JP5374589B2 - 磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、スピントルクを用いて磁石の磁極の向きを反転するスピントルク磁化反転を応用した磁気メモリに関する。

近年、従来のダイナミック・ランダム・アクセスメモリ（ＤＲＡＭ）を置きかえる可能性を有する磁気ランダム・アクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が注目されている。従来のＭＲＡＭでは、例えば特許文献１に記載されているように、磁性膜／非磁性絶縁膜／磁性膜の多層構造を有するトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子の一方の磁化を、前記ＴＭＲ素子の上下に互いに直交する方向に設けられた２つの金属配線に流れる電流が作る合成磁界を用いて反転させることにより記録を行う方式が採用されている。

しかしながら、ＭＲＡＭにおいても、大容量化のためＴＭＲ素子のサイズを小さくすると磁化反転に要する磁界の大きさが大きくなり、たくさんの電流を金属配線に流すことが必要となり、消費電力の増加、ひいては配線の破壊を招いてしまうという課題が指摘されている。

磁界を用いずに磁化反転する方法としてスピントルク磁化反転が提案され、磁気メモリへの応用が検討されている。スピントルク磁化反転技術については、例えば、非特許文献１〜４や特許文献２に開示されている。

非特許文献１には、磁気再生ヘッドで用いられる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜に、一定以上の電流を流すだけで磁化反転が可能であることが理論的に示されている。非特許文献２には、二つのＣｕの電極の間にＣｏ／Ｃｕ／Ｃｏの多層膜（ＧＭＲ膜）を含む直径１３０ｎｍのピラーを形成し、前記ピラーに電流を流し、流れる電流のスピンからＣｏ層の磁化に与えられるスピントルクを用いて、Ｃｏ層の磁化を反転する記録方式の実験例が報告されている。

また、非特許文献３において、ＴＭＲ膜を用いたナノピラーを用いて、スピントルク磁化反転が実証された。特にＴＭＲ膜を用いたスピントルク磁化反転では、従来のＭＲＡＭと同等以上の出力が得られることが開示されている。非特許文献４にはスピントルク磁化反転の書換えに必要なしきい電流密度について開示されている。

上述のスピントルク磁化反転について図１（ａ）、図１（ｂ）を用いて説明する。図１（ａ）、図１（ｂ）において、ビット線１に、磁化方向が変化する第１の強磁性層（記録層）２、中間層（障壁層）３、磁化方向が固定された第２の強磁性層（固定層）４からなる磁気抵抗効果素子と、ゲート電極５で伝導を制御されたトランジスタ６が接続され、トランジスタのもう一方の端子はソース線７に接続されている。

図１（ａ）のように、固定層４と記録層２の磁化を反平行（高抵抗）状態から平行（低抵抗）状態に変化させる場合には、電流８はビット線１からソース線７に流す。このとき、電子９はソース線７からビット線１に流れる。

一方、図１（ｂ）のように、固定層４と記録層２の磁化を平行（低抵抗）状態から反平行（高抵抗）状態に変化させる場合には、電流８はソース線７からビット線１の方向に流せばよい。このとき、電子９はビット線１からソース線７の方向に流れる。

上記構成により磁化反転が可能であるが、記録密度の高密度化のために記録層の断面積を小さくしたところ熱揺らぎのために磁化が反転する、即ち記録が失われリテンションが保たれないことが問題となった。

そこで、例えば特許文献２に記載されているように、上記記録層２を、非磁性層２２０をはさんだ２層の強磁性層２１０、２３０で構成し、その磁化の向きをお互いに反対方向になるように配置させ、外部からの侵入磁界に関して安定化させる積層フェリ構造と呼ばれる構造が提案された(図２参照)。

米国特許第５７３４６０５号明細書 特表２００５−２９４３７６号公報

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， １５９， Ｌ１−６ （１９９６） Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．８４， Ｎｏ．１４， ｐｐ．２１４９−２１５２（２０００） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ８４，Ｎｏ．１６， ｐｐ．３１１８−３１２０（２００４） Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ， Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．１， ｐｐ．５７０−５７８（２０００）

