(57)【要約】【課題】各記憶素子間の反転磁界のばらつきおよびアステロイドのずれを抑制し、これにより各記憶素子への選択記録のマージンを大きく確保する。【解決手段】少なくとも二つの強磁性層２４，２６とこれらの間に挟まれる絶縁層２５とを含む積層構造を具備し、一方の強磁性層２６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２４が磁化方向の反転しない固定層として機能する磁気抵抗効果素子において、前記固定層２６が前記自由層２４に静磁界を印加するための磁界印加部材としての機能を有しており、前記静磁界を印加すべく前記固定層２６からの漏洩磁界の強さが所定値以上となるように設定されている。【選択図】　　　　図４
2004087870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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磁気抵抗効果素子において、
前記自由層に静磁界を印加するための磁界印加部材を備えている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記静磁界の強さＨと、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向の長さＬの積の絶対値が１５［エルステッド＊ミクロンメートル］以上である
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３】
前記磁界印加部材は、前記固定層または当該固定層の前記絶縁層側と反対側に積層される反強磁性の参照層の少なくとも一方であり、
前記静磁界は、前記固定層または前記参照層の少なくとも一方からの漏洩磁界である
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４】
前記固定層および前記参照層のうちの前記磁界印加部材として機能する層の厚さｔと飽和磁化Ｍとの積Ｍｔが、７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上または−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下のいずれかを満足するように構成されている
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】
前記固定層および当該固定層の前記絶縁層側と反対側に積層される反強磁性の参照層としてＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎが順に積層された積層構造を備え、
前記静磁界として当該積層構造からの漏洩磁界を用いるとともに、
当該積層構造を構成する各層の厚さｔと飽和磁化Ｍとの積Ｍｔの符号を含めた合計ΣＭｔが、７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上または−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下のいずれかを満足するように構成されている
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６】
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磁気抵抗効果素子を備えており、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、
前記自由層に静磁界を印加するための磁界印加部材を備えている
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項７】
前記静磁界の強さＨと、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向の長さＬの積の絶対値が１５［エルステッド＊ミクロンメートル］以上である
ことを特徴とする請求項６記載の磁気メモリ装置。
【請求項８】
前記磁界印加部材は、前記固定層または当該固定層の前記絶縁層側と反対側に積層される反強磁性の参照層の少なくとも一方であり、
前記静磁界は、前記固定層または前記参照層の少なくとも一方からの漏洩磁界である
ことを特徴とする請求項６記載の磁気メモリ装置。
【請求項９】
前記固定層および前記参照層のうちの前記磁界印加部材として機能する層の厚さｔと飽和磁化Ｍとの積Ｍｔが、７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上または−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下のいずれかを満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項６記載の磁気メモリ装置。
