JP7169683B2 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び、該磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリに関する。特に、スピン移行トルク磁化反転素子に関する。
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；磁気メモリ）は、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；磁気トンネル接合）を利用した不揮発性メモリである。
待機時に電力を消費せず、高速動作性及び高書き込み耐性を有し、また、メモリサイズを微細化可能であるＭＲＡＭは、次世代の論理集積回路として注目されている。
待機時に電力を消費せず、高速動作性及び高書き込み耐性を有し、また、メモリサイズを微細化可能であるＭＲＡＭは、次世代の論理集積回路として注目されている。
ＭＲＡＭに使用される磁気抵抗効果素子は、記録層と参照層の間に障壁層となる非磁性層が挟まれた構造を基本とする。ＭＲＡＭの磁性層（記録層）に記録されたビット情報は、障壁層を通りＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；トンネル磁気抵抗）効果を用いて読み出される。
また、磁性層（記録層）への書き込みには、磁場を用いる方法と電流を用いる方法があり、後者の書き込み方法を用いるＭＲＡＭには、スピン移行トルク（Ｓｐｉｎ－ｔｒａｎｓｆｅｒ－ｔｏｒｑｕｅ；ＳＴＴ）誘起磁化反転等を用いて磁性層（記録層）へビット情報を書き込む２端子型と、スピン軌道トルク（Ｓｐｉｎ－ｏｒｂｉｔ－ｔｏｒｑｕｅ；ＳＯＴ）誘起磁化反転等を用いて磁性層（記録層）へビット情報を書き込む３端子型等がある。
また、磁性層（記録層）への書き込みには、磁場を用いる方法と電流を用いる方法があり、後者の書き込み方法を用いるＭＲＡＭには、スピン移行トルク（Ｓｐｉｎ－ｔｒａｎｓｆｅｒ－ｔｏｒｑｕｅ；ＳＴＴ）誘起磁化反転等を用いて磁性層（記録層）へビット情報を書き込む２端子型と、スピン軌道トルク（Ｓｐｉｎ－ｏｒｂｉｔ－ｔｏｒｑｕｅ；ＳＯＴ）誘起磁化反転等を用いて磁性層（記録層）へビット情報を書き込む３端子型等がある。
ところで、磁気抵抗効果素子であるＭＲＡＭで応用上重要となる特性は、（ｉ）熱安定性指数Δが大きいこと、（ｉｉ）書き込み電流ＩCが小さいこと、（ｉｉｉ）磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）が大きいこと、（ｉｖ）素子サイズが小さいことである。（ｉ）は磁気メモリの不揮発性のため、（ｉｉ）はセルトランジスタのサイズを小さくしてセルサイズを小さくし、また消費電力を下げるため、（ｉｉｉ）は高速での読み出しに対応するため、（ｉｖ）はセル面積を小さくして大容量化するために要求される特性である。
上記特性のうち、記録層の熱擾乱に対する安定性、すなわち（ｉ）熱安定性指数Δは、以下の式で表される。
数１の式において、Ｅはエネルギー障壁、ｋBはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、Ｋeffは実効磁気異方性エネルギー密度、ｔは膜厚、Ｓは記録層の面積、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度、Ｋbはバルク（結晶）磁気異方性エネルギー密度、Ｍsは飽和磁化、μ0は真空の透磁率である。
現在、磁気抵抗効果素子の性能として１０年間の不揮発性を有することが求められており、換算すると、熱安定性指数Δは少なくとも６０以上であることが必要であるとされる。
なお、数１の式にある実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffは、Ｋeff＞０の場合は垂直磁化容易軸を得ることができ、Ｋeff＜０の場合は面内磁化容易軸となり垂直磁化容易軸を得ることができない。
現在、磁気抵抗効果素子の性能として１０年間の不揮発性を有することが求められており、換算すると、熱安定性指数Δは少なくとも６０以上であることが必要であるとされる。
なお、数１の式にある実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffは、Ｋeff＞０の場合は垂直磁化容易軸を得ることができ、Ｋeff＜０の場合は面内磁化容易軸となり垂直磁化容易軸を得ることができない。
本発明者らは、磁気抵抗効果素子の熱安定性指数Δを向上させるために、さまざまな研究を鋭意行っている。
非特許文献１には、薄膜化したＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造を垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子に適用することにより、直径が４０ｎｍの記録層で熱安定性指数Δが約４０の磁気抵抗効果素子が得られていることが開示されている。かかる磁気抵抗効果素子は、膜厚ｔを小さくして数１の式における反磁界の項（第３項）の寄与を低減させ、垂直磁化容易軸を実現し、同時に熱安定性指数Δを高めたものである。
非特許文献１には、薄膜化したＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造を垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子に適用することにより、直径が４０ｎｍの記録層で熱安定性指数Δが約４０の磁気抵抗効果素子が得られていることが開示されている。かかる磁気抵抗効果素子は、膜厚ｔを小さくして数１の式における反磁界の項（第３項）の寄与を低減させ、垂直磁化容易軸を実現し、同時に熱安定性指数Δを高めたものである。
非特許文献２には、二重のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面を有するＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造を垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子に適用することにより、１つのＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面の場合より１．９倍の熱安定性指数Δを得られたことが開示されている。かかる磁気抵抗効果素子は、記録層の界面の面積Ｓを２倍にして数１の式における第１項の寄与を高め、熱安定性指数Δを向上させたものである。
この他、特許文献１には、記録層の飽和磁化量を低減しなくても書き込み電流量を低減することができ、記録層の熱安定性を確保できる記憶素子について開示されている（特許文献１段落００２３、要約等）。本記憶素子は、記録層に接する絶縁層と、絶縁層とは反対側で記録層に接する他方の層は、少なくとも記録層と接する界面が酸化膜で形成されており、さらに記録層はＣｏ－Ｆｅ－Ｂ磁化層に加え、非磁性金属と酸化物の一方又は両方が含まれているものである（特許文献１段落００２０等）。たとえば、記録層のＣｏ－Ｆｅ－Ｂに酸化物のＭｇＯが含まれている場合、ＭｇＯの膜厚が０．１ｎｍ、０．２ｎｍ、０．３ｎｍにおいて、酸化物等が含まれない比較例より高い熱安定性指数Δが得られている（特許文献１段落０１２５等）。一方、ＭｇＯの膜厚が０．４ｎｍになると、熱安定性指数にほぼ比例する保磁力がゼロとなることが開示されている（特許文献１段落０１２５等）。
S. Ikeda, et. al., "A perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction", Nature Materials, 9, 721-724, (2010)
H. Sato, et. al., "Perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunneljunctions with a MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure", Appl. Phys. Lett., 101, 022414 (2012)
H. Sato, et. al., "Properties of magnetic tunnel junctions with a MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure down to junction diameter of 11nm", Appl. Phys. Lett., 105, 062403 (2014)
しかしながら、上記非特許文献１、非特許文献２や特許文献１等の先行文献に開示された、あるいはそれらが組み合わせられた磁気抵抗効果素子であっても、素子サイズが概ね３０ｎｍ付近より小さくなるに従い、熱安定性指数Δが急激に低下することが開示されている（非特許文献３）。
すなわち、従来技術により素子サイズがある程度の大きさ以上においては熱安定性指数Δを増大させることに成功しているが、素子サイズが小さい領域においては熱安定性指数Δが低下してしまい、高度集積に求められるより小さな素子サイズでは不揮発性の高い磁気メモリを提供できないという課題があった。
すなわち、従来技術により素子サイズがある程度の大きさ以上においては熱安定性指数Δを増大させることに成功しているが、素子サイズが小さい領域においては熱安定性指数Δが低下してしまい、高度集積に求められるより小さな素子サイズでは不揮発性の高い磁気メモリを提供できないという課題があった。
