WO2006129725A1 - Ｍｒａｍ - Google Patents

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WO2006129725A1
WO2006129725A1 PCT/JP2006/310903 JP2006310903W WO2006129725A1 WO 2006129725 A1 WO2006129725 A1 WO 2006129725A1 JP 2006310903 W JP2006310903 W JP 2006310903W WO 2006129725 A1 WO2006129725 A1 WO 2006129725A1
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WO
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layer
nonmagnetic
ferromagnetic
mram
nth
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Application number
PCT/JP2006/310903
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English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshiyuki Fukumoto
Tetsuhiro Suzuki
Kaoru Mori
Sadahiko Miura
Original Assignee
Nec Corporation
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Filing date
Publication date
Application filed by Nec Corporation filed Critical Nec Corporation
Priority to JP2007519047A priority Critical patent/JP5051538B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices

Definitions

  • the present invention relates to an MRAM (Magnetic Random Access Memory).
  • the present invention relates to an MRAM using a magnetoresistive element that uses (synthetic antiferromagnet) as a magnetization free layer as a memory cell.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • an MRAM is a magnetoresistive element composed of a magnetization free layer that can be reversed in magnetization, a magnetization fixed layer in which a magnetic field is fixed, and a nonmagnetic layer interposed therebetween.
  • the element is used as a memory cell. Data is stored as the orientation of the magnetic layer of the magnetic layer.
  • the nonmagnetic layer is extremely thin and is made of an insulator, the magnetoresistive element exhibits a TMR (tunnel magnetoregistance) effect, and the magnetoresistive element thus configured is often MTJ (magnetic tunnel junction). ) Called an element.
  • the magnetoresistive element when the nonmagnetic layer is made of a nonmagnetic conductor, the magnetoresistive element exhibits a GMR (giant magnetoregistance) effect, and the magnetoresistive element thus configured has a CPP—GMR (current perpendicular To-plane giant magnetoresistive) element.
  • GMR giant magnetoregistance
  • CPP—GMR current perpendicular To-plane giant magnetoresistive
  • Data writing is performed by applying an external magnetic field to the magnetic layer free layer, thereby inverting the magnetic layer of the magnetic layer free layer in a desired direction.
  • reading of data utilizes the magnetoresistive effect exhibited by the magnetoresistive element.
  • the resistance of the magnetoresistive element changes depending on the direction of the magnetic layer of the magnetic layer.
  • the direction of the magnetic layer of the magnetic layer that is, the written data is determined.
  • MRAM memory cells in a write operation.
  • the magnetic material in the direction of the easy axis is utilized by applying the strong magnetic field in the direction of the hard axis of the ferromagnetic layer by utilizing the fact that the ferromagnet exhibits the asteroid characteristic.
  • the selective writing is performed by utilizing the fact that the reversal magnetic field becomes small.
  • word lines and bit lines that are orthogonal to each other are provided in the vicinity of each magnetoresistive element, and current flows through the word lines and bit lines that intersect the selected memory cell.
  • the magnetization of the magnetic free layer of the magnetoresistive element of the memory cell in which current is passed through both the corresponding word line and bit line is selectively inverted in the desired direction, thereby selecting the data.
  • Writing is complete.
  • the magnetization of the magnetic free layer is not reversed, that is, data is not written.
  • selective writing by this kind of operation is not stable because there may be bits that cause magnetic reversal even when a magnetic field is applied only to the easy axis or hard axis, and the selectivity of the memory cell is low. Is not good.
  • toggle write method As one method for improving the selectivity of a memory cell write operation, a toggle write method is known (see US Pat. No. 6,545,906).
  • the toggle write method is a technology that performs write operation with high selectivity by using SAF in the magnetic free layer; where SAF is composed of multiple ferromagnetic layers and adjacent ferromagnetic layers. A structure in which layers are magnetically antiferromagnetically coupled.
  • FIG. 1 is a plan view showing a typical configuration of the MRAM 101 that employs the toggle writing method.
  • a word line 103 and a bit line 102 orthogonal to the word line 103 are extended.
  • An MTJ element 101 used as a memory cell is provided at each position where the word line 103 and the bit line 102 intersect.
  • the MTJ element 101 is typically a lower electrode layer provided above the substrate 100.
  • the MTJ element 101 has an easy axis of the magnetic pinned layer 113 and the magnetic pinned free layer 115 forming an angle of 45 ° with the word line 103 and the bit line 102, that is, The MTJ element 101 is arranged such that the longitudinal direction forms an angle of 45 ° with the word line 103 and the bit line 102.
  • the magnetic free layer 115 is composed of SAF. More specifically, the magnetic free layer 115 includes ferromagnetic layers 121 and 122 and a nonmagnetic layer 123 interposed therebetween.
  • the nonmagnetic layer 123 is antiferromagnetic RKKY ( Rudermann, Kittel, Kasuya, Yoshida) are configured to interact.
  • the overall residual magnetization of the magnetization free layer 115 (that is, the magnetization of the entire magnetic free layer 115 when the external magnetic field is 0) is as close to 0 as possible. This condition can be satisfied, for example, by forming the two ferromagnetic layers 121 and 122 with the same material and the same film thickness.
  • FIG. 3 shows the SAF magnetic curve that develops a spin flop. Even if an external magnetic field is applied in the direction of the easy axis of the SAF, the magnetic field of the SAF remains zero if the external magnetic field is small. When the external magnetic field is increased and the flop reaches the magnetic field H, a magnetic field suddenly appears in the SAF. At this time, the magnetizations of the two ferromagnetic layers are magnetically coupled so that they form an angle smaller than 180 °, and the resultant magnetization is arranged in the direction of the external magnetic field. This phenomenon is called spin flop, and the magnetic field H where the spin flop appears is called the flop magnetic field.
  • Spin flops are SAF flops as a whole
  • the flop magnetic field H is uniquely determined by the saturation magnetic field H and the anisotropic magnetic field H by flop s k.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining the procedure of the toggle writing method
  • FIG. 5 shows the waveforms of currents flowing through the word line 103 and the bit line 102 when data writing is performed by toggle writing. It is a graph to show. Note that in FIG. 3, the magnetizations of the ferromagnetic layers 121 and 122 of the magnetic free layer 115 are referenced by the symbols M and M, respectively.
  • Data writing by the toggle writing method is performed using the magnetic field applied to the magnetic free layer 115.
  • the magnetic layers of the ferromagnetic layers 121 and 122 constituting the magnetic layer free layer 115 are oriented in a desired direction. Specifically, first, a write current is passed through the word line 103, thereby generating a magnetic field H in a direction perpendicular to the word line 103.
  • a magnetic field H + H is generated in a direction that makes an angle of 45 ° to the direction.
  • a magnetic field H is generated.
  • write power is applied to the word line 103 and the bit line 102.
  • the magnetic field applied to the magnetic layer free layer 115 is rotated, thereby rotating the magnetic layers of the ferromagnetic layers 121 and 122 constituting the magnetic layer free layer 115 by 180 °. I can do it.
  • toggle writing is that, in principle, the selectivity of the memory cell is high.
  • FIG. 6 which is a graph showing the magnetization reversible region with respect to the write current magnetic field of the bit line and the word line
  • the toggle write only one of the word line 103 or the bit line 102 is used.
  • the SAF magnetic field does not reverse even when a write current is applied.
  • the magnetic field of the half-selected memory cell is not undesirably reversed in principle. This effectively improves the reliability of MRAM operation.
  • the magnetic field force applied to the magnetic free layer 115 when a write current flows through the word line 103 and the bit line 102 is larger than the flop magnetic field H described above,
  • the write margin of the toggle writing method is the flop magnetic field H force, the Saiho flop.
  • the saturation magnetic field H is larger.
  • the ratio H / H of the saturation magnetic field H that s flops to the flop magnetic field H is larger, and the write margin is larger.
  • the spin flop indicated by SAF is also effective for writing methods other than toggle writing. For example, when an external magnetic field is applied in the direction of the easy axis, the SAF first kept each other's magnetic field. The magnetization reversal occurs in a specific direction. This is called direct inversion. When the magnetic field is further increased, SAF develops a spin flop in the flop magnetic field H. This
  • Direct inversion is associated with the spin flop and can be used for data writing.
  • the magnetic field H at which direct reversal appears is almost proportional to the flop magnetic field H. Therefore Fro
  • Decreasing the magnetic field H is important because it leads to a reduction in the magnetic field H.
  • the SAF will cause direct reversal even if the magnetic field is applied in a direction other than the easy axis!] Eventually, the SAF will not cause spin flops.
  • the write characteristics to SAF that does not generate spin flop are exactly the same as the write characteristics of data write using the above-mentioned asteroid characteristics. This means that write selectivity is lost.
  • the increase in remanent magnetism greatly increases the shape magnetic anisotropy and increases the reversal field.
  • the toggle writing method can also be applied to the case where the number of ferromagnetic layers included in the SAF is three or more, and the above-mentioned US Pat. No. 6,545,906 describes the SAF. It is disclosed that the number of the ferromagnetic layers contained in may be 3 or more.
  • US Patent No. 6, 714, 446 is composed of two ferromagnetic films separated by a nonmagnetic film, each of two ferromagnetic layers contained in SAF. Disclosure! /
  • the number of the ferromagnetic layers is 4, and the antiferromagnetic property between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is The strength of the basic interaction is almost equal to the strength of the antiferromagnetic interaction between the third and fourth ferromagnetic layers.
  • a configuration is disclosed in which the magnetic strength of the fourth ferromagnetic layer is substantially equal, and the magnetic strength of the second and third ferromagnetic layers is substantially equal. Yes.
  • the SAF including three or more ferromagnetic layers can be magnetized freely.
  • MRAM which is a layer
  • a nonmagnetic layer between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer Even if the material and film thickness of the non-magnetic layer between the 3 ferromagnetic layer and the 4th ferromagnetic layer were set to be equal, there was little operation with the toggle writing method.
  • an object of the present invention is to provide a technique for causing a spin flop to appear in a SAF including three or more ferromagnetic layers.
  • Another object of the present invention is to enable an MRAM using SAF as a magnetic free layer to operate in a toggle writing system by causing a spin flop to appear in a SAF including three or more ferromagnetic layers. is there.
  • Yet another object of the present invention is to increase the writing margin of MRAM operating in a toggle writing scheme, in other words, the ratio of the saturation magnetic field H to the flop magnetic field H.
  • the inventor of the present invention indicates that the spin flop does not appear in the SAF including three or more ferromagnetic layers.
  • the cause is that the nonmagnetic layer located at the bottom and the nonmagnetic layer located at the top appear.
  • the strength of the KY interaction is different due to the difference in crystallinity.
  • the uppermost nonmagnetic layer (the last nonmagnetic layer) is deposited underneath. Crystallization (especially crystal orientation) over the lowermost nonmagnetic layer (ie, the first nonmagnetic layer) because crystallization is promoted by the ferromagnetic and nonmagnetic layers. Is good.
  • the strength of the RKKY interaction will be different. If the strength of the RKKY interaction is different, the magnetic free layer does not develop a spin flop.
  • the uppermost nonmagnetic layer is more than the lowermost nonmagnetic layer. Is also configured to have a film thickness in a range corresponding to higher-order antiferromagnetic peaks. This cancels the difference in the strength of the RKKY interaction due to the difference in crystallinity, and allows the spin-flop to appear in the SAF including three or more ferromagnetic layers.