【請求項１０】
前記固定層および当該固定層の前記絶縁層側と反対側に積層される反強磁性の参照層としてＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎが順に積層された積層構造を備え、
前記静磁界として当該積層構造からの漏洩磁界を用いるとともに、
当該積層構造を構成する各層の厚さｔと飽和磁化Ｍとの積Ｍｔの符号を含めた合計ΣＭｔが、７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上または−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下のいずれかを満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項６記載の磁気メモリ装置。
【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、情報通信機器、特に携帯端末装置等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックといったデバイスには、高集積化、高速化、低電力化等、より一層の高性能化が要請されている。特に、不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分（例えばヘッドシーク機構やディスク回転機構）の存在により本質的に小型化が困難なハードディスク装置や光ディスク装置を置き換える相補的な技術として、益々重要になりつつある。
【０００３】
このような要求に応え得る不揮発性メモリとして注目されているのが、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ばれる磁気メモリ装置である。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）型の記憶素子を用いて情報記録を行うもので、特に近年のＴＭＲ材料の特性向上により注目を集めるようになってきている（例えば、「Ｎａｊｉ　ｅｔ　ａｌ．ＩＳＳＣＣ２００１」）。
【０００４】
ここで、ＭＲＡＭの動作原理について簡単に説明する。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された磁気抵抗効果型の記憶素子（セル）を有するとともに、特定の記憶素子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）および読出し用線（ビット線）を有しており、そ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ている。つまり、記憶素子への書き込みは、ワード線およびビット線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、各記憶素子における磁性体の磁化方向を制御することにより行う。一般的には、磁化の向きに応じて、「０」または「１」のいずれかの情報を記憶させる。一方、記憶素子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記憶素子の選択を行い、磁気抵抗効果を通じてその記憶素子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。記憶素子の膜構成としては、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）と呼ばれる構造が提案されている。ＭＴＪ構造では、片方の強磁性体を固定参照層（ピンド／リファレンス層）、他方を自由層（フリー層）として用いることによって、トンネル磁気抵抗効果を通じて自由層における磁化方向が電圧信号と対応するようになるので、上述したような電圧信号としての取り出しが実現可能となるのである。
【０００５】
続いて、書き込み時における記憶素子の選択についてさらに詳しく説明する。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。Ｈｃは自由層の異方性磁界である。この曲線は、図１１（ａ）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。
【０００６】
