(57)【要約】      （修正有）【課題】書き込み時の過渡特性を改善して、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が小さく、高集積化、高速化、および低消費電力化が可能なスピン注入磁化反転型ＭＴＪ素子及びそれを用いた磁気メモリ装置を提供する。【解決手段】強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶する磁化自由層５、及び、強磁性導体からなり、磁化方向が固定されている磁化固定層３を有し、これらの強磁性導体層を貫流するスピン偏極電流によって磁化自由層５を所定方向に磁化して情報を書き込み、磁気抵抗効果を利用して情報を読み出すように構成された磁気メモリ素子において、磁化自由層５と磁気的に結合し、磁化自由層５の磁化方向の反転の際に生じる磁化方向の変動を抑制するスピントルクフリー層（磁化結合体）１３を設け、且つ、スピン偏極電流がスピントルクフリー層１３に流入するのを防止する構成とする。【選択図】図１
2009049101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶する磁化自由層と；強磁性導体からなり、磁化方向が固定されている磁化固定層と；を有し、これらの強磁性導体層を貫流するスピン偏極電流によって前記磁化自由層を所定方向に磁化して情報を書き込み、書き込まれた情報を磁気抵抗効果を利用して読み出すように構成された磁気メモリ素子において、
前記磁化自由層と磁気的に結合し、前記磁化自由層の磁化方向の反転の際に生じる磁  化方向の変動を抑制する磁化結合体が設けられ、
前記スピン偏極電流が前記磁化結合体に流入するのを抑えるように構成されている
ことを特徴とする、磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記磁化自由層と前記磁化結合体との間に引き出し導電層が設けられ、この引き出し導電層が前記スピン偏極電流を供給する制御回路に電気的に接続されている、請求項１に記載した磁気メモリ素子。
【請求項３】
バイパス導電部材が前記磁化結合体に対して並列に設けられ、この並列導電路が、前記スピン偏極電流を供給する制御回路と前記磁化自由層との間に電気的に接続され、前記スピン偏極電流が主として前記バイパス導電部材を通って流れるように構成されている、請求項１に記載した磁気メモリ素子。
【請求項４】
前記磁化結合体が比抵抗値が１００μΩｃｍ以上の磁性体からなり、前記バイパス導電部材が比抵抗値１００μΩｃｍ以下の導電体からなる、請求項３に記載した磁気メモリ素子。
【請求項５】
前記磁化自由層と前記磁化結合体との間に、前記スピン偏極電流のスピン偏極を解消するスピンシンク層と、キャップ層とが、積層されて設けられている、請求項１に記載した磁気メモリ素子。
【請求項６】
前記スピンシンク層が、スピン拡散長が短い、オスミウムＯs、イリジウムＩr、レニウムＲe、白金Ｐt、ルテニウムＲu、タングステンＷ、ニオブＮb、およびジルコニウムＺrからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する、請求項５に記載した磁気メモリ素子。
【請求項７】
前記キャップ層が、スピン拡散長が長い、銀Ａg、銅Ｃu、クロムＣr、金Ａu、バナジウムＶ、チタンＴi、ロジウムＲh、タリウムＴa、ハフニウムＨf、コバルトＣo、鉄Ｆe、ニッケルＮi、およびマンガンＭnからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する、請求項５に記載した磁気メモリ素子。
【請求項８】
前記磁化結合体が、コバルト、ニッケル、鉄、およびマンガンからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する、請求項１に記載した磁気メモリ素子。
【請求項９】
前記磁化自由層が、中間層で隔てられ、強磁性結合した多層膜からなり、前記中間層はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する、請求項１に記載した磁気メモリ素子。
【請求項１０】
前記磁化結合体が、中間層で隔てられ、強磁性結合した多層膜からなり、前記中間層はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する、請求項１に記載した磁気メモリ素子。
【請求項１１】
前記磁化固定層と前記磁化自由層とが、薄い絶縁層であるトンネルバリア層を間に挟んで積層され、トンネル磁気抵抗効果素子として構成されており、前記トンネルバリア層を流れるトンネル電流によって情報の書き込み及び読み出しが行われる、請求項１に記載した磁気メモリ素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載した磁気メモリ素子からなるメモリ部を有し、所定の磁気メモリ素子に対して情報の書き込み及び／又は読み出しを行うための配線及び制御回路を備えた、磁気メモリ装置。
【請求項１３】
磁気ランダムアクセスメモリとして構成された、請求項１２に記載した磁気メモリ装置。
【請求項１４】
第１の行配線と列配線とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置に前記磁気メモリ素子と、この磁気メモリ素子を選択するための選択用トランジスタとが配置されて、メモリセルが形成されており、
所定のメモリセルに対する情報の書き込み又は読み出しに際して、
このメモリセルが配置されている行の第１の行配線に選択信号が印加されて、その行  のすべての選択用トランジスタがＯＮ状態になり、
このメモリセルが配置されている列の列配線に書き込み電圧又は読み出し電圧が印加  され、
以上の結果、このメモリセルの磁気メモリ素子および選択用トランジスタを通って、  列配線と第２の行配線との間に流れる電流によって、書き込み又は読み出しが行われる  、
請求項１３に記載した磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁化方向の変化が可能で、この磁化方向を情報として記憶する磁化自由層（記憶層）と、磁化方向が固定されている磁化固定層とを有し、これらの強磁性導体層を貫流する電流によって情報の書き込みと読み出しを行う磁気メモリ素子、及び、この磁気メモリ素子からなるメモリ部を備えた磁気メモリ装置、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory；ＭＲＡＭ）として構成された磁気メモリ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これらを構成するメモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、さらなる高性能化が求められている。
【０００３】
特に、不揮発性メモリは電源が切断されても情報を保持することができるため、機器の低消費電力化に不可欠であり、その大容量化および高速化が強く望まれている。ハードディスク装置などの、機械的な駆動部分を有するメモリ装置は、本質的に小型化、高速化、低消費電力化が困難である。従って、半導体不揮発性メモリは、ハードディスク装置などと相補的なメモリ装置として、また、電源投入と同時にシステムを起動できる、いわゆる「インスタント・オン」などの新しい機能の実現を可能とするメモリ装置として、ますます重要になってきている。
【０００４】
半導体不揮発性メモリとしては、フラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory ）などが実用化されているが、近年、高速、大容量、低消費電力の不揮発性メモリとして、磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている（例えば、日経エレクトロニクス，２００１年２月１２日号，ｐ.１６４−１７１参照。）。
【０００５】
初期のＭＲＡＭは、巨大磁気抵抗（Giant Magnetoresistance；ＧＭＲ）効果などを用いるスピンバルブをベースにしたものであった。しかし、近年、トンネル磁気抵抗（Tunnel Magnetoresistance；ＴＭＲ）効果を用いる材料の特性向上によって、ＴＭＲ効果を用いる磁気メモリ素子、すなわちＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭが注目されるようになってきている。
【０００６】
図７（ａ）は、ＭＴＪ素子の基本構造と、その記憶情報の読み出し動作を示す説明図である。図７（ａ）に示すように、ＭＴＪ素子１００は、磁化自由層（記憶層）１０５と磁化固定層１０３との２つの強磁性層の間に、非磁性の薄い絶縁層であるトンネルバリア層１０４を挟持した構造、いわゆる磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を有する。磁化自由層（記憶層）１０５は、一軸磁気異方性を有する強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶することができる。例えば、その磁化方向が、磁化固定層１０３の磁化方向に対して「平行」であるか、「反平行」であるかを、それぞれ「０」および「１」の情報として記憶する。
【０００７】
ＭＴＪ素子１００からの情報の読み出しには、上述した２つの磁性層の相対的な磁化方向の違いによって、トンネルバリア層１０４を流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化するＴＭＲ効果を利用する。この抵抗値は、磁化自由層（記憶層）１０５の磁化方向と磁化固定層１０３の磁化方向とが平行であるときに最小値をとり、反平行であるときに最大値をとる。
【０００８】
図７（ｂ）は、ＭＴＪ素子１００からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造の一例を示す部分斜視図である。このＭＲＡＭでは、行配線（ワード線）と列配線（ビット線）とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にＭＴＪ素子が配置され、１ビットに相当するメモリセルが形成されている。
【０００９】
