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JP4877575B2 - 磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

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Description

本発明は、磁気抵抗デバイス、及び、それを用いた磁気メモリに関する。本発明は、特に、磁化自由層が磁気的に反平行結合した複数の強磁性層を備えて構成された磁気抵抗デバイスと、それを用いた磁気メモリに関する。
ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）は高速書き込み/読み出しが期待される不揮発性メモリであり、近年実用化に向けた研究開発が盛んである。ＭＲＡＭでは図１Ａに示すように、磁気抵抗素子の上下にワード線１０２とビット線１０３を平面方向で直交させるように配置した構成をとる。磁気抵抗素子は、二つの強磁性層で薄い非磁性層を挟んだ構成で、その強磁性層は反転可能な磁化自由層６と、動作磁場範囲において固定された磁化固定層４から構成されている。ワード線１０２とビット線１０３に電流を流すことによって、磁場を発生させ、磁化自由層６を磁化反転させることで情報を書き込む。また、磁化自由層に直接に電流を流すことによって磁化反転を起こすスピン注入方式の書き込みも可能である。読出しは非磁性層で生じる磁気抵抗変化を測定することによって行う。
電流誘起磁場によって書き込みを行うＭＲＡＭの原理について説明する。磁化Ｍ,厚さｔ、一軸結晶磁気異方性エネルギーＫを持つ強磁性体を短辺Ｗである非等方パタンに加工した時、磁性体が持つ形状磁気異方性磁場はｃＭ×ｔ／Ｗであり、結晶磁気異方性磁場は、Ｈｋ＝Ｋ／２Ｍである。ｃは形状やアスペクト比によって決まる係数である。通常は素子長手方向と結晶磁気異方性の容易軸は同方向の場合を考えるので、従ってこの磁性体は一軸性の磁気異方性を持ち、下記式（１）に示されたような全磁気異方性磁場Ｈｋａをもつ。
Ｈｋａ＝ｃＭ×ｔ／Ｗ ＋ Ｋ／２Ｍ，
＝ｃＭ×ｔ／Ｗ ＋ Ｈｋ，
＝Ｋａ／２Ｍ ・・・（１）
ここで、Ｋａは全異方性エネルギーである。
当業者によく知られているように、一軸磁気異方性を持つ磁性体の磁化反転は、理想的にはストーナーウォルファスモデルに従う。ストーナーウォルファスモデルでは磁性体に対して平面内方向に外部磁場を印加した時、在る閾値磁場で反転する。図３に容易軸をＸ軸、困難軸をＹ軸としてそれぞれの方向に磁場を印加した際の磁化反転領域を示す。反転閾値磁場はそれぞれＨｋａを切片とするアステロイドを描く。原点からの外部磁場の合成ベクトルがこのアステロイド曲線より外側に達した時、磁性体は容易軸方向に正負２つのいずれかの向きの状態へ反転する。ＭＲＡＭではこれを利用して選択セルにビット線及びワード線から合成磁場を発生させて、選択書き込みを行う。その際の磁気抵抗素子とビット線及びワード線のレイアウトは図２に示される。ＭＴＪ１０１がワード線１０２とビット線１０３が交差する位置に設けられる。ＭＴＪ１０１は、下部電極パタン１０７の上に形成される。下部電極パタン１０７には下部接続ビア１０８が接続される。下部接続ビア１０８は、ＭＴＪ１０１への電気的接続を提供する。
さらに電流誘起磁場以外の書き込み手段として、磁化自由層６に直接スピン偏極した電流を流し、磁化自由層がスピン偏極した電子からトルクを受けることにより磁化反転を起こすことも可能である。図１Ａの構成において、素子面直方向に電流を流すことによって、非磁性層５を通過するスピン偏極電流を媒介して磁化自由層６と磁化固定層４との間でスピントルクの授受が行われ、磁化自由層６の磁化反転を起こすことができる。電流の流す方向によって所望の向きに磁化反転を制御できる。これはスピン注入磁化反転と呼ばれる。スピン注入反転を利用したＭＲＡＭは、書き込み電流が小さいこと、誤書き込みが無い点が優れている。
ＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）のメモリセル及び磁気ヘッドに例示される磁気抵抗デバイスでは、非磁性層で分離された複数の強磁性層で構成される構造体がしばしば利用される。複数の強磁性層を含み、且つ、隣接する２つの強磁性層が非磁性層を介して反平行に結合させた積層体は、積層フェリ構造（synthetic antiferromagnet: ＳＡＦ）と呼ばれる。ＳＡＦは微小化した磁気抵抗素子において、微細化に伴う磁性体の反磁界を低減、制御する上で有益であり、磁化固定層、磁化自由層のいずれにも用いられる。この積層フェリ構造を磁化自由層６に適用したときの構成を図１Ｂに示す。非磁性層１０５で分離された二つの強磁性層１０４、１０６の磁化Ｍ１、Ｍ２が、残留磁化状態で反平行に配置される。
ＳＡＦからなる磁化自由層に関する磁化反転挙動について説明する。簡単のために、形状磁気異方性を無視して説明する。ＳＡＦの挙動は、全体として無視できない程度の残留磁化がＳＡＦに存在する場合と、全体としての残留磁化が無視できる程度に小さい場合とで異なる。
まず、２つの強磁性層からなるＳＡＦに関して、全体としてのＳＡＦの残留磁化が無視できない場合、具体的には、それぞれの強磁性層の材料及び／又は膜厚が異なっており、それぞれの強磁性層に関して、磁化がＭ１、Ｍ２、磁性層の厚さ（磁化膜厚）がｔ１、ｔ２であり、Ｍ１・ｔ１＞Ｍ２・ｔ２であり、交換結合エネルギーＪＳＡＦで反強磁性結合している場合を考える。零磁場から容易軸方向に磁場を印加し続けると、図４に示されるように、或る磁場Ｈ１で磁化Ｍ１、Ｍ２の反平行結合が外れ始める。さらに磁場を印加していくと両方の磁気モーメントは完全に平行になる。その時の磁場は飽和磁場ＨＳと呼ばれる。この場合、磁場Ｈ１と磁場ＨＳは、それぞれ、下記式（２）、（３）で定義できる。
Ｈ１＝ＪＳＡＦ・[１／（Ｍ２・ｔ２）−１／（Ｍ１・ｔ１）], ・・・（２）
ＨＳ＝ＪＳＡＦ・[１／（Ｍ２・ｔ２）+１／（Ｍ１・ｔ１）]． ・・・（３）
磁場Ｈ１、ＨＳは、交換結合エネルギーと飽和磁化、磁化膜厚によって決定される。
続いて、２つの強磁性層からなるＳＡＦに関して、全体としてのＳＡＦの残留磁化が無視できる場合、即ち、それぞれの磁性層は全く等価であり、交換結合エネルギーＪＳＡＦでもって結合している場合を考える。それぞれの磁性層が磁化Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ、磁化膜厚ｔ１＝ｔ２＝ｔ、結晶磁気異方性エネルギーＫを持つ場合、各磁性層の結晶磁気異方性磁場ＨｋはＫ／２Ｍで表される。この場合容易軸方向に磁場を印加した際に、ＳＡＦ膜が示す磁化曲線は図５で表される。容易軸方向に磁場を印加した際、零磁場では磁化はゼロだが、ある磁場Ｈｆｌｏｐで突然磁化が現れる。このとき、二つの強磁性層の磁化はお互いある角度を持って磁気結合し、その合成磁化が外部磁場の方向になるように配置される。この現象はスピンフロップと呼ばれ、スピンフロップが発現する磁場Ｈｆｌｏｐはフロップ磁場と呼ばれる。スピンフロップは、全体としてのＳＡＦの残留磁化が充分に小さい場合にのみ現れることに留意されたい。さらに磁場を印加すると、やがて二つの強磁性層の磁化は完全に平行に配置される。この磁場は飽和磁場ＨＳと呼ばれる。フロップ磁場Ｈｆｌｏｐと飽和磁場ＨＳはそれぞれ式（４）、（５）で表される。
Ｈｆｌｏｐ＝２／Ｍ・［Ｋ（ＪＳＡＦ／ｔ−Ｋ）］０．５
＝（ＨＳ・Ｈｋ）０．５， ・・・（４）
ＨＳ＝２ＪＳＡＦ／（Ｍ・ｔ）−２Ｋ／Ｍ，
＝２ＪＳＡＦ／（Ｍ・ｔ）−Ｈｋ， ・・・（５）
式（４）より明らかなように、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐは、飽和磁場ＨＳと異方性磁場Ｈｋによって一義的に決まる。また前述の磁場Ｈ１と同様にフロップ磁場Ｈｆｌｏｐは、ＳＡＦ膜における２つの強磁性層の、反平行結合配置が外れ始める磁場である。
このようなＳＡＦのスピンフロップを利用した書き込み方法として特許文献１に開示されたＭＲＡＭがある。図６に特許文献１で開示されたＭＲＡＭの構造を示す。ＭＴＪ２０１は、その長手方向が、ワード線２０２、及びビット線２０３延伸方向に対して、４５度方向に傾いて配置される。図８はその書き込み動作を示す図である。図８において、ＭＴＪ２０１の磁化自由層の各強磁性層の磁化が記号Ｍ１、Ｍ２によって参照されていることに留意されたい。
このＭＲＡＭのデータ書き込みは、ＭＴＪ２０１の磁化自由層に印加される磁場の方向を面内で回転させることにより、磁化自由層を構成する強磁性層の磁化を所望の向きに向けることによって行われる。具体的には、まず、ワード線２０２に書き込み電流が流され、これによってワード線２０２に垂直な方向に磁場ＨＷＬが発生される（時刻ｔ１）。続いて、ワード線２０２に書き込み電流が流されたまま、ビット線に書き込み電流が流される（時刻ｔ２）。これにより、ワード線２０２とビット線２０３との両方に斜めの方向、典型的には、ワード線２０２とビット線２０３と４５°の角度をなす方向に磁場ＨＷＬ＋ＨＢＬが発生される。更に続いて、ビット線に書き込み電流が流されたままワード線への書き込み電流の供給が停止される（時刻ｔ３）。これにより、ビット線２０３に垂直な方向（即ち、ワード線に平行な方向）に磁場ＨＢＬが発生される。このような過程でワード線２０２及びビット線２０３に書き込み電流が流されることにより、磁化自由層に印加される磁場が回転され、これにより、磁化自由層を構成する強磁性層の磁化を１８０°回転させることができる。このような動作によるデータ書き込みは、以下において、トグル書き込みと記載されることがある。
上述のトグル書き込みを行うＭＲＡＭでは、ワード線２０２及びビット線２０３に書き込み電流が流されたときに磁化自由層に印加される磁場が、上述のＨｆｌｏｐよりも大きく、飽和磁場ＨＳよりも小さくなければならない；そうでなければ、磁化自由層の磁場を所望の向きに反転させることができない。
以上に述べられたトグル書き込みを行うＭＲＡＭには様々な利点がある。一つの利点は、メモリセルの選択性が高いことである。図７にビット線とワード線の書き込み電流磁場に対する磁化反転可能な領域を示す。トグル書き込みでは、原理的に、ワード線２０２又はビット線２０３の一方にのみ書き込み電流が流されてもＳＡＦの磁化が反転しない。言い換えれば、非選択メモリセルの磁化は不所望に反転しない。これは、ＭＲＡＭの動作の信頼性の観点から重要である。
トグルＭＲＡＭにおいて、図７に示すトグル反転閾値曲線の低磁場側に、トグル閾値曲線に沿って、ダイレクトに１状態、或いは０状態に反転する領域が存在する。これをダイレクトモード反転領域と呼ぶ。２つの強磁性層の磁化膜厚積の差｜Ｍ１・ｔ１−Ｍ２・ｔ２|が大きいほど、このダイレクトモード反転領域は増大し、２つのどちらの磁化膜厚が大きいかで、ダイレクトモード反転する状態が決まる；ここで磁化膜厚積とは、強磁性層の飽和磁化とその膜厚の積で定義される物理量である。このダイレクトモード反転領域も書き込みに使用できる。
トグルＭＲＡＭにおいて書き込み磁場を低減させるには、たとえば交換結合エネルギーＪＳＡＦを低減させるなどして、式（４）で示されたフロップ磁場Ｈｆｌｏｐを低減させることが必要となる。しかしこの際書き込みマージンも低減する問題が生じる。トグル書き込みではビット線とワード線からの合成磁場が、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐと飽和磁場ＨＳで挟まれたスイッチング領域であれば書き込むことができる。よって書き込みのマージンとして比率ＨＳ／Ｈｆｌｏｐが重要である。これは式（６）で表される。
ＨＳ／Ｈｆｌｏｐ＝Ｈｆｌｏｐ/Ｈｋ． ・・・（６）
式（６）から明らかであるように結晶磁気異方性磁場Ｈｋの下限に限界がある以上、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐを下げようとすると書き込みマージンが小さくなる。そうなるとトグルＭＲＡＭにおいても誤書きこみが増大し、動作不可能となる問題がある。よって従来のトグルＭＲＡＭでは書き込み電流を下げようとすると、必ず限界が生じる。トグルＭＲＡＭにおいて、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐが下がり、かつ比率ＨＳ／Ｈｆｌｏｐが大きく保てる技術が望まれている。
またトグルＭＲＡＭに限らず、他の書き込み方式（アステロイド方式、スピン注入方式等）でも飽和磁場ＨＳが十分大きくて、且つ、全体としての残留磁化が小さいＳＡＦからなる磁化自由層の反転磁場を下げることが望まれている。なぜなら強磁性層の間に作用する反平行結合力を強め、且つ、全体としての残留磁化を小さくすることは、磁化自由層の実効的な形状磁気異方性を抑制し、磁化自由層を単磁区化しやすくなる為、反転磁場が下がり、且つ、反転磁場ばらつきが低減するからである。
米国特許６，５４５，９０６号公報
したがって、本発明の目的は、トグルＭＲＡＭの書き込み磁場の低減に関して、大きな書き込みマージンを保ちながら書き込み磁場を下げる新技術を提供することにある。もってトグルＭＲＡＭの書き込み電流値の低減と誤書き込みの抑制を実現することにある。
本発明の他の目的は、全体としての残留磁化が小さいＳＡＦを磁化自由層として用いたＭＲＡＭに関して、安定な反平行結合を保ちながら書き込み磁場を下げる新技術を提供することにある。これは、ＭＲＡＭの書き込み電流値の低減と誤書き込みの抑制を実現するために有効である。
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
本発明による磁気抵抗素子は、反転可能な磁化自由層（６）と、磁化が固着された磁化固定層（４）とを具備する。磁化自由層（６）は、複数の強磁性層（１２、１３）（６０−６３）を含み、且つ、複数の強磁性層（１２、１３）（６０、６１、６２）の隣接する２つの強磁性層が非磁性層（３１、３２）を介して反平行結合されるように構成された第１の反平行結合積層フェリ構造体と、強磁性を示す第１の反転誘導層（１１）とを備え、第１の反転誘導層（１１）は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体と強磁性結合され、且つ、反転磁場が前記第１の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも小さくなるように構成されている。第１反平行結合積層フェリ構造体は、２層の強磁性層を含んで構成されることが可能であり、３層以上の強磁性層を含んで構成されることも可能である。
このような構成によれば、反転磁場が小さい第１の反転誘導層（１１）が反平行結合積層フェリ構造体に及ぼす作用によって反平行結合積層フェリ構造体を構成する強磁性層の磁化の反転が促進され、書き込み磁場を下げることができる。
磁化自由層（６）は、強磁性を示す第２の反転誘導層（１４）を更に備えることが好ましい。この場合、第２の反転誘導層（１４）は、反転磁場が前記第１の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも小さくなるように構成される。第１の反転誘導層（１１）は、前記複数の強磁性層のうちの一の強磁性層に強磁性結合され、第２の反転誘導層（１４）は、前記複数の強磁性層のうちの他の強磁性層に強磁性結合される。
磁化自由層（６）は、複数の強磁性層（６３，６４）を含み、且つ、前記複数の強磁性層の隣接する２つの強磁性層が非磁性層（３２）を介して反平行結合されるように構成された第２の反平行結合積層フェリ構造体を更に備えてもよい。この場合、第１の反転誘導層（１１）は、第１の反平行結合積層フェリ構造体及び第２の反平行結合積層フェリ構造体の両方に強磁性結合される。この場合、磁化自由層（６）は、反転磁場が前記第１の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも小さい第２の反転誘導層を更に備えることが好ましい。第２の反転誘導層（１４）は、第１の反平行結合積層フェリ構造体及び第２の反平行結合積層フェリ構造体のいずれかに強磁性結合される。
