JPWO2011078018A1 - 磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層と、スペーサ層と、参照層とを具備している。磁壁移動層は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成されている。スペーサ層は、磁壁移動層上に設けられ、非磁性体で形成されている。参照層は、スペーサ層上に設けられ、強磁性体で形成され、磁化が固定されている。磁壁移動層は、少なくとも一つの磁壁を有し、磁壁の位置に対応して情報を記憶する。磁壁移動層の異方性磁界は、磁壁移動層が垂直磁気異方性を保ち得る値より大きく、磁壁移動層の強磁性体本来の異方性磁界の値より小さい。

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリに関する。

磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ； ＭＲＡＭ）は、高速動作および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリである。このことから、ＭＲＡＭの実用化は一部で始まっており、また、より汎用性を高めるための開発が行われている。ＭＲＡＭは、記憶素子として磁性体を用い、その磁性体の磁化の向きに対応させてデータを記憶する。記憶素子に所望のデータを書き込むためには、磁性体の磁化をそのデータに対応した向きにスイッチさせる。この磁化方向のスイッチング方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流（以下、「書き込み電流」と参照される）を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要である。

非特許文献１（Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，“ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ”，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．４２，ＮＯ．４，ｐｐ．８３０−８３８，２００７．）によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下へ低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。

ＭＲＡＭへのデータ書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に書き込み電流を流すことで磁場を発生させ、その磁場によって磁性記憶素子の磁化方向をスイッチングさせる方法である。この方法によれば、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。しかしながら、熱安定性及び外乱磁場耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁場は、一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度であり、このような磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の書き込み電流が必要となる。この場合、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣る。これに加えて、素子が微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリング性の点でも好ましくない。

近年、このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。

１つ目は、スピン注入磁化反転（Ｓｐｉｎ Ｔｏｒｑｕｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式である。スピン注入磁化反転方式によれば、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化方向が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で書き込み電流が流される。このとき、スピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用により、第１の磁性層の磁化を反転させることができる。読み出しの際には、第１の磁性層と第２の磁性層との間で発現する磁気抵抗効果が利用される。従って、スピン注入磁化反転を用いた磁性記憶素子は、２端子の素子となる。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こるため、素子サイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわち、スピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層と第２の磁性層の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな書き込み電流をこの絶縁層を貫通して流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込み電流経路と読み出し電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このように、スピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。

２つ目は、電流誘起磁壁移動（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ）方式である。電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭは、例えば特許文献１（特開２００５−１９１０３２号公報）に開示されている。一般的な電流誘起磁壁移動型のＭＲＡＭでは、反転可能な磁化を有する磁性層（データを記憶する磁壁移動層）が設けられ、その磁壁移動層の両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定される。このような磁化配置により、磁壁移動層内に磁壁が導入される。ここで、非特許文献２（Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．９２，ＮＯ．７，０７７２０５，２００４．）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、その磁壁は伝導電子の方向に移動する。従って、磁壁移動層に面内方向の書き込み電流を流すことにより、その電流方向に応じた向きに磁壁を移動させ、所望のデータを書き込むことが可能となる。読み出しの際には、磁壁が移動する領域を含む磁気トンネル接合が用いられ、磁気抵抗効果に基づいて読み出しが行われる。従って、電流誘起磁壁移動を利用した磁性記憶素子は、３端子の素子となる。また、スピン注入磁化反転と同様に、電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こる。従って、電流誘起磁壁移動方式もスケーリング性に優れていると言える。それに加えて、電流誘起磁壁移動方式の場合、書き込み電流が絶縁層を流れることはなく、また、書き込み電流経路と読み出し電流経路とは別となる。従って、スピン注入磁化反転の場合の上述の問題点が解決される。

尚、上述の非特許文献２では、電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０^８［Ａ／ｃｍ^２］程度が報告されている。

非特許文献３（Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．１０３，０７Ｅ７１８，２００８．）には、電流誘起磁壁移動方式における垂直磁気異方性材料の有用性が述べられている。具体的には、磁壁移動が起こる磁壁移動層が垂直磁気異方性を有している場合に書き込み電流を十分小さく低減できることが、マイクロマグネティックシミュレーションを通して判明している。

特許文献３（国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報）には、垂直磁気異方性を有する磁性体を用いた磁気抵抗効果素子、及びそれをメモリセルとして備えたＭＲＡＭが開示されている。図１は、国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報の磁気抵抗効果素子を模式的に示す断面図である。磁気抵抗効果素子１７０は、磁壁移動層１１０と、スペーサ層１２０と、参照層１３０とを具備している。

磁壁移動層１１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成されている。磁壁移動層１１０は、第１磁化固定領域１１１ａ、第２磁化固定領域１１１ｂ、及び磁化自由領域１１３を有している。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂは磁化自由領域１１３の両側に配置されている。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化は互いに逆方向（反平行）に固定されている。例えば図１に示されるように、第１磁化固定領域１１１ａの磁化方向は＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１１ｂ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１１３の磁化方向は、磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの一方から他方へ流れる書込み電流により反転可能であり、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向となる。従って、磁化自由領域１１３の磁化方向に応じて、磁壁移動層１１０内には磁壁１１２ａ又は磁壁１１２ｂが形成される。データは、磁化自由領域１１３の磁化の向きとして記憶される。磁壁１１２の位置（１１２ａ又は１１２ｂ）として記憶されると見ることもできる。磁化方向が固定された強磁性体である参照層１３０、非磁性層（絶縁層）のスペーサ層１２０及び磁化自由領域１１３は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成している。データは、ＭＴＪの抵抗値の大小として読み出される。

