JP2010232447A - Magnetoresistive effect element and magnetic memory - Google Patents

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川 英 二 北
Junichi Osegi
淳 一 小瀬木
Masatoshi Yoshikawa
川 将 寿 吉
Tatsuya Kishi
達 也 岸
Hiroaki Yoda
田 博 明 與
Tadashi Kai
斐 正 甲
Sumio Ikegawa
川 純 夫 池
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the film thickness of a magnetic layer used for canceling a leakage magnetic field applied to a storage layer. <P>SOLUTION: A magnetoresistive effect element includes a storage layer 2 having magnetic anisotropy in a direction roughly perpendicular to a film surface and having a magnetization direction that is variable by the action of spin-polarized electrons, a first non-magnetic layer 4 provided on the storage layer, a reference layer 6 provided on the first non-magnetic layer and having magnetic anisotropy in a direction roughly perpendicular to the film surface, an anti-ferromagnetic layer 8 provided on the reference layer, and a ferromagnetic layer 10 provided on the anti-ferromagnetic layer and having magnetic anisotropy in a direction roughly perpendicular to the film surface and magnetization that is anti-parallel to the magnetization direction of the reference layer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリに関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element capable of recording information by supplying current bidirectionally, and a magnetic memory using the same.

スピン角運動量移動（ＳＭＴ（Spin Momentum Transfer））を利用した書き込み方式を用いたＭＴＪ（Magneto Tunnel Junction）素子をメモリセルの記憶素子として備えた磁気メモリ（ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory））は、ＭＴＪ素子を微細化しても、磁化反転に必要な電流密度の大きさはほとんど増加しないため、大容量、低消費電力、不揮発性、高速動作を備えた不揮発性メモリとして期待されている。   A magnetic memory (MRAM (Magnetic Random Access Memory)) including a MTJ (Magneto Tunnel Junction) element using a writing method using spin angular momentum transfer (SMT) as a memory element of a memory cell is an MTJ. Even if the element is miniaturized, the magnitude of the current density required for magnetization reversal hardly increases, so that it is expected as a nonvolatile memory having a large capacity, low power consumption, non-volatility, and high-speed operation.

情報の不揮発性を保持するためには、熱擾乱エネルギーより大きな磁気異方性エネルギーをＭＴＪ素子の記憶層に与えなければならない。磁気異方性エネルギーを確保する方法としては、磁化膜の膜面（例えば、上面）に対して略垂直方向に磁化容易軸を有するいわゆる垂直磁化膜を利用することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。垂直磁化膜は膜面に対して略平行方向に磁化容易軸を有するいわゆる面内磁化膜に比べ、垂直磁化膜の磁化を反転させるために必要な書き込み電流の大きさが小さくなるため、大容量メモリ開発の重要な技術として期待されている（例えば、特許文献１参照）。   In order to maintain the non-volatility of information, a magnetic anisotropy energy larger than the thermal disturbance energy must be given to the storage layer of the MTJ element. As a method for securing the magnetic anisotropy energy, use of a so-called perpendicular magnetization film having an easy axis in a direction substantially perpendicular to the film surface (for example, the upper surface) of the magnetization film has been studied (for example, Patent Document 1). Compared with a so-called in-plane magnetization film having a magnetization easy axis in a direction substantially parallel to the film surface, the perpendicular magnetization film has a large capacity because the write current required to reverse the magnetization of the perpendicular magnetization film is small. It is expected as an important technology for memory development (see, for example, Patent Document 1).

特開２００７−１４２３６４号公報JP 2007-142364 A

ＭＴＪ素子は、記憶層と、参照層と、記憶層と参照層との間に設けられたトンネルバリア層とを有している。記憶層および参照層は磁性層からなっており、外部に対して磁場を発生している。一般に、記憶層および参照層が垂直磁化型であるＭＴＪ素子において参照層から発生する漏れ磁場は、面内磁化型のＭＴＪ素子のそれに比べて大きい。また、参照層に比べて保磁力の小さい記憶層は、参照層からの漏れ磁場の影響を強く受ける。具体的には、参照層からの漏れ磁場の影響により、熱安定性を低下させる問題が発生する。   The MTJ element has a storage layer, a reference layer, and a tunnel barrier layer provided between the storage layer and the reference layer. The storage layer and the reference layer are made of a magnetic layer, and generate a magnetic field to the outside. In general, the leakage magnetic field generated from the reference layer in the MTJ element in which the storage layer and the reference layer are perpendicular magnetization type is larger than that in the in-plane magnetization type MTJ element. In addition, the memory layer having a smaller coercive force than the reference layer is strongly affected by the leakage magnetic field from the reference layer. Specifically, the problem of lowering the thermal stability occurs due to the influence of the leakage magnetic field from the reference layer.

垂直磁化型のＭＴＪ素子において、記憶層にかかる、参照層からの漏れ磁場を低減する一つの施策として、参照層からの漏れ磁場をキャンセルする磁性層を設ける方法が提案されている（特願２００８−２４８６３３号）。参照層からの漏れ磁場をキャンセルする磁性層に参照層と同程度の飽和磁化を有する材料を用いた場合、漏れ磁場をキャンセルする磁性層の膜厚は参照層の膜厚より厚く設計する必要がある。その結果、ＭＴＪ素子の膜厚が増加し製造コストが増加する問題を抱えていた。   As a measure for reducing the leakage magnetic field from the reference layer in the perpendicular magnetization type MTJ element, a method of providing a magnetic layer for canceling the leakage magnetic field from the reference layer has been proposed (Japanese Patent Application 2008). -248633). When a magnetic layer that cancels the leakage magnetic field from the reference layer is made of a material having the same saturation magnetization as the reference layer, the magnetic layer that cancels the leakage magnetic field must be designed to be thicker than the reference layer. is there. As a result, the thickness of the MTJ element is increased and the manufacturing cost is increased.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、記憶層にかかる漏れ磁場をキャンセルするために用いる磁性層の膜厚を低減することの可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and uses a magnetoresistive effect element capable of reducing the film thickness of a magnetic layer used for canceling a leakage magnetic field applied to a storage layer, and the same. An object is to provide a magnetic random access memory.

本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層と、前記記憶層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する参照層と、前記参照層上に設けられた反強磁性層と、前記反強磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに前参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有する強磁性層と、を備えていることを特徴とする。   The magnetoresistive effect element according to the first aspect of the present invention includes a storage layer having a magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface and having a magnetization direction variable by the action of spin-polarized electrons, Provided on the first nonmagnetic layer, a reference layer provided on the first nonmagnetic layer and having magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface, and provided on the reference layer An antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer provided on the antiferromagnetic layer and having a magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the previous reference layer; It is characterized by having.

また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する強磁性層と、前記強磁性層上に設けられた反強磁性層と、前記反強磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有する参照層と、前記参照層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層と、を備えていることを特徴とする。   A magnetoresistive element according to the second aspect of the present invention includes a ferromagnetic layer having a magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface, an antiferromagnetic layer provided on the ferromagnetic layer, A reference layer provided on the antiferromagnetic layer and having a magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic layer; and provided on the reference layer The direction of magnetization is variable by the action of spin-polarized electrons that are provided on the first nonmagnetic layer and on the first nonmagnetic layer and have magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface. And a storage layer.

また、本発明の第３の態様による磁気メモリは、第１乃至第２の態様のいずれかの磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に対して通電を行う第１および第２の電極と、を含むメモリセルを備えていることを特徴とする。   A magnetic memory according to a third aspect of the present invention includes a magnetoresistive effect element according to any one of the first to second aspects, and first and second electrodes for energizing the magnetoresistive effect element. And a memory cell including:

本発明によれば、記憶層にかかる漏れ磁場をキャンセルするために用いる磁性層の膜厚を低減することの可能な磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the magnetoresistive effect element which can reduce the film thickness of the magnetic layer used in order to cancel the leakage magnetic field concerning a memory layer, and a magnetic random access memory using the same can be provided.

