JP6483403B2 - 磁気抵抗素子、及びｓｔｔ−ｍｒａｍ - Google Patents

Description

本発明は、磁気トンネル接合を用いる磁気抵抗素子に関し、例えば、スピン注入磁化反転効果を用いた、磁気トンネル素子および磁気抵抗メモリ（MRAM）に用いる磁気抵抗素子に関する。

磁気抵抗メモリ（MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory）は、高速かつ低消費電力の大容量不揮発性メモリとして注目を集めている。磁気抵抗メモリは、記憶素子として、磁気トンネル接合（MTJ：Magnetic Tunnel Junction）を形成した磁気抵抗素子を用いる。具体的には、磁気抵抗素子は、磁化方向が可変な自由層、膜面に垂直な磁化方向を維持する固定層、及び、自由層と固定層との間に設けられ、絶縁体からなるトンネルバリア層を含み、固定層、トンネルバリア層及び自由層が磁気トンネル接合を形成する。磁気抵抗素子は、磁気トンネル接合素子（MTJ素子）とも呼ばれている。
磁気抵抗素子は、トンネルバリア層を挟む一対の磁性材料層の相対的な磁化方向で決まる磁気抵抗の高低を利用して情報を記憶する。そして、磁気抵抗素子は、この磁気抵抗効果によって読み出しを行い、スピン注入磁化反転方式（STT： Spin Transfer Torque）によって書き込みを行う。

固定層及び自由層の材料として、高い垂直磁気異方性と、高いスピン分極率とを備える強磁性材料が好ましいとされる。
書き込み方式として採用するスピン注入磁化反転方式は、電子のスピンによる磁気モーメントを利用して自由層の磁化方向を反転させる。スピン注入方式は従来の配線電流方式に比べてデバイスの微細化、低電流化に適している。また、磁気抵抗素子は、微細化に対する熱擾乱耐性を有する。
このような磁気抵抗素子は、例えば、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ等の次世代の高集積メモリの基本構成素子として期待されている。

しかし、自由層の材料としては現在精力的に開発されているCoFeB系材料の垂直磁気異方性は界面磁気異方性を用いているため、垂直磁気異方性の大きさは小さい。また、理論的に高いスピン分極率を持ち、垂直磁気異方性の大きな材料は、Ｍｎ−Ｇe、Ｍｎ−Ａｌ系などの材料しかなく、材料選択範囲が非常にせまかった。
一方、解決策としてＭＴＪに垂直磁化保持層を結合させる方法が提案されている。例えば、特許文献１には、スピンモーメントが膜面に垂直な方向に向いて前記スピンモーメントの方向が固定された磁性膜を有する磁化固着層と、スピンモーメントが膜面に垂直な方向に向く磁気記録層と、前記磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられる非磁性層と、前記磁化固着層の少なくとも側面に設けられた反強磁性膜と、を備えた磁気抵抗素子が開示されている。

また、特許文献２には、第１の強磁性層／トンネル障壁層／第２の強磁性層の３層構造を含む強磁性トンネル接合を有し、前記第１の強磁性層は前記第２の強磁性層よりも保磁力が大きく、前記２つの強磁性層の磁化の相対的角度によりトンネルコンダクタンスが変化する磁気抵抗効果素子であり、前記第２の強磁性層の端部の磁化が前記第２の強磁性層の磁化容易軸方向と直交する成分を持つ方向に固着されている磁気抵抗素子が開示されている。

さらに、特許文献３には、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第１磁性層と、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が不変の第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる第１非磁性層とを有し、前記第１磁性層は、ＣｏとＰｄ、又は、ＣｏとＰｔが原子稠密面に対して交互に積層されるＣｏＰｄ合金、又は、ＣｏＰｔ合金を有し、ｃ軸が膜面垂直方向を向く強磁性体から構成され、前記第１磁性層の磁化方向は、前記第１磁性層、前記第１非磁性層及び前記第２磁性層を貫く双方向電流により変化する磁気抵抗素子が開示されている。
このような技術により、高いスピン分極率を有する材料範囲がハーフメタル系、ホイスラー系などに拡大され選択範囲が拡大した。しかし、素子の膜厚みが大きくなるため磁化反転電流が増大して消費電力化を低減することが困難であるという問題があった。

この問題点に対して、例えば、特許文献４は、磁化反転電流を低減でき、低電力化を達成する磁気抵抗素子を提供する。特許文献４の磁気抵抗素子では、記憶層（自由層）は、強磁性層と、垂直磁化保持層と、磁気結合制御層とを備える。磁気結合制御層は、強磁性層と垂直磁化保持層との間に設けられ、強磁性層と垂直磁化保持層との磁気結合を制御する。上述した構成により、記憶層の第１強磁性層と第１垂直磁化保持層との間に設けられた磁気結合制御層の厚さを適宜変更することで、抵抗変化率、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等の各種パラメータを最適化する。これにより、磁化反転電流を低減でき、低消費電力化を達成するという技術が開示されている。

特開２００５−３２８７８号公報 特開２００５−１５０３０３号公報 特開２０１１−７１３５２号公報 特開２０１４−１１６４７４号公報

ところで、磁気抵抗メモリ等の記録媒体において、低消費電力化とともに、記憶した情報を確実に保持する安定性が望まれる。例えば、記録媒体は、それ自身あるいは他の装置により生ずる熱に曝される環境で使用される。そのため、磁気抵抗素子は、情報を保持する自由層（記憶層）において磁化熱的安定性を有することが必要である。しかしながら、特許文献１の磁気抵抗素子は、低消費電力化を実現するが、磁気的安定性を実現する技術については記載されていない。

本発明は、上記した事情を背景としてなされたものであり、低消費電力化と安定性向上とを実現する磁気抵抗素子を提供することを目的とする。

発明者らは、自由層を構成する磁性層（強磁性層）のキューリー温度と、書き込み処理時の磁気抵抗素子の素子温度との関係に着目し、自由層のキューリー温度を適切に選択することにより、書き込み処理時の消費電力を低減し、かつ、自由層の磁化方向が安定して保持されることを発見した。具体的には本発明に係る磁気抵抗素子は以下の構成を備える。
本発明に係る磁気抵抗素子の一態様は、所定の磁化方向を維持する固定層と、磁化方向が可変であり、垂直磁気異方性を有する自由層と、前記固定層と前記自由層との間に設けられた絶縁体層と、を備え、前記固定層、前記自由層及び前記絶縁体層が磁気トンネル接合層を形成する。前記自由層は、少なくとも、第１磁性層と、前記第１磁性層よりキューリー温度が低く、垂直磁気異方性を有する第２磁性層と、を備える。
自由層を構成する第２磁性層のキューリー温度は、第１磁性層に比べて低い材料を選択する。その際、第２磁性層のキューリー温度が小さいため、書き込み処理時に素子温度が上昇すると、第２磁性層は垂直磁気異方性が小さくなると同時に熱揺らぎが非常に大きくなる。第１磁性層は強磁性層の磁化方向を維持するように調整する。書き込み処理時には、第２磁性層の磁気異方性の減少により熱擾乱の効果が大きくなり、第１磁性層の磁化方向を制御する電流量で書き込み処理を実施する。その後、素子温度の下降に伴い熱擾乱の効果が小さくなり第２磁性層は第１磁性層と同じ磁化方向に変化する。書き込み処理時に第２磁性層の磁化方向を反転させる電流量をほとんど必要しない（ゼロに近い値にする）構成とすることにより、消費電力を削減することが可能になる。読み取り時の温度はキューリー温度より小さいので磁気抵抗素子の熱に対する安定性は従来どおりＨｙｂrid化により向上させることができる。

