JP5856490B2 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。特に、本発明は、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の磁気メモリでは、磁気抵抗効果素子がメモリセルとして用いられる。典型的な磁気抵抗効果素子は、トンネルバリア層が２層の強磁性体層で挟まれた磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を備える。

ＭＴＪの抵抗値は、上記２層の強磁性体層の磁化状態に依存して変化する。具体的には、２層の強磁性体層の磁化方向が“反平行”である場合のＭＴＪの抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、それらが“平行”である場合の抵抗値（Ｒ）よりも大きくなる。従って、一方の強磁性体層の磁化方向を固定し、他方の強磁性体層の磁化方向を反転させることによって、ＭＴＪの抵抗値を変化させることができる。

このような抵抗値の大小が、データ“１”、“０”に対応付けられる。すなわち、磁気抵抗効果素子は、ＭＴＪの抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。上記２層の強磁性体層のうち磁化方向が固定された一方は、以下、「データ参照層」と参照される。記憶データに応じて磁化状態が変化する他方の強磁性体層は、以下、「データ記憶層」と参照される。

データ書き込みは、データ記憶層の磁化状態を変化させることにより行われる。そのデータ書き込みの方式としては、外部磁界印加方式、スピン注入方式、磁壁移動方式等が挙げられる。特許文献１には、スピン注入方式及び磁壁移動方式のＭＲＡＭが開示されている。また、特許文献２には、垂直磁化膜を用いた磁壁移動型のＭＲＡＭが開示されている。この特許文献２によれば、データ記憶層を垂直磁化膜で形成することによって、書き込み電流を十分に小さく低減することができる。

データ読み出しは、トンネルバリア層を通してデータ記憶層とデータ参照層との間に読み出し電流を流し、ＭＴＪの抵抗値の大小を検出することにより行われる。このとき、データを正確に且つ素早く判別するためには、ＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）がなるべく高いことが望ましい。すなわち、良好な読み出し特性を実現するためには、高いＭＲ比が必要不可欠である。

特許文献３及び非特許文献１には、高いＭＲ比が得られる膜構成が開示されている。特許文献３によれば、トンネルバリア層は単結晶構造のＭｇＯ膜であり、トンネルバリア層に接触する強磁性体層の部分はアモルファス状態である。非特許文献１によれば、トンネルバリア層はＭｇＯ膜であり、そのＭｇＯ膜の上下にＣｏＦｅＢ膜がインターフェースとして形成されている。つまり、ＭｇＯ膜がＣｏＦｅＢ膜で挟まれた「ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ」という構造が形成されている。この「ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ」構造がＭＲ比の向上に寄与することが報告されている。

特開２００９−２００１２３号公報 国際公開ＷＯ２００９／００１７０６号公報 特開２００６−８０１１６号公報

Djayaprawira et al., "230%room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions", Applied Physics Letters, 86, 092502, 2005.

本願発明者は、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果素子に関して、次のような課題を見出した。それは、後工程における高温熱処理によって、データ記憶層やデータ参照層の垂直磁気異方性が劣化する場合があるということである。データ記憶層やデータ参照層の垂直磁気異方性の劣化は、ＭＲ比の低下につながる。高温熱処理によるＭＲ比の低下を抑制すること、すなわち、「耐熱性」を向上させることが望まれる。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるだろう。

一実施の形態において、磁気抵抗効果素子は、データ記憶層、データ参照層、及びデータ記憶層とデータ参照層との間に挟まれたＭｇＯ膜を備える。データ記憶層は、ＭｇＯ膜と接触するＣｏＦｅＢ膜と、垂直磁化膜と、ＣｏＦｅＢ膜と垂直磁化膜との間に挟まれたＴａ膜と、を備える。ＣｏＦｅＢ膜と垂直磁化膜とは、Ｔａ膜を介して磁気的に結合している。

他の実施の形態において、磁気抵抗効果素子は、データ記憶層、データ参照層、及びデータ記憶層とデータ参照層との間に挟まれたＭｇＯ膜を備える。データ参照層は、ＭｇＯ膜と接触するＣｏＦｅＢ膜と、垂直磁化膜と、ＣｏＦｅＢ膜と垂直磁化膜との間に挟まれたＴａ膜と、を備える。ＣｏＦｅＢ膜と垂直磁化膜とは、Ｔａ膜を介して磁気的に結合している。

更に他の実施の形態において、磁気抵抗効果素子は、データ記憶層、データ参照層、及びデータ記憶層とデータ参照層との間に挟まれたＭｇＯ膜を備える。データ記憶層は、ＭｇＯ膜と接触するＣｏＦｅＢ膜と、ＣｏＦｅＢ膜と磁気的に結合する垂直磁化膜と、を備える。垂直磁化膜は、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ積層構造を含んでいる。

一実施の形態によれば、垂直磁化膜を用いた磁気抵抗効果素子において、高温熱処理によるＭＲ比の低下を抑制することが可能となる。

図１は、一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を概略的に示している。 図２は、図１で示された磁気抵抗効果素子が取り得る２つの磁気状態を示している。 図３は、図１で示された磁気抵抗効果素子へのデータ書き込みを説明するための概念図である。 図４は、図１で示された磁気抵抗効果素子からのデータ読み出しを説明するための概念図である。 図５は、一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示している。 図６は、比較例に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示している。 図７は、本実施の形態と比較例との間のＭＲ比の比較結果を示すグラフである。 図８は、本実施の形態と比較例とで「密着性」を比較した試験の結果を示している。 図９は、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造の評価に用いられたサンプルの構成を示している。 図１０は、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造の効果を示すグラフである。 図１１は、ＭＲ比のＴａ膜厚（Ｘ１）依存性を示すグラフである。 図１２は、ＭＲ比のＣｏＦｅＢ膜厚（Ｘ２）依存性を示すグラフである。 図１３は、ＭＲ比のＣｏＦｅＢ膜厚（Ｘ３）依存性を示すグラフである。 図１４は、ＭＲ比のＴａ膜厚（Ｘ４）依存性を示すグラフである。 図１５は、変形例に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示している。 図１６は、他の変形例に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示している。 図１７は、更に他の変形例に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示している。 図１８は、更に他の変形例に係る磁気抵抗効果素子の膜構成を示している。 図１９は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を用いたメモリセルの構成例を示している。 図２０は、図１９で示されたメモリセルを用いた磁気メモリの構成例を示すブロック図である。

