JP2008109118A - 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】低電流での磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果素子を提供する。
【解決手段】磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固定された磁化固定層３を含む。磁化可変層２は、磁化の方向が可変で、ＢＣＣ構造を有するＦｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎのうちの１つ以上である添加元素を０＜ａ≦２０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有する。中間層４は、磁化固定層と磁化可変層との間に設けられ、非磁性材料からなる。磁化可変層の磁化の方向は、磁化固定層と中間層と磁化可変層とを貫く双方向電流によって可変とされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリに関し、例えば、スピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果素子に関する。

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。中でも、固体磁気メモリとして、トンネル磁気抵抗効果(TMR: tunneling magnetoresistance)を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM：magnetoresistive random access memory）が知られている。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果を発現するＭＲ素子をメモリセルとして用いて、ＭＲ素子の磁化の状態によってメモリセルが情報を記憶する。

ＭＲ素子は磁化が可変の層と磁化が固定された層とを含んでいる。磁化が可変の層の磁化の向きが、磁化が固定された層の磁化の向きと平行なときに低抵抗状態となり、反平行のときに高抵抗状態となる。この抵抗状態の違いが情報の記憶に用いられる。

ＭＲ素子に情報を書き込む方法として、いわゆる電流磁場書き込み方式が知られている。この方式では、ＭＲ素子の近傍に配線が配置され、この配線を流れる電流によって生じる磁場によって、ＭＲ素子の磁化の状態を変化させる。ＭＲＡＭの微細化を行うためにＭＲ素子のサイズを小さくすると、ＭＲ素子の保持力Ｈｃが大きくなる。このため、磁場書き込み方式のＭＲＡＭでは、微細化の進展に伴い、書き込みに必要な電流が大きくなる傾向がある。この結果、２５６Ｍｂｉｔ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）を用いた書き込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている（特許文献１）。スピン注入書き込み方式では、トンネル磁気抵抗効果を奏する素子（ＭＲ素子）の、各膜が相対する方向に垂直に電流を流すことにより、ＭＲ素子の磁化の状態を変化（反転）させる。

スピン注入による磁化反転では、磁化反転に必要な電流Ｉｃは、電流密度Ｊｃでよく規定される。従って、ＭＲ素子の電流が通過する面の面積が小さくなれば、磁化を反転させるための注入電流Ｉｃも小さくなる。電流密度一定で書き込む場合、ＭＲ素子サイズが小さくなれば、電流Ｉｃも小さくなるために、スピン注入書き込み方式は、原理的には、磁場書き込み方式に比べてスケーラビリティ性に優れる。

しかしながら、スピン注入書き込み方式を利用してＭＲＡＭを実現する場合において、磁化反転に必要な電流は、現状、ＭＲＡＭ実現の際に多く利用されている選択トランジスタで発生可能な電流値よりも大きく、実質的にメモリとして動作させることができない。
米国特許第6,256,223号明細書

本発明は、低電流での磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供しようとするものである。

本発明の１つの視点による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固定された磁化固定層と、磁化の方向が可変で、ＢＣＣ構造を有するＦｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎのうちの１つ以上である添加元素を０＜ａ≦２０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有する磁化可変層と、前記磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられた、非磁性材料からなる中間層と、を具備し、前記磁化固定層と前記中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が反転されることを特徴とする。

本発明の１つの視点による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固定された磁化固定層と、磁化の方向が可変で、ＢＣＣ構造を有するＦｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａのうちの１つ以上である添加元素を０＜ａ≦５ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有する磁化可変層と、前記磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられた、非磁性材料からなる中間層と、を具備し、前記磁化固定層と前記中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が反転されることを特徴とする。

本発明の１つの視点による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固定された磁化固定層と、磁化の方向が可変で、ＢＣＣ構造を有するＦｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅのうちの１つ以上である添加元素を０＜ａ≦１０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有する磁化可変層と、前記磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられた、非磁性材料からなる中間層と、を具備し、前記磁化固定層と前記中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が反転されることを特徴とする。

本発明の１つの視点による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固定された磁化固定層と、磁化の方向が可変で、Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇのうちの１つ以上を含有する磁化可変層と、前記磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられた、非磁性材料からなる中間層と、を具備し、前記磁化固定層と前記中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が反転されることを特徴とする。

本発明によれば、低電流での磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。

以下に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、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

（１）ＭＲ素子
（１−１）ＭＲ素子の構造
図１、図２は、本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示している。図１、図２において、矢印は磁化方向を示している。以下の図では、ＭＲ素子の主要部を示しているが、図示の構成を含んでいれば、さらなる層を含んでいても構わない。

ＭＲ素子１は、各層が相互に面する面（膜面）を貫いて流れる電流の方向に応じて、２つの定常状態の一方を取るように構成された素子である。各定常状態を、“０”データ、“１”データに対応させることによって、ＭＲ素子１は２値のデータを記憶できる。そして、ＭＲ素子１は、スピン注入書き込み方式によって、磁化の状態が変化し、この状態に応じた情報を記憶する。

図１に示すように、ＭＲ素子１は、２つの強磁性層２、３と、強磁性層２、３の間に設けられたスペーサ層（中間層）４を有する。強磁性層２は、膜面に沿った方向に磁化容易軸を有し、膜面に沿って磁化の方向が可変とされている。以下、強磁性層２をフリー層（自由層、磁化自由層、磁化可変層、記録層）と称する。フリー層２の、構成を含む詳細な特徴については、後に詳述する。以下、膜面に沿った磁化を面内磁化と称する。

強磁性層３は、その磁化方向を膜面に沿った方向に固定されている。すなわち、強磁性層３は、面内磁化膜である。または、フリー層２の保持力よりも大きい保持力を有する構成とされていてもよい。以下、強磁性層３を、ピン層（固定層、磁化固定層、参照層、磁化参照層、基準層、磁化基準層）と称する。典型例として、フリー層２の磁化容易軸の方向は、ピン層３の磁化の方向に沿っている。

ピン層３の磁化の固定は、例えば、ピン層３の、スペーサ層４と反対の面上に反強磁性層（図示せぬ）を設けることにより行うことができる。ピン層３は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはこれらを含む合金から構成することができる。

スペーサ層（中間層）４は、非磁性金属、非磁性半導体、絶縁膜等から構成される。好ましくは、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＴｉＮなどのＮａＣｌ構造を有する酸化物スペーサ層あるいは窒化物スペーサ層である。上記のＮａＣｌ構造を有するスペーサ層４は、（１００）面配向であることが好ましい。これは、後述するが、（１００）面配向を有する体心立方（BCC : body-centered cubic）構造のフリー層２、あるいは、（００１）面配向を有するＬ１₀規則構造相あるいはＬ１₂規則構造相のフリー層２との界面での格子不整合性が小さくなるからである。

書き込みの際は、ピン層３からフリー層２へ、またはフリー層２からピン層３へ、膜面を貫く（典型的には膜面に垂直な）方向に電流を流す。この結果、ピン層３からフリー層２へピン層３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２のスピンに移動されることで、フリー層２の磁化が反転する。

図２は、フリー層２、ピン層３の磁化の方向が図１と異なる例を示している。すなわち、図２に示すように、フリー層２の磁化容易軸およびピン層３の磁化は、膜面を貫く方向（典型例として膜面に垂直な方向）を向いており、フリー層２の磁化は、膜面と交わる面に沿って回転する。以下、膜面を貫く方向の磁化を垂直磁化と称する。

フリー層２の磁化容易軸を垂直磁化方向にすることで、ＭＲ素子サイズ依存性が軽減され、アスペクト比１のＭＲ素子を実現できる。これにより、アスペクト比が小さくなった分だけ、素子面積が減少し、反転電流を低減できる。

