JP2010140973A - 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】スピントランスファートルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリにおいて書き込み電流を増加させることなく、読み出しによる誤書込みを低減する。
【解決手段】強磁性記録層にフェリ磁性体を含むトンネル磁気抵抗効果素子をメモリセルに適用する。読み出し動作時には強磁性記録層のダンピング定数及び異方性磁界を大きくすることで読み出しによる誤書き込みを低減する。書き込み動作時には強磁性記録層のダンピング定数及び磁化を小さくすることで書き込み電流を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、不揮発性磁気メモリセル及びそれを用いたランダムアクセスメモリに関するものである。

近年、スピントランスファートルクにより磁気情報の書き込みを行う不揮発性磁気メモリが注目されており、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書、米国特許第６，２５６，２２３号明細書あるいは特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。この書き込み方式を利用した不揮発性磁気メモリは、磁気抵抗効果素子に直接電流を流すことにより強磁性記録層の磁化方向を回転させて磁気情報を書き込む。磁気抵抗効果素子は、強磁性固定層と強磁性記録層の磁化方向がなす角度に応じた抵抗値を示すので、記憶情報の読み出しは、書き込み電流より小さな電流で磁気抵抗効果素子の抵抗を検出することにより行う。

スピントランスファートルクで書き込みを行う場合、書き込み電流の大きさはダンピング定数、磁化の大きさの２乗、強磁性記録層の体積にほぼ比例する。また、記憶されている情報の熱安定性の指標Ｅ／ｋＴは磁化の大きさ、異方性磁界、強磁性記録層の体積に比例し、この値が小さいと予期せずに記憶情報が書き換わる確率が増加する。

不揮発性磁気メモリの大容量化によりメモリセルの膜面内方向の寸法が縮小すると、強磁性記録層の体積が小さくなるために書き込み電流は小さくなる。一方で、記録情報を保持するために充分なＥ／ｋＴを確保することが困難になる。その結果、記録情報の読み出しの際に流す電流により記憶情報が書き換わる誤書き込みが生じやすくなる。逆に強磁性記録層の膜厚を増加させてＥ／ｋＴを確保すると、書き込み電流も増加してしまい書き込みが困難になる。したがって、書き込み電流を増加させずに誤書込みを低減する方法として、強磁性記録層の体積に依存しない方法が求められている。このような状況の中で、強磁性記録層の体積を変えずに書き込み電流を低減可能な方法が特開２００８−４９５２号公報に開示されている。この方法では書き込みの際に強磁性記録層を加熱することにより磁化を低下させ、書き込み電流を低減する。

米国特許第５，６９５，８６４号明細書 米国特許第６，２５６，２２３号明細書 特開２００２−３０５３３７号公報 特開２００８−４９５２号公報

不揮発性磁気メモリの大容量化に伴ってメモリセルのサイズが縮小されるため、読み出しによる誤書き込みを低減することが必須となる。本発明は、書き込み電流を増加させることなく、このような要請に応えることが可能な不揮発性磁気抵抗メモリを提供することを目的とする。

本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、絶縁膜を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層とを有し、強磁性記録層は非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜からなり、第二の強磁性膜はフェリ磁性体である。

フェリ磁性体は、角運動量補償温度が読み出し動作時の温度近傍にあって書き込み動作時には前記角運動量補償温度より高温になる。また、フェリ磁性体の読み出し電流通電時の温度におけるダンピング定数は、書き込み電流通電時の温度におけるダンピング定数よりも大きい。

更に、第一の強磁性膜と第二の強磁性膜の磁化は交換結合しており、角運動量補償温度より高い温度、すなわち書き込み動作時の温度、において第一の強磁性膜と第二の強磁性膜の磁化方向が互いに逆方向である。

強磁性記録層に隣接して、書き込み電流の通電により発熱して第二の強磁性膜を加熱する加熱層を設けてもよい。

本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、電流を流すための電極と、トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを設けて、強磁性記録層の磁化がスピントランスファートルクにより反転可能な磁気メモリセルを構成することができる。また、その磁気メモリセルを複数個アレイ状に配列し、複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えて、磁気ランダムアクセスメモリを構成することができる。

本発明によると、書き込み電流を増加させずに読み出しによる誤書き込みを低減可能なトンネル磁気抵抗効果素子が得られるので、トンネル磁気抵抗効果素子を微細化することが可能になり、不揮発性磁気メモリの大容量化に寄与する。

スピントランスファートルク書き込み方式の不揮発性磁気メモリにおいて、読み出しにより誤書き込みが起こる確率Ｐは、Y. Higo el al., Applied Physics Letters 87, 082502 (2005)によると、
Ｐ＝１−exp{（ｔ／τ₀）exp[Ｅ／ｋＴ（１−Ｉ／Ｉ_c0）]}
と表される。ここで、ｔは読み出し電流Ｉを印加している時間、τ₀は１０^-9（ｓｅｃ）である。Ｅ／ｋＴは熱安定性の指標であり、強磁性記録層の磁化の大きさＭ、異方性磁界Ｈ_K、強磁性記録層の体積Ｖの積に比例している（Ｅ／ｋＴ∝ＭＨ_KＶ）。Ｉ_c0はゼロケルビンでの書き込み電流であり、ダンピング定数α、磁化の大きさの２乗、磁性記録層の体積に比例している（Ｉ_c0∝αＭ²Ｖ）。

