(57)【要約】【課題】低い磁界で記録動作を行うことが可能であり、低消費電力かつ広い磁界範囲で安定して動作させることが可能な磁気記憶素子及び磁気メモリを提供する。【解決手段】情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層３が複数層の磁性層１６，１８，２０から成り、記憶層３に対して、非磁性層１５を介して複数層の磁性層１２，１４から成る磁化固定層２が配置され、記憶層３の複数層の強磁性層１６，１８，２０のうち、最上層１８及び最下層１６がアモルファス層である磁気記憶素子１を構成する。また、この磁気記憶素子１と、それぞれ交差する第１の配線５と第２の配線６とを有し、第１の配線５及び第２の配線６とが交差する交点付近に、それぞれ磁気記憶素子１が配置されて成る磁気メモリを構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、複数層の強磁性層と１層以上の非磁性層とから成り、
前記記憶層に対して、非磁性層を介して、磁化の向きが固定された磁化固定層が配置され、
前記記憶層の複数層の強磁性層のうち、最上層及び最下層がアモルファス層である
ことを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】
前記記憶層を構成する非磁性層の直下に、結晶質の強磁性層が配されていることを特徴とする請求項１に記載した磁気記憶素子。
【請求項３】
前記結晶質の強磁性層がＣｏＦｅＮｉ合金層であり、Ｎｉの含有量（原子％）が１９．０％以上５８．０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記ＣｏＦｅＮｉ合金層の組成ＣｏｘＦｅｙＮｉｚ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）が、２５．０≦ｘ≦７０．０，１２．０≦ｙ≦１８．０，１９．０≦ｚ≦５８．０を同時に満たす範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記記憶層の強磁性層のうち、最下層のアモルファス層が、異方性磁界の小さい磁性層と、異方性磁界の大きい磁性層とが積層されて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記結晶質の強磁性層の膜厚が、０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、複数層の強磁性層と１層以上の非磁性層とから成り、
前記記憶層に対して、非磁性層を介して、磁化の向きが固定された磁化固定層が配置され、
前記記憶層の複数層の強磁性層のうち、最上層及び最下層がアモルファス層である磁気記憶素子と、
互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、
前記第１の配線と前記第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ前記磁気記憶素子が配置されて成る
ことを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記憶素子及び磁気メモリに関するものであり、特に不揮発性メモリに用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のＤＲＡＭが広く使用されている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
【０００３】
情報通信機器、特に携帯端末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等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。
特に、不揮発性メモリは、機器の高機能化に必要不可欠な部品と考えられている。
例えば、電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリはシステムや個人の重要な情報を保護することができる。
また、最近の携帯機器は、不要の回路ブロックをスタンバイ状態にしてできるだけ消費電力を抑えるように設計されているが、高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリを実現することができれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。
さらに、高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば、電源を入れると瞬時に起動できる“インスタント・オン”機能も可能になってくる。
【０００４】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory ）等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いため、高速なアクセスに向かないという欠点がある。
