WO2011118461A1 - 磁気メモリ - Google Patents

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WO2011118461A1
WO2011118461A1 PCT/JP2011/056158 JP2011056158W WO2011118461A1 WO 2011118461 A1 WO2011118461 A1 WO 2011118461A1 JP 2011056158 W JP2011056158 W JP 2011056158W WO 2011118461 A1 WO2011118461 A1 WO 2011118461A1
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magnetic
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magnetic memory
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本庄　弘明
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日本電気株式会社
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
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    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3295—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetic pinned or free layers are laminated without anti-parallel coupling within the pinned and free layers
    • 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 magnetic memory.
  • the present invention relates to a magnetic memory that uses current-induced domain wall motion and includes a data storage layer having perpendicular magnetic anisotropy.
  • Magnetic memory in particular, Magnetic Random Access Memory (MRAM)
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • the MRAM uses a magnetic material as a storage element and stores data corresponding to the magnetization direction of the magnetic material.
  • the magnetization of the magnetic material is switched to a direction corresponding to the data.
  • a current hereinafter referred to as “write current”.
  • Non-Patent Document 1 N. Sakimura et al., MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 42,. It is shown that the cell area becomes equal to that of an existing embedded SRAM by reducing the write current to 0.5 mA or less.
  • the most common method of writing data to the MRAM is to arrange a wiring for writing around the magnetic memory element and generate a magnetic field by flowing a write current through the wiring, and the magnetic field of the magnetic memory element is generated by the magnetic field.
  • This is a method of switching the magnetization direction. According to this method, writing in 1 nanosecond or less is possible in principle, which is suitable for realizing a high-speed MRAM.
  • the magnetic field for switching the magnetization of the magnetic material that has ensured thermal stability and disturbance magnetic field resistance is generally about several tens of Oe (Yersted). In order to generate such a magnetic field, several A write current of about mA is required.
  • the chip area is inevitably increased, and the power consumption required for writing increases, so that it is inferior in competitiveness compared to other random access memories.
  • the write current further increases, which is not preferable in terms of scaling.
  • the first is a spin-injection magnetization reversal (Spin Torque Transfer) method.
  • the second magnetic layer is composed of a first magnetic layer having reversible magnetization and a second magnetic layer that is electrically connected thereto and whose magnetization direction is fixed.
  • a write current is passed between the magnetic layer and the first magnetic layer.
  • the magnetization of the first magnetic layer can be reversed by the interaction between the spin-polarized conduction electrons and the localized electrons in the first magnetic layer.
  • a magnetoresistive effect developed between the first magnetic layer and the second magnetic layer is used. Therefore, a magnetic memory element using spin injection magnetization reversal is a two-terminal element.
  • spin transfer magnetization reversal occurs at a certain current density or higher, the current required for writing is reduced if the element size is reduced. That is, it can be said that the spin injection magnetization reversal method is excellent in scaling.
  • an insulating layer is provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer, and a relatively large write current must be passed through the insulating layer during writing. Rewriting durability and reliability are issues. Further, since the write current path and the read current path are the same, there is a concern about erroneous writing during reading. Thus, although spin transfer magnetization reversal is excellent in scaleability, there are some barriers to practical use.
  • the second method is a current-induced domain wall motion (Current Drive Domain Wall Motion) method.
  • An MRAM using current-induced domain wall motion is disclosed in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-191032).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-191032.
  • a magnetic layer (data storage layer) having reversible magnetization is provided, and the magnetizations at both ends of the data storage layer are fixed so as to be substantially antiparallel to each other. .
  • Such a magnetization arrangement introduces a domain wall into the data storage layer.
  • Non-Patent Document 2 (A. Yamaguchi et al., Real-Space Observation of Current-Drived Domain Wall Motion in Submicron Magnificent 7: WISIVAL.
  • the domain wall moves in the direction of conduction electrons. Therefore, by supplying a write current in the in-plane direction to the data storage layer, it is possible to move the domain wall in a direction corresponding to the current direction and write desired data.
  • a magnetic tunnel junction including a region where the domain wall moves is used, and reading is performed based on the magnetoresistance effect. Therefore, a magnetic memory element using current-induced domain wall motion is a three-terminal element.
  • current induced domain wall motion also occurs when the current density is greater than a certain current density. Therefore, it can be said that the current induced domain wall motion method is also excellent in scaling.
  • the write current does not flow through the insulating layer, and the write current path and the read current path are different. Therefore, the above-mentioned problem in the case of spin injection magnetization reversal is solved.
  • Non-Patent Document 2 a current density of about 1 ⁇ 10 8 [A / cm 2 ] is reported as a current density necessary for current-induced domain wall motion.
  • Non-Patent Document 3 in (S. Fukami et al., Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. 103, 07E718, 2008.), the current-induced domain wall motion type
  • the utility of perpendicular magnetic anisotropy materials is described. Specifically, it has been found through micromagnetic simulation that the write current can be reduced sufficiently small when the data storage layer in which the domain wall motion occurs has perpendicular magnetic anisotropy.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-135503 discloses a top pin type magnetoresistive element.
  • the magnetoresistive element includes an underlayer, a magnetization free layer formed on the underlayer, and a magnetization fixed layer formed on the magnetization free layer via a nonmagnetic layer 34.
  • the underlayer is formed of a crystalline metal material.
  • the crystal of the underlayer has a plurality of types of crystal orientation components. Two or more types of the plurality of types of crystal orientation components are in contact with the magnetization free layer.
  • An MRAM disclosed in Patent Document 3 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-54715
  • a magnetic recording layer that is a ferromagnetic layer having magnetic anisotropy
  • a read layer for reading information provided on the magnetic recording layer. And comprising.
  • the magnetization recording layer is connected to the boundary between the first magnetization switching region and the magnetization switching region including the first magnetization switching region having the reversible magnetization and the second magnetization switching region, and the magnetization direction is fixed.
  • a second magnetization fixed region connected to a boundary between the first magnetization fixed region and the second magnetization switching region and having a fixed magnetization direction.
  • a ferromagnetic material having perpendicular magnetic anisotropy is preferably formed as a data storage layer.
  • the inventor of the present application paid attention to the following points.
  • perpendicular magnetization must be realized using such materials. In other words, it is necessary to realize a crystal orientation such that perpendicular magnetization can be obtained in the data storage layer.
  • One object of the present invention is to provide a technique capable of suitably realizing a data storage layer having perpendicular magnetic anisotropy and improving operational reliability in a magnetic memory using current-induced domain wall motion. There is.
  • a magnetic memory in one aspect of the present invention, includes a pinning layer that is a perpendicular magnetization film whose magnetization direction is fixed, an underlayer formed on the pinning layer, and a data storage layer that is a perpendicular magnetization film formed on the underlayer.
  • the data storage layer includes a magnetization free region whose magnetization direction can be reversed, and a magnetization fixed region that is magnetically coupled to the pinning layer via the underlayer and whose magnetization direction is fixed by the magnetic coupling.
  • the underlayer includes a magnetic underlayer formed of a magnetic material.
  • FIG. 1A is a side view showing a configuration of a magnetic memory element according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a plan view of the magnetic memory device shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A shows the “0” state of the magnetic memory element.
  • FIG. 2B shows the “1” state of the magnetic memory element.
  • FIG. 3A is a conceptual diagram illustrating a method of writing data to a magnetic memory element.
  • FIG. 3B is a conceptual diagram showing a method of writing data to the magnetic memory element.
  • FIG. 4A is a conceptual diagram illustrating a method of reading data from a magnetic memory element.
  • FIG. 4B is a conceptual diagram illustrating a method of reading data from a magnetic memory element.
  • FIG. 4A is a conceptual diagram illustrating a method of reading data from a magnetic memory element.
  • FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of one magnetic memory cell.
  • FIG. 6 is a graph showing a measurement result of the dependency of the magnetization curve on the underlayer thickness.
  • FIG. 7 is a graph showing the measurement results of the dependence of the magnetization curve on the underlayer thickness.
  • FIG. 8 is a side view showing a modification of the magnetic memory element.
  • the magnetic memory according to the present embodiment includes a plurality of magnetic memory cells arranged in an array, and each magnetic memory cell has a magnetic memory element.
  • a current-induced domain wall motion type magnetic memory element includes a data storage layer that stores data according to a magnetization state, a read mechanism for reading data stored in the data storage layer, and a current that is introduced into the data storage layer. A current introduction mechanism.
  • FIG. 1A and 1B show a configuration example of the magnetic memory element 1 according to the present embodiment.
  • 1A is a side view and FIG. 1B is a plan view.