本発明は、上記実情に鑑み、より微細な磁気抵抗効果素子のサイズが要求される次世代に向けて、素子サイズが小さい領域においても、より高温での安定した記録保持が可能な、さらに高い熱安定性を有する磁気抵抗効果素子の構成を見出し、完成させるに至ったものである。
上記課題を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、参照層（Ｂ１）と、前記参照層（Ｂ１）に隣接して設けられた第１の非磁性層（１）と、前記第１の非磁性層（１）の前記参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられた第１の磁性層（２１）と、前記第１の磁性層（２１）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられた第１の非磁性挿入層（３１）と、前記第１の非磁性挿入層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられた第２の磁性層（２２）と、を備え、前記第１の非磁性層（１）は酸素を含み、前記第１の非磁性挿入層（３１）は酸素を含む材料から構成され、膜厚は０．５ｎｍ以上であり、前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性挿入層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は記録層（Ａ１）を構成し、前記記録層（Ａ１）の素子サイズは５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
前記記録層（Ａ１）は、ｎ個（ｎ≧２）の磁性層と、ｎ－１個の非磁性挿入層が交互に隣接して積層した構造を有し、1番目の磁性層（２１）は前記第１の非磁性層（１）と隣接して設けられることが望ましい。
前記第１の非磁性挿入層のそれぞれの膜厚は、０．６ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることが好ましい。
また、本発明の磁気抵抗効果素子は、参照層（Ｂ１）と、前記参照層（Ｂ１）に隣接して設けられた第１の非磁性層（１）と、前記第１の非磁性層（１）の前記参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられた記録層（Ａ１）と、を備え、前記記録層（Ａ１）は、ｎ個（ｎ≧２）の磁性層と、ｎ－１個の非磁性挿入層が交互に隣接して積層した構造を有し、１番目の磁性層（２１）は前記第１の非磁性層（１）と隣接して設けられ、前記記録層（Ａ１）の素子サイズは５０ｎｍ以下であり、ｍ番目（１≦ｍ≦ｎ－１）の前記非磁性挿入層に隣接するｍ番目の磁性層とｍ＋１番目の磁性層は、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合していることを特徴とする。
前記非磁性挿入層のそれぞれの膜厚は、０．６ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることが望ましい。
前記非磁性挿入層の材料は、ＭｇＯ、Ａｌ－Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ、Ｈｆ－Ｏから選択されてもよい。
前記磁性層のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることが望ましい。
前記磁性層の材料は、少なくともＦｅ又はＣｏのいずれかを含んでもよい。
前記磁性層のそれぞれは、該磁性層内に非磁性サブ挿入層を含んでもよい。
前記記録層（Ａ１）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に第２の非磁性層（４）をさらに備え、前記第２の非磁性層（４）は酸素を含む材料で構成されてもよい。
また、本発明の磁気メモリは、上述の磁気抵抗効果素子を備える。
本発明によれば、磁気抵抗効果素子の素子サイズが小さい領域で、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。具体的には、記録層の磁性層に非磁性挿入層を１又は複数挿入することにより、界面磁気異方性を生じる界面の面積を増やし、かつ、素子サイズを小さくした、磁性層が垂直磁化容易軸を有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリである。
ここで、膜面に対し垂直方向の界面磁気異方性を生じさせるために挿入する非磁性層の厚みをある程度大きくする必要があるが、熱安定性の検討以前に、本構成ではそもそも非磁性層に隣接した磁性層同士が磁気的に結合できなくなると考えられていた。実際、従来に多く検討されていた概ね５０ｎｍを超える素子サイズでは、本構成の磁性層は十分に磁気的に結合しないことが分かっていた。しかし、本発明により、素子サイズを小さくすれば、界面磁気異方性を生じる厚みを有する非磁性層を１又は複数挿入しても磁性層は磁気的に結合し、界面の面積（数１の式中のＳ）の増加に従い、熱安定性指数Δを高めることができることが新たに見出された。すなわち本発明によれば、素子サイズが小さい領域において低下する熱安定性指数Δを十分補完可能な、もしくは、熱安定性指数Δをさらに高めることができる、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。
なお、本願における磁気抵抗効果素子の素子サイズとは、素子形状の短辺、短径である。素子形状が円形であれば直径、楕円であれば短径、矩形であれば短辺を指す。
ここで、膜面に対し垂直方向の界面磁気異方性を生じさせるために挿入する非磁性層の厚みをある程度大きくする必要があるが、熱安定性の検討以前に、本構成ではそもそも非磁性層に隣接した磁性層同士が磁気的に結合できなくなると考えられていた。実際、従来に多く検討されていた概ね５０ｎｍを超える素子サイズでは、本構成の磁性層は十分に磁気的に結合しないことが分かっていた。しかし、本発明により、素子サイズを小さくすれば、界面磁気異方性を生じる厚みを有する非磁性層を１又は複数挿入しても磁性層は磁気的に結合し、界面の面積（数１の式中のＳ）の増加に従い、熱安定性指数Δを高めることができることが新たに見出された。すなわち本発明によれば、素子サイズが小さい領域において低下する熱安定性指数Δを十分補完可能な、もしくは、熱安定性指数Δをさらに高めることができる、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。
なお、本願における磁気抵抗効果素子の素子サイズとは、素子形状の短辺、短径である。素子形状が円形であれば直径、楕円であれば短径、矩形であれば短辺を指す。
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリについて、詳細を説明する。
なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
（実施の形態１）
図１（ａ）に、本発明の実施の形態１の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、第１の磁性層（２１）と第２の磁性層（２２）の間は、後述する静磁気相互作用が支配的となり静磁結合を介して強磁性的に結合している。
図１（ｂ）に、上記実施の形態１の第２の磁性層（２２）に第２の非磁性層（４）を隣接させてさらに設けた構成例を示す。第２の磁性層（２２）／第２の非磁性層（４）の界面も垂直磁気異方性を有するように、材料や膜厚を調整することが望ましい。
図１（ｂ）では、参照層（Ｂ１）が第１の非磁性層（１）側に隣接しているため第１の非磁性層（１）が障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）となる。図示しないが、さらに参照層が第２の非磁性層（４）側に隣接した場合は第２の非磁性層（４）も障壁層となる。
図１（ａ）に、本発明の実施の形態１の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、第１の磁性層（２１）と第２の磁性層（２２）の間は、後述する静磁気相互作用が支配的となり静磁結合を介して強磁性的に結合している。
図１（ｂ）に、上記実施の形態１の第２の磁性層（２２）に第２の非磁性層（４）を隣接させてさらに設けた構成例を示す。第２の磁性層（２２）／第２の非磁性層（４）の界面も垂直磁気異方性を有するように、材料や膜厚を調整することが望ましい。
図１（ｂ）では、参照層（Ｂ１）が第１の非磁性層（１）側に隣接しているため第１の非磁性層（１）が障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）となる。図示しないが、さらに参照層が第２の非磁性層（４）側に隣接した場合は第２の非磁性層（４）も障壁層となる。
参照層（Ｂ１）は、磁化方向が固定された磁性層であり、［Ｃｏ／Ｐｔ］／Ｒｕ／［Ｃｏ／Ｐｔ］／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ等が例示される。［Ｃｏ／Ｐｔ］はＣｏ／Ｐｔの交互積層膜を指し、［Ｃｏ／Ｐｄ］や［Ｃｏ／Ｎｉ］等を用いることもできる。Ｒｕの代わりにＩｒ等でもよく、ＴａはＷ、Ｍｏ、Ｈｆ等でもよい。さらにＣｏＦｅＢはＦｅＢ等でもよい。
第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）は、Ｏ（酸素）を含む材料が用いられる。第１の非磁性層（１）は、及び第２の非磁性層（４）が磁気抵抗効果素子の障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）となる場合は、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
