JP2008010590A - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】磁化自由層の熱的安定性を維持しつつ、磁化反転の際の反転電流をより低減する。
【解決手段】磁気抵抗素子は、積層面に垂直な方向に通電されることにより情報を記録する磁気抵抗素子であって、膜面に対して垂直な磁気異方性を有し、かつ磁化の方向が固定された磁化参照層１１と、膜面に対して垂直な磁気異方性を有し、かつ磁化の方向が変化する磁化自由層１３と、磁化参照層１１と磁化自由層１３との間に設けられた中間層１２とを具備し、磁化自由層１３は、少なくとも２層の強磁性層１３Ａと、強磁性層１３Ａ間に設けられた層間結合層１３Ｂとを有する積層構造であり、強磁性層１３Ａは、層間結合層１３Ｂを介して、強磁性的に結合している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリに関する。

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）効果を利用する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。

従来型の配線電流による磁場で書き込みを行うＭＲＡＭにおいては、ＭＴＪ素子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傾向がある。上述した従来型ＭＲＡＭでは、２５６Ｍｂｉｔｓを超えるような超大容量化に向けたセルサイズの微細化と低電流化の両立は不可能である。すなわち、スケーラビリティ性がない。

このような課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（ＳＭＴ：Spiｎｍomentum Transfer）書き込み方式を用いたＭＲＡＭが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１〜２）。

スピン角運動量移動（以下、スピン注入と称する）磁化反転では、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、素子面積が小さくなれば、スピン注入により磁化反転するための注入電流Ｉｃも小さくなる。先に述べた従来型の磁場書き込み方式に比べると、電流密度を一定にして書き込む場合、ＭＴＪ素子サイズが小さくなれば書き込み電流も小さくなるために、スケーラビリティ性に優れることが期待される。

しかしながら、ＭＴＪ素子の微細化が進むにつれて、情報の保持などに必要な磁化自由層の熱的安定性を維持するために、磁化自由層の膜厚は厚くなってくる。また、スピン注入磁化反転は、磁化自由層と中間層との界面付近のスピントルクが働く特性長内でのスピン角運動量移動により作用するスピントルクにより発生する。従って、磁化自由層の膜厚が厚くなり、上記の特性長を超えてくると、磁化反転電流が急激に大きくなってしまうという問題がある。
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, pp.L1-L7 L. Berger, "Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current", PHYSICAL REVIEW B, VOLUME 54, NUMBER 13, 1996, pp.9353-9358

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、磁化自由層の熱的安定性を維持しつつ、磁化反転の際の反転電流をより低減することが可能な磁気抵抗素子及びそ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の視点に係る磁気抵抗素子は、積層面に垂直な方向に通電されることにより情報を記録する磁気抵抗素子であって、膜面に対して垂直な磁気異方性を有し、かつ磁化の方向が固定された磁化参照層と、膜面に対して垂直な磁気異方性を有し、かつ磁化の方向が変化する磁化自由層と、前記磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、を具備し、前記磁化自由層は、少なくとも２層の強磁性層と、前記強磁性層間に設けられた層間結合層とを有する積層構造であり、前記強磁性層は、前記層間結合層を介して、強磁性的に結合している。

本発明の第２の視点に係る磁気メモリは、上記第１の視点に係る磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを含むメモリセルを具備することを特徴とする。

本発明によれば、磁化自由層の熱的安定性を維持しつつ、磁化反転の際の反転電流をより低減することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリ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ＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。図１は、本実施形態のＭＴＪ素子１０の基本構成を示している。

ＭＴＪ素子１０は、磁化参照層（ピン層）１１、中間層１２、磁化自由層（フリー層）１３が順に積層された積層構造を有している。なお、この基本構成は、積層順序が逆転していても構わない。ピン層１１は、強磁性体からなり、磁化（或いはスピン）の方向が固着されている。フリー層１３は、強磁性体からなり、磁化の方向が変化（反転）する。

このＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは積層面）に垂直な方向に双方向に通電されることにより、フリー層１３の磁化の方向を反転させ、情報の記録を行う磁気抵抗効果型素子である。すなわち、双方向の電流通電により、ピン層１１からフリー層１３へピン層１１のスピンの角運動量が移動され、スピン角運動量の保存則に従い、スピン角運動量がフリー層１３のスピンに移動されることで、フリー層１３の磁化の方向が反転する、いわゆる、スピン注入書込み方式に用いられる磁気抵抗効果型素子である。

本実施形態のＭＴＪ素子１０は、素子の短辺長が１００ｎｍを下回り、情報の保持特性、すなわち、フリー層１３の磁化の熱的安定性を維持するために、スピントルクが働く特性長よりもフリー層１３の膜厚を厚くしなければならない場合に特に効果を発揮する。

図１に示すように、フリー層１３はＮ層（Ｎは、２以上の整数）からなる強磁性層（１３Ａ−１、１３Ａ−２、・・・、１３Ａ−Ｎ）が層間結合層（１３Ｂ−１、１３Ｂ−２、・・・、１３Ｂ−（Ｎ−１））によって分割されている。すなわち、フリー層１３は、強磁性層１３Ａと層間結合層１３Ｂとが順に積層された積層構造である。そして、２層の強磁性層１３Ａは、層間結合層１３Ｂを介して強磁性的に結合している。

各強磁性層１３Ａの膜厚は、ｔ１、ｔ２、・・・、ｔｎで表される。ｔ１〜ｔｎは、同じ膜厚である必要はない。強磁性層１３Ａの膜厚は、中間層１２に近いものが、中間層１２から遠いものよりも薄くなるように設定される。

次に、典型的例として、シングルピン層構造（フリー層とピン層とが中間層を介して配置される構造）と、デュアルピン層構造（フリー層の両側にそれぞれ中間層を介して２つのピン層が配置される構造）とを有するＭＴＪ素子１０について説明する。

図２は、シングルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０の断面図である。なお、図中の矢印は、磁化の方向を示している。図２には、フリー層１３が、２層の強磁性層１３Ａ−１，１３Ａ−２と１層の層間結合層１３Ｂとを有する場合を例示している。

ピン層１１上には、中間層１２が設けられている。中間層１２上には、フリー層１３が設けられている。すなわち、中間層１２上には、強磁性層１３Ａ−１、層間結合層１３Ｂ、強磁性層１３Ａ−２が順に積層されている。また、ピン層１１及びフリー層１３の容易磁化方向はそれぞれ、膜面（或いは積層面）に対して垂直である（以下、垂直磁化と称する）。

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。

垂直磁化膜をフリー層１３（具体的には、強磁性層１３Ａ−１、１３Ａ−２）とピン層１１とに用いることにより、ＭＴＪ素子のアスペクト比Ａｒ（素子の短辺長と長辺長との比、すなわち、Ａｒ＝長辺長／短辺長）を１に設計することが可能となる。これは、ＭＴＪ素子の熱安定性を発現する磁気異方性の起源による。

容易磁化方向が膜面に対して平行である面内磁化膜をフリー層とピン層とに用いた場合、ＭＴＪ素子のアスペクト比Ａｒに依存した形状磁気異方性により、熱的安定のための異方性磁界を得ている。従って、より熱的に安定にしようとすると、ＭＴＪ素子のアスペクト比Ａｒを大きく（Ａｒ＞１）取らなければならない。すなわち、ＭＴＪ素子サイズの増大を招く。また、磁気異方性がＭＴＪ素子のアスペクト比に依存するために、ＭＴＪ素子サイズのばらつきに非常に敏感となってしまう。