上述の反転誘導層（１１）（１４）と反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が完全に外れて反平行配置になる磁場は、反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも大きいことが好適であり、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも大きく、積層フェリ構造体の反平行結合が平行になる飽和磁場よりも小さいことが最も望ましい。このような磁化自由層（６）の構成は、本発明の効果が強く現れ、低書き込み磁場、書き込みマージンの増大に有効である。さらに、本発明の効果は若干弱まるものの、動作の安定性を求めるならば、反転誘導層（１１）（１４）と反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が外れ始める磁場は、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行配置が平行配置になる飽和磁場よりも大きく設定すれば好適である。そして、反転誘導層（１１）（１４）と反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が外れ始める磁場を、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行配置が平行配置になる飽和磁場の５００倍以下に設定することが、本発明の効果が得るためには望ましい。
さらに具体的には、前記反転誘導層と前記反平行結合体積層フェリ構造体との強磁性結合力の少なくとも一つは、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合力と比較して、１／５０倍以上の大きさであることが好適であり、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合力の５００倍以下とすることが更に望ましい。
磁化自由層（６）は、その全体としての残留磁化が、反平行結合積層フェリ構造体を構成する強磁性層（１２、１３）（６０−６３）と反転誘導層（１１、１４）のそれぞれの飽和磁化の合計の１０％以内であることが望ましい。そのように構成された磁化自由層（６）を備える磁気抵抗素子をメモリセルとして用いるＭＲＡＭは、磁気抵抗素子の上下に、書き込み電流を印加可能なワード線及びビット線を備え、ワード線及びビット線が９０度に直交して延伸され、前記磁化自由層（６）の容易軸が、ワード線またはビット線の延伸方向に対して４５度方向であるように構成されることが望ましい。
反転誘導層（１１）（１４）と反平行結合積層フェリ構造体は非磁性元素を含む磁気結合体（２０−２４）を介して磁気結合されることが望ましい。
磁気結合体（２０−２４）は、２種類以上の非磁性元素の合金、又は、化合物、又は、２種類以上の非磁性元素の積層体から構成されることが望ましい。また、磁気結合体（２０−２４）の膜厚は、前記積層フェリ構造体の非磁性層厚よりも薄いことが好ましい。
磁気結合体（２０−２４）を構成する元素の少なくとも一つは、タンタル、ルテニウム、マンガン、バリウム、カルシウム、リチウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、白金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウムからなる群のうちから選択される。または、磁気結合体（２０−２４）は、タンタル、ルテニウム、マンガン、バリウム、カルシウム、リチウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、白金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウムからなる群のうちから選択された一の物質の酸化物、又は、窒素化物、又は炭素化物を含む。
一の実施形態では、磁気結合体（２０−２４）は、ピンホールを有する層であり、ピンホールを介して反転誘導層（１１、１４）と反平行結合積層フェリ構造体は強磁性結合している。材料や磁化自由層の構成や形状に応じて好適な磁気結合体（２０−２４）の強磁性結合力を制御する必要があるが、磁気結合体（２０−２４）はその平均膜厚が０．４〜１．５ｎｍであることが望ましい。
さらに、より熱安定性に優れた磁化自由層を得るには、磁気結合体（２０−２４）は、それに接する強磁性層を構成する磁性原子と比較して酸化物生成エネルギーが低い元素の酸化物を含むようにすれば良い。その代わりに、磁気結合体（２０−２４）は前後に接する強磁性層を構成する磁性原子と比較して窒化物生成エネルギーが低い元素の窒化物、または炭化物生成エネルギーが低い元素の炭化物を含むようにしても良い。そのような磁気結合体（２０−２４）として、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、リチウム、ベリリウム、バリウム、カルシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、クロム、モリブデン、セリウム、イットリウム、ランタンから選択される一の材料を含む。さらに、より好適に磁気特性を制御し、且つ、磁気抵抗比の耐熱性を実現する構成として、前記磁気結合体（２０−２４）にこのような構成を用い、さらに磁気抵抗素子が有する磁気抵抗効果を発現する非磁性層（５）に対し、第一の反転誘導層（１１）は直接接して形成され、さらに別の界面において前記磁気結合体（２０−２４）と直接接して形成され、さらに前記磁気結合体（２０−２４）は、前記第一の反平行結合積層フェリ構造体中の、第一の強磁性層（１２）と直接接して形成され、前記第一の強磁性層（１２）内の何れかに、非磁性原子を含む膜（５７）を少なくとも一つは有するようにすればよい。前記非磁性原子を含む膜（５７）は、前記第一の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合力を制御する機能を有する。
他の実施形態では、磁気結合体（２０−２４）は、ルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅、イットリウムから選ばれた元素を主成分とし、且つその膜厚は、前記反転誘導層と前記反平行結合積層フェリ構造体が強磁性結合を発現するような膜厚に選ばれる。磁気結合体（２０−２４）は、ルテニウムを用いる場合、その平均膜厚は、１．１ｎｍ以上１．７ｎｍ以下、または、２．３ｎｍ以上２．９ｎｍ以下であるルテニウムを主成分として構成される。
更に他の実施形態では、磁気結合体（２０−２４）は鉄、コバルト、ニッケルから選択された強磁性元素と、タンタル、ルテニウム、マンガン、バリウム、リチウム、カルシウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、白金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウムからなる群のうちから選択された非磁性元素の合金から構成される。また磁気結合体（２０−２４）は、鉄、コバルト、ニッケルから選択された強磁性元素の酸化物、又は、窒素化物、又は炭素化物から構成しても良い。
本発明による磁気抵抗素子の別形態として、反転可能な磁化自由層（６）と、磁化が固着された磁化固定層（４）とは別の積層強磁性構造体（７０）を備え、前記積層強磁性構造体（７０）は、隣接する強磁性層（７２、７３）を含み、且つ、２つの強磁性層が非磁性層（７５）を介して反平行結合されるように構成された第１の反平行結合積層フェリ構造体と、強磁性を示す第１の反転誘導層（７１）とを備え、第１の反転誘導層（７１）は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体と強磁性結合され、且つ、反転磁場が前記第１の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも小さくなるように構成されている。さらに、積層強磁性体（７０）は、強磁性を示す第２の反転誘導層（７２）を更に備えること効果が著しい。この場合、第２の反転誘導層（７４）は、反転磁場が前記第１の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも小さくなるように構成される。第１の反転誘導層（７１）は、前記複数の強磁性層のうちの一の強磁性層に強磁性結合され、第２の反転誘導層（７４）は、前記複数の強磁性層のうちの他の強磁性層に強磁性結合される。
上述の反転誘導層（７１）（７４）と反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が完全に外れて反平行配置になる磁場は、反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも大きいことが好適であり、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも大きく、積層フェリ構造体の反平行結合が平行になる飽和磁場よりも小さいことが最も望ましい。このような積層強磁性構造体では、よりソフトに反転可能である。さらに反転誘導層（７１）（７４）と前記反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が外れ始める磁場は、積層フェリ構造体の反平行配置が平行配置になる飽和磁場以上であると、積層強磁性構造体（７０）の磁化反転の安定性が向上する。そして前記積層フェリ構造体の飽和磁場の５００倍よりも小さいことが少なくとも本発明の効果を発現するのに好適である。好適な一形態としては、前記反転誘導層（７１）（７４）と前記反平行結合体積層フェリ構造体との強磁性結合力の少なくとも一つは、前記反平行結合体積層フェリ構造体の反平行結合力と比較して、１／５０以上５００倍以下である。積層強磁性構造体（７０）はその全体としての残留磁化が、反平行結合積層フェリ構造体を構成する強磁性層（７２、７３）と反転誘導層（７１、７４）のそれぞれの飽和磁化の合計の１０％以内であることが望ましい。
本発明によれば、トグルＭＲＡＭの書き込みマージンを保ちながら書き込み磁場を下げることができる。
また、本発明によれば、全体としての残留磁化が小さいＳＡＦを磁化自由層として用いたＭＲＡＭに関して、安定な反平行結合を保ちながら書き込み磁場を下げることができる。
第１ 本発明の原理
本発明は、スピンフロップを示すＳＡＦと反転磁場の小さいソフト磁性膜とを適度な磁気結合力で強磁性結合させた積層磁化自由層が、ＳＡＦとソフト磁性膜の両者の磁化反転特性が程よく組み合わさった好適な磁化反転特性を発現する、という発見に基づくものである。以下では、このように構成された積層磁化自由層の磁化反転挙動を説明する。
図９Ａ乃至図９Ｃは、それぞれ、本発明の積層磁化自由層と、２つの強磁性層からなるＳＡＦと、互いに磁気的に独立した２層のソフト磁性膜の、磁化容易軸方向に磁場を印加した際の磁化曲線を示すグラフであり、図１０Ａ乃至図１０Ｃは、それらの膜に関して、容易軸で固定層磁化方向に磁場を印加していった時の、各強磁性層の平均磁気モーメントを、面直方向から俯瞰した配置を示している。各強磁性層において局所的な磁気モーメントの分布は存在しうることに留意されたい。図１０Ａ乃至図１０Ｃの記号Ｈ（１）、Ｈ（２）、Ｈ（３）は、外部磁場を示しており、この順に強くなっている。磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化が平行配置である場合を”０”状態、反平行である場合を”１”状態として定義している。図１０Ａ乃至１０Ｃにおいて、ｍ１１、ｍ２１は、ＳＡＦを構成する強磁性層の磁化を示し、ｍ１２、ｍ２２は、ソフト磁性膜の磁化を示している。図９Ａ、図１０Ａには、ソフト磁性膜がＳＡＦの上側、下側の両方に設けられている積層磁化自由層の特性が図示されていることにも留意されたい。
図９Ｃ、図１０Ｃに示されているように、ソフト磁性層のみの場合、非常に小さい反転磁場Ｈｓｏｆｔで反転する。これは、反転磁場Ｈｓｏｆｔは、式（１）の全異方性磁場に相当する。
一方、図９Ｂ、図１０Ｂに示されているように、ＳＡＦに対して同様に外部磁場を印加するとフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ１でスピンフロップを起こす。
ここで適度な大きさでソフト磁性層とＳＡＦの強磁性層を磁気結合させた場合、磁場Ｈｓｏｆｔを超えるとソフト磁性層は磁場方向へ反転しようとするので、磁気結合を介してＳＡＦの強磁性層に対して回転させるように作用する。そのため、図９Ａ、図１０Ａに示されているように、通常のＨｆｌｏｐ１よりも低い磁場でＳＡＦはスピンフロップを起こすことが可能となる。つまり、ソフト磁性層の磁化反転により生じるトルクにより、ＳＡＦのスピンフロップ反転を誘導する。このような作用を奏することから、ソフト磁性層を、以下では、反転誘導層と呼ぶ。
反転誘導層の反転磁場ＨｓｏｆｔはＳＡＦのフロップ磁場より小さくなければ、このような効果が現れない。また反転誘導層とＳＡＦの結合力も重要であり、反転誘導層の強磁性結合力が弱くて、ＳＡＦがスピンフロップを示す前に反転誘導層とＳＡＦが磁気的に完全分離してしまうと、図１１Ａに示されているように、反転誘導層のみが先に磁場方向へ反転し、ＳＡＦ強磁性層は反転しないまま取り残されてしまう。そしてＳＡＦのスピンフロップを低い磁場から誘導することはできない。よって少なくとも反転誘導層とＳＡＦの間の強磁性結合が完全に外れて反平行配置となる磁場は、ＳＡＦの完全な反平行結合が外れ始める磁場、またはフロップ磁場よりも大きいことが好適である。
さらにトグル動作を実現するために使用する磁場範囲において、反転誘導層とＳＡＦの強磁性結合が外れ始めないことが好適であり、さらに、ＳＡＦを構成する強磁性層の磁化が平行になる飽和磁場まで、ＳＡＦと反転誘導層の強磁性結合が保たれていれば、トグル動作磁場範囲では少なくとも、磁気結合が完全分離することはないので好適である。その場合、反転誘導層とＳＡＦの磁気結合が外れ始める磁場が、ＳＡＦの飽和磁場以上であればよい。
しかし、反転誘導層とＳＡＦの磁気結合を強めすぎると、反転誘導層によるＳＡＦのフロップ磁場の低減効果は弱くなり、さらに反転誘導層とＳＡＦが強固に強磁性結合をしてしまうと、もはや反転誘導層とＳＡＦの強磁性層が一体となった磁化自由層になり、その磁化反転挙動は磁性膜厚が厚い通常のＳＡＦと同様となるため問題となる。そのため、動作上問題にならない程度に弱め、反転誘導層とＳＡＦが磁気的に完全分離してしまわない程度に強くしなければならない。磁性膜厚が厚い通常のＳＡＦと同様な磁化反転挙動にならないためには、反転誘導層とＳＡＦの磁気結合が外れ始める磁場が、ＳＡＦの飽和磁場の５００倍以下に設定すればよい。
以上、反転誘導層とＳＡＦの磁気結合で重要な点は、反転誘導層とＳＡＦが磁気的に完全分離しないことである。反転誘導層とＳＡＦ層との磁気結合が弱くなり完全分離する磁気結合力に近づいていくと、反転誘導効果が強く現れ、スピンフロップ磁場が下がり飽和磁場は増大する。その際の磁化自由層各層の磁化状態の一例を図１１Ｂに示す。反転誘導層の磁化が、常に磁場方向へ先に回転を始め、やや遅れてＳＡＦ強磁性層の磁化が磁場方向へ回転する。反転誘導層の磁化はそれが反転誘導しようとするＳＡＦ強磁性層の磁化に比べて、磁場方向へ向きを揃える。しかし、このような状態であろうとも、ＳＡＦの強磁性層は反転誘導層の反転に追随しているので、スピンフロップを起こすことが可能である。図１１Ａに示されたようにＳＡＦの強磁性層は反転誘導層の反転に追随できないくらい（反転誘導層とＳＡＦ層との磁気的な完全分離状態）に磁気結合力を弱めてはならない。
さらに具体的な本発明の一形態として反転誘導層とＳＡＦの強磁性層を全てほぼ等しくした構成において、反転誘導層とＳＡＦの磁気結合力に対するＳＡＦ反平行結合力の比率と、磁化自由層の動作率や磁気特性との関係を調べた結果、反転誘導層とＳＡＦの磁気結合力の大きさをＳＡＦ反平行結合力の大きさに対して少なくとも１／５０倍以上に設定すれば反転誘導層とＳＡＦ層との磁気的な完全分離状態とならず、好適である。さらに５００倍以下に設定すれば、本発明の効果が発現するので好適である。
そのような磁気結合力としては、反転誘導層とＳＡＦの磁気結合が外れ始める磁場が、ＳＡＦの強磁性層の反平行配置が外れ始める磁場より大きく、ＳＡＦの反平行配置が平行配置になる飽和磁場よりも小さいことが好適である。
