JP4693450B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。
磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサなどに用いられているとともに固体磁気メモリ（MRAM(Magnetic Random Access Memory)）に用いることが提案されている。
近年、２つの磁性金属層の間に１層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜を有し、膜面に対して垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子として、いわゆる「トンネル磁気抵抗効果素子（以下、TMR（Tunneling Magneto-Resistance effect）素子ともいう）」が提案されている。TMR素子は、室温においても２０%以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことからMRAMへの民生応用技術開発が盛んに行われている。
このＴＭＲ素子は、強磁性層上に厚さが０．６ｎｍ〜２．０ｎｍの薄いＡｌ（アルミニウム）層を成膜した後、その表面を酸素グロー放電または酸素ガスに曝してＡｌ２Ｏ３からなるトンネルバリア層を形成することにより実現できる。また、最近では、トンネルバリア層にMgO（酸化マグネシウム）を用いるTMR素子も研究されている。
また、この強磁性１重トンネル接合のトンネルバリア層を挟む一方の強磁性層に反強磁性層を付与して上記強磁性層を磁化が固着された磁化固着層とした構造を有する強磁性１重トンネル接合素子が提案されている。また、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合や、強磁性膜が連続膜である強磁性２重トンネル接合素子も提案されている。
これらの磁気抵抗効果素子においても、２０％〜２２０％の磁気抵抗変化率が得られるようになったこと、および所望の出力電圧値を得るためTMR素子に印加する電圧値を増やしても磁気抵抗変化率の減少が抑えられることから、MRAMへの応用の可能性がある。TMR素子をMRAMのメモリ素子として用いた場合、トンネルバリア層を挟む一方の強磁性層を磁化固着層とし、他方の強磁性層を磁気記録層（磁化自由層）とする。これらの強磁性１重トンネル接合あるいは強磁性２重トンネル接合を用いたメモリ素子は、不揮発性で書き込み読み出し時間も１０ナノ秒以下と速く、書き換え回数も１０１５以上というポテンシャルを有する。
しかし、メモリのセルサイズに関しては、メモリセルが１個のトランジスタと１個のＴＭＲ素子からなるアーキテクチャを用いた場合、半導体のDRAM(Dynamic Random Access Memory)以下にサイズを小さくできないという問題がある。
この問題を解決するために、ビット線とワード線との間にTMR素子とダイオードを直列接続したダイオード型アーキテクチャや、ビット線とワード線の間にTMR素子を配置した単純マトリックス型アーキテクチャが提案されている。
しかし、いずれの場合も磁気記録層への書き込み時には電流パルスによる電流磁場で磁気記録層の磁化の反転を行っているため、消費電力が大きい、大容量化したとき配線の許容電流密度に限界があり大容量化できない、電流を流すためのドライバの面積が大きくなってしまうなどの問題点が有る。
上記の問題に対し、書き込み配線の周りに高透磁率磁性材料からなる薄膜を設けた固体磁気メモリが提案されている。この磁気メモリによれば配線の周囲に高透磁率の磁性膜が設けられているため、磁気記録層への情報書き込みに必要な電流値を効率的に低減できる。しかしながら、この場合でも、書き込み電流を１ｍＡ以下にすることは非常に困難であった。
これら課題を解決するために、スピン注入法による書き込み方法が提案されている。このスピン注入法は、スピン偏極した電流を、メモリ素子の磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化を反転することを利用している。このスピン注入法においては、スピン偏極した電流を注入して磁気記録層の磁化を反転する場合に、メモリ素子の面積が大きいと上記電流による環状の磁界が発生してしまい、磁化の反転が起こらない。
さらに固体磁気メモリとして応用するためには、高集積化することが求められるため、小さい面積でなおかつ面積のばらつきの小さい素子を形成することが必要とされる。さらに、熱揺らぎ耐性が限界となるサイズ０．１×０．１μｍ２より小さなセルも含め、色々なサイズのセルであっても低電流書き込みが可能で、熱揺らぎに対する磁気記録層の熱安定性を有することが必要である。
ただし、従来のTMR素子においては、スピン注入書き込みに必要な電流密度は１０７ Ａ／ｃｍ２程度と高いため、トンネルバリア層が破壊されるという問題が生じている。したがって、TMR素子の破壊を起こさずに安定な書き込みを実現するためには、書き込み電流の低減が求められる。また、MRAMに応用する際、書き込み電流の低減は消費電力の低減につながるため、必要不可欠な技術である。なお、巨大磁気抵抗（GMR : Giant magnetoresistance）効果素子においては、書き込み電流が電流の方向によらず、かつ、書き込み電流を１桁程度小さくするための手法として、デュアル・ピン構造が提案されている。このデュアル・ピン構造においては、第１および第２ピン層の磁化の向きが反平行でかつスピン反射膜を構成する非磁性層および第２ピン層としてそれぞれCu、Co90Fe10を用いることにより、スピン注入による磁化反転の反転電流密度をそれぞれ６×１０６Ａ／ｃｍ２程度とすることが可能になった（例えば、非特許文献１参照）。しかし、メモリ応用に使用するためには、更なる電流密度低減が必要である。
49th MMM conference digest HA-05
49th MMM conference digest HA-05
以上に説明したように、従来のトンネル磁気抵抗（TMR : Tunnel magnetoresistance）効果素子においては、スピン注入書き込みに必要な電流密度は、６×１０６Ａ／ｃｍ２程度とまだ高く問題となっている。
そこで、本発明は、スピン注入書き込みに要する電流が低い磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを目的とする。
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略反平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、前記第２磁化固着層が、Ｃｏを含む強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層の材質にＺｒ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ａｇ，Ａｕから選ばれた少なくとも１種の元素を含む金属であり、前記第２磁化固着層が、Ｆｅを含む強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層にＲｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕから選ばれた少なくとも１種の元素を含む金属であり、前記第２磁化固着層が、Ｎｉを含む強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層にＺｒ、Ｈｆ、Ａｕ、Ａｇから選ばれた少なくとも１種の元素を含む金属であることを特徴とする。
なお、前記非磁性層がＡｇまたはＡｕから選ばれた少なくとも１種の元素を含む場合は、前記第２磁化固着層がＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、またはＦｅ−Ｎｉ合金からなっており、前記非磁性層がＲｈを含む場合は、前記第２磁化固着層が、Ｃｏ−Ｆｅ合金であってもよい。
また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、前記第２磁化固着層が、Ｃｏを含む強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層の材質にＭｎ、Ｖ、Ｒｈから選ばれた少なくとも１種の元素を含む金属であり、前記第２磁化固着層が、Ｆｅを含む強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層にＩｒ、Ｒｈから選ばれた少なくとも１種の元素を含む金属であり、前記第２磁化固着層が、Ｎｉを含む強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層にＭｎを含む金属であることを特徴とする。
また、本発明の第３の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、前記非磁性層がＣｒを含み、前記第２磁化固着層は、
０．５≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ
０≦ｚ≦０．４７５； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
のいずれかであることを特徴とする。
０．５≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ
０≦ｚ≦０．４７５； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
のいずれかであることを特徴とする。
また、本発明の第４の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、前記非磁性層がＩｒを含み、前記第２磁化固着層は、
０．３≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦０．７； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
のいずれかであることを特徴とする。
０．３≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦０．７； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
のいずれかであることを特徴とする。
また、本発明の第５の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、前記非磁性層がＭｎを含み、前記第２磁化固着層は、
０≦ｘ≦０．６４； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０．４≦ｚ≦１．０； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