  • the z-axis indicates a direction perpendicular to the substrate, and the x-axis and y-axis are parallel to the substrate plane.
  • the magnetic memory element 1 includes a magnetization free layer 10, a nonmagnetic layer 20, a pinned layer 30, a base layer 40, a pinning layer 50, and an electrode layer 60.
  • the magnetization free layer 10 is the “data storage layer” described above, and is formed of a ferromagnetic material.
  • the magnetization free layer 10 is formed of a perpendicular magnetic film having perpendicular magnetic anisotropy.
  • the magnetization free layer 10 includes a region where the magnetization direction can be reversed, and stores data according to the magnetization state. More specifically, the magnetization free layer 10 includes a first magnetization fixed region 11a, a second magnetization fixed region 11b, and a magnetization free region 12.
  • the magnetization fixed regions 11a and 11b are located on both sides of the magnetization free region 12, and the magnetization free region 12 is sandwiched between the magnetization fixed regions 11a and 11b.
  • the magnetizations of the magnetization fixed regions 11a and 11b are fixed in opposite directions. That is, the magnetization directions of the magnetization fixed regions 11a and 11b are antiparallel.
  • the magnetization direction of the first magnetization fixed region 11a is fixed in the + z direction
  • the magnetization direction of the second magnetization fixed region 11b is fixed in the ⁇ z direction.
  • the magnetization direction of the magnetization free region 12 can be reversed, and becomes the + z direction or the ⁇ z direction. Accordingly, a domain wall is formed in the magnetization free layer 10 according to the magnetization direction of the magnetization free region 12.
  • the nonmagnetic layer 20 is provided adjacent to the magnetization free layer 10.
  • the nonmagnetic layer 20 is provided so as to be adjacent to at least the magnetization free region 12 of the magnetization free layer 10.
  • the nonmagnetic layer 20 is formed of a nonmagnetic material, and preferably is formed of an insulator.
  • the pinned layer 30 is provided adjacent to the nonmagnetic layer 20 and on the side opposite to the magnetization free layer 10. That is, the pinned layer 30 is connected to the magnetization free layer 10 (magnetization free region 12) through the nonmagnetic layer 20.
  • the pinned layer 30 is made of a ferromagnetic material, and its magnetization direction is fixed in one direction.
  • the pinned layer 30 is also formed of a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy.
  • the magnetization direction of the pinned layer 30 is fixed in the + z direction or the ⁇ z direction.
  • the magnetization direction of the pinned layer 30 is fixed in the + z direction.
  • the magnetization free layer 10 (magnetization free region 12), the nonmagnetic layer 20, and the pinned layer 30 described above form a magnetic tunnel junction (MTJ).
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • the nonmagnetic layer 20 and the pinned layer 30 correspond to a “read mechanism” for reading data stored in the magnetization free layer 10 as a data storage layer.
  • the underlayer 40 is provided on the substrate side of the magnetization free layer 10. As will be described in detail later, by using this foundation layer 40 as a foundation, the magnetization free layer 10 having perpendicular magnetic anisotropy is formed on the foundation layer 40. That is, the magnetization free layer 10 is formed on the underlayer 40 so as to be in contact with the underlayer 40. The underlayer 40 is formed on the pinning layer 50.
  • a pinning layer 50 is provided on the substrate side of the base layer 40.
  • the pinning layer 50 is a perpendicular magnetization film whose magnetization direction is fixed, and plays a role of fixing the magnetization directions of the magnetization fixed regions 11 a and 11 b in the magnetization free layer 10. More specifically, the pinning layer 50 includes a first pinning layer 50a on the first magnetization fixed region 11a side and a second pinning layer 50b on the second magnetization fixed region 11b side.
  • the first pinning layer 50a is magnetically coupled to the first magnetization fixed region 11a via the underlayer 40, and the magnetization direction of the first magnetization fixed region 11a is fixed by the magnetic coupling.
  • the second pinning layer 50b is magnetically coupled to the second magnetization fixed region 11b through the underlayer 40, and fixes the magnetization direction of the second magnetization fixed region 11b by the magnetic coupling.
  • the magnetization directions of the first pinning layer 50a and the second pinning layer 50b are opposite to each other.
  • Two electrode layers 60 are provided so as to be connected to each of the first pinning layer 50a and the second pinning layer 50b.
  • the electrode layer 60 corresponds to the “current introduction mechanism” described above, and is used to introduce a current into the magnetization free layer 10 as a data storage layer.
  • FIGS. 2A and 2B show two memory states that the magnetic memory element 1 shown in FIG. 1A can take.
  • the magnetization directions of the magnetization fixed regions 11a and 11b of the magnetization free layer 10 are fixed in the + z direction and the ⁇ z direction, respectively, and the magnetization direction of the pinned layer 30 is fixed in the + z direction.
  • the magnetization direction of the magnetization free region 12 of the magnetization free layer 10 is the + z direction.
  • the domain wall DW is formed at the boundary between the magnetization free region 12 and the second magnetization free region 11b.
  • the magnetization direction of the magnetization free region 12 and the magnetization direction of the pinned layer 30 are parallel to each other. Therefore, the MTJ resistance value is relatively small.
  • Such a magnetization state is associated with, for example, a memory state of data “0”.
  • the magnetization direction of the magnetization free region 12 of the magnetization free layer 10 is the ⁇ z direction.
  • a domain wall DW is formed at the boundary between the magnetization free region 12 and the first magnetization free region 11a.
  • the magnetization direction of the magnetization free region 12 and the magnetization direction of the pinned layer 30 are antiparallel to each other. Accordingly, the MTJ resistance value is relatively large.
  • Such a magnetization state is associated with, for example, a memory state of data “1”.
  • data writing to the magnetic memory element 1 is performed by a current induced domain wall motion method.
  • the above-described electrode layer 60 current introduction mechanism connected to the magnetization free layer 10 having the domain wall DW is used.
  • the two electrode layers 60 it is possible to cause a write current to flow in the in-plane direction in the magnetization free layer 10 and move the domain wall DW in a direction corresponding to the current direction. That is, the magnetization state of the magnetization free layer 10 can be switched between the two memory states shown in FIGS. 2A and 2B by current induced domain wall motion.
  • FIG. 3A shows the write current Iwrite when the state is switched from FIG. 2A (“0” state) to FIG. 2B (“1” state).
  • the write current Iwrite flows from the first magnetization fixed region 11a to the second magnetization fixed region 11b via the magnetization free region 12 in the magnetization free layer 10. Therefore, conduction electrons flow from the second magnetization fixed region 11b to the first magnetization fixed region 11a via the magnetization free region 12.
  • a spin transfer torque acts on the domain wall DW located in the vicinity of the boundary between the second magnetization fixed region 11b and the magnetization free region 12, and the domain wall DW acts on the first magnetization fixed region 11a. Move towards. That is, current induced domain wall movement occurs. The movement of the domain wall DW stops near the boundary between the first magnetization fixed region 11 a and the magnetization free region 12. In this way, the memory state shown in FIG. 2B, that is, the writing of data “1” is realized.
  • FIG. 3B shows the write current Iwrite when the state is switched from FIG. 2B (“1” state) to FIG. 2A (“0” state).
  • the write current Iwrite flows from the second magnetization fixed region 11b to the first magnetization fixed region 11a via the magnetization free region 12 in the magnetization free layer 10.
  • conduction electrons flow from the first magnetization fixed region 11a to the second magnetization fixed region 11b via the magnetization free region 12.
  • the spin transfer torque acts on the domain wall DW located near the boundary between the first magnetization fixed region 11a and the magnetization free region 12, and the domain wall DW moves toward the second magnetization fixed region 11b. That is, current induced domain wall movement occurs.
  • the movement of the domain wall DW stops near the boundary between the second magnetization fixed region 11 b and the magnetization free region 12. In this way, the memory state shown in FIG. 2A, that is, writing of data “0” is realized.
  • a method of reading data from the magnetic memory element 1 will be described with reference to FIGS. 4A and 4B.
  • data reading is performed by using the tunnel magnetoresistive effect (TMR effect).
  • TMR effect tunnel magnetoresistive effect
  • a read current Iread flows in a direction penetrating the MTJ (magnetization free layer 10, nonmagnetic layer 20, pinned layer 30).
  • the direction of the read current Iread is arbitrary.
  • FIG. 4A shows the read current Iread in the “0” state shown in FIG. 2A. In this case, since the magnetization direction of the magnetization free region 12 and the magnetization direction of the pinned layer 30 are parallel, the resistance value of the MTJ is relatively small.