一方、垂直磁化膜においては、結晶磁気異方性により熱的安定性のための異方性磁界を得ている。従って、垂直磁化膜の熱的安定性は、ＭＴＪ素子サイズに大きくは依存しない。この結果、ＭＴＪ素子のサイズ及び形状の自由度が増大し、アスペクト比Ａｒを１に設定することが可能となる。

このように構成されたＭＴＪ素子１０において、データの書き込みは、以下のように行われる。先ず、ＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは積層面）に垂直な方向において、双方向に電流通電される。

ピン層１１側から電子（すなわち、ピン層１１からフリー層１３へ向かう電子）を供給した場合、ピン層１１の容易磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子がフリー層１３に注入される。この場合、フリー層１３の磁化の方向は、ピン層１１の容易磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、ピン層１１とフリー層１３との磁化の方向が平行配列となる。この平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、この場合をデータ“０”と規定する。

一方、フリー層１３側から電子（すなわち、フリー層１３からピン層１１へ向かう電子）を供給した場合、ピン層１１により反射されることでピン層１１の容易磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子がフリー層１３に注入される。この場合、フリー層１３の磁化の方向は、ピン層１１の容易磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、ピン層１１とフリー層１３との磁化の方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も大きくなり、この場合をデータ“１”と規定する。

また、データの読み出しは、ＭＴＪ素子１０に読み出し電流を供給することで行われる。この読み出し電流は、書き込み電流よりも小さい値に設定される。前述したように、ＭＴＪ素子１０は、磁気抵抗効果により、ピン層１１とフリー層１３との磁化の方向が平行配列か反平行配列かで異なる抵抗値を有する。この抵抗値の変化を読み出し電流に基づいて検出する。

図３は、デュアルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０の断面図である。図３には、フリー層１３が、３層の強磁性層１３Ａ−１，１３Ａ−２，１３Ａ−３と２層の層間結合層１３Ｂ−１，１３Ｂ−２とを有する場合を例示している。

第１のピン層１１上には、第１の中間層１２が設けられている。中間層１２上には、フリー層１３が設けられている。すなわち、中間層１２上には、強磁性層１３Ａ−１、層間結合層１３Ｂ−１、強磁性層１３Ａ−２、層間結合層１３Ｂ−２、強磁性層１３Ａ−３が順に積層されている。フリー層１３上には、第２の中間層１４が設けられている。第２の中間層１４上には、第２のピン層１５が設けられている。

ピン層１１，１５及びフリー層１３（具体的には、強磁性層１３Ａ−１、１３Ａ−２、１３Ａ−３）には、垂直磁化膜が用いられる。また、デュアルピン層構造の場合には、ピン層１１とピン層１５との磁化の方向は、反平行（反対方向）に設定される。

このように構成されたＭＴＪ素子１０において、データの書き込みは、以下のように行われる。先ず、ＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは積層面）に垂直な方向において、双方向に電流通電される。

ピン層１１側から電子（すなわち、ピン層１１からフリー層１３へ向かう電子）を供給した場合、ピン層１１の容易磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、ピン層１５により反射されることでピン層１５の容易磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とがフリー層１３に注入される。この場合、フリー層１３の磁化の方向は、ピン層１１の容易磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、ピン層１１とフリー層１３との磁化の方向が平行配列となる。

一方、ピン層１５側から電子（すなわち、ピン層１５からフリー層１３へ向かう電子）を供給した場合、ピン層１５の容易磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、ピン層１１により反射されることでピン層１１の容易磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とがフリー層１３に注入される。この場合、フリー層１３の磁化の方向は、ピン層１１の容易磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、ピン層１１とフリー層１３との磁化の方向が反平行配列となる。

また、データの読み出しは、シングルピン層構造の場合と同様に、ＭＴＪ素子１０に読み出し電流を流し、ＭＴＪ素子１０の抵抗値の変化を検出することで行われる。

ここで、図２及び図３に示したＭＴＪ素子１０は、複数の強磁性層１３Ａとそれらの間に設けられた層間結合層１３Ｂとの積層構造であるフリー層１３を備えている。図２に示したＭＴＪ素子１０において、フリー層１３の強磁性層１３Ａ−１、１３Ａ−２の膜厚ｔ１、ｔ２は、ｔ１＜ｔ２の関係を有している。また、図３に示したＭＴＪ素子１０において、フリー層１３の強磁性層１３Ａ−１、１３Ａ−２、１３Ａ−３の膜厚ｔ１、ｔ２、ｔ３は、ｔ１＜ｔ２、かつ、ｔ２＞ｔ３の関係を有している。これにより、フリー層１３は、中間層に近い強磁性層が磁化反転の起点となり、非常に小さな電流で反転することが可能となる。

本実施形態においては、フリー層１３内の強磁性層１３Ａ間では、層間結合層１３Ｂを介しての交換結合、すなわち、層間結合が存在する。層間結合としては、金属層などを介した場合に発現する電子軌道の波動に起因するＲＫＫＹ交換相互作用や、絶縁体などの中間層を介した場合に生ずる膜の凹凸及び膜の周期などに起因するＮｅｅｌ結合などがある。強磁性層１３Ａ間の層間結合の存在により、各強磁性層１３Ａは、磁化反転において、隣の強磁性層の磁化反転にある程度拘束されつつ磁化反転することとなる。

図４は、フリー層１３の磁化反転の挙動を説明するための図である。なお、フリー層１３の磁化の方向は、ピン層１１の磁化の方向と反対方向に設定されている。図４には、一例として、シングルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０を示している。また、フリー層１３としては、一例として、３層の強磁性層１３Ａ−１、１３Ａ−２、１３Ａ−３と、２層の層間結合層１３Ｂ−１、１３Ｂ−２との積層構造を用いている。

先ず、フリー層１３からピン層１１に向かって膜面に垂直な電流を供給する。すなわち、ピン層１１からフリー層１３に向かって膜面に垂直な電子（ｅ）を供給する。これにより、ピン層１１によりスピン偏極された電子がフリー層１３に注入される。

本実施形態のスピン注入磁化反転では、図４に示すように、ピン層１１からスピンが注入され、中間層１２に最も近い強磁性層１３Ａ−１が磁化反転を開始する。このことにより、強磁性層１３Ａ−１と強磁性層１３Ａ−２との磁化の方向に実質的な相対的角度が発生する。

このとき、強磁性層１３Ａ−２は、隣の強磁性層１３Ａ−１よりも磁化反転が若干遅れている。これは、強磁性層１３Ａ−２は、強磁性層１３Ａ−１からのスピン注入が主となって、磁化回転を始めるからである。このように、次々に隣の強磁性層にスピンが注入されることになり、磁化反転が伝播する。

本実施形態（図１）において、熱的安定性に寄与する膜厚は、各々の強磁性層１３Ａの膜厚（ｔ１、ｔ２、・・・、ｔｎ）ではない。これは、本実施形態では、層間結合層１３Ｂを介して、強磁性層１３Ａ間で層間結合が働いているためである。本実施形態の熱的安定性を決める膜厚ｔ_thermは、複数の強磁性層１３Ａのうち最大の膜厚ｔ_maxよりは大きく、全ての強磁性層１３Ａの膜厚の和ｔ_total（＝ｔ１＋ｔ２＋・・・＋ｔｎ）よりは小さくなる。従って、フリー層１３の熱的安定性は、層間結合の結合エネルギーと強磁性層固有の交換結合エネルギーとの大きさに依存することになる。

