WO2018179660A1 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ Download PDF

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WO2018179660A1
WO2018179660A1 PCT/JP2017/047323 JP2017047323W WO2018179660A1 WO 2018179660 A1 WO2018179660 A1 WO 2018179660A1 JP 2017047323 W JP2017047323 W JP 2017047323W WO 2018179660 A1 WO2018179660 A1 WO 2018179660A1
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magnetic
nonmagnetic
coupling
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PCT/JP2017/047323
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西岡　浩一
哲郎 遠藤
正二 池田
本庄　弘明
佐藤　英夫
大野　英男
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国立大学法人東北大学
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    • H01F10/3231—Exchange coupling via one or more magnetisable ultrathin or granular films via a non-magnetic spacer
    • H01F10/3236—Exchange coupling via one or more magnetisable ultrathin or granular films via a non-magnetic spacer made of a noble metal, e.g.(Co/Pt) n multilayers having perpendicular anisotropy

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive effect element, in particular, a magnetoresistive effect element in which the magnetization direction of a recording layer is perpendicular to the film surface, and a magnetic memory including the magnetoresistive effect element.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • the magnetoresistive effect element is based on a structure in which a nonmagnetic layer (barrier layer) is sandwiched between two magnetic layers (reference layer, recording layer), and tunnel magnetoresistance (TMR) having a magnetic tunnel junction (MTJ). ) Also called element.
  • a nonmagnetic layer carrier layer
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • One of the magnetic layers is a reference layer whose magnetization direction is fixed, and the other one is a recording layer whose magnetization direction is variable.
  • the resistance value of the magnetoresistive element is small when the magnetization direction of the magnetic layer of the reference layer and the magnetization direction of the magnetic layer of the recording layer are in the easy magnetization direction, and difficult to magnetize antiparallel. In the case of direction, it becomes larger.
  • these two resistance states are assigned to bit information “0” and “1”.
  • the two resistance states of the magnetoresistive effect element are reversed by the magnetic moment of the magnetic layer. The reversal of the magnetic moment is to change the direction of the magnetic layer from one easy magnetization direction to another easy magnetization direction to another easy magnetization direction.
  • the normalized magnetic energy e ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) is obtained by standardizing the magnetic energy E by the effective magnetic anisotropy constant K eff t per unit area, and the difference is the normalized magnetic barrier energy ⁇ e ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ). Details will be described later.
  • the main characteristics required for the MRAM are (i) a large tunnel magnetoresistance ratio (TMR ratio) of the magnetoresistive effect element, (ii) a small write current I C0 , and (iii) a thermal stability index ⁇ . It ’s big. Since (i) corresponds to high-speed reading, (ii) corresponds to high-speed writing, (iii) is a characteristic required for the non-volatility of the magnetic memory.
  • TMR ratio tunnel magnetoresistance ratio of the magnetoresistive effect element
  • I C0 small write current
  • ⁇ thermal stability index
  • the magnetic layer (reference layer) and the magnetic layer (recording layer) have a high thermal stability index ⁇ of 70 or more in order to retain bit information even if the magnetoresistive effect element is miniaturized. It is disclosed that it is necessary to have a magnetic layer serving as a reference layer, and that the magnetic layer serving as a recording layer should have a larger thermal stability index ⁇ .
  • the thermal stability index ⁇ of the magnetic layer of the magnetoresistive element has a correlation with the effective magnetic anisotropy energy density K eff, and a large magnetic anisotropy (effective magnetic anisotropy). Since many substances having energy density K eff ) exhibit perpendicular magnetic anisotropy, it is disclosed that perpendicularly magnetized TMR elements are being used as magnetoresistive elements of magnetic memory cells of MRAM. ing.
  • Non-Patent Document 4 by applying a thinned CoFeB / MgO laminated structure to a perpendicular magnetic anisotropic magnetoresistive effect element, the thermal stability index ⁇ is approximately 40 nm at a junction size diameter of 40 nm in the magnetic layer of the recording layer. It is disclosed that 40 magnetoresistive elements are obtained. Further, Non-Patent Document 6 discloses a magnetoresistive effect element having a junction size diameter of about 40 nm and a thermal stability index ⁇ of 80 or more by forming a double CoFeB / MgO interface recording layer structure and increasing the magnetic layer of the recording layer.
  • junction size diameter is 29 nm.
  • the junction size of the magnetic layer is the length of the longest straight line on the junction surface in contact with the adjacent nonmagnetic layer or electrode.