第１の非磁性層（１）の膜厚、及び第２の非磁性層（４）が磁気抵抗効果素子の障壁層となる場合の膜厚は、ＴＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな書き込み電流ＩCで磁化反転するために２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍ以下であることがより好ましい。よって０．５～２．０ｎｍの範囲、より好ましくは０．８～１．５ｎｍの範囲に調整される。
第１の非磁性層（１）の膜厚、及び第２の非磁性層（４）が磁気抵抗効果素子の障壁層となる場合の膜厚は、ＴＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな書き込み電流ＩCで磁化反転するために２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍ以下であることがより好ましい。よって０．５～２．０ｎｍの範囲、より好ましくは０．８～１．５ｎｍの範囲に調整される。
一方、第２の非磁性層（４）が磁気抵抗効果素子の障壁層とならない場合、キャップ層として設けられる場合は、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、Ｎｉ等の３ｄ強磁性遷移金属をさらに含んでいてもよい。
また、第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、後述する静磁気相互作用が支配的となって第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の膜厚はそれぞれ０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄くなると安定した強磁性が得られない一方、膜厚がより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）に用いた場合は面内磁化容易軸となってしまうからである。
また、第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、後述する静磁気相互作用が支配的となって第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の膜厚はそれぞれ０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄くなると安定した強磁性が得られない一方、膜厚がより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）に用いた場合は面内磁化容易軸となってしまうからである。
第１の非磁性挿入層（３１）は、少なくとも酸素を含む材料から構成され、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。なかでも、第１の非磁性挿入層（３１）は隣接する第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の両方の界面において界面磁気異方性が大きくなる材料が好ましく、ＭｇＯ、Ａｌ－Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ、Ｈｆ－Ｏ等がより好ましい。
第１の非磁性挿入層（３１）の膜厚は、隣接した磁性層との界面に膜面垂直方向の界面磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、十分なＴＭＲ比が得られるような薄さに調整される。前者の要請から下限が決まり、その膜厚は０．５ｎｍ程度である。またこの膜厚以上であれば隣り合う強磁性層は静磁気相互作用により強磁性的に結合する。また後者の要請から上限が決まり、その膜厚は２．０ｎｍ程度である。すなわち第１の非磁性挿入層（３１）の膜厚は０．５ｎｍ～２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲がより好ましい。さらに好ましくは０．７ｎｍ～１．１ｎｍである。
第１の非磁性挿入層（３１）の膜厚は、隣接した磁性層との界面に膜面垂直方向の界面磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、十分なＴＭＲ比が得られるような薄さに調整される。前者の要請から下限が決まり、その膜厚は０．５ｎｍ程度である。またこの膜厚以上であれば隣り合う強磁性層は静磁気相互作用により強磁性的に結合する。また後者の要請から上限が決まり、その膜厚は２．０ｎｍ程度である。すなわち第１の非磁性挿入層（３１）の膜厚は０．５ｎｍ～２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲がより好ましい。さらに好ましくは０．７ｎｍ～１．１ｎｍである。
記録層（Ａ１）の素子サイズは、その短径が５０ｎｍ以下である。上述したとおり、本願における磁気抵抗効果素子の素子サイズとは、素子形状の短辺、短径である。素子形状が円形であれば直径、楕円であれば短径、矩形であれば短辺を指す。
記録層（Ａ１）を構成する磁性層は、磁気抵抗効果素子として磁化方向が反転する場合、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合しているため、実質的に一体となって磁化反転する。
各層は、スパッタリングにより積層されることが望ましく、各膜厚はスパッタ時間等のスパッタ条件により調整される。
以下に、実施の形態１の構成を裏付ける評価検討について、説明する。
＜従来の二重界面ＭＴＪと本発明の静磁結合ＭＴＪの比較＞
図１０に、従来の二重界面ＭＴＪ（磁気トンネル接合）の構成を示す。参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２ａ）／非磁性サブ挿入層（６）／第２の磁性層（２ｂ）／第２の非磁性層（４）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（２ａ）／非磁性挿入層（６）／第２の磁性層（２ｂ）は記録層（Ａ１）を構成する。
第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）は、酸素を含む非磁性元素からなり、ＭｇＯ等が好ましく用いられる。
第１の磁性層（２ａ）及び第２の磁性層（２ｂ）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、具体的にはＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が例示される。
非磁性サブ挿入層（６）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、より好ましい元素としてはＷ、Ｔａ等が例示される。非磁性サブ挿入層（６）は、隣接する磁性層中にＢが存在する場合はＢを吸収し結晶化を促進する役割とともに、隣接する第１の磁性層（２ａ）及び第２の磁性層（２ｂ）を、後述する交換結合を介して強磁性的に結合させる必要があるため、非磁性サブ挿入層（６）の膜厚は十分に薄く、たとえば０．２ｎｍ～０．７ｎｍ程度に調整される。
以上のような層構成から、第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２ａ）の界面、及び、第２の磁性層（２ｂ）と第２の非磁性層（４）の界面の、２つの界面（二重界面）において垂直磁気異方性を有することにより、記録層の界面の面積Ｓを２倍にして数１の式における第１項の寄与を高め、熱安定性指数Δを向上させている。
図１０に、従来の二重界面ＭＴＪ（磁気トンネル接合）の構成を示す。参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２ａ）／非磁性サブ挿入層（６）／第２の磁性層（２ｂ）／第２の非磁性層（４）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（２ａ）／非磁性挿入層（６）／第２の磁性層（２ｂ）は記録層（Ａ１）を構成する。
第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）は、酸素を含む非磁性元素からなり、ＭｇＯ等が好ましく用いられる。
第１の磁性層（２ａ）及び第２の磁性層（２ｂ）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、具体的にはＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が例示される。
非磁性サブ挿入層（６）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、より好ましい元素としてはＷ、Ｔａ等が例示される。非磁性サブ挿入層（６）は、隣接する磁性層中にＢが存在する場合はＢを吸収し結晶化を促進する役割とともに、隣接する第１の磁性層（２ａ）及び第２の磁性層（２ｂ）を、後述する交換結合を介して強磁性的に結合させる必要があるため、非磁性サブ挿入層（６）の膜厚は十分に薄く、たとえば０．２ｎｍ～０．７ｎｍ程度に調整される。
以上のような層構成から、第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２ａ）の界面、及び、第２の磁性層（２ｂ）と第２の非磁性層（４）の界面の、２つの界面（二重界面）において垂直磁気異方性を有することにより、記録層の界面の面積Ｓを２倍にして数１の式における第１項の寄与を高め、熱安定性指数Δを向上させている。