次に、本実施形態のＭＴＪ素子１０のより詳細な具体例について説明する。なお、フリー層１３の構成は、図１等に示すように、複数の強磁性層１３Ａとそれらの間に設けられた層間結合層１３Ｂとからなる積層構造である。図５乃至図１０は、この積層構造をフリー層１３に有するＭＴＪ素子１０の具体例を示す断面図である。

基板（図示せず）側の最下層には、基本構成の結晶配向性或いは結晶性を制御するための下地層１６が設けられている。この下地層１６には、例えば非磁性金属層が用いられる。最上層には、基本構成を酸化及び腐食などの劣化から保護するためのキャップ層１７が設けられている。キャップ層１７には、例えば非磁性金属層が用いられる。

図５に示したＭＴＪ素子１０は、保持力差型ＭＴＪ素子である。従って、ピン層１１にはフリー層１３より大きな結晶磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）を有する強磁性層が用いられる。具体的には、ピン層１１には垂直磁化膜が用いられるので、Ｋｕが５×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の強磁性層をピン層１１として用いることが好ましい。ピン層及びフリー層の具体的な材料については、後述する。

また、フリー層１３とピン層１１との結晶磁気異方性エネルギーが同等程度の場合、ピン層１１の膜厚は、フリー層１３のそれよりも厚く設定される。また、ピン層１１の飽和磁化と膜厚との積（Ｍｓ・ｔ）が、フリー層１３のそれよりも大きい方が好ましい。ピン層１１のＭｓ・ｔは、フリー層１３のＭｓ・ｔの３倍以上あることがピン層１１の熱的安定性を確保するためには好ましい。

図６は、ピン層１１の他の構成を示す断面図である。ピン層１１の下（ピン層１１と下地層１６との間）には、ピン層１１に接するように、反強磁性層１８が設けられている。ピン層１１は、反強磁性層１８と交換結合することで、膜面に対して垂直に磁化の方向が固着されている。この構造を用いることで、ピン層１１の磁化固着力が増強され、外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性が向上する。

図７は、ピン層１１の他の構成を示す断面図である。ピン層１１は、ピン層１１Ｃ／中間層１１Ｂ／ピン層１１Ａの積層構造を有している。ピン層１１Ａ及びピン層１１Ｃの容易磁化方向は、膜面に対して垂直である。また、ピン層１１Ａとピン層１１Ｃとの磁化の方向は互いに反平行（反対方向）に設定され、ピン層１１Ａとピン層１１Ｃとは中間層１１Ｂを挟んで反強磁性結合している。

中間層を介して互いの磁化の方向が反平行である第１の磁性層／中間層（非磁性層）／第２の磁性層の積層構造をシンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnet）構造という。このＳＡＦ構造を用いることで、ピン層１１の磁化固着力が増強され、外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性を向上させることができる。具体的には、ピン層１１の磁化固着力の温度依存性が向上する。

ＳＡＦ構造において、第１の磁性層（ピン層１１Ｃに対応する）の飽和磁化をＭｓ１、膜厚をｔ１、第２の磁性層（ピン層１１Ａに対応する）の飽和磁化をＭｓ２、膜厚をｔ２とすると、Ｍｓ１・ｔ１≒Ｍｓ２・ｔ２に設定することで、ピン層１１の見かけ上の飽和磁化と磁性層膜厚との積Ｍｓ・ｔをほぼゼロとすることが可能となる。これにより、ピン層１１は、外部磁場に反応しにくくなり、さらに外部磁場耐性を向上させることができる。

ＳＡＦ構造における中間層１１Ｂには、Ｒｕ（ルテニウム）やＯｓ（オスミウム）などの金属材料が用いられ、その膜厚は３ｎｍ以下に設定される。これは、中間層１１Ｂを介して十分強い反強磁性結合を得るためである。このような中間層１１Ｂを用いることで、ピン層１１の磁化固着力が増大され、外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性が向上する。

図８は、ピン層１１の他の構成を示す断面図である。ピン層１１Ａの下（ピン層１１Ａと下地層１６との間）には、ピン層１１Ａに接するように、反強磁性層１８が設けられている。ピン層１１Ａは、反強磁性層１８と交換結合することで、膜面に対して垂直に磁化の方向が固着されている。この構造を用いることで、ピン層１１Ａの磁化固着力が増強され、外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性が向上する。

図９は、フリー層１３の他の構成を示す断面図である。フリー層１３は、フリー層１３Ｃ／中間層１３Ｄ／フリー層１３Ｅの積層構造を有している。すなわち、フリー層１３は、ＳＡＦ構造を有している。フリー層１３Ｃ及びフリー層１３Ｅはそれぞれ、図１等に示すように、複数の強磁性層１３Ａとそれらの間に設けられた層間結合層１３Ｂとからなる積層構造である。

フリー層１３Ｃ及びフリー層１３Ｅの容易磁化方向は、膜面に対して垂直である。また、フリー層１３Ｃとフリー層１３Ｅとの磁化の方向は互いに反平行に設定され、フリー層１３Ｃとフリー層１３Ｅとは中間層１３Ｄを挟んで反強磁性結合している。この構造を用いることで、フリー層１３は、外部磁場に対する耐性及び熱的な安定性が向上する。

図１０は、フリー層１３及びピン層１１の他の構成を示す断面図である。フリー層１３と中間層１２との間には、これら２つの層に接触するように、界面フリー層１９が設けられている。また、ピン層１１と中間層１２との間には、これら２つの層に接触するように、界面ピン層２０が設けられている。このように、フリー層１３と中間層１２との間、及び、ピン層１１と中間層１２との間にはそれぞれ、強磁性体からなる界面フリー層１９及び界面ピン層２０が挿入されることが好ましい。

界面フリー層１９及び界面ピン層２０は、磁気抵抗効果を増大させる効果があり、さらには、スピン注入書き込み時に書き込み電流を低減する効果がある。さらに、磁気抵抗効果を増大させる界面フリー層１９及び界面ピン層２０には、その材料自身のバルク的な分極率が大きいことが望ましく、さらには、中間層との界面分極率が増大されるように材料を選択することが好ましい。

次に、ＭＴＪ素子１０を構成する各層の材料について説明する。

［１］ 垂直磁化フリー層及び垂直磁化ピン層に用いられる磁性材料
本実施形態においては、フリー層１３の強磁性層１３Ａ及びピン層１１には垂直磁化膜が用いられる。面内磁化フリー層を用いた場合、スイッチング磁界はＭＴＪ素子のサイズに強く依存するが、垂直磁化フリー層を用いることにより、ＭＴＪ素子サイズの依存性が小さくなる。

面内磁化の場合、飽和磁化を利用した形状磁気異方性エネルギーにより磁化の安定性を維持させるため、素子形状及び素子サイズに依存してスイッチング磁界が変化する。一方、垂直磁化の場合、飽和磁化を小さくし、素子形状及び素子サイズに依存しない結晶磁気異方性エネルギーにより磁化の安定性を維持するために、素子形状及び素子サイズに依存してスイッチング磁界が変わることが小さくなる。従って、垂直磁化フリー層を用いることで、ＭＴＪ素子を小さくするとＭＴＪ素子のスイッチング磁界が大きくなるという面内磁化膜を用いたＭＴＪ素子の問題が解決され、面内磁化ＭＴＪ素子以上の微細化が可能となる。

