WO2011036752A1 - 共鳴トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

共鳴トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ Download PDF

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WO2011036752A1
WO2011036752A1 PCT/JP2009/066550 JP2009066550W WO2011036752A1 WO 2011036752 A1 WO2011036752 A1 WO 2011036752A1 JP 2009066550 W JP2009066550 W JP 2009066550W WO 2011036752 A1 WO2011036752 A1 WO 2011036752A1
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WO
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layer
ferromagnetic
tunnel magnetoresistive
free layer
ferromagnetic free
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Application number
PCT/JP2009/066550
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Inventor
大野英男
池田正二
早川純
Original Assignee
株式会社日立製作所
国立大学法人東北大学
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Definitions

  • the present invention relates to a resonant tunneling magnetoresistive element having a high output and a low current spin torque magnetization reversal function, and a high-speed and low power consumption nonvolatile magnetic memory equipped with the same.
  • Tunnel magnetoresistive effect element using Al oxide as an insulator T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139) , L231 (1995)
  • a tunnel magnetoresistive element using magnesium oxide as an insulating film that can obtain a magnetoresistance ratio several times larger than that of S. Yuasa. Et al., Nature Material 3, 868 (2004) or JP It is disclosed in 2007-59879.
  • a conventional nonvolatile magnetic memory is constituted by a memory cell in which a tunnel magnetoresistive element is formed on a MOSFET.
  • Switching uses a MOSFET to rotate the magnetization direction of the tunnel magnetoresistive element using the current-induced spatial magnetic field generated by energizing the bit line and the word line, write information, and output the tunnel magnetoresistive element This is a method of reading information by voltage.
  • spin transfer torque magnetization reversal or synonymous spin injection magnetization reversal method in which magnetization is rotated by passing a current directly through the magnetoresistive element, For example, it is disclosed in US Pat. No. 5,695,864 or JP-A-2002-305337.
  • TMR ratio tunneling magnetoresistance ratio
  • An object of the present invention is to provide a tunnel magnetoresistive effect element having a resonance tunnel effect that can meet such a demand and a nonvolatile magnetic memory using the same.
  • the present invention provides a resonant tunneling magneto-resistance effect element in which the following two methods are applied to the tunneling magneto-resistance effect element.
  • One is a method in which the insulating layer of the tunnel magnetoresistive effect element is formed of at least two insulating layers having different energy gaps.
  • the other is a system in which a quantum well forming layer is stacked on at least one of the ferromagnetic layers of the tunnel magnetoresistive element.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of the present invention can be applied to a magnetic memory cell or a magnetic random access memory.
  • the tunnel magnetoresistive effect element when an appropriate voltage is applied to the tunnel magnetoresistive effect element, a resonant tunneling effect appears, and at that voltage, a spin with a TMR ratio exceeding 500% and a current density smaller than 2 ⁇ 10 6 A / cm 2. Torque magnetization reversal can be realized.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of the present invention can be applied to a magnetic memory cell or a magnetic random access memory to realize a high-speed and low-power consumption magnetic memory.
  • the figure which showed the structural example of the resonant tunnel magnetoresistive effect element of this invention The figure which showed the structural example of the resonant tunnel magnetoresistive effect element of this invention.
  • the figure which showed the structural example of the resonant tunnel magnetoresistive effect element of this invention The figure which showed the structural example of the resonant tunnel magnetoresistive effect element of this invention.
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  • the figure which showed the structural example of the resonant tunnel magnetoresistive effect element of this invention The figure which showed the structural example of the
  • the magnetization reversal (switching) of the ferromagnetic free layer is caused by the spin-polarized current spin flowing in the tunnel magnetoresistive effect element giving a torque to the magnetic moment of the ferromagnetic free layer.
  • This spin-polarized current is generated by passing a current through the tunnel magnetoresistive element itself. Therefore, spin transfer torque magnetization reversal is realized by flowing a current from the outside to the tunnel magnetoresistive effect element.
  • the threshold current density of occurrence of the spin-transfer torque magnetization reversal is defined as J c.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of this example was manufactured using a sputtering method.
  • This tunnel magnetoresistive element includes an orientation control film 300, a ferromagnetic pinned layer 301, a first barrier layer 3021, a second barrier layer 3022, a third barrier layer 3023, and a ferromagnetic free layer 303 from the electrode 400 side.
  • the protective film 304 and the electrode 401 are formed in this order, and the TMR ratio and J c are optimized by heat treatment at an appropriate temperature.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 1 is formed of a first ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 in FIG. 1 is formed of a first ferromagnetic free layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 1 is formed of a first ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer is formed.
  • the magnetization directions of the layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • Configuration 1-5 is a configuration in which an antiferromagnetic layer is adjacent to the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 1, the magnetization direction of the ferromagnetic pinned layer 301 is fixed in one direction, and the operation of the tunnel magnetoresistive effect element is stabilized. It is.
  • the ferromagnetic free layer 303 in the configuration 1-5 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer and the second ferromagnetic free layer are formed.
  • the magnetization directions of the free layers may be coupled antiparallel to each other.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of the present embodiment may be combined with the above-described configuration. Some examples are described below.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 1 is formed of a first ferromagnetic pinned layer 3011, a nonmagnetic layer 3012, and a second ferromagnetic pinned layer 3013.
  • the antiferromagnetic layer 500 is adjacent to the ferromagnetic pinned layer 3011.
  • the magnetization directions of the first ferromagnetic pinned layer 3011 and the second ferromagnetic pinned layer 3013 are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 in FIG. 2 is formed of a first ferromagnetic free layer 3031, a nonmagnetic layer 3032, and a second ferromagnetic free layer 3033, and In this example, the magnetization directions of the magnetic free layer 3031 and the second ferromagnetic free layer 3033 are coupled antiparallel to each other.
  • the 4 includes an orientation control film 300, a ferromagnetic free layer 303, a first barrier layer 3021, a second barrier layer 3022, a third barrier layer 3023, and a ferromagnetic layer from the electrode 400 side.
  • the fixed layer 301, the protective film 304, and the electrode 401 are formed in this order.
  • configurations 4-2 to 4-6 described below can be used.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 4 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 in FIG. 4 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 4 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer is formed.
  • the magnetization directions of the layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the antiferromagnetic layer 500 is adjacent to the ferromagnetic fixed layer 301 in FIG. 4, the magnetization direction of the ferromagnetic fixed layer 301 is fixed in one direction, and the operation of the tunnel magnetoresistive effect element is stabilized.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer. The magnetization directions of the magnetic pinned layers may be coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer and the second strong free layer are formed.
  • the magnetization directions of the magnetic free layer may be coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 (3011, 3013) will be described. It is desirable to use a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni and B for the ferromagnetic pinned layer. Specifically, the material of the ferromagnetic pinned layer is selected depending on the material used for the first barrier layer 3021, the second barrier layer 3022, and the third barrier layer 3033. Next, the material of the ferromagnetic free layer 303 will be described.
  • the ferromagnetic free layer 303 (3031, 3033) is preferably made of a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni and B, as in the ferromagnetic fixed layer 301 (3011, 3013). Specifically, the material is selected depending on the material used for the first barrier layer 3021, the second barrier layer 3022, and the third barrier layer 3033.
  • the material selection of the barrier layers (3021, 3022, 3023) will be described. It is desirable to use materials as shown in the left column of Table 2. Of these, efficient resonance tunneling is expected when MgO is used for the first barrier layer 3021 and the third barrier layer 3023 and ZnO is used for the second barrier layer 3022.
  • MgO is used for the first barrier layer 3021 and the third barrier layer 3023
  • CoFeB having a body-centered cubic lattice for the ferromagnetic fixed layer and the ferromagnetic free layer in contact with MgO.
  • a good resonant tunneling effect can be obtained by selecting the (001) crystal orientation of CoFeB. This is because the selectivity of spin in the tunnel current is large in the (001) -oriented MgO barrier.
  • MnIr is used as the antiferromagnetic layer 500, but an antiferromagnetic film such as MnPt, CrMnPt, CrMnIr, or MnFe may be used.
  • the alignment control film 300 is selected depending on the material immediately above it. For example, when CoFeB is selected on the orientation control film 300, it is desirable to use 5 nm or less, but an amorphous material such as CuN or TaN may be used.
