JP2013197406A - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】低飽和磁化かつ高垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気メモリを提供する。
【解決手段】本実施形態の磁気抵抗素子は、第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられた第１非磁性層と、前記第１非磁性層上に設けられた第２磁性層と、を備え、前記第１磁性層および前記第２磁性層の少なくとも一方は、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚ（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）である磁性膜を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気抵抗素子および磁気メモリに関する。

磁気抵抗素子（magnetoresistive element）としてのＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、磁化方向が可変な記憶層と、磁化方向が不変の参照層と、記憶層と参照層との間に設けられた絶縁層とを有する積層構造を基本構造としている。このＭＴＪ素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ: Tunneling Magnetoresistive）効果を示すことが知られており、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ: Magnetic Random Access Memory）におけるメモリセルの記憶素子として用いられる。

ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子に含まれる磁性層の磁化の相対角度の変化により情報（“１”、“０”）を記憶し、不揮発性である。また、磁化反転速度は数ナノ秒であることから、データの高速書き込み、高速読み出しが可能である。したがって、ＭＲＡＭは、次世代の高速不揮発性メモリとして期待されている。また、スピン分極電流により磁化を制御するスピン注入磁化反転と呼ばれる方式を利用すれば、ＭＲＡＭのセルサイズを低減することで電流密度が増える。このため、容易に記憶層の磁化反転を実現でき、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを構成することが可能である。

不揮発メモリの高密度化を考えた場合、磁気抵抗素子の高集積化は欠かせない。しかし、磁気抵抗素子を構成する強磁性体は、素子サイズの低減化に伴い熱擾乱耐性が劣化する。このため、強磁性体の磁気異方性および熱擾乱耐性を向上させることが課題となる。

この問題を解決するために近年、強磁性体の磁化が膜面に垂直な方向を向く垂直磁化ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。垂直磁化ＭＴＪ素子では、強磁性体として、一般的に結晶磁気異方性の大きな材料が用いられる。

一般的に、スピン注入磁化反転方式によって磁化を反転させるための反転電流は、記憶層の飽和磁化および磁気緩和定数に依存する。このため、低電流のスピン注入によって記憶層の磁化を反転させるには、記憶層の飽和磁化および磁気緩和定数を小さくすることが必要である。また、参照層から発せられる漏れ磁場の影響は、素子の微細化に伴い、より顕在化される。このため、磁気抵抗素子の高集積化には参照層の飽和磁化を小さくすることも必要になる。

特開２０１０−２３２４９９号公報 特開２０１１−１９９０６４号公報 特開２００６−０８０２８７号公報 特開２００７−２９９９９２号公報

本実施形態は、低飽和磁化かつ高垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気メモリを提供する。

本実施形態の磁気抵抗素子は、第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられた第１非磁性層と、前記第１非磁性層上に設けられた第２磁性層と、を備え、前記第１磁性層および前記第２磁性層の少なくとも一方は、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚ（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）である磁性膜を含むことを特徴とする。

第１実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第２実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第３実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第４実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第４実施形態の一変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 図６（ａ）、６（ｂ）は、単結晶構造の磁性膜を有するＭＴＪ素子の製造方法を説明する図。 図７（ａ）乃至図７（ｃ）は、単結晶構造の磁性膜を有するＭＴＪ素子の製造方法を説明する図。 図８（ａ）、８（ｂ）はＭｎＡｌＧｅのＸ線回折の一例を示す図。 ＭｎＡｌＧｅの磁化曲線の一例を示す図。 ＭｎＡｌＧｅの飽和磁化と保磁力の組成依存性の一例を示す図。 第５実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図。 第５実施形態の磁気メモリの主要部の回路図。 ＭｎＡｌＧｅの三元系相図と飽和磁化Ｍｓを対応させたグラフ。 ＭｎＡｌＧｅの三元系相図と垂直磁気異方性Ｋｕを対応させたグラフ。 図１５（ａ）、１５（ｂ）はそれぞれ、ＭｇＯ（００１）上に作製したＭｎＡｌＧｅの磁化曲線とＸ線回折結果の一例を示す図。 図１６（ａ）、１６（ｂ）はそれぞれ、ＭｇＯ（００１）上に作製したＭｎＡｌＧｅの磁化曲線とＸ線回折結果の一例を示す図。

以下、実施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う。

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気抵抗素子を図１に示す。図１は第１実施形態の磁気抵抗素子１の断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子１はＭＴＪ素子であって、下地層１００上に、強磁性層２、非磁性層４（以下、トンネルバリア層４ともいう）、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有している。下地層１００は、強磁性層２および強磁性層２より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられるが、詳細な性質については後述する。強磁性層２および強磁性層８の少なくとも一方は、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚ（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）である磁性膜を含む。ＭＴＪ素子の抵抗値はトンネルバリアを介して配される二つの磁性層の磁化方向の角度により決まる。外部磁場あるいは素子に流す電流により磁化方向の角度を制御することができる。その際、二つの磁性層の保磁力の大きさに差をつけることにより、より安定的に磁化方向の角度を制御することが可能となる。ここでは保磁力の大きい磁性層を参照層、保磁力の小さな磁性層を記憶層と呼ぶ。したがって、一般的には参照層に用いる場合にはより大きな保磁力、記憶層に用いる場合にはより小さな保磁力を持つことが望まれる。Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚ（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）である磁性膜は、組成変調をすることで飽和磁化と保磁力の制御が可能であるために、強磁性層２および強磁性層８に適用可能である。

強磁性層に用いられるＭｎＡｌＧｅ合金は、ｃ軸が磁化容易軸となる。そのため、結晶化させる際にｃ軸が膜面に垂直方向を向くように配向制御することにより、垂直磁化ＭＴＪ素子を作製することが可能となる。

