JP2007150265A - 磁気抵抗効果素子および磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁化反転電流密度を低減する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向である双方向の電流通電により磁化の方向が変化しかつ情報を記録する磁化記録層１３と、磁化の方向が固着された磁化参照層１１と、磁化記録層１３および磁化参照層１１間に設けられた非磁性層１２とを具備する。磁化記録層１３は、非磁性層１２に接するように設けられかつ第１の磁気異方性エネルギーを有する界面磁性層と、第１の磁気異方性エネルギーより大きい第２の磁気異方性エネルギーを有する磁化安定化層１５とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気記憶装置に関する。

近年、新しい原理に基づいて情報を記録する固体メモリが多数提案されているが、中でも、固体磁気メモリとして、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistive）効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）が脚光を浴びている。ＭＲＡＭは、データをＭＴＪ(Magnetic Tunnel Junction)素子の磁化状態により記憶する点に特徴を有する。

磁場書き込み型ＭＲＡＭにおいては、ＭＴＪ素子のサイズを縮小すると保持力Ｈｃが大きくなるために、書き込みに必要な電流が大きくなる。実際には、大きな記憶容量（２５６Ｍｂｉｔｓ超）を有するＭＲＡＭを作製するには、チップサイズの縮小が必要であり、それを実現するためにはチップ内におけるセルアレイ占有率を上げ、ＭＴＪ素子のサイズ縮小を抑えつつ、書き込み電流の低減が必要である。しかしながら、磁場書き込み型ＭＲＡＭでは、大容量化に向けたセルサイズの微細化は不可能であり、大きな記憶容量を有するＭＲＡＭの製造には適用できない。

このような課題を克服する書き込み方式として、スピン注入書き込み方式を用いたスピン注入型ＭＲＡＭが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２）。

スピン注入型ＭＲＡＭでは、磁化反転に必要な電流Ｉｃは、電流密度Ｊｃで規定される。従って、素子面積Ｓが小さくなれば、磁化反転するための電流Ｉｃも小さくなる。磁場書き込み型ＭＲＡＭに比べると、スケーラビリティに優れることが期待される。しかしながら、現状のスピン注入型ＭＲＡＭにおいては、その磁化反転電流密度Ｊｃは、１０^７Ａ／ｃｍ^２台と非常に大きい。

よって、ＴＭＲ膜を用いる場合、所望の電流密度に達する前に、トンネルバリア層の破壊電圧Ｖｂｄに到達してしまい、トンネルバリア層が絶縁破壊するという課題を有している。また、たとえ絶縁破壊しなくとも、高電圧下での動作信頼性が確保されないという問題がある。

さらに、スピン注入による磁化反転電流は、記録層の体積に比例する。従って、磁化反転電流密度は、記録層の膜厚に比例する。一般的に、膜厚が厚くなればなるほど、必要な磁化反転電流は大きくなることが知られている。一方で、熱の影響（熱擾乱という）を考慮すると、記録層に記録された情報を保持するためには、一般的には記録層の体積が所望の値以上必要となる。

熱擾乱により磁化反転せず、記録情報を保持するために必要なエネルギーは、Ｋｕ・Ｖ＝Ｋｕ・Ｓ・ｔ（記録層の単位体積あたりの磁気異方性エネルギーＫｕと記録層の体積Ｖ（記録層の面積Ｓと膜厚ｔとの積）との積）で規定される。“Ｋｕ・Ｖ”はどのサイズにおいても所望値以上でなければならず、磁気異方性エネルギーＫｕが一定であることから、素子面積を縮小すると、記録層の膜厚を厚くしなければならない。その結果、磁化反転電流密度Ｊｃが大きくなるという問題を抱えている。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書 C. Slonczewski, "Current-driven ecitation of magnetic multilayers", JORNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS, VOLUME 159, 1996, p.L1-L7 L. Berger, "Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current", PHYSICAL REVIEW B, VOLUME 54, NUMBER 13, 1996, p9353-9358

本発明は、熱安定性を維持しつつ、磁化記録層の実質的な膜厚を低減して磁化反転電流密度を大幅に低減することが可能な磁気抵抗効果素子および磁気記憶装置を提供する。

本発明の第１の視点に係る磁気抵抗効果素子は、膜面に垂直方向である双方向の電流通電により磁化の方向が変化しかつ情報を記録する磁化記録層と、磁化の方向が固着された磁化参照層と、前記磁化記録層および前記磁化参照層間に設けられた非磁性層とを具備する。前記磁化記録層は、前記非磁性層に接するように設けられかつ第１の磁気異方性エネルギーを有する界面磁性層と、前記第１の磁気異方性エネルギーより大きい第２の磁気異方性エネルギーを有する磁化安定化層とを含む。

本発明の第２の視点に係る磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１の磁化参照層、第１の非磁性層、膜面に垂直方向である双方向の電流通電により磁化の方向が変化しかつ情報を記録する磁化記録層、第２の非磁性層、および磁化の方向が固着された第２の磁化参照層が順に積層された積層構造を具備する。前記磁化記録層は、前記第１および第２の非磁性層にそれぞれ接するように設けられかつ第１および第２の磁気異方性エネルギーを有する第１および第２の界面磁性層と、前記第１および第２の界面磁性層間に設けられかつ前記第１および第２の磁気異方性エネルギーより大きい第３の磁気異方性エネルギーを有する磁化安定化層とを含む。

本発明の第３の視点に係る磁気記憶装置は、前記磁気抵抗効果素子と、この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具備する。

本発明によれば、熱安定性を維持しつつ、磁化記録層の実質的な膜厚を低減して磁化反転電流密度を大幅に低減することが可能な磁気抵抗効果素子および磁気記憶装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）１０の構成を示す断面図である。図中の矢印は、磁化方向を示している。また、図１には、例えば面内磁化配列を有するＭＲ素子１０について示している。

本実施形態では、ＭＲ素子１０に膜面に垂直方向である双方向の電流を流して電子が持っているスピンの作用により磁化記録層の磁化を反転させる方法（スピン注入磁化反転）を用いている。すなわち、ＭＲ素子１０は、スピン偏極した電子の供給（スピン注入）によって磁化反転させることが可能なスピン注入型磁気抵抗効果素子である。

ＭＲ素子１０は、界面磁性層１４と磁化安定化層１５との積層構造からなる磁化記録層（フリー層）１３と、磁化参照層（ピン層）１１と、これら磁化記録層１３および磁化参照層１１の間に挟まれた非磁性層１２とから構成される。磁化記録層１３は、磁化の方向が反転する。磁化参照層１１は、磁化の方向が固着されており、情報の読み出し時あるいは書き込み時に参照される層である。

磁化参照層１１および磁化記録層１３の容易磁化方向は、膜面に平行である。なお、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。

磁気異方性エネルギーの小さい磁性体は、容易磁化方向は磁性体の形状に依存し、一般的には長辺方向が容易磁化方向となりやすい。誘導磁気異方性が付与できるものは、磁場中での熱処理および磁場中での成膜などにより容易磁化方向を磁場印加方向に決められる。また、結晶磁気異方性が大きい材料では結晶学的に安定な方向が容易磁化方向となる。ここで、結晶磁気異方性は、全ての磁性材料が持っているものであるが、結晶磁気異方性が大きいとは、５×１０^５ｅｒｇ／ｃｍ^２以上のものとする。

このように構成されたＭＲ素子１０に情報を書き込む動作について、物理的な観点から説明する。尚、本実施形態において、電流は、電子（ｅ⁻）の流れをいうものとする。

現象論的には、磁化記録層１３から磁化参照層１１に電流通電することにより、“１”データを書き込み、磁化参照層１１から磁化記録層１３に電流通電することにより、“０”データを書き込むことになる。

図１において、ＭＲ素子１０に磁化参照層１１から磁化記録層１３に向かう膜面垂直方向の電流を流すと、磁化参照層１１内でのスピン蓄積効果により、スピン偏極した電子が磁化参照層１１から磁化記録層１３へ流れる。この場合、磁化参照層１１内で偏極したマイノリティーのスピンをもつ電子は磁化参照層１１で反射されるが、磁化参照層１１内で偏極したマジョリティーのスピンをもつ電子は磁化参照層１１を通過して磁化記録層１３に入る。

