JP2008098523A - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents

磁気抵抗効果素子および磁気メモリ Download PDF

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達也 岸
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Abstract

【課題】熱的安定性を向上させ、かつ磁化反転の際の反転電流密度をより低減する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子は、磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化し、かつ（００１）面が配向したｆｃｔ型の結晶構造を有する磁化自由層１２と、磁化自由層１２を挟むように設けられ、かつ正方晶型或いは立方晶型の結晶構造を有する第１および第２の非磁性層１３，１４と、磁化自由層１２の一方の側のみに設けられ、かつ第１の非磁性層１３の磁化自由層１２が設けられた面と反対面に設けられ、かつ磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつ磁化の方向が固着された磁化固着層１１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メモリに係り、例えば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効果素子および磁気メモリに関する。
強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）、以下、磁気メモリともいう）は、不揮発性、高速動作、大容量、低消費電力を備えた不揮発性メモリとして期待されている。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を記憶素子として備え、このＭＴＪ素子の磁化状態により情報を記憶する。
従来型の配線電流による磁場で書き込みを行なうＭＲＡＭにおいては、微細化に伴い配線に流すことのできる電流値が減少するために、十分な電流磁場を供給することが困難になる。さらに、ＭＴＪ素子に情報を記録するために必要とする電流磁場の大きさは微細化に伴い増加するため、１２６Ｍｂｉｔｓ〜２５６Ｍｂｉｔｓ世代で配線電流による磁場で書き込みを行なう方式を有するＭＲＡＭの原理的な限界が来ると考えられている。
そこで、スピン角運動量移動（ＳＭＴ：Spin Momentum Transfer）を利用した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）。スピン角運動量移動（以下、スピン注入と称する）による磁化反転は、素子を微細化しても、磁化反転に必要な電流密度の大きさはほとんど増加しないため、高効率な書き込みが可能である利点を有している。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書
本発明は、熱的安定性を向上させることができ、かつ磁化反転の際の反転電流密度をより低減することが可能な磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気メモリを提供する。
本発明の第１の視点に係る磁気抵抗効果素子は、磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化し、かつ（００１）面が配向したｆｃｔ型の結晶構造を有する磁化自由層と、前記磁化自由層を挟むように設けられ、かつ正方晶型或いは立方晶型の結晶構造を有する第１および第２の非磁性層と、前記磁化自由層の一方の側のみに設けられ、かつ前記第１の非磁性層の前記磁化自由層が設けられた面と反対面に設けられ、かつ磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつ磁化の方向が固着された磁化固着層とを具備する。
本発明の第２の視点に係る磁気抵抗効果素子は、磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化し、かつ（００１）面が配向したｆｃｔ型の結晶構造を有する磁化自由層と、前記磁化自由層を挟むように設けられ、かつ正方晶型或いは立方晶型の結晶構造を有する第１および第２の非磁性層と、前記第１の非磁性層の前記磁化自由層が設けられた面と反対面に設けられ、かつ磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつ磁化の方向が固着された第１の磁化固着層と、前記第２の非磁性層の前記磁化自由層が設けられた面と反対面に設けられ、かつ磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつ磁化の方向が固着された第２の磁化固着層とを具備する。前記第１の非磁性層の抵抗値は、前記第２の非磁性層の抵抗値と異なる。
本発明の第３の視点に係る磁気メモリは、上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なう第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、熱的安定性を向上させることができ、かつ磁化反転の際の反転電流密度をより低減することが可能な磁気抵抗効果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。
ＭＲＡＭの大容量化のためには、強磁性体をセル集積度に応じたセルサイズに微細化しなければならい。例えば１ＧｂｉｔｓＭＲＡＭの設計ではセルサイズ１００ｎｍ以下になることが想定され、さらに大容量化を試みるにはさらなる微細化が必要となる。一方、強磁性体のセルサイズを小さくしていくと、熱ゆらぎ磁気余効により熱振動の影響を受け、磁化が自由に向きを変えるようになる。１軸磁気異方性をもつ単磁区粒子を例に熱ゆらぎ磁気余効の影響について説明する。
磁気異方性エネルギーＵは、磁気異方性エネルギー密度をＫｕ、強磁性体の体積をＶとすると、Ｕ＝ＫｕＶで表される。ある温度Ｔにおいて原子は熱振動エネルギーＫＢＴを有しているため、熱振動エネルギーが磁気異方性エネルギーＵより大きくなると、磁化の反転が起こりやすくなる。つまり、ＫｕＶ＜ＫＢＴ（若しくは、ＫｕＶ／ＫＢＴ＜１）になると、強磁性体セルの磁化は常磁性のように振る舞うようになる。常磁性体になると磁化を一方向に保持できなくなるため、記憶素子としての機能を果たさなくなる。よって、ＫｕＶ／ＫＢＴ＞１を満たすことが最低限必要となる。
さらに、記憶素子に用いられる強磁性体は、磁化情報を数年間保持できなければならず、ＫｕＶ／ＫＢＴ＞１の条件には時間の情報が含まれていないため、例えば１Ｇビットのメモリセルにおいて、１０年間で磁化の方向が反転する確立を１ビット以下にする場合を考えると、ＫｕＶ／ＫＢＴ＞６０以上の値が必要となる。
磁気異方性エネルギーＵは磁気異方性エネルギー密度Ｋｕと強磁性体の体積Ｖとの積に正比例するため、素子サイズを微細化していくと素子の体積Ｖが減少する。一方、強磁性体セルに不揮発な情報を記憶させるためにはＫｕＶ／ＫＢＴ＞６０の条件を満たす必要があるため、体積Ｖの減少を補うために磁気異方性エネルギー密度Ｋｕを大きくしなければならない。膜厚が３ｎｍの時、素子サイズが１００ｎｍになるとＫｕは１×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上の値が必要となり、さらに４０ｎｍになるとＫｕは６×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上の値が必要となる。
ＭＲＡＭにおいては、磁気異方性エネルギーを確保する方法として、形状磁気異方性エネルギー若しくは結晶磁気異方性エネルギーを利用する２通りの方法が検討されている。形状磁気異方性エネルギーは平面形状、膜厚、素子幅等に比例することが知られている。４０ｎｍ以下の素子サイズにおいて形状磁気異方性を用いて磁気異方性エネルギーを確保しようとすると平面形状を細長く設計するか、素子膜厚を厚く設計する必要がある。
膜厚を３ｎｍに固定し平面形状のみで磁気異方性エネルギーを確保しようとするとアスペクト比が３以上必要となり、大容量化が困難になる。また、平面形状をアスペクト比が２の楕円に固定し、膜厚を厚くすることによって磁気異方性エネルギーを確保しようとすると膜厚は４ｎｍ以上必要となる。膜厚の増大はスピン注入電流の増大を引き起こすため、数十ｎｍ以下の微細な強磁性体における磁気異方性エネルギーを形状磁気異方性で補うことは困難である。
一方、磁気異方性エネルギーを結晶磁気異方性エネルギーで確保するケースを考える。結晶磁気異方性は結晶の対象性から生じるため、結晶構造の違いによって１軸磁気異方性以外の複数の軸に異方性を持つ場合も存在する。強磁性体に２値の情報を与える場合、磁化の方向は０°方向（“１”値と仮定）、１８０°方向（“０”値と仮定）の２方向を安定な状態として持つことが望ましい。しかし、結晶磁気異方性の方向が２つ以上存在する場合の磁化は２つ以上の安定な状態を持ち得る。
例えばＸ、Ｙそれぞれの方向に磁気異方性を持つ強磁性体の場合、強磁性体のＮ極の方向は＋Ｘ、＋Ｙ、−Ｘ、−Ｙ方向の４方向を安定な状態として向くことが可能となる。スピン注入によって反転できる磁化の方向は＋Ｘ方向と−Ｘ方向との２方向のみであることが望ましいため、＋Ｙ方向と−Ｙ方向とは存在してはならない。しかし、＋Ｙ方向も−Ｙ方向も向くことは可能であるため磁化反転中に何らかの不良によって＋Ｙ方向若しくはＹ方向に磁化が固定されてしまう可能性がある。その結果、“１”、“０”の情報を正確に記憶することが不可能となる。
つまり、磁気異方性エネルギーに結晶磁気異方性を用いる場合は、１軸磁気異方性を持つ材料を用いることが必要となる。１軸磁気異方性を面内磁化型の構成で用いる場合、大きな結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料として例えば、ハードディスク媒体で用いられるようなＣｏＣｒ合金を用いた場合、結晶軸が面内に大きく分散してしまうため、ＭＲ（Magnetic Resistance）の低下、インコーヒーレントな歳差運動が誘発され、結果としてスピン注入反転電流が増加してしまう。
一方、結晶軸を垂直方向に向けた場合、結晶軸はｚ軸しか存在しないため、結晶軸の分散を抑制できる。ｚ方向に結晶軸を向けるには、異なる材料の膜を積層し、この積層膜の界面に誘導される異方性を用いる方法、六方晶構造を膜面に対して〔001〕方向に成長させ、結晶の対象性から誘起される結晶磁気異方性を用いる方法や、面内方向と垂直方向との結晶格子の大きさを変える、若しくは磁歪を利用するなどの方法を用いれば作製することができる。
垂直磁気異方性を有する材料の中で高い結晶磁気異方性を持つ材料としては、Ｌ１０型のＦｅＰｔ規則合金があげられる。Ｌ１０型のＦｅＰｔ規則合金は、計算上、結晶磁気異方性が７×１０７ｅｒｇ／ｃｃになることが見出されている。また、実験的にも７×１０８ｅｒｇ／ｃｃに近い磁気異方性が得られている。４×１０７ｅｒｇ／ｃｃの結晶磁気異方性があれば、ＭＴＪ素子を数ｎｍまで微細化することが可能となる。