添付図面を参照して、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを説明する。

１．磁気抵抗効果素子の基本構成
図１は、一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１の構成を概略的に示している。磁気抵抗効果素子１は、下地層１０、データ記憶層２０、トンネルバリア層３０、データ参照層４０、第１ピニング層５０−１、第２ピニング層５０−２、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、及び第３端子Ｔ３を備えている。尚、以下の説明において、積層方向はＺ方向であり、Ｚ方向に直交する平面がＸＹ面であるとする。垂直磁化膜の磁化の向きは、概ね、当該膜が形成される面に直交する、すなわち、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向である。

データ記憶層２０は、下地層１０上に形成されている。また、データ記憶層２０は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜を含んでいる。但し、後述されるように、データ記憶層２０は、非磁性体膜を含んでいてもよい。

本実施の形態では、一例として、磁壁移動型の磁気抵抗効果素子１を説明する。磁壁移動型の場合、図１に示されるように、データ記憶層２０は、第１磁化固定領域２０−１、第２磁化固定領域２０−２、及び磁化自由領域２０−３を有している。

第１磁化固定領域２０−１は、第１ピニング層５０−１と磁気的に結合した領域である。第１ピニング層５０−１は、磁化方向が固定された垂直磁化膜であり、その第１ピニング層５０−１との磁気的結合によって、第１磁化固定領域２０−１の磁化方向も一方向に固定される。図１の例では、下地層１０を挟むように第１ピニング層５０−１と第１磁化固定領域２０−１が形成されている。

第２磁化固定領域２０−２は、第２ピニング層５０−２と磁気的に結合した領域である。第２ピニング層５０−２は、磁化方向が固定された垂直磁化膜であり、その第２ピニング層５０−２との磁気的結合によって、第２磁化固定領域２０−２の磁化方向も一方向に固定される。図１の例では、下地層１０を挟むように第２ピニング層５０−２と第２磁化固定領域２０−２が形成されている。

また、第１磁化固定領域２０−１と第２磁化固定領域２０−２の磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。図１の例では、第１磁化固定領域２０−１の磁化方向は＋Ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域２０−２の磁化方向は−Ｚ方向に固定されている。

一方、磁化自由領域２０−３の磁化方向は、反転可能であり、＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向となることが許される。この磁化自由領域２０−３は、面内方向において、上記の第１磁化固定領域２０−１と第２磁化固定領域２０−２との間に挟まれている。第１磁化固定領域２０−１と磁化自由領域２０−３との境界は第１境界Ｂ１であり、第２磁化固定領域２０−２と磁化自由領域２０−３との境界は第２境界Ｂ２である。

データ参照層４０は、データ記憶層２０の磁化自由領域２０−３上に、トンネルバリア層３０を介して形成されている。データ参照層４０は、垂直磁気異方性を有する垂直磁化膜を含んでおり、その磁化方向は一方向に固定されている。例えば図１において、データ参照層４０の磁化方向は、＋Ｚ方向に固定されている。但し、後述されるように、データ参照層４０は、非磁性体膜を含んでいてもよい。

トンネルバリア層３０は、非磁性層であり、典型的には薄い絶縁膜である。このトンネルバリア層３０は、データ記憶層２０の磁化自由領域２０−３とデータ参照層４０との間に挟まれており、これらデータ記憶層２０（磁化自由領域２０−３）、トンネルバリア層３０及びデータ参照層４０によって磁気トンネル接合（ＭＴＪ）が形成されている。

第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２は、データ記憶層２０に電流を流すことができるように設けられている。図１の例では、第１端子Ｔ１は、第１ピニング層５０−１に電気的に接続されており、第２端子Ｔ２は、第２ピニング層５０−２に電気的に接続されている。また、第３端子Ｔ３は、データ参照層４０に電気的に接続されている。

図２は、図１で示された磁気抵抗効果素子１が取り得る２つの磁気状態を示している。一つ目の状態では、データ記憶層２０の磁化自由領域２０−３の磁化方向が＋Ｚ方向である。この場合、第１磁化固定領域２０−１と磁化自由領域２０−３が１つの磁区を形成し、第２磁化固定領域２０−２が別の磁区を形成する。従って、第２磁化固定領域２０−２と磁化自由領域２０−３との間の第２境界Ｂ２に、磁壁ＤＷが形成される。また、磁化自由領域２０−３の磁化方向とデータ参照層４０の磁化方向が平行であるため、ＭＴＪの抵抗値（Ｒ）は比較的低くなる。この低抵抗状態は、例えば、データ「０」に対応付けられる。