垂直磁化を有するピン層３は、フリー層２より膜厚が厚く、飽和磁化Ｍｓと膜厚の積Ｍｓ・ｔ積、あるいは、一軸磁気異方性エネルギーＫｕがフリー層２より十分（３倍以上）大きいことが好ましい。これは、ピン層３内でのスピン蓄積効果、すなわち、磁化スピンから伝導電子への角運動量の移動を効率よく行うためであり、フリー層２からのスピンの注入によりピン層３の磁化が揺らぐことを最小限に抑えるためである。

ピン層３が垂直磁化を有する場合、ピン層３からの漏洩磁場を低減することが好ましい。ピン層３の漏洩磁場は、フリー層２の磁化をピン層３に対して平行から反平行への反転を阻害する。従って、ピン層３の見かけ上の飽和磁化Ｍｓ（ｎｅｔ−Ｍｓ）は小さい方が良い。

このための１つの方法として、ピン層３をシンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ）構造とすることができる。ＳＡＦ構造は、図３に示すように、強磁性層１１、中間層１２、強磁性層１３の積層構造からなる。強磁性層１１と強磁性層１３は、反平行な磁化配列で安定となるように構成されている。中間層１２としては、例えばＲｕやＯｓなどの元素が用いられる。なお、図では、垂直磁化を有するＭＲ素子のピン層３にＳＡＦ構造を適用した例を示しているが、面内磁化（図１）の構造に適用することももちろん可能である。

また、垂直磁化を有するピン層３の漏洩磁場を減ずるため別の方法として、ピン層３をフェリ磁性材料から構成することができる。この場合、図４に示すように、ピン層３とスペーサ層４との界面に界面ピン層１４を挿入し、ＭＲ比を発現させる。フェリ磁性材料としては、ＦｅＣｏ−ＲＥ材料（ＲＥは希土類元素）が代表的である。ＲＥとしては、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏが垂直磁化を安定化する意味では好ましい。ＦｅＣｏ−ＲＥ合金はアモルファス構造である。ＦｅＣｏ−ＲＥ合金では、補償点付近のＲＥ組成で、飽和磁化Ｍｓがほぼゼロになり、飽和磁化Ｍｓの担い手がＦｅＣｏからＲＥ元素へと移り、保持力Ｈｃが極大化する。よって、ＲＥ元素がリッチとなる組成にすることで、界面ピン層１４とピン層３を合わせた見かけ上の飽和磁化ｎｅｔ−Ｍｓをほぼゼロに設定できる。

図１、図２の構造は、積層順序が逆転しても構わない。すなわち、上下が反転していてもよい。

さらに、ＭＲ素子１は、ピン層を２つ備えた構造（デュアルピン構造）を有していてもよい。図５は、ＭＲ素子の他の例を示している。図５に示すように、フリー層２の、スペーサ層４と反対の面上に、さらなるスペーサ層５、さらなるピン層６が設けられている。フリー層２、ピン層３、６は、図１と同じく面内磁化を有していても（図５中の左側の矢印により示される磁化）、図２と同じく垂直磁化を有していても（図５中の右側の矢印により示される磁化）よい。スペーサ層５の材料はスペーサ層４に用いられるのと同じ材料から選択することができ、ピン層６の材料はピン層３に用いられるのと同じ材料から選択することができる。ピン層３の磁化とピン層６の磁化とは反平行に結合している。

デュアルスピン構造に加えてフリー層２がＳＡＦ構造を有していてもよい。ＳＡＦ構造は、図６に示すように、フリー層２が、強磁性層１１、中間層１２、磁性層１３の積層構造からなる。フリー層２、ピン層３、６は、図１と同じく面内磁化を有していても（図５中の左側の矢印により示される磁化）、図２と同じく垂直磁化を有していても（図５中の右側の矢印により示される磁化）よい。ピン層３の磁化方向とピン層６の磁化方向とは平行であり、且つ強磁性層１１の磁化と強磁性層１３の磁化とは反平行に結合している。中間層１２としては、例えばＯｓ、Ｒｕ、Ｉｒなどの元素が用いられる。シングルピン構造（図１、図２）のフリー層２をＳＡＦ構造とすることももちろん可能である。

ＳＡＦ構造の利点は、残留磁化状態（外部磁場ゼロの状態）において、ＳＡＦ構造の見かけ上の飽和磁化ｎｅｔ−Ｍｓがほぼゼロになることである。この特性によって、ＭＲ素子のＳＡＦ構造のピン層３、６あるいはＳＡＦ構造のフリー層２は、外部磁場に不敏感になり、外部磁場に対する耐性が向上する。

（１−２）フリー層
次に、フリー層２の詳細について説明する。以下の記載は、フリー層２がＳＡＦ構造の場合は、強磁性層１１、１３の両方に適用される。

スピン注入書き込みにおいてフリー層２の磁化を反転させるのに要する電流（反転電流）Ｉｓｗは、
Ｉｓｗ∝（α／ｇ）・Ｍｓ・Ｖ（２・Ｋｕ／Ｍｓ＋Ｈｄ） （１）
ただし、
α：ダンピング定数
ｇ：効率
Ｍｓ：飽和磁化
Ｖ：体積
Ｋｕ：磁気異方性エネルギー
Ｈｄ：反磁界
で表される。なお、反転電流は、フリー層２とピン層３の磁化が平行から反平行への反転時および反平行から平行への反転時の反転電流の平均値を指す。一軸磁気異方性エネルギーＫｕは、結晶磁気異方性Ｋｃと誘導磁気異方性Ｋｉを足したものである。

式（１）の右辺のｇを除く物理量の値を小さくすることによって、反転電流を小さくでき、その対象となる物理量はいろいろ考えられるが、その１つとして、ダンピング定数αを低下させることが考えられる。

）物理定数であるダンピング定数αは、ミクロな観点から、スピン軌道相互作用（ｌ−ｓカップリング）に依存する。さらに、マジョリティー電子とマイノリティー電子の電子密度にも依存する。

実際のマクロな観点からは、有限な結晶粒径を有する多結晶膜を用いるための影響も重要となる。多結晶薄膜の場合、膜形態の影響を受け、スピン注入磁化反転電流に寄与するダンピング定数が変化する。たとえば、膜のラフネスが低減すると上記のダンピング定数は減少する。したがって、フリー層の平坦性・平滑性は必要不可欠である。また、結晶配向性は膜の平滑性にも影響を与え、結晶配向性が向上すると、ダンピング定数も低減する。

上述したダンピング定数は、磁性薄膜の飽和磁化に起因する反磁界の変化によっても変化する。したがって、反磁界の分布が大きいとダンピング定数は増大する。飽和磁化Ｍｓを低減することで、反磁界ばらつきの絶対値を低減でき、ダンピング定数を低減できる。

垂直磁化膜をデバイス化した際、ＭＴＪ素子のサイズを小さくすることで、形状効果による反磁界係数の変化により、ＭＲ素子の膜面垂直方向の反磁界が小さくなるので、ダンピング定数が小さくなる。

上記のように、フリー層２にピン層３からスピン偏極した電子を供給し、フリー層２の電子のスピンにトルクを与えて、フリー層２の磁化を反転させる。このとき、フリー層２の中の自由電子は、スピントルクによって引き起こされるフリー層２の磁化の変化に対して、磁性的に安定した状態に戻ろうとする力を呈する。この力が、ダンピング定数αである。ダンピング定数αは、磁化反転の過程の初期では、反転を妨げる力として機能する。よって、ダンピング定数αを小さくすることによって、スピン注入磁化反転電流を低減することができる。