書き込み動作時に加熱を利用して低書き込み電流を実現する従来のトンネル磁気抵抗効果素子（図１参照）は、絶縁層１０１を挟んで設けられた強磁性固定層１００と、強磁性記録層１０２で構成される。強磁性固定層１００は、その磁化方向が固定されている。強磁性記録層１０２は、加熱により磁化の大きさが減少するという特徴を有する。読み出し動作時（図１（ａ））には、強磁性記録層１０２の磁化が大きく、書き込みに必要な電流も大きいため書き込みが困難である。書き込み動作時（図１（ｂ））には、加熱することにより記録層１０２の磁化を減少させて書き込み電流を低減する。

本発明では、強磁性記録層に、非磁性導電膜を介してフェリ磁性体を交換結合させることにより、読み出し動作時と書き込み動作時で強磁性記録層のダンピング定数を変化させる。ここで、本明細書における「フェリ磁性体」とは、Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙなどの希土類遷移金属（ＲＥ）とＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属（ＴＭ）の合金からなるフェリ磁性体と、ＲＥとＴＭを複数層積層させた積層構造のフェリ磁性体、ＴＭ及びＴＭからなる合金と前記合金からなるフェリ磁性体を複数層積層させた積層構造のフェリ磁性体を含む用語とする。読み出し動作時において、強磁性記録層のダンピング定数は従来構造（図１）に比べて増加するのでＩ_c0は増加する。また、読み出し動作時に強磁性記録層の異方性磁界も増加させることが可能なのでＥ／ｋＴが増加し、従来構造（図１）に比べて誤書込みを低減可能である。書込み動作時には、強磁性記録層のダンピング定数と磁化を低減できるため、書き込み電流は増加しない。

本発明のトンネル磁気抵抗効果素子では、非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜を強磁性記録層に適用する。ここで、第二の強磁性膜はフェリ磁性体とし、そのフェリ磁性体の角運動量補償温度は読み出し動作温度近傍に設計する。また、第一の強磁性膜と第二の強磁性膜の磁化方向は前記非磁性導電層を介して交換結合しており、前記角運動量補償温度より高温において、それぞれ磁化方向がほぼ逆方向になるようにする。

フェリ磁性体のダンピング定数の温度変化は、角運動量補償温度近傍において極大値をとる。第一の強磁性層と第二の強磁性層の磁化は交換結合しているため、読み出し動作温度において、強磁性記録層全体のダンピング定数も増加する。また、角運動量補償温度は磁化補償温度近傍にあるため、保磁力も極大値近傍にある。そのため、第二の強磁性層の保磁力の増大に伴い、第一の強磁性層に異方性磁界が付与される。その結果、読み出し動作時においてＩ_c0とＥ／ｋＴが増加するので、誤書き込みを低減することが可能である。

書き込みの際には、トンネル磁気抵抗効果素子に流す書き込み電流によって、又は加熱機構を用いてフェリ磁性体を角運動量補償温度以上の温度まで加熱する。磁化補償温度より高温において、フェリ磁性体のダンピング定数は読み出し動作温度の場合よりも減少する。また、フェリ磁性体は第一の強磁性層の磁化と逆方向の磁化を示し、かつ読み出し動作温度の場合よりも磁化が増加するため強磁性記録層全体の磁化は減少する。その結果、本発明を用いない場合と比較して書き込み電流を低減可能である。

本発明の構造を用いずに強磁性記録層をフェリ磁性体だけで構成した場合、角運動量補償温度を読み出し動作温度近傍に設計すると、読み出し動作時においてスイッチング磁界は増加するため、磁界書き込み方式では誤書込みを低減可能である。しかし本発明で適用するスピントランスファートルクによる書き込み方式では、強磁性記録層の磁化が小さくなるため、Ｉ_c0が低下し誤書込みが増加してしまう可能性がある。

［実施例１］
図２は、本発明の磁気メモリセルに用いるトンネル磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子２００は、配向制御膜２０１、反強磁性膜２０２、強磁性固定層２０３、絶縁膜２０４、強磁性記録層２０５を備え、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。強磁性記録層２０５は第一の強磁性膜２０６、第一の非磁性導電膜２０７、第二の強磁性膜２０８で構成されている。強磁性固定層２０３は、第四の磁性膜２０９、第二の非磁性導電膜２１０、第三の強磁性膜２１１で構成される。なお、図３のように強磁性固定層２０３が単層であるトンネル磁気抵抗効果素子３００も用いることができる。