のいずれかであることを特徴とする。
０≦ｘ≦０．６４； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０．４≦ｚ≦１．０； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
のいずれかであることを特徴とする。
また、本発明の第６の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、前記非磁性層がＶを含み、前記第２磁化固着層は、
０≦ｘ≦０．６４； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０．３７５≦ｚ≦１．０； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
いずれかであることを特徴とする。
０≦ｘ≦０．６４； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０．３７５≦ｚ≦１．０； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
いずれかであることを特徴とする。
また、本発明の第７の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、前記非磁性層がＲｈを含み、前記第２磁化固着層は、
０≦ｘ≦０．６２； ＣｏｘＮｉ１−ｘ
０≦ｚ≦０．６３； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
いずれかであることを特徴とする。
０≦ｘ≦０．６２； ＣｏｘＮｉ１−ｘ
０≦ｚ≦０．６３； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
いずれかであることを特徴とする。
また、本発明の第８の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、前記非磁性層がＲｕを含み、前記第２磁化固着層は、
０≦ｘ＜１．０； ＣｏｘＮｉ１−ｘ
０≦ｚ≦０．８； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
いずれかであることを特徴とする。
０≦ｘ＜１．０； ＣｏｘＮｉ１−ｘ
０≦ｚ≦０．８； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
いずれかであることを特徴とする。
なお、前記磁化自由層は、誘電体もしくは絶縁体で隔てられた１つ以上の強磁性粒もしくは直径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の強磁性体の柱状構造を有する層であってもよい。
また、本発明の第９の態様による磁気メモリは、上記記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第１配線と、前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第２配線と、を備えたことを特徴とする。
なお、前記第２磁化固着層において、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうち２種以上の元素が含まれる場合は、これらの元素のうち一番多く含まれる元素を優先的に考慮して前記非磁性層に含まれる元素が決定される。一番多く含まれる元素が２種以上ある場合は、それぞれの元素を共に優先的に考慮する。勿論、前記第２磁化固着層に含まれるＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの２種以上の元素それぞれを考慮して前記非磁性層に含まれる元素が決定されることが好ましい。
また、本明細書においては、金属とは金属単体ばかりでなく合金を含むことを意味する。
本発明によれば、スピン注入書き込みに要する電流が低い磁気抵抗効果素子および磁気メモリを得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、下部電極となる下地層２と、下地層２上に設けられた反強磁性層３と、反強磁性層３上に設けられ磁化の方向が固着された第１磁化固着層４と、第１磁化固着層４上に設けられたトンネルバリア層５と、トンネルバリア層５上に設けられ磁気記録層となる磁化の方向が可変な磁化自由層６と、磁気記録層６上に設けられた非磁性層７と、非磁性層７上に設けられ第１磁化固着層４と向きが約１８０度異なる方向に磁化が固着された第２磁化固着層８と、第２磁化固着層８上に設けられた反強磁性層９と、反強磁性層９上に設けられた上部電極となる電極層１０とを備え、下部下地層２と上部電極１０間に電流を流す構成となっている。第１磁化固着層４は反強磁性層３との交換結合により磁化が固着されている。また、第２磁化固着層８は反強磁性層９との交換結合により磁化が固着されている。なお、本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、トンネルバリア層５や磁気記録層６等は連続膜である。
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図１に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、下部電極となる下地層２と、下地層２上に設けられた反強磁性層３と、反強磁性層３上に設けられ磁化の方向が固着された第１磁化固着層４と、第１磁化固着層４上に設けられたトンネルバリア層５と、トンネルバリア層５上に設けられ磁気記録層となる磁化の方向が可変な磁化自由層６と、磁気記録層６上に設けられた非磁性層７と、非磁性層７上に設けられ第１磁化固着層４と向きが約１８０度異なる方向に磁化が固着された第２磁化固着層８と、第２磁化固着層８上に設けられた反強磁性層９と、反強磁性層９上に設けられた上部電極となる電極層１０とを備え、下部下地層２と上部電極１０間に電流を流す構成となっている。第１磁化固着層４は反強磁性層３との交換結合により磁化が固着されている。また、第２磁化固着層８は反強磁性層９との交換結合により磁化が固着されている。なお、本実施形態の磁気抵抗効果素子においては、トンネルバリア層５や磁気記録層６等は連続膜である。
このように構成された本実施形態の磁気抵抗効果素子１においては、第１磁化固着層４および第２磁化固着層８はスピン偏極した電子を反射する性質を有する。ここで、非磁性層７の材料を選択して用いることにより、第２磁化固着層と逆向きにスピン偏極した電子を効率的に反射させることができる。
なお、第１磁化固着層４および第２磁化固着層８の磁化の向きが互いに約１８０度異なるようにする一つの方法としては、図１に示すように、磁化固着層４、８にネール温度ＴＮが異なる反強磁性層３、９を付与し、磁場中でのアニール処理後の冷却時に反強磁性層３と反強磁性層９のネール温度の間の適当な温度で磁場印加方向を１８０度回転すればよい。また、上記アニールプロセスを用いなくても、図２に示すように、第２磁化固着層８にシンセティックな反強磁性構造(以下、ＳＡＦ(Synthetic-Anti-Ferro)構造ともいう)、すなわち非磁性層８２を介して反強磁性結合した少なくとも２層の強磁性層８１、８３で挟んだ構造を適用することで、第１磁化固着層４と第２磁化固着層８の強磁性層８１の磁化の向きが互いに約１８０度異なる配置を実現できる。
本実施形態において、第１磁化固着層４に対して磁気記録層６のスピンモーメント（磁化）を反平行→平行へのスピン反転させる場合、第１磁化固着層４側から磁気記録層６へ電子を注入すると第１磁化固着層４でスピン偏極した電子がトンネルバリア層５をトンネルし、磁気記録層６へスピントルクを及ぼす。このとき、スピン偏極した電子は、磁気記録層６から非磁性層７を介して第２磁化固着層８に流れるので、磁気記録層６のスピンが第１磁化固着層４のスピンに対して反平行の間は、磁気記録層６と第２磁化固着層８のスピンが平行のため、第２磁化固着層８によって反射された反射スピン電子も磁気記録層６へスピントルクを及ぼし、磁気記録層６のスピンが第１磁化固着層４のスピンに対して反平行→平行へ反転する。この２つのスピントルクにより、磁気記録層６のスピンの方向が変化することになる。
また、本実施形態において、第１磁化固着層４に対して磁気記録層６のスピンモーメントを平行→反平行へスピン反転させる場合、第２磁化固着層８から磁気記録層６へ電子を注入すると、第２磁化固着層８でスピン偏極された電子が非磁性層７を通過して磁気記録層６へ流れスピントルクを及ぼす。このとき、スピン偏極した電子はトンネルバリア層５をトンネルして第１磁化固着層４へ流れようとするが、トンネルバリア層５をトンネルする際、第１磁化固着層４のスピンの方向と同じスピンの方向を持つ電子はトンネル確率が高く容易に流れるが、反平行のスピンは反射される。磁気記録層６へ反射してきた電子は、磁気記録層６へスピントルクを及ぼし、この２つのスピントルクにより、磁気記録層６のスピンが平行→反平行へ反転する。
したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子１において、電流を流す方向を変えることにより、スピン注入書き込みを行うことが可能となり、“１”、“０”の書き込みを行うことができる。
本実施形態において、上記磁化固着層４、８の磁化の向きが略反平行の時に好ましい非磁性層７と第２磁化固着層８の組み合わせとしては、以下の材料の組み合わせが好ましいことを発明者達は見出した。具体的には、第２磁化固着層８がＣｏリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料としては、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ａｇ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましい。
また、第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましい。
また、第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｕ、Ａｇから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましい。
また、本実施形態の変形例として第２磁化固着層８が図２に示すようにＳＡＦ構造である場合を説明したが、第１磁化固着層４がＳＡＦ構造であってもよいし、第１および第２磁化固着層４、８がともにＳＡＦ構造であってもよい。このＳＡＦ構造を用いると、磁化固着層の特性が安定し、信頼性ある磁気抵抗効果素子を得ることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図３に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子において、第２磁化固着層８の磁化の向きが第１磁化固着層４の磁化の向きと略平行となるように構成したものである。
