WO2015136969A1 - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents

磁気抵抗素子および磁気メモリ Download PDF

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WO2015136969A1
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magnetic layer
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nonmagnetic
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忠臣 大坊
侑志 加藤
俊平 大嶺
直基 長谷
伊藤　順一
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株式会社 東芝
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    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Definitions

  • Embodiments described herein relate generally to a magnetoresistive element and a magnetic memory.
  • An MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element as a magnetoresistive element has a laminated structure of a first ferromagnetic layer, a tunnel barrier layer, and a second ferromagnetic layer.
  • This MTJ element is known to exhibit a tunneling magnetoresistive (TMR) effect, and is a 100 Mbps (bits per square square) HDD (Hard Disk Drive) head or magnetic random access memory (MRAM). Random Access Memory).
  • the MRAM is nonvolatile because it stores information (“1” or “0”) by changing the relative angle of magnetization of the ferromagnetic layer included in the MTJ element. Further, since the magnetization reversal speed of the ferromagnetic layer is several nanoseconds, high-speed data writing and high-speed data reading are possible. Therefore, MRAM is expected as a next-generation high-speed nonvolatile memory. Further, if a method called spin injection magnetization reversal in which magnetization is controlled by a spin polarization current is used, the cell size of the MRAM can be reduced and the current density can be increased. Therefore, the magnetization reversal of the magnetic layer can be easily realized, and a high-density, low power consumption MRAM can be configured.
  • magnetoresistive elements are indispensable when considering higher density of nonvolatile memories.
  • the ferromagnetic layer constituting the magnetoresistive element deteriorates its thermal disturbance resistance as the element size is reduced, the issue is how to improve the thermal disturbance resistance of the ferromagnetic material.
  • a material having a large magnetocrystalline anisotropy energy is generally used for the ferromagnetic layer.
  • Such a material has a magnetization oriented in a specific crystal direction, and the magnitude of the magnetocrystalline anisotropy energy can be controlled by changing the composition ratio and crystallinity of the constituent elements. Therefore, the direction of magnetization can be controlled by changing the crystal growth direction.
  • the ferromagnetic material itself has a high magnetocrystalline anisotropy energy
  • the aspect ratio of the element can be set to 1, and the thermal disturbance resistance is high, which is suitable for integration.
  • the present embodiment provides a magnetoresistive element having perpendicular magnetic anisotropy and capable of expressing a larger magnetoresistive effect, and a magnetic memory using the magnetoresistive element.
  • the magnetoresistive element of this embodiment includes a first magnetic layer including Mn and at least one element selected from the group of Ga, Ge, and Al, a second magnetic layer, and the first magnetic layer, A first nonmagnetic layer provided between the second magnetic layer, a third magnetic layer provided between the first magnetic layer and the first nonmagnetic layer, and the first magnetic layer; And at least one selected from the group consisting of Mg, Ba, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, and B. And a second nonmagnetic layer containing two elements.
  • phase diagram of Ba and Fe The phase diagram of Mg and Mn.
  • the phase diagram of Mg and Ga Phase diagram of Mg and Fe Sectional drawing which shows the magnetoresistive element of an Example.
  • Sectional drawing which shows the memory cell of the magnetic memory by 5th Embodiment.
  • the circuit diagram showing the principal part of the magnetic memory of a 5th embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the magnetoresistive element 1 of the first embodiment.
  • This embodiment is a magnetoresistive element 1, which includes a magnetic layer 2, a nonmagnetic layer 3, an interface magnetic layer 4, a nonmagnetic layer 5 (hereinafter also referred to as a tunnel barrier layer 5), an interface magnetic layer on an underlayer 100. 6, a nonmagnetic layer 7 and a magnetic layer 8 are stacked in this order.
  • the resistance value of the magnetoresistive element 1 is determined by the angle of the magnetization direction of the two magnetic layers 2 and 8 disposed via the tunnel barrier layer 5.
  • the angle of the magnetization direction can be controlled by an external magnetic field or a current passed through the magnetoresistive element. At that time, it is possible to control the angle of the magnetization direction more stably by making a difference in coercive force or magnetic anisotropy energy between the two magnetic layers 2 and 8.
  • the magnetic layer 2 and the magnetic layer 8 have an easy magnetization direction perpendicular to the film surface.
  • the magnetoresistive element 1 of the present embodiment is a so-called perpendicular magnetization magnetoresistive element in which the magnetization directions of the magnetic layer 2 and the magnetic layer 8 are each perpendicular to the film surface.
  • the film surface means a surface orthogonal to the stacking direction.
  • the easy magnetization direction is a direction in which the internal energy is lowest when the spontaneous magnetization is directed in the absence of an external magnetic field, assuming a macro-sized ferromagnetic material.
  • the difficult magnetization direction is a direction in which the internal energy becomes the largest when the spontaneous magnetization is directed in the absence of an external magnetic field, assuming a macro-sized ferromagnetic material.
  • the interfacial magnetic layer 6 and the magnetic layer 8 are in a state of being magnetically coupled via the nonmagnetic layer 7.
  • the magnetization directions of the interface magnetic layer 6 and the magnetic layer 8 are equal.
  • the magnetization directions of the interface magnetic layer 6 and the magnetic layer 8 are opposite to each other. It is suitable.
  • the interface magnetic layer 4 and the magnetic layer 2 have the same magnetic coupling as the interface magnetic layer 6 and the magnetic layer 8. That is, it is in a state of being magnetically coupled via the nonmagnetic layer 3.
  • the magnetization directions of the interface magnetic layer 4 and the magnetic layer 2 are equal.
  • the magnetization directions of the interfacial magnetic layer 4 and the magnetic layer 2 are opposite to each other. It is suitable.
  • the magnetic layer 2 and the magnetic layer 8 when a write current is passed through the MTJ element 1, the direction of magnetization is unchanged before and after writing, and the other magnetic layer is variable.
  • a magnetic layer that is invariant is also referred to as a reference layer, and a magnetic layer that is variable is referred to as a storage layer.
  • the magnetic layer 2 is a storage layer and the magnetic layer 8 is a reference layer.
  • the write current is passed between the magnetic layer 2 and the magnetic layer 8 in a direction perpendicular to the film surface.
  • the magnetic layer 8 When the magnetic layer 2 is the storage layer, the magnetic layer 8 is the reference layer, and the magnetization direction of the magnetic layer 2 and the magnetization direction of the magnetic layer 8 are antiparallel (reverse direction), the magnetic layer 2 A write current is passed toward the layer 8. In this case, electrons flow from the magnetic layer 8 to the magnetic layer 2 through the nonmagnetic layer 7, the interface magnetic layer 6, the nonmagnetic layer 5, and the nonmagnetic layer 3. Then, the electrons polarized by passing through the magnetic layer 8 flow to the magnetic layer 2.
  • a spin-polarized electron having a spin in the same direction as the magnetization of the magnetic layer 2 passes through the magnetic layer 2, but a spin-polarized electron having a spin in the opposite direction to the magnetization of the magnetic layer 2 is
  • Spin torque acts on the magnetization of the magnetic layer 2 so that the magnetization direction of the magnetic layer 2 is directed in the same direction as the magnetization of the magnetic layer 8.
  • the magnetization direction of the magnetic layer 2 is reversed and becomes parallel (same direction) to the magnetization direction of the magnetic layer 8.
  • a write current flows from the magnetic layer 8 toward the magnetic layer 2.
  • electrons flow from the magnetic layer 2 to the magnetic layer 8 through the nonmagnetic layer 3, the interface magnetic layer 4, the nonmagnetic layer 5, the interface magnetic layer 6, and the nonmagnetic layer 7.
  • the electrons polarized by passing through the magnetic layer 2 flow to the magnetic layer 8.
  • Spin-polarized electrons having a spin in the same direction as the magnetization of the magnetic layer 8 pass through the magnetic layer 8, while spin-polarized electrons having a spin in the opposite direction to the magnetization of the magnetic layer 8 And flows into the magnetic layer 2 through a path opposite to the original path.
  • spin torque acts on the magnetization of the magnetic layer 2 so that the magnetization direction of the magnetic layer 2 is directed in the opposite direction to the magnetization of the ferromagnetic layer 8.
  • the magnetization direction of the magnetic layer 2 is reversed and becomes antiparallel to the magnetization direction of the magnetic layer 8.
  • the resistance value of the magnetoresistive element 1 depends on the relative angle of magnetization of the magnetic layer 2 and the magnetic layer 8, and the value obtained by subtracting the resistance value in the parallel state from the resistance value in the antiparallel state is the resistance value in the parallel state.
  • the divided value is called the magnetoresistance change rate.
  • the magnetic layer 2 is an alloy containing Mn and at least one element selected from the group of Ga, Ge, and Al.
  • MnGa which is an alloy of Mn and Ga
  • MnGa can change the saturation magnetization with respect to its composition.
  • it is a perpendicularly magnetized material having a large magnetic anisotropy energy of about 10 (Merg / cc).
  • the value of the magnetic friction constant (Gilbert damping constant), which is one of the indices for the ease of magnetization reversal, depends on the composition, there are reports of approximately 0.008 to 0.015 (for example, S. Mizukami, F. Wu, A. Sakuma, J. Walowski, D. Watanabe, T.
  • the magnetic friction constant correlates with the magnitude of the spin orbit interaction of the material, and a material having a large atomic number tends to have a large spin initiation interaction and a large magnetic friction constant. Since MnGa is a material composed of light elements, the magnetic friction constant is small. Therefore, since less energy is required for magnetization reversal, the current density for reversing magnetization by spin-polarized electrons can be greatly reduced.
  • MnGa is a perpendicular magnetization material having low saturation magnetization, high magnetic anisotropy energy, and low magnetic friction constant, it is suitable for the memory layer of the magnetoresistive element.
  • the magnetic layer 8 is made of an alloy containing Co and Pt, an alloy containing rare earth elements such as Tb, Dy, Sm, and Gd and a magnetic element such as Fe, Co, and Ni, or a laminate of these alloys. (Artificial lattice).
  • the magnetic layer 8 is, for example, CoPt, TbCo, or TbCoFe. These have a large magnetic anisotropy energy and are suitable for the reference layer because they have a large value of the magnetic friction constant, which is one of the indices for ease of magnetization reversal.
  • the interface magnetic layer 4 and the interface magnetic layer 6 are made of a material having a high spin polarizability.
  • it is a ferromagnetic material including at least one element selected from the group of Fe, Co, and Ni.
  • FeB, CoB, NiB, FeCoB, FeCoNiB, etc. which are ferromagnetic materials that are made amorphous by adding elements such as B, C, and P, can be mentioned.
  • Elements such as B, C, and P have a smaller atomic radius than Fe, Co, and Ni, which are the base metals of the interface magnetic layer 4 and the interface magnetic layer 6.
  • an amorphous ferromagnet can be obtained by adding the above elements up to about 25 atom% with respect to Fe, Co, and Ni as the base metals.
  • an electrode having a surface with excellent flatness can be formed by making a ferromagnetic material amorphous.
  • a nonmagnetic element such as Al or Cu may be added for the purpose of controlling the saturation magnetization of the interface magnetic layer 4 and the interface magnetic layer 6.
  • the interfacial magnetic layer 4 maintains the magnetization of the interfacial magnetic layer 4 perpendicularly by interfacial magnetic anisotropy with the nonmagnetic layer 5 or by magnetic coupling with the magnetic layer 2 via the nonmagnetic layer 3.
  • the thickness of the interfacial magnetic layer 4 is increased, the perpendicular magnetization cannot be maintained. Since the thickness is about 2 nm at the maximum, the thickness of the interfacial magnetic layer 4 is preferably less than 2.0 nm.
  • the nonmagnetic layer 3 is disposed between the magnetic layer 2 and the interface magnetic layer 4.
  • the diffusing elements are segregated between the nonmagnetic layer 5 and the interfacial magnetic layer 4 to reduce the magnetoresistance change rate of the magnetoresistive element 1.
  • the composition is shifted by the amount of the element that has been removed, so that the desired magnetic properties cannot be obtained, and if the density of states changes It also leads to alteration of conduction characteristics. Therefore, the diffusion of elements from the magnetic layer 2 can be suppressed by inserting the nonmagnetic layer 3.
  • a crystallization promoting layer is provided between an amorphous magnetic film such as CoFeB adjacent to the tunnel barrier and a perpendicular magnetization film such as PtFe ordered to L10, and the amorphous magnetic film Attempts to control the crystal orientation direction of CoFeB have been reported (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-119755).