配向制御膜２０１は、例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性膜２０２の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。反強磁性膜２０２は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。第四の強磁性膜２０９にはＣｏＦｅ、第二の非磁性導電膜２１０にはＲｕ、第三の強磁性膜２１１には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第四の強磁性膜２０９、第二の非磁性導電膜２１０、第三の強磁性膜２１１は、第四の強磁性膜２０９と第三の強磁性膜２１１の磁化が反強磁性結合し、かつ第四の強磁性膜２０９と第三の強磁性膜２１１の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。図３のように強磁性固定層２０３が単層で構成される場合、強磁性固定層２０３はＣｏＦｅＢであることが望ましい。絶縁膜２０４は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８〜１．５ｎｍが望ましい。

以下に第一の強磁性膜２０６が強磁性体、第二の強磁性膜２０８がフェリ磁性体で構成される場合について述べる。第一の強磁性膜２０６は体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第二の強磁性膜２０８はＧｄＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＴｂＦｅＣｏなど、Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙなどの希土類遷移金属（ＲＥ）とＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属（ＴＭ）の合金からなるフェリ磁性体であり、膜厚は２ｎｍ以上が望ましい。第一の強磁性膜２０６（第二の強磁性膜２０８）の磁化と膜厚をそれぞれＭ１，Ｔ１（Ｍ２，Ｔ２）とすると、書き込み動作時において、Ｍ１×Ｔ１＝Ｍ２×Ｔ２となるように第一の強磁性膜２０６と第二の強磁性膜２０８の膜厚を調整すると、書き込み電流の低減の効果が大きい。しかし、書き込みの際に強磁性記録層２０５の磁化を低減し、書き込み電流を許容範囲内にできれば、必ずしも上式の関係を満たさなくとも良い。フェリ磁性体の角運動量補償温度は読み出し動作温度近傍に設計する。ここで読み出し動作温度近傍は、トンネル磁気抵抗効果素子２００の抵抗値を検出する温度±３０℃以内が望ましい。角運動量補償温度は磁化補償温度に近傍にあるので、磁化補償温度を調整すれば角運動量補償温度も調整可能である。磁化補償温度の調整は、フェリ磁性体のＲＥとＴＭの組成を調整することで実現可能である。例えば、ＧｄＣｏを用いた場合には、Ｃｏの組成が７０〜８０％で室温付近に磁化補償温度をもつ。

第一の非磁性導電膜２０７はＲｕなどからなる。第一の強磁性膜２０６と第二の強磁性膜２０８の磁化方向は第一の非磁性導電膜２０７を介して交換結合しており、角運動量補償温度より高温においてそれぞれの磁化方向がほぼ反平行になるように非磁性導電膜２０７の材料と膜厚を調整する。

次に、本発明で適用するフェリ磁性体の特徴について述べる。前記フェリ磁性体中ではＲＥとＴＭの磁化方向はほほ逆方向を向いており、フェリ磁性体全体としてＲＥとＴＭの差分の磁化が現れる。図４（ａ）に、フェリ磁性体の磁化の温度依存性の模式図を示す。ＲＥとＴＭのそれぞれの磁化の大きさと温度依存性は異なっており、一般にＲＥの方がＴＭよりも強磁性転移温度が低く、低温でＲＥの方がＴＭよりも磁化の大きさが大きい。ここで、強磁性転移温度とは強磁性秩序を示す臨界の温度であり、これよりも高温で強磁性体は強磁性を示さなくなる。磁化補償温度より低温では、ＲＥの磁化の方がＴＭよりも大きいため、フェリ磁性体全体の磁化は主にＲＥの磁化方向を反映する（図４（ｄ）参照）。温度が上昇し磁化補償温度になると、ＴＭよりもＲＥの方が磁化の減少量は大きいため、ＲＥとＴＭの磁化の大きさが釣り合い、フェリ磁性体全体の磁化はゼロとなる（図４（ｅ）参照）。また、磁化補償温度より高温ではＴＭの磁化の方がＲＥよりも大きくなる（図４（ｆ）参照）。したがって、第一の非磁性導電膜２０７を介して第一の強磁性膜２０６とフェリ磁性体である第二の強磁性膜２０８中のＴＭの磁化方向が反平行に結合するように設計すれば、磁化補償温度より高温において、第一の強磁性層と第二の強磁性膜２０８の磁化はほぼ反対方向となる。

以上では、フェリ磁性体の磁化の温度依存性について述べたが、フェリ磁性体にはダンピング定数、保磁力の温度依存性にも特徴がある。ここで、ダンピング定数は磁化の運動に対する摩擦に関係した定数であり、保磁力は磁化方向を反転するために必要な磁場の大きさである。図４（ｂ）はフェリ磁性体のダンピング定数の温度依存性の模式図、図４（ｃ）は保磁力の温度依存性の模式図である。ダンピング定数は角運動量補償温度において極大値をとる。ここで角運動量補償温度は、フェリ磁性体全体でＲＥとＴＭの示す全角運動量がゼロとなる温度である。また、保磁力は磁化補償温度において極大値をとる。ＲＥ及びＴＭの示す磁化はそれぞれのもつ全角運動量に比例するが、それぞれの比例係数が異なるため、ＲＥとＴＭの合金からなるフェリ磁性体ではフェリ磁性体全体の磁化がゼロとなる磁化補償温度と角運動量補償温度は必ずしも一致するとは限らない。しかし角運動量補償温度は磁化補償温度の近傍になり、例えばＣｏＧｄ（Ｃｏ組成〜７８％）では角運動量補償温度が磁化補償温度よりも３０℃程度高くなる。図４（ａ）−（ｃ）は角運動量補償温度が磁化補償温度よりも高い場合の模式図であるが、角運動量補償温度は磁化補償温度よりも低くても良い。