  • the joint size is the diameter of the joint surface.
  • the joint size is particularly referred to as a joint size diameter.
  • the present invention provides a magnetoresistive effect element having a higher thermal stability index ⁇ than the prior art in order to realize non-volatility for recording and holding bit information for 10 years in an MRAM highly integrated by miniaturization of the magnetoresistive effect element. It is an object to provide a magnetic memory. More specifically, in the recording layer of the magnetoresistive effect element in which two magnetic layers are arranged at each of the two interfaces, the thermal stability index ⁇ of each of the two magnetic layers is effectively combined, It is an object of the present invention to provide a magnetoresistive effect element and a magnetic memory having a further increased thermal stability index ⁇ .
  • the thermal stability index ⁇ of the magnetoresistive element is expressed by the following equation.
  • Equation 1 ⁇ E is the magnetic barrier energy
  • k B is the Boltzmann coefficient
  • T is the absolute temperature
  • K eff is the effective magnetic anisotropy energy density
  • S is the area of the recording layer
  • t is the film thickness.
  • the normalized magnetic energy e ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) is obtained by normalizing the magnetic energy E by the effective magnetic anisotropy constant K eff t per unit area, and the difference is the normalized magnetic energy.
  • the normalized magnetic barrier energy ⁇ e ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) is equal to the energy required in the process of reversing the magnetic moment.
  • K eff t The product of the effective magnetic anisotropy energy density K eff and the recording layer thickness t K eff t (in the coordinates where the x-axis and y-axis are in the plane and the z-axis is perpendicular to the xy plane.
  • K eff t is referred to as an effective magnetic anisotropy constant per unit area).
  • K i is the interface magnetic anisotropy energy density
  • N z is the z-axis demagnetizing factor
  • N x is the x-axis demagnetizing factor
  • M s is saturation magnetization
  • ⁇ 0 is the vacuum permeability
  • K b is the bulk magnetic anisotropy energy density derived from bulk (crystal) magnetic anisotropy and magnetoelastic effect.
  • N x is equal to the y-axis demagnetizing factor N y .
  • N z and N x are difficult to obtain strictly when the recording layer is cylindrical, and can be obtained by numerical calculation by elliptic approximation.
  • K eff t per unit area When the effective magnetic anisotropy constant K eff t per unit area is positive, it indicates perpendicular magnetic anisotropy, and when it is negative, it indicates in-plane magnetic anisotropy. That is, when positive, the direction perpendicular to the plane becomes the easy axis of magnetization.
  • perpendicular magnetic anisotropy K eff > 0
  • the interface magnetic anisotropy energy density K i in the case of using a CoFeB is lower than the interface magnetic anisotropy energy density K i in the case of using a CoFe free of B as a magnetic layer.
  • a high interfacial magnetic anisotropy energy density K i can be obtained.
  • CoFe has a higher saturation magnetization M s than CoFeB, a demagnetizing field ( ⁇ (N z ⁇ N x ) M s / 2 ⁇ 0 ) is large, and in-plane magnetic anisotropy (K eff ⁇ 0) is obtained, and no perpendicular magnetic anisotropy is obtained.
  • the effective magnetic anisotropy is influenced by the interface magnetic anisotropy and the bulk (crystal) magnetic anisotropy.
  • Interface magnetic anisotropy is magnetized easily direction appears nature by hybridization of electron trajectories at the interface, the unit of the interface magnetic anisotropy energy density K i is J / m 2, the effect of the interface magnetic anisotropy This becomes conspicuous when the thickness of the magnetic layer of the recording layer is reduced.
  • the bulk (crystal) magnetic anisotropy is a property in which the direction of easy magnetization appears due to the anisotropy of the crystal structure, and the unit of the bulk (crystal) magnetic anisotropy energy density K b is J / m 3 . is there.
  • the present inventors have developed an interfacial magnetic anisotropy energy density K at the interface between the adjacent nonmagnetic layer and the magnetic layer.
  • Various methods for reducing the saturation magnetization M s of the entire recording layer so as not to decrease i are studied.
  • the magnetic layer of the magnetoresistive element has at least two regions (a first magnetic layer adjacent to the nonmagnetic layer sandwiching the recording layer and a second magnetic layer not adjacent to the nonmagnetic layer sandwiching the recording layer) It is found that a magnetoresistive effect element having a high thermal stability index ⁇ can be obtained by making the composition of the magnetic element of the first magnetic layer larger than the composition of the magnetic element of the second magnetic layer. (Refer to patent document 2 etc.).
