JP2003289133A

JP2003289133A - 磁気メモリ素子、そのメモリ素子を含む集積回路または磁気メモリ装置、その集積回路または磁気メモリ装置を組み込んだ電子機器

Info

Publication number: JP2003289133A
Application number: JP2002091259A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Maesaka; 明弘前坂
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ＭＲ比やピン止め磁界などに望ましくない不
均一を生じさせることのない適切な臨界結晶粒径を決定
し、それを強磁性膜の結晶粒径制御に適用することによ
り、安定した特性の磁気メモリ素子を得る。【解決手段】磁気メモリ素子は、少なくとも、反強磁
性層４２、強磁性固定層４３、非磁性スペーサ層４４及
び強磁性自由層４５を順次に積層して構成された強磁性
トンネル接合（ＭＴＪ）４０を有する。前記ＭＴＪ４０
の下位層（好ましくは反強磁性層４２）の結晶粒の平均
粒径を３０ｎｍ以下とし、且つ、その下位層の結晶配列
をランダム配向（無配向）とする。これにより、局所的
にせよ結晶学的な再配列を生じ始めることがなく、結晶
の無配向と相まって、数百ｎｍにも及ぶ巨大結晶はもち
ろんのこと、それに至る前の「局所的、且つ、結晶学的
な再配列」も回避され、ラフネスのより確実な抑制が図
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果（Ｍ
Ｒ効果）を利用して情報の記憶を不揮発的に行う磁気メ
モリ素子、そのメモリ素子を含む集積回路または磁気メ
モリ装置、その集積回路または磁気メモリ装置を組み込
んだ電子機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、パーソナルコンピュータやコン
ピュータ応用機器など（以下「パーソナルコンピュー
タ」で代表する）の起動に際しては、ハードディスクな
どの外部記憶装置からオペレーティングシステムを主記
憶にロードする、いわゆるブート処理が行われる。この
ブート処理の時間は数十秒（場合によっては数分程度）
にも及ぶことから、電源オンと同時に使用可能（いわゆ
る“クイックスタート”）となる他の電気製品との違い
（欠点）を明確にしている。また、たとえば、パーソナ
ルコンピュータで文書編集作業を行っているときに、正
しい手順に従わずに電源をオフにしてしまった場合、も
はや編集中のデータを救済する術はない。

【０００３】このように、既存のパーソナルコンピュー
タは、そのほとんどがブート処理を必要とし、しかも、
電源オフと同時にデータを失ってしまうから、かかる欠
点のないもの、すなわち、クイックスタートが可能で、
且つ、電源をオフにしてもデータを失わないようにした
パーソナルコンピュータの出現が強く待ち望まれてい
る。

【０００４】ここで、情報を記憶するメモリ素子は、電
源をオフにしたときにその記憶情報を失うタイプ（揮発
性）と、失わないタイプ（不揮発性）の二つに分けるこ
とができる。揮発性メモリ素子の代表はＤＲＡＭ（Ｄｙ
ｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒ
ｙ）やＳＲＡＭ（ＳｔａｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃ
ｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などであり、不揮発性メモリ素
子の代表はＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｏｎｉｃａｌ
ｌｙＥｒａｓａｂｌｅａｎｄＰｒｏｇｒａｍｍａ
ｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）などのフ
ラッシュメモリである。パーソナルコンピュータの主記
憶に後者のもの（不揮発性メモリ素子）を使用すれば、
ブート処理を不要にでき、しかも、電源をオフにしても
データを失うことがない。しかし、実際には、特殊な用
途を除いて前者のもの（揮発性メモリ素子）が使用され
る。ＤＲＡＭやＳＲＡＭなどの揮発性メモリ素子は不揮
発性のメモリ素子に比べて、書き込みや読み出しが遙か
に高速であり、処理性能を高めることができるからであ
る。

【０００５】さて、ここまで述べたとおり、確かに、既
存の不揮発性メモリ素子は速度的に劣るという欠点があ
り、パーソナルコンピュータの主記憶として相応しくな
かった。

【０００６】しかし、今日、揮発性メモリ素子と同等な
いしはそれを凌駕する性能を持った新たな不揮発性メモ
リ素子・・・・ＭＲ効果を利用した“磁気メモリ素子”（Ｍ
ＲＡＭ：ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓ
ｓＭｅｍｏｒｙ）・・・・が注目されており、これをパー
ソナルコンピュータの主記憶に採用できれば、すぐにで
も上記の社会的要求に応えることができることから、メ
モリやパーソナルコンピュータなどの産業分野にきわめ
て大きなインパクトを与えることができるものと期待さ
れている。