一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０１２〜１０１４と有限であるため、完全にＳＲＡＭやＤＲＡＭを置き換えるには耐久性が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。
【０００５】
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ；Magnetic Random Access Memory ）である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
初期のＭＲＡＭは、ＡＭＲ（anisotropic magnetoresistive）効果や、ＧＭＲ（Giant magnetoresistance ）効果等を利用した、スピンバルブをベースにした構成であった（非特許文献２及び非特許文献３参照）。
しかし、これらの構成では、負荷のメモリセル抵抗が１０〜１００Ωと低いため、読み出し時のビット当たりの消費電力が大きく大容量化が難しいという欠点があった。
【０００７】
そこで、ＴＭＲ(Tunnel Magnetoresistance)効果を利用した構成のＭＲＡＭが提案されている。
当初は、室温における抵抗変化率が１〜２％しかなかったが（非特許文献４参照）、近年では２０％近くの抵抗変化率が得られるようになり（非特許文献５参照）、ＴＭＲ効果を利用したＭＲＡＭに注目が集まるようになってきている。
【０００８】
ＭＲＡＭでは、マトリクス状に配列されたＴＭＲ効果型の記憶素子を有するとともに、その素子群のうち特定の素子に情報を記録するために、素子群を縦横に横切るワード書き込み線とビット書き込み線を有しており、その交差領域に位置する記憶素子のみに、選択的に情報の記録（書き込み）を行うように構成されている。
【０００９】
そして、記憶素子に情報の記録を行う方法には、アステロイド特性を利用した方法（例えば、特許文献１参照）とスイッチング特性を利用した方法（例えば、特許文献２参照）がある。
アステロイド特性を利用した方法は、選択性が各記憶素子の保磁力特性に依存するために、素子の寸法や磁気特性のばらつきに弱いという欠点があった。
これに対して、スイッチング特性を利用した方法は、素子選択に使える磁界範囲が広いので、素子ごとの特性ばらつきが多少あっても、大規模なメモリを実現しやすい、という利点がある。
【００１０】
ここで、スイッチング特性を利用したＭＲＡＭの模式的断面図を図６に示す。
メモリセルに記録された情報を読み出すために、メモリセルを電気的に選択するためには、ダイオード又はＭＯＳトランジスタ等を用いることができるが、図６に示す構成はＭＯＳトランジスタを用いている。
【００１１】
まず、ＭＲＡＭのメモリセルを構成する磁気記憶素子１０１の構成を説明する。
第１の磁化固定層１１２及び第２の磁化固定層１１４の２層の磁性層は、非磁性層１１３を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。さらに、第１の磁化固定層１１２は、反強磁性層１１１と接して配置されており、これらの層間に働く交換相互作用によって、強い一方向の磁気異方性を有する。そして、これら４層１１１，１１２，１１３，１１４により固定層１０２が構成される。
第１の記憶層１１６及び第２の記憶層１１８の２層の磁性層は、非磁性層１１７を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。これら第１の記憶層１１６及び第２の記憶層１１８は、それぞれの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが比較的容易に回転するように構成される。そして、これら３層１１６，１１７，１１８により記憶層（自由層）１０３が構成される。
第２の磁化固定層１１４と第１の記憶層１１６との間、即ち固定層１０２と記憶層（自由層）１０３との間には、トンネル絶縁層１１５が形成されている。このトンネル絶縁層１１５は、上下の磁性層１１６及び１１４の磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流す役割を担う。これにより、磁性層の磁化の向きが固定された固定層１０２と、トンネル絶縁層１１５と、磁化の向きを変化させることが可能な記憶層（自由層）１０３とにより、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistance ）素子が構成されている。
そして、上述の各層１１１〜１１８と、下地膜１１０及びトップコート膜１１９により、ＴＭＲ素子から成る磁気記憶素子１０１が構成されている。
【００１２】
また、シリコン基板１３０中に選択用ＭＯＳトランジスタ１３１が形成され、この選択用ＭＯＳトランジスタ１３１の一方の拡散層１３３上に接続プラグ１０８を介して、引き出し電極１０９が形成されている。この引き出し電極１０９上に、磁気記憶素子１０１の下地膜１１０が接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタ１３１のもう一方の拡散層１３２は、図示しないが、接続プラグを介してセンス線に接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタのゲート１３０は、選択信号線と接続されている。