続いて、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の読み出し、書き込み動作について図５を用いて説明する。読み出しによる誤書込みは、読み出し動作時にゼロケルビンでの書き込み電流Ｉ_c0と熱安定性の指標Ｅ／ｋＴを増加させることにより低減可能である。ここで、Ｅ／ｋＴは磁化の大きさ、異方性磁界、体積に比例し、Ｉ_c0はダンピング定数、磁化の大きさの２乗、体積にほぼ比例している。

図５（ａ）に、読み出し動作時における強磁性記録層５００の磁化配列を示す。読み出し動作時の温度は角運動量補償温度及び磁化補償温度近傍にあるため、フェリ磁性体の磁化の大きさはゼロに近い。この状態では、フェリ磁性体の内部でＲＥとＴＭの示す磁化の大きさがほぼ同じでほぼ逆方向に結合している。そのため、フェリ磁性体中で磁化及びスピンが熱的に不安定な状態にあるわけではない。また、第一の強磁性膜５０１と第二の強磁性膜５０３の間の交換結合は、非磁性導電膜を介した両界面のスピン同士の結合である。そのため、第一の強磁性膜の磁化方向も熱的に不安定になることはない。読み出し動作時の温度は角運動量補償温度近傍にあるため、第二の強磁性膜５０３のダンピング定数は極大値近傍にある。第一の強磁性膜５０１と第二の強磁性膜５０３の磁化は、第一の非磁性導電膜５０２を介して互いにほぼ逆方向となるように交換結合しているので、強磁性記録層５００全体のダンピング定数も増加する。そのため、本発明を用いない場合と比較してＩ_c0を増加させることが可能である。また第二の強磁性膜５０３の保磁力は磁化補償温度において極大値をとり、角運動量補償温度は磁化補償温度近傍にあるため、読み出し動作時において第二の強磁性膜５０３の保磁力も大きい。したがって、第二の強磁性膜から第一の強磁性膜に異方性磁界が付与され、本発明を用いない場合と比較して読み出しの際にＥ／ｋＴを増加させることが可能である。以上から、読み出し動作時の誤書込みを低減可能である。

次に、書き込み動作を図５（ｂ）の書き込み動作時における強磁性記録層５００の磁化配列を用いて説明する。書き込み動作時には、トンネル磁気抵抗効果素子に流した書き込み電流を用いて第二の強磁性膜５０３を角運動量補償温度より高い温度にする。例えば、素子サイズ１００×２００ｎｍ²、強磁性記録層の膜厚５ｎｍ、抵抗１ｋΩの素子に１００μＡ、パルス幅１０ｎｓの書き込み電流を流した場合を考える。書き込み電流が発生するジュール熱は主に高抵抗の絶縁膜２０４で発生する。発生したジュール熱のすべてが強磁性記録層で消費されるとすると、２５０℃加熱することが可能である。ここで強磁性記録層の比熱を４×１０⁶Ｊ／ｍ³Ｋと仮定した。書き込み電流の場合と同様にして読み出し電流による発熱を見積もると、読み出し電流が２０μＡ、パルス幅１０ｎｓとした場合、強磁性記録層は１０℃温度上昇する。この読み出し電流による発熱は、角運動量補償温度の設計マージン内にあるため、読み出し動作上問題にならない。

強磁性記録層の加熱温度は、トンネル磁気抵抗効果素子に接続された電極のサイズと膜厚、素子サイズ、強磁性記録層の膜厚、書き込み時間を調整することにより、所望の値に調節することが可能である。強磁性記録層の磁化反転に必要な電流と加熱に必要な電流の大きさ及びパルス幅が異なる場合には、図６のように、トンネル磁気抵抗効果素子６００に加熱電流６０１を流して所望の温度にまで加熱した後に、書き込み電流６０２を流して書き込みを行うこともできる。

第二の強磁性膜５０３の温度が角運動量補償温度より高温になると、ダンピング定数は読み出し動作時に比べて減少する。書き込み時のダンピング定数は、読み出し時の０．８以下となるまで加熱することが望ましい。また、第一の強磁性膜と第二の強磁性膜の磁化方向は互いにほぼ反平行に結合しているため、強磁性記録層全体の磁化を減少させることが可能である。書き込み電流はＩ_c0に比例しており、Ｉ_c0はダンピング定数と磁化の２乗に比例しているので、本発明を用いない場合に比べて書き込み電流を低減可能である。

