WO2007015355A1 - Ｍｒａｍ - Google Patents

Abstract

　本発明に係るＭＲＡＭは、磁気抵抗素子を有する。その磁気抵抗素子の磁化自由層は、第１～第Ｎ強磁性層（Ｎは４か、６以上の整数）、及び反強磁性的なＲＫＫＹ相互作用を発現するように形成された第１～第Ｎ－１非磁性層とを含む。第１～第Ｎ―１非磁性層のうちの第ｋ非磁性層（ｋは、１以上Ｎ－１以下の任意の整数）は、第１～第Ｎ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る。第ｋ強磁性層の実効膜厚をｔｋ、磁化をＭｋとする。また、第ｋ非磁性層を介した反平行結合エネルギー定数をＪｋとする。この時、Ｍ１×ｔ１とＭ２×ｔ２はほぼ等しく、且つ、ＭＮ－１×ｔＮ－１とＭＮ×ｔＮはほぼ等しい。更に、次のいずれかの関係が満たされる：「Ｍ１×ｔ１＞ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＞ＪＮ－１」または「Ｍ１×ｔ１＜ＭＮ×ｔＮ、且つ、Ｊ１＜ＪＮ－１」。

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 Anti-Ferromagnet)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る。最も典型的 には、 MRAMは、磁化が反転可能な磁化自由層と、磁化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 薄い絶縁体で構成されている場合、磁気抵抗素子は TMR (Tunnel MagnetoRegista nce)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 Gi ant MagnetoResistive)素子と呼ばれる。

[0003] 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。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。 TMR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、磁化自由層の磁化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。

[0004] 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、磁化自由層の外部磁場に対する書き込み閾値曲 線がァステロイド曲線となることを利用して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、且つ、これらの書 き込み線は磁気抵抗素子の磁化自由層の容易軸、困難軸方向に延伸するように配 置される。そして、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 、発生した電流誘起磁場が同時にメモリセルに印加される。このときの合成磁場の大 きさ力 素子のもつ磁気異方性の大きさで決定する閾値曲線 (ァステロイド)の外側に 達したとき、磁ィ匕自由層の磁ィ匕は容易軸方向に並行にて二つの向きのいずれかを 向くように反転する。このとき対応するワード線、ビット線の一方にしか電流が流され て 、な 、非選択メモリセルの磁ィ匕が反転しな 、程度の書き込み電流値が設定される 。実際のメモリセルにおいて書き込み磁場のばらつきが存在するので、このような方 式による選択書き込みはメモリセルの選択性が良好ではない。最悪の場合、適切な 選択電流値のマージンが存在しな 、場合も考えられ、誤書き込みを起こしやすくなる 問題がある。

[0005] 書き込み動作時のメモリセル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（例えば、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を使用し、書き込み磁場の方向を時系列 で変化させる事により、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、複数の強磁性層を有し、隣接する強磁性層が磁気的に反強磁性的に結合した 構造体である。

[0006] 図 1は、トグル書き込み方式を採用する MRAMの典型的な構成を示す平面図であ る。 MRAM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 10 2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、ノリア層 114、磁ィ匕自由層 115、及び上部電極層 116を備えてい る。図 1に示されて ヽるように、 MTJ素子 101は、磁化固定層 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と 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。

[0007] 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とを 備えている。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。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 RK KY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。

[0008] 図 9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。ここでは、強磁性層 121、 122が NiFe膜で形成され、非 磁性層 123が Ru膜で形成されているときのデータが示されている。図 9中の J は、「

saf 反平行結合エネルギー定数」であり、 SAF内の強磁性層の磁ィ匕を平行、或いは、反 平行結合させて 、る単位面積あたりのエネルギー (反強磁性結合エネルギー）を示し て ヽる。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!ヽ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定 #α は

saf

、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 RK KY相互作用が発現し、他の範囲においては、強磁性的な RKKY相互作用が発現 する。ある特定の膜厚では、磁気的相互作用が全く生じなくなる。非磁性層 123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。磁化自 由層 115全体としての残留磁化 (即ち、外部磁場力^である場合の磁ィ匕自由層 115 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、同一の磁気的な体積を有するように形成することに よって満足され得る。

[0009] トグル書き込み方式では、 SAFの二つの強磁性体力 ほぼ等価な強磁性層で構成 された場合に、 SAFは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 2層の強磁性層力 構成さ れた 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が印加されても 、その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 して磁場 H に到達すると、突然、 SAFに磁ィ匕が現れる。このとき、二つの強磁性層

flop

の磁ィ匕は、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 合成磁ィ匕が外部磁場の方向になるように配置される。この現象が「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 flop

ップは、全体としての SAFの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。さらに外部磁場が増加すると、やがて二つの強磁性層の磁ィヒは完全に平 行に配置される。この磁場は「飽和磁場 Hs」と呼ばれる。

[0010] 飽和磁場 Hsは、以下の式で表される：

Hs = 2J /(M-t) -2K/M = Hj-Hk

saf …（1)

Hj = 2J Z(M't) · ' · (2)

saf

Hk = 2K/M · · · (3)

[0011] ここで、 Hkは「異方性磁場」であり、 Kは「異方性エネルギー」である。 J は前述のと saf おり「反平行結合エネルギー定数」で、正値をとる。二つの強磁性層の磁ィ匕相対角度 が Θである時、この反平行結合に起因したエネルギー ίお cos Θで表される。反平 saf

行結合に起因したエネルギーは、反平行配置である Θ = 180度にぉ 、て J と最も saf 小さくなり、その場合に SAFは最も安定になる。 Hjは「反平行結合磁場」であり、反平 行結合エネルギーによって反平行配置に結合した強磁性層の磁ィ匕同士が、平行配 置となるまでに抗し得ることが可能な外部磁場値に相当する。言い換えると、反平行 結合磁場 Hjは、 SAFが有する反平行結合力を磁場に換算した量である。

[0012] また、フロップ磁場 H は、上述の飽和磁場 Hsと異方性磁場 Hkを用いることにより

、以下のように表される：

H = 2/M[KQ Zt—Κ)]⁰·⁵ - - - (4a)

flop saf

= (Hs-Hk)^{0 5} - - - (4b)

= [(Hj-Hk) -Hk]^{0 5} - - - (4c)

= [(2J /(M-t) -Hk) -Hk]° ⁵ - " (4d)

saf

[0013] 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 4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

[0014] トグル書き込み方式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、強磁性層 121、 122の磁ィ匕を所望の向きに向けることによつ て行われる。具体的には、まず、ワード線 103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 が発生する（時刻 t ) ₀続いて、ワード線 10

WL 1

3に書き込み電流が流されたまま、ビット線 102に書き込み電流が流される（時刻 t )

2

。これにより、ワード線 103とビット線 102との両方に 45° の角度をなす方向に、磁場 H +H が発生する。更に続いて、ビット線に書き込み電流が流されたままワード

WL BL

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

3

な方向（即ち、ワード線 103に平行な方向）に磁場 H が発生する。このような手順で

Bし

ワード線 103及びビット線 102に書き込み電流が流されることにより、磁ィ匕自由層 11 5に印加される磁場が回転し、これにより、強磁性層 121、 122の磁ィ匕を 180° 回転 させることがでさる。

[0015] 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、 SAFはスピンフロップを 示さな 、ので、トグル書き込みを行うことができな!/、。

[0016] トグル書き込み方式の利点は、原理的にメモリセルの選択性が高 、ことである。ビッ ト線とワード線による書き込み電流磁場 H 、 H に対する磁ィ匕反転モードが、図 6に

WL BL

示されている。図 6に示されているように、トグル書き込み方式によれば、ワード線 10 3又はビット線 102の一方にのみ書き込み電流が流された場合、 SAFの磁ィ匕は原理 的に反転しな 、 (No Switching)。言!、換えれば、半選択メモリセルの磁化は、原 理的に不所望に反転しない。このことは、 MRAMの書き込み選択性と信頼性を有効 に向上させる。トグル反転領域 (Toggle Switching)に対応する外部磁場が磁ィ匕 自由層 115に印加される場合、 SAFはスピンフロップを示し、トグル書き込みが行わ れる。

[0017] さら〖こ図 6〖こ示されるよう〖こ、トグル反転領域の原点側に隣接する「ダイレクト反転領 域（Direct Switching)」が存在する。ダイレクト反転モードでは、スピンフロップに よるトグル書き込み反転が行われない。その代わり、磁ィ匕自由層 115の磁化が、磁ィ匕 固定層 113の磁化に対して、反平行もしくは平行配置の 、ずれかに直接反転する。 トグル書き込みでは、このようなダイレクト反転領域に、書き込み磁場が入ることを避 けなければならない。もし書き込み磁場がダイレクト反転領域に入ると、不所望な磁 化の向きへの強制的な磁ィ匕反転が生じ、誤書き込みが発生する。

[0018] このダイレクト反転領域は、磁ィ匕自由層 115に含まれる強磁性層 121、 122が、磁 気的に等価でないことに起因して発生する。例えば、ダイレクト反転領域は、強磁性 層 121、 122の磁ィ匕量の差に依存して生じると言われている。どちらか一方の強磁性 層の磁ィ匕量が大きいほど、図 6におけるダイレクト反転領域は広がり、トグル反転領域 が減少する。ダイレクト反転領域が広がると、トグル反転が始まる閾値が高磁場側へ シフトする。これは、書き込み磁場の増大と、書き込み磁場のマージンの減少を招き 、問題である。従って、強磁性層 121、 122の磁ィ匕量の差を可能な限り小さくし、ダイ レクト反転領域を縮小しなければならな 、と言われて 、る。

[0019] ダイレクト反転領域を低減することは、トグル書き込み方式の MRAMを開発する上 で最重要課題の一つである。

[0020] さて、 SAFは様々な文献に記載されている。磁ィ匕自由層の SAFに含まれる強磁性 層の数は、 3以上であってもよい。そのような構造を有する SAFは、以下「多層 SAF」 と参照される。多層 SAFに関連する従来技術として、次のものが知られている。

[0021] 米国特許 6, 545, 906号に開示された技術によれば、 SAFに含まれる強磁性層 の数は 3以上であって、且つ、 SAFの残留磁ィ匕が飽和磁ィ匕の 10%以内となるように 構成されている。

[0022] 米国特許 6, 714, 446号に開示された構成によれば、 SAFに含まれる強磁性層 の数力 である。また、 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結合 に関する飽和磁場や、 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結合 に関する飽和磁場と比較して、 2層目の強磁性層と 3層目の強磁性層との間の反強 磁性結合に関する飽和磁場が小さい。

[0023] 特開 2002— 151758号に開示された技術によれば、熱揺らぎに対する安定性を 高めるために、 SAFは少なくとも 5層以上の積層構造を有している。

[0024] 特開 2005— 85951号に開示された技術によれば、多層 SAFは、非磁性層により 分割された複数層の磁性層から成る。偶数番目の磁性層の磁化量の総和と、奇数 番目の磁性層の磁ィ匕量の総和とがほぼ等しい。

[0025] 特開 2005— 86015号に開示された構成によれば、磁ィ匕自由層の SAFに含まれる 強磁性層の数力 である。また、 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い。且つ、 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。更に、磁ィ匕自由層の SAFに含まれる強磁性層の数力 層以上の偶数であり、各 強磁性層の膜厚が上下方向にほぼ対称である構成も開示されている。

