JP2018157033A - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】高い磁気抵抗比および高い垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子および磁気メモリを提供する。【解決手段】本実施形態による磁気抵抗素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された第１非磁性層と、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に配置された第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に配置された第１層と、を備え、前記第１層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｃ、およびＬａからなる群から選択された少なくとも１つの非磁性元素とを含む。【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(Magnetoresistive 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”、または“０”）を記憶し、不揮発性の磁気メモリである。また、磁化の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、および高速読み出しが可能である。したがって、ＭＲＡＭは、次世代の高速な不揮発性メモリとして期待されている。また、スピン分極された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することができ、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを構成することが可能となる。

不揮発性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を図ることが好ましい。また、高集積化の他に書き込み電流低減の観点から、近年では磁性体の磁化が膜面に垂直な磁性体、すなわち垂直磁気異方性を有する磁性体を備えたＭＴＪ素子をメモリ素子として用いたＭＲＡＭの構築が試みられている。

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望まれている。

また、素子の微細化に伴い、素子は熱擾乱の影響を受けやすくなるため、記憶層には大きな垂直磁気異方性が求められる。記憶層と絶縁層との間に配置され記憶層と交換結合する界面層は、垂直磁気異方性が十分ではない。このため、界面層は、記憶層との積層構造を構成することにより、高い磁気抵抗比および高い垂直磁気異方性を得ることが望まれる。記憶層および界面層はそれぞれ、高い結晶化度により磁気抵抗比や垂直磁気異方性を発現するが、両者は結晶構造が異なるため、直接積層すると結晶配向が乱れると言った問題を孕んでいる。

特開２０１０−２３２４９９号公報 特開２０１２−２０４６８３号公報

本実施形態は、高い磁気抵抗比および高い垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子および磁気メモリを提供する。

本実施形態による磁気抵抗素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された第１非磁性層と、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に配置された第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に配置された第１層と、を備え、前記第１層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｃ、およびＬａからなる群から選択された少なくとも１つの非磁性元素とを含む。

第１実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第１実施形態の変形例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。 実施例１におけるサンプルを示す断面図。 実施例１におけるサンプルの磁気特性をＶＳＭで測定した結果を示す図。 実施例１における各サンプルの保磁力を測定した結果を示す図。 実施例２における各サンプルの保磁力Ｈｃを測定した結果を示す図。 実施例３における各サンプルの磁化量を測定した結果を示す図。 実施例３において、ＦｅにＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔｃ、Ｔｉなどを添加した際に、磁化量の変化を示す図。 ２０ｎｍの厚さのＣｏＺｒＭｏ合金のＸＲＤ(X-ray Diffraction)で測定した結果を示す図。 第４実施形態によるＭＲＡＭの１つのメモリセルの主要部を示す断面図。 第４実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図。

実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。

記憶層と、この記憶層とトンネルバリアとなる非磁性層との間に磁性層（界面層と呼ぶ。）とを積層した場合、記憶層と界面層の格子不整合により、記憶層側からの結晶化が界面層の結晶化を阻害して磁気抵抗比を低下させる。このため、記憶層と界面層との間に挿入される層を設けることで、記憶層側からの結晶化が界面層の結晶化を阻害し、結晶を分断することができる。結晶を分断するためには、挿入される層の厚さを厚くするほど分断しやすいが、挿入される層が非磁性体であった場合、記憶層と界面層との交換結合が容易に切断される。このため、交換結合の維持と結晶の分断を両立できる材料の選定や、膜厚の調整が課題となっている。

そこで、本願発明者達は、記憶層と界面層の間に挿入される層に磁性を持たせることで、挿入された層を厚くしても、交換結合を維持したまま界面層の結晶化を促進させ、かつ高い垂直磁気異方性を有しかつ高い磁気抵抗比を有する磁気抵抗素子および磁気メモリが得られると考えた。

本実施形態による磁気抵抗素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された第１非磁性層と、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に配置された第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に配置された第１層と、を備え、前記第１層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｃ、およびＬａからなる群から選択された少なくとも１つの非磁性元素とを含む。

