JP5051538B2 - Ｍｒａｍ - Google Patents

Description

本発明は、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）に関しており、特に、ＳＡＦ（synthetic antiferromagnet）を磁化自由層として使用する磁気抵抗素子をメモリセルとして使用するＭＲＡＭに関する。

ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）は、高速書き込み／読み出しが可能な不揮発性メモリであり、近年実用化に向けた研究開発が盛んに行われている。

最も典型的には、ＭＲＡＭは、磁化が反転可能な磁化自由層と、磁化が固定された磁化固定層と、その間に介設された非磁性層とで構成された磁気抵抗素子を、メモリセルとして利用する。データは、磁化自由層の磁化の向きとして記憶される。非磁性層が極めて薄い絶縁体で構成されている場合、磁気抵抗素子はＴＭＲ（tunnel magnetoregistance）効果を示し、そのように構成された磁気抵抗素子は、しばしば、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子と呼ばれる。一方、非磁性層が非磁性の導電体で構成されている場合には、磁気抵抗素子はＧＭＲ（giant magnetoregistance）効果を示し、そのように構成された磁気抵抗素子は、ＣＰＰ−ＧＭＲ（current perpendicular to-plane giant magnetoresistive）素子と呼ばれる。

データの書き込みは、磁化自由層に外部磁場を印加し、これにより磁化自由層の磁化を所望の方向に反転することによって行われる。

一方、データの読み出しは、磁気抵抗素子が示す磁気抵抗効果を利用する。ＴＭＲ効果、ＧＭＲ効果のいずれを利用する場合でも、磁気抵抗素子の抵抗は、磁化自由層の磁化の向きに応じて変化する。磁気抵抗素子の抵抗の変化を利用して、磁化自由層の磁化の向き、即ち、書き込まれたデータが判別される。

ＭＲＡＭの一つの課題は、書き込み動作におけるメモリセルの選択性である。最もコンベンショナルなＭＲＡＭでは、強磁性体がアステロイド特性を示すことを利用して、即ち、強磁性層の困難軸の方向に強い磁場を印加するほど容易軸の方向の磁化の反転磁場が小さくなることを利用して、選択書き込みが行われる。具体的には、各磁気抵抗素子の近傍に互いに直交するワード線、ビット線が設けられ、選択されたメモリセルに交差するワード線、ビット線に電流が流される。対応するワード線、ビット線の両方に電流が流されているメモリセルの磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化が、選択的に、所望の向きに反転され、これにより、データの選択書き込みが完了する。対応するワード線、ビット線の一方にしか電流が流されていないメモリセルでは磁化自由層の磁化は反転しない、即ち、データの書き込みは行われない。しかしながら、このような動作による選択書き込みは、容易軸或いは困難軸のみに磁場を印加しても磁化反転を生じるビットが存在し得るため安定性に欠け、メモリセルの選択性が良好でない。

メモリセルの書き込み動作の選択性を向上させるための一つの方法として、トグル書き込み方式が知られている（米国特許６，５４５，９０６号公報参照）。トグル書き込み方式とは、磁化自由層にＳＡＦを使用することにより、選択性が高い書き込み動作を行う技術である；ここでＳＡＦとは、複数の強磁性層を構成され、隣接する強磁性層が磁気的に反強磁性的に結合された構造体である。

図１は、トグル書き込み方式を採用するＭＲＡＭ１０１の典型的な構成を示す平面図である。ＭＲＡＭ１０１のメモリアレイには、ワード線１０３と、ワード線１０３に直交するビット線１０２が延設される。メモリセルとして使用されるＭＴＪ素子１０１が、ワード線１０３とビット線１０２が交差する位置のそれぞれに設けられる。図２に示されているように、ＭＴＪ素子１０１は、典型的には、基板１００の上方に設けられた下部電極層
１１１、反強磁性層１１２、磁化固定層１１３、バリア層１１４、磁化自由層１１５、及び上部電極層１１６を備えて構成される。図１に示されているように、ＭＴＪ素子１０１は、磁化固定層１１３と磁化自由層１１５の容易軸がワード線１０３及びビット線１０２に４５°の角度をなすように、即ち、ＭＴＪ素子１０１の長手方向がワード線１０３及びビット線１０２と４５°の角度をなすように配置される。

図２を再度に参照して、磁化自由層１１５は、ＳＡＦで構成される。より具体的には、磁化自由層１１５は、強磁性層１２１、１２２と、その間に介設された非磁性層１２３とで構成される。非磁性層１２３は、強磁性層１２１、１２２との間に、反強磁性的なＲＫＫＹ（Rudermann, Kittel, Kasuya, Yoshida）相互作用を作用させるように構成される。磁化自由層１１５の全体としての全体としての残留磁化（即ち、外部磁場が０である場合
の磁化自由層１１５の全体としての磁化）は可能な限り０に近づけられる。この条件は、例えば、２つの強磁性層１２１、１２２を同一の材料で、同一の膜厚を有するように形成することによって満足され得る。

トグル書き込み方式では、ＳＡＦがスピンフロップを発現するという性質を利用して選択的なデータ書き込みが行われる。図３は、スピンフロップを発現するＳＡＦの磁化曲線を示している。ＳＡＦの容易軸方向に外部磁場を印加しても、外部磁場が小さい場合にはＳＡＦの磁化はゼロのままである。外部磁場が増加されて磁場Ｈ_ｆｌｏｐに到達すると、突然、ＳＡＦに磁化が現れる。このとき、二つの強磁性層の磁化は、それらが１８０°よりも小さいある角度をなすように磁気結合し、且つ、その合成磁化が外部磁場の方向になるように配置される。この現象はスピンフロップと呼ばれ、スピンフロップが発現する磁場Ｈ_ｆｌｏｐはフロップ磁場と呼ばれる。スピンフロップは、全体としてのＳＡＦの残留磁化が充分に小さい場合にのみ現れることに留意されたい。さらに磁場を印加すると、やがて二つの強磁性層の磁化は完全に平行に配置される。この磁場は飽和磁場Ｈ_ｓと呼ばれる。フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐと飽和磁場Ｈ_ｓはそれぞれ式（１ｂ）、（２ｂ）で表される。
Ｈ_ｆｌｏｐ＝２／Ｍ・Ｋ［（Ｊ_ｓａｆ／ｔ−Ｋ）］^０．５ ・・・（１ａ）
＝（Ｈ_ｓ・Ｈ_ｋ）^０．５, ・・・（１ｂ）
Ｈ_ｓ＝２Ｊ_ｓａｆ／（Ｍ・ｔ）−２Ｋ／Ｍ， ・・・（２ａ）
＝２Ｊ_ｓａｆ／（Ｍ・ｔ）−Ｈ_ｋ， ・・・（２ｂ）
式（１）より明らかなように、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐは、飽和磁場Ｈ_ｓと異方性磁場Ｈ_ｋによって一義的に決まる。

図４は、トグル書き込み方法の手順を説明する概念図であり、図５は、トグル書き込みによるデータ書き込みが行われるときのワード線１０３、ビット線１０２に流される電流の波形を示すグラフである。図３において、磁化自由層１１５の強磁性層１２１、１２２の磁化が、それぞれ、記号Ｍ_１、Ｍ_２によって参照されていることに留意されたい。

トグル書き込み方法によるデータ書き込みは、磁化自由層１１５に印加される磁場の方向を面内で回転させることにより、磁化自由層１１５を構成する強磁性層１２１、１２２の磁化を所望の向きに向けることによって行われる。具体的には、まず、ワード線１０３に書き込み電流が流され、これによってワード線１０３に垂直な方向に磁場Ｈ_ＷＬが発生される（時刻ｔ_１）。続いて、ワード線１０３に書き込み電流が流されたまま、ビット線１０２に書き込み電流が流される（時刻ｔ_２）。これにより、ワード線１０３とビット線１０２との両方に４５°の角度をなす方向に、磁場Ｈ_ＷＬ＋Ｈ_ＢＬが発生される。更に続いて、ビット線に書き込み電流が流されたままワード線への書き込み電流の供給が停止される（時刻ｔ_３）。これにより、ビット線１０２に垂直な方向（即ち、ワード線１０３に平行な方向）に磁場Ｈ_ＢＬが発生される。このような手順でワード線１０３及びビット線１０２に書き込み電流が流されることにより、磁化自由層１１５に印加される磁場が回転され、これにより、磁化自由層１１５を構成する強磁性層１２１、１２２の磁化を１８０°回転させることができる。

トグル書き込みの利点は、原理的にメモリセルの選択性が高いことである。ビット線とワード線の書き込み電流磁場に対する磁化反転可能な領域を示すグラフである図６に示されているように、トグル書き込みでは、原理的に、ワード線１０３又はビット線１０２の一方にのみ書き込み電流が流されてもＳＡＦの磁化が反転しない。言い換えれば、半選択メモリセルの磁化は、原理的に不所望に反転しない。これは、ＭＲＡＭの動作の信頼性を有効に向上させる。

トグル書き込み方式では、ワード線１０３及びビット線１０２に書き込み電流が流されたときに磁化自由層１１５に印加される磁場が、上述のフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐよりも大きく、飽和磁場Ｈ_ｓよりも小さくなければならない。そうでなければ、磁化自由層１１５の磁場を所望の向きに反転させることができない。

従って、トグル書き込み方式の書き込みマージンは、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐが小さいほど、そして、飽和磁場Ｈ_ｓが大きいほど大きい。言い換えれば、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐに対する飽和磁場Ｈ_ｓの比Ｈ_ｓ／Ｈ_ｆｌｏｐが大きいほど書き込みマージンが大きい。書き込みマージンの増大は、ＭＲＡＭの動作の信頼性を向上させるために重要である。

ＳＡＦが示すスピンフロップは、トグル書き込み以外の書き込み方式にも有効である。例えば容易軸方向に外部磁場を印加すると、ＳＡＦは、まずは互いの磁場を保ったまま、ある特定の方向へ磁化反転を生じる。これはダイレクト反転と呼ばれる。さらに磁場を増大させると、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐにおいてＳＡＦはスピンフロップを発現する。このダイレクト反転はスピンフロップに付随しておりデータ書き込みに利用できる。ダイレクト反転が発現する磁場Ｈ_ｄｉｒは、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐにほぼ比例する。そのためフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐを減少させることは磁場Ｈ_ｄｉｒを低減することにつながるため重要である。

残留磁化を増大させることによっても磁場Ｈ_ｄｉｒを減少させることができるが、これは好ましくない。残留磁化が増大すると、ＳＡＦは容易軸以外の方向へ磁場を印加してもダイレクト反転を起こすようになり、最終的にはＳＡＦはスピンフロップを起こさなくなる。スピンフロップを発現しないＳＡＦへの書き込み特性は、上述のアステロイド特性を利用したデータ書き込みの書き込み特性と全く同じである。これは書き込み選択性を失うことを意味する。さらに残留磁化の増大により形状磁気異方性が大きく増大し反転磁場を増大させるので問題である。

