JP2011086944A

JP2011086944A - 垂直磁化磁性層を有する磁気トンネル接合構造

Info

Publication number: JP2011086944A
Application number: JP2010232405A
Authority: JP
Inventors: Byoung Chul Min; ビョンチョルミン; Gyung Min Choi; ギュンミンチェ; Kyung Ho Shin; キュンホシン
Original assignee: Korea Institute of Science and Technology KIST
Current assignee: Korea Institute of Science and Technology KIST
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: JP5373733B2; US8319297B2; US20110089508A1; KR101096517B1; KR20110042657A

Abstract

【課題】自由磁性層及び固定磁性層の磁化方向を垂直に維持することにより、スイッチングに必要な臨界電流値を下げ、素子サイズを小さくしても熱的安定性を維持することのできる磁気トンネル接合構造を提供する。
【解決手段】固定磁化方向を有する第１磁性層１０、反転可能な磁化方向を有する第２磁性層２０、第１と第２磁性層との間に形成される非磁性層７０、第１磁性層との磁性結合により第１磁性層の磁化方向が薄膜面に対して垂直となるようにし、垂直磁気異方性エネルギーが水平より大きい第３磁性層３０、第１と第３磁性層との間に形成され、該２層の結晶配向性を分離する第１結晶構造分離層５０、第２磁性層との磁性結合により第２磁性層の磁化方向が薄膜面に対して垂直となるようにし、垂直磁気異方性エネルギーが水平より大きい第４磁性層４０、第２と第４磁性層との間に形成され、該２層の結晶配向性を分離する第２結晶構造分離層６０を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直異方性自由層を有する磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction; MTJ）構造に関する。

実用化が進められている磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory; MRAM）においては、メモリセルに磁気抵抗素子として強磁性トンネル接合を形成する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を利用している。ＭＴＪ素子は、主に磁性層／非磁性層／磁性層からなる３層膜で構成され、電流は非磁性層（トンネル障壁層）をトンネルして流れる。他のＭＴＪ素子の構造として、磁界感度の改善を目的として一方の磁性層に隣接して反強磁性層を配置し、磁化方向を固定した、いわゆるスピンバルブ構造が知られている。

一般に、このようなＭＲＡＭの場合、磁界により単位セルを構成する強磁性体の磁化状態を変化させる。近年、これとは異なり、電流を印加して強磁性体の磁化状態を変化させる、電流印加方式の磁気抵抗素子が注目されている。電流印加方式の磁気抵抗素子とは、磁場を印加することにより磁性層の磁化方向を制御する通常の磁気抵抗素子とは異なり、電流を印加することにより磁性層の磁化方向を制御する素子をいう。

電流印加方式の磁気抵抗素子が情報を読み取る方式は、磁界印加方式のＭＴＪ素子又はＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子を利用する場合と同様である。素子は、自由磁性層と固定磁性層間の相対的な磁化方向が平行であれば、低い抵抗値を有し、自由磁性層と固定磁性層間の相対的な磁化方向が反平行であれば、高い抵抗値を有するが、これはそれぞれデジタル情報「０」と「１」に対応させることができる。

電流印加方式の磁気抵抗素子と磁界印加方式のＭＴＪ素子又はＧＭＲ素子との重要な相違点は、情報を記録する方式にある。固定磁性層と自由磁性層の磁化方向が逆であり、電子が固定磁性層から自由磁性層に移動する場合は、固定磁性層によりスピン分極された電流が自由磁性層に注入される。このとき、電子のスピン角運動量が自由磁性層に伝達され、電子のスピン角運動量が所定の程度を超えると、自由磁性層の磁化方向が固定磁性層と同じ方向に反転する。それに対して、固定磁性層と自由磁性層の磁化方向が同一であり、電子が自由磁性層から固定磁性層に移動する場合は、固定磁性層と同じ方向のスピンを有する電子は固定磁性層に引き込まれて通過し、固定磁性層とは逆方向のスピンを有する電子の一部は非磁性層と固定磁性層の界面で反射して自由磁性層に戻ってくる。この電子が自由磁性層のスピン方向とは逆方向にトルクを作用させることにより、自由磁性層の磁化方向を反転させて、２つの磁性層の磁化方向を反平行にする。