一方、単結晶の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をトンネルバリア層に用いたＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／Ｆｅ（１００）のエピタキシャルＭＴＪ素子に関する第一原理計算によって、１０００％を越える巨大なＴＭＲ効果が理論的に予測されている。高いＭＲが得られるＭＴＪ素子では高いスピン分極率が得られることが期待される。スピン注入磁化反転の挙動を解析的に解いたＳｌｏｎｃｅｗｓｋｉの式によれば、スピン注入磁化反転電流はスピン分極率の増加と伴に低減することが知られている。このため、ＭｇＯをＭＴＪ素子のトンネルバリア層に用いればＭＲＡＭの低電流化が期待できる。
[００１]方向に結晶化したＭｇＯ、[００１]方向に結晶化したＦｅ、Ｐｔ、Ｆｅを順にモノレイヤーごとに積層すれば、結果的に垂直磁気異方性を持つＦｅＰｔが作製できる。この構造は高効率なスピン注入トルクおよび高い熱擾乱耐性が期待できるため、大容量かつ低消費電力で駆動できるメモリセルへの応用が期待される。
しかし、ＦｅＰｔ薄膜をスパッタ法などの気相急冷法で成膜すると、固相に存在する熱力学的な不規則―規則変態点を通過しないため、成膜直後では準安定なｆｃｃ（face-centered cubic）不規則相（Ａ１相）が形成される。この準安定Ａ１相をＬ１０規則変態させるためには、原子の体拡散が必要となるのでＦｅＰｔ合金の融点の半分に相当する６００℃程度での熱処理が必要となる。
しかし、強磁性体セルはＭＯＳトランジスタをＦＥＯＬ配線上に作製するため、ＭＯＳトランジスタへのダメージおよびＦＥＯＬ（Front End Of Line）配線へのダメージを考えるとこのような高温熱処理を加えることは多くの困難がある。このために低温での熱処理により、Ａ１相をＬ１０構造に規則化させる必要がある。
不規則―規則変態は、ＦｅとＰｔとの相互拡散が必要となる。加えて、ＦｅＰｔ規則合金はｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を有しｃ軸方向に縮んでいるため、変態時にはｃ軸に縮む弾性エネルギーの克服が必要となる。つまり、不規則―規則変態温度を下げるためにはＦｅとＰｔとの相互拡散における活性化エネルギーの低減、またはＦｅとＰｔとの間に生じる弾性エネルギーを低減させるアプローチが必要となる。
以下に、このような知見に基づいて構成された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、同一の機能およ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なう。
（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。図中の矢印は、磁化の方向を示している。本実施形態では、シングルピン層構造（１つの記録層と１つの固定層とが非磁性層を介して配置される構造）を有するＭＴＪ素子１０について説明する。
ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地層１５、固定層（或いは、磁化固着層、ピン層ともいう）１１、トンネルバリア層（非磁性層）１３、記録層（或いは、磁化自由層、フリー層ともいう）１２、キャップ層１４が順に積層された積層構造を有する。なお、この積層構造は、積層順序が逆転していても構わない。そして、結晶配向用下地層１５の底面に下部電極１６が設けられ、キャップ層１４の上面に上部電極１７が設けられている。
固定層１１は、磁化（或いはスピン）の方向が固着されている。記録層１２は、磁化の方向が変化（反転）する。また、固定層１１および記録層１２の容易磁化方向は膜面（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）。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、固定層１１の磁化の方向および記録層１２の磁化の方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型ＭＴＪ素子である。
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。
ＭＴＪ素子１０において、固定層１１として反転電流の大きな磁性層を用い、記録層１２として固定層１１よりも反転電流の小さい磁性層を用いることによって、高性能なＭＴＪ素子１０を実現することができる。スピン偏極した電子により磁化反転を起こす場合、その反転電流は飽和磁化、異方性磁界、体積に比例するため、これらを適切に調整して、記録層１２と固定層１１との反転電流に差をつけることができる。
垂直磁化を実現する記録層１２および固定層１１としては、（００１）面が配向したｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を基本構造とするＬ１０型構造、或いはＬ１２型構造を有する磁性材料が用いられる。また、この磁性材料としては、例えば５×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料が望ましい。
記録層１２および固定層１１を構成する磁性材料の具体例としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）のうち１つ以上の元素と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、Ａｌ（アルミニウム）のうち１つ以上の元素とを含む合金からなり、かつ結晶構造がＬ１０型の規則合金があげられる。
例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｃｏ５０Ｐｄ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｍｎ５０Ａｌ５０、Ｆｅ５０Ｎｉ５０、等の規則合金があげられる。これらの規則合金の組成比は一例であり、上記組成比に限定されない。なお、これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、Ａｇ（銀）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ、（クロム）、Ｖ（バナジウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｏｓ（オスミウム）等の不純物元素或いはその合金、絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を低く調整することができる。同様に組成比を調整することによってＬ１２型の規則合金を用いても良い。
記録層１２として例えば膜厚４ｎｍ程度のＦｅ５０Ｐｔ５０を用い、固定層１１も同様にＦｅ５０Ｐｔ５０を用いた場合、固定層１１は、記録層１２に比べ磁化反転電流が大きくなければならないので、記録層１２の膜厚より厚くする必要がある。例えば１０〜２０ｎｍの膜厚を用いれば、情報の書き込み時に磁化の方向が反転しない固定層１１として用いることができる。
固定層１１に必要となる条件は記録層１２より異方性磁界が大きい、飽和磁化が大きい、膜厚が厚い、減衰定数が大きい、これら条件のどれか一つ若しくは、複数の条件を満たせば良いので、Ｆｅ５０Ｐｔ５０の他に、記録層１２より膜厚が厚いＬ１０型の結晶材料、Ｌ１２型の結晶材料を用いても良い。また、固定層１１の磁性材料としては下記（１）〜（３）の材料を用いることも可能である。
（１）不規則合金
Ｃｏ（コバルト）を主成分とし、Ｃｒ（クロム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）のうち１つ以上の元素を含む合金。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等があげられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
（２）人工格子
Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうちいずれか１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金と、Ｃｒ（クロム）、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）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）のうちいずれか１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金とが交互に積層された積層膜。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ人工格子、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等があげられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
（３）フェリ磁性体
希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体。例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうち１つ以上の元素とからなるアモルファス合金。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等があげられる。これらの合金は、組成比を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
トンネルバリア層１３およびキャップ層１４としては、正方晶型、或いは正方晶型の結晶構造を有する非磁性材料が用いられる。トンネルバリア層１３としては、Ｌｉ（リチウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂａ（バリウム）のうち１つ以上の元素を含む酸化物、或いはＴｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）のうち１つ以上の元素を含む窒化物が用いられる。
キャップ層１４としては、下記（１）〜（６）の非磁性材料をあげることができる。
（１）Ｌｉ（リチウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂａ（バリウム）のうち１つ以上の元素を含む酸化物
（２）Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）のうち１つ以上の元素を含む窒化物
（３）Ｖ（バナジウム）を含む炭化物
（４）Ｌｉ（リチウム）、Ｐｄ（パラジウム）のうち１つ以上の元素を含む水素化物
（５）Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｏ（ホルミウム）のうち１つ以上の元素を含むセレン化合物
（６）Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｓ（ヒ素）、Ａｇ（銀）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｐ（リン）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｃｕ（銅）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）のうち１つ以上の元素を含む金属若しくは金属間化合物
