JP2004158766A - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】Ｒ−Ｈカーブのシフトを極力低減して、書き込み電流のアンバランスによる消費電力増大や非選択セルの誤書き込みを解決できる、二重接合ＴＭＲ素子構造の磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが非磁性層を介して反強磁性結合し、第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、第１および第２の磁化固着層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、磁化の大きい磁化固着層は第１および第２の強磁性層のうち磁化の小さい強磁性層に近い側に形成されている磁気抵抗効果素子。
【選択図】 図１
【解決手段】第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが非磁性層を介して反強磁性結合し、第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、第１および第２の磁化固着層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、磁化の大きい磁化固着層は第１および第２の強磁性層のうち磁化の小さい強磁性層に近い側に形成されている磁気抵抗効果素子。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子およびメモリセルに磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置たとえば磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、情報を記憶するセル部に磁気抵抗効果を持つ磁気素子を用いたメモリ装置であり、高速動作、大容量および不揮発性を実現可能な次世代メモリ装置として注目されている。磁気抵抗効果とは、強磁性体に磁場を印加すると強磁性体の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化する現象である。こうした強磁性体の磁化の向きを情報の記憶に用い、それに対応する電気抵抗の大小で情報を読み出すことによりメモリ装置（ＭＲＡＭ）として動作させることができる。近年、２つの強磁性層の間に絶縁層（トンネルバリア層）を挟んだサンドイッチ構造を含む強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）により２０％以上の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が得られるようになった。このことをきっかけとして、トンネル磁気抵抗効果を利用した強磁性トンネル接合磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いたＭＲＡＭが期待と注目を集めている。
【０００３】
ＭＲＡＭにＴＭＲ素子を用いる場合、トンネルバリア層を挟む２つの強磁性層のうち、一方を磁化の向きが変化しないように固着した磁化固着層（磁化基準層）とし、他方を磁化の向きが反転しやすい磁化自由層（記憶層）とする。磁化固着層と磁化自由層との磁化の向きが平行な状態と反平行な状態を２進情報の“０”と“１”に対応付けることで情報を記憶することができる。記録情報の書き込みは、ＴＭＲ素子近傍に設けられた書き込み配線に電流を流して発生する誘導磁場により磁化自由層の磁化の向きを反転させることにより行う。また、記録情報の読み出しは、ＴＭＲ効果による抵抗変化分を検出することにより行う。
【０００４】
従って、磁化自由層に関しては、ＴＭＲ効果による抵抗変化率（ＭＲ比）が大きく、磁化反転に必要な磁場すなわちスイッチング磁場が小さいことが好ましい。一方、磁化固着層に関しては、磁化が反転しにくくなるように磁化の向きを固定することが必要であり、そのためには、強磁性層に接するように反強磁性層を設けて交換結合力により磁化反転を起こりにくくするという方法が用いられる。この構造において磁化固着層の磁化の向きは磁場を印加しながら熱処理すること（磁化固着アニール）により決定される。
【０００５】
ここで、従来のＭＲＡＭの問題点について説明する。図６に、従来のＭＲＡＭを構成する二重接合ＴＭＲ素子を模式的に示す。このＴＭＲ素子は、ＩｒＭｎ第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＣｏＦｅＮｉ磁化自由層（フリー層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、ＩｒＭｎ第２反強磁性層７を積層した構造を有する。こうしたＴＭＲ素子は、ＭＲＡＭのメモリセルとして所定の形状に加工される。図６に示されるように、第１ピン層２と第２ピン層６の磁化の向きは、互いに平行になっている。
【０００６】
スイッチング特性の観点から、ＴＭＲ素子の抵抗−磁場ヒステリシス曲線（以下、Ｒ−Ｈカーブという）は原点に対し対称であることが好ましいが、従来は種々の磁気的な結合に起因して、Ｒ−Ｈカーブが原点からシフトするという問題が発生していた。このようなＲ−Ｈカーブのシフトが起こると、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層との間で、磁化固着層の磁化に対して磁化自由層の磁化が平行から反平行へスイッチングする磁場の大きさと、反平行から平行へスイッチングする磁場の大きさが異なるようになる。その結果、磁化反転に必要な書き込み電流が正負のどちらかで大きくなる、Ｒ−Ｈカーブのシフトが大きすぎて磁化平行または磁化反平行のいずれかの状態に固定される、シフト量のばらつきに応じて非選択セルでの誤書き込みが起こるなど、多くの問題が起こる。
【０００７】
上述したＲ−Ｈカーブのシフトを引き起こす原因となる磁気的な結合は２つに大別され、それぞれ図７（ａ）および（ｂ）に示すようなシフトを引き起こす。
【０００８】
ひとつは、各強磁性層の加工により形成された端面から発生する漏洩磁場（図６に破線矢印で表示）による静磁結合である。この場合、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層の磁化が反平行になろうとする力が働き、図７（ａ）に示すようなＲ−Ｈカーブのシフトが引き起こされる。この漏洩磁場の静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフト量Ｈｓｈｉｆｔ＿ｓｆはＴＭＲ素子の磁化容易軸方向の長さに反比例することが知られている。そして、ＴＭＲ素子のサイズが１μｍ以下（メガビット級ＭＲＡＭのメモリセルサイズに相当する）では、シフト量Ｈｓｈｉｆｔ＿ｓｆは、スイッチング磁場Ｈｓｗと同程度またはより大きな値となる。
【０００９】
もうひとつは、トンネルバリア層の界面の凹凸に起因して発生するネール結合である。図８にネール結合を概略的に示す。図８は、第１ピン層２、第１トンネルバリア層３およびフリー層４の部分を示し、第１トンネルバリア層３の界面の凹凸に起因してネール結合が発生することを示している。この場合、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層の磁化が平行になろうとする力が働き、図７（ｂ）に示すようなＲ−Ｈカーブのシフトが引き起こされる。
【００１０】
ネール結合に起因するＲ−Ｈカーブのシフト量Ｈｓｈｉｆｔ＿Ｎは下記の式１で表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
ここで、πは円周率、ｈおよびλはそれぞれトンネルバリア界面の凹凸の振幅と波長、Ｍｓは磁化固着層の飽和磁化、ｔｆおよびｔｂはそれぞれ磁化自由層およびトンネルバリア層の厚さである。
【００１３】
この式からわかるように、Ｈｓｈｉｆｔ＿Ｎの大きさはメモリセルのサイズには依存しないが、トンネルバリア近傍の細かなラフネスには敏感である。たとえば、１ｎｍ程度（数原子層オーダー）のラフネスであってもスイッチング磁場の大きさと同程度となる。
【００１４】
以上のように、ＭＲＡＭのメモリセルとしてＴＭＲ素子を用いる場合には、Ｈｓｈｉｆｔ＿ｓｆおよびＨｓｈｉｆｔ＿Ｎのいずれも特性を大きく左右するパラメータとなる。特に、動作バイアス時の出力を大きくするために改良された図６に示すような二重接合ＴＭＲ素子では、これらがそれぞれ約２倍となるため、メモリ動作をさせる上でこれらを小さくすることが大きな課題になってある。
【００１５】
上記のような磁気結合起因のＲ−Ｈカーブのシフトを低減するために以下のような技術が提案されている。
【００１６】
