WO2018159015A1 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

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陽平 塩川
実 大田
智生 佐々木
田中　美知
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic memory.
  • a giant magnetoresistive effect (GMR) element, a tunnel magnetoresistive effect (TMR) element, etc. having a configuration in which a reference layer as a magnetization fixed layer, a nonmagnetic spacer layer, and a recording layer as a magnetization free layer are laminated in this order Magnetoresistive elements are known.
  • the TMR element using an insulating layer (tunnel barrier layer) as a nonmagnetic spacer layer generally has a higher element resistance than a GMR element using a conductive layer as a nonmagnetic spacer layer, it is high. MR ratio can be realized. Therefore, TMR elements are attracting attention as elements used in magnetic sensors, magnetic heads, magnetoresistive random access memories (MRAM), and the like.
  • spin transfer torque spin transfer torque
  • Non-Patent Documents 1 and 2 below.
  • the magnetization direction of the reference layer is fixed along the vertical direction (the stacking direction of the element, that is, the direction perpendicular to the in-plane direction of each layer), and the magnetization easy axis of the magnetization free layer is also Along the vertical direction.
  • the current required for the spin injection magnetization reversal can be reduced, so that the selection transistor for selecting the TMR element can be reduced.
  • the memory cell can be made smaller when a TMR element having perpendicular magnetic anisotropy is used than when using a TMR element having in-plane magnetic anisotropy, so that high integration is possible. It becomes.
  • the magnetization direction of the magnetization fixed layer in the magnetoresistive effect element is fixed so as not to substantially change when the element is used.
  • the magnetization direction of the magnetization fixed layer is insufficiently fixed for some reason and deviates from a predetermined direction, the long-term stability during use of the element decreases, the magnetoresistive effect ratio (MR ratio) decreases, the external Problems such as a decrease in symmetry of the output signal with respect to the magnetic field arise.
  • MR ratio magnetoresistive effect ratio
  • the SAF structure includes a first pinned layer and a second pinned layer made of a ferromagnetic material, and a magnetic coupling layer made of a nonmagnetic material interposed between these layers.
  • the first fixed layer and the second fixed layer are antiferromagnetically coupled by an exchange coupling magnetic field through the magnetic coupling layer. Therefore, the magnetic flux generated from the first fixed layer and the magnetic flux generated from the second fixed layer are distributed so as to form a return path as a whole.
  • the magnetization directions of the first fixed layer and the second fixed layer are not easily changed by an external magnetic field, spin torque, or the like, so that the magnetization directions can be firmly fixed.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and includes a SAF structure having a magnetic coupling layer containing Ir, and the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer of the SAF structure are more strongly fixed than in the past. It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive effect element and a magnetic memory using such a magnetoresistive effect element.
  • a magnetoresistive effect element includes a magnetization fixed layer, a magnetization free layer, a nonmagnetic spacer layer stacked between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, and
  • the fixed magnetization layer includes a first fixed layer and a second fixed layer made of a ferromagnetic material, and a magnetic coupling layer stacked between the first fixed layer and the second fixed layer, The first pinned layer and the second pinned layer are magnetically coupled so that the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer are antiparallel to each other by exchange coupling via the magnetic coupling layer
  • the magnetic coupling layer is a nonmagnetic layer containing Ir and at least one of the following elements: Cr, Mn, Fe, Co, and Ni.
  • the inventors of the present application have the first fixed layer and the first fixed layer due to the lattice mismatch between the magnetic coupling layer and the first fixed layer and the second fixed layer. It has been found that the magnetization direction of the second fixed layer is weakened.
  • the first fixed layer and the second fixed layer have, for example, a hexagonal close-packed structure (hcp structure), and have a uniaxial anisotropic energy Ku in the vertical direction that is the c-axis direction.
  • the first pinned layer and the second pinned layer have a strain in which the a-axis (and b-axis) extends and the c-axis contracts due to lattice mismatch between the magnetic coupling layer (crystal axis ratio c / a is small).
  • strain of the embodiment is received from the magnetic coupling layer, the value of the uniaxial anisotropy energy Ku may decrease or become negative.
  • the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer are easily oriented in the stacked plane, and the pinning along the direction perpendicular to the magnetization direction of the first pinned layer and the second pinned layer becomes weak. .
  • the magnetic coupling layer includes the first fixed layer and the second fixed layer as compared with the case where the magnetic coupling layer is assumed to be made of only Ir.
  • Ir at least one of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni is included so that the lattice mismatch ratio between the first and second layers becomes small.
  • the uniaxial anisotropy energy Ku can be reduced (that is, the value of the uniaxial anisotropy energy Ku is increased or increased to the plus side).
  • the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer are easily oriented in the vertical direction, so that the pinning along the direction perpendicular to the magnetization direction of the first pinned layer and the second pinned layer can be strengthened. .
  • the absolute value of the lattice mismatch ratio between the magnetic coupling layer and the first fixed layer or the second fixed layer can be 7% or less.
  • the value of the uniaxial anisotropy energy Ku of the first pinned layer and the second pinned layer can be sufficiently increased as compared with the case where it is assumed that the magnetic coupling layer is made only of Ir.
  • the pinning along the direction perpendicular to the magnetization direction of the layer and the second pinned layer is particularly enhanced.
  • the magnetic coupling layer has an fcc structure or an hcp structure
  • the first fixed layer and the second fixed layer are Co, Ni, or an alloy thereof, respectively.
  • And can have an fcc structure or an hcp structure.
  • the magnetization fixed layer further includes a first intermediate layer and a second intermediate layer stacked between the first fixed layer and the magnetic coupling layer.
  • the first intervening layer is in contact with the first pinned layer
  • the second intervening layer is in contact with the first pinned layer and the magnetic coupling layer
  • the main element of the magnetic coupling layer and the first intervening layer is Ir
  • the main element of the 2 intervening layer is an element other than Ir
  • the thickness of the first intervening layer is 1.5 times or more and 3.2 times or less of the atomic radius of Ir
  • the thickness of the second intervening layer Can be not more than 1.5 times the atomic radius of the main element of the second intervening layer.
  • the element constituting the first pinned layer diffuses into the magnetic coupling layer and the element constituting the magnetic coupling layer diffuses into the first pinned layer.
  • the steepness of the interface between the first fixed layer and the magnetic coupling layer decreases. Therefore, since the steepness of the interface between the first fixed layer and the magnetic coupling layer is maintained by the above configuration, the exchange coupling magnetic field between the first fixed layer and the second fixed layer via the magnetic coupling layer in the SAF structure. Can be suppressed.
  • the thickness and arrangement of the first intervening layer and the second intervening layer should be such that these layers have substantially no influence on the exchange coupling between the first pinned layer and the second pinned layer, or are sufficiently small. It is decided to. Therefore, since the antiferromagnetic exchange coupling magnetic field between the first pinned layer and the second pinned layer can be kept large, pinning along the direction perpendicular to the magnetization direction of the first pinned layer and the second pinned layer is particularly strengthened. Is done.
  • the thickness of the magnetic coupling layer can be 1 nm or less.
  • the antiferromagnetic exchange coupling magnetic field between the first pinned layer and the second pinned layer via the magnetic coupling layer can be particularly increased, the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer are perpendicular to each other. The fixation along the direction is particularly strengthened.
  • the magnetic coupling layer includes a first nonmagnetic layer containing Ir and at least one of the following elements: Cr, Mn, Fe, Co, and Ni. And a second nonmagnetic layer and an intermediate nonmagnetic layer made of Ir or Ru stacked between the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer.
  • the magnetic coupling layer has an intermediate nonmagnetic layer made of Ir or Ru that does not substantially contain other elements between the first nonmagnetic layer and the second nonmagnetic layer, the exchange coupling magnetic field in the SAF structure can be reduced. It can be particularly large. As a result, the fixation along the direction perpendicular to the magnetization direction of the first fixed layer and the second fixed layer is particularly strengthened.
  • At least one of the first fixed layer and the second fixed layer is [Co / Pt] n, [Co / Pd] n, or [Co / Ni] n. It can have the laminated structure represented by these. Since these laminated structures can particularly increase the uniaxial anisotropic energy Ku in the vertical direction, the fixation along the perpendicular direction of the magnetization direction of the first fixed layer and the second fixed layer is particularly strengthened.
  • the magnetization free layer is provided between the first free layer and the second free layer made of a ferromagnetic material, and between the first free layer and the second free layer.
  • a magnetic coupling layer made of a nonmagnetic material, and the first free layer and the second free layer are exchanged between the first free layer and the second free layer through the magnetic coupling layer. They can be magnetically coupled so that their magnetization directions are antiparallel to each other. As a result, the magnetization direction of the magnetization free layer as a whole becomes strong against thermal disturbance, so that a magnetoresistive element with high thermal stability is obtained.
  • the magnetoresistive effect element according to one aspect of the present invention can further include a spin orbit torque wiring layer provided to apply a spin orbit torque to the magnetization free layer. Thereby, the magnetization direction of the magnetization free layer can be reversed by the spin orbit torque.
  • a magnetic memory includes any one of the above-described magnetoresistance effect elements as a storage element.
  • a magnetoresistive effect element having a SAF structure having a magnetic coupling layer containing Ir, in which the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer of the SAF structure are more strongly fixed than in the past, and such A magnetic memory using such a magnetoresistive effect element is provided.
  • FIG. 3 is a diagram showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing process of 1 to 3 and Comparative configuration examples 1 to 3.
  • FIG. 10 is a diagram showing the film thickness dependence of the first intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing process of Configuration Examples 4 to 8 and Comparative Configuration Examples 1 and 4 to 6.
  • FIG. 5A is a diagram showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX before the annealing process in Structural Examples 9 to 13 and Comparative Structural Examples 1 and 7, and FIG. FIG.
  • FIG. 14 is a diagram showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing process of Configuration Examples 9 to 13 and Comparative Configuration Examples 1 and 7.
  • (A) is a view showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX before the annealing process in the structural examples 15 to 19 and the comparative structural examples 1 and 8, and
  • (B) is a structural example.
  • FIG. 15 is a diagram showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing process of 15 to 19 and Comparative structural examples 1 and 8. It is a figure which shows the cross section of the magnetoresistive effect element which concerns on 3rd Embodiment.
  • FIG. 1 is a view showing a cross section of the magnetoresistive element according to the first embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 1A of this embodiment is a perpendicular magnetization type magnetoresistive effect element, and includes a substrate 3, an underlayer 5, a magnetization fixed layer 15, a nonmagnetic spacer layer 17, a magnetization free layer 21, and a cap layer 25. Prepare.
  • the magnetization fixed layer 15 is also called a reference layer
  • the magnetization free layer 21 is also called a recording layer.
  • the substrate 3 is made of, for example, a metal oxide single crystal, a silicon single crystal, a silicon single crystal with a thermal oxide film, a sapphire single crystal, a ceramic, quartz, or glass.
  • the material included in the substrate 3 is not particularly limited as long as it has an appropriate mechanical strength and is suitable for heat treatment and fine processing.
  • An example of the metal oxide single crystal is an MgO single crystal. According to a substrate including an MgO single crystal, an epitaxially grown film can be easily formed on the substrate.
  • the underlayer 5 is laminated on the main surface of the substrate 3 and functions as a lower electrode for flowing a detection current or the like.
  • the underlayer 5 is made of, for example, at least one metal of Ag, Au, Cu, Cr, V, Al, W, and Pt.
  • the underlayer 5 may include an alloy of these metals or a laminate of materials made of two or more of these metals.
  • the magnetoresistive element 1 ⁇ / b> A may further include a crystal orientation layer stacked on the underlayer 5.
  • This crystal orientation layer is a layer for controlling the crystal orientation of the upper layer and includes, for example, at least one of MgO, TiN, and NiTa alloy.