また、本発明に係る磁気抵抗素子の一態様は、前記第２磁性層のキューリー温度が３５０Ｋ以上５００Ｋ以下であることが好ましい。第２磁性層のキューリー温度を適切に選択することにより、第２磁性層が大きな熱擾乱を示す素子温度の範囲を調整することができる。加えて、読み出し時の熱安定性の増加に関しては、前記第２磁性層が有する前記垂直磁気異方性の値が５×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（５×１０Ｅ６ ｅｒｇ／ｃｃ）以上であることが好ましい。
また、第１磁性層に関しては以下のいずれかを有することが好ましい。
・前記第１磁性層の磁気異方性が面内磁気異方性であること。
・前記第１磁性層が垂直磁気異方性を有し、前記垂直磁気異方性の値が２×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（２×１０Ｅ６ ｅｒｇ／ｃｃ）以上で１０Ｅ６ Ｊ／ｍ^３（１０Ｅ７ ｅｒｇ／ｃｃ）以下であること。
これにより、書き込み処理時には第１磁性層の磁化方向を反転させる電流量によって、自由層全体の磁化方向の制御するため、磁化方向の反転電流量を削減することができる。

さらに、本発明に係る磁気抵抗素子の一態様は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ、前記第１磁性層と前記第２磁性層との磁気結合を制御する磁気結合制御層を、備えることが好ましい。磁気結合制御層を調整することにより（例えば、厚さ）、第２磁性層が熱擾乱の大きい状態から強磁性に変化するときに、第１磁性層の磁化方向と同じになるように制御することができる。これにより、磁気抵抗素子の熱安定性を向上させることができる。

また、前記第２磁性層は、Ｔｃが制御できて垂直磁気異方性が大きな材料がよく、FePtCu、[Co/Pt]n、TbFeCo、Mn₂RuGa、Mn₂RuGeなどの磁性材料、またはこれ以外の強磁性体からなることが好ましく、磁気抵抗素子（MTJ素子）の抵抗値が３０オームマイクロ平方メートル以下であることが好ましい。FePtCu、[Co/Pt]n、TbFeCo、Mn₂RuGa、Mn₂RuGeは、低いキューリー温度で高い垂直磁気異方性定数を有する材料の一例であり、第２磁性層に好適に用いることができる。
さらに、前記第２磁性層のキューリー温度が書き込み時の素子温度に近いかまたは素子温度より低く、読み出し処理時の前記第２磁性層の素子温度より高いことが好ましい。これにより、第２磁性層のキューリー温度が素子温度に近いと熱擾乱が大きくなり、第２磁性層のキューリー温度が素子温度より低いと非磁性を示すように調整することができる。

本発明の一実施形態によれば、低消費電力化と安定性向上とを実現する磁気抵抗素子を提供することができる。

一実施形態に係る磁気抵抗素子を採用するＭＲＡＭの一例の要部を表す斜視図である。 一実施形態に係る磁気抵抗素子の一例を表す断面図である。 一実施形態の自由層の構成例を表す断面図である。 実施形態１の磁気抵抗素子に書き込み処理が実施されるときの自由層の動作例の概念を表す図である。 ＬＬＧシミュレーションに用いた自由層の構成例を説明する図である。 図５の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて、書き込み処理時の磁気抵抗素子の上昇温度をパラメータとして記録電流が低減される効果を表したグラフである。 ＬＬＧシミュレーションに用いた、他の自由層の構成例を説明する図である。 図７の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて、キューリー温度と電流密度との関係を表すグラフである。 図７の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて、キューリー温度と電流量との関係を表すグラフである。 図７の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて、ダンピング定数アルファと電流密度との関係を表すグラフである。 図７の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて、自由層の直径と垂直磁気異方性定数との関係を表すグラフである。 ＬＬＧシミュレーションに用いた、第１磁性層が垂直磁気異方性を有しない自由層の構成例を説明する図である。 図１２の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて、キューリー温度と電流密度との関係を表すグラフである。 図１２の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて、キューリー温度と電流量との関係を表すグラフである。 図１２の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて、自由層の直径と垂直磁気異方性定数との関係を表すグラフである。 磁気交換スティフネス定数と電流密度との関係を表すグラフである。 磁気交換スティフネス定数と電流量との関係を表すグラフである。 ＬＬＧシミュレーションにおいて、温度変化に応じたパラメータの変動モデルを示すグラフである。 自由層を構成する材料の組み合わせ例を示す図である。

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。

＊ ＭＲＡＭの構成
図１は、一実施形態に係る磁気抵抗素子を採用するＭＲＡＭの一例の要部を表す斜視図である。図２は、一実施形態に係る磁気抵抗素子の一例を表す断面図である。図１及び図２を参照して、一実施形態の磁気抵抗素子について説明する。

図１は、ＭＲＡＭの要部として、メモリセル１００、ビット線１、コンタクトプラグ５、７、及びワード線８を表している。
メモリセル１００は、半導体基板２、拡散領域３、４、ソース線６、ゲート絶縁膜９及び磁気抵抗素子１０を含む。
ＭＲＡＭは、複数のメモリセル１００をマトリクス状に配置し、複数本のビット線１及び複数本のワード線８を用いて、互いに接続することにより形成される。ＭＲＡＭは、スピントルク注入方式を用いて、データの書き込み処理が実行される。

半導体基板２は、上面に拡散領域３、４を有し、拡散領域３は、拡散領域４から所定の間隔を空けて配置されている。拡散領域３はドレイン領域として機能し、拡散領域４はソース領域として機能する。拡散領域３は、コンタクトプラグ７を介して磁気抵抗素子１０に接続される。

ビット線１は、半導体基板２の上方に配置されるとともに、磁気抵抗素子１０に接続される。ビット線１は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。

拡散領域４はコンタクトプラグ５を介してソース線６に接続される。ソース線６は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。

ワード線８は、拡散領域３及び拡散領域４に接するように、ゲート絶縁膜９を介して半導体基板２に配置される。ワード線８とゲート絶縁膜９とは、選択トランジスタとして機能する。ワード線８は、図示しない回路から電流を供給されて活性化し、選択トランジスタとしてターンオンする。