【０００７】ＭＲＡＭの原理について説明する。図７
は、ＭＲＡＭのセル（単に「磁気メモリ素子」と言うこ
ともある）構造模式図である。この図において、ビット
線（ＢＬ）１とバイパス線２の間には“強磁性トンネル
接合”（ＭＴＪ：ＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪ
ｕｎｃｔｉｏｎ）３が設けられている。ＭＴＪ３の近傍
には書き込み用ワード線（ＷＷＬ）４が配置されてお
り、バイパス線２は端子２ａを介してトランジスタ５の
ソース電極６に接続されている。さらに、トランジスタ
５のゲート電極７は読み出し用ワード線（ＲＷＬ）８に
接続され、トランジスタ５のドレイン電極９は不図示の
共通電位（接地電位）に接続されている。

【０００８】図８は、ＭＴＪ３の膜構造模式図である。
なお、図示の構造は膜の順番のみを示しており、膜の厚
さは図示の形状から把握してはならない。ＭＴＪ３は下
地層１０の上に、反強磁性層１１、強磁性固定層１２、
非磁性スペーサ層１３、強磁性自由層１４及び保護層１
５を順次に積層して構成されている。非磁性スペーサ層
１３は薄い非磁性絶縁材料（Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ−
Ｏ等）で構成されており、その上下に積層された強磁性
層（反強磁性層１１、強磁性固定層１２及び強磁性自由
層１４）と共に、ＭＲ効果を利用して二値情報
（“０”、“１”）の記憶を不揮発的に行う磁気メモリ
素子の主要部を構成する。

【０００９】ここで、上部磁性層である強磁性自由層１
４は、外部磁界に応答して磁化方向が“自由”に変化す
る層である。また、下部磁性層である反強磁性層１１と
強磁性固定層１２は、これら両層の界面（接合面）に生
じる一軸異方性磁界（ピン磁界またはピン止め磁界とも
いう）によって磁化方向が“固定”された層である。

【００１０】ＭＲ効果とは、強磁性自由層１４と強磁性
固定層１２との磁化の相対角度の違いに応じて非磁性ス
ペーサ層１３の電気的抵抗（磁気抵抗ともいう）値が変
化し、非磁性スペーサ層１３を通過する電流（トンネル
電流）が変化する現象のことをいう。すなわち、非磁性
スペーサ層１３とその上下の磁性層の間に電流を流した
ときに、強磁性自由層１４と強磁性固定層１２との磁化
の相対角度が小さければ、トンネル確率が高くなって両
者間に流れる電流に対する抵抗が小さくなり、一方、両
磁性層の磁化の相対角度が大きければ、トンネル確率が
低くなって両者間に流れる電流に対する抵抗が大きくな
る。磁気メモリ素子は、この現象を利用して情報の記憶
と読み出しを行う。

【００１１】実際のＭＴＪ３では、先にも延べたとお
り、強磁性固定層１２の磁化の向きは反強磁性層１１に
よって固定されている。情報の書き込みは書き込み用ワ
ード線４とビット線１に電流を流し、それらの線（Ｂ
Ｌ、ＷＷＬ）から発生する磁界を用いて強磁性自由層１
４の磁化の向きを回転させることにより行う。ＭＴＪ３
では、強磁性自由層１４と強磁性固定層１２の磁化のな
す角度に応じて磁気抵抗が変化する。磁気抵抗の大きさ
は、強磁性自由１４と強磁性固定層１２の磁化の向きが
逆向き（反平行）の時に最大値となり、同方向（平行）
の時に最小値となる。一般的にはこのときの磁化状態の
違いを“０”情報と“１”情報に対応させて記憶する。
情報の読み出しは、この磁気抵抗の違いを電気信号の差
として検出する。

【００１２】図９は、ＭＴＪ３の動作イメージ図であ
る。この図において、強磁性固定層１２の磁化１６の向
きは反強磁性層１１によって固定（便宜的に実線矢印で
示すように右向き固定）されている。他方、強磁性自由
層１４の磁化１７の向きは不図示の外部磁界の影響を受
けて自由に回転し、且つ、外部磁界を取り除いた後は、
ヒステリシス特性によってその磁化１７の向きを保持す
るようになっている。ここで、（ａ）は二つの磁化１
６、１７の向きが反平行のときの状態を表している。こ
の場合、ＭＴＪ３の磁気抵抗が最小となり、非磁性スペ
ーサ層１３を通過するトンネル電流１８ａが最大とな
る。また、（ｂ）は二つの磁化１６、１７の向きが平行
のときの状態を表している。この場合、ＭＴＪ３の磁気
抵抗が最大となり、非磁性スペーサ層１３を通過するト
ンネル電流１８ｂが最小となる。（ａ）のときの磁気抵
抗と、（ｂ）のときの磁気抵抗との比を磁気抵抗比ΔＲ
という。ΔＲが大きいほど“０”情報と“１”情報とを
確実に区別して記憶し、読み出すことができる。