  • the TMR ratio is strongly influenced not only by the crystal orientation direction adjacent to the tunnel barrier but also by the diffusion of elements constituting the magnetoresistive element.
  • the inventors of the present application provide a magnetic layer 2 having an alloy containing Mn and at least one element selected from the group of Ga, Ge, and Al, and at least one element selected from the group of Fe, Co.
  • a high TMR is realized by finding an optimum material for the nonmagnetic layer 3.
  • the interfacial magnetic layer 4 maintains perpendicular magnetization by interfacial magnetic anisotropy with the nonmagnetic layer 5 or magnetic coupling with the magnetic layer 2 via the nonmagnetic layer 3.
  • the thickness of the nonmagnetic layer 3 is increased, the magnetic coupling with the interface magnetic layer 4 is weakened, so that the perpendicular magnetization cannot be maintained. Since the thickness of the nonmagnetic layer 3 capable of maintaining magnetic coupling with the interface magnetic layer 4 is about 2 nm at the maximum, the thickness of the nonmagnetic layer 3 is preferably less than 2.0 nm.
  • the magnetic layer 2 is an alloy containing Mn and at least one element selected from the group of Ga, Ge, and Al
  • Mn, Ga, Ge, and Al are elements that are difficult to dissolve and are non-solid.
  • the magnetic layer 3 is preferably configured. Furthermore, it is desirable that the nonmagnetic layer 3 is difficult to dissolve in solid form with Fe and Co, which are elements constituting the interface magnetic layer 4.
  • the magnetoresistive element is composed of a multilayer film in which thin films such as a magnetic material, a nonmagnetic material, and an insulator are laminated.
  • This multilayer film has various interfaces such as laminated magnetic layers, a magnetic layer and an underlayer, and a magnetic layer and a tunnel barrier layer.
  • an intermetallic compound is formed at this interface.
  • the combination of elements in the phase diagram of the complete solid solution system they are mixed at the atomic level and melted together to form one solid phase to form a solid solution.
  • a combination of elements in the eutectic and separation phase diagrams is expected to form a clear interface because the elements do not repel each other and hardly mix.
  • a method of selecting an optimal combination for generating an artificial lattice that does not mix elements may be employed. Therefore, combinations of elements in the phase diagram of the separation system are preferred. Further, in the case of a combination in which elements constituting the interface form an intermetallic compound, the intermetallic compound is stable per se, so that it is considered that no further diffusion occurs. Therefore, as a combination of elements difficult to diffuse between the nonmagnetic layer 3 and the magnetic layer 2 and the interfacial magnetic layer 4, a combination of elements in the phase diagram of the separation system, a combination forming an intermetallic compound, or a solid solution as much as possible is formed. A combination of difficult elements is desirable.
  • binary alloys having properties such as a combination of the above-described phase diagrams, such as forming a solid solution only in a part of the composition region.
  • a combination of elements that are difficult to form a solid solution is defined as a sum of the widths of the solid solution composition that the solid solution formation region in the phase diagram has at a predetermined temperature is 15 atom% or less even if a solid solution is formed.
  • This predetermined temperature is a temperature between room temperature and the heat treatment temperature.
  • the elements satisfying these conditions are Mg, Ba, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, or B. Therefore, as an element constituting the nonmagnetic layer 3, an element selected from the group consisting of Mg, Ba, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, and B is used.
  • An alloy containing at least one element, or a boride, nitride, carbide, or laminate of these elements is desirable.
  • the nonmagnetic layer 7 is disposed between the magnetic layer 8 and the interfacial magnetic layer 6 and has the same function as the nonmagnetic layer 3.
  • the nonmagnetic layer 5 is, for example, an oxide, nitride, or a mixture containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ca, Zn, and Ti.
  • MgO / AlO, MgAlO / MgO, MgAlO / MgO / MgAlO, AlN / AlO, AlN / MgO, and the like may be used.
  • the nonmagnetic layer 5 may be a nonmagnetic metal containing at least one element selected from the group of Cu, Ag, and Au.
  • the nonmagnetic layer 5 has an insulating property such as an oxide or a nitride, the current that has passed passes through the nonmagnetic layer 5 due to the tunnel effect, so that the obtained magnetoresistance effect is the tunnel magnetoresistance effect (TMR effect). It is.
  • the nonmagnetic layer 5 is made of a nonmagnetic metal containing at least one element selected from the group consisting of Cu, Ag, and Au, the current passing through the nonmagnetic layer 5 is ohmic conduction.
  • the magnetoresistive effect is a giant magnetoresistive effect (GMR effect).
  • FIG. 1A A magnetoresistive element according to a modification of the first embodiment is shown in FIG.
  • the stacking order of the layers formed on the underlayer 100 is opposite to the magnetoresistive element 1 of the first embodiment shown in FIG. That is, a structure in which the magnetic layer 8, the nonmagnetic layer 7, the interfacial magnetic layer 6, the nonmagnetic layer 5, the interfacial magnetic layer 4, the nonmagnetic layer 3, and the magnetic layer 2 are laminated in this order on the underlayer 100.
  • the magnetic layer 8 the nonmagnetic layer 7, the interfacial magnetic layer 6, the nonmagnetic layer 5, the interfacial magnetic layer 4, the nonmagnetic layer 3, and the magnetic layer 2 are laminated in this order on the underlayer 100.
  • this modification can also provide a magnetoresistive element that has a perpendicular magnetic anisotropy and can exhibit a larger magnetoresistive effect.
  • FIG. 3 shows a cross section of the magnetoresistive element according to the second embodiment.
  • the magnetoresistive element 1B according to the second embodiment has a configuration in which the nonmagnetic layer 7 and the magnetic layer 8 are replaced with a nonmagnetic layer 7a and a magnetic layer 8a, respectively, in the magnetoresistive element 1 according to the first embodiment shown in FIG. have. That is, a structure in which the magnetic layer 2, the nonmagnetic layer 3, the interfacial magnetic layer 4, the nonmagnetic layer 5, the interfacial magnetic layer 6, the nonmagnetic layer 7a, and the magnetic layer 8a are laminated in this order on the underlayer 100. Have.
  • the magnetic layer 2, the nonmagnetic layer 3, the interface magnetic layer 4, the nonmagnetic layer 5, and the interface magnetic layer 6 are made of the materials described in the first embodiment.
  • the magnetic layer 8a is an alloy containing Mn and at least one element selected from the group of Ga, Ge, and Al.
  • MnGa which is an alloy of Mn and Ga
  • MnGa can control saturation magnetization and magnetocrystalline anisotropy by adjusting its composition.
  • saturation magnetization and Magnetic anisotropy can be increased. Therefore, by using MnGa having different compositions of Mn and Ga for the magnetic layer 2 and the magnetic layer 8a, one of the magnetic layers can be easily reversed, and the other magnetic layer can be hardly reversed.
  • Mn 3 Ge which is an alloy of Mn and Ge is given.
  • Mn 3 Ge is a material having a large spin polarizability, has a large magnetic anisotropy, and has a low saturation magnetization. Since the value of the magnetic friction constant, which is one of the indices for the ease of magnetization reversal, is large, it is suitable for the reference layer. With this configuration, magnetization reversal by a spin injection current can be performed.
  • the nonmagnetic layer 3 and the nonmagnetic layer 7a are unlikely to dissolve in a solid solution with Mn, Ga, Ge, and Al, and Fe and Co constituting the interface magnetic layer 4 and the interface magnetic layer 6.
  • the element is composed of elements, and it is desirable that the solid solution concentration be 15 atom% or less even if it is solid solution. Examples of elements that satisfy this condition include Mg, Ba, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, or B.
  • the nonmagnetic layer 7a includes at least one element selected from the group consisting of Mg, Ba, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, and B. Alloys, or borides, nitrides or carbides of the selected elements.
  • the nonmagnetic layer 3 and the nonmagnetic layer 7a may be a laminate of the boride, the nitride, or the carbide.
  • the second embodiment can provide a magnetoresistive element that has a perpendicular magnetic anisotropy and can exhibit a larger magnetoresistive effect.
  • the magnetoresistive element of the modification which has a laminated structure in which the lamination
  • the magnetoresistive element 1C of this modification has a magnetic layer 8a, a nonmagnetic layer 7a, an interface magnetic layer 6, a nonmagnetic layer 5, an interface magnetic layer 4, a nonmagnetic layer 3, and a magnetic layer 2 on an underlayer 100. It has a laminated structure laminated in this order.
  • This modification can also provide a magnetoresistive element having perpendicular magnetic anisotropy and capable of expressing a larger magnetoresistive effect.
  • FIG. 5 shows a cross section of the magnetoresistive element according to the third embodiment.
  • the magnetoresistive element 1D of the third embodiment has a structure in which a magnetic layer 2, a nonmagnetic layer 3a, an interfacial magnetic layer 4, a nonmagnetic layer 5, and a magnetic layer 8a are stacked in this order on an underlayer 100.
  • the nonmagnetic layer 3 a has a structure in which a nonmagnetic film 3 a 1 and a nonmagnetic film 3 a 2 are laminated on the magnetic layer 2 in this order.
  • the magnetic layer 2 and the magnetic layer 8a are, for example, an alloy containing Mn and at least one element selected from the group of Ga, Ge, and Al.
  • the nonmagnetic film 3a 1 preferably has a function of suppressing element diffusion from the magnetic layer 2. For this reason, it is desirable that the nonmagnetic layer 3a 1 is composed of an element that does not dissolve in Mn, Ga, Ge, and Al. Even if the nonmagnetic layer 3a 1 is in solid solution, the solid solution concentration may be 15 atom% or less. desirable. Examples of elements that satisfy this condition include Mg, Ba, Ca, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, or B.
  • An alloy containing two elements, or a boride, nitride or carbide of the above elements is preferable. Further, it is desirable to be a laminate of the boride, nitride or carbide.
  • the nonmagnetic film 3a 2 desirably has a function of controlling the crystal orientation of the interface magnetic layer 4.
  • the nonmagnetic film 3a 2 for example, an alloy containing at least one element selected from the group of ultrathin Ta, Ti, W, Nb, V, Cr, and Hf of 0.3 nm or less, or of these elements Nitride and boride.
  • the nonmagnetic film 3a 2 for example, the B element contained in the interface magnetic layer 4 made of FeB is absorbed by the nonmagnetic film 3a 2 .
  • FeB of the interfacial magnetic layer 4 is preferentially crystallized preferentially from the interface side with the nonmagnetic layer 5 made of, for example, MgO.
  • the nonmagnetic layer 5 made of MgO and the interface magnetic layer 4 made of FeB can form an interface with few mismatches. Since a clean interface is considered to have few dislocations and lattice defects, the tunnel current is less susceptible to electron scattering and a large TMR is obtained.
  • the interface magnetic layer 4 is made of a material having a high spin polarizability.
  • the third embodiment can also provide a magnetoresistive element that has a perpendicular magnetic anisotropy and can exhibit a larger magnetoresistive effect.
  • FIG. 6 shows a cross section of a magnetoresistive element according to a modification of the third embodiment.
  • Magnetoresistive element 1E according to this modification, the magnetic resistance element 1D of the third embodiment shown in FIG. 5 has a configuration obtained by replacing the magnetic layer 8a in the laminated structure of the magnetic film 8a 1 and the magnetic layer 8a 2 .
  • Magnetic film 8a 1 is provided on the non-magnetic layer 5, the magnetic film 8a 2 is provided on the magnetic layer 8a 1.
  • Mn 3 Ge which is expected to have a high spin polarizability is used for the magnetic film 8a 1 .
  • the tunnel magnetoresistance effect depends on the spin polarizability of the ferromagnetic material adjacent to the tunnel barrier.
  • the first non-magnetic layer 5, and a magnetic layer 8a 1 of Mn 3 Ge it is possible to obtain a high magnetoresistance ratio by causing adjacent. Further, as the magnetic film 3a 2, using MnGa showing a high magnetic anisotropy. As in this modified example, as the magnetic film 8a, by using a stack of magnetic films 8a 1 and the magnetic film 8a 2, it is possible to obtain a perpendicular magnetization layer having a high spin polarizability.
  • this modification can also provide a magnetoresistive element that has a perpendicular magnetic anisotropy and can exhibit a larger magnetoresistive effect.