記憶素子の選択は、このアステロイドを用いて説明するのが簡単である。一般に、ワード線からの発生磁界が磁化容易軸方向と略一致している構成のＭＲＡＭにおいては、ワード線からの発生磁界により磁化を反転させて情報の記録を行う。ところが、そのワード線から等距離に位置する記憶素子は複数個あるため、ワード線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記憶素子の全てについて同様に記録をしてしまうことになる。ただし、このとき、選択したい記憶素子を横切るビット線に電流を流し、磁化困難軸方向の磁界を発生させると、その選択したい記憶素子における反転磁界が下がる。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、その選択したい記憶素子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記憶素子選択の手法である。
【０００７】
このような構成のＭＲＡＭは、不揮発性であり、非破壊読み出しおよびランダムアクセスが可能であるという点の他に、以下に述べるような特徴を有する。すなわち、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また記憶素子における磁気モーメントの回転により情報記録を行うために書き換え可能回数が大である（例えば、１０１６回以上）。さらには、アクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている（例えば、５ｎｓ以下）。また、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）作製後に配線工程のみで形成されるため、プロセス整合性がよい。特に、書き換え可能回数、ランダムアクセス、高速動作の３点においてフラッシュメモリよりも優れ、またプロセス整合性の点でＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）に勝る。さらには、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）並みの高集積度とＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）並みの高速性を両立できると期待されるため、メモリ装置の主流となり得る可能性を秘めている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＲＡＭについては、フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ等といった他の不揮発性メモリあるいはＤＲＡＭやＳＲＡＭ等の揮発性メモリのようなＭＯＳスイッチ等ではなく、直交磁場による選択記録という特徴的な書き込み方式を採用しているため、ＭＲＡＭ固有の技術的課題も存在する。直交磁場による選択記録については、既に図１１（ａ）のアステロイド曲線を参照しながら説明したが、図例のアステロイド曲線は理想的なものであり、現実にＭＲＡＭを評価することで得られるアステロイド曲線は、図１１（ｂ）に示すような二つの特徴を有したものとなる。すなわち、現実に得られるアステロイド曲線においては、▲１▼各困難軸方向磁界に対する反転磁界の値が各記憶素子間で異なっており（以下、このことを「反転磁界のばらつき」という）、また▲２▼アステロイド曲線自体に容易軸磁場方向（図中の上下方向）へのずれが生じている（以下、このことを「アステロイドのずれ」という）。
【０００９】
これら二つの特徴▲１▼，▲２▼を有したアステロイド曲線の場合には、直交磁場による選択記録を行うことが可能な領域が、図１１（ｂ）中におけるハッチング領域に限られてしまい、図１１（ａ）に示す理想的なアステロイド曲線の場合に比べて、選択記録のマージン確保が困難になってしまう。このことから、情報記録時の素子選択を的確に行うためには、各記憶素子間の反転磁界のばらつきを抑制するとともに、アステロイドのずれを「０」に近づけることが重要である。
【００１０】
ところが、現実的には、反転磁界ばらつきの制御は極めて困難である。すなわち、反転磁界のばらつきは、素子寸法のばらつきや形状、自由層の磁気異方性や磁気ひずみ、さらには界面粗さ等、多数の起源の複合によるものであり、回路設計の観点から要求されるばらつきスペックを満たすことは一般に困難であると考えられている。また、アステロイドのずれについては、固定参照層と自由層との間に磁気的な相互作用が存在するために起こる現象であり、界面粗さおよび素子端部の磁極間の静磁相互作用がその起源である。この静磁相互作用を「０」にすることは、極めて困難である。したがって、アステロイドのずれを「０」に近づけることも容易ではないと考えられている。