二つ目の状態では、データ記憶層２０の磁化自由領域２０−３の磁化方向が−Ｚ方向である。この場合、第２磁化固定領域２０−２と磁化自由領域２０−３が１つの磁区を形成し、第１磁化固定領域２０−１が別の磁区を形成する。従って、第１磁化固定領域２０−１と磁化自由領域２０−３との間の第１境界Ｂ１に、磁壁ＤＷが形成される。また、磁化自由領域２０−３の磁化方向とデータ参照層４０の磁化方向が反平行であるため、ＭＴＪの抵抗値は比較的高くなる。この高抵抗状態は、例えば、データ「１」に対応付けられる。

以上に説明された通り、データ記憶層２０の磁化自由領域２０−３の磁化方向に応じて、ＭＴＪの抵抗値が変わる。その抵抗値の変化を利用することにより、データ「０」、「１」を不揮発的に記憶することが可能である。その一方で、磁化自由領域２０−３の磁化方向に応じて、第１境界Ｂ１あるいは第２境界Ｂ２に磁壁ＤＷが形成される。つまり、データ記憶層２０の磁壁ＤＷの位置が、記憶データを反映しているとも言える。

データ書き込みは、磁壁ＤＷを第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２の間で移動させることにより行われる。その磁壁移動を実現するためには、磁壁ＤＷを貫通するようにデータ記憶層２０の面内に書き込み電流ＩＷを流せばよい。より詳細には、図３に示されるように、書き込み電流ＩＷがデータ記憶層２０を通して第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間で流れるように、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間に所定の電位差が印加される。

データ「０」からデータ「１」への書き換え時、書き込み電流ＩＷは、第１端子Ｔ１からデータ記憶層２０を通って第２端子Ｔ２に流れ込む。この場合、データ記憶層２０において、電子は、第２磁化固定領域２０−２から第２境界Ｂ２を通して磁化自由領域２０−３に流れ込む。すなわち、磁化自由領域２０−３には、第２磁化固定領域２０−２から−Ｚ方向のスピン電子が注入される。スピン電子によるスピントランスファーの結果、磁化自由領域２０−３の磁化は、第２境界Ｂ２近傍から徐々に−Ｚ方向に反転し始める。このことは、磁壁ＤＷが、第２境界Ｂ２から第１境界Ｂ１へ向けて移動することを意味する。書き込み電流ＩＷが流れ続けると、磁壁ＤＷは、磁化自由領域２０−３を通り抜け、第１境界Ｂ１に到達する。磁壁ＤＷは、ピンポテンシャルによって第１境界Ｂ１で停止する。

一方、データ「１」からデータ「０」への書き換え時、書き込み電流ＩＷは、第２端子Ｔ２からデータ記憶層２０を通って第１端子Ｔ１に流れ込む。この場合、データ記憶層２０において、電子は、第１磁化固定領域２０−１から第１境界Ｂ１を通して磁化自由領域２０−３に流れ込む。すなわち、磁化自由領域２０−３には、第１磁化固定領域２０−１から＋Ｚ方向のスピン電子が注入される。スピン電子によるスピントランスファーの結果、磁化自由領域２０−３の磁化は、第１境界Ｂ１近傍から徐々に＋Ｚ方向に反転し始める。このことは、磁壁ＤＷが、第１境界Ｂ１から第２境界Ｂ２へ向けて移動することを意味する。書き込み電流ＩＷが流れ続けると、磁壁ＤＷは、磁化自由領域２０−３を通り抜け、第２境界Ｂ２に到達する。磁壁ＤＷは、ピンポテンシャルによって第２境界Ｂ２で停止する。

このように、磁化が逆向きに固定された第１磁化固定領域２０−１及び第２磁化固定領域２０−２は、異なるスピンを有する電子の供給源の役割を果たしている。そして、第１磁化固定領域２０−１と第２磁化固定領域２０−２との間を流れる書き込み電流ＩＷにより、データ記憶層２０中の磁壁ＤＷが、第１境界Ｂ１と第２境界Ｂ２との間を移動する。その結果、磁化自由領域２０−３の磁化の方向がスイッチする。すなわち、電流駆動磁壁移動を利用したデータ書き換えが実現される。書き込み電流ＩＷがトンネルバリア層３０を貫通しないため、トンネルバリア層３０の劣化が抑制される。

データ読み出し動作は、次の通りである。データ読み出し時、読み出し電流ＩＲは、トンネルバリア層３０を通してデータ参照層４０と磁化自由領域２０−３との間を流れるように供給される。そのために、例えば図４に示されるように、読み出し電流ＩＲが第１端子Ｔ１と第３端子Ｔ３との間で流れるように、第１端子Ｔ１と第３端子Ｔ３との間に所定の電位差が印加される。その読み出し電流ＩＲ、あるいは、読み出し電流ＩＲに応じた読み出し電位を所定のリファレンスレベルと比較することにより、ＭＴＪの抵抗値の大小（ＲあるいはＲ＋ΔＲ）が検出される。すなわち、磁化自由領域２０−３の磁化方向（＋Ｚ方向あるいは−Ｚ方向）がセンスされ、記憶データ（「０」または「１」）がセンスされる。

データ読み出し時、記憶データを正確に且つ素早く判別するためには、ＭＲ比（ΔＲ／Ｒ）がなるべく高いことが望ましい。すなわち、良好な読み出し特性を実現するためには、高いＭＲ比が必要不可欠である。本実施の形態では、このＭＲ比を向上させることができる膜構成が提案される。以下、本実施の形態に係る膜構成を詳細に説明する。

２．膜構成
図５は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１の膜構成を示している。尚、図５中の括弧内の数字は、膜厚の例を表している。