  • the antiferromagnetic layer 500 is on the orientation control film 300 and is a (111) orientation film having a face-centered cubic lattice (Fcc)
  • the orientation control film 300 has a two-layer film structure such as Ta / NiFe. May be applied. In this case, NiFe plays a role of preferentially growing the Fcc (111) crystal orientation of the antiferromagnetic film 500.
  • the tunnel magnetoresistive film thus formed is formed into a tunnel magnetoresistive element having an area of 0.1 ⁇ m ⁇ 0.15 ⁇ m by using photolithography and ion milling. Further, by performing heat treatment at a suitable temperature, the optimization of high TMR ratio and low J c is carried out, a ferromagnetic pinned layer, a CoFeB ferromagnetic free layer, especially in the case of using MgO barrier layer Heat treatment at 350 ° C. or higher is desirable. The heat treatment may be performed after the tunnel magnetoresistive film is formed, or may be performed after fine processing.
  • FIG. 9 shows the insulation characteristics formed by the first barrier layer 3021, the second barrier layer 3022, and the third barrier layer 3023 in the resonant tunneling magneto-resistance effect element shown in the series of this embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram in which the horizontal axis represents the thickness of each barrier layer and the vertical axis represents the energy gap (E g (1), E g (2), E g (3)).
  • the series of this example is characterized by E g (1), E g (3)> E g (2), and it is desirable to select the material shown in Table 2 as the material used for each barrier layer. .
  • MgO can be selected for the first barrier layer, the third barrier layer, and ZnO can be selected for the second barrier layer.
  • the TMR ratio significantly increases at a voltage corresponding to E g (2).
  • the TMR ratio is expected to exceed 500%, and an improvement of one digit or more is expected compared to the conventional value.
  • This increase in TMR ratio is due to an increase in spin direction selectivity of flowing electrons at the resonance level. Therefore, the voltage applied to the tunnel magnetoresistive effect element of this embodiment is a voltage corresponding to E g (2).
  • Figure 12B is a diagram showing the relationship between the threshold current density J c in the TMR ratio and the spin transfer torque magnetization reversal.
  • J c is 2 ⁇ 10 6 (A / cm 2 )
  • at a TMR ratio of 500% or more it is smaller than 2 ⁇ 10 6 (A / cm 2 ).
  • J c can be realized.
  • Example 2 5 to 8 show a series of tunnel magnetoresistive effect elements according to the second embodiment.
  • the series of Example 2 shown here is a configuration using two different barrier layer materials 3021 and 3022 instead of the configuration using the three barrier layers shown in the series of Example 1.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of the present embodiment shown in FIG. 5 corresponds to the tunnel magnetoresistive effect element shown in FIG. 1 excluding the third barrier layer 3023.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of the present embodiment shown in FIGS. 6, 7, and 8 excludes the third barrier layer 3023 from the tunnel magnetoresistive effect element shown in FIGS. It corresponds to that.
  • the selection of specific materials constituting each layer is the same as that of the first embodiment.
  • the energy state formed in the barrier layer portion is as shown in FIG. 10, and in this case as well as the series of the first embodiment, the phenomenon described in FIGS. 11, 12A, and 12B and the effect as an element are obtained. It is done.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing another example of the tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of this example was manufactured using a sputtering method.
  • the orientation control film 300, the ferromagnetic fixed layer 301, the barrier layer 302, the ferromagnetic free layer 303, the quantum well formation layer 600, the protective film 304, and the electrode 401 are formed in this order from the electrode 400 side.
  • the TMR ratio and J c are optimized by heat treatment at an appropriate temperature.
  • the following configurations 3-2 to 3-16 can be used, and these are the series of the third embodiment.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 13 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 in FIG. 13 is formed of a first ferromagnetic free layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the second ferromagnetic free layer.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 13 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer is formed.
  • the magnetization directions of the layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the second ferromagnetic free layer 3033.
  • Configuration 3-5 is a configuration in which an antiferromagnetic layer is adjacent to the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 13, the magnetization direction of the ferromagnetic pinned layer 301 is fixed in one direction, and the operation of the tunnel magnetoresistive effect element is stabilized. It is.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in Configuration 3-5 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer, and is opposite to the first ferromagnetic pinned layer.
  • the ferromagnetic layers are adjacent to each other.
  • the magnetization directions of the first ferromagnetic pinned layer and the second ferromagnetic pinned layer are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 in Configuration 3-5 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic free layers are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the second ferromagnetic free layer.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of the present embodiment may be combined with the above-described configuration. Some examples are described below.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in the configuration 3-5 is formed of the first ferromagnetic pinned layer 3011, the nonmagnetic layer 3012, and the second ferromagnetic pinned layer 3013.
  • An antiferromagnetic layer 500 is adjacent to one ferromagnetic pinned layer 3011.
  • the magnetization directions of the first ferromagnetic pinned layer 3011 and the second ferromagnetic pinned layer 3013 are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer 3031, the nonmagnetic layer 3032, and the second ferromagnetic free layer 3033, and the first ferromagnetic free layer 3031 and the second ferromagnetic free layer are formed.
  • the magnetization directions of 3033 are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the second ferromagnetic free layer 3033.
  • the tunnel magnetoresistive effect element shown in FIG. 15 includes an orientation control film 300, a quantum well formation layer 600, a ferromagnetic free layer 303, a barrier layer 302, a ferromagnetic fixed layer 301, a protective film 304, and an electrode 401 from the electrode 400 side. They are formed in this order. Regarding the film configuration of the tunnel magnetoresistive effect element, the following modifications are possible.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 15 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 in FIG. 15 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer and the second ferromagnetic free layer The magnetization directions of the ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the first ferromagnetic free layer.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 15 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer is formed.
  • the magnetization directions of the layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the first ferromagnetic free layer.
  • Configuration 3-11 is a configuration in which an antiferromagnetic layer is adjacent to the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 15, the magnetization direction of the ferromagnetic pinned layer 301 is fixed in one direction, and the operation of the tunnel magnetoresistive effect element is stabilized. It is.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in Configuration 3-11 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 in Configuration 3-11 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer and the first ferromagnetic free layer The magnetization directions of the two ferromagnetic free layers are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the first ferromagnetic free layer.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in Configuration 3-11 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the magnetic free layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the first ferromagnetic free layer.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 (3011, 3013) will be described.
  • the ferromagnetic pinned layer it is desirable to use a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni and B. Examples thereof are as shown in Table 1 above.
  • the material of the ferromagnetic pinned layer is selected depending on the material used for the barrier layer 302.
  • the material of the ferromagnetic free layer 303 will be described.
  • the ferromagnetic free layer 303 (3031, 3033) is preferably made of a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni and B, as in the ferromagnetic fixed layer 301 (3011, 3013).
  • the material is selected depending on the material used for the barrier layer 302.
  • material selection for the barrier layer 302 will be described. Also in this embodiment, it is desirable to use materials as shown in the left column of Table 2.
  • MgO is used for the barrier layer 302
  • body-centered cubic CoFeB for the ferromagnetic fixed layer and the ferromagnetic free layer in contact with MgO
  • the (001) crystal orientation of MgO and CoFeB is selected.
  • a good resonant tunneling effect can be obtained. This is because the selectivity of spin in the tunnel current is large in the (001) -oriented MgO barrier.
  • MnIr is used as the antiferromagnetic layer 500, but an antiferromagnetic film such as MnPt, CrMnPt, CrMnIr, or MnFe may be used.
  • the alignment control film 300 is selected depending on the material immediately above it. For example, when CoFeB is selected on the orientation control film 300, the thickness is desirably 5 nm or less, but an amorphous material such as CuN or TaN may be used.
  • the antiferromagnetic layer 500 is on the orientation control film 300 and is a (111) orientation film having a face-centered cubic lattice (Fcc)
  • the orientation control film 300 has a two-layer film structure such as Ta / NiFe. May be applied. In this case, NiFe plays a role of preferentially growing the Fcc (111) crystal orientation of the antiferromagnetic film 500.
  • the quantum well formation layer 600 is the origin of the resonant tunneling effect.
  • a layer made of a material such as Cr, Ru, Cu, MgO, or ZnO or a multilayer structure thereof is applied.