（１−２−１）添加物１
本発明の実施形態に係るフリー層２の材料は、組成式Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、ｙ≦１）からなる磁性合金（ＦｅＣｏＮｉ合金）であり、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ｎを含有している。

さらに、ＦｅＣｏＮｉ合金は、ＢＣＣ構造であることが好ましい。すなわち、ＦｅＣｏＮｉの組成が、Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ＜０．２、０≦ｘ＜０．２、０≦ｙ＜０．２）であればよい。この範囲内であれば、ＦｅＣｏＮｉ合金はＢＣＣ構造となる。

ＢＣＣ構造は最密充填構造ではないため、原子間距離が大きい。このため、元素としての特性が比較的強くなり、電子が原子核に比較的局在する傾向がある。ダンピング定数αは、スピンどうしの相互作用に比例するので、フリー層２の電子が少ないほど、小さくなる。電子が局在化されることによって、スピンの反転を阻害する電子数が減るので、この結果、ダンピング定数αが低下する。

また、上記のように、スペーサ層４の材料は多くの場合、ＮａＣｌ構造を有する。このようなスペーサ層４に対して、ＢＣＣ構造の材料からなるフリー層２を用いることによって、スペーサ層４、フリー層２の界面整合を良好に行うことができる。より具体的には、例えば、スペーサ層４がＭｇＯの場合、（１００）面上での不整合を小さく抑えることができる。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを主とするＢＣＣ構造の強磁性体では、（１００）面優先配向ＭｇＯの（１００）面とＢＣＣ構造のＦｅＣｏＮｉ合金の（１００）面は［１００］方向を４５度傾けることにより、５％以下のミスフィットに抑えることができる。この結果、このようなＭＲ素子は、１００％を超えるＭＲ比を実現できる。

ＦｅＣｏＮｉ合金に元素Ｎを添加することによって、ＭＲ素子のダンピング定数αを低減することができる。この結果、反転電流を低減することが可能となる。この低下は、以下のメカニズムによる。ダンピング定数αは、スピン軌道の相互作用に比例する。ＦｅＣｏＮｉは、軌道成分（Ｌ）がプラスとなり、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎは軌道成分（Ｌ）がマイナスになる。このため、ＦｅＣｏＮｉ合金に元素Ｎを添加することにより、軌道成分（Ｌ）を小さくすることができる。この結果、スピン軌道の相互作用が小さくなり、ひいてはダンピング定数αを減ずることができる。

ダンピング定数αの低下は、元素Ｎの添加量に依存し、微量の添加でダンピング定数αが低下する。具体的には、０＜ａ≦５０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で添加される。５０ａｔ％を超える量を添加すると、ＭＲ素子のＭＲ比がほとんど発現しなくなるためである。これは、飽和磁化Ｍｓがほぼゼロに低減すること、および、界面での磁化スピンの向きが相殺されるためであると考えられる。より好ましい上限は、ａ≦２０ａｔ％である。大きなＭＲ比を確保する観点も考慮すると、さらに好ましい上限は、ａ≦１０ａｔ％である。

一方、０．１ａｔ％未満では十分なダンピング定数α低減の効果が見られないので、下限は、０．１ａｔ％≦ａであることが好ましい。

元素Ｎの添加によるダンピング定数αの低減効果は、ＦｅＣｏＮｉがＢＣＣ構造である場合が最も大きい。これは、上記のように、ＢＣＣ構造が最密構造ではない点に起因する。

ＢＣＣ構造を有するＶ、Ｃｒ、Ｍｎは、母合金であるＦｅＣｏＮｉ合金がＢＣＣ構造を有する場合、ＦｅＣｏＮｉ合金に全率で固溶することが可能である。このため、このような材料は、結晶相としては非常に安定である。

しかしながら、ＦｅＣｏＮｉ合金が面心立方格子（FCC : face-centered cubic lattice）構造を有する場合でも、元素Ｎを添加することにより、ＦｅＣｏＮｉ合金のＢＣＣ構造を安定にすることも可能となる。

なお、一般に、フリー層２をスパッタリング法により形成することで、強制的な固溶状態が実現でき、添加物を５ａｔ％まで固溶させることができる。これは、後述の添加物２乃至４についても当てはまる。

また、元素Ｎの添加に伴う飽和磁化Ｍｓの低減は元素Ｎの添加量にほぼ比例する。これは一般の金属元素が１０ａｔ％程度までの飽和磁化Ｍｓの低減率が小さいのとは異なる特徴である。これも、添加物２乃至４についても当てはまる。

また、フリー層２のうちで、ダンピング定数αが小さいＢＣＣ構造部分を有する体積はフリー層２全体の５０％以上であることが好ましい。これにより、顕著にダンピング定数αの低下傾向が見られる。残りの部分の構造は問わないが、アモルファスになることが多いと考えられる。固溶範囲を超える添加物は、ＢＣＣ構造の結晶粒界部分に偏析し、アモルファスとして存在する。この記載も、添加物２乃至４についても等しく当てはまる。

（１−２−２）添加物２
本発明の実施形態に係るフリー層２の材料は、組成式Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金であり、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ｍを含有している。

さらに、ＦｅＣｏＮｉ合金は、ＢＣＣ構造であることが好ましい。すなわち、ＦｅＣｏＮｉの組成が、Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ＜０．２、０≦ｘ＜０．２、０≦ｙ＜０．２）であればよい。この範囲内であれば、ＦｅＣｏＮｉ合金はＢＣＣ構造となる。

ＦｅＣｏＮｉ合金に元素Ｍを添加することによっても、ＭＲ素子のダンピング定数αを低減することができる。これは、以下の理由による。上記のように、ダンピング定数αを小さくすることによって反転電流を小さくすることができる。そして、ダンピング定数αは、スピン軌道の相互作用に比例するので、フリー層２の電子が少ないほど小さくなる。

元素Ｍのうち、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａは、共有結合を作り出す力が強い。そこで、ＦｅＣｏＮｉ合金に、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａを添加することにより、共有結合が作り出され、フリー層２の自由電子は局在化され、自由に運動できる自由電子の数が減少し、この結果、ダンピング定数αの低減を通じて、反転電流を減ずることができる。

添加量としては、ＦｅＣｏＮｉ合金の結晶構造を崩さずにダンピング定数αを小さくする値が好ましい。具体的には、添加量（含有量）ｂは、０＜ｂ≦５ａｔ％である。

添加量の上限の意味は、以下の通りである。元素ＭはＢＣＣ構造を有する。このため、ＢＣＣ構造を有するＦｅＣｏＮｉ合金に元素Ｍを添加することによって、ＢＣＣ構造を維持したまま置換型で固溶することができる。ところが、元素Ｍを５ａｔ％を超えて添加すると、ＦｅＣｏＮｉ合金の結晶構造がＢＣＣ構造からアモルファス構造に変化する。これにより、原子間隔が最密充填構造の場合と同じになり、この結果、ダンピング定数αの上昇が懸念される。

さらに厳密にいうと、０．１ａｔ％未満では十分なダンピング定数α低減の効果が見られないので、下限は、０．１ａｔ％≦ａであることが好ましい。

ＢＣＣ構造を有するＦｅＣｏＮｉに元素Ｍを添加すると、ＦｅＣｏＮｉ合金のＢＣＣ構造の格子定数を伸ばす効果がある。この結果、スペーサ層４として多用されるＭｇＯ（１００）面でのミスフィット量が緩和され、面積抵抗の低下を狙える。これはＭｇＯ中のバンド構造のつながりが、格子整合に非常に敏感だからである。この場合、ＭＲ比は添加元素Ｍとその量によるが、それほど大きな影響はでないと考えられる。