  • FIG. 4B shows the read current Iread in the “1” state shown in FIG. 2B. In this case, since the magnetization direction of the magnetization free region 12 and the magnetization direction of the pinned layer 30 are antiparallel, the MTJ resistance value is relatively large.
  • the magnitude of the resistance value of the MTJ can be determined based on the magnitude of the read current Iread or the voltage value corresponding to the read current Iread. That is, the magnetization state of the magnetization free layer 10 (data storage layer) can be detected, and the data stored as the magnetization state can be read.
  • the nonmagnetic layer 20 and the pinned layer 30 function as a “read mechanism” for detecting the magnetization state of the magnetization free layer 10 through the tunnel magnetoresistance effect.
  • FIG. 5 shows a circuit configuration example of a 1-bit magnetic memory cell.
  • the magnetic memory cell has a 2T-1MTJ (two transistors-one magnetic tunnel junction) configuration including the magnetic memory element 1 and two transistors TRa and TRb.
  • the magnetic memory element 1 is a three-terminal element, and is connected to the word line WL, the ground line GL, and the bit line pair BLa, BLb.
  • a terminal connected to the pinned layer 30 is connected to the ground line GL.
  • a terminal (electrode layer 60) connected to the first pinning layer 50a is connected to the bit line BLa via the transistor TRa.
  • a terminal (electrode layer 60) connected to the second pinning layer 50b is connected to the bit line BLb via the transistor TRb.
  • the gates of the transistors TRa and TRb are connected to a common word line WL.
  • the word line WL is set to the high level, and the transistors TRa and TRb are turned on.
  • one of the bit line pair BLa and BLb is set to a high level, and the other is set to a low level (ground level).
  • the write current Iwrite flows between the bit line BLa and the bit line BLb via the transistors TRa and TRb and the magnetization free layer 10.
  • the word line WL is set to a high level, and the transistors TRa and TRb are turned on. Further, the bit line BLa is set to an open state, and the bit line BLb is set to a high level. As a result, the read current Iread flows from the bit line BLb through the MTJ of the magnetic memory element 1 to the ground line GL.
  • the magnetic memory element 1 includes a data storage layer (magnetization free layer 10) having perpendicular magnetic anisotropy.
  • a data storage layer having such perpendicular magnetic anisotropy, it is possible to reduce the write current required for current-induced domain wall motion.
  • the material of the magnetization free layer 10 In order to actually realize the current-induced domain wall motion and further reduce the write current, it is necessary to adjust the material of the magnetization free layer 10 appropriately. Specifically, it is preferable to use a material having a small saturation magnetization and a large spin polarizability. Furthermore, perpendicular magnetization must be realized using such materials. In other words, it is necessary to realize a crystal orientation such that perpendicular magnetization can be obtained in the magnetization free layer 10.
  • the “underlayer 40” is provided so that the magnetization free layer 10 can be grown in a suitable crystal orientation.
  • Non-Patent Document 4 (A. Thiaville et al., Domain wall motion by spin-polarized current: by micromagnetic study, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. The current-induced domain wall motion is more likely to occur as the parameter: g ⁇ B P / 2eM s increases.
  • g Lande g factor
  • ⁇ B Bohr magneton
  • P spin polarizability
  • e elementary charge of electron
  • M s saturation magnetization. Since g, ⁇ B , and e are physical constants, it can be seen that it is effective to increase the spin polarizability P of the magnetization free layer 10 and decrease the saturation magnetization M s in order to reduce the write current.
  • the magnetization free layer 10 has a laminated structure in which a first layer and a second layer are laminated.
  • the first layer contains an alloy made of a plurality of materials selected from any one of Fe, Co, and Ni, or a group thereof.
  • the second layer contains an alloy made of a plurality of materials selected from Pt, Pd, Au, Ag, Ni, Cu, or a group thereof.
  • Non-patent Document 5 S. Fukami et al., Low-Current Permanental Domain Wall Motion Cell. for Scalable High-Speed MRAM, Symposium on VLSI Technology, 12A-2, 2008.).
  • the magnetic material of the magnetization free layer 10 as described above has an fcc structure and an fcc (111) -oriented crystal structure in which (111) planes are stacked in the direction perpendicular to the substrate.
  • Non-Patent Document 6 (G.H.O. Daaldelop et al., Prediction and Confirmation of Permanent Magnetic Anisotropy in Co / Ni Multilayers, PHYSICAL REVIEW. .)
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the laminated film as described above is manifested by the interfacial magnetic anisotropy at the interface of these films. Therefore, in order to realize good perpendicular magnetic anisotropy in the magnetization free layer 10, it is preferable to provide the “underlayer 40” so that the above-described magnetic material can be grown with good fcc (111) orientation.
  • Non-Patent Document 7 FJA den den Broeder et al., Perpendicular Magnetic Anisotropy and Cooperity of Co / Ni Multilayers, 27, IEEE TRANSACTIONS. Shows that perpendicular magnetization can be obtained in a Co / Ni laminated film by using a base layer of a nonmagnetic material. More specifically, only a thick Au film or Cu film of 10 nm or more is used as the underlayer. However, when only such a nonmagnetic layer is used as the underlayer, only weak magnetostatic coupling can be obtained between the pinning layer and the data storage layer (magnetization fixed region). If the magnetization fixation of the magnetization fixed region is insufficient, there is a possibility that the domain wall DW may come out of the data storage layer by the data write operation. This significantly degrades the operational reliability of the magnetic memory.
  • the underlayer 40 In order to maintain the domain wall DW normally in the data storage layer 10, it is necessary to sufficiently fix the magnetization directions of the magnetization fixed regions 11a and 11b in the data storage layer 10. That is, it is important to realize strong magnetic coupling between the pinning layers 50a and 50b and the magnetization fixed regions 11a and 11b. Therefore, according to the present embodiment, a magnetic material is used as the underlayer 40. That is, the underlayer 40 in FIG. 1A is a “magnetic underlayer” formed of a magnetic material. Preferably, a perpendicular magnetization film having perpendicular magnetic anisotropy is used as the magnetic underlayer 40.
  • Examples of the material of the magnetic underlayer 40 include NiFeB. It will be shown below that even when such a NiFeB film is used as the magnetic underlayer 40, the Co / Ni laminated film as the magnetization free layer 10 can be grown with a good fcc (111) orientation. That is, it is shown that good perpendicular magnetic anisotropy can be realized in the magnetization free layer 10 by using the NiFeB film as the magnetic underlayer 40.
  • 6 and 7 show the magnetization curves of the Co / Ni multilayer film measured for various NiFeB film thicknesses. 6 shows a magnetization curve in the substrate vertical direction, and FIG. 7 shows a magnetization curve in the substrate in-plane direction. A silicon substrate with an oxide film was used as the substrate. As shown in FIGS. 6 and 7, by appropriately adjusting the NiFeB film thickness, the Co / Ni laminated film can be grown with good fcc (111) orientation, that is, good perpendicular magnetization can be realized. I understand that.
  • the Co / Ni laminated film exhibits perpendicular magnetic anisotropy when the NiFeB film thickness is 2 nm or more. That is, good perpendicular magnetization is realized when the film thickness is 2 nm or more.
  • the NiFeB film gives perpendicular magnetic anisotropy to the Co / Ni laminated film and that the NiFeB film itself is also perpendicularly magnetized.
  • FIG. 7 shows that when the NiFeB film thickness is increased to about 10 nm, the NiFeB film partially has magnetic anisotropy in the in-plane direction of the substrate. Therefore, the NiFeB film thickness is preferably 10 nm or less. Thus, the NiFeB film thickness is preferably 2 nm or more and 10 nm or less.
  • This NiFeB film thickness is smaller than the film thickness (10 nm or more) of the nonmagnetic underlayer shown in Non-Patent Document 7 described above.
  • the underlayer becomes thicker, the resistance value of the underlayer decreases, and the write current easily flows through the underlayer. That is, a relatively large part of the write current flows through the underlayer instead of the magnetization free layer 10, and the total amount of the write current increases, including the amount not contributing to the current-induced domain wall motion. This is not preferable from the viewpoint of reducing the write current. In other words, it is preferable that the thickness of the underlayer is reduced from the viewpoint of reducing the write current.
  • the material of the magnetic underlayer 40 is not limited to NiFeB.
  • NiFeNbB, NiFeZr, NiFeTi, NiFeMoB, NiFeCrB, NiFeNbMoB, NiFeCr, NiFeNb, NiFeMo, NiFeNbMo, or the like may be used.
