JP2015146370A - 磁気抵抗素子 - Google Patents

Abstract

【課題】参照層が、十分に高い外部磁界耐性、スピントルク耐性を有する磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】磁気抵抗素子１０は、複数の固定層３０、非磁性体から成る中間層２２、及び、記憶層２１から成る積層構造体２０を有し、複数の固定層３０は非磁性層３４を介して積層されており、複数の固定層３０は、少なくとも第１固定層３１及び第２固定層３２を有し、中間層２２に隣接する第１固定層３１の、中間層２２に対向する部分３１Ａの面積をＳ1、第１固定層以外の固定層の内、最も面積の小さい固定層の面積をＳ2としたとき、Ｓ1＞Ｓ2を満足する。【選択図】 図１

Description

本開示は、磁気抵抗素子、より具体的には、例えば記憶素子から成る磁気抵抗素子に関する。

ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）は、磁性体の磁化方向に基づきデータ記憶を行うので、高速、且つ、ほぼ無限(１０¹⁵回以上)の書換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機等の分野で使用されている。そして、ＭＲＡＭは、その高速動作と高い信頼性から、今後、コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されているが、現実には、低消費電力化、大容量化に課題を有している。これは、ＭＲＡＭの記録原理、即ち、配線から発生する電流磁界により磁化を反転させるという方式に起因する本質的な課題である。この問題を解決するための１つの方法として、電流磁界によらない記録方式、即ち、磁化反転方式が検討されており、中でも、スピン注入による磁化反転を応用したスピン注入型磁気抵抗効果素子が注目されている。

スピン注入による磁化反転とは、磁性体を通過してスピン偏極した電子が、他の磁性体に注入されることにより、他の磁性体において磁化反転が生じる現象である。スピン注入型磁気抵抗効果素子にあっては、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界に基づき磁化反転を行うＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも書込み電流が増大しないという利点、書込み電流値が素子体積に比例して減少するためスケーリングが可能であるという利点、セル面積を縮小できるといった利点を有するし、ＭＲＡＭで必要とされる記録用電流磁界発生用のワード線が不要であるため、デバイス構造、セル構造が単純になるという利点もある。

ところで、信頼性の高いスピン注入型磁気抵抗効果素子を実現するためには、磁化の方向をピニング（pinning）する参照層（固着層とも呼ばれる）が、記憶層よりも十分に高いスピントルク耐性を有することが必要とされる。加えて、外部磁界に起因した不必要な参照層の磁化反転を避けるために、参照層は十分に高い外部磁界耐性を有することが必要とされる。参照層のスピントルク耐性を強化するために、特開２０１２−２４８６８８においては、記憶層に対して参照層の面積を大きくして体積を増加させている。

特開２０１２−２４８６８８

しかしながら、上記の特許公開公報に開示された技術にあっては、参照層が単層構成であるが故に、外部磁界に対する耐性が低い。更には、記憶層に対して参照層の面積を大きくしなければならないが故に、外部磁界に対する耐性が一層低くなってしまう。外部磁界耐性の強化には、複数の磁性体を非磁性体を介して反並行に結合させる合成反強磁性結合（ＳＡＦ：Synthetic Antiferromagnet）構造が知られているが、参照層の面積が大きい場合、その効果は不十分である。

従って、本開示の目的は、参照層が、十分に高い外部磁界耐性を有し、且つ、記憶層よりも十分に高いスピントルク耐性を有する構成、構造を有する磁気抵抗素子を提供することにある。

上記の目的を達成するための本開示の磁気抵抗素子は、
複数の固定層、非磁性体から成る中間層、及び、記憶層から成る積層構造体を有し、
複数の固定層は非磁性層を介して積層されており、
複数の固定層は、少なくとも第１固定層及び第２固定層を有し、
中間層に隣接する第１固定層の、中間層に対向する部分の面積をＳ₁、第１固定層以外の固定層の内、最も面積の小さい固定層の面積をＳ₂としたとき、Ｓ₁＞Ｓ₂を満足する。尚、第１固定層が、従来の技術における参照層に該当する。第１固定層を、便宜上、『参照層』と呼ぶ場合があるし、第１固定層以外の固定層を、便宜上、『磁化固定層』と呼ぶ場合がある。

本開示の磁気抵抗素子にあっては、複数の固定層が設けられており、中間層に隣接する第１固定層（参照層）の、中間層に対向する部分の面積をＳ₁、第１固定層以外の固定層（磁化固定層）の内、最も面積の小さい固定層の面積をＳ₂としたとき、Ｓ₁＞Ｓ₂を満足するので、固定層（より具体的には、第１固定層）は、十分に高い外部磁界耐性を有するし、記憶層よりも十分に高いスピントルク耐性を有する。それ故、情報の書込み時の動作の安定化を図ることができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。

図１Ａ及び図１Ｂは、実施例１の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の模式的な一部断面図である。 図２は、選択用トランジスタを含む実施例１の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の模式的な一部断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の模式的な一部断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の変形例の模式的な一部断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図９Ａ及び図９Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図１２は、実施例２の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の別の変形例の模式的な一部断面図である。 図１３は、第２固定層の大きさと形状磁気異方性を含む異方性磁界Ｈ_kとの関係を求めたグラフである。 図１４は、実施例１、比較例１Ａ、比較例１Ｂについて、固定層が反転する外部磁界の大きさと第２固定層の大きさの関係を求めたグラフである。 図１５Ａ及び図１５Ｂは、それぞれ、比較例１Ａ及び比較例１Ｂの磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の模式的な一部断面図である。 図１６Ａ及び図１６Ｂは、それぞれ、スピン注入磁化反転を適用したスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図、及び、ダブル・スピンフィルター構造を有するスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図である。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示の磁気抵抗素子、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の磁気抵抗素子）
３．実施例２（実施例１の変形）、その他

［本開示の磁気抵抗素子、全般に関する説明］
本開示の磁気抵抗素子において、複数の固定層は、上述したとおり、少なくとも第１固定層及び第２固定層を有する。即ち、複数の固定層は、最低、第１固定層及び第２固定層を有し、場合によっては、第１固定層、第２固定層及び第３固定層を有し、あるいは又、第１固定層、第２固定層、・・・・、第Ｎ固定層（但し、Ｎは３以上の自然数）を有する。第１固定層の側面が傾斜している場合もあるので、中間層に対向する第１固定層の部分の面積をＳ₁と定義している。最も面積の小さい固定層は、固定層が２層構成の場合、第２固定層（磁化固定層）であるが、固定層が３層以上から構成されている場合、第２固定層から第Ｎ固定層までの固定層（磁化固定層）の内のいずれかである。尚、「Ｓ₁＞Ｓ₂を満足する」とは、中間層に隣接する第１固定層（参照層）の、中間層に対向する（面する）部分の面積Ｓ₁よりも小さな面積を有する固定層（磁化固定層）が存在することを意味する。