【００１１】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて、各記憶素子間の反転磁界のばらつきを抑制し、かつ、アステロイドのずれを「０」に近づけることを容易に実現可能とし、これにより選択記録のマージンを大きく確保して良好な記録特性を実現することができる磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【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、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磁気抵抗効果素子において、前記自由層に静磁界を印加するための磁界印加部材を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された磁気メモリ装置で、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磁気抵抗効果素子を備えており、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、前記自由層に静磁界を印加するための磁界印加部材を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
上記構成の磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置によれば、磁界印加部材からの静磁界によって、自由層に例えば磁化容易軸方向に一定強さの静磁界が印加される。したがって、自由層では、その静磁界の印加によって、磁化方向の反転閾値の不均衡を補正し得るとともに、アステロイドのずれの補正も実現容易となる。つまり、静磁界の印加により磁化反転機構が単純化され、従来技術では困難であった反転磁界のばらつきを低減でき、選択記録マージンを拡大することが可能となる。
【００１５】
【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型スピンバルブ素子（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。
【００１６】
先ず、はじめに、本発明に係る磁気メモリ装置全体の概略構成について説明する。図１は、ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配された複数のＴＭＲ素子１を備えている。さらに、これらのＴＭＲ素子１が配された行および列のそれぞれに対応するように、相互に交差するワード線２およびビット線３が、各ＴＭＲ素子１群を縦横に横切るように設けられている。そして、各ＴＭＲ素子１は、ワード線２とビット線３とに上下から挟まれた状態で、かつ、これらの交差領域に位置するように、それぞれが配置されている。なお、ワード線２およびビット線３は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）またはこれらの合金等の導電性物質を、化学的または物理的に堆積した後に選択的にエッチングする、といった周知の手法を用いて形成されるものとする。
【００１７】
図２は、ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。それぞれのＴＭＲ素子部分では、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、ＴＭＲ素子１およびビット線３が順に配設されている。このことからも明らかなように、ＴＭＲ素子１は、ワード線２とビット線３との交差点において、これらワード線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。なお、ＴＭＲ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。
【００１８】
このような構成により、ＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子１の自由層に対して、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合成電流磁界を発生させ、その合成電流磁界を用いて自由層の磁化方向を変化させることにより、情報の書き込みを行う。また、ＴＭＲ素子１からの情報の読み出しは、電界効果トランジスタを用いてＴＭＲ素子１の選択を行い、そのＴＭＲ素子１における自由層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。
【００１９】