＊ 磁気抵抗素子の構成
図２に示すように、磁気抵抗素子１０は、固定層１１、絶縁体層１２及び自由層１３がこの順に積層された構造を有する。逆の順で積層してもよい。以降の説明において、他の図に表す磁気抵抗素子の構成においても同様に逆の順で積層してもよい。磁気抵抗素子１０は、固定層１１、絶縁体層１２及び自由層１３により磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）層を形成する素子（ＭＴＪ素子）である。なお、本明細書では特に明記しない限り、「磁気抵抗素子」と「磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）」とを区別しないで用いる。

磁気抵抗素子１０は、スピン注入磁化反転方式によって書き込み処理が実行される。即ち、磁気抵抗素子１０は、スピン注入書込み方式に用いる磁気抵抗素子である。詳細には、書き込み処理の際は、固定層１１から自由層１３へ、または、自由層１３から固定層１１へ、膜面垂直方向に電流を流すことによって、スピン情報を蓄積する電子が固定層１１から自由層１３に注入される。そして、この注入される電子のスピン角運動量が、スピン角運動量の保存則にしたがって自由層１３の電子に移動することによって、自由層１３の磁化が反転することになる。言い換えれば、各層に対し膜面垂直方向に流すスピン偏極電流の方向に応じて、磁気抵抗素子１０は、固定層１１と自由層１３の磁化の相対角を平行、反平行状態（即ち、抵抗の極小、極大）に変化させ、二進情報の“０”または“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。

固定層１１は、強磁性金属からなる。強磁性金属として、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢ、Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄなどを、単体およびその組合せで用いる。固定層１１は、所定の磁化方向を維持する。この所定の磁化方向は、膜面に垂直な方向である。固定層１１は、自由層１３に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。即ち、実効的な磁気異方性Ｋ_ｕ ^ｅｆｆ及び飽和磁化Ｍｓが大きい材料を選択することが好ましい。しかしながら、固定層１１を構成する材料は、特に限定されるものではなく、諸条件により任意の材料から選択することができる。なお、固定層１１は、磁化固定層、磁化固着層、参照層、磁化参照層、ピン層、基準層、磁化基準層などと称してもよい。

絶縁体層１２は、トンネルバリア層であり、ＭｇＯ等の絶縁膜から構成されている。なお、絶縁体層１２を構成する材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましく、前述したＭｇＯの他、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられるが、絶縁体層１２としての機能に支障をきたさない限り、特に限定されるものではない。絶縁体層１２の厚みは、磁気抵抗素子１０の抵抗値に応じて、適宜変更してもよい。絶縁体層１２は、トンネルバリア層、障壁層などと称してもよい。

自由層１３は、可変な磁化方向を有する。自由層１３は、例えば、膜面に対して垂直に磁化されており、磁化方向が上方又は下方に向く。自由層１３は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、厚みは、目標とする磁気抵抗素子１０の素子抵抗値ＲＡに応じて、適宜変更してもよい。なお、自由層１３は、磁化自由層、磁化可変層、記憶層などと称してもよい。材料としてはＣｏＦｅＢ、Ｈｅｕｓｌｅｒ材料、ＭｎＧｅ系などが用いられる。

＊ 磁気抵抗素子が備える自由層の構成
図３に、一実施形態の自由層１３の構成例を表す断面図を示す。自由層１３は、第１磁性層３１、磁気結合制御層３２、及び第２磁性層３３がこの順に積層された構造を有する。言い換えると、自由層１３は、第１磁性層３１と第２磁性層３３との間に磁気結合制御層３２が設けられた構成を有する。以降の説明では、自由層１３の第１磁性層３１が絶縁体層１２に隣接して配置されていることを前提とする。

第１磁性層３１は、熱安定性の観点からは垂直磁気異方性を有することが好ましい。記録電流低減の観点からは第２磁性層３３と磁気的に結合した場合に垂直方向に磁化方向が向く性質があればよい。その場合、第１磁性層３１単体で垂直磁気異方性を有する必要はない。第１磁性層３１は、強磁性の材料から選択することが好ましく、例えば、ハーフメタル又はホイスラーの材料から選択することが好ましい。
磁気結合制御層３２は、第１磁性層３１と第２磁性層３３との磁気結合を制御する。磁気結合制御層３２は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＭｇＯ、Ｔａ、Ｗ等から構成することができる。また、磁気的な結合の大きさは、磁気結合制御層３２の厚さ（膜厚）が２ｎｍ以下となるように適宜変化させることで、抵抗変化率、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等のパラメータを最適化することができる。

第２磁性層３３は、第１磁性層３１よりキューリー温度（Ｔｃ）が低い材料から構成される。加えて、垂直磁気異方性を有することが好ましい。第２磁性層３３は、垂直磁気異方性を有する強磁性またはフェリ磁性である材料から構成することができる。加えて、第２磁性層３３を構成する材料は、キューリー温度が３５０Ｋ以上であり、５００Ｋ以下であることが好ましい。さらに加えて、キューリー温度の上限が４５０Ｋ以下であることがより好ましく、４００Ｋ以下であることが特に好ましい。

第２磁性層３３は、磁気抵抗素子に書き込み処理が実行されるときに想定される温度より、キューリー温度が低い材料で構成することが好ましい。磁気抵抗素子への書き込み処理時に想定される素子温度（自由層の素子温度、自由層を構成する材料の温度）は、３５０Ｋから４００Ｋ程度であると考えられることから、キューリー温度が３５０Ｋ以下では、磁気抵抗素子の読み出し処理時の温度による影響を受ける。読み出し時の熱安定性の問題を生じる。第２磁性層３３のキューリー温度が、読み出し処理時の第２磁性層３３の素子温度より高いと好ましい。一方、キューリー温度が５００Ｋより高いと、第２磁性層が熱擾乱の影響が大きい温度範囲が小さくなるため、書き込み処理時の消費電力を低減させる効果を得にくい。したがって、キューリー温度は、３５０Ｋ以上で、５００Ｋより低い温度にすることが好ましい。読み出し時の熱安定性を確保しながら、書き込み処理時の消費電力を低減さえる効果を生じさせやすくなる。
さらに、磁気抵抗素子１０の素子抵抗値が３０オームマイクロ平方メートル（Ωμｍ＾２）以下であることが好ましい。ＤＲＡＭと同じ環境応用する場合、ＭＲＡＭなどの素子に使うためには、３０オームマイクロ平方メートルが好ましい。

なお、図３では、自由層１３が第１磁性層３１、磁気結合制御層３２、及び第２磁性層３３の３層から構成されている例（三層構造）を表しているが、磁気結合制御層３２を備えない、第１磁性層３１及び第２磁性層３３の２層から構成される場合（二層構造）であってもよい。言い換えると、自由層１３は、第１磁性層３１及び第２磁性層３３が積層された構造を有する場合であってもよい。