[0026] し力しながら、発明者の実験によれば、米国特許 6, 545, 906号に従って多層 SA Fを実際に作製しても、それだけでは良好に動作することは殆ど無力つた。殆どの磁 ィ匕自由層は、全ての印加磁場に対して全くトグル動作を示さな力つた。一部動作する ような構成が得られたとしても、動作率が低い問題が存在する。また、多層 SAFの動 作マージン内の書き込み磁場が印加されたとき、一見すると良好に動作しているよう に見える素子についても、或る特定の印加磁場に対してはトグル動作を示さない場 合があることも判明した。そのような素子は不良素子である。これらは通常の 2層から なる SAFには見られなかった現象である。

[0027] また、特開 2005— 86015号に従って多層 SAFを実際に作製するために、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、膜厚が等しく設定されても、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。

[0028] 上述の通り、ダイレクト反転領域は、強磁性層の磁ィ匕量の差に依存して生じると言 われてきた。強磁性層の磁ィ匕量とは、その強磁性層のうち実効的に磁ィ匕が含まれる 体積 (以下、「磁気体積 V」と参照される）と、その強磁性層の磁ィ匕 Mの積で定義され る (磁化量 =磁気体積 V X磁化 M)。磁気体積 Vを磁ィ匕自由層の平均面積で割った 値は、実効的に磁ィ匕が含まれる膜厚であり、「実効膜厚 t」と参照される。強磁性層の 磁化 Mと実効膜厚 tの積は、「磁化膜厚積」と参照される (磁化膜厚積 =磁化 M X実 効膜厚 t)。磁化膜厚積は、単位面積あたりの磁ィ匕量であると言える。

[0029] ダイレクト領域を低減するために、実デバイスの SAF内の各強磁性層の磁ィ匕量を 調整する場合、同一の磁気体積を実現することは難しい。なぜならば、各強磁性層 が接する非磁性層の材料に依存して、デッドレイヤーが形成されるからである。デッド レイヤーとは、強磁性層と非磁性層との界面周辺において、拡散などによりある程度 の磁ィ匕が消失する領域である。このデッドレイヤーによって、各強磁性層の磁気体積 が異なってしまうのである。また、加工プロセスで磁ィ匕自由層をカ卩ェする際、その側 面を完全に垂直に加工することは困難である。例えば接合部側壁に傾斜が生じた場 合、成膜時にたとえ同じ膜厚を有する強磁性層が形成されたとしても、各強磁性層の 実効的な磁気体積が異なってしまう。

[0030] また、実デバイスの磁ィ匕自由層内では、残留磁ィ匕状態において、磁化が反平行を 向いている強磁性層同士の膜質を可能な限り等価にすることが望ましい。例えば強 磁性層の結晶配向性が異なると、結晶磁気異方性磁場ゃ磁歪定数など強磁性層自 身が持つ磁気特性が異なる。その結果、スピンフロップで対となる強磁性層同士の磁 気特性に差が生じてしまう。スピンフロップで対となる強磁性層同士の磁気特性、例 えば磁気異方性に差が生じ、磁気的なエネルギーが等価でなくなると、ダイレクト反 転領域が発生しやすくなる。更に、このような強磁性層の磁気特性の不均一性は、フ ロップ磁場や飽和磁場などの磁ィ匕反転特性のばらつきの発生要因となり得る。

[0031] 通常の 2つの強磁性層からなる SAFでは、実デバイスにおけるこれらの問題はまだ 深刻ではない。なぜならば、強磁性層の数は 2であり、非磁性層を介して常に隣接し ているので、これらの強磁性層同士は膜質的にも非常に近いからである。また、上述 の接合部側壁部の加工形状などによる磁気体積の差に関しても、大きな差は生じに くい。万が一磁気体積に差が生じたとしても、一方の強磁性層の膜厚を固定し、もう 一方の強磁性層の膜厚などを微調整すれば、ダイレクト反転領域を大幅に低減させ ることが可能である。

[0032] それに対して、多層 SAFでは、実デバイスにおけるこれらの問題は深刻である。な ぜならば、磁ィ匕自由層中で磁気体積を調整すべき層が 3層以上であり、その総膜厚 も厚くなるからである。本発明者らの実験によれば、多層 SAF中では最下部と最上 部でその結晶性に大きな差が生じた。特に、非磁性層の膜質とその反平行結合力に 大きな差が生じた。実際に多層 SAFを作製しょうとすると、成膜時においてすでに各 強磁性層や非磁性層の特性に差が生じてしまうことに加えて、接合部側壁部の加工 形状による磁気体積の差も生じる。さらに 2層の SAFのように、ある一層の強磁性層 の体積のみを微調整してもダイレクト領域を低減できる保障はな ヽ。実際にどの強磁 性層がどのような状態になっているの力把握することは困難である。

[0033] 特開 2005— 86015号で開示された 4層からなる、（あるいはそれ以上の層力もなる 、）多層 SAFは、このような多層 SAFの困難性を多く内包している。その文献中で指 摘されているように、残留磁化状態で、その磁気量が等しぐ且つ、磁化が反平行を 向いている強磁性層の組は、 1層目の強磁性層と 4層目の強磁性層の組と、 2層目の 強磁性層と 3層目の強磁性層の組である。しかし、このような構造では、実デバイスに おいて、 1層目の強磁性層と 4層目の強磁性層という最も離れた強磁性層同士を常 に等価にしなければならない。よって、加工により不可避に生じる体積差や、膜質が 異なることによる磁気特性の差は深刻である。このことは、さらに微小な MTJに対応 する上で、熱擾乱耐性を増すために強磁性層の層数が更に増加した時に、一層深 刻になる。なぜならば、磁気特性の等価性が要求される強磁性層同士が、さらに離 れて配置され、かつ、複数となるからである。

[0034] このように従来の多層 SAFを実デバイス化して MRAMに適応させようとすると、多 層 SAF内の強磁性層の磁気特性の差に起因したダイレクト領域の増大や反平行結 合力の制御が困難となる問題が生じる。これらは不良素子の発生による MRAMの動 作率の低下 (マイノリティビットエラーの発生)を招く。また、ダイレクト反転領域の増大 ゃフロップ磁場のばらつきの増大は、書き込み電流値の増大を招く。これらは MRA M開発の上で深刻な問題である。

[0035] トグル書き込み方式に限らず、スピンフロップ特性を向上させることは、多層 SAFを 磁ィ匕自由層として使用する MRAMの性能を向上させる上で重要である。言い換え れば、多層 SAFを磁ィ匕自由層として用いる MRAMにおいて、大きな飽和磁場 Hsを 維持しつつフロップ磁場 H を低減することは、書き込み磁場 (反転磁場)の低減と

flop

いう観点力 重要である。反転磁場の減少により書き込み電流は低減され、それは M RAMの高性能化につながる。また、 SAFの反転磁場の減少は、電流誘起磁場を用 いる書き込み方式に留まらず、 SAFにスピン偏極電流（spin-polarized current)を供 給することにより磁ィ匕反転を起こす「スピン注入 (spin transfer)方式」においても同様 に、書き込み電流の低減につながるため重要である。

[0036] 多層 SAFを磁ィ匕自由層として用いる MRAMを歩留まりよく動作させることができる ことができる技術が望まれて 、る。

発明の開示

[0037] 従って、本発明の目的は、 MRAMの動作率を向上させることができる多層 SAFを 提供することにある。また、本発明の目的は、その多層 SAFを磁ィ匕自由層として用い 、不良ビットが低減された MRAMを提供することにある。

[0038] 本発明の他の目的は、実デバイス上での磁気特性の制御性を容易にすることがで きる多層 SAFを提供することにある。また、本発明の目的は、その多層 SAFを磁ィ匕 自由層として用い、書き込み特性が向上した MRAMを提供することにある。

[0039] 本発明の更に他の目的は、 MRAMの書き込みマージンを増大させることができる 技術を提供することにある。

[0040] 本願発明者は、実験を通して、多層 SAFを歩留まりよく動作させる上で本質的に重 要な点を究明した。それは、多層 SAF中の最上部と最下部の非磁性層を介した反平 行結合を、外部磁場に対して同時に解けるように設定することである。例えば従来指 摘されてきたような、多層 SAF内の各強磁性層の磁ィ匕量などの配分は本質的な点で はない。一般に、最上層と最下層の強磁性層に関しては、反平行結合を発現する非 磁性層との結合が一つのみである。そのため、最上層と最下層の強磁性層に対する 反平行結合は、外部磁場に対して不安定であり、最も外れやすくなる。このとき、最 上層と最下層の強磁性層に対する反平行結合が同時に外れず、片方だけの反平行 結合が外れると、外れた部分の SAF強磁性層対はただちに平行配置となり、多層 S AF全体に大きな残留磁ィ匕が生じる。そして、残留磁ィ匕が大きい状態で次に弱い反 平行結合が外れたときは、もはや、スピンフロップを起こしづらい状態になっている。 本願発明者は、このことが動作率低下の原因の一つであることを究明した。最上部と 最下部の非磁性層を介した反平行結合を同時に解けるようにすればよいことがわか ると、従来構造が内包する問題を回避あるいは低減できるような新たな構造が可能と なる。 [0041] 本発明に係る MRAMは、基板と磁気抵抗素子を備える。磁気抵抗素子は、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 層と磁ィ匕自由層との間に介設され磁気抵抗効果を発現する非磁性層とを備える。磁 化自由層は、第 1〜第 N強磁性層（Nは 4力、 6以上の整数)、及び反強磁性的な RK KY相互作用を発現するように形成された第 1〜第 N— 1非磁性層とを含む。第 1〜 第 N— 1非磁性層のうちの第 k非磁性層（kは、 1以上 N— 1以下の任意の整数）は、 第 1〜第 N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る。 第 1非磁性層は、第 1〜第 N— 1非磁性層のうちで基板に最も近く位置し、且つ、第 N— 1非磁性層は、第 1〜第 N— 1非磁性層のうちで基板から最も離れて位置する。

[0042] 第 k強磁性層の体積 (磁化体積)が V、その磁ィ匕が Mと表される。その体積 Vを磁 k k k 化自由層の平面方向の平均面積で割った値が、第 k強磁性層の実効膜厚 tである。

k 第 k非磁性層を介した第 k強磁性層と第 (k+ 1)強磁性層の磁ィ匕の向きの相対角度 は Θ で表される。第 k非磁性層を介した第 k強磁性層と第 (k+1)強磁性層の全反平 k

行結合エネルギーは、正の値を持つ反平行結合エネルギー定 kを用いて、 J COS k

Θ で表される。

k

[0043] 本発明によれば、 M Xtと M Xtはほぼ等しぐ且つ、 M Xt と M Xt は

1 1 2 2 N-1 N-1 N N ほぼ等しい。更に、次のいずれかの関係が満たされる：

(A) M Xt >M Xt、且つ、 J >J

1 1 N N 1 N-1

(B) M Xt <M Xt、且つ、 J <J

1 1 N N 1 N-1

ここでパラメータ M xt 1S 第 k強磁性層の磁ィ匕膜厚積である。

k k

[0044] また、上記 N= 4であると好適である。その場合、磁ィ匕自由層の積層数が最も少なく 、かつ、書き込みマージンが増大するという効果が得られる。その効果は、発明者に よって、実デバイスにおいて実証されている。