  • the MRAM according to the present invention includes a substrate, a magnetization fixed layer having fixed magnetization, a magnetization free layer having reversible magnetization, the magnetization fixed layer, and the magnetization free layer. And a nonmagnetic noria layer interposed between the layers.
  • the magnetic layer free layer includes first to (N + 1) ferromagnetic layers (N is an integer of 2 or more) and first to first (N + 1) ferromagnetic layers formed to exhibit antiferromagnetic RKKY interaction.
  • N non-magnetic layer The k-th nonmagnetic layer (k is an arbitrary integer between 1 and N) is provided between the k-th ferromagnetic layer and the (k + 1) -th ferromagnetic layer.
  • the first nonmagnetic layer is located closest to the substrate among the first to Nth nonmagnetic layers, and the Nth nonmagnetic layer is among the first to Nth nonmagnetic layers. Located farthest from the substrate.
  • the first nonmagnetic layer has a thickness corresponding to the ⁇ -th order antiferromagnetic peak of the RKKY interaction, and the first nonmagnetic layer has the ⁇ -th order antiferromagnetic peak of the RKKY interaction.
  • the film thickness is in a range corresponding to the ferromagnetic peak.
  • ⁇ and ⁇ are in the following relationship:
  • the k-th non-magnetic layer has a thickness corresponding to the k-th antiferromagnetic peak of the RKKY interaction” means that the thickness t of the k-th non-magnetic layer is in the following range:
  • T is smaller than the ⁇ th-order antiferromagnetic peak and R k _ min k
  • t is larger than the ⁇ -th order antiferromagnetic peak, and the RKKY phase Of the thicknesses where the interaction strength is zero, the thickness closest to the ⁇ -th order antiferromagnetic peak k
  • the first nonmagnetic layer is composed of a ruthenium layer having a thickness of 1.8 nm to 2.5 nm, and the Nth nonmagnetic layer is 3.2 ⁇ ! It is preferred to be composed of a ruthenium layer having a thickness of ⁇ 3.8 nm.
  • At least one nonmagnetic layer of the nonmagnetic layers preferably has a thickness in a range corresponding to a lower order antiferromagnetic peak than the Nth nonmagnetic layer.
  • the at least one nonmagnetic layer is preferably located in the center of the magnetic free layer. Specifically, when the number N of nonmagnetic layers is an odd number, the at least one nonmagnetic layer is the ((N + 1) Z2) nonmagnetic of the first to Nth nonmagnetic layers. It is preferable to be a layer. On the other hand, when N is an even number, the at least one nonmagnetic layer includes the (NZ2) nonmagnetic layer and the ([NZ2] +1) nonmagnetic layer among the first to Nth nonmagnetic layers. A magnetic layer is preferred.
  • the strength of the RKKY interaction expressed by the first to Nth nonmagnetic layers (31 to 35) is closer to the center of the magnetic free layer (15).
  • the second to (N-1) nonmagnetic layers are respectively composed of the a to a order antiferromagnets of the RKKY interaction.
  • the oc to oc have the following conditions:
  • the first nonmagnetic layer is composed of a ruthenium layer having a thickness of 1.8 nm to 2.5 nm
  • each of the second to (N-1) nonmagnetic layers includes , 0.7 ⁇ !
  • the Nth non-magnetic layer has a thickness of 3.lnm to 3.9 nm. It is composed of a ruthenium layer having a thickness of
  • Such a magnetic layer free layer has a configuration in which the noria layer is an amorphous layer and the magnetic layer is formed on the upper surface of the noria layer. Especially effective
  • the magnetic free layer of the present invention includes the first nonmagnetic layer and the front layer.
  • the first nonmagnetic layer and the Nth nonmagnetic layer have a structure that is not the same so that the strength of the RKKY interaction through the Nth nonmagnetic layer is approximately equal. is there.
  • the first nonmagnetic layer and the Nth nonmagnetic layer are designed to have different thicknesses.
  • the first nonmagnetic layer and the Nth nonmagnetic layer have different crystal orientations.
  • the film surface of the ruthenium HCP (001) surface of the Nth nonmagnetic layer compared to the first nonmagnetic layer High crystal orientation in the straight direction.
  • the crystal orientation of the first ferromagnetic layer and the Nth ferromagnetic layer which are the foundations of the first nonmagnetic layer and the Nth nonmagnetic layer.
  • the Nth ferromagnetic layer has a FCC (lll) plane perpendicular to the first ferromagnetic layer compared to the first ferromagnetic layer. High crystal orientation.
  • the ferromagnetic layer in contact with the first nonmagnetic layer and the ferromagnetic layer in contact with the Nth nonmagnetic layer are composed. It is also effective to use a configuration in which these are not the same (see Figure 7D and Figure 7E).
  • the composition of the first surface of the film in contact with the first nonmagnetic layer on the first surface of the first nonmagnetic layer is in contact with the Nth nonmagnetic layer on the second surface of the Nth nonmagnetic layer.
  • Differences in the RKKY interaction can be offset by differing from the composition on the second side of the membrane.
  • a plurality of films having different compositions are laminated on at least one of the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the Nth ferromagnetic layer, and the (N + 1) ferromagnetic layer.
  • An interaction between the first nonmagnetic layer and the Nth nonmagnetic layer can be achieved by changing an effective film thickness ratio of the plurality of films constituting the multilayer film. It is preferable that the effective strength of the interaction via is set to be approximately equal.
  • the laminated film is preferably composed of a laminated film of a NiFe film and a CoFe film.
  • the first nonmagnetic layer and the Nth nonmagnetic layer have the same thickness. It is also possible. In this case, it is preferable that the Co composition on the first surface of the first nonmagnetic layer is higher than the Co composition on the second surface of the Nth nonmagnetic layer.
  • the first to (N + 1) ferromagnetic layers and the first to Even in the case where N is an even number equal to or greater than 2 the interaction through the first nonmagnetic layer and the above-mentioned through the Nth nonmagnetic layer It was shown that good toggle behavior and increased write margin can be achieved by making the effective strength of the interaction nearly equal.
  • the magnetic film thickness product of the (N Z2 + 1) ferromagnetic layer among the first to (N + 1) ferromagnetic layers is larger than the magnetic film thickness product of the other ferromagnetic layers.
  • the magnetization film thickness products of the first ferromagnetic layer and the (N + 1) th ferromagnetic layer are substantially equal.
  • devices with N of 2 ie, devices with 3 or more ferromagnetic layers have demonstrated good operation.
  • FIG. 1 is a plan view showing a typical configuration of an MRAM corresponding to a toggle writing method.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a typical configuration of an MTJ element incorporated in an MRAM corresponding to a toggle writing method.
  • FIG. 3 is a graph showing a typical magnetic field curve of SAF expressing a spin flop.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a data writing procedure by a toggle writing method.
  • FIG. 5 is a graph showing waveforms of write currents that flow through the bit lines and the side lines when data writing is performed by the toggle writing method.
  • FIG. 6 is a graph showing an operation region of the MRAM in which the toggle writing method is adopted.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view showing the configuration of the MTJ element of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view showing another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7C is a cross-sectional view showing still another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7D is a cross-sectional view showing still another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7E is a cross-sectional view showing still another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7F is a cross-sectional view showing still another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7G is a cross-sectional view showing still another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the dependence of the binding energy of RKKY interaction on the thickness of the nonmagnetic layer.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view showing the configuration of the MTJ element of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view showing another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view showing still another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 9D is a cross-sectional view showing still another configuration of the MTJ element of the MRAM according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a table showing the configuration of the magnetization free layer of the samples of Comparative Examples 1 to 3 and Examples 1 to 3.
  • FIG. 11 is a frequency distribution showing the saturation magnetic field H and the flop magnetic field H of the sample of Comparative Example 1.
  • FIG. 12A is a graph showing the saturation magnetic field H and flop magnetic field H of the sample of Example 1.
  • FIG. 12B shows the saturation magnetic field H and the flop magnetic field H of the sample of Example 2 for the frequency.
  • FIG. 12C is a graph showing the saturation magnetic field H and flop magnetic field H of the sample of Example 3.
  • FIG. 13 is a table showing the structure of the SAF for evaluating the strength of antiferromagnetic coupling and the characteristics of the SAF.
  • FIG. 14 shows the saturation magnetic field H, flop magnetic field H, and flow of the samples of Examples 1 and 4-6.
  • FIG. 15 is a table showing the structure of the SAF for evaluating the strength of antiferromagnetic coupling and the characteristics of the SAF.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view showing a configuration of the MTJ element 1 employed in the MRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention.
  • the MTJ element 1 includes a lower electrode layer 11, an antiferromagnetic layer 12, a magnetic pinned layer 13, a noria layer 14, a magnetic free layer 15, a cap layer 16, and an upper electrode layer 17. I have.
  • the MTJ element 1 is arranged so as to correspond to the toggle writing method. Specifically, like the conventional MRAM MTJ element 101 shown in FIG. 1, MTJ element 1 has an angle of 45 ° with respect to the word line (and the bit line perpendicular thereto). It is arranged to make. As a result, the easy axis of the ferromagnetic layer constituting the magnetization fixed layer 13 and the magnetization free layer 15 is oriented in a direction that forms an angle of 45 ° with respect to the word line (and the bit line perpendicular thereto).
  • the configuration of the MTJ element 1 will be described in detail.
  • the lower electrode layer 11 is formed on a substrate 10 on which MOS transistors (not shown) are integrated, and functions as a path for providing an electrical connection to the magnetization fixed layer 13.
  • the lower electrode layer 11 is made of, for example, Ta, TaN, Cu, A1.
  • the antiferromagnetic layer 12 is formed of, for example, an antiferromagnetic material such as PtMn, IrMn, or NiMn, and has a role of fixing the magnetic force of the magnetic pinned layer 13.
  • the magnetic pinned layer 13 is formed of a magnetically hard ferromagnetic material such as CoFe.
  • the magnetic flux of the magnetic flux fixed layer 13 is fixed by the exchange interaction in which the antiferromagnetic layer 12 acts.
  • the magnetic pinned layer 13 may be composed of the SAF described above.
  • the magnetization fixed layer 13 can be composed of two CoFe films and a Ru film inserted therebetween. In this case, the Ru film is formed so as to have a film thickness that exhibits an antiferromagnetic RKKY interaction.
  • the barrier layer 14 is an amorphous insulator having a thin film thickness that allows a tunnel current to flow. Often a membrane. The fact that the noria layer 14 is amorphous greatly affects the crystallinity of the film constituting the magnetic free layer 15 as will be described later. More specifically, the barrier layer 14 includes, for example, alumina (AIO), magnesium oxide (MgO), zirconium oxide (ZrO), acid hafnium (HfO), acid silicon silicon (SiO 2), aluminum nitride (A1N )
  • the NOR layer 14 should not be limited to being amorphous.
  • the barrier layer 14 can be, for example, single crystal MgO having a NaCl structure.
  • the magnetic domain free layer 15 is composed of SAF, which is several forces of the ferromagnetic layer. More specifically, the magnetic free layer 15 includes ferromagnetic layers 21 to 24 and nonmagnetic layers 31 to 33 interposed therebetween. More specifically, the ferromagnetic layer 21 is formed on the noria layer 14, and the nonmagnetic layer 31 is formed on the ferromagnetic layer 21. On the nonmagnetic layer 31, a ferromagnetic layer 22, a nonmagnetic layer 32, a ferromagnetic layer 23, a nonmagnetic layer 33, and a ferromagnetic layer 24 are sequentially formed in this order.