その他、電流印加方式の磁気抵抗素子は、同じ原理を利用してマイクロ波領域の周波数帯域で電流による発振素子に応用することもできる。

このような電流印加方式の磁気抵抗素子においては、磁化方向の反転に必要な電流が大きいという問題があり、素子を駆動するための駆動回路の構成が難しい。一般に、電流印加方式の磁気抵抗素子を利用してメモリを構成するためには、各素子に１つのトランジスタを接続する。通常、１つのトランジスタが取り扱える電流の大きさが限られており、より大きな電流を流すためには、トランジスタのサイズを大きくしなければならない。

このような問題は、素子の駆動に必要な電力の増加を招くだけでなく、素子の集積度にも否定的な影響を及ぼす。そこで、電流印加方式の磁気抵抗素子においては、磁化方向の反転に必要な電流を低減することが要求される。

また、素子のサイズが小さくなるにつれて、熱的揺動により磁化方向を変えることが可能になり、記録された情報を失う恐れがある。これを防止するためには、磁気異方性エネルギー（ＫＶ、ここでＫは異方性エネルギー密度、Ｖは素子の体積）を熱エネルギー（ｋ_BＴ、ここでｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは温度）より大きくする必要がある。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたもので、再生信号値を増加させるとともに磁化反転に必要な臨界電流値を下げた磁気トンネル接合構造を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、高いスピン分極率と高い磁気抵抗比が得られる磁気トンネル接合構造を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、数十ナノサイズで素子を製作しても熱的揺動により記録された情報を失うことのない構造を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、熱処理過程などの後工程及びメモリ動作において安定性が向上した磁気トンネル接合構造を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、固定された磁化方向を有する第１磁性層と、反転可能な磁化方向を有する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に形成される非磁性層（トンネル障壁層）と、前記第１磁性層との磁性結合により前記第１磁性層の磁化方向が薄膜面に対して垂直となるようにし、垂直磁気異方性エネルギーが水平磁気異方性エネルギーより大きい第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に形成され、前記第１磁性層の結晶配向性と前記第３磁性層の結晶配向性を分離する第１結晶構造分離層と、前記第２磁性層との磁性結合により前記第２磁性層の磁化方向が薄膜面に対して垂直となるようにし、垂直磁気異方性エネルギーが水平磁気異方性エネルギーより大きい第４磁性層と、前記第２磁性層と前記第４磁性層との間に形成され、前記第２磁性層の結晶配向性と前記第４磁性層の結晶配向性を分離する第２結晶構造分離層とを含むことを特徴とする磁気トンネル接合構造を提供する。

本発明によれば、第一に、磁気トンネル接合構造の構成において、非磁性層（トンネル障壁層）に隣接する第１磁性層に垂直磁気異方性エネルギーの大きい第３磁性層を磁気的に結合させて、前記第１磁性層と前記第３磁性層間の磁性結合により、電流非印加時の前記第１磁性層の磁化方向を前記第１磁性層の平面に対して垂直方向に維持することにより、磁化反転に必要な臨界電流値を下げ、熱的安定性を向上させることができる。

第二に、結晶構造分離層の導入により、第３磁性層又は第４磁性層の構成物質として面心立方（Face Centered Cubic; FCC）格子構造、稠密六方（Hexagonal Close-Packed; HCP）格子構造、又は面心正方（Face Centered Tetragonal; FCT）格子構造を有する垂直磁気異方性物質を導入しても、体心立方（Body Centered Cubic; BCC）格子構造を有する場合に最も優れた特性（例えば、コヒーレントトンネル（coherent tunneling）特性）を示す第１磁性層及び第２磁性層の結晶構造を破壊せず、高い磁気抵抗比とともに磁化方向を垂直にすることができる。

本発明による磁気トンネル接合構造の断面概略図である。下地層（バッファ層）をさらに含む場合における磁気トンネル接合構造の断面概略図である。合金と多層薄膜系を用いて実現した図２に示す構造における２７０℃で熱処理した後の磁化−磁場曲線である。

