JP4738395B2 - 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ Download PDF

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Description

本発明は、磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリに関する。
近年、新しい原理に基づいて情報を記録する固体メモリが多数提案されている。中でも、固体磁気メモリとして、トンネル磁気抵抗効果（以下、ＴＭＲ（tunneling magneto resistance）ともいう）を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭ（magnetoresistive random access memory）ともいう）が知られている。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果を発現する磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子ともいう）をメモリセルの記憶素子として用いて、ＴＭＲ素子の磁化の状態によってメモリセルが情報を記憶する。
ＴＭＲ素子は、磁化が可変の磁化自由層と、磁化が固着された磁化固着層とを含んでいる。磁化自由層の磁化の向きが、磁化固着層の磁化の向きと平行なときに低抵抗状態となり、反平行のときに高抵抗状態となる。この抵抗状態の違いが情報の記憶に用いられる。
このＴＭＲ素子に情報を書き込む方法として、いわゆる電流磁場書き込み方式が知られている。この方式では、ＴＭＲ素子の近傍に配線が配置され、この配線を流れる電流によって生じる磁場によって、ＴＭＲ素子の磁化自由層の磁化を反転させる。ＭＲＡＭの微細化を行うためにＴＭＲ素子のサイズを小さくすると、ＴＭＲ素子の磁化自由層の保持力Ｈｃが大きくなる。このため、磁場書き込み方式のＭＲＡＭでは、微細化の進展に伴い、書き込みに必要な電流が大きくなる傾向がある。この結果、２５６Ｍｂｉｔを超えるような大容量化に向けたメモリセルの微細化と低電流化の両立は困難である。
この課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（ＳＭＴ（spin-momentum-transfer））を用いた書込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている（特許文献１）。スピン注入書き込み方式では、トンネル磁気抵抗効果を奏するＴＭＲ素子を構成する各膜の膜面に垂直に電流を流すことにより、ＴＭＲ素子の磁化の状態を変化（反転）させる。
スピン注入による磁化反転では、磁化反転に必要な電流Ｉｃは、電流密度Ｊｃで規定される。従って、ＴＭＲ素子の、電流が通過する面の面積が小さくなれば、磁化を反転させるための注入電流Ｉｃも小さくなる。電流密度一定で書込む場合、ＴＭＲ素子のサイズが小さくなれば、電流Ｉｃも小さくなるために、スピン注入書き込み方式は、原理的には、磁場書き込み方式に比べてスケーラビリティ性に優れる。
しかしながら、スピン注入方式のＭＲＡＭにおいては、書き込み時に通電できる電流が選択トランジスタで発生できる電圧、および選択トランジスタとＴＭＲ素子の抵抗の関係で決まるため、ＴＭＲ素子の低抵抗化、すなわち、ＴＭＲ膜の低抵抗化が必要である。
米国特許第６，２５６，２２３号明細書
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、低電流で磁化自由層を磁化反転させることを可能とする低抵抗なスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子とそれを用いた磁気ランダムアクセス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、膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された磁化参照層と、膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層と、前記磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、を備え、前記磁化参照層および前記磁化自由層の少なくとも一方の層は、前記中間層に接するように形成され、アモルファス構造から結晶化した結晶相を有する界面磁性膜と、前記中間層と反対側に前記界面磁性膜と接するように形成され、前記界面磁性膜の結晶化を遅延させる結晶化遅延膜と、前記結晶化遅延膜に対して前記界面磁性膜と反対側に設けられた補助磁性膜と、を有し、前記補助磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含む合金あるいは積層体であり、前記磁化自由層の磁化の向きは、前記中間層を介して前記磁化参照層と通電することにより変化可能であることを特徴とする。
また、本発明の第２の態様による磁気ランダムアクセスメモリは、第１および第２の態様のいずれかの磁気抵抗効果素子をメモリセルに備えていることを特徴とする。
また、本発明の第３の態様による磁気ランダムアクセスメモリは、第１および第２の態様のいずれかの磁気抵抗効果素子と、一端が前記磁気抵抗効果素子の一端と直列接続されたトランジスタと、を含むメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子の他端と接続された第１書き込み電流回路と、前記トランジスタの他端と接続され、前記第１書き込み電流回路とともに前記磁気抵抗効果素子の一端から他端または他端から一端に向かう電流を供給する第２書き込み電流回路と、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、磁化自由層を低電流で磁化反転させることを可能とする低抵抗なスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子とそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
以下に本発明の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、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、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）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子ともいう）を図１に示す。本実施形態のＴＭＲ素子１は、磁化の向きが一方向に固定された磁性膜を有する磁化参照層２と、磁化の向きが可変である磁性膜を有する磁化自由層６と、磁化参照層２と磁化自由層６との間に設けられた中間層４とを備えている。
一般に、ＴＭＲ素子は、膜面に略垂直に流れる双方向電流の方向に応じて、２つの定常状態の一方を取るように構成された素子である。各定常状態を、“０”データ、“１”データに対応させることによって、ＴＭＲ素子は２値のデータを記憶できる。これをスピン注入書き込み方式といい、電流通電方向によって、磁化の状態が変化し、この状態に応じた情報を記憶する。“０”データ時においては、磁化自由層６と磁化参照層２の磁化方向は平行状態であり、“１”データ時においては、それらは反平行状態をとる。なお、磁化の向きは、磁化自由層６および磁化固着層２は共に膜面に実質的に平行かまたは、ともに膜面に実質的に垂直な方向となっている。膜面に実質的に平行な磁化を以下、面内磁化ともいい、膜面に実質的に垂直な磁化を垂直磁化ともいう。
本実施形態においては、磁化参照層２は、界面磁性膜２ａと、結晶化遅延膜２ｂと、補助磁性膜２ｃと、を備えている。界面磁性膜２ａは、中間層４に対して磁化自由層６と反対側に設けられている。補助磁性膜２ｃは、界面磁性膜２ａに対して中間層４と反対側に設けられている。結晶化遅延膜２ｂは界面磁性膜２ａと、補助磁性膜２ｃとの間に設けられている。
