JP2006040960A - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

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Abstract

【課題】 誤書き込みを抑制しつつ、書き込み電流の低減を図る。
【解決手段】 磁気ランダムアクセスメモリは、記録層３０と固定層１０と記録層及び固定層間に設けられた中間非磁性層２０とを有する磁気抵抗素子１を備えた磁気ランダムアクセスメモリである。記録層は、中間非磁性層上に形成された第１の強磁性層３１と、第１の強磁性層上に形成された第１の非磁性層３２と、第１の非磁性層上に形成され、第１の非磁性層を介して第１の強磁性層と第１の磁気結合により磁気的に結合する第２の強磁性層３３と、第２の強磁性層上に形成された第２の非磁性層３４と、第２の非磁性層上に形成され、第２の非磁性層を介して第２の強磁性層と第２の磁気結合により磁気的に結合する第３の強磁性層３５とを具備する。第１の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が強磁性結合である場合、又は、第１の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が反強磁性結合である場合のどちらかである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に関する。
近年、半導体メモリの一種として、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel Magneto-resistance）効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が提案されている。
このＭＲＡＭのメモリセルでは、ビット線とワード線との交点に、情報記憶素子としてのＭＴＪ(Magnetic Tunneling Junction)素子が設けられている。そして、データを書き込む場合は、選択ビット線及び選択ワード線にそれぞれ電流を流し、これらの電流による合成磁界で選択ビット線及び選択ワード線の交点に位置する選択セルのＭＴＪ素子にデータが書き込まれる。一方、データを読み出す場合は、選択セルのＭＴＪ素子に読み出し電流を流し、このＭＴＪ素子の磁化状態の抵抗変化によって“１”、“０”データが読み出される。
このようなＭＲＡＭにおいて、データ書き込みの際、選択ビット線及び選択ワード線の一方にのみ選択された半選択セルにまで書き込み電流磁界が影響を及ぼしてしまい、半選択セルに誤書き込みが生じるというディスターブ問題が発生することがある。このディスターブ問題を回避することは、ＭＲＡＭ開発の最重要課題の一つであると考えられている。
そこで、ディスターブ問題の解決策の一つとして、反強磁性結合させた２層の記録層を用いたトグル（Toggle）ＭＲＡＭが提案されている（例えば特許文献１参照）。しかし、このトグルＭＲＡＭでは、書き込み電流値が汎用メモリとしては非現実的に大きくなるという問題がある。 以上のように、従来のＭＲＡＭでは、誤書き込みを抑制しつつ、書き込み電流の低減を図ることが困難であった。
米国特許第6,545,906号明細書
本発明は、誤書き込みを抑制しつつ、書き込み電流の低減を図ることが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供する。
本発明は、前記課題を解決するために、以下に示す手段を用いている。
本発明の一視点による磁気ランダムアクセスメモリは、記録層と固定層と前記記録層及び前記固定層間に設けられた中間非磁性層とを有する磁気抵抗素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリであって、前記記録層は、前記中間非磁性層上に形成された第１の強磁性層と、前記第１の強磁性層上に形成された第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に形成され、前記第１の非磁性層を介して前記第１の強磁性層と第１の磁気結合により磁気的に結合する第２の強磁性層と、前記第２の強磁性層上に形成された第２の非磁性層と、前記第２の非磁性層上に形成され、前記第２の非磁性層を介して前記第２の強磁性層と第２の磁気結合により磁気的に結合する第３の強磁性層とを具備し、前記第１の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ前記第２の磁気結合が強磁性結合である場合、又は、前記第１の磁気結合が強磁性結合であり、かつ前記第２の磁気結合が反強磁性結合である場合のどちらかである。
本発明によれば、誤書き込みを抑制しつつ、書き込み電流の低減を図ることが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
［１］第１の実施形態
第１の実施形態は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）において記憶素子として機能するＭＴＪ(Magnetic Tunneling Junction)素子（磁気抵抗素子）の記録層が３層の強磁性層で形成されたものである。
［１−１］ＭＴＪ素子の概要
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのＭＴＪ素子の断面図を示す。図２及び図３は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子を構成する記録層の磁気結合状態の模式図を示す。以下に、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのＭＴＪ素子の概要について説明する。
図１に示すように、ＭＴＪ素子１は、磁化が固定された固定層（ピン層）１０と、磁化が回転可能な記録層（フリー層）３０と、固定層１０及び記録層３０に挟まれたトンネルバリア層（中間非磁性層）２０とで構成されている。
このようなＭＴＪ素子１の記録層３０は、次のような積層構造になっている。３層の第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５が形成され、第１及び第２の強磁性層３１，３３間には第１の非磁性層３２が設けられ、第２及び第３の強磁性層３３，３５間には第２の非磁性層３４が設けられている。
そして、第１の強磁性層３１と第２の強磁性層３３とは、第１の非磁性層３２を介して、磁気的に結合している（以下、第１の磁気結合と称す）。さらに、第２の強磁性層３３と第３の強磁性層３５とは、第２の非磁性層３４を介して、磁気的に結合している（以下、第２の磁気結合と称す）。