  • Cr or MgO / Cr for the quantum well formation layer 600.
  • CoFeB, CoFe, or the like is applied to the ferromagnetic pinned layer 301 and the ferromagnetic free layer 303, the Fe to Co composition ratio Fe / Co is 0.5 or more (that is, the Fe composition is large). It is preferable to use Cr for the quantum well formation layer 600.
  • Fe / Co is smaller than 0.5, it is preferable to use Cu for the quantum well formation layer 600.
  • the tunnel magnetoresistive film thus formed is formed into a tunnel magnetoresistive element having an area of 0.1 ⁇ m ⁇ 0.15 ⁇ m by using photolithography and ion milling. Further, by performing the heat treatment at an appropriate temperature, the high TMR ratio and the low Jc are optimized. The heat treatment may be performed after the tunnel magnetoresistive film is formed, or may be performed after fine processing.
  • FIG. 23 shows energy states formed by the barrier layer 302, the ferromagnetic free layer 303 (or the ferromagnetic fixed layer 301), and the quantum well formation layer 600 of the resonant tunneling magnetoresistive effect element shown in the series of this embodiment.
  • FIG. The series of this embodiment is characterized in that the energy state becomes discrete in the quantum well formation layer. For example, three states are formed like V1, V2, and V3.
  • the relationship between the current and the applied voltage generated between the electrode 400 and the electrode 401 of the resonant tunneling magnetoresistive element is as shown in FIG. 25, which corresponds to V1, V2, and V3. The current locally increases at the resonance level voltage.
  • the TMR ratio significantly increases at the voltages corresponding to V1, V2, and V3.
  • the TMR ratio is expected to be 500% or more, and an improvement of one digit or more is expected compared to the conventional value. This increase in TMR ratio occurs because the direction selectivity of the spin of flowing electrons increases at the resonance level. Therefore, the voltage applied to the tunnel magnetoresistive element of this embodiment is any one of V1, V2, and V3.
  • J c is 2 ⁇ 10 6 (A / cm 2) in which whereas, in the TMR ratio of more than 500%, 1 ⁇ 10 6 ( a / cm 2) or less of J c can be realized.
  • Example 4 16 to 18 show a series of tunnel magnetoresistive effect elements according to the fourth embodiment.
  • the quantum well formation layer 600 is formed adjacent to the barrier layer 302 and in contact with the ferromagnetic free layer 303 in the configuration of FIGS. 13 to 15 shown in the series of Example 3. It is a form to be done.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of this embodiment shown in FIG. 16 has a barrier layer in which the ferromagnetic free layer 303 and the quantum well forming layer 600 are stacked in the reverse order with respect to the tunnel magnetoresistive effect element shown in FIG. This corresponds to a quantum well formation layer 600 formed between 302 and the ferromagnetic free layer 303.
  • the stacking order of the ferromagnetic free layer 303 and the quantum well formation layer 600 is reversed with respect to the tunnel magnetoresistive effect element shown in FIG.
  • the tunnel magnetoresistive element shown in FIG. 18 is the same as the tunnel magnetoresistive element shown in FIG. This corresponds to a structure in which a quantum well formation layer 600 is formed between 303 and the barrier layer 302.
  • the quantum well formation layer 600 is formed adjacent to the barrier layer and in contact with the ferromagnetic free layer. It is also possible to use it. These configuration examples are referred to as a series of the fourth embodiment.
  • FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing an example of a tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of this example was manufactured using a sputtering method.
  • an orientation control film 300, a quantum well formation layer 600, a ferromagnetic fixed layer 301, a barrier layer 302, a ferromagnetic free layer 303, a protective film 304, and an electrode 401 are formed in this order from the electrode 400 side.
  • the quantum well formation layer 600 is adjacent to the ferromagnetic pinned layer 301.
  • the TMR ratio and Jc are optimized by heat treatment at an appropriate temperature.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 19 includes a first ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is adjacent to the first ferromagnetic fixed layer.
  • the ferromagnetic free layer 303 in FIG. 19 is formed of a first ferromagnetic free layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 19 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer is formed.
  • the magnetization directions of the layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the first ferromagnetic fixed layer.
  • the positions of the ferromagnetic pinned layer 301 and the ferromagnetic free layer 303 are switched in the tunnel magnetoresistive effect element shown in FIG. 19, and the quantum well formation layer 600 is changed to the ferromagnetic pinned layer 301 on the protective film 304 side.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in Configuration 5-5 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is configured to be adjacent to the first ferromagnetic fixed layer.
  • the ferromagnetic free layer 303 in Configuration 5-5 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer and the first ferromagnetic free layer The magnetization directions of the two ferromagnetic free layers are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in Configuration 5-5 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the magnetic free layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the first ferromagnetic fixed layer.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 (first ferromagnetic pinned layer, second ferromagnetic pinned layer) will be described.
  • the ferromagnetic pinned layer it is desirable to use a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni and B. Examples thereof are shown in Table 1.
  • the material of the ferromagnetic pinned layer is selected depending on the material used for the barrier layer 302.
  • the material of the ferromagnetic free layer 303 will be described.
  • the ferromagnetic free layer 303 (first ferromagnetic free layer, second ferromagnetic free layer) is made of a material containing B and at least one element of Co, Fe, and Ni, similarly to the ferromagnetic fixed layer.
  • the materials shown in Table 1 are selected. Specifically, the materials are selected according to the material used for the barrier layer 302.
  • material selection for the barrier layer 302 will be described. Also in this embodiment, it is desirable to use materials as shown in the left column of Table 2.
  • MgO is used for the barrier layer 302
  • CoFeB having a body-centered cubic lattice for the ferromagnetic pinned layer and the ferromagnetic free layer in contact with MgO
  • the (001) crystal orientation of MgO and CoFeB is selected.
  • a good resonant tunneling effect can be obtained. This is because the selectivity of spin in the tunnel current is large in the (001) -oriented MgO barrier.
  • the alignment control film 300 is selected depending on the material immediately above it.
  • the thickness is preferably 5 nm or less, but an amorphous material such as CuN or TaN may be used.
  • the quantum well formation layer 600 is the origin of the resonant tunneling effect.
  • a material used for the quantum well formation layer 600 a material such as Cr, Ru, Cu, MgO, ZnO or a multilayer structure thereof is applied.
  • Cr Cr or MgO / Cr for the quantum well formation layer 600.
  • CoFeB, CoFe, or the like is applied to the ferromagnetic pinned layer 301 and the ferromagnetic free layer 303, the Fe to Co composition ratio Fe / Co is 0.5 or more (that is, the Fe composition is large). It is preferable to use Cr for the quantum well formation layer 600.
  • Fe / Co is smaller than 0.5, it is preferable to use Cu for the quantum well formation layer 600.
  • the tunnel magnetoresistive film thus formed is formed into a tunnel magnetoresistive element having an area of 0.1 ⁇ m ⁇ 0.15 ⁇ m by using photolithography and ion milling. Further, by performing the heat treatment at an appropriate temperature, the high TMR ratio and the low Jc are optimized. The heat treatment may be performed after the tunnel magnetoresistive film is formed, or may be performed after fine processing.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing an example of a tunnel magnetoresistive effect element according to the present invention.
  • the tunnel magnetoresistive effect element of this example was manufactured using a sputtering method.
  • the orientation control film 300, the ferromagnetic fixed layer 301, the quantum well formation layer 600, the barrier layer 302, the ferromagnetic free layer 303, the protective film 304, and the electrode 401 are formed in this order from the electrode 400 side.
  • the quantum well formation layer 600 is formed adjacent to the barrier layer 302 and in contact with the ferromagnetic pinned layer 301.
  • the TMR ratio and Jc are optimized by heat treatment at an appropriate temperature.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 20 is formed of a first ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic layer, and a second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is adjacent to the second ferromagnetic fixed layer.
  • the ferromagnetic free layer 303 in FIG. 20 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 20 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer is formed.
  • the magnetization directions of the layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the second ferromagnetic fixed layer.
  • Configuration 6-5 is a configuration in which the antiferromagnetic layer is adjacent to the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 20, the magnetization direction of the ferromagnetic pinned layer 301 is fixed in one direction, and the operation of the tunnel magnetoresistive effect element is stabilized. It is.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in Configuration 6-5 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer, and is opposite to the first ferromagnetic pinned layer.
