(57)【要約】【課題】高熱安定性を有する高速超低消費電力不揮発性メモリを提供する。【解決手段】不揮発性磁気メモリに、高い熱安定性をもつ自由層を適用した高出力なトンネル磁気抵抗効果素子を装備し、スピントランスファートルクによる書込み方式を適用する。トンネル磁気抵抗効果素子１は、ＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８と第一の非磁性膜３０７で構成される自由層を持ち、自由層に（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ絶縁膜３０５を介して固定層３０２１を積層した構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層とを有し、
前記絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であり、
前記強磁性自由層は、非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜からなり、前記第一の強磁性膜は前記絶縁膜に隣接し、前記第二の強磁性膜と第一の強磁性膜は反強磁性結合しており、
前記強磁性膜固定層はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であり、前記第一の強磁性膜の厚さｔ１が前記第二の強磁性膜の厚さｔ２より厚いことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第一の強磁性膜の厚さｔ１と前記第二の強磁性膜の厚さｔ２の比（ｔ２／ｔ１）が０．４から１．０の範囲にあることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記非磁性導電層は、Ｒｕからなり、膜厚が０．４ｎｍから１．４ｎｍの範囲あるいは２．０ｎｍから２．８ｎｍの範囲にあることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層は反強磁性膜の上に形成され、前記絶縁膜は前記強磁性固定層の上に形成され、前記強磁性自由層は前記絶縁膜の上に形成され、前記強磁性固定層は、非磁性膜を挟んで反強磁性結合した２層の強磁性膜からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記絶縁膜は前記強磁性自由層の上に形成され、前記強磁性固定層は前記絶縁膜の上に形成され、前記強磁性固定層の上に反強磁性膜が形成され、前記強磁性固定層は、非磁性膜を挟んで反強磁性結合した２層の強磁性膜からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層とを有し、前記絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であり、前記強磁性自由層は、非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜からなり、前記第一の強磁性膜は前記絶縁膜に隣接し、前記第二の強磁性膜と第一の強磁性膜は反強磁性結合しており、前記強磁性膜固定層はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記強磁性自由層をスピントランスファートルクにより磁化反転させるための電流を前記トンネル磁気抵抗効果素子に流す電極と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備えることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項８】
請求項７記載の磁気メモリセルにおいて、前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であり、前記第一の強磁性膜の厚さｔ１が前記第二の強磁性膜の厚さｔ２より厚いことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項９】
請求項７記載の磁気メモリセルにおいて、前記第一の強磁性膜の厚さｔ１と前記第二の強磁性膜の厚さｔ２の比（ｔ２／ｔ１）が０．４から１．０の範囲にあることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
請求項７記載の磁気メモリにおいて、前記非磁性導電層は、Ｒｕからなり、膜厚が０．４ｎｍから１．４ｎｍの範囲あるいは２．０ｎｍから２．８ｎｍの範囲にあることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１１】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備え、
前記磁気メモリセルは、
絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層とを有し、前記絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であり、前記強磁性自由層は、非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜からなり、前記第一の強磁性膜は前記絶縁膜に隣接し、前記第二の強磁性膜と第一の強磁性膜は反強磁性結合しており、前記強磁性膜固定層はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記強磁性自由層をスピントランスファートルクにより磁化反転させるための電流を前記トンネル磁気抵抗効果素子に流す電極と