  • the magnetization fixed layer 15 is stacked on the base layer 5, and includes a first fixed layer 7, a second fixed layer 11, and a magnetic coupling layer stacked between the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11.
  • the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 are each made of a ferromagnetic material such as Co, Ni, or an alloy thereof, for example, a face-centered cubic lattice structure (fcc structure) or a hexagonal close-packed structure (hcp structure).
  • the thickness of the 1st fixed layer 7 and the 2nd fixed layer 11 can be 1 nm or more and 20.0 nm or less, respectively, for example.
  • the magnetic coupling layer 9 is a nonmagnetic layer made of a conductive material, and specifically contains Ir and at least one of the following five elements, namely Cr, Mn, Fe, Co, and Ni.
  • the aspect in which the magnetic coupling layer 9 includes at least one of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni is not particularly limited.
  • at least one of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni is an alloy with Ir.
  • the magnetic coupling layer 9 preferably contains Ir as a main element.
  • the main element of the magnetic coupling layer 9 means an element having the largest atomic ratio among the elements constituting the magnetic coupling layer 9. In the following description, the same applies to the case where reference is made to the main elements of other layers.
  • the magnetic coupling layer 9 has, for example, an fcc structure or an hcp structure.
  • the thickness of the magnetic coupling layer 9 can be, for example, 0.3 nm or more and 2.0 nm or less.
  • the magnetization fixed layer 15 has a SAF structure. That is, the first pinned layer 7 and the second pinned layer 11 are exchange-coupled via the magnetic coupling layer 9 so that the magnetization direction 7M of the first pinned layer 7 and the magnetization direction 11M of the second pinned layer 11 are mutually different. Magnetically coupled to be antiparallel. The magnetization direction 7M and the magnetization direction 11M are each fixed along the vertical direction.
  • the nonmagnetic spacer layer 17 is stacked between the magnetization fixed layer 15 and the magnetization free layer 21.
  • the magnetoresistive effect element 1A is a GMR effect element. It becomes.
  • the thickness of the nonmagnetic spacer layer 17 can be, for example, not less than 2.0 nm and not more than 5.0 nm.
  • the magnetoresistive effect element 1A is a TMR effect element.
  • the thickness of the nonmagnetic spacer layer 17 can be, for example, not less than 0.8 nm and not more than 4.0 nm.
  • the magnetization free layer 21 is made of a ferromagnetic material such as Fe, Co—Fe, Co—Fe—B, or a ferromagnetic Heusler alloy.
  • the thickness of the magnetization free layer 21 can be, for example, not less than 0.5 nm and not more than 2.0 nm.
  • the magnetization direction 21M of the magnetization free layer 21 is not substantially fixed, the magnetization free layer 21 has an easy axis along the perpendicular direction. Therefore, by applying an external magnetic field, spin torque, or the like to be measured to the magnetization free layer 21, the magnetization direction 21M can be easily reversed from the vertical upward to the vertical downward or vice versa.
  • the relative angle between the magnetization direction 11M of the second pinned layer 11 and the magnetization direction 21M of the magnetization free layer 21 changes, so that the electrical resistance value along the vertical direction of the magnetoresistive effect element 1A changes.
  • the magnetoresistive effect is exhibited.
  • the cap layer 25 is provided to protect each layer of the magnetoresistive effect element 1A.
  • the cap layer 25 is made of, for example, one or more metal elements of Ru, Ag, Al, Cu, Au, Cr, Mo, Pt, W, Ta, Pd, and Ir, alloys of these metal elements, or of these metal elements It consists of a laminate of two or more materials.
  • the first pinned layer and the second pinned layer have a mode in which the crystal axis ratio c / a becomes small due to lattice mismatch between the magnetic coupling layer and the first pinned layer.
  • the value of the uniaxial anisotropy energy Ku in the vertical direction of the first pinned layer and the second pinned layer may decrease or become negative.
  • the magnetization directions of the first pinned layer and the second pinned layer are easily oriented in the stacked plane, and the pinning along the direction perpendicular to the magnetization direction of the first pinned layer and the second pinned layer becomes weak. .
  • the magnetic coupling layer 9 includes the first fixed layer as compared with the case where the magnetic coupling layer 9 is assumed to be made of only Ir.
  • at least one of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni is included so that the lattice mismatch rate between the first fixed layer 11 and the second fixed layer 11 is reduced.
  • the magnetic coupling layer 9 contains at least one of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni so that the atomic spacing of the magnetic coupling layer 9 is reduced.
  • the strain of the aspect in which the crystal axis ratio c / a received by the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 from the magnetic coupling layer 9 is reduced can be reduced, the first fixed layer 7 and the magnetic coupling layer are reduced.
  • the negative uniaxial anisotropic energy Ku of 9 can be reduced (that is, the value of the uniaxial anisotropic energy Ku is increased to the positive side). Therefore, the magnetization direction 7M of the first pinned layer 7 and the magnetization direction 11M of the second pinned layer 11 are easily oriented in the vertical direction. Therefore, the magnetization direction 7M of the first pinned layer 7 and the magnetization direction 11M of the second pinned layer 11 are easy.
  • the fixing along the vertical direction can be strengthened.
  • the lattice mismatch ratio between the magnetic coupling layer 9 and the first fixed layer 7 or the second fixed layer 11 is such that the atomic spacing on the lattice matching plane of the magnetic coupling layer 9 is D NM, and the first fixed layer 7 Alternatively, it is defined by a calculation formula of (D FM ⁇ D NM ) / D NM ⁇ 100, where D FM is the atomic spacing on the lattice matching surface of the second fixed layer 11.
  • the absolute value of the lattice mismatch ratio between the magnetic coupling layer 9 and the first fixed layer 7 or the second fixed layer 11 is 7% or less. Is preferred.
  • the value of the uniaxial anisotropy energy Ku in the vertical direction of the first pinned layer 7 and the second pinned layer 11 is sufficiently large on the plus side as compared with the case where the magnetic coupling layer 9 is assumed to be made of only Ir. Therefore, the fixation along the perpendicular direction of the magnetization direction 7M of the first fixed layer 7 and the magnetization direction 11M of the second fixed layer 11 is particularly strengthened.
  • the thickness of the magnetic coupling layer 9 is preferably 1 nm or less.
  • the antiferromagnetic exchange coupling magnetic field between the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 via the magnetic coupling layer 9 can be particularly increased, the magnetization direction 7M of the first fixed layer 7 and The pinning along the direction perpendicular to the magnetization direction 11M of the second pinned layer 11 is particularly strengthened.
  • At least one of the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 is [Co / Pt] n, [Co / Pd] n, or [ [Co / Ni] n is preferable.
  • These stacked structures can particularly increase the uniaxial anisotropy energy Ku in the vertical direction, so that the fixed direction along the perpendicular direction of the magnetization direction 7M of the first pinned layer 7 and the magnetization direction 11M of the second pinned layer 11 is fixed. Is particularly strengthened.
  • [Co / Pt] n, [Co / Pd] n, and [Co / Ni] n are a structure in which a Co layer and a Pt layer are alternately stacked n times in order, and a Co layer and a Pd layer.
  • the thickness of each Co layer, each Pt layer, each Pd layer, and each Ni layer can be, for example, 0.2 nm or more and 2.0 nm or less.
  • the lattice mismatch ratio between the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 by including any one of Cr, Mn, Fe, Co, and Ni with respect to Ir of the magnetic coupling layer 9
  • the change will be described based on a combination of specific material examples.
  • Table 1 shows the magnetic coupling layer materials, the first (second) pinned layer material, and the magnetic coupling layer and the first (second) pinned layer of Comparative Examples 1 to 6 and Examples 1 to 5.
  • the lattice mismatch rate between the two is shown.
  • the magnetic coupling layer of Comparative Example 1 was made of Ir, and the magnetic coupling layers of Examples 1 to 5 contained Cr, Mn, Fe, Co, and Ni at a ratio shown in Table 1 with respect to Ir.
  • Comparative Examples 2 to 6 are made of materials containing Ta, Ta, W, Mo, and Pt at a ratio shown in Table 1 with respect to Ir.
  • the first (second) fixed layers of these comparative examples and examples are all made of Co.
  • the magnetic coupling layers of these comparative examples and examples have the fcc structure, and the (111) plane is regarded as a lattice matching plane with the first (second) fixed layer.
  • the atomic spacing D NM in the (111) plane of these magnetic coupling layers is a value obtained by dividing the size of the a-axis of these magnetic coupling layers by the square root of 2.
  • the magnetic coupling layer Ir contains Cr, Mn, Fe, Co, or Ni. It is understood that the absolute value of the lattice mismatch ratio between the coupling layer and the first (second) fixed layer made of Co is small. Further, when the lattice mismatch ratios of Comparative Example 1 and Comparative Examples 2 to 6 are compared, the magnetic coupling layer and the first Co made of Co can be obtained by including Ta, W, Mo, or Pt in Ir of the magnetic coupling layer. It is understood that the absolute value of the lattice mismatch rate with the (second) fixed layer is increased.
  • Table 2 shows the materials of the magnetic coupling layer, the material of the first (second) pinned layer, and the magnetic coupling layer and the first (second) pinned layer of Comparative Examples 7 to 12 and Examples 6 to 10.
  • the lattice mismatch rate between the two is shown.
  • the magnetic coupling layers of Comparative Examples 7 to 12 and Examples 6 to 10 are made of the same material as the magnetic coupling layers of Comparative Examples 1 to 6 and Examples 1 to 5 shown in Table 1, respectively. . Therefore, the atomic spacing D NM in the lattice matching plane with the first (second) fixed layer of the magnetic coupling layers of Comparative Examples 7 to 12 and Examples 6 to 10 is Comparative Example 1 shown in Table 1, respectively. Same as DNM of Comparative Example 6 and Examples 1 to 5.
  • the first (second) pinned layers of Comparative Examples 7 to 12 and Examples 6 to 10 are all made of Ni.
  • the first (second) pinned layers of Comparative Examples 7 to 12 and Examples 6 to 10 had the fcc structure, and the (111) plane was considered to be a lattice matching plane with the magnetic coupling layer.
  • the magnetic coupling layer Ir contains Cr, Mn, Fe, Co, or Ni. It is understood that the absolute value of the lattice mismatch ratio between the coupling layer and the first (second) fixed layer made of Ni is small. Further, when the lattice mismatch ratios of Comparative Example 7 and Comparative Examples 8 to 12 are compared, the magnetic coupling layer and the first Ni made of Ni can be obtained by including Ta, W, Mo, or Pt in Ir of the magnetic coupling layer. It is understood that the absolute value of the lattice mismatch rate with the (second) fixed layer is increased.
  • Table 3 shows the materials of the magnetic coupling layers, the materials of the first (second) pinned layer, and the magnetic coupling layer and the first (second) pinned layer of Comparative Examples 13 to 18 and Examples 11 to 15.
  • the lattice mismatch rate between the two is shown.
  • the magnetic coupling layers of Comparative Examples 13 to 18 and Examples 11 to 15 are made of the same material as the magnetic coupling layers of Comparative Examples 1 to 6 and Examples 1 to 5 shown in Table 1, respectively. . Therefore, the atomic spacing D NM in the lattice matching plane of the magnetic coupling layers of Comparative Examples 13 to 18 and Examples 11 to 15 with the first (second) fixed layer is Comparative Example 1 shown in Table 1, respectively. Same as DNM of Comparative Example 6 and Examples 1 to 5.
  • the first (second) pinned layers of Comparative Examples 13 to 18 and Examples 11 to 15 are all made of Co 90 Fe 10 .
