JP2008047739A - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】デュアル構成のＭＲ素子を使ったＭＲＡＭにおいて、さらに書き込み電流を低減し、ＭＲ素子の再生出力を向上させる。
【解決手段】磁気ランダムアクセスメモリは、２層以上の強磁性層を、間に非磁性中間層を介して積層した積層構造を具備し、前記積層構造中、前記強磁性層の一が情報を磁化の形で保持する記録層を構成し、書き込み電流を前記積層構造の上端と下端の間で流す構成の磁気抵抗素子を含み、少なくとも一の強磁性層がホイスラー型合金膜を含む。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は一般にメモリ素子に係り、特に電流によるスピン注入磁化反転によって強磁性層中に記録情報を書き込み、また電流によって書き込まれた記録情報を続み出す磁気ランダムアクセスメモリに関する。

不揮発メモリとして、電流によるスピン注入磁化反転によって強磁性層に記録情報を書き込み、また電流によって書き込まれた記録情報を続み出す磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が提案されている。かかるＭＲＡＭは高速動作し、高集積化に適した構造を有し、放射線耐性が大きく、読み出し時の消費電力が少ない好ましい特徴を有しており、精力的な研究がなされている。
特開２００５−１５０４８２号公報 特開２０００−２８６４７８号公報 特開２００５−６４１４１号公報 IEEE Transactionson Magnetics, vol. 41, No.10 (2005) p.2621, 2005 Applied Physics Letters 87, (2005), p.232502 Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159 (1996) L1-L7.

図１Ａ，１Ｂは、特許文献１および非特許文献１による従来のスピン注入磁化反転素子を使ったＭＲＡＭ１０の構成を示す。ただし図１Ａは、かかるＭＲＡＭ１０の素子断面構造を、図１Ｂは、前記ＭＲＡＭ１０で使われるＭＲ素子１４の断面構造を示す。

図１Ａを参照するに、前記ＭＲＡＭ１０はシリコン基板１１上に形成されたメモリセルトランジスタＴｒを含み、前記メモリセルトランジスタＴｒは、ゲート電極１３に対応して前記シリコン基板１１中に形成されるチャネル領域の両側に形成されたソース領域１１ａとドレイン領域１１ｂを有し、前記ゲート電極１３は前記シリコン基板１１上にゲート絶縁膜１２を介して形成されている。

前記シリコン基板１１は、前記ゲート電極１３も含めて、図示しない層間絶縁膜により覆われており、前記ソース領域１１ａには、前記層間絶縁膜上に形成されたソース電極１１Ａが、導体プラグ１１ｐを介して接続されている。また前記ドレイン領域１１ｂには、前記層間絶縁膜上に形成されたドレイン電極１１Ｂが、導体プラグ１１ｑを介して接続されている。

さらに前記ソース電極１１Ａおよびドレイン電極１１Ｂは、図示しない別の層間絶縁膜により覆われ、前記別の層間絶縁膜中には、前記ドレイン電極１１Ｂ上に、図１Ｂに示す磁気抵抗（ＭＲ）素子１４が形成される。さらに前記別の層間絶縁膜上にはビット線が、前記ＭＲ素子１４に接続されて形成される。

図１Ｂは、前記ＭＲ素子１４の構成を詳細に示す。

図１Ｂを参照するに、前記ＭＲ素子１４は、前記ドレイン電極１１Ｂ上に形成される下地層１４Ａと、前記下地層１４Ａ上に形成された反強磁性層よりなる第１のピニング層１４Ｂと、前記第１のピニング層１４Ｂ上に形成された強磁性層よりなり、磁化方向が前記第１のピニング層１４Ｂにより固定されている第１のピンド層１４Ｃと、前記第１のピンド層１４Ｃ上に形成された非磁性中間層１４Ｄと、前記非磁性中間層１４Ｄ上に形成され、磁化方向を書き込み情報により変化させる強磁性層よりなるフリー層１４Ｅと、前記フリー層１４Ｅ上に形成された非磁性中間層１４Ｆと、前記非磁性中間層１４Ｆ上に形成され磁化方向が固定された強磁性層よりなる第２のピンド層１４Ｇと、前記第２のピンド層１４Ｇ上に形成され、反強磁性層よりなり、前記第２のピンド層１４Ｇの磁化方向を固定する第２のピニング層１４Ｈとより構成される。ここで前記第１のピンド層１４Ｃの磁化方向と第２のピンド層１４Ｇの磁化方向は反平行に設定される。

