JP2005174969A5

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Publication number: JP2005174969A5
Application number: JP2003408344A
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Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2023-12-05

Description

静磁気結合を利用した磁性ランダムアクセスメモリセル

本発明は、磁性ランダムアクセスメモリ（以下ＭＲＡＭと言う）セルに関するものである。

形状磁気異方性を記憶セルの情報安定性に用いる従来のＭＲＡＭの場合、セル幅が0.2 μｍ以下になると、不揮発メモリ応用として必要な熱安定性の確保、および実用的な電流強度でのスイッチングの両者を満足するセル設計が困難になる（非特許文献４及び５参照）。またスイッチング磁界を発生させる導体線の表面を高透磁率材料で被覆することにより磁界発生効率を上げる手法（ヨーク型導体線，Abstract of ICＭ2003，5T-ｐｍ-06）でも、セル幅が0.1 μｍ以下のGbit-ＭＲＡＭには対応できない。また、記憶磁性層として人工フェリ磁性体を用いることによる記憶セルの低スイッチング磁界化も提案されている（特開2002-280642，特開2001-156358、非特許文献１乃至３）。
特開2002-280642公報特開2001-156358公報［ＭＲＡＭセルの低保磁力化を目的とする人工フェリ磁性体の研究］ N. Tezuka et al.，"Switching field behavior in antiparallely coupled sub-ｍicroｍeter scale ｍagnetic eleｍents"，J. Ｍagn. Ｍagn. Ｍatter. 240 (2002) 294. ［ＭＲＡＭセルの低保磁力化を目的とする人工フェリ磁性体の研究］ K. Inoｍata et al.，"Ｍagnetic switching field and giant ｍagnetoresistance effect of ｍultilayers with synthetic antifferoｍagnet free layers"，Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 310. ［ＭＲＡＭセルの低保磁力化を目的とする人工フェリ磁性体の研究］ N. Tezuka et al.，"Single doｍain observation for synthetic antiferroｍagnetically coupled bits with low aspect ratios"，Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 604. ［計算機シミュレーションによるＭＲＡＭセルの動作スケーリングに関する研究］ Y. Nozaki et al.，"Size dependence of switching current and energy barrier in the ｍagnetization reversal of rectangular ＭＲＡＭ cell"，J. Appl. Phys. 93 (2003) 7295. ［計算機シミュレーションによるＭＲＡＭセルの動作スケーリングに関する研究］能崎幸雄 et al.，"Gbit級ＭＲＡＭ機能動作の計算機シミュレーション"，電子情報通信学会技術研究報告 102 (2003) 35.

しかしながら従来提案されている技術では、記憶セルの熱安定性の確保が非常に難しく、上記問題の根本的な解決に至っていない。そのため従来技術では次世代の超高密度不揮発メモリにおいて必須の要件であるセルサイズ0.1μｍ以下の領域では実用上充分な記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した記憶セルの実現が不可能である。

本発明の目的は、実用上充分な記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した磁性ランダムアクセスメモリセルを提供することにある。

本発明の他の目的は、セルサイズが0.1μｍ以下でも記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した磁性ランダムアクセスメモリセルを提供することにある。

本発明の他の目的は、実用上充分な記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した磁性ランダムアクセスメモリセルを備えた磁気メモリ装置を提供することにある。

本発明は、ピン層と主非磁性層とフリー層とが積層された構造を有する磁性ランダムアクセスメモリセルを発明の対象とする。本発明においては、フリー層を、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる二つの強磁性層とこれを分離する非磁性層とから構成する。そして二つの強磁性層を非磁性層を介して静磁気結合する。なおフリー層を構成する各層はそれぞれ導電性を有する。

なおピン層を、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる別の二つの強磁性層とこれを分離する別の非磁性層とから構成し、別の二つの強磁性層を別の非磁性層を介して、静磁気結合してもよい。またピン層を主非磁性層と接する更に別の強磁性層と反強磁性層とから構成してもよい。