また、反転誘導層の数は、単数でも複数でもよい。反転誘導層が２つ存在する場合、２つの反転誘導層の磁化が、外部磁場がない状態で、反平行に配置されることにより大きな効果が現れる。なぜならば、反転誘導層が１つの場合には、積層磁化自由層が取り得る２つの状態のうち、反転誘導層が外部磁場に対して反平行に向いている状態のみが、ＳＡＦに対して大きく反転誘導効果を与えるからである。そこで、図１０Ａに示されているように、反転誘導層が２層存在し、外部磁場がない残留磁化状態でお互いに反平行に配置されていれば、積層磁化自由層が取り得る２つの状態のどちらにおいても、２層の反転誘導層のどちらかによって、常に反転誘導効果をＳＡＦに与えることができるので、効果が最も強く、ＳＡＦのフロップ磁場を下げることが可能となる。
反転誘導層が１つの場合は、ある状態からの書き込みのみ小さい磁場でフロップさせることができる。このため、そのときはトグル書き込みを行い、もう一つの状態では、トグル動作磁場より低い磁場で書き込めるダイレクトモードの反転領域を書き込みに使用すれば、どちらの状態においても非常に小さな書き込み磁場で書き込みを行うことができる（図１２参照）。その場合、ＳＡＦに関して、２つの強磁性層の膜厚差を若干つけることにより、望む状態への反転をするダイレクト領域を発現するようにしなければならない。
反転誘導層によってフロップ磁場を低減する技術は、３つ以上の強磁性層と、その間に介設された２つ以上の反平行結合非磁性層から構成された多層ＳＡＦに対しても適用可能であり、２つ以上のＳＡＦからなる積層磁化自由層に対しても適応可能である。
また、磁化自由層の”０”状態、及び”１”状態への反転の両方をトグル動作モードで実現する場合は、磁化自由層の全体としての残留磁化はゼロに近いことが望ましい。望ましい残留磁化の大きさは、ＳＡＦを構成する強磁性層のそれぞれと反転誘導層の飽和磁化の合計の１０％以内である。さもないと、積層磁化自由層のＳＡＦはトグル動作に必要なスピンフロップを起こさなくなり、ダイレクトに磁場方向へ反転してしまう。加えて、さらにＭＲＡＭのメモリセルのレイアウトも、磁気抵抗素子の上下に設置されたワード線及びビット線が９０度に直交して延伸され、磁化自由層の容易軸が、ワード線またはビット線の延伸方向に対して４５度方向付近に傾いていることが好適である。
反転誘導層とＳＡＦの磁気結合の手段として好適な方法は、非磁性元素を含む磁気結合体を両者の間に設置させることである。磁気結合体は、生じる磁気結合の種類に関して複数の構造が考えられる。
一の実施形態では、磁気結合体は、磁気結合体が媒介する磁気結合力として、強磁性層同士を接触させたときに生じる交換相互作用による非常に強い強磁性結合を、所々非磁性体によって分断することによって強磁性結合の大きさを制御するように構成される。このように構成された磁気結合体は、分断する非磁性体の量によって、大きな範囲でその強磁性結合力を制御することが可能である。非磁性体は、磁気的結合を分断できればよく、殆ど全ての非磁性元素を用いることができる。具体的には、磁気結合体は、タンタル、ルテニウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウムからなる群のうちから選択された材料で形成され得る。さらに、実用性を考慮すると、上記の非磁性元素を酸化、窒素化、炭素化した方が、熱安定性が高く、強磁性層との拡散をおこしづらくなる為、より安定に強磁性結合を分断することが可能であり優れている。このような非磁性元素から構成される磁気結合体の形態は、完全な層というよりも、ピンホールが処所に存在することが多く、このようなピンホールを介して望ましい大きさの強磁性結合を発現させることができる。材料によってはピンホール以外にも、非磁性層を介したネール結合や層間相互作用も寄与する。本実施例で行った材料においては、磁気結合体の膜厚は、平均膜厚として０．４ｎｍ以上１．５ｎｍ以下が好適であり、０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下であることが更に好適である。
このような極薄非磁性層は、磁気結合体として、強磁性結合力を調整する効果があるが、同時に、その上部に形成する層の結晶配向性を変える、または、磁気抵抗素子の磁気抵抗比を上下させるなど、さまざまな影響を及ぼす。このような場合、非磁性元素を１種類で用いるよりも２種類以上を組み合わせて磁気結合体を構成すると、磁気抵抗素子の特性を望ましい方へ制御することが可能となる。この場合２種類以上の非磁性元素の積層構造にしてもよく、或いは、２種類以上の非磁性元素の合金として形成してもよい。後者の場合はコストを削減できる。
磁化自由層の熱安定性を向上させるには、磁気結合体に高熱安定性の高い材料を用いれば良い。そのような候補として熱安定性の高い非金属材料が挙げられる。一般に非金属材料は融点も高く、緻密であり、金属材料と固溶しづらい。そのため、磁性層に対する相互拡散が小さい。磁化自由層の多層膜中で、磁気結合体が安定に存在するためには、磁気結合体を前後に接する強磁性層を構成する磁性原子と比較して酸化物生成エネルギーが低い元素の酸化物で形成すれば良い。高温において、このような構成の磁気結合体の酸化物は安定であり酸素が磁性層へ拡散しづらく、融点も高い。また磁気結合体を前後に接する強磁性層を構成する磁性原子と比較して窒化物生成エネルギーが低い元素の窒化物、または炭化物生成エネルギーが低い元素の炭化物を含むようにしても良い。酸化物と同様に、このような構成の磁気結合体の窒化物、炭化物も安定であり、窒素や炭素が磁性層へ拡散しづらく、融点も高い。さらに炭化物や窒化物は導電性の材料が多く、磁気抵抗素子の本来の磁気抵抗に対して直列抵抗として寄与しない利点がある。磁気結合体を前後に接する強磁性層の典型的な材料として鉄、ニッケル、コバルトが考えられ、よってこれらよりも酸化物、窒素化物、炭化物生成エネルギーが低い元素、すなわち酸化、窒化、炭化されやすい元素として、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、リチウム、ベリリウム、バリウム、カルシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、クロム、モリブデン、セリウム、イットリウム、ランタンが挙げられる。本発明の磁化自由層においては、磁気結合体の安定性と磁気結合体を介した強磁性結合力の制御も重要であるが、同時にＳＡＦの反平行結合力の制御も必要である。一般に磁気結合体を挿入すると、その上部に形成するＳＡＦの結晶性、ひいては反平行結合力に影響を与えるため問題となる。ＳＡＦ反平行結合力の制御手段の一例として、磁気結合体の上部に形成するＳＡＦの強磁性層中に非磁性元素を含む層を形成することが挙げられる。 例えば非磁性元素としてＴａやＺｒの極薄層（０．４ｎｍ以下）を挿入することによって、ＳＡＦの結晶配向性を促進し、ＳＡＦの反平行結合力を増大させることができる。さらに好適な点としてこれら熱安定性の高い磁気結合体は、ＳＡＦ磁性層中に存在するＴａやＺｒ極薄層などの非磁性元素が、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を発現する非磁性層へ拡散することを防止する拡散防止層として機能し、磁気抵抗比が劣化することをも防止する。その結果、磁化自由層の磁気特性の高熱安定性の確保及び制御性の確保と、磁気抵抗比の耐熱性の確保を同時に達成できる。これは、ＭＲＡＭにおいては読出しと書き込みの熱安定性を同時に向上させる結果となり、大きな効果がある。
他の実施形態では、磁気結合体は、ＳＡＦと反転誘導層の間にRudermann, Kittel, Kasuya, Yoshida（ＲＫＫＹ）相互作用を作用させるように構成され得る；ここでＲＫＫＹ相互作用とは、強磁性層を構成する強磁性原子の局在磁気モーメント同士の磁気相互作用を、非磁性層を構成する非磁性原子の自由電子が媒介することで生じる相互作用である。ＲＫＫＹ相互作用は、ＳＡＦの反平行結合を生じさせている磁気結合力と同種である。当研究分野の研究者には広く知られているように、非磁性層の膜厚を増大させていくと、ＲＫＫＹ相互作用による磁気結合力は、反強磁性結合と強磁性結合の間を振動しながら減少していく（図１３参照）。その大きさと振動の周期は、非磁性層と強磁性材料の組み合わせに依存し、さらに発明者の実験によれば、強磁性層と非磁性層の結晶方位にも依存する。Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような磁性元素に対しては、非磁性層としてルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅、イットリウムから選ばれた元素を主成分とすれば、ＲＫＫＹ相互作用を発現させることが可能である。材料の膜厚としては、ＲＫＫＹ相互作用による強磁性結合力が最大となるピークを用いることが、実用上強磁性結合力が安定であり、膜厚ばらつきの効果を低減できるので望ましい。
磁気結合体は、ある程度強い強磁性磁気相互作用を発現する必要がある。適切な強さの強磁性磁気相互作用を発現させるためには、特に磁気結合体がルテニウムを主成分として構成される場合は、その平均膜厚が、１．１ｎｍ以上１．７ｎｍ以下、または、２．３ｎｍ以上２．９ｎｍ以下である膜厚に設定すれば、１ｓｔピーク、２ｎｄピークに対応する強磁性的相互作用を発現するため好適である。
更に他の実施形態では、磁気結合体は、磁化が小さい強磁性層を介した磁気結合力を利用してＳＡＦと反転誘導層を強磁性結合させるように構成され得る。その可能な材料構成として、鉄、コバルト、ニッケルから選択された強磁性元素と、タンタル、ルテニウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウムからなる群のうちから選択された非磁性元素の合金、或いは、強磁性層と、非磁性層の酸化物、窒素化物、炭素物、の複合体から構成される。この合金層は膜厚と非磁性元素／強磁性元素の組成比によって強磁性結合力を制御可能な磁気結合体として機能することが可能である。例えばＴａとＮｉＦｅの合金膜、及び、ＺｒとＮｉＦｅの合金膜が発現する磁化の、組成に対する依存性を、図１４Ａ、図１４Ｂにそれぞれ示す。膜厚は４ｎｍである場合を調べた。いずれも、Ｔａ組成又はＺｒ組成ｘが、図中で矢印により示されている範囲にあるときに非常に磁化が小さい強磁性体となり、磁気結合体として好適である。またこの場合、合金膜の膜厚が厚くなるほど磁気結合力が小さくなる。磁化が小さい強磁性層を介した強磁性結合力は、強磁性体同士の交換相互作用による磁気結合と比較して弱くなることを利用して、適度な磁気結合力を生じさせることが可能である。この実施形態の磁気結合体は厚く形成することが可能なので、製造における制御性が高い利点がある。
更に他の実施形態では、磁気結合体は、極薄の強磁性体の酸化物、窒素化物、炭素化物が媒介する磁気結合力を利用してＳＡＦと反転誘導層を強磁性結合させるように構成され得る。強磁性体の酸化物、窒素化物、炭素化物は、一般に磁化が小さい強磁性体、或いは反強磁性体となる。これらは、特に１．０〜２．０ｎｍかそれ以下の極薄領域において、強磁性結合力を有する磁気結合体として機能する。膜厚と強磁性合金の組成によって磁気結合力を制御することが可能である。
４つの磁気結合体を挙げたが、状況に応じてこれらを組み合わせて用いてもよい。また磁気結合体を構成する非磁性元素は１種類でもよいが、２種類以上の元素から磁気結合体を構成すると、前述のように、磁気抵抗素子の性能をより制御、向上させることができる。
また、これらの磁気結合体の反転誘導層の材料や厚さの選択は、目標とする自由層形状に応じて設計しなければならない。なぜならば反転誘導層とＳＡＦとの結合力は、微細セルにおいては形状磁気異方性の影響を強く受ける。特に反転誘導層の膜厚が厚いと、式（１）に従って反転誘導層の反転磁場が増大し、また、大きな静磁結合による強い反強磁性結合エネルギーＪＤが、磁気結合体を介した結合エネルギーＪＣに加わる。微細セルにおける反転誘導層とＳＡＦの全磁気結合エネルギーＪＣ’は、式（７）で表される。
ＪＣ’＝ ＪＣ‐ＪＤ ＝ ＪＣ−Ｄ・ＭＣ・ｔＣ／Ｗ， ・・・（７）
Ｄはアスペクト比などの素子形状によって決まる係数であり、アスペクト比が小さいほど増大する。ＭＣは反転誘導層の飽和磁化、ｔＣは反転誘導層の膜厚、Ｗは前述の積層磁化自由層の短辺長である。微細素子では全磁気結合力エネルギーＪＣ’を好適な値に設定し、ＳＡＦのフロップ磁場の低減を誘導しなければならない。目標とする積層磁化自由層の形状によって、最適な積層磁化自由層の積層構成は異なる。
なおＪＣ’は反転誘導層とＳＡＦが強磁性結合している全エネルギーの大きさを示しているが、ＳＡＦが反転誘導層に比べて磁化膜厚積が非常に大きく、磁化が安定である場合は、ＪＣ’は近似的にＭＣ・ｔＣ・ＨＣ１で表される；ここでＨＣ１は反転誘導層が外れ始める磁場である。本発明の積層磁化自由層は、磁場ＨＣ１をＳＡＦの反平行配置が外れ始める磁場（ＳＡＦのフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ或いはＨ１）よりも大きく設定しなければならない。
以下では、本発明による磁気抵抗素子の具体的な構成を説明する。
第２ 実施の第１形態
図１５Ａは、本発明の実施の第１形態に係るＭＲＡＭのメモリセルの構成を示す断面図である。当該ＭＲＡＭは、基板１と、基板１の上に形成された下部電極層２と、反強磁性体で形成された反強磁性層３と、磁化固定層４と、非磁性層５と、磁化自由層６と、コンタクト電極層７とを備えている。反強磁性層３は、磁化固定層４に交換相互作用を及ぼして磁化固定層４の磁化を固定する機能を有している。磁化固定層４は、強磁性層４１、反平行結合非磁性層４２、及び強磁性層４３で形成されたＳＡＦで構成されている。磁化固定層４の磁化は、反強磁性層３によって固定されている。磁化固定層４は、単一の強磁性層で形成されることも可能である。
非磁性層５は、極めて薄い非磁性の絶縁体か、或いは、薄い導電体で形成されている。磁化自由層６は、ＳＡＦを含む多層膜で構成されており、磁化自由層６を構成する強磁性層の磁化は反転可能である。磁化自由層６の磁化の向きは、記憶されるべきデータに応じた方向に向けられる。
磁化固定層４、非磁性層５、及び磁化自由層６で構成された磁化抵抗素子は、非磁性層５が絶縁体である場合、磁気トンネル効果を発現するMagnetic tunnel junction: ＭＴＪ素子として機能する。このＭＴＪ素子の抵抗は、トンネル磁気抵抗効果により、磁化自由層６を構成する強磁性層の磁化の向き、即ち、磁化自由層６に記憶されるデータに応じて変化する。データ読み出しは、ＭＴＪ素子の抵抗の変化を利用して行われる。ＭＴＪ素子の非磁性層５としては、例えば、アモルファスのＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、または、単結晶ＭｇＯなどが選択される。コンタクト電極層７としてはＴａ(１００ｎｍ)が好適に選択される。
一方、非磁性層５が導電層の場合、当該磁化抵抗素子は巨大磁気抵抗効果を発現するCurrent Perpendicular in Plane giant magnetoresistive: ＣＰＰ−ＧＭＲ素子として機能する。その導電層としてはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕなどが用いられる。
図６を参照しながら説明されているように、本実施形態のＭＲＡＭがトグル書き込みを行うように構成される場合には、磁化固定層４、非磁性層５、及び磁化自由層６で構成される磁化抵抗素子は、その長手方向（即ち、磁化固定層４、磁化自由層６の容易軸の方向）が、ビット線及びワード線の延伸方向に対して４５度方向に向かうように配置される。一方、アステロイド方式による書き込みが行われる場合、磁化抵抗素子は、その長手方向がワード線とビット線のいずれかの延伸方向に対して平行になるように配置される。
磁化自由層６は、非磁性層５の上に形成された第１強磁性層１１と、第２強磁性層１２と、これらの間に介設された磁気結合体２０とを備え、さらに第２強磁性層１２の上に形成された反平行結合を生じさせる非磁性層３１と、非磁性層３１の上に形成された第３強磁性層１３と、第４強磁性層１４と、これらの間に介設された磁気結合体２１とを備えている。第４強磁性層１４の上にコンタクト電極層７が形成される。
非磁性層３１は、第２強磁性層１２と第３強磁性層１３を反平行に結合させるように構成されている；即ち、第２強磁性層１２、第３強磁性層１３と、その間に介設された非磁性層３１は、ＳＡＦとして機能する。非磁性層３１は、ルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅、イットリウムなどの材料から構成され、その膜厚は、反平行結合エネルギーを生じさせるように選ばれる。より具体的には、非磁性層３１がルテニウムで構成される場合は０．９ｎｍや２．１ｎｍが好適である。一方、イリジウムで形成される場合は、０．３ｎｍや１．２ｎｍが好適である。
