JP2022051178A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した情報の記憶を可能とする磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】 実施形態に係る磁気記憶装置は、可変の磁化方向を有する第１の磁性層１１と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層１２と、第２の磁性層の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有する第３の磁性層１３と、第１の非磁性層１４と、第２の非磁性層１５とを含む積層構造を備える。第１の非磁性層は、第１の磁性層と第２の磁性層との間に設けられ、第２の磁性層は、第１の非磁性層と第３の磁性層との間に設けられ、第３の磁性層は、第２の磁性層と第２の非磁性層との間に設けられ、第３の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）とプラチナ（Ｐｔ）とを含有し、第２の非磁性層は、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。

半導体基板上に磁気抵抗効果素子が集積化された不揮発性の磁気記憶装置が提案されている。

特開２０２０－０３５９７５号公報

安定した情報の記憶を可能とする磁気記憶装置を提供する。

実施形態に係る磁気記憶装置は、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有する第３の磁性層と、第１の非磁性層と、第２の非磁性層と、を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、前記第１の非磁性層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、前記第２の磁性層は、前記第１の非磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられ、前記第３の磁性層は、前記第２の磁性層と前記第２の非磁性層との間に設けられ、前記第３の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）とプラチナ（Ｐｔ）とを含有し、前記第２の非磁性層は、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有している。

第１の実施形態に係る磁気記憶装置の構成の一例を模式的に示した断面図である。 第１の実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子に含まれる第３の磁性層の構成の一例を模式的に示した断面図である。 第２の実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子に含まれる第３の磁性層の構成の一例を模式的に示した断面図である。 第２の実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子に含まれる第３の磁性層の構成の他の例を模式的に示した断面図である。 第２の実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子に含まれる第３の磁性層の構成のさらに他の例を模式的に示した断面図である。 第３の実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子に含まれる第２の磁性層の構成の一例を模式的に示した断面図である。 第１、第２及び第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置の構成の一例を模式的に示した斜視図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（実施形態１）
図１は、第１の実施形態に係る不揮発性の磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。より具体的には、不揮発性の磁気抵抗効果素子の構成を模式的に示した断面図である。なお、本実施形態及び後述する実施形態において、磁気抵抗効果素子としてＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子を適用した場合で説明を行う。

図１に示した磁気抵抗効果素子１００は、半導体基板１０等を含む下部構造上に設けられている。すなわち、複数の磁気抵抗効果素子１００が半導体基板１０上に集積化されている。

磁気抵抗効果素子１００は、磁性層（第１の磁性層）１１、磁性層（第２の磁性層）１２、磁性層（第３の磁性層）１３、トンネルバリア層（第１の非磁性層）１４、上部バッファ層（第２の非磁性層）１５、下部バッファ層（第３の非磁性層）１６、スペーサ層１７、キャップ層１８、上部電極層１９及びハードマスク層２０を含む積層構造によって構成されている。

具体的には、トンネルバリア層１４が磁性層１１と磁性層１２との間に設けられ、磁性層１２がトンネルバリア層１４と磁性層１３との間に設けられ、磁性層１３が磁性層１２と上部バッファ層１５との間に設けられ、上部バッファ層１５が磁性層１３と下部バッファ層１６との間に設けられ、スペーサ層１７が磁性層１２と磁性層１３の間に設けられている。

上述した各層の積層順は、図１に示した通りであり、下層側（半導体基板１０等を含む下部構造側）から順に、下部バッファ層１６、上部バッファ層１５、磁性層１３、スペーサ層１７、磁性層１２、トンネルバリア層１４、磁性層１１、キャップ層１８、上部電極層１９及びハードマスク層２０が積層されている。

磁性層（第１の磁性層）１１は、可変の磁化方向を有する強磁性層であり、磁気抵抗効果素子１００の記憶層として機能する。なお、可変の磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを意味する。磁性層１１は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層で形成されている。磁性層１１の厚さは、１．６ｎｍ程度である。

磁性層（第２の磁性層）１２は、固定された磁化方向を有する強磁性層であり、磁気抵抗効果素子１００の参照層として機能する。なお、固定された磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを意味する。磁性層１２は、トンネルバリア層１４側（トンネルバリア層１４に近い側）に設けられた第１の層部分１２ａと、磁性層１３側（トンネルバリア層１４から遠い側）に設けられた第２の層部分１２ｂと、第１の層部分１２ａと第２の層部分１２ｂとの間に設けられた第３の層部分１２ｃとを含んでいる。