このマジョリティーのスピンをもつ電子は、磁化記録層１３の磁気モーメントにトルクを与え、磁化記録層１３の磁化を磁化参照層１１のそれと平行に揃える。これにより、磁化参照層１１の磁化の方向と磁化記録層１３の磁化の方向とが平行配列となる。この平行配列状態のときは、ＭＲ素子１０の抵抗値は最も小さくなる。この場合を、“０”データと規定する。

一方、ＭＲ素子１０に磁化記録層１３から磁化参照層１１に向かう膜面垂直方向の電流を流すと、スピン偏極した電子が磁化記録層１３から磁化参照層１１へ流れる。この場合、マジョリティーのスピンをもつ電子は磁化参照層１１を通過するが、マイノリティーのスピンをもつ電子は磁化参照層１１で反射され、スピン角運動量を保ったまま（スピンの方向を変えずに）磁化記録層１３内に戻る。

このマイノリティーのスピンをもつ電子は、磁化記録層１３の磁気モーメントにトルクを与え、磁化記録層１３の磁化を磁化参照層１１のそれと反平行に揃える。これにより、磁化参照層１１の磁化の方向と磁化記録層１３の磁化の方向とが反平行配列となる。この反平行配列状態のときは、ＭＲ素子１０の抵抗値は最も大きくなる。この場合を、“１”データと規定する。

このようにして、ＭＲ素子１０に情報（“１”データおよび“０”データ）を記録することができる。情報の読み出しは、ＭＲ素子１０に読み出し電流を流し、ＭＲ素子１０の抵抗値の変化を検出することで行う。

次に、ＭＲ素子１０を構成する各層の具体的な例について説明する。始めに、非磁性層１２の構成について説明する。非磁性層１２には、絶縁体、金属、あるいはそれらの混晶を用いることができる。絶縁体を用いる場合は、トンネル磁気抵抗効果を利用したＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子となり、金属を用いる場合は、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）素子となる。これらを総称してＭＲ（Magnetoresistive）素子と呼ぶ。

ＴＭＲ素子の場合には、非磁性層であるトンネルバリア層として、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＥｕＯ、ＳｒＯ、ＢｅＯ、ＭｇＯ／Ｍｇ、ＡｌＯ_ｘ／Ａｌ、ＴｉＯ_ｘ、ＺｒＯ_ｘ、ＨｆＯ_ｘ、およびこれらの積層膜などが用いられる。

中でも、ＭｇＯは、最もＭＲ比が大きく、１００％以上のＭＲ比を実現できるので好ましい。ＭｇＯはマジョリティースピンのトンネル確率のみが非常に大きく、スピンフィルター効果を有する酸化物材料の代表である。従って、磁化記録層１３および磁化参照層１１の持つスピン分極率以上のＴＭＲを発現することが可能となる。ＭｇＯを用いた場合、ＴＭＲ素子の抵抗×面積（ＲＡ：resistance and area product）が５乃至１００Ωμｍ^２で１００％以上のＭＲ比を実現できる。ＭｇＯはＮａＣｌ構造を有しており、（００１）面に配向している場合がＭＲ比の観点から最も好ましい。なお、（１１０）面あるいは（１１１）面に配向している場合でも１００％以上の十分に大きなＭＲ比を得ることが可能である。

ＭｇＯの上部あるいは下部には、膜厚０．５ｎｍ以下のＭｇ層を挿入することがＭＲ比の向上の観点から好ましい。磁化参照層１１とＭｇＯ層との界面、あるいは界面磁性層１４とＭｇＯ層との界面において、Ｆｅ−ＭｇあるいはＣｏ−Ｍｇの結合を優勢にすることにより、さらにＭＲ比を改善することができる。すなわち、磁化参照層１１とＭｇＯ層あるいは界面磁性層１４とＭｇＯ層との界面におけるＦｅ−Ｏ、Ｃｏ−Ｏ、Ｎｉ−Ｏ、Ｍｎ−Ｏ、Ｃｒ−Ｏなどのような界面磁性層元素との酸化物の形成を抑制できる。ＴＭＲ低下をおさえるためにも、Ｍｇ挿入層の膜厚は、３原子層以下程度、すなわち、０．５ｎｍ以下程度が好ましい。

非磁性層１２としてのＭｇＯ層は、ＭｇＯターゲットあるいはＭｇターゲットを用いてスパッタリング法にて成膜される。あるいは、Ｏ_２雰囲気中で反応性スパッタリング法により成膜してもよい。Ｍｇ層を成膜した後に、酸素ラジカル、酸素イオン、あるいはオゾンなどにより酸化することでも形成可能である。さらに、ＭｇＯを用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法あるいは電子ビーム蒸着（electron beam evaporation）法によりエピタキシャル成長させることで、ＭｇＯ層を成膜することも可能である。

エピタキシャル成長させる場合には、ＭｇＯの配向性に基づいて、選択する下地層となる磁性層の配向性が決まる。ＭｇＯ（００１）、ＭｇＯ（１１１）、ＭｇＯ（１１０）には、その下地層となる磁性層は、それぞれに対応してｂｃｃ（body-centered cubic）構造（００１）、ｆｃｃ（face-centered cubic）構造（１１１）、ｂｃｃ構造（１１０）であることが好ましい。ｂｃｃ構造の材料としては、Ｆｅ、Ｆｅ_{１００−ｘ}Ｃｏ_ｘ（０＜ｘ＜７０、ａｔ％）、１ｎｍ以下のＣｏ、或いはＣｏ合金材料が好ましい。さらにｂｃｃ構造材料としては、Ｆｅがリッチな組成であるＦｅ_１００（ＣｏＮｉ）_{１００−ｘ}（０≦ｘ＜５０、ａｔ％）であってもよい。

磁化参照層１１に膜厚が３ｎｍのＣｏ_４０Ｆｅ_２０Ｂ_２０（ａｔ％）を用い、非磁性層１２に膜厚が１ｎｍのＭｇＯ（００１）を用い、界面磁性層１４に膜厚が１ｎｍのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０（ａｔ％）を用いた場合、ＲＡが１０Ωμｍ^２でＭＲ比１５０％のＴＭＲ素子が得られる。この時の具体的なＴＭＲ膜構成は、Ｔａ５／Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０３／ＭｇＯ０．７５／Ｍｇ０．４／Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０３／Ｒｕ０．８５／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０２．５／ＰｔＭｎ１５／Ｔａ５／／基板である。

スピン注入磁化反転を用いたＭＲＡＭを実現するには、磁化反転電流密度Ｊｃが１×１０^６Ａ／ｃｍ^２未満であることが好ましい。この理由は、耐電圧とＭＲ比の関係による。まず、ＭｇＯの耐電圧は約１Ｖであるので、実際の磁化反転電圧は１Ｖ以下でなければならない。ここで、ＲＡが２Ωμｍ^２以上１００Ωμｍ^２以下の場合のＭｇＯバリア膜でのＭＲ比は、１００％以上を確保でき、回路動作上問題のないレベルとなる。従って、上限値１Ｖで、ＲＡが１００Ωμｍ^２以下であることが必須となり、結果的に１×１０^６Ａ／ｃｍ^２の電流密度Ｊｃを確保することが必須となる。

１００Ωμｍ^２以下のＲＡを達成するためには、非磁性層１２にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯの膜厚が１．５ｎｍ以下であることが必要であり、さらにはＲＡを１０Ωμｍ^２以下に設定する場合には、ＭｇＯの膜厚が１ｎｍ以下となる。

次に、磁化記録層１３の構成について説明する。磁化記録層１３は、外部からの電流通電によるスピン注入効果、あるいはスピン蓄積効果により磁化の方向が反転する。磁化記録層１３は、界面磁性層１４と磁化安定化層１５とを含む。

