JP2008198792A - 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】ゼロ磁界にて高熱安定性を有する高速超低消費電力不揮発性メモリを提供する。
【解決手段】スピントランスファートルクによる書込み方式をもつ不揮発性磁気メモリを構成するトンネル磁気抵抗効果膜１において、絶縁層３０４と非磁性導電層３０５を強磁性自由層３０３に積層する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗素子、及びそれを装備した低消費電力不揮発性磁気メモリに関するものである。

将来の高集積磁気メモリに適用されるトンネル磁気抵抗効果素子として、Ａｌの酸化物を絶縁障壁層に用いたトンネル磁気抵抗効果素子（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)）、及び絶縁障壁層に酸化マグネシウムを用いたそれよりも数倍大きい磁気抵抗比が得られるトンネル磁気抵抗効果素子（S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004)）が知られている。さらに、磁性層にＣｏＦｅＢを用いたトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた低消費電力磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリが特開２００６−２６９５３０号公報に開示されている。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させて情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。

また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書あるいは特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。特開２００５−２９４３７６には、外部からの侵入磁界に対して安定にスピントランスファートルク磁化反転動作させる目的で、非磁性層を介して複数の強磁性層を積層した自由層を適用したトンネル磁気抵抗効果素子が開示されている。
J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995) Nature Material 3, 868(2004) 特開２００６−２６９５３０号公報 米国特許第５，６９５，８６４号明細書 特開２００２−３０５３３７号公報 特開２００５−２９４３７６号公報

高い信頼性をもつ低消費電力不揮発性磁気メモリの実現には、高出力トンネル磁気抵抗効果素子の自由層（記録層）において高い熱安定性と、スピントランスファートルク磁化反転による低電流書込み方式とを同時に満足する技術を開発する必要がある。しかしながら、トンネル磁気抵抗効果素子では、トンネル障壁層に１ｎｍ程度の薄い絶縁層を用いるために強磁性自由層と強磁性固定層の間に絶縁層を介した磁気的交換相互作用が働き、図１３（ａ）に示すようにマイナーループの中心がＨ_shift(A)となり、ゼロ磁界から正方向にシフトする。スピントランスファー磁化反転書込みでは、外部から磁界を印加し、このシフト磁界を打ち消さなければならない。一方、将来の大容量磁気メモリに用いられるトンネル磁気抵抗効果素子のサイズは１００ｎｍ以下になり、微細化がさらに進む。そのとき、トンネル磁気抵抗効果素子の磁性層端部から洩れ磁界が発生し、図１３（ｂ）に示すようにマイナーループの中心はＨ_shift(B)とゼロ磁界から負方向にシフトする。図１３（ａ）と図１３（ｂ）の足し合わせでマイナーループの中心が決まる。実際の磁気メモリへの応用にあたっては、このマイナーループの中心を図１３（ｃ）に示すようにゼロ磁界近傍へ合わせることが要求される。すなわち、Ｈ_shift(A)＋Ｈ_shift(B)≒０とする必要がある。従来は、主に磁性層端部の洩れ磁界の大きさを調整することによりマイナーループの中心をゼロ磁界へ制御する方法がとられてきた。しかし、洩れ磁界の大きさは磁性層材料や素子の寸法に依存するため、制御が極めて困難であり、別の手法により、マイナーループの中心を正確にゼロ磁界にあわせる必要がある。

本発明は、このようなマイナーループの中心をゼロ磁界に合わせ、かつ低電流書込みと熱擾乱に対して高い安定性を有するトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。

本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層に接して強磁性固定層の反対側に酸化物層等の絶縁層と非磁性導電層をこの順に積層させる。トンネル磁気抵抗効果素子のトンネル障壁層を構成する絶縁層に（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ層を、強磁性自由層及び強磁性固定層にＢを含むＣｏあるいはＦｅの体心立方格子をもつ化合物強磁性層を適用した場合、酸化物層に絶縁層（絶縁障壁層）よりも薄い（１００）配向した岩塩構造のＭｇＯ層を、非磁性導電層にＣｒなどの体心立方格子構造をもつ金属導電層を用いるときに最良の効果を得ることができる。

本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用することができる。

本発明によると、正確にゼロ磁界での低電流書込みと高い熱安定性、すなわち磁気情報の保持時間の長い高出力トンネル磁気抵抗素子が得られる。また、そのトンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリに装備することにより、不揮発性メモリを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に述べるトンネル磁気抵抗効果素子では、その強磁性自由層の磁化反転（スイッチング）を空間的な外部磁界ではなく主として、トンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンが強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与えることにより行う。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すこと自体で発生する。したがって、トンネル磁気抵抗効果素子に外部から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁化方向を読み出すために流す読み出し電流は、磁化反転を起こすための書き込み電流より小さく設定される。以下では、スピントランスファートルク磁化反転の起こる電流密度の閾値をＪcと定義した。