これら第１及び第２の磁気結合は、（ａ）第１の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が強磁性結合である場合（図２参照）、（ｂ）第１の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が反強磁性結合である場合（図３参照）の２つの状態が考えられる。
上記（ａ）、（ｂ）のどちらの場合においても、強磁性結合における結合磁界の強さ（交換結合エネルギー）は弱く、反強磁性結合における結合磁界の強さは強いことが望ましい。ここで、例えば、強磁性結合における磁気相互作用の大きさの絶対値は、反強磁性結合における磁気相互作用の大きさの絶対値よりも弱くなっている。また、例えば、強磁性結合における磁気相互作用の大きさは、反強磁性結合における磁気相互作用の大きさよりも一桁以上弱くなっている。
尚、ここでは、強磁性結合は、互いの磁化が平行な場合が安定であるとし、反強磁性結合は、互いの磁化が反平行な場合が安定であるとする。
［１−２］ＭＴＪ素子の材料
図４は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子において、記録層をＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ構造にした場合のＲｕの膜厚と交換結合エネルギーとの関係を示す。図５は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子において、Ｃｕの膜厚と交換結合エネルギーとの関係を示す。以下に、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子を構成する各層の材料について説明する。
（ａ）非磁性層
第１及び第２の非磁性層３２，３４は、例えば、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｔａ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈ等のいずれかで形成するか、又はこれらを含む合金で形成することが望ましい。
ここで、第１及び第２の非磁性層３２，３４は、上下の強磁性層を強い反強磁性結合させる場合には、例えばＲｕ，Ｉｒ，Ｒｈを用い、弱い強磁性結合させる場合には、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｔａ，Ｏｓ，Ｒｅ（好ましくはＣｕ，Ａｇ，Ｔａ）を用いるとよい。特に、反強磁性結合させる場合にはＲｕが望ましく、強磁性結合させる場合はＣｕが望ましい（図２及び図３参照）。これは次のような理由からである。
図４及び図５において、Ｒｕ又はＣｕからなる非磁性層を２層の強磁性層で挟んだ場合、この２層の強磁性層の磁気結合状態は非磁性層の膜厚によって変化する。この図４及び図５では、交換結合エネルギーＪのプラス側は反強磁性結合である場合を示し、マイナス側は強磁性結合である場合を示している。
まず、Ｒｕの場合、図４に示すように、交換結合エネルギーＪは、Ｒｕの膜厚の変化に対して大きく変動し、Ｒｕの膜厚が厚くなるに従って０に近づいてくる。このようなＲｕの場合、交換結合エネルギーＪが膜厚によって大きく変動し、強磁性結合及び反強磁性結合の両方の結合状態が作り出される。例えば、Ｒｕの膜厚が比較的薄い場合（例えば０．８ｎｍ）は、大きな交換結合エネルギーＪで反強磁性結合状態となる。しかしながら、Ｒｕの膜厚が厚くなると強磁性結合となったり反強磁性結合となったりし、Ｒｕの膜厚のわずかな変化により磁気結合状態が変わってしまう。従って、Ｒｕの膜厚が比較的厚くなると、Ｒｕは膜厚ばらつきに対して弱くなってしまう。
このようなことから、非磁性層を厚く形成する場合よりも薄く形成する場合に、非磁性層の材料としてＲｕを用いるとよい。これにより、安定的な強い反強磁性結合を作り出すことができる。
一方、Ｃｕの場合、図５に示すように、Ｃｕの膜厚が非常に薄いと、上下の強磁性層は大きな交換結合エネルギーＪにより強磁性結合状態となる。そして、Ｃｕの膜厚が厚くなっても、交換結合エネルギーＪは、Ｒｕの場合のように大きな変動をせずに、単調に減少して０に近づいてくる。このため、Ｃｕの場合、膜厚ばらつきに対して非常に強いといえる。従って、Ｃｕの膜厚が厚い場合（例えば２．０ｎｍ）を任意に選択することが可能である。
但し、Ｃｕの膜厚が変化しても、上下の強磁性層の磁気結合状態は反強磁性結合とならずに強磁性結合のままである。従って、Ｃｕは強磁性結合状態を作り出す場合に有効な材料である。
このようなことから、非磁性層を厚く形成して強磁性結合状態を作り出す場合に、非磁性層の材料としてＣｕを用いるとよい。これにより、安定的な弱い強磁性結合を作り出すことができる。
（ｂ）強磁性層
固定層１０及び第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５は、例えば、ＮｉＦｅ，ＣｏＦｅ等で形成されている。この他、固定層１０及び第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はそれらの合金、スピン分極率の大きいマグネタイト、ＣｒＯ2，ＲＸＭｎＯ3-y（Ｒ；希土類、Ｘ；Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ）等の酸化物の他、ＮｉＭｎＳｂ，ＰｔＭｎＳｂ等のホイスラー合金等で形成してもよい。さらに、これら磁性体には、強磁性を失わないかぎり、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ等の非磁性元素が多少含まれていてもよい。
（ｃ）トンネルバリア層
トンネルバリア層２０は、例えば、ＡｌＯｘ，ＳｉＯ2，ＭｇＯ，ＡｌＮ，Ｂｉ2Ｏ3，ＭｇＦ2，ＣａＦ2，ＳｒＴｉＯ2，ＡｌＬａＯ3等の様々な誘電体で形成することも可能である。
尚、上記のような材料を用いた場合において、第１及び第２の非磁性層３２，３４は、同じ材料で形成してもよいし、互いに異なる材料で形成してもよく、例えば、第１及び第２の磁気結合を異なる磁気結合状態とするために互いに異なる材料で形成してもよい。
また、第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５も、全て同じ材料で形成してもよいし、それぞれ異なる材料で形成してもよい。
［１−３］記録層における非磁性層の膜厚
上述した図２乃至図５を用いて、本発明の第１の実施形態に係る記録層における非磁性層の膜厚について説明する。
