(57)【要約】  トグル書込み方式の磁気ランダムアクセスメモリは、自由磁性層と、固定磁性層と、自由磁性層と固定磁性層に挟まれた非磁性層とを具備する。自由磁性層は、互いに反強磁性結合した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
トグル書込み方式の磁気ランダムアクセスメモリであって、
自由磁性層と、
固定磁性層と、
前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と
を具備し、
前記自由磁性層は、互いに反強磁性結合した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜を有する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２】
請求の範囲１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記自由磁性層は、（２ｎ−１）層の非磁性膜を更に有し、
前記２ｎ層の磁性膜と前記（２ｎ−１）層の非磁性膜は、交互に積層されている
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項３】
請求の範囲２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記（２ｎ−１）層の非磁性膜の膜厚は略等しい
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項４】
請求の範囲２又は３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記（２ｎ−１）層の非磁性膜の材料は同じである
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項５】
請求の範囲１乃至４のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記２ｎ層の磁性膜の膜厚は略等しい
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項６】
請求の範囲１乃至５のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記２ｎ層の磁性膜の材料は同じである
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項７】
ワード線と、
前記ワード線に略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点に設けられたメモリセルと
を具備し、
前記メモリセルは、
自由磁性層と、
固定磁性層と、
前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と
を具備し、
前記自由磁性層は、互いに反強磁性結合した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜を有し、
前記２ｎ層の磁性膜の各々における磁化容易軸が前記ワード線あるいは前記ビット線となす角度は略４５度である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項８】
請求の範囲７に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記メモリセルへの書込データの書込み動作時、前記メモリセルに格納されている格納データと前記書込データとの比較が行われ、前記格納データと前記書込データが異なる場合のみ、前記書込み動作が実行される
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
請求の範囲８に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
前記メモリセルに対して前記書込み動作が行われる場合、前記ワード線と前記ビット線の一方に、時刻ｔ１から時刻ｔ３までパルスが印加され、
前記ワード線と前記ビット線の他方に、時刻ｔ２から時刻ｔ４までパルスが印加され、
前記時刻ｔ１＜前記時刻ｔ２＜前記時刻ｔ３＜前記時刻ｔ４である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
自由磁性層と、
固定磁性層と、
前記自由磁性層と前記固定磁性層に挟まれた非磁性層と
を具備し、
前記自由磁性層は、
互いに反強磁性結合した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜と、
前記２ｎ層の磁性膜と交互に積層された（２ｎ−１）層の非磁性膜と
を有する
磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）に関し、特に、「トグル書込み方式」の磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、高集積と高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである。ＭＲＡＭにおいては、ＡＭＲ（Anisotropic MagnetoResistance）効果、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistance）効果、及びＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果といった磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子が利用される。【０００３】
図１は、米国特許ＵＳ５６４０３４３号（第1従来例）に開示されたＭＲＡＭの構成を示す平面図である。このＭＲＡＭ１００は、互いに直交するように形成された書込みワード線１０１と書込みビット線１０２を備えている。書込みワード線１０１と書込みビット線１０２の交点にはメモリセル１０３が配置されており、このメモリセル１０３が磁気抵抗素子を含んでいる。【０００４】