磁気記憶素子１０１のトップコート膜１１９は、その上のビット線（ＢＬ）１０６に接続されている。また、磁気記憶素子１０１の下方には絶縁膜を介して、書き込みワード線（ＷＬ）１０５が配置されている。
【００１３】
定常状態において、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２とは、概ね反平行状態（向きが正反対の状態）にある。同様に、非磁性層１１３を介した強い反強磁性結合により、第１の磁化固定層１１２の磁化Ｍ１１と第２の磁化固定層１１４の磁化Ｍ１２とは、ほぼ完全な反平行状態にある。
通常、第１の磁化固定層１１２と第２の磁化固定層１１４とは、飽和磁化膜厚積が等しい構成とされるため、磁極磁界の漏洩成分は無視できるくらい小さい。
【００１４】
この構成のメモリセルにおいて、磁気記憶素子１０１の記憶層１０３に情報を記録する際には、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きを反転させるために、ビット線１０６及びワード線１０５に、それぞれ、ビット線電流及びワード線電流を流す。
ビット線電流及びワード線電流は、それぞれ、ビット線電流磁界及びワード線電流磁界を誘起し、これらビット線電流磁界及びワード線電流磁界の合成磁界は、時計回りまたは反時計回りに回る回転磁界を形成する。これらの電流磁界の印加によって、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きの向きを変えることにより、記憶層１０３に情報（例えば、情報”１”又は情報”０”）を記録することができる。
また、記録された情報の読み出しは、磁気抵抗効果によるトンネル電流の変化を検出して行うことができる。
【００１５】
続いて、図６のＭＲＡＭの磁気記憶素子１０１において、外部磁界としてワード線電流磁界とビット線電流磁界を印加したとき、記憶層１０３の第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きの変化を説明する。
外部磁界を印加することにより、記憶層１０３の第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１及び第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きが変化するが、外部磁界を印加する前の状態と、外部磁界を取り去った後の状態との関係により、３種類の動作に大別することができる。
【００１６】
まず、外部磁界の印加の前の状態と、外部磁界を取り去った後の状態とで、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きが反転する（２つの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが入れ替わり、交番的に変化する）動作がある。以下、このような動作を、Ｔｏｇｇｌｅ動作と呼ぶ。
また、外部磁界の印加の前の状態と、外部磁界を取り去った後の状態とで、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２の向きが同じ向きになる（２つの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが入れ替わらない）動作がある。以下、このような動作を、Ｎｏ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ動作と呼ぶ。
さらにまた、外部磁界の印加の前の状態に係わらず、外部磁界を取り去った後の状態では、第１の記憶層１１６の磁化Ｍ１と第２の記憶層１１８の磁化Ｍ２が、それぞれ決まった向きに変化する動作がある。この動作では、外部磁界を印加している間に、２層の磁化Ｍ１，Ｍ２が同じ向き（平行）になってしまい、外部磁界を印加する前の反平行状態の記憶が失われるため、外部磁界を除去した後の状態では、２層の磁化Ｍ１，Ｍ２が一方通行な磁化回転をして、ある決まった向きに変化する。以下、このような動作を、Ｄｉｒｅｃｔ動作と呼ぶ。
【００１７】
マトリクス状に配列されたメモリセル群において、ワード線とビット線の交点に配置された特定のメモリセルのみを選択的に磁化反転させるには、選択されたメモリセルが所属するワード線及びビット線に電流を流す。
このとき、選択されたメモリセルに印加される合成磁界が、Ｔｏｇｇｌｅ動作の領域又はＤｉｒｅｃｔ動作の領域の範囲内に含まれている必要がある。
【００１８】
【非特許文献１】Wang et al.,IEEETrans.Magn.,1997,Vol.33,p.4498
【非特許文献２】J.M.Daughton,ThinSolid Films,1992,vol.216,p.162-168
【非特許文献３】D.D.Tang et al.,IEDM Technical Digest,1997,p.995-997
【非特許文献４】R.Meservey et al.,Pysics Reports,1994,vol.238,p.214-217