一方、本発明の静磁結合ＭＴＪの例を、図１（ａ）又は図１（ｂ）に示した。前述したように、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）の界面の他、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）の界面、第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）の界面、第２の非磁性層（４）が含まれる場合には第２の磁性層（２２）／第２の非磁性層（４）の界面において、膜面に対して垂直方向の界面磁気異方性を有する。
また、記録層（Ａ１）の素子サイズが５０ｎｍ以下の場合、第１の磁性層（２１）と第２の磁性層（２２）の間は静磁結合を介して強磁性的に結合する。
以上のような層構成から、３つあるいは４つの界面において膜面垂直方向の界面磁気異方性を有することにより、記録層の界面の面積Ｓを３倍あるいは４倍にして数１の式における第１項の寄与を高め、熱安定性指数Δを向上させることができる。
また、記録層（Ａ１）の素子サイズが５０ｎｍ以下の場合、第１の磁性層（２１）と第２の磁性層（２２）の間は静磁結合を介して強磁性的に結合する。
以上のような層構成から、３つあるいは４つの界面において膜面垂直方向の界面磁気異方性を有することにより、記録層の界面の面積Ｓを３倍あるいは４倍にして数１の式における第１項の寄与を高め、熱安定性指数Δを向上させることができる。
ここで、交換結合について説明する。
図１１（ａ）にイメージで表したように、交換結合は、２つの原子の電子軌道が重なる程度まで２つの原子が接近した時に働く、量子力学的相互作用に基づく。交換結合は、２つの原子が接近すると２つの電子のスピンが平行の場合と反平行の場合でエネルギーに差が生じるため、エネルギー的に安定するように１つの原子上の電子が他の原子の電子軌道にも行き来することにより生じるものである。また、自由電子等を介して生じる電子スピン結合も交換結合の一種である。つまり、交換相互作用に基づく交換結合は、軌道が重なる程度に近距離でしか生じない。
図１１（ａ）にイメージで表したように、交換結合は、２つの原子の電子軌道が重なる程度まで２つの原子が接近した時に働く、量子力学的相互作用に基づく。交換結合は、２つの原子が接近すると２つの電子のスピンが平行の場合と反平行の場合でエネルギーに差が生じるため、エネルギー的に安定するように１つの原子上の電子が他の原子の電子軌道にも行き来することにより生じるものである。また、自由電子等を介して生じる電子スピン結合も交換結合の一種である。つまり、交換相互作用に基づく交換結合は、軌道が重なる程度に近距離でしか生じない。
次に、静磁結合について説明する。
図１１（ｂ）にイメージで表したように、静磁結合は、近くに置かれた２つの磁石に対し、それぞれの磁石から出る磁力線により働く、古典電磁気学的相互作用に基づく。２つの磁石は、置いた互いの位置により強磁性的又は反強磁性的に結合する。よって、静磁気相互作用に基づく静磁結合は、比較的遠距離でも働く。
図１１（ｂ）にイメージで表したように、静磁結合は、近くに置かれた２つの磁石に対し、それぞれの磁石から出る磁力線により働く、古典電磁気学的相互作用に基づく。２つの磁石は、置いた互いの位置により強磁性的又は反強磁性的に結合する。よって、静磁気相互作用に基づく静磁結合は、比較的遠距離でも働く。
さらに、静磁エネルギーの区間分布は、磁性体の形状、大きさで決まる。
図１２に、膜厚２ｎｍ、飽和磁化１．５Ｔで膜面垂直方向に磁化したナノ磁石について、素子サイズ（円の直径）が（ａ）１０ｎｍ、（ｂ）２０ｎｍ、（ｃ）５０ｎｍの場合に周辺に形成される磁界（静磁界）を検討した結果を示した。Ｘ軸が素子の径方向、Ｚ軸が素子の膜厚方向であり、図面内部の数値が磁界（ｍＴ）の値である。磁界の値が正の場合は磁界が上向きであり、負の場合は磁界が下向きであることを示す。また、磁界が２００ｍＴ以上あるいは－２００ｍＴ以下の領域を網目状で囲み、磁界が１００ｍＴ以上あるいは－１００ｍＴ以下の領域を実線で囲んで表示した。
図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のＸ－Ｚ断面の磁界分布より、ナノ磁石のＸ－Ｙ平面のＸ軸端から－Ｘ軸端までの範囲（すなわち、ナノ磁石の平面内部）からＺ軸方向及び－Ｚ軸方向に上向きの磁界が弧状に広がり、それ以外の空間では下向きの磁界が広がっていることが分かった。
図１２（ａ）のように直径が小さいときは、ナノ磁石周辺の相対的に広い範囲にわたって大きな磁界が発生していることが分かる。この大きな磁界により、上下にある磁性層に、大きな静磁結合が働くといえる。
一方、図１２（ｂ）や（ｃ）のように直径が大きくなると、ナノ磁石の中心に大きな磁界が発生している領域が相対的に少なくなる。このため、上下にある磁性層に働く静磁結合が、（ａ）の場合に比べて弱まっているといえる。
図１２に、膜厚２ｎｍ、飽和磁化１．５Ｔで膜面垂直方向に磁化したナノ磁石について、素子サイズ（円の直径）が（ａ）１０ｎｍ、（ｂ）２０ｎｍ、（ｃ）５０ｎｍの場合に周辺に形成される磁界（静磁界）を検討した結果を示した。Ｘ軸が素子の径方向、Ｚ軸が素子の膜厚方向であり、図面内部の数値が磁界（ｍＴ）の値である。磁界の値が正の場合は磁界が上向きであり、負の場合は磁界が下向きであることを示す。また、磁界が２００ｍＴ以上あるいは－２００ｍＴ以下の領域を網目状で囲み、磁界が１００ｍＴ以上あるいは－１００ｍＴ以下の領域を実線で囲んで表示した。
図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のＸ－Ｚ断面の磁界分布より、ナノ磁石のＸ－Ｙ平面のＸ軸端から－Ｘ軸端までの範囲（すなわち、ナノ磁石の平面内部）からＺ軸方向及び－Ｚ軸方向に上向きの磁界が弧状に広がり、それ以外の空間では下向きの磁界が広がっていることが分かった。
図１２（ａ）のように直径が小さいときは、ナノ磁石周辺の相対的に広い範囲にわたって大きな磁界が発生していることが分かる。この大きな磁界により、上下にある磁性層に、大きな静磁結合が働くといえる。
一方、図１２（ｂ）や（ｃ）のように直径が大きくなると、ナノ磁石の中心に大きな磁界が発生している領域が相対的に少なくなる。このため、上下にある磁性層に働く静磁結合が、（ａ）の場合に比べて弱まっているといえる。
図１３に、静磁界と素子サイズの関係の検討結果を示した。比較のため、交換結合に由来する有効磁界も併せて示した。
図１２においても検討したとおり、素子サイズが小さくなると静磁界は増大し、素子サイズが大きくなると静磁界は減少する。一方、交換結合に由来する有効磁界は、材料や膜厚に強く依存するものの、図１１（ａ）に示したとおり原子レベルの接近により発生するものであり、素子サイズには依存しない。
以上の静磁界及び交換結合に由来する有効磁界の特性から、磁気抵抗効果素子の素子サイズがおおむね５０ｎｍ以下においては、静磁結合が支配的となることが分かった。
図１２においても検討したとおり、素子サイズが小さくなると静磁界は増大し、素子サイズが大きくなると静磁界は減少する。一方、交換結合に由来する有効磁界は、材料や膜厚に強く依存するものの、図１１（ａ）に示したとおり原子レベルの接近により発生するものであり、素子サイズには依存しない。
以上の静磁界及び交換結合に由来する有効磁界の特性から、磁気抵抗効果素子の素子サイズがおおむね５０ｎｍ以下においては、静磁結合が支配的となることが分かった。
（実施の形態２）
図２（ａ）に、本発明の実施の形態２の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、第１の磁性層（２１）と第２の磁性層（２２）の間、及び、第２の磁性層（２２）と第３の磁性層（２３）の間は、静磁気相互作用が支配的となり静磁結合を介して強磁性的に結合している。
図２（ｂ）に、上記実施の形態２の第３の磁性層（２３）に第２の非磁性層（４）を隣接させてさらに設けた構成例を示す。第３の磁性層（２３）／第２の非磁性層（４）の界面も垂直磁気異方性を有するように、材料や膜厚を調整することが望ましい。
図２（ａ）に、本発明の実施の形態２の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、第１の磁性層（２１）と第２の磁性層（２２）の間、及び、第２の磁性層（２２）と第３の磁性層（２３）の間は、静磁気相互作用が支配的となり静磁結合を介して強磁性的に結合している。
図２（ｂ）に、上記実施の形態２の第３の磁性層（２３）に第２の非磁性層（４）を隣接させてさらに設けた構成例を示す。第３の磁性層（２３）／第２の非磁性層（４）の界面も垂直磁気異方性を有するように、材料や膜厚を調整することが望ましい。
実施の形態２の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１と同様である。
第３の磁性層（２３）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、Ｎｉ等の３ｄ強磁性遷移金属をさらに含んでいてもよい。
また、第３の磁性層（２３）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合を介して第２の磁性層（２２）及び第３の磁性層（２３）の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
第３の磁性層（２３）の膜厚は０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄くなると安定した強磁性が得られない一方、膜厚がより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）に用いた場合は面内磁化容易軸となってしまうからである。