かかる構成のＭＲＡＭ１０では、前記ＭＲ素子１４の抵抗が、前記フリー層１４Ｅの磁化方向により、前記フリー層１４Ｅの磁化方向が前記ピンド層１４Ｃと平行な場合には低く、また反平行な場合には高く変化し、このＭＲ素子１４の抵抗の変化を前記メモリセルトランジスタＴｒを介して読み取ることにより、前記ＭＲ素子１４が保持している情報が読み出される。

またかかる構成のＭＲＡＭ１０において、前記ＭＲ素子１４に保持されている情報を書き換える場合には、前記ＭＲ素子１４に、前記読み取り時に前記ＭＲ素子１４に流されるよりも大きな所定の書き込み電流を流すことで、前記フリー層１４Ｅの磁化を反転させる。図１Ｂの構成のＭＲ素子１４を使った場合、前記第１のピンド層１４Ｃ，第２のピンド層１４Ｇが、それぞれのスピンフィルタとして作用し、微少な電流によって前記フリー層１４Ｅの磁化を反転させることが可能となる。

例えば前記第２のピンド層１４Ｇの側から書き込み電流を前記フリー層１４Ｅに注入した場合、前記書き込み電流中、前記第２のピンド層１４Ｇの磁化方向に対応した、例えばアップスピン電子は前記ピンド層１４Ｇで反射され、書き込み電流中のダウンスピン電子だけが前記フリー層１４Ｅに到達する。また前記フリー層１４Ｅを通過したダウンスピン電子はその下の第１のピンド層１４Ｃにより反射され、前記フリー層１４Ｅに戻される。その結果、前記フリー層１４Ｅに供給されるダウンスピン電子よりなる書き込み電流の見かけの大きさが増大し、前記フリー層１４Ｅにおいて効率的に磁化の反転が誘起される。

一方、前記第１のピンド層１４Ｃの側から書き込み電流を前記フリー層１４Ｅに注入した場合、前記書き込み電流中、前記第１のピンド層１４Ｃの磁化方向に対応した、例えばダウンスピン電子は前記ピンド層１４Ｃで反射され、書き込み電流中のアップスピン電子だけが前記フリー層１４Ｅに到達する。また前記フリー層１４Ｅを通過したアップスピン電子は、その上の第２のピンド層１４Ｇにより反射され、前記フリー層１４Ｅに戻される。その結果、前記フリー層１４Ｅに供給されるアップスピン電子よりなる書き込み電流の見かけの大きさが増大し、前記フリー層１４Ｅにおいて効率的に磁化の反転が誘起される。

このように、図１に示す、いわゆるデュアル構造のＭＲ素子１４は、書き込み反転電流を効果的に抑制することができるが、実際には層１４Ｂ〜１４Ｅよりなる第１のＭＲ素子と、これとは逆極性で抵抗を変化させる層１４Ｅ〜１４Ｈよりなる第２のＭＲ素子が直列接続された構成となっているため、読み出し動作時に二つのＭＲ素子の再生出力が相殺されてしまう。この問題を回避し再生十分な再生出力を得るために、前記非磁性中間層１４ＤとしてＡｌＯｘ層よりなるトンネル絶縁膜を使い、非磁性中間層１４ＦとしてＣｕ層を使う非対称な構成を採用している。この場合、一方のＭＲ素子がＡｌＯｘ層を非磁性中間層１４ＤとしたＴＭＲ素子となり、他方のＭＲ素子が、Ｃｕ層を非磁性中間層１４ＦとしたＧＭＲ素子となる。

さらに前記非特許文献２は、このようなＭＲＡＭを構成するＴＭＲ素子において、非磁性中間層にＭｇＯを使うことにより電子のコヒーレントトンネリングを実現し、ＴＭＲ素子における書き込み電流、すなわち磁化反転電流を低減させることができることを記載している。

さらに非特許文献3は、このようなＭＲＡＭにおいて、ＭＲ素子を構成する強磁性層のスピン分極率を増大させることで、書き込み電流、すなわち磁化反転電流を低減させられることを報告している。

一方、このようなデュアル構成のＭＲ素子で、さらなる磁化反転電流の低減を実現しようとすると、二つのＭＲ素子のいずれをもコヒーレントトンネル構成とすることが考えられるが、このような構成では素子抵抗が極端に大きくなってしまい、再生出力がかえって相殺されてしまう問題が生じてしまい、このため一方のＭＲ素子においてしか、スピン分極率を増大させることができない。