なお強磁性薄膜固有の結晶学的な一軸磁気異方性により磁化の双方向安定性を実現し、これにより磁性ランダムアクセスメモリセルを等方的な形状とするのが好ましい。

なおフリー層を構成する二つの強磁性層のうち外側に位置するソフト磁性層の飽和磁化Ｍ₁及び層厚ｔ₁と二つの強磁性層のうち内側に位置するハード磁性層の飽和磁化Ｍ₂及び層厚t₂が、Ｍ₁t₁＞Ｍ₂t₂の条件を充たし、かつソフト磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ₁とソフト磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ₂が、Ｋｕ₁＜10⁴ erg/ｃｍ³，10⁴ erg/ｃｍ³＜Ｋｕ₂＜10⁷ erg/ｃｍ³であるようにするのが好ましい。

また磁性ランダムアクセスメモリセルとトランジスタまたはダイオードを含む機能要素をアレイ状に配置して磁気メモリ装置を構成してもよい。

一軸磁気異方性Ｋｕ、飽和磁化Ｍ_s、体積Ｖの単磁区磁性体の場合、その磁化反転磁界Ｈ_swtは２Ｋｕ/Ｍとなり、磁化方位の熱安定性の指標となるエネルギー障壁ΔＥはＫｕＶで与えられる。本発明で用いるフリー層は、より具体的には、「磁気異方性が小さく(Ｋｕ₁＜10⁴ erg/ｃｍ³) 飽和磁化の大きな(Ｍ₁＞1.7 T)ソフト磁性層(膜厚ｔ₁)」即ち一方の強磁性層と「一軸磁気異方性が強く(10⁴ erg/ｃｍ³＜Ｋｕ₂＜10⁷ erg/ｃｍ³)、高い熱安定性を示すハード磁性層（膜厚ｔ₁，飽和磁化Ｍ₂）」即ち他方の強磁性層とを、非磁性層(膜厚ｔ_N)で分離した構造を有する。なお、ソフト磁性層とハード磁性層の磁化容易軸Ｋｕ₁，Ｋｕ₂の方向は一致しているものとする。ここで、非磁性層の膜厚ｔ_Nは2 ｎｍ＜ｔ_N＜500 ｎｍを満たし、非磁性金属層を介したソフト磁性層-ハード磁性層間の交換結合力はＡ＜10^-3 erg/ｃｍ² (Ａ: 交換スティフネス定数)とする。また、Ｍ₁ｔ₁＞Ｍ₂ｔ₂を満たすようにソフト磁性層およびハード磁性層の飽和磁化、膜厚を設定することが動作電力低減の観点から望ましい。

詳細な数値解析結果からは、理想的な動作特性を実現し得る層構成の一例として、Ｍ₁= 2.2×10⁴Gauss，Ｍ₂= 0.9×10⁴Gauss，Ｋｕ₁=10³ erg/ｃｍ³，Ｋｕ₂=2×10⁵ erg/ｃｍ³，ｔ₁= 15 ｎｍ，ｔ₂ = 1.5 ｎｍ，ｔ_n = 10 ｎｍがあげられる。

このような３層構造のフリー層を等方的なセル形状(正方形セル、円形セル)に加工する。このとき、パターン端部の磁極表出に起因する静磁気相互作用により、ソフト磁性層とハード磁性層（二つの強磁性層）の磁化Ｍ₁とＭ₂は、反並行配置(θ２＝θ１＋π)が残留磁化状態（零磁界状態）で安定となる。なお両磁性層の静磁結合エネルギーは、Δθ＝θ１−θ２＝πで最小、Δθ＝０で最大となる。ここで、ソフト磁性層の磁化Ｍ₁と逆向きの外部磁界Ｈ_exを印加すると、ソフト磁性層の磁化反転に伴いΔθがπから減少し、静磁結合エネルギーが増大する。さらにΔθ＜π／２（ソフト磁性層の磁化反転）となると、ハード磁性層にはＭ₂とは逆向きの（ソフト磁性層による）浮遊磁界が加わることにより、ハード磁性層の磁化がＫｕ₂L²ｔ₂のエネルギー障壁を越えて反転する。その結果、ソフト磁性層とハード磁性層の磁化が反並行配置を保持したまま、各々の磁化が連動して反転する。この反転過程では、ソフト磁性層の磁化Ｍ₁は外部磁界により、ハード磁性層の磁化Ｍ₂はソフト磁性層の磁化反転に伴う浮遊磁界極性の変化により反転する。このため、系の反転磁界強度は、ソフト磁性層の低保磁力特性を反映したものとなる。また、磁化反転時のエネルギー障壁ΔＥは、ハード磁性層の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ₂L²ｔ₂と、Δθの減少に伴う静磁気結合エネルギーの増加分を合計したものになる。後者の静磁気結合エネルギーは、ソフト磁性層の磁化反転時にΔθがπより減少することにより増大する項であり、これが本発明セルのΔＥの増加、すなわち熱安定性増大効果を生み出す。