メモリセルの上部には、書き込み用ビット線１２１と読み出し用ビット線１２３とが層間絶縁膜を間に挟んで設けられ、読み出し用ビット線１２３に接してその下にＭＴＪ素子１００が配置され、さらにＭＴＪ素子１００の引き出し電極層１０６の下に絶縁層を挟んで書き込み用ワード線１２２が配置されている。
【００１０】
一方、メモリセルの下部には、例えばシリコン基板などの半導体基板１１１に、読み出し動作時にこのメモリセルを選択するための選択用トランジスタ１１０として、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型電界効果トランジスタが設けられている。トランジスタ１１０のゲート電極１１５は、セル間をつないで帯状に形成され、読み出し用ワード線を兼ねている。また、ドレイン領域１１４は、読み出し用接続プラグ１０７を介してＭＴＪ素子１００の引き出し電極層１０６に接続されており、ソース領域１１６は、読み出し用の行配線であるセンス線１２４に接続されている。
【００１１】
このように構成されたＭＲＡＭにおいて、所望のメモリセルのＭＴＪ素子１００への情報の書き込みでは、そのメモリセルが含まれる列の書き込み用ビット線１２１と、行の書き込み用ワード線１２２とに書き込み電流を流し、２つの書き込み用配線の交点の位置にこれらの電流による磁界の合成磁界を発生させる。この合成磁界によって、所望のメモリセルのＭＴＪ素子１００の磁化自由層（記憶層）１０５が、所定の磁化方向、すなわち、磁化固定層１０３の磁化方向に対して「平行」であるか、または「反平行」である方向に磁化され、情報の書き込みが行われる。
【００１２】
また、ＭＴＪ素子１００からの情報の読み出しでは、読み出し用ワード線であるゲート電極１１５に選択信号を印加して、所望のメモリセルが含まれる行の選択用トランジスタ１１０をすべてＯＮ（導通）状態にする。これに合わせて、所望のメモリセルが含まれる列の読み出し用ビット線１２３とセンス線１２４との間に読み出し電圧を印加する。この結果、所望のメモリセルだけが選択され、そのＭＴＪ素子１００の磁化自由層（記憶層）１０５の磁化方向の違いが、ＴＭＲ効果を利用してＭＴＪ素子１００を流れるトンネル電流の大きさの違いとして検知される。トンネル電流はセンス線１２４から（図示省略した）周辺回路へ取り出されて測定される。
【００１３】
ＴＭＲ型のＭＲＡＭは、ナノ磁性体特有のスピン依存伝導現象に基づく磁気抵抗効果を利用して、情報の読み出しを行う不揮発性メモリであり、磁化方向の反転によって書き換えを行うため、実質的に無限回の書き換えが可能であり、アクセス時間についても高速であることが報告されている（例えば、R. Scheuerlein et al.，ISSCC Digest of Technical Papers，pp.128-129，Feb.2000参照。）。
【００１４】
しかしながら、電流磁界で書き込みを行うＭＲＡＭにおいては、書き換えのために大きな電流（例えば数ｍＡ程度）を流す必要があり、消費電力が大きくなる。また、ＭＴＪ素子が微細化すると、書き換えに必要な電流が増大する傾向を示す反面、書き込み用配線は細くなるため、書き換えに十分な電流を流すことが難しくなる。また、高集積化が進むと、隣接する別のメモリセルに誤って書き込んでしまう確率が高くなる。さらに、書き込み用配線と読み出し用配線とをそれぞれ必要とするため、構造的に複雑である。これらのために、メモリセルの微細化が困難になる。
【００１５】
そこで、磁気メモリ素子の磁化自由層（記憶層）への書き込みを異なる原理に基づいて行う素子として、スピン注入による磁化反転を用いる磁気メモリ素子が注目されている。スピン注入とは、磁化方向が固定された強磁性導電層（磁化固定層）に電流を流すことによって、スピンの向きが一方に偏った電子集団からなる電流（スピン偏極電流：spin-polarized current）を作り出し、この電流を磁化方向が固定されていない磁性導電層（磁化自由層）に注入する操作である。このようにすると、スピン偏極電流が磁化自由層を流れる際に、スピン偏極した電子によって、磁化自由層の磁化方向をスピン偏極した方向に一致させようとする力（トルク）が作用する。従って、あるしきい値以上の電流密度のスピン偏極電流を流すことによって、磁化自由層の磁化方向を反転させることができる（例えば、L. Berger,“Emission of spin waves by a magnetic multilayer transversed by a current”, Phys. Rev.B，54. 9353 (1996)、J. C. Slonczewski,“Current-driven excitation of magnetic multilayers”, J. Magn. Magn. Mater.，159 (1996) L1、並びに後述の特許文献１参照。）。
【００１６】
図８は、後述の特許文献２に示されている、スピン注入による磁化反転を利用するＭＴＪ素子（以下、間単にスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子と呼ぶ。）からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す部分断面図である。このＭＲＡＭでも、行配線（ワード線）と列配線（ビット線）とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にＭＴＪ素子が配置され、１ビットに相当するメモリセルが形成されている。
【００１７】
図８に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層１、反強磁性層２、固定磁化層３ａ、中間層３ｂ、参照磁化層３ｃ、トンネルバリア層４、磁化自由層（記憶層）５、およびキャップ層６の各層が積層され、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子２００が形成されている。
【００１８】
固定磁化層３ａ、中間層３ｂ、および参照磁化層３ｃは、反強磁性層２の上に積層されており、全体として磁化固定層３を構成している。強磁性導体からなる固定磁化層３ａの磁化方向は反強磁性層２によって固定されている。同じく強磁性導体からなる参照磁化層３ｃは、非磁性層である中間層３ｂを介して、固定磁化層３ａと反強磁性結合を形成している。この結果、参照磁化層３ｃの磁化方向は、固定磁化層３ａの磁化方向の反対方向に固定されている。図８に示した例では、固定磁化層３ａの磁化方向は左向きに固定され、参照磁化層３ｃの磁化方向は右向きに固定されている。このような積層フェリ構造によれば、固定磁化層３ａおよび参照磁化層３ｃの磁化状態が安定に保たれ、これらから漏れ出す磁束が互いに打ち消し合って小さくなる利点がある。
【００１９】
磁化自由層（記憶層）５は、一軸磁気異方性を有する強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶することができる。例えば、その磁化方向が、参照磁化層３ｃの磁化方向に対して「平行」であるか、「反平行」であるかを、それぞれ「０」および「１」の情報として記憶する。参照磁化層３ｃと磁化自由層（記憶層）５との間には、非磁性の薄い絶縁層であるトンネルバリア層４が設けられており、参照磁化層３ｃと磁化自由層（記憶層）５とによって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。
【００２０】
一方、メモリセルの下部には、シリコン基板などの半導体基板５１の素子分離されたウエル領域５１ａに、このメモリセルを選択するための選択用トランジスタ５０として、ゲート絶縁膜５２、ドレイン電極５３、ドレイン領域５４、ゲート電極５５、ソース領域５６、およびソース電極５７よりなるＭＯＳ型電界効果トランジスタが設けられている。
【００２１】
選択用トランジスタ５０のゲート電極５５は、セル間をつないで帯状に形成され、第１の行配線であるワード線を兼ねている。また、ソース電極５７は第２の行配線である行配線６２に接続されており、ドレイン電極５３は、接続プラグ７を介してＭＴＪ素子２００の下地層１に接続されている。一方、ＭＴＪ素子２００のキャップ層６は、メモリセルの上部に設けられた列配線であるビット線６１に接続されている。
【００２２】
スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子の特徴として、所望のメモリセルのＭＴＪ素子２００への情報の書き込みでは、ワード線であるゲート電極５５に選択信号を印加して、所望のメモリセルが含まれる行の選択用トランジスタ５０をすべてＯＮ（導通）状態にする。これに合わせて、所望のメモリセルが含まれる列のビット線６１と行配線６２との間に書き込み電圧を印加する。この結果、所望のメモリセルが選択され、そのＭＴＪ素子２００の磁化自由層（記憶層）５をスピン偏極電流が貫流し、磁化自由層（記憶層）５が所定の磁化方向に磁化され、情報の書き込みが行われる。
【００２３】
この際、初めＭＴＪ素子２００の参照磁化層３ｃの磁化方向が、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向に対して「反平行」である状態にあり、これを書き込みによって磁化自由層（記憶層）５の磁化方向が参照磁化層３ｃの磁化方向に対して「平行」である状態に反転させる場合には、図８に示すように、しきい値以上の電流密度の書き込み電流を磁化自由層（記憶層）５から参照磁化層３ｃへ流すようにする。これによって、実体としては、しきい値以上の電子密度のスピン偏極電子流が参照磁化層３ｃから磁化自由層（記憶層）５へ流れ、磁化反転が起こる。以下、この点について説明する。
【００２４】
電子はスピン自由度に基づく内部運動状態として２つの運動状態のいずれかをとることができ、通常、これを上向きスピンおよび下向きスピンと呼んで区別している。電子はスピンの向きに対応したスピン角運動量と磁気モーメントをもち、スピンの向きが互いに異なる２つの電子では、スピン角運動量および磁気モーメントの絶対値は等しく、向きは逆向きである。従って、スピンの向きが互いに異なる２つの電子の磁気モーメントは、互いに打ち消し合う。
【００２５】