続いて、このようなＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子１自体の構成について説明する。ＴＭＲ素子１は、ＭＴＪ構造の膜構成を有する。図３は、ＭＴＪ構造の基本的な構成例を示す模式図である。ＭＴＪ構造は、強磁性体／絶縁体／強磁性体からなる三層構造からなり、一方の強磁性層が磁化方向の反転可能な自由層（フリー層）１１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参照層（ピンド／リファレンス層）１２として機能する。なお、固定参照層１２は、強磁性層からなる固定層（ピンド層）と、その固定層の磁化方向を固定するための反強磁性の参照層（リファレンス層）とが、互いに積層されたものである。そして、ワード線２およびビット線３が発生する合成電流磁界によって、その自由層１１の磁化方向を変化させることで、情報の書き込み（記録）を行うとともに、トンネルＭＲ効果を通じてその自由層１１における磁化方向と電圧信号を対応させている。これら二つの強磁性体層、すなわち自由層１１および固定参照層１２の間に挟まれた絶縁層１３は、例えばＡｌの酸化物からなり、トンネル障壁層として機能するものである。下地層１４や保護層１５といったその他の層は、一般には磁性を持たない材料からなる。
【００２０】
図４は、ＭＴＪ構造のＴＭＲ素子をさらに具体的に説明するための模式図である。ＴＭＲ素子１としては、例えば、被成膜物である基板（例えばバイパス線）２１上に、Ｔａ（タンタル）膜２２と、ＰｔＭｎ（白金マンガン）膜２３と、ＣｏＦｅ（コバルト鉄）膜２４ａと、Ｒｕ（ルテニウム）膜２４ｂと、ＣｏＦｅ膜２４ｃと、Ａｌ−Ｏｘ（酸化アルミニウム）膜２５と、ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ホウ素）膜２６と、Ｔａ膜２７とが、順に積層されてなるものが挙げられる。
【００２１】
このようなＴＭＲ素子１のうち、Ｔａ膜２２は下地層１４として機能するようになっている。また、ＰｔＭｎ膜２３は反強磁性層として、非磁性層であるＲｕ膜２４ｂを介してＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃが積層された積層フェリ構造２４は固定層として、それぞれ機能するものである。そして、その積層フェリ構造２４の磁化方向をＰｔＭｎ膜２３が直接的または間接的に固定することで、これらの各層２３，２４は固定参照層１２として機能することになる。さらに、Ａｌ−Ｏｘ膜２５は絶縁層１３として、ＣｏＦｅＢ膜２６は自由層１１として、Ｔａ膜２７は保護層１５として、それぞれ機能するようになっている。
【００２２】
以上のような構成のＴＭＲ素子１は、以下のような手順で製造することが考えられる。例えば、背圧を超高真空領域にまで排気したマグネトロンスパッタ装置を用いて、表面を熱酸化したＳｉ（ケイ素）基板２１上に、Ｔａ膜２２を３ｎｍ厚、ＰｔＭｎ膜２３を３０ｎｍ厚、ＣｏＦｅ膜２４ａを２．５ｎｍ厚、Ｒｕ膜２４ｂを０．８ｎｍ厚、ＣｏＦｅ膜２４ｃを３．１ｎｍ、Ａｌ膜を１ｎｍ厚で、それぞれ順に積層する。このときのＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃのターゲット組成は、例えばＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）とすることが考えられる。そして、Ａｌ膜を純酸素中でプラズマ酸化させ、均一なＡｌ−Ｏｘ膜２７を得る。その後は、再びマグネトロンスパッタ装置により、ＣｏＦｅＢ膜２６を３ｎｍ厚、Ｔａ膜２７を５ｎｍ厚でそれぞれ順に成膜する。このときのＣｏＦｅＢ膜２６のターゲット組成は、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ２０（原子％）とすることが考えられる。そして、最後に、ＰｔＭｎ膜２３の規則合金化のための熱処理を、磁界中、例えば２８０℃で１時間行う。こうして得られるＴＭＲ積層膜に対して、その外形を例えば０．８μｍ×１．６μｍの楕円形とする微細加工を施せば、上述した構成のＴＭＲ素子１を構成することができる。なお、微細加工は、例えばフォトリソグラフィとイオンミリングの組み合わせによって行えばよい。
【００２３】
ところで、本実施形態で説明するＴＭＲ素子１は、積層フェリ構造２４を構成する各ＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃの厚さｔとその飽和磁化Ｍとの積Ｍｔの符号を含めた合計ΣＭｔが、７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上または−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下のいずれかを満足するように構成されている点に、大きな特徴がある。ここで、ＣｏＦｅ膜２４ｃはＣｏＦｅ膜２４ａと交換相互作用により反平行に結合し、ＣｏＦｅ膜２４ａはＰｔＭｎ膜２３により一方向に向きやすいように固定されているため、ＣｏＦｅ膜２４ｃもある一方向に向きやすい性質を持つ。ここでは、Ｍｔの符号は、Ａｌ−Ｏｘ膜２５に隣接するＣｏＦｅ膜２４ｃの磁化容易方向を正としている。
【００２４】
