JP2006210711A

JP2006210711A - スピン注入磁気ランダムアクセスメモリ

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Publication number: JP2006210711A
Application number: JP2005021877A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Saito; 好昭斉藤; Hideyuki Sugiyama; 英行杉山; Tomoaki Iguchi; 智明井口; Yoshihisa Iwata; 佳久岩田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: US7511991B2; US20060171198A1; CN100452233C; US20070223269A1; JP4575181B2; CN1811984A; US7239541B2

Abstract

【課題】スピン注入書き込み時の熱擾乱を抑制する。
【解決手段】本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が固着される固着層、磁化方向が可変である記録層、及び、固着層と記録層との間に設けられるトンネルバリア層を有する磁気抵抗効果素子ＭＴＪと、スピン偏極電子による記録層の磁化反転に用いるスピン注入電流Ｉｓを磁気抵抗効果素子ＭＴＪに与えるビット線ＢＬｕ，ＢＬｄと、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの磁化容易軸方向のアシスト磁場Ｈの発生に用いるアシスト電流Ｉａを流す書き込みワード線ＷＷＬと、書き込みデータの値に応じて、スピン注入電流Ｉｓの向き及びアシスト電流Ｉａの向きを決定するドライバ／シンカーとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、スピン偏極電子(Spin-polarized electrons)を用いて磁化反転(magnetization reversal)を行うスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ(spin-injection magnetic random access memory)に関する。

磁性膜を用いた磁気抵抗効果素子(magneto-resistive element)は、磁気ヘッドや、磁気センサなどの検出素子に加え、固体磁気メモリ(solid-state magnetic memory)としての磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM: magnetic random access memory)の記憶素子に使用することが検討されている。
磁気抵抗効果素子は、例えば、２つの磁性金属層と、これらの間に配置される誘電体層とからなるサンドイッチ構造を有する。この構造を有する磁気抵抗効果素子では、２つの磁性金属層の磁化状態がデータに応じて異なる状態となることを利用し、トンネル磁気抵抗(TMR: tunneling magneto-resistance)効果によりそのデータを読み出すことができる。

また、近年では、磁気抵抗変化率を表すＭＲ比(magneto-resistive ratio)が室温において２０％を超える磁気抵抗効果素子も得られており、磁気ランダムアクセスメモリの研究が盛んに行われている。

ＴＭＲ効果を利用した磁気抵抗効果素子は、例えば、磁性金属層としての強磁性体上に厚さが０．６ｎｍ〜２．０ｎｍのＡｌ（アルミニウム）層を形成した後、その表面を酸素グロー放電又は酸素ガスに曝してＡｌ_２Ｏ_３からなるトンネルバリア層を形成し、さらに、その上に磁性金属層としての強磁性体を形成することにより実現できる。

トンネルバリア層としては、Ａｌ_２Ｏ_３に代えて、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を用いることもできる。

また、ＴＭＲ効果を利用した磁気抵抗効果素子の他の構造として、例えば、２つの強磁性層のうちの１つを、反強磁性層により磁化状態が固着された磁気固着層とする強磁性１重トンネル接合素子が提案されている。さらに、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合を持つ磁気抵抗効果素子や、強磁性体が連続膜となる強磁性２重トンネル接合素子なども提案されている。

これらの磁気抵抗効果素子は、ＭＲ比が２０％〜２３０％であること、さらには、磁気抵抗効果素子に印加する電圧を大きくしてもＭＲ比の減少が抑えられることなどから、最も有望視されている。

このような磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリによれば、読み出し時間を１０ナノ秒以下と高速にでき、また、書き換え回数も１０^１５回以上と大きな値にできる。

ところが、磁気記録層に対するデータ書き込み（磁化反転）は、パルス電流により発生する磁場を用いて行う。このため、ワード線やビット線に与えるパルス電流の電流密度が大きくなり、消費電力が増大する、メモリ容量の大容量化が難しくなる、パルス電流を生成するドライバの面積が大きくなるなどの問題が新たに発生する。

そこで、さらに、書き込み線の周囲に高透磁率を有する磁性材料（ヨーク材）を設けて効率的に磁場を磁気抵抗効果素子に与えるヨーク配線技術が提案されている。この技術によれば、データ書き込み時に発生させるパルス電流の電流密度を小さくすることができる。

しかし、それでもパルス電流の値を、磁気ランダムアクセスメモリの実用化に必要な値、即ち、１ｍＡ以下にすることはできない。

このような数々の問題を一気に解決する技術として、スピン注入による書き込み方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この書き込み方法は、スピン偏極電子を磁気抵抗効果素子の磁気記録層に注入することにより磁気記録層の磁化反転を行う点に特徴を有する。

スピン偏極電子により磁化反転を行う場合には、磁場を用いて磁化反転を行う場合に比べて、パルス電流の電流密度を小さくできるため、消費電力の低減、メモリ容量の大容量化、ドライバの面積縮小などに貢献できる。また、この場合、磁気抵抗効果素子のサイズは、パルス電流による環状の磁界を発生させないために小さくする必要があり、高集積化に都合がよい。

スピン注入による書き込み方法を実現するには、第一に、磁気抵抗効果素子のサイズが０．１×０．１μｍ^２程度又はそれ以下に小さくなったときの熱的安定性（熱ゆらぎ耐性）を確保しなければならない。第二に、磁気抵抗効果素子のサイズのばらつきを小さくしなければならない。第三に、スピン注入磁化反転に必要なパルス電流の電流密度を小さくしなければならない。

スピン注入磁化反転に必要なパルス電流の電流密度については、現在、１０^７Ａ／ｃｍ^２程度であるが、トンネルバリアの破壊などの問題を防止するには、さらなる電流密度の低減が望まれている（例えば、非特許文献１参照）。

巨大磁気抵抗（GMR : giant magneto-resistance）効果を用いる磁気抵抗効果素子においては、いわゆるデュアル・ピン構造の採用により、パルス電流の電流密度を１０^６Ａ／ｃｍ^２程度に小さくできる。例えば、スピン反射膜として、Cu/Co₉₀Fe₁₀、 Ru/Co₉₀Fe₁₀ を用いる場合には、スピン注入磁化反転のために必要なパルス電流の電流密度は、それぞれ、８×１０^６Ａ／ｃｍ^２程度、２×１０^６Ａ／ｃｍ^２程度になる（例えば、非特許文献２参照）。

しかし、この値は、磁気ランダムアクセスメモリの実用化に当たっては、未だ不十分な値であり、トンネルバリアの破壊や、磁気抵抗効果素子の温度上昇による熱擾乱などの問題を解決するためには、さらなる電流密度の低減を実現し得る新アーキテクチャや書き込み方法などの研究が必要である。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書 Yiming Huai et. al., Appl. Phys. Lett. 84 (2004)3118. 49th MMM conference ES-08, HA-05, HA-12

本発明の例は、トンネルバリアの破壊や、磁気抵抗効果素子の温度上昇による熱擾乱などの問題を解決するアーキテクチャと書き込み方法を提案する。

本発明の例に関わるスピン注入磁気ランダムアクセスメモリは、磁化方向が固着される磁気固着層、スピン偏極電子の注入により磁化方向が可変となる磁気記録層、及び、前記磁気固着層と前記磁気記録層との間に設けられるトンネルバリア層を有する磁気抵抗効果素子と、前記スピン偏極電子の発生に用いるスピン注入電流を前記磁気抵抗効果素子に流すためのビット線と、前記磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向のアシスト磁場の発生に用いるアシスト電流を流すための書き込みワード線と、前記ビット線に接続される第１ドライバ／シンカーと、前記書き込みワード線に接続される第２ドライバ／シンカーと、前記磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込み時に前記第１ドライバ／シンカーを制御し、書き込みデータの値に応じて前記スピン注入電流の向きを決定すると共に、前記スピン注入電流の遮断のタイミングを決定する第１デコーダと、前記データ書き込み時に前記第２ドライバ／シンカーを制御し、前記書き込みデータの値に応じて前記アシスト電流の向きを決定すると共に、前記アシスト電流の遮断のタイミングを前記スピン注入電流の遮断のタイミングよりも遅くする第２デコーダとを備える。