磁気メモリには大容量化が求められており、高密度化への要求が高い。しかし、この要求に対して従来のこれらのＭＲＡＭには、以下のような問題がある。

スピントルク磁化反転を応用した磁気メモリでは、書換え電流の低減と不揮発性を保証する熱安定性の確保が極めて重要である。スピントルク磁化反転の書換え電流は電流密度で決まることが知られており、しきい電流密度Ｊｃ０は式１で与えられる。

Ｊｃ０∝（α・Ｍｓ・ｔ／ｇ）（Ｈｋ＋Ｍｅｆｆ／２μ０） (１)
ここで、αはギルバートのダンピング定数、Ｍｓは記録層２の飽和磁化、ｔは記録層の膜厚、ｇはスピントルクの効率、Ｈｋは記録層の異方性磁界、Ｍｅｆｆは膜面に垂直方向に働く反磁界の効果を差し引いた記録層の有効磁化、μ０は真空の透磁率である。

一方、熱安定性を特徴づけるエネルギー障壁、すなわち二つの安定な磁化方向の間で磁化反転をするために必要なエネルギーは、式２で与えられる。

Ｅ〜１/２×（Ｍｓ・Ｈｋ・Ｓ・ｔ） （２）
ここで、ＳはＴＭＲピラーの断面積である。

式１、２からわかるように、Ｊｃ０、ＥともにＭｓ・ｔに比例する量である。したがって熱安定性を確保するためにＭｓ・ｔを増加させるとＪｃ０も大きくなり、書き込みに要する消費電力が増える。他方、しきい電流を減らすためにＭｓ・ｔを減少させるとＥも減少し、熱安定性が損なわれる。すなわち、Ｊｃ０とＥはトレードオフの関係にある。

一方、特許文献２に記載されている積層フェリ記録層を用いたＭＲＡＭでは、記録層の磁化の向きがお互いに反対向きであるため、スピントルク磁化反転に効く、ベクトル的作用を有する正味の磁化Ｍｓ・ｔの値が小さくなりＪｃ０が小さく出来るという利点を有する。一方で、熱安定性には（式２）のＭｓ・ｔは二つの磁性層の全磁化の和が効くので、磁性層の体積が増大した分、熱的に安定となる。すなわち、積層フェリ記録層は、低いＪｃ０と高いＥを兼ね備えた構造である。積層フェリ記録層のＥを決定するＨｋは
Ｈｋ＝Ｈｋｕ＋ｒ・Ｈｓｐ （３）
と書ける。ここで、Ｈｋｕは誘導結晶磁気異方性磁界、Ｈｓｐは素子断面の短辺と長辺の長さが異なっていることに起因する形状磁気異方性磁界、ｒは積層フェリ記録層の上下の二つの磁性膜の静磁気結合磁界が形状磁気異方性磁界を遮蔽する効果を表す係数である。

一般に形状磁気異方性磁界は、素子断面の長径／短径（アスペクト比）が増加すると増大するが、スピントルク磁化反転を用いた磁気メモリの場合、アスペクト比を大きくしすぎると記録層の磁化反転過程が不均一になり、記録電流密度の上昇や熱安定性の低下を招くことが知られている。

メモリ微細化にかかわらずＥを一定に保つには、Ｈｋを増加させる必要があるが、そのためアスペクト比を増大してＨｓｐを増やそうとすると、記録電流密度の上昇や熱安定性の低下が起こってしまう。したがって、メモリ微細化に対応してＨｋｕを増加してＥを保持しなくてはならない。しかしながら、これまでの磁気メモリでは、記録層の材料として保磁力ＨｃやＨｋｕの小さい軟磁性材料を用いていたために、Ｈｋｕを増加させることは不可能であった。また、Ｈｋｕが大きな硬磁性材料は、結晶粒の結晶軸がばらばらで磁化の向きが揃わず、そのままでは記録層として用いることができない。