[0045] また、本発明において、 N層の強磁性層を含む磁ィ匕自由層であって、 Nが 3以上の 奇数である磁ィ匕自由層も提供される。その場合、 M Xtと M Xt の和が M

1 1 N N (N+D/2 にほぼ等しい。更に、次のいずれかの関係が満たされる：

(A) M Xt >M Xt、且つ、 J >J

1 1 N N 1 N-1

(B) M Xt <M Xt、且つ、 J <J

1 1 N N 1 N-1 ここでパラメータ M xt iS 第 k強磁性層の磁ィ匕膜厚積である。

k k

[0046] これらの磁ィ匕自由層の残留磁ィ匕は、その飽和磁ィ匕の 10%以内であることが、スピ ンフロップ動作を実現する上で必要である。また、トグル書き込み方式の MRAMは、 ワード線と、ワード線に直交するビット線と、ワード線とビット線との交差位置に記憶素 子として配置された上述の磁気抵抗素子を有する。磁気抵抗素子の磁化自由層の 容易軸の方向は、ワード線又はビット線の延伸方向に対して 45度方向に設定される

[0047] 本発明の磁化自由層を構成する上で最も重要な点は、第 1強磁性層と、第 N強磁 性層に関して、外部磁場に対して反平行結合が解け始める磁場をほぼ等しく設定す ることである。つまり、第 1強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、 前記第 N強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい。

[0048] そのためには、最上部の最下部の強磁性層及び非磁性層に関して、 Jノ (M Xt ) ] Z(M Xt )がほぼ等しいことが好適である。より定量的には、 {J Z(M Xt

N-l N N 1 1 1

)}/{j

N-l Z(M Xt )}の比は、 0.8以上 1.2以下であることが望ましい。

N N

[0049] また、第 1、 2、 N— 1、 N強磁性層の全異方性磁場が大きく異なる場合は、次の通り である。第 k非磁性層を介した第 k強磁性層と第 (k+ 1)強磁性層の平均全異方性磁 場を Hkとする。この時、式 4(d)を参照して、第 1非磁性層を介した SAFのフロップ k

磁場は、 [{2J /(M Xt ) -Hk } XHk ]で与えられる。また、第 N—1非磁性層を 介した SAFのフロップ磁場は、 [{2J /{M Xt )-Hk }XHk ]で与えられ

N-l N N N-l N-l

る。 [{2J Z(M Xt )— Hk }XH ]と [{2J Z(M Xt )— Hk }XHk ]は

1 1 1 1 kl N-l N

、ほぼ等しくなるように設定される。さらに定量的には、 ΧΗ

k ]/[{2J /(M Xt )-Hk }XHk ]は、 0.8以上 1.2以下であることが

1 N-l N N N-l N-l

望ましい。

[0050] 本発明の磁化自由層の構成によれば、最上部の強磁性層と、最下部の強磁性層 の磁ィ匕膜厚積を等価にしなくても良い（M Xt≠M Xt 、J≠J 、 Q[ Z(M Xt )

1 1 N N 1 N-l 1 1 1

Z(M Xt )])。そのため、多層 SAF全体として、残留磁化状態で反平行

N-l N N

配置を取る磁性層同士の磁ィ匕膜厚積、さらには磁気エネルギーまでも等価にするこ とが可能である。このことは、実デバイスにおいて非常に有利な点である。従来技術 の特開 2005— 86015号で開示された 4層 SAFでも同様に、 Q[ / (M Xt )] = Tj

1 1 1 N

/(M Xt；)]が満たされる。しかしながら、必ず M Xt =M Xt ,J =J であ

-1 N N 1 1 N N 1 N-l るため、実デバイスにおいて、反平行配置を取る磁性層同士の磁化膜厚積、さら〖こ は磁気エネルギーまでも等価にすることが難し 、。

[0051] 本発明に係る多層 SAFの有利な点の一つは、残留磁化状態で反平行配置を取る 強磁性層同士の磁ィ匕膜厚積や磁気エネルギーを等価にすることができることである。 その有利な点をより引き出すことが可能である磁ィ匕自由層構成として、次のものが考 えられる。すなわち、 N力 以上の偶数の場合、第 kと第 k+1の強磁性層（kは奇数） は、ほぼ同じ磁ィ匕膜厚積を有するように設定される。

[0052] また、 Nが 4以上の偶数の場合、反平行結合エネルギー定 #αは、 Κ=ΝΖ2の場

k

合にもっとも大きくなるように設定されると好適である。その場合、飽和磁場をより増大 することが可能である。より定量的には、第 NZ2非磁性層を介した SAFの反平行結 合エネルギー定 と、最上部の第 N— 1非磁性層が有する反平行結合エネルギ 一定 #α は、次のパラメータ Q[ {1/(M Xt )+l/(M Xt )}

N-l N/2 N/2 N/2 N/2 + 1 N/2 + 1

]/[2J Xt

N-l Z(M )]が大きくなるように設定される。そのパラメータは、 1より大き

N N

く設定されると好適である。その比率が大きく設定されるほど、多層 SAF磁ィ匕自由層 の飽和磁場が延伸し、書き込みマージンが広がる。発明者の実験によれば、そのパ ラメ一タカ S4未満の範囲で効果が実証されている。また、実証はされていないがこれ より大きな値も可能である。少なくとも、第 1非磁性層を挟む第 1強磁性層及び第 2強 磁性層からなる SAF部と、記第 N— 1非磁性層を挟む第 N— 1強磁性層及び第 N強 磁性層からなる SAF部の飽和磁場を、第 NZ2非磁性層をはさむ第 NZ2強磁性層 と第 (NZ2+ 1)強磁性層の SAF部が外部磁場に対して外れ始める磁場よりも大きく 設定すれば、多層 SAF中のスピンフロップが途切れることがないので好適である。最 下部の第 1非磁性層に関しても同様である。その場合、上記パラメータとして、 [J { 1/(M Xt )+l/(M Xt )}]Z[2J Z(M Xt )]が用いられる。

N/2 N/2 N/2 + 1 N/2+1 1 1 1

[0053] また、全ての N— 1個の非磁性層に対してより好適には、最下層と最上層の非磁性 層以外の反平行結合エネルギー定 (kは 1、 N— 1以外の値）は、最下層と最上層

k

のそれ Ci 1また【お N-1）と比較して同等以上の大きさに設定される。そのような構成の 場合、常に最下層と最上層の強磁性層が、外部磁場に対して最初に反転しやすくな るため、安定した磁ィ匕自由層の動作が実現される。

[0054] 本発明の磁化自由層の磁気的構成を実現する上で好適な膜構成として、次が考え られる。第 k非磁性層が有する RKKY相互作用の反強磁性ピークの次数を α とする k

。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 膜厚を有する。第 Ν— 1非磁性層は、 RKKY相互作用の第 α 次の反強磁性ピー

N-1

クに対応する範囲の膜厚を有する。 J >J の場合、 α < α の関係が満たされ、

1 N-1 1 N-1

J <J の場合、 a >a の関係が満たされる。好適には、 J >J の場合、 a

1 N-1 1 N-1 1 N-1 N-

=_α +1の関係が満たされ、 J <J の場合 +1の関係が満たされる

1 1 1 N-1 1 N-1

。より具体的には、 J >J の場合、第 1非磁性層は、 1.8nm〜2. 5nmの厚さを有

1 N-1

するルテニウム層で形成され、第 N—1非磁性層は、 3. lnm〜3. 9nmの厚さを有 するルテニウム層で形成されると好適である。 J <J の場合、第 1非磁性層は、 3.

1 N-1

lnm〜3. 9nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、第 N—1非磁性層は、 1.8 nm〜2. 5nmの厚さを有するルテニウム層で形成されると好適である。

[0055] さらに、本発明の磁化自由層では、最上部及び最下部の非磁性層の結合力と比較 して、それよりも中央部側の非磁性層の反平行結合量を強めることで、一層の飽和磁 場の延伸が期待できる。そのためには、 J >J の場合、第 2〜第 (N— 2)非磁性層

1 N-1

のうちの少なくとも一の非磁性層が、第 N— 1の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と好適である。その場合、磁ィ匕自由層の中心部の 反平行結合力が、最上部に対して 2倍以上強まる。 J く J の場合、第 2〜第 (N— 2

1 N-1

)非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層が、第 1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と好適である。その場合、磁ィ匕自由層の中心 部の反平行結合力が、最下部に対して 2倍以上強まる。

[0056] そのような強い反平行結合力をもつ非磁性層は、磁ィ匕自由層の最中央層に設定す ることが望ましい。つまり、 Nが偶数のときは、第 (NZ2)非磁性層を強い反平行結合 力を有するように設定することが望ましい。好適には、 J >J

1 N-1の場合、 α < α 、

1 N-1 且つ、 ひ < a の関係が満たされる。 J <J の場合、 α >α 、且つ、 α

N/2 N-1 1 N-1 1 N-1 N/ く α の関係が満たされる。更に好適には、 J >J の場合、 a +l=a の関 係が満たされ、 J <J の場合、 α + 1 = α の関係が満たされる。具体的には、

1 N- 1 N/2 1

第 (ΝΖ2)非磁性層は、 1. 8nm〜2. 5nmの厚さを有するルテニウム層で形成され 、第 1非磁性層あるいは第 N—1非磁性層は、 3. lnm〜3. 9nmの厚さを有するル テ -ゥム層で形成される。または、第 (NZ2)非磁性層は、 0. 7nm〜l . 2nmの厚さ を有するルテニウム層で形成され、第 1非磁性層あるいは第 N—1非磁性層は、 1. 8 nm〜2. 5nmの厚さを有するルテニウム層で形成される。

[0057] 本発明に係る磁ィ匕自由層において、第 1非磁性層と第 N—1非磁性層は、異なる 構造を有してもよい。例えば、第 1非磁性層と第 N— 1非磁性層の膜厚や結晶配向 性が異なっている。その場合、第 1非磁性層の膜厚よりも、第 N— 1非磁性層の膜厚 の方が厚いことが好適である。さらに、それら非磁性層の直下に存在する、第 1強磁 性層と第 N—1強磁性層の結晶配向性も異なっていてもよい。また、第 1強磁性層、 第 2強磁性層、第 N— 1強磁性層、及び、第 N強磁性層のうち少なくとも一層以上が 、構成元素、または、構成元素組成が異なる膜が 2層以上に積層された積層膜であ る。その積層膜の膜厚比率を変えることによって、第 1非磁性層及び第 N— 1非磁性 層の反平行結合力が、所望の値になるように制御される。これにより、本発明に係る 磁ィ匕自由層を実現することが可能である。そのような積層膜として、 NiFe膜および C oFe膜の積層膜が好適である。

[0058] また、第 1非磁性層と第 N—1非磁性層は、ほぼ同一の構造を有していてもよい。そ の場合は、第 1非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率 を、第 N—1非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率と異 なるように設定することで、反平行結合力を調整可能である。また、この場合において も、第 1強磁性層、第 2強磁性層、第 N—1強磁性層、及び、第 N強磁性層のうち少 なくとも一層以上が、構成元素、または、構成元素組成が異なる膜が 2層以上に積層 された積層膜である。その積層膜の膜厚比率を変えることによって、第 1非磁性層及 び第 N—1非磁性層の反平行結合力が、所望の値になるように制御される。これによ り、本発明に係る磁ィ匕自由層を実現することが可能である。そのような積層膜として、 NiFe膜および CoFe膜の積層膜が好適である。