上記の効果を確認するため、Ｅ／ｋＴ＝６０、１０００個のトンネル磁気抵抗効果素子に読み出し電流を１０年間流し続けた時に反転してしまう（誤書込みが起こる）確率を、読み出し電流に対して計算すると、図７のようになる。本発明を用いない場合に、Ｉ_c0＝１００μＡとすると図７の破線のようになる。読み出し電流を２０μＡとすると、約３５％の素子で誤書込みが起きしまう。本発明で、読み出しの際にダンピング定数aが２倍になり、Ｉ_c0も２倍になった場合の計算結果を、図７の実線に示す。読み出し電流が２０μＡの場合、誤書込みの確率は約０．２％となる。図７の計算では簡単のため、Ｅ／ｋＴの増加はないものとしたが、Ｅ／ｋＴが増加すればさらに誤書込みを低減することが可能となる。

書き込みの際に、ダンピング定数が読み出しの際の１／２なったとすると、書き込み電流は本発明を用いない場合と同じなる。また、書き込みの際には強磁性記録層の磁化が減少する。例えば磁化が読み出しの際の０．７倍になったとすると、書き込み電流は磁化の２乗に比例するため、全体として書き込み電流は本発明を用いない場合の約１／２となる。したがって、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子をメモリセルに適用することにより、書き込み電流を増加させることなく、読み出しの際にＩ_c0とＥ／ｋＴを増加し、誤書き込みを低減可能である。

［実施例２］
図８は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の構成例の断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子８００は、配向制御膜８０１、反強磁性膜８０２、強磁性固定層８０３、絶縁膜８０４、強磁性記録層８０５を備え、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。強磁性記録層８０５は、第一の強磁性膜８０６、第一の非磁性導電膜８０７、第二の強磁性膜８０８で構成されている。強磁性固定層８０３は、第四の強磁性膜８０９、第二の非磁性導電膜８１０、第三の強磁性膜８１１で構成される。なお、強磁性固定層８０３は、図３のように単層の強磁性固定層としてもよい。

配向制御膜８０１は、例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性膜８０２の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。反強磁性膜８０２は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。第四の強磁性膜８０９にはＣｏＦｅ、第二の非磁性導電膜８１０にはＲｕ、第三の強磁性膜８１１には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第四の強磁性膜８０９、第二の非磁性導電膜８１０、第三の強磁性膜８１１は、第四の強磁性膜８０９と第三の強磁性膜８１１の磁化が反強磁性結合し、かつ第四の強磁性膜８０９と第三の強磁性膜８１１の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。図３のように強磁性固定層が単層で構成される場合、強磁性固定層はＣｏＦｅＢであることが望ましい。絶縁膜８０４は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８〜１．５ｎｍが望ましい。

以下に、第一の強磁性膜８０６が強磁性体、第二の強磁性膜８０８がフェリ磁性体で構成される場合について述べる。第一の強磁性膜８０６は、体心立方格子構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第二の強磁性膜８０８はＮｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙなどの希土類遷移金属（ＲＥ）とＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属（ＴＭ）及びＣｏＦｅ，ＮｉＦｅなどのＴＭの合金を交互に複数層積層した積層構造のフェリ磁性体、ＧｄＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＴｂＦｅＣｏなどＲＥとＴＭの合金からなるフェリ磁性体と前記ＴＭ及びＣｏＦｅ，ＮｉＦｅなどの前記ＴＭの合金を交互に複数層積層させた積層構造のフェリ磁性体であり、例えばＴｂとＣｏの積層構造、ＧｄとＮｉＦｅの積層構造及びＣｏとＧｄＣｏ積層構造である。

第一の強磁性膜８０６（第二の強磁性膜８０８）の磁化と膜厚をそれぞれＭ１，Ｔ１（Ｍ２，Ｔ２）とすると、書き込み動作時において、Ｍ１×Ｔ１＝Ｍ２×Ｔ２となるように第一の強磁性膜８０６と第二の強磁性膜８０８の膜厚を調整すると、書き込み電流の低減の効果が大きい。しかし、書き込みの際に強磁性記録層８０５の磁化を低減し、書き込み電流を許容範囲内にできれば、必ずしも上式の関係を満たさなくとも良い。フェリ磁性体の角運動量補償温度は読み出し動作温度近傍に設計する。ここで読み出し動作温度近傍は、トンネル磁気抵抗効果素子８００の抵抗値を検出する温度±３０℃以内が望ましい。角運動量補償温度は磁化補償温度に近傍にあるので、磁化補償温度を調整すれば角運動量補償温度も調整可能である。磁化補償温度の調整は、ＲＥとＴＭの合金からなるフェリ磁性体におけるＲＥとＴＭの組成、又は前記積層構造のフェリ磁性のそれぞれの膜厚を調整することにより調整することができる。

第一の非磁性導電膜８０７はＲｕなどである。第一の強磁性膜８０６と第二の強磁性膜８０８の磁化方向は第一の非磁性導電膜８０７を介して交換結合しており、角運動量補償温度より高温においてそれぞれの磁化方向がほぼ反平行になるように非磁性導電膜８０７の材料と膜厚を調整する。第二の強磁性膜８０８の前記ＴＭ及び前記ＴＭの合金で構成されている層が第一の非磁性導電膜８０７に接していると、交換結合の調整が比較的容易である。