本願発明の目的は、記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供することにある。

上記目的を達成するための一形態として、選択トランジスタと、前記選択トランジスタの一端に接続されたトンネル磁気抵抗効果素子とを複数含む磁気メモリであって、前記トンネル磁気抵抗効果素子は、一方向に周期的なテクスチャーを有する第１の下地層と、前記第１の下地層の上に形成され、岩塩構造に配向した第２の下地層と、前記第２の下地層の上に形成され、ｈｃｐ（１０１０）方向に配向したＣｏ基合金を主成分とする硬磁性層と前記硬磁性層の上に形成された非磁性層と前記非磁性層の上に形成された軟磁性層とを有する積層フェリ記録層と、前記積層フェリ記録層の上に形成された障壁層と、前記障壁層の上に形成された強磁性固定層と、を有し、前記積層フェリ記録層を構成する前記Ｃｏ基合金を主成分とする前記硬磁性層と前記軟磁性層とは反強磁性的に結合していることを特徴とする磁気メモリとする。

また、前記磁気メモリにおいて、前記固定層の磁化は、前記固定層上に接触して設けられた反強磁性層からの交換結合力で固定されていることを特徴とする磁気メモリとする。

また、前記磁気メモリにおいて、前記固定層は、非磁性の中間層を挟んだ第１及び第２の強磁性層で構成され、前記第１及び第２の強磁性層は互いに、反強磁性的に交換結合していることを特徴する磁気メモリとする。

また、前記磁気メモリにおいて、前記Ｃｏ基合金は、少なくともＣｏとＰｔとＣｒとを含む材料からなる合金であることを特徴とする磁気メモリとする。

また、前記磁気メモリにおいて、前記Ｃｏ基合金は、添加物として少なくともＳｉＯ２、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｏＯ、Ｔａ２Ｏ５のいずれか一者を含むことを特徴とする磁気メモリとする。

また、前記磁気メモリにおいて、前記固定層はＣｏＦｅＢを、前記障壁層はＭｇＯを、前記積層フェリ記録層を構成する前記軟磁性層はＣｏＦｅＢをそれぞれ主成分とすることを特徴とする磁気メモリとする。

また、前記磁気メモリにおいて、前記積層フェリ記録層の記録層面内方向の縦横比が略１であることを特徴とする磁気メモリとする。

また、前記磁気メモリにおいて、前記選択トランジスタは電界効果型トランジスタであることを特徴とする磁気メモリとする。

また、前記磁気メモリにおいて、前記トンネル磁気抵抗効果素子に接続されていない前記選択トランジスタの他端が接続されたソース線と、前記ソース線に接続された第一の書込みドライバー回路と、前記選択トランジスタに接続されていない前記トンネル磁気抵抗効果素子の他端が接続されたビット線と、前記ビット線に接続された、読出し信号を増幅するアンプ及び第二の書込みドライバー回路と、前記選択トランジスタの抵抗を制御するワード線と、前記ワード線が接続された第三の書込みドライバーと、を更に有することを特徴とする磁気メモリとする。

記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供することができる。

スピントルク磁化反転（反平行状態から平行状態への磁化反転）の原理を説明するための磁気メモリの要部概略図である。 スピントルク磁化反転の原理（平行状態から反平行状態への磁化反転）を説明するため磁気メモリの要部概略図である。 従来の他の磁気メモリの要部概略図である。 第１の実施例に係る磁気メモリの要部概略断面図である。 ＲａとＴＭＲ比の関係を示す図である。 第１の実施例における磁界−磁化ヒステリシスの一例を示す図である。 テクスチャーによる配向効果（テクスチャーがある場合）を説明するための硬磁性層の概略図である。 テクスチャーによる配向効果（テクスチャーがない場合）を説明するための硬磁性層の概略図である。 積層フェリ構造の磁界−磁化ヒステリシスの一例を示す図である。 第２の実施例に係るメモリアレイ回路の一例を表す図である。

以下、実施例により説明する。

まず、高い熱安定性と小さなＪｃ０を両立するＴＭＲ素子を得るための原理を述べる。

図３は、本実施例の硬磁性層を有する積層フェリ記録層を用いたＴＭＲ膜の断面である。図３において、３０１は下部電極、３０２はテクスチャーをつけた下地層、３０３は硬磁性膜の配向性を制御するための岩塩構造の下地層、２は積層フェリ記録層であり、２１は硬磁性層、２２は金属中間層、２３は軟磁性層、３は障壁層、４は積層フェリ固定層であり、４１は軟磁性層、４２は金属中間層（非磁性層）、４３は軟磁性層、３０４は積層フェリ固定層の磁化方向を固定するための反強磁性層、３０５はキャップ層である。ＴＭＲ素子に選択トランジスタを接続することにより磁気メモリを構成することができる。各層の働きを以下述べる。

