JP2008028362A - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】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、磁化の方向が固定された第１の磁化参照層１１と、スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する磁化自由層１３と、磁化の方向が固定された第２の磁化参照層１５と、第１の磁化参照層１１と磁化自由層１３との間に設けられた第１の中間層１２と、磁化自由層１３と第２の磁化参照層１５との間に設けられた第２の中間層１４とを具備し、磁化自由層１３及び第１の磁化参照層１１の容易磁化方向は、膜面に対して垂直或いは平行であり、第１の磁化参照層１１と第２の磁化参照層１５との容易磁化方向は、互いに直交する。
【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。実際には、２５６Ｍｂｉｔｓ以上の大容量を有する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素子サイズの縮小を抑えつつ、書き込み電流のμＡレベルへの低減が必要である。ＭＴＪ素子サイズの縮小と書き込み電流の低減は、相反的な関係にあり、従来型ＭＲＡＭでは、２５６Ｍｂｉｔｓを超えるような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困難である。

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：Spin Momentum 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、磁化反転に必要な反転電流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反転電流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、現状のスピン注入ＭＲＡＭにおいては、その磁化反転に必要な電流密度Ｊｃは１０ｍＡ／ｃｍ²以上と非常に大きく、１００ｎｍ²サイズのＭＴＪ素子を用いた場合でも、書き込み電流としては１ｍＡ程度必要となる。

これは、スピン注入磁化反転方式の場合、双方向の通電が必要となり、通電方向によりスピン注入効率が異なることに起因している。すなわち、スピン注入磁化反転カーブは非対称となる。これは、磁化自由層（以下、フリー層と称する）と磁化参照層（以下、ピン層と称する）との磁化配列が平行から反平行になるようにフリー層の磁化の方向を反転させる場合の電流は、反平行から平行に反転させる場合に比べて２倍程度必要となる。

この非対称性に伴う問題として、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果膜を用いる場合、フリー層とピン層との磁化配列を反平行から平行に反転させるために通電して書き込む場合は、電流閾値が小さく問題がない。しかし、フリー層とピン層との磁化配列を平行から反平行に反転させるために通電して書き込む場合には、大きな書き込み電流が原因となり、一定の電流密度Ｉａ-ａｐで書き込むとすると、ＴＭＲ効果に見合った分だけ反平行配列時の素子抵抗Ｒａｐが上昇することになり、結果的に、書き込み電圧Ｖｐ-ａｐは上昇する。

従って、トンネルバリア層の耐圧が十分高くない場合、反平行磁化配列になる前に、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。
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、磁化の方向が固定された第１の磁化参照層と、スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する磁化自由層と、磁化の方向が固定された第２の磁化参照層と、前記第１の磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた第１の中間層と、前記磁化自由層と前記第２の磁化参照層との間に設けられた第２の中間層と、を具備し、前記磁化自由層及び前記第１の磁化参照層の容易磁化方向は、膜面に対して垂直或いは平行であり、前記第１の磁化参照層と前記第２の磁化参照層との容易磁化方向は、互いに直交することを特徴とする。

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具備することを特徴とする。

本発明によれば、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。なお、図中の矢印は、磁化の方向を示している。

ＭＴＪ素子１０は、第１の磁化参照層（ピン層）１１、第１の中間層１２、磁化自由層（フリー層）１３、第２の中間層１４、第２の磁化参照層１５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とピン層１５とは、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、磁化の方向が変化（反転）する。また、ピン層１１及びフリー層１３の容易磁化方向は膜面（或いは積層面）に対して垂直であり（以下、垂直磁化と称する）、ピン層１５の容易磁化方向は膜面に対して平行である（以下、面内磁化と称する）。すなわち、ピン層１１とピン層１５とは、容易磁化方向が互いに直交している。

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。

本実施形態では、フリー層１３として垂直磁化膜を用いている。フリー層１３に垂直磁化膜を用いることにより、ＭＴＪ素子サイズのアスペクト比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、面内磁化膜の場合は、熱的に安定するのに必要な異方性磁界（Ｈｋ）は形状磁気異方性エネルギーにより賄われるために、ＭＴＪ素子のアスペクト比が１より大きくなる。これに対して、垂直磁化膜の場合は、熱的に安定するのに必要な異方性磁界（Ｈｋ）は結晶磁気異方性エネルギーにより賄われるために、この異方性磁界（Ｈｋ）はＭＴＪ素子のアスペクト比に依存しないからである。