以下、図面を参照しながら、実施形態による磁気抵抗素子について説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気抵抗素子の断面を図１に示す。第１実施形態の磁気抵抗素子１はＭＴＪ素子であって、磁性層１０と、層１２と、磁性層１４と、非磁性層１６と、磁性層１８と、がこの順序で積層された積層構造を有している。磁性層（第１磁性層）１０は、磁化方向が可変であり、記憶層とも呼ばれる。磁性層（第２磁性層）１８は、磁化方向が不変であり、参照層とも呼ばれる。磁性層（第３磁性層）１４は磁化方向が可変であり、界面層とも呼ばれる。ここで、「磁化方向が可変である」とは、書き込みの前後で、磁化方向が変化可能であることを意味し、「磁化方向が不変である」とは、書き込みの前後で、磁化方向が変化しないことを意味する。

なお、磁気抵抗素子は、これらの積層順序を逆に積層した図２に示す変形例の磁気抵抗素子１Ａであってもよい。なお、記憶層１０と、界面層１４とは、層１２を介して磁気交換結合をしている。すなわち、記憶層１０の磁化方向が変化すれば界面層１４の磁化方向も変化する。

（書き込み動作）
このように構成された第１実施形態の磁気抵抗素子１への書き込み動作について説明する。説明を簡単に説明するために、
書き込み電流は、記憶層１０と参照層１８との間に膜面に垂直方向に流す。記憶層１０の磁化の方向と参照層１８の磁化の方向とが反平行（逆の方向）な場合には、記憶層１０から参照層１８に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は参照層１８から非磁性層１６を通って界面層１４、層１２、および記憶層１０に流れる。そして、磁性層１８を通ることによりスピン偏極された電子は記憶層１０に流れる。記憶層１０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記憶層１０を通過するが、記憶層１０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、記憶層１０の磁化にスピントルクを作用し、記憶層１０の磁化の方向が参照層１８の磁化と同じ方向を向くように働く。これにより、記憶層１０の磁化の方向が反転し、参照層１８の磁化の方向と平行（同じ方向）になる。

これに対して、記憶層１０の磁化の方向と参照層１８の磁化の方向が平行な場合には、参照層１８から記憶層１０に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は記憶層１０から層１２、界面層１４、および非磁性層１６を通って参照層１８に流れる。そして、記憶層１０を通ることによりスピン偏極された電子は参照層１８に流れる。参照層１８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参照層１８を通過するが、参照層１８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１６と参照層１８との界面で反射され、非磁性層１６を通って記憶層１０に流れ込む。これにより、記憶層１０の磁化にスピントルクを作用し、記憶層１０の磁化の方向が参照層１８の磁化と反対方向に向くように働く。これにより、記憶層１０の磁化の方向が反転し、参照層１８の磁化の方向と反平行になる。 第１実施形態の磁気抵抗素子１からの読み出しは、例えば記憶層１０と参照層１８との間に読み出し電流を流し、記憶層１０と参照層１８との間の電圧を測定することにより行う。

次に、磁気抵抗素子を構成する各部材の材料について説明する。

（記憶層１０）
記憶層１０は高い垂直磁気異方性を有し、界面層１４の磁気異方性を補完することが可能な磁性層である。記憶層１０として、貴金属元素および磁性元素を含む人工格子を用いることで高い垂直磁気異方性を得ることができる。貴金属元素としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｕ、およびＲｈからなる群から少なくとも１つの元素が選択され、また、磁性元素としてＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、およびＮｉからなる群から少なくとも１つが選択される。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人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層の厚さの比を調整することで、磁気異方性エネルギーの密度、飽和磁化を調整することができる。