を有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１２】
請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜であり、前記第一の強磁性膜の厚さｔ１が前記第二の強磁性膜の厚さｔ２より厚いことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１３】
請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記第一の強磁性膜の厚さｔ１と前記第二の強磁性膜の厚さｔ２の比（ｔ２／ｔ１）が０．４から１．０の範囲にあることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１４】
請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記非磁性導電層は、Ｒｕからなり、膜厚が０．４ｎｍから１．４ｎｍの範囲あるいは２．０ｎｍから２．８ｎｍの範囲にあることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１５】
請求項１１記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、スピントランスファートルクにより磁気情報を記録することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い熱安定性を有する高出力トンネル磁気抵抗素子及びそれを装備した低消費電力不揮発性磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
将来の高集積磁気メモリに適用されるトンネル磁気抵抗効果素子として、Ａｌの酸化物を絶縁体に用いたトンネル磁気抵抗効果素子（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)）よりも数倍大きい磁気抵抗比が得られる絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子（S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)）が開示されている。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させ、情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書あるいは特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。特開２００５−２９４３７６には、外部からの侵入磁界に対して安定にスピントランスファートルク磁化反転動作させる目的で、非磁性膜を介して複数の強磁性膜を積層した自由層を適用したトンネル磁気抵抗効果素子が開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】Nature Material 3, 868(2004)
【特許文献１】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献２】特開２００２−３０５３３７号公報
【特許文献３】特開２００５−２９４３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高い信頼性をもつ低消費電力不揮発性磁気メモリの実現には、高出力トンネル磁気抵抗効果素子の自由層（記録層）において高い熱安定性と、スピントランスファートルク磁化反転による書込み方式とを同時に満足する技術を開発する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような要請に応えることのできる高い熱安定性を有するトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性膜にＢを含むＣｏあるいはＦｅの体心立方格子をもつ化合物強磁性膜を適用し、絶縁膜に（１００）配向した岩塩構造酸化マグネシウムを適用し、強磁性自由層に非磁性層を挟んで反強磁性結合した二つの強磁性膜を適用する。すなわち、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、絶縁膜を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層とを有し、絶縁膜は（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜であり、強磁性自由層は、非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜からなり、第一の強磁性膜は絶縁膜に隣接し、第二の強磁性膜の磁化と第一の強磁性膜の磁化は反強磁性結合しており、強磁性膜固定層はＣｏとＦｅとＢを含有する体心立方構造の膜を有する。
【０００７】