次に、本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図３に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子において、第２磁化固着層８の磁化の向きが第１磁化固着層４の磁化の向きと略平行となるように構成したものである。
本実施形態のように、磁化固着層４、８の磁化の向きが略平行の時に好ましい非磁性層７と第２磁化固着層８の組み合わせとして、以下の材料の組み合わせが好ましいことを発明者達は見出した。具体的には、第２磁化固着層８がＣｏリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料としては、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｒｈ、Ｒｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましい。
また、第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましい。
また、第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｖから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましい。これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
（変形例）
また、本実施形態において、第１および第２磁化固着層として、図４に示すようにＳＡＦ構造を採用することもできる。すなわち、第１磁化固着層４が反強磁性結合した強磁性層４１、４３間に非磁性層４２を挟んだ構造からなり、第２磁化固着層８が反強磁性結合した強磁性層８１、８３間に非磁性層８２を挟んだ構造からなっていてもよい。この場合、図４に示すように、第１および第２磁化固着層の磁気記録層６に最も近い強磁性層４３、８１の磁化の向きが略平行となっている。このＳＡＦ構造を用いると、磁化固着層４、８の特性が安定し、信頼性ある磁気抵抗効果素子を得ることができる。なお、本変形例においては、第１および第２磁化固着層が共にＳＡＦ構造であったが、どちらか一方がＳＡＦ構造であってもよい。
また、本実施形態において、第１および第２磁化固着層として、図４に示すようにＳＡＦ構造を採用することもできる。すなわち、第１磁化固着層４が反強磁性結合した強磁性層４１、４３間に非磁性層４２を挟んだ構造からなり、第２磁化固着層８が反強磁性結合した強磁性層８１、８３間に非磁性層８２を挟んだ構造からなっていてもよい。この場合、図４に示すように、第１および第２磁化固着層の磁気記録層６に最も近い強磁性層４３、８１の磁化の向きが略平行となっている。このＳＡＦ構造を用いると、磁化固着層４、８の特性が安定し、信頼性ある磁気抵抗効果素子を得ることができる。なお、本変形例においては、第１および第２磁化固着層が共にＳＡＦ構造であったが、どちらか一方がＳＡＦ構造であってもよい。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図５に示す。第１および第２実施形態の磁気抵抗効果素子においては、トンネルバリア層５や磁気記録層６等は連続膜であった。本実施形態による磁気抵抗効果素子１Ａは、第１実施形態において、トンネルバリア層５および磁気記録層６は積層されて柱状の積層構造部を構成し、この柱状の積層構造部が複数個、第１磁化固着層４上にそれぞれ離間して設けられた構成となっている。そして、複数の柱状に積層された構造部はお互いに絶縁体１１によって絶縁されている。さらにこの柱状構造部の上部には非磁性層７および第２磁化固着層８、反強磁性層９、電極層１０が積層されている。なお、トンネルバリア層５は第１磁化固着層４上に設けられ、第１磁化固着層４は反強磁性層３上に設けられ、反強磁性層３は下地層２上に設けられている。なお、本実施形態においては、柱状の積層構造部の磁気記録層６は強磁性粒からなるように構成されていてもよい。この場合、強磁性粒６は絶縁体１１によって隔てられることになる。
次に、本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図５に示す。第１および第２実施形態の磁気抵抗効果素子においては、トンネルバリア層５や磁気記録層６等は連続膜であった。本実施形態による磁気抵抗効果素子１Ａは、第１実施形態において、トンネルバリア層５および磁気記録層６は積層されて柱状の積層構造部を構成し、この柱状の積層構造部が複数個、第１磁化固着層４上にそれぞれ離間して設けられた構成となっている。そして、複数の柱状に積層された構造部はお互いに絶縁体１１によって絶縁されている。さらにこの柱状構造部の上部には非磁性層７および第２磁化固着層８、反強磁性層９、電極層１０が積層されている。なお、トンネルバリア層５は第１磁化固着層４上に設けられ、第１磁化固着層４は反強磁性層３上に設けられ、反強磁性層３は下地層２上に設けられている。なお、本実施形態においては、柱状の積層構造部の磁気記録層６は強磁性粒からなるように構成されていてもよい。この場合、強磁性粒６は絶縁体１１によって隔てられることになる。
本実施形態においては、第１実施形態と同様に、第２磁化固着層８の磁化の向きは、第１磁化固着層４の磁化の向きと約１８０度異なる、すなわち反平行となるように固着される。したがって、非磁性層７は第１実施形態で説明したように第２磁化固着層８の材料に応じて選択した材料を用いれば、スピン書き込み時の電流を低減することができる。
このように構成された本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａにおいては、強磁性トンネル接合の実効的な接合面積が複数の磁気記録層６の、第１磁化固着層４への膜面垂直方向の投影面積で規定されるため、磁気記録層６が強磁性体からなる連続膜の場合に比べて実効的な接合面積が小さい。このため、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は発生せず、大きな素子サイズの磁気記録層においても磁化が安定して反転することが可能となり、書き込み動作を確実に行うことができる。
なお、柱状構造のサイズは、直径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度であることが望ましい。柱状構造のサイズが直径１ｎｍより小さい場合は柱状構造の強磁性体（本実施形態においては磁気記録層６）が超常磁性化するため、安定な書き込みができない。また、直径１００ｎｍを超えるサイズの場合は単純な磁区構造よりも還流磁区構造などが安定化するため、安定な書き込みができないだけでなく、ＭＲ比減少などの弊害が生じる。
柱状構造の磁性体の体積は１５００ｎｍ３〜１６００００ｎｍ３程度であることが好ましい。柱状構造の磁性体の体積が１５００ｎｍ３より小さい場合は柱状構造の強磁性体が超常磁性化するため、安定な書き込みができない。また、体積が１６００００ｎｍ３を超える場合は単純な磁区構造よりも還流磁区構造などが安定化するため、安定な書き込みができないだけでなく、ＭＲ比減少などの弊害が生じる。
また、本実施形態においては、柱状の積層構造部は、磁気記録層６およびトンネルバリア層５から構成されていたが、非磁性層７、第２磁化固着層８、反強磁性層９、および電極層１０を含んでもよいし、第１磁化固着層４の一部分を含んでいてもよい。もしくは、磁気記録層６の一部分を含んでいるだけでもよいし、磁気記録層６およびトンネルバリア層５の一部分を含んでいてもよい。
（第１変形例）
次に、本実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図６に示す。この第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ａは、図５に示す第３実施形態において、第２磁化固着層８をＳＡＦ構造とした構成となっている。すなわち、第２磁化固着層８は反強磁性結合した強磁性層８１、８３の間に非磁性層８２を挟んだ構造を有している。そして、第１磁化固着層４と強磁性層８１との磁化の向きは略反平行となっている。このＳＡＦ構造を用いると、磁化固着層８の特性が安定し、信頼性ある磁気抵抗効果素子を得ることができる。なお、本変形例においては、第２磁化固着層がＳＡＦ構造であったが、第１磁化固着層４がＳＡＦ構造であってもよいし、第１および第２磁化固着層が共にＳＡＦ構造であってもよい。
次に、本実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図６に示す。この第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ａは、図５に示す第３実施形態において、第２磁化固着層８をＳＡＦ構造とした構成となっている。すなわち、第２磁化固着層８は反強磁性結合した強磁性層８１、８３の間に非磁性層８２を挟んだ構造を有している。そして、第１磁化固着層４と強磁性層８１との磁化の向きは略反平行となっている。このＳＡＦ構造を用いると、磁化固着層８の特性が安定し、信頼性ある磁気抵抗効果素子を得ることができる。なお、本変形例においては、第２磁化固着層がＳＡＦ構造であったが、第１磁化固着層４がＳＡＦ構造であってもよいし、第１および第２磁化固着層が共にＳＡＦ構造であってもよい。
なお、この変形例も第３実施形態と同様の効果を奏することは云うまでもない。
（第２変形例）
次に、本実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図７に示す。この第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ａは、図５に示す第３実施形態において、第１および第２磁化固着層４、８の磁化の向きを略平行となるように構成したものである。したがって、非磁性層７は第２実施形態で説明したように第２磁化固着層８の材料に応じて選択した材料を用いれば、スピン書き込み時の電流を低減することができる。
次に、本実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図７に示す。この第１変形例による磁気抵抗効果素子１Ａは、図５に示す第３実施形態において、第１および第２磁化固着層４、８の磁化の向きを略平行となるように構成したものである。したがって、非磁性層７は第２実施形態で説明したように第２磁化固着層８の材料に応じて選択した材料を用いれば、スピン書き込み時の電流を低減することができる。
なお、この変形例も第３実施形態と同様の効果を奏することは云うまでもない。
（第３変形例）