  • the overall residual magnetization of the magnetic free layer 15 (ie, the overall magnetization of the magnetic free layer 15 when the external magnetic field is 0) is as close to 0 as possible. This condition can be satisfied, for example, by forming the ferromagnetic layers 21 to 24 with the same material and the same film thickness.
  • the! / ⁇ ⁇ ferromagnetic layer means a layer that exhibits ferromagnetism as a whole, and is interpreted as being composed of a single ferromagnetic film.
  • the ferromagnetic layer referred to in this specification includes a laminate composed of two ferromagnetic films and a nonmagnetic film interposed between the two ferromagnetic films to ferromagnetically couple the two ferromagnetic films. It must be interpreted.
  • Each of the nonmagnetic layers 31 to 33 of the magnetic free layer 15 causes an antiferromagnetic RKKY interaction to act on the ferromagnetic layers bonded to the upper and lower sides thereof, and antiferromagnetically couple them. It is configured to It is well known to those skilled in the art that by appropriately selecting the material and film thickness of the nonmagnetic layer, the upper and lower ferromagnetic layers can be antiferromagnetically coupled by the RKKY interaction.
  • FIG. 8 is a graph showing the dependence of the strength of the binding energy due to the RKKY interaction on the film thickness of the nonmagnetic layer. Note that the graph in Figure 8 defines that the binding energy is positive when the ferromagnetic layers are antiferromagnetically coupled.
  • the binding energy J due to RKKY interaction is the thickness of the nonmagnetic layer. As the frequency increases, the anti-ferromagnetic RKKY interaction appears in a certain range, and the ferromagnetic ferromagnetic RKKY interaction appears in another range.
  • the film thicknesses of the nonmagnetic layers 31 to 33 are selected so that they exhibit an antiferromagnetic RKKY interaction.
  • the cap layer 16 is a layer for protecting the magnetic layer pinned layer 13, the noria layer 14, and the magnetic layer free layer 15.
  • the cap layer 16 is made of Ta or Ru, for example.
  • the cap layer 16 can also be formed with a very thin AIO to such an extent that a tunnel current flows.
  • the upper electrode layer 17 functions as a path that provides an electrical connection to the magnetic free layer 15.
  • the upper electrode layer 17 is made of, for example, Ta, TaN, Cu, or A1.
  • the main feature of the MRAM of this embodiment is that the nonmagnetic layer 31 located closest to the substrate 10 among the nonmagnetic layers 31 to 31 is a film in a range corresponding to a relatively low-order antiferromagnetic peak.
  • the nonmagnetic layer 33 having a thickness and located farthest from the substrate 10 has a film thickness in a range corresponding to a relatively high-order antiferromagnetic peak.
  • Such a configuration is effective for making the strength of the antiferromagnetic RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layer 31 and the nonmagnetic layer 33 as close as possible.
  • the strength of the antiferromagnetic RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layer 31 and the nonmagnetic layer 33 is almost the same as described above, which is effective for increasing the write margin of MRAM. .
  • the nonmagnetic layer 31 and the nonmagnetic layer 33 exhibit antiferromagnetic properties.
  • the strength of RKKY interaction is not the same.
  • the nonmagnetic layer 31 and the nonmagnetic layer 33 have different crystallinity.
  • the magnetic layer 15 is formed on the ferromagnetic layer 21, the nonmagnetic layer 31, the ferromagnetic layer 22, the nonmagnetic layer 32, the ferromagnetic layer 23, the nonmagnetic layer 33, and the ferromagnetic layer 24 on the noria layer 14. Therefore, the nonmagnetic layer 33 formed later has better crystallinity than the nonmagnetic layer 31 formed first.
  • the strength of RKKY interaction is stronger as the crystallinity is better.
  • the nonmagnetic layer 33 exhibits a stronger RKKY interaction than the nonmagnetic layer 31.
  • the nonmagnetic layer 31 is made relatively low-order.
  • the nonmagnetic layer 33 is formed to have a film thickness in a range corresponding to a peak, and the nonmagnetic layer 33 is formed to have a film thickness in a range corresponding to a relatively higher order peak.
  • the strength of the RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layer 33 is strengthened by good crystallinity, and the effect is weakened by having a film thickness corresponding to a relatively high-order peak. Is cancelled, and the strength of the antiferromagnetic RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layer 31 and the nonmagnetic layer 33 becomes almost the same.
  • the nonmagnetic layer 31 has a film thickness in a range corresponding to the second-order antiferromagnetic peak (antiferromagnetic second peak) of the RKKY interaction.
  • the nonmagnetic layers 32 and 33 have a thickness corresponding to the third antiferromagnetic peak (antiferromagnetic 3rd peak). More specifically, when the nonmagnetic layers 31 to 33 are formed of ruthenium, the nonmagnetic layer 31 is formed so that the film thickness is more than 1.8 nm and less than 2.5 nm. The nonmagnetic layers 32 and 33 are formed so that the film thickness exceeds 3. Inm and less than 3.9 nm.
  • the nonmagnetic layer 31 corresponds to the antiferromagnetic 2nd peak. 2.
  • the nonmagnetic layer 31 has a thickness of Inm, and the nonmagnetic layers 32 and 33 correspond to the antiferromagnetic 3rd peak. It is formed to have a thickness of 5 nm. Such a combination of film thicknesses is effective for making the strength of the antiferromagnetic RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layer 31 and the nonmagnetic layer 33 closer to the same.
  • the crystallinity of the upper layers is improved with respect to the ferromagnetic layers 21 to 24, which are not only the nonmagnetic layers 31 to 33.
  • the permalloy of the ferromagnetic layer 23 is FCC (face center cubic) compared to the ferromagnetic layer 21.
  • the nonmagnetic layer 33 than the nonmagnetic layer 31 also.
  • the degree of crystal orientation in the direction perpendicular to the HCP (hexagonal close packed) (001) plane is Becomes higher.
  • Such a technique can also be applied to the case where the number of ferromagnetic layers included in the SAF constituting the magnetic layer free layer is different from that in FIG. 7A.
  • the MTJ element 1A is composed of a magnetic free layer 15A force, three ferromagnetic layers 21 to 23, and nonmagnetic layers 31 and 32 inserted therebetween. It is also possible.
  • the nonmagnetic layer 32 is formed to have a film thickness in a range corresponding to a higher-order peak than the nonmagnetic layer 31.
  • the nonmagnetic layer 31 is formed so as to have a film thickness in a range corresponding to the second antiferromagnetic peak, and the nonmagnetic layer 32 is formed in a range corresponding to the third antiferromagnetic peak. It is formed to have The ferromagnetic layers 21 to 23 are formed such that the remanent magnetization as a whole of the magnetic free layer 15A is close to zero. More specifically, the magnetic layer thickness product of the ferromagnetic layers 21 and 23 (that is, the product of the magnetic layer thickness of the ferromagnetic layers 21 and 23 and the film thickness) is made the same, and the ferromagnetic layer 22 Magnetic layer thickness product of the ferromagnetic layers 21 and 23
  • the magnetic film thickness product it is larger than the magnetic film thickness product, most preferably doubled.
  • a condition is, for example, that the ferromagnetic layers 21 to 23 are formed of the same material, the ferromagnetic layers 21 and 23 are formed to have the same film thickness, and the ferromagnetic layer 22 is formed of the ferromagnetic layer 21, This can be achieved by forming the film to be twice as thick as 23.
  • the number of ferromagnetic layers included in the magnetic layer free layer may be an odd number other than three.
  • the magnetic layer thickness of the ferromagnetic layer located at the center that is, the (NZ2 + 1) th ferromagnetic layer, where N is the number of nonmagnetic layers and N + 1 is the number of ferromagnetic layers
  • the product is made larger than the magnetic film thickness product of the other ferromagnetic layers, and the magnetic film thickness products of the two ferromagnetic layers located at both ends are made substantially the same.
  • the MTJ element 1B is formed of a magnetization free layer 15B force 6 layers of ferromagnetic layers 21 to 26, and nonmagnetic layers 31 to 35 inserted therebetween. It is also possible.
  • the nonmagnetic layer 35 is formed to have a film thickness in a range corresponding to a higher-order peak than the nonmagnetic layer 31.
  • the nonmagnetic layer 31 corresponds to the secondary antiferromagnetic peak.
  • the nonmagnetic layers 32 to 35 are formed to have a film thickness in a range corresponding to the third antiferromagnetic peak.
  • the ferromagnetic layers 21 to 26 are formed such that the remanent magnetization as a whole of the magnetic layer 15A is close to zero. Such a condition can be achieved, for example, by forming the ferromagnetic layers 21 to 26 with the same material and the same film thickness.
  • the strength of the interaction may be controlled by the composition of the ferromagnetic layer in contact with the nonmagnetic layer in addition to the thickness of the nonmagnetic layer. Control of the strength of the RKKY interaction by the thickness of the nonmagnetic layer may not be able to completely equalize the strength of the RKKY interaction because the degree of freedom of the thickness of the nonmagnetic layer is small. In such a case, it is effective to control the strength of the interaction by the composition of the ferromagnetic layer.
  • each nonmagnetic layer can be selected by appropriately selecting the composition of the ferromagnetic layer on the surface in contact with the nonmagnetic layer.
  • the strength of the expressed RKKY interaction can be made closer to the same level. For example, Cobalt exhibits a stronger RKKY interaction than nickel. Therefore, if the cobalt composition on the surface in contact with one nonmagnetic layer is increased on the surface in contact with another nonmagnetic layer, the nonmagnetic layer The strength of RKKY interaction through the layer can be increased.
  • FIG. 7D is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the MTJ element 1J in which the strength of the RKKY interaction is controlled by the composition of the ferromagnetic layer on the surface in contact with the nonmagnetic layer.
  • the magnetic free layer 15J of the MTJ element 1J includes three ferromagnetic layers 21 to 23 and two nonmagnetic layers 31 and 32.
  • the upper nonmagnetic layer 32 is formed to have a film thickness in a range corresponding to a higher-order peak than the nonmagnetic layer 31.
  • the nonmagnetic layer 31 is formed so as to have a film thickness in a range corresponding to the second-order antiferromagnetic peak, and the non-magnetic layer 32 is formed in a range corresponding to the third-order antiferromagnetic peak. Is formed. As described above, by optimizing the thickness of the nonmagnetic layers 31 and 32, the strength of the RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layers 31 and 32 is made more uniform.
  • the ferromagnetic layers 21 and 22 are formed of a laminated film of a NiFe film and a CoFe film.
  • the effective film thickness (ie, average film thickness) of the CoFe films 21b and 22b of the ferromagnetic layers 21 and 22 is extremely thin. Therefore, the NiFe film 21a and the NiFe film are formed in an island shape. 22b is partial In contact with the nonmagnetic layers 31 and 32.
  • the ferromagnetic layer 23 is formed of a single layer of NiFe film.
  • the MTJ element 1J in FIG. 7D has the same strength of the RKKY interaction via the nonmagnetic layers 31 and 32 in addition to the optimization of the film thickness of the nonmagnetic layers 31 and 32, and the CoFe films 21b and 22b. This is achieved by optimal control of effective film thickness.