記録層３０における第１及び第２の非磁性層３２，３４の膜厚Ｙ１，Ｙ２は、上下の強磁性層がそれぞれ強い反強磁性結合又は弱い強磁性結合となるように規定することが望ましい。つまり、弱く強磁性結合させる強磁性層間に挟まれた非磁性層の膜厚は、強く反強磁性結合させる強磁性層間に挟まれた非磁性層の膜厚よりも厚くすることが望ましい。
ここで、第１及び第２の非磁性層３２，３４を例えばＣｕ又はＲｕで形成し、第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５を例えばＮｉＦｅで形成した場合を例にあげ、具体的な膜厚Ｙ１，Ｙ２について規定する。
第１及び第２の非磁性層３２，３４の材料としてＣｕ，Ｒｕを用いた場合、上下の強磁性層を反強磁性結合させたいとき（図４参照）は、Ｒｕを用い、その膜厚は、例えば、０．６〜１．１ｎｍ程度、１．７５〜２．５ｎｍ程度にするとよく、特に交換結合エネルギーＪが大きくなる０．８ｎｍ又は２．０ｎｍにするとよい。一方、上下の強磁性層を強磁性結合させたいとき（図５参照）は、Ｃｕを用い、その膜厚は、例えば、交換結合エネルギーＪが反強磁性結合の場合より一桁程度小さくなる２．０ｎｍにするとよい。
そこで、図２及び図３に示す上記（ａ）、（ｂ）の磁気結合状態において、第１及び第２の非磁性層３２，３４をＣｕ，Ｒｕで形成した場合、第１及び第２の非磁性層３２，３４の膜厚Ｙ１，Ｙ２は次のように規定するとよい。
図２に示すように、（ａ）第１の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が強磁性結合である場合、Ｒｕからなる第１の非磁性層３２の膜厚Ｙ１は、第１及び第２の強磁性層３１，３３が強い反強磁性結合するように例えば０．８ｎｍに設定し、一方、Ｃｕからなる第２の非磁性層３４の膜厚Ｙ２は、第２及び第３の強磁性層３３，３５が弱い強磁性結合するように例えば２．０ｎｍに設定するとよい。このように、第２の非磁性層３４の膜厚Ｙ２を第１の非磁性層３２の膜厚Ｙ１よりも厚くするとよい。
図３に示すように、（ｂ）第１の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が反強磁性結合である場合、Ｃｕからなる第１の非磁性層３２の膜厚Ｙ１は、第１及び第２の強磁性層３１，３３が弱い強磁性結合するように例えば２．０ｎｍに設定し、一方、Ｒｕからなる第２の非磁性層３４の膜厚Ｙ２は、第２及び第３の強磁性層３３，３５が強い反強磁性結合するように例えば０．８ｎｍに設定するとよい。このように、第１の非磁性層３２の膜厚Ｙ１を第２の非磁性層３４の膜厚Ｙ２よりも厚くするとよい。
尚、第１及び第２の非磁性層３２，３４の膜厚は、例えば２乃至１０倍程度異なることが望ましい。これは、より弱い強磁性結合が必要だからである。
［１−４］記録層における強磁性層の膜厚
記録層３０における第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５の膜厚Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は、記録層３０からの漏洩磁界を低減するように規定することが望ましい。従って、第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５の膜厚Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は、上記第１及び第２の磁気結合における２つの磁気結合状態により、次のようにそれぞれ規定される。
図２に示すように、（ａ）第１の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が強磁性結合である場合は、第１の強磁性層３１の膜厚Ｘ１は、第２及び第３の強磁性層３３，３５の合計膜厚（Ｘ２＋Ｘ３）とほぼ等しくすることが望ましい。これにより、無通電時、第１の強磁性層３１の磁化（磁化エネルギー）は、第２及び第３の強磁性層３３，３５の合成磁化（磁化エネルギー）とほぼ等しくすることができる。従って、第１の強磁性層３１の磁化によって紙面の右向きに発生する漏れ磁界と、第２及び第３の強磁性層３３，３５の磁化によって紙面の左向きに発生する漏れ磁界とを、打ち消し合うことができる。
図３に示すように、（ｂ）第１の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が反強磁性結合である場合は、第１及び第２の強磁性層３１，３３の合計膜厚（Ｘ１＋Ｘ２）は、第３の強磁性層３５の膜厚Ｘ３とほぼ等しくすることが望ましい。これにより、無通電時、第１及び第２の強磁性層３１，３３の合成磁化（磁化エネルギー）は、第３の強磁性層３５の磁化（磁化エネルギー）とほぼ等しくすることができる。従って、第１及び第２の強磁性層３１，３３の磁化によって紙面の右向きに発生する漏れ磁界と、第３の強磁性層３５の磁化によって紙面の左向きに発生する漏れ磁界とを、打ち消し合うことができる。
尚、上記（ａ）の場合における第２及び第３の強磁性層３３，３５の各膜厚Ｘ２，Ｘ３、上記（ｂ）の場合における第１及び第２の強磁性層３１，３３の各膜厚Ｘ１，Ｘ２は、互いにほぼ等しくなるように設定してもよいし、互いに異なるように設定してもよい。
［１−５］ＭＴＪ素子の形状
上記ＭＴＪ素子１の形状は、図１に示すように、固定層１０，トンネルバリア層２０及び記録層３０の幅が同じになっており、全ての層の側面が一致している。これは、ＭＴＪ素子１の各層を一括加工しているからである。
しかし、ＭＴＪ素子１の形状は、図１の形状に限定されず、種々に変形することが可能である。このＭＴＪ素子１の変形例を以下に説明する。
（ａ）変形例１
図６は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例１の断面図を示す。
図６に示すように、変形例１のＭＴＪ素子１は、上述する（ａ）第１の磁気結合が強い反強磁性結合であり、第２の磁気結合が弱い強磁性結合である場合のものである。この場合、第２及び第３の強磁性層３３，３５の強磁性結合は弱くなってもよいため、第２及び第３の強磁性層３３，３５が離れていてもよい。
そこで、変形例１では、記録層３０を第１の部分３０ａと第２の部分３０ｂとに分ける。第１の部分３０ａは、第１の強磁性層３１，第１の非磁性層３２，第２の強磁性層３３，第２の非磁性層３４で構成され、第２の部分３０ｂは、第３の強磁性層３５で構成される。そして、第２の部分３０ｂの幅Ｗ１は、固定層１０，トンネルバリア層２０及び第１の部分３０ａの幅Ｗ２よりも小さくなっている。
このような変形例１の形状は、ＭＴＪ素子１の加工を例えば２度行うことで形成できる。すなわち、ＭＴＪ素子１の各層を順に積層した後、第３の強磁性層３５を幅Ｗ１にパターニングし、その後、固定層１０，トンネルバリア層２０及び第１の部分３０ａを幅Ｗ２にパターニングすればよい。