界面磁性層１４および磁化安定化層１５は、強磁性的あるいは反強磁性的に交換結合することにより、磁化参照層１１に対して、非磁性層１２と隣接する部分で平行状態あるいは反平行状態の磁化配列を取り得る。界面磁性層１４と磁化安定化層１５とは交換結合しているため、１つの磁性層として機能する。図１に示した磁化記録層１３は、界面磁性層１４と磁化安定化層１５とが強磁性的に交換結合しており、かつ平行磁化状態が安定の場合を示している。

図２および図３には、界面磁性層１４と磁化安定化層１５とがそれぞれ強磁性的および反強磁性的に交換結合しており、かつ磁化参照層１１に対して平行状態の場合における磁化記録層１３を示している。図２および図３において、磁化参照層１１および非磁性層１２は図１と同様に形成されているものと考える。なお、図２および図３には、ＭＲ素子１０のうち磁化記録層１３のみを示している。

図２の反強磁性的磁化配列状態を実現するには、磁化安定化層１５にフェリ磁性体を用いる。さらには、図３の反強磁性的磁化配列状態を実現するには、界面磁性層１４上に非磁性層１６を形成し、この非磁性層１６上に磁化安定化層１５を形成することで、非磁性層１６を介して界面磁性層１４と磁化安定化層１５とが反強磁性的に交換結合する。非磁性層１６としては、Ｒｕ、Ｏｓなどを用いることができる。

図２および図３に示すように、磁化記録層１３が反強磁性的磁化配列状態を有する場合は、上下層の飽和磁化がキャンセルされる。これにより、残留磁化状態での見かけ上の飽和磁化量を低減でき、熱安定性および外部磁界に対する安定性を向上させることができる。

磁化記録層１３は、界面磁性層１４と磁化安定化層１５とで構成されているが、磁化安定化層１５に比べて、界面磁性層１４の方が高い分極率あるいは小さいダンピング定数αを有する。分極率およびダンピング定数に関する詳細は後述する。この場合、ＭＲ素子への電流通電により発生するスピントルクが界面磁性層１４に優先的に強く作用する。すなわち、界面磁性層１４の磁化の歳差運動を起点として磁化記録層１３全体の磁化の歳差運動が始まる。従って、界面磁性層１４により磁化の歳差運動が励起される磁化反転をとるために、界面磁性層１４と磁化安定化層１５との磁気異方性エネルギーおよび膜厚の設計が重要となる。また、それらを実現するための材料設計も重要となる。

界面磁性層１４は、磁化安定化層１５よりも小さな磁気異方性エネルギーを有している。また、界面磁性層１４の磁気異方性エネルギーが小さいことから、ダンピング定数も小さい。従って、ダンピング定数においても、界面磁性層１４が小さく、磁化安定化層１５が大きい。定量的には、ＦＭＲ（Ferro-Magnetic-Resonance）測定により求められる。ダンピング定数は「α」で表され、界面磁性層１４のダンピング定数αは、０．０５以下であることが望まれる。Ｆｅを主成分とする材料を用いることにより、ダンピング定数を０．０１以下に抑制することが可能となる。これは、Ｆｅのダンピング定数が０．００２と小さいことに起因しいている。一方、高い磁気異方性エネルギーを有する磁化安定化層１５は、０．１以上のダンピング定数を有する。ここで高い磁気異方性エネルギーとは、おおよそ５×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^２程度以上である。

界面磁性層１４は、主に磁気抵抗効果を発現させるために配置されるものである。従って、非磁性層１２との界面分極率および材料自身のバルク分極率が大きいことが好ましい。高分極率を有する界面磁性層１４の寄与により、ＭＲ比を向上させることができる。これにより、読み出し電流を低減した場合でも、ＭＲ素子１０の情報を正確に読み出すことが可能となる。

界面磁性層１４の膜厚としては、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満であることが必要である。これは、０．５ｎｍ未満では、界面磁性層１４の材料磁気特性および結晶性が十分に得られず、十分なＭＲ比が得られないためである。また、５ｎｍ以上であれば磁化反転に必要な電流Ｉｃが大幅に大きくなり、トンネルバリア層の破壊電圧以下では磁化反転しなくなる可能性があるからである。

以下に、界面磁性層１４の材料における２つの具体例（１）および（２）について説明する。界面磁性層１４には、高分極率を有する磁性体が用いられる。界面磁性層１４の分極率は、アンドリュー（andrew）反射測定、或いはＸＭＣＤ（X-ray Magnetic Circular Dichroism）を用いたスペクトロスコピー（spectroscopy）などにより求められる。

（１）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、或いはＣｒを含む強磁性材料。

具体的には、Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０（ａｔ％）などの０．３以上の高バルク分極率を有するｂｃｃ−ＣｏＦｅ系合金あるいはｂｃｃ−ＣｏＦｅＮｉ系合金、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（ａｔ％）などの高分極率を有するｆｃｃ−ＣｏＦｅ系合金あるいはｆｃｃ−ＣｏＦｅＮｉ系合金、（ｂｃｃ−Ｃｏ_０．５Ｆｅ_０．５）_８０Ｂ_２０（ａｔ％）などの高分極率を有するアモルファスＣｏＦｅ系合金、あるいはアモルファスＣｏＦｅＮｉ系合金などがあげられる。

また、ｂｃｃ−ＣｏＦｅ系合金あるいはｂｃｃ−ＣｏＦｅＮｉ系合金は、組成の調整によりダンピング定数を０．０１以下に調整できる。この場合、Ｆｅが３０ａｔ％以上含まれていることが必要となる。但し、（ｂｃｃ−ＣｏＦｅ）_８０Ｂ_２０（ａｔ％）に関しては、アモルファス構造を有しているが、ＦｅとＣｏの組成比でＦｅが３０ａｔ％以上であれば、０．０１以下のダンピング定数が達成される。

（２）Ｍｎ系強磁性合金、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金、Ｃｒ系強磁性合金、およびＦｅ_２Ｏ_３などの酸化物ハーフメタル。

Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金は、Ａ_２ＭｎＸで表される規則格子を有する体心立方晶（body-centered cubic system）合金である。Ａ元素としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、およびＣｏなどがあげられる。Ｘ元素としては、Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＳｉなどがあげられる。Ｍｎ系強磁性合金としては、ＭｎＡｌ合金、ＭｎＡｕ合金、ＭｎＺｎ合金、ＭｎＧａ合金、ＭｎＩｒ合金、およびＭｎＰｔ_３合金などがあげられる。これらは、規則格子を有する特徴がある。Ｃｒ系強磁性合金としては、ＣｒＰｔ_３合金などがあげられる。これも規則格子を有する。なお、ハーフメタルとは、フェルミレベルの電子状態において、電子スピンが一方の向きに１００％偏った（マジョリティースピンのみが存在する）強磁性材料をいう。Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金は、Ｍｎを使っているので、非常にダンピング定数が小さい可能性を有する。Ｍｎは単体ではダンピング定数が原理的に０となる元素である。

また、強磁性を有する界面層としては、反強磁性（ＡＦ）から強磁性（ＦＭ）へ磁気転移するＦｅＲｈＸ（Ｘ＝Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ）なども用いることができる。ＦｅＲｈＸ合金は、ＡＦ時にはＭｓを持たず、ＦＭ時にはＭｓを発する。ある所定の温度でＡＦからＦＭへ相転移する。ＴＭＲ素子において、低電圧でのリード時には発熱量が抑えられ、ＡＦ状態なので、スピンで書き込めない。しかし、高電圧でのライト時には発熱量が増大し、ＦＭ状態になり、ここで、スピン注入により書き込まれる。

また、界面磁性層１４は、非磁性層１２に接するように設けられている。界面磁性層１４は、飽和磁化Ｍｓｆ１および磁気異方性エネルギーＫａｆ１を有する。界面磁性層１４の非磁性層１２に接する面と反対面には、磁化安定化層１５が設けられている。

界面磁性層１４は、磁化安定化層１５と交換結合している。取り得る交換結合エネルギーは、０．０５ｅｒｇ／ｃｍ^２以上１．０ｅｒｇ／ｃｍ^２未満程度である。０．０５ｅｒｇ／ｃｍ^２未満では、界面磁性層１４と磁化安定化層１５とのスピン注入磁化反転における磁化回転が一体で起こらない。すなわち、熱の影響などで交換結合が実質的に切れた状態となり、各層がほぼバラバラに回転する可能性がある。

