JP2007027575A - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】 低消費電力、低電流書き込みで動作し、信頼性の高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可能にする。
【解決手段】 少なくとも２つの磁性層１０_１、１０_３と、磁性層間に設けられた非磁性層１０_２とを有し磁性層が反強磁性結合をし磁化の向きが可変な磁化自由層１０と、磁化自由層の一方の側に設けられたトンネルバリア層８と、トンネルバリア層の磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第１磁化固着層６と、磁化自由層のトンネルバリア層とは反対側に設けられた非磁性金属層１２と、非磁性金属層の磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層１４と、を備え、第１および第２磁化固着層の磁化の向きは互いに実質的に同じであって、非磁性金属層はＣｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかか、またはそれらの合金からなっており、磁化自由層の非磁性層はＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒのいずれかか、またはそれらの合金からなっているている。
【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（磁気抵抗効果メモリ：ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory））に用いることが提案されている。

近年、２つの強磁性層の間に１層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜を有し、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「トンネル磁気抵抗効果素子（Tunneling Magneto-Resistance effect：ＴＭＲ素子）」が提案されている。ＴＭＲ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への民生化応用技術開発が盛んに行われている。

このＴＭＲ素子は、強磁性層上に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重トンネル接合のトンネルバリア層を挟む一方の強磁性層に反強磁性層を付与して磁化固定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、強磁性膜が連続膜である強磁性２重トンネル接合も提案されている。

これら磁気抵抗効果素子においても、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ＴＭＲ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。特に、強磁性２重トンネル接合を用いた磁気記録素子は、上述したように、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ため、大きな出力電圧が得られ、磁気記録素子として好ましい特性を示す。

しかし、磁気記録層への書きこ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、消費電力が大きく、大容量化したとき配線の許容電流密度に限界があり大容量化できない。また、電流を流す絶対値が１ｍＡ以下、ＤＲＡＭとの代替のためには０．２ｍＡ以下でないと電流を流すためのドライバの面積が大きくなり、他の不揮発性固体磁気メモリ、例えば、強誘電体キャパシタを用いた強誘電体メモリ(Ferro-electric Random Access Memory)やフラッシュメモリなどと比較した場合チップサイズが大きくなって競争力が無くなってしまうなどの問題が有る。

上記の問題に対し、書込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込に必要な電流値を効率的に低減できる。

しかしながら、高透磁率磁性膜を用いても、書き込み電流値を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）。このスピン注入法は、スピン偏極した電流を、メモリ素子の磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化の向きを反転することを利用している。

しかし、スピン注入法をＴＭＲ素子に応用した場合、トンネル絶縁膜がブレークダウンする等の素子破壊の問題があり、素子の信頼性に問題があった。

このため、スピン注入法を用いて書き込みを行っても、素子破壊の無い程度の書き込み時の電流密度を小さくかつ熱揺らぎ耐性を有し、隣接セルとの相互作用が小さい新しい磁気抵抗効果素子およびスピンメモリの材料および構造，アーキテクチャを提供する必要があった。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書

以上説明したように、低消費電力、低電流書き込みで動作し、素子破壊が無く信頼性が高く、熱揺らぎ耐性を有し、かつ隣接セルとの相互作用が小さい新しい磁気抵抗効果素子およびスピンメモリの材料および構造，アーキテクチャが必要とされる。

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、低消費電力、低電流書き込みで動作し、信頼性の高い磁気抵抗効果素子およびこれを用いた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、少なくとも２つの磁性層と、前記磁性層間に設けられた非磁性層とを有し前記磁性層が反強磁性結合をし磁化の向きが可変な磁化自由層と、前記磁化自由層の一方の側に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第１磁化固着層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた非磁性金属層と、前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層と、を備え、前記第１および第２磁化固着層の磁化の向きは互いに実質的に同じであって、前記非磁性金属層はＣｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかか、またはそれらの合金からなっており、前記磁化自由層の非磁性層はＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒのいずれかか、またはそれらの合金からなっていることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、少なくとも２つの磁性層と、前記磁性層間に設けられた非磁性層とを有し前記磁性層が反強磁性結合をし磁化の向きが可変な磁化自由層と、前記磁化自由層の一方の側に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第１磁化固着層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた非磁性金属層と、前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層と、を備え、前記第１および第２磁化固着層の磁化の向きは互いに実質的に反対であって、前記非磁性金属層はＲｕ、Ｒｈのいずれかか、またはそれらの合金からなっており、前記磁化自由層の非磁性層はＲｈ、Ｒｕのいずれかか、またはそれらの合金からなっていることを特徴とする。

なお、前記磁化自由層の磁性層間の層間結合エネルギーＪ_ＥＸは、０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きことが好ましい。

また、本発明の第３の態様による磁気抵抗効果素子は、少なくとも２つの磁性層と、前記磁性層間に設けられた非磁性層とを有し前記磁性層が反強磁性結合をし磁化の向きが可変な磁化自由層と、前記磁化自由層の一方の側に設けられたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第１磁化固着層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた非磁性金属層と、前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層と、を備え、前記磁化自由層の磁性層間の層間結合エネルギーＪ_ＥＸは、０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きいことを特徴とする。

なお、前記非磁性金属層は前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側の面に部分的に設けられ、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側の面の前記非磁性金属層が設けられていない部分に設けられた誘電体層を更に備え、前記第２磁化固着層は前記非磁性金属層および前記誘電体層それぞれの前記磁化自由層とは反対側の面を覆うように設けられていてもよい。

なお、前記誘電体層の前記第２磁化固着層との界面は、前記非磁性金属層の前記第２磁化固着層との界面と実質的に同一面上にあってもよい。

なお、前記誘電体層の前記第２磁化固着層との界面は、前記非磁性金属層の前記第２磁化固着層との界面よりも前記トンネルバリア層と前記磁化自由層との界面から遠くてもよい。
なお、前記誘電体層の前記磁化自由層との界面は、前記非磁性金属層の前記磁化自由層との界面よりも前記トンネルバリア層と前記磁化自由層との界面に近くてもよい。

なお、前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側の面に部分的に設けられた誘電体層を更に備え、前記第２磁化固着層は前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側の面および前記誘電体層の前記非磁性金属層とは反対側の面を覆うように設けられていてもよい。

なお、前記誘電体層の前記第２磁化固着層との界面は、前記非磁性金属層の前記第２磁化固着層との界面と実質的に同一面上にあってもよい。

なお、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側の面に部分的に設けられた誘電体層を更に備え、前記非磁性金属層は前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側の面の前記誘電体層が設けられていない部分に設けられるとともに前記誘電体層の前記磁化自由層とは反対側の面を覆うように設けられ、前記第２磁化固着層は前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側の面に設けられていてもよい。

なお、前記誘電体層の前記磁化自由層との界面は、前記非磁性金属層の前記磁化自由層との界面と実質的に同一面上にあってもよい。

なお、前記第１および第２磁化固着層の少なくとも一方が磁性層／非磁性層／磁性層の３層構造、または磁性層／非磁性層／磁性層／非磁性層／磁性層の５層構造のいずれかからなっていてもよい。

なお、前記第１および第２磁化固着層の少なくとも一方に反強磁性膜が接していてもよい。

また、本発明の第４の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第１配線と、前記磁気抵抗効果素子の他端が接続される第２配線と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の第１および第２磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記第１および第２磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端とそれぞれ接続される第１配線と、前記第１磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第２配線と、前記第２磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第３配線と、を備え、前記第１配線から前記第２配線に向かう方向の前記第１磁気抵抗効果素子の層配置は、前記第１配線から前記第３配線に向かう方向の前記第２磁気抵抗効果素子の層配置と逆となっていることを特徴とする。

なお、一端が前記第２配線に接続される第１読み出しトランジスタと、一端が前記第３配線に接続される第２読み出しトランジスタと、前記第１読み出しトランジスタの他端と前記第２読み出しトランジスタの他端に接続される差動増幅回路と、を備えていてもよい。

本発明によれば、低消費電力、低電流書き込みで動作し、信頼性の高い磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することができる。

本発明の実施形態を以下、図面を参照して詳細に説明する。

まず、本発明の実施形態を説明する前に、本発明の原理を説明する。

反強磁性層と、反強磁性層上に設けられた磁化固着層と、磁化固着層上に設けられたトンネルバリア層と、トンネルバリア層上に設けられ第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の積層膜を有する磁気記録層（磁化自由層）と、磁気記録層上に設けられた非磁性金属層とを備えたＴＭＲ素子を、３種類作製した。これらのＴＭＲ素子の磁気記録層は、第１磁性層と第２磁性層が非磁性層を介して反強磁性結合しており、シンセティックな反強磁性結合の磁化自由層となっている。

作製されたＴＭＲ素子は、反強磁性層がＩｒＭｎ（１２ｎｍ）、磁化固着層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）、トンネルバリア層がＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）、磁気記録層がＣｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（５ｎｍ）、非磁性金属層がＲｕからなっている。なお、括弧内の数値は膜厚を示している。そして、磁気記録層のＲｕ層の膜厚が０．９５ｎｍ、１．０５ｎｍ、１．１５ｎｍの３種類を作製するとともに、さらにそれぞれの種類に対して接合面積が異なるものも作製した。それぞれの接合面積を測定したところ０．２８μｍ^２、０．３９μｍ^２、０．５２μｍ^２、０．６７μｍ^２であった。

なお、上記作製された３種類のＴＭＲ素子は、以下の構成となっている。
１） ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（５ｎｍ）／Ｒｕ
２） ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（１．０５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（５ｎｍ）／Ｒｕ
３） ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（１．１５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（５ｎｍ）／Ｒｕ

これらのＴＭＲ素子の上部に別途設けた配線に電流を流して磁界を発生させ、それぞれのＴＭＲ素子のＭＲ特性を測定した。そして、これらのＭＲ特性のスイープレート依存性から磁性層の磁気的エネルギーと熱エネルギーとの比である熱擾乱耐性定数（Ｋ_ｕＶ／ｋ_ＢＴ）を求め、さらに熱擾乱耐性定数の接合面積依存性を求めた。この結果を図３に示す。ここで、Ｋ_ｕは磁性層の磁気異方性エネルギー密度、Ｖは磁性層の体積、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは磁性層の絶対温度である。

また、磁気記録層のＲｕ層の膜厚が異なっている上記３種類のＴＭＲ素子の第１および第２磁性層間の相互作用の強さである層間交換結合エネルギーＪ_ＥＸを計算し、磁気異方性エネルギー密度Ｋ_ｕの層間交換結合エネルギーＪ_ＥＸの依存性を求めた。この結果を図４に示す。

また、比較例として磁気記録層が単層であるＴＭＲ素子も作製した。この比較例のＴＭＲ素子は、以下の構成となっている。
４）ＩｒＭｎ（１２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／ＡｌＯ_ｘ（１．４ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ
なお、この比較例も上述のＴＭＲ素子と同様に測定されて求められ、その結果が図３および図４に示されている。

図３および図４の結果から明らかなように、シンセティックな反強磁性結合の第１磁性層／非磁性層／第２磁性層の積層構造を有する磁気記録層間の相互作用の強さがＪｅｘ＞０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２であると微細化したときの熱擾乱耐性が良くなる。このため、微細化したとき熱揺らぎにより素子情報が消去されるのを防ぐことができる。

また、シンセティックな反強磁性結合構造の磁気記録層を用いると、隣接するメモリセル間の距離が０．１μｍを切ったときも隣接するメモリセルからの漏れ磁場による誤動作が無くなると言うメリットがあることが分かった。

以上のことにより、本発明の各実施形態は、シンセティックな反強磁性結合構造の磁気記録層を有する磁気抵抗効果素子およびこの磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリに関するものである。

