JPWO2010095589A1 - 磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

磁気抵抗効果素子は、磁化自由層と、磁化自由層に隣接して設けられた非磁性挿入層と、非磁性挿入層に隣接して磁化自由層とは反対側に設けられた磁性挿入層と、磁性挿入層に隣接して非磁性挿入層とは反対側に設けられたスペーサ層と、スペーサ層に隣接して磁性挿入層とは反対側に設けられた第１の磁化固定層とを具備する。磁化自由層及び第１の磁化固定層は、膜面に略垂直方向の磁化成分を有する。磁化自由層は、二つの磁化固定部と、二つの磁化固定部の間に配置される磁壁移動部とを備える。二つの磁化固定部の磁化は、膜面に略垂直方向において互いに略反平行に固定される。磁壁移動部は、膜面垂直方向の磁気異方性を有する。

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され開発が行われている。ＭＲＡＭでは記憶素子として磁性体を用い、磁性体の磁化の向きに対応させて情報を記憶する。この磁性体の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、非特許文献１によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。

ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に電流を流すことで発生する磁界によって磁性記憶素子の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は磁界による磁化反転となるため、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。しかしながら熱安定性、外乱磁界耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁界は一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度となり、このような磁界を発生させるためには数ｍＡ程度の電流が必要となる。この場合、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、素子が微細化されると書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。

近年このような問題を解決する方法として、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、スピン注入磁化反転を利用することである。これは反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用を利用して第１の磁性層の磁化を反転する方法である。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こることから、素子のサイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわちスピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな電流をこの絶縁層に流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、一般的には書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。つまりスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁があると言える。

もう一つの方法は、電流駆動磁壁移動現象を利用することである。電流駆動磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、例えば特許文献１〜５に開示されている。特に、特許文献３は、膜厚方向に磁化を有する磁性体膜で構成された磁気抵抗効果素子を開示している。

電流駆動磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、一般的には反転可能な磁化を有する第１の磁性層の両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定されている。このような磁化配置のとき、第１の磁性層内には磁壁が導入される。ここで、非特許文献２で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、磁壁は伝導電子の方向に移動することから、第１の磁性層内に電流を流すことにより書き込みが可能となる。電流駆動磁壁移動もある電流密度以上のときに起こることから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭ素子では、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路は別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることがわかる。

しかし、発明者は、今回、以下の事実を発見した。
電流駆動磁壁移動を利用したＭＲＡＭでは、書き込み電流の絶対値が比較的大きくなってしまうことが懸念される。非特許文献２のほかにも、電流誘起磁壁移動の観測は数多く報告されているが、概ね磁壁移動には１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度の電流密度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これ以下に書き込み電流を低減するためには膜厚を薄くすればよいが、膜厚を薄くすると書き込みに要する電流密度は更に上昇してしまうことが知られている（例えば、非特許文献３参照）。

また、電流駆動磁壁移動を起こすためには、磁壁移動の起こる層の幅を数１０ｎｍ以下に低減する必要があるが、このことは、加工技術の点で大いなる困難を伴う。加えて、磁壁移動のために１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］に近い電流密度を使用することには、エレクトロンマイグレーションや温度上昇の影響が懸念される。

以上を解決する方法として、発明者は以下の磁気抵抗効果素子を考えた。すなわち、その磁気抵抗効果素子は、磁化自由層と、磁化自由層に隣接して設けられるスペーサ層と、スペーサ層に隣接して磁化自由層とは反対側に設けられる第１の磁化固定層と、磁化自由層に隣接して設けられる少なくとも二つの第２の磁化固定層とを具備している。磁化自由層と第１の磁化固定層と第２の磁化固定層は、膜面に略垂直方向の磁化成分を有している。磁化自由層は、二つの磁化固定部と、二つの磁化固定部の間に配置される磁壁移動部とを備えている。磁化自由層を構成するそれら二つの磁化固定部の磁化は、膜面に略垂直方向において互いに略反平行に、二つの第２の磁化固定層により固定されている。磁壁移動部は、膜面垂直方向の磁気異方性が付与されている。磁化自由層の磁壁移動部と、スペーサ層と、第１の磁化固定層とは磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｒｉｎｇ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）を構成している。