下地層１５は、この下地層１５の上層の結晶配向性或いは結晶性を制御するために設けられている。固定層１１が垂直磁気異方性を発現するには、この固定層１１は（００１）面が配向したｆｃｔ構造を有する必要がある。そのためには、下地層１５として、数ｎｍ程度のＭｇＯ（酸化マグネシウム）を用いれば良い。他にも、下地層１５として、格子定数が２．８Å、４Å、５．６Å程度のｆｃｃ構造、ｂｃｃ（body-centered cubic）構造を持つ元素、化合物、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｒ（クロム）等、或いはそれらを主成分とした合金を用いることができる。下部電極１６および上部電極１７としては、例えばＴａ（タンタル）が用いられる。
このように構成されたＭＴＪ素子１０において、情報の書き込みは、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。
固定層１１側から電子（すなわち、固定層１１から記録層１２へ向かう電子）を供給した場合、固定層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記録層１２に注入される。この場合、記録層１２の磁化の方向は、固定層１１の容易磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層１１と記録層１２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、記録層１２側から電子（すなわち、記録層１２から固定層１１へ向かう電子）を供給した場合、固定層１１により反射されることで固定層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記録層１２に注入される。この場合、記録層１２の磁化の方向は、固定層１１の容易磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、固定層１１と記録層１２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。ＭＴＪ素子１０は、磁気抵抗効果により、固定層１１と記録層１２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。
次に、ＭＴＪ素子１０の製造方法の一例について説明する。室温で記録層１２としてのＦｅＰｔを成膜すると、このＦｅＰｔ合金は不規則相となる。従って、ＦｅＰｔを規則化させるために、３００℃程度の温度での加熱成膜、若しくはＦｅ、Ｐｔを順に成膜した後に４００℃程度の温度で加熱することにより、ＦｅＰｔ合金を規則化させることができる。また、記録層１２に垂直磁気異方性を発現させるためには、記録層１２をｆｃｔ構造の（００１）面に配向させる必要がある。（００１）面が配向した記録層１２は、（１００）面が配向したＭｇＯトンネルバリア層１３を利用することによって作製することができる。
先ず、図２に示すように、基板（図示せず）上に、下部電極１６（例えば、膜厚１００ｎｍ程度のＴａ）、下地層１５を順に成膜する。次に、この下地層１５上に、固定層１１として例えばＦｅＰｔを膜厚１０ｎｍ程度成膜し、固定層１１を（００１）面に配向させる。なお、固定層１１は、ＦｅＰｔ合金を加熱成膜することにより、規則化させることができる。或いは、ＦｅとＰｔとを順に成膜した後、この積層膜を加熱することにより、固定層１１を規則化させることができる。
次に、図３に示すように、基板を室温付近まで冷却した後に、トンネルバリア層１３としてのＭｇＯを膜厚０．４〜１．０ｎｍ程度成膜する。或いは、固定相１１の酸化を抑制するために、トンネルバリア層１３は、膜厚０．４ｎｍ程度のＭｇ、膜厚０．６ｎｍ程度のＭｇＯを順に成膜して形成しても良い。これにより、ＭｇＯは（１００）面に配向する。なお、ＭｇＯを成膜した後、このＭｇＯの結晶性を向上させるために３００℃程度で加熱しても良い。また、固定層１１とトンネルバリア層１３との間には、スピン分極率を向上させる目的で、Ｆｅ、或いはＣｏを主成分とする界面層を膜厚０．４〜３ｎｍの範囲で挿入しても良い。
次に、トンネルバリア層１３上に、第１の磁性層１２−１として、（１００）面が配向したｂｃｃ（body-centered cubic）構造を有するＦｅを膜厚２ｎｍ程度成膜する。次に、第１の磁性層１２−１上に、第２の磁性層１２−２として、（１００）面が配向したｆｃｃ（face-centered cubic）構造を有するＰｔを膜厚２ｎｍ程度成膜する。このＦｅ層およびＰｔ層は、後に記録層１２となる。なお、第２の磁性層１２−２としては、ＦｅＰｔ合金を用いても良い。ただし、１２−２で用いるＦｅＰｔ合金はＰｔの濃度が多い方が望ましい。なお、記録層１２を形成する際、Ｐｔ層およびＦｅ層の積層順序は逆でも構わない。すなわち、Ｐｔ層、Ｆｅ層の順で積層してもよい。しかし、Ｆｅ層を先に堆積した方が、ＭｇＯとの格子ミスフィットが小さくなるので好ましい。
次に、第２の磁性層１２−２上に、キャップ層１４としてのＭｇＯを膜厚０．４〜０．９ｎｍ程度成膜する。或いは、記録層１２の酸化を抑制するために、キャップ層１４は、膜厚０．４ｎｍ程度のＭｇ、膜厚０．５ｎｍ程度のＭｇＯを順に成膜して形成しても良い。その後、この積層膜に４００℃以上の熱を付加すると、記録層１２としてのＦｅＰｔ合金は、Ｌ１０型の規則合金に規則化する。また、後述するように、ＦｅＰｔ合金の面内方向の格子を広げる効果により、規則化が促進される。これにより、記録層１２は、高い垂直磁化異方性を得ることができる。なお、４００℃程度の熱処理の前に、キャップ層１４としてのＭｇＯの結晶性を向上させるために４００℃以下の温度、例えば３００℃程度の温度で積層膜を加熱することもＦｅＰｔの規則化には効果的である。
次に、基板を室温付近まで冷却した後、キャップ層１４上に、上部電極１７として膜厚１００ｎｍ程度のＴａを成膜する。このとき、Ｔａは、薄いＭｇＯキャップ層１４を通して記録層１２中に拡散してしまう。このため、キャップ層１４と上部電極１７との間に、拡散防止層としてＲｕ（ルテニウム）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）などの層を挿入すると良い。このようにして、図１に示したＭＴＪ素子１０が形成される。
ところで、ＦｅとＰｔとを２ｎｍずつ積層してから熱処理によるＦｅとＰｔとの相互拡散を利用してＦｅＰｔ規則化合金を作製しているのは、ＭｇＯとＦｅＰｔとの格子ミスフィットが８．６％程度あることに原因がある。また、記録層１２の膜厚が増加すると、記録層１２の磁化を反転させるために必要とする電流値が増大する。また、記録層１２の膜厚がスピン拡散長より長くなると、記録層１２中でスピントルクが緩和してしまい、記録層１２の磁化を反転させるために必要な電流値が増加してしまう。このため、記録層１２の膜厚は１０ｎｍ以下であることが好ましい。
一方、先に述べたようにＬ１０型に規則化したＦｅＰｔ合金とＮａＣｌ型の結晶構造を有するＭｇＯ（すなわち、トンネルバリア層１３およびキャップ層１４に対応する）との格子ミスフィットは８．６％程度にも及ぶため、記録層１２を薄膜化していくと、ＦｅＰｔ合金が粒状に分離してしまう。ＦｅＰｔ合金が粒状になると記録層１２の熱擾乱耐性が低下するため、熱擾乱耐性の向上が必要となり、結果として記録層１２の磁化反転電流値が増大する。
しかし、（１００）面が配向したｂｃｃ−ＦｅとＭｇＯとの格子ミスフィットは３．７％程度、さらに（１００）面が配向したｆｃｃ−Ｐｔと（１００）面が配向したｂｃｃ−Ｆｅとの格子ミスフィットは３．２％程度であるため、記録層１２を薄膜化しても膜の粒状化を抑制することができる。さらに、ＦｅＰｔ積層膜の上部にキャップ層１４としてのＭｇＯを成膜した後に熱処理を施すことによって、ＦｅとＰｔとは相互拡散し、Ｌ１０型に規則化したＦｅＰｔ合金が形成される。記録層に対して格子整合性の良いトンネルバリア層１３とキャップ層１４を用いることは均一なＦｅＰｔを得るためには効果的な手段であると言える。
ここで、ＦｅＰｔ合金の規則化温度を低減するためには、不規則相と規則相とのギブスの自由エネルギーの差を増大させる、ＦｅおよびＰｔの拡散の活性化エネルギーを増大させる、さらにはＦｅおよびＰｔの２相界面近傍の濃度勾配を高くすること等の方法がある。本実施形態では、ＦｅとＰｔとを積層することによって、２相界面近傍での原子の濃度勾配を高くすることができる。これにより、ＦｅＰｔ合金の規則化が促進されるため、規則化温度を低減することができる。
また、ＭｇＯとＦｅＰｔ合金との格子ミスフィットは、ＦｅＰｔ規則相の面内の格子を広げる。このため、ＦｅＰｔ不規則相とＦｅＰｔ規則相とのギブスの自由エネルギーの差の増大を引き起こし、ＦｅＰｔ合金の規則化が促進される。その結果、ＦｅＰｔ合金の規則化温度が低減される。トンネルバリア層１３およびキャップ層１４としてのＭｇＯはそれぞれ、不規則相と規則相とのギブスの自由エネルギーの差の増大による規則化温度低減の効果を果たしている。
また、金属膜同士に比較して金属膜と絶縁膜とは相互拡散が少ないため、高温で熱処理してもＦｅＰｔ積層膜へのＭｇＯの拡散による影響が小さい。このため、結晶性の絶縁膜ＭｇＯをキャップ層１４に用いてＦｅＰｔ積層膜を熱処理により不規則−規則変態させることで、低温規則化、均一ＦｅＰｔ膜の作製、磁気特性の向上が可能となる。
また、バルク値においてＬ１０型に規則化したＦｅ５０Ｐｔ５０合金とＮａＣｌ型の結晶構造を持つＭｇＯとの（１００）面での格子ミスフィットは８．６％程度になる。しかし、作製したＦｅＰｔ合金とＭｇＯとの格子については、ＦｅＰｔ合金の面内方向の格子は広がり、ＭｇＯの面内方向の格子は縮むため、格子ミスフィットは８．６％未満に抑えられる。
また、キャップ層１４に絶縁体を用いると、ＭＴＪ素子１０のＭＲ比の低下を引き起こす可能性がある。このためキャップ層１４の抵抗値Ｒ２はトンネルバリア層１３の抵抗値Ｒ１より小さいことが望ましい。Ｒ１＞Ｒ２とする方法の一例として、キャップ層１４のＭｇＯ中にＣｕを混入させ、キャップ層１４の抵抗値Ｒ２を低減させても良い。或いは、キャップ層１４としてＭｇＯの膜厚をトンネルバリア層１３の膜厚より薄くすることによってＲ１＞Ｒ２とする方法もある。或いは、キャップ層１４としてトンネルバリア層１３より抵抗が小さい半導体或は金属を用いる方法もある。ただしキャップ層１４に用いる材料は記録層１２に対して格子整合性が良い材料を用いることが望ましい。
さらに、下記の（１）〜（６）の方法を用いることで、磁性材料からなる記録層１２の規則化が促進され、この結果、記録層１２の規則化温度を低減することができる。
（１）記録層１２の主成分である磁性材料からなる合金の融点を低くすることで、規則化温度を低減することができる。具体的には、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｕ（銅）、Ｓｍ（サマリウム）、Ａｕ（金）、Ｎｄ（ネオジム）、Ａｇ（銀）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｌａ（ランタン）、Ｃａ（カルシウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｅｕ（ユーロビウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｐｂ（鉛）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｓｎ（すず）、Ｉｎ（インジウム）のうち１つ以上の元素を上記合金（例えば、ＦｅＰｔ合金）に添加する。これにより、ＦｅＰｔ合金の規則化温度を低減することができる。