図２は、従来の磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子１１０は、下部電極層１１１、反強磁性層１１２、固定磁性層（ピン層）１１３、バリア層１１４、自由磁性層（フリー層）１１５及び上部電極層１１６を含んでいる。バリア層１１４は、絶縁膜あるいは金属膜を含む非磁性層であり、固定磁性層１１３と自由磁性層１１５に挟まれている。固定磁性層１１３と自由磁性層１１５とは、いずれも、自発磁化を有する強磁性層を含んでいる。固定磁性層１１３の自発磁化の向き（orientation）は所定の方向に固定されている。一方、自由磁性層１１５の自発磁化の向きは反転可能であり、固定磁性層１１３の自発磁化の向きと平行、又は反平行になることが許されている。【０００５】
固定磁性層１１３と自由磁性層１１５の自発磁化の向きが“反平行”である場合の磁気抵抗素子１１０の抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。ＭＲＡＭ１００は、この磁気抵抗素子１１０をメモリセル１０３として用い、この抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。メモリセル１０３のデータの書き換えは、自由磁性層１１５の自発磁化の向きを反転させることによって行われる。具体的には、自由磁性層１１５の磁化容易軸が書込みワード線１０１あるいは書込みビット線１０２と平行になるように、メモリセル１０３は配置されている。これら書込みワード線１０１と書込みビット線１０２に、それぞれ書込み電流ＩＷＬ及びＩＢＬが供給される。書込み電流ＩＷＬ，ＩＢＬが所定の条件を満たす場合、その書込み電流により発生する外部磁界によって、自由磁性層１１５の自発磁化の向きが反転される。【０００６】
図３Ａは、その所定の条件（閾値）を示す図である。図３Ａに示される曲線はアステロイドカーブと呼ばれており、自由磁性層１１５の自発磁化の反転に必要な最低限の書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬを示す。つまり、このアステロイドカーブの外側のＲｅｖｅｒｓａｌ領域に対応する書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬが供給された場合、データの書き換えが行われる。一方、供給される書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬが、アステロイドカーブの内側のＲｅｔｅｎｔｉｏｎ領域に落ちる場合、データの書き換えは行われない。その閾値の書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬによって発生する外部磁界をＨＸ，ＨＹとし、一軸異方性磁界をＨＫとする。この時、磁界ｈＸ(＝ＨＸ/ＨＫ)，ｈＹ(＝ＨＹ/ＨＫ)に対して以下の関係が成立する。【０００７】
【数１】
2006062150.tif 000002
【０００８】
図３Ｂは、複数のメモリセルに対するアステロイドカーブの分布を示す。各メモリセルが有する磁気抵抗素子１１０の特性にはバラツキが存在する。そのため、複数のメモリセルに対するアステロイドカーブ群（曲線群）は、図３Ｂに示されるように、曲線Ｃｍａｘと曲線Ｃｍｉｎの間に分布することになる。書込みが行われるためには、書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬは、少なくとも、曲線Ｃｍａｘの外側のＲｅｖｅｒｓａｌ領域に存在する必要がある。ここで、その書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬは、対象となるメモリセル以外のメモリセルにも影響を与える（以下、「ディスターブ」と参照される）。書込み電流ＩＷＬとＩＢＬのいずれか一方により発生する磁界によって、対象ではないメモリセルに書込みが行われないようにする必要がある。そのため、書込みワード線１０１を流れる電流ＩＷＬはＩＸ（ｍｉｎ）より小さく、且つ、書込みビット線１０２を流れる電流ＩＢＬはＩＹ（ｍｉｎ）より小さい必要がある。よって、書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬは、図３Ｂ中のハッチング領域（書込みマージン）に対応していなければならない。磁気抵抗素子１１０の特性のバラツキが大きくなるにつれ、この書込みマージンは小さくなる。【０００９】
このようなメモリ特性の劣化や誤書込み（ディスターブ）を抑制するための技術として、「トグル書込み方式」が提案されている。例えば、米国特許ＵＳ６５４５９０６号（第2従来例）には、トグル書込み方式のＭＲＡＭが開示されている。トグル書込み方式のＭＲＡＭにおいては、「反強磁性結合力」が用いられる。ある種の材料は、隣り合う磁化を逆向きに働かせる力(反強磁性結合力)を持っており、これは反強磁性材料と呼ばれる。極めて薄い導電膜を強磁性膜の間に挟み込むことでも、同様の反強磁性結合力を働かせることができることが知られている。トグル書込み方式のＭＲＡＭにおいては、互いに反強磁性的に結合したＮ層（Ｎは２以上の整数）の磁性膜が用いられる。第2従来例においては、Ｎ＝２とＮ＝３の場合が示されている。【００１０】
図４Ａ及び図４Ｂは、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおいて用いられる磁気抵抗素子１２０の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子１２０は、下部電極層１２１、反強磁性層１２２、固定磁性層（ピン層）１２３、バリア層１２４、自由磁性層（フリー層）１２５及び上部電極層１２６を含んでいる。ここで、この自由磁性層１２５は、「反強磁性的」に結合した第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２を含んでいる（Ｎ＝２）。具体的には、第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２との間には、薄い非磁性膜１３３が挟まれている。この反強磁性結合により、図４Ａ及び図４Ｂ中の矢印で示されているように、第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２の自発磁化の方向は、安定状態において反平行となる。自由磁性層（フリー層）１２５中の第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２の自発磁化の向きは反転可能である。一方の自発磁化が反転した場合、反平行状態を保つように、他方の自発磁化も反転する。【００１１】
