JP5214765B2 - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、磁気抵抗素子および磁気メモリに関する。
磁気抵抗素子（magnetoresistive element）としてのＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、第１の強磁性層、トンネルバリア層、および第２の強磁性層の積層を基本構造とし、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を示すことが知られており、１００Ｍｂｐｓｉ（bits per square inch）級ＨＤＤ用ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に応用されている。
ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子に含まれる磁性層の磁化の相対角度の変化により情報（“１”、“０”）を記憶するという特徴があり、このため不揮発である。また、磁化反転速度は、数ナノ秒であることから、データの高速書き込み、高速読み出しが可能である。従って、ＭＲＡＭは、次世代の高速不揮発性メモリとして期待されている。また、スピン分極電流により磁化を制御するスピン注入磁化反転と呼ばれる方式を利用すれば、ＭＲＡＭのセルサイズを低減することで電流密度が増える。このため、容易に磁性体の磁化反転を実現でき、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを構成することが可能である。
さらに近年では、ＭｇＯをトンネルバリア層に用いることで１０００％もの磁気抵抗比が得られることが理論的に示され、これが注目を集めている（例えば、非特許文献１）。これは、ＭｇＯを結晶化させることにより、強磁性層から特定の波数を持った電子のみが波数を保存したまま選択的にトンネル伝導することが可能となる。このとき、特定の結晶方位でスピン分極率が大きな値を示すことから、巨大な磁気抵抗効果が発現する。したがって、ＭＴＪ素子の磁気抵抗効果を大きくすることが、ＭＲＡＭの高密度化、低消費電力化に直結する。
一方、不揮発性メモリの高密度化を考えた場合、磁気抵抗素子の高集積化は欠かせない。しかし、磁気抵抗素子を構成する強磁性体は、素子サイズの低減化に伴い熱擾乱耐性が劣化するため、如何にして強磁性体の磁気異方性及び熱擾乱耐性を向上させるかが課題となる。
この問題を解決するために近年、強磁性体の磁化が膜面に垂直な方向を向く垂直磁化ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。垂直磁化ＭＴＪ素子では、一般的に結晶磁気異方性の大きな材料を強磁性体に用いる。このような材料は、磁化が特定の結晶方向を向いており、構成元素の組成比、結晶性を変化させることで結晶磁気異方性の大きさを制御することができる。よって、結晶の成長方向を変化させることにより磁化の方向を制御することができる。また、強磁性体自身が高い結晶磁気異方性を有するので素子のアスペクト比が調整でき、さらに熱擾乱耐性が高いので、集積化に適している。これらのことを鑑みると、ＭＲＡＭの高集積化、および低消費電力化を実現するには、大きな磁気抵抗効果を発現する垂直磁化ＭＴＪ素子を作成することが極めて重要である。
この垂直磁化ＭＴＪ素子の書込みに必要な電流を更に低減するために、書込み時の磁化反転をアシストする回転磁界を発生する磁化発振層を設けることが知られている。
Butler W. H., Zhang X. G., Schulthess T. C., MacLaren J. M., "Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches", Phys. Rev. B Vol. 63, 054416-054427(2001).
本発明が解決しようとする課題は、書込み電流の範囲を広くすることができるとともに書込み電流を低減することができる磁気抵抗素子および磁気メモリを提供することである。
本実施形態の磁気抵抗素子は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化が可変の第１強磁性層と、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化が不変の第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第２強磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられ、それぞれが異なる発振周波数の回転磁界を発振する強磁性体の複数の発振体を有し、各発振体が膜面に平行な磁化を有する、第３強磁性層と、を備え、前記第３強磁性層と、前記第１強磁性層との間に電流を流すことにより、スピン偏極した電子を前記第１強磁性層に作用させるとともに、前記第３強磁性層の複数の前記発振体に作用させて前記発振体の磁化に歳差運動を誘起し、前記歳差運動によって生じた複数の回転周波数を有し前記第１強磁性層の磁化反転をアシストする回転磁界が前記第１強磁性層に印加されることを特徴とする磁気抵抗素子。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
（第１実施形態）
第１実施形態の磁気抵抗素子１を図１に示す。図１は第１実施形態の磁気抵抗素子１の断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子はＭＴＪ素子であって、強磁性層２、非磁性層（トンネルバリア層ともいう）４、強磁性層６、および磁化発振層１０がこの順序で積層された構造を有している。このうち強磁性層２、６はそれぞれ、容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子は、強磁性層２、６の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。なお、本明細書では膜面とは、強磁性層の上面を意味する。また、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。これに対して困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。そして、強磁性層２および強磁性層６のうちの一方の強磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１に流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変（固定）であり、他方の強磁性層は可変である。不変である強磁性層を参照層とも称し、可変である強磁性層を記録層と称す。