第２強磁性層１２と第３強磁性層１３は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏの合金からなる単層膜で構成される。また単一層とは限らず、反平行結合力を制御するために積層膜で構成されてもよい。具体的にはＮｉＦｅ/ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ/ＣｏＦｅＮｉが使用され得る。
これに対して第１強磁性層１１と第４強磁性層１４は、反転誘導層として機能し、ソフト磁性膜が選択される。たとえば、Ｎｉ８０Ｆｅ２０などのパーマロイ、ＮｉＦｅＮｂ、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＦｅＢなどのナノ結晶やアモルファスが軟磁気特性に優れ、材料磁気異方性Ｈｋも小さく好適である。さらに微細素子での反転磁場を下げるために形状磁気異方性を低減しなければならないことを考えると、その膜厚は薄いことが望まれ、４ｎｍ以下が好適である。反転誘導層の反転磁場Ｈｓｏｆｔは、狙いとする磁化自由層パタンに加工した際、ＳＡＦを構成する第２強磁性層１２と第３強磁性層１３の反平行配置が解け始める磁場Ｈ１またはフロップ磁場Ｈｆｌｏｐよりも、小さく設定することが重要である。
図１５Ｂに示されているように、第１の実施形態では、磁化自由層６を構成する第１強磁性層１１と第２強磁性層１２は、磁気結合体２０を介した強磁性結合により、書き込みに使用する印加磁場の範囲において磁化の向きを殆ど平行に保ったまま動作する。同様に、第３強磁性層１３と第４強磁性層１４は、磁気結合体２０、２１を介した強磁性結合によって、印加磁場の範囲において磁化の向きを殆ど平行に保ったまま動作する。
反転誘導層として機能する第１強磁性層１１と第４強磁性層１４は、その磁化の向きが反平行であることに留意されたい。磁化の向きが反平行である反転誘導層が２層存在することにより、磁化自由層６が取り得る２つの状態のどちらにおいても、２層の反転誘導層のどちらかによって、常に反転誘導効果をＳＡＦに与えることができる。
ＳＡＦを構成する第２強磁性層１２と第３強磁性層１３とは、互いに磁気的に等価である（例えば、同一の材料及び同一の膜厚で形成される）ことが望ましく、同様に、反転誘導層として機能する第１強磁性層１１と第４強磁性層１４は、互いに磁気的に等価であることが望ましい；しかし、多少の相違があってよい。なぜならば、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２の飽和磁化膜厚積の合計と、第３強磁性層１３と第４強磁性層１４の飽和磁化膜厚積の合計が殆ど等しければ、磁化自由層６はスピンフロップ動作を起こすことが可能であるからである。
磁気結合体２０、２１は、上述の４つのタイプの磁気結合体のいずれが使用されてもよい。いずれの場合でも、磁気結合体２０、２１は、それぞれ、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２の間と、第３強磁性層１３と第４強磁性層１４の交換相互作用による強磁性結合を所望の大きさまで弱めるように構成される。ただし、使用する書き込み磁場範囲において、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２の磁化の平行結合配置、及び、第３強磁性層１３と第４強磁性層１４の平行結合配置が解けない範囲で必要十分に弱めることが重要である。
例えば、一実施形態では、磁気結合体２０、２１は、ピンホールを有する非磁性体で形成され得る。ピンホールを介して第１強磁性層１１と第２強磁性層１２とが部分的に接触することによって第１強磁性層１１と第２強磁性層１２が強磁性結合される。同様に、ピンホールを介して第３強磁性層１３と第４強磁性層１４とが部分的に接触することによって第３強磁性層１３と第４強磁性層１４が強磁性結合される。
この場合、磁気結合体２０、２１は、好適には、タンタル、ルテニウム、マンガン、バリウム、カルシウム、リチウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、白金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウム、並びに、それらの酸化物、窒化物、炭素化物から選択された材料で構成され得る。磁気結合体２０、２１の膜厚は、平均膜厚として０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下が好適である。
また、磁気結合体２０、２１を２つ以上の非磁性元素の複合体、合金、又は、積層体で構成することにより、磁化自由層６や磁気抵抗素子の性能を向上させることが可能である；図１７Ａには、磁気結合体２０が、異なる非磁性元素で形成された非磁性膜５１、５２で構成され、磁気結合体２１が、異なる非磁性元素で形成された非磁性膜５３、５４で構成された磁化自由層６の構成が図示されている。磁気結合体２０に用いられる非磁性極薄層は、その上部に形成される層、特に、非磁性層３１の結晶成長に影響を与える。非磁性層３１の結晶配向性と非磁性層３１が発現する反平行結合エネルギーＪＳＡＦの間に相関があることを発明者は発見しており、磁気結合体２０を適切に構成することよって非磁性層３１の結晶配向性を所望の状態に保つことは、特にトグル動作を実現するために有効である。別の観点から、磁気結合体２０は、特に非磁性層５に近いため、材料によっては磁気抵抗比や素子抵抗に影響を及ぼす。
磁気結合体２０、２１が２つ以上の非磁性元素の複合体、合金、又は、積層体で構成される場合、適切な特性が現れるように、タンタル、ルテニウム、マンガン、バリウム、カルシウム、リチウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、白金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウム、から２つ以上選ばれる。また、磁気結合体２０、２１は、上記の非磁性元素の酸化物、窒化物、炭化物から構成しても良く、その場合は熱安定性が向上し好適である。これら熱安定性の高い材料を一つは含むような磁気結合体を用いることは耐熱性の観点で好適である。
磁気特性、及び磁気抵抗比の耐熱性の高い磁化自由層の一形態の例を図１７Ｂに示す。
磁気結合体２０、２１は、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、リチウム、ベリリウム、バリウム、カルシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、クロム、モリブデン、セリウム、イットリウム、ランタンの酸化物、窒素化物、炭素化物から構成される。さらに第２強磁性層１２は、第１強磁性膜５６、反平行結合制御膜５７、第２強磁性膜５８の三層構造で構成される。典型的な強磁性膜及び強磁性層の材料はＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏなどが挙げられる。反平行結合制御膜５７はＴａ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｈｆ，Ｎｂ及びＷなどが挙げられる。上記の元素を含む極薄の非磁性膜でも良く、また上記の元素と強磁性元素との複合膜で構成され、強磁性を有していてもよいが、重要なのは第１強磁性膜５６と第２強磁性膜５８の磁気結合を完全に分断しないことが必要である。反平行結合制御膜５７の一の機能はＳＡＦの反平結合非磁性層３１の結晶性を制御することである。安定性の高い磁気結合体２０が拡散防止層となり、反平行結合制御膜に含まれる非磁性元素が、非磁性層５に拡散することを防ぐため磁気抵抗比の劣化が防止される。同時に磁気結合体２０自身がそれと接する磁性膜（第１強磁性層１１及び第１強磁性膜５６）と相互拡散しづらいので、その強磁性結合力も安定である。
他の実施形態では、磁気結合体２０、２１は、ＲＫＫＹ的強磁性結合を発現させるように構成され得る。磁気結合体２０、２１は、それぞれ、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２の磁化、及び、第３強磁性層１３と第４強磁性層１４の磁化を好適な強さで平行配置させる強磁性結合を生じさせる。好適な材料はルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅、イットリウムが挙げられる。強磁性結合力はある程度強いことが必要であるので、たとえばルテニウムを用いる場合は、１．４ｎｍ及び２．７ｎｍ付近が好適である。
第３ 第２の実施形態
図１６Ａは、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭのメモリセルの構成を示す断面図である。当該ＭＲＡＭは、基板１と、基板１の上に形成された下部電極層２と、反強磁性体で形成された反強磁性層３と、磁化固定層４と、非磁性層５と、磁化自由層６と、コンタクト電極層７とを備えている。磁化自由層６以外の層の機能及び構成は実施の第１形態と同様である。
磁気結合体及び反転誘導層をそれぞれ２つずつ含む第１の実施形態に係るＭＲＡＭとは異なり、第２の実施形態では、磁化自由層６が磁気結合体及び反転誘導層を一つのみ備えた構造を有している。より具体的には、磁化自由層６は、非磁性層５の上に形成された第２強磁性層１２と、その上に形成された非磁性層３１と、非磁性層３１の上に形成された第３強磁性層１３と、第４強磁性層１４と、これらの間に介設された磁気結合体２１とを備えている。第４強磁性層１４の上にコンタクト電極層７が形成されている。第２強磁性層１２、非磁性層３１、及び第３強磁性層１３は、ＳＡＦとして機能し、第４強磁性層１４は、反転誘導層として機能する。第２強磁性層１２の飽和磁化膜厚積は、第３強磁性層１３と第４強磁性層１４の合計の飽和磁化膜厚積とほとんど等価になるように設定される。
図１６Ａに図示されているＭＲＡＭでは、ＳＡＦとして機能する第２強磁性層１２、非磁性層３１、及び第３強磁性層１３は、直接に非磁性層５の上に形成され、一の反転誘導層しか有していないことに留意されたい。磁気結合体及び反転誘導層を一つのみ備えた構成であっても、一方の状態からの書き込みのみ小さい磁場でフロップさせることは可能である。
図１６Ｂは、第２の実施形態に係るＭＲＡＭセルの、別の可能な構成である。磁化自由層６は、非磁性層５の上に形成された第１強磁性層１１と、第２強磁性層１２と、これらの間に介設された磁気結合体２０とを備え、さらに第２強磁性層１２の上に形成された非磁性層３１と、非磁性層３１の上に形成された第３強磁性層１３を備えている。第２強磁性層１２、非磁性層３１、及び第３強磁性層１３は、ＳＡＦとして機能し、第４強磁性層１４は、反転誘導層として機能する。第３強磁性層１３の飽和磁化膜厚積は、第１強磁性層１１と、第２強磁性層１２の飽和磁化膜厚積とほとんど等価になるように設定される。
第２の実施形態のＭＲＡＭの磁気結合体２０、２１の材料や膜厚に求められる要求は、第１の実施形態のＭＲＡＭの磁気結合体２０、２１と同一である。
第４ 実施の第３形態
３層以上の強磁性層が反平行結合した多層ＳＡＦにおいても、同様に反転誘導効果を与えることが可能である。その好適な例を図１８Ａ、及び１８Ｂに示す。
図１８Ａに図示されたＭＲＡＭは、３層ＳＡＦ（即ち、３つの強磁性層を有するＳＡＦ）と１層の反転誘導層から構成された積層磁化自由層６を備えている；磁化自由層６以外の構造は、第１の実施形態と同一である。図１８Ａに図示されているＭＲＡＭでは、非磁性層５の上に強磁性層６０が設けられ、その上に非磁性層３１、強磁性層６１、非磁性層３２、強磁性層６２が順に積層される。非磁性層３１、３２は反平行結合が生じるような膜で構成される。たとえば０．９ｎｍ、２．１ｎｍ、３．５ｎｍの膜厚を持つルテニウムが好適である。強磁性層６０、非磁性層３１、強磁性層６１、非磁性層３２、強磁性層６２は、３層ＳＡＦとして機能し、再隣接の強磁性層同士は、残留磁化状態で反平行配置を取る。強磁性層６２の上に磁気結合体２１が設けられ、第４強磁性層１４がその上に設置される。第４強磁性層１４は、ソフト磁性層から構成され、反転誘導層の役割を担う。磁気結合体２１は、強磁性層６２と第４強磁性層１４とを好適な強さで強磁性結合させる。また、図１８Ａに例示された３層ＳＡＦと１層の反転誘導層が磁気結合された構成に限らず、４層ＳＡＦに対してその上下に２層の反転誘導層が磁気結合体を介してそれぞれ好適な大きさで結合された構成でも良い。その場合は反転誘導層が２層存在し、残留磁化状態で、お互いの磁化が反平行に配置されているので、著しくフロップ磁場を低減することが可能である。
磁化自由層６にＳＡＦが複数設けられることも可能である。図１８Ｂは、磁化自由層６が２つのＳＡＦと２つの反転誘導層から構成されたＭＲＡＭの構成を示している。非磁性層５の上に強磁性層６０が設けられ、その上に非磁性層３１、強磁性層６１、磁気結合体２２、第１強磁性層１１、磁気結合体２３、強磁性層６３、非磁性層３２、強磁性層６４、磁気結合体２４、第４強磁性層１４の順で積層される。
強磁性層６０、非磁性層３１、強磁性層６１が第１のＳＡＦとして機能し、強磁性層６３、非磁性層３２、強磁性層６４が第２のＳＡＦとして機能する。それぞれ非磁性層３１、３２によって上下の強磁性層が反平行に結合している。第１強磁性層１１、第４強磁性層１４は磁気的にソフトな強磁性体で構成され、反転誘導層の役割を担う。第１強磁性層１１は磁気結合体２２、２３によって、第１のＳＡＦと第２のＳＡＦの両方と強磁性結合し、第４強磁性層１４は磁気結合体２４によって第２のＳＡＦのみと強磁性結合する。図１８Ｂに残留磁化状態での各層の磁気モーメントの向きを示しているが、反転誘導層として機能する２つの第１強磁性層１１と第４強磁性層１４は、反平行に配置されていることに留意されたい。反転誘導層（即ち、第１強磁性層１１と第４強磁性層１４）の反転磁場Ｈｓｏｆｔは第１のＳＡＦと第２のＳＡＦの反平行配置が外れ始める磁場のいずれよりも小さく設定しなければならない。
ダイレクトモード反転を抑え、トグル動作として全ての書き込みを行う場合は図１８Ａに示された磁化自由層６においては強磁性層６０、強磁性層６２、第４強磁性層１４の磁化膜厚積の合計は、強磁性層の６１の磁化膜厚積に等しく設定することが好ましい。一方、図１８Ｂに示された磁化自由層６においては、強磁性層６０、強磁性層６４、第４強磁性層１４の磁化膜厚積の合計が、強磁性層６１、第１強磁性層１１、強磁性層６３の磁化膜厚積の合計と等しくすることが好ましい。
第５ 第４の実施形態
以上に列挙してきた本発明の磁化自由層技術は、磁化自由層に限られるものではない。例えば、そのような実施形態として、磁化自由層とは別の独立した積層強磁性構造体に、使用することが可能である。このような積層強磁性構造体は、従来の磁性膜、及び多層膜と比較して、非常に磁気的にソフトに磁化反転することが可能である。このようなソフト性は、積層強磁性構造体をソフトに反転するバイアス磁場発生層としても使用すること、或いは、配線磁場を収束させる高透磁率層としても使用することにも適する。
図１８Ｃに、積層強磁性構造体７０を、配線磁場を収束させる高透磁率層として使用した場合の一例を示す。積層強磁性構造体７０は上部電極８の上層に設置され、積層強磁性構造体７０は、第１の反転誘導層７１、第１の磁気結合体８１、第１の強磁性層７２、反平行結合強磁性層７５、第２の強磁性層７３、第２の磁気結合体８２、第２の反転誘導層７４が積層されて構成される。このような積層強磁性構造体７０に要求される点は、前述の実施の第一の形態で述べた磁化自由層に使用される場合と同じである。
１． 第１の実験
以下では、図１５Ａにおいて第１強磁性層１１と第２強磁性層１２、及び、第３強磁性層１３と第４強磁性層１４の間に、磁気結合体２０、２１を設け、磁気結合体２０、２１が媒介する強磁性結合エネルギーＪＣを最適値に設定することにより、高い飽和磁場を保ったまま、ＳＡＦのフロップ磁場を低減させた実験結果を示す。