磁化安定化層１５は、飽和磁化Ｍｓｆ２および高い磁気異方性エネルギーＫａｆ２を有する。このように、磁化記録層１３が高い磁気異方性エネルギーＫａｆ２を有する磁化安定化層１５を備えることで、磁化記録層１３の熱安定性を向上させることができる。磁化安定化層１５の磁気異方性エネルギーは、界面磁性層１４の磁気異方性エネルギーより大きいことが必須となる。

よって、磁気異方性エネルギーＫａｆ１とＫａｆ２との関係は、以下のように規定される。

Ｋａｆ１＜Ｋａｆ２
さらには、飽和磁化Ｍｓｆ１とＭｓｆ２との関係は、以下の関係を満たすことが好ましい。

Ｍｓｆ１≧Ｍｓｆ２
すなわち、異方性磁界Ｈａは、
Ｈａ＝２・Ｋａ／Ｍｓ
で表されるので、界面磁性層１４の異方性磁界Ｈｋｆ１は、磁化安定化層１５の異方性磁界Ｈｋｆ２よりも小さくなる。異方性磁界Ｈａは、ＭＲ素子１０の困難軸方向のＭ−Ｈカーブ、あるいはＲ−Ｈカーブによって一般的に測定できる。

磁化記録層１３の飽和磁化Ｍｓｆと膜厚ｔｆとの積（Ｍｓｆ・ｔｆ）は、３．０×１０^４ｅｍｕ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。これは、本発明が大きな記憶容量を有するスピン注入型ＭＲＡＭを目指したもので、ＭＲ素子１０の短辺長が１００ｎｍ以下の場合であり、その時にスピン注入による磁化反転電流Ｉｃを０．１ｍＡ以下にする必要があるためである。書き込み電流の制限は、トランジスタサイズに起因しており、最小加工寸法（minimum feature size（Ｆ））が１００ｎｍ以下になると、０．１ｍＡより大きな電流を駆動させることが困難となるからである。

飽和磁化Ｍｓの観点から見ると、磁化記録層１３の飽和磁化Ｍｓｆは、６００ｅｍｕ／ｃｃ以下であることが好ましい。これは、上記の反転電流Ｉｃを０．１ｍＡ以下にする制約に基づいている。

さらに、スピン注入磁化反転の場合、磁化記録層１３にはスピントルクが有効に働く膜厚（特性長）が存在する。この特性長は、スピン情報を維持したまま電子が伝導できる長さ（スピン拡散長）と、スピンおよび磁化が歳差運動によりおおよそ一回転する長さ（デコヒーレンス長）とにより決定される。

磁化記録層１３の膜厚ｔｆは、スピン拡散長の制約から、１０ｎｍ以下であることが好ましい。さらには、磁化の歳差運動の制約およびスピントルク量の減衰効果なども考えると、磁化記録層１３の膜厚ｔｆは、５ｎｍ以下であることが好ましい。上述したＭＲ比の制約からくる界面磁性層１４の制約条件を加えると、磁化記録層１３の膜厚ｔｆは、１ｎｍ≦ｔｆ≦１０ｎｍで、好ましくは１ｎｍ≦ｔｆ≦５ｎｍである。この時の磁化安定化層１５の膜厚ｔｆ２は、０．５ｎｍ≦ｔｆ２≦９．５ｎｍで、好ましくは０．５ｎｍ≦ｔｆ２≦４．５ｎｍとなる。磁化安定化層が０．５ｎｍ未満では、有効な磁気異方性エネルギーを発現できない。

さらに、界面磁性層１４が磁化記録層１３に占める膜厚比は、１／２０以上１／２以下であることが好ましい。これは、ＭＲ比を十分に得るための界面磁性層１４の層厚が０．５ｎｍであることに基づく。磁化記録層１３の膜厚が１０ｎｍの時は１／２０、磁化記録層１３の膜厚が２ｎｍの時は、１／２となる。膜厚２ｎｍは、熱的に安定となる膜厚の下限値を考慮した場合である。

界面磁性層が面内磁化であり、磁化安定化層が垂直磁化である、垂直磁化を有する磁気記録層を用いる場合においては、界面磁性層は３ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、磁化記録層全体のＭｓｆとＫａｆとの関係に依存し、
Ｋａｆ−４πＭｓｆ^２＞０
の関係を満たすようにしなければならない。

一方、熱安定性および情報の保持安定性を得るためには、磁化安定化層１５の磁気異方性エネルギーＫａｆ２は、５×１０^５ｅｒｇ／ｃｃ以上であることが必要である。これは、磁化記録層１３に記録された情報の１０年以上の保持に必要となる経験的な磁気異方性エネルギーＫａである。従って、これ以上大きな磁気異方性エネルギーＫａであることが好ましい。

特に、界面磁性層１４の磁気異方性エネルギーＫａｆ１が小さく、その異方性磁界Ｈｋｆ１が５０Ｏｅ未満の場合においては、磁化安定化層１５の磁気異方性エネルギーＫａｆ２は、１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上であり、かつその飽和磁化Ｍｓｆ２が４００ｅｍｕ／ｃｃ以下であることがさらに好ましい。この時の磁化安定化層１５の異方性磁界Ｈｋｆ２は、Ｈｋｆ２＝２・Ｋａｆ２／Ｍｓｆ２＝５０００Ｏｅ以上となる。また、磁化記録層１３に垂直磁化を用い、かつ、熱的に安定にするためには、磁化安定化層１５の磁気異方性エネルギーＫａｆ２は１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上であることが好ましく、この時の異方性磁界Ｈｋｆ２は１ｋＯｅ以上である。

磁化記録層１３としての保磁力は、１ｋＯｅ以下となるように界面磁性層１４と磁化安定化層１５との膜厚を設定することが反転電流を低減する観点から好ましい。さらに、前述したように大きな記憶容量を有するスピン注入型ＭＲＡＭを形成するためには、磁化記録層１３の面積Ａｆが０．００５μｍ^２以下であることが好ましい。これらの条件から考えると、磁化記録層１３の形状は、アスペクト比が２の時は、０．１×０．０５μｍ^２となり、アスペクト比が１の時は、概略０．０７×０．０７μｍ^２となる。

この時、反転電流がばらつかないようにすることを考慮すると、実際には、磁化反転磁界がばらつかないようにしなければならない。統計的に考えると、１ビットあたりに少なくとも１００個程度の磁化記録層１３の結晶粒がないと、結晶粒ごとの磁気特性が平均化されない。このために、アレイを形成した場合の多数ビットの磁化反転がばらつく原因となる。

これを考慮すると、結晶粒径は、５ｎｍ以下であることが好ましい。この観点からいうと、界面磁性層１４および磁化安定化層１５の少なくともどちらか一方がアモルファス相であることが好ましい。界面磁性層１４がアモルファス相である方が制御が容易であり好ましく、アモルファス（ＣｏＦｅ）_{１００−ｘ}Ｂ_ｘ（１５＜ｘ＜５０、ａｔ％）、あるいはアモルファス（ＮｉＦｅ）_{１００−ｘ}Ｂ_ｘ（１５＜ｘ＜５０、ａｔ％）が好ましい。

ただし、大きな結晶磁気異方性を用いた垂直磁化ＭＲ素子の場合は、この限りではない。この垂直磁化ＭＲ素子の場合は、ほぼ垂直に磁気異方性が揃うために、形状磁気異方性および結晶磁気異方性を利用した面内磁気異方性を有する面内磁化膜の場合と比べて、比較的に磁気異方性分散が小さい。実際には、ｈｃｐ（hexagonal closest packing）構造を有する垂直磁化膜の場合、（００１）面の結晶配向性が磁気異方性分散の重要な指標となるが、ｈｃｐ構造（００１）のピークのロッキングカーブ半値幅が５度以下程度に抑えられる。従って、磁気異方性分散が結晶配向性分散と概略同一と考えると、非常に小さな異方性分散を有する膜が形成可能である。