第１実施形態の磁気抵抗素子１を図１に示す。図１は第１実施形態の磁気抵抗素子１の断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子はＭＴＪ素子であって、強磁性層２、非磁性層（トンネルバリア層ともいう）４、強磁性層６、および磁化発振層１０がこの順序で積層された構造を有している。このうち強磁性層２、６はそれぞれ、容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子は、強磁性層２、６の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。なお、本明細書では膜面とは、強磁性層の上面を意味する。また、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。これに対して困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。そして、強磁性層２および強磁性層６のうちの一方の強磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１に流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変（固定）であり、他方の強磁性層は可変である。不変である強磁性層を参照層とも称し、可変である強磁性層を記録層と称す。
磁化発振層１０は、膜面に平行な方向の磁化を有する複数の磁性体（発振体）を備え、それぞれの磁性体から発振される回転磁界の周波数（発振周波数）が異なっている。この磁化発振層１０に膜面に垂直方向に電流を流したときに、磁化が膜面内を歳差運動、すなわち回転し、これにより、回転磁界を発生する。この回転磁界の周波数は磁化発振層１０の磁気パラメータと、注入される電流密度で決まる。そして、この回転磁界の周波数が記録層の共鳴周波数を含む領域内にあるように構成されている。磁化発振層１０の磁化から発生される回転磁界の周波数と記録層である強磁性層２の磁化の反転時の共鳴周波数が一致すると、記録層である強磁性層２の磁化反転をアシストする、すなわち強磁性層２の磁化反転電流を低減することができる。
磁化発振層の第１具体例としては、図２（ａ）に示すように、例えばＡｌＯなどの非磁性体１１中に数ｎｍ程度のサイズが異なる複数の磁性微粒子１２で構成される等のグラニュラー膜の構成を有している。各磁性微粒子１２は膜面に平行な磁化を有している。個々の磁性微粒子１２はサイズ（直径）、或いは磁気パラメータの分布を持つので、各磁性微粒子１２の磁化はそれぞれ異なる周波数で回転運動する。したがって磁性微粒子１２の集合体である磁化発振層１０は分布を持つ発振周波数で発振する。すなわち、広い電流範囲において、記録層の磁化反転をアシストする効果を与えることができる。図２（ａ）に示す第２具体例の磁化発振層１０を用いる場合は、強磁性層６との間に非磁性層を設けることが好ましい。
また、磁化発振層の第２具体例としては、図２（ｂ）に示すように、絶縁体１１に、この絶縁体１１を貫通しかつサイズ（直径）が異なる複数の磁性体１２が設けられた構成であってもよい。この場合も第１具体例と同様に、広い電流範囲において、記録層の磁化反転をアシストする効果を与えることができる。図２（ｂ）に示す第２具体例の磁化発振層１０を用いる場合は、強磁性層６との間に非磁性層を設けることが好ましい。
また、磁化発振層１０の第３具体例としては、強磁性膜と非磁性膜の積層構造を有している。例えば、図２（ｃ）に示すように、強磁性膜１０ａ、非磁性膜１０ｂ、および強磁性膜１０ｃがこの順序で積層された構造を有している。そして。各強磁性膜１０ａ、１０ｃの発振周波数はそれぞれが異なり、かつ記録層の共鳴周波数に近い領域にあるように構成されている。すなわち、この場合も、広い電流範囲において、記録層の磁化反転をアシストする効果を与えることができる。図２（ｃ）に示す第３具体例の磁化発振層１０を用いる場合は、強磁性層６との間に非磁性層を設けることが好ましい。なお、図２（ｃ）においては、強磁性膜は非磁性膜を間に挟んで、２層であったが、３層以上でもよい。
次に、本実施形態の磁気抵抗素子１の書込み時の動作について説明する。書き込み電流は、強磁性層２と強磁性層６との間に膜面に垂直方向に流す。なお、この動作の説明においては、強磁性層２を記録層、強磁性層６を参照層として説明する。
まず、強磁性層２の磁化の方向と強磁性層６の磁化の方向が反平行（逆の方向）な場合には、強磁性層２から非磁性層４、強磁性層６を介して磁化発振層１０に電流を流す。この場合、電子は磁化発振層１０から、強磁性層６、非磁性層４を介して強磁性層２に流れる。そして、強磁性層６を通ることによりスピン偏極された電子は強磁性層２に流れる。強磁性層２の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は強磁性層２を通過するが、強磁性層２の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、強磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、強磁性層２の磁化の方向が強磁性層６の磁化と同じ方向に向くように働く。このとき、磁化発振層１０から、記録層である強磁性層２の共鳴周波数がその領域内にある周波数を有する回転磁界が発生され、強磁性層２に対して膜面に平行な回転磁界が加わる。すなわち、記録層である強磁性層２の磁化の反転をアシストする。これにより、強磁性層２の磁化の方向が反転し、強磁性層６の磁化の方向と平行（同じ方向）になる。
強磁性層２の磁化の方向と強磁性層６の磁化の方向が平行な場合には、磁化発振層１０から、強磁性層６、非磁性層４を介して、強磁性層２に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は強磁性層２から非磁性層４、強磁性層６を通って磁化発振層１０に流れる。そして、強磁性層２を通ることによりスピン偏極された電子は強磁性層６に流れる。強磁性層６の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は強磁性層６を通過するが、強磁性層６の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、非磁性層４と強磁性層６との界面で反射され、非磁性層４を通って強磁性層２に流れこみ、強磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、強磁性層２の磁化の方向が強磁性層６の磁化と反対方向に向くように働く。このとき、磁化発振層１０から、記録層である強磁性層２の共鳴周波数を含む領域内にある周波数を有する回転磁界が発生され、強磁性層２に対して膜面に平行な回転磁界が加わる。すなわち、記録層である強磁性層２の磁化の反転をアシストする。これにより、強磁性層２の磁化の方向が反転し、強磁性層６の磁化の方向と反平行になる。
第１実施形態においては、磁化発振層１０は、図３に示すように、記録層となる強磁性層２の共鳴周波数ｆ０を含む範囲Ａにおいて、実線で示す複数の発振周波数特性を有しているので、磁化発振層１０の発振周波数特性は、実線で示す複数の発振周波数特性を重ね合わせた特性、すなわち波線で示す広い発振周波数帯域となる。このように広い発振周波数帯域を有することと、後述するように発振周波数は電流密度に比例することにより、広い範囲の電流値で共鳴することになるとともに、書込み電流を減少させることができる。なお、磁化発振層１０から発生される回転磁界の周波数が２．５ＧＨｚから６．０ＧＨｚの範囲であれば、記録層となる強磁性層２の共鳴周波数ｆ０を含む好ましい範囲Ａは、記録層となる強磁性層２の共鳴周波数ｆ０に対して、０．６２ｆ０〜１．５０ｆ０の範囲である。この範囲（０．６２ｆ０〜１．５０ｆ０）にあれば、記録層に対して、アシスト効果があることが、本出願人の他の出願（特開２００９−２３１７５３号公報）によって示されている。したがって、磁化発振層１０は、記録層となる強磁性層２の共鳴周波数ｆ０に対して、０．６２ｆ０〜１．５０ｆ０の範囲となる発振周波数を発生することが好ましい。