絶縁膜に（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ膜を用いない場合には、磁気抵抗比は著しく低下し、磁気メモリセルあるいは磁気ランダムアクセスメモリに最低限必要な２００ｍＶの読み出し電圧が得られない。
【０００８】
本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、高い熱安定性を有するトンネル磁気抵抗効果素子が得られる。また、そのトンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリに装備することにより、高い熱安定性、すなわち磁気情報の保持時間の長い不揮発性メモリを実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に述べるトンネル磁気抵抗効果素子では、その強磁性自由層の磁化反転（スイッチング）を空間的な外部磁界ではなく主として、トンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンが強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与えることにより行う。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すこと自体で発生する。したがって、トンネル磁気抵抗効果素子に外部から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。以下では、スピントランスファートルク磁化反転の起こる電流密度の閾値をＪｃと定義した。
【００１１】
［実施例１］
図１は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。本実施例では、トンネル磁気抵抗効果素子はスパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子１は、配向制御膜３００、反強磁性膜３０１、強磁性固定層３０２１、絶縁膜３０５、第一の強磁性膜３０６、第一の非磁性膜３０７、第二の強磁性膜３０８、保護膜３０９により形成され、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。熱処理は、４００℃まで行うことが可能である。強磁性固定層３０２１は、第四の強磁性膜３０２、第二の非磁性膜３０３、第三の強磁性膜３０４で構成される場合もある。以下、強磁性固定層３０２１が、第四の強磁性膜３０２、第二の非磁性膜３０３、第三の強磁性膜３０４で構成される場合について述べる。
【００１２】
配向制御膜３００はＮｉＦｅ（５ｎｍ）により形成したが、Ｔａ（５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（５ｎｍ）の２層膜など、上記反強磁性膜３０１の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することのできる他の材料を用いてもよい。反強磁性膜３０１にはＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いたが、膜厚は５〜１５ｎｍの範囲で選択可能である。また、ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅなど、Ｍｎ化合物で構成される反強磁性膜を用いても安定に反強磁性結合を実現できる。第四の強磁性膜３０２にはＣｏＦｅ（２ｎｍ）を、第二の非磁性膜３０３にはＲｕ（０．８ｎｍ）を、第三の強磁性膜３０４には体心立方格子をもつＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）を用いた。第四の強磁性膜３０２のＣｏＦｅの組成比は、Ｃｏ組成を５０〜９０ａｔｍ％の間とした。この組成範囲において、上記反強磁性膜と安定した反強磁性結合を実現できる。第四の強磁性膜３０２、第二の非磁性膜３０３、第三の強磁性膜３０４は、第四の強磁性膜３０２と第三の強磁性膜３０４の磁化が反強磁性結合するような材料を選択し、それぞれの膜厚は第四の強磁性膜３０２と第三の強磁性膜３０４の磁化の大きさが等しくなるように選択した。
【００１３】
絶縁膜３０５は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜である。絶縁膜の膜厚は０．８ｎｍ〜３ｎｍの範囲とした。絶縁膜３０５の膜厚を前記の範囲とすることにより、任意の電気抵抗を選択することが可能である。第二の強磁性膜３０８、第一の強磁性膜３０６は体心立方格子をもつＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）を用いた。第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８のＣｏＦｅＢのＣｏとＦｅの組成は５０：５０〜７０：３０の範囲とするのが好ましい。この組成範囲では図１２に示すように体心立方構造が安定に存在し、かつ絶縁膜３０５にＭｇＯを適用したトンネル磁気抵抗効果素子１では、ＣｏをＦｅより多く含むことでトンネル磁気抵抗比に寄与するスピン分極率を向上できるためである。第一の非磁性膜３０７は、Ｒｕを用い、その膜厚は第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８の磁化が反平行結合するように選択した。
【００１４】
