JP2006148039A - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】 素子の面積を小さくかつ面積のばらつきを小さくすることを可能にする。
【解決手段】 端面を有する第１電極４と、磁化の向きが固着された磁化固着層８ａ、磁化の向きが可変の磁化自由層８ｃ、および磁化固着層と磁化自由層との間に設けられた非磁性層８ｂを有し、第１電極の端面に表面が接するように形成された磁気抵抗効果膜８と、磁気抵抗効果膜の第１電極に接する表面と反対側の表面上に形成された第２電極１０とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。

磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられているとともに固体磁気メモリ(ＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory))に用いることが提案されている。
近年、２つの磁性金属層の間に１層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜において、膜面に対して垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子として、いわゆる「強磁性トンネル接合素子（Tunneling Magneto-Resistance effect：ＴＭＲ素子）」が提案されている。強磁性トンネル素子においては、２０％以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことからＭＲＡＭへの民生応用技術開発が盛んに行われている。
この強磁性トンネル接合素子は、強磁性電極上に０．６ｎｍ〜２．０ｎｍ厚の薄いＡｌ（アルミニウム）層を成膜した後、その表面を酸素グロー放電または酸素ガスに曝すことによって、Ａｌ_２Ｏ_３からなるトンネルバリア層を形成することにより、実現できる。

また、この強磁性１重トンネル接合の片側一方の強磁性層に反強磁性層を付与し、上記一方の強磁性層を磁化固着層とした構造を有する強磁性１重トンネル接合が提案されている。

また、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合や、強磁性２重トンネル接合（連続膜）も提案されている。

これらにおいても、２０％〜５０％の磁気抵抗変化率が得られるようになったこと、および所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やしても磁気抵抗変化率の減少が抑えられることから、ＭＲＡＭへの応用の可能性がある。

これらの強磁性１重トンネル接合あるいは強磁性２重トンネル接合を用いた磁気記録素子は、不揮発性で書き込み読み出し時間も１０ナノ秒以下と速く、書き換え回数も１０^１５以上というポテンシャルを有する。

しかし、メモリのセルサイズに関しては、メモリセルが１個のトランジスタと、１個のＴＭＲ素子からなるアーキテクチャを用いた場合、半導体から形成されるＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）以下にサイズを小さくできないという問題がある。

この問題を解決するために、ビット線とワード線との間にＴＭＲ素子からなるセルとダイオードを直列接続したダイオード型アーキテクチャや、ビット線とワード線の間にＴＭＲ素子からなるセルを配置した単純マトリックス型アーキテクチャが提案されている。

しかし、いずれの場合も記憶層への書き込み時には電流パルスによる電流磁場で反転を行っているため、消費電力が大きい、大容量化したとき配線の許容電流密度限界があり大容量化できない、電流を流すためのドライバの面積が大きくなってしまうなどの問題点が有る。

上記の問題に対し、書き込み配線の周りに高透磁率磁性材料からなる薄膜を設けた固体磁気記憶装置が提案されている。これらの磁気記憶装置によれば配線の周囲に高透磁率磁性膜が設けられているため、磁気記録層への情報書き込みに必要な電流値を効率的に低減できる。しかしながら、これらを用いても、書き込み電流を１ｍＡ以下にすることは非常に困難であった。

これら課題を解決するために、スピン注入法による書き込み方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この書き込み方法は、スピン偏極した電流を磁気抵抗効果素子にスピン注入することによって磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化がスピン反転することを利用している。
米国特許明細書第６２５６２２３号

スピン注入を利用した書き込み方法において、スピン注入する場合に、素子の面積が大きいと、スピン注入電流による環状の磁界が発生してしまい、スピン反転が起こらない。そのため、小さい面積の素子が求められる。

さらに固体磁気メモリとして応用するためには、高集積化することが求められるため、小さい面積でなおかつ面積のばらつきの小さい素子を形成することが必要とされる。

以上、説明したように、低書き込み電流で動作するスピン注入法は小さな面積の素子形成を必要とし、さらに集積化のために面積のばらつきが小さいことが必要とされる。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、素子の面積が小さくかつ面積のばらつきの小さい磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、端面を有する第１電極と、磁化の向きが固着された磁化固着層、磁化の向きが可変の磁化自由層、および前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた第１非磁性層を有し、前記第１電極の前記端面に表面が接するように形成された磁気抵抗効果膜と、前記磁気抵抗効果膜の前記第１電極に接する前記表面と反対側の表面上に形成された第２電極とを備えたことを特徴とする。

なお、前記磁気抵抗効果膜の前記磁化自由層および前記磁化固着層のうちの一方の層は他方の層に比べてシート抵抗が高く、前記一方の層は前記第１電極の前記端面に接するように構成してもよい。

なお、前記一方の層は前記他方の層よりも膜厚が薄いように構成してもよい。

なお、前記一方の層は磁化自由層であってもよい。

なお、前記磁化自由層は非磁性元素を含み粒界を備えていてもよい。

なお、前記磁化自由層と前記磁化固着層のいずれか一方と前記第１非磁性層との間に分離して設けられた複数の絶縁体を有していてもよい。

なお、前記複数の絶縁体と前記第１非磁性層との間に前記絶縁体で覆われた第２非磁性層を備えていてもよい。

なお、前記磁化自由層は、誘電体で隔てられた強磁性粒を備えていてもよい。

なお、前記磁化固着層は、強磁性層と反強磁性層を交互に積層した積層膜であってもよい。

また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、端面を有し、磁化の向きが固着された第１電極と、前記第１電極の前記端面に膜面が接するように形成された第１非磁性層と、前記第１非磁性層上に形成された磁化の向きが可変の磁化自由層と、前記磁化自由層上に形成された第２電極とを備えたことを特徴とする。

なお、前記第１電極の下面および上面の少なくとも一方に形成され前記第１電極の磁化の向きを固着する反強磁性層を備えていてもよい。
なお、前記反強磁性層は絶縁物からなっていてもよい。

なお、前記第１電極は強磁性層と反強磁性層とが交互に積層された積層膜であってもよい。

なお、前記磁化自由層は、誘電体で隔てられた強磁性粒を備えていてもよい。

なお、前記磁化自由層と前記第２電極との間に第２非磁性層が設けられていてもよい。

なお、前記第２非磁性層と前記第２電極との間に磁化の向きが固着された磁化固着層が設けられていてもよい。

なお、前記磁化固着層は、第３非磁性層を介して磁気的結合した複数の強磁性層からなっていてもよい。

なお、前記第１電極と前記磁化自由層のいずれか一方と前記第１非磁性層との間に分離して設けられた複数の絶縁体を有していてもよい。

なお、前記複数の絶縁体と前記第１非磁性層との間に前記絶縁体で覆われた第４非磁性層を備えていてもよい。

なお、前記磁化自由層は非磁性元素を含み粒界を備えていてもよい。

なお、前記非磁性層はトンネルバリア層であってもよい。

また、本発明の第３の態様による磁気メモリは、マトリクス上に配置された複数のメモリセルを有し、当該メモリセルが上記のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、素子の面積を小さくかつ面積のばらつきを小さくすることができる。

本発明に実施形態を以下に図面を参照して説明する。

（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の構成を、図１および図２に示す。図１は本実施形態による磁気抵抗効果素子１の構成を示す断面図、図２は本実施形態による磁気抵抗効果素子１の斜視図である。

本実施形態による磁気抵抗効果素子１は、ＴＭＲ素子であって、絶縁膜２が形成された基板（図示せず）上に形成されたベース電極４と、このベース電極４の端面に接するように形成されたＴＭＲ膜８と、ＴＭＲ膜８を覆うように形成されたカウンタ電極１０とを備えている。なお、ＴＭＲ膜８はベース電極４の端面だけでなく、ベース電極４が形成されていない絶縁膜２の領域上に延在するとともにベース電極４上に形成された絶縁膜６上にも延在するように形成される。そして、ＴＭＲ膜８は、磁化の向きが固着された磁化固着層となる強磁性層８ａと、磁化の向きが反転可能な磁化自由層となる強磁性層８ｃと、これらの強磁性層８ａ、８ｂとの間に設けられたトンネルバリア層８ｂとを有する積層構造となっている。なお、磁気抵抗効果素子１が磁気メモリのメモリセルに用いられた場合は、磁化自由層は、磁気記録層とも呼ばれる。また、本実施形態においては、磁化固着層となる強磁性層８ａがベース電極４の端面に接し、磁化自由層となる強磁性層８ｃがカウンタ電極１０に接するように形成されているが、逆の層配置であってもよい。すなわち、磁化自由層となる強磁性層がベース電極４の端面に接し、磁化固着層となる強磁性層がカウンタ電極１０に接するように形成してもよい。

本実施形態によるＴＭＲ素子の面積Ａは、ベース電極４の厚さｔ、ＴＭＲ膜８の幅ｗ、およびベース電極４の端部と絶縁膜２の膜面（基板面）との成す角θに依存する。その関係は
Ａ ＝ ｗ×ｔ／ｓｉｎθ
となる。