以上説明したように、第１実施形態によれば、書込み電流の範囲を広くすることができるとともに書込み電流を低減することができる。
また、記憶層となる強磁性層２の共鳴周波数がばらついたり変動したりしても、あるいは磁化発振層１０の発振周波数がばらついたり変動したりしても、記憶層の固有周波数が磁化発振層１０の発振周波数帯に含まれるようにすることができる。その結果、共鳴を利用した高効率スピン注入書込みを安定して行うことができる。
（変形例）
第１実施形態の変形例による磁気抵抗素子を図４に示す。この変形例の磁気抵抗素子１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子において、磁化発振層１０を、記録層となる強磁性層２の、非磁性層４と反対側に設けた構成となっている。
第１実施形態の変形例による磁気抵抗素子を図４に示す。この変形例の磁気抵抗素子１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子において、磁化発振層１０を、記録層となる強磁性層２の、非磁性層４と反対側に設けた構成となっている。
この変形例も第１実施形態と同様に、書込み電流の範囲を広くすることができるとともに書込み電流を低減することができる。また、高効率スピン注入書込みを安定して行うことができる。
（第２実施形態）
第２実施形態による磁気抵抗素子を図５に示す。第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子において、強磁性層６と磁化発振層１０との間に、非磁性層８と、強磁性層９とを設けた構成となっている。強磁性層９はバイアス層とも呼ばれ、参照層となる強磁性層６からの漏れ磁場による、記録層となる強磁性層２の反転電流のシフトを緩和および調整する。強磁性層９の磁化の方向は強磁性層６の磁化の方向と反平行（逆向き）であることが好ましい。また、強磁性層９は非磁性層８を介して強磁性層６と反強磁性結合（ＳＡＳ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）結合）していてもよい。
第２実施形態による磁気抵抗素子を図５に示す。第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子において、強磁性層６と磁化発振層１０との間に、非磁性層８と、強磁性層９とを設けた構成となっている。強磁性層９はバイアス層とも呼ばれ、参照層となる強磁性層６からの漏れ磁場による、記録層となる強磁性層２の反転電流のシフトを緩和および調整する。強磁性層９の磁化の方向は強磁性層６の磁化の方向と反平行（逆向き）であることが好ましい。また、強磁性層９は非磁性層８を介して強磁性層６と反強磁性結合（ＳＡＳ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）結合）していてもよい。
非磁性層８は、強磁性層６と強磁性層９とが熱工程によって混ざらない耐熱性、および強磁性層９を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。さらに、非磁性層８の膜厚が厚くなると強磁性層９と、記録層となる強磁性層２との距離が離れるため、強磁性層９から記録層に印加されるシフト調整磁界が小さくなってしまう。このため、非磁性層８の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。強磁性層９は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する、強磁性材料から構成される。強磁性層９は、参照層となる強磁性層６に比べて記憶層となる強磁性層２から離れているため、記憶層に印加される漏れ磁場を強磁性層９によって調整するためには、強磁性層９の膜厚、或いは飽和磁化ＭＳの大きさを参照層のそれらより大きくする設定する必要がある。すなわち、本発明者達の研究結果によれば、参照層となる強磁性層６の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ２、ＭＳ２とし、強磁性層９の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ４、ＭＳ４とすると、以下の関係式を満たす必要がある。
ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ４×ｔ４
ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ４×ｔ４
この第２実施形態も第１実施形態と同様に、書込み電流の範囲を広くすることができるとともに書込み電流を低減することができる。また、高効率スピン注入書込みを安定して行うことができる。
なお、後述する第３実施形態およびその変形例ならびに第４実施形態において用いられるスピン注入層は、その膜厚および飽和磁化を適宜選択することにより、このスピン注入層７をバイアス層として機能させることも可能である。
（第３実施形態）
第３実施形態による磁気抵抗素子を図６に示す。第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｃは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子において、強磁性層６と、磁化発振層１０との間に、強磁性層６の磁化と反平行な磁化を有するスピン注入層７を設けるとともに、磁化発振層１０とし、図２（ａ）に示すグラニュラー膜の構成を有するものを用いた構成となっている。すなわち、磁化発振層１０が非磁性体マトリックス１１に囲まれた複数の強磁性体粒１２を有している。強磁性体粒１２はそれぞれ磁気的には独立している。膜面に対して略垂直な方向に電流を流すことによりスピン偏極した電子がスピン注入層７から磁化発振層１０に注入され、その結果、それぞれの強磁性体粒１２が発振し、高周波回転磁場を発生させることで高効率のスピン注入書込みを行うことができる。強磁性体粒１２の発振周波数はそれぞれ異なっており、その発振周波数が２０％〜５０％異なる２つの強磁性体粒の組み合わせが少なくとも１つは存在している。磁気抵抗素子１Ｂの大きさは直径約３０ｎｍ程度であり、その中に含まれる強磁性体粒の個数は２個乃至１０個程度、厚さは１ｎｍ乃至３ｎｍ程度、直径は３ｎｍ乃至１２ｎｍ程度であり、体積にすると５０倍程度異なるものが存在する。