本発明の例によれば、トンネルバリアの破壊や、磁気抵抗効果素子の温度上昇による熱擾乱などの問題を解決できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

１．アーキテクチャと書き込み方法
(1) 熱擾乱
図１は、磁気抵抗効果素子の熱擾乱を示している。

スピン注入による磁化反転は、パルス幅５０ｎｓｅｃ（ナノ秒）のパルス電流（スピン偏極電子）を用いて行うものとする。

磁気抵抗効果素子ＭＴＪにこのパルス電流を与えて磁化反転（スイッチング）を行う場合、スイッチングに必要とされるパルス電流の電流密度（Pulse voltage に相当）及びスイッチング後の磁気抵抗変化率（Junction resistance に相当）には、それぞれ、書き込みの度に、ばらつきが発生する。

このばらつきの原因は、スイッチング時に磁気抵抗効果素子ＭＴＪに与えるパルス電流にあると考えられている。つまり、このパルス電流は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの温度上昇を引き起こす。磁気抵抗効果素子ＭＴＪの温度上昇は、スイッチング時に、記録層（フリー層）に何らかしらの影響（熱擾乱）を与えているものと想定できる。

図２は、パルス幅５０ｎｓｅｃのパルス電流を用いて磁化反転を行う場合の磁気抵抗効果素子の温度上昇を示している。

パルス電流を磁気抵抗効果素子に与えている間は、磁気抵抗効果素子の温度は、一定の割合で上昇し続ける。その値は、最大で１３０℃程度になる。パルス電流を遮断した後も、磁気抵抗効果素子の温度が十分に冷えるまでには、数十ｎｓｅｃの時間、本例の場合には、５０ｎｓｅｃ以上の時間を要する。

(2) 基本構造
本発明の例では、スピン偏極電子により磁化反転を行うスピン注入磁気ランダムアクセスメモリにおいて、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向の磁場を磁化反転（スイッチング）のアシストとして使用する。

即ち、スピン注入磁化反転方式では、電子スピンの歳差運動を助長して磁化反転を行うため、記録層は熱揺らぎの影響を多大に受けることになるが、このアシスト磁場は、スピン偏極電子により上昇した磁気抵抗効果素子の温度が十分に下がるまで、記録層内の電子スピンの熱擾乱を抑える役割を果たす。

このように、スピン偏極電子を用いた磁化反転時にアシスト磁場を与えることにより、電子スピンの歳差運動を抑制し、熱擾乱による磁気抵抗効果素子の特性のばらつきを低減する。

また、このアシスト磁場によりスピン注入磁化反転に用いるパルス電流の電流密度を小さくし、トンネルバリアの破壊などの問題も防止する。

尚、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向のアシスト磁場は、スイッチング時における記録層内の電子スピンの熱擾乱を抑えるもので、磁化反転をメインに行う必要がないので、このアシスト磁場を発生させるためのパルス電流の値は、１ｍＡ以下で十分である。

Ａ．第１例
図３乃至図６は、基本構造の第１例を示している。

メモリセルは、１個のＭＯＳトランジスタＴｒと１個の磁気抵抗効果素子ＭＴＪとから構成される。

磁気抵抗効果素子ＭＴＪの一端は、ビット線ＢＬｕに接続され、他端は、選択素子としてのＭＯＳトランジスタＴｒを経由してビット線ＢＬｄに接続される。２本のビット線ＢＬｕ，ＢＬｄは、互いに交差するようにレイアウトされる。

本例では、ビット線ＢＬｕは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの磁化困難軸方向に延び、ビット線ＢＬｄは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの磁化容易軸方向に延びているが、その逆であってもよい。

また、２本のビット線ＢＬｕ，ＢＬｄは、互いに平行となるようにレイアウトされていてもよい。

データ書き込み時には、スピン注入磁化反転のためのスピン注入電流（パルス電流）Ｉｓを磁気抵抗効果素子ＭＴＪに流す。

例えば、スピン注入電流Ｉｓをビット線ＢＬｕからビット線ＢＬｄに向かって流すと、記録層の磁化方向は、固着層（ピン層）のそれと同じになり（平行状態）、また、スピン注入電流Ｉｓをビット線ＢＬｄからビット線ＢＬｕに向かって流すと、記録層の磁化方向は、固着層のそれと逆になる（反平行状態）。

ここで、本例では、磁化困難軸方向に延びる書き込みワード線ＷＷＬを磁気抵抗効果素子ＭＴＪの近傍に配置する。

書き込みワード線ＷＷＬには、データ書き込み時に、書き込みデータの値に応じた向きを有するアシスト電流（パルス電流）Ｉａを流す。アシスト電流Ｉａは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの記録層内の電子スピンの熱擾乱を抑える磁化容易軸方向のアシスト磁場Ｈを発生させる。

図３の例では、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの上部に配置され、ビット線ＢＬｕと同じ方向に延びる。図４の例では、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの上部に配置され、ビット線ＢＬｕに対して交差する方向に延びる。

図５の例では、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下部に配置され、ビット線ＢＬｕと同じ方向に延びる。図６の例では、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下部に配置され、ビット線ＢＬｕに対して交差する方向に延びる。

既に述べたように、スピン注入電流Ｉｓを遮断した後も、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの温度は、それから数十ｎｓｅｃの間は高い状態にある。アシスト磁場Ｈは、記録層内の電子スピンの熱擾乱を抑えるものなので、アシスト電流Ｉａは、スピン注入電流Ｉｓを遮断した後、数十ｎｓｅｃの間は流し続けておく。

尚、アシスト電流Ｉａを流すタイミングは、スピン注入電流Ｉｓを流すタイミングと同じであっても、それより早くても、若しくは、それより遅くても、いずれであってもよい。

Ｂ．第２例
図７乃至図１０は、基本構造の第２例を示している。

メモリセルは、第１例と同様に、１個のＭＯＳトランジスタＴｒと１個の磁気抵抗効果素子ＭＴＪとから構成される。

第２例が第１例と異なる点は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがエッジ型トンネル磁気抵抗効果素子である点にある。

通常の磁気抵抗効果素子では、例えば、図３乃至図７に示すように、固着層の上面にトンネルバリア層が形成されるが、エッジ型トンネル磁気抵抗効果素子では、固着層の側面（太線部分）にトンネルバリア層が形成される。このため、固着層とトンネルバリア層の接合面積を固着層の厚さで規定することができ、素子間の特性のばらつきを低減できる。

データ書き込み時には、第１例と同様に、スピン注入磁化反転のためのスピン注入電流Ｉｓを磁気抵抗効果素子ＭＴＪに流す。

例えば、スピン注入電流Ｉｓをビット線ＢＬｕからビット線ＢＬｄに向かって流すと、記録層の磁化方向は、固着層のそれと同じになり（平行状態）、また、スピン注入電流Ｉｓをビット線ＢＬｄからビット線ＢＬｕに向かって流すと、記録層の磁化方向は、固着層のそれと逆になる（反平行状態）。

書き込みワード線ＷＷＬには、データ書き込み時に、書き込みデータの値に応じた向きを有するアシスト電流Ｉａを流す。アシスト電流Ｉａは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの記録層内の電子スピンの熱擾乱を抑える磁化容易軸方向のアシスト磁場Ｈを発生させる。

図７の例では、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの上部に配置され、ビット線ＢＬｕと同じ方向に延びる。図８の例では、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの上部に配置され、ビット線ＢＬｕに対して交差する方向に延びる。

図９の例では、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下部に配置され、ビット線ＢＬｕと同じ方向に延びる。図１０の例では、書き込みワード線ＷＷＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下部に配置され、ビット線ＢＬｕに対して交差する方向に延びる。