  • NiFeNbB, NiFeZr, NiFeTi, NiFeMoB, NiFeCrB, NiFeNbMoB, NiFeCr, NiFeNb, NiFeMo, NiFeNbMo, or the like may be used.
  • NiFeNbB, NiFeZr, NiFeTi, NiFeMoB, NiFeCrB, NiFeNbMoB, NiFeCr, NiFeNb, NiFeMo, NiFeNbMo, or the like may be used.
  • the material of the magnetization free layer 10 is Co / Ni has been described as an example.
  • the present invention can be implemented even when the material of the magnetization free layer 10 is another material (Co / Pd, Co / Pt, CoFe / Pt, CoFe / Pd, etc.). Since the resistivity of these materials is approximately equal to the resistivity of Co / Ni, the above-mentioned underlayer material and its film thickness range are applied in the same manner, thereby obtaining favorable characteristics.
  • FIG. 8 shows a modified example.
  • the underlayer 40 includes a magnetic underlayer 41 and a nonmagnetic underlayer 42.
  • the magnetic underlayer 41 is the same as the magnetic underlayer 40 described above.
  • the nonmagnetic underlayer 42 is formed of a nonmagnetic material.
  • the nonmagnetic underlayer 42 is interposed between the magnetization free layer 10 and the magnetic underlayer 41.
  • the nonmagnetic underlayer 42 plays a role of further promoting the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 10 and magnetically coupling the magnetization free layer 10 and the magnetic underlayer 41.
  • the material of the nonmagnetic underlayer 42 is preferably a material that improves the orientation of the Co-based perpendicular magnetization film and that provides excellent magnetic coupling between the magnetic films.
  • a material that improves the orientation of the Co-based perpendicular magnetization film and that provides excellent magnetic coupling between the magnetic films examples include Au, Pt, Ru, Ir, and Pd.
  • the film thickness of the nonmagnetic underlayer 42 is determined so that the magnetic coupling between the magnetization free layer 10 and the magnetic underlayer 41 is the strongest and the crystal orientation of the magnetization free layer 10 is maximized. It is done.
  • the optimum film thickness is in the range of 0.2 to 2 nm.
  • the magnetization free layer 10 (data storage layer) having perpendicular magnetic anisotropy can be suitably realized in the magnetic memory using current-induced domain wall motion. Is possible.
  • a sufficiently strong magnetic coupling is realized between the pinning layers 50a and 50b and the magnetization fixed regions 11a and 11b.
  • an operation failure such that the domain wall DW disappears due to the data write operation is prevented. That is, the operation reliability of the magnetic memory using current-induced domain wall motion is improved.
  • the write current can be reduced sufficiently small (see Non-Patent Document 3).
  • a suitable magnetization free layer 10 (data storage layer) having perpendicular magnetic anisotropy is realized. As a result, the write current can be reduced.
  • the cell area becomes equal to that of an existing embedded SRAM by reducing the write current to 0.5 mA or less.
  • one criterion for the desired write current magnitude is “0.2 mA or less”. This is because when the write current is reduced to about 0.2 mA, the minimum layout is possible in the cell configuration of 2T-1MTJ proposed in Non-Patent Document 1, which can replace the existing volatile memory and reduce the cost. This is because it is realized.
  • the write current can be reduced to 0.2 mA or less by appropriately selecting the materials and film thicknesses of the magnetization free layer 10 and the underlayer 40.
  • a magnetic memory with a write current reduced to 0.2 mA or less can be an alternative to existing memories.
  • a pinning layer which is a perpendicular magnetization film with a fixed magnetization direction;
  • a data storage layer that is a perpendicular magnetization film formed on the underlayer; With The data storage layer is A magnetization free region whose magnetization direction is reversible;
  • a magnetization fixed region that is magnetically coupled to the pinning layer via the underlayer, and whose magnetization direction is fixed by the magnetic coupling;
  • the underlayer includes a magnetic underlayer formed of a magnetic material.
  • the magnetic memory according to appendix 1 or 2 The magnetic underlayer has a thickness of 2 nm to 10 nm.
  • the magnetic memory according to any one of appendices 1 to 3,
  • the data storage layer has a laminated structure in which a first layer and a second layer are laminated,
  • the first layer contains an alloy composed of a plurality of materials selected from any one of Fe, Co, and Ni, or a group thereof.
  • the second layer includes a Pt, Pd, Au, Ag, Ni, Cu, or an alloy made of a plurality of materials selected from these groups.
  • the underlayer further includes a nonmagnetic underlayer formed of a nonmagnetic material, The nonmagnetic underlayer is interposed between the data storage layer and the magnetic underlayer.

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Abstract

　磁気メモリは、磁化方向が固定された垂直磁化膜であるピニング層と、ピニング層上に形成された下地層と、下地層上に形成された垂直磁化膜であるデータ記憶層と、を備える。データ記憶層は、磁化方向が反転可能な磁化自由領域と、下地層を介してピニング層と磁気的に結合し当該磁気的結合によってその磁化方向が固定された磁化固定領域と、を備える。下地層は、磁性体で形成された磁性下地層を備える。

Description

磁気メモリ
　本発明は、磁気メモリに関する。特に、本発明は、電流誘起磁壁移動を利用した磁気メモリであって、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を備える磁気メモリに関する。
　磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ；　ＭＲＡＭ）は、高速動作および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリである。このことから、ＭＲＡＭの実用化は一部で始まっており、また、より汎用性を高めるための開発が行われている。ＭＲＡＭは、記憶素子として磁性体を用い、その磁性体の磁化の向きに対応させてデータを記憶する。記憶素子に所望のデータを書き込むためには、磁性体の磁化をそのデータに対応した向きにスイッチさせる。この磁化方向のスイッチング方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流（以下、「書き込み電流」と参照される）を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要である。