第３実施形態による磁気抵抗素子を図６に示す。第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｃは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子において、強磁性層６と、磁化発振層１０との間に、強磁性層６の磁化と反平行な磁化を有するスピン注入層７を設けるとともに、磁化発振層１０とし、図２（ａ）に示すグラニュラー膜の構成を有するものを用いた構成となっている。すなわち、磁化発振層１０が非磁性体マトリックス１１に囲まれた複数の強磁性体粒１２を有している。強磁性体粒１２はそれぞれ磁気的には独立している。膜面に対して略垂直な方向に電流を流すことによりスピン偏極した電子がスピン注入層７から磁化発振層１０に注入され、その結果、それぞれの強磁性体粒１２が発振し、高周波回転磁場を発生させることで高効率のスピン注入書込みを行うことができる。強磁性体粒１２の発振周波数はそれぞれ異なっており、その発振周波数が２０％〜５０％異なる２つの強磁性体粒の組み合わせが少なくとも１つは存在している。磁気抵抗素子１Ｂの大きさは直径約３０ｎｍ程度であり、その中に含まれる強磁性体粒の個数は２個乃至１０個程度、厚さは１ｎｍ乃至３ｎｍ程度、直径は３ｎｍ乃至１２ｎｍ程度であり、体積にすると５０倍程度異なるものが存在する。
磁化発振層１０にスピン注入層７からスピン注入した場合の発振周波数ｆｉは、ＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式を解くことにより以下の式で表される。
ただし、磁化発振層１０の非磁性マトリクス１１が金属の場合は、
であり、磁化発振層１０の非磁性マトリクス１１が絶縁体の場合は、
である。ここで、γはジャイロ磁気定数、αはダンピング定数、Ｐは偏極度、Ｍｓは飽和磁化、ｔは磁化発振層１０の発振体粒の厚さ、Ｊは磁化発振層１０を流れる電流密度、ｈバーはプランク定数ｈを２πで割った値でディラック定数、ｅは電気素量を表す。θは発振条件における磁化発振層１０の磁化とスピン注入層７の磁化の相対角度を表す。
したがって、磁化発振層１０の発振体の減衰定数、飽和磁化、体積、スピン注入効率、注入電流が異なれば、発振体の発振周波数は異なることになる。
（１）式は、ｆｉは、ｇ（θ）と電流密度Ｊとの積に比例し、磁化発振層１０の膜厚ｔに反比例している。このため、磁化発振層１０内に均一に電流が流れた場合には、面積が１０倍異なったとしても面積には依存せず、発振周波数ｆｉは強磁性体粒１２の厚さｔとｇ（θ）に依存する。さらに強磁性体粒１２の厚さｔが同じ場合には、発振周波数ｆｉはｇ（θ）のみに依存することになり、最終的には強磁性体粒の形状に応じた反磁界によって決まるθで発振周波数ｆｉは決まる。
本実施形態では、非磁性マトリックスとして、ＡｌＯｘやＭｇＯのような絶縁材料、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の金属材料を用いることができる。絶縁材料を用いた場合は、ＴＭＲ効果を利用したスピン注入により発振が起こり、金属材料を用いた場合はＧＭＲ効果を利用したスピン注入による発振が起こる。
以上説明したように、第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、書込み電流の範囲を広くすることができるとともに書込み電流を低減することができる。また、記憶層となる強磁性層２の共鳴周波数がばらついたり変動したりしても、あるいは磁化発振層１０の発振周波数がばらついたり変動したりしても、記憶層の共鳴周波数が磁化発振層１０の発振周波数帯に含まれるようにすることができる。その結果、共鳴を利用した高効率スピン注入書込みを安定して行うことができる。
（第１変形例）
第３実施形態の第１変形例による磁気抵抗素子を図７Ａに示す。この第１変形例の磁気抵抗素子１Ｄは、図６に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいて、スピン注入層７および磁化発振層１０を、記録層となる強磁性層２の、非磁性層４と反対側に設けた構成となっている。この第１変形例では、強磁性層２と磁化発振層１０との間にスピン注入層７が設けられている。
第３実施形態の第１変形例による磁気抵抗素子を図７Ａに示す。この第１変形例の磁気抵抗素子１Ｄは、図６に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいて、スピン注入層７および磁化発振層１０を、記録層となる強磁性層２の、非磁性層４と反対側に設けた構成となっている。この第１変形例では、強磁性層２と磁化発振層１０との間にスピン注入層７が設けられている。
（第２変形例）
第３実施形態の第２変形例による磁気抵抗素子を図７Ｂに示す。この第２変形例の磁気抵抗素子１Ｄ１は、図７Ａに示す第１変形例の磁気抵抗素子１Ｄにおいて、スピン注入層７と磁化発振層１０との位置を逆にした構成となっている。すなわち、スピン注入層７を、磁化発振層１０に対して強磁性層２とは反対側に設けた構成となっている。この第２変形例においては、強磁性層２と磁化発振層１０との間でスピン偏極した電子の移動が行われないように、強磁性層２と磁化発振層１０との間に非磁性層１４を挿入することが好ましい。この非磁性層１４としてはＴａなどのスピン拡散長が短い材料を用いると良い。この第２変形例においては、磁化発振層１０が記録層となる強磁性層２の近くに設けられているので、強磁性層２の磁化反転をより効果的にアシストすることができる。
第３実施形態の第２変形例による磁気抵抗素子を図７Ｂに示す。この第２変形例の磁気抵抗素子１Ｄ１は、図７Ａに示す第１変形例の磁気抵抗素子１Ｄにおいて、スピン注入層７と磁化発振層１０との位置を逆にした構成となっている。すなわち、スピン注入層７を、磁化発振層１０に対して強磁性層２とは反対側に設けた構成となっている。この第２変形例においては、強磁性層２と磁化発振層１０との間でスピン偏極した電子の移動が行われないように、強磁性層２と磁化発振層１０との間に非磁性層１４を挿入することが好ましい。この非磁性層１４としてはＴａなどのスピン拡散長が短い材料を用いると良い。この第２変形例においては、磁化発振層１０が記録層となる強磁性層２の近くに設けられているので、強磁性層２の磁化反転をより効果的にアシストすることができる。
また、この第２変形例において、第２実施形態で説明したバイアス層９を強磁性層６に対して非磁性層４と反対側に設けてもよい。この場合、第２実施形態と同様に、強磁性層６とバイアス層９との間に非磁性層８を設けることが好ましい。このようにバイアス層９を設けることにより、記録層となる強磁性層２の反転電流のシフトを緩和および調整することができる。
（第３変形例）
第３実施形態の第３変形例による磁気抵抗素子を図７Ｃに示す。この第３変形例の磁気抵抗素子１Ｄ２は、図６に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいて、スピン注入層７と磁化発振層１０との位置を逆にした構成となっている。すなわち、スピン注入層７を、磁化発振層１０に対して強磁性層６とは反対側に設けた構成となっている。この第３変形例においても、第２変形例と同様に、強磁性層６と磁化発振層１０との間に非磁性層１４を挿入することが好ましい。