たとえば、米国特許第６１７２９０４号明細書には、磁化固着層（基準層）、トンネルバリア層、磁化自由層、スペーサ層、追加磁化固着層（追加基準層）という構造を有する磁気メモリセルが提案されている。この磁気メモリセルでは、磁化固着層（基準層）の磁化の向きと追加磁化固着層（追加基準層）の磁化の向きとが反対向きになっている。このような構造であれば、磁化自由層において、基準層による磁気結合と追加基準層による磁気結合をキャンセルすることができる。しかし、この構造を適用した二重接合ＴＭＲ素子を作製すると、磁化自由層の磁化の向きがどちらであっても、一方の磁化固着層に対しては磁化平行、もう一方の磁化固着層に対しては磁化反平行となるため、ＴＭＲ効果を観測することができない。
【００１７】
また、特開２００１−１５６３５７号公報には、磁化固着層、トンネルバリア層、強磁性層／非磁性層／強磁性層という３層構造の磁化自由層（記憶層）、トンネルバリア層、磁化固着層という二重接合ＴＭＲ素子構造を有するＭＲＡＭが提案されている。下部および上部の磁化固着層は、磁化の向きが互いに反対向きになっている。また、磁化自由層（記憶層）に含まれる下部および上部の２つの強磁性層は非磁性層を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。このようなＭＲＡＭでは、外部磁場の向きに応じて磁化自由層（記憶層）に含まれる下部および上部の２つの強磁性層で磁化反転が起こり、それぞれ下部および上部のトンネルバリア層を介して設けられている下部および上部の磁化固着層の磁化の向きに対し同時に平行または反平行となり、ＴＭＲ効果を観測することができる。しかし、このような構造のＭＲＡＭでも、各強磁性層の材料や厚さによってはＲ−Ｈカーブのシフト量が大きくなるため、この構造を採用するだけではＲ−Ｈカーブのシフトをなくすことはできない。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第６１７２９０４号明細書
【００１９】
【特許文献２】
特開２００１−１５６３５７号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、Ｒ−Ｈカーブのシフトを極力低減して、書き込み電流のアンバランスによる消費電力増大や非選択セルの誤書き込みといった問題を解決できる、書き込み特性に優れた二重接合ＴＭＲ素子構造の磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが前記非磁性層を介して反強磁性結合し、前記第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、前記第１および第２の磁化固着層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、磁化の大きい磁化固着層は前記第１および第２の強磁性層のうち磁化の小さい強磁性層に近い側に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、第１の非磁性層、第３の強磁性層、第２の非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層とが前記第１の非磁性層を介して磁気結合し、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層とが前記第２の非磁性層を介して磁気結合し、これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合、もう一方が反強磁性結合であることを特徴とする。
【００２３】
本発明のさらに他の態様に係る磁気メモリ装置は、第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の配線の上方において、前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられた上記のいずれかの磁気抵抗効果素子とを有することを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、２つのトンネル接合層を有する、いわゆる二重接合ＴＭＲ素子であり、第１の磁化固着層、第１のトンネルバリア層、積層構造を有する磁化自由層（記憶層）、第２のトンネルバリア層、第２の磁化固着層という積層構造を有し、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きは互いに反対向きになっている。
【００２５】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、磁化自由層（記憶層）が、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層の３層構造を有し、第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが非磁性層を介して反強磁性結合し、第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きくなっている。
【００２６】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子では、磁化自由層（記憶層）が、第１の強磁性層／第１の非磁性層／第３の強磁性層／第１の非磁性層／第２の強磁性層という５層構造を有し、第１の強磁性層と第３の強磁性層とが第１の非磁性層を介して磁気結合し、第２の強磁性層と第３の強磁性層とが前記第２の非磁性層を介して磁気結合し、これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合、もう一方が反強磁性結合となっている。
【００２７】
いずれの態様の磁気抵抗効果素子でも、磁化自由層の端面から漏洩磁場が発生しており、この磁化自由層の端面において第１の磁化固着層からの漏洩磁場と第２の磁化固着層からの漏洩磁場とが打ち消しあうように設計することにより、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００２８】
また、第１の磁化固着層と、第２の磁化固着層の飽和磁化の大きさをほぼ等しくすることにより、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００２９】
本発明に係る磁気抵抗効果素子においては、磁化自由層を複数層の強磁性層と非磁性層との積層構造とするのに加えて、第１の磁化固着層および／または第２の磁化固着層を複数層の強磁性層と非磁性層との積層構造にしてもよい。この場合、一方の磁化固着層を偶数層の強磁性層と非磁性層との積層構造、たとえば反強磁性層に接する強磁性層、非磁性層およびトンネルバリア層に接する強磁性層の積層構造として、トンネルバリア層に接する強磁性層の磁化を反強磁性層に接する強磁性層の磁化よりも大きくし、他方の磁化固着層を反強磁性層とトンネルバリア層に接する単層の強磁性層とすることにより、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きは互いに反対向きにすることができる。また、他方の磁化固着層を、３層以上の奇数層の強磁性層と非磁性層との積層構造、たとえば強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造としてもよい。なお、このような積層構造を有する磁化固着層を用いた場合、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きとは、磁化固着層に含まれる強磁性層のうちトンネルバリア層に接する強磁性層の磁化の向きを意味する。
【００３０】
以下、本発明の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子についてより詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。このＴＭＲ素子は、ＭＲＡＭのメモリセルとして所定の形状に加工される。
【００３１】
図１に示されるように、第１ピン層２と第２ピン層６とは、磁化の向きが互いに反対向きになっている。磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１および上部フリー層４２は、外部磁場の向きに応じて磁化反転を起こし、それぞれ第１ピン層２および第２ピン層６の磁化の向きに対し同時に平行または反平行となるので、ＴＭＲ効果を観測することができる。
【００３２】
このＴＭＲ素子においては、下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。こうすることにより、この記憶層には正味の磁化が発生し、その磁化の中心（もしくは重心）は、記憶層の中間ではなく、厚くした下部フリー層４２側にずれることとなる。
【００３３】
図１のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図１のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００３４】
第２ピン層６ Ｍｐ２、Ｍｓｐ２、ｔｐ２
