(57)【要約】  本発明に係るＭＲＡＭは、磁気抵抗素子を有する。その磁気抵抗素子の磁化自由層は、第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは４か、６以上の整数）、及び反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成された第１〜第Ｎ−１非磁性層とを含む。第１〜第Ｎ―１非磁性層のうちの第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は、第１〜第Ｎ強磁性層のうちの第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の間に設けられる。第ｋ強磁性層の実効膜厚をｔｋ、磁化をＭｋとする。また、第ｋ非磁性層を介した反平行結合エネルギー定数をＪｋとする。この時、Ｍ１×ｔ１とＭ２×ｔ２はほぼ等しく、且つ、ＭＮ−１×ｔＮ−１とＭＮ×ｔＮはほぼ等しい。更に、次のいずれかの関係が満たされる：「Ｍ１×ｔ１＞ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＞ＪＮ−１」または「Ｍ１×ｔ１＜ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＜ＪＮ−１」。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
磁気抵抗素子と
を具備し、
前記磁気抵抗素子は、
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、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に介設された非磁性層と
を有し、
前記磁化自由層は、
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは４、または６以上の整数）と、
反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成された第１〜第Ｎ−１非磁性層と
を含み、
前記第１〜第Ｎ−１非磁性層のうちの第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ−１以下の整数）は、前記第１〜第Ｎ強磁性層のうちの第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の間に設けられ、
前記第１非磁性層は、前記第１〜第Ｎ−１非磁性層のうちで前記基板に最も近く位置し、且つ、前記第Ｎ−１非磁性層は、前記第１〜第Ｎ−１非磁性層のうちで前記基板から最も離れて位置し、
前記第ｋ強磁性層の体積、磁化及び実効膜厚が、それぞれＶｋ、Ｍｋ及びｔｋで表され、ここで、前記実効膜厚ｔｋは、前記体積Ｖｋを前記磁化自由層の平面方向の平均面積で割った値であり、
前記第ｋ強磁性層の磁化の向きと前記第（ｋ＋１）強磁性層の磁化の向きの相対角度が、θｋで表され、
前記第ｋ非磁性層を介した前記第ｋ強磁性層と前記第（ｋ＋１）強磁性層の反平行結合エネルギーが、反平行結合エネルギー定数Ｊｋを用いて、Ｊｋｃｏｓθｋで表されるとき、
Ｍ１×ｔ１とＭ２×ｔ２は実質的に等しく、
ＭＮ−１×ｔＮ−１とＭＮ×ｔＮは実質的に等しく、
また、下記のいずれかの関係：
Ｍ１×ｔ１＞ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＞ＪＮ−１、または、
Ｍ１×ｔ１＜ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＜ＪＮ−１
が満たされる
ＭＲＡＭ。
【請求項２】
前記Ｎは４である請求の範囲１に記載のＭＲＡＭ。
【請求項３】
基板と、
磁気抵抗素子と
を具備し、
前記磁気抵抗素子は、
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、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に介設された非磁性層と
を有し、
前記磁化自由層は、
第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは３以上の奇数）と、
反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成された第１〜第Ｎ−１非磁性層と
を含み、
前記第１〜第Ｎ−１非磁性層のうちの第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ−１以下の整数）は、前記第１〜第Ｎ強磁性層のうちの第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の間に設けられ、
前記第１非磁性層は、前記第１〜第Ｎ−１非磁性層のうちで前記基板に最も近く位置し、且つ、前記第Ｎ−１非磁性層は、前記第１〜第Ｎ−１非磁性層のうちで前記基板から最も離れて位置し、
前記第ｋ強磁性層の体積、磁化及び実効膜厚が、それぞれＶｋ、Ｍｋ及びｔｋで表され、ここで、前記実効膜厚ｔｋは、前記体積Ｖｋを前記磁化自由層の平面方向の平均面積で割った値であり、
前記第ｋ強磁性層の磁化の向きと前記第（ｋ＋１）強磁性層の磁化の向きの相対角度が、θｋで表され、
前記第ｋ非磁性層を介した前記第ｋ強磁性層と前記第（ｋ＋１）強磁性層の反平行結合エネルギーが、反平行結合エネルギー定数Ｊｋを用いて、Ｊｋｃｏｓθｋで表されるとき、
Ｍ１×ｔ１とＭＮ×ｔＮの和は、Ｍ（Ｎ＋１）／２に実質的に等しく、
また、下記のいずれかの関係：
Ｍ１×ｔ１＞ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＞ＪＮ−１、または、
Ｍ１×ｔ１＜ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＜ＪＮ−１
が満たされる
ＭＲＡＭ。
【請求項４】
請求の範囲１乃至３のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
前記磁化自由層の残留磁化は飽和磁場の１０％以内である
ＭＲＡＭ。
【請求項５】
請求の範囲１乃至４のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
ワード線と、
前記ワード線に直交するビット線と、
前記ワード線と前記ビット線との交差点に設けられ、前記磁気抵抗素子を含む記憶素子
とを更に具備し、
前記磁気抵抗素子の前記磁化自由層の容易軸方向は、前記ワード線又は前記ビット線の延伸方向に対して４５度の角をなす
ＭＲＡＭ。
【請求項６】
請求の範囲１又は２に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、前記第Ｎ強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい
ＭＲＡＭ。
【請求項７】
請求の範囲３に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、前記第Ｎ強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい
ＭＲＡＭ。
【請求項８】
請求の範囲６又は７に記載のＭＲＡＭであって、
Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）とＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）とは実質的に等しい
ＭＲＡＭ。
【請求項９】
請求の範囲８に記載のＭＲＡＭであって、
｛Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）｝／｛ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）｝は０．８以上１．２以下である
ＭＲＡＭ。
【請求項１０】
請求の範囲６又は７に記載のＭＲＡＭであって、
前記第ｋ非磁性層を介した第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の平均全異方性磁場が、Ｈｋｋで表されるとき、
［｛２Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）−Ｈｋ１｝×Ｈｋ１］と［｛２ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）−ＨｋＮ−１｝×ＨｋＮ−１］とは実質的に等しい
ＭＲＡＭ。
【請求項１１】
請求の範囲１０に記載のＭＲＡＭであって、
［｛２Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）−Ｈｋ１｝×Ｈｋ１］／［｛２ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）−ＨｋＮ−１｝×ＨｋＮ−１］は０．８以上１．２以下である
ＭＲＡＭ。
【請求項１２】
請求の範囲６に記載のＭＲＡＭであって、
前記Ｎが偶数であり、
前記ｋが１以上の奇数であり、
前記第ｋ強磁性層と前記第ｋ＋１強磁性層は、実質的に同じ磁気体積を有する
ＭＲＡＭ。
【請求項１３】
請求の範囲６に記載のＭＲＡＭであって、
前記Ｎは４以上の偶数であり、
前記反平行結合エネルギー定数Ｊｋは、ｋ＝Ｎ／２の場合に最も大きくなる
ＭＲＡＭ。
【請求項１４】
請求の範囲１３に記載のＭＲＡＭであって、
次の関係：
［ＪＮ／２｛１／（ＭＮ／２×ｔＮ／２）＋１／（ＭＮ／２＋１×ｔＮ／２＋１）｝］／［２ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）］＜４
が満たされる
ＭＲＡＭ。
【請求項１５】
請求の範囲１３又は１４に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１非磁性層を挟む前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層からなるＳＡＦと、前記第Ｎ−１非磁性層を挟む前記第Ｎ−１強磁性層及び前記第Ｎ強磁性層からなるＳＡＦが示す飽和磁場は、
前記第Ｎ／２強磁性層と前記第Ｎ／２＋１強磁性層との間の反平行結合が解け始める外部磁場よりも大きい
ＭＲＡＭ。
【請求項１６】
請求の範囲６又は７に記載のＭＲＡＭであって、
前記反平行結合エネルギー定数Ｊｋ（前記ｋは１、Ｎ−１以外）は、Ｊ１またはＪＮ−１と比較して同等以上の大きさである
ＭＲＡＭ。
【請求項１７】
請求の範囲６又は７に記載のＭＲＡＭであって、
前記第ｋ非磁性層に関するＲＫＫＹ相互作用の反強磁性ピークの次数がαｋで表され、
前記第１非磁性層は、第α１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
前記第Ｎ−１非磁性層は、第αＮ−１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、α１＜αＮ−１の関係が満たされ、
Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、α１＞αＮ−１の関係が満たされる
ＭＲＡＭ。
【請求項１８】
請求の範囲１７に記載のＭＲＡＭであって、
Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、αＮ−１＝α１＋１の関係が満たされ、
Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、α１＝αＮ−１＋１の関係が満たされる
ＭＲＡＭ。
【請求項１９】
請求の範囲１８に記載のＭＲＡＭであって、
Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、
前記第１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、
前記第Ｎ−１非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、
Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、
前記第１非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、
前記第Ｎ−１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成される
ＭＲＡＭ。
【請求項２０】
請求の範囲１７乃至１９のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、
前記第２〜第Ｎ−２非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層は、前記第Ｎ−１非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、
前記第２〜第Ｎ−２非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層は、前記第１非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有する
ＭＲＡＭ。
【請求項２１】
請求の範囲６に記載のＭＲＡＭであって、
前記Ｎは偶数であり、
前記第ｋ非磁性層に関するＲＫＫＹ相互作用の反強磁性ピークの次数がαｋで表され、
前記第１非磁性層は、第α１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
前記第Ｎ−１非磁性層は、第αＮ−１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、α１＜αＮ−１、且つ、αＮ／２＜αＮ−１の関係が満たされ、
Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、α１＞αＮ−１、且つ、αＮ／２＜α１の関係が満たされる
ＭＲＡＭ。
【請求項２２】
請求の範囲２１に記載のＭＲＡＭであって、
Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、αＮ／２＋１＝αＮ−１の関係が満たされ、
Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、αＮ／２＋１＝α１の関係が満たされる
ＭＲＡＭ。
【請求項２３】
請求の範囲２２に記載のＭＲＡＭであって、
前記第（Ｎ／２）非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、
前記第１非磁性層あるいは前記第Ｎ−１非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成されている
ＭＲＡＭ。
【請求項２４】
請求の範囲２２に記載のＭＲＡＭであって、
前記第（Ｎ／２）非磁性層は、０．７ｎｍ〜１．２ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、
前記第１非磁性層あるいは前記第Ｎ−１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成されている
ＭＲＡＭ。
【請求項２５】
請求の範囲１乃至１１のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
前記第１非磁性層と前記第Ｎ−１非磁性層は異なる構造を有する
ＭＲＡＭ。
【請求項２６】
請求の範囲２５に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１非磁性層の膜厚と前記第Ｎ−１非磁性層の膜厚とが異なる
ＭＲＡＭ。
【請求項２７】
請求の範囲２５に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１非磁性層の結晶配向性と前記第Ｎ−１非磁性層の結晶配向性とが異なる
ＭＲＡＭ。
【請求項２８】
請求の範囲２７に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１非磁性層の結晶配向性よりも、前記第Ｎ−１非磁性層の結晶配向性の方が高く、且つ、前記第１非磁性層よりも、前記第Ｎ−１非磁性層の膜厚の方が厚い
ＭＲＡＭ。
【請求項２９】
請求の範囲２７に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１強磁性層の結晶配向性と前記第Ｎ−１強磁性層の結晶配向性とが異なる
ＭＲＡＭ。
【請求項３０】
請求の範囲２５に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第Ｎ−１強磁性層、及び、前記第Ｎ
強磁性層のうち少なくとも一層が、積層膜から構成されている
ＭＲＡＭ。
【請求項３１】
請求の範囲３０に記載のＭＲＡＭであって、
前記積層膜は、ＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜を含む
ＭＲＡＭ。
【請求項３２】
請求の範囲１乃至１１のいずれかに記載のＭＲＡＭであって、
前記第１非磁性層と前記第Ｎ−１非磁性層は実質的に同一の構造を有し、且つ、前記第１非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率は、前記第Ｎ−１非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率と異なる
ＭＲＡＭ。
【請求項３３】
請求の範囲３２に記載のＭＲＡＭであって、
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第Ｎ−１強磁性層、及び、前記第Ｎ
強磁性層のうち少なくとも一層が、積層膜から構成されている
ＭＲＡＭ。
【請求項３４】
請求の範囲３３に記載のＭＲＡＭであって、
前記積層膜は、ＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜を含む
ＭＲＡＭ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）に関しており、特に、ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnet）を磁化自由層として使用する磁気抵抗素子をメモリセルとして使用するＭＲＡＭに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭは、高速書き込み／読み出しが可能な不揮発性メモリである。最も典型的には、ＭＲＡＭは、磁化が反転可能な磁化自由層と、磁化が固定された磁化固定層と、その間に介設された非磁性層とで構成された磁気抵抗素子を、メモリセルとして利用する。データは、磁化自由層の磁化の向きとして記憶される。非磁性層が極めて薄い絶縁体で構成されている場合、磁気抵抗素子はＴＭＲ（Tunnel MagnetoRegistance）効果を示し、そのように構成された磁気抵抗素子は、しばしば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子と呼ばれる。一方、非磁性層が非磁性の導電体で構成されている場合には、磁気抵抗素子はＧＭＲ（Giant MagnetoRegistance）効果を示し、そのように構成された磁気抵抗素子は、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to Plane Giant MagnetoResistive）素子と呼ばれる。【０００３】
データの書き込みは、磁化自由層に外部磁場を印加し、これにより磁化自由層の磁化を所望の方向に反転することによって行われる。一方、データの読み出しは、磁気抵抗素子が示す磁気抵抗効果を利用する。ＴＭＲ効果、ＧＭＲ効果のいずれを利用する場合でも、磁気抵抗素子の抵抗は、磁化自由層の磁化の向きに応じて変化する。磁気抵抗素子の抵抗の変化を利用して、磁化自由層の磁化の向き、即ち、書き込まれたデータが判別される。【０００４】
ＭＲＡＭの一つの課題は、書き込み動作におけるメモリセルの選択性である。最もコンベンショナルなＭＲＡＭでは、磁化自由層の外部磁場に対する書き込み閾値曲線がアステロイド曲線となることを利用して書き込みが行われる。具体的には、各磁気抵抗素子の近傍に互いに直交するワード線、ビット線が設けられ、且つ、これらの書き込み線は磁気抵抗素子の磁化自由層の容易軸、困難軸方向に延伸するように配置される。そして、選択されたメモリセルに交差するワード線、ビット線に電流が流され、発生した電流誘起磁場が同時にメモリセルに印加される。このときの合成磁場の大きさが、素子のもつ磁気異方性の大きさで決定する閾値曲線（アステロイド）の外側に達したとき、磁化自由層の磁化は容易軸方向に並行にて二つの向きのいずれかを向くように反転する。このとき対応するワード線、ビット線の一方にしか電流が流されていない非選択メモリセルの磁化が反転しない程度の書き込み電流値が設定される。実際のメモリセルにおいて書き込み磁場のばらつきが存在するので、このような方式による選択書き込みはメモリセルの選択性が良好ではない。最悪の場合、適切な選択電流値のマージンが存在しない場合も考えられ、誤書き込みを起こしやすくなる問題がある。【０００５】
書き込み動作時のメモリセル選択性を向上させるための一つの方法として、「トグル書き込み方式」が知られている（例えば、米国特許６，５４５，９０６号公報参照）。トグル書き込み方式とは、磁化自由層にＳＡＦを使用し、書き込み磁場の方向を時系列で変化させる事により、選択性が高い書き込み動作を行う技術である；ここでＳＡＦとは、複数の強磁性層を有し、隣接する強磁性層が磁気的に反強磁性的に結合した構造体である。【０００６】
図１は、トグル書き込み方式を採用するＭＲＡＭの典型的な構成を示す平面図である。ＭＲＡＭのメモリアレイには、ワード線１０３と、ワード線１０３に直交するビット線１０２が延設される。メモリセルとして使用されるＭＴＪ素子１０１が、ワード線１０３とビット線１０２が交差する位置のそれぞれに設けられる。図２に示されるように、ＭＴＪ素子１０１は、典型的には、基板１００の上方に設けられた下部電極層１１１、反強磁性層１１２、磁化固定層１１３、バリア層１１４、磁化自由層１１５、及び上部電極層１１６を備えている。図１に示されているように、ＭＴＪ素子１０１は、磁化固定層１１３と磁化自由層１１５の容易軸がワード線１０３及びビット線１０２と４５°の角度をなすように、即ち、ＭＴＪ素子１０１の長手方向がワード線１０３及びビット線１０２と４５°の角度をなすように配置される。【０００７】
図２を再度に参照して、磁化自由層１１５は、ＳＡＦで構成される。より具体的には、磁化自由層１１５は、強磁性層１２１、１２２と、その間に介設された非磁性層１２３とを備えている。非磁性層１２３は、強磁性層１２１、１２２との間に、反強磁性的なＲＫＫＹ（Rudermann, Kittel, Kasuya, Yoshida）相互作用を作用させるように構成される。非磁性層の材料及び膜厚を適切に選択することにより、上下に接合される強磁性層をＲＫＫＹ相互作用によって反強磁性的に結合することができることは、当業者には周知である。【０００８】
図９は、ＲＫＫＹ相互作用による結合エネルギーの強さの非磁性層の膜厚に対する依存性を示すグラフである。ここでは、強磁性層１２１、１２２がＮｉＦｅ膜で形成され、非磁性層１２３がＲｕ膜で形成されているときのデータが示されている。図９中のＪｓａｆは、「反平行結合エネルギー定数」であり、ＳＡＦ内の強磁性層の磁化を平行、或いは、反平行結合させている単位面積あたりのエネルギー（反強磁性結合エネルギー）を示している。強磁性層を反強磁性的に結合させる場合に結合エネルギーが正であると定義されていることに留意されたい。ＲＫＫＹ相互作用による結合エネルギー定数Ｊｓａｆは、非磁性層の膜厚の増加と共に減衰振動し、ある範囲においては反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用が発現し、他の範囲においては、強磁性的なＲＫＫＹ相互作用が発現する。ある特定の膜厚では、磁気的相互作用が全く生じなくなる。非磁性層１２３の膜厚は、それらが反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように選択される。磁化自由層１１５全体としての残留磁化（即ち、外部磁場が０である場合の磁化自由層１１５全体としての磁化）は可能な限り０に近づけられる。この条件は、例えば、２つの強磁性層１２１、１２２を同一の材料で、同一の磁気的な体積を有するように形成することによって満足され得る。【０００９】
トグル書き込み方式では、ＳＡＦの二つの強磁性体が、ほぼ等価な強磁性層で構成された場合に、ＳＡＦはスピンフロップを発現するという性質を利用して選択的なデータ書き込みが行われる。図３は、スピンフロップを発現する２層の強磁性層から構成されたＳＡＦの磁化曲線を示している。ＳＡＦの容易軸方向に外部磁場が印加されても、その外部磁場が小さい場合にはＳＡＦの磁化はゼロのままである。外部磁場が増加して磁場Ｈｆｌｏｐに到達すると、突然、ＳＡＦに磁化が現れる。このとき、二つの強磁性層の磁化は、それらが１８０°よりも小さいある角度をなすように磁気結合し、且つ、その合成磁化が外部磁場の方向になるように配置される。この現象が「スピンフロップ」と呼ばれ、スピンフロップが発現する磁場Ｈｆｌｏｐは「フロップ磁場」と呼ばれる。スピンフロップは、全体としてのＳＡＦの残留磁化が充分に小さい場合にのみ現れることに留意されたい。さらに外部磁場が増加すると、やがて二つの強磁性層の磁化は完全に平行に配置される。この磁場は「飽和磁場Ｈｓ」と呼ばれる。【００１０】
飽和磁場Ｈｓは、以下の式で表される：
Ｈｓ  ＝  ２Ｊｓａｆ／（Ｍ・ｔ）−２Ｋ／Ｍ  ＝  Ｈｊ−Ｈｋ  ・・・（１）
Ｈｊ  ＝  ２Ｊｓａｆ／（Ｍ・ｔ）                          ・・・（２）
Ｈｋ  ＝  ２Ｋ／Ｍ                                      ・・・（３）【００１１】
ここで、Ｈｋは「異方性磁場」であり、Ｋは「異方性エネルギー」である。Ｊｓａｆは前述のとおり「反平行結合エネルギー定数」で、正値をとる。二つの強磁性層の磁化相対角度がθである時、この反平行結合に起因したエネルギーはＪｓａｆｃｏｓθで表される。反平行結合に起因したエネルギーは、反平行配置であるθ＝１８０度において−Ｊｓａｆと最も小さくなり、その場合にＳＡＦは最も安定になる。Ｈｊは「反平行結合磁場」であり、反平行結合エネルギーによって反平行配置に結合した強磁性層の磁化同士が、平行配置となるまでに抗し得ることが可能な外部磁場値に相当する。言い換えると、反平行結合磁場Ｈｊは、ＳＡＦが有する反平行結合力を磁場に換算した量である。【００１２】
また、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐは、上述の飽和磁場Ｈｓと異方性磁場Ｈｋを用いることにより、以下のように表される：
Ｈｆｌｏｐ  ＝  ２／Ｍ［Ｋ（Ｊｓａｆ／ｔ−Ｋ）］０．５      ・・・（４ａ）
＝  （Ｈｓ・Ｈｋ）０．５                      ・・・（４ｂ）
＝  ［（Ｈｊ−Ｈｋ）・Ｈｋ］０．５            ・・・（４ｃ）
＝  ［（２Ｊｓａｆ／（Ｍ・ｔ）−Ｈｋ）・Ｈｋ］０．５  ・・・（４ｄ）【００１３】