本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element by 1st Embodiment of this invention. 第１実施形態の磁気抵抗効果素子における、記憶層のシフト磁場に関する強磁性層の膜厚依存性を示す図。The figure which shows the film thickness dependence of the ferromagnetic layer regarding the shift magnetic field of a memory layer in the magnetoresistive effect element of 1st Embodiment. 第１実施形態において、参照層と反強磁性層との間に交換結合がある場合の磁化のヒステリシスループを示す図。The figure which shows the hysteresis loop of magnetization when there exists an exchange coupling between a reference layer and an antiferromagnetic layer in 1st Embodiment. 図３に示すヒステリシスループにおいて、外部磁場がゼロＯｅとなるときの磁気抵抗効果素子の磁化の配列を示す図。The figure which shows the arrangement | sequence of magnetization of a magnetoresistive effect element when an external magnetic field becomes zero Oe in the hysteresis loop shown in FIG. 第１実施形態において、参照層と反強磁性層との間に交換結合がない場合の磁化のヒステリシスループを示す図。The figure which shows the hysteresis loop of magnetization when there is no exchange coupling between a reference layer and an antiferromagnetic layer in 1st Embodiment. 図５に示すヒステリシスループにおいて、外部磁場がゼロＯｅとなるときの磁気抵抗効果素子の磁化の配列を示す図。The figure which shows the arrangement | sequence of magnetization of a magnetoresistive effect element when an external magnetic field becomes zero Oe in the hysteresis loop shown in FIG. 第１実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。Sectional drawing which shows the magnetoresistive effect element by the modification of 1st Embodiment. 強磁性層１０の膜厚に関する磁気抵抗素子のサイズ依存性を示す図。The figure which shows the size dependence of the magnetoresistive element regarding the film thickness of the ferromagnetic layer. 強磁性層１０の膜厚に関する磁気抵抗素子の参照層６の膜厚依存性を示す図。The figure which shows the film thickness dependence of the reference layer 6 of a magnetoresistive element regarding the film thickness of the ferromagnetic layer 10. FIG. 第２実施形態による磁気メモリの回路図。The circuit diagram of the magnetic memory by a 2nd embodiment. 第２実施形態による磁気メモリのメモリセルの断面図。Sectional drawing of the memory cell of the magnetic memory by 2nd Embodiment.

本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the description, common parts are denoted by common reference symbols throughout the drawings.

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を図１に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、シングルピン構造のＭＴＪ素子１である。本実施形態のＭＴＪ素子１は、磁性層からなる記憶層２と、磁性層からなる参照層６と、磁性層からなる強磁性層１０と、記憶層２と参照層６の間に挟まれた非磁性層４と、参照層６と強磁性層１０の間に挟まれた反強磁性層８と、を有する積層構造を備えている。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１は、記憶層２、非磁性層４、参照層６、反強磁性層８、および強磁性層１０が、この順序で積層された積層構造（図１に示す順で形成された積層構造）であってもよいし、強磁性層１０、反強磁性層８、参照層６、非磁性層４、および記憶層２が、この順序で積層された積層構造（図１に示す順序とは逆の順で形成された積層構造）であってもよい。 (First embodiment)
A magnetoresistive effect element according to a first embodiment of the present invention is shown in FIG. The magnetoresistive effect element of the present embodiment is an MTJ element 1 having a single pin structure. The MTJ element 1 of this embodiment is sandwiched between a storage layer 2 made of a magnetic layer, a reference layer 6 made of a magnetic layer, a ferromagnetic layer 10 made of a magnetic layer, and the storage layer 2 and the reference layer 6. A laminated structure having a nonmagnetic layer 4 and an antiferromagnetic layer 8 sandwiched between a reference layer 6 and a ferromagnetic layer 10 is provided. That is, the MTJ element 1 of the present embodiment has a stacked structure in which the storage layer 2, the nonmagnetic layer 4, the reference layer 6, the antiferromagnetic layer 8, and the ferromagnetic layer 10 are stacked in this order (shown in FIG. 1). A laminated structure in which the ferromagnetic layer 10, the antiferromagnetic layer 8, the reference layer 6, the nonmagnetic layer 4, and the memory layer 2 are laminated in this order (a laminated structure formed in this order). It may be a laminated structure formed in the reverse order of the order shown in FIG.

そして、本実施形態のＭＴＪ素子１は、記憶層２、参照層６、および強磁性層１０の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子である。すなわち、記憶層２、参照層６、及び強磁性層１０は、膜面に略垂直方向の磁気異方性を有している。ここで、「膜面」とは、各層の上面を意味する。記憶層２は、スピン偏極した電子の作用により、磁化の向きが反転することが可能となっている。参照層６および強磁性層１０は、磁化が互いに逆方向に向いた反平行の磁化配列である。このＭＴＪ素子１は、非磁性層４が絶縁体の場合はＴＭＲ効果を有し、非磁性層４が金属の場合はＧＭＲ効果を有する。ここで、非磁性層４が絶縁体の場合はＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯ（酸化アルミニウム、例えばＡｌ２Ｏ３）等が用いられ、非磁性層４が金属の場合はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等が用いられる。反強磁性層８にはＭｎ、Ｃｒ、Ｆｅのうち１つ以上の３ｄ遷移元素を含む合金、或いは重希土類元素と遷移金属元素を含む合金が用いられる。例えば、３ｄ遷移元素を用いた合金としてはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＦｅＲｈなどの合金が用いられる。また重希土類元素と遷移金属元素とを含む合金としてはＴｂＣｏＦｅ、ＧｄＣｏなどの合金が用いられる。 The MTJ element 1 of the present embodiment is a so-called perpendicular magnetization type MTJ element in which the magnetization directions of the storage layer 2, the reference layer 6, and the ferromagnetic layer 10 are perpendicular to the film surface. That is, the memory layer 2, the reference layer 6, and the ferromagnetic layer 10 have magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface. Here, the “film surface” means the upper surface of each layer. The storage layer 2 can be reversed in magnetization direction by the action of spin-polarized electrons. The reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 have an antiparallel magnetization arrangement in which the magnetizations are directed in opposite directions. The MTJ element 1 has a TMR effect when the nonmagnetic layer 4 is an insulator, and has a GMR effect when the nonmagnetic layer 4 is a metal. Here, when the nonmagnetic layer 4 is an insulator, MgO (magnesium oxide), AlO (aluminum oxide, for example, Al 2 O 3 ) or the like is used, and when the nonmagnetic layer 4 is a metal, Cu, Au, Ag, or the like. Is used. For the antiferromagnetic layer 8, an alloy containing one or more 3d transition elements of Mn, Cr, or Fe, or an alloy containing a heavy rare earth element and a transition metal element is used. For example, alloys such as IrMn, PtMn, FeMn, and FeRh are used as alloys using 3d transition elements. An alloy such as TbCoFe or GdCo is used as an alloy containing a heavy rare earth element and a transition metal element.

次に、このＭＴＪ素子１において、記憶層２の磁化の向きを反転させる場合の方法を説明する。記憶層２の磁化の向きが参照層６の磁化の向きと反対の場合、すなわち、図１において、記憶層２の磁化の向きが上向きの場合は、電子電流（通常の電流とは逆向き）が、強磁性層１０、反強磁性層８、参照層６、非磁性層４、記憶層２の順序で流れるようにする。すると、この電子電流は参照層６によってスピン偏極される。記憶層２と同じ向きにスピン偏極された電子は記憶層２を通過するが、記憶層２の磁化と逆の向きにスピン偏極された電子は記憶層２の磁化にスピントルクを作用し、記憶層２の磁化の向きを反転する。   Next, a method for reversing the magnetization direction of the storage layer 2 in the MTJ element 1 will be described. When the magnetization direction of the storage layer 2 is opposite to the magnetization direction of the reference layer 6, that is, when the magnetization direction of the storage layer 2 is upward in FIG. 1, the electron current (opposite to the normal current) Flow in the order of the ferromagnetic layer 10, antiferromagnetic layer 8, reference layer 6, nonmagnetic layer 4, and storage layer 2. Then, this electron current is spin-polarized by the reference layer 6. Electrons that are spin-polarized in the same direction as the storage layer 2 pass through the storage layer 2, but electrons that are spin-polarized in the opposite direction to the magnetization of the storage layer 2 exert a spin torque on the magnetization of the storage layer 2. The direction of magnetization of the storage layer 2 is reversed.