自由磁性層１２５中の第１磁性膜１３１は、バリア層１２４を介して固定磁性層１２３上に積層されている。図４Ａは、第１磁性膜１３１の自発磁化の向きと固定磁性層１２３の自発磁化の向きが“反平行”である「第１状態」を示し、図４Ｂは、第１磁性膜１３１の自発磁化の向きと固定磁性層１２３の自発磁化の向きが“平行”である「第２状態」を示している。磁気抵抗効果により、第１状態における磁気抵抗素子１２０の抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、第２状態における抵抗値（Ｒ）よりも大きくなる。トグル書込み方式のＭＲＡＭは、この磁気抵抗素子１２０をメモリセル１０３として用い、抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、図４Ａに示される第１状態は、データ「１」に対応付けられ、図４Ｂに示される第２状態は、データ「０」に対応付けられる。【００１２】
図５は、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおける自発磁化の方向を示す平面図である。図５において、書込みワード線１０１及び書込みビット線１０２は、互いに直交するＳ方向及びＴ方向に沿ってそれぞれ形成されている。メモリセル（磁気抵抗素子１２０）は、書込みワード線１０１と書込みビット線１０２に挟まれて配置されている。ここで、磁気抵抗素子１２０の自由磁性層１２５における「磁化容易軸方向」をＸ方向とし、「磁化困難軸方向」をＹ方向とする。トグル書込み方式のＭＲＡＭにおいては、図５に示されるように、磁化容易軸方向（Ｘ方向）がＳ方向あるいはＴ方向と４５度の角をなすように、メモリセルが配置される。安定状態において、第１磁性膜１３１の自発磁化と第２磁性膜１３２の自発磁化は、互いに反平行であり、且つ、Ｓ方向あるいはＴ方向と４５度の角度をなしている。【００１３】
このようなＭＲＡＭにおいて、データの書込みは、第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２における自発磁化の方向を反転させることによって行われる。トグル書込み方式によれば、データの書込みの前に、対象メモリセルに格納されているデータ（格納データ）の読み出しが行われる。格納データと書込みデータが異なっている場合にのみ、書込み動作が実行される。【００１４】
図６Ａと６Ｂは、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおける書込み動作を示すタイミングチャートである。まず、時刻ｔ１で、書込みワード線１０１に書込み電流ＩＷＬが供給され、時刻ｔ２で、書込みビット線１０２に書込み電流ＩＢＬが供給される。続いて、時刻ｔ３で、書込み電流ＩＷＬの供給が停止し、時刻ｔ４で、書込み電流ＩＢＬの供給が停止する。このような電流制御を行うことによって、第１磁性膜１３１と第２磁性膜１３２における自発磁化の方向が反転する（第2従来例参照）。つまり、トグル書込み方式によれば、自由磁性層１２５の磁化状態は、書込み動作の度に、「第１状態」と「第２状態」の間でトグルスイッチのように変化する。【００１５】
図７は、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおける閾値特性を示すグラフ図である。図７において、縦軸と横軸は、それぞれ書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬを示す。データが書き込まれる“選択セル”に対応する書込みワード線１０１及び書込みビット線１０２には、図中の「ＴＯＧＧＬＥ」と示された領域に対応する書込み電流ＩＷＬ，ＩＢＬが供給される。これにより、その選択セルにおいてトグル動作が行われる。ここで、図７に示されるように、この閾値特性はＸ切片、Ｙ切片を持たない。よって、書込みワード線１０１及び書込みビット線１０２のいずれか一方が選択セルと共通である“半選択セル”には、いずれかの書込み電流による磁界しか印加されない。従って、その半選択セルにおいてトグル動作は起こらない。このように、トグル書込み方式のＭＲＡＭによれば、図３Ｂに示された従来のＭＲＡＭと比較して、誤書込みが大幅に低減される。また、書込み電流の値を厳密に制御する必要がないので、書込みマージンは飛躍的に向上する。【００１６】
トグル書込み方式のＭＲＡＭの動作領域は、次のように規定される。図８Ａは、このＭＲＡＭの閾値特性を詳細に示すグラフ図である。図８Ａにおいて、縦軸と横軸は、それぞれ書込み電流ＩＷＬ，ＩＢＬによって生成される磁界ＨＷＬ，ＨＢＬを示す。図８Ｂは、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおける自由磁性層１２５の磁気抵抗特性を示すグラフ図である。図８Ｂにおいて、横軸は、磁化容易軸（Ｘ軸）方向の磁界ＨＸを示し、縦軸は、抵抗値を示す。【００１７】
トグル動作に必要な最小の磁界であって、Ｘ軸（磁化容易軸）方向の磁界が、「フロップ磁界（Spin Flop Field）Ｈｓｆ」と定義される。すなわち、フロップ磁界Ｈｓｆの大きさは、図８Ａにおいて原点から点ａまでの距離で定義される。自由磁性層１２５が２層の等価な磁性膜から構成される場合、フロップ磁界Ｈｓｆは、「一軸異方性磁界ＨＫ」と「反強磁性結合磁界ＨＩ」を用いて、次の式で表される。【００１８】
【数２】
2006062150.tif 000003
【００１９】