この結果、ＭＴＪ素子サイズを微細化することが可能となる。この場合、スピン注入による磁化反転に必要な電流密度Ｊｃが同じＴＭＲ膜を用いたならば、同じＭＴＪ素子幅を有する面内磁化膜と垂直磁化膜とでは、スピン注入反転電流Ｉｃは、垂直磁化膜の方がアスペクト比Ａｒが小さくなるので低減される。

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。なお、本実施形態において、電流は、電子の流れをいうものとする。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。

これにより、フリー層１３に、マジョリティーとマイノリティーに偏極した電子スピンが供給される。そして、マジョリティーな電子スピンのスピン角運動量がフリー層１３に移動することにより、スピントルクがフリー層１３に印加され、フリー層１３の磁化回転を誘起する。スピントルクは、ピン層とフリー層との磁化方向の単位ベクトルの外積で表されるので、２つの直交するピン層の両方からフリー層にスピントルクを印加できる。これにより、スピン注入による磁化反転電流を低減できる。

具体的には、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。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、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。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。

次に、データの読み出しは、以下のように行われる。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。

ここで、フリー層１３の容易磁化方向は膜面に対して垂直であるので、磁化配列が平行となるピン層１１との間では中間層１２を介して磁気抵抗効果が発現するが、磁化配列が垂直となるピン層１５との間では中間層１４を介した磁気抵抗効果は発現しない。これは、大きなメリットであり、デュアルピン層構造（すなわち、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）を有する磁気抵抗効果素子で問題であった２つ目のピン層による読み出し出力の劣化を回避することが可能となる。

すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１０においては、２つのピン層（ピン層１１とピン層１５）の磁化の方向が直交している。このため、中間層１２及び中間層１４の両方で同じ材料、例えば、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯ_ｘ（酸化アルミニウム）などの絶縁体を用いた場合、２つのピン層によって高いスピン注入効率が得られると同時に、磁気抵抗効果が一方の中間層のみで発現するという効果を有している。

よって、従来のデュアルピン層構造においては、高いスピン注入効率は得られるものの、中間層１２及び中間層１４の両方で互いに相反な磁気抵抗効果が発現するために、読み出し時に必要なＴＭＲ比を下げてしまうという問題が生じていたが、本実施形態では、この問題を回避することができる。

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。図２は、ＭＴＪ素子１０の具体例を示す断面図である。例えば、平面形状において、フリー層１３のアスペクト比は、ほぼ１に設定される。

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３は、ピン層１５の他の構成を示す断面図である。ピン層１５の容易磁化方向は、膜面に対して平行である。ピン層１５は、ピン層１５Ｃ／中間層１５Ｂ／ピン層１５Ａの積層構造を有している。さらに、ピン層１５Ｃ上（ピン層１５とキャップ層１７との間）には、ピン層１５Ｃと接するように、反強磁性層１８が設けられている。ピン層１５Ｃは、反強磁性層１８と交換結合することで、膜面に対して平行に磁化の方向が固着されている。

ピン層１５Ａ及びピン層１５Ｃの容易磁化方向は、膜面に対して平行である。また、ピン層１５Ａとピン層１５Ｃ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１５Ａとピン層１５Ｃとは中間層１５Ｂ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１５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１５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１５Ｃ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１５Ａ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１５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１５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１５Ｂ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１５Ｂ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１５Ｂを用いることで、ピン層１５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４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と接するように、反強磁性層１９が設けられている。ピン層１１は、反強磁性層１９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５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。すなわち、ピン層１１は、ＳＡＦ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。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が向上する。なお、本構成において、ピン層１１Ａに接するようにピン層１１Ａの下に反強磁性層が設けられ、ピン層１１Ａと反強磁性層とが交換結合していても構わない。

図６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は、界面フリー層１３Ｃ／フリー層１３Ｂ／界面フリー層１３Ａの積層構造を有している。このように、フリー層１３Ｂと中間層１２との間、或いは、フリー層１３Ｂと中間層１４との間に強磁性体からなる界面フリー層が挿入されることが好ましい。

また、図６に示すように、ピン層１１は、界面ピン層１１Ｅ／ピン層１１Ｄの積層構造を有している。このように、ピン層１１Ｄと中間層１２との間に強磁性体からなる界面ピン層１１Ｅが挿入されることが好ましい。