図４は、トグル書き込み方法の手順を説明する概念図であり、図５はトグル書き込みによるデータ書き込みが行われるときのワード線１０３、ビット線１０２に流される電流の波形を示すグラフである。図４において、磁化自由層１１５の強磁性層１２１、１２２の磁化が、それぞれ、記号Ｍ１、Ｍ２によって参照されていることに留意されたい。【００１４】
トグル書き込み方式によるデータ書き込みは、磁化自由層１１５に印加される磁場の方向を面内で回転させ、強磁性層１２１、１２２の磁化を所望の向きに向けることによって行われる。具体的には、まず、ワード線１０３に書き込み電流が流され、これによってワード線１０３に垂直な方向に磁場ＨＷＬが発生する（時刻ｔ１）。続いて、ワード線１０３に書き込み電流が流されたまま、ビット線１０２に書き込み電流が流される（時刻ｔ２）。これにより、ワード線１０３とビット線１０２との両方に４５°の角度をなす方向に、磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬが発生する。更に続いて、ビット線に書き込み電流が流されたままワード線への書き込み電流の供給が停止される（時刻ｔ３）。これにより、ビット線１０２に垂直な方向（即ち、ワード線１０３に平行な方向）に磁場ＨＢＬが発生する。このような手順でワード線１０３及びビット線１０２に書き込み電流が流されることにより、磁化自由層１１５に印加される磁場が回転し、これにより、強磁性層１２１、１２２の磁化を１８０°回転させることができる。【００１５】
トグル書き込み方式では、ワード線１０３及びビット線１０２に書き込み電流が流されたときに磁化自由層１１５に印加される磁場が、上述のフロップ磁場Ｈｆｌｏｐよりも大きく、飽和磁場Ｈｓよりも小さくなければならない。そうでなければ、ＳＡＦはスピンフロップを示さないので、トグル書き込みを行うことができない。【００１６】
トグル書き込み方式の利点は、原理的にメモリセルの選択性が高いことである。ビット線とワード線による書き込み電流磁場ＨＷＬ、ＨＢＬに対する磁化反転モードが、図６に示されている。図６に示されているように、トグル書き込み方式によれば、ワード線１０３又はビット線１０２の一方にのみ書き込み電流が流された場合、ＳＡＦの磁化は原理的に反転しない（Ｎｏ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）。言い換えれば、半選択メモリセルの磁化は、原理的に不所望に反転しない。このことは、ＭＲＡＭの書き込み選択性と信頼性を有効に向上させる。トグル反転領域（Ｔｏｇｇｌｅ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）に対応する外部磁場が磁化自由層１１５に印加される場合、ＳＡＦはスピンフロップを示し、トグル書き込みが行われる。【００１７】
さらに図６に示されるように、トグル反転領域の原点側に隣接する「ダイレクト反転領域（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）」が存在する。ダイレクト反転モードでは、スピンフロップによるトグル書き込み反転が行われない。その代わり、磁化自由層１１５の磁化が、磁化固定層１１３の磁化に対して、反平行もしくは平行配置のいずれかに直接反転する。トグル書き込みでは、このようなダイレクト反転領域に、書き込み磁場が入ることを避けなければならない。もし書き込み磁場がダイレクト反転領域に入ると、不所望な磁化の向きへの強制的な磁化反転が生じ、誤書き込みが発生する。【００１８】
このダイレクト反転領域は、磁化自由層１１５に含まれる強磁性層１２１、１２２が、磁気的に等価でないことに起因して発生する。例えば、ダイレクト反転領域は、強磁性層１２１、１２２の磁化量の差に依存して生じると言われている。どちらか一方の強磁性層の磁化量が大きいほど、図６におけるダイレクト反転領域は広がり、トグル反転領域が減少する。ダイレクト反転領域が広がると、トグル反転が始まる閾値が高磁場側へシフトする。これは、書き込み磁場の増大と、書き込み磁場のマージンの減少を招き、問題である。従って、強磁性層１２１、１２２の磁化量の差を可能な限り小さくし、ダイレクト反転領域を縮小しなければならないと言われている。【００１９】
ダイレクト反転領域を低減することは、トグル書き込み方式のＭＲＡＭを開発する上で最重要課題の一つである。【００２０】
さて、ＳＡＦは様々な文献に記載されている。磁化自由層のＳＡＦに含まれる強磁性層の数は、３以上であってもよい。そのような構造を有するＳＡＦは、以下「多層ＳＡＦ」と参照される。多層ＳＡＦに関連する従来技術として、次のものが知られている。【００２１】
米国特許６，５４５，９０６号に開示された技術によれば、ＳＡＦに含まれる強磁性層の数は３以上であって、且つ、ＳＡＦの残留磁化が飽和磁化の１０％以内となるように構成されている。【００２２】
米国特許６，７１４，４４６号に開示された構成によれば、ＳＡＦに含まれる強磁性層の数が４である。また、１層目の強磁性層と２層目の強磁性層との間の反強磁性結合に関する飽和磁場や、３層目の強磁性層と４層目の強磁性層との間の反強磁性結合に関する飽和磁場と比較して、２層目の強磁性層と３層目の強磁性層との間の反強磁性結合に関する飽和磁場が小さい。【００２３】
特開２００２−１５１７５８号に開示された技術によれば、熱揺らぎに対する安定性を高めるために、ＳＡＦは少なくとも５層以上の積層構造を有している。【００２４】
特開２００５−８５９５１号に開示された技術によれば、多層ＳＡＦは、非磁性層により分割された複数層の磁性層から成る。偶数番目の磁性層の磁化量の総和と、奇数番目の磁性層の磁化量の総和とがほぼ等しい。【００２５】
特開２００５−８６０１５号に開示された構成によれば、磁化自由層のＳＡＦに含まれる強磁性層の数が４である。また、１層目の強磁性層と２層目の強磁性層との間の反強磁性的な相互作用の強さが、３層目の強磁性層と４層目の強磁性層との間の反強磁性的な相互作用の強さとほぼ等しい。且つ、１層目の強磁性層と４層目の強磁性層の磁化量がほぼ等しく、２層目の強磁性層と３層目の強磁性層の磁化量がほぼ等しい。更に、磁化自由層のＳＡＦに含まれる強磁性層の数が４層以上の偶数であり、各強磁性層の膜厚が上下方向にほぼ対称である構成も開示されている。【００２６】
しかしながら、発明者の実験によれば、米国特許６，５４５，９０６号に従って多層ＳＡＦを実際に作製しても、それだけでは良好に動作することは殆ど無かった。殆どの磁化自由層は、全ての印加磁場に対して全くトグル動作を示さなかった。一部動作するような構成が得られたとしても、動作率が低い問題が存在する。また、多層ＳＡＦの動作マージン内の書き込み磁場が印加されたとき、一見すると良好に動作しているように見える素子についても、或る特定の印加磁場に対してはトグル動作を示さない場合があることも判明した。そのような素子は不良素子である。これらは通常の２層からなるＳＡＦには見られなかった現象である。【００２７】
また、特開２００５−８６０１５号に従って多層ＳＡＦを実際に作製するために、第１強磁性層と第２強磁性層の間の非磁性層と、第３強磁性層と第４強磁性層の間の非磁性層の材料、膜厚が等しく設定されても、やはり、トグル書き込み方式で動作することは少なかった。【００２８】
上述の通り、ダイレクト反転領域は、強磁性層の磁化量の差に依存して生じると言われてきた。強磁性層の磁化量とは、その強磁性層のうち実効的に磁化が含まれる体積（以下、「磁気体積Ｖ」と参照される）と、その強磁性層の磁化Ｍの積で定義される（磁化量＝磁気体積Ｖ×磁化Ｍ）。磁気体積Ｖを磁化自由層の平均面積で割った値は、実効的に磁化が含まれる膜厚であり、「実効膜厚ｔ」と参照される。強磁性層の磁化Ｍと実効膜厚ｔの積は、「磁化膜厚積」と参照される（磁化膜厚積＝磁化Ｍ×実効膜厚ｔ）。磁化膜厚積は、単位面積あたりの磁化量であると言える。【００２９】
ダイレクト領域を低減するために、実デバイスのＳＡＦ内の各強磁性層の磁化量を調整する場合、同一の磁気体積を実現することは難しい。なぜならば、各強磁性層が接する非磁性層の材料に依存して、デッドレイヤーが形成されるからである。デッドレイヤーとは、強磁性層と非磁性層との界面周辺において、拡散などによりある程度の磁化が消失する領域である。このデッドレイヤーによって、各強磁性層の磁気体積が異なってしまうのである。また、加工プロセスで磁化自由層を加工する際、その側面を完全に垂直に加工することは困難である。例えば接合部側壁に傾斜が生じた場合、成膜時にたとえ同じ膜厚を有する強磁性層が形成されたとしても、各強磁性層の実効的な磁気体積が異なってしまう。【００３０】
また、実デバイスの磁化自由層内では、残留磁化状態において、磁化が反平行を向いている強磁性層同士の膜質を可能な限り等価にすることが望ましい。例えば強磁性層の結晶配向性が異なると、結晶磁気異方性磁場や磁歪定数など強磁性層自身が持つ磁気特性が異なる。その結果、スピンフロップで対となる強磁性層同士の磁気特性に差が生じてしまう。スピンフロップで対となる強磁性層同士の磁気特性、例えば磁気異方性に差が生じ、磁気的なエネルギーが等価でなくなると、ダイレクト反転領域が発生しやすくなる。更に、このような強磁性層の磁気特性の不均一性は、フロップ磁場や飽和磁場などの磁化反転特性のばらつきの発生要因となり得る。【００３１】
通常の２つの強磁性層からなるＳＡＦでは、実デバイスにおけるこれらの問題はまだ深刻ではない。なぜならば、強磁性層の数は２であり、非磁性層を介して常に隣接しているので、これらの強磁性層同士は膜質的にも非常に近いからである。また、上述の接合部側壁部の加工形状などによる磁気体積の差に関しても、大きな差は生じにくい。万が一磁気体積に差が生じたとしても、一方の強磁性層の膜厚を固定し、もう一方の強磁性層の膜厚などを微調整すれば、ダイレクト反転領域を大幅に低減させることが可能である。【００３２】
それに対して、多層ＳＡＦでは、実デバイスにおけるこれらの問題は深刻である。なぜならば、磁化自由層中で磁気体積を調整すべき層が３層以上であり、その総膜厚も厚くなるからである。本発明者らの実験によれば、多層ＳＡＦ中では最下部と最上部でその結晶性に大きな差が生じた。特に、非磁性層の膜質とその反平行結合力に大きな差が生じた。実際に多層ＳＡＦを作製しようとすると、成膜時においてすでに各強磁性層や非磁性層の特性に差が生じてしまうことに加えて、接合部側壁部の加工形状による磁気体積の差も生じる。さらに２層のＳＡＦのように、ある一層の強磁性層の体積のみを微調整してもダイレクト領域を低減できる保障はない。実際にどの強磁性層がどのような状態になっているのか把握することは困難である。【００３３】
特開２００５−８６０１５号で開示された４層からなる、（あるいはそれ以上の層からなる、）多層ＳＡＦは、このような多層ＳＡＦの困難性を多く内包している。その文献中で指摘されているように、残留磁化状態で、その磁気量が等しく、且つ、磁化が反平行を向いている強磁性層の組は、１層目の強磁性層と４層目の強磁性層の組と、２層目の強磁性層と３層目の強磁性層の組である。しかし、このような構造では、実デバイスにおいて、１層目の強磁性層と４層目の強磁性層という最も離れた強磁性層同士を常に等価にしなければならない。よって、加工により不可避に生じる体積差や、膜質が異なることによる磁気特性の差は深刻である。このことは、さらに微小なＭＴＪに対応する上で、熱擾乱耐性を増すために強磁性層の層数が更に増加した時に、一層深刻になる。なぜならば、磁気特性の等価性が要求される強磁性層同士が、さらに離れて配置され、かつ、複数となるからである。【００３４】
このように従来の多層ＳＡＦを実デバイス化してＭＲＡＭに適応させようとすると、多層ＳＡＦ内の強磁性層の磁気特性の差に起因したダイレクト領域の増大や反平行結合力の制御が困難となる問題が生じる。これらは不良素子の発生によるＭＲＡＭの動作率の低下（マイノリティビットエラーの発生）を招く。また、ダイレクト反転領域の増大やフロップ磁場のばらつきの増大は、書き込み電流値の増大を招く。これらはＭＲＡＭ開発の上で深刻な問題である。【００３５】
トグル書き込み方式に限らず、スピンフロップ特性を向上させることは、多層ＳＡＦを磁化自由層として使用するＭＲＡＭの性能を向上させる上で重要である。言い換えれば、多層ＳＡＦを磁化自由層として用いるＭＲＡＭにおいて、大きな飽和磁場Ｈｓを維持しつつフロップ磁場Ｈｆｌｏｐを低減することは、書き込み磁場（反転磁場）の低減という観点から重要である。反転磁場の減少により書き込み電流は低減され、それはＭＲＡＭの高性能化につながる。また、ＳＡＦの反転磁場の減少は、電流誘起磁場を用いる書き込み方式に留まらず、ＳＡＦにスピン偏極電流（spin-polarized current）を供給することにより磁化反転を起こす「スピン注入（spin transfer）方式」においても同様に、書き込み電流の低減につながるため重要である。【００３６】
多層ＳＡＦを磁化自由層として用いるＭＲＡＭを歩留まりよく動作させることができることができる技術が望まれている。
【発明の開示】
【００３７】
従って、本発明の目的は、ＭＲＡＭの動作率を向上させることができる多層ＳＡＦを提供することにある。また、本発明の目的は、その多層ＳＡＦを磁化自由層として用い、不良ビットが低減されたＭＲＡＭを提供することにある。
【００３８】
本発明の他の目的は、実デバイス上での磁気特性の制御性を容易にすることができる多層ＳＡＦを提供することにある。また、本発明の目的は、その多層ＳＡＦを磁化自由層として用い、書き込み特性が向上したＭＲＡＭを提供することにある。
【００３９】
本発明の更に他の目的は、ＭＲＡＭの書き込みマージンを増大させることができる技術を提供することにある。
【００４０】