（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を図１に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子１は、下地層２上に設けられた反強磁性層４と、反強磁性層４上に設けられ磁化（スピン）の向きが固着された第１磁化固着層６と、磁化固着層上に設けられたトンネルバリア層８と、トンネルバリア層上に設けられ磁化の向きが可変でかつシンセティックな反強磁性結合の磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３の積層膜を有する磁気記録層（磁化自由層）１０と、磁気記録層１０上に設けられた非磁性金属層１２と、非磁性金属層１２上に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層１４と、第２磁化固着層１４上に設けられた反強磁性層１６と、反強磁性層１６上に形成された金属ハードマスクまたは金属保護膜１８とを備えており、スピン偏極した電流を流すことにより、磁気記録層の磁化の向きを反転させる。

第１磁化固着層６は反強磁性層４との交換結合力によって磁化の向きが固着され、第２磁化固着層１４は反強磁性層１６との交換結合力によって磁化の向きが固着されている。また本実施形態においては、第１磁化固着層６と第２磁化固着層１４の磁化の向きが実質的に平行となっている。なお、ここで「磁化の向きが平行である」とは「磁化の向きが同じである」ことを意味する。また、「磁化の向きが反平行である」とは「磁化の向きが逆である」ことを意味する。

また、シンセティックな反強磁性結合の磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３の積層膜を有する磁気記録層１０は、磁性層１０_１と磁性層１０_３との層間結合エネルギーＪ_ＥＸは０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きくなっている。したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、熱擾乱耐性を有しているほか、メモリセルに用いた場合には隣接するメモリセル間の相互作用も小さく誤動作が小さい。

また、本実施形態においては、非磁性金属層１２としてＣｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかか、またはそれら合金が用いられる。この場合に、スピン注入、すなわちスピン偏極した電流を流すことによりデータ“１”、“０”の書き込みを行うことが可能となり、通常のトンネル接合素子にスピン注入書き込みを行う場合に比べて書き込み電流を小さくできることを本発明者は見出した。

また、磁気記録層１０の非磁性層１０_２としては磁性層１０_１、１０_３の反射効果が小さく磁性層１０_１、１０_３間の相互作用が小さいＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒまたはそれら合金が用いられるが、Ｒｕを用いることがより好ましい。

一般的に、磁化固着層／非磁性層／磁気記録層が積層された通常のＧＭＲ素子、および磁化固着層／トンネルバリア層／磁気記録層が積層された通常のトンネル接合素子のスピン注入書き込み原理は、以下に示す通りである。

ａ）磁化固着層、磁気記録層のスピンモーメントを反平行→平行へスピン反転させる場合；
磁化固着層側から電子を注入し、磁化固着層でスピン偏極した電子がトンネルバリア層（または非磁性層）をトンネルし、磁気記録層へスピントルクを及ぼし、磁気記録層のスピンが反平行→平行へ反転する。

ｂ）磁化固着層、磁気記録層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；
磁気記録層側から電子を注入し、磁気記録層でスピン偏極した電子がトンネルバリア層をトンネルする。その際、磁化固着層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トンネルするが、反平行のスピンは反射される。磁気記録層へ反射してきた電子は、磁気記録層へスピントルクを及ぼし、磁気記録層のスピンが平行→反平行へ反転する。

この時に必要な電流は以下の式で書き表すことができる。
反平行→平行の場合；
Ｉｃ^Ｐ ＝ｅαＭＡ_ｔ［Ｈ−Ｈ_ｋ−２πＭ］／ｈｇ（π）
平行→反平行の場合；
Ｉｃ^ＡＰ＝ｅαＭＡ_ｔ［Ｈ＋Ｈ_ｋ＋２πＭ］／ｈｇ（０）
ここで、ｅは電気素量、αはGilbert damping parameter、Ｍは磁化、Ａ_ｔは磁気記録層の体積、Ｈは磁場、Ｈ_ｋは異方性定数、ｈはPlank定数である。g(０)、g(π)は、磁化固着層／非磁性層界面でのスピン依存性を示す値で、次式で与えられる。
ｇ（θ）＝［−４＋（１＋ｐ）^３（３＋ｃｏｓθ）／４ｐ^３／２］^{−１
ここで、ｐはスピン偏極率である。この式より、}ｇ（π）＞ｇ（０）であるため、一般に、反平行→平行にスピン反転させる場合の電流Ｉｃ^Ｐの方が、平行→反平行にスピン反転させる場合の電流Ｉｃ^ＡＰに比べて小さい。

これに対して、本実施形態による磁気抵抗効果素子１は、磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３からなる磁気記録層１０を挟むように、磁気記録層１０の一方の側にトンネルバリア層８を介して第１磁化固着層６が、他方の側に非磁性金属層１２を介して第２磁化固着層１４が設けられた構成となっている。

このため、本実施形態においては、第１磁化固着層６、トンネルバリア層８、磁気記録層１０間の抵抗は、磁気記録層１０、非磁性金属層１２、第２磁化固着層１４間の抵抗値に比べ大きくなり、第１磁化固着層６、トンネルバリア層８、磁気記録層１０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。

本実施形態において、第１磁化固着層６と、磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い磁性層１０_１のスピンモーメントを反平行→平行へ、磁気記録層１０の非磁性金属層１２に近い磁性層１０_３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、第１磁化固着層６側から磁気記録層１０へ電子を注入する。この場合、第１磁化固着層６で第１磁化固着層６の磁化の向きと同じ向きにスピン偏極した電子がトンネルバリア層８をトンネルし、磁気記録層１０へスピントルクを及ぼす。さらに、反強磁性結合した磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３を有する磁気記録層１０から非磁性金属層１２を介して第２磁化固着層１４に電子が注入される。このとき、磁性層１０_１のスピンモーメントが第１磁化固着層６のスピンモーメントに対して反平行の間は、第２磁化固着層１４と磁気記録層１０の磁性層１０_３とのスピンモーメントが平行のため、非磁性金属層１２として上記したもの（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかか、またはこれらの合金）を選択することにより、第２磁化固着層のスピンモーメントの向きと反平行のスピンモーメントを有する電子は第２磁化固着層１４によって反射されて磁気記録層１０へスピントルクを及ぼす。これにより、磁気記録層１０においては、第１磁化固着層６のスピンモーメントに対してトンネルバリア層８に近い磁性層１０_１のスピンモーメントは反平行→平行へ、非磁性金属層１２に近い磁性層１０_３のスピンモーメントは平行→反平行へ反転する。これら２つのスピントルクにより、磁気記録層が単層である通常のＴＭＲ素子に比べてスピン注入の電流値は著しく低下する。

また、本実施形態において、第１磁化固着層６と、磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い磁性層１０_１のスピンモーメントを平行→反平行へ、磁気記録層１０の非磁性金属層１２に近い磁性層１０_３のスピンモーメントを反平行→平行へ反転する場合、第２磁化固着層１４から磁気記録層１０へ電子を注入する。この場合、第２磁化固着層１４でスピン偏極した電子が非磁性金属層１２を通過して磁気記録層１０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８をトンネルして第１磁化固着層６へ流れようとするが、トンネルバリア層８をトンネルする際、第１磁化固着層６のスピンモーメントの向きと同じスピンモーメントの向きを持つ電子はトンネル確率が高く容易にトンネルするが、反平行のスピンモーメントの向きを有する電子は反射される。磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３からなる磁気記録層１０へ反射してきた電子は、磁気記録層１０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１０のスピンモーメントが逆方向へ反転する。この場合も、磁気記録層が単層である通常のＴＭＲ素子に比べてスピン注入の電流値は著しく低下する。

したがって、本実施形態による磁気抵抗効果素子にスピン注入を行うことにより低消費電力でデータ“１”、“０”の書き込みを行うことが可能となるとともに、磁気記録層が単層の通常のトンネル接合素子にスピン注入書き込みを行う場合に比べて書き込み電流を小さくできる。このため、書き込みする際にトンネルバリア層が絶縁破壊するのを防止することが可能となり、信頼性の高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。

なお、第１実施形態において、非磁性金属層１２をトンネルバリア層で置き換えても良い。

また、本実施形態においては、第１磁化固着層６と第２磁化固着層１４のスピンモーメントの向きは実質的に平行になっていたが、第１および第２磁化固着層６、１４からの漏れ磁場をなくすために、図２に示す変形例の磁気抵抗効果素子１Ａのように、第１磁化固着層６に磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３からなる３層積層膜を用い、第２磁化固着層１４に磁性層１４_１／非磁性層１４_２／磁性層１４_３からなる３層積層膜を用いることがより好ましい。この構造を用いると磁化固着層６、１４の磁化の固着が強く磁化固着が強くなって、スピン注入書き込みを行った場合に磁化固着層が安定し、好ましい。また、メモリセルに用いた場合、隣接するメモリセル間の相互作用も低減する。

（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に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、第２磁化固着層１４を第２磁化固着層１５に置き換えるとともに、非磁性金属層１２をＲｕまたはＲｈからなるように構成したものである。第２磁化固着層１５は非磁性金属層１２側に設けられた磁性層１５_１と、磁性層１５_１上に設けられた非磁性層１５_２と、非磁性層１５_２上に設けられた磁性層１５_３とを備えている。そして、磁性層１５１の磁化の向きと第１磁化固着層６の磁化の向きは実質的に反平行となっている。

本実施形態においては、第１実施形態と同様に、シンセティックな反強磁性結合の磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３の積層膜を有する磁気記録層１０は、磁性層１０_１と磁性層１０_３との層間結合エネルギーＪ_ＥＸは０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きくなっている。したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂは、熱擾乱耐性を有しているほか、メモリセルに用いた場合には隣接するメモリセル間の相互作用も小さく誤動作が小さい。

また、本実施形態においては、非磁性金属層１２としてＲｕ、Ｒｈのいずれかか、またはそれら合金が用いられる。この場合に、スピン注入、すなわちスピン偏極した電流を流すことにより情報“１”、“０”の書き込みを行うことが可能となり、通常のトンネル接合素子にスピン注入書き込みを行う場合に比べて書き込み電流を小さくできる。

また、磁気記録層１０の非磁性層１０_２としては磁性層１０_１、１０_３の反射効果が小さく磁性層１０_１、１０_３間の相互作用が小さいＲｕ、Ｒｈのいずれかか、またはそれら合金が用いられるが、Ｒｈを用いることがより好ましい。

本実施形態の場合、非磁性金属層１２としてＲｕ、Ｒｈのいずれかか、またはそれらの合金を用いているので、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかか、またはそれらの合金を用いた第１実施形態に比べて、反射する伝導電子のスピンモーメントの向きが反対になる。すなわち第２磁化固着層によって反射される電子のスピンモーメントの向きは、第２磁化固着層の磁化の向きと同じになる。したがって、本実施形態のように、磁気記録層１０を挟む第１および第２磁化固着層の最近接磁性層のスピンモーメントの向きを実質的に１８０度異なる配置、すなわち反平行にする必要がある。

本実施形態において、第１磁化固着層６と、磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い磁性層１０_１のスピンモーメントを反平行→平行へ、磁気記録層１０の非磁性金属層１２に近い磁性層１０_３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、第１磁化固着層６側から磁気記録層１０へ電子を注入する。この場合、第１磁化固着層６で第１磁化固着層６の磁化の向きと同じ向きにスピン偏極した電子がトンネルバリア層８をトンネルし、磁気記録層１０へスピントルクを及ぼす。さらに、反強磁性結合した磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３を有する磁気記録層１０から非磁性金属層１２を介して第２磁化固着層１５に電子が注入される。このとき、磁性層１０_１のスピンモーメントが第１磁化固着層６のスピンモーメントに対して反平行の間は、第２磁化固着層１５の磁性層１５_１と磁気記録層１０の磁性層１０_３とのスピンモーメントが反平行のため、非磁性金属層１２として上記したもの（Ｒｕ、Ｒｈのいずれかか、またはこれらの合金）を選択することにより、第２磁化固着層１５の磁性層１５_１のスピンモーメントの向きと平行のスピンモーメントを有する電子は第２磁化固着層１５によって反射されて磁気記録層１０へスピントルクを及ぼす。これにより、磁気記録層１０においては、第１磁化固着層６のスピンモーメントに対してトンネルバリア層８に近い磁性層１０_１のスピンモーメントは反平行→平行へ、非磁性金属層１２に近い磁性層１０_３のスピンモーメントは平行→反平行へ反転する。これら２つのスピントルクにより、磁気記録層が単層である通常のＴＭＲ素子に比べてスピン注入の電流値は著しく低下する。