まず、本実施の形態では、トンネルバリア層３０としてＭｇＯ膜が用いられる。

データ記憶層２０は、垂直磁化膜２１、Ｔａ膜２２、及びＣｏＦｅＢ膜２３を備えている。図５の例では、垂直磁化膜２１、Ｔａ膜２２、及びＣｏＦｅＢ膜２３が、この順番で下地層１０上に積層されている。つまり、垂直磁化膜２１が下地層１０上に形成されており、Ｔａ膜２２が垂直磁化膜２１上に形成されており、ＣｏＦｅＢ膜２３がＴａ膜２２上に形成されている。また、ＣｏＦｅＢ膜２３は、上記のＭｇＯ膜３０と接触している。

Ｔａ膜２２は、垂直磁化膜２１とＣｏＦｅＢ膜２３との間に挟まれている。この非磁性のＴａ膜２２を介して、垂直磁化膜２１とＣｏＦｅＢ膜２３とは互いに磁気的に結合している。この磁気的結合により、ＣｏＦｅＢ膜２３も垂直磁化を有するようになる。そのようなＣｏＦｅＢ膜２３がＭｇＯ膜３０と接触するように形成されているため、高いＭＲ比が期待される（非特許文献１参照）。

データ記憶層２０の垂直磁化膜２１は、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜を含んでいる。図５に示される例では、垂直磁化膜２１は、［Ｃｏ／Ｎｉ］４．５＝Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏ／Ｎｉ／Ｃｏを含んでいる。このようなＣｏ／Ｎｉ積層膜が、垂直磁気異方性を発現する。更に、本実施の形態によれば、垂直磁化膜２１の最上層のＣｏ膜上に、Ｐｔ膜とＣｏ膜がこの順番で積層されている。すなわち、垂直磁化膜２１は、Ｐｔ膜が２つのＣｏ膜の間に挟まれた「Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ」という積層構造を有している。この「Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ」構造のうち上方のＣｏ膜が、上記のＴａ膜２２と接触している。

データ参照層４０は、ＣｏＦｅＢ膜４１、Ｔａ膜４２、垂直磁化膜４３、及びキャップ膜４４を備えている。図５の例では、ＣｏＦｅＢ膜４１、Ｔａ膜４２、垂直磁化膜４３、及びキャップ膜４４が、この順番でＭｇＯ膜３０上に積層されている。つまり、ＣｏＦｅＢ膜４１が、ＭｇＯ膜３０と接触するように、ＭｇＯ膜３０上に形成されている。更に、Ｔａ膜４２がＣｏＦｅＢ膜４１上に形成されており、垂直磁化膜４３がＴａ膜４２上に形成されており、キャップ膜４４が垂直磁化膜４３上に形成されている。

Ｔａ膜４２は、垂直磁化膜４３とＣｏＦｅＢ膜４１との間に挟まれている。この非磁性のＴａ膜４２を介して、垂直磁化膜４３とＣｏＦｅＢ膜４１とは互いに磁気的に結合している。この磁気的結合により、ＣｏＦｅＢ膜４１も垂直磁化を有するようになる。そのようなＣｏＦｅＢ膜４１がＭｇＯ膜３０と接触するように形成されているため、高いＭＲ比が期待される（非特許文献１参照）。

データ参照層４０の垂直磁化膜４３は、２つのＣｏ／Ｐｔ積層膜とそれらの間に挟まれたＲｕ膜を含んでいる。２つのＣｏ／Ｐｔ積層膜は、非磁性のＲｕ膜を介して互いに磁気的に結合している。このような構造（積層フェリ構造と呼ばれる）により、データ参照層４０の垂直磁化方向は強固に固定される。キャップ膜４４は、Ｐｔ膜とＲｕ膜を含んでいる。

３．効果
上述の通り、トンネルバリア層であるＭｇＯ膜３０に接触するようにＣｏＦｅＢ膜（２３，４１）が形成されているので、高いＭＲ比が期待される（非特許文献１参照）。但し、本実施の形態によれば、ただ単にＣｏＦｅＢ膜がＭｇＯ膜３０と接触しているだけでは得られない効果が得られる。その本実施の形態に特有な効果を説明するために、図６に示されるような比較例を考える。

図６に示される比較例では、本実施の形態と同様に、トンネルバリア層であるＭｇＯ膜の上下にＣｏＦｅＢ膜が形成されている。しかしながら、データ記憶層において、ＣｏＦｅＢ膜と垂直磁化膜（Ｃｏ／Ｎｉ積層膜）との間には、Ｔａ膜ではなくＲｕ膜が介在している。また、データ参照層において、ＣｏＦｅＢ膜と垂直磁化膜（Ｃｏ／Ｐｔ積層フェリ膜）との間には、Ｔａ膜ではなくＲｕ膜が介在している。更に、データ記憶層の垂直磁化膜は、本実施の形態のような「Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ」構造を含んでいない。

比較実験において、本実施の形態（図５）と比較例（図６）のそれぞれの積層膜構造が作成された。そして、高温熱処理が実施された後、それぞれのＭＲ比が測定された。図７は、本実施の形態と比較例との間のＭＲ比の比較結果を示している。縦軸は、測定されたＭＲ比を表し、横軸は、熱処理温度を表している。

図７から明らかなように、Ｒｕが用いられている比較例の場合よりも、Ｔａが用いられている本実施の形態の場合の方が、高いＭＲ比が実現されている。特に、比較例の場合、熱処理温度が上昇するにつれて、ＭＲ比が著しく劣化していることが分かる。一方、本実施の形態の場合、熱処理温度が上昇しても、高いＭＲ比が維持されている。すなわち、本実施の形態によれば、高温熱処理を経た後であってもＭＲ比の劣化が抑制されており、優れた耐熱性が実現されている。この比較実験から明らかなように、本実施の形態による効果は、ただ単にＣｏＦｅＢ膜がＭｇＯ膜３０と接触しているから得られるものではない。以下、本実施の形態の膜構成について様々な考察を加える。

