JP4538614B2 - 磁気抵抗効果素子の設計方法及び磁気ランダムアクセスメモリの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子の設計方法及び磁気ランダムアクセスメモリの設計方法に関する。

従来から、様々のタイプの固体磁気メモリが提案されている。近年では、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）効果を示す磁気抵抗素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が提案されており、特に、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）効果を示す強磁性トンネル接合を用いた磁気ランダムアクセスメモリに注目が集まっている。

強磁性トンネル接合のＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、主に、第１の強磁性層／絶縁層／第２の強磁性層の３層膜で構成されている。そして、読み出し時に、絶縁層をトンネルして電流が流れる。この場合、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化の相対角の余弦に応じて変化する。従って、接合抵抗値は、第１及び第２の強磁性層の磁化が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これを、上述するＴＭＲ効果と呼ぶ。このＴＭＲ効果による抵抗値の変化は、室温において３００％を超える場合もある。

強磁性トンネル接合をメモリセルとして含む磁気メモリ素子においては、少なくとも１つの強磁性層を基準層（あるいは固定層、参照層、ピン層）とみなして、その磁化方向を固定し、他の強磁性層を記録層（あるいは磁気記録層、自由層、可変層）とする。このセルにおいて、基準層と記録層の磁化の配置が平行又は反平行に対し、２進情報の“０”，“１”を対応づけることで情報が記憶される。記録情報の書き込みは、このセルに対し別に設けた書き込み配線に電流を流して発生する磁場により記憶層の磁化を反転させる。または、素子に直接通電することにより、基準層から注入されるスピントルクにより記憶層の磁化を反転させる。読み出しは、強磁性トンネル接合に電流を流し、ＴＭＲ効果による抵抗変化を検出することで行われる。このようなメモリセルを多数配置することで磁気メモリが構成される。実際の構成については、任意のセルを選択できるように、例えばＤＲＡＭ同様に各セルに対しスイッチングトランジスタを配置し、周辺回路を組み込んで構成される。

上述したスピントルクを利用した磁気メモリ素子としては、磁化が膜面方向を向いた面内磁化型のものが知られている。しかしながら、面内磁化型の磁気メモリ素子では、ハードディスク媒体で用いられているようなCo-Cr系合金を用いた面内媒体を用いる場合には、結晶軸が膜面内で回転してしまうために、膜面内方向の磁気異方性が大きく分散してしまう為、大容量メモリにおいては、素子間の特性にばらつきが生じ、望ましくない。

一方、垂直磁化を持つ磁気記録層を用いた磁気メモリ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。垂直磁化を持つ材料を用いると、結晶軸は膜面に垂直方向にあるため、結晶粒が膜面内で回転しても、面に垂直の方向の磁気異方性にばらつきを生じない。このため、垂直磁化型の磁気抵抗素子を用いることで、特性にバラつきが少ないメモリを実現できる優位性がある。

しかしながら、垂直磁化膜を使用する場合の問題点として、多磁区状態の存在が挙げられる。一般に垂直磁化膜は、大きな磁気異方性を持つために磁壁幅が狭くなる。また、磁化が膜面に対して垂直方向を向いているために、磁区形成による静磁エネルギーの利得が大きい。これらの性質により、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果素子では、多磁区状態が安定状態として残りやすく、中間値状態の発生などが課題として残されていた。

さらに、大容量メモリを実現するには、素子を微細化し、チップ内におけるセル占有度を上昇させることが必要となるが、一般にメモリセルの熱擾乱耐性は、素子の持つ磁気異方性と素子体積により決定されるため、素子を微細化すると、熱擾乱耐性が小さくなり、十分な記録保持特性が得られない問題がある。上述したように多磁区状態が存在すると、この多磁区状態が準安定状態となって実効的な熱擾乱耐性の低下等がさらに顕在化するという問題もある。
特開２００２−２６１３５２号公報

本発明は、熱擾乱耐性が向上し、中間値状態の発生を抑制することが可能な磁気抵抗効果素子の設計方法及び磁気ランダムアクセスメモリの設計方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の磁気抵抗効果素子の設計方法は、膜面に対して垂直方向を向く第１の磁化を有する固定層と、膜面に対して垂直方向を向く第２の磁化を有し、磁化の方向を反転可能な記録層と、前記固定層および前記記録層間に設けられた非磁性層を具備する磁気抵抗効果素子の設計方法であって、
前記記録層の磁性材料の飽和磁化をＭs、磁気異方性定数をＫu、交換スティフネス係数をＡ、前記記録層の膜厚をｔ、前記磁気抵抗効果素子の素子直径をＤ、真空の透磁率をμ_０、Ｎaを反磁界係数とした際に、前記素子直径Ｄが以下の条件式（i）、（ii）を満たすことを特徴とする。