非磁性体では、物質中に上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子とが同数含まれるため、物質全体としては、個々の電子がもつ磁気モーメントは互いに打ち消し合い、磁性がない。一方、強磁性体では、物質中に含まれる上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子との数が異なるため、物質全体として、個々の電子がもつ磁気モーメントが完全には打ち消し合わず、その結果、磁性をもつ。このような強磁性体中に電流を流すと、電流を構成する電子は物質中の電子と相互作用するため、強磁性体中の電子と同様に、上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子との数に差が生じる。これがスピン偏極電子流であり、これによる電流がスピン偏極電流である。
【００２６】
さて上記の書き込み操作で、強磁性層である参照磁化層３ｃを流れることによってスピン偏極した電子流はトンネルバリア層４へ流入する。もし仮にトンネルバリア層４の厚さが十分に厚ければ、非磁性体であるトンネルバリア層４を流れる間に、トンネルバリア層４中の電子との相互作用によって、電子流中の上向きスピンをもつ電子と下向きスピンをもつ電子との数は同数になり、電子流のスピン偏極は解消される。しかし、実際にはトンネルバリア層４の厚さは薄いので、スピン偏極した電子流はスピン偏極が解消される前にトンネルバリア層４を通過して、磁化自由層（記憶層）５へ流入する。
【００２７】
磁化自由層（記憶層）５へ流入したスピン偏極電子流は、磁化自由層（記憶層）５中の電子と相互作用する。この際、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向は参照磁化層３ｃの磁化方向と逆向きであるため、磁化自由層（記憶層）５中の電子は、電子流中の電子をこれまでとは反対の方向にスピン偏極させようとする。このため、電子流中の一部の電子のスピンの向きは、磁化自由層（記憶層）５中の電子との相互作用によって反転させられるが、その反作用として、磁化自由層（記憶層）５中の電子は、電子流中の電子からスピンを反転させようとする力、いわゆるスピントルクを受ける。この際、系全体としての角運動量は保存されるので、スピンを反転させた電子流中の電子の個数に比例したスピントルクが磁化自由層（記憶層）５中の電子に作用する。
【００２８】
電子流の密度が小さく、単位時間に磁化自由層（記憶層）５を通過する電子の数が少ない場合には、スピンを反転させる電子流中の電子の個数が少ないので、その反作用で磁化自由層（記憶層）５中の電子が受けるスピントルクも小さい。従って、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向の反転は起こらない。この状態は、ＭＴＪ素子２００からの情報の読み出しの際の動作状態に他ならない。
【００２９】
一方、電子流の密度が大きくなると、単位時間にスピンを反転させる電子流中の電子の個数が多くなり、その反作用として磁化自由層（記憶層）５中の電子が受けるスピントルクも大きくなる。従って、電流密度があるしきい値を超えると、磁化自由層（記憶層）５中の各磁性体微粒子の磁化方向は一斉に変化し始め、その一軸異方性により１８０度回転したところで安定状態に達する。すなわち、「反平行」状態から「平行」状態への反転が起こる。
【００３０】
以上の説明は、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向に対して「反平行」状態にある参照磁化層３ｃの磁化方向を「平行」状態に反転させる場合である。逆に、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向に対して「平行」状態にある参照磁化層３ｃの磁化方向を「反平行」状態に反転させる場合には、しきい値以上の電流密度の書き込み電流を、上記の逆方向へ、すなわち参照磁化層３ｃから磁化自由層（記憶層）５へ流すようにする。実体としては、しきい値以上の電子密度の電子流が磁化自由層（記憶層）５から参照磁化層３ｃへ流れるようにする。
【００３１】
このようにすると、偏極していない電子流として磁化自由層（記憶層）５へ流入した電子流は、参照磁化層３ｃからは参照磁化層３ｃの磁化方向にスピン偏極した電子流となって流出する。この際、系全体としての角運動量は保存され、かつ、参照磁化層３ｃの磁化方向は固定されているので、参照磁化層３ｃの磁化方向にスピンを反転させた電子流中の電子の個数に比例したスピントルクが、反作用として、磁化自由層（記憶層）５中の電子に、参照磁化層３ｃの磁化方向と反対の方向へスピンを反転させるように作用する。
【００３２】
この場合も、電子流の密度が小さく、単位時間に磁化自由層（記憶層）５を通過する電子の数が少ない場合には、スピンを反転させる電子流中の電子の個数が少ないので、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向の反転は起こらない。しかし、電子流の密度が大きくなると、単位時間にスピンを反転させる電子流中の電子の個数が多くなり、その反作用として磁化自由層（記憶層）５中の電子が受けるスピントルクも大きくなる。従って、電流密度があるしきい値を超えると、磁化自由層（記憶層）５中の各磁性体微粒子の磁化方向は一斉に変化し始め、その一軸異方性により１８０度回転したところで安定状態に達する。すなわち、「平行」状態から「反平行」状態への反転が起こる。ただし、「平行」状態から「反平行」状態へ反転させる場合に必要な電流量は、「反平行」状態から「平行」状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３３】
以上のように、磁化自由層（記憶層）５への情報の書き込みは、磁化自由層（記憶層）５から参照磁化層３ｃへ、またはこの逆方向へ、それぞれの方向に対応するしきい値以上の電流密度の電流を流すことによって行われる。
【００３４】
また、ＭＴＪ素子２００からの情報の読み出しは、ＭＴＪ素子１００と同様、ＴＭＲ効果を用いて行われる。読み出しと書き込みは、いずれも、磁化自由層（記憶層）５中の電子と、この層を貫流するスピン偏極電流との相互作用を利用しており、読み出しはスピン偏極電流の電流密度が小さい領域で行われ、書き込みはスピン偏極電流の電流密度がしきい値を超えて大きい領域で行われる。
【００３５】
スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子２００を用いるＭＲＡＭでは、磁化反転のために必要な電流は磁性体の微細化によって減少するので、電流磁場によって書き込みを行うＭＴＪ素子１００を用いるＭＲＡＭに比べて、微細化、高集積化に有利である。また、選択用トランジスタ５０で選択したメモリセルに情報を書き込むので、電流磁場による書き込みと異なり、隣接する別のセルに誤って書き込んでしまう恐れがない。また、磁場書き込みに比べて磁性体の形状の影響が小さいので、製造時の歩留まりを高めやすい。さらには、書き込みと読み出しとで大部分の配線を共用できるので、構造が簡素化するなどの利点がある。
【００３６】
しかしながら、選択用トランジスタ５０を用いて書き込みを行うことから、次の問題点が生じる。すなわち、書き込み時にＭＴＪ素子２００に流すことのできる電流は、選択用トランジスタ５０に流すことができる電流（トランジスタの飽和電流）に制限される。一般に、トランジスタのゲート幅やゲート長が小さくなるに従い、トランジスタの飽和電流も小さくなる。このため、微細化、高密度化のために選択用トランジスタ５０を最小寸法で形成しようとすると、スピン注入の効率を改善して、書き込み電流の電流密度のしきい値をできる限り減少させる必要がある。
【００３７】
また、トンネルバリア層４が絶縁破壊することを防ぐためにも、書き込み電流密度しきい値を減少させる必要がある。また、ＭＲＡＭの消費電力を減少させるためにも、書き込み電流密度しきい値をできる限り減少させる必要がある。
【００３８】
磁化自由層（記憶層）５を構成する磁性体の磁化の時間変化は、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式と呼ばれる、下記の式（１）および式（２）の運動方程式によって表される（L. Torres et al.,“Micromagnetic computations of spin polarized current-driven magnetization process”, J. Magn. Magn. Mater., 286, (2005)）。
【００３９】
式（１）：
【数１】
2009049101.tif 000003
【００４０】
式（２）：
【数２】
2009049101.tif 000004
【００４１】
ただし、式（１）および（２）において、記号の上部に付された矢印は、矢印が付された物理量がベクトルであることを示す（以下、同様。）。また、ｍは単位磁化ベクトル、ｍadjは隣接した単位磁化ベクトル、γはジャイロ定数、αは磁化自由層（記憶層）５の材料特性であるダンピング定数、Ｔはトルクベクトル、ＭSは磁化自由層（記憶層）５の飽和磁化、Ｈeffは有効磁界、Ｈthは熱揺らぎを表すランジュバン磁界、μBはボーア磁子、ｇは結合定数、ｅは電荷素量、Ｊはスピン偏極電流の電流密度、ｔFは磁化自由層（記憶層）５の膜厚である。
【００４２】
式（１）の右辺の括弧［ ］内の第１項は磁化回転を駆動するトルクとして作用し、［ ］内の第２項は磁化回転を制動するトルクとして作用する。ダンピング定数αが大きいほど［ ］内の第２項の制動効果は大きくなる。また、式（２）の右辺の第１項および第２項は、それぞれ、磁界に起因するトルク、および、スピン偏極電流によるスピントランスファ効果に起因するスピントルクである。
【００４３】
また、スピン注入磁化反転が起こる書き込み電流密度のしきい値Ｊc0は、次の式（３）で表されることが理論的に導かれている（R. H. Koch, J. A. Katine, and J. Z. Sun, “Time-resolved reversal of spin-transfer switching in a nanomagnet”, Phy. Rev. Lett., 92, 27 February 2004）。
【００４４】
式（３）：
【数３】
2009049101.tif 000005
ただし、式（３）において、Ｈkは磁化自由層（記憶層）５の一軸異方性磁界であり、ｅ、α、ＭS、ｔF、ｇは式（１）および（２）と同じである。
【００４５】