【００１３】ＭＴＪ３の膜構造は、上記の例（図８）に
限らない。上記の例は、反強磁性層１１を下層（非磁性
スペーサ層１３の下位層）に配置した、いわゆるボトム
タイプであるが、これ以外にも、以下に示すトップタイ
プやデュアルタイプなどが知られている。図１０は、ト
ップタイプとデュアルタイプの膜構造模式図である。
（ａ）トップタイプは、下地層２０の上に、強磁性自由
層２１、非磁性スペーサ層２２、強磁性固定層２３、反
強磁性層２４及び保護層２５を順次に積層して構成され
ており、（ｂ）デュアルタイプは、下地層３０の上に、
反強磁性層３１、強磁性固定層３２、非磁性スペーサ層
３３、強磁性自由層３４、非磁性スペーサ層３５、強磁
性固定層３６、反強磁性層３７及び保護層３８を順次に
積層して構成されている。

【００１４】なお、本明細書で言う「上下」（または上
部、下部）は、下地層（下地層１０、２０、３０）を基
準とする各層の積層方向を意味し、実際のＴＭＪにおけ
る上下（または上部、下部）を意味しない。また、以下
では、特定の膜構造タイプ（ボトムタイプ）を例にして
説明するが、これは説明の便宜であって、トップタイプ
やデュアルタイプなどの他の膜構造タイプを意図的に排
除するものではない。

【００１５】さて、ＭＲＡＭの実用化には、様々な課題
をクリアしなければならない。たとえば、多ビット化は
当然の帰結であり、それには各ビットの特性のバラツ
キを抑えなければならないし、さらには、充分に大き
なピン止め磁界を得て情報の記憶を確実にすることも求
められる。

【００１６】について説明する。ＭＴＪ３における書
き込み時の磁界応答性を悪化させる基本的な磁気特性の
一つに、強磁性固定層１２と強磁性自由層１４の間に働
く“層間結合磁界”（以下「Ｈｆ」という）と呼ばれる
ものがある。Ｈｆは本来不要な存在である。しかし、Ｈ
ｆは、非磁性スペーサ層１３と両磁性層（強磁性固定層
１２、強磁性自由層１４）との間の界面粗さ（ラフネ
ス）に依存して発生する性質を持っているため、代表的
な成膜技術（スパッタリングや蒸着あるいはエピタキシ
ャル成長法など）では、その膜の表面を絶対的に平坦化
することができないから、ある程度のＨｆの発生は避け
られない。

【００１７】Ｈｆによる不要な磁気結合のことを、トポ
ロジカル結合またはネールのオレンジピール結合などと
もいう。Ｈｆは、界面に生じた微細な凹凸の一つ一つを
小さな磁極とし、それらの微小磁極から生じる磁界を合
成したものと説明することができる。Ｈｆの存在は、情
報記憶のための磁気抵抗効果に悪影響を与える。すなわ
ち、ビットセルのスイッチング磁界に対して不要なバイ
アスを与え、磁界応答に望ましくない非対称性を生じさ
せる原因となる。また、膜のラフネスに場所依存性（あ
る部分のラフネスが突出的に大きくなるなど）があるこ
ともスイッチング磁界のバラツキを生じる原因でもあ
る。

【００１８】＜第一の従来技術＞特開２００１−２０３
４０５号公報には、膜のラフネスを改善するために、強
磁性層（反強磁性層または強磁性固定層）をアモルファ
ス化（非結晶化）することが示されている。しかし、強
磁性層のアモルファス化は、ピン止め磁界が弱くなるな
どの磁気特性の悪化を招き、情報の記憶や読み出しに不
都合をきたすうえ、磁性材料の組み合わせにも制限が生
じるという欠点がある。

【００１９】次に、について説明する。強磁性固定層
の磁化を固定するためのピン止め磁界は、反強磁性材料
の結晶が（１１１）配向の時に最も大きな値を示すこと
が知られている。このため、従来は、反強磁性層の結晶
を（１１１）配向に制御することが努めて行われてき
た。（１１１）配向時に充分なピン止め磁界が得られる
理由は、（１１１）配向時に反強磁性層と強磁性固定層
がエピタキシャル成長しやすく、結晶学的に強固な結合
が得られるためと考えられる。しかしながら、他方で、
（１１１）配向は、ラフネスの増大を招くという好まし
くない状況を生み出す。（１１１）配向によるラフネス
増大のメカニズムは、次のように説明できる。反強磁性
層と強磁性固定層の結合が強固であるが故に、両磁性層
（反強磁性層と強磁性固定層）の界面に格子ミスマッチ
に起因した強い歪みを生じ、この歪みを緩和するように
結晶成長が進行する結果、形態的なラフネスを生じるも
のと考えられる。

【００２０】このラフネスを回避するには、反強磁性層
または強磁性固定層の配向をランダム配向（すなわち無
配向）に制御することが考えられるが、単に無配向とし
ただけでは、所望の性能を得ることが困難である。多く
の場合、無配向時には充分なピン止め磁界が得られない
からであり、（１１１）配向時とは逆に、無配向時には
反強磁性層と強磁性固定層がエピタキシャル成長しにく
く、結晶学的な結合が脆弱になると考えられるからであ
る。