本願発明者は、実験を通して、多層ＳＡＦを歩留まりよく動作させる上で本質的に重要な点を究明した。それは、多層ＳＡＦ中の最上部と最下部の非磁性層を介した反平行結合を、外部磁場に対して同時に解けるように設定することである。例えば従来指摘されてきたような、多層ＳＡＦ内の各強磁性層の磁化量などの配分は本質的な点ではない。一般に、最上層と最下層の強磁性層に関しては、反平行結合を発現する非磁性層との結合が一つのみである。そのため、最上層と最下層の強磁性層に対する反平行結合は、外部磁場に対して不安定であり、最も外れやすくなる。このとき、最上層と最下層の強磁性層に対する反平行結合が同時に外れず、片方だけの反平行結合が外れると、外れた部分のＳＡＦ強磁性層対はただちに平行配置となり、多層ＳＡＦ全体に大きな残留磁化が生じる。そして、残留磁化が大きい状態で次に弱い反平行結合が外れたときは、もはや、スピンフロップを起こしづらい状態になっている。本願発明者は、このことが動作率低下の原因の一つであることを究明した。最上部と最下部の非磁性層を介した反平行結合を同時に解けるようにすればよいことがわかると、従来構造が内包する問題を回避あるいは低減できるような新たな構造が可能となる。
【００４１】
本発明に係るＭＲＡＭは、基板と磁気抵抗素子を備える。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介設され磁気抵抗効果を発現する非磁性層とを備える。磁化自由層は、第１〜第Ｎ強磁性層（Ｎは４か、６以上の整数）、及び反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成された第１〜第Ｎ−１非磁性層とを含む。第１〜第Ｎ―１非磁性層のうちの第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ−１以下の任意の整数）は、第１〜第Ｎ強磁性層のうちの第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の間に設けられる。第１非磁性層は、第１〜第Ｎ−１非磁性層のうちで基板に最も近く位置し、且つ、第Ｎ−１非磁性層は、第１〜第Ｎ−１非磁性層のうちで基板から最も離れて位置する。
【００４２】
第ｋ強磁性層の体積（磁化体積）がＶｋ、その磁化がＭｋと表される。その体積Ｖｋを磁化自由層の平面方向の平均面積で割った値が、第ｋ強磁性層の実効膜厚ｔｋである。第ｋ非磁性層を介した第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の磁化の向きの相対角度はθｋで表される。第ｋ非磁性層を介した第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の全反平行結合エネルギーは、正の値を持つ反平行結合エネルギー定数Ｊｋを用いて、Ｊｋｃｏｓθｋで表される。
【００４３】
本発明によれば、Ｍ１×ｔ１とＭ２×ｔ２はほぼ等しく、且つ、ＭＮ−１×ｔＮ−１とＭＮ×ｔＮはほぼ等しい。更に、次のいずれかの関係が満たされる：
（Ａ）Ｍ１×ｔ１＞ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＞ＪＮ−１
（Ｂ）Ｍ１×ｔ１＜ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＜ＪＮ−１
ここでパラメータＭｋ×ｔｋが、第ｋ強磁性層の磁化膜厚積である。
【００４４】
また、上記Ｎ＝４であると好適である。その場合、磁化自由層の積層数が最も少なく、かつ、書き込みマージンが増大するという効果が得られる。その効果は、発明者によって、実デバイスにおいて実証されている。
【００４５】
また、本発明において、Ｎ層の強磁性層を含む磁化自由層であって、Ｎが３以上の奇数である磁化自由層も提供される。その場合、Ｍ１×ｔ１とＭＮ×ｔＮの和がＭ（Ｎ＋１）／２にほぼ等しい。更に、次のいずれかの関係が満たされる：
（Ａ）Ｍ１×ｔ１＞ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＞ＪＮ−１
（Ｂ）Ｍ１×ｔ１＜ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＜ＪＮ−１
ここでパラメータＭｋ×ｔｋが、第ｋ強磁性層の磁化膜厚積である。
【００４６】
これらの磁化自由層の残留磁化は、その飽和磁化の１０％以内であることが、スピンフロップ動作を実現する上で必要である。また、トグル書き込み方式のＭＲＡＭは、ワード線と、ワード線に直交するビット線と、ワード線とビット線との交差位置に記憶素子として配置された上述の磁気抵抗素子を有する。磁気抵抗素子の磁化自由層の容易軸の方向は、ワード線又はビット線の延伸方向に対して４５度方向に設定される。
【００４７】
本発明の磁化自由層を構成する上で最も重要な点は、第１強磁性層と、第Ｎ強磁性層に関して、外部磁場に対して反平行結合が解け始める磁場をほぼ等しく設定することである。つまり、第１強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、前記第Ｎ強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい。
【００４８】
そのためには、最上部の最下部の強磁性層及び非磁性層に関して、Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）とＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）がほぼ等しいことが好適である。より定量的には、｛Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）｝／｛ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）｝の比は、０．８以上１．２以下であることが望ましい。
【００４９】
また、第１、２、Ｎ−１、Ｎ強磁性層の全異方性磁場が大きく異なる場合は、次の通りである。第ｋ非磁性層を介した第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の平均全異方性磁場をＨｋｋとする。この時、式４（ｄ）を参照して、第１非磁性層を介したＳＡＦのフロップ磁場は、［｛２Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）−Ｈｋ１｝×Ｈｋ１］で与えられる。また、第Ｎ−１非磁性層を介したＳＡＦのフロップ磁場は、［｛２ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）−ＨｋＮ−１｝×ＨｋＮ−１］で与えられる。［｛２Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）−Ｈｋ１｝×Ｈｋ１］と［｛２ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）−ＨｋＮ−１｝×ＨｋＮ−１］は、ほぼ等しくなるように設定される。さらに定量的には、［｛２Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）−Ｈｋ１｝×Ｈｋ１］／［｛２ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）−ＨｋＮ−１｝×ＨｋＮ−１］は、０．８以上１．２以下であることが望ましい。
【００５０】
本発明の磁化自由層の構成によれば、最上部の強磁性層と、最下部の強磁性層の磁化膜厚積を等価にしなくても良い（Ｍ１×ｔ１≠ＭＮ×ｔＮ、Ｊ１≠ＪＮ−１、［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］≒［ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）］）。そのため、多層ＳＡＦ全体として、残留磁化状態で反平行配置を取る磁性層同士の磁化膜厚積、さらには磁気エネルギーまでも等価にすることが可能である。このことは、実デバイスにおいて非常に有利な点である。従来技術の特開２００５−８６０１５号で開示された４層ＳＡＦでも同様に、［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］≒「ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）］が満たされる。しかしながら、必ずＭ１×ｔ１≒ＭＮ×ｔＮ、Ｊ１≒ＪＮ−１であるため、実デバイスにおいて、反平行配置を取る磁性層同士の磁化膜厚積、さらには磁気エネルギーまでも等価にすることが難しい。
【００５１】
本発明に係る多層ＳＡＦの有利な点の一つは、残留磁化状態で反平行配置を取る強磁性層同士の磁化膜厚積や磁気エネルギーを等価にすることができることである。その有利な点をより引き出すことが可能である磁化自由層構成として、次のものが考えられる。すなわち、Ｎが４以上の偶数の場合、第ｋと第ｋ＋１の強磁性層（ｋは奇数）は、ほぼ同じ磁化膜厚積を有するように設定される。
【００５２】
また、Ｎが４以上の偶数の場合、反平行結合エネルギー定数Ｊｋは、Ｋ＝Ｎ／２の場合にもっとも大きくなるように設定されると好適である。その場合、飽和磁場をより増大することが可能である。より定量的には、第Ｎ／２非磁性層を介したＳＡＦの反平行結合エネルギー定数ＪＮ／２と、最上部の第Ｎ−１非磁性層が有する反平行結合エネルギー定数ＪＮ−１は、次のパラメータ［ＪＮ／２｛１／（ＭＮ／２×ｔＮ／２）＋１／（ＭＮ／２＋１×ｔＮ／２＋１）｝］／［２ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）］が大きくなるように設定される。そのパラメータは、１より大きく設定されると好適である。その比率が大きく設定されるほど、多層ＳＡＦ磁化自由層の飽和磁場が延伸し、書き込みマージンが広がる。発明者の実験によれば、そのパラメータが４未満の範囲で効果が実証されている。また、実証はされていないがこれより大きな値も可能である。少なくとも、第１非磁性層を挟む第１強磁性層及び第２強磁性層からなるＳＡＦ部と、記第Ｎ−１非磁性層を挟む第Ｎ−１強磁性層及び第Ｎ強磁性層からなるＳＡＦ部の飽和磁場を、第Ｎ／２非磁性層をはさむ第Ｎ／２強磁性層と第（Ｎ／２＋１）強磁性層のＳＡＦ部が外部磁場に対して外れ始める磁場よりも大きく設定すれば、多層ＳＡＦ中のスピンフロップが途切れることがないので好適である。最下部の第１非磁性層に関しても同様である。その場合、上記パラメータとして、［ＪＮ／２｛１／（ＭＮ／２×ｔＮ／２）＋１／（ＭＮ／２＋１×ｔＮ／２＋１）｝］／［２Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］が用いられる。
【００５３】
また、全てのＮ−１個の非磁性層に対してより好適には、最下層と最上層の非磁性層以外の反平行結合エネルギー定数Ｊｋ（ｋは１、Ｎ−１以外の値）は、最下層と最上層のそれ（Ｊ１またはＪＮ−１）と比較して同等以上の大きさに設定される。そのような構成の場合、常に最下層と最上層の強磁性層が、外部磁場に対して最初に反転しやすくなるため、安定した磁化自由層の動作が実現される。
【００５４】
本発明の磁化自由層の磁気的構成を実現する上で好適な膜構成として、次が考えられる。第ｋ非磁性層が有するＲＫＫＹ相互作用の反強磁性ピークの次数をαｋとする。第１非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用の第α１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有する。第Ｎ−１非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用の第αＮ−１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有する。Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、α１＜αＮ−１の関係が満たされ、Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、α１＞αＮ−１の関係が満たされる。好適には、Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、αＮ−１＝α１＋１の関係が満たされ、Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、α１＝αＮ−１＋１の関係が満たされる。より具体的には、Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、第１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、第Ｎ−１非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成されると好適である。Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、第１非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、第Ｎ−１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成されると好適である。
【００５５】
さらに、本発明の磁化自由層では、最上部及び最下部の非磁性層の結合力と比較して、それよりも中央部側の非磁性層の反平行結合量を強めることで、一層の飽和磁場の延伸が期待できる。そのためには、Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、第２〜第（Ｎ−２）非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層が、第Ｎ−１の非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有すると好適である。その場合、磁化自由層の中心部の反平行結合力が、最上部に対して２倍以上強まる。Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、第２〜第（Ｎ−２）非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層が、第１非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有すると好適である。その場合、磁化自由層の中心部の反平行結合力が、最下部に対して２倍以上強まる。