（２）原子の拡散の活性化エネルギーを低減する方法としては、何らかの方法により記録層１２の主成分である磁性材料からなる合金（例えば、ＦｅＰｔ）中に空格子を介在させることにより、拡散時の活性化エネルギーを低減する方法が考えられる。具体的には、Ｆｅ或いはＰｔ等と固溶しにくいＳｎ（すず）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｐｂ（鉛）、Ｂｉ（ビスマス）などの元素をＦｅＰｔ内に強制固溶させ、それらが熱処理時に外方向拡散或いは析出する際に生じる空格子の存在により、記録層１２の規則化温度を低減することができる。
（３）イオン化傾向が大きい材料を記録層１２に添加することで、記録層１２の規則化が促進される。具体的には、Ｌｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｋ（カリウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｃ（スカンジウム）のうち１つ以上の元素を、記録層１２の主成分である磁性材料に添加する。これにより、記録層１２の規則化温度を低減することができる。
（４）不規則−規則変態時の弾性エネルギーの増加を抑制する方法としては、Ｂ（ほう素）やＣ（炭素）などの進入型元素を記録層１２の主成分である磁性材料に添加することが有効である。これは、ＢがＬ１０構造のｃ軸に沿って優先的に進入することによってｃ軸の格子変形を抑え、不規則―規則変態が生じる時の活性化エネルギーが減少するためである。これにより、記録層１２の規則化温度を低減することができる。
（５）記録層１２の酸素の含有量を低減することで、規則化温度の低温化が可能となる。具体的には、記録層１２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｈｇ、Ａｌのうち１つ以上の第２の元素とからなる合金を主成分とし、かつ第１の元素と第２の元素との組成比がそれぞれ４０から６０原子％の間にある合金において、この合金の酸素の含有量が１％以下である。これは、記録層１２の熱処理を例えば真空中で行なうことで達成される。
（６）高Ａｒ（アルゴン）ガス中で記録層１２を成膜することによりｃ軸を縮ませ弾性エネルギーの増加を抑制する方法によって、記録層１２の規則化温度の低温化が可能になる。
また、記録層１２を酸化させることで、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕを高くすることができる。具体的には、記録層１２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｈｇ、Ａｌのうち１つ以上の第２の元素とからなる合金を主成分とし、かつ第１の元素の含有量が第２の元素の含有量より少ない合金で構成され、かつこの合金の酸素の含有量が１０％以上である。このようにして記録層１２を構成することで、記録層１２の高Ｋｕ化が可能となる。
以上詳述したように本実施形態によれば、磁性材料からなる記録層１２を薄膜化した場合でも、記録層１２の垂直磁気異方性、および熱擾乱耐性（或いは、熱的安定性）を向上させることができる。また、垂直磁気異方性が向上する結果、非常に小さな電流で記録層１２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、記録層１２としての磁性材料の規則化温度を低減することができる。すなわち、低温熱処理で高い信頼性を有する垂直磁化型ＭＴＪ素子１０（具体的には、垂直磁化の記録層）を作製することができる。これにより、ＭＴＪ素子１０の周辺回路へのダメージ（ＭＯＳトランジスタへのダメージおよびＦＥＯＬ（Front End Of Line）配線へのダメージ）を抑制することができる。
なお、ＮａＣｌ型の結晶構造を有する（００１）面が配向したＭｇＯと（００１）面が配向したＦｅＰｔとの格子ミスフィットは８．６％にも及ぶため、不規則―規則変態が生じるときに格子ミスフィットを低減しようとＦｅＰｔ内に双晶が形成され、その結果、結晶軸が分散して垂直磁気異方性が劣化する。また、ＦｅＰｔとＭｇＯとの格子ミスフィットを低減するためにＭｇＯの格子が歪み、トンネル電流の特性を劣化させてしまう。同様に、格子ミスフィットを低減しようとＦｅＰｔが粒状化し、磁性体の実効的な体積が減少して熱擾乱耐性が劣化してしまう。
しかし、本実施形態では、磁性材料からなる記録層１２を薄膜化した場合でも、記録層１２の粒状化を抑制することができる。さらに、記録層１２内に双晶が形成されるのを抑制することができるため、結晶軸が分散しない。これにより、記録層１２の垂直磁気異方性、および熱擾乱耐性を向上させることができる。
また、記録層１２および固定層１１に垂直磁化膜を用いている。すなわち、記録層１２および固定層１１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１０のアスペクト比を小さくすることができるため、ＭＴＪ素子１０の微細化が可能である。
また、ＭＴＪ素子１０を微細化しても反転電流密度が増加しないため、従来の磁気ランダムアクセスメモリでは実現できなかった９０ｎｍ以下の微細なＭＴＪ素子１０を有する大容量（例えば２５６Ｍビット以上）の磁気ランダムアクセスメモリを具現化することができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、固定層１１とトンネルバリア層１３との間に、このトンネルバリア層１３の結晶性を制御する磁性層を挿入することで、トンネルバリア層１３および記録層１２の結晶性を向上させるようにしている。
図４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。本実施形態では、シングルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０について説明する。
ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地層１５、固定層１１Ａ、界面固定層１１Ｂ、トンネルバリア層１３、記録層１２、キャップ層１４が順に積層された積層構造を有する。なお、この積層構造は、積層順序が逆転していても構わない。そして、結晶配向用下地層１５の底面に下部電極１６が設けられ、キャップ層１４の上面に上部電極１７が設けられている。
本実施形態の固定層１１は、固定層１１Ａと界面固定層１１Ｂとが積層されて構成されている。図４に示した固定層１１Ａは、上記第１の実施形態で示した固定層１１と同じ磁性材料が用いられる。固定層１１Ａに（００１）面が配向したＬ１０構造を有するＦｅＰｔを膜厚１０〜２０ｎｍで用いた場合、ＦｅＰｔの上部界面は一部、（１１１）面が配向した双晶が形成される可能性がある。さらに、固定層１１Ａの上面にトンネルバリア層１３としてのＭｇＯを成膜すると、ＭｇＯの配向性が劣化し、さらに記録層１２に用いるＦｅＰｔの（００１）面配向性も劣化する。その結果、磁気特性が劣化し、記録層１２の信頼性が失われてしまう。
本実施形態では、固定層１１Ａとトンネルバリア層１３との間に、界面固定層１１Ｂを挿入する。界面固定層１１Ｂとしては、膜厚０．４〜４ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ合金などが用いられる。これにより、界面固定層１１Ｂが無い場合と比較して、ＭｇＯの結晶性が向上し、この結果、記録層１２の結晶性も向上する。また、界面固定層１１ＢとしてＣｏＦｅＢ合金、ＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＮｉＢ合金等のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む合金からなる膜を用いることによって、高いＭＲおよび高いスピン注入効率を得ることができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、記録層１２とトンネルバリア層１３との間に、磁気抵抗効果を増大させるための磁性層を挿入することで、ＭＴＪ素子１０の特性を向上させるようにしている。
図５は、本発明の第３の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。本実施形態では、シングルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０について説明する。
ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地層１５、固定層１１、トンネルバリア層１３、界面記録層１２Ｂ、記録層１２Ａ、キャップ層１４が順に積層された積層構造を有する。なお、この積層構造は、積層順序が逆転していても構わない。そして、結晶配向用下地層１５の底面に下部電極１６が設けられ、キャップ層１４の上面に上部電極１７が設けられている。
本実施形態の記録層１２は、界面記録層１２Ｂと記録層１２Ａとが積層されて構成されている。図５に示した記録層１２Ａには、上記第１の実施形態で示した記録層１２と同じ磁性材料が用いられる。
界面記録層１２Ｂとしては、分極率の大きい強磁性体が用いられ、具体的には、（１００）面が配向したｆｃｃ−Ｃｏ、或いは（１００）面が配向したｂｃｃ−Ｆｅなどを主成分とする磁性材料が用いられる。界面記録層１２Ｂ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。
記録層１２は、以下のように形成される。トンネルバリア層１３上に、膜厚０．４〜３ｎｍ程度の上記材料からなる界面記録層１２Ｂを成膜する。その後、界面記録層１２Ｂ上に、３００℃の加熱成膜によって規則化したＦｅＰｔ（００１）を膜厚１〜１０ｎｍ程度成膜する。そして、記録層１２上に、ＭｇＯからなるキャップ層１４を成膜する。
このように構成されたＭＴＪ素子１０では、記録層１２Ａによって高い熱擾乱耐性を得ることができる。また、界面記録層１２Ｂによって、分極率の向上、および減衰定数の低減効果を得ることができる。この結果、ＭＴＪ素子１０は、低電流での磁化反転を実現することができる。
なお、本実施形態に上記第２の実施形態を適用することも可能である。すなわち、記録層１２が記録層１２Ａと界面記録層１２Ｂとから構成され、固定層１１が固定層１１Ａと界面固定層１１Ｂとから構成される。このようにしてＭＴＪ素子１０を構成することで、記録層１２の結晶性が向上し、かつ低電流での磁化反転が可能となる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、規則化を促進する非磁性材料からなる中間層を記録層１２内に挿入することで、この記録層１２の規則化を促進するようにしている。さらに、ＭＴＪ素子１０の磁気特性を向上させるようにしている。
図６は、本発明の第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。図中の矢印は、磁化の方向を示している。本実施形態では、シングルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０について説明する。
記録層１２は、トンネルバリア層１３側から順に、第１の磁性層１２−１、中間層１２−３、第２の磁性層１２−２が順に積層されて構成されている。その他の構成は、第１の実施形態で示したＭＴＪ素子１０（図１）と同じである。
中間層１２−３としては、記録層１２の主成分となる合金の規則化を促進する非磁性材料が用いられる。例えば、第１の磁性層１２−１としてＦｅ、第２の磁性層１２−２としてＰｔを用いた場合、中間層１２−３にはＭｇなどが用いられる。記録層１２をこのように構成することで、高い磁気特性を得ることが可能となる。