  • the magnetoresistive element of the third embodiment and its modification has a stacked structure in which the stacking order of the layers provided on the underlayer 100 is reversed. Also good.
  • FIG. 7 shows a cross section of the magnetoresistive element according to the fourth embodiment.
  • the magnetoresistive element 1F of the fourth embodiment is provided on a nonmagnetic layer 9 provided on the magnetic layer 8a and on the nonmagnetic layer 9 in the magnetoresistive element 1D of the third embodiment shown in FIG.
  • the magnetic layer 10 is newly provided.
  • the magnetic layer 10 is also called a bias layer.
  • the bias layer 10 can alleviate and adjust the shift of the reversal current of the storage layer composed of the magnetic layer 2, the nonmagnetic layer 3a, and the interface magnetic layer 4 due to the leakage magnetic field from the magnetic layer 8 serving as the reference layer. It becomes.
  • the nonmagnetic layer 9 has a heat resistance that prevents the magnetic layer 8a and the magnetic layer 10 from being mixed by a thermal process, and also has a function of controlling the crystal orientation when the magnetic layer 10 is formed. Furthermore, when the film thickness of the nonmagnetic layer 9 is increased, the distance between the magnetic layer 10 and the magnetic layer 2 serving as the storage layer is increased, so that the shift adjustment magnetic field applied from the magnetic layer 10 to the storage layer is decreased. For this reason, the film thickness of the nonmagnetic layer 9 is desirably 5 nm or less.
  • the magnetic layer 10 is made of a ferromagnetic material having an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the film surface. Since the magnetic layer 10 is farther from the storage layer than the reference layer, in order to adjust the leakage magnetic field applied to the storage layer by the magnetic layer 10, the film thickness of the magnetic layer 10 or the magnitude of the saturation magnetization Must be set to be larger than the leakage magnetic field of the reference layer. That is, according to the research results of the present inventors, when the film thickness and saturation magnetization of the reference layer are t 2 and Ms 2 , respectively, and the film thickness and saturation magnetization of the magnetic layer 10 are t 22 and Ms 22 , respectively, It is necessary to satisfy the relational expression. Ms 2 ⁇ t 2 ⁇ Ms 22 ⁇ t 22
  • the fourth embodiment can provide a magnetoresistive element that has a perpendicular magnetic anisotropy and can exhibit a greater magnetoresistance effect, as in the third embodiment. .
  • the magnetic layer 10 serving as the bias layer is composed of the magnetoresistive elements 1E, 1D of the modification of the third embodiment shown in FIG. 6 or the magnetoresistive elements 1, 1B, 1C of any one of the first to second embodiments. It can also be applied to.
  • this modification can also provide a magnetoresistive element that has a perpendicular magnetic anisotropy and can exhibit a larger magnetoresistive effect.
  • each layer included in the magnetoresistive elements of the first to fourth embodiments is described as follows: underlayer 100, magnetic layer 8, interface magnetic layer 4, interface magnetic layer 6, nonmagnetic layer 5, The magnetic layer 3 will be described in this order.
  • the underlayer 100 is used to control crystallinity such as crystal orientation and crystal grain size of the magnetic layer 2 and layers above the magnetic layer 2. Therefore, selection of the material for the underlayer 100 is important. The material and configuration of the underlayer 100 will be described below.
  • the ordered alloy of Mn 3 Ga has a crystal structure called DO 22 structure according to the Strukturbericht classification. It is a tetragonal substance with a lattice extending in the c-axis direction, and the lattice constant in the a-axis and b-axis directions is approximately 3.90 ⁇ .
  • the Mn, Ga, Ge, and Al ordered alloys containing at least one element selected from the group of, for example, MnGa having an L1 0 structure, Mn 3 Ge, MnAl, MnGaAl , etc. is about 3.9 ⁇ It has a lattice constant in the vicinity of the a-axis direction.
  • the lattice constant in the c-axis direction is 7.12 ⁇ .
  • the underlayer 100 it is desirable that it is (001) oriented and has a small lattice mismatch value.
  • the lattice mismatch is defined by the following formula. (A (Mn 3 Ga) -a (underlying material)) / a (underlying material) ⁇ 100
  • a (Mn 3 Ga) and a (underlying material) are the lattice constants of Mn 3 Ga in the in-plane direction of the film and the underlying material, respectively. It is desirable that the lattice mismatch is small.
  • the material having a lattice mismatch of 4% or less with Mn 3 Ga include (001) oriented Fe, FeCo alloy, Cr, and the like.
  • the lattice constant of Fe is about 2.87 ⁇ . It is possible to epitaxially grow Mn 3 Ga by rotating 45 ° in the in-plane direction with respect to the base layer made of Fe. At this time, since the lattice constant of Fe is ⁇ 2 times lattice-matched, the lattice mismatch between Mn 3 Ga and Fe is as small as about ⁇ 3.9%.
  • the FeCo alloy depends on the composition, its lattice constant is 2.87% or less, so the lattice mismatch between the FeCo alloy and Mn 3 Ga is about ⁇ 3.9%.
  • Cr also has an equivalent lattice constant, and the lattice mismatch between Cr and Mn 3 Ga is as small as about ⁇ 3.9%.
  • these simple substances or materials containing at least one element selected from the group of Fe, Co, and Cr are suitable as the Mn 3 Ga underlayer.
  • a second example of the underlayer 100 is MgAl 2 O 4 having a (001) -oriented spinel structure.
  • MgAl 2 O 4 has a lattice constant of about 8.09 in the a-axis direction. This is a lattice constant approximately twice that of Mn 3 Ga. If two unit lattices of Mn 3 Ga are used as a basic unit, Mn 3 Ga can be epitaxially grown on MgAl 2 O 4 with a small lattice misfit. In this case, the lattice mismatch with Mn 3 Ga is approximately ⁇ 3.6%.
  • the lattice constant can be adjusted by adjusting the composition of Mg and Al. Therefore, it is not always necessary to have a spinel structure, and any oxide containing Mg, Al, and O may be used.
  • a third example of the underlayer 100 is a (001) -oriented perovskite conductive oxide made of ABO 3 .
  • the site A includes at least one element selected from the group of Sr, Ce, Dy, La, K, Ca, Na, Pb, and Ba
  • the site B includes Ti, V, Cr, Mn, Fe, It contains at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Ga, Nb, Mo, Ru, Ir, Ta, Ce, Pb, and La.
  • SrTiO 3, or Nb to Ti sites SrTiO 3, Ru, or SrNbO 3 which La is substituted, SrLaO 3, SrRuO 3 is one of the lattice constant of about 3.9 ⁇ .
  • epitaxial growth is possible in an arrangement in which unit cell cubes are stacked on unit cell cubes. Furthermore, the lattice mismatch with Mn 3 Ga is as small as about 0.1%.
  • the underlayer 100 may be a multilayer film of first to third examples.
  • Cr / Fe / MgAl 2 O 4 , Fe / SrTiO 3 , Cr / Fe / SrRuO 3 , Cr / MgAl 2 O 4 , Cr / SrTiO 3 , or Cr / SrRuO 3 may be used.
  • the underlayer 100 is (001) -oriented and Ti, Zr, Nb, V, Hf, Ta, Mo, under the first to third examples.
  • the nitride layer may include at least one element selected from the group consisting of W, B, Al, Ce, and La.
  • it may be a layer of an oxide that has (001) orientation and includes at least one element selected from the group consisting of Mg, Zn, and Ti.
  • it may be a fluoride layer containing (001) orientation and containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, and Ba. It can also be arranged.
  • the underlayer 100 is Cr / MgO or Cr / TiN.
  • the magnetic layer 8 has an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the film surface.
  • Examples of the material used for the magnetic layer 8 include a metal having crystal orientation in (111) having a face-centered cubic structure (FCC) or (001) having a hexagonal close-packed structure (HCP), or a metal capable of forming an artificial lattice. Is used.
  • the metal crystallized by FCC (111) or the metal crystallized by HCP (001) includes one or more elements selected from the first group consisting of Fe, Co, Ni, and Cu, Pt, An alloy containing one or more elements selected from the second group consisting of Pd, Rh, and Au can be given. Specific examples include ferromagnetic alloys such as CoPd, CoPt, NiCo, and NiPt.
  • the material used for the magnetic layer 8 includes a single metal composed of at least one element selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni or an alloy (ferromagnetic film) containing at least one element, Cr , Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Os, Re, Au, and a single metal composed of at least one element selected from the group of, or an alloy (nonmagnetic film) containing at least one element; Is a structure in which are alternately stacked.
  • Examples thereof include a Co / Pt artificial lattice, a Co / Pd artificial lattice, a CoCr / Pt artificial lattice, a Co / Ru artificial lattice, Co / Os, Co / Au, and a Ni / Cu artificial lattice.
  • These artificial lattices can adjust the density of magnetic anisotropy and saturation magnetization by adding elements to the ferromagnetic film and adjusting the film thickness ratio of the ferromagnetic film and the nonmagnetic film.
  • the material used for the magnetic layer 8 was selected from the group of at least one element selected from the group of transition metals Fe, Co, and Ni and the group of rare earth metals Tb, Dy, and Gd.
  • Examples include alloys containing at least one element.
  • TbFe, TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo, GdTbCo, and the like can be given.
  • a multilayer structure in which these alloys are alternately laminated may be used. Specifically, a multilayer film such as TbFe / Co, TbCo / Fe, TbFeCo / CoFe or DyFe / Co, DyCo / Fe, DyFeCo / CoFe, and the like can be given.
  • These alloys can adjust the density of magnetic anisotropy and saturation magnetization by adjusting the film thickness ratio and composition.
  • the material used for the magnetic layer 8 includes at least one element selected from the first group consisting of Fe, Co, Ni, and Cu, and the second group consisting of Pt, Pd, Rh, and Au.
  • An alloy containing at least one selected element may be mentioned. Specific examples include ferromagnetic alloys such as FeRh, FePt, FePd, and CoPt.
  • Interface magnetic layer 4 In order to increase the magnetoresistance ratio of the magnetoresistive element, a material having a high spin polarizability is used for the interface magnetic layer adjacent to the MgO tunnel barrier layer.
  • the interface magnetic layer 4 and the interface magnetic layer 6 are preferably an alloy made of at least one metal selected from the group of Fe and Co.
  • an interfacial magnetic layer made of CoFe, a nonmagnetic layer made of MgO, and an interfacial magnetic layer made of CoFe are formed, an epitaxial relationship of CoFe (001) / MgO (001) / CoFe (001) is created. Can do. In this case, since the wave number selectivity of tunnel electrons can be improved, a large magnetoresistance ratio can be obtained.
  • the interfacial magnetic layer 4 and the interfacial magnetic layer 6 are epitaxially grown with (001) orientation with respect to MgO, a large magnetoresistance ratio can be obtained. Therefore, the interfacial magnetic layer 4 in contact with the nonmagnetic layer 5 made of MgO.
  • the interfacial magnetic layer 6 may expand and contract in the direction perpendicular to the film surface.
  • the interfacial magnetic layer 4 and the interfacial magnetic layer 6 are provided with Ni, B, Al, C, P, Ta, Ti, Mo, Si, W At least one element selected from the group of Nb, Nb, Mn, and Ge may be added. That is, the interfacial magnetic layer 4 and the interfacial magnetic layer 6 include at least one element selected from the group of Fe and Co, and Ni, B, Al, C, P, Ta, Ti, Mo, Si, W, Nb, and Mn. And an alloy containing at least one element selected from the group of Ge.
  • CoFeB CoFeSi, CoFeP, CoFeW, CoFeNb, CoFeAl, and the like can be given. These alloys have a spin polarizability equivalent to that of CoFeB.
  • the Co 2 FeSi, Co 2 MnSi may be a Heusler metal such as Co 2 MnGe. Heusler metal is suitable for the interfacial magnetic layer because it has the same or higher spin polarizability as CoFeB.
  • Nonmagnetic layer 5 When the nonmagnetic layer 5 is an insulating material, a tunnel barrier layer is used.
  • the material of the tunnel barrier layer include oxides containing at least one element selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Zn, and Ti. Specific examples include MgO, AlO, ZnO, SrO, or TiO.
  • the tunnel barrier layer may be a mixed crystal of two or more materials selected from the group of oxides described above or a stacked structure thereof. Examples of mixed crystals are MgAlO, MgZnO, MgTiO, MgCaO, and the like.