界面ピン層及び界面フリー層は、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層には、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］ 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には、絶縁体或いは半導体が用いられる。この場合、フリー層１３／中間層１２／ピン層１１の構成部分でトンネル磁気抵抗効果が発現する。従って、読み出し時は、ピン層１１及びフリー層１３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。

一方で、ピン層１５／中間層１４／フリー層１３の構成部分では、フリー層１３及びピン層１５の磁化の方向が直交しているためにトンネル磁気抵抗効果は発現しない。従って、中間層１４には、金属導電体、絶縁体或いは半導体のどれを用いてもよい。但し、絶縁体及び半導体を用いた場合は、ＭＴＪ素子の抵抗値が上昇するので、金属導電体を用いることが好ましい。

ここで、中間層１４に用いられる金属導電体としては、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ（銀）及びＡｕ（金）などが好ましい。さらには、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。

中間層１２及び中間層１４の膜厚はそれぞれ、トンネル磁気抵抗効果を利用する場合には、３ｎｍ以下となるように設定される。これは、情報の書き込み時に１×１０^５〜１×１０^７Ａ／ｃｍ^２程度のトンネル電流を流す必要があるため、ＭＴＪ素子の抵抗×面積（ＲＡ：resistance and area product）を１００Ωμｍ^２以下程度に小さくする必要があるからである。

中間層１２及び中間層１４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）及び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１２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。このＭｇＯはＮａＣｌ構造を有しており、ＴＭＲ比の観点から結晶配向性としては（１００）面配向が最も好ましい。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する、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する。また、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。さらに、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（Body-Centered Cubic）構造（１００）配向面、ＦＣＣ（Face-Centered Cubic）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（原子）％）、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（コバルト）−Ｆｅ（鉄）−Ｂ（ホウ素）合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｚｒ合金などがあげられる。

［２］ 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及びピン層１１に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。

すなわち、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、ＭＴＪ素子の微細化には好ましい。

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。これらの元素の添加により、飽和磁化Ｍｓ及び結晶磁気異方性エネルギーＫｕを、垂直磁化を損なわせることなく低下させることが可能となり、結晶粒の分断及び微細化を促進できる。

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、或いは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。これらの材料を基板に近い側のピン層に用いる場合、下地層としてＨＣＰ構造を有するＲｕを用いることが好ましい。

Ｃｏ−Ｐｔ合金は、Ｃｏ_５０Ｐｔ_５０（ａｔ％）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。また、中間層とフリー層（或いはピン層）との間に界面層を挿入した場合でも、界面層を（１００）面配向しやすくできる。

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。また、Ｆｅ−Ｐｔ合金は、組成がＦｅ_７５Ｐｔ_２５（ａｔ％）において規則化し、ＦＣＴ構造を基本構造とするＬ１_２構造（Ｆｅ_３Ｐｔ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、Ｌ１_０構造に規則化する前は、ＦＣＣ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。また、飽和磁化も添加前はおおよそ８００〜１１００ｅｍｕ／ｃｃであるが、８００ｅｍｕ／ｃｃ以下に低減することが可能である。これは、フリー層に使う場合において、電流密度Ｊｃの低威という点で好ましい。

具体的には、Ｌ１_０規則構造を有するＦｅ−Ｐｔ合金にＣｕ（銅）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｍｎ（マンガン）、或いはＣｒ（クロム）などを３０ａｔ％以下の範囲で添加することで、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もある。

Ｌ１_０構造或いはＬ１_２構造に規則化した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−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Ｌ１_０構造或いはＬ１_２構造の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、Ｌ１_０構造或いはＬ１_２構造のＦｅ−Ｐｔ規則合金を形成する場合、[Ｆｅ／Ｐｔ]ｎ（ｎは１以上の整数）の多層構造を形成すると理想的な規則に近いＬ１_０構造或いはＬ１_２構造の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３ｎｍ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、Ｌ１_０構造或いはＬ１_２構造の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、Ｌ１_０構造或いはＬ１_２構造の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、上述したＣｕやＰｄなどの３０ａｔ％以下の範囲での添加元素により、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系磁性合金としては、Ｃｒ−Ｐｔ_３合金などがあげられる。これは、Ｌ１_０規則格子を有し、フェリ磁性体の特性を有する。