この第１実施形態においては、非磁性層４として、酸化物絶縁体を用いることが好ましい。ＭＴＪ素子が、例えば、ＭｎＡｌＧｅからなる強磁性層、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層、ＭｎＡｌＧｅからなる強磁性層がこの順序で積層された積層構造を有している場合に、ＭｎＡｌＧｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＭｎＡｌＧｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。ここでＭｎＡｌＧｅ（００１）、ＭｇＯ（００１）とはそれぞれの上面に（００１）面が露出するように結晶配向しているという意味である。これにより、トンネル電子の波数選択性を向上させることができ、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。

強磁性層２および強磁性層８は、結晶配向の向きを制御することで、それらの容易磁化方向を膜面に対して垂直にすることが可能である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗素子１は、面内磁化ＭＴＪ素子のみならず、強磁性層２および強磁性層８の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子になり得る。なお、本明細書では、膜面とは強磁性層の上面を意味する。また、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。これに対して困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界が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。

そして、強磁性層２および強磁性層８のうちの一方の強磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１に流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変であり、他方の強磁性層は可変である。不変である強磁性層を参照層とも称し、可変である強磁性層を記憶層と称す。本実施形態においては、例えば、強磁性層２を記憶層、強磁性層８を参照層とする。なお、書き込み電流は、強磁性層２と強磁性層８との間に膜面に垂直方向に流す。強磁性層２が記憶層、強磁性層８が参照層であってかつ強磁性層２の磁化の方向と強磁性層８の磁化の方向が反平行（逆の方向）な場合には、強磁性層２から強磁性層８に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は強磁性層８から非磁性層４を通って強磁性層２に流れる。そして、強磁性層８を通ることによりスピン偏極された電子は強磁性層２に流れる。強磁性層２の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は強磁性層２を通過するが、強磁性層２の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、強磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、強磁性層２の磁化の方向が強磁性層８の磁化と同じ方向を向くように働く。これにより、強磁性層２の磁化の方向が反転し、強磁性層８の磁化の方向と平行（同じ方向）になる。

これに対して、強磁性層２の磁化の方向と強磁性層８の磁化の方向が平行な場合には、強磁性層８から強磁性層２に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は強磁性層２から非磁性層４を通って強磁性層８に流れる。そして、強磁性層２を通ることによりスピン偏極された電子は強磁性層８に流れる。強磁性層８の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は強磁性層８を通過するが、強磁性層８の磁化と逆向きのスピンを有するスピン偏極された電子は、非磁性層４と強磁性層８との界面で反射され、非磁性層４を通って強磁性層２に流れ込む。これにより、強磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、強磁性層２の磁化の方向が強磁性層８の磁化と反対方向に向くように働く。これにより、強磁性層２の磁化の方向が反転し、強磁性層８の磁化の方向と反平行になる。

なお、第１実施形態では、下地層１００上に、強磁性層２、非磁性層４、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有しているが、下地層１００上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層１００上に、強磁性層８、非磁性層４、および強磁性層２がこの順序で積層された構造であってもよい。

（第２実施形態）
図２に、第２実施形態による磁気抵抗素子１Ａを示す。この磁気抵抗素子１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、非磁性層４と強磁性層８との間に界面磁性層６を設けた構成になっている。このうち、強磁性層２および界面磁性層６のうち少なくとも一方は、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚ（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）である磁性膜を含む。

第１実施形態と同様に、強磁性層の結晶配向性を制御することで、強磁性層２および強磁性層８はそれぞれ、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直とすることが可能である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗素子１Ａは、面内磁化ＭＴＪ素子のみならず、強磁性層２および強磁性層８の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子となり得る。そして、強磁性層２および強磁性層８のうちの一方の強磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１Ａに流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変であり、他方の強磁性層は可変である。本実施形態において、例えば、強磁性層２を記憶層、強磁性層８を参照層とする。なお、書き込み電流は、第１実施形態と同様に、強磁性層２と強磁性層８との間に膜面に垂直方向に流す。なお、界面磁性層６は、スピン分極率を増大させるために設けられている。

この第２実施形態において、例えば、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層４上にＭｎＡｌＧｅからなる界面磁性層６を作製した場合、界面磁性層６上へＭｎ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａから選択される２つ以上の元素からなる強磁性層８のエピタキシャル積層成長が可能となる。例えば、ＭｎとＧａを含む合金を強磁性層８として選択する場合、ＭｎＧa（００１）／ＭｎＡｌＧｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）のエピタキシャル積層関係を作ることができる。これにより、トンネル電子の波数選択性を向上させることができ、大きな磁気抵抗比を得ると同時に、低飽和磁化の参照層を得ることが可能となる。

また、第２実施形態では、下地層１００上に、強磁性層２、非磁性層４、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有しているが、下地層１００上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層１００上に、強磁性層８、界面磁性層６、非磁性層４、および強磁性層２がこの順序で積層された構造であってもよい。

（第３実施形態）
図３に、第３実施形態による磁気抵抗素子１Ｂを示す。この磁気抵抗素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、強磁性層２と非磁性層４との間に界面磁性層３を挿入するとともに、非磁性層４と強磁性層８との間に界面磁性層６を挿入した構成となっている。このうち、界面磁性層３および界面磁性層６のうち少なくとも一方は、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚ（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）である磁性膜を含む。界面磁性層３および界面磁性層６の詳細な性質については後述する。

この第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂも、第１、２実施形態と同様に、面内磁化ＭＴＪ素子のみならず垂直磁化ＭＴＪ素子になり得る。また同様に、界面磁性層３および界面磁性層６は、スピン分極率を増大させるために設けられている。

