JP2008135503A

JP2008135503A - 磁気抵抗素子

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Publication number: JP2008135503A
Application number: JP2006319723A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Fukami; 俊輔深見
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-06-12

Abstract

【課題】優れた平滑性を有する磁化自由層を備えたトップピン型の磁気抵抗素子を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、トップピン型の磁気抵抗素子３０が提供される。その磁気抵抗素子３０は、下地層３２と、下地層３２上に形成された磁化自由層３３と、磁化自由層３３上に非磁性層３４を介して形成された磁化固定層３５とを備える。下地層３２は、結晶性の金属材料で形成される。下地層３２の結晶は、複数種類の結晶配向成分を有する。その複数種類の結晶配向成分のうち２種類以上が、磁化自由層３３に接触する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、磁気抵抗素子に関する。特に、本発明は、トップピン型の磁気抵抗素子に関する。

不揮発性半導体メモリの一種として、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ： Magnetic Random Access Memory）が知られている。ＭＲＡＭは、高集積、高速動作、低消費電力の観点から有望な不揮発性半導体メモリである。

ＭＲＡＭにおいては、磁気抵抗効果を示す「磁気抵抗素子」が、メモリセル（記憶素子）として利用される。一般的に、磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ： Tunnel MagnetoResistance）効果を示す磁気トンネル接合（ＭＴＪ： Magnetic Tunnel Junction）から構成される。具体的には、磁気抵抗素子は、反強磁性層、磁化固定層（ピン層）、トンネル絶縁層（トンネルバリア層）、磁化自由層（フリー層）からなる積層構造を有している。トンネル絶縁層は、磁化固定層と磁化自由層の間に挟まれている。

磁化固定層と磁化自由層は、磁性体を含む。磁化固定層の磁化の向きは、隣接する反強磁性層によって一方向に固定される。一方、磁化自由層の磁化の向きは、反転可能であり、磁化固定層の磁化に対して平行、反平行のいずれかになることが許される。つまり、磁気抵抗素子においては、磁化自由層と磁化固定層の磁化の向きが互いに反平行な状態（反平行状態）と、それらが平行な状態（平行状態）が考えられる。そして、反平行状態でのＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、平行状態での抵抗値（Ｒ）よりも大きくなることが知られている。磁気抵抗素子は、この抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶することができる。例えば、反平行状態がデータ「１」に対応付けられ、平行状態がデータ「０」に対応付けられる。

データの書き換えは、磁化自由層の磁化の向きを反転させることによって行なわれる。データの読み出しは、ＭＴＪを貫通して流れるトンネル電流の大きさに基づいて検出される。例えば、データ「１」（反平行状態）の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きく、トンネル電流は比較的小さくなる。一方、データ「０」（平行状態）の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さく、トンネル電流は比較的大きくなる。よって、トンネル電流を所定の閾値と比較することによって、データが「１」か「０」かを判定することが可能である。抵抗値の変化量で決まるＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）が大きいほど、読み出し特性は良好となる。

このような磁気抵抗素子の積層構造として、「ボトムピン型」と「トップピン型」の２種類が知られている。図１及び図２は、ボトムピン型及びトップピン型の磁気抵抗素子の積層構造をそれぞれ示している。図１に示されたボトムピン型の場合、半導体基板１側から、反強磁性層２、磁化固定層（ピン層）３、トンネル絶縁層４、及び磁化自由層５が順番に積層されている。一方、図２に示されたトップピン型の場合、半導体基板１側から、磁化自由層５、トンネル絶縁層４、磁化固定層（ピン層）３、及び反強磁性層２が順番に積層されている。

多くの場合、製造の容易性や素子特性などの観点から、図１で示されたボトムピン型が採用される。しかしながら、ＭＲＡＭ特性のうち重視するものによっては、図２で示されたトップピン型を採用することが好適な場合もある。例えば、磁化自由層をＭＴＪ下部の配線の近くに、あるいは隣接して設計することが望ましい場合、トップピン型を採用することが好適である。

但し、トップピン型の磁気抵抗素子を製造する上で、注意を要する点もある。特に注意すべきは、磁化自由層５とトンネル絶縁層４との界面の平滑性（evenness）である。トップピン型の場合、図２で示されたように、磁化自由層５上にトンネル絶縁層４が形成される。磁化自由層５の表面の凹凸は、トンネル絶縁層４の膜厚の不均一の原因となる。トンネル絶縁層４の膜厚の不均一は、ＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）の低下、ＭＴＪ抵抗値のばらつきの増大、リークパスの出現などを招く。従って、磁化自由層５の表面は、なるべく平滑であることが望ましい。