式（３）のように、書き込み電流密度しきい値Ｊc0は、磁化自由層（記憶層）５のダンピング定数α、飽和磁化ＭS、膜厚ｔFなどに依存する。スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子２００からなるＭＲＡＭの実用化の可否は、磁化自由層（記憶層）５における記録磁化の熱的な安定性を保ったまま、ダンピング定数αや飽和磁化ＭSや膜厚ｔFなどを減少させ、書き込み電流密度しきい値Ｊc0をどこまで減少させることができるかにかかっている。
【００４６】
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報（第６及び７頁、図２）
【特許文献２】特開２００６−２９５０００号公報（第９−１１頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４７】
しかしながら、本発明者が、磁化自由層（記憶層）５のダンピング定数αや飽和磁化ＭSや膜厚ｔFなどを減少させ、書き込み電流密度のしきい値Ｊc0が小さいスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子２００からなるＭＲＡＭ（図８参照。）を作製したところ、書き込みの際の誤り発生頻度が、磁化自由層（記憶層）５における記録磁化の熱揺らぎから予想される大きさよりもはるかに大きく、動作が不確実なＭＲＡＭが得られた。
【００４８】
図９は、本発明者が上記のＭＲＡＭに対し、書き込みテストを行った結果の一例を示すグラフである。図９（ａ）に示すテストでは、初期状態が高抵抗状態（「反平行」状態）にあるＭＴＪ素子２００に対し、パルス幅１０ｎｓの書き込み電流を流し、低抵抗状態（「平行」状態）に反転させた。テストは、電流パルスの大きさを少しずつ増大させながら、複数回行った。図９（ａ）では、縦軸に電流パルスの大きさをとり、２１個のメモリセルについての結果を塗り分けて示している。図中、書き込みが失敗した場合をハッチングを付した長方形で示し、書き込みが成功した場合をハッチングのない長方形で示した。
【００４９】
図９（ａ）の下部の領域は、電流パルスの電流密度がしきい値に達しない場合、すべてのメモリセルで書き込みが失敗したことを示しており、これは当然のことである。問題であるのは、電流パルスの電流密度がしきい値よりも大きい図９（ａ）の上部の領域においても、失敗例が散在していることであり、特に、しきい値よりも十分大きい電流を流しても書き込みが失敗する場合があることである。
【００５０】
図９（ｂ）に示すテストでは、初期状態が低抵抗状態（「平行」状態）にあるＭＴＪ素子１０に対し、パルス幅１０ｎｓの書き込み電流を上記と逆方向に流し、高抵抗状態（「反平行」状態）に反転させた。テストは、電流パルスの大きさを少しずつ増大させながら、複数回行った。図９（ｂ）では、図９（ａ）と同様、縦軸に電流パルスの大きさをとり、２１個のメモリセルについての結果を塗り分けて示している。
【００５１】
図９（ａ）に示したテストと同様、電流パルスの大きさがしきい値に達しない図９（ｂ）の下部の領域では、すべてのメモリセルで書き込みが失敗しているが、電流パルスの大きさがしきい値よりも大きい図９（ｂ）の上部の領域においても、失敗例が散在している。
【００５２】
本発明者は、スピン注入磁気反転ＭＴＪ素子２００の書き込み過渡特性を詳しく調べた結果、初期状態から目的とする終了状態までの経路が無駄に長い時間を要している例があることを発見した。本明細書では、以下、この現象を「磁化が必要以上に磁化回転する」と記述することにする。そして、しきい値よりも十分大きい電流を流しても書き込みが失敗する場合があるのは、スピントルクが作用した磁化自由層（記憶層）５の磁化が必要以上に磁化回転し、少なくとも一度は反転条件を満足したにもかかわらず、終了状態が反転状態に確定しなくなることにあることをつきとめた。本明細書では、以下、この現象を「磁化が再反転する」と記述することにする。
【００５３】
「再反転」現象は、書き込みパルス幅を長くしても解消できないなど、書き込み方法の工夫などで解決できない特性をもち、解決が難しい。外部から平行磁界を作用させ、「再反転」したメモリセルの誤りを救済する方法は不可能ではないが、この方法はスピン注入メモリによる低消費電流化を目指す流れに逆行する。
【００５４】
なお、αやＭSやｔFの大きな磁化自由層（記憶層）５でも「再反転」が観測されることがある。この原因は、書き込み過渡状態で渦状磁化状態（vortex）が準安定状態として作用した結果、終了状態が不定になるためである。以下、この現象について説明する。
【００５５】
磁化自由層（記憶層）５では、一定の方向（参照磁化層３ｃの磁化方向に対して「平行」または「反平行」である磁化方向）に一様に磁化した安定な磁化状態に加えて、多様な渦状磁化状態（vortex）が準安定状態として存在する可能性がある。渦状磁化状態は反磁界や電流磁界によって誘導される性質があり、反磁界はＭS×ｔFに比例して増加し、電流磁界は反転電流密度を決めるαに比例して増加する。このため、αやＭSやｔFが大きくなると、渦状磁化状態がエネルギー的により安定になり、現れやすくなる。
【００５６】
この準安定な渦状磁化状態が磁化反転過程の経路上に存在すると、磁化反転過程の途中で磁化自由層（記憶層）５がこの準安定状態にトラップされる場合が生じる。この状態では、磁化自由層（記憶層）５の抵抗値は、「平行」状態の低抵抗と「反平行」状態の高抵抗との中間の値をとる。書き込みパルス終了後、この準安定状態から安定な磁化状態に遷移する際に、終了状態が「平行」状態になるか、「反平行」状態になるかは不定になる。このような磁化挙動が書き込み電流密度しきい値以上で起こると、これは「再反転」として認識される。
【００５７】
以上のように、書き込み電流密度のしきい値Ｊc0を定めるαやＭSやｔFに関して、これらの値が小さい場合と大きい場合とのそれぞれに、「再反転」を引き起こす、物理的に異なる要因が存在する。このため、「再反転」を起こさず、書き込みの失敗が少ないスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子を作製するための、αやＭSやｔFの最適条件を定めることが極めて困難になっている。
【００５８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、書き込み時の過渡特性を改善して、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が小さく、高集積化、高速化、および低消費電力化に適したスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、及びそのＭＴＪ素子を用いた磁気メモリ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００５９】
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、磁化自由層（記憶層）と磁気的に結合する磁化結合体を適切に設けることにより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに到った。
【００６０】
即ち、本発明は、強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶する磁化自由層と；強磁性導体からなり、磁化方向が固定されている磁化固定層と；を有し、これらの強磁性導体層を貫流するスピン偏極電流によって前記磁化自由層を所定方向に磁化して情報を書き込み、書き込まれた情報を磁気抵抗効果を利用して読み出すように構成された磁気メモリ素子において、
前記磁化自由層と磁気的に結合し、前記磁化自由層の磁化方向の反転の際に生じる磁  化方向の変動を抑制する磁化結合体が設けられ、
前記スピン偏極電流が前記磁化結合体に流入するのを抑えるように構成されている
ことを特徴とする、磁気メモリ素子に係わるものである。
【００６１】
また、前記磁気メモリ素子からなるメモリ部を有し、所定の磁気メモリ素子に対して情報の書き込み及び／又は読み出しを行うための配線及び制御回路を備えた、磁気メモリ装置に係わるものである。
【発明の効果】
【００６２】
本発明の磁気メモリ素子においては、
前記磁化自由層と磁気的に結合し、前記磁化自由層の磁化方向の反転の際に生じる磁  化方向の変動を抑制する磁化結合体が設けられ、
前記スピン偏極電流が前記磁化結合体に流入するのを抑えるように構成されている
ため、前記磁化自由層を反転させる際の過渡特性が、前記スピン偏極電流が直接作用しない前記磁化結合体との磁気的結合によって改善され、前記磁化自由層は、速やか、かつ、確実に反転状態に導かれる。この結果、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が小さく、高集積化、高速化、および低消費電力化に適したスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子を実現できる。また、本発明の磁気メモリ装置は、前記磁気メモリ素子からなるメモリ部を有するので、上記と同様の特徴を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
本発明の磁気メモリ素子において、前記磁化自由層と前記磁化結合体との間に引き出し導電層が設けられ、この引き出し導電層が前記スピン偏極電流を供給する制御回路に電気的に接続されているのがよい。
【００６４】
また、バイパス導電部材が前記磁化結合体に対して並列に設けられ、この並列導電路が、前記スピン偏極電流を供給する制御回路と前記磁化自由層との間に電気的に接続され、前記スピン偏極電流が主として前記バイパス導電部材を通って流れるように構成されているのがよい。この際、前記磁化結合体が比抵抗値が１００μΩｃｍ以上の磁性体からなり、前記導電部材が比抵抗値１００μΩｃｍ以下の導電体からなるのがよい。
【００６５】
また、前記磁化自由層と前記磁化結合体との間に、前記スピン偏極電流のスピン偏極を解消するスピンシンク層と、キャップ層とが、積層されて設けられているのがよい。この際、前記スピンシンク層が、スピン拡散長が短い、オスミウムＯs、イリジウムＩr、レニウムＲe、白金Ｐt、ルテニウムＲu、タングステンＷ、ニオブＮb、およびジルコニウムＺrからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有するのがよい。また、前記キャップ層が、スピン拡散長が長い、銀Ａg、銅Ｃu、クロムＣr、金Ａu、バナジウムＶ、チタンＴi、ロジウムＲh、タリウムＴa、ハフニウムＨf、コバルトＣo、鉄Ｆe、ニッケルＮi、およびマンガンＭnからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有するのがよい。