  • Examples of the two-layer structure of the tunnel barrier layer include MgO / ZnO, MgO / AlO, TiO / AlO, and MgAlO / MgO.
  • Examples of the tunnel barrier layer having a three-layer structure include AlO / MgO / AlO, ZnO / MgO / ZnO, and MgAlO / MgO / MgAlO. The left side of the symbol “/” indicates the upper layer, and the right side indicates the lower layer.
  • the tunnel barrier layer may be either crystalline or amorphous.
  • the scattering of electrons in the tunnel barrier is suppressed, so the probability that electrons selectively tunnel through the ferromagnetic layer while preserving the wave number increases, and the magnetoresistance ratio is increased. Can be bigger. Therefore, a tunnel barrier containing a large amount of crystal is more desirable from the viewpoint of obtaining a large magnetoresistance ratio.
  • Nonmagnetic layer 3 When the nonmagnetic layer 3 is not provided, the elements constituting the magnetic layer 2 diffuse to the nonmagnetic layer 5 side, so that the diffusing elements are segregated between the nonmagnetic layer 5 and the interfacial magnetic layer 4 and the magnetoresistive element. The rate of change in magnetoresistance is reduced. For example, when the magnetic layer 2 is composed of two or more elements, the composition of the magnetic layer 2 is shifted by the amount of the diffused element. For this reason, as the magnetic layer 2, desired magnetic characteristics cannot be obtained, and if the density of states changes, it leads to alteration of electric conduction characteristics.
  • the nonmagnetic layer 3 is adjacent to the magnetic layer 2 of an alloy containing at least one element selected from the group consisting of Mn and Ga, Ge, and Al, and the interfacial magnetic layer 4 containing at least one of Fe and Co.
  • the nonmagnetic layer 3 is composed of elements that do not dissolve in Mn, Ga, Ge, Al, Fe, and Co. It is desirable that it is 15 atom% or less.
  • Fig. 9 shows the state diagram of Ba and Ga (BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL.1 Ed. TB Massalski, 1986 p.409)
  • Fig. 10 shows the state diagram of Ba and Mn (BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL.1 Ed). TB Massalski, 1986 p.420)
  • FIG. 11 shows the phase diagram of Ba and Fe (BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS, II Ed., VOL.1 Ed. TB Massalski, 1990 p.577).
  • Ba does not form a solid solution with Ga but constitutes an intermetallic compound. Therefore, it is suggested that Ba and Ga are a combination of elements that are difficult to dissolve.
  • Ba and Mn are phase-separated and do not mix.
  • Ba is also phase-separated from Fe and does not mix.
  • Mg is a state diagram with Mn shown in FIG. 12 (BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL.2 Ed. TB Massalski, 1986 p.1523) and a state diagram with Ga shown in FIG. 13 (BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL. 2 Ed. TB Massalski, 1986 p.1143), the solid solution composition range is extremely narrow, about 0.1 atom%.
  • FIG. 14 shows that Mg and Fe are phase separated and do not mix.
  • Mn, Ga, Ge, Al, Fe, and Co are composed of elements that do not form a solid solution. Even if solid solution is used, the solid solution composition range is preferably 15 atom% or less. Elements satisfying this condition are Mg, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, or B. Among these, there is no report example of the phase diagram in each of the combination of Ba and Co, the combination of Sr and Co, and the combination of Sr and Fe.
  • the element constituting the nonmagnetic layer 3 is at least one selected from the group consisting of Mg, Ba, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, and B.
  • An alloy containing one element, a boride containing a selected element, or a laminate thereof is desirable.
  • N is an element other than the above elements such as Mn, Ga, Al, Fe, and Co that are difficult to dissolve
  • elements constituting the nonmagnetic layer 3 are Mg, Ba, Ca, C, Sr. , Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er
  • a nitride containing at least one element selected from the group of B are Mn, Ga, Al, Fe, and Co in solid solution Expected to be a difficult material.
  • the element constituting the nonmagnetic layer 3 is at least selected from the group consisting of Mg, Ba, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, and B. It may be a nitride containing one element.
  • the elements constituting the nonmagnetic layer 3 are Mg, Ba, Ca, C, Sr. , Sc, Y, Nb, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, and a carbide containing at least one element selected from the group consisting of B is a solid solution of Mn, Ge, Al and Fe, Co It is expected to be a difficult material.
  • the element constituting the nonmagnetic layer 3 is at least selected from the group consisting of Mg, Ba, Ca, C, Sr, Sc, Y, Gd, Tb, Dy, Ce, Ho, Yb, Er, and B.
  • a carbide containing one element may be used.
  • Hf, Mo, W, Ti, Zr, and Nb by themselves cannot provide a large diffusion suppressing effect with respect to Mn, Ga, Ge, Al, Fe, and Co.
  • it since it is an element that does not form a complete solid solution with Mn, Ga, Ge, Al, Fe, and Co, it does not have the property of dissolving at the atomic level in the entire composition range. Therefore, for example, HfB, HfN, MoB, MoN, WB, WC, TiN, ZrN, TiB, NbN, NbB, etc. which have stabilized chemical bonds by combining with B, N, C are also Mn, Ga, Ge, Al , Fe and Co can be expected to be hardly dissolved, and can be expected as an element constituting the nonmagnetic layer 3.
  • Example 1 As a perpendicular magnetization MTJ element according to the example, an MTJ element 1 having perpendicular magnetization according to the first embodiment shown in FIG. 15 was prepared.
  • the MTJ element 1 according to this embodiment includes an underlayer 100, a magnetic layer 2, a nonmagnetic layer 3, an interface magnetic layer 4, a nonmagnetic layer 5, an interface magnetic layer 6, and a magnetic layer on an MgO single crystal substrate (not shown).
  • the layer 8 and the cap layer 11 are stacked in this order.
  • the magnetic layer 2 has a thickness of 30 nm, MnGa
  • the nonmagnetic layer 3 has a metal containing at least one element selected from the group consisting of Cr, Ta, Pt, and Mg
  • the interface magnetic layer 4 has a thickness. Used 1.7B of FeB.
  • the interface magnetic layer 6 was made of 2.0 nm FeB
  • the magnetic layer 8 was made of a magnetic material containing CoPt.
  • An MgO tunnel barrier layer was used as the non
  • the TMR ratio at room temperature of the vertical MTJ prepared by changing the thickness of the nonmagnetic layer 3 was measured. The result is shown in FIG.
  • the vertical MTJ using Mg for the nonmagnetic layer 3 has an increased TMR ratio by increasing the Mg film thickness of the nonmagnetic layer 3.
  • the TMR ratio is 104%.
  • Mg is an element that is difficult to mix with a solid solution composition of less than 1 atom% with Mn or Ga. Therefore, it is considered that the use of Mg for the nonmagnetic layer 3 can suppress the diffusion of Mn and Ga constituting the magnetic layer 2 and increase the TMR ratio.
  • Mn is a combination of elements in which the solid solution width is less than about 1 atom% and it is difficult to form a solid solution, but Ga forms a solid solution in a composition range of about 18 atom%. That is, it is desirable that at least the elements forming the nonmagnetic layer 3 with Mn and Ga have a total width of the composition capable of forming a solid solution of 15 atom% or less.
  • Such a concept is also applied to Fe constituting the interfacial magnetic layer 4 and elements constituting the nonmagnetic layer 3. If the interfacial magnetic layer 4 and the nonmagnetic layer 3 are a combination of elements that are easily dissolved, the elements diffuse into the interfacial magnetic layer 4 due to mutual diffusion of the constituent elements, and the spin polarizability is reduced. In view of the above, it is desirable that the elements constituting the nonmagnetic layer 3 have a total sum of the composition widths capable of forming a solid solution with the elements constituting the magnetic layer 2 and the interfacial magnetic layer 4 being 15 atom% or less.
  • any of the magnetoresistive elements (MTJ elements) of the first to fourth embodiments and their modifications can be applied to an MRAM.
  • the memory element constituting the MRAM includes a memory layer in which the magnetization (or spin) direction is variable (inverted), a reference layer in which the magnetization direction is unchanged (fixed), and sandwiched between the memory layer and the reference layer A nonmagnetic layer is provided.
  • the magnetization direction of the reference layer is unchanged means that a magnetization reversal current used for reversing the magnetization direction of the storage layer is passed between the reference layer and the storage layer of the MTJ element. It means that the magnetization direction of the layer does not change.
  • a magnetic layer having a large reversal current is used as one magnetic layer (reference layer), and a magnetic layer having a reversal current smaller than that of the magnetic layer serving as the reference layer is used as the other magnetic layer (memory layer).
  • reference layer a magnetic layer having a large reversal current
  • memory layer a magnetic layer having a reversal current smaller than that of the magnetic layer serving as the reference layer.
  • the MRAM of the fifth embodiment is a spin injection writing type MRAM.
  • the MRAM of the fifth embodiment has a plurality of memory cells.
  • FIG. 17 shows a cross section of the main part of one memory cell of the MRAM of this embodiment.
  • Each memory cell includes the magnetoresistive element of any one of the first to fourth embodiments and their modifications as a memory element.
  • the storage element is the MTJ element 1 of the first embodiment will be described as an example.
  • the upper surface of the MTJ element 1 is connected to the bit line 32 via the upper electrode 31.
  • the lower surface of the MTJ element 1 is connected to the drain region 37 a of the source / drain regions on the surface of the semiconductor substrate 36 through the lower electrode 33, the extraction electrode 34, and the plug 35.
  • the drain region 37 a constitutes a selection transistor Tr together with the source region 37 b, the gate insulating film 38 formed on the substrate 36, and the gate electrode 39 formed on the gate insulating film 38.
  • the selection transistor Tr and the MTJ element 1 constitute one memory cell of the MRAM.
  • the source region 37 b is connected to another bit line 42 through the plug 41.
  • a plug 35 may be provided below the lower electrode 33, and the lower electrode 33 and the plug 35 may be directly connected.
  • the bit lines 32 and 42, the electrodes 31 and 33, the extraction electrode 34, and the plugs 35 and 41 are made of W, Al, AlCu, Cu, or the like.
  • a memory cell array of MRAM is formed by providing a plurality of memory cells shown in FIG. 17 in a matrix, for example.
  • FIG. 18 is a circuit diagram showing the main part of the MRAM of this embodiment.
  • a plurality of memory cells 53 composed of MTJ elements 1 and selection transistors Tr are arranged in a matrix.
  • One terminal of the memory cells 53 belonging to the same column is connected to the same bit line 32, and the other terminal is connected to the same bit line 42.
  • the gate electrodes (word lines) 39 of the selection transistors Tr of the memory cells 53 belonging to the same row are connected to each other and further connected to the row decoder 51.
  • the bit line 32 is connected to a current source / sink circuit 55 via a switch circuit 54 such as a transistor.
  • the bit line 42 is connected to a current source / sink circuit 57 via a switch circuit 56 such as a transistor.
  • the current source / sink circuits 55 and 57 supply a write current to the connected bit lines 32 and 42 and draw the write current from the connected bit lines 32 and 42.
  • the bit line 42 is also connected to the read circuit 52.
  • the read circuit 52 may be connected to the bit line 32.
  • the read circuit 52 includes a read current circuit, a sense amplifier, and the like.
  • the switch circuits 54 and 56 connected to the memory cell to be written and the selection transistor Tr are turned on to form a current path through the target memory cell.
  • One of the current source / sink circuits 55 and 57 functions as a current source and the other functions as a current sink according to information to be written. As a result, a write current flows in a direction corresponding to information to be written.
  • the writing speed it is possible to perform spin injection writing with a current having a pulse width of several nanoseconds to several microseconds.
  • a read current that is small enough not to cause magnetization reversal is supplied to the MTJ element 1 specified in the same manner as the writing by the read current circuit.
  • the sense amplifier of the read circuit 52 determines the resistance state by comparing a current value or a voltage value caused by a resistance value according to the magnetization state of the MTJ element 1 with a reference value.
  • the MRAM has been described with respect to the application examples of the magnetoresistive elements according to the first to fourth embodiments and the modifications thereof.
  • the magnetoresistive elements according to the first to fourth embodiments and the modifications thereof are not limited thereto. It can be applied to all devices using the TMR effect.