このように構成されたＭＴＪ素子１０の製造方法の一例について説明する。トンネルバリア層１３を形成するまでの工程は、上記第１の実施形態と同じである。
図７に示すように、トンネルバリア層１３としてのＭｇＯ上に、第１の磁性層１２−１としてのＦｅを膜厚１ｎｍ程度成膜する。次に、第１の磁性層１２−１上に、中間層１２−３としてのＭｇを膜厚１〜２ｎｍ程度成膜する。次に、中間層１２−３上に、第２の磁性層１２−２としてのＰｔを膜厚１ｎｍ程度成膜する。なお、第２の磁性層１２−２としては、ＦｅＰｔ合金であっても良い。
次に、第２の磁性層１２−２上に、キャップ層１４としてのＭｇＯを膜厚１ｎｍ程度で成膜する。或いは、記録層１２の酸化を抑制するために、キャップ層１４は、膜厚０．５ｎｍ程度のＭｇ、膜厚０．５ｎｍ程度のＭｇＯを順に成膜して形成しても良い。その後、５００℃の熱処理を施す。
この熱処理後のＭＴＪ素子１０の磁気特性を図８に示す。なお、図８には、中間層１２−３の膜厚を０〜２ｎｍで変化させた場合のＭＴＪ素子１０の磁気特性について示している。また、図８には、熱処理の条件として、５００℃を２時間（Ｈ）、および４００℃を２時間（Ｈ）の場合のＭＴＪ素子１０の磁気特性についても示している。
垂直磁化の反転磁場Ｈｃの値は、ＦｅとＰｔとの間に挿入されたＭｇの膜厚と共に増加する。これは、Ｍｇの挿入によってＦｅＰｔの相互拡散が促進されたためで、Ｍｇの挿入によってＦｅＰｔの規則化が促進され、磁気特性が向上している。
Ｍｇの挿入によってＦｅＰｔの相互拡散が促進されたのは以下の効果によるものと考えられる。ＭｇはＦｅに対して非固溶、Ｐｔに対しては固溶な材料である。Ｆｅ、Ｍｇ、Ｐｔの積層膜に熱を加えると、ＰｔがＭｇと混ざりながら拡散する。Ｍｇ中に拡散したＰｔがＦｅとＭｇの界面に到達すると、次はＭｇとＦｅが置き変わりながら拡散が進行しＦｅＰｔが形成される。このとき、Ｍｇの移動が空格子を形成し、ＦｅＰｔを形成するための拡散エネルギーを低減している。
次に、基板を室温付近まで冷却した後、キャップ層１４上に、上部電極１７として膜厚１００ｎｍ程度のＴａを成膜する。このとき、Ｔａは、薄いＭｇＯキャップ層１４を通して記録層１２中に拡散してしまう。このため、キャップ層１４と上部電極１７との間に、拡散防止層としてＲｕ（ルテニウム）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）などの層を挿入すると良い。
このように、規則化を促進する非磁性材料をＦｅとＰｔとの間に挿入して熱処理を施すことにより、同じ熱量でも高い磁気特性を得ることが可能となる。この記録層１２の構造は、上記第１および第２および第３の実施形態に適用することも可能である。
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、記録層１２に対して格子整合する材料をキャップ層１４として用いることで、記録層１２の磁気特性を向上させるようにしている。
図９は、本発明の第５の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。本実施形態では、シングルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０について説明する。
ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地層１５、固定層１１、トンネルバリア層１３、記録層１２、キャップ層１４が順に積層された積層構造を有する。なお、この積層構造は、積層順序が逆転していても構わない。そして、結晶配向用下地層１５の底面に下部電極１６が設けられ、キャップ層１４の上面に上部電極１７が設けられている。
キャップ層１４としては、Ｒｕ（ルテニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）のうち１つ以上の元素を含む金属を用いることができる。このような材料をキャップ層１４に用いることで、熱処理により記録層１２が分断されるのを防ぐことができる。その他の構成は、上記第１の実施形態と同じである。
このように構成されたＭＴＪ素子１０の製造方法の一例について説明する。トンネルバリア層１３を形成するまでの工程は、上記第１の実施形態と同じである。
図１０に示すように、トンネルバリア層１３上に、第１の磁性層１２−１としてＦｅ、第２の磁性層１２−２としてＰｔを順に成膜する。その後、この積層膜を４００℃程度の温度で加熱する。これにより、記録層１２としてのＦｅＰｔ合金を規則化させることができる。或いは、トンネルバリア層１３上に、ＦｅＰｔ合金を３００℃程度で過熱成膜する。このようにしても、記録層１２としてのＦｅＰｔ合金を規則化させることができる。
次に、図９に示すように、基板を室温付近まで冷却した後に、記録層１２上に、キャップ層１４として膜厚５ｎｍ程度のＡｕを成膜する。次に、キャップ層１４上に、上部電極１７として膜厚１００ｎｍ程度のＴａを成膜する。
このように構成されたＭＴＪ素子１０では、記録層１２に対して格子整合する金属をキャップ層１４に用いているため、記録層１２の規則化を促進することができる。これにより、記録層１２の磁気特性を向上させることができる。その他の効果は、上記第１の実施形態と同じである。なお、本実施形態は、上記第２乃至第４の実施形態に適用することも可能である。
（第６の実施形態）
第６の実施形態は、デュアルピン層構造（すなわち、記録層の両側にそれぞれ非磁性層を介して２つの固定層が配置される構造）を有するＭＴＪ素子１０についての本発明の適用例である。図１１は、本発明の第６の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。
デュアルピン層構造では、膜面垂直方向のある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、磁化反転電流を低減することが可能となる。また、デュアルピン層構造の特徴は、記録層の両端に配置された２つの固定層の磁化の向きが逆であるため、記録層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。このため書き込み回路が複雑にならずに済む。
ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地層１５、第１の固定層１１、第１のトンネルバリア層１３、記録層１２、第２のトンネルバリア層２２、第２の固定層２１、キャップ層１４が順に積層された積層構造を有する。なお、この積層構造は、積層順序が逆転していても構わない。そして、結晶配向用下地層１５の底面に下部電極１６が設けられ、キャップ層１４の上面に上部電極１７が設けられている。
第１の固定層１１および第２の固定層２１は、磁化（或いはスピン）の方向が固着されている。記録層１２は、磁化の方向が変化（反転）する。また、第１の固定層１１、第２の固定層２１、および記録層１２の容易磁化方向は膜面（或いは積層面）に対して垂直である。すなわち、図１１に示したＭＴＪ素子１０は、第１の固定層１１、第２の固定層２１、および記録層１２の磁化の方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型ＭＴＪ素子である。
垂直磁化を実現する第１の固定層１１、第２の固定層２１および記録層１２としては、（００１）面が配向したｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を基本構造とするＬ１０型構造、或いはＬ１２型構造を有する磁性材料が用いられる。なお、第１の固定層１１および記録層１２の材料は、上記第１の実施形態と同様である。
第２の固定層２１を構成する磁性材料の具体例としては、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）のうち１つ以上の元素と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）、Ｈｇ（水銀）、Ａｌ（アルミニウム）のうち１つ以上の元素とを含む合金からなり、かつ結晶構造がＬ１０型或いはＬ１２型の規則合金があげられる。
第１の固定層１１および第２の固定層２１として反転電流の大きな磁性層を用い、記録層１２として第１の固定層１１（或いは、第２の固定層２１）よりも反転電流の小さい磁性層を用いることによって、高性能なＭＴＪ素子１０を実現することができる。スピン偏極した電子により磁化反転を起こす場合、その反転電流は飽和磁化、異方性磁界、体積に比例するため、これらを適切に調整して、記録層１２と第１の固定層１１（或いは、第２の固定層２１）との反転電流に差をつけることができる。
第１のトンネルバリア層１３および第２のトンネルバリア層２２としては、正方晶型、或いは正方晶型の結晶構造を有する非磁性材料が用いられる。トンネルバリア層１３およびトンネルバリア層２２としては、Ｌｉ（リチウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂａ（バリウム）のうち１つ以上の元素を含む酸化物、或いはＴｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）のうち１つ以上の元素を含む窒化物が用いられる。
キャップ層１４としては、磁気抵抗効果を劣化させないために、金属を用いることが望ましい。キャップ層１４として、例えばＲｕ（ルテニウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）などが用いられる。
なお、第１のトンネルバリア層１３の抵抗Ｒ１と、第２のトンネルバリア層２２の抵抗Ｒ２とは、Ｒ１＞Ｒ２若しくはＲ２＞Ｒ１の関係を満足するように設計する。第１のトンネルバリア層１３と第２のトンネルバリア層２２とに同じ非磁性材料を用いる場合は、第１のトンネルバリア層１３の膜厚と第２のトンネルバリア層２２の膜厚とが異なるようにする。或いは、第２のトンネルバリア層２２と記録層１２との間に、記録層１２に対して格子整合しかつＭＲ比が劣化しない材料からなる金属スペース層を挿入して、抵抗Ｒ１、Ｒ２、およびＭＲを調整しても良い。この金属スペース層としては、Ａｕ、Ｃｕなどがあげられる。
また、第２のトンネルバリア層２２と第２の固定層２１との間に、ＭＲ比が劣化しない材料からなる金属スペース層を挿入して、抵抗Ｒ１、Ｒ２、およびＭＲを調整しても良い。この金属スペース層としては、Ａｕ、Ｃｕなどがあげられる。
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。
固定層１１側から電子（すなわち、固定層１１から記録層１２へ向かう電子）を供給した場合、固定層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、固定層２１により反射されることで固定層２１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記録層１２に注入される。この場合、記録層１２の磁化の方向は、固定層１１の容易磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層１１と記録層１２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、固定層２１側から電子（すなわち、固定層２１から記録層１２へ向かう電子）を供給した場合、固定層２１の容易磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層１１により反射されることで固定層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記録層１２に注入される。この場合、記録層１２の磁化の方向は、固定層１１の容易磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、固定層１１と記録層１２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。