次に、本実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図８に示す。この第３変形例による磁気抵抗効果素子１Ａは、図７に示す第２変形例において、第１および第２磁化固着層４、８をＳＡＦ構造とした構成となっている。すなわち、第１磁化固着層４は反強磁性結合した強磁性層４１、４３の間に非磁性層４２を挟んだ構造を有しており、第２磁化固着層８は反強磁性結合した強磁性層８１、８３の間に非磁性層８２を挟んだ構造を有している。そして、第１および第２磁化固着層４、８の磁気記録層６に最も近い強磁性層４３、８１の磁化の向きが略平行となっている。このＳＡＦ構造を用いると、磁化固着層４、８の特性が安定し、信頼性ある磁気抵抗効果素子を得ることができる。なお、本変形例においては、第１および第２磁化固着層が共にＳＡＦ構造であったが、第１および第２磁化固着層の一方がＳＡＦ構造であってもよい。
次に、本実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図８に示す。この第３変形例による磁気抵抗効果素子１Ａは、図７に示す第２変形例において、第１および第２磁化固着層４、８をＳＡＦ構造とした構成となっている。すなわち、第１磁化固着層４は反強磁性結合した強磁性層４１、４３の間に非磁性層４２を挟んだ構造を有しており、第２磁化固着層８は反強磁性結合した強磁性層８１、８３の間に非磁性層８２を挟んだ構造を有している。そして、第１および第２磁化固着層４、８の磁気記録層６に最も近い強磁性層４３、８１の磁化の向きが略平行となっている。このＳＡＦ構造を用いると、磁化固着層４、８の特性が安定し、信頼性ある磁気抵抗効果素子を得ることができる。なお、本変形例においては、第１および第２磁化固着層が共にＳＡＦ構造であったが、第１および第２磁化固着層の一方がＳＡＦ構造であってもよい。
なお、この変形例も第３実施形態と同様の効果を奏することは云うまでもない。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を図９（ａ）乃至図１３（ｂ）を参照して説明する。この実施形態の製造方法は、第３実施形態で説明した磁気抵抗効果素子の製造方法であって、図９（ａ）乃至図１３（ｂ）にその製造工程を示す。本実施形態の製造方法は、パターンドメディアの製造プロセスを応用したものである。
次に、本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を図９（ａ）乃至図１３（ｂ）を参照して説明する。この実施形態の製造方法は、第３実施形態で説明した磁気抵抗効果素子の製造方法であって、図９（ａ）乃至図１３（ｂ）にその製造工程を示す。本実施形態の製造方法は、パターンドメディアの製造プロセスを応用したものである。
まず、図９（ａ）に示すように、非磁性基板１００上に下地層２、反強磁性層３、磁化が固着された強磁性層４、トンネルバリア層５、強磁性層６、非磁性層７、強磁性層８を積層する。その後、図９（ｂ）に示すように、ジブロックコポリマー２２を有機溶剤に溶かしたものをスピンコート法で形成する。
次に、真空中で１４０℃〜２００℃程度の温度で３０時間ほど長時間アニールを行なう。すると、アニール中にジブロックコポリマー２２は自己組織化による相分離を起こし、１５ｎｍ〜３０ｎｍサイズのジブロックコポリマー部２２ａからなる海島構造が数十ｎｍ間隔で整列する（図９（ｃ）参照）。
その後、酸素プラズマにさらし、ジブロックポリマー部２２ａのみを選択的に除去する。ジブロックポリマー部２２ａが除去された部分に穴２４が開く（図１０（ａ）参照）。
次に、乳酸で希釈したＳＯＧ（スピンオングラス）をスピンコート法で塗布すると、この穴２４内にＳＯＧ２５が埋め込まれる（図１０（ｂ）参照）。
ＳＯＧ２５からなるエッチングマスクを用いて、イオンミリングで図１１（ａ）に示すように強磁性層４の途中までパターニングする。なお、図１１（ａ）では、説明を簡単にするため、ジブロックコポリマー部２２ａからなる海島構造は１個しか表示していない。また、イオンミリングは必ずしも強磁性層４の途中まで行う必要はなく、図１３（ａ）に示すように強磁性層６の途中でとめてもよく、もしくは、図１３（ｂ）に示すようにトンネルバリア層５の途中でとめてもよい。
この自己組織化現象を用いたパターン形成方法は、通常のパターン形成方法、例えば、ＥＢ描画、フォトリソグラフィー、Ｘ線リソグラフィー、近接場光リソグラフィー、干渉露光法、ＦＩＢ(Focused Ion Beam)などに比べると安価で短時間に大面積のパターンを形成することができる。また、海島構造は直径１５ｎｍ〜８０ｎｍ程度となり、前述の条件に適合するサイズを実現することができる。
続いて、エッチングマスクを除去した後、直ちにＡｌＯｘまたはＳｉＯｘからなる保護膜２６を形成する（図１１（ｂ）参照）。
次に、図１１（ｃ）に示すように、全面にＳＯＧを塗布して層間絶縁膜２７を形成する。その後、層間絶縁膜２７をエッチバックし、強磁性層８の表面を露出させる（図１２（ａ）参照）。続いて、反強磁性膜９、非磁性金属膜２８、上部電極膜２９を成膜し、パターニングすることにより上部電極を形成する（図１２（ｂ）、（ｃ）参照）。これにより、本実施形態の磁気抵抗効果素子が製造される。なお、強磁性層４と強磁性層８の磁化の向きは反平行となっている。したがって、非磁性層７は第１実施形態で説明したように第２磁化固着層８の材料に応じて選択した材料を用いれば、スピン書き込み時の電流を低減することができる。
本実施形態によって製造される磁気抵抗効果素子は、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は非常に小さく、大きな素子サイズの磁気記録層１６においても磁化が安定して反転することになり、書き込み動作を確実に行うことができる。
なお、第１乃至第４実施形態において、反強磁性層としては、Ｆｅ−Ｍｎ（鉄−マンガン）、Ｐｔ−Ｍｎ（白金−マンガン）、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ（白金−クロム−マンガン）、Ｎｉ−Ｍｎ（ニッケル−マンガン）、Ｉｒ−Ｍｎ（イリジウム−マンガン）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、Ｆｅ２Ｏ３（酸化鉄）などを用いることができる。
また、磁化固着層としては、一方向異方性を、磁気記録層としては、一軸異方性を有することが望ましい。またその厚さは０．１ｎｍから１００ｎｍが好ましい。さらに、この強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、０．４ｎｍ以上であることがより望ましい。
磁気記録層として用いる、誘電体（絶縁体）で隔てられた強磁性粒としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはそれらの合金、または、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔからなる群より選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。
磁気記録層においても磁性材料に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｏｓ（オスニウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。
なお、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例の磁気抵抗効果素子を、後述する第５実施形態の磁気メモリの磁気記憶素子（磁気抵抗効果素子）として用いることができる。この場合、スピン書き込み時における磁化固着層の磁化の安定性を保つために、磁化固着層４、８の体積をなるべく大きくしたほうがよい。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による磁気メモリの構成を図１４に示す。本実施形態の磁気メモリは少なくとも１個のメモリセルを有し、このメモリセルは、磁気記憶素子４０と、読み出し／書き込み兼用の選択トランジスタ６０とを備えている。磁気記憶素子４０は第１乃至第２実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗効果素子であって、一端がビット線４６に接続され、他端が引き出し電極４８に接続されるように配置される。選択トランジスタ６０は、ゲート電極６１と、このゲート電極６１の両側に設けられたソースおよびドレイン領域６３、６５とを備えている。引き出し電極４８は接続部５０を介して、選択トランジスタ６０のソース６３に接続される。選択トランジスタ６０のゲート電極６１はメモリセルを選択するためのワード線を兼ねている。したがって、メモリセルはビット線４６と、ワード線６１が交差する領域に対応して設けられている。
次に、本発明の第５実施形態による磁気メモリの構成を図１４に示す。本実施形態の磁気メモリは少なくとも１個のメモリセルを有し、このメモリセルは、磁気記憶素子４０と、読み出し／書き込み兼用の選択トランジスタ６０とを備えている。磁気記憶素子４０は第１乃至第２実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗効果素子であって、一端がビット線４６に接続され、他端が引き出し電極４８に接続されるように配置される。選択トランジスタ６０は、ゲート電極６１と、このゲート電極６１の両側に設けられたソースおよびドレイン領域６３、６５とを備えている。引き出し電極４８は接続部５０を介して、選択トランジスタ６０のソース６３に接続される。選択トランジスタ６０のゲート電極６１はメモリセルを選択するためのワード線を兼ねている。したがって、メモリセルはビット線４６と、ワード線６１が交差する領域に対応して設けられている。
本実施形態においては、読み出しは、ゲート電極６１に電圧を印加し、選択トランジスタ６０をＯＮにし、ビット線４６を介して磁気抵抗効果素子にセンス電流を流し、このセンス電流を検出することにより磁気抵抗効果素子に記憶されている情報が“１”か“０”を判定することにより行う。また書き込みは、選択トランジスタ６０をＯＮにし、スピン注入書き込みを行うことにより“１”か“０”の書き込みを行う。スピン注入による読み出し／書き込み動作では、読み出し電流は書き込み電流より小さく設定される。
本実施形態の磁気メモリにおいては、磁気記憶素子４０として第１乃至第２実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗効果素子を用いているため、素子面積を容易に小さくすることができ、小さな書き込み電流でスピン反転が可能になる。
なお、本実施形態の磁気メモリにおいて、図１５に示すように、磁気記憶素子４０Ａとして第３実施形態およびその変形例のいずれかの磁気抵抗効果素子を用いても、同様の効果を得ることができる。この場合、第３実施形態で説明したように、書き込み時にスピン偏極した電流を流してもこの書き込み電流による環状磁界は発生せず、大きな素子サイズの磁気記録層においても磁化が安定して反転することが可能となり、書き込み動作を確実に行うことができる。