また、書込み動作時の磁界がある値よりも大きくなった場合、自由磁性層１２５に含まれる各磁性膜の自発磁化は完全に同じ方向を向いてしまう。この時、動作が不安定になってしまう。不安定にならない限界の磁界は、図８Ａにおいて曲線Ｃで示されている。その限界の磁界であって、Ｘ軸（磁化容易軸）方向の磁界が、「飽和磁界（Saturation Field）Ｈｓａｔ」と定義される。すなわち、飽和磁界Ｈｓａｔの大きさは、図８Ａにおいて原点から曲線Ｃまでの距離で定義される。【００２０】
このように、トグル動作領域の上限及び下限は、それぞれフロップ磁界Ｈｓｆ及び飽和磁界Ｈｓａｔで規定される。書込み動作時に印加される磁化容易軸方向の磁界ＨＸは、図８Ｂに示されるように、フロップ磁界Ｈｓｆから飽和磁界Ｈｓａｔまでの範囲に入る必要がある。トグル書込み方式のＭＲＡＭにおいて、このトグル動作領域を更に拡大することができる技術が望まれている。そのために、飽和磁界Ｈｓａｔとフロップ磁界Ｈｓｆの比を増加させることができる技術が望まれている。【００２１】
また、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおいて、消費電力を低減することができる技術が望まれている。それは、トグル書込み方式のＭＲＡＭによる書込み電流は、図２に示される一般的なＭＲＡＭによる書込み電流よりも大きくなる傾向があるからである。一例として、図４Ａに示された２層の磁性膜から構成された自由磁性層１２５に対するフロップ磁界Ｈｓｆと、図２に示された単層の自由磁性層１１５に対する書込み磁界との比較を行う。両自由磁性層において、一軸異方性磁界ＨＫは同じと仮定する。図２に示された自由磁性層１１５に対する書込み磁界は、約ＨＫである。一方、反強磁性結合磁界ＨＩがＨＩ＝４ＨＫで与えられる時、上記数式（２）により、フロップ磁界Ｈｓｆは次式で与えられる。【００２２】
【数３】
2006062150.tif 000004
【００２３】
このように、トグル書込み方式によれば、一般的なアステロイド特性と比較して、約５１／２倍の書込み磁界、すなわち書込み電流が必要となる。従って、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおいて、書込み電流を低減することができる技術が望まれている。そのためには、フロップ磁界Ｈｓｆが小さいことが望ましい。尚、熱擾乱耐性を確保するために、一軸異方性磁界ＨＫをむやみに小さくすることはできない。【００２４】
尚、トグル書込み方式ではない一般的なＭＲＡＭの技術として、以下が知られている。【００２５】
特開２００２−１５１７５８号公報（第３従来例）に開示された技術の目的は、熱揺らぎに対して安定な強磁性トンネル磁気抵抗素子を提供することである。この強磁性トンネル磁気抵抗素子のフリー層において、強磁性層と中間層が少なくとも５層以上積層されている。中間層を介して隣接する２層の強磁性層の磁化は、反強磁性的に配列されている。【００２６】
特開２００３−２９８０２３号公報（第４従来例）に開示された磁気メモリは、２つの磁気抵抗素子と、それらの間に介在した共通配線を備える。第１の磁気抵抗素子は、第１のピン層と第１のフリー層を有する。第１のピン層は、非磁性層を介して積層された偶数層の強磁性層を含む。第１のフリー層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を含む。第２の磁気抵抗素子は、第２のピン層と第２のフリー層を有する。第２のピン層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された３層以上の強磁性層を含む。第２のフリー層は、単層の強磁性層、あるいは非磁性層を介して積層された複数の強磁性層を含む。【００２７】
特開２００３−３３１５７４号公報（第５従来例）には、ＭＲＡＭの書込み方法が開示されている。この書込み方法は、容易軸及び困難軸を有する磁気抵抗効果素子に、困難軸に平行な第１磁界を作用させるステップと、その後、第１磁界より弱く困難軸に平行な第２磁界と、容易軸に平行な第３磁界とを、同時に磁気抵抗効果素子に作用させるステップとを有する。【００２８】
特開２００４−８７８７０号公報（第６従来例）に開示された磁気抵抗効果素子によれば、ピン層が、フリー層に静磁界を印加するための磁界印加部材としての機能を有している。その静磁界を印加するために、ピン層からの漏洩磁界の強さが、所定の値以上になるように設定されている。【００２９】
特開平５−２６６６５１号公報（第７従来例）には、磁性薄膜メモリ素子が開示されている。この磁性薄膜メモリ素子は、磁性薄膜の磁化の向きによって情報を記憶する。この磁性薄膜は、積層構造を有している。具体的には、この磁性薄膜において、保磁力の大きな磁性層ａと保磁力の小さな磁性層ｂが、非磁性層ｃを介して、ａ／ｃ／ｂ／ｃ／ａ／ｃ／ｂ／ｃ・・・というように積層されている。
【発明の開示】
【００３０】
本発明の目的は、ディスターブを抑制することができるトグル書込み方式のＭＲＡＭであって、動作領域を拡大することができるＭＲＡＭを提供することにある。
本発明の他の目的は、ディスターブを抑制することができるトグル書込み方式のＭＲＡＭであって、書込み電流を低減することができるＭＲＡＭを提供することにある。
【００３１】
本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、「トグル書込み方式」である。この磁気ランダムアクセスメモリは、自由磁性層と、固定磁性層と、自由磁性層と固定磁性層に挟まれた非磁性層とを備える。
【００３２】
自由磁性層は、互いに反強磁性結合した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜を有する。自由磁性層は（２ｎ−１）層の非磁性膜を更に有し、上記２ｎ層の磁性膜と、その（２ｎ−１）層の非磁性膜は、交互に積層される。上記（２ｎ−１）層の非磁性膜の膜厚はほぼ等しく、それらの材料は同じであると好ましい。また、上記２ｎ層の磁性膜のそれぞれの膜厚はほぼ等しく、それらの材料は同じであると好ましい。
【００３３】