トップピン型の磁気抵抗素子に関連する従来技術として、次のものが知られている。

特許文献１に記載された磁気抵抗素子によれば、フリー層は、下電極層上に形成される。その下電極層の表面平均粗さ（Roughness Average）は、３ｎｍ以下である。また、その下部電極層の材料は、Ｔａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｙ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄからなる群から選択される。

特許文献２に記載された磁気抵抗素子によれば、フリー層は、下地層としてのＴａ膜上に形成される。そのＴａ膜の膜厚は５ｎｍである。

特許文献３に記載された磁気抵抗素子によれば、フリー層は、下地層上に形成される。その下地層は、Ｔａ層とＲｕ層の積層構造を有する。このうち、Ｔａ層が、フリー層と接触する。

特許文献４に記載された磁気抵抗素子によれば、フリー層は、下地層上に形成される。その下地層に関して、表面平均粗さ（Ｒａ）は０．５ｎｍ以下であり、最大高さ（Ｒｍａｘ）は５ｎｍ以下であり、標準偏差粗さ（Ｒｒｍｓ）は０．５５ｎｍ以下である。また、その下地層の材料は、Ｗ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕからなる群から選択される。

特許文献５に記載された磁気抵抗素子によれば、フリー層は、下地層上に形成される。その下地層に関して、表面平均粗さ（Ｒａ）は１．０ｎｍ以下であり、最大高さ（Ｒｍａｘ）は１０ｎｍ以下であり、標準偏差粗さ（Ｒｒｍｓ）は１．２ｎｍ以下である。また、その下地層の材料は、Ｗ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕからなる群から選択される。

特開２０００−２１５４１５号公報特開２００１−２６７１２６号公報特開２００５−２０３７０１号公報特許第３３２１７６８号特許第３３３１３９７号

本発明は、本願発明者によって得られた次の知見に基づいている。

ＭＲＡＭの大容量化や高歩留まりの観点からは、磁気抵抗素子の磁化自由層表面の平均粗さ（Ｒａ）は０．３ｎｍ以下であることが望ましい。その磁化自由層の材料としては、ＮｉＦｅ、またはＮｉＦｅを主成分として含む合金が用いられることが多い。これは、ＮｉＦｅの組成を適切に調整することにより良好な軟磁気特性が得られるためである。

上述の従来技術によれば、磁化自由層が形成される下地層として、例えばＴａ膜が用いられている。この場合、磁化自由層としてのＮｉＦｅ膜が、下地層としてのＴａ膜上に形成されることになる。しかしながらその場合、Ｔａ膜表面の平均粗さを小さくしたとしても、ＮｉＦｅ膜表面の平均粗さは十分小さくならない。つまり、本願発明者は、Ｔａ膜が下地層として用いられる場合、その上に成長するＮｉＦｅ膜の表面は十分に平滑にならないことを発見した。その理由は、次の通りであると考えられる。

一般的に、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆなどの４−６族元素は、膜厚が十分薄い領域においては「非晶質」となり、その表面エネルギーは高くなる。結果として、その上に成長する結晶に関しては、最稠密面（最低表面エネルギー面）配向の結晶成長が促進されやすくなる。ＮｉＦｅの結晶は面心立方格子（fcc; face centered cubic）型であり、その最稠密面は（１１１）面である。よって、物理気相法などによりＮｉＦｅがＴａ膜上に成膜される際、その初期段階から、（１１１）面配向の結晶成長が促進されることになる。すなわち、単一の配向の結晶化が促進されてしまう。その結果、成膜されるＮｉＦｅの表面平均粗さが増大してしまう。Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｈｆといった材料が下地層に用いられる場合でも、同じ結果となる。

本発明の目的は、トップピン型の磁気抵抗素子に含まれる磁化自由層に関して、単一配向の結晶成長を抑制することができる技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、優れた平滑性を有する磁化自由層を備えたトップピン型の磁気抵抗素子を提供することにある。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の第１の観点において、トップピン型の磁気抵抗素子（３０）が提供される。その磁気抵抗素子（３０）は、下地層（３２）と、下地層（３２）上に形成された磁化自由層（３３）と、磁化自由層（３３）上に非磁性層（３４）を介して形成された磁化固定層（３５）とを備える。下地層（３２）は、結晶性の金属材料で形成される。下地層（３２）の結晶は、複数種類の結晶配向成分を含む。本発明によれば、複数種類の結晶配向成分のうち２種類以上（（００１）、（１０１））が磁化自由層（３３）に接触する。