また、本実施形態において、第１磁化固着層６と、磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い磁性層１０_１のスピンモーメントを平行→反平行へ、磁気記録層１０の非磁性金属層１２に近い磁性層１０_３のスピンモーメントを反平行→平行へ反転する場合、第２磁化固着層１５から磁気記録層１０へ電子を注入する。この場合、第２磁化固着層１５の磁性層１５_１と反対の向きのスピンモーメントを有する電子が非磁性金属層１２を通過して磁気記録層１０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８をトンネルして第１磁化固着層６へ流れようとするが、トンネルバリア層８をトンネルする際、第１磁化固着層６のスピンモーメントの向きと同じスピンモーメントの向きを持つ電子はトンネル確率が高く容易にトンネルするが、反平行のスピンモーメントの向きを有する電子は反射される。磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３からなる磁気記録層１０へ反射してきた電子は、磁気記録層１０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１０のスピンモーメントが逆方向へ反転する。この場合も、磁気記録層が単層である通常のＴＭＲ素子に比べてスピン注入の電流値は著しく低下する。

この配置を用いると、第１実施形態と同様に磁気記録層に２重にトルクが作用することになり、書き込み電流を小さくすることができる。このため、書き込みする際にトンネルバリア層が絶縁破壊するのを防止することが可能となり、信頼性の高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。

なお、第２実施形態において、非磁性金属層１２をトンネルバリア層で置き換えても良い。

また、本実施形態においては、第１磁化固着層６と第２磁化固着層の、磁気記録層１０に最も近い磁性層のスピンモーメントの向きは実質的に反平行になっていたが、第１磁化固着層６からの漏れ磁場をなくすために図６に示す第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ｃのように第１磁化固着層６を磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３からなる３層積層膜としてもよい。この構造を用いると第１磁化固着層６の磁化固着が強くなって、スピン注入書き込みを行った場合に磁化固着層が安定し、好ましい。また、メモリに用いた場合、隣接するメモリセル間の相互作用も低減する。なお、本変形例においては、第２磁化固着層１５を磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／非磁性層１５_４／磁性層１５_５の５層積層構造に置き換えた構成となっている。この第２磁化固着層１５も同様に、磁化固着が強くなって、スピン注入書き込みを行った場合に磁化固着層が安定し、好ましい。また、メモリに用いた場合、隣接するメモリセル間の相互作用も低減する。

このように、磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３からなる第１磁化固着層６、および磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／非磁性層１５_４／磁性層１５_５からなる第２磁化固着層１５の磁化モーメントの大きさを膜厚、材料などで調整することにより漏れ磁場を最小限に抑えることができる。

また、図７、図８に示す第２変形例、第３変形例の磁気抵抗効果素子であってもよい。図７に示す第２変形例の磁気抵抗効果素子１Ｄは、図５に示す本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂにおいて、第１磁化固着層６の膜面の面積をトンネルバリア層８の膜面の面積よりも大きくした構成となっている。また、図８に示す第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｅは、図６に示す第１変形例の磁気抵抗効果素子１Ｃにおいて、第１磁化固着層６の膜面の面積をトンネルバリア層８の膜面の面積よりも大きくした構成となっている。このように、第１磁化固着層６の膜面の面積を大きくし、漏れ磁場が発生する場所を磁気記録層１０から離せば、第２磁化固着層１５の磁化モーメントの大きさのみを膜厚、材料などで調整すればよく、製造上簡易になり、より好ましい。この構造は、図１に示す第１実施形態および図２に示す第１実施形態の変形例の場合にも好ましい効果を有する。

（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９に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子１Ｆは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子１において、非磁性金属層１２を誘電体１１で完全に分断した構成としたものである。すなわち、誘電体１１は非磁性金属層１２を貫通している。そして、本実施形態においては、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあり、非磁性金属層１２の第２磁化固着層１４との界面は誘電体１１の第２磁化固着層１４との界面と実質的に同一面上にある。

本実施形態の非磁性金属層１２の膜面方向の断面図を図１０に示す。図１０からわかるように、非磁性金属層１２は誘電体１１によって分断されていて誘電体１１中に規則的に配置されたパターンを構成している。なお、非磁性金属層１２は誘電体１１中にランダムに配置されたパターンを構成していてもよい。また、図１１に示すように、非磁性金属層１２中に誘電体１１が規則的に配置されたパターンを構成していてもよいし、ランダムに配置されたパターンを構成していてもよい。

本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｆは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１と同様に、第２磁化固着層１４の磁化の向きは、第１磁化固着層６の磁化の向きと実質的に平行となっている。

また、本実施形態においては、第１実施形態と同様に、シンセティックな反強磁性結合の磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３の積層膜を有する磁気記録層１０は、磁性層１０_１と磁性層１０_３との層間結合エネルギーＪ_ＥＸは０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きくなっている。したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｆは、熱擾乱耐性を有しているほか、メモリセルに用いた場合隣接するメモリセル間の相互作用も小さく誤動作が小さい。

そして、本実施形態において、非磁性金属層１２にＣｕ、Ａｇ、Ａｕまたは、それら合金を用いた場合に、スピン注入を行うことによりデータ“１”、“０”の書き込みを行うことが可能となり、通常のトンネル接合素子にスピン注入書き込みを行う場合に比べて書き込み電流を小さくできる。また、磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３からなる磁気記録層１０の非磁性層１０_２としては磁性層１０_１、１０_３の反射効果が小さく層間の相互作用が小さいＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒまたはそれらの合金を用いられるが、Ｒｕを用いることがより好ましい。

また、本実施形態においては、非磁性金属層１２が誘電体１１によって分断されているので、分断された非磁性金属層１２の部分に電流が集中的に流れる。このため、本実施形態は、第１実施形態のように非磁性金属層１２が誘電体によって分断されない場合と比べると、電流が集中した部分を核にしてスピン反転が励起されるため、更なる低電流密度で反転をすることができる。

なお、第３実施形態において、非磁性金属層１２をトンネルバリア層で置き換えても良い。

また、本実施形態においては、第１磁化固着層６と第２磁化固着層１４のスピンモーメントの向きは実質的に平行になっていたが、磁化固着層６、１４からの漏れ磁場をなくすために、図１２に示す第１変形例の磁気抵抗効果素子１Ｇのように、第１磁化固着層６に磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３からなる３層積層膜を用い、第２磁化固着層１４に磁性層１４_１／非磁性層１４_２／磁性層１４_３からなる３層積層膜を用いることがより好ましい。この構造を用いると磁化固着層６、１４の磁化の固着が強く磁化固着が強くなって、スピン注入書き込みを行った場合に磁化固着層が安定し、好ましい。また、メモリセルに用いた場合、隣接するメモリセル間の相互作用も低減する。なお、本変形例においては、第３実施形態と同様に、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあり、非磁性金属層１２の第２磁化固着層１４との界面は誘電体１１の第２磁化固着層１４との界面と実質的に同一面上にある。

また、図１３に示す第２変形例の磁気抵抗効果素子１Ｈであってもよい。この第２変形例の磁気抵抗効果素子１Ｈは、図１２に示す第１変形例において、非磁性金属層１２の磁気記録層１０側のみを誘電体１１によって分断した構成となっている。すなわち、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあるが、誘電体１１の磁気記録層１０との界面と反対側の面は非磁性金属層１２内にあって非磁性金属層１２の第２磁化固着層１４との界面よりも非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面に近い。したがって、誘電体１１は非磁性金属層１２を貫通していない。

また、図１４に示す第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｉであってもよい。この第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｉは、図１２に示す第１変形例において、誘電体１１が非磁性金属層１２を完全に分断するとともに第２磁化固着層１４の一部分（磁性層１４_１の一部分）を分断した構成となっている。すなわち、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあるが、誘電体１１の磁気記録層１０との界面と反対側の面は第２磁化固着層１４の磁性層１４_１内にあって非磁性金属層１２の第２磁化固着層１４との界面よりも非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面から遠い。

また、図１５に示す第４変形例の磁気抵抗効果素子１Ｊであってもよい。この第４変形例の磁気抵抗効果素子１Ｊは、図１２に示す第１変形例において、誘電体１１が非磁性金属層１２を完全に分断するとともに第２磁化固着層１４および反強磁性層１６も完全に分断した構成となっている。すなわち、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあるが、誘電体１１の磁気記録層１０との界面と反対側の面は反強磁性層１６の第２磁化固着層１４との界面と反対側の面と実質的に同一面上にある。

また、図１６に示す第５変形例の磁気抵抗効果素子１Ｋであってもよい。この第５変形例の磁気抵抗効果素子１Ｋは、図９に示す第３実施形態において、誘電体１１は非磁性金属層１２を完全に分断せず、第２磁化固着層１４側のみを分断した構成となっている。すなわち、誘電体１１と磁気記録層１０との間に例えば、厚み１ｎｍ程度の非磁性金属層１２が入り込んだ構成となっている。なお、第５変形例のように、誘電体１１と磁気記録層１０との間に非磁性金属層１２を入り込ませた構成は、図１２乃至図１５に示す第１乃至第４変形例の磁気抵抗効果素子にも適用してもよい。

また、図９に示す第３実施形態においては、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあったが、図１７に示すように、同一面上になくて、どちらか一方の界面が非磁性金属層１２と第２磁化固着層１４との界面から遠くにあってもよい（第６変形例）。図１７においては、誘電体１１の磁気記録層１０との界面が非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面に比べて、非磁性金属層１２と第２磁化固着層１４との界面から遠くにある。本変形例のように、どちらか一方の界面が非磁性金属層１２と第２磁化固着層１４との界面から遠くにあるような構成は、図１２乃至図１５に示す第１乃至第４変形例の磁気抵抗効果素子にも適用してもよい。

また、第３実施形態およびその変形例において、図７および図８に示す第２実施形態およびその変形例のように、第１磁化固着層６の膜面の面積を大きくしてもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子を図１８に示す。この実施形態による磁気抵抗効果素子１Ｌは、図５に示す第２実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂにおいて、非磁性金属層１２を誘電体１１で完全に分断した構成としたものである。すなわち、誘電体１１は非磁性金属層１２を貫通している。そして、本実施形態においては、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあり、非磁性金属層１２の第２磁化固着層１５との界面は誘電体１１の第２磁化固着層１５との界面と実質的に同一面上にある。

本実施形態の非磁性金属層１２は、第３実施形態と同様に、図１０に示すように、誘電体１１によって分断されていて誘電体１１中に規則的に配置されたパターンであってもよいし、誘電体１１中にランダムに配置されたパターンを構成していてもよい。また、図１１に示すように、非磁性金属層１２中に誘電体１１が規則的に配置されたパターンを構成していてもよいし、ランダムに配置されたパターンを構成していてもよい。

本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｌは、第２実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂと同様に、第２磁化固着層１５の磁性層１５_１の磁化の向きは、第１磁化固着層６の磁化の向きと実質的に反平行となっている。

また、本実施形態においては、第１実施形態と同様に、シンセティックな反強磁性結合の磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３の積層膜を有する磁気記録層１０は、磁性層１０_１と磁性層１０_３との層間結合エネルギーＪ_ＥＸは０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きくなっている。したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｌは、熱擾乱耐性を有しているほか、メモリセルに用いた場合隣接するメモリセル間の相互作用も小さく誤動作が小さい。