また、式（１ｂ）に従えば、飽和磁場Ｈ_ｓを低減することはフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐを低減するために有効と思えるかもしれない。しかしながら、飽和磁場Ｈ_ｓが減少するとスピンフロップを起こしづらくなる。飽和磁場Ｈ_ｓが異方性磁場Ｈ_ｋに近い大きさまで低減されると、ＳＡＦは完全にスピンフロップを起こさなくなる。これはスピンフロップを用いた書き込みによるＭＲＡＭの動作率の低下を招くため問題である。

トグル書き込み方式は、原理的には、ＳＡＦに含まれる強磁性層の数が３以上である場合にも適用可能であり、上記の米国特許６，５４５，９０６号には、ＳＡＦに含まれる強磁性層の数が３以上であってもよい、ということが開示されている。加えて、米国特許６，７１４，４４６号は、ＳＡＦに含まれる２層の強磁性層のそれぞれが、非磁性膜によって分離された２枚の強磁性体膜で形成されている構成を開示している。

また、特開２００５−８６０１５号には、強磁性層の数が４であって、１層目の強磁性層と２層目の強磁性層との間の反強磁性的な相互作用の強さが、３層目の強磁性層と４層目の強磁性層との間の反強磁性的な相互作用の強さとほぼ等しく、１層目の強磁性層と４層目の強磁性層の磁化量がほぼ等しく、２層目の強磁性層と３層目の強磁性層の磁化量がほぼ等しいことを特徴とする構成が開示されている。

しかしながら、発明者の実験によれば、３以上の強磁性層を含むＳＡＦを磁化自由層とするＭＲＡＭは、実際には、トグル書き込み方式では動作しないことが多かった。また、強磁性層が４層である場合に、反強磁性的な相互作用の大きさを等しくするために、第１強磁性層と第２強磁性層の間の非磁性層と、第３強磁性層と第４強磁性層の間の非磁性層の材料、膜厚を等しく設定しても、やはり、トグル書き込み方式で動作することは少なかった。これは、３以上の強磁性層を含むＳＡＦが、何らかの原因でスピンフロップを発現しないことに起因すると考えられた。３層以上の強磁性層を含むＳＡＦをトグル書き込み方式で動作可能にすることが出来れば、書き込みマージンが大きいＭＲＡＭを実現できるはずである。

ＳＡＦがスピンフロップを示さないことは、トグル書き込み方式に限らずスピンフロップを利用した書き込み方式を採用する全てのＭＲＡＭ（例えば、ダイレクト反転を利用してデータ書き込みを行うＭＲＡＭ）にとって致命的である。スピンフロップが発現しないことは、ＳＡＦが持つ様々な利点（熱擾乱耐性の向上など）を利用することができないことを意味する。従ってＳＡＦにスピンフロップを発現させるための技術は、スピンフロップを利用した書き込みを用いたＭＲＡＭデバイスにおける性能向上の点で重要である。

したがって、本発明の目的は、３層以上の強磁性層を含むＳＡＦにスピンフロップを発現させるための技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、３層以上の強磁性層を含むＳＡＦにスピンフロップを発現させることにより、ＳＡＦを磁化自由層として使用するＭＲＡＭをトグル書き込み方式で動作可能にすることにある。
本発明の更に他の目的は、トグル書き込み方式で動作するＭＲＡＭの書き込みマージンを増大させる、言い換えれば、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐに対する飽和磁場Ｈ_ｓの比Ｈ_ｓ／Ｈ_ｆｌｏｐを増大させる技術を提供することにある。

本発明の発明者は、３以上の強磁性層を含むＳＡＦにスピンフロップが発現しない原因が、最も下に位置する非磁性層と最も上に位置する非磁性層とが発現するＲＫＫＹ相互作用の強さが、結晶性の相違に起因して相違するためであることを見出した。最も上に位置する非磁性層（最後に成膜される非磁性層）は、その下方に成膜される強磁性層及び非磁性層によって結晶化が促進されるために、最も下に位置する非磁性層（即ち、最初に成膜される非磁性層）よりも結晶性（特に、結晶配向性）がよい。このため、最も上に位置する非磁性層と最も下に位置する非磁性層とを同一の材料、膜厚で形成すると、ＲＫＫＹ相互作用の強さが相違してしまう。ＲＫＫＹ相互作用の強さが相違すると、磁化自由層はスピンフロップを発現しなくなる。

結晶性の相違に起因するＲＫＫＹ相互作用の強さの相違を低減させるために、本発明のＭＲＡＭでは、最も上に位置する非磁性層が、最も下に位置する非磁性層よりも高次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように構成される。これにより、結晶性の相違に起因するＲＫＫＹ相互作用の強さの相違がキャンセルされ、３以上の強磁性層を含むＳＡＦにスピンフロップが発現させることが可能になる。

一の観点において、本発明によるＭＲＡＭは、基板と、固定された磁化を有する磁化固定層と、反転可能な磁化を有する磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に介設された非磁性のバリア層とを具備する。前記磁化自由層は、第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層（Ｎは２以上の整数）と、反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成された第１〜第Ｎ非磁性層とを含む。第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ以下の任意の整数）は、第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の間に設けられる。前記第１非磁性層は、前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちで前記基板に最も近く位置し、且つ、前記第Ｎ非磁性層は、前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちで前記基板から最も離れて位置する。前記第１非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用の第α_１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、前記第Ｎ非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用の第α_Ｎ次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有している。前記α_１と前記α_Ｎは、下記関係：
α_１＜α_Ｎ，
を満足している。ここで「第ｋ非磁性層が、ＲＫＫＹ相互作用の第ｋ次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有する」とは、第ｋ非磁性層の膜厚ｔ_ｋが、下記範囲：
ｔ_{ｋ＿ｍｉｎ}＜ｔ_ｋ＜ｔ_{ｋ＿ｍａｘ}
にあることを意味している；ｔ_{ｋ＿ｍｉｎ}は、第α_ｋ次の反強磁性ピークよりも小さく、且つ、ＲＫＫＹ相互作用の強さが０になるような膜厚のうち、第α_ｋ次の反強磁性ピークに最も近い膜厚であり、ｔ_{ｋ＿ｍａｘ}は、第α_ｋ次の反強磁性ピークよりも大きく、且つ、ＲＫＫＹ相互作用の強さが０になるような膜厚のうち、第α_ｋ次の反強磁性ピークに最も近い膜厚である。

このようなＭＲＡＭでは、結晶性の相違に起因するＲＫＫＹ相互作用の強さの相違を非磁性層の膜厚によるＲＫＫＹ相互作用の強さの相違によってキャンセルすることができる。これは、３層以上の強磁性層を含むＳＡＦにスピンフロップを発現させることを可能にする。

前記α_１と前記α_Ｎは、下記関係：
α_Ｎ＝α_１＋１，
を満足することが好適である。

前記第１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成され、前記第Ｎ非磁性層は、３．２ｎｍ〜３．８ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成されることが好適である。

磁化自由層が発現する飽和磁場Ｈ_ｓを増大させるためには、前記第２〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層は、前記第Ｎ非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有することが好ましい。

前記少なくとも一の非磁性層は、磁化自由層の中央に位置していることが好ましい。具体的には、非磁性層の数Ｎが奇数である場合には、前記少なくとも一の非磁性層は、前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちの第（［Ｎ＋１］／２）非磁性層であることが好ましい。一方、前記Ｎが偶数である場合には、前記少なくとも一の非磁性層は、前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちの第（Ｎ／２）非磁性層と第（［Ｎ／２］＋１）非磁性層であることが好ましい。

この場合、前記第１〜第Ｎ非磁性層（３１〜３５）が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さは、磁化自由層（１５）の中央に近いほど強いことが好ましい。具体的には、前記第２〜第（Ｎ−１）非磁性層は、それぞれ、ＲＫＫＹ相互作用の第α_２〜α_Ｎ−１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するとして、前記Ｎが奇数である場合には、前記α_１〜α_Ｎは、下記条件：
α_１≧α_２≧α_３≧・・・≧α_{［Ｎ＋１］／２−１}≧α_{［Ｎ＋１］／２}，
α_{［Ｎ＋１］／２}≦α_{［Ｎ＋１］／２＋１}≦・・・≦α_Ｎ−１≦α_Ｎ，
α_１＜α_Ｎ，
α_２＝α_Ｎ−１，
α_３＝α_Ｎ−２，
・・・
α_ｐ＝α_{Ｎ−ｐ＋１}，（ｐは、２以上（Ｎ＋１）／２−１以下の整数）
・・・
α_{［Ｎ＋１］／２−１}＝α_{［Ｎ＋１］／２＋１}，
を満足することが好ましい。

一方、Ｎが偶数である場合には、前記α_１〜α_Ｎは、下記条件：
α_１≧α_２≧α_３≧・・・≧α_{Ｎ／２−１}≧α_Ｎ／２，
α_{Ｎ／２＋１}≦α_{Ｎ／２＋２}≦・・・≦α_Ｎ−１≦α_Ｎ，
α_１＜α_Ｎ，
α_２＝α_Ｎ−１，
・・・
α_ｐ＝α_{Ｎ−ｐ＋１}，（ｐは、２以上（Ｎ／２）以下の整数）
・・・
α_{Ｎ／２−１}＝α_{Ｎ／２＋２}，
α_Ｎ／２＝α_{Ｎ／２＋１}，
を満足することが好ましい。

最も好適には、前記第１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成され、前記第２乃至第（Ｎ−１）非磁性層のそれぞれは、０．７ｎｍ〜１．２ｎｍの厚さを有するルテニウム層、又は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層のいずれかで形成され、前記第Ｎ非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成される。

このような磁化自由層の構成は、前記バリア層がアモルファスの層であり、且つ、前記磁化自由層は、前記バリア層の上面の上に形成されている場合に特に有効である。

本発明の磁化自由層は、もっとも広い意味において、前記第１非磁性層、及び、前記第Ｎ非磁性層を介したＲＫＫＹ相互作用の強さがほぼ等しくなるようにするために、前記第１非磁性層と前記第Ｎ非磁性層とを同一でない構造を有するようにしたものである。具体的には、前記第１非磁性層と前記第Ｎ非磁性層の膜厚が異なるように設計される。また前記第１非磁性層と前記第Ｎ非磁性層の結晶配向性が異なっている。例えば、前記第１非磁性層乃至第Ｎ非磁性層がルテニウムで形成されている場合、前記第１非磁性層に比べて、前記第Ｎ非磁性層のルテニウムのＨＣＰ（００１）面の膜面直方向への結晶配向性が高い。またそのとき、前記第１非磁性層と前記第Ｎ非磁性層の下地である、前記第１強磁性層と前記第Ｎ強磁性層の結晶配向性にも差異が見られることが多い。例えば、第１強磁性層乃至第Ｎ強磁性層がパーマロイで構成されている場合、前記第１強磁性層に比べて、前記第Ｎ強磁性層のＦＣＣ（１１１）面の膜面直方向への結晶配向性が高い。