簡単に整理すると、本発明のセルでは、非磁性層を介した二つの強磁性層の静磁気結合により、Ｋｕの異なる強磁性層（薄膜パターン）の磁化は零磁界状態で反平行となる。また、外部磁界によりＫｕの小さなソフト磁性層が反転する際、それに同期してＫｕの大きなハード磁性層が反転する。この際、ソフト磁性層とハード磁性層の静磁気結合力を適当な大きさに調節することにより、磁化反転時のエネルギー障壁を高め、これを記憶セルの熱安定性向上に用いる。またソフト磁性層の浮遊磁界強度をハード磁性層のそれに比べて十分大きくすることにより、セルの磁化反転磁界の低減を図ることができる。

またピン層も、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる別の二つの強磁性層とこれを分離する別の非磁性層とから構成し、別の二つの強磁性層を別の非磁性層を介して、静磁気結合してもよい。このようにするとピン層の抵抗値を主非磁性層と接する更に別の強磁性層と反強磁性層とから構成する場合に比べて、抵抗値の大きな反強磁性層を使う必要がないため、抵抗値を小さくすることができて、読み出しエネルギーを小さくすることが可能になる。

本発明によれば、実用上充分な記録情報の安定性と低消費電力性能を具備した磁性ランダムアクセスメモリセル及びこのセルを用いた磁気メモリ装置を得ることができる。特に、本発明によれば、セルサイズが０．１μｍ以下になった場合でも、記録情報の安定性と低消費電力性能を実現できる。

図１は、本発明の磁性ランダムアクセスメモリセルの実施の形態（左側の図）と従来の磁性ランダムアクセスメモリセル１（右側の図）の層構造を対比した関係で示す図である。本発明の実施の形態の磁性ランダムアクセスメモリセル１も従来と同様に、フリー層２と、セルにおける非磁性層（主非磁性層）３とピン層４とが積層された構造を有している。本発明のセル１では、フリー層２を、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる二つの強磁性層即ちソフト磁性層５及びハード磁性層７とこれを分離する非磁性層６とから構成している。そして二つの強磁性層即ちソフト磁性層５及びハード磁性層７を非磁性層６を介して静磁気結合する。なおフリー層２を構成する各層５乃至７はそれぞれ導電性を有している。またこの実施の形態では、ピン層４を、一軸磁気異方性Ｋｕの大きさが異なる別の二つの強磁性層８及び１０とこれを分離する別の非磁性層９とから構成する。ピン層４においても、二つの強磁性層８及び１０は、非磁性層９を介して静磁気結合している。