本発明の第２の磁気抵抗効果素子の設計方法は、膜面に対して垂直方向を向く第１の磁化を有する固定層と、膜面に対して垂直方向を向く第２の磁化を有し、磁化の方向を反転可能な記録層と、前記固定層および前記記録層間に設けられた非磁性層を具備する磁気抵抗効果素子の設計方法であって、
前記記録層の磁性材料の飽和磁化をＭs、磁気異方性定数をＫu、交換スティフネス係数をＡ、前記記録層の膜厚をｔ、前記磁気抵抗効果素子の素子直径をＤ、真空の透磁率をμ_０、Ｎaを反磁界係数とした際に、前記素子直径Ｄが以下の条件式（iii）、（iv）を満たすことを特徴とする。

本発明の第１の磁気ランダムアクセスメモリは、本発明の第１の磁気抵抗効果素子を記憶素子として含むメモリセルを複数個備えたメモリセルアレイと、前記メモリセルに対して双方向に電流を供給する電流供給回路とを具備することを特徴とする。

本発明の第２の磁気ランダムアクセスメモリは、本発明の第２の磁気抵抗効果素子を記憶素子として含むメモリセルを複数個備えたメモリセルアレイと、前記メモリセルに対して双方向に電流を供給する電流供給回路とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、熱擾乱耐性が向上し、中間値状態の発生を抑制することが可能な磁気抵抗効果素子の設計方法及び磁気ランダムアクセスメモリの設計方法を提供することが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。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。

まず、本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子について説明する。本発明の実施形態の特徴は、記録層を構成する材料が持つ磁気異方性定数Ｋu、飽和磁化Ｍs、交換スティフネス係数Ａ、記録層の膜厚ｔを用いて、記録層の単磁区臨界直径Ｄｓ*および単磁区反転臨界直径Ｄｓを導出し、それに応じて最適な素子直径Ｄを決定することである。ここで、膜面上方から見たとき、記録層を含む磁気抵抗効果素子はほぼ円形形状を有する。素子直径Ｄとは、膜面上方から見たときの磁気抵抗効果素子の直径、すなわち記録層の直径をさす。また、以降に示す磁気抵抗効果素子において、記録保持状態の磁化は基本的に膜面に対して垂直方向である。

［１］ 単磁区臨界直径Ｄｓ*
まず、記録層の単磁区臨界直径Ｄｓ*について述べる。ここで、単磁区臨界直径Ｄｓ*は記録保持状態において単磁区状態が唯一の安定解である臨界直径として定義される。

図１（ａ），図１（ｂ）は、記録保持状態の磁気抵抗効果素子における記録層の磁区状態を示す図である。単磁区臨界直径Ｄｓ*を導出するには、単磁区状態（図１（ａ）参照）のエネルギーＥ_ｓと二磁区状態（図１（ｂ）参照）のエネルギーＥ_ｄの差をとり、Ｅ_ｓがＥ_ｄを常に下回る臨界直径を求めればよい。一般に磁性体のエネルギーは、材料がもつ磁気異方性エネルギー、静磁エネルギー、磁壁エネルギーの和によって表される。まず、磁気異方性エネルギーは磁性体の体積をＶとして、ＫuＶで表される。単磁区状態と二磁区状態では、それぞれの全磁化は材料がもつ一軸性の異方性軸と平行であるから、同一の磁気異方性エネルギーをもつ。次に、静磁エネルギーは磁性体の形状を反映した反磁界係数Ｎa、と飽和磁化Ｍsの二乗と磁性体の体積Ｖの積で表される。反磁界係数Ｎaは磁性体の円柱状形状を回転楕円体と近似することで解析的に計算することができる。このとき、近似に用いる回転楕円体の長軸方向直径は素子直径Ｄと同一であり、短軸方向直径は磁性体膜厚をｔとして(3/2)ｔで表される。短軸方向直径の係数3/2は、近似した回転楕円体の体積と、円柱状の磁性体体積を同一とするための補正係数である。以上に述べた回転楕円体で近似することにより、磁性体の反磁界係数は以下の式（１）で表される。

最後に、磁壁エネルギーは、磁壁の面積をＳとして、４（ＡＫu）^0.5Ｓで表される。ここで、Ａは交換スティフネス係数である。結晶軸と磁化方向が一致している場合には、磁気異方性エネルギーＫuＶは０となり、Ｅ_ｓとＥ_ｄは以下のように表される。まず、単磁区状態のエネルギーＥ_ｓは、磁壁が存在していないことから、静磁エネルギーのみで表され、以下の式（２）のように表される。