（層１２）
層１２は、記憶層１０と界面層１４の結晶を分断するために、アモルファスであることが望ましい。また界面層１４にホウ素が含まれる場合、結晶化を促進するために、ホウ素との生成エンタルピーが負で絶対値が大きい元素、例えば生成エンタルピーΔＨが−１５０ｋＪ／ｍｏｌ以下の添加元素を含むことが好ましい。その添加元素の候補として、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｃ、およびＬａからなる群から選択された少なくとも１つの元素が挙げられる。これらの添加元素は、高融点であることもあり、相互拡散の抑制にも寄与する。また、記憶層１０と界面層１４の結晶を分断するには、層１２は、ある程度の厚さを有することが好ましい。しかし、その厚さが厚すぎると記憶層１０と界面層１４との交換結合を維持できない。層１２として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、およびＮｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む材料を用いることにより、記憶層１０と界面層１４との交換結合を維持することができる。

また、記憶層１０として貴金属および磁性元素を含む人工格子を用い、かつ記憶層１０と界面層１４とを直接に積層した場合は、貴金属が熱により拡散されやすく、界面層１４との混合が懸念される。しかし、第１実施形態のように、記憶層１０と界面層１４との間に層１２を挟むことにより、貴金属の拡散を防止することができる。

（界面層１４）
界面層１４は、スピン偏極した電子の作用により磁化の向きが反転することが可能な磁性層である。磁気抵抗素子の磁気抵抗比を上げるために、例えばＭｇＯを含む非磁性層１６に隣接する界面層１４には高スピン分極率を有する材料が用いられる。この場合、記憶層１０としては、磁性遷移元素（Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，またはＮｉ）からなる金属、上記磁性遷移元素を少なくとも１つ含む合金、或いは上記磁性遷移元素と非磁性元素（例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｇｅ、およびＢｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素）とを含む合金が用いられる。

（非磁性層１６）
非磁性層１６は絶縁材料からなり、したがって、非磁性層１６としては、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層の材料としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびチタン（Ｔｉ）からなる群から選ばれる少なくとも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、またはＴｉＯが挙げられる。トンネルバリア層は、上述の酸化物のグループから選ばれる２つ以上の材料の混晶物あるいはこれら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などが挙げられる。なお、記号「／」の左側が上層を示し、右側が下層を示している。

（参照層１８）
また、参照層１８に用いられる材料としては、遷移金属Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素と、希土類金属Ｔｂ、Ｄｙ、およびＧｄからなる群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金が挙げられる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。また、これらの合金を交互に積層された多層構造であってもよい。具体的にはＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ或いは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、厚さの比、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。

参照層１８は、膜面に対して垂直方向、すなわち積層方向に平行な方向に磁化容易軸を有する。参照層１８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）方向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）方向あるいはＨＣＰの（００１）方向に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる第１の群から選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第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、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。

また、参照層１８に用いられる人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素あるいはこの１つの元素を含む合金（磁性層）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、およびＣｕからなる群から選択された少なくとも１つの元素あるいはこの１つの元素を含む合金（非磁性層）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人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層の厚さ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。

（第２実施形態）
第２実施形態による磁気抵抗素子の断面を図３に示す。第２実施形態の磁気抵抗素子１ＢはＭＴＪ素子であって、磁性材料を含む記憶層１０と、層１２と、界面層１４と、非磁性層１６、界面層（磁性層）１７と、参照層１８と、がこの順序で積層された構造を有している。すなわち、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１６と参照層との間に界面層１７を挿入した構造を有している。界面層１７は界面層１２と同じ材料で構成される。また、図に示さないが、第１実施形態の変形例と同様に、積層順序を逆に積層した積層構造を有していてもよい。

（第３実施形態）
第３実施形態による磁気抵抗素子の断面を図４に示す。第３実施形態の磁気抵抗素子１ＣはＭＴＪ素子であって、磁性材料を含む記憶層１０と、層１２と、界面層１４と、非磁性層１６、界面層１７と、層１９と、参照層１８と、がこの順序で積層された構造を有している。すなわち、図３に示す第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいて、層１７と参照層１８との間に層１９を挿入した構造を有している。層１９は層１７と同じ材料で形成される。

（実施例１）
次に、実施例１として、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１のうち記憶層１０から非磁性層１６までの積層構造において、層１２の厚さ１Å、２Å、３Å、４Å、５Åとしたサンプルを準備する。このサンプルの断面を図５に示す。