そして、本実施形態においては、第２実施形態と同様に、非磁性金属層１２にＲｕ、Ｒｈまたは、それらの合金が用いられる。この場合、スピン注入を行うことによりデータ“１”、“０”の書き込みを行うことが可能となり、通常のトンネル接合素子にスピン注入書き込みを行う場合に比べて書き込み電流を小さくできる。また、磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３からなる磁気記録層１０の非磁性層１０_２としては磁性層１０_１、１０_３の反射効果が小さく層間の相互作用が小さいＲｕ、Ｒｈまたはそれら合金を用いられるが、Ｒｈを用いることがより好ましい。

また、本実施形態においては、非磁性金属層１２が誘電体１１によって分断されているので、分断された非磁性金属層１２の部分に電流が集中的に流れる。このため、本実施形態は、第２実施形態のように非磁性金属層１２が誘電体によって分断されない場合と比べると、電流が集中した部分を核にしてスピン反転が励起されるため、更なる低電流密度で反転をすることができる。

なお、第４実施形態において、非磁性金属層１２をトンネルバリア層で置き換えても良い。

本実施形態の場合、非磁性金属層１２にＲｕ、Ｒｈまたはそれらの合金を用いているので、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕまたはそれらの合金を用いた第１実施形態に比べて、反射する伝導電子のスピンモーメントの方向が反対になる。したがって、磁気記録層１０を挟む第１および第２磁化固着層の最近接磁性層のスピンモーメントの向きを実質的に１８０度異なる配置にする必要がある。この配置を用いると、第１実施形態と同様に磁気記録層に２重にトルクが作用することになり、書き込み電流を小さくすることができる。このため、書き込みする際にトンネルバリア層が絶縁破壊するのを防止することが可能となり、信頼性の高い磁気抵抗効果素子を得ることができる。

また、本実施形態においては、第１磁化固着層６と第２磁化固着層の、磁気記録層１０に最も近い磁性層のスピンモーメントの向きは実質的に反平行になっていたが、第１磁化固着層６からの漏れ磁場をなくすために図１９に示す第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ｍのように第１磁化固着層６を磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３からなる３層積層膜としてもよい。この構造を用いると第１磁化固着層６の磁化固着が強くなって、スピン注入書き込みを行った場合に磁化固着層が安定し、好ましい。また、メモリに用いた場合、隣接するメモリセル間の相互作用も低減する。なお、本変形例においては、第２磁化固着層１５を磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／非磁性層１５_４／磁性層１５_５の５層積層構造に置き換えた構成となっている。この第２磁化固着層１５も同様に、磁化固着が強くなって、スピン注入書き込みを行った場合に磁化固着層が安定し、好ましい。また、メモリに用いた場合、隣接するメモリセル間の相互作用も低減する。

このように、磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３からなる第１磁化固着層６、および磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／非磁性層１５_４／磁性層１５_５からなる第２磁化固着層１５の磁化モーメントの大きさを膜厚、材料などで調整することにより漏れ磁場を最小限に抑えることができる。なお、本変形例においては、第４実施形態と同様に、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあり、非磁性金属層１２の第２磁化固着層１５との界面は誘電体１１の第２磁化固着層１５との界面と実質的に同一面上にある。

また、図２０に示す第２変形例の磁気抵抗効果素子１Ｎであってもよい。この第２変形例の磁気抵抗効果素子１Ｎは、図１８に示す第４実施形態において、非磁性金属層１２の磁気記録層１０側のみを誘電体１１によって分断した構成となっている。すなわち、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあるが、誘電体１１の磁気記録層１０との界面と反対側の面は非磁性金属層１２内にあって非磁性金属層１２の第２磁化固着層１５との界面よりも非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面に近い。したがって、誘電体１１は非磁性金属層１２を貫通していない。非磁性金属層１２の磁気記録層１０側のみを誘電体１１によって分断した構成は、図１９に示す第１変形例にも適用することができる。

また、図２１に示す第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｏであってもよい。この第３変形例の磁気抵抗効果素子１Ｉは、図１９に示す第１変形例において、誘電体１１が非磁性金属層１２を完全に分断するとともに第２磁化固着層１５の一部分（磁性層１５_１の一部分）を分断した構成となっている。すなわち、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあるが、誘電体１１の磁気記録層１０との界面と反対側の面は第２磁化固着層１５の磁性層１５_１内にあって非磁性金属層１２の第２磁化固着層１５との界面よりも非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面から遠い。なお、第３変形例のような誘電体１１が非磁性金属層１２を完全に分断するとともに第２磁化固着層１５の一部分を分断する構造は、図１８に示す例にも適用することができる。

また、図２２、２３に示す第４変形例、第５変形例の磁気抵抗効果素子１Ｐ、１Ｑであってもよい。第４変形例の磁気抵抗効果素子１Ｐは、図１８に示す第４実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｌにおいて、第１磁化固着層６の膜面の面積をトンネルバリア層８の膜面の面積よりも大きくした構成となっている。また、第５変形例の磁気抵抗効果素子１Ｑは、図１９に示す第１変形例の磁気抵抗効果素子１Ｍにおいて、第１磁化固着層６の膜面の面積をトンネルバリア層８の膜面の面積よりも大きくした構成となっている。このように、第１磁化固着層６の膜面の面積を大きくし、漏れ磁場が発生する場所を磁気記録層１０から離せば、第２磁化固着層１５の磁化モーメントの大きさのみを膜厚、材料などで調整すればよく、製造上簡易になり、より好ましい。

また、図２４に示す第６変形例の磁気抵抗効果素子１Ｒであってもよい。この第６変形例の磁気抵抗効果素子１Ｒは、図１８に示す第４実施形態において、誘電体１１は非磁性金属層１２を完全に分断せず、第２磁化固着層１５側のみを分断した構成となっている。すなわち、誘電体１１と磁気記録層１０との間に例えば、厚み１ｎｍ程度の非磁性金属層１２が入り込んだ構成となっている。なお、第６変形例のように、誘電体１１と磁気記録層１０との間に非磁性金属層１２を入り込ませた構成は、図１９乃至図２３に示す第１乃至第５変形例の磁気抵抗効果素子にも適用してもよい。

また、図１８に示す第４実施形態においては、非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面は誘電体１１の磁気記録層１０との界面と実質的に同一面上にあったが、図２５に示すように、同一面上になくて、どちらか一方の界面が非磁性金属層１２と第２磁化固着層１４との界面から遠くにあってもよい（第７変形例）。図２５においては、誘電体１１の磁気記録層１０との界面が非磁性金属層１２の磁気記録層１０との界面に比べて、非磁性金属層１２と第２磁化固着層１５との界面から遠くにある。本変形例のように、どちらか一方の界面が非磁性金属層１２と第２磁化固着層１５との界面から遠くにあるような構成は、図１９乃至図２３に示す第１乃至第５変形例の磁気抵抗効果素子にも適用してもよい。

なお、第３実施形態、第４実施形態、およびそれらの変形例のように、非磁性金属層１２が誘電体１１によって一部分または完全に分断した構成は、トンネルバリア層８を介したスピントルクと、非磁性金属層１２を介して反射してくるスピン反射トルクとによる２つのトルクが働くことになる。また、誘電体で分断されていない場合、トンネルバリア層８と非磁性金属層１２の抵抗差が大きすぎるとスピン反射の効果が薄れ、電流密度はそれほど低減されない。しかし、非磁性金属層１２が誘電体１１によって一部分または完全に分断した構成を用いて、トンネルバリア層の抵抗と電流集中型非磁性層の抵抗を同程度にすることによりスピン反射の効果がより顕著となり、スピン反転するための電流密度が低減される。

また、磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３からなる磁気記録層１０の磁性層１０_１、磁性層１０_３の磁気モーメントの大きさは、純粋なスピン注入による磁化反転でスピン反転を行う場合はほぼ等しく設計することが好ましい。したがって、同じ材料を用いた場合は、膜厚をほぼ一定にするように設計することが好ましい。膜厚をほぼ一定にすると、均等にスピントルクが働くことになる。

一方、磁場でスピントルクをアシストする場合は、膜厚を２ｎｍ以下の範囲内で異なるように設計する必要がある。

また、磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３からなる磁気記録層１０の磁性体の合計体積は、第１および第２磁化固着層の磁性体のそれぞれの合計体積よりも小さく設計する必要がある。第１および第２磁化固着層の磁性体のそれぞれの合計体積よりも大きく設計してしまうと、第１および第２磁化固着層の磁化の方がスピントルクにより不安定になり誤動作を生じる。

上記第１乃至第４実施形態およびその変形例において、磁気抵抗効果素子の磁性層の磁性材料は、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金または、（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ）−（Ｓｉ、 Ｂ）合金、（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ）−（Ｂ）系アモルファス合金、Ｃｏ−（Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ）膜などのアモルファス材料，Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ−Ａｌ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多層膜で構成される。また、上記磁性層にパーマロイ合金などのＮｉ−Ｆｅ合金を付与しても良い。

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、これらの磁化固着層および磁気記録層含まれる磁性層（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。そのような反強磁性膜としては、Ｆｅ（鉄）−Ｍｎ（マンガン）合金、Ｐｔ（白金）−Ｍｎ（マンガン）合金、Ｐｔ（白金）−Ｃｒ（クロム）−Ｍｎ（マンガン）合金、Ｎｉ（ニッケル）−Ｍｎ（マンガン）合金、Ｉｒ（イリジウム）−Ｍｎ（マンガン）合金、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＣｏＯ（酸化コバルト）などの磁性体を挙げることができる。

また、これら磁性体には、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）、Ｂ（ボロン）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、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。

より具体的には、磁性層を一方向に固着する方法として、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｒｕ（ルテニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）の３層構造の積層膜、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｉｒ（イリジウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）の３層構造の積層膜、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｏｓ（オスニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）の３層構造の積層膜、Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）／Ｒｅ（レニウム）／Ｃｏ（Ｃｏ−Ｆｅ）の３層構造の積層膜、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂのアモルファス材料層／Ｒｕ（ルテニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂのアモルファス料層からなる３層構造の積層膜、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｉｒ（イリジウム）／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層からなる３層構造の積層膜、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｏｓ（オスニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層からなる３層構造の積層膜、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層／Ｒｅ（レニウム）／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどのアモルファス材料層からなる３層構造の積層膜を用いる。これら積層膜を磁化固着層として用いる場合は、さらに、これに隣接して反強磁性層を設けることが望ましい。この場合の反強磁性層としても、前述したものと同様に、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、ＣｏＯなどを用いることかできる。この構造を用いると、磁化固着層の磁化がビット線やワード線からの電流磁界の影響をより受け難く、しっかりと磁化が固着される。また、磁化固着層からの漏洩磁界（stray field）を減少（あるいは調節）でき、磁化固着層を形成する２層の強磁性層の膜厚を変えることにより，磁気記録層の磁化シフトを調整することができる。

また、磁気記録層の磁性層として軟磁性層／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。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、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、電流磁界の消費電力を増大させずに済むというより好ましい効果が得られる。この際、強磁性層の種類、膜厚を変えてもかまわない。

特に、絶縁障壁（トンネルバリア層）に近い強磁性層にはＭＲが大きくなるＣｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、ＦｅリッチＮｉ−Ｆｅを用い絶縁膜と接していない強磁性体にはＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ，ＮｉリッチＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏなどを用いると、ＭＲを大きく保ったまま、スイッチング磁界を低減でき、より好ましい。