  • the first (second) pinned layers of Comparative Examples 13 to 18 and Examples 11 to 15 had the fcc structure, and the (111) plane was considered to be a lattice matching plane with the magnetic coupling layer.
  • the magnetic coupling layer Ir contains Cr, Mn, Fe, Co, or Ni. It is understood that the absolute value of the lattice mismatch ratio between the coupling layer and the first (second) fixed layer made of Co 90 Fe 10 is small. Further, when the lattice mismatch ratios of Comparative Example 13 and Comparative Examples 14 to 18 are compared, by adding Ta, W, Mo, or Pt to Ir of the magnetic coupling layer, the magnetic coupling layer and Co 90 Fe 10 It is understood that the absolute value of the lattice mismatch rate with the first (second) fixed layer becomes larger.
  • FIG. 2 is a view showing a cross section of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 1B of the second embodiment is different from the magnetoresistive effect element 1A of the first embodiment in the configuration of the magnetization fixed layer.
  • the magnetization fixed layer 15 ⁇ / b> B of the magnetoresistive effect element 1 ⁇ / b> B of the present embodiment further includes a first intervening layer 12 and a second intervening layer 13.
  • the first intervening layer 12 and the second intervening layer 13 are laminated between the first fixed layer 7 and the magnetic coupling layer 9.
  • the first intervening layer 12 is in contact with the first pinned layer 7, and the second intervening layer 13 is in contact with the first intervening layer 12 and the magnetic coupling layer 9.
  • the main element of the magnetic coupling layer 9 and the first intervening layer 12 is Ir
  • the main element of the second intervening layer 13 is an element other than Ir
  • the thickness of the first intervening layer 12 is the atomic radius of Ir.
  • the thickness of the second intervening layer 13 is 1.5 times or less the atomic radius of the main element of the second intervening layer 13.
  • the thickness of the first intervening layer 12 is less than twice the atomic radius of Ir, the thickness is less than the thickness of one Ir atom.
  • the first intervening layer 12 cannot have a continuous shape in the film surface direction, but has a discontinuous shape in the film surface direction such as a plurality of islands.
  • the thickness of the first intervening layer 12 is assumed to be uniform by arithmetically averaging the first intervening layer 12 over the entire top surface of the first fixed layer 7. In addition, it can be evaluated by elemental analysis such as EDS.
  • the thickness of the second intervening layer 13 is 1.5 times or less of the atomic radius of the main element of the second intervening layer 13, the thickness is less than the thickness of one atom of the main element. Become. In this case, the second intervening layer 13 cannot have a continuous shape in the film surface direction, and has a discontinuous shape in the film surface direction such as a plurality of islands. In this case, the thickness of the second intervening layer 13 can be evaluated by the same method as that for the first intervening layer 12.
  • the element constituting the first pinned layer 7 diffuses into the magnetic coupling layer 9, and the element constituting the magnetic coupling layer 9 is the first pinned. Diffusion into the layer 7 is suppressed by the presence of the second intervening layer 13. When such diffusion occurs, the steepness of the interface between the first pinned layer 7 and the magnetic coupling layer 9 decreases. Therefore, according to the magnetoresistive effect element 1B of the present embodiment, since the steepness of the interface between the first fixed layer 7 and the magnetic coupling layer 9 is maintained, the first through the magnetic coupling layer 9 in the SAF structure. It can suppress that the exchange coupling magnetic field between the 1 fixed layer 7 and the 2nd fixed layer 11 falls.
  • the thickness and arrangement of the first intervening layer 12 and the second intervening layer 13 are such that these layers have substantially no influence on the exchange coupling between the first pinned layer 7 and the second pinned layer 11 or It is determined to be sufficiently small. Therefore, since the antiferromagnetic exchange coupling magnetic field between the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 can be kept large, the magnetization direction 7M of the first fixed layer 7 and the magnetization direction 11M of the second fixed layer 11 are maintained. The fixing along the vertical direction is particularly strengthened.
  • the main element of the second intervening layer 13 is the same as the main element of the first fixed layer 7.
  • the same element as the main element of the first pinned layer 7 is present in the region between the first pinned layer 7 and the magnetic coupling layer 9, compared to the case where a different element is present in the region, Entropy related to the main element of the first fixed layer 7 is increased. Therefore, the main element of the first pinned layer 7 is less likely to diffuse toward the magnetic coupling layer 9 thermodynamically than in the case where different elements exist in the region. As a result, the antiferromagnetic exchange coupling magnetic field between the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 becomes larger.
  • the magnetization fixed layer of the configuration example 1 was formed as follows. On the Si substrate with a thermal oxide film, a Ta layer was deposited as an electrode layer with a thickness of 5.0 nm, a Cu layer with a thickness of 20 nm, and a Ta layer with a thickness of 10 nm by sputtering, and then the surface was flattened by CMP.
  • the Co layer as the first pinned layer 7 is 5.0 nm
  • the Ir layer as the first intervening layer 12 is 0.22 nm
  • the Co layer as the second intervening layer 13 is 0.10 nm
  • the magnetic coupling The Ir layer as the layer 9 was formed to 0.5 nm
  • the Co layer as the second fixed layer 11 was formed to 2.0 nm in this order.
  • an antiferromagnetic exchange coupling magnetic field (exchange bias magnetic field H EX ) between the first fixed layer and the second fixed layer was evaluated.
  • the structural example 1 was annealed in a magnetic field in a vacuum at 400 ° C. for 1 hour under an applied magnetic field strength of 10 kOe, and the exchange bias magnetic field H EX was calculated by the same method as described above.
  • the magnetization fixed layer of Comparative Configuration Example 1 is the same as the magnetization fixed layer of Configuration Example 1 except that the Ir layer as the first intervening layer 12 and the Co layer as the second intervening layer 13 are not formed.
  • the creation and exchange bias magnetic field HEX was evaluated.
  • the magnetization fixed layers of Configuration Examples 2 and 3 and Comparative Configuration Examples 2 and 3 were prepared and formed in the same manner as the magnetization fixed layer of Configuration Example 1 except that the thickness of the Co layer as the second intervening layer 13 was changed.
  • the exchange bias magnetic field HEX was evaluated.
  • the thickness of the Co layer as the second intervening layer 13 in the configuration examples 2 and 3 and the comparative configuration examples 2 and 3 was 0.12 nm, 0.15 nm, 0.18 nm, and 0.20 nm, respectively.
  • Table 4 shows the film configurations of the first fixed layer, the first intervening layer, the second intervening layer, the magnetic coupling layer, and the second fixed layer of Configuration Examples 1 to 3 and Comparative Configuration Examples 1 to 3, and annealing in a magnetic field.
  • process is a table showing the measured values of the exchange bias magnetic field H EX around.
  • the thickness of the second intervening layer is 1.5 times (0.174 nm) or less of the atomic radius of Co element. It has become. In Comparative Configuration Examples 2 and 3, the thickness of the second intervening layer is thicker than 1.5 times the atomic radius of the Co element.
  • FIG. 3A is a diagram showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX before the annealing process in Configuration Examples 1 to 3 and Comparative Configuration Examples 1 to 3.
  • FIG. 3B is a diagram showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing process of Configuration Examples 1 to 3 and Comparative Configuration Examples 1 to 3.
  • the configuration example is shown by a ⁇ plot
  • the comparative configuration example is shown by a ⁇ plot. The same applies to the plots in FIGS. 4 to 6 below. As shown in FIG.
  • Table 5 shows the film configurations of the first fixed layer, the first intervening layer, the second intervening layer, the magnetic coupling layer, and the second fixed layer in the configuration examples 4 to 8 and the comparative configuration examples 1 and 4 to 6, and the magnetic field. It is a table showing the middle annealing measurement of the exchange bias magnetic field H EX around.
  • the thickness of the first intervening layer is 1.5 times the atomic radius of the Ir element (0.1905 nm) or more. It is 2 times (0.4064 nm) or less.
  • the thickness of the first intervening layer in Comparative Configuration Examples 4 and 5 is less than 1.5 times the atomic radius of the Ir element, and the thickness of the first intervening layer in Comparative Configuration Example 6 is the Ir element atom. It is thicker than 3.2 times the radius.
  • FIG. 4A is a diagram showing the film thickness dependence of the first intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX before the annealing process in Structural Examples 4 to 8 and Comparative Structural Examples 1 and 4 to 6.
  • FIG. 4B is a diagram showing the film thickness dependence of the first intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing process of Configuration Examples 4 to 8 and Comparative Configuration Examples 1 and 4 to 6.
  • the values of H EX after the annealing treatment in Configuration Examples 4 to 8 were larger than the values of H EX after the annealing treatment in Comparative Configuration Examples 1 and 6, respectively. Further, the rate of decrease in the value of H EX before and after the annealing treatment was smaller in the configuration examples 4 to 8 than in the comparison configuration example 1.
  • Table 6 shows the film configurations of the first fixed layer, the first intervening layer, the second intervening layer, the magnetic coupling layer, and the second fixed layer in the configuration examples 9 to 13 and the comparative configuration examples 1 and 7, and annealing in a magnetic field.
  • process is a table showing the measured values of the exchange bias magnetic field H EX around.
  • the thickness of the second intervening layer is 1.5 times the atomic radius of the Mo element (0.195 nm) or less. Yes. In the comparative configuration example 7, the thickness of the second intervening layer is thicker than 1.5 times the atomic radius of the Mo element.
  • FIG. 5A is a diagram showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX before the annealing process in Structural Examples 9 to 13 and Comparative Structural Examples 1 and 7.
  • FIG. 5B is a diagram showing the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing process in the structural examples 9 to 13 and the comparative structural examples 1 and 7.
  • the value before annealing configuration example 9 ⁇ 13 H EX and annealing after H EX rather than the value of before annealing H EX and annealing after H EX comparative configuration example 1,7 Each increased.
  • the rate of decrease in the value of H EX before and after the annealing treatment was smaller in the configuration examples 9 to 13 than in the comparison configuration example 1.
  • Table 7 shows the film configurations of the first fixed layer, the first intervening layer, the second intervening layer, the magnetic coupling layer, and the second fixed layer in Configuration Example 14 and Comparative Configuration Example 1, and the exchange before and after annealing in the magnetic field. It is a table
  • the thickness of the second intervening layer is 1.5 times (0.192 nm) or less of the atomic radius of the Pd element.
  • the value of the pre-annealing of the configuration example 14 H EX and annealing after H EX is increased respectively than the value before annealing Comparative structure example 1 H EX and annealing after H EX . Further, the rate of decrease in the value of H EX before and after the annealing treatment was smaller in the configuration example 14 than in the comparison configuration example 1.
  • the variation (standard deviation ⁇ ) of the exchange bias magnetic field H EX before the annealing treatment in the magnetic field of the comparative configuration example 1 is 7.20%, and the variation of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing treatment in the magnetic field of the comparative configuration example 1 ( Whereas the standard deviation ⁇ ) was 13.10%, the variation (standard deviation ⁇ ) of the exchange bias magnetic field H EX before the annealing process in the magnetic field of the configuration example 14 was 4.20%, which was that of the comparative configuration example 1.
  • the variation (standard deviation ⁇ ) of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing in the magnetic field was 14.90%.
  • Table 8 shows the film configurations of the first fixed layer, the first intervening layer, the second intervening layer, the magnetic coupling layer, and the second fixed layer of the configuration examples 15 to 19 and the comparative configuration examples 1 and 8, and annealing in a magnetic field.
  • process is a table showing the measured values of the exchange bias magnetic field H EX around.
  • the thickness of the second intervening layer is 1.5 times the atomic radius of the W element (0.195 nm) or less. Yes.
  • the thickness of the second intervening layer is thicker than 1.5 times the atomic radius of the W element.
  • FIG. 6A is a diagram showing the thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX before the annealing process in the structural examples 15 to 19 and the comparative structural examples 1 and 8.