第２トンネルバリア層５ ｔｂ２
上部フリー層４２ Ｍｆ２、Ｍｓｆ２、ｔｆ２
非磁性層４０ ｔｆｎ
下部フリー層４１ Ｍｆ１、Ｍｓｆ１、ｔｆ１
第１トンネルバリア層３ ｔｂ１
第１ピン層２ Ｍｐ１、Ｍｓｐ１、ｔｐ１
まず、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには以下のような手段を用いる。式１に示したように、ネール結合の大きさを決定する要因は、トンネルバリア層界面のラフネス、ピン層の飽和磁化、フリー層およびトンネルバリア層の厚さである。二重接合ＴＭＲ素子では、通常、２つのトンネルバリア層の厚さを同じ、すなわちｔｂ１＝ｔｂ２とする。このとき、２つのトンネルバリア層界面のラフネスはほとんど同じ大きさになる。この場合、第１ピン層２および第２ピン層６の飽和磁化を同じ、すなわちＭｓｐ１＝Ｍｓｐ２にすれば、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトをほぼ打ち消すことができる。
【００３５】
一方、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、下部フリー層４１の磁化Ｍｆ１と上部フリー層４２の磁化Ｍｆ２との差に応じて、第１ピン層２の磁化Ｍｐ１および第２ピン層６の磁化Ｍｐ２を調整する。具体的には、
Ｍｆ１＞Ｍｆ２の場合、Ｍｐ１＜Ｍｐ２、
Ｍｆ１＜Ｍｆ２の場合、Ｍｐ１＞Ｍｐ２
とする。このように各強磁性層の磁化を調整することにより、磁化自由層（記憶層）４の近傍において漏洩磁場による静磁結合が打ち消しあう向きに働き、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００３６】
より厳密には、磁化自由層（記憶層）４の磁化の中心位置に相当する端面近傍で２つのピン層２、６からの漏洩磁場の大きさがほぼ同じになるように設計する。
【００３７】
また、簡単のために、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓｆ１＝Ｍｓｆ２とする。上述したように、ｔｂ１＝ｔｂ２、Ｍｓｐ１＝Ｍｓｐ２である。
【００３８】
フリー層４全体の磁化の中心は、下側トンネルバリアの上面からａ＝（ｔｆ１＋ｔｆ２）／２＋ｔｆｎ×ｔｆ２／（ｔｆ１＋ｔｆ２）の高さに位置する。このフリー層全体の中心位置に相当する端面において、２つのピン層２、６からの漏洩磁場による静磁結合をキャンセルするには以下の関係式を満たすように第１ピン層２および第２ピン層６の厚さｔｐ１、ｔｐ２を決定する。
【００３９】
１／（ｔｂ１＋ａ）−１／（ｔｂ１＋ａ＋ｔｐ１）＝
１／（ｔｂ２＋ｔｆ−ａ）−１／（ｔｂ２＋ｔｆ−ａ＋ｔｐ２） …式２
（ここで、ｔｆ＝ｔｆ１＋ｔｆ２＋ｔｆｎである）。
【００４０】
たとえば、Ｍｆ１＞Ｍｆ２（ｔｆ１＞ｔｆ２）の場合、式２を満たすためにはｔｐ１＜ｔｐ２として、Ｍｐ１＜Ｍｐ２の関係を満たすようにする。逆に、Ｍｆ１＜Ｍｆ２（ｔｆ１＜ｔｆ２）の場合、ｔｐ１＞ｔｐ２としてＭｐ１＞Ｍｐ２の関係を満たすようにする。
【００４１】
なお、Ｍｆ１＝Ｍｆ２の場合にはＭｐ１＝Ｍｐ２とすればよいと考えられるが、この場合には磁化の向きを規定できないので不適当である。
【００４２】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００４３】
図２のＴＭＲ素子は第１ピン層２を強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造からなるシンセティックピン構造としている点で、図１のＴＭＲ素子と異なる。第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合しており、これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。また、トンネルバリア層３に接する上部ピン層２２の磁化は、反強磁性層１に接する下部ピン層２１の磁化よりも大きくなっている。
【００４４】
図１と同様に、磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。
【００４５】
図２のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図２のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００４６】
第２ピン層６ Ｍｐ２、Ｍｓｐ２、ｔｐ２
第２トンネルバリア層５ ｔｂ２
上部フリー層４２ Ｍｆ２、Ｍｓｆ２、ｔｆ２
非磁性層４０ ｔｆｎ
下部フリー層４１ Ｍｆ１、Ｍｓｆ１、ｔｆ１
第１トンネルバリア層３ ｔｂ１
上部ピン層２２ Ｍｐ１２、Ｍｓｐ１２、ｔｐ１２
非磁性層２０ Ｍｐ１ｎ、Ｍｓｐ１ｎ、ｔｐ１ｎ
下部ピン層２１ Ｍｐ１１、Ｍｓｐ１１、ｔｐ１１
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓｐ１２＝Ｍｓｐ２、ｔｂ１＝ｔｂ２とする。また、簡単のために、Ｍｓｐ１１＝Ｍｓｐ１２とし、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓｆ１＝Ｍｓｆ２とする。
【００４７】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、以下のように設計する。たとえば、下部フリー層４１の厚さｔｆ１を上部フリー層４２の厚さｔｆ２より厚くして、Ｍｓｆ２・ｔｆ２＜Ｍｓｆ１・ｔｆ１とした場合、
Ｍｓｐ１２・ｔｐ１２−Ｍｓｐ１１・ｔｐ１１＜Ｍｓｐ２・ｔｐ２ …式３
とする。より具体的には、図２に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００４８】
ｔｐ１１＝２ｎｍ、ｔｐ１ｎ＝１ｎｍ、ｔｐ１２＝４．７ｎｍ、ｔｂ１＝１．５ｎｍ、ｔｆ１＝３ｎｍ、ｔｆｎ＝１ｎｍ、ｔｆ２＝２ｎｍ、ｔｂ２（＝ｔｂ１）＝１．５ｎｍ、ｔｐ２＝３ｎｍ。
【００４９】
逆に、下部フリー層４１の厚さｔｆ１を上部フリー層４２の厚さｔｆ２より薄くして、Ｍｓｆ２・ｔｆ２＞Ｍｓｆ１・ｔｆ１とした場合、
Ｍｓｐ１２・ｔｐ１２−Ｍｓｐ１１・ｔｐ１１＞Ｍｓｐ２・ｔｐ２ …式４
とする。
【００５０】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＣｏＦｅ下部フリー層４１／Ｒｕ第１非磁性層４０１／ＮｉＦｅＣｏ中間フリー層４３／Ｒｕ第２非磁性層４０２／ＣｏＦｅ上部フリー層４２の５層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００５１】
図３のＴＭＲ素子は磁化自由層（記憶層）４を強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の５層構造としている点で、図２のＴＭＲ素子と異なる。下部フリー層４１と中間フリー層４３とは第１非磁性層４０１を介して磁気結合し、上部フリー層４２と中間フリー層４３とは第２非磁性層４０２を介して磁気結合している。これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合であり、他方が反強磁性結合である。図３は、下部フリー層４１と中間フリー層４３とが強磁性結合し、上部フリー層４２と中間フリー層４３とが反強磁性結合している例を示している。この結果、磁化自由層（記憶層）４のうちトンネルバリア層３、５に接する下部フリー層４１および上部フリー層４２の磁化の向きは互いに反対向きになっている。
【００５２】
図２と同様に、第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合しており、これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。また、トンネルバリア層３に接する上部ピン層２２の磁化は、反強磁性層１に接する下部ピン層２１の磁化よりも大きくなっている。
【００５３】
図３のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図３のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００５４】
第２ピン層６ Ｍｐ２、Ｍｓｐ２、ｔｐ２
第２トンネルバリア層５ ｔｂ２
上部フリー層４２ Ｍｆ２、Ｍｓｆ２、ｔｆ２
第２非磁性層４０２ ｔｆｎ２
中間フリー層４３ Ｍｆ３、Ｍｓｆ３、ｔｆ３
第１非磁性層４０１ ｔｆｎ１
下部フリー層４１ Ｍｆ１、Ｍｓｆ１、ｔｆ１
第１トンネルバリア層３ ｔｂ１
上部ピン層２２ Ｍｐ１２、Ｍｓｐ１２、ｔｐ１２
非磁性層２０ Ｍｐ１ｎ、Ｍｓｐ１ｎ、ｔｐ１ｎ
下部ピン層２１ Ｍｐ１１、Ｍｓｐ１１、ｔｐ１１
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓｐ１２＝Ｍｓｐ２、ｔｂ１＝ｔｂ２とする。また、簡単のために、Ｍｓｐ１１＝Ｍｓｐ１２とし、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓｆ１＝Ｍｓｆ２とする。