（１−２−３）添加物３
本発明の実施形態に係るフリー層２の材料は、組成式Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金であり、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ｌ含有している。

さらに、ＦｅＣｏＮｉ合金は、ＢＣＣ構造であることが好ましい。すなわち、ＦｅＣｏＮｉの組成が、Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ＜０．２、０≦ｘ＜０．２、０≦ｙ＜０．２）であればよい。この範囲内であれば、ＦｅＣｏＮｉ合金はＢＣＣ構造となる。

ＦｅＣｏＮｉ合金に元素Ｌを添加することによっても、ＭＲ素子のダンピング定数αを低減することができる。これは、以下の理由による。上記のように、ダンピング定数αを小さくすれば、反転電流を小さくできる。そして、ダンピング定数αは、フリー層２内の電子間の相互作用を減ずることによっても減ずることができる。

このための１つの方法として、電子間の距離を大きくすることが考えられる。そこで、最近接原子間距離が大きいＳｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、ＲｅをＦｅＣｏＮｉ合金に添加することによって、フリー層２に含まれる原子の結晶構造が広がり、フリー層２内の電子間の距離が大きくなる。この結果、電子の相互作用の低下によって、ダンピング定数αを小さくすることができる。この結果、反転電流を減ずることができる。

添加量としては、ＦｅＣｏＮｉ合金の結晶構造を崩さずにダンピング定数αを小さくする値が好ましい。具体的には、添加量（含有量）ｃは、０＜ｃ≦１０ａｔ％である。

添加量の上限の意味は、元素Ｍに対するものと同じである。すなわち、上限を超えた添付は、ＦｅＣｏＮｉ合金の結晶構造がＢＣＣ構造からアモルファス構造へと変化し、原子間隔が最密充填格子と同じになって、ダンピング定数αが上昇してしまう。

さらに厳密にいうと、０．１ａｔ％未満では十分なダンピング定数α低減の効果が見られないので、下限は、０．１ａｔ％≦ａであることが好ましい。

なお、元素Ｌとして、より安定なＢＣＣ構造を有するＮｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅがより好ましい。

また、元素Ｍと同様に、ＢＣＣ構造を有するＦｅＣｏＮｉに元素Ｌを添加すると、ＦｅＣｏＮｉ合金のＢＣＣ構造の格子定数を伸ばす効果がある。この結果、スペーサ層４として多用されるＭｇＯ（１００）面でのミスフィット量が緩和され、低面積抵抗が狙える。

（１−２−１）、（１−２−）、（１−２−３）において述べたＢＣＣ構造のＦｅＣｏＮｉ合金は、（１００）面配向を有する。そして、スペーサ層４との方位関係を記述すると下記のようになる。

（１００）スペーサ層／／（１００）フリー層
［１００］スペーサ層／／［１１０］フリー層
ただし、／／は平行を意味する。

（１−２−４）添加物４
式（１）から、ＭＲ素子の体積を小さく、より具体的には、フリー層の厚さを減ずることによっても、反転電流を小さくすることができる。これは、スピン注入書き込みの場合、スピン注入によりフリー層にかかるトルクは、界面付近（≦３ｎｍ）でしか作用しないので、フリー層が厚くなるとトルクがかからない部分が増大し、反転電流が増大するからである。

フリー層を薄くすることにより反転電流を減ずることができるが、単に薄くすると、ＭＲ素子の耐熱性もが小さくなる。これは、ＭＲＡＭのメモリセルのデータ保持特性の悪化に繋がるので好ましくない。

そこで、フリー層に高い磁気異方性エネルギーを持たせることにより、ある耐熱性を維持したまま、フリー層の体積を小さくすることができる。耐熱性に関して、
Δ＝Ｋｅ・Ｖ／（ｋｂ・Ｔ）
ただし、
Δ：耐熱性
Ｋｅ：有効磁気異方性エネルギー
Ｖ：フリー層の体積（＝Ｓ（フリー層の面積）・ｔ（フリー層の厚さ））
ｋｂ：ボルツマン定数
Ｔ：温度
が成り立つ。従って、ある温度において、耐熱性Δおよびフリー層面積Ｓが一定の場合、有効磁気異方性エネルギーＫｅを大きくすれば、フリー層厚さｔを小さく設定することが可能である。

有効磁気異方性エネルギーＫｅは、垂直磁化膜（例えば図２）と面内磁化膜（例えば図１）とで異なる。垂直磁化膜では、一般に、
Ｋｅ＝Ｋｕ−４πＭｓ² （２）
と表される。一方、面内磁化膜では、
Ｋｅ＝Ｋｕ＋Ｋｓ （３）
ただし、
Ｋｓ：形状磁気異方性エネルギー
と表される。

そこで、本発明の実施形態に係るＭＲ素子のフリー層２は、組成式Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、ｙ≦１）からなる磁性合金であり、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ｘを含む。

元素Ｘの組成範囲は、２０ａｔ％〜８０ａｔ％が好ましい。元素Ｘは、フリー層２に高い一軸磁気異方性エネルギーＫｕを持たせることができるとともにフリー層２の耐食性を向上させる。一軸磁気異方性エネルギーＫｕを持たせることにより、有効磁気異方性エネルギーＫｅを大きくできる。なお、元素Ｘは磁性元素でないため、添加すると材料全体の体積で見た場合、飽和磁化Ｍｓが低下する。これも、スピン注入磁化反転電流の低減に寄与する。

また、高い一軸磁気異方性エネルギーＫｕを持つことで、ある同じ値の有効磁気異方性エネルギーＫｅを達成しようとした場合、（３）式から分かるように、ＭＲ素子形状に起因する形状磁気異方性エネルギーＫｓを相対的に小さくすることが可能となる。この結果、ＭＲ素子の特性のサイズへの依存度が小さくなり、このようなＭＲ素子を用いるＭＲＡＭにおけるＭＲ素子（メモリセル）のサイズばらつきに対する耐性が向上する。ＭＲ素子の微細化に伴い、ＭＲ素子サイズのばらつきによる特性のばらつきはより顕著になるので、本実施形態を用いることにより、サイズばらつきを懸念することなく、小さな（アスペクト比の小さな）ＭＲ素子を実現できる。

フリー層２に元素Ｘを適切に添加し且つ適切なフリー層２の結晶配向性に揃えることによって、膜面に垂直な磁気異方性を持たせることが可能である。すなわち、元素Ｘの添加されたＦｅＣｏＮｉ合金膜の結晶構造および配向性を制御することによって、ＦｅＣｏＮｉ合金に垂直磁気異方性を与えることができる。

より具体的には、（００１）面配向を有する六方最密充填（HCP : hexagonal close-packed）構造のＣｏＦｅＮｉ−Ｘ合金、（１１１）面配向を有するＦＣＣ構造のＣｏＦｅＮｉ−Ｘ合金、（００１）面配向を有する面心正方（FCT : face-centered tetragonal）構造のＦｅＣｏＮｉ−Ｘ合金を用いることができる。ＦＣＴ構造の場合は、規則構造を有する。規則相の結晶構造としては、Ｌ１₀構造とＬ１₂構造とがある。Ｌ１₀構造とＬ１₂構造の規則構造からなる相を形成するためには、元素Ｘの組成範囲は、２０ａｔ％以上８０ａｔ％以下であることが好ましい。規則構造相の形成には熱処理が必要である。上記の組成範囲においては、適切な熱処理により上述したＬ１₀構造とＬ１₂構造の規則構造相を容易に形成することができる。Ｌ１₀構造の規則構造相は、４０ａｔ％から６０ａｔ％の元素Ｘの組成範囲で形成されやすい。Ｌ１₂構造の規則構造相は、２０ａｔ％から４０ａｔ％、および、６０ａｔ％から８０ａｔ％の元素Ｘの組成範囲で形成されやすい。