４．考察
４−１．Ｔａの意義について
まず、本実施の形態の１つの特徴として、データ記憶層２０及びデータ参照層４０において、ＣｏＦｅＢ膜（２３，４１）と垂直磁化膜（２１，４３）とがＴａ膜（２２，４２）を介して磁気的に結合していることが挙げられる。このＴａ膜の技術的意義として、少なくとも次の２つが考えられる。

（１）密着性
図８は、本実施の形態と比較例とで「密着性」を比較した試験の結果を示している。具体的には、挿入膜種がＴａの場合（本実施の形態）とＲｕの場合（比較例）のそれぞれについて、１００個のサンプルに対してピール試験が行われた。図８には、その１００個のサンプルのうち何個で剥離が生じたかが示されている。剥離が生じるということは、密着性が低いということを意味する。

図８から明らかなように、比較例（Ｒｕ）の場合、高温熱処理によって剥離が発生している。特に、熱処理温度が高くなると、剥離が多発している。つまり、Ｒｕの密着性は低く、それは熱処理温度が高くなるにつれてより顕著になることが分かる。高温熱処理の結果、Ｒｕ膜とＣｏＦｅＢ膜との界面で局所的な剥離が発生すると、そのことがＭＲ比を劣化させる。また、Ｒｕ膜とＣｏＦｅＢ膜とが完全に分離すると、そもそもデバイスとしの機能が失われる。更に、密着性が低いということは、Ｒｕ膜を介したＣｏＦｅＢ膜と垂直磁化膜との間の磁気的結合が弱いことも意味する。これらの要因により、図７で示されたような、高温熱処理によるＭＲ比の劣化が現れたと考えられる。

一方、本実施の形態（Ｔａ）の場合、熱処理温度にかかわらず剥離は発生していない。つまり、Ｔａの密着性は極めて高いということが分かる。高温熱処理の後であってもＴａ膜とＣｏＦｅＢ膜との剥離が発生しないため、高いＭＲ比が維持される。また、密着性が高いということは、Ｔａ膜を介したＣｏＦｅＢ膜と垂直磁化膜との間の磁気的結合が強固に維持されることを意味する。このことも高いＭＲ比に寄与する。

（２）結晶制御
熱処理の結果、ＣｏＦｅＢ膜の結晶構造は、隣接するＭｇＯ膜の影響により、ｂｃｃ構造（体心立方格子（body-centered
cubic lattice）構造）となることが期待される。ＣｏＦｅＢ膜及びＭｇＯ膜の結晶構造がｂｃｃ構造となることは、高いＭＲ比の実現にとって重要であることが知られている（非特許文献１等、参照）。

ここで、積層構造を単純にするためには、Ｔａ膜（２２，４２）を介することなく垂直磁化膜（２１，４３）とＣｏＦｅＢ膜（２３，４１）を直接積層することも考えられる。しかしながら、本実施の形態の垂直磁化膜（２１，４３）の結晶構造は、ｆｃｃ構造（面心立方格子（face-centered cubic lattice）構造）である。そのようなｆｃｃ構造の垂直磁化膜にＣｏＦｅＢ膜が直接接していると、ＣｏＦｅＢ膜の結晶構造がｂｃｃ構造に転移することが妨げられる。そうなると、ＭｇＯ膜３０もｂｃｃ構造をとることが困難となる。結果として、本来期待される高いＭＲ比が実現されなくなる。

一方、本実施の形態では、垂直磁化膜（２１，４３）とＣｏＦｅＢ膜（２３，４１）との間にＴａ膜（２２，４２）が介在している。極薄のＴａ膜は、アモルファスライクに成長するため、ＣｏＦｅＢ膜の結晶配向性に影響を与えない。言い換えれば、Ｔａ膜は、垂直磁化膜のｆｃｃ結晶配向がＣｏＦｅＢ膜に伝搬することを阻止する役割を果たす。結果として、高温熱処理を経たＣｏＦｅＢ膜及びＭｇＯ膜は、良好なｂｃｃ構造をとることができるようになる。従って、本来期待される高いＭＲ比が実現される。

４−２．Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造について
本実施の形態の他の特徴として、データ記憶層２０の垂直磁化膜２１が、Ｐｔ膜が２つのＣｏ膜の間に挟まれた「Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ」という積層構造を有していることが挙げられる。本願発明者は、このようなＣｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造が垂直磁化膜２１の垂直磁気異方性を強化するということを見出した。垂直磁化膜２１自体の垂直磁気異方性が強くなるので、それと磁気的に結合しているＣｏＦｅＢ膜２３の垂直磁気異方性も強くなる。このことが、耐熱性とＭＲ比の向上につながる。以下、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造が垂直磁化膜２１の垂直磁気異方性を強化することを実証する。

図９は、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造の評価に用いられたサンプルの構成を示している。当該サンプルでは、下地層１０（Ｔａ／Ｐｔ）上に、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造を含む垂直磁化膜２１が形成され、更にその上にキャップ層としてＴａ膜が形成された。ここで、Ｐｔ膜厚が様々な値に設定された複数のサンプルが用意され、それぞれのサンプルに関して垂直磁気異方性が測定された。尚、垂直磁気異方性は、ＶＳＭを用いて飽和磁化Ｈｓを調べることによって測定可能である。