【００５５】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、
Ｍｓｆ２・ｔｆ２≒Ｍｓｆ１・ｔｆ１ …式５
Ｍｓｐ１２・ｔｐ１２−Ｍｓｐ１１・ｔｐ１１≒Ｍｓｐ２・ｔｐ２ …式６
とする。より具体的には、図３に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００５６】
ｔｐ１１＝２ｎｍ、ｔｐ１ｎ＝１ｎｍ、ｔｐ１２＝５ｎｍ、ｔｂ１＝１．５ｎｍ、ｔｆ１＝２ｎｍ、ｔｆｎ１＝１．４ｎｍ、ｔｆ３＝２ｎｍ、ｔｆｎ２＝１ｎｍ、ｔｆ２＝２ｎｍ、ｔｂ２（＝ｔｂ１）＝１．５ｎｍ、ｔｐ２＝３ｎｍ。
【００５７】
なお、強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の５層構造を有する磁化自由層（記憶層）において、非磁性層の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｕなどを用いることができる。そして、２つの磁気結合のうち一方を強磁性結合、他方を反強磁性結合とするには、それぞれの非磁性材料に応じて２つの磁性層の厚さを適切に設定すればよい。たとえば、図３では下部フリー層４１と中間フリー層４３とを強磁性結合させるために、第１非磁性層として厚さ１．４ｎｍのＲｕを用いているが、その代わりに厚さ１ｎｍのＣｕを用いてもよい。
【００５８】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ下部ピン層６１／Ｒｕ非磁性層６０１／ＣｏＦｅ中間ピン層６２／Ｒｕ非磁性層６０２／ＣｏＦｅ上部ピン層６３の５層構造を有する第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００５９】
図４のＴＭＲ素子では、第１ピン層２が３層のシンセティックピン構造であり、第２ピン層が５層のシンセティックピン構造である。第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合している。同様に、第２ピン層６に含まれる下部ピン層６１、中間ピン層６２および上部ピン層６３は非磁性層６０１、６０２を介して反強磁性結合している。これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６（下部ピン層６１）の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。
【００６０】
図１、図２と同様に、磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。この磁化自由層（記憶層）４からは漏洩磁場が発生している。
【００６１】
図４のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図４のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００６２】
上部ピン層６３ Ｍｐ２３、Ｍｓｐ２３、ｔｐ２３
非磁性層６０２ ｔｐ２ｎ２
中間ピン層６２ Ｍｐ２２、Ｍｓｐ２２、ｔｐ２２
非磁性層６０１ ｔｐ２ｎ１
下部ピン層６１ Ｍｐ２１、Ｍｓｐ２１、ｔｐ２１
第２トンネルバリア層５ ｔｂ２
上部フリー層４２ Ｍｆ２、Ｍｓｆ２、ｔｆ２
第２非磁性層４０２ ｔｆｎ２
中間フリー層４３ Ｍｆ３、Ｍｓｆ３、ｔｆ３
第１非磁性層４０１ ｔｆｎ１
下部フリー層４１ Ｍｆ１、Ｍｓｆ１、ｔｆ１
第１トンネルバリア層３ ｔｂ１
上部ピン層２２ Ｍｐ１２、Ｍｓｐ１２、ｔｐ１２
非磁性層２０ Ｍｐ１ｎ、Ｍｓｐ１ｎ、ｔｐ１ｎ
下部ピン層２１ Ｍｐ１１、Ｍｓｐ１１、ｔｐ１１
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓｐ１２＝Ｍｓｐ２１、ｔｂ１＝ｔｂ２とする。また、簡単のために、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓｆ１＝Ｍｓｆ２とする。
【００６３】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、フリー層の磁化の大きさに関係なく、
Ｍｐ１２・ｔｐ１２≒Ｍｐ１１・ｔｐ１１ …式７
Ｍｐ２１・ｔｐ２１＋Ｍｐ２３・ｔｐ２３≒Ｍｐ２２・ｔｐ２２ …式８
とする。このようにすれば、第１ピン層２および第２ピン層６からの漏洩磁場をそれぞれのピン層内でキャンセルすることができ、磁化自由層（記憶層）４に対して漏洩磁場静磁結合が発生しない。より具体的には、図４に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００６４】
ｔｐ１１＝２ｎｍ、ｔｐ１ｎ＝１ｎｍ、ｔｐ１２＝２ｎｍ、ｔｂ１＝１．５ｎｍ、ｔｆ１＝３ｎｍ、ｔｆｎ＝１ｎｍ、ｔｆ２＝２ｎｍ、ｔｂ２（＝ｔｂ１）＝１．５ｎｍ、ｔｐ２１＝２ｎｍ、ｔｐ２ｎ１＝１ｎｍ、ｔｐ２２＝４ｎｍ、ｔｐ２ｎ２（＝ｔｐ２ｎ１）＝１ｎｍ、ｔｐ２３（＝ｔｐ２１）＝２ｎｍ。
【００６５】
図５は、本発明に係る磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図である。図５において、シリコン基板１０１上にはゲート電極１０２が形成され、ゲート電極１０２の両側のシリコン基板１０１表面にはソース／ドレイン領域１０３、１０４が形成されている。これらの部材により選択トランジスタが形成されている。ゲート電極１０２は紙面に直交する方向に延びており、ワードライン（ＷＬ１）として用いられる。シリコン基板１０１の全面には絶縁層１０５が形成され、この絶縁膜１０５中に、選択トランジスタのドレイン領域１０４に接続された接続プラグ１０６、紙面に直交する方向に延びるワードライン（ＷＬ２）１０７、接続プラグ１０６に接続された下地電極１０８、ワードライン（ＷＬ２）１０７の上方に配置され、下地電極１０８に接続されたＴＭＲ素子１０９が埋め込まれている。ＴＭＲ素子１０９の上面にはワードライン（ＷＬ２）１０７の方向と交差する方向に延びるビットライン（ＢＬ）１１０が接続されている。上記のＴＭＲ素子１０９としては、たとえば図１〜図４のいずれかが用いられる。
【００６６】
図５に示すように、この磁気メモリ装置は、紙面に直交する方向に延びるワードライン（ＷＬ２）１０７と、ワードライン（ＷＬ２）１０７上方においてこれに交差する方向に延びるビットライン１１０と、ワードライン（ＷＬ２）１０７とビットライン１１０との間に設けられたＴＭＲ素子１０９とを有する。ＴＭＲ素子１０９への書き込み動作は、ワードライン（ＷＬ２）１０７とビットライン１１０に書き込み電流を流して電流磁界を発生させ、両者の合成磁界によりＴＭＲ素子１０９の磁化自由層の磁化を反転させることにより行われる。読み出し動作は、選択トランジスタをオンし、下地電極１０８とビットライン１１０との間のＴＭＲ素子１０９にセンス電流を流して磁気抵抗変化を測定することにより行われる。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、Ｒ−Ｈカーブのシフトのない二重接合ＴＭＲ素子が得られ、これをメモリセルに用いることにより、消費電力が小さく、また誤書き込みの起こりにくいＭＲＡＭを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図５】本発明に係る磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図。
【図６】従来の二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図７】Ｒ−Ｈカーブのシフトを説明する図。
【図８】ネール結合を説明する図。
【符号の説明】
１…第１反強磁性層
２…第１磁化固着層（第１ピン層）
３…第１トンネルバリア層
４…磁化自由層（フリー層）
５…第２トンネルバリア層
６…第２磁化固着層（第２ピン層）
７…第２反強磁性層
１０１…シリコン基板
１０２…ゲート電極（ＷＬ１）
１０３、１０４…ソース／ドレイン領域
１０５…絶縁層
１０６…接続プラグ
１０７…ワードライン（ＷＬ２）
１０８…下地電極
１０９…ＴＭＲ素子