［３］ 面内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、磁化の方向がピン層１１に直交しているピン層１５には、面内磁化膜が用いられる。

本実施形態のＭＴＪ素子１０に用いられる面内磁化膜としては、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。

ピン層に用いられる材料としては、分極率が大きく、原理的に１００％分極率を実現できるハーフメタル的な材料が好ましい。

Ｍｎを含む材料としては、Ｍｎ系強磁性ホイスラー合金がハーフメタル材料としてあげられる。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。

ピン層中の強磁性層の膜厚は、１ｎｍ以上が必要である。なぜなら、上記の膜厚未満では、強磁性層が連続膜にならず、磁性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、３ｎｍ以下であることが望ましい。これは、膜厚が３ｎｍを超えると、コヒーレントなスピンの歳差運動長さをはるかに越えてしまうために、スピン注入磁化反転に必要な電流閾値が大幅に大きくなってしまうからである。

また、上述した面内磁化ピン層がＭｇＯバリア層の下地層となる場合、組成式Ｆｅ_ｘＣｏ_ｙＮｉ_ｚ合金（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される材料において、（１００）面配向を有し、ＢＣＣ構造を有することが好ましい。さらには、組成式Ｆｅ_ｘＣｏ_ｙＮｉ_ｚ合金（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される材料にＢ、Ｃ、Ｎなどを３０ａｔ％以下の濃度で添加し、アモルファス構造にすることも好ましい。これは、アモルファス構造を有する膜上では、ＭｇＯ膜は（１００）面を優先配向しやすいからである。

［４］ 界面フリー層及び界面ピン層に用いられる材料
図６に示した界面ピン層及び界面フリー層（以下、両方を指して界面層）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。磁気抵抗効果を増大させる界面層は、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。

本実施形態のＭＴＪ素子１０に用いられる界面層としては、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。ＦｅＣｏＮｉが５０ａｔ％以上であることが好ましいが、これはｘ＋ｙ＋ｚ＞５０ａｔ％である場合、バリア層界面でのＦｅＣｏＮｉ磁性層の被覆率が５０％以上になるために、ＴＭＲ現象効果を抑制できるからである。

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、Ｃ及びＮ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}Ｘ_ｂ合金（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｂ（ａｔ％）＞０、Ｘ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。但し、ある程度のＴＭＲ比を得るためには、部分的に、すなわち、ＭｇＯとの界面において再結晶化を促進させることが重要となる。

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、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｂ、及びＳｉ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。Ｍｎ系ホイスラー合金は、ハーフメタル的な伝導特性を示す場合がある。

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以上が必要であり、絶縁層或いは半導体層上に形成される界面層の最小膜厚としても、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比）が得られない。また、最大膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。これは、膜厚が５ｎｍを超えると、コヒーレントなスピンの歳差運動長さをはるかに越えてしまうために、スピン注入磁化反転に必要な電流閾値が大幅に大きくなってしまうからである。

以上詳述したように本実施形態によれば、互いに垂直な磁化の方向を有する２つのピン層をデュアルピン層構造で有することにより、フリー層１３へのスピン注入効率を向上させることができる。これにより、ＭＴＪ素子１０のスイッチング速度を向上させることができる。さらに、スピン注入効率が向上する結果、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１３とピン層１１との磁化の方向は互いに平行に設定され、一方、フリー層１３とピン層１５との磁化の方向は互いに直交するように設定されている。従って、中間層１２では磁気抵抗効果が発現するが、中間層１４では磁気抵抗効果が発現しない。これにより、情報の読み出し時において、ＭＴＪ素子１０のＴＭＲ比をより大きくすることができる。

また、磁気抵抗効果が発現しない中間層１４に金属等の導電体を用いることが可能となる。これにより、ＭＴＪ素子１０の抵抗値を低減することができる。

また、フリー層１３に垂直磁化膜を用いている。すなわち、フリー層１３が熱的に安定するのに必要な異方性磁界（Ｈｋ）は、結晶磁気異方性エネルギーにより賄われる。これにより、フリー層１３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。