なお、第３実施形態では、下地層１００上に、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有しているが、下地層１００上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層１００上に、強磁性層８、界面磁性層６、非磁性層４、界面磁性層３、および強磁性層２がこの順序で積層された構造であってもよい。

（第４実施形態）
図４に、第４実施形態による磁気抵抗素子１Ｃを示す。この磁気抵抗素子１Ｃは、図３に示す第３実施形態の磁気抵抗素子３において、強磁性層８上に非磁性層１０、強磁性層１１を積層した構成となっている。なお、本実施形態においては、界面磁性層６と強磁性層８が参照層となっている。強磁性層１１はバイアス層とも呼ばれ、強磁性層８とは、磁化の向きが反平行（逆向き）の磁化を有している。強磁性層１１は、非磁性層１０を介して強磁性層８と反強磁性結合（Synthetic Anti-Ferromagnetic結合）していてもよい。これにより、界面磁性層６と強磁性層８より成る参照層からの漏れ磁場による界面磁性層３と強磁性層２より成る記憶層の反転電流のシフトを緩和および調整することが可能となる。非磁性層１０は、強磁性層８と強磁性層１１とが熱工程によって混ざらない耐熱性、および強磁性層１１を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。

さらに、非磁性層１０の膜厚が厚くなると強磁性層１１と記憶層（本実施形態では強磁性層２）との距離が離れるため、強磁性層１１から記憶層に印加されるシフト調整磁界が小さくなってしまう。このため、非磁性層１０の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。強磁性層１１は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する強磁性材料から構成される。強磁性層１１は、参照層に比べて記憶層から離れているため、記憶層に印加される漏れ磁場を強磁性層１１によって調整するためには、強磁性層１１の膜厚、あるいは飽和磁化Ｍｓの大きさを参照層のそれらより大きく設定する必要がある。すなわち、本発明者達の研究結果によれば、参照層の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ_２、Ｍｓ_２、強磁性層１１の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ_３、Ｍｓ_３、とすると、以下の関係式を満たす必要がある。

Ｍｓ_２×ｔ_２＜Ｍｓ_３×ｔ_３
なお、第４実施形態で説明した強磁性層１１は、第１乃至第２実施形態の磁気抵抗素子にも適用することができる。この場合、参照層となる強磁性層上に非磁性層１０を間に挟んで積層される。

なお、第４実施形態では、下地層１００上に、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、強磁性層８、非磁性層１０、および強磁性層１１がこの順序で積層された上バイアス構造を有しているが、強磁性層１１は下地層１００下に積層されていてもよい。すなわち、図５に示すように、強磁性層１１上に、下地層１００、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された下バイアス構造であってもよい。また、積層順序は逆であってもよい。すなわち、下地層１００、強磁性層１１、非磁性層１０，強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および強磁性層８の順序で積層されていてもよい。

（単結晶構造の磁性膜を有するＭＴＪ素子）
次に、単結晶構造の磁性膜を有するＭＴＪ素子（以下、単結晶ＭＴＪ素子ともいう）の製造方法について説明する。第１乃至第４実施形態のいずれかの磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）は、強磁性層２および強磁性層８のうちの少なくとも一方が単結晶構造を備えていることが好ましい。これは、膜面内方向の結晶配向が一方向にそろった単結晶構造の磁性膜を形成することにより、膜面内の磁気結合が強くなることで磁気特性のばらつきを大幅に抑制できる。また、結晶粒界の形成が抑制されるので原子レベルで平坦であり且つ結晶性の良い磁性膜や絶縁層を形成できるので従来のＭＴＪ素子に比べより大きな磁気抵抗比（ＭＲ比）が得られることも期待できる。したがって数十Ｇｂｉｔの大容量ＭＲＡＭの実現のためには単結晶ＭＴＪ素子の製造が必要となる。

しかし、回路上の配線は一般に多結晶或いはアモルファス構造を有するためにこの上に単結晶膜を成長させることはできない。したがって、トランジスタが組み込まれた基板上に単結晶ＭＴＪを成長させることは難しい。

しかし、単結晶構造のＭＴＪ素子とトランジスタが形成された基板をそれぞれ準備し、上単結晶基板上に形成したＭＴＪ素子とトランジスタ等を作製した基板を貼り合わせた後、不要な単結晶基板を除去することにより単結晶ＭＴＪ素子を具備するＭＲＡＭを構築することができる。これを図６（ａ）乃至図７（ｃ）を参照して説明する。

具体的には、まず上記第１から第４の実施形態のＭＴＪ素子を適切な成膜条件の下でＳｉ単結晶基板上に形成する。例えば、図６（ａ）に示すように、Ｓｉ単結晶基板２００上に、下地層１００、強磁性層２、非磁性層４、および強磁性層８を、スパッタ法またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いてこの順序で形成し、第１実施形態のＭＴＪ素子１を得る。このとき、Ｓｉ単結晶基板２００の結晶性が下地層１００、強磁性層２、非磁性層４、および強磁性層８に伝わり、形成されたＭＴＪ素子１は単結晶ＭＴＪ素子１となる。その後、強磁性層８上に金属接着層２０ａを形成する（図６（ａ））。同様に、トランジスタ回路および配線が形成された基板２２０を用意し、この基板２２０上に金属接着層２０ｂを形成する（図６（ａ））。金属接着層２０ａ、２０ｂとしてはＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属層が挙げられる。