  • the upper surfaces of the nonmagnetic layers 31 and 32 are in contact with the NiFe film, whereas the lower surfaces of the nonmagnetic layers 31 and 32 are in contact with the CoFe films 21b and 22b having different effective film thicknesses.
  • the composition of the ferromagnetic layers 21 and 22 on the lower surface of the nonmagnetic layers 31 and 32 is determined by the CoFe films 21b and 22b. It depends on the effective film thickness.
  • the effective lower film thickness of the nonmagnetic layer 32 in contact with the CoFe film 22b is smaller than the lower surface of the nonmagnetic layer 31 in contact with the smaller effective film thickness of the CoFe film 21b.
  • the RKKY interaction through the magnetic layer 32 is relatively strengthened. As described above, by controlling the Co composition on the lower surfaces of the nonmagnetic layers 31 and 32, it is possible to achieve a uniform level of interaction that cannot be completely achieved by optimizing the film thickness of the nonmagnetic layers 31 and 32.
  • the RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layers 31 and 32 can be weakened by forming another nonmagnetic film thin instead of the CoFe film. For example, by forming an A1 film that is thin enough to form an island instead of the CoFe film 21b, the RKK Y interaction expressed by the nonmagnetic layer 31 is relatively weakened. In this way, by controlling the composition of the surface where the nonmagnetic layers 31 and 32 are in contact with the ferromagnetic layer, the interaction strength that cannot be completely achieved by optimizing the thickness of the nonmagnetic layers 31 and 32 is uniform. Can be achieved.
  • the strength of the RKKY interaction is controlled by the composition of the ferromagnetic layer on the lower surface of the nonmagnetic layers 31 and 32.
  • the composition on the upper surface of the nonmagnetic layers 31 and 32 Can also be used to control the strength of RKKY interactions.
  • the control of the composition of the ferromagnetic layer on the surface in contact with the nonmagnetic layer can also be achieved by configuring the ferromagnetic layer with a single-layered ferromagnetic film and making the composition different.
  • a configuration necessitates the formation of ferromagnetic layers with various compositions, which increases the manufacturing costs.
  • Using a laminated film for the ferromagnetic layer and controlling the composition by the effective film thickness of the film constituting the laminated film makes it possible to control the composition at a low cost. Therefore, it is preferable.
  • the thickness of the nonmagnetic layer may be the same. As described above, when the film thickness of the nonmagnetic layer is the same, the strength of the RKKY interaction expressed by them increases as the nonmagnetic layer located above. However, by optimizing the composition of the ferromagnetic layer on the surface in contact with the nonmagnetic layer, it is possible to make the strength of the RKKY interaction uniform.
  • FIG. 7E is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the MTJ element 1K having such a configuration.
  • the magnetic free layer 15K of the MTJ element 1K includes three ferromagnetic layers 21 to 23 and two nonmagnetic layers 31 and 32.
  • the nonmagnetic layers 31 and 32 have the same film thickness. Since the nonmagnetic layer 32 has higher crystallinity even if it has the same film thickness, the nonmagnetic layer 32 is basically stronger than the nonmagnetic layer 31, and the RKKY interaction Can be expressed.
  • the composition of the ferromagnetic layers 21 to 23 on the surface in contact with the nonmagnetic layers 31 and 32 is controlled. More specifically, the ferromagnetic layer 21 is composed of a laminated film of a NiFe film and a CoFe film, while the ferromagnetic layers 22 and 23 are composed of a single layer of NiFe film.
  • the CoFe film 21b of the ferromagnetic layer 21 has an effective film thickness (that is, an average film thickness) that is extremely thin, and thus is formed in an island shape.
  • the NiFe film 21a located therebelow is partially uncoated. In contact with the magnetic layer 31.
  • the Co composition of the ferromagnetic layers on the lower surfaces of the nonmagnetic layers 31 and 32 is higher in the nonmagnetic layer 31. large.
  • the increase of the Co composition on the lower surface of the nonmagnetic layer 31 causes the nonmagnetic layer 31 to exhibit a strong RKKY interaction.
  • the difference in the strength of the RKKY interaction due to crystallinity is offset by appropriately controlling the Co composition on the lower surface of the nonmagnetic layers 31 and 32, and the RKKY interaction The strength of action is uniform.
  • the ferromagnetic layer referred to in the present invention should not be construed as being limited to a single layer formed of a ferromagnetic film. Even if a certain ferromagnetic structure includes a plurality of ferromagnetic films, as long as they are ferromagnetically coupled and behave as one ferromagnetic body, the structure is defined as one ferromagnetic layer. The between the ferromagnetic films, a nonmagnetic film for ferromagnetically coupling them may be provided.
  • FIG. 7F is a cross-sectional view showing the structure of the MTJ element 1M in which one ferromagnetic layer includes a plurality of ferromagnetic films that are ferromagnetically coupled.
  • the magnetization free layer 15M of the MTJ element 1M includes three ferromagnetic layers 21 to 23 and two nonmagnetic layers 31 and 32.
  • the upper nonmagnetic layer 32 is formed to have a film thickness in a range corresponding to higher-order peaks than the nonmagnetic layer 31.
  • the nonmagnetic layer 31 is formed to have a thickness in a range corresponding to the second antiferromagnetic peak
  • the nonmagnetic layer 32 has a thickness in a range corresponding to the third antiferromagnetic peak. Formed to have.
  • the optimization of the film thickness of the nonmagnetic layers 31 and 32 is effective to make the strength of the RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layers 31 and 32 close to uniform.
  • the ferromagnetic layer 22 includes ferromagnetic films 22c and 22d and a nonmagnetic film 22e sandwiched between them.
  • the nonmagnetic film 22e couples the ferromagnetic films 22c and 22d by the ferromagnetic RKKY interaction, and therefore the ferromagnetic films 22c and 22d behave as a single ferromagnetic material as a whole.
  • the nonmagnetic film 22e is preferably formed of a ruthenium film having a thickness of 1.2 to 1.8 nm.
  • the magnetization fixed layer 13 is formed on the upper surface of the barrier layer 14 so as to be in contact with the lower surface of the magnetic layer free layer force Noria layer 14. It can also be formed (ie close to the substrate 10);
  • FIG. 7D shows a magnetic free layer 15A with three ferromagnetic layers.
  • the nonmagnetic layer 32 by forming the nonmagnetic layer 32 so as to have a film thickness in a range corresponding to a higher order peak than the nonmagnetic layer 31, the nonmagnetic layer 31 and the nonmagnetic layer 32 exhibit antiferromagnetic properties.
  • the strength of RKKY interaction can be made closer to the same level.
  • the above technique is particularly effective when formed on the upper surface of the magnetic free layer force barrier layer.
  • the noria layer is often amorphous, and therefore the ferromagnetic layer formed immediately above it has poor crystallinity. Therefore, the nonmagnetic layer closest to the substrate (that is, closest to the noria layer) among the nonmagnetic layers of the magnetization free layer also has poor crystallinity.
  • the above technique that cancels the difference in RKKY interaction due to crystallinity by the effect of the film thickness of the nonmagnetic layer is most effective in such a case.
  • the magnetic layer free layer and the non-magnetic layer force are often limited by other functions required for the actual device in order to grow the crystal with a suitable orientation plane.
  • the magnetic free layer is required for the flatness of the base. It is also possible to use a microcrystalline or amorphous material for the underlayer. In addition, it may be assumed that the preparation of a sufficient underlayer is restricted due to film thickness restrictions.
  • the magnetic domain free layer to be grown thereon does not always grow while having a suitable crystal orientation. . Rather, undesired orientation on crystal planes and uneven growth are generally caused by lattice matching or mismatching. Even in that case, the present technology is particularly effective. This is because the nonmagnetic layer, which is the lowermost layer of the free magnetic layer, has an undesirable crystallinity and weakens the RKKY interaction because it is difficult to avoid the effects of crystal growth and uneven growth on the undesired crystal plane. . However, until the top nonmagnetic layer grows, it is expected that the top nonmagnetic layer recovers the desired crystallinity and strengthens the RKKY interaction due to the ferromagnetic / nonmagnetic multilayer substrate.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view showing a configuration of an MTJ element 1E according to the second embodiment of the present invention.
  • the MTJ element 1E shown in FIG. 9A is similar to the MTJ element 1 shown in FIG. 7A.
  • Magnetic free layer 15E force Four ferromagnetic layers 21 to 24 and three nonmagnetic layers 31 It has a configuration consisting of ⁇ 33.
  • the difference is that, among the nonmagnetic layers 31 to 33, the nonmagnetic layer 32 located in the middle is configured to exhibit a stronger RKKY interaction than the other nonmagnetic layers 31 and 33. It is in. In such a configuration, the saturation magnetic field H is maintained while keeping the flop magnetic field H of the magnetic free layer 15E low.
  • the position is farthest from the substrate 10.
  • the nonmagnetic layer 33 is formed to have a film thickness in a range corresponding to a higher-order peak than the nonmagnetic layer 31 located closest to the substrate 10, and the nonmagnetic layer 32 located in the center is
  • the nonmagnetic layer 33 is formed to have a film thickness in a range corresponding to a lower order peak.
  • the nonmagnetic layer 31 is formed to have a film thickness in a range corresponding to the second antiferromagnetic peak of the RKKY interaction, and the nonmagnetic layer 33 is formed from the third order. It is formed to have a film thickness in a range corresponding to the antiferromagnetic peak.
  • the nonmagnetic layer 32 located at the center is formed so as to have a film thickness in a range corresponding to the primary or secondary antiferromagnetic peak.
  • the nonmagnetic layers 31 to 33 are formed of ruthenium
  • the nonmagnetic layer 31 is formed so that the film thickness is more than 1.8 nm and less than 2.5 nm, and the nonmagnetic layer 33 is It is formed so that the film thickness is more than 3.
  • the film thickness of the nonmagnetic layer 32 is formed so as to be greater than 0.7 nm and less than 1.2 nm, or to be greater than 1.8 nm and less than 2.5 nm.
  • the nonmagnetic layer 31 is formed to have a film thickness of 1 nm corresponding to the antiferromagnetic 2nd peak, and the nonmagnetic layer 33 corresponds to the antiferromagnetic 3nd peak 3. It is formed to have a film thickness of 5 nm.
  • the nonmagnetic layer 31 is formed to have a thickness of 0.9 nm corresponding to the antiferromagnetic 1st peak or a thickness of 2. Inm corresponding to the antiferromagnetic 2nd peak.
  • Such a combination of film thicknesses brings the strength of the antiferromagnetic RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layer 31 and the nonmagnetic layer 33 closer to the same level. It is suitable for expressing RKKY interaction stronger than 31 and 33.
  • Such a technique can also be applied when the magnetic free layer has four or more nonmagnetic layers.
  • N layers N is an integer of 4 or more
  • the nonmagnetic layer located farthest from the substrate is higher than the nonmagnetic layer located closest to the substrate. It is formed to have a film thickness in a range corresponding to the next antiferromagnetic peak, and at least one of the intermediate (N-2) nonmagnetic layers is located farthest away from the substrate.
  • the nonmagnetic layer is formed to have a film thickness in a range corresponding to a lower-order antiferromagnetic peak. According to such a configuration, the RKKY interaction expressed by the intermediate nonmagnetic layer is maximized.