本発明は、このようなデュアル構成のＭＲ素子を使ったＭＲＡＭにおいて、さらに書き込み電流を低減し、ＭＲ素子の再生出力を向上させることを課題とする。

一の側面によれば本発明は、２層以上の強磁性層を、間に非磁性中間層を介して積層した積層構造を具備し、前記積層構造中、前記強磁性層の一が情報を磁化の形で保持する記録層を構成し、書き込み電流を前記積層構造の上端と下端の間で流す構成の磁気抵抗素子を含む磁気ランダムアクセスメモリにおいて、少なくとも一の強磁性層がＣｏ₂ＹＸ（Ｙ＝Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｘ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）型のホイスラー型合金膜を含むことを特徴とする磁気アクセスメモリを提供する。

本発明によれば、デュアル構成のＭＲ素子を有するＭＲＡＭにおいて、スピン分極率の大きいホイスラー合金をＭＲ素子の強磁性層に使うことにより、ＭＲＡＭの書き込み電流のさらなる低減が達成される。

［原理］
図１Ａ，１Ｂに示すようなＭＲＡＭのフリー層においてスピン注入磁化反転を行う場合、必要な電流密度は、平行磁化状態から反平行磁化状態に磁化反転させる場合は、

で表され、
また反平行磁化状態から平行磁化状態に磁化反転させる場合は、

で表される。ただしここでｅは電子電荷、ｔはフリー層の膜厚、Ｍｓはフリー層の飽和磁化、αはダンピング定数、γは磁気ジャイロ定数、Ｈaniはフリー層の磁気異方性磁界、Ｈeffは外部磁界、μ_Bはボーア磁子，ｇ（０）は、磁化平行配列から反平行配列への反転の際のスピン注入磁化反転効率を、またｇ（π）は、磁化反平行配列から平行配列への反転のときのスピン注入磁化反転効率を示す。

本発明のＭＲＡＭでは、スピンフィルタされた書き込み電流により、フリー層の磁化が、反平行磁化状態から平行磁化状態に反転させられるため、上記数２の式が適用されるが、図２Ａに示すように、前記式１の分母を構成するスピン注入磁化反転効率ｇ（０）は、スピン分極率が増大しても１以下の値で収斂するのに対し、図２Ｂに示すように前記式２の分母を構成するスピン注入磁化反転効率ｇ（π）は、スピン分極率と共に急激に増大し、このことから、ＭＲＡＭにおいてスピンフィルタされた書き込み電流によりフリー層の磁化反転を効率良く、すなわち低い電流密度で実現するには、スピン分極率の高い材料を強磁性層として使うのが望ましいことがわかる。

そこで本発明は、このようなスピン分極率の高い材料として、ホイスラー合金を使うことを提案する。

［第１の実施形態］
図３Ａは、本発明の第１の実施形態によるＭＲＡＭ２０の構成を示す。

図３Ａを参照するに、前記ＭＲＡＭ２０はシリコン基板２１上に形成されたメモリセルトランジスタＴｒを含み、前記メモリセルトランジスタＴｒは、ゲート電極２３に対応して前記シリコン基板２１中に形成されるチャネル領域の両側に形成されたソース領域２１ａとドレイン領域２１ｂを有し、前記ゲート電極２３は前記シリコン基板２１上にゲート絶縁膜２２を介して形成されている。

前記シリコン基板２１は、前記ゲート電極２３も含めて、図示しない層間絶縁膜により覆われており、前記ソース領域２１ａには、前記層間絶縁膜上に形成されたソース電極２１Ａが、導体プラグ２１ｐを介して接続されている。また前記ドレイン領域２１ｂには、前記層間絶縁膜上に形成されたドレイン電極２１Ｂが、導体プラグ２１ｑを介して接続されている。

さらに前記ソース電極２１Ａおよびドレイン電極２１Ｂは、図示しない別の層間絶縁膜により覆われ、前記別の層間絶縁膜中には、前記ドレイン電極２１Ｂ上に、図３Ｂに示す磁気抵抗（ＭＲ）素子２４が形成される。さらに前記別の層間絶縁膜上にはビット線が、前記ＭＲ素子２４に接続されて形成される。