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の書き込み特性の書き込み 磁場値依存性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 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 7C]図 7Cは、本発明の第 3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 8A]図 8Aは、本発明の第 4の実施形態に係る MRAMの MTJ素子の実デバイス における断面図である。

[図 8B]図 8Bは、本発明の第 4の実施形態に係る MRAMに対する、比較例としての 従来技術の MTJ素子の実デバイスにおける断面図である。

[図 9]図 9は、 NiFeを強磁性層、 Ruを非磁性層とした場合の、 RKKY相互作用の結 合エネルギー定数の、非磁性層膜厚に対する依存性を示すグラフである。

[図 10A]図 10Aは、比較例 1〜7と実施例 1〜4の試料の磁化自由層の構成を示す表 である。

[図 10B]図 10Bは、比較例 1〜7と実施例 1〜4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 1〜7と実施例 1〜4の試料の 0. 6 X 1. の長円形 MTJ デバイスのトグル書き込み特性を示す表である。

[図 12]図 12は、比較例 1、 2と実施例 2、 4の試料の長円形 MTJデバイスの詳細なトグ ル書き込み特性を示す表である。

[図 13]図 13は比較例 3〜 7と実施例 1〜4の試料の第 1非磁性層を介した S AFのみ が示す飽和磁場、及び、第 3非磁性層を介した SAFのみが示す飽和磁場を比較し た図である。

[図 14]図 14は、比較例 3〜7と実施例 1〜4の試料と図 13から得られた、 0. 6 X 1. 2 /z m²の MTJデバイスのトグル書き込み動作率と、 [J / (M X t / (M X t )

1 1 1 3 4 4

]比率とを比較した図である。

発明を実施するための最良の形態

[0060] 以下、発明を実施するための最良の形態を説明する。本実施の形態では、本発明 の本質を明確ィ匕するため、形状磁気異方性が弱くて考慮しなくて良い単純化された 場合が想定される。より微細な素子では、強磁性層の形状磁気異方性や、強磁性層 同士の反強磁性的静磁結合による補正をしなければならないことに留意されたい。

[0061] (第 1の実施の形態）

図 7Aは、本発明の第 1の実施の形態に係る MRAMのメモリセルに採用される MT J素子 1Aの構造を示す断面図である。 MTJ素子 1Aは、下部電極層 11と、反強磁性 層 12と、磁ィ匕固定層 13と、バリア層 14と、磁ィ匕自由層 15Aと、キャップ層 16と、上部 電極層 17とを備えている。

[0062] MTJ素子 1Aは、例えば、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 1A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、磁ィ匕固定層 13及び磁ィ匕自由層 15A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 1Aの構成について詳細に説明する

[0063] 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、 Ti, TiN, Nbで形成される。

[0064] 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。

[0065] 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。

[0066] 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場合、後述されるように、それ は磁ィ匕自由層 15A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- ゥム（ZrO )、酸化ハフニウム（HfO )、酸化シリコン（SiO )、窒化アルミニウム（A1N

2 2 2

)などで形成される。また、ノリア層 14は、アモルファスである必要はなぐ例えば Na C1構造を有する単結晶 MgOで形成されてもょ ヽ。

[0067] 磁ィ匕自由層 15A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 15Aは、強磁性層 21〜24と、その間に介設されている非磁性層 3 1〜33とを備えている。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力 この順で順次に形成さ れている。強磁性層 21と強磁性層 22の磁気体積と、強磁性層 23と強磁性層 24の磁 気体積がほぼ等しぐかつ、強磁性層 21と強磁性層 24の磁気体積が異なるようにす ることが本発明の重要なポイントの一つである。本実施形態においては、強磁性層 2 1よりも強磁性層 24の磁気体積が小さい場合が想定される。この時、非磁性層 31より も非磁性層 33の反平行結合エネルギーを小さく設定しなければならな 、。そうでな ければ、強磁性層 21に関する反平行結合が、低い外部磁場で先に外れてしまう。

[0068] 本実施の形態に係る磁化自由層 15Aは、トンネルバリア層 14上の強磁性層 21か ら、キャップ層 16下の強磁性層 24まで次のような膜構成を有する：

トンネルバリア層 ZNiFe (4. 8nm) /CoFe (0. 35nm) /Ru (2. lnm) /NiFe ( 4. 8nm) /CoFe (0. 35nm) /Ru(2. lnm) /NiFe (3. 3nm) /CoFe (0. 25n m) /Ru(3. 5nm) /NiFe (3. 7nm)Zキャップ層。

[0069] 上記の構成において、強磁性層 21と強磁性層 22は、 NiFe (4. 8nm) /CoFe (0 . 35nm)に相当し、強磁性層 23と強磁性層 24は、それぞれ NiFe (3. 3nm) /CoF e (0. 25nm;^NiFe (3. 7nm)に相当する。強磁性層 21と強磁性層 22の磁ィ匕膜厚 積は約 4. 72Tnmであり、強磁性層 23と強磁性層 24の磁ィ匕膜厚積は約 3. 15Tnm である。強磁性層 21は強磁性層 24と比較して、 1. 5倍の磁ィ匕膜厚積を有している。 また、非磁性層 31〜33は、 Ru (2. lnm)、Ru (2. lnm)、及び Ru (3. 5nm)に相 当している。

[0070] 本実施形態では、非磁性層 31〜33を介した反平行結合エネルギーを設定する手 段として、（I)強磁性層 21〜24を複数の材料で構成し、かつ、非磁性層の界面材料 を変えること〖こよる制御と、（Π)非磁性層の膜厚を直接変えることによる制御とが、組 み合わされている。

[0071] 前者に関して、具体的には、強磁性層は、 NiFeZCoFe、 CoFeB/CoFeNi, Co FeZNiFeZCoFeなどの 2層または 3層構造を有するように形成され、それらのうち 非磁性層 31〜33に接する層（CoFeや CoFeNi)の膜厚が制御される。これは、非磁 性層 31〜33と直接接する材料に依存して RKKY相互作用の強さが異なることを利 用したものである。具体的には、 Niリッチな材料よりも、 Coリッチな材料の方がより大 き が得られる。よって、 NiFeを強磁性層の主成分として、非磁性層側に lnm以

SAF

下の CoFeが薄く形成される。 NiFeZRu界面に挿入される CoFeの膜厚が大き!/、ほ ど、 J を増大させることが可能である。同様に、 CoFeNiなど合金の場合、 Niリッチ

SAF

な強磁性膜ほど J が減少する。また、 CoFe, NiFeに限らず、他の複数の元素 (非

SAF

磁性元素を含む)を含有する積層膜や合金膜で構成することも可能である。尚、本明 細書において、強磁性層とは、全体としての強磁性の磁ィ匕の向きが等しい層を意味 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、 NiFe/CoFeのような複数の強磁性膜からなる積層膜も 1つの強磁性層である。 また、 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も、 1つの強磁性層である。このような複数の強磁性 膜の積層膜の場合の磁化膜厚積は、各強磁性膜が単独で持つ磁化膜厚積の総和 で定義される。

[0072] 後者に関して、非磁性層の膜厚は、非磁性層の結晶性を考慮して設定されなけれ ばならない。図 9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。よって、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 材料を用いて膜厚が同一になるように形成すればょ ヽと考えられるカゝもしれな ヽ。し かし、発明者の実験によると、現実に集積ィ匕された MRAMでは、非磁性層 31と非磁 性層 33が同一の材料、同一の膜厚で形成されても、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。それは、非磁性層 31と非磁性層 3 3とで結晶性が異なってくるからである。磁ィ匕自由層 15Aは、バリア層 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を順次積層することによって形成されるので、先に形成される非磁 性層 31の Ruよりも、後に形成される非磁性層 33の Ruの方が HCP (hexagonal close packed)く 0001 >の結晶配向性が高い。 RKKY相互作用の強さは結晶配向性が 良好であるほど強ぐ同一の材料、同一の膜厚で非磁性層 31と非磁性層 33が形成 された場合、非磁性層 31よりも非磁性層 33の方が強 ヽ RKKY相互作用を発現する ようになってしまう。それら RKKY相互作用の強さが離れすぎな!/ヽように粗調整する 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ャンセルされ、非磁性 層 31と非磁性層 33が発現する反強磁性的な RKKY相互作用の強さが離れすぎな いように粗調整できる。

[0073] 具体的には、本実施形態では、ノリア層 14がアモルファス AIOであり、その上に成 長させた磁化自由層 15Aの非磁性層 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!/、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る。非磁性層 3 3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。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 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、粗調整するために有効である。故に 本実施形態では、非磁性層 31が Ru (2. lnm)で形成され、非磁性層 33が Ru(3. 5 nm)で形成されている。尚、非磁性層 31が反強磁性 2ndピークに設定された場合に 限らず、大概は、非磁性層 31に適用される反強磁性ピークに対して、非磁性層 33に 適用される反強磁性ピークが、 1次だけ高次に設定されれば、それらの反平行結合 力を同じオーダーに調整ことができる。

[0074] 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として使用し、ルテニウムを非磁性層 31〜33として使用した場合、 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)く 11 1 >配向度が高い。そのため、そ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のルテニウムの方が HCPく 0001 >配向度が高くなる。

[0075] 尚、このような技術は、上記のように積層磁ィ匕自由層が AIO ノリア層の上に形成さ れている場合に特に有効である力 それに限られるわけではない。例えば、トンネル ノリア層の下側に磁ィ匕自由層が配置される場合においても、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。そ のような場合にも、本発明に係る技術は有効である。また、磁ィ匕自由層の下地層の結 晶性が良好な場合であっても、その上に成長させるべき磁ィ匕自由層力 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。磁ィ匕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、それ により RKKY相互作用が強まることが期待される。

[0076] 以上に説明されたように反平行結合力を調整した結果、本実施の形態において、 非磁性層 31及び 33の J は、それぞれ約 0. 015ergZcm²、 0. Ol lergZcm²とな

SAF

る。これら反平行結合力を磁場の大きさに換算した Hj ( = 2J

SAF Z(M X t)：式（2)参 照）は、それぞれ 810e及び 860eであり、ほぼ等しく設定されている。発明者の実験 によれば、より定量的には、 Hjの差が 2割程度の差に収められることが望ましい。つま り、非磁性層 31と非磁性層 33の Hjの比率に相当するパラメータ [T Z(M X t ) ]/[ J Z(M X t ) ]が、 0. 8以上 1. 2以下に設定されることが望ましい。また、より厳密に

3 4 4

磁気異方性の相違まで考慮すると、強磁性層 21及び 22の平均異方性磁場 Hkは、 9. 50eであり、強磁性層 23及び 24の平均異方性磁場 Hkは 70eである。この場合

3

、非磁性層 31及び 33のフロップ磁場 [{ (Hj—Hk) X Hk}] "0. 5 (式 4 (c)参照）は、 それぞれ、 260e及び 23. 50eとなり、僅か〖こ差が広がる。この場合は、非磁性層 33 の J