＊ 自由層の動作例
次に、上述した自由層１３の構成例に基づいて、自由層の具体的な構成例を参照して動作例を説明する。
図４は、磁気抵抗素子に書き込み処理が実行されるときの自由層１３Ａの動作例の概念を表す図である。磁気結合制御層（ＥＣＣ層）３２Ａは、第１磁性層３１Ａと第２磁性層３３Ａとの間に配置される。図４では、磁気結合制御層３２Ａを備える構成例を示しているが、磁気結合制御層３２Ａを備えていない構成であってもよい。
また、自由層１３Ａの動作説明を容易にするため、絶縁体層１２を表している。図４では、絶縁体層１２がＭｇ０障壁（MgO Barrier）である場合を示す。
以降の説明では、特に記載がない場合には、第１磁性層３１Ａは、キューリー温度がＴｃ１、垂直磁性異方性がＫｕ１であり、第２磁性層３３Ａは、キューリー温度がＴｃ２、垂直磁気異方性定数がＫｕ２であるとして説明する。
図４では、キューリー温度Ｔｃ２は、キューリー温度Ｔｃ１より小さく、かつ、５００Ｋ以下であることを前提として説明する。第２磁性層３３Ａは、素子温度（特に、第２磁性層３３Ａの材料の温度）に応じて、素子温度がキューリー温度Ｔｃ２より低い場合には、強磁性（Ferro/Ferri Magnetization）として働き、素子温度がキューリー温度Ｔｃ２より高い場合には、常磁性として働くように構成される。
垂直磁気異方性定数Ｋｕ１、Ｋｕ２は、特に限定されるものではないが、第１磁性層３１Ａ及び第２磁性層３３Ａが垂直磁性を有する値であることが好ましく、垂直磁気異方性定数Ｋｕ１及びＫｕ２との値が一致してもよいし、異なる値であってもよい。垂直磁気異方性定数Ｋｕ１がゼロ、すなわち、第１磁性層３１Ａが垂直磁気異方性を有しない材料から構成される場合であってもよい。あるいは、第１磁性層３１Ａと第２磁性層３３Ａとの全体で垂直磁気異方性を有すればよい。
垂直磁気異方性定数Ｋｕとは、磁化容易軸の配向の安定性を表す値であり、その値が大きいほど垂直方向に配向した磁化容易軸が揺らぎにくいことを示す。

図４を参照して自由層１３Ａの動作例、及び磁気抵抗素子が磁化反転電流を小さくできることを説明する。図４では、自由層１３Ａの磁化方向の状態を、ステップ１の書き込み前（Before writing）、ステップ２の書き込み処理時（Writing process）、ステップ３の書き込み後（After writing）について、第１磁性層３１Ａ及び第２磁性層３３Ａ内に記載した矢印により表している。
ステップ１は、書き込み前、具体的には図１に示すビット線１とワード線８に記録電流を流す前の自由層１３Ａの磁化方向を示す。第１磁性層３１Ａ（Ｈｉｇｈ Ｔｃ層）と第２磁性層３３（Ｌｏｗ Ｔｃ層）とは、磁化方向が同じであり、下向きである。

ステップ２は、書き込み処理時、具体的にはビット線１とワード線８に記録電流を流した場合の自由層１３の磁化方向を示す。記録電流によって、自由層１３Ａの素子温度が上昇する。例えば、自由層１３Ａを構成する第２磁性層３３Ａの素子温度が３５０〜４００Ｋ付近まで上昇し（もしくは記録時と読み出し時の温度差が５０−１００Ｋ）、第２磁性層３３Ａのキューリー温度Ｔｃ２が５００Ｋ未満である場合、第２磁性層３３Ａは、強い熱擾乱の影響により磁化方向が定まらず、常磁性のようにふるまう。言い換えると、第２磁性層３３Ａは、素子温度がキューリー温度以上になると、磁気モーメントがランダムになり、常磁性になる。一方、第１磁性層３１Ａの磁化方向は、スピン流によって磁気が反転する。図４の場合、第１磁性層３１Ａの磁化方向は上を向く。このように、図４の自由層１３Ａの構成は、キューリー温度が書き込み処理時の素子温度より非常に高い２つ磁性層（たとえばＴｃ：７００Ｋ）の組み合わせにより構成される複合型トンネル接合（自由層）と比較して、書き込み処理時の電流の値を小さくすることができる。これは、自由層１３Ａでは、自由層１３Ａ全体ではなく、第１磁性層３１Ａのみの磁化方向を反転させるからである。

ステップ３は、書き込み後、具体的には、記録電流の印加を止めた時の自由層１３Ａにおける磁化方向を示す。第１磁性層３１Ａの磁化方向はステップ２の時と同じ方向で上向きである。第２磁性層３３Ａの磁化モーメントは、素子温度の下降により強磁性体の性質に戻り、その方向は第１磁性層３１の磁化との磁気的な相互作用により上向きの磁化になる。
読み出し時は素子温度が室温に下がるため、磁気抵抗素子は、熱に対して安定にふるまう。
熱安定性のためのエネルギーの大きさは垂直磁気異方性定数Ｋｕ１とＫｕ２とに関連して表わされるため非常に安定である。この式については一般式であるため詳細な説明を省略する。より詳細には、熱に対しての生じる熱エネルギーｋＴの６０倍以上になるため磁気抵抗素子の熱に対する安定性を向上させることができる。これは垂直磁気異方性エネルギーが熱擾乱のエネルギーと比較して非常に大きいことが原因である。

なお、図４では、磁気結合制御層３２Ａを表しているが、磁気結合制御層３２Ａがない場合であっても、自由層１３Ａの動作は上述した動作と同様である。
図４に示す自由層１３Ａの構成例により、磁化の熱的安定性を保持すると同時に磁化反転電流を小さくすることができる。また、第１磁性層３１Ａと第２磁性層３３Ａとの磁気的な結合量は、磁気結合制御層３２Ａの膜厚みを変えることにより最適化することができる。

＊ 自由層の特性及び試験結果
ＬＬＧ（Landau-Liftshitz-Gilbert-Langevin equations）シミュレーションを用いて、自由層１３に、高いキューリー温度を有する第１磁性層３１と、書き込み時の素子温度より低いキューリー温度を有する第２磁性層３３とから構成される二層構造を利用することにより、書き込み時の消費電力が低減する効果を確認した。シミュレーションに用いた具体的な自由層１３の構成例とともに試験結果を説明する。

・第２磁性層の温度上昇量による磁化反転電流の変化（電流による反転確率の変化）
図５にＬＬＧシミュレーションに用いた自由層１３Ｂの構成例を示す。自由層１３Ｂは、第１磁性層３１Ｂ（High Tc Layer）、磁気結合制御層３２Ｂ（Ecc Layer、Spacer）及び第２磁性層３３Ｂ（Low Tc Layer）から構成される。書き込み時の消費電力は、一例として、自由層１３の磁化（第１磁性層３１と第２磁性層３３）が反転（スイッチング）したときの電流密度により評価した。