尚、アシスト電流Ｉａを流すタイミングは、第１例と同様に、スピン注入電流Ｉｓを流すタイミングと同じであっても、それより早くても、若しくは、それより遅くても、いずれであってもよい。

アシスト電流Ｉａを遮断するタイミングは、第１例と同様に、スピン注入電流Ｉｓを遮断した後、数十ｎｓｅｃが経過した時点とする。

(3) 磁気抵抗効果素子の構造例
トンネルバリアの破壊、磁気抵抗効果素子の温度上昇による熱擾乱などの問題を解消し、大容量スピン注入磁気ランダムアクセスメモリを実現するためには、磁気抵抗効果素子の構造についても検討する必要がある。

以下、磁気抵抗効果素子としては、スピン注入磁化反転に対応し、かつ、低電流密度で磁化反転を行えることが重要であり、そのための構造例のいくつかについて説明する。

Ａ．第１例
図１１は、磁気抵抗効果素子の第１例を示している。

第１例では、磁気抵抗効果素子は、反強磁性層３及び第１磁気固着層４と、第１磁気固着層４上にトンネルバリア層５を経由して配置される磁気記録層６と、磁気記録層６上に非磁性金属層７を経由して配置される第２磁気固着層８及び反強磁性層９とから構成される。

第１磁気固着層４は、反強磁性層３との交換結合により磁化状態が固着され、また、第２磁気固着層８は、反強磁性層９との交換結合により磁化状態が固着される。第１磁気固着層４の磁化方向と第２磁気固着層８の磁化方向は、互いに逆向きに設定される。

尚、磁気抵抗効果素子は、電極としての下地層２上に配置され、反強磁性層９上には、電極層１０が配置される。

ここで、電極層１０から下地層２に向かうスピン注入電流を流すと、第１磁気固着層４から磁気記録層６にスピン偏極電子が注入され、磁気記録層６の磁化方向は、第１磁気固着層４のそれと同じ（平行状態）になる。また、下地層２から電極層１０に向かうスピン注入電流を流すと、第２磁気固着層８から磁気記録層６にスピン偏極電子が注入され、磁気記録層６の磁化方向は、第２磁気固着層８のそれと同じ（反平行状態）になる。

このようなスピン注入磁化反転方式において、非磁性金属層７と第２磁気固着層８に関しては、磁化反転を効率よく行うために、スピン反射率が大きくなる材料の組み合わせから構成される。

例えば、第２磁気固着層８が、Coを含む強磁性材料（例えば、Coリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Zr、Hf、Rh、Ag、Cu、Auのグループ、好ましくは、Zr、Hf、Rh、Agのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

また、第２磁気固着層８が、Feを含む強磁性材料（例えば、Feリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu、Auのグループ、好ましくは、Rh、Pt、Ir、Al、Gaのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

さらに、第２磁気固着層８が、Niを含む強磁性材料（例えば、Niリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Zr、Hf、Au、Ag、Cuのグループ、好ましくは、Zr、Hf、Au、Agのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

このような構造によれば、第２磁気固着層８は、自らの磁化方向（電子スピンの向き）と逆向きにスピン偏極した電子を反射する。このため、非磁性金属層７の材料を適切に選択すれば、第２磁気固着層８の磁化方向と逆向きにスピン偏極した電子を効率的に反射させ、磁気記録層６の磁化状態を反転できる。

尚、第１磁気固着層４と第２磁気固着層８との磁気モーメントの方向は、常に約１８０°異なっていなければならない。

そのための方法としては、例えば、第１磁気固着層４と第２磁気固着層８に、それぞれネール温度ＴＮが異なる反強磁性層３，９を付加し、かつ、磁化方向を決定するアニールプロセスの冷却時に、双方のネール温度の間になったときに磁場の方向を１８０°反転すればよい。

Ｂ．第２例
図１２は、磁気抵抗効果素子の第２例を示している。
第２例は、第１例の変形例であり、第１例と比べると、第２磁気固着層の構造が異なる。

磁気抵抗効果素子は、反強磁性層３及び第１磁気固着層４と、第１磁気固着層４上にトンネルバリア層５を経由して配置される磁気記録層６と、磁気記録層６上に非磁性金属層７を経由して配置される第２磁気固着層８ＳＡＦ及び反強磁性層９とから構成される。

第１磁気固着層４は、反強磁性層３との交換結合により磁化状態が固着される。第２磁気固着層８ＳＡＦは、ＳＡＦ(synthetic anti-ferromagnetic)構造を有し、かつ、その磁化状態は固着される。

ＳＡＦ構造を用いると、第１例の構造の場合に必要とされたアニールプロセスを用いなくても、第１磁気固着層４の磁化方向と第２磁気固着層８ＳＡＦのトンネルバリア層５側の強磁性層の磁化方向とを、互いに１８０°異なる向き（逆向き）に設定できる。

本例において、第１磁気固着層４と磁気記録層６との間の磁気モーメント（磁化）を反平行状態から平行状態へ反転させる場合、第１磁気固着層４から磁気記録層６へ電子を注入すると、第１磁気固着層４でスピン偏極した電子が、トンネルバリア層５を通過し、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。

また、スピン偏極した電子は、磁気記録層６から非磁性金属層７を経由して第２磁気固着層８ＳＡＦに達するが、第２磁気固着層８ＳＡＦで反射され、反射スピン電子として、再び、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。

従って、第１磁気固着層４と磁気記録層６との間の磁気モーメントが反平行状態であるときは、磁気記録層６の磁気モーメントが反転し、両者の間の磁気モーメントは、平行状態になる。

また、第１磁気固着層４と磁気記録層６との間の磁気モーメント（磁化）を平行状態から反平行状態へ反転させる場合、第２磁気固着層８ＳＡＦから磁気記録層６へ電子を注入すると、第２磁気固着層８ＳＡＦでスピン偏極した電子が、非磁性金属層７を通過し、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。

また、スピン偏極した電子は、磁気記録層６からトンネルバリア層５を経由して第１磁気固着層４に流れようとするが、トンネルバリア層５を通過する際、第１磁気固着層４の磁気モーメントと逆向きのスピンを持つ電子は、トンネル確率が低くなるために反射され、反射スピン電子として、再び、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。

従って、第１磁気固着層４と磁気記録層６との間の磁気モーメントが平行状態であるときは、磁気記録層６の磁気モーメントが反転し、両者の間の磁気モーメントは、反平行状態になる。

このように、磁気抵抗効果素子に対してスピン注入電流を流す方向を変えることにより磁気記録層６の磁化状態を反転できるため、スピン注入による“０”，“１”書き込みが可能になる。

尚、第２磁気固着層８ＳＡＦを構成する強磁性層が、Coを含む強磁性材料（例えば、Coリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Zr、Hf、Rh、Ag、Cu、Auのグループ、好ましくは、Zr、Hf、Rh、Agのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

また、第２磁気固着層８ＳＡＦを構成する強磁性層が、Feを含む強磁性材料（例えば、Feリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu、Auのグループ、好ましくは、Rh、Pt、Ir、Al、Gaのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

さらに、第２磁気固着層８ＳＡＦを構成する強磁性層が、Niを含む強磁性材料（例えば、Niリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Zr、Hf、Au、Ag、Cuのグループ、好ましくは、Zr、Hf、Au、Agのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

Ｃ．第３例
図１３は、磁気抵抗効果素子の第３例を示している。

第３例では、磁気抵抗効果素子は、反強磁性層３及び第１磁気固着層４と、第１磁気固着層４上にトンネルバリア層５を経由して配置される磁気記録層６と、磁気記録層６上に非磁性金属層７を経由して配置される第２磁気固着層８及び反強磁性層９とから構成される。

第１磁気固着層４は、反強磁性層３との交換結合により磁化状態が固着され、また、第２磁気固着層８は、反強磁性層９との交換結合により磁化状態が固着される。第１磁気固着層４の磁化方向と第２磁気固着層８の磁化方向は、互いに同じ向きに設定される。