また、このような結晶性の相違に起因するＲＫＫＹ相互作用の相違を相殺するためには、第１非磁性層と接する強磁性層と第Ｎ非磁性層と接する強磁性層を組成が同一でない構成にすることも有効である（図７Ｄ、図７Ｅ参照）。例えば、第１非磁性層が有する第１面において第１非磁性層に接する膜の前記第１面における組成が、前記第Ｎ非磁性層が有する第２面において前記第Ｎ非磁性層に接する膜の前記第２面における組成と異なることにより、ＲＫＫＹ相互作用の相違を相殺することも可能である。この場合、第１強磁性層、第２強磁性層、前記第Ｎ強磁性層、及び前記第（Ｎ＋１）強磁性層のうちの少なくとも一層以上は、組成が異なる複数の膜が積層された積層膜から構成され、前記積層膜を構成する前記複数の膜の実効的な膜厚の比率を変えることによって、前記第１非磁性層を介した相互作用と前記第Ｎ非磁性層を介した前記相互作用の実効的な強さがほぼ等しく設定されていることが好適である。前記積層膜はＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜の積層膜から構成されることが好適である。

ＲＫＫＹ相互作用の強さを第１非磁性層及び第Ｎ非磁性層に接する膜の組成で制御する場合には、第１非磁性層と第Ｎ非磁性層の膜厚が同一であることも可能である。この場合、第１非磁性層の前記第１面におけるＣｏ組成が、前記第Ｎ非磁性層の前記第２面におけるＣｏ組成よりも高いことが好ましい。

また発明者らの実験によって初めて、前記第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層と前記第１〜第Ｎ非磁性層からなる磁化自由層で、Ｎが２以上の偶数で構成された場合においても、前記第１非磁性層を介した相互作用と前記第Ｎ非磁性層を介した前記相互作用の実効的な強さをほぼ等しくすることによって、良好なトグル動作と書き込みマージンの増大が可能なことが示された。また、前記第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層のうちの第（Ｎ／２＋１）強磁性層の磁化膜厚積は、他の強磁性層の磁化膜厚積よりも大きいことが好適であり、さらに、前記第１強磁性層と前記第（Ｎ＋１）強磁性層の磁化膜厚積を、ほぼ等しくすることが好適である。また特にＮが２である素子（即ち、３以上の強磁性層を含む素子）は良好な動作が実証された。

図１は、トグル書き込み方式に対応したＭＲＡＭの典型的な構成を示す平面図である。 図２は、トグル書き込み方式に対応したＭＲＡＭに組み込まれるＭＴＪ素子の典型的な構成を示す断面図である。 図３は、スピンフロップを発現するＳＡＦの典型的な磁化曲線を示すグラフである。 図４は、トグル書き込み方式によるデータ書き込みの手順を示す概念図である。 図５は、トグル書き込み方式によるデータ書き込みが行われるときにビット線、ワード線に流される書き込み電流の波形を示すグラフである。 図６は、トグル書き込み方式が採用されるＭＲＡＭの動作領域を示すグラフである。 図７Ａは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の構成を示す断面図である。 図７Ｂは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の他の構成を示す断面図である。 図７Ｃは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の更に他の構成を示す断面図である。 図７Ｄは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の更に他の構成を示す断面図である。 図７Ｅは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の更に他の構成を示す断面図である。 図７Ｆは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の更に他の構成を示す断面図である。 図７Ｇは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の更に他の構成を示す断面図である。 図８は、ＲＫＫＹ相互作用の結合エネルギーの、非磁性層膜厚に対する依存性を示すグラフである。 図９Ａは、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の構成を示す断面図である。 図９Ｂは、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の他の構成を示す断面図である。 図９Ｃは、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の更に他の構成を示す断面図である。 図９Ｄは、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭのＭＴＪ素子の更に他の構成を示す断面図である。 図１０は、比較例１〜３と実施例１〜３の試料の磁化自由層の構成を示す表である。 図１１は、比較例１の試料の飽和磁場Ｈ_ｓとフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐを示す度数分布表である。 図１２Ａは、実施例１の試料の飽和磁場Ｈ_ｓとフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐを示す度数分布表である。 図１２Ｂは、実施例２の試料の飽和磁場Ｈ_ｓとフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐを示す度数分布表である。 図１２Ｃは、実施例３の試料の飽和磁場Ｈ_ｓとフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐを示す度数分布表である。 図１３は、反強磁性的結合の強さを評価するためのＳＡＦの構成と、そのＳＡＦの特性を示す表である。 図１４は、実施例１、４〜６の試料の飽和磁場Ｈ_ｓ、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐ、及びフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐのばらつきを示す表である。 図１５は、反強磁性的結合の強さを評価するためのＳＡＦの構成と、そのＳＡＦの特性を示す表である。

（第１の実施形態）
図７Ａは、本発明の第１の実施形態に係るＭＲＡＭのメモリセルに採用されるＭＴＪ素子１の構成を示す断面図である。ＭＴＪ素子１は、下部電極層１１と、反強磁性層１２と、磁化固定層１３と、バリア層１４と、磁化自由層１５と、キャップ層１６と、上部電極層１７とを備えている。

ＭＴＪ素子１は、トグル書き込み方式に対応するように配置される。具体的には、図１に示されている従来のＭＲＡＭのＭＴＪ素子１０１と同様に、ＭＴＪ素子１は、その長手方向が、ワード線（及びそれに直交するビット線）に対して４５°の角度をなすように配置される。これにより、磁化固定層１３及び磁化自由層１５を構成する強磁性層の容易軸は、ワード線（及びそれに直交するビット線）に対して４５°の角度をなす方向に向けられる。以下では、ＭＴＪ素子１の構成について詳細に説明する。

下部電極層１１は、ＭＯＳトランジスタ（図示されない）が集積化された基板１０の上に形成されており、磁化固定層１３への電気的接続を提供する経路として機能する。下部電極層１１は、例えば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｕ、Ａｌで形成される。

反強磁性層１２は、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎのような反強磁性体で形成され、磁化固定層１３の磁化を固定する役割を有している。

磁化固定層１３は、例えばＣｏＦｅのような磁気的にハードな強磁性体で形成される。磁化固定層１３の磁化は、反強磁性層１２が作用する交換相互作用によって固定される。磁化固定層１３は、上述のＳＡＦによって構成されても良い。例えば、磁化固定層１３は、２層のＣｏＦｅ膜と、その間に挿入されたＲｕ膜とで構成され得る。この場合、Ｒｕ膜は、反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するような膜厚を有するように形成される。

バリア層１４は、トンネル電流を流す程度に薄い膜厚を有するアモルファスの絶縁体膜であることが多い。バリア層１４がアモルファスであることは、後述されるように、磁化自由層１５を構成する膜の結晶性に大きな影響を及ぼす。より具体的には、バリア層１４は、例えば、アルミナ（ＡｌＯ_ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。ただし、バリア層１４は、アモルファスであると限定されてはならない。バリア層１４は、例えば、ＮａＣｌ構造を有する単結晶ＭｇＯであることも可能である。

磁化自由層１５は、強磁性層の数が４であるＳＡＦで構成されている。より具体的には、磁化自由層１５は、強磁性層２１〜２４と、その間に介設されている非磁性層３１〜３３とを備えている。より詳細には、強磁性層２１は、バリア層１４の上に形成されており、非磁性層３１は、強磁性層２１の上に形成されている。非磁性層３１の上に、強磁性層２２、非磁性層３２、強磁性層２３、非磁性層３３、及び強磁性層２４が、この順で順次に形成されている。磁化自由層１５の全体としての全体としての残留磁化（即ち、外部磁場が０である場合の磁化自由層１５の全体としての磁化）は可能な限り０に近づけられる。この条件は、例えば、強磁性層２１〜２４を同一の材料で、且つ、同一の膜厚を有するように形成することによって満足され得る。

なお、本明細書にいう強磁性層とは、全体として強磁性を発現する層を意味しており、単一の強磁性膜で構成されていると限定して解釈されてはならない。例えば、本明細書にいう強磁性層は、２つの強磁性膜と、その間に介設され、２つの強磁性膜を強磁性的に結合する非磁性膜とで構成される積層体を含むと解釈されなくてはならない。

磁化自由層１５の非磁性層３１〜３３のそれぞれは、その上下に接合される強磁性層に反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を作用させ、それらを反強磁性的に結合するように構成されている。非磁性層の材料及び膜厚を適切に選択することにより、上下に接合される強磁性層をＲＫＫＹ相互作用によって反強磁性的に結合することができることは、当業者には周知である。図８は、ＲＫＫＹ相互作用による結合エネルギーの強さの非磁性層の膜厚に対する依存性を示すグラフである。図８のグラフでは、強磁性層を反強磁性的に結合させる場合に結合エネルギーが正であると定義されていることに留意されたい。ＲＫＫＹ相互作用による結合エネルギーＪ_ｓａｆは、非磁性層の膜厚の増加と共に減衰振動し、ある範囲においては反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用が発現し、他の範囲においては、強磁性的な強磁性的なＲＫＫＹ相互作用が発現する。非磁性層３１〜３３の膜厚は、それらが反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように選択される。

キャップ層１６は、磁化固定層１３、バリア層１４、及び磁化自由層１５を保護するための層である。キャップ層１６は、例えば、Ｔａ、Ｒｕで形成される。キャップ層１６は、トンネル電流が流れる程度に極めて薄いＡｌＯ_ｘで形成されることも可能である。

上部電極層１７は、磁化自由層１５への電気的接続を提供する経路として機能する。上部電極層１７は、例えば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｕ、Ａｌで形成される。

本実施形態のＭＲＡＭの主たる特徴は、非磁性層３１〜３１のうち基板１０の最も近くに位置する非磁性層３１が相対的に低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、基板１０から最も離れて位置する非磁性層３３が相対的に高次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有している点である。このような構成は、非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さをなるべく近づけるために有効である。非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さが同一に近くなることは、既述のように、ＭＲＡＭの書き込みマージンを増大させるために有効である。

図８に示されているように、ＲＫＫＹ相互作用の強さは非磁性層の材料及び膜厚に依存するから、非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さを同一にするためには、非磁性層３１と非磁性層３３を同一の材料で膜厚が同一になるように形成すればよいと考えられるかもしれない。しかし、現実に集積化されたＭＲＡＭでは、非磁性層３１と非磁性層３３を同一の材料、同一の膜厚で形成しても、非磁性層３１と非磁性層３３が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さは同一にならない。これは、非磁性層３１と非磁性層３３とで結晶性が異なるからである。磁化自由層１５は、バリア層１４の上に、強磁性層２１、非磁性層３１、強磁性層２２、非磁性層３２、強磁性層２３、非磁性層３３、及び強磁性層２４を順次に形成することによって形成されるから、先に形成される非磁性層３１よりも、後に形成される非磁性層３３の方が結晶性がよい。ＲＫＫＹ相互作用の強さは結晶性が良好であるほど強いから、同一の材料、同一の膜厚で非磁性層３１と非磁性層３３を形成すると、非磁性層３１よりも非磁性層３３の方が強いＲＫＫＹ相互作用を発現するようになってしまう。