以下に、磁化安定化層１５の材料における３つの具体例（１）〜（３）について説明する。

（１）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、および希土類元素のうち少なくとも１種類以上を含有するフェリ磁性体。

ここで希土類元素とは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ａｃ、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、Ｎｏ、およびＬｒを含む。特に本実施形態で有効なのは、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、およびＥｕである。希土類元素を含むフェリ磁性体は、アモルファス構造を有する。フェリ磁性体は、組成の調整により、４００ｅｍｕ／ｃｃ以下の低飽和磁化、および１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ程度の高磁気異方性エネルギーを付与することが可能である。また、３ｄ元素と４ｆ電子を有する希土類元素からなるアモルファス合金はフェリ磁性を示すものがあり、これらは垂直磁化しやすく、垂直磁化膜としても使用することができる。フェリ磁性を示すアモルファス材料としてはＣｏＦｅ−Ｔｂ、ＣｏＦｅ−Ｇｄが挙げられる。ＦｅＣｏ−Ｔｂは、磁気異方性エネルギーが大きく、スピン軌道相互作用が大きいので、ダンピング定数αが０．１以上と大きいが、Ｇｄ、Ｈｏ、Ｄｙなどを添加することにより、それを小さく出来る可能性がある。

フェリ磁性体は、ネットのＭｓがゼロとなる組成点（組成補償点）を有しており、Ｍｓの低減が容易である。ＣｏＦｅ−ＲＥ（ＲＥ：rare-earth）合金は、ＲＥ組成が１５〜４０ａｔ％の組成範囲で補償点を有する。磁化反転電流はＭｓ^２の影響を受けるので、Ｍｓの低減は低電流化において好ましい。

（２）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＣｒのうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｃａ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１つ以上の元素とを含有する強磁性体。ここで希土類元素とは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ａｃ、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、Ｎｏ、およびＬｒを含む。特に本実施形態で有効なのは、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、およびＥｕである。

この磁化安定化層１５の代表的な材料としては、ｈｃｐ構造を有するＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金などがあげられる。これらの材料には、１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の磁気異方性エネルギーを付与することが可能である。

また、高磁気異方性エネルギーを有するという点では、Ｌ１_０構造を有する規則系Ｆｅ_{５０±１０}Ｐｔ_{５０±１０}（ａｔ％）合金が好ましい。ＦｅＰｔは規則化後にはＦＣＣ構造からＦＣＴ構造に変化する。異方性の軸は［００１］方向にあるために、優先面配向としては（００１）優先配向が好ましい。この場合、ＦｅＰｔ合金は垂直磁化を有する。

（３）金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体。

磁化安定化層１５の金属磁性相は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＣｒのうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、および希土類元素のうち少なくとも１種類以上とを含有する強磁性体から構成される。磁化安定化層１５の絶縁相は、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｃａ、および希土類元素から選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含有する酸化物、窒化物、あるいは酸窒化物から構成される。ここで希土類元素とは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ａｃ、Ｔｈ、Ｐａ、Ｕ、Ｎｐ、Ｐｕ、Ａｍ、Ｃｍ、Ｂｋ、Ｃｆ、Ｅｓ、Ｆｍ、Ｍｄ、Ｎｏ、およびＬｒを含む。特に本実施形態で有効なのは、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、およびＥｕである。

図４乃至図６は、磁化安定化層１５の相構造を説明する断面図である。前述したように、磁化安定化層１５は、金属磁性相１７と絶縁相１８との混晶からなる強磁性体である。

図４では、磁化安定化層１５は、コラムナー型に成長した高磁気異方性エネルギーを有する複数の金属磁性相１７と、絶縁相１８とに分離されている。このため、金属磁性相１７に電流が集中するため、これの電流密度が上昇し、実質的な反転電流が小さくなるという効果を有する。また、同様な効果が、図５および図６に示した磁化安定化層１５においても得られる。図５の磁化安定化層１５は、絶縁相１８内に複数の粒状の金属磁性相１７を有するグラニュラー型構造を有している。図６の磁化安定化層１５は、絶縁相１８内に界面磁性層１４から上方向に延びた複数の金属磁性相１７を有するアイランド成長型構造を有している。

図５および図６では、電流は最もトンネル障壁が小さいパスを通電することになるので、図４と同様に電流狭窄効果が得られる。また、絶縁相１８と界面磁性層１４との間、および絶縁相１８と金属磁性相１７との間で、弾性散乱によって反射された電子により磁化反転がアシストされる効果もある。

金属磁性相１７と絶縁相１８との比率は、熱擾乱耐性を得るために必要な磁化安定化層１５の体積と電流狭窄度とに依存する。電流狭窄効果を十分に発揮するためには、金属磁性相１７の絶縁相１８に対する比率は、０．５以下であることが好ましい。面積比で表現すると、５０％以下ということになる。従って、電流密度は２倍以上の効果を見込める。この結果、高磁気異方性エネルギーを有する部分を反転させるのに十分な電流密度が得られるように設計が可能となる。

上述したコラムナー結晶粒、グラニュラー結晶粒、アイランド成長型結晶粒は、適度な結晶粒径分散を有する。ＴＭＲ素子の短辺長が１００ｎｍ以下の場合、微結晶化が必要となる。素子間バラツキを平均化するために、ＴＭＲ素子内に１００個の粒子が必要だと考えると、素子短辺長の１／１０程度の結晶粒径が必要となる。従って、素子短辺長が１００ｎｍの時は、１０ｎｍ以下の結晶粒径、素子短辺長が７０ｎｍの時は、７ｎｍ以下の結晶粒径、素子短辺長が４５ｎｍの時は、約５ｎｍ以下の結晶粒径が必要となる。

完全に結晶粒間の交換結合が切れていない場合を考える。適度な結晶粒径分散により、小さな結晶粒も存在し、それらは見かけ上の結晶磁気異方性エネルギーが小さい。従って、それらの結晶粒は、スピン注入により非常に反転しやすい領域となっている。これにより、スピン注入時あるいは磁場印加時には、それら小さい結晶粒が核となり、磁化記録層は小さな電流あるいは磁場で磁化反転する。

一方、交換結合により結晶粒間は結合しているので、磁化記録層の熱的安定性は、高い結晶磁気異方性エネルギーを有する結晶粒によって決まる。従って、良好な熱安定性を有することとなる。一般的に、このような現象を引き起こす場合、ＴＭＲ素子の磁化記録層の保磁力Ｈｃｆと異方性磁界Ｈｋｆ（あるいは飽和磁界Ｈｓｆ）と異方性エネルギーＫａｆと飽和磁化Ｍｓｆとの関係は、下記のように表されることを経験的に見出した。

Ｈｃｆ＜２・Ｋａｆ／Ｍｓｆ
Ｈｃｆ＜Ｈｓｆ（Ｈｋｆ）
上式を満足する場合、磁化記録層は、低電流密度でのスピン注入磁化反転が可能となる。

さらに、上述したコラムナー結晶構造、グラニュラー結晶構造およびアイランド成長型結晶構造の場合、個々の結晶粒の結晶磁気異方性エネルギーを容易に分散させることが可能である。一般に、スピン注入トルクは、磁化の相対角度が０度および１８０度の場合には働かない。従って、磁化反転させるには大きな電流通電による発熱を利用し、熱的に活性化させる必要があり、スピン注入磁化反転では大きな電流を必要とする。

しかしながら、磁化記録層に適度な結晶磁気異方性エネルギー分散があると、低電流でスピン注入磁化反転が起きる。結晶磁気異方性エネルギー分散度は、結晶方位分散と密接に関係しており、結晶配向性分散が５度以上４５度以下において、分散がほとんどない場合に比べて低電流でスピン注入磁化反転するが、結晶配向性分散が５度以上１５度以下であることがさらに好ましい。

ｈｃｐ構造を有するＣｏ合金あるいはｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を有するＦｅＰｔ合金などにおいては、Ｃ軸配向性あるいは（００１）面配向性を上記範囲内に制御することで、低電流でスピン注入磁化反転が可能となる。結晶配向性分散は、面内磁気異方性あるいは垂直磁気異方性を有する磁化記録層および磁化参照層を具備するスピン注入型ＭＲ素子において有効である。