尚、磁気抵抗効果素子は、下地層２上に配置され、反強磁性層９上には、電極層１０が配置される。

ここで、例えば、電極層１０から下地層２に向かうスピン注入電流を流す場合、第１磁気固着層４から磁気記録層６へ電子が注入され、第１磁気固着層４でその磁気モーメントと同じ向きにスピン偏極した電子が、トンネルバリア層５を通過し、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。さらに、磁気記録層６及び非磁性金属層７を経由して第２磁気固着層８に電子が注入される。非磁性金属層７の材料を選択することにより、第２磁気固着層８の磁気モーメントと同じ向きのスピンを持つ電子は、第２磁気固着層８で反射され、反射スピン電子として磁気記録層６に再び注入される。これにより、磁気記録層６の磁化方向は、第１磁気固着層４のそれと同じ（平行状態）になる。

また、下地層２から電極層１０に向かうスピン注入電流を流す場合、第２磁気固着層８から非磁性金属層７を介して磁気記録層６へ電子が注入される。非磁性金属層７の材料を選択することにより、第２磁気固着層８でスピン偏極した電子が非磁性金属層７を通過する際に、第２磁気固着層８の磁気モーメントと逆向きのスピンを持つ電子が支配的となり、このスピン偏極した電子が磁気記録層６に対してスピントルクを与える。さらに、磁気記録層６からトンネルバリア層５を経由して第１磁気固着層４に流れようとするが、トンネルバリア層５を通過する際、第１磁気固着層４の磁気モーメントと逆向きのスピンを持つ電子は、トンネル確率が低くなるために反射され、反射スピン電子として、再び、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。これにより、磁気記録層６の磁化方向は、第１磁気固着層４のそれと逆（反平行状態）になる。

例えば、第２磁気固着層８が、Coを含む強磁性材料（例えば、Coリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Cr、Ir、Os、Ru、Reのグループ、好ましくは、Cr、Ir、Osのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

また、第２磁気固着層８が、Feを含む強磁性材料（例えば、Feリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W、Tiのグループ、好ましくは、Mn、Cr、V、Mo、Reのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

さらに、第２磁気固着層８が、Niを含む強磁性材料（例えば、Niリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta、Moのグループ、好ましくは、Rh、Ru、Ir、Osのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

尚、本例では、第１磁気固着層４と第２磁気固着層８との磁気モーメントの方向が同じであるため、第１例のようなアニールプロセスは不要である。

Ｄ．第４例
図１４は、磁気抵抗効果素子の第４例を示している。
第４例は、第３例の変形例であり、第３例と比べると、第１及び第２磁気固着層がそれぞれＳＡＦ(synthetic anti-ferromagnetic)構造を有している点に特徴を有する。

磁気抵抗効果素子は、反強磁性層３及び第１磁気固着層４ＳＡＦと、第１磁気固着層４上にトンネルバリア層５を経由して配置される磁気記録層６と、磁気記録層６上に非磁性金属層７を経由して配置される第２磁気固着層８ＳＡＦ及び反強磁性層９とから構成される。

第１磁気固着層４ＳＡＦは、ＳＡＦ構造を有し、かつ、その磁化状態は固着される。第２磁気固着層８ＳＡＦも、同様に、ＳＡＦ構造を有し、かつ、その磁化状態は固着される。

本例においても、第３例と同様の方法により書き込みを行うことができる。

即ち、第１磁気固着層４ＳＡＦと磁気記録層６との間の磁気モーメント（磁化）を反平行状態から平行状態へ反転させる場合、第１磁気固着層４ＳＡＦから磁気記録層６へ電子を注入すると、第１磁気固着層４ＳＡＦでスピン偏極した電子が、トンネルバリア層５を通過し、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。

従って、第１磁気固着層４ＳＡＦと磁気記録層６との間の磁気モーメントが反平行状態であるときは、磁気記録層６の磁気モーメントが反転し、両者の間の磁気モーメントは、平行状態になる。

また、第１磁気固着層４ＳＡＦと磁気記録層６との間の磁気モーメント（磁化）を平行状態から反平行状態へ反転させる場合、第２磁気固着層８ＳＡＦから磁気記録層６へ電子を注入すると、第２磁気固着層８ＳＡＦでスピン偏極した電子が、非磁性金属層７を通過し、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。

また、スピン偏極した電子は、磁気記録層６からトンネルバリア層５を経由して第１磁気固着層４ＳＡＦに流れようとするが、トンネルバリア層５を通過する際、第１磁気固着層４ＳＡＦの磁気モーメントと逆向きのスピンを持つ電子は、トンネル確率が低くなるために反射され、反射スピン電子として、再び、磁気記録層６に対してスピントルクを与える。

従って、第１磁気固着層４ＳＡＦと磁気記録層６との間の磁気モーメントが平行状態であるときは、磁気記録層６の磁気モーメントが反転し、両者の間の磁気モーメントは、反平行状態になる。

このように、磁気抵抗効果素子に対してスピン注入電流を流す方向を変えることにより磁化反転を行うことができるため、スピン注入による“０”，“１”書き込みが可能になる。

尚、第１及び第２磁気固着層４，８ＳＡＦが、Coを含む強磁性材料（例えば、Coリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Cr、Ir、Os、Ru、Reのグループ、好ましくは、Cr、Ir、Osのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

また、第１及び第２磁気固着層４，８ＳＡＦが、Feを含む強磁性材料（例えば、Feリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W、Tiのグループ、好ましくは、Mn、Cr、V、Mo、Reのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

さらに、第１及び第２磁気固着層４，８ＳＡＦが、Niを含む強磁性材料（例えば、Niリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta、Moのグループ、好ましくは、Rh、Ru、Ir、Osのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

Ｅ．第５例
図１５乃至１８は、磁気抵抗効果素子の第５例を示している。
第５例は、第１例乃至第４例の改良例であり、第１例乃至第４例と比べると、磁気記録層がアレイ状の複数の柱状層から構成される点に特徴を有する。

図１５は、図１１に示す第１例の改良例であり、図１６は、図１２に示す第２例の改良例であり、図１７は、図１３に示す第３例の改良例であり、図１８は、図１４に示す第４例の改良例である。

磁気記録層６は、アレイ状の複数の柱状層（強磁性体）の集合からなり、各々は、磁化方向が可変であり、かつ、絶縁体（又は誘電体）１１により分離される。第１磁気固着層４，４ＳＡＦと磁気記録層６との間には、トンネルバリア層５が配置される。

図１５及び図１６の構造の場合、非磁性金属層７及び第２磁気固着層８，８ＳＡＦは、スピン反射率を大きくするために以下の材料の組み合わせから構成される。

第２磁気固着層８，８ＳＡＦが、Coを含む強磁性材料（例えば、Coリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Zr、Hf、Rh、Ag、Cu、Auのグループ、好ましくは、Zr、Hf、Rh、Agのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

また、第２磁気固着層８，８ＳＡＦが、Feを含む強磁性材料（例えば、Feリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu、Auのグループ、好ましくは、Rh、Pt、Ir、Al、Gaのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

さらに、第２磁気固着層８，８ＳＡＦが、Niを含む強磁性材料（例えば、Niリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Zr、Hf、Au、Ag、Cuのグループ、好ましくは、Zr、Hf、Au、Agのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

図１７及び図１８の構造の場合、非磁性金属層７及び第２磁気固着層８，８ＳＡＦは、スピン反射率を大きくするために以下の材料の組み合わせから構成される。

第２磁気固着層８，８ＳＡＦが、Coを含む強磁性材料（例えば、Coリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Cr、Ir、Os、Ru、Reのグループ、好ましくは、Cr、Ir、Osのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

第２磁気固着層８，８ＳＡＦが、Feを含む強磁性材料（例えば、Feリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W、Tiのグループ、好ましくは、Mn、Cr、V、Mo、Reのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