本開示の磁気抵抗素子にあっては、記憶層、中間層及び固定層の積層構造体によって、ＴＭＲ効果あるいはＧＭＲ効果を有する積層構造体が構成されている構造とすることができる。そして、図１６Ａに概念図を示すように、反平行配置の磁化状態で、書込み電流（以下、『スピン偏極電流』と呼ぶ場合がある）を記憶層から固定層へ流すと、電子が固定層から記憶層へ注入されることで作用するスピントルクにより記憶層の磁化が反転し、記憶層の磁化方向と固定層（具体的には、第１固定層）の磁化方向と記憶層の磁化方向が平行配列となる。一方、平行配置の磁化状態で、スピン偏極電流を固定層から記憶層へ流すと、電子が記憶層から固定層へ流れることで作用するスピントルクによって記憶層の磁化が反転し、記憶層の磁化方向と固定層（具体的には、第１固定層）の磁化方向が反平行配列となる。あるいは又、図１６Ｂに概念図を示すように、複数の固定層、中間層、記憶層、中間層、複数の固定層によって、ＴＭＲ効果あるいはＧＭＲ効果を有する積層構造体が構成されている構造とすることもできる。このような構造にあっては、記憶層の上下に位置する２つの中間層の磁気抵抗の変化に差を付けておく必要がある。固定層、中間層及び記憶層によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造体が構成されるとは、磁性材料から成る固定層と、磁性材料から成る記憶層との間に、トンネル絶縁膜として機能する非磁性体膜から成る中間層が挟まれた構造を指す。尚、図１６Ａ及び図１６Ｂにおいては、第１固定層以外の固定層（磁化固定層）の図示を省略した。

本開示の磁気抵抗素子において、複数の固定層は積層フェリ構造（積層フェリピン構造とも呼ばれる）を構成することが望ましい。積層フェリ構造については後述する。

上記の好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子にあっては、好ましくは、
Ｓ₁／Ｓ₂≧４
を満足することが望ましい。

以上に説明した好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子において、第２固定層と対向する第１固定層の面と、第１固定層と対向する第２固定層の面との間には、段差が存在する形態とすることができる。

以上に説明した好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子は、
記憶層（磁化反転層あるいは自由層とも呼ばれる）の磁化方向は、記憶すべき情報に対応して変化し、
第１固定層（参照層）の磁化方向は、記憶層に記憶すべき情報の基準となる磁化方向であり、
積層構造体の積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化方向を変化させ、記憶層において情報の記録が行われる記憶素子（具体的には、不揮発性磁気メモリ素子、より具体的には、スピン注入型磁気抵抗効果素子）から成る形態とすることができる。

更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子にあっては、記憶層において、磁化容易軸は積層構造体の積層方向と平行である（即ち、垂直磁化型である）形態とすることができるし、あるいは又、記憶層において、磁化容易軸は積層構造体の積層方向に対して垂直である（即ち、面内磁化型である）形態とすることもできる。

更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子において、限定するものではないが、記憶層の面積は、第１固定層（参照層）の面積よりも小さいことが好ましい。具体的には、記憶層の面積をＳ₃としたとき、
Ｓ₁／Ｓ₃≧４
を満足することが望ましい。

更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子において、少なくとも第２固定層（磁化固定層）は、絶縁材料層によって囲まれている形態とすることができ、この場合、絶縁材料層は磁性を有する形態とすることができる。ここで、絶縁材料層を構成する材料として、アルミニウム酸化物（ＡｌＯ_X）、シリコン酸化物（ＳｉＯ_X）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、酸化鉄（ＦｅＯ_X）、及び、これらの積層体若しくは化合物を挙げることができるし、磁性を有する絶縁材料層を構成する材料として、酸化鉄（ＦｅＯ_X）を挙げることができる。

更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子において、第１固定層（参照層）と接する非磁性層は、第２固定層と同じ大きさを有する形態とすることができるし、あるいは又、第１固定層（参照層）と接する非磁性層は、第１固定層と同じ大きさを有する形態とすることができる。

更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子において、第１固定層（参照層）以外の固定層（磁化固定層）は、並置された複数の固定層ユニットから成る形態とすることができる。

第１固定層（参照層）を構成する材料として、後述する記憶層を構成する材料（強磁性材料）を挙げることができるし、あるいは又、第１固定層（参照層）は、Ｃｏ層とＰｔ層との積層体、Ｃｏ層とＰｄ層との積層体、Ｃｏ層とＮｉ層との積層体、Ｃｏ層とＴｂ層との積層体、Ｃｏ−Ｐｔ合金層、Ｃｏ−Ｐｄ合金層、Ｃｏ−Ｎｉ合金層、Ｃｏ−Ｆｅ合金層、Ｃｏ−Ｔｂ合金層、Ｃｏ層、Ｆｅ層、又は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る構成とすることができ、あるいは又、これらの材料に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ等の非磁性元素を添加して磁気特性を調整したり、結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整してもよく、更には、好ましくは、第１固定層（参照層）はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る構成とすることができる。第１固定層の磁化方向は情報の基準であるので、情報の記録や読出しによって磁化方向が変化してはならないが、必ずしも特定の方向に固定されている必要はなく、記憶層よりも保磁力を大きくするか、膜厚を厚くするか、あるいは、磁気ダンピング定数を大きくして、記憶層よりも磁化方向が変化し難い構成、構造とすればよい。複数の固定層から成る構造は、積層フェリ構造と呼ばれる。積層フェリ構造は、反強磁性的結合を有する積層構造であり、即ち、２つの磁性材料層の層間交換結合が反強磁性的になる構造であり、合成反強磁性結合（ＳＡＦ）とも呼ばれ、非磁性層の厚さによって、２つの磁性材料層の層間交換結合が、反強磁性的あるいは強磁性的になる構造を指し、例えば、 S. S. Parkin et. al, Physical Review Letters, 7 May, pp 2304-2307 (1990) に報告されている。第１固定層（参照層）以外の固定層（磁化固定層）を構成する各層は、第１固定層（参照層）を構成する材料として挙げた材料のいずれかから成り、あるいは又、反強磁性材料から成り、あるいは又、第１固定層（参照層）を構成する材料層と反強磁性材料層の積層構造（第１固定層を構成する材料層と反強磁性材料層とが接触している構造）から成る。反強磁性材料として、具体的には、鉄−マンガン合金、ニッケル−マンガン合金、白金−マンガン合金、白金−クロム−マンガン合金、イリジウム−マンガン合金、ロジウム−マンガン合金、コバルト酸化物、ニッケル酸化物、鉄酸化物（Ｆｅ₂Ｏ₃）を挙げることができる。

非磁性層を構成する材料として、ルテニウム（Ｒｕ）やその合金を挙げることができるし、あるいは又、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂや、これらの合金を挙げることができる。