【００５６】
そのような強い反平行結合力をもつ非磁性層は、磁化自由層の最中央層に設定することが望ましい。つまり、Ｎが偶数のときは、第（Ｎ／２）非磁性層を強い反平行結合力を有するように設定することが望ましい。好適には、Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、α１＜αＮ−１、且つ、αＮ／２＜αＮ−１の関係が満たされる。Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、α１＞αＮ−１、且つ、αＮ／２＜α１の関係が満たされる。更に好適には、Ｊ１＞ＪＮ−１の場合、αＮ／２＋１＝αＮ−１の関係が満たされ、Ｊ１＜ＪＮ−１の場合、αＮ／２＋１＝α１の関係が満たされる。具体的には、第（Ｎ／２）非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、第１非磁性層あるいは第Ｎ−１非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成される。または、第（Ｎ／２）非磁性層は、０．７ｎｍ〜１．２ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成され、第１非磁性層あるいは第Ｎ−１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で形成される。
【００５７】
本発明に係る磁化自由層において、第１非磁性層と第Ｎ−１非磁性層は、異なる構造を有してもよい。例えば、第１非磁性層と第Ｎ−１非磁性層の膜厚や結晶配向性が異なっている。その場合、第１非磁性層の膜厚よりも、第Ｎ−１非磁性層の膜厚の方が厚いことが好適である。さらに、それら非磁性層の直下に存在する、第１強磁性層と第Ｎ−１強磁性層の結晶配向性も異なっていてもよい。また、第１強磁性層、第２強磁性層、第Ｎ−１強磁性層、及び、第Ｎ強磁性層のうち少なくとも一層以上が、構成元素、または、構成元素組成が異なる膜が２層以上に積層された積層膜である。その積層膜の膜厚比率を変えることによって、第１非磁性層及び第Ｎ−１非磁性層の反平行結合力が、所望の値になるように制御される。これにより、本発明に係る磁化自由層を実現することが可能である。そのような積層膜として、ＮｉＦｅ膜およびＣｏＦｅ膜の積層膜が好適である。
【００５８】
また、第１非磁性層と第Ｎ−１非磁性層は、ほぼ同一の構造を有していてもよい。その場合は、第１非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率を、第Ｎ−１非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率と異なるように設定することで、反平行結合力を調整可能である。また、この場合においても、第１強磁性層、第２強磁性層、第Ｎ−１強磁性層、及び、第Ｎ強磁性層のうち少なくとも一層以上が、構成元素、または、構成元素組成が異なる膜が２層以上に積層された積層膜である。その積層膜の膜厚比率を変えることによって、第１非磁性層及び第Ｎ−１非磁性層の反平行結合力が、所望の値になるように制御される。これにより、本発明に係る磁化自由層を実現することが可能である。そのような積層膜として、ＮｉＦｅ膜およびＣｏＦｅ膜の積層膜が好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、トグル書き込み方式に対応したＭＲＡＭの典型的な構成を示す平面図である。
【図２】図２は、トグル書き込み方式に対応したＭＲＡＭに組み込まれるＭＴＪ素子の典型的な構成を示す断面図である。
【図３】図３は、スピンフロップを発現するＳＡＦの典型的な磁化曲線を示すグラフである。
【図４】図４は、トグル書き込み方式によるデータ書き込みの手順を示す概念図である。
【図５】図５は、トグル書き込み方式によるデータ書き込みが行われるときにビット線、ワード線に流される書き込み電流の波形を示すグラフである。
【図６】図６は、トグル書き込み方式が採用されるＭＲＡＭの書き込み特性の書き込み磁場値依存性を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の構成を示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の構成を示す断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の第３の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の構成を示す断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第４の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の実デバイスにおける断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の第４の実施形態に係るＭＲＡＭに対する、比較例としての従来技術のＭＴＪ素子の実デバイスにおける断面図である。
【図９】図９は、ＮｉＦｅを強磁性層、Ｒｕを非磁性層とした場合の、ＲＫＫＹ相互作用の結合エネルギー定数の、非磁性層膜厚に対する依存性を示すグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、比較例１〜７と実施例１〜４の試料の磁化自由層の構成を示す表である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、比較例１〜７と実施例１〜４の試料の磁化自由層の構成を示す表である。
【図１１】図１１は、比較例１〜７と実施例１〜４の試料の０．６×１．２μｍ２の長円形ＭＴＪデバイスのトグル書き込み特性を示す表である。
【図１２】図１２は、比較例１、２と実施例２、４の試料の長円形ＭＴＪデバイスの詳細なトグル書き込み特性を示す表である。
【図１３】図１３は比較例３〜７と実施例１〜４の試料の第１非磁性層を介したＳＡＦのみが示す飽和磁場、及び、第３非磁性層を介したＳＡＦのみが示す飽和磁場を比較した図である。
【図１４】図１４は、比較例３〜７と実施例１〜４の試料と図１３から得られた、０．６×１．２μｍ２のＭＴＪデバイスのトグル書き込み動作率と、［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］／［Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）］比率とを比較した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
以下、発明を実施するための最良の形態を説明する。本実施の形態では、本発明の本質を明確化するため、形状磁気異方性が弱くて考慮しなくて良い単純化された場合が想定される。より微細な素子では、強磁性層の形状磁気異方性や、強磁性層同士の反強磁性的静磁結合による補正をしなければならないことに留意されたい。【００６１】
（第１の実施の形態）
図７Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るＭＲＡＭのメモリセルに採用されるＭＴＪ素子１Ａの構造を示す断面図である。ＭＴＪ素子１Ａは、下部電極層１１と、反強磁性層１２と、磁化固定層１３と、バリア層１４と、磁化自由層１５Ａと、キャップ層１６と、上部電極層１７とを備えている。【００６２】
ＭＴＪ素子１Ａは、例えば、トグル書き込み方式に対応するように配置される。具体的には、図１に示されている従来のＭＲＡＭのＭＴＪ素子１０１と同様に、ＭＴＪ素子１Ａ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。これにより、磁化固定層１３及び磁化自由層１５Ａを構成する強磁性層の容易軸は、ワード線（及びそれに直交するビット線）に対して４５°の角度をなす方向に向けられる。以下では、ＭＴＪ素子１Ａの構成について詳細に説明する。【００６３】
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の上に形成されており、磁化固定層１３への電気的接続を提供する経路として機能する。下部電極層１１は、例えば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｎｂで形成される。【００６４】
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、磁化固定層１３の磁化を固定する役割を有している。【００６５】
磁化固定層１３は、例えばＣｏＦｅのような磁気的にハードな強磁性体で形成される。磁化固定層１３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１３は、上述のＳＡＦによって構成されても良い。例えば、磁化固定層１３は、２層のＣｏＦｅ膜と、その間に挿入されたＲｕ膜とで構成され得る。この場合、Ｒｕ膜は、反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するような膜厚を有するように形成される。【００６６】
バリア層１４は、トンネル電流を流す程度に薄い膜厚を有するアモルファスの絶縁体膜であることが多い。バリア層１４がアモルファスである場合、後述されるように、それは磁化自由層１５Ａを構成する膜の結晶性に大きな影響を及ぼす。より具体的には、バリア層１４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。また、バリア層１４は、アモルファスである必要はなく、例えばＮａＣｌ構造を有する単結晶ＭｇＯで形成されてもよい。【００６７】
磁化自由層１５Ａは、強磁性層の数が４であるＳＡＦで構成されている。より具体的には、磁化自由層１５Ａは、強磁性層２１〜２４と、その間に介設されている非磁性層３１〜３３とを備えている。強磁性層２１は、バリア層１４の上に形成されており、非磁性層３１は、強磁性層２１の上に形成されている。非磁性層３１の上に、強磁性層２２、非磁性層３２、強磁性層２３、非磁性層３３、及び強磁性層２４が、この順で順次に形成されている。強磁性層２１と強磁性層２２の磁気体積と、強磁性層２３と強磁性層２４の磁気体積がほぼ等しく、かつ、強磁性層２１と強磁性層２４の磁気体積が異なるようにすることが本発明の重要なポイントの一つである。本実施形態においては、強磁性層２１よりも強磁性層２４の磁気体積が小さい場合が想定される。この時、非磁性層３１よりも非磁性層３３の反平行結合エネルギーを小さく設定しなければならない。そうでなければ、強磁性層２１に関する反平行結合が、低い外部磁場で先に外れてしまう。【００６８】
本実施の形態に係る磁化自由層１５Ａは、トンネルバリア層１４上の強磁性層２１から、キャップ層１６下の強磁性層２４まで次のような膜構成を有する：
トンネルバリア層／ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３．３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３．７ｎｍ）／キャップ層。【００６９】
上記の構成において、強磁性層２１と強磁性層２２は、ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）に相当し、強磁性層２３と強磁性層２４は、それぞれＮｉＦｅ（３．３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）とＮｉＦｅ（３．７ｎｍ）に相当する。強磁性層２１と強磁性層２２の磁化膜厚積は約４．７２Ｔｎｍであり、強磁性層２３と強磁性層２４の磁化膜厚積は約３．１５Ｔｎｍである。強磁性層２１は強磁性層２４と比較して、１．５倍の磁化膜厚積を有している。また、非磁性層３１〜３３は、Ｒｕ（２．１ｎｍ）、Ｒｕ（２．１ｎｍ）、及びＲｕ（３．５ｎｍ）に相当している。【００７０】
本実施形態では、非磁性層３１〜３３を介した反平行結合エネルギーを設定する手段として、（Ｉ）強磁性層２１〜２４を複数の材料で構成し、かつ、非磁性層の界面材料を変えることによる制御と、（ＩＩ）非磁性層の膜厚を直接変えることによる制御とが、組み合わされている。【００７１】
前者に関して、具体的には、強磁性層は、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅなどの２層または３層構造を有するように形成され、それらのうち非磁性層３１〜３３に接する層（ＣｏＦｅやＣｏＦｅＮｉ）の膜厚が制御される。これは、非磁性層３１〜３３と直接接する材料に依存してＲＫＫＹ相互作用の強さが異なることを利用したものである。具体的には、Ｎｉリッチな材料よりも、Ｃｏリッチな材料の方がより大きなＪＳＡＦが得られる。よって、ＮｉＦｅを強磁性層の主成分として、非磁性層側に１ｎｍ以下のＣｏＦｅが薄く形成される。ＮｉＦｅ／Ｒｕ界面に挿入されるＣｏＦｅの膜厚が大きいほど、ＪＳＡＦを増大させることが可能である。同様に、ＣｏＦｅＮｉなど合金の場合、Ｎｉリッチな強磁性膜ほどＪＳＡＦが減少する。また、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅに限らず、他の複数の元素（非磁性元素を含む）を含有する積層膜や合金膜で構成することも可能である。尚、本明細書において、強磁性層とは、全体としての強磁性の磁化の向きが等しい層を意味しており、単一の強磁性膜で構成されていると限定して解釈されてはならない。例えば、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅのような複数の強磁性膜からなる積層膜も１つの強磁性層である。また、２つの強磁性膜と、その間に介設され２つの強磁性膜を強磁性的に結合する非磁性膜とで構成される積層体も、１つの強磁性層である。このような複数の強磁性膜の積層膜の場合の磁化膜厚積は、各強磁性膜が単独で持つ磁化膜厚積の総和で定義される。【００７２】