第２磁気固着層８，８ＳＡＦが、Niを含む強磁性材料（例えば、Niリッチ）から構成される場合には、非磁性金属層７としては、Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta、Moのグループ、好ましくは、Rh、Ru、Ir、Osのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金から構成される。

このように、複数の柱状層からなる磁気記録層６を有する磁気抵抗効果素子によれば、強磁性トンネル接合の実効的な接合面積は、第１例乃至第４例におけるそれよりも小さくなる。このため、データ書き込み時に、スピン注入電流を流しても、この電流による環状磁界が発生し難く、磁気記録層の磁化反転を安定的に行うことが可能になる。

尚、第５例は、磁気抵抗効果素子のサイズが比較的に大きい場合に有効であるが、具体的には、柱状層が円柱の場合には、柱状層のサイズは、直径１〜１００ｎｍの範囲内に設定することが好ましい。

柱状層の直径が１ｎｍ未満になると、柱状構造の強磁性体が超常磁性化するためであり、また、柱状層の直径が１００ｎｍを超えると、還流磁区構造の安定化により磁化反転を安定的に行うことが困難となり、さらに、ＭＲ比も減少するためである。

Ｃ．まとめ
以上から分かるように、スピン注入書き込み方式において、磁気記録層６がNi−Co、Ni−Fe、Co−Fe、又は、Co−Fe−Niを含む場合には、非磁性金属層７としては、Au、Zr、Hf、Rh、Pt、Ir、Al、Gaのグループから選択される少なくとも１つの金属、又は、その少なくとも１つの金属を含む合金を使用する。これにより、スピン注入電流Ｉｓを低減できる。

第１例乃至第５例の磁気抵抗効果素子を図３乃至図１０に示すようなスピン注入磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルとして使用することにより、磁化反転時の電流密度を低下し、トンネルバリア層の破壊や熱擾乱などの問題を解消することができる。この場合、磁化反転時における第１及び第２磁気固着層４，４ＳＡＦ，８，８ＳＡＦの磁化状態を安定させるために、これらの体積をできるだけ大きくする。

尚、ＳＡＦ(synthetic anti-ferromagnetic)構造に関しては、第１及び第２磁気固着層のうちの一方又は双方に適用できる。

(4) 書き込み方法
次に、本発明の例に関わるアーキテクチャを用いたデータ書き込み方法（磁化反転プロセス）について説明する。

図１９は、本発明の例に関わる磁化反転プロセスのフローを示している。図２０は、図１９のプロセスを実現するためのスピン注入電流とアシスト磁場（アシスト電流）の信号波形を示している。

まず、磁気抵抗効果素子に対して、書き込みデータの値に応じた向きのスピン注入電流Ｉｓを与える（ステップＳＴ１，時刻ｔ１）。スピン注入電流Ｉｓによりスピン偏極された電子が発生し、このスピン偏極された電子により磁気記録層にスピントルクが作用し、磁化反転が開始される。

スピン注入電流Ｉｓが磁気抵抗効果素子に流れると、磁気抵抗効果素子の温度は次第に上昇するため（図２参照）、スピン注入電流Ｉａを流すタイミングと同時か、又は、それよりも遅れて、アシスト電流Ｉａを書き込みワード線ＷＷＬに流し、アシスト磁場Ｈを発生させる（ステップＳＴ２，時刻ｔ２）。

このアシスト磁場Ｈは、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向に発生させる。これにより、磁気抵抗効果素子の温度上昇に伴う磁気記録層の電子スピンの熱擾乱が抑えられる。

尚、アシスト電流Ｉａを書き込みワード線ＷＷＬに流し、アシスト磁場Ｈを発生させるタイミングは、スピン注入電流Ｉａを流すタイミングより早くても構わない。

この後、スピン注入電流Ｉｓを遮断する（ステップＳＴ３，時刻ｔ３）。

ここで、図２から明らかなように、スピン注入電流Ｉｓを遮断してから数十ｎｓｅｃ（ナノ秒）が経過するまでは、磁気抵抗効果素子は、電子スピンの熱擾乱が発生するのに十分な高い温度にある。

そこで、スピン注入電流Ｉｓを遮断した後も、それから数十ｎｓｅｃが経過するまでは、アシスト電流Ｉａを流し続ける。

磁気抵抗効果素子の温度が十分に低下した後、アシスト電流Ｉａを止め、アシスト磁場Ｈを遮断する（ステップＳＴ４，時刻ｔ４）。

このように、本発明の例に関わる磁化反転プロセスによれば、電流カットオフのタイミングが、スピン注入書き込みのためのパルス電流よりもアシスト磁場を発生させるパルス電流のほうが遅いため、磁気抵抗効果素子の温度上昇に伴う磁気記録層の電子スピンの熱擾乱を有効に防止できる。

２．実施の形態
次に、最良と思われる実施の形態について説明する。

(1) 回路例
図２１は、スピン注入磁化反転を実現するための磁気ランダムアクセスメモリの周辺回路の概要を示している。

尚、同図に用いられている記号について、ｂ＊＊＊は、＊＊＊の論理を反転した反転信号を意味する（＊＊＊は、任意の記号）。また、ｉは、複数ロウのうちのｉ番目のロウを意味し、ｊは、複数カラムのｊ番目のカラムを意味する。

磁気抵抗効果素子ＭＴＪの一端は、コンタクト部材ＣＮＴを経由して上部ビット線ＢＬｕに接続される。また、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの他端は、下部電極としての下地層２及び読み出し選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＴｒを経由して下部ビット線ＢＬｄに接続される。読み出しワード線からのロウ選択信号ＲＷＬｉは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタＴｒのゲートに入力される。

上部ビット線ＢＬｕ及び下部ビット線ＢＬｄは、同じ方向、本例では、共に、カラム方向に延びている。

上部ビット線ＢＬｕの一端には、ＣＭＯＳタイプドライバ／シンカーＤＳ１が接続される。ドライブ信号ｂＮ２Ｓｊは、ドライバ／シンカーＤＳ１を構成するＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに入力され、シンク信号Ｓ２Ｎｊは、ドライバ／シンカーＤＳ１を構成するＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに入力される。

下部ビット線ＢＬｕの一端には、ＣＭＯＳタイプドライバ／シンカーＤＳ２が接続される。ドライブ信号ｂＳ２Ｎｊは、ドライバ／シンカーＤＳ２を構成するＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに入力され、シンク信号Ｎ２Ｓｊは、ドライバ／シンカーＤＳ２を構成するＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに入力される。

例えば、ロウ選択信号ＲＷＬｉが“Ｈ”であり、かつ、ドライブ信号ｂＮ２Ｓｊ及びシンク信号Ｓ２Ｎｊが“Ｌ”、ドライブ信号ｂＳ２Ｎｊ及びシンク信号Ｎ２Ｓｊが“Ｈ”である場合には、スピン注入電流Ｉｓは、ドライバ／シンカーＤＳ１からドライバ／シンカーＤＳ２に向かって流れる。

ロウ選択信号ＲＷＬｉが“Ｈ”であり、かつ、ドライブ信号ｂＮ２Ｓｊ及びシンク信号Ｓ２Ｎｊが“Ｈ”、ドライブ信号ｂＳ２Ｎｊ及びシンク信号Ｎ２Ｓｊが“Ｌ”である場合には、スピン注入電流Ｉｓは、ドライバ／シンカーＤＳ２からドライバ／シンカーＤＳ１に向かって流れる。

また、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの近傍には、ロウ方向に延びる書き込みワード線ＷＷＬが配置される。

書き込みワード線ＷＷＬの一端には、ＣＭＯＳタイプドライバ／シンカーＤＳ３が接続される。ドライブ信号ｂＥ２Ｗｉは、ドライバ／シンカーＤＳ３を構成するＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに入力され、シンク信号Ｗ２Ｅｉは、ドライバ／シンカーＤＳ３を構成するＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに入力される。