本実施形態においては、ベース電極４の膜厚方向をＴＭＲ素子の一辺として利用している。一般に、薄膜は厚さの制御が容易であり、また非常に薄くすることも可能である。このため、膜の厚さ方向をＴＭＲ素子１の一辺とすることにより、容易に小さな面積のＴＭＲ素子１を形成することが可能となる。また、基板面とベース電極４の端部との成す角θによる項「ｓｉｎθ」とカウンタ電極１０の幅ｗを比べると、幅ｗの方がＴＭＲ素子の作製プロセスでの変動が大きい。このため、ＴＭＲ素子１の面積のばらつきは、カウンタ電極１０の幅ｗのばらつきが支配的となっている。

本実施形態と異なり、ベース電極４の端面に接しないで、ベース電極上にＴＭＲ膜を形成する従来の場合においては、ＴＭＲ素子の面積のばらつきは、幅と長さに依存する。このため、露光技術の寸法誤差をδとすると、ＴＭＲ素子の面積の相対的ばらつきは、「２δ/w」となる。また、露光技術の最小寸法程度を１辺とする長方形は角が丸くなるため、さらにばらつきは大きくなる。

これに対して、本実施形態においては、ＴＭＲ素子１の面積のばらつきはカウンタ電極１０の幅ｗが支配的なため、ＴＭＲ素子１の面積の相対的ばらつきは「δ/w」となり、従来の場合の半分かそれ以下になる。

本実施形態による磁気抵抗効果素子１においては、ベース電極４からカウンタ電極１０への電流はＴＭＲ膜８を介して流れる。この電流の大半は、図３に示すようにベース電極４の端部に接するＴＭＲ膜８を介してカウンタ電極１０に流れるが、図４に示すようにベース電極端部の最下部から磁化固着層（逆の層配置の場合は磁気記録層）に沿ってカウンタ電極の下からトンネルバリア層８ｂを横切ってカウンタ電極１０に流れる電流パスも存在する。図４に示される電流パスに電流が流れると、抵抗変化率を下げる要因となる。このため、ベース電極４の端部に接する、ＴＭＲ膜８の一方の強磁性層８ａ（本実施形態においては磁化固着層）は、ＴＭＲ膜８の他方の強磁性層８ｃよりシート抵抗を高くすることが望ましい。したがって、強磁性層８ａ、８ｃが同じ材料から形成される場合は、ベース電極４の端部に接する、ＴＭＲ膜８の一方の強磁性層８ａは、ＴＭＲ膜８の他方の強磁性層８ｃより薄く形成することが望ましい。

以上、説明したように、本実施形態によれば、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。

なお、一般に、磁化固着層は容易に磁化が反転しないように十分な厚さが必要となるため、薄くすることが難しい。したがって、図３６に示すように、ベース電極４に接する強磁性層を磁化自由層（磁気記録層）とする層配置（本実施形態の層配置と逆の層配置）とすれば、１０ｎｍ以下の非常に薄い磁気記録層を形成することが可能となり、これにより、磁気記録層の磁化の向きを容易にスピン反転することができる。

また、磁化固着層は強磁性層と反強磁性層を交互に積層した積層膜であってもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を、図５を参照して説明する。本実施形態による磁気抵抗効果素子１は、第１実施形態においてベース電極５が磁化固着層を兼ねた構成となっている。したがって、本実施形態によれば、図１に示す第１実施形態の磁化固着層８ａは不要となり、磁化固着層を兼ねているベース電極５の端面に接するのはＴＭＲ膜８のトンネルバリア層８ｂとなる。

このような構成することにより、図４に示した電流パスを無くすことができるため、図１に示す第１実施形態の構造に比べて大きな抵抗変化率を得ることができる。また、第１実施形態に比べて膜厚の厚い磁気記録層８ｃを形成することが可能となり、したがって、磁気記録層８ｃの体積を大きくすることができる。これにより、磁気記録層８ｃの磁化が容易に反転しにくくなり、熱擾乱に対する耐性が増すことになる。

なお、本実施形態による磁気抵抗効果素子１も、第１実施形態の場合と同様に、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子を、図６を参照して説明する。本実施形態による磁気抵抗効果素子１は、第２実施形態において磁化固着層５と絶縁膜２との間に反強磁性層３を設けた構成となっている。すなわち、本実施形態においては、反強磁性層３と磁化固着層５からベース電極が構成されている。この反強磁性層３は、磁化固着層５との交換結合を利用して、磁化固着層５の磁化の向きを固着する。この交換結合により磁化固着層５は磁化の向きが安定するため信頼性が高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。反強磁性層３としては、Ｆｅ−Ｍｎ（鉄−マンガン）、Ｐｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ（白金−クロム−マンガン）、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）、Ｉｒ−Ｍｎ（イリジウム−マンガン）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＣｏＯ（酸化コバルト）などを用いることができる。

本実施形態においては、反強磁性層３／トンネルバリア層８ｂ／磁気記録層８ｃとなる電流パスが生じるため、第２実施形態に比べて抵抗変化率が下がる。このため、本実施形態においては、反強磁性層３の材料として、トンネルバリア層８ｂおよび磁気記録層８ｃを電流が流れる場合の抵抗より高いシート抵抗を有する材料を選択すれば、電流は反強磁性層３／トンネルバリア層８ｂ／磁気記録層８ｃの経路よりも磁化固着層５／トンネルバリア層８ｂ／磁気記録層８ｃの経路を流れやすくなり、抵抗変化率が低下するのを防止することができる。抵抗変化率が低下するのを防止するための反強磁性層の材料としては、Ｐｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ（白金−クロム−マンガン）、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）などのフェルミ面にＳＤＷ(Spin Density Wave)のギャップが存在する反強磁性体、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＣｏＯ（酸化コバルト）などの酸化物反強磁性体が好ましい。

なお、本実施形態においては、反強磁性層３は、磁化固着層の下に設けられているが、図３７に示すように、反強磁性層３は磁化固着層の上に設けてもよい。また、磁化固着力の強さに応じて、反強磁性層／強磁性層／反強磁性層の三層構造、または、反強磁性層／強磁性層からなる積層膜を複数個積層した構造をベース電極として用いると、より強固な磁化固着力が得られ信頼性の面でメリットがある。
なお、図３７に示す本実施形態の変形例において、反強磁性層３として、絶縁体例えばＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＣｏＯ（酸化コバルト）、またはこれらの積層膜を用いた場合は、図３８に示すように絶縁膜６を削除することができる。
また、反強磁性層３として、絶縁体例えばＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＣｏＯ（酸化コバルト）、またはこれらの積層膜を用いた場合は、図３９に示すように、絶縁膜２を絶縁膜の反強磁性体３に置き換えることができる。
また、図３８に示す変形例において、第８実施形態で説明するように、磁気記録層８ｃに非磁性元素（例えば、ＣｒまたはＰｔ）を添加して磁気記録層８ｃに粒界（図中破線で示す）を形成した構成としてもよい（図４０参照）。この場合、磁気記録層８ｃには小さな磁区が形成され、スピン反転する領域の体積が小さくなる。これにより、スピン反転が容易となって、スピン反転の電流密度を低くすることができる。
また、本実施形態において、図４１に示すように、磁気記録層８ｃとカウンタ電極１０との間に、非磁性層１７，磁性層１８、反強磁性層１９を設けてもよい。このような構成とすることにより、第１５実施形態の場合と同様に、電流の流す方向を変えることにより、スピン注入書き込みを行うことが可能となるとともに、書き込み電流を低減することができる。
なお、図４１に示す変形例において、図４２に示すように、磁化固着層１８を、非磁性層１８_２を挟んで強磁性結合している２つの強磁性層１８_１、１８_３に置き換えてもよい。なお、２つの強磁性層は反強磁性結合していてもよい。

本実施形態による磁気抵抗効果素子も、第２実施形態の場合と同様に、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気メモリの構成を図７および図８に示す。本実施形態の磁気メモリは、複数のビット線ＢＬと、複数のワード線ＷＬと、マトリクス状に配列された複数のメモリセルを有している。このメモリセルの構成を図７に示し、列方向に配列されたメモリセルの上面図を図８に示す。

本実施形態による磁気メモリのメモリセルは、ビット線ＢＬと、ワード線ＷＬが交差する領域近傍に設けられ、磁気抵抗効果素子１と、読み出し／書き込み兼用の選択トランジスタ３０と、を備えている。磁気抵抗効果素子１は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子である。すなわち、ＴＭＲ素子であって、ベース電極４と、ＴＭＲ膜８と、カウンタ電極１０とを備えている。ＴＭＲ膜８は、ベース電極４の端面に接するように形成されている。なお、ＴＭＲ膜８はベース電極４の端面だけでなく、ベース電極４が形成されていない絶縁膜（図示せず）の領域上に延在するとともにベース電極４上に形成された絶縁膜６上にも延在するように形成される。選択トランジスタ３０は基板上に形成されたＭＯＳトランジスタであって、ゲート３２と、ソース３４と、ドレイン３６とを備えている。

ＴＭＲ素子１のベース電極４は接続部２４を介して選択トランジスタ３０のソースに接続されている。選択トランジスタ３０のドレイン電極３８を介してビット線ＢＬに接続される。一方、ＴＭＲ素子１のカウンタ電極１０は、コンタクト２０を介してワード線ＷＬに接続される。

また、本実施形態においては、各メモリセルは、図８に示すように、ベース電極４とカウンタ電極１０が１行毎に反対の配置となるように構成されている。このような配置とすることにより、１チップ上により多くのメモリセルを集積化、すなわち高密度化することができる。なお、図８において、符号９はＴＭＲ素子１の接合部を示している。