これに対して、記憶層２の磁化の向きが参照層６の磁化の向きと同じ場合、すなわち、図１において、記憶層２の磁化の向きが下向きの場合は、電子電流が、記憶層２、非磁性層４、参照層６、反強磁性層８、強磁性層１０の順序で流れるようにする。すると、この電子電流は記憶層２によってスピン偏極される。記憶層２の磁化と同じ向きにスピン偏極された電子電流は参照層６を通過するが、参照層６の磁化と逆の向きにスピン偏極された電子は参照層６によって反射され、非磁性層４を通して記憶層２に流入する。参照層６によって反射された電子は記憶層２の磁化にスピントルクを作用し、記憶層２の磁化の向き反転する。   On the other hand, when the magnetization direction of the storage layer 2 is the same as the magnetization direction of the reference layer 6, that is, when the magnetization direction of the storage layer 2 is downward in FIG. The non-magnetic layer 4, the reference layer 6, the antiferromagnetic layer 8, and the ferromagnetic layer 10 are made to flow in this order. Then, this electron current is spin-polarized by the memory layer 2. The electron current spin-polarized in the same direction as the magnetization of the storage layer 2 passes through the reference layer 6, but the electron spin-polarized in the opposite direction to the magnetization of the reference layer 6 is reflected by the reference layer 6, It flows into the storage layer 2 through the magnetic layer 4. The electrons reflected by the reference layer 6 exert a spin torque on the magnetization of the storage layer 2 and reverse the magnetization direction of the storage layer 2.

このような構成のＭＴＪ素子において、参照層６と強磁性層１０に同じ飽和磁化Ｍｓを有する材料を用いた場合、強磁性層１０の膜厚ｔを参照層６の膜厚と同じ大きさにすると、記憶層２に加わる参照層６からの漏れ磁場を完全に打ち消すことができない。   In the MTJ element having such a configuration, when a material having the same saturation magnetization Ms is used for the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10, the film thickness t of the ferromagnetic layer 10 is made the same as the film thickness of the reference layer 6. Then, the leakage magnetic field from the reference layer 6 applied to the storage layer 2 cannot be completely canceled.

そこで、本発明者達は、鋭意研究に努め、記憶層２に加わる漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すために必要なパラメータを求めた。ここで、“打ち消す”とは、記憶層にかかる漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚの面積平均が０となる場合を意味する。   Accordingly, the present inventors have intensively studied and obtained parameters necessary for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 2. Here, “cancel” means a case where the area average of the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer becomes zero.

まず、直径ＲがＲ＝５０ｎｍの円柱形状のシングルピン構造のＭＴＪ素子１の場合について、記憶層２に加わる漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための強磁性層１０の最適な膜厚を、ＬＬＧ(Landau-Lifshitz-Gilbert)方程式を用いた解析（シミュレーション）により求めた。この解析に用いたパラメータの値は、記憶層２の飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性定数Ｋｕ、膜厚ｔの大きさは、それぞれ、Ｍｓ＝１０００（ｅｍｕ／ｃｍ３）、Ｋｕ＝６×１０６（ｅｒｇ／ｃｍ３）、ｔ＝３ｎｍとし、参照層６の飽和磁化Ｍｓ１、磁気異方性定数Ｋｕ１、膜厚ｔ１の大きさは、それぞれ、Ｍｓ１＝１０００（ｅｍｕ／ｃｍ３）、Ｋｕ１＝７×１０６（ｅｒｇ／ｃｍ３）、ｔ１＝５ｎｍとする。ここで、非磁性層４の厚さを１ｎｍとし、反強磁性層８の厚さを３ｎｍとする。強磁性層１０の飽和磁化Ｍｓ２、磁気異方性定数Ｋｕ２の大きさを、それぞれ、Ｍｓ２＝１０００（ｅｍｕ／ｃｍ３）、Ｋｕ２＝２０×１０６（ｅｒｇ／ｃｍ３）とする。強磁性層１０の磁化の方向に対して反対方向に参照層６の磁化が安定するように反強磁性層８は参照層６に対して３０００Ｏｅの磁場印加に相当する交換結合を与えている。 First, in the case of the MTJ element 1 having a cylindrical single pin structure with a diameter R of R = 50 nm, the optimum film thickness of the ferromagnetic layer 10 for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the memory layer 2 is set. , By analysis (simulation) using the LLG (Landau-Lifshitz-Gilbert) equation. The values of the parameters used in this analysis are the saturation magnetization Ms, the magnetic anisotropy constant Ku of the memory layer 2, and the magnitudes of the film thickness t are Ms = 1000 (emu / cm 3 ) and Ku = 6 × 10, respectively. 6 (erg / cm 3 ), t = 3 nm, and the saturation magnetization Ms 1 , magnetic anisotropy constant Ku 1 , and film thickness t 1 of the reference layer 6 are Ms 1 = 1000 (emu / cm 3) , respectively. ), Ku 1 = 7 × 10 6 (erg / cm 3 ), and t 1 = 5 nm. Here, the thickness of the nonmagnetic layer 4 is 1 nm, and the thickness of the antiferromagnetic layer 8 is 3 nm. The saturation magnetization Ms 2 and the magnetic anisotropy constant Ku 2 of the ferromagnetic layer 10 are set to Ms 2 = 1000 (emu / cm 3 ) and Ku 2 = 20 × 10 6 (erg / cm 3 ), respectively. . The antiferromagnetic layer 8 provides exchange coupling corresponding to application of a magnetic field of 3000 Oe to the reference layer 6 so that the magnetization of the reference layer 6 is stabilized in a direction opposite to the magnetization direction of the ferromagnetic layer 10.

この場合に、記憶層２にかかる参照層６からの漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための強磁性層１０の膜厚をｔ２とする。図２はｔ２に対する記憶層２のシフト磁場の大きさをプロットしたものである。ｔ２が大きくなるにつれてシフト磁場が小さくなり、ｔ２＝１２．７ｎｍのところでシフト磁場がゼロとなる。シフト磁場がゼロの場合において記憶層２に印加される漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚ大きさがゼロとなる。つまり、漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚを打ち消すための最適膜厚としてｔ２＝１２．７ｎｍが求められる。 In this case, the thickness of the ferromagnetic layer 10 to cancel the film plane perpendicular component Hz of the leakage magnetic field from the reference layer 6 according to the storage layer 2 and t 2. FIG. 2 is a plot of the magnitude of the shift magnetic field of the storage layer 2 against t2. The shift magnetic field decreases as t 2 increases, and the shift magnetic field becomes zero at t 2 = 12.7 nm. When the shift magnetic field is zero, the magnitude of the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field applied to the storage layer 2 becomes zero. That is, t 2 = 12.7 nm is obtained as the optimum film thickness for canceling the film surface vertical component Hz of the leakage magnetic field.

強磁性層１０の最適な膜厚ｔ２が１２．７ｎｍであるとき、解析計算により求めたＭＴＪ素子１のヒステリシスループを図３に示す。なお、この解析計算においては、上述したように、反強磁性層８は参照層６に対して３０００Ｏｅの磁場を印加している、すなわち、参照層６と反強磁性層８は交換結合が３０００Ｏｅであるとして計算されている。図３において、横軸が外部磁場を表し、縦軸は記憶層２と参照層６の磁化の和を、記憶層２と参照層６の飽和磁化の和で割った値となっている。実線が最大外部磁場５０００Ｏｅで外部磁場の値を変化させたときの磁化の変化を、点線は最大磁場１００００Ｏｅで外部磁場の値を変化させたときの磁化の変化を示している。図４（ａ）、４（ｂ）、４（ｃ）はそれぞれ、図３に示すヒステリシスループにおいて、外部磁場がゼロとなる点Ａ、Ｂ、Ｃの磁化の状態を示している。 When optimum film thickness t 2 of the ferromagnetic layer 10 is 12.7 nm, showing the hysteresis loop of the MTJ element 1 obtained by analytical calculation in FIG. In this analysis calculation, as described above, the antiferromagnetic layer 8 applies a magnetic field of 3000 Oe to the reference layer 6, that is, the exchange coupling between the reference layer 6 and the antiferromagnetic layer 8 is 3000 Oe. Is calculated as In FIG. 3, the horizontal axis represents an external magnetic field, and the vertical axis represents a value obtained by dividing the sum of magnetizations of the storage layer 2 and the reference layer 6 by the sum of saturation magnetizations of the storage layer 2 and the reference layer 6. The solid line shows the change in magnetization when the value of the external magnetic field is changed at the maximum external magnetic field of 5000 Oe, and the dotted line shows the change of magnetization when the value of the external magnetic field is changed at the maximum magnetic field of 10000 Oe. 4 (a), 4 (b), and 4 (c) show the states of magnetization at points A, B, and C at which the external magnetic field becomes zero in the hysteresis loop shown in FIG.