書き込みワード線ＷＷＬの他端には、ＣＭＯＳタイプドライバ／シンカーＤＳ４が接続される。ドライブ信号ｂＷ２Ｅｉは、ドライバ／シンカーＤＳ４を構成するＰチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに入力され、ドライブ信号Ｅ２Ｗｉは、ドライバ／シンカーＤＳ４を構成するＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲートに入力される。

例えば、ドライブ信号ｂＥ２Ｗｉ及びシンク信号Ｗ２Ｅｉが“Ｌ”、ドライブ信号ｂＷ２Ｅｉ及びシンク信号Ｅ２Ｗｉが“Ｈ”である場合には、アシスト磁場を発生させるアシスト電流Ｉａは、ドライバ／シンカーＤＳ３からドライバ／シンカーＤＳ４に向かって流れる。

ドライブ信号ｂＥ２Ｗｉ及びシンク信号Ｗ２Ｅｉが“Ｈ”、ドライブ信号ｂＷ２Ｅｉ及びシンク信号Ｅ２Ｗｉが“Ｌ”である場合には、アシスト磁場を発生させるアシスト電流Ｉａは、ドライバ／シンカーＤＳ４からドライバ／シンカーＤＳ３に向かって流れる。

上部ビット線ＢＬｕの他端は、カラム選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＣＳＷを経由して、例えば、差動アンプから構成されるセンスアンプＳ／Ａのプラス側入力端子に接続される。ＭＯＳトランジスタＣＳＷのゲートには、カラム選択線からのカラム選択信号ＣＳＬｊが入力される。

センスアンプＳ／Ａのマイナス側入力端子には、磁気抵抗効果素子ＭＴＪからの読み出しデータの値を判定する基準となるリファレンス電位ＲＥＦが入力される。センスアンプＳ／Ａの出力信号は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの読み出しデータＲＯＵＴとなる。

(2) 信号タイミング波形
図２２は、図２１の磁気ランダムアクセスメモリに使用されるドライブ信号及びシンク信号の信号波形を示している。

この信号タイミング波形は、図２１に示されるスピン注入電流Ｉｓ及びアシスト電流Ｉａを発生させる場合の例である。

まず、時刻ｔ１において、シンク信号Ｅ２Ｗｉを“Ｈ”にし、ドライブ信号ｂＥ２Ｗｉを“Ｌ”にし、ドライバ／シンカーＤＳ３からドライバ／シンカーＤＳ４に向かうアシスト電流Ｉａを書き込みワード線ＷＷＬに流す。

また、時刻ｔ２において、読み出し選択信号ＲＷＬｉを“Ｈ”にし、かつ、時刻ｔ３において、シンク信号Ｎ２Ｓｊを“Ｈ”にし、ドライブ信号ｂＮ２Ｓｊを“Ｌ”にし、ドライバ／シンカーＤＳ１からドライバ／シンカーＤＳ２に向かうスピン注入電流Ｉｓを流す。

この後、時刻ｔ４において、シンク信号Ｎ２Ｓｊを“Ｌ”にし、ドライブ信号ｂＮ２Ｓｊを“Ｈ”にし、スピン注入電流Ｉｓを遮断し、さらに、時刻ｔ５において、読み出し選択信号ＲＷＬｉを“Ｌ”にする。

また、スピン注入電流Ｉｓを遮断した後、数十ｎｓｅｃが経過した時刻ｔ６において、シンク信号Ｅ２Ｗｉを“Ｌ”にし、ドライブ信号ｂＥ２Ｗｉを“Ｈ”にし、アシスト電流Ｉａを遮断し、アシスト磁場Ｈを消滅させる。

尚、本例の信号タイミング波形では、スピン注入電流Ｉｓを流す前にアシスト電流Ｉａを流し、アシスト磁場Ｈを発生させているが、既に述べたように、アシスト磁場Ｈは、スピン注入電流Ｉｓを流すと同時又はそれよりも遅れて発生させてもよい。

(3) デコーダ
次に、図２１のドライバ／シンカーＤＳ１，ＤＳ２，ＤＳ３，ＤＳ４を制御するデコーダの例について説明する。

デコーダは、磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込み時にドライバ／シンカーを制御し、書き込みデータの値に応じてスピン注入電流Ｉｓ及びアシスト電流Ｉａの向きを決定すると共に、スピン注入電流Ｉｓ及びアシスト電流Ｉａの供給／遮断のタイミングを決定する。

図２３は、読み出し選択信号ＲＷＬｉを生成するデコーダの例を示している。

本例では、アンドゲート回路によりデコーダが構成され、活性化信号ＲＷＬ及びロウアドレス信号の全てが“Ｈ”になったときに読み出し選択信号ＲＷＬｉが“Ｈ”になる。

図２４は、ドライブ信号ｂＥ２Ｗｉ及びシンク信号Ｅ２Ｗｉを生成するデコーダの例を示している。

本例では、アンドゲート回路によりデコーダが構成され、活性化信号Ｅ２Ｗ及びロウアドレス信号の全てが“Ｈ”になったときに、ドライブ信号ｂＥ２Ｗｉが“Ｌ”、シンク信号Ｅ２Ｗｉが“Ｈ”になる。

図２５は、ドライブ信号ｂＷ２Ｅｉ及びシンク信号Ｗ２Ｅｉを生成するデコーダの例を示している。

本例では、アンドゲート回路によりデコーダが構成され、活性化信号Ｗ２Ｅ及びロウアドレス信号の全てが“Ｈ”になったときに、ドライブ信号ｂＷ２Ｅｉが“Ｌ”、シンク信号Ｗ２Ｅｉが“Ｈ”になる。

図２６は、ドライブ信号ｂＮ２Ｓｊ及びシンク信号Ｎ２Ｓｊを生成するデコーダの例を示している。

本例では、アンドゲート回路によりデコーダが構成され、活性化信号Ｎ２Ｓ及びカラムアドレス信号の全てが“Ｈ”になったときに、ドライブ信号ｂＮ２Ｓｊが“Ｌ”、シンク信号Ｎ２Ｓｊが“Ｈ”になる。

図２７は、ドライブ信号ｂＳ２Ｎｊ及びシンク信号Ｓ２Ｎｊを生成するデコーダの例を示している。

本例では、アンドゲート回路によりデコーダが構成され、活性化信号Ｓ２Ｎ及びカラムアドレス信号の全てが“Ｈ”になったときに、ドライブ信号ｂＳ２Ｎｊが“Ｌ”、シンク信号Ｓ２Ｎｊが“Ｈ”になる。

図２８乃至図３２は、活性化信号ＲＷＬ，Ｅ２Ｗ，Ｗ２Ｅ，Ｎ２Ｓ，Ｓ２Ｎを生成する回路を示している。

信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは、活性化信号ＲＷＬ，Ｅ２Ｗ，Ｗ２Ｅ，Ｎ２Ｓ，Ｓ２Ｎを出力するタイミングを決定する。

図２９乃至図３２において、ＤＡＴＡ１は、書き込みデータが“１”のときに“Ｈ”となる信号であり、ＤＡＴＡ０は、書き込みデータが“０”のときに“Ｈ”となる信号である。

従って、書き込みデータの値に応じて、スピン注入電流Ｉｓの向き及びアシスト電流Ｉａの向きが決定される。

尚、本例では、スピン注入電流Ｉｓを流す前にアシスト電流Ｉａが流れるタイミングとなっているが、スピン注入電流Ｉｓを流すと同時又はそれよりも遅れてアシスト電流Ｉａを流すようにしてもよい。

図３３及び図３４は、書き込み信号ＷＲＩＴＥに基づき、信号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを生成する遅延回路１〜６を示している。

図３５は、図３３及び図３４の遅延回路１〜６の動作波形を示している。

図３６及び図３７は、遅延回路１〜６の例を示している。

図３６の例は、遅延回路を直列接続される複数のインバータから構成するインバータ型であり、インバータの数により遅延時間を制御できる。図３７の例は、遅延回路を抵抗Ｒと容量Ｃにより構成するＲＣ型であり、抵抗Ｒの抵抗値と容量Ｃの容量値により遅延時間を制御できる。