また、フリー層１３と中間層１２、或いは、フリー層１３と中間層１４との間に強磁性体からなる界面フリー層を挿入している。さらに、ピン層１１と中間層１２との間に強磁性体からなる界面ピン層を挿入している。これらの界面フリー層及び界面ピン層に材料自身のバルク的な分極率が大きい材料を用いることで、磁気抵抗効果を増大させることができ、さらには、書き込み時の書き込み電流を低減することができる。

ＭＴＪ素子に用いられるＴＭＲ膜のより具体的な積層構造としては、下記のようなものがあげられる。なお、実施例１乃至実施例３において、各層の後に記載した数値は、膜厚を示している。

（実施例１）
Ｔａ５／ＰｔＭｎ１５／ＣｏＦｅ２．５／Ｒｕ０．８５／ＣｏＦｅ２．５／Ｃｕ３(中間層１４)／ＣｏＦｅＢ０．５／ＦｅＰｔ（Ｌ１_０）２／Ｆｅ０．５／ＭｇＯ０．７５（中間層１２）／ＣｏＦｅＢ１／ＦｅＰｔ（Ｌ１_０）１０／Ｐｔ５／Ｃｒ２０／ＭｇＯ２／ＣｏＦｅＢ２／Ｔａ５／／基板
（実施例２）
Ｔａ５／ＩｒＭｎ１０／ＣｏＦｅ２．５／Ｒｕ０．８５／ＣｏＦｅ２．５／Ｃｕ３（中間層１４）／ＣｏＦｅＢ０．５／ＣｏＦｅＴｂ３／ＣｏＦｅＢ０．７５／ＭｇＯ０．７５（中間層１２）／ＣｏＦｅＢ２／ＣｏＦｅＴｂ３０／Ｒｕ５／Ｔａ５／／基板
（実施例３）
Ｔａ５／ＩｒＭｎ１０／ＣｏＦｅ２．５／Ｒｕ０．８５／ＣｏＦｅ２．５／Ｃｕ３（中間層１４）／ＣｏＦｅＢ０．５／ＣｏＰｔ３／ＣｏＦｅＢ０．５／ＭｇＯ０．７５（中間層１２）／ＣｏＦｅＢ２／ＣｏＰｔ２０／Ｒｕ１０／Ｔａ５／／基板
実施例１及び実施例３においては、面内方向磁場中かつ真空中で２７０℃のアニールを施した。これらのＭＴＪ膜を用いて、四端子測定が可能なＭＴＪ素子を作成し、スピン注入磁化反転に必要な電流密度Ｊｃを評価した。測定はパルス幅が１ｍ秒で行った。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。また、ＭＴＪ素子の抵抗×面積（ＲＡ）がそれぞれ１５Ωμｍ^２になるように、ＭｇＯ膜厚を調整した。

それぞれの実施例において、中間層１４の上に面内磁化ピン層がない場合の比較例と比較した結果、電流密度Ｊｃはそれぞれ、１０％から３０％程度の低減効果が得られた。また、それぞれの実施例において中間層１４にＣｕを用いたため、抵抗×面積（ＲＡ）の上昇はほとんど見られず、ＴＭＲ比の大きな劣化も測定されなかった。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、フリー層１３に面内磁化膜を用いてＭＴＪ素子１０を構成するようにしている。図７は、本発明の第２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７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、第１のピン層１１、第１の中間層１２、フリー層１３、第２の中間層１４、第２のピン層１５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及びフリー層１３の容易磁化方向は膜面に対して平行であり、ピン層１５の容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、ピン層１１とピン層１５とは、容易磁化方向が互いに直交している。従って、磁化配列が平行となるフリー層１３とピン層１１との間では中間層１２を介して磁気抵抗効果が発現するが、磁化配列が垂直となるフリー層１３とピン層１５との間では中間層１４を介した磁気抵抗効果は発現しない。

図８は、ＭＴＪ素子１０の具体例を示す断面図である。図７に示した基本構成の最上層及び最下層にそれぞれ、キャップ層１７及び下地層１６が設けられている。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。すなわち、ピン層１１は、ＳＡＦ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、膜面に対して平行である。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。ＳＡＦ構造における中間層には、ＲｕやＯｓ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、中間層を介して十分強い反強磁性結合を得るためである。

さらに、ピン層１１Ａの下（ピン層１１Ａと下地層１６との間）には、ピン層１１Ａと接するように、反強磁性層１９が設けられている。ピン層１１Ａは、反強磁性層１９と交換結合することで、膜面に対して平行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を向上させることができる。また、外部磁場に対する耐性を向上させるために、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をほぼゼロとなるように設定することが好ましい。