本実施形態において、選択トランジスタ３０をＯＮにし、ＴＭＲ素子１を利用して“１”か“０”を判定して読み込みを行う。また書き込みは選択トランジスタ３０をＯＮにし、スピン注入書き込みを行うことにより“１”か“０”の書き込みを行う。スピン注入による読み出し／書き込み動作では、読み出し電流は書き込み電流より小さく設定される。

本実施形態によれば、素子面積を容易に小さくすることができるとともにスピン注入書き込みができる。

なお、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子１として、第１実施形態の磁気抵抗効果素子を用いたが、第２乃至第３の実施形態の磁気抵抗効果素子を用いてもよい。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による磁気メモリの構成を図９および図１０に示す。本実施形態の磁気メモリは、複数のビット線ＢＬと、複数のワード線ＷＬと、マトリクス状に配列された複数のメモリセルを有している。このメモリセルの構成を図９に示し、列方向に配列されたメモリセルの上面図を図１０に示す。

本実施形態による磁気メモリのメモリセルは、第４実施形態の磁気メモリにおいて、平面図上でコンタクト２０が接続部２４の真上に位置するように構成したものである。このため、ＴＭＲ膜８はベース電極４上に形成された絶縁膜６上に延在する部分が第４実施形態の場合より大きくなるように構成されている。そして、絶縁膜６上に延在しているＴＭＲ膜８上に形成されたカウンタ電極１０の、接続部２４の真上の領域にコンタクト２０が形成される。

このように、ワード線ＷＬとのコンタクト２０を選択トランジスタ３０との接続部２４の真上に位置するようにすることにより、図１０に示すように、メモリセルは第４実施形態のメモリセルに比べてサイズを小さくすることができ、さらに高密度化することができる。この場合、第４実施形態の場合と異なり、ベース電極４とカウウンタ電極１０を１行毎に交互に配置する必要がない。

この実施形態も、素子面積を容易に小さくすることができるとともにスピン注入書き込みができる。

なお、第５実施形態においては、磁気抵抗効果素子１として、第１実施形態の磁気抵抗効果素子を用いたが、第２乃至第３の実施形態の磁気抵抗効果素子を用いてもよい。

以上説明した各実施形態においては、磁気抵抗効果素子の磁性膜（磁化固着層および磁化自由層（磁気記録層））は、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、または、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｓｉ，Ｂ）、（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）−（Ｓｉ，Ｂ）−（Ｐ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｍｎ）系またはＣｏ−（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｔｉ）系などのアモルファス材料、Ｃｏ_２（ＣｒｘＦｅ１−ｘ）Ａｌ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ系などのホイスラー材料からなる群より選ばれる少なくとも１種の薄膜またはそれらの積層膜で構成してもよい。

また、磁気抵抗効果素子を磁気メモリのメモリセルに使用する場合は、磁気抵抗効果素子が記憶する情報を読み出すために磁気抵抗効果素子に流すセンス電流を制御するセンス電流制御素子回路、ドライバおよびシンカーをさらに具備することとなる。

磁化固着層としては、一方向異方性を、磁気記録層としては、一軸異方性を有することが望ましい。またその厚さは０．１ｎｍから１００ｎｍが好ましい。さらに、この強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることがより望ましい。

また、磁化固着層として用いる強磁性層には、反強磁性膜を付加して磁化を固着することが望ましい。

また、これらの層を構成する磁性体には、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節するだけでなく、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。

磁気記録層として、軟磁性層／強磁性層という２層構造、または強磁性層／軟磁性層／強磁性層という３層構造を用いてもよい。また磁気記録層として、強磁性層／非磁性層／強磁性層という３層構造または強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層／強磁性層という５層構造を用いて、強磁性層の層間の交換相互作用の強さを制御することにより、メモリセルである磁気記録層のセル幅がサブミクロン以下になっても、スピン注入の書き込み電流を増大させずに済むという好ましい効果が得られる。スピン注入書き込みの場合は、特に層間の相互作用としてはその相互作用の強さが２０００Ｏｅ以下であることが好ましい。また、その交換相互作用の符合は正（強磁性的）であることがより好ましい。層間の相互作用の強さ、符号を選ぶことによって電流を低減することが可能となる。この際、強磁性層の種類、膜厚を変えてもかまわない。

特に、トンネルバリアに近い強磁性層には磁気抵抗効果による抵抗変化率が大きくなるＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、ＦｅリッチＮｉ−Ｆｅを用い、トンネルバリアと接していない強磁性層にはＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ、ＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏなどを用いると抵抗変化率を大きく保ったまま、書き込み電流を低減でき、より好ましい。非磁性材料としては、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）またはそれら合金を用いることが出来る。

磁気記録層においても磁性材料に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節するばかりでなく、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。

一方、磁気抵抗効果素子としてトンネル接合を用いる場合に、磁化固着層と磁気記録層との間に設けられる絶縁層としては、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｂｉ_２Ｏ_３（酸化ビスマス）、ＭｇＦ_２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ_２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ_３（チタン酸ストロンチウム）、ＬａＡｌＯ_３（ランタンアルミネート）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルミニウム）、ＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの各種の絶縁体を用いることができる。

これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁層の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄いほうが望ましく、実際上は、１０ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以下であることが望ましい。

このような磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成手段を用いて、所定の基板上に形成することが出来る。この場合の基板としては、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、スピネル、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）など各種の基板を用いることができる。

また、基板の上に下地層や保護層、ハードマスクなどとして、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｔｉ／Ｐｔ（チタン／白金）、Ｔａ／Ｐｔ（タンタル／白金）、Ｔｉ／Ｐｄ（チタン／パラジウム）、Ｔａ／Ｐｄ（タンタル／パラジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ−Ｃｕ（アルミニウム−銅）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）Ｒｈ（ロジウム）などからなる層を設けてもよい。

また、ベース電極側から順に、第１の磁化固着層（反強磁性層／強磁性層等）／トンネルバリア層／磁気記録層／非磁性金属層／第２の磁化固着層（強磁性層／非磁性金属層／強磁性層等）／反強磁性層が積層され、第１の磁化固着層の強磁性層の磁化に対して第２の磁化固着層の磁気記録層に近い方の強磁性層の磁化の方向が略１８０度である磁気抵抗効果素子を用いると、より書き込み電流を低減できる。この磁気抵抗効果素子の場合、第１の磁化固着層／トンネルバリア層／磁気記録層間の抵抗は磁気記録層／非磁性金属層／第２の磁化固着層間の抵抗値に比べて非常に大きいため第１の磁化固着層／トンネルバリア層／磁気記録層間のスピンの相対的な向きで抵抗値の変化が決まることになる。

以上説明した各実施形態において、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸の方向、すなわち磁化の向きは、図１を例に取ると、接合面において紙面に垂直方向であることが好ましい。磁化容易軸の方向を紙面に垂直方向とすると、磁性層端部からの浮遊磁場（stray field）が小さくなる。この場合、ＴＭＲ膜８を、図１の紙面に垂直な方向の長さを紙面に平行な方向の長さより長くしてＴＭＲ膜８の磁性層に形状異方性を付与すれば、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸は図１の紙面に垂直となる。このような構成の磁気抵抗効果素子を図７に示す第４実施形態の磁気メモリのメモリセルに用いた場合は、コンタクト２０とカウンタ電極１０との接続領域が確保されない可能性がある。この場合は、図１１および図１２に示すように、コンタクト２０をカウンタ電極１０に直接接続しないで、カウンタ電極１０に電気的に接続された第２のカウンタ電極１２を介して接続すればよい。図１１は第４実施形態の変形例による磁気メモリの構成を示す断面図であり、図１２は第４実施形態の変形例による磁気メモリの列方向に配置されたメモリセルの上面図である。この変形例は、第４実施形態の場合に比べて、磁化容易軸方向に直交する磁化困難軸方向のＴＭＲ膜８のサイズを小さくすることが可能となり、ＴＭＲ膜８の磁性膜の磁化の向きを磁化容易軸方向に向き易くすることができる。なお、コンタクト２０とカウンタ電極１０との接続領域が確保される場合は、図１１および図１２に示す第２のカウンタ電極１２は形成しなくてもよい。

なお、図１において、磁気記録層８ｃの磁化の向きは傾斜面に沿った方向であってよいが、この場合、傾斜面の高さが磁気抵抗効果膜８の幅ｗよりも非常に小さいので、形状異方性の向きと垂直となるので好ましくない。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態による磁気メモリの構成を図１３および図１４を参照して説明する。図１３は本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図であり、図１４は本実施形態による磁気メモリの列方向に配置されたメモリセルの上面図である。

本実施形態による磁気メモリは、複数のビット線ＢＬと、複数のワード線ＷＬと、マトリクス上に配置された複数のメモリセルを備えている。各メモリセルは、第１乃至第３実施形態のいずれかの磁気抵抗効果素子１と、選択トランジスタ３０とを備えている。そして、本実施形態においては、ベース電極４がビット線ＢＬに平行にかつビット線ＢＬと電気的に接続されるように、すなわちベース電極４がビット線ＢＬと一体となるように形成されている。このため、カウンタ電極１０が第２のカウンタ電極１２、接続部２４を介して、選択トランジスタのソース３４に接続され、選択トランジスタ３０のドレインがワード線ＷＬに接続された構成となっている。