  • the magnetoresistance having a high thermal stability index ⁇ It has been found that an effect element can be obtained (see Patent Document 3, etc.).
  • the present inventors also have two magnetic layers adjacent to the MgO interface, and the perpendicular magnetic anisotropy and two magnetic properties of the conventional recording layer in which the nonmagnetic coupling layer is sandwiched between the two magnetic layers. From the viewpoint of magnetic coupling between layers, the range of film thickness of the nonmagnetic coupling layer is examined.
  • the structure of the recording layer of the conventional example is shown in FIG. 19, and the first nonmagnetic layer (1) / first magnetic layer (2) / first nonmagnetic coupling layer (3) / second magnetic layer ( 6) The second nonmagnetic layer (7).
  • the film thickness of the first nonmagnetic layer (3) is preferably adjusted so that the recording layer has perpendicular magnetic anisotropy and the two magnetic layers are magnetically coupled.
  • the first nonmagnetic coupling layer (3) contains a nonmagnetic element such as W, and the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) contain at least either Co or Fe, It is desirable to include B such as CoB, FeB, CoFeB and the like.
  • the first nonmagnetic coupling layer (3) sandwiched between the two magnetic layers absorbs B or the like contained in the adjacent magnetic layer. It is known as one of the reasons of increasing the magnetic anisotropy energy density K i. That is, it is desirable that the first nonmagnetic coupling layer (3) has a thickness capable of absorbing B or the like in the adjacent magnetic layer. Whether or not the recording layer has perpendicular magnetic anisotropy is confirmed by using a magnetoresistive effect element for evaluation having the configuration of FIG. 20 and applying a magnetic field H perpendicular to the film surface of the magnetoresistive effect element to obtain a magnetization curve. I got it.
  • the first nonmagnetic layer (1) is MgO (film thickness 1 nm)
  • the first magnetic layer (2) is CoFeB 25 (film thickness 1.4 nm)
  • the second magnetic layer (6) is CoFeB 25 (film thickness). 1 nm) and the second nonmagnetic layer (7) was set to be constant with MgO (film thickness 1 nm).
  • the film thickness can be adjusted, for example, by preparing a thick film with a longer sputtering time, measuring the film thickness, and adjusting the sputtering time using the fact that the sputtering time is proportional to the film thickness.
  • the film thickness is calculated by the sputtering time. Therefore, even if the layers are continuous, the layers are not continuous. Also included.
  • the magnetization curve when the film thickness of the nonmagnetic coupling layer is 0.5 nm is shown in c).
  • the magnetization curve is obtained by taking the magnetization M on the vertical axis and the magnetic field H on the horizontal axis, and the characteristics of the magnetic material can be evaluated. From the magnetization curve of FIG. 21A, it was found that the recording layer of the magnetoresistive effect element in which the nonmagnetic coupling layer (3) is not inserted has no perpendicular magnetic anisotropy.
  • the recording layer of the magnetoresistive element has perpendicular magnetic anisotropy when the nonmagnetic coupling layer (3) is 0.3 nm or more.
  • the W nonmagnetic coupling layer of this configuration it was found that a sufficient perpendicular magnetic anisotropy was obtained when the film thickness was 0.5 nm or more.
  • magnetic coupling between magnetic layers means magnetic coupling per unit area between the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) in the conventional example of FIG. Force (hereinafter referred to as “magnetic coupling force”) J ex works, that is, magnetic coupling force J ex is greater than zero. Evaluation of the magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers was performed by using a magnetoresistive element for evaluation having the configuration of FIG. 22 and obtaining a magnetization curve.
  • the first magnetic layer (2) is CoFeB 25 (film thickness 1.2 nm)
  • the second magnetic layer (6) is CoFeB 25 (film thickness 1 nm)
  • the second nonmagnetic layer (7) is MgO (film thickness). 0.9 nm)
  • the first nonmagnetic coupling layer (3) was set to W
  • the film thicknesses t were set to 0.3 nm, 0.4 nm, and 0.5 nm.
  • FIG. 24A shows the details of the same magnetization curve as FIG. 23B, and shows the magnetization reversal portion of the second magnetic layer (6), the first magnetic layer (2), and the second laminated ferri pinned layer.
  • the magnetization reversal part is circled.
  • FIG. 24B shows an enlarged view of the magnetization reversal portion of the second magnetic layer (6).