また、磁化自由層６は、界面磁性膜６ａと、結晶化遅延膜６ｂと、補助磁性膜６ｃと、を備えている。界面磁性膜６ａは、中間層４に対して磁化参照層２と反対側に設けられている。補助磁性膜６ｃは、界面磁性膜６ａに対して中間層４と反対側に設けられている。結晶化遅延膜６ｂは界面磁性膜６ａと、補助磁性膜６ｃとの間に設けられている。
（第１変形例）
また、本実施形態の第１変形例によるＴＭＲ素子を図２に示す。この第１変形例のＴＭＲ素子１Ａは、図１に示す第１実施形態のＴＭＲ素子１において、磁化自由層６は、結晶化遅延膜６ｂおよび補助磁性膜６ｃを削除して単層の界面磁性膜とし、かつ磁化自由層６からみて中間層４と反対側に結晶化遅延層８を設けた構成となっている。
（第２変形例）
また、本実施形態の第２変形例によるＴＭＲ素子を図３に示す。この第２変形例のＴＭＲ素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態のＴＭＲ素子１において、磁化参照層２は、結晶化遅延膜２ｂおよび補助磁性膜２ｃを削除して単層の界面磁性層とし、かつ磁化参照層２に対して中間層４と反対側に結晶化遅延層１０を設けた構成となっている。
（第３変形例）
また、本実施形態の第３変形例によるＴＭＲ素子を図４に示す。この第３変形例のＴＭＲ素子１Ｃは、図２に示す第１変形例のＴＭＲ素子１Ａにおいて、磁化参照層２の結晶化遅延膜２ｂおよび補助磁性膜２ｃを削除して単層の界面磁性膜とし、かつ磁化参照層２に対して中間層４と反対側に結晶化遅延層１０を設けた構成となっている。
このように、本実施形態およびその変形例によるＴＭＲ素子においては、「中間層／界面磁性膜／結晶化遅延層（結晶化遅延膜）」からなる積層構造を、中間層４の両側に有しているが、中間層４の一方の側にのみ上記積層構造があってもよい。
更には、本実施形態、第１変形例および第２変形例においては、磁化参照層２あるいは磁化自由層６に補助磁性膜が形成されている。この補助磁性膜は、磁化参照層２および磁化自由層６の垂直磁化を補助する場合や熱擾乱耐性を向上させる場合など、異方性エネルギーを付与するために形成される磁性膜である。
本実施形態およびその変形例においては、結晶化遅延層８、１０または結晶化遅延膜２ｂ、６ｂには、「界面磁性膜の結晶化遅延効果」を有する。界面磁性膜の結晶化は、中間層４との界面から開始されたほうが、界面での格子不整合が少なく、低抵抗、高ＴＭＲ比が望める。付随的な効果として、界面磁性膜の不要な酸素を吸収し、結晶化を遅延させる。
更に、酸化物絶縁体からなるトンネルバリア層（以下、バリア層ともいう）を中間層４として用いる場合には、バリア層の余分な酸素を吸収し、バリア層を化学量論比の組成に近づけ、バリア層の過酸化状態を防ぐ効果がある。この界面磁性膜は、形成直後はアモルファス構造を主として有する。ここで、「主として」とは、膜面内で観察した場合に、５０％以上の面積比率を有することをいう。あるいは、膜の体積比率で５０％以上がアモルファス構造であることをいう。ここでのアモルファス（非晶質）構造とは、結晶のように長距離秩序はないが、短距離秩序はある構造である。結晶構造上、第１近接原子のみが規定される。第一近接原子数および原子種は、EXAFS(Extended X-ray Adsorption Fine Structure)法などの分析手法で解析することができる。また、本発明の一実施形態では、直径が２ｎｍ以下の平均結晶粒を有する多結晶膜も含むこととする。これは厳密に構造が結晶質かアモルファス構造かを決定できない場合が多いからである。本発明の一実施形態における界面磁性膜は、成膜直後はアモルファス構造であるが、成膜後の熱処理、あるいはそれに類する光の照射、電流によるジュール熱励起、イオン照射などによる励起エネルギーの注入によりアモルファス構造から結晶化する特性を有する。
本実施形態およびその変形例においては、中間層４として、トンネルバリア層（以下、バリア層ともいう）が用いられる。バリア層としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が用いられる。具体的な材料としては、Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉなどの酸化物であるＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯが挙げられる。あるいは、これらの混晶物でも良い。バリア層の形成の容易性、加工性などを加味すると、ＭｇＯが実用的であり、最も大きなＭＲ比を発現する。
上記ＮａＣｌ構造のバリア層は、ＢＣＣ（体心立方）構造を有するＦｅ１−ｘ―ｙＣｏｘＮｉｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の磁性膜と、（００１）面でエピタキシャルな整合界面を形成すると高いＴＭＲ比が得られる。高いＴＭＲ比が得られる場合には、上記バリア層の（００１）面と、ＢＣＣ構造の磁性膜の（００１）面において、 バリア層の［００１］方向／／ＢＣＣ構造の磁性膜の［１１０］方向
バリア層の（１００）面／／ＢＣＣ構造の磁性膜の（１００）面
の関係が成り立っていることが好ましい。ここで、記号／／は平行であることを意味する。
また、界面での格子の不整合が少ない方が上記の配向、方位関係を保つ意味において好ましい。
さらに、界面での格子整合性が良いと、磁性膜とバリア層の電子状態におけるバンド構造のつながりが良くなり、コヒーレントな電子トンネリングが起こる。理想的には、コヒーレントな電子トンネリングが起こると、磁化参照層２、トンネルバリア層４および磁化自由層６からなるＴＭＲ素子の抵抗は低下し、高いＴＭＲ比が望める。この場合、コヒーレントなトンネリングを実現するには、ＮａＣｌ構造のバリア層の両界面における格子整合性が必要となる。
バリア層の（１００）面とＢＣＣ構造の磁性膜の（１１０）面が界面を形成した場合、界面格子ミスフィット転移の増大により面積で規格化した面抵抗ＲＡ（＝Ｒ／Ａ）は、整合界面のときと比べて、１０倍から１００倍程度に増大する。ここで、Ｒは素子抵抗、Ａは素子面積を表す。
一方、ＢＣＣ構造を有する上記磁性膜の（１００）面上に上記ＮａＣｌ構造のバリア層を直接的に成長させた場合、ＭｇＯの格子歪の緩和が起こりにくく、ミスフィット転位が発生し、ＴＭＲ比を低下させてしまう。これは、界面でのミスフィット転位の発生により、界面での不整合が生じることになるからである。
上記の理由から、ＢＣＣ構造の磁性膜の（１００）面上にＮａＣｌ構造のバリア層を（１００）面配向で成長させることは、非常に困難である。そして、この場合、（１００）面以外にも、（１１１）面が混ざった混相状態となり、（１００）面配向と（１１１）面配向の結晶粒がランダムに存在することにより、下地となる磁性膜の（１００）面との界面不整合によるエネルギー増大を緩和するようになる。これにより、上述したように界面での格子不整合によるミスフィット転移が増大し、ＴＭＲ素子の面抵抗ＲＡは増大してしまう。
上記のＮａＣｌ構造のバリア層はアモルファス構造を有する下地層上では、（１００）面が優先配向して結晶成長しやすい。本発明の一実施形態の界面磁性膜において、ＴＭＲ素子を考慮した場合のバリア層形成のための下地層として機能を持たせるとすると、もともとＢＣＣ構造を有するＦｅ１−ｘ―ｙＣｏｘＮｉｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）合金にＢ、Ｐ、Ｓ、Ｃなどの半金属元素あるいはＮ（窒素）あるいはＳｉ、Ｇｅ、Ｇａなどの半導体元素などを添加した合金が最適である。これらは熱処理などの励起過程を経て、結晶化し、ＢＣＣ構造相が析出する。
また、界面磁性膜の厚さは、０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下程度で最適化される。０．１ｎｍ未満では、高ＴＭＲ化・低ＲＡ効果が得られず、５ｎｍを超えるとスピントルクが働く特性長をはるかに超えるために、磁化自由層がスピン注入による磁化反転を行わなくなるためである。したがって、磁化自由層の膜厚を５ｎｍ以下に抑えられるように、界面磁性層厚さは最適化される。
また、本発明の一実施形態の界面磁性層においては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を５０ａｔ％以上含むことが望ましい。これは、５０ａｔ％未満になると、磁化を消失する場合があるからである。その場合は、界面磁性層の分極率も低下し、消失する可能性が高く、たとえ低抵抗化が可能であるとしても、ＭＲ比が観測できない。