磁気記録層においても、これら磁性体に、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），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、磁気特性を調節したり、その他、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ＴＭＲ素子を用いる場合に、磁化固着層と磁化記録層との間に設けられるトンネルバリア層（あるいは誘電体層）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_２（酸化チタン・ストロンチウム）、ＡｌＬａＯ_３（酸化ランタン・アルミニウム）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルニウム）などの各種の絶縁体（誘電体）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（誘電体層）の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄い方が望ましく、実際上は、１０ｎｍ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できる。この場合の基板としては、例えば、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（チタン）／Ｐｔ（白金）、Ｔａ（タンタル）／Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）／Ｐｄ（パラジウム）、Ｔａ（タンタル）／Ｐｄ（パラジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）‐Ｃｕ（銅）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）などからなる層を設けてもよい。

（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を図２６を参照して説明する。図２６は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを備え、各メモリセルは、図６に示す第２実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ｃと、ワード線３０と、ビット線４０と、接続部５０と、選択トランジスタ６０とを備えている。磁気抵抗効果素子１Ｃの金属ハードマスク１８がワード線３０に接続され、下地層２がビット線４０に接続されている。接続部５０は接続プラグ５２を備えている。選択トランジスタ６０は、ゲート６１と、ドレイン６２と、ソース６３とを備えている。接続部５０の一端は、ビット線４０に接続され、他端は選択トランジスタ６０のドレイン６２に接続されている。選択トランジスタ６０のソース６３は電極７０に接続されている。

次に、本実施形態による磁気メモリの動作を、図２７乃至図３０（ｂ）を参照して説明する。まず、データ“０”書き込みを行う場合を説明する。図２７は、本実施形態の磁気メモリにおいて、“０”書き込みを行った場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図であり、図２８（ａ）、（ｂ）は、データ“１”からデータ “０”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子１Ｃのスピンの向きを示す断面図である。なお、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子１Ｃにデータ“１”が記録されているとは、図２８（ａ）に示すように、磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い磁性層１０_１のスピンの向きが第１磁化固着層６の磁性層６_３のスピンの向きと平行であることを意味する。また、磁気抵抗効果素子１Ｃにデータ“０”が記録されているとは、図２８（ｂ）に示すように、磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い磁性層１０_１のスピンの向きが第１磁化固着層６の磁性層６_３のスピンの向きと反平行であることを意味する。データ“１”、“０”の定義は別に逆でもかまわない。ここでは、説明の便宜上このように定義した。

磁気抵抗効果素子１Ｃにデータ“１”が記録されているときに、データ“０”の書き込みを行う場合は、図２７に示すように、選択トランジスタ６０のゲート６１に所定の電圧を印加して選択トランジスタ６０をオンさせ、電極７０、ソース６３、ドレイン６２、接続部５０、ビット線４０、磁気抵抗効果素子１Ｃ、ワード線３０の順に電流を流す。この場合、電流の向きと電子の流れる向きは逆であるから、電子が第２磁化固着層１５から磁気記録層１０の方に流れる。したがって、第２磁化固着層１５でスピン偏極した電子が非磁性金属層１２を通過して磁気記録層１０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８をトンネルして第１磁化固着層６の磁性層６_３へ流れようとするが、トンネルバリア層８をトンネルする際、磁性層６_３のスピンと平行なスピンを持つ電子はトンネル確率が高く容易にトンネルするが、反平行のスピンは反射される。磁気記録層１０へ反射してきた電子は、磁気記録層１０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１０の磁性層１０_１、１０_３のスピンが反転する。

次に、データ“１”書き込みを行う場合を説明する。図２９は、本実施形態の磁気メモリにおいて、データ“１”書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図である。

磁気抵抗効果素子１Ｃにデータ“０”が記録されているときに、データ“１”の書き込みを行う場合は、図２９に示すように、選択トランジスタ６０のゲート６１を所定の電圧を印加して選択トランジスタ６０をオンさせ、ワード線３０、磁気抵抗効果素子１Ｃ、ビット線４０、接続部５０、ドレイン６２、ソース６３、電極７０の順に電流を流す。この場合、電流の向きと電子の流れる向きは逆であるから、電子が第１磁化固着層６からトンネルバリア層８を介して磁気記録層１０に流れる。このため、第１磁化固着層６の磁性層でスピン偏極した電子がトンネルバリア層８をトンネルし、磁気記録層１０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１０から非磁性金属層１２を介して第２磁化固着層１５に流れるので、磁気記録層１０のスピンが磁性層１５_１のスピンに対して反平行の間は、第１磁化固着層と磁気記録層１０とのスピンモーメントが平行のため、第２磁化固着層１５によって反射された反射スピン電子も磁気記録層１０へスピントルクを及ぼし、磁気記録層１０のスピンが反転する（図３０（ａ）、（ｂ）参照）。

以上説明したように、本実施形態によれば、スピン注入を行うことにより低消費電力で“１”、“０”の書き込みを行うことが可能となるとともに、通常のトンネル接合素子にスピン注入書き込みを行う場合に比べて書き込み電流を小さくできる。このため、書き込みする際にトンネルバリア層が絶縁破壊するのを防止することが可能となり、信頼性の高い磁気メモリを得ることができる。

なお、本実施形態においては、書き込み電流の方が読み出し電流より大きく設定されることは云うまでもない。

また、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子１Ｃは、ビット線４０側に下地層２が配置されかつワード線３０側にハードマスク１８が配置されていたが、ビット線４０側にハードマスク１８が配置されかつワード線３０側に下地層２が配置されるように構成しても良い。

（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を、図３１を参照して説明する。図３１は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを備え、各メモリセルは、図２に示す第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ａと、ワード線３０と、ビット線４０と、接続部５０と、選択トランジスタ６０とを備えている。磁気抵抗効果素子１Ａの金属ハードマスク１８がワード線３０に接続され、下地層２がビット線４０に接続されている。接続部５０は、接続プラグ５２を備えている。選択トランジスタ６０は、ゲート６１と、ドレイン６２と、ソース６３とを備えている。接続部５０の一端は、ビット線４０に接続され、他端は選択トランジスタ６０のドレイン６２に接続されている。選択トランジスタ６０のソース６３は電極７０に接続されている。

本実施形態の磁気メモリにおいて、データ“０”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図を図３２に示し、データ“０”の書き込み前の磁気抵抗効果素子１Ａの断面を図３３（ａ）に、データ“０”の書き込み後の磁気抵抗効果素子１Ａの断面を図３３（ｂ）に示す。また、本実施形態の磁気メモリにおいて、データ“１”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図を図３４に示し、データ“０”の書き込み前の磁気抵抗効果素子１Ａの断面を図３５（ａ）に、データ“０”の書き込み後の磁気抵抗効果素子１Ａの断面を図３５（ｂ）に示す。

本実施形態による磁気メモリの磁気抵抗効果素子１Ａは、第５実施形態による磁気メモリの磁気抵抗効果素子１Ｃとは、第１および第２磁化固着層のスピンモーメントの向きは、異なっているが、データ“０”の書き込みを行う場合およびデータ“１”の書き込みを行う場合の書き込み電流の流す方向は、第５実施形態による磁気メモリの磁気抵抗効果素子１Ｃと同じになっている。

（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を図３６を参照して説明する。図３６は、本実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図である。本実施形態による磁気メモリは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを備え、各メモリセルは、図６に示す磁気抵抗効果素子と同じ構成の磁気抵抗効果素子１Ｃ_１、１Ｃ_２と、ビット線４０と、第１及び第２ワード線３０，３５と、接続部５０と、選択トランジスタ６０とを備えている。

磁気抵抗効果素子１Ｃ_１の金属ハードマスク１８が接続プラグ３１を介して第１ワード線３０に接続され、下地層２がビット線４０に接続されている。磁気抵抗効果素子１Ｃ_２の金属ハードマスク１８がビット線４０に接続され、下地層２が接続プラグ３４を介して第２ワード線３５に接続されている。すなわち、ビット線４０から第１ワード線３０に向かう方向の磁気抵抗効果素子１Ｃ_１の層配置は、もう片方の磁気抵抗効果素子１Ｃ_２のビット４０線からワード線３５に向かう層配置と逆となっている。

接続部５０は、接続プラグ５１，５２を備えている。接続プラグ５１は、磁気抵抗効果素子１Ｃ_２と同一層として形成されるため、磁気抵抗効果素子１Ｃ_２と同一の層構成を有している。選択トランジスタ６０は、ゲート６１と、ドレイン６２と、ソース６３とを備えている。接続部５０の一端は、ビット線４０に接続され、他端は選択トランジスタ６０のドレイン６２に接続されている。選択トランジスタ６０のソース６３は電極７０に接続されている。

次に、本実施形態による磁気メモリの動作を図３７乃至図４２を参照して説明する。まず、本実施形態による磁気メモリの読み出し動作について、図３７を参照して説明する。図３７は本実施形態による磁気メモリの読み出し動作を説明する断面図である。磁気メモリに記録されているデータを読み出す場合は、選択トランジスタ６０をオンさせ、電極７０から選択トランジスタ６０、接続部５０、およびビット線４０に電流を流す。するとビット線４０に流れた電流は２つの磁気抵抗効果素子１Ｃ_１，１Ｃ_２に分岐され、それぞれ接続プラグ３１，３４を介して２つのワード線３０，３５に流れる。このとき、２つのワード線３０，３５に流れる電流をトランジスタ８１，８２を介して差動増幅器８３で読み出すことにより、高速に読み出しが可能となる。

なお、本実施形態において、メモリセルにデータ“０”が記録されているとは、図３８（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子１Ｃ_１の磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い方の磁性層１０_１のスピンの向きが第１磁化固着層６の磁気記録層１０に近い側の磁性層６_３のスピンの向きと反平行であって、磁気抵抗効果素子１Ｃ_２の磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い方の磁性層１０_１のスピンの向きが第１磁化固着層６の磁気記録層１０に近い側の磁性層６_３のスピンの向きと平行であることを意味し、データ“１”が記録されているとは、図３８（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子１Ｃ_１の磁気記録層１０のトンネルバリアに近い方の磁性層１０_１のスピンの向きが第１磁化固着層６の磁気記録層１０に近い側の磁性層６_３のスピンの向きと平行であって、磁気抵抗効果素子１Ｃ_２の磁気記録層１０のトンネルバリア層８に近い方の磁性層１０_１のスピンの向きが第１磁化固着層６の磁気記録層１０に近い側の磁性層６_３のスピンの向きと反平行であることを意味する。

次に、本実施形態による磁気メモリのメモリセルにデータ“０”，“１”の書き込みを行う場合を図３９乃至図４２（ｂ）を参照して説明する。図３９は、本実施形態の磁気メモリにおいて、データ“０”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図であり、図４０（ａ）、（ｂ）は、データ“１”からデータ“０”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子１Ｃ_１，１Ｃ_２のスピンの向きを示す図である。また、図４１は、データ“１”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図であり、図４２（ａ）、（ｂ）は、データ“０”からデータ“１”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子１Ｃ_１，１Ｃ_２のスピンの向きを示す図である。

図３９に示したようにデータ“０”の書き込みを行う場合は、まず、選択トランジスタ６０をオンさせ、電極７０から選択トランジスタ６０、接続部５０を介してビット線４０に書き込み電流を流す。すると、ビット線４０に流れた電流は２つの磁気抵抗効果素子１Ｃ_１，１Ｃ_２に分岐され、それぞれ接続プラグ３１，３４を介してワード線３０，３５に流れる。ビット線４０からワード線３０に電流が流れることにより、磁気抵抗効果素子１Ｃ１の第２磁化固着層１５から磁気記録層１０にスピンが注入され、図６に示す第２実施形態の第１変形例の場合と同様に磁気記録層１０のスピンが反転される。

また、ビット線４０からワード線３５に電流が流れることにより、もう磁気抵抗効果素子１Ｃ_２の第１磁化固着層６の磁気記録層１０に近い側の磁性層６_３から磁気記録層１０にスピンが注入され、図６に示す第２実施形態の第１変形例の場合と同様に磁気記録層１０のスピンが反転される。これにより、図４０（ａ）、（ｂ）に示すように、データ“１”からデータ“０”への書き換えが行われる。