これらのサンプルを構成する各層の材料は以下の通りである。記憶層１０としてＣｏ／Ｐｄを積層させた例えば貴金属人工格子を用い、層１２としてＣｏ_７０Ｚｒ_１５Ｍｏ_１５を用い、磁性層１４としてＣｏＦｅＢ合金を用い、非磁性層１６としてＭｇＯを用いた。ここで、Ｃｏ_７０Ｚｒ_１５Ｍｏ_１５は、Ｃｏが７０原子％、Ｚｒが１５原子％、Ｍｏが１５原子％を含むことを意味する。

これらのサンプルの記憶層１０の磁気特性をＶＳＭ(Vibrating Sample Magnetometer)で測定し、その結果を図６に示す。なお、図６において、記号「ｔ」は層１２の厚さを示す。図６の下段には、層１２の厚さを変えて形成された時のサンプルの磁気特性を示し、上段は、３５０℃で熱処理を行った時のサンプルの磁気特性を示す。いずれのサンプルも、記憶層１０は垂直磁気異方性を示していることが図６からわかる。

また、各サンプルの保磁力を測定した結果を図７に示す。ＶＳＭ測定において、その保磁力Ｈｃが小さいほど、交換結合は強いと考えられる。図７から、いずれのサンプルも保磁力が小さい。これは、保持力の大きい記憶層１０が保磁力の小さい界面層１４に引きずられるためである。また、実施例においては、層１２の厚さを変化させても保磁力はほぼ１５０Ｏｅ付近にあり、大きな変動はない。

（比較例）
層１２にＴａまたはＭｏを用いた比較例のサンプルを用意し、保磁力を測定し、その結果も図７に示す。この比較例のサンプルは、層１２として厚さが３ÅのＴａまたはＭｏを用いる以外は上記サンプルと同じ構成を有している。また、比較例のサンプルは、層１２としてＣｏ_７０Ｚｒ_１５Ｍｏ_１５を用いた実施例のサンプルに比べて、成膜時では保磁力が約５０Ｏｅほど高い。更に比較例のサンプルを３５０℃でアニールすると、保磁力Ｈｃが５０Ｏｅ以上上昇している。これは、比較例においては、実施例に比べて記憶層１０と界面層１４の交換結合力が弱いことを意味する。

これに対して、層１２としてＣｏ_７０Ｚｒ_１５Ｍｏ_１５を用いた実施例においては、保磁力は１０〜２０Ｏｅ程度しか上昇せず、アニールが必須である磁気抵抗素子１の作製において、温度による保磁力Ｈｃの上昇が少なく、比較例よりも優れている。

（実施例２）
次に、実施例２として、層１２としてＣｏ_ＸＨｆ_{１００−Ｘ}を用い、Ｃｏの組成ｘが５０原子％、６０原子％，７０原子％、８０原子％、９０原子％となるサンプルを作成し、このサンプルの保磁力Ｈｃを測定し、その結果を図８に示す。実施例２の各サンプルは、層１２の材料が異なる以外は、実施例１と同じ構成を有している。

図８からわかるように、成膜時においては、Ｃｏの組成ｘが８０原子％以下では保磁力が小さく、また３５０℃でアニールしても保磁力Ｈｃの上昇が見られない。このことは、交換結合が強い状態で維持できていることを意味する。

層１２は、層１２に磁性元素を加えて磁性を持たせることにより、記憶層１０と界面層１４の強磁性結合を維持できると考えられる。よって、層１２は磁性が維持できる組成であることが好ましい。

（実施例３）
次に、層１２としてＣｏ_ＸＺｒ_{１００−Ｘ}を用いた実施例３のサンプルを作製し、Ｃｏの組成ｘを６０原子％、７０原子％、８０原子％、９０原子％と変化させた場合の磁化量を測定し、その結果を図９に示す。図９からわかるように、層１２としてＣｏに代わりにＺｒを増加させると、Ｃｏ_６０Ｚｒ_４０の組成で層１２はほとんどの磁性を失っている。このことから、磁性を持たせるために、層１２の磁性元素は６０原子％を超えていることが好ましいことがわかる。