本発明の第２の観点において、トップピン型の磁気抵抗素子（３０）が提供される。その磁気抵抗素子（３０）は、下地層（３２）と、下地層（３２）上に形成された磁化自由層（３３）と、磁化自由層（３３）上に非磁性層（３４）を介して形成された磁化固定層（３５）とを備える。下地層（３２）は、結晶性の金属材料で形成される。本発明によれば、下地層（３２）の厚さ（ｄ）は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

本発明の第３の観点において、トップピン型の磁気抵抗素子（３０）が提供される。その磁気抵抗素子（３０）は、下地層（３２）と、下地層（３２）上に形成された磁化自由層（３３）と、磁化自由層（３３）上に非磁性層（３４）を介して形成された磁化固定層（３５）とを備える。下地層（３２）は、結晶性の金属材料で形成される。下地層（３２）の結晶は、複数種類の結晶配向成分を有する。その複数種類の結晶配向成分は、上記結晶中で最も大きい第１体積を有する第１結晶配向成分（００１）と、上記結晶中で２番目に大きい第２体積を有する第２結晶配向成分（１０１）とを含む。本発明によれば、第１体積の第２体積に対する比は１より大きく３．８以下である。

本願発明者の実験によれば、上記構造を有する下地層（３２）を用いることによって、磁化自由層（３３）の単一配向の結晶成長が抑制されることが判明した。すなわち、上記構造を有する下地層（３２）上に磁化自由層（３３）が成膜されると、その磁化自由層（３３）の表面平均粗さ（Ｒａ）が十分小さくなることが判明した。このように、本発明によれば、優れた平滑性を有する磁化自由層（３３）が形成される。磁化自由層（３３）と非磁性層（３４）との界面が平滑であると、非磁性層（３４）の膜厚が均一となる。その場合、読み出し特性に寄与するＭＲ比が向上する。また、ＭＴＪ抵抗値のばらつきも抑制される。更に、微小リークパスの出現が防止され、抵抗不良素子の発生頻度が低減される。

本発明によれば、読み出し特性に寄与するＭＲ比の高い磁気抵抗素子を提供することが可能となる。また、ＭＴＪ抵抗値のばらつきが小さい磁気抵抗素子を提供することが可能となる。更に、抵抗不良の発生頻度の低い磁気抵抗素子を提供することが可能となる。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗素子を説明する。本実施の形態に係る磁気抵抗素子は、ＭＲＡＭにおいてメモリセルとして使用されるトップピン型の磁気抵抗素子である。

１．原理
まず、本実施の形態に係る磁気抵抗素子に適用される原理を説明する。磁化自由層を形成するための「最適な下地層」を求めるために、本願発明者は、サンプルを用いて実験を行なった。

図３は、実験に用いられたサンプルの積層構造を示す側面図である。図３に示されるように、サンプルは、熱酸化シリコン基板１０、Ｒｕ膜１１、及びＮｉＦｅ膜１２からなる積層構造を有する。Ｒｕ膜１１は、熱酸化シリコン基板１０上に、スパッタリング法により成膜される。そのＲｕ膜１１の膜厚ｄは、様々な値に設計された。ＮｉＦｅ膜１２は、Ｒｕ膜１１上に、スパッタリング法により成膜される。そのＮｉＦｅ膜１２の膜厚は１０ｎｍである。この積層構造中、Ｒｕ膜１１が「下地層」に相当し、ＮｉＦｅ膜１２が「磁化自由層」に相当する。

図４は、様々な膜厚ｄ（３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ）のＲｕ膜１１に関して得られたＸ線回折パターンを示すグラフである。このＸ線回折パターンは、例えば、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折実験（θ−２θ測定）によって得られる。図４において、横軸は、Ｘ線回折の位置２θを示している。図４から、膜厚ｄが小さいときは、「００１反射」と「１０１反射」が同程度の強さで現れることがわかる。また、膜厚ｄが大きくなるにつれ、「００１反射」の強度が優勢になることがわかる。このことは、Ｒｕ結晶成長の初期段階では結晶配向が３次元的にランダムであり、膜厚ｄの増加に伴い（００１）結晶配向成分が占める割合が増加することを意味している。特に、膜厚ｄが１０ｎｍを超えると、（００１）配向の結晶粒が占める割合が高くなる。