ここで、μ_０は真空透磁率である。

次に、二磁区状態のエネルギーＥ_ｄは以下の式（３）のように表される。

式（３）において第一項は、静磁エネルギーを表し、第二項は磁壁エネルギーを表す。Ｖは素子の体積であり、Ｓは反磁界係数の計算に用いた回転楕円体の回転軸に対して平行かつ中心を通る断面の面積である。一般的に二磁区状態においては、二つの磁区の体積が同一である場合が最も静磁エネルギーが小さくなり、安定状態となる。式（３）の第一項が式（２）に対して半分となる理由は、二つの同一の体積を持つ磁区が形成されることにより、反磁界の影響が半分となるためである。

単磁区臨界直径Ｄｓ*はエネルギーＥ_ｓとＥ_ｄが等しくなる直径であるから、式（１）と式（２）を連立して解くことにより、単磁区臨界直径Ｄｓ*は式（４）のように表される。

本発明の第１実施形態は、垂直磁化をもつ材料の磁気異方性定数Ｋu、飽和磁化Ｍsと交換スティフネス係数Ａに応じて式（４）より単磁区臨界直径Ｄｓ*を導出し、Ｄｓ*未満の直径を持つように、磁気抵抗効果素子を微細加工することで、中間値状態が発生しない垂直磁化型の磁気抵抗効果素子が形成できる。

また、第２実施形態は、磁気抵抗効果素子の加工精度などの観点から決定される素子直径に応じて、単磁区臨界直径Ｄｓ*が素子直径よりも大きくなるようなＫu、ＭsとＡを材料パラメータとしてもつ磁性材料を用いた磁気抵抗効果素子である。図２に例として、単磁区臨界直径Ｄｓ*を８０ｎｍとするのに必要な磁気異方性定数Ｋuおよび飽和磁化Ｍsを示す。このとき、交換スティフネス係数Ａは５ｘ１０^−７erg/cm、記録層の膜厚ｔは２ｎｍとして計算を行った。

また、図２には合わせて、垂直条件であるＫu＝２πＭs^２を示した。これは膜面内に対して垂直方向の磁化を保つ為に必要な条件であり、磁気異方性定数Ｋuが右辺に対して大きければ良い。式（４）からわかるように、磁気異方性定数Ｋuを大きくするか、交換結合を大きくするか（交換スティフネス係数Ａを大きくするか）、飽和磁化Ｍsを小さくすることにより、単磁区臨界直径Ｄｓ*は増大する。一方で垂直条件を満たすには、図２における線に対してＫuを大きくするか、Ｍsを小さくすればよい。

これらの条件から垂直方向の磁化を保ちつつ、単磁区臨界直径Ｄｓ*を８０ｎｍ以上に保つことが可能な材料パラメータＫuおよびＭsは、図２の斜線部の範囲に含まれていればよい。逆に言えば、この斜線部に含まれるＫuおよびＭsをもつ材料を用いて磁気抵抗効果素子を作成する場合、８０ｎｍ未満の直径に微細加工することにより、磁気記録状態において単磁区状態が唯一の安定解となり、中間値状態が発生しないことが保証される。

［２］ 単磁区反転臨界直径Ｄｓ
次に、記録層の単磁区反転臨界直径Ｄｓについて述べる。ここで、単磁区反転臨界直径Ｄｓは記録保持状態において単磁区状態が唯一の安定解であり、さらに磁化反転過程においても、常に単磁区状態を保つ臨界直径として定義される。図３（ａ）に、磁場反転過程において二磁区状態を経由する場合の、系がもつエネルギーのＺ方向磁化Ｍｚに対する依存性を示す。Ｚ方向磁化Ｍｚが−１および＋１が、それぞれ記録情報０および１に対応する。磁場反転過程において二磁区状態を経由する場合、Ｚ方向磁化Ｍｚが−１から＋１に変化する際に、一方の磁区が傾いた状態でエネルギー最大値をとり、Ｚ方向磁化Ｍｚがゼロの場合にエネルギーの極小をもつ。このとき記録層は、二磁区状態となりエネルギーＥ_ｄをもち、二つの磁区は互いに反平行の向きを持つ。