次に、単結晶ＭＴＪ素子１が形成された基板２００と、トランジスタ回路が形成された基板２２０とを、金属接着層２０ａ、２０ｂが対向するように配置する。例えば図６（ａ）に示すように、金属接着層２０ａ、２０ｂが対向するように配置する。その後、図６（ｂ）に示すように、金属接着層２０ａ、２０ｂを接触させる。このとき、加重を加えることで金属接着層２０ａ、２０ｂを貼り合わせることができる。接着力を上げるために加重を加える際に加熱しても良い。

次に、図７（ａ）に示すように、単結晶ＭＴＪ素子１が形成された単結晶基板２００を除去する。この除去は、まず、例えばバックサイドグランイン（ＢＳＧ）法を用いて、薄くする。その後、図７（ｂ）に示すように、薄くした単結晶基板２００をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)法などにより機械的に研磨し、除去する。これにより、ＭＴＪ素子１を完成する（図７（ｃ））。

このように、単結晶基板２００上に形成された上記第１乃至第４実施形態のいずれかの単結晶ＭＴＪ素子と、トランジスタ回路が形成された基板２２０をそれぞれ準備し、単結晶ＭＴＪ素子１上にトランジスタ等を作製した基板を貼り合わせ、その後、不要な単結晶基板２００を除去する一連の製造方法を用いることにより、上記第１乃至第４実施形態の単結晶ＭＴＪ素子を作成することができる。

次に、第１乃至第４実施形態によるＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃに含まれる各層の具体的な構成を、強磁性層２、下地層１００、非磁性層４、強磁性層８、界面磁性層３、界面磁性層６の順に説明する。

（強磁性層２）
強磁性層２は垂直磁化膜であり、かつ高い熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、飽和磁化Ｍｓが小さく、熱擾乱指数Δを維持するに足る高い磁気異方性Ｋｕを持ち、また、高分極率を示す材料であることが好ましい。このような要請を満たす材料としてＭｎ、Ａｌ、およびＧｅを含むＭｎＡｌＧｅ合金磁性材料が考えられる。以下により具体的に説明する。

強磁性層２の具体例は、ＭｎＡｌＧｅ合金から構成される。三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚはＭｎの組成ｘが１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、Ａｌの組成ｙが１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、Ｇｅの組成ｚが１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％の範囲において、垂直磁化膜としての特性を発現する。

図１３および図１４に、ＭｇＯ（００１）上に作製したＭｎＡｌＧｅの三元系相図と飽和磁化Ｍｓおよび垂直磁気異方性Ｋｕを対応させたグラフを示す。図１３より、ＭｎＡｌＧｅは上記組成範囲において３００ｅｍｕ／ｃｃ以下の低飽和磁化を有し、構成元素の組成比、結晶性を変化させることで、飽和磁化の大きさを制御することができる。

参照層から発せられる漏れ磁場の影響は、ＭＴＪ素子の微細化に伴い、より顕在化される。その解決法としてバイアス層の導入が効果的である。バイアス層の詳細は後述する。ＭＴＪ素子の形状が円柱（ピラー状）であると仮定した、計算による事前検討によると、参照層の膜厚を６ｎｍに想定した場合、ＭＴＪ素子の加工微細化の可能範囲（直径サイズ）は、参照層の飽和磁化Ｍｓが１０００ｅｍｕ／ｃｃで３８ｎｍ程度、Ｍｓが７５０ｅｍｕ／ｃｃで２８ｎｍ程度、Ｍｓが５００ｅｍｕ／ｃｃで２０ｎｍ程度となる。

これらのことから、直径サイズが１５ｎｍ以下の更なるＭＴＪ素子の高集積化には２００ｅｍｕ／ｃｃ以下の低Ｍｓ材料を参照層に用いることが望ましい。この解決方法として、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚを参照層に用いることが挙げられる。図１３より、図の黒い丸で記述される組成領域（２８ａｔｍ％≦ｘ≦３４ａｔｍ％、２６ａｔｍ％≦ｙ≦４２ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｚ≦４５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）では、飽和磁化Ｍｓが２００ｅｍｕ／ｃｃ〜３００ｅｍｕ／ｃｃであるため、この組成領域以外の垂直磁化する組成領域（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）を低Ｍｓ参照層として用いることが、より好ましい。

また、磁気抵抗素子を構成する強磁性体は、素子サイズの低減化に伴い熱擾乱耐性が劣化する。この打開策として、垂直磁気異方性Ｋｕを向上させることが挙げられる。図１４より、図に示す黒い丸と黒い三角で記述される組成領域（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４１ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦４５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）では、１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の高いＫｕを示しており、熱擾乱耐性に優れた参照層および記憶層として用いることが可能となる。

以上の観点から、サイズが１０ｎｍクラスの次世代のＭＴＪ素子に用いられる参照層として、より低Ｍｓが望ましい場合には、組成領域（２８ａｔｍ％≦ｘ≦３４ａｔｍ％、２６ａｔｍ％≦ｙ≦４２ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｚ≦４５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）以外の垂直磁化する組成領域（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）が好ましく、より高Ｋｕが望ましい場合には、組成領域（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４１ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦４５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）が好ましい。特に、施策として２００ｅｍｕ／ｃｃ以下の低Ｍｓよりも４．０×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の高Ｋｕの方が優先される特性の場合、２００〜３００ｅｍｕ／ｃｃの低Ｍｓと４．０×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ以上の高Ｋｕを兼備した組成領域（２８ａｔｍ％≦ｘ≦３４ａｔｍ％、２６ａｔｍ％≦ｙ≦３３ａｔｍ％、３９ａｔｍ％≦ｚ≦４５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）がより適している。

垂直磁気異方性を発現させるためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００１）配向成長させる必要がある。具体的には下地層１００を適切に選択することにより、強磁性層２の結晶配向成長を制御することが可能である。下地層１００の詳細については後述する。