図５Ａ及び図５Ｂは、図４で示された実験結果から推察されるＲｕ結晶の成長の模様を示す模式図である。図５Ａは、膜厚ｄが比較的小さい場合の結晶構造を示し、図５Ｂは、膜厚ｄが比較的大きい場合の結晶構造を示している。まず、膜厚ｄが小さい場合、図５Ａに示されるように、（００１）結晶配向成分の他に、（１０１）結晶配向成分もＲｕ膜１１の表面に露出している。従って、「００１反射」と「１０１反射」が同程度の強さで現れる。一方、膜厚ｄが大きくなると、図５Ｂに示されるように、Ｒｕ膜１１の表面に露出する（００１）結晶配向成分の割合が増える。その結果、「００１反射」の強度が優勢になる。

この傾向は、それぞれの結晶面の表面エネルギーに基づいて説明することが可能である。Ｒｕの結晶面のうち、表面エネルギーが最低の結晶面は（００１）結晶面であり、（００１）結晶配向成分の成長速度が最も大きい。また、表面エネルギーが２番目に低い結晶面は（１０１）結晶面であり、（１０１）結晶配向成分の成長速度が２番目に大きい。古典的なＰａｉｒｗｉｓｅモデルによれば、（１０１）結晶面の表面エネルギーは、（００１）結晶面の表面エネルギーの１．０２倍であり、比較的小さい。このように表面エネルギーの差が僅かであるため、結晶成長の初期段階では、（００１）結晶配向成分と（１０１）結晶配向成分とは、結晶中に混在することができる。Ｒｕ膜１１の膜厚ｄがある程度の値を超えるまでは、（００１）結晶配向成分の優位性は顕著にならない。これは、図４で示された実験結果と一致する。

また、（００１）結晶配向成分と（１０１）結晶配向成分との体積比率を、図４で示された測定結果から見積もることができる。以下、「００１反射」の強度は“Ｉ００１”と参照され、「１０１反射」の強度は“Ｉ１０１”と参照される。また、結晶中の（００１）結晶配向成分の体積は“Ｖ（００１）”と参照され、（１０１）結晶配向成分の体積は“Ｖ（１０１）”と参照される。配向が３次元的にランダムである場合、強度比Ｉ００１／Ｉ１０１は０．３５である（参考：Powder Diffraction File: Joint Committee on Powder Diffraction Standards, 06-0663）。一方、図４から、膜厚ｄが５ｎｍのときの強度比Ｉ００１／Ｉ１０１は、０．８と算出される。同様に、膜厚ｄが１０ｎｍ及び１５ｎｍのときの強度比Ｉ００１／Ｉ１０１は、それぞれ１．３及び２．１と算出される。ここで、反射強度が結晶配向成分の体積に比例すると仮定する。この場合、膜厚ｄが５ｎｍ、１０ｎｍ、及び１５ｎｍのそれぞれの場合に関して、体積比Ｖ（００１）／Ｖ（１０１）は、それぞれ２．３、３．８、及び５．９と見積もられる。

このように様々な膜厚ｄを有するＲｕ膜１１上に、ＮｉＦｅ膜１２が成膜される。

図６は、様々なサンプルに関して得られたＸ線回折パターンを示すグラフである。このＸ線回折パターンは、例えば、Ｃｕ−Ｋα線を用いたＸ線回折実験（θ−２θ測定）によって得られる。図６には、Ｒｕ膜１１の膜厚ｄが３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍの場合に加えて、Ｒｕ膜１１が無い場合（ｄ＝０）の測定結果も示されている。図６から、ＮｉＦｅ膜１２に関する「１１１反射」は、下地層としてのＲｕ膜１１の膜厚ｄが大きくなるにつれて強くなることがわかる。この結果は、次のようにして解釈することができる。

まず、前提として、ＮｉＦｅの（１１１）結晶配向成分は、Ｒｕの（００１）結晶配向成分上で良好にエピタキシャル成長することが知られている。よって、Ｒｕ膜１１の表面に露出するＲｕの（００１）結晶配向成分の割合が大きくなるにつれ、ＮｉＦｅの（１１１）結晶配向成分のエピタキシャル成長は促進される。

図４及び図５Ａに示されたように、膜厚ｄが比較的小さい間、（００１）結晶配向成分の他に、（１０１）結晶配向成分もＲｕ膜１１の表面に露出している。よって、そのＲｕ膜１１は、ＮｉＦｅの（１１１）結晶配向成分にとって良好なシードとはならない。そのＲｕ膜１１上に成長するＮｉＦｅに関して、（１１１）結晶配向成分のエピタキシャル成長はさほど促進されない。すなわち、単一配向のＮｉＦｅ結晶成長が抑制され、ＮｉＦｅ膜１２の表面平均粗さは小さくなる。