テクスチャー下地層３０２は、テクスチャーに平行な方向と垂直な方向の二つの方向の間に歪の差を作り出し、硬磁性層２１の面内方向の配向を制御する。下地層３０３は、特定の結晶構造をとり、その上にエピタキシャル成長する硬磁性層２１の膜面と垂直方向の結晶配向を制御する。

硬磁性層２１は大きな結晶磁気異方性磁界を有し、熱安定性の向上に寄与する。金属中間層（非磁性層）２２を介して、硬磁性層２１と軟磁性層２３が反強磁性的に結合している。軟磁性層２３は高いスピン分極率の材料でできており、スピントルク磁化反転のしきい電流密度を低減する働きを有する。

すなわち、低しきい電流密度化には軟磁性層２３が、高熱安定性化には硬磁性層２１が寄与するのである。積層フェリ固定層４はスピン偏極電子のフィルタとして機能することは、これまでのＴＭＲ素子と同様である。

以下具体的な材料を示した具体例を詳述する。本実施例では、硬強磁性層２１としてＣｏ系の合金を用いた場合を示す。Ｃｏ系合金としては、少なくともＣｏとＰｔとＣｒとを含む材料からなる合金、および金属として他にＭｏ，Ｗ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｂなどの元素を含有させることができる。また、これらの金属の他に、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、一酸化チタン（ＴｉＯ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）、ＣｏＯ、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）などの酸化物を含有させることもできる。

軟磁性層２３の材料としてＣｏｘＦｅｙＢｚ、非磁性層２２の材料としては、例えばＲｕを用いる。特にｚが略２０％のＣｏＦｅ合金は、障壁層３材料としてＭｇＯを用いたとき、高いＴＭＲ比が得られる。

固定層の材料としては、軟磁性層４１としてＣｏｘＦｅｙＢｚ、非磁性層４２として例えばＲｕ、軟磁性層４３としてＣｏＦｅ、反強磁性層３０４としてＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＣｒＭｎのいずれかを用いる。Ｃｏ系合金の磁化容易軸方向を膜面内に向けるためには、適切な下地を用いる必要がある。

さらに磁化容易軸の方向を一方向に向けるには、テクスチャーを用い硬磁製膜２１の歪を制御する必要がある。我々は、種々の材料の検討により、下部電極３０１として平坦性のよいＴａ／Ｒｕ／Ｔａの３層膜を用い、その上にテクスチャーをつける下地層３０２としてＡｌを用い、その上に硬磁性層２１の結晶構造を制御する下地層３０３として、下からＮｉＡｌ合金とＣｒの順で製膜された２層膜を用いた。

この２層膜は、岩塩構造を有し、特に（１１２）方向に強く配向する。典型的な膜厚は、下部電極３０１はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、下地層３０２はＡｌ（１０ｎｍ）、下地層３０３はＮｉＡｌ（１０ｎｍ）／Ｃｒ（１０ｎｍ）、硬磁性層２１はＣｏＣｒＰｔＢ（６ｎｍ）、非磁性層２２はＲｕ（０．８ｎｍ）、軟磁性層２３はＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（２．５ｎｍ）、障壁層３はＭｇＯ（１ｎｍ）、軟磁性層４１はＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（３ｎｍ）、非磁性層４２はＲｕ（０．８ｎｍ）、軟磁性層４３はＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）、反強磁性層３０４はＩｒＭｎ（８ｎｍ）である。

以下この膜厚の場合について詳述していくが、一般的に膜厚はこれに限られるものではない。ただし、硬磁性層２１の膜厚ｔ１と軟磁性層２３の膜厚ｔ２については、以下の注意が必要である。すなわち、硬磁性層２１の飽和磁化をＭｓ１、軟磁性層２３の飽和磁化をＭｓ２とするとき、｜Ｍｓ１・ｔ１−Ｍｓ２・ｔ２｜＜０．５Ｔ・ｎｍが望ましい。これは積層フェリ記録層の実効的な磁化量を小さくすることにより、しきい電流密度Ｊｃ０を低減するためである。