図３Ｂは、前記ＭＲ素子２４の構成を詳細に示す。

図２Ｂを参照するに、前記ＭＲ素子２４は、前記ドレイン電極２１Ｂ上に形成されるＴａよりなる第１の下地層２４Ａと、前記下地層２４Ａ上に形成されただＣｕよりなる第２の下地層２４Ｂを含み、前記下地層２４Ｂ上には、ＩｒＭｎなどの反強磁性層よりなる第１のピニング層２４Ｃが形成される。

さらに前記第１のピニング層２４Ｃ上には、組成がＣｏ₂ＦｅＳｉで表されるホイスラー合金よりなる第1のピンド層が形成されており、前記第1のピンド層上には、ＡｌＯｘよりなる第1の非磁性中間層２４Ｅを介して、組成が前記ピニング層２４Ｃと同様にＣｏ₂ＦｅＳｉで表されるホイスラー合金よりなるフリー層２４Ｆが形成される。

さらに前記フリー層２４Ｆ上には、Ｃｕよりなる第2の非磁性中間層２４Ｇを介して組成が、前記第1のピニング層２４Ｃと同様にＣｏ₂ＦｅＳｉで表されるホイスラー合金よりなる第２のピンド層２４Ｈが形成され、前記第２のピンド層２４Ｈ上には、ＰｔＭｎよりなる反強磁性ピニング層２４Ｉが形成される。

図３ＢのＭＲ素子２４では、前記第１のピンド層２４Ｄの磁化方向は前記反強磁性ピニング層２４Ｃにより固定され、また前記第２のピンド層２４Ｈの磁化方向は前記反強磁性ピニング層２４Ｉにより、前記第１のピンド層２４Ｄの磁化に対して反平行に固定される。また記録層を構成する前記フリー層２４Ｆの磁化方向は、書き込まれる情報に従って決定される。

かかる構成のＭＲＡＭ２０では、前記ＭＲ素子２４の抵抗が、前記フリー層２４Ｆの磁化方向如何により、前記フリー層２４Ｅの磁化方向が前記ピンド層２４Ｄと平行な場合には低く、また反平行な場合には高く変化し、このＭＲ素子２４の抵抗の変化を前記メモリセルトランジスタＴｒを介して読み取ることにより、前記ＭＲ素子２４が保持している情報が読み出される。

またかかる構成のＭＲＡＭ２０において、前記ＭＲ素子２４に保持されている情報を書き換える場合には、前記ＭＲ素子２４に、前記読み取り時に前記ＭＲ素子２４に流されるよりも大きな所定の書き込み電流を流すことで、前記フリー層２４Ｆの磁化を反転させる。図３Ｂの構成のＭＲ素子２４を使った場合、前記第１のピンド層２４Ｄ，第２のピンド層２４Ｈが、それぞれのスピンフィルタとして作用し、微少な電流によって前記フリー層２４Ｆの磁化を反転させることが可能となる。

例えば前記第２のピンド層２４Ｈの側から書き込み電流を前記フリー層２４Ｆに注入した場合、前記書き込み電流中、前記第２のピンド層２４Ｈの磁化方向に対応した、例えばアップスピン電子は、前記ピンド層２４Ｈで反射され、書き込み電流中のダウンスピン電子だけが前記フリー層２４Ｆに到達する。また前記フリー層２４Ｅを通過したダウンスピン電子はその下の第１のピンド層２４Ｄにより反射され、前記フリー層２４Ｆに戻される。その結果、前記フリー層２４Ｆに供給されるダウンスピン電子よりなる書き込み電流の見かけの大きさが増大し、前記フリー層２４Ｅにおいて効率的に磁化の反転が誘起される。

一方、前記第１のピンド層２４Ｆの側から書き込み電流を前記フリー層２４Ｆに注入した場合、前記書き込み電流中、前記第１のピンド層２４Ｃの磁化方向に対応した、例えばダウンスピン電子は前記ピンド層２４Ｄで反射され、書き込み電流中のアップスピン電子だけが前記フリー層２４Ｆに到達する。また前記フリー層２４Ｆを通過したアップスピン電子は、その上の第２のピンド層２４Ｈにより反射され、前記フリー層２４Ｆに戻される。その結果、前記フリー層２４Ｆに供給されるアップスピン電子よりなる書き込み電流の見かけの大きさが増大し、前記フリー層２４Ｆにおいて効率的に磁化の反転が誘起される。