各強磁性層１３Ａの膜厚は、０より大きく３ｎｍ以下であることが好ましい。上述したスピントルクは、フリー層の中間層側界面で主として働く。従って、スピントルクが伝播し、許容される電流値で磁化反転するためには、フリー層の厚さは制約される。本実施形態においては、強磁性層１３Ａが３ｎｍを超える膜厚になると、磁化反転電流が急激に増加することを見出した。これは、スピン注入効果だけではなく、強磁性層１３Ａと層間結合層１３Ｂとの界面でのスピン反射効果及びスピン蓄積効果が寄与しているためである。

本実施形態のＭＴＪ素子１０に用いられる垂直磁化膜としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）及びＭｎ（マンガン）のうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）及びＣｒ（クロム）のうち少なくとも１種類以上とを含むことを基本とする。さらには、飽和磁化の調整、結晶磁気異方性エネルギーの制御、結晶粒径及び結晶粒間結合の調整をするために、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（シリコン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｙ（イットリウム）及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を添加してもよい。

Ｃｏを主成分とする材料として、具体的には、ＨＣＰ（Hexagonal Closest Packing）構造を有するＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ合金、及び、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｔａ合金などがあげられる。これらは、各元素の組成を調整することにより、１×１０^５以上１×１０^７ｅｒｇ／ｃｃ未満の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することが可能である。

Ｃｏ−Ｐｔ合金は、Ｃｏ_５０Ｐｔ_５０（ａｔ（原子）％）付近の組成域において、Ｌ１_０−ＣｏＰｔ規則合金を形成する。この規則合金は、ＦＣＴ（Face-Centered Tetragonal）構造を有する。中間層１２としてＭｇＯ（１００）を用いる場合、（００１）面配向したＦＣＴ−ＣｏＰｔ規則合金は、中間層１２との界面ミスフィットも小さくできるので好ましい。

Ｆｅを主成分とする材料として、具体的には、Ｆｅ−Ｐｔ合金、或いは、Ｆｅ−Ｐｄ合金があげられる。中でも、Ｆｅ−Ｐｔ合金は、組成がＦｅ_５０Ｐｔ_５０（ａｔ％）において規則化し、ＦＣＴ構造を基本構造とするＬ１_０構造を有する。これにより、１×１０^７ｅｒｇ／ｃｃ以上の大きな結晶磁気異方性エネルギーを発現することができる。

Ｆｅ_５０Ｐｔ_５０合金は、規則化する前は、ＦＣＣ（Face-Centered Cubic）構造を有する。この場合の結晶磁気異方性エネルギーは、１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ程度である。従って、アニール温度、組成の調整、積層構成による規則度の制御、及び、添加物の添加により、５×１０^５ｅｒｇ／ｃｃ以上５×１０^８ｅｒｇ／ｃｃ以下の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することができる。

具体的には、Ｆｅ−Ｐｔ合金にＣｕ或いはＶ（バナジウム）を添加することで、Ｆｅ−Ｐｔ合金の飽和磁化（Ｍｓ）及び結晶磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）を制御することが可能である。また、Ｖに関しては、スピン注入磁化反転において重要なダンピング定数（磁化制動定数）を下げる効果があり、反転電流を低減する効果がある。

規則化したＦｅ−Ｐｔ合金はＦＣＴ構造を有し、規則化する前はＦＣＣ構造を有する。従って、ＭｇＯ（１００）とは非常に整合性がよい。具体的には、ＭｇＯ（１００）面上に（１００）面配向したＢＣＣ（Body-Centered Cubic）−Ｆｅを成長させ、その上にＰｔ（１００）を積層することで、ＭｇＯ（１００）上に（１００）面優先配向成長したＦｅ−Ｐｔ規則合金を形成することが可能である。また、Ｆｅ−Ｐｔ規則合金とＭｇＯ（１００）との間にＢＣＣ−Ｃｒを形成すると、さらにＦｅ−Ｐｔ規則合金の（１００）面配向が優先的となり望ましい。

また、Ｆｅ−Ｐｔ規則合金を形成する場合、[Ｆｅ／Ｐｔ]ｎ（ｎは整数）の多層構造を形成すると理想的な規則に近いＦｅ−Ｐｔ規則合金を形成できる。この場合、Ｆｅ及びＰｔの膜厚は、０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下となるように設定されることが望ましい。これは、均一な組成状態を作り出すためには必須であり、それにより、Ｆｅ−Ｐｔ合金の規則化の場合、ＦＣＣ構造からＦＣＴ構造へのマルテンサイト変態（martensitic transformation）を伴うため、この変態が促進されるので重要である。

また、Ｆｅ−Ｐｔ合金の規則化温度は５００度以上と高く、耐熱性に優れている。この点は、後工程でのアニール処理に対する耐性があることとなり、非常に好ましい。また、ＣｕやＶなどの添加元素により、その規則化温度を低下させることが可能である。

本実施形態のＭＴＪ素子１０に用いられる他の垂直磁化膜としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及び希土類元素のうち少なくとも１種類以上を含むフェリ磁性体があげられる。希土類元素としては、Ｌａ（ランタン）、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジウム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｐｍ（ブロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）及びＬｕ（ルテチウム）などがあげられる。

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。このフェリ磁性体は、組成の調整により、飽和磁化を４００ｅｍｕ／ｃｃ以下に低減し、かつ、結晶磁気異方性エネルギーを１×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上に向上させることが可能である。

さらに、本実施形態のＭＴＪ素子１０に用いられる垂直磁化膜としては、金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体を用いてもよい。この場合、金属磁性相は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎのうち少なくとも１種類以上と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ及び希土類元素のうち少なくとも１種類以上とを含む強磁性体から構成される。絶縁相は、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ及び希土類元素から選ばれる少なくとも１種類以上の元素を含む酸化物、窒化物、及び、酸窒化物から構成される。

金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体は、導電性を有する金属磁性体部と非導電性の絶縁体部とに分離しているために、金属磁性体部に電流が集中して通電面積が小さくなり、局所的な電流密度が上昇する。これにより、実質的に必要となる反転電流が小さくなる効果を有する。

このような効果を得るためには、結晶性を制御する必要がある。２相分離構造としては、グラニュラー（結晶粒分散）型構造、アイランド（島状）型構造、及び、コラムナー（柱状）型構造がある。コラムナー型構造の場合は、磁性層中で金属磁性体部が上下に貫通しているので、電流狭窄効果が得られやすい。グラニュラー型構造及びアイランド型構造の場合は、電流はもっともトンネル障壁が小さいパスを通電することとなるので、コラムナー型構造と同様に電流狭窄効果が得られる。

その他、本実施形態のＭＴＪ素子１０に用いられる垂直磁化膜としては、Ｍｎ系強磁性合金、或いはＣｒ系強磁性合金があげられる。Ｍｎ系強磁性合金としては、Ｍｎ−Ａｌ合金、Ｍｎ−Ａｕ合金、Ｍｎ−Ｚｎ合金、Ｍｎ−Ｇａ合金、Ｍｎ−Ｉｒ合金、及び、Ｍｎ−Ｐｔ_３合金などがあり、これらは、規則格子を有する特徴がある。また、Ｃｒ系強磁性合金としては、Ｃｒ−Ｐｔ_３合金などがあげられる。これも、規則格子を有する。