後者に関して、非磁性層の膜厚は、非磁性層の結晶性を考慮して設定されなければならない。図９に示されているように、ＲＫＫＹ相互作用の強さは、非磁性層の材料及び膜厚に依存する。よって、非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さを同一にするためには、非磁性層３１と非磁性層３３を同一の材料を用いて膜厚が同一になるように形成すればよいと考えられるかもしれない。しかし、発明者の実験によると、現実に集積化されたＭＲＡＭでは、非磁性層３１と非磁性層３３が同一の材料、同一の膜厚で形成されても、非磁性層３１と非磁性層３３が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さは同一にならない。それは、非磁性層３１と非磁性層３３とで結晶性が異なってくるからである。磁化自由層１５Ａは、バリア層１４の上に、強磁性層２１、非磁性層３１、強磁性層２２、非磁性層３２、強磁性層２３、非磁性層３３、及び強磁性層２４を順次積層することによって形成されるので、先に形成される非磁性層３１のＲｕよりも、後に形成される非磁性層３３のＲｕの方がＨＣＰ（hexagonal close packed）＜０００１＞の結晶配向性が高い。ＲＫＫＹ相互作用の強さは結晶配向性が良好であるほど強く、同一の材料、同一の膜厚で非磁性層３１と非磁性層３３が形成された場合、非磁性層３１よりも非磁性層３３の方が強いＲＫＫＹ相互作用を発現するようになってしまう。それらＲＫＫＹ相互作用の強さが離れすぎないように粗調整するためには、むしろ、非磁性層３１を相対的に低次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成し、非磁性層３３を相対的に高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成することが好適である。これにより、非磁性層３３が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さが良好な結晶性によって強められる効果と、相対的に高次のピークに対応する膜厚を有していることによって弱められる効果とがキャンセルされ、非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さが離れすぎないように粗調整できる。【００７３】
具体的には、本実施形態では、バリア層１４がアモルファスＡｌＯｘであり、その上に成長させた磁化自由層１５Ａの非磁性層３１がＲＫＫＹ相互作用の第２次の反強磁性ピーク（反強磁性２ｎｄピーク）に対応する範囲の膜厚を有しており、非磁性層３２、３３が第３次の反強磁性ピーク（反強磁性３ｒｄピーク）に対応する範囲の膜厚を有している。より具体的には、非磁性層３１〜３３がルテニウムで形成される場合には、非磁性層３１は、その膜厚が１．８ｎｍを超え、２．５ｎｍ未満であるように形成される。非磁性層３３は、その膜厚が３．１ｎｍを超え、３．９ｎｍ未満であるように形成される。最も好適には、非磁性層３１は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍの膜厚を有するように形成され、非磁性層３３は、反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍの膜厚を有するように形成される。このような膜厚の組み合わせは、非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さを、粗調整するために有効である。故に本実施形態では、非磁性層３１がＲｕ（２．１ｎｍ）で形成され、非磁性層３３がＲｕ（３．５ｎｍ）で形成されている。尚、非磁性層３１が反強磁性２ｎｄピークに設定された場合に限らず、大概は、非磁性層３１に適用される反強磁性ピークに対して、非磁性層３３に適用される反強磁性ピークが、１次だけ高次に設定されれば、それらの反平行結合力を同じオーダーに調整ことができる。【００７４】
また、図７Ａに示される積層磁化自由層において、非磁性層３１〜３３のみでなく、強磁性層２１〜２４に関しても、上層ほど結晶性が改善される。例えば、パーマロイを強磁性層２１〜２４として使用し、ルテニウムを非磁性層３１〜３３として使用した場合、強磁性層２１と比較して強磁性層２３のパーマロイは、ＦＣＣ（face center cubic）＜１１１＞配向度が高い。そのため、その直上にそれぞれ成長している非磁性層３１と非磁性層３３のルテニウムに関しても、非磁性層３１よりも非磁性層３３のルテニウムの方がＨＣＰ＜０００１＞配向度が高くなる。【００７５】
尚、このような技術は、上記のように積層磁化自由層がＡｌＯｘバリア層の上に形成されている場合に特に有効であるが、それに限られるわけではない。例えば、トンネルバリア層の下側に磁化自由層が配置される場合においても、下地の平坦性を求めて、磁化自由層の下地に微結晶またはアモルファス材料を用いることもありうる。また、膜厚の制限により、十分な下地層を準備することが制限される場合も想定される。そのような場合にも、本発明に係る技術は有効である。また、磁化自由層の下地層の結晶性が良好な場合であっても、その上に成長させるべき磁化自由層が、好適な結晶配向性を有しながら成長するとは限らない。むしろ、格子整合あるいは不整合により、不所望な結晶面への配向や凹凸成長などが生じる場合が一般的である。その場合においても、本技術は、特に有効となる。磁化自由層の最下層の非磁性層は、不所望な結晶面への結晶成長や凹凸成長の影響を避けがたいので、不所望な結晶性を有しＲＫＫＹ相互作用が弱まる。しかし、最上層の非磁性層が成長するまでには、強磁性/非磁性の積層下地により、最上部の非磁性層は所望の結晶性を回復し、それによりＲＫＫＹ相互作用が強まることが期待される。【００７６】
以上に説明されたように反平行結合力を調整した結果、本実施の形態において、非磁性層３１及び３３のＪＳＡＦは、それぞれ約０．０１５ｅｒｇ／ｃｍ２、０．０１１ｅｒｇ／ｃｍ２となる。これら反平行結合力を磁場の大きさに換算したＨｊ（＝２ＪＳＡＦ／（Ｍ×ｔ）：式（２）参照）は、それぞれ８１Ｏｅ及び８６Ｏｅであり、ほぼ等しく設定されている。発明者の実験によれば、より定量的には、Ｈｊの差が２割程度の差に収められることが望ましい。つまり、非磁性層３１と非磁性層３３のＨｊの比率に相当するパラメータ［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］／［Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）］が、０．８以上１．２以下に設定されることが望ましい。また、より厳密に磁気異方性の相違まで考慮すると、強磁性層２１及び２２の平均異方性磁場Ｈｋ１は、９．５Ｏｅであり、強磁性層２３及び２４の平均異方性磁場Ｈｋ３は７Ｏｅである。この場合、非磁性層３１及び３３のフロップ磁場［｛（Ｈｊ−Ｈｋ）×Ｈｋ｝］＾０．５（式４（ｃ）参照）は、それぞれ、２６Ｏｅ及び２３．５Ｏｅとなり、僅かに差が広がる。この場合は、非磁性層３３のＪＳＡＦを若干増大させれば、より好適に動作させることが可能である。【００７７】
本実施の形態では、さらに付加的な効果を引き出す狙いとして、中央部の非磁性層３２が最も大きいＪＳＡＦを発現するように設定されている。非磁性層３２に関しては、それ自身の材料構成や、上下に接する強磁性層界面の構成は非磁性層３１とほぼ同等である。但し、非磁性層３２のＪＳＡＦは、約０．０３８ｅｒｇ／ｃｍ２であり、ＳＡＦ中の全ての非磁性層の中で最も大きい。それは、非磁性層３２のＲｕ（２．１ｎｍ）が、ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）の下地上に形成され、そのＨＣＰ＜０００１＞の結晶配向性が大きくなっている為である。非磁性層３２を介した反平行結合が外れる磁場は、非磁性層３１及び非磁性層３３と比較して大きくなるため、磁化自由層の飽和磁場が大きく増大（延伸）する。その結果、書き込みマージンが拡大する。【００７８】
ここで、非磁性層３２を介する反平行結合は、強ければ強いほどよいというわけではない。なぜならば、その反平行結合があまりに強すぎると、非磁性層３２を介した強磁性層同士がスピンフロップを起こす前に、非磁性層３１あるいは３３を介した強磁性層同士の磁化が飽和するからである。その場合、磁化自由層全体のスピンフロップが途切れてしまうため、書き込み不良の発生原因となる。よって、好適な反平行結合力を得るために、非磁性層３２は、最も低い磁場でフロップする非磁性層３３よりも、一つだけ低次の反強磁性ピークを使用することが望ましい。より具体的には、非磁性層３２、非磁性層３３がルテニウムで形成される場合には、非磁性層３２は、その膜厚が１．８ｎｍを超え、２．５ｎｍ未満であるように形成され、非磁性層３３は、その膜厚が３．１ｎｍを超え、３．９ｎｍ未満であるように形成される。或いは、非磁性層３２は、その膜厚が０．７ｎｍを超え、１．２ｎｍ未満であるように形成される場合は、非磁性層３３は、その膜厚が１．８ｎｍを超え、２．５ｎｍ未満であるように形成される。【００７９】
最も好適には、非磁性層３１は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍの膜厚を有するように形成され、非磁性層３３は、反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍの膜厚を有するように形成される。或いは非磁性層３１は、反強磁性１ｓｔピークに対応する０．９ｎｍの膜厚を有するように形成され、非磁性層３３は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍの膜厚を有するように形成される。【００８０】
キャップ層１６は、磁化固定層１３、バリア層１４、及び磁化自由層１５Ａを保護するための層である。キャップ層１６は、例えば、Ｔａ、Ｒｕで形成される。キャップ層１６は、トンネル電流が流れる程度に極めて薄いＡｌＯｘで形成されることも可能である。【００８１】
上部電極層１７は、磁化自由層１５Ａへの電気的接続を提供する経路として機能する。上部電極層１７は、例えば、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、Ｃｕ、Ａｌで形成される。【００８２】
（第２の実施の形態）
図７Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係るＭＴＪ素子１Ｂの構成を示す断面図である。図７Ｂに示されているＭＴＪ素子１Ｂは、図７Ａに示されているＭＴＪ素子１Ａと同様に、磁化自由層１５Ｂが、４層の強磁性層２１〜２４と３層の非磁性層３１〜３３からなるような構成を有している。【００８３】
相違点は磁化自由層中の、強磁性層２１〜２４の磁気体積の設定と、非磁性層３１〜３３を介した反平行結合力の設定である。第２の実施形態では磁化自由層１５Ｂは、トンネルバリア層１４上の強磁性層２１から、キャップ層１６下の強磁性層２４まで次のような膜構成を有する：
トンネルバリア層／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４．６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．４５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４．６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．４５ｎｍ）／キャップ層。【００８４】
強磁性層２１と２２の磁化膜厚積は同じ３．１５Ｔｎｍであり、強磁性層２３と２４の磁化膜厚積は同じ４．７２Ｔｎｍである。強磁性層２１と比較して、強磁性層２４の磁化膜厚積の方が１．５倍ほど磁気膜厚は大きい。また、非磁性層の３１の反平行結合エネルギーＪ１はおよそ０．０１３ｅｒｇ／ｃｍ２であり、非磁性層３２の反平行結合エネルギーＪ３はおよそ０．０２１ｅｒｇ／ｃｍ２である。このとき、非磁性層３１に関連するＨｊは１０７Ｏｅ、非磁性層の３３に関するＨｊは１１４Ｏｅを有するように設定されており、ほぼ等しい。この結果、強磁性層２１と強磁性層２４の反平行結合はほぼ同時に外れることが可能となり、好適に動作する。また本実施の形態では、強磁性層２１と２２及び強磁性層２３と２４とは、全く同一構成を有し、さらにそれら結晶性も近いので好適である。【００８５】
また、第２の実施の形態では、非磁性層３３に関して、非磁性層３１よりも強い反平行結合力が求められているので、非磁性層３３を２ｎｄピークに対応するＲｕ（２．１ｎｍ）としてもよい。その場合、非磁性層３３をそのままＲｕ（２．１ｎｍ）で置換すると、反平行結合力が強くなりすぎるので、例えば強磁性層２３のＣｏＦｅ(０．４５ｎｍ)を減少させ、強磁性層２３を殆どＮｉＦｅのみで構成することにより、非磁性層３３の反平行結合力を好適な値に微調整することができる。このとき、非磁性層３１と非磁性層３３は、ほぼ同じ膜厚と材料で構成されるが、非磁性層３１と非磁性層３３の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率は異なっている。具体的には、非磁性層３１の上下界面にはＮｉ,Ｆｅ,Ｃｏといった元素が直接接しているが、非磁性層３３に関してはＮｉとＦｅのみである。非磁性層３３と比較して、非磁性層３１に接している部分の元素構成比率はＣｏリッチである。【００８６】