図２及び図３を用いて、詳しく説明する。一軸磁気異方性Ｋｕ、飽和磁化Ｍ_s、体積Ｖの単磁区磁性体の場合には、その磁化反転磁界Ｈ_swtは２Ｋｕ/Ｍ_sとなり、磁化方位の熱安定性の指標となるエネルギー障壁ΔＥはＫｕＶで与えられる。これに対して図２に示すように、本発明で用いるフリー層２は、磁気異方性が小さく(Ｋｕ₁＜10⁴ erg/ｃｍ³) 飽和磁化の大きな(Ｍ₁＞1.7 T)ソフト磁性層５(膜厚ｔ₁）即ち一方の強磁性層と一軸磁気異方性が強く(10⁴ erg/ｃｍ³＜Ｋｕ₂＜10⁷ erg/ｃｍ³)、高い熱安定性を示すハード磁性層（膜厚ｔ₁，飽和磁化Ｍ₂）即ち他方の強磁性層とを、非磁性層(膜厚ｔ_N)で分離した構造を有する。ソフト磁性層５を構成する強磁性層は、飽和磁化が大きく、結晶学的な磁気異方性の小さなソフト磁性体（NiFe，FeCoなど）により形成されている。このソフト磁性層５は、ハード磁性層７よりも大きな浮遊磁界を形成する。またハード磁性層７は、1.0 ｔ程度の比較的小さな飽和磁化を有し、結晶学的な一軸磁気異方性が強い磁性体（CoPｔ，FePｔなど）により形成されている。ハード磁性層７は、ソフト磁性層５よりも小さな浮遊磁界を形成する。非磁性金属層からなる非磁性層６は、膜厚ｔ_Nが2 ｎｍ＜ｔ_N＜500 ｎｍを満たしている。この非磁性層６を介したソフト磁性層５とハード磁性層７との間の交換結合力はＡ＜10^-3 erg/ｃｍ² (Ａ: 交換スティフネス定数)である。なお、ソフト磁性層５とハード磁性層７の磁化容易軸Ｋｕ₁，Ｋｕ₂の方向は一致しているものとする。また、Ｍ₁ｔ₁＞Ｍ₂ｔ₂を満たすようにソフト磁性層５およびハード磁性層７の飽和磁化及び膜厚は定められている。

またセル１の非磁性層（主非磁性層）３は、ＴＭＲの場合にはＡｌ_２Ｏ_３、ＧＭＲの場合にはＣｕから形成されている。更に、セル１のピン層４の強磁性層８及び１０は、結晶学的な一軸磁気異方性の強いハード磁性材料（CoPｔ，FePｔなど）で形成されている。非磁性層９の膜厚ｔ_Nは2 ｎｍ＜ｔ_N＜500 ｎｍを満たし、非磁性層９を介した二つの強磁性層８及び１０間の交換結合力はＡ＜10^-3 erg/ｃｍ² (Ａ: 交換スティフネス定数)である。なお二つの強磁性層８及び１０の一軸磁気異方性Ｋｕは共に大きく、実質の飽和磁化Ｍｓは０になっている。強磁性層８及び１０には、同じ膜厚の同種材料を選択しており、非磁性金属層としての非磁性層９を介して両者は静磁気結合しており、ピン層４の浮遊磁界は零にしてある。このようにすると、静磁気結合によるハード磁性化を実現することができるため、従来の構造のように、反強磁性体によるピン止めを用いた素子（セル）に比べて、より高温での動作が可能になる。

本実施の形態では、３層構造のフリー層２を等方的なセル形状(図２に示すような正方形セル）に加工してある。図２及び図３に示すように、パターン端部の磁極表出に起因する静磁気相互作用により、ソフト磁性層５とハード磁性層７の磁化Ｍ₁とＭ₂は、反並行配置(θ２＝θ１＋π)が残留磁化状態（零磁界状態）で安定となる。なお両磁性層５及び７の静磁結合エネルギーは、Δθ＝θ１−θ２＝πで最小、Δθ＝０で最大となる。ここで、ソフト磁性層の磁化Ｍ₁と逆向きの外部磁界Ｈ_exを印加すると、ソフト磁性層５の磁化反転に伴いΔθがπから減少し、静磁結合エネルギーが増大する。さらにΔθ＜π／２（ソフト磁性層５の磁化反転）となると、ハード磁性層７にはその磁化Ｍ₂とは逆向きの（ソフト磁性層５による）浮遊磁界が加わることにより、ハード磁性層７の磁化Ｍ ₂がＫｕ₂L²ｔ₂のエネルギー障壁を越えて反転する。その結果、ソフト磁性層５とハード磁性層７の磁化Ｍ ₁ 及びＭ ₂が反並行配置を保持したまま、各々の磁化が連動して反転する。この反転過程では、ソフト磁性層５の磁化Ｍ₁は外部磁界により、ハード磁性層７の磁化Ｍ₂はソフト磁性層５の磁化反転に伴う浮遊磁界極性の変化により反転する。このため、系の反転磁界強度は、ソフト磁性層５の低保磁力特性を反映したものとなる。また、磁化反転時のエネルギー障壁ΔＥは、ハード磁性層７の一軸磁気異方性エネルギーＫｕ₂L²ｔ₂と、Δθの減少に伴う静磁気結合エネルギーの増加分を合計したものになる。後者の静磁気結合エネルギーは、ソフト磁性層７の磁化反転時にΔθがπより減少することにより増大する項であり、これが本発明のセルのエネルギー障壁ΔＥの増加、すなわち熱安定性増大効果を生み出している。