この特許文献３には、磁壁移動層１１０が垂直磁気異方性を有する場合、書き込み電流を低減することが可能であることが開示されている。

特開２００５−１９１０３２号公報 米国特許第６，８３４，００５号公報 国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報

Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．，"ＭＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｏｖｅｒ ５００−ＭＨｚ ＳｏＣ"，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥ ＣＩＲＣＵＩＴＳ，ＶＯＬ．４２，ＮＯ．４，ｐｐ．８３０−８３８，（２００７）． Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗｉｒｅｓ"，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．９２，ＮＯ．７，０７７２０５，（２００４）． Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ"，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．１０３，０７Ｅ７１８，（２００８）． Ａ． Ｔｈｉａｖｉｌｌｅ ｅｔ ａｌ．， "Ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｂｙ ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ： ａ ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｕｄｙ"， ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ， ＶＯＬ． ９５， ＮＯ． １１， ｐｐ．７０４９−７０５１，（２００４）． Ｇ．Ｈ．Ｏ．Ｄａａｌｄｅｒｏｐ ｅｔ ａｌ．，"Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ Ｃｏ／Ｎｉ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ"，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．６８，ＮＯ．５，ｐｐ．６８２−６８５，（１９９２）． Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ．，"Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏ／Ｎｉ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｓｔｒｉｐ ｆｏｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，ＶＯＬ．４５，ＮＯ．１０，ｐｐ．３７７６−３７７９，（２００９）．

上述の非特許文献３や特許文献３などに開示されているように、磁壁移動層（磁壁移動層）が垂直磁気異方性を有している場合、その磁壁移動層において、他の方法と比較してより小さな書き込み電流により磁壁移動を起こすことが可能である。

ここで、発明者は、今回次の点を検討した。すなわち、発明者は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で磁壁移動層を形成した場合、磁壁移動層のスピン分極率を更に大きくすることができれば、書き込み電流を更に小さくすることが可能であると考えた。強磁性体におけるスピン分極率と垂直磁気異方性（異方性磁界）との関係を明らかにして、磁壁移動層に最適な垂直磁気異方性（異方性磁界）を持たせることによりスピン分極率を更に大きくすることで、書き込み電流を更により小さくすることができると考えられる。

本発明の１つの目的は、電流誘起磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子及びそれを用いたＭＲＡＭにおいて、より低い書き込み電流で動作可能な垂直磁気異方性を有する磁壁移動層を提供することにある。

本発明の磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層と、スペーサ層と、参照層とを具備している。磁壁移動層は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成されている。スペーサ層は、磁壁移動層上に設けられ、非磁性体で形成されている。参照層は、スペーサ層上に設けられ、強磁性体で形成され、磁化が固定されている。前記磁壁移動層は、少なくとも一つの磁壁を有し、前記磁壁の位置に対応して情報を記憶する。前記磁壁移動層の異方性磁界は、前記磁壁移動層が垂直磁気異方性を保ち得る値より大きく、前記磁壁移動層の強磁性体本来の異方性磁界の値より小さい。

本発明の磁気抵抗効果素子は、磁壁移動層と、スペーサ層と、参照層とを具備する。磁壁移動層は、垂直磁気異方性を有するＣｏ膜とＮｉ膜との第１積層膜で形成されている。スペーサ層は、磁壁移動層上に設けられ、非磁性体で形成されている。参照層は、スペーサ層上に設けられ、強磁性体で形成され、磁化が固定されている。前記磁壁移動層は、少なくとも一つの磁壁を有し、前記磁壁の位置に対応して情報を記憶する。前記磁壁移動層の異方性磁界は、８ｋＯｅより大きく、１５ｋＯｅより小さい。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、上記各段落のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を磁気メモリセルとして用いている。

本発明によれば、電流誘起磁壁移動を利用した磁気抵抗効果素子及びそれを用いたＭＲＡＭにおいて、より低い書き込み電流で動作可能な垂直磁気異方性を有する磁壁移動層を好適に実現することが可能となる。

図１は、国際公開ＷＯ／２００９／００１７０６号公報の磁気抵抗効果素子を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗素子の構成を示す概略断面図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る１ビット分の磁気メモリセル８０の構成例を示す模式回路図である。 図４は、本実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ９０の構成例を示すブロック図である。 図５は、本実施の形態に係る下地層が適用された磁気抵抗効果素子７０の構成を示す側面図である。 図６は、本発明の第１実施例及びその比較例１を示す表である。 図７は、本発明の第２実施例及びその比較例２を示す表である。 図８は、本発明の第３、４実施例及びその比較例３を示す表である。 図９は、第１実施例〜第４実施例及び第１比較例〜第３比較例の結果をまとめたグラフである。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電流誘起磁壁移動型の磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。

まず、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成について説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗素子の構成を示す概略断面図である。磁気抵抗効果素子７０は、磁壁移動層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０とを具備している。

磁壁移動層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成されている。磁壁移動層１０は、磁化方向が反転可能な領域を含んでおり、その磁化状態に応じてデータを記憶する。より詳細には、磁壁移動層１０は、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１３を有している。

磁化固定領域１１ａ、１１ｂは磁化自由領域１３にそれぞれ隣接して設けられている。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は互いに逆方向（反平行）に固定されている。図２の例では、第１磁化固定領域１１ａの磁化方向は＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化方向は−ｚ方向に固定されている。磁化固定方法としては、例えば、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのそれぞれに隣接して＋ｚ／−ｚ方向に磁化が固定されたハード層（図示されず）を設ける方法が考えられる。