このように構成されたＭＴＪ素子１０の製造方法の一例について説明する。先ず、図１２に示すように、基板（図示せず）上に、下部電極１６（例えば、膜厚１００ｎｍ程度のＴａ）、下地層１５を順に成膜する。次に、この下地層１５上に、第１の固定層１１として例えばＦｅＰｔを膜厚１０〜２０ｎｍ程度成膜し、第１の固定層１１を（００１）面に配向させる。なお、第１の固定層１１は、ＦｅＰｔ合金を加熱成膜することにより、規則化させることができる。或いは、ＦｅとＰｔとを順に成膜した後、この積層膜を加熱することにより、第１の固定層１１を規則化させることもできる。
次に、図１３に示すように、基板を室温付近まで冷却した後に、第１のトンネルバリア層１３としてのＭｇＯを膜厚０．４〜１．０ｎｍ程度で成膜する。或いは、固定層１１の酸化を抑制するために、第１のトンネルバリア層１３は、膜厚０．４ｎｍ程度のＭｇ、膜厚０．６ｎｍ程度のＭｇＯを順に成膜して形成しても良い。これにより、ＭｇＯは（１００）面に配向する。なお、ＭｇＯを成膜した後、このＭｇＯの結晶性を向上させるために３００℃程度で加熱しても良い。また、第１の固定層１１と第１のトンネルバリア層１３との間には、スピン分極率を上げる目的でＦｅ、或いはＣｏを主成分とする界面層を膜厚０．４〜３ｎｍの範囲で挿入しても良い。
次に、第１のトンネルバリア層１３上に、第１の磁性層１２−１として、（１００）面が配向したｂｃｃ（body-centered cubic）構造を有するＦｅを膜厚１〜３ｎｍ程度で成膜する。次に、第１の磁性層１２−１上に、第２の磁性層１２−２として、（１００）面が配向したｆｃｃ（face-centered cubic）構造を有するＰｔを膜厚１〜３ｎｍ程度で成膜する。なお、第２の磁性層１２−２としては、ＦｅＰｔ合金を用いても良い。
次に、第２の磁性層１２−２上に、第２のトンネルバリア層２２としてのＭｇＯを膜厚０．４〜１．０ｎｍ程度で成膜する。或いは、記録層１２の酸化を抑制するために、第２のトンネルバリア層２２は、膜厚０．４ｎｍ程度のＭｇ、膜厚０．５ｎｍ程度のＭｇＯを順に成膜して形成しても良い。その後、この積層膜に４００℃以上の熱を付加すると、記録層１２としてのＦｅＰｔ合金は、Ｌ１０型の規則合金に規則化する。これにより、記録層１２は、高い垂直磁化異方性を得ることができる。なお、４００℃程度の熱処理の前に、第２のトンネルバリア層２２としてのＭｇＯの結晶性を向上させるために４００℃以下の温度、例えば３００℃程度の温度で積層膜を加熱することもＦｅＰｔの規則化には効果的である。
次に、図１４に示すように、第２のトンネルバリア層２２上に、第２の固定層２１として例えばＦｅＰｔを膜厚１０ｎｍ程度成膜し、第２の固定層２１を（００１）面に配向させる。この第２の固定層２１は、例えば３００℃程度の温度で加熱成膜される。次に、図１１に示すように、基板を室温付近まで冷却した後、膜厚５ｎｍ程度のキャップ層１４と、膜厚１００ｎｍ程度の上部電極１７（例えば、Ｔａ）とを順に成膜する。
以上詳述したように、本発明をデュアルピン層構造に適用した場合でも、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、本実施形態に上記第２および第４の実施形態を適用しても良い。
さらに、本実施形態に上記第２、３の実施形態を適用しても良い。すなわち、記録層１２と第１のトンネルバリア層１３との間、および記録層１２と第２のトンネルバリア層２２との間、および固定層１１と第２のトンネルバリア層１３との間、および固定層２１と第２のトンネルバリア層２２との間にそれぞれ、界面記録層を挿入してもよい。この界面記録層としては、分極率の大きい強磁性体が用いられる。これにより、ＭＴＪ素子１０は、低電流での磁化反転を実現することができる。
（第７の実施形態）
第７の実施形態は、記録層１２と第２の固定層２１との間の非磁性層として金属を用いることで、ＭＴＪ素子１０のＭＲを向上させるようにしている。さらに、この非磁性層として、記録層１２に対して格子整合する非磁性材料を用いることで、記録層１２の磁気特性を向上させるようにしている。
図１５は、本発明の第７の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。本実施形態では、デュアルピン層構造を有するＭＴＪ素子１０について説明する。
ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地層１５、第１の固定層１１、トンネルバリア層１３、記録層１２、非磁性金属層２３、第２の固定層２１、キャップ層１４が順に積層された積層構造を有する。なお、この積層構造は、積層順序が逆転していても構わない。そして、結晶配向用下地層１５の底面に下部電極１６が設けられ、キャップ層１４の上面に上部電極１７が設けられている。
非磁性金属層２３としては、記録層１２に対して格子整合する非磁性材料が用いられる。具体的には、非磁性金属層２３としては、下記（１）〜（６）の非磁性材料をあげることができる。
（１）Ｌｉ（リチウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂａ（バリウム）のうち１つ以上の元素を含む酸化物
（２）Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）のうち１つ以上の元素を含む窒化物
（３）Ｖ（バナジウム）を含む炭化物
（４）Ｌｉ（リチウム）、Ｐｄ（パラジウム）のうち１つ以上の元素を含む水素化物
（５）Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｏ（ホルミウム）のうち１つ以上の元素を含むセレン化合物
（６）Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）のうち１つ以上の元素を含む金属
非磁性金属層２３として金属を用いた場合、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）効果を利用することが可能となる。また、トンネルバリア層１３の抵抗Ｒ１と、非磁性金属層２３の抵抗Ｒ２とは、Ｒ１＞Ｒ２若しくはＲ２＞Ｒ１の関係を満足するように設計する。
第１の固定層１１、トンネルバリア層１３、および記録層１２の構成については、上記第６の実施形態と同じである。第１の固定層１１および第２の固定層２１としては、上記第６の実施形態で示した磁性材料の他に、下記（１）〜（３）の材料を用いても良い。
（１）不規則合金
Ｃｏ（コバルト）を主成分とし、Ｃｒ（クロム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）のうち１つ以上の元素を含む合金。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等があげられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
（２）人工格子
Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）のうちいずれか１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金と、Ｃｒ（クロム）、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）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）のうちいずれか１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金とが交互に積層された積層膜。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ人工格子、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等があげられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
（３）フェリ磁性体
希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体。例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうち１つ以上の元素とからなるアモルファス合金。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等があげられる。これらの合金は、組成比を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
このように構成されたＭＴＪ素子１０の製造方法の一例について説明する。トンネルバリア層１３を形成するまでの工程は、上記第６の実施形態と同じである。
図１６に示すように、トンネルバリア層１３上に、第１の磁性層１２−１としてＦｅ、第２の磁性層１２−２としてＰｔを順に成膜する。その後、この積層膜を４００℃程度の温度で加熱する。これにより、記録層１２としてのＦｅＰｔ合金を規則化させることができる。或いは、トンネルバリア層１３上に、ＦｅＰｔ合金を３００℃程度で過熱成膜する。このようにしても、記録層１２としてのＦｅＰｔ合金を規則化させることができる。
次に、図１５に示すように、基板を室温付近まで冷却した後に、記録層１２上に、非磁性金属層２３として膜厚３ｎｍ程度のＡｕを成膜する。次に、非磁性金属層２３上に、第２の固定層２１として例えばＦｅＰｔを膜厚１０ｎｍ程度成膜し、第２の固定層２１を（００１）面に配向させる。この第２の固定層２１は、例えば３００℃程度の温度で加熱成膜される。次に、基板を室温付近まで冷却した後、膜厚５ｎｍ程度のキャップ層１４（例えば、Ａｕ）と、膜厚１００ｎｍ程度の上部電極１７（例えば、Ｔａ）とを順に成膜する。
このように構成されたＭＴＪ素子１０では、記録層１２に対して格子整合する非磁性材料を非磁性金属層２３に用いているため、記録層１２の規則化を促進することができる。これにより、記録層１２の磁気特性を向上させることができる。また、第２のトンネルバリア層として金属を用いることで、ＭＴＪ素子１０のＭＲを向上させることができる。なお、本実施形態に上記第２乃至第４の実施形態を適用しても良い。
（第８の実施形態）
第８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１７は、本発明の第８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、複数のビット線対ＢＬ，／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のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ３１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ３１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路３４および読み出し回路３５が接続されている。書き込み回路３４および読み出し回路３５には、カラムデコーダ３３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３２およびカラムデコーダ３３により選択される。