具体的には、ＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃの厚さがそれぞれ２．５ｎｍであり、ＣｏＦｅの飽和磁化は１５００ｅｍｕ／ｃｃであることから、積層フェリ構造２４におけるΣＭｔは、−（１５００×２．５ｎｍ）＋（１５００×３．１ｎｍ）＝９６４ｅｍｕｎｍ／ｃｃとなる。
【００２５】
このように積層フェリ構造２４を構成したのは、その積層フェリ構造２４の側端面からの漏洩磁界を自由層１１として機能するＣｏＦｅＢ膜２６に印加させるためであり、さらには漏洩磁界の強さＨと素子の磁化容易軸方向の長さＬの積ＨＬが１５Ｏｅ＊μｍ（エルステッド＊ミクロンメートル）以上となるようにするためである。なお、積層フェリ構造２４による印加磁界の向は、ＣｏＦｅＢ膜２６における磁化容易軸方向に沿っているものとする。
【００２６】
ここで、積層フェリ構造２４におけるΣＭｔと漏洩磁界との関係について詳しく説明する。
【００２７】
先ず、ΣＭｔと漏洩磁界との関係の説明に先立ち、ＣｏＦｅＢ膜２６への印加磁界とそのＣｏＦｅＢ膜２６での反転磁界ばらつきについて説明する。ここでは、積層フェリ構造２４におけるＣｏＦｅ膜２４ａの厚さが異なる試料を４種類作成し、各試料に対する反転磁界ばらつきの評価結果を用いて、その説明を行うものとする。試料としては、ＣｏＦｅ膜２４ａが３．１ｎｍ厚のもの、２．６ｎｍ厚のもの、２．１ｎｍ厚のもの、１．６ｎｍ厚のものの４種類を用意した。素子サイズは０．８μｍ×１．６μｍである。反転磁界ばらつきの評価手法は、公知であるため、ここではその説明を省略する。
【００２８】
図５は、各試料に対する反転磁界ばらつきの評価結果を示す説明図である。図例のように、４種類の試料の中では、ＣｏＦｅ膜２４ａの膜厚が最も厚いものが、ＣｏＦｅＢ膜２６での反転磁界ばらつきも最も小さいことがわかる。この起源を説明するために、続いて、各試料における反転磁界の非対称性を表すアステロイド曲線の容易軸方向へのずれＨｆと、素子サイズとの関係について説明する。
【００２９】
図６は、アステロイドのずれＨｆと素子サイズとの関係を示す説明図である。図例より、アステロイドのずれＨｆと、素子の長軸寸法の逆数１／Ｌとは、それぞれが互いに線形な関係にあることがわかる。そして、その変化率（傾き）は、積層フェリ構造２４からの漏洩磁界を反映したものであると考えられる。つまり、変化率が大きいほど（傾きが急であるほど）、漏洩磁界も大きいのである。
【００３０】
これら図５および図６に示した結果から、積層フェリ構造２４からの漏洩磁界、すなわちＣｏＦｅＢ膜２６への印加磁界が強いものほど、そのＣｏＦｅＢ膜２６における反転磁界ばらつきは小さくなっていると言える。
【００３１】
この関係をさらに多数の試料について示したものが図７である。図例では、図５に示した結果に加え、素子サイズ０．８μｍ×１．２μｍのもの、さらに積層フェリ構造２４における各膜２４ａ，２４ｃ（参照層とピンド層）の厚さの組み合わせについての結果をまとめて図示してある。この図例からも、アステロイドのずれＨｆの逆数１／Ｌに対する変化率の絶対値が大きくなる、すなわち漏洩磁界の影響が大きくなると、反転磁界ばらつきは小さくなっていることがわかる。これは、漏洩磁界の存在が磁化分布を安定化させることにより、磁化方向の反転のメカニズムが単純化されることに起因していると考えられる。また、漏洩磁界がバイアス磁界として機能することから、これにより磁化方向の反転動作の安定化が図られるためとも考えられる。
【００３２】
つまり、図７より、漏洩磁界の反転磁界ばらつき抑制効果は、横軸をアステロイドのずれＨｆの逆数１／Ｌに対する変化率とすれば、素子サイズには大きく依存しない。また、アステロイドのずれＨｆの変化率が０〜−１５Ｏｅ＊μｍ程度までは大きな効果はなく、−１５Ｏｅ＊μｍを超えるあたりから効果が現れ始めている。すなわち、抑制効果を得るためには、アステロイドのずれＨｆの変化率としての漏洩磁界を、絶対値で１５Ｏｅ＊μｍ以上とする必要がある。漏洩磁界は、積層フェリ構造２４の各膜２４ａ，２４ｃの材料や膜厚配分等で決定され、その強さは各膜２４ａ，２４ｃの厚さｔとその飽和磁化Ｍとの積Ｍｔの合計ΣＭｔがパラメータとなる。なお、各膜２４ａ，２４ｃでは、それぞれの磁化方向が反平行配列しているため、合計ΣＭｔは実質的にそれぞれの積Ｍｔの差ΔＭｓｔとなる。
【００３３】
図８は、差ΔＭｓｔと漏洩磁界（アステロイドのずれＨｆの変化率）との関係を示す説明図である。図例によれば、漏洩磁界を絶対値で１５Ｏｅ＊μｍ以上とするためには、差ΔＭｓｔが７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上または−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下のいずれかを満足する必要があることがわかる。
【００３４】