この発明者の考えた磁気抵抗効果素子では、情報の書き込み動作時に、書き込み電流は、二つの第２の磁化固定層の一方、磁化自由層、及び二つの第２の磁化固定層の他方を経由する。一方、情報の読み出し動作時に、読み出し電流は、二つの第２の磁化固定層の一方、磁化自由層、スペーサ層、及び第１の磁化固定層を経由する。

このように、この磁気抵抗効果素子は、垂直磁気異方性を有する磁性膜を用い、磁壁移動現象を利用している。それにより、書き込み電流が十分に小さく低減され、且つ電流密度自体も低減された、電流駆動磁壁移動現象を利用して磁化反転を行う磁気抵抗効果素子、及びそれをメモリセルとして使用するＭＲＡＭが提供される。

しかしながら、この磁気抵抗効果素子は、書き込み用の磁壁移動部を構成する磁化自由層と、読み出し用の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を構成する磁化自由層（磁壁移動部）とが兼用となる。そのため、書き込み用磁壁移動部としての磁気特性の最適化と、読み出し用ＭＴＪの磁化自由層（磁壁移動部）としての磁気特性の最適化とが、各々独立に行うことができない。その結果、書込み電流の低減と、読出し磁気抵抗効果（ＭＲ）の増大が両立しなかった。

特開２００５−１２３６１７号公報 特開２００５−１９１０３２号公報 特開２００６−７３９３０号公報 特開２００６−２７００６９号公報 特開２００６−２８７０８１号公報

２００６ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｏｎ ＶＬＳＩ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ， Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ，ｐ．１３６（２００６）． Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９２，Ｎｏ．７，０７７２０５（２００４）． Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．５Ａ，ｐｐ．３８５０−３８５３（２００６）． Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．６９，ｐｐ．９９０−９９６（２００５）． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９０，１３２５０７（２００７）． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｖｏｌ．２４７， ｐｐ．１５３−１５８（２００２）．

本発明の目的は、書き込み電流が十分に小さく低減され、且つ読み出し磁気抵抗効果が十分に大きい磁気抵抗効果素子、及びＭＲＡＭを提供することにある。

本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化自由層と、非磁性挿入層と、磁性挿入層と、スペーサ層と、第１の磁化固定層とを具備する。非磁性挿入層は、磁化自由層に隣接して設けられている。磁性挿入層は、非磁性挿入層に隣接して、磁化自由層とは反対側に設けられている。スペーサ層は、磁性挿入層に隣接して、非磁性挿入層とは反対側に設けられている。第１の磁化固定層は、スペーサ層に隣接して、磁性挿入層とは反対側に設けられている。磁化自由層及び第１の磁化固定層は、膜面に略垂直方向の磁化成分を有している。磁化自由層は、二つの磁化固定部と、二つの磁化固定部の間に配置される磁壁移動部とを備えている。二つの磁化固定部の磁化は、膜面に略垂直方向において互いに略反平行に固定されている。磁壁移動部は、膜面垂直方向の磁気異方性を有している。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、上記の磁気抵抗効果素子を備え、かつアレイ状に配置された複数のメモリセルを具備している。

本発明により、書き込み電流が十分に小さく低減され、且つ読み出し磁気抵抗効果が十分に大きい磁気抵抗効果素子、及びこれをメモリセルとして使用するＭＲＡＭを提供することができる。

図１Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の構成を示す斜視図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の構成を示す平面図である。 図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子へのデータの書き込み方法を説明するための平面図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子へのデータの書き込み方法を説明するための平面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法を説明するための断面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法を説明するための断面図である。 図４は、非磁性挿入層にＲｕを用いた場合における反平行磁気結合の強さのＲｕ膜厚依存性を示すグラフである。 図５は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの１セル分の構成の一例を示す回路図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルのレイアウトの一例を示す平面図である。 図７は、図６の磁気メモリセルのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面における構成を示す断面図ある。 図８は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルが集積化されたＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の磁気抵抗効果素子、及びＭＲＡＭの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。