まず、テクスチャーの詳細について述べる。テクスチャーの凹凸の大きさは、平均粗さＲａで評価することができる。Ｒａは、原子間力顕微鏡のラインスキャンで測定した凹凸の大きさをスキャンしたラインの長さで平均した量である。本実施例では、テクスチャーをつける前のＲａは約０．０８ｎｍであった。これにテクスチャーをつけるために、軽いイオンビームエッチングを、ＴＭＲ素子の斜め上方からビームを入射させて行って形成する。

図４は、平均粗さＲａの値とＴＭＲの特性の関係を示したものである。ＴＭＲ比はＲａの増大によって急激に減少することがわかる。なお、ＴＭＲ比は、低い抵抗をＲＬ、高い抵抗をＲＨとしたとき、｛（ＲＨ−ＲＬ）/ＲＬ｝×１００（％）で表される。Ｒａが０．１５ｎｍ以上の凹凸をつけると、障壁層３に貫通する欠陥ができ、ＴＭＲ素子の特性が大きく劣化してしまうので、好ましくない。発明者らが素子作製プロセスを詳細に検討した結果、Ｒａ＝０．１５ｎｍ以下とすることで、磁気異方性の増加と大きなＴＭＲ比の維持の両立が可能であることがわかった。

次に下地層３０３を構成するＮｉＡｌ／Ｃｒ合金の特性について述べる。まず、通常のテクスチャーのない平坦なＡｌ膜上にＮｉＡｌ（１０ｎｍ）／Ｃｒ（１０ｎｍ）薄膜をスパッタ法により成長した。スパッタ温度は室温である。このとき、Ａｌ膜面と垂直方向の結晶構造をθ−２θタイプのＸ線で評価したところ、強い岩塩構造の（１１２）配向が検出された。

その上に硬磁性層となるＣｏＣｒＰｔＢをスパッタ法により成長させた後、再びθ−２θタイプのＸ線による評価を行ったところ、ＣｏＣｒＰｔＢが（１０−１０）方向に強く配向していることがわかった。そこでＣｏＣｒＰｔＢ膜面内の配向を調べるためにＸ線の極点図形をとったところ、特に強い配向性は観測されなかった。

断面ＴＥＭ観察により、さらにＣｏＣｒＰｔＢ膜の微細構造を調べたところ、ＣｏＣｒＰｔＢ膜は結晶粒からなるグラミュラー構造であり、隣接する結晶粒間には、Ｃｒが偏析した構造であった。

そこで次に上記のようなイオンビーム処理によるテクスチャー加工を施したＡｌ膜上にＮｉＡｌ（１０ｎｍ）／Ｃｒ（１０ｎｍ）／ＣｏＣｒＰｔＢ（６ｎｍ）を製膜した。まず通常のθ−２θタイプのＸ線で評価を行ったところ、ＣｏＣｒＰｔＢが（１０−１０）方向に強く配向していることが、再び確認された。次にＸ線上の極点図形を評価したところ、テクスチャーに平行な方向にＣｏＣｒＰｔＢの（０００１）方向が配向していることが確認された。

ＣｏＣｒＰｔＢの磁化容易軸は（０００１）方向なので、この事実より、テクスチャーに平行な方向にのみ磁化容易軸が誘導されていることが予想される。図５は、外部磁場をテクスチャーと平行方向にかけた場合の磁界−磁化ヒステリシス曲線である。これより、本実施例のＣｏＣｒＰｔＢ膜の場合、テクスチャーと平行方向が磁化容易軸であり、保磁力は約３０００Ｏｅ，異方性磁界は約６０００Ｏｅ程度であることがわかった。

以上、テクスチャーが導入されている場合といない場合の配向性を比較して描いた図が図６（ａ）、図６（ｂ）である。テクスチャーが導入されている場合は、図６（ａ）のように、結晶軸および磁化容易軸がテクスチャーと平行な方向に揃う。これにより一軸磁気異方性が誘起される。一方テクスチャーが導入されていない場合は、結晶軸および磁化容易軸は、図６（ｂ）のように面内にランダムに分布するので、一軸磁気異方性は誘起されないのである。