（１−２−５）ＭＲ素子の付加的構造
元素ＮまたはＭまたはＬ（以下、添加元素）を添加する実施形態に付加的に、以下の実施形態を付加することができる。すなわち、フリー層２中の添加元素が、スペーサ層４に近づくにつれて含有量が低下するような濃度分布を有している。これは、非磁性元素である添加元素の濃度をスペーサ層４とフリー層２との界面付近で低減することにより、ＭＲ素子１のＭＲ比を大きく維持することが可能となるからである。また、界面付近での添加元素が希薄であることにより、添加元素に起因する軌道角運動量が低下し、界面付近のフリー層２のスピン注入によるトルク印加効率が向上する。

上述のような濃度分布を形成するには、図７に示すように、添加元素を含まない界面フリー層２１をフリー層２とスペーサ層４の間に挿入し、フリー層２を２層化して形成する方法が好ましい。すなわち、界面フリー層２１を、組成式Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金で構成する。この場合、界面フリー層２１はＢＣＣ構造であることが好ましい。その時のＦｅＣｏＮｉ合金の組成は、Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ＜０．２、０≦ｘ＜０．２、０≦ｙ＜０．２）であればよい。

フリー層２は、ＦｅＣｏＮｉ合金に、（１−２−１）、（１−２−２）、（１−２−３）での記載に従って元素Ｎ、Ｍ、Ｌを添加したもので構成する。

この界面フリー層２１を有するＭＲ素子を、適切な温度でアニール処理を行う。この結果、添加元素がフリー層２から界面フリー層２１へ熱拡散することにより、フリー層２中の添加元素が、スペーサ層４に近づくにつれて含有量が低下するような濃度分布を実現できる。

また、上述のような濃度分布は、図８に示すように、添加元素を含まないフリー層２上に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ｘからなるキャップ層２２を形成し、その後適切なアニールを施すことによっても実現できる。フリー層２は、典型的には、ＢＣＣ構造を有し、（１００）面配向したＦｅＣｏＮｉ合金に、（１−２−１）、（１−２−２）、（１−２−３）での記載に従って元素Ｎ、Ｍ、Ｌのいずれかを添加したもので構成する。キャップ層２２は、ＦＣＣ構造を有し、（１００）面配向したものを用いるのが好ましい。

スペーサ層４の界面での添加元素の濃度を低くすることによって、添加元素による反転電流低減効果を得られると共に、ＭＲ素子１のＭＲ比を高く保つことができる。ＭＲ比は、スペーサ層４とフリー層２との界面の状態によって大きく左右されるからである。

なお、添加元素のフリー層２内の濃度勾配は、ＭＲ素子に用いられる各層の断面での膜面垂直方向へのＥＤＸ（energy-dispersive x-ray diffraction）あるいはＥＥＬＳ（electron energy loss spectroscopy）による組成の線分析による組成解析で同定できる。

（１−２−６）フリー層の原子構造
本発明の実施形態に係るフリー層２は、Ｌ１₀規則構造相、あるいはＬ１₂規則構造相を有することが好ましい。Ｌ１₀規則構造相およびＬ１₂規則構造相を有するＦｅＣｏＮｉ合金は、非常に大きな結晶磁気異方性エネルギーＫｃを発現するので、一軸磁気異方性エネルギーＫｕを高めるのに役立つ。上記したように、高い一軸磁気異方性エネルギーＫｕによって、高い耐熱性を維持したまま反転電流を小さくすることができる。

Ｌ１₀規則構造相、および、Ｌ１₂規則構造相の形成は、Ｘ線回折法および電子線回折法により確認される。両回折法での回折強度は、各原子の電子散乱の強度を用いて構造因子計算により、求められる。規則度の評価には、通常現れる（００２）回折と、規則化に伴って消滅則が崩れることにより現れる超格子ピークである（００１）ピークについて評価する。規則度は上記の（００１）ピークと（００２）ピークの比から算出される。

ここで、Ｌ１₀規則構造相、あるいはＬ１₂規則構造相とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちのある元素とＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇのうちのある１つの元素に着目し、その２元系合金を母合金として見た場合の結晶構造として定義される。たとえば、Ｌ１₀構造合金としては、ＦｅＰｔ規則合金、ＦｅＰｄ規則合金、ＣｏＰｔ規則合金などが挙げられる。Ｌ１₂構造合金としては、Ｃｏ₃Ｐｔ規則合金、Ｆｅ₃Ｐｔ規則合金、Ｆｅ₃Ｐｄ規則合金などが挙げられる。

特に、Ｌ１₀規則構造相のＦｅＰｔ合金あるいはＣｏＰｔ合金は、５×１０⁶ｅｒｇ／ｃｃ以上の大きな結晶磁気異方性エネルギーＫｃを有し、ＦＣＴ構造を有し、（００１）面配向した場合、強い垂直磁気異方性を発現するので好ましい。また、Ｌ１₂構造のＦｅ₃Ｐｔ合金、Ｌ１₂規則構造相のＣｏ₃Ｐｔ合金もＦＣＴ構造であり、１×１０⁶ｅｒｇ／ｃｃ以上の大きな結晶磁気異方性エネルギーＫｃを示す。Ｌ１₀規則構造相のＦｅ₃Ｐｔ合金、あるいはＬ１₂規則構造相のＦｅＰｔ合金に、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎから選ばれる元素を添加すると添加量以上に飽和磁化Ｍｓが低減される。これは、Ｖ、Ｃｒ、ＭｎのスピンがＦｅのスピンと逆方向になるからである。このことは、ＦｅＭｎ、ＦｅＣｒなどが反強磁性的な性質を持つことと類似している。また、ダンピング定数αも低下傾向を示す。Ｖ、Ｃｒ、ＭｎはＦｅと置換して固溶する。

垂直磁化とは、磁化―磁界（Ｍ−Ｈ）カーブにおいて、無磁界の残留磁化Ｍｒと飽和磁化Ｍｓとの比Ｍｒ／Ｍｓが０．５以上である場合を指す。さらに、ＭＲ素子の磁気抵抗効果比―磁界（ＭＲ−Ｈ）カーブにおいて、無磁界の残留状態でのＭＲ比ＭＲｒと反平行磁化状態時の最大のＭＲ比ＭＲｓとの比ＭＲｒ／ＭＲｓが０．５以上である場合を指す。

Ｌ１₀規則構造相あるいはＬ１₂規則構造相を有するＦｅＣｏＮｉ合金からなるフリー層２に、元素Ｎが添加されてもよい。添加量は、０．５ａｔ％以上１０ａｔ％以下が好ましい。０．５ａｔ％未満だと十分な添加効果が見られない。この添加により、ダンピング定数αの低下を通じて、反転電流を低減できる。１０ａｔ％を超えて添加しても構わないが、Ｌ１₀あるいはＬ１₂規則構造相への規則化温度が上昇し、規則化が阻害され、規則度が低下する。

Ｖ、Ｃｒ、ＭｎはＦｅと全率固溶体であるために、規則相結晶構造を不安定にすることはない。ＭＲＡＭ用のＭＲ素子として用いるためには、Ｘ線回折像の（００１）ピークと（００２）ピークから算出される規則度が、０．６以上は必要である。できれば０．８以上が好ましい。規則度が０．６未満となるとパターニング後のＭＲ素子におけるスピン注入磁化反転電流にばらつきを生じる可能性が高くなる。