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１３Ｆ／中間層１３Ｅ／フリー層１３Ｄ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１３Ｄ及びフリー層１３Ｆの容易磁化方向は、膜面に対して平行である。また、フリー層１３Ｄとフリー層１３Ｆとの磁化の方向は互いに反平行に設定され、フリー層１３Ｄとフリー層１３Ｆとは中間層１３Ｅを挟んで反強磁性結合している。ＳＡＦフリー層の場合、磁化反転時の歳差運動を促進する効果がある。ＳＡＦフリー層では、見かけ上のネットＭｓはゼロに設定できるために、膜面垂直方向において、反磁界を抑制できる。従って、フリー層１３の歳差運動を促進し、スピン注入磁化反転を低減する効果がある。

このようにしてＭＴＪ素子１０を構成した場合でも、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、上記第１の実施形態で示したように、フリー層１３及びピン層１１に界面層を挿入してもよい。

さらに、ピン層１５は、中間層１４が薄い場合においては、フリー層１３の磁化反転時の歳差運動を容易にする効果を有する。面内磁化膜におけるスピン注入磁化反転において、膜面垂直方向の反磁界は磁化の歳差運動を阻害し、スピン注入磁化反転電流を上昇させる要因となっている。この時の膜面垂直方向における反磁界とは、フリー層１３の膜面に磁荷が発生することにより生じる。従って、膜面に発生する磁荷をキャンセルすれば、膜面垂直方向の反磁界が低下し、フリー層１３の磁化は歳差運動をしやすくなる。結果的に、スピン注入磁化反転電流を低下させることが可能である。

本実施形態のＭＴＪ素子１０の場合、中間層１４を介して形成されているピン層１５は、垂直磁化であり、膜面に磁荷を出している。従って、フリー層１３が歳差運動する際には、フリー層１３の膜面の磁荷をキャンセルする効果が働く。この効果を最大限に発揮するためには、中間層１４はなるべく薄い方が好ましく、１ｎｍ以下であることが好ましい。１ｎｍを超える厚さを有する中間層１４の場合、ピン層１５の磁化の影響は距離に反比例するために、かなり部分の漏洩磁界が減衰してしまう。歳差運動を促進する効果だけを得る場合においては、中間層１４は無い方が良い。ただし、この場合は、垂直磁化膜の部分は、ピン層としての機能が失われ、フリー層１３の一部として振舞うことになる。すなわち、面内磁化方向と垂直磁化方向の２方向の異方性を有するフリー層１３となる。

本実施形態のフリー層１３には、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金が主として用いられる。また、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、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｇａ及びＧｅ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、Ｃ及びＮ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}Ｘ_ｂ合金（ｘ≧０、ｙ≧０、ｚ≧０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｂ（ａｔ％）＞０、Ｘ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。ホイスラー合金は、ハーフメタル的な伝導特性を示す材料である。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、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｂ、及びＳｉ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、ＭＴＪ素子１０を構成する他の層の材料についても、上記第１の実施形態で示した材料を用いることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、フリー層及び２つのピン層のそれぞれに面内磁化膜を用いて、ＭＴＪ素子１０を構成するようにしている。図１０は、本発明の第３の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す斜視図である。図１０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、第１のピン層１１、第１の中間層１２、フリー層１３、第２の中間層１４、第２のピン層１５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、フリー層１３、ピン層１５の容易磁化方向は、膜面に対して平行である。すなわち、全ての磁性層として面内磁化膜を用いることが可能となり、ＭＴＪ素子１０を容易に形成することができる。

また、ピン層１１とフリー層１３とは容易磁化方向が平行であり、ピン層１１とピン層１５とは容易磁化方向が互いに直交している。従って、磁化配列が平行となるフリー層１３とピン層１１との間では中間層１２を介して磁気抵抗効果が発現するが、磁化配列が垂直となるフリー層１３とピン層１５との間では中間層１４を介した磁気抵抗効果は発現しない。

図１１は、ＭＴＪ素子１０の具体例を示す斜視図である。図１０に示した基本構成の最上層及び最下層にそれぞれ、キャップ層１７及び下地層１６が設けられている。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。すなわち、ピン層１１は、ＳＡＦ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、膜面に対して平行である。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。