【００６６】
また、前記磁化結合体が、コバルト、ニッケル、鉄、およびマンガンからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有するのがよい。
【００６７】
また、前記磁化自由層が、中間層で隔てられ、強磁性結合した多層膜からなり、前記中間層はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有するのがよい。
【００６８】
また、前記磁化結合体が、中間層で隔てられ、強磁性結合した多層膜からなり、前記中間層はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有するのがよい。
【００６９】
また、前記磁化固定層と前記磁化自由層とが、薄い絶縁層であるトンネルバリア層を間に挟んで積層され、トンネル磁気抵抗効果素子として構成されており、前記トンネルバリア層を流れるトンネル電流によって情報の書き込み及び読み出しが行われるのがよい。本発明の磁気メモリ素子は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子に限られるものではないが、例えば、非磁性導電層を間に挟んだ巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子と比べた場合、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、かつ、読み出し信号強度を大きくすることができる利点がある。
【００７０】
本発明の磁気メモリ装置は、磁気ランダムアクセスメモリとして構成されているのがよい。例えば、第１の行配線と列配線とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置に前記磁気メモリ素子と、この磁気メモリ素子を選択するための選択用トランジスタとが配置されて、メモリセルが形成されており、
所定のメモリセルに対する情報の書き込み又は読み出しに際して、
このメモリセルが配置されている行の第１の行配線に選択信号が印加されて、その行  のすべての選択用トランジスタがＯＮ状態になり、
このメモリセルが配置されている列の列配線に書き込み電圧又は読み出し電圧が印加  され、
以上の結果、このメモリセルの磁気メモリ素子および選択用トランジスタを通って、  列配線と第２の行配線との間に流れる電流によって、書き込み又は読み出しが行われる  、
ように構成されているのがよい。
【００７１】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に、より具体的に説明する。
【００７２】
実施の形態１
実施の形態１では、主として、請求項１、２、８、および１１に関わる例として、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子について説明し、請求項１２〜１４に関わる例として、このＭＴＪ素子を磁気メモリ素子として用い、ＭＲＡＭとして構成されている磁気メモリ装置について説明する。
【００７３】
図１は、実施の形態１に基づくスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭの、メモリセルの構造を示す部分断面図である。このＭＲＡＭでは、行配線（ワード線）と列配線（ビット線）とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子１０が配置され、１ビットに相当するメモリセルが形成されている。
【００７４】
図１に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層１、反強磁性層２、固定磁化層３ａ、中間層３ｂ、参照磁化層３ｃ、トンネルバリア層４，磁化自由層（記憶層）５、キャップ層６、引き出し導電層１１、キャップ層１２、スピントルクフリー層１３、およびキャップ層１４の各層が積層されて、ＭＴＪ素子１０が形成されている。
【００７５】
固定磁化層３ａ、中間層３ｂ、および参照磁化層３ｃは、反強磁性層２の上に積層されており、全体として磁化固定層３を構成している。強磁性導体からなる固定磁化層３ａの磁化方向は反強磁性層２によって固定されている。同じく強磁性導体からなる参照磁化層３ｃは、非磁性層である中間層３ｂを介して、固定磁化層３ａと反強磁性結合を形成している。この結果、参照磁化層３ｃの磁化方向は、固定磁化層３ａの磁化方向の反対方向に固定されている。図１に示した例では、固定磁化層３ａの磁化方向は左向きに固定され、参照磁化層３ｃの磁化方向は右向きに固定されている。
【００７６】
磁化固定層３を上記の積層フェリ構造とすると、磁化固定層の外部磁界に対する感度を低下させることができるため、外部磁界による磁化固定層３の磁化変動を抑制して、ＭＴＪ素子の安定性を向上させることができる。また、固定磁化層３ａおよび参照磁化層３ｃから漏れ出す磁束が互いに打ち消し合うので、これらの膜厚を調整することによって、磁化固定層３から漏洩する磁束を最少限に抑えることができる。
【００７７】
磁化自由層（記憶層）５は、一軸磁気異方性を有する強磁性導体からなり、磁化方向の変化が可能で、磁化方向を情報として記憶することができる。例えば、その磁化方向が、参照磁化層３ｃの磁化方向に対して「平行」であるか、「反平行」であるかを、それぞれ「０」および「１」の情報として記憶する。参照磁化層３ｃと磁化自由層（記憶層）５との間には、非磁性の薄い絶縁層であるトンネルバリア層４が設けられており、参照磁化層３ｃと磁化自由層（記憶層）５とによって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。
【００７８】
実施の形態１に基づくＭＴＪ素子の特徴として、ＭＴＪ素子１０では磁化自由層（記憶層）５の上部にスピントルクフリー層１３が設けられている。スピントルクフリー層１３は前記磁化結合体に相当し、磁化自由層（記憶層）５と磁気的に結合し、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向の反転の際に生じる過渡的な磁化方向の変動を抑制する。スピントルクフリー層１３の下面および上面には、それぞれ、キャップ層１２および１４が設けられている。
【００７９】
スピントルクフリー層１３は磁化自由層（記憶層）５と磁気的な対をなすため、両者の飽和磁化と膜厚との積が著しく異なるのは好ましくない。磁化自由層（記憶層）５の飽和磁化と膜厚との積をＭsｔFで表すと、スピントルクフリー層１３の飽和磁化と膜厚との積は０．１ＭsｔF〜１０ＭsｔFの範囲に設定されるのが好ましい。
【００８０】
スピントルクフリー層１３の磁化がスピントルクによる擾乱を受けない限りにおいて、磁化自由層（記憶層）５の磁化の過渡的な不安定性をスピントルクフリー層１３によって除去することは可能である。この意味で単に動作を安定化するだけなら、スピントルクフリー層１３と磁化自由層（記憶層）５との磁気結合の大きさにはかなり大きな許容範囲が存在する。
【００８１】
しかし、安定化のためとはいえ磁気結合の大きさが適切な範囲を越えた結果、反転電流密度が著しく増大してしまっては、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子の実用的な価値を減少させることになる。反転電流密度の著しい増大を招かないためには、磁気結合を介してスピントルクフリー層１３が磁化自由層（記憶層）５に対して作用するトルクをＴ1、電流が磁化自由層（記憶層）５の磁化に作用するスピントルクをＴ2とすると、電流通電期間中はＴ1がＴ2を越えないことが必須条件となる。すなわち、反転電流密度の著しい増大を招かないために磁気結合の大きさに課せられる条件として、下記の式（４）を満足する必要がある。
式（４）：
【数４】
2009049101.tif 000006
【００８２】
スピントルクフリー層１３と磁化自由層（記憶層）５との磁気結合には、強磁性結合、反強磁性結合、および静磁結合がある。静磁結合は、反強磁性結合と同じく、スピントルクフリー層１３の磁化が磁化自由層（記憶層）５の磁化と反平行の向きをとる方向に働く。静磁結合の強さは飽和磁化と膜厚との積に比例するので、前述したような飽和磁化と膜厚との積の条件を満たすものとする。
【００８３】
次に、強磁性結合あるいは反強磁性結合の最適範囲を求めてみる。強磁性結合あるいは反強磁性結合の大きさをＪNとすると、層間交換結合磁界Ｈinterは下記の式（５）で定義される。
式（５）：
【数５】
2009049101.tif 000007
ただし、ｔNは、スピントルクフリー層１３と磁化自由層（記憶層）５との間に介在する非磁性層の膜厚である。なお、ｃｇｓ単位系におけるＪNの単位はｅｒｇ／ｃｍ2である。
【００８４】
式（５）式を用いて磁気結合を介してスピントルクフリー層１３が磁化自由層（記憶層）５に対して作用するトルクＴ1を定義すると下記の式（６）となる。
式（６）：
【数６】
2009049101.tif 000008
【００８５】
さらに、電流が磁化自由層（記憶層）５磁化に作用するスピントルクＴ2は式（２）から下記の式（７）と表される。
式（７）：
【数７】
2009049101.tif 000009
【００８６】
式（６）および式（７）を式（４）に代入して整理すると、磁気結合に関する最適範囲を表す下記の式（８）が得られる。
式（８）：
【数８】
2009049101.tif 000010
【００８７】
磁化自由層（記憶層）５の磁化を反転させる電流密度はしきい値以上の値に設定されるが最大でも素子が破壊される電流密度を越えない。素子が耐えられる電流密度Ｊや結合定数ｇはトンネルバリア層の材料・膜厚、抵抗値、素子断面積、エッチングその他条件によって変わり、式（８）で定義される最適条件にもかなりの幅が存在する。このためＪＮの具体的な値をもって請求範囲を限定するのは難しいが、経験的には、強磁性結合か反強磁性結合に依らず、｜ＪN｜＜１ｅｒｇ／ｃｍ2であれば実用範囲内と言える。
【００８８】