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Abstract

［課題］垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子およびこれを用いた磁気メモリを提供する。 ［解決手段］本実施形態の磁気抵抗素子は、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられた第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む第２非磁性層と、を備えた積層構造を有する。

Description

磁気抵抗素子および磁気メモリ
　本発明の実施形態は、磁気抵抗素子および磁気メモリに関する。
　磁気抵抗素子（magnetoresistive element）としてのＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、第１強磁性層、トンネルバリア層、および第２強磁性層の積層構造を有している。このＭＴＪ素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を示すことが知られており、１００Ｍｂｐｓｉ（bits per square inch）級のＨＤＤ（Hard Disk Drive）用ヘッドまたは磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に応用されている。
　ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子に含まれる強磁性層の磁化の相対角度の変化により情報（“１”、又は“０”）を記憶するため、不揮発性である。また、強磁性層の磁化反転速度は、数ナノ秒であることから、データの高速書き込み、高速読み出しが可能である。従って、ＭＲＡＭは、次世代の高速不揮発性メモリとして期待されている。また、スピン分極電流により磁化を制御するスピン注入磁化反転と呼ばれる方式を利用すれば、ＭＲＡＭのセルサイズを低減することが可能となり、電流密度を増加させることができる。このため、容易に磁性層の磁化の反転を実現でき、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを構成することが可能である。
　さらに近年では、ＭｇＯをトンネルバリア層に用いることで１０００％もの磁気抵抗比が得られることが理論的に示され、これが注目を集めている。これは、ＭｇＯを結晶化させることにより、強磁性層から特定の波数を持った電子が波数を保存したまま選択的にトンネル伝導することで可能となる。このとき、特定の結晶方位でスピン分極率が大きな値を示すため、巨大な磁気抵抗効果が発現する。ＭＴＪ素子の磁気抵抗効果を大きくすることが、ＭＲＡＭの高密度化、低消費電力化に直結する。
　一方、不揮発性メモリの高密度化を考えた場合、磁気抵抗素子の高集積化は欠かせない。しかし、磁気抵抗素子を構成する強磁性層は、素子サイズの低減化に伴い熱擾乱耐性が劣化するため、如何にして強磁性体の熱擾乱耐性を向上させるかが課題となる。
　この問題を解決するために近年、強磁性層の磁化が膜面に垂直な方向を向く垂直磁化ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。垂直磁化ＭＴＪ素子では、一般的に結晶磁気異方性エネルギーの大きな材料を強磁性層に用いる。このような材料は、磁化が特定の結晶方向を向いており、構成元素の組成比、結晶性を変化させることで結晶磁気異方性エネルギーの大きさを制御することができる。よって、結晶の成長方向を変化させることにより磁化の方向を制御することができる。また、強磁性体自身が高い結晶磁気異方性エネルギーを有するので素子のアスペクト比が１に設定でき、さらに熱擾乱耐性が高いので、集積化に適している。これらのことを鑑みると、ＭＲＡＭの高集積化、および低消費電力化を実現するには、大きな磁気抵抗効果を発現する垂直磁化ＭＴＪ素子を作成することが重要である。
特開２０１１－１１９７５５号公報
　本実施形態は、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子およびこれを用いた磁気メモリを提供する。
　本実施形態の磁気抵抗素子は、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられた第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む第２非磁性層と、を備えた積層構造を有する。
第１実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第１実施形態の変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 第２実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第２実施形態の変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 第３実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第３実施形態の変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 第４実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第４実施形態の変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 ＢａとＧａの状態図。 ＢａとＭｎの状態図。 ＢａとＦｅの状態図。 ＭｇとＭｎの状態図。 ＭｇとＧａの状態図。 ＭｇとＦｅの状態図 実施例の磁気抵抗素子を示す断面図。 実施例の磁気抵抗素子におけるＴＭＲ比の非磁性層の厚さ依存性を示す図。 第５実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図。 第５実施形態の磁気メモリの主要部を示す回路図。
　以下、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、同一の機能および構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合に行う。
（第１実施形態）
　第１実施形態による磁気抵抗素子を図１に示す。図１は第１実施形態の磁気抵抗素子１の断面図である。この実施形態は磁気抵抗素子１であって、下地層１００上に、磁性層２、非磁性層３、界面磁性層４、非磁性層５（以下、トンネルバリア層５とも云う）、界面磁性層６、非磁性層７、磁性層８の順で積層された構造を有している。磁気抵抗素子１の抵抗値はトンネルバリア層５を介して配される二つの磁性層２、８の磁化方向の角度により決まる。外部磁場或いは磁気抵抗素子に流す電流により磁化方向の角度を制御することが出来る。その際、二つの磁性層２、８に保磁力或いは磁気異方性エネルギーの大きさに差を付けることにより、より安定的に磁化方向の角度を制御することが可能となる。磁性層２および磁性層８はそれらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。
　本実施形態の磁気抵抗素子１は、磁性層２および磁性層８の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化磁気抵抗素子である。なお、本明細書では膜面とは、積層方向に直交する面を意味する。また、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。これに対して困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。
　また、界面磁性層６と磁性層８は、非磁性層７を介して磁気的に結合した状態にある。例えば、界面磁性層６と磁性層８が非磁性層７を介して強磁性的な磁気結合をしている場合は、界面磁性層６と磁性層８の磁化の向きは等しい。また、界面磁性層６と磁性層８が非磁性層７を介して反強磁性的な磁気結合をしている場合は、界面磁性層６と磁性層８の磁化の向きは互いに反対の方向を向いている。
　また、界面磁性層４と磁性層２も、界面磁性層６および磁性層８と同様な磁気結合をしている。つまり、非磁性層３を介して磁気的に結合した状態にある。例えば、界面磁性層４と磁性層２が非磁性層３を介して強磁性的な磁気結合をしている場合は、界面磁性層４と磁性層２の磁化の向きは等しい。また、界面磁性層４と磁性層２が非磁性層３を介して反強磁性的な磁気結合をしている場合は、界面磁性層４と磁性層２の磁化の向きは互いに反対の方向を向いている。
　磁性層２および磁性層８のうちの一方の磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１に流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変であり、他方の磁性層は可変である。不変である磁性層を参照層とも称し、可変である磁性層を記憶層と称す。本実施形態においては、例えば、磁性層２を記憶層、磁性層８を参照層とする。なお、書き込み電流は、磁性層２と磁性層８との間に膜面に垂直方向に流す。
　磁性層２が記憶層、磁性層８が参照層であってかつ磁性層２の磁化の方向と磁性層８の磁化の方向が反平行（逆の方向）な場合には、磁性層２から磁性層８に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は磁性層８から非磁性層７、界面磁性層６、非磁性層５、および非磁性層３を通って磁性層２に流れる。そして、磁性層８を通ることによりスピン偏極された電子は磁性層２に流れる。磁性層２の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は磁性層２を通過するが、磁性層２の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、磁性層２の磁化の方向が磁性層８の磁化と同じ方向に向くように働く。これにより、磁性層２の磁化の方向が反転し、磁性層８の磁化の方向と平行（同じ方向）になる。
　これに対して、磁性層２の磁化の方向と磁性層８の磁化の方向が平行な場合には、磁性層８から磁性層２に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は磁性層２から非磁性層３、界面磁性層４、非磁性層５、界面磁性層６、および非磁性層７を通って磁性層８に流れる。そして、磁性層２を通ることによりスピン偏極された電子は磁性層８に流れる。磁性層８の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は磁性層８を通過するが、磁性層８の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、磁性層８との界面で反射され、通ってきた元の経路と逆の経路を通って磁性層２に流れ込む。これにより、磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、磁性層２の磁化の方向が強磁性層８の磁化と反対方向に向くように働く。これにより、磁性層２の磁化の方向が反転し、磁性層８の磁化の方向と反平行になる。
　磁気抵抗素子１の抵抗値は磁性層２と磁性層８の磁化の相対角度に依存し、相対角度が反平行状態における抵抗値から平行状態における抵抗値を引いた値を平行状態における抵抗値で割った値を磁気抵抗変化率と称する。
　磁性層２は、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む合金である。一例を挙げれば、ＭｎとＧａの合金であるＭｎＧａはその組成に対して飽和磁化量を変化させることができる。また、磁気異方性エネルギーの大きさが約１０（Ｍｅｒｇ／ｃｃ）と大きな、垂直磁化材料である。更に、磁化反転のし易さの指標の一つである磁気摩擦定数（Gilbert damping constant）の値は組成に依存するが、おおよそ０．００８～０．０１５との報告がある（例えば、S. Mizukami, F. Wu, A. Sakuma, J. Walowski, D. Watanabe, T. Kubota, X. Zhang, H. Naganuma, M. Oogane, Y. Ando, and T. Miyazaki, “Long-Lived Ultrafast Spin Precession in Manganese Alloys Films with a Large Perpendicular Magnetic Anisotropy”, Phys. Rev. Lett. 106, 117201 (2011)）。
　一般に、磁気摩擦定数は材料のスピン軌道相互作用の大きさと相関があり、原子番号の大きな材料ではスピン起動相互作用が大きく、磁気摩擦定数も大きい傾向がある。ＭｎＧａは軽元素で構成されている材料であるため磁気摩擦定数が小さい。したがって磁化反転に必要なエネルギーが少なくて済むため、スピン偏極した電子によって磁化を反転させるための電流密度を大幅に低減できる。
　このように、ＭｎＧａは低い飽和磁化、高い磁気異方性エネルギー、低い磁気摩擦定数を有する垂直磁化材料であることから、磁気抵抗素子の記憶層に適している。
　磁性層８は、一例を挙げれば、ＣｏとＰｔの合金、Ｔｂ，Ｄｙ，Ｓｍ、Ｇｄなどの希土類元素と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの磁性元素とを含む合金、またはこれらの合金の積層体（人工格子）である。具体的には、磁性層８は、例えばＣｏＰｔ、またはＴｂＣｏ、ＴｂＣｏＦｅである。これらは大きな磁気異方性エネルギーを有し且つ磁化反転のし易さの指標の一つである磁気摩擦定数の値が大きいために参照層に適している。
　界面磁性層４および界面磁性層６はスピン分極率の大きな材料が用いられる。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素を含む強磁性体である。更にはＢ、Ｃ、Ｐなどの元素を添加させてアモルファス化させた強磁性体であるＦｅＢ、ＣｏＢ、ＮｉＢ、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＮｉＢなどが挙げられる。Ｂ、Ｃ、Ｐなどの元素は界面磁性層４および界面磁性層６の母金属であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉに比べて原子半径が小さい。このため、上記元素が少量添加された場合は結晶格子間に侵入しアモルファス化を促進することが知られている。母金属であるＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉに対して最大２５ａｔｏｍ％程度、上記元素を添加することでアモルファス強磁性体を得ることができる。このように強磁性体をアモルファスさせることで平坦性に優れた表面を有する電極を形成することも期待される。
　また、界面磁性層４および界面磁性層６の飽和磁化量を制御する目的でＡｌ、Ｃｕなどの非磁性元素を添加する場合もある。界面磁性層４は非磁性層５との界面磁気異方性により、あるいは非磁性層３を介した磁性層２との磁気的な結合により、界面磁性層４の磁化を垂直に維持させる。界面磁性層４の厚さが厚くなると垂直磁化を維持できなくなる。その厚さは最大でもおよそ２ｎｍ程度であることから、界面磁性層４の膜さは２．０ｎｍ未満であることが望ましい。
　非磁性層３は磁性層２と界面磁性層４の間に配置される。磁性層２を構成する元素が非磁性層５側に拡散することにより、非磁性層５と界面磁性層４との間に拡散元素が偏析し磁気抵抗素子１の磁気抵抗変化率を減少させてしまう。あるいは、例えば、磁性層２が２種類以上の元素から成る場合は、抜けだした元素の分だけ組成がずれてしまうために望むべき磁気特性が得られないし、状態密度が変化してしまえば電気伝導特性の変質にもつながる。したがって、非磁性層３を挿入することで磁性層２からの元素の拡散を抑制させることができる。
　磁気抵抗素子のＴＭＲ比を向上させる目的においては、トンネルバリアに隣接した例えばＣｏＦeＢなどのアモルファス磁性膜と、Ｌ１０に規則化したＰｔＦeなど垂直磁化膜の間に結晶化促進層を設け、アモルファス磁性膜ＣｏＦeＢの結晶配向方向を制御するという試みは報告されている（例えば、特開２０１１－１１９７５５号公報）。しかし、ＴＭＲ比はトンネルバリアに隣接する結晶配向方向のみならず、磁気抵抗素子を構成する元素の拡散の影響を強く受ける。しかも、元素の拡散を効率的に抑制するためには、磁気抵抗素子を構成する磁性層に最適な元素の組み合わせを見出すことが極めて重要である。