SAFを若干増大させれば、より好適に動作させることが可能である。

[0077] 本実施の形態では、さらに付加的な効果を引き出す狙いとして、中央部の非磁性 層 32が最も大きい J を発現するように設定されている。非磁性層 32に関しては、そ

SAF

れ自身の材料構成や、上下に接する強磁性層界面の構成は非磁性層 31とほぼ同 等である。但し、非磁性層 32の J は、約 0. 038ergZcm²であり、 SAF中の全ての

SAF

非磁性層の中で最も大きい。それは、非磁性層 32の Ru (2. lnm)が、 NiFe (4. 8n m) /CoFe (0. 35nm) /Ru(2. lnm) /NiFe (4. 8nm) /CoFe (0. 35nm)の 下地上に形成され、その HCPく 0001 >の結晶配向性が大きくなつている為である 。非磁性層 32を介した反平行結合が外れる磁場は、非磁性層 31及び非磁性層 33 と比較して大きくなるため、磁化自由層の飽和磁場が大きく増大 (延伸）する。その結 果、書き込みマージンが拡大する。

[0078] ここで、非磁性層 32を介する反平行結合は、強ければ強 、ほどよ 、と 、うわけでは ない。なぜならば、その反平行結合があまりに強すぎると、非磁性層 32を介した強磁 性層同士がスピンフロップを起こす前に、非磁性層 31あるいは 33を介した強磁性層 同士の磁ィ匕が飽和するからである。その場合、磁ィ匕自由層全体のスピンフロップが途 切れてしまうため、書き込み不良の発生原因となる。よって、好適な反平行結合力を 得るために、非磁性層 32は、最も低い磁場でフロップする非磁性層 33よりも、一つだ け低次の反強磁性ピークを使用することが望ましい。より具体的には、非磁性層 32、 非磁性層 33がルテニウムで形成される場合には、非磁性層 32は、その膜厚が 1. 8n m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。或いは、非磁性層 32は、その膜厚が 0 . 7nmを超え、 1. 2nm未満であるように形成される場合は、非磁性層 33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る。

[0079] 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 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。或いは非磁性層 31は、反強磁性 1stピークに対応する 0. 9nmの膜厚を有するように形成され、非磁性層 33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る。

[0080] 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 15A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 、A10で形成されることも可能である。

[0081] 上部電極層 17は、磁ィ匕自由層 15A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、 TiN、 Cu、 Alで形成される。

[0082] (第 2の実施の形態）

図 7Bは、本発明の第 2の実施の形態に係る MTJ素子 1Bの構成を示す断面図であ る。図 7Bに示されている MTJ素子 1Bは、図 7Aに示されている MTJ素子 1Aと同様 に、磁ィ匕自由層 15B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。

[0083] 相違点は磁ィ匕自由層中の、強磁性層 21〜24の磁気体積の設定と、非磁性層 31 〜33を介した反平行結合力の設定である。第 2の実施形態では磁化自由層 15Bは 、トンネルバリア層 14上の強磁性層 21から、キャップ層 16下の強磁性層 24まで次の ような膜構成を有する：

トンネルバリア層 ZNiFe (3nm) ZCoFe (0. 35nm) /Ru (2. Inm) /NiFe (3n m) /CoFe (0. 35nm) /Ru(2. Inm) /NiFe (4. 6nm) /CoFe (0. 45nm) /R u (3. 5nm) /NiFe (4. 6nm) /CoFe (0. 45nm) Zキャップ層。

[0084] 強磁性層 21と 22の磁ィ匕膜厚積は同じ 3. 15Tnmであり、強磁性層 23と 24の磁ィ匕 膜厚積は同じ 4. 72Tnmである。強磁性層 21と比較して、強磁性層 24の磁ィ匕膜厚 積の方が 1. 5倍ほど磁気膜厚は大きい。また、非磁性層の 31の反平行結合エネル ギー Jはおよそ 0. 013ergZcm²であり、非磁性層 32の反平行結合エネルギー Jは

1 3 およそ 0. 021ergZcm²である。このとき、非磁性層 31に関連する Hjは 107Oe、非 磁性層の 33に関する Hjは 1140eを有するように設定されており、ほぼ等しい。この 結果、強磁性層 21と強磁性層 24の反平行結合はほぼ同時に外れることが可能とな り、好適に動作する。また本実施の形態では、強磁性層 21と 22及び強磁性層 23と 2 4とは、全く同一構成を有し、さらにそれら結晶性も近いので好適である。

[0085] また、第 2の実施の形態では、非磁性層 33に関して、非磁性層 31よりも強い反平 行結合力が求められているので、非磁性層 33を 2ndピークに対応する Ru (2. Inm) としてもよい。その場合、非磁性層 33をそのまま Ru (2. Inm)で置換すると、反平行 結合力が強くなりすぎるので、例えば強磁性層 23の CoFe(0. 45nm)を減少させ、強 磁性層 23を殆ど NiFeのみで構成することにより、非磁性層 33の反平行結合力を好 適な値に微調整することができる。このとき、非磁性層 31と非磁性層 33は、ほぼ同じ 膜厚と材料で構成されるが、非磁性層 31と非磁性層 33の上下界面に直接接してい る全ての部分の元素構成比率は異なっている。具体的には、非磁性層 31の上下界 面には Ni,Fe ,Co t\、つた元素が直接接して 、るが、非磁性層 33に関しては Niと Fe のみである。非磁性層 33と比較して、非磁性層 31に接している部分の元素構成比 率は Coリッチである。 [0086] (第 3の実施の形態）

磁ィ匕自由層を構成する SAFに含まれる強磁性層の数が、第 1,第 2の実施の形態 と異なる場合や、その数が偶数ではなく奇数である場合にも、本発明は適用可能で ある。例えば、図 7Cに示されているように、 MTJ素子 1Cの磁ィ匕自由層 15C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で形成される例を 説明する。

[0087] この場合、トンネルノリア層 14上の強磁性層 21から、キャップ層 16下の強磁性層 2

3までの膜構成の一例として、次のような構成が挙げられる：

トンネルバリア層 ZNiFe (4. 6nm) /CoFe (0. 45nm) /Ru (2. lnm) /NiFe (

8. 4nm) /CoFe (0. 4nm) /Ru(3. 5nm) /NiFe (3. 7nm)Zキャップ層。

[0088] 上記の構成で、強磁性層 21は NiFe (4. 6nm) /CoFe (0. 45nm)に相当し、強 磁性層 23は NiFe (3. 7nm)に相当し、強磁性層 22は NiFe (8. 4nm) /CoFe (0.

4nm)に相当する。

[0089] また、第 1の実施の形態と同様の理由で、 HCPく 0001 >の結晶配向性の悪い非 磁性層 31に対して Ru (2. lnm)の反強磁性 2nd— peakを使用し、結晶配向性がや や改善されている非磁性層 32に対して Ru(3. 5nm)の反強磁性 3rd— peakを使用 することにより、反平行結合力が粗調整されている。磁化膜厚積は、強磁性層 21に 対しては約 4. 72Tnm、強磁性層 22に対しては約 7. 9Tnm、強磁性層 23に対して は約 3. 15Tnmである。このように、強磁性層 22の磁ィ匕膜厚積は、強磁性層 21及び 23の磁化膜厚積の和〖こなるように設定されて!、る。

[0090] また、より一般に、 N個の強磁性層（Nは 3以上の奇数)の多層 SAF磁ィ匕自由層の 場合、磁ィヒ自由層の最上層である第 N強磁性層と最下層である第 1強磁性層が持つ 磁ィ匕膜厚積の和とほぼ同じになるように、最中央部である第（（1 +N) Z2)強磁性層 の磁ィ匕膜厚積が設定されればよい。その理由は、次の通りである。 Nが奇数の場合 の多層 SAFでは、常に最上部及び最下部の強磁性層が、残留磁化状態で平行配 置となる。従って、第 N強磁性層と第 1強磁性層の磁ィ匕膜厚積をキャンセルする役目 を、多層 SAF中の最も中央部の強磁性層一層に担わせることにより、磁化自由層全 体のスピンフロップが安定化される。 Nが奇数の場合、残留磁化状態において最中 央層である第（（1+N)Z2)強磁性層の磁ィ匕は、必ず、第 N強磁性層及び第 1強磁 性層の磁ィ匕に対して反平行となる。また、特に N=3及び N=5の多層 SAFでは、最 中央部の磁性層によって、最上部及び最下部の強磁性層の磁ィ匕を打ち消さなけれ ば、磁ィ匕自由層全体の磁ィ匕を、残留磁ィ匕状態においてキャンセルできない。

[0091] 本実施の形態は、上記のとおり、磁化の調整方法以外は第 1、第 2、第 4の実施形 態と同じである。最上部及び最下部の強磁性層が、外部磁場に対して同時に外れる ように設定されれば良い。本実施形態に示された例では、非磁性層 31および非磁性 層 32の反平行結合エネルギー定数は、それぞれ J

J =0.014 ergZcm²程度であり、それらを磁場に換算したパラメータ J / (M Xt) J / (M X

1 1 1 2 3 t )は、それぞれ、 530e及び 560eとほぼ等しくなるように設定されている。

3

[0092] (第 4の実施の形態）

より一般的に、 Nは 4または 6以上の整数とし、多層 SAFが N層の強磁性層と N— 1 層の非磁性層とからなる場合に、本発明の動作に必要な構成を説明する。最下層の 強磁性層を第 1強磁性層、最上層の強磁性層を第 N強磁性層とし、最下層の強磁性 層の直上の非磁性層を第 1非磁性層、最上層の強磁性層直下の非磁性層を第 N— 1非磁性層とする。最低限必要な条件として、 M Xt Xt

1 1と M

2 2は等しぐ M Xt

N-1 N- と M Xtが等しいことが必要である。さらに、 M Xt >M Xtであり、且つ、 J >J

I N N 1 1 N N I N であること、あるいは、 M M

1 xtく

1 N xtで、且つ、 J <Jであることが必要である。さ

N I N

らに、パラメータ J 1Z(M xt) ]

1 1 N Z(M

N xt )とをほぼ等しくすれば、より好適に動 N

作する。

[0093] また、第 1強磁性層と第 2強磁性層の平均の異方性磁場 Hk力 第 (N— 1)強磁性 層と第 N強磁性層との平均の異方性磁場 Hk に対して大きく異なる場合は、最上

N-1

層と最下層の SAF結合部が単独に存在した場合のフロップ磁場に相当するパラメ一 タ [{2J Z(M Xt )— Hk }XHk ]と [{2J Z(M Xt )— Hk }XHk ]とが

1 1 1 1 1 N-1 N N N-1 N-1 ほぼ等しいことが必要となる。このような用件を満たすように、非磁性層の膜厚や材料

、磁性層 Z非磁性層の界面材料、磁性層の膜厚などを変更することによって、磁ィ匕 自由層の各パラメータが制御されればよい。

[0094] Nが奇数で 7層、 9層、 11層など大きい磁ィ匕自由層の場合、既出の第 3の実施形態 よりも第 4の実施形態のほうが好適である。なぜならば、本実施形態によれば、最も隣 接する強磁性同士 (第 1強磁性層と第 2強磁性層、及び第 N— 1強磁性と第 N強磁性 層）が磁気的に等価に設定され、磁化自由層内で、残留磁化状態で反平行配置をと る強磁性層同士を、磁気的により等価にしゃす ヽからである。