本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の読み出し、書き込み動作は実施例１と同様であり、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子をメモリセルに適用することにより、書き込み電流を増加させることなく、読み出しの際にＩ_c0とＥ／ｋＴを増加し、誤書き込みを低減可能である。

［実施例３］
図９は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の構成例の断面模式図である。このトンネル磁気抵抗効果素子９００は、配向制御膜９０１、反強磁性膜９０２、強磁性固定層９０３、絶縁膜９０４、強磁性記録層９０５を備え、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。強磁性記録層９０５は、第一の強磁性膜９０６、第一の非磁性導電膜９０７、第二の強磁性膜９０８で構成されている。強磁性固定層９０３は、第四の強磁性膜９０９、第二の非磁性導電膜９１０、第三の強磁性膜９１１で構成される。強磁性固定層９０３は、図３のように単層である構成も用いることができる。

配向制御膜９０１は、例えばＮｉＦｅやＴａとＮｉＦｅの積層膜などであり、反強磁性膜９０２の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現することができれば他の材料を用いてもよい。反強磁性膜９０２は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒが望ましい。ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅを用いることもできる。膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。第四の強磁性膜９０９にはＣｏＦｅ、第二の非磁性導電膜９１０にはＲｕ、第三の強磁性膜９１１には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第四の強磁性膜９０９、第二の非磁性導電膜９１０、第三の強磁性膜９１１は、第四の強磁性膜９０９と第三の強磁性膜９１１の磁化が反強磁性結合し、かつ第四の強磁性膜９０９と第三の強磁性膜９１１の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。図３のように強磁性固定層が単層で構成される場合、強磁性固定層はＣｏＦｅＢであることが望ましい。絶縁膜９０４は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８〜１．５ｎｍが望ましい。

以下に、第一の強磁性膜９０６がフェリ磁性体、第二の強磁性膜９０８が強磁性体で構成される場合について述べる。第二の強磁性膜９０８はＣｏＦｅ，ＮｉＦｅなどが望ましい。第一の強磁性膜９０６は、Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙなどの希土類遷移金属（ＲＥ）とＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属（ＴＭ）及びＣｏＦｅ，ＮｉＦｅなどのＴＭの合金を交互に複数層積層した積層構造のフェリ磁性体、ＧｄＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＴｂＦｅＣｏなどＲＥとＴＭの合金からなるフェリ磁性体と前記ＴＭ及びＣｏＦｅ，ＮｉＦｅなどの前記ＴＭの合金を交互に複数層積層させた積層構造のフェリ磁性体であり、例えばＴｂとＣｏの積層構造、ＧｄとＮｉＦｅの積層構造及びＣｏとＧｄＣｏの積層構造である。絶縁膜９０４と第一の強磁性膜９０６の界面がＴＭ及びＴＭの合金で構成されていると磁気抵抗比の設計が比較的容易になるが十分な磁気抵抗比が得られれば、他の構成を用いることもできる。また、十分な磁気抵抗比が得られれば第一の強磁性層９０６として、上記ＲＥと上記ＴＭの合金からなるフェリ磁性体を用いることができる。

第一の強磁性膜９０６（第二の強磁性膜９０８）の磁化と膜厚をそれぞれＭ１，Ｔ１（Ｍ２，Ｔ２）とすると、書き込み動作時において、Ｍ１×Ｔ１＝Ｍ２×Ｔ２となるように第一の強磁性膜９０６と第二の強磁性膜９０８の膜厚を調整すると、書き込み電流の低減の効果が大きい。しかし、書き込みの際に強磁性記録層９０５の磁化を低減し、書き込み電流を許容範囲内にできれば、必ずしも上式の関係を満たさなくとも良い。フェリ磁性体の角運動量補償温度は読み出し動作温度近傍に設計する。ここで読み出し動作温度近傍は、トンネル磁気抵抗効果素子９００の抵抗値を検出する温度±３０℃以内が望ましい。角運動量補償温度は磁化補償温度に近傍にあるので、磁化補償温度を調整すれば角運動量補償温度も調整可能である。磁化補償温度の調整は、ＲＥとＴＭの合金からなるフェリ磁性体におけるＲＥとＴＭの組成、又は積層構造のフェリ磁性のそれぞれの膜厚を調整することにより調整することができる。

第一の非磁性導電膜９０７はＲｕなどである。第一の強磁性膜９０６と第二の強磁性膜９０８の磁化方向は第一の非磁性導電膜９０７を介して交換結合しており、角運動量補償温度より高温においてそれぞれの磁化方向がほぼ反平行になるように非磁性導電膜９０７の材料と膜厚を調整する。第一の非磁性導電膜９０７と第二の強磁性膜９０８の界面がＴＭ及びＴＭの合金で構成されている場合には、この調整が比較的容易である。

本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の読み出し、書き込み動作は実施例１と同様であり、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子をメモリセルに適用することにより、書き込み電流を増加させることなく、読み出しの際にＩ_c0とＥ／ｋＴを増加し、誤書き込みを低減可能である。