（ｂ）変形例２
図７は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例２の断面図を示す。
図７に示すように、変形例２のＭＴＪ素子１は、上述する（ｂ）第１の磁気結合が弱い強磁性結合であり、第２の磁気結合が強い反強磁性結合である場合のものである。この場合、第１及び第２の強磁性層３１，３３の強磁性結合は弱くなってもよいため、第１及び第２の強磁性層３１，３３が離れていてもよい。
そこで、変形例２でも、記録層３０を第１の部分３０ａと第２の部分３０ｂとに分ける。第１の部分３０ａは、第１の強磁性層３１，第１の非磁性層３２で構成され、第２の部分３０ｂは、第２の強磁性層３３，第２の非磁性層３４，第３の強磁性層３５で構成される。そして、第２の部分３０ｂの幅Ｗ１は、固定層１０，トンネルバリア層２０及び第１の部分３０ａの幅Ｗ２よりも小さくなっている。
このような変形例２の形状は、上記変形例１と同様、ＭＴＪ素子１の加工を例えば２度行うことで形成できる。
（ｃ）変形例３
図８は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例３の断面図を示す。
図８に示すように、変形例３のＭＴＪ素子１は、変形例１と同様、上記（ａ）の磁気結合状態のものである。この変形例３において、変形例１と異なる点は、第１の強磁性層３１，第１の非磁性層３２，第２の強磁性層３３，第２の非磁性層３４で構成された第１の部分３０ａの幅Ｗ２と、固定層１０及びトンネルバリア層２０の幅Ｗ３とが、同じになっていない点である。
すなわち、変形例３では、固定層１０及びトンネルバリア層２０の幅Ｗ３より第１の部分３０ａの幅Ｗ２が小さくなっており、この第１の部分３０ａの幅Ｗ２より第２の部分３０ｂの幅Ｗ１が小さくなっている。
このような変形例３の形状は、ＭＴＪ素子１の加工を例えば３度行うことで形成できる。すなわち、ＭＴＪ素子１の各層を順に積層した後、第３の強磁性層３５を幅Ｗ１にパターニングし、次に、第２の部分３０ｂを幅Ｗ２にパターニングし、その後、固定層１０，トンネルバリア層２０を幅Ｗ３にパターニングすればよい。
（ｄ）変形例４
図９は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例４の断面図を示す。
図９に示すように、変形例４のＭＴＪ素子１は、変形例２と同様、上記（ｂ）の磁気結合状態のものである。この変形例４において、変形例２と異なる点は、第１の強磁性層３１，第１の非磁性層３２で構成された第１の部分３０ａの幅Ｗ２と、固定層１０及びトンネルバリア層２０の幅Ｗ３とが、同じになっていない点である。
すなわち、変形例４では、固定層１０及びトンネルバリア層２０の幅Ｗ３より第１の部分３０ａの幅Ｗ２が小さくなっており、この第１の部分３０ａの幅Ｗ２より第２の部分３０ｂの幅Ｗ１が小さくなっている。
このような変形例４の形状は、上記変形例３と同様、ＭＴＪ素子１の加工を例えば３度行うことで形成できる。
（ｅ）変形例５
図１０（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例５の平面図を示す。ここでは、変形例１又は変形例２のようなＭＴＪ素子が２つの幅Ｗ１，Ｗ２を有する場合を例にあげる。
図１０（ａ），（ｂ）に示すように、上述した各層の幅Ｗ１，Ｗ２は、ＭＴＪ素子１の磁化容易軸方向の幅を示している。そして、記録層における第１の部分３０ａと第２の部分３０ｂとは平面形状の大きさが異なり、第１の部分３０ａの平面形状は第２の部分３０ｂの平面形状よりも大きくなっている。
ここで、図１０（ａ）に示すように、第１の部分３０ａと第２の部分３０ｂにおける磁化困難軸方向の幅Ｌは、同じであってもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、第１の部分３０ａにおける磁化困難軸方向の幅Ｌ１が、第２の部分３０ｂにおける磁化困難軸方向の幅Ｌ２よりも短くなっていてもよい。
［１−６］メモリセルの構造
図１１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルの平面図を示す。
図１１に示すように、ビット線４１がＹ方向に延在され、ワード線４２がＸ方向（Ｙ方向に対して垂直な方向）に延在され、これらビット線４１及びワード線４２の交点にビット線４１及びワード線４２に挟まれてＭＴＪ素子１が配置されている。ここで、ＭＴＪ素子１の磁化容易軸方向は、Ｘ方向又はＹ方向に対して例えば４５度傾いている。換言すると、ＭＴＪ素子１の磁化容易軸方向は、ビット線４１の書き込み電流Ｉ１の流れる方向又はワード線４２の書き込み電流Ｉ２の流れる方向に対して３０乃至６０度、より好ましくは４５度程度傾いている。これは、後述する書き込み動作を実現するためである。
図１２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの１Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造のメモリセルの断面図を示す。図１３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのクロスポイント構造のメモリセルの断面図を示す。本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリにおいて、メモリセルの構造は種々のタイプに適用できる。
例えば、図１２に示すように、ＭＴＪ素子１がビット線４１及びワード線４２の交点に配置され、ＭＴＪ素子１の一端はビット線４１に電気的に接続され、ＭＴＪ素子１の他端は下部金属層４３及びコンタクト４４を介して読み出し用スイッチング素子（例えばＭＯＳトランジスタ又はダイオード）４５に電気的に接続されている。このように、１セルに１つのトランジスタと１つのＭＴＪ素子とからなる、いわゆる１Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造のメモリセルに、本実施形態を適用することも可能である。
また、図１３に示すように、ＭＴＪ素子１がビット線４１及びワード線４２の交点に配置され、ＭＴＪ素子１の一端はビット線４１に電気的に接続され、ＭＴＪ素子１の他端はワード線４２に電気的に接続されている。このように、読み出し用のスイッチング素子をセル毎に備えない、いわゆるクロスポイント構造のメモリセルに、本実施形態を適用することも可能である。
［１−７］書き込み動作／読み出し動作
（ａ）書き込み動作