次に、磁化参照層１１について説明する。磁化参照層１１は、一軸磁気異方性あるいは一方向磁気異方性を有し、所定の磁化の方向で安定状態となる。磁化参照層１１には、非磁性層１２との界面での界面分極率およびバルク分極率が大きい材料からなる界面磁性層が含まれる。

磁化参照層１１は、非磁性層１２に接するように形成された飽和磁化Ｍｓｐ１および磁気異方性エネルギーＫａｐ１を有する界面磁性層と、飽和磁化Ｍｓｐ２および磁気異方性エネルギーＫａｐ２を有する磁化安定化層との積層膜により構成される。磁気異方性エネルギーＫａｐ１とＫａｐ２とは、１×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^２以上であることが望ましい。

また、磁化参照層１１の飽和磁化Ｍｓｐと膜厚ｔｐとの積（Ｍｓｐ・ｔｐ）は、磁化記録層１３の飽和磁化Ｍｓｆと膜厚ｔｆとの積（Ｍｓｆ・ｔｆ）よりも大きいことが好ましい。

次に、スピン注入型ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例について図７乃至１４を用いて説明する。

図７では、磁化参照層２０は、磁化参照層１１と反強磁性層２１とから構成されている。そして、反強磁性層２１と強磁性層（磁化参照層１１）との交換結合を利用して、磁化参照層２０の磁化の方向が一方向に固着されている。これを単層磁化固着層という。

図８では、磁化参照層２０は、磁化参照層１１／非磁性層２３／磁化固着層２２／反強磁性層２１が積層されたＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnet）構造を有している。なお、磁化参照層２０を構成する各層は、上の層から順に示している。以下の積層構造の記載についても同様である。

このＳＡＦ構造は、磁化の方向が互いに逆の２つの強磁性層を非磁性層を介して積層させた構造である。このＳＡＦ構造では、２つの強磁性層の磁場がループを形成するため、磁場が外に漏れて周囲のセルに影響を与えることが少ない。また、交換結合した強磁性層は、体積が増加する効果として、熱擾乱耐性が向上する。

図８において、磁化固着層２２は、反強磁性層２１との交換結合により、磁化の方向が一方向に固着されている。そして、磁化参照層１１は、非磁性層２３を介して磁化固着層２２と反強磁性的に交換結合することにより、磁化の方向が固着されている。

図９では、磁化参照層２０は、磁化参照層１１／非磁性層２３／中間磁性層２５／非磁性層２４／磁化固着層２２／反強磁性層２１が積層された積層構造を有している。このように構成された磁化参照層２０は、熱安定性が向上する。すなわち、ＳＡＦ構造の熱安定性は、非磁性層の上下の磁性層の各々のＫｕ・Ｖ（磁気異方性エネルギーと体積との積）の和で決定される。従って、３層の磁性層と２層の非磁性層とを用いた方が、さらに熱安定性を向上させることができる。

図１０では、磁化記録層１３は、第２の磁化安定化層３２／非磁性層３１／第１の磁化安定化層１５／界面磁性層１４が積層された積層構造を有している。このうち、磁化安定化層３０は、第２の磁化安定化層３２／非磁性層３１／第１の磁化安定化層１５が積層されたＳＡＦ構造を有している。そして、磁化記録層１３は、磁化安定化層３０と界面磁性層１４とが積層されて構成されている。

図１０において、磁化記録層１３の熱安定性は、非磁性層の上下の磁性層の各々のＫｕ・Ｖ（磁気異方性エネルギーと体積との積）の和で決定される。ＳＡＦ構造を有しない磁化記録層の熱安定性もＫｕ・Ｖで規定される。ＳＡＦ構造の場合、非磁性層の上下の磁性層が静磁結合する。これにより、磁性層端部の符号が逆の磁化がキャンセルされ、磁性層端部に形成される端部磁区が消失する。この結果、非磁性層の上下の磁性層が一体化するため、磁化記録層１３は熱安定性が向上する。

従って、端部磁区に起因した外部磁場耐性および磁性層端部での反磁界による作用が低減され、磁化記録層全体の磁気的および熱的な安定性が向上する。この場合、非磁性層の上下に設置される磁性層のＭｒ・ｔ（残留磁化と膜厚との積）は、磁化の絶対値が略同等となるように調整される。理想的には略同じであることが望まれるが、実質的には加工などの問題も考慮し若干ずらすことが多い。しかしながら、Ｍｒ・ｔのずれは、磁場分布の影響を生じるため、ずれ量はＭｒ・ｔ換算で１ｎｍＴ（ナノメートル・テスラ）以下であることが好ましい。

図１１では、磁化記録層１３は、第２の磁化安定化層３２／非磁性層３１／結合磁性層３３／第１の磁化安定化層１５／界面磁性層１４が積層されたＳＡＦ構造を有している。ここで、結合磁性層３３は、非磁性層３１を介した第１の磁化安定化層１５と第２の磁化安定化層３２との反強磁性的な交換結合をアシストするために用いられる。結合磁性層３３の挿入により、第２の磁化安定化層３２／非磁性層３１／結合磁性層３３の反強磁性的な結合を強固にすることができる。これにより、非磁性層３１の上下の磁性層の磁化の動き、すなわち、磁化記録層１３の磁化反転挙動を完全に一体化することが可能となり、熱安定性が向上する。従って、結合磁性層３３としては、Ｒｕ、Ｏｓなどとの結合が強固であるＣｏＦｅ合金などが用いられる。

また、反強磁性的な交換結合を用いたＳＡＦ構造の磁化記録層を使用することにより、磁化記録層の残留磁化Ｍｒと膜厚ｔとの積Ｍｒ・ｔである残留磁化量を見かけ上低減することが可能となる。これにより、熱的に安定すると同時に、外部磁界耐性も向上する。ここで、残留磁化状態での見かけ上の飽和磁化量Ｍｒ・ｔとは、図２を用いて説明すると、界面磁性層１４の層厚をｔｆ１、磁化安定化層１５の層厚をｔｆ２、界面磁性層１４の残留磁化をＭｒｆ１、磁化安定化層１５の残留磁化をＭｒｆ２とすると、次の式で表される。

Ｍｒ・ｔ＝｜Ｍｒｆ１・ｔｆ１−Ｍｒｆ２・ｔｆ２｜
図１２に示したＭＲ素子１０は、磁化の方向が異なる方向に固着された２つの磁化参照層２０および４０を有する、いわゆるデュアルピン（Dual-Pin）構造を有している。磁化参照層４０は、反強磁性層４６／磁化固着層４５／非磁性層４４／中間磁性層４３／非磁性層４２／磁化参照層４１が積層された積層構造を有している。磁化記録層１３は、第２の界面磁性層１４Ｂ／磁化安定化層１５／第１の界面磁性層１４Ａが積層された積層構造を有している。そして、磁化記録層１３と磁化参照層２０との間には第１の非磁性層１２Ａ、磁化記録層１３と磁化参照層４０との間には第２の非磁性層１２Ｂが設けられている。

この構成では、膜面垂直方向に電流を通電した場合、スピン注入効果とスピン蓄積効果とを同時に利用できるため、反転電流を低減することが可能となる。また、デュアルピン構造は、磁化参照層２０と磁化参照層４０との磁化の向きが逆に設定される。このため、磁化記録層１３の磁化反転に必要な電流密度が電流の向きに依存せず、“０”データと“１”データとを書き込む場合の電流値を同じにできることである。よって、書き込み回路が複雑にならずにすむ。