（磁気抵抗効果素子の構成）
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の主要部の構成を示す斜視図である。以下では、図１Ａに示されているようにｘｙｚ直交座標系を定義して説明を行う。図１Ｂは、その磁気抵抗効果素子主要部の構成を示すｘ−ｙ平面図である。ここで、白丸に点及び白丸にバツの記号は、紙面に垂直上向き及び下向きの磁化の向きを示す（以下同様）。両方ある場合には、両方の向きを取り得ることを示している。図１Ｃは、その磁気抵抗効果素子の主要部の構成を示すｘ−ｚ断面図である。ここで、矢印は、磁化の向きを示す（以下同様）。両方の向きを示すものは、両方の向きを取り得ることを示している。

図１Ａに示されているように、磁気抵抗効果素子８０は、磁化自由層１０と、非磁性挿入層４０と、磁性挿入層５０と、スペーサ層２０と、第１の磁化固定層３０と、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂとを具備する。磁化自由層１０は、ｘ方向に延伸して設けられている。非磁性挿入層４０は、磁化自由層１０に隣接して設けられている。磁性挿入層５０は、非磁性挿入層４０に隣接して磁化自由層１０とは反対側に設けられている。スペーサ層２０は、磁性挿入層５０に隣接して非磁性挿入層４０と反対側に設けられている。第１の磁化固定層３０は、スペーサ層２０に隣接して磁性挿入層５０とは反対側に設けられている。第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂは、磁化自由層１０の両端に隣接して設けられている。

スペーサ層２０は、好適には、非磁性の絶縁体から構成される。この場合、磁性挿入層５０、スペーサ層２０、磁化固定層３０は、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を示す磁気トンネル接合（ＭＴＪ）として機能する。スペーサ層２０は、導体や半導体により構成されても構わない。この場合、磁性挿入層５０、スペーサ層２０、磁化固定層３０は、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を示すスピンバルブとして機能する。

磁化自由層１０、磁性挿入層５０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂは強磁性体により構成される。図１Ｃには、磁化自由層１０、磁性挿入層５０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化の向きが矢印で示されている。図１Ｃに示されているように、磁化自由層１０、磁性挿入層５０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂの磁化は、いずれもｚ軸に略平行方向を向けられている。このような磁化方向を実現させるために、磁化自由層１０、磁性挿入層５０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５は垂直磁化を有する材料、または積層膜により形成されることが好ましい。この場合の積層膜とは、強磁性体同士の積層膜でもよいし、強磁性体と非磁性体からなる積層膜でもよい。

図１Ｂに示されているように、磁化自由層１０は、磁化固定部１１ａ、１１ｂ、磁壁移動部１３、及び磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂを備えている。図１Ｃに示されているように、磁性挿入層５０は磁壁移動部１３の少なくとも一部とオーバーラップするように設けられている。磁化固定部１１ａ、１１ｂには、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂが隣接して設けられ、且つ、これにより、磁化固定部１１ａ、１１ｂの磁化方向は、互いに略反平行方向に固定されている。また磁壁移動部１３は、その磁化が＋ｚ方向、−ｚ方向の間で反転可能であるように形成されている。このとき、磁化固定部１１ａ、１１ｂ、及び磁壁移動部１３の磁化の方向に応じて、磁壁ピンサイト１２ａと磁壁ピンサイト１２ｂのいずれか一方に磁壁が形成されることになる。磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂは、この系に磁界や電流が印加されていない場合に、この磁壁を安定に停留させる機能を有する。なお、図１Ａ〜図１Ｃに示されるような構造では、磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂとして特別な構造を設けなくても、自然に磁壁をピニングできることがマイクロマグネティクス計算から判明している。しかしながら、意図的にピニングポテンシャルをより強くするような工夫が磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂになされてもよい。例えば、その位置に窪みを設けることや、磁壁移動部１３を磁化固定部１１ａ、１１ｂより小さくしてその位置でのｙ−ｚ断面積を、磁化固定部１１ａ、１１ｂの断面積に対して略不連続にすることなどである。