【００２１】＜第二の従来技術＞特開平９−１６９２０
号公報には、強磁性固定層を多層構造化、詳しくは、同
一膜厚の二つの強磁性層の間に一つの非磁性層を挟み込
んだサンドイッチ構造（“逆平行ピン止め層”と呼ばれ
る）とすることによって、ピン止め磁界を増幅する技術
が示されている。逆平行ピン止め層は二つの強磁性層の
磁化の向きが逆平行で、反強磁性的に互いに強く結合す
るように非磁性層を介して分離されている。非磁性層に
は、通常、Ｒｕ層が使われる。この逆平行ピン止め層の
中の二層の強磁性層の磁気モーメントがほぼ同じである
とき、ピン止め層の正味の磁気モーメントは小さい。ピ
ン止め磁界は正味磁気モーメントに反比例するため、結
果的に、ピン止め磁界は増幅され、多くの反強磁性層に
おいて無配向でも充分なピン止め磁界が得られる。

【００２２】上記において、ラフネスを回避するには、
反強磁性層または強磁性固定層の配向を無配向に制御す
ることが効果的であると説明した。しかし、実際に膜表
面の広範囲な平坦化を得るには、その対策（結晶の無配
向制御）だけでは不十分である。すなわち、先の説明
で、（１１１）配向した反強磁性層／強磁性固定層の界
面では、格子ミスマッチ歪みにより、結晶成長時に形態
的なラフネスが発生することを明らかにしたが、このと
きに蓄えられるミスマッチ歪みは、結晶粒径の大きさに
比例して増加し、ラフネスの度合いも結晶粒径に比例し
て顕著になる。しかし、「無配向」に制御した磁気素子
においても、“部分的”に（１１１）配向の領域が確率
的に発生し、この部分的に（１１１）配向した領域は、
局所的なラフネスの原因となるからであり、要するに、
「無配向にする」→「局所的に（１１１）配向が生じ
る」→「その局所部分にラフネスが発生する」からであ
る。

【００２３】加えて、結晶粒径もラフネスの発生に関与
する。たとえば、ＰｔＭｎやＮｉＭｎなどのいくつかの
反強磁性層においては、ピン止め磁界を得るために熱処
理を必要とするが、この熱処理の際に反強磁性層は結晶
学的な構造転移、すなわち、立方晶（ｆｃｃ）から正方
晶（ｆｃｔ）への転移を生じ、この転移の際に、結晶学
的な変形（構造転移）に起因した内部ストレスが結晶粒
内に蓄積される。この内部ストレスは、反強磁性層の結
晶粒径に比例して増加し、結晶粒径がある程度以上に大
きくなったときに、この内部ストレスを緩和するように
反強磁性層内で原子移動を伴う再配列（“再構成”とも
いう）を生じる。この再配列は、隣り合う結晶同士で共
有化されるため、反強磁性層の結晶粒径は場合によって
数百ｎｍにも巨大化することがあり、このダイナミック
な原子移動を伴う反強磁性層の再配列によって反強磁性
層と強磁性固定層の界面にラフネスが発生する。

【００２４】＜第三の従来技術＞本件発明者らは先に
（特開２００１−３６１６６号公報）、反強磁性層にＰ
ｔＭｎ、非磁性スペーサ層にＣｕを用いたスピンバルブ
膜において、反強磁性層の結晶粒径が「５０ｎｍ」を越
えて大きくなったときに、ＰｔＭｎの巨大結晶が生じ、
ラフネスの原因になることを明らかにした。そして、こ
の巨大結晶粒により、ＭＲ比やピン止め磁界などに望ま
しくない不均一を生じることを明らかにした。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本件発
明者らのその後の研究により、上記の結晶粒径（５０ｎ
ｍ）は必ずしもラフネス発生の臨界結晶粒径ではなく、
それ（５０ｎｍ）以下の結晶粒径範囲においてもラフネ
スを生じ、ＭＲ比やピン止め磁界などに望ましくない不
均一を生じさせることを見い出した。

【００２６】そこで、本発明が解決しようとする課題
は、ＭＲ比やピン止め磁界などに望ましくない不均一を
生じさせることのない適切な臨界結晶粒径を決定し、そ
れを強磁性膜の結晶粒径制御に適用することにより、安
定した特性の磁気メモリ素子を得ることを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本件発明者らは、上記の
第三の従来技術において、たとえば、反強磁性層にＰｔ
Ｍｎ、非磁性スペーサ層にＣｕを用いたスピンバルブ膜
で、反強磁性層の結晶粒径が５０ｎｍ以上の時に、Ｐｔ
Ｍｎの巨大結晶化を生じ、ＭＲ比とピン止め磁界に望ま
しくない不均一を生じることを指摘した。

【００２８】しかし、非磁性スペーサ層にＡｌ−Ｏを用
いたＭＴＪ膜で、ＰｔＭｎの結晶粒径が層間結合磁界
（Ｈｆ）に与える影響についてさらに詳しく調べたとこ
ろ、ＰｔＭｎの結晶粒径が「３０ｎｍ以上」でＨｆが急
激に上昇し始め、５０ｎｍ以上で穏やかな上昇に転ずる
ことを見い出した。