非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さをなるべく同一に近づけるためには、むしろ、非磁性層３１を相対的に低次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成し、非磁性層３３を相対的に高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成することが好適である。これにより、非磁性層３３が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さが良好な結晶性によって強められる効果と、相対的に高次のピークに対応する膜厚を有していることによって弱められる効果とがキャンセルされ、非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さが同一に近くなる。

具体的には、本実施形態では、非磁性層３１がＲＫＫＹ相互作用の第２次の反強磁性ピーク（反強磁性２ｎｄピーク）に対応する範囲の膜厚を有しており、非磁性層３２、３３が第３次の反強磁性ピーク（反強磁性３ｒｄピーク）に対応する範囲の膜厚を有している。より具体的には、非磁性層３１〜３３がルテニウムで形成される場合には、非磁性層３１は、その膜厚が１．８ｎｍを超え、２．５ｎｍ未満であるように形成され、非磁性層３２、３３は、その膜厚が３．１ｎｍを超え、３．９ｎｍ未満であるように形成される。最も好適には、非磁性層３１は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍの膜厚を有するように形成され、非磁性層３２、３３は、反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍの膜厚を有するように形成される。このような膜厚の組み合わせは、非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さを、より同一に近づけるために有効である。

また、図７Ａに示される積層磁化自由層において、非磁性層３１〜３３のみでなく、強磁性層２１〜２４に関しても、上層ほど結晶性が改善される。例えば、パーマロイを強磁性層２１〜２４に使用し、ルテニウムを非磁性層３１〜３３に使用した場合、強磁性層２1と比較して強磁性層２３のパーマロイは、ＦＣＣ（face center cubic）（１１１）面の膜面直方向への結晶配向度が高く、それらの直上にそれぞれ成長している非磁性層３１と非磁性層３３のルテニウムに関しても、非磁性層３１よりも非磁性層３３のルテニウムの方がＨＣＰ(hexagonal close packed)（００１）面の膜面直方向への結晶配向度が高くなる。

また、このような技術は、磁化自由層を構成するＳＡＦに含まれる強磁性層の数が図７Ａと異なる場合にも適用可能である。例えば、図７Ｂに示されているように、ＭＴＪ素子１Ａの磁化自由層１５Ａが、３層の強磁性層２１〜２３と、それらの間に挿入された非磁性層３１、３２で形成されることも可能である。この場合、非磁性層３２は、非磁性層３１よりも高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。例えば、非磁性層３１が第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、非磁性層３２が第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。強磁性層２１〜２３は、磁化自由層１５Ａの全体としての残留磁化が０に近くなるように形成される。より具体的には、強磁性層２１、２３の磁化膜厚積（即ち、強磁性層２１、２３の磁化と、膜厚の積）が同一にされ、強磁性層２２の磁化膜厚積が強磁性層２１、２３の
磁化膜厚積よりも大きくされる、最も好適には２倍にされる。このような条件は、例えば、強磁性層２１〜２３を同一の材料で形成し、強磁性層２１、２３を同一の膜厚になるように形成し、強磁性層２２を強磁性層２１、２３の２倍の膜厚になるように形成することによって達成可能である。

磁化自由層に含まれる強磁性層の数は、３以外の奇数であっても良い。この場合、中央に位置する強磁性層（即ち、非磁性層の数をＮ、強磁性層の数をＮ＋１として、第（Ｎ／２＋１）番目に位置する強磁性層）の磁化膜厚積が、他の強磁性層の磁化膜厚積よりも大きくされ、両端に位置する２つの強磁性層の磁化膜厚積が、ほぼ同一にされることが好ましい。なぜならばこのような構成では、積層磁化自由層のもっとも中央の強磁性層の磁化に対して、その上下方向に配置された複数の強磁性層が、それぞれ対称な磁化配置をとりながら、ある磁場において同時にスピンフロップを起こしやすくする。これは良好なトグル動作を実現する上で重要である。

図７Ｃに示されているように、ＭＴＪ素子１Ｂの磁化自由層１５Ｂが、６層の強磁性層２１〜２６と、それらの間に挿入された非磁性層３１〜３５で形成されることも可能である。この場合、非磁性層３５は、非磁性層３１よりも高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。例えば、非磁性層３１が第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、非磁性層３２〜３５が第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。強磁性層２１〜２６は、磁化自由層１５Ａの全体としての残留磁化が０に近くなるように形成される。このような条件は、例えば、強磁性層２１〜２６を同一の材料、同一の膜厚で形成することによって達成可能である。

ＲＫＫＹ相互作用の強さをより均一にするためには、非磁性層の膜厚に加え、それらに接する強磁性層の組成によって相互作用の強さを制御しても良い。非磁性層の膜厚によるＲＫＫＹ相互作用の強さの制御は、非磁性層の膜厚の自由度が小さいため、完全にＲＫＫＹ相互作用の強さを均一にできない場合がある。このような場合に、強磁性層の組成によって相互作用の強さを制御することが有効である。ＲＫＫＹ相互作用の強さは、非磁性層と接する面における強磁性層の組成に依存するから、非磁性層と接する面における強磁性層の組成を適切に選択することによって各非磁性層が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さを、より同一に近づけることができる。例えば、コバルトは、ニッケルと比較して強いＲＫＫＹ相互作用を発現させるから、ある非磁性層に接する面におけるコバルトの組成を、他の非磁性層に接する面における増大させれば、当該非磁性層を介するＲＫＫＹ相互作用の強さを強くすることができる。

図７Ｄは、非磁性層と接する面における強磁性層の組成により、ＲＫＫＹ相互作用の強さが制御されたＭＴＪ素子１Ｊの構成の例を示す断面図である。ＭＴＪ素子１Ｊの磁化自由層１５Ｊは、３層の強磁性層２１〜２３と２層の非磁性層３１、３２とを備えて構成されている。上側の非磁性層３２は、非磁性層３１よりも高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。例えば、非磁性層３１が第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、非磁性層３２が第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。上述のように、非磁性層３１、３２の膜厚の最適化により、非磁性層３１、３２が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さがより均一に近づけられている。

強磁性層２１、２２は、ＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜との積層膜で構成されている。強磁性層２１、２２のＣｏＦｅ膜２１ｂ、２２ｂは、その実効的な膜厚（即ち、平均の膜厚）が極めて薄く、したがって島状に形成され、その下に位置するＮｉＦｅ膜２１ａ、ＮｉＦｅ膜２２ｂは部分的に非磁性層３１、３２に接触している。一方、強磁性層２３は、ＮｉＦｅ膜単層で形成されている。

図７ＤのＭＴＪ素子１Ｊは、非磁性層３１、３２を介するＲＫＫＹ相互作用の強さの均一化を、非磁性層３１、３２の膜厚の最適化に加え、ＣｏＦｅ膜２１ｂ、２２ｂの実効的な膜厚の最適な制御によって達成している。非磁性層３１、３２の上面は、いずれも、ＮｉＦｅ膜に接しているのに対し、非磁性層３１、３２の下面は、実効的な膜厚が異なるＣｏＦｅ膜２１ｂ、２２ｂに接している。ＣｏＦｅ膜２１ｂ、２１ｂは、ＮｉＦｅ膜２１ａ、ＮｉＦｅ膜２２ｂを不完全にしか被覆していないから、非磁性層３１、３２の下面における強磁性層２１、２２の組成は、ＣｏＦｅ膜２１ｂ、２２ｂの実効的な膜厚に依存している。実効的な膜厚が大きいＣｏＦｅ膜２２ｂに接する非磁性層３２の下面の方が、実効的な膜厚が小さいＣｏＦｅ膜２１ｂに接する非磁性層３１の下面よりもＣｏ組成が大きく、非磁性層３２を介するＲＫＫＹ相互作用は相対的に強められる。このように、非磁性層３１、３２の下面におけるＣｏ組成の制御により、非磁性層３１、３２の膜厚の最適化によって完全には達成できない相互作用の強さの均一化を達成できる。

ＣｏＦｅ膜の代わりに、他の非磁性膜を薄く形成することにより、非磁性層３１、３２が発現するＲＫＫＹ相互作用を弱めることもできる。例えば、ＣｏＦｅ膜２１ｂの代わりに島状に形成される程度に薄いＡｌ膜を形成することにより、非磁性層３１が発現するＲＫＫＹ相互作用は相対的に弱められる。このように、非磁性層３１、３２が強磁性層に接する面における組成の制御により、非磁性層３１、３２の膜厚の最適化によって完全には達成できない相互作用の強さの均一化を達成できる。

図７ＤのＭＴＪ素子１Ｊでは、非磁性層３１、３２の下面における強磁性層の組成によってＲＫＫＹ相互作用の強さが制御されているが、非磁性層３１、３２の上面における組成も、ＲＫＫＹ相互作用の強さの制御に使用することが可能である。

非磁性層に接する面における強磁性層の組成の制御は、強磁性層を単層の強磁性膜で構成し、且つ、その組成を異ならせることによっても達成可能である。しかし、このような構成は、様々な組成の強磁性層を形成することが必要になるため、製造に係るコストが高くなる。強磁性層に積層膜を使用し、且つ、積層膜を構成する膜の実効的な膜厚によって組成を制御することは、安価に組成を制御することを可能にするため好適である。

非磁性層と接する面における強磁性層の組成によって相互作用の強さが制御される場合には、非磁性層の膜厚が同一であってもよい。既述のように、非磁性層の膜厚が同一であると、それらが発現するＲＫＫＹ相互作用の強さは、上に位置する非磁性層ほど強くなる。しかし、非磁性層と接する面における強磁性層の組成を最適化することにより、ＲＫＫＹ相互作用の強さを均一化することが可能である。

図７Ｅはこのような構成のＭＴＪ素子１Ｋの構成の例を示す断面図である。ＭＴＪ素子１Ｋの磁化自由層１５Ｋは、３層の強磁性層２１〜２３と２層の非磁性層３１、３２とを備えて構成されている。非磁性層３１、３２は、同一の膜厚を有している。同一の膜厚を有していても非磁性層３２の方が高い結晶性を有しているから、基本的には、非磁性層３１よりも非磁性層３２の方が強いＲＫＫＹ相互作用を発現し得る。

非磁性層３１、３２が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さを揃えるために、非磁性層３１、３２と接する面における強磁性層２１〜２３の組成が制御される。より具体的には、強磁性層２１は、ＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜との積層膜で構成される一方、強磁性層２２、２３は、ＮｉＦｅ膜単層で構成される。強磁性層２１のＣｏＦｅ膜２１ｂは、その実効的な膜厚（即ち、平均の膜厚）が極めて薄く、したがって島状に形成され、その下に位置するＮｉＦｅ膜２１ａは部分的に非磁性層３１に接触している。