図４は、本発明の他の実施の形態の磁性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１の層構造を示す図である。この実施の形態では、ピン層４として図１の従来の構造と同様に強磁性層８と反強磁性層１１とからなる構成を採用している。ここで反強磁性層１１はFeＭn，IrＭn等により形成されている。

磁性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の記憶セルとして用いられるスピンバルブ素子および磁気抵抗素子の磁気フリー層を本発明で用いる静磁結合膜セル１で置換すれば、従来の単一磁性層を磁気フリー層に用いた記憶セルに対して同等の熱安定性を確保しながら、磁化反転磁界を５０％以上低減させることができる。具体的な静磁気結合膜セルの計算機による動作シミュレーション結果を以下に説明する。

ＭＲＡＭの高記録密度化において解決すべき重要な問題点は、セル微細化に伴うスイッチング磁界の増大と熱安定性の劣化（双安定状態間のエネルギー障壁の低下）である。体積Ｖ、飽和磁化Ｍ_s、一軸磁気異方性Ｋｕを有する単磁区粒子の場合、スイッチング磁界はＨ_swｔ=2Ｋｕ/Ｍ_s，エネルギー障壁はΔＥ=ＫｕＶで与えられる。したがって、ＭＲＡＭセルの微細化（体積の減少）にしたがって一軸磁気異方性Ｋｕを大きくしなければならないが、これは磁化反転磁界Ｈ_swｔの増大を引き起こす。セルサイズが0.1μｍ程度に近づくにつれて、これらの相反要求を満たすことが可能なセル形状および材料の最適解を見つけることが不可能になりつつある。

そこで本発明では、飽和磁化Ｍ_sが大きく一軸磁気異方性Ｋｕが小さなソフト磁性層５（小さな磁界でスイッチング可能）と、一軸磁気異方性Ｋｕが大きく熱安定性の大きなハード磁性層７を静磁気結合させた「機能分担型フリー層」を提案する。「ソフト磁性層５の低スイッチング磁界特性」と「ハード磁性層７の高い熱安定性」の両者の長所を併せ持つ新しい機能性材料が、両磁性層間の静磁気結合力を最適化することにより実現可能かどうかを以下にシミュレーションした。

計算モデルは図２に示すとおりである。飽和磁化Ｍ₁、膜厚ｔ₁のソフト磁性層５と飽和磁化Ｍ₂，膜厚ｔ₂のハード磁性層７を膜厚ｔ_Nの非磁性層６で分離した構造を有する。セル形状は0.1μｍ角の正方パターンとする。各磁性層５及び７は単磁区とし、磁化Ｍ ₁ 及びＭ ₂は膜面内(ｘ−ｙ面内)のみで回転する。ソフト磁性層５およびハード磁性層７は、ｙ軸を容易軸とし、大きさがそれぞれＫｕ₁およびＫｕ₂の一軸磁気異方性を有する。磁化Ｍ₁およびＭ₂と＋ｙ軸とのなす角をそれぞれθ１およびθ２とし、(θ１＝０，θ２＝π)を初期状態とする（静磁気結合により反並行配置が安定化）。このような系に対し、ソフト磁性層５の磁化Ｍ ₂とは逆向き、すなわち−y方向に外部磁界Ｈ_exを印加した際、系全体でのエネルギー（ゼーマンエネルギーＥｚ、磁気異方性エネルギーＥｋ、隣接磁性層の浮遊磁界による静磁エネルギーＥｄの和）が極小となるようにθ１およびθ２を求め、静磁結合膜パターンの磁化反転特性を調べた。