一方、図３（ｂ）に磁化反転過程において常に単磁区状態を持つ場合の、系がもつエネルギーのＺ方向磁化Ｍｚに対する依存性を示す。この場合にはＺ方向磁化Ｍｚが−１から＋１に変化する際に、エネルギーが最大値をとるのはＺ方向磁化Ｍｚがゼロの場合である。このとき、記録層の磁化は単磁区状態でかつ困難軸方向を向き、エネルギーＥ_hをもつ。したがって、磁化反転過程において常に単磁区状態を保つためには、単磁区状態で磁化が困難軸を向いた場合のエネルギーＥ_ｈと多磁区（二磁区）状態のエネルギーＥ_ｄの差をとり、Ｅ_ｈがＥ_ｄを常に下回る臨界直径を求めればよい。Ｅ_ｈが、磁区を形成した場合のエネルギーの極小点であるＥ_ｄよりも小さければ、磁化反転中にも常に単磁区状態を保つことが保証されるからである。回転楕円体モデルを用いた場合、Ｅ_ｈは単磁区状態のエネルギーを記述するStoner-Worlfarthモデルにより以下の式（５）で表される。

式（５）において第一項は磁化が困難軸方向を向いた場合の磁気異方性エネルギーを表し、第二項は磁化が困難軸方向を向いた場合の静磁エネルギーを表す。

Ｅ_ｄは前述したのと同様に記述され以下の式（６）で表される。

単磁区反転臨界直径ＤｓはエネルギーＥ_ｈとＥ_ｄが等しくなる直径であるから、式（５）と式（６）を連立して解くことにより、単磁区反転臨界直径Ｄｓは式（７）のように表される。

ここで、単磁区反転臨界直径Ｄｓと単磁区臨界直径Ｄｓ*の磁気抵抗効果素子に与える影響を、図４を用いて示す。図４は、磁気異方性定数Ｋu＝３×１０^６ erg/cc、飽和磁化Ｍs＝５００ emu/cc、交換スティフネス係数Ａ＝１×１０^−６ erg/cm、記録層の膜厚ｔ＝２ｎｍの材料パラメータを用いて計算された、単磁区困難軸状態（磁化が困難軸と平行）のエネルギー密度、単磁区容易軸状態（磁化が容易軸と平行）のエネルギー密度、および二磁区状態のエネルギー密度の素子直径依存性を示している。

素子直径が小さくなると、まず単磁区臨界直径Ｄｓ*において、単磁区容易軸状態のエネルギー密度曲線と二磁区状態のエネルギー密度曲線が交差し、単磁区臨界直径Ｄｓ*未満の素子直径では、常に単磁区容易軸状態のエネルギーが低くなる。これは、単磁区臨界直径Ｄｓ*未満の素子直径をもつ磁気抵抗効果素子においては、記録保持状態で二磁区状態を安定状態として取りえないことを示しており、中間値状態が存在しないことを保証するものである。

さらに、素子直径が小さくなると、単磁区困難軸状態のエネルギー密度曲線と、二磁区状態のエネルギー密度曲線が単磁区反転臨界直径Ｄｓで交差し、Ｄｓ未満の素子直径においては常に単磁区困難軸状態のエネルギーが、二磁区状態のエネルギーよりも低くなる。これは、単磁区反転臨界直径Ｄｓ未満の素子直径においては、磁化反転途中においても常に単磁区状態を保ちつつ、磁化反転が行われることを示している。

前述したように、Stoner-Wohlfarthモデルによると単磁区状態の反転が起こる場合は、磁化が困難軸を向いた状態でエネルギーが最も高くなり、エネルギーバリアはＫuＶで与えられる。このエネルギーバリアは磁気異方性定数Ｋuが決定されたときに理論的に予測される最も大きなエネルギーバリアに相当し、十分な熱擾乱耐性が磁気抵抗効果素子に与えられる。したがって、単磁区反転臨界直径Ｄｓ未満の素子直径をもつ磁気抵抗効果素子においては、記録状態において中間値状態が存在しないことを保証され、かつ材料から予測されるもっとも大きな熱擾乱耐性を持つことが保証されるものである。

本発明の第３実施形態は、垂直磁化をもつ材料の磁気異方性定数Ｋu、飽和磁化Ｍsと交換スティフネス係数Ａに応じて式（７）より単磁区反転臨界直径Ｄｓを導出し、Ｄｓ以下の直径を持つように微細加工する。これにより、中間値状態が発生せず、十分な熱擾乱耐性をもつ垂直磁化型の磁気抵抗効果素子が形成できる。

また、第４実施形態は、磁気抵抗効果素子の加工精度などの観点から決定される素子直径に応じて、単磁区反転臨界直径Ｄｓが素子直径よりも大きくなるような、Ｋu、ＭsとＡを材料パラメータとしてもつ磁性材料を用いた磁気抵抗効果素子である。