上記のアモルファス相を結晶化させるには、熱処理が必要である。ＢＣＣ構造を結晶化過程で析出させる場合、結晶化の起点となるものが必要となる。
本実施形態およびその変形例においては、アモルファス構造をもつ界面磁性膜としては、中間層４との界面部分から結晶化することが全体のエネルギーを安定化させる。すなわち、低抵抗で、高いＴＭＲ比を得るためには、上記のアモルファス構造をもつ界面磁性膜をトンネルバリア層４の界面側から結晶化を促進させる必要がある。トンネルバリア層４の側から結晶化する場合は、適度に添加物であるＢ、Ｐ、Ｓ、Ｃ、Ｎなどを含有した状態で、トンネルバリア層４との界面での不整合エネルギーを一番小さくする形で結晶化が進行すると考えられる。すなわち、再結晶化後のＢＣＣ構造の磁性膜の相中にも、上記のＢ、Ｐ、Ｓ、Ｃ、Ｎは微量であるが残留する。したがって、界面でのミスフィット転位の発生量を低く抑制できることになる。
上記の界面磁性膜において、アモルファス相からの結晶化は界面エネルギーが低い界面から先に起こる。この場合、先に結晶化が始まった界面エネルギーを低減するように結晶化後の結晶構造および配向性を決定していく。
本実施形態およびその変形例においては、ＮａＣｌ構造のバリア層４の（００１）面でアモルファス構造を有する界面磁性膜が接しているために、結晶化がＮａＣｌ構造のバリア層４側の界面から進行することが理想的である。この場合、界面磁性膜は、必然的にアモルファス構造から、ＮａＣｌ構造のバリア層４とエピタキシャルな整合界面を形成し、この界面からＢＣＣ構造相が（００１）面に配向成長する。このとき、界面では、上述した結晶方位関係
バリア層の［００１］方向／／ＢＣＣ構造の磁性膜の［１１０］方向
バリア層の（１００）面／／ＢＣＣ構造の磁性膜の（１００）面
を保ちながら、結晶化していくことになる。
本発明者達は、上述したようにアモルファス構造を有する磁性膜をバリア層側から結晶化させるには、アモルファス相から結晶化する界面磁性膜のバリア層とは反対側の界面に接する層がどのようであるべきかを見出した。すなわち、バリア層側から結晶化を促進するためには、他方の界面側は結晶化が遅く起こる材料でできた層を形成すれば良い。
ここで、アモルファス構造を有する磁性層は、必ずしも層全体が結晶化する必要はなく、中間層との界面が結晶化すればよい。中間層（バリア層）との界面付近のみが結晶化している場合の方が、スピン注入磁化反転電流が低下する場合がある。
より詳細には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉと全率固溶ではない、共晶系状態を形成する元素が好ましく、さらには、Ｆｅ，Ｃｏ、Ｎｉよりも高融点である元素が好ましい。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの融点はそれぞれ、１５４０℃、１４９０℃、１４５０℃である。
また、磁性膜の結晶構造としては、最密面心立方（ＦＣＣ）構造以外のＢＣＣ構造あるいは最密充填六方晶（ＨＣＰ）構造の元素が好ましい。あるいは共有結合元素も好ましい。
次に、本実施形態およびその変形例で用いる結晶化遅延層（結晶化遅延膜）の材料について説明する。
本実施形態およびその変形例のＴＭＲ素子において、結晶化遅延層（結晶化遅延膜）には、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ（以下、元素Ａともいう）から選ばれる希土類元素が用いられる。これらの希土類元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉとの組み合わせにおいて、ほとんど固溶限を持たない。また、本実施形態および第１変形例の磁化自由層および磁化参照層中の磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる元素を含む合金からなるが、希土類金属とはほとんど固溶しない。
スパッタリング法などの成膜時においては、結晶化遅延層（結晶化遅延膜）は、アモルファス状態の界面磁性膜と、界面でミキシングを起こし、部分的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉと希土類金属とのアモルファス相を形成する。このＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏと希土類元素のアモルファス相は、結晶化温度が高いために、界面磁性膜のアモルファス相からの結晶化は、界面磁性膜とバリア層の界面から始まりやすくなる。
なお、希土類元素の中でも、Ｇｄは自発磁化を有する強磁性体である。したがって、結晶化遅延膜２ｂ、６ｂの付加により界面磁性膜２ａ、６ａと補助磁性膜２ｃ、６ｃとの間で交換結合が切れることがない。また、Ｇｄを用いる場合においては、結晶化遅延膜２ｂ、６ｂの厚さは、面内磁化膜である限りは、上限は限定されない。下限の膜厚は、０．１ｎｍである。０．１ｎｍ未満では、挿入効果が得られない。結晶化遅延膜を含む磁化自由層および磁化参照層が垂直磁化の場合は、Ｇｄを含む層の垂直性を維持するためにも、Ｇｄは２ｎｍ以下であることが望ましい。
一方、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの元素は、単体金属では磁性を有しないが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる元素と合金化し、アモルファス構造あるいは金属間化合物を形成することで、軌道モーメント起因の磁性を有するようになる。Ｇｄも同様に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる元素と合金化し、アモルファス構造あるいは金属間化合物を形成することで、軌道モーメント起因の磁性を有する。
Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの選択された希土類元素からなる単体金属において、スパッタリング法などによる高エネルギー成膜法を用いれば、下地となる磁性膜とミキシングが起これば、アモルファス相が形成される。同様に、希土類単体金属層上にもミキシング層が形成され、アモルファス相が形成される。したがって、この場合も、界面磁性膜２ａ、６ｂと補助磁性膜２ｃ、６ｃの磁気的結合すなわち、交換結合が切れることはない。この場合、結晶化遅延膜の膜厚は、１ｎｍ以下であることが望まれる。これはミキシングが結晶化遅延膜の上下０．５ｎｍ程度で起こるからである。
結晶化遅延層（結晶化遅延膜）が磁性を持ち、界面磁性膜あるいは補助磁性膜と交換結合することは、磁化参照層あるいは磁化自由層が垂直磁化である場合に重要である。
例えば、図１に示すように、磁化参照層２、磁化自由層６に用いられる補助磁性膜２ｃ、６ｃが垂直磁化であり、界面磁性膜２ａ、６ａが面内磁化膜である設計が多く、この場合において、界面磁性膜２ａ、６ａに垂直磁化を付与するためには、結晶化遅延層２ｂ、６ｂと界面磁性膜２ａ、６ａ層および結晶化遅延層２ｂ、６ｂと、補助磁性層２ｃ、６ｃとの交換結合が必須となる。
希土類元素は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ（以下、元素Ｘともいう）と合金化すると、アモルファス構造となる。アモルファス構造の定義は既に上述したとおりである。希土類元素と元素Ｘ（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）のアモルファス構造の合金は垂直磁化となることができる。希土類元素と元素Ｘからなるアモルファス合金は、フェリ磁性体となる。したがって、正味の飽和磁化Ｍｓがゼロとなる補償点組成を有する。補償点組成は希土類元素の原子比率（ａｔ％）で表示される。希土類元素の量が補償点組成を越えると、飽和磁化Ｍｓはマイナスの値となる。すなわち、磁場印加方向と磁化方向が逆を向く。さらに、飽和磁化Ｍｓが補償点組成付近では小さくなるので、垂直磁化になった場合、有効な結晶磁気異方性（Ｋｕ−ｅｆｆｅｃｔ）が大きくなり、垂直磁化が安定になりやすい。したがって、垂直磁化を有するＭＲ素子の場合の結晶化遅延層（結晶化遅延膜）としては、上記のＸＡアモルファス合金が最適である。垂直磁化を示す希土類元素と元素Ａのアモルファス構造合金としては、ＴｂＣｏＦｅ合金、ＧｄＣｏＦｅ合金、ＴｂＧｄＣｏＦｅ合金などが上げられる。これらにＨｏ，Ｄｙを添加してもよい。
Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる希土類元素Ａからなる結晶化遅延層は、元素ＡがＧｄである場合を除いては、界面磁性膜が結晶化した後においても、アモルファス構造のままであることが好ましい。希土類元素と元素Ｘのアモルファス合金からなる結晶化遅延層（結晶化遅延膜）の場合は、その膜厚は制限されない。膜厚は、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。
また、本実施形態およびその変形例のＴＭＲ素子において、結晶化遅延層（結晶化遅延膜）には、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ（以下、元素Ｂともいう）から選ばれる元素が用いることができる。これらの元素は、全てＢＣＣ構造あるいはＨＣＰ構造を有している。Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｒから選択された元素はＨＣＰ構造である。Ｔａ，Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｌａから選択された元素はＢＣＣ構造である。
上記の元素群は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ（以下、元素Ｘともいう）とほとんど固溶限を持たず、あるいは、金属間化合物を形成する。合金化するとアモルファス構造相を形成しやすい。また、下記で詳細に説明するが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓなどの貴金属元素（以下、元素Ｙともいう）あるいは合金ともほとんど固溶限を持たない。
上記のＭｇ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗは非磁性元素である。このために結晶化遅延層の厚さは１ｎｍ以下に限定される。１ｎｍを超えると界面磁性膜２ａ、６ａと補助磁性膜２ｃ、６ｃの交換結合が切れてしまうからである。厚さが１ｎｍ以下の、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ（以下、元素Ｂともいう）から選ばれる元素Ｂからなる結晶化遅延層（結晶化遅延膜）は下地となる層とミキシングを起こし、アモルファス構造となる。さらに、元素Ｂは界面磁性膜に含まれる酸素原子を引き付ける作用が大きい。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の元素Ｘより元素Ｂは電気陰性度が大きく、酸素を引き付けやすいからである。この場合、界面磁性膜において、結晶化遅延層（結晶化遅延膜）に近いほうが、より多くの酸素を含むようになる。そのために、バリア層との界面側の酸素濃度が低下し、アモルファス構造からの結晶化が促進される。
元素Ｂからなる結晶化遅延層（結晶化遅延膜）は、ＢＣＣ構造あるいはＨＣＰ構造に結晶化しても構わない。ＢＣＣ構造の場合は（１００）面の配向となる。ＨＣＰ構造の場合は、配向性は問わない。
また、本実施形態およびその変形例のＴＭＲ素子において、結晶化遅延層には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａ（以下、元素Ｃともいう）から選ばれる元素を用いることができる。これらの元素は、全て共有結合を有する半導体元素である。上記の元素群は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉとほとんど固溶限を持たず、かつ、合金化するとアモルファス構造を形成しやすい。また、下記で詳細に説明するが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓなどの貴金属元素（元素Ｙ）あるいは合金ともほとんど固溶限を持たない。このため、補助磁性膜としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含む合金あるいは積層体であることが好ましい。
本発明の一実施形態で用いられる補助磁性層（あるいは補助磁性膜）について説明する。この補助磁性層は、磁化参照層あるいは磁化自由層の垂直磁化特性を補助・強化する機能や熱擾乱耐性を向上させる機能を有し、結晶磁気異方性エネルギーを付与するために形成される磁性膜である。したがって、界面磁性層が十分な垂直磁化特性あるいは熱擾乱耐性を有する場合においては、用いる必要はない。磁化自由層に用いられる補助磁性層の厚さは、スピン注入磁化反転などを考慮すると、実質的には５ｎｍ以下であることが望まれる。５ｎｍを超えるとスピントルクが働く特性長をはるかに超えるために、磁化自由層がスピン注入による磁化反転を行わなくなくなる。一方、磁化参照層に用いられる補助磁性層の厚さについては、磁化自由層の磁化反転時に反転しないことが望まれる。したがって、磁化自由層と磁化参照層の飽和磁化、膜厚をそれぞれ、Ｍｓ-ｆｒｅｅ，Ｍｓ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ、ｔｆｒｅｅ、ｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅとすると、
Ｍｓ-ｆｒｅｅ・ｔｆｒｅｅ＜Ｍｓ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ・ｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅ
であることが望ましい。
垂直磁化を有する補助磁性層について説明する。ここで、「垂直磁化」、あるいは、「膜面に実質的に垂直な磁化」の定義は、ＶＳＭ（振動試料磁化測定法）測定などによって得られる磁化―磁界（Ｍ−Ｈ）曲線において、磁界ゼロ時の残留磁化Ｍｒと飽和磁化Ｍｓとの比（Ｍｒ／Ｍｓ）が０．５以上あることである。スピントルクが働く特性長はおおよそ１．０ｎｍ程度である。垂直磁化が発現する材料としては、最蜜充填六方晶（ＨＣＰ：Ｈｅｘａｇｏｎａｌ Ｃｌｏｓｅｄ Ｐａｃｋ）構造あるいは面心立法（ＦＣＣ：Ｆａｃｅ Ｃｅｎｔｅｒｅｄ Ｃｕｂｉｃ）構造を有するＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金などがある。膜面に垂直な磁化を示すためには、ＨＣＰ構造では（００１）面に配向しなければならず、ＦＣＣ構造の場合は（１１１）面に配向しなければならない。この材料上では、ＣｓＣｌ型規則構造相を有する相転移層は（１１０）面に配向しやすい。
また、垂直磁化が発現する材料としては、希土類金属（以下、ＲＥともいう）と、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選ばれる元素（以下、ＴＭ元素ともいう）とから構成され、アモルファス構造を有するＲＥ−ＴＭ合金がある。ＲＥ−ＴＭ合金は、ＲＥ元素の量により、正味の飽和磁化がマイナスからプラスになるように操作できる。正味の飽和磁化Ｍｓ−ｎｅｔがゼロになる場合を補償点といい、そのときの組成を補償点組成という。補償点組成は、ＲＥ元素の割合がａｔ％（原子％）で２５ａｔ％から５０ａｔ％の間になる。
また、垂直磁化が発現する材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選ばれる元素を含む磁性層とＰｄ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ａｇ，Ｃｕを含む非磁性金属層の多層積層からなる人工格子型の垂直磁化膜も用いられる。上記磁性層の材料としては、Ｃｏ１００−ｘ−ｙＦｅｘＮｉｙ合金膜（０≦ｘ≦１００、０≦ｙ≦１００）が用いられる。上記のＣｏＦｅＮｉ合金にＢを１０〜２５ａｔ％添加したＣｏＦｅＮｉＢアモルファス合金なども用いられる。磁性層の層厚は、０．１ｎｍから１ｎｍで最適化される。非磁性層の厚さは、０．１ｎｍから３ｎｍの範囲で最適化される。人工格子膜の結晶構造はＨＣＰ構造でもＦＣＣ構造でもＢＣＣ構造でもよい。膜の配向性は、その一部がＦＣＣの場合は（１１１）面に配向、ＢＣＣ構造の場合は（１１０）面に配向、ＨＣＰ構造の場合は（００１）面に配向が良い。配向性はＸ船回折および電子線回折から得られる。