磁化自由領域１３の磁化方向は反転可能であり、＋ｚ方向及び−ｚ方向のいずれかになり得る。従って、磁化自由領域１３の磁化方向に応じて、第１磁壁移動層１０内には磁壁１２（１２ａ又は１２ｂ）が形成される。図２の例では、磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第２磁化固定領域１１ｂとの間に磁壁１２ｂが形成される。一方、磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第１磁化固定領域１１ａとの間に磁壁１２ａが形成される。すなわち、磁壁移動層１０は少なくとも一つの磁壁１２（１２ａ又は１２ｂ）を有し、その磁壁１２の位置は磁化自由領域１３の磁化方向に対応している。

スペーサ層２０は、磁壁移動層１０に隣接して設けられている。特に、スペーサ層２０は、少なくとも磁壁移動層１０の磁化自由領域１３に隣接するように設けられている。このスペーサ層２０は非磁性体で形成されている。より好適には絶縁体で形成されている。

参照層３０は、スペーサ層２０に隣接して、磁壁移動層１０とは反対側に設けられている。つまり、参照層３０は、スペーサ層２０を介して磁壁移動層１０（磁化自由領域１３）に接続されている。この参照層３０は強磁性体で形成され、その磁化方向は一方向に固定されている。好適には、磁壁移動層１０と同様に、参照層３０も垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成される。この場合、参照層３０の磁化方向は、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向に固定される。図２の例では、参照層３０の磁化方向は、＋ｚ方向に固定されている。

以上に説明された磁壁移動層１０（磁化自由領域１３）、スペーサ層２０、及び参照層３０は、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を形成している。すなわち、磁壁移動層１０（磁化自由領域１３）、スペーサ層２０、及び参照層３０は、ＭＴＪにおけるフリー層、バリア層、及びピン層に相当する。

なお、電極層（図示されず）が磁壁移動層１０の両端にそれぞれ電気的に接続されている。特に、磁化固定領域１１ａ、１１ｂのそれぞれに接続されるように、２つの電極層（図示されず）が設けられている。これら電極層は、磁壁移動層１０に書き込み電流を導入するために用いられる。これら電極層は、上述したハード層を介して磁壁移動層１０の両端に接続することができる。また、他の電極層（図示されず）が参照層３０に電気的に接続されている。

次に、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの記憶状態について説明する。

ここでは、図２の例を用いて説明する。ただし、磁壁移動層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化方向はそれぞれ＋ｚ方向及び−ｚ方向に固定され、参照層３０の磁化方向は＋ｚ方向に固定されているとする。

図２の例において、磁壁移動層１０の磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第２磁化自由領域１１ｂとの境界に、磁壁１２ｂが形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“０”の記憶状態に対応付けられる。

一方、図２において、磁壁移動層１０の磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と第１磁化自由領域１１ａとの境界に、磁壁１２ａが形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに反平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“１”の記憶状態に対応付けられる。

このように、磁壁移動層１０の磁化状態、すなわち、第１磁壁移動層１０中の磁壁位置に対応して、２つの記憶状態が実現される。但し、上記の説明で定義された磁化状態と２つの記憶状態との間の対応関係は任意である。
すなわち、磁壁移動層１０は少なくとも一つの磁壁１２（１２ａ又は１２ｂ）を有し、その磁壁１２の位置は磁化自由領域１３の磁化方向に対応している。従って、磁壁移動層１０は、その磁壁１２の位置に対応してデータを記憶している。

本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの書き込み方法について図２を参照して説明する。

データ“０”状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は互いに平行）において、データ“１”状態（互いに反平行）を書き込む場合について説明する。その場合、第１磁化自由領域１１ａから磁化自由領域１３を経由して第２磁化自由領域１１ｂへ書き込み電流を流す。伝導電子は、第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１３を経由して第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２ｂにはスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ； ＳＴＴ）が働き、磁壁１２ｂは、第１磁化固定領域１１ａに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流（密度）は、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３との境界よりも第１磁化固定領域１１ａ側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界近傍で停止する。このようにして、磁壁１２ａが第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“１”の書き込みが実現される。

次に、データ“１”状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は互いに反平行）において、データ“０”状態（互いに平行）を書き込む場合について説明する。その場合、第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１３を経由して第１磁化固定領域１１ａへ書き込み電流を流す。伝導電子は、第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第２磁化固定領域１１ｂへと流れる。このとき、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２ａにはスピントランスファートルクが働き、磁壁１２ａは、第２磁化固定領域１１ｂに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流（密度）は、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２との境界よりも第２磁化固定領域１１ｂ側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界近傍で停止する。このようにして、磁壁１２ｂが第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“０”の書き込みが実現される。

なお、データ“０”状態におけるデータ“０”書き込み、及びデータ“１”状態におけるデータ“１”書き込みを行った場合には状態変化は起こらない。すなわちオーバーライトが可能である。

本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子のデータの読み出し方法について図２を参照して説明する。

本実施の形態では、トンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｅｆｆｅｃｔ； ＴＭＲ ｅｆｆｅｃｔ）を利用することにより、データ読み出しが行われる。そのために、ＭＴＪ（磁壁移動層１０の磁化自由領域１３、スペーサ層２０、参照層３０）を貫通する方向に、読み出し電流が流される。なお、読み出し電流方向は任意である。このとき、磁気抵抗効果素子７０がデータ“０”状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。データ”１”状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。従って、この抵抗値の値を検出することで、データを読み出すことができる。