第１の層部分１２ａは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層で形成されている。第１の層部分１２ａの厚さは、０．８ｎｍ程度である。

第２の層部分１２ｂは、コバルト（Ｃｏ）層で形成されている。第２の層部分１２ｂの厚さは、０．５ｎｍ程度である。

第３の層部分１２ｃは、モリブデン（Ｍｏ）層で形成されている。第３の層部分１２ｃの厚さは、０．１６ｎｍ程度である。

磁性層（第３の磁性層）１３は、磁性層１２の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有する強磁性層であり、磁気抵抗効果素子１００のシフトキャンセリング層として機能する。すなわち、磁性層１３は、磁性層１２から磁性層１１に印加される磁界をキャンセルする機能を有している。

磁性層１３は、コバルト（Ｃｏ）層とプラチナ（Ｐｔ）層とが磁気抵抗効果素子１００の積層構造の積層方向に交互に設けられた多層膜で形成されている。すなわち、磁性層１３は、Ｃｏ層とＰｔ層とが交互に積層された超格子構造を有している。

図２は、磁性層１３の構成を模式的に示した断面図である。図２に示した例では、磁性層１３は、５層のＣｏ層１３ａと５層のＰｔ層１３ｂとが交互に積層された構造を有している。各Ｃｏ層１３ａ及び各Ｐｔ層１３ｂの厚さは、１ｎｍ未満である。例えば、磁性層１３は、下層側から上層側に向かって、Ｐｔ層（０．５ｎｍ）、Ｃｏ層（０．４ｎｍ）、Ｐｔ層（０．１５ｎｍ）、Ｃｏ層（０．４ｎｍ）、Ｐｔ層（０．１５ｎｍ）、Ｃｏ層（０．４ｎｍ）、Ｐｔ層（０．１５ｎｍ）、Ｃｏ層（０．４ｎｍ）、Ｐｔ層（０．１５ｎｍ）及びＣｏ層（０．７ｎｍ）が順に積層された構造を有しており、総厚は３．４ｎｍである。

このような構造を用いることで、Ｃｏ層はＰｔ層に対して膜厚比で１．２倍以上含有させることが可能となり、薄膜化が可能となる。

また、磁性層１３はＨＣＰ構造を有しており、ＨＣＰ構造の（０００１）面は、磁気抵抗効果素子１００の積層構造の膜面に対して垂直方向に配向している。すなわち、磁性層１３の下面及び上面は（０００１）面である。

トンネルバリア層（第１の非磁性層）１４は、絶縁層であり、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。トンネルバリア層１４の厚さは、１．０ｎｍ程度である。

上部バッファ層（第２の非磁性層）１５は、モリブデン（Ｍｏ）層で形成されている。上部バッファ層１５はＢＣＣ（body centered cubic）結晶構造を有しており、ＢＣＣ結晶構造の（１１０）面は、積層構造の膜面に対して垂直方向に対して配向している。すなわち、上部バッファ層１５の下面及び上面は（１１０）面である。この上部バッファ層１５は、磁性層１３の結晶性を高めるための結晶配向核として機能する。上部バッファ層１５の厚さは、０．５ｎｍ程度である。

なお、磁性層１３を構成する材料の内、上部バッファ層側に設置された原子の平均直径をｄ１と表し、上部バッファ層を構成する原子の平均直径をｄ２と表して、以下の関係
０．９５＜ｄ２／ｄ１＜１．０
が満たされることが好ましい。

下部バッファ層（第３の非磁性層）１６は、アモルファス構造を有しており、ハフニウム（Ｈｆ）を含有する層で形成される。例えば、ハフニウム（Ｈｆ）及びボロン（Ｂ）を含有する層で形成されている。この下部バッファ層１６は、下部バッファ層１６上に形成される層の平坦性を高める機能と、下部バッファ層１６上に形成される層の結晶性を初期化する機能とを有している。下部バッファ層１６の厚さは、１．０ｎｍ程度である。なお、下部バッファ層１６には、磁気抵抗効果素子１００の下部電極（図示せず）が接続されている。