また、第１磁性層３１及び第２磁性層３３の詳細及び設定したパラメータを以下に記載する。
（１）第１磁性層３１Ｂ
材料：ＭｎＧｅ系材料を想定した。
磁気モーメント（Ｍｓ１）：１５０×１０Ｅ３ Ａ／ｍ（１５０ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ１）：１０×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（１０×１０Ｅ６ ｅｒｇ／ｃｃ）
ダンピング定数α＝０．００５
キューリー温度（Ｔｃ１、Ｈｉｇｈ Ｔｃ）：７００Ｋ以上
分極率Ｐ＝１．０
（２）第２磁性層３３Ｂ
材料：FePtCu材料を想定した。
磁気モーメント（Ｍｓ２）：８００×１０Ｅ３ Ａ／ｍ（８００ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ２）：１０×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（１０×１０Ｅ６ ｅｒｇ／ｃｃ）、室温での値
ダンピング定数α＝０．０１
キューリー温度（Ｔｃ２、Ｌｏｗ Ｔｃ）：５２３．１５Ｋ
なお、ここでは、括弧内のＣＧＳ単位で記載されたパラメータを、上記したＬＬＧシミュレーションに用いた。また、併記したＳＩ単位で記載されたパラメータは、括弧内のＣＧＳ単位で記載されたパラメータを、下記の（Ａ）、（Ｂ）を換算式として用いることにより、求められる。
１０ｅｒｇ／ｃｃ＝１Ｊ／ｍ^３ …（Ａ）
１Ｇ＝１ｅｍｕ／ｃｃ ＝１×１０Ｅ３ Ａ／ｍ …（Ｂ）
なお、本明細書に記載される別のＬＬＧシミュレーションでも、上記したＬＬＧシミュレーションと同様に、括弧内のＣＧＳ単位で記載されたパラメータを用いており。また、併記したＳＩ単位で記載されたパラメータは、括弧内のＣＧＳ単位で記載されたパラメータを、下記の（Ａ）、（Ｂ）を換算式として用いることにより、求められる。

第１磁性層３１Ｂの高さ（膜厚）は２ｎｍ（ｈ１＝２ｎｍ）、磁気結合制御層３２Ｂの高さは０ｎｍ（ｈｓｐ＝０）、第２磁性層３３Ｂの高さは２ｎｍ（ｈ２＝２ｎｍ）とした。
自由層１３Ｂの直径Ｄ（幅）は２０ｎｍとした。ここでは、自由層１３Ｂが円柱であることを前提とし、自由層のサイズを表す値に自由層の断面の直径を用いた。なお、自由層のサイズは、自由層の断面が円である場合には直径を用い、楕円である場合には長径（長軸の長さ）を用いることができる。また、その他の形状である場合には、自由層に外接する外接円の直径を用いることができる。

温度上昇ΔＴをパラメータとし、温度変化を１０〜２２３℃に設定した。書き込み処理時の温度変化は以下のように推移した。
第１磁性層３１Ｂは、素子温度が常時３００Ｋであった。
書き込み処理時の温度上昇は、第２磁性層３３Ｂのみに生じ、以下のように温度が変化した。第１磁性層の温度上昇を考慮しても計算結果に差がない。
・記録電流を印加した後、第２磁性層３３Ｂの温度が上昇し、１ナノ秒（ｎｓ）以内に飽和状態に到達した。
・その後記録電流を１０ナノ秒印加する。このときの素子温度は定常状態である。
・書き込み処理後、第２磁性層３３Ｂの素子温度は、５ナノ秒以内に３００Ｋに降下した。

図６に、ＬＬＧシミュレーションの結果に基づいて、書き込み時の磁気抵抗素子の上昇温度をパラメータとして記録電流が低減される効果を表したグラフを示す。図６のグラフでは、横軸に電流密度（Ａ／ｍ＾２）を、縦軸に反転確率（スイッチング確率、sw. prob.）を表す。反転確率は、任意の電流密度で自由層１３Ｂの磁化方向が反転する確率を表し、図６ではゼロから１の範囲で確率の値を示している。なお、一実施形態の自由層１３Ｂでは、第２磁性層３３Ｂの素子温度がキューリー温度Ｔｃ２より高くなると、反転確率は、第１磁性層３１Ｂが反転する確率であるともいえる。これは、自由層１３Ｂへの書き込み処理時に第２磁性層３３Ｂが、熱擾乱が大きい状態か常磁性になると、第１磁性層３１Ｂの磁化方向を反転させることにより、書き込み後に素子温度が降下すると第２磁性層３３Ｂの磁化方向が定まるという動作をするからである。
また、図６中、ΔＴ（degree C、図中“deg.”と記載）は、書き込み前から書き込み処理時に上昇した温度の量を（温度上昇量）示す。ここでは、第２磁性層３３Ｂの温度上昇量を示す。

図６のグラフに示されるように、第２磁性層３３Ｂにおける温度上昇量の増加に伴い、磁化方向の反転する電流密度が小さくなる。言い換えると、自由層１３Ｂの磁化方向の反転に必要な電流量（以降適宜、磁化方向の反転に必要な電流量を「反転電流量」とも記載する）が減少する。図６の例では、第２磁性層３３Ｂの素子温度がキューリーＴｃ２温度付近まで上昇した場合、反転電流量は４分の１以下に低下することがわかる。具体的には、反転確率が０．５となる電流密度を検討すると、ΔＴがゼロの場合に比べ、ΔＴが２２３℃（４９６．１５Ｋ）で、キューリー温度Ｔｃ２により近くなると（キューリー温度Ｔｃ２付近となると）、電流密度が４分の１のときに反転することがわかる。
このようにして、一実施形態の磁気抵抗素子は、書き込み処理時の消費電力を削減することができる。素子の温度が常温に戻った時は熱安定性のためのエネルギーの大きさは第１磁性層３１Ｂの磁気異方性エネルギーＫｕ１と第２磁性層３３Ｂの磁気異方性エネルギーＫｕ２の効果の和になるので非常に安定である。

・その他の例としてキューリー温度に応じた書き込み処理時の消費電力削減の効果を説明する。
次に、図７に示す自由層１３Ｃの構成を用いてＬＬＧシミュレーションを実施した試験結果を説明する。この試験では、高いキューリー温度を有する第１磁性層３１Ｃと、書き込み処理時の素子温度より低いキューリー温度を有する第２磁性層３３Ｃとから構成される二層構造からなる自由層１３Ｃを利用し、第２磁性層３３Ｃのキューリー温度に応じて書き込み処理時の反転電流量が低減する効果を確認した。
自由層１３Ｃの詳細を以下に記載する。
（１）第１磁性層
材料：ＣｏＦｅＢ層を想定した。
磁気モーメント（Ｍｓ１）：１× １０Ｅ６ Ａ／ｍ（１０００ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ１）：２×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（２×１０Ｅ６ ｅｒｇ／ｃｃ）
ダンピング定数α＝０．０１
キューリー温度（Ｔｃ１）：７００Ｋ
分極率Ｐ＝１．０
（２）第２磁性層
材料：ＦｅＰｔＣｕ層などを想定した。
磁気モーメント（Ｍｓ２）：６００×１０Ｅ３ Ａ／ｍ（６００ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ２）：Ｋｕ１×２ Ｊ／ｍ^３
ダンピング定数α＝０．０１
キューリー温度（Ｔｃ２）：７００Ｋ、５００Ｋ、４５０Ｋ、４００Ｋ
（３）その他
自由層１３Ｃの直径Ｄは１０〜２０ｎｍとした。
第１磁性層３１Ｃの高さ（膜厚）は２ｎｍ（ｈ１＝２ｎｍ）、磁気結合制御層３２Ｃの高さは０ｎｍ（ｈｓｐ＝０）、第２磁性層３３Ｃの高さは２ｎｍ（ｈ２＝２ｎｍ）とした。磁気結合制御層３２Ｃの膜厚をゼロとして、自由層１３Ｃが磁気結合制御層３２Ｃを設けない構成とした。
自由層１３Ｃの構成によるＬＬＧシミュレーションでは、磁化異方性定数Ｋｕの値を、第２磁性層の素子温度（材料）の上昇量Δ値が６０となるように調整する。