ＭＴＪ素子１の磁化配列が図４（ａ）に示す状態Ａにあるとき、１００００Ｏｅの負（図面上で下向き）の外部磁場を印加した場合、記憶層２および参照層６の磁化の向きが反転し、ＭＴＪ素子１の磁化配列は図４（ｂ）に示す状態Ｂとなる。１００００Ｏｅの外部磁場は、記憶層２および参照層６の磁化の向きを反転させるが、強磁性層１０の磁化の向きまでは反転させない。ＭＴＪ素子１の磁化配列が図４（ｂ）に示す状態Ｂにあるとき、１００００Ｏｅの正の外部磁場を印加した場合、記憶層２および参照層６の磁化の向きが反転し、ＭＴＪ素子１の磁化配列は図４（ａ）に示す状態Ａとなる。   When the magnetization arrangement of the MTJ element 1 is in the state A shown in FIG. 4A, when a negative external magnetic field of 10000 Oe (downward in the drawing) is applied, the magnetization directions of the storage layer 2 and the reference layer 6 are reversed. The magnetization arrangement of the MTJ element 1 is in a state B shown in FIG. An external magnetic field of 10,000 Oe reverses the magnetization directions of the storage layer 2 and the reference layer 6 but does not reverse the magnetization directions of the ferromagnetic layer 10. When the magnetization arrangement of the MTJ element 1 is in the state B shown in FIG. 4B, when a positive external magnetic field of 10000 Oe is applied, the magnetization directions of the storage layer 2 and the reference layer 6 are reversed, and the MTJ element 1 The magnetization arrangement is in the state A shown in FIG.

一方、ＭＴＪ素子１の磁化配列が図４（ｂ）に示す状態Ｂにあるとき、５０００Ｏｅの正（図面上で上向き）の外部磁場を印加した場合（電子電流を記憶層２から参照層６に流した場合に相当）、記憶層２の磁化の向きが反転し、ＭＴＪ素子１の磁化配列は図４（ｃ）に示す状態Ｃとなる。５０００Ｏｅの外部磁場（これに相当する大きさの電子電流）は、記憶層２の磁化の向きを反転させるが、参照層６の磁化の向きまでは反転させない。ＭＴＪ素子１の磁化配列が図４（ｃ）に示す状態Ｃにあるとき、５０００Ｏｅの負の外部磁場を印加した場合（電子電流を参照層６から記憶層２に流した場合に相当）、記憶層２の磁化の向きが反転し、ＭＴＪ素子１の磁化配列は図４（ｂ）に示す状態Ｂとなる。   On the other hand, when the magnetization arrangement of the MTJ element 1 is in the state B shown in FIG. 4B, a positive external magnetic field of 5000 Oe (upward in the drawing) is applied (electron current is transferred from the storage layer 2 to the reference layer 6. The direction of magnetization of the storage layer 2 is reversed, and the magnetization arrangement of the MTJ element 1 is in a state C shown in FIG. An external magnetic field of 5000 Oe (an electron current of a magnitude corresponding thereto) reverses the magnetization direction of the storage layer 2 but does not reverse the magnetization direction of the reference layer 6. When the magnetization arrangement of the MTJ element 1 is in the state C shown in FIG. 4C, a negative external magnetic field of 5000 Oe is applied (corresponding to an electron current flowing from the reference layer 6 to the storage layer 2). The magnetization direction of the layer 2 is reversed, and the magnetization arrangement of the MTJ element 1 is in a state B shown in FIG.

このように、点Ｂと点Ｃの状態を制御することで記憶層２と参照層６の磁化の状態を反平行と平行の状態に切り替えることが可能なる。   As described above, by controlling the states of the points B and C, the magnetization states of the storage layer 2 and the reference layer 6 can be switched to the antiparallel and parallel states.

一方、図３に示すヒステリシスループの解析計算において、参照層６と反強磁性層８の交換結合の大きさをゼロＯｅとして求めた、ＭＴＪ素子１のヒステリシスループを図５に示す。図５において、横軸が外部磁場を表し、縦軸は記憶層２と参照層６の磁化の和を、記憶層２と参照層６の飽和磁化の和で割った値となっている。実線が最大外部磁場５０００Ｏｅで外部磁場の値を変化させたときの磁化の変化を、点線は最大磁場１００００Ｏｅで外部磁場の値を変化させたときの磁化の変化を示している。図６（ａ）、６（ｂ）はそれぞれ、図５に示すヒステリシスループおいて外部磁場がゼロＯｅとなる点Ｄ、Ｅの磁化の状態を示している。参照層６と反強磁性層８の交換結合がゼロＯｅの場合は点Ｄと点Ｅの状態しかとらず、外部磁場がゼロＯｅの状態において記憶層２と参照層６の磁化の状態を反平行にすることができない。この原因は参照層６が強磁性層１０と記憶層２の漏れ磁場の影響を受けるためで、図４（ｃ）に示す点Ｃの状態において参照層６は強磁性層１０と記憶層２によって磁化を上に向けるトルクを受けている。その上に向けるトルクに対して十分な磁気異方性を参照層６が有していれば磁化は反転しないが、磁気異方性が小さいと参照層６の磁化は反転し、図６（ａ）に示す点Ｄの状態となってしまう。   On the other hand, FIG. 5 shows a hysteresis loop of the MTJ element 1 in which the magnitude of exchange coupling between the reference layer 6 and the antiferromagnetic layer 8 is determined as zero Oe in the analysis calculation of the hysteresis loop shown in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents the external magnetic field, and the vertical axis represents the value obtained by dividing the sum of the magnetizations of the storage layer 2 and the reference layer 6 by the sum of the saturation magnetizations of the storage layer 2 and the reference layer 6. The solid line shows the change in magnetization when the value of the external magnetic field is changed at the maximum external magnetic field of 5000 Oe, and the dotted line shows the change of magnetization when the value of the external magnetic field is changed at the maximum magnetic field of 10000 Oe. 6A and 6B show the states of magnetization at points D and E at which the external magnetic field becomes zero Oe in the hysteresis loop shown in FIG. When the exchange coupling between the reference layer 6 and the antiferromagnetic layer 8 is zero Oe, only the state of the point D and the point E is taken, and the magnetization state of the storage layer 2 and the reference layer 6 is reversed when the external magnetic field is zero Oe. Cannot be parallel. This is because the reference layer 6 is affected by the leakage magnetic field between the ferromagnetic layer 10 and the storage layer 2, and the reference layer 6 is separated by the ferromagnetic layer 10 and the storage layer 2 in the state of point C shown in FIG. It receives a torque that turns the magnetization upward. If the reference layer 6 has sufficient magnetic anisotropy with respect to the upward torque, the magnetization is not reversed. However, if the magnetic anisotropy is small, the magnetization of the reference layer 6 is reversed, and FIG. ) As shown in FIG.