  • the magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers can be calculated as follows using the amount of magnetic field shift (hereinafter referred to as “shift magnetic field H ex ”), the saturation magnetization M s, and the area S of the film. .
  • the magnetic coupling force J ex of the two magnetic layers is obtained from the obtained magnetization curve, as described above, by determining the shift magnetic field H ex and the saturation magnetization M s . Calculated together with the area S of the film.
  • the film thickness of the nonmagnetic coupling layer is 0.3 nm
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) are magnetically magnetic as shown by the magnetization curve in FIG. The magnetization is reversed together, and the values of the shift magnetic field H ex and the saturation magnetization M s cannot be obtained.
  • FIG. 23 (d) shows the relationship between the W film thickness of the nonmagnetic coupling layer (3) and the magnetic coupling force J ex between the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6). It was.
  • the nonmagnetic coupling layer inserted between the two magnetic layers has a perpendicular magnetic anisotropy, so that the preferred film thickness is 0.3 nm. More preferably, it is 0.5 nm or more.
  • the preferred film thickness is 0.3 nm or less in order to obtain a magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers of 0.5 mJ / m 2 or more. That is, obtaining a sufficient magnetic coupling force J ex between two magnetic layers while maintaining sufficient perpendicular magnetic anisotropy of the recording layer with only a single nonmagnetic coupling layer is close to a trade-off.
  • the effect of increasing the thermal stability index ⁇ due to the arrangement of the two magnetic layers at the interface of the recording layer is difficult to occur.
  • the present invention adds the effects of the thermal stability index ⁇ 0 of each of two or more magnetic layers adjacent to the nonmagnetic layer at the interface in the examination of the above problems.
  • a magnetoresistive element of the present invention is provided adjacent to a first nonmagnetic layer (1) and the first nonmagnetic layer (1), and the magnetization direction is a film surface.
  • a first magnetic layer (2) in the vertical direction and a first nonmagnetic coupling provided adjacent to the opposite side of the first magnetic layer (2) from the first nonmagnetic layer (1) A layer (3), a first magnetic insertion layer (4a) provided on the opposite side of the first nonmagnetic coupling layer (3) from the first magnetic layer (2), A second nonmagnetic coupling layer (5a) provided adjacent to the opposite side of the first magnetic insertion layer (4a) to the first nonmagnetic coupling layer (3), and the second nonmagnetic coupling layer
  • a second nonmagnetic layer (7) provided adjacent to the opposite side of the second nonmagnetic coup
  • the first nonmagnetic coupling layer (3) and the second nonmagnetic coupling layer (5a) are W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B , Pd, Pt, and the like, and the first magnetic insertion layer (4a) contains at least one of Co, Fe, or Ni, and the first nonmagnetic coupling layer (3), the first The first magnetic layer includes a first coupling layer (J1) composed of one magnetic insertion layer (4a) and the second nonmagnetic coupling layer (5a). 2) and the second magnetic layer (6) are magnetically coupled, and the first magnetic layer (2), the first coupling layer (J1), and the second magnetic layer (6) 1 recording layer (A1).
  • the first magnetic insertion layer (4a) contains at least Fe and B.
  • Another magnetoresistive element of the present invention is provided adjacent to the first nonmagnetic layer (1) and the first nonmagnetic layer (1), and the magnetization direction is a direction perpendicular to the film surface.
  • a first magnetic layer (2) and a first nonmagnetic coupling layer (3) provided adjacent to the opposite side of the first magnetic layer (2) from the first nonmagnetic layer (1)
  • a first magnetic insertion layer (4a) provided adjacent to the first nonmagnetic coupling layer (3) on the opposite side of the first magnetic layer (2), and the first magnetic insertion layer
  • a second nonmagnetic coupling layer (5a) provided adjacent to the side of the layer (4a) opposite to the first nonmagnetic coupling layer (3), and a second nonmagnetic coupling layer (5a)
  • a second magnetic layer (6) provided adjacent to the opposite side of the first magnetic insertion layer (4a) and having a magnetization direction perpendicular to the film surface; and the second magnetic layer (6)
  • the third magnetic layer (9) provided adjacent to the side and having a magnetization direction perpendicular to the film surface is opposite to the third nonmagnetic layer (8) of the third magnetic layer (9)
  • a fourth magnetic insertion layer (11a) and a sixth nonmagnetic coupling layer provided adjacent to the opposite side of the fourth magnetic insertion layer (11a) from the fifth nonmagnetic coupling layer (10) (12a) and the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) on the opposite side of the fourth magnetic insertion layer (11a), and the magnetization direction is perpendicular to the film surface.