本実施形態による磁気メモリにおいては、ベース電極４をビット線ＢＬと一体となっているため、浮遊磁場がより小さくできる。

なお、本実施形態においては、ベース電極４がビット線ＢＬに平行にかつ電気的に接続するように形成されているが、ベース電極４の抵抗がビット配線４と同じ程度であれば、ビット線ＢＬを設けないで、ベース電極４がビット線ＢＬを兼用するように構成してもよい。また、本実施形態においては、第２のカウンタ電極１２が設けられているが、カウンタ電極１０が接続部２４と直接コンタクトがとれるのであれば第２のカウンタ電極１２はなくてもよい。

本実施形態も、素子面積を容易に小さくすることができるとともにスピン注入書き込みができる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態による磁気メモリの構成を図１５および図１６を参照して説明する。図１５は本実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図であり、図１６は本実施形態による磁気メモリの列方向に配置されたメモリセルの上面図である。

本実施形態による磁気メモリは、複数のビット線ＢＬと、複数のワード線ＷＬと、マトリクス上に配置された複数のメモリセルを備えている。各メモリセルは磁気抵抗効果素子を有している。そして、本実施形態においては、隣接する２つのメモリセルが一組となってそれぞれのメモリセルの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂがベース電極４を共有する構成となっている。このため、共有されるベース電極４は円環状の形状となっている。磁気抵抗効果素子１ｉ（ｉ＝ａ、ｂ）はＴＭＲ膜８ｉ（ｉ＝ａ、ｂ）と、カウンタ電極１０ｉ（ｉ＝ａ、ｂ）と、第２のカウンタ電極１２ｉ（ｉ＝ａ、ｂ）とを備えている。第２のカウンタ電極１２ｉ（ｉ＝ａ、ｂ）は、コンタクト電極２０（ｉ＝ａ、ｂ）を介してビット線ＢＬｉ（ｉ＝ａ、ｂ）に接続された構成となっている。また、共有のベース電極４は、接続部２４を介して、共有の選択トランジスタ３０のソース３４に接続される。選択トランジスタ３０のドレイン（図示せず）は、ワード線ＷＬに接続される構成となっている。

本実施形態においては、ベース電極４が円環状となっているため、磁界が閉領域（closed domain）となるため浮遊磁場を小さくできる。また、本実施形態においては、第２のカウンタ電極１２ａ、１２ｂが設けられているが、コンタクト電極２０ｉ（ｉ＝ａ、ｂ）がカウンタ電極１０ｉと直接コンタクトがとれるのであれば、第２のカウンタ電極１２ｉはなくても構わない。

本実施形態も、素子面積を容易に小さくすることができるとともにスピン注入書き込みができる。

（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１８に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子において、ＴＭＲ膜８の層配置を逆、すなわちベース電極層４に接する強磁性層を磁気記録層８ｃとするとともに、この磁気記録層８ｃに非磁性元素（例えば、ＣｒまたはＰｔ）を添加して磁気記録層８ｃに粒界（図中で破線で示す）を形成した構成となっている。この磁気記録層８ｃは非磁性元素を含む強磁性材料、例えばＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅＣｒＰｔ等から形成すればよい。

本実施形態においては、磁気記録層８ｃに粒界が形成されているため、磁気記録層８ｃには小さな磁区が形成され、スピン反転する領域の体積が小さくなる。これにより、スピン反転が容易となって、スピン反転の電流密度を低くすることができる。

本実施形態も、第１実施形態と同様に、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。

このため、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、低電流でスピン注入書き込みをすることができるとともに、大容量メモリとして適している。

なお、本実施形態においては、素子サイズの１辺を膜厚で制御しているため、書き込み電流のばらつきもウェハー内で５％以下と小さく抑えることができた。

（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１９に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図１８に示す第８実施形態の磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層８ｂと、磁化固着層８ａとの間に分離して設けられた複数個の絶縁体８ｄを設けた構成となっている。すなわち、本実施形態においては、ＴＭＲ膜８は、磁気記録層８ｃ、トンネルバリア層８ｂ、複数の絶縁体８ｄ、磁化固着層８ａから構成されている。

このように、複数の絶縁体８ｄがトンネルバリア層８ｂと、磁化固着層８ａとの間に分離して設けられているため、磁気記録層８ｃと磁化固着層８ａとの間のトンネルバリアの膜厚が絶縁体８ｄが設けられていない領域ではトンネルバリア層８ｂの膜厚であり、絶縁体８ｄが設けられている領域ではトンネルバリア層８ｂの膜厚と絶縁体８ｄの膜厚との合計値となる。

一方、トンネル電流密度はトンネルバリアの膜厚に対して指数関数的に低くなる。このため、絶縁体８ｄが設けられた領域を通して流れるトンネル電流密度は、絶縁体８ｄが設けられていない領域を通して流れるトンネル電流密度に比べて無視できるほど低い。すなわち、絶縁体８ｄが形成された領域は高抵抗となり、素子形状の面積に対してトンネル電流の流れている面積を実効的に小さくすることができる。

このため、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は発生せず、磁気記録層の磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。

なお、絶縁体８ｄの形成は、トンネルバリア層８ｂの表面全体は覆わないように、すなわち形成される絶縁体８ｄが平坦にならないような方法で形成すればよく、平均膜厚が５ｎｍ以下であれば表面全体は覆わない絶縁体を形成することができる。このとき、絶縁体のサイズは形成される絶縁体の平均膜厚による。

本実施形態においては、磁気記録層８ｃを膜厚３ｎｍのＣｏＣｒＰｔから形成すると、０．０８×０．３μｍ^２の小面積の磁気抵抗効果効果素子を形成することができ、電流注入によるスピン反転が実現された。このとき、２１％の抵抗変化が得られた。素子形状の面積による見かけ上の電流密度ではなく、電流の流れている実効的な面積から電流密度を計算する。スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は７．３×１０^６Ａ／ｃｍ^２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は１．１×１０^７Ａ／ｃｍ^２であった。

また、本実施形態においては、磁気記録層８ｃを膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＣｒＰｔから形成すると、０．０８×０．３μｍ^２の小面積の磁気抵抗効果効果素子を形成することができ、電流注入によるスピン反転が実現された。このとき、２１％の抵抗変化が得られた。スピン反転の実効的な電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は７．１×１０^６Ａ／ｃｍ^２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は１．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２であった。

本実施形態も、第８実施形態と同様に、スピン反転の電流密度を低くすることができる。また、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。さらに、電流の流れている実効的な面積を小さくすることができる。

このため、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、低電流でスピン注入書き込みをすることができるとともに、大容量メモリとして適している。

なお、本実施形態においては、素子サイズの１辺を膜厚で制御しているため、書き込み電流のばらつきもウェハー内で５％以下と小さく抑えることができた。

また、本実施形態において、トンネルバリア層８ｂと絶縁体８ｄとの配置を逆、すなわち、分離された複数の絶縁体８ｄを磁気記録層８ｃ上に設け、これらを覆うようにトンネルバリア層８ｂを設け、このトンネルバリア層を覆うように磁化固着層８ａを設けてもよい。

（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２０に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図１９に示す第９実施形態の磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層８ｂと、絶縁体８ｄとの間に、非磁性体８ｅを設けた構成となっている。絶縁体８ｄは、非磁性体８ｅの表面を酸化することによって形成してもよい。

なお、非磁性体８ｅは、Ｍｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｈｆ、Ｔａ、半導体、および希土類元素から選択された少なくとも一つの元素を含むか、これらの化合物または合金であることが好ましい。

この実施形態においても、絶縁体８ｄが設けられたトンネルバリア層８ｂの領域を通して流れる電流密度は、絶縁体８ｄが設けられていないトンネルバリア層８ｂの領域を流れるトンネル電流密度に比べて無視できるほど低い。このため、絶縁体８ｄが堆積された領域は高抵抗となり、素子形状の面積に対してトンネル電流の流れている面積は実効的に小さくなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、素子形状の面積に対してトンネル電流の流れる面積が実効的に小さくできるので、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は発生せず、磁気記録層の磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。

この実施形態も、第８実施形態と同様に、スピン反転の電流密度を低くすることができる。また、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。さらに、電流の流れている実効的な面積を小さくすることができる。

このため、本実施形態の磁気抵抗効果素子は、低電流でスピン注入書き込みをすることができるとともに、大容量メモリとして適している。

なお、本実施形態においては、素子サイズの１辺を膜厚で制御しているため、書き込み電流のばらつきもウェハー内で５％以下と小さく抑えることができた。

なお、第８乃至第１０実施形態の磁気抵抗効果素子においては、ベース電極４の端面に接しているのは磁気記録層８ｃであったが、磁気記録層８ｃと磁化固着層８ａの配置を逆にして、ベース電極４の端面に接するように磁化固着層８ａを設けてもよい。

また、第８乃至第１０実施形態の磁気抵抗効果素子において、磁化固着層は、強磁性層と反強磁性層が交互に積層された積層膜であってもよい。

また、第９または第１０実施形態において、ベース電極４が磁化固着層を兼ねるように構成してもよい。この場合、例えば図３５に示すように、第９実施形態の磁化固着層８ａは不要となり、磁化固着層を兼ねているベース電極５の端面に接するのはトンネルバリア層８ｂとなる。