次に、テクスチャーＡｌ／ＮｉＡｌ／Ｃｒ膜上に成長したＣｏＣｒＰｔＢ膜上にＲｕ／Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０膜を製膜して磁気特性を評価したところ、図７のような２段のヒステリシス曲線を観測した。この２段のヒステリシス曲線はＣｏＦｅＢの感じる交換結合磁界（Ｈｅｘ〜８５０Ｏｅ）が原因となっているものであり、ＣｏＣｒＰｔＢ膜とＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０膜がＲｕ膜を介して反強磁性的に結合していることが確認された。

以上、（１）ＣｏＣｒＰｔＢ膜が面内の一軸方向に配向していること、（２）ＣｏＣｒＰｔＢ膜とＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０膜が反強磁性的に結合し積層フェリ層として機能していることが確認されたので、次に実際のスピントルク磁化反転特性を確認するため、固定層の向きが反強磁性体膜の交換結合磁界で固定されている交換バイアス型のＴＭＲ素子（図３参照）を作製し、特性を評価した。製膜後、電子線描画とイオンビームエッチングでＴＭＲ膜を５０×５０ｎｍの正方形に加工し、最後に磁界中で３００℃の温度で熱処理を行って測定素子とした。

次に作製した素子の電気特性を測定した。電流方向のプラスは固定層４から記録層２の方向に電流が流れる方向で、このとき固定層４と絶縁層３を介して対抗している強磁性膜２１の磁化方向は、固定層４の磁化方向に対し、平行方向から反平行方向に磁化反転する。逆に電流をマイナス方向に流すと、固定層４と絶縁層３を介して対抗している強磁性膜２１の磁化方向は、固定層４の磁化方向に対し、反平行方向から平行方向に磁化反転する。

Ｊｃ０の値は、平行方向から反平行方向への磁化反転と、反平行方向から平行方向への磁化反転の両者のスピントルク磁化反転におけるＪｃ０の相加平均である。ＴＭＲ比はいずれの素子もほぼ１００％であり、面積抵抗ＲＡは約１０ΩμｍΛ２(平方ミクロン)となった。

次にスピントルク磁化反転の実験を行った。実験では、磁化反転に用いる電流パルスの幅を変化させて磁化反転に要する電流密度を測定し、しきい電流密度Ｊｃ０と熱安定性指数Δ＝Ｅ／ｋＢＴを算出した。その結果、Ｊｃ０は１．５ＭＡ／ｃｍΛ２(平方センチメートル)、Δ＝３５０となり、従来１０以下であったΔを大幅（３０倍以上）に改善することできた。これにより、トンネル磁気抵抗効果素子の面積を従来の１／３０程度に微細化することが可能となる。

まず、Ｊｃ０が小さいのは積層フェリ構造を用いていることによる。本実施例で用いているＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０の飽和磁化Ｍｓは約１．０Ｔであり、ＣｏＣｒＰｔＢの飽和磁化Ｍｓは０．４Ｔであり、両者のＭｓ・ｔ（ｔは磁性層の厚さを示す）は０．１Ｔ・ｎｍである。このように実効的な磁化量が小さいため、小さなＪｃ０を得ることができる。

一方、大きなΔが得られた要因は、ＣｏＣｒＰｔＢの結晶磁気異方性磁界Ｈｋｕが６０００Ｏｅと極めて大きいことによる。これは、従来の軟磁性膜を用いた磁気メモリではなしえなかった結果であり、かつ、ＮｉＡｌ／Ｃｒ下地とイオンビームエッチングによって形成されたテクスチャーを用いてＣｏＣｒＰｔＢ膜の面内一軸配向性を実現できたことによる。