磁化固定部１１ａ、１１ｂ、及び第１の磁化固定層３０は、外部の異なる配線に電気的に接続される。ここで磁化固定部１１ａ、１１ｂは、第２の磁化固定層１５ａ、１５ｂを通って外部の配線に電気的に接続されてもよい。このように磁気抵抗効果素子８０は３端子の素子となる。また図１Ａ〜図１Ｃには示されていないが、この他に、配線とのコンタクトのための電極層を第１の磁化固定層３０、及び磁化自由層１０または第２の磁化固定層１５に隣接させて設けることが好ましい。

（書き込み方法）
磁気抵抗効果素子８０へのデータの書き込み方法について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子へのデータの書き込み方法を説明するための平面図である。図２Ａ、図２Ｂは、磁気抵抗効果素子８０が取り得る２つの状態、即ち、“０状態”と“１”状態とを模式的に示している。ここで、“０”状態とは、磁気抵抗効果素子８０にデータ“０”が書き込まれた状態をいい、“１”状態とは、磁気抵抗効果素子８０にデータ“１”が書き込まれた状態をいう。ただし、“０”状態は磁壁移動部１３が＋ｚ方向に（図２Ａ）、“１”状態は磁壁移動部１３が−ｚ方向に（図２Ｂ）磁化しているものと定義している。以下では、図２Ａ、図２Ｂに示されているように、第１の磁化固定部１１ａの磁化は＋ｚ方向に、第２の磁化固定部１１ｂの磁化は−ｚ方向に固定されているとして説明が行われる。なお、磁化固定部１１ａ、１１ｂの磁化方向は、互いに略反平行であればよく、上述の方向に限られない。また、データの値と磁壁移動部１３の磁化方向との関係に関する定義が上述の場合に限られないことは言うまでもない。

上述のような磁化状態のとき、“０”状態では磁壁は磁壁ピンサイト１２ｂに、“１”状態では磁壁は磁壁ピンサイト１２ａに形成される。本実施形態では、磁化自由層１０中を流れる書き込み電流の向きを変えることにより、磁壁を磁壁ピンサイト１２ａ、１２ｂ間で移動させ、これにより所望のデータが磁気抵抗効果素子８０に書きこまれる。例えば、磁気抵抗効果素子８０が図２Ａの“０”状態にあるときに、＋ｘ方向に書き込み電流が流されると（即ち、図２Ａの矢印に示すように−ｘ方向に伝導電子が流されると）、磁壁ピンサイト１２ｂにあった磁壁は、伝導電子（スピン偏極電子）によるスピントランスファートルクを受け、伝導電子と同じ方向に移動し、磁壁ピンサイト１２ａに至る。また磁気抵抗効果素子８０が図２Ｂの“１”状態にあるときに、−ｘ方向に書き込み電流が流されると（即ち、図２Ｂの矢印に示すように＋ｘ方向に伝導電子が流されると）、磁壁ピンサイト１２ａにあった磁壁は、伝導電子（スピン偏極電子）によるスピントランスファートルクを受け、伝導電子と同じ方向に移動し、磁壁ピンサイト１２ｂに至る。このようにして“０”状態から“１”状態へ、及び“１”状態から“０”状態への書き込みができる。

また、磁気抵抗効果素子８０が図２Ａに示された“０”状態にあるときに、−ｘ方向に書き込み電流を流した場合、つまりデータ“０”を書き込んだ場合、磁壁は＋ｘ方向に移動しようとするが、磁化固定部１１ｂの磁化が十分強く固定されていれば、磁壁移動は起こらない。従って、磁化の方向を反転させない書き込み動作も可能である。或いは、磁化固定部１１ｂの磁化が磁壁移動により＋ｚ方向に反転しても、書き込み電流が切られたときに再び元の状態、すなわち−ｚ方向を向く状態に回復する手段を備えれば、上述のような磁化の方向を反転させない書き込み動作は可能となる。この回復の手段としては、第２の磁化固定層１５との磁気的相互作用が利用できる。磁気抵抗効果素子８０が図２Ｂに示された“１”状態にあるときに、＋ｘ方向に書き込み電流を流した場合、つまりデータ“１”を書き込んだ場合、も同様である。