次に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子７０を有する磁気メモリセルについて説明する。

図３は、本発明の実施の形態に係る１ビット分の磁気メモリセル８０の構成例を示す模式回路図である。磁気メモリセル８０は、磁気メモリ素子７０と２つのトランジスタＴＲａ、ＴＲｂを含む２Ｔ−１ＭＴＪ（２ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ−１ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構成を有している。磁気抵抗効果素子７０は、３端子の素子であり、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。例えば、参照層３０につながる端子は、グラウンド線ＧＬに接続されている。磁壁移動層１０の第１磁化固定領域１１ａにつながる端子は、トランジスタＴＲａを介してビット線ＢＬａに接続されている。磁壁移動層１０の第２磁化固定領域１１ｂにつながる端子は、トランジスタＴＲｂを介してビット線ＢＬｂに接続されている。トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、共通のワード線ＷＬに接続されている。

書き込み動作時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。その結果、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、磁壁移動層１０を経由して、ビット線ＢＬａとビット線ＢＬｂとの間で書き込み電流が流れる。

読み出し動作時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流Ｉｒｅａｄが、ビット線ＢＬｂから磁気抵抗効果素子７０のＭＴＪを貫通してグラウンド線ＧＬへ流れる。

次に、本発明の実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ９０の回路構成について説明する。

図４は、本実施の形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ９０の構成例を示すブロック図である。磁気ランダムアクセスメモリ９０は、メモリセルアレイ９１、Ｘドライバ９２、Ｙドライバ９３、及びコントローラ９４を備えている。メモリセルアレイ９１は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル８０から構成されている。既出の図３で示されたように、各磁気メモリセル８０は、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。Ｘドライバ９２は、複数のワード線ＷＬに接続されており、それら複数のワード線ＷＬのうちアクセス対象の磁気メモリセル８０につながる選択ワード線を駆動する。Ｙドライバ９３は、複数のビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されており、各ビット線を書き込み動作あるいは読み出し動作に応じた状態に設定する。コントローラ９４は、書き込み動作あるいは読み出し動作に応じて、Ｘドライバ９２とＹドライバ９３のそれぞれを制御する。

次に、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子７０の磁壁移動層の材料及び構成について説明する。

上述の非特許文献３や特許文献３などに開示されているように、磁壁移動層（磁壁移動層）が垂直磁気異方性を有している場合、その磁壁移動層において、他の方法と比較してより小さな書き込み電流により磁壁移動を起こすことが可能である。非特許文献４（Ａ．Ｔｈｉａｖｉｌｌｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ ｂｙ ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ： ａ ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｔｕｄｙ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．９５，ＮＯ．１１，ｐｐ．７０４９−７０５１，２００４．）によれば、電流誘起磁壁移動は、パラメータ：ｇμ_ＢＰ／２ｅＭ_ｓが大きいほど起こり易い。ここで、ｇはランデのｇ因子、μ_Ｂはボーア磁子、Ｐはスピン分極率、ｅは電子の素電荷、Ｍ_ｓは飽和磁化である。ｇ、μ_Ｂ、ｅは物理定数であるので、書き込み電流を低減するためには、磁壁移動層１０のスピン分極率Ｐを大きく、飽和磁化Ｍ_ｓを小さくすることが有効であることが分かる。

飽和磁化の観点からは、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｎｉ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄなどの遷移金属系の交互積層膜が、磁壁移動層１０として有望である。これらの材料の飽和磁化は比較的小さいことが知られている。このような遷移金属系の積層膜をより一般化すると、第１磁壁移動層１０は、第１の層と第２の層が積層された積層構造を有する。第１の層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。第２の層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。

また、上記積層膜の中でも特にＣｏ／Ｎｉはスピン分極率が高い。従って、磁壁移動層１０としてはＣｏ／Ｎｉ積層膜が特に好適であると言える。実際に、発明者は、Ｃｏ／Ｎｉを用いることにより制御性の高い磁壁移動が実現されることを、実験を通して確認した。

ところで、上述のような磁壁移動層１０の磁性材料は、ｆｃｃ構造を有し、且つ、（１１１）面が基板垂直方向に積層したｆｃｃ（１１１）配向結晶構造を有する。また、非特許文献５（Ｇ．Ｈ．Ｏ．Ｄａａｌｄｅｒｏｐ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ Ｃｏ／Ｎｉ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．６８，ＮＯ．５，ｐｐ．６８２−６８５，１９９２．）によれば、上述のような積層膜の垂直磁気異方性は、それら膜の界面における界面磁気異方性によって発現する。従って、磁壁移動層１０において良好な垂直磁気異方性を実現するためには、上述の磁性材料が良好なｆｃｃ（１１１）配向で成長できるような「下地層」を設けることが好ましい。

本実施の形態によれば、磁壁移動層１０が良好なｆｃｃ（１１１）配向で成長でき、良好な垂直磁気異方性が実現されるような「下地層」を有していても良い。以下、主に「下地層」について説明する。

図５は、本実施の形態に係る下地層が適用された磁気抵抗効果素子７０の構成を示す側面図である。下地層４０は、磁壁移動層１０の基板側に設けられている。そして、磁壁移動層１０は、下地層４０を下地として用いることによって、下地層４０上に形成される。

下地層４０は、一層又は二層とすることができる。一層の場合、その材料は、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ等のｆｃｃ構造を有する第９〜第１１族金属のいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。なお、適当な範囲でこれ以外の材料が含まれていても、本発明を実施することが可能である。適当な材料を添加することによって、より所望の特性が得られるように調整することも可能である。

また、二層の場合、その材料は、第１の下地層（下側）は、第４〜第６族元素を含有する。つまり、第１下地層１５Ａは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等の第４〜第６族金属のいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。一方、第２の下地層（上（磁壁移動層１０）側）は、第９〜第１１族元素を含有する。つまり、第２の下地層は、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ等のｆｃｃ構造を有する第９〜第１１族金属のいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。尚、第１の下地層及び第２の下地層は、上に例示された材料の単体金属から構成される必要はなく、これらの間で形成される合金でも構わない。さらには適当な範囲でこれ以外の材料が含まれていても、本発明を実施することが可能である。適当な材料を添加することによって、より所望の特性が得られるように調整することも可能である。

