｂ…Ｒｕ膜、２３ｃ…ＣｏＦｅＢ膜、２４…Ａｌ−Ｏｘ膜、２５…ＣｏＦｅＢ膜、２６…Ｔａ膜
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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