以下、本発明の様々な構成を説明する。

本発明による磁気トンネル接合構造は、固定された磁化方向を有する第１磁性層と、反転可能な磁化方向を有する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に形成される非磁性層（トンネル障壁層）と、前記第１磁性層との磁性結合により前記第１磁性層の磁化方向が薄膜面に対して垂直となるようにし、垂直磁気異方性エネルギーが水平磁気異方性エネルギーより大きい第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に形成され、前記第１磁性層の結晶配向性と前記第３磁性層の結晶配向性を分離する第１結晶構造分離層と、前記第２磁性層との磁性結合により前記第２磁性層の磁化方向が薄膜面に対して垂直となるようにし、垂直磁気異方性エネルギーが水平磁気異方性エネルギーより大きい第４磁性層と、前記第２磁性層と前記第４磁性層との間に形成され、前記第２磁性層の結晶配向性と前記第４磁性層の結晶配向性を分離する第２結晶構造分離層とを含む。

ここで、前記非磁性層は、絶縁体又は半導体を含むようにしてもよく、絶縁体としては、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、及びＹｂ₂Ｏ₃からなる群から選択された少なくとも１つを使用する。

前記第１磁性層は、磁性層／非磁性層／磁性層の積層構造を有するようにしてもよく、前記第１磁性層及び前記第２磁性層は、ＦｅＸ、ＣｏＸ、ＮｉＸ、ＦｅＣｏＸ、ＣｏＮｉＸ、又はＮｉＦｅＸ（ここで、ＸはＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つ）を含むようにしてもよい。

また、その格子構造において、前記第１磁性層及び前記第２磁性層は、それぞれ体心立方（ＢＣＣ）格子構造を有し、前記第３磁性層及び前記第４磁性層は、それぞれ面心立方（ＦＣＣ）、面心正方（ＦＣＴ）、又は稠密六方（ＨＣＰ）格子構造を有するようにしてもよい。

また、前記第３磁性層及び前記第４磁性層の磁化容易軸（magnetic easy axis）は、それぞれ前記第１磁性層及び前記第２磁性層の平面に対して垂直方向に配向されるようにし、前記第３磁性層及び前記第４磁性層の磁化方向がそれぞれ前記第３磁性層及び前記第４磁性層の平面に対して傾斜した角度は、６０゜≦θ≦１２０゜にしてもよい。

また、前記第３磁性層及び前記第４磁性層は、それぞれＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、及びＭｎＡｌからなる群から選択された少なくとも１つなどの面心正方構造を有する合金を含むようにしてもよく、Ｃｏ₃Ｐｔ合金又はＣｏＣｒＰｔ合金などの稠密六方構造を有する合金を含むようにしてもよい。また、前記第３磁性層及び前記第４磁性層は、それぞれＦｅ₁₄Ｎｄ₂Ｂ又はＳｍＣｏ₅などの希土類遷移金属合金を含むようにしてもよく、［Ｃｏ／Ｐｔ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｐｔ］_n、［Ｃｏ／Ｐｄ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｐｄ］_n、［Ｃｏ／Ｎｉ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｎｉ］_n、又は［Ｎｉ／Ｐｔ］_n（ここで、ｎは１から１０の数字、ＸはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｇｄ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つ）の多層薄膜を含むようにしてもよい。

一方、前記第１結晶構造分離層及び前記第２結晶構造分離層は、非晶質構造を有し、２００〜６００℃の温度で熱処理しても非晶質構造が維持される物質を含むようにしてもよく、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｈｆ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＲｈからなる群から選択された少なくとも１つを含むようにしてもよい。

一方、本発明による磁気トンネル接合構造は、前記第３磁性層の下に形成される、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔａ、及びダイヤモンド状炭素からなる群から選択された少なくとも１つを含む下地層をさらに含んでもよい。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施状態を詳細に説明する。

本発明の各実施形態による磁気トンネル接合構造は、第１磁性層１０、第２磁性層２０、第３磁性層３０、第４磁性層４０、第１結晶構造分離層５０、第２結晶構造分離層６０、及び非磁性層（トンネル障壁層）７０を含む。

ここで、第１磁性層１０、第１結晶構造分離層５０、及び第３磁性層３０は、固定磁性層又は固定磁化層ともいい、第２磁性層２０、第２結晶構造分離層６０、及び第４磁性層４０は、自由磁性層又は自由磁化層ともいう。