［実施例１］
図１は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。さらにスピントランスファートルク磁化反転を実施するために電子線描画装置とステッパを組み合わせたリソグラフィーを用いて、１００×２００ｎｍ²の寸法を有するトンネル磁気抵抗効果膜１を作製した。このトンネル磁気抵抗効果膜１は、配向制御層３００、強磁性固定層３０１、絶縁障壁層３０２、強磁性自由層３０３、絶縁層３０４、非磁性導電層３０５、保護層３０６により構成されている。電極４００，４０１をトンネル磁気抵抗効果膜１の上下に接して備えて、トンネル磁気抵抗効果素子を構成している。

次に、上記トンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用した場合における情報書込みと情報読出し方法について説明する。

まず情報書込みは、電極４００と電極４０１の間に電圧あるいは電流を印加し、トンネル磁気抵抗効果膜１の膜厚方向に電流を流すことによって生成するスピン電流から発生するスピントランスファートルクを強磁性自由層３０３に作用させ、強磁性自由層３０３の磁化方向を反転させ、例えば、強磁性自由層３０３の磁化方向が強磁性固定層３０１に対して平行なときを“０”、反平行なときを“１”として磁気情報を記録する。この際、スピン電流が強磁性自由層３０３に接した絶縁層３０４と非磁性導電層３０５を通って流れることにより本発明の効果が得られることが特徴である。

次に情報読出しについて述べる。強磁性自由層３０３と強磁性固定層３０１の磁化方向の相対角度を、電極４００と電極４０１の間に電圧あるいは電流を印加し、トンネル磁気抵抗効果膜１から発生する電流あるいは電圧を読取ることによって強磁性自由層３０３の磁化方向が、強磁性固定層３０１の磁化方向に対して平行か反平行かを識別し、情報を読み出す。これはトンネル磁気抵抗効果とよばれる。トンネル磁気抵抗効果は、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３の間の磁化方向に依存した抵抗の変化に起因する。例えば、強磁性固定層３０１の磁化方向に対して強磁性自由層３０３の磁化方向が平行なときトンネル磁気抵抗効果膜１の電圧は低く（電気抵抗が低く、電流は流れやすい）、反平行のときは電圧が高い（電気抵抗が高く、電流は流れにくい）。

次に、トンネル磁気抵抗膜１の強磁性自由層３０３の磁化方向情報の読出しに用いるトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）について説明する。電極４００と電極４０１を備えたトンネル磁気抵抗効果膜１を最大５００℃の温度まで熱処理することによりＴＭＲ比は最適化される。また、最大５Ｔ（テスラ）まで磁界を印加して熱処理を行うことにより、強磁性自由層３０３と強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に着磁でき、ＴＭＲ比の増大を図ることが可能である。

上記トンネル磁気抵抗効果膜１は、図２に示すトンネル磁気抵抗効果膜２のように、強磁性固定層と強磁性自由層の積層順が逆になってもかまわない。この場合のトンネル磁気抵抗効果膜２は、電極４０１上に、配向制御層３００、非磁性導電層３０５、絶縁層３０４、強磁性自由層３０３、絶縁障壁層３０２、強磁性固定層３０１、保護層３０６の順で積層される。

上記トンネル磁気抵抗効果膜１及びトンネル磁気抵抗効果膜２で使用する配向制御層３００は電極４０１側からＴａ／ＮｉＦｅなどの積層構成を有するが、Ｔａ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｔｉのような材料を組み合わせた多層構成やそれらの元素を用いた合金層などを用いてもよい。これらの配向制御層３００の材料は、強磁性固定層３０１や非磁性導電層３０５の結晶配向性及び結晶構造の最適化がなされ、トンネル磁気抵抗効果膜１及びトンネル磁気抵抗効果膜２のＴＭＲ比が最大限になるように選択される。例えば、強磁性固定層３０１にＣｏＦｅＢを用いた場合は、配向制御層３００はＴａ，Ｔａ／Ｒｕ／Ｔａ，Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａなど強磁性固定層３０１に接した層がＴａであることが望ましい。