ゼロ磁場の状態において記憶層２と参照層６が平行状態と反平行状態をとるようにするためには、本実施形態のように反強磁性層による交換結合磁場を参照層６に与える方法、参照層６の膜厚を厚くする方法、参照層６に材料磁気異方性エネルギーが大きい材料を選択する方法がある。ただし、参照層６の膜厚を厚くする方法では、参照層６からの漏れ磁場が増大し、参照層６からの漏れ磁場をキャンセルするために必要となる強磁性層１０の膜厚が厚くなる。その結果、磁気抵抗効果素子の合計膜厚が増大し、書き込み電流ばらつきが増大する、さらにはコストが増大する問題を抱える。また、参照層６に材料磁気異方性エネルギーが大きい材料を選択する方法も参照層６の活性化体積を十分に保つためには参照層６に一定の膜厚が必要となるため、参照層６からの漏れ磁場をキャンセルするために必要な強磁性層１０は厚くなる。一方、参照層６と強磁性層１０の間に反強磁性層８を挟み、参照層６に交換結合磁場を与える場合は、参照層６の膜厚を薄くすることが可能になるため、磁気抵抗効果素子の合計膜厚が低下し、書き込み電流のばらつきが低下する。更には、磁気抵抗効果素子の薄膜化によって製造コストが低下する優位性を持つ。   In order to make the storage layer 2 and the reference layer 6 take a parallel state and an anti-parallel state in a zero magnetic field state, a method of applying an exchange coupling magnetic field by an antiferromagnetic layer to the reference layer 6 as in this embodiment, There are a method of increasing the thickness of the reference layer 6 and a method of selecting a material having a large material magnetic anisotropy energy for the reference layer 6. However, in the method of increasing the thickness of the reference layer 6, the leakage magnetic field from the reference layer 6 increases, and the thickness of the ferromagnetic layer 10 necessary for canceling the leakage magnetic field from the reference layer 6 increases. . As a result, there is a problem that the total film thickness of the magnetoresistive effect element increases, the write current variation increases, and further the cost increases. Further, the method of selecting a material having a large material magnetic anisotropy energy for the reference layer 6 also requires a certain film thickness for the reference layer 6 in order to keep the activation volume of the reference layer 6 sufficiently. The ferromagnetic layer 10 necessary for canceling the leakage magnetic field from 6 becomes thicker. On the other hand, when the antiferromagnetic layer 8 is sandwiched between the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 and an exchange coupling magnetic field is applied to the reference layer 6, the thickness of the reference layer 6 can be reduced. The total film thickness of the resistive element is reduced, and the variation in write current is reduced. Furthermore, the manufacturing cost is reduced due to the thin film of the magnetoresistive element.

参照層６と反強磁性層８の間には強い交換結合が生じていることが望ましいが、強磁性層１０と反強磁性層８の間には交換結合が生じないことが望ましい。その理由は、ケース１およびケース２において後述する。そこで、例えば、図７に示すように、反強磁性層８と強磁性層１０の間に非磁性層１１を挟み、非磁性層１１によって反強磁性層８と強磁性層１０の間に生じる交換結合を小さくしても良い。非磁性層１１には反強磁性層８と強磁性層１０に対して拡散しない材料が望ましい。例えば非磁性層１１としてＭｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｕどの高融点を有する金属を用いるのが望ましい。また、反強磁性層８と強磁性層１０の間に非磁性層１１を１ｎｍ程度もしくはそれ以上挟むことで十分に反強磁性層８と強磁性層１０の間に生じる交換結合を小さくすることが可能になる。   Although it is desirable that strong exchange coupling occurs between the reference layer 6 and the antiferromagnetic layer 8, it is desirable that no exchange coupling occurs between the ferromagnetic layer 10 and the antiferromagnetic layer 8. The reason will be described later in Case 1 and Case 2. Therefore, for example, as shown in FIG. 7, the nonmagnetic layer 11 is sandwiched between the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10, and is generated between the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10 by the nonmagnetic layer 11. The exchange coupling may be reduced. The nonmagnetic layer 11 is preferably made of a material that does not diffuse into the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10. For example, it is desirable to use a metal having a high melting point such as Mo, Nb, Ta, W, Ir, Rh, Os, Re, and Ru as the nonmagnetic layer 11. Further, the non-magnetic layer 11 is sandwiched between the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10 by about 1 nm or more to sufficiently reduce the exchange coupling generated between the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10. Is possible.

例えば図１に示す構造は、膜厚２ｎｍのＦｅＰｄ膜とその上の膜厚１ｎｍのＣｏＦｅＢ膜の積層構造を有する記憶層２を成膜し、この記憶層２のＣｏＦｅＢ膜上に、膜厚１ｎｍのＭｇＯの非磁性層４を成膜し、更にこの非磁性層４上に、膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅ膜とその上の膜厚３．５ｎｍのＦｅＰｔ膜の積層構造を有する参照層６を成膜し、次に、膜厚３ｎｍのＰｔＭｎ膜を成膜後、膜面に対して略垂直方向に磁場を印加しながら３５０℃の熱処理を施すことで、参照層６と反強磁性層８の間に交換結合を生じさせることが可能となる。更に反強磁性層８上に１０ｎｍ〜２０ｎｍのＦｅＰｔ膜の強磁性層１０を成膜することで記憶層２にかかる参照層６からの漏れ磁場の膜面垂直成分Ｈｚをゼロにした膜を作製することができる。   For example, in the structure shown in FIG. 1, a memory layer 2 having a stacked structure of a FePd film having a thickness of 2 nm and a CoFeB film having a thickness of 1 nm is formed, and the film thickness of 1 nm is formed on the CoFeB film of the memory layer 2. A nonmagnetic layer 4 of MgO is formed, and a reference layer 6 having a laminated structure of a CoFe film having a film thickness of 1.5 nm and a FePt film having a film thickness of 3.5 nm thereon is formed on the nonmagnetic layer 4. Next, after forming a PtMn film having a thickness of 3 nm, a heat treatment at 350 ° C. is performed while applying a magnetic field in a direction substantially perpendicular to the film surface, whereby the reference layer 6 and the antiferromagnetic layer 8 are formed. It is possible to cause exchange coupling between the two. Further, by forming a 10 nm to 20 nm FePt ferromagnetic layer 10 on the antiferromagnetic layer 8, a film in which the vertical component Hz of the leakage magnetic field from the reference layer 6 on the memory layer 2 is zero is produced. can do.

参照層６と強磁性層１０の磁化を反平行にするには、ＭＴＪ素子１を記憶素子として有するＭＲＡＭのチップが完成後、膜面に垂直方向でかつ、反強磁性層８と参照層６が結合した交換結合磁場とは逆方向の磁場を印加して、強磁性層１０の磁化を一方向に揃える。次に、膜面に垂直方向でかつ、反強磁性層８と参照層６が結合した交換結合磁場と同じ方向の磁場を印加して、参照層６の磁化の向きを反転させる。その際、参照層６を反転させるために印加する磁場の大きさは強磁性層１０の磁化が反転しない範囲での磁場である必要がある。更に、参照層６と強磁性層１０の磁化は反平行の状態に対して熱的に安定な状態を保つ必要があるため、下記の制約を設ける必要がある。   To make the magnetizations of the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 antiparallel, after the MRAM chip having the MTJ element 1 as a memory element is completed, the antiferromagnetic layer 8 and the reference layer 6 are perpendicular to the film surface. By applying a magnetic field in the opposite direction to the exchange coupling magnetic field coupled with, the magnetization of the ferromagnetic layer 10 is aligned in one direction. Next, a magnetic field in the direction perpendicular to the film surface and in the same direction as the exchange coupling magnetic field in which the antiferromagnetic layer 8 and the reference layer 6 are coupled is applied to reverse the magnetization direction of the reference layer 6. At this time, the magnitude of the magnetic field applied to invert the reference layer 6 needs to be a magnetic field in a range where the magnetization of the ferromagnetic layer 10 is not inverted. Furthermore, since the magnetizations of the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 need to be kept thermally stable with respect to the antiparallel state, the following restrictions must be provided.

（ケース１：参照層６と強磁性層１０が同じ材料の場合）
この場合は、以下の２つの方法がある。
（ａ）反強磁性層８と参照層６との界面、および反強磁性層８と強磁性層１０との界面の間に同じ方向の交換結合が生じ強磁性層１０の磁化反転磁場がシフトしても、強磁性層１０の磁化反転磁場が参照層８の磁化反転磁場の大きさより大きくなるよう強磁性層１０の膜厚を参照層６より厚くする。
（ｂ）図７に示した構造のように、反強磁性層８と強磁性層１０の間に非磁性層１１を挿入する。 (Case 1: Reference layer 6 and ferromagnetic layer 10 are made of the same material)
In this case, there are the following two methods.
(A) Exchange coupling in the same direction occurs between the interface between the antiferromagnetic layer 8 and the reference layer 6 and between the interface between the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10, and the magnetization reversal field of the ferromagnetic layer 10 shifts. Even so, the thickness of the ferromagnetic layer 10 is made thicker than that of the reference layer 6 so that the magnetization switching field of the ferromagnetic layer 10 is larger than the magnitude of the magnetization switching field of the reference layer 8.
(B) The nonmagnetic layer 11 is inserted between the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10 as in the structure shown in FIG.