本願発明者らは、このような構成によって磁気ランダムアクセスメモリの動作領域が拡大することを発見し、実証した。更に、本願発明者らは、このような構成によって磁気ランダムアクセスメモリの書込み電流が低減されることを発見し、実証した。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、従来のＭＲＡＭの構成を示す平面図である。
【図２】図２は、従来のＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。
【図３Ａ】図３Ａは、従来のＭＲＡＭにおける、あるメモリセルに対する閾値特性（アステロイドカーブ）を示すグラフ図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、従来のＭＲＡＭにおける、複数のメモリセルに対する閾値特性の分布を示すグラフ図である。
【図４Ａ】図４Ａは、従来のトグル書込み方式のＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、従来のトグル書込み方式のＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。
【図５】図５は、従来のトグル書込み方式のＭＲＡＭにおける自発磁化の方向を示す平面図である。
【図６】図６Ａと６Ｂは、従来のトグル書込み方式のＭＲＡＭにおける書込み動作を示すタイミングチャートである。
【図７】図７は、従来のトグル書込み方式のＭＲＡＭにおける閾値特性を示すグラフ図である。
【図８Ａ】図８Ａは、従来のトグル書込み方式のＭＲＡＭにおける閾値特性の詳細を示すグラフ図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、従来のトグル書込み方式のＭＲＡＭにおける自由磁性層の磁気抵抗特性を示すグラフ図である。
【図９】図９は、本発明に係るＭＲＡＭの構成を示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係るＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗素子の構造を示す概念図である。
【図１１】図１１は、本発明に係るＭＲＡＭにおけるメモリセルの磁化特性を示すグラフ図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明に係るＭＲＡＭにおける飽和磁界と一軸異方性磁界との関係を示すグラフ図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明に係るＭＲＡＭにおける飽和磁界と磁性膜の積層枚数Ｎとの関係を示すグラフ図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明に係るＭＲＡＭにおけるフロップ磁界と一軸異方性磁界との関係を示すグラフ図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明に係るＭＲＡＭにおけるフロップ磁界と磁性膜の積層枚数Ｎとの関係を示すグラフ図である。
【図１４】図１４は、本発明に係るＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗素子の構造の一例を示す概念図である。
【図１５】図１５は、本発明に係るＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗素子の構造の他の例を示す概念図である。
【図１６】図１６は、図１４及び図１５に示された磁気抵抗素子の磁化特性を示すグラフ図である。
【図１７】図１７は、本発明に係るＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗素子の構造の更に他の例を示す概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
添付図面を参照して、本発明による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を説明する。本発明に係るＭＲＡＭは、「トグル書込み方式」のＭＲＡＭである。【００３６】
図９は、本発明に係るＭＲＡＭの構成を示す平面図である。本発明に係るＭＲＡＭ１は、Ｓ方向に沿って形成された書込みワード線２と、Ｔ方向に沿って形成された書込みビット線３を備えている。Ｓ方向とＴ方向は、互いに略直角である。つまり、書込みワード線２と書込みビット線３は、互いに交差するように設けられている。書込み動作時、書込みワード線２には書込み電流ＩＷＬが供給され、この書込み電流ＩＷＬによってＴ方向の書込み磁界ＨＷＬが生成される。また、書込み動作時、書込みビット線３には書込み電流ＩＢＬが供給され、この書込み電流ＩＢＬによってＳ方向の書込み磁界ＨＢＬが生成される。【００３７】
書込みワード線２と書込みビット線３の交点には、メモリセル４が設けられている。メモリセル４は、書込みワード線２と書込みビット線３に挟まれるように配置されており、上記書込み磁界ＨＷＬ及びＨＢＬが、このメモリセル４に作用する。また、メモリセル４は、磁気抵抗効果を示す磁気抵抗素子１０を有している。磁気抵抗素子１０に含まれる自由磁性層（フリー層）の磁化容易軸方向はＸ方向と定義され、その磁化困難軸方向はＹ方向と定義される。図９に示されるように、本発明において、Ｘ方向は、上記Ｓ方向あるいはＴ方向に対して略４５度の角をなす。つまり、磁化容易軸と書込みワード線２あるいは書込みビット線３とのなす角が略４５度になるように、磁気抵抗素子１０は配置されている。【００３８】
図１０は、本発明に係る磁気抵抗素子１０の構造を示す概念図である。この磁気抵抗素子１０は、下部電極層１１、反強磁性層１２、固定磁性層（ピン層）１３、バリア層１４、自由磁性層（フリー層）１５及び上部電極層１６を含んでいる。固定磁性層１３と自由磁性層１５とは、いずれも、自発磁化を有する強磁性層を含んでいる。固定磁性層１３の自発磁化の向き（orientation）は所定の方向に固定されている。一方、自由磁性層１５の自発磁化の向きは反転可能である。バリア層１４は、絶縁膜あるいは金属膜を含む非磁性層であり、固定磁性層１３と自由磁性層１５に挟まれている。バリア層１４は、例えば、トンネル絶縁膜である。この時、固定磁性層１３、バリア層１４、及び自由磁性層１５によって、磁気トンネル接合（MTJ; Magnetic Tunnel Junction）が形成される。【００３９】