  • the ferromagnetic layers are adjacent to each other.
  • the magnetization directions of the first ferromagnetic pinned layer and the second ferromagnetic pinned layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is adjacent to the second ferromagnetic fixed layer.
  • the ferromagnetic free layer 303 in Configuration 6-5 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic free layers are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in the configuration 6-5 is formed by the first ferromagnetic pinned layer 3011, the nonmagnetic layer 3012, and the second ferromagnetic pinned layer 3013.
  • An antiferromagnetic layer 500 is adjacent to the first ferromagnetic pinned layer 3011.
  • the magnetization directions of the first ferromagnetic pinned layer 3011 and the second ferromagnetic pinned layer 3013 are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer 3031, the nonmagnetic layer 3032, and the second ferromagnetic free layer 3033, and the first ferromagnetic free layer 3031 and the second ferromagnetic free layer 3033.
  • the magnetization directions of 3033 are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the second ferromagnetic fixed layer 3013.
  • an orientation control film 300 includes an orientation control film 300, a ferromagnetic free layer 303, a barrier layer 302, a ferromagnetic fixed layer 301, a quantum well formation layer 600, a protective film 304, and an electrode 401 from the electrode 400 side. They are formed in this order.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 22 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is adjacent to the first ferromagnetic fixed layer 3011.
  • the ferromagnetic free layer 303 in FIG. 22 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 22 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer, and the first ferromagnetic free layer is formed.
  • the magnetization directions of the layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the first ferromagnetic fixed layer.
  • Configuration 6-11 is a configuration in which an antiferromagnetic layer is adjacent to the ferromagnetic pinned layer 301 in FIG. 22, the magnetization direction of the ferromagnetic pinned layer 301 is fixed in one direction, and the operation of the tunnel magnetoresistive element is stabilized. It is.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in Configuration 6-11 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is configured to be adjacent to the first ferromagnetic fixed layer.
  • the ferromagnetic free layer 303 in Configuration 6-11 is formed of the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic free layers are coupled antiparallel to each other.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 in Configuration 6-11 is formed of the first ferromagnetic pinned layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic pinned layer.
  • the magnetization directions of the two ferromagnetic pinned layers are coupled antiparallel to each other, and the ferromagnetic free layer 303 is formed by the first ferromagnetic free layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic free layer.
  • the magnetization directions of the magnetic free layer and the second ferromagnetic free layer are coupled antiparallel to each other.
  • the quantum well formation layer 600 is laminated adjacent to the first ferromagnetic fixed layer.
  • the ferromagnetic pinned layer 301 (3011, 3013) will be described.
  • the ferromagnetic pinned layer it is desirable to use a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni and B. Examples thereof are shown in Table 1.
  • the material of the ferromagnetic pinned layer is selected depending on the material used for the barrier layer 302.
  • the material of the ferromagnetic free layer 303 will be described.
  • the ferromagnetic free layer 303 (3031, 3033) is preferably made of a material containing at least one element of Co, Fe, and Ni and B, as in the ferromagnetic fixed layer 301 (3011, 3013).
  • the material is selected depending on the material used for the barrier layer 302.
  • material selection for the barrier layer 302 will be described. Also in this embodiment, it is desirable to use materials as shown in the left column of Table 2.
  • MgO is used for the barrier layer 302
  • CoFeB having a body-centered cubic lattice for the ferromagnetic pinned layer and the ferromagnetic free layer in contact with MgO
  • the (001) crystal orientation of MgO and CoFeB is selected.
  • a good resonant tunneling effect can be obtained. This is because the selectivity of spin in the tunnel current is large in the (001) -oriented MgO barrier.
  • MnIr is used as the antiferromagnetic layer 500, but an antiferromagnetic film such as MnPt, CrMnPt, CrMnIr, or MnFe may be used.
  • the alignment control film 300 is selected depending on the material immediately above it. For example, when CoFeB is selected on the orientation control film 300, the thickness is desirably 5 nm or less, but an amorphous material such as CuN or TaN may be used.
  • the antiferromagnetic layer 500 is on the orientation control film 300 and is a (111) orientation film having a face-centered cubic lattice (Fcc)
  • the orientation control film 300 has a two-layer film structure such as Ta / NiFe. May be applied. In this case, NiFe plays a role of preferentially growing the Fcc (111) crystal orientation of the antiferromagnetic film 500.
  • the quantum well formation layer 600 is the origin of the resonant tunneling effect.
  • a material used for the quantum well formation layer 600 a material such as Cr, Ru, Cu, MgO, ZnO or a multilayer structure thereof is applied.
  • Cr Cr or MgO / Cr for the quantum well formation layer 600.
  • CoFeB, CoFe, or the like is applied to the ferromagnetic pinned layer 301 and the ferromagnetic free layer 303, the Fe to Co composition ratio Fe / Co is 0.5 or more (that is, the Fe composition is large). It is preferable to use Cr for the quantum well formation layer 600.
  • Fe / Co is smaller than 0.5, it is preferable to use Cu for the quantum well formation layer 600.
  • the tunnel magnetoresistive film thus formed is formed into a tunnel magnetoresistive element having an area of 0.1 ⁇ m ⁇ 0.15 ⁇ m by using photolithography and ion milling. Further, by performing the heat treatment at an appropriate temperature, the high TMR ratio and the low Jc are optimized. The heat treatment may be performed after the tunnel magnetoresistive film is formed, or may be performed after fine processing.
  • Example 7 are schematic cross-sectional views showing a configuration example of a magnetic memory cell according to the present invention.
  • This magnetic memory cell is equipped with the tunnel magnetoresistive element 200 shown in the first to sixth embodiments as a memory cell.
  • the C-MOS 100 includes two n-type semiconductors 101 and 102 and one p-type semiconductor 103.
  • An electrode 121 serving as a drain is electrically connected to the n-type semiconductor 101 and is connected to the ground via electrodes 141 and 147.
  • An electrode 122 serving as a source is electrically connected to the n-type semiconductor 102.
  • ON / OFF of the current between the source electrode 122 and the drain electrode 121 is controlled by ON / OFF of the gate electrode 123.
  • Electrodes 145, 144, 143, 142, and 400 are stacked on the source electrode 122, and the orientation control film 300 of the tunnel magnetoresistive effect element is connected to the electrode 400.
  • the bit line 401 is connected to the protective film 304 of the tunnel magnetoresistive effect element 200.
  • magnetic information is recorded by rotating the magnetization direction of the ferromagnetic free layer of the tunnel magnetoresistive effect element 200 by a current flowing through the tunnel magnetoresistive effect element 200, so-called spin transfer torque.
  • the spin transfer torque is not a spatial external magnetic field, but is a principle in which spins of a spin-polarized current mainly flowing in the tunnel magnetoresistive element give torque to the magnetic moment of the ferromagnetic free layer of the tunnel magnetoresistive element. This spin-polarized current has a mechanism that is generated by a current flowing through the tunnel magnetoresistive element.
  • spin transfer torque magnetization reversal is realized by providing means for supplying current from the outside to the tunnel magnetoresistive effect element and flowing current from the means.
  • a spin transfer torque acts on the ferromagnetic free layer in the tunnel magnetoresistive effect element 200.
  • the power at the time of writing can be reduced to about one-hundred compared with the case where a current magnetic field is used.
  • FIG. 29 is a diagram showing a configuration example of a magnetic random access memory in which the magnetic memory cells are arranged.
  • the gate electrode 123 and the bit line 401 are electrically connected to the memory cell 700.
  • the magnetic memory of the present invention can operate at ultra-high speed and low power consumption, and can realize a gigabit-class high-density magnetic random access memory.