非磁性層３１、３２の上面は、いずれも、ＮｉＦｅ膜に接しているのに対し、非磁性層３１、３２の下面における強磁性層のＣｏ組成は、非磁性層３１のほうが大きい。非磁性層３１の下面におけるＣｏ組成の増大は、非磁性層３１に強いＲＫＫＹ相互作用を発現させる。このように、図７Ｅの磁化自由層１５Ｋでは、非磁性層３１、３２の下面におけるＣｏ組成を適切に制御することによって結晶性によるＲＫＫＹ相互作用の強さの差が相殺され、ＲＫＫＹ相互作用の強さが均一化されている。

なお、本発明にいう強磁性層は、単層の強磁性膜で構成されるものに限定して解釈されてはならない。ある強磁性の構造体が複数の強磁性膜を含んでいても、それらが強磁性的に結合されて一の強磁性体として振舞う限り、当該構造体は、一の強磁性層として定義される。強磁性膜の間には、それらを強磁性的に結合する非磁性膜が設けられていてもよい。

図７Ｆは、一の強磁性層が、強磁性的に結合された複数の強磁性膜を含んでいるＭＴＪ素子１Ｍの構造を示す断面図である。ＭＴＪ素子１Ｍの磁化自由層１５Ｍは、３層の強磁性層２１〜２３と２層の非磁性層３１、３２とを備えて構成されている。上側の非磁性層３２は、非磁性層３１よりも高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。例えば、非磁性層３１が第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、非磁性層３２が第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。上述のように、非磁性層３１、３２の膜厚の最適化は、非磁性層３１、３２が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さを均一に近づけるために有効である。

強磁性層２２は、強磁性膜２２ｃ、２２ｄと、それらの間に挟まれた非磁性膜２２ｅとを備えている。非磁性膜２２ｅは、強磁性膜２２ｃ、２２ｄを強磁性的なＲＫＫＹ相互作用によって結合し、したがって、強磁性膜２２ｃ、２２ｄは、全体として一の強磁性体として振舞う。非磁性膜２２ｅは、１．２〜１．８ｎｍのルテニウム膜で形成されることが好適である。

また、図７Ｇに示されているＭＴＪ素子１Ｃのように、磁化固定層１３がバリア層１４の上面の上に形成され、磁化自由層が、バリア層１４の下面に接するように（即ち、基板１０に近いように）形成されることも可能である；図７Ｄには、強磁性層の数が３である磁化自由層１５Ａが図示されている。下地層に依存して磁化自由層中の各層の結晶成長の度合いは変化するが、このような構成でも、後に形成される非磁性層３２の結晶性が、先に形成される非磁性層３１の結晶性よりも高くなる。従って、非磁性層３２を非磁性層３１よりも高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成することにより、非磁性層３１と非磁性層３２が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さを、より同一に近づけることができる。

ただし、上記の技術は、磁化自由層がバリア層の上面の上に形成されている場合に特に有効であることに留意されたい。バリア層は、多くの場合にアモルファスであり、従って、その直上に形成される強磁性層は、その結晶性が良好でない。従って、磁化自由層の非磁性層のうち基板に最も近い（即ち、バリア層に最も近い）非磁性層も、その結晶性が良好でない。結晶性によるＲＫＫＹ相互作用の差を非磁性層の膜厚による効果でキャンセルする上記の技術は、このような場合に最も有効である。

実デバイスでは、磁化自由層と非磁性層が、好適な配向面をもって結晶成長するための下地層の構成が、実デバイスに求められる他の機能により制限されることが多くある。例えば、前述のトンネルバリアにアモルファス材料を使用する場合もそうであるし、トンネルバリアの下側に磁化自由層を配置する場合においても、下地の平坦性を求めて磁化自由層の下地に微結晶またはアモルファス材料を用いることもありうる。また膜厚の制限により、十分な下地層を準備することが制限される場合も想定される。このような場合にも本技術は有効である。

また、磁化自由層の下地層の結晶性が良好な場合にも、その上に成長させるべき磁化自由層が、好適な結晶配向性を有しながら成長するとは限らない。むしろ、格子整合あるいは不整合により、不所望な結晶面への配向や凹凸成長などが生じる場合が一般的である。その場合においても、本技術は、特に有効となる。なぜならば、磁化自由層の最下層の非磁性層は、不所望な結晶面への結晶成長や凹凸成長の影響を避けがたいので、不所望な結晶性を有しＲＫＫＹ相互作用が弱まる。しかし最上層の非磁性層が成長するまでには、強磁性/非磁性の積層下地により、最上部の非磁性層は所望の結晶性を回復してRKKY相互作用が強まることが期待される。

（第２の実施形態）
図９Ａは、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１Ｅの構成を示す断面図である。図９Ａに示されているＭＴＪ素子１Ｅは、図７Ａに示されているＭＴＪ素子１と同様に、磁化自由層１５Ｅが、４層の強磁性層２１〜２４と３層の非磁性層３１〜３３からなるような構成を有している。

相違点は、非磁性層３１〜３３のうち、中間に位置する非磁性層３２が、他の非磁性層３１、３３よりも強いＲＫＫＹ相互作用を発現するように構成されている点にある。このような構成は、磁化自由層１５Ｅのフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐを低く保ったまま飽和磁場Ｈ_ｓを増大する、即ち、書き込みマージンを増大するために有効である。これは、磁化自由層１５Ｅのフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐは、非磁性層３２よりも非磁性層３１、３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さに強く依存し、飽和磁場Ｈ_ｓは、非磁性層３２が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さに強く依存するからである。

具体的には、図９Ａに示されているＭＴＪ素子１Ｅでは、最も基板１０から離れて位置する非磁性層３３は、最も基板１０の近くに位置する非磁性層３１よりも高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、更に、中央に位置する非磁性層３２は、非磁性層３３よりも低次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。これにより、非磁性層３２に他の非磁性層３１、３３よりも強いＲＫＫＹ相互作用を発現させることができる。

より具体的には、非磁性層３１がＲＫＫＹ相互作用の第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、非磁性層３３が第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。中央に位置する非磁性層３２は、第１次又は第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。非磁性層３１〜３３がルテニウムで形成される場合には、非磁性層３１は、その膜厚が１．８ｎｍを超え、２．５ｎｍ未満であるように形成され、非磁性層３３は、その膜厚が３．１ｎｍを超え、３．９ｎｍ未満であるように形成される。非磁性層３２の膜厚は、０．７ｎｍを超え、１．２ｎｍ未満であるように形成されるか、又は、１．８ｎｍを超え、２．５ｎｍ未満であるように形成される。最も好適には、非磁性層３１は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍの膜厚を有するように形成され、非磁性層３３は、反強磁性３ｎｄピークに対応する３．５ｎｍの膜厚を有するように形成される。非磁性層３１は、反強磁性１ｓｔピークに対応する０．９ｎｍの膜厚、又は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍの膜厚を有するように形成される。このような膜厚の組み合わせは、非磁性層３１と非磁性層３３が発現する反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用の強さをより同一に近づけ、更に、非磁性層３２に他の非磁性層３１、３３よりも強いＲＫＫＹ相互作用を発現させるために好適である。

このような技術は、磁化自由層が４層以上の非磁性層を有する場合にも適用可能である。磁化自由層にＮ層（Ｎは４以上の整数）の非磁性層が設けられる場合、最も基板から離れて位置する非磁性層は、最も基板の近くに位置する非磁性層よりも高次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、更に、中間の（Ｎ−２）層の非磁性層のうちの少なくとも１層は、最も基板から離れて位置する非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。このような構成によれば、中間に位置する非磁性層が発現するＲＫＫＹ相互作用を最上層及び最下層の非磁性層が発現するＲＫＫＹ相互作用よりも強くし、これにより、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐを低く保ったまま飽和磁場Ｈ_ｓを増大させることができる。

図９Ｂは、本実施形態に係るＭＴＪ素子１Ｆの構成の一例を示す断面図である。ＭＴＪ素子１Ｆは、その磁化自由層１５Ｆが６層の強磁性層２１〜２６と５層の非磁性層３１〜３５とで構成されている。図９ＢのＭＴＪ素子１Ｆでは、最も基板１０から離れて位置する非磁性層３５は、最も基板１０の近くに位置する非磁性層３１よりも高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、更に、中央に位置する非磁性層３３は、非磁性層３５よりも低次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。残りの非磁性層３２、３４は、非磁性層３５と同一の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚（即ち、同一の膜厚）であってもよく、図９Ｃに示されているように、非磁性層３５よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成されてもよい。

詳細には、図９Ｂに図示されたＭＴＪ素子１Ｆでは、最も下に位置する非磁性層３１がＲＫＫＹ相互作用の第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、最も上に位置する非磁性層３５が第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成されることが好適である。中央に位置する非磁性層３３は、第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。残りの非磁性層３２、３４は、非磁性層３５と同じく第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。

一方、図９Ｃに図示されたＭＴＪ素子１Ｇでは、磁化自由層１５Ｇの最も下に位置する非磁性層３１は、ＲＫＫＹ相互作用の第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、最も上に位置する非磁性層３５は、第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成されることが好適である。中央に位置する非磁性層３３は、第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。残りの非磁性層３２、３４は、非磁性層３３と同じく第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。

最も好適な実施形態では、磁化自由層は、その中央に位置する非磁性層が最も強くＲＫＫＹ相互作用を発現し、磁化自由層の中央から離れるほどＲＫＫＹ相互作用が弱くなり、且つ、ＲＫＫＹ相互作用の強さが磁化自由層の中央に対して上下対称であるように構成される。「中央に位置する非磁性層」とは、磁化自由層に含まれている非磁性層の数Ｎが奇数である場合には、基板から（［Ｎ＋１］／２）番目に位置する非磁性層である。一方、強磁性層の数Ｎが偶数である場合には、基板から（Ｎ／２）番目、（［Ｎ／２］＋１）番目に位置する２層の強磁性層を意味する。