図５に例として、単磁区反転臨界直径Ｄｓを６５ｎｍとするのに必要な磁気異方性定数Ｋuおよび飽和磁化Ｍsを示す。このとき、交換スティフネス係数は５ｘ１０^−７erg/cc、記録層の膜厚ｔは２ｎｍとして計算を行った。また、図５には、合わせて前述した垂直条件であるＫu＝２πＭs^２を示している。式（７）からわかるように、Ｋuを小さくするか、交換結合を大きくするか（交換スティフネス係数Ａを大きくするか）、Ｍsを大きくすることにより、単磁区反転臨界直径Ｄｓは増大する。一方で垂直条件を満たすには、図５における垂直条件に対してＫuを大きくするか、Ｍsを小さくすればよい。これらの条件から垂直方向の磁化を保ちつつ、単磁区反転臨界直径Ｄｓを６５ｎｍ以上に保つことが可能な材料パラメータＫuおよびＭsは図５の斜線部の範囲に含まれていればよい。逆に言えば、この斜線部に含まれるＫuおよびＭsをもつ材料を用いて磁気抵抗素子を作成する場合、６５ｎｍ未満に微細加工することにより、磁気記録状態において単磁区状態が唯一の安定解となり、中間値状態が発生せず、十分な熱擾乱耐性をもつことが保証される。

［３］ 合金磁気記録層
図６に、磁気抵抗効果素子の記録層として磁性合金を用いた構成例を示す。磁気抵抗効果素子１０は、固定層１１、非磁性層１２、及び記録層１３から構成されている。固定層１１上には非磁性層１２が形成され、この非磁性層１２上には記録層１３が形成されている。

この構成において記録層１３は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ，Ｐｄのうち１つ以上の元素からなり、膜面垂直方向に磁化をもつ合金で構成される。例えば、Ｌ１０型の規則合金ＦｅＰｄを用いる場合は、磁気異方性定数Ｋuは２．０ｘ１０^６ erg/cc、飽和磁化Ｍsは５００emu/cc、交換スティフネス係数Ａは５ｘ１０^−７erg/cm程度、記録層の膜厚ｔは２ｎｍである。この材料パラメータから式（４）と式（７）より計算される単磁区臨界直径Ｄｓ*および単磁区反転臨界直径Ｄｓは、記録層１３の膜厚が３ｎｍの場合、それぞれ８３ｎｍおよび４２ｎｍである。従って、磁気抵抗効果素子１０の素子直径を８３ｎｍ未満にすることにより、中間値状態を抑制することができる。また、素子直径を４２ｎｍ未満にすることで、材料が持つ最大の熱擾乱耐性を実現することができる。

記録層の膜厚を変化させた場合についても、式（４）と式（７）より単磁区臨界直径Ｄｓ*および単磁区反転臨界直径Ｄｓを計算し、それぞれの値以下に素子直径を設定することで、理想的な磁気抵抗効果素子を作成することができる。Ｌ１０型の規則合金ＦｅＰｔを用いる場合は、磁気異方性定数Ｋuは８．０ｘ１０^６ erg/cc、飽和磁化Ｍsは１０００emu/cc、交換スティフネス係数Ａは５ｘ１０^−７erg/cm程度である。この材料パラメータから式（４）と式（７）より計算される単磁区臨界直径Ｄｓ*および単磁区反転臨界直径Ｄｓは、記録層１３の膜厚が３ｎｍの場合、それぞれ４４．５ｎｍおよび１８ｎｍである。従って、磁気抵抗効果素子１０の素子直径を４４．５ｎｍ未満にすることにより、中間値状態を抑制することができる。また、素子直径を１８ｎｍ未満にすることで、材料が持つ最大の熱擾乱耐性を実現することができる。

［４］ 合金積層磁気記録層
図７に、磁気抵抗効果素子の記録層として磁性合金の積層構造を用いた構成例を示す。磁気抵抗効果素子２０は、固定層１１、非磁性層１２、及び記録層２１から構成されている。固定層１１上には非磁性層１２が形成され、この非磁性層１２上には記録層２１が形成されている。記録層２１は、非磁性層１２上に形成された磁性層２１Ａと、この磁性層２１Ａ上に形成された磁性層２１Ｂとの積層構造から形成されている。

この構成において磁性層２１Ｂは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ，Ｐｄのうち１つ以上の元素を含み、膜面垂直方向に磁化をもつ合金で構成される。また、磁性層２１Ａは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｂのうち一つ以上の元素を含む合金で構成される。例えば、図８中の磁性層２１ＢとしてＬ１０型の規則合金ＦｅＰｄもしくはＦｅＰｔを用い、磁性層２１ＡとしてＣｏＦｅＢ合金もしくはＦｅを用いる場合は、磁気異方性定数Ｋuは１．８ｘ１０^６ erg/cc程度であり、飽和磁化Ｍsは５００emu/cc、交換スティフネス係数Ａは５ｘ１０^−７erg/cm程度である。この材料パラメータから式（４）と式（７）より計算される単磁区臨界直径Ｄｓ*および単磁区反転臨界直径Ｄｓは、磁性層２１Ａと磁性層２１Ｂの膜厚の和が３ｎｍの場合、それぞれ７９ｎｍおよび４６ｎｍである。従って、磁気抵抗効果素子２０の素子直径を７９ｎｍ未満にすることにより、中間値状態を抑制することができる。また、素子直径を４６ｎｍ未満にすることで、材料が持つ最大の熱擾乱耐性を実現することができる。