このことから、本実施形態で説明するＴＭＲ素子１では、積層フェリ構造２４を構成する各ＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃについての差ΔＭｓｔが７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上または−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下のいずれかを満足するように、ＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃの厚さがそれぞれ２．５ｎｍ、３．１ｎｍであり、いずれも飽和磁化が１５００ｅｍｕ／ｃｃの材料であるＣｏＦｅによって形成されているのである。
【００３５】
ただし、各膜２４ａ，２４ｃの差ΔＭｓｔを余りに大きくすると、漏洩磁界の増大は可能となるが、これと同時にピン磁界（ＰｔＭｎ膜２３との相互作用磁界）やＲｕ膜２４ｂを介しての交換結合磁界も小さくなってしまうため、低い磁界でＣｏＦｅＢ膜２６と積層フェリ構造２４との反平行配列が崩れてしまい、これが却って反転磁界ばらつきを招いてしまうおそれがある。そのため、漏洩磁界の強さには上限を設けることが望ましい。具体的には、ピン磁界や交換結合磁界等の減少を考慮すれば、Ｈｆの変化率としては５０Ｏｅ−ｕｍ以下にすることが考えられる。これを図８に示した関係に基づいてΔＭｓｔに換算すると、ΔＭｓｔは、−３７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上３２５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下の範囲に設定することが望ましい。
【００３６】
つまり、積層フェリ構造２４におけるＣｏＦｅ膜２４ａ，２４ｃは、各膜２４ａ，２４ｃの厚さｔとその飽和磁化Ｍとの差ΔＭｓｔ（または合計ΣＭｔ）が、−３７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下または７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上３２５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下の範囲に属するように、それぞれが構成されているものとする。
【００３７】
このように積層フェリ構造２４が構成されていることによって、ＴＭＲ素子１では、その積層フェリ構造２４からの漏洩磁界、すなわちＣｏＦｅＢ膜２６への印加磁界として、絶対値で１５Ｏｅ＊μｍ以上の強さを確保することができ、これによりＣｏＦｅＢ膜２６における反転磁界ばらつきは小さくすることが可能となる。
【００３８】
ところで、反転磁界ばらつき抑制のためには、漏洩磁界（ＣｏＦｅＢ膜２６への印加磁界）を強くすることが有効である一方、漏洩磁界は一般にアステロイドずれを大きくするように作用する傾向がある。つまり、反転磁界ばらつきを抑制することによって、積層フェリ構造２４とＣｏＦｅＢ膜２６との間では、静磁相互作用が大きくなる傾向にある。ところが、アステロイドのずれは、反転磁界ばらつき抑制と同様に、これを「０」に近づける必要があるのは既に述べたとおりである。
【００３９】
漏洩磁界を強くしつつ、アステロイドのずれを「０」に近づけるためには、当該ずれが発生する別の起源、具体的にはネール結合磁界を強くすることが考えられる。一般に、ネール結合磁界は正の値をとるため、漏洩磁界を負の値に設定するとともに、ネール結合磁界の大きさを調整すれば、そのベクトル和を小さくすることができる。ネール結合磁界の強さは、例えば積層フェリ構造２４やＣｏＦｅＢ膜２６等の界面のラフネス（表面粗さ）によって調整すればよい。このように、ネール結合磁界とのベクトル和を利用すれば、例えば図９に示すように、漏洩磁界によってアステロイドずれが大きくなる傾向にあっても（図９（ａ）参照）、そのアステロイドのずれを「０」に近づけるように調整することが可能となる（図９（ｂ）参照）。
【００４０】
以上のように、本実施形態で説明したＴＭＲ素子１およびそのＴＭＲ素子１を用いて構成されたＭＲＡＭによれば、ＣｏＦｅＢ膜２６への静磁界の印加によって、そのＣｏＦｅＢ膜２６における磁化方向の反転閾値の不均衡を補正し得るとともに、アステロイドのずれを「０」に近づけるように調整することも実現容易となる。つまり、静磁界の印加により磁化反転機構が単純化されるので、各ＴＭＲ素子１間の反転磁界のばらつきを抑制し、かつ、アステロイドのずれを「０」に近づけることが容易に実現可能となる。したがって、ＭＲＡＭを構成した場合であっても、選択記録マージンを大きく確保して、良好な記録特性を実現することが可能となる。
【００４１】