第１磁性層の構成は次のとおりである。

第１磁性層１０は、固定された磁化方向を有する固定磁性層であって、垂直磁気異方性を有し、非磁性層７０により第２磁性層２０と分離されている。第１磁性層１０及び第２磁性層２０の磁化方向は、物質自体の垂直磁気異方性又はそれぞれ第３磁性層３０もしくは第４磁性層４０により誘導された垂直磁気異方性により、第１磁性層１０もしくは第２磁性層２０の平面（すなわち、水平方向又は第１磁性層１０もしくは第２磁性層２０の薄膜面）とほぼ垂直である。第１磁性層１０及び第２磁性層２０は、ＦｅＸ、ＣｏＸ、ＮｉＸ、ＦｅＣｏＸ、ＣｏＮｉＸ、又はＮｉＦｅＸ（ここで、ＸはＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つ）を含むようにしてもよい。

非磁性層（トンネル障壁層）の構成は次のとおりである。

非磁性層（トンネル障壁層）７０は、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間に形成され、トンネル障壁の役割を果たす。非磁性層７０は、絶縁体又は半導体からなり、絶縁体としてはＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、及び／又はＹｂ₂Ｏ₃などが使用されるようにしてもよい。例えば、非磁性層７０としてＭｇＯを使用した場合、コヒーレントトンネルにより高い磁気抵抗比が得られる。非磁性層７０の厚さは、０．７〜２ｎｍであることが好ましい。非磁性層７０の厚さが０．７ｎｍより薄いと、スピンフィルター効果が減少してＴＭＲ比が減少し、ピンホールなどが発生して漏れ電流が発生する恐れがある。非磁性層７０の厚さが２ｎｍより厚いと、抵抗面積積（RA product）が大きくなって素子の駆動電圧が過度に大きくなるという問題がある。

固定磁性層（固定磁化層）の構成は次のとおりである。

第１磁性層１０は、固定された磁化方向を有する固定磁性層であって、磁化方向が薄膜面に対して垂直である。第３磁性層３０がない場合、第１磁性層１０の磁化方向は、薄膜による形状磁気異方性（すなわち、水平磁気異方性）により、第１磁性層１０の平面とほぼ平行になる。しかしながら、本発明においては、第１磁性層１０の磁化方向が水平方向（すなわち、第１磁性層１０の平面又は薄膜面）とほぼ直角をなすが、その理由は、第１磁性層１０と垂直磁気異方性の大きい第３磁性層３０とが第１結晶構造分離層５０を介して磁性結合されているからである。第３磁性層３０の磁化方向が第３磁性層３０の平面に対して傾斜した角度θは、６０゜≦θ≦１２０゜であることが好ましい。第１磁性層１０は、ＦｅＸ、ＣｏＸ、ＮｉＸ、ＦｅＣｏＸ、ＣｏＮｉＸ、又はＮｉＦｅＸ（ここで、ＸはＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つ）を含むようにしてもよい。第１磁性層１０の厚さは、１〜５ｎｍであることが好ましい。第１磁性層１０が薄すぎると、十分なスピン分極が得られず、第１磁性層１０が厚すぎると、電流による磁化反転効果が減少する。

第１磁性層１０は、第１結晶構造分離層５０に隣接するように形成され、第３磁性層３０との磁性結合により、第１磁性層１０の磁化方向は第１磁性層１０の平面に対して垂直となる。第３磁性層３０は、垂直磁気異方性エネルギー（すなわち、第３磁性層３０の平面に対して垂直方向の磁気異方性エネルギー、Ｋ_u）が薄膜による形状磁気異方性エネルギー（すなわち、水平磁気異方性エネルギー、２πＭ_s ²）より大きい。第３磁性層３０の垂直磁気異方性エネルギーが非常に大きく、磁化容易軸が水平方向（すなわち、第１磁性層１０の平面又は第３磁性層３０の平面）に対して垂直方向に配向されることが好ましい。