　本願発明者達は、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも１つの元素と、を含む合金を有する磁性層２、およびＦｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも一つの元素含む界面磁性層４を備えた磁気抵抗素子について、最適となる非磁性層３の材料を見出すことで高ＴＭＲ化を実現する。
　界面磁性層４は非磁性層５との界面磁気異方性、あるいは非磁性層３を介した磁性層２との磁気的な結合により垂直磁化を維持する。非磁性層３の厚さが厚くなると界面磁性層４との磁気結合が弱くなってしまうため垂直磁化を維持できなくなる。界面磁性層４との磁気結合を維持させることのできる非磁性層３の厚さは最大でもおよそ２ｎｍ程度であることから、非磁性層３の膜厚は２．０ｎｍ未満であることが望ましい。又、特に、磁性層２がＭｎと、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌの群から選択された少なくとも一つの元素を含む合金である場合、Ｍｎ、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌとは固溶し難い元素で非磁性層３が構成されていることが望ましい。更に、非磁性層３は、界面磁性層４を構成する元素となるＦｅおよびＣｏと固溶し難いことが望ましい。
　磁気抵抗素子は磁性体、非磁性体、絶縁体等の薄膜を積層させた多層膜で構成される。この多層膜には、積層する磁性層同士、磁性層と下地層、磁性層とトンネルバリア層などさまざまな界面が存在する。元素の組み合わせによってはこの界面で金属間化合物を形成する。また、全率固溶系の状態図の元素の組み合わせでは、原子レベルに混ざり合い、融け合うことで一つの固相となって固溶体を形成する。一方、共晶系、分離系の状態図の元素の組み合わせでは元素同士は互いにはじき合い混ざり合いにくいために明瞭な界面が形成されることが期待される。磁気抵抗素子では元素が混ざり合わないような人工格子生成のための最適な組み合わせを選択する手法を採用することがある。したがって、分離系の状態図の元素の組み合わせが好ましい。また、界面を構成する元素同士が金属間化合物を形成する組み合わせの場合は、金属間化合物はそれ自体が安定であるために、それ以上は拡散しないと考えられる。したがって、非磁性層３と磁性層２及び界面磁性層４との間で拡散し難い元素の組み合わせとして、分離系の状態図の元素の組み合わせ、金属間化合物を形成する組み合わせ、或いはなるべく固溶体を形成し難い元素の組み合わせが望ましい。元素によっては、一部の組成領域でのみ固溶体を形成するなど、上記に挙げた状態図を組み合わせたような性質を有する２元合金も存在する。ここで、固溶体を形成し難い元素の組み合わせとは、仮に固溶体を形成するとしても、状態図における固溶体形成領域が所定の温度で有する固溶組成の幅の総和が１５ａｔｏｍ％以下であると定義する。この所定の温度は室温から加熱処理温度の間の温度である。
　これらの条件を満たす元素は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、またはＢである。したがって非磁性層３を構成する元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された元素を少なくとも一つ含む合金、あるいは上記元素のホウ化物、窒化物、炭化物或いはこれらの積層体であることが望ましい。
　非磁性層７は、磁性層８と界面磁性層６との間に配置され、非磁性層３と同様の機能を有する。
　非磁性層５は、例えばＭｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｔｉの群から選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物、窒化物、またはこれらの混合物である。例えば、ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ、ＡｌＣａＯ、ＣａＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＡｌＺｎＯ、ＡｌＮ或いはこれらの積層体である。この積層体として、例えば、ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯ／ＭｇＡｌＯ、ＡｌＮ／ＡｌＯ、ＡｌＮ／ＭｇＯなどであってもよい。また、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕの群から選択された少なくとも１つの元素を含む非磁性金属であってもよい。非磁性層５は、酸化物や窒化物のように絶縁性を有する場合は流した電流はトンネル効果により非磁性層５を通過するため、得られる磁気抵抗効果はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）である。また非磁性層５がＣｕ、Ａｇ、Ａｕの群から選択された元素を少なくとも一つ含む非磁性金属で構成される場合は、非磁性層５を通過する電流はオーミックな伝導であるため、得られる磁気抵抗効果は巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）である。
　以上説明したように、第１実施形態によれば、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
　（変形例）
　第１実施形態の変形例による磁気抵抗素子を図２に示す。この変形例の磁気抵抗素子１Ａは、下地層１００上に形成される層の積層順序が図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１とは逆になっている。すなわち、下地層１００上に、磁性層８、非磁性層７、界面磁性層６、非磁性層５、界面磁性層４、非磁性層３、および磁性層２がこの順序で積層された構造を有している。
　この変形例も第１実施形態と同様に、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
（第２実施形態）
　第２実施形態による磁気抵抗素子の断面を図３に示す。この第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、非磁性層７および磁性層８をそれぞれ、非磁性層７ａおよび磁性層８ａに置き換えた構成を有している。すなわち、下地層１００上に、磁性層２、非磁性層３、界面磁性層４、非磁性層５、界面磁性層６、非磁性層７ａ、および磁性層８ａがこの順序で積層された構造を有している。
　この第２実施形態においては、磁性層２、非磁性層３、界面磁性層４、非磁性層５、および界面磁性層６は、第１実施形態で説明した材料が用いられる。
　磁性層８ａは、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む合金である。例えば、ＭｎとＧａの合金であるＭｎＧaはその組成を調整することで飽和磁化、結晶磁気異方性の制御をすることが可能であり、Ｇａに対してＭｎ組成を減らすことにより一般に飽和磁化と磁気異方性を増大させることができる。このため、ＭｎとＧａの組成の異なるＭｎＧaを、磁性層２および磁性層８ａに用いることにより、一方の磁性層は磁化反転し易く、他方の磁性層は磁化反転しにくくすることができる。また、例えば、磁性層８ａの一例として、ＭｎとＧｅの合金であるＭｎ３Ｇｅが挙げられる。Ｍｎ３Ｇｅは大きなスピン分極率を有する材料でありなお且つ大きな磁気異方性をもち、低飽和磁化である。磁化反転のし易さの指標の一つである磁気摩擦定数の値は大きいので参照層に適している。このように構成することにより、スピン注入電流による磁化反転が可能になる。
　第１実施形態と同様に、非磁性層３および非磁性層７ａは、Ｍｎ、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌと、界面磁性層４、界面磁性層６を構成するＦｅおよびＣｏとは固溶し難い元素で構成されていることが望ましく、仮に固溶するとしても固溶濃度は１５ａｔｏｍ％以下であることが望ましい。この条件を満たす元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、またはＢが挙げられる。したがって、非磁性層７ａとしては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む合金、或いは上記選択された元素のホウ化物、窒化物或いは炭化物が挙げられる。また、非磁性層３および非磁性層７ａとしては、上記ホウ化物または上記窒化物或いは炭化物の積層体であってもよい。
　この第２実施形態も第１実施形態と同様に、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
　（変形例）
　また、図４に示すように、第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｂの積層順序が逆となる積層構造を有している変形例の磁気抵抗素子であってもよい。この変形例の磁気抵抗素子１Ｃは、下地層１００上に、磁性層８ａ、非磁性層７ａ、界面磁性層６、非磁性層５、界面磁性層４、非磁性層３、および磁性層２がこの順序で積層された積層構造を有する。
　この変形例も垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
（第３実施形態）
　第３実施形態による磁気抵抗素子の断面を図５に示す。この第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｄは、下地層１００上に、磁性層２、非磁性層３ａ、界面磁性層４、非磁性層５、磁性層８ａの順で積層された構造を有している。非磁性層３ａは、磁性層２上に、非磁性膜３ａ１、非磁性膜３ａ２がこの順序で積層された構造を有している。
　磁性層２および磁性層８ａは、例えば、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌの群から選択された少なくとも一つの元素を含む合金である。
　非磁性膜３ａ１は磁性層２からの元素拡散を抑制する機能を有していることが望ましい。このため、非磁性層３ａ１は、Ｍｎ、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌとは固溶しない元素で構成されていることが望ましく、仮に固溶するとしても固溶濃度が１５ａｔｏｍ％以下であることが望ましい。この条件を満たす元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、またはＢが挙げられる。したがって、非磁性膜３ａ１を構成する元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む合金、或いは上記元素のホウ化物または窒化物或いは炭化物であることが好ましい。また、上記ホウ化物または窒化物或いは炭化物の積層体であることが望ましい。
　非磁性膜３ａ２は、界面磁性層４の結晶配向を制御する機能を備えていることが望ましい。非磁性膜３ａ２としては、例えば０．３ｎｍ以下の極薄のＴａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、およびＨｆの群から選択された少なくとも一つの元素を含む合金、またはこれらの元素の窒化物、ホウ化物である。非磁性膜３ａ２を設けることにより、例えばＦｅＢからなる界面磁性層４に含まれるＢ元素を非磁性膜３ａ２に吸収させる。これにより、界面磁性層４のＦｅＢは、例えばＭｇＯからなる非磁性層５との界面側から優先的に結晶化しやすくなる。これにより、ＭｇＯからなる非磁性層５とＦｅＢからなる界面磁性層４とはミスマッチの少ない界面を形成することができる。清浄な界面は転位や格子欠陥が少ないと考えられるので、トンネル電流は電子の散乱を受けにくくなり大きなＴＭＲが得られる。
　第１実施形態と同様に、界面磁性層４としてはスピン分極率の大きな材料が用いられる。
　この第３実施形態も、第１実施形態と同様に、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
　（変形例）
　第３実施形態の変形例による磁気抵抗素子の断面を図６に示す。この変形例の磁気抵抗素子１Ｅは、図５に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｄにおいて、磁性層８ａを磁性膜８ａ１および磁性膜８ａ２の積層構造に置き換えた構成を有している。磁性膜８ａ１は非磁性層５上に設けられ、磁性膜８ａ２は磁性膜８ａ１上に設けられる。例えば、磁性膜８ａ１としては、高いスピン分極率を有すると予想されるＭｎ３Ｇｅが用いられる。トンネル磁気抵抗効果はトンネルバリアと隣接する強磁性体のスピン分極率に依存する。このため１非磁性層５と、Ｍｎ３Ｇｅの磁性膜８ａ１とを隣接させることで高い磁気抵抗比を得ることができる。また、磁性膜３ａ２としては、高い磁気異方性を示すＭｎＧａを用いる。この変形例のように、磁性膜８ａとして、磁性膜８ａ１と磁性膜８ａ２の積層体を用いることにより、大きなスピン分極率を有する垂直磁化層を得ることができる。
　この変形例も第１実施形態と同様に、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
　なお、第１および第２実施形態の変形例のように、第３実施形態およびその変形例の磁気抵抗素子において、下地層１００上に設けられる各層の積層順序を逆にした積層構造であってもよい。
（第４実施形態）
　第４実施形態による磁気抵抗素子の断面を図７に示す。この第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｆは、図５に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｄにおいて、磁性層８ａ上に設けられた非磁性層９と、この非磁性層９上に設けられた磁性層１０とを新たに備えた構成を有している。磁性層１０はバイアス層とも呼ばれる。このバイアス層１０により、参照層となる磁性層８からの漏れ磁場による、磁性層２、非磁性層３ａ、および界面磁性層４からなる記憶層の反転電流のシフトを緩和および調整することが可能となる。
　非磁性層９は、磁性層８ａと磁性層１０とが熱工程によって混ざらない耐熱性を備えるとともに、磁性層１０を形成する際の結晶配向を制御する機能を備えていることが望ましい。更に、非磁性層９の膜厚が厚くなると磁性層１０と、記憶層となる磁性層２との距離が離れるため、磁性層１０から記憶層に印加されるシフト調整磁界が小さくなってしまう。このため、非磁性層９の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。
　磁性層１０は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する、強磁性材料から構成される。磁性層１０は、参照層に比べて記憶層から離れているため、記憶層に印加される漏れ磁場を磁性層１０によって調整するためには、磁性層１０の膜厚、或いは飽和磁化の大きさを調整し参照層の漏れ磁場より大きくする設定する必要がある。すなわち、本発明者達の研究結果によれば、参照層の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ２、Ｍｓ２とし、磁性層１０の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ２２、Ｍｓ２２とすると、以下の関係式を満たす必要がある。
　　　　Ｍｓ２×ｔ２＜Ｍｓ２２×ｔ２２　
　この第４実施形態も第１実施形態と同様に、第３実施形態と同様に、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
　また、バイアス層となる磁性層１０は、図６に示す第３実施形態の変形例の磁気抵抗素子１Ｅ、１Ｄまたは第１乃至第２実施形態のいずかの磁気抵抗素子１、１Ｂ、１Ｃにも適用することができる。
　（変形例）
　図８に示すように、第４実施形態の変形例による磁気抵抗素子１Ｇとして、非磁性層９を削除するとともに、磁性層１０を、磁性層２と反対側の下地層１００の面に設けてもよい。
　この変形例も第４実施形態と同様に、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
　次に、上記第１乃至第４実施形態の磁気抵抗素子に含まれる各層の具体的な構成を、下地層１００、磁性層８、界面磁性層４、界面磁性層６、非磁性層５、非磁性層３の順に説明する。
　（下地層１００）