  • FIG. 6B is a diagram illustrating the film thickness dependence of the second intervening layer of the exchange bias magnetic field H EX after the annealing process of the structural examples 15 to 19 and the comparative structural examples 1 and 8.
  • the value before annealing configuration example 15 ⁇ 19 H EX and annealing after H EX rather than the value before annealing comparative configuration example l, 8 H EX and annealing after H EX Each increased.
  • the rate of decrease in the value of H EX before and after the annealing treatment was smaller in Configuration Examples 15 to 19 than in Comparative Configuration Example 1.
  • FIG. 7 is a view showing a cross section of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 1C of the third embodiment is different from the magnetoresistive effect element 1A of the first embodiment in the configuration of the magnetic coupling layer.
  • the magnetic coupling layer 9C of the magnetoresistive effect element 1C of this embodiment includes a first nonmagnetic layer 18 and a second nonmagnetic layer 20, a first nonmagnetic layer 18 and a second nonmagnetic layer 20, The intermediate nonmagnetic layer 19 is laminated between the layers.
  • the first nonmagnetic layer 18 and the second nonmagnetic layer 20 are made of the same material as the magnetic coupling layer 9 of the first embodiment. That is, the first nonmagnetic layer 18 and the second nonmagnetic layer 20 are nonmagnetic layers made of a conductive material. Specifically, Ir and the following five elements, that is, Cr, Mn, Fe, Co , And at least one of Ni.
  • the intermediate nonmagnetic layer 19 is made of Ir or Ru.
  • the thickness of the first nonmagnetic layer 18 and the second nonmagnetic layer 20 can be set to, for example, 0.1 nm or more and 1.0 nm or less, and the thickness of the intermediate nonmagnetic layer 19 is set to 0.1 nm or more, for example.
  • the thickness of the magnetic coupling layer 9C can be, for example, not less than 0.1 nm and not more than 1.0 nm.
  • the first nonmagnetic layer 18 and the second nonmagnetic layer 20 are made of the same material as the magnetic coupling layer 9 of the first embodiment, Since the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 are in contact with each other, the first fixed layer 7 and the second fixed layer 11 are uniaxially anisotropic in the vertical direction based on the same principle as in the magnetoresistive effect element 1A of the first embodiment. The value of sex energy Ku can be increased to the plus side. Further, since the magnetic coupling layer 9C has an intermediate nonmagnetic layer 19 made of Ir or Ru that does not substantially contain other elements between the first nonmagnetic layer 18 and the second nonmagnetic layer 20, in the SAF structure. The exchange coupling magnetic field can be particularly increased. As a result, the fixation along the direction perpendicular to the magnetization direction 7M of the first pinned layer 7 and the magnetization direction 11M of the second pinned layer 11 is particularly strengthened.
  • FIG. 8 is a view showing a cross section of the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 1D of the fourth embodiment differs from the magnetoresistive effect element 1A of the first embodiment in the configuration of the magnetization free layer.
  • the magnetization free layer 21 ⁇ / b> D of the magnetoresistive effect element 1 ⁇ / b> D of the present embodiment is laminated between the first free layer 22 and the second free layer 24, and between the first free layer 22 and the second free layer 24.
  • the magnetic coupling layer 23 is provided.
  • the first free layer 22 and the second free layer 24 are made of a ferromagnetic material, for example, the same material as the magnetization free layer 21 of the magnetoresistive effect element 1A of the first embodiment.
  • the magnetic coupling layer 23 is a nonmagnetic layer made of a conductive material, and is made of, for example, Ir, Ru, or an alloy containing either or both of them.
  • the magnetization direction 22 ⁇ / b> M of the first free layer 22 and the magnetization direction 24 ⁇ / b> M of the second free layer 24 are antiparallel to each other by exchange coupling via the magnetic coupling layer 23.
  • the magnetization free layer 21D has a SAF structure.
  • the thickness of the first free layer 22 and the second free layer 24 can be, for example, 0.5 nm or more and 2.0 nm or less, and the thickness of the magnetic coupling layer 23 is, for example, 0.3 nm or more, 2.0 nm.
  • the thickness of the magnetization free layer 21D can be, for example, not less than 0.5 nm and not more than 2.0 nm.
  • the first free layer 22 and the second free layer 24 have an easy axis of magnetization along the vertical direction.
  • the magnitude of the magnetization direction 22M of the first free layer 22 is preferably equal to the magnitude of the magnetization direction 24M of the second free layer 24, but may be different.
  • the magnetization direction 22M is reversed from the vertical upward direction to the vertical downward direction while maintaining an antiparallel relationship between the magnetization direction 22M and the magnetization direction 24M.
  • the magnetization direction 24M can be reversed from the vertically downward direction to the vertically upward direction, or in the opposite direction.
  • the effective magnetic field from the magnetization that remains without being canceled is the first free layer 22 or the second free layer 22 Since it is applied to the two free layers 24, a magnetic field assist effect when reversing the magnetization direction can be obtained.
  • the magnetoresistive effect element 1D since the magnetization direction (magnetization direction 22M and magnetization direction 24M) of the magnetization free layer 21D as a whole becomes strong against thermal disturbance, the magnetoresistive effect element 1D having high thermal stability and Become.
  • FIG. 9 is a view showing a cross section of the magnetoresistive effect element according to the fifth embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 1E of the fifth embodiment is different from the magnetoresistive effect element 1A of the first embodiment in that it further includes a spin orbit torque wiring layer 30.
  • the spin orbit torque wiring layer 30 is an element for flowing a current along the in-plane direction of the magnetoresistive effect element 1E, and is made of a nonmagnetic metal such as Pt or Ta or an antiferromagnetic material.
  • the spin orbit torque wiring layer 30 is provided on the magnetization free layer 21.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of the magnetic memory according to the present embodiment
  • FIG. 11 is a diagram showing an electrical connection configuration of one memory cell of the magnetic memory according to the present embodiment.
  • the magnetic memory 60 according to this embodiment has a configuration in which a plurality of magnetoresistive elements are arranged in a lattice at intersections of a plurality of word lines 61 and a plurality of bit lines 63 wired in a lattice in plan view.
  • Each magnetoresistive element is one of the magnetoresistive elements 1A, 1B, 1C, 1D, and 1E of the first to fifth embodiments described above, and functions as a storage element of the magnetic memory 60. Thereby, a plurality of memory cells are arranged in a grid pattern. The magnetization directions 21M, 22M, and 24M of the magnetization free layers 21 and 21D as the storage layers are set according to the stored data.