第３磁性層３０が垂直磁気異方性を有するようにするために、第３磁性層３０の構成物質として、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、又はＭｎＡｌ合金などの面心正方（ＦＣＴ）構造を有する合金を使用してもよく、Ｃｏ₃Ｐｔ合金又はＣｏＣｒＰｔ合金などの稠密六方（ＨＣＰ）構造を有する合金を使用してもよく、Ｆｅ₁₄Ｎｄ₂Ｂ又はＳｍＣｏ₅などの希土類遷移金属合金を使用してもよい。又は、第３磁性層３０の構成物質として、［Ｃｏ／Ｐｔ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｐｔ］_n、［Ｃｏ／Ｐｄ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｐｄ］_n、［Ｃｏ／Ｎｉ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｎｉ］_n、又は［Ｎｉ／Ｐｔ］_nなどの多層薄膜を使用してもよい。ここで、ｎは１から１０の数字であり、ＸはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｇｄ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つである。また、Ｃｏ／（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ）又はＣｏＸ合金／（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ）の繰り返し回数により、垂直磁気異方性の程度を示す垂直磁気異方性エネルギーを調節することができる。高い垂直磁気異方性を得るためには、Ｃｏ層を薄くすることが好ましく、低い垂直磁気異方性を得るためには、Ｃｏ層を厚くすることが好ましい。

一方、第１結晶構造分離層５０は、第１磁性層１０と第３磁性層３０との間に形成され、第１磁性層１０と第３磁性層３０間の磁気結合を誘導し、第１磁性層１０の結晶配向性と第３磁性層３０の結晶配向性を分離する。

結晶構造分離層を介した磁気結合の誘導には次の２つの場合がある。

第一に、結晶構造分離層が十分に薄く、結晶構造分離層の両端の磁性層が直接交換結合により磁気結合が行われる。

第二に、結晶構造分離層内の自由電子が量子井戸に閉じ込められた正弦波のように存在し、この自由電子が両側の磁性層間の相互交換作用を媒介することにより、結晶構造分離層を介して磁気結合が誘導される。

また、第１磁性層１０の結晶配向性と第３磁性層３０の結晶配向性を分離することが重要な理由は次のとおりである。

例えば、トンネル障壁としてＭｇＯを使用する磁気トンネル接合が高い磁気抵抗比を示す理由は、ＭｇＯ（００２）の結晶配向性と、これに隣接する第１及び第２磁性層の結晶配向性とが一致して、特定の対称性（Δ₁対称性）を有する波動関数のみＭｇＯ障壁を選択的に通過するからである。従って、高い磁気抵抗比を得るためには、磁性層が特定の結晶配向性を有することが要求される。ＭｇＯ薄膜と組み合わせられてコヒーレントトンネルに適した磁性体の結晶構造は、体心立方（ＢＣＣ）格子構造である。通常、体心立方格子結晶構造を有する磁性層を得る方法は、大きく２つに分けられる。一つは、体心立方格子結晶構造を有する磁性層をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などの方法を用いてエピタキシャル成長させる方法である。もう一つは、ＣｏＦｅＢのように非晶質構造を有する磁性層をＭｇＯ障壁の両端に形成し、熱処理によりＣｏＦｅＢ層のＢ含量を減少させて非晶質構造から結晶構造に転移させるようにして、ＭｇＯの結晶構造とコヒーレントな体心立方格子結晶構造を形成する方法である。

一方、高い垂直磁気異方性を有するためにも、特定の結晶構造が必要である。ほとんどの垂直磁気異方性物質は、面心立方（ＦＣＣ）格子構造、面心正方（ＦＣＴ）格子構造、又は稠密六方（ＨＣＰ）格子構造からなる。垂直磁気異方性物質が磁性層に隣接する場合、熱処理過程でＦＣＣ、ＦＣＴ、又はＨＣＰの結晶構造が磁性層に拡張して、第１磁性層が本来保有していた体心立方（ＢＣＣ）格子結晶構造を破壊する。この場合、第１磁性層１０／非磁性層７０／第２磁性層２０の構造、例えばＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの３層膜構造では結晶整合性が維持されず、高い磁気抵抗比が得られない。しかし、結晶構造分離層を導入すると、熱処理中に垂直異方性物質の結晶方向性が第１磁性層に拡張することを防止することにより、結晶整合性を維持することができる。

第１結晶構造分離層５０は非晶質構造を有することが好ましい。具体的には、融点が高く、薄膜製造のための後熱処理工程（例えば、２００〜６００℃の温度）で結晶化することなく非晶質構造を維持する物質が好ましい。例えば、第１結晶構造分離層５０の構成物質としては、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｈｆ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、又はＲｈからなる群から少なくとも１つを選択する。