【００２９】その間の膜構造を透過型電子顕微鏡で調べ
たところ、３０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲ではＰｔＭｎは完
全に巨大結晶化しないものの、局所的に結晶学的な再配
列を生じた領域が観察された。これが、局所的にＰｔＭ
ｎ／強磁性固定層の界面におけるラフネスを増大させて
いた直接の要因であると結論した。

【００３０】つまり、５０ｎｍ以上では、結晶学的な再
配列が完全に進むことによってＰｔＭｎの巨大結晶化を
生じさせ、広い領域でラフネスを生じさせるが、より子
細に観察すると、ラフネスを誘引しない適切な臨界結晶
粒径は、「局所的に結晶学的な再配列を生じ始める手前
の最小の結晶粒径」、つまり、３０ｎｍであることを見
い出した。

【００３１】したがって、以上のことから、本発明にお
ける上記の課題は、少なくとも、反強磁性層、強磁性固
定層、非磁性スペーサ層及び強磁性自由層を順次に積層
して構成された強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）を有する
磁気メモリ素子において、前記ＭＴＪの下位層の結晶粒
の平均粒径を３０ｎｍ以下とし、且つ、その下位層の結
晶配列をランダム配向（無配向）とする特徴的な構造を
具備することにより達成される。

【００３２】ここで、本発明の限定要素の一つの「下位
層」とは、ＭＪＴ各層のうち積層順下位側の層のことを
いう。上位層の膜の平坦化度合いは、その層の下位に位
置する層のラフネスの影響を大きく受けるからである。
この考え方に従えば、理想的には、下位層はＭＪＴ各層
のうち最初に成膜される層（最下位層）を意味するが、
これに限定されない。最下位層のラフネスが許容できる
程度に小さい場合は、その上位に位置する層を、本発明
でいう「下位層」とみなしても差し支えないからであ
る。ゆえに、その好ましい態様は、前記下位層は、反強
磁性層（最下位層）であり、または、前記下位層は、強
磁性固定層（最下位層の上位に位置する層）であり、ま
たは、前記下位層は、反強磁性層及び強磁性固定層（最
下位層とその上位に位置する層）であるというものであ
る。

【００３３】本発明では、このように、ＭＴＪの下位層
の結晶粒の平均粒径を３０ｎｍ以下とするので、局所的
にせよ結晶学的な再配列を生じ始めることがない。この
ため、結晶の無配向と相まって、数百ｎｍにも及ぶ巨大
結晶はもちろんのこと、それに至る前の「局所的、且
つ、結晶学的な再配列」も回避され、ラフネスのより確
実な抑制が図られる。

【００３４】また、その好ましい他の態様は、前記強磁
性固定層は、逆平行ピン止め層の構造を有しているとい
うものである。これにより、逆平行ピン止め層によっ
て、ピン止め磁界が増幅され、結晶の無配向に伴う不都
合（ピン止め磁界の減少）が補償される。

【００３５】なお、結晶学的な再配列が生じ始める平均
粒径は、当然ながら強磁性層の成分比（たとえば、Ｐｔ
Ｍｎの場合はＰｔとＭｎの成分比）のずれに敏感に影響
される。理想的には設計通りの成分比であることが望ま
しい。しかし、実際には、成膜工程における様々な誤差
要因により、たとえば、１％程度の成分変動は避けられ
ない。この程度の変動は充分なピン止め磁界を得る点で
ほとんど無視（または許容）できるが、臨界結晶粒径へ
の影響は見過ごせない。１％程度の成分変動であったと
しても、臨界結晶粒径に数ｎｍ程度のずれを生じさせる
からである。したがって、現実的に、このような製造上
避けることができない臨界粒径の変動がある限り、本発
明で限定する臨界結晶粒径は、単に「３０ｎｍ」という
特定の値のみを意味しない。製造バラツキに伴う誤差α
を前後に含む「３０ｎｍ±α」の範囲を示していると解
釈しなければならない。

【００３６】また、本発明における結晶粒径の下限（３
０ｎｍ以下の下限）は、アモルファス構造の性質を持た
ない最小の結晶粒径に相当する値である。たとえば、１
ｎｍ程度またはそれよりも小さな結晶粒径では、結晶と
しての性質が薄れてしまい、むしろアモルファス構造に
近い性質になってピン止め磁界が著しく減少するからで
ある。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しながら説明する。なお、以下の説明における
様々な細部の特定ないし実例および数値や文字列その他
の記号の例示は、本発明の思想を明瞭にするための、あ
くまでも参考であって、それらのすべてまたは一部によ
って本発明の思想が限定されないことは明らかである。
また、周知の手法、周知の手順、周知のアーキテクチャ
および周知の回路構成等（以下「周知事項」）について
はその細部にわたる説明を避けるが、これも説明を簡潔
にするためであって、これら周知事項のすべてまたは一
部を意図的に排除するものではない。かかる周知事項は
本発明の出願時点で当業者の知り得るところであるの
で、以下の説明に当然含まれている。