デュアルピン構造を有するＭＲ素子１０においても、磁化安定化層１５の磁気異方性エネルギーは、第１の界面磁性層１４Ａの磁気異方性エネルギーより大きく設定される。また、ダンピング定数に関しても、第１の界面磁性層１４Ａのダンピング定数より大きく設定される。磁化安定化層１５のダンピング定数は、０．１以上である。ここで、第１の界面層１４Ａのダンピング定数は、０．０５以下が好ましい。同様に、磁化安定化層１５の磁気異方性エネルギーは、第２の界面磁性層１４Ｂの磁気異方性エネルギーより大きく設定される。また、ダンピング定数に関しても、第２の界面磁性層１４Ｂのダンピング定数より大きく設定される。ここで、第２の界面磁性層１４Ｂのダンピング定数は、０．０５以下が好ましい。上記条件を満たせば、第１の界面磁性層１４Ａの磁気異方性エネルギーと第２の界面磁性層１４Ｂの磁気異方性エネルギーとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。後述するデュアルピン構造を有するＭＲ素子１０においても同様である。

図１３および図１４のＭＲ素子１０は、磁化の方向が同一方向に固着されている２つの磁化参照層２０，４０を有している。また、磁化参照層２０，４０はＳＡＦ構造を有し、磁化記録層１３もＳＡＦ構造を有する。ここで、図１３では、結合磁性層３３／磁化安定化層１５／第１の界面磁性層１４Ａを第１の磁化記録層と定義し、第２の界面磁性層１４Ｂを第２の磁化記録層と定義する。同様に、図１４では、第１の結合磁性層３３Ａ／第１の磁化安定化層１５Ａ／第１の界面磁性層１４Ａを第１の磁化記録層と定義し、第２の界面磁性層１４Ｂ／第２の磁化安定化層１５Ｂ／第２の結合磁性層３３Ｂを第２の磁化記録層と定義する。

これらの構成では、磁化固着層２２および４５の磁化の方向は、アニール時の磁場印加方向で一意に同じ方向に決まるため、磁化参照層１１および４１の磁化の方向も同方向に決まる。

一方、磁化記録層１３もＳＡＦ構造を有するが、非磁性層３１の上下の磁性層は反平行の磁化の方向を有する。従って、第１の磁化記録層の磁化の方向が磁化参照層２０の磁化の方向と平行の場合、第２の磁化記録層の磁化の方向は、磁化参照層４０の磁化の方向と反平行となる。すなわち、ＳＡＦ構造の磁化記録層１３を用いることで、一方向のデュアルピン層の磁化の方向に対して、図１２と同様に反平行と平行との２つの状態が形成される。従って、膜面垂直方向に電流を通電した場合、スピン注入効果とスピン蓄積効果とを同時に利用できるため、反転電流を低減することが可能となる。

（実施例）
以下に、ＭＲ素子１０の複数の実施例について説明する。まず、実施例として使用するＭＲ素子１０のサイズおよび製造方法について説明する。

下部電極層と上部電極層との間にＭＲ素子１０を形成する。すなわち、下部電極層上に、例えばＤＣマグネトロンスパッタ法により、ＭＴＪ膜を成膜する。下部電極層としては、例えばＴａが用いられる。そして、エキシマレーザー（excimer laser）を用いたフォトリソグラフィーにより、ＭＴＪ膜を概略０．１×０．１５μｍ^２のサイズにパターニングする。この時、磁化記録層１３のアスペクト比（長軸／短軸）は、１．５である。その後、ＭＲ素子１０をイオンビームエッチング（ＩＢＥ）法により加工する。

次に、層間絶縁層を形成する。そして、この層間絶縁層をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により平坦化するとともに、ＭＲ素子１０の上面を露出させる。次に、ＭＲ素子１０上に、上部電極層を形成する。上部電極層としては、例えばＴａが用いられる。なお、ＭＲ素子１０の抵抗が素子抵抗でＲ＝５ｋΩとなるように、バリア形成条件を調整する。また、ＭＲ素子１０のＲＡを約１５Ωμｍ^２に設定する。

このように形成されたＭＲＡＭの電気特性およびスピン注入による磁化反転特性を評価した。下記の表１には、比較例および実施例１〜８についてのＭＲ素子１０の層構成を示している。各層に記載された数値は膜厚を表している。膜厚の単位は、ｎｍである。

表１において、実施例１乃至８に示したＭＲ素子１０は、図８に示した積層構造を有している。また、表１において、Ｔａ層は、上部電極層および下部電極層に対応する。界面磁性層１４および磁化参照層１１に対応するａ−ＦｅＣｏＢ層は、アモルファス層であり、その組成は、Ｆｅ_４０Ｃｏ_４０Ｂ_２０（ａｔ％）である。ＭＲ素子１０には、３８０度のアニールを行った。このアニール後、非磁性層１２に対応するＭｇＯは、（００１）面に配向した。

磁化安定化層１５に対応するＣｏＣｒＰｔの組成は、Ｃｏ_７２Ｃｒ_２０Ｐｔ_８（ａｔ％）、ＣｏＣｒＴａの組成は、Ｃｏ_７６Ｃｒ_２０Ｔａ_４（ａｔ％）である。ＦｅＣｏＴｂおよびＦｅＣｏＧｄの組成は、それぞれＦｅ_４０Ｃｏ_４０Ｔｂ_２０（ａｔ％）、Ｆｅ_４０Ｃｏ_４０Ｇｄ_２０（ａｔ％）を用いた。

これらのＭＲ素子１０に対して、反転電流密度ＪｃおよびＭＲ比を測定した。測定結果を表２に示す。なお、表２に示したＪｃ（P-to-AP）は、磁化参照層１１と磁化記録層１３との磁化の方向が平行状態（Ｐ）から反平行状態（ＡＰ）に変化する場合の反転電流密度Ｊｃを表している。一方、表２に示したＪｃ（AP-to-P）は、磁化参照層１１と磁化記録層１３との磁化の方向が反平行状態（ＡＰ）から平行状態（Ｐ）に変化する場合の反転電流密度Ｊｃを表している。

表２に示すように、各実施例の反転電流密度Ｊｃは、比較例と比べて、大きく低減されている。また、各実施例のＭＲ比も大きく向上している。

以上詳述したように本実施形態によれば、磁化記録層１３が高い磁気異方性エネルギーを有する磁化安定化層１５を備えているため、磁化記録層１３の熱安定性を向上させることができる。また、熱擾乱耐性を低下させずに、実質的な膜厚を低減して反転電流密度を大幅に低減することができる。

また、磁化記録層１３は、高分極率の界面磁性層１４を備えている。この高分極率を有する界面磁性層１４の寄与により、ＭＲ素子１０のＭＲ比を向上させることができる。これにより、読み出し電流を低減した場合でも、ＭＲ素子１０の情報を正確に読み出すことが可能となる。

なお、本実施形態では、ＭＲ素子１０を構成する層が面内磁化配列を有する場合を例に説明したが、これに限定されず、垂直磁化配列を有していても構わない。磁化安定化層１５の結晶磁気異方性分散が大きく、例えばｈｃｐ構造を有するＣｏ系合金の[０００１]軸方向の結晶磁気異方性を磁気異方性として用いる場合、垂直磁化配列を有する方が磁化記録層１３が単磁区化して、スピン注入効率が向上する。これにより、実質的な反転電流密度を低減することが可能となる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、前述したＭＲ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の実施形態である。

図１５は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭを説明する回路図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ５０を備えている。メモリセルアレイ５０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ＢＬが配置されている。また、メモリセルアレイ５０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が配置されている。

ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差する点には、前述したメモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＲ素子１０と選択トランジスタ５１とにより構成されている。ＭＲ素子１０の一方の端子は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＲ素子１０の他方の端子は、選択トランジスタ５１のドレインに接続されている。選択トランジスタ５１のゲートには、ワード線ＷＬが接続されている。選択トランジスタ５１のソースは、ソース線ＳＬに接続されている。

ビット線ＢＬの一端には、電源回路５３が接続されている。ビット線ＢＬの他端には、センスアンプ回路５４が接続されている。ソース線ＳＬの一端には、電源回路５２が接続されている。ソース線ＳＬの他端は、図示しないスイッチ素子を介して電源５５が接続されている。

電源回路５３は、ビット線ＢＬの一端に正の電位を印加する。センスアンプ回路５４は、ＭＲ素子１０の抵抗値を検出する他、ビット線ＢＬの他端に例えば接地電位を印加する。電源回路５２は、ソース線ＳＬの一端に、正の電位を印加する。電源５５は、この電源５５に接続されたスイッチ素子をオンすることにより、ソース線ＳＬの他端に例えば接地電位を印加する。また、各電源回路は、対応する配線との電気的な接続を制御するスイッチ素子を含んでいる。