また、磁化自由層（記憶層）５とスピントルクフリー層１３との間には、引き出し導電層１１が設けられている。この引き出し導電層１１は、ＭＴＪ素子１０の外部へ延長されて形成され、接続プラグ１５を介してビット線（列配線）６１に電気的に接続されている。ビット線（列配線）６１は、（図示省略した）ＭＴＪ素子１０にスピン偏極電流を供給する制御回路に接続されている。引き出し導電層１１は、列配線の一部として働き、スピン偏極電流がスピントルクフリー層１３に流入するのを防止する役割をする。
【００８９】
以上の構成によって、磁化自由層（記憶層）５を反転させる際の過渡特性が、スピン偏極電流が直接作用しないスピントルクフリー層１３との磁気的結合によって改善され、後に図２および図３を用いて説明するように、磁化自由層（記憶層）５は速やか、かつ確実に反転状態に導かれる。
【００９０】
一方、メモリセルの下部には、例えばシリコン基板などの半導体基板５１の素子分離されたウエル領域５１ａに、このメモリセルを選択するための選択用トランジスタ５０として、ゲート絶縁膜５２、ドレイン電極５３、ドレイン領域５４、ゲート電極５５、ソース領域５６、およびソース電極５７よりなるＭＯＳ型電界効果トランジスタが設けられている。
【００９１】
選択用トランジスタ５０のゲート電極５５は、セル間をつないで帯状に形成され、前記第１の行配線であるワード線を兼ねている。また、ソース電極５７は前記第２の行配線である行配線６２に接続されており、ドレイン電極５３は、接続プラグ７を介してＭＴＪ素子１０の下地層１に接続されている。
【００９２】
スピントルクフリー層１３の構成材料としては、コバルト、ニッケル、鉄、およびマンガンからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する磁性材料を用いることができる。キャップ層１２および１４は、スピントルクフリー層１３の界面での磁気特性の劣化を防止するために積層されるが、最終的な磁化自由層（記憶層）５の安定性や書き込み電流密度しきい値などに問題が生じなければ、省略することもできる。キャップ層１２および１４の構成材料としては、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、ハフニウム、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、または、これら元素を含む合金を用いることができる。引き出し導電層１１の構成材料としては、ビット線６１などと同じ導電性材料を用いることができる。
【００９３】
ＭＴＪ素子１０のその他の層は、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子の従来公知の構成と同様とすることができる。
【００９４】
磁化自由層（記憶層）５の構成材料としては、特に限定されるものではないが、Ｆe、Ｎi、およびＣoの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらに、ＮbやＺrなどの遷移金属元素や、ホウ素Ｂなどの軽元素を含有させることもできる。また、例えばＣoＦe／ＮiＦe／ＣoＦeの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を（非磁性層を介さずに）直接積層して、磁化自由層（記憶層）５を構成してもよい。
【００９５】
トンネルバリア層４の構成材料としては、酸化マグネシウムＭgＯを用いるのがよい。これによって、従来一般的に用いられてきた酸化アルミニウムを用いる場合よりも、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、また、スピン注入効率を向上させることができる。この結果、読み出しの際には信号強度を大きくすることができ、書き込みの際には、書き込み電流密度のしきい値を減少させることができる。ただし、トンネルバリア層４の構成材料は、これに限定されるものではなく、酸化アルミニウムＡl2Ｏ3、窒化アルミニウムＡlＮ、酸化窒化アルミニウムＡlＮxＯy、二酸化ケイ素ＳiＯ2、酸化ビスマスＢi2Ｏ3、フッ化マグネシウムＭgＦ2、フッ化カルシウムＣaＦ2、チタン酸ストロンチウムＳrＴiＯ3、およびランタン酸アルミニウムＡlＬaＯ3などの各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いることができる。
【００９６】
磁化固定層３の強磁性導電層３ａおよび３ｃの構成材料としては、Ｆe、Ｎi、およびＣoの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらに、ＮbやＺrなどの遷移金属元素や、ホウ素Ｂなどの軽元素を含有させることもできる。また、中間層３ｂの構成材料としては、Ｒu、Ｃu、Ｃr、Ａu、Ａgなどを用いることができる。中間層３ｂの膜厚は、構成材料に応じて適宜選択するが、０．５〜２．５ｎｍ程度が好ましい。なお、本実施の形態では、磁化固定層３が積層フェリ構造からなる例を説明したが、磁化固定層は単層の強磁性層からなるものであってもよい。
【００９７】
反強磁性層２の構成材料としては、Ｆe、Ｎi、Ｐt、Ｉr、およびＲhなどの金属元素とＭnとの合金、例えば、ＦeＭn、ＮiＭn、ＰtＭn、ＰtＣrＭn、ＩrＭnなどや、ＣoやＮiの酸化物、例えば、ＮiＯ、Ｆe2Ｏ3などの磁性材料を用いることができる。また、これらの磁性材料に非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、物質の安定性などの各種物性を調整したりすることができる。
【００９８】
ＭＴＪ素子１０は、スパッタリング法や蒸着法などで各層を形成し、フォトリソグラフィとエッチングによってパターニングすることなどによって、製造することができる。
【００９９】
このように構成されたＭＲＡＭにおいて、所望のメモリセルのＭＴＪ素子１０への情報の書き込みでは、まず、ワード線であるゲート電極５５に選択信号を印加して、所望のメモリセルが含まれる行の選択用トランジスタ５０をすべてＯＮ（導通）状態にする。これに合わせて、所望のメモリセルが含まれる列のビット線６１に書き込み電圧を印加する。この結果、所望のメモリセルだけが選択され、そのＭＴＪ素子１０の磁化自由層（記憶層）５をスピン偏極電流が貫流し、磁化自由層（記憶層）５が所定の磁化方向に磁化され、情報の書き込みが行われる。
【０１００】
図２は、上記のＭＲＡＭに対し書き込みテストを行った結果の一例を示すグラフである。図２（ａ）に示すテストでは、初期状態が高抵抗状態（「反平行」状態）にあるＭＴＪ素子１０に対し、パルス幅１０ｎｓの書き込み電流を流し、低抵抗状態（「平行」状態）に反転させた。テストは、電流パルスの大きさを少しずつ増大させながら、複数回行った。図２（ａ）では、縦軸に電流パルスの大きさをとり、２１個のメモリセルについての結果を塗り分けて示している。図中、書き込みが失敗した場合をハッチングを付した長方形で示し、書き込みが成功した場合をハッチングのない長方形で示した。
【０１０１】
図２（ａ）の下部の領域は、電流パルスの大きさがしきい値に達しない場合、すべてのメモリセルで書き込みが失敗したことを示しており、これは当然のことである。一方、電流パルスの大きさがしきい値よりも大きい図２（ａ）の上部の領域では、失敗例が存在しない。失敗例と成功例がしきい値によって明確に分離されており、これは、図９（ａ）に示した従来例との著しい相違である。
【０１０２】
図３は、ＭＴＪ素子１０の書き込み過渡特性を示すグラフである。図３には、ＭＴＪ素子１０に書き込んだ結果とともに、比較例として従来のＭＴＪ素子２００（図８参照。）に書き込んだ結果も示す。図３において横軸は時間を表し、縦軸はＭＴＪ素子が示す抵抗値を表す。高抵抗状態および低抵抗状態は、それぞれ、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向が、参照磁化層３ｃの磁化方向に対して「反平行」および「平行」である状態に対応する。
【０１０３】
ＭＴＪ素子１０の平面形状(top view)は、長軸長３００ｎｍ、短軸長１００ｎｍの楕円形である。磁化自由層５およびスピントルクフリー層１３はＣoＦeＢＴa合金を積層して形成されており、厚さはともに２ｎｍである。飽和磁化はおよそ４００ｅｍｕ／ｃｍ3、ダンピング定数αは０．０１以下である。この素子に大きさ２ｍＡ、パルス幅１０ｎｓの矩形定電流パルスを印加した。横軸の時間０が電流パルスを印加し始めた時点である。２ｍＡの電流は、磁化自由層（記憶層）５における電流密度でおよそ８．５ＭＡ／ｃｍ2に相当する。
【０１０４】
ＭＴＪ素子１０の抵抗値の過渡的変化は、四端子法によって求めた。信号源としてパルスジェネレータＤＧ２０４０（Tektronix社製；商品名）を用い、超高速オシロスコープＤＳＡ７１２５４（Tektronix社製；商品名）を用いて、ＭＴＪ素子１０の両端の電圧を５０Ｇサンプル／秒のサンプリングレートでリアルタイム測定した。測定後、電流値と電圧値から抵抗値を算出した。
【０１０５】
図３に示すように、従来のＭＴＪ素子２００では、電流パルスを印加し始めたほぼ直後から磁化自由層（記憶層）５の磁化方向は反転を開始するが、その後、磁化方向は「反平行」状態と「平行」状態との間で不規則な変動を続け、反転状態である「平行」状態に落ち着こうとする傾向がほとんど見られない。これが本明細書中で「磁化が必要以上に磁化回転する」と呼んでいる現象である。
【０１０６】
このような過剰な磁化方向の変動を抑える方法の１つとして、磁化自由層（記憶層）５のダンピング定数αを増加させることが考えられる。しかしこのようにすると、式（３）に示したように、書き込み電流密度のしきい値Ｊc0も増大してしまうので好ましくない。
【０１０７】
このため、本実施の形態に基づくＭＴＪ素子１０では、磁化自由層（記憶層）５の近傍にスピントルクフリー層１３を設け、磁気的な結合力によって磁化自由層（記憶層）５を動的にダンピングする。ただし、スピン偏極電流によるスピントルクがスピントルクフリー層１３に直接作用すると、スピントルクフリー層１３の磁化方向自体も過剰な変動を起こしてしまい、スピントルクフリー層１３の磁化がダンパとしての役割をはたせなくなる。従って、スピントルクフリー層１３にはスピン偏極電流によるスピントルクが直接作用しないように構成しなければならない。
【０１０８】
そこでＭＴＪ素子１０では、図１に示したように、磁化自由層（記憶層）５とスピントルクフリー層１３との間に引き出し導電層１１が設けられている。ビット線６１から供給されるスピン偏極電流は接続プラグ１５と引き出し導電層を流れて磁化自由層（記憶層）５に導かれ、スピン偏極電流はスピントルクフリー層１３を経由せずに流れる。このため、スピン偏極電流によるスピントルクが、スピントルクフリー層１３に直接作用することがない。