図８（ａ），図８（ｂ）に磁性層２１ＢとしてＦｅＰｔ合金、磁性層２１ＡとしてＦｅを用いた磁気抵抗効果素子を試作した場合の、抵抗の磁場依存性を示した。図８（ａ）が素子直径６０ｎｍ、図８（ｂ）が素子直径９５ｎｍの場合を示す。まず、素子直径が６０ｎｍの場合は、高抵抗状態（反平行磁化状態）から初めて、負の方向に磁場を印加することで低抵抗状態（平行磁化状態）に変化する。その後、正の方向に磁場を印加することで、再び高抵抗状態に変化する。それぞれの抵抗変化は極めて急峻であり、素子直径が６０ｎｍの場合には平行状態と反平行状態の二種類しか安定状態が存在しないことを示している。

一方、素子直径が９５ｎｍの場合には、図８（ｂ）に示すように、高抵抗状態から始めて、負の方向に磁場を印加して低抵抗状態になる際にステップ状の抵抗変化を示す。図８（ｂ）の点線は、負の方向に磁場を印加していきステップを示した磁場で一旦、磁場印加を中止し、再び正方向に磁場を印加していった場合の抵抗の磁場依存性を示している。このとき、抵抗が丁度高抵抗状態（反平行磁化状態）と低抵抗状態（平行磁化状態）のほぼ中間の値で安定な領域が存在する。これは、素子直径が９５ｎｍの場合には、二磁区状態が安定状態として存在することを示している。ここで前述したように、この系における単磁区臨界直径Ｄｓ＊は７９ｎｍであることから、素子直径が６０ｎｍの場合はＤｓ＊以下であるために、単磁区状態のみが安定状態であり、素子直径が９５ｎｍの場合はＤｓ＊以上であるため二磁区状態が安定状態として存在することが実証された。

磁性層２１Ａと磁性層２１Ｂの各々の膜厚を変化させた場合についても式（４）と式（７）より単磁区臨界直径Ｄｓ*および単磁区反転臨界直径Ｄｓを計算し、それぞれの値以下に素子直径を設定することで、理想的な磁気抵抗効果素子を作成することができる。

［５］ 人工格子磁気記録層
図９に、磁気抵抗効果素子の記録層として人工格子構造を用いた構成例を示す。磁気抵抗効果素子３０は、固定層１１、非磁性層１２、及び記録層３１から構成されている。固定層１１上には非磁性層１２が形成され、この非磁性層１２上には記録層３１が形成されている。記録層３１は、非磁性層１２上に形成された合金層３１Ａと、この合金層３１Ａ上に形成された合金層３１Ｂとの積層構造から形成されている。

この構成において記録層３１は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む合金層（磁性材料層）３１Ａと、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｃｕのうち１つ以上の元素を含む合金層（非磁性材料層）３１Ｂとが少なくとも一度交互に積層された構造からなり、膜面垂直方向の磁化をもつ。このとき、合金層３１Ａと合金層３１Ｂの膜厚比を調整することで、磁気エネルギー密度、飽和磁化を調整することが可能であるが、一般的な磁気異方性定数Ｋuは１．８ｘ１０^６erg/cc程度であり、飽和磁化Ｍsは４００emu/cc、交換スティフネス係数Ａは５ｘ１０^−７erg/cm程度である。この材料パラメータから式（４）と式（７）より計算される単磁区臨界直径Ｄｓ*は１１８ｎｍであり、単磁区反転臨界直径Ｄｓは３８ｎｍである。従って、磁気抵抗効果素子３０の素子直径を１１８ｎｍ以下にすることにより、中間値状態を抑制することができる。また、熱擾乱耐性の観点からは、３８ｎｍ未満にすることが望ましい。すなわち、素子直径を３８ｎｍ未満にすることで、材料が持つ最大の熱擾乱耐性を実現することができる。なお、合金層３１Ａとして、さらにＢを含ませることが可能であり、例えばＣｏ、ＦｅとＢを含む合金等を用いることができる。