本実施例を含む全ての実施例で示された試料は、マグネトロンスパッタと、酸素とアルゴン雰囲気を高周波によって励起させたラジカル酸化により作製した。また成膜後２７５℃、５時間の熱処理を行っている。試料作製後、その磁化自由層の磁化曲線が測定された。作成された試料は、下記の構造を有している：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１０ｎｍ）
磁化自由層は以下の構成である：
自由層１： Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｘ１／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／ Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｘ２／Ｎｉ８１Ｆｅ１９
ここでＸ１、Ｘ２は磁気結合体であり、その材料と膜厚を変えている。Ｎｉ８１Ｆｅ１９に関しても評価する積層構成に応じて、その磁性膜厚を変えている。また”Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ”は、１ｎｍのＡｌ膜が酸化されることによって形成されたＡｌＯｘ膜であり、同様に、”Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ”は、０．７ｎｍのＡｌ膜が酸化されることによって形成されたＡｌＯｘ膜である。前者は擬似的なトンネルバリア層として形成しており、後者はキャップ層として形成している。
加えて、磁化自由層膜中の各磁性膜の結晶磁気異方性磁場Ｈｋを測定するために以下の構成の試料が作製され、その磁化曲線が測定された。
自由層２：基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／
Ｘ１／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）
更に、磁化自由層中のＳＡＦのＨｆｌｏｐ及びＨＳを測定するために以下の構成の試料が作製され、その磁化曲線が測定された：
自由層３：Ｘ１／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／ Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｘ２
実験１−１）
まず磁気結合体Ｘ１、Ｘ２をいずれもＴａ膜で形成し、その強磁性結合エネルギーＪＣをＴａ膜の膜厚によって変えて、磁化自由層のスピンフロップ特性を調べた実験結果を示す。
試料１（比較例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．１ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．１ｎｍ）
試料２（本発明）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）
試料３（本発明）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．３ｎｍ）／Ｔａ（０．６ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．３ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．３ｎｍ）／Ｔａ（０．６ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．３ｎｍ）
試料４（比較例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．４ｎｍ）／Ｔａ（０．７ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．４ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．４ｎｍ）／Ｔａ（０．７ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．４ｎｍ）
試料５（比較例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．５ｎｍ）／Ｔａ（０．８ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．５ｎｍ）／Ｔａ（０．８ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．５ｎｍ）
試料６（本発明）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（３．３ｎｍ）
Ｔａ膜の厚さに応じてＮｉＦｅの厚さを若干調整して、Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｔａ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９の磁化膜厚積が大体２．９Ｔ・ｎｍ付近の値を持つように設計している。反転誘導層は、磁化膜厚積が約１．４５Ｔ・ｎｍのＮｉＦｅ強磁性膜であり、ＳＡＦに含まれるＮｉＦｅ膜の磁化膜厚積も約１．４５Ｔ・ｎｍである。
図１９Ａ、１９Ｂに試料１から３までの容易軸方向の磁化曲線を示す。また図２０Ａ、図２０Ｂに試料４と試料５の、また図２１Ａ、図２１Ｂに試料２と試料６の、磁化曲線を示した。また図２５Ａに磁化曲線から得られた試料１〜６の飽和磁場ＨＳ、また自由層２の構成の試料を別評価することにより得られたＮｉＦｅ層の結晶磁気異方性磁場Ｈｋ、測定された飽和磁化ＨＳとＨｋから予測されるＨｆｌｏｐ’＝（ＨＳ・Ｈｋ）０．５、実際に測定されたＨｆｌｏｐをそれぞれ示した。
図１９Ａ、１９Ｂより試料１の比較例では通常のスピンフロップを示すＳＡＦの磁化曲線であり、予測されるフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ’と測定されたフロップ磁場Ｈｆｌｏｐも大体等しい。一方、試料２、３の本発明では、磁化曲線の形状が試料１と異なっており、Ｔａ厚が増大するほど、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐが試料１よりも小さくなっていく。それにも関わらず、試料１と比較して飽和磁場ＨＳは大きい。またそのときＨｆｌｏｐ’よりもＨｆｌｏｐは明らかに小さく、本発明に係る試料２、３には、大きな飽和磁場ＨＳを保ちつつ、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐを低減させる効果が現れている。
Ｔａ厚がもっと厚くなると図２０Ａ、２０Ｂの試料４、５に示されるように、磁化曲線がだんだん２段に分かれていく。磁化曲線を見ると、ゼロ磁場から磁場を増大していったときの最初の磁化の増大が反転誘導層のＮｉＦｅの磁化反転を示しており、さらに高磁場での磁化の増大がＳＡＦのＮｉＦｅの磁化反転を示している。（但しこのときの、高磁場での磁化反転が生じる磁場は、ＳＡＦが単独に存在する場合のフロップ磁場ではないことに注意されたい。）このように平均Ｔａ厚さが０．７ｎｍ付近より厚くなると、磁気結合体の強磁性結合が弱すぎて、反転誘導層とＳＡＦ膜の磁気結合が、使用する磁場範囲で分離してしまうため問題である。
反転誘導層は磁化膜厚積が１．４５Ｔ・ｎｍ相当のＮｉＦｅ膜であり、図９Ｃで示された反転磁場Ｈｓｏｆｔは３（Ｏｅ）程度である。一方ＳＡＦはＮｉＦｅ膜が１．４５Ｔ・ｎｍ相当のＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅ膜から構成されており、自由層３相当の試料を別評価した結果、図９Ｂに示されたＳＡＦのＨｆｌｏｐ１は３３（Ｏｅ）、飽和磁場ＨＳは３９０（０ｅ）であった。この反転誘導層とＳＡＦが磁気結合体であるＴａ膜を介して好適な値で強磁性結合した試料２、３では、図９Ａに示されたようなフロップ磁場の低減と飽和磁場の増大を両立している。
図２１Ａ、２１Ｂで比較された試料６は、Ｔａ膜（０．５ｎｍ）の磁気結合体Ｘ１を片側のみ挿入した場合である。図１６Ｂに示されているような、第１強磁性層１１の反転誘導層を１枚のみ備えた場合に相当する。反転誘導層を２枚備えた試料２と比較すると、試料６はフロップ磁場Ｈｆｌｏｐが２５（Ｏｅ）であり、飽和磁場ＨＳが２６０（Ｏｅ）である。試料２の反転誘導層を２つ設けた構成の方が、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐが１９（Ｏｅ）と小さく、しかも飽和磁場ＨＳが４００（Ｏｅ）でありフロップ磁場の低減と、マージンの増大に著しい効果が生じている。
実験１−２）
さらに磁気結合体Ｘ１、Ｘ２をＴａ膜（０．５ｎｍ）と固定し、反転誘導層やＳＡＦの磁性層構成を変えた効果を調べた。以下は、調べられた反転誘導層の構成を示す：
試料７（本発明）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）
試料８（比較例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４．２ｎｍ）
試料９（比較例）：
ＣｏＦｅ（１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（０．６ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（０．６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１ｎｍ）
試料１０（本発明）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．７ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（１．７ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）
試料７は、ＳＡＦを構成する強磁性層の磁化膜厚積を試料２と比較して２倍である２．９Ｔ・ｎｍにしたものであり、試料８は、反転誘導層の磁化膜厚積を試料２と比較して２倍である２．９Ｔ・ｎｍにしたものである。ＳＡＦを構成する強磁性層と反転誘導層の磁化膜厚積をそれぞれ変えている。試料９は反転誘導層をＣｏＦｅ（１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（０．６ｎｍ）の２層構成とし、結晶磁気異方性磁場Ｈｋｃを３５（Ｏｅ）まで増大させたものである。（磁化膜厚積は１．４５Ｔ・ｎｍであり、試料２と殆ど変わっていない。）試料９は、反転誘導層同士、及びＳＡＦの強磁性層同士の膜厚に差を付けた試料である。図２２Ａ、２２Ｂに試料２、及び試料７〜１０の磁化曲線を示す。また図２５Ａに前述の飽和磁場ＨＳ、ＳＡＦを構成する強磁性層の結晶磁気異方性磁場Ｈｋ、予測されるフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ’（＝(ＨＳ・Ｈｋ)^０．５）、測定されたフロップ磁場Ｈｆｌｏｐをそれぞれ示す。試料７、８、１０はベタ膜の磁化曲線ではＨｆｌｏｐが大きく低減されている。試料９に関してのみフロップ磁場が大きく、飽和磁場も１４０（Ｏｅ）と下がっており、スピンフロップの特性が悪化している。試料９は反転誘導層のＨｓｏｆｔが３５（Ｏｅ）と大きく、Ｈｓｏｆｔが大きい磁性層とＳＡＦが磁気結合したため、自由層のフロップ磁場を下げるどころか逆に増大させたものと考えられる。このように反転誘導層の反転磁場Ｈｓｏｆｔは、少なくともＳＡＦのフロップ磁場よりも小さくなければ、フロップ磁場を増大させ、飽和磁場も小さくなるという逆の効果を与えることが示された。試料１０は厳密にはＳＡＦの各磁性層の磁化膜厚、２つの反転誘導層の磁化膜厚は若干異なっているが、積層自由層の飽和磁場が４８０（Ｏｅ）、フロップ磁場が１６（Ｏｅ）であり、本発明の効果が十分現れている。
試料１〜１０の磁化自由層の一部について、下に示すようなＭＴＪを作製し、フォトリソグラフィー及びイオンミリングを用いて、０．３２×０．９μｍ２の長円型の素子を複数作製した。外部磁場の大きさを変えながら、図で示したようにＭＴＪの容易軸に対して４５度方向、０度方向、−４５度方向に変えて印加し、ＭＲＡＭのトグル動作を調べた。ワード線、ビット線方向の磁場はいずれも同じ値を保ち変化させた。調べた素子の数は３０素子である：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１００ｎｍ）
その結果得られたトグル動作率とフロップ磁場、飽和磁場、トグル動作マージン（＝飽和磁場/フロップ磁場）を図２５Ｂに示す。比較例の試料１に対して、本発明のデバイスは、いずれもトグル動作マージンが高く、本発明の効果が現れている。試料１と試料２は動作率が１００％であり動作が安定している。またＨｆｌｏｐも試料１に比べて試料２の方が小さく、本発明の効果が微細素子にも現れている。試料３はＨｆｌｏｐが４３．２（Ｏｅ）と最もフロップ磁場が小さいが、動作率が７６%と低く、トグル動作しない素子も出現し問題である。試料４、試料５はトグル動作率が０％であり、磁化曲線で評価したように反転誘導層とＳＡＦ層の磁化反転が完全分離した為と考えられる。試料７に関しても良好に動作しているが、試料８は動作していない。これは反転誘導層の磁化膜厚積が２．９Ｔ・ｎｍと大きいため、静磁結合により、強くＳＡＦ膜と反平行に結合し、式（７）の効果で、実効的な結合力ＪＣ’が減少し磁気結合が弱まったことと、反転誘導層の磁化膜厚が大きいことで強磁性結合が外れ始める磁場も小さくなり、反転誘導層ＮｉＦｅ（４．２ｎｍ）の磁化反転が、ＳＡＦ積層膜Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）の磁化反転と完全分離したためと考えられる。さらに前述のように反転誘導層自身の反転磁場が式（１）に従って増大し、試料９と同様にスピンフロップ特性を悪化させた効果も原因として考えられる。
さらに試料８の不良動作を改善するために、試料８の磁化自由層構成におけるＴａ挿入厚を全て０．４５ｎｍにして０．３２×０．９μｍ２の長円型の素子を複数再作製し、トグル特性を評価した。その結果、ビット線及びワード線方向に関するＨｆｌｏｐが３０（Ｏｅ）、飽和磁場が１７０（Ｏｅ）、動作率が９８％の良好な書き込み特性が得られた。この結果は、Ｔａ挿入厚を０．５ｎｍから０．４５ｎｍとすることで、実効的な磁気結合力ＪＣ’が増大し、式（７）に関連して示した反転誘導層が外れ始める磁場ＨＣ１〜ＪＣ’／ＭＣ・ｔＣが増加して好適な大きさになり、反転誘導層ＮｉＦｅ（４．２ｎｍ）の磁化反転に対してＳＡＦ積層膜Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）の磁化反転が追随できるようになり、トグル書き込みを安定して行われた為と考えられる。ＨＣ１〜ＪＣ’/ ＭＣ・ｔＣの関係から予測されるように、反転誘導層の磁化膜厚積ＭＣ・ｔＣが大きい場合には、磁気結合の完全分離を防ぐためにＪＣ’も相応に大きくしなければならないことが実証された。
実験１−３）
本実験では、反転誘導層とＳＡＦとの強磁性結合エネルギーＪＣ’とＳＡＦの反平行結合エネルギーＪＳＡＦの大きさと、本発明の磁化自由層のトグル書き込み動作との関係を調べた。
まず試料２、試料３、試料４、試料５について、膜での実効的な磁気結合エネルギーＪＣを大まかに見積もり、そして実験１−２）で調べられたトグルデバイス動作率との関係を比較する。
ＪＣ’を見積もるために以下の構成を有する試料が作製された：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（３ｎｍ）／Ｔａ(ｄＴａ)／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）
ｄＴａは、０ｎｍ、０．４ｎｍ、０．５ｎｍ、０．６ｎｍ、０．７ｎｍ、０．８ｎｍ、の膜厚の試料を作製した。上記の試料は反強磁性膜／強磁性膜／磁気結合膜／強磁性膜の積層膜構成であり、Ｔａ（dＴａ）が磁気結合膜として機能する。そして試料２〜試料５中の磁気結合体の界面構造と等価である。これらの磁化曲線を測定し、得られた磁化曲線の形状をＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）シミュレーションによりフィッティングすることにより膜でのＪＣの大きさを求めた。図２２Ｃにこれらの試料の磁化曲線を示す。ｄＴａが増加するに従って、ＪＣが減少して、ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）と、ＮｉＦｅ（５ｎｍ）のヒステリシスループが分離している。