第３実施形態の第３変形例による磁気抵抗素子を図７Ｃに示す。この第３変形例の磁気抵抗素子１Ｄ２は、図６に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいて、スピン注入層７と磁化発振層１０との位置を逆にした構成となっている。すなわち、スピン注入層７を、磁化発振層１０に対して強磁性層６とは反対側に設けた構成となっている。この第３変形例においても、第２変形例と同様に、強磁性層６と磁化発振層１０との間に非磁性層１４を挿入することが好ましい。
上記第１乃至第３変形例も第３実施形態と同様に、書込み電流の範囲を広くすることができるとともに書込み電流を低減することができる。また、高効率スピン注入書込みを安定して行うことができる。
（第４実施形態）
第４実施形態の磁気抵抗素子を図８に示す。この第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｅは、図６に示す第３実施形態において、磁化発振層１０を強磁性膜と非磁性膜とが積層された積層構造の磁化発振層１０Ａに置き換えた構成となっている。磁化発振層１０Ａは、スピン注入層７上に、非磁性膜１０Ａａ、強磁性膜１０Ａｂ、非磁性膜１０Ａｃ、強磁性膜１０Ａｄ、非磁性膜１０Ａｅ、および強磁性膜１０Ａｆがこの順序積層された構造を有している。これらの強磁性膜１０Ａｂ、１０Ａｄ、１０Ａｆは磁気的には独立しており結合していない。
第４実施形態の磁気抵抗素子を図８に示す。この第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｅは、図６に示す第３実施形態において、磁化発振層１０を強磁性膜と非磁性膜とが積層された積層構造の磁化発振層１０Ａに置き換えた構成となっている。磁化発振層１０Ａは、スピン注入層７上に、非磁性膜１０Ａａ、強磁性膜１０Ａｂ、非磁性膜１０Ａｃ、強磁性膜１０Ａｄ、非磁性膜１０Ａｅ、および強磁性膜１０Ａｆがこの順序積層された構造を有している。これらの強磁性膜１０Ａｂ、１０Ａｄ、１０Ａｆは磁気的には独立しており結合していない。
強磁性膜１０Ａｂ、１０Ａｄ、１０Ａｆはそれぞれ、膜厚あるいは材料が異なっており、例えば膜厚が２ｎｍ、２．５ｎｍ、３ｎｍの３層の強磁性体（例えばＣｏＦｅ）が、それぞれ磁性体の間に厚さ２ｎｍのＣｕを挟んで積層されており、最大発振周波数と最小発振周波数との比は１．５倍となっている。共鳴による高効率書込みは、記録層の共鳴周波数ｆ０に対し０．６２ｆ０〜１．５０ｆ０の周波数で発振すればいいので、例えば４ＧＨｚと６ＧＨｚの２つの周波数で発振が起これば、およそ２．７ＧＨｚ〜１０ＧＨｚという広い範囲のｆ０で効果が得られることとなる。
この第４実施形態も第３実施形態と同様に、書込み電流の範囲を広くすることができるとともに書込み電流を低減することができる。また、高効率スピン注入書込みを安定して行うことができる。
以下に、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｄ１、１Ｄ２、１Ｅに含まれる各層の具体的な構成を、強磁性層２、強磁性層６、スピン注入層７、磁化発振層１０、非磁性層４の順に説明する。
（強磁性層２）
強磁性層２は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。強磁性層２に用いられる材料としては、例えば、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）あるいはＨＣＰの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
強磁性層２は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。強磁性層２に用いられる材料としては、例えば、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）あるいはＨＣＰの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
また、強磁性層２に用いられる人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む合金（強磁性膜）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうち１つの元素あるいはこの１つの元素を含む合金（非磁性膜）とが交互に積層された構造が挙げられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、強磁性膜への元素の添加、強磁性膜と非磁性膜の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
（強磁性層６）
強磁性層６は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。強磁性層６に用いられる材料としては、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）あるいはＨＣＰの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
強磁性層６は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。強磁性層６に用いられる材料としては、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）あるいはＨＣＰの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
強磁性層６に用いられる人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む合金（強磁性膜）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうち１つの元素あるいはこの１つの元素を含む合金（非磁性膜）とが交互に積層された構造が挙げられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、強磁性膜への元素の添加、強磁性膜と非磁性膜の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
また、強磁性層６に用いられる材料として、遷移金属Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群と、希土類金属Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄの群からそれぞれ選択された少なくとも１つの元素を含む合金が挙げられる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。また、これらの合金を交互に積層された多層構造であってもよい。具体的にはＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ或いはＤｙＦｅ／Ｃｏ、ＤｙＣｏ／Ｆｅ、ＤｙＦｅＣｏ／ＣｏＦｅなどの多層膜が挙げられる。これらの合金は、膜厚比や組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
また、強磁性層６に用いられる材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、及びＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