図１０は、垂直磁気異方性の測定結果を示している。横軸は、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚（＝０．３ｎｍ）との比γ（＝Ｐｔ膜厚／Ｃｏ膜厚）を表している。γ＝０は、Ｐｔ膜が挿入されていない場合、すなわち、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造が形成されていない単純Ｃｏ膜の場合を意味する。縦軸は、γ＝０の場合の値で規格化された垂直磁気異方性を表している。図１０から明らかなように、γ＝０の場合よりも、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造が形成されているときの方が、垂直磁気異方性は強くなる。Ｃｏ／Ｐｔ界面で発生する界面磁気異方性が、垂直磁気異方性の強化に寄与していると考えられる。

垂直磁気異方性が最も強くなるのは、γが２近傍のときである。γが大きくなり過ぎると、垂直磁気異方性は必ずしも強化されない。これは、非磁性のＰｔ部分が相対的に増加してしまい、積層構造全体としての垂直磁気異方性が弱まってしまうからだと考えられる。

ＣｏＦｅＢ膜２３は本来面内磁化膜であるが、垂直磁化膜２１との磁気的結合により垂直磁化を有するようになる。しかしながら、垂直磁化膜２１に含まれるＣｏ／Ｎｉ積層膜の垂直磁気異方性は、高温熱処理によって低下する傾向にある。垂直磁化膜２１の垂直磁気異方性が弱まると、それと磁気的に結合しているＣｏＦｅＢ膜２３の磁化の垂直成分が弱まり、面内成分が強まってくる。このことは、ＭＲ比の低下を招く。図６で示された比較例の場合、垂直磁化膜がＣｏ／Ｎｉ積層膜だけで構成されているため、そのようなＭＲ比の低下が顕著に現れると考えられる。一方、本実施の形態によれば、垂直磁化膜２１がＣｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造を含んでおり、それにより垂直磁化膜２１の垂直磁気異方性が強化される。従って、垂直磁化膜２１と磁気的に結合しているＣｏＦｅＢ膜２３の垂直磁化も強いまま維持され、結果として、高ＭＲ比と高耐熱性が実現される。

４−３．膜厚について
図１１は、Ｔａ膜２２の膜厚Ｘ１に対するＭＲ比の依存性を示すグラフである。ここで、ＣｏＦｅＢ膜２３の膜厚Ｘ２、ＣｏＦｅＢ膜４１の膜厚Ｘ３、及びＴａ膜４２の膜厚Ｘ４は、それぞれ次のように設定された：Ｘ２＝０．８５ｎｍ、Ｘ３＝１．４ｎｍ、Ｘ４＝０．４５ｎｍ。熱処理の条件は、３５０℃、２時間である。

Ｔａ膜２２の膜厚Ｘ１が０．５ｎｍ近傍のとき、ＭＲ比は最大となる。膜厚Ｘ１が小さくなるにつれてＭＲ比が低下するのは、垂直磁化膜２１のｆｃｃ結晶配向がＣｏＦｅＢ膜２３に伝搬することをＴａ膜２２が十分に阻止できなくなるからだと考えられる。一方、膜厚Ｘ１が大きくなるにつれてＭＲ比が低下するのは、Ｔａ膜２２を介した垂直磁化膜２１とＣｏＦｅＢ膜２３との間の磁気的結合が弱くなるからだと考えられる。２５％以上のＭＲ比が得られる膜厚Ｘ１の好適な範囲は、０．３ｎｍ〜０．７ｎｍである。

図１２は、ＣｏＦｅＢ膜２３の膜厚Ｘ２に対するＭＲ比の依存性を示すグラフである。ここで、Ｔａ膜２１の膜厚Ｘ１、ＣｏＦｅＢ膜４１の膜厚Ｘ３、及びＴａ膜４２の膜厚Ｘ４は、それぞれ次のように設定された：Ｘ１＝０．６ｎｍ、Ｘ３＝１．４ｎｍ、Ｘ４＝０．４５ｎｍ。熱処理の条件は、３５０℃、２時間である。

ＣｏＦｅＢ膜２３の膜厚Ｘ２が０．９ｎｍ近傍のとき、ＭＲ比は最大となる。膜厚Ｘ２が小さくなるにつれてＭＲ比が低下するのは、高温熱処理後のＣｏＦｅＢ膜２３が好ましいｂｃｃ結晶配向となりにくいからだと考えられる。一方、膜厚Ｘ２が大きくなるにつれてＭＲ比が低下するのは、本来は面内磁化膜であるＣｏＦｅＢ膜２３全体に対して垂直磁化膜２１の影響が及びにくくなり、ＣｏＦｅＢ膜２３において本来の面内磁化成分が現れてくるからだと考えられる。２５％以上のＭＲ比が得られる膜厚Ｘ２の好適な範囲は、０．７５ｎｍ〜１．０ｎｍである。

図１３は、ＣｏＦｅＢ膜４１の膜厚Ｘ３に対するＭＲ比の依存性を示すグラフである。ここで、Ｔａ膜２１の膜厚Ｘ１、ＣｏＦｅＢ膜２３の膜厚Ｘ２、及びＴａ膜４２の膜厚Ｘ４は、それぞれ次のように設定された：Ｘ１＝０．６ｎｍ、Ｘ２＝０．８５ｎｍ、Ｘ４＝０．４５ｎｍ。熱処理の条件は、３５０℃、２時間である。