１１０…ビットライン（ＢＬ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子およびメモリセルに磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置たとえば磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、情報を記憶するセル部に磁気抵抗効果を持つ磁気素子を用いたメモリ装置であり、高速動作、大容量および不揮発性を実現可能な次世代メモリ装置として注目されている。磁気抵抗効果とは、強磁性体に磁場を印加すると強磁性体の磁化の向きに応じて電気抵抗が変化する現象である。こうした強磁性体の磁化の向きを情報の記憶に用い、それに対応する電気抵抗の大小で情報を読み出すことによりメモリ装置（ＭＲＡＭ）として動作させることができる。近年、２つの強磁性層の間に絶縁層（トンネルバリア層）を挟んだサンドイッチ構造を含む強磁性トンネル接合において、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）により２０％以上の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が得られるようになった。このことをきっかけとして、トンネル磁気抵抗効果を利用した強磁性トンネル接合磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を用いたＭＲＡＭが期待と注目を集めている。
【０００３】
ＭＲＡＭにＴＭＲ素子を用いる場合、トンネルバリア層を挟む２つの強磁性層のうち、一方を磁化の向きが変化しないように固着した磁化固着層（磁化基準層）とし、他方を磁化の向きが反転しやすい磁化自由層（記憶層）とする。磁化固着層と磁化自由層との磁化の向きが平行な状態と反平行な状態を２進情報の“０”と“１”に対応付けることで情報を記憶することができる。記録情報の書き込みは、ＴＭＲ素子近傍に設けられた書き込み配線に電流を流して発生する誘導磁場により磁化自由層の磁化の向きを反転させることにより行う。また、記録情報の読み出しは、ＴＭＲ効果による抵抗変化分を検出することにより行う。
【０００４】
従って、磁化自由層に関しては、ＴＭＲ効果による抵抗変化率（ＭＲ比）が大きく、磁化反転に必要な磁場すなわちスイッチング磁場が小さいことが好ましい。一方、磁化固着層に関しては、磁化が反転しにくくなるように磁化の向きを固定することが必要であり、そのためには、強磁性層に接するように反強磁性層を設けて交換結合力により磁化反転を起こりにくくするという方法が用いられる。この構造において磁化固着層の磁化の向きは磁場を印加しながら熱処理すること（磁化固着アニール）により決定される。
【０００５】
ここで、従来のＭＲＡＭの問題点について説明する。図６に、従来のＭＲＡＭを構成する二重接合ＴＭＲ素子を模式的に示す。このＴＭＲ素子は、ＩｒＭｎ第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＣｏＦｅＮｉ磁化自由層（フリー層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、ＩｒＭｎ第２反強磁性層７を積層した構造を有する。こうしたＴＭＲ素子は、ＭＲＡＭのメモリセルとして所定の形状に加工される。図６に示されるように、第１ピン層２と第２ピン層６の磁化の向きは、互いに平行になっている。
【０００６】
スイッチング特性の観点から、ＴＭＲ素子の抵抗−磁場ヒステリシス曲線（以下、Ｒ−Ｈカーブという）は原点に対し対称であることが好ましいが、従来は種々の磁気的な結合に起因して、Ｒ−Ｈカーブが原点からシフトするという問題が発生していた。このようなＲ−Ｈカーブのシフトが起こると、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層との間で、磁化固着層の磁化に対して磁化自由層の磁化が平行から反平行へスイッチングする磁場の大きさと、反平行から平行へスイッチングする磁場の大きさが異なるようになる。その結果、磁化反転に必要な書き込み電流が正負のどちらかで大きくなる、Ｒ−Ｈカーブのシフトが大きすぎて磁化平行または磁化反平行のいずれかの状態に固定される、シフト量のばらつきに応じて非選択セルでの誤書き込みが起こるなど、多くの問題が起こる。
【０００７】
上述したＲ−Ｈカーブのシフトを引き起こす原因となる磁気的な結合は２つに大別され、それぞれ図７（ａ）および（ｂ）に示すようなシフトを引き起こす。
【０００８】
ひとつは、各強磁性層の加工により形成された端面から発生する漏洩磁場（図６に破線矢印で表示）による静磁結合である。この場合、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層の磁化が反平行になろうとする力が働き、図７（ａ）に示すようなＲ−Ｈカーブのシフトが引き起こされる。この漏洩磁場の静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフト量Ｈｓｈｉｆｔ＿ｓｆはＴＭＲ素子の磁化容易軸方向の長さに反比例することが知られている。そして、ＴＭＲ素子のサイズが１μｍ以下（メガビット級ＭＲＡＭのメモリセルサイズに相当する）では、シフト量Ｈｓｈｉｆｔ＿ｓｆは、スイッチング磁場Ｈｓｗと同程度またはより大きな値となる。
【０００９】
もうひとつは、トンネルバリア層の界面の凹凸に起因して発生するネール結合である。図８にネール結合を概略的に示す。図８は、第１ピン層２、第１トンネルバリア層３およびフリー層４の部分を示し、第１トンネルバリア層３の界面の凹凸に起因してネール結合が発生することを示している。この場合、トンネルバリア層を挟む磁化固着層と磁化自由層の磁化が平行になろうとする力が働き、図７（ｂ）に示すようなＲ−Ｈカーブのシフトが引き起こされる。
【００１０】
ネール結合に起因するＲ−Ｈカーブのシフト量Ｈｓｈｉｆｔ＿Ｎは下記の式１で表される。
【００１１】
【数１】
ここで、πは円周率、ｈおよびλはそれぞれトンネルバリア界面の凹凸の振幅と波長、Ｍｓは磁化固着層の飽和磁化、ｔｆおよびｔｂはそれぞれ磁化自由層およびトンネルバリア層の厚さである。
【００１３】
この式からわかるように、Ｈｓｈｉｆｔ＿Ｎの大きさはメモリセルのサイズには依存しないが、トンネルバリア近傍の細かなラフネスには敏感である。たとえば、１ｎｍ程度（数原子層オーダー）のラフネスであってもスイッチング磁場の大きさと同程度となる。
【００１４】
以上のように、ＭＲＡＭのメモリセルとしてＴＭＲ素子を用いる場合には、Ｈｓｈｉｆｔ＿ｓｆおよびＨｓｈｉｆｔ＿Ｎのいずれも特性を大きく左右するパラメータとなる。特に、動作バイアス時の出力を大きくするために改良された図６に示すような二重接合ＴＭＲ素子では、これらがそれぞれ約２倍となるため、メモリ動作をさせる上でこれらを小さくすることが大きな課題になってある。
【００１５】
上記のような磁気結合起因のＲ−Ｈカーブのシフトを低減するために以下のような技術が提案されている。
【００１６】
たとえば、米国特許第６１７２９０４号明細書には、磁化固着層（基準層）、トンネルバリア層、磁化自由層、スペーサ層、追加磁化固着層（追加基準層）という構造を有する磁気メモリセルが提案されている。この磁気メモリセルでは、磁化固着層（基準層）の磁化の向きと追加磁化固着層（追加基準層）の磁化の向きとが反対向きになっている。このような構造であれば、磁化自由層において、基準層による磁気結合と追加基準層による磁気結合をキャンセルすることができる。しかし、この構造を適用した二重接合ＴＭＲ素子を作製すると、磁化自由層の磁化の向きがどちらであっても、一方の磁化固着層に対しては磁化平行、もう一方の磁化固着層に対しては磁化反平行となるため、ＴＭＲ効果を観測することができない。
【００１７】
また、特開２００１−１５６３５７号公報には、磁化固着層、トンネルバリア層、強磁性層／非磁性層／強磁性層という３層構造の磁化自由層（記憶層）、トンネルバリア層、磁化固着層という二重接合ＴＭＲ素子構造を有するＭＲＡＭが提案されている。下部および上部の磁化固着層は、磁化の向きが互いに反対向きになっている。また、磁化自由層（記憶層）に含まれる下部および上部の２つの強磁性層は非磁性層を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。このようなＭＲＡＭでは、外部磁場の向きに応じて磁化自由層（記憶層）に含まれる下部および上部の２つの強磁性層で磁化反転が起こり、それぞれ下部および上部のトンネルバリア層を介して設けられている下部および上部の磁化固着層の磁化の向きに対し同時に平行または反平行となり、ＴＭＲ効果を観測することができる。しかし、このような構造のＭＲＡＭでも、各強磁性層の材料や厚さによってはＲ−Ｈカーブのシフト量が大きくなるため、この構造を採用するだけではＲ−Ｈカーブのシフトをなくすことはできない。
【００１８】
【特許文献１】
米国特許第６１７２９０４号明細書
【００１９】
【特許文献２】