まず、膜でのＳＡＦの反平行結合エネルギーＪＳＡＦを見積もる。実験１−１）で大まかに見積もられたＳＡＦの飽和磁場ＨＳは３９０（Ｏｅ）であり、さらに図２５Ａの試料４、５（ＳＡＦと反転誘導層が磁気的に完全分離しているとみなせる試料）の飽和磁場ＨＳは４２４〜４３０（Ｏｅ）である。各強磁性層はいずれも磁化膜厚積が１．４５Ｔ・ｎｍであるので、試料２、試料３、試料４、試料５のＳＡＦの反平行結合力ＪＳＡＦは式（５）より、概算して０．０２３〜０．０２５ｅｒｇ／ｃｍ２と見積もられる。次に得られた磁気結合力ＪＣの大きさに関しては、０．３２×０．９μｍ２デバイスでトグル動作率が高かったｄＴａ＝０．５ｎｍ及び０．６ｎｍの試料のＪＣは、それぞれ０．０４８、０．０１６ｅｒｇ／ｃｍ２であった。トグル書き込みが出来なかったｄＴａ＝０．７ｎｍ及び０．８ｎｍの試料のＪＣは、それぞれ０．００８、０．００４ｅｒｇ／ｃｍ２であった。
ｄＴａ＝０．７ｎｍ、０．８ｎｍでは良好な動作が得られなかったので、この構成においてはＪＣは少なくとも０．００４以上に設定することが、好適なトグル書き込み動作を保障するものと考えられる。そのような条件はＳＡＦの反平行結合エネルギーＪＳＡＦに対して磁気結合体の強磁性結合エネルギーＪＣを約１/10以上に設定することに相当する。
実際の微小素子では強磁性層間の反強磁性的な静磁結合の影響が大きい。式（７）に示された微小素子でのＪＣ’と実効的なJSAFの関係が重要である。これらは正確に見積もることが困難である。また、本実験は各強磁性層の磁化膜厚積が等しい場合であり、例えば、より反転磁場の低減を狙って反転誘導層の磁化膜厚を低減する場合は、もっとＪＣ’の下限が下がる。なぜなら式（７）に関連して示したパラメーターである、ＨＣ１（〜ＪＣ’/ ＭＣ・ｔＣ）がより重要であり、同じＨＣ１を維持する場合、反転誘導層の磁化膜厚積ＭＣ・ｔＣを下げると、相応にＪＣ’を下げることが必要となるからである。反転誘導層の磁化膜厚積ＭＣ・ｔＣ は１Ｔ・ｎｍ以下にまで低減することが技術的に可能であり、その場合ＪＣ’は、本実験で見積もったＪＣの最低必要値０．００４ｅｒｇ／ｃｍ２ をさらに半分程度にまで下げる必要がある。 このように様々な自由層構成を想定し、また、これらの値の見積もりの誤差まで考慮すると、少なくともＪＳＡＦに対してＪＣ’は１/５０以上に設定することが、反転誘導層と磁気結合体の磁気的な完全分離を防止するのに必要と推測される。
一方、磁気結合力ＪＣ’の上限に関しては、動作率の観点からは限定する必要はないが、ｄＴａ＝０．４ｎｍにおいてＪＣ’= ０．５３５ｅｒｇ／ｃｍ２であり、ＪＣ’はJSAFの約４０倍である。またｄＴａ＝０．４ｎｍにおいて本発明の効果は若干発現していると考えられる。ｄＴａ＝０．３ｎｍは、試料１の構成であり、実験１−１）で示されたように通常のＳＡＦ動作をする磁化自由層構成である。そのＴａ（０．３ｎｍ）を介した強磁性結合力は強すぎて本方法では測定できないが、得られたＪＣ’のＴａ厚さ依存性から外挿すると、ｄＴａ＝０．３ｎｍのＪＣ’は１０ｅｒｇ／ｃｍ２程度と見積もられる。この値は、ＪＳＡＦのおよそ５００倍に相当する。よってＪＣ’をＪＳＡＦと比較して５００倍以下に設定すれば、本発明の効果が現れ始めると考えられる。そのような磁化自由層のＪＣ’は、ＮｉＦｅ同士の交換相互作用による結合力（文献値から推測）である８０ｅｒｇ／ｃｍ２と比較すると十分に小さい。
実験１−４）
磁気結合体を２種類以上の非磁性元素から構成した場合の例を示す。磁気結合体に使用した材料としてＴａとＲｕを選択した例を示す。
試料１（比較例）
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．１ｎｍ）Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．１ｎｍ）／Ｔａ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．１ｎｍ）
試料２（本発明）
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）
試料１１（本発明）
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（０．２ｎｍ）／ Ｔａ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）／Ｔａ（０．３ｎｍ）／Ｒｕ（０．２ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．２ｎｍ）
試料１、試料２はそれぞれＴａ（０．３ｎｍ）、Ｔａ（０．５ｎｍ）を挿入している実験１−１）で示した構成であり、試料１１との比較として示した。
これに対して試料１１は磁気結合体としてＲｕ（０．２ｎｍ）／Ｔａ（０．３ｎｍ）の積層構造を有している。試料１１は試料１と比較して、磁気結合体の膜厚が厚く、その強磁性結合エネルギーＪＣは弱い。図２３Ａ、Ｂに試料１、試料２、試料１１の磁化自由層の磁化曲線を示す。
また図２５ＡにそれらのＨＳ、Ｈｋ、Ｈｆｌｏｐ’（＝（ＨＳ・Ｈｋ）０．５）、Ｈｆｌｏｐをそれぞれ示す。試料１と比較して試料１１では飽和磁場が増大し、フロップ磁場が低減している。試料１は通常のスピンフロップ動作であり、Ｈｆｌｏｐ’とＨｆｌｏｐはほとんど同じである。一方試料１１は明らかにＨｆｌｏｐ’と比較してＨｆｌｏｐが小さく、本発明の効果が現れている。磁気結合体の厚さとして試料２と試料１１は０．５ｎｍ相当と共通であり、磁気結合力も同一である。試料２ではTaという一種類の元素を厚くして、磁気結合体の強磁性結合力を弱めることにより、本発明の効果を実現しているが、Ｔａという材料は、同時に上部に成長させるＲｕの結晶配向性を強める効果があるので、ＳＡＦの内部で作用する交換結合エネルギーＪＳＡＦを不所望に増大させてしまっている。試料１１は、Ｔａ膜は０．３ｎｍと固定し、必要なだけのＲｕ配向性効果を発現させ、そのような配向性向上効果の弱いＲｕを用いて、純粋に磁気結合を弱めるために０．２ｎｍだけ挿入し、磁気結合体の強磁性結合力を制御している。よって交換結合エネルギーＪＳＡＦを必要十分に低減し、そのＳＡＦに対して、反転誘導層によるフロップ磁場の低減効果を与えている。このように、反平行結合を生じさせるＲｕ非磁性層の下層に、磁気結合体を挿入した際にＲｕの結晶性に影響を与えるような場合などでは、２種類以上の非磁性元素から磁気結合体を形成することは有効である。
２． 第２の実験
さらに磁気結合体として１ｎｍ以下の極薄ＡｌＯｘが用いられた実施例を示す。以下に示す試料１２〜１６の磁化自由層について、第１の実験と同様に、下記の２種類の磁化自由層からなる積層膜が、マグネトロンスパッタと、酸素とアルゴン雰囲気を高周波によって励起させたラジカル酸化により作製され、その磁化自由層の磁化曲線が測定された。
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１０ｎｍ）
磁化自由層は以下の構成である。(ただし、磁化結合体Ｘ１、Ｘ２は、何れも、ＡｌＯｘで構成されている)
自由層１：Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｘ１／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／ＣｏＦｅ(０．３ｎｍ)/Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＣｏＦｅ(０．３ｎｍ)/Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｘ２／Ｎｉ８１Ｆｅ１９
自由層１のＳＡＦ中のＮｉ８１Ｆｅ１９／ＣｏＦｅ膜の結晶磁気異方性を調べるために以下の構成の自由層が作製され、評価された。
自由層２：Ｎｉ８１Ｆｅ１９／Ｘ１／Ｎｉ８１Ｆｅ１９／ＣｏＦｅ(０．３ｎｍ)/Ｒｕ（２．１ｎｍ）
作製した磁化自由層の具体的構成は以下のとおりである。
試料１２(比較例)：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）
試料１３（比較例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（６ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（６ｎｍ）
試料１４（本発明）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ａｌ(０．５ｎｍ)Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／Ａｌ(０．５ｎｍ)Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）
試料１５（本発明）
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ａｌ(０．６ｎｍ)Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／Ａｌ(０．６ｎｍ)Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）
試料１２はＮｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）で構成される通常のＳＡＦ磁化自由層である。一方試料１４、１５は、試料１２で示されたＳＡＦに対して、Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）を反転誘導層とし、反転誘導層をそれぞれＡｌ(０．５ｎｍ)Ｏｘ、Ａｌ（０．６ｎｍ）Ｏｘの磁気結合体によって強磁性結合させた磁化自由層である。試料１３は磁気結合体ＡｌＯｘがない場合に相当し、反転誘導層Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）とＳＡＦ中の磁性層Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／ＣｏＦｅ（０．３ｎｍ）が直接に交換相互作用によって強固に結合している場合である。図２４Ａ，２４Ｂに磁化曲線を示す。図２５Ａに磁化曲線から得られた反転特性を示す。試料１４、１５は、試料１２,１３にくらべてフロップ磁場Ｈｆｌｏｐが小さい。一方飽和磁場ＨＳは若干小さい。図２５Ａに示すように、試料１４、１５は飽和磁場ＨＳと結晶磁気異方性磁場Ｈｋから予測されるＨｆｌｏｐ’に比べて、実測されたＨｆｌｏｐは明らかに小さい。比較して試料１２、１３はＨｆｌｏｐ’とＨｆｌｏｐはほぼ等しい。
さらに、試料１２、１４、１５について、下に示すようなＭＴＪ積層膜を作製し、フォトリソグラフィー及びイオンミリングを用いて、０．３２×０．９μｍ２のＭＴＪ素子を複数作製し、トグル動作を調べた：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ／Ｔａ（１００ｎｍ）
図２５Ｂに０．３２×０．９μｍ２のＭＴＪ素子の、トグル動作率とフロップ磁場、飽和磁場を示す。反転誘導層がない試料１２と比較して、Ａｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘによって結合させた試料１４のＭＴＪはトグル動作率が１００％でありながら、フロップ磁場が５０．５（Ｏｅ）と小さくなっている。同時に飽和磁場ＨＳも１７７（Ｏｅ）と大きい。その結果動作マージンは３．５と大きく向上している。これは書き込み磁界を下げながら動作マージンが広がったことを意味し、トグル動作を行うＭＲＡＭでは非常に好ましい特性である。しかしそれ以上の厚さである試料１５は動作率が７３％まで下がり、フロップ磁場が８２．５（Ｏｅ）まで増大し、磁気特性が悪化してしまった。ＡｌＯｘを磁気結合体として用いた場合においても、ＡｌＯｘの厚さを最適値に設定することで、動作特性が大幅に向上することが示された。
３． 第３の実験
ＲＫＫＹ相互作用を奏する磁気結合体が使用された磁化自由層が評価された。より具体的には、以下では、Ｒｕが磁気結合体として用いられた磁化自由層の実験結果を示す。以下に示す試料１６〜２１の磁化自由層の積層膜が、マグネトロンスパッタとラジカル酸化により作製され、その磁化曲線が測定された：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）／磁化自由層／Ｒｕ（３ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）
試料１６〜２１の磁化自由層の構成は、それぞれ、下記の通りである：
試料１６（比較例）
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）
試料１７（比較例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（６ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（６ｎｍ）
試料１８（本発明）
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／Ｒｕ（１．４ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（３．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．４ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）
試料１９（本発明）
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／Ｒｕ（２．７ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／ Ｒｕ（３．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（２．７ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）
試料２０（本発明）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／Ｒｕ（４．２ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／ Ｒｕ（３．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（４．２ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）
試料２１（比較例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）／Ｒｕ（５．６ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／ Ｒｕ（３．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（５．６ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）
試料１６は、磁化自由層がＳＡＦのみで構成され、磁気結合体がない場合の比較例である。試料１７は、試料１６と対比してＳＡＦの各ＮｉＦｅ層の膜厚が厚い試料であり、試料１６の各ＮｉＦｅ層に対して４ｎｍのＮｉＦｅを強固に磁気的に結合させた構成に相当する。試料１８乃至試料２１の磁化自由層は、Ｎｉ８１Ｆｅ１９（４ｎｍ）を反転誘導層、Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／ Ｒｕ（３．５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）をＳＡＦとし、Ｒｕ膜の膜厚によって制御したＲＫＫＹ相互作用によって、両者を強磁性に結合させた磁化自由層である。試料１８、試料１９、試料２０、試料２１はそれぞれ、Ｒｕ非磁性層が強磁性結合を発現する２ｎｄピーク(１．４ｎｍ)、３ｒｄピーク(２．７ｎｍ)、４ｔｈピーク(４．２)、５ｔｈピーク(５．６ｎｍ)を用いている（図１３参照）。また試料１６〜２１のＳＡＦに含まれるＮｉＦｅ磁性層の磁化膜厚積の大きさは同じである。