このような第１の下地層と第２の下地層の組み合わせが好ましい理由は、次の通りである。まず、第１の下地層として用いられる第４〜第６族金属は、膜厚が薄い領域ではアモルファス状に成長し、その表面エネルギーが大きくなる。従って、そのような第１の下地層は、その上に成長する結晶の最稠密面（最低表面エネルギー面）配向を生み出すことができる。すなわち、第１の下地層の上に第２の下地層としてｆｃｃ構造を有する第９〜第１１族金属が成長するとき、最稠密面である（１１１）面配向が実現される。そのような第２の下地層が、磁壁移動層１０の結晶配向のテンプレートとして働く。結果として、磁壁移動層１０においても良好なｆｃｃ（１１１）配向が実現される。

特に、飽和磁化が小さくスピン分極率が高いＣｏ／Ｎｉ積層膜に着目した場合、好適な下地層４０の構造及び材料を第１の下地層と第２の下地層の積層構造を有するとき、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜に関して好適な特性が得られることが見出された。

ここで、発明者は、今回次の点を更に検討した。すなわち、発明者は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で磁壁移動層を形成した場合、磁壁移動層のスピン分極率を更に大きくすることができれば、書き込み電流を更に小さくすることが可能である。強磁性体におけるスピン分極率と垂直磁気異方性（異方性磁界）との関係を明らかにして、磁壁移動層に最適な垂直磁気異方性（異方性磁界）を持たせることによりスピン分極率を更に大きくすることで、書き込み電流を更により小さくすることができると考えられる。

その検討の結果、磁壁移動を起こすための書き込み電流（磁壁移動電流）をより低くするためには、垂直磁気異方性を少なくともある範囲にすることが好ましいことが判明した。垂直磁気異方性を磁壁移動層１０の異方性磁界で表した場合、その範囲の上限及び下限は次のようになる。上限は、磁壁移動層１０の強磁性体本来の異方性磁界の値より小さい異方性磁界である。下限は、磁壁移動層１０が垂直磁気異方性を保ち得る異方性磁界である。

上限として、磁壁移動層１０の異方性磁界は、磁壁移動層の強磁性体の材料本来の異方性磁界の値より小さい。ここで、材料本来の異方性磁界の値とは、材料の固有の物理的な性質（物性値）から理論的に予測される異方性磁界の値である。例えば、遷移金属系税量の交互積層膜を磁壁移動層１０として用いる場合、遷移金属系材料に固有の物理的な性質や積層構造の構成や理想的な垂直磁気異方性などを考慮して行う理論計算（シミュレーション）により理論的に予測される異方性磁界の値である。磁壁移動層１０の異方性磁界が材料本来の異方性磁界より小さい値となることは、スピン分極率が相対的に高くなると考えられる。それは、以下の理由による。

垂直磁気異方性の起源としては、結晶磁気異方性や界面磁気異方性などがある。界面磁気異方性では、異方的な電子軌道を持つｄ電子のスピン起動相互作用が重要な役割を果たしている場合がある。ここで、垂直磁気異方性を強くすることは、このｄ電子のエネルギー準位を下げることに相当する。一方、磁壁移動電流（書き込み電流）は、伝導に寄与するフェルミエネルギー付近のｄ電子の正負スピンの数の差、すなわち、スピン分極率に支配される。従って、垂直磁気異方性が強い材料においては、ｄ電子の軌道エネルギーが低下して、フェルミエネルギーを下回り、伝導に寄与するｄ電子が減少する。そのため、正負スピンの数の差が小さくなり、結果としてスピン分極率が低減してしまうと考えられる。以上のことから、このような場合には垂直磁気異方性を適度に弱くして、ｄ電子のエネルギー準位を上げて、フェルミエネルギー付近のｄ電子を増加させることにより、より高いスピン分極率を実現することができると考えられる。

一方、磁壁移動層１０の垂直磁気異方性における異方性磁界は、磁壁移動層１０が垂直磁気異方性を保ち得る最小の値より大きい。すなわち、磁壁移動層１０の異方性磁界は後述する反磁界に打ち勝って、磁化を垂直方向に向けるのに十分大きい必要がある。ここで、垂直磁気異方性を保ち得る最小の値とは、磁壁移動層１０が垂直磁気異方性を有している状態と有していない状態との境界近傍における、垂直磁気異方性を有している状態側にいるときの異方性磁界の値である。また、垂直磁気異方性を有する状態とは、磁壁移動層１０の磁化方向が概ね±ｚ方向に向いていることである。具体的には、磁壁移動層１０の磁化方向の±ｚ方向成分が、少なくとも±ｘ方向成分及び±ｙ方向成分（いずれも基板表面に平行な方向の成分）よりも大きいことである。磁壁移動層１０の異方性磁界がそのような値を取ることは、電流誘起磁壁移動型の磁壁移動層１０が垂直磁気異方性を有することを意味していると考えられる。その場合、特許文献３や非特許文献３に記載されているように、書き込み電流を小さくすることができる。