本発明によれば、自由磁性層１５は、互いに反強磁性結合した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜２０−１〜２０−２ｎを備えている。つまり、自由磁性層１５は、４以上の偶数層の磁性膜２０を有しており、それら複数の磁性膜２０−１〜２０−２ｎは、互いに反強磁性結合している。隣接する磁性膜２０の間には、反強磁性結合を実現するための非磁性膜（反強磁性結合膜）３０が形成されている。つまり、自由磁性層１５は、（２ｎ−１）層の非磁性膜３０−１〜３０−（２ｎ−１）をも備えている。そして、図１０に示されるように、２ｎ層の磁性膜２０と（２ｎ−１）層の非磁性膜３０は、交互に積層されている。【００４０】
好適には、２ｎ層の磁性膜２０は互いに等価である。つまり、２ｎ層の磁性膜２０の材料や膜厚は、それぞれ同じであることが好ましい。磁性膜２０の材料として、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ及びそれらの化合物から構成されるグループから選択される少なくとも一種類が例示される。また、磁性膜２０の膜厚として、１．５ｎｍ〜１０ｎｍが例示される。また、好適には、（２ｎ−１）層の非磁性膜３０は互いに等価である。つまり、（２ｎ−１）層の非磁性膜３０の材料や膜厚は、それぞれ同じであると好ましい。非磁性膜３０の材料として、Ｒｕ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｒｈ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄから構成されるグループから選択される少なくとも一種類が例示される。また、非磁性膜３０の膜厚として、０．４ｎｍ〜３ｎｍが例示される。【００４１】
このような積層構造によって、互いに反強磁性結合した２ｎ層の磁性膜２０−１〜２０−２ｎが実現される。これにより、隣接する２層の磁性膜２０における自発磁化の方向は、安定状態において“反平行”となる。つまり、図１０に示されるように、２ｎ層の磁性膜２０−１〜２０−２ｎにおける自発磁化の方向は交互になる。【００４２】
この磁気抵抗素子１０は、２つの安定状態を有する。「第１の状態」では、図１０中の矢印で示されるように、バリア層１４に隣接する磁性膜２０−１における自発磁化の方向は、固定磁性層１３における自発磁化の方向に“反平行”である。「第２の状態」では、２ｎ層の磁性膜２０における自発磁化の方向が全体的に反転している。つまり、磁性膜２０−１における自発磁化の方向は、固定磁性層１３における自発磁化の方向に“平行”である。磁気抵抗効果により、第１状態における磁気抵抗素子１０の抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、第２状態における抵抗値（Ｒ）よりも大きくなる。ＭＲＡＭ１は、この抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、図１０に示される第１状態は、データ「１」に対応付けられ、第２状態は、データ「０」に対応付けられる。【００４３】
あるメモリセル４に格納されたデータの読み出しは、この磁気抵抗素子１０の抵抗値の大きさを検出することによって行われる。具体的には、下部電極層１１と上部電極層１６の間に所定の電圧を印加し、磁気抵抗素子１０を流れる電流の大きさを検出することによって、抵抗値の大きさが検出される。検出された抵抗値の大きさによって、対象メモリセル４に格納されているデータが判定される。【００４４】
また、データの書込みは、自由磁性層１５に含まれる２ｎ層の磁性膜２０における自発磁化の方向を反転させることによって行われる。トグル書込み方式によれば、データの書込みの前に、対象メモリセルに格納されているデータ（格納データ）の読み出しが行われる。格納データと書込みデータが異なっている場合にのみ、書込み動作が実行される。【００４５】
書込み動作は、次の順番で行われる。すなわち、時刻ｔ１で、書込みワード線２に書込み電流ＩＷＬが供給され、時刻ｔ２で、書込みビット線３に書込み電流ＩＢＬが供給される。続いて、時刻ｔ３で、書込み電流ＩＷＬの供給が停止し、時刻ｔ４で、書込み電流ＩＢＬの供給が停止する。つまり、書込みワード線２には、時刻ｔ１から時刻ｔ３までパルスが印加され、書込みビット線３には、時刻ｔ２から時刻ｔ４までパルスが印加される。ここで、時刻ｔ１＜時刻ｔ２＜時刻ｔ３＜時刻ｔ４である（図６Ａと６Ｂ参照）。このような電流制御を行うことによって、すなわち、書込み電流ＩＷＬとＩＢＬを供給するタイミングをずらすことによって、複数の磁性膜２０における自発磁化が反転する。トグル書込み方式によれば、自由磁性層１５の磁化状態は、書込み動作の度に、「第１状態」と「第２状態」の間でトグルスイッチのように変化する。【００４６】
このように、本発明に係るＭＲＡＭ１によれば、自由磁性層１５は、互いに「反強磁性結合」した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜２０を有している。本願発明者らは、このような構成によってＭＲＡＭ１の動作領域が拡大することを発見し、実証した。更に、本願発明者らは、このような構成によってＭＲＡＭ１の書込み電流が低減されることを発見し、実証した。以下、その根拠となるデータを詳細に説明する。【００４７】
図１１は、等価な２ｎ層の磁性膜２０を有する自由磁性層１５の磁化特性を示している。横軸は、磁化容易軸方向（Ｘ方向）の磁界ＨＸを示し、縦軸は、飽和磁化Ｍｓによって規格化された磁化ＭＸを示している。また、磁性膜２０の積層数をＮ（＝２ｎ）とする。図１１においては、Ｎ＝２、Ｎ＝４、Ｎ＝６、Ｎ＝８、Ｎ＝１０の５種類のメモリセルに対する磁化特性が示されている。尚、この磁化特性は、Landau-Lifshitz方程式を数値的に解くことによって得られる。図１１に示されるように、積層数Ｎが増加するにつれて、「飽和磁界Ｈｓａｔ」が増加することが分かった。このような多層膜においては、両端ではない磁性膜２０に対して、上層と下層から複数の反強磁性結合磁界が作用し、その結果として飽和磁界Ｈｓａｔが増加したものと考えられる。【００４８】