中間層は非磁性体膜から成ることが好ましい。即ち、スピン注入型磁気抵抗効果素子において、ＴＭＲ効果を有する積層構造体を構成する場合の中間層は、絶縁材料から成る非磁性体膜から構成されることが好ましい。ここで、絶縁材料から成る非磁性体膜を構成する材料として、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、マグネシウムフッ化物、アルミニウム酸化物（ＡｌＯ_X）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、シリコン酸化物（ＳｉＯ_X）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、ＴｉＯ₂、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ｇｅ、ＮｉＯ、ＣｄＯ_X、ＨｆＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ₂、ＡｌＬａＯ₃、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、ＢＮ、ＺｎＳ等の各種絶縁材料、誘電体材料、半導体材料を挙げることができる。一方、ＧＭＲ効果を有する積層構造体を構成する非磁性体膜を構成する材料として、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔａ等、あるいは、これらの合金といった導電材料を挙げることができるし、導電性が高ければ（抵抗率が数百μΩ・ｃｍ以下）、任意の非金属材料としてもよいが、記憶層や第１固定層と界面反応を起こし難い材料を、適宜、選択することが望ましい。

絶縁材料から成る中間層は、例えば、スパッタリング法にて形成された金属膜を酸化若しくは窒化することにより得ることができる。より具体的には、中間層を構成する絶縁材料としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯ_X）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合、例えば、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを大気中で酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをプラズマ酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをＩＰＣプラズマで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素ラジカルで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化させるときに紫外線を照射する方法、アルミニウムやマグネシウムを反応性スパッタリング法にて成膜する方法、アルミニウム酸化物（ＡｌＯ_X）やマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）をスパッタリング法にて成膜する方法を例示することができる。

記憶層を構成する材料として、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）といった強磁性材料の合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｆｅ等）、あるいは、これらの合金にガドリニウム（Ｇｄ）が添加された合金を例示することができる。更には、垂直磁化型において、垂直磁気異方性を一層増加させるために、係る合金にテルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）等の重希土類を添加してもよいし、これらを含む合金を積層してもよい。記憶層の結晶性は、本質的に任意であり、多結晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、非晶質であってもよい。また、記憶層は、単層構成とすることもできるし、上述した複数の異なる強磁性材料層を積層した積層構成とすることもできるし、強磁性材料層と非磁性材料層を積層した積層構成とすることもできる。

以上に説明した種々の層は、例えば、スパッタリング法、イオンビーム堆積法、真空蒸着法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に代表される化学的気相成長法（ＣＶＤ法）にて形成することができる。また、これらの層のパターニングは、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）やイオンミーリング法（イオンビームエッチング法）にて行うことができる。種々の層を真空装置内で連続的に形成することが好ましく、その後、パターニングを行うことが好ましい。

以上に説明した種々の好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子（以下、これらを総称して、『本開示の磁気抵抗素子等』と呼ぶ）は、積層構造体の下部に電気的に接続された第１の配線、及び、積層構造体の上部に電気的に接続された第２の配線を有する形態とすることができる。積層構造体の立体形状は、円筒形、円柱形であることが、加工の容易性、記憶層における磁化容易軸の方向の均一性を確保するといった観点から望ましいが、これに限定するものではなく、三角柱、四角柱、六角柱、八角柱等（これらにあっては側辺あるいは側稜が丸みを帯びているものを含む）、楕円柱とすることもできる。第１の配線から第２の配線へと、あるいは又、第２の配線から第１の配線へと、スピン偏極電流を積層構造体に流すことによって、記憶層における磁化の方向を第１の方向（磁化容易軸と平行な方向）あるいは第２の方向（第１の方向とは反対の方向）とすることで、記憶層に情報が書き込まれる。積層構造体と配線との間には、積層構造体の配線と接する磁性層の結晶性向上のために、Ｔａ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｔｉ等から成る下地膜を形成してもよい。

第１の配線や第２の配線は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ等の単層構造から成り、あるいは又、ＣｒやＴｉ等から成る下地層と、その上に形成されたＣｕ層、Ａｕ層、Ｐｔ層等の積層構造を有していてもよい。更には、Ｔａ等の単層あるいはＣｕ、Ｔｉ等との積層構造から構成することもできる。これらの配線は、例えば、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法にて形成することができる。

記憶層と配線との間には、配線や接続部を構成する原子と記憶層を構成する原子の相互拡散の防止、接触抵抗の低減、記憶層の酸化防止のために、キャップ層を形成することが好ましい。キャップ層として、Ｔａ層、Ｒｕ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｗ層、ＭｇＯ層、Ｒｕ膜／Ｔａ膜の積層構造を挙げることができる。

本開示の磁気抵抗素子等において、積層構造体の下方に、電界効果型トランジスタから成る選択用トランジスタを更に有しており、第２の配線（例えば、ビット線）の延びる方向は、電界効果型トランジスタを構成するゲート電極の延びる方向と平行である形態とすることが好ましいが、これに限定するものではなく、第２の配線の延びる方向の射影像は、電界効果型トランジスタを構成するゲート電極の延びる方向の射影像と直交する形態とすることもできる。また、場合によっては、選択用トランジスタは不要である。

磁気抵抗素子における好ましい構成にあっては、上述したとおり、積層構造体の下方に、電界効果型トランジスタから成る選択用トランジスタを更に有しているが、より具体的な構成として、例えば、限定するものではないが、
半導体基板に形成された選択用トランジスタ、及び、
選択用トランジスタを覆う下層絶縁層、
を備えており、
下層絶縁層上に第１の配線が形成されており、
第１の配線は、下層絶縁層に設けられた接続孔（あるいは接続孔とランディングパッド部や下層配線）を介して選択用トランジスタに電気的に接続されており、
絶縁材料層を含む層間絶縁層は、下層絶縁層及び第１の配線を覆い、積層構造体を取り囲んでおり、
第２の配線は層間絶縁層上に形成されている構成を例示することができる。

選択用トランジスタは、例えば、周知のＭＩＳ型ＦＥＴやＭＯＳ型ＦＥＴから構成することができる。第１の配線と選択用トランジスタとを電気的に接続する接続孔は、不純物がドーピングされたポリシリコンや、タングステン、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＴｉＷ、ＴｉＮＷ、ＷＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂等の高融点金属や金属シリサイドから構成することができ、ＣＶＤ法や、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法に基づき形成することができる。また、下層絶縁層を構成する材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ、ＮＳＧ、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧあるいはＬＴＯを例示することができる。