  • the upper end of the magnetoresistive effect element 1A (1B, 1C, 1D, 1E) is connected to the bit line 63 via the upper electrode 31, and the lower end of the magnetoresistive effect element 1 (1B, 1C, 1D, 1E) is selected.
  • the word line 61 is connected to the gate of the transistor 65, and the source of the transistor 65 is connected to the ground.
  • a selection voltage is applied to the corresponding word line 61 to turn on the transistor 65, and the polarity differs between the bit line 63 and ground according to the data to be written (H or L).
  • a voltage is applied so that a current flows.
  • the magnetization directions of the magnetization free layers 21 and 21D are set according to the data to be written, and the magnetoresistive effect element 1 has a resistance value corresponding to the written data.
  • a selection voltage (H) is applied to the corresponding word line 61 to turn on the transistor 65, and the magnetization direction of the magnetization free layers 21 and 21D is changed between the bit line 63 and the ground. Apply a small voltage that does not change.
  • a current flows between the bit line 63 and the ground via the transistor 65 and the magnetoresistive effect element 1A (1B, 1C, 1D, 1E).
  • the value of the current is the magnetoresistive effect element 1A (1B). 1C, 1D, and 1E), the data stored in the memory cell can be detected.
  • SYMBOLS 1A Magnetoresistance effect element, 7 ... 1st fixed layer, 9 ... Magnetic coupling layer, 11 ... 2nd fixed layer, 15 ... Magnetization fixed layer, 17 ... Nonmagnetic spacer layer, 21 ... Magnetization free layer

Landscapes

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Abstract

磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と、磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層との間に積層された非磁性スペーサ層と、を備え、磁化固定層は、強磁性材料からなる第１固定層及び第２固定層と、第１固定層と第２固定層との間に積層された磁気結合層と、を有し、第１固定層と第２固定層とは、磁気結合層と介した交換結合によって、第１固定層と第２固定層の磁化方向が互いに反平行になるように磁気的に結合しており、磁気結合層は、Ｉｒと、以下の元素、即ちＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つと、を含む非磁性層である。

Description

磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
　本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
　磁化固定層としての参照層、非磁性スペーサ層、及び磁化自由層としての記録層をこの順に積層させた構成を有する巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、及びトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子等の磁気抵抗効果素子が知られている。これらのうち、非磁性スペーサ層として絶縁層（トンネルバリア層）を用いたＴＭＲ素子は、非磁性スペーサ層として導電層を用いたＧＭＲ素子と比較して、一般的に素子抵抗が高いものの、高いＭＲ比を実現できる。そのため、ＴＭＲ素子は、磁気センサ、磁気ヘッド、及び磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等に利用される素子として注目されている。
　ＴＭＲ素子の磁化自由層の磁化方向を反転させる方法として、磁化自由層にスピン偏極電流を流し、電子スピンから磁化自由層にスピントランスファートルク（spin transfer torque, ＳＴＴ）を作用させる「スピン注入磁化反転」と呼ばれる技術が知られている。例えばＭＲＡＭにこの技術を適用することによって、磁化自由層の磁化方向を反転させるための磁界発生用の配線が不要になる等の理由により、メモリセルを小さくでき、高集積化が可能となる。一般的に、ＳＴＴによる磁化反転技術を用いたＭＲＡＭのことは“ＳＴＴ－ＭＲＡＭ”と呼ばれている。
　また、ＭＲＡＭ等においてさらに高集積化を図るために、垂直磁気異方性を有する垂直磁化型のＴＭＲ素子を利用することが検討されている（例えば、下記非特許文献１、２）。このようなＴＭＲ素子は、参照層の磁化方向が、垂直方向（素子の積層方向、即ち、各層の面内方向と直交する方向）に沿って固定されており、磁化自由層の磁化容易軸も垂直方向に沿っている。これにより、スピン注入磁化反転に必要な電流を小さくすることができるため、ＴＭＲ素子を選択するための選択トランジスタを小さくすることができる。その結果、面内磁気異方性を有するＴＭＲ素子を利用した場合と比較して、垂直磁気異方性を有するＴＭＲ素子を利用した場合の方がメモリセルを小さくできるため、高集積化が可能となる。
　また、磁気抵抗効果素子における磁化固定層の磁化方向は、当該素子の使用時において実質的に変化しないように固定されている。しかしながら、何らかの原因で磁化固定層の磁化方向の固定が不十分で、所定の方向からのずれが生じると、素子使用時の長期安定性の低下、磁気抵抗効果比（ＭＲ比）の低下、外部磁場に対する出力信号の対称性の低下、といった問題が生じる。例えば、ＴＭＲ素子を利用したＭＲＡＭの場合、磁気記録情報を長期に亘り安定的に保持できなくなる等の問題が生じる。
　磁化固定層の磁化方向を強固に固定するための技術として、合成反強磁性（synthesized anti-ferro magnetic）構造（以下、「ＳＡＦ構造」という）と呼ばれる強磁性多層膜が知られている（例えば下記特許文献１）。ＳＡＦ構造は、強磁性材料からなる第１固定層及び第２固定層と、これらの層間に介在する非磁性材料からなる磁気結合層で構成される。第１固定層と第２固定層は、磁気結合層を介した交換結合磁界によって反強磁性的に結合している。そのため、第１固定層から生じる磁束と第２固定層から生じる磁束が、全体として還流経路を形成するように分布する。これにより、第１固定層及び第２固定層の磁化方向は、外部磁場やスピントルク等によって容易には変化しなくなるため、当該磁化方向を強固に固定することが可能となる。
米国特許第５４６５１８５号明細書
　ＳＡＦ構造の磁気結合層を構成する材料としては、これまでＲｕが主に利用されてきたが、近年、より大きな交換結合磁界を生じ得る材料としてＩｒが注目されている。しかしながら、垂直磁化型の磁気抵抗効果素子のＳＡＦ構造において磁気結合層にＩｒを利用した場合、磁化固定層の垂直方向に沿った磁化方向の固定が弱くなり易い。例えば、上記非特許文献２の図３（ａ）に記載されているように、磁気抵抗効果素子の垂直方向に沿って磁場を印加して測定したＭ－Ｈループにおいて、角形比（飽和磁化(Ｍｓ)と残留磁化(Ｍｒ)の比であるＭｒ／Ｍｓの値）が、理想的な値である１よりもかなり低い値となっている。これは、磁気抵抗効果素子のＳＡＦ構造において、第１固定層と第２固定層の垂直方向の磁化方向の固定が弱まっていることが原因と考えられる。
　本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、Ｉｒを含む磁気結合層を有するＳＡＦ構造を備え、従来よりもＳＡＦ構造の第１固定層と第２固定層の磁化方向が強く固定された磁気抵抗効果素子、及びこのような磁気抵抗効果素子を利用した磁気メモリを提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するため、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と、磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層との間に積層された非磁性スペーサ層と、を備え、磁化固定層は、強磁性材料からなる第１固定層及び第２固定層と、第１固定層と第２固定層との間に積層された磁気結合層と、を有し、第１固定層と第２固定層とは、磁気結合層と介した交換結合によって、第１固定層と第２固定層の磁化方向が互いに反平行になるように磁気的に結合しており、磁気結合層は、Ｉｒと、以下の元素、即ちＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つと、を含む非磁性層である。
　本願発明者らは、Ｉｒからなる磁気結合層を利用したＳＡＦ構造では、磁気結合層と、第１固定層及び第２固定層との間の格子不整合に起因して、第１固定層と第２固定層の磁化方向の固定が弱まっていることを見出した。具体的には、第１固定層と第２固定層は、例えば六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）を有し、ｃ軸方向である垂直方向に一軸異方性エネルギーＫｕを有している。しかし、第１固定層と第２固定層は、磁気結合層との間の格子不整合によってａ軸（及びｂ軸）が伸び、ｃ軸が縮む態様の歪（結晶軸比ｃ／ａが小さくなる態様の歪）を磁気結合層から受けるため、上記一軸異方性エネルギーＫｕの値が減少する、又はマイナスになってしまうことがある。これにより、第１固定層と第２固定層の磁化方向は、積層面内を向き易くなるため、第１固定層と第２固定層の磁化方向の垂直方向に沿った固定が弱くなってしまう。
　それに対して、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子によれば、磁気結合層は、当該磁気結合層がＩｒのみからなると想定した場合と比較して、第１固定層及び第２固定層との間の格子不整合率が小さくなるように、Ｉｒに加えて、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つを含んでいる。これにより、第１固定層及び第２固定層が磁気結合層から受ける結晶軸比ｃ／ａが小さくなる態様の歪を減少させることができるため、第１固定層及び第２固定層のマイナスの一軸異方性エネルギーＫｕを低減させる（即ち、一軸異方性エネルギーＫｕの値を増大、又はプラス側に増加させる）ことができる。その結果、第１固定層と第２固定層の磁化方向は、垂直方向を向き易くなるため、第１固定層と第２固定層の磁化方向の垂直方向に沿った固定を強化することができる。
　さらに、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子において、磁気結合層と、第１固定層又は第２固定層との格子不整合率の絶対値が、７％以下であることができる。この場合、磁気結合層がＩｒのみからなると想定した場合と比較して、第１固定層及び第２固定層の一軸異方性エネルギーＫｕの値を十分に増加させることができるため、第１固定層と第２固定層の磁化方向の垂直方向に沿った固定が特に強化される。
　さらに、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子において、磁気結合層は、ｆｃｃ構造又はｈｃｐ構造を有し、第１固定層と第２固定層は、それぞれ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はそれらの合金を有すると共に、ｆｃｃ構造又はｈｃｐ構造を有することができる。
　さらに、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子において、前記磁化固定層は、第１固定層と磁気結合層との間に積層された第１介在層と、第２介在層とをさらに有し、第１介在層は、第１固定層と接し、第２介在層は、第１固定層及び磁気結合層と接し、磁気結合層及び第１介在層の主元素は、Ｉｒであり、第２介在層の主元素は、Ｉｒ以外の元素であり、第１介在層の厚さは、Ｉｒの原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下であり、第２介在層の厚さは、第２介在層の主元素の原子半径の１．５倍以下であることができる。
　これにより、第１固定層を構成する元素が磁気結合層に拡散すること、及び、磁気結合層を構成する元素が第１固定層に拡散することが、第２介在層の存在によって抑制される。このような拡散が生じると、第１固定層と磁気結合層との間の界面の急峻さが低下する。そのため、上記構成によって、第１固定層と磁気結合層との間の界面の急峻さが保持されるため、ＳＡＦ構造における磁気結合層を介した第１固定層と第２固定層間の交換結合磁界が低下することを抑制することができる。また、第１介在層及び第２介在層の厚さ及び配置は、それらの層が第１固定層及び第２固定層間の交換結合に与える影響が実質的に無いように又は十分に小さくなるように決められている。そのため、第１固定層及び第２固定層間の反強磁性的な交換結合磁界を大きく保つことができるため、第１固定層と第２固定層の磁化方向の垂直方向に沿った固定が特に強化される。
　さらに、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子において、磁気結合層の厚さが１ｎｍ以下であることができる。この場合、磁気結合層を介した第１固定層及び第２固定層間の反強磁性的な交換結合磁界を特に大きくすることができるため、第１固定層と第２固定層の磁化方向の垂直方向に沿った固定が特に強化される。
　さらに、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子において、磁気結合層は、Ｉｒと、以下の元素、即ちＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つと、を含む第１非磁性層及び第２非磁性層と、第１非磁性層と第２非磁性層との間に積層された、Ｉｒ又はＲｕからなる中間非磁性層と、を有することができる。これにより、第１非磁性層及び第２非磁性層によって上述のような原理に基づき第１固定層及び第２固定層の一軸異方性エネルギーＫｕの値を増加させることができる。さらに磁気結合層は、第１非磁性層と第２非磁性層との間に他の元素を実質的に含まないＩｒ又はＲｕからなる中間非磁性層を有するため、ＳＡＦ構造における交換結合磁界を特に大きくすることができる。その結果、第１固定層と第２固定層の磁化方向の垂直方向に沿った固定が特に強化される。
　さらに、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子において、第１固定層と第２固定層の少なくとも一方が、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ、又は［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎで表される積層構造を有することができる。これらの積層構造は、垂直方向の一軸異方性エネルギーＫｕを特に大きくすることができるため、第１固定層と第２固定層の磁化方向の垂直方向に沿った固定が特に強化される。