なお、垂直磁化膜の場合のピン層は、強磁性層のみから構成されることが望ましい。これは、スピン偏極される電子の注入源であるピン層中で不要な電子の散乱を起こさないためである。電子の散乱が大きいと、ピン層の強磁性層の分極率を十分に得ることが困難になる。実際には、この場合のピン層の厚さは、スピン分極率を上げるためには、１０ｎｍ以上が好ましい。

［２］ 層間結合層１３Ｂに用いられる材料
層間結合層１３Ｂには、例えば非磁性金属が用いられる。これは、層間結合層１３Ｂが金属であることにより、スピン情報を維持しつつ、界面でのスピン反射を有効に利用できる。同時に、ＭＴＪ素子の抵抗値を上昇させないために好ましい。層間結合層１３Ｂに絶縁体或いは半導体を用いた場合、平行から反平行へのスピン注入磁化反転時の抵抗変化による絶縁破壊を防止するために、ＭＴＪ素子の抵抗を抑制しなければならない。しかし、層間結合層１３Ｂに非磁性金属を用いることで、ＭＴＪ素子の抵抗値を上げる必要がない。

各層間結合層１３Ｂの膜厚は、５ｎｍ以下であり、３ｎｍ以下であることがより好ましい。層間結合層１３Ｂの膜厚が５ｎｍ以上になると、層間結合が生じなくなるか、或いは、影響がない程度に非常に小さくなる。一方、層間結合層１３Ｂの膜厚が３ｎｍ以下になると、顕著に層間結合が現れる。

層間結合層１３Ｂとしては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ及びＯｓから選ばれる元素が用いられる。これらの材料を用いることにより、強磁性層１３Ａと層間結合層１３Ｂとの界面でのポテンシャルエネルギーが大きくなる。これにより、スピン情報を持った電子が弾性散乱するので、電子の界面での多重反射による共鳴現象などを利用することが可能となり、磁化反転電流を低減することが可能となる。また、ピン層とフリー層との磁化の方向が平行から反平行への磁化反転を行う時においては、これらの材料を用いることで、層間結合層１３Ｂでのスピン蓄積効果が増大され、反転電流が低減される効果がある。

また、層間結合層１３Ｂとしては、絶縁体或いは半導体を用いることもできる。絶縁体或いは半導体を用いた場合は、強磁性層１３Ａと層間結合層１３Ｂとの界面でのポテンシャルエネルギー障壁が特に大きくなる。これにより、スピン情報を持った電子が界面ポテンシャル障壁で弾性散乱するので、電子の界面での多重反射による共鳴現象などを利用することが可能となり、反転電流を低減することが可能となる。

絶縁体の中でもＭｇＯなどは、強磁性層１３Ａの分極率を向上させる効果があると同時に、スピンフィルター機能も備えているため好ましい。スピンフィルター機能を備える絶縁体としては、先のＭｇＯの他に、自身で分極するＥｕＯ（酸化ユーロビウム）、或いは、ハーフメタルとなり得るＦｅ_２Ｏ_３などがあげられる。

スピンフィルター機能を有効に使うには、これら酸化物との格子ミスマッチを低減する方位関係で、強磁性層１３Ａをエピタキシャル成長させることが望まれる。ＭｇＯやＥｕＯは、ＮａＣｌ構造を有しているので、例えば、Ｆｅ或いはＦｅ−Ｃｏ合金（Ｃｏの含有量は７０ａｔ％以下）などのようなＢＣＣ構造を有する磁性体を強磁性層１３Ａに用いた場合においては、この強磁性層１３Ａを（１００）面優先配向成長させることが好ましい。

層間結合層１３Ｂが絶縁体或いは半導体である場合、層間結合の主はＮｅｅｌ結合であるので、層間結合層１３Ｂの膜厚が２ｎｍを超えると、層間結合を生じなくなるか、或いは、影響がない０．１Ｏｅ以下程度に小さくなる。この結果、層間結合層１３Ｂとしての機能を果たさなくなる。よって、層間結合層１３Ｂが絶縁体或いは半導体である場合、膜厚は２ｎｍ以下に設定される。

また、局所的に電流密度を高めた電流集中効果を用いてスピン注入効率を向上させるために、層間結合層１３Ｂに、ＭｇＯ−Ｃｕ、ＡｌＯ_ｘ−Ｃｕなどの導電性金属相と絶縁相との混晶構造材料を用いることもフリー層の磁化反転電流を低減する効果がある。混晶構造における結晶構造としては、グラニュラー型構造、アイランド型構造、及び、コラムナー型構造がある。

コラムナー型構造の場合は、層間結合層中で導電性金属部が上下に貫通しているので、電流狭窄効果が得られやすい。グラニュラー型構造及びアイランド型構造の場合は、電流はもっともトンネル障壁が小さいパスを通電することとなるので、コラムナー型構造と同様に電流狭窄効果が得られる。また、２層以上の層間結合層１３Ｂを用いると、さらに電流狭窄効果が得られやすい。

層間結合層１３Ｂが混晶構造である場合、膜厚は５ｎｍ以下に設定される。混晶の場合、導電性金属部が層間結合の主を担うために、５ｎｍ以上になると、層間結合を生じなくなるか、或いは、影響がない０．１Ｏｅ以下程度に小さくなり、層間結合層１３Ｂとしての機能を果たさなくなる。

なお、層間結合層１３Ｂの膜厚は、０より大きければよい。層間結合層１３Ｂの機能の一つは、強磁性層１３Ａ同士の強磁性結合を弱めることである。したがって、層間結合層１３Ｂは、必ずしも連続膜である必要はなく、島状成長膜などのような非連続膜であっても強磁性層１３Ａ同士の強磁性結合を弱めることができる。

［３］ 中間層１２及び中間層１４に用いられる材料
本実施形態のＭＴＪ素子１０においては、中間層１２，１４には、金属導電体、絶縁体、或いは、半導体が用いられる。この場合、フリー層／中間層／ピン層の構成部分で磁気抵抗効果が発現する。従って、読み出し時は、ピン層及びフリー層の磁化の方向が平行或いは反平行になることで、ＭＴＪ素子１０の抵抗値が低抵抗或いは高抵抗となり、それぞれの状態をデータ“０”或いはデータ“１”と判別する。

中間層に用いられる金属導電体としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ及びＡｕなどがあげられる。中でもＣｕが磁気抵抗変化率の観点から好ましい。中間層の膜厚は、Ｎｅｅｌ結合及びＲＫＫＹ相互作用のような所謂層間結合をできるだけ排除したほうがよいので、３ｎｍ以上が必要である。５ｎｍ以上であるとより好ましい。しかしながら、１０ｎｍを超えると、電子の移動距離が伸びる関係上、平行から反平行へのフリー層の磁化反転が困難となる。従って、中間層の膜厚は、１０ｎｍ以下であることが好ましい。

中間層の膜厚は、上述した層間結合層１３Ｂと同じ組成或いは成分を有する材料を用いる場合は、中間層の膜厚の方が、層間結合層１３Ｂの膜厚よりも厚いほうが望ましい。材料設計として、ピン層とフリー層との間の層間結合が、フリー層の強磁性層同士の層間結合より小さくなることは、フリー層の磁化反転挙動を阻害してしまう。よって、ピン層とフリー層との間の層間結合が、フリー層の強磁性層同士の層間結合より大きくなるように設定される。