実施例１は、本開示の磁気抵抗素子に関する。図１Ａ及び図２に模式的な一部断面図を示すように、実施例１の磁気抵抗素子１０は、
複数の固定層３０、中間層２２、及び、記憶層２１から成る積層構造体２０を有し、
複数の固定層３０は非磁性層３４を介して積層されており、
複数の固定層３０は、少なくとも第１固定層３１及び第２固定層３２を有し、
中間層２２に隣接する第１固定層（参照層）３１の、中間層２２に対向する部分３１Ａの面積をＳ₁、第１固定層３１以外の固定層（磁化固定層）の内、最も面積の小さい固定層の面積をＳ₂としたとき、Ｓ₁＞Ｓ₂、好ましくは、
Ｓ₁／Ｓ₂≧４
を満足する。即ち、中間層２２に隣接する第１固定層３１の、中間層２２に対向する（面する）部分３１Ａの面積Ｓ₁よりも小さな面積を有する磁化固定層が存在する。尚、実施例１の磁気抵抗素子にあっては、第１固定層３１以外の固定層（磁化固定層）は、第２固定層３２の１層から構成されている。積層構造体２０は、具体的には、第２固定層３２、非磁性層３４、第１固定層３１、中間層２２及び記憶層２１から構成されている。また、記憶層２１の面積は、第１固定層３１の面積よりも小さく、第１固定層３１と接する非磁性層３４は、第２固定層３２と同じ大きさを有する。具体的には、記憶層２１の面積をＳ₃としたとき、
Ｓ₁／Ｓ₃≧４
を満足する。

尚、図１Ｂに示すように、第１固定層３１と接する非磁性層３４は、第１固定層３１と同じ大きさを有する形態とすることもできる。

そして、第２固定層３２と対向する第１固定層３１の面３１Ｂと、第１固定層３１と対向する第２固定層３２の面３２Ａとの間には、段差３３が存在する。

実施例１の磁気抵抗素子１０は、具体的には、
記憶層（磁化反転層あるいは自由層とも呼ばれる）２１の磁化方向は、記憶すべき情報に対応して変化し、
第１固定層（参照層）３１の磁化方向は、記憶層２１に記憶すべき情報の基準となる磁化方向であり、
積層構造体２０の積層方向に電流を流すことにより、記憶層２１の磁化方向を変化させ、記憶層２１において情報の記録が行われる記憶素子（具体的には、不揮発性磁気メモリ素子、より具体的には、スピン注入型磁気抵抗効果素子）から成る。即ち、記憶層２１の磁化方向と第１固定層（参照層）３１の磁化方向の相対的な角度によって、情報「０」及び情報「１」が規定される。

積層構造体２０において、固定層３０が下側に位置し、記憶層２１が上側に位置しているが、これに限定するものではない。また、積層構造体２０の立体形状は、円筒形（円柱形）あるいは四角柱であるが、これに限定するものではない。第１の配線５１が、積層構造体２０に下部に電気的に接続されており、第２の配線５２が、積層構造体２０の上部に電気的に接続されている。より具体的には、第１の配線５１は、固定層３０の下端（より具体的には、第２固定層３２）に接続されており、第２の配線５２は、キャップ層２３を介して記憶層２１に接続されている。

実施例１において、記憶層２１における磁化容易軸は、積層構造体２０の積層方向と平行である。即ち、記憶層２１は、磁化方向が積層構造体２０の積層方向に自由に変化する磁気モーメントを有する強磁性材料、より具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金［Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀］から構成されている。非磁性体から成る中間層２２は、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）として機能する絶縁層、具体的には、ＭｇＯ層から成る。中間層２２をＭｇＯ層から構成することで、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、これによって、スピン注入の効率を向上させることができ、記憶層２１の磁化方向を反転させるために必要な電流密度を低減させることができる。第１固定層（参照層）３１における磁化容易軸は、積層構造体２０の積層方向と平行である。即ち、第１固定層（参照層）３１は、磁化方向が積層構造体２０の積層方向に自由に変化する磁気モーメントを有する強磁性材料、より具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金［Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀］から構成されている。更には、第２固定層（磁化参照層）３２は、Ｃｏ−Ｐｔ合金層から構成され、ルテニウム（Ｒｕ）から構成された非磁性層３４を介して、第１固定層（参照層）３１と磁気的に結合する積層フェリ構造を構成している。また、少なくとも第２固定層３２は、具体的には、実施例１にあっては、第２固定層３２及び非磁性層３４は、窒化シリコン（ＳｉＮ）若しくはＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃から成る絶縁材料層（埋込み層）４２によって囲まれている。また、絶縁材料層４２上には、アルミニウム酸化物から成る層間絶縁層４３が形成されており、第１固定層３１、中間層２２、記憶層２１及びキャップ層２３は層間絶縁層４３によって囲まれている。また、第２固定層３２及び絶縁材料層４２は、例えば、Ｔａ層とＲｕ層の２層構造から成る下地層４１上に形成されている。下地層４１は、ＳｉＯ₂から成る下層絶縁層６９上に形成されている。以上のとおり、実施例１の磁気抵抗素子はＭＴＪ素子から構成されている。

図２に示すように、積層構造体２０の下方に、電界効果型トランジスタから成る選択用トランジスタＴＲが設けられている。具体的には、
半導体基板６０に形成された選択用トランジスタＴＲ、及び、
選択用トランジスタＴＲを覆う下層絶縁層６８，６９、
を備えており、
下層絶縁層６９上に第１の配線５１が形成されており、
第１の配線５１は、下層絶縁層６８，６９に設けられた接続孔（あるいは接続孔とランディングパッド部や下層配線）６７を介して選択用トランジスタＴＲに電気的に接続されており、
絶縁材料層４２を含む層間絶縁層４３は、下層絶縁層６９及び第１の配線５１を覆い、積層構造体２０を取り囲んでおり、
第２の配線５２は層間絶縁層４３上に形成されている。

選択用トランジスタＴＲは、ゲート電極６１、ゲート絶縁層６２、チャネル形成領域６３及びソース／ドレイン領域６４を備えている。一方のソース／ドレイン領域６４と第１の配線５１とは、上述したとおり、接続孔６７を介して接続されており、他方のソース／ドレイン領域６４は、タングステンプラグ６５を介して、下層絶縁層６８上に形成されたセンス線６６に接続されている。ゲート電極６１は、所謂ワード線として機能する。

以下、実施例１の磁気抵抗素子の製造方法の概要を説明するが、実施例２の磁気抵抗素子も、基本的には同様の方法で作製することができる。

［工程−１００］
先ず、周知の方法に基づき、シリコン半導体基板６０に素子分離領域（図示せず）を形成し、素子分離領域によって囲まれたシリコン半導体基板６０の部分に、ゲート酸化膜６２、ゲート電極６１、ソース／ドレイン領域６４から成る選択用トランジスタＴＲを形成する。ソース／ドレイン領域６４とソース／ドレイン領域６４の間に位置するシリコン半導体基板６０の部分がチャネル形成領域６３に相当する。次いで、第１下層絶縁層６８を形成し、他方のソース／ドレイン領域６４の上方の第１下層絶縁層６８の部分にタングステンプラグ６５を形成し、更には、第１下層絶縁層６８上にセンス線６６を形成する。その後、全面に第２下層絶縁層６９を形成し、一方のソース／ドレイン領域６４の上方の下層絶縁層６８，６９の部分にタングステンプラグから成る接続孔６７を形成する。こうして、下層絶縁層６８，６９で覆われた選択用トランジスタＴＲを得ることができる。その後、下層絶縁層６９上に第１の配線５１を形成する。