さらに、ピン層１１Ａの下（ピン層１１Ａと下地層１６との間）には、ピン層１１Ａと接するように、反強磁性層１９が設けられている。ピン層１１Ａは、反強磁性層１９と交換結合することで、膜面に対して平行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。

また、ピン層１５は、フリー層１３と明確な保持力差を設ける必要がある。このため、ピン層１５としては、面内磁化型硬質磁性層を用いることが好ましい。

面内磁化型硬質磁性層の材料としては、Ｃｏ−Ｐｔ合金、或いはＣｏ−Ｐｔ−Ｘ合金（Ｘは、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｂ、Ｓｉ、Ｒｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素）があげられる。また、面内磁化型硬質磁性層を用いた硬質磁性層／中間層／硬質磁性層の構成を有するＳＡＦ構造も形成可能である。この場合、中間層にはＲｕ或いはＯｓが用いられる。

図１２は、ピン層１５の他の構成を示す斜視図である。ピン層１５上（ピン層１５とキャップ層１７との間）には、ピン層１５と接するように、反強磁性層１８が設けられている。ピン層１５は、反強磁性層１８と交換結合することで、膜面に対して平行に磁化の方向が固着されている。

図１３は、ピン層１５の他の構成を示す斜視図である。ピン層１５は、ピン層１５Ｃ／中間層１５Ｂ／ピン層１５Ａの積層構造を有している。すなわち、ピン層１５は、ＳＡＦ構造を有している。ピン層１５Ａ及びピン層１５Ｃの容易磁化方向は、膜面に対して平行である。また、ピン層１５Ａとピン層１５Ｃとの磁化の方向は互いに反平行に設定され、ピン層１５Ａとピン層１５Ｃとは中間層１５Ｂを挟んで反強磁性結合している。

図１２および図１３に示した反強磁性層１９及び反強磁性層１８は、強磁性層との結合の臨界温度すなわちブロッキング温度に差をつけることで、アニールシーケンスによりピン層１１とピン層１５との容易磁化方向を直交化することが可能となる。より具体的には、反強磁性層１９にはＰｔＭｎやＮｉＭｎなどの高いブロッキング温度を有する材料を用い、反強磁性層１８にはＦｅＭｎやＩｒＭｎなどの比較的低いブロッキング温度を有するものを用いることが好ましい。

また、フリー層１３は、強磁性層／中間層／強磁性層の積層構造、すなわち、ＳＡＦ構造を有していても構わない。ＳＡＦ構造において、強磁性層同士の磁化の方向は互いに反平行に設定され、中間層を挟んで反強磁性結合している。

このようにしてＭＴＪ素子１０を構成した場合でも、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、上記第１の実施形態で示したように、フリー層１３及びピン層１１に界面層を挿入してもよい。また、ＭＴＪ素子１０を構成する各層の材料については、上記第１及び第２の実施形態で示した材料を用いることができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、前述したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の実施例について示している。

図１４は、本発明の第４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２０を備えている。メモリセルアレイ２０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２０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２１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２１のドレインに接続されている。選択トランジスタ２１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２１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２２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２４が接続されている。ソース線ＳＬの一端には、電源回路２３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２５に接続されている。

電源回路２２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２４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２３は、ソース線ＳＬの一端に、正の電位を印加する。電源２５は、この電源２５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２１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２２はビット線ＢＬの一端に正の電位を印加し、電源２５はこの電源２５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２３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２４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２５に対応するスイッチ素子はオフされている。このようして、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２３及びセンスアンプ回路２４により、ＭＴＪ素子１０には、電源回路２３からセンスアンプ回路２４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２４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１５は、ＭＴＪ素子１０を中心に示したＭＲＡＭの断面図である。ＭＴＪ素子１０は、シリコンなどからなる半導体基板（図示せず）に形成された選択トランジスタ２１の上方に層間絶縁層を介して形成される。

引き出し電極３２上には、ＭＴＪ素子１０が設けられている。引き出し電極３２は、ビアプラグ３１を介して選択トランジスタ２１のドレイン領域に電気的に接続される。ＭＴＪ素子１０上には、導電性のハードマスク３３が設けられている。ハードマスク３３上には、ビット線ＢＬが設けられている。