また、局所的に電流密度を高めた電流集中効果を用いてスピン注入効率を向上させるために、ＭｇＯ−Ｃｕ、ＡｌＯ_x−Ｃｕなどの導電性金属相と絶縁相との混晶構造材料を用いることもフリー層の磁化反転電流を低減する効果がある。混晶構造における結晶構造としては、グラニュラー型構造、アイランド型構造、及び、コラムナー型構造がある。

コラムナー型構造の場合は、中間層中で導電性金属部が上下に貫通しているので、電流狭窄効果が得られやすい。グラニュラー型構造及びアイランド型構造の場合は、電流はもっともトンネル障壁が小さいパスを通電することとなるので、コラムナー型構造と同様に電流狭窄効果が得られる。

中間層の膜厚は、トンネル磁気抵抗効果を利用する場合には、抵抗×面積（ＲＡ：resistance and area product）が少なくとも１０００Ωμｍ^２以下となるように設定される。これは、磁化反転に必要な電流密度（Ｊｃ）が０．１ｍＡ／ｃｍ^２、及び絶縁中間層の耐電圧特性が１０ｍＶ／ｃｍを想定しているからである。従って、１ｎｍでの耐電圧特性は、１Ｖとなる。この場合、妥当な絶縁中間層の膜厚は、３ｎｍ以下となる。

中間層に用いられる絶縁体としては、Ａｌ_２Ｏ₃（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＣａＯ（酸化カルシウム）、ＳｒＯ（酸化ストロンチウム）、ＴｉＯ（酸化チタン）、ＥｕＯ（酸化ユーロビウム）、ＺｒＯ（酸化ジルコニウム）及びＨｆＯ（酸化ハフニウム）などの酸化物があげられる。また、半導体としては、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｉ（シリコン）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＩｎＡｓ（インジウムヒ素）などの化合物半導体、ＴｉＯ_２（酸化チタン）などの酸化物半導体があげられる。ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ及びＥｕＯは、ＮａＣｌ構造を有する。

この中でも、ＮａＣｌ構造を有するＭｇＯは、中間層としては好ましい材料である。これは、ＭｇＯを用いた場合が最もＴＭＲ比が大きくなるからである。ＭｇＯを用いた場合、ＭＴＪ素子の抵抗×面積ＲＡが５Ωμｍ^２以上１０００Ωμｍ^２以下の範囲内で１００％以上のＴＭＲ比を得ることが可能である。

また、ＴＭＲ比の観点から結晶配向面としては（１００）面優先配向が最も好ましい。ＭｇＯの膜面内での結晶方位はランダムとなっていても構わない。従って、ＭｇＯ[００１]方向が、膜面に略垂直であることが望まれる。この時のＭｇＯ（１００）面配向性は、Ｘ線回折測定により観測されるＭｇＯ（２００）ピークのロッキングカーブ半地幅で規定される。本実施形態では、このＭｇＯ（２００）のロッキングカーブ半地幅が、１０°以下となることが必要であり、５°以下であればより好ましい。

ＭｇＯの結晶粒径は、５ｎｍ以上であることがＴＭＲ比の観点から好ましい。結晶粒界の多さは、結晶粒間におけるリーク電流を増大させ、ＴＭＲ比を低下させるからである。また、ＭｇＯ層形成時に、ＭｇＯ上部或いは下部には、１ｎｍ以下のＭｇ層を挿入することで、ＴＭＲ比をさらに向上させることができる。

ＭｇＯ層は、ＭｇＯターゲットを用いて希ガス（Ａｒ（アルゴン）、Ｎｅ（ネオン）、Ｋｒ（クリプトン）或いはＸｅ（キセノン））でのスパッタ法により形成されるか、或いは、Ｍｇターゲットを用いたＯ_２雰囲気中での酸化反応性スパッタ法により形成される。Ｍｇ層を成膜した後に、酸素ラジカル、酸素イオン或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。また、ＭｇＯを用いた分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法或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も形成可能である。

ここで、大きいＴＭＲ比を得るためには、ＭｇＯの配向度の向上が必要である。ＭｇＯの面配向に基づいて、選択すべき下地層となる磁性層の配向性が決定される。ＭｇＯは、（１００）面配向が好ましい。ＭｇＯを（１００）面優先配向させるためには、その下地層（フリー層、ピン層、界面フリー層或いは界面ピン層など）は、ＢＣＣ構造（１００）配向面、ＦＣＣ構造（１００）配向面、或いは、アモルファス構造であることが好ましい。

ＢＣＣ構造の材料としては、ＢＣＣ−Ｆｅ_{１００−ｘ}Ｃｏ_ｘ（０≦ｘ≦７０ａｔ％）、ＢＣＣ構造上にエピタキシャル成長させた１ｎｍ以下のＢＣＣ−Ｃｏなどがあげられる。或いは、ＢＣＣ−Ｆｅ_{１００−ｘ}（ＣｏＮｉ）_ｘ（０≦ｘ≦７０ａｔ％）などを用いてもよい。この場合、１０ａｔ％以下の希薄Ｎｉ添加により１０〜２０％のＴＭＲ比の上昇効果が得られる。アモルファス材料としては、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｒ合金などがあげられる。

［４］ 界面フリー層１９及び界面ピン層２０に用いられる材料
界面フリー層１９及び界面ピン層２０には、磁気抵抗効果を高めるために高分極材料が用いられる。また、界面フリー層は、スピン注入磁化反転時において、スピン注入効率を高める効果も有することが好ましく、さらには、スピン注入磁化反転電流を低減するために飽和磁化（Ｍｓ）が小さいほうが好ましい。

界面フリー層１９或いは界面ピン層２０としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒのうち少なくとも１種類以上を含む強磁性体が用いられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉを主成分とする材料として、具体的には、ＦＣＣ構造或いはＢＣＣ構造を有するＦｅ_ｘＣｏ_ｙＮｉ_ｚ合金（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）があげられる。また、上記のＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金の飽和磁化（Ｍｓ）を低減するために、（Ｆｅ_ｘＣｏ_ｙＮｉ_ｚ）_{１００−ａ}Ｘ_ａ合金（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ａ（ａｔ％）＞０、Ｘは添加元素）も好ましい。飽和磁化（Ｍｓ）を低減することにより、反転電流を大幅に低減することが可能となる。

ＢＣＣ構造を崩さずに添加することができ、かつ、飽和磁化（Ｍｓ）を低減できる添加物、すなわち、置換型で固溶できる全率固溶体或いはある程度固溶源を有する添加物としては、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇａ（ガリウム）及びＧｅ（ゲルマニウム）などがあげられる。この中でも、Ｖは、ダンピング定数（磁化制動定数）を低減する効果もあり有効である。

また、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）及びＮ（窒素）などの侵入型元素を添加する、或いは、ほとんど固溶源を持たないＺｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ及び希土類元素などを添加することにより、結晶構造をアモルファス構造に変えることで飽和磁化（Ｍｓ）を低減できる。このような材料として、例えば、アモルファス構造を有する（Ｆｅ_ｘＣｏ_ｙＮｉ_ｚ）_{１００−ｂ}Ｚ_ｂ合金（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｂ（ａｔ％）＞０、ＺはＢ、Ｃ、Ｎ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｙ及び希土類元素などの添加元素）があげられる。