スペーサ層１７は、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属材料で形成され、磁性層１２と磁性層１３とを反強磁性結合させるためのＳｙＡＦＣ（synthetic antiferromagnetic coupling）層として機能する。スペーサ層１７の厚さは、０．５ｎｍ程度である。

キャップ層１８は、磁性層１１上に設けられ、卑金属酸化物層、希土類酸化物層或いはアルカリ土類金属酸化物層で形成されている。キャップ層１８の厚さは、１．０ｎｍ程度である。

上部電極層１９は、キャップ層１８上に設けられ、磁気抵抗効果素子１００の上部電極として機能する。上部電極層１９は、ハフニウムボロン（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属材料を含んだ単一層或いは複数の材料を積層させた層によって形成されている。上部電極層１９の厚さは５ｎｍ未満である。

ハードマスク層２０は、上部電極層１９上に設けられ、厚さ１０ｎｍ未満のルテニウム（Ｒｕ）層で形成されている。

上述した磁気抵抗効果素子１００は、垂直磁化を有するＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子である。すなわち、磁性層１１、磁性層１２及び磁性層１３の磁化方向は、それぞれの膜面に対して垂直な方向である。

上述した磁気抵抗効果素子１００は、磁性層１１の磁化方向が磁性層１２の磁化方向に対して平行である場合には相対的に低抵抗状態であり、磁性層１１の磁化方向が磁性層１２の磁化方向に対して反平行である場合には相対的に高抵抗状態である。したがって、磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１００の抵抗状態（低抵抗状態或いは高抵抗状態）に応じて２値データを記憶することが可能である。また、磁気抵抗効果素子１００には、磁気抵抗効果素子１００に流れる電流の方向に応じて抵抗状態（低抵抗状態或いは高抵抗状態）を設定することが可能である。

以上のように、本実施形態の磁気抵抗効果素子１００では、上部バッファ層１５が（１１０）面に配向したＢＣＣ結晶構造を有するモリブデン（Ｍｏ）層で形成されている。このような上部バッファ層１５を用いることにより、優れた磁気抵抗効果素子１００を得ることが可能である。

一般に、磁性層（シフトキャンセリング層）１３をＨＣＰ（０００１）面或いはＦＣＣ（１１１）面に配向したＣｏ／Ｐｔ多層膜で形成する場合、結晶配向核として機能するバッファ層の最上層には、ＦＣＣ（１１１）面やＨＣＰ（０００１）面に配向した層が用いられている。

一方、本実施形態のように、ＢＣＣ（１１０）面に配向したＭｏ層を上部バッファ層１５として用いた場合にも、ＨＣＰ（０００１）面或いはＦＣＣ（１１１）面に良好に配向したＣｏ／Ｐｔ多層膜が得られることが新たに判明した。このようなＢＣＣ（１１０）面に配向したＭｏ層を上部バッファ層１５として用いることにより、以下に述べるように、優れた磁気抵抗効果素子１００を得ることが可能である。

通常は、バッファ層の最上層には、１ｎｍ以上の厚さを有する厚いプラチナ（Ｐｔ）層、ルテニウム（Ｒｕ）層或いはイリジウム（Ｉｒ）層が用いられる。これらの材料は、磁性層（参照層）１２の第１の層部分（ＦｅＣｏＢ層）１２ａへ拡散しやすく、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を低下させる要因となる。

本実施形態では、上部バッファ層１５としてＢＣＣ（１１０）面に配向したＭｏ層を用いることにより、上部バッファ層（Ｍｏ層）１５と磁性層１２の第１の層部分（ＦｅＣｏＢ層）１２ａとの間の相互拡散を抑制することができ、ＭＲ比の低下を抑制することが可能である。

また、本実施形態では、ＢＣＣ（１１０）面に配向したＭｏ層を上部バッファ層１５に用いることで、ＨＣＰ（０００１）面或いはＦＣＣ（１１１）面に良好に配向したＣｏ／Ｐｔ多層膜（磁性層１３）を得ることができるため、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜の結晶性が向上し、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜の垂直磁気異方性を向上させることができる。また、スペーサ層（Ｉｒ層）１７を介した磁性層１２と磁性層１３との間の反強磁性結合を高めることが可能である。