絶縁障壁層３０２は、岩塩構造の（１００）配向ＭｇＯ（酸化マグネシウム）を用いることが望ましいが、アルミニウム酸化物（Ａｌ−Ｏ）、アルミニウム窒化物（Ａｌ−Ｎ）、マグネシウム窒化物（Ｍｇ−Ｎ）、シリコン酸化物（Ｓｉ−Ｏ）、シリコン窒化物（Ｓｉ−Ｎ）、チタン酸化物（Ｔｉ−Ｏ）や、Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｖ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｅｕ，Ｂｉ，ＰｂをＭｇＯ，Ａｌ−Ｏ，Ａｌ−Ｎ，Ｍｇ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ，Ｔｉ−Ｏに添加したもの、あるいはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｖ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｅｕ，Ｂｉ，Ｐｂの酸化物を用いてもかまわない。

強磁性固定層３０１及び強磁性自由層３０３に用いられる強磁性材料は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅや少なくともそれらのひとつを用いた合金によって構成される。その中でも大きなＴＭＲ比や低電流スピントランスファートルク磁化反転の得られる具体的な材料構成について表１に示す。表１に示した材料の多層構造を用いても構わない。

表１には、Ｃｏ−Ｆｅ系材料にＢを添加した構成、Ｎｉ−Ｆｅ系材料にＢを添加した構成、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｆｅ系材料にＢを添加した構成を例に挙げているが、添加元素はＢ以外にＴａ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｌ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどを単独で用いてもよいし複数用いてもよい。

ここで、表１に示したホウ素を含む材料とその作製方法について、ＣｏＦｅＢを例にあげて述べる。ＣｏＦｅＢは、製膜されたままの状態では、非結晶構造である。これを適当な温度で熱処理することにより結晶化し、ＴＭＲ比が増大する。例えばｘ＝２５atm％、ｙ＝２０atm％の組成を用いた場合、３２５℃以上の熱処理によりＣｏＦｅＢは体心立方格子に結晶化する。また、ＣｏＦｅＢを強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３に用いた場合、絶縁障壁層３０２は（１００）配向した岩塩構造をもつＭｇＯ層が良質に作製可能であり、熱処理することによりこの（１００）配向ＭｇＯ層をテンプレートにＣｏＦｅＢは（１００）配向をもつ体心立方格子へ結晶化する。このようにして作製されたトンネル磁気抵抗効果膜１及びトンネル磁気抵抗効果膜２のＴＭＲ比は、室温において最大５００％が得られる。ＣｏＦｅＢ以外に表１に挙げた材料においても、ＣｏＦｅＢと同様に、熱処理によって非結晶から結晶化する過程を経る。次に、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３にホウ素を含まない材料系として、ｙ＝０atm％に相当するＣｏＦｅを用いた場合を例に挙げて説明する。ＣｏＦｅは、ＣｏＦｅＢとは異なり、製膜されたままの状態では、非結晶ではなく結晶となる。特にｘ＝５０atm％では、その結晶構造は体心立方格子の（１１０）が主に配向した多結晶であり、熱処理を施しても結晶構造は変化しない。上記ＣｏＦｅと組み合わせて、絶縁障壁層３０２にＭｇＯ層を適用した場合、ＭｇＯの結晶構造とその配向性は岩塩構造の（１１１）配向が主となる。このときの最大ＴＭＲ比は１００％程度である。

絶縁層３０４と非磁性導電層３０５をこの順に組み合わせて強磁性自由層３０３に接して積層することにより、以下の２つの効果が得られる。絶縁層３０４と非磁性導電層３０５のどちらか一方が欠けてもいけない。ここで、本発明において最大の効果が得られる組み合わせである、絶縁層３０４に（１００）配向した岩塩構造を有するＭｇＯを用い、非磁性導電層３０５に（１００）配向した体心立方格子構造をもつＣｒを用いた場合について説明する。

まず一つ目の効果は、マイナーループのゼロ磁界シフト量を制御できることである。図１４に、Ｃｒ膜厚に対するマイナーループのゼロ磁界シフト量をプロットした結果の一例を示す。ゼロ磁界シフト量は、Ｃｒ膜厚に依存して振動的に変化し、Ｃｒ膜厚が矢印で示した膜厚付近に示すようにゼロ磁界シフト量がほぼ０になる点が存在する。ただし、ここに示した結果は一例であり、強磁性固定層３０１、強磁性自由層３０３、絶縁障壁層３０２の材料や膜厚によって振動の周期や大きさが変化するため、ゼロ磁界シフト量がゼロになるＣｒ膜厚は、材料構成により異なる。マイナーループのゼロ磁界シフト量制御は、これまで磁性層端部の洩れ磁界の大きさを調整することにより行われてきたが、本発明では、Ｃｒの膜厚を設定することによりゼロ磁界シフト量を０に設定できる点が新しい技術である。一方、図中の点線で示したデータは、非磁性導電層３０５に体心立方格子構造を持たない導電層を用いたときの特性を表す。このように、体心立方格子構造を持たない導電層の場合、ゼロ磁界シフト量は非磁性導電層３０５の膜厚の変化に対して振動せず、非磁性導電層３０５の膜厚で制御することができない。