［工程−１１０］
その後、スパッタリング法にて、全面に、下地層４１、第２固定層３２、非磁性層３４を連続成膜し、次いで、非磁性層３４、第２固定層３２、下地層４１を、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）に基づきエッチングする。

［工程−１２０］
次に、全面に絶縁材料層４２を形成し、絶縁材料層４２に平坦化処理を施すことで、絶縁材料層４２の頂面を非磁性層３４の頂面と、同じレベルとする。

［工程−１３０］
その後、スパッタリング法にて、全面に、第１固定層３１及び中間層２２を形成した後、中間層２２に酸化処理を施す。次に、中間層２２上に記憶層２１、キャップ層２３を成膜した後、キャップ層２３、記憶層２１、中間層２２及び第１固定層３１を反応性イオンエッチング法に基づきエッチングし、更に、キャップ層２３及び記憶層２１を反応性イオンエッチング法に基づきエッチングする。

［工程−１４０］
その後、全面に層間絶縁層４３を形成し、キャップ層２３の上方の層間絶縁層４３に開口部を形成し、層間絶縁層４３上に、キャップ層２３まで延びる第２の配線５２を形成する。こうして、図１Ａ及び図２に示した構造の磁気抵抗素子（具体的には、スピン注入型磁気抵抗効果素子）を得ることができる。尚、ＲＩＥ法によって各層をパターニングする代わりに、イオンミリング法（イオンビームエッチング法）に基づき各層をパターニングすることもできる。

ところで、情報は、一軸異方性を有する記憶層２１の磁化方向の向きによって規定される。情報の書込みは、積層構造体２０の積層方向に電流を流し、スピントルク磁化反転を生じさせることによって行われる。以下、スピン注入磁化反転を適用したスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図である図１６Ａを参照して、スピントルク磁化反転について簡単に説明する。電子は２種類のスピン角運動量を有する。仮にこれを上向き、下向きと定義する。非磁性体内部では両者が同数であり、強磁性体内部では両者の数に差がある。

強磁性材料から成る記憶層２１と第１固定層（参照層）３１とは、互いの磁気モーメントの向きが反平行状態にあると仮定する。この状態では、情報「１」が記憶層に記憶されている。記憶層２１に記憶されている情報「１」を「０」に書き換えるとする。この場合、記憶層２１から固定層３０へとスピン偏極電流を流す。即ち、固定層３０から記憶層２１に向かって電子を流す。第１固定層３１を通過した電子には、スピン偏極、即ち、上向きと下向きの数に差が生じる。中間層２２の厚さが十分に薄く、このスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極状態（上向きと下向きが同数の状態）になる前に、記憶層２１に達すると、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系全体のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転、即ち、スピン角運動量の向きを変えさせられる。このとき、系の全角運動量は保存されなければならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層２１における磁気モーメントに与えられる。電流、即ち、単位時間に積層構造体２０を通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないために、記憶層２１における磁気モーメントに発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に記憶層に与えることができる。角運動量の時間変化はトルクであり、トルクが或る閾値を超えると記憶層２１の磁気モーメントは反転を開始し、その一軸異方性により１８０度回転したところで安定となる。即ち、反平行状態から平行状態への反転が起こり、情報「０」が記憶層に記憶される（図１６Ａの左手側の概念図を参照）。

次に、記憶層２１に記憶されている情報「０」を「１」に書き換えるとする。この場合、スピン偏極電流を逆に固定層３０から記憶層２１へと流す。即ち、記憶層２１から固定層３０に向かって電子を流す。第１固定層（参照層）３１に達した下向きのスピンを有する電子は、固定層３０を通過する。一方、上向きのスピンを有する電子は、第１固定層（参照層）３１で反射される。そして、係る電子が記憶層２１に進入すると、記憶層２１にトルクを与え、記憶層２１は反平行状態へと反転する（図１６Ａの右手側の概念図を参照）。但し、この際、反転を生じさせるのに必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。平行状態から反平行状態への反転は直感的な理解が困難であるが、第１固定層（参照層）３１の磁化方向が固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層２１が反転すると考えてもよい。このように、０／１の情報の記憶は、固定層３０から記憶層２１の方向又はその逆向きに、それぞれの極性に対応する或る閾値以上の電流を流すことによって行われる。

垂直磁化型のスピン注入型磁気抵抗効果素子における反転電流をＩ_{c_perp}、面内磁化型のスピン注入型磁気抵抗効果素子における反転電流をＩ_{c_para}とすると、
垂直磁化型における平行状態から反平行状態への反転：
Ｉ_{c_perp}＝（Ａ×α×Ｍ_s×Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈ_k−４πＭ_s）
垂直磁化型における反平行状態から平行状態への反転：
Ｉ_{c_perp}＝−（Ａ×α×Ｍ_s×Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈ_k−４πＭ_s）
面内磁化型における平行状態から反平行状態への反転：
Ｉ_{c_para}＝（Ａ×α×Ｍ_s×Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈ_k＋２πＭ_s）
面内磁化型における反平行状態から平行状態への反転：
Ｉ_{c_para}＝−（Ａ×α×Ｍ_s×Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈ_k＋２πＭ_s）
但し、
Ａ ：定数
α ：ダンピング定数
Ｍ_s：飽和磁化
Ｖ ：素子体積
ｇ（０）：平行時にスピントルクが相手の磁性層に伝達される効率に対応する係数
ｇ（π）：反平行時にスピントルクが相手の磁性層に伝達される効率に対応する係数
Ｐ ：スピン分極率
Ｈ_k：磁気異方性（異方性磁界）
である。尚、これらの式については、S. Mangin et al. Nature materials, Vol.5 March2006, p.210 を参照のこと。

上式において、垂直磁化型の場合の（Ｈ_k−４πＭ_s）と面内磁化型の場合の（Ｈ_k＋２πＭ_s）とを比較すると、垂直磁化型の方が、低記録電流化により適していることが理解できる。即ち、面内磁気異方性を有する磁気抵抗素子よりも垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子の方が低電力化、大容量化に適している。これは、垂直磁化型の方がスピントルク磁化反転の際に超えるべきエネルギーバリアが低く、また、垂直磁化膜の有する高い磁気異方性が大容量化により微細化した記憶層（記憶担体）の熱安定性を保持するのに有利であるためである。

実施例１にあっては、特に、記憶層２１が受ける実効的な反磁界の大きさが記憶層２１の飽和磁化量Ｍ_sよりも小さくなるように、記憶層２１の組成が調整されている。具体的には、前述したように、記憶層２１を構成する強磁性材料をＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金とすることで、記憶層２１が受ける実効的な反磁界の大きさを小さくして、記憶層２１の飽和磁化量Ｍ_sよりも小さくする。これにより、記憶層２１の磁化方向を反転させるために必要とされる書込み電流量を低減させることができる。