場合によっては、第３磁性層３０の垂直方向への磁化を容易にするために、図２に示すように、第３磁性層３０の下に下地層（バッファ層）８０を形成してもよい。下地層８０は、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びダイヤモンド状炭素からなる群から選択された少なくとも１つを含む。

自由磁性層（自由磁化層）の構成は次のとおりである。

第２磁性層２０は、第２結晶構造分離層６０に隣接するように形成され、第４磁性層４０との磁性結合により、第２磁性層２０の磁化方向は第２磁性層２０の平面に対して垂直となる。第４磁性層４０は、垂直磁気異方性エネルギー（すなわち、第４磁性層４０の平面に対して垂直方向の磁気異方性エネルギー、Ｋ_u）が薄膜による形状磁気異方性エネルギー（すなわち、水平磁気異方性エネルギー、２πＭ_s ²）より大きい。第４磁性層４０の垂直磁気異方性エネルギーが非常に大きく、磁化容易軸が水平方向（すなわち、第１磁性層１０の平面又は第３磁性層３０の平面）に対して垂直方向に配向されることが好ましい。

第４磁性層４０が垂直磁気異方性を有するようにするために、第４磁性層４０の構成物質として、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、又はＭｎＡｌ合金などの面心正方（ＦＣＴ）構造を有する合金を使用してもよく、Ｃｏ₃Ｐｔ合金又はＣｏＣｒＰｔ合金などの稠密六方（ＨＣＰ）構造を有する合金を使用してもよく、Ｆｅ₁₄Ｎｄ₂Ｂ又はＳｍＣｏ₅などの希土類遷移金属合金を使用してもよい。又は、第４磁性層４０の構成物質として、［Ｃｏ／Ｐｔ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｐｔ］_n、［Ｃｏ／Ｐｄ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｐｄ］_n、［Ｃｏ／Ｎｉ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｎｉ］_n、又は［Ｎｉ／Ｐｔ］_nなどの多層薄膜を使用してもよい。ここで、ｎは１から１０の数字であり、ＸはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｇｄ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つである。また、Ｃｏ／（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ）又はＣｏＸ合金／（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ）の繰り返し回数により、垂直磁気異方性の程度を示す垂直磁気異方性エネルギーを調節することができる。高い垂直磁気異方性を得るためには、Ｃｏ層を薄くすることが好ましく、低い垂直磁気異方性を得るためには、Ｃｏ層を厚くすることが好ましい。

一方、第２結晶構造分離層６０は、第２磁性層２０と第４磁性層４０との間に形成され、第２磁性層２０と第４磁性層４０間の磁気結合を誘導し、第２磁性層２０の結晶配向性と第４磁性層４０の結晶配向性を分離する。

第２結晶構造分離層６０が磁気結合を誘導する原理は、第１結晶構造分離層５０が磁気結合を誘導する原理と同様である。

また、第２磁性層２０の結晶配向性と第４磁性層４０の結晶配向性を分離することが重要な理由も、第１磁性層１０の結晶配向性と第３磁性層３０の結晶配向性を分離することが重要な理由と同様である。

ただし、第２磁性層２０、第４磁性層４０、第２結晶構造分離層６０から構成される自由磁性層の保磁力は、第１磁性層１０、第３磁性層３０、第１結晶構造分離層５０から構成される固定磁性層の保磁力より小さいことが好ましい。

図２に示す構造を用いて垂直磁気異方性を実現した例を図３に示す。図３は、薄膜面に対して垂直方向に磁場を印加して測定した磁化−磁場曲線（Ｍ−Ｈヒステリシスループ）である。残留磁化値（外部磁場Ｈ＝０のときの磁化Ｍの値）が飽和磁化値とほぼ同一であり、薄膜面に対して垂直方向が磁化容易軸であることが分かる。外部磁場が４５０Ｏｅの地点で第２磁性層２０、第４磁性層４０、第２結晶構造分離層６０から構成される自由磁性層の磁気モーメントが反転し、５７０Ｏｅの地点で第１磁性層１０、第３磁性層３０、第１結晶構造分離層５０から構成される固定磁性層の磁気モーメントが反転することが分かる。これから、図３に示す薄膜構造は、自由磁性層の保磁力が固定磁性層の保磁力より小さいという特性を満たすことが分かる。

本発明は、図示された例を中心に説明されたが、これは例示にすぎず、これにより本発明の権利範囲が限定されるものではない。また、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明から様々な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解できるであろう。