また、図１４および図１５に示す磁気メモリにおいては、磁気抵抗効果素子が記憶する情報を読み出すために上記磁気抵抗効果素子に流すセンス電流を制御するセンス電流制御素子回路、ドライバ、およびシンカーをさらに具備することとなる。
以下、本発明の実施の形態を実施例を参照して更に詳細に説明する。
（実施例１）
まず、本発明の実施例１として、図２に示すＴＭＲ構造を有する磁気抵抗効果素子の試料を作製した。
まず、本発明の実施例１として、図２に示すＴＭＲ構造を有する磁気抵抗効果素子の試料を作製した。
この磁気抵抗効果素子の試料の製造手順は、以下の通りである。
まず、ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、Ｃｏ８０Ｐｔ２０（２．０ｎｍ）からなる磁気記録層６、Ｒｈ（１５ｎｍ）からなる非磁性層７、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。また、本実施例の磁気抵抗効果素子においては、トンネルバリア層５や磁気記録層６等は連続膜である。
膜厚１．４ｎｍのＡｌＯｘからなるトンネルバリア層５は、膜厚０．６ｎｍのＡｌを成膜した後、そのままの位置(in situ)で純酸素を用いて自然酸化するプロセスを２回繰り返して作製した。その後、断面ＴＥＭ(Transmission Electron Microscope)でＡｌＯｘ層の膜厚を調べたところ、膜厚１．２ｎｍのＡｌが酸化されＡｌＯｘは膜厚が１．４ｎｍになっていることが分かった。
トンネル接合の形成は接合面積を規定する部分だけはＥＢ(Electron Beam)描画装置を用い、その他はＫｒＦステッパ装置を用いてパターニングした。本実施例で作製した試料の接合面積は、０．１×０．１μｍ２、０．１×０．１５μｍ２、０．２×０．３μｍ２、０．２５×０．３５μｍ２である。
接合分離を行った後、ＳｉＯｘからなる膜厚３５ｎｍの保護膜を成膜し、Ｔａ／Ｒｕからなる電極をパターニングし、ミリングにより形成する。続いて、エッチバックでコンタクト層を露出させた後、コンタクトクリーニングを行い、Ｔｉ（１５ｎｍ）／Ａｌ（３００ｎｍ）／Ｔｉ（１５ｎｍ）からなる上部電極をスパッタし、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)法によってパターニングした。
その後、磁性層の長軸方向に磁場を印加して、２８０℃で１０時間アニールを行い一軸異方性を付与した。
また、比較例として、非磁性層７をＣｕに換えたサンプルを作製した。
そして、各種試料および比較例のサンプルに書き込みを行い、書き込みが可能となったときの電流密度を測定した。その結果、すなわち接合面積が０．１×０．１μｍ２〜０．２５×０．３５μｍ２の大きさまでの幅広いサイズで、非磁性層７がＣｕである比較例に比べて低電流密度での書き込みが可能となることを見出した（図１６参照）。
（実施例２）
次に、本発明の実施例２として、実施例１と同様の構造であって、非磁性層７と第２磁化固着層８の材質の組み合わせを変えて素子作製を行い、スピン注入書き込みに要する電流密度を検証した。この実施例２においては、実施例１と同様に磁化固着層４と磁化固着層８の磁気記録層側の強磁性層の磁化の向きは略反平行となっている。比較例として、非磁性層７をＣｕに換えたサンプルを作製した。なお、素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。
次に、本発明の実施例２として、実施例１と同様の構造であって、非磁性層７と第２磁化固着層８の材質の組み合わせを変えて素子作製を行い、スピン注入書き込みに要する電流密度を検証した。この実施例２においては、実施例１と同様に磁化固着層４と磁化固着層８の磁気記録層側の強磁性層の磁化の向きは略反平行となっている。比較例として、非磁性層７をＣｕに換えたサンプルを作製した。なお、素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。
その結果、図１７の材質の組み合わせにおいて低電流書き込みが可能であることを見出した。
すなわち、第２磁化固着層８がＣｏリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料としては、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｈから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
また、第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
また、第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
また、第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
また、第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
（実施例３）
次に、本発明の実施例３として、第１および第２磁化固着層の磁気モーメントが略平行である図３に示す第２実施形態の磁気抵抗効果素子を作製した。ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３．０ｎｍ）からなる磁気記録層６、膜厚が５ｎｍの各種の材料からなる非磁性層７、膜厚が５ｎｍの強磁性材料からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。比較例として、非磁性層７をＲｕに換えたサンプルを作製した。なお、素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。
次に、本発明の実施例３として、第１および第２磁化固着層の磁気モーメントが略平行である図３に示す第２実施形態の磁気抵抗効果素子を作製した。ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３．０ｎｍ）からなる磁気記録層６、膜厚が５ｎｍの各種の材料からなる非磁性層７、膜厚が５ｎｍの強磁性材料からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。比較例として、非磁性層７をＲｕに換えたサンプルを作製した。なお、素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。
その結果、図１８の材質の組み合わせにおいて低電流書き込みが可能であることを見出した。
すなわち、第２磁化固着層８がＣｏリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料としては、Ｃｒ、Ｉｒから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
（実施例４）
次に、本発明の実施例４として、第４実施形態で説明した製造方法を用いて、下地層２、反強磁性層３、第１磁化固着層４、トンネルバリア層５、磁気記録層６、非磁性層７、および第２磁化固着層８を備え、素子サイズ（接合面積）が異なる試料を作製し、それぞれの電流密度を測定した。これらの試料はいずれも、下地層２が膜厚５０ｎｍのＴａおよび膜厚１０ｎｍのＲｕ、反強磁性層３が膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎ、磁化固着層４が膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０、トンネルバリア層５が膜厚１．４ｎｍのＡｌＯｘからなっている。そして、磁気記録層６、非磁性層７、および第２磁化固着層８は図１３（ｂ）に示すように、柱状に積層された構成となっている。また、比較例として、非磁性層７の材料をＣｕに置き換えたものを作製した。なお、本実施例においては、第１磁化固着層４と第２磁化固着層８の磁化の向きは略反平行となっている。
次に、本発明の実施例４として、第４実施形態で説明した製造方法を用いて、下地層２、反強磁性層３、第１磁化固着層４、トンネルバリア層５、磁気記録層６、非磁性層７、および第２磁化固着層８を備え、素子サイズ（接合面積）が異なる試料を作製し、それぞれの電流密度を測定した。これらの試料はいずれも、下地層２が膜厚５０ｎｍのＴａおよび膜厚１０ｎｍのＲｕ、反強磁性層３が膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎ、磁化固着層４が膜厚５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０、トンネルバリア層５が膜厚１．４ｎｍのＡｌＯｘからなっている。そして、磁気記録層６、非磁性層７、および第２磁化固着層８は図１３（ｂ）に示すように、柱状に積層された構成となっている。また、比較例として、非磁性層７の材料をＣｕに置き換えたものを作製した。なお、本実施例においては、第１磁化固着層４と第２磁化固着層８の磁化の向きは略反平行となっている。
なお、各試料および比較例の素子サイズは０．１×０．１μｍ２〜０．２５×０．３５μｍ２であり、図１１（ｂ）に示す保護膜２６はＡｌＯｘ、柱状素子分離膜２７はＳＯＧを用いた。また、磁気記録層は膜厚３ｎｍのＣｏ７０Ｆｅ１０Ｐｔ２０である。なお、非磁性層７としてＲｈを用いた。
そして、各種試料および比較例のサンプルに書き込みを行い、書き込みが可能となったときの電流密度を測定した。その結果、素子サイズが０．１×０．１μｍ２〜０．２５×０．３５μｍ２の大きさまでの幅広いサイズで、非磁性層７がＣｕである比較例に比べて低電流密度での書き込みが可能となることを見いだした（図１９）。
（実施例５）
次に、本発明の実施例５として、実施例４で作製したと同じ構造の磁気抵抗効果素子であって、非磁性層７と第２磁化固着層８の材質の組み合わせを変えて素子作製を行い、スピン注入書き込みに要する電流密度を検証した。なお、素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。比較例として、非磁性層７をＣｕに換えたサンプルを作製した。なお、本実施例および比較例においては、第１磁化固着層４と第２磁化固着層８の磁化の向きは略反平行となっている。その結果、図２０に示す組み合わせにおいて低電流書き込みが可能であることを見出した。
次に、本発明の実施例５として、実施例４で作製したと同じ構造の磁気抵抗効果素子であって、非磁性層７と第２磁化固着層８の材質の組み合わせを変えて素子作製を行い、スピン注入書き込みに要する電流密度を検証した。なお、素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。比較例として、非磁性層７をＣｕに換えたサンプルを作製した。なお、本実施例および比較例においては、第１磁化固着層４と第２磁化固着層８の磁化の向きは略反平行となっている。その結果、図２０に示す組み合わせにおいて低電流書き込みが可能であることを見出した。