図１４は、本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリにおける書き込み動作の説明図を示す。図１５（ａ）乃至図１５（ｅ）は、図１４における書き込み動作のサイクル毎の磁化模式図を示す。図１６（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子に“０”，“１”状態が書き込まれた状態の図を示す。
第１の実施形態は、選択セルにデータを書き込む前にその選択セルのデータを読み出す、いわゆるトグル（Toggle）書き込みである。従って、選択セルに任意のデータを書き込む場合、その選択セルのデータを読み出した結果、任意のデータが既に書き込まれていた場合は書き込みを行わず、任意のデータと異なるデータが書き込まれていた場合はデータを書き換えるために書き込みが行われる。例えば、選択セルに“０”データを書き込む場合、その選択セルのデータを読み出した結果、“０”データのときは書き込みが行われず、“１”データのときだけ書き込みが行われる。同様に、選択セルに“１”データを書き込む場合、その選択セルのデータを読み出した結果、“１”データのときは書き込みが行われず、“０”データのときだけ書き込みが行われる。換言すると、書き込みにより、反平行状態（アンチパラレル状態）のＭＴＪ素子は、平行状態（パラレル状態）に変化し、平行状態のＭＴＪ素子は、反平行状態に変化する。
上記のような確認サイクルの後、選択セルにデータを書き込む必要がある場合は、２本の書き込み配線を順にＯＮし、先にＯＮした書き込み配線を先にＯＦＦしてから、後にＯＮした書き込み配線をＯＦＦする。例えば、ワード線４２をＯＮして書き込み電流Ｉ２を流す→ビット線４２をＯＮして書き込み電流Ｉ１を流す→ワード線４２をＯＦＦして書き込み電流Ｉ２を流すのをやめる→ビット線４２をＯＦＦして書き込み電流Ｉ１を流すのをやめるという４サイクルの手順となる（図１４参照）。
このような書き込み動作について、以下に具体的に説明する。尚、ここでは、確認サイクルの結果、書き込み動作が必要となった場合、すなわち選択セルのデータを書きかえる場合を例にあげて説明する。
（初期状態）
まず、初期状態では、図１４（ａ）に示すように、ビット線４２及びワード線４２はともにＯＦＦしており、両者には書き込み電流Ｉ１，Ｉ２が流れていない無通電状態となっている。
ここでは、初期状態が、図１６（ａ）のような状態であったとする。すなわち、図１６（ａ）に示すように、第１及び第２の強磁性層３１，３３が弱い強磁性結合をしており、第２及び第３の強磁性層３３，３５が強い反強磁性結合をしている。そして、第１及び第２の強磁性層３１，３３の磁化方向は右向き、第３の強磁性層３５の磁化方向は左向き、さらに、固定層１０の磁化方向が右向きである。このような状態を、ここでは、“０”データが書き込まれた状態であるとする。
このような初期状態では、図１５（ａ）に示すように、第１及び第２の強磁性層３１，３３の磁化は、第３の強磁性層３５の磁化と１８０度異なる方向を向いている。ここで、第１及び第２の強磁性層３１，３３の合成磁化（磁化エネルギー）は第３の強磁性層３５の磁化（磁化エネルギー）とほぼ等しくなっているため、両者の磁化（磁化エネルギー）はつり合っている。従って、初期状態では、記録層３０中の合成磁界はほぼ０となっている。
尚、ここでは、第１及び第２の強磁性層３１，３３の磁化方向を０°、第３の強磁性層３５の磁化方向を１８０°とする。
（第１サイクル）
次に、第１サイクルでは、図１４（ｂ）に示すように、ビット線４２はＯＦＦ状態のままで書き込み電流Ｉ１は流さずに、ワード線４２をＯＮして書き込み電流Ｉ２を流す。
このような第１サイクルでは、図１５（ｂ）に示すように、第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５の磁化は、弱い強磁性結合状態及び強い反強磁性結合状態を保ちながら、時計回りに回転する。その結果、記録層３０の合成磁化は、ワード線４２に発生した電流磁界方向（ビット線４１の延在方向）を向き、ほぼ４５°方向を向く。
（第２サイクル）
次に、第２サイクルでは、図１４（ｃ）に示すように、ワード線４２に書き込み電流Ｉ２を流したまま、ビット線４２もＯＮして書き込み電流Ｉ１を流す。
このような第２サイクルでは、図１５（ｃ）に示すように、第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５の磁化は、弱い強磁性結合状態及び強い反強磁性結合状態を保ちながら、時計回りにさらに回転する。その結果、記録層３０の合成磁化は、ワード線４２に発生した電流磁界とビット線４１に発生した電流磁界との合成磁界の方向を向き、ほぼ０°方向を向く。
（第３サイクル）
次に、第３サイクルでは、図１４（ｄ）に示すように、ビット線４２に書き込み電流Ｉ１を流したまま、ワード線４２をＯＦＦして書き込み電流Ｉ２を流すのをやめる。
このような第３サイクルでは、図１５（ｄ）に示すように、第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５の磁化は、弱い強磁性結合状態及び強い反強磁性結合状態を保ちながら、時計回りにさらに回転する。その結果、記録層３０の合成磁化は、ビット線４１に発生した電流磁界方向（ワード線４２の延在方向）を向き、ほぼ−４５°方向を向く。
（第４サイクル）
次に、第４サイクルでは、図１４（ｅ）に示すように、ワード線４２と同様に、ビット線４２をＯＦＦして書き込み電流Ｉ１を流すのをやめる。
このような第４サイクルでは、図１５（ｅ）に示すように、第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５の磁化は、０°，１８０°方向（磁化容易軸方向）の安定な状態に戻ろうとする。その結果、記録層３０の合成磁化は、ほぼ０となる。
このようにして、第１及び第２の強磁性層３１，３３の磁化は０°から１８０°の方向に時計回りに回転され、第３の強磁性層３５の磁化は１８０°から０°の方向に時計回りに回転されることで、第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５の磁化を初期状態から１８０°それぞれ回転させることができる。その結果、図１６（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１は、“１”データが書き込まれた状態となる。
尚、書き込み動作において、書き込み電流Ｉ１，Ｉ２は、“０”データを書き込む場合も“１”データを書き込む場合も同じ向きに流してよい。
（ｂ）読み出し動作
ＭＴＪ素子１に書き込まれたデータは、次のような方法で読み出される。