（読み出し方法）
次に、本実施例の磁気抵抗効果素子８０からのデータの読み出しについて説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子からのデータの読み出し方法を説明するための断面図である。これまでに述べたように、本実施形態では磁壁移動部１３の磁化方向でデータを記憶している。また、その磁壁移動部１３は非磁性挿入層４０を介して磁性挿入層５０に接続され、磁性挿入層５０はスペーサ層２０を介して第１の磁化固定層３０に接続されている。このとき、磁壁移動部１３の磁化方向と磁性挿入層５０の磁化方向とが平行となるか反平行となるかは、非磁性挿入層４０の選択によって異なる。図３Ａ、図３Ｂでは反平行となる場合を示している。ここで、平行となるためには、例えば、非磁性挿入層４０として膜厚１ｎｍ以下のＴａ膜を用いる方法がある。また、反平行となるためには、例えば、非磁性挿入層４０として膜厚０．８ｎｍ前後又は２ｎｍ前後のＲｕ膜を用いる方法がある。

磁気抵抗効果素子８０からのデータの読み出しには、磁気抵抗効果（ＭＲ）を利用する。磁気抵抗効果により、磁性挿入層５０とスペーサ層２０と第１の磁化固定層３０とで構成された磁気トンネル接合（又はスピンバルブ）の抵抗値は、磁性挿入層５０の磁化方向によって異なる。したがって、磁化自由層１０と第１の磁化固定層３０との間で読み出し電流を流すことによりデータを読み出すことができる。例えば、図３Ａのように磁性挿入層５０の磁化の向きと第１の磁化固定層３０の磁化の向きとが反平行のときには高抵抗状態が実現される。一方、図３Ｂのように磁性挿入層５０の磁化の向きと第１の磁化固定層３０の磁化の向きとが平行のときには低抵抗状態が実現される。これら高抵抗状態及び低抵抗状態を計測することにより、データを読み出すことができる。

（磁気抵抗効果素子の利点）
本実施形態の磁気抵抗効果素子８０は、電流による磁壁移動による書き込みを行う磁化自由層１０の材料選択と、磁気抵抗効果により読出しを行う磁化反転層に相当する磁性挿入層５０の材料選択を独立に行うことができる。そのため、磁壁移動書き込みの低電流化、高ＭＲ化による読み出しの高出力化が実現する。

具体的な材料は以下に例示される。まず磁化自由層１０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５の材料は垂直磁化を有する磁性材料であって、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。さらにＰｔやＰｄを含むことで垂直磁気異方性を安定化することができる。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。例えばＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｓｍ−Ｃｏなどが例示される。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層が、異なる層と積層されることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｆｅ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ｐｄ、Ｆｅ／Ｎｉの積層膜などが例示される。

磁性挿入層５０は非磁性挿入層４０を介して、磁化自由層１０と平行あるいは反平行に磁気結合するため、必ずしも垂直磁化を有しなくてもよい。垂直磁化を有する磁性材料であれば、前述の磁化自由層１０、第１の磁化固定層３０、及び第２の磁化固定層１５の材料と同様の材料が可能である。また、面内磁化膜であれば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。これに加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍなどを添加することによって所望の磁気特性が発現されるように調整することができる。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＦｅＢなどが好適である。

非磁性挿入層４０は磁化自由層１０と磁性挿入層５０とを磁気的に結合させる材料であって、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｓｍから選択される少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。例えば、図４は、非磁性挿入層４０をＲｕとした場合における、磁化自由層１０の磁化と磁性挿入層５０の磁化とが反平行に結合する強さのＲｕ膜厚依存性を示すグラフである。縦軸は反平行磁気結合の強さ［Ｏｅ］であり、横軸はＲｕの膜厚である。適切なＲｕ膜厚を設定することによって、磁化自由層１０の磁化と磁性挿入層５０の磁化とを反平行に結合させることができる。この場合、Ｒｕ膜厚としては０．８ｎｍ前後、あるいは２ｎｍ前後が適切である。