また、第３の磁性層（２３）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合を介して第２の磁性層（２２）及び第３の磁性層（２３）の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
第３の磁性層（２３）の膜厚は０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄くなると安定した強磁性が得られない一方、膜厚がより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）に用いた場合は面内磁化容易軸となってしまうからである。
第２の非磁性挿入層（３２）は、少なくとも酸素を含む材料から構成され、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。なかでも、第２の非磁性挿入層（３２）は隣接する第２の磁性層（２２）及び第３の磁性層（２３）の両方の界面において界面磁気異方性が大きくなる材料が好ましく、ＭｇＯ、Ａｌ－Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ、Ｈｆ－Ｏ等がより好ましい。
第２の非磁性挿入層（３２）の膜厚は、隣接した磁性層との界面に膜面垂直方向の界面磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、十分なＴＭＲ比が得られるような薄さに調整される。前者の要請から下限が決まり、その膜厚は０．５ｎｍ程度である。また、この膜厚以上であれば隣り合う強磁性層は静磁気相互作用により強磁性的に結合する。また後者の要請から上限が決まり、その膜厚は２．０ｎｍ程度である。すなわち第２の非磁性挿入層（３２）の膜厚は、０．５ｎｍ～２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲がより好ましい。さらに好ましくは０．７ｎｍ～１．１ｎｍである。
第２の非磁性挿入層（３２）の膜厚は、隣接した磁性層との界面に膜面垂直方向の界面磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、十分なＴＭＲ比が得られるような薄さに調整される。前者の要請から下限が決まり、その膜厚は０．５ｎｍ程度である。また、この膜厚以上であれば隣り合う強磁性層は静磁気相互作用により強磁性的に結合する。また後者の要請から上限が決まり、その膜厚は２．０ｎｍ程度である。すなわち第２の非磁性挿入層（３２）の膜厚は、０．５ｎｍ～２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲がより好ましい。さらに好ましくは０．７ｎｍ～１．１ｎｍである。
実施の形態２における、具体的な記録層の積層構造として、ＦｅＢ（２．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．９ｎｍ）／ＦｅＢ（２．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．９ｎｍ）／ＦｅＢ（２．０ｎｍ）が例示される。
（実施の形態３）
図３（ａ）に、本発明の実施の形態３の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、実施の形態１の記録層において、磁性層をｎ回、非磁性挿入層を（ｎ－１）回、交互に隣接して積層したもの（ｎ≧２）を含む。すなわち、参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／第（ｎ－１）の磁性層（２（ｎ－１））／第（ｎ－１）の非磁性挿入層（３（ｎ－１））／第ｎの磁性層（２ｎ）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／第（ｎ－１）の磁性層（２（ｎ－１））／第（ｎ－１）の非磁性挿入層（３（ｎ－１））／第ｎの磁性層（２ｎ）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、第１の非磁性層（１）側から数えてｍ番目（１≦ｍ≦ｎ－１）の非磁性挿入層に隣接するｍ番目の磁性層とｍ＋１番目の磁性層の間はそれぞれ、静磁気相互作用が支配的となり静磁結合を介して強磁性的に結合している。
図３（ｂ）に、上記実施の形態３のｎ番目の磁性層（２ｎ）に第２の非磁性層（４）を隣接させてさらに設けた構成例を示す。ｎ番目の磁性層（２ｎ）／第２の非磁性層（４）の界面も垂直磁気異方性を有するように、材料や膜厚を調整することが望ましい。
なお、実施の形態３において、ｎ＝２の場合は実施の形態１、ｎ＝３の場合は実施の形態２となる。
図３（ａ）に、本発明の実施の形態３の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、実施の形態１の記録層において、磁性層をｎ回、非磁性挿入層を（ｎ－１）回、交互に隣接して積層したもの（ｎ≧２）を含む。すなわち、参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／第（ｎ－１）の磁性層（２（ｎ－１））／第（ｎ－１）の非磁性挿入層（３（ｎ－１））／第ｎの磁性層（２ｎ）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／第（ｎ－１）の磁性層（２（ｎ－１））／第（ｎ－１）の非磁性挿入層（３（ｎ－１））／第ｎの磁性層（２ｎ）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２１）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、第１の非磁性層（１）側から数えてｍ番目（１≦ｍ≦ｎ－１）の非磁性挿入層に隣接するｍ番目の磁性層とｍ＋１番目の磁性層の間はそれぞれ、静磁気相互作用が支配的となり静磁結合を介して強磁性的に結合している。
図３（ｂ）に、上記実施の形態３のｎ番目の磁性層（２ｎ）に第２の非磁性層（４）を隣接させてさらに設けた構成例を示す。ｎ番目の磁性層（２ｎ）／第２の非磁性層（４）の界面も垂直磁気異方性を有するように、材料や膜厚を調整することが望ましい。
なお、実施の形態３において、ｎ＝２の場合は実施の形態１、ｎ＝３の場合は実施の形態２となる。
実施の形態３の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１と同様である。
ｍ番目（１≦ｍ≦ｎ）の磁性層は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、Ｎｉ等の３ｄ強磁性遷移金属をさらに含んでいてもよい。
また、ｍ番目の磁性層は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合を介してｍ番目の磁性層及びｍ＋１番目の磁性層の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
ｍ番目の磁性層の膜厚は０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄くなると安定した強磁性が得られない一方、膜厚がより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）に用いた場合は面内磁化容易軸となってしまうからである。
また、ｍ番目の磁性層は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合を介してｍ番目の磁性層及びｍ＋１番目の磁性層の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
ｍ番目の磁性層の膜厚は０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄くなると安定した強磁性が得られない一方、膜厚がより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（４）に用いた場合は面内磁化容易軸となってしまうからである。
ｍ番目（１≦ｍ≦ｎ－１）の非磁性挿入層は、少なくとも酸素を含む材料から構成され、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。なかでも、ｍ番目の非磁性挿入層は隣接するｍ番目の磁性層及びｍ＋１番目の磁性層の両方の界面において界面磁気異方性が大きくなる材料が好ましく、ＭｇＯ、Ａｌ－Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ、Ｈｆ－Ｏ等がより好ましい。
ｍ番目の非磁性挿入層の膜厚は、隣接した磁性層との界面に膜面垂直方向の界面磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、十分なＴＭＲ比が得られるような薄さに調整される。前者の要請から下限が決まり、その膜厚は０．５ｎｍ程度である。また、この膜厚以上であれば隣り合う強磁性層は静磁気相互作用により強磁性的に結合する。また後者の要請から上限が決まり、その膜厚は２．０ｎｍ程度である。すなわち非磁性挿入層のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ～２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲がより好ましい。さらに好ましくは０．７ｎｍ～１．１ｎｍである。