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なうメモリセル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に左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線ＢＬに正の電位を印加し、ビット線／ＢＬに接地電位を印加する。また、ＭＴＪ素子１０に右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路３４は、ビット線／ＢＬに正の電位を印加し、ビット線ＢＬに接地電位を印加する。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。読み出し回路３５は、ＭＴＪ素子１０に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路３５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。
以上詳述したように本実施形態によれば、上記第１乃至第７の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成することができる。また、上記第１乃至第７の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いることで、微細化が可能で、かつ反転電流密度を低減することが可能なＭＲＡＭを構成することができる。
なお、本発明の第１乃至第８の実施形態に係るＭＴＪ素子１０或いはＭＲＡＭは、様々な装置に適用することが可能である。これらのいくつかの適用例を図１８乃至図２４に示す。
（適用例１）
図１８は、デジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）１００、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１０、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１２０、送信ドライバ１３０、および受信機増幅器１４０などを含んでいる。
図１８では、バンドパスフィルタを省略しており、その代わりに回線コードプログラム（ＤＳＰで実行される、コード化された加入者回線情報、伝送条件等（回線コード；ＱＡＭ、ＣＡＰ、ＲＳＫ、ＦＭ、ＡＭ、ＰＡＭ、ＤＷＭＴ等）に応じてモデムを選択、動作させるためのプログラム）を保持するための種々のタイプのオプションのメモリとして、本実施形態のＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０とを示している。
なお、本適用例では、回線コードプログラムを保持するためのメモリとしてＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０との２種類のメモリを用いているが、ＥＥＰＲＯＭ１８０をＭＲＡＭに置き換えてもよい。すなわち、２種類のメモリを用いず、ＭＲＡＭのみを用いるように構成してもよい。
（適用例２）
図１９は、別の適用例として、携帯電話端末３００を示している。通信機能を実現する通信部２００は、送受信アンテナ２０１、アンテナ共用器２０２、受信部２０３、ベースバンド処理部２０４、音声コーデックとし用いられるＤＳＰ２０５、スピーカ（受話器）２０６、マイクロホン（送話器）２０７、送信部２０８、および周波数シンセサイザ２０９等を備えている。
また、この携帯電話端末３００には、当該携帯電話端末の各部を制御する制御部２２０が設けられている。制御部２２０は、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、本実施形態のＭＲＡＭ２２３、およびフラッシュメモリ２２４がＣＰＵバス２２５を介して接続されて形成されたマイクロコンピュータである。上記ＲＯＭ２２２には、ＣＰＵ２２１において実行されるプログラムや表示用のフォント等の必要となるデータが予め記憶されている。ＭＲＡＭ２２３は、主に作業領域として用いられるものであり、ＣＰＵ２２１がプログラムの実行中において計算途中のデータなどを必要に応じて記憶したり、制御部２２０と各部との間でやり取りするデータを一時記憶したりする場合などに用いられる。また、フラッシュメモリ２２４は、携帯電話端末３００の電源がオフされても、例えば直前の設定条件などを記憶しておき、次の電源オン時に同じ設定にするような使用方法をする場合に、それらの設定パラメータを記憶しておくものである。これによって、携帯電話端末の電源がオフにされても、記憶されている設定パラメータを消失してしまうことがない。
さらに、この携帯電話端末３００には、オーディオ再生処理部２１１、外部出力端子２１２、ＬＣＤコントローラ２１３、表示用のＬＣＤ（液晶ディスプレイ）２１４、および呼び出し音を発生するリンガ２１５等が設けられている。上記オーディオ再生処理部２１１は、携帯電話端末３００に入力されたオーディオ情報（あるいは後述する外部メモリ２４０に記憶されたオーディオ情報）を再生する。再生されたオーディオ情報は、外部出力端子２１２を介してヘッドフォンや携帯型スピーカ等に伝えることにより、外部に取り出すことが可能である。このように、オーディオ再生処理部２１１を設けることにより、オーディオ情報の再生が可能となる。上記ＬＣＤコントローラ２１３は、例えば上記ＣＰＵ２２１からの表示情報をＣＰＵバス２２５を介して受け取り、ＬＣＤ２１４を制御するためのＬＣＤ制御情報に変換し、ＬＣＤ２１４を駆動して表示を行わせる。
上記携帯電話端末３００には、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１，２３３，２３５、外部メモリ２４０、外部メモリスロット２３２、キー操作部２３４、および外部入出力端子２３６等が設けられている。上記外部メモリスロット２３２にはメモリカード等の外部メモリ２４０が挿入される。この外部メモリスロット２３２は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１を介してＣＰＵバス２２５に接続される。このように、携帯電話端末３００にスロット２３２を設けることにより、帯電話端末３００の内部の情報を外部メモリ２４０に書き込んだり、あるいは外部メモリ２４０に記憶された情報（例えばオーディオ情報）を携帯電話端末３００に入力したりすることが可能となる。上記キー操作部２３４は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してＣＰＵバス２２５に接続される。キー操作部２３４から入力されたキー入力情報は、例えばＣＰＵ２２１に伝えられる。上記外部入出力端子２３６は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してＣＰＵバス２２５に接続され、携帯電話端末３００に外部から種々の情報を入力したり、あるいは携帯電話端末３００から外部へ情報を出力したりする際の端子として機能する。
なお、本適用例では、ＲＯＭ２２２、ＭＲＡＭ２２３およびフラッシュメモリ２２４を用いているが、フラッシュメモリ２２４をＭＲＡＭに置き換えてもよいし、さらにＲＯＭ２２２もＭＲＡＭに置き換えることも可能である。
（適用例３）
図２０乃至図２４は、ＭＲＡＭをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード（ＭＲＡＭカード）に適用した例をそれぞれ示す。
図２０に示すように、ＭＲＡＭカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１が内蔵されている。このカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１に対応する位置に開口部４０２が形成され、ＭＲＡＭチップ４０１が露出されている。この開口部４０２にはシャッター４０３が設けられており、当該ＭＲＡＭカードの携帯時にＭＲＡＭチップ４０１がシャッター４０３で保護されるようになっている。このシャッター４０３は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えばセラミックからなっている。データを転写する場合には、シャッター４０３を開放してＭＲＡＭチップ４０１を露出させて行なう。外部端子４０４はＭＲＡＭカードに記憶されたコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。
図２１および図２２は、上記ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、カード挿入型の転写装置の上面図および断面図を示している。エンドユーザの使用する第２ＭＲＡＭカード４５０を、矢印で示すように転写装置５００の挿入部５１０より挿入し、ストッパ５２０で止まるまで押し込む。このストッパ５２０は第１ＭＲＡＭ５５０と第２ＭＲＡＭカード４５０を位置合わせするための部材としても働く。第２ＭＲＡＭカード４５０が所定位置に配置されると、第１ＭＲＡＭデータ書き換え制御部から外部端子５３０に制御信号が供給され、第１ＭＲＡＭ５５０に記憶されたデータが第２ＭＲＡＭカード４５０に転写される。
図２３には、はめ込み型の転写装置を示す。この転写装置は、矢印で示すように、ストッパ５２０を目標に、第１ＭＲＡＭ５５０上に第２ＭＲＡＭカード４５０をはめ込むように載置するタイプである。転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
図２４には、スライド型の転写装置を示す。この転写装置は、ＣＤ−ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブと同様に、転写装置５００に受け皿スライド５６０が設けられており、この受け皿スライド５６０が矢印で示すように移動する。受け皿スライド５６０が破線の位置に移動したときに第２ＭＲＡＭカード４５０を受け皿スライド５６０に載置し、第２ＭＲＡＭカード４５０を転写装置５００の内部へ搬送する。ストッパ５２０に第２ＭＲＡＭカード４５０の先端部が当接するように搬送される点、および転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