次に、データ“１”の書き込みを行う場合は、まず、選択トランジスタ６０をオンさせ、２つのワード線３０，３５から２つの磁気抵抗効果素子１Ｃ_１，１Ｃ_２を介してビット線４０にそれぞれ電流を流す（図４１参照）。すると、それぞれの電流はビット線４０で合流し、接続部５０、選択トランジスタ６０を介して電極７０に流れる。ワード線３０および３５から磁気抵抗効果素子１Ｃ_１および１Ｃ_２を介してビット線４０にそれぞれ電流が流れることにより、磁気抵抗効果素子１Ｃ_１および１Ｃ_２の磁気記録層１０のスピンが反転し、データ“１”の書き込みが行われる（図４２（ａ）、（ｂ）参照）。

以上説明したように、本実施形態によれば、スピン注入を行うことにより低消費電力でデータ“１”、“０”の書き込みを行うことが可能となるとともに、通常のトンネル接合素子にスピン注入書き込みを行う場合に比べて書き込み電流を小さくできる。このため、書き込みする際にトンネルバリア層が絶縁破壊するのを防止することが可能となり、信頼性の高い磁気メモリを得ることができる。

なお、本実施形態においては、書き込み電流の方が読み出し電流より大きく設定されることは云うまでもない。

また、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子１Ｃ_１は、ビット線４０側に下地層２が配置されかつワード線３０側にハードマスク１８が配置され、磁気抵抗効果素子１Ｃ_２は、ビット線４０側にハードマスク１８が配置されかつワード線３５側に下地層２が配置されていたが、磁気抵抗効果素子１Ｃ_１は、ビット線４０側にハードマスク１８が配置されかつワード線３０側に下地層２が配置され、磁気抵抗効果素子１Ｃ_２は、ビット線４０側に下地層２が配置されかつワード線３５側にハードマスク１８が配置されるように構成しても良い。

（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態による磁気メモリを図４３乃至図４９（ｂ）を参照して説明する。図４３は本実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図である。本実施形態の磁気メモリは、図３６に示す第７実施形態の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ｃ_１，１Ｃ_２を磁気抵抗効果素子１Ａ_１，１Ａ_２に置き換えるとともに、接続部５０の接続プラグ５１を接続プラグ５１ａに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子１Ａ_１，１Ａ_２はそれぞれ、図２に示す第１実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子１Ａと同一の層構成を有している。接続プラグ５１ａは磁気抵抗効果素子１Ａ２と同一の層構成となっている。

次に、本実施形態の磁気メモリの動作を説明する。図４４は本実施形態による磁気メモリの読み出し動作を説明する断面図、図４５（ａ）、（ｂ）はデータ“０”、“１”の状態に対応する磁気抵抗効果素子のスピン状態を示す断面図、図４６はデータ“０”の書き込みを行った場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図、図４７（ａ）、（ｂ）は、データ“１”からデータ“０”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子１Ａ_１，１Ａ_２のスピンの向きを示す図である。また、図４８は、データ“１”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図、図４９（ａ）、（ｂ）は、データ“０”からデータ“１”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子１Ａ_１，１Ａ_２のスピンの向きを示す図である。

本実施形態の磁気メモリにおける読み出し動作は、図４４からわかるように、図３７に示す第７実施形態の場合と同様に行う。すなわち、選択トランジスタ６０をオンさせ、電極７０から選択トランジスタ６０、接続部５０、およびビット線４０に電流を流す。するとビット線４０に流れた電流は２つの磁気抵抗効果素子１Ａ_１，１Ａ_２に分岐され、それぞれ接続プラグ３１，３４を介して２つのワード線３０，３５に流れる。このとき、２つのワード線３０，３５に流れる電流をトランジスタ８１，８２を介して差動増幅器８３で読み出す。これにより、高速に読み出しが可能となる。なお、データ“０”、“１”の定義は、図４５（ａ）、（ｂ）からわかるように、図３８（ａ）、（ｂ）に示す第７実施形態の場合と同一である。すなわち、トンネルバリア層８に近い、磁気記録層１０および第１磁化固着層６の磁性層１０_１および磁性層６_３のスピンの向きが平行か反平行かによって定義される。
また、本実施形態の磁気メモリにおけるデータ“０”の書き込みは図４６、図４７（ａ）、（ｂ）からわかるように、図３９、図４０（ａ）、（ｂ）に示す第７実施形態の場合と同様に行う。すなわち、ビット線４０から磁気抵抗効果素子１Ａ_１，１Ａ_２を介してワード線３０，３５に電流を流すことにより行う。

また、本実施形態の磁気メモリにおけるデータ“１”の書き込みは図４８、図４９（ａ）、４９（ｂ）からわかるように、図４１、図４２（ａ）、（ｂ）に示す第７実施形態の場合と同様に行う。すなわち、ワード線３０，３５から磁気抵抗効果素子１Ａ_１，１Ａ_２を介してビット線４０に電流を流すことにより行う。

本実施形態も第７実施形態と同様に、スピン注入を行うことにより低消費電力でデータ“１”、“０”の書き込みを行うことが可能となるとともに、通常のトンネル接合素子にスピン注入書き込みを行う場合に比べて書き込み電流を小さくできる。このため、書き込みする際にトンネルバリア層が絶縁破壊するのを防止することが可能となり、信頼性の高い磁気メモリを得ることができる。

なお、本実施形態においては、第７実施形態の場合と同様に、書き込み電流の方が読み出し電流より大きく設定されることは云うまでもない。

また、本実施形態においては、磁気抵抗効果素子１Ａ_１は、ビット線４０側に下地層２が配置されかつワード線３０側にハードマスク１８が配置され、磁気抵抗効果素子１Ａ_２は、ビット線４０側にハードマスク１８が配置されかつワード線３５側に下地層２が配置されていたが、磁気抵抗効果素子１Ａ_１は、ビット線４０側にハードマスク１８が配置されかつワード線３０側に下地層２が配置され、磁気抵抗効果素子１Ａ_２は、ビット線４０側に下地層２が配置されかつワード線３５側にハードマスク１８が配置されるように構成しても良い。

また、第５乃至第８実施形態においては、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していることは云うまでもない。

次に、本発明の実施形態を実施例を参照して、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２に示す第１実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子１Ａを作製した。また、比較例として図５０に示す構造の磁気抵抗効果素子１００を同時に作製し、スピン反転電流を比較した。この比較例の磁気抵抗効果素子８５は、磁気抵抗効果素子１Ａの非磁性金属層１２、第２磁化固着層１４、反強磁性層１６を削除するとともに、磁気記録層としてシンセティック反強磁性結合の磁気記録層１０から単層の磁気記録層９に置き換えた構成となっている。

第１実施例の磁気抵抗効果素子１Ａおよび比較例の磁気抵抗効果素子８５は、以下のように製造される。

まず、図２に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／非磁性金属層１２／磁性層１４_１／非磁性層１４_２／磁性層１４_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を形成する。このような構成のＴＭＲ素子１Ａを第１実施例とする。

また、図５０に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち下地層２／反強磁性層４／磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３／トンネルバリア層８／磁性層９／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を順次形成する。このような構成のＴＭＲ素子８５を比較例とする。

本実施例では、下部配線はＴａ／Ｃｕ／Ｔａ、下地層２はＲｕで、第１実施例のＴＭＲ膜は、下側から順に、Ｉｒ−Ｍｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ｃｕ（６ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１４、Ｉｒ−Ｍｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層１６とし、比較例のＴＭＲ膜は、下部配線はＴａ／Ｃｕ／Ｔａ、下地層２はＲｕで、Ｉｒ−Ｍｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）からなる磁化固着層６、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる磁気記録層９とした。なお、金属保護膜１８としてＴａを用いた。

その後、第１実施例、比較例はともに２７０℃で磁場中アニール後、レジスト塗布し、エッチングを行った後、１４０℃でオゾンフローによりレジストをスリミングし、スリミングしたレジストをマスクとしてＳＦ_６ガスでＴａからなる金属保護膜１８をＲＩＥ法を用いてエッチングした。このエッチングは、Ｒｕからなるキャップ層でストップさせた。その後、レジストを剥離し、Ｔａからなる金属保護膜１８をハードマスクとして、トンネルバリア層８までミリングまたは、ＲＩＥ法を用いてパターニングし、強磁性トンネル接合を接合分離した。

上記第１実施例、比較例の接合サイズはともに、０．１×０．１８μｍ^２であった。その後、ＳｉＯｘからなる保護膜を成膜した後、レジスト塗布し、レジストをパターニングしてレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして下部電極をＲＩＥ法を用いてパターニングした。その後、レジストパターンを除去し、ＳｉＯｘからなる層間絶縁膜を成膜した後、エッチバックを行い、平坦化を行うとともに、ＴＭＲ膜上部のＴａからなる金属保護膜１８の表面を露出させた。その後、スパッタエッチングした後に配線をスパッタし、ＲＩＥ法を用いてエッチバックすることにより、上部配線を形成した。その後、磁場中アニールを磁性層の長軸方向に磁場を印加した。

第１実施例および比較例の磁気抵抗効果素子にパル幅が２００ｎｍのパルス電流を印加して何ｍＡでスピンが反転するか調べたところ、図５１に示すように、第１実施例では０．４５ｍＡ、比較例では１．１ｍＡで反転した。本実施例による磁気抵抗効果素子１Ａの構造は大容量メモリとして適し、低電流でスピン注入書き込みができることが分かった。

（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例として、図６に示す第２実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ｃを作製した。また、比較例として第１実施例で作製した図５０に示す構造と同一構造を有し、第１実施例の比較例と材料が異なるものを同時に作製し、スピン反転電流を比較した。

第２実施例の磁気抵抗効果素子１Ｃおよび比較例の磁気抵抗効果素子は以下のように製造される。

まず、図６に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／非磁性金属層１２／磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／非磁性層１５_４／磁性層１５_５／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を形成する。このような構成のＴＭＲ素子を第２実施例とする。

本実施例では、下部配線はＴａ／Ｃｕ／Ｔａ、下地層はＲｕで、ＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８５Ｂ_１５（４ｎｍ）／Ｒｈ（０．７５ｎｍ）／（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８５Ｂ_１５（４ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ｒｕ（４．５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）からなる第２磁化固着層１５、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。
また、比較例のＴＭＲ膜は、下部配線はＴａ／Ｃｕ／Ｔａ、下地層２はＲｕで、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）からなる磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８５Ｂ_１５（４ｎｍ）からなる磁気記録層９とした。なお、本実施例および比較例とも金属保護膜１８としてＴａを用いた。

作製方法、接合サイズはともに、第１実施例で説明した場合と同様である。上部配線を形成した後、磁場中アニールを磁性層の長軸方向に磁場を印加した。

本実施形態および比較例の磁気抵抗効果素子にパルス幅が２００ｎｍパルス電流を印加して何ｍＡでスピンが反転するか調べたところ、図５２に示すように、第２実施例では０．３５ｍＡ、比較例では０．９５ｍＡで反転した。本実施例による磁気抵抗効果素子１Ｃの構造は大容量メモリとして適し、低電流でスピン注入書き込みができることが分かった。

（第３実施例）
本発明の第３実施例として、図４３に示すメモリセルを有する磁気メモリを作製した。なお、本実施例の磁気メモリにおいては、ＴＭＲ素子１Ａ_１、１Ａ_２の第２磁化固着層１４は、磁性層／非磁性層／磁性層からなる３層構造から、磁性層／非磁性層／磁性層／非磁性層／磁性層からなる５層構造のものに置き換えた構成となっている。

ＴＭＲ素子の微細加工方法は、基本的には第１実施例と同様である。ＴＭＲ素子１Ａ_２を作成後、図４３に示すビット線４０の成膜し、その後、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)を行い、平坦化処理を行ってからＴＭＲ素子１Ａ_１のＴＭＲ膜を成膜した。