この理由は以下の通りである。電子スピンは、（１００）配向した岩塩構造を有するＭｇＯ層を通過すると片方の向きをもつ電子スピンのみが選択的に透過する。その片方の向きをもつ電子スピンが体心立方格子構造をもつ導電層に入ると、多重反射が起こる。この多重反射してお互いに重なった電子スピンの波の振幅が導電層の膜厚に依存して強まったり弱まったりする。この電子スピンの重なりあった波の強弱が、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３の間の磁気結合を強めたり、弱めたりすることになる。

もうひとつの効果は、熱擾乱に対する高い安定性を維持したままスピントランスファートルク磁化反転の反転電流Ｊcを低減できることである。図１５の黒丸は、トンネル磁気抵抗効果膜１，２において、絶縁層３０４に（１００）配向した岩塩構造をもつＭｇＯ層を、非磁性導電層に体心立方格子構造をもつＣｒを用いたときの熱擾乱に対する安定性の指標であるＥ／ｋ_BＴ（Ｅ：磁化反転エネルギー、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：温度）に対するＪcのプロット結果を示す。図中の白丸は、トンネル磁気抵抗効果膜１，２において、絶縁層３０４と非磁性導電層３０５がない従来構成をもつ場合の特性を示す。Ｊcは、１−（Ｅ／ｋ_BＴ）^-1に比例して、Ｅ／ｋ_BＴを大きくして熱擾乱耐性を増大させようとするとＪcも増大し、低消費電力の磁気メモリを実現する上で問題となる。本実施例では、従来構成に比べて同じＥ／ｋ_BＴで比較したときＪcが低減されていることがわかる。これは、絶縁層３０４と非磁性導電層３０５の界面において電子のスピン方向に依存した多重反射がおき、強磁性自由層３０３に作用するスピントランスファートルクの効率が増大するためである。

ここで、絶縁層３０４と障壁層３０２の膜厚の設定について詳細を述べる。トンネル磁気抵抗効果膜１の抵抗Ｒ₁は、障壁層３０２で発生する抵抗をＲ₃₀₂、絶縁層３０４で発生する抵抗をＲ₃₀₄とした場合、Ｒ₁≒Ｒ₃₀₂＋Ｒ₃₀₄となる。さらに、Ｒ₃₀₂はトンネル磁気抵抗効果を発生する抵抗になるので、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３の磁化方向が平行、反平行でそれぞれ低抵抗、高抵抗と２状態をとる。ここで、Ｒ₃₀₂において低抵抗をＲ_302,L、高抵抗をＲ_302,Hとする。一方、Ｒ₃₀₄は、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３の磁化方向に依存しないトンネル磁気抵抗効果を発生しない抵抗であるので、寄生抵抗となる。ＴＭＲ比は、（Ｒ_302,H＋Ｒ₃₀₄）／（Ｒ_302,L＋Ｒ₃₀₄）×１００（％）となる。

図１８に、障壁層３０２の膜厚をｔ₃₀₂、絶縁層３０４の膜厚をｔ₃₀₄としたとき、ｔ₃₀₄／ｔ₃₀₂に対するＴＭＲ比の変化について示す。図１８のように、ｔ₃₀₂／ｔ₃₀₄＜１になるとＴＭＲ比は急激に低減することになるので、障壁層３０２の厚さは、絶縁層３０４の厚さより厚い必要がある。また、絶縁層３０４が０．５ｎｍ以下では、ＴＭＲ比の減少はないが、絶縁層が安定な層構造を形成できないため、マイナーループ中心の制御とＪc低減の効果は弱くなる場合がある。したがって、絶縁層３０４の厚さは、０．５ｎｍ以上であることが望ましい。例えば、スピントランスファートルク磁化反転を用いて強磁性自由層３０３の磁気情報を記録する方式では、ＭｇＯ膜厚は１ｎｍ近傍に設計されることが多いので、図１８の条件を満たす絶縁層３０４の膜厚として、０．５ｎｍから０．８５ｎｍの間の膜厚に設定されることが望ましい。