［６］ 磁気ランダムアクセスメモリ
本発明の実施形態の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（ＭＲＡＭ：magnetoresistive random access memory）について説明する。ここでは、実施形態の磁気抵抗効果素子１０（あるいは２０、３０）を用いた、スピン注入書き込み型のＭＲＡＭについて述べる。

図１０は、本発明の実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構成を示す断面図である。メモリセルは、磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）１０と選択トランジスタ４０を有している。図１０に示すように、ｐ型半導体基板４１の表面領域には、素子分離絶縁層４２が設けられ、この素子分離絶縁層４２が設けられていない半導体基板４１の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層４２は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。

半導体基板４１の素子領域には、離隔したソース領域４３Ｓ及びドレイン領域４３Ｄが形成されている。このソース領域４３Ｓ及びドレイン領域４３Ｄは、それぞれ半導体基板４１内に高濃度のＮ+型不純物を導入して形成されたＮ+型拡散領域から構成される。ソース領域４３Ｓとドレイン領域４３Ｄとの間の半導体基板４１上には、ゲート絶縁膜４４が形成されている。このゲート絶縁膜４４上には、ゲート電極４５が形成されている。このゲート電極４５は、ワード線ＷＬとして機能する。このように、半導体基板４１には、選択トランジスタ４０が設けられている。

ソース領域４３Ｓ上には、コンタクト４６を介して配線層４７が形成されている。配線層４７は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域４３Ｄ上には、コンタクト４８を介して引き出し線４９が形成されている。

引き出し線４９上には、下部電極５０及び上部電極５１に挟まれたＭＴＪ素子１０が設けられている。上部電極５１上には、配線層５２が形成されている。配線層５２は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板４１と配線層５２との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層５３で満たされている。

次に、本発明の実施形態のＭＲＡＭの回路構成及びその動作について説明する。

図１１は、本発明の実施形態のＭＲＡＭの構成を示す回路図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ６０を備えている。メモリセルアレイ６０には、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬがそれぞれ列（カラム）方向に配設されている。また、メモリセルアレイ６０には、複数のワード線ＷＬがそれぞれ行（ロウ）方向に配設されている。

ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１０、及び例えばｎチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ４０を備えている。ＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ４０のドレインに接続されている。選択トランジスタ４０のゲートは、ワード線ＷＬに接続されている。さらに、選択トランジスタ４０のソースは、ビット線／ＢＬに接続されている。

ワード線ＷＬには、ロウデコーダ６１が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、電流供給回路としての書き込み回路６２及び読み出し回路６３が接続されている。書き込み回路６２及び読み出し回路６３には、カラムデコーダ６４が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ６１及びカラムデコーダ６４により選択される。

メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。まず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ４０がターンオンする。

ここで、ＭＴＪ素子１０には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＴＪ素子１０にビット線ＢＬからビット線／ＢＬへ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路６２は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、ＭＴＪ素子１０にビット線／ＢＬからビット線ＢＬへ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路６２は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、あるいはデータ“１”を書き込むことができる。

次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ４０がターンオンする。読み出し回路６３は、ＭＴＪ素子１０に、例えばビット線／ＢＬからビット線ＢＬへ読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路６３は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、検出したＭＴＪ素子１０の抵抗値からＭＴＪ素子１０に記憶されたデータを読み出すことができる。なお、磁気抵抗効果素子１０を用いた場合を説明したが、磁気抵抗効果素子２０または３０を用いた場合の構成及び動作も同様である。

なお、前述した各実施形態では、磁気抵抗効果素子において、固定層が下で、記録層が上に配置されている場合を示したが、固定層が上で、記録層が下に配置されていてもよい。すなわち、固定層と記録層とが上下に逆転した構成としてもよい。

以上説明したように本発明の実施形態によれば、熱擾乱耐性が向上し、中間値状態の発生を抑制することが可能な磁気抵抗効果素子、及びこの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を提供することができる。また、メモリセルを微細化してもビット情報の高い熱擾乱耐性を保ち、大容量化を実現し得る磁気抵抗効果素子、及びこの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を提供できる。

また、前述した各実施形態はそれぞれ、単独で実施できるばかりでなく、適宜組み合わせて実施することも可能である。さらに、前述した各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、各実施形態において開示した複数の構成要件の適宜な組み合わせにより、種々の段階の発明を抽出することも可能である。