Ｌ１₀規則構造相あるいはＬ１₂規則構造相を有するＦｅＣｏＮｉ合金からなるフリー層２に、元素ＭまたはＬが添加されてもよい。添加量は、０．５ａｔ％以上１０ａｔ％以下であることが好ましい。１０ａｔ％を超えて添加するとアモルファス構造となり、規則相構造をとらなくなる。０．５ａｔ％未満だと十分な添加効果が見られない。

上記のＬ１₀規則構造相あるいはＬ１₂規則構造相のフリー層２は、（００１）面配向させることにより、垂直磁化膜として機能するようになる。フリー層２に垂直磁化膜を用いる場合、ピン層３も垂直磁化膜を使うのが好ましい。このとき、ピン層３の厚さは、フリー層２の厚さよりも厚く設定することが好ましい。これは、ピン層３の磁化量をフリー層２の磁化量よりも大きくすることで、反転電流によるピン層３の安定性を向上させるために必要である。実際には、ピン層３の磁気異方性エネルギーＫｕあるいは保持力Ｈｃをフリー層２のそれらよりも大きく設定することも必要である。

上述してきた元素Ｎ、Ｍ、Ｌのいずれかが添加された、Ｌ１₀規則構造相あるいはＬ１₂規則構造相を有するフリー層２とスペーサ層４との間に、界面フリー層２１が形成されてもよい。界面フリー層２１は、ＢＣＣ構造のＦｅＣｏＮｉ合金であることが好ましい。その時のＦｅＣｏＮｉ合金の組成は、Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ＜０．２、０≦ｘ＜０．２、０≦ｙ＜０．２）であればよい。また、界面フリー層２１には、（１−２−１）、（１−２−２）、（１−２−３）での記載に従って元素Ｎ、Ｍ、Ｌのいずれかを添加したものを用いることも可能である。界面フリー層２１の厚さは、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下が好ましい。０．５ｎｍ未満では、界面フリー層２１により得られる効果はほとんど得られず、２ｎｍを超えると反転電流の増大を招く。

また、スペーサ層４にＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯなどのＮａＣｌ構造を有する酸化物を用いる場合、スペーサ層４は（１００）面配向していることが好ましい。この時、のＬ１₀規則構造相あるいはＬ１₂規則構造相を有するフリー層２は、（００１）面配向することが好ましい。この場合のスペーサ層４とフリー層２との方位関係は、下記のようになる。

（１００）スペーサ層／／（１００）フリー層
［１００］スペーサ層／／［１００］フリー層
（１−３）具体的な実施例
（１−３−１）第１実施例
本発明の具体的な実施例について説明する。

以下の方法で、４端子測定が可能なＭＲ素子を形成した。まず、Ｓｉ基板の表面に熱酸化によって、１ｕｍ以上の厚さのＳｉＯ₂層を形成した。次に、この基板に下部配線のパターンをトレンチで形成した。次に、ダマシン法を用いてトレンチ部に下部電極となるＣｕを埋め込み形成した。次に、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて、本発明の実施形態に係るＭＲ素子を形成した。ＭＲ素子は、図１等の構造を包含する、図９に示す構造を有する。

すなわち、図９に示すように、ＭＲ素子は、上から順に、キャップ層２３、フリー層２、スペーサ層４、ピン層３、反強磁性層２４、下地層２５を有している。さらに、ピン層３は、ＳＡＦ構造を有しており、上から順に強磁性層１１、中間層１２、強磁性層１３から構成されている。

次に、ここまでの工程で得られた構造に対して、１．５Ｔの磁場中、真空中３７５℃でアニールを施した。その後、ＴｉＮあるいはＴａのハードマスク材を用いて、イオンミリング法によってＭＲ素子をパターニング加工後、ＳｉＮからなる保護膜およびＳｉＯ₂からなる層間膜を形成した。次に、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）により層間膜表面を平坦化および研磨し、ＭＲ素子部の上面を露出させた。その後、上部電極をパターニング形成した
成膜したＭＲ素子の詳細な構成を以下に示す。／により囲まれた材料が、図９に示すＭＲ素子の１つの層を上から順に示している。［］内は膜厚（単位はｎｍ）を表し、組成の単位はａｔ％である。ＭＲ素子中の磁性層は面内磁化を有している。

比較例：
Ｔａ［５］／Ｆｅ［２］／ＭｇＯ［０．７］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例１：
Ｔａ［５］／Ｆｅ₉₅Ｖ₅［２］／ＭｇＯ［０．７］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例２：
Ｔａ［５］／Ｆｅ₉₇Ｃｒ₃［２］／ＭｇＯ［０．７］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例３：
Ｔａ［５］／Ｆｅ₉₇Ｍｎ₃［２］／ＭｇＯ［０．７］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
これらの比較例、実施例１乃至３のＭＲ素子を用いて、面積抵抗ＲＡ、ＭＲ比、スピン注入磁化反転電流密度Ｊｃを評価した。ＭＲ素子のサイズおよび形状は、幅１００ｎｍ、長さ２００ｎｍの楕円形である。反転電流密度Ｊｃはパルス幅１μ秒のＤＣパルス電流により評価した。評価結果を下表に示した。反転電流密度Ｊｃは、平行から反平行磁化反転時および反平行から平行磁化反転時のそれぞれの反転電流密度の平均値である。

表１に示すように、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎの添加によって顕著な反転電流密度Ｊｃの低減効果が見られた。

また、上から順にＴａ［５］／ＦｅＶ［５］／ＭｇＯ［３］／Ｔａ［５］／基板からなる積層構造を用いて、ＦＭＲ(ferromagnet-resonance)測定によりダンピング定数αの評価を行った。結果として、ＦｅへのＶ添加においては、５ａｔ％で極小値を取ることが分かった。また、２０ａｔ％を超える添加で、無添加の場合のダンピング定数αを超える結果を得た。Ｍｎ、Ｃｒ添加の場合においても、ほぼ同様な傾向の結果を得た。

また、ＦｅＶからなるフリー層２を有するＭＲ素子（実施例１の構造）において、ＭＲ比のＶ添加量依存性を測定した結果、２０ａｔ％付近で顕著なＭＲ比の劣化が見られた。同様に、ＦｅＭｎからなるフリー層２およびＦｅＣｒからなるフリー層２を有するＭＲ膜（実施例２および３）において、ＭＲ比を測定した結果、それぞれ、１５ａｔ％付近および１８ａｔ％付近でＭＲ比の顕著な劣化が見られ始めた。

（１−３−２）第２実施例
実施例１と同様の工程によってＭＲ素子を作成した。ＭＲ素子のサイズは、１００ｎｍ×１００ｎｍである。各層の材料および厚さは、以下の通りである。第１実施例での記載と同じく、／により囲まれた材料を１つの層として上から順に示している。［］内は膜厚（単位はｎｍ）を表し、組成の単位はａｔ％である。