図３（ａ）は、第一の非磁性膜３０７の膜厚に対する第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８の磁化結合の強さを表す図である。図の磁化結合が正の領域は第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８が反平行結合していることを表し、負の領域は平行結合していることを表す。図３（ｂ）は、第一の非磁性膜３０７の膜厚に対する書込み電流の大きさをプロットした図である。図３（ｂ）から、図３（ａ）で示した反平行結合の膜厚領域において書込み電流が小さいことがわかり、第一の非磁性膜３０７の膜厚は０．４ｎｍから１．４ｎｍの範囲あるいは２．０ｎｍから２．８ｎｍの範囲を選択することが望ましい。
【００１５】
上記第三の強磁性膜３０４、第二の強磁性膜３０８及び第一の強磁性膜３０６のＣｏＦｅＢは、非結晶であってもよく、適当な温度での熱処理により結晶化させてもよい。また、ＣｏＦｅＢの組成比は、体心立方格子が安定となるＣｏ組成が４０〜６０ａｔｍ％、Ｂ組成が１０〜３０ａｔｍ％の間とすることが望ましい。さらに、第一の強磁性膜３０６、第二の強磁性膜３０８にはＣｏＦｅＢ以外に、ＣｏＦｅの単層膜、ＮｉＦｅの単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅあるいはＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅさらにＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅの２層膜を用いてもよい。このときのＣｏＦｅのＣｏ組成は体心立方格子が安定である５０ａｔｍ％が望ましいが、５０〜９０％の間で使用してよい。Ｃｏ組成が大きいと、面心立方格子が安定であり、トンネル磁気抵抗比は減少するが、強磁性自由層として保磁力の小さい良好な磁気特性が実現でき、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流密度をそれぞれの磁気モーメントの大きさに対応して変化させることができる。保護膜３００は、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）の２層膜で形成した。
【００１６】
次に、素子加工プロセスについて述べる。素子加工にはフォトリソグラフィーとイオンミリングを用い、最小０．１μｍ×０．１２μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子を作製した。このように作製されたトンネル磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比は、熱処理を施すことにより増大させることが可能であり、第二の強磁性膜３０８と第一の強磁性膜３０６にＣｏＦｅＢを用いた構成では、３７５℃以上で１時間程度の熱処理を施すことにより２５０％に達した。また、絶縁膜３０５の厚さが０．８ｎｍから３．０ｎｍの範囲では、１００％以上のトンネル磁気抵抗比を示した。また、熱処理の温度は４００℃まで上昇させても、１５０％以上の良好な磁気抵抗比を得ることが可能である。特に、熱処理によりＣｏＦｅＢは結晶化することが確認され、結晶化した後のＣｏＦｅＢが体心立方格子の結晶構造をもつ場合に、トンネル磁気抵抗比は最も大きくなった。
【００１７】
酸化マグネシウムの（１００）配向膜は、非晶質の第三の強磁性膜の上にスパッタ法を用いて作製することは可能であるが、多結晶構造をもつ第三の強磁性膜の上にスパッタ法を用いて作製した場合、良好な（１００）配向膜を得ることは困難であり、トンネル磁気抵抗比は最大でも５０％にとどまった。このことは、第一の強磁性膜３０６と第三の強磁性膜３０４が結晶のＣｏＦｅＢであり、かつ絶縁膜３０５が（１００）配向の結晶の酸化マグネシウムであるトンネル磁気抵抗効果素子１で、２００％以上のトンネル磁気抵抗比が得られている素子は、必ず製膜時の第一の強磁性膜３０６と第三の強磁性膜３０４は非結晶のＣｏＦｅＢであって、熱処理の過程を経て作製されたものであることを示している。このように熱処理によりＣｏＦｅＢ膜を非晶質から結晶化させることにより高い磁気抵抗比を得ることが可能であるが、ＣｏＦｅＢを３５０℃以下の熱処理温度で非晶質の状態で使用してもかまわない。
【００１８】
上記のように、製膜時非晶質であった第一の強磁性膜３０６と第三の強磁性膜３０４を熱処理により結晶化させてトンネル磁気抵抗効果素子１を作製する方法は、従来の方法とは異なる。ただし、第一の強磁性膜３０６にＣｏＦｅ単層膜、ＮｉＦｅ単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ膜を使用したトンネル磁気抵抗効果素子１では、これらの第一の強磁性膜３０６は製膜時から結晶質であり、熱処理により第三の強磁性膜３０４のみが結晶化することになる。第一の強磁性膜３０６にＣｏＦｅ単層膜、ＮｉＦｅ単層膜、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ膜を使用したトンネル磁気抵抗効果素子１の最大のトンネル磁気抵抗比は、それぞれ、２００％、４０％、１５０％であった。
【００１９】
次に、第一の強磁性膜３０６の膜厚ｔ１と第二の強磁性膜３０８の膜厚ｔ２の選択について説明する。ここで、ｔ１＜ｔ２を前提とする。ｔ１＞ｔ２の場合は、スピントルク磁化反転の書込み電流Ｉｃの飛躍的な増大が起きる。