スペーサ層２０は、絶縁体から構成されることが好ましい。スペーサ層２０の材料としては、具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、この他に半導体や金属材料を用いても本発明は実施できる。具体的にはＣｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎなどが例示される。

（磁気メモリセルの回路構成及びレイアウト）
次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子８０を用いて構成された磁気メモリセル９０の回路構成、及びレイアウトについて説明する。図５は、本発明の実施の形態に係る１つの磁気メモリセル９０の構成の一例を示す回路図である。上述のとおり、磁気抵抗効果素子８０は、３端子素子である。その３端子のうちの第１の磁化固定層３０に接続される端子は、読み出しのためのグラウンド線１０１（ＧＬ）に接続される。一方、磁化自由層１０の両端に接続される２つの端子は、二つのトランジスタ１００ａ、１００ｂの第１ソース／ドレインにそれぞれに接続される。また、トランジスタ１００ａ、１００ｂの第２ソース／ドレインは、書き込みのためのビット線１０２ａ（ＢＬａ）、１０２ｂ（ＢＬｂ）にそれぞれ接続される。また、トランジスタ１００ａ、１００ｂのゲート電極はワード線１０３（ＷＬ）に接続される。更に、図５に示した磁気メモリセル９０は、後述されるように、アレイ状に配置され、周辺回路に接続され、これにより磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が構成される。

次に、図５に示された磁気メモリセル９０の書き込み、及び読み出し動作について説明する。まず書き込みを行う場合、ワード線１０３（ＷＬ）を“ｈｉｇｈ”にし、トランジスタ１００ａ、１００ｂを“ＯＮ”にする。また、ビット線１０２ａ（ＢＬａ）、１０２ｂ（ＢＬｂ）のいずれか一方を“ｈｉｇｈ”にし、他方を“ｌｏｗ”にする。ビット線１０２ａ（ＢＬａ）、１０２ｂ（ＢＬｂ）のどちらを“ｈｉｇｈ”にし、どちらを“ｌｏｗ”にするかで磁化自由層１０を流れる書き込み電流の方向が変わるため、磁気抵抗効果素子８０へのデータの書き込みが可能となる。

また、読み出しを行う場合、ワード線１０３（ＷＬ）を“ｈｉｇｈ”にし、トランジスタ１００ａ、１００ｂを“ＯＮ”にする。またビット線１０２ａ（ＢＬａ）、１０２ｂ（ＢＬｂ）のいずれか一方を“ｈｉｇｈ”にし、他方を“ｏｐｅｎ”とする。このときビット線１０２ａ（ＢＬａ）、１０２ｂ（ＢＬｂ）のいずれか一方から磁気抵抗効果素子８０を貫通する電流がグラウンド線１０１（ＧＬ）へと流れるため、磁気抵抗効果による高速での読み出しが可能となる。ただし、図５に示された回路、及びここで述べられた回路の設定は、本発明を実施する方法の一例に過ぎず、他の回路構成による実施も可能である。

図５に示された回路構成を有する磁気メモリセル９０は、以下に示されるレイアウトで実現することが可能である。図６は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセル９０のレイアウトの一例を示すｘ−ｙ平面図である。図７は、図６の磁気メモリセルのＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面における構成を示す断面図である。図７に示されているように、基板１００にＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが形成されている。図６に示されているように、ＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのゲートは、ｘ軸方向に延設されており、ワード線１０３（ＷＬ）として使用される。図７に戻り、ＮＭＯＳトランジスタ１００ａの第１ソース／ドレイン１１１ａは、コンタクト１１２と配線層１１３とを介して磁化固定層１５ａに接続されており、第２ソース／ドレイン１１１ｂは、コンタクト１１４と配線層１１５とを介してビット線１０２ａ（ＢＬａ）に接続されている。一方、ＮＭＯＳトランジスタ１００ｂの第１ソース／ドレイン１１６ａは、コンタクト１１７と配線層１１８とを介して磁化固定層１５ｂに接続されており、第２ソース／ドレイン１１６ｂは、コンタクト１１９と配線層１２０とを介してビット線１０２ｂ（ＢＬｂ）に接続されている。図６に示されているように、ビット線１０２ａ、１０２ｂは、ｙ軸方向に延設されている。