すなわち、第２磁化固着層８がＣｏリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料としては、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｈから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましく、
また、第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましく、
また、第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましく、これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
また、第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましく、
また、第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種の元素を含むか、またはそれらの合金であることが好ましく、これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
（実施例６）
本発明の実施例６として、第１および第２磁化固着層の磁化の向きが略平行である図８に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。この実施例の磁気抵抗効果素子は次のように作製される。まず、ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、Ｃｏ８０Ｐｔ２０（２．５ｎｍ）からなる磁気記録層、膜厚５ｎｍの図２１に示す各種材料からなる非磁性層７、強磁性材料（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／強磁性材料（５ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。比較例として非磁性層７がＲｕからなるサンプルを作製した。その結果、図２１に示す材質の組み合わせにおいて低電流書き込みが可能であることを見出した。
本発明の実施例６として、第１および第２磁化固着層の磁化の向きが略平行である図８に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製した。この実施例の磁気抵抗効果素子は次のように作製される。まず、ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、Ｃｏ８０Ｐｔ２０（２．５ｎｍ）からなる磁気記録層、膜厚５ｎｍの図２１に示す各種材料からなる非磁性層７、強磁性材料（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／強磁性材料（５ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。比較例として非磁性層７がＲｕからなるサンプルを作製した。その結果、図２１に示す材質の組み合わせにおいて低電流書き込みが可能であることを見出した。
すなわち、第２磁化固着層８がＣｏリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料としては、Ｃｒ、Ｉｒから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
第２磁化固着層８がＦｅリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、
第２磁化固着層８がＮｉリッチである強磁性材料からなっている場合は、非磁性層７の材料は、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒから選ばれる少なくとも１種の元素を含む金属であることが好ましく、これらの組み合わせを用いればスピン注入書き込み時の電流を低減することができる。
（実施例７）
本発明の実施例７として、第１および第２磁化固着層の磁化の向き（磁気モーメント）が平行である図８に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製し、スピン注入によるスピン反転電流密度（書き込み電流密度）の、非磁性層７と第２磁化固着層８の材料依存性を調べた。この実施例の磁気抵抗効果素子は次のようにして作製される。まず、ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＭｇＯｘ（０．９ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（４ｎｍ）からなる磁気記録層６、膜厚５ｎｍの各種非磁性材料からなる非磁性層７、強磁性材料（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。また、非磁性層７としてＲｕ、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層の磁性材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例も作製した。
本発明の実施例７として、第１および第２磁化固着層の磁化の向き（磁気モーメント）が平行である図８に示す構造の磁気抵抗効果素子を作製し、スピン注入によるスピン反転電流密度（書き込み電流密度）の、非磁性層７と第２磁化固着層８の材料依存性を調べた。この実施例の磁気抵抗効果素子は次のようにして作製される。まず、ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＭｇＯｘ（０．９ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（４ｎｍ）からなる磁気記録層６、膜厚５ｎｍの各種非磁性材料からなる非磁性層７、強磁性材料（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。また、非磁性層７としてＲｕ、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層の磁性材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例も作製した。
その結果以下のことが分かった。まず、トンネルバリア層にＭｇＯを用い、磁性層にｂｃｃ(body-centered cubic lattice)構造の合金、アモルファス合金を用いると書込み電流密度が多少下がることがわかる。また、以下に示すように非磁性層７の材料を換えることにより以下のことが明らかになった。
まず、非磁性層の材料としてＣｒを用い、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層の磁性材料としてＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金を用いた実施例を図２２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す。また、図２２（ａ）に非磁性層７としてＲｕ、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合も示す。この比較例である非磁性層７がＲｕの場合に得られる反転平均電流密度ＪＡＶの最小値１．７×１０６Ａ／ｃｍ２（ｘ＝１（Ｃｏ）の場合に相当）に比べて、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層が以下の組成のときに更なる反転平均電流密度ＪＡＶ低減が可能であることが明らかになった。
０．５≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ
０≦ｚ≦０．４７５； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０．５≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ
０≦ｚ≦０．４７５； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
次に、非磁性層をＩｒに固定し、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層の磁性材料としてＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金を用いた実施例を図２３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図２３（ａ）に非磁性層７としてＲｕ、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合も示す。この比較例である非磁性層７がＲｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値１．７×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層が以下の組成のときに更なる反転平均電流密度ＪＡＶ低減が可能であることが明らかになった。
０．３≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦０．７； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０．３≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦０．７； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
次に、非磁性層をＭｎに固定し、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層の磁性材料としてＣｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金にした実施例を図２４（ａ）、（ｂ）に示す。図２４（ａ）に非磁性層としてＲｕ、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合も示す。この比較例である非磁性層７がＲｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値１．７×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層が以下の組成のとき更なる反転平均電流密度ＪＡＶ低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦０．６４； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０．４≦ｚ≦１．０； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０≦ｘ≦０．６４； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０．４≦ｚ≦１．０； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