以上のような検討内容は、以下に示すような実験結果（第１実施例〜第４実施例、第１比較例〜第３比較例）により確認された。以下、実施例及び比較例について説明する。

図６は、本発明の第１実施例及びその比較例１を示す表である。図６の磁気抵抗効果素子７０の磁壁移動層は、第１成膜装置で形成されている。この表において、「磁壁移動層」は、実験に用いた磁壁移動層１０の構成（材料、膜厚、層数）を示している。「下地層」は、実験に用いた下地層４０の構成（材料、膜厚）を示している。「Ｈｋ」は、磁壁移動層１０の異方性磁界の実測値を示している。異方性磁界Ｈｋの大きさは、実質的に垂直磁気異方性の程度を示している。ただし、その実測値は、反磁界補正後の値であり、ＶＳＭ（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔ ｍｅｔｅｒ：振動型磁力計）で測定した面内方向の飽和磁界Ｈに４πＭｓ（約８ｋＯｅ、Ｍｓは飽和磁化）を足している。Ｈ＝Ｈｋ−４πＭｓの関係にあるからである。「電流」は、磁壁移動層１０で磁壁移動を起こすのに必要な書き込み電流の最小値を示している。磁壁移動は、磁壁移動層１０の抵抗変化として読み出している。また、磁気抵抗効果素子７０の幅は１１５ｎｍである。なお、実験方法の詳細については、非特許文献６（Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ．，“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃｏ／Ｎｉ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｓｔｒｉｐ ｆｏｒ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ，ＶＯＬ．４５，ＮＯ．１０，ｐｐ．３７７６−３７７９，（２００９）．）に記載されている。以下、図７〜図８において同様である。

実施例１は、磁壁移動層１０として、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５層積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いている。下地層４０として、膜厚４ｎｍのＴａ膜と膜厚１．６ｎｍのＰｔ膜をこの順に積層したＴａ／Ｐｔ積層膜を用いている。この場合、磁壁移動層１０の異方性磁界Ｈｋは１４．３ｋＯｅであった。また、この場合、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は０．４ｍＡであった。

一方、比較例１は、磁壁移動層１０として、実施例１と同様に、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５層積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いている。下地層４０として、膜厚４ｎｍのＴａ膜と膜厚２．４ｎｍのＰｔ膜をこの順に積層したＴａ／Ｐｔ積層膜を用いている。この場合、磁壁移動層１０の異方性磁界Ｈｋは１５．２ｋＯｅであった。また、この場合、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は０．７ｍＡであった。

実施例１と比較例１とを比較すると、まず、比較例１では下地層４０のＰｔ膜の膜厚が相対的に厚く（２．４ｎｍ）なっている。そのため、Ｐｔ膜の（１１１）配向性が高いと考えられる。その結果、磁壁移動層１０の（１１１）配向性が良好となり、その異方性磁界Ｈｋ（垂直磁気異方性）が磁壁移動層１０の材料の本来の値（約１５．２ｋＯｅ）となったと考えらえる。それゆえ、上述の理由から、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は相対的に高く（０．７ｍＡ）なったと考えられる。

一方、実施例１では下地層４０のＰｔ膜の膜厚が相対的に薄く（１．６ｎｍ）なっている。そのため、Ｐｔ膜の（１１１）配向性が相対的に低下していると考えられる。その結果、磁壁移動層１０の（１１１）配向性も相対的に低下して、その異方性磁界Ｈｋ（垂直磁気異方性）が磁壁移動層１０の材料の本来の値に比較して低い値（約１４．３ｋＯｅ）となったと考えらえる。このとき、上述の理由から、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は相対的に低く（０．４ｍＡ）することができたと考えられる。

磁壁移動層１０がＣｏ／Ｎｉ積層膜の場合、垂直磁気異方性を持たせるためには、（１１１）に配向する必要がある。そのためには、下地層４０のＰｔ膜を（１１１）配向させることが有効である。ここで、Ｔａ膜上のＰｔ膜は、膜厚が十分に厚い場合には（１１１）配向となるが、膜厚が薄い場合には完全には（１１１）配向とはならない。本実施例では、不完全な（１１１）配向のＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いることにより、その垂直磁気異方性を低下させ、磁壁移動電流を低減している。

このように、実施例１の場合では、磁壁移動層１０の垂直磁気異方性をその材料の本来の状態から弱めることで、磁壁移動を起こす書き込み電流の値を低減することができる。すなわち、磁壁移動層１０の異方性磁界の値をその材料の本来の値から低下させることで、磁壁移動を起こす書き込み電流の値を低減することができる。

図７は、本発明の第２実施例及びその比較例２を示す表である。第２実施例及びその比較例２は、図６の場合と比較して、磁壁移動層が第２成膜装置で形成されている点、及び下地層のＰｔ膜の膜厚がそれぞれ薄くなっている点で、図６の場合と異なる。

すなわち、実施例２は、磁壁移動層１０として、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５層積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いている。下地層４０として、膜厚４ｎｍのＴａ膜と膜厚１．０ｎｍのＰｔ膜をこの順に積層したＴａ／Ｐｔ積層膜を用いている。この場合、磁壁移動層１０の異方性磁界Ｈｋは１１．４ｋＯｅであった。また、この場合、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は０．４ｍＡであった。

一方、比較例２は、磁壁移動層１０として、実施例１と同様に、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５層積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いている。下地層４０として、膜厚４ｎｍのＴａ膜と膜厚１．６ｎｍのＰｔ膜をこの順に積層したＴａ／Ｐｔ積層膜を用いている。この場合、磁壁移動層１０の異方性磁界Ｈｋは１５．４ｋＯｅであった。また、この場合、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は０．８ｍＡであった。

実施例２と比較例２とを比較すると、まず、比較例２では下地層４０のＰｔ膜の膜厚が相対的に厚く（１．６ｎｍ）なっている。そのため、Ｐｔ膜の（１１１）配向性が高いと考えられる。その結果、磁壁移動層１０の（１１１）配向性が良好となり、その異方性磁界Ｈｋ（垂直磁気異方性）が磁壁移動層１０の材料の本来の値（約１５．４ｋＯｅ）となったと考えらえる。それゆえ、上述の理由から、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は相対的に高く（０．８ｍＡ）なったと考えられる。