また、トンネルバリア層８ｂと絶縁体８ｄとの配置を逆、すなわちトンネルバリア層８ｂを設ける前に分離された複数の絶縁体８ｄを設け、これらを覆うようにようにトンネルバリア層８ｂを設け、このトンネルバリア層を覆うように磁気記録層８ｃを設けてもよい。

また、第９または第１０実施形態において、磁気記録層８は非磁性元素が添加されて小さな磁区から構成されていたが、非磁性元素が添加されない強磁性体から構成してもよい。

（第１１実施形態）
次に、本発明の第１１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２１に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図５に示す第２実施形態の磁気抵抗効果素子において、トンネルバリア層８ｂを、例えばＣｕからなる非磁性層８ｆに置き換えるとともに、磁気記録層８ｃに非磁性元素（例えば、Ｃｒ、Ｐｔ）が添加された強磁性体から形成した構成となっている。このため、磁気記録層８ｃに粒界が形成され、磁気記録層８ｃには小さな磁区が形成されて、スピン反転する領域の体積が小さくなる。これにより、スピン反転が容易となって、スピン反転の電流密度を低くすることができる。

本実施形態においては、非磁性層８ｆを膜厚４ｎｍのＣｕで形成し、磁気記録層８ｃを膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＣｒＰｔから形成すると、１３×１６０ｎｍ^２の小面積の磁気抵抗効果効果素子を形成することができ、電流注入によるスピン反転が実現された。このとき、８．７％の抵抗変化が得られた。スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は１．２×１０^７Ａ／ｃｍ^２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は２．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２であった。

本実施形態ではトンネルバリア層の代わりに非磁性層を用いているため、１×１０^８Ａ／ｃｍ^２の高電流密度においても磁気抵抗効果素子が破壊されないことが確認できた。

また、本実施形態においては、Ｃｕの抵抗が小さいために、Ｃｕからなる非磁性層８ｆに平行に流れる余分な電流パスが存在するが、Ｃｕからなる非磁性層８ｆの膜厚が４ｎｍと薄いため余分な電流パスの影響が小さい。

本実施形態も、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。

なお、第８乃至第１１実施形態の磁気抵抗効果素子１は、磁気メモリの磁気抵抗効果素子として用いることができることは云うまでもない。

（第１２実施形態）
次に、本発明の第１２実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２２に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子において、磁化固着層８ａと磁気記録層８ｃの配置を逆にするとともに、磁気記録層８ｃを誘電体８ｃ_２によってそれぞれ隔てられた複数の強磁性粒８ｃ_１から形成し、さらに、磁化固着層８ａとカウンタ電極１０との間に反強磁性層１５を設けた構成となっている。反強磁性層１５は磁化固着層８ａとの交換結合によって磁化固着層８ａの磁化を固着する。

このように構成された本実施形態の磁気抵抗効果素子１においては、強磁性トンネル接合の実効的な接合面積が誘電体８ｃ_２で隔てられた複数の強磁性粒８ｃ_１の、磁化固着層８ａへの膜面垂直方向の投影面積で規定されるため、磁気記録層８ｃが強磁性体からなる連続膜の場合に比べて実効的な接合面積が小さい。このため、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、磁気記録層８ｃにおいても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。

本実施形態においては、誘電体８ｃ_２で隔てられた強磁性粒８ｃ_１としては、室温でも磁気異方性エネルギー密度Ｋｕが高い（保持力の大きな）、熱揺らぎ耐性を有するＣｏ−Ｐｔ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ系、Ｆｅ−Ｐｔ系などの材料を用いることが好ましい。このような材料を用いることにより、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性の問題も無くなる。

なお、強磁性粒８ｃ_１がＣｏリッチである強磁性材料、その合金、またはその化合物のとき、ベース電極４の材料としては、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましい。

また、強磁性粒８ｃ_１がＦｅリッチである強磁性材料、その合金、またはその化合物のとき、ベース電極４の材料としては、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｗ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましい。

また、強磁性粒８ｃ_１がＮｉリッチである強磁性材料、その合金、またはその化合物のとき、ベース電極４の材料としては、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましい。

この実施形態は、磁気記録層８ｃを誘電体８ｃ_２によってそれぞれ隔てられた複数の強磁性粒８ｃ_１から形成しているので、第１実施形態に比べて更に書き込み電流を低減することができる。なお、本実施形態も、第１実施形態と同様に、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。

また、本実施形態においては、保磁力が大きい誘電体で隔てられた複数の強磁性粒を備えた磁気記録層を用いているため、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性も良く、磁化固着層の面積も接合面積に比べ比較的大きくできるためスピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化の安定性を保つことができる。

（第１３実施形態）
次に、本発明の第１３実施形態による磁気メモリの構成を図２３に示す。この実施形態の磁気メモリは、図７に示す第４実施形態の磁気メモリの磁気抵抗効果素子を、図２２に示す第１２実施形態の磁気抵抗効果素子１に置き換え、さらにベース電極４と接続部２４との間に引き出し電極２２を設けた構成となっている。

この実施形態の磁気メモリは、第４実施形態の磁気メモリよりも書き込み電流を更に低減することができる。

なお、本実施形態の磁気メモリにおいては、第１２実施形態と同様にスピン注入書き込み時の磁化固着層８ａの磁化は安定に保持されるが、図２４に示すように、磁化固着層８ａおよび反強磁性層１５の代わりに、強磁性層８ａと反強磁性層１５とが交互に積層されたの積層膜１６を用いれば、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化をより安定に保つことができる。

なお、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子１のベース電極４は引き出し電極２２を介して接続部２４に接続されていたが、図２５に示すように引き出し電極２２を削除してベース電極４を接続部２４に直接接続してもよい。このような構成とすることにより、メモリの占有面積を本実施形態よりも小さくすることができとともに作製が容易となる。

また、図２６および図２７に示すように、メモリセル構造を単純マトリックス型クロスポイントアーキテクチャとしてもよい。本アーキテクチャを用いるとメモリ大容量化を実現することができる。なお、図２６は磁気抵抗効果素子１のベース電極４をビット線ＢＬに直接接続した構成を示し、図２７は磁気抵抗効果素子１のベース電極４をダイオード４０を介してビット線ＢＬに接続した構成を示す。

（第１４実施形態）
次に、本発明の第１４実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図２８に示す。この実施形態に磁気抵抗効果素子１は、図２２に示す第１２実施形態の磁気抵抗効果素子において、磁気記録層８ｃとカウンタ電極１０との間のトンネルバリア層８ｂ、磁化固着層８ａ、および反強磁性層１５を削除して代わりに非磁性層１７を設け、またベース電極４の代わりにベース電極を兼ねた磁化固着層５を設け、さらにベース電極となる磁化固着層５の傾斜した端面と磁気記録層８ｃとの間にトンネルバリア層８ｂを設けた構成となっている。なお、ベース電極となる磁化固着層５の下層には反強磁性層１５が設けられ、この反強磁性層１５の下層には下地層８０が設けられている。この反強磁性層１５は図２９に示すように、磁化固着層５の下層ではなく、磁化固着層５と絶縁層６との間に設けてもよい。

本実施形態も、第１２実施形態と同様に、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。

なお、本実施形態において、磁気記録層８ｃの強磁性粒８ｃ_１の材料がＣｏを含む強磁性材料、その合金、またはその化合物からなっている場合は、非磁性層１７の材料としては、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましい。

また、磁気記録層８ｃの強磁性粒８ｃ_１の材料がＦｅを含む強磁性材料、その合金、またはその化合物からなっている場合は、非磁性層１７の材料としては、 Ｃｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｗ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれら合金であることが好ましい。

また、磁気記録層８ｃの強磁性粒８ｃ_１の材料がＮｉを含む強磁性材料、その合金、またはその化合物からなっている場合は、非磁性層１７の材料としては、 Ｃｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれら合金であることが好ましい。

上述のことから分かるように、磁気記録層８ｃの強磁性粒８ｃ_１の材料が、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉを含む場合、非磁性層１７の材料として好ましいものはＣｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれら合金であり、これらを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。

（第１５実施形態）
次に、本発明の第１５実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図３０に示す。この実施形態に磁気抵抗効果素子１は、図２８に示す第１４実施形態の磁気抵抗効果素子において、非磁性層１７とカウンタ電極１０との間に磁性層１８と反強磁性層１９との積層膜を設けた構成となっている。

磁性層１８は反強磁性層１９との交換結合によって磁化の向きが固着されて磁化固着層となる。すなわち、本実施形態においては、磁気記録層８ｃの一方の側には、トンネルバリア層８ｂを介して第１の磁化固着層５が設けられ、他方の側には非磁性層１７を介して第２の磁化固着層１８が設けられた構成となっている。そして、磁化固着層５と磁化固着層１８の磁化の向きは略１８０度異なっている。

このように、本実施形態においては、磁化固着層５と磁化固着層１８の磁化の向きが略１８０度異なっているため、磁化固着層５から磁化固着層１８側へスピン注入を行う場合と逆の向きにスピン注入を行う場合とで、磁気記録層８ｃの磁化の向きが変化することになる。