　さらに、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子において、磁化自由層が、強磁性材料からなる第１自由層及び第２自由層と、第１自由層と前記第２自由層との間に積層された非磁性材料からなる磁気結合層と、を有し、第１自由層と第２自由層とは、当該磁気結合層を介した交換結合によって、第１自由層と第２自由層の磁化方向が互いに反平行になるように磁気的に結合していることができる。これにより、磁化自由層の磁化方向が全体として熱擾乱に強くなるため、熱安定性の高い磁気抵抗効果素子となる。
　さらに、本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、磁化自由層にスピン軌道トルクを印加するように設けられたスピン軌道トルク配線層をさらに備えることができる。これにより、スピン軌道トルクによって磁化自由層の磁化方向を反転させることができる。
　また、本発明の一態様に係る磁気メモリは、上述のいずれかの磁気抵抗効果素子を記憶素子として備える。
　本発明によれば、Ｉｒを含む磁気結合層を有するＳＡＦ構造を備え、従来よりもＳＡＦ構造の第１固定層と第２固定層の磁化方向が強く固定された磁気抵抗効果素子、及びこのような磁気抵抗効果素子を利用した磁気メモリが提供される。
第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。 第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。 （Ａ）は、構成例１～３、比較構成例１～３のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図であり、（Ｂ）は、構成例１～３、比較構成例１～３のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。 （Ａ）は、構成例４～８、比較構成例１、４～６のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第１介在層の膜厚依存性を示す図であり、（Ｂ）は、構成例４～８、比較構成例１、４～６のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第１介在層の膜厚依存性を示す図である。 （Ａ）は、構成例９～１３、比較構成例１、７のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図であり、図５の（Ｂ）は、構成例９～１３、比較構成例１、７のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。 （Ａ）は、構成例１５～１９、比較構成例１、８のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図であり、（Ｂ）は、構成例１５～１９、比較構成例１、８のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。 第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。 第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。 第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。 磁気メモリの模式的な斜視図である。 磁気メモリの１つのメモリセルの電気接続構成を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａは、垂直磁化型の磁気抵抗効果素子であり、基板３、下地層５、磁化固定層１５、非磁性スペーサ層１７、磁化自由層２１、及びキャップ層２５を備える。磁気抵抗効果素子１Ａの用途に応じて、磁化固定層１５は参照層とも呼ばれ、磁化自由層２１は記録層とも呼ばれる。
　基板３は、例えば、金属酸化物単結晶、シリコン単結晶、熱酸化膜付シリコン単結晶、サファイア単結晶、セラミック、石英、又はガラスからなる。基板３に含まれる材料は、適度な機械的強度を有し、且つ熱処理や微細加工に適した材料であれば、特に限定されない。金属酸化物単結晶としては、例えば、ＭｇＯ単結晶が挙げられ、ＭｇＯ単結晶を含む基板によれば、当該基板上に容易にエピタキシャル成長膜が形成される。
　下地層５は、基板３の主面上に積層されており、検出用電流等を流すための下部電極として機能する。下地層５は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つの金属からなる。下地層５は、これらの金属の合金、又はこれら金属の２種類以上からなる材料の積層体を含んでもよい。
　磁気抵抗効果素子１Ａは、下地層５上に積層された結晶配向層をさらに備えてもよい。この結晶配向層は、上部の層の結晶配向を制御するための層であり、例えばＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金の少なくとも１つを含む。
　磁化固定層１５は、下地層５上に積層されており、第１固定層７、第２固定層１１、及び第１固定層７と第２固定層１１との間に積層された磁気結合層９を有する。第１固定層７及び第２固定層１１は、それぞれＣｏ、Ｎｉ、又はそれらの合金等の強磁性材料からなり、例えば面心立方格子構造（ｆｃｃ構造）又は六方最密充填構造（ｈｃｐ構造）を有する。第１固定層７及び第２固定層１１の厚さは、例えばそれぞれ１ｎｍ以上、２０．０ｎｍ以下とすることができる。
　磁気結合層９は、導電材料からなる非磁性層であり、具体的にはＩｒと、以下の５種の元素、即ち、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つを含む。磁気結合層９がＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つを含む態様は特に限定されず、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つは、Ｉｒとの合金の態様、Ｉｒとの化合物の態様、Ｉｒ又はＩｒの化合物が構成する結晶における置換型欠陥の態様、又はＩｒ又はＩｒの化合物が構成する結晶に対する添加物の態様等で磁気結合層９に含まれることができる。磁気結合層９は、Ｉｒを主元素として含むことが好ましい。磁気結合層９の主元素とは、磁気結合層９を構成する元素のうち原子数比で最も多い元素を意味する。以下の説明において、他の層の主元素について言及する場合も同様である。また、磁気結合層９は、例えばｆｃｃ構造又はｈｃｐ構造を有する。磁気結合層９の厚さは、例えば０．３ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下とすることができる。
　磁化固定層１５は、ＳＡＦ構造を有する。即ち、第１固定層７と第２固定層１１とは、磁気結合層９を介した交換結合によって、第１固定層７の磁化方向７Ｍと、第２固定層１１の磁化方向１１Ｍとが互いに反平行になるように磁気的に結合している。磁化方向７Ｍ及び磁化方向１１Ｍは、それぞれ垂直方向に沿って固定されている。
　非磁性スペーサ層１７は、磁化固定層１５と磁化自由層２１の間に積層されている。非磁性スペーサ層１７が、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｌ、ＮｉＡｌ、Ｓｉ、Ｇｅ等の金属材料又は非磁性のホイスラー合金等の導電性の非磁性材料からなる場合、磁気抵抗効果素子１ＡはＧＭＲ効果素子となる。この場合、非磁性スペーサ層１７の厚さは、例えば２．０ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下とすることができる。非磁性スペーサ層１７が、例えばＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４等の酸化物材料又は非磁性のスピネル材料等の絶縁性の非磁性材料からなる場合、磁気抵抗効果素子１Ａは、ＴＭＲ効果素子となる。この場合、非磁性スペーサ層１７の厚さは、例えば０．８ｎｍ以上、４．０ｎｍ以下とすることができる。
　磁化自由層２１は、Ｆｅ、Ｃｏ-Ｆｅ、Ｃｏ-Ｆｅ-Ｂ又は強磁性のホイスラー合金等の強磁性材料で構成されている。磁化自由層２１の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下とすることができる。磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍは、実質的に固定されていないが、磁化自由層２１は垂直方向に沿った磁化容易軸を有する。そのため、磁化自由層２１に測定対象の外部磁界やスピントルク等を印加することによって、磁化方向２１Ｍを垂直方向上向きから垂直方向下向きに、又はその逆方向に容易に反転させることができる。そのようにして第２固定層１１の磁化方向１１Ｍと磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍの相対的な角度が変化することによって、磁気抵抗効果素子１Ａの垂直方向に沿った電気抵抗値が変化して磁気抵抗効果が発揮される。
　キャップ層２５は、磁気抵抗効果素子１Ａの各層を保護するために設けられる。キャップ層２５は、例えば、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、及びＩｒの一以上の金属元素、これら金属元素の合金、又は、これら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体からなる。
　従来のような、Ｉｒからなる磁気結合層を利用したＳＡＦ構造では、第１固定層と第２固定層は、磁気結合層との間の格子不整合によって結晶軸比ｃ／ａが小さくなる態様の歪を磁気結合層から受けるため、第１固定層と第２固定層の垂直方向の一軸異方性エネルギーＫｕの値が減少する、又はマイナスになってしまうことがある。これにより、第１固定層と第２固定層の磁化方向は、積層面内を向き易くなるため、第１固定層と第２固定層の磁化方向の垂直方向に沿った固定が弱くなってしまう。
　それに対して、上述のような本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１Ａによれば、磁気結合層９は、当該磁気結合層９がＩｒのみからなると想定した場合と比較して、第１固定層７及び第２固定層１１との間の格子不整合率が小さくなるように、Ｉｒに加えて、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つを含んでいる。例えば、第１固定層７及び第２固定層１１の格子整合面における原子間隔が、磁気結合層９がＩｒのみからなると想定した場合の磁気結合層９の格子整合面における原子間隔よりも小さい場合、磁気結合層９の当該原子間隔が小さくなるように磁気結合層９はＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つを含んでいる。
　これにより、第１固定層７及び第２固定層１１が磁気結合層９から受ける結晶軸比ｃ／ａが小さくなる態様の歪を減少させることができるため、第１固定層７及び磁気結合層９のマイナスの上記一軸異方性エネルギーＫｕを低減させる（即ち、上記一軸異方性エネルギーＫｕの値をプラス側に増加させる）ことができる。そのため、第１固定層７の磁化方向７Ｍと第２固定層１１の磁化方向１１Ｍは、垂直方向を向きやすくなるため、第１固定層７の磁化方向７Ｍと第２固定層１１の磁化方向１１Ｍの垂直方向に沿った固定を強化することができる。なお、磁気結合層９と、第１固定層７又は第２固定層１１との間の格子不整合率は、磁気結合層９の格子整合面における原子間隔をＤＮＭとし、第１固定層７又は第２固定層１１の格子整合面における原子間隔をＤＦＭとしたとき、（ＤＦＭ－ＤＮＭ）／ＤＮＭ×１００という計算式によって定義される。
　上述のような本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１Ａにおいて、磁気結合層９と、第１固定層７又は第２固定層１１との格子不整合率の絶対値が、７％以下であることが好ましい。この場合、磁気結合層９がＩｒのみからなると想定した場合と比較して、第１固定層７及び第２固定層１１の垂直方向の一軸異方性エネルギーＫｕの値をプラス側に十分に大きくすることができるため、第１固定層７の磁化方向７Ｍと第２固定層１１の磁化方向１１Ｍの垂直方向に沿った固定が特に強化される。
　また、上述のような本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１Ａにおいて、磁気結合層９の厚さが１ｎｍ以下であることが好ましい。この場合、磁気結合層９を介した第１固定層７及び第２固定層１１間の反強磁性的な交換結合磁界を特に大きくすることができるため、第１固定層７の磁化方向７Ｍと第２固定層１１の磁化方向１１Ｍの垂直方向に沿った固定が特に強化される。
　また、上述のような本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１Ａにおいて、第１固定層７と第２固定層１１の少なくとも一方が、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ、又は［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎで表される積層構造を有することが好ましい。これらの積層構造は、垂直方向の一軸異方性エネルギーＫｕを特に大きくすることができるため、第１固定層７の磁化方向７Ｍと第２固定層１１の磁化方向１１Ｍの垂直方向に沿った固定が特に強化される。なお、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ、及び［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎとは、それぞれ順に、Ｃｏ層とＰｔ層が交互にｎ回ずつ積層された構造、Ｃｏ層とＰｄ層が交互にｎ回ずつ積層された構造、及びＣｏ層とＮｉ層が交互にｎ回ずつ積層された構造を意味し、ｎは例えば２以上１０以下の整数である。これらの場合、各Ｃｏ層、各Ｐｔ層、各Ｐｄ層、各Ｎｉ層の厚さは、例えば０．２ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下とすることができる。
　次に、磁気結合層９のＩｒに対してＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのいずれかを含ませることによる第１固定層７及び第２固定層１１との間の格子不整合率の変化について、具体的な材料例の組み合わせに基づいて説明する。
　表１は、比較例１～比較例６及び実施例１～実施例５の磁気結合層の材料、第１（第２）固定層の材料、及び磁気結合層と第１（第２）固定層との間の格子不整合率を示している。比較例１の磁気結合層はＩｒからなり、実施例１～実施例５の磁気結合層は、Ｉｒに対してそれぞれＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを表１に示す割合で含ませた材料からなり、比較例２～６は、Ｉｒに対してそれぞれＴａ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ及びＰｔを表１に示す割合で含ませた材料からなる。これらの比較例及び実施例の第１（第２）固定層は、全てＣｏからなる。これらの比較例及び実施例の磁気結合層はｆｃｃ構造を有し、（１１１）面が第１（第２）固定層との格子整合面になるとみなした。
　そのため、これらの磁気結合層の（１１１）面における原子間隔ＤＮＭは、これらの磁気結合層のａ軸の大きさを２の平方根で除した値となる。また、これらの比較例及び実施例の第１（第２）固定層はｈｃｐ構造を有し、（０００１）面が磁気結合層との格子整合面になるとみなした。そのため、これらの第１（第２）固定層の（０００１）面における原子間隔ＤＦＭは、これらの磁気結合層のａ軸の格子定数の大きさとなる。そして、格子不整合（％）＝（ＤＦＭ－ＤＮＭ）／ＤＮＭ×１００という計算式によって、格子不整合を算出した。