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

　共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を用いた高速・低消費電力不揮発性メモリを提供する。　不揮発性磁気メモリに、共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を装備し、共鳴準位に相当する電圧によりスピントランスファートルクによる書込み方式を適用する。共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における障壁層は少なくとも２層３０２１，３０２２，３０２３で構成される。また、強磁性層に量子井戸形成層を隣接した構成を有する。

Description

共鳴トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ
　本発明は、高い出力と低電流スピントルク磁化反転機能を有する共鳴トンネル磁気抵抗素子及びそれを装備した高速・低消費電力不揮発磁気メモリに関するものである。
　将来の高集積磁気メモリに適用されるトンネル磁気抵抗効果素子として、Ａｌの酸化物を絶縁体に用いたトンネル磁気抵抗効果素子（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)）よりも数倍大きい磁気抵抗比が得られる絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子がS. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868 (2004)や特開２００７－５９８７９号公報に開示されている。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させ、情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書あるいは特開２００２－３０５３３７号公報に開示されている。
特開２００７－５９８７９号公報 米国特許第５，６９５，８６４号明細書 特開２００２－３０５３３７号公報
J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995) Nature Material 3, 868 (2004)
　高速・低消費電力不揮発性磁気メモリの実現には、高いトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）と低電流によるスピントランスファートルク磁化反転書込み方式とを同時に満足する技術を開発する必要がある。
　本発明は、このような要請に応えることのできる共鳴トンネル効果をもつトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
　本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子に以下の２方式を適用した共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を提供する。一つは、トンネル磁気抵抗効果素子の絶縁層をエネルギーギャップの異なる少なくとも２層の絶縁層により形成する方式である。もう一つは、トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性層の少なくとも一方に量子井戸形成層を積層させる方式である。これらの手段を適用することにより、トンネル磁気抵抗効果素子に適当な電圧を印加したとき共鳴トンネル効果が現れ、その電圧において、５００％を超えるＴＭＲ比と２×１０6Ａ／ｃｍ2より小さな電流密度でのスピントルク磁化反転を実現できる。
　本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用することができる。
　本発明によると、トンネル磁気抵抗効果素子に適当な電圧を印加したとき共鳴トンネル効果が現れ、その電圧において、５００％を超えるＴＭＲ比と２×１０6Ａ／ｃｍ2より小さな電流密度でのスピントルク磁化反転を実現できる。
　本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用し、高速・低消費電力磁気メモリを実現することが可能となる。
本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における３層で構成される障壁層のエネルギーギャップ関係の模式図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における２層で構成される障壁層のエネルギーギャップ関係の模式図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における電流と印加電圧の関係を示す図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子におけるＴＭＲ比と印加電圧の関係を示す図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における書込み電流密度ＪcとＴＭＲ比の関係を示す図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。 本発明の量子井戸形成層を用いた共鳴トンネル磁気抵抗効果素子におけるエネルギーギャップ関係の模式図。 本発明の量子井戸形成層を用いた共鳴トンネル磁気抵抗効果素子におけるエネルギーギャップ関係の模式図。 本発明の量子井戸形成層を用いた共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における電流と印加電圧の関係を示す図。 本発明の量子井戸形成層を用いた共鳴トンネル磁気抵抗効果素子におけるＴＭＲ比と印加電圧の関係を示す図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの構成例を示す図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの構成例を示す図。 本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に述べるトンネル磁気抵抗効果素子では、その強磁性自由層の磁化反転（スイッチング）を、トンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンが強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与えることにより行う。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すこと自体で発生する。したがって、トンネル磁気抵抗効果素子に外部から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転が実現する。以下では、スピントランスファートルク磁化反転の起こる電流密度の閾値をＪcと定義した。
［実施例１］
　図１は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性固定層３０１、第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０２３、強磁性自由層３０３、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成され、適当な温度で熱処理することによりＴＭＲ比とＪcが最適化される。
　ここで、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に述べる構成１－２から構成１－５を用いることが可能である。
　構成１－２は、図１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成１－３は、図１における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成１－４は、図１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成１－５は、図１における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。また、構成１－５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合していてもよい。
　本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、上記した構成を組み合わせてもよい。そのいくつかの例を、以下に説明する。
　図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、図１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層３０１１、非磁性層３０１２、第二の強磁性固定層３０１３により形成され、第一の強磁性固定層３０１１に反強磁性層５００が隣接している例である。ここで、第一の強磁性固定層３０１１と第二の強磁性固定層３０１３の磁化方向は互いに反平行に結合している。
　図３に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、図２における強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層３０３１、非磁性層３０３２、第二の強磁性自由層３０３３により形成され、第一の強磁性自由層３０３１と第二の強磁性自由層３０３３の磁化方向は互いに反平行に結合している例である。
　図４に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性自由層３０３、第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０２３、強磁性固定層３０１、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成される。強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に述べる構成４－２から構成４－６を用いることが可能である。
　構成４－２は、図４における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成４－３は、図４における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成４－４は、図４における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成４－５は、図４における強磁性固定層３０１に反強磁性層５００を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。また、構成４－５において、強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合していてもよい。さらに、構成４－５において、強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合していてもよい。
　ここで、本実施例のトンネル磁気抵抗素子の典型的作製方法について用いて述べる。まず強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）について述べる。強磁性固定層にはＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、その例を表１に示した。強磁性固定層の材料は具体的には、第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０３３に用いる材料により選択される。次に、強磁性自由層３０３の材料について述べる。強磁性自由層３０３（３０３１，３０３３）は、強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）と同様にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、表１に示した材料が選択されるが、具体的には、第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０３３に用いる材料により選択される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次に障壁層（３０２１，３０２２，３０２３）の材料選択について述べる。表２の左欄に示したような材料を用いることが望ましい。このうち第一の障壁層３０２１と第三の障壁層３０２３にＭｇＯ、第二の障壁層３０２２にＺｎＯを用いた場合に効率的な共鳴トンネル効果が期待される。第一の障壁層３０２１と第三の障壁層３０２３にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯに接する強磁性固定層と強磁性自由層には体心立方格子のＣｏＦｅＢを用いることがもっとも望ましく、さらにＭｇＯとＣｏＦｅＢの（００１）結晶配向を選択することにより良好な共鳴トンネル効果が得られる。これは、（００１）配向したＭｇＯ障壁内では、トンネル電流中のスピンの選択性が大きいためである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　本実施例のシリーズでは反強磁性層５００としてＭｎＩｒを用いたが、ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒやＭｎＦｅなどの反強磁性膜を用いてもよい。
　配向制御膜３００は、その直上に隣接する材料によって選択される。例えば配向制御膜３００上に、ＣｏＦｅＢが選択される場合、５ｎｍ以下を用いることが望ましいが、ＣｕＮ、ＴａＮなどの非結晶材料を用いてもよい。また、配向制御膜３００上に、反強磁性層５００があり、それが面心立方格子（Ｆｃｃ）の（１１１）配向膜である場合、配向制御膜３００としてＴａ／ＮｉＦｅなどの２層膜構成を適用してもよい。この場合、ＮｉＦｅが、反強磁性膜５００のＦｃｃ（１１１）結晶方位を優先的に成長させる役割を果たす。