また、一般的に、磁化容易軸方向（Ｘ方向）に磁界Ｈを印加した際の、“２層”の等価な磁性膜からなる系のエネルギーＥｔは、次式で表される。【００４９】
【数４】
2006062150.tif 000005
【００５０】
ここで、Ｋｕは異方性エネルギー、Ｊは反強磁性結合エネルギー、Ｍは磁化、θ１は第１磁性膜と磁化容易軸とのなす角、θ２は第２磁性膜と磁化容易軸とのなす角、ＨＫは一軸異方性磁界（＝２Ｋｕ／Ｍ）、ＨＩは反強磁性結合磁界（＝２Ｊ／Ｍ）をそれぞれ示す。“多層”の等価な磁性膜からなる系のエネルギーは、これらのヤコビアンを計算することによって導出される。【００５１】
図１２Ａは、飽和磁界Ｈｓａｔと一軸異方性磁界ＨＫとの関係を、積層数Ｎをパラメータとして示している。図１２Ａにおいて、縦軸及び横軸は、反強磁性結合磁界ＨＩによって規格化された飽和磁界Ｈｓａｔ及び一軸異方性磁界ＨＫをそれぞれ示している。尚、これらの導出は、上記数式（４）のヤコビアンを計算することによって行われる。図１２Ａに示されるように、ある積層数Ｎに関しては、規格化された一軸異方性磁界ＨＫ/ＨＩが小さいほど、規格化された飽和磁界Ｈｓａｔ/ＨＩは大きくなる。【００５２】
図１２Ｂは、ＨＫ＝０の場合における、規格化された飽和磁界Ｈｓａｔ/ＨＩの積層数Ｎに対する依存性を示している。図１２Ｂに示されるように、磁性膜２０の積層数Ｎが増加するにつれて、規格化された飽和磁界Ｈｓａｔ/ＨＩは大きくなる。つまり、フロップ磁界Ｈｓｆが一定の場合、積層数Ｎが増加するにつれて飽和磁界Ｈｓａｔは大きくなる。これは、動作領域（Ｈｓａｔ−Ｈｓｆ）が拡がることを意味する。【００５３】
図１３Ａは、フロップ磁界Ｈｓｆと一軸異方性磁界ＨＫとの関係を、積層数Ｎをパラメータとして示している。図１３Ａにおいて、縦軸及び横軸は、反強磁性結合磁界ＨＩによって規格化されたフロップ磁界Ｈｓｆ及び一軸異方性磁界ＨＫをそれぞれ示している。尚、これらの導出は、上記数式（４）のヤコビアンを計算することによって行われる。図１３Ａに示されるように、積層数Ｎが偶数の場合（Ｎ＝２ｎ）、数の多少に関わらず、規格化されたフロップ磁界Ｈｓｆ/ＨＩには同じ依存性・傾向が見られた。また、積層数Ｎが奇数の場合（Ｎ＝２ｎ−１）、積層数Ｎが偶数の場合と比較して、全てのＨＫに対してフロップ磁界Ｈｓｆが大きくなる傾向が見られた。【００５４】
図１３Ｂは、ＨＫ＝０の場合における、規格化されたフロップ磁界Ｈｓｆ/ＨＩの積層数Ｎに対する依存性を示している。図１３Ｂに示されるように、積層数Ｎが偶数の場合（Ｎ＝２ｎ）、フロップ磁界Ｈｓｆは０である。一方、積層数Ｎが奇数の場合、フロップ磁界Ｈｓｆは有限の値を持ち、積層数Ｎが増加するに従って減少する。【００５５】
これらの結果から次のことが導き出せる。積層数Ｎが偶数の場合（Ｎ＝２ｎ）、フロップ磁界Ｈｓｆは一定であり、積層数Ｎが増加するにつれて飽和磁界Ｈｓａｔは増加する。これは、積層数Ｎが増加するに従って、動作領域が拡がることを意味する。一方、積層数Ｎが奇数の場合、積層数Ｎが増加するにつれて飽和磁界Ｈｓａｔは増加するが、フロップ磁界ＨｓｆもＮ＝２の場合に比べて増加してしまう。すなわち、Ｎ＝２の場合と比較しても、動作領域はそれほど拡がらない。つまり、動作マージンを拡げるためには、積層数Ｎが偶数で、且つ４以上である必要がある。動作マージンの増加幅は、積層数Ｎが２から４に変わる場合に最も大きい。積層数Ｎが大きくなってくると、動作マージンの増加幅も少なくなってくる。実際の積層数Ｎは、その動作マージンの増加幅と製造上のばらつき（一軸異方性磁界ＨＫのばらつき、磁性膜２０の膜厚のばらつき、反強磁性結合膜３０の膜厚のばらつき、形状のばらつき等）を考慮して決定される。【００５６】
表１は、ＨＫ/ＨＩ＝０．２の場合の、規格化されたフロップ磁界Ｈｓｆ/ＨＩ、規格化された飽和磁界Ｈｓａｔ/ＨＩ、及び飽和磁界Ｈｓａｔで規格化されたフロップ磁界Ｈｓｆ（ｎｏｒｍ）（＝Ｈｓｆ/Ｈｓａｔ＝（Ｈｓｆ/ＨＩ）/（Ｈｓａｔ/ＨＩ））を示している。ここで、磁性膜２０や反強磁性結合膜３０の膜厚・材料を調整することによって、各積層数Ｎに対して飽和磁界Ｈｓａｔは等しく設定されている（反強磁性結合磁界ＨＩが各積層数Ｎに対して変わっている）。つまり、この磁界Ｈｓｆ（ｎｏｒｍ）は、飽和磁界Ｈｓａｔが一定の場合の規格化されたフロップ磁界Ｈｓｆを意味する。例えば、積層数Ｎが４の場合、規格化されたフロップ磁界Ｈｓｆ（ｎｏｒｍ）は、積層数Ｎが２の場合の約半分である。積層数Ｎが更に増加すると、規格化されたフロップ磁界Ｈｓｆ（ｎｏｒｍ）は、徐々に減少していく。つまり、一軸異方性磁界ＨＫと飽和磁界Ｈｓａｔが一定という条件下では、積層数Ｎが４以上に設定されることによって、書込み電流の値が、Ｎ＝２の場合の半分以下に減少するということが分かる。すなわち、消費電力が低減される。【００５７】
【表１】
2006062150.tif 000006
【００５８】
以下、更に具体的な例を用いて説明が行われる。【００５９】
例１：積層数Ｎが異なる２種類の磁気抵抗素子が作製され、それらに対するフロップ磁界Ｈｓｆと飽和磁界Ｈｓａｔの評価がなされた。【００６０】
図１４は、構造Ａを有する第１の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層４１、反強磁性層４２、固定磁性層４３、バリア層４４、自由磁性層４５、及びキャップ層４６を備えている。シード層４１は、２０ｎｍの膜厚を有するＴａ膜である。反強磁性層４２は、２０ｎｍの膜厚を有するＰｔＭｎ膜である。固定磁性層４３は、２．５ｎｍの膜厚を有するＣｏＦｅ膜、０．８８ｎｍの膜厚を有するＲｕ膜、及び２．５ｎｍの膜厚を有するＣｏＦｅ膜から構成されている。バリア層４４は、１ｎｍの膜厚を有するＡｌ膜が酸化された膜である。自由磁性層４５は、交互に積層された２層の磁性膜と１層の非磁性膜を有する（Ｎ＝２）。各磁性膜は、４ｎｍの膜厚を有するＮｉＦｅ膜と０．５ｎｍの膜厚を有するＣｏＦｅ膜とから構成されている。各非磁性膜（反強磁性結合膜）は、２．１ｎｍの膜厚を有するＲｕ膜である。キャップ層４６は、０．７ｎｍの膜厚を有する酸化されたＡｌ膜と１００ｎｍの膜厚を有するＴａ膜から構成されている。【００６１】