【００３８】図１（ａ）は、本実施の形態におけるＭＴ
Ｊ４０の膜構造模式図である。ＭＴＪ４０は下地層４１
の上に、反強磁性層４２、強磁性固定層４３、非磁性ス
ペーサ層４４、強磁性自由層４５及び保護層４６を順次
に積層して構成されている。各層に使用して好ましい材
料を説明すると、下地層４１には、基板との接着の機能
を有する、たとえば、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタ
ン）、Ｗ（タングステン）等を使用することができる。
また、反強磁性層４２には、固定層の磁化のピン止めの
機能を有する、たとえば、ＰｔＭｎ（白金マンガン合
金）を使用することができる。また、非磁性スペーサ層
４４には、絶縁トンネル障壁の機能を有する、たとえ
ば、Ａｌ−Ｏ（酸化アルミニウム）を使用することがで
きる。また、強磁性自由層４５には、外部磁界により磁
化が回転する機能を有する、たとえば、ＣｏＦｅ（コバ
ルト鉄）を使用することができる。また、保護層４６に
は、酸化や機械的損傷からの保護の機能を有する、たと
えば、Ｔａ（タンタル）を使用することができる。

【００３９】強磁性固定層４３は、同一膜厚の二つの強
磁性層４３ａ、４３ｂの間に一つの非磁性層４３ｃを挟
み込んだサンドイッチ構造（逆平行ピン止め層）となっ
ており、強磁性層４３ａ、４３ｂには、固定された磁化
の機能を有する、たとえば、ＣｏＦｅを使用することが
でき、また、非磁性層４３ｃには、二つの強磁性層４３
ａ、４３ｂの間の反強磁性交換結合の機能を有する、た
とえば、Ｒｕ（ルテニウム）を使用することができる。

【００４０】各層の膜厚の一例を示すと、次のとおりで
ある。・反強磁性層４２：２０ｎｍ・強磁性固定層（逆平行ピン止め層）４３・強磁性層４３ａ：２．２ｎｍ・強磁性層４３ｂ：２．０ｎｍ・非磁性層４３ｃ：０．８ｎｍ・非磁性スペーサ層４４：１．５ｎｍ・強磁性自由層４５：３．０ｎｍ

【００４１】図１（ｂ）は、強磁性固定層４３の磁化イ
メージ図である。強磁性固定層４３は二つの強磁性層４
３ａ、４３ｂの磁化４３ｄ、４３ｅの向きが逆平行で、
反強磁性的に互いに強く結合するように非磁性層４３ｃ
を介して分離されている。この強磁性固定層４３の中の
二層の強磁性層４３ａ、４３ｂの磁気モーメントがほぼ
同じであるとき、強磁性固定層４３の正味の磁気モーメ
ントは小さい。ピン止め磁界は正味磁気モーメントに反
比例するため、結果的に、ピン止め磁界は増幅される。

【００４２】このように、本実施の形態では、ピン止め
磁界の増幅作用が得られる逆平行ピン止め層の構造を持
つ強磁性固定層４３をＭＴＪ４０に含むが、その理由
は、次の通りである。本実施の形態における第一のポイ
ントは、積層順の最下位層に位置する反強磁性層４２の
結晶配向をランダム配向（無配向）にした点にある。こ
れにより、（１１１）配向に比べて膜表面のラフネスを
改善できる。しかし、無配向の欠点は、ピン止め磁界の
減少にあり、これを補うために上記の“逆平行ピン止め
層”の構造を持つ強磁性固定層４３を採用したのであ
る。

【００４３】また、本実施の形態の第二のポイントは、
積層順の最下位層に位置する反強磁性層４２の結晶粒の
平均粒径を３０ｎｍ以下に制限した点にある。これによ
り、膜表面における「局所的、且つ、結晶学的な再配
列」を回避し、ラフネスのより確実な抑制を図った。

【００４４】図２は、結晶粒径と層間結合磁界（Ｈｆ）
の対応関係を示すグラフ図である。横軸は結晶粒径、縦
軸はＨｆの大きさを表している。グラフ内には二つの特
性線Ａ、Ｂが示されている。特性線Ａは（１１１）配向
膜のもの、特性線Ｂは無配向膜のものである。これら二
つの特性線Ａ、Ｂを見比べると、（１１１）配向膜の特
性線Ａの方が全体的に大きなＨｆで推移している。この
ことは、（１１１）配向膜の場合、巨大結晶が発生しや
すく、ラフネスの増大を招くという先の説明を裏付けて
いる。