特開２００１−１５６３５７号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、Ｒ−Ｈカーブのシフトを極力低減して、書き込み電流のアンバランスによる消費電力増大や非選択セルの誤書き込みといった問題を解決できる、書き込み特性に優れた二重接合ＴＭＲ素子構造の磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが前記非磁性層を介して反強磁性結合し、前記第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、前記第１および第２の磁化固着層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、磁化の大きい磁化固着層は前記第１および第２の強磁性層のうち磁化の小さい強磁性層に近い側に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子は、第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、第１の非磁性層、第３の強磁性層、第２の非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層とが前記第１の非磁性層を介して磁気結合し、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層とが前記第２の非磁性層を介して磁気結合し、これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合、もう一方が反強磁性結合であることを特徴とする。
【００２３】
本発明のさらに他の態様に係る磁気メモリ装置は、第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の配線の上方において、前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられた上記のいずれかの磁気抵抗効果素子とを有することを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、２つのトンネル接合層を有する、いわゆる二重接合ＴＭＲ素子であり、第１の磁化固着層、第１のトンネルバリア層、積層構造を有する磁化自由層（記憶層）、第２のトンネルバリア層、第２の磁化固着層という積層構造を有し、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きは互いに反対向きになっている。
【００２５】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子では、磁化自由層（記憶層）が、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層の３層構造を有し、第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが非磁性層を介して反強磁性結合し、第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きくなっている。
【００２６】
本発明の他の態様に係る磁気抵抗効果素子では、磁化自由層（記憶層）が、第１の強磁性層／第１の非磁性層／第３の強磁性層／第１の非磁性層／第２の強磁性層という５層構造を有し、第１の強磁性層と第３の強磁性層とが第１の非磁性層を介して磁気結合し、第２の強磁性層と第３の強磁性層とが前記第２の非磁性層を介して磁気結合し、これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合、もう一方が反強磁性結合となっている。
【００２７】
いずれの態様の磁気抵抗効果素子でも、磁化自由層の端面から漏洩磁場が発生しており、この磁化自由層の端面において第１の磁化固着層からの漏洩磁場と第２の磁化固着層からの漏洩磁場とが打ち消しあうように設計することにより、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００２８】
また、第１の磁化固着層と、第２の磁化固着層の飽和磁化の大きさをほぼ等しくすることにより、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００２９】
本発明に係る磁気抵抗効果素子においては、磁化自由層を複数層の強磁性層と非磁性層との積層構造とするのに加えて、第１の磁化固着層および／または第２の磁化固着層を複数層の強磁性層と非磁性層との積層構造にしてもよい。この場合、一方の磁化固着層を偶数層の強磁性層と非磁性層との積層構造、たとえば反強磁性層に接する強磁性層、非磁性層およびトンネルバリア層に接する強磁性層の積層構造として、トンネルバリア層に接する強磁性層の磁化を反強磁性層に接する強磁性層の磁化よりも大きくし、他方の磁化固着層を反強磁性層とトンネルバリア層に接する単層の強磁性層とすることにより、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きは互いに反対向きにすることができる。また、他方の磁化固着層を、３層以上の奇数層の強磁性層と非磁性層との積層構造、たとえば強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造としてもよい。なお、このような積層構造を有する磁化固着層を用いた場合、第１および第２の磁化固着層の磁化の向きとは、磁化固着層に含まれる強磁性層のうちトンネルバリア層に接する強磁性層の磁化の向きを意味する。
【００３０】
以下、本発明の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子についてより詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。このＴＭＲ素子は、ＭＲＡＭのメモリセルとして所定の形状に加工される。
【００３１】
図１に示されるように、第１ピン層２と第２ピン層６とは、磁化の向きが互いに反対向きになっている。磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１および上部フリー層４２は、外部磁場の向きに応じて磁化反転を起こし、それぞれ第１ピン層２および第２ピン層６の磁化の向きに対し同時に平行または反平行となるので、ＴＭＲ効果を観測することができる。
【００３２】
このＴＭＲ素子においては、下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。こうすることにより、この記憶層には正味の磁化が発生し、その磁化の中心（もしくは重心）は、記憶層の中間ではなく、厚くした下部フリー層４２側にずれることとなる。
【００３３】
図１のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図１のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００３４】
第２ピン層６ Ｍｐ２、Ｍｓｐ２、ｔｐ２
第２トンネルバリア層５ ｔｂ２
上部フリー層４２ Ｍｆ２、Ｍｓｆ２、ｔｆ２
非磁性層４０ ｔｆｎ
下部フリー層４１ Ｍｆ１、Ｍｓｆ１、ｔｆ１
第１トンネルバリア層３ ｔｂ１
第１ピン層２ Ｍｐ１、Ｍｓｐ１、ｔｐ１
まず、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには以下のような手段を用いる。式１に示したように、ネール結合の大きさを決定する要因は、トンネルバリア層界面のラフネス、ピン層の飽和磁化、フリー層およびトンネルバリア層の厚さである。二重接合ＴＭＲ素子では、通常、２つのトンネルバリア層の厚さを同じ、すなわちｔｂ１＝ｔｂ２とする。このとき、２つのトンネルバリア層界面のラフネスはほとんど同じ大きさになる。この場合、第１ピン層２および第２ピン層６の飽和磁化を同じ、すなわちＭｓｐ１＝Ｍｓｐ２にすれば、ネール結合によるＲ−Ｈカーブのシフトをほぼ打ち消すことができる。
【００３５】
一方、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、下部フリー層４１の磁化Ｍｆ１と上部フリー層４２の磁化Ｍｆ２との差に応じて、第１ピン層２の磁化Ｍｐ１および第２ピン層６の磁化Ｍｐ２を調整する。具体的には、
Ｍｆ１＞Ｍｆ２の場合、Ｍｐ１＜Ｍｐ２、
Ｍｆ１＜Ｍｆ２の場合、Ｍｐ１＞Ｍｐ２
とする。このように各強磁性層の磁化を調整することにより、磁化自由層（記憶層）４の近傍において漏洩磁場による静磁結合が打ち消しあう向きに働き、漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減することができる。
【００３６】
より厳密には、磁化自由層（記憶層）４の磁化の中心位置に相当する端面近傍で２つのピン層２、６からの漏洩磁場の大きさがほぼ同じになるように設計する。
【００３７】
また、簡単のために、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓｆ１＝Ｍｓｆ２とする。上述したように、ｔｂ１＝ｔｂ２、Ｍｓｐ１＝Ｍｓｐ２である。
【００３８】
フリー層４全体の磁化の中心は、下側トンネルバリアの上面からａ＝（ｔｆ１＋ｔｆ２）／２＋ｔｆｎ×ｔｆ２／（ｔｆ１＋ｔｆ２）の高さに位置する。このフリー層全体の中心位置に相当する端面において、２つのピン層２、６からの漏洩磁場による静磁結合をキャンセルするには以下の関係式を満たすように第１ピン層２および第２ピン層６の厚さｔｐ１、ｔｐ２を決定する。