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。 本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。 図２に続くＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。 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。 本発明の第３の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 本発明の第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 本発明の第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。 ＭＴＪ素子１０の磁気特性を示す図。 本発明の第５の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 本発明の第５の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。 本発明の第６の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 本発明の第６の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。 図１２に続くＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。 図１３に続くＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。 本発明の第７の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 本発明の第７の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造工程を示す断面図。 本発明の第８の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。 ＭＲＡＭの適用例１について説明するためのもので、デジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を示すブロック図。 ＭＲＡＭの適用例２について説明するためのもので、携帯電話端末を示すブロック図。 ＭＲＡＭの適用例３について説明するためのもので、ＭＲＡＭカードに適用した例を示す上面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための転写装置を示す平面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための転写装置を示す断面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、はめ込み型の転写装置を示す断面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、スライド型の転写装置を示す断面図。
符号の説明
ＭＣ…メモリセル、ＢＬ，／ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、１０…ＭＴＪ素子、１１，１１Ａ，２１…固定層、１２，１２Ａ…記録層、１２Ｂ…界面記録層、１３，２２…トンネルバリア層、１４…キャップ層、１５…下地層、１６…下部電極、１７…上部電極、２３…非磁性金属層、３０…メモリセルアレイ、３１…選択トランジスタ、３２…ロウデコーダ、３３…カラムデコーダ、３４…書き込み回路、３５…読み出し回路、１００…ＤＳＰ、１１０…Ａ／Ｄコンバータ、１２０…Ｄ／Ａコンバータ、１３０…送信ドライバ、１４０…受信機増幅器、１７０…ＭＲＡＭ、１８０…ＥＥＰＲＯＭ、２００…通信部、２０１…送受信アンテナ、２０２…アンテナ共用器、２０３…受信部、２０４…ベースバンド処理部、２０５…ＤＳＰ、２０６…スピーカ、２０７…マイクロホン、２０８…送信部、２０９…周波数シンセサイザ、２１１…オーディオ再生処理部、２１２…外部出力端子、２１３…ＬＣＤコントローラ、２１４…ＬＣＤ、２１５…リンガ、２２０…制御部、２２１…ＣＰＵ、２２２…ＲＯＭ、２２３…ＭＲＡＭ、２２４…フラッシュメモリ、２２５…ＣＰＵバス、２３１，２３３，２３５…インターフェース回路、２３２…外部メモリスロット、２３２…スロット、２３４…キー操作部、２３６…外部入出力端子、２４０…外部メモリ、３００…携帯電話端末、４００…ＭＲＡＭカード本体、４０１…ＭＲＡＭチップ、４０２…開口部、４０３…シャッター、４０４…外部端子、４５０…ＭＲＡＭカード、５００…転写装置、５１０…挿入部、５２０…ストッパ、５３０…外部端子、５５０…ＭＲＡＭ、５６０…受け皿スライド。

Claims (18)

  1. 磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化し、かつ（００１）面が配向したｆｃｔ型の結晶構造を有する磁化自由層と、
    前記磁化自由層を挟むように設けられ、かつ正方晶型或いは立方晶型の結晶構造を有する第１および第２の非磁性層と、
    前記磁化自由層の一方の側のみに設けられ、かつ前記第１の非磁性層の前記磁化自由層が設けられた面と反対面に設けられ、かつ磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつ磁化の方向が固着された磁化固着層と
    を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつスピン偏極した電子の作用により磁化の方向が変化し、かつ（００１）面が配向したｆｃｔ型の結晶構造を有する磁化自由層と、
    前記磁化自由層を挟むように設けられ、かつ正方晶型或いは立方晶型の結晶構造を有する第１および第２の非磁性層と、
    前記第１の非磁性層の前記磁化自由層が設けられた面と反対面に設けられ、かつ磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつ磁化の方向が固着された第１の磁化固着層と、
    前記第２の非磁性層の前記磁化自由層が設けられた面と反対面に設けられ、かつ磁性材料を含み、かつ膜面に対して垂直方向の磁化を有し、かつ磁化の方向が固着された第２の磁化固着層と
    を具備し、
    前記第１の非磁性層の抵抗値は、前記第２の非磁性層の抵抗値と異なることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  3. 前記第１の非磁性層は、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｂａのうち１つ以上の元素を含む酸化物、或いはＴｉ、Ｖのうち１つ以上の元素を含む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。
  4. 前記第２の非磁性層は、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｂａのうち１つ以上の元素を含む酸化物、或いはＴｉ、Ｖのうち１つ以上の元素を含む窒化物、或いはＶを含む炭化物、或いはＬｉ、Ｐｄのうち１つ以上の元素を含む水素化物、或いはＺｒ、Ｈｏのうち１つ以上の元素を含むセレン化合物、或いはＡｌ、Ａｕ、Ａｓ、Ａｇ、Ｂｅ、Ｇａ、Ｐ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗのうち１つ以上の元素を含む金属若しくは金属間化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記第２の非磁性層は、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｔａ、Ｂａのうち１つ以上の元素を含む酸化物、或いはＴｉ、Ｖのうち１つ以上の元素を含む窒化物、或いはＶを含む炭化物、Ｌｉ、Ｐｄのうち１つ以上の元素を含む水素化物、或いはＺｒ、Ｈｏのうち１つ以上の元素を含むセレン化合物、或いはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕのうち１つ以上の元素を含む金属からな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。
  6. 前記磁化自由層の膜厚は、１０ｎｍ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. 前記磁化自由層は、Ｌ１０型、或いはＬ１２型の結晶構造を有す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. 前記磁化自由層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｈｇ、Ａｌのうち１つ以上の元素とからなる合金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効果素子。
  9. 前記磁化自由層は、その中間部分に挿入され、かつ非磁性材料からなる中間層を含み、
    前記磁化自由層の磁性材料は、（００１）面が配向したｆｃｔ型の結晶構造を有することを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 前記磁化自由層は、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｓｍ、Ａｕ、Ｎｄ、Ａｇ、Ｐｒ、Ｌａ、Ｃａ、Ｙｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｉｎのうち１つ以上の元素を含むことを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 前記磁化自由層は、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂｉのうち１つ以上の元素を含むことを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 前記磁化自由層は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｃのうち１つ以上の元素を含むことを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
  13. 前記磁化自由層は、Ｂ、Ｃのうち１つ以上の元素を含むことを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
  14. 前記磁化自由層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｈｇ、Ａｌのうち１つ以上の第２の元素とからなる合金を主成分とし、
    前記第１の元素と前記第２の元素との組成比はそれぞれ、４０乃至６０原子％の間に設定され、
    前記合金の酸素の含有量は、１％以下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。
  15. 前記磁化自由層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｈｇ、Ａｌのうち１つ以上の第２の元素とからなる合金を主成分とし、
    前記第１の元素の含有量は、前記第２の元素の含有量より少なく、
    前記合金の酸素の含有量は、１０％以上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。
  16. 請求項１乃至１５のいずれかに記載の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なう第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メモリ。
  17. 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電流を供給する書き込み回路とをさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載の磁気メモリ。
  18. 前記磁気抵抗効果素子の前記第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１７に記載の磁気メモリ。
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