また、ＦｅにＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｔｃ、Ｔｉなどを添加した際に、どの程度の磁化量が減少するかを図１０に示す。外挿すると、どの非磁性元素でも４０原子％〜５０原子％程度添加したときに磁化が０になることがわかる。このことから、磁性元素の組成割合は６０％を超えていることが好ましい。

（実施例４）
また、記憶層１０と界面層１４は、結晶配向が異なるために、層１２によってその結晶構造を分断することが好ましい。そのために、層１２は特定の結晶構造をもたないアモルファス構造であることが好ましい。２０ｎｍの厚さのＣｏＺｒＭｏ合金のＸＲＤ(X-ray Diffraction)測定結果を図１１に示す。本来、Ｃｏのみの場合はＣｏの（１１１）面を示すピークが出現する。同様に、Ｍｏのみの場合も（１１０）面が配向する。しかし、ＣｏにＺｒやＭｏを添加することによって、ＣｏＺｒＭｏ合金は、それぞれの元素を示すピークや、合金のピーク等が観測されていない。このことから、ＣｏＺｒＭｏ合金は広い組成範囲でアモルファスであり、結晶を分断するのに適している。これにより、層１２としてＣｏＺｒＭｏ合金を用いることが好ましい。

以上説明したように、第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例ならびに実施例によれば、高い磁気抵抗比および高い垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子を提供することができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態による磁気メモリ（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１２に示す。各メモリセルは、第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例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４実施形態では、記憶素子が第１実施形態の磁気抵抗素子１であるとして説明する。

図１２に示すように、磁気抵抗素子１の上面は、上部電極２０を介してビット線３２と接続されている。また、磁気抵抗素子１の下面は、下部電極９、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に接続されている。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と磁気抵抗素子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９の下方にプラグ３５が設けられ、下部電極９とプラグ３５が直接接続されていてもよい。ビット線３２、４２、下部電極９、上部電極２０、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１２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１３は、本実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。

図１３に示すように、磁気抵抗素子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磁気抵抗素子１に、読み出し電流回路５２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、磁気抵抗素子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、高い磁気抵抗比および高い垂直磁気異方性を有する磁気メモリを提供することができる。

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、１Ｄ・・・サンプル、９・・・下部電極、１０・・・記憶層、１２・・・層、１４・・・界面層、１６・・・非磁性層、１７・・・界面層、１８・・・参照層２０・・・上部電極、３２・・・ビット線、３４・・・引き出し電極、３５・・・プラグ、３６・・・半導体基板、３７ａ・・・ドレイン、３７ｂ・・・ソース、３８・・・ゲート絶縁膜、３９・・・ゲート電極、４１・・・プラグ、４２・・・ビット線、５１・・・ロウデコーダ、５２・・・読み出し回路、５３・・・メモリセル、５４，５６・・・スイッチ回路、５５，５７・・・電流ソース／シンク回路

Claims (8)

1. 第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置された第１非磁性層と、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に配置された第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に配置された第１層と、を備え、
   前記第１層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｔａ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｃ、およびＬａからなる群から選択された少なくとも１つの非磁性元素とを含む磁気抵抗素子。
2. 前記第１層はアモルファスである請求項１記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第１層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素を６０原子％より多く含む請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
4. 前記第１磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびＭｎからなる第１群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｇ、およびＡｕからなる第２群から選択された少なくとも１つの元素とを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
5. 前記第１磁性層は、前記第１群から選択された少なくとも１つの元素と、前記第２群から選択された少なくとも１つの元素を含む人工格子を有する請求項４記載の磁気抵抗素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子を備えた磁気メモリ。
7. 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す第１回路を更に備えた請求項６記載の磁気メモリ。
8. 前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に読み出し電流を流す第２回路を更に備えた請求項６または７記載の磁気メモリ。