ｍ番目の非磁性挿入層の膜厚は、隣接した磁性層との界面に膜面垂直方向の界面磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、十分なＴＭＲ比が得られるような薄さに調整される。前者の要請から下限が決まり、その膜厚は０．５ｎｍ程度である。また、この膜厚以上であれば隣り合う強磁性層は静磁気相互作用により強磁性的に結合する。また後者の要請から上限が決まり、その膜厚は２．０ｎｍ程度である。すなわち非磁性挿入層のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ～２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．６ｎｍ～１．５ｎｍの範囲がより好ましい。さらに好ましくは０．７ｎｍ～１．１ｎｍである。
図１４に、実施の形態３において、磁性層と非磁性層を交互に隣接して積層することにより熱安定性指数Δがどのように増大するかを検討した結果を示した。
素子サイズが５０ｎｍ以下となるように実施の形態３の素子を作製し、熱安定性指数Δを測定した。素子サイズが５０ｎｍ以下の領域においては、非磁性挿入層が含まれない従来の二重界面の例と比較し、ｎ＝２の場合は熱安定性指数Δは約２倍、ｎ＝３の場合は約３倍、ｎ＝４の場合は約４倍となることが分かった。
なお、一般的に磁気抵抗効果素子は素子製造上の誤差が大きいとされるが、その点を考慮しても、熱安定性指数Δは有意に増大していることが分かった。
素子サイズが５０ｎｍ以下となるように実施の形態３の素子を作製し、熱安定性指数Δを測定した。素子サイズが５０ｎｍ以下の領域においては、非磁性挿入層が含まれない従来の二重界面の例と比較し、ｎ＝２の場合は熱安定性指数Δは約２倍、ｎ＝３の場合は約３倍、ｎ＝４の場合は約４倍となることが分かった。
なお、一般的に磁気抵抗効果素子は素子製造上の誤差が大きいとされるが、その点を考慮しても、熱安定性指数Δは有意に増大していることが分かった。
図１５に、実施の形態３における磁気抵抗効果素子の記録層の、適切な素子サイズの範囲を検討した結果を示した。
素子サイズが１００ｎｍ程度以下となるように実施の形態３の素子（磁性層４層、非磁性挿入層３層を交互に積層したもの）を作製し、熱安定性指数Δにほぼ比例する指標である保磁力Ｈcを測定した。プロットは多数の素子の測定値の平均を表し、エラーバーはその標準偏差を表している。
図１５より、素子サイズが５０ｎｍ以下であると、２００ｍＴ程度の非常に大きな保磁力Ｈcが得られているが、素子サイズが５０ｎｍを超えると保磁力Ｈcは低下することが分かった。つまり、素子サイズが５０ｎｍを超えると、静磁気相互作用に基づく静磁結合が十分には働かなくなっていき、保磁力Ｈc、すなわち、熱安定性指数Δは低下することが分かった。
素子サイズが１００ｎｍ程度以下となるように実施の形態３の素子（磁性層４層、非磁性挿入層３層を交互に積層したもの）を作製し、熱安定性指数Δにほぼ比例する指標である保磁力Ｈcを測定した。プロットは多数の素子の測定値の平均を表し、エラーバーはその標準偏差を表している。
図１５より、素子サイズが５０ｎｍ以下であると、２００ｍＴ程度の非常に大きな保磁力Ｈcが得られているが、素子サイズが５０ｎｍを超えると保磁力Ｈcは低下することが分かった。つまり、素子サイズが５０ｎｍを超えると、静磁気相互作用に基づく静磁結合が十分には働かなくなっていき、保磁力Ｈc、すなわち、熱安定性指数Δは低下することが分かった。
（実施の形態４）
図４に、本発明の実施の形態４の構成を示す。スピン移行トルク磁化反転を用いて情報の書き込みを行う２端子型であり、下地層（Ｅ１）／参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／記録層（Ａ１）／第２の非磁性層（４）が順に隣接して配置され、下地層（Ｅ１）に第１端子（Ｔ１）、第２の非磁性層（４）に第２端子（Ｔ２）が設けられている。記録層（Ａ１）は実施の形態３の記録層と同じ構成である。
図４に、本発明の実施の形態４の構成を示す。スピン移行トルク磁化反転を用いて情報の書き込みを行う２端子型であり、下地層（Ｅ１）／参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／記録層（Ａ１）／第２の非磁性層（４）が順に隣接して配置され、下地層（Ｅ１）に第１端子（Ｔ１）、第２の非磁性層（４）に第２端子（Ｔ２）が設けられている。記録層（Ａ１）は実施の形態３の記録層と同じ構成である。
実施の形態４は、以下の記載を除き、実施の形態３と同様である。
参照層（Ｂ１）は、磁化方向が固定された磁性層であり、［Ｃｏ／Ｐｔ］／Ｒｕ／［Ｃｏ／Ｐｔ］／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ等が例示される。［Ｃｏ／Ｐｔ］はＣｏ／Ｐｔの交互積層膜を指し、［Ｃｏ／Ｐｄ］や［Ｃｏ／Ｎｉ］等を用いることもできる。Ｒｕの代わりにＩｒ等でもよく、ＴａはＷ、Ｍｏ、Ｈｆ等でもよい。さらにＣｏＦｅＢはＦｅＢ等でもよい。
記録層（Ａ１）と参照層（Ｂ１）に隣接して挟まれた第１の非磁性層（１）は、障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）となるため、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
障壁層となる第１の非磁性層（１）の膜厚は、ＴＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな書き込み電圧ＶCで磁化反転するために２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍであることがより好ましい。よって０．５～２．０ｎｍの範囲、より好ましくは０．８～１．５ｎｍの範囲に調整される。
障壁層となる第１の非磁性層（１）の膜厚は、ＴＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな書き込み電圧ＶCで磁化反転するために２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍであることがより好ましい。よって０．５～２．０ｎｍの範囲、より好ましくは０．８～１．５ｎｍの範囲に調整される。
（実施の形態５）
図５に、本発明の実施の形態５の構成を示す。スピン移行トルク磁化反転を用いて情報の書き込みを行う２端子型であり、下地層（Ｅ１）／第１の非磁性層（１）／記録層（Ａ１）／第２の非磁性層（４）／参照層（Ｂ１）／第３の非磁性層（５）が順に隣接して配置され、下地層（Ｅ１）に第１端子（Ｔ１）、第３の非磁性層（５）に第２端子（Ｔ２）が設けられている。記録層（Ａ１）は実施の形態３の記録層と同じ構成である。
図５に、本発明の実施の形態５の構成を示す。スピン移行トルク磁化反転を用いて情報の書き込みを行う２端子型であり、下地層（Ｅ１）／第１の非磁性層（１）／記録層（Ａ１）／第２の非磁性層（４）／参照層（Ｂ１）／第３の非磁性層（５）が順に隣接して配置され、下地層（Ｅ１）に第１端子（Ｔ１）、第３の非磁性層（５）に第２端子（Ｔ２）が設けられている。記録層（Ａ１）は実施の形態３の記録層と同じ構成である。
実施の形態５の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態３及び実施の形態４と同様である。
記録層（Ａ１）と参照層（Ｂ１）に隣接して挟まれた第２の磁性層（４）は、障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）となるため、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
障壁層となる第２の非磁性層（４）の膜厚は、ＴＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな書き込み電圧ＶCで磁化反転するために２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍであることがより好ましい。よって０．５～２．０ｎｍの範囲、より好ましくは０．８～１．５ｎｍの範囲に調整される。
障壁層となる第２の非磁性層（４）の膜厚は、ＴＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな書き込み電圧ＶCで磁化反転するために２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍであることがより好ましい。よって０．５～２．０ｎｍの範囲、より好ましくは０．８～１．５ｎｍの範囲に調整される。
第３の非磁性層（５）は、キャップ層としてＴａ、Ｗ、Ｒｕなどの金属が用いられる。
（実施の形態６）
図６に、本発明の実施の形態６の構成を示す。スピン軌道トルク磁化反転を用いて情報の書き込みを行う３端子型であり、下地層（Ｅ１）／記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１）／参照層（Ｂ１）／第３の非磁性層（５）が順に隣接して配置され、下地層（Ｅ１）に第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）、第３の非磁性層（５）に第２端子（Ｔ２）が設けられている。記録層（Ａ１）は実施の形態３の記録層と同じ構成（図面上は上下反転している）である。
図６に、本発明の実施の形態６の構成を示す。スピン軌道トルク磁化反転を用いて情報の書き込みを行う３端子型であり、下地層（Ｅ１）／記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１）／参照層（Ｂ１）／第３の非磁性層（５）が順に隣接して配置され、下地層（Ｅ１）に第１端子（Ｔ１）及び第２端子（Ｔ２）、第３の非磁性層（５）に第２端子（Ｔ２）が設けられている。記録層（Ａ１）は実施の形態３の記録層と同じ構成（図面上は上下反転している）である。