従来の軟磁性膜を用いたトンネル磁気抵抗効果素子では、形状磁気異方性磁界Ｈｓｐによる磁気異方性を利用するため、素子の形状を長方形や楕円といった、いわゆる縦横比（アスペクト比）が１より大きい形状にする必要があった。しかし、本実施例では正方形（アスペクト比１）の形状の素子でも大きなＨｋ、およびΔの値を実現でき、磁気メモリサイズの微細化に大きな効果がある。また、このΔの値は、たとえ素子サイズを２５×２５ｎｍとしても、Δ＝８７．５とできるレベルの値であり、素子の一層の微細化に対しても十分対応できる値である。なお、アスペクト比が略１と言った場合には０．９〜１．１の範囲を指す。

本実施例では、テクスチャー付下地層の上に岩塩構造の下地層を形成したが、逆に岩塩構造の下地層の上にテクスチャ付下地層を形成してもよい。また、ＣｏＣｒＰｔＢを用いたが、これにさらにＳｉＯ２、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｏＯ、Ｔａ２Ｏ５などの酸化物を少なくとも１つ加えた場合は、酸化物の粒界への偏析により、粒界分離構造を促進させて、グラニュラー構造をさらに明確に形成することができる。

グラニュラー構造とは、ナノスケールの金属微粒子が絶縁体マトリックス中に密に分散した構造であり、電気伝導は微粒子間の電子のトンネル効果により生じる。この場合は、スピントルク磁化反転をさらに円滑にすることが可能となるが、粒界分離構造を促進させすぎ、結晶粒が孤立してしまうと、結晶粒１個１個が磁化反転体積単位となるのでΔが減少してしまう。酸化物の添加は、通常の磁気記録媒体作製のときにくらべ少ない量、例えば、ＣｏＣｒＰｔＢに対して数％以下とすることが望ましい。

以上、本実施例によれば、記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供することができる。

次に、第２の実施例について図８を用いて説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例１と同様である。

図８はメモリ回路の一例を示す。図８において符号１はビット線、符号８１は実施例１に記載されたＴＭＲ素子であり、符号７はソース線、符号６はセル選択トランジスタ、符号８２はワード線、符号８７は一つのメモリセル、符合１０１−１、１０１−２、１０１−２’は書込みドライバー、符号１０２−１，１０２−２は抵抗制御ドライバー、符号１０３はセンスアンプを表す。符号８３と符号８５はビット線に流す電流の大きさを制御する抵抗変化素子（この例の場合はトランジスタ）、符号８４と符号８６は抵抗変化素子８３と８５の伝導状態を制御する抵抗制御用のワード線である。選択トランジスタ６としては電界効果型トランジスタを用いた。

本構成の場合の書込みは、例えばメモリセル８７への書き込みを行う場合、まず、電流を流したいビット線１に接続された書き込みドライバーにライトイネーブル信号を送って昇圧し、次に抵抗制御ドライバーの電圧を制御して、ビット線１に所定の電流を流す。電流の向きに応じ、抵抗変化素子８３に接続されている書き込みドライバーないし、抵抗変化素子８５に接続されている書き込みドライバーのいずれかをグランドに落として、電位差を調節して電流方向を制御する。

次に所定時間経過後、ワード線に接続された書き込みドライバーにライトイネーブル信号を送り、書き込みドライバーを昇圧して、選択トランジスタ６をオンにする。これによりＴＭＲ素子に電流が流れ、スピントルク磁化反転が行われる。所定の時間、選択トランジスタ６をオンにしたのち、書込みドライバーへの信号を切断し、選択トランジスタ６をオフにする。

読出しの際は、読出したいメモリセルにつながったビット線１のみを読出し電圧Ｖに昇圧し、選択トランジスタ６につながっているソース線のみを他方の書込みドライバーで選択してトランジスタ６をオンにして電流を流し、ＴＭＲ素子の抵抗の両端にかかる電圧差をセンスアンプで増幅することで、読出しを行う。

この場合、読出し時の電流方向は、つねにソース線７からビット線１の方向になるようにする。これによって読出し電流による誤書込みを減らし、より大きな読出し電流を流すことが可能として、高速の読み出しが可能とする。この構造は最も単純な１トランジスタ＋１メモリセルの配置なので、単位セルの占める面積は２Ｆ×４Ｆ＝８Ｆ∧２と高集積なものにすることができる。