また、垂直磁化が発現する材料としては、Ｌ１０型規則構造を有する、Ｆｅ、Ｃｏ（以下、元素Ａと表記する）から選ばれる少なくとも一つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ（以下、元素Ｂと表記する）から選ばれる少なくとも１つ以上の元素とからなるＦＣＴ構造強磁性体合金がある。Ｌ１０型規則構造強磁性体合金としては、Ｌ１０−ＦｅＰｔ合金、Ｌ１０−ＦｅＰｄ合金、Ｌ１０−ＣｏＰｔ合金が代表的であり、これらの合金であるＬ１０−ＦｅＣｏＰｔＰｄ合金もある。Ｌ１０型規則構造を有するためには、元素Ａと元素Ｂの組成比が、Ａ１００−ｘＢｘという組成式で表される場合、ｘは３０ａｔ％以上７０ａｔ％以下であることが必要である。元素Ａにおいては、その一部をＮｉ，Ｃｕで置換が可能である。また、元素Ｂにおいては、その一部をＡｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、希土類元素（Ｎｄ，Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂなど）で置換することが可能である。これにより、垂直磁化を有する磁化自由層の飽和磁化Ｍｓおよび結晶磁気異方性エネルギー（一軸磁気異方性エネルギー）Ｋｕを調整し最適化することができる。
このＬ１０型規則構造を有する上記の強磁性体ＡＢ合金は、面心正方晶（ＦＣＴ：Ｆａｃｅ Ｃｅｎｔｅｒｅｄ Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造である。規則化することで、［００１］方向において、１ｘ１０７ｅｒｇ／ｃｃ程度の強い結晶磁気異方性エネルギーを有する。従って、（００１）面を優先的に配向させることで良好な垂直磁化特性を得ることが可能となる。また、飽和磁化はおおよそ６００ｅｍｕ／ｃｍ３から１２００ｅｍｕ／ｃｍ３の範囲内である。上述した元素Ａあるいは元素Ｂへ置換する形で元素を添加する場合には、飽和磁化および結晶磁気異方性エネルギーは低下する。上記のＬ１０規則構造を有する強磁性体ＡＢ合金の（００１）面上では、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖなどを主成分とするＢＣＣ構造合金が（００１）面に優先的に配向して成長しやすい。
ＦＣＴ−ＦｅＰｔ合金が（００１）面優先配向していることは、Ｘ線回折のθ―２θスキャンにおいて、２θ＝４５〜５０度付近に見られる（００２）ピークにより確認できる。垂直磁化特性の向上という意味では、（００２）回折ピークのロッキングカーブの反値幅が１０度以下である必要があり、好ましくは５度以下である。
また、Ｌ１０型規則構造相の有無および（００１）面優先配向性は、Ｘ線回折のθ―２θスキャンにおいて、２θ＝２０〜２５度付近に見られる（００１）回折ピークにより確認できる。
これらの（００１）面および（００２）面起因の回折像は、電子線回折などによっても確認できる。
次に、本発明の実施例として、具体的なＴＭＲ素子の積層構造を詳細に説明する。
（第１実施例）
本発明の第１実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子を図５に示す。この第１実施例のＴＭＲ素子は、ボトム・参照層型構造であって、下地層１２上に、磁化参照層２が形成され、この磁化参照層２上に中間層４が形成され、中間層４上に磁化自由層６が形成され、磁化自由層６上にキャップ層１４が形成された構成となっている。磁化参照層２は、下地層１２上に形成された補助磁性膜２ｃと、この補助磁性膜２ｃ上に形成された結晶化遅延膜２ｂと、この結晶化遅延膜２ｂ上に形成された界面磁性膜２ａとの積層構造となっている。この実施例においては、磁化参照層２および磁化自由層６は、磁化は共に膜面に垂直でも、共に膜面に平行であってもよい。
（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子を図６に示す。この第２実施例のＴＭＲ素子は、ボトム・参照層型構造であって、図５に示す第１実施例のＴＭＲ素子おいて、磁化自由層６と、キャップ層１４との間に結晶化遅延層８を設けた構成となっている。この実施例においては、磁化自由層６となる界面磁性膜は、アモルファス構造から結晶化する材料でなくてもよい。最初から結晶化した磁性材料を用いることができる。この場合の結晶化遅延層８の役割は、バリア層（中間層）４の化学量論組成の調整のための余剰酸素吸収層としての役割を果たす。この実施例においては、磁化参照層２および磁化自由層６は、磁化は共に膜面に垂直でも、共に膜面に平行であってあってもよい。
（第３実施例）
次に、本発明の第３実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子を図７に示す。この第３実施例のＴＭＲ素子は、トップ・参照層型構造であって、下地層１２上に、磁化自由層６が形成され、この磁化自由層６上に中間層４が形成され、中間層４上に磁化参照層２が形成され、磁化参照層２上にキャップ層１４が形成された構成となっている。磁化自由層６は、下地層１２上に形成された補助磁性膜６ｃと、この補助磁性膜６ｃ上に形成された結晶化遅延膜６ｂと、この結晶化遅延膜６ｂ上に形成された界面磁性膜６ａとの積層構造となっている。磁化参照層２は、中間層４上に形成された界面磁性膜２ａと、この界面磁性膜２ａ上に形成された結晶化遅延膜２ｂと、この結晶化遅延膜２ｂ上に形成された補助磁性膜２ｃとの積層構造となっている。この実施例においては、磁化参照層２および磁化自由層６は、磁化は共に膜面に垂直でも、共に膜面に平行であってあってもよい。
上記第１実施例から第３実施例のＴＭＲ素子の一具体例を以下に示す。なお、括弧内の数字は膜厚を示している。
第１実施例の一具体例
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／Ｔａ（０．２ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる補助磁性膜２ｃ／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）
第２実施例の一具体例
キャップ層１４／Ｍｇ（０．５ｎｍ）からなる結晶化遅延層８／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／Ｔａ（０．２ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる補助磁性膜２ｃ／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）
第３実施例の一具体例
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる補助磁性膜２ｃ／Ｍｇ（０．５ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／Ｆｅ（１．５ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／ＭｇＯ（０．７ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（０．５ｎｍ）からなる界面磁性膜６ａ／Ｔａ（０．２ｎｍ）からなる結晶化遅延膜６ｂ／ＦｅＰｔ（２ｎｍ）からなる補助磁性膜６ｃ／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）
上記の具体例は全て垂直磁化を有するＴＭＲ素子である。第１および第２実施例の各具体例に示した垂直磁化を有するＴＭＲ素子の場合、磁化自由層６の界面磁性膜６としてＬ１０規則構造を有するＦｅＰｔが用いられている。磁化参照層２の界面磁性膜２ａとしてＣｏＦｅＢ合金、補助磁性膜２ｃとしてＦｅＰｔ合金、結晶化遅延膜２ｂとしてＴａが用いられる。