次に、絶縁層３０４と非磁性導電層３０５に選択される材料についての特徴を述べる。体心立方格子絶縁層３０４に用いることが可能な材料として、岩塩構造の（１００）配向ＭｇＯ以外に、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、チタン酸化物や、Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｖ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｅｕ，Ｂｉ，ＰｂをＭｇＯ，Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ，Ｍｇ−Ｎ、Ｓｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ，Ｔｉ−Ｏに添加したもの、あるいはＣａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｖ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｅｕ，Ｂｉ，Ｐｂの酸化物を用いてもかまわない。これらは、１ｎｍ以下の薄い膜厚であっても、安定した薄膜を形成する。上記の酸化物材料や窒化物材料を絶縁層３０４に用いることにより、絶縁層３０４を片方の方向をもつ電子スピンが効率よく透過し、非磁性導電層３０５へ流れ込むことが可能となり、電子スピンの多重反射効果を効率よく引き起こすことができ、ひいては低Ｊcを実現可能となる。この電子スピンの透過効率は、ＣｏＦｅＢを強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３に用いた場合は、それらの電子構造の整合性から（１００）配向の岩塩構造を有するＭｇＯ膜が最も大きくなる。

一方、非磁性導電層３０５には体心立方格子構造をもつ（１００）配向したＣｒが最も望ましいが、多結晶であってもかまわない。また、絶縁層３０４に（１００）配向の岩塩構造を有するＭｇＯを用いた場合に、Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｗなどの体心立方格子構造をもつ導電性材料を用いることが好ましい。これらの材料では、その特有の電子構造に起因して絶縁層３０４を通過した電子スピンの多重反射を引き起こすことが可能である。

［実施例２］
図３と図４は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜３とトンネル磁気抵抗効果膜４を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜３は、トンネル磁気抵抗効果膜１の構成において、配向制御層３００と強磁性固定層３０１の間に反強磁性層３０７を設けた構成を、トンネル磁気抵抗効果膜４は、トンネル磁気抵抗効果膜２の構成において、強磁性固定層３０１と保護層３０６の間に反強磁性層３０７を設けた構成をそれぞれ示す。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、反強磁性層３０７以外、実施例１と同様である。

本実施例の反強磁性層３０７は、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に強く安定に固定するために用いられる。実施例１における強磁性固定層３０１の磁化は、１００Ｏｅ（エルステド）程度の磁界で反転するのに対して、本実施例では、５００Ｏｅの磁界まで磁化反転は起きず安定に磁化方向を固定できる。反強磁性層３０７に用いられる材料は、Ｍｎを含む合金あるいは焼結体であることが望ましく、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＭｎＩｒＣｒ，ＭｎＣｒＰｔ，ＭｎＦｅなどを用いることが可能である。また、そのほかのＭｎを用いない反強磁性層を用いてもよい。反強磁性層３０７にＭｎを含む反強磁性層を用いた場合、上記のように強磁性固定層３０１の磁化を安定して一方向に固定できるが、Ｍｎの熱拡散のため熱処理に対する耐性が低下する。例えば、実施例１に示したＭｎを含む反強磁性層３０７を用いないトンネル磁気抵抗効果膜１，２では、４５０℃以上の熱処理でもＴＭＲ比は低減しないが、本実施例に示すトンネル磁気抵抗効果膜３，４では、４５０℃以上の熱処理でＴＭＲ比は減少する。なお、トンネル磁気抵抗効果膜３及びトンネル磁気抵抗効果膜４において、最大ＴＭＲ比はそれぞれ２５０％、２００％であった。

本実施例で示したトンネル磁気抵抗効果膜３とトンネル磁気抵抗効果膜４を用いたトンネル磁気抵抗効果素子においても、実施例１と同様に、図１５に示すＪcとＥ／ｋ_BＴの特性を示し、高い熱擾乱安定性を維持し、かつ低いＪcをもつ。また、非磁性導電層３０５の膜厚を制御することによってマイナーループのゼロ磁界シフトをほぼゼロにすることができる。

［実施例３］
図５と図６は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜５とトンネル磁気抵抗効果膜６を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜５は、トンネル磁気抵抗効果膜３の構成において、強磁性固定層３０１が、第一の強磁性層３０１１、第一の非磁性層３０１２、第二の強磁性層３０１３からなる構成をもつ。一方、トンネル磁気抵抗効果膜６は、トンネル磁気抵抗効果膜４の構成において、強磁性固定層３０１が、第一の強磁性層３０１１、第一の非磁性層３０１２、第二の強磁性層３０１３からなる構成を有する。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、強磁性固定層３０１以外、実施例２と同様である。