実施例１、及び、後述する比較例１Ａ、比較例１Ｂにあっては、積層構造体２０を、以下の表１に示す各層から構成した。

［表１］
キャップ層２３：膜厚５ｎｍのＴａ層
記憶層２１ ：膜厚１．６ｎｍの（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀層
中間層２２ ：膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ層
第１固定層３１：膜厚１．２ｎｍの（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀層
非磁性層３４ ：膜厚０．７ｎｍのＲｕ層
第２固定層３２：膜厚２．０ｎｍのＣｏ−Ｐｔ合金層
下地層４１ ：膜厚１０ｎｍのＴａ層と膜厚１０ｎｍのＲｕ層の２層構造

そして、実施例１の試料の作製にあっては、厚さ０．７２５ｍｍのシリコン半導体基板の表面に、厚さ０．３μｍの熱酸化膜（図示せず）を形成し、その上に、ワード線（第１の配線）として機能する膜厚０．１μｍのＣｕ層（第１の配線）５１を形成し、更に、その上に、表１に示す積層構造体２０の内、下地層４１、第２固定層３２、非磁性層３４を形成した後、非磁性層３４、第２固定層３２をパターニングした。次いで、全面に窒化シリコン（ＳｉＮ）若しくはＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃から成る絶縁材料層（埋込み層）４２を形成し、平坦化処理を施した後、全面に、第１固定層３１、中間層２２、記憶層２１、キャップ層２３を形成し、その後、キャップ層２３、記憶層２１、中間層２２、第１固定層３１のパターニングを行った。尚、中間層以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。中間層は、ＲＦマグネトロンスパッタ法若しくはＤＣマグネトロンスパッタ法を用いてＭｇ層を成膜した後、酸化チャンバーでＭｇ層を酸化することで形成した。積層構造体２０を得た後、熱処理炉内で、磁場を加えながら、３５０゜Ｃ、１時間の熱処理を行った。その後、全面にＡｌ₂Ｏ₃から成る層間絶縁層４３を形成し、積層構造体２０の上方の層間絶縁層４３に開口部を形成し、層間絶縁層４３上に、キャップ層２３まで延びる第２の配線５２を形成した。こうして、選択用トランジスタＴＲを除き、図１Ａに示したと概ね同様の構造を得ることができた。

一方、比較例の試料の作製にあっては、厚さ０．７２５ｍｍのシリコン半導体基板６０の表面に、厚さ０．３μｍの熱酸化膜（図示せず）を形成し、その上に、ワード線として機能する膜厚０．１μｍのＣｕ層（第１の配線）５１を形成し、更に、その上に、表１に示す積層構造体２０を構成する各層を形成し、次いで、各層をパターニングすることで、積層構造体２０を得た後、熱処理炉内で、磁場を加えながら、３５０゜Ｃ、１時間の熱処理を行った。その後、全面にＡｌ₂Ｏ₃から成る層間絶縁層４４を形成し、積層構造体２０の上方の層間絶縁層４４に開口部を形成し、層間絶縁層４４上に、キャップ層２３まで延びる第２の配線５２を形成した。ここで、比較例１Ａにあっては、キャップ層２３から第２固定層３２まで、１本の円柱から構成されている（図１５Ａ参照）。一方、比較例１Ｂにあっては、キャップ層２３と記憶層２１から成る上部円柱と、中間層２２から第２固定層３２までの下部四角柱から構成されている（図１５Ｂ参照）。

実施例１、比較例１Ａ、比較例１Ｂにおいて、キャップ層２３及び記憶層２１の平面形状を、直径０．１μｍの円柱（Ｓ₃＝０．００７９μｍ²）とした。また、実施例１において、中間層２２及び第１固定層３１は２μｍ×２μｍ（＝Ｓ₁）の四角柱であり、非磁性層３４及び第２固定層３２は０．５μｍ×０．５μｍ（＝Ｓ₂）の四角柱である。また、比較例１Ａにおいて、積層構造体２０の全体は、直径０．１μｍの１本の円柱である。更には、比較例１Ｂにおいて、キャップ層２３及び記憶層２１を除く積層構造体（中間層２２から第２固定層３２まで）は、２μｍ×２μｍの四角柱である。即ち、実施例１、比較例１Ａ、比較例１ＢのそれぞれにおけるＳ₁，Ｓ₂の値（単位：μｍ²）は、以下のとおりある。

Ｓ₁ Ｓ₂ Ｓ₁／Ｓ₂
実施例１ ４ ０．２５ １６
比較例１Ａ ０．０１ ０．０１ １．００
比較例１Ｂ ４ ４ １．００

こうして得られた実施例１、比較例１Ａ、比較例１Ｂの試料において、磁気抵抗の測定を行った。磁気抵抗の測定においては、膜面垂直方向に対して磁場を±１．５キロエルステッド乃至３キロエルステッドの範囲で掃引し、１００ミリボルトの電圧を第１の配線５１と第２の配線５２との間に印加した状態で、４端子法により電気抵抗値を測定した。

その結果、実施例１においては、±２キロエルステッドの磁場範囲において磁気抵抗に変化は認められず、実施例１における積層構造体は、約２．５キロエルステッドの外部磁場に対して十分な耐性を有することが判った。また、比較例１Ａにおいては、±３キロエルステッドの磁場範囲において磁気抵抗に変化は認められず、比較例１Ａにおける積層構造体は、外部磁界に対して十分な耐性を有することが判った。一方、比較例１Ｂにおいては、１．２キロエルステッド程度の磁場において磁気抵抗に変化が認められ、比較例１Ｂにおける積層構造体は、外部磁界に対して十分な耐性を有していないことが判った。

第１固定層（参照層）３１の面積に依存した外部磁界に対する耐性の変化は次のように説明することができる。即ち、磁性体は磁化方向に対して反対方向に反磁界を有し、特に垂直磁化膜においては反磁界は垂直磁気異方性を妨げる要因となる。この反磁界は面積依存性を有し、磁性体が大きさ無限大のベタ膜で最も反磁界が大きく、磁性体の面積が小さくなるに従い、反磁界は減少していく。このような、磁性体の形状、大きさに起因して実効的に付加される磁気異方性を形状磁気異方性と呼ぶ。この形状磁気異方性は、一般的には、１μｍ×１μｍ以下の大きさまで微細化されれば、反磁界低減の効果があるとされている。磁性体の微細化した場合の、形状磁気異方性を加味した異方性磁界Ｈ_cは、以下の式（１）のように表される。ここで、Ｋ_uは異方性エネルギー、Ｍ_sは飽和磁化、ｆは磁性体の形状によって変化する反磁界係数である。