第３実施例の具体例のＴＭＲ素子では、磁化自由層６の界面磁性膜６ａとしてＣｏＦｅＢ、補助磁性膜６ｃとしてＬ１０規則構造を有するＦｅＰｔ、結晶化遅延膜６ｂとしてＴａが用いられる。磁化参照層２の界面磁性膜２ａとしてＦｅ、補助磁性膜２ｃとしてＬ１０規則構造を有するＦｅＰｔ、結晶化遅延膜２ｂとしてＭｇが用いられる。
ここで、磁化自由層に用いられるＬ１０合金層としては、ＦｅＰｔ合金以外にも、Ｆｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも一つ以上の元素ＸとＰｔ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ｙとからなる強磁性体合金も用いられる。Ｌ１０規則構造のＦｅＰｔ合金、Ｌ１０規則構造のＦｅＰｄ合金、Ｌ１０規則構造のＣｏＰｔ合金が代表的である。Ｌ１０規則構造を有するためには、元素Ｘと元素Ｙの組成比において、元素Ｘが４０ａｔ％以上６０ａｔ％以下であることが望ましい。上記のＬ１０規則構造を有するＸＹ合金からなる磁化自由層には、その一部をＮｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどで置換が可能である。これにより、飽和磁化Ｍｓが下げられる。さらに、Ｃｕ，Ｚｎなどで置換した場合には、規則化温度を下げられる。
また、上記のＬ１０規則構造を有するＸＹ合金からなる磁化自由層には、その一部をＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、希土類元素（Ｎｄ，Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂなど）で置換することが可能である。
このＬ１０規則構造を有する上記の強磁性体ＸＹ合金は、ＦＣＴ構造である。規則化することで、［００１］方向において、１×１０７ｅｒｇ／ｃｍ３以上の強い結晶磁気異方性エネルギーを有する。従って、（００１）面を優先的に配向させることで良好な垂直磁化特性を得ることが可能となる。また、飽和磁化は大よそ６００ｅｍｕ／ｃｍ３から１１００ｅｍｕ／ｃｍ３の範囲内である。上述した元素を添加するばあいには、最適化することで、有効な結晶磁気異方性を維持したまま、飽和磁化は低下することができる。
図５、図６に示した第１および第２実施例のＴＭＲ素子においては、磁化参照層２の補助磁性膜２ｃ上にアモルファス構造からなる界面磁性膜２ａを形成すると、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属が、界面磁性膜２ａに拡散し、界面磁性膜２ａのアモルファス構造相からの結晶化を阻害してしまう可能性がある。ここで、結晶化遅延膜２ｂを界面磁性膜２ａと補助磁性膜２ｃとの間に挿入することによりＰｔ、Ｐｄなどの貴金属の界面磁性膜２ａへの拡散を抑制することが可能となる。
結晶化遅延膜２ｂとしては、拡散防止の役割を果たしており、そういった意味においては、図５、図６に示すような硬質磁性を有する補助磁性膜２ｃを下部に形成する磁化参照層２を有する場合には、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属と固溶系元素ではないものを結晶化遅延膜２として挿入することも好ましい。Ｔａ以外にもＭｇ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｗなどを用いることが可能である。
また、界面磁性膜２ａの材料ＣｏＦｅＢは、面内磁化となりやすいため、結晶化遅延膜２ｂの挿入で磁気的な交換結合が切れることは、界面磁性膜２ａの垂直磁化特性を維持するためには好ましいことではない。そういう観点からも、希土類元素であるＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕの挿入は好ましいといえる。なぜなら、成膜時のミキシングなどにより、磁性を有することが可能であるからである。特に、Ｇｄは単元素でも強磁性体である。垂直磁化を維持するためには、上記の結晶化遅延膜の膜厚は、１ｎｍ以下であることが好ましい。また、Ｇｄの場合においては、２ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、磁化参照層の界面磁性膜の垂直磁化を維持するためには、飽和磁化と膜厚の積であるＭｓ・ｔ積が４．０［ｎｍ・Ｔ（ナノメーター・テスラ）］以下であることが望ましい。
（第４および第５実施例）
代表的なボトム・参照層型構造のＴＭＲ素子で、結晶化遅延膜としてＧｄを用いた場合の代表的な積層構成例を、第４および第５実施例として示す。
第４実施例
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／Ｇｄ（０．５ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる補助磁性膜２ｃ／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
さらに、第１および第２実施例のようなボトム・参照層型構造のＴＭＲ素子においては、希土類元素と、Ｆｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも一つ以上の元素Ｘとの合金膜も、結晶化遅延膜として用いることができる。希土類元素と元素Ｘの合金膜は、垂直磁化を有する。代表的なボトム・参照層型構造のＴＭＲ素子の積層構成を第５実施例として示す。
第５実施例
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／ＣｏＦｅＴｂ（５ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる補助磁性膜２ｃ／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
ここで、ＣｏＦｅＴｂ膜２ｂの膜厚は５ｎｍを用いているが、成膜プロセスの最適化により、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲が用いられる。ここで、ＣｏＦｅＴｂ膜のＴｂ組成範囲としては、体積割合でＴｂが５０ｖｏｌ％以下である。希土類元素の組成範囲としても、５０ｖｏｌ％以下が好ましく、これ以上添加すると、界面磁性膜２ａと、補助磁性膜２ｃとの交換結合が弱くなり、垂直磁化が維持できなくなる可能性がある。
（第６実施例）
図８には、磁化参照層２が反強磁性層７で磁化固着される場合のボトム・参照層型構造を有する第６実施例のＴＭＲ素子の積層構造を示す。図８に示す本実施例のＴＭＲ素子は、図５に示す第１実施例のＴＭＲ素子において、磁化参照層２の補助磁性膜２ｃが反強磁性層７によって磁化固着された磁化固着膜２ｄに置き換わった構成となっている。また、本実施例に用いられる材料については、第１乃至第５実施例で説明したしたものが適用される。磁化固着膜２ｄの磁化方向は、界面磁性膜２ａとともに膜面に垂直であってもよいし、膜面に平行であってもよい。
（第７実施例）
図９に、本発明の第７実施例によるＴＭＲ素子の断面を示す。本実施例のＴＭＲ素子は、第６実施例のＴＭＲ素子において、磁化固着膜２ｄを単層の磁性膜からシンセティック構造を有する磁化固着層３に置き換えた構成となっている。すなわち、磁化固着層３は、磁性膜（界面磁性膜）３ａ、磁性膜３ｃとの間に非磁性膜３ｂを設けた積層構造を有しており、磁性膜３ａと磁性膜３ｃとは、非磁性膜３ｂを介して反強磁性結合をしている。そして、磁化固着層３は、反強磁性層７によって磁化固着される。磁化固着層３の磁化方向は、界面磁性膜２ａとともに膜面に垂直であってもよいし、膜面に平行であってもよい。
反強磁性層７としては、実用的には、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＰｄＭｎ合金、ＲｈＭｎ合金、ＰｔＣｒ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金などが上げられる。膜厚は５ｎｍ以上２０ｎｍ以下で最適化される。
シンセティック構造では、界面磁性膜３ａと磁性膜３ｃとの間に非磁性膜３ｂが挿入される。非磁性膜３ｂとしては、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒが用いられ、その膜厚は０．５ｎｍから３ｎｍで最適化される。層間結合を利用しており、反強磁性結合がピークとなる膜厚を利用する。シンセティック構造では、界面磁性膜３ａと磁性膜３ｃの磁化方向が反平行である。