更に、結晶磁気異方性の大きなＭｎＡｌＧｅ合金は、磁化が特定の結晶方向を向いており、構成元素の組成比、結晶性を変化させることで結晶磁気異方性の大きさを制御することができる（図１４参照）。このため、結晶の成長方向を変化させることにより磁化の方向を制御することができる。また、強磁性体自身が高い結晶磁気異方性を有するので素子のアスペクト比を調整でき、さらに熱擾乱耐性が高いので集積化に適している。

一般に、磁気摩擦定数は材料のスピン軌道相互作用の大きさと相関があり、原子番号の大きな材料ではスピン軌道相互作用が大きく、磁気摩擦定数（ダンピングファクタ）も大きい。ＭｎＡｌＧｅは軽元素で構成されている材料であるため磁気摩擦定数が小さいと予想される。したがって、磁化反転に必要なエネルギーが少なくて済むため、スピン偏極した電子によって磁化を反転させるための電流密度を大幅に低減できることから、強磁性層２により適している。

一例として、ＭｇＯ（００１）上に作製したＭｎＡｌＧｅ（組成はそれぞれＭｎが３４ａｔｍ％、Ａｌが２６ａｔｍ％、Ｇｅが４０ａｔｍ％）のＸ線回折結果を図８（ａ）、８（ｂ）に示し、磁化曲線を図９に示す。ここで示した組成比はＩＣＰ（誘導結合プラズマ発光）分析により見積もった値である。配向制御されたＭｇＯ上に加熱成膜を行うことにより、より高配向に（００１）結晶配向したＭｎＡｌＧｅを作製可能であることを確認した（図８（ａ）、８（ｂ）参照）。さらに、得られたＭｎＡｌＧｅは飽和磁化Ｍｓが３００ｅｍｕ／ｃｃと小さく、実効的な垂直磁気異方性Ｋｕが５．３×１０^６ｅｒｇ／ｃｃと高く、記憶層として要請された特性を満たすことを確認した（図９参照）。図９のグラフｇ_１は、上記ＭｎＡｌＧｅの膜面に平行な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示し、グラフｇ_２は、上記ＭｎＡｌＧｅの膜面に垂直な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示す。

また、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚはＭｎの組成ｘが１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、Ａｌの組成ｙが１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、Ｇｅの組成ｚが１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％において、組成変調することで飽和磁化と保磁力の制御が可能であり、強磁性層２の要請を満たす材料として適していることを確認した。

一例として、Ｍｎ組成を２８ａｔｍ％に固定したときの飽和磁化Ｍｓと保磁力ＨｃのＧｅとＡｌの組成依存性を、図１０に示す。図１０において、黒い四角は飽和磁化Ｍｓを示し、黒い丸は保磁力Ｈｃを示す。Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚはそれぞれの上記範囲内で組成を調整することで、高い垂直磁気異方性を維持したまま、飽和磁化と保磁力の制御が可能であることを確認した（図１０参照）。

また、図１５（ａ）、（ｂ）にＭｇＯ（００１）上に作製したＭｎＡｌＧｅ（組成はそれぞれ、Ｍｎが２０ａｔｍ％、Ａｌが６０ａｔｍ％、Ｇｅが２０ａｔｍ％）の磁化曲線とＸ線回折結果をそれぞれ示す。図１５（ａ）のグラフｇ_１は、上記ＭｎＡｌＧｅの膜面に平行な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示し、グラフｇ_２は、上記ＭｎＡｌＧｅの膜面に垂直な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示す。また、図１６（ａ）、（ｂ）にＭｇＯ（００１）上に作製したＭｎＡｌＧｅ（組成はそれぞれＭｎが１０ａｔｍ％、Ａｌが１０ａｔｍ％、Ｇｅが８０ａｔｍ％）の磁化曲線とＸ線回折結果をそれぞれ示す。図１６（ａ）のグラフｇ_１は上記ＭｎＡｌＧｅの膜面に平行な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示し、グラフｇ_２は上記ＭｎＡｌＧｅの膜面に垂直な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示す。

図１５（ａ）乃至図１６（ｂ）から非磁性元素であるＡｌやＧｅが極端に過剰な組成領域においても、ＭｎＡｌＧｅは非常に低い飽和磁化と高い垂直磁気異方性を兼備した垂直磁化膜としての特性を発現し、更に高配向に（００１）結晶配向していることが分かる。このように、磁性層として要請される特性が、非常に低いＭｓと高いＫｕを兼備した特性の際には、非磁性元素であるＡｌやＧｅが過剰な組成領域のＭｎＡｌＧｅ合金が好ましい。

また、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択される１つの元素と、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの群から選択される２つの元素と、を含む合金でも良い。具体的には、ＭｎＡｌＧｅの他にＭｎＧａＧｅ、ＭｎＺｎＳｂなどが挙げられる。

（下地層１００）
下地層１００は、強磁性層２および強磁性層２より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられる。そのため、下地層１００の材料の選択が重要となる。以下に下地層１００の材料および構成について説明する。なお、下地層としては、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、下地層に通電する場合には導電性材料を用いることが好ましい。

まず、下地層１００の第１の例として、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層が挙げられる。

下地層１００の第２の例として、ＡＢＯ_３からなる（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層が挙げられる。ここで、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。

下地層１００の第３の例として、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層が挙げられる。

下地層１００の第４の例として、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層が挙げられる。

下地層１００の第５の例として、上記第１乃至第４の例のいずれかの層を組み合わせて２層以上積層した積層構造が挙げられる。このように、下地層の構成を工夫することにより強磁性層２および強磁性層２よりも上の層の結晶性を制御でき磁気特性の改善が可能となる。