一方、図４及び図５Ｂに示されたように、膜厚ｄが大きくなると、Ｒｕ膜１１の表面に露出する（００１）結晶配向成分の割合が増える。特に、膜厚ｄが１０ｎｍを超えると、Ｒｕ膜１１の表面に露出するのは主に（００１）結晶配向成分になると考えられる。このようなＲｕ膜１１は、ＮｉＦｅの（１１１）結晶配向成分にとって良好なシードとなる。そのＲｕ膜１１上に成長するＮｉＦｅに関して、（１１１）結晶配向成分のエピタキシャル成長は十分に促進されてしまう。すなわち、単一配向のＮｉＦｅ結晶成長が促進され、ＮｉＦｅ膜１２の表面平均粗さは大きくなってしまう。

このように、下地層としてのＲｕ膜１１上のＮｉＦｅ結晶成長は、そのＲｕ膜１１の膜厚ｄに大きく依存していることがわかる。単一配向のＮｉＦｅ結晶成長を抑制するためには、膜厚ｄが１０ｎｍ以下に設計されることが好適である。それにより、ＮｉＦｅ膜１２の表面平均粗さを小さくすることが可能となる。

図７は、Ｒｕ膜１１の膜厚ｄとＮｉＦｅ膜１２表面の平均粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。平均粗さ（Roughness Average）は、原子間力顕微鏡（AFM: Atomic Force Microscope）により測定される。図７から、膜厚ｄが大きくなるにつれ、ＮｉＦｅ膜１２表面の平均粗さＲａも大きくなることがわかる。この傾向は、上記説明と一致している。ＭＲＡＭの大容量化や高歩留まりの観点からは、磁化自由層表面の平均粗さＲａは０．３ｎｍ以下であることが望ましい。図７から、膜厚ｄが１０ｎｍ以下であると、その基準が満たされることが確認される。特に、膜厚ｄが５ｎｍ以下の場合、極めて小さい平均粗さＲａが実現される。よって、Ｒｕ膜１１の膜厚ｄは５ｎｍ以下に設計されると特に好適である。

更に、下地層の材料として従来技術のようにＴａが用いられたサンプルとの比較も行われた。

図８は、下地材料がＲｕの場合と下地材料がＴａの場合の、ＮｉＦｅ膜１２に関するＸ線回折パターンを示している。ここで、下地層としてのＲｕ膜の膜厚とＴａ膜の膜厚とは、共に５ｎｍに設定されている。図８においては、更に、下地材料が酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の場合のＸ線回折パターンも比較として示されている。図８から、Ｔａの場合、ＮｉＦｅの「１１１反射」の強度が極めて強くなることが分かる。これは、（１１１）配向のＮｉＦｅ結晶成長が優先的に促進されてしまったことを意味する。逆に、Ｒｕの場合、ＮｉＦｅの「１１１反射」の強度が極めて弱くなることがわかる。これは、（１１１）配向のＮｉＦｅ結晶成長が抑制されていることを意味する。

図９は、下地材料とＮｉＦｅ膜１２表面の平均粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。平均粗さＲａは、原子間力顕微鏡により測定される。図９から明らかなように、下地材料がＲｕの場合の平均粗さＲａは、下地材料がＴａの場合よりも小さくなっている。更に、下地材料がＲｕの場合の平均粗さＲａは、平均粗さが極めて小さい酸化シリコンの場合と比較してもわずかに小さいことも分かる。ＭＲＡＭの大容量化や高歩留まりの観点からは、磁化自由層表面の平均粗さＲａは０．３ｎｍ以下であることが望ましい。図９に示されるように、下地材料がＴａの場合は、その基準を達成することができない。一方、下地材料がＲｕの場合は、その基準が満たされている。

以上の説明をまとめると、単一配向のＮｉＦｅ結晶成長を抑制するためには、次のポイントが重要であると考えられる。
（１）下地層が、結晶性の金属材料で形成される。
（２）その下地層の結晶面の表面エネルギーのうち、最小の表面エネルギーと２番目に小さい表面エネルギーとの差が小さい。
（３）その下地層の膜厚が小さい。

これらの要求が満たされるとき、その下地層の表面には、表面エネルギーが最小の結晶面と共に、それ以外の結晶面が露出する（図５Ａ参照）。そのような下地層の表面上に、結晶性の磁性膜が成膜される。この場合、複数種類の結晶面上に磁性結晶が成長するため、単一配向の結晶成長が進行しにくくなる。その結果、磁性膜の表面での平均粗さＲａが低減される。上記要求を満たす下地材料は、Ｒｕ（ルテニウム）に限られない。下地材料として、Ｔｃ（テクチニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、またはこれらの金属元素のうちの少なくとも１つを原子比で５０％以上含む合金が用いられても、同様の状態（図５Ａ参照）が実現される。