Ｈ_c＝２（Ｋ_u−２πＭ_S ²ｆ）／Ｍ_S （１）

次に、上述したとおり、第２固定層（磁化固定層）３２をＣｏ−Ｐｔ合金層から構成し、第２固定層３２の面積による異方性磁界の変化を計算した。ここで、
Ｍ_s ＝６００ｅｍｕ／ｃｍ³
反磁界を含むベタ膜での異方性磁界Ｈ_k＝１５キロエルステッド
第２固定層３２の膜厚 ＝２ｎｍ
としている。

図１３に、微細化したＷ（ｎｍ）×Ｗ（ｎｍ）の大きさの第２固定層３２において、形状磁気異方性を含む異方性磁界Ｈ_kの値が、第２固定層３２をベタ膜としたとき（Ｗ＝∞）の異方性磁界Ｈ_{k_eff}を「１」としたとき、第２固定層３２の大きさに対してどのように変化するかを示す。第２固定層（磁化固定層）３２の面積が小さくなるに従い、異方性磁界Ｈ_kの値は増加し、その結果、積層フェリ構造における反強磁性的結合の結合エネルギーが強化される。加えて、第２固定層３２の微細化により、第２固定層３２が複数磁区の状態から単磁区構造に近づくことによっても、異方性磁界の強化が図られる。

また、実施例１、比較例１Ａ、比較例１Ｂについて、固定層が反転する外部磁界の大きさと第２固定層（磁化固定層）３２の大きさの関係を求めると図１４のとおりとなり、実施例１において固定層の外部磁界耐性が向上していることが判る。また、反転磁界の第２固定層３２のサイズ依存性は、前述した第２固定層３２の異方性磁界のサイズ依存性と類似しており、本開示の効果が反映されていると考えられる。

しかしながら、比較例１Ａのような素子構造では、第１固定層（参照層）３１の面積が小さく、第１固定層３１の体積が微小である。そのため、スピン注入磁化反転のために（情報の記録のために）積層構造体２０に電流を流したとき、第１固定層（参照層）３１が受けるスピントルクによって第１固定層（参照層）３１に不必要な磁化反転が起こり、磁気抵抗素子の動作が不安定なものとなる。一方、実施例１にあっては、第２固定層（磁化固定層）３２の面積は小さいが、第１固定層（参照層）３１の面積は大きいので、第１固定層（参照層）３１はスピン注入磁化反転時に受けるスピントルクに対しても安定である。

実施例１、比較例１Ａ及び比較例１Ｂにおける外部磁界及びスピントルクに対する耐性を纏めると、以下の表２のとおりとなる。

［表２］
実施例１ 比較例１Ａ 比較例１Ｂ
第１固定層の面積 大 小 大
第２固定層の面積 小 小 大
複数の固定層の体積 中 小 大
スピントルク耐性 高 低 高
外部磁界耐性 高 高 低

以上のとおり、実施例１の磁気抵抗素子にあっては、複数の固定層が設けられており、中間層に隣接する第１固定層の、中間層に対向する部分の面積をＳ₁、第１固定層以外の固定層の内、最も面積の小さい固定層の面積をＳ₂としたとき、Ｓ₁＞Ｓ₂を満足するので、固定層は、全体として十分に高い外部磁界耐性を有し、且つ、記憶層よりも十分に高いスピントルク耐性を有する。

実施例２は、実施例１の変形である。実施例２にあっては、積層構造体の形状の各種変形例を説明する。

模式的な一部断面図を図３Ａ及び図３Ｂに示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）において、中間層２２は記憶層２１と同じ大きさを有する。尚、図３Ａは、図１Ａに示した磁気抵抗素子の変形であり、図３Ｂは、図１Ｂに示した磁気抵抗素子の変形である。

また、模式的な一部断面図を図４Ａ及び図４Ｂに示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）において、第１固定層以外の固定層は、並置された複数（図示した例では３つ）の固定層ユニット３２’から成る。尚、図４Ａは、図１Ｂに示した磁気抵抗素子の変形であり、図４Ｂは、図３Ｂに示した磁気抵抗素子の変形である。

模式的な一部断面図を図５Ａ及び図５Ｂに示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）において、非磁性層３４の側面は、第２固定層３２に向かって窄まったテーパー形状を有する。尚、図５Ａは、図１Ａに示した磁気抵抗素子の変形であり、図５Ｂは、図３Ａに示した磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の変形である。

模式的な一部断面図を図６Ａ及び図６Ｂに示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）において、第２固定層３２の側面は、下地層４１に向かって窄まったテーパー形状を有する。尚、図６Ａは、図１Ａに示した磁気抵抗素子の変形であり、図６Ｂは、図３Ａに示した磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の変形である。

模式的な一部断面図を図７Ａ及び図７Ｂに示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）において、第２固定層３２の側面は、下地層４１に向かって窄まったテーパー形状を有する。尚、図７Ａは、図１Ｂに示した磁気抵抗素子の変形であり、図６Ｂは、図３Ｂに示した磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の変形である。

模式的な一部断面図を図８Ａ及び図８Ｂに示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）において、非磁性層３４の側面及び第２固定層３２の側面は、下地層４１に向かって窄まったテーパー形状を有する。尚、図８Ａは、図１Ａに示した磁気抵抗素子の変形であり、図８Ｂは、図３Ａに示した磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の変形である。

模式的な一部断面図を図９Ａ及び図９Ｂに示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）において、第２固定層３２の側面は、下地層４１に向かって広がったテーパー形状を有する。尚、図９Ａは、図１Ａに示した磁気抵抗素子の変形であり、図９Ｂは、図３Ａに示した磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の変形である。

模式的な一部断面図を図１０Ａ及び図１０Ｂに示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）において、非磁性層３４の側面及び第２固定層３２の側面は、下地層４１に向かって広がったテーパー形状を有する。尚、図１０Ａは、図１Ａに示した磁気抵抗素子の変形であり、図１０Ｂは、図３Ａに示した磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の変形である。

模式的な一部断面図を図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１２に示す磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）にあっては、第１固定層３１の外側に第１固定層延在部３１’が設けられている。第１固定層延在部３１’は、第１固定層３１と同じ材料から構成してもよいし、異なる強磁性材料から構成してもよい。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２に示す磁気抵抗素子にあっては、柱状の第２固定層３２、非磁性層３４、第１固定層３１、中間層２２、記憶層２１、キャップ層２３を形成した後、絶縁材料層４２、第１固定層延在部３１’、層間絶縁層４３を、順次、形成すればよい。尚、柱状の第２固定層３２、非磁性層３４、第１固定層３１、中間層２２、記憶層２１、キャップ層２３の形成におけるパターニングに依存して、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２に示す磁気抵抗素子を得ることができる。