【００４５】一方、無配向膜の特性線Ｂに注目すると、
全体的に（１１１）配向膜の特性線ＡよりもＨｆが小さ
いものの、特定の二つの結晶粒径（３０ｎｍと５０ｎ
ｍ）で大きな変化が見られる。すなわち、５０ｎｍのポ
イントａと、３０ｎｍのポイントｂで大きな変化が見ら
れる。ポイントａ以上ではＨｆが大きな値で推移してい
る。これは巨大結晶の発生によるものである。また、ポ
イントａとポイントｂの間ではＨｆが急激に変化してい
る。これは、巨大結晶の発生に至らないまでもラフネス
に影響を与える特異な結晶構造、すなわち、「局所的に
結晶学的な再配列を生じた領域」が出現したためであ
る。さらに、ポイントｂ以下ではＨｆが小さな値で推移
している。これは、上記の二つの不具合、つまり、巨大
結晶もなく、しかも、「局所的に結晶学的な再配列を生
じた領域」も出現していないためである。

【００４６】したがって、これらのポイントａ、ｂに着
目すると、冒頭でも説明したとおり、Ｈｆは本来無用な
存在であるから、このグラフの特性線Ｂより、積層順の
最下位層に位置する反強磁性層４２の結晶粒の平均粒径
として最適な値は、ポイントｂ以下の範囲（低Ｈｆ範
囲）、要するに、３０ｎｍ以下とすべきであると結論す
ることができる。

【００４７】図３は、無配向膜の断面高分解能ＴＥＭ
（透過型電子顕微鏡）撮影画像図、図４は、（１１１）
配向膜の同画像図である。いずれの図も上段にディザ処
理（二値化処理）した写真を示し、下段にその写真の解
説図を示している。

【００４８】図３において、ＰｔＭｎのすべての結晶粒
には、ｆｃｃ（１１１）格子縞が積層面と平行に現れて
いる。これにより、ＰｔＭｎの結晶粒が（１１１）配向
していることがわかる。一方、図４においては、ＰｔＭ
ｎの結晶粒は無配向であるが、部分的に（１１１）格子
縞が傾いて現れている。両者の膜のラフネスに注目する
と、無配向のもの（図４）は、（１１１）配向のもの
（図３）に比べて、各層の界面が平坦になっており、ラ
フネスが大幅に改善されている。

【００４９】図５は、実際に製作した無配向膜の断面暗
視野画像図である。上記と同様に、上段にディザ処理
（二値化処理）した写真を示し、下段にその写真の解説
図を示している。この断面暗視野像のコントラストの明
るい領域のサイズから、結晶粒径が概ね１５ｎｍ程度で
あることを見積もることができる。この値（１５ｎｍ）
は、上記の平均粒径（３０ｎｍ以下）に合致する。

【００５０】図６は、以上のような構造を有するＭＴＪ
４０を一つの記憶セルとして構成した多ビットＭＲＡＭ
の回路図である。この図において、波線で示す部分はＭ
ＴＪ４０である。このＭＴＪ４０をビット線ＢＬ_i（ｉ
は１、２、３・・・・）とワード線（書き込み用ワード線Ｗ
ＷＬ_i／読み出し用ワード線ＲＷＬ_i）の各交点に配置し
てレイアウトする。図中の符号ＲはＭＴＪ４０の磁気抵
抗を表し、符号ＴＲはトランジスタ（図７のトランジス
タ５参照）を表している。

【００５１】今、任意のビット線（たとえば、ＢＬ₁）
と任意の書き込み用ワード線ＷＷＬ₁に電流を流し込む
と、ＷＷＬ₁に生じた磁界に応答してＭＴＪ４０の強磁
性自由層の磁化の向きが変化する（強磁性自由層の磁化
と平行または反平行になる）。ＷＷＬ₁の電流の方向を
変えることにより、平行または反平行のいずれにもコン
トロールすることができ、それぞれ“０”情報または
“１”情報を記憶できる。コントロールされた磁化の向
きは、ＢＬ₁とＷＷＬ₁の電流をストップしてもそのまま
の状態を保ち、不揮発的な情報の記憶を行うことができ
る。

【００５２】情報を読み出す場合は、読み出し用ワード
線ＲＷＬ₁に電圧を印可してトランジスタＴＲをオンに
する。強磁性自由層の磁化の向きに対応して磁気抵抗Ｒ
が最小値または最大値になっているため、トランジスタ
ＴＲのソース−ドレイン間に流れるビット電流（ＢＬ₁
の電流）が二値的に変化し、その変化を検出することに
より、記憶情報の読み出しを行うことができる。

【００５３】以上、説明したとおり、本実施の形態にお
いては、少なくとも、反強磁性層４２、強磁性固定層４
３、非磁性スペーサ層４４及び強磁性自由層４５を順次
に積層して構成された強磁性トンネル接合（ＭＴＪ４
０）を有する磁気メモリ素子において、前記ＭＴＪ４０
の下位層（好ましくは反強磁性層４２）の結晶粒の平均
粒径を３０ｎｍ以下とし、且つ、その下位層の結晶配列
をランダム配向（無配向）としたことを特徴とする磁気
メモリ素子を構成したから、局所的にせよ結晶学的な再
配列を生じ始めることがない。このため、結晶の無配向
と相まって、数百ｎｍにも及ぶ巨大結晶はもちろんのこ
と、それに至る前の「局所的、且つ、結晶学的な再配
列」も回避することができ、ラフネスのより確実な抑制
を図ることができるというＭＲＡＭの実用化に大きく貢
献する技術を提供できる。