（スピン注入層７）
スピン注入層７としては、強磁性層６と同じ材料を用いることができる。
スピン注入層７としては、強磁性層６と同じ材料を用いることができる。
（磁化発振層１０）
磁化発振層１０は、非磁性マトリックスに分散したナノメートルサイズの金属強磁性体グラニュールである。非磁性マトリクスが絶縁性である場合は、非磁性マトリクスの材料はＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素を含む酸化物または窒化物または炭化物であり、強磁性微粒子はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素を含む。また、非磁性マトリクスが導電性の場合は、非磁性マトリクスの材料として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の非磁性金属材料を用いることができる。この場合も、強磁性微粒子はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素を含む。
磁化発振層１０は、非磁性マトリックスに分散したナノメートルサイズの金属強磁性体グラニュールである。非磁性マトリクスが絶縁性である場合は、非磁性マトリクスの材料はＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素を含む酸化物または窒化物または炭化物であり、強磁性微粒子はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素を含む。また、非磁性マトリクスが導電性の場合は、非磁性マトリクスの材料として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の非磁性金属材料を用いることができる。この場合も、強磁性微粒子はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素を含む。
磁化発振層１０が強磁性膜と非磁性膜との積層構造を有する場合は、強磁性膜としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素を含み、非磁性膜としてはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕから選ばれる少なくとも１つの元素を含む。
（非磁性層４）
非磁性層４は絶縁材料からなり、したがって、非磁性層４としては、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層材料としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、及びチタン（Ｔｉ）からなるグループから選ばれる１つの元素を主成分とする酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＡｌＯ、ＢｅＯ、ＳｒＯ、またはＴｉＯが挙げられる。トンネルバリア層は、上述の酸化物のグループから選ばれる２つ以上の材料の混晶物であってもよい。混晶物の例としては、ＭｇＡｌＯ、ＭｇＴｉＯ、ＣａＴｉＯなどである。
非磁性層４は絶縁材料からなり、したがって、非磁性層４としては、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層材料としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、及びチタン（Ｔｉ）からなるグループから選ばれる１つの元素を主成分とする酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＡｌＯ、ＢｅＯ、ＳｒＯ、またはＴｉＯが挙げられる。トンネルバリア層は、上述の酸化物のグループから選ばれる２つ以上の材料の混晶物であってもよい。混晶物の例としては、ＭｇＡｌＯ、ＭｇＴｉＯ、ＣａＴｉＯなどである。
トンネルバリア層は、結晶質及びアモルファスのいずれであっても構わない。しかし、トンネルバリア層が結晶化している場合、トンネルバリア中での電子の散乱が抑制されるため電子が強磁性層から波数を保存したまま選択的にトンネル伝導する確率が増え、磁気抵抗比を大きくすることができる。
磁気抵抗素子の磁気抵抗比を上げるために、ＭｇＯからなる非磁性層４のトンネルバリア層に高スピン分極率を有する材料からなる界面層を隣接させることが好ましい。界面層としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも一つの金属よりなる合金が望ましい。また、飽和磁化を制御するために、界面層として、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｇｅの群から選択された少なくとも１つの元素を添加してもよい。すなわち、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、ＭｎおよびＧｅの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であって、例えば、ＣｏＦｅＢの他に、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＰ、ＣｏＦｅＷ、ＣｏＦｅＮｂ等が挙げられ、これらの合金は、ＣｏＦｅＢと同等のスピン分極率を有している。またＣｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ等のホイスラー金属でもよい。ホイスラー金属はＣｏＦｅＢと同等かあるいはより高いスピン分極率を有しているため界面層に適している。このとき、例えば、ＣｏＦｅからなる界面層、ＭｇＯからなる非磁性層、ＣｏＦｅからなる界面層とした場合に、ＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。この場合、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。
（第５実施形態）
第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅは、ＭＲＡＭに適用できる。以下では、説明を簡単にするために、第１実施形態のＭＴＪ素子１を用いた場合について説明する。
第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅは、ＭＲＡＭに適用できる。以下では、説明を簡単にするために、第１実施形態のＭＴＪ素子１を用いた場合について説明する。
ＭＲＡＭを構成する記憶素子は、磁化（或いはスピン）方向が可変である（反転する）記録層、磁化方向が不変である（固着している）参照層、これら記録層および参照層に挟まれた非磁性層を備えている。「参照層の磁化方向が不変である」とは、記録層の磁化方向を反転するために使用される磁化反転電流を参照層に流した場合に、参照層の磁化方向が変化しないことを意味する。膜面の垂直方向に磁化容易軸を有する２つの強磁性層の一方を記録層、他方を参照層として用いることで、ＭＴＪ素子を記憶素子として用いたＭＲＡＭを構成することができる。