ＣｏＦｅＢ膜４１の膜厚Ｘ３が１．２ｎｍ近傍のとき、ＭＲ比は最大となる。膜厚Ｘ３が小さくなるにつれてＭＲ比が低下するのは、高温熱処理後のＣｏＦｅＢ膜４１が好ましいｂｃｃ結晶配向となりにくいからだと考えられる。一方、膜厚Ｘ３が大きくなるにつれてＭＲ比が低下するのは、本来は面内磁化膜であるＣｏＦｅＢ膜４１全体に対して垂直磁化膜４３の影響が及びにくくなり、ＣｏＦｅＢ膜４１において本来の面内磁化成分が現れてくるからだと考えられる。２５％以上のＭＲ比が得られる膜厚Ｘ３の好適な範囲は、１．０ｎｍ〜１．４ｎｍである。

図１４は、Ｔａ膜４２の膜厚Ｘ４に対するＭＲ比の依存性を示すグラフである。ここで、Ｔａ膜２２の膜厚Ｘ１、ＣｏＦｅＢ膜２３の膜厚Ｘ２、及びＣｏＦｅＢ膜４１の膜厚Ｘ３は、それぞれ次のように設定された：Ｘ１＝０．６ｎｍ、Ｘ２＝０．８５ｎｍ、Ｘ３＝１．４ｎｍ。熱処理の条件は、３５０℃、２時間である。

Ｔａ膜４２の膜厚Ｘ４が０．４ｎｍ近傍のとき、ＭＲ比は最大となる。膜厚Ｘ４が小さくなるにつれてＭＲ比が低下するのは、垂直磁化膜４３のｆｃｃ結晶配向がＣｏＦｅＢ膜４１に伝搬することをＴａ膜４２が十分に阻止できなくなるからだと考えられる。一方、膜厚Ｘ４が大きくなるにつれてＭＲ比が低下するのは、Ｔａ膜４２を介した垂直磁化膜４３とＣｏＦｅＢ膜４１との間の磁気的結合が弱くなるからだと考えられる。２５％以上のＭＲ比が得られる膜厚Ｘ４の好適な範囲は、０．３ｎｍ〜０．６ｎｍである。

５．変形例
図１５は、変形例を示している。図１５に示される変形例によれば、データ記憶層２０において、上述の垂直磁化膜２１の代わりに、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造を含まない垂直磁化膜２１’が用いられている。その垂直磁化膜２１’とＣｏＦｅＢ膜２３との間にＴａ膜２２が介在しており、垂直磁化膜２１’とＣｏＦｅＢ膜２３はＴａ膜２２を介して磁気的に結合している。また、データ参照層４０において、ＣｏＦｅＢ膜４１と垂直磁化膜４３との間には、上述のＴａ膜４２の代わりにＲｕ膜４５が介在している。少なくともデータ記憶層２０においてＴａ膜２２が用いられている以上、本変形例によってもある程度の効果は得られる。

図１６は、他の変形例を示している。図１６に示される変形例によれば、データ記憶層２０において、上述の垂直磁化膜２１の代わりに、Ｃｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造を含まない垂直磁化膜２１’が用いられている。また、その垂直磁化膜２１’とＣｏＦｅＢ膜２３との間には、上述のＴａ膜２２の代わりにＲｕ膜２４が介在している。データ参照層４０は、上述の実施の形態と同じである。少なくともデータ参照層４０においてＴａ膜４２が用いられている以上、本変形例によってもある程度の効果は得られる。

図１７は、更に他の変形例を示している。図１７に示される変形例によれば、データ記憶層２０において、垂直磁化膜２１とＣｏＦｅＢ膜２３との間には、上述のＴａ膜２２の代わりにＲｕ膜２４が介在している。また、データ参照層４０において、ＣｏＦｅＢ膜４１と垂直磁化膜４３との間には、上述のＴａ膜４２の代わりにＲｕ膜４５が介在している。データ記憶層２０の垂直磁化膜２１は、上述の実施の形態と同じである。少なくともデータ記憶層２０においてＣｏ／Ｐｔ／Ｃｏ構造が用いられている以上、本変形例によってもある程度の効果は得られる。

図１８は、更に他の変形例を示している。図５で示された構成と比較して、データ記憶層２０とデータ参照層４０の上下関係が入れ替わっている。本変形例によれば、上述の実施の形態と同じ効果が得られる。

また、本実施の形態に係る膜構成は、磁壁移動方式だけでなく、スピン注入方式や外部磁界印加方式に適用することも可能である。いずれの場合であっても、高いＭＲ比を発現する磁気抵抗効果素子１が実現される。

また、矛盾しない限りにおいて、上記の変形例同士の組み合わせも可能である。

６．磁気メモリへの適用
図１９は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１を用いたメモリセルＭＣの構成例を示している。第１端子Ｔ１は、第１選択トランジスタＴＲａを介して、第１ビット線ＢＬａに接続されている。第２端子Ｔ２は、第２選択トランジスタＴＲｂを介して、第２ビット線ＢＬｂに接続されている。選択トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは共に、ワード線ＷＬに接続されている。第３端子Ｔ３は、グランド線ＧＬに接続されている。

当該メモリセルＭＣへのデータ書き込み時、ワード線ＷＬがＨｉｇｈレベルに設定され、選択トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮする。一方、グランド線ＧＬはフローティング状態に設定される。第１ビット線ＢＬａと第２ビット線ＢＬｂとの間に書き込みデータに応じた電位差を印加することにより、書き込みデータに応じた方向の書き込み電流ＩＷをデータ記憶層２０に供給することができる。

また、当該メモリセルＭＣからのデータ読み出し時、ワード線ＷＬがＨｉｇｈレベルに設定され、選択トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮする。グランド線ＧＬにはグランド電位が印加され、第１ビット線ＢＬａには所定の読み出し電位が印加され、第２ビット線ＢＬｂはフローティング状態に設定される。これにより、第１ビット線ＢＬａからグランド線ＧＬへＭＴＪを貫通するように読み出し電流ＩＲが流れる。