【００３９】
１／（ｔｂ１＋ａ）−１／（ｔｂ１＋ａ＋ｔｐ１）＝
１／（ｔｂ２＋ｔｆ−ａ）−１／（ｔｂ２＋ｔｆ−ａ＋ｔｐ２） …式２
（ここで、ｔｆ＝ｔｆ１＋ｔｆ２＋ｔｆｎである）。
【００４０】
たとえば、Ｍｆ１＞Ｍｆ２（ｔｆ１＞ｔｆ２）の場合、式２を満たすためにはｔｐ１＜ｔｐ２として、Ｍｐ１＜Ｍｐ２の関係を満たすようにする。逆に、Ｍｆ１＜Ｍｆ２（ｔｆ１＜ｔｆ２）の場合、ｔｐ１＞ｔｐ２としてＭｐ１＞Ｍｐ２の関係を満たすようにする。
【００４１】
なお、Ｍｆ１＝Ｍｆ２の場合にはＭｐ１＝Ｍｐ２とすればよいと考えられるが、この場合には磁化の向きを規定できないので不適当である。
【００４２】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００４３】
図２のＴＭＲ素子は第１ピン層２を強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造からなるシンセティックピン構造としている点で、図１のＴＭＲ素子と異なる。第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合しており、これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。また、トンネルバリア層３に接する上部ピン層２２の磁化は、反強磁性層１に接する下部ピン層２１の磁化よりも大きくなっている。
【００４４】
図１と同様に、磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。
【００４５】
図２のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図２のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００４６】
第２ピン層６ Ｍｐ２、Ｍｓｐ２、ｔｐ２
第２トンネルバリア層５ ｔｂ２
上部フリー層４２ Ｍｆ２、Ｍｓｆ２、ｔｆ２
非磁性層４０ ｔｆｎ
下部フリー層４１ Ｍｆ１、Ｍｓｆ１、ｔｆ１
第１トンネルバリア層３ ｔｂ１
上部ピン層２２ Ｍｐ１２、Ｍｓｐ１２、ｔｐ１２
非磁性層２０ Ｍｐ１ｎ、Ｍｓｐ１ｎ、ｔｐ１ｎ
下部ピン層２１ Ｍｐ１１、Ｍｓｐ１１、ｔｐ１１
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓｐ１２＝Ｍｓｐ２、ｔｂ１＝ｔｂ２とする。また、簡単のために、Ｍｓｐ１１＝Ｍｓｐ１２とし、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓｆ１＝Ｍｓｆ２とする。
【００４７】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、以下のように設計する。たとえば、下部フリー層４１の厚さｔｆ１を上部フリー層４２の厚さｔｆ２より厚くして、Ｍｓｆ２・ｔｆ２＜Ｍｓｆ１・ｔｆ１とした場合、
Ｍｓｐ１２・ｔｐ１２−Ｍｓｐ１１・ｔｐ１１＜Ｍｓｐ２・ｔｐ２ …式３
とする。より具体的には、図２に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００４８】
ｔｐ１１＝２ｎｍ、ｔｐ１ｎ＝１ｎｍ、ｔｐ１２＝４．７ｎｍ、ｔｂ１＝１．５ｎｍ、ｔｆ１＝３ｎｍ、ｔｆｎ＝１ｎｍ、ｔｆ２＝２ｎｍ、ｔｂ２（＝ｔｂ１）＝１．５ｎｍ、ｔｐ２＝３ｎｍ。
【００４９】
逆に、下部フリー層４１の厚さｔｆ１を上部フリー層４２の厚さｔｆ２より薄くして、Ｍｓｆ２・ｔｆ２＞Ｍｓｆ１・ｔｆ１とした場合、
Ｍｓｐ１２・ｔｐ１２−Ｍｓｐ１１・ｔｐ１１＞Ｍｓｐ２・ｔｐ２ …式４
とする。
【００５０】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＣｏＦｅ下部フリー層４１／Ｒｕ第１非磁性層４０１／ＮｉＦｅＣｏ中間フリー層４３／Ｒｕ第２非磁性層４０２／ＣｏＦｅ上部フリー層４２の５層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００５１】
図３のＴＭＲ素子は磁化自由層（記憶層）４を強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の５層構造としている点で、図２のＴＭＲ素子と異なる。下部フリー層４１と中間フリー層４３とは第１非磁性層４０１を介して磁気結合し、上部フリー層４２と中間フリー層４３とは第２非磁性層４０２を介して磁気結合している。これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合であり、他方が反強磁性結合である。図３は、下部フリー層４１と中間フリー層４３とが強磁性結合し、上部フリー層４２と中間フリー層４３とが反強磁性結合している例を示している。この結果、磁化自由層（記憶層）４のうちトンネルバリア層３、５に接する下部フリー層４１および上部フリー層４２の磁化の向きは互いに反対向きになっている。
【００５２】
図２と同様に、第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合しており、これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。また、トンネルバリア層３に接する上部ピン層２２の磁化は、反強磁性層１に接する下部ピン層２１の磁化よりも大きくなっている。
【００５３】
図３のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図３のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００５４】
第２ピン層６ Ｍｐ２、Ｍｓｐ２、ｔｐ２
第２トンネルバリア層５ ｔｂ２
上部フリー層４２ Ｍｆ２、Ｍｓｆ２、ｔｆ２
第２非磁性層４０２ ｔｆｎ２
中間フリー層４３ Ｍｆ３、Ｍｓｆ３、ｔｆ３
第１非磁性層４０１ ｔｆｎ１
下部フリー層４１ Ｍｆ１、Ｍｓｆ１、ｔｆ１
第１トンネルバリア層３ ｔｂ１
上部ピン層２２ Ｍｐ１２、Ｍｓｐ１２、ｔｐ１２
非磁性層２０ Ｍｐ１ｎ、Ｍｓｐ１ｎ、ｔｐ１ｎ
下部ピン層２１ Ｍｐ１１、Ｍｓｐ１１、ｔｐ１１
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓｐ１２＝Ｍｓｐ２、ｔｂ１＝ｔｂ２とする。また、簡単のために、Ｍｓｐ１１＝Ｍｓｐ１２とし、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓｆ１＝Ｍｓｆ２とする。
【００５５】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、
Ｍｓｆ２・ｔｆ２≒Ｍｓｆ１・ｔｆ１ …式５
Ｍｓｐ１２・ｔｐ１２−Ｍｓｐ１１・ｔｐ１１≒Ｍｓｐ２・ｔｐ２ …式６
とする。より具体的には、図３に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００５６】
ｔｐ１１＝２ｎｍ、ｔｐ１ｎ＝１ｎｍ、ｔｐ１２＝５ｎｍ、ｔｂ１＝１．５ｎｍ、ｔｆ１＝２ｎｍ、ｔｆｎ１＝１．４ｎｍ、ｔｆ３＝２ｎｍ、ｔｆｎ２＝１ｎｍ、ｔｆ２＝２ｎｍ、ｔｂ２（＝ｔｂ１）＝１．５ｎｍ、ｔｐ２＝３ｎｍ。
【００５７】
なお、強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層の５層構造を有する磁化自由層（記憶層）において、非磁性層の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｕなどを用いることができる。そして、２つの磁気結合のうち一方を強磁性結合、他方を反強磁性結合とするには、それぞれの非磁性材料に応じて２つの磁性層の厚さを適切に設定すればよい。たとえば、図３では下部フリー層４１と中間フリー層４３とを強磁性結合させるために、第１非磁性層として厚さ１．４ｎｍのＲｕを用いているが、その代わりに厚さ１ｎｍのＣｕを用いてもよい。
【００５８】
図４は、本発明の第４の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図である。このＴＭＲ素子は、第１反強磁性層１、ＣｏＦｅ下部ピン層２１／Ｒｕ非磁性層２０／ＣｏＦｅ上部ピン層２２の３層構造を有する第１磁化固着層（第１ピン層）２、Ａｌ２Ｏ３第１トンネルバリア層３、ＮｉＦｅＣｏ下部フリー層４１／Ｒｕ非磁性層４０／ＮｉＦｅＣｏ上部フリー層４２の３層構造を有する磁化自由層（記憶層）４、Ａｌ２Ｏ３第２トンネルバリア層５、ＣｏＦｅ下部ピン層６１／Ｒｕ非磁性層６０１／ＣｏＦｅ中間ピン層６２／Ｒｕ非磁性層６０２／ＣｏＦｅ上部ピン層６３の５層構造を有する第２磁化固着層（第２ピン層）６、第２反強磁性層７を積層した構造を有する。
【００５９】