（ケース２：参照層６と強磁性層１０が異なる材料の場合）
この場合は、以下の２つの方法がある。
（ａ）反強磁性層８と参照層６との界面、および反強磁性層８と強磁性層１０との界面に同じ方向の交換結合が生じ、参照層６と強磁性層１０を反平行にする際、反強磁性層８と強磁性層１０の交換結合によって強磁性層１０の熱擾乱耐性が小さくなる方向に変化しても、参照層６と強磁性層１０を反平行にした状態を保持でき、さらに参照層６と強磁性層１０が反平行状態である場合の熱擾乱耐性が、記録層２の熱擾乱耐性より大きくなるような垂直磁気異方性を持つような参照層６と強磁性層１０の材料の選択を行う。
（ｂ）図７に示した構造のように、反強磁性層８と強磁性層１０の間に非磁性層１１を挿入する。 (Case 2: Reference layer 6 and ferromagnetic layer 10 are different materials)
In this case, there are the following two methods.
(A) Exchange coupling in the same direction occurs at the interface between the antiferromagnetic layer 8 and the reference layer 6 and the interface between the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10, so that the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 are antiparallel. In this case, even if the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10 change in a direction in which the thermal disturbance resistance of the ferromagnetic layer 10 is reduced due to exchange coupling, the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 are in antiparallel state. In addition, the reference layer 6 has a perpendicular magnetic anisotropy such that the thermal disturbance resistance when the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10 are antiparallel is greater than the thermal disturbance resistance of the recording layer 2. The material of the ferromagnetic layer 10 is selected.
(B) The nonmagnetic layer 11 is inserted between the antiferromagnetic layer 8 and the ferromagnetic layer 10 as in the structure shown in FIG.

また、強磁性層１０の膜厚ｔ２は、（１）磁気抵抗効果素子のサイズ、（２）参照層６と強磁性層１０の間の距離、（３）強磁性層１０の飽和磁化Ｍｓ２、（４）参照層６の飽和磁化Ｍｓ１および（５）参照層６の膜厚ｔ１によって決定される。厳密には強磁性層１０の膜厚ｔ２を決定するには上記５個のパラメータを厳密に決定した後に決められる。 The film thickness t 2 of the ferromagnetic layer 10 is (1) the size of the magnetoresistive effect element, (2) the distance between the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10, and (3) the saturation magnetization Ms of the ferromagnetic layer 10. 2 , (4) Saturation magnetization Ms 1 of the reference layer 6 and (5) film thickness t 1 of the reference layer 6. Strictly to determine the thickness t 2 of the ferromagnetic layer 10 is determined after exactly determining the five parameters.

例えば参照層６と強磁性層１０に同じ飽和磁化を有する磁性材料を用いた場合を考える。その時、素子サイズに対する参照層６から記録層２に漏れる磁場をキャンセルするために必要な強磁性層１０の膜厚ｔ２を、ＬＬＧ方程式を用いて解析すると図８に示した結果となる。黒く塗りつぶした点が参照層６と強磁性層１０に飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた場合、白く抜いた点が参照層６と強磁性層１０に飽和磁化４００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた場合を示している。記録層２には１０００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた。図８において参照層６と強磁性層１０の間には膜厚が３ｎｍの反強磁性層８を挟んでいる。また反強磁性層８と参照層６の間には１０００Ｏｅの交換結合磁場を与えている。大容量化を行うためには磁気抵抗効果素子のサイズは５０ｎｍ以下が望ましく、図８からわかるように、素子サイズが小さくなると参照層６から漏れる磁場をキャンセルするために必要とする磁性層１０の膜厚ｔ２は増大する。磁性層１０の膜厚の増加は製造コスト増を引き起こすため望ましくない。対策としては参照層６に飽和磁化の小さい材料を用いる、参照層６の膜厚ｔ１を薄くする、或いは反強磁性層８の膜厚を薄くする等の対策が必要となる。 For example, consider the case where a magnetic material having the same saturation magnetization is used for the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10. At that time, when the film thickness t2 of the ferromagnetic layer 10 necessary for canceling the magnetic field leaking from the reference layer 6 to the recording layer 2 with respect to the element size is analyzed using the LLG equation, the result shown in FIG. 8 is obtained. If points blackened was used a magnetic material saturation magnetization 1000 emu / cm 3 to the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10, white disconnect point is the reference layer 6 magnetic saturation magnetization 400 emu / cm 3 in the ferromagnetic layer 10 The case where a material is used is shown. For the recording layer 2, a magnetic material of 1000 emu / cm 3 was used. In FIG. 8, an antiferromagnetic layer 8 having a thickness of 3 nm is sandwiched between the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10. An exchange coupling magnetic field of 1000 Oe is applied between the antiferromagnetic layer 8 and the reference layer 6. In order to increase the capacity, the size of the magnetoresistive effect element is desirably 50 nm or less. As can be seen from FIG. 8, the magnetic layer 10 required to cancel the magnetic field leaking from the reference layer 6 when the element size is reduced. the film thickness t 2 is increased. An increase in the thickness of the magnetic layer 10 is undesirable because it causes an increase in manufacturing cost. As measures, it is necessary to take measures such as using a material having a small saturation magnetization for the reference layer 6, reducing the thickness t 1 of the reference layer 6, or reducing the thickness of the antiferromagnetic layer 8.

図９は参照層６の膜厚に対する参照層６から記録層２に漏れる磁場をキャンセルするために必要な強磁性層１０の膜厚ｔ２を、ＬＬＧ方程式を用いて解析した結果を示す図である。黒く塗りつぶした点が参照層６と強磁性層１０に飽和磁化１０００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた場合、白く抜いた点が参照層６と強磁性層１０に飽和磁化４００ｅｍｕ／ｃｍ３の磁性材料を用いた場合を示している。記録層２および反強磁性層８には図８に示す場合と同じ条件を用いている。またＭＴＪ素子のサイズは直径５０ｎｍの円を用いた。図８に示す場合と同様に、参照層６の飽和磁化Ｍｓ１が小さいほうが強磁性層１０の膜厚ｔ２を薄くすることが可能となる。また、参照層６の膜厚ｔ１が薄いほうが強磁性層１０の膜厚ｔ２を薄くすることが可能である。例えば、参照層６と強磁性層１０との比較において、参照層６の飽和磁化Ｍｓ１を強磁性層１０の飽和磁化Ｍｓ２よりも小さくすること、おおよび参照層６の膜厚ｔ１を強磁性層１０の膜厚ｔ２よりも薄くすることの少なくとも一方の関係を満たすようにすれば、参照層６から記録層２に漏れる磁場を抑制することができる。ただし、参照層６の薄膜化は参照層に十分な熱擾乱耐性を持たせるため限界がある。 Figure 9 is a film thickness t 2 of the ferromagnetic layer 10 necessary to cancel the magnetic field leaking to the recording layer 2 from the reference layer 6 with respect to the film thickness of the reference layer 6, a diagram showing the results of analysis using LLG equation is there. If points blackened was used a magnetic material saturation magnetization 1000 emu / cm 3 to the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10, white disconnect point is the reference layer 6 magnetic saturation magnetization 400 emu / cm 3 in the ferromagnetic layer 10 The case where a material is used is shown. The recording layer 2 and the antiferromagnetic layer 8 use the same conditions as shown in FIG. The size of the MTJ element was a circle with a diameter of 50 nm. As in the case shown in FIG. 8, the smaller the saturation magnetization Ms 1 of the reference layer 6, the thinner the film thickness t 2 of the ferromagnetic layer 10 can be made. Further, the thickness t 2 of the ferromagnetic layer 10 can be reduced as the thickness t 1 of the reference layer 6 is reduced. For example, in the comparison between the reference layer 6 and the ferromagnetic layer 10, the saturation magnetization Ms 1 of the reference layer 6 is made smaller than the saturation magnetization Ms 2 of the ferromagnetic layer 10, and the thickness t 1 of the reference layer 6 is set. The magnetic field leaking from the reference layer 6 to the recording layer 2 can be suppressed by satisfying at least one relationship of making the thickness smaller than the film thickness t 2 of the ferromagnetic layer 10. However, the thinning of the reference layer 6 is limited because the reference layer has sufficient thermal disturbance resistance.

以上説明したような構成にすることにより、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、記憶層にかかる漏れ磁場を可及的に低減することができる。   With the configuration described above, the magnetoresistive effect element according to the present embodiment can reduce the leakage magnetic field applied to the storage layer as much as possible.