なお、本実施形態では、積層フェリ構造２４からＣｏＦｅＢ膜２６に対して静磁界を印加する具体的な構成を例に挙げて説明したが、その膜構成の材料および膜厚は一例に過ぎず、これに限定されるものではない。すなわち、少なくとも漏洩磁界を発生させる各膜の厚さｔとその飽和磁化Ｍとの積Ｍｔの合計ΣＭｔが、７５０ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以上または−２０００ｅｍｕｎｍ／ｃｃ以下のいずれかを満足するように構成されていれば、本実施形態で説明した膜構成に限定されないことは言うまでもない。また、漏洩磁界を発生させる部分の構成も、必ずしも積層フェリ構造２４である必要はなく、単層の固定層であっても構わない。さらには、参照層として機能するＰｔＭｎ膜２３の端面を露出させて、そのＰｔＭｎ膜２３からも漏洩磁界が発生するように素子形状を形成し、そのＰｔＭｎ膜２３からの漏洩磁界を利用することも考えられる。
【００４２】
また、本実施形態では、ＣｏＦｅＢ膜２６に対する印加磁界として積層フェリ構造２４からの漏洩磁界を利用しており、これによりＣｏＦｅＢ膜２６での磁化分布安定化を図るとともに、構成の簡略化を実現している場合を例に挙げて説明したが、磁化分布安定化のための起源となる印加磁界は漏洩磁界に限定されるものではなく、他の磁界発生源を具備したものであっても構わない。図１０は、他の磁界発生源を具備した構成例を示す模式図である。図例のように、他の磁界発生源としては、例えばＣｏＦｅＢ膜２６上に積層された高保磁力材料からなるＣｏＰｔ（コバルト白金）膜３１（図１０（ａ）参照）や、ＣｏＦｅＢ膜２６の端面両側に個別に配されたＣｏＰｔ膜３２（図１０（ｂ）参照）を用い、その周囲を埋め込み絶縁材３３で覆うようにすることも考えられる。この場合であっても、ＣｏＰｔ膜３１またはＣｏＰｔ膜３２からＣｏＦｅＢ膜２６への印加磁界の強さが１５Ｏｅ以上であれば、本実施形態の場合と同様に、反転磁界のばらつきを抑制しつつ、アステロイドのずれを「０」に近づけることが容易に実現可能となる。
【００４３】
また、本実施形態では、本発明の好適な具体例として、いわゆるボトム型のＴＭＲ素子について説明したが、それ以外のものであっても本発明を全く同様に適用することが可能と考えられる。例えば、金属からなる非磁性層を二つの強磁性領域と挟んで巨大磁気抵抗効果を発生させるＧＭＲ素子であっても、本発明を適用することで、反転磁界のばらつきやアステロイドずれについての改善効果が期待される。
【００４４】
【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および磁気メモリ装置によれば、自由層における静磁界を一定範囲に制御することにより磁化反転過程を単純化し、反転磁界のばらつきを抑制することが可能となる。つまり、各磁気抵抗効果素子間の反転磁界のばらつきを抑制し、かつ、アステロイドのずれを「０」に近づけることを容易に実現可能とすることができる。したがって、磁気メモリ装置を構成した場合であっても、選択記録のマージンを大きく確保して、良好な記録特性を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。
【図２】ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。
【図３】ＭＴＪ構造の基本的な構成例を示す模式図である。
【図４】ＭＴＪ構造のＴＭＲ素子をさらに具体的に説明するための模式図である。
【図５】複数種類のＴＭＲ素子に対する反転磁界ばらつきの評価結果を示す説明図である。
【図６】図５の各ＴＭＲ素子におけるアステロイドのずれと素子サイズとの関係を示す説明図である。
【図７】複数種類のＴＭＲ素子におけるアステロイドのずれと素子サイズとの関係の評価結果を示す説明図である。
【図８】飽和磁化Ｍとの積Ｍｔの合計ΣＭｔと漏洩磁界との関係を示す説明図である。
【図９】アステロイドのずれの一具体例を示す説明図であり、（ａ）は調整前の状態を示す図、（ｂ）は調整後の状態を示す図である。
【図１０】本発明に係る磁気抵抗効果素子の変形例を示す模式図であり、（ａ）は他の磁界発生源を具備した構成例を示す図（その１）、（ｂ）は他の磁界発生源を具備した構成例を示す図（その２）である。
【図１１】そのアステロイドの容易軸方向へのずれＨｆを、ＴＭＲ素子の長軸方向の寸法Ｌの逆数に対してプロットして示した説明図である。
【符号の説明】
１…ＴＭＲ素子、１１…固定参照層、１２…記憶層、１３…絶縁層、２３…ＰｔＭｎ膜、２４…積層フェリ構造、２４ａ，２４ｃ…ＣｏＦｅ膜、２４ｂ…Ｒｕ膜、２５…Ａｌ−Ｏｘ膜、２６…ＣｏＦｅＢ膜、３１，３２ＣｏＰｔ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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