　非特許文献１（Ｎ．　Ｓａｋｉｍｕｒａ　ｅｔ　ａｌ．，　ＭＲＡＭ　Ｃｅｌｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｏｖｅｒ　５００－ＭＨｚ　ＳｏＣ，　ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＯＬＩＤ－ＳＴＡＴＥ　ＣＩＲＣＵＩＴＳ，　ＶＯＬ．　４２，　ＮＯ．　４，　ｐｐ．８３０－８３８，　２００７．）によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下へ低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。
　ＭＲＡＭへのデータ書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に書き込み電流を流すことで磁場を発生させ、その磁場によって磁性記憶素子の磁化方向をスイッチングさせる方法である。この方法によれば、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。しかしながら、熱安定性及び外乱磁場耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁場は、一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度であり、このような磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の書き込み電流が必要となる。この場合、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、素子が微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリング性の点でも好ましくない。
　近年、このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。
　１つ目は、スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ　Ｔｏｒｑｕｅ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式である。スピン注入磁化反転方式によれば、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化方向が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で書き込み電流が流される。このとき、スピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用により、第１の磁性層の磁化を反転させることができる。読み出しの際には、第１の磁性層と第２の磁性層との間で発現する磁気抵抗効果が利用される。従って、スピン注入磁化反転を用いた磁性記憶素子は、２端子の素子となる。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こるため、素子サイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな書き込み電流をこの絶縁層を貫通して流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込み電流経路と読み出し電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このように、スピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。
　２つ目は、電流誘起磁壁移動（Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｗａｌｌ　Ｍｏｔｉｏｎ）方式である。電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭは、例えば特許文献１（特開２００５－１９１０３２号公報）に開示されている。一般的な電流誘起磁壁移動型のＭＲＡＭでは、反転可能な磁化を有する磁性層（データ記憶層）が設けられ、そのデータ記憶層の両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定される。このような磁化配置により、データ記憶層内に磁壁が導入される。ここで、非特許文献２（Ａ．　Ｙａｍａｇｕｃｈｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｒｅａｌ－Ｓｐａｃｅ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｕｒｒｅｎｔ－Ｄｒｉｖｅｎ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｗａｌｌ　Ｍｏｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｗｉｒｅｓ，　ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ　ＬＥＴＴＥＲＳ，　ＶＯＬ．　９２，　ＮＯ．　７，　０７７２０５，　２００４．）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、その磁壁は伝導電子の方向に移動する。従って、データ記憶層に面内方向の書き込み電流を流すことにより、その電流方向に応じた向きに磁壁を移動させ、所望のデータを書き込むことが可能となる。読み出しの際には、磁壁が移動する領域を含む磁気トンネル接合が用いられ、磁気抵抗効果に基づいて読み出しが行われる。従って、電流誘起磁壁移動を利用した磁性記憶素子は、３端子の素子となる。また、スピン注入磁化反転と同様に、電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こる。従って、電流誘起磁壁移動方式もスケーリング性に優れていると言える。それに加えて、電流誘起磁壁移動方式の場合、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また、書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となる。従って、スピン注入磁化反転の場合の上述の問題点が解決される。
　尚、上述の非特許文献２では、電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０８［Ａ／ｃｍ２］程度が報告されている。
　非特許文献３（Ｓ．　Ｆｕｋａｍｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｒｉｖｅｎ　ｄｏｍａｉｎ　ｗａｌｌ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｎ　ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ　ｗｉｔｈ　ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ，　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣＳ，　ＶＯＬ．　１０３，　０７Ｅ７１８，　２００８．）には、電流誘起磁壁移動方式における垂直磁気異方性材料の有用性が述べられている。具体的には、磁壁移動が起こるデータ記憶層が垂直磁気異方性を有している場合に書き込み電流を十分小さく低減できることが、マイクロマグネティックシミュレーションを通して判明している。
　特許文献２（特開２００８－１３５５０３号公報）には、トップピン型の磁気抵抗素子が開示されている。その磁気抵抗素子は、下地層と、下地層上に形成された磁化自由層と、磁化自由層上に非磁性層３４を介して形成された磁化固定層とを備える。下地層は、結晶性の金属材料で形成される。下地層の結晶は、複数種類の結晶配向成分を有する。その複数種類の結晶配向成分のうち２種類以上が、磁化自由層に接触する。
　特許文献３（特開２００９－５４７１５号公報）に開示されたＭＲＡＭは、磁気異方性を有する強磁性層である磁化記録層と、磁気記録層上に設けられた情報を読み出すための読出し層と、を備える。磁化記録層は、反転可能な磁化を有する第１磁化反転領域と第２磁化反転領とを含む磁化反転領域と、第１磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第１磁化固定領域と、第２磁化反転領域との境界に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定領域と、を備える。
特開２００５－１９１０３２号公報 特開２００８－１３５５０３号公報 特開２００９－５４７１５号公報
Ｎ．　Ｓａｋｉｍｕｒａ　ｅｔ　ａｌ．，　ＭＲＡＭ　Ｃｅｌｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｏｖｅｒ　５００－ＭＨｚ　ＳｏＣ，　ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＯＬＩＤ－ＳＴＡＴＥ　ＣＩＲＣＵＩＴＳ，　ＶＯＬ．　４２，　ＮＯ．　４，　ｐｐ．８３０－８３８，　（２００７）． Ａ．　Ｙａｍａｇｕｃｈｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｒｅａｌ－Ｓｐａｃｅ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｕｒｒｅｎｔ－Ｄｒｉｖｅｎ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｗａｌｌ　Ｍｏｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｗｉｒｅｓ，　ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ　ＬＥＴＴＥＲＳ，　ＶＯＬ．　９２，　ＮＯ．　７，　０７７２０５，　（２００４）． Ｓ．　Ｆｕｋａｍｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｒｉｖｅｎ　ｄｏｍａｉｎ　ｗａｌｌ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｎ　ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ　ｗｉｔｈ　ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ，　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣＳ，　ＶＯＬ．　１０３，　０７Ｅ７１８，　（２００８）． Ａ．　Ｔｈｉａｖｉｌｌｅ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｄｏｍａｉｎ　ｗａｌｌ　ｍｏｔｉｏｎ　ｂｙ　ｓｐｉｎ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ：　ａ　ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｔｕｄｙ，　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣＳ，　ＶＯＬ．　９５，　ＮＯ．　１１，　ｐｐ．７０４９－７０５１，　（２００４）． Ｓ．　Ｆｕｋａｍｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｌｏｗ－Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｗａｌｌ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｃｅｌｌ　ｆｏｒ　Ｓｃａｌａｂｌｅ　Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ　ＭＲＡＭ，　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＶＬＳＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　１２Ａ－２，　（２００８）． Ｇ．Ｈ．Ｏ．　Ｄａａｌｄｅｒｏｐ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ　ｉｎ　Ｃｏ／Ｎｉ　Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ，　ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ　ＬＥＴＴＥＲＳ，　ＶＯＬ．　６８，　ＮＯ．　５，　ｐｐ．６８２－６８５，　（１９９２）． Ｆ．Ｊ．Ａ．　ｄｅｎ　Ｂｒｏｅｄｅｒ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ　ａｎｄ　Ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｏ／Ｎｉ　Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ，　ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ　ＯＮ　ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，　ＶＯＬ．　２８，　ＮＯ．　５，　ｐｐ．２７６０－２７６５，　（１９９２）．