尚、上述の説明では、下地層の膜厚ｄを調整することにより、結晶配向が制御され、図５Ａに示された状態が実現されていた。その他に、成膜条件を調整することにより、その状態が実現されてもよい。例えば、スパッタリング法により下地層が形成される場合、スパッタリングガスの分圧、スパッタリング電力、基板とターゲットの位置関係などが制御されればよい。あるいは、下地層の下に、下地層のためのシード層が設けられてもよい。このシード層により、下地層の結晶配向を制御し、図５Ａで示された状態を実現することも可能である。

２．磁気抵抗素子
本実施の形態に係る磁気抵抗素子には、上記第１節で説明された原理が適用される。すなわち、本実施の形態に係る磁気抵抗素子では、上述の手法に基づいて下地層並びに磁化自由層が作成される。

２−１．全体構造
図１０は、本実施の形態に係る磁気抵抗素子（メモリセル）３０の積層構造を示す側面図である。図１０に示されるように、基板３１側から、下地層３２、磁化自由層３３、トンネル絶縁層３４、磁化固定層３５、及び反強磁性層３６が順番に積層されている。つまり、磁気抵抗素子３０は、トップピン型の積層構造を有している。

磁化自由層３３（フリー層）は、下地層３２上に形成されている。磁化自由層３３は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏなどの強磁性体を含んでおり、その磁化の向きは反転可能である。例えば、磁化自由層３３は、ＮｉＦｅで形成されている。磁化自由層３３は、複数の磁性膜が非磁性膜を介して磁気的に結合した積層フェリ構造を有していてもよい。

トンネル絶縁層３４（トンネルバリア層）は、磁化自由層３３上に形成されている。このトンネル絶縁層３４は非磁性層である。例えば、トンネル絶縁層３４は、薄いＡｌ_２Ｏ_３層である。

磁化固定層３５（ピン層）は、トンネル絶縁層３４上に形成されている。磁化固定層３５は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏなどの強磁性体を含んでおり、その磁化の向きは、反強磁性層３６によって固定されている。例えば、磁化固定層３５は、ＣｏＦｅで形成されている。磁化固定層３５は、複数の磁性膜が非磁性膜を介して磁気的に結合した積層フェリ構造を有していてもよい。

トンネル絶縁層３４は、磁化自由層３３と磁化固定層３５に挟まれており、これら磁化自由層３３、トンネル絶縁層３４、及び磁化固定層３５によって、ＭＴＪが形成されている。磁化自由層３３の磁化の向きは、磁化固定層３５の磁化に対して平行、反平行のいずれかになることが許される。反平行状態でのＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、磁気抵抗効果により、平行状態での抵抗値（Ｒ）よりも大きくなる。磁気抵抗素子３０は、この抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶することができる。

２−２．下地層
本実施の形態に係る下地層３２は、結晶性の金属材料で形成されている。また、本実施の形態に係る下地層３２は、図５Ａで示されたような結晶構造を有している。つまり、下地層３２は、複数種類の結晶配向成分（（００１）、（１０１）・・・）を有しており、それらのうち２種類以上の結晶配向成分が磁化自由層３３に接触している。言い換えれば、下地層３２の表面には、表面エネルギーが最小の結晶面と共に、それ以外の結晶面も存在している。それら複数の結晶面が、磁化自由層３３に接触している。図５Ａに示された例の場合、（００１）結晶面と（１０１）結晶面が、磁化自由層３３に接触することになる。

図５Ａで示されたような状態を実現するためには、下地層３２の最小の表面エネルギーと２番目に小さい表面エネルギーとの差が小さいことが重要である。そのような材料としては、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｔｃ（テクチニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、またはこれらの金属元素のうちの少なくとも１つを原子比で５０％以上含む合金などが例示される。

また、以下の説明のため、下地層３２が有する複数種類の結晶配向成分は、「第１結晶配向成分」と「第２結晶配向成分」を含むとする。第１結晶配向成分の表面エネルギーが最小であり、第１結晶配向成分の成長速度が最も大きいとする。また、第２結晶配向成分の表面エネルギーが２番目に小さく、第２結晶配向成分の成長速度が２番目に大きいとする。よって、下地層３２の結晶中、第１結晶配向成分の体積Ｖ１が最大であり、第２結晶配向成分の体積Ｖ２が２番目に大きい（Ｖ１＞Ｖ２、Ｖ１／Ｖ２＞１）。図５Ａに示された例の場合、第１結晶配向成分は（００１）配向成分であり、第２結晶配向成分は（１０１）配向成分である。