つまり本実施形態において、磁化固着層５、トンネルバリア層８ｂ、磁気記録層８ｃ間のスピンモーメント（磁化）を反平行→平行へのスピン反転させる場合、磁化固着層５側から磁気記録層８ｃへ電子を注入すると磁化固着層５でスピン偏極した電子がトンネルバリア層８ｂをトンネルし、磁気記録層８ｃへスピントルクを及ぼす。このとき、スピン偏極した電子は、磁気記録層８ｃから非磁性層１７を介して磁化固着層１８に流れるので、磁気記録層８ｃのスピンが磁化固着層５のスピンに対して反平行の間は、磁気記録層８ｃと磁化固着層１８のスピンが平行のため、磁化固着層１８によって反射された反射スピン電子も磁気記録層８ｃへスピントルクを及ぼし、磁気記録層８ｃのスピンが磁化固着層５のスピンに対して反平行→平行へ反転する。この２つのスピントルクにより、磁気記録層８ｃのスピンの方向が変化することになる。

また、本実施形態において、磁化固着層５、トンネルバリア層８ｂ、磁気記録層８ｃ間のスピンモーメントを平行→反平行へスピン反転させる場合、磁化固着層１８から磁気記録層８ｃへ電子を注入すると、磁化固着層１８でスピン偏極された電子が非磁性層１７を通過して磁気記録層８ｃへ流れスピントルクを及ぼす。このとき、スピン偏極した電子はトンネルバリア層８ｂをトンネルして磁化固着層５へ流れようとするが、トンネルバリア層８ｂをトンネルする際、磁化固着層５のスピンの方向と同じスピンの方向を持つ電子はトンネル確率が高く容易に流れるが、反平行のスピンは反射される。磁気記録層８ｃへ反射してきた電子は、磁気記録層８ｃへスピントルクを及ぼし、この２つのスピントルクにより、磁気記録層８ｃのスピンが平行→反平行へ反転する。

したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１において、電流を流す方向を変えることにより、スピン注入書き込みを行うことが可能となり、“１”、“０”の書き込みを行うことができる。

なお、本実施形態においては、磁化固着層１８および反強磁性層１９がスピン偏極した電子の反射層となる。このため、第１４実施形態よりも書き込み電流を低減することができる。

本実施形態の磁気抵抗効果素子も、第１実施形態と同様に、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さいため、磁気記録層の磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。

なお、本実施形態の磁化固着層１８を、図３１に示すように、非磁性層１８_２を挟んで強磁性結合している２つ強磁性層１８_１、１８_３に置き換えても同様の効果を得ることができる。なお、２つの強磁性層１８_１、１８_３は、反強磁性結合していてもよい。

また、本実施形態も、第１４実施形態と同様に、素子の面積を小さくすることができるとともに面積のばらつきを小さくすることができる。

なお、本実施形態においては、非磁性層としては、スピン拡散長が長いＣｕまたはＣｕ合金を用いることが好ましい。

また、反強磁性層としては、Ｆｅ−Ｍｎ（鉄−マンガン）、Ｐｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ（白金−クロム−マンガン）、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）、Ｉｒ−Ｍｎ（イリジウム−マンガン）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＣｏＯ（酸化コバルト）などを用いることができる。しかし、磁化固着層がベース電極を兼用する本実施形態においては、反強磁性層のシート抵抗はトンネルバリア層を介した抵抗と同程度以上の抵抗であることが好ましい、これら候補としてはＰｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ（白金−クロム−マンガン）、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）などのフェルミ面にＳＤＷのギャップが存在する反強磁性膜、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＣｏＯ（酸化コバルト）などの酸化物反強磁性体を用いれば大きな抵抗率を持っているので、反強磁性層／トンネルバリア層／磁気記録層を介して流れる電流に関する抵抗変化率への影響を小さくすることができる。

また、本実施形態においては、反強磁性層１５が磁化固着層５の下に配置されているが、反強磁性層１５が磁化固着層５の上に配置されていてもよい。また、固着の強さに応じて、反強磁性層／強磁性層／反強磁性層の三層膜、または、反強磁性層と強磁性層を交互に積層した多層膜をベース電極として用いると、より強固な固着力が得られ、信頼性の面でメリットがある。

なお、第１４および第１５実施形態の磁気抵抗効果素子も磁気メモリの磁気抵抗効果素子として用いることができることはいうまでもない。

以下、実施例を参照して本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。

（第１実施例）
まず、本発明の第１実施例として、図１および図２に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。

まず、ＳｉＯ_２からなる基板２上に８０ｎｍのＴａからなるベース電極膜、１００ｎｍのＳｉＯ_２からなる絶縁膜をスパッタにより成膜する。上記絶縁膜上にレジストでベース電極形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとして反応性エッチングを用いて上記絶縁膜、ベース電極膜をパターニングし、ベース電極４を形成すると同時に、ベース電極４の端面が形成される。レジストパターンを剥離した後、ＴＭＲ膜８を形成する。このＴＭＲ膜８は、３ｎｍのＣｏＦｅからなる磁気記録層、１．０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３からなるトンネルバリア層、５ｎｍのＣｏＦｅからなる磁化固着層、１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層、３ｎｍのＲｕからなるキャップ層の順に成膜する。その後、キャップ層上に１００ｎｍのＴａからなるカウンタ電極膜を形成する。

次に、カウンタ電極膜上にレジストでカウンタ電極形状のレジストパターンを形成した後、カウンタ電極膜を反応性イオンエッチングによりエッチングし、カウンタ電極１０を形成する。その後、キャップ層、反強磁性層、磁化固着層、トンネルバリア層、磁気記録層をイオンミリングによりエッチングし、上記レジストパターンを剥離する。その後、磁性層の長軸方向に磁場を印加しながら、２８０℃でアニールを行った。このときの磁性層の長軸方向とは、図１に示す紙面に垂直な方向であり、ＴＭＲ膜８は長軸方向の寸法が長軸方向に垂直な短軸方向の寸法よりも長い形状となっている。この長軸方向が磁化容易軸方向となる。

このような製造方法により０．０８×０．３μｍ²の小面積の素子が形成できた。本実施例では小面積の素子を形成できたため、電流注入によるスピン反転が実現され、抵抗変化が得られた。

本実施例の電流−電圧特性を図１７に示す。スピン注入によりスピン反転が起こり、接合抵抗の変化が観測できた。スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は１．１×１０^７Ａ／ｃｍ^２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は１．６×１０^７Ａ／ｃｍ^２と見積もられる。

形成された素子に流す電流は、図３に示すように基板２に平行でトンネルバリア層を横切る方向に流れることが望まれる。しかし図４に示すように、ベース電極端部の最下部ではトンネルバリア層の下層の磁気記録層を介してカウンタ電極に電流が流れる余分な電流パスが存在する。余分な電流パス上では電流密度が小さいためスピン反転が起こらない。そのため、余分な電流の分だけ抵抗変化率が下がる。

本実施例では磁気記録層は３ｎｍと非常に薄いため、磁気記録層を先に成膜した図３の構造では余分な電流パスによる影響が非常に小さい。本実施例では１８％の磁気抵抗効果が観測できたことから、図４の電流パスの影響は非常に小さいと予想される。

本実施例の構造は、低電流でスピン注入書き込みが出来、大容量メモリとして適していることが分かった。また、書き込み電流のばらつきも、素子サイズの１辺を膜厚で制御できるため、ウエハー内で５％以下と小さく抑えることができた。

(第２実施例)
本発明の第２実施例として、図５に示す構造を持つ磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。

まず、基板２上に８０ｎｍのＣｏＦｅからなる磁化固着層、１００ｎｍのＳｉＯ_２からなる絶縁膜を成膜する。ここで磁化固着層はベース電極として利用される。フォトリソグラフィを用いて上記絶縁膜パターニングする。その後、このパターニングされた絶縁層をハードマスクとしてイオンミリング法を用いてベース電極と兼用の磁化固着層をパターニングする。このとき、ベース電極５の端面が形成される。その後、１，０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３からなるトンネルバリア層、３ｎｍのＣｏＦｅ／１．６ｎｍのＲｕからなる非磁性層／３ｎｍのＣｏＦｅからなる積層構造の磁気記録層、１００ｎｍのＴａからなるカウンタ電極膜の順に成膜する。レジストでカウンタ電極形状のレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしてカウンタ電極膜を反応性イオンエッチングによりエッチングし、カウンタ電極１０を形成する。その後、カウンタ電極１０をハードマスクとして磁気記録層、トンネルバリア層、磁化固着層をイオンミリングによりエッチングし、上記レジストパターンを剥離する。その後、磁性層の長軸方向に磁場を印加しながら、２８０℃でアニールを行った。

このような製造方法により０．０８×０．３μｍ²の小面積の素子が形成できた。

本実施例においては、スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は０．８×１０^７Ａ／ｃｍ^２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は１．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２の電流密度でスピン反転が観測された。

本実施例では図４に説明した余分な電流パスが発生しないためＭＲ値は２５％と比較的大きな値が得られた。余分な電流パスの影響による抵抗変化率の減少がないため、磁気記録層を厚い３層構造にすることが出来た。また、書き込み電流のばらつきも、素子サイズの１辺を膜厚で制御できるため、ウエハー内で４％以下と小さく抑えることができた。