図５に記載した材料定数を仮定して計算したソフト磁性層５およびハード磁性層７それぞれの磁化曲線を示す。ただし、Ｍ₁ｔ₁＞Ｍ₂ｔ₂を満たすよう、すなわちソフト磁性層５の浮遊磁界強度がハード磁性層７よりも大きくなるように設定している。これを見ると、ソフト磁性層磁化の回転に同期してハード磁性層磁化が逆向きに回転し、約−14 Ｏeでソフト磁性層５の磁化反転と同時にハード磁性層７も逆向きに反転している様子がわかる。その結果、ソフト磁性層５とハード磁性層７の磁化は、外部磁界により反平行状態を保持しつつ、その向きだけが反転する。静磁結合膜パターンをフリー層２とするＭＲＡＭでは、この２種類の反平行結合状態をデジタル情報に対応させる。

図６は、上からソフト磁性層５、ハード磁性層７、および系全体のエネルギーが磁化反転時にどのように変化するかを示したものである。まず、ソフト磁性層５において磁化反転時に増加するエネルギー項を見ると、ハード磁性層７のフリンジ磁界による静磁エネルギーの増加が、エネルギー障壁ΔＥの大半を占めている。これに対し、ハード磁性層７の場合には、ソフト磁性層５のフリンジ磁界による静磁エネルギーの増加分に一軸磁気異方性エネルギーの寄与を加えたものになる。その結果、系全体ではハード磁性層７の磁化容易軸Ｋｕ₂に起因する一軸磁気異方性エネルギーだけではなく、フリンジ磁界による静磁エネルギーの変化分もエネルギー障壁の形成に寄与しており、熱安定性の向上が期待される。特に後者の寄与は、磁化反転時にΔθ＝θ１−θ２がπよりも小さくなることによって発生することから、ソフト磁性層５とハード磁性層７の静磁気結合力の大きさに大きく依存する。結合力が大きすぎると、Δθ＝πを保ったまま反転するため、静磁気結合によるエネルギー障壁の増大効果が消滅する。したがって、２つの磁性層５及び７をRuなどの非常に薄い金属膜で分離した人工フェリ磁性体などの場合、両磁性層５及び７の結合力が非常に強いため、静磁結合によるエネルギー障壁ΔＥの増大効果は見込めない。

図７は、ハード磁性層磁化Ｍ₂の異なる系について計算したＨ_cとエネルギー障壁ΔＥの関係を示したものである。ＭＲＡＭ応用では、Ｈ_cは20 Ｏe程度、ΔＥ/k_Bｔは８０以上が要求される。したがって、グラフの傾きが小さいほどスイッチング磁界が小さく、熱安定性が高い材料であることを示している。図中破線で示した単層膜の結果に比べて、静磁結合膜パターンの結果はすべてグラフの傾きが小さくなっている。したがって、同程度の熱安定性を確保した場合、より小さな磁界での磁化反転が可能であることを示している。また、ハード磁性層磁化Ｍ₂の減少に伴い傾きが徐々に減少を示すが、Ｍ₂＝0.36×10⁴ Gaussにまで小さくするとΔＥの増大（Ｋｕ₂の増大）に従って急激なＨ_cの増大が見られる。これは、Ｍ₂の減少に伴うハード磁性層７の高保磁力化が顕在化したためである。したがって、ハード磁性層７の飽和磁化には適正強度が存在する（：以下にＭ₂＝0.9×10⁴ Gauss固定）。