［実施例４］
図１０に、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の構成例の断面図模式図を示す。このトンネル磁気抵抗効果素子１０００は、配向制御膜１００１、反強磁性膜１００２、強磁性固定層１００３、絶縁膜１００４、強磁性記録層１００５、加熱層１００９を備え、適当な温度で熱処理することにより磁気抵抗比が最適化される。強磁性記録層１００５は実施例１、実施例２の構成が望ましいが、加熱層で発生する熱が強磁性記録層を加熱するのに十分な場合には実施例３の構成を用いることもできる。強磁性固定層１００３は、第四の強磁性膜１００６、第二の非磁性導電膜１００７、第三の強磁性膜１００８で構成されている。強磁性固定層１００３は、図３のように単層である構成も用いることができる。

反強磁性膜１００２は膜厚８ｎｍのＭｎＩｒを用いることができる。ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅを用いることもできる。また、膜厚は反強磁性を示すために十分な膜厚以上の膜厚が望ましい。第四の強磁性膜１００６にはＣｏＦｅ、第二の非磁性導電膜１００７にはＲｕ、第三の強磁性膜１００８には体心立方構造のＣｏＦｅＢが望ましい。第四の強磁性膜１００６、第二の非磁性導電膜１００７、第三の強磁性膜１００８は、第四の強磁性膜１００６と第三の強磁性膜１００８の磁化が反強磁性結合し、かつ第四の強磁性膜１００６と第三の強磁性膜１００８の磁化の大きさがほぼ等しくなるように材料と膜厚を選択する。絶縁膜１００４は、岩塩構造をもつ酸化マグネシウム結晶膜であり、（１００）方向に配向した膜が望ましい。膜厚は０．８〜１．５ｎｍを用いることができる。

加熱層１００９は電流が流れると発熱し、強磁性記録層１００５中のフェリ磁性体で構成される膜を所望の温度にまで加熱するために十分な抵抗値を示す材料である。例えばタングステン、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌＮ）などの高融点金属が望ましい。実施例１、実施例２、実施例３の構造において、書き込み動作時にフェリ磁性体を所望の温度まで加熱することが困難な場合、本実施例は有効である。

読み出し方法は実施例１と同様である。書き込み動作時には、トンネル磁気抵抗効果素子に流した書き込み電流を用いて強磁性記録層１００５中のフェリ磁性体を角運動量補償温度より高い温度にする。強磁性記録層の磁化反転に必要な電流と加熱に必要な電流の大きさ及びパルス幅が異なる場合には、図６のように加熱電流６０１を流して所望の温度にまで加熱した後に書き込み電流６０２を流して書き込みを行うこともできる。

［実施例５］
図１１は、本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリセルと磁気ランダムアクセスメモリに適用した場合の模式図である。磁気メモリセル１１００は、実施例１−４に記載のトンネル磁気抵抗効果素子１１０２、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に接続された電極１１０３、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に接続され、トンネル磁気抵抗効果素子１１０２に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する選択トランジスタ１１０１、選択トランジスタ１１０１の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する信号を伝達するためのゲート電極１１０４で構成される。

磁気ランダムアクセスメモリ１１０５は、磁気メモリセル１１００をアレイ状に複数配置したもので、各磁気メモリセル１１００の電極１１０３及びゲート電極１１０４にはそれぞれビット線１１０６及びワード線１１０７が接続されている。各ビット線１１０６及びワード線には、それぞれビット線ドライバ１１０８及びワード線ドライバ１１０９が接続されており、ワード線ドライバ１１０９から所望の選択トランジスタに制御信号を送り選択トランジスタをＯＮにすること、またビット線ドライバ１１０８から所望のメモリセルに読み出し又は書き込み電流を流すことが可能である。このようにして目的のメモリセルに接続されているワード線１１０７及びビット線１１０６を選択することにより、所望の磁気メモリセル１１００への書き込み、読み出しが可能となる。

書き込み動作時に加熱を利用する従来のトンネル磁気抵抗効果素子の読み出し動作時と書き込み動作時における磁化配列の模式図。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子において強磁性記録層に用いるフェリ磁性体の磁気特性の模式図であり、（ａ）は磁化の温度依存性を示した図、（ｂ）はダンピング定数の温度依存性図、（ｃ）は保磁力の温度依存性、（ｄ）は磁化補償温度より低温における磁化状態の模式図、（ｅ）は磁化補償温度における磁化状態の模式図、（ｆ）は磁化補償温度より高温における磁化状態の模式図。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子における読み出し動作時の磁化状態、及び書き込み動作時の磁化状態の模式図。 書き込み方法の一例を示す図。 読み出し電流と誤書き込みの確率の関係を示す図。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルと磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図。