図２０は、図１９で示されたメモリセルＭＣを用いた磁気メモリ１００の構成例を示すブロック図である。磁気メモリ１００は、メモリセルアレイ１０１、ワード線ドライバ１０２、ビット線ドライバ１０３、及び制御回路１０４を備えている。

メモリセルアレイ１０１は、アレイ状に配置された複数のメモリセルＭＣ、複数のワード線ＷＬ、複数のビット線ペアＢＬａ、ＢＬｂ、及び複数のグランド線ＧＬを備えている。１つのメモリセルＭＣは、図１９で示されたように、いずれか１本のワード線ＷＬ、いずれか１つのビット線ペアＢＬａ、ＢＬｂ、及びいずれか１本のグランド線ＧＬに接続されている。

ワード線ドライバ１０２は、複数のワード線ＷＬに接続されている。ビット線ドライバ１０３は、複数のビット線ペアＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。制御回路１０４は、ワード線ドライバ１０２及びビット線ドライバ１０３の動作を制御する。ワード線ドライバ１０２は、制御回路１０４からの制御信号に従って、複数のワード線ＷＬのうち選択ワード線ＷＬを駆動する。ビット線ドライバ１０３は、制御回路１０４からの制御信号に従って、複数のビット線ペアＢＬａ、ＢＬｂのうち選択ビット線ペアＢＬａ、ＢＬｂの電位を制御する。これにより、選択メモリセルＭＣに対するデータ書き込み及びデータ読み出しが可能となる。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

１ 磁気抵抗効果素子
１０ 下地層
２０ データ記憶層
２０−１ 第１磁化固定領域
２０−２ 第２磁化固定領域
２０−３ 磁化自由領域
２１、２１’ 垂直磁化膜
２２ Ｔａ膜
２３ ＣｏＦｅＢ膜
２４ Ｒｕ膜
３０ トンネルバリア層、ＭｇＯ膜
４０ データ参照層
４１ ＣｏＦｅＢ膜
４２ Ｔａ膜
４３ 垂直磁化膜
４４ キャップ膜
４５ Ｒｕ膜
５０−１ 第１ピニング層
５０−２ 第２ピニング層
１００ 磁気メモリ
１０１ メモリセルアレイ
１０２ ワード線ドライバ
１０３ ビット線ドライバ
１０４ 制御回路
Ｂ１ 第１境界
Ｂ２ 第２境界
Ｔ１ 第１端子
Ｔ２ 第２端子
Ｔ３ 第３端子
ＤＷ 磁壁
ＩＷ 書き込み電流
ＩＲ 読み出し電流
ＭＣ メモリセル
ＷＬ ワード線
ＧＬ グランド線
ＢＬａ 第１ビット線
ＢＬｂ 第２ビット線
ＴＲａ 第１選択トランジスタ
ＴＲｂ 第２選択トランジスタ

Claims (5)

1. 磁化方向が反転可能な領域を有するデータ記憶層と、
   磁化方向が固定されたデータ参照層と、
   前記データ記憶層と前記データ参照層との間に挟まれたＭｇＯ膜と
   を備え、
   前記データ記憶層は、
   前記ＭｇＯ膜と接触する第１ＣｏＦｅＢ膜と、
   第１垂直磁化膜と、
   前記第１ＣｏＦｅＢ膜と前記第１垂直磁化膜との間に挟まれた第１Ｔａ膜と
   を備え、
   前記第１垂直磁化膜は、
   前記第１Ｔａ膜と接触する第１Ｃｏ膜と、
   第２Ｃｏ膜とＮｉ膜とが交互にｎ（≧２）周期積層された積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ _ｎ と、
   前記積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ _ｎ と前記第１Ｃｏ膜との間にあるＰｔ膜と
   を備え、
   前記第１ＣｏＦｅＢ膜と前記第１垂直磁化膜とは、前記第１Ｔａ膜を介して磁気的に結合している
   磁気抵抗効果素子。
2. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記データ参照層は、
   前記ＭｇＯ膜と接触する第２ＣｏＦｅＢ膜
   を備える
   磁気抵抗効果素子。
3. 請求項２に記載の磁気抵抗効果素子であって、
   前記データ参照層は、更に、
   第２垂直磁化膜と、
   前記第２ＣｏＦｅＢ膜と前記第２垂直磁化膜との間に挟まれた第２Ｔａ膜と
   を備え、
   前記第２ＣｏＦｅＢ膜と前記第２垂直磁化膜とは、前記第２Ｔａ膜を介して磁気的に結合している
   磁気抵抗効果素子。
4. 磁化方向が反転可能な領域を有するデータ記憶層と、
   磁化方向が固定されたデータ参照層と、
   前記データ記憶層と前記データ参照層との間に挟まれたＭｇＯ膜と
   を備え、
   前記データ記憶層は、
   前記ＭｇＯ膜と接触するＣｏＦｅＢ膜と、
   前記ＣｏＦｅＢ膜と接触するＲｕ膜と、
   前記ＣｏＦｅＢ膜と磁気的に結合する垂直磁化膜と
   を備え、
   前記垂直磁化膜は、
   前記Ｒｕ膜に接触する第１Ｃｏ膜と、
   第２Ｃｏ膜とＮｉ膜とが交互にｎ（≧２）周期積層された積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ _ｎ と、
   前記積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ _ｎ と前記第１Ｃｏ膜との間にあるＰｔ膜と
   を備える
   磁気抵抗効果素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備える
   磁気メモリ。

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