[0095] 第 2〜第 (N— 2)の非磁性層の J は、第 1及び第 N—1の非磁性層と比較して同

SAF

等以上に設定することが好適である。さらに、磁化自由層の飽和磁場を一層延伸さ せる上で、第 2〜第 (N— 2)の非磁性層の中に、意図的に強い反平行結合力をもつ 非磁性層を設けることが有効である。そのような非磁性層は最中央部に位置すること が望ましぐ Nが偶数の場合は第 (NZ2)非磁性層の反平行結合力がもっとも大き!ヽ ことが好適である。具体的には、第 (NZ2)非磁性層の反強磁性ピークの次数は、第 N—1非磁性層の次数と比較して一つだけ小さくなるように、各非磁性層の膜厚を設 定することが好適である。

[0096] 具体例として、本発明の MRAM記憶ビット部 40Aの断面が図 8Aに示されている。

この MRAM記憶ビット部 40Aは、 6層の強磁性層 21〜26と、それらの間に挿入され た 5層の非磁性層 31〜35で構成された磁ィ匕自由層 15Dを有する。トンネルバリア層 14上の強磁性層 21から、キャップ層 16下の強磁性層 26までの好適な形態の 1例と して次のような膜構成が挙げられる：

トンネルバリア層 ZNiFe (4nm) ZCoFe (0. 35nm) /Ru (2. lnm) /NiFe (4n m) /CoFe (0. 35nm) /Ru (3. 5nm) /NiFe (2nm) /CoFe (0. 25nm) /Ru ( 2. lnm) /NiFe (2nm) /CoFe (0. 25nm) /Ru (3. 5nm) /NiFe (3nm) /Co Fe (0. 25nm) /Ru (3. 5nm) /NiFe (3nm) /CoFe (0. 25nm)Zキャップ層。

[0097] 図 8Aに示されるように、一般に実デバイスにおいては、 MRAM記憶ビット部 40A 中の磁ィ匕自由層の側壁部は、垂直には加工されずに、傾斜を有している。このとき、 磁気抵抗を決定する接合面積は、トンネルバリア層と第 1強磁性層が接する界面の 面積で規定される。各強磁性層が全く同じ厚さに成膜された場合、各強磁性層の実 効的な磁気膜厚 t〜tは、 t >t >t >t >t >tとなる。よって、実デバイスの加工

1 6 1 2 3 4 5 6

に起因した磁気体積差を考慮して、強磁性層 21〜26の成膜時の膜厚を調整しなけ ればならない。本実施の形態によれば、非磁性層 21である Ru (2. lnm)を介した S AFの J / (M X t )と、非磁性層 25である Ru (3. 5nm)を介した SAFの J / (M X t

1 1 1 5 6 )は、ほぼ等しくなるように設定される。強磁性層の等価性が要求される組は、隣接

6

する強磁性層 21と強磁性層 22、強磁性層 23と強磁性層 24、及び強磁性層 25と強 磁性層 26である。図 8Aから明らかなように、それらの組に関しては、加工に起因した 磁気体積差は生じづらぐまた結晶性に起因した磁気特性の差も小さい。また、最中 央の非磁性層 23に関しては、 Ru2. lnmの 2nd反強磁性ピークが使用され、かつ、 結晶性も良好であるため、最も大きな反強磁性結合力が得られる。従って、磁ィ匕自由 層の飽和磁場が延伸し、書き込みマージンが広がる。

[0098] 比較として、従来技術に従って作製された MRAM記憶ビット部 40Bの断面が図 8B に示されている。この MRAM記憶ビット部 40Bは、同様に 6層の強磁性層 21〜26と 、それらの間に挿入された 5層の非磁性層 31〜35で構成された磁ィ匕自由層 15Eを 有する。トンネルノリア層 14上の強磁性層 21から、キャップ層 16下の強磁性層 26ま での好適な膜構成の一例として、次のような構成が挙げられる：

トンネルバリア層 ZNiFe (4nm) ZCoFe (0. 35nm) /Ru (2. lnm) /NiFe (2n m) /CoFe (0. 35nm) /Ru (3. 5nm) /NiFe (3nm) /CoFe (0. 25nm) /Ru ( 2. lnm) /NiFe (3nm) /CoFe (0. 25nm) /Ru (3. 5nm) /NiFe (2nm) /Co Fe (0. 35nm) /Ru (3. 5nm) /NiFe (4nm) /CoFe (0. 35nm)Zキャップ層。

[0099] 非磁性層 31と 35の反平行結合力はほぼ等しぐかつ、強磁性層 21〜26の磁ィ匕膜 厚積は上下方向に対称に設定される。しかし、成膜時にそのような磁ィ匕膜厚積となる ように形成しても、図 8Bより明らかなように、強磁性層の等価性が要求される組 (強磁 性層 21と強磁性層 26、強磁性層 22と強磁性層 25、強磁性層 23と強磁性層 24)に 関しては、素子加工プロセスにより生じる体積差によって、磁気体積の等価性が大き く損なわれる。また、それらの強磁性層が形成された SAF中の位置を考えても、結晶 性に起因した磁気特性の差も大幅に生じうる。磁気体積の差に関しては、どの層がど れだけの磁気体積を持つのカゝ把握することが難しぐ接合側壁の形状がより複雑な 場合では、磁気体積を把握することは不可能である。このように従来技術の多層 SA Fの磁気体積の差や膜質の差をキャンセルさせることは容易なことではない。

[0100] 以上、実施形態の説明において、第 1非磁性層に対して、第 (N—1)非磁性層の 膜厚が厚くなるような例が示された。第 (N—1)非磁性層に対して、第 1非磁性層の 膜厚を厚くなるように構成されてもよい。また、例えば成膜条件などを工夫するなどし て膜質の差が縮小した場合や、非磁性層の膜厚制御性を向上させ、非磁性膜厚の みによって厳密な反強磁性結合エネルギーを制御可能な場合は、このような構成が 採用されなくてもよい。重要な点は、膜形態ではなぐ実効的な反強磁性結合力の大 きさである。

[0101] 以下、様々な磁ィ匕自由層構造を有する MRAMに対する動作実験例が実施例とし て示される。

[0102] 1.フロップ磁場、飽和磁場、及び書き込みマージンの評価

2層の強磁性層と 1層の非磁性層カゝらなる通常の SAFと、 4層の強磁性層と 3層の 非磁性層からなる多層 SAFを磁ィ匕自由層とした MTJが 8インチ基板に複数作製され た。 100〜120個の MTJ素子に関して、トグル書き込みが調べられ、フロップ磁場、 飽和磁場と書き込みマージン及び動作率が評価された。磁ィ匕自由層の 4層 SAFは 従来技術と本発明の技術を用いた試料が作製され、特性が比較された。 MTJ素子 の平面形状は主に 0. 6 X 1. 2 m²の長円形である。また一部 0. 4 X 0. 8 m²の長 円形の素子についても評価を行った。

[0103] 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。

[0104] 本実施例で作製された MTJの構成は、次の通りである：

基板 ZTa (20nm) ZPtMn(20nm) ZCoFe (2. 5nm) /Ru (0. 9nm) /CoFe ( 2. 5nm) /Al (0. 9nm) 0 Z磁化自由層 ZA1 (0. 7nm) 0 /Ta (100nm) _o

[0105] 図 10A及び図 10Bは、各試料の磁ィ匕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または 4であり、強磁性層の材料'膜厚は、磁ィ匕自由 層の全体としての残留磁化が 0であるように微調整されている。磁ィ匕自由層の非磁性 層は、いずれも、ルテニウムで形成されている。ここで NiFeとして、パーマロイ（Ni F

81 e )が使用されている。以下では、各試料の特徴が概略的に説明される。

19

[0106] 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。その他の試料は 、ずれも 4層の強磁性層と 3層の非磁性層を含む SAFで形 成されている。第 1非磁性層は反強磁性 2ndピークに対応する 2. lnmのルテニウム が用いられている。第 2非磁性層に関しては 2. lnmのルテニウムが用いられており、 この非磁性層は、結晶配向性が良好で且つ反強磁性 2ndピークであるため、他の非 磁性層の 3倍以上の反強磁性結合エネルギーを持つ。基板から離れて位置する第 3 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。

[0107] 比較例 2の磁化自由層は、全ての強磁性層の磁ィ匕膜厚積がほぼ等しぐかつ、第 1 非磁性層及び第 3非磁性層の反平行結合力はほぼ等しい。各強磁性層の磁化膜厚 積は 3. 15Tnmである。

[0108] 比較例 3〜7及び実施例 1〜4は、全て第 1強磁性層と第 2強磁性層の磁ィ匕膜厚積 がほぼ 4. 72Tnmであり等しぐ第 3強磁性層と第 4強磁性層の磁ィ匕膜厚積がほぼ 3 . 15Tnmであり等しぐかつ第 1強磁性層は第四強磁性層に対して 1. 5倍大きぃ磁 化膜厚積を持つ。比較例 3〜6および実施例 1〜2の試料では、第 1強磁性層中の N iFeZCoFeの比率を変化させて、第 1非磁性層の反平行結合エネルギーのみを変 化させている。また、比較例 7および実施例 3〜4の試料では第 3強磁性層中の NiFe ZCoFeの比率を変化させて、第 3非磁性層の反平行結合エネルギーのみを変化さ せている。いずれも CoFeの膜厚が増えるほど、その上部の非磁性層の反平行結合 力は増大する。図 10B中に第 1、第 3非磁性層直下の強磁性層界面に存在する CoF eの厚さが示されている。

[0109] 図 11には、比較例 1〜7及び実施例 1〜4の磁化自由層を用いた 0. 6 X 1. 2 μ ΐα トグル MRAMデバイスの動作率とフロップ磁場、飽和磁場が示されている。比較例 1 と比較例 2を比較すると、フロップ磁場はそれぞれ、 38 (Oe)、 37 (Oe)の周囲に分布 し、飽和磁場はそれぞれ、 157 (Oe)、 570 (Oe)の周囲に分布していた。強磁性層 を 2層から 4層にすることで、書きこみマージンが大きく増大して 、る。 [0110] 比較例 3〜6および実施例 1〜2の試料は、第 3非磁性層の反平行結合力（反平行 結合エネルギー定 )が固定され、第 1非磁性層の反平行結合力 (反平行結合ェ

3

ネルギ一定 ¾J )のみが増大していく試料に相当する。最も Jが小さい試料に対応す る比較例 3では、ごく一部の素子でダイレクト反転を示す素子が存在した力 トグル反 転を示す素子は全く存在しな力つた。比較例 4、 5と、 Jが増大していくにつれてトグ ル動作率が向上していき、実施例 1、 2の試料において、それぞれトグル動作率が 98 %及び 100%と非常に高歩留まりでトグル書き込みが行われた結果が得られた。更 に】が増加された試料である比較例 6では、トグル動作率が 65%と減少してしまった 。実施例 1の試料では、平均のフロップ磁場は 42 (Oe)、飽和磁場は 602 (Oe)であ つた。実施例 2の試料では、平均のフロップ磁場は 44 (Oe)、飽和磁場は 606 (Oe) であった。