　このように形成したトンネル磁気抵抗効果膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子に形成される。また、適当な温度において熱処理を行うことにより、高ＴＭＲ比と低Ｊcの最適化が行われるが、強磁性固定層、強磁性自由層にＣｏＦｅＢを、障壁層にＭｇＯを用いた場合は特に３５０℃以上の熱処理が望ましい。熱処理は、上記トンネル磁気抵抗効果膜を製膜した後に実施してもよいし、微細加工を施したあとに行ってもかまわない。
　次に、上記共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における高ＴＭＲ比と低電流（電圧）の原理について説明する。図９は、本実施例のシリーズで示した共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０２３の部分で形成される絶縁特性を示す。図９は、横軸を各障壁層の膜厚とし、縦軸にエネルギーギャップ（Ｅg(1)，Ｅg(2)，Ｅg(3)）を表した模式図である。本実施例のシリーズでは、Ｅg(1)，Ｅg(3)＞Ｅg(2)であることが特徴であり、各障壁層に用いる材料として表２に示す材料を選択することが望ましい。例えば、第一の障壁層、第三の障壁層にＭｇＯ、第二の障壁層にＺｎＯなどが選択可能である。
　このようなエネルギー状態が形成されることにより、共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の電極４００と電極４０１の間に発生する電流－印加電圧の関係は図１１のようになり、Ｅg(2)に相当する電圧（この電圧を共鳴準位電圧と呼ぶ）において、電流が局所的に大きくなる。障壁層が一層の従来構造（例えば、図１の構成において第二の障壁層３０２２及び第三の障壁層３０２３が無いトンネル磁気抵抗効果素子）では、このような特定の電圧における電流の急峻な増大は観測されることがない。この電流の増大は、共鳴トンネルによるものである。共鳴トンネルは、電極４００と電極４０１の間に流れる電流が共鳴を起こし電流の透過率が増大するためにおきる現象である。このとき、図１２Ａに示すように、Ｅg(2)に相当する電圧においてＴＭＲ比の顕著な増大が生じる。そのＴＭＲ比は、５００％を超えることが期待され、従来の値に比べ一桁以上の改善が期待される。このＴＭＲ比の増大は、共鳴準位において、流れる電子のスピンの方向選択性が増大するためである。従って、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子に印加する電圧は、Ｅg(2)に相当する電圧とする。
　図１２Ｂは、ＴＭＲ比とスピントランスファートルク磁化反転における閾値電流密度Ｊcの関係を示す図である。従来のＴＭＲ比１００％の素子では、Ｊcは２×１０6（Ａ／ｃｍ2）であるのに対して、５００％以上のＴＭＲ比では、２×１０6（Ａ／ｃｍ2）より小さいＪcが実現できる。
［実施例２］
　図５から図８に、実施例２のトンネル磁気抵抗効果素子のシリーズを示す。ここに示す実施例２のシリーズは、実施例１のシリーズで示した３層の障壁層を用いる構成に代えて、異なる２層の障壁層材料３０２１，３０２２を用いる構成である。
　図５に示した本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子から第三の障壁層３０２３を除いたものに相当する。同様に、図６、図７、図８に示した本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、図２、図３、図４に示したトンネル磁気抵抗効果素子から第三の障壁層３０２３を除いたものに相当する。
　本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例１と同様である。一方、障壁層部分で形成されるエネルギー状態は、図１０に示すとおりであり、この場合も実施例１のシリーズと同様に図１１、図１２Ａ、１２Ｂで説明した現象及び素子としての効果が得られる。
［実施例３］
　図１３は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性固定層３０１、障壁層３０２、強磁性自由層３０３、量子井戸形成層６００、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成され、適当な温度で熱処理することによりＴＭＲ比とＪcが最適化される。
　ここで、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に示す構成３－２から構成３－１６の構成を用いることが可能であり、これらを実施例３のシリーズとする。
　構成３－２は、図１３における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成３－３は、図１３における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性自由層に隣接して積層している。
　構成３－４は、図１３における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性自由層３０３３に隣接して積層している。
　構成３－５は、図１３における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にする構成である。
　構成３－６は、構成３－５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層に反強磁性層が隣接している構成である。第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している。
　構成３－７は、構成３－５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性自由層に隣接して積層している。
　本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、上記した構成を組み合わせてもよい。そのいくつかの例を、以下に説明する。
　図１４に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、構成３－５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層３０１１、非磁性層３０１２、第二の強磁性固定層３０１３により形成され、第一の強磁性固定層３０１１に反強磁性層５００が隣接している。ここで、第一の強磁性固定層３０１１と第二の強磁性固定層３０１３の磁化方向は互いに反平行に結合している。さらに、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層３０３１、非磁性層３０３２、第二の強磁性自由層３０３３により形成され、第一の強磁性自由層３０３１と第二の強磁性自由層３０３３の磁化方向は互いに反平行に結合している。また、量子井戸形成層６００は、第二の強磁性自由層３０３３に隣接して積層している。
　図１５に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、量子井戸形成層６００、強磁性自由層３０３、障壁層３０２、強磁性固定層３０１、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成される。このトンネル磁気抵抗効果素子の膜構成に関し、以下に述べる変形例が可能である。
　構成３－８は、図１５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成３－９は、図１５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性自由層に隣接して積層している。
　構成３－１０は、図１５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性自由層に隣接して積層している。
　構成３－１１は、図１５における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。
　構成３－１２は、構成３－１１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成３－１３は、構成３－１１における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性自由層に隣接して積層している。
　構成３－１４は、構成３－１１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性自由層に隣接して積層している。
　ここで、実施例３のシリーズに示したトンネル磁気抵抗素子の典型的作製方法について述べる。
　まず、強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）について述べる。強磁性固定層には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、その例は上記表１に示したとおりである。強磁性固定層の材料は具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。次に、強磁性自由層３０３の材料について述べる。強磁性自由層３０３（３０３１，３０３３）は、強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）と同様にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、表１に示した材料から選択されるが、具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。
　次に、障壁層３０２の材料選択について述べる。本実施例においても表２の左欄に示したような材料を用いることが望ましい。障壁層３０２にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯに接する強磁性固定層と強磁性自由層には体心立方格子のＣｏＦｅＢを用いることがもっとも望ましく、さらにＭｇＯとＣｏＦｅＢの（００１）結晶配向を選択することにより、良好な共鳴トンネル効果が得られる。これは、（００１）配向したＭｇＯ障壁内では、トンネル電流中のスピンの選択性が大きいためである。
　本実施例のシリーズでは反強磁性層５００としてＭｎＩｒを用いたが、ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒやＭｎＦｅなどの反強磁性膜を用いてもよい。
　配向制御膜３００は、その直上に隣接する材料によって選択される。例えば配向制御膜３００上に、ＣｏＦｅＢが選択される場合、５ｎｍ以下とすることが望ましいが、ＣｕＮ，ＴａＮなどの非結晶材料を用いてもよい。また、配向制御膜３００上に、反強磁性層５００があり、それが面心立方格子（Ｆｃｃ）の（１１１）配向膜である場合、配向制御膜３００としてＴａ／ＮｉＦｅなどの２層膜構成を適用してもよい。この場合、ＮｉＦｅが、反強磁性膜５００のＦｃｃ（１１１）結晶方位を優先的に成長させる役割を果たす。
　本実施例において共鳴トンネル効果を発現する起源となるのは量子井戸形成層６００である。量子井戸形成層６００は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＭｇＯ，ＺｎＯなどの材料からなる層や、それらの多層構造が適用される。例えば、強磁性固定層３０１や強磁性自由層３０３にＣｏＦｅＢを用いた場合、ＣｒやＭｇＯ／Ｃｒを量子井戸形成層６００に用いることが望ましい。ここで、ＣｏＦｅＢや、ＣｏＦｅなどを強磁性固定層３０１、強磁性自由層３０３に適用したときに、ＦｅのＣｏに対する組成比Ｆｅ／Ｃｏが、０．５以上（つまりＦｅ組成が大きい）の場合、量子井戸形成層６００にＣｒを用いることが好まれる。一方、Ｆｅ／Ｃｏが０．５より小さい場合は量子井戸形成層６００にＣｕを使用することが好ましい。
　このように形成したトンネル磁気抵抗効果膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子に形成される。また、適当な温度において熱処理を行うことにより、高ＴＭＲ比と低Ｊcの最適化が行われる。熱処理は、上記トンネル磁気抵抗効果膜を製膜した後に実施してもよいし、微細加工を施したあとに行ってもかまわない。
　次に、上記共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における高ＴＭＲ比と低電流（電圧）の原理について説明する。
　図２３は、本実施例のシリーズで示した共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の障壁層３０２と強磁性自由層３０３（あるいは強磁性固定層３０１）と量子井戸形成層６００によって形成されるエネルギー状態を示す図である。本実施例のシリーズでは、量子井戸形成層においてエネルギー状態が離散的になることが特徴である。例えば、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のように３状態が形成される。このようなエネルギー状態が形成されることにより、共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の電極４００と電極４０１の間に発生する電流－印加電圧の関係は図２５のようになり、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に相当する共鳴準位電圧において、電流が局所的に大きくなる。量子井戸形成層のない従来構造、例えば、電極４００、配向制御膜３００、強磁性固定層３０１、障壁層３０２、強磁性自由層３０３、保護膜３０４、電極４０１がこの順に積層されたトンネル磁気抵抗効果素子では、このような特定の電圧における電流の急峻な増大は観測されることがない。この電流の増大は、共鳴トンネルによるものである。共鳴トンネルは、電極４００と電極４０１の間に流れる電流が共鳴を起こし、電流の透過率が増大するためにおきる現象である。