３．変形例
次に、本発明の例に関わる基本構造（図３乃至図１０）の変形例について説明する。

(1) 変形例１
図３８乃至図４５は、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの基本構造の変形例を示している。

この変形例は、アシスト磁場Ｈを、効率よく、磁気抵抗効果素子ＭＴＪに与えるために、書き込みワード線ＷＷＬの周囲に、軟磁性材料（ヨーク材）からなる磁性層（塗り潰し部分）１２を配置したいわゆるヨーク配線構造に関する。

この配線構造によれば、アシスト磁場Ｈを発生させるためのアシスト電流Ｉａをさらに小さい値、具体的には、０．５ｍＡ以下にすることができる。

尚、図３８乃至図４５に関わる構造は、それぞれ、図３乃至図１０の基本構造に対応している。

(2) 変形例２
磁気抵抗効果素子に関しては、以下の変形が可能である。

図１１乃至図１８に示す磁気抵抗効果素子に関して、反強磁性層３，９は、Fe-Mn(鉄−マンガン)、Pt-Mn(白金−マンガン)、Pt-Cr-Mn(白金−クロム−マンガン)、Ni-Mn(ニッケル−マンガン)、Ir-Mn(イリジウム−マンガン)、NiO(酸化ニッケル)、Fe₂O₃(酸化鉄)などの材料から構成できる。

また、第１及び第２磁気固着層４，４ＳＡＦ，８，８ＳＡＦは、一方向異方性を有する材料から構成し、磁気記録層６は、一軸異方性を有する材料から構成できる。第１及び第２磁気固着層４，４ＳＡＦ，８，８ＳＡＦ及び磁気記録層６を構成する強磁性層の厚さは、０．１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内に設定され、さらには、超常磁性体にならないことを保障できる厚さ、０．４ｎｍ以上に設定することが好ましい。

図１５乃至図１８に示す磁気抵抗効果素子に関して、誘電体で隔てられた強磁性粒としての柱状層は、Co、Fe、Ni若しくはそれらの合金、又は、Co-Pt、Co-Fe-Pt、Fe-Pt、Co-Fe-Cr-Pt、Co-Cr-Ptからなるグループから選択される少なくとも１つの金属から構成できる。

図１１乃至図１８に示す磁気抵抗効果素子の磁気記録層６に関しては、磁性材料に、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Ru(ルテニウム)、Os(オスニウム)、Re(レニウム)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、O(酸素)、N(窒素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)などの非磁性元素を添加して、その磁気特性、さらには、結晶性、機械的特性、化学的特性などの物性を調節できる。

４．実施例
以下、実施例について説明する。

(1) 実施例１
実施例１は、図６の基本構造、図２１乃至図３７の回路から構成されるスピン注入磁気ランダムアクセスメモリに関する。

磁気抵抗効果素子としては、図１２又は図１４に示すＳＡＦ構造の磁気固着層を持つものを使用する。

この試料の製造手順は、以下の通りである。

まず、半導体基板上に、ＭＯＳトランジスタＴｒ及び書き込みワード線ＷＷＬを形成する。この後、図１２又は図１４のＳＡＦ構造の磁気固着層を持つ磁気抵抗効果素子を形成する。

図１２の磁気抵抗効果素子（試料１ａ）の場合、例えば、下地層（電極層）２として、Ta/Cu/Taの積層を形成する。

また、下地層２上には、Ru(5nm)/PtMn(20nm)からなる反強磁性層３を形成する。反強磁性層３上には、Co₇₅Fe₂₅(5nm)からなる第１磁気固着層４、AlOx(1.4nm)からなるトンネルバリア層５、及び、Co₉₀Fe₁₀(3nm)からなる磁気記録層６を順次形成する。

磁気記録層６上には、Cu(5nm)からなる非磁性金属層７を形成し、非磁性金属層７上には、Co₇₅Fe₂₅(5nm)/Ru(0.9nm)/Co₇₅Fe₂₅(5nm)からなる第２磁気固着層８ＳＡＦを形成し、第２磁気固着層８ＳＡＦ上には、PtMn(20nm)/Ru(5nm)からなる反強磁性層９を形成する。

そして、反強磁性層９上には、Ta(150nm)からなる電極層１０を形成する。

また、図１４の磁気抵抗効果素子（試料１ｂ）の場合、例えば、下地層（電極層）２として、Ta/Cu/Taの積層を形成する。

下地層２上には、Ru(5nm)/PtMn(20nm)からなる反強磁性層３を形成する。反強磁性層３上には、Co₇₅Fe₂₅(5nm)/Ru(0.9nm)/Co₇₅Fe₂₅(5nm)からなる第１磁気固着層４ＳＡＦを形成する。第１磁気固着層４ＳＡＦ上には、AlOx(1.4nm)からなるトンネルバリア層５、及び、Co₉₀Fe₁₀(3nm)からなる磁気記録層６を順次形成する。

ここで、厚さ1.4nmのAlOxからなるトンネルバリア層５は、例えば、厚さ0.6nmのAlを形成した後、そのままの位置(in situ)で純酸素を用いて自然酸化するプロセスを２回繰り返すことにより作製できる。

断面TEM(transmission electron microscope)を用いて、このプロセスにより作製されたAlOxの厚さを調べたところ、合計の厚さが1.2(=0.6+0.6)nmのAlに対して、AlOxの厚さは、酸化作用により1.4nmになることが確認された。

尚、トンネル接合は、接合面積を規定する部分については、EB(electron beam)描画装置を用い、その他は、KrFステッパ装置を用いて形成できる。接合面積は、0.1×0.15 μｍ^２である。

接合分離を行った後、SiOxからなる厚さ35nmの保護膜を形成し、Ta/Ruからなる電極を形成し、続いて、エッチバックでコンタクト層を露出させた後、コンタクトクリーニングを行い、Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)からなる上部電極を形成する。この後、磁性層の長軸方向に磁場を印加して、280℃で10時間のアニールを行い、磁気抵抗効果素子に一軸異方性を付与する。

図４６は、実施例１に関わる磁気抵抗効果素子（試料１ａ）の熱擾乱を示し、また、図４７は、実施例１に関わる磁気抵抗効果素子（試料１ｂ）の熱擾乱を示している。

この結果を得るに際しては、従来（図１）との効果の差を明確にするために、従来とほぼ同様の条件、即ち、スピン注入書き込み時間は、50nsec、アシスト電流の電流値は、0.4mA、スピン注入電流を遮断してからアシスト電流を遮断するまでの遅延時間は、20nsecとしている。

これら図から明らかなように、実施例１の試料１ａ，１ｂによれば、磁化反転（スイッチング）に必要とされるパルス電流の電流密度(Pulse voltageに相当)及びスイッチング後の磁気抵抗変化率(Junction resistance に相当)のばらつきは大幅に低減される。

尚、この結果は、アシスト磁場を発生させるタイミング、即ち、スピン注入電流を流すタイミングと同時か又はその前後か、にかかわらず、同様に得ることができるため、大容量磁気ランダムアクセスメモリの実用化に貢献できる。

(2) 実施例２
実施例２は、図４１の基本構造、図２１乃至図３７の回路から構成されるスピン注入磁気ランダムアクセスメモリに関する。

この試料の製造手順は、以下の通りである。

まず、半導体基板上に、ＭＯＳトランジスタＴｒ及びヨーク構造の書き込みワード線ＷＷＬを形成する。この後、図１２又は図１４のＳＡＦ構造の磁気固着層を持つ磁気抵抗効果素子を形成する。

図１２の磁気抵抗効果素子（試料２ａ）の場合、例えば、下地層（電極層）２として、Ta/Cu/Taの積層を形成する。

また、下地層２上には、Ru(5nm)/PtMn(20nm)からなる反強磁性層３を形成する。反強磁性層３上には、Co₆₅Fe₃₅(5nm)からなる第１磁気固着層４、MgO(0.9nm)からなるトンネルバリア層５、及び、(Co₆₅Fe₃₅)₈₀B₂₀(3.5nm)からなる磁気記録層６を順次形成する。