図８は、図７でもっとも良好な結果が得られたハード磁性層磁化Ｍ₂＝0.9×10⁴ Gaussの場合について、ハード磁性層７の厚さｔ₂を1.5 ｎｍ〜6 ｎｍの範囲で変化させながら同様な計算を行ったものである。これを見ると、計算した膜厚範囲ではハード磁性層膜厚をできるだけ薄くしたほうが良好な反転特性を示すことがわかる（以下にｔ₂＝1.5 ｎｍ固定）。

図９は、ソフト磁性層５の飽和磁化の異なる静磁結合膜パターンについて計算した磁化反転特性である。これを見ると、ソフト磁性層５にはできるだけ飽和磁化の大きなものを用いたほうがよいことがわかる。これは、静磁結合膜パターンにおいてソフト磁性層５が磁化反転のトリガー的な役割を担っており、飽和磁化の増大に伴うソフト磁性層５の低保磁力化が反映されたものと考えられる（以下にＭ₁＝2.2×10⁴ Gauss固定）。

図１０は、非磁性層３の厚さｔ_Nの異なる静磁結合膜パターンについて計算した結果である。これを見ると、1 ｎｍ〜30 ｎｍの範囲ではほとんど磁化反転特性が非磁性層厚に依存しないことがわかる。

最後に、図１１乃至図１３に示すように、ソフト磁性層５とハード磁性層７の間に反平行結合を促す交換結合Ａが存在する場合について同様な計算を行った。その結果、図１１に示すように、交換結合の強度が10^-3 erg/ｃｍ以上になるとＨ_cが急激に増大することがわかった。反平行結合を促す層間交換結合が強い場合（人工フェリ磁性体がこれに相当）、ソフト磁性層５およびハード磁性層７が同時に反転（Δθ＝θ１−θ２＝πを保持したまま反転）しようとするため、ハード磁性層７の反転特性が系全体の磁化反転機構に反映される。これに対し、層間結合力が弱い（10^-3 erg/ｃｍ以下）場合には、ソフト磁性層５がハード磁性層７よりも先に反転することにより、ソフト磁性層５のフリンジ磁界がハード磁性層７の反転を促進、その結果反転磁界が低減される。

以上の結果、ソフト磁性層５とハード磁性層７の反平行結合があまり強すぎると、エネルギー障壁ΔＥが低くなるばかりでなく、Ｈ_cが増大してしまう。したがって、ソフト磁性層５がハード磁性層７に先行して反転を開始できる程度に層間結合力を調節することが重要となることが分かる。

次世代不揮発メモリデバイスとして、ナノ秒程度の高速動作が可能なＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲＡＭ）の研究が盛んに行われている。ＭＲＡＭセルの材料および形状は、磁化反転磁界Ｈ_swtの低減と熱情乱に対する情報安定性（ポテンシャル障壁ΔＥ）の確保という相反要求を満足するように設計されなければならない。セルの双方向安定性を形状磁気異方性により実現する場合、ΔＥはセル膜厚ｔの２乗に、Ｈ_swtは１／ｔにそれぞれ比例する。このため、７０ｎｍ以下のＭＲＡＭセルでは、上記の相反要求を満足するセル設計が非常に困難になると考えられている。そこで次に、低磁界で反転可能なソフト磁性層５とΔＥの大きなハード磁性層７を静磁気的に結合したナノ構造強磁性体多層膜パターンに対し、膜面垂直電流路（ＣＰＰ）に対する磁気抵抗特性を詳しく調べた結果を説明する。

金属多層膜で構成されるＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、素子抵抗が著しく小さい。したがって、精確な磁気抵抗特性を調べるためには、電極抵抗をできるだけ低減しなければならない。そこで２段階イオンミリングにより図１４に示すような細線クロスコンタクト構造ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を作製し、電極の微細化を実現した。この方法では、上下電極細線の交差部に自己整合的にＣＰＰｐｉｌｌａｒが形成されるため、高度な位置合わせ技術を用いずにｓｕｂ−μｍ^２スケールの多層膜パターンのＭＲ特性が測定できる。なお図１４に示すような直流四端子法により素子の磁気抵抗測定を行った。