例えば、図１２に示す１Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造のメモリセルを用いた場合、読み出し用スイッチング素子４５をＯＮし、ビット線４２からＭＴＪ素子１に読み出し電流を流すことにより、ＭＴＪ素子１の磁化抵抗を読み取る。すなわち、“１”、“０”データの書き込まれた状態による磁気抵抗の違いを読み取ることで、ＭＴＪ素子１に書き込まれたデータの判別を行う。
上記第１の実施形態によれば、ＭＴＪ素子１の記録層３０を弱い強磁性結合と強い反強磁性結合する積層構造にし、このＭＴＪ素子１をビット線４１又はワード線４２の延在方向に対して４５°傾けて配置している。そして、データを書き込む場合、ビット線４１及びワード線４２からなる書き込み配線を順にＯＮし、先にＯＮした書き込み配線を先にＯＦＦしてから、後にＯＮした書き込み配線をＯＦＦする。このような複数サイクルで記録層３０の磁化を回転させ、ＭＴＪ素子１にデータが書き込まれる。従って、１本の書き込み配線の磁界がセルに印加されただけではデータが簡単には書きかわらないため、半選択セルの誤書き込みを抑制できる。
また、ＭＴＪ素子１の記録層３０は、弱く強磁性結合された強磁性層と強く反強磁性結合された強磁性層とで構成されている。すなわち、記録層３０内で２つの磁気結合状態を作っている。ここで、弱い磁気結合状態として強磁性結合を用いているが、強磁性結合強度は、非磁性層の膜厚変動に対して大きく振動しないため、任意の大きさに調整可能である。このように、強磁性結合を最適な値まで弱くしているため、比較的小さな書き込み電流Ｉ１，Ｉ２で磁化を回転させることができるので、書き込み電流の低減を図ることができる。
また、反強磁性結合させた２層の記録層を用いたトグルＭＲＡＭにおいても、理論上はこの反強磁性結合を弱くすることで、書き込み電流の低減を図ることも考えられる。しかし、上下の強磁性層を反強磁性結合する場合に用いられる非磁性層の材料には、通常、Ｒｕが用いられる。このＲｕを用いた場合、図４にも示したように、交換結合エネルギーがＲｕ膜厚のばらつきに対して大きく変動し、特に反強磁性結合を弱くすると非常に不安定な状態となる。従って、「弱い」反強磁性結合を用いたトグル動作では、制御性よく書き込み電流の低減を図ることは困難である。
これに対し、第１の実施形態では、「強い」反強磁性結合を用いたトグル動作を行う。つまり、上下の強磁性層を反強磁性結合する場合に通常使用されるＲｕを用いた場合であっても、図４に示すように、強い反強磁性結合の場合は、弱い反強磁性結合の場合よりも膜厚ばらつきに強く安定である。さらに、第１の実施形態では、「弱い」強磁性結合も用いる。この弱い強磁性結合（Ｊ〜０．０２程度以下）は、Ｃｕ等、膜厚に対してＪが正の範囲で単調に（少なくとも正負の振動をせずに）減少する物質を用いることで、膜厚に対する交換結合エネルギーＪの変化量を最小限にとどめることが可能となる。このように、第１の実施形態では、制御性良く書き込み電流値を低減することが可能となり、高歩留まりで安価な汎用ＭＲＡＭを実現できる。
［２］第２の実施形態
第２の実施形態は、第１の実施形態におけるＭＴＪ素子の記録層をさらに多層にしたものであり、記録層を４層の強磁性層で形成したものである。
［２−１］ＭＴＪ素子の概要
図１７は、本発明の第２の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのＭＴＪ素子の断面図を示す。図１８及び図１９は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子を構成する記録層の磁気結合状態の模式図を示す。以下に、本発明の第２の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのＭＴＪ素子の概要について説明する。
図１７に示すように、第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、記録層３０における強磁性層が４層である点である。
すなわち、４層の第１乃至第４の強磁性層３１，３３，３５，３７が形成され、第１及び第２の強磁性層３１，３３間には第１の非磁性層３２が設けられ、第２及び第３の強磁性層３３，３５間には第２の非磁性層３４が設けられ、第３及び第４の強磁性層３５，３７間には第３の非磁性層３６が設けられている。
そして、第１の強磁性層３１と第２の強磁性層３３とは、第１の非磁性層３２を介して、第１の磁気結合状態で磁気的に結合している。また、第２の強磁性層３３と第３の強磁性層３５とは、第２の非磁性層３４を介して、第２の磁気結合状態で磁気的に結合している。さらに、第３の強磁性層３５と第４の強磁性層３７とは、第３の非磁性層３６を介して、磁気的に結合している（以下、第３の磁気結合と称す）。
これら第１乃至第３の磁気結合は、（ｃ）第１の磁気結合が反強磁性結合であり、第２の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第３の磁気結合が反強磁性結合である場合（図１８参照）、（ｄ）第１の磁気結合が強磁性結合であり、第２の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第３の磁気結合が強磁性結合である場合（図１９参照）の２つの状態が考えられる。従って、第１及び第３の磁気結合は、同じ磁気結合状態となる。
上記（ｃ）、（ｄ）のどちらの場合においても、強磁性結合における結合磁界の強さ（交換結合エネルギー）は弱く、反強磁性結合における結合磁界の強さは強い。
［２−２］ＭＴＪ素子の材料
第４の強磁性層３７は、上記第１乃至第３の強磁性層３１，３３，３５と同様の材料で形成され、第３の非磁性層３６は、上記第１及び第２の非磁性層３２，３４と同様の材料で形成されるため、説明は省略する。
［２−３］記録層における非磁性層の膜厚
上述した図１８及び図１９を用いて、本発明の第２の実施形態に係る記録層における非磁性層の膜厚について説明する。
記録層３０における第１乃至第３の非磁性層３２，３４，３６の膜厚Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３は、上下の強磁性層がそれぞれ強い反強磁性結合又は弱い強磁性結合となるように規定することが望ましい。つまり、弱く強磁性結合させる強磁性層間に挟まれた非磁性層の膜厚は、強く反強磁性結合させる強磁性層間に挟まれた非磁性層の膜厚よりも厚くすることが望ましい。
そこで、図１８及び図１９に示す上記（ｃ）、（ｄ）の磁気結合状態において、第１乃至第３の非磁性層３２，３４，３６をＣｕ，Ｒｕで形成した場合、第１乃至第３の非磁性層３２，３４，３６の膜厚Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３は次のように規定するとよい。