【非特許文献５】T.Miyazaki et al.,J.Magnetism & Magnetic Material,1995,vol.139,L231
【特許文献１】特開平１０−１１６４９０号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／００７２１７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
スイッチング特性を利用した記憶素子において、反強磁性交換結合Ｈｓ及び異方性磁界Ｈｋから、記録動作に必要な最小磁界は、おおよそ√（Ｈｓ・Ｈｋ）とされる。
また、Ｔｏｇｇｌｅ動作の領域の上限磁界は、おおよそＨｓ−Ｈｋで決定される。
【００２０】
しかしながら、熱安定性の観点から、反強磁性交換結合Ｈｓ及び異方性磁界Ｈｋは、ある程度以上の大きさでなければならないという制約がある。
このため、従来提案されている、スイッチング特性を利用したＭＲＡＭでは、低磁界でＴｏｇｇｌｅ動作を行うことと、安定動作領域を広く確保することとを、両立させることが困難であった。
【００２１】
上述した問題の解決のために、本発明においては、低い磁界で記録動作を行うことが可能であり、低消費電力かつ広い磁界範囲で安定して動作させることが可能な磁気記憶素子及びこの磁気記憶素子を備えた磁気メモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の磁気記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、複数層の強磁性層と１層以上の非磁性層とから成り、記憶層に対して、非磁性層を介して、磁化の向きが固定された磁化固定層が配置され、記憶層の複数層の強磁性層のうち、最上層及び最下層がアモルファス層であるものである。
【００２３】
本発明の磁気メモリは、磁気記憶素子と、互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、第１の配線と第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成り、磁気記憶素子が上記本発明の磁気記憶素子の構成であるものである。
【００２４】
上述の本発明の磁気記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が複数層の磁性層から成り、記憶層に対して、非磁性層を介して、磁化の向きが固定された磁化固定層が配置され、記憶層の複数層の強磁性層のうち、最上層及び最下層がアモルファス層であることにより、記憶層の各磁性層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うために必要となる、電流磁界（ワード線電流磁界やビット線電流磁界）のしきい値を低減することができ、情報の記録に必要となる電流量を低減することが可能になる。
【００２５】
上述の本発明の磁気メモリの構成によれば、磁気記憶素子と、互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、第１の配線と第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ磁気記憶素子が配置されて成ることにより、第１の配線や第２の配線に電流を流すことにより磁気記憶素子に磁場（電流磁場）を印加することが可能であり、この磁場により記憶層の各磁性層の磁化の向きを変化させて情報を記録することが可能である。
そして、特に、磁気記憶素子が上記本発明の磁気記憶素子の構成であるため、情報の記録に必要となる電流量を低減することが可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
上述の本発明によれば、情報の記録に必要となる電流量を低減することが可能になるので、従来よりも低い電流量で情報を記録することが可能になる。
従って、情報の記録に必要となる消費電力を低減することが可能になる。
また、広い磁界範囲で安定して動作させることができる。
【００２７】
さらに、本発明により、磁気メモリを構成する磁気記憶素子を微細化して、磁気メモリの小型化や記憶容量の増大を図ることが、容易に可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の一実施の形態として、スイッチング特性を利用したＭＲＡＭの概略構成図（模式的断面図）を図１に示す。
本実施の形態においても、図６に示した従来の構成と同様に、メモリセルの読み出しのために選択用ＭＯＳトランジスタを用いている。
【００２９】
まず、ＭＲＡＭのメモリセルを構成する磁気記憶素子１の構成を説明する。
第１の磁化固定層１２及び第２の磁化固定層１４の２層の磁性層は、非磁性層１３を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。さらに、第１の磁化固定層１２は、反強磁性層１１と接して配置されており、これらの層間に働く交換相互作用によって、強い一方向の磁気異方性を有する。そして、これら４層１１，１２，１３，１４により固定層２が構成される。
【００３０】
この固定層２と、磁性体の磁化状態により情報が保持される記憶層（自由層）３との間に、トンネル絶縁層１５が形成されている。