比較例：
Ｔａ［５］／Ｆｅ₅₀Ｐｔ₅₀［１．５］／ＭｇＯ［０．６５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［２］／Ｆｅ₅₀Ｐｔ₅₀［３０］／Ｐｔ［１０］／Ｃｒ［２０］／ＭｇＯ／下地層
実施例１：
Ｔａ［５］／（Ｆｅ_0.95Ｖ_0.5）₅₀Ｐｔ₅₀［１．５］／ＭｇＯ［０．６５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［２］／Ｆｅ₅₀Ｐｔ₅₀［３０］／Ｐｔ［１０］／Ｃｒ［２０］／ＭｇＯ／下地層
実施例２：
Ｔａ［５］／（Ｆｅ_0.97Ｃｒ_0.3）₅₀Ｐｔ₅₀［１．５］／ＭｇＯ［０．６５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［２］／Ｆｅ₅₀Ｐｔ₅₀［３０］／Ｐｔ［１０］／Ｃｒ［２０］／ＭｇＯ／下地層
実施例３：
Ｔａ［５］／（Ｆｅ_0.97Ｍｎ_0.3）₅₀Ｐｔ₅₀［１．５］／ＭｇＯ［０．６５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［２］／Ｆｅ₅₀Ｐｔ₅₀［３０］／Ｐｔ［１０］／Ｃｒ［２０］／ＭｇＯ／下地層
上記のＦｅＰｔ系合金膜は全てＬ１₀規則構造相がＸ線回折像から観察されていて、比較例、実施例１乃至３の規則度は、０．８以上であり、元素の添加による規則度の顕著な劣化は見られなかった。ＭＲ素子の磁性膜は全てが垂直磁化膜であった。また、Ｘ線回折像から、全ての実施例のフリー層が（００１）面に優先配向していた。

以上の比較例および実施例のＭＲ素子について、４端子法によってＭＲ比およびスピン注入磁化反転電流密度を評価した。結果を表２に示す。

表２に示すように、垂直磁化を有するＭＲ素子においても、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎの添加によって顕著な反転電流密度Ｊｃの低減効果が見られた。

理論的な側面から、第一原理計算を行った結果から、フェルミエネルギーでの状態密度を比較した場合、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖで本質ダンピング定数の低減効果が得られることが示唆され、特にＶの場合にその効果が大きい。

また、Ｌ１₀規則構造相を有するＦｅ_{１００−ｘ}Ｐｄ_ｘ（ｘ：４０〜６０ａｔ％）合金フリー層を用いた場合においても、上記の添加物において、スピン注入磁化反転電流密度Ｊｃに関しては上記と同様な効果が得られた。各添加元素および添加量におけるスピン注入磁化反転電流密度Ｊｃの低減比率はほぼ同じであった。Ｆｅ₅₀Ｐｄ₅₀合金フリー層を用いた場合において、ほぼ同等な層構成において、スピン注入磁化反転電流密度Ｊｃは約１０ＭＡ／ｃｍ^２程度が得られた。

さらに、Ｌ１₀規則構造相を有するＦｅＰｔ合金膜あるいはＦｅＰｄ合金膜においては、測定されるダンピング定数は、上記のＣｒ，Ｍｎ，Ｖの添加の有無にかかわらず、Ｌ１₀規則構造相の（００１）超格子ピークから得られる（００１）配向性および規則度に大きく依存する。（００１）配向性が良くなれば、ダンピング定数が小さくなる結果が得られている。この結果は、規則度が向上していることも示唆するため、Ｌ１_０規則度が向上すれば、ダンピング定数が小さくなる。

（００１）配向性およびフリー層の平滑性の観点から、ＭＲ膜の下地層が重要となる。ピン層のＦｅＰｔ直下Ｐｔ層下地層となっているＣｒ２０ｎｍは、（００１）配向したＴｉＮ、ＣｒＮ、ＶＮ、ＮｂＮ膜などと置換が可能であり、同等の効果を発揮することが可能であり、耐熱性向上が期待できる。上述の膜の膜厚は５〜２０ｎｍで最適化される。

Ｌ１₀規則構造相の（００１）超格子ピークを増大させ、規則度を向上するという観点から、上記の添加元素に付加して、Ｃｕ、および、Ｚｎを添加することが好ましい。添加量は１％以上１０％未満の範囲で調整される。ＣｕおよびＺｎは、上記Ｌ１_０規則構造相の中でＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉに置換する。

垂直磁化膜を有するＭＲ膜においては、ＭＲ素子のサイズによっても反磁界低減の効果によりダンピング定数の効果が期待される。反磁界低減の効果を有効にするためには、ＭＲ素子サイズを１００ｎｍφ以下にすることが好ましい。１００ｎｍφを超える領域では、反磁界の低減率が小さく、べた膜との磁化反転挙動の違いを見分けることが困難だからである。

（１−３−３）第３実施例
実施例１と同様の工程によって、実施例１と同じ積層構造のＭＲ素子を作成した。ＭＲ素子のサイズは、１００ｎｍｘ１００ｎｍである。各層の材料および厚さは、以下の通りである。第１実施例での記載と同じく、／により囲まれた材料を１つの層として上から順に示している。［］内は膜厚（単位はｎｍ）を表し、組成の単位はａｔ％である。

比較例：
Ｔａ［５］／Ｃｏ₅₀Ｆｅ₅₀［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例１：
Ｔａ［５］／（Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5）₉₇Ｓｉ₃［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例２：
Ｔａ［５］／（Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5）_97.5Ｇｅ_2.5［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例３：
Ｔａ［５］／（Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5）₉₈Ｇａ₂［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例４：
Ｔａ［５］／（Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5）₉₇Ｔａ₃［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例５：
Ｔａ［５］／（Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5）_97.5Ｓｒ_2.5［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例６：
Ｔａ［５］／（Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5）₉₈Ｗ₂［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例７：
Ｔａ［５］／（Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5）₉₇Ｎｂ₃［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
実施例８：
Ｔａ［５］／（Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5）_96.5Ｍｏ_3.5［２］／ＭｇＯ［０．７５］／Ｃｏ₄₀Ｆｅ₄₀Ｂ₂₀［３］／Ｒｕ［０．８５］／ＣｏＦｅ［３］／ＰｔＭｎ［１５］／Ｔａ［５］
以上の比較例および実施例のＭＲ素子について、４端子法によってＭＲ比および反転電流密度Ｊｃを評価した。結果を表３に示す。

表３に示すように、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｔａ、Ｓｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏの添加によって顕著な反転電流密度Ｊｃの低減効果が見られた。

また、Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5へのＳｉの添加量を調べた。評価対象のＭＲ素子は、上から順にＴａ［５］／ＣｏＦｅＳｉ［５］／ＭｇＯ［３］／Ｔａ［５］／基板（［］内は厚さ、単位はｎｍ）からなる積層構造を有している。評価の結果、５ａｔ％以下の添加量では、明瞭なＢＣＣ構造に起因するピークがＸ線回折測定で見られた。また、平面ＴＥＭ（transverse electromagnetic wave）観察において、５ａｔ％を超える組成でＣｏＦｅＳｉ層の体積比で５０％以上がアモルファス構造であることが確認された。１０ａｔ％以上でおおよそＣｏＦｅＳｉ層の全体でアモルファス構造となった。また、ＦＭＲ測定により、ダンピング定数αを測定した結果、Ｓｉの添加量３ａｔ％付近において極小値が得られた。この傾向は、Ｇｅ、Ｇａでも同様であった。

Ｃｏ_0.5Ｆｅ_0.5へのＴａの添加量を調べた。評価対象のＭＲ素子は、上から順にＴａ［５］／ＣｏＦｅＴａ［５］／ＭｇＯ［３］／Ｔａ［５］／基板（［］内は厚さ、単位はｎｍ）からなる積層構造を有している。評価の結果、１０ａｔ％以下の添加量では、明瞭なＢＣＣ構造に起因するピークがＸ線回折測定で見られた。また、平面ＴＥＭ観察において、１０ａｔ％を超える組成でＣｏＦｅＴａ層の体積比で５０％以上がアモルファス構造であることが確認された。２０ａｔ％以上でおおよそＣｏＦｅＴａ層の全体でアモルファス構造となった。この傾向は、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、Ｗ、Ｒｅでも同様であった。

これまで上述してきたすべてのＭＲ素子およびＭＲ膜は、スピン注入磁化反転素子およびそれを用いたＭＲＡＭだけにとどまらず、磁壁移動型素子およびそれを用いたメモリにも適用が可能である。