次に、第１実施形態における、記憶層２、参照層６および強磁性層１０に用いられる垂直磁気異方性を有する磁性材料について説明する。本実施形態のＭＴＪ素子に用いられる垂直磁化材料としては、以下の材料が用いられる。   Next, the magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy used for the storage layer 2, the reference layer 6, and the ferromagnetic layer 10 in the first embodiment will be described. The following materials are used as the perpendicular magnetization material used for the MTJ element of the present embodiment.

（１）規則合金
膜面内方向に対して（００１）面に配向したｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を基本構造とするＬ１０構造の規則合金を用いることができる。 (1) rules for the alloy film plane direction oriented fct (face-centered tetragonal) structure (001) plane can be used ordered alloy of L1 0 structure as a basic structure.

記憶層２および参照層６の磁性材料には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びマンガン（Ｍｎ）のうち１つ以上の元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、およびアルミ（Ａｌ）のうち１つ以上の元素とを含む合金であって、かつ結晶構造がＬ１０構造の規則合金が挙げられる。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｆｅ5０Ｐｔ3０Ｒｈ20、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｍｎ５０Ａｌ５０等の規則合金が挙げられる。これらの規則合金の組成比は一例であり、上記組成比に限定されるものではない。なお、これらの規則合金に、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、ボロン（Ｂ）等の不純物元素単体或いはそれらの合金、又は絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を低く調整することができる。また、組成比を調整することによって、Ｌ１０構造の規則合金とＬ１２構造の規則合金との混合層を用いても良い。 Magnetic materials of the memory layer 2 and the reference layer 6 include one or more elements of iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and manganese (Mn), platinum (Pt), palladium (Pd ), rhodium (Rh), and an alloy and one or more elements of aluminum (Al), and crystal structure include ordered alloy L1 0 structure. Examples thereof include ordered alloys such as Fe 50 Pt 50 , Fe 50 Pd 50 , Co 50 Pt 50 , Fe 30 Ni 20 Pt 50 , Fe 50 Pt 30 Rh 20 , Co 30 Ni 20 Pt 50 , and Mn 50 Al 50 . The composition ratio of these ordered alloys is an example, and is not limited to the above composition ratio. These ordered alloys include copper (Cu), zinc (Zn), silver (Ag), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), manganese (Mn), chromium (Cr), vanadium ( V), titanium (Ti), osmium (Os), iridium (Ir), boron (B) and other impurity elements alone or their alloys or insulators are added to adjust the magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization low. can do. Further, by adjusting the composition ratio may be used mixed layer of an ordered alloy of the L1 0 structure ordered alloy and L1 2 structure.

（２）不規則合金
コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を含む不規則合金を用いることができる。不規則合金として、例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。 (2) Irregular alloy Cobalt (Co) as a main component, chromium (Cr), tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V), tungsten (W), hafnium (Hf), titanium (Ti), A disordered alloy containing one or more elements of zirconium (Zr), platinum (Pt), palladium (Pd), iron (Fe), and nickel (Ni) can be used. Examples of the irregular alloy include a CoCr alloy, a CoPt alloy, a CoCrTa alloy, a CoCrPt alloy, a CoCrPtTa alloy, and a CoCrNb alloy. These alloys can adjust the magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization by increasing the proportion of nonmagnetic elements.

（３）人工格子
鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１つの元素を含む合金と、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）のうちの少なくとも１つの元素を含む合金とが交互に積層された積層膜からなる人工格子が用いられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ人工格子、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。 (3) Artificial lattice An alloy containing at least one element of iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni), chromium (Cr), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir ), Rhodium (Rh), ruthenium (Ru), osmium (Os), rhenium (Re), gold (Au), and an alloy containing at least one element of copper (Cu). An artificial lattice made of a film is used. Examples thereof include a Co / Pt artificial lattice, a Co / Pd artificial lattice, a CoCr / Pt artificial lattice, a Co / Ru artificial lattice, a Co / Os artificial lattice, a Co / Au, and a Ni / Cu artificial lattice. These artificial lattices can adjust the magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization by adjusting the addition of elements to the magnetic layer and adjusting the film thickness ratio between the magnetic layer and the nonmagnetic layer.

（４）重希土類金属
重希土類金属と遷移金属との合金からなる磁性体を用いることができる。例えば、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、或いはガドリニウム（Ｇｄ）と、遷移金属のうちの少なくとも１つの元素とを含むアモルファス合金を用いることができる。或いはサマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）と、遷移金属のうちの少なくとも１つの元素を含む合金を用いることができる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ、ＳｍＣｏ、ＮｄＣｏ、ＤｙＣｏ等が挙げられる。これらの合金は、組成比を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。 (4) Heavy rare earth metal A magnetic body made of an alloy of heavy rare earth metal and transition metal can be used. For example, an amorphous alloy containing terbium (Tb), dysprosium (Dy), or gadolinium (Gd) and at least one element of a transition metal can be used. Alternatively, samarium (Sm), neodymium (Nd), dysprosium (Dy), and an alloy containing at least one element of transition metals can be used. Examples thereof include TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCo, SmCo, NdCo, DyCo and the like. These alloys can adjust magnetic anisotropy energy density and saturation magnetization by adjusting the composition ratio.

また記憶層２と参照層６は非磁性層４と接する界面において高分極率を有するＣｏＦｅＢ或いはＣｏＦｅ、Ｆｅを挟んだ積層膜を用いることで高いＭＲ比を有する磁気抵抗効果素子を形成してもよい。   Even if the memory layer 2 and the reference layer 6 are formed of a CoFeB having a high polarizability at the interface in contact with the nonmagnetic layer 4 or a laminated film sandwiching CoFe and Fe, a magnetoresistive effect element having a high MR ratio is formed. Good.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気メモリ（ＭＲＡＭ）について図１０乃至図１１を参照して説明する。 (Second Embodiment)
Next, a magnetic memory (MRAM) according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態のＭＲＡＭの回路図を図１０に示す。本実施形態のＭＲＡＭは、第１実施形態のＭＴＪ素子１をメモリセルの記憶素子として用いている。このＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ３０を備えている。メモリセルアレイ３０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ、／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ３０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。   A circuit diagram of the MRAM of this embodiment is shown in FIG. The MRAM of this embodiment uses the MTJ element 1 of the first embodiment as a memory cell storage element. The MRAM includes a memory cell array 30 having a plurality of memory cells MC arranged in a matrix. The memory cell array 30 is provided with a plurality of bit line pairs BL and / BL so as to extend in the column direction. The memory cell array 30 is provided with a plurality of word lines WL so as to extend in the row direction.

ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１、及びｎチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ３１を備えている。ＭＴＪ素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ３１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ３１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ３１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。   Memory cells MC are arranged at the intersections between the bit lines BL and the word lines WL. Each memory cell MC includes an MTJ element 1 and a selection transistor 31 including an n-channel MOS transistor. One end of the MTJ element 1 is connected to the bit line BL. The other end of the MTJ element 10 is connected to the drain terminal of the selection transistor 31. The gate terminal of the selection transistor 31 is connected to the word line WL. The source terminal of the selection transistor 31 is connected to the bit line / BL.

ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３２が接続されている。ビット線対ＢＬ、／ＢＬには、書き込み回路３４及び読み出し回路３５が接続されている。書き込み回路３４及び読み出し回路３５には、カラムデコーダ３３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３２及びカラムデコーダ３３により選択される。   A row decoder 32 is connected to the word line WL. A write circuit 34 and a read circuit 35 are connected to the bit line pair BL, / BL. A column decoder 33 is connected to the write circuit 34 and the read circuit 35. Each memory cell MC is selected by the row decoder 32 and the column decoder 33.

メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ３１がオン状態となる。ここで、ＭＴＪ素子１には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＴＪ素子１に、図１０において左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、ＭＴＪ素子１に、図１０において右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。   Data is written to the memory cell MC as follows. First, in order to select a memory cell MC for writing data, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the selection transistor 31 is turned on. Here, a bidirectional write current Iw is supplied to the MTJ element 1 in accordance with the write data. Specifically, when the write current Iw is supplied to the MTJ element 1 from left to right in FIG. 10, the write circuit 34 applies a positive voltage to the bit line BL and applies a ground voltage to the bit line / BL. To do. Further, when the write current Iw is supplied to the MTJ element 1 from right to left in FIG. 10, the write circuit 34 applies a positive voltage to the bit line / BL and applies a ground voltage to the bit line BL. In this way, data “0” or data “1” can be written in the memory cell MC.