（非磁性層４）
非磁性層４は、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、絶縁材料から形成されたトンネルバリア層を用いることが好ましい。非磁性層４は、隣接する強磁性層または界面磁性層との適切な組み合わせにより、選択的なトンネル伝導と高い磁気抵抗比が実現できる。そのため、非磁性層４の材料の選択が重要となる。以下に非磁性層４の材料について説明する。

トンネルバリア層の材料としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯなどが挙げられる。特に結晶構造として、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。具体的にはＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯなどが挙げられる。これらのＮａＣｌ構造を有する酸化物は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、あるいはその２種以上を主成分として含む合金上、あるいは体心立方構造で（００１）優先配向する金属のいずれか、あるいはその２種以上を主成分として含む合金上、あるいはＭｎＡｌＧｅ合金の（００１）面上で結晶成長させると、（００１）面を優先配向面として成長しやすい。特に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｐ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂなどを微量に添加してアモルファス性を促進させたＣｏＦｅ−Ｘアモルファス合金上では、非常に容易に（００１）面を優先配向させることが可能である。ここで、Ｘは、添加したＢ、Ｃ、Ｎ等の元素を示す。

トンネルバリア層は、上述の酸化物の群から選択される２つ以上の材料の混晶物あるいはこれらの積層構造であってもよい。混晶物の例としては、ＭｇＡｌＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＴｉＯ、ＭｇＣａＯなどである。二層積層構造の例としては、ＭｇＯ／ＺｎＯ、ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＴｉＯ／ＡｌＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯなどが挙げられる。三層積層構造の例としては、ＡｌＯ／ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＺｎＯ／ＭｇＯ／ＺｎＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯ／ＭｇＡｌＯなどが挙げられる。

トンネルバリア層の第２の例として、ＡＢＯ_３からなる（００２）配向したペロブスカイト系酸化物が挙げられる。ここで、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む。具体的には、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＲｕＯ_３、ＳｒＮｂＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３などが挙げられる。これらの酸化物は［１００］面の格子定数が３．７Å〜４．０Å程度であり、ＭｎＡｌＧｅ合金の［１００］面の格子定数３．９Å程度との格子整合が良いことから、良質な界面を形成し、大きな磁気抵抗比を得るという観点で適している。

トンネルバリア層の第３の例として、スピネル系酸化物ＭｇＡｌＯが挙げられる。スピネル構造を有するＭｇＡｌ_２Ｏ_４は格子定数が４．０５Å程度であり、ＭｎＡｌＧｅ合金の［１００］面の格子定数３．９Å程度との格子ミスマッチが３．３％と小さい。そのため、良質な界面を形成し、大きな磁気抵抗比を得るという観点で適している。

トンネルバリア層は、結晶質およびアモルファスのいずれであっても構わない。しかし、トンネルバリア層が結晶化している場合、トンネルバリア中での電子の散乱が抑制されるため電子が強磁性層から波数を保存したまま選択的にトンネル伝導する確率が増え、磁気抵抗比を大きくすることができる。したがって、大きな磁気抵抗比を得るという観点においては結晶質トンネルバリアの方が望ましい。

例えば、ＭＴＪ素子として、ＭｎＡｌＧｅからなる強磁性層、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層、ＭｎＡｌＧｅからなる強磁性層がこの順序で積層された積層構造であるとした場合に、ＭｎＡｌＧｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＭｎＡｌＧｅ（００１）のエピタキシャル関係を作製することができる。これにより、トンネル電子の波数選択性を向上させることができ、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。しかし、ＭｎＡｌＧｅとＭｇＯの膜面内方向におけるバルクの格子定数から格子ミスマッチを求めると約７．７％と大きい。格子ミスマッチは以下の式で定義される。

（ａ（ＭｇＯ）−ａ（ＭｎＡｌＧｅ））／ａ（ＭｎＡｌＧｅ）×１００
ここでａ（ＭｇＯ）、ａ（ＭｎＡｌＧｅ）はそれぞれ膜面内方向のＭｇＯおよびＭｎＡｌＧｅの格子定数である。格子ミスマッチが大きいと、格子歪みによる界面エネルギーを低減させるために界面に転移などが生成される。その場合、結晶粒の間でエピタキシャル関係が成立し、膜面内にわたって均一にエピタキシャル成長させることは困難である。ＭＴＪ素子に電流を流すと転移が電子の散乱源になるために磁気抵抗比は低減されてしまう。したがって、転移を発生させず膜面内に均一にエピタキシャル成長させるためには、格子ミスマッチがより小さい材料で積層させることが重要である。そのため、格子ミスマッチの観点から非磁性層としては、ペロブスカイト系酸化物、スピネル系酸化物、ＮａＣｌ構造酸化物の順に適している。

（強磁性層８）
強磁性層８は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有し、かつ飽和磁化Ｍｓが小さく、熱擾乱指数Δを維持するに足る高い磁気異方性Ｋｕを持ち、また、高保磁力と高分極率を示す材料であることが好ましい。このような要請を満たす材料としてＭｎ、Ａｌ、およびＧｅを含むＭｎＡｌＧｅ合金磁性材料が考えられる。以下により具体的に説明する。

強磁性層８の具体例は、ＭｎＡｌＧｅ合金から構成される。三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚはＭｎの組成ｘが１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、Ａｌの組成ｙが１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、Ｇｅの組成ｚが１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％の範囲において、垂直磁化膜としての特性を発現する。垂直磁気異方性を発現させるためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００１）配向成長させる必要がある。具体的にはトンネルバリア層や界面磁性層を適切に選択することにより、（００１）配向成長させることが可能である。