　表１に示されるように、比較例１と、実施例１～５の格子不整合率を比較すると、磁気結合層のＩｒにＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、又はＮｉを含ませることによって、磁気結合層と、Ｃｏからなる第１（第２）固定層との間の格子不整合率の絶対値は小さくなることが理解される。また、比較例１と、比較例２～６の格子不整合率を比較すると、磁気結合層のＩｒにＴａ、Ｗ、Ｍｏ又はＰｔを含ませることによって、磁気結合層と、Ｃｏからなる第１（第２）固定層との間の格子不整合率の絶対値は大きくなることが理解される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表２は、比較例７～比較例１２及び実施例６～実施例１０の磁気結合層の材料、第１（第２）固定層の材料、及び磁気結合層と第１（第２）固定層との間の格子不整合率を示している。比較例７～比較例１２及び実施例６～実施例１０の磁気結合層は、それぞれ表１に示す比較例１～比較例６及び実施例１～実施例５の磁気結合層と同じ材料からなる。そのため、比較例７～比較例１２及び実施例６～実施例１０の磁気結合層の第１（第２）固定層との格子整合面における原子間隔ＤＮＭは、それぞれ表１に示す比較例１～比較例６及び実施例１～実施例５のＤＮＭと同じである。比較例７～比較例１２及び実施例６～実施例１０の第１（第２）固定層は、全てＮｉからなる。比較例７～比較例１２及び実施例６～実施例１０の第１（第２）固定層はｆｃｃ構造を有し、（１１１）面が磁気結合層との格子整合面になるとみなした。
　そのため、これらの第１（第２）固定層の（１１１）面における原子間隔ＤＦＭは、これらの磁気結合層のａ軸の大きさを２の平方根で除した値となる。そして、格子不整合（％）＝（ＤＦＭ－ＤＮＭ）／ＤＮＭ×１００という計算式によって、格子不整合を算出した。
　表２に示されるように、比較例７と、実施例６～１０の格子不整合率を比較すると、磁気結合層のＩｒにＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、又はＮｉを含ませることによって、磁気結合層と、Ｎｉからなる第１（第２）固定層との間の格子不整合率の絶対値は小さくなることが理解される。また、比較例７と、比較例８～１２の格子不整合率を比較すると、磁気結合層のＩｒにＴａ、Ｗ、Ｍｏ又はＰｔを含ませることによって、磁気結合層と、Ｎｉからなる第１（第２）固定層との間の格子不整合率の絶対値は大きくなることが理解される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表３は、比較例１３～比較例１８及び実施例１１～実施例１５の磁気結合層の材料、第１（第２）固定層の材料、及び磁気結合層と第１（第２）固定層との間の格子不整合率を示している。比較例１３～比較例１８及び実施例１１～実施例１５の磁気結合層は、それぞれ表１に示す比較例１～比較例６及び実施例１～実施例５の磁気結合層と同じ材料からなる。そのため、比較例１３～比較例１８及び実施例１１～実施例１５の磁気結合層の第１（第２）固定層との格子整合面における原子間隔ＤＮＭは、それぞれ表１に示す比較例１～比較例６及び実施例１～実施例５のＤＮＭと同じである。比較例１３～比較例１８及び実施例１１～実施例１５の第１（第２）固定層は、全てＣｏ９０Ｆｅ１０からなる。比較例１３～比較例１８及び実施例１１～実施例１５の第１（第２）固定層はｆｃｃ構造を有し、（１１１）面が磁気結合層との格子整合面になるとみなした。
　そのため、これらの第１（第２）固定層の（１１１）面における原子間隔ＤＦＭは、これらの磁気結合層のａ軸の大きさを２の平方根で除した値となる。そして、格子不整合（％）＝（ＤＦＭ－ＤＮＭ）／ＤＮＭ×１００という計算式によって、格子不整合を算出した。
　表３に示されるように、比較例１３と、実施例１１～１５の格子不整合率を比較すると、磁気結合層のＩｒにＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、又はＮｉを含ませることによって、磁気結合層と、Ｃｏ９０Ｆｅ１０からなる第１（第２）固定層との間の格子不整合率の絶対値は小さくなることが理解される。また、比較例１３と、比較例１４～１８の格子不整合率を比較すると、磁気結合層のＩｒにＴａ、Ｗ、Ｍｏ又はＰｔを含ませることによって、磁気結合層と、Ｃｏ９０Ｆｅ１０からなる第１（第２）固定層との間の格子不整合率の絶対値は大きくなることが理解される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
（第２実施形態）
　次に、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。図２は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。第２実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂは、磁化固定層の構成において第１実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａと異なる。具体的には、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂの磁化固定層１５Ｂは、第１介在層１２及び第２介在層１３をさらに有する。
　第１介在層１２及び第２介在層１３は、第１固定層７と磁気結合層９との間に積層されている。そして、第１介在層１２は、第１固定層７と接し、第２介在層１３は、第１介在層１２及び磁気結合層９と接している。磁気結合層９及び第１介在層１２の主元素は、Ｉｒであり、第２介在層１３の主元素は、Ｉｒ以外の元素であり、第１介在層１２の厚さは、Ｉｒの原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下であり、第２介在層１３の厚さは、第２介在層１３の主元素の原子半径の１．５倍以下である。
　なお、第１介在層１２の厚さがＩｒの原子半径の２倍未満の場合、当該厚さはＩｒの原子１個分の厚さ未満となる。この場合、第１介在層１２は膜面方向において連続した形状を有することができず、例えば複数の島状等の膜面方向おいて不連続な形状を有する。また、この場合、第１介在層１２の厚さは、第１介在層１２を第１固定層７の上面全体において算術平均化することによって第１介在層１２が均一な厚さを有すると仮定した上で、ＥＤＳなどの元素分析によって評価することができる。
　また、第２介在層１３の厚さは、第２介在層１３の主元素の原子半径の１．５倍以下であるため、当該厚さは当該主元素の原子１個分の厚さ未満となる。この場合、第２介在層１３は膜面方向において連続した形状を有することができず、例えば複数の島状等の膜面方向おいて不連続な形状を有する。また、この場合、第２介在層１３の厚さは、第１介在層１２と同様の方法で評価することができる。
　上述のような本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂによれば、第１固定層７を構成する元素が磁気結合層９に拡散すること、及び、磁気結合層９を構成する元素が第１固定層７に拡散することが、第２介在層１３の存在によって抑制される。このような拡散が生じると、第１固定層７と磁気結合層９との間の界面の急峻さが低下する。そのため、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂによれば、第１固定層７と磁気結合層９との間の界面の急峻さが保持されるため、ＳＡＦ構造における磁気結合層９を介した第１固定層７と第２固定層１１間の交換結合磁界が低下することを抑制することができる。また、第１介在層１２及び第２介在層１３の厚さ及び配置は、それらの層が第１固定層７及び第２固定層１１間の交換結合に与える影響が実質的に無いように又は十分に小さくなるように決められている。そのため、第１固定層７及び第２固定層１１間の反強磁性的な交換結合磁界を大きく保つことができるため、第１固定層７の磁化方向７Ｍと第２固定層１１の磁化方向１１Ｍの垂直方向に沿った固定が特に強化される。
　また、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂにおいて、第２介在層１３の主元素は、第１固定層７の主元素と同一であることが好ましい。この場合、第１固定層７の主元素と同一の元素が第１固定層７と磁気結合層９との間の領域に存在するため、当該領域に異なる元素が存在する場合と比較して、第１固定層７の主元素に関するエントロピーが大きくなる。そのため、当該領域に異なる元素が存在する場合と比較して、第１固定層７の主元素は、熱力学的に磁気結合層９に向かって拡散し難くなる。その結果、第１固定層７及び第２固定層１１間の反強磁性的な交換結合磁界がより大きくなる。
　本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｂの効果をより一層明らかなものとするため、以下において構成例及び比較構成例を用いて説明する。
（構成例１～３、比較構成例１～３）
　磁気抵抗効果素子１Ｂの磁化固定層１５Ｂに対応するように、構成例１の磁化固定層を以下のようにして作成した。熱酸化膜付きＳｉ基板上に、スパッタ法によって、電極層としてＴａ層を５．０ｎｍ、Ｃｕ層を２０ｎｍ、Ｔａ層を１０ｎｍ成膜し、その後ＣＭＰにて表面を平坦化した。その後、スパッタ法によって、第１固定層７としてのＣｏ層を５．０ｎｍ、第１介在層１２としてのＩｒ層を０．２２ｎｍ、第２介在層１３としてのＣｏ層を０．１０ｎｍ、磁気結合層９としてのＩｒ層を０．５ｎｍ、第２固定層１１としてのＣｏ層を２．０ｎｍ、この順に成膜した。そして、成膜後、２５０℃、１時間、印加磁場強度１０ｋＯｅの条件で熱処理をし、第１固定層の磁化方向に沿って磁場を印加して構成例１の磁化曲線を測定し、測定した磁化曲線の磁場方向のシフト量から、第１固定層と第２固定層との間の反強磁性的な交換結合磁界（交換バイアス磁界ＨＥＸ）を評価した。その後、構成例１を４００℃、１時間、印加磁場強度１０ｋＯｅの条件で真空中で磁場中アニール処理を行い、上述と同様の方法で交換バイアス磁界ＨＥＸを算出した。
　比較構成例１の磁化固定層については、第１介在層１２としてのＩｒ層及び第２介在層１３としてのＣｏ層を成膜しなかったこと以外は、構成例１の磁化固定層と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。
　構成例２、３、比較構成例２、３の磁化固定層については、第２介在層１３としてのＣｏ層の厚さを変更したこと以外は、構成例１の磁化固定層と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。構成例２、３、比較構成例２、３の第２介在層１３としてのＣｏ層の厚さは、それぞれ０．１２ｎｍ、０．１５ｎｍ、０．１８ｎｍ、０．２０ｎｍとした。
　表４は、構成例１～３、比較構成例１～３の第１固定層、第１介在層、第２介在層、磁気結合層、並びに第２固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　Ｃｏ元素の原子半径は、０．１１６ｎｍであるため、構成例１、２、３においては、第２介在層の厚さは、Ｃｏ元素の原子半径の１．５倍（０．１７４ｎｍ）以下となっている。比較構成例２、３においては、第２介在層の厚さは、Ｃｏ元素の原子半径の１．５倍よりも厚くなっている。
　図３の（Ａ）は、構成例１～３、比較構成例１～３のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。図３の（Ｂ）は、構成例１～３、比較構成例１～３のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。図３では、構成例を◆のプロットで示し、比較構成例を▲のプロットで示している。以下の図４～図６におけるプロットについても同様である。図３に示すように、構成例１、２、３のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値は、比較構成例１、２、３のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、構成例１、２、３では、比較構成例１よりも小さくなった。
（構成例４～８、比較構成例１、４～６）
　構成例４～８、比較構成例４～６の磁化固定層については、第１固定層７としてのＩｒ層の厚さを変更したこと以外は、構成例３の磁化固定層と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。構成例４～８、比較構成例４～６の第１固定層７としてのＩｒ層の厚さは、それぞれ、０．１０ｎｍ、０．１５ｎｍ、０．２０ｎｍ、０．２２ｎｍ、０．２５ｎｍ、０．３０ｎｍ、０．４０ｎｍ、０．４５ｎｍとした。
　表５は、構成例４～８、比較構成例１、４～６の第１固定層、第１介在層、第２介在層、磁気結合層、並びに第２固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　Ｉｒ元素の原子半径は、０．１２７ｎｍであるため、構成例４～８においては、第１介在層の厚さは、Ｉｒ元素の原子半径の１．５倍（０．１９０５ｎｍ）以上、３．２倍（０．４０６４ｎｍ）以下となっている。比較構成例４、５の第１介在層の厚さは、Ｉｒ元素の原子半径の１．５倍未満となっており、比較構成例６の第１介在層の厚さは、Ｉｒ元素の原子半径の３．２倍よりも厚くなっている。
　図４の（Ａ）は、構成例４～８、比較構成例１、４～６のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第１介在層の膜厚依存性を示す図である。図４の（Ｂ）は、構成例４～８、比較構成例１、４～６のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第１介在層の膜厚依存性を示す図である。図４に示すように、構成例４～８のアニール処理後ＨＥＸの値は、比較構成例１、６のアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、構成例４～８では、比較構成例１よりも小さくなった。
（構成例９～１３、比較構成例１、７）
　構成例９～１３、比較構成例７の磁化固定層については、第２固定層１１としての層の構成材料及び厚さを変更したこと以外は、構成例１の磁化固定層と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。構成例９～１３、比較構成例１、７の第２固定層１１としての層の構成材料をＭｏとし、構成例９～１３、比較構成例７の第２固定層１１としてのＭｏ層の厚さは、それぞれ０．０５ｎｍ、０．１０ｎｍ、０．１２ｎｍ、０．１５ｎｍ、０．１８ｎｍ、０．２０ｎｍとした。
　表６は、構成例９～１３、比較構成例１、７の第１固定層、第１介在層、第２介在層、磁気結合層、並びに第２固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　Ｍｏ元素の原子半径は、０．１３０ｎｍであるため、構成例９～１３においては、第２介在層の厚さは、Ｍｏ元素の原子半径の１．５倍（０．１９５ｎｍ）以下となっている。比較構成例７においては、第２介在層の厚さは、Ｍｏ元素の原子半径の１．５倍よりも厚くなっている。
　図５の（Ａ）は、構成例９～１３、比較構成例１、７のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。図５の（Ｂ）は、構成例９～１３、比較構成例１、７のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。図５に示すように、構成例９～１３のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値は、比較構成例１、７のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、構成例９～１３では、比較構成例１よりも小さくなった。
（構成例１４、比較構成例１）
　構成例１４の磁化固定層については、第２固定層１１としての層の構成材料及び厚さを変更したこと以外は、構成例３の磁化固定層と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。構成例１４の第２固定層１１としての層の構成材料をＰｄとし、構成例１４の第２固定層１１としてのＭｏ層の厚さは、０．１５ｎｍとした。また、同一の作成条件で、１０００個の構成例１４及び比較構成例１の磁化固定層を作成した。そして、構成例１４及び比較構成例１の複数の磁化固定層について、それぞれ磁場中アニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）、及び、磁場中アニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの分散（標準偏差σ）を求めた。
　表７は、構成例１４及び比較構成例１の第１固定層、第１介在層、第２介在層、磁気結合層、並びに第２固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　Ｐｄ元素の原子半径は、０．１２８ｎｍであるため、構成例１４においては、第２介在層の厚さは、Ｐｄ元素の原子半径の１．５倍（０．１９２ｎｍ）以下となっている。