メモリセルＭＣへのデータ書き込みは、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５１がターンオンする。

ここで、ＭＲ素子１０には、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＲ素子１０に上から下へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、電源回路５３はビット線ＢＬの一端に正の電位を印加し、電源５５はこの電源５５に対応するスイッチ素子をオンすることによりソース線ＳＬの他端に接地電位を印加する。

また、ＭＲ素子１０に下から上へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、電源回路５２はソース線ＳＬの一端に正の電位を印加し、センスアンプ回路５４はビット線ＢＬの他端に接地電位を印加する。ここでは、電源５５に対応するスイッチ素子はオフされている。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。

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。先ず、メモリセルＭＣが選択される。次に、電源回路５２およびセンスアンプ回路５４により、ＭＲ素子１０には、電源回路５２からセンスアンプ回路５４へ流れる読み出し電流Ｉｒが供給される。そして、センスアンプ回路５４は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＲ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＲ素子１０に記憶された情報を読み出すことができる。

次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図１６は、ＭＲＡＭの断面図である。なお、図１６には、ＭＲＡＭのうち１つのメモリセルＭＣに対応する部分について示している。

Ｐ型半導体基板６１（或いは、基板内に設けられたＰ型ウェル）には、スイッチング素子としての選択トランジスタ５１が設けられている。また、Ｐ型半導体基板６１には、選択トランジスタ５１を周囲の素子と電気的に分離するために、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）６２が設けられている。

選択トランジスタ５１は、例えばＮ型ＭＯＳトランジスタにより構成される。具体的には、半導体基板６１上には、ゲート絶縁膜５１Ａを介してゲート電極５１Ｂが設けられている。ゲート電極５１Ｂは、図１５に示したワード線ＷＬに対応する。半導体基板６１内でゲート電極５１Ｂの両側には、高濃度のＮ^＋型不純物が導入されたソース領域５１Ｃおよびドレイン領域５１Ｄが設けられている。

ソース領域５１Ｃ上には、コンタクトプラグ６３を介して配線層６４が設けられている。配線層６４は、図１５に示したソース線ＳＬに対応する。ドレイン領域５１Ｄ上には、コンタクトプラグ６５を介して配線層６６が設けられている。この配線層６６は、ＭＲ素子１０とドレイン領域５１Ｄとを電気的に接続するために用いられる。

配線層６６上には、下部電極層６７が設けられている。下部電極層６７としては、例えばＴａが用いられる。下部電極層６７上には、ＭＲ素子１０が設けられている。ＭＲ素子１０上には、上部電極層６８が設けられている。上部電極層６８としては、例えばＴａが用いられる。

上部電極層６８上には、配線層６９が設けられている。配線層６９は、図１５に示したビット線ＢＬに対応する。半導体基板６１と配線層６９との間は、層間絶縁層７０で満たされている。

このように、第１の実施形態で示したＭＲ素子１０を用いてスピン注入型ＭＲＡＭを構成することが可能である。図１５に示したスピン注入型ＭＲＡＭの動作を確認し、トランジスタで駆動できる電流でＭＲ素子１０を磁化反転させることが可能であることが確認できた。さらに、ビット歩留まりとしては、９９．９％以上を得られた。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の構成を示す断面図。 磁化記録層１３の他の構成例を示す断面図。 磁化記録層１３の他の構成例を示す断面図。 磁化安定化層１５の相構造を説明するための断面図。 磁化安定化層１５の相構造の他の構成例を説明するための断面図。 磁化安定化層１５の相構造の他の構成例を説明するための断面図。 ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例を示す断面図。 ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例を示す断面図。 ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例を示す断面図。 ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例を示す断面図。 ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例を示す断面図。 ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例を示す断面図。 ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例を示す断面図。 ＭＲ素子１０の他の具体的な構成例を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。 図１５に示したＭＲＡＭの断面図。

符号の説明

ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、ＳＬ…ソース線、１０…磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）、１１，４１…磁化参照層、１２，１２Ａ，１２Ｂ…非磁性層、１３…磁化記録層、１４，１４Ａ，１４Ｂ…界面磁性層、１５，１５Ａ，１５Ｂ…磁化安定化層、１７…金属磁性相、１８…絶縁相、１６，２３，２４，３１，４２，４４…非磁性層、２０，４０…磁化参照部、２１，４６…反強磁性層、２２，４５…磁化固着層、２５，４３…中間磁性層、３０…磁化安定化部、３２…磁化安定化層、３３，３３Ａ，３３Ｂ…結合磁性層、５０…メモリセルアレイ、５１…選択トランジスタ、５１Ａ…ゲート絶縁膜、５１Ｂ…ゲート電極、５１Ｃ…ソース領域、５１Ｄ…ドレイン領域、５２，５３…電源回路、５４…センスアンプ回路、５５…電源、６１…半導体基板、６２…ＳＴＩ、６３…コンタクトプラグ、６４，６６，６９…配線層、６５…コンタクトプラグ、６７…下部電極層、６８…上部電極層、７０…層間絶縁層。

Claims (14)

1. 膜面に垂直方向である双方向の電流通電により磁化の方向が変化しかつ情報を記録する磁化記録層と、
   磁化の方向が固着された磁化参照層と、
   前記磁化記録層および前記磁化参照層間に設けられた非磁性層と
   を具備し、
   前記磁化記録層は、前記非磁性層に接するように設けられかつ第１の磁気異方性エネルギーを有する界面磁性層と、前記第１の磁気異方性エネルギーより大きい第２の磁気異方性エネルギーを有する磁化安定化層とを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 磁化の方向が固着された第１の磁化参照層、第１の非磁性層、膜面に垂直方向である双方向の電流通電により磁化の方向が変化しかつ情報を記録する磁化記録層、第２の非磁性層、および磁化の方向が固着された第２の磁化参照層が順に積層された積層構造を具備し、
   前記磁化記録層は、前記第１および第２の非磁性層にそれぞれ接するように設けられかつ第１および第２の磁気異方性エネルギーを有する第１および第２の界面磁性層と、前記第１および第２の界面磁性層間に設けられかつ前記第１および第２の磁気異方性エネルギーより大きい第３の磁気異方性エネルギーを有する磁化安定化層とを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. 前記磁化安定化層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、および希土類元素のうち少なくとも１種類以上を含有するフェリ磁性体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記磁化安定化層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＣｒのうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｃａ、および希土類元素のうち少なくとも１種類以上の元素とを含有する強磁性体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記磁化安定化層は、金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体からなり、
   前記金属磁性相は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＣｒのうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、および希土類元素のうち少なくとも１種類以上とを含有する強磁性体からなり、
   前記絶縁相は、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｈｆ、Ｙ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｃａ、および希土類元素のうち少なくとも１種類以上の元素を含有する酸化物、窒化物、あるいは酸窒化物からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記磁化安定化層の膜厚は、０．５ｎｍ以上９．５ｎｍ以下であ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. 前記界面磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＣｒのうち少なくとも１種類以上を含有する強磁性体からなる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。
8. 前記界面磁性層の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記磁化記録層の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下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. 前記磁化安定化層の磁気異方性エネルギーは、５×１０^５ｅｒｇ／ｃｃ以上であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
11. 前記磁化安定化層と前記第１の界面磁性層とは、交換結合しており、かつ強磁性的あるいは反強磁性的な磁化配列を有しており、
    前記磁化安定化層と前記第２の界面磁性層とは、交換結合しており、かつ強磁性的あるいは反強磁性的な磁化配列を有していることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
12. 前記請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の前記磁気抵抗効果素子と、この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具備することを特徴とする磁気記憶装置。
13. 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および第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電源回路と
    をさらに具備することを特徴とする請求項１２に記載の磁気記憶装置。
14. 前記第２の電極と前記第２の配線との間に接続された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
    をさらに具備することを特徴とする請求項１３に記載の磁気記憶装置。

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