第一の強磁性層３０１１と第二の強磁性層３０１３は、第一の非磁性層を介して磁化方向が反平行に結合し、このような強磁性固定層３０１を積層フェリ固定層と呼ぶ。また、第二の強磁性層３０１３は反強磁性層３０７に隣接し、第二の強磁性層３０１３の磁化は反強磁性層３０７との交換結合により一方向に固定され、強磁性固定層３０１の磁化方向が固定されることになる。このような積層フェリ固定層を適用することにより、実施例２の場合よりもさらに２倍以上安定して磁化方向を一方向に固定できる。本実施例で示した第一の強磁性層３０１１と第二の強磁性層３０１３に用いた材料は、実施例１で示した表１に記載した材料や、実施例１で述べた強磁性固定層に用いた材料を適用することが可能である。また、第一の非磁性層３０１２は、特にＲｕを用いることが好ましいが、上記第一の強磁性層３０１１と第二の強磁性層３０１３の磁化が反平行に結合するような材料で構成してもよい。

本実施例におけるトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲ比、ＪcとＥ／ｋ_BＴの特性は実施例２と同様であった。また、非磁性導電層３０５の膜厚を制御することによってマイナーループのゼロ磁界シフトをほぼゼロにすることができる。

［実施例４］
図７と図８に、本発明のトンネル磁気抵抗効果膜７とトンネル磁気抵抗効果膜８を備えるトンネル磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。トンネル磁気抵抗効果膜７は、トンネル磁気抵抗効果膜１の構成において、強磁性自由層３０３が、第三の強磁性層３０３１、第二の非磁性層３０３２、第四の強磁性層３０３３からなる構成をもつ。一方、トンネル磁気抵抗効果膜８は、トンネル磁気抵抗効果膜２の構成において、強磁性自由層３０３が、第三の強磁性層３０３１、第二の非磁性層３０３２、第四の強磁性層３０３３からなる構成を有する。上記第三の強磁性層３０３１と第四の強磁性層３０３３は、第二の非磁性層を介して磁化方向が反平行に結合し、このような強磁性自由層３０３を積層フェリ自由層と呼ぶ。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、強磁性自由層３０３以外、実施例１と同様である。

本実施例で示した強磁性自由層３０３を構成する第三の強磁性層３０３１と第四の強磁性層３０３３に用いた材料は、実施例１で示した表１に記載した材料や、実施例１で述べた強磁性自由層に用いた材料を適用することが可能である。また、第二の非磁性層３０３２は、特にＲｕを用いることが好ましいが、ＩｒやＣｒなど上記第三の強磁性層３０３１と第四の強磁性層３０３３の磁化が反平行に結合するような材料で構成してもよい。また、強磁性固定層３０１は、強磁性自由層３０３に比べて保磁力が大きくなるように、その材料膜厚を設定する。

本実施例のトンネル磁気抵抗効果膜７，８のＪcとＥ／ｋ_BＴの関係を図１５中の黒四角で示す。また、トンネル磁気抵抗効果膜７，８において絶縁層３０４と非磁性導電層３０５を具備しない従来構造を図中白四角で示す。積層フェリ構造を強磁性自由層３０３に適用し、絶縁層３０４と非磁性導電層３０５を備えることにより、実施例１〜３で述べたトンネル磁気抵抗効果膜１〜６に比べ２倍以上熱擾乱安定性を増大でき、高い熱擾乱安定性を確保しＪcを低減することが可能になる。

本実施例のように積層フェリ構造を強磁性自由層３０３に適用し、絶縁層３０４と非磁性導電層３０５を備えたトンネル磁気抵抗効果素子では、実施例１で述べた方法と同様に、非磁性導電層３０５の膜厚を変化させることによりマイナーループのゼロ磁界シフト量を制御し、それがゼロになるように非磁性導電層３０５の膜厚を設定することができるが、積層フェリ構造では保磁力が実施例１の構成に比べ４倍以上大きくなるためマイナーループの中心をより安定にゼロ磁界近傍に設定することができる。

［実施例５］
図９と図１０は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜９とトンネル磁気抵抗効果膜１０を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜９は、実施例４に示したトンネル磁気抵抗効果膜７の構成において、配向制御層３００と強磁性固定層３０１の間に反強磁性層３０７を設けた構成を、トンネル磁気抵抗効果膜１０は、トンネル磁気抵抗効果膜８の構成において、強磁性固定層３０１と保護層３０６の間に反強磁性層３０７を設けた構成をそれぞれ示す。本実施例の反強磁性３０７は、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に強く安定に固定するために用いられる。実施例４における強磁性固定層３０１の磁化は、１００Ｏｅ程度の磁界で反転するのに対して、本実施例では、５００Ｏｅの磁界まで磁化反転は起きず安定に磁化方向を固定できる。反強磁性層３０７に用いられる材料は、実施例２に示した材料と同様である。