図１５および図１６にパタンサイズＳ＝０．４×０．４μｍ^２および０．４×２．０μｍ^２、層構成［Ｃｏ（１０ｎｍ）／Ｃｕ（４ｎｍ）／Ｃｏ（２ｎｍ）／Ｃｕ（１０ｎｍ）］３のＭＲ曲線を示す。図１５に示した素子抵抗の大きさは、各層のバルク抵抗および界面抵抗から計算した多層膜の抵抗とほぼ一致しており、電極抵抗の影響なく測定できていると考えられる。このとき、２５．７％と比較的大きなＭＲ変化率が得られた。また、図中矢印で示す箇所でＭＲ曲線が不連続に変化している様子がわかる。これは、各磁性層の磁化反転にともない他の磁性層が受けるフリンジ磁界が変化し、各層の見かけ上の磁化反転磁界が変化したことに起因すると考えられる。図１６では、ＭＲ下降部において６段階の不連続変化が見られる。マイクロマグネティックスシミュレーションとの比較の結果、これはｔ＝１０ｎｍのＣｏ層の反転過程において、層間の静磁的結合を反映した準安定状態が形成されたためと考えられる。次にＣｏに比べ保磁力が低いＮｉＦｅを磁性層として用いた試料のＭＲ曲線を図１７に示す。磁化反転磁界Ｈ_swtは１桁程度低減された一方、素子抵抗の増加を反映してＭＲ変化率は小さくなった。

日本の基幹産業の一つである半導体デバイス産業は、その主力製品であるＤＲＡＭがすでに性能限界に達しようとしており、付加価値を有する新たな機能デバイスを模索している。低スイッチング・高情報安定性を有する機能分担型強磁性複合膜をＭＲＡＭの記憶セル材料に用いることにより、Gbiｔ/ｃｍ²級の超高記憶密度が実現可能となる。これにより、広大な市場規模を有する半導体メモリ（ＤＲＡＭ：揮発メモリ）を磁性ランダムアクセスメモリ(ＭＲＡＭ：不揮発メモリ)で置き換えることが可能となる。特に、不揮発メモリの記憶密度向上にはセルサイズの縮小が不可欠であるが、この観点からも極微記憶セルにおいて、記録情報の安定性と動作消費電力の低減を達成しうる本発明の産業上の利用可能性は高い。

本発明の磁性ランダムアクセスメモリセルの実施の形態と従来の磁性ランダムアクセスメモリセルの層構造を対比した関係で示す図である計算モデルの条件を示す図である。静磁気結合を説明するために用いる図である。本発明の他の実施の形態の層構造を示す図である。静磁気結合膜パターンの磁化判定過程を示すための図である。ソフト磁性層及びハード磁性層のエネルギー変化を示す図である。静磁気結合膜パターンのＨ_c及びΔＥのハード磁性層磁化依存性を示す図である。静磁気結合膜パターンのＨ_c及びΔＥのハード磁性層厚依存性を示す図である。静磁気結合膜パターンのＨ_c及びΔＥのソフト磁性層磁化依存性を示す図である。静磁気結合膜パターンのＨ_c及びΔＥの非磁性層厚依存性を示す図である。層交換結合Ａの増大に対するＨ_cの変化を示す図である。層交換結合Ａが減少する場合のＨ_cの変化を示す図である。層交換結合Ａの増減時の態様を示すブロック図である。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のクロスコンタクト構造を示す図である。特定のパターンサイズのＭＲ曲線の例を示す図である。特定のパターンサイズのＭＲ曲線の例を示す図である。特定のパターンサイズのＭＲ曲線の例を示す図である。

符号の説明

１セル
２フリー層
３非磁性層
４ピン層
５ソフト磁性層
６非磁性層
７ハード非磁性層
８強磁性層
９非磁性層
１０強磁性層
１１反強磁性層