Ｍｎを含む材料としては、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金があげられる。ここで、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系（body-centered cubic system）合金である。Ａ元素は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ及びＣｏから選択される材料である。Ｘ元素は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（すず）、Ｇａ（ガリウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｂ（アンチモン）及びＳｉ（シリコン）から選択される材料である。ホイスラー合金のうち、ＢＣＣ構造を有するＣｏ_２ＭｎＡｌ合金などは、ＢＣＣ（１００）面配向させることにより、ＭｇＯ（１００）との整合性が良好となる。

また、酸化物材料を用いることもできる。酸化物材料としては、Ｆｅ_２Ｏ_３などのハーフメタル及びＦｅ_３Ｏ_４などのフェライト材料などが界面層として適用可能である。

フリー層或いはピン層などの金属層の上に形成される界面層の最小膜厚としては、０．５ｎｍ以上が必要である。なぜなら、上記の膜厚未満では、界面層が連続膜にならず、界面フリー層或いは界面ピン層としての特性が十分に発揮されず、十分な磁気抵抗効果比（ＴＭＲ比或いはＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）比）が得られない。また、最大膜厚は、界面層としての機能を有するに足る厚さに抑えるのがよく、２ｎｍ以下であることが望ましい。

以上詳述したように本実施形態では、フリー層１３は、複数の強磁性層１３Ａが層間結合層１３Ｂによって分割された積層構造を有している。そして、強磁性層１３Ａは、層間結合層１３Ｂを介して強磁性的に結合している。これにより、中間層１２に近い強磁性層が磁化反転の起点となり、次々に隣の強磁性層にスピンが注入されることになり、磁化反転が伝播する。このように構成することで、非常に小さな電流でフリー層１３を磁化反転させることができるため、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することが可能となる。

また、フリー層（具体的には強磁性層１３Ａ）及びピン層に垂直磁化膜を用いている。すなわち、フリー層及びピン層が熱的に安定するのに必要な異方性磁界は、結晶磁気異方性により得られる。これにより、ＭＴＪ素子のアスペクト比を小さくできるため、ＭＴＪ素子サイズを微細化することが可能である。

なお、図６乃至図８で説明したピン層１１の構成は、デュアルピン層構造にも適用可能なことは勿論である。すなわち、図６乃至図８で説明したピン層１１の構成を、ピン層１５に適用することも可能である。

また、デュアルピン層構造において、フリー層１３と中間層１４との間、及び、ピン層１５と中間層１４との間にそれぞれ、界面フリー層及び界面ピン層を挿入してもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、前述したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の例について示している。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ３０を備えている。メモリセルアレイ３０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線ＢＬが配置されている。また、メモリセルアレイ３０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配置されている。

ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、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、ＭＴＪ素子１０と選択トランジスタ３１とにより構成されている。ＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ３１のドレインに接続されている。選択トランジスタ３１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３１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３２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３４が接続されている。ソース線ＳＬの一端には、電源回路３３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３５が接続されている。

電源回路３２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３４は、ＭＴＪ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３３は、ソース線ＳＬの一端に、正の電位を印加する。電源３５は、この電源３５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３１がターンオンする。

ここで、ＭＴＪ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、ＭＴＪ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３２はビット線ＢＬの一端に正の電位を印加し、電源３５はこの電源３５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、ＭＴＪ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３３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３４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３５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３３及びセンスアンプ回路３４により、ＭＴＪ素子１０には、電源回路３３からセンスアンプ回路３４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３４は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ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１２は、ＭＴＪ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの断面図である。シリコンなどからなる半導体基板には、選択トランジスタ３１（図示せず）が設けられている。選択トランジスタ３１のドレイン領域上には、このドレイン領域に電気的に接続されたビアプラグ３８が設けられている。

ビアプラグ３８上には、ビアプラグ３８とＭＴＪ素子１０とを電気的に接続する引き出し電極３６が設けられている。引き出し電極３６上には、ＭＴＪ素子１０が設けられている。ＭＴＪ素子１０上には、導電体からなるハードマスク３７が設けられている。ハードマスク３７上には、ビット線ＢＬが設けられている。なお、半導体基板とビット線ＢＬとの間は、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁層で満たされている。

ビット線ＢＬ、ハードマスク３７、引き出し電極３６及びビアプラグ３８としては、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ及びＡｌＣｕなどから選択される導電体が用いられる。Ｃｕを用いた金属配線層或いはビアプラグの場合には、Ｃｕダマシン或いはＣｕデュアルダマシンプロセスが用いられる。

図１３は、ＭＴＪ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの他の構成例である。ビアプラグ３８上には、直接にＭＴＪ素子１０が設けられている。すなわち、図１３のＭＲＡＭは、図１２のＭＲＡＭと比べて、引き出し電極３６が省略されている。ＭＴＪ素子１０上には、ハードマスク３７が設けられている。ハードマスク３７上には、ビット線ＢＬが設けられている。

ＭＴＪ素子１０は、図１２に示されるように引き出し電極３６によりビアプラグ３８と電気的に接続される場合と、図１３に示されるようにＭＴＪ素子１０がビアプラグ３８上に直接形成される場合とがある。図１３の構成を用いる場合、ビアサイズよりもＭＴＪ素子サイズが小さい方が好ましい。

リソグラフィやエッチング技術等によって決まる最小加工寸法をＦ（Minimum Feature Size）とすると、図１２のレイアウトを用いた場合、最小セルサイズは８Ｆ^２である。これに対して、図１３のレイアウトを用いた場合、最小セルサイズが４Ｆ^２にまで縮小することが可能となる。

このように構成されたＭＲＡＭにおいて、ＭＴＪ素子１０に情報を書き込む際の書き込み速度を向上させることができる。具体的には、書き込み速度としては、数ナノ秒から数マイクロ秒までのパルス幅を有する電流でスピン注入書き込みを行うことが可能となる。

なお、読み出し時にＭＴＪ素子１０に供給される読み出し電流Ｉｒは、書き込み時にＭＴＪ素子１０に供給される書き込み電流Ｉｗよりもパルス幅が短いことが望ましい。これにより、読み出し電流Ｉｒでの誤書き込みを低減することができる。これは、書き込み電流Ｉｗのパルス幅が短い方が、書き込み電流値の絶対値が大きくなるということに基づいている。

上記実施形態で説明したＭＴＪ素子を実際に作製し、このＭＴＪ素子についてスピン注入磁化反転の実験を行った。本実施例１では、ＭＴＪ素子にＧＭＲ膜を用いた場合について示している。

実験に用いた比較例１及び実施例１のＧＭＲ膜構造を下記に示す。比較例１及び実施例１は、垂直磁化を有するＧＭＲ膜である。比較例１及び実施例１のＧＭＲ膜は、例えばＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて形成した。

（比較例１）
Ｔａ／Ｒｕ／Ａｕ／ＦｅＰｔ／Ｆｅ／Ａｕ（中間層）／Ｆｅ／ＦｅＰｔ／Ｐｔ／Ｃｒ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／／基板
（実施例１）
Ｔａ／Ｒｕ／Ａｕ／ＦｅＰｔ／Ｐｔ（層間結合層）／ＦｅＰｔ／Ｆｅ／Ａｕ（中間層）／Ｆｅ／ＦｅＰｔ／Ｐｔ／Ｃｒ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／／基板
比較例１のフリー層はＦｅＰｔに対応し、実施例１のフリー層はＦｅＰｔ／Ｐｔ／ＦｅＰｔに対応する。比較例１及び実施例１において、フリー層以外の構成は同じである。