  • the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) are composed of a layer containing O (oxygen), and the first magnetic layer (2),
  • the second magnetic layer (6), the third magnetic layer (9), and the fourth magnetic layer (13) include at least one of Co and Fe, and the first nonmagnetic coupling layer ( 3)
  • the second nonmagnetic coupling layer (5a), the fifth nonmagnetic coupling layer (10), and the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) are made of W, Ta, Hf, Zr, It contains nonmagnetic elements such as Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt, and includes the first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11 a) includes at least one of Co, Fe, or Ni
  • the layer (6) is magnetically coupled, and the second magnetic layer (6) and the third magnetic layer are coupled by the second coupling layer (J2) composed of the third nonmagnetic layer (8).
  • the layer (9) is magnetically coupled and is composed of the fifth nonmagnetic coupling layer (10), the fourth magnetic insertion layer (11a), and the sixth nonmagnetic coupling layer (12a).
  • the third coupling layer (J3) magnetically couples the third magnetic layer (9) and the fourth magnetic layer (13), so that the first coupling layer (J1)
  • the first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) contain at least Fe and B.
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) are magnetically coupled with the first coupling layer (J1) composed of 5a) interposed therebetween.
  • the first nonmagnetic coupling layer (3), the first magnetic insertion layer (4a), and the second nonmagnetic coupling are provided between the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6).
  • the third nonmagnetic layer (8) is interposed between the second magnetic layer (6) and the third magnetic layer (9) with the first coupling layer (J1) composed of the layer (5a) interposed therebetween.
  • the fifth nonmagnetic coupling layer (10) and the fourth magnetic layer are interposed between the third magnetic layer (9) and the fourth magnetic layer (13) with the second coupling layer (J2) formed therebetween.
  • the first magnetic layer (2), the second magnetic layer (6), the first magnetic layer (6), and the third magnetic layer (6) are sandwiched between the insertion layer (11a) and the sixth nonmagnetic coupling layer (12a).
  • the second magnetic layer (6) and the third magnetic layer (9), and the third magnetic layer (9) and the fourth magnetic layer (13) are magnetically coupled. Provides magnetoresistive elements with higher thermal stability Rukoto can.
  • FIG. 1 It is a longitudinal cross-sectional view which shows an example of a structure of the conventional magnetoresistive effect element.
  • Configuration diagram of magnetoresistive element for evaluation of magnetic anisotropy with respect to film thickness of nonmagnetic coupling layer inserted in two magnetic layers in recording layer of magnetoresistive element having two magnetic layers adjacent to MgO interface Indicates.
  • (c) shows a magnetization curve in the case of 0.5 nm.
  • FIG. 5 shows a configuration diagram of an evaluation magnetoresistive element for each film thickness of a magnetic coupling force J ex between two magnetic layers in a recording layer of a magnetoresistive element having two magnetic layers adjacent to the MgO interface.
  • the film thickness of the nonmagnetic coupling layer W is (a) 0.3 nm, (b) 0.4 nm, (c) The magnetization curve in the case of 0.5 nm is shown. Further, (d) shows the relationship of the magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers with respect to the film thickness of the nonmagnetic coupling layer.
  • the block diagram of the magnetoresistive effect element for evaluation of the relationship between the effective magnetic anisotropic energy density Keff and the film thickness of the 1st magnetic insertion layer (4a) is shown.
  • the relationship between the effective magnetic anisotropy energy density K eff and the film thickness of the first magnetic insertion layer (4a) is shown.
  • the relationship between the Co sputtering power and saturation magnetization M s during the production of the CoW film is shown.
  • (A) is when the TS distance is 230 mm
  • (b) is when the TS distance is 280 mm.
  • a structural view of a magnetoresistive element for evaluation by the saturation magnetization M s of the bulk is shown.
  • CoW is a magnetic insertion layer
  • (a) when bulk saturation magnetization M s 1.2 T and sputtering gas is Kr
  • (b) when bulk saturation magnetization M s 0.9 T and sputtering gas is Kr
  • the magnetization curve is shown when sweeping from positive to negative. 3 shows the relationship between the thickness of the magnetic insertion layer and the magnetic coupling force J ex for each element type of the magnetic insertion layer and bulk saturation magnetization M s .