　このとき、図２５に示すように、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に相当する電圧においてＴＭＲ比の顕著な増大が生じる。そのＴＭＲ比は、５００％以上が期待され、従来の値に比べ一桁以上の改善が期待される。このＴＭＲ比の増大は、共鳴準位において、流れる電子のスピンの方向選択性が増大するために生じる。従って、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子に印加する電圧は、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかとする。
　本実施例においても、図１２Ｂに示したＴＭＲ比とスピントランスファートルク磁化反転における閾値電流密度Ｊcの関係のように、従来の素子のＴＭＲ比１００％では、Ｊcは２×１０6（Ａ／ｃｍ2）であるのに対して、５００％以上のＴＭＲ比では、１×１０6（Ａ／ｃｍ2）以下のＪcが実現できる。
［実施例４］
　図１６から図１８に、実施例４のトンネル磁気抵抗効果素子のシリーズを示す。ここに示す実施例４のシリーズは、前記実施例３のシリーズで示した図１３から図１５の構成において量子井戸形成層６００が、障壁層３０２と隣接し、強磁性自由層３０３に接して形成される形態である。
　図１６に示した本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、図１３に示したトンネル磁気抵抗効果素子に対して、強磁性自由層３０３と量子井戸形成層６００の積層順を逆にし、障壁層３０２と強磁性自由層３０３の間に量子井戸形成層６００を形成したものに相当する。同様に、図１７に示したトンネル磁気抵抗効果素子は、図１４に示したトンネル磁気抵抗効果素子に対して、強磁性自由層３０３と量子井戸形成層６００の積層順を逆にし、障壁層３０２と第一の強磁性自由層３０３１の間に量子井戸形成層６００を形成したものに相当する。また、図１８に示したトンネル磁気抵抗効果素子は、図１５に示したトンネル磁気抵抗効果素子に対して、強磁性自由層３０３と量子井戸形成層６００の積層順を逆にし、強磁性自由層３０３と障壁層３０２の間に量子井戸形成層６００を形成したものに相当する。
　そのほかに、前記実施例３のシリーズで示した構成３－２から構成３－１４の構成において量子井戸形成層６００が、障壁層と隣接して、強磁性自由層に接して形成される形態を用いることも可能である。これらの構成例を、実施例４のシリーズとする。
　本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例３で述べたのと同様である。一方、量子井戸形成層部分で形成されるエネルギー状態は図２４に示すようになり、この場合も実施例３のシリーズと同様に図２５、図２６、図１２Ｂに示した効果が得られる。
［実施例５］
　図１９は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、量子井戸形成層６００、強磁性固定層３０１、障壁層３０２、強磁性自由層３０３、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成され、量子井戸形成層６００が強磁性固定層３０１に隣接していることが特徴である。本実施例においても、適当な温度で熱処理することによりＴＭＲ比とＪcが最適化される。
　ここで、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に示す構成５－２から構成５－８の構成を用いることが可能であり、これらを実施例５のシリーズとする。
　構成５－２は、図１９における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接している。
　構成５－３は、図１９における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成５－４は、図１９における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接して積層している。
　構成５－５は、図１９に示したトンネル磁気抵抗効果素子において強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３の位置が入れ替わり、量子井戸形成層６００が保護膜３０４側において強磁性固定層３０１に隣接している構成である。すなわち、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性自由層３０３、障壁層３０２、強磁性固定層３０１、量子井戸形成層６００、保護膜３０４がこの順に形成される構成である。
　構成５－６は、構成５－５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接している構成である。
　構成５－７は、構成５－５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成５－８は、構成５－５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接して積層している。
　ここで、実施例５のシリーズに示したトンネル磁気抵抗素子の典型的作製方法について用いて述べる。
　まず、強磁性固定層３０１（第一の強磁性固定層、第二の強磁性固定層）について述べる。強磁性固定層には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、その例を表１に示した。強磁性固定層の材料は具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。次に、強磁性自由層３０３の材料について述べる。強磁性自由層３０３（第一の強磁性自由層、第二の強磁性自由層）は、強磁性固定層と同様にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、表１に示した材料が選択されるが、具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。
　次に、障壁層３０２の材料選択について述べる。本実施例においても表２の左欄に示したような材料を用いることが望ましい。障壁層３０２にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯに接する強磁性固定層と強磁性自由層には体心立方格子のＣｏＦｅＢを用いることがもっとも望ましく、さらにＭｇＯとＣｏＦｅＢの（００１）結晶配向を選択することにより良好な共鳴トンネル効果が得られる。これは、（００１）配向したＭｇＯ障壁内では、トンネル電流中のスピンの選択性が大きいためである。
　配向制御膜３００は、その直上に隣接する材料によって選択される。例えば配向制御膜３００上に、ＣｏＦｅＢが選択される場合、５ｎｍ以下とするのが望ましいが、ＣｕＮ，ＴａＮなどの非結晶材料を用いてもよい。
　本実施例５において共鳴トンネル効果を発現する起源となるのは量子井戸形成層６００である。量子井戸形成層６００として用いられる材料は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＭｇＯ，ＺｎＯなどの材料やそれらの多層構造が適用される。例えば、強磁性固定層３０１や強磁性自由層３０３にＣｏＦｅＢを用いた場合ＣｒやＭｇＯ／Ｃｒを量子井戸形成層６００に用いることが望ましい。ここで、ＣｏＦｅＢや、ＣｏＦｅなどを強磁性固定層３０１、強磁性自由層３０３に適用したときに、ＦｅのＣｏに対する組成比Ｆｅ／Ｃｏが、０．５以上（つまりＦｅ組成が大きい）の場合、量子井戸形成層６００にＣｒを用いることが好まれる。一方、Ｆｅ／Ｃｏが０．５より小さい場合は量子井戸形成層６００にＣｕを使用することが好ましい。
　このように形成したトンネル磁気抵抗効果膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子に形成される。また、適当な温度において熱処理を行うことにより、高ＴＭＲ比と低Ｊcの最適化が行われる。熱処理は、上記トンネル磁気抵抗効果膜を製膜した後に実施してもよいし、微細加工を施したあとに行ってもかまわない。
　本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例３と同様である。本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例３と同様である。一方、量子井戸形成層部分で形成されるエネルギー状態は図２３に示すとおりであり、この場合も実施例３のシリーズと同様に図２５、図２６、図１２Ｂに示した効果が得られる。
［実施例６］
　図２０は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性固定層３０１、量子井戸形成層６００、障壁層３０２、強磁性自由層３０３、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成され、量子井戸形成層６００が、障壁層３０２と隣接して、強磁性固定層３０１に接して形成されていることが特徴である。本実施例においても適当な温度で熱処理することによりＴＭＲ比とＪcが最適化される。
　ここで、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に示す図２１と構成６－２から構成６－１４の構成を用いることが可能であり、これらを実施例６のシリーズとする。
　構成６－２は、図２０における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性固定層に隣接する。
　構成６－３は、図２０における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成６－４は、図２０における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性固定層に隣接して積層している。
　構成６－５は、図２０における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。
　構成６－６は、構成６－５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層に反強磁性層が隣接している構成である。ここで、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性固定層に隣接する。
　構成６－７は、構成６－５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　図２１に示したトンネル磁気抵抗効果素子は、構成６－５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層３０１１、非磁性層３０１２、第二の強磁性固定層３０１３により形成され、第一の強磁性固定層３０１１に反強磁性層５００が隣接している。ここで、第一の強磁性固定層３０１１と第二の強磁性固定層３０１３の磁化方向は互いに反平行に結合している。さらに、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層３０３１、非磁性層３０３２、第二の強磁性自由層３０３３により形成され、第一の強磁性自由層３０３１と第二の強磁性自由層３０３３の磁化方向は互いに反平行に結合している。また、量子井戸形成層６００は、第二の強磁性固定層３０１３に隣接して積層している。
　図２２に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性自由層３０３、障壁層３０２、強磁性固定層３０１、量子井戸形成層６００、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成される。
　構成６－８は、図２２における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層３０１１に隣接する。
　構成６－９は、図２２における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成６－１０は、図２２における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接して積層している。
　構成６－１１は、図２２における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。
　構成６－１２は、構成６－１１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接している構成である。
　構成６－１３は、構成６－１１における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
　構成６－１４は、構成６－１１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接して積層している。
　ここで、実施例６のシリーズに示したトンネル磁気抵抗素子の典型的作製方法について用いて述べる。
　まず強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）について述べる。強磁性固定層には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、その例を表１に示した。強磁性固定層の材料は具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。次に、強磁性自由層３０３の材料について述べる。強磁性自由層３０３（３０３１，３０３３）は、強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）と同様にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、表１に示した材料が選択されるが、具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。