[0111] また、比較例 5、実施例 4、実施例 3、比較例 7の試料は、第 1非磁性層の反平行結 合力が固定され、第 3非磁性層の反平行結合力のみが減少していく試料に相当する 。第 3非磁性層の反平行結合力が減少していくにつれて、トグル動作率が向上して いき、実施例 3、 4の反平行結合力において、それぞれ動作率 93%及び 100%の結 果が得られた。実施例 3の試料では、平均のフロップ磁場は 36 (Oe)、飽和磁場は 5 65 (Oe)である。実施例 4の試料では、平均のフロップ磁場は 37 (Oe)、飽和磁場は 576 (Oe)であった。書き込みマージンに相当する比率 (飽和磁場 Zフロップ磁場） は、比較例 1では 4と小さいが、実施例 1〜4では、その比率は大幅に増大し全て 10 以上となる。本発明によって、高いトグル動作率を示し、かつ、フロップ磁場をほぼ一 定としたまま、書き込みマージンの著しい向上が可能であることが実証された。

[0112] さらに比較例 1及び 2、実施例 2、実施例 4のトグル動作特性を詳細に比較した結果 力 図 12に示されている。図 12中には、 0. 6 X 1. 2 m²素子のフロップ磁場と、そ のばらつきに相当する標準偏差、飽和磁場、書き込みマージン、及びトグル書き込 み動作率が示されている。さらに 0. 6 X 1. 2 μ r RX!O. 4 X 0. 8 /z m²素子の間の ダイレクト反転領域幅の差が示されて ヽる。ダイレクト領域幅もフロップ磁場及び飽和 磁場と同様に、容易軸方向に対して測定したものである。

[0113] フロップ磁場のばらつき (標準偏差 σ )は、従来技術に係る 4層 SAF磁化自由層 である比較例 2では、 3. 3 (Oe)である。それに比べて、本発明に係る 4層 SAF磁ィ匕 自由層である実施例 2及び 4では、フロップ磁場のばらつきの大きさはそれぞれ、 2. 5 (Oe)および 2. l (Oe)と小さい。これらの試料を、例えば 1Mビット MRAMに適用 させた場合を考える。書き込み磁場値を「平均フロップ磁場値 + 5 X σ 」とすると、

flop

その書き込み磁場値は、比較例 2の試料では 53. 5 (Oe)、実施例 2の試料では 56. 5 (Oe)、実施例 4の試料では 47. 5 (Oe)となる。特に実施例 4の試料では、フロップ 磁場も小さぐばらつきも小さいため、書き込み磁場が最も低減されている。

[0114] また 0. 6 X 1. 2 μ r RX!O. 4 X 0. 8 m²素子とのダイレクト領域幅の差に関して は、 2層 SAF力も構成された通常のトグル磁ィ匕自由層力もなる比較例 1で 2. 20eとも つとも小さい。実施例 2及び 4でも、その差は、それぞれ 2. 8 (Oe)及び 3. l (Oe)と小 さい。一方、比較例 2では、その差が 5. 8 (Oe)と最も大き力つた。ダイレクト反転領域 幅が素子サイズによって変わるということは、 SAF中の各強磁性層の磁気体積の差 が素子サイズによって変わっていることを意味する。これは、例えば図 8A、図 8Bに示 されたような、加工プロセスによって生じる磁ィ匕自由層側壁部の磁気体積不均一性 などの影響と考えられる。このように、本発明に係る多層 SAF磁ィ匕自由層によれば、 従来技術に係る多層 SAF磁ィ匕自由層に比べて、フロップ磁場のばらつきも小さぐ かつ、ダイレクト反転領域の大きさも素子サイズに影響しづらぐダイレクト反転領域を より低減しやすい。

[0115] 2. RKKY相互作用による反強磁性的結合の評価

トグル書き込み特性評価の結果と、磁化自由層の反平行結合力や磁化膜厚積の 関係が調べられた。

[0116] 比較例 3〜6及び実施例 1〜4の磁ィ匕自由層の"第 1非磁性層"を介した反平行結 合力を調べるために、以下の試料が作製され、磁化曲線が評価された：

基板 ZTa (20nm) ZPtMn (20nm) ZCoFe (2. 5nm) /Ru (0. 9nm) /CoFe (

2. 5nm) /A1 (0. 9nm) 0 /NiFe/CoFe/Ru ( 2. lnm) /NiFe (4. 8nm) /C oFe (0. 35nm) /Ru (2. lnm) /Ta ( 10nm) _o

[0117] 比較例 3〜6及び実施例 1〜4の磁ィ匕自由層の"第 3非磁性層"を介した反平行結 合力を調べるために、以下の試料が作製され、磁化曲線が評価された： 基板 ZTa(20nm)ZPtMn(20nm)ZCoFe(2.5nm) /Ru(0.9nm) /CoFe ( 2.5nm)/Al(0.9nm)0 /NiFe (4.8nm) /CoFe(0.35nm) /Ru(2.5nm) /NiFe (4.8nm) /CoFe(0.35nm) /Ru(2.5nm) /NiFe/CoFe/Ru(3.5 nm) /NiFe (3.7nm) /A1(0.7nm)0 /Ta(10nm)

[0118] この試料では第 1及び第 2非磁性層の Ru厚を 2.5nmとし、反平行結合力をほぼ 零とすることで、第 3非磁性層と第 3及び第 4強磁性層で構成された SAF部のみの磁 化曲線を評価できる。このとき第 3非磁性層の結晶性は、比較例 3〜6及び実施例 1 〜4とほぼ同一である。

[0119] 図 13は、上記の SAF部の磁ィ匕曲線力 得られた飽和磁場と、各 Ru非磁性層直下 の CoFe膜厚との関係を示している。第 1非磁性層及び第 3非磁性層の SAF部の飽 和磁場は、直下の強磁性層界面の CoFe厚の増大にほぼ比例して増加していること がわかる。飽和磁場は、ほぼ反平行結合エネルギーの大きさを反映しており、 CoFe 厚が増大するほど、それぞれの非磁性層の反平行結合エネルギーは増大して 、くこ とが示されている。

[0120] また、 SAF中の各強磁性層の磁ィ匕膜厚積および異方性磁場を評価するために、 以下の膜構成の積層膜が作製された：

基板7丁&(2011111)7八1(0.9nm)0 Zシード層 ZNiFeZCoFeZキャップ層 ZT a(10nm)_o

この積層膜が 1 X 1cm²角にカットされた試料が作製され、磁ィ匕曲線が評価された。 上記試料において、シード層に対しては、評価対象の強磁性層によって Ru (2. In m)が用いられる力 用いられなかった。また、キャップ層に関しては、評価対象の強 磁性層によって Ru (2. lnm)か A1(0.7nm)0のいずれかが選択された。

[0121] 磁化膜厚積、異方性磁場、図 13に示された飽和磁場から、比較例 3〜6及び実施 例 1〜4の磁化自由層中の J、 J、 M Xt、 M Xtの値が求められた。各試料に関

1 3 1 1 4 4

する比率 QiZ(M Xt /(M Xt )]と、 0.6X1. 素子でのトグル動

1 1 1 3 4 4

作率との関係が、図 14に示されている。図 14より、比較例 3〜6及び実施例 1〜4全 ての素子のトグル動作率と比率 Q[ t；)]との間には、明確

1 Z(M Xt

1 1 3 Ζ(Μ X

4 4

な相関があることがわかる。全ての試料について、 J /(M Xt )ゃ】 /(M Xt )の 値が異なっていても、 [J /(M Xt /(M Xt )] = 1を中心として、トグル動

1 1 1 3 4 4

作率はピークを持つように変化する。また、比率 ϋ Z(M xt

1 1 1 )]Ζϋ Z(M xt )]

3 4 4 に対するトグル動作率は、同じ曲線上にいる。 [J /(M Xt /(M Xt )]=

1 1 1 3 4 4

1の場合、トグル動作率は 100%である。また、特に 0.8< [J Z(M Xt /(

1 1 1 3

M Xt )]<1· 2の範囲で、 100%のトグル動作率力、それに近い値が得られている

4 4

。その範囲は、実施例 1〜4に相当する範囲であり、素子特性として非常に良好であ る。これらの実験結果は、本発明の多層トグルにおいて、最下層と最上層の非磁性 層の磁場に換算した量に相当する J Z(MXt)が等しいほど、言い換えると、最下

SAF

層と最上層の強磁性層の反平行結合が、外部磁場に対して同時に外れるように設定 するほど、多層 SAF力も構成された磁ィ匕自由層が、良好にトグル動作するようになる ことを示唆している。

[0122] 最後に、実施例 1〜4の磁ィ匕自由層において大きな飽和磁場を実現している第 2非 磁性層の反平行結合力の大きさが、以下の試料を用 ヽて評価された：

基板 ZTa(20nm)ZPtMn(20nm)ZCoFe(2.5nm) /Ru(0.9nm) /CoFe ( 2.5nm)/Al(0.9nm)0 /NiFe (4.8nm) /CoFe(0.35nm) /Ru(2.5nm) /NiFe (4.8nm) /CoFe(0.35nm) /Ru(2. lnm) /NiFe (3nm) /CoFe (0. 35nm) /Ru(3.5nm)/Ta(10nm)。

この試料では第 1非磁性層の Ru厚を 2.5nmとし、反平行結合力をほぼ零とするこ とで、第 2非磁性層と第 2及び第 3強磁性層で構成された SAF部のみの磁ィ匕曲線を 評価できる。

[0123] 上記の SAFの飽和磁場はおよそ 2550eであった。この飽和磁場値は、 J [1/(M

2 2

Xt )+l/(M Xt )]に等しいので、反平行結合エネルギー定数に換算する =

2 3 3 2

0.038ergZcm²に相当する。実施例 1〜4において第 3非磁性層の SAF部が示す Hj = 2J /(M Xt )は 680e〜1320eの範囲であり、本実施例によって比率 {J [1

3 4 4 2

Z(M Xt )+l/(M Xt )]}/{2J Z(M Xt )}は 1· 9以上 3· 75以下の範囲で

2 2 3 3 3 4 4

好適に動作することが実証された。この結果から、第 2非磁性層と第 3非磁性層との 反平行結合エネルギー定数の比率、 {J

2 [1Z(M Xt

2 2 )+lZ(M Xt

3 3 )]}Z{2J

3 Ζ(

M Xt )}は 4以下の範囲で設定することが可能であることがいえる。本実施例ではこ のように反平行結合力を設定することにより、低いフロップ磁場のまま大きな飽和磁 場値、すなわち、書き込みマージンを実現している。

以上に説明されたように、本発明によれば、 3層以上の強磁性層を含む多層 SAF を磁化自由層として使用する MRAMが提供される。その MRAMの動作率が向上し 、不良ビットが低減される。また、本発明によれば、実デバイス上での磁気特性の制 御性が容易になる。また、本発明によれば、 MRAMの書き込み特性を改善し、書き 込み電流値を低減することが可能となる。更に、本発明によれば、 MRAMの書き込 みマージンを増大させることが可能となる。

Claims

請求の範囲

基板と、

磁気抵抗素子と

を具備し、

前記磁気抵抗素子は、

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層と

を有し、

前記磁ィ匕自由層は、

第 1〜第 N強磁性層（Nは 4、または 6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— 1非磁性 層と