図１８に示すように、（ｃ）第１の磁気結合が反強磁性結合であり、第２の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第３の磁気結合が反強磁性結合である場合、Ｒｕからなる第１及び第３の非磁性層３２，３６の膜厚Ｙ１，Ｙ３は、第１及び第２の強磁性層３１，３３、第３及び第４の強磁性層３５，３７が強い反強磁性結合するように、例えば０．８ｎｍに設定するとよい。一方、Ｃｕからなる第２の非磁性層３４の膜厚Ｙ２は、第２及び第３の強磁性層３３，３５が弱い強磁性結合するように、例えば２．０ｎｍに設定するとよい。このように、第２の非磁性層３４の膜厚Ｙ２を第１及び第３の非磁性層３２，３６の膜厚Ｙ１，Ｙ３よりも厚くするとよい。
図１９に示すように、（ｄ）第１の磁気結合が強磁性結合であり、第２の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第３の磁気結合が強磁性結合である場合、Ｃｕからなる第１及び第３の非磁性層３２，３６の膜厚Ｙ１，Ｙ３は、第１及び第２の強磁性層３１，３３、第３及び第４の強磁性層３５，３７が弱い強磁性結合するように、例えば２．０ｎｍに設定するとよい。一方、Ｒｕからなる第２の非磁性層３４の膜厚Ｙ２は、第２及び第３の強磁性層３３，３５が強い反強磁性結合するように例えば０．８ｎｍに設定するとよい。このように、第１及び第３の非磁性層３２，３６の膜厚Ｙ１，Ｙ３を第２の非磁性層３４の膜厚Ｙ２よりも厚くするとよい。
［２−４］記録層における強磁性層の膜厚
記録層３０における第１乃至第４の強磁性層３１，３３，３５，３７の膜厚Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、第１の実施形態と同様に、記録層３０からの漏洩磁界を低減するように規定することが望ましい。従って、第１乃至第４の強磁性層３１，３３，３５，３７の膜厚Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、次のようにそれぞれ規定される。
図１８に示すように、（ｃ）第１の磁気結合が反強磁性結合であり、第２の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第３の磁気結合が反強磁性結合である場合、第１及び第４の強磁性層３１，３７の合計膜厚（Ｘ１＋Ｘ４）は、第２及び第３の強磁性層３３，３５の合計膜厚（Ｘ２＋Ｘ３）とほぼ等しくすることが望ましい。これにより、無通電時、第１及び第４の強磁性層３１，３７の合成磁化（磁化エネルギー）は、第２及び第３の強磁性層３３，３５の合成磁化（磁化エネルギー）とほぼ等しくすることができる。従って、第１及び第４の強磁性層３１，３７の磁化によって紙面の右向きに発生する漏れ磁界と、第２及び第３の強磁性層３３，３５の磁化によって紙面の左向きに発生する漏れ磁界とを、打ち消し合うことができる。
図１９に示すように、（ｄ）第１の磁気結合が強磁性結合であり、第２の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第３の磁気結合が強磁性結合である場合、第１及び第２の強磁性層３１，３３の合計膜厚（Ｘ１＋Ｘ２）は、第３及び第４の強磁性層３５，３７の合計膜厚（Ｘ３＋Ｘ４）とほぼ等しくすることが望ましい。これにより、無通電時、第１及び第２の強磁性層３１，３３の合成磁化（磁化エネルギー）は、第３及び第４の強磁性層３５，３７の合成磁化（磁化エネルギー）とほぼ等しくすることができる。従って、第１及び第２の強磁性層３１，３３の磁化によって紙面の右向きに発生する漏れ磁界と、第３及び第４の強磁性層３５，３７の磁化によって紙面の左向きに発生する漏れ磁界とを、打ち消し合うことができる。
尚、上記（ｃ）の場合において、第１及び第４の強磁性層３１，３７の各膜厚Ｘ１，Ｘ４、第２及び第３の強磁性層３３，３５の各膜厚Ｘ２，Ｘ３は、互いにほぼ等しくなるように設定してもよいし、互いに異なるように設定してもよい。同様に、上記（ｄ）の場合において、第１及び第２の強磁性層３１，３３の各膜厚Ｘ１，Ｘ２、第３及び第４の強磁性層３５，３７の各膜厚Ｘ３，Ｘ４は、互いにほぼ等しくなるように設定してもよいし、互いに異なるように設定してもよい。
［２−５］ＭＴＪ素子の形状
上記ＭＴＪ素子１の形状は、図１７に示すように、固定層１０，トンネルバリア層２０及び記録層３０の幅が同じになっており、全ての層の側面が一致している。これは、ＭＴＪ素子１の各層を一括加工しているからである。
しかし、ＭＴＪ素子１の形状は、図１７の形状に限定されず、種々に変形することが可能である。このＭＴＪ素子１の変形例を以下に説明する。
（ａ）変形例１
図２０は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例１の断面図を示す。
図２０に示すように、変形例１では、記録層３０を第１の部分３０ａと第２の部分３０ｂとに分ける。第１の部分３０ａは、第１の強磁性層３１，第１の非磁性層３２，第２の強磁性層３３，第２の非磁性層３４で構成され、第２の部分３０ｂは、第３の強磁性層３５，第３の非磁性層３６，第４の強磁性層３７で構成される。そして、第２の部分３０ｂの幅Ｗ１は、固定層１０，トンネルバリア層２０及び第１の部分３０ａの幅Ｗ２よりも小さくなっている。
尚、固定層１０及びトンネルバリア層２０の幅は、第１の実施形態の変形例３のように、第１の部分３０ａより大きくしてもよい。
（ｂ）変形例２
図２１は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例２の断面図を示す。
図２１に示すように、第１の強磁性層３１，第１の非磁性層３２で構成され、第２の部分３０ｂは、第２の強磁性層３３，第２の非磁性層３４，第３の強磁性層３５，第３の非磁性層３６，第４の強磁性層３７で構成される。そして、第２の部分３０ｂの幅Ｗ１は、固定層１０，トンネルバリア層２０及び第１の部分３０ａの幅Ｗ２よりも小さくなっている。
尚、固定層１０及びトンネルバリア層２０の幅は、第１の実施形態の変形例４のように、第１の部分３０ａより大きくしてもよい。また、第４の強磁性層３７の幅だけ第２の部分３０ｂよりも小さくしてもよい。
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるだけでなく、さらに次のような効果も得ることができる。
第２の実施形態では、第１の実施形態よりも記録層３０の強磁性層の数を増やしている。これにより、記録層３０では、第２の非磁性層３４を基準に上下３層の構造が同じとなっている。このため、記録層３０の強磁性層の対称性が上がるため、トグル書き込み動作をより確実に実現することができる。