ビット線ＢＬ、ハードマスク３３及びビアプラグ３１としては、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ及びＡｌＣｕなどが用いられる。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１６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３１上には、直接にＭＴＪ素子１０が設けられている。すなわち、図１６のＭＲＡＭは、図１５のＭＲＡＭと比べて、引き出し電極３２が省略されている。ＭＴＪ素子１０上には、ハードマスク３３が設けられている。ハードマスク３３上には、ビット線ＢＬが設けられている。

ＭＴＪ素子１０は、図１５に示されるように引き出し電極３２によりビアプラグ３１と電気的に接続される場合と、図１６に示されるようにＭＴＪ素子１０がビアプラグ３１上に直接形成される場合とがある。図１６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１５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１６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。

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。 第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の具体例を示す断面図。 第１の実施形態に係るピン層１５の他の構成を示す断面図。 第１の実施形態に係るピン層１１の他の構成を示す断面図。 第１の実施形態に係るピン層１１の他の構成を示す断面図。 第１の実施形態に係るフリー層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ＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の具体例を示す断面図。 第２の実施形態に係るフリー層１３の他の構成を示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す斜視図。 第３の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の具体例を示す斜視図。 第３の実施形態に係るピン層１５の他の構成を示す斜視図。 第３の実施形態に係るピン層１５の他の構成を示す斜視図。 本発明の第４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…第１の磁化参照層（ピン層）、１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｄ…ピン層、１１Ｂ…中間層、１１Ｅ…界面ピン層、１２…第１の中間層、１３…磁化自由層（フリー層）、１３Ａ，１３Ｃ…界面フリー層、１３Ｂ，１３Ｆ，１３Ｄ…フリー層、１３Ｅ…中間層、１４…第２の中間層、１５…第２の磁化参照層（ピン層）、１５Ａ，１５Ｃ…ピン層、１５Ｂ…中間層、１６…下地層、１７…キャップ層、１８，１９…反強磁性層、２０…メモリセルアレイ、２１…選択トランジスタ、２２，２３…電源回路、２４…センスアンプ回路、２５…電源、３１…ビアプラグ、３２…引き出し電極、３３…ハードマスク、ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、ＳＬ…ソース線。

Claims (14)

1. 磁化の方向が固定された第１の磁化参照層と、
   スピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化する磁化自由層と、
   磁化の方向が固定された第２の磁化参照層と、
   前記第１の磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた第１の中間層と、
   前記磁化自由層と前記第２の磁化参照層との間に設けられた第２の中間層と、
   を具備し、
   前記磁化自由層及び前記第１の磁化参照層の容易磁化方向は、膜面に対して垂直或いは平行であり、
   前記第１の磁化参照層と前記第２の磁化参照層との容易磁化方向は、互いに直交することを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 前記磁化自由層及び前記第１の磁化参照層の容易磁化方向は、膜面に対して垂直であり、
   前記第２の磁化参照層の容易磁化方向は、膜面に対して平行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. 前記第１の中間層は、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。
4. 前記第２の中間層は、導電体からな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. 前記磁化自由層は、順に積層された第１の界面磁性層と主磁性層と第２の界面磁性層とを含み、
   前記第１の界面磁性層は、前記第１の中間層に接するように配置され、
   前記第２の界面磁性層は、前記第２の中間層に接するように配置され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. 前記第１の磁化参照層は、積層された主磁性層と第３の界面磁性層とを含み、
   前記第３の界面磁性層は、前記第１の中間層に接するように配置され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素子。
7. 前記界面磁性層は、強磁性体からなることを特徴とする請求項５又は６に記載の磁気抵抗素子。
8. 前記第１及び第２の磁化参照層の少なくとも１つは、順に積層された第１の磁性層と非磁性層と第２の磁性層とを含む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素子。
9. 前記磁化自由層は、順に積層された第１の磁性層と非磁性層と第２の磁性層とを含む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素子。
10. 交換結合力により前記第１の磁化参照層の磁化の方向を固定する第１の反強磁性層をさらに具備す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素子。
11. 交換結合力により前記第２の磁化参照層の磁化の方向を固定する第２の反強磁性層をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
12. 請求項１乃至１１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。
13. 前記第１及び第２の電極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に記載の磁気メモリ。
14. 前記メモリセルは、前記第２の電極と前記電源回路との間に電気的に接続された選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項１３に記載の磁気メモリ。

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