また、本実施形態では、ＢＣＣ（１１０）面に配向したＭｏ層を用いることで、バッファ層（上部バッファ層１５及び下部バッファ層１５）を含む磁気抵抗効果素子１００の厚さを減少させることが可能である。そのため、隣接する磁気抵抗効果素子１００間の間隔を狭くすることが可能であり、以下に述べるように、高集積化された磁気記憶装置を得ることが可能である。

一般に、磁性層（シフトキャンセリング層）１３をＨＣＰ（０００１）面或いはＦＣＣ（１１１）面に配向したＣｏ／Ｐｔ多層膜で形成する場合、エッチング生成物が積層構造の側壁にリデポジションすることを抑制するために、積層構造に対して斜め方向からイオンビームが照射される。ところが、積層構造の高さが高いと（すなわち、積層構造を構成する層全体の厚さが厚いと）、積層構造の下部分は、隣接する積層構造によってイオンビームが遮られ、確実なエッチングができないおそれがある。したがって、エッチング生成物のリデポジションを抑制するとともに、積層構造の下部分を確実にエッチングするためには、隣接する磁気抵抗効果素子間の間隔を広くする必要がある。そのため、磁気抵抗効果素子の高集積化が制限されるという問題が生じる。

本実施形態では、積層構造の高さを低くすることができる（すなわち、積層構造を構成する層全体の厚さを薄くすることができる）ため、隣接する磁気抵抗効果素子１００間の間隔を狭くすることができ、磁気抵抗効果素子の高集積化を達成することができる。

また、すでに述べたように、磁性層１３のＨＣＰ結晶構造或いはＦＣＣ結晶構造を有する原子の直径をｄ１と表し、上部バッファ層１５のＢＣＣ結晶構造を有する原子の直径をｄ２と表して、以下の関係
０．９５＜ｄ２／ｄ１＜１．０
が満たされることが好ましい。このような関係が満たされることで、磁性層１３のＦＣＣ結晶構造の格子と上部バッファ層１５のＢＣＣ結晶構造の格子とのミスマッチを抑制することができ、結晶化を効果的に促進させることが可能である。

なお、上述した実施形態では、上部バッファ層１５としてモリブデン（Ｍｏ）層を用いたが、上部バッファ層１５としてタングステン（Ｗ）層を用いてもよい。また、上部バッファ層１５として、Ｍｏ及びＷの合金層（ＭｏＷ合金層）を用いてもよい。或いは、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）とプラチナ（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びイリジウム（Ｉｒ）を組み合わせた合金層（ＭｏＰｔ、ＷＰｔ、ＭｏＩｒ、ＷＩｒ、ＭｏＲｕ、ＷＲｕ合金層）を用いてもよい。すなわち、上部バッファ層１５には、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有する層であって、磁気抵抗効果素子１００の積層構造の積層方向に対して垂直な（１１０）面を有するＢＣＣ結晶構造を有する層を用いることができる。

また、上述した実施形態では、第２の磁性層１２の第３の層部分１２ｃとしてモリブデン（Ｍｏ）層を用いたが、第３の層部分１２ｃとしてタングステン（Ｗ）層を用いてもよい。また、第３の層部分１２ｃとして、Ｍｏ及びＷの合金層（ＭｏＷ合金層）を用いてもよい。すなわち、第３の層部分１２ｃには、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有する層であって、積層構造の積層方向に対して垂直な方向に（１１０）面を有するＢＣＣ結晶構造を有する層を用いることができる。或いは、平均原子半径を調整する目的で、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）とプラチナ（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びイリジウム（Ｉｒ）を組み合わせた合金層（ＭｏＰｔ、ＷＰｔ、ＭｏＩｒ、ＷＩｒ、ＭｏＲｕ、ＷＲｕ合金層）を用いてもよい。

（実施形態２）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は上述した第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。

図３は、本実施形態の磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子１００に含まれる磁性層（第３の磁性層）１３の構成を模式的に示した断面図である。なお、磁性層１３以外の基本的な構成は、第１の実施形態の構成と同じである。