なお、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚはＭｎの組成ｘが１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、Ａｌの組成ｙが１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、Ｇｅの組成ｚが１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％の範囲において、組成変調することで飽和磁化と保磁力の制御が可能であるために、低飽和磁化と高保磁力を兼備した強磁性層８の要請を満たす材料として適している。

また、強磁性層８として、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択される１つの磁性層とＺｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの群から選択される２つの元素からなる非磁性層とが組み合わさった合金でも良い。具体的には、ＭｎＡｌＧｅの他にＭｎＧａＧｅ、ＭｎＺｎＳｂなどが挙げられる。

また、強磁性層８に用いられる材料としては、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）面に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）あるいはＨＣＰの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの第１の群から選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕの第２の群から選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、ＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。

また、強磁性層８に用いられる人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む合金（強磁性膜）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの群から選択された１つの元素あるいはこの１つの元素を含む合金（非磁性膜）と、が交互に積層された構造が挙げられる。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人工格子、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子などが挙げられる。これらの人工格子は、強磁性膜への元素の添加、強磁性膜と非磁性膜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。

また、強磁性層８に用いられる材料としては、遷移金属Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群と、希土類金属Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄの群からそれぞれ選択された少なくとも１つの元素を含む合金が挙げられる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどが挙げられる。また、これらの合金を交互に積層させた多層構造であってもよい。具体的にはＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ、ＤｙＦｅ／Ｃｏ、ＤｙＣｏ／Ｆｅ、ＤｙＦｅＣｏ／ＣｏＦｅなどの多層膜が挙げられる。これらの合金は、膜厚比や組成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。

また、強磁性層８に用いられる材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの第１の群から選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｕの第２の群から選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。

（界面磁性層３および界面磁性層６）
界面磁性層３および界面磁性層６は垂直磁化膜であり、かつ高い熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、飽和磁化Ｍｓが小さく、熱擾乱指数Δを維持するに足る高い磁気異方性Ｋｕを持ち、また、高分極率を示す材料であることが好ましい。このような要請を満たす材料としてＭｎ、Ａｌ、およびＧｅを含むＭｎＡｌＧｅ合金磁性材料が考えられる。以下により具体的に説明する。

界面磁性層３および界面磁性層６の具体例は、ＭｎＡｌＧｅ合金から構成される。三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚはＭｎの組成ｘが１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、Ａｌの組成ｙが１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、Ｇｅの組成ｚが１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％の範囲において、垂直磁化膜としての特性を発現する。垂直磁気異方性を発現させるためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００１）配向成長させる必要がある。具体的には下地層１００を適切に選択することにより、強磁性層２および界面磁性層３の結晶配向成長を制御することが可能であり、非磁性層４を適切に選択することにより、界面磁性層６および強磁性層８の結晶配向成長を制御することが可能である。さらに、ＭｎＡｌＧｅ合金は軽元素で構成されている材料であるため磁気摩擦定数が小さいと予想される。したがって、磁化反転に必要なエネルギーが少なくて済むため、スピン偏極した電子によって磁化を反転させるための電流密度を大幅に低減できることから、界面磁性層３へ効果的に適用可能である。

なお、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚはＭｎの組成ｘが１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、Ａｌの組成ｙが１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、Ｇｅの組成ｚが１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％の範囲において、組成変調することで飽和磁化と保磁力の制御が可能である。具体的には、２つの界面磁性層に保磁力差を設けることで、これらを記憶層側界面磁性層および参照層側界面磁性層として用いることができる。

また、界面磁性層３および界面磁性層６の第２の例として、例えばＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択される１つの元素と、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの群から選択される２つの元素とを含む合金でもよい。具体的には、ＭｎＡｌＧｅの他にＭｎＧａＧｅ、ＭｎＺｎＳｂなどが挙げられる。

また、界面磁性層３および界面磁性層６の第３の例として、例えば、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも１つの金属よりなる合金が挙げられる。例えば、界面磁性層６は、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも１つの金属よりなる合金が望ましい。このとき、例えば、ＣｏＦｅからなる界面磁性層、ＭｇＯからなる非磁性層、ＣｏＦｅからなる界面磁性層とした場合に、ＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。この場合、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。なお、界面磁性層３および界面磁性層６の飽和磁化を制御するために、界面磁性層３および界面磁性層６にＮｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｇｅの群から選択された少なくとも１つの元素を添加してもよい。すなわち、界面磁性層３および界面磁性層６はＦｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｇｅの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であってもよい。例えば、ＣｏＦｅＢの他に、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＰ、ＣｏＦｅＷ、ＣｏＦｅＮｂ等が挙げられ、これらの合金は、ＣｏＦｅＢと同等のスピン分極率を有している。また、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ等のホイスラー金属でもよい。ホイスラー金属はＣｏＦｅＢと同等かあるいはより高いスピン分極率を有しているため、界面磁性層に適している。

また、界面磁性層３および界面磁性層６の第４の例として、例えば、ＭｎＡｌ合金が挙げられる。ＭｎＡｌ合金は軽元素で構成されている材料であるため磁気摩擦定数が小さい。したがって、磁化反転に必要なエネルギーが少なくて済むため、スピン偏極した電子によって磁化を反転させるための電流密度を大幅に低減できる。また、ＭｎＡｌ合金は[００１]方向に上向きスピン、あるいは下向きスピンのどちらか一方のスピンバンドに対してエネルギーギャップが存在するためにハーフメタリックな特性を持ち、高スピン分極率を有し、これにより大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。