このように、図１に示す、いわゆるデュアル構造のＭＲ素子１４は、書き込み反転電流を効果的に抑制することができる。また、二つのＭＲ素子が逆極性で直列接続された構成となっているため、読み出し動作時に二つのＭＲ素子の再生出力が相殺されてしまうのを回避し再生十分な再生出力を得るために、前記非磁性中間層２４ＥとしてＡｌＯｘ層を使い、非磁性中間層２４ＧとしてＣｕ層を使う非対称な構成を採用している。この場合、一方のＭＲ素子がＡｌＯｘ層を非磁性中間層２４Ｅとした、再生出力の大きなＴＭＲ素子となり、他方のＭＲ素子が、Ｃｕ層を非磁性中間層２４Ｇとした、再生出力の小さなＧＭＲ素子となる。そこで、実質的に前記ＴＭＲ素子の出力が、前記ＭＲ素子２４全体の出力として得られる。

次に、前記図３ＢのＭＲ素子２４の製造工程について説明する。

前記図３ＢのＭＲ素子２４の積層構造は、マグネトロンスパッタを使って形成することができる。

より具体的には、スパッタ処理装置内を背圧５×１０^-7Ｐａまで減圧し、さらにＡｒガスを導入して処理空間の圧力を０．１Ｐａに設定し、さらに５０〜１００Ｗのパワーで成膜を行う。

その際、前記下地層２４Ａは、Ｔａに限定されることはなく、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ｗ，ＮｉＣｒから選ばれる少なくとも一つの材料により構成することができる。

また前記下地層２４Ｂは、その上の反強磁性層２４Ｃを（１１１）配向させるために設けられた層であり、ｆｃｃ構造を有する材料であるのが好ましい。すなわち前記下地層２４ＢはＣｕに限定されるものではなく、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｐｄのいずれかより構成することができる。

また前記反強磁性層２４Ｃおよび２４Ｉは、なるべく互いに異なるブロッキング温度（反強磁性体と強磁性体の結合がなくなる温度）を有するのが好ましく、図示の例では前記反強磁性層２４ＣをＩｒＭｎにより、また前記反強磁性層２４ＩをＰｔＭｎにより構成しているが、前記反強磁性層２４Ｃを、ＩｒＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＩｒＲｈＭｎ，ＲｕＲｈＭｎなど、ブロッキング温度が低い反強磁性体より構成し、前記反強磁性層２４Ｉを、ＰｔＭｎ，ＰｄＭｎ，ＰｔＰｄＭｎ，ＮｉＭｎなど、ブロッキング温度が高い反強磁性体より構成することができる。

さらに前記ピンド層２４Ｄは、図示の例では組成がＣｏ₂ＦｅＳｉのホイスラー合金によりにより、１〜２０ｎｍの膜厚に形成されるが、これに限定されるものではなく、Ｃｏ₂ＦｅＳｉ，Ｃｏ₂ＦｅＧｅ，Ｃｏ₂ＦｅＧａ，Ｃｏ₂ＦｅＳｎ，Ｃｏ₂ＭｎＳｉ，Ｃｏ₂ＭｎＧｅ，Ｃｏ₂ＭｎＡｌ，Ｃｏ₂ＭｎＧａ，Ｃｏ₂ＭｎＳｎよりなる群から選ばれる材料により構成でき、二種類以上の材料を組み合わせることも可能である。特に組成がＣｏ₂ＦｅＸ（Ｘ＝Ｓｉ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｎ）のピンド層２４Ｄおよびフリー層２４Ｆは、表１の実験結果にあるように、ホイスラー合金層とＣｕ層間に形成される磁気デッドレイヤーの厚さが、他の場合の半分程度に減少し、またＣｕ非磁性中間層２４Ｇと積層した場合に磁気的な混合層をつくりにくく、膜厚制御や信頼性向上の観点から特に好ましいものである。この理由は、Ｍｎに比べてＦｅはＣｕとの固溶度が小さいためである。

前記ＡｌＯｘ非磁性中間層２４Ｅは、Ａｌ膜を約０．８ｎｍの膜厚に形成後、処理空間内に酸素を導入することにより、非常に薄く、かつ均一な膜に形成される。

さらに前記フリー層２４Ｆは、前記ピンド層２４Ｄと同じ材料群より選ばれ、図示の例では前記ピンド層２４Ｄと同一組成のホイスラー合金より構成されているが、同一のホイスラー合金である必要はない。

さらに前記非磁性中間層２４Ｇは、スピン分極した電子のスピン散乱の少ない材料よりなるのが望ましく、例えばＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｒなどより構成するのが好ましい。図示の例は、前記非磁性中間層２４ＧをＣｕにより形成している。