図４のＴＭＲ素子では、第１ピン層２が３層のシンセティックピン構造であり、第２ピン層が５層のシンセティックピン構造である。第１ピン層２に含まれる下部ピン層２１および上部ピン層２２は非磁性層２０を介して反強磁性結合している。同様に、第２ピン層６に含まれる下部ピン層６１、中間ピン層６２および上部ピン層６３は非磁性層６０１、６０２を介して反強磁性結合している。これにより第１ピン層２（上部ピン層２２）と第２ピン層６（下部ピン層６１）の磁化の向きは互いに反対向きとなっている。
【００６０】
図１、図２と同様に、磁化自由層（記憶層）４の下部フリー層４１と上部フリー層４２とは非磁性層４０を介して反強磁性結合しており、磁化の向きが互いに反対向きになる。下部フリー層４１と上部フリー層４２の磁化の大きさは、いずれか一方が大きくなるように設定されている。たとえば、下部フリー層４１の膜厚を上部フリー層４２の膜厚より厚くすると、下部フリー層４１の磁化は上部フリー層４２の磁化よりも大きくなる。この磁化自由層（記憶層）４からは漏洩磁場が発生している。
【００６１】
図４のＴＭＲ素子においては、以下のような手段によりＲ−Ｈカーブのシフトを極力低減することができる。ここで、図４のＴＭＲ素子における各強磁性層の磁化Ｍ、飽和磁化Ｍｓおよび各層の厚さｔを以下のように表す。
【００６２】
上部ピン層６３ Ｍｐ２３、Ｍｓｐ２３、ｔｐ２３
非磁性層６０２ ｔｐ２ｎ２
中間ピン層６２ Ｍｐ２２、Ｍｓｐ２２、ｔｐ２２
非磁性層６０１ ｔｐ２ｎ１
下部ピン層６１ Ｍｐ２１、Ｍｓｐ２１、ｔｐ２１
第２トンネルバリア層５ ｔｂ２
上部フリー層４２ Ｍｆ２、Ｍｓｆ２、ｔｆ２
第２非磁性層４０２ ｔｆｎ２
中間フリー層４３ Ｍｆ３、Ｍｓｆ３、ｔｆ３
第１非磁性層４０１ ｔｆｎ１
下部フリー層４１ Ｍｆ１、Ｍｓｆ１、ｔｆ１
第１トンネルバリア層３ ｔｂ１
上部ピン層２２ Ｍｐ１２、Ｍｓｐ１２、ｔｐ１２
非磁性層２０ Ｍｐ１ｎ、Ｍｓｐ１ｎ、ｔｐ１ｎ
下部ピン層２１ Ｍｐ１１、Ｍｓｐ１１、ｔｐ１１
ネール結合をキャンセルするために、Ｍｓｐ１２＝Ｍｓｐ２１、ｔｂ１＝ｔｂ２とする。また、簡単のために、下部フリー層４１および上部フリー層４２の飽和磁化が等しい、すなわちＭｓｆ１＝Ｍｓｆ２とする。
【００６３】
漏洩磁場静磁結合によるＲ−Ｈカーブのシフトを低減するには、フリー層の磁化の大きさに関係なく、
Ｍｐ１２・ｔｐ１２≒Ｍｐ１１・ｔｐ１１ …式７
Ｍｐ２１・ｔｐ２１＋Ｍｐ２３・ｔｐ２３≒Ｍｐ２２・ｔｐ２２ …式８
とする。このようにすれば、第１ピン層２および第２ピン層６からの漏洩磁場をそれぞれのピン層内でキャンセルすることができ、磁化自由層（記憶層）４に対して漏洩磁場静磁結合が発生しない。より具体的には、図４に示される各層の厚さを以下のように設定する。
【００６４】
ｔｐ１１＝２ｎｍ、ｔｐ１ｎ＝１ｎｍ、ｔｐ１２＝２ｎｍ、ｔｂ１＝１．５ｎｍ、ｔｆ１＝３ｎｍ、ｔｆｎ＝１ｎｍ、ｔｆ２＝２ｎｍ、ｔｂ２（＝ｔｂ１）＝１．５ｎｍ、ｔｐ２１＝２ｎｍ、ｔｐ２ｎ１＝１ｎｍ、ｔｐ２２＝４ｎｍ、ｔｐ２ｎ２（＝ｔｐ２ｎ１）＝１ｎｍ、ｔｐ２３（＝ｔｐ２１）＝２ｎｍ。
【００６５】
図５は、本発明に係る磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図である。図５において、シリコン基板１０１上にはゲート電極１０２が形成され、ゲート電極１０２の両側のシリコン基板１０１表面にはソース／ドレイン領域１０３、１０４が形成されている。これらの部材により選択トランジスタが形成されている。ゲート電極１０２は紙面に直交する方向に延びており、ワードライン（ＷＬ１）として用いられる。シリコン基板１０１の全面には絶縁層１０５が形成され、この絶縁膜１０５中に、選択トランジスタのドレイン領域１０４に接続された接続プラグ１０６、紙面に直交する方向に延びるワードライン（ＷＬ２）１０７、接続プラグ１０６に接続された下地電極１０８、ワードライン（ＷＬ２）１０７の上方に配置され、下地電極１０８に接続されたＴＭＲ素子１０９が埋め込まれている。ＴＭＲ素子１０９の上面にはワードライン（ＷＬ２）１０７の方向と交差する方向に延びるビットライン（ＢＬ）１１０が接続されている。上記のＴＭＲ素子１０９としては、たとえば図１〜図４のいずれかが用いられる。
【００６６】
図５に示すように、この磁気メモリ装置は、紙面に直交する方向に延びるワードライン（ＷＬ２）１０７と、ワードライン（ＷＬ２）１０７上方においてこれに交差する方向に延びるビットライン１１０と、ワードライン（ＷＬ２）１０７とビットライン１１０との間に設けられたＴＭＲ素子１０９とを有する。ＴＭＲ素子１０９への書き込み動作は、ワードライン（ＷＬ２）１０７とビットライン１１０に書き込み電流を流して電流磁界を発生させ、両者の合成磁界によりＴＭＲ素子１０９の磁化自由層の磁化を反転させることにより行われる。読み出し動作は、選択トランジスタをオンし、下地電極１０８とビットライン１１０との間のＴＭＲ素子１０９にセンス電流を流して磁気抵抗変化を測定することにより行われる。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、Ｒ−Ｈカーブのシフトのない二重接合ＴＭＲ素子が得られ、これをメモリセルに用いることにより、消費電力が小さく、また誤書き込みの起こりにくいＭＲＡＭを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図５】本発明に係る磁気メモリ装置のメモリセルを示す断面図。
【図６】従来の二重接合ＴＭＲ素子の積層構造を模式的に示す図。
【図７】Ｒ−Ｈカーブのシフトを説明する図。
【図８】ネール結合を説明する図。
【符号の説明】
１…第１反強磁性層
２…第１磁化固着層（第１ピン層）
３…第１トンネルバリア層
４…磁化自由層（フリー層）
５…第２トンネルバリア層
６…第２磁化固着層（第２ピン層）
７…第２反強磁性層
１０１…シリコン基板
１０２…ゲート電極（ＷＬ１）
１０３、１０４…ソース／ドレイン領域
１０５…絶縁層
１０６…接続プラグ
１０７…ワードライン（ＷＬ２）
１０８…下地電極
１０９…ＴＭＲ素子
１１０…ビットライン（ＢＬ）
Claims (6)
- 第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とが前記非磁性層を介して反強磁性結合し、前記第１および第２の強磁性層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、前記第１および第２の磁化固着層のうち一方の磁化が他方の磁化よりも大きく、磁化の大きい磁化固着層は前記第１および第２の強磁性層のうち磁化の小さい強磁性層に近い側に形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 第１の磁化固着層と、第１のトンネルバリア層と、第１の強磁性層、第１の非磁性層、第３の強磁性層、第２の非磁性層および第２の強磁性層を含む磁化自由層と、第２のトンネルバリア層と、第２の磁化固着層とを有し、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の向きが互いに反対向きであり、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層とが前記第１の非磁性層を介して磁気結合し、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層とが前記第２の非磁性層を介して磁気結合し、これら２つの磁気結合のうち一方が強磁性結合、もう一方が反強磁性結合であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 前記第１および第２の強磁性層の磁化の大きさがほぼ等しく、前記第１および第２の磁化固着層の磁化の大きさがほぼ等しいことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１の磁化固着層と、前記第２の磁化固着層の飽和磁化の大きさがほぼ等しいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第１の磁化固着層と前記第２の磁化固着層のうちいずれか一方の磁化固着層は、反強磁性層に接する強磁性層、非磁性層およびトンネルバリア層に接する強磁性層の積層構造を有し、２つの強磁性層は非磁性層を介して反強磁性結合しており、トンネルバリア層に接する強磁性層の磁化が反強磁性層に接する強磁性層の磁化よりも大きく、他方の磁化固着層は、反強磁性層とトンネルバリア層に接する強磁性層からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の配線の上方において、前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられた請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子とを有することを特徴とする磁気メモリ装置。
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