  • the saturation magnetic field H can be increased while keeping the flop magnetic field H low by making it stronger than the RKKY interaction expressed by the upper and lower nonmagnetic layers.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the MTJ element 1F according to the present embodiment.
  • the magnetic free layer 15F is composed of six ferromagnetic layers 21 to 26 and five nonmagnetic layers 31 to 35.
  • the nonmagnetic layer 35 located farthest from the substrate 10 has a thickness corresponding to a higher-order peak than the nonmagnetic layer 31 located closest to the substrate 10.
  • the nonmagnetic layer 33 located in the center is formed so as to have a film thickness in a range corresponding to a lower order peak than the nonmagnetic layer 35.
  • the remaining nonmagnetic layers 32 and 34 may have a thickness corresponding to the same antiferromagnetic peak as the nonmagnetic layer 35 (that is, the same thickness) as shown in FIG. 9C.
  • the nonmagnetic layer 35 may be formed to have a film thickness in a range corresponding to a lower-order antiferromagnetic peak.
  • the lowermost nonmagnetic layer 31 has a thickness corresponding to the second antiferromagnetic peak of the RKKY interaction. It is preferable that the uppermost nonmagnetic layer 35 is formed to have a film thickness in a range corresponding to the third antiferromagnetic peak.
  • the nonmagnetic layer 33 located in the center is formed so as to have a film thickness in a range corresponding to the secondary antiferromagnetic peak.
  • the remaining nonmagnetic layers 32 and 34 are formed so as to have a film thickness in a range corresponding to the third antiferromagnetic peak, like the nonmagnetic layer 35.
  • the nonmagnetic layer 31 located at the bottom of the magnetic free layer 15G has a range corresponding to the second antiferromagnetic peak of the RKKY interaction.
  • the uppermost nonmagnetic layer 35 is formed to have a thickness in a range corresponding to the third antiferromagnetic peak.
  • the nonmagnetic layer 33 located at the center is formed so as to have a film thickness in a range corresponding to the secondary antiferromagnetic peak.
  • the remaining nonmagnetic layers 32 and 34 are formed to have a film thickness in a range corresponding to the secondary antiferromagnetic peak, as with the nonmagnetic layer 33.
  • the magnetic free layer has the strongest RKKY interaction in the non-magnetic layer located in the center thereof, and the RKKY mutual layer is further away from the central core of the magnetic free layer. And the strength of the RKKY interaction is vertically symmetrical with respect to the center of the magnetic free layer.
  • Non-magnetic layer located in the center means a ([N + 1] Z2) th non-magnetic layer located from the substrate when the number N of non-magnetic layers included in the magnetic free layer is an odd number. It is a magnetic layer.
  • the number of ferromagnetic layers N is an even number, it means two (NZ2) th and ([N / 2] +1) th ferromagnetic layers from the substrate.
  • the j-th non-magnetic layer has an RKKY interaction, respectively. It is preferable that the magnetic layer free layer is formed so as to satisfy the following condition, assuming that the film has a thickness corresponding to the ⁇ -order antiferromagnetic peak.
  • the k-th ferromagnetic layer means the k-th ferromagnetic layer closest to the substrate among the first to (N + 1) ferromagnetic layers
  • the j-th non-magnetic layer means Note that this means the jth nonmagnetic layer closest to the substrate among the 1st through Nth nonmagnetic layers:
  • FIG. 9D is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the MTJ element 1H in which the number N of nonmagnetic layers integrated in the magnetic free layer is five.
  • the magnetic layer free layer 15H includes six ferromagnetic layers 21 to 26 and five nonmagnetic layers 31 to 35.
  • the lowermost nonmagnetic layer 31 is formed to have a thickness corresponding to the second antiferromagnetic peak of the RKKY interaction, and the uppermost nonmagnetic layer 35 It is formed to have a film thickness in a range corresponding to the third-order antiferromagnetic peak.
  • the nonmagnetic layers 32 and 34 are both formed to have a film thickness in a range corresponding to the second antiferromagnetic peak.
  • the nonmagnetic layer 33 located in the center is formed so as to have a film thickness in a range corresponding to the first antiferromagnetic peak. It will be easily understood that the above-described magnetic free layer 15H force satisfies the above formulas (la) to (Id).
  • the MRAM that employs the toggle writing method is described.
  • the configuration of the magnetic layer free layer described above is applicable to all MRAMs that use spin flops. Was noted in the.
  • Al ( ⁇ nm) O means an AIO film formed by oxidizing an ⁇ (nm) Al film.
  • FIG. 10 is a table showing the configuration of the magnetization free layer of each sample.
  • the number of ferromagnetic layers contained in the magnetic free layer is 2 to 4, and the material and film thickness of the ferromagnetic layer are selected so that the residual magnetization as a whole of the magnetization free layer is 0 .
  • All the nonmagnetic layers of the magnetic free layer are made of rhuteme. In the following, the characteristics of each sample are schematically described.
  • the magnetic free layer of the MTJ element of Comparative Example 1 is formed of SAF including two ferromagnetic layers and one nonmagnetic layer.
  • the film thickness of the nonmagnetic layer is 2. lnm corresponding to the antiferromagnetic 2nd peak.
  • the magnetic free layer of the MTJ element of Comparative Example 2 is formed of SAF including three ferromagnetic layers and two nonmagnetic layers
  • the magnetic free layer of the MTJ element of Comparative Example 3 Is made of SAF including 4 ferromagnetic layers and 3 nonmagnetic layers.
  • all the nonmagnetic layers included in the magnetization free layer have the same film thickness of 3.5 nm.
  • the sample of Example 1 is an MTJ element in which a magnetic free layer is formed of SAF including three ferromagnetic layers and two nonmagnetic layers.
  • the nonmagnetic layer located away from the substrate has a film thickness corresponding to a higher-order antiferromagnetic peak than the nonmagnetic layer located near the substrate.
  • the film thickness of the nonmagnetic layer located near the substrate is 2.
  • the film thickness of the nonmagnetic layer located away from the substrate is It is 3.5 nm corresponding to the ferromagnetic 3rd peak.
  • the samples of Examples 2 and 3 are SAFs including four ferromagnetic layers and three nonmagnetic layers. This is an MTJ element with a magnetic free layer.
  • the nonmagnetic layer located farthest from the substrate has a thickness corresponding to a higher-order antiferromagnetic peak than the nonmagnetic layer located closest to the substrate.
  • the thickness of the nonmagnetic layer located near the substrate is 2.
  • the thickness of the nonmagnetic layer located away from the substrate is antiferromagnetic. It is 3.5 nm corresponding to the magnetic 3rd peak.
  • the difference between the samples of Examples 2 and 3 is the film thickness of the nonmagnetic layer located in the middle.
  • the film thickness of the nonmagnetic layer located in the middle is 3.5 nm corresponding to the antiferromagnetic 3rd peak
  • the film thickness of the nonmagnetic layer located in the middle Is 2. lnm corresponding to the antiferromagnetic 2nd peak.
  • the sample of Example 3 is formed so as to express a stronger RKKY interaction than the nonmagnetic layer force located in the middle of the nonmagnetic layer located above and below it.
  • Fig. 11 is a frequency graph showing the flop magnetic field H and saturation magnetic field H of the MTJ element of Comparative Example 1.
  • the saturation magnetic field H of the MTJ element in Comparative Example 1 is distributed around 147 (Oe).
  • the saturation magnetic fields H of the MTJ elements of Examples 1 to 3 are 246 (Oe), 326 (Oe), 5
  • Example 2 has a saturation magnetic field H greater than Example 1,
  • Example 3 showed a larger saturation magnetic field H than Example 2, that is, a larger write margin. This is because the nonmagnetic layer located in the middle
  • the saturation magnetic field H that is, the write margin can be increased by forming a relatively strong RKKY interaction.
  • the strength of antiferromagnetic coupling between the nonmagnetic layer closest to the substrate (the bottom nonmagnetic layer) and the nonmagnetic layer farthest from the substrate (the top nonmagnetic layer) is shown in FIG. It was evaluated using SAF with the configuration shown.
  • the material constituting the nonmagnetic layer is ruthenium.
  • a non-magnetic layer with a film thickness of 3.5 nm corresponding to the antiferromagnetic 3rd peak and a non-magnetic film with a film thickness of l nm corresponding to the antiferromagnetic 2nd peak Tiers were evaluated.
  • As the uppermost nonmagnetic layer a nonmagnetic layer having a film thickness of 3.5 nm corresponding to the antiferromagnetic 3rd peak was evaluated.
  • Samples (samples 1 and 2 in Fig. 13) for evaluating the strength of antiferromagnetic coupling expressed by the lowermost nonmagnetic layer were formed on an amorphous AlOx layer.
  • This SAF has two ferromagnetic layers.
  • lnm (sample 2) is interposed between the two ferromagnetic layers.
  • the saturation magnetic field H of this SAF is
  • the binding energy J of the RKKY interaction expressed by the lowest nonmagnetic layer such as the measured saturation magnetic field H was calculated.
  • the calculated binding energy J is the lowest layer It expresses the strength of the RKKY interaction expressed by the nonmagnetic layer.
  • a sample (sample 3) for evaluating the strength of antiferromagnetic coupling expressed by the uppermost nonmagnetic layer is a four-layered sample formed on an amorphous AlOx layer.
  • the SAF has a ferromagnetic layer and three non-magnetic layers interposed between them.
  • the bottom nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer are formed of a ruthenium layer having a thickness of 3. lnm
  • the top nonmagnetic layer is a ruthenium layer having a thickness of 3.5 nm. Been formed. 3.
  • the sample is essentially composed of the uppermost nonmagnetic layer and the ferromagnetic layer sandwiching it. Functions as SAF.
  • the saturation magnetic field H of this SAF was measured, and the binding energy J of the RKKY interaction expressed by the lowermost nonmagnetic layer was calculated from the measured saturation magnetic field H.
  • the calculated binding energy J represents the strength of the RKKY interaction expressed by the uppermost nonmagnetic layer.
  • the lowermost nonmagnetic layer is A binding energy J close to that of the uppermost nonmagnetic layer was developed not when the film had a film thickness corresponding to the ferromagnetic 3rd peak but when it had a film thickness corresponding to the antiferromagnetic 2nd peak.
  • the uppermost nonmagnetic layer is made lower than the lowermost nonmagnetic layer in order to bring the antiferromagnetic coupling strength expressed by the lowermost nonmagnetic layer and the uppermost nonmagnetic layer close to the same level. This shows that it is effective to form a film having a film thickness corresponding to a higher-order antiferromagnetic peak than the layer.
  • samples of Examples 4 to 6 were prepared.
  • three layers of ferromagnetic films and two layers of nonmagnetic films are alternately stacked, and each ferromagnetic film is a nonmagnetic film in the residual magnetization state. It has a magnetic free layer coupled antiparallel through.
  • the sample of Example 6 is set so that four layers of ferromagnetic films and three layers of nonmagnetic films are alternately stacked, and only the nonmagnetic film at the center of the layer exhibits strong magnetic coupling.
  • Example 6 includes four layers of ferromagnetic films, but the intermediate two layers of ferromagnetic films and the nonmagnetic film between them function as one layer of ferromagnetic layers. Therefore, it should be noted that each of the magnetic layer free layers of Examples 4 to 6 functions as a SAF in which the three ferromagnetic layers are antiparallel coupled to each other in the remanent magnetic state.