さらに前記ピンド層２４Ｈは、前記ピンド層２４Ｄと同様な材料群より選ばれ、図示の例では前記ピンド層２４Ｄと同じホイスラー合金Ｃｏ₂ＦｅＳｉより構成されている。ただし前記ピンド層２４Ｈが前記ピンド層２４Ｄと同一組成を有する必要はない。

さらに図３Ｂの構成において、前記反強磁性２４Ｉ上にＴａやＲｕなどよりなる保護膜を形成してもよい。

このようにして形成された図３Ｂに示す積層構造体では、第１回目の磁界中熱処理が、第1の方向に磁界を印加しながら３００℃の温度で施され、次いで第２回目の磁界中熱処理が、前記第１の方向から１８０度反転した第２の方向に磁界を印加しながら２５０℃の温度で施される。これにより、ブロッキング温度が低い反強磁性層２４Ｃに接するピンド層２４Ｄが、ブロッキング温度の高い反強磁性層２４Ｉに接するピンド層２４Ｈの磁化方向と反対の方向に磁化される。

このように本実施形態のＭＲ素子２４では、前記ピンド層２４Ｄ，フリー層２４Ｆおよびピンド層２４Ｈを、例えば組成がＣｏ₂ＦｅＳｉで表されるホイスラー合金により構成していることに注意すべきである。その結果、これらの層ではスピン分極率が非常に大きくなり、先に図２Ｂで説明したように、前記フリー層２４Ｆ中の磁化を反転させる際の書き込み電流を、大幅に低減することが可能となる。

図４は、このようにして得られたＭＲＡＭ２０におけるＭＲ素子２４の磁化反転特性を、前記ピンド層２４Ｄおよび２４Ｈ、および前記フリー層２４Ｆに従来のＣｏＦｅ合金を使った比較対照例と比較して示す。ただし図中、縦軸はＭＲ素子２４の抵抗値を示し、横軸は反転注入電流パルス密度の値（パルス幅５ｍｓ）を示す。また以下の表２は、図４に対応した、本実施形態のＭＲ素子２４および比較対照例の反転電流密度および熱揺らぎ耐性を示す。

図４および表２を参照するに、本実施形態により、反転電流密度が、比較対照例の５．１×１０⁷Ａ／ｃｍ²から、１．２４×１０⁷Ａ／ｃｍ²まで大幅に減少しており、それにもかかわらず、熱揺らぎ耐性の目安となるＥ₀／ｋ_BＴ（Ｅ₀は磁気異方性エネルギ、ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の値も５０以上が確保されており、本実施形態のＭＲ素子２４は書き込み電流が低減されるのみならず、熱的にも安定であることがわかる。

なお、表２にあるように、上記の実験は、前記ピンド層２４Ｄ，フリー層２４Ｆおよびピンド層２４Ｈを構成するＣｏ₂ＦｅＳｉ膜の膜厚を３ｎｍとした、大きさが９０×３３０ｎｍのＭＲ素子２４と、前記ピンド層２４Ｄ，フリー層２４Ｆおよびピンド層２４Ｈを構成するＣｏＦｅ膜の膜厚を２ｎｍとした、大きさが９０×１２０ｎｍの比較対照ＭＲ素子について行っている。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態によるＭＲ素子３４の構成を示す。ただし図５のＭＲ素子３４は、前記図３ＡのＭＲＡＭ２０において、前記ＭＲ素子２４を置き換えるものである。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図５を参照するに、本実施形態ではピンド層２４Ｄを、０．１〜５ｎｍの膜厚のＣｏＦｅ層２４Ｄａと組成がＣｏ₂ＦｅＳｉのホイスラー合金層２４Ｄｂの積層とし、その際、前記ＣｏＦｅ層２４Ｄａを下側、すなわち反強磁性層２４Ｃに接する側に形成する。

かかる構成によれば、ホイスラー合金層２４Ｄｂと反強磁性層２４Ｃの交換結合力が増大し、ピンド層２４Ｄのピニングをより安定化することができる。特に前記ＣｏＦｅ層２４Ｄａの膜厚を０．１〜１ｎｍ程度に設定することにより、上記効果を増大させることができる。

前記ピンド層２４Ｈにおいても同様で、本実施形態ではピンド層２４Ｈを、組成がＣｏ₂ＦｅＳｉのホイスラー合金層２４Ｈａと０．１〜５ｎｍの膜厚のＣｏＦｅ層２４Ｈｂとの積層とし、その際、前記ＣｏＦｅ層２４Ｈｂを上側、すなわち反強磁性層２４Ｉに接する側に形成する。