より厳密には、磁化自由層が第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層と第１〜第Ｎ非磁性層とを備える場合には、第ｊ非磁性層が、それぞれ、ＲＫＫＹ相互作用のα_ｊ次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有しているとして、磁化自由層が下記条件を満足するように形成されることが好適である。ただし、第ｋ強磁性層とは、第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層のうちで第ｋ番目に基板に近い強磁性層を意味しており、第ｊ非磁性層とは、第１〜第Ｎ非磁性層のうちで第ｊ番目に基板に近い非磁性層を意味していることに留意されたい：
（１）非磁性層の数Ｎが奇数の場合
α_１≧α_２≧α_３≧・・・≧α_{［Ｎ＋１］／２−１}≧α_{［Ｎ＋１］／２}， ・・・（１ａ）
α_{［Ｎ＋１］／２}≦α_{［Ｎ＋１］／２＋１}≦・・・≦α_Ｎ−１≦α_Ｎ， ・・・（１ｂ）
α_１＜α_Ｎ， ・・・（１ｃ）
α_２＝α_Ｎ−１，
α_３＝α_Ｎ−２，
・・・
α_ｐ＝α_{Ｎ−ｐ＋１}， （ｐは、２以上（Ｎ＋１）／２−１以下の整数） ・・・（１ｄ）
・・・
α_{［Ｎ＋１］／２−１}＝α_{［Ｎ＋１］／２＋１}．
（２）非磁性層の数Ｎが偶数の場合
α_１≧α_２≧α_３≧・・・≧α_{Ｎ／２−１}≧α_Ｎ／２， ・・・（２ａ）
α_{Ｎ／２＋１}≦α_{Ｎ／２＋２}≦・・・≦α_Ｎ−１≦α_Ｎ， ・・・（２ｂ）
α_１＜α_Ｎ， ・・・（２ｃ）
α_２＝α_Ｎ−１，
・・・
α_ｐ＝α_{Ｎ−ｐ＋１}，（ｐは、２以上Ｎ／２以下の整数） ・・・（２ｄ）
・・・
α_{Ｎ／２−１}＝α_{Ｎ／２＋２}，
α_Ｎ／２＝α_{Ｎ／２＋１。}

このような構成では、非磁性層が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さが徐々に変化するため、磁化自由層の強磁性層の一部が残りの強磁性層と独立した挙動を示すことが一層に有効に防がれる。これは、磁化自由層に安定して書き込みを行うようにするために有効である。

図９Ｄは、磁化自由層に集積化されている非磁性層の数Ｎが５であるＭＴＪ素子１Ｈの構成の例を示す断面図である。磁化自由層１５Ｈは、６層の強磁性層２１〜２６と５層の非磁性層３１〜３５とを備えている。最も下に位置する非磁性層３１は、ＲＫＫＹ相互作用の第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成され、最も上に位置する非磁性層３５は、第３次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。非磁性層３２、３４は、いずれも、第２次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。中央に位置する非磁性層３３は、第１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成される。このように構成された磁化自由層１５Ｈが、上記の式（１ａ）〜（１ｄ）を満足させることは、容易に理解されよう。

なお、上述の実施形態には、トグル書き込み方式を採用するＭＲＡＭが記載されているが、上述の磁化自由層の構成は、スピンフロップを利用するＭＲＡＭ全般に適用可能であることに留意されたい。

１．フロップ磁場、飽和磁場、及び書き込みマージンの評価
最も上に位置する非磁性層を、最も下に位置する非磁性層よりも高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成することによる書き込みマージンの増大の効果が、様々な構造のＳＡＦで形成された磁化自由層を有するＭＴＪ素子を作成し、その特性を測定することによって確認された。具体的には、図１０に示されている比較例１〜３、実施例１〜３のそれぞれに対して２００〜２２４個のＭＴＪ素子が用意された。ＭＴＪ素子の平面形状は、０．４×０．８μｍ^２の長円形である。また、ＭＴＪ素子の全体としての積層構造は、下記のとおりである：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０
．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏ_ｘ／磁化自由層／Ａｌ（０
．７ｎｍ）Ｏ_ｘ／Ｔａ（１００ｎｍ）

ここで、Ａｌ（αｎｍ）Ｏ_ｘとは、α（ｎｍ）のＡｌ膜を酸化することによって形成されたＡｌＯ_ｘ膜を意味している。また、基板の上に順次に形成されたＴａ膜、ＰｔＭｎ膜、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ積層体、Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏ_ｘ膜が、それぞれ、下部電極層１１、反強磁性層１２、磁化固定層１３、バリア層１４に相当しており、磁化自由層の上に形成されたＡｌ（０．７ｎｍ）Ｏ_ｘ膜、Ｔａ膜が、キャップ層１６、上部電極層１７に相当していることに留意されたい。

図１０は、各試料の磁化自由層の構成を示す表である。磁化自由層に含まれる強磁性層の数は、２〜４であり、強磁性層の材料、膜厚は、磁化自由層の全体としての残留磁化が０であるように選択されている。磁化自由層の非磁性層は、いずれも、ルテニウムで形成されている。以下では、各試料の特徴が概略的に説明される。

比較例１のＭＴＪ素子の磁化自由層は、２層の強磁性層と１層の非磁性層を含むＳＡＦで形成されている。非磁性層の膜厚は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍである。

比較例２のＭＴＪ素子の磁化自由層は、３層の強磁性層と２層の非磁性層を含むＳＡＦで形成され、比較例３のＭＴＪ素子の磁化自由層は、４層の強磁性層と３層の非磁性層を含むＳＡＦで形成されている。比較例２、３は、いずれも、磁化自由層に含まれている全ての非磁性層の膜厚が３．５ｎｍで同一である。

実施例１の試料は、３層の強磁性層と２層の非磁性層を含むＳＡＦで磁化自由層が形成されているＭＴＪ素子である。基板から離れて位置する非磁性層は、基板の近くに位置する非磁性層よりも高次の反強磁性ピークに対応する膜厚を有している。具体的には、基板の近くに位置する非磁性層の膜厚は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍであり、基板から離れて位置する非磁性層の膜厚は、反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍである。

実施例２、３の試料は、いずれも、４層の強磁性層と３層の非磁性層を含むＳＡＦで磁化自由層が形成されているＭＴＪ素子である。基板から最も離れて位置する非磁性層は、基板の最も近くに位置する非磁性層よりも高次の反強磁性ピークに対応する膜厚を有している。具体的には、基板の近くに位置する非磁性層の膜厚は、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍであり、基板から離れて位置する非磁性層の膜厚は、反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍである。

実施例２、３の試料の相違点は、中間に位置する非磁性層の膜厚である。実施例２の試料は、中間に位置する非磁性層の膜厚が反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍであり、実施例３の試料は、中間に位置する非磁性層の膜厚が反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍである。実施例３の試料は、中間に位置する非磁性層が、その上下に位置する非磁性層よりも強いＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成されていることに留意されたい。

３層、４層の強磁性層が磁化自由層に集積化されている比較例２、３の試料は、スピンフロップを示さず、従って、トグル書き込み方式による書き込みを行うことができなかった。これは、非磁性層が同一の膜厚であると、かえってＲＫＫＹ相互作用の強さが揃わず、磁化自由層に含まれている強磁性層の磁化が独立して反転してしまうからであると推定される。

一方、比較例１と実施例１〜３のＭＴＪ素子は、いずれもスピンフロップを発現し、トグル書き込み方式による書き込みを行うことができた。しかしながら、比較例１と実施例１〜３とでは、書き込みマージンの大きさに差が現れた。以下では、比較例１と実施例１〜３のＭＴＪ素子の特性が詳細に説明される。

図１１は、比較例１のＭＴＪ素子のフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐと飽和磁場Ｈ_ｓを示す度数グラフであり、図１２Ａ〜１２Ｃは、それぞれ、実施例１〜３のフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐと飽和磁場Ｈ_ｓを示す度数グラフである。図１１、図１２Ａ〜１２Ｃに示されているように、比較例１、実施例１〜３のＭＴＪ素子のフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐは、それぞれ、５０（Ｏｅ）、５５（Ｏｅ）、５１．５（Ｏｅ）、５１．５（Ｏｅ）の周囲に分布しており、比較例１、実施例１〜３のＭＴＪ素子には、フロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐに有意な差が見られなかった。

一方、飽和磁場Ｈ_ｓには、比較例１と実施例１〜３とで有意な差が現れた。具体的には、比較例１のＭＴＪ素子の飽和磁場Ｈ_ｓは、１４７（Ｏｅ）の周囲に分布しているのに対し、実施例１〜３のＭＴＪ素子の飽和磁場Ｈ_ｓは、それぞれ、２４６（Ｏｅ）、３２６（Ｏｅ）、５３５（Ｏｅ）の周囲に分布していた。

その結果、比較例１と実施例１〜３とでは、書き込みマージンの大きさを表す比Ｈ_ｓ／Ｈ_ｆｌｏｐにも有意な差が現れた。比較例１のＭＴＪ素子では、比Ｈ_ｓ／Ｈ_ｆｌｏｐが２．９であったのに対し、実施例１〜３のＭＴＪ素子では、比Ｈ_ｓ／Ｈ_ｆｌｏｐが、それぞれ、４．５、６．３、１０．４であった。これは、実施例１〜３のＭＴＪ素子が、書き込みマージンについて比較例１に対して優位であることを示している。

実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２が実施例１よりも大きな飽和磁場Ｈ_ｓ、即ち、大きな書き込みマージンを示した。これは、磁化自由層の強磁性層の数を増加させることが、書き込みマージンを大きくするために有効であることを示している。

更に、実施例２と実施例３とを比較すると、実施例３が実施例２よりも大きな飽和磁場Ｈ_ｓ、即ち、大きな書き込みマージンを示した。これは、中間に位置する非磁性層を相対的に強いＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成することにより、飽和磁場Ｈ_ｓ、即ち、書き込みマージンを増大させることが出来ることを示している。

２．ＲＫＫＹ相互作用による反強磁性的結合の評価
基板に最も近い非磁性層（最下層の非磁性層）と基板から最も離れた非磁性層（最上層の非磁性層）とが発現する反強磁性的な結合の強さが、図１３に示されている構成のＳＡＦを用いて評価された。非磁性層を構成する材料は、ルテニウムである。最下層の非磁性層については、反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍの膜厚を有する非磁性層と、反強磁性２ｎｄピークに対応する２．１ｎｍの膜厚を有する非磁性層とが評価された。一方、最上層の非磁性層については、反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍの膜厚を有する非磁性層が評価された。

最下層の非磁性層が発現する反強磁性的な結合の強さを評価するための試料（図１３の試料１、２）は、アモルファスであるＡｌＯｘ層の上に形成された、２層の強磁性層を有するＳＡＦである。当該２層の強磁性層の間には、３．５ｎｍ（試料１）又は２．１ｎｍ（試料２）の膜厚を有するルテニウム層が介設されている。このＳＡＦの飽和磁場Ｈ_ｓが測定され、更に、測定された飽和磁場Ｈ_ｓから最下層の非磁性層が発現するＲＫＫＹ相互作用の結合エネルギーＪが算出された。算出された結合エネルギーＪは、最下層の非磁性層が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さを表している。

一方、最上層の非磁性層が発現する反強磁性的な結合の強さを評価するための試料（試料３）は、アモルファスであるＡｌＯｘ層の上に形成された、４層の強磁性層と、その間に介設された３層の非磁性層を有するＳＡＦである。この試料では、最下層の非磁性層と２番目の非磁性層が３．１ｎｍの膜厚を有するルテニウム層で形成され、最上層の非磁性層が３．５ｎｍの膜厚を有するルテニウム層で形成された。３．１ｎｍの膜厚を有するルテニウム層は、発現するＲＫＫＹ相互作用の強さがほぼ０であるから、この試料では、実質的に、最上層の非磁性層と、それを挟む強磁性層とがＳＡＦとして機能する。このＳＡＦの飽和磁場Ｈ_ｓが測定され、更に、測定された飽和磁場Ｈ_ｓから最下層の非磁性層が発現するＲＫＫＹ相互作用の結合エネルギーＪが算出された。算出された結合エネルギーＪは、最上層の非磁性層が発現するＲＫＫＹ相互作用の強さを表している。