  • Substrate ZTa (20 nm) ZPtMn (20 nm) ZCoFe (2.5 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (2.5 nm) / Al (0.9 nm) OxZ magnetization free layer ZA1 (0.7 nm) Ox / Ta ( 100nm)
  • Example 4 the configuration of Example 4 is the same as that of Example 3 except for the second ferromagnetic layer
  • Example 5 the configuration of Example 5 is the same as that of Example 1 except for the second and third ferromagnetic layers. It is.
  • each ferromagnetic layer has Anti-parallel of the second non-magnetic layer (upper non-magnetic layer) while keeping the magnetic film thickness product constant and the anti-parallel coupling force of the first non-magnetic layer (lower non-magnetic layer) constant. Only the binding strength increases in this order.
  • the ratio of NiFe composing the second ferromagnetic layer was adjusted to effectively reduce the CoFe film existing at the second nonmagnetic layer side interface. This is achieved by increasing the film thickness (average film thickness). The CoFe film thickness is extremely thin at 0.35-0. 5 nm.
  • the NiFe film is in partial contact with the Ru film (2. lnm).
  • the effective film thickness of the CoFe film is equivalent to the Co composition on the surface in contact with the Ru film. That is, the greater the effective film thickness of the CoFe film, the greater the Co composition on the surface in contact with the Ru film.
  • the thickness of the CoFe film present at the second nonmagnetic layer side interface is set to zero, the antiparallel coupling force depending on the ferromagnetic film material is weakened, and the second nonmagnetic layer is made Ru.
  • the antiparallel coupling force of the second nonmagnetic layer is the three-layer S in this example. Realizes the strongest and strongest binding in AF.
  • Figure 14 shows the MTJ flop magnetic field H of 0.4 x 0.8 m 2 and its variation (standard deviation) in which the three-layer SAF magnetic field of Example 1 and Examples 4 to 6 is also configured. Compared with saturation magnetic field Hs
  • the flop magnetic fields H of the MTJ elements of Examples 1, 4, 5, and 6 are 55 (Oe) and 56 (Oe, respectively).
  • Example 5 showed the smallest flop magnetic field.
  • the saturation magnetic field H is 246 (Oe), 271 (Oe), 268 (Oe, respectively).
  • Example 6 Even if the second ferromagnetic layer as in Example 6 is a ferromagnetic film / nonmagnetic film / ferromagnetic film and the nonmagnetic film is set to have ferromagnetic coupling, it is equivalent to Example 1. Toggle writing characteristics can be obtained.
  • the antiparallel coupling force of the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer of the elements of Examples 1, 4, and 5 was examined by evaluating the magnetic field curve of the sample shown in FIG.
  • the sample has the following configuration, and is almost the same as the elements of Examples 1, 4, and 5 except for the magnetization free layer.
  • Substrate ZTa (20 nm) ZPtMn (20 nm) ZCoFe (2.5 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (2.5 nm) / Al (0.9 nm) OxZ magnetization free layer ZA1 (0.7 nm) Ox / Ta ( 10nm)
  • the second nonmagnetic layer is used when evaluating the first nonmagnetic layer (lower nonmagnetic layer).
  • the sample formed up to the first layer (sample 4) is formed up to the third ferromagnetic layer, and the ruthenium thickness of the first nonmagnetic layer is 2.
  • Samples (Samples 5-7) were prepared in which the coupling force of the first nonmagnetic layer was set to zero by setting the thickness to 5 nm.
  • the antiparallel bond energy was calculated from the saturation magnetic field force of the obtained sample. In this case, the anti-parallel coupling energy of SAF with a difference in magnetic film thickness product is evaluated, so the following equation (2c) is used.
  • the antiparallel coupling energy of the first nonmagnetic layer common to Examples 4 and 5 is 0.0121 ergZcm 2
  • the second nonmagnetic of Examples 1, 4, and 5 The antiparallel bond energies of the layers are 0.0017 erg / cm, 0. Ollerg / cm, and 0.0138 erg / c, respectively.
  • the antiferromagnetic coupling force of the second nonmagnetic layer in contact with the second ferromagnetic layer composed of a multilayer film of NiFe and CoFe increases as the CoFe film at the interface increases.
  • the second nonmagnetic layer is composed of the same material and film thickness as the first nonmagnetic layer.
  • the interface material of the ferromagnetic layer in contact with the second nonmagnetic layer is only NiFe, whereas the ferromagnetic layer interface material in contact with the first nonmagnetic layer is an effective film.
  • the antiparallel coupling force of the second nonmagnetic layer should naturally decrease, but here the second nonmagnetic layer has a high crystal orientation. As a result, a higher antiparallel coupling force is developed, and as a result, the antiparallel coupling energy of the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer is set to be approximately equal.
  • Example 4 and 5 the antiparallel coupling force of the second nonmagnetic layer increases in the order of Examples 1, 4, and 5, depending on the difference in the configuration of the second ferromagnetic layer and the second nonmagnetic layer. is doing. Compared to Example 1, Examples 4 and 5 show that the antiparallel coupling force between the second nonmagnetic layer and the first nonmagnetic layer is closer. In FIG. 14, the variation in the flop magnetic field of Examples 4 and 5 is smaller than that of Example 1. This is because the antiparallel coupling force between the second nonmagnetic layer and the first nonmagnetic layer approaches, and the ferromagnetic layer 1 This is considered to be the effect that the ferromagnetic layer 3 flops simultaneously.

Abstract

　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、磁化固定層と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。磁化自由層は、複数の強磁性層と、反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成された非磁性層とを含む。基板に最も近く位置する非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用の第α１次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、基板から最も離れて位置する非磁性層は、ＲＫＫＹ相互作用の第αＮ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α１と前記αＮは、下記関係： 　α１＜αＮ， を満足している。

Description

明 細 書
MRAM
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] MRAM (Magnetic Random Access Memory)は、高速書き込み Z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 、る。
[0003] 最も典型的には、 MRAMは、磁化が反転可能な磁化自由層と、磁ィ匕が固定され 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、磁ィ匕自由層の磁ィ匕の向きとして記憶される。非 磁性層が極めて薄!、絶縁体で構成されて!、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)素子と呼はれ 。
[0004] データの書き込みは、磁ィ匕自由層に外部磁場を印加し、これにより磁ィ匕自由層の 磁ィ匕を所望の方向に反転することによって行われる。
[0005] 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。 TM R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、磁ィ匕自 由層の磁ィ匕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、磁ィ匕 自由層の磁ィ匕の向き、即ち、書き込まれたデータが判別される。
[0006] 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、強磁性体がァ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ィ匕 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ィ匕自由層の磁化が、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ィ匕自 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。し力しながら、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 磁ィ匕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。
[0007] 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、磁ィ匕自由層に 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。
[0008] 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、磁ィ匕固定層 113、バリア層 114、磁ィ匕自由層 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 ィ匕固定層 113と磁ィ匕自由層 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。
[0009] 図 2を再度に参照して、磁ィ匕自由層 115は、 SAFで構成される。より具体的には、 磁ィ匕自由層 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 の磁ィ匕自由層 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。
[0010] 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 、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の磁ィ匕曲 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の磁ィ匕はゼロのままである。外部磁場が増加されて磁場 H に到達する flop と、突然、 SAFに磁ィ匕が現れる。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 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 flop
残留磁ィ匕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ィ匕は完全に平行に配置される。この磁場は飽和 磁場 Hと呼ばれる。フロップ磁場 H と飽和磁場 Hはそれぞれ式（lb)、 (2b)で表さ s flop s
れる。
H = 2/M-K[ Q /t-K) ]0 5 · ' · (1&)
flop saf
= (H ·Η ) °· 5, •••(lb)
S k
H = 2J / (M-t) - 2K/M, - - - (2a)
s saf
= 2J / (M-t) -H , - - - (2b)
saf k
式（1)より明らかなように、フロップ磁場 H は、飽和磁場 Hと異方性磁場 Hによつ flop s k て一義的に決まる。
[0011] 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、磁ィ匕自由層 115の強磁性層 121、 122の 磁化が、それぞれ、記号 M、 Mによって参照されていることに留意されたい。
1 2
[0012] トグル書き込み方法によるデータ書き込みは、磁ィ匕自由層 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、磁ィ匕自由層 115を構成する強磁性層 121、 122 の磁ィ匕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 10 3に書き込み電流が流され、これによつてワード線 103に垂直な方向に磁場 H が発
WL
生される（時刻 t ) 0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 10 2に書き込み電流が流される（時刻 t ) 0これにより、ワード線 103とビット線 102との両
2
方に 45° の角度をなす方向に、磁場 H +H が発生される。更に続いて、ビット線
WL BL
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 ) 0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
3
磁場 H 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
Bし
流が流されることにより、磁ィ匕自由層 115に印加される磁場が回転され、これにより、 磁ィ匕自由層 115を構成する強磁性層 121、 122の磁ィ匕を 180° 回転させることがで きる。
[0013] 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 、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 1 02の一方にのみ書き込み電流が流されても SAFの磁ィ匕が反転しな 、。言 、換えれ ば、半選択メモリセルの磁ィ匕は、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。
[0014] 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 たときに磁ィ匕自由層 115に印加される磁場力 上述のフロップ磁場 H よりも大きく、 flop
飽和磁場 Hよりも小さくなければならない。そうでなければ、磁ィ匕自由層 115の磁場 s
を所望の向きに反転させることができない。
[0015] 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 力 、さいほ flop
ど、そして、飽和磁場 Hが大き 、ほど大き 、。言 、換えれば、フロップ磁場 H に対 s flop する飽和磁場 Hの比 H /H が大き 、ほど書き込みマージンが大き 、。書き込み s s flop
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。
[0016] 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 において SAFはスピンフロップを発現する。こ
flop
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 は、フロップ磁場 H にほぼ比例する。そのためフロッ
dir flop
プ磁場 H を減少させることは磁場 H を低減することにつながるため重要である。
flop dir
[0017] 残留磁ィ匕を増大させることによつても磁場 H を減少させることができるが、これは
dir
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力!]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、上述のァステロイド特性 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。さらに残留磁ィ匕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。
[0018] また、式（lb)に従えば、飽和磁場 Hを低減することはフロップ磁場 H を低減する
s flop
ために有効と思える力もしれない。し力しながら、飽和磁場 H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が異方性磁場 Hに近い大きさまで低減されると
s k
、 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。
[0019] 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。カロえて、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力 非磁性膜によ つて分離された 2枚の強磁性体膜で形成されて 、る構成を開示して!/、る。
[0020] また、特開 2005— 86015号〖こは、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ぐ 1層目の強 磁性層と 4層目の強磁性層の磁ィ匕量がほぼ等しぐ 2層目の強磁性層と 3層目の強 磁性層の磁ィ匕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。
[0021] し力しながら、発明者の実験によれば、 3以上の強磁性層を含む SAFを磁ィ匕自由 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力つた。 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力 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!/ヽ MRAMを実現できるはずである。
[0022] 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)にとつて致命的である。スピンフロップが発現 しな ヽことは、 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 Vヽた MRAMデバイスにおける性能向上の点で重 要である。
発明の開示
[0023] 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を磁ィ匕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 一ジンを増大させる、言 、換えれば、フロップ磁場 H に対する飽和磁場 Hの比 H