図７を再度に参照して、磁気抵抗効果素子８０の磁化固定層３０の上には電極層１２１が形成されており、電極層１２１は、コンタクト１２２を介してグラウンド線１０１（ＧＬ）に接続されている。図６に示されているように、グラウンド線１０１（ＧＬ）は、ｘ軸方向に延設されている。このようなレイアウトは、磁気メモリセル９０の面積を低減させるのに好適である。

ただし、ここで示されているのは一例に過ぎず、他のレイアウトを用いても磁気メモリセル９０を形成することは可能である。例えば図６、図７ではＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂはｙ軸方向に沿って設けられているが、ＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂは、ｘ軸方向に沿って設けられても良い。この場合にはワード線１０３（ＷＬ）はＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂのゲートと接続されるように突起が形成されることが望ましい。

（ＭＲＡＭの構成と動作）
次に、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成及び動作について説明する。図８は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルが集積化されたＭＲＡＭの構成の一例を示すブロック図である。図８に示されるように、ＭＲＡＭ９５は、複数の磁気メモリセル９０が行列状に配置されたメモリアレイ９１を具備している。このメモリアレイ９１は、図５で説明されたデータの記録に用いられる磁気メモリセル９０と共に、データ読み出しの際に参照されるリファレンスセル９０ｒを含んでいる。図８の例では、１列分がリファレンスセル９０ｒである。リファレンスセル９０ｒの構造は、磁気メモリセル９０と同じである。この場合、リファレンスセル９０ｒのＭＴＪは、データ“０”を記憶した場合の抵抗Ｒ０とデータ“１”を記憶した場合の抵抗Ｒ１との中間の抵抗Ｒ０．５を有する。ただし、２列分をリファレンスセル９０ｒとし、そのうち一方の１列を抵抗Ｒ０のリファレンスセル９０ｒとし、他の１列を抵抗Ｒ１のリファレンスセル９０ｒとすることもできる。その場合、抵抗Ｒ０のリファレンスセル９０ｒと抵抗Ｒ１のリファレンスセル９０ｒとから、抵抗０．５を作り出し、読み出しに用いる。

ワード線ＷＬ（１０３）及びグランド線ＧＬ（１０１）は、それぞれ、ｘ軸方向に延在している。ワード線ＷＬは、一端をＸ側制御回路９２に接続されている。Ｘ側制御回路９２は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象の磁気メモリセル９０につながるワード線ＷＬを選択ワード線ＷＬとして選択する。ビット線ＢＬａ（１０２ａ）、ＢＬｂ（１０２ｂ）は、それぞれ、ｙ軸方向に延在し、一端をＹ側制御回路９３に接続されている。Ｙ側制御回路９３は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、対象の磁気メモリセル９０につながるビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂとして選択する。制御回路９４は、データの書込み動作時、及び読出し動作時において、Ｘ側制御回路９２及びＹ側制御回路９３を制御する。

次に、図８に示されるＭＲＡＭにおける書き込み方法、読み出し方法について説明する。まず、書き込みを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンされる。選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのどちらを“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップし、どちらを“Ｌｏｗ”レベルにプルダウンするかは、当該磁気メモリセル９０に書き込まれるべきデータにより決定される。すなわち、磁化自由層１０に流す書込み電流の方向に応じて決定される。以上により、データ“０”とデータ“１”とを書き分けることができる。Ｘ側制御回路９２とＹ側制御回路９３及びそれらを制御する制御回路９４は、磁気メモリセル９０に書き込み電流を供給するための「書き込み電流供給回路」を構成している。