図１３から理解されるように、最上層の非磁性層が反強磁性３ｒｄピークに対応する３．５ｎｍの膜厚を有するルテニウム層である場合、最下層の非磁性層は、反強磁性３ｒｄピークに対応する膜厚を有する場合ではなく、反強磁性２ｎｄピークに対応する膜厚を有する場合に、最上層の非磁性層に近い結合エネルギーＪを発現した。これは、最下層の非磁性層と最上層の非磁性層とが発現する反強磁性的な結合の強さを同一に近づけるためには、最上層の非磁性層を、最下層の非磁性層よりも高次の反強磁性ピークに対応する膜厚を有するように形成することが有効であることを示している。

この実験結果は、３層以上の強磁性層を有するＳＡＦが、最上層の非磁性層を最下層の非磁性層よりも高次の反強磁性ピークに対応する膜厚を有するように形成することによってスピンフロップを発現するようになったという現象が、最下層の非磁性層と最上層の非磁性層とが発現する反強磁性的な結合の強さが同一に近づいたことに起因していることを示唆している。

３．強磁性層の組成による反強磁性的な結合の強さの制御
強磁性層の組成による反強磁性的な結合の強さの制御の効果を検証するために、実施例４乃至実施例６の試料が作成された。実施例４、５の試料は、３層の強磁性膜と２層の非磁性膜が交互に積層され、残留磁化状態で各々の強磁性膜は非磁性膜を介して反平行に結合した磁化自由層を有している。実施例６の試料は、４層の強磁性膜と３層の非磁性膜が交互に積層され、そのうち最中央部の非磁性膜のみが強磁性結合を発現するように設定されており、残留磁化状態において、最下部と最上部の強磁性膜が、それらの間に存在する２層の強磁性膜に対して反平行に結合し、内側の２層の強磁性膜同士は平行に結合した磁化自由層を有している。実施例６は４層の強磁性膜を含んでいるが、中間の２層の強磁性膜と、それらの間の非磁性膜は、一層の強磁性層として機能する。したがって、実施例４乃至実施例６の磁化自由層は、いずれも、残留磁化状態で３層の強磁性層が互いに反平行結合したＳＡＦとして機能することに留意されたい。

ＭＴＪ素子の全体としての積層構造は、下記のとおりである：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１００ｎｍ）

また実施例４乃至６の試料の磁化自由層の構成は以下のとおりである。
実施例４：
トンネルバリア／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ(０．３５ｎｍ)／Ｒｕ(２．１ｎｍ)／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９(６．ｎｍ)／ＣｏＦｅ(０．５ｎｍ)／Ｒｕ(３．５ｎｍ)／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９(３．７ｎｍ)
実施例５：
トンネルバリア／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ(０．３５ｎｍ)／Ｒｕ(２．１ｎｍ)／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９(７．３nm)／ Ｒｕ(２．１ｎｍ)／ Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９(３．７ｎｍ)
実施例６：
トンネルバリア／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ(０．３５ｎｍ)／Ｒｕ(２．１ｎｍ)／Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ(０．３５ｎｍ)／ Ｒｕ(１．４ｎｍ)／ Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ(０．３５ｎｍ)／Ｒｕ(３．５ｎｍ)／ Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９(３．７ｎｍ)

実施例１、４、５、６は、いずれも、第１強磁性層（最下層の強磁性層）と第３強磁性層（最上層の強磁性層）の磁化膜厚積が３．１５Ｔ・ｎｍと等しく、第２強磁性層（中間の強磁性層）の磁化膜厚積は６．３Ｔ・ｎｍとそれらの二倍である。実施例４の構成は、第２強磁性層以外は、実施例３と共通であり、また、実施例５の構成は、第２強磁性層と第３強磁性層以外は実施例１と共通である。実施例１、４、５は、各強磁性層が持つ磁化膜厚積を一定とし、また第１非磁性層（下側の非磁性層）の反平行結合力も一定としたまま、第２非磁性層（上側の非磁性層）の反平行結合力のみがこの順番で増大している。第２非磁性層の反平行結合力を強める手段として、実施例４では、第２強磁性層を構成するＮｉＦｅ比率を調整し、第２非磁性層側界面に存在するＣｏＦｅ膜の実効的な膜厚（平均の膜厚）を増大させることにより実現している。ＣｏＦｅ膜の膜厚が０．３５〜０．５ｎｍと極めて薄く。ＮｉＦｅ膜がＲｕ膜（２．１ｎｍ）に部分的に接していることに留意されたい。このような場合には、ＣｏＦｅ膜の実効的な膜厚は、Ｒｕ膜に接する面におけるＣｏ組成と等価である。即ち、ＣｏＦｅ膜の実効的な膜厚が大きいほど、Ｒｕ膜に接する面におけるＣｏ組成が大きい。実施例５では、逆に第２非磁性層側界面に存在するＣｏＦｅ膜の厚さをゼロとして、強磁性膜材料に依存する反平行結合力を弱め、しかし第２非磁性層をＲｕ膜(２．１ｎｍ)の２ｎｄ反強磁性ピークを用いて非磁性層に依存する反平行結合力を強めることにより、第２非磁性層の反平行結合力としては、本実施例の３層ＳＡＦ中で最も強い結合力を実現している。

これらの磁化自由層を有する０．４×０．８μｍ^２の長円形のＭＴＪデバイスが、８インチ基板上に２００〜２２０個作製され、それらのトグル書き込み特性が調べられた。

図１４は実施例１と実施例４〜６の３層SAF磁化自由層から構成された０．４×０．８μｍ^２のＭＴＪのフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐとそのばらつき（標準偏差）、飽和磁場Ｈｓを比較したものである。実施例１と実施例４〜６に係るデバイスは、その全てが良好なトグル動作を示した。

実施例１、４、５、６のＭＴＪ素子のフロップ磁場Ｈ_ｆｌｏｐは、それぞれ、５５（Ｏｅ）、５６（Ｏｅ）、４９（Ｏｅ）、５４（Ｏｅ）の周囲に分布していた。僅かに実施例５がもっとも小さいフロップ磁場を示した。一方、飽和磁場Ｈ_ｓは、それぞれ、２４６（Ｏｅ）、２７1（Ｏｅ）、２６８（Ｏｅ）、２３８（Ｏｅ）の周囲に分布していた。書き込みマージンは、それぞれ、比較例１の典型的な２層ＳＡＦと比較すると、本実施例の３層ＳＡＦはいずれフロップ磁場をほぼ一定としたまま、飽和磁場の大きな増大、書き込みマージン増大効果を達成している。さらに実施例１、４、５、６のフロップ磁界のばらつき（標準偏差）に関して、それぞれ、８．７（Ｏｅ）、４．０（Ｏｅ）、３．３（Ｏｅ）、６．６（Ｏｅ）であった。実施例１と比較して実施例４及び５のフロップ磁場のばらつきは半分以下であり、より優れたトグル書き込み特性が得られている。また実施例６のような第２強磁性層を強磁性膜/非磁性膜/強磁性膜とし、非磁性膜を強磁性結合を有するように設定した構成であっても、実施例１と同等のトグル書き込み特性が得られている。

さらに実施例１、４、５の素子の第１非磁性層と第２非磁性層の反平行結合力を、図１５に示した試料の磁化曲線評価によって調べられた。試料は以下の構成であり、磁化自由層以外は、実施例１、４、５の素子とほぼ同じである。
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（０．９ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１０ｎｍ）

図１５において、それぞれ評価した試料の試料名とその磁化自由層の構成、反平行結合力が評価された非磁性層、その非磁性層とそれを介した２つの強磁性層からなるＳＡＦが示した飽和磁場、飽和磁場から得られた非磁性層の反平行結合エネルギーＪを示している。

図１３の４層ＳＡＦ内の非磁性層の反平行結合力を評価したときと同様に、第１非磁性層（下側の非磁性層）を評価する場合は第２非磁性層まで形成した試料（試料４）を、第２非磁性層（上側の非磁性層）を評価する場合は第３強磁性層まで形成し、且つ第１非磁性層のルテニウムの厚さを２．５ｎｍとすることで第１非磁性層の結合力をゼロに設定した試料（試料５〜７）を用意した。得られた試料の飽和磁場から反平行結合エネルギーが算出された。この場合磁化膜厚積に差があるＳＡＦの反平行結合エネルギーを評価するので、次式（２ｃ）を用いた。
Ｈ_ｓ＝Ｊ_ｓａｆ[１／（Ｍ_１・ｔ_１）＋１／（Ｍ_２・ｔ_２）]， ・・・（２ｃ）

図１５から理解されるように、実施例１、４、５共通である第１非磁性層の反平行結合エネルギーは０．０１２１ｅｒｇ／ｃｍ^２であり、実施例１、４、５の第２非磁性層の反平行結合エネルギーはそれぞれ０．００９７ｅｒｇ／ｃｍ_２、０．０１１ｅｒｇ／ｃｍ_２、０．０１３８ｅｒｇ／ｃｍ^２である。図１５の試料５、６からＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜の積層膜で構成された第２強磁性層について、界面のＣｏＦｅ膜が厚くなるほどそれに接する第２非磁性層の反平行結合力が増加することがわかる。また試料７では、第２非磁性層は、第１非磁性層と同じ材料、膜厚で構成される。しかし、第２非磁性層と接する強磁性層の界面材料がＮｉＦｅのみであり、一方、第１非磁性層に接する強磁性層界面材料には実効的な膜厚が０．３５ｎｍのＣｏＦｅ膜が存在する。第１非磁性層と第２非磁性層とが同じ膜質であれば、当然第２非磁性層の反平行結合力が下がるはずであるが、ここでは第２非磁性層の結晶配向性が高い効果により、より高い反平行結合力が発現し、結果として第１非磁性層と第２非磁性層の反平行結合エネルギーはほぼ等しく設定されている。

実施例１、４、５では、第２強磁性層と第２非磁性層の構成の差に依存して、実施例１、４、５の順番にその第２非磁性層の反平行結合力が増大している。そして実施例１に比べて実施例４、５は、第２非磁性層と第１非磁性層の反平行結合力がより近づいている。図１４において、実施例１に比べて実施例４、５のフロップ磁場のばらつきが小さかったことは第２非磁性層と第１非磁性層の反平行結合力が近づき、強磁性層１及び強磁性層３が同時にフロップするようになった効果と考えられる。多層ＳＡＦ中において、最下部の強磁性層と最上部の強磁性層の磁化膜厚積を等しく設定された下で、最下部の非磁性層と最上部の非磁性層の反平行結合力をより厳密に揃えることで、トグル書き込み動作率が向上し、さらにフロップ磁場のばらつきまでも改善されることが本実験により示された。