　上述の通り、マイクロマグネティックシミュレーションを通して、磁壁移動が起こるデータ記憶層が垂直磁気異方性を有している場合に、書き込み電流を十分小さく低減可能であることが判明している。従って、電流誘起磁壁移動を利用した磁気メモリにおいて書き込み電流を低減するためには、垂直磁気異方性を有する強磁性体をデータ記憶層として形成することが好ましいと予想される。
　ここで、本願発明者は、次の点に着目した。電流誘起磁壁移動型の磁気メモリを実際に製造し、更に書き込み電流を低減するためには、磁壁移動が起こるデータ記憶層の材質を適切に調整する必要がある。具体的には、飽和磁化が小さく、スピン分極率が大きな材料を用いることが好ましい。更に、そのような材料を用いて垂直磁化が実現されなくてはならない。言い換えれば、データ記憶層で垂直磁化が得られるような結晶配向を実現する必要がある。
　更に、データ記憶層中で磁壁を正常に維持するためには、データ記憶層中の磁化固定領域の磁化方向を十分に固定しておく必要がある。磁化固定領域の磁化固定が不十分な場合、データ書き込み動作によって磁壁がデータ記憶層から抜けてしまい、メモリの正常動作が不可能となる可能性がある。
　本発明の１つの目的は、電流誘起磁壁移動を利用した磁気メモリにおいて、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を好適に実現し、且つ、動作信頼性を向上させることができる技術を提供することにある。
　本発明の１つの観点において、磁気メモリが提供される。その磁気メモリは、磁化方向が固定された垂直磁化膜であるピニング層と、ピニング層上に形成された下地層と、下地層上に形成された垂直磁化膜であるデータ記憶層と、を備える。データ記憶層は、磁化方向が反転可能な磁化自由領域と、下地層を介してピニング層と磁気的に結合し当該磁気的結合によってその磁化方向が固定された磁化固定領域と、を備える。下地層は、磁性体で形成された磁性下地層を備える。
　本発明によれば、電流誘起磁壁移動を利用した磁気メモリにおいて、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を好適に実現し、且つ、動作信頼性を向上させることが可能となる。
　上記及び他の目的、長所、特徴は、次の図面と共に説明される本発明の実施の形態により明らかになるであろう。
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の構成を示す側面図である。 図１Ｂは、図１Ａで示された磁気メモリ素子の平面図である。 図２Ａは、磁気メモリ素子の“０”状態を示している。 図２Ｂは、磁気メモリ素子の“１”状態を示している。 図３Ａは、磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法を示す概念図である。 図３Ｂは、磁気メモリ素子へのデータ書き込み方法を示す概念図である。 図４Ａは、磁気メモリ素子からのデータ読み出し方法を示す概念図である。 図４Ｂは、磁気メモリ素子からのデータ読み出し方法を示す概念図である。 図５は、１つの磁気メモリセルの構成を示す回路図である。 図６は、磁化曲線の下地層膜厚依存性の測定結果を示すグラフである。 図７は、磁化曲線の下地層膜厚依存性の測定結果を示すグラフである。 図８は、磁気メモリ素子の変形例を示す側面図である。
　添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電流誘起磁壁移動型の磁気メモリを説明する。
　１．基本構成及び原理
　１－１．磁気メモリ素子の基本構成
　本実施の形態に係る磁気メモリは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを備えており、各々の磁気メモリセルは磁気メモリ素子を有している。電流誘起磁壁移動型の磁気メモリ素子は、磁化状態に応じてデータを記憶するデータ記憶層と、データ記憶層に格納されたデータを読み出すための読み出し機構と、データ記憶層に電流を導入するための電流導入機構と、を備える。
　図１Ａ及び図１Ｂは、本実施の形態に係る磁気メモリ素子１の構成例を示している。図１Ａは側面図であり、図１Ｂは平面図である。図に示されているｘ－ｙ－ｚ座標系において、ｚ軸は基板に垂直な方向を示し、ｘ軸及びｙ軸は基板平面に平行である。図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、磁気メモリ素子１は、磁化自由層１０、非磁性層２０、ピン層３０、下地層４０、ピニング層５０、及び電極層６０を備えている。
　磁化自由層１０は、上述の「データ記憶層」であり、強磁性体で形成される。特に、本実施の形態において、磁化自由層１０は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｌｍ）で形成される。また、磁化自由層１０は、磁化方向が反転可能な領域を含んでおり、その磁化状態に応じてデータを記憶する。より詳細には、磁化自由層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２を有している。磁化固定領域１１ａ、１１ｂは磁化自由領域１２の両側に位置しており、磁化自由領域１２はそれら磁化固定領域１１ａ、１１ｂの間に挟まれている。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は互いに逆方向に固定されている。つまり、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのそれぞれの磁化方向は、反平行である。例えば図１Ａに示されるように、第１磁化固定領域１１ａの磁化方向は＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化方向は－ｚ方向に固定されている。一方、磁化自由領域１２の磁化方向は反転可能であり、＋ｚ方向あるいは－ｚ方向となる。従って、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて、磁化自由層１０内には磁壁が形成される。
　非磁性層２０は、磁化自由層１０に隣接して設けられている。特に、非磁性層２０は、少なくとも磁化自由層１０の磁化自由領域１２に隣接するように設けられている。この非磁性層２０は非磁性体で形成され、好適には絶縁体で形成される。
　ピン層（ｐｉｎｎｅｄ　ｌａｙｅｒ）３０は、非磁性層２０に隣接して、磁化自由層１０とは反対側に設けられている。つまり、ピン層３０は、非磁性層２０を介して磁化自由層１０（磁化自由領域１２）に接続されている。このピン層３０は強磁性体で形成され、その磁化方向は一方向に固定されている。好適には、磁化自由層１０と同様に、ピン層３０も垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜で形成される。この場合、ピン層３０の磁化方向は、＋ｚ方向あるいは－ｚ方向に固定される。例えば図１Ａでは、ピン層３０の磁化方向は、＋ｚ方向に固定されている。
　以上に説明された磁化自由層１０（磁化自由領域１２）、非磁性層２０、及びピン層３０は、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；　ＭＴＪ）を形成している。また、後述されるように、非磁性層２０とピン層３０が、データ記憶層としての磁化自由層１０に格納されたデータを読み出すための「読み出し機構」に相当する。
　下地層４０は、磁化自由層１０の基板側に設けられている。後に詳しく説明されるように、この下地層４０を下地として用いることにより、垂直磁気異方性を有する磁化自由層１０が下地層４０上に形成される。つまり、磁化自由層１０は、下地層４０と接触するように下地層４０上に形成される。下地層４０は、ピニング層５０上に形成されている。
　ピニング層（ｐｉｎｎｉｎｇ　ｌａｙｅｒ）５０は、下地層４０の基板側に設けられている。このピニング層５０は、磁化方向が固定された垂直磁化膜であり、磁化自由層１０中の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化方向を固定する役割を果たす。より詳細には、ピニング層５０は、第１磁化固定領域１１ａ側の第１ピニング層５０ａと、第２磁化固定領域１１ｂ側の第２ピニング層５０ｂを含んでいる。第１ピニング層５０ａは、下地層４０を介して第１磁化固定領域１１ａと磁気的に結合しており、当該磁気的結合により第１磁化固定領域１１ａの磁化方向を固定する。第２ピニング層５０ｂは、下地層４０を介して第２磁化固定領域１１ｂと磁気的に結合しており、当該磁気的結合により第２磁化固定領域１１ｂの磁化方向を固定する。第１ピニング層５０ａと第２ピニング層５０ｂの磁化方向は逆方向である。
　これら第１ピニング層５０ａ及び第２ピニング層５０ｂのそれぞれに接続されるように、２つの電極層６０が設けられている。電極層６０は、上述の「電流導入機構」に相当しており、データ記憶層としての磁化自由層１０に電流を導入するために用いられる。
　１－２．磁気メモリ素子のメモリ状態
　図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ａで示された磁気メモリ素子１が取り得る２つのメモリ状態を示している。ここでは、磁化自由層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化方向はそれぞれ＋ｚ方向及び－ｚ方向に固定され、ピン層３０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されているとする。
　図２Ａにおいて、磁化自由層１０の磁化自由領域１２の磁化方向は＋ｚ方向である。この場合、磁化自由領域１２と第２磁化自由領域１１ｂとの境界に、磁壁ＤＷが形成される。また、磁化自由領域１２の磁化方向とピン層３０の磁化方向は、互いに平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“０”のメモリ状態に対応付けられる。
　一方、図２Ｂにおいて、磁化自由層１０の磁化自由領域１２の磁化方向は－ｚ方向である。この場合、磁化自由領域１２と第１磁化自由領域１１ａとの境界に、磁壁ＤＷが形成される。また、磁化自由領域１２の磁化方向とピン層３０の磁化方向は、互いに反平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“１”のメモリ状態に対応付けられる。
　このように、磁化自由層１０の磁化状態、すなわち、磁化自由層１０中の磁壁位置に応じて、２つのメモリ状態が実現される。但し、図２Ａ及び図２Ｂで定義された磁化状態と２つのメモリ状態との間の対応関係は任意である。
　１－３．データ書き込み／読み出し方法
　次に、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、磁気メモリ素子１へのデータ書き込み方法を説明する。簡単のため、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、非磁性層２０とピン層３０の図示は省略されている。本実施の形態によれば、磁気メモリ素子１へのデータ書き込みは、電流誘起磁壁移動方式により行われる。そのために、磁壁ＤＷを有する磁化自由層１０に接続された上述の電極層６０（電流導入機構）が用いられる。２つの電極層６０を用いることによって、書き込み電流を磁化自由層１０内で面内方向に流し、その電流方向に応じた方向に磁壁ＤＷを移動させることができる。すなわち、電流誘起磁壁移動により、磁化自由層１０の磁化状態を、図２Ａ及び図２Ｂで示された２つのメモリ状態の間で切り替えることができる。