このトンネル絶縁層１５は、上下の磁性層の磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流す役割を担う。これにより、磁性層の磁化の向きが固定された固定層２と、トンネル絶縁層１５と、磁化の向きを変化させることが可能な記憶層（自由層）３とにより、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistance ）素子が構成されている。
【００３１】
記憶層（自由層）３の上には、トップコート膜１９が形成されている。このトップコート膜１９は、磁気記憶素子１と接続された配線（ビット線）６との相互拡散防止、接触抵抗の低減及び記憶層３の磁性層の酸化防止という役割がある。
反強磁性層１１の下には、下地膜１０が形成されている。この下地膜１０は、上方に積層される層の結晶性を高める作用がある。
【００３２】
本実施の形態においては、特に、記憶層（自由層）３の層構成に特徴を有している。
具体的には、図６に示した従来の構成の記憶層（自由層）１０３と同様の、磁性層１６・非磁性層１７・磁性層１８に加えて、さらに磁性層１６と非磁性層１７との間に磁性層２０を設けて、これら各層１６，２０，１７，１８の積層により、記憶層（自由層）３を構成している。
そして、本実施の形態においては、磁性層１６及び磁性層１８を、非晶質の強磁性体により形成し、磁性層２０を結晶質の強磁性体により形成する。以下、それぞれ、非晶質磁性層１６、結晶質磁性層２０、非晶質磁性層１８と呼ぶこととする。
【００３３】
第１及び第２の磁化固定層１２及び１４には、例えば、ニッケルまたは鉄またはコバルト、或いはこれらの合金を主成分とする強磁性体が用いられる。
非晶質磁性層１６及び非晶質磁性層１８には、ニッケルまたは鉄またはコバルト、或いはこれらの合金を主成分として、さらに硼素等の元素を添加することにより、非晶質となった強磁性体が用いられる。
結晶質磁性層２０には、ニッケルまたは鉄またはコバルト、或いはこれらの合金を主成分とし、かつ結晶質である強磁性体が用いられる。
非磁性層１３，１７の材料としては、例えば、タンタル、クロム、ルテニウム等が使用できる。
反強磁性層１１の材料としては、例えば、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等のマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物等が使用できる。
下地膜１０には、例えば、クロム、タンタル等を使用できる。
トップコート膜１９には、例えば、銅、タンタル、ＴｉＮ等の材料が使用できる。
【００３４】
これらの磁性層１２，１４，１６，２０，１８及び導体膜１０，１３，１７，１９は、例えば、スパッタリング法もしくは蒸着といったＰＶＤ（物理的気相成長）法、又はＣＶＤ（化学的気相成長）法により形成される。
トンネル絶縁層１５は、例えば、スパッタリングで形成された金属膜を酸化、もしくは窒化させることにより得ることができる。
【００３５】
そして、上述の各層１１〜１８，２０と、下地膜１０及びトップコート膜１９により、ＴＭＲ素子から成る磁気記憶素子１が構成されている。
【００３６】
また、シリコン基板３０中に選択用ＭＯＳトランジスタ３１が形成され、この選択用ＭＯＳトランジスタ３１の一方の拡散層３３上に接続プラグ８を介して、引き出し電極９が形成されている。この引き出し電極９上に、磁気記憶素子１の下地膜１０が接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタ３１のもう一方の拡散層３２は、図示しないが、接続プラグを介してセンス線に接続されている。選択用ＭＯＳトランジスタのゲート３０は、選択信号線と接続されている。
磁気記憶素子１のトップコート膜１９は、その上のビット線（ＢＬ）６に接続されている。また、磁気記憶素子１の下方には絶縁膜を介して、書き込みワード線（ＷＬ）５が配置されている。
【００３７】
非晶質磁性層１６と結晶質磁性層２０とは、非磁性層を介さないで直接積層されていることにより、磁気的に単層構造となり、同じ向きの磁化Ｍ１を有している。
一方、これら非晶質磁性層１６及び結晶質磁性層２０と、非晶質磁性層１８とは、非磁性層１７を介して配置されていることにより、反強磁性結合している。
これにより、定常状態において、非晶質磁性層１６及び結晶質磁性層２０の磁化Ｍ１と、非晶質磁性層１８の磁化Ｍ２とは、概ね反平行状態（向きが正反対の状態）にある。
同様に、非磁性層１３を介した強い反強磁性結合により、第１の磁化固定層１２の磁化Ｍ１１と第２の磁化固定層１４の磁化Ｍ１２は、ほぼ完全な反平行状態にある。
なお、記憶層３の各磁性層１６，２０，１８は、それぞれの磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが比較的容易に回転するように構成される。
【００３８】
なお、固定層２の各磁性層１２，１４の磁化Ｍ１１，Ｍ１２の向きは、図１とは反対であっても問題はない。
また、記憶層３の各磁性層１６，２０，１８の磁化Ｍ１，Ｍ２の向きも、図１とは反対であっても問題はない。
【００３９】