　表７に示すように、構成例１４のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値は、比較構成例１のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、構成例１４では、比較構成例１よりも小さくなった。また、比較構成例１の磁場中アニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）は７．２０％、比較構成例１の磁場中アニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）は１３．１０％であったのに対して、構成例１４の磁場中アニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）は４．２０％、比較構成例１の磁場中アニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸのばらつき（標準偏差σ）は１４．９０％であった。
（構成例１５～１９、比較構成例１、８）
　構成例１５～１９、比較構成例８の磁化固定層については、第２固定層１１としての層の構成材料及び厚さを変更したこと以外は、構成例１の磁化固定層と同様に作成及び交換バイアス磁界ＨＥＸの評価を行った。構成例１５～１９、比較構成例８の第２固定層１１としての層の構成材料をＷとし、構成例１５～１９、比較構成例８の第２固定層１１としてのＷ層の厚さは、それぞれ０．０６ｎｍ、０．１０ｎｍ、０．１２ｎｍ、０．１５ｎｍ、０．１７ｎｍ、０．２０ｎｍとした。
　表８は、構成例１５～１９、比較構成例１、８の第１固定層、第１介在層、第２介在層、磁気結合層、並びに第２固定層の膜構成、及び、磁場中アニール処理前後の交換バイアス磁界ＨＥＸの測定値を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　Ｗ元素の原子半径は、０．１３０ｎｍであるため、構成例１５～１９においては、第２介在層の厚さは、Ｗ元素の原子半径の１．５倍（０．１９５ｎｍ）以下となっている。比較構成例８においては、第２介在層の厚さは、Ｗ元素の原子半径の１．５倍よりも厚くなっている。
　図６の（Ａ）は、構成例１５～１９、比較構成例１、８のアニール処理前の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。図６の（Ｂ）は、構成例１５～１９、比較構成例１、８のアニール処理後の交換バイアス磁界ＨＥＸの第２介在層の膜厚依存性を示す図である。図６に示すように、構成例１５～１９のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値は、比較構成例１、８のアニール処理前ＨＥＸ及びアニール処理後ＨＥＸの値よりもそれぞれ大きくなった。また、アニール処理の前後におけるＨＥＸの値の減少の割合は、構成例１５～１９では、比較構成例１よりも小さくなった。
（第３実施形態）
　次に、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。図７は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。第３実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｃは、磁気結合層の構成において第１実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａと異なる。具体的には、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｃの磁気結合層９Ｃは、第１非磁性層１８及び第２非磁性層２０と、第１非磁性層１８と第２非磁性層２０との間に積層された中間非磁性層１９を有する。
　第１非磁性層１８及び第２非磁性層２０は、第１実施形態の磁気結合層９と同様の材料からなる。即ち、第１非磁性層１８及び第２非磁性層２０は、導電材料からなる非磁性層であり、具体的にはＩｒと、以下の５種の元素、即ち、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つを含む。また、中間非磁性層１９は、Ｉｒ又はＲｕからなる。第１非磁性層１８及び第２非磁性層２０の厚さは、例えば０．１ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下とすることができ、中間非磁性層１９の厚さは、例えば０．１ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下とすることができ、磁気結合層９Ｃの厚さは、例えば０．１ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下とすることができる。
　上述のような本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｃによれば、第１非磁性層１８及び第２非磁性層２０が第１実施形態の磁気結合層９と同様の材料からなると共に、それぞれ第１固定層７及び第２固定層１１と接するため、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａにおける場合と同じ原理に基づき、第１固定層７及び第２固定層１１の垂直方向の一軸異方性エネルギーＫｕの値をプラス側に増加させることができる。さらに磁気結合層９Ｃは、第１非磁性層１８と第２非磁性層２０との間に他の元素を実質的に含まないＩｒ又はＲｕからなる中間非磁性層１９を有するため、ＳＡＦ構造における交換結合磁界を特に大きくすることができる。その結果、第１固定層７の磁化方向７Ｍと第２固定層１１の磁化方向１１Ｍの垂直方向に沿った固定が特に強化される。
（第４実施形態）
　次に、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。図８は、第４実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。第４実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｄは、磁化自由層の構成において第１実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａと異なる。具体的には、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｄの磁化自由層２１Ｄは、第１自由層２２及び第２自由層２４と、第１自由層２２と第２自由層２４との間に積層された磁気結合層２３を有する。
　第１自由層２２及び第２自由層２４は、強磁性材料からなり、例えば、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａの磁化自由層２１と同様の材料からなる。磁気結合層２３は、導電材料からなる非磁性層であり、例えば、Ｉｒ、Ｒｕ、又はこれらのいずれか又は両方を含む合金からなる。第１自由層２２と第２自由層２４とは、磁気結合層２３を介した交換結合によって、第１自由層２２の磁化方向２２Ｍと第２自由層２４の磁化方向２４Ｍが互いに反平行になるように磁気的に結合している。即ち、本実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｄでは、磁化自由層２１ＤがＳＡＦ構造を有している。
　第１自由層２２及び第２自由層２４の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下とすることができ、磁気結合層２３の厚さは、例えば０．３ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下とすることができ、磁化自由層２１Ｄの厚さは、例えば０．５ｎｍ以上、２．０ｎｍ以下とすることができる。
　第１自由層２２及び第２自由層２４は、垂直方向に沿った磁化容易軸を有する。また、第１自由層２２の磁化方向２２Ｍの大きさと、第２自由層２４の磁化方向２４Ｍの大きさは等しいことが好ましいが、異なっていても良い。磁化自由層２１Ｄに測定対象の外部磁界やスピントルク等を印加することによって、磁化方向２２Ｍと磁化方向２４Ｍの反平行の関係をほぼ保ちながら、磁化方向２２Ｍを垂直方向上向きから垂直方向下向きに反転させると共に磁化方向２４Ｍを垂直方向下向きから垂直方向上向きに反転させる、又はその逆方向に反転させることができる。また、第１自由層２２の磁化方向２２Ｍの大きさと、第２自由層２４の磁化方向２４Ｍの大きさが異なる場合、打ち消されずに残った磁化からの有効磁界が第１自由層２２、または第２自由層２４に印加されるため、磁化方向を反転させるときの磁場アシスト効果を得ることができる。
　上述のような磁気抵抗効果素子１Ｄによれば、磁化自由層２１Ｄの磁化方向（磁化方向２２Ｍ及び磁化方向２４Ｍ）が全体として熱擾乱に強くなるため、熱安定性の高い磁気抵抗効果素子１Ｄとなる。
（第５実施形態）
　次に、第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子について説明する。図９は、第５実施形態に係る磁気抵抗効果素子の断面を示す図である。第５実施形態の磁気抵抗効果素子１Ｅは、スピン軌道トルク配線層３０をさらに備える点において、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａと異なる。
　スピン軌道トルク配線層３０は、磁気抵抗効果素子１Ｅの面内方向に沿った電流を流すための要素であり、Ｐｔ、Ｔａ等の非磁性金属や反強磁性材料からなる。スピン軌道トルク配線層３０は磁化自由層２１上に設けられている。スピン軌道トルク配線層３０に電流を流すと、スピン・軌道相互作用によって電流と直交する方向にスピンの流れ（スピン流）が生じて磁化自由層２１の磁化にスピン軌道トルクが印加される。このスピン軌道トルクを利用することによって、磁化自由層２１の磁化方向２１Ｍを高速で反転させることができる。
（磁気メモリ）
　次に、上述の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリについて説明する。図１０は、本実施形態に係る磁気メモリの模式的な斜視図であり、図１１は、本実施形態に係る磁気メモリの１つのメモリセルの電気接続構成を示す図である。本実施形態に係る磁気メモリ６０は、平面視で格子状に配線された複数のワード線６１と複数のビット線６３との交点に複数の磁気抵抗効果素子を格子状に配置した構成を有する。各磁気抵抗効果素子は、上述の第１～第５実施形態の磁気抵抗効果素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅのいずれかであり、磁気メモリ６０の記憶素子として機能する。これにより、複数のメモリセルが格子状に配置される。記憶データに応じて記憶層としての磁化自由層２１、２１Ｄの磁化方向２１Ｍ、２２Ｍ、２４Ｍが設定される。
　磁気抵抗効果素子１Ａ（１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）の上端は、上部電極３１を介してビット線６３に接続され、磁気抵抗効果素子１（１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）の下端は、選択用のトランジスタ６５のドレインに接続されている。ワード線６１は、トランジスタ６５のゲートに接続され、トランジスタ６５のソースは、グラウンドに接続されている。
  各メモリセルにデータを書き込む場合は、対応するワード線６１に選択電圧を印加してトランジスタ６５をオンし、書き込むデータ（ＨまたはＬ）に応じて、ビット線６３とグラウンドの間に極性の異なる電流を流すように電圧を印加する。これにより、書き込むデータに応じて、磁化自由層２１、２１Ｄの磁化方向が設定され、磁気抵抗効果素子１は、書き込まれたデータに対応した抵抗値を有する。各メモリセルからデータを読み出す場合は、対応するワード線６１に選択電圧（Ｈ）を印加してトランジスタ６５をオンし、ビット線６３とグラウンドの間に、磁化自由層２１、２１Ｄの磁化方向を変化させない程度の小さい電圧を印加する。これにより、トランジスタ６５および磁気抵抗効果素子１Ａ（１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）を介して、ビット線６３とグラウンドの間に電流が流れるが、当該電流の値は、磁気抵抗効果素子１Ａ（１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ）の抵抗値に応じた大きさとなるため、メモリセルに記憶されているデータを検出することができる。
　１Ａ…磁気抵抗効果素子、７…第１固定層、９…磁気結合層、１１…第２固定層、１５…磁化固定層、１７…非磁性スペーサ層、２１…磁化自由層。

Claims (10)

  1. 　磁化固定層と、磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に積層された非磁性スペーサ層と、を備え、
    　前記磁化固定層は、強磁性材料からなる第１固定層及び第２固定層と、前記第１固定層と前記第２固定層との間に積層された磁気結合層と、を有し、
    　前記第１固定層と前記第２固定層とは、前記磁気結合層と介した交換結合によって、前記第１固定層と前記第２固定層の磁化方向が互いに反平行になるように磁気的に結合しており、
    　前記磁気結合層は、Ｉｒと、以下の元素、即ちＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つと、を含む非磁性層である、磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記磁気結合層と、前記第１固定層又は前記第２固定層との格子不整合率の絶対値が、７％以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記磁気結合層は、ｆｃｃ構造又はｈｃｐ構造を有し、
    　前記第１固定層と前記第２固定層は、それぞれ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はそれらの合金を有すると共に、ｆｃｃ構造又はｈｃｐ構造を有する、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記磁化固定層は、前記第１固定層と前記磁気結合層との間に積層された第１介在層と、第２介在層とをさらに有し、
    　前記第１介在層は、前記第１固定層と接し、前記第２介在層は、前記第１固定層及び前記磁気結合層と接し、
    　前記磁気結合層及び前記第１介在層の主元素は、Ｉｒであり、
    　前記第２介在層の主元素は、Ｉｒ以外の元素であり、
    　前記第１介在層の厚さは、Ｉｒの原子半径の１．５倍以上、３．２倍以下であり、
    　前記第２介在層の厚さは、前記第２介在層の主元素の原子半径の１．５倍以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記磁気結合層の厚さが１ｎｍ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記磁気結合層は、Ｉｒと、以下の元素、即ちＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉの少なくとも一つと、を含む第１非磁性層及び第２非磁性層と、前記第１非磁性層と第２非磁性層との間に積層された、Ｉｒ又はＲｕからなる中間非磁性層と、を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　前記第１固定層と前記第２固定層の少なくとも一方が、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ、又は［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎで表される積層構造を有する、請求項１～６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 　前記磁化自由層が、強磁性材料からなる第１自由層及び第２自由層と、前記第１自由層と前記第２自由層との間に積層された非磁性材料からなる磁気結合層と、を有し、
    　前記第１自由層と前記第２自由層とは、当該磁気結合層を介した交換結合によって、前記第１自由層と前記第２自由層の磁化方向が互いに反平行になるように磁気的に結合している、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 　前記磁化自由層にスピン軌道トルクを印加するように設けられたスピン軌道トルク配線層をさらに備える請求項１～８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を記憶素子として備える磁気メモリ。
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