かかる構成によれば、ホイスラー合金層２４Ｈａと反強磁性層２４Ｉの交換結合力が増大し、ピンド層２４Ｈのピニングをより安定化することができる。特に前記ＣｏＦｅ層２４Ｈｂの膜厚を０．１〜１ｎｍ程度に設定することにより、上記効果を増大させることができる。

［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施形態によるＭＲ素子４４の構成を示す。ただし図６のＭＲ素子４４は、前記３ＡのＭＲＡＭ２０において、前記ＭＲ素子２４を置き換えるものである。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図６を参照するに、ＭＲ素子４４は、前記図５のＭＲ素子３４において、前記ＣｏＦｅ層２４Ｄａと反強磁性層２４Ｃとの間に、厚さが０．５〜１０ｎｍ程度のＣｏＦｅ層２４Ｄｃと厚さが０．５〜１ｎｍ程度のＲｕ層２４Ｄｅを積層した構造を、前記ＣｏＦｅ層２４Ｄｃが前記反強磁性層２４Ｃに接するように挿入し、前記ＣｏＦｅ層２４Ｄｃ，前記Ｒｕ層２４Ｄｅ，前記ＣｏＦｅピンド層２４Ｄａおよび前記Ｃｏ₂ＦｅＳｉピンド層２４Ｄｂにより、シンセティックフェリ構造を形成している。

かかる構成により、前記ピンド層２４Ｄと２４Ｈの間の交換結合力が高まり、前記ピンド層２４Ｄ，２４Ｈの磁化を安定化することができる。

また前記ピンド層２４Ｄｃとピンド層２４Ｄａ、従ってその上のピンド層２４Ｄｂは前記Ｒｕ膜２４Ｄｅを挟んで反平行配置となるため、前記第１の実施形態で２回行っている熱処理を一回行うだけで、ピンド層２４Ｄ、すなわちＣｏ₂ＦｅＳｉピンド層２４Ｄｂとピンド層２４Ｈ、すなわちＣｏ₂ＦｅＳｉピンド層２４Ｈａの磁化を反平行に設定することができる。これにより、本実施形態によれはＭＲＡＭの製造工程を簡素化することができる。

［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施形態によるＭＲ素子５４の構成を示す。ただし図７のＭＲ素子５４は、前記３ＡのＭＲＡＭ２０において、前記ＭＲ２４素子を置き換えるものである。

図７を参照するに、前記ＭＲ素子４４は前記下地層２４Ａおよび２４Ｂにそれぞれ相当する下地層５４Ａ，５４Ｂを積層し、さらにその上に前記ピニング層２４Ｃに相当するＩｒＭｎ強磁性層よりなるピニング層５４Ｄが積層される。

さらに前記ピニング層５４Ｄ上には、図６のＣｏＦｅピンド層２４Ｄｃに対応するＣｏＦｅピンド層５４Ｄが形成され、さらに前記ＣｏＦｅピンド層５４Ｄ上には、図６のＲｕ非磁性層２４Ｄｅに対応するＲｕ非磁性層５４Ｅを介して、図６のＣｏ₂ＦｅＳｉピンド層２４Ｄｂに相当するＣｏ₂ＦｅＳｉピンド層５４Ｆが形成され、前記Ｃｏ₂ＦｅＳｉピンド層５４Ｆ上には、前記図６のＡｌＯｘ非磁性中間層２４Ｅに対応して、ＭｇＯよりなる非磁性中間層５４Ｇが形成される。

さらに前記ＭｇＯ非磁性中間層５４Ｇ上には、ＣｏＦｅＢよりなるフリー層５４ＨとＣｏ2ＦｅＳｉよりなるフリー層５４Ｉが形成され、さらに前記フリー層54Ｉ上に図６のピンド層２４Ｈａおよび２４Ｈｂにそれぞれ対応するＣｏ₂ＦｅＳｉピンド層５４ＫおよびＣｏＦｅピンド層５４Ｌが形成される。さらに前記ピンド層５４Ｌ上には、図６のピニング層２４Ｉに相当するＰｔＭｎよりなる反強磁性ピニング層５４Ｍが形成される。

図７のＭＲ素子５４では、ＭｇＯ非磁性層５４ＧとＣｏＦｅＢフリー層５４Ｈを組み合わせることにより、ＭＲ素子の再生出力が増大し、ＭＲＡＭからの読み出しの信頼性を向上させることができる。