flop s s
/H を増大させる技術を提供することにある。
flop
[0024] 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 RK KY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、磁ィ匕自由層はスピンフロップを発現しなくなる。
[0025] 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。
[0026] 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ィ匕 自由層との間に介設された非磁性のノリア層とを具備する。前記磁ィ匕自由層は、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 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 Ν非磁性層は、 RKKY相互作用の第 α 次の反
Ν
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 と前記 α は、下記関係：
1 Ν
α ^ α ,
1 Ν
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が、下記範囲：
k
t <t <t
k _ min k k _ max
にあることを意味している； t は、第 α次の反強磁性ピークよりも小さぐ且つ、 R k _ min k
KKY相互作用の強さが 0になるような膜厚のうち、第 α次の反強磁性ピークに最も
k
近い膜厚であり、 t は、第 α次の反強磁性ピークよりも大きぐ且つ、 RKKY相 互作用の強さが 0になるような膜厚のうち、第 α次の反強磁性ピークに最も近い膜厚 k
である。
[0027] 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。
[0028] 前記 α と前記 α は、下記関係：
1 Ν
a = a + 1,
N 1
を満足することが好適である。
[0029] 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. 2ηπ！〜 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。
[0030] 磁化自由層が発現する飽和磁場 Hを増大させるためには、前記第 2〜第 (N— 1) s
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。
[0031] 前記少なくとも一の非磁性層は、磁ィ匕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] Z2)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 (NZ2)非磁性層と第（ [NZ2] + 1)非磁性層であるこ とが好ましい。
[0032] 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、磁ィ匕自由層（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 a 〜a 次の反強磁
2 N- 1
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 oc 〜oc は、下記条件：
1 N
^ a ^ ^ * · · ^ α ^ ,
1 2 3 [N+ l]/2- l [N+ l]/2
≤ ≤ · · ·≤ α ^ ,
[N + l]/2 [N + l]/2 + l Ν- 1 Ν α < α
1 Ν
α = α
2 Ν- 1
α = α
3 Ν-2 = ， （ρは、 2以上 (N+ D Z2—1以下の整数) a
[N + l]/2- l [N+ l]/2 + l
を満足することが好ましい。
[0033] 一方、 Nが偶数である場合には、前記ひ 〜ひ は、下記条件:
1 2 3 N/2- 1 N/2
^ a ^ · · · ^ a ^ ,
N/2 + 1 N/2 + 2 N- l N
a < a ,
1 N
a = a
2 N- l a = a ， （pは、 2以上 (NZ2)以下の整数) a = a ,
N/2- 1 N/2 + 2
a = a ,
N/2 N/2 + 1
を満足することが好ましい。
[0034] 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. 7ηπ！〜 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. lnm〜3. 9nmの厚さを有するル テニゥム層で構成される。
[0035] このような磁ィ匕自由層の構成は、前記ノリア層がアモルファスの層であり、且つ、前 記磁ィ匕自由層は、前記ノ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
[0036] 本発明の磁ィ匕自由層は、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 (l l l) 面の膜面直方向への結晶配向性が高い。
[0037] 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〖こよって、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。
[0038] 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 、ことが好ま 、。
[0039] 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ィ匕自由層で、 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 Z2+ 1)強磁性層の磁ィ匕膜厚積は、他の強磁性層の磁ィ匕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。
図面の簡単な説明
[図 1]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]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]図 3は、スピンフロップを発現する SAFの典型的な磁ィ匕曲線を示すグラフである
[図 4]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]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、ヮ 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]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]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]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]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]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]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]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]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]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]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]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]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]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]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]図 11は、比較例 1の試料の飽和磁場 Hとフロップ磁場 H を示す度数分布
s flop
表である。
[図 12A]図 12Aは、実施例 1の試料の飽和磁場 Hとフロップ磁場 H を示す度数分
s flop
布表である。
[図 12B]図 12Bは、実施例 2の試料の飽和磁場 Hとフロップ磁場 H を示す度数分
s flop
布表である。
[図 12C]図 12Cは、実施例 3の試料の飽和磁場 Hとフロップ磁場 H を示す度数分
s flop
布表である。
[図 13]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]図 14は、実施例 1、 4〜6の試料の飽和磁場 H、フロップ磁場 H 、及びフロ
s flop
ップ磁場 H のばらつきを示す表である。
flop
[図 15]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。
発明を実施するための最良の形態
[0041] (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、磁ィ匕固定層 13と、ノリア層 14と、磁ィ匕自由層 15と、キャップ層 16と、上部電極層 17とを備えている。
[0042] 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。
[0043] 下部電極層 11は、 MOSトランジスタ（図示されない）が集積ィ匕された基板 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、 A1で形成される。
[0044] 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、 磁ィ匕固定層 13の磁ィ匕を固定する役割を有して 、る。
[0045] 磁ィ匕固定層 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。
磁ィ匕固定層 13の磁ィ匕は、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。磁ィ匕固定層 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。
[0046] 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。ノリア層 14がアモルファスであることは、後述されるように、磁ィ匕 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（AIO )、酸化マグネシウム（MgO)、酸化ジルコニウム（ZrO )、酸ィ匕ハフニウム (HfO )、酸ィ匕シリコン (SiO )、窒化アルミニウム (A1N)で形成さ
2 2 2
れる。ただし、ノ 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 1 4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。
[0047] 磁ィ匕自由層 15は、強磁性層の数力 である SAFで構成されている。より具体的に は、磁ィ匕自由層 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、ノリア層 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。磁ィ匕自由層 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である場合の磁ィ匕自由層 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。
[0048] なお、本明細書に!/ヽぅ強磁性層とは、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。
[0049] 磁ィ匕自由層 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 ヽ。 RKKY相互作用による結合エネルギー J 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。
[0050] キャップ層 16は、磁ィ匕固定層 13、 ノリア層 14、及び磁ィ匕自由層 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 ヽ AIOで形成されることも可能である。
[0051] 上部電極層 17は、磁ィ匕自由層 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、 A1で形成される。
[0052] 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ベく近づけるた 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。
[0053] 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力もしれない。しかし、現実に集積ィ匕さ 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。磁ィ匕自由層 15は、ノリア層 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。
[0054] 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 ベ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ヤ 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。
[0055] 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. Inm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. Inm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。
[0056] また、図 7Aに示される積層磁ィ匕自由層において、非磁性層 31〜33のみでなぐ 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ぐ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 二ゥムの方が HCP(hexagonal close packed) (001)面の膜面直方向への結晶配向度 が高くなる。
[0057] また、このような技術は、磁ィ匕自由層を構成する 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の磁ィ匕自由層 15A力 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、磁ィ匕自由層 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の磁ィ匕膜厚積 (即ち、強磁 性層 21、 23の磁ィ匕と、膜厚の積)が同一にされ、強磁性層 22の磁ィ匕膜厚積が強磁 性層 21、 23の
磁ィ匕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。
[0058] 磁ィ匕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 (NZ2+ 1)番目に位置する強磁性層）の磁ィ匕膜厚積が、他の強磁性層の磁ィ匕膜 厚積よりも大きくされ、両端に位置する 2つの強磁性層の磁ィ匕膜厚積が、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、積層磁ィ匕自由層のもっとも中 央の強磁性層の磁ィ匕に対して、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。
[0059] 図 7Cに示されているように、 MTJ素子 1Bの磁化自由層 15B力 6層の強磁性層 2 1〜26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、磁ィ匕自由 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。
[0060] 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。
[0061] 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の磁ィ匕 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。
[0062] 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）が極めて薄ぐ 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。
[0063] 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 C oFe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 21 bに接する非磁性層 31の下面よりも Co組成が大きぐ非磁性層 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。
[0064] 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 A1膜を形成することにより、非磁性層 31が発現する RKK Y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。
[0065] 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 つて RKKY相互作用の強さが制御されている力 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。
[0066] 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つ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。
[0067] 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。
[0068] 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の磁ィ匕自由層 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 、RKKY相互作用を発現し得る。
[0069] 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）が極めて薄ぐしたがって島状に形成され、その下に位置する NiFe 膜 21 aは部分的に非磁性層 31に接触して 、る。
[0070] 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 3 1、 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 ヽ RKKY相互作用を発現 させる。このように、図 7Eの磁ィ匕自由層 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。
[0071] 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。 [0072] 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。
[0073] 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 つて結合し、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。
[0074] 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、磁ィ匕自由層力 ノリア層 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 磁ィ匕自由層 15Aが図示されている。下地層に依存して磁ィ匕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。
[0075] ただし、上記の技術は、磁ィ匕自由層力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。ノ 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、ノリア層に最も近い）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。 [0076] 実デバイスでは、磁ィ匕自由層と非磁性層力 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力 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ィ匕自由層を配置する場合においても、下地の平坦性 を求めて磁ィ匕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。
[0077] また、磁ィ匕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 磁ィ匕自由層が、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。
[0078] (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、 磁ィ匕自由層 15E力 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。
[0079] 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、磁ィ匕自由層 15Eのフロップ磁場 H を低く保ったまま飽和磁場 Hを
flop s 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、磁ィ匕自由 層 15Eのフロップ磁場 H は、非磁性層 32よりも非磁性層 31、 33が発現する反強
flop
磁性的な RKKY相互作用の強さに強く依存し、飽和磁場 Hは、非磁性層 32が発現
s
する RKKY相互作用の強さに強く依存するからである。
[0080] 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。
[0081] 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. lnm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力、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. lnm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. In m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。
[0082] このような技術は、磁ィ匕自由層が 4層以上の非磁性層を有する場合にも適用可能 である。磁ィ匕自由層に 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、最も基板カゝ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 を低く保ったまま飽和磁場 Hを増大させることができる。
flop s
[0083] 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、その磁ィ匕自由層 15Fが 6層の強磁性層 21〜26と 5層の非磁性層 31〜3 5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)であってもよぐ図 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。
[0084] 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。
[0085] 一方、図 9Cに図示された MTJ素子 1Gでは、磁ィ匕自由層 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。