Claims (28)

1. 基板と、
   固定された磁化を有する磁化固定層と、
   反転可能な磁化を有する磁化自由層と、
   前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に介設された非磁性のバリア層
   とを具備し、
   前記磁化自由層は、
   第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層と（Ｎは２以上の整数）、
   反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成された第１〜第Ｎ非磁性層
   とを含み、
   前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちの第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ以下の任意の整数）は、前記第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層のうちの第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の間に設けられ、
   前記第１非磁性層は、前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちで前記基板に最も近く位置し、且つ、前記第Ｎ非磁性層は、前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちで前記基板から最も離れて位置し、
   前記第１非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用の第α_１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
   前記第Ｎ非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用の第α_Ｎ次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
   前記α_１と前記α_Ｎは、下記関係：
   α_１＜α_Ｎ，
   を満足する
   ＭＲＡＭ。
2. 請求項１に記載のＭＲＡＭであって、
   前記α_１と前記α_Ｎは、下記関係：
   α_Ｎ＝α_１＋１，
   を満足する
   ＭＲＡＭ。
3. 請求項２に記載のＭＲＡＭであって、
   前記第１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成され、
   前記第Ｎ非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成される
   ＭＲＡＭ。
4. 請求項２に記載のＭＲＡＭであって、
   前記第２〜第（Ｎ−１）非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層は、前記第Ｎ非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有する
   ＭＲＡＭ。
5. 請求項４に記載のＭＲＡＭであって、
   前記Ｎは奇数であり、
   前記少なくとも一の非磁性層は、前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちの第（［Ｎ＋１］／２）非磁性層である
   ＭＲＡＭ。
6. 請求項５に記載のＭＲＡＭであって、
   前記第２〜第（Ｎ−１）非磁性層は、それぞれ、ＲＫＫＹ相互作用の第α_２〜α_Ｎ−１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
   前記α_１〜α_Ｎは、下記条件：
   α_１≧α_２≧α_３≧・・・≧α_{［Ｎ＋１］／２−１}≧α_{［Ｎ＋１］／２}，
   α_{［Ｎ＋１］／２}≦α_{［Ｎ＋１］／２＋１}≦・・・≦α_Ｎ−１≦α_Ｎ，
   α_１＜α_Ｎ，
   α_２＝α_Ｎ−１，
   α_３＝α_Ｎ−２，
   ・・・
   α_ｐ＝α_{Ｎ−ｐ＋１}，（ｐは、２以上（Ｎ＋１）／２−１以下の整数）
   ・・・
   α_{［Ｎ＋１］／２−１}＝α_{［Ｎ＋１］／２＋１}，
   を満足する
   ＭＲＡＭ。
7. 請求項４に記載のＭＲＡＭであって、
   前記Ｎは偶数であり、
   前記少なくとも一の非磁性層は、前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちの第（Ｎ／２）非磁性層と第（［Ｎ／２］＋１）非磁性層である
   ＭＲＡＭ。
8. 請求項７に記載のＭＲＡＭであって、
   前記第２〜第（Ｎ−１）非磁性層は、それぞれ、ＲＫＫＹ相互作用の第α_２〜α_Ｎ−１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
   前記α_１〜α_Ｎは、下記条件：
   α_１≧α_２≧α_３≧・・・≧α_{Ｎ／２−１}≧α_Ｎ／２，
   α_{Ｎ／２＋１}≦α_{Ｎ／２＋２}≦・・・≦α_Ｎ−１≦α_Ｎ，
   α_１＜α_Ｎ，
   α_２＝α_Ｎ−１，
   ・・・
   α_ｐ＝α_{Ｎ−ｐ＋１}，（ｐは、２以上（Ｎ／２）以下の整数）
   ・・・
   α_{Ｎ／２−１}＝α_{Ｎ／２＋２}，
   α_Ｎ／２＝α_{Ｎ／２＋１}，
   を満足する
   ＭＲＡＭ。
9. 請求項４に記載のＭＲＡＭであって、
   前記第１非磁性層は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成され、
   前記第２乃至第（Ｎ−１）非磁性層のそれぞれは、０．７ｎｍ〜１．２ｎｍの厚さを有するルテニウム層、又は、１．８ｎｍ〜２．５ｎｍの厚さを有するルテニウム層のいずれかで形成され、
   前記第Ｎ非磁性層は、３．１ｎｍ〜３．９ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成される
   ＭＲＡＭ。
10. 請求項１に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１強磁性層と前記第（Ｎ＋１）強磁性層の磁化膜厚積がほぼ等しいことを特徴とするＭＲＡＭ。
11. 請求項１に記載のＭＲＡＭであって、
    前記バリア層は、アモルファスの層であり、
    前記磁化自由層は、前記バリア層の上面の上に形成されている
    ＭＲＡＭ。
12. 請求項１に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１乃至第Ｎ非磁性層がルテニウムで構成され、
    前記第１非磁性層に比べて、前記第Ｎ非磁性層のルテニウムのＨＣＰ（００１）面の膜面直方向への結晶配向性が高い
    ＭＲＡＭ。
13. 請求項１に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１乃至第Ｎ強磁性層がＦＣＣ構造を有するＮｉを主成分とする強磁性合金、或いは、積層膜で構成され、
    前記第１強磁性層に比べて、前記第Ｎ強磁性層のＦＣＣ（１１１）面の膜面直方向への結晶配向性が高い
    ＭＲＡＭ。
14. 固定された磁化を有する磁化固定層と、
    反転可能な磁化を有する磁化自由層と、
    前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に介設された非磁性のバリア層
    とを具備し、
    前記磁化自由層は、
    第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層と（Ｎは２以上の整数）、
    反強磁性的な相互作用を発現するように形成された第１〜第Ｎ非磁性層
    とを含み、
    前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちの第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ以下の任意の整数）は、前記第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層のうちの第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の間に設けられ、
    前記第１非磁性層と前記第Ｎ非磁性層とが同一でない構造を有し、且つ、前記第１非磁性層を介した相互作用と前記第Ｎ非磁性層を介した前記相互作用の実効的な強さがほぼ等しい
    ＭＲＡＭ。
15. 請求項１４に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１非磁性層と前記第Ｎ非磁性層の膜厚が異なる
    ＭＲＡＭ。
16. 請求項１４に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１非磁性層と前記第Ｎ非磁性層の結晶配向性が異なる
    ＭＲＡＭ。
17. 請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１非磁性層に比べて前記第Ｎ非磁性層の結晶配向性が高い
    ＭＲＡＭ。
18. 請求項１６に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１乃至第Ｎ非磁性層がルテニウムで構成され、
    前記第１非磁性層に比べて、前記第Ｎ非磁性層のルテニウムのＨＣＰ（００１）面の膜面直方向への結晶配向性が高い
    ＭＲＡＭ。
19. 請求項１４に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１強磁性層と前記第Ｎ強磁性層の結晶配向性が異なる
    ＭＲＡＭ。
20. 請求項１９に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１強磁性層に比べて前記第Ｎ強磁性層の結晶配向性が高い
    ＭＲＡＭ。
21. 請求項１９に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１乃至第Ｎ強磁性層がＦＣＣ構造を有するＮｉを主成分とする強磁性合金、或いは、積層膜で構成され、
    前記第１強磁性層に比べて、前記第Ｎ強磁性層のＦＣＣ（１１１）面の膜面直方向への結晶配向性が高い
    ＭＲＡＭ。
22. 請求項１４に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１非磁性層は、第１面において前記第１及び前記第２強磁性層の一方の強磁性層に接しており、前記第Ｎ非磁性層は、第２面において前記第Ｎ及び前記第（Ｎ＋１）強磁性層の一方の強磁性層に接しており、
    前記第１面において前記第１非磁性層に接する膜の組成が、前記第２面において前記第Ｎ非磁性層に接する面の膜の組成と異なる
    ＭＲＡＭ。
23. 請求項２２に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第Ｎ強磁性層、及び前記第（Ｎ＋１）強磁性層のうちの少なくとも一層以上は、組成が異なる複数の膜が積層された積層膜から構成され、前記積層膜を構成する前記複数の膜の実効的な膜厚の比率を変えることによって、前記第１非磁性層を介した相互作用と前記第Ｎ非磁性層を介した前記相互作用の実効的な強さがほぼ等しく設定されている
    ＭＲＡＭ。
24. 請求項２３に記載のＭＲＡＭであって、
    前記積層膜はＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜の積層膜から構成された
    ＭＲＡＭ。
25. 請求項１４に記載のＭＲＡＭであって、
    前記第１強磁性乃至第Ｎ強磁性層の少なくとも一の強磁性層は、少なくとも２層の強磁性膜が、非磁性膜を介した強磁性的なＲＫＫＹ結合によって強磁性結合された多層構造を有する
    ＭＲＡＭ。
26. 請求項２５記載のＭＲＡＭであって、
    前記多層構造に含まれる前記非磁性膜は、１．２ｎｍ〜１．８ｎｍの厚さを有するルテニウム層で構成される
    ＭＲＡＭ。
27. 固定された磁化を有する磁化固定層と、
    反転可能な磁化を有する磁化自由層と、
    前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に介設された非磁性のバリア層
    とを具備し、
    前記磁化自由層は、
    第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層と（Ｎは２以上の偶数）、
    反強磁性的な相互作用を発現するように形成された第１〜第Ｎ非磁性層
    とを含み、
    前記第１〜第Ｎ非磁性層のうちの第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ以下の任意の整数）は、前記第１〜第（Ｎ＋１）強磁性層のうちの第ｋ強磁性層と第（ｋ＋１）強磁性層の間に設けられ、
    前記第１非磁性層を介した相互作用と前記第Ｎ非磁性層を介した前記相互作用の実効的な強さがほぼ等しく、
    前記第１非磁性層は、第１面において前記第１及び前記第２強磁性層の一方の強磁性層に接しており、前記第Ｎ非磁性層は、第２面において前記第Ｎ及び前記第（Ｎ＋１）強磁性層の一方の強磁性層に接しており、
    前記第１面において前記第１非磁性層に接する膜の組成が、前記第２面において前記第Ｎ非磁性層に接する面の膜の組成と異なり、
    前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、前記第Ｎ強磁性層、及び前記第（Ｎ＋１）強磁性層のうちの少なくとも一層以上は、組成が異なる複数の膜が積層された積層膜から構成され、前記積層膜を構成する前記複数の膜の実効的な膜厚の比率を変えることによって、前記第１非磁性層を介した相互作用と前記第Ｎ非磁性層を介した前記相互作用の実効的な強さがほぼ等しく設定されている
    ＭＲＡＭ。
28. 請求項２７に記載のＭＲＡＭであって、
    前記積層膜はＮｉＦｅ膜とＣｏＦｅ膜の積層膜から構成された
    ＭＲＡＭ。

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