図９に示す第７実施例において、界面磁性膜中に結晶化遅延膜２ｂが挿入され、界面磁性膜が界面磁性膜２ａと界面磁性膜３ａに分断される。バリア層４に近い界面磁性膜２ａの膜厚は上下層のミキシングの影響を考慮すると１ｎｍ以上必要である。界面磁性膜２ａと界面磁性膜３ａの磁化方向の関係は平行である。
面内磁化で用いられる代表的なＴＭＲ素子の第８乃至第１２実施例の積層構造を示す。
（第８実施例）
本実施例は、図８に示す第６実施例の一具体例となっており、以下の積層構造を有している。
キャップ層１４／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／Ｔａ（０．２ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）からなる磁化固着膜２ｄ／ＭｎＰｔ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層７／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
（第９実施例）
本実施例は、図９に示す第７実施例の一具体例となっており、以下の積層構造を有している。
キャップ層１４／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／Ｔａ（０．２ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）からなる界面磁性膜３ａ／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）からなる非磁性膜３ｂ／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）からなる磁性膜３ｃ／ＰｔＭｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層７／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
垂直磁化を有する代表的なＴＭＲ素子を第１０乃至第１２実施例として説明する。
（第１０実施例）
本実施例は、図８に示す第６実施例の一具体例となっており、以下の積層構造を有している。
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／Ｔａ（０．２ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる磁化固着膜２ｄ／ＦｅＭｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層７／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
（第１１実施例）
本実施例は、図８に示す第６実施例の他の具体例となっており、結晶化遅延膜２ｂとして、膜厚が５ｎｍのＣｏＦｅＴｂを用い、以下の積層構造を有している。
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／ＣｏＦｅＴｂ（５ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる磁化固着膜２ｄ／ＦｅＭｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層７／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
本実施例においては、ＣｏＦｅＴｂの組成を調整することで、界面磁性膜２ａのＣｏＦｅＢと磁化固着膜２ｄのＦｅＰｔ層の磁化方向を反平行状態にすることができる。希土類元素Ｔｂの組成において、補償点組成を越えた場合は、界面磁性膜２ａと磁化固着膜２ｄの磁化方向は反平行になる。
（第１２実施例）
本実施例は、図８に示す第６実施例において、界面磁性膜２ａを、第１磁性膜、非磁性膜、および第２磁性膜からなるシンセティック構造に置き換えた構成となっており、以下の積層構造を有している。
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）からなる第１磁性膜／Ｒｕ（０．８ｎｍ）からなる非磁性膜／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）からなる第２磁性膜／Ｔａ（０．２ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる磁化固着膜２ｄ／ＦｅＭｎ（１０ｎｍ）からなる反強磁性層７／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
次に、第１３実施例および比較例のＴＭＲ素子をスパッタリング法により作成し、面内通電法により面抵抗ＲＡとＴＭＲ比を測定した。
第１３実施例
本実施例のＴＭＲ素子は、図５に示す第１実施例のＴＭＲ素子の一具体例であって、以下の積層構造を有している。
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（２ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／Ｔａ（０．２ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる補助磁性膜２ｃ／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
比較例
この比較例は、第１３実施例において、結晶化遅延膜２ｂを形成しない構成となっており、以下の積層構造を有している。
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）からなる磁化自由層／ＭｇＯ（２ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる補助磁性膜２ｃ／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
測定の結果、比較例ではＲＡは約２０ｋΩμｍ２であったが、第１３実施例ではＲＡが約１０ｋΩμｍ２まで低減した。このとき、ＴＭＲ比は低下せずにほぼ一定値を維持したままであった。
次に、上記と同様のスパッタリング法を用いて、第１４実施例によるＴＭＲ素子を作成した。
第１４実施例
本実施例のＴＭＲ素子は、第１３実施例において、結晶化遅延膜２ｂとして、膜厚０．２ｎｍのＴａから、膜厚１０ｎｍのＣｏＦｅＴｂに置き換えた構成となっており、以下の積層構造を有している。
キャップ層１４／ＦｅＰｔ（３ｎｍ）／ＭｇＯ（２ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／ＣｏＦｅＢ（２ｎｍ）からなる界面磁性膜２ａ／ＣｏＦｅＴｂ（１０ｎｍ）からなる結晶化遅延膜２ｂ／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）からなる補助磁性膜２ｃ／下地層１２／熱酸化Ｓｉ基板
透過電子顕微鏡観察（ＴＥＭ）を用いて、第１４実施例の界面磁性膜２ａの観察を行った。断面ＴＥＭ観察の結果から、界面磁性膜２ａのＣｏＦｅＢ膜は第１４実施例では結晶化が確認できた。しかしながら、比較例では界面磁性膜２ａであるＣｏＦｅＢ膜は膜全体がほぼアモルファス構造であった。
さらに、面内通電法によりＲＡを測定した。その結果、比較例はＲＡが約２０ｋΩμｍ−２であったが、結晶化遅延膜２ｂとしてＣｏＦｅＴｂ膜を挿入した第１４実施例では、１ｋΩμｍ−２まで低下していた。