図２６Ａにこれらの試料の磁化曲線を比較した。図２６Ｂにこれらの試料のフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ、飽和磁場ＨＳ、トグル動作マージンＨＳ/Ｈｆｌｏｐを比較した。図２６Ａ、２６Ｂにおいて、比較例の試料１６は、飽和磁場は８７（Ｏｅ）と最も大きいが、フロップ磁場も２１．５（Ｏｅ）と最も大きい。試料１７は試料１６に対して厚さ４ｎｍのＮｉＦｅを強固に結合させた構成であり、磁化膜厚積が大きいため、フロップ磁場は９．７（Ｏｅ）と小さいが、飽和磁場も１８（Ｏｅ）と最も小さくなり、動作マージンも最も小さい。
一方、本発明の試料１８、試料１９、試料２０は、試料１６に対して４ｎｍ分のＮｉＦｅ膜を好適な大きさで強磁性結合させた構成である。反転誘導層がＳＡＦに適切な強さで結合された本発明の試料は、結合の強さが過剰に強い試料１７と比較すると、フロップ磁場が殆ど同じか小さく、且つ、飽和磁場は大きいため、動作マージンは大きい。フロップ磁場の低減と動作マージンの増大を実現する本発明の効果が現れている。Ｒｕの厚さが厚いほど、言い換えると強磁性結合力が弱くなるほど、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐが低減し、飽和磁場ＨＳが増大しているが、しかし、Ｒｕ膜厚が４．２ｎｍ以上の試料では、磁化曲線中に２段のステップが現れ始め、とくに試料２１のように５ｔｈピークを使用した弱い強磁性結合では明瞭に２段の磁化反転が観察されている。これは強磁性結合力が弱くなりすぎると反転誘導層とＳＡＦの磁化反転が分離する為である。このような、磁気結合体の強磁性結合が弱すぎる素子は、上述の第１の実験に関連して図１９Ａ，Ｂ中で見られた試料４、５の磁化反転挙動と一致しており、試料４、５をＭＴＪ自由層に用いたデバイスはトグル動作を全く示さなかったことを考慮すると問題である。
以上の実験から、磁気結合体としてＲＫＫＹ相互作用を発現するＲｕ膜を用いた場合、Ｒｕ厚やＮｉＦｅ／Ｒｕの界面構成などによって、その強磁性結合力を必要十分な大きさに制御しなければならないことが示された。
４．第４の実験
さらに熱安定性の高い材料や構成を用いた実施例を示す。第１、及び第２の実験と同様に、下記の磁化自由層からなる積層膜が、マグネトロンスパッタと、酸素とアルゴン雰囲気を高周波によって励起させたラジカル酸化により作製され、その磁化自由層の磁化曲線が測定された。試料の構成は下記のとおりである：
基板／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ／磁化自由層／Ａｌ（０．７ｎｍ）Ｏｘ
／Ｔａ（１０ｎｍ）
磁化自由層は以下の構成である。
試料２２（比較例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）／Ａｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（３．５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（３．５ｎｍ）／Ａｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）
試料２３（実施例）：
Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）／Ａｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（１．５nｍ）／Ｔａ（０．３５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２ｎｍ）／Ｔａ（０．３５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（１．５ｎｍ）／Ａｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）
比較例の試料２２は磁気結合体にＡｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘを用い、ＮｉＦｅを強磁性層に用いたものである。一方試料２３は、試料２２においてＮｉ８１Ｆｅ１９（３．５ｎｍ）の中にＴａ（０．３５ｎｍ）を挿入したものである。Ｔａ（０．３５ｎｍ）はＳＡＦ反平行結合制御膜として機能する役割を有する。
図２７にこれらの試料の磁化曲線を比較した。試料２２は全く反平行結合が生じていない。これはＡｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘの挿入によってその上のＮｉ８１Ｆｅ１９（３．５ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（３．５ｎｍ）で形成されたＳＡＦの結晶配向性を著しく悪化させたためと考えられる。一方試料２３はＨｆｌｏｐが１１（Ｏｅ）と非常に小さく、ＨＳが１１５（Ｏｅ）、トグル動作マージンはＨＳ/Ｈｆｌｏｐ＝１０．４と大きく良好である特性が得られた。反転誘導層であるＮｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）に対して、磁気結合体であるＡｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘが好適な大きさの強磁性結合力を発現し、さらにＳＡＦ反平行結合制御膜のＴａ（０．３５ｎｍ）が、Ａｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘによって劣化させられたＳＡＦ層の結晶配向性を改善させて反平行結合力を増加させたためである。
耐熱性を比較する目的で、試料３〔磁気結合体Ｔａ（０．６ｎｍ）〕、試料２３〔磁気結合体Ａｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘ〕に３５０℃で０．５時間の熱処理を行った後、それらの試料の磁化曲線を測定した。
試料３は２７５℃、５時間の熱処理でＨｆｌｏｐが１１（Ｏｅ）であったものが、３５０℃、０．５時間の熱処理で１８（Ｏｅ）まで増大したのに対して、試料２３は２７５℃、５時間の熱処理でＨｆｌｏｐが１１（Ｏｅ）であったものが、３５０℃、０．５時間の熱処理でも１４（Ｏｅ）と変化は少なかった。
試料３の結果によって、磁気結合体に関してＴａのような金属材料を使用すると、磁気結合体に関する熱拡散により実効的な膜厚が薄くなり、熱処理によってＪＣ’が大きく増大してしまう。そのため反転誘導効果が弱まりＨｆｌｏｐが増大する。一方、試料２３の結果によって、磁気結合体に関して熱安定性が高い非金属（生成エネルギーが低い酸化物、窒化物、炭化物）からなる材料を使用すると、磁気結合体に関する熱拡散が起こりづらくＪＣ’がより安定であり、磁気特性の熱安定性が向上することが実証された。
さらに、Ｔａ（０．３５ｎｍ）層のトンネルバリアへの熱拡散を調べるために以下の試料を作製した。
試料２４ （比較例）：
基板／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０nｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）／Ｔａ（０．３５ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（３．５nｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）Ｏｘ
試料２５（実施例）：
基板／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）／Ｒｕ（２．１ｎｍ）/Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）/Ｔａ（０．３５ｎｍ）/Ｎｉ８１Ｆｅ１９（１．５nｍ）／Ａｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘ／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（２．０ｎｍ）/Ａｌ（1ｎｍ）Ｏｘ
試料２５は、試料２３のトンネルバリア、第１強磁性層、第１磁気結合体、第２強磁性層、反平行結合非磁性層、第３強磁性層のみを取り出し、積層順を逆にして形成したものである。試料２２は試料２３において第１の磁気結合体であるＡｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘのみを無くした試料に相当する。試料２２及び試料２３を３８０℃、１時間の条件で熱処理し、試料表面をＸＰＳ（X-ray photoelectron spectroscopy）により元素分析を行った。
ＸＰＳ測定の結果、試料２４の最表面にはＴａ原子がはっきりと検出された。一方試料２５の最表面にはＴａ原子は殆ど検出されなかった。この結果より試料２５では磁気結合体のＡｌ（０．５ｎｍ）ＯｘがＴａ（０．３５ｎｍ）のトンネルバリアへの拡散を防止していることが明らかとなった。このことにより、試料２３の磁化自由層の構成をＭＴＪに用いたとき、磁気結合体のＡｌ（０．５ｎｍ）Ｏｘが同時に拡散防止層として機能し、トンネルバリアへのＴａの拡散を完全に防止して、磁気抵抗比の熱劣化を抑制することが可能であることが示された。
図１Ａは、ＭＲＡＭの典型的な構成を示す断面図である。 図１Ｂは、ＳＡＦで構成された磁化自由層の典型的な構成を示す断面図である。 図２は、アステロイド特性を用いてメモリセルの選択書き込みを行う方式（アステロイド方式）を採用するＭＲＡＭの典型的な構成を示す平面図である。 図３は、強磁性層のアステロイド特性を説明するグラフである。 図４は、残留磁化を有するＳＡＦの磁化曲線を示すグラフである。 図５は、残留磁化が殆ど存在しないＳＡＦの磁化曲線を示すグラフである。 図６は、トグル書き込みを採用するＭＲＡＭの典型的な構成を示す平面図である。 図７は、トグル書き込みを採用するＭＲＡＭの動作領域を説明するグラフである。 図８は、トグル書き込みの典型的な手順を説明するグラフである。 図９Ａは、ＳＡＦとソフト磁化層（反転誘導層）が強磁性結合された磁化自由層の磁化曲線を説明するグラフである。 図９Ｂは、ＳＡＦの磁化曲線を説明するグラフである。 図９Ｃは、ソフト磁化層の磁化曲線を説明するグラフである。 図１０Ａは、ＳＡＦとソフト磁化層（反転誘導層）が強磁性結合された磁化自由層における磁化の挙動を示す図である。 図１０Ｂは、ＳＡＦの磁化の挙動を示す図である。 図１０Ｃは、ソフト磁化層の磁化の挙動を示す図である。 図１１Ａは、ＳＡＦと反転誘導層の強磁性結合の強さが不適切に小さい場合における、磁化自由層の挙動を示す図である。 図１１Ｂは、本発明の動作は可能であるが、ＳＡＦと反転誘導層の強磁性結合の強さが弱い場合の磁化自由層における磁化の挙動を示す図である。 図１２は、１層のみの反転誘導層とＳＡＦが強磁性結合された磁化自由層における磁化の挙動を示す図である。 図１３は、ＲＫＫＹ相互作用の強さの非磁性層の膜厚に対する依存性を示すグラフである。 図１４Ａは、（Ｎｉ８１Ｆｅ１９）１−ｘＴａｘ膜の磁化Ｍの、Ｔａ含有量に対する依存性を示すグラフである。 図１４Ｂは、（Ｎｉ８１Ｆｅ１９）１−ｘＺｒｘ膜の磁化Ｍの、Ｚｒ含有量に対する依存性を示すグラフである。 図１５Ａは、第１の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す断面図である。 図１５Ｂは、第１の実施形態に係るＭＲＡＭの、磁化自由層の構成を示す詳細断面図である。 図１６Ａは、第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す断面図である。 図１６Ｂは、第２の実施形態に係るＭＲＡＭの他の構成を示す断面図である。 図１７Ａは、第１の実施形態に係るＭＲＡＭの他の構成を示す断面図である。 図１７Ｂは、第１の実施形態に係るＭＲＡＭの他の構成を示す断面図である。 図１８Ａは、第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す断面図である。 図１８Ｂは、第２の実施形態に係るＭＲＡＭの他の構成を示す断面図である。 図１８Ｃは、第４の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す断面図である。 図１９Ａは、比較例に係る試料１と、本発明に係る試料２、３の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフである。 図１９Ｂは、比較例に係る試料１と、本発明に係る試料２、３の磁化自由層の磁化曲線のグラフの原点付近の拡大図である。 図２０Ａは、比較例に係る試料４、５の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフである。 図２０Ｂは、比較例に係る試料４、５の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフの原点付近の拡大図である。 図２１Ａは、本発明に係る試料２、６の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフである。 図２１Ｂは、本発明に係る試料２、６の磁化自由層の磁化曲線のグラフの原点付近の拡大図である。 図２２Ａは、本発明に係る試料２、７、１０と、比較例に係る試料８、９の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフである。 図２２Ｂは、本発明に係る試料２、７、１０と、比較例に係る試料８、９の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフの原点付近の拡大図である。 図２２Ｃは、実験１−３）で試料２、試料３、試料４、試料５の磁気結合体の強磁性結合力を見積もるために作製した交換結合膜の磁化曲線を示すグラフである。 図２３Ａは、比較例に係る試料１と、本発明に係る試料２、１１の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフである。 図２３Ｂは、比較例に係る試料１と、本発明に係る試料２、１１の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフの原点付近の拡大図である。 図２４Ａは、比較例に係る試料１２、１３と、本発明に係る試料１４、１５の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフである。 図２４Ｂは、比較例に係る試料１２、１３と、本発明に係る試料１４、１５の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフの原点付近の拡大図である。 図２５Ａは、試料１乃至試料１５の結晶磁気異方性磁場Ｈｋ、飽和磁場ＨＳ、これらから推定されるフロップ磁場Ｈｆｌｏｐ’、及び実測のフロップ磁場Ｈｆｌｏｐを示す表である。 図２５Ｂは、試料１乃至５、７、８、１２、１４、１５のＭＴＪにトグル動作によって書き込みを行ったときの書き込み特性を示す表である。 図２６Ａは、比較例に係る試料１６、１７、２１及び本発明に係る試料１８、１９、２０の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフである。 図２６Ｂは、試料１乃至試料１５の飽和磁場ＨＳ、フロップ磁場Ｈｆｌｏｐ、及び動作マージンの大きさを示す表である。 図２７は、試料２４、２５の磁化自由層の磁化曲線を示すグラフである。
符号の説明
１：基板
２：下部電極層
３：反強磁性層
４：磁化固定層
５：非磁性層
６：磁化自由層
７：コンタクト電極層
８：上部電極層
９：保護層
１１：第１強磁性層
１２：第２強磁性層
１３：第３強磁性層
１４：第４強磁性層
２０、２１、２２、２３、２４：磁気結合体
３１、３２、３３：非磁性層
４１、４３：強磁性層
４２：非磁性層
５１、５２、５３、５４：非磁性膜
５６：第１強磁性膜
５７：反平行結合制御膜
５８：第２強磁性膜
６０、６１、６２、６３、６４：強磁性層
７０：積層強磁性構造体
７１：第１の反転誘導層
７２：第１強磁性層
７３：第２強磁性層
７４：第２の反転誘導層
７５：反平行結合非磁性層
８１：第１の磁気結合体
８２：第２の磁気結合体