また、本実施例では０．１テスラ程度の大きな磁場で磁化固着層が反転してしまう。この素子を応用する場合は、磁場中アニール後は素子を強磁性体に近づけないように気をつけるともに、磁化固着層が反転しないようにサンプル全体を磁気シールド板で覆うなどの対策が重要となる。

本実施例の構造は、低電流でスピン注入書き込みができ、大容量メモリとして適していることが分かった。

(第３実施例)
本発明の第３実施例として、図６に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は、以下のように形成される。

まず、基板２上に磁化固着層、絶縁膜を成膜する。ここで磁化固着層は強磁性体と反強磁性体を積層させた構造である。さらに磁化固着層はベース電極として利用される。その後の加工プロセスは第２実施例と同じである。なお、磁化固着層は１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層、６５ｎｍのＣｏＦｅからなる強磁性層 、１５ｎｍのＰｔＭｎからなる反強磁性層を積層した構造となっている。また、上記絶縁膜は１００ｎｍのＳｉＯ_２からなっている。トンネルバリア層は０．９５ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３からなっている。磁気記録層は、３ｎｍのＣｏＦｅ／１．６ｎｍのＲｕからなる非磁性層／３ｎｍのＣｏＦｅからなる積層構造となっている。カウンタ電極は１００ｎｍのＴａからなっている。

このような製造方法により、０．０８×０．３μｍ^２の小面積の素子が形成できた。

本実施例においては、スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は０．７×１０^７Ａ／ｃｍ^２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は１．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２の電流密度でスピン反転が観測された。

本実施例では、大きな磁場が印加されても磁化固着層が反転しないように、反強磁性層を磁化固着層に含んでいる。反強磁性層からトンネルバリア層に流れる電流は抵抗変化率を下げる。しかし、ＰｔＭｎからなる反強磁性層のシート抵抗はトンネルバリアの抵抗に比べて抵抗が大きいため、影響は小さかった（ＭＲ比＝２３％）。

本実施例では、小面積の素子を形成できたため、電流注入によるスピン反転が実現され、抵抗変化が得られた。また、書き込み電流のばらつきも、素子サイズの１辺を膜厚で制御できるため、ウエハー内で４．５％以下と小さく抑えることができた。

（第４実施例）
本発明の第４実施例として、図２２に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。この実施例の磁気抵抗効果素子は、以下のように作製される。

ＳｉＯ_２基板上にベース電極材料膜、絶縁層６をスパッタにより順次成膜する。レジストパターンを絶縁層６上に形成した後、このレジストパターンをマスクとして、反応性エッチング、イオンミリングにより、絶縁層６およびベース電極材料膜をエッチングし、ベース電極４を形成すると同時に、素子となるベース電極４の端部が形成される。レジストパターンを剥離した後、磁気記録層８ｃ、トンネルバリア層８ｂ、磁化固着層８ａ、カウンタ電極膜の順に成膜する。なお、磁気記録層８ｃは強磁性体と誘電体を同時にスパッタリングし、成膜される基板に高周波のバイアスを印加することにより形成される。この方法によって形成される強磁性粒のサイズは２０ｎｍ〜１００ｎｍの大きさとなる。高周波のバイアスを基板に印加しながら誘電体と強磁性体を同時に成膜すると、強磁性粒の粒径をそろえることができる。

その後、レジストパターンをカウンタ電極膜上に形成し、このレジストパターンをマスクとしてカウンタ電極膜を反応性イオンエッチングによりエッチングし、カウンタ電極１０を形成する。その後、磁化固着層８ａ、トンネルバリア層８ｂ、磁気記録層８ｃをイオンミリングによりエッチングし、レジストパターンを剥離する。その後、磁性層の長軸方向に磁場を印加して、２８０℃でアニールを行った。

用いた材料と縦方向の厚さは下から順に、ベース電極はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（７０ｎｍ） ／Ｔａ（５ｎｍ）、絶縁層はＳｉＯ_２（１００ｎｍ）、磁気記録層は誘電体で隔てられた強磁性層（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｐｔ_２０−ＡｌＯｘ（２．５ｎｍ）、トンネルバリア層はＡｌ_２Ｏ_３（１．４ｎｍ）、磁化固着層はＣｏＦｅ（５ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／Ｒｕ（３ｎｍ）、カウンタ電極はＴａ（１００ｎｍ）である。

なお、自己組織化現象を用いて磁気記録層を形成してもよい。この自己組織化現象を用いた磁気記録層の形成方法は、ベース電極となる端部を形成した後、磁気記録層となる第１強磁性層、トンネルバリア層、磁化が固着された第２強磁性層、反強磁性層、金属コンタクト層を積層する。続いて、金属コンタクト層上にフォトレジストを塗布し、フォトレジストをハードベークする。その後フォトレジスト上に、ジブロックコポリマーを有機溶剤に溶かしたものをスピンコート法で形成する。

次に、真空中で１４０℃〜２００℃程度の温度で３０時間ほど長時間アニールを行なう。すると、アニール中にジブロックコポリマー２６は自己組織化による相分離を起こし、１５ｎｍ〜３０ｎｍサイズの海島構造が数十ｎｍ間隔で整列する。この自己組織化現象を用いたパターン形成方法は、通常のパターン形成方法、例えば、ＥＢ描画、フォトリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、近接場光リソグラフィー、干渉露光法、ＦＩＢ(Focused Ion Beam)などに比べると安価で短時間に大面積のパターンを形成することができる。その後、酸素プラズマにさらし、ジブロックポリマー部のみを選択的に除去する。ジブロックポリマー部が除去された部分に穴が開く。

次に、乳酸で希釈したＳＯＧ（スピンオングラス）をスピンコート法で塗布すると、この穴内にＳＯＧが埋め込まれる。その後、酸素プラズマを用いてＳＯＧをマスクとしてＲＩＥ(Reactive Ion Etching)でフォトレジストおよびジブロックコポリマーをパターニングする。このとき、ＳＯＧで被覆されたフォトレジスト以外のフォトレジストが除去される。このパターニングされたレジストとＳＯＧからなるエッチングマスクを用いて、イオンミリングで第１強磁性層までパターニングする。続いて、エッチングマスクを除去した後、直ちにＡｌＯｘまたはＳｉＯｘからなる保護膜を全面に形成する。

次に、全面にＳＯＧを塗布してベーキングすることにより層間絶縁膜を形成する。その後、層間絶縁膜をエッチバックし、金属コンタクト層の表面を露出させる。続いて、非磁性金属膜を成膜し、パターニングすることによりカウンタ電極を形成する。

このような形成方法により０．０８×０．２５μｍ^２の小面積の素子が形成できた。本実施例では小面積の素子を形成できたため、電流注入によるスピン反転が実現され、抵抗変化が得られた。

本実施例の電流−電圧特性を図３２に示す。スピン注入によりスピン反転が起こり、接合抵抗の変化が観測できた。スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は０．５×１０^７Ａ／ｃｍ^２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は０．６×１０^７Ａ／ｃｍ^２と見積もられる。

トンネルバリア層の下層の磁気記録層として誘電体で隔てられた強磁性層を用いたため、カウンター電極に電流が流れる余分な電流パスが存在せず、電流は無駄なくスピン注入書き込みに使用される。

以上示したように、本実施例の構造は、０．２５μｍ^２の大きさまで還流磁場による影響は見られず、０．１×０．１μｍ^２より大きなサイズのセルも含め、幅広いサイズで低電流書き込みが可能なスピンメモリを提供できる。また、強磁性層は（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｐｔ_２０−ＡｌＯｘ（２．５ｎｍ）を用いているため、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性も問題ない。また、構造上磁化固着層の体積を磁気記録層の実効的な体積に比べ非常に大きくできるため、図３３に示すように、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化の安定性も保つことができることが分かった。

本実施例の構造は、低電流でスピン注入書き込みができ、大容量メモリとして適していることが分かった。また、書き込み電流のばらつきも、素子サイズの１辺を膜厚で制御できるため、ウエハー内で５％以下と小さく抑えることができた。

（第５実施例）
本発明の第５実施例として、図２９に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。この実施例の磁気抵抗効果素子は、以下のように作製される。

基板上に磁化固着層、絶縁層を成膜する。ここで磁化固着層はベース電極として兼用される。レジストパターンを絶縁層上に形成し、このレジストパターンマスクとして絶縁層をパターニングする。その後、絶縁層をハードマスクとしてイオンミリングすることによりベース電極がパターニングされる同時に、素子となるベース電極の傾斜した端部が形成される。その後、トンネルバリア層、磁気記録層、カウンタ電極層の順に成膜する。レジストパターンをカウンタ電極上に形成し、このレジストパターンをマスクとしてカウンタ電極を反応性イオンエッチングによりエッチングする。その後、カウンタ電極をハードマスクとしてトンネルバリア層、磁化固着層をイオンミリングによりエッチングし、レジストを剥離する。その後、磁性層の長軸方向に磁場を印加して、２８０℃でアニールを行った。

用いた材料と縦方向の厚さは下から順に、ベース電極を兼ねた磁化固着層はＣｏＦｅ（６５ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、絶縁層はＳｉＯ_２（１００ｎｍ）、トンネルバリア層はＡｌ_２Ｏ_３（１．４ｎｍ）、磁気記録層は誘電体で隔てられた強磁性粒（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｐｔ_２０−ＡｌＯｘ（２．５ｎｍ）、非磁性層はＲｕ（１５ｎｍ），カウンタ電極はＴａ（１００ｎｍ）である。