一方、実施例１では下地層４０のＰｔ膜の膜厚が相対的に薄く（１．０ｎｍ）なっている。そのため、Ｐｔ膜の（１１１）配向性が相対的に低下していると考えられる。その結果、磁壁移動層１０の（１１１）配向性も相対的に低下して、その異方性磁界Ｈｋ（垂直磁気異方性）が磁壁移動層１０の材料の本来の値に比較して低い値（約１１．４ｋＯｅ）となったと考えらえる。このとき、上述の理由から、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は相対的に低く（０．４ｍＡ）することができたと考えられる。

図６の結果と図７の結果とは、数値の点では一致していない。しかし、これは、装置が異なることによる製造条件の差異によるものと考えられる。そして、本実施例においても、不完全な（１１１）配向のＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いることにより、その垂直磁気異方性を低下させ、磁壁移動電流を低減することがでるという実施例１及び比較例１の結果と、その傾向は同じである。

このように、実施例２の場合についても、磁壁移動層１０の垂直磁気異方性をその材料の本来の状態から弱めることで、磁壁移動を起こす書き込み電流の値を低減することができる。すなわち、磁壁移動層１０の異方性磁界の値をその材料の本来の値から低下させることで、磁壁移動を起こす書き込み電流の値を低減することができる。

図８は、本発明の第３、４実施例及びその比較例３を示す表である。第３、４実施例及びその比較例３は、基本的な構造が図６の実施例１と同じである。ただし、キャップ層を磁壁移動層１０における下地層４０と反対側の面に積層した構造を有している点で、図６の実施例１の場合と異なる。

すなわち、実施例３は、図６の実施例１の構成に、キャップ層として膜厚２．０ｎｍのＲｕ膜を積層している。この場合、磁壁移動層１０の異方性磁界Ｈｋは１３．４ｋＯｅと、実施例１の場合と比較して低下した。また、この場合、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は０．３ｍＡと、実施例１の場合と比較して低下した。すなわち、Ｒｕ膜をキャップ層として用いることで、更に磁壁移動を起こす書き込み電流を小さくすることができる。Ｒｕ膜と磁壁移動層との界面において、界面磁気異方性の影響が変化して、垂直磁気異方性が低下したためと考えられる。

また、実施例４は、図６の実施例１の構成に、キャップ層として膜厚２．０ｎｍのＰｔ膜を積層している。この場合、磁壁移動層１０の異方性磁界Ｈｋは１４．３ｋＯｅと、実施例１の場合と比較して変化しなかった。また、この場合、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は０．４ｍＡと、実施例１の場合と比較して変化しなかった。すなわち、Ｐｔ膜をキャップ層として用いても、磁壁移動を起こす書き込み電流は変化しなかった。これは、Ｐｔ膜と磁壁移動層との界面において、界面磁気異方性の影響が特に変化しなかったためと考えられる。

一方、比較例３は、図６の実施例１の構成に、キャップ層として膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ膜を積層している。この場合、磁壁移動層１０の異方性磁界Ｈｋは１５．７ｋＯｅと、実施例１の場合と比較して増加した。また、この場合、磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値は０．８ｍＡと、実施例１の場合と比較して増加した。すなわち、ＭｇＯ膜をキャップ層として用いることで、磁壁移動を起こす書き込み電流が逆に大きくなった。ＭｇＯ膜と磁壁移動層との界面において、界面磁気異方性の影響が変化して、垂直磁気異方性が向上したためと考えられる。

このように、実施例３の場合では、キャップ層を積層することで、磁壁移動層１０の垂直磁気異方性をその材料の本来の状態から弱めることで、磁壁移動を起こす書き込み電流の値を更に低減することがで
きる。すなわち、磁壁移動層１０の異方性磁界の値をその材料の本来の値から低下させることで、磁壁移動を起こす書き込み電流の値を更に低減することができる。

図９は、第１実施例〜第４実施例及び第１比較例〜第３比較例の結果をまとめたグラフである。縦軸は磁壁移動電流（磁壁移動を起こす書き込み電流の最小値）を示し、横軸は異方性磁界Ｈｋ（垂直磁気異方性に対応）をそれぞれ示している。ただし、上述のように、Ｈｋ＝Ｈ＋４πＭｓ（約８ｋＯｅ）である。図９では４πＭｓをＨ_Ｓ０で示している。黒丸印は実施例１及び比較例１、白四角印は実施例２及び比較例２、黒三角は実施例３、４及び比較例３をそれぞれ示している。

異方性磁界が本来の値（１５ｋＯｅ〜１６ｋＯｅ）の磁壁移動層と比較して、異方性磁界が小さなものでは、磁壁移動電流が低下している。これは、磁壁移動層１０の垂直磁気異方性をその材料の本来の状態から弱めているためと考えられる。その結果、異方性磁界が１５ｋＯｅよりも小さい領域で、本来の垂直磁気異方性を有する場合と比較して、磁壁移動電流を低減することができる。一方、垂直磁気異方性を維持するためには、異方性磁界が４πＭｓ（約８ｋＯｅ）よりも大きくする必要があることから、異方性磁界は８ｋＯｅより大きくする必要がる。以上のことから、異方性磁界は、８ｋＯｅより大きく、１５ｋＯｅより小さくすることが好ましいと考えられる。

ここで、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜において、異方性磁界（垂直磁気異方性）が本来の値の状態では、（１１１）配向の度合いが１００％程度になっていると考えられる。したがって、磁壁移動層１０の垂直磁気異方性をその材料の本来の状態から弱めるためには、（１１１）配向の度合いが１００％より小さいことが好ましいことが分かる。その場合、下地層４０についても（１１１）配向の度合いが１００％より小さいことが好ましいことが分かる。