【０１０９】
このように構成されたＭＴＪ素子１０では、図３に示すように、磁化自由層（記憶層）５の磁化は、スピントルクフリー層１３によって過剰な変動が完全に抑えられ、１ｎｓ以下の非常に短い時間で高抵抗状態（「反平行」状態）から低抵抗状態（「平行」状態）へ遷移する。この際、磁化自由層（記憶層）５とスピントルクフリー層１３とは別々のタイミングで磁化反転する。この結果、図２（ａ）に示したように、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が非常に小さい、高速化および低消費電力化に適したスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子１０を実現できる。
【０１１０】
また、静的には、スピントルクフリー層１３と磁化自由層（記憶層）５とは、反対方向に磁化し、磁気的に結合した二層膜として機能するので、磁化自由層（記憶層）５に記憶された記録磁化の熱ゆらぎに対する耐性が向上し、メモリとしての熱的信頼性が大幅に向上する。
【０１１１】
図２（ｂ）に示すテストでは、初期状態が低抵抗状態（「平行」状態）にあるＭＴＪ素子１０に対し、パルス幅１０ｎｓの書き込み電流を上記と逆方向に流し、高抵抗状態（「反平行」状態）に反転させた。テストは、電流パルスの大きさを少しずつ増大させながら、複数回行った。図２（ｂ）では、図２（ａ）と同様、縦軸に電流パルスの大きさをとり、２１個のメモリセルについての結果を塗り分けて示している。
【０１１２】
図２（ａ）に示したテストと同様、電流パルスの大きさがしきい値に達しない図２（ｂ）の下部の領域では、すべてのメモリセルで書き込みが失敗しているが、電流パルスの大きさがしきい値よりも大きい図２（ｂ）の上部の領域では、失敗例が存在しない。失敗例と成功例がしきい値によって明確に分離されており、これは、図９（ｂ）に示した従来例との著しい相違である。
【０１１３】
一方、ＭＴＪ素子１０からの情報の読み出しは、ＭＴＪ素子１００および２００と同様、ＴＭＲ効果を用いて行われる。すなわち、まず、ワード線であるゲート電極５５に選択信号を印加して、所望のメモリセルが含まれる行の選択用トランジスタ５０をすべてＯＮ（導通）状態にする。これに合わせて、所望のメモリセルが含まれる列のビット線６１に読み出し用電圧を印加する。この結果、所望のメモリセルだけが選択され、そのＭＴＪ素子１０の磁化自由層（記憶層）５の磁化方向の違いが、ＴＭＲ効果を利用してＭＴＪ素子１０を流れるトンネル電流の大きさの違いとして検知される。トンネル電流は行配線６２から（図示省略した）周辺回路へ取り出されて測定される。
【０１１４】
実施の形態２
実施の形態２では、主として、請求項１、３、４、８、および１１に関わる例としてスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、および、このＭＴＪ素子を用いたＭＲＡＭについて説明する。
【０１１５】
図４は、実施の形態２に基づくスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭの、メモリセルの構造を示す部分断面図である。実施の形態１と同様に、このＭＲＡＭでは行配線（ワード線）と列配線（ビット線）とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にＭＴＪ素子２０が配置され、１ビットに相当するメモリセルが形成されている。
【０１１６】
図４に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層１、反強磁性層２、固定磁化層３ａ、中間層３ｂ、参照磁化層３ｃ、トンネルバリア層４，磁化自由層（記憶層）５、およびキャップ層６の各層が積層され、さらにその上にバイパス導電体２１で周囲を囲まれたキャップ層１２、スピントルクフリー層１３、およびキャップ層１４の各層が積層されて、ＭＴＪ素子２０が形成されている。
【０１１７】
実施の形態２に基づくＭＴＪ素子２０が、ＭＴＪ素子１０と異なるのは、引き出し導電層１１および接続プラグ１５の代わりに、前記バイパス導電部材であるバイパス導電体２１を備えていることである。他は同じであるので、重複を避け、主に相違点について説明する。
【０１１８】
ＭＴＪ素子２０では、ＭＴＪ素子１０と同様、磁化自由層（記憶層）５の上部にスピントルクフリー層１３が設けられている。スピントルクフリー層１３は磁化自由層（記憶層）５と磁気的に結合し、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向の反転の際に生じる過渡的な磁化方向の変動を抑制する。スピントルクフリー層１３の下面および上面には、それぞれ、キャップ層１２および１４が設けられている。
【０１１９】
キャップ層１２とスピントルクフリー層１３とキャップ層１４との積層体は、その周囲をバイパス導電体２１によって囲まれている。そしてこれら全体がビット線６１とキャップ層６との間に挿入されている。このため、バイパス導電体２１はスピントルクフリー層１３に対して並列に設けられ、この並列導電路が、スピン偏極電流を供給するビット線６１と磁化自由層（記憶層）５との間に電気的に接続されている。この際、スピントルクフリー層１３が比抵抗値が１００μΩｃｍ以上の磁性体からなり、バイパス導電体２１が比抵抗値１００μΩｃｍ以下の導電体からなる。
【０１２０】
この結果、ＭＴＪ素子２０では、ビット線６１から供給される書き込み電流の大部分は、バイパス導電体２１を経由して磁化自由層（記憶層）５に導かれ、一部分だけがわずかにスピントルクフリー層１３を経由して磁化自由層（記憶層）５へ流れる。このため、スピントルクフリー層１３を流れるスピン偏極電流はわずかに抑えられ、スピントルクフリー層１３中の電子に実用上問題になるようなスピントルクが作用することがない。
【０１２１】
このように構成されたＭＴＪ素子２０では、ＭＴＪ素子１０と同様、磁化自由層（記憶層）５を反転させる際の過渡特性が、実用上スピン偏極電流が直接作用しないスピントルクフリー層１３との磁気的結合によって改善され、磁化自由層（記憶層）５は速やか、かつ確実に反転状態に導かれる。
【０１２２】
ＭＴＪ素子２０では、ＭＴＪ素子１０で得られる効果に加えて、引き出し導電層１１が不要になるため、メモリセルの面積を縮小することが可能になる。その結果、ＭＴＪ素子２０からなるＭＲＡＭでは、より高集積化、大容量化が可能になる。
【０１２３】
実施の形態３
実施の形態３では、主として、請求項１、５〜８、および１１に関わる例としてスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、および、このＭＴＪ素子を用いたＭＲＡＭについて説明する。  
【０１２４】
図５は、実施の形態３に基づく、スピン注入による磁化反転を利用するＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す部分断面図である。実施の形態１と同様に、このＭＲＡＭでは行配線（ワード線）と列配線（ビット線）とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にＭＴＪ素子３０が配置され、１ビットに相当するメモリセルが形成されている。
【０１２５】
図５に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層１、反強磁性層２、固定磁化層３ａ、中間層３ｂ、参照磁化層３ｃ、トンネルバリア層４，磁化自由層（記憶層）５、キャップ層３１、スピンシンク層３２、キャップ層３３、スピントルクフリー層１３、およびキャップ層１４の各層が積層されて、ＴＭＲ磁気メモリ素子３０が形成されている。スピンシンク層３２はスピン偏極電流のスピン偏極を解消する層であり、その上下にキャップ層３１と３３が積層されて設けられている。
【０１２６】
実施の形態３に基づくＭＴＪ素子３０が、ＭＴＪ素子１０あるいはＭＴＪ素子２０と異なるのは、引き出し導電層１１と接続プラグ１５、あるいはバイパス導電体２１の代わりに、スピンシンク層３２を備えていることである。他は同じであるので、重複を避け、主に相違点について説明する。
【０１２７】
ＭＴＪ素子３０では、ＭＴＪ素子１０と同様、磁化自由層（記憶層）５の上部にスピントルクフリー層１３が設けられている。スピントルクフリー層１３は磁化自由層（記憶層）５と磁気的に結合し、磁化自由層（記憶層）５の磁化方向の反転の際に生じる過渡的な磁化方向の変動を抑制する。スピントルクフリー層１３の下面および上面には、それぞれ、キャップ層３３およびキャップ層１４が設けられている。
【０１２８】
スピントルクフリー層１３にスピン偏極電流によるスピントルクを作用させない方法として、実施の形態１や２のようにスピントルクフリー層１３へ電流が流れないようにする方法もあるが、別の方法として、スピン偏極電流のスピン偏極を解消した後に、電流をスピントルクフリー層１３へ流す方法がある。実施の形態３ではこの方法を採用し、磁化自由層（記憶層）５とスピントルクフリー層１３との間に、スピン偏極電流のスピン偏極を解消するスピンシンク層３２を設けている。
【０１２９】
磁化自由層（記憶層）５を流れる上向きスピン↑をもつ電流の密度および下向きスピン↓をもつ電流の密度を、それぞれ、Ｊ↑およびＪ↓とする。電子の荷電粒子としての総和は荷電流（Ｊ↑＋Ｊ↓）で表され、スピン粒子としての総和はスピン流（Ｊ↑−Ｊ↓）で表される。スピントルクが磁性体に作用するのは、スピン流が磁性体に流入するからである。スピン流の大きさが１／ｅになる距離はスピン拡散長と呼ばれ、ＭＴＪ素子はｎｍサイズの領域ではスピン拡散長が平均自由行程よりも長いことを利用している。
【０１３０】
言い換えれば、荷電流が流入してもスピン流が流入しなければスピントルクは作用しない。スピン拡散長が極めて短い材料は、スピンシンク（spin-sink）として作用する（Y. Tserkovnyak and A. Brataas, “Spin pumping and magnetization dynamics in metallic multilayers”, Phys. Rev. B, 66, 224403 (2002)参照。）。従って、スピン流を減衰させるには、スピンシンク層３２を、スピン拡散長が短い、オスミウムＯs、イリジウムＩr、レニウムＲe、白金Ｐt、ルテニウムＲu、タングステンＷ、ニオブＮb、およびジルコニウムＺrからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する層とし、これを磁化自由層（記憶層）５とスピントルクフリー層１３との間に挟めばよい。