（２）ＭＲＡＭ
次に、（１）で記載したＭＲ素子を用いた、スピン注入書き込み型のＭＲＡＭについて説明する。

図１０は、本発明の実施形態に係るＭＲＡＭの１つのメモリセルの主要部を示す断面図である。図１０に示すように、ＭＲ素子１の上面は、上部電極３１を介してビット線３２と接続されている。また、ＭＲ素子１の下面は、下部電極３３、導電層（引き出し線）３４、プラグ３５を介して、半導体基板３６の表面のソース／ドレイン拡散領域３７ａと接続されている。

ソース／ドレイン拡散領域３７ａは、ソース／ドレイン拡散領域３７ｂ、基板３６上に形成されたゲート絶縁膜３８、ゲート絶縁膜３８上に形成されたゲート電極３９と共に、選択トランジスタＴｒを構成する。選択トランジスタＴｒとＭＲ素子１とは、ＭＲＡＭの１つのメモリセルを構成する。

ソース／ドレイン拡散領域３７ｂは、プラグ４１を介してもう１つのビット線４２と接続されている。

なお、引き出し線３４を用いずに、下部電極３３の下方にプラグ３５が設けられ、下部電極３３とプラグ３５が直接接続されていてもよい。

ビット線３２、４２、電極３３、３４、導電層３４、プラグ３５、３６は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕ等から構成されている。

図１０に示す１つのメモリセルが例えば行列状に複数個設けられることにより、ＭＲＡＭのメモリセルアレイが形成される。図１１は、本発明の実施形態に係るＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。

図１１に示すように、ＭＲ素子１と選択トランジスタＴｒとからなる複数のメモリセル５３が行列状に配置されている。同じ列に属するメモリセル５３の一端は同じビット線３２と接続され、他端は同じビット線４２と接続されている。同じ行に属するメモリセル５３のゲート電極（ワード線）３９は相互に接続され、さらにロウデコーダ５１と接続されている。

ビット線３２は、トランジスタ等のスイッチ回路５４を介して電流ソース／シンク回路５５と接続されている。また、ビット線４２は、トランジスタ等のスイッチ回路５６を介して電流ソース／シンク回路５７と接続されている。電流ソース／シンク回路５５、５７は、書き込み電流（反転電流）を、接続されたビット線３２、４２に供給したり、接続されたビット線３２、４２から引き抜いたりする。

ビット線４２は、また、読み出し回路５２と接続されている。読み出し回路５２は、ビット線３２と接続されていてもよい。読み出し回路５２は、読み出し電流回路、センスアンプ等を含んでいる。

書き込みの際、書き込み対象のメモリセルと接続されたスイッチ回路５４、５６および選択トランジスタＴｒがオンされることにより、対象のメモリセルを介する電流経路が形成される。そして、電流ソース／シンク回路５５、５７のうち、書き込まれるべき情報に応じて、一方が電流ソースとして機能し、他方が電流シンクとして機能する。この結果、書き込まれるべき情報に応じた方向に書き込み電流が流れる。

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込みを行うことが可能である。

読み出しの際、書き込みと同様にして指定されたＭＲ素子１に、読み出し電流回路によって磁化反転を起こさない程度の小さな読み出し電流が供給される。そして、読み出し回路３２は、ＭＲ素子１の磁化の状態に応じた抵抗値に起因する電流値あるいは電圧値を、参照値と比較することで、その抵抗状態を判定する。

なお、読み出し時は、書き込み時よりも電流パルス幅が短いことが望ましい。これにより、読み出し時の電流での誤書込みが低減される。これは、書き込み電流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。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子によれば、フリー層２が、所定の元素（Ｍ、Ｎ、Ｌ）を添加されたＢＣＣ構造のＦｅＣｏＮｉ合金からなる。このため、添加される元素の種類に応じて、スピン軌道の相互作用を減じたり、自由電子を局在化したりすることによって、ＭＲ素子のダンピング定数αが低下する。この結果、ＭＲ素子の反転電流を減じることができる。

また、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子によれば、フリー層２が、所定の元素（Ｘ）を添加されたＢＣＣ構造のＦｅＣｏＮｉ合金からなる。このため、一軸磁気異方性エネルギーＫｕを増加することを介して、耐熱性のフリー層を薄くことによって反転電流を減ずると同時に耐熱性の低下を回避できる。

また、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子によれば、フリー層２とスペーサ層４の界面の元素Ｍ、Ｎの濃度が、フリー層２の他の部分より低い。このため、元素Ｍ、Ｎの添加による反転電流の低減と高いＭＲ比とを両立できる。

また、本実施形態に係る磁気抵抗素子によれば、フリー層２が、所定の元素（Ｍ、Ｎ、Ｌ）を添加されたＬ１₀またはＬ１₂規則構造相を有するＦｅＣｏＮｉ合金からなる。このため、高い一軸磁気異方性エネルギーＫｕを介して、高い耐熱性を維持したまま反転電流を小さくすることができる。

本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子を用いたメモリセルの主要部を示す図。 本発明の実施形態に係るＭＲ素子を用いたＭＲＡＭの回路図。

符号の説明

１…ＭＲ素子、２…強磁性層（ピン層）、３…強磁性層（フリー層）、４…スペーサ層。

Claims (11)

1. 磁化の方向が固定された磁化固定層と、
   磁化の方向が可変で、ＢＣＣ構造を有するＦｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎのうちの１つ以上である添加元素を０＜ａ≦２０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有する磁化可変層と、
   前記磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられた、非磁性材料からなる中間層と、
   を具備し、前記磁化固定層と前記中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が反転されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 磁化の方向が固定された磁化固定層と、
   磁化の方向が可変で、ＢＣＣ構造を有するＦｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａのうちの１つ以上である添加元素を０＜ａ≦５ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有する磁化可変層と、
   前記磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられた、非磁性材料からなる中間層と、
   を具備し、前記磁化固定層と前記中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が反転されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
3. 磁化の方向が固定された磁化固定層と、
   磁化の方向が可変で、ＢＣＣ構造を有するＦｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅのうちの１つ以上である添加元素を０＜ａ≦１０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有する磁化可変層と、
   前記磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられた、非磁性材料からなる中間層と、
   を具備し、前記磁化固定層と前記中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が反転されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
4. 前記磁化可変層中の前記添加元素の量が、前記中間層に近づくにつれて低下することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
5. 磁化の方向が固定された磁化固定層と、
   磁化の方向が可変で、Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＮｉ_y（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる磁性合金からなり、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇのうちの１つ以上を含有する磁化可変層と、
   前記磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられた、非磁性材料からなる中間層と、
   を具備し、前記磁化固定層と前記中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が反転されることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
6. 前記磁化可変層が、Ｌ１₀規則構造相またはＬ１₂規則構造相を有することを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 前記磁化可変層が、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎのうちの１つ以上を０．５≦ａ≦１０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有することを特徴とする請求項５または６に記載の磁気抵抗効果素子。
8. 前記磁化可変層が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａのうちの１つ以上を０．５≦ａ≦１０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有することを特徴とする請求項５または６に記載の磁気抵抗効果素子。
9. 前記磁化可変層が、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅのうちの１つ以上を０．５≦ａ≦１０ａｔ％（ａは含有量）の範囲で含有することを特徴とする請求項５または６に記載の磁気抵抗効果素子。
10. 前記磁化可変層および前記磁化固定層が膜面に対して垂直磁化を有することを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を記憶素子として含むメモリセルを複数個含むメモリセルアレイと、
    前記メモリセルに対して双方向に電流を供給する電流供給回路と、
    を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。

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