具体的には、２つの強磁性層に保磁力差を設けることで、これらを記録層および参照層として用いることができる。従って、ＭＴＪ素子において、一方の強磁性層（参照層）として反転電流の大きな強磁性層を用い、他方の強磁性層（記録層）として、参照層となる強磁性層よりも反転電流の小さい強磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の強磁性層と磁化方向が不変の強磁性層とを備えたＭＴＪ素子を実現することができる。
図９は、第４実施形態によるＭＲＡＭの構成を示す回路図である。この実施形態のＭＲＡＭは、マトリクス状に配列されたメモリセルを有し、各メモリセルは、ＭＴＪ素子１を備えている。各ＭＴＪ素子１の一端は、ビット線ＢＬに電気的に接続される。ビット線ＢＬの一端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ１を経由してセンスアンプＳＡに電気的に接続される。センスアンプＳＡは、ＭＴＪ素子１からの読み出し電位Ｖｒと参照電位Ｖｒｅｆとを比較し、この比較結果を出力信号ＤＡＴＡとして出力する。センスアンプＳＡに電気的に接続された抵抗Ｒｆは、帰還抵抗である。
ビット線ＢＬの他端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ２を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１のドレイン及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１のドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタＰ１のソースは、電源端子Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＮ１のソースは、接地端子Ｖｓｓに接続される。
各ＭＴＪ素子１の他端は、下部電極２９に電気的に接続される。下部電極２９は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３を経由してソース線ＳＬに電気的に接続される。なお、ソース線ＳＬはビット線ＢＬと平行な方向に延在する。
ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ４を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２のドレイン及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２のドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタＰ２のソースは、電源端子Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＮ２のソースは、接地端子Ｖｓｓに接続される。また、ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ５を経由して接地端子Ｖｓｓに接続される。
ＭＯＳトランジスタＳＴ３のゲートは、ワード線ＷＬに電気的に接続される。ワード線ＷＬは、ビット線ＢＬが延在する方向に対して交差する方向に延在する。
ＭＴＪ素子１へのデータ書き込みは、スピン注入書き込み方式によって行われる。すなわち、制御信号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤによるＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２、Ｎ１及びＮ２のオン／オフによりＭＴＪ素子１に流れる書き込み電流の向きを制御し、データ書き込みを実現する。
ＭＴＪ素子１からのデータ読み出しは、ＭＴＪ素子１に読み出し電流を供給することで行われる。この読み出し電流は、書き込み電流よりも小さい値に設定される。ＭＴＪ素子１は、磁気抵抗効果により、参照層と記録層との磁化方向が平行配列か反平行配列かで異なる抵抗値を有する。すなわち、参照層と記録層との磁化方向が平行配列のときはＭＴＪ素子１の抵抗値は最も小さくなり、一方、参照層と記録層との磁化方向が反平行配列のときはＭＴＪ素子１の抵抗値は最も大きくなる。この抵抗値の変化をセンスアンプＳＡによって検出することで、ＭＴＪ素子１に記録された情報を読み出す。
図１０は、上記メモリセルを示す断面図である。Ｐ型半導体基板２１内には、ＳＴＩ（shallow trench isolation）構造の素子分離絶縁層２２が形成される。素子分離絶縁層２２に囲まれた素子領域（活性領域）には、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３が設けられている。ＭＯＳトランジスタＳＴ３は、ソース／ドレイン領域としての拡散領域２３及び２４と、拡散領域２３及び２４間のチャネル領域の上に設けられたゲート絶縁膜２５と、ゲート絶縁膜２５上に設けられたゲート電極２６とを有する。ゲート電極２６は、図９に示すワード線ＷＬに相当する。
拡散領域２３上には、コンタクトプラグ２７が設けられている。コンタクトプラグ２７上には、ソース線ＳＬが設けられている。拡散領域２４上には、コンタクトプラグ２８が設けられている。コンタクトプラグ２８上には、下部電極２９が設けられている。下部電極２９上には、ＭＴＪ素子１が設けられている。ＭＴＪ素子１上には、上部電極３０が設けられている。上部電極３０上には、ビット線ＢＬが設けられている。半導体基板２１とビット線ＢＬとの間は、層間絶縁層３１で満たされている。
以上、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例による磁気抵抗素子の適用例をＭＲＡＭについて説明したが、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例による磁気抵抗素子は、それ以外にもＴＭＲ効果を利用するデバイス全般に適用できる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）
２ 強磁性層
４ 非磁性層（トンネルバリア層）
６ 強磁性層
７ スピン注入層
８ 非磁性層
１０ 磁化発振層
２１ 半導体基板
２２ 素子分離絶縁層
２３、２４ 拡散領域
２５ ゲート絶縁膜
２６ ゲート電極
２７、２８ コンタクトプラグ
２９ 下部電極
３０ 上部電極
３１ 層間絶縁層
ＢＬ ビット線
ＷＬ ワード線
ＳＬ ソース線
ＳＡ センスアンプ
Ｐ１、Ｐ２ ＰチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｎ１、Ｎ２、ＳＴ１〜ＳＴ５ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
２ 強磁性層
４ 非磁性層（トンネルバリア層）
６ 強磁性層
７ スピン注入層
８ 非磁性層
１０ 磁化発振層
２１ 半導体基板
２２ 素子分離絶縁層
２３、２４ 拡散領域
２５ ゲート絶縁膜
２６ ゲート電極
２７、２８ コンタクトプラグ
２９ 下部電極
３０ 上部電極
３１ 層間絶縁層
ＢＬ ビット線