実施の形態６の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１～５と同様である。
実施の形態６の下地層（Ｅ１）は、チャネル層として磁気トンネル接合の記録層（Ａ１を反転させるのに十分なスピン軌道トルクを発生させるだけの特性を備える材料であればよく、なかでも重金属を有することが望ましい。下地層（Ｅ１）に書き込み電流Ｉwriteを導入するとスピン軌道トルクが発生し、磁気抵抗効果素子への書き込みが行われる。このため、スピン・軌道相互作用の大きい重金属、たとえば、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、あるいはこれらの合金から構成されることが望ましい。これらの重金属層に適宜遷移金属を添加した材料であってもよく、重金属を導電性材料等にドープしたものでものでもよい。また、電気材料特性を改善する等の目的で、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ等を添加してもよい。さらに、Ｃｏ－Ｇａなども候補となる。
下地層（Ｅ１）の形状は、書き込み電流Ｉwriteを流せるものであり、かつ、記録層（Ａ１）に対し効率的に磁化反転できる形状であれば、特に限定されないが、書き込み電流Ｉwriteの方向に延伸された平面形状が望ましい。
下地層（Ｅ１）の形状は、書き込み電流Ｉwriteを流せるものであり、かつ、記録層（Ａ１）に対し効率的に磁化反転できる形状であれば、特に限定されないが、書き込み電流Ｉwriteの方向に延伸された平面形状が望ましい。
３端子型の磁気抵抗効果素子は、Ｚタイプ、Ｙタイプ、Ｘタイプいずれの磁化容易軸の方向であってもよい。
（実施の形態７）
図７に、本発明の実施の形態７の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、参照層（Ｂ１）第１の非磁性層（１）／磁性層（２１ａ）／非磁性サブ挿入層（６１）／磁性層（２１ｂ）／第１の非磁性挿入層（３１）／磁性層（２２ａ）／非磁性サブ挿入層（６２）／磁性層（２２ｂ）が順に隣接して配置されたものであり、磁性層（２１ａ）／非磁性サブ挿入層（６１）／磁性層（２１ｂ）／第１の非磁性挿入層（３１）／磁性層（２２ａ）／非磁性サブ挿入層（６２）／磁性層（２２ｂ）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／磁性層（２１ａ）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、磁性層（２１ｂ）と磁性層（２２ａ）の間は、静磁気相互作用が支配的となり静磁結合を介して強磁性的に結合している。
図７に、本発明の実施の形態７の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、参照層（Ｂ１）第１の非磁性層（１）／磁性層（２１ａ）／非磁性サブ挿入層（６１）／磁性層（２１ｂ）／第１の非磁性挿入層（３１）／磁性層（２２ａ）／非磁性サブ挿入層（６２）／磁性層（２２ｂ）が順に隣接して配置されたものであり、磁性層（２１ａ）／非磁性サブ挿入層（６１）／磁性層（２１ｂ）／第１の非磁性挿入層（３１）／磁性層（２２ａ）／非磁性サブ挿入層（６２）／磁性層（２２ｂ）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／磁性層（２１ａ）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、磁性層（２１ｂ）と磁性層（２２ａ）の間は、静磁気相互作用が支配的となり静磁結合を介して強磁性的に結合している。
実施の形態７の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１と同様である。
非磁性サブ挿入層（６１、６２）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性サブ挿入層はその界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して膜面垂直方向の界面磁気異方性を誘起する役割も有するため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。なかでもｂｃｃのＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等が好ましく、Ｗ、Ｔａがより好ましい。
非磁性サブ挿入層（６１、６２）の膜厚はそれぞれ、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層の間に交換結合が働く薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ～０．７ｎｍの範囲で調整されることがより好ましい。
なお、非磁性サブ挿入層（６１、６２）のいずれかの膜厚が０．２ｎｍ程度以下となった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚の層を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁化容易軸を有することが可能である。
非磁性サブ挿入層（６１、６２）の膜厚はそれぞれ、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層の間に交換結合が働く薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ～０．７ｎｍの範囲で調整されることがより好ましい。
なお、非磁性サブ挿入層（６１、６２）のいずれかの膜厚が０．２ｎｍ程度以下となった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚の層を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁化容易軸を有することが可能である。
磁性層（２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、Ｎｉ等の３ｄ強磁性遷移金属をさらに含んでいてもよい。
また、磁性層（２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、静磁気相互作用が支配的となって磁性層（２１ｂ、２２ａ）の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
磁性層（２１ａ、２１ｂ）の膜厚の合計、及び、磁性層（２２ａ、２２ｂ）の膜厚の合計はそれぞれ０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。
また、磁性層（２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、静磁気相互作用が支配的となって磁性層（２１ｂ、２２ａ）の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
磁性層（２１ａ、２１ｂ）の膜厚の合計、及び、磁性層（２２ａ、２２ｂ）の膜厚の合計はそれぞれ０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。
（実施の形態８）
図８に、本発明の実施の形態７の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／磁性層（２１ａ）／非磁性サブ挿入層（６１）／磁性層（２１ｂ）／第１の非磁性挿入層（３１）／磁性層（２２ａ）／非磁性サブ挿入層（６２）／磁性層（２２ｂ）／第２の非磁性挿入層（３２）／磁性層（２３ａ）／非磁性サブ挿入層（６３）／磁性層（２３ｂ）が順に隣接して配置されたものであり、磁性層（２１ａ）／非磁性サブ挿入層（６１）／磁性層（２１ｂ）／第１の非磁性挿入層（３１）／磁性層（２２ａ）／非磁性サブ挿入層（６２）／磁性層（２２ｂ）／第２の非磁性挿入層（３２）／磁性層（２３ａ）／非磁性サブ挿入層（６３）／磁性層（２３ｂ）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／磁性層（２１ａ）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、磁性層（２１ｂ）と磁性層（２２ａ）の間、磁性層（２２ｂ）と磁性層（２３ａ）の間は、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合を介して強磁性的に結合している。
図８に、本発明の実施の形態７の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１）／磁性層（２１ａ）／非磁性サブ挿入層（６１）／磁性層（２１ｂ）／第１の非磁性挿入層（３１）／磁性層（２２ａ）／非磁性サブ挿入層（６２）／磁性層（２２ｂ）／第２の非磁性挿入層（３２）／磁性層（２３ａ）／非磁性サブ挿入層（６３）／磁性層（２３ｂ）が順に隣接して配置されたものであり、磁性層（２１ａ）／非磁性サブ挿入層（６１）／磁性層（２１ｂ）／第１の非磁性挿入層（３１）／磁性層（２２ａ）／非磁性サブ挿入層（６２）／磁性層（２２ｂ）／第２の非磁性挿入層（３２）／磁性層（２３ａ）／非磁性サブ挿入層（６３）／磁性層（２３ｂ）は記録層（Ａ１）を構成する。
少なくとも第１の非磁性層（１）／磁性層（２１ａ）の界面は垂直方向の界面磁気異方性を有し、また、磁性層（２１ｂ）と磁性層（２２ａ）の間、磁性層（２２ｂ）と磁性層（２３ａ）の間は、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合を介して強磁性的に結合している。