【００２０】
最初に、第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８の磁化の大きさ（それぞれ、Ｍ１、Ｍ２とする）がＭ１＝Ｍ２と等しい場合について説明する。図４にはＭ１＝Ｍ２＝１．５Ｔの例について示す。この磁化の大きさはＣｏＦｅＢやＣｏＦｅの値に相当するものである。図４（ａ）は第一の強磁性膜３０６の膜厚ｔ１に対する第二の強磁性膜３０８の膜厚ｔ２の比（ｔ２／ｔ１）とスピントルク磁化反転の閾値電流密度Ｊｃの関係をプロットした図、図４（ｂ）は膜厚比（ｔ２／ｔ１）と熱安定性の大きさを示すパラメータＫＶ／ｋＴの関係をプロットした図である。Ｋ，Ｖ，ｋ、Ｔは物理パラメータであり、それぞれ一軸異方性定数、体積、ボルツマン定数、温度である。第一の強磁性膜３０６の膜厚ｔ１はｔ１＝１．５ｎｍ、２．０ｎｍ、３．０ｎｍである。
【００２１】
図４（ａ）から、第二の強磁性膜３０８の膜厚ｔ２が厚くなるにつれてＪｃは増大することがわかる。また、ｔ１が薄くなるにつれてＪｃは低減する。一方、図４（ｂ）から、熱安定性は、ｔ１，ｔ２がともに厚くなるにつれて増大することがわかる。ここで、一般に磁気メモリにはＫＶ／ｋＴの値が６０以上の熱安定性が要求される。この値は記録が１０年間保持されるための条件であり、現在のメモリ市場において必要十分な仕様とされている。その数値を満足するには、ｔ１＝１．５〜３．０ｎｍの範囲においては、例えば、ｔ１＝３．０ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．５、ｔ１＝２．０ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．６５、ｔ１＝１．５ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．７５を選択する必要がある。
【００２２】
次に、第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８の磁化の大きさがＭ１＜Ｍ２の場合について評価を行った。ここでは、Ｍ１＝１．５Ｔ、Ｍ２＝１Ｔとした。Ｍ＝１Ｔは例えばＮｉＦｅ膜が相当する。結果を図５に示す。図５には、図４と同様に、第一の強磁性膜の各膜厚ｔ１に対する第二の強磁性膜の膜厚ｔ２の比（ｔ２／ｔ１）に対して、スピントルク磁化反転の閾値電流密度Ｊｃと熱安定性の大きさを示すパラメータＫＶ／ｋＴをプロットした。
【００２３】
図５から、Ｍ１＜Ｍ２の場合も、図４に示した傾向と同様であることがわかる。すなわち、図５（ａ）から、ｔ２が厚くなるにつれてＪｃは増大することがわかる。また、ｔ１が薄くなるにつれてＪｃは低減する。ここで、Ｊｃの絶対値については、図４に示したＭ１＝Ｍ２の場合にくらべて低減する。一方、図５（ｂ）から、熱安定性は、ｔ１，ｔ２がともに厚くなるにつれて増大することがわかる。上記と同様に磁気メモリとして必要とされている熱安定性としてＫＶ／ｋＴで６０以上を仮定すると、その数値を満足するには、ｔ１＝１．５〜３．０ｎｍの範囲においては、例えば、ｔ１＝３．０ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．６、ｔ１＝２．０ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．９であり、ｔ１＝１．５ｎｍのときはＫＶ／ｋＴ＞６０を実現するのは困難であった。
【００２４】
次に、Ｍ１＜Ｍ２の場合についての結果を図６に示す。ここでは、Ｍ１＝１Ｔ、Ｍ２＝１．５Ｔとした。図６に、図４及び図５と同様に、第一の強磁性膜の各膜厚ｔ１に対する第二の強磁性膜の膜厚ｔ２の比（ｔ２／ｔ１）に対してＪｃと熱安定性の大きさを示すパラメータＫＶ／ｋＴをプロットした結果を示す。
【００２５】
これらの結果も前述した図４，５の傾向と同様であることがわかる。図６（ａ）から、ｔ２が厚くなるにつれてＪｃは増大することがわかる。また、ｔ１が薄くなるにつれてＪｃは低減する。ここで、Ｊｃの絶対値については、図４、５に示した場合に比べて特にｔ２／ｔ１＜０．５の範囲において低減する。一方、図６（ｂ）から、熱安定性は、ｔ１，ｔ２がともに厚くなるにつれて増大することがわかる。上記と同様に磁気メモリとして必要とされている熱安定性ＫＶ／ｋＴ＞６０の数値を満足するには、ｔ１＝１．５〜３．０ｎｍの範囲においては、例えば、ｔ１＝３．０ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．３５、ｔ１＝２．０ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．４５、ｔ１＝１．５ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．５を選択する必要がある。
【００２６】
次に、Ｍ１＝Ｍ２＝１Ｔの場合についての結果を図７に示す。図７に、第一の強磁性膜の各膜厚ｔ１に対する第二の強磁性膜の膜厚ｔ２の比（ｔ２／ｔ１）に対してスピントルク磁化反転の閾値電流密度Ｊｃと熱安定性の大きさを示すパラメータＫＶ／ｋＴをプロットした結果を示す。
【００２７】