　図３Ａは、図２Ａ（“０”状態）から図２Ｂ（“１”状態）への状態切り替え時の書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを示している。図３Ａに示されるように、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、磁化自由層１０中で、第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第２磁化固定領域１１ｂへ流される。従って、伝導電子は、第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界近傍に位置している磁壁ＤＷにはスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｔｏｒｑｕｅ；　ＳＴＴ）が働き、磁壁ＤＷは、第１磁化固定領域１１ａに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。磁壁ＤＷの移動は、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２との境界近傍で停止する。このようにして、図２Ｂで示されたメモリ状態、つまり、データ“１”の書き込みが実現される。
　図３Ｂは、図２Ｂ（“１”状態）から図２Ａ（“０”状態）への状態切り替え時の書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを示している。図３Ｂに示されるように、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、磁化自由層１０中で、第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへ流される。従って、伝導電子は、第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第２磁化固定領域１１ｂへと流れる。このとき、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界近傍に位置している磁壁ＤＷにはスピントランスファートルクが働き、磁壁ＤＷは、第２磁化固定領域１１ｂに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。磁壁ＤＷの移動は、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２との境界近傍で停止する。このようにして、図２Ａで示されたメモリ状態、つまり、データ“０”の書き込みが実現される。
　なお、“０”状態における“０”書き込み、及び“１”状態における“１”書き込みを行った場合には状態変化は起こらない。すなわちオーバーライトが可能である。
　次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、磁気メモリ素子１からのデータ読み出し方法を説明する。本実施の形態では、トンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ；　ＴＭＲ　ｅｆｆｅｃｔ）を利用することにより、データ読み出しが行われる。そのために、ＭＴＪ（磁化自由層１０、非磁性層２０、ピン層３０）を貫通する方向に、読み出し電流Ｉｒｅａｄが流される。尚、読み出し電流Ｉｒｅａｄの方向は任意である。
　図４Ａは、図２Ａで示された“０”状態の場合の読み出し電流Ｉｒｅａｄを示している。この場合、磁化自由領域１２の磁化方向とピン層３０の磁化方向は平行であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。一方、図４Ｂは、図２Ｂで示された“１”状態の場合の読み出し電流Ｉｒｅａｄを示している。この場合、磁化自由領域１２の磁化方向とピン層３０の磁化方向は反平行であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。
　従って、読み出し電流Ｉｒｅａｄの大きさ、あるいは、読み出し電流Ｉｒｅａｄに応じた電圧値に基づいて、ＭＴＪの抵抗値の大小を判定することができる。すなわち、磁化自由層１０（データ記憶層）の磁化状態を検出し、その磁化状態として格納されているデータを読み出すことができる。このように、非磁性層２０とピン層３０は、トンネル磁気抵抗効果を通して磁化自由層１０の磁化状態を検出するための「読み出し機構」として機能する。
　１－４．回路構成
　次に、上述の磁気メモリ素子１を有する磁気メモリセルの回路構成を説明する。図５は、１ビット分の磁気メモリセルの回路構成例を示している。磁気メモリセルは、磁気メモリ素子１と２つのトランジスタＴＲａ、ＴＲｂを含む２Ｔ－１ＭＴＪ（ｔｗｏ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ－ｏｎｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｕｎｎｅｌ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構成を有している。磁気メモリ素子１は、３端子の素子であり、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。例えば、ピン層３０につながる端子は、グラウンド線ＧＬに接続されている。第１ピニング層５０ａにつながる端子（電極層６０）は、トランジスタＴＲａを介してビット線ＢＬａに接続されている。第２ピニング層５０ｂにつながる端子（電極層６０）は、トランジスタＴＲｂを介してビット線ＢＬｂに接続されている。トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、共通のワード線ＷＬに接続されている。
　データ書き込み時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。その結果、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、磁化自由層１０を経由して、ビット線ＢＬａとビット線ＢＬｂとの間で書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが流れる。
　データ読み出し時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流Ｉｒｅａｄが、ビット線ＢＬｂから磁気メモリ素子１のＭＴＪを貫通してグラウンド線ＧＬへ流れる。
　２．磁気メモリ素子１の膜構成及び材料
　以上に説明されたように、本実施の形態に係る磁気メモリ素子１は、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層（磁化自由層１０）を備えている。上述の非特許文献３によれば、そのような垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を用いることにより、電流誘起磁壁移動に要する書き込み電流を低減することが可能である。
　電流誘起磁壁移動を実際に実現し、更に書き込み電流を低減するためには、磁化自由層１０の材質を適切に調整する必要がある。具体的には、飽和磁化が小さく、スピン分極率が大きな材料を用いることが好ましい。更に、そのような材料を用いて垂直磁化が実現されなくてはならない。言い換えれば、磁化自由層１０で垂直磁化が得られるような結晶配向を実現する必要がある。そのために、磁化自由層１０が好適な結晶配向で成長できるような「下地層４０」が設けられている。
　以下、本実施の形態に係る磁気メモリ素子１の好適な膜構成及び材料を説明する。特に、磁化自由層１０、及びその磁化自由層１０を形成するために用いられる下地層４０に関して、好適な構成及び材料を説明する。
　２－１．磁化自由層１０
　上述の通り、磁化自由層１０において電流誘起磁壁移動を実現する必要がある。非特許文献４（Ａ．　Ｔｈｉａｖｉｌｌｅ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｄｏｍａｉｎ　ｗａｌｌ　ｍｏｔｉｏｎ　ｂｙ　ｓｐｉｎ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ：　ａ　ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｔｕｄｙ，　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣＳ，　ＶＯＬ．　９５，　ＮＯ．　１１，　ｐｐ．７０４９－７０５１，　２００４．）によれば、電流誘起磁壁移動は、パラメータ：ｇμＢＰ／２ｅＭｓが大きいほど起こり易い。ここで、ｇはランデのｇ因子、μＢはボーア磁子、Ｐはスピン分極率、ｅは電子の素電荷、Ｍｓは飽和磁化である。ｇ、μＢ、ｅは物理定数であるので、書き込み電流を低減するためには、磁化自由層１０のスピン分極率Ｐを大きく、飽和磁化Ｍｓを小さくすることが有効であることが分かる。
　飽和磁化の観点からは、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｎｉ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄなどの遷移金属系の交互積層膜が、磁化自由層１０として有望である。これらの材料の飽和磁化は比較的小さいことが知られている。このような遷移金属系の積層膜をより一般化すると、磁化自由層１０は、第１の層と第２の層が積層された積層構造を有する。第１の層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。第２の層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。
　また、上記積層膜の中でも特にＣｏ／Ｎｉはスピン分極率が高い。従って、磁化自由層１０としてはＣｏ／Ｎｉ積層膜が特に好適であると言える。実際に、Ｃｏ／Ｎｉを用いることにより制御性の高い磁壁移動が実現されることが、実験を通して確認されている（非特許文献５：Ｓ．　Ｆｕｋａｍｉ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｌｏｗ－Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｗａｌｌ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｃｅｌｌ　ｆｏｒ　Ｓｃａｌａｂｌｅ　Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ　ＭＲＡＭ，　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＶＬＳＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　１２Ａ－２，　２００８．　参照）。
　２－２．下地層４０
　ところで、上述のような磁化自由層１０の磁性材料は、ｆｃｃ構造を有し、且つ、（１１１）面が基板垂直方向に積層したｆｃｃ（１１１）配向結晶構造を有する。また、非特許文献６（Ｇ．Ｈ．Ｏ．　Ｄａａｌｄｅｒｏｐ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ　ｉｎ　Ｃｏ／Ｎｉ　Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ，　ＰＨＹＳＩＣＡＬ　ＲＥＶＩＥＷ　ＬＥＴＴＥＲＳ，　ＶＯＬ．　６８，　ＮＯ．　５，　ｐｐ．６８２－６８５，　１９９２．）によれば、上述のような積層膜の垂直磁気異方性は、それら膜の界面における界面磁気異方性によって発現する。従って、磁化自由層１０において良好な垂直磁気異方性を実現するためには、上述の磁性材料が良好なｆｃｃ（１１１）配向で成長できるような「下地層４０」を設けることが好ましい。
　非特許文献７（Ｆ．Ｊ．Ａ．　ｄｅｎ　Ｂｒｏｅｄｅｒ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ　ａｎｄ　Ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｏ／Ｎｉ　Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ，　ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ　ＯＮ　ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，　ＶＯＬ．　２８，　ＮＯ．　５，　ｐｐ．２７６０－２７６５，　１９９２．）には、非磁性材料の下地層を用いることにより、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜において垂直磁化が得られることが示されている。より詳細には、１０ｎｍ以上の厚いＡｕ膜あるいはＣｕ膜だけが、下地層として用いられている。しかしながら、そのような非磁性層だけが下地層として用いられる場合、ピニング層とデータ記憶層（磁化固定領域）との間で弱い静磁結合しか得られない。磁化固定領域の磁化固定が不十分な場合、データ書き込み動作によって磁壁ＤＷがデータ記憶層から抜けてしまう可能性がある。これは、磁気メモリの動作信頼性を著しく劣化させる。