（第３の実施の形態）
磁化自由層を構成するＳＡＦに含まれる強磁性層の数が、第１，第２の実施の形態と異なる場合や、その数が偶数ではなく奇数である場合にも、本発明は適用可能である。例えば、図７Ｃに示されているように、ＭＴＪ素子１Ｃの磁化自由層１５Ｃが、３層の強磁性層２１〜２３と、それらの間に挿入された非磁性層３１、３２で形成される例を説明する。【００８７】
この場合、トンネルバリア層１４上の強磁性層２１から、キャップ層１６下の強磁性層２３までの膜構成の一例として、次のような構成が挙げられる：
トンネルバリア層／ＮｉＦｅ（４．６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．４５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（８．４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．４ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３．７ｎｍ）／キャップ層。【００８８】
上記の構成で、強磁性層２１はＮｉＦｅ（４．６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．４５ｎｍ）に相当し、強磁性層２３はＮｉＦｅ（３．７ｎｍ）に相当し、強磁性層２２はＮｉＦｅ（８．４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．４ｎｍ）に相当する。【００８９】
また、第１の実施の形態と同様の理由で、ＨＣＰ＜０００１＞の結晶配向性の悪い非磁性層３１に対してＲｕ（２．１ｎｍ）の反強磁性２ｎｄ−ｐｅａｋを使用し、結晶配向性がやや改善されている非磁性層３２に対してＲｕ（３．５ｎｍ）の反強磁性３ｒｄ−ｐｅａｋを使用することにより、反平行結合力が粗調整されている。磁化膜厚積は、強磁性層２１に対しては約４．７２Ｔｎｍ、強磁性層２２に対しては約７．９Ｔｎｍ、強磁性層２３に対しては約３．１５Ｔｎｍである。このように、強磁性層２２の磁化膜厚積は、強磁性層２１及び２３の磁化膜厚積の和になるように設定されている。【００９０】
また、より一般に、Ｎ個の強磁性層（Ｎは３以上の奇数）の多層ＳＡＦ磁化自由層の場合、磁化自由層の最上層である第Ｎ強磁性層と最下層である第１強磁性層が持つ磁化膜厚積の和とほぼ同じになるように、最中央部である第（（１＋Ｎ）／２）強磁性層の磁化膜厚積が設定されればよい。その理由は、次の通りである。Ｎが奇数の場合の多層ＳＡＦでは、常に最上部及び最下部の強磁性層が、残留磁化状態で平行配置となる。従って、第Ｎ強磁性層と第１強磁性層の磁化膜厚積をキャンセルする役目を、多層ＳＡＦ中の最も中央部の強磁性層一層に担わせることにより、磁化自由層全体のスピンフロップが安定化される。Ｎが奇数の場合、残留磁化状態において最中央層である第（（１＋Ｎ）／２）強磁性層の磁化は、必ず、第Ｎ強磁性層及び第１強磁性層の磁化に対して反平行となる。また、特にＮ＝３及びＮ＝５の多層ＳＡＦでは、最中央部の磁性層によって、最上部及び最下部の強磁性層の磁化を打ち消さなければ、磁化自由層全体の磁化を、残留磁化状態においてキャンセルできない。【００９１】
本実施の形態は、上記のとおり、磁化の調整方法以外は第１、第２、第４の実施形態と同じである。最上部及び最下部の強磁性層が、外部磁場に対して同時に外れるように設定されれば良い。本実施形態に示された例では、非磁性層３１および非磁性層３２の反平行結合エネルギー定数は、それぞれＪ１＝０．０２ｅｒｇ／ｃｍ２、Ｊ２＝０．０１４ｅｒｇ／ｃｍ２程度であり、それらを磁場に換算したパラメータＪ１／（Ｍ１×ｔ１）とＪ２／（Ｍ３×ｔ３）は、それぞれ、５３Ｏｅ及び５６Ｏｅとほぼ等しくなるように設定されている。【００９２】
（第４の実施の形態）
より一般的に、Ｎは４または６以上の整数とし、多層ＳＡＦがＮ層の強磁性層とＮ−１層の非磁性層とからなる場合に、本発明の動作に必要な構成を説明する。最下層の強磁性層を第１強磁性層、最上層の強磁性層を第Ｎ強磁性層とし、最下層の強磁性層の直上の非磁性層を第１非磁性層、最上層の強磁性層直下の非磁性層を第Ｎ−１非磁性層とする。最低限必要な条件として、Ｍ１×ｔ１とＭ２×ｔ２は等しく、ＭＮ−１×ｔＮ−１とＭＮ×ｔＮが等しいことが必要である。さらに、Ｍ１×ｔ１＞ＭＮ×ｔＮであり、且つ、Ｊ１＞ＪＮであること、あるいは、Ｍ１×ｔ１＜ＭＮ×ｔＮで、且つ、Ｊ１＜ＪＮであることが必要である。さらに、パラメータＪ１／（Ｍ１×ｔ１）とＪＮ／（ＭＮ×ｔＮ）とをほぼ等しくすれば、より好適に動作する。【００９３】
また、第１強磁性層と第２強磁性層の平均の異方性磁場Ｈｋ１が、第（Ｎ−１）強磁性層と第Ｎ強磁性層との平均の異方性磁場ＨｋＮ−１に対して大きく異なる場合は、最上層と最下層のＳＡＦ結合部が単独に存在した場合のフロップ磁場に相当するパラメータ［｛２Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）−Ｈｋ１｝×Ｈｋ１］と［｛２ＪＮ−１／（ＭＮ×ｔＮ）−ＨｋＮ−１｝×ＨｋＮ−１］とがほぼ等しいことが必要となる。このような用件を満たすように、非磁性層の膜厚や材料、磁性層／非磁性層の界面材料、磁性層の膜厚などを変更することによって、磁化自由層の各パラメータが制御されればよい。【００９４】
Ｎが奇数で７層、９層、１１層など大きい磁化自由層の場合、既出の第３の実施形態よりも第４の実施形態のほうが好適である。なぜならば、本実施形態によれば、最も隣接する強磁性同士（第１強磁性層と第２強磁性層、及び第Ｎ−１強磁性と第Ｎ強磁性層）が磁気的に等価に設定され、磁化自由層内で、残留磁化状態で反平行配置をとる強磁性層同士を、磁気的により等価にしやすいからである。【００９５】
第２〜第（Ｎ−２）の非磁性層のＪＳＡＦは、第１及び第Ｎ−１の非磁性層と比較して同等以上に設定することが好適である。さらに、磁化自由層の飽和磁場を一層延伸させる上で、第２〜第（Ｎ−２）の非磁性層の中に、意図的に強い反平行結合力をもつ非磁性層を設けることが有効である。そのような非磁性層は最中央部に位置することが望ましく、Ｎが偶数の場合は第（Ｎ／２）非磁性層の反平行結合力がもっとも大きいことが好適である。具体的には、第（Ｎ／２）非磁性層の反強磁性ピークの次数は、第Ｎ−１非磁性層の次数と比較して一つだけ小さくなるように、各非磁性層の膜厚を設定することが好適である。【００９６】
具体例として、本発明のＭＲＡＭ記憶ビット部４０Ａの断面が図８Ａに示されている。このＭＲＡＭ記憶ビット部４０Ａは、６層の強磁性層２１〜２６と、それらの間に挿入された５層の非磁性層３１〜３５で構成された磁化自由層１５Ｄを有する。トンネルバリア層１４上の強磁性層２１から、キャップ層１６下の強磁性層２６までの好適な形態の１例として次のような膜構成が挙げられる：
トンネルバリア層／ＮｉＦｅ（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）／キャップ層。【００９７】
図８Ａに示されるように、一般に実デバイスにおいては、ＭＲＡＭ記憶ビット部４０Ａ中の磁化自由層の側壁部は、垂直には加工されずに、傾斜を有している。このとき、磁気抵抗を決定する接合面積は、トンネルバリア層と第１強磁性層が接する界面の面積で規定される。各強磁性層が全く同じ厚さに成膜された場合、各強磁性層の実効的な磁気膜厚ｔ１〜ｔ６は、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３＞ｔ４＞ｔ５＞ｔ６となる。よって、実デバイスの加工に起因した磁気体積差を考慮して、強磁性層２１〜２６の成膜時の膜厚を調整しなければならない。本実施の形態によれば、非磁性層２１であるＲｕ（２．１ｎｍ）を介したＳＡＦのＪ１／（Ｍ１×ｔ１）と、非磁性層２５であるＲｕ（３．５ｎｍ）を介したＳＡＦのＪ５／（Ｍ６×ｔ６）は、ほぼ等しくなるように設定される。強磁性層の等価性が要求される組は、隣接する強磁性層２１と強磁性層２２、強磁性層２３と強磁性層２４、及び強磁性層２５と強磁性層２６である。図８Ａから明らかなように、それらの組に関しては、加工に起因した磁気体積差は生じづらく、また結晶性に起因した磁気特性の差も小さい。また、最中央の非磁性層２３に関しては、Ｒｕ２．１ｎｍの２ｎｄ反強磁性ピークが使用され、かつ、結晶性も良好であるため、最も大きな反強磁性結合力が得られる。従って、磁化自由層の飽和磁場が延伸し、書き込みマージンが広がる。【００９８】
比較として、従来技術に従って作製されたＭＲＡＭ記憶ビット部４０Ｂの断面が図８Ｂに示されている。このＭＲＡＭ記憶ビット部４０Ｂは、同様に６層の強磁性層２１〜２６と、それらの間に挿入された５層の非磁性層３１〜３５で構成された磁化自由層１５Ｅを有する。トンネルバリア層１４上の強磁性層２１から、キャップ層１６下の強磁性層２６までの好適な膜構成の一例として、次のような構成が挙げられる：
トンネルバリア層／ＮｉＦｅ（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．２５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／キャップ層。【００９９】
非磁性層３１と３５の反平行結合力はほぼ等しく、かつ、強磁性層２１〜２６の磁化膜厚積は上下方向に対称に設定される。しかし、成膜時にそのような磁化膜厚積となるように形成しても、図８Ｂより明らかなように、強磁性層の等価性が要求される組（強磁性層２１と強磁性層２６、強磁性層２２と強磁性層２５、強磁性層２３と強磁性層２４）に関しては、素子加工プロセスにより生じる体積差によって、磁気体積の等価性が大きく損なわれる。また、それらの強磁性層が形成されたＳＡＦ中の位置を考えても、結晶性に起因した磁気特性の差も大幅に生じうる。磁気体積の差に関しては、どの層がどれだけの磁気体積を持つのか把握することが難しく、接合側壁の形状がより複雑な場合では、磁気体積を把握することは不可能である。このように従来技術の多層ＳＡＦの磁気体積の差や膜質の差をキャンセルさせることは容易なことではない。【０１００】
以上、実施形態の説明において、第１非磁性層に対して、第（Ｎ−１）非磁性層の膜厚が厚くなるような例が示された。第（Ｎ−１）非磁性層に対して、第１非磁性層の膜厚を厚くなるように構成されてもよい。また、例えば成膜条件などを工夫するなどして膜質の差が縮小した場合や、非磁性層の膜厚制御性を向上させ、非磁性膜厚のみによって厳密な反強磁性結合エネルギーを制御可能な場合は、このような構成が採用されなくてもよい。重要な点は、膜形態ではなく、実効的な反強磁性結合力の大きさである。【０１０１】
以下、様々な磁化自由層構造を有するＭＲＡＭに対する動作実験例が実施例として示される。【０１０２】
１．フロップ磁場、飽和磁場、及び書き込みマージンの評価
２層の強磁性層と１層の非磁性層からなる通常のＳＡＦと、４層の強磁性層と３層の非磁性層からなる多層ＳＡＦを磁化自由層としたＭＴＪが８インチ基板に複数作製された。１００〜１２０個のＭＴＪ素子に関して、トグル書き込みが調べられ、フロップ磁場、飽和磁場と書き込みマージン及び動作率が評価された。磁化自由層の４層ＳＡＦは従来技術と本発明の技術を用いた試料が作製され、特性が比較された。ＭＴＪ素子の平面形状は主に０．６×１．２μｍ２の長円形である。また一部０．４×０．８μｍ２の長円形の素子についても評価を行った。【０１０３】
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。また、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、下部電極層１１、反強磁性層１２、磁化固定層１３、バリア層１４に相当しており、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１６、上部電極層１７に相当していることに留意されたい。【０１０４】
本実施例で作製されたＭＴＪの構成は、次の通りである：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１００ｎｍ）。【０１０５】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、各試料の磁化自由層の構成を示す表である。磁化自由層に含まれる強磁性層の数は、２または４であり、強磁性層の材料・膜厚は、磁化自由層の全体としての残留磁化が０であるように微調整されている。磁化自由層の非磁性層は、いずれも、ルテニウムで形成されている。ここでＮｉＦｅとして、パーマロイ（Ｎｉ８１Ｆｅ１９）が使用されている。以下では、各試料の特徴が概略的に説明される。【０１０６】
比較例１のＭＴＪ素子の磁化自由層は、２層の強磁性層と１層の非磁性層を含むＳＡＦで形成されている。非磁性層の膜厚は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍである。その他の試料はいずれも４層の強磁性層と３層の非磁性層を含むＳＡＦで形成されている。第１非磁性層は反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍのルテニウムが用いられている。第２非磁性層に関しては２．１ｎｍのルテニウムが用いられており、この非磁性層は、結晶配向性が良好で且つ反強磁性２ｎｄピークであるため、他の非磁性層の３倍以上の反強磁性結合エネルギーを持つ。基板から離れて位置する第３非磁性層の膜厚は、反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍである。【０１０７】