上述の本実施の形態の構成によれば、記憶層３を、非晶質磁性層１６、結晶質磁性層２０、非磁性層１７、非晶質磁性層１８が積層された構成としたことにより、反強磁性交換結合Ｈｓと異方性磁界Ｈｋとを低減することができる。
これにより、記録動作に必要な最小磁界を小さくすることができるため、記録動作を行う磁界を発生させるために配線に流す電流量も低減することができる。
従って、本実施の形態の構成により、情報の記録に必要となる消費電力を低減することが可能になる。
【００４０】
また、前述したように、磁気記憶素子を微細化するためには、情報の記録に必要となる消費電力を低減する必要があるため、本実施の形態の構成により、ＭＲＡＭのメモリセルを構成する磁気記憶素子１を微細化して、ＭＲＡＭの小型化や記憶容量の増大を図ることが、容易に可能となる。
また、情報の記録に必要となる電流量を低減することが可能になるため、記録用の電流を流す配線におけるエレクトロン・マイグレーション破断の発生を低減することができ、これにより信頼性の向上を図ることができる。
【００４１】
なお、記憶層３の最下層の非晶質磁性層１６を、さらに、第１の磁性層と第１の磁性層よりも異方性磁界Ｈｋの小さい第２の磁性層とを直接積層させた構成とすることも可能である。このような構成とすることにより、非晶質磁性層１６全体を第１の磁性層の材料により構成した場合と比較して、異方性磁界Ｈｋを低減することができる。
【００４２】
続いて、本発明に係る磁気記憶素子を実際に作製して、特性を調べた。
【００４３】
まず、下記の層構成（１）で積層膜を形成して、磁気特性を調べた。なお、各層の材料の組成式にある添え字は、各元素のｗｔ％の数値である。
基板／Ｃｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０膜（非晶質磁性層）：４ｎｍ／結晶質磁性層：１ｎｍ／Ｒｕ膜（非磁性層）：２．２ｎｍ／Ｃｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０膜（非晶質磁性層）：６．５ｎｍ／Ｔａ膜：５ｎｍ  （１）
この層構成（１）は、基板上に、図１の磁気記憶素子１の記憶層３の各層１６，２０，１７，１８及びキャップ層１９と同様の層構成となっている。
上記層構成（１）において、結晶質磁性層は、その組成を（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）ｘ（Ｎｉ８０Ｆｅ２０）１−ｘとして、ｘの範囲を０．２〜１．０の間で変化させて、それぞれの試料を作製した。なお、磁気記憶素子を作製する際に通常行われる、積層膜のパターニング工程は行わず、各層をベタ膜としたままで測定用試料とした。
そして、作製した各試料について、反強磁性交換結合Ｈｓの大きさを測定した。
測定結果として、反強磁性交換結合Ｈｓの組成依存性を図３に示す。
【００４４】
図３より、組成比ｘが小さくなる、即ち結晶質磁性層のＮｉ含有量が増加するのに従って、反強磁性交換結合Ｈｓが減少していることがわかる。
【００４５】
（実施例１・実施例２、比較例）
次に、磁気記憶素子１の各層を図１の断面図に示すように構成した、磁気記憶素子１の試料を作製した。
まず、基板上に、下地膜１０として膜厚５ｎｍのＴａ膜、反強磁性層１１として膜厚３０ｎｍのＰｔ５０Ｍｎ５０膜（添え字はｗｔ％；以下同様）、固定層２の第１の磁化固定層１２として膜厚１．８ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０膜、非磁性層１３として膜厚１．８ｎｍのＲｕ膜、第２の磁化固定層１４として膜厚２ｎｍのＣｏ３５Ｆｅ３５Ｂ３０膜、トンネル絶縁層１５として膜厚０．８ｎｍの酸化アルミニウム膜を順次形成した。
さらに、記憶層３の非晶質磁性層１６として膜厚４ｎｍのＣｏ３５Ｆｅ３５Ｂ３０膜、膜厚１ｎｍの結晶質磁性層２０、非磁性層１７として膜厚２ｎｍのＲｕ膜、非晶質磁性層１８として膜厚５．５ｎｍのＣｏ３５Ｆｅ３５Ｂ３０膜を順次形成して、図１の磁気記憶素子１と同様の断面構造を有する磁気記憶素子の積層膜を作製した。
続いて、積層膜を、平面形状が短軸０．４μｍ×長軸０．５μｍの楕円形状となるようにパターニングして、実施例の磁気記憶素子の試料とした。
実施例１は、結晶質磁性層２０として、Ｃｏ６８．２Ｆｅ１２．５Ｎｉ１９．３膜を用いた。この組成は、図３の結晶質磁性層の組成ｘにおいて、ｘ＝０．７６の場合に相当する。
実施例２は、結晶質磁性層２０として、Ｃｏ４７．４Ｆｅ１４．７Ｎｉ３７．９膜を用いた。この組成は、図３の結晶質磁性層の組成ｘにおいて、ｘ＝０．５３の場合に相当する。
また、比較例の試料として、結晶質磁性層２０に膜厚１ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０膜を用い、非晶質磁性層１８の膜厚を６．５ｎｍとした磁気記憶素子を作製した。
【００４６】
これら比較例及び実施例の各試料について、磁気記憶素子に印加する磁界の大きさを変えて、Ｔｏｇｇｌｅ動作するかどうかを調べた。
測定結果として、各試料の印加磁界とＴｏｇｇｌｅ動作の歩留まりとの関係を、図４Ａ及び図４Ｂに示す。図４Ｂは、図４Ａの−２００［Ｏｅ］〜＋２００［Ｏｅ］の範囲を横に拡大して示したものである。
【００４７】