本実施形態では、シリコン（Ｓｉ）及びボロン（Ｂ）を含有するＳｉＢ層２１が、磁性層１３内に設けられている。具体的には、第１の実施形態と同様に、磁性層１３はＣｏ層１３ａとＰｔ層１３ｂとが交互に積層された構造を有しており、Ｃｏ層１３ａとＰｔ層１３ｂとの間にＳｉＢ層２１が設けられている。ＳｉＢ層２１の厚さは、０．３ｎｍ以下（例えば、０．１ｎｍ程度）であることが好ましい。

なお、シリコン（Ｓｉ）及びボロン（Ｂ）を含有するＳｉＢ層２１は、磁性層１３の表面（下面或いは上面）に設けられていてもよい。すなわち、図４に示すように、ＳｉＢ層２１は、磁性層１３と上部バッファ層１５との間に設けられていてもよく、図５に示すように、磁性層１３とスペーサ層１７との間に設けてられていてもよい。

また、２層以上のＳｉＢ層２１が設けられていてもよい。すなわち、２層以上のＳｉＢ層２１が磁性層１３内に設けられていてもよい。また、磁性層１３の下面及び上面の両方にＳｉＢ層２１が設けられていてもよい。さらに、１層以上のＳｉＢ層２１が磁性層１３内に設けられ、且つ磁性層１３の下面及び上面の少なくとも一方にＳｉＢ層２１が設けられていてもよい。

このように、本実施形態では、磁性層１３内或いは磁性層１３の表面にＳｉＢ層２１を設けることで、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜の垂直磁気異方性等を向上させることができる。ＳｉＢ層２１を設けることで、熱処理によるＣｏＰｔの拡散を抑制することができ、垂直磁気異方性等の低下が抑制される。特に、磁性層１３から他の層（磁性層１１、磁性層１２、トンネルバリア層１４及びスペーサ層１７等）へのＰｔの拡散を抑制することができ、垂直磁気異方性等の低下が抑制される。また、スペーサ層（Ｉｒ層）１７を介した磁性層１２と磁性層１３との間の反強磁性結合を向上させることも可能である。

（実施形態３）
次に、第３の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は上述した第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。

図６は、本実施形態の磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子１００に含まれる磁性層（第２の磁性層）１２の構成を模式的に示した断面図である。なお、磁性層１２以外の基本的な構成は、第１の実施形態の構成と同じである。

本実施形態では、磁性層１２の第３の層部分１２ｃが、第１のサブ層１２ｃ１と、磁気抵抗効果素子１００の積層構造の積層方向で隣り合った第１のサブ層１２ｃ１間に設けられた第２のサブ層１２ｃ２とを含んでいる。

各第１のサブ層１２ｃ１は、モリブデン（Ｍｏ）層で形成されている。また、各第１のサブ層１２ｃ１は、ＢＣＣ結晶構造を有しており、ＢＣＣ結晶構造の（１１０）面は積層構造の積層方向に対して垂直である。第２のサブ層１２ｃ２は、コバルト（Ｃｏ）層で形成されている。

具体的には、磁性層１２は、第１の層部分１２ａ（ＦｅＣｏＢ層、厚さ０．８ｎｍ）、第２の層部分１２ｂ（Ｃｏ層、厚さ０．４ｎｍ）、下層側第１のサブ層１２ｃ１（Ｍｏ層、厚さ０．０８ｎｍ）、上層側第１のサブ層１２ｃ１（Ｍｏ層、厚さ０．０８ｎｍ）及び第２のサブ層１２ｃ２（Ｃｏ層、厚さ０．１０ｎｍ）で形成されている。

なお、第２の層部分１２ｂ（Ｃｏ層）は、ＨＣＰ（hexagonal close-packed）結晶構造又はＦＣＣ結晶構造を有している。また、第２のサブ層１２ｃ２（Ｃｏ層）は、ＨＣＰ結晶構造又はＢＣＣ結晶構造を有している。

このように、本実施形態では、磁性層１２の第２の層部分１２ｃが、第１のサブ層１２ｃ１（Ｍｏ層）間に第２のサブ層１２ｃ２（Ｃｏ層）が介在した構造を有している。このような構造により、磁性層１２と磁性層１３との間の反強磁性結合を向上させることが可能であり、磁気抵抗効果素子１００のＭＲ比を高めることも可能となる。