これらの結果も前述した図４から図６の傾向と同様であることがわかる。図７（ａ）から、ｔ２が厚くなるにつれてＪｃは増大することがわかる。また、ｔ１が薄くなるにつれてＪｃは低減する。ここで、Ｊｃの絶対値については、図４、図５、図６に示した場合にくらべて低減する。一方、図７（ｂ）から、熱安定性は、ｔ１，ｔ２がともに厚くなるにつれて増大することがわかる。磁気メモリとして必要とされている安定性ＫＶ／ｋＴ＞６０の数値を満足するには、ｔ１＝１．５〜３．０ｎｍの範囲においては、例えば、ｔ１＝３．０ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．５、ｔ１＝２．０ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．６５、ｔ１＝１．５ｎｍのときｔ２／ｔ１＞０．７５を選択する必要がある。
【００２８】
上例のようにＭ１，Ｍ２はそれぞれ第一の強磁性膜及び第二の強磁性膜の磁化の大きさを与えるが、例えば、第一の強磁性膜がＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ／ＮｉＦｅさらにＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅのように２層により構成される場合、これらのトータルの磁化の大きさとしてＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅＢの各膜厚が設定される。また、ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅＢの単層膜を第一の強磁性膜、第二の強磁性膜として適用してもよい。
【００２９】
［実施例２］
図２は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子２は、配向制御膜３００、第二の強磁性膜３０８、第一の非磁性膜３０７、第一の強磁性膜３０６、絶縁膜３０５、強磁性固定層３０２１、反強磁性膜３０１、保護膜３０９により形成される。特に第一の強磁性膜３０６及び第三の強磁性膜３０４にＣｏＦｅＢを用いた場合、その結晶構造は体心立方格子であり、絶縁膜３０５は（１００）に高配向した岩塩構造をもつＭｇＯである。さらに、第一の強磁性膜３０６、第一の非磁性膜３０７、第二の強磁性膜３０８の３層でトンネル磁気抵抗効果素子２の自由層が形成される。強磁性固定層３０２１は、第四の強磁性膜３０２、第二の非磁性膜３０３、第三の強磁性膜３０４で構成される場合もある。以下、強磁性固定層３０２１が、第四の強磁性膜３０２、第二の非磁性膜３０３、第三の強磁性膜３０４で構成される場合について述べる。
【００３０】
本構成のトンネル磁気抵抗効果素子２では、第二の強磁性膜３０８は、配向制御膜３００に隣接して作製され、さらにその上に第一の非磁性膜３０７、第一の強磁性膜３０６が作製されるため、平坦性に優れている。したがって、実施例１の構造に比べて第一の強磁性膜３０７の軟磁気特性が向上し、第一の強磁性膜３０６、第一の非磁性膜３０７、第二の強磁性膜３０８の３層で形成される自由層の磁気特性が改善できる。例えば、結晶化した後のＣｏＦｅＢの磁化曲線の角型比が改善され、スピントルク磁化反転におけるスイッチングが円滑に起こる。絶縁膜３０５も平坦な膜に形成される。しかし、反強磁性膜３０１がトンネル磁気抵抗効果素子２の積層方向の上方に製膜されるため、当該膜の配向性が実施例１に比べ劣化するため第四の強磁性膜との間に働く反強磁性結合が弱くなり、実施例１に比べ耐熱処理特性が劣化し、４００℃の熱処理によりトンネル磁気抵抗比は減少する傾向を示す。トンネル磁気抵抗効果素子２の作製方法、それぞれの膜に使用した材料は実施例１と同様である。また、このトンネル磁気抵抗効果素子２によって得られた磁気抵抗比は、実施例１とほぼ同様の２００％であった。
【００３１】
本実施例においての第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８の各厚の選択については、図４から図７に述べた方法と同様である。
【００３２】
ここで、実施例１と実施例２における第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８の材料選択と図４から図７に示した膜厚の比に対して得られた結果の対応を図８と図９に表にまとめて記載した。図８は、第一の強磁性膜３０６に単層膜を使用した場合、図９は第一の強磁性膜に３０６に２層の強磁性膜を使用した場合について示した。上記のトンネル磁気抵抗効果素子と以下の磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリを構成するトンネル磁気抵抗素子の第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８は図８と図９に示した材料を使用することが可能である。
【００３３】
［実施例３］
図１０は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１、２に示したトンネル磁気抵抗効果素子１０を搭載している。
【００３４】