図４Ａ及び図４Ｂより、比較例の試料と比較して、各実施例の試料は、Ｔｏｇｇｌｅ動作の下限磁界を低減する効果が得られることが実証された。
即ち、結晶質磁性層２０にＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金を用いることにより、Ｔｏｇｇｌｅ動作の下限磁界が、比較例の１５０［Ｏｅ］から、実施例１及び実施例２では１２０［Ｏｅ］程度にまで低減されていることが分かる。
また、実施例１と実施例２のＴｏｇｇｌｅ動作の下限磁界を比較すると、Ｎｉの含有量が多い実施例２の方が下限磁界が低くなっていることが分かる。
この結果は、図３に示したベタ膜の場合の測定結果とよく一致している。
【００４８】
また、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金を用いることにより、Ｔｏｇｇｌｅ動作の磁界は低減されたが、それによって、Ｃｏ−Ｆｅ合金を用いた場合（比較例）と比較して、Ｔｏｇｇｌｅ動作の領域が狭くなるといった現象は観測されていない。
このことから、結晶質磁性層２０として、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金を用いることにより、低磁界でＴｏｇｇｌｅ動作させて、記憶層３に情報を記録することができ、かつ、広い磁界範囲で安定して動作させることが可能な磁気メモリを実現することができることが分かる。
【００４９】
（実施例３）
次に、非晶質磁性層１６として、膜厚１ｎｍのＣｏ３５Ｆｅ３５Ｂ３０膜（実施例１及び実施例２と同じ組成の膜）と膜厚３ｎｍのＣｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０膜（Ｈｋの小さい膜）の積層膜を用いて、その他の各層は実施例１と同じ構成として、磁気記憶素子を作製して、実施例３の試料とした。
Ｃｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０膜は、実施例１及び実施例２のＣｏ３５Ｆｅ３５Ｂ３０膜と比較して、Ｃｏが多くＦｅが少なくなっていることにより、Ｈｋが小さくなる。
【００５０】
この実施例３の試料について、磁気記憶素子に印加する磁界の大きさを変えて、Ｔｏｇｇｌｅ動作するかどうかを調べた。
測定結果として、比較例、実施例１、並びに実施例３の印加磁界とＴｏｇｇｌｅ動作の歩留まりとの関係を、併せて図５Ａ及び図５Ｂに示す。図５Ｂは、図５Ａの−２００［Ｏｅ］〜＋２００［Ｏｅ］の範囲を横に拡大して示したものである。
【００５１】
図５Ａ及び図５Ｂより、固定層２側の非晶質磁性層１６にＨｋの異なる膜を積層させた構造を用いることにより、Ｔｏｇｇｌｅ動作の下限磁界が、さらに９０［Ｏｅ］程度にまで低減されることがわかる。
これは、固定層２側の非晶質磁性層１６を、Ｈｋの異なる２つの膜を積層させた構造としたことにより、記憶層３全体のＨｓとＨｋの絶対値及びバランスが最適化されたため、Ｔｏｇｇｌｅ動作の下限磁界がさらに低くなった、と考えられる。
また、この場合においても、安定してＴｏｇｇｌｅ動作がなされる磁界範囲が小さくなるようなことはない。
【００５２】
なお、上述の実施例１〜実施例３では、いずれも記憶層３の非磁性層１７の直下の結晶質磁性層１６のＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉ膜の膜厚を１ｎｍとしていたが、これは、例示した試料の記憶層３全体の磁気モーメントをゼロに調整するための厚さであり、各非晶質磁性層の膜厚に対応して、０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の範囲で変化させることが可能である。
【００５３】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施の形態のスイッチング特性を利用したＭＲＡＭの模式的断面図である。
【図２】図１のＭＲＡＭを直上より見た模式的平面図である。
【図３】図１の磁気記憶素子の記憶層及びキャップ層と同様の層構成を基板上に形成した試料における、反強磁性交換結合Ｈｓの組成依存性を示す図である。
【図４】Ａ、Ｂ  比較例及び実施例の磁気記憶素子の各試料の印加磁界とＴｏｇｇｌｅ動作の歩留まりとの関係を示す図である。
【図５】Ａ、Ｂ  比較例及び実施例の磁気記憶素子の各試料の印加磁界とＴｏｇｇｌｅ動作の歩留まりとの関係を示す図である。
【図６】スイッチング特性を利用したＭＲＡＭの模式的断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  磁気記憶素子、２  固定層、３  記憶層（自由層）、５  ワード線、６  ビット線、１１  反強磁性層、１２  第１の磁化固定層、１３，１７  非磁性層、１４  第２の磁化固定層、１５  トンネル絶縁層、１６，１８  （非晶質）磁性層、２０  （結晶質）磁性層、３０  シリコン基板、３１  選択用ＭＯＳトランジスタ
【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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