以上説明したように、本実施形態によれば、低抵抗なＴＭＲ素子を得ることができ、低電流で磁化自由層の磁化反転させることが可能となる。これにより、低抵抗なスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子を提供することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるスピン注入書き込み型の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１０に示す。図１０に示すように、ＭＲ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、ＭＲ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ＭＲ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１０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１１は、本実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。
図１１に示すように、ＭＲ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の一端は同一のビット線３２と接続され、他端は同一のビット線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（反転電流）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、低抵抗なＴＭＲ素子を記憶素子として用いているので、低電流で磁化自由層を磁化反転させることが可能となる。これにより、低抵抗なスピン注入書き込み方式の磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
本発明の第１実施形態によるＴＭＲ素子の断面図。 第１実施形態の第１変形例によるＴＭＲ素子の断面図。 第１実施形態の第２変形例によるＴＭＲ素子の断面図。 第１実施形態の第３変形例によるＴＭＲ素子の断面図。 第１実施例によるＴＭＲ素子の断面図。 第２実施例によるＴＭＲ素子の断面図。 第３実施例によるＴＭＲ素子の断面図。 第６実施例によるＴＭＲ素子の断面図。 第７実施例によるＴＭＲ素子の断面図。 本発明の第２実施形態によるＭＲＡＭのメモリセルを示す断面図。 第２実施形態のＭＲＡＭの主要部の回路図。
１ ＴＭＲ素子
２ 磁化参照層
２ａ 磁性膜（界面磁性膜）
２ｂ 結晶化遅延膜
２ｃ 補助磁性膜
３ 磁化固着層
３ａ 界面磁性膜
３ｂ 非磁性膜
３ｃ 磁性膜
４ 中間層（バリア層）
６ 磁化自由層
６ａ 磁性膜（界面磁性膜）
６ｂ 結晶化遅延膜
６ｃ 補助磁性膜
８ 結晶化遅延層
１０ 結晶化遅延層
１２ 下地層
１４ キャップ層

Claims (7)

  1. 膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された磁化参照層と、
    膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層と、
    前記磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、
    を備え、
    前記磁化参照層および前記磁化自由層の少なくとも一方の層は、
    前記中間層に接するように形成され、アモルファス構造から結晶化した結晶相を有する界面磁性膜と、
    前記中間層と反対側に前記界面磁性膜と接するように形成され、前記界面磁性膜の結晶化を遅延させる結晶化遅延膜と、
    前記結晶化遅延膜に対して前記界面磁性膜と反対側に設けられた補助磁性膜と、
    を有し、
    前記補助磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含む合金あるいは積層体であり、前記磁化自由層の磁化の向きは、前記中間層を介して前記磁化参照層および磁化自由層に通電することにより変化可能であり、
    前記結晶化遅延膜は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含み、前記結晶化遅延膜は非磁性であり、前記界面磁性膜と前記補助磁性膜は交換結合していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された磁化参照層と、
    膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層と、
    前記磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、
    を備え、
    前記磁化参照層および前記磁化自由層の少なくとも一方の層は、
    前記中間層に接するように形成され、アモルファス構造から結晶化した結晶相を有する界面磁性膜と、
    前記中間層と反対側に前記界面磁性膜と接するように形成され、前記界面磁性膜の結晶化を遅延させる結晶化遅延膜と、
    前記結晶化遅延膜に対して前記界面磁性膜と反対側に設けられた補助磁性膜と、
    を有し、
    前記補助磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含む合金あるいは積層体であり、前記磁化自由層の磁化の向きは、前記中間層を介して前記磁化参照層および磁化自由層に通電することにより変化可能であり、
    前記結晶化遅延膜は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含み、前記結晶化遅延膜は、アモルファス構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  3. 膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された磁化参照層と、
    膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層と、
    前記磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた中間層と、
    を備え、
    前記磁化参照層および前記磁化自由層の少なくとも一方の層は、
    前記中間層に接するように形成され、アモルファス構造から結晶化した結晶相を有する界面磁性膜と、
    前記中間層と反対側に前記界面磁性膜と接するように形成され、前記界面磁性膜の結晶化を遅延させる結晶化遅延膜と、
    前記結晶化遅延膜に対して前記界面磁性膜と反対側に設けられた補助磁性膜と、
    を有し、
    前記補助磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含む合金あるいは積層体であり、前記磁化自由層の磁化の向きは、前記中間層を介して前記磁化参照層および磁化自由層に通電することにより変化可能であり、
    前記結晶化遅延膜は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を含み、前記結晶化遅延膜は、アモルファス構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  4. 前記界面磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を５０ａｔ％以上含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記結晶化遅延膜は、アモルファス構造を有することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルに備えていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、一端が前記磁気抵抗効果素子の一端と直列接続されたトランジスタと、を含むメモリセルと、
    前記磁気抵抗効果素子の他端と接続された第１書き込み電流回路と、
    前記トランジスタの他端と接続され、前記第１書き込み電流回路とともに前記磁気抵抗効果素子の一端から他端または他端から一端に向かう電流を供給する第２書き込み電流回路と、
    を備えていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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