１０１、２０１：ＭＴＪ
１０２、２０２：ワード線
１０３、２０３：ビット線
１０４：強磁性層
１０５：非磁性層
１０６：強磁性層
１０７、２０６：下部電極パタン
１０８、２０７：下部接続ビア

Claims (30)

  1. 磁気抵抗素子を含む記憶素子を備え、前記記憶素子にトグル書き込みを行う磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気抵抗素子が、
    反転可能な磁化自由層と、
    磁化が固着された磁化固定層
    とを具備し、
    前記磁化自由層は、
    複数の強磁性層を含み、且つ、前記複数の強磁性層の隣接する２つの強磁性層が非磁性層を介して反平行結合されるように構成された第１の反平行結合積層フェリ構造体と、
    強磁性を示す第１の反転誘導層
    とを備え、
    前記第１の反転誘導層は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体と強磁性結合され、且つ、反転磁場が前記第１の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも小さくなるように構成され、
    前記磁化自由層は、更に
    複数の強磁性層を含み、且つ、前記複数の強磁性層の隣接する２つの強磁性層が非磁性層を介して反平行結合されるように構成された第２の反平行結合積層フェリ構造体と、
    反転磁場が前記第１の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも小さい第２の反転誘導層
    とを備え、
    前記第１の反転誘導層は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体及び前記第２の反平行結合積層フェリ構造体に強磁性結合され、
    前記第２の反転誘導層は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体及び前記第２の反平行結合積層フェリ構造体のいずれかに強磁性結合された
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  2. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記第１の反転誘導層と前記反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が完全に外れて反平行配置になる磁場は、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも大きい
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  3. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記反転誘導層と前記反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が外れ始める磁場は、積層フェリ構造体の反平行配置が平行配置になる飽和磁場よりも大きい
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  4. 請求項３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記反転誘導層と前記反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が外れ始める磁場は、積層フェリ構造体の反平行配置が平行配置になる飽和磁場の５００倍以下である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  5. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記反転誘導層と前記反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合が外れ始める磁場は、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合が外れ始める磁場よりも大きく、積層フェリ構造体の反平行配置が平行配置になる飽和磁場よりも小さい
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  6. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記反転誘導層と前記反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合力の少なくとも一つは、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合力と比較して、１／５０以上である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  7. 請求項６に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記反転誘導層と前記反平行結合積層フェリ構造体との強磁性結合力の少なくとも一つは、前記反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合力と比較して、５００倍以下である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  8. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化自由層が全体として示す残留磁化は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体を構成する前記複数の強磁性層の飽和磁化と、前記第１の反転誘導層の飽和磁化の合計の１０％以内である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  9. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化自由層が全体として示す残留磁化は、前記第１及び前記第２の反平行結合積層フェリ構造体を構成する前記複数の強磁性層のそれぞれの飽和磁化と、前記第１の反転誘導層の飽和磁化の合計の１０％以内である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  10. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化自由層が全体として示す残留磁化は、前記第１及び前記第２の反平行結合積層フェリ構造体を構成する前記複数の強磁性層のそれぞれの飽和磁化と、前記第１及び第２の反転誘導層のそれぞれの飽和磁化の合計の１０％以内である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  11. 請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁化自由層は、非磁性元素を含み、且つ、前記第１の反転誘導層と前記第２の反平行結合積層フェリ構造体とを強磁性結合させる磁気結合体を更に備える
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  12. 請求項１１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、２種類以上の非磁性元素の合金、又は、化合物から構成される
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  13. 請求項１１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、互いに異なる非磁性元素で形成された複数の膜の積層体から構成される
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  14. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体の膜厚は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体に含まれる前記非磁性層の膜厚よりも薄い
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  15. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、タンタル、ルテニウム、マンガン、バリウム、カルシウム、リチウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、白金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウムからなる群のうちから選択される一の材料を含む
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  16. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、タンタル、ルテニウム、マンガン、バリウム、カルシウム、リチウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、白金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウムからなる群のうちから選択された一の物質の酸化物、又は、窒素化物、又は炭素化物を含む
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  17. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体の平均膜厚は０．４〜１．５ｎｍである
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  18. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、それに接する強磁性層を構成する磁性原子と比較して酸化物生成エネルギーが低い元素の酸化物を含む
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  19. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、それに接する強磁性層を構成する磁性原子と比較して窒化物生成エネルギーが低い元素の窒化物、または、それに接する強磁性層を構成する磁性原子と比較して炭化物生成エネルギーが低い元素の炭化物を含む
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  20. 請求項１８又は請求項１９に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、ゲルマニウム、リチウム、ベリリウム、バリウム、カルシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、クロム、モリブデン、セリウム、イットリウム、ランタンから選択される一の材料を含む
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  21. 請求項１８又は請求項１９に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気ランダムアクセスメモリは、磁気抵抗効果を発現する非磁性層を有し、
    前記第１の反転誘導層は、前記磁気抵抗効果を発現する非磁性層に直接接して形成され、さらに別の界面において前記磁気結合体と直接接して形成され、さらに前記磁気結合体は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体中の、第１の強磁性層と直接接して形成され、
    前記第１の強磁性層は、非磁性原子を含む層を少なくとも一つは有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  22. 請求項２１に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    非磁性原子を含む層は、前記第１の反平行結合積層フェリ構造体の反平行結合力を制御する機能を有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  23. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、前記反転誘導層と前記反平行結合積層フェリ構造体とを直接に接触させるピンホールを有する
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  24. 請求項２３に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体の平均膜厚は０．４〜１．０ｎｍである
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  25. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、ルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅、イットリウムから選ばれた材料を主成分とし、且つ、前記磁気結合体の膜厚は、前記第１の反転誘導層と前記第１の反平行結合積層フェリ構造体が強磁性結合を発現するように選ばれた
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  26. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、ルテニウムを主成分として構成され、且つ、前記磁気結合体の平均膜厚は、１．１ｎｍ以上、１．７ｎｍ以下、または、２．３ｎｍ以上２．９ｎｍ以下である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  27. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、鉄、コバルト、ニッケルから選択された強磁性元素と、タンタル、ルテニウム、マンガン、バリウム、リチウム、カルシウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、白金、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム、及びレニウムからなる群のうちから選択された非磁性元素の合金から構成される
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  28. 請求項２７に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体を構成する前記合金の組成は、前記磁気結合体が強磁性を示すように選ばれている
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  29. 請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    前記磁気結合体は、鉄、コバルト、ニッケルから選択された強磁性元素の酸化物、又は、窒素化物、又は炭素化物から構成される
    磁気ランダムアクセスメモリ。
  30. 請求項１乃至請求項２９のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
    更に、
    ワード線と、
    前記ワード線に直交するビット線
    とを具備し、
    前記記憶素子は、前記ワード線と前記ビット線との交差位置に設けられ、
    前記磁気抵抗素子の前記磁化自由層の容易軸は、前記ワード線又は前記ビット線の延伸方向に対して４５度方向である
    磁気ランダムアクセスメモリ。
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