【０１３１】
スピンシンク層３２の膜厚はスピン流を減衰させるに十分な長さ、およそ２ｎｍ以上必要である。スピンシンク層３２と、磁化自由層（記憶層）５およびスピントルクフリー層１３と直接接触させると、スピンシンク層３２によって磁化自由層（記憶層）５内部のスピン流が阻害されるなどの悪影響が生じる可能性がある。これを防止するために、スピンシンク層３２と、磁化自由層（記憶層）５およびスピントルクフリー層１３との間に、キャップ層３１および３３を挟むのが好ましい。
【０１３２】
キャップ層３１および３３は、スピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、ハフニウム、コバルト、鉄、ニッケル、およびマンガンからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する層であるのがよい。スピンシンク層３２の悪影響を防ぐためには、キャップ層３１および３３の膜厚は、少なくとも０．１ｎｍ以上であることが必要である。
【０１３３】
このように構成されたＭＴＪ素子３０では、ＭＴＪ素子１０と同様、磁化自由層（記憶層）５を反転させる際の過渡特性が、実用上スピン偏極電流が直接作用しないスピントルクフリー層１３との磁気的結合によって改善され、磁化自由層（記憶層）５は速やか、かつ確実に反転状態に導かれる。
【０１３４】
ＭＴＪ素子３０では、ＭＴＪ素子１０あるいはＭＴＪ素子２０で得られる効果に加えて、接続プラグ１５と引き出し導電層１１、あるいはバイパス導電体２１が不要になる。このため、これらの形成のためのマスクを必要とせず、製造コストを低下させることができる。また、メモリセル面積を縮小することが可能になるので、ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭのさらなる大容量化が可能になる。
【０１３５】
実施の形態４
実施の形態４では、主として、請求項１および８〜１１に関わる例としてスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、および、このＭＴＪ素子を用いたＭＲＡＭについて説明する。
【０１３６】
図６は、実施の形態４に基づくスピン注入磁化反転ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭの、メモリセルの構造を示す部分断面図である。実施の形態１と同様に、このＭＲＡＭでは行配線（ワード線）と列配線（ビット線）とがマトリックス状に配置され、それらの各交点の位置にＭＴＪ素子４０が配置され、１ビットに相当するメモリセルが形成されている。
【０１３７】
図６に示すように、メモリセルの中央部には、下層から順に下地層１、反強磁性層２、固定磁化層３ａ、中間層３ｂ、参照磁化層３ｃ、トンネルバリア層４，磁化自由層（記憶層）５ａ、中間層４１、磁化自由層（記憶層）５ｂ、キャップ層３１、スピンシンク層３２、キャップ層３３、スピントルクフリー層１３a、中間層４２、スピントルクフリー層１３ｂ、およびキャップ層１４の各層が積層されて、ＴＭＲ磁気メモリ素子４０が形成されている。
【０１３８】
ＴＭＲ磁気メモリ素子４０が、実施の形態３のＴＭＲ磁気メモリ素子３０と異なるのは、磁化自由層（記憶層）５およびスピントルクフリー層１３が複層構造で設けられていることである。
【０１３９】
本発明の骨子の一つは、磁化自由層（記憶層）５の磁化の動的挙動をスピントルクフリー層１３の磁化の動的挙動で動的にダンピングすることにある。この目的のためには磁化自由層（記憶層）５の磁化およびスピントルクフリー層１３の磁化の動的特性がプロセス条件によって完全に制御されなければならない。ダンピング定数を含めた磁性体の基礎特性を制御する１つの方法は、磁性層を、単層磁性体ではなく、間に非磁性の中間層を挟んだ多層の磁性体で構成することである。多層化によって粒径や粒間の結合定数を制御できれば、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子に適した所望の動的挙動を実現できる。
【０１４０】
この際、磁化自由層（記憶層）５が、中間層４１で隔てられて強磁性結合した多層膜５ａおよび５ｂからなり、中間層４１はスピン拡散長が長い、、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有するのがよい。
【０１４１】
また、スピントルクフリー層１３が、中間層４２で隔てられて強磁性結合した多層膜１３ａおよび１３ｂからなり、中間層４２はスピン拡散長が長い、銀、銅、クロム、金、バナジウム、チタン、ロジウム、タリウム、およびハフニウムからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有するのがよい。
【０１４２】
このように構成されたＭＴＪ素子４０では、ＭＴＪ素子３０と同様、磁化自由層（記憶層）５を反転させる際の過渡特性が、実用上スピン偏極電流が直接作用しないスピントルクフリー層１３との磁気的結合によって改善され、磁化自由層（記憶層）５は速やか、かつ確実に反転状態に導かれる。
【０１４３】
ＭＴＪ素子４０では、磁化自由層（記憶層）５の磁化やスピントルクフリー層の磁化の動的挙動を改善できるので、ＭＴＪ素子３０で得られる効果をさらに改善することができ、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子４０からなるＭＲＡＭの、より一層の低消費電流化および高速化が可能になる。また、同様の改善方法を、実施の形態１のＭＴＪ素子１０または実施の形態２のＭＴＪ素子２０に適用してもよい。
【０１４４】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明によると、書き込み時の過渡特性を改善して、書き込みの失敗が少なく、書き込み電流密度のしきい値が小さく、高集積化、高速化、および低消費電力化が可能なスピン注入磁化反転型ＭＴＪ素子及びそれを用いた磁気メモリ装置を提供し、その実用化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す部分断面図である。
【図２】同、複数個のメモリセルからなるＭＲＡＭに対し、書き込みテストを行った結果の一例を示すグラフである。
【図３】同、スピン注入ＭＴＪ素子の書き込み過渡特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２に基づく、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す部分断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に基づく、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す部分断面図である。
【図６】本発明の実施の形態４に基づく、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す部分断面図である。
【図７】ＭＴＪ素子の基本構造と、その記憶情報の読み出し動作を示す説明図（ａ）、および、ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造の一例を示す部分斜視図（ｂ）である。
【図８】後述の特許文献３に示されている、スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子からなるＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す部分断面図である。
【図９】本発明者が、複数個のメモリセルからなる従来のスピン注入磁化反転ＭＲＡＭに対し、書き込みテストを行った結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１４７】
１…下地層、２…反強磁性層、３ａ…固定磁化層、３ｂ…中間層、３ｃ…参照磁化層、
４…トンネルバリア層、５、５ａ、５ｂ…磁化自由層（記憶層）、６…キャップ層、
１０…スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、１１…引き出し導電層、１２…キャップ層、
１３、１３ａ、１３ｂ…スピントルクフリー層、１４…キャップ層、１５…接続プラグ、
２０…スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、２１…バイパス導電体、
３０…スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、３１…キャップ層、３２…スピンシンク層、
３３…キャップ層、４０…スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子、４１、４２…中間層、
５０…選択用トランジスタ、５１…半導体基板、５１ａ…ウエル領域、
５２…ゲート絶縁膜、５３…ドレイン電極、５４…ドレイン領域、５５…ゲート電極、
５６…ソース領域、５７…ソース電極、６１…ビット線、６２…行配線、
１００…ＭＴＪ素子、１０３…磁化固定層、１０４…トンネルバリア層、
１０５…磁化自由層（記憶層）、１０６…引き出し電極層、
１０７…読み出し用接続プラグ、１１０…選択用トランジスタ、１１１…半導体基板、
１１４…ドレイン領域、１１５…ゲート電極（読み出し用ワード線）、
１１６…ソース領域、１２１…書き込み用ビット線、１２２…書き込み用ワード線、
１２３…読み出し用ビット線、１２４センス線、２００…スピン注入磁化反転ＭＴＪ素子
【図１】
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【図２】
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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３】
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