磁気抵抗効果素子における記録層の磁区状態を示す図である。 単磁区臨界直径を８０ｎｍとするのに必要な磁気異方性エネルギーＫuと飽和磁化Ｍsとの関係を示す図である。 二磁区状態の磁化反転過程におけるエネルギーの磁化方向依存性と単磁区状態の磁化反転過程におけるエネルギーの磁化方向依存性を示す図である。 単磁区困難軸状態のエネルギー密度、単磁区容易軸状態のエネルギー密度、および二磁区状態のエネルギー密度の素子直径依存性を示す図である。 単磁区反転臨界直径を６５ｎｍとするのに必要な磁気異方性エネルギーＫuと飽和磁化Ｍsとの関係を示す図である。 磁気抵抗効果素子の記録層として磁性合金を用いた構成例を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子の記録層として磁性合金の積層構造を用いた構成例を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子の記録層として磁性合金の積層構造を用いて試作した素子の抵抗の磁場依存性を示す図である。 磁気抵抗効果素子の記録層として人工格子構造を用いた構成例を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭにおけるメモリセルの構成を示す断面図である。 磁気抵抗効果素子を用いたＭＲＡＭの構成を示す回路図である。

符号の説明

１０，２０，３０…磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）、１１…固定層、１２…非磁性層、１３，２１，３１…記録層、２１Ａ，２１Ｂ…磁性層、３１Ａ，３１Ｂ…合金層、４０…選択トランジスタ、４１…ｐ型半導体基板、４２…素子分離絶縁層、４３Ｓ…ソース領域、４３Ｄ…ドレイン領域、４４…ゲート絶縁膜、４５…ゲート電極、４６，４８…コンタクト、４７，５２…配線層、４９…引き出し線、５０…下部電極、５１…上部電極、５３…層間絶縁層、６０…メモリセルアレイ、６１…ロウデコーダ、６２…書き込み回路、６３…読み出し回路、６４…カラムデコーダ、ＢＬ，／ＢＬ…ビット線対、ＭＣ…メモリセル、ＷＬ…ワード線。

Claims (8)

1. 膜面に対して垂直方向を向く第１の磁化を有する固定層と、膜面に対して垂直方向を向く第２の磁化を有し、磁化の方向を反転可能な記録層と、前記固定層および前記記録層間に設けられた非磁性層を具備する磁気抵抗効果素子の設計方法であって、
   前記記録層の磁性材料の飽和磁化をＭs、磁気異方性定数をＫu、交換スティフネス係数をＡ、前記記録層の膜厚をｔ、前記磁気抵抗効果素子の素子直径をＤ、真空の透磁率をμ_０、Ｎaを反磁界係数とした際に、前記素子直径Ｄが以下の条件式（i）、（ii）を満たすことを特徴とする磁気抵抗効果素子の設計方法。
   

   

   
2. 膜面に対して垂直方向を向く第１の磁化を有する固定層と、膜面に対して垂直方向を向く第２の磁化を有し、磁化の方向を反転可能な記録層と、前記固定層および前記記録層間に設けられた非磁性層を具備する磁気抵抗効果素子の設計方法であって、
   前記記録層の磁性材料の飽和磁化をＭs、磁気異方性定数をＫu、交換スティフネス係数をＡ、前記記録層の膜厚をｔ、前記磁気抵抗効果素子の素子直径をＤ、真空の透磁率をμ_０、Ｎaを反磁界係数とした際に、前記素子直径Ｄが以下の条件式（iii）、（iv）を満たすことを特徴とする磁気抵抗効果素子の設計方法。
   

   

   
3. 前記記録層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ，Ｐｄのうち１つ以上の元素を含む磁性合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子の設計方法。
4. 前記記録層が少なくとも２層以上の磁性層から構成され、前記磁性層の一つはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち一つ以上の元素と、Ｐｔ，Ｐｄのうち一つ以上の元素を含む磁性合金からなり、前記磁性層の他の一つはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｂのうち一つ以上の元素を含む磁性合金からなることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子の設計方法。
5. 前記記録層が、磁性材料と非磁性材料が少なくとも１層以上交互に積層された構造を持ち、前記磁性材料がＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち一つ以上の元素を含む合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子の設計方法。
6. 前記記録層が、磁性材料と非磁性材料が少なくとも１層以上交互に積層された構造を持ち、前記磁性材料がＣｏ、ＦｅとＢを含む合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子の設計方法。
7. 磁気抵抗効果素子を記憶素子として含むメモリセルを複数個備えたメモリセルアレイと、
   前記メモリセルに対して双方向に電流を供給する電流供給回路と、
   を具備する磁気ランダムアクセスメモリの設計方法であって、
   前記磁気抵抗効果素子は、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の設計方法を用いて設計することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの設計方法。
8. 磁気抵抗効果素子を記憶素子として含むメモリセルを複数個備えたメモリセルアレイと、
   前記メモリセルに対して双方向に電流を供給する電流供給回路と、
   を具備する磁気ランダムアクセスメモリの設計方法であって、
   前記磁気抵抗効果素子は、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の設計方法を用いて設計することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの設計方法。

Images