　下地層１００は、磁性層２と、この磁性層２より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられる。そのため、下地層１００の材料の選択が重要となる。以下に下地層１００の材料および構成について説明する。
　まず、磁性層２としてＭｎ３Ｇａ合金を用いた場合を例に挙げ、この場合の好適な下地層１００について言及する。Ｍｎ３Ｇａの規則合金は、Strukturberichtの分類によるとＤＯ２２構造と呼ばれる結晶構造である。ｃ軸方向に格子が伸びた正方晶系の物質であり、ａ軸およびｂ軸方向の格子定数はおよそ３．９０Åである。なお、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素を含む規則合金は、例えば、Ｌ１０構造を有するＭｎＧａ、Ｍｎ３Ｇｅ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａＡｌ、などはおよそ３．９Å付近のａ軸方向の格子定数を有している。ｃ軸方向の格子定数は７．１２Åである。
　下地層１００の第１の例としては、（００１）配向し、かつ格子ミスマッチの値が小さいことが望ましい。格子ミスマッチは以下の式で定義される。
　（ａ（Ｍｎ３Ｇａ）－ａ（下地材料））／ａ（下地材料）×１００
　ここで、ａ（Ｍｎ３Ｇａ）、ａ（下地材料）はそれぞれ膜面内方向のＭｎ３Ｇａおよび下地材料の格子定数である。格子ミスマッチは小さいことが望ましい。Ｍｎ３Ｇａと、格子ミスマッチが４％以下になる材料としては例えば、（００１）配向したＦｅまたはＦｅＣｏ合金、Ｃｒなどである。Ｆｅの格子定数は約２．８７Åである。Ｆｅからなる下地層に対してＭｎ３Ｇａを面内方向に４５°回転させエピタキシャル成長させることが可能である。この時、Ｆｅの格子定数は√２倍で格子整合しているためＭｎ３ＧａとＦｅの格子ミスマッチは約－３．９％と小さい。
　同様に、ＦｅＣｏ合金は組成に依存するが、その格子定数が２．８７Å以下であることから、ＦｅＣｏ合金と、Ｍｎ３Ｇａとの格子ミスマッチは約－３．９％となる。Ｃｒも同等の格子定数を有しており、ＣｒとＭｎ３Ｇａとの格子ミスマッチは約－３．９％と小さい。
　以上のことから、これらの単体或いは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む材料は、Ｍｎ３Ｇａの下地層として適している。
　下地層１００の第２の例としては、（００１）配向したスピネル構造を有するＭｇＡｌ２Ｏ４である。ＭｇＡｌ２Ｏ４はａ軸方向の格子定数は約８．０９Åである。これは、Ｍｎ３Ｇａのおよそ２倍の格子定数である。Ｍｎ３Ｇａの単位格子２つ分を基本単位とすればＭｎ３ＧａはＭｇＡｌ２Ｏ４上に小さな格子ミスフィットでエピタキシャル成長を行うことが可能である。この場合、Ｍｎ３Ｇａとの格子ミスマッチはおよそ－３．６％である。
　一方、ＭｇとＡｌの組成を調整することで格子定数を調整することが可能である。したがって、必ずしも、スピネル構造を有する必要はなく、Ｍｇ、Ａｌ、およびＯを含む酸化物であればよい。
　下地層１００の第３の例としては、ＡＢＯ３からなる（００１）配向したペロブスカイト系導電性酸化物である。ここで、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、およびＢａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂ、およびＬａの群から選択され少なくとも一つの元素を含む。例えば、ＳｒＴｉＯ３、或いはＳｒＴｉＯ３のＴｉサイトにＮｂ、Ｒｕ、或いはＬａが置換されたＳｒＮｂＯ３、ＳｒＬａＯ３、ＳｒＲｕＯ３はいずれの格子定数が約３．９Åである。この第３の例においては、上記第１の例および第２の例とは異なり、単位格子の立方体の上に単位格子の立方体が積層された配置でエピタキシャル成長が可能である。更に、Ｍｎ３Ｇａとの格子ミスマッチはおよそ０．１％と極めて小さい。
　上記下地層１００は、第１から第３の例の多層膜でもよい。例えば、Ｃｒ／Ｆｅ／ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｆｅ／ＳｒＴｉＯ３、Ｃｒ／Ｆｅ／ＳｒＲｕＯ３、Ｃｒ／ＭｇＡｌ２Ｏ４、Ｃｒ／ＳｒＴｉＯ３、またはＣｒ／ＳｒＲｕＯ３であってもよい。
　また、下地層１００の結晶性を向上させる目的で、下地層１００は第１から第３の例の下に、（００１）配向し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅ、およびＬａの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層であってもよい。また、（００１）配向し、かつＭｇ、Ｚｎ、およびＴｉの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層であってもよい。また、（００１）配向し、かつＭｇ、Ｃａ、およびＢａの群から選択される少なくとも１つの元素を含むフッ化物の層であってもよい。配することもできる。例えば、下地層１００としては、Ｃｒ／ＭｇＯ、またはＣｒ／ＴｉＮである。
　（磁性層８）
　磁性層８は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。磁性層８に用いられる材料としては、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）に結晶配向した金属あるいはＨＣＰの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
　また、磁性層８に用いられる材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの群から選択された少なくとも１つの元素からなる単体の金属あるいはこの少なくとも１つの元素を含む合金（強磁性膜）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、およびＣｕの群から選択された少なくとも１つの元素からなる単体の金属あるいはこの少なくとも１つの元素を含む合金（非磁性膜）と、が交互に積層された構造が挙げられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、強磁性膜への元素の添加、強磁性膜と非磁性膜の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギーの密度、飽和磁化を調整することができる。
　また、磁性層８に用いられる材料としては、遷移金属であるＦｅ、Ｃｏ、およびＮｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、希土類金属であるＴｂ、Ｄｙ、およびＧｄの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金が挙げられる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。また、これらの合金を交互に積層された多層構造であってもよい。具体的にはＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ或いはＤｙＦｅ／Ｃｏ、ＤｙＣｏ／Ｆｅ、ＤｙＦｅＣｏ／ＣｏＦｅなどの多層膜が挙げられる。これらの合金は、膜厚比や組成を調整することで磁気異方性エネルギーの密度、飽和磁化を調整することができる。
　また、磁性層８に用いられる材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる第１の群から選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２の群から選ばれる少なくとも１つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
（界面磁性層４、界面磁性層６）
　磁気抵抗素子の磁気抵抗比を上げるために、ＭｇＯのトンネルバリア層に隣接する界面磁性層には高スピン分極率を有する材料が用いる。例えば界面磁性層４、界面磁性層６は、ＦｅおよびＣｏの群から選択された少なくとも一つの金属よりなる合金が望ましい。このとき、例えば、ＣｏＦｅからなる界面磁性層、ＭｇＯからなる非磁性層、ＣｏＦｅからなる界面磁性層とした場合に、ＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。この場合、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。
　なお、界面磁性層４、界面磁性層６がＭｇＯに対して（００１）配向でエピタキシャル成長していれば大きな磁気抵抗比を得ることができるので、ＭｇＯである非磁性層５と接する界面磁性層４、界面磁性層６は膜面に垂直方向に伸び縮みしていてもよい。
　また、界面磁性層４、界面磁性層６の飽和磁化を制御するために、界面磁性層４、界面磁性層６に、Ｎｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、およびＧｅの群から選択された少なくとも１つの元素を添加してもよい。すなわち、界面磁性層４、界面磁性層６はＦｅおよびＣｏの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｎｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、およびＧｅの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であってもよい。例えば、ＣｏＦｅＢの他に、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＰ、ＣｏＦｅＷ、ＣｏＦｅＮｂ、ＣｏＦｅＡｌ等が挙げられ、これらの合金は、ＣｏＦｅＢと同等のスピン分極率を有している。またＣｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ等のホイスラー金属でもよい。ホイスラー金属はＣｏＦｅＢと同等かあるいはより高いスピン分極率を有しているため界面磁性層に適している。
（非磁性層５）
　非磁性層５が絶縁材料である場合は、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層の材料としては、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ａｌ、ＺｎおよびＴｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、またはＴｉＯが挙げられる。トンネルバリア層は、上述の酸化物の群から選択された２つ以上の材料の混晶物あるいはこれら積層構造であってもよい。混晶物の例としては、ＭｇＡｌＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＴｉＯ、ＭｇＣａＯなどである。トンネルバリア層が、二層積層構造の例としてはＭｇＯ／ＺｎＯ、ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＴｉＯ／ＡｌＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯなどが挙げられる。トンネルバリア層が三層積層構造の例としてはＡｌＯ／ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＺｎＯ／ＭｇＯ／ＺｎＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯ／ＭｇＡｌＯ、などが挙げられる。なお、記号「／」の左側が上層を示し、右側が下層を示している。
　トンネルバリア層は、結晶質およびアモルファスのいずれであっても構わない。しかし、トンネルバリア層が結晶化している場合、トンネルバリア中での電子の散乱が抑制されるため電子が強磁性層から波数を保存したまま選択的にトンネル伝導する確率が増え、磁気抵抗比を大きくすることができる。したがって大きな磁気抵抗比を得るという観点においては結晶質を多く含むトンネルバリアの方が望ましい。
（非磁性層３）
　非磁性層３を設けない場合は、磁性層２を構成する元素が非磁性層５側に拡散することにより非磁性層５と界面磁性層４との間に拡散元素が偏析し磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率を減少させてしまう。例えば、磁性層２が２種類以上の元素から成る場合は、拡散した元素の分だけ磁性層２の組成がずれてしまう。このため、磁性層２として、望むべき磁気特性が得られないし、状態密度が変化してしまえば電気伝導特性の変質にもつながる。非磁性層３は、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素を含む合金の磁性層２と、ＦｅおよびＣｏを少なくとも一つ含む界面磁性層４に隣接する。
　したがって、非磁性層３は、Ｍｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏとは固溶しない元素で構成されていることが望ましく、仮に固溶するとしても固溶しうる組成の幅の総和が１５ａｔｏｍ％以下であることが望ましい。
　図９に、ＢａとＧａの状態図（BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL.1 Ed. T.B. Massalski,1986 p.409）を示し、図１０に、ＢａとＭｎの状態図（BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL.1 Ed. T.B. Massalski,1986 p.420）を示し、および図１１に、ＢａとＦｅの状態図（BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS, II Ed., VOL.1 Ed. T.B. Massalski,1990 p.577）を示す。図９より分かるように、ＢａはＧａに対して固溶せず金属間化合物を構成する。したがって、ＢａとＧａは固溶し難い元素の組み合わせであることが示唆される。また、図１０から分かるように、ＢａとＭｎは相分離し混ざり合わない。同様に図１１から分かるように、ＢａはＦｅに対しても相分離し混ざり合わない。
　また、Ｍｇは、図１２に示すＭｎとの状態図（BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL.2 Ed. T.B. Massalski,1986 p.1523）および、図１３に示すＧａとの状態図（BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL.2 Ed. T.B. Massalski,1986 p.1143）から分かるように、固溶組成域は極めて狭く、およそ０．１ａｔｏｍ％程度である。ＭｇとＦｅは図１４に示す状態図（BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS VOL.1 Ed. T.B. Massalski,1986 p.1076）から分かるように、相分離し混ざり合わない。
　以上のことから、非磁性層３にＢａを用いることにより、効率よくＭｎあるいはＧａの拡散を抑制しつつ界面磁性層４のＦｅとも固溶せずＦｅの高いスピン分極率を維持することができる。Ｂａのほかに、Ｍｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏとも固溶しない元素で構成され、仮に固溶するとしても固溶組成範囲は１５ａｔｏｍ％以下であることが好ましい。この条件を満たす元素としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、またはＢである。このうち、ＢａとＣｏの組み合わせ、ＳｒとＣｏの組み合わせ、ＳｒとＦｅの組み合わせのそれぞれにおける状態図の報告例はない。しかし、Ｍｇ或いはＣａにおいては、いずれもＦｅ、Ｃｏと固溶組成域が狭いことが知られている。このことから、同じアルカリ土類金属であるＢａ、Ｓｒにおいても同様に、Ｍｇ、Ｃａの例に従うと予想される。又、ＣとＧａの組み合わせにおける状態図の報告例はない。しかし、Ｂにおいては、Ｃと同じ半金属であり化学的結合の性質が似ていると考えられるので、Ｃも同様にＢの例に従うと予想される。したがって非磁性層３を構成する元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む合金、或いは選択された元素を含むホウ化物、或いはこれらの積層体であることが望ましい。