　次に、障壁層３０２の材料選択について述べる。本実施例においても表２の左欄に示したような材料を用いることが望ましい。障壁層３０２にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯに接する強磁性固定層と強磁性自由層には体心立方格子のＣｏＦｅＢを用いることが最も望ましく、さらにＭｇＯとＣｏＦｅＢの（００１）結晶配向を選択することにより良好な共鳴トンネル効果が得られる。これは、（００１）配向したＭｇＯ障壁内では、トンネル電流中のスピンの選択性が大きいためである。
　本実施例のシリーズでは反強磁性層５００としてＭｎＩｒを用いたが、ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒやＭｎＦｅなどの反強磁性膜を用いてもよい。
　配向制御膜３００は、その直上に隣接する材料によって選択される。例えば配向制御膜３００上に、ＣｏＦｅＢが選択される場合、５ｎｍ以下とすることが望ましいが、ＣｕＮ，ＴａＮなどの非結晶材料を用いてもよい。また、配向制御膜３００上に、反強磁性層５００があり、それが面心立方格子（Ｆｃｃ）の（１１１）配向膜である場合、配向制御膜３００としてＴａ／ＮｉＦｅなどの２層膜構成を適用してもよい。この場合、ＮｉＦｅが、反強磁性膜５００のＦｃｃ（１１１）結晶方位を優先的に成長させる役割を果たす。
　本実施例において共鳴トンネル効果を発現する起源となるのは量子井戸形成層６００である。量子井戸形成層６００として用いられる材料は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＭｇＯ，ＺｎＯなどの材料やそれらの多層構造が適用される。例えば、強磁性固定層３０１や強磁性自由層３０３にＣｏＦｅＢを用いた場合ＣｒやＭｇＯ／Ｃｒを量子井戸形成層６００に用いることが望ましい。ここで、ＣｏＦｅＢや、ＣｏＦｅなどを強磁性固定層３０１、強磁性自由層３０３に適用したときに、ＦｅのＣｏに対する組成比Ｆｅ／Ｃｏが、０．５以上（つまりＦｅ組成が大きい）の場合、量子井戸形成層６００にＣｒを用いることが好まれる。一方、Ｆｅ／Ｃｏが０．５より小さい場合は量子井戸形成層６００にＣｕを使用することが好ましい。
　このように形成したトンネル磁気抵抗効果膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子に形成される。また、適当な温度において熱処理を行うことにより、高ＴＭＲ比と低Ｊcの最適化が行われる。熱処理は、上記トンネル磁気抵抗効果膜を製膜した後に実施してもよいし、微細加工を施したあとに行ってもかまわない。
　本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例３と同様である。一方、量子井戸形成層部分で形成されるエネルギー状態は図２４に示すとおりであり、この場合も実施例３のシリーズと同様に図２５、図２６、図１２Ｂに示した効果が得られる。
［実施例７］
　図２７と図２８は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１から６に示したトンネル磁気抵抗効果素子２００を搭載している。
　Ｃ－ＭＯＳ１００は、２つのｎ型半導体１０１，１０２と一つのｐ型半導体１０３からなる。ｎ型半導体１０１にドレインとなる電極１２１が電気的に接続され、電極１４１，１４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１０２には、ソースとなる電極１２２が電気的に接続されている。ゲート電極１２３のＯＮ／ＯＦＦにより、ソース電極１２２とドレイン電極１２１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する。上記ソース電極１２２に電極１４５，１４４，１４３，１４２，４００が積層され、電極４００にトンネル磁気抵抗効果素子の配向制御膜３００が接続されている。
　ビット線４０１は上記トンネル磁気抵抗効果素子２００の保護膜３０４に接続されている。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果素子２００に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果素子２００の強磁性自由層の磁化方向を回転し磁気的情報を記録する。スピントランスファートルクは空間的な外部磁界ではなく、主としてトンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与える原理である。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すこと自身で発生するメカニズムをもつ。したがって、トンネル磁気抵抗効果素子に外部から電流を供給する手段を備え、その手段から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。本実施例では、ビット線４０１と電極１４７の間に電流が流れることによりトンネル磁気抵抗効果素子２００中の強磁性自由層にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。
　図２９は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極１２３とビット線４０１がメモリセル７００に電気的に接続されている。本発明の磁気メモリは超高速・低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気ランダムアクセスメモリを実現可能である。
１００　トランジスタ
２００　共鳴トンネル磁気抵抗効果素子
１０１　第一のｎ型半導体
１０２　第二のｎ型半導体
１０３　ｐ型半導体
１２２　ソース電極
４０１　ビット線
１２１　ドレイン電極
１２３　ゲート電極
１４１　電極配線
１４２　電極配線
１４３　電極配線
１４４　電極配線
１４５　電極配線
３００　配向制御膜
３０１　強磁性固定層
３０１１　第一の強磁性固定層
３０１２　非磁性層
３０１３　第二の強磁性固定層
３０２　障壁層
３０２１　第一の障壁層
３０２２　第二の障壁層
３０２３　第三の障壁層
３０３　強磁性自由層
３０３１　第一の強磁性自由層
３０３２　非磁性層
３０３３　強磁性自由層
３０４　保護膜
４００，４０１　電極
５００　反強磁性層
６００　量子井戸形成層
７００　磁気メモリセル

Claims (15)

  1. 　エネルギーギャップの異なる少なくとも２層の絶縁膜を積層して形成された障壁層と、
    　前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、
    　電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、
    　前記複数の絶縁膜のエネルギーギャップのうち最も小さなエネルギーギャップに相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子。
  2. 　請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性自由層と強磁性固定層の少なくとも一方は、非磁性層を挟んで設けられた２層の強磁性膜からなり、前記２層の強磁性膜の磁化は反平行結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  3. 　請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、反強磁性層が前記強磁性固定層に隣接積層されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  4. 　請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも一つの元素とＢを含有する体心立方構造の膜を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  5. 　請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記障壁層は、ＭｇＯ膜及びＺｎＯ膜の少なくとも一方を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  6. 　請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記障壁層は、ＭｇＯ膜とＺｎＯ膜を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  7. 　障壁層と、
    　前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、
    　前記強磁性自由層と強磁性固定層のいずれか一方に隣接して設けられた量子井戸形成層と、
    　電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、
    　前記量子井戸形成層の共鳴準位電圧に相当する電圧を前記一対の電極に印加し、
    　スピントランスファートルクにより、前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子。
  8. 　請求項７記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性自由層と強磁性固定層の少なくとも一方は、非磁性層を挟んで設けられた２層の強磁性膜からなり、前記２層の強磁性膜の磁化は反平行結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  9. 　請求項７記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、反強磁性層が前記強磁性固定層に隣接積層されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  10. 　請求項７記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層は、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも一つの元素とＢを含有する体心立方構造の膜を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  11. 　請求項７記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記量子井戸形成層は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＭｇＯ，ＺｎＯの少なくとも一つ含むことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  12. 　エネルギーギャップの異なる少なくとも２層の絶縁膜を積層して形成された障壁層と、前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、前記複数の絶縁膜のエネルギーギャップのうち最も小さなエネルギーギャップに相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
    　前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と
    　を備えることを特徴とする磁気メモリセル。
  13. 　障壁層と、前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層のいずれか一方に隣接して設けられた量子井戸形成層と、電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、前記量子井戸形成層の共鳴準位電圧に相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより、前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
    　前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と
    　を備えることを特徴とする磁気メモリセル。
  14. 　複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
    　前記磁気メモリセルは、エネルギーギャップの異なる少なくとも２層の絶縁膜を積層して形成された障壁層と、前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、前記複数の絶縁膜のエネルギーギャップのうち最も小さなエネルギーギャップに相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備えることを特徴とする磁気メモリセル。
  15. 　複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
    　前記磁気メモリセルは、障壁層と、前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層のいずれか一方に隣接して設けられた量子井戸形成層と、電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、前記量子井戸形成層の共鳴準位電圧に相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより、前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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