[0086] 最も好適な実施形態では、磁ィ匕自由層は、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、磁ィ匕自由層の中央カゝら離れるほど RKKY相互作用が 弱くなり、且つ、 RKKY相互作用の強さが磁ィヒ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、磁ィ匕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] Z2)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 (NZ2)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、磁ィ匕自由層が第 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、磁ィ匕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 •(la)
ひ ひ <- -- · · · ひ (lb)
a < a (lc)
a = a
a = a = (pは、 2以上 (N+ 1) Z2— 1以下の整数） . ' '（1(1) a a
(2)非磁性層の数 Nが偶数の場合
a ^ a ≤ a ^ 9 9 9 ^ a ^ a •(2a)
Figure imgf000027_0001
a < a , (2c)
a = a a = a , (pは、 2以上 NZ2以下の整数） · · · (2d) a = a ,
N/2- 1 N/2 + 2
a oc
N/2 N/2 + l0
[0088] 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、磁ィ匕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 がー層に有効に防がれる。これは、磁ィ匕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。
[0089] 図 9Dは、磁ィ匕自由層に集積ィ匕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。磁ィ匕自由層 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 に構成された磁ィ匕自由層 15H力 上記の式（la)〜（Id)を満足させることは、容易 に理解されよう。
[0090] 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、上述の磁ィ匕自由層の構成は、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 、。
実施例
[0091] 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 力 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。 MT J素子の平面形状は、 0. 4 X 0. 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 ZTa (20nm) /PtMn(20nm) /CoFe (2. 5nm) /Ru (0
. 9nm) /CoFe (2. 5nm) /Al (0. 9nm) 0 Z磁化自由層 ZA1 (0
. 7nm) 0 /Ta (lOOnm)
[0092] ここで、 Al( α nm) Oとは、 α (nm)の Al膜を酸化することによって形成された AIO 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/R uZCoFe積層体、 A1 (0. 9nm) 0膜力 それぞれ、下部電極層 11、反強磁性層 12 、磁ィ匕固定層 13、ノリア層 14に相当しており、磁ィ匕自由層の上に形成された A1 (0. 7nm) 0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。
[0093] 図 10は、各試料の磁化自由層の構成を示す表である。磁ィ匕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。磁ィ匕自由層の非磁性層は、いずれも、ル テ-ゥ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。
[0094] 比較例 1の MTJ素子の磁ィ匕自由層は、 2層の強磁性層と 1層の非磁性層を含む S AF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. lnm である。
[0095] 比較例 2の MTJ素子の磁ィ匕自由層は、 3層の強磁性層と 2層の非磁性層を含む S AFで形成され、比較例 3の MTJ素子の磁ィ匕自由層は、 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。
[0096] 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で磁ィ匕自由層が 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. lnm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。
[0097] 実施例 2、 3の試料は、 、ずれも、 4層の強磁性層と 3層の非磁性層を含む SAFで 磁ィ匕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. lnm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。
[0098] 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. 5n m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. lnmである。実施例 3の試料は、中間に位置する非磁性層力 その 上下に位置する非磁性層よりも強 ヽ RKKY相互作用を発現するように形成されて!ヽ ることに留意されたい。
[0099] 3層、 4層の強磁性層が磁ィ匕自由層に集積ィ匕されている比較例 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 つた。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、磁ィ匕自由層に含まれている強磁性層の磁ィ匕が独立して反転してしまうから であると推定される。
[0100] 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。し力しながら、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。
[0101] 図 11は、比較例 1の MTJ素子のフロップ磁場 H と飽和磁場 Hを示す度数グラフ
flop s
であり、図 12A〜12Cは、それぞれ、実施例 1〜3のフロップ磁場 H と飽和磁場 H
flop 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 は、それぞれ、 50 (Oe)、 55 (Oe)、 51. 5
flop
(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 に有意な差が見られな力つた。
flop
[0102] 一方、飽和磁場 H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
s
は、比較例 1の MTJ素子の飽和磁場 H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は、それぞれ、 246 (Oe)、 326 (Oe)、 5
35 (Oe)の周囲に分布していた。
[0103] 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 〖こも有意な差が現れた。比較例 1の MTJ素子では、比 H /H が 2. 9であつ flop s flop たのに対し、実施例 1〜3の MTJ素子では、比 H /H 力 それぞれ、 4. 5、 6. 3、
flop
10. 4であった。これは、実施例 1〜3の MTJ素子力 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 、る。
[0104] 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、磁ィ匕自由層の強磁性層の数を増 カロさせること力 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 、る。
[0105] 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、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 s
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、 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 、る。
[0106] 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. lnm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。
[0107] 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. lnm (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が
s 測定され、更に、測定された飽和磁場 Hカゝ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 ヽる。
[0108] 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. lnm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. lnm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が測定され、更に、測定された飽和磁場 H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。
[0109] 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 3r d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 、る。
[0110] この実験結果は、 3層以上の強磁性層を有する SAF力 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力 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!/、ることを示唆して 、る。
[0111] 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ィ匕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、残留磁ィ匕状態において、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ィ匕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の磁ィ匕自由層 は、いずれも、残留磁ィ匕状態で 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。
[0112] 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 ZTa (20nm) ZPtMn(20nm) ZCoFe (2. 5nm) /Ru (0. 9nm) /CoFe ( 2. 5nm) /Al (0. 9nm) OxZ磁化自由層 ZA1 (0. 7nm) Ox/Ta (100nm)
[0113] 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 Fe (3nm) /CoFe(0. 35nm)/Ru(2. lnm)/Ni Fe (6
81 19 81 19
. nm)/CoFe(0. 5nm)/Ru(3. 5nm)/Ni Fe (3. 7nm)
81 19
実施例 5 :
トンネルバリア/ Ni Fe (3nm) /CoFe(0. 35nm)/Ru(2. lnm)/Ni Fe (7
81 19 81 19
. 3nm)/ Ru(2. lnm)/ Ni Fe (3. 7nm)
81 19
実施例 6 :
トンネルバリア/ Ni Fe (3nm) /CoFe(0. 35nm)/Ru(2. lnm)/Ni Fe (3n
81 19 81 19 m) /CoFe(0. 35nm)/ Ru(l. 4nm)/ Ni Fe (3nm) /CoFe(0. 35nm)/Ru
81 19
(3. 5nm)/ Ni Fe (3. 7nm)
81 19
[0114] 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）の磁ィ匕膜厚積が 3. 15T'nmと等しぐ第 2強磁性層（中間の 強磁性層）の磁ィ匕膜厚積は 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 4、 5は、各強磁性層が持つ 磁ィ匕膜厚積を一定とし、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. lnm)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、し力 第 2非磁性層を Ru膜 (2. lnm)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 S AF中で最も強 、結合力を実現して 、る。
[0115] これらの磁化自由層を有する 0. 4 X 0. 8 m2の長円形の MTJデバイス力 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。
[0116] 図 14は実施例 1と実施例 4〜6の 3層 SAF磁ィ匕自由層力も構成された 0. 4 X 0. 8 m2の MTJのフロップ磁場 H とそのばらつき (標準偏差）、飽和磁場 Hsを比較したも
flop
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。
[0117] 実施例 1、 4、 5、 6の MTJ素子のフロップ磁場 H は、それぞれ、 55 (Oe)、 56 (Oe
flop
)、 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 ヽる。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 、る。
[0118] 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に示した試料の磁ィ匕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 ZTa (20nm) ZPtMn(20nm) ZCoFe (2. 5nm) /Ru (0. 9nm) /CoFe ( 2. 5nm) /Al (0. 9nm) OxZ磁化自由層 ZA1 (0. 7nm) Ox/Ta (10nm)
[0119] 図 15において、それぞれ評価した試料の試料名とその磁ィ匕自由層の構成、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、飽和磁場カゝ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。
[0120] 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力ゝら反平行 結合エネルギーが算出された。この場合磁ィ匕膜厚積に差がある 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 =J [1/ (M -t ) + l/ (M -t )], - - - (2c)
s saf 1 1 2 2
[0121] 図 15から理解されるように、実施例 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. 0121ergZcm2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、 0. Ol lerg/cm、 0. 0138erg/c
2 2
m2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 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 小さカゝつたことは第 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ィ匕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

請求の範囲
[1] 基板と、
固定された磁ィ匕を有する磁ィ匕固定層と、
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、
前記磁ィ匕自由層は、
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 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 Ν非磁性層は、 RKKY相互作用の第 α 次の反強磁性ピークに対応する範
Ν
囲の膜厚を有し、
肯 U記ひ と前記 α は、下記関係：
1 Ν
α ^ α ,
1 Ν
を満足する
MRAM。
[2] 請求の範囲 1に記載の MRAMであって、
肯 己 a と前記 a は、下記関係：
1 N
= a + 1 ,
N 1
を満足する MRAM。
[3] 請求の範囲 2に記載の MRAMであって、
前記第 1非磁性層は、 1. 8ηπ！〜 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. Inn！〜 3. 9nmの厚さを有するルテニウム層で構成され る
MRAM。
[4] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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]Z2 )非磁性層である
MRAM。
[6] 請求の範囲 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 〜 α 次
2 N-1 の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
肯 IJ記ひ 〜ひ
1 Nは、下記条件：
^ a ^ ^*··^α ^ ,
1 2 3 [N+l]/2-l [N+l]/2
≤ ≤ · · ·≤ α ^ ,
[N + l]/2 [N + l]/2 + l Ν-1 Ν
α < α ,
1 Ν
= ,
2 Ν-1
= ,
3 Ν-2 = ， （ρは、 2以上 (N+DZ2—1以下の整数) a = α
[N + l]/2-l [N+l]/2 + l を満足する
MRAM。
[7] 請求の範囲 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 (NZ2)非磁 性層と第（ [NZ2] + 1)非磁性層である
MRAM。
[8] 請求の範囲 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 〜 α 次
2 N-1 の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
肯 IJ記ひ 〜ひ は、下記条件：
1 N
^ a ^ ^*··^α ^ ,
1 2 3 N/2-1 N/2
a ^ ^ · · ·≤ a ≤ ,
N/2 + 1 N/2 + 2 N-1 N
a < a ,
1 N
a = a ,
2 N-1 a =a , (pは、 2以上 (NZ2)以下の整数）
p N-p+1 = a ,
N/2-1 N/2 + 2
a = ,
N/2 N/2 + 1
を満足する
MRAM。
[9] 請求の範囲 4に記載の MRAMであって、
前記第 1非磁性層は、 1. 8ηπ！〜 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. 7ηπ！〜 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. Inn！〜 3. 9nmの厚さを有するルテニウム層で構成され る
MRAM。
[10] 請求の範囲 1に記載の MRAMであって、
前記第 1強磁性層と前記第 (N+ 1)強磁性層の磁ィ匕膜厚積がほぼ等 ヽことを特 徴とする MRAM。
[11] 請求の範囲 1に記載の MRAMであって、
前記バリア層は、ァモノレファスの層であり、
前記磁ィ匕自由層は、前記バリア層の上面の上に形成されている
MRAM。
[12] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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 (l l l)面の膜面直方向へ の結晶配向性が高い
MRAM。
[14] 固定された磁ィ匕を有する磁ィ匕固定層と、
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、
前記磁ィ匕自由層は、
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] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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 、
MRAM。
[18] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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 (l l l)面の膜面直方向へ の結晶配向性が高い
MRAM。
[22] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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〖こよって、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] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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] 請求の範囲 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. 2ηπ！〜 1. 8nmの厚さを有するルテ -ゥム層で構成される
MRAM。
[27] 固定された磁ィ匕を有する磁ィ匕固定層と、
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、
前記磁ィ匕自由層は、
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い
MRAM。
[28] 請求の範囲 27に記載の MRAMであって、
前記第 1〜第 (N+ 1)強磁性層のうちの第 (NZ2+ 1)強磁性層の磁化膜厚積は、 他の強磁性層の磁ィ匕膜厚積よりも大きい
MRAM。
[29] 請求の範囲 27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 、 MRAM。
[30] 請求の範囲 27に記載の MRAMであって、
Nが 2である
MRAM。
[31] 請求の範囲 27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。
[32] 請求の範囲 31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〖こよって、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。
[33] 請求の範囲 32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。
[34] 請求の範囲 27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ぐ且つ、その膜 厚は等しく設定され、
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。
[35] 請求の範囲 34に記載の MRAMであって、
前記第 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 MRAM。
[36] 請求の範囲 27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。
[37] 請求の範囲 36に記載の MRAMであって、
前記多層構造に含まれる前記非磁性膜は、 1. 2ηπ！〜 1. 8nmの厚さを有するルテ -ゥム層で構成される
MRAM。
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