以上、本実施例によれば、記録電流密度が小さく、熱安定性に優れ、微細化に好適な磁気メモリを提供することができる。また、磁気メモリ回路を提供することができる。

１…ビット線、２…記録層、３…障壁層、４…固定層、５…ゲート電極、６…選択トランジスタ、７…ソース線、８…電流方向、９…電子が移動する方向、２１…硬磁性層、２２…非磁性層、２３…軟磁性層、４１…軟磁性層、４２…非磁性層、４３…軟磁性層、８１…ＴＭＲ素子、８２…ワード線、８３、８５…抵抗制御素子、８４、８６…抵抗制御素子制御用ワード線、８７…メモリセル、１０１−１、１０１−２、１０１−２’…書込みドライバー、１０２−１、１０２−２…抵抗制御ドライバー、１０３…センスアンプ、２１０，２３０…強磁性層、２２０…非磁性層、３０１…下部電極層、３０２…テクスチャー下地層、３０３…下地層、３０４…反強磁性層、３０５…キャップ層。

Claims (10)

1. 選択トランジスタと、前記選択トランジスタの一端に接続されたトンネル磁気抵抗効果素子とを複数含む磁気メモリであって、
   前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
   一方向に周期的なテクスチャーを有する第１の下地層と、
   前記第１の下地層の上に形成され、岩塩構造に配向した第２の下地層と、
   前記第２の下地層の上に形成され、ｈｃｐ（１０１０）方向に配向したＣｏ基合金を主成分とする硬磁性層と、前記硬磁性層の上に形成された非磁性層と、前記非磁性層の上に形成された軟磁性層とを有する積層フェリ記録層と、
   前記積層フェリ記録層の上に形成された障壁層と、
   前記障壁層の上に形成された強磁性固定層と、を有し、
   前記積層フェリ記録層を構成する前記Ｃｏ基合金を主成分とする前記硬磁性層と前記軟磁性層とは反強磁性的に結合していることを特徴とする磁気メモリ。
2. 請求項１記載の磁気メモリにおいて、
   前記固定層の磁化は、前記固定層上に接触して設けられた反強磁性層からの交換結合力で固定されていることを特徴とする磁気メモリ。
3. 請求項１又は２記載の磁気メモリにおいて、
   前記固定層は、非磁性の中間層を挟んだ第１及び第２の強磁性層で構成され、前記第１及び第２の強磁性層は互いに、反強磁性的に交換結合していることを特徴する磁気メモリ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気メモリにおいて、
   前記Ｃｏ基合金は、少なくともＣｏとＰｔとＣｒとを含む材料からなる合金であることを特徴とする磁気メモリ。
5. 請求項４記載の磁気メモリにおいて、
   前記Ｃｏ基合金は、添加物として少なくともＳｉＯ２、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｏＯ、Ｔａ２Ｏ５のいずれか一者を含むことを特徴とする磁気メモリ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気メモリにおいて、
   前記固定層はＣｏＦｅＢを、前記障壁層はＭｇＯを、前記積層フェリ記録層を構成する前記軟磁性層はＣｏＦｅＢをそれぞれ主成分とすることを特徴とする磁気メモリ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気メモリにおいて、
   前記積層フェリ記録層の記録層面内方向の縦横比が略１であることを特徴とする磁気メモリ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気メモリにおいて、
   前記選択トランジスタは電界効果型トランジスタであることを特徴とする磁気メモリ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気メモリにおいて、
   前記トンネル磁気抵抗効果素子に接続されていない前記選択トランジスタの他端が接続されたソース線と、
   前記ソース線に接続された第一の書込みドライバー回路と、
   前記選択トランジスタに接続されていない前記トンネル磁気抵抗効果素子の他端が接続されたビット線と、
   前記ビット線に接続された、読出し信号を増幅するアンプ及び第二の書込みドライバー回路と、
   前記選択トランジスタの抵抗を制御するワード線と、
   前記ワード線が接続された第三の書込みドライバーと、を更に有することを特徴とする磁気メモリ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気メモリにおいて、
    第１の下地層は前記第２の下地層の上に形成されており、
    前記硬磁性層は前記第１の下地層の上に形成されていることを特徴とする磁気メモリ。

Images