また図７のＭＲ素子はピンド層５４Ｋおよびフリー層５４Ｉとして、ホイスラー合金を使っているため書き込み電流を低減させることが可能である。

以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明は特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

本発明の関連技術によるＭＲＡＭの構成を示す図（その１）である。 本発明の関連技術によるＭＲＡＭの構成を示す図（その２）である。 本発明の原理を説明する図（その１）である。 本発明の原理を説明する図（その２）である。 本発明の第１の実施形態によるＭＲＡＭの構成を示す図（その１）である。 本発明の第１の実施形態によるＭＲＡＭの構成を示す図（その２）である。 本発明の効果を比較対照例と比較して示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示す図である。 本発明の第４の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０，２０ ＭＲＡＭ
１１，２１ シリコン基板
１１Ａ，２１Ａ ソース電極
１１Ｂ，２１Ｂ ドレイン電極
１１ａ，２１ａ ソース領域
１１ｂ，２１ｂ ドレイン領域
１１ｐ，１１ｑ，２１ｐ，２１ｑ 導電性プラグ
１２，２２ ゲート絶縁膜
１３，２３ ゲート電極
１４，２４，５４ ＭＲ素子
１４Ａ，２４Ａ，２４Ｂ，５４Ａ，５４Ｂ 下地層
１４Ｂ，２４Ｃ，５４Ｃ 反強磁性層
１４Ｃ，２４Ｄ，５４Ｄ，５４Ｆ ピンド層
１４Ｄ，２４Ｅ，５４Ｇ 非磁性中間層
１４Ｅ，２４Ｆ，５４Ｈ，５４Ｉ フリー層
１４Ｆ，２４Ｇ，５４Ｊ 非磁性中間層
１４Ｇ，２４Ｈ，５４Ｋ，５４Ｌ ピンド層
１４Ｈ，２４Ｉ，５４Ｍ 反強磁性層
１５，２５ ビット線
２４Ｄａ，２４Ｄｂ ピンド層
２４Ｈａ，２４Ｈｂ ピンド層
２４Ｄｃ ピンド層
２４Ｄｅ，５４Ｅ 非磁性層

Claims (9)

1. ２層以上の強磁性層を、間に非磁性中間層を介して積層した積層構造を具備し、前記積層構造中、前記強磁性層の一が情報を磁化の形で保持する記録層を構成し、書き込み電流を前記積層構造の上端と下端の間で流す構成の磁気抵抗素子を含む磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
   少なくとも一の強磁性層がＣｏ₂ＹＸ（Ｙ＝Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｘ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）型のホイスラー型合金膜を含むことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 前記ホイスラー型合金膜は、Ｃｏ_２ＦｅＸ（Ｘ＝Ａｌ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｂ，Ｇａ）で表される組成を有することを特徴とする請求項１記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 前記積層構造は、第１の強磁性層と、第１の非磁性中間層と、第２の強磁性層と、第２の非磁性中間層と、第３の強磁性層とを、第１の反強磁性層と第２の反強磁性層の間に順次積層した構成を有し、情報を前記第２の強磁性層に、磁化の形で保持し、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層は、互いに反平行な磁化を担持することを特徴とする請求項１または２記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 前記第１の非磁性中間層は非磁性絶縁膜よりなり、前記第２の非磁性中間層は非磁性導体膜よりなることを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層は、いずれもホイスラー合金よりなることを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層の各々は、ホイスラー合金膜と他の強磁性膜との積層よりなることを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 前記第１の強磁性層においては、前記他の強磁性膜が前記第１の反強磁性層に接して形成され、前記第２の強磁性層においては、前記他の強磁性膜が前記第２の反強磁性層に接して形成されることを特徴とする請求項６記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 前記第１および第３の強磁性層の一方は、第１の強磁性膜と第２の強磁性膜を非磁性膜Ｘで挟んだ構成を有し、Ｘ＝Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｃｒ，Ｒｅであることを特徴とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
9. 前記第１の強磁性層はＣｏＦｅＢ合金よりなり、前記第１の非磁性中間層はＭｇＯよりなり、前記第２の強磁性層は、ＣｏＦｅＢ合金膜とホイスラー合金膜の積層膜よりなり，前記第２の非磁性中間層２はＣｕ膜よりなり、前記第３の強磁性層は、ホイスラー合金よりなることを特微とする請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。

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