符号の説明

１００…強磁性固定相、１０１…絶縁層、１０２…強磁性記録層、２００…トンネル磁気抵抗効果素子、２０１…配向制御膜、２０２…反強磁性膜、２０３…強磁性固定層、２０４…絶縁膜、２０５…強磁性記録層、２０６…第一の強磁性膜、２０７…第一の非磁性導電膜、２０８…第二の強磁性膜、２０９…第四の強磁性膜、２１０…第二の非磁性導電膜、２１１…第三の強磁性膜、３００…トンネル磁気抵抗素、５００…強磁性記録層、５０１…第一の強磁性膜、５０２…第一の非磁性導電膜、５０３…第二の強磁性膜、６００…トンネル磁気抵抗効果素子、６０１…加熱電流、６０２…書き込み電流、８００…トンネル磁気抵抗効果素子、８０１…配向制御膜、８０２…反強磁性膜、８０３…強磁性固定層、８０４…絶縁膜、８０５…強磁性記録層、８０６…第一の強磁性膜、８０７…第一の非磁性導電膜、８０８…第二の強磁性膜、８０９…第四の強磁性膜、８１０…第二の非磁性導電膜、８１１…第三の強磁性膜、９００…トンネル磁気抵抗効果素子、９０１…配向制御膜、９０２…反強磁性膜、９０３…強磁性固定層、９０４…絶縁膜、９０５…強磁性記録層、９０６…第一の強磁性膜、９０７…第一の非磁性導電膜、９０８…第二の強磁性膜、９０９…第四の強磁性膜、９１０…第二の非磁性導電膜、９１１…第三の強磁性膜、１０００…トンネル磁気抵抗効果素子、１００１…配向制御膜、１００２…反強磁性膜、１００３…強磁性記録層、１００４…絶縁膜、１００５…強磁性記録層、１００６…第四の強磁性膜、１００７…第二の非磁性導電膜、１００８…第三の強磁性膜、１００９…加熱層、１１００…磁気メモリセル、１１０１…選択トランジスタ、１１０２…トンネル磁気抵抗効果素子、１１０３…電極、１１０４…ゲート電極、１１０５…磁気ランダムアクセスメモリ、１１０６…ビット線、１１０７…ワード線、１１０８…ビット線ドライバ、１１０９…ワード線ドライバ

Claims (8)

1. 絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層とを有し、
   前記強磁性記録層は、非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜からなり、
   前記第二の強磁性膜はフェリ磁性体であり、
   前記フェリ磁性体は、角運動量補償温度が読み出し動作時の温度近傍にあって書き込み動作時には前記角運動量補償温度より高温になり、
   前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜の磁化は交換結合しており、
   前記角運動量補償温度より高い温度において前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜の磁化方向が互いに逆方向であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記フェリ磁性体の読み出し電流通電時の温度におけるダンピング定数は、書き込み電流通電時の温度におけるダンピング定数よりも大きいことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
3. 請求項１又は２記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性記録層に隣接して、書き込み電流の通電により発熱して前記第二の強磁性膜を加熱する加熱層が設けられていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
4. トンネル磁気抵抗効果素子と、
   前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、
   前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
   前記強磁性記録層の磁化がスピントランスファートルクにより反転可能な磁気メモリセルにおいて、
   前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
   絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層とを有し、
   前記強磁性記録層は、非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜からなり、
   前記第二の強磁性膜はフェリ磁性体であり、
   前記フェリ磁性体は、角運動量補償温度が読み出し動作時の温度近傍にあって書き込み動作時には前記角運動量補償温度より高温になり、
   前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜の磁化は交換結合しており、
   前記角運動量補償温度より高い温度において前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜の磁化方向が互いに逆方向であることを特徴とする磁気メモリセル。
5. 請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、前記フェリ磁性体の読み出し電流通電時の温度におけるダンピング定数は、書き込み電流通電時の温度におけるダンピング定数よりも大きいことを特徴とする磁気メモリセル。
6. 請求項４記載の磁気メモリセルにおいて、書き込み時に、前記トンネル磁気抵抗効果素子に加熱のための電流を印加した後に、スピントランスファートルクにより前記強磁性記録層の磁化方向を反転させるための書き込み電流を印加することを特徴とする磁気メモリセル。
7. 複数の磁気メモリセルと、
   前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、
   前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えた磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
   前記磁気メモリセルは、トンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、前記強磁性記録層の磁化がスピントランスファートルクにより反転可能であり、
   前記トンネル磁気抵抗効果素子は、絶縁膜と、前記絶縁膜を挟んで設けられた強磁性記録層と強磁性固定層とを有し、前記強磁性記録層は、非磁性導電層を挟んで設けられた第一の強磁性膜と第二の強磁性膜からなり、前記第二の強磁性膜はフェリ磁性体であり、前記フェリ磁性体は、角運動量補償温度が読み出し動作時の温度近傍にあって書き込み動作時には前記角運動量補償温度より高温になり、前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜の磁化は交換結合しており、前記角運動量補償温度より高い温度において前記第一の強磁性膜と前記第二の強磁性膜の磁化方向が互いに逆方向であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
8. 請求項７記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記フェリ磁性体の読み出し電流通電時の温度におけるダンピング定数は、書き込み電流通電時の温度におけるダンピング定数よりも大きい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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