比較例１及び実施例１のＧＭＲ膜は共に、（００１）面配向性を有するＦｅＰｔ層と、（１００）面配向性を有するＦｅ層、Ａｕ層及びＰｔ層から構成されている。フリー層及びピン層はＦｅＰｔ層から構成されており、このＦｅＰｔ層は規則相であるＬ１_０構造を有している。ＭｇＯ配向は、（１００）面である。

比較例１のＧＭＲ膜において、フリー層であるＦｅＰｔ層の膜厚は２．５ｎｍである。フリー層と中間層との界面にはＦｅ層が設けられており、このＦｅ層の膜厚は０．５ｎｍである。ピン層の膜厚は、１０ｎｍである。ピン層と中間層との界面にはＦｅ層が設けられており、このＦｅ層の膜厚は０．５ｎｍである。中間層には膜厚５ｎｍのＡｕ層を用いた。

実施例１のＧＭＲ膜において、フリー層１３に含まれる強磁性層１３Ａは２層であり、それぞれが膜厚１．２５ｎｍのＦｅＰｔ層である。層間結合層１３Ｂは、膜厚１ｎｍのＰｔ層である。フリー層と中間層との界面、及びピン層と中間層との界面にはそれぞれ、Ｆｅ層が設けられている。これらのＦｅ層の膜厚はそれぞれ、０．５ｎｍである。ピン層や中間層の構成は、比較例１と同様である。

上記２つのＧＭＲ膜をイオンビームエッチング（ＩＢＥ）法を用いて加工し、ＭＴＪ素子を作製した。ＭＴＪ素子サイズはおおよそ１００ｎｍ×１００ｎｍであり、アスペクト比は１である。

４端子測定法を用いて、磁化の方向が平行から反平行、及び、反平行から平行への磁化反転を行う時の電流密度を測定し、その平均を反転電流密度とする。電流パルス幅は、１００μ秒に設定した。上記測定を行った結果、比較例１及び実施例１のＭＴＪ素子の反転電流密度（Ｊｃ）はそれぞれ、１．０×１０^８Ａ／ｃｍ^２、７．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２であった。すなわち、比較例１に比べて、実施例１のＭＴＪ素子の方が、反転電流密度が小さくなる結果を得られた。

本実施例２では、ＭＴＪ素子にＴＭＲ膜（トンネル磁気抵抗効果膜）を用いた場合について示している。

実験に用いた比較例２及び実施例２のＴＭＲ膜構造を下記に示す。比較例２及び実施例２は、垂直磁化を有するＴＭＲ膜である。比較例２及び実施例２のＴＭＲ膜は、例えばＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて形成した。

（比較例２）
Ｔａ5nm／Ｒｕ5nm／Ａｕ5nm／ＦｅＰｔ1nm／Ｆｅ0.5nm／ＭｇＯ0.5nm（中間層）／Ｍｇ0.4nm／Ｆｅ／ＦｅＰｔ／Ｐｔ／Ｃｒ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／／基板
（実施例２）
Ｔａ5nm／Ｒｕ5nm／Ａｕ5nm／Ｐｔ0.5nm／Ｆｅ0.5nm／Ｐｔ0.5nm／Ｆｅ0.5nm／ＭｇＯ0.5nm（中間層）／Ｍｇ0.4nm／Ｆｅ／ＦｅＰｔ／Ｐｔ／Ｃｒ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／／基板
比較例２及び実施例２の中間層にはそれぞれ、膜厚０．５ｎｍのＭｇＯ層を用いた。実施例２のＴＭＲ膜において、フリー層１３に含まれる強磁性層１３Ａは２層であり、それぞれが膜厚０．５ｎｍのＰｔ層である。層間結合層１３Ｂは、膜厚０．５ｎｍのＦｅ層である。フリー層と中間層との界面にはＦｅ層が設けられており、このＦｅ層の膜厚は０．５ｎｍである。ピン層の構成は、実施例１と同じ構成である。

比較例２及び実施例２のフリー層はそれぞれ、飽和磁化と膜厚との積（Ｍｓ・ｔ）がほぼ一定であった。比較例２では、フリー層を基板加熱成膜により形成した。一方、実施例２では、フリー層を室温で成膜した。両方のＴＭＲ膜は、ＴＭＲ膜形成後、真空中で２時間無磁場アニールを行った。

実施例１と同様に、上記２つのＴＭＲ膜をイオンビームエッチング（ＩＢＥ）法を用いて加工し、４端子測定が可能な１００ｎｍ×１００ｎｍのサイズのＭＴＪ素子を作成した。測定条件などは実施例１と同様である。

測定を行った結果、比較例２及び実施例２のＭＴＪ素子の反転電流密度（Ｊｃ）はそれぞれ、１．０×１０^７Ａ／ｃｍ^２、７．０×１０^６Ａ／ｃｍ^２であった。すなわち、比較例２に比べて、実施例２のＭＴＪ素子の方が、反転電流密度が小さくなる結果を得られた。

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ＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 シングルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０の断面図。 デュアルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０の断面図。 フリー層１３の磁化反転の挙動を説明するための図。 ＭＴＪ素子１０の具体例を示す断面図。 ピン層１１の他の構成を示す断面図。 ピン層１１の他の構成を示す断面図。 ピン層１１の他の構成を示す断面図。 フリー層１３の他の構成を示す断面図。 フリー層１３及びピン層１１の他の構成を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。 ＭＴＪ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの断面図。 ＭＴＪ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの他の構成例を示す断面図。

符号の説明

１０…ＭＴＪ素子、１１，１５…磁化参照層（ピン層）、１１Ａ，１１Ｃ…ピン層、１１Ｂ…中間層、１２，１４…中間層、１３…磁化自由層（フリー層）、１３Ａ…強磁性層、１３Ｂ…層間結合層、１３Ｃ，１３Ｅ…フリー層、１３Ｄ…中間層、１６…下地層、１７…キャップ層、１８…反強磁性層、１９…界面フリー層、２０…界面ピン層、３０…メモリセルアレイ、３１…選択トランジスタ、３２，３３…電源回路、３４…センスアンプ回路、３５…電源、３６…電極、３７…ハードマスク、３８…ビアプラグ、ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、ＳＬ…ソース線。

Claims (12)

1. 積層面に垂直な方向に通電されることにより情報を記録する磁気抵抗素子であって、
   膜面に対して垂直な磁気異方性を有し、かつ磁化の方向が固定された磁化参照層と、
   膜面に対して垂直な磁気異方性を有し、かつ磁化の方向が変化する磁化自由層と、
   前記磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、
   を具備し、
   前記磁化自由層は、少なくとも２層の強磁性層と、前記強磁性層間に設けられた層間結合層とを有する積層構造であり、
   前記強磁性層は、前記層間結合層を介して、強磁性的に結合していることを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 前記強磁性層の膜厚はそれぞれ、３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記層間結合層は、非磁性金属からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記層間結合層は、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）及びＯｓ（オスミウム）からなるグループから選択される材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
5. 前記層間結合層の膜厚は、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
6. 前記層間結合層は、絶縁体或いは半導体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
7. 前記層間結合層の膜厚は、２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効素子。
8. 前記層間結合層は、絶縁体と金属導電体との混晶からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
9. 前記層間結合層の層厚は、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効素子。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第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メモリ。
11. 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及び第２の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗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１０に記載の磁気メモリ。
12. 前記磁気抵抗素子の前記第２の電極と前記第２の配線との間に直列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１１に記載の磁気メモリ。

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