本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子においても、図１５に示した実施例４と同様のＪcとＥ／ｋ_BＴの特性を示し、高い熱擾乱安定性を維持し、且つ低いＪcをもつ。また、非磁性導電層３０５の膜厚を制御することによってマイナーループのゼロ磁界シフトをほぼゼロにすることができる。

［実施例６］
図１１と図１２は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜１１とトンネル磁気抵抗効果膜１２を備えるトンネル磁気抵抗効果素子の断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜１１は、実施例５に示したトンネル磁気抵抗効果膜９の構成において、強磁性固定層３０１が、第一の強磁性層３０１１、第一の非磁性層３０１２、第二の強磁性層３０１３からなる。一方、トンネル磁気抵抗効果膜１２は、トンネル磁気抵抗効果膜１０の構成において、強磁性固定層３０１が、第一の強磁性層３０１１、第一の非磁性層３０１２、第二の強磁性層３０１３からなる。上記第一の強磁性層３０１１と第二の強磁性層３０１３は、第一の非磁性層３０１２を介して磁化方向が反平行に結合した積層フェリ固定層を構成する。また、第二の強磁性層３０１３は反強磁性層３０７に隣接し、第二の強磁性層３０１３の磁化は反強磁性層３０７との交換結合により一方向に固定され、強磁性固定層３０１の磁化方向が固定されることになる。

このような積層フェリ固定層を適用することにより、実施例５の場合よりもさらに２倍以上安定して磁化方向を一方向に固定できる。本実施例で示した第一の強磁性層３０１１と第二の強磁性層３０１３に用いた材料は、表１に記載した材料や、実施例１で述べた強磁性固定層に用いた材料を適用することが可能である。また、第一の非磁性層３０１２は、特にＲｕを用いることが好ましいが、上記第一の強磁性層３０１１と第二の強磁性層３０１３の磁化が反平行に結合するような材料で構成してもよい。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子のＴＭＲ比、ＪcとＥ／ｋ_BＴの特性は実施例４と同様であった。

本実施例は、積層フェリ構造を強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３の両方に適用していることから、それぞれの層の端部から発生する洩れ磁界が小さい。そのため、実施例１〜５に示したトンネル磁気抵抗効果素子に比べて、マイナーループ中心をゼロ磁界に調整することが容易になる。

［実施例７］
図１６は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。図中トンネル磁気抵抗効果膜２００に示した部分に、実施例１〜６に示したトンネル磁気抵抗効果膜１〜１２を搭載する。

Ｃ−ＭＯＳ１００は、２つのｎ型半導体１０１，１０２と一つのｐ型半導体１０３からなる。ｎ型半導体１０１にドレインとなる電極２１が電気的に接続され、電極４１及び電極４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１０２には、ソースとなる電極２２が電気的に接続されている。さらに２３はゲート電極であり、このゲート電極２３のＯＮ／ＯＦＦによりソース電極２２とドレイン電極２１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する。上記ソース電極２２に電極４５、電極４４、電極４３、電極４２、電極４０１が積層され、電極４０１を介してトンネル磁気抵抗効果膜１〜１２のいずれかで構成されるトンネル磁気抵抗効果膜２００が接続されている。電極４０１は、実施例１から実施例６と同様にトンネル磁気抵抗効果素子を構成する配向制御層３００に接続している。ここで図１６に示した電極４０１は、実施例１〜６に示した電極４０１を延長したものと同義である。

電極４００はトンネル磁気抵抗効果膜２００の保護層３０６に接続されている。この電極４００は、磁気メモリセルのビット線と共用して使用することが可能である。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果膜２００に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果膜２００の強磁性自由層３０３の磁化方向を回転し磁気情報を記録する。スピントランスファートルクは、空間的な外部磁界ではなく主として、トンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがトンネル磁気抵抗効果膜２００の強磁性自由層３０３の磁気モーメントにトルクを与える原理である。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果膜２００に電流を流すこと自身で発生するメカニズムをもつ。したがって、トンネル磁気抵抗効果膜２００に外部から電流を供給する手段を備え、その手段から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。本実施例では、ビット線と共用する電極４００と電極４７の間に電流が流れることにより、トンネル磁気抵抗効果膜２００中の強磁性自由層３０３にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。

図１７は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極２３とビット線を共用する電極４００がメモリセル５００に電気的に接続されている。上記磁気メモリセルを配置することにより低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。