このような形成方法により０．０８×０．２５μｍ^２の小面積の素子が形成できた。

本実施例においては、スピン反転の電流密度は磁気記録層の磁化の向きを磁化固着層に対して反平行から平行の向きに反転させる場合は０．４×１０^７Ａ／ｃｍ^２、逆に平行から反平行へ反転させる場合は０．５５×１０^７Ａ／ｃｍ^２の電流密度でスピン反転が観測された。

本実施例においては、トンネルバリア層の下層の磁気記録層として誘電体で隔てられた強磁性層を用いたため、カウンタ電極に電流が流れる余分な電流パスが存在せず、電流は無駄なくスピン注入書き込みに使用される。

以上、説明したように、本実施例の構造は、０．２５μｍ^２の大きさまで還流磁場による影響は見られず、０．１×０．１μｍ^２より大きなサイズセルも含め、幅広いサイズで低電流書き込みが可能となる。

また、強磁性層は（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｐｔ_２０−ＡｌＯｘ（２．５ｎｍ）を用いているため、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性も問題ない。

また、構造上磁化固着層の体積を磁気記録層の実効的な体積に比べ非常に大きくできるため、第４実施例と同様に、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化の安定性も保つことができることが分かった。

本実施例の構造は、低電流でスピン注入書き込みができ、大容量メモリとして適していることが分かった。また、書き込み電流のばらつきも、素子サイズの１辺を膜厚で制御できるため、ウエハー内で５％以下と小さく抑えることができた。

（第６実施例）
次に、本発明の第６実施例として、図２８に示す磁気抵抗効果素子において、非磁性層１７の材料を変えた試料１〜試料６を作製し、図３１に示す構造の磁気抵抗効果素子を試料７〜試料１２として作製し、図３０に示す構造の磁気抵抗効果素子を試料１３として作製した。磁化固着層を兼ねたベース電極５として膜厚６５ｎｍのＣｏＦｅ、反強磁性層１５として膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎ、絶縁層６として膜厚１０ｎｍのＳｉＯ_２、トンネルバリア層８ｂとしてＡl_２Ｏ_３、磁気記録層８ｃとして（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｐｔ_２０−ＡｌＯｘ（３ｎｍ）から構成されている。なお、試料４および試料１０は磁気記録層８ｃの強磁性粒８ｃ_１の材料がＣｏ_９０Ｆｅ_１０であり他の試料のそれとは異なっている。

また、比較例１として試料１において非磁性層１７を削除したものを作製し、比較例２として、試料４において非磁性層１７を削除したものを作製した。

このような構成の試料１−１３の素子、および比較例１、２の素子の書き込み電流密度をそれぞれ測定した結果を図３４に示す。素子の面積はいずれも０．０８×０．２５μｍ^２である。図３４に示す電流密度は、平行の向きに反転させる場合の電流密度と逆に平行から反平行へ反転させる場合の電流密度との平均値を示す。

図３４の測定結果からわかるように、磁気記録層がＣｏを含む強磁性層である場合、この強磁性層に接する非磁性層の材料がＣｒ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれら合金であるが好ましい。

また、磁気記録層がＣｏ−Ｆｅを含む強磁性層の場合、この強磁性層に接する非磁性層の材料がＣｒ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｒｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれら合金であることが好ましい。

本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の斜視図。 第１実施形態の電流の経路を説明する図。 第１実施形態の電流の経路を説明する図。 本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第４実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第４実施形態による磁気メモリの列方向に配置されたメモリセルの上面図。 本発明の第５実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第５実施形態による磁気メモリの列方向に配置されたメモリセルの上面図。 第４の実施形態の変形例による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第４の実施形態の変形例による磁気メモリの列方向に配置されたメモリセルの上面図。 本発明の第６実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第６実施形態による磁気メモリの列方向に配置されたメモリセルの上面図。 本発明の第７実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第７実施形態による磁気メモリの列方向に配置されたメモリセルの上面図。 本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子の電流−電圧特性図。 本発明の第８実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第９実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第１０実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第１１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第１２実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第１３実施形態による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第１３実施形態の第１変形例による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第１３実施形態の第２変形例による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第１３実施形態の第３変形例による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 第１３実施形態の第４変形例による磁気メモリのメモリセルの構成を示す断面図。 本発明の第１４実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第１４実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第１５実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第１５実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 本発明の第４実施例による磁気抵抗効果素子の電流−電圧特性図。 本発明の第４実施例による磁気抵抗効果素子の書き込み回数に対するＭＲ変化率を示すグラフ。 本発明の第６実施例で作製した試料の電流密度の測定結果を示す図。 本発明の第９実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第１実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第３実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第３実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第３実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第３実施形態の第４変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第３実施形態の第５変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。 第３実施形態の第６変形例による磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図。

符号の説明

１ 磁気抵抗効果素子
２ 基板（絶縁膜）
３ 反強磁性層
４ ベース電極
５ ベース電極を兼ねた磁化固着層
６ 絶縁膜
８ ＴＭＲ膜
８ａ 強磁性層（磁化固着層）
８ｂ トンネルバリア層
８ｃ 強磁性層（磁化自由層（磁気記録層））
８ｃ_１ 強磁性粒
８ｃ_２ 誘電体
９ 接合部
１０ カウンタ電極
１２ 第２のカウンタ電極
１７ 非磁性層
１８ 強磁性層（磁化固着層）
１８_１ 強磁性層
１８_２ 非磁性層
１８_３ 強磁性層
１９ 反強磁性層
２０ コンタクト
２４ 接続部
３０ 選択トランジスタ
３２ ゲート
３４ ソース
３６ ドレイン
３８ ドレイン電極

Claims (23)

1. 端面を有する第１電極と、
   磁化の向きが固着された磁化固着層、磁化の向きが可変の磁化自由層、および前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた第１非磁性層を有し、前記第１電極の前記端面に表面が接するように形成された磁気抵抗効果膜と、
   前記磁気抵抗効果膜の前記第１電極に接する前記表面と反対側の表面上に形成された第２電極と
   を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記磁気抵抗効果膜の前記磁化自由層および前記磁化固着層のうちの一方の層は他方の層に比べてシート抵抗が高く、前記一方の層は前記第１電極の前記端面に接することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記一方の層は前記他方の層よりも膜厚が薄いことを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記一方の層は磁化自由層であることを特徴とする請求項２または３に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記磁化自由層は非磁性元素を含み粒界を備えてい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。
6. 前記磁化自由層と前記磁化固着層のいずれか一方と前記第１非磁性層との間に分離して設けられた複数の絶縁体を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記複数の絶縁体と前記第１非磁性層との間に前記絶縁体で覆われた第２非磁性層を備えていることを特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記磁化自由層は、誘電体で隔てられた強磁性粒を備えたことを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記磁化固着層は、強磁性層と反強磁性層を交互に積層した積層膜であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
10. 端面を有し、磁化の向きが固着された第１電極と、
    前記第１電極の前記端面に膜面が接するように形成された第１非磁性層と、
    前記第１非磁性層上に形成された磁化の向きが可変の磁化自由層と、
    前記磁化自由層上に形成された第２電極と
    を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
11. 前記第１電極の下面および上面の少なくとも一方に形成され前記第１電極の磁化の向きを固着する反強磁性層を備えたことを特徴とする請求項１０記載の磁気抵抗効果素子。
12. 前記反強磁性層は絶縁物からなっていることを特徴とする請求項１１記載の磁気抵抗効果素子。
13. 前記第１電極は強磁性層と反強磁性層とが交互に積層された積層膜であることを特徴とする請求項１０記載の磁気抵抗効果素子。
14. 前記磁化自由層は、誘電体で隔てられた強磁性粒を備えたことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
15. 前記磁化自由層と前記第２電極との間に第２非磁性層が設けられたことを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
16. 前記第２非磁性層と前記第２電極との間に磁化の向きが固着された磁化固着層が設けられていることを特徴とする請求項１５記載の磁気抵抗効果素子。
17. 前記磁化固着層は、第３非磁性層を介して磁気的結合した複数の強磁性層からなることを特徴とする請求項１６記載の磁気抵抗効果素子。
18. 前記磁化固着層は、強磁性層と反強磁性層を交互に積層した積層膜であることを特徴とする請求項１６または１７記載の磁気抵抗効果素子。
19. 前記第１電極と前記磁化自由層のいずれか一方と前記第１非磁性層との間に分離して設けられた複数の絶縁体を有していることを特徴とする請求項１０乃至１８のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
20. 前記複数の絶縁体と前記第１非磁性層との間に前記絶縁体で覆われた第４非磁性層を備えていることを特徴とする請求項１９記載の磁気抵抗効果素子。
21. 前記磁化自由層は非磁性元素を含み粒界を備えていることを特徴とする請求項１０乃至１３、１５乃至２０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
22. 前記第１非磁性層はトンネルバリア層であることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
23. マトリクス上に配置された複数のメモリセルを有し、当該メモリセルが請求項１乃至２２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を備えていることを特徴とする磁気メモリ。

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