以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した各種の積層構造、使用した材料等は例示であり、適宜、変更することができる。各実施例においては、記憶層が積層構造体の最上層に位置する構造を有するスピン注入型磁気抵抗効果素子を説明したが、各層の積層順序を逆とし、記憶層が最下層に位置する構造を有するスピン注入型磁気抵抗効果素子とすることもできる。また、実施例においては、専ら、垂直磁化型の磁気抵抗素子を例にとり説明を行ったが、記憶層において、磁化容易軸が積層構造体の積層方向に対して垂直である（即ち、面内磁化型である）形態とすることもできる。また、絶縁材料層は磁性を有する形態とすることもでき、この場合、絶縁材料層を、例えば、酸化鉄（ＦｅＯ_X）から構成すればよい。磁気抵抗素子として、その他、磁気ヘッドを挙げることもできる。

尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《磁気抵抗素子》
複数の固定層、非磁性体から成る中間層、及び、記憶層から成る積層構造体を有し、
複数の固定層は非磁性層を介して積層されており、
複数の固定層は、少なくとも第１固定層及び第２固定層を有し、
中間層に隣接する第１固定層の、中間層に対向する部分の面積をＳ₁、第１固定層以外の固定層の内、最も面積の小さい固定層の面積をＳ₂としたとき、Ｓ₁＞Ｓ₂を満足する磁気抵抗素子。
［Ａ０２］複数の固定層は、積層フェリ構造を構成する［Ａ０１］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０３］Ｓ₁／Ｓ₂≧４を満足する［Ａ０１］又は［Ａ０２］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０４］第２固定層と対向する第１固定層の面と、第１固定層と対向する第２固定層の面との間には、段差が存在する［Ａ０１］乃至［Ａ０３］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０５］記憶層の磁化方向は、記憶すべき情報に対応して変化し、
第１固定層の磁化方向は、記憶層に記憶すべき情報の基準となる磁化方向であり、
積層構造体の積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化方向を変化させ、記憶層において情報の記録が行われる記憶素子から成る［Ａ０１］乃至［Ａ０４］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０６］記憶層において、磁化容易軸は積層構造体の積層方向と平行である［Ａ０１］乃至［Ａ０５］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０７］記憶層において、磁化容易軸は積層構造体の積層方向に対して垂直である［Ａ０１］乃至［Ａ０５］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０８］記憶層の面積は、第１固定層の面積よりも小さい［Ａ０１］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載の垂直磁化方式の磁気抵抗素子。
［Ａ０９］記憶層の面積をＳ₃としたとき、
Ｓ₁／Ｓ₃≧４
を満足する［Ａ０８］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１０］少なくとも第２固定層は、絶縁材料層によって囲まれている［Ａ０１］乃至［Ａ０９］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１１］絶縁材料層は磁性を有する［Ａ１０］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１２］第１固定層と接する非磁性層は、第２固定層と同じ大きさを有する［Ａ０１］乃至［Ａ１１］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１３］第１固定層と接する非磁性層は、第１固定層と同じ大きさを有する［Ａ０１］乃至［Ａ１１］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１４］第１固定層以外の固定層は、並置された複数の固定層ユニットから成る［Ａ０１］乃至［Ａ１３］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１５］第１固定層は、Ｃｏ層とＰｔ層との積層体、Ｃｏ層とＰｄ層との積層体、Ｃｏ層とＮｉ層との積層体、Ｃｏ−Ｐｔ合金層、Ｃｏ−Ｐｄ合金層、Ｃｏ−Ｎｉ合金層、又は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る［Ａ０１］乃至［Ａ１４］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１６］第１固定層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る［Ａ１５］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１７］中間層は酸化マグネシウムから成る［Ａ０１］乃至［Ａ１６］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１８］記憶層はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る［Ａ０１］乃至［Ａ１７］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。

１０・・・磁気抵抗素子、２０・・・積層構造体、２１・・・記憶層、２２・・・中間層、２３・・・キャップ層、３０・・・複数の固定層、３１・・・第１固定層（参照層）、３１Ａ・・・第１固定層の中間層に対向する部分、３１Ｂ・・・第１固定層の第２固定層と対向する面、３２・・・第２固定層（磁化固定層）、３２Ａ・・・第２固定層の第１固定層と対向する面、３２’・・・固定層ユニット、３３・・・段差、３４・・・非磁性層、４１・・・下地層、４２・・・絶縁材料層、４３・・・層間絶縁層、５１・・・第１の配線、５２・・・第２の配線、６０・・・半導体基板、６１・・・ゲート電極、６２・・・ゲート絶縁層、６３・・・チャネル形成領域、６４・・・ソース／ドレイン領域、６５・・・タングステンプラグ、６６・・・センス線、６７・・・接続孔、６８，６９・・・下層絶縁層、ＴＲ・・・選択用トランジスタ

Claims (17)

1. 複数の固定層、非磁性体から成る中間層、及び、記憶層から成る積層構造体を有し、
   複数の固定層は非磁性層を介して積層されており、
   複数の固定層は、少なくとも第１固定層及び第２固定層を有し、
   中間層に隣接する第１固定層の、中間層に対向する部分の面積をＳ₁、第１固定層以外の固定層の内、最も面積の小さい固定層の面積をＳ₂としたとき、Ｓ₁＞Ｓ₂を満足する磁気抵抗素子。
2. 複数の固定層は、積層フェリ構造を構成する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. Ｓ₁／Ｓ₂≧４を満足する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
4. 第２固定層と対向する第１固定層の面と、第１固定層と対向する第２固定層の面との間には、段差が存在する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
5. 記憶層の磁化方向は、記憶すべき情報に対応して変化し、
   第１固定層の磁化方向は、記憶層に記憶すべき情報の基準となる磁化方向であり、
   積層構造体の積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化方向を変化させ、記憶層において情報の記録が行われる記憶素子から成る請求項１に記載の磁気抵抗素子。
6. 記憶層において、磁化容易軸は積層構造体の積層方向と平行である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
7. 記憶層において、磁化容易軸は積層構造体の積層方向に対して垂直である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
8. 記憶層の面積は、第１固定層の面積よりも小さい請求項１に記載の磁気抵抗素子。
9. 少なくとも第２固定層は、絶縁材料層によって囲まれている請求項１に記載の磁気抵抗素子。
10. 絶縁材料層は磁性を有する請求項９に記載の磁気抵抗素子。
11. 第１固定層と接する非磁性層は、第２固定層と同じ大きさを有する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
12. 第１固定層と接する非磁性層は、第１固定層と同じ大きさを有する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
13. 第１固定層以外の固定層は、並置された複数の固定層ユニットから成る請求項１に記載の磁気抵抗素子。
14. 第１固定層は、Ｃｏ層とＰｔ層との積層体、Ｃｏ層とＰｄ層との積層体、Ｃｏ層とＮｉ層との積層体、Ｃｏ−Ｐｔ合金層、Ｃｏ−Ｐｄ合金層、Ｃｏ−Ｎｉ合金層、又は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る請求項１に記載の磁気抵抗素子。
15. 第１固定層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る請求項１４に記載の磁気抵抗素子。
16. 中間層は酸化マグネシウムから成る請求項１に記載の磁気抵抗素子。
17. 記憶層はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る請求項１に記載の磁気抵抗素子。

Images