また、比較例として、上述した二層構造を有しない従来の自由層の構成についても試験を実施した。
材料：Ｃｏ／Ｎｉ ｍｕｌｕｔｉｌａｙｅｒ
磁気モーメント（Ｍｓ）：６００×１０Ｅ３ Ａ／ｍ（６００ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ）：６×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（６×１０Ｅ６ ｅｒｇ／ｃｃ）
キューリー温度（Ｔｃ）：７００Ｋ（４２６．８５℃）より大きい値（＞７００Ｋ）

図８乃至１０に、図７の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて分析した結果を示す。図８は、キューリー温度と電流密度との関係を表すグラフ、図９は、キューリー温度と電流量との関係を表すグラフ、図１０は、ダンピング定数アルファと電流密度との関係を表すグラフである。図８乃至１０に示す結果は、磁気抵抗素子への書き込み処理時に、自由層の素子温度が５０℃上昇することを前提として試験した結果である。
図８に示すグラフは、横軸にキューリー温度Ｔｃ（Ｋ）を、縦軸に電流密度ｊ_ｓｗ（×１０＾１２ Ａ／ｍ＾２）を表す。図９に示すグラフは、横軸にキューリー温度Ｔｃ（Ｋ）を、縦軸に電流量ｉ_ｓｗ（ｍＡ）を示す。図８及び９において、キューリー温度Ｔｃととして、第２磁性層３３Ｃのキューリー温度Ｔｃ２の複数の値（実施例）、及び、従来の自由層のキューリー温度（７００Ｋ）の値（比較例）を用い、各キューリー温度での試験結果を表している。
また、自由層１３Ｃの直径Ｄの値は、実線では１０ｎｍ、点線では２０ｎｍである。

図８及び９のグラフでは、キューリー温度Ｔｃが５００Ｋ以下である自由層１３Ｃは、キューリー温度が７００Ｋの（または７００Ｋを超える）従来の自由層に比べて消費電力を削減できることが示されている。例えば、第２磁性層３３Ｃの素子温度が５０℃上昇したときには、４０−５０％の消費電力を削減できることが確認された。
また、図１０に示すグラフでは、横軸に第２磁性層のダンピング定数アルファをパラメータとした。縦軸に電流密度ｊ_ｓｗ（×１０＾１２ Ａ／ｍ＾２）を表す。図１０において、実線は図７に示す自由層１３Ｃにおいて第２磁性層３３Ｃのキューリー温度が４００Ｋの試験結果（実施例）であり、点線は従来の自由層（キューリー温度が７００Ｋ）の試験結果（比較例）である。従来の自由層に比べ、図７の自由層１３Ｃでは、ダンピング定数アルファの影響が少ない。従って、第２磁性層３３Ｃに用いる材料の範囲を広げることができる。ダンピング定数が比較的大きくてＴｃの小さな磁性体を用いることができる。

図１１に、図７の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験を行うために用いた、自由層１３Ｃの直径と垂直磁気異方性定数Ｋｕとの関係を表すグラフを示す。図１１では、横軸に自由層１３Ｃの直径の長さＤ（ｎｍ）を、縦軸に垂直磁気異方性定数Ｋｕ（Ｍｅｒｇ／ｃｃ）を表す。自由層１３Ｃを構成する材料として、実線は第２磁性層３３Ｃを構成するＦｅＰｔＣｕ層の試験結果であり、点線は第１磁性層を構成するＣｏＦｅＢ層の試験結果である。加えて、垂直磁気異方性定数Ｋｕについて、熱安定性パラメータ（ＫｕＶ／Ｋｔ）が６０（ＫｕＶ／Ｋｔ＝６０）となるように、かつ、ＦｅＰｔＣｕ層の垂直磁気異方性定数Ｋｕ２の値が、ＣｏＦｅＢ層のＫｕ１の値の２倍（Ｋｕ２＠ＦｅＰｔＣｕ＝２×Ｋｕ１＠ＣｏＦｅＢ）となるように調整した。書き込み処理時の第２磁性層３３Ｃの温度は３００Ｋに上昇させた。
図１１に示すように、自由層１３Ｃの直径Ｄが１０ｎｍの場合の垂直磁気異方性定数Ｋｕが大きく、直径Ｄが大きくなるに従って垂直磁気異方性定数Ｋｕが小さいことが確認される。従って、磁気抵抗素子（磁気トンネル結合素子）のサイズ（自由層の直径）が小さい場合には、垂直磁気異方性定数Ｋｕを大きな値にする必要があること、また、自由層を構成する材料によって、磁気抵抗素子のサイズに応じて垂直磁気異方性定数Ｋｕを大きくする必要性が異なることが確認された。

・第１磁性層が垂直磁気異方性を有しない場合の消費電力の削減
図１２に示す自由層１３Ｄの構成を用いてＬＬＧシミュレーションを実施した試験結果を説明する。自由層１３Ｄは、第１磁性層３１Ｄと、第２磁性層３３Ｄとから構成される二層構造を備える。
第１磁性層３１Ｄは、垂直磁気異方性定数Ｋｕ１がゼロとなるように構成し、自由層１３Ｄにおいて、第１磁性層３１Ｄが垂直磁気異方性を有していない場合に、書き込み処理時の消費電力が低減できるかを試験した。
磁気結合制御層３２Ｄ（Spacer）の膜厚をゼロとし（ｈｓｐ＝０ｎｍ）、自由層１３Ｄが磁気結合制御層３２Ｄを設けない構成とした。