次に、非磁性層をＶに固定し、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層の磁性材料としてＣｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金にした実施例を図２５（ａ）、（ｂ）に示す。図２５（ａ）に非磁性層７としてＲｕ、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合も示す。この比較例である非磁性層７がＲｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値１．７×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層が以下の組成のとき更なる反転平均電流密度ＪＡＶ低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦０．６４； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０．３７５≦ｚ≦１．０； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０≦ｘ≦０．６４； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０．３７５≦ｚ≦１．０； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
次に、非磁性層をＲｈに固定し、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層の磁性材料としてＣｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金にした実施例を図２６（ａ）、（ｂ）に示す。また、図２６（ａ）に非磁性層７としてＲｕ、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合も示す。この比較例である非磁性層７がＲｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値１．７×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層が以下の組成のとき更なる反転平均電流密度ＪＡＶ低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦０．６２； ＣｏｘＮｉ１−ｘ
０≦ｚ≦０．６３； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０≦ｘ≦０．６２； ＣｏｘＮｉ１−ｘ
０≦ｚ≦０．６３； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
次に、非磁性層をＲｕに固定し、磁性層をＣｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金にした実施例を図２７（ａ）、（ｂ）に示す。また、図２７（ａ）に非磁性層７としてＲｕ、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合も示す。この比較例である非磁性層がＲｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値１．７×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層の磁気記録層側の磁性層が以下の組成のとき更なる反転平均電流密度ＪＡＶ低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦１．０； ＣｏｘＮｉ１−ｘ
０≦ｚ≦０．８； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０≦ｘ≦１．０； ＣｏｘＮｉ１−ｘ
０≦ｚ≦０．８； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
（実施例８）
次に、本発明の実施例８として、第１および第２磁化固着層の磁気モーメントが反平行である図２８に示す構造を作製し、スピン注入反転電流密度の反射膜として作用する非磁性層７と第２磁化固着層８の材料依存性を調べた。この実施例は、磁気記録層６が連続膜となっている。ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）／Ｒｈ（０．９ｎｍ）／（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＭｇＯｘ（０．９ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（４ｎｍ）からなる磁気記録層６、各種材料からなる非磁性層（５ｎｍ）７、磁性層（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）（４ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。また、比較例として反射膜非磁性層としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いたものも作製した。
次に、本発明の実施例８として、第１および第２磁化固着層の磁気モーメントが反平行である図２８に示す構造を作製し、スピン注入反転電流密度の反射膜として作用する非磁性層７と第２磁化固着層８の材料依存性を調べた。この実施例は、磁気記録層６が連続膜となっている。ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）／Ｒｈ（０．９ｎｍ）／（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＭｇＯｘ（０．９ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（４ｎｍ）からなる磁気記録層６、各種材料からなる非磁性層（５ｎｍ）７、磁性層（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）（４ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。また、比較例として反射膜非磁性層としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いたものも作製した。
その結果、以下のことが分かった。まず、トンネルバリア層にＭｇＯ，磁性層にｂｃｃ(body-centered cubic lattice)構造の合金、アモルファス合金を用いると書き込み電流密度が多少下がることがわかる。また、以下に示すように反射膜材料をかえることにより以下のことが明らかになった。
まず、非磁性層７をＡｇに固定し、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層の磁性材料としてＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金を用いた実施例の反転平均電流密度を図２９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。なお、図２９（ａ）に非磁性層７としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合も示す。この比較例である非磁性層７がＣｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値６．０×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層が以下の組成のとき、反転平均電流密度ＪＡＶの更なる低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦１； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦１； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
なお、図２９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す破線のグラフは、比較例の最小反転平均電流密度を示す。
同様に、非磁性層をＡｕに固定し、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層をＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金にした実施例の反転平均電流密度を図３０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。非磁性層７としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合と比較すると、比較例である非磁性層７がＣｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値６．０×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層が以下の組成のとき、反転平均電流密度ＪＡＶの更なる低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ、
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦１； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ、
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦１； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