　データ記憶層１０中で磁壁ＤＷを正常に維持するためには、データ記憶層１０中の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化方向を十分に固定しておく必要がある。つまり、ピニング層５０ａ、５０ｂと磁化固定領域１１ａ、１１ｂとの間で、強い磁気的結合を実現することが重要である。そのために、本実施の形態によれば、磁性体が下地層４０として用いられる。すなわち、図１Ａにおける下地層４０は、磁性体で形成される「磁性下地層」である。好適には、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜が、磁性下地層４０として用いられる。
　磁性下地層４０の材料として、例えば、ＮｉＦｅＢが挙げられる。そのようなＮｉＦｅＢ膜が磁性下地層４０として用いられる場合であっても、磁化自由層１０であるＣｏ／Ｎｉ積層膜が良好なｆｃｃ（１１１）配向で成長できることを以下に示す。つまり、ＮｉＦｅＢ膜を磁性下地層４０として用いることにより、磁化自由層１０において良好な垂直磁気異方性を実現可能なことを示す。
　図６及び図７は、様々なＮｉＦｅＢ膜厚に対して測定されたＣｏ／Ｎｉ積層膜の磁化曲線を示している。図６は、基板垂直方向の磁化曲線を示し、図７は、基板面内方向の磁化曲線を示している。基板としては、酸化膜付きシリコン基板が用いられた。図６及び図７に示されるように、ＮｉＦｅＢ膜厚を適切に調節することによって、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜が良好なｆｃｃ（１１１）配向で成長すること、すなわち、良好な垂直磁化が実現されることがわかる。
　より詳細には、図６から明らかなように、ＮｉＦｅＢ膜厚が２ｎｍ以上の場合に、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜が垂直磁気異方性を示している。つまり、膜厚が２ｎｍ以上の場合に、良好な垂直磁化が実現されている。このことは、ＮｉＦｅＢ膜がＣｏ／Ｎｉ積層膜に垂直磁気異方性を持たせると共に、ＮｉＦｅＢ膜自身も垂直磁化していることを表している。また、図７から、ＮｉＦｅＢ膜厚が１０ｎｍ程度まで大きくなると、ＮｉＦｅＢ膜が一部、基板面内方向への磁気異方性を持つことがわかる。従って、ＮｉＦｅＢ膜厚は１０ｎｍ以下であることが好ましい。このように、ＮｉＦｅＢ膜厚は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好適である。
　このＮｉＦｅＢ膜厚は、上述の非特許文献７で示された非磁性下地膜の膜厚（１０ｎｍ以上）よりも小さい。下地層が厚くなるにつれ、その下地層の抵抗値は小さくなり、書き込み電流が下地層を流れ易くなる。つまり、書き込み電流のうち比較的多くが磁化自由層１０ではなく下地層を流れることになり、電流誘起磁壁移動に寄与しない分も含めて書き込み電流の総量が増大してしまう。このことは、書き込み電流の低減の観点から好ましくない。逆に言えば、下地層の厚さが小さくなることは、書き込み電流の低減の観点から好ましい。
　尚、磁性下地層４０の材料は、ＮｉＦｅＢに限られない。磁性下地層４０の材料として、ＮｉＦｅＮｂＢ、ＮｉＦｅＺｒ、ＮｉＦｅＴｉ、ＮｉＦｅＭｏＢ、ＮｉＦｅＣｒＢ、ＮｉＦｅＮｂＭｏＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅＮｂ、ＮｉＦｅＭｏ、ＮｉＦｅＮｂＭｏ等が用いられてもよい。このようにＮｉＦｅに非磁性元素を加えた軟磁性膜でも、同様の効果が得られる。
　また、これまでは、例として、磁化自由層１０の材料がＣｏ／Ｎｉである場合が説明された。磁化自由層１０の材料が他のもの（Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄなど）である場合でも、本発明は実施可能である。それらの材料の抵抗率はＣｏ／Ｎｉの抵抗率とおおよそ同等であるため、上述の下地層材料及びその膜厚範囲は同様に適用され、それにより好ましい特性が得られる。
　２－３．変形例
　図８は、変形例を示している。本変形例では、下地層４０は、磁性下地層４１と非磁性下地層４２を備えている。磁性下地層４１は、上述の磁性下地層４０と同様である。一方、非磁性下地層４２は、非磁性体で形成されている。この非磁性下地層４２は、磁化自由層１０と磁性下地層４１との間に介在している。非磁性下地層４２は、磁化自由層１０の垂直磁気異方性をさらに促進させるとともに、磁化自由層１０と磁性下地層４１とを磁気的にカップリングさせる役割を果たす。
　非磁性下地層４２の材料としては、Ｃｏ系の垂直磁化膜の配向性を向上させ、且つ、磁性膜間で優れた磁気的結合が得られるものが好適である。このような材料として、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄなどが挙げられる。また、非磁性下地層４２の膜厚は、磁化自由層１０と磁性下地層４１との間の磁気的結合が最も強くなり、且つ、磁化自由層１０の結晶配向性が最大になるように決められる。その最適な膜厚は、０．２～２ｎｍの範囲にある。
　３．効果
　以上に説明されたように、本実施の形態によれば、電流誘起磁壁移動を利用した磁気メモリにおいて、垂直磁気異方性を有する磁化自由層１０（データ記憶層）を好適に実現することが可能となる。特に、ピニング層５０ａ、５０ｂと磁化固定領域１１ａ、１１ｂとの間で、十分に強い磁気的結合が実現される。これにより、データ書き込み動作によって磁壁ＤＷが消失するといった動作不良が防止される。すなわち、電流誘起磁壁移動を利用した磁気メモリの動作信頼性が向上する。
　また、磁壁移動が起こるデータ記憶層が垂直磁気異方性を有している場合、書き込み電流を十分小さく低減可能である（非特許文献３参照）。本実施の形態によれば、垂直磁気異方性を有する好適な磁化自由層１０（データ記憶層）が実現される。これにより、書き込み電流を低減することが可能である。
　上述の非特許文献１によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下へ低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。実際には、望ましい書き込み電流の大きさの１つの基準は、「０．２ｍＡ以下」である。これは、書き込み電流が０．２ｍＡ程度まで低減されると、非特許文献１で提案されている２Ｔ－１ＭＴＪのセル構成において最小レイアウトが可能となり、既存の揮発性メモリの代替と低コスト化が実現されるからである。本実施の形態によれば、磁化自由層１０及び下地層４０の材料や膜厚を適切に選択することによって、書き込み電流を０．２ｍＡ以下にまで低減することが可能となる。書き込み電流が０．２ｍＡ以下にまで低減された磁気メモリは、既存のメモリの代替となり得る。
　以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
　上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
　（付記１）
　磁化方向が固定された垂直磁化膜であるピニング層と、
　前記ピニング層上に形成された下地層と、
　前記下地層上に形成された垂直磁化膜であるデータ記憶層と、
　を備え、
　前記データ記憶層は、
　　磁化方向が反転可能な磁化自由領域と、
　　前記下地層を介して前記ピニング層と磁気的に結合し、当該磁気的結合によってその磁化方向が固定された磁化固定領域と
　を備え、
　前記下地層は、磁性体で形成された磁性下地層を備える
　磁気メモリ。
　（付記２）
　付記１に記載の磁気メモリであって、
　前記磁性下地層は、ＮｉＦｅＢ、ＮｉＦｅＮｂＢ、ＮｉＦｅＺｒ、ＮｉＦｅＴｉ、ＮｉＦｅＭｏＢ、ＮｉＦｅＣｒＢ、ＮｉＦｅＮｂＭｏＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅＮｂ、ＮｉＦｅＭｏ、ＮｉＦｅＮｂＭｏのうちのいずれかを含有する
　磁気メモリ。
　（付記３）
　付記１又は２に記載の磁気メモリであって、
　前記磁性下地層の膜厚は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
　磁気メモリ。
　（付記４）
　付記１乃至３のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
　前記データ記憶層は、第１の層と第２の層が積層された積層構造を有し、
　前記第１の層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有し、
　前記第２の層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する
　磁気メモリ。
　（付記５）
　付記４に記載の磁気メモリであって、
　前記第１の層は、Ｃｏを含有し、
　前記第２の層は、Ｎｉを含有する
　磁気メモリ。
　（付記６）
　付記１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
　前記下地層は、更に、非磁性体で形成された非磁性下地層を備え、
　前記非磁性下地層は、前記データ記憶層と前記磁性下地層との間に介在している
　磁気メモリ。
　（付記７）
　付記６に記載の磁気メモリであって、
　前記非磁性下地層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄのいずれかを含有する
　磁気メモリ。
　本出願は、２０１０年３月２３日に出願された日本国特許出願２０１０－０６６９３０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (7)

  1. 　磁化方向が固定された垂直磁化膜であるピニング層と、
    　前記ピニング層上に形成された下地層と、
    　前記下地層上に形成された垂直磁化膜であるデータ記憶層と、
    　を備え、
    　前記データ記憶層は、
    　　磁化方向が反転可能な磁化自由領域と、
    　　前記下地層を介して前記ピニング層と磁気的に結合し、当該磁気的結合によってその磁化方向が固定された磁化固定領域と
    　を備え、
    　前記下地層は、磁性体で形成された磁性下地層を備える
    　磁気メモリ。
  2. 　請求項１に記載の磁気メモリであって、
    　前記磁性下地層は、ＮｉＦｅＢ、ＮｉＦｅＮｂＢ、ＮｉＦｅＺｒ、ＮｉＦｅＴｉ、ＮｉＦｅＭｏＢ、ＮｉＦｅＣｒＢ、ＮｉＦｅＮｂＭｏＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅＮｂ、ＮｉＦｅＭｏ、ＮｉＦｅＮｂＭｏのうちのいずれかを含有する
    　磁気メモリ。
  3. 　請求項１又は２に記載の磁気メモリであって、
    　前記磁性下地層の膜厚は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
    　磁気メモリ。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
    　前記データ記憶層は、第１の層と第２の層が積層された積層構造を有し、
    　前記第１の層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有し、
    　前記第２の層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する
    　磁気メモリ。
  5. 　請求項４に記載の磁気メモリであって、
    　前記第１の層は、Ｃｏを含有し、
    　前記第２の層は、Ｎｉを含有する
    　磁気メモリ。
  6. 　請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリであって、
    　前記下地層は、更に、非磁性体で形成された非磁性下地層を備え、
    　前記非磁性下地層は、前記データ記憶層と前記磁性下地層との間に介在している
    　磁気メモリ。
  7. 　請求項６に記載の磁気メモリであって、
    　前記非磁性下地層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｄのいずれかを含有する
    　磁気メモリ。
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