なお、上述した実施形態では、２つの第１のサブ層１２ｃ１（Ｍｏ層）と１つの第２のサブ層１２ｃ２（Ｃｏ層）とによって磁性層１２の第３の層部分１２ｃが構成されていたが、３以上の第１のサブ層１２ｃ１と２以上の第２のサブ層１２ｃ２とによって第３の層部分１２ｃが構成されていてもよい。具体的には、３以上の第１のサブ層１２ｃ１と２以上の第２のサブ層１２ｃ２とを交互に積層し、第３の層部分１２ｃの最下層及び最上層を第１のサブ層１２ｃ１で構成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、第１のサブ層１２ｃ１としてモリブデン（Ｍｏ）層を用いたが、第１のサブ層１２ｃ１としてタングステン（Ｗ）層を用いてもよい。また、第１のサブ層１２ｃ１として、Ｍｏ及びＷの合金層（ＭｏＷ合金層）を用いてもよい。すなわち、第１のサブ層１２ｃ１には、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有する層であって、磁気抵抗効果素子１００の積層構造の積層方向に対して垂直な（１１０）面を有するＢＣＣ結晶構造を有する層を用いることができる。この場合、第２のサブ層１２ｃ２には、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）のいずれも含有しない層（代表的には、上述したＣｏ層）を用いることができる。

なお、上述した第２及び第３の実施形態において、磁性層１３から磁性層１１までの積層順序を逆にしてもよい。

図７は、上述した第１、第２及び第３の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子１００を用いた磁気記憶装置の構成の一例を模式的に示した斜視図である。

図７に示した磁気記憶装置は、Ｘ方向に延伸する複数の第１の配線４１０と、Ｙ方向に延伸する複数の第２の配線４２０と、第１の配線４１０と第２の配線４２０との間に接続された複数のメモリセル３００とを含んでいる。第１の配線４１０及び第２の配線４２０の一方がワード線に対応し、他方がビット線に対応する。各メモリセル３００は、磁気抵抗効果素子１００と、磁気抵抗効果素子１００に対して直列に接続されたセレクタ（スイッチング素子）２００とによって構成されている。

磁気抵抗効果素子１００には、上述した第１、第２及び第３の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子が用いられる。

セレクタ２００には、例えば、２端子型のスイッチング素子が用いられる。２端子間に印加される電圧が閾値未満の場合には、そのスイッチング素子は“高抵抗状態”、例えば電気的に非導通状態である。２端子間に印加される電圧が閾値以上の場合には、そのスイッチング素子は“低抵抗状態”、例えば電気的に導通状態となる。

所望のメモリセル３００に接続された第１の配線４１０と第２の配線４２０との間に所定の電圧を印加することで、所望のメモリセル３００に含まれるセレクタ２００がオン状態（導通状態）となり、所望のメモリセル３００に含まれる磁気抵抗効果素子１００に対して書き込み或いは読み出しを行うことが可能となる。

なお、図７に示した例では、磁気抵抗効果素子１００が上層側に位置し且つセレクタ２００が下層側に位置していたが、磁気抵抗効果素子１００が下層側に位置し且つセレクタ２００が上層側に位置していてもよい。

本実施形態の磁気抵抗効果素子１００を図７に示したような磁気記憶装置に用いることで、優れた磁気記憶装置を得ることが可能である。

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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１０…半導体基板
１１…磁性層（第１の磁性層） １２…磁性層（第２の磁性層）
１２ａ…第１の層部分 １２ｂ…第２の層部分 １２ｃ…第３の層部分
１２ｃ１…第１のサブ層 １２ｃ２…第２のサブ層
１３…磁性層（第３の磁性層） １３ａ…Ｃｏ層 １３ｂ…Ｐｔ層
１４…トンネルバリア層（第１の非磁性層）
１５…上部バッファ層（第２の非磁性層）
１６…下部バッファ層（第３の非磁性層）
１７…スペーサ層 １８…キャップ層 １９…上部電極層
２０…ハードマスク層 ２１…ＳｉＢ層
１００…磁気抵抗効果素子 ２００…セレクタ（スイッチング素子）
３００…メモリセル ４１０…第１の配線 ４２０…第２の配線

Claims (14)