一方、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜において、垂直磁気異方性を維持するために、（１１１）配向の度合いは、垂直磁気異方性を保ち得る配向度より大きい必要がある。ここで、垂直磁気異方性を保ち得る配向度は、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜中での（１１１）方向に向いた結晶の割合が、ランダム配向の膜中に含まれる（１１１）方向に向いた結晶の割合よりも多い配向度である。その場合、下地層４０についても（１１１）配向の度合いは、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜が垂直磁気異方性を保ち得る配向度より大きい必要がある。その配向度は、概ねＣｏ／Ｎｉ積層膜の配向度と同程度である。

以上のことから、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜（磁壁移動層１０）における（１１１）配向の度合いは、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜が垂直磁気異方性を保ち得る配向度より大きく、１００％の配向度より小さいことが好ましいと考えられる。

上記各実施例では、磁壁移動層１０の垂直磁気異方性をその材料の本来の状態から弱める、すなわち、磁壁移動層１０の異方性磁界の値をその材料の本来の値から低下させる方法として、結晶の配向性（例示：Ｃｏ／Ｎｉの（１１１）配向性）に着目している。そして、下地層４０の結晶配向性を膜厚で制御して、磁壁移動層１０の結晶配向性を制御している。しかし、本発明はこの例に限定されるものではなく、磁壁移動層１０の垂直磁気異方性をその材料の本来の状態から弱めることができれば、他の方法を用いることも可能である。

他の方法として、例えば、下地層４０を長周期構造を有する材料とすることができる。ここで、長周期構造とは、例えば（６６４）のように（１１１）からわずかに傾斜した配向面を持つ構造と定義している。それにより、磁壁移動層１０の結晶の配向性が低下するなどして、異方性磁界の値をその材料の本来の値から低下させることができると考えられる。

また、他の方法として、例えば、磁壁移動層１０へ別の元素を添加する方法が考えられる。それにより、磁壁移動層１０の結晶の配向性が低下するなどして、異方性磁界の値をその材料の本来の値から低下させることができると考えられる。別の元素としては、例えば微量の非磁性体が考えられる。そのような、非磁性体としてはＴａやＣｕが例示される。

また、他の方法として、適度な熱処理を行う方法が考えられる。それにより、磁壁移動層１０と下地層４０との界面における結晶性の乱れや相互拡散などにより、界面磁気異方性が影響を受けて、垂直磁気異方性が低下することが考えられる。

以上、実施の形態（実施例を含む）を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態や実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

本発明はいくつかの実施の形態（実施例を含む）と併せて上述されたが、これらの実施の形態（実施例を含む）は本発明を説明するために単に提供されたものであることは当業者にとって明らかであり、意義を限定するように添付のクレームを解釈するために頼ってはならない。

この出願は、２００９年１２月２４日に出願された特許出願番号２００９−２９２１７１号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。

Claims (7)

1. 垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成された磁壁移動層と、
   前記磁壁移動層上に設けられ、非磁性体で形成されたスペーサ層と、
   前記スペーサ層上に設けられ、強磁性体で形成され、磁化が固定された参照層と
   を具備し、
   前記磁壁移動層は、少なくとも一つの磁壁を有し、前記磁壁の位置に対応して情報を記憶し、
   前記磁壁移動層の異方性磁界は、前記磁壁移動層が垂直磁気異方性を保ち得る値より大きく、前記磁壁移動層の強磁性体本来の異方性磁界の値より小さい
   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において、
   前記磁壁移動層は、垂直磁気異方性を有するＣｏ膜とＮｉ膜との第１積層膜で形成され、
   前記第１積層膜の（１１１）配向の度合いは、前記第１積層膜が垂直磁気異方性を保ち得る配向度より大きく、１００％より小さい
   磁気抵抗効果素子。
3. 垂直磁気異方性を有するＣｏ膜とＮｉ膜との第１積層膜で形成された磁壁移動層と、
   前記磁壁移動層上に設けられ、非磁性体で形成されたスペーサ層と、
   前記スペーサ層上に設けられ、強磁性体で形成され、磁化が固定された参照層と
   を具備し、
   前記磁壁移動層は、少なくとも一つの磁壁を有し、前記磁壁の位置に対応して情報を記憶し、
   前記磁壁移動層の異方性磁界は、８ｋＯｅより大きく、１５ｋＯｅより小さい
   磁気抵抗効果素子。
4. 請求項３に記載の磁気抵抗効果素子において、
   前記第１積層膜の（１１１）配向の度合いは、前記第１積層膜が垂直磁気異方性を保ち得る配向度より大きく、１００％より小さい
   磁気抵抗効果素子。
5. 請求項２又は４に記載の磁気抵抗効果素子において、
   前記第１積層膜下に設けられ、Ｐｔ膜とＴａ膜との第２積層膜で形成された下地層を更に具備し、
   前記第１積層膜に接する前記Ｐｔ膜の（１１１）配向の度合いは、前記第１積層膜が垂直磁気異方性を保ち得る配向度より大きく、１００％より小さい
   磁気抵抗効果素子。
6. 請求項２又は４に記載の磁気抵抗効果素子において、
   前記第１積層膜下に設けられ、Ｐｔ膜とＴａ膜との第２積層膜で形成された下地層を更に具備し、
   前記第１積層膜に接する前記Ｐｔ膜は、長周期構造を有する
   磁気抵抗効果素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を磁気メモリセルとして用いた磁気ランダムアクセスメモリ。

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