基板としてはトランジスタ付き基板を用いた。本実施例では、ビット配線４０にＴａ／Ｃｕ／Ｔａの積層膜、下地層２にＲｕ、キャップ層（図示せず）にＲｕ、金属保護膜１８にＴａを用い、ＴＭＲ膜は下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８５Ｂ_１５（４ｎｍ）／Ｒｈ（０．７５ｎｍ）／（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８５Ｂ_１５（４ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ｃｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／ＣｏＦｅ（４ｎｍ）からなる第２磁化固着層１４、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。ＴＭＲ素子１Ａ_１、１Ａ_２とも同一の構造とした。ＴＭＲ素子１Ａ_１、１Ａ_２の接合面積は、両者とも０．１×０．１８μｍ^２とした。加工後、磁場中アニールを磁化固着層の磁性層の長軸方向に磁場を印加した。

パルス幅が２００ｎｓｅｃのパルス電流を流し、何ｍＡでスピンが反転するか調べたところ、ＴＭＲ素子１Ａ_２では０．４５ｍＡ、ＴＭＲ素子１Ａ_１では０．４９ｍＡで反転し、本実施例の構造は大容量メモリとしての優位性を確認できた。また、０．５１ｍＡ未満の電流パルスをＴＭＲ素子に印加し、書き込みを行った後の読み出しスピードを調べたところ、差動読み出し時間は１９ｎｓｅｃと高速であることが確認でき、大容量、高速の読み出し／書き込みが実証できた。第１および第２実施例で示したように基本動作は確認できており、本実施例による磁気メモリのＴＭＲ素子のＣｕからなる非磁性金属層１２をＲｕからなる非磁性金属層に置き換えた磁気メモリ（図３６に示す第７実施形態による磁気メモリ）も同様の結果が得られる。

（第４実施例）
本発明の第４実施例として、図５３に示すメモリセルを有する磁気メモリを作製した。本実施例による磁気メモリのメモリセルは、図３１に示す第６実施形態の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子１Ａの直下のビット線４０の下部にヨーク９２付き配線９０を設け、このヨーク９２付き配線９０で電流磁場によるアシストが可能なアーキテクチャとなっている。また、本実施例においては、磁気抵抗効果素子１Ａの非磁性金属層１２はＣｕが用いられるので、第１磁化固着層と第２磁化固着層の磁気記録層側に近い磁性層のスピンモーメントの向きは図３１に示す場合と同様に、実質的に平行となっている。電流磁場の印加方向は磁化容易軸方向であり、スピン反転したい方向に電流磁界をアシストした。ＴＭＲ素子の微細加工方法は基本的には第１実施例と同様である。

基板としてはトランジスタの付いた基板を用いた。本実施例では、下地層にＲｕ、キャップ層にＲｕ、金属保護膜１８にＴａを用い，ＴＭＲ素子のＴＭＲ膜は磁気記録層１０の非磁性層１０_２の材料を除き第１実施例のＴＭＲ膜と同じ材料の層からなっている。下側から順に、Ｉｒ−Ｍｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）／Ｉｒ（０．７５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ｃｕ（６ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１４、Ｉｒ−Ｍｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。また、ＴＭＲ素子の接合面積は、０．１×０．１８μｍ^２とした。加工後、磁場中アニールを磁化固着層の磁性層の長軸方向に磁場を印加した。

ヨーク９２付き配線９０に０．５ｍＡの電流パルスを流し電流磁界をアシストし、スピン注入電流を流し、何ｍＡでスピンが反転するか調べたところ、図５４に示すように０．３４ｍＡで反転した。これにより、本実施例による磁気メモリの構造は、大容量メモリとしての優位性を確認できた。

（第５実施例）
本発明の第５実施例として、図１３および図２０に示す第３および第４実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子を作製した。作成した第３実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子を試料１とし、作成した第４実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子を試料２とする。また、比較例１および比較例２として図１３および図２０に示す構造において誘電体１１で分断されていない非磁性金属層１２を有する磁気抵抗効果素子、すなわち、誘電体１１が設けられていない非磁性金属層１２を有する磁気抵抗効果素子も同時に作製し、スピン反転電流を比較した。

試料１、２および比較例１、２の磁気抵抗効果素子は以下のように作製される。

まず、試料１は、図１３に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／誘電体１１で分断された非磁性金属層１２／磁性層１４_１／非磁性層１４_２／磁性層１４_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を形成する。

また、試料２は、図２０に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／誘電体１１で分断された非磁性金属層１２／磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を形成する。

比較例１として、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／非磁性金属層１２／磁性層１４_１／非磁性層１４_２／磁性層１４_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を順次形成する。

また比較例２として、下地層２／反強磁性層４／磁性層６／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／非磁性金属層１２／磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を順次形成する。

本実施例では、下部配線は全てＴａ／Ｃｕ／Ｔａ、下地層２は全てＲｕとした。また、試料１のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体層１１かつＣｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１４、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。

試料２のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｈ（０．８ｎｍ）／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体層１１かつＲｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１５、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。

上記ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体１１は、Ａｌを島状に成膜した後、ｉｎ−ｓｉｔｕで自然酸化することにより作製した。ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層８はＡｌ（０．７ｎｍ）を成膜し自然酸化した後、再度Ａｌ（０．７ｎｍ）を成膜し自然酸化することにより作製した。

比較例１のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ｃｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１４、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。

比較例２のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｈ（０．８ｎｍ）／（Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ｒｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１５、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。

全ての試料はＲｕ（５ｎｍ）からなるキャップ層／Ｔａ（３００ｎｍ）からなる金属保護膜を成膜した。

その後、試料１、２、比較例１、２はともに２７０℃で磁場中アニール後、レジスト塗布し、エッチングを行った後、１４０℃でオゾンフローによりレジストをスリミングし、スリミングしたレジストをマスクとしてＳＦ_６ガスでＴａからなる金属保護膜をＲＩＥ法を用いてエッチングした。このエッチングは、Ｒｕからなるキャップ層でストップさせた。その後、レジストを剥離し、Ｔａからなる金属保護膜をハードマスクとして、トンネルバリア層までミリングまたは、ＲＩＥ法を用いてパターニングし、強磁性トンネル接合を接合分離した。

上記試料１、２および比較例１、２の接合サイズはともに、０．１×０．１８μｍ^２であった。その後、ＳｉＯｘ保護膜を成膜した後、レジスト塗布し、レジストをパターニングしてレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして下部電極をＲＩＥ法を用いてパターニングした。その後、レジストパターンを除去し、ＳｉＯｘ層間絶縁膜を成膜した後、エッチバックを行い、平坦化を行うとともに、ＴＭＲ膜上部のＴａかたなる金属保護膜の表面を露出させた。その後、スパッタエッチングした後に配線をスパッタし、ＲＩＥ法を用いてエッチバックすることにより、上部配線を形成した。その後、磁場中アニールを磁性層の長軸方向に磁場を印加した。

試料１と比較例１、および試料２と比較例２にパルス幅が２００ｎｍのパルス電流を印加して何ｍＡでスピンが反転するか調べた。図５５に示すように、試料１では０．１ｍＡ、比較例１では０．５ｍＡで反転し、図５６に示すように、試料２では０．１２ｍＡ、比較例２では０．５３ｍＡで反転した。これらの図５５および図５６から、本実施例による磁気抵抗効果素子の構造は大容量メモリとして適し、低電流でスピン注入書き込みができることが分かった。

（第６実施例）
本発明の第６実施例として、図１２および図１８に示す第３実施形態の第１変形例および第４実施形態による磁気抵抗効果素子を作製した。作成した第３実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子を試料３とし、作成した第４実施形態による磁気抵抗効果素子を試料４とする。また、比較例３および比較例４として図１２および図１８に示す構造において誘電体１１で分断されていない非磁性金属層１２を有する磁気抵抗効果素子、すなわち、誘電体１１が設けられていない非磁性金属層１２を有する磁気抵抗効果素子も同時に作製し、スピン反転電流を比較した。 試料３、４および比較例３、４による磁気抵抗効果素子は以下のように作製される。

まず試料３は、図１２に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／誘電体１１で分断された非磁性金属層１２／磁性層１４_１／非磁性層１４_２／磁性層１４_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を形成する。

また、試料４は、図１８に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／誘電体１１で分断された非磁性金属層１２／磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を形成する。

比較例３として、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／非磁性金属層１２／磁性層１４_１／非磁性層１４_２／磁性層１４_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を順次形成した。

また、比較例４として、下地層２／反強磁性層４／磁性層６／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／非磁性金属層１２／磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜（第９比較試料）を順次形成した。

本実施例および比較例では、下部配線は全てＴａ／Ｃｕ／Ｔａ、下地層は全てＲｕとした。試料３のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体１１かつＡｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１４、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。

試料４のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｈ（０．８ｎｍ）／（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体１１かつＲｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１５、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。

上記、ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体は、パターンド自己整合プロセスを用いて作製した。

パターンド自己整合プロセスを簡単に示すと以下のようになる。

まず、試料４のＴＭＲ膜は、下側から順に、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ａｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２まで成膜し、
試料４のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｈ（０．８ｎｍ）／（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ｒｕ（５ｎｍ）からなる非磁性金属層１２まで成膜する。

その後、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。続いて、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は自己組織化による相分離を起こし、１５ｎｍ〜３０ｎｍサイズのジブロックコポリマー部からなる海島構造が数十ｎｍ間隔で整列する。

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。続いて、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、上記穴内にＳＯＧが埋め込まれる。そして、ＳＯＧからなるエッチングマスクを用いて、イオンミリングで非磁性金属層Ｒｕ，またはＡｕをパターニングする。

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。また、海島構造は直径１５ｎｍ〜８０ｎｍ程度となり、前述の条件に適合するサイズを実現することができる。

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からなる保護膜を形成する。

次に、Ａｌ_２Ｏ_３を成膜し、全面にＯＦＲレジストを塗布してエッチバックし、非磁性金属の表面を露出させる。

続いて、試料３のＴＭＲ膜は、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１４、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６を成膜し、
試料４のＴＭＲ膜は、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１５、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６を成膜する。全ての試料に、Ｒｕ（５ｎｍ）からなるキャップ層／Ｔａ（３００ｎｍ）からなる金属保護膜を成膜した。その後の加工方法は第１実施例と同様である。これにより、本実施例の磁気抵抗効果素子が製造される。

上記試料３、４および比較例３、４の接合サイズはともに、０．１×０．１８μｍ^２であった。作製後、磁場中アニールを磁性層の長軸方向に３５０℃にて磁場を印加した。

試料３と比較例３、および試料４と比較例４にパルス幅が２００ｎｍのパルス電流を印加して何ｍＡでスピンが反転するか調べた。試料３では０．０６ｍＡ、比較例３では０．２２ｍＡ、試料４では０．０５５ｍＡ、比較例４では０．２６ｍＡで反転した。これにより、本実施例による磁気抵抗効果素子の構造は大容量メモリとして適し、低電流でスピン注入書き込みができることが分かった。また、繰り返し測定の結果、１０^６回までのスピン注入書き込みを確認でき、本構造の信頼性が確認できた。

（第７実施例）
本発明の第７実施例として、図１６に示す第３実施形態の第５変形例および図２４に示す第４実施形態の第６変形例による磁気抵抗効果素子を作製した。作製した第３実施形態の第５変形例による磁気抵抗効果素子を試料５とし、作製した第４実施形態の第６変形例による磁気抵抗効果素子を試料６とする。また、比較例５および比較例６として図１６および図２４に示す構造において誘電体１１で分断されていない非磁性金属層２を有する磁気抵抗効果素子、すなわち誘電体１１が設けられていない非磁性金属層１２を有する磁気抵抗効果素子も同時に作製し、スピン反転電流を比較した。誘電体１１で分断された非磁性金属層１２の構造を、断面ＴＥＭ(Transmission Electron Microscope)で観測したところ、図１６および図２４に示したように、シンセティック反強磁性結合のフリー層１０の上部の非磁性金属層１２が約１ｎｍほど連続膜として残っていることが分かった。