1. 可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
   固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
   前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有する第３の磁性層と、
   第１の非磁性層と、
   第２の非磁性層と、
   を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、
   前記第１の非磁性層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、
   前記第２の磁性層は、前記第１の非磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられ、
   前記第３の磁性層は、前記第２の磁性層と前記第２の非磁性層との間に設けられ、
   前記第３の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）とプラチナ（Ｐｔ）とを含有し、
   前記第２の非磁性層は、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有している
   ことを特徴とする磁気記憶装置。
2. 前記第３の磁性層は、前記積層構造の前記積層方向に対して垂直な方向に（０００１）面を有するＨＣＰ結晶構造或いは（１１１）面を有するＦＣＣ結晶構造を有しており、
   前記第２の非磁性層は、前記積層方向に対して垂直な方向に（１１０）面を有するＢＣＣ結晶構造を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記第３の磁性層の原子直径をｄ１と表し、前記第２の非磁性層の原子直径をｄ２と表して、以下の関係が満たされる
   ０．９５＜ｄ２／ｄ１＜１．０
   ことを特徴とする請求項２に記載の磁気記憶装置。
4. 前記第２の磁性層は、
   前記第１の非磁性層側に設けられ、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する第１の層部分と、
   前記第３の磁性層側に設けられ、コバルト（Ｃｏ）で形成された第２の層部分と、
   前記第１の層部分と前記第２の層部分との間に設けられ、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有する第３の層部分と、
   前記第３の層部分に対して、前記第１の層部分の対向する側にコバルト（Ｃｏ）で形成された第４の層部分と、
   を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
5. 前記積層構造は、前記第３の磁性層内又は前記第３の磁性層の表面に設けられ、シリコン（Ｓｉ）及びボロン（Ｂ）を含有する層をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
6. 可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
   固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
   前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有する第３の磁性層と、
   第１の非磁性層と、
   第２の非磁性層と、
   を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、
   前記第１の非磁性層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、
   前記第２の磁性層は、前記第１の非磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられ、
   前記第３の磁性層は、前記第２の磁性層と前記第２の非磁性層との間に設けられ、
   前記第３の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）とプラチナ（Ｐｔ）とを含有し、
   前記第３の磁性層内又は前記第３の磁性層の表面に設けられ、シリコン（Ｓｉ）及びボロン（Ｂ）を含有する層をさらに含む
   ことを特徴とする磁気記憶装置。
7. 前記シリコン（Ｓｉ）及びボロン（Ｂ）を含有する層は、０．５ｎｍ以下の厚さを有する
   ことを特徴とする請求項６に記載の磁気記憶装置。
8. 可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
   固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
   前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、
   を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、
   前記第２の磁性層は、
   第１の非磁性層に近い側に設けられ、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する第１の層部分と、
   第１の非磁性層から遠い側に設けられ、コバルト（Ｃｏ）で形成された第２の層部分と、
   前記第１の層部分と前記第２の層部分との間に設けられた第３の層部分と、
   を含み、
   前記第３の層部分は、
   それぞれがモリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有する複数の第１のサブ層と、
   前記積層構造の積層方向で隣り合った前記第１のサブ層間に設けられ、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）のいずれも含有しない第２のサブ層と、
   を含む
   ことを特徴とする磁気記憶装置。
9. 前記第１のサブ層は、前記積層方向に対して垂直な方向に（１１０）面を有するＢＣＣ結晶構造を有する
   ことを特徴とする請求項８に記載の磁気記憶装置。
10. 前記第２のサブ層は、コバルト（Ｃｏ）層で形成されている
    ことを特徴とする請求項８に記載の磁気記憶装置。
11. 前記積層構造は、前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有する第３の磁性層をさらに含み、
    前記第２の磁性層は、前記第１の非磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられている
    ことを特徴とする請求項８に記載の磁気記憶装置。
12. 前記積層構造は、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）の少なくとも一方を含有する第２の非磁性層をさらに含み、
    前記第３の磁性層は、前記第２の磁性層と前記第２の非磁性層との間に設けられている
    ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気記憶装置。
13. 前記積層構造は、アモルファス構造を有する第３の非磁性層をさらに備え、
    前記第２の非磁性層は、前記第３の磁性層と第３の非磁性層との間に設けられている
    ことを特徴とする請求項１、６又は１２のいずれか１項に記載の磁気記憶装置。
14. 前記第１の磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有し、
    前記第１の非磁性層は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する
    ことを特徴とする請求項１、６又は８のいずれか１項に記載の磁気記憶装置。

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