なお、界面磁性層３および界面磁性層６が非磁性層４に対してエピタキシャル成長していれば大きな磁気抵抗比を得ることができるので、非磁性層４と接する界面磁性層３および界面磁性層６は膜面に垂直方向に伸び縮みしていてもよい。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態によるスピン注入書き込み型の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）について説明する。

本実施形態のＭＲＡＭは複数のメモリセルを有している。本実施形態のＭＲＡＭの１つのメモリセルの主要部の断面を図１１に示す。各メモリセルは、第１乃至第４実施形態のいずれかの磁気抵抗素子を記憶素子として備えている。この第５実施形態では、記憶素子が第１実施形態の磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）１であるとして説明する。

図１１に示すように、ＭＴＪ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、ＭＴＪ素子１の下面は、下部電極３３、引き出し電極３４、プラグ３５を介して、半導体基板３６の表面のソース／ドレイン領域のうちドレイン領域３７ａと接続されている。ドレイン領域３７ａは、ソース領域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ＭＴＪ素子１とは、ＭＲＡＭの１つのメモリセルを構成する。ソース領域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、引き出し電極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３１、３３、引き出し電極３４、プラグ３５、４１は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕ等から形成されている。

本実施形態のＭＲＡＭにおいては、図１１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１２は、本実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。

図１２に示すように、ＭＴＪ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の一端子は同一のビット線３２と接続され、他端子は同一のビット線４２と接続されている。同じ行に属するメモリセル５３の選択トランジスタＴｒ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５２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。

以上説明したように、本実施形態によれば、低飽和磁化かつ高垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子を用いた磁気メモリを得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 磁気抵抗素子
２ 記憶層
３ 界面磁性層
４ 非磁性層（トンネルバリア層）
６ 界面磁性層
８ 参照層
１０ 非磁性層
１１ 強磁性層（シフト磁界調整層）
２０ａ、２０ｂ 金属接着層
２００ 単結晶基板
２２０ 基板

Claims (11)

1. 第１磁性層と、
   前記第１磁性層上に設けられた第１非磁性層と、
   前記第１非磁性層上に設けられた第２磁性層と、
   を備え、
   前記第１磁性層および前記第２磁性層の少なくとも一方は、三元系Ｍｎ_ｘＡｌ_ｙＧｅ_ｚ（１０ａｔｍ％≦ｘ≦４４ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｙ≦６５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％≦ｚ≦８０ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００ａｔｍ％）である磁性膜を含むことを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 前記第１磁性層および前記第２磁性層の少なくとも一方は、単結晶構造を有していることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間、および前記第２磁性層と前記第１非磁性層との間の少なくとも一方に、第３磁性層が挿入されることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
4. 前記第３磁性層はＭｎ、Ａｌ、Ｇｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗素子。
5. 前記第３磁性層はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの群から選択される少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする請求項３記載の磁気抵抗素子。
6. 前記第１非磁性層は、
   Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物、または
   Ｓｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択される少なくとも１つの元素と、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物、
   のいずれか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素子。
7. 前記第１磁性層は下地層上に設けられており、
   前記下地層は、
   Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含むＮａＣｌ構造を有する窒化物の層、
   Ｓｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択される少なくとも１つの元素と、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択される少なくとも１つの元素とを含む酸化物の層、
   Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含むＮａＣｌ構造を有する酸化物の層、
   Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの群から選択される少なくとも１つの元素を含み、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有する層、
   のいずれかであ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素子。
8. 前記第１および第２磁性層はそれぞれが膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に書き込み電流を流したときに、前記第１磁性層は磁化方向が可変でかつ前記第２磁性層は磁化方向が不変であり、
   前記第２磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられ、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が前記第２磁性層の磁化方向と互いに反平行な第４磁性層と、前記第２磁性層と前記第４磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、を更に備え、
   前記第２磁性層の飽和磁化をＭｓ_２、膜厚をｔ_２とし、前記第４磁性層の飽和磁化をＭｓ_４、膜厚をｔ_４とするとき、
   Ｍｓ_２×ｔ_２＜Ｍｓ_４×ｔ_４
   の関係を満たす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. 前記第１および第２磁性層はそれぞれが膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に書き込み電流を流したときに、前記第１磁性層は磁化方向が不変でかつ前記第２磁性層は磁化方向が可変であり、
   前記下地層に対して前記第１磁性層と反対側に設けられ、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が前記第１磁性層の磁化方向と互いに反平行な第４磁性層を更に備え、
   前記第１磁性層の飽和磁化をＭｓ_１、膜厚をｔ_１とし、前記第４磁性層の飽和磁化をＭｓ_４、膜厚をｔ_４とするとき、
   Ｍｓ_１×ｔ_１＜Ｍｓ_４×ｔ_４
   の関係を満たすことを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗素子。
10. 前記第１および第２磁性層はそれぞれが膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、前記第１非磁性層を介して前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に書き込み電流を流したときに、前記第１磁性層は磁化方向が可変でかつ前記第２磁性層は磁化方向が不変であり、
    前記下地層に対して前記第１磁性層と反対側に設けられ、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が前記第２磁性層の磁化方向と互いに反平行な第４磁性層を更に備え、
    前記第２磁性層の飽和磁化をＭｓ_２、膜厚をｔ_２とし、前記第４磁性層の飽和磁化をＭｓ_４、膜厚をｔ_４とするとき、
    Ｍｓ_２×ｔ_２＞Ｍｓ_４×ｔ_４
    の関係を満たすことを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、
    前記磁気抵抗素子の前記第１磁性層と電気的に接続する第１配線と、
    前記磁気抵抗素子の前記第２磁性層と電気的に接続する第２配線と、
    を備えていることを特徴とする磁気メモリ。

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