ＷＬ ワード線
ＳＬ ソース線
ＳＡ センスアンプ
Ｐ１、Ｐ２ ＰチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｎ１、Ｎ２、ＳＴ１〜ＳＴ５ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
Claims (13)
- 膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化が可変の第１強磁性層と、
膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化が不変の第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第２強磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられ、それぞれが異なる発振周波数の回転磁界を発振する強磁性体の複数の発振体を有し、各発振体が膜面に平行な磁化を有する、第３強磁性層と、
を備え、
前記第３強磁性層と、前記第１強磁性層との間に電流を流すことにより、スピン偏極した電子を前記第１強磁性層に作用させるとともに、前記第３強磁性層の複数の前記発振体に作用させて前記発振体の磁化に歳差運動を誘起し、前記歳差運動によって生じた複数の回転周波数を有し前記第１強磁性層の磁化反転をアシストする回転磁界が前記第１強磁性層に印加されることを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間に前記第３強磁性層にスピン偏極した電子を注入するスピン注入層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
- 前記第３強磁性層に対して前記第２強磁性層と反対側に設けられ前記第３強磁性層にスピン偏極した電子を注入するスピン注入層と、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
- 膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化が可変の第１強磁性層と、
膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化が不変の第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第１強磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられ、それぞれが異なる発振周波数の回転磁界を発振する強磁性体の複数の発振体を有する第３強磁性層と、
を備え、
前記第３強磁性層と、前記第２強磁性層との間に電流を流すことにより、スピン偏極した電子を前記第１強磁性層に作用させるとともに、前記第３強磁性層の複数の前記発振体に作用させて前記発振体の磁化に歳差運動を誘起し、前記歳差運動によって生じた複数の回転周波数を有し前記第１強磁性層の磁化反転をアシストする回転磁界が前記第１強磁性層に印加されることを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記第１強磁性層と前記第３強磁性層との間に前記第３強磁性層にスピン偏極した電子を注入するスピン注入層が設けられていることを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗素子。
- 前記第３強磁性層に対して前記第１強磁性層と反対側に設けられ前記第３強磁性層にスピン偏極した電子を注入するスピン注入層と、前記第１強磁性層と前記第３強磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、を更に備えていることを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗素子。
- 前記第３強磁性層の前記発振体から発振される回転磁界の発振周波数は、前記第１強磁性層の共鳴周波数をf０としたとき、０．６２ｆ０〜１．５０ｆ０の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第３強磁性層は、非磁性マトリクスと、前記非磁性マトリクスに囲まれた複数の強磁性体粒とを有し、複数の前記強磁性体粒が発振体であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第３強磁性層の前記非磁性マトリクスはＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物であり、前記強磁性体粒はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗素子。
- 前記第３強磁性層の前記非磁性マトリクスは非磁性金属材料であり、前記強磁性体粒はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗素子。
- 前記第３強磁性層は、強磁性膜と非磁性膜との積層構造を有し、前記強磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択された少なくとも１つの元素を含み、前記非磁性膜はＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕから選ばれる少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第２強磁性層と前記第３強磁性層との間に設けられ、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化方向が前記第２強磁性層の磁化方向と互いに反平行な第４強磁性層と、前記第２強磁性層と前記第４強磁性層との間に設けられた第３非磁性層と、を更に備え、
前記第２強磁性層の飽和磁化をＭＳ２、膜厚をｔ２とし、前記第４強磁性層の飽和磁化をＭＳ４、膜厚をｔ４とするとき、ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ４×ｔ４の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。 - 前記第２強磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられ、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化方向が前記第２強磁性層の磁化方向と互いに反平行な第４強磁性層と、前記第２強磁性層と前記第４強磁性層との間に設けられた第３非磁性層と、を更に備え、
前記第２強磁性層の飽和磁化をＭＳ２、膜厚をｔ２とし、前記第４強磁性層の飽和磁化をＭＳ４、膜厚をｔ４とするとき、ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ４×ｔ４の関係を満たすことを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗素子。
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