次に、読み出しを行う場合について説明する。Ｘ側制御回路９２は、選択ワード線ＷＬを選択する。それにより、選択ワード線ＷＬが“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、ＮＭＯＳトランジスタ１００ａ、１００ｂが“ＯＮ”になる。また、Ｙ側制御回路９３は、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂを選択する。それにより、選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方が“ｈｉｇｈ”レベルにプルアップされ、他方が“ｏｐｅｎ”に設定される。このとき選択ビット線ＢＬａ、ＢＬｂの一方から、読み出し電流が、例えば、第２の磁化固定層１５、磁化自由層１０、非磁性挿入層４０、磁性挿入層５０、スペーサ層２０、及び第１の磁化固定層３０を経由してグラウンド線ＧＬへと流れる。読み出し電流が流されるビット線ＢＬの電位、又は、読み出し電流の大きさは、磁気抵抗効果による磁性挿入層５０とスペーサ層２０と第１の磁化固定層３０とで構成された磁気トンネル接合（又はスピンバルブ）の抵抗値の変化に依存する。したがって、同様に読み出し電流が流されるリファレンスセル９０ｒのリファレンスビット線ＢＬｒの出力と比較して、この抵抗値の変化を電圧信号、又は電流信号として検知することにより高速での読み出しが可能となる。Ｘ側制御回路９２とＹ側制御回路９３及びそれらを制御する制御回路９４は、メモリセル８０に読み出し電流を供給し読み出すための「読み出し電流供給及びセンス回路」を構成している。

以上のように本実施の形態の磁気抵抗効果素子は、書き込み用の磁壁移動部を構成する磁化自由層と、読み出し用の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を構成する磁性挿入層（いわゆるフリー層）とを別の構成にすることができる。そのため、書き込み用磁壁移動部としての磁気特性の最適化と、読み出し用ＭＴＪの磁性挿入層としての磁気特性の最適化とが、各々独立に行うことができる。それにより、当該最適化を実施することにより、書き込み電流を十分に小さく低減し、且つ読み出し磁気抵抗効果を十分に大きくすることができる。すなわち、書き込み電流が十分に小さく低減され、且つ読み出し磁気抵抗効果が十分に大きい磁気抵抗効果素子、及びＭＲＡＭを提供することが可能となる。

以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

この出願は、２００９年２月１７日に出願された特許出願番号２００９−０３３３６８号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。

Claims (10)

1. 磁化自由層と、
   前記磁化自由層に隣接して設けられた非磁性挿入層と、
   前記非磁性挿入層に隣接して、前記磁化自由層とは反対側に設けられた磁性挿入層と、
   前記磁性挿入層に隣接して、前記非磁性挿入層とは反対側に設けられたスペーサ層と、
   前記スペーサ層に隣接して、前記磁性挿入層とは反対側に設けられた第１の磁化固定層と
   を具備し、
   前記磁化自由層及び前記第１の磁化固定層は、膜面に略垂直方向の磁化成分を有し、
   前記磁化自由層は、二つの磁化固定部と、前記二つの磁化固定部の間に配置される磁壁移動部とを備え、
   前記二つの磁化固定部の磁化は、膜面に略垂直方向において互いに略反平行に固定され、
   前記磁壁移動部は、膜面垂直方向の磁気異方性を有する
   磁気抵抗効果素子。
2. 前記磁化自由層と前記磁性挿入層とは反平行方向に磁気結合している
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記磁化自由層と前記磁性挿入層とは平行方向に磁気結合している
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記磁性挿入層は膜面に略垂直方向に磁化している
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記磁性挿入層は少なくとも２層の磁性層が反平行方向に磁気結合した積層膜である
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記磁性挿入層はＣｏ、Ｆｅ、及びＢを主成分とする
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記非磁性挿入層はＲｕを主成分とする
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 情報の書き込み動作時に、書き込み電流が、前記二つの磁化固定部のいずれか一方、前記磁壁移動部、及び他方を経由し、
   情報の読み出し動作時に、読み出し電流が、前記磁化自由層、前記非磁性挿入層、前記磁性挿入層、前記スペーサ層、及び前記第１の磁化固定層を経由する
   請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記二つの磁化固定部に隣接して設けられる二つの第２の磁化固定層を更に具備し、
   前記二つの第２の磁化固定層は、膜面に略垂直方向の磁化成分を有する
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備え、アレイ状に配置された複数のメモリセルを具備する
    磁気ランダムアクセスメモリ。

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