１０第１磁性層
２０第２磁性層
３０第３磁性層
４０第４磁性層
５０第１結晶構造分離層
６０第２結晶構造分離層
７０非磁性層（トンネル障壁層）
８０下地層（バッファ層）

Claims

固定された磁化方向を有する第１磁性層と、
反転可能な磁化方向を有する第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に形成される非磁性層（トンネル障壁層）と、
前記第１磁性層との磁性結合により前記第１磁性層の磁化方向が薄膜面に対して垂直となるようにし、垂直磁気異方性エネルギーが水平磁気異方性エネルギーより大きい第３磁性層と、
前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に形成され、前記第１磁性層の結晶配向性と前記第３磁性層の結晶配向性を分離する第１結晶構造分離層と、
前記第２磁性層との磁性結合により前記第２磁性層の磁化方向が薄膜面に対して垂直となるようにし、垂直磁気異方性エネルギーが水平磁気異方性エネルギーより大きい第４磁性層と、
前記第２磁性層と前記第４磁性層との間に形成され、前記第２磁性層の結晶配向性と前記第４磁性層の結晶配向性を分離する第２結晶構造分離層と
を含むことを特徴とする磁気トンネル接合構造。
前記非磁性層は、絶縁体又は半導体を含み、前記絶縁体は、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、及びＹｂ₂Ｏ₃からなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第１磁性層は、磁性層／非磁性層／磁性層の積層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第１磁性層と前記第２磁性層の少なくとも一方の磁性層は、ＦｅＸ、ＣｏＸ、ＮｉＸ、ＦｅＣｏＸ、ＣｏＮｉＸ、又はＮｉＦｅＸ（ここで、ＸはＢ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｇｄ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第１磁性層と前記第２磁性層の少なくとも一方の磁性層は、体心立方格子構造を有し、前記第３磁性層と前記第４磁性層の少なくとも一方の磁性層は、面心立方格子構造、面心正方格子構造、又は稠密六方格子構造を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第３磁性層及び前記第４磁性層の磁化容易軸は、それぞれ前記第１磁性層及び前記第２磁性層の平面に対して垂直方向に配向されることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第３磁性層及び前記第４磁性層の磁化方向がそれぞれ前記第３磁性層及び前記第４磁性層の平面に対して傾斜した角度は、６０゜≦θ≦１２０゜であることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第３磁性層と前記第４磁性層の少なくとも一方の磁性層は、面心正方構造を有する合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記面心正方構造を有する合金は、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、及びＭｎＡｌからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項８に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第３磁性層と前記第４磁性層の少なくとも一方の磁性層は、稠密六方構造を有する合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記稠密六方構造を有する合金は、Ｃｏ₃Ｐｔ合金又はＣｏＣｒＰｔ合金であることを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第３磁性層と前記第４磁性層の少なくとも一方の磁性層は、希土類遷移金属合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記希土類遷移金属合金は、Ｆｅ₁₄Ｎｄ₂Ｂ又はＳｍＣｏ₅であることを特徴とする請求項１２に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第３磁性層と前記第４磁性層の少なくとも一方の磁性層は、多層薄膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記多層薄膜は、［Ｃｏ／Ｐｔ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｐｔ］_n、［Ｃｏ／Ｐｄ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｐｄ］_n、［Ｃｏ／Ｎｉ］_n、［ＣｏＸ合金／Ｎｉ］_n、又は［Ｎｉ／Ｐｔ］_nであり、前記ｎは、１から１０の数字であり、前記Ｘは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｇｄ、及びＴｂからなる群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項１４に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第１結晶構造分離層と前記第２結晶構造分離層の少なくとも一方の結晶構造分離層は、非晶質構造を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第１結晶構造分離層と前記第２結晶構造分離層の少なくとも一方の結晶構造分離層は、２００〜６００℃の温度で熱処理しても非晶質構造が維持される物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第１結晶構造分離層と前記第２結晶構造分離層の少なくとも一方の結晶構造分離層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｈｆ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、及びＲｈからなる群から独立して選択された少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記第３磁性層の下に形成される下地層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合構造。
前記下地層は、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｔａ、及びダイヤモンド状炭素からなる群から選択された少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１９に記載の磁気トンネル接合構造。