自由層１３Ｄの詳細を以下に記載する。
（１）第１磁性層
材料：面内磁気異方性を有するＣｏＦｅＢ層またはＣＦＭＳ層を想定した。
磁気モーメント（Ｍｓ）：１× １０Ｅ６ Ａ／ｍ（１０００ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ１）：０ Ｊ／ｍ^３（０ ｅｒｇ／ｃｃ）
ダンピング定数α＝０．０１
キューリー温度（Ｔｃ１）：７００Ｋ（４２６．８５℃）
分極率Ｐ＝１．０
（２）第２磁性層
材料：ＦｅＰｔＣｕ層などを想定した。
磁気モーメント（Ｍｓ）：６００×１０Ｅ３ Ａ／ｍ（６００ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ２）：磁化異方性定数Ｋｕ２の値を、自由層の直径Ｄが１０から２０ｎｍの範囲であるときに、自由層の熱安定性定数Δ値が６０となるように調整する。
ダンピング定数α＝０．０１
キューリー温度（Ｔｃ）：３６０Ｋ、４００Ｋ、４５０Ｋ、５００Ｋ、７００Ｋ（８６．８５℃、１２６．８５℃、１７６．８５℃、２２６．８５℃、４２６．８５℃）
（３）その他
自由層１３Ｄの直径Ｄは１０〜２０ｎｍとした。
第１磁性層３１Ｄの高さ（膜厚）は２ｎｍ（ｈ１＝２ｎｍ）、磁気結合制御層３２Ｄの高さは０ｎｍ（ｈｓｐ＝０）、第２磁性層３３Ｄの高さは２ｎｍ（ｈ２＝２ｎｍ）とした。
第２磁性層３３Ｄの複数のキューリー温度Ｔｃは、パラメータであり、キューリー温度Ｔｃが７００Ｋの場合が従来の自由層となるように設定した。

図１３乃至１５に、図１２の自由層のＬＬＧシミュレーションの試験結果に基づいて分析した結果を示す。図１３は、キューリー温度と電流密度との関係を表すグラフ、図１４は、キューリー温度と電流量との関係を表すグラフ、図１５は、自由層の直径と垂直磁気異方性定数との関係を表すグラフである。
図１３に示すグラフは、横軸にキューリー温度Ｔｃ（Ｋ）を、縦軸に電流密度ｊ_ｓｗ（×１０＾１２ Ａ／ｍ＾２）を表す。図１４に示すグラフは、横軸にキューリー温度Ｔｃ（Ｋ）を、縦軸に電流量ｉ_ｓｗ（ｍＡ）を表す。図１３及び１４では、パラメータとして設定した各キューリー温度において、第１磁性層３１Ｄの磁性方向が反転したときの電流密度または電流量を表す。
また、自由層１３Ｄの直径Ｄの値は、実線では１０ｎｍ、点線では２０ｎｍである。

図１３及び１４のグラフでは、自由層１３Ｄは、キューリー温度が３６０Ｋ、４００Ｋ及び４５０Ｋにおいて、顕著に消費電力を削減できることが示されている。例えば、第２磁性層３３Ｄのキューリー温度Ｔｃが４００Ｋ以下の場合には、素子温度が５０℃上昇したときに、５０−７０％の消費電力を削減できることが確認された。図１３及び１４の試験結果から、第１磁性層が垂直磁気異方性を有していない場合であっても、消費電力を削減する効果が生じることが確認された。

また、図１５に示すグラフでは、横軸に自由層１３Ｄの直径Ｄを、縦軸に第２磁性層３３Ｄの垂直磁気異方性定数Ｋｕ２（Ｍｅｒｇ／ｃｃ）を表す。垂直磁気異方性定数Ｋｕについて、熱安定性パラメータ（ＫｕＶ／Ｋｔ）が６０（ＫｕＶ／Ｋｔ＝６０）であること、かつ、ＣｏＦｅＢ層またはＣＦＭＳ層のＫｕ１の値がゼロであることを満たすように調整した。書き込み処理時の第２磁性層３３Ｃの温度は３００Ｋに上昇させた。
図１５に示すように、自由層１３Ｄの直径Ｄが１０ｎｍの時の垂直磁気異方性定数Ｋｕが大きく、直径Ｄが大きくなるに従って垂直磁気異方性定数Ｋｕが小さいことが確認される。従って、磁気抵抗素子（磁気トンネル結合素子）のサイズ（自由層の直径）が小さい場合には、第２磁性層３３Ｄの垂直磁気異方性定数Ｋｕを大きな値にする必要があることが確認された。言い換えると、第１磁性層３１Ｄが垂直磁気異方性を有していない場合、第２磁性層３３Ｄが垂直磁気異方性を有することが好ましく、特に自由層１３Ｄの直径が小さい場合（サイズが小さい場合）には、大きい場合に比べて垂直磁気異方性定数Ｋｕを大きくする必要性が高くなる。

・第１磁性層と第２磁性層間の磁気交換スティフネス定数の検討
図１２に示す自由層１３Ｄの構成を用いてＬＬＧシミュレーションを実施し、磁気交換スティフネス定数を検討した試験結果を説明する。この試験では、図１２を参照して説明した自由層１３Ｄに関して、第２磁性層３３Ｄの以下のパラメータを変更して試験した。
キューリー温度（Ｔｃ）：４００Ｋ、７００Ｋ（１２６．８５℃、４２６．８５℃）
交換結合定数Ａ：０．１〜２．０×１０＾−１３ Ｊ／ｃｍ（０．１〜２．０×１０＾−６ ｅｒｇ／ｃｍ）
この試験では、書き込み処理時に素子温度が５０℃上昇することを前提とする。
キューリー温度Ｔｃが４００Ｋの場合は一実施形態の自由層であり、７００Ｋの場合は従来の自由層である。それぞれ自由層の直径Ｄが１０ｎｍと２０ｎｍの場合について試験した。

図１６及び１７に、交換結合定数の試験結果を示す。図１６は、磁気交換スティフネス定数（×１０＾−６ ｅｒｇ／ｃｍ）と電流密度ｊ_ｓｗ（×１０＾１２ Ａ／ｍ＾２）との関係を表すグラフ、図１７は、磁気交換スティフネス定数Ａ（×１０＾−６ ｅｒｇ／ｃｍ）と電流量ｉ_ｓｗ（ｍＡ）との関係を表すグラフである。磁気交換スティフネス定数Ａは、磁気結合制御層３２Ｃの膜厚によって調整することができる。磁気交換スティフネス定数Ａの反転電流が小さくなる最適値は、自由層の直径Ｄが１０ｎｍのほうが２０ｎｍよりも小さくなることがわかる。また、同じ自由層の直径Ｄである場合、従来の自由層より一実施形態の自由層の方が反転電流値が小さいことがわかる。このように、一実施形態の磁気抵抗素子は、熱安定性を損なうことなく磁化反転電流を削減できることが確認された。磁気抵抗素子の熱に対する安定性を向上させることができることを示唆している。

図１８に、ＬＬＧシミュレーションにおいて、温度変化に応じたパラメータの変動モデルを表す。
横軸のキューリー温度Ｔｃに応じて、縦軸の磁気モーメントＭｓ、垂直磁気異方性定数Ｋｕ，または、変換パラメータＡを対応づけるグラフである。キューリー温度Ｔｃに対する、電流を流しているときの材料の温度Ｔの比（Ｔ／Ｔｃ）に応じて、各パラメータの値を対応させる。各パラメータは、材料の温度がゼロの各要素の値（Ｍｓ０、Ｋｕ０、Ａ０）に対する、各要素の値（Ｍｓ、Ｋｕ、Ａ）の比として表されている。