　また、ＮとＧｅの組み合わせの状態図の報告例はないため、固溶のし易さは不明である。しかし、Ｎはそれ以外の元素であるＭｎ、Ｇａ、ＡｌとＦｅ、Ｃｏとは固溶し難い元素であるため、非磁性層３を構成する元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む窒化物はＭｎ、Ｇａ、ＡｌとＦｅ、Ｃｏとは固溶し難い材料であると予想される。したがって、非磁性層３を構成する元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む窒化物であってもよい。
　又、ＣとＧａの組み合わせの状態図の報告例はないため、固溶のし易さは不明である。しかし、Ｃはそれ以外の元素であるＭｎ、Ｇｅ、ＡｌとＦｅ、Ｃｏとは固溶し難い元素であるため、非磁性層３を構成する元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む炭化物はＭｎ、Ｇｅ、ＡｌとＦｅ、Ｃｏとは固溶し難い材料であると予想される。したがって、非磁性層３を構成する元素としては、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む炭化物であってもよい。
　又、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂはそれ自体ではＭｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏに対して大きな拡散抑制効果は得られないと考えられる。しかし、Ｍｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏと全率固溶を形成しない元素であるため、全組成域において原子レベルで溶け込む性質は有しない。したがって、Ｂ、Ｎ、Ｃと組み合わせることにより化学的結合を安定化させた例えばＨｆＢ、ＨｆＮ、ＭｏＢ、ＭｏＮ、ＷＢ、ＷＣ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴｉＢ、ＮｂＮ、ＮｂＢなどもＭｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏに対して固溶し難くなると期待でき、非磁性層３を構成する元素として期待できる。
　次に、実施例として、具体的な垂直磁化ＭＴＪ素子の積層構造を説明する。下記の磁気抵抗膜（サンプル）の積層構造を作成した。各層の後に括弧書きで示した数値は、成膜時の各層の厚さ（設計値）である。それぞれのサンプルは、成膜後に、ＴＭＲ特性および磁気特性が最適化されるように、適切な温度および時間で真空アニールが施される。
（実施例１）
　実施例による垂直磁化ＭＴＪ素子として、図１５に示す第１実施形態による垂直磁化を有するＭＴＪ素子１を作成した。この実施例によるＭＴＪ素子１は、ＭｇＯ単結晶基板（図示せず）上に、下地層１００、磁性層２、非磁性層３、界面磁性層４、非磁性層５、界面磁性層６、磁性層８、キャップ層１１がこの順序で積層された構造を有している。ここでは、磁性層２として膜厚が３０ｎｍのＭｎＧａ、非磁性層３として、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｔ、およびＭｇの群から選択された少なくとも１つの元素を含む金属、界面磁性層４として、厚さが１．７ｎｍのＦｅＢを用いた。界面磁性層６には２．０ｎｍのＦｅＢを用い、磁性層８としてＣｏＰｔを含む磁性体を用いた。非磁性層５としてＭｇＯトンネルバリア層を用いた。
　非磁性層３の厚さを変えて作成した垂直ＭＴＪの室温におけるＴＭＲ比を測定した。その結果を図１６に示す。非磁性層３にＭｇを用いた垂直ＭＴＪは非磁性層３のＭｇ膜厚を増やすことでＴＭＲ比が増大した。Ｍｇの厚さが０．９ｎｍにおいてＴＭＲ比は１０４％である。ＭｇはＭｎやＧａとの固溶組成が１ａｔｏｍ％未満と混ざり難い元素である。したがって、非磁性層３にＭｇを用いることにより磁性層２を構成するＭｎやＧａの拡散を抑制することができ、ＴＭＲ比が増大したと考えられる。
　一方、非磁性層３にそれぞれＣｒ、Ｔａ、またはＰｔを用いた場合は、いずれもＴＭＲ比の増加は観測できていない。むしろ膜厚を増やすことでＴＭＲ比が減少する。例えばＣｒは広い組成域でＭｎと固溶することが知られており、およそ４７ａｔｏｍ％程度の組成の幅で固溶することが分かっている。
　したがってＭｎとの拡散抑制効果は得られないと考えられる。Ｐｔの場合、ＰｔはＭｎと極めて広い組成範囲で固溶するため拡散抑制効果は得られない。ＰｔとＧａにおいても１９ａｔｏｍ％程度の組成範囲で固溶体を形成する。ＴａについてはＭｎとは固溶の幅が約１ａｔｏｍ％未満と固溶体を形成しにくい元素の組み合わせであるが、Ｇａとはおよそ１８ａｔｏｍ％の組成範囲で固溶体を形成する。つまり、少なくともＭｎおよびＧａと非磁性層３を形成する元素は固溶体を形成しうる組成の幅の総和が１５ａｔｏｍ％以下であることが望ましい。この様な考え方は界面磁性層４を構成する元素であるＦｅと非磁性層３を構成する元素にも適用される。界面磁性層４と非磁性層３が固溶し易い元素の組み合わせであれば、構成元素の相互拡散により界面磁性層４に元素が拡散し、そのスピン分極率を低減させてしまう。以上のことを鑑みると、非磁性層３を構成する元素は、磁性層２と界面磁性層４を構成する元素と固溶体を形成しうる組成の幅の総和が１５ａｔｏｍ％以下であることが望ましい。
（第５実施形態）
　第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）は、ＭＲＡＭに適用できる。
　ＭＲＡＭを構成する記憶素子は、磁化（或いはスピン）方向が可変である（反転する）記憶層、磁化方向が不変である（固着している）参照層、これら記憶層および参照層に挟まれた非磁性層を備えている。「参照層の磁化方向が不変である」とは、記憶層の磁化方向を反転するために使用される磁化反転電流を、ＭＴＪ素子の参照層と記憶層との間に流した場合に、参照層の磁化方向が変化しないことを意味する。膜面の垂直方向に磁化容易軸を有する２つの磁性層の一方を記憶層、他方を参照層として用いることで、ＭＴＪ素子を記憶素子として用いたＭＲＡＭを構成することができる。
　具体的には、２つの磁性層に保磁力差を設けることで、これらを記憶層および参照層として用いることができる。従って、ＭＴＪ素子において、一方の磁性層（参照層）として反転電流の大きな磁性層を用い、他方の磁性層（記憶層）として、参照層となる磁性層よりも反転電流の小さい磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の磁性層と磁化方向が不変の磁性層とを備えたＭＴＪ素子を実現することができる。
　このようなＭＴＪ素子を記憶素子として用いたＭＲＡＭを、第５実施形態として説明する。この第５実施形態のＭＲＡＭは、スピン注入書き込み型のＭＲＡＭである。
　この第５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１７に示す。各メモリセルは、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗素子を記憶素子として備えている。この第５実施形態では、記憶素子が第１実施形態のＭＴＪ素子１である場合を例にとって説明する。
　図１７に示すように、ＭＴＪ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、ＭＴＪ素子１の下面は、下部電極３３、引き出し電極３４、およびプラグ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ＭＴＪ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１７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１８は、本実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。
　図１８に示すように、ＭＴＪ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の一端子は同一のビット線３２と接続され、他端子は同一のビット線４２と接続されている。同じ行に属するメモリセル５３の選択トランジスタＴｒ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ＭＴＪ素子１に、上記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のセンスアンプは、ＭＴＪ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。
　本実施形態によれば、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気メモリを提供することができる。
　以上、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例の磁気抵抗素子の適用例をＭＲＡＭについて説明したが、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例の磁気抵抗素子は、それ以外にもＴＭＲ効果を利用するデバイス全般に適用できる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (18)

  1. 　Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む第１磁性層と、
    　第２磁性層と、
    　前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
    　前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられた第３磁性層と、
    　前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含む第２非磁性層と、
    　を備えた積層構造を有する磁気抵抗素子。
  2. 　前記第２非磁性層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、およびＥｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含むホウ化物である請求項１記載の磁気抵抗素子。
  3. 　前記第２非磁性層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｂ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、およびＥｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む窒化物である請求項１記載の磁気抵抗素子。
  4. 　前記第２非磁性層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｂ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、およびＥｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む炭化物である請求項１記載の磁気抵抗素子。
  5. 　前記第２非磁性層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた第１非磁性膜と、前記第１非磁性膜と前記第３磁性層との間に設けられた第２非磁性膜とを備え、
    　前記第１非磁性膜は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含み、
    　前記第２非磁性膜は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、およびＨｆの群から選択された少なくとも１つの元素を含む請求項１記載の磁気抵抗素子。
  6. 　前記第２磁性層は、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む請求項１記載の磁気抵抗素子。
  7. 　前記第２磁性層は、前記第１非磁性層に対して前記第３磁性層と反対側に設けられた第１磁性膜と、前記第１磁性膜に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられた第２磁性膜とを備え、前記第１磁性膜は前記第２磁性膜に比べて高いスピン分極率を有している請求項６記載の磁気抵抗素子。
  8. 　前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第４磁性層と、前記第４磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第３非磁性層と、を備えている請求項１記載の磁気抵抗素子。
  9. 　層を更に備え、
    　前記第１磁性層が前記第２磁性層に比べて前記層に近いか、または前記第２磁性層が前記第１磁性層に比べて前記層に近くなるように、前記積層構造は前記層上に設けられる請求項１記載の磁気抵抗素子。
  10. 　請求項１記載の磁気抵抗素子と、
    　前記磁気抵抗素子の前記第１磁性層と電気的に接続する第１配線と、
    　前記磁気抵抗素子の前記第２磁性層と電気的に接続する第２配線と、
    を備えている磁気メモリ。
  11. 　前記第２非磁性層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、およびＥｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含むホウ化物である請求項１０記載の磁気メモリ。
  12. 　前記第２非磁性層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｂ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、およびＥｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む窒化物である請求項１０記載の磁気メモリ。
  13. 　前記第２非磁性層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｂ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、およびＥｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む炭化物である請求項１０記載の磁気メモリ。
  14. 　前記第２非磁性層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた第１非磁性膜と、前記第１非磁性膜と前記第３磁性層との間に設けられた第２非磁性膜とを備え、
    　前記第１非磁性膜は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、およびＢの群から選択された少なくとも一つの元素を含み、
    　前記第２非磁性膜は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、およびＨｆの群から選択された少なくとも１つの元素を含む請求項１０記載の磁気メモリ。
  15. 　前記第２磁性層は、Ｍｎと、Ｇａ、Ｇｅ、およびＡｌの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む請求項１０記載の磁気メモリ。
  16. 　前記第２磁性層は、前記第１非磁性層に対して前記第３磁性層と反対側に設けられた第１磁性膜と、前記第１磁性膜に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられた第２磁性膜とを備え、前記第１磁性膜は前記第２磁性膜に比べて高いスピン分極率を有している請求項１５記載の磁気メモリ。
  17. 　前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第４磁性層と、前記第４磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第３非磁性層と、を備えている請求項１０記載の磁気メモリ。
  18. 　層を更に備え、
    　前記第１磁性層が前記第２磁性層に比べて前記層に近いか、または前記第２磁性層が前記第１磁性層に比べて前記層に近くなるように、前記積層構造は前記層上に設けられる請求項１０記載の磁気メモリ。
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