【００５４】なお、本実施の形態では、磁気メモリ素子
の主要構成部であるＭＴＪを中心に説明してきたが、発
明の外延をその例示のみから把握してはならない。ＭＴ
Ｊはもちろんのこと、そのＭＴＪを含む磁気メモリ素子
（ＭＲＡＭ）、または、その磁気メモリ素子を含む集積
回路（用途は限定されない）、あるいは、その磁気メモ
リ素子を含む磁気メモリ装置、もしくは、その集積回路
や磁気メモリ装置を含む電子機器（たとえば、パーソナ
ルコンピュータやコンピュータ応用機器など）も発明の
外延に包含される。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、数百ｎｍにも及ぶ巨大
結晶はもちろんのこと、それに至る前の「局所的、且
つ、結晶学的な再配列」も回避でき、ラフネスのより確
実な抑制を図ることができる。

【００５６】したがって、ＭＲ比やピン止め磁界などに
望ましくない不均一を生じさせることのない適切な臨界
結晶粒径を決定し、それを強磁性膜の結晶粒径制御に適
用することにより、安定した特性の磁気メモリ素子、そ
のメモリ素子を含む集積回路または磁気メモリ装置、そ
の集積回路または磁気メモリ装置を組み込んだ電子機器
を提供することができる。

【００５７】また、強磁性固定層を逆平行ピン止め層の
構造とした場合は、逆平行ピン止め層によって、ピン止
め磁界が増幅されるため、結晶の無配向に伴う不都合
（ピン止め磁界の減少）を補償することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態におけるＭＴＪ４０の膜構造模式
図及び強磁性固定層４３の磁化イメージ図である。

【図２】結晶粒径と層間結合磁界（Ｈｆ）の対応関係を
示すグラフ図である。

【図３】無配向膜の断面高分解能ＴＥＭ（透過型電子顕
微鏡）撮影画像図である。

【図４】（１１１）配向膜の断面高分解能ＴＥＭ（透過
型電子顕微鏡）撮影画像図である。

【図５】実際に製作した無配向膜の断面暗視野画像図で
ある。

【図６】ＭＴＪ４０を一つの記憶セルとして構成した多
ビットＭＲＡＭの回路図である。

【図７】ＭＲＡＭのセル構造模式図である。

【図８】ＭＴＪ３の膜構造模式図（ボトムタイプ）であ
る。

【図９】ＭＴＪ３の動作イメージ図である。

【図１０】トップタイプとデュアルタイプの膜構造模式
図である。

【符号の説明】

４０……強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）、４２……反強
磁性層、４３……強磁性固定層（逆平行ピン止め層）、
４４……非磁性スペーサ層、４５……強磁性自由層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、反強磁性層、強磁性固定
層、非磁性スペーサ層及び強磁性自由層を順次に積層し
て構成された強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）を有する磁
気メモリ素子において、前記ＭＴＪの下位層の結晶粒の平均粒径を３０ｎｍ以下
とし、且つ、その下位層の結晶配列をランダム配向（無
配向）としたことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２】前記下位層は、反強磁性層であることを
特徴とする請求項１記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】前記下位層は、強磁性固定層であること
を特徴とする請求項１記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】前記下位層は、反強磁性層及び強磁性固
定層であることを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ
素子。
【請求項５】前記平均粒径は、３０ｎｍを基準とし、
その前後に製造バラツキに起因して発生する誤差αを含
むことを特徴とする請求項１記載の磁気メモリ素子。
【請求項６】前記平均粒径の下限値は、アモルファス
構造に至る前の結晶粒径であることを特徴とする請求項
１記載の磁気メモリ素子。
【請求項７】前記強磁性固定層は、逆平行ピン止め層
の構造を有していることを特徴とする請求項１記載の磁
気メモリ素子。
【請求項８】少なくとも、反強磁性層、強磁性固定
層、非磁性スペーサ層及び強磁性自由層を順次に積層し
て構成された強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）を有し、前
記ＭＴＪの下位層の結晶粒の平均粒径を３０ｎｍ以下と
し、且つ、その下位層の結晶配列をランダム配向（無配
向）として構成された磁気メモリ素子を含むことを特徴
とする集積回路。
【請求項９】少なくとも、反強磁性層、強磁性固定
層、非磁性スペーサ層及び強磁性自由層を順次に積層し
て構成された強磁性トンネル接合（ＭＴＪ）を有し、前
記ＭＴＪの下位層の結晶粒の平均粒径を３０ｎｍ以下と
し、且つ、その下位層の結晶配列をランダム配向（無配
向）として構成された磁気メモリ素子を含むことを特徴
とする磁気メモリ装置。
【請求項１０】請求項８に記載の集積回路を含むこと
を特徴とする電子機器。
【請求項１１】請求項９に記載の磁気メモリ装置を含
むことを特徴とする電子機器。