下地層３２の膜厚が増加するにつれて、体積Ｖ１と体積Ｖ２との差は開き、結晶中で第１結晶配向成分がより支配的となっていく（図５Ａ及び図５Ｂ参照）。よって、下地層３２の膜厚に関して、図５Ａで示されたような状態が実現され得る“ある上限値”が存在するはずである。その上限値は、最小の表面エネルギーと２番目に小さい表面エネルギーとの比率（差）で決まる。２つの表面エネルギーの差が小さいほど、第１結晶配向成分と第２結晶配向成分との間の結晶成長速度の差も小さくなる。結果として、図５Ａで示されたような状態を実現可能な膜厚の上限値も大きくなる。

上述のＲｕ膜１１を用いた実験では、その膜厚ｄが１０ｎｍ以下のときに、結晶配向が有効に制御されていた（図４、図６、図７参照）。第１節中の議論の通り、膜厚ｄが１０ｎｍの場合は、体積比Ｖ１／Ｖ２（＝Ｖ（００１）／Ｖ（１０１））が“３．８”の場合に相当する。このように、下地層３２の膜厚の上限値を、体積比Ｖ１／Ｖ２の上限値に置き換えることが可能である。この体積比Ｖ１／Ｖ２の上限値は、Ｒｕに限らず、他の下地材料の場合にも適用可能である。本実施の形態では、体積比Ｖ１／Ｖ２が１より大きく３．８以下であることが好適である。

下地材料がＲｕの場合、第１節で示された実験結果から明らかなように、下地層３２の膜厚は１０ｎｍ以下であることが好適である（図４、図６、図７参照）。その場合、磁化自由層３３の表面平均粗さＲａは、０．３ｎｍ以下となる。特に、図７に示されたように、下地層３２の膜厚が５ｎｍ以下の場合、極めて小さい平均粗さＲａが実現される。よって、下地層３２の膜厚は５ｎｍ以下に設計されると特に好適である。

また、磁気抵抗素子３０がＭＲＡＭで用いられる場合、図１０中の下地層３２の下には一般的に層間絶縁膜が形成される。その場合、下地層３２は、磁化自由層３３の結晶成長をコントロールするだけでなく、拡散バリアとしても機能する。拡散バリアとしての効果の観点からは、下地層３２の膜厚は０．５ｎｍ以上であることが好ましい。すなわち、本実施の形態において、下地層３２の膜厚は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。下地層３２の膜厚が０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である場合、更に好適である。

３．効果
上記構造を有する下地層３２を用いることによって、磁化自由層３３の単一配向の結晶成長を抑制することが可能となる。つまり、上記構造を有する下地層３２上に磁化自由層３３を成膜することにより、その磁化自由層３３の表面平均粗さＲａを十分小さくすることが可能となる。よって、優れた平滑性を有する磁化自由層３３を備えた磁気抵抗素子３０が得られる。

磁化自由層３３とトンネル絶縁層３４との界面が平滑であると、トンネル絶縁層３４の膜厚が均一となる。その場合、読み出し特性（読み出し信号強度）に寄与するＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）が向上する。また、トンネル絶縁層３４の膜厚が均一となるため、ＭＴＪ抵抗値のばらつきも抑制される。更に、微小リークパスの出現が防止され、抵抗不良素子の出現頻度が低減される。

更に、磁化自由層３３の表面が平滑であれば、その上に形成される磁化固定層３５や反強磁性層３６の表面も平滑になり、それらの膜厚も均一となる。磁化固定層３５と反強磁性層３６との界面も平滑となる。これは、磁化固定層３５の磁気特性が向上することを意味する。例えば、磁化固定層３５と反強磁性層３６との界面の平均粗さが大きいと、固定されているべき磁化固定層３５の磁化が回転しやすくなる。それは、デバイスの動作不良を招く。本発明によれば、磁化固定層３５と反強磁性層３６の磁気特性が向上し、そのような動作不良が防止される。

尚、本発明は下地層３２が結晶化していることを特徴として有するが、その結晶化は、「短範囲での結晶化（Short Range Ordering）」も含んでいる。短範囲での結晶化でも、同等の効果が得られる。下地層３２の膜厚が１ｎｍ以下と小さくても、短範囲での結晶化は進行するため、同等の効果が得られる。更に、磁化自由層３３の材料は、ＮｉＦｅに限られない。磁化自由層３３の材料が結晶性の材料であれば、同等の効果が得られる。