比較例２の磁化自由層は、全ての強磁性層の磁化膜厚積がほぼ等しく、かつ、第１非磁性層及び第３非磁性層の反平行結合力はほぼ等しい。各強磁性層の磁化膜厚積は３．１５Ｔｎｍである。【０１０８】
比較例３〜７及び実施例１〜４は、全て第１強磁性層と第２強磁性層の磁化膜厚積がほぼ４．７２Ｔｎｍであり等しく、第３強磁性層と第４強磁性層の磁化膜厚積がほぼ３．１５Ｔｎｍであり等しく、かつ第１強磁性層は第四強磁性層に対して１．５倍大きい磁化膜厚積を持つ。比較例３〜６および実施例１〜２の試料では、第１強磁性層中のＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの比率を変化させて、第１非磁性層の反平行結合エネルギーのみを変化させている。また、比較例７および実施例３〜４の試料では第３強磁性層中のＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの比率を変化させて、第３非磁性層の反平行結合エネルギーのみを変化させている。いずれもＣｏＦｅの膜厚が増えるほど、その上部の非磁性層の反平行結合力は増大する。図１０Ｂ中に第１、第３非磁性層直下の強磁性層界面に存在するＣｏＦｅの厚さが示されている。【０１０９】
図１１には、比較例１〜７及び実施例１〜４の磁化自由層を用いた０．６×１．２μｍ２トグルＭＲＡＭデバイスの動作率とフロップ磁場、飽和磁場が示されている。比較例１と比較例２を比較すると、フロップ磁場はそれぞれ、３８（Ｏｅ）、３７（Ｏｅ）の周囲に分布し、飽和磁場はそれぞれ、１５７（Ｏｅ）、５７０（Ｏｅ）の周囲に分布していた。強磁性層を２層から４層にすることで、書きこみマージンが大きく増大している。【０１１０】
比較例３〜６および実施例１〜２の試料は、第３非磁性層の反平行結合力（反平行結合エネルギー定数Ｊ３）が固定され、第１非磁性層の反平行結合力（反平行結合エネルギー定数Ｊ１）のみが増大していく試料に相当する。最もＪ１が小さい試料に対応する比較例３では、ごく一部の素子でダイレクト反転を示す素子が存在したが、トグル反転を示す素子は全く存在しなかった。比較例４、５と、Ｊ１が増大していくにつれてトグル動作率が向上していき、実施例１、２の試料において、それぞれトグル動作率が９８％及び１００％と非常に高歩留まりでトグル書き込みが行われた結果が得られた。更にＪ１が増加された試料である比較例６では、トグル動作率が６５％と減少してしまった。実施例１の試料では、平均のフロップ磁場は４２（Ｏｅ）、飽和磁場は６０２（Ｏｅ）であった。実施例２の試料では、平均のフロップ磁場は４４（Ｏｅ）、飽和磁場は６０６（Ｏｅ）であった。【０１１１】
また、比較例５、実施例４、実施例３、比較例７の試料は、第１非磁性層の反平行結合力が固定され、第３非磁性層の反平行結合力のみが減少していく試料に相当する。第３非磁性層の反平行結合力が減少していくにつれて、トグル動作率が向上していき、実施例３、４の反平行結合力において、それぞれ動作率９３％及び１００％の結果が得られた。実施例３の試料では、平均のフロップ磁場は３６（Ｏｅ）、飽和磁場は５６５（Ｏｅ）である。実施例４の試料では、平均のフロップ磁場は３７（Ｏｅ）、飽和磁場は５７６（Ｏｅ）であった。書き込みマージンに相当する比率（飽和磁場／フロップ磁場）は、比較例１では４と小さいが、実施例１〜４では、その比率は大幅に増大し全て１０以上となる。本発明によって、高いトグル動作率を示し、かつ、フロップ磁場をほぼ一定としたまま、書き込みマージンの著しい向上が可能であることが実証された。【０１１２】
さらに比較例１及び２、実施例２、実施例４のトグル動作特性を詳細に比較した結果が、図１２に示されている。図１２中には、０．６×１．２μｍ２素子のフロップ磁場と、そのばらつきに相当する標準偏差、飽和磁場、書き込みマージン、及びトグル書き込み動作率が示されている。さらに０．６×１．２μｍ２及び０．４×０．８μｍ２素子の間のダイレクト反転領域幅の差が示されている。ダイレクト領域幅もフロップ磁場及び飽和磁場と同様に、容易軸方向に対して測定したものである。【０１１３】
フロップ磁場のばらつき（標準偏差σｆｌｏｐ）は、従来技術に係る４層ＳＡＦ磁化自由層である比較例２では、３．３（Ｏｅ）である。それに比べて、本発明に係る４層ＳＡＦ磁化自由層である実施例２及び４では、フロップ磁場のばらつきの大きさはそれぞれ、２．５（Ｏｅ）および２．１（Ｏｅ）と小さい。これらの試料を、例えば１ＭビットＭＲＡＭに適用させた場合を考える。書き込み磁場値を「平均フロップ磁場値＋５×σｆｌｏｐ」とすると、その書き込み磁場値は、比較例２の試料では５３．５（Ｏｅ）、実施例２の試料では５６．５（Ｏｅ）、実施例４の試料では４７．５（Ｏｅ）となる。特に実施例４の試料では、フロップ磁場も小さく、ばらつきも小さいため、書き込み磁場が最も低減されている。【０１１４】
また０．６×１．２μｍ２及び０．４×０．８μｍ２素子とのダイレクト領域幅の差に関しては、２層ＳＡＦから構成された通常のトグル磁化自由層からなる比較例１で２．２Ｏｅともっとも小さい。実施例２及び４でも、その差は、それぞれ２．８（Ｏｅ）及び３．１（Ｏｅ）と小さい。一方、比較例２では、その差が５．８（Ｏｅ）と最も大きかった。ダイレクト反転領域幅が素子サイズによって変わるということは、ＳＡＦ中の各強磁性層の磁気体積の差が素子サイズによって変わっていることを意味する。これは、例えば図８Ａ、図８Ｂに示されたような、加工プロセスによって生じる磁化自由層側壁部の磁気体積不均一性などの影響と考えられる。このように、本発明に係る多層ＳＡＦ磁化自由層によれば、従来技術に係る多層ＳＡＦ磁化自由層に比べて、フロップ磁場のばらつきも小さく、かつ、ダイレクト反転領域の大きさも素子サイズに影響しづらく、ダイレクト反転領域をより低減しやすい。【０１１５】
２．ＲＫＫＹ相互作用による反強磁性的結合の評価
トグル書き込み特性評価の結果と、磁化自由層の反平行結合力や磁化膜厚積の関係が調べられた。【０１１６】
比較例３〜６及び実施例１〜４の磁化自由層の“第１非磁性層”を介した反平行結合力を調べるために、以下の試料が作製され、磁化曲線が評価された：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）。【０１１７】
比較例３〜６及び実施例１〜４の磁化自由層の“第３非磁性層”を介した反平行結合力を調べるために、以下の試料が作製され、磁化曲線が評価された：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３．７ｎｍ）／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１０ｎｍ）【０１１８】
この試料では第１及び第２非磁性層のＲｕ厚を２．５ｎｍとし、反平行結合力をほぼ零とすることで、第３非磁性層と第３及び第４強磁性層で構成されたＳＡＦ部のみの磁化曲線を評価できる。このとき第３非磁性層の結晶性は、比較例３〜６及び実施例１〜４とほぼ同一である。【０１１９】
図１３は、上記のＳＡＦ部の磁化曲線から得られた飽和磁場と、各Ｒｕ非磁性層直下のＣｏＦｅ膜厚との関係を示している。第１非磁性層及び第３非磁性層のＳＡＦ部の飽和磁場は、直下の強磁性層界面のＣｏＦｅ厚の増大にほぼ比例して増加していることがわかる。飽和磁場は、ほぼ反平行結合エネルギーの大きさを反映しており、ＣｏＦｅ厚が増大するほど、それぞれの非磁性層の反平行結合エネルギーは増大していくことが示されている。【０１２０】
また、ＳＡＦ中の各強磁性層の磁化膜厚積および異方性磁場を評価するために、以下の膜構成の積層膜が作製された：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／シード層／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ／キャップ層／Ｔａ（１０ｎｍ）。
この積層膜が１×１ｃｍ２角にカットされた試料が作製され、磁化曲線が評価された。上記試料において、シード層に対しては、評価対象の強磁性層によってＲｕ（２．１ｎｍ）が用いられるか、用いられなかった。また、キャップ層に関しては、評価対象の強磁性層によってＲｕ（２．１ｎｍ）かＡｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘのいずれかが選択された。【０１２１】
磁化膜厚積、異方性磁場、図１３に示された飽和磁場から、比較例３〜６及び実施例１〜４の磁化自由層中のＪ１、Ｊ３、Ｍ１×ｔ１、Ｍ４×ｔ４の値が求められた。各試料に関する比率［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］／［Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）］と、０．６×１．２μｍ２素子でのトグル動作率との関係が、図１４に示されている。図１４より、比較例３〜６及び実施例１〜４全ての素子のトグル動作率と比率［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］／［Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）］との間には、明確な相関があることがわかる。全ての試料について、Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）やＪ３／（Ｍ４×ｔ４）の値が異なっていても、［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］／［Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）］＝１を中心として、トグル動作率はピークを持つように変化する。また、比率［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］／［Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）］に対するトグル動作率は、同じ曲線上にいる。［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］／［Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）］＝１の場合、トグル動作率は１００％である。また、特に０．８＜［Ｊ１／（Ｍ１×ｔ１）］／［Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）］＜１．２の範囲で、１００％のトグル動作率か、それに近い値が得られている。その範囲は、実施例１〜４に相当する範囲であり、素子特性として非常に良好である。これらの実験結果は、本発明の多層トグルにおいて、最下層と最上層の非磁性層の磁場に換算した量に相当するＪＳＡＦ／（Ｍ×ｔ）が等しいほど、言い換えると、最下層と最上層の強磁性層の反平行結合が、外部磁場に対して同時に外れるように設定するほど、多層ＳＡＦから構成された磁化自由層が、良好にトグル動作するようになることを示唆している。【０１２２】
最後に、実施例１〜４の磁化自由層において大きな飽和磁場を実現している第２非磁性層の反平行結合力の大きさが、以下の試料を用いて評価された：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（４．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３５ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）。
この試料では第１非磁性層のＲｕ厚を２．５ｎｍとし、反平行結合力をほぼ零とすることで、第２非磁性層と第２及び第３強磁性層で構成されたＳＡＦ部のみの磁化曲線を評価できる。【０１２３】
上記のＳＡＦの飽和磁場はおよそ２５５Ｏｅであった。この飽和磁場値は、Ｊ２［１／（Ｍ２×ｔ２）＋１／（Ｍ３×ｔ３）］に等しいので、反平行結合エネルギー定数に換算するとＪ２＝０．０３８ｅｒｇ／ｃｍ２に相当する。実施例１〜４において第３非磁性層のＳＡＦ部が示すＨｊ＝２Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）は６８Ｏｅ〜１３２Ｏｅの範囲であり、本実施例によって比率｛Ｊ２［１／（Ｍ２×ｔ２）＋１／（Ｍ３×ｔ３）］｝／｛２Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）｝は１．９以上３．７５以下の範囲で好適に動作することが実証された。この結果から、第２非磁性層と第３非磁性層との反平行結合エネルギー定数の比率、｛Ｊ２［１／（Ｍ２×ｔ２）＋１／（Ｍ３×ｔ３）］｝／｛２Ｊ３／（Ｍ４×ｔ４）｝は４以下の範囲で設定することが可能であることがいえる。本実施例ではこのように反平行結合力を設定することにより、低いフロップ磁場のまま大きな飽和磁場値、すなわち、書き込みマージンを実現している。【０１２４】
以上に説明されたように、本発明によれば、３層以上の強磁性層を含む多層ＳＡＦを磁化自由層として使用するＭＲＡＭが提供される。そのＭＲＡＭの動作率が向上し、不良ビットが低減される。また、本発明によれば、実デバイス上での磁気特性の制御性が容易になる。また、本発明によれば、ＭＲＡＭの書き込み特性を改善し、書き込み電流値を低減することが可能となる。更に、本発明によれば、ＭＲＡＭの書き込みマージンを増大させることが可能となる。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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