実施の形態８の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態２及び実施の形態７と同様である。
非磁性サブ挿入層（６３）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性サブ挿入層はその界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して膜面垂直方向の界面磁気異方性を誘起する役割も有するため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。なかでもｂｃｃのＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等が好ましく、Ｗ、Ｔａがより好ましい。
非磁性サブ挿入層（６３）の膜厚は、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層の間に交換結合が働く薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ～０．７ｎｍの範囲で調整されることがより好ましい。
非磁性サブ挿入層（６３）の膜厚は、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層の間に交換結合が働く薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ～０．７ｎｍの範囲で調整されることがより好ましい。
磁性層（２３ａ、２３ｂ）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、Ｎｉ等の３ｄ強磁性遷移金属をさらに含んでいてもよい。
また、磁性層（２３ａ、２３ｂ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、静磁気相互作用が支配的となって磁性層（２２ｂ、２３ａ）の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
磁性層（２３ａ、２３ｂ）の膜厚の合計は０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。
また、磁性層（２３ａ、２３ｂ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
具体例として、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が挙げられるが、静磁気相互作用が支配的となって磁性層（２２ｂ、２３ａ）の間が強磁性的に結合するものであり、かつ、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料であれば、これに限定されない。
磁性層（２３ａ、２３ｂ）の膜厚の合計は０．３ｎｍ～３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ～２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。
（実施の形態９）
図９に、実施の形態９として、実施の形態１～８の構成を有する磁気メモリセルを複数個備える磁気メモリの一例を示す。
磁気メモリは、メモリセルアレイ、Ｘドライバ、Ｙドライバ、コントローラを備える。メモリセルアレイは、アレイ状に配置された磁気メモリセルを有する。Ｘドライバは複数のワード線（ＷＬ）に接続され、Ｙドライバは複数のビット線（ＢＬ）に接続され、読み出し手段及び書き出し手段として機能する。
図９に、実施の形態９として、実施の形態１～８の構成を有する磁気メモリセルを複数個備える磁気メモリの一例を示す。
磁気メモリは、メモリセルアレイ、Ｘドライバ、Ｙドライバ、コントローラを備える。メモリセルアレイは、アレイ状に配置された磁気メモリセルを有する。Ｘドライバは複数のワード線（ＷＬ）に接続され、Ｙドライバは複数のビット線（ＢＬ）に接続され、読み出し手段及び書き出し手段として機能する。
１ 第１の非磁性層
２１、２２、２３、、、２ｎ 磁性層
２ａ、２ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ 磁性層
３１、３２、、、、３（ｎ－１） 非磁性挿入層
４ 第２の非磁性層
５ 第３の非磁性層
６、６１、６２、６３ 非磁性サブ挿入層
Ａ１ 記録層
Ｂ１ 参照層
ＢＬ１ 第１のビット線
ＢＬ２ 第２のビット線
ＧＮＤ グラウンド線
Ｔ１ 第１端子
Ｔ２ 第２端子
Ｔ３ 第３端子
Ｔｒ１ 第１トランジスタ
Ｔｒ２ 第２トランジスタ
ＷＬ ワード線
２１、２２、２３、、、２ｎ 磁性層
２ａ、２ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ 磁性層
３１、３２、、、、３（ｎ－１） 非磁性挿入層
４ 第２の非磁性層
５ 第３の非磁性層
６、６１、６２、６３ 非磁性サブ挿入層
Ａ１ 記録層
Ｂ１ 参照層
ＢＬ１ 第１のビット線
ＢＬ２ 第２のビット線
ＧＮＤ グラウンド線
Ｔ１ 第１端子
Ｔ２ 第２端子
Ｔ３ 第３端子
Ｔｒ１ 第１トランジスタ
Ｔｒ２ 第２トランジスタ
ＷＬ ワード線
Claims (13)
- 参照層（Ｂ１）と、
前記参照層（Ｂ１）に隣接して設けられた第１の非磁性層（１）と、
前記第１の非磁性層（１）の前記参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられた第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられた第１の非磁性挿入層（３１）と、
前記第１の非磁性挿入層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられた第２の磁性層（２２）と、を備え、
前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性挿入層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は記録層（Ａ１）を構成し、
前記記録層（Ａ１）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して第２の非磁性層（４）をさらに備え、
前記第１の非磁性層（１）及び前記第２の非磁性層（４）は酸素を含み、
前記第１の非磁性挿入層（３１）は酸素を含む材料から構成され、膜厚は０．７ｎｍ以上１．１ｎｍ以下であり、
前記記録層（Ａ１）の素子サイズは５０ｎｍ以下であり、
前記第１の磁性層（２１）と前記第２の磁性層（２２）は、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合している、磁気抵抗効果素子。 - 前記記録層（Ａ１）は、ｎ個（ｎ≧３）の磁性層と、ｎ－１個の非磁性挿入層が交互に隣接して積層した構造を有し、１番目の磁性層（２１）は前記第１の非磁性層（１）と隣接して設けられ、
ｍ番目（１≦ｍ≦ｎ－１）の前記非磁性挿入層に隣接するｍ番目の磁性層とｍ＋１番目の磁性層は、静磁気相互作用が支配的となって静磁結合している、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。 - （削除）
- （削除）
- （削除）
- 前記非磁性挿入層の材料は、ＭｇＯ、Ａｌ－Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ、Ｈｆ－Ｏから選択される、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁性層のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である、請求項１～２、６いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁性層の材料は、少なくともＦｅ又はＣｏのいずれかを含む、請求項１～２、６～７いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記磁性層のそれぞれは、該磁性層内に非磁性サブ挿入層を含む、請求項１～２、６～８いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
- （削除）
- （削除）
- 参照層（Ｂ１）と、
前記参照層（Ｂ１）に隣接して設けられた第１の非磁性層（１）と、前記第１の非磁性層（１）の前記参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられた記録層（Ａ１）と、
前記記録層（Ａ１）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して第２の非磁性層（４）を備え、
前記第１の非磁性層（１）及び前記第２の非磁性層（４）は酸素を含み、
前記記録層（Ａ１）の素子サイズは５０ｎｍ以下であり、ｎ個（ｎ≧２）の磁性層と、ｎ－１個の非磁性挿入層が交互に隣接して積層した構造を有し、１番目の磁性層（２１）は前記第１の非磁性層（１）と隣接して設けられ、
前記非磁性挿入層は酸素を含む材料から構成され、膜厚は０．７ｎｍ以上１．１ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。 - 請求項１～２、６～９、１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備える、磁気メモリ。
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