図１は、従来のボトムピン型の磁気抵抗素子の積層構造を示す側面図である。図２は、従来のトップピン型の磁気抵抗素子の積層構造を示す側面図である。図３は、本願発明者による実験に用いられたサンプルの積層構造を示す側面図である。図４は、様々な膜厚のＲｕ膜に関して得られたＸ線回折パターンを示すグラフである。図５Ａは、膜厚が比較的小さい場合のＲｕ膜の結晶構造を示す模式図である。図５Ｂは、膜厚が比較的大きい場合のＲｕ膜の結晶構造を示す模式図である。図６は、様々な膜厚のＲｕ膜を有するサンプルに関して得られたＸ線回折パターンを示すグラフである。図７は、Ｒｕ膜の膜厚とＮｉＦｅ膜表面の平均粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。図８は、様々な下地材料を有するサンプルに関して得られたＸ線回折パターンを示すグラフである。図９は、下地材料とＮｉＦｅ膜表面の平均粗さ（Ｒａ）との関係を示すグラフである。図１０は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗素子（メモリセル）の積層構造を示す側面図である。

符号の説明

１基板
２反強磁性層
３磁化固定層
４トンネル絶縁層
５磁化自由層
１０酸化シリコン基板
１１Ｒｕ膜
１２ＮｉＦｅ膜
３０磁気抵抗素子（メモリセル）
３１基板
３２下地層
３３磁化自由層
３４トンネル絶縁層
３５磁化固定層
３６反強磁性層

Claims

下地層と、
前記下地層上に形成され、磁化の向きが反転可能な磁化自由層と、
前記磁化自由層上に非磁性層を介して形成され、磁化の向きが固定された磁化固定層と
を備え、
前記下地層は、結晶性の金属材料で形成され、
前記下地層の結晶は、複数種類の結晶配向成分を有し、
前記複数種類の結晶配向成分のうち２種類以上が前記磁化自由層に接触する
磁気抵抗素子。
請求項１に記載の磁気抵抗素子であって、
前記複数の結晶配向成分は、
前記結晶中で最も大きい第１体積を有する第１結晶配向成分と、
前記結晶中で２番目に大きい第２体積を有する第２結晶配向成分と
を含み、
前記第１体積の前記第２体積に対する比は１より大きく３．８以下である
磁気抵抗素子。
請求項２に記載の磁気抵抗素子であって、
前記下地層は、Ｒｕ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びこれらの元素のうちの少なくとも１つを原子比で５０％以上含む合金から構成された群から選択される材料で形成された
磁気抵抗素子。
請求項１に記載の磁気抵抗素子であって、
前記下地層は、Ｒｕで形成された
磁気抵抗素子。
請求項４に記載の磁気抵抗素子であって、
前記下地層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
磁気抵抗素子。
請求項５に記載の磁気抵抗素子であって、
前記下地層の厚さは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下である
磁気抵抗素子。
請求項４に記載の磁気抵抗素子であって、
前記下地層の結晶は、
第１体積を有する（００１）結晶配向成分と、
第２体積を有する（１０１）結晶配向成分と
を有し、
前記第１体積の前記第２体積に対する比は１より大きく３．８以下である
磁気抵抗素子。
下地層と、
前記下地層上に形成され、磁化の向きが反転可能な磁化自由層と、
前記磁化自由層上に非磁性層を介して形成され、磁化の向きが固定された磁化固定層と
を備え、
前記下地層は、結晶性の金属材料で形成され、
前記下地層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
磁気抵抗素子。
下地層と、
前記下地層上に形成され、磁化の向きが反転可能な磁化自由層と、
前記磁化自由層上に非磁性層を介して形成され、磁化の向きが固定された磁化固定層と
を備え、
前記下地層は、結晶性の金属材料で形成され、
前記下地層の結晶は、複数種類の結晶配向成分を有し、
前記複数種類の結晶配向成分は、
前記結晶中で最も大きい第１体積を有する第１結晶配向成分と、
前記結晶中で２番目に大きい第２体積を有する第２結晶配向成分と
を含み、
前記第１体積の前記第２体積に対する比は１より大きく３．８以下である
磁気抵抗素子。
請求項１乃至９のいずれかに記載された磁気抵抗素子をメモリセルとして備える
磁気ランダムアクセスメモリ。