同様に、非磁性層をＲｈに固定し、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層をＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金にした実施例の反転平均電流密度を図３１に示す。非磁性層７としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合と比較すると、比較例である非磁性層７がＣｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値６．０×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層が以下の組成のとき、反転平均電流密度ＪＡＶの更なる低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
（実施例９）
次に、本発明の実施例９として、第１および第２磁化固着層の磁気モーメントが反平行である図３２に示す構造を作製し、スピン注入反転電流密度の反射膜として作用する非磁性層７と第２磁化固着層８の材料依存性を調べた。この実施例は、磁気記録層６が絶縁体によって分断された構成となっている。ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）／Ｒｈ（０．９ｎｍ）／（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＭｇＯｘ（０．９ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（４ｎｍ）からなる磁気記録層６、各種材料からなる非磁性層（５ｎｍ）７、磁性層（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）（４ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。また、比較例として反射膜非磁性層としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いたものも作製した。
次に、本発明の実施例９として、第１および第２磁化固着層の磁気モーメントが反平行である図３２に示す構造を作製し、スピン注入反転電流密度の反射膜として作用する非磁性層７と第２磁化固着層８の材料依存性を調べた。この実施例は、磁気記録層６が絶縁体によって分断された構成となっている。ＳｉＯ２基板上に、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（１０ｎｍ）の積層膜からなる下地電極２、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層３、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）／Ｒｈ（０．９ｎｍ）／（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（５ｎｍ）からなる第１磁化固着層４、ＭｇＯｘ（０．９ｎｍ）からなるトンネルバリア層５、（Ｃｏ７５Ｆｅ２５）８０Ｂ２０（４ｎｍ）からなる磁気記録層６、各種材料からなる非磁性層（５ｎｍ）７、磁性層（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／Ｃｏ７５Ｆｅ２５（４ｎｍ）（４ｎｍ）からなる第２磁化固着層８、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）からなる反強磁性層９、Ｔａ（１５０ｎｍ）からなるコンタクト層１０をスパッタにより順次成膜した。なお、括弧内の数値は膜厚を示す。素子の作製方法は実施例１と同様である。素子のサイズは０．１×０．１５μｍ２に固定した。また、比較例として反射膜非磁性層としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いたものも作製した。
その結果、以下のことが分かった。まず、トンネルバリア層にＭｇＯ，磁性層にｂｃｃ(body-centered cubic lattice)構造の合金、アモルファス合金を用いると書き込み電流密度が多少下がることがわかる。また、以下に示すように反射膜材料をかえることにより以下のことが明らかになった。
まず、非磁性層７をＡｇに固定し、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層の磁性材料としてＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金にした実施例の反転平均電流密度を図３３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。なお、図３３（ａ）に非磁性層７としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合も示す。この比較例である非磁性層７がＣｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値１．９８×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層が以下の組成のとき、反転平均電流密度ＪＡＶの更なる低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦１； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦１； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
なお、図３３（ｂ）、（ｃ）に示す破線のグラフは、比較例の最小反転平均電流密度１．９８×１０６Ａ／ｃｍ２を示す。
同様に、非磁性層をＡｕに固定し、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層をＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金にした実施例の反転平均電流密度を図３４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。非磁性層７としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合と比較すると、比較例である非磁性層７がＣｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値１．９８×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層が以下の組成のとき、反転平均電流密度ＪＡＶの更なる低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ、
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦１； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ、
０≦ｙ≦１； ＣｏｙＮｉ１−ｙ、
０≦ｚ≦１； ＦｅｚＮｉ１−ｚ
同様に、非磁性層をＲｈに固定し、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層をＣｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｎｉ合金にした実施例の反転平均電流密度を図３５に示す。非磁性層としてＣｕ、第２磁化固着層の磁性層の材料としてＣｏｘＦｅ１−ｘ（５ｎｍ）を用いた比較例の場合と比較すると、比較例である非磁性層７がＣｕの場合に得られる最小反転平均電流密度ＪＡＶの値１．９８×１０６Ａ／ｃｍ２に比べて、第２磁化固着層８の磁気記録層６側の磁性層が以下の組成のとき、反転平均電流密度ＪＡＶの更なる低減が可能であることが明らかになった。
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
０≦ｘ≦１； ＣｏｘＦｅ１−ｘ
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、スピン注入書き込みに要する電流が低い磁気抵抗効果素子および磁気メモリを得ることができる。
なお、非磁性層とトンネルバリア層の積層が逆の場合でも同様の効果を得ることができる。
１ 磁気抵抗効果素子
１Ａ 磁気抵抗効果素子
２ 下地層（下部電極）
３ 反強磁性層
４ 第１磁化固着層
５ トンネルバリア層
６ 磁気記録層
７ 非磁性層
８ 第２磁化固着層
９ 反強磁性層
１０ 電極層（上部電極）
１Ａ 磁気抵抗効果素子
２ 下地層（下部電極）
３ 反強磁性層
４ 第１磁化固着層
５ トンネルバリア層
６ 磁気記録層
７ 非磁性層
８ 第２磁化固着層
９ 反強磁性層
１０ 電極層（上部電極）
Claims (3)
- 磁化の方向が固着された第１磁化固着層と、磁化の方向が可変な磁化自由層と、前記第１磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁化自由層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられ前記第１磁化固着層の磁化と略反平行となる方向に磁化が固着された第２磁化固着層と、前記磁化自由層と前記第２磁化固着層の間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁化固着層と前記第２磁化固着層間に電流を流すことにより前記磁化自由層の磁化の方向が可変となり、
前記第２磁化固着層が、一番多く含まれる元素がＣｏである強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層の材質にＺｒ、Ｈｆから選ばれた少なくとも１種の元素を含む金属であり、
前記第２磁化固着層が、一番多く含まれる元素がＦｅである強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層にＩｒを含む金属であり、
前記第２磁化固着層が、一番多く含まれる元素がＮｉである強磁性材料からなっている場合には、前記非磁性層にＺｒ、Ｈｆから選ばれた少なくとも１種の元素を含む金属であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 前記磁化自由層は、誘電体もしくは絶縁体で隔てられた１つ以上の強磁性粒もしくは直径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の強磁性体の柱状構造を有する層であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項１または２のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第１配線と、
前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第２配線と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
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