Ｃ−ＭＯＳ１１は、２つのｎ型半導体１２，１３と一つのｐ型半導体１４からなる。ｎ型半導体１２にドレインとなる電極２１が電気的に接続され、電極４１及び電極４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１３には、ソースとなる電極２２が電気的に接続されている。さらに２３はゲート電極であり、このゲート電極２３のｏｎ／ｏｆｆによりソース電極２２とドレイン電極２１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する。上記ソース電極２２に電極４５、電極４４、電極４３、電極４２、電極４６が積層され、電極４６を介してトンネル磁気抵抗効果素子１０の配向制御膜３００が接続されている。
【００３５】
ビット線２１２は上記トンネル磁気抵抗効果素子１０の保護膜３０９に接続されている。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果素子１０に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果素子１０の第一の強磁性膜３０６と第一の非磁性膜３０７と第二の強磁性膜３０８で構成される強磁性自由層の磁化方向を回転し磁気的情報を記録する。スピントランスファートルクは空間的な外部磁界ではなく主として、トンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンが前記トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与える原理である。このスピン偏極した電流はトンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すこと自身で発生するメカニズムをもつ。したがって、トンネル磁気抵抗効果素子に外部から電流を供給する手段を備え、その手段から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。本実施例では、ビット線２１２と電極４６の間に電流が流れることによりトンネル磁気抵抗効果素子１０中の第一の強磁性膜３０６と第二の強磁性膜３０８で構成される強磁性自由層にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。
【００３６】
図１１は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極２３とビット線２１２がメモリセル１００に電気的に接続されている。前記実施例に記載した磁気メモリセルを配置することにより前記磁気メモリは低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第一の構成例を示した図である。
【図２】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第二の構成例を示した図である。
【図３】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子における、第一の非磁性膜の膜厚に対して第一の強磁性膜と第二の強磁性膜の間の反平行結合の強さ（ａ）と書込み電流密度（ｂ）をプロットした図である。
【図４】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子における書込み電流（ａ）と熱安定性（ｂ）の特性例を示した図である。
【図５】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子における書込み電流（ａ）、熱安定性（ｂ）の特性例を示した図である。
【図６】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子における書込み電流（ａ）、熱安定性（ｂ）の特性例を示した図である。
【図７】本発明のトンネル磁気抵抗効果素子における書込み電流（ａ）、熱安定性（ｂ）の特性例を示した図である。
【図８】第一の強磁性膜と第二の強磁性膜の材料選択例と各々の組み合わせでの特性例を示した図である。
【図９】第一の強磁性膜と第二の強磁性膜の材料選択例と各々の組み合わせでの特性例を示した図である。
【図１０】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図１１】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。
【図１２】ＣｏxＦｅ100-xの組成に対する結晶構造を示した図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…トンネル磁気抵抗効果素子、２…トンネル磁気抵抗効果素子、１０…トンネル磁気抵抗効果素子、１００…トンネル磁気抵抗効果素子、１１…トランジスタ、１２…第一のｎ型半導体、１３…第二のｎ型半導体、１４…ｐ型半導体、２１…ソース電極、２１２…ビット線、２２…ドレイン電極、２３…ゲート電極、３００…配向制御膜、３０１…反強磁性膜、３０２１…強磁性固定層、３０２…第四の強磁性膜、３０３…第二の非磁性膜、３０４…第三の強磁性膜、３０５…絶縁膜、３０６…第一の強磁性膜、３０７…第一の非磁性膜、３０８…第二の強磁性膜、３０９…保護膜、４１…電極配線、４２…電極配線、４３…電極配線、４４…電極配線、４５…電極配線、４６…電極配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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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