磁気記録層６上には、Rh(5nm)からなる非磁性金属層７を形成し、非磁性金属層７上には、Co₇₅Fe₂₅(5nm)/Ru(0.9nm)/Co₇₅Fe₂₅(5nm)からなる第２磁気固着層８ＳＡＦを形成し、第２磁気固着層８ＳＡＦ上には、PtMn(20nm)/Ru(5nm)からなる反強磁性層９を形成する。

また、図１４の磁気抵抗効果素子（試料２ｂ）の場合、例えば、下地層（電極層）２として、Ta/Cu/Taの積層を形成する。

下地層２上には、Ru(5nm)/PtMn(20nm)からなる反強磁性層３を形成する。反強磁性層３上には、Co₇₅Fe₂₅(5nm)/Ru(0.9nm)/Co₇₅Fe₂₅(5nm)からなる第１磁気固着層４ＳＡＦを形成する。第１磁気固着層上には、MgO(0.9nm)からなるトンネルバリア層５、及び、(Co₆₅Fe₃₅)₈₀B₂₀(3.5nm)からなる磁気記録層６を順次形成する。

ここで、厚さ0.9nmのMgOからなるトンネルバリア層５は、例えば、RFダイレクトスパッタによりMgを形成した後、プラズマ酸化を3secの間行うことで作製できる。

磁気抵抗効果素子の一軸異方性については、実施例１と同様の方法により付与できる。

図４８は、実施例２に関わる磁気抵抗効果素子（試料２ａ）の熱擾乱を示し、また、図４９は、実施例２に関わる磁気抵抗効果素子（試料２ｂ）の熱擾乱を示している。

この結果を得るに際しては、従来（図１）との効果の差を明確にするために、従来とほぼ同様の条件、即ち、スピン注入書き込み時間は、50nsec、アシスト電流の電流値は、0.2mA、スピン注入電流を遮断してからアシスト電流を遮断するまでの遅延時間は、20nsecとしている。

これら図から明らかなように、実施例２の試料２ａ，２ｂによれば、磁化反転（スイッチング）に必要とされるパルス電流の電流密度(Pulse voltageに相当)及びスイッチング後の磁気抵抗変化率(Junction resistance に相当)のばらつきは大幅に低減される。

５．その他
以上、説明したように、本発明の例によれば、スピン注入磁気ランダムアクセスメモリにおいて、新アーキテクチャと書き込み方法により、トンネルバリアの破壊や、磁気抵抗効果素子の温度上昇による熱擾乱などの問題を解決できる。

本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

磁気抵抗効果素子の熱擾乱を示す図。スピン注入書き込み時の磁気抵抗効果素子の温度上昇を示す図。基本構造の第１例を示す断面図。基本構造の第１例を示す断面図。基本構造の第１例を示す断面図。基本構造の第１例を示す断面図。基本構造の第２例を示す断面図。基本構造の第２例を示す断面図。基本構造の第２例を示す断面図。基本構造の第２例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の第１例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の第２例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の第３例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の第４例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の第５例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の第５例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の第５例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の第５例を示す断面図。本発明の例に関わる書き込み方法のフローを示す図。スピン注入電流とアシスト磁場のオン／オフタイミングを示す波形図。本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリの周辺回路を示す回路図。図２１のメモリに使用される信号の信号波形を示す波形図。デコーダの例を示す図。デコーダの例を示す図。デコーダの例を示す図。デコーダの例を示す図。デコーダの例を示す図。活性化信号ＲＷＬの生成回路の例を示す図。活性化信号Ｅ２Ｗの生成回路の例を示す図。活性化信号Ｗ２Ｅの生成回路の例を示す図。活性化信号Ｎ２Ｓの生成回路の例を示す図。活性化信号Ｓ２Ｎの生成回路の例を示す図。活性化信号のタイミングを決める回路の例を示す図。活性化信号のタイミングを決める回路の例を示す図。図３３及び図３４の回路から出力される信号を示す波形図。遅延回路の例を示す図。遅延回路の例を示す図。基本構造の第１例の変形例を示す断面図。基本構造の第１例の変形例を示す断面図。基本構造の第１例の変形例を示す断面図。基本構造の第１例の変形例を示す断面図。基本構造の第２例の変形例を示す断面図。基本構造の第２例の変形例を示す断面図。基本構造の第２例の変形例を示す断面図。基本構造の第２例の変形例を示す断面図。磁気抵抗効果素子の熱擾乱を示す図。磁気抵抗効果素子の熱擾乱を示す図。磁気抵抗効果素子の熱擾乱を示す図。磁気抵抗効果素子の熱擾乱を示す図。

符号の説明

２：下地層、３：反強磁性層、４，４ＳＡＦ：第１磁気固着層、５：トンネルバリア層、６：磁気記録層、７：非磁性金属層、８，８ＳＡＦ：第２磁気固着層、９：反強磁性層、１０：電極層、１１：絶縁体、１２：軟磁性層（ヨーク材）、ＭＴＪ：磁気抵抗効果素子、Ｔｒ：ＭＯＳトランジスタ、ＢＬｕ：上部ビット線、ＢＬｄ：下部ビット線、ＷＷＬ：書き込みワード線、Ｓ／Ａ：センスアンプ。

Claims

磁化方向が固着される磁気固着層、スピン偏極電子の注入により磁化方向が可変となる磁気記録層、及び、前記磁気固着層と前記磁気記録層との間に設けられるトンネルバリア層を有する磁気抵抗効果素子と、
前記スピン偏極電子の発生に用いるスピン注入電流を前記磁気抵抗効果素子に流すためのビット線と、
前記磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向のアシスト磁場の発生に用いるアシスト電流を流すための書き込みワード線と、
前記ビット線に接続される第１ドライバ／シンカーと、
前記書き込みワード線に接続される第２ドライバ／シンカーと、
前記磁気抵抗効果素子に対するデータ書き込み時に前記第１ドライバ／シンカーを制御し、書き込みデータの値に応じて前記スピン注入電流の向きを決定すると共に、前記スピン注入電流の遮断のタイミングを決定する第１デコーダと、
前記データ書き込み時に前記第２ドライバ／シンカーを制御し、前記書き込みデータの値に応じて前記アシスト電流の向きを決定すると共に、前記アシスト電流の遮断のタイミングを前記スピン注入電流の遮断のタイミングよりも遅くする第２デコーダと
を具備することを特徴とするスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ。
前記ビット線と前記書き込みワード線とは、互いに交差する方向に延びることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ。
前記ビット線と前記書き込みワード線とは、互いに平行となる方向に延びることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ。
前記アシスト電流は、前記スピン注入電流を遮断してから５０ｎｓｅｃ以上経過した時点に遮断することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ。
前記アシスト電流の値は、１ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ。
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁気記録層の前記トンネルバリア層側とは反対側に前記磁気固着層の磁化方向に対して逆向きの磁化を持つ磁気固着層を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ。
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁気記録層の前記トンネルバリア層側とは反対側に前記磁気固着層の磁化方向に対して同じ向きの磁化を持つ磁気固着層を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ。
前記磁気記録層は、絶縁体又は誘電体により分離された複数の柱状層から構成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスピン注入磁気ランダムアクセスメモリ。
スピン注入電流を磁気抵抗効果素子に流し、スピン偏極電子を発生させることにより、前記磁気抵抗効果素子の磁気記録層の磁化方向を可変とし、
少なくとも前記スピン注入電流を遮断した後の所定期間、前記磁気抵抗効果素子に対して、前記磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向のアシスト磁場を印加し、
前記磁気記録層に対して書き込みを行うことを特徴とする書き込み方法。
前記所定期間は、５０ｎｓｅｃ以上の期間であることを特徴とする請求項９に記載の書き込み方法。