本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第一の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第二の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第三の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第四の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第五の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第六の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第七の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第八の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第九の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第十の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第十一の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第十二の構成例を示した図である。 （ａ）はトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層と強磁性固定層の間に磁気的相互作用が働いたときのマイナーループの概念図、（ｂ）はトンネル磁気抵抗効果素子の端部から漏洩する磁界が強磁性自由層に作用した場合のマイナーループの概念図、（ｃ）は（ａ）と（ｂ）に示した作用が足し合わされた場合のマイナーループの概念図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子のゼロ磁界シフト量と非磁性導電層の厚さの関係を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子のＪcとＥ／ｋ_BＴの関係を、従来技術と比較して示した図である。 本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。 本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。 障壁層の膜厚ｔ₃₀₂と絶縁層の膜厚ｔ₃₀₄の比ｔ₃₀₄／ｔ₃₀₂に対するＴＭＲ比の変化を示した図である。

符号の説明

１〜１２…トンネル磁気抵抗効果膜、１００…トランジスタ、１０１…第一のｎ型半導体、１０２…第二のｎ型半導体、１０３…ｐ型半導体、２１…ソース電極、２２…ドレイン電極、２３…ゲート電極、２００…トンネル磁気抵抗効果膜、３００…配向制御層、３０１…強磁性固定層、３０２…絶縁障壁層、３０３…強磁性自由層、３０４…絶縁層、３０５…非磁性導電層、３０６…保護層、３０７…反強磁性層、３０１１…第一の強磁性層、３０１２…第一の非磁性層、３０１３…第二の強磁性層、３０３１…第三の強磁性層、３０３２…第二の非磁性層、３０３３…第四の強磁性層、４２…電極配線、４３…電極配線、４４…電極配線、４５…電極配線、４７…電極、４００…電極、４０１…電極、５００…磁気メモリセル

Claims (15)

1. 強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第１の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第１の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜とを有し、
   前記強磁性自由層の磁化を反転させる時には、少なくとも前記非磁性導電層、前記第２の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第１の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に電流を流し、
   前記強磁性自由層の磁化方向を検知する時には、少なくとも前記強磁性自由層、前記第１の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に電流を流すことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化を反転させ、トンネル磁気抵抗効果により前記強磁性固定層の磁化方向に対する前記強磁性自由層の磁化方向を検知することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記トンネル磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
4. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層の磁化方向を固定するための反強磁性層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
5. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層は非磁性層を挟んで磁化方向が反平行に結合した第１の強磁性層と第２の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
6. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性自由層は非磁性層を挟んで磁化方向が反平行に結合した第１の強磁性層と第２の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
7. 請求項１記載の磁気抵抗効果素子において、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層より膜厚が薄く、（００１）配向した岩塩構造を有するＭｇＯであり、前記非磁性導電層は体心立方格子構造を有する（１００）配向したＣｒであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
8. 強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第１の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第１の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜と、
   情報書き込み時に、少なくとも前記非磁性導電層、前記第２の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第１の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に書き込み電流を流す手段と、
   情報読み出し時に、少なくとも前記強磁性自由層、前記第１の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に読み出し電流を流す手段と、
   前記書き込み電流及び読み出し電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と
   を有することを特徴とする磁気メモリセル。
9. 請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化を反転させ、トンネル磁気抵抗効果により前記強磁性固定層の磁化方向に対する前記強磁性自由層の磁化方向を検知することを特徴とする磁気メモリセル。
10. 請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層より膜厚が薄く、（００１）配向した岩塩構造を有するＭｇＯであり、前記非磁性導電層は体心立方格子構造を有する（１００）配向したＣｒであることを特徴とする磁気メモリセル。
11. 請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、前記トンネル磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極層を有することを特徴とする磁気メモリセル。
12. 磁気抵抗効果素子、前記磁気抵抗効果素子に書き込み電流及び読み出し電流を流す手段、及び前記書き込み電流及び読み出し電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を各々備える磁気メモリセルが２次元アレイ状に配列されたメモリセル群と、
    前記メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段とを有し、
    前記磁気抵抗効果素子は、強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第１の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第１の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜と、前記書き込み電流を少なくとも前記非磁性導電層、前記第２の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第１の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に流す手段と、前記読み出し電流を少なくとも前記強磁性自由層、前記第１の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に流す手段とを有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
13. 請求項１２記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記選択手段によって選択された磁気メモリセルの前記磁気抵抗効果素子に前記書き込み電流を流し、スピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
14. 請求項１２記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層より膜厚が薄く、（００１）配向した岩塩構造を有するＭｇＯであり、前記非磁性導電層は体心立方格子構造を有する（１００）配向したＣｒであることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
15. 請求項１２記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気抵抗効果素子に書き込み電流及び読み出し電流を流す手段は、前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための一対の電極であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。

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