次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、データ読み出しを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ３１がオン状態にとなる。読み出し回路３５は、ＭＴＪ素子１に、例えば図１０において右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路３５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１に記憶されたデータを読み出すことができる。   Next, data reading from the memory cell MC is performed as follows. First, in order to select a memory cell MC from which data is read, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the select transistor 31 of the selected memory cell MC is turned on. The read circuit 35 supplies the MTJ element 1 with, for example, a read current Ir that flows from right to left in FIG. Then, the read circuit 35 detects the resistance value of the MTJ element 1 based on the read current Ir. In this way, data stored in the MTJ element 1 can be read.

次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図１１は、１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。   Next, the structure of the MRAM will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the MRAM centered on one memory cell MC.

ｐ型半導体基板４０の表面領域には、素子分離絶縁層４１が設けられ、この素子分離絶縁層４１が設けられていない半導体基板４０の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層４１は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。   An element isolation insulating layer 41 is provided in the surface region of the p-type semiconductor substrate 40, and the surface region of the semiconductor substrate 40 in which the element isolation insulating layer 41 is not provided becomes an element area (active area) for forming an element. . The element isolation insulating layer 41 is configured by, for example, STI (Shallow Trench Isolation). For example, silicon oxide is used as the STI.

半導体基板４０の素子領域に選択トランジスタ３１が形成される。この選択トランジスタ３１は、互いに離間したソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂが設けられている。このソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂはそれぞれ、半導体基板４０内に高濃度のｎ＋型不純物を導入して形成されたｎ＋型拡散領域から構成される。ソース領域４２ａおよびドレイン領域４２ｂ間のチャネル４３となる半導体基板４０の領域上には、ゲート絶縁膜５１が形成され、このゲート絶縁膜５１上にゲート電極５２が設けられている。ゲート電極５２は、ワード線ＷＬとして機能する。 A selection transistor 31 is formed in the element region of the semiconductor substrate 40. The selection transistor 31 is provided with a source region 42a and a drain region 42b that are separated from each other. Each of the source region 42 a and the drain region 42 b is composed of an n + type diffusion region formed by introducing a high concentration n + type impurity into the semiconductor substrate 40. A gate insulating film 51 is formed on the region of the semiconductor substrate 40 that becomes the channel 43 between the source region 42 a and the drain region 42 b, and a gate electrode 52 is provided on the gate insulating film 51. The gate electrode 52 functions as the word line WL.

ソース領域４２ａ上には、コンタクト６２を介して配線層６３が設けられている。配線層６３は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域４２ｂ上には、コンタクト６４を介して引き出し線６５が設けられている。引き出し線６５上には、下部電極７１と、上部電極７２に挟まれたＭＴＪ素子１が設けられている。上部電極７２上には、配線層７６が設けられている。配線層７６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板４０と配線層７６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層６７で満たされている。   A wiring layer 63 is provided on the source region 42 a via a contact 62. The wiring layer 63 functions as a bit line / BL. A lead line 65 is provided on the drain region 42 b through a contact 64. On the lead line 65, the lower electrode 71 and the MTJ element 1 sandwiched between the upper electrodes 72 are provided. A wiring layer 76 is provided on the upper electrode 72. The wiring layer 76 functions as the bit line BL. The space between the semiconductor substrate 40 and the wiring layer 76 is filled with an interlayer insulating layer 67 made of, for example, silicon oxide.

以上詳述したように本実施形態によれば、第１実施形態のＭＴＪ素子１を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、ＭＴＪ素子１は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。   As described in detail above, according to the present embodiment, the MRAM can be configured using the MTJ element 1 of the first embodiment. The MTJ element 1 can be used not only for spin injection type magnetic memories but also for domain wall motion type magnetic memories.

１ 磁気抵抗効果素子
２ 記憶層
４ 非磁性層
６ 参照層
８ 反強磁性層
１０ 強磁性層
１１ 非磁性層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetoresistance effect element 2 Memory layer 4 Nonmagnetic layer 6 Reference layer 8 Antiferromagnetic layer 10 Ferromagnetic layer 11 Nonmagnetic layer

Claims (10)

膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層と、
前記記憶層上に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する参照層と、
前記参照層上に設けられた反強磁性層と、
前記反強磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに前参照層の磁化の向きと反平行の磁化を有する強磁性層と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A memory layer having a magnetic anisotropy substantially perpendicular to the film surface and having a magnetization direction variable by the action of spin-polarized electrons;
A first nonmagnetic layer provided on the storage layer;
A reference layer provided on the first nonmagnetic layer and having magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface;
An antiferromagnetic layer provided on the reference layer;
A ferromagnetic layer provided on the antiferromagnetic layer and having magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the previous reference layer;
A magnetoresistive effect element comprising: 膜面に略垂直方向の磁気異方性を有する強磁性層と、
前記強磁性層上に設けられた反強磁性層と、
前記反強磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有するとともに前記強磁性層の磁化の向きと反平行の磁化を有する参照層と、
前記参照層上に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に略垂直方向の磁気異方性を有しスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が可変の記憶層と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 A ferromagnetic layer having magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface;
An antiferromagnetic layer provided on the ferromagnetic layer;
A reference layer provided on the antiferromagnetic layer and having a magnetic anisotropy in a direction substantially perpendicular to the film surface and having a magnetization antiparallel to the magnetization direction of the ferromagnetic layer;
A first nonmagnetic layer provided on the reference layer;
A storage layer provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetic anisotropy substantially perpendicular to the film surface and having a magnetization direction variable by the action of spin-polarized electrons;
A magnetoresistive effect element comprising: 前記反強磁性層と前記強磁性層との間に設けられた第２の非磁性層とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。   The magnetoresistive effect element according to claim 1, further comprising a second nonmagnetic layer provided between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer. 前記第２の非磁性層は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｕのうち１つ以上の元素を含む金属からなることを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗効果素子。   4. The magnetoresistive element according to claim 3, wherein the second nonmagnetic layer is made of a metal containing one or more elements of Mo, Nb, Ta, W, Ir, Rh, Os, Re, and Ru. Effect element. 前記反強磁性層は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅのうち１つ以上の元素を含む金属層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。   5. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the antiferromagnetic layer is a metal layer containing one or more elements of Mn, Cr, and Fe. 前記反強磁性層は、重希土類元素と遷移金属元素を含む金属層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。   5. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the antiferromagnetic layer is a metal layer containing a heavy rare earth element and a transition metal element. 前記参照層の飽和磁化をＭｓ１、膜厚をｔ１とし、前記強磁性層の飽和磁化をＭｓ２、膜厚をｔ２とするとき、
Ｍｓ２＞Ｍｓ１或いはｔ２＞ｔ１
のうち少なくとも一方の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。 When the saturation magnetization of the reference layer is Ms 1 , the film thickness is t 1 , the saturation magnetization of the ferromagnetic layer is Ms 2 , and the film thickness is t 2 ,
Ms 2 > Ms 1 or t 2 > t 1
The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein at least one of the relations is satisfied. 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に対して通電を行う第１および第２の電極と、を含むメモリセルを備えていることを特徴とする磁気メモリ。   8. A memory cell comprising: the magnetoresistive effect element according to claim 1; and first and second electrodes for energizing the magnetoresistive effect element. Magnetic memory. 前記第１の電極に電気的に接続された第１の配線と、
前記第２の電極に電気的に接続された第２の配線と、
前記第１の配線および前記第２の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗効果素子に双方向に電流を供給する書き込み回路と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項８記載の磁気メモリ。 A first wiring electrically connected to the first electrode;
A second wiring electrically connected to the second electrode;
A writing circuit electrically connected to the first wiring and the second wiring and supplying a current to the magnetoresistive element in both directions;
The magnetic memory according to claim 8, further comprising: 前記磁気抵抗効果素子の前記第２の電極と前記第２の配線との間に接続される選択トランジスタと、
前記選択トランジスタのオン／オフを制御する第３の配線と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項９記載の磁気メモリ。 A select transistor connected between the second electrode of the magnetoresistive element and the second wiring;
A third wiring for controlling on / off of the selection transistor;
The magnetic memory according to claim 9, further comprising:
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