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリにおけるＭＴＪ素子を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリにおけるＭＴＪ素子の記録層を示す模式図であって、第１の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が強磁性結合である場合を示す図。 本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリにおけるＭＴＪ素子の記録層を示す模式図であって、第１の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が反強磁性結合である場合を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリのＭＴＪ素子において、記録層をＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ構造にした場合のＲｕの膜厚と交換結合エネルギーとの関係を示す図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子において、Ｃｕの膜厚と交換結合エネルギーとの関係を示す図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例１を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例２を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例３を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例４を示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例５を示す平面図。 本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示す平面図。 本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリにおける１Ｔｒ＋１ＭＴＪ構造のメモリセルを示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリにおけるクロスポイント構造のメモリセルを示す断面図。 本発明の第１の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリにおける書き込み動作を示す説明図。 図１４における書き込み動作のサイクル毎の磁化模式図。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子に“０”，“１”状態が書き込まれた状態を示す図。 本発明の第２の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリにおけるＭＴＪ素子を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリにおけるＭＴＪ素子の記録層を示す模式図であって、第１及び第３の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が強磁性結合である場合を示す図。 本発明の第２の実施形態に係わる磁気ランダムアクセスメモリにおけるＭＴＪ素子の記録層を示す模式図であって、第１及び第３の磁気結合が強磁性結合であり、かつ第２の磁気結合が反強磁性結合である場合を示す図。 本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例１を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例２を示す断面図。
符号の説明
１…ＭＴＪ素子、１０…固定層、２０…トンネルバリア層、３０…記録層、３０ａ…第１の部分、３０ｂ…第２の部分、３１…第１の強磁性層、３２…第１の非磁性層、３３…第２の強磁性層、３４…第２の非磁性層、３５…第３の強磁性層、３６…第３の非磁性層、３７…第４の強磁性層、４１…ビット線（ＢＬ）、４２…ワード線（ＷＬ）、４３…下部金属層、４４…コンタクト、４５…読み出し用スイッチング素子。

Claims (5)

  1. 記録層と固定層と前記記録層及び前記固定層間に設けられた中間非磁性層とを有する磁気抵抗素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記記録層は、
    前記中間非磁性層上に形成された第１の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層上に形成された第１の非磁性層と、
    前記第１の非磁性層上に形成され、前記第１の非磁性層を介して前記第１の強磁性層と第１の磁気結合により磁気的に結合する第２の強磁性層と、
    前記第２の強磁性層上に形成された第２の非磁性層と、
    前記第２の非磁性層上に形成され、前記第２の非磁性層を介して前記第２の強磁性層と第２の磁気結合により磁気的に結合する第３の強磁性層と
    を具備し、
    前記第１の磁気結合が反強磁性結合であり、かつ前記第２の磁気結合が強磁性結合である場合、又は、前記第１の磁気結合が強磁性結合であり、かつ前記第２の磁気結合が反強磁性結合である場合のどちらかである
    ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  2. 前記強磁性結合における磁気相互作用の大きさの絶対値は、前記反強磁性結合における磁気相互作用の大きさの絶対値よりも弱いことを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  3. 前記第１及び第２の非磁性層は、材質が異なることを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  4. 前記第１の非磁性層の膜厚は、前記第２の非磁性層の膜厚と異なることを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
  5. 前記磁気抵抗素子を挟むように配置された第１及び第２の書き込み配線をさらに具備し、
    前記磁気抵抗素子の磁化容易軸方向は、前記第１又は第２の書き込み配線の延在方向に対して３０乃至６０度傾いている
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
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