図１５は、構造Ｂを有する第２の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層５１、反強磁性層５２、固定磁性層５３、バリア層５４、自由磁性層５５、及びキャップ層５６を備えている。シード層５１、反強磁性層５２、固定磁性層５３、バリア層５４、及びキャップ層５６のそれぞれの膜厚・組成は、上述のシード層４１、反強磁性層４２、固定磁性層４３、バリア層４４、及びキャップ層４６のそれぞれと同じである。自由磁性層５５は、交互に積層された４層の磁性膜と３層の非磁性膜を有する（Ｎ＝４）。各磁性膜は、第１の磁気抵抗素子と同様に、４ｎｍの膜厚を有するＮｉＦｅ膜と０．５ｎｍの膜厚を有するＣｏＦｅ膜とから構成されている。各非磁性膜（反強磁性結合膜）は、第１の磁気抵抗素子と同様に、２．１ｎｍの膜厚を有するＲｕ膜である。【００６２】
図１６は、構造Ａ（Ｎ＝２）及び構造Ｂ（Ｎ＝４）における自由磁性層４５、５５の磁化特性を示す。図１６において、横軸は、磁化容易軸方向（Ｘ方向）の磁界ＨＸを示し、縦軸は、飽和磁化Ｍｓで規格化された磁化ＭＸを示す。また、表２は、構造Ａ（Ｎ＝２）及び構造Ｂ（Ｎ＝４）に対応するフロップ磁界Ｈｓｆと飽和磁界Ｈｓａｔを示す。【００６３】
【表２】
2006062150.tif 000007
【００６４】
図１６及び表２に示されているように、構造Ａ及び構造Ｂに対するフロップ磁界Ｈｓｆはほとんど同じであった（６２〜６３Ｏｅ）。一方、飽和磁界Ｈｓａｔに関しては、構造Ａと構造Ｂで大きく変化した。具体的には、構造Ａ（Ｎ＝２）の場合、飽和磁界Ｈｓａｔは２９８［Ｏｅ］であったのに対し、構造Ｂ（Ｎ＝４）の場合、飽和磁界Ｈｓａｔは１１８０［Ｏｅ］であった。つまり、積層数Ｎが増加することによって、フロップ磁界Ｈｓｆはあまり変化しないが、飽和磁界Ｈｓａｔが大きく増加することがわかった。すなわち、動作領域が拡大したことがわかった。【００６５】
例２：自由強磁性層中の磁性膜及び非磁性膜（反強磁性結合膜）の膜厚を調整することによって、第１の磁気抵抗素子の場合とほぼ同じ飽和磁界Ｈｓａｔを有する第３の磁気抵抗素子が作製された。そして、それらに対するフロップ磁界Ｈｓｆの評価がなされた。【００６６】
図１７は、構造Ｃを有する第３の磁気抵抗素子を示す概念図である。この磁気抵抗素子は、基板上に順番に積層されたシード層６１、反強磁性層６２、固定磁性層６３、バリア層６４、自由磁性層６５、及びキャップ層６６を備えている。シード層６１、反強磁性層６２、固定磁性層６３、バリア層６４、及びキャップ層６６のそれぞれの膜厚・組成は、上述のシード層４１、反強磁性層４２、固定磁性層４３、バリア層４４、及びキャップ層４６のそれぞれと同じである。自由磁性層６５は、交互に積層された４層の磁性膜と３層の非磁性膜を有する（Ｎ＝４）。各磁性膜は、２ｎｍの膜厚を有するＮｉＦｅ膜と０．３ｎｍの膜厚を有するＣｏＦｅ膜とから構成されている。各非磁性膜（反強磁性結合膜）は、３．６ｎｍの膜厚を有するＲｕ膜である。このように自由磁性層６５を調整することによって、ＨＫ/ＨＩが一定に保たれたまま、一軸異方性磁界ＨＫが減少した。【００６７】
表３は、構造Ａ（Ｎ＝２）及び構造Ｃ（Ｎ＝４）に対応するフロップ磁界Ｈｓｆと飽和磁界Ｈｓａｔを示す。構造Ｃの場合、飽和磁界Ｈｓａｔは３５０［Ｏｅ］、フロップ磁界Ｈｓｆは２７［Ｏｅ］であった。つまり、構造Ａと構造Ｃでは、飽和磁界Ｈｓａｔはほぼ同じである。一方、積層数Ｎが増加することによって、飽和磁界Ｈｓａｔが一定の場合にフロップ磁界Ｈｓｆが減少することがわかった。すなわち、積層数Ｎを増加させることによって、動作領域を拡大させることが可能となるだけでなく、書込み電流を低減することも可能となる。すなわち、消費電力が削減される。【００６８】
【表３】
2006062150.tif 000008
【００６９】
以上に説明されたように、本発明に係るトグル書込み方式のＭＲＡＭ１は、自由磁性層１５が互いに反強磁性結合した２ｎ層（ｎは２以上の整数）の磁性膜２０を有するように構成される。これにより、動作領域が拡大する。また、書込み電流が削減され、消費電力が低減される。【００７０】
本発明に係るトグル書込み方式のＭＲＡＭによれば、動作領域が拡大する。また、本発明に係るトグル書込み方式のＭＲＡＭによれば、書込み電流が低減される。
【図１】
2006062150.tif 000009
【図２】
2006062150.tif 000010
【図３Ａ】
2006062150.tif 000011
【図３Ｂ】
2006062150.tif 000012
【図４Ａ】
2006062150.tif 000013
【図４Ｂ】
2006062150.tif 000014
【図５】
2006062150.tif 000015
【図６】
2006062150.tif 000016
【図７】
2006062150.tif 000017
【図８Ａ】
2006062150.tif 000018
【図８Ｂ】
2006062150.tif 000019
【図９】
2006062150.tif 000020
【図１０】
2006062150.tif 000021
【図１１】
2006062150.tif 000022
【図１２Ａ】
2006062150.tif 000023
【図１２Ｂ】
2006062150.tif 000024
【図１３Ａ】
2006062150.tif 000025
【図１３Ｂ】
2006062150.tif 000026
【図１４】
2006062150.tif 000027
【図１５】
2006062150.tif 000028
【図１６】
2006062150.tif 000029
【図１７】
2006062150.tif 000030
【国際調査報告】
2006062150.tif 000031
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