試料５、６および比較例５、６の磁気抵抗効果素子は、実施例６と同様にして作製される。

まず試料５は、図１６に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６_１／非磁性層６_２／磁性層６_３／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／１ｎｍ程度の非磁性金属層１２／誘電体１１で分断された非磁性金属層１２／磁性層１４_１／非磁性層１４_２／磁性層１４_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜１８からなる積層膜を形成する。

また、試料６は、図２４に示すように、下部電極（図示せず）上にＴＭＲ膜、すなわち、下地層２／反強磁性層４／磁性層６／トンネルバリア層８／磁性層１０_１／非磁性層１０_２／磁性層１０_３／１ｎｍ程度の非磁性金属層１２／誘電体１１で分断された非磁性金属層１２／磁性層１５_１／非磁性層１５_２／磁性層１５_３／反強磁性層１６／Ｒｕからなるキャップ層（図示せず）／金属保護膜からなる積層膜を形成する。

比較例５、６は、第６実施例の比較例３、４と同様の構造となっている。

本実施例では、下部配線は全てＴａ／Ｃｕ／Ｔａ、下地層は全てＲｕとした。試料５のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層６、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９５ｎｍ）／（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ａｕ（１ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体１１かつＡｕ（４ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１４、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。

試料６のＴＭＲ膜は、下側から順に、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層４、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第１磁化固着層６、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）からなるトンネルバリア層８、（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）／Ｒｈ（０．８ｎｍ）／（Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０）_８０Ｂ_２０（３ｎｍ）からなる磁気記録層１０、Ｒｕ（１ｎｍ）からなる非磁性金属層、ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体１１かつＲｕ（４ｎｍ）からなる非磁性金属層１２、Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ_７０Ｆｅ_３０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層１５、ＰｔＭｎ（１４ｎｍ）からなる反強磁性層１６とした。なお、上記ＡｌＯｘ（０．７ｎｍ）からなる誘電体層１１は、パターンド自己整合プロセスを用いて作製した。

上記試料５、６および比較例５、６の接合サイズはともに、０．１×０．１８μｍ^２であった。作製後、磁場中アニールを磁性層の長軸方向に３５０℃にて磁場を印加した。

試料５と比較例５、および試料６と比較例６にパルス幅が２００ｎｍのパルス電流を印加して何ｍＡでスピンが反転するか調べた。試料５では０．０６１ｍＡ、比較例５では０．２２ｍＡ、試料６では０．０５７ｍＡ、比較例６では０．２６ｍＡで反転した。これにより、本実施例による磁気抵抗効果素子の構造は大容量メモリとして適し、低電流でスピン注入書き込みができることが分かった。また、繰り返し測定の結果、１０^６回までのスピン注入書き込みを確認でき、本構造の信頼性が確認できた。本実施例より、磁気記録層１０の上部と誘電体１１との間に１ｎｍ程度の非磁性金属層１２を有していても反転電流低減効果があることが明らかになった。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体層、絶縁膜、反強磁性体層、非磁性金属層、電極などの具体的な材料や、膜厚、形状、寸法などに関しては、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。

同様に、本発明の磁気メモリを構成する各要素の構造、材質、形状、寸法についても、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。

その他、本発明の実施の形態として上述した磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。

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。 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。 ＴＭＲ素子の熱擾乱耐性定数の素子接合面積依存性を示す図。 ＴＭＲ素子の熱擾乱耐性定数の、シンセティック反強磁性結合フリー層の磁性層間の相互作用依存性を示す図。 本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第２実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第２実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第２実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第３実施形態における非磁性金属層の膜面方向の断面図。 非磁性金属層中に誘電体が規則的に配置されたパターンを示す図。 第３実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 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を示す断面図。 本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第４実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第４実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第４実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第４実施形態の第４変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第４実施形態の第５変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第４実施形態の第６変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第４実施形態の第７変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 本発明の第５実施形態による磁気メモリに係るメモリセルを示す断面図。 第５実施形態において、データ“０”書き込みを行った場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図。 第５実施形態において、データ“１”からデータ“０”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子のスピンの向きを示す図。 第５実施形態において、データ“１”書き込みを行った場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図。 第５実施形態において、データ“０”からデータ“１”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子のスピンの向きを示す図。 本発明の第６実施形態による磁気メモリに係るメモリセルを示す断面図。 第６実施形態において、データ“０”書き込みを行った場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図。 第６実施形態において、データ“１”からデータ“０”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子のスピンの向きを示す図。 第６実施形態において、データ“１”書き込みを行った場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図。 第６実施形態において、データ“０”からデータ“１”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子のスピンの向きを示す図。 本発明の第７実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図。 第７実施形態による磁気メモリのメモリセルの読み出し動作を説明する図。 第７実施形態において、データ“０”、“１”の状態に対応する磁気抵抗効果素子のスピン状態を示す図。 第７実施形態において、データ“０”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図。 第７実施形態において、データ“１”からデータ“０”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子のスピンの向きを示す図。 第７実施形態において、データ“１”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図。 第７実施形態において、データ“０”からデータ“１”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子のスピンの向きを示す図。 本発明の第８実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図。 第８実施形態による磁気メモリのメモリセルの読み出し動作を説明する図。 第８実施形態において、データ“０”、“１”の状態に対応する磁気抵抗効果素子のスピン状態を示す図。 第８実施形態において、データ“０”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図。 第８実施形態において、データ“１”からデータ“０”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子のスピンの向きを示す図。 第８実施形態において、データ“１”の書き込みを行う場合の電流の方向を示すメモリセルの断面図。 第８実施形態において、データ“０”からデータ“１”に書き換えたときの磁気抵抗効果素子のスピンの向きを示す図。 本発明の第１実施例による磁気抵抗効果素子の比較例を示す断面図。 第１実施例と比較例の書き込み特性を示す図。 第２実施例と比較例の書き込み特性を示す図。 本発明の第４実施例による磁気メモリに係るメモリセルを示す断面図。 第４実施例の書き込み特性を示す図。 本発明の第５実施例による磁気抵抗効果素子の試料１および比較例１の書き込み特性を示す図。 本発明の第５実施例による磁気抵抗効果素子の試料２および比較例２の書き込み特性を示す図。

符号の説明

２ 下地層
４ 反強磁性層
６ 第１磁化固着層
６_１ 磁性層
６_２ 非磁性層
６_３ 磁性層
８ トンネルバリア層
１０ 磁気記録層（磁化自由層）
１０_１ 磁性層
１０_２ 非磁性層
１０_３ 磁性層
１２ 非磁性金属層
１４ 第２磁化固着層
１４_１ 磁性層
１４_２ 非磁性層
１４_３ 磁性層
１５ 第２磁化固着層
１６ 反強磁性層
１８ 金属保護膜

Claims (17)

1. 少なくとも２つの磁性層と、前記磁性層間に設けられた非磁性層とを有し前記磁性層が反強磁性結合をし磁化の向きが可変な磁化自由層と、
   前記磁化自由層の一方の側に設けられたトンネルバリア層と、
   前記トンネルバリア層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第１磁化固着層と、
   前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた非磁性金属層と、
   前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層と、
   を備え、
   前記第１および第２磁化固着層の磁化の向きは互いに実質的に同じであって、前記非磁性金属層はＣｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかか、またはそれらの合金からなっており、前記磁化自由層の非磁性層はＲｕ、Ｒｈ、Ｉｒのいずれかか、またはそれらの合金からなっていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 少なくとも２つの磁性層と、前記磁性層間に設けられた非磁性層とを有し前記磁性層が反強磁性結合をし磁化の向きが可変な磁化自由層と、
   前記磁化自由層の一方の側に設けられたトンネルバリア層と、
   前記トンネルバリア層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第１磁化固着層と、
   前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた非磁性金属層と、
   前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層と、
   を備え、
   前記第１および第２磁化固着層の磁化の向きは互いに実質的に反対であって、前記非磁性金属層はＲｕ、Ｒｈのいずれかか、またはそれらの合金からなっており、前記磁化自由層の非磁性層はＲｈ、Ｒｕのいずれかか、またはそれらの合金からなっていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. 前記磁化自由層の磁性層間の層間結合エネルギーＪ_ＥＸは、０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きい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。
4. 少なくとも２つの磁性層と、前記磁性層間に設けられた非磁性層とを有し前記磁性層が反強磁性結合をし磁化の向きが可変な磁化自由層と、
   前記磁化自由層の一方の側に設けられたトンネルバリア層と、
   前記トンネルバリア層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第１磁化固着層と、
   前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた非磁性金属層と、
   前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側に設けられ磁化の向きが固着された第２磁化固着層と、
   を備え、
   前記磁化自由層の磁性層間の層間結合エネルギーＪ_ＥＸは、０．５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きいことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
5. 前記非磁性金属層は前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側の面に部分的に設けられ、
   前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側の面の前記非磁性金属層が設けられていない部分に設けられた誘電体層を更に備え、
   前記第２磁化固着層は前記非磁性金属層および前記誘電体層それぞれの前記磁化自由層とは反対側の面を覆うように設けられ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. 前記誘電体層の前記第２磁化固着層との界面は、前記非磁性金属層の前記第２磁化固着層との界面と実質的に同一面上にあることを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記誘電体層の前記第２磁化固着層との界面は、前記非磁性金属層の前記第２磁化固着層との界面よりも前記トンネルバリア層と前記磁化自由層との界面から遠いことを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記誘電体層の前記磁化自由層との界面は、前記非磁性金属層の前記磁化自由層との界面よりも前記トンネルバリア層と前記磁化自由層との界面に近いことを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側の面に部分的に設けられた誘電体層を更に備え、
   前記第２磁化固着層は前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側の面および前記誘電体層の前記非磁性金属層とは反対側の面を覆うように設けられ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。
10. 前記誘電体層の前記第２磁化固着層との界面は、前記非磁性金属層の前記第２磁化固着層との界面と実質的に同一面上にあることを特徴とする請求項９記載の磁気抵抗効果素子。
11. 前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側の面に部分的に設けられた誘電体層を更に備え、
    前記非磁性金属層は前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側の面の前記誘電体層が設けられていない部分に設けられるとともに前記誘電体層の前記磁化自由層とは反対側の面を覆うように設けられ、
    前記第２磁化固着層は前記非磁性金属層の前記磁化自由層とは反対側の面に設けられ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。
12. 前記誘電体層の前記磁化自由層との界面は、前記非磁性金属層の前記磁化自由層との界面と実質的に同一面上にあ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および第２磁化固着層の少なくとも一方が磁性層／非磁性層／磁性層の３層構造、または磁性層／非磁性層／磁性層／非磁性層／磁性層の５層構造のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
14. 前記第１および第２磁化固着層の少なくとも一方に反強磁性膜が接していることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
    前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第１配線と、
    前記磁気抵抗効果素子の他端が接続される第２配線と、
    を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
16. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の第１および第２磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
    前記第１および第２磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端とそれぞれ接続される第１配線と、
    前記第１磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第２配線と、
    前記第２磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第３配線と、
    を備え、前記第１配線から前記第２配線に向かう方向の前記第１磁気抵抗効果素子の層配置は、前記第１配線から前記第３配線に向かう方向の前記第２磁気抵抗効果素子の層配置と逆となっていることを特徴とする磁気メモリ。
17. 一端が前記第２配線に接続される第１読み出しトランジスタと、一端が前記第３配線に接続される第２読み出しトランジスタと、前記第１読み出しトランジスタの他端と前記第２読み出しトランジスタの他端に接続される差動増幅回路と、を備えていることを特徴とする請求項１６記載の磁気メモリ。

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