を含み、

前記第 1〜第 N— 1非磁性層のうちの第 k非磁性層（kは、 1以上 N— 1以下の整数) は、前記第 1〜第 N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— 1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— 1非磁性層は、前記第 1〜第 N—1非磁性層のうちで前記基 板カゝら最も離れて位置し、

前記第 k強磁性層の体積、磁化及び実効膜厚が、それぞれ V、 M及び tで表され

k k k

、ここで、前記実効膜厚 tは、前記体積 Vを前記磁化自由層の平面方向の平均面

k k

積で割った値であり、

前記第 k強磁性層の磁化の向きと前記第 (k+ 1)強磁性層の磁ィ匕の向きの相対角 度が、 Θ

kで表され、

前記第 k非磁性層を介した前記第 k強磁性層と前記第 (k+ 1)強磁性層の反平行 結合エネルギーが、反平行結合エネルギー定数 Tを用いて、 J cos Θ で表されるとき M Xtと M Xtは実質的に等しぐ

1 1 2 2

M Xt と M Xt は実質的に等しぐ

N-l N-l N N

また、下記のいずれかの関係：

M xt >M xt、且つ、 J >J 、または、

1 1 N N 1 N-l

M Xt <M Xt、且つ、 J <J

1 1 N N 1 N-l

が満たされる

MRAM。

[2] 前記 Nは 4である請求の範囲 1に記載の MRAM。

[3] 基板と、

磁気抵抗素子と

を具備し、

前記磁気抵抗素子は、

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層と

を有し、

前記磁ィ匕自由層は、

第 1〜第 N強磁性層（Nは 3以上の奇数)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— 1非磁性 層と

を含み、

前記第 1〜第 N— 1非磁性層のうちの第 k非磁性層（kは、 1以上 N— 1以下の整数) は、前記第 1〜第 N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— 1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— 1非磁性層は、前記第 1〜第 N—1非磁性層のうちで前記基 板カゝら最も離れて位置し、

前記第 k強磁性層の体積、磁化及び実効膜厚が、それぞれ V、 M及び tで表され 、ここで、前記実効膜厚 tは、前記体積 Vを前記磁化自由層の平面方向の平均面

k k

積で割った値であり、

前記第 k強磁性層の磁化の向きと前記第 (k+ 1)強磁性層の磁ィ匕の向きの相対角 度が、 Θ で表され、

k

前記第 k非磁性層を介した前記第 k強磁性層と前記第 (k+ 1)強磁性層の反平行 結合エネルギーが、反平行結合エネルギー定 #αを用いて、 j cos Θ で表されるとき

k k k

M X tと M X t の和は、 M に実質的に等しぐ

1 1 N N (N + D/2

また、下記のいずれかの関係：

M x t >M x t、且つ、 J >J 、または、

1 1 N N 1 N- l

M X t < M X t、且つ、 J <J

1 1 N N 1 N- l

が満たされる

MRAM。

[4] 請求の範囲 1乃至 3のいずれかに記載の MRAMであって、

前記磁化自由層の残留磁ィ匕は飽和磁場の 10%以内である

MRAM。

[5] 請求の範囲 1乃至 4のいずれかに記載の MRAMであって、

ワード線と、

前記ワード線に直交するビット線と、

前記ワード線と前記ビット線との交差点に設けられ、前記磁気抵抗素子を含む記憶 素子

とを更に具備し、

前記磁気抵抗素子の前記磁化自由層の容易軸方向は、前記ワード線又は前記ビ ット線の延伸方向に対して 45度の角をなす

MRAM。

[6] 請求の範囲 1又は 2に記載の MRAMであって、

前記第 1強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、前記第 N強磁 性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい MRAM。

[7] 請求の範囲 3に記載の MRAMであって、

前記第 1強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、前記第 N強磁 性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい

MRAM。

[8] 請求の範囲 6又は 7に記載の MRAMであって、

J /(M Xt ) ]

1 1 1 N-1 Z(M Xt )とは実質的に等しい

N N

MRAM。

[9] 請求の範囲 8に記載の MRAMであって、

{J /(M Xt )}/{j Z(M Xt )}は 0.8以上 1. 2以下である

1 1 1 N-1 N N

MRAM。

[10] 請求の範囲 6又は 7に記載の MRAMであって、

前記第 k非磁性層を介した第 k強磁性層と第 (k+ 1)強磁性層の平均全異方性磁 場力 Hkで表されるとき、

k

[{2J Z(M Xt )— Hk }XHk ]と [{2J /(M Xt )— Hk }XHk ]とは

1 1 1 1 1 N-1 N N N-1 N— 1 実質的に等しい

MRAM。

[11] 請求の範囲 10に記載の MRAMであって、

[{2J /(M Xt )-Hk }XHk ]/[{2J Z(M Xt )— Hk }XHk ]は 0

1 1 1 1 1 N-1 N N N-1 N-1

. 8以上 1. 2以下である

MRAM。

[12] 請求の範囲 6に記載の MRAMであって、

前記 Nが偶数であり、

前記 kが 1以上の奇数であり、

前記第 k強磁性層と前記第 k+ 1強磁性層は、実質的に同じ磁気体積を有する MRAM。

[13] 請求の範囲 6に記載の MRAMであって、

前記 Nは 4以上の偶数であり、 前記反平行結合エネルギー定 は、 k = NZ2の場合に最も大きくなる

k

MRAM。

[14] 請求の範囲 13に記載の MRAMであって、

次の関係：

[J {1/(M Xt )+l/(M Xt )}]/[2J /(M Xt )]<4

N/2 N/2 N/2 N/2 + 1 N/2 + 1 N_l N N が満たされる

MRAM。

[15] 請求の範囲 13又は 14に記載の MRAMであって、

前記第 1非磁性層を挟む前記第 1強磁性層及び前記第 2強磁性層からなる SAFと 、前記第 N— 1非磁性層を挟む前記第 N— 1強磁性層及び前記第 N強磁性層からな る SAFが示す飽和磁場は、

前記第 NZ2強磁性層と前記第 NZ2 + 1強磁性層との間の反平行結合が解け始 める外部磁場よりも大きい

MRAM。

[16] 請求の範囲 6又は 7に記載の MRAMであって、

前記反平行結合エネルギー定 (前記 kは 1、 N- 1以外）は、 Jまた【お と比較

k 1 N-1 して同等以上の大きさである

MRAM。

[17] 請求の範囲 6又は 7に記載の MRAMであって、

前記第 k非磁性層に関する RKKY相互作用の反強磁性ピークの次数が aで表さ

k れ、

前記第 1非磁性層は、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— 1非磁性層は、第 α 次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を

N-1

有し、

J >J の場合、 a < a の関係が満たされ、

1 N-1 1 N-1

J <J の場合、 a >a の関係が満たされる

1 N-1 1 N-1

MRAM。

[18] 請求の範囲 17に記載の MRAMであって、 J >J の場合、 a = a + 1の関係が満たされ、

1 N- l N- l 1

J <J の場合、 α = α + 1の関係が満たされる

1 N- l 1 N- 1

MRAM。

[19] 請求の範囲 18に記載の MRAMであって、

J >J

1 N- 1の場合、

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形成され、 前記第 N—1非磁性層は、 3. Inn！〜 3. 9nmの厚さを有するルテニウム層で形成 され、

J く J

1 N- 1の場合、

前記第 1非磁性層は、 3. Inn！〜 3. 9nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、 前記第 N—1非磁性層は、 1. 8nm〜2. 5nmの厚さを有するルテニウム層で形成 される

MRAM。

[20] 請求の範囲 17乃至 19の!、ずれかに記載の MRAMであって、

J >J

1 N- 1の場合、

前記第 2〜第 N— 2非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層は、前記第 N— 1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し、

J く J

1 N- 1の場合、

前記第 2〜第 N— 2非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層は、前記第 1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。

[21] 請求の範囲 6に記載の MRAMであって、

前記 Nは偶数であり、

前記第 k非磁性層に関する RKKY相互作用の反強磁性ピークの次数が aで表さ

k れ、

前記第 1非磁性層は、第 a 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 N— 1非磁性層は、第 a 次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を

N- 1

有し、 J >J の場合、 a < a 、且つ、 a < a の関係が満たされ、

1 N-l 1 N-l N/2 N-l

J <J の場合、 a >a 、且つ、 < a の関係が満たされる

1 N-l 1 N-l N/2 1

MRAM。

[22] 請求の範囲 21に記載の MRAMであって、

J >J の

1 N-l 場合、 a +l=a の

N/2 N-l 関係が満たされ、

J <J の場合、 a +l=a の関係が満たされる

1 N-l N/2 1

MRAM。

[23] 請求の範囲 22に記載の MRAMであって、

前記第 (NZ2)非磁性層は、 1.8ηπ！〜 2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形 成され、

前記第 1非磁性層あるいは前記第 N— 1非磁性層は、 3. Inn！〜 3.9nmの厚さを 有するルテニウム層で形成されて 、る

MRAM。

[24] 請求の範囲 22に記載の MRAMであって、

前記第 (NZ2)非磁性層は、 0.7ηπ！〜 1.2nmの厚さを有するルテニウム層で形 成され、

前記第 1非磁性層あるいは前記第 N— 1非磁性層は、 1.8nm〜2.5nmの厚さを 有するルテニウム層で形成されて 、る

MRAM。

[25] 請求の範囲 1乃至 11のいずれかに記載の MRAMであって、

前記第 1非磁性層と前記第 N— 1非磁性層は異なる構造を有する

MRAM。

[26] 請求の範囲 25に記載の MRAMであって、

前記第 1非磁性層の膜厚と前記第 N— 1非磁性層の膜厚とが異なる

MRAM。

[27] 請求の範囲 25に記載の MRAMであって、

前記第 1非磁性層の結晶配向性と前記第 N— 1非磁性層の結晶配向性とが異なる MRAM。

[28] 請求の範囲 27に記載の MRAMであって、

前記第 1非磁性層の結晶配向性よりも、前記第 N— 1非磁性層の結晶配向性の方 が高ぐ且つ、前記第 1非磁性層よりも、前記第 N— 1非磁性層の膜厚の方が厚い MRAM。

[29] 請求の範囲 27に記載の MRAMであって、

前記第 1強磁性層の結晶配向性と前記第 N— 1強磁性層の結晶配向性とが異なる MRAM。

[30] 請求の範囲 25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— 1強磁性層、及び、前記第 N 強磁性層のうち少なくとも一層が、積層膜から構成されている

MRAM。

[31] 請求の範囲 30に記載の MRAMであって、

前記積層膜は、 NiFe膜と CoFe膜を含む

MRAM。

[32] 請求の範囲 1乃至 11のいずれかに記載の MRAMであって、

前記第 1非磁性層と前記第 N— 1非磁性層は実質的に同一の構造を有し、且つ、 前記第 1非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率は、前 記第 N— 1非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率と異 なる

MRAM。

[33] 請求の範囲 32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— 1強磁性層、及び、前記第 N 強磁性層のうち少なくとも一層が、積層膜から構成されている

MRAM。

[34] 請求の範囲 33に記載の MRAMであって、

前記積層膜は、 NiFe膜と CoFe膜を含む

MRAM。