その他の実施形態
自由層を構成する材料として、例えば、図１９に示す構成であってもよい。
図１９の左側は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの構成の一例を示し、ＦＬは自由層、ＭｇＯは絶縁体層、ＰＥＬは参照層、Ｒｕは参照層の結晶配向とＭＬ垂直磁性層を結合する、［Ｃｏ／Ｐｔ］ＭＬは垂直磁気保持層、ｓｅｅｄは結晶配向を制御する層である。
図１９の右側は、４種類の自由層の構成例を示している。
自由層は、第１磁性層に、ＣｏＦｅＢ層、第２磁性層にＦｅＰｔＣｕ層、またはＦｅＰｔＣｕの多段層を用いることができる。他の構成例として、第１磁性層にＭｎＧｅ層、第２磁性層にＦｅＰｔＣｕ層、あるいは、第１磁性層にホイスラー（ＣＦＭＳ）層、第２磁性層にＦｅＰｔＣｕの多段層を用いることができる。
例えば、ＦｅＰｔＣｕは、高い垂直磁気異方性定数Ｋｕを有し、かつ、低いキューリー温度を有する材料として好ましい。Ｔｃが制御できて垂直磁気異方性が大きな材料がよく、FePtCu、[Co/Pt]n、TbFeCo、Mn₂RuGa、Mn₂RuGeなどの磁性材料を用いる。

例えば、第１磁性層に、ＣｏＦｅＢ層、第２磁性層にＦｅＰｔＣｕ層、またはＦｅＰｔＣｕの多段層を用いて、ＬＬＧシミュレーションを実施したところ以下の試験結果を得ている。
ＦｅＰｔＣｕ層
磁気モーメント（Ｍｓ）：６００×１０Ｅ３ Ａ／ｍ（６００ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ２）：１０×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（１０×１０Ｅ６ｅｒｇ／ｃｃ）室温での値
キューリー温度（Ｔｃ）：２５０℃（５２３．１５Ｋ）
ダンピング定数α＝０．０１
ＣｏＦｅＢ層
磁気モーメント（Ｍｓ）：１×１０Ｅ６ Ａ／ｍ（１０００ ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ１）：２×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（２×１０Ｅ６ｅｒｇ／ｃｃ）室温での値
キューリー温度（Ｔｃ）：２５０℃（５２３．１５Ｋ）を超える温度（＞＞＞２５０℃）
ダンピング定数α＝０．０１
上述した４種類の自由層の構成例について、磁気結合制御層（ＥＣＣ Ｌａｙｅｒ）は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＭｇＯ、Ｔａ、Ｗから構成される。

さらに、自由層の第２磁性層の材料候補として以下の材料が可能である。
MnGeX
[Co/Pt]n
TbFeCo
FePtCu
Mn2RuGa

以上説明したように、垂直磁化を有し磁気抵抗効果によって読み出しを行う磁気抵抗素子は、微細化に対する熱擾乱耐性が高く、次世代のmemory等で期待されている。一方で、その主要構成部分である高い垂直磁気異方性を持つ強磁性体薄膜を形成するのは困難であるという問題、これを解決する磁気トンネル結合（ＭＴＪ）に垂直磁化保持層を結合させる方法において、磁化反転電流が増大して低消費電力のデバイスを作成することが困難であるという問題があった。これらの問題に対して、本発明の磁気抵抗素子の一態様では、絶縁薄膜を二層の強磁性薄膜で挟んだ磁気トンネル接合からなる磁気抵抗素子において、垂直磁化保持層としてキューリー温度Ｔｃが小さな垂直磁化膜を有することにより、自由層（記録層）の磁化熱的安定性を保持すると同時に磁化反転電流を小さくすることを実現した。本技術はＳＴＴ−ＭＲＡＭの実用化に貢献するものである。
より具体的には、本発明の磁気抵抗素子の一態様は、自由層に、第１磁性層と第２磁性層との少なくとも二層の構造を用い、第２磁性層のキューリー温度を第１磁性層のキューリー温度より低く調整することにより、記録時の温度上昇の効果で記録電流を小さくすることができる。例えば、従来技術と比較して、記録時の消費電力を５０％以上低減することができる。

本発明は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory：磁気メモリ）、レーストラックメモリ（Racetrack-memory：磁気ベースの不揮発性メモリ）などのスピン注入磁化反転効果を用いた、高集積のSTT-MRAM向けのMTJ素子に関する。

１ ビット線
２ 半導体基板
３、４ 拡散領域
５、７ コンタクトプラグ
６ ソース線
８ ワード線
９ ゲート絶縁膜
１０ 磁気抵抗素子
１１、２１ 固定層
１２ 絶縁体層
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ 自由層
１００ メモリセル
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ 第１磁性層
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ 磁気結合制御層
３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ 第２磁性層

Claims (9)

1. 所定の磁化方向を維持する固定層と、
   磁化方向が可変であり、垂直磁気異方性を有する自由層と、
   前記固定層と前記自由層との間に設けられた絶縁体層と、を備え、
   前記固定層、前記自由層及び前記絶縁体層が磁気トンネル接合層を形成し、
   前記自由層は、少なくとも、
   第１磁性層と、
   前記第１磁性層よりキューリー温度が低く、垂直磁気異方性を有する第２磁性層と、
   を備え、
   記録電流を前記自由層に流して、書き込み処理を行うことによって、
   前記第２磁性層の素子温度は前記キューリー温度を上回り、前記第２磁性層は常磁性となり、前記第１磁性層の磁化方向はスピン流によって反転し、
   前記書き込み処理を行った後、読み出し時において、
   前記第２磁性層の素子温度は前記キューリー温度を下回り、前記第２磁性層は強磁性となり、前記第２磁性層の磁化方向は、前記第１磁性層の磁化との磁気的な相互作用によって反転する磁気抵抗素子。
2. 前記第２磁性層の前記キューリー温度が３５０Ｋ以上４５０Ｋ以下である請求項１記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第２磁性層が有する前記垂直磁気異方性の値が５×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（５×１０Ｅ６ ｅｒｇ／ｃｃ）以上である請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
4. 前記第１磁性層の磁気異方性が面内磁気異方性である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
5. 前記第１磁性層が垂直磁気異方性を有し、前記垂直磁気異方性の値が２×１０Ｅ５ Ｊ／ｍ^３（２×１０Ｅ６ ｅｒｇ／ｃｃ）以上で１０Ｅ６ Ｊ／ｍ^３（１０Ｅ７ ｅｒｇ／ｃｃ）以下である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
6. 前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ、前記第１磁性層と前記第２磁性層との磁気結合を制御する磁気結合制御層を、さらに備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
7. 前記第２磁性層が、TbFeCo、Mn2RuGa、又はMn2RuGeからなる請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
8. 前記磁気抵抗素子の抵抗値が３０オームマイクロ平方メートル以下である請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
9. 磁気トンネル接合素子を用いたＳＴＴ（スピン注入磁化反転方式）−ＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ）であって、
   前記磁気トンネル接合素子は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子であるＳＴＴ−ＭＲＡＭ。

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