  • the relationship between the film thickness of the magnetic insertion layer and the magnetization M for each element type of the magnetic insertion layer and the bulk saturation magnetization M s is shown.
  • 3 shows the relationship between the magnetic coupling force J ex at 300 K and the thermal stability index ⁇ of magnetoresistive elements having different diameters.
  • 3 shows the relationship between the magnetic coupling force J ex at 423K and the thermal stability index ⁇ of magnetoresistive elements having different diameters.
  • the magnetization curve of the film thickness t of the third nonmagnetic layer (8) constituting the second coupling layer (J2) and the relationship between the film thickness t of the third nonmagnetic layer (8) and the magnetic coupling force Jex is shown.
  • the magnetization curve when sweeping from positive to negative when the film thickness t of the third nonmagnetic layer (8) constituting the second coupling layer (J2) is 0.7 nm to 1.0 nm is shown. It shows the relationship between the film thickness t of the third nonmagnetic layer (8) constituting the second coupling layer (J2) and the magnetic coupling force Jex .
  • the block diagram of the magnetoresistive element for evaluation of a magnetization characteristic when the coupling layer sandwiched between two magnetic layers is made of an alloy of a nonmagnetic element and a magnetic element is shown.
  • the magnetization curve when the coupling layer sandwiched between two magnetic layers is made of an alloy of a nonmagnetic element and a magnetic element is shown.
  • Thickness of the magnetic insert layer FeB bonding layer shows the structure of a magnetoresistive element for evaluation of the magnetic coupling force J ex by.
  • the magnetization curve in case the film thickness of the magnetic insertion layer FeB in a coupling layer is 0.4 nm is shown.
  • the relationship between the film thickness of the magnetic insertion layer FeB in the coupling layer and the magnetic coupling force J ex is shown.
  • the structure of the magnetoresistive effect element for recording layer evaluation is shown.
  • the measurement results of the effective magnetic anisotropy constant K eff t * (mJ / m 2 ) of the recording layer of the magnetoresistive effect elements of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are shown.
  • the measurement results of the effective magnetic anisotropy constant K eff t * (mJ / m 2 ) of the recording layer of the magnetoresistive effect elements of Examples 4 to 6 are shown.
  • the recording layer has two magnetic layers adjacent to the interface of the nonmagnetic layer, and a coupling layer constituted by a nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer is provided between the two magnetic layers.
  • a coupling layer constituted by a nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer is provided between the two magnetic layers.
  • An example of the magnetoresistive effect element of the present invention is provided.
  • the magnetic coupling layer (5a) / second magnetic layer (6) / second nonmagnetic layer (7) are stacked adjacent to each other in this order.
  • the first magnetic insertion layer (4a) the interface between the first nonmagnetic layer (1) / first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) / second nonmagnetic layer (
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) are magnetically coupled while having perpendicular magnetic anisotropy at the interface 7). That is, a magnetic coupling force J ex works between the two magnetic layers.
  • the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) a layer containing O (oxygen) is used.
  • O oxygen
  • the first nonmagnetic layer (1) or the second nonmagnetic layer (7) is a barrier layer (tunnel junction layer made of an insulating layer) of a magnetoresistive effect element, a combination of two end face materials to be joined
  • An insulator containing oxygen such as MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO, Hf 2 O, or the like is used so that the magnetoresistive change rate is greatly expressed, and MgO is preferably used.
  • the film thickness of the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) is preferably in the range of 0.2 to 2.0 nm, and adjusted to the range of 0.7 to 1.0 nm. Is more preferable.
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) contain at least either Co or Fe.
  • Co, CoFe, CoB, Fe, FeB, CoFeB, and the like, and FeB and CoFeB containing B are more preferable.
  • the composition includes (Co 25 Fe 75 ) 75 B 25 and the like, and the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) are magnetically coupled by the magnetic coupling force J ex . If there is, it is not limited to this.
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) may further contain a 3d ferromagnetic transition metal such as Ni in addition to Co and Fe as magnetic elements.
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) are made of W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt, etc. It may further contain a nonmagnetic element. Among these, B and V are preferable from the viewpoint of ease of handling. These nonmagnetic elements can lower the saturation magnetization (M s ) of the magnetic layer.
  • the film thicknesses of the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) are each preferably in the range of 0.7 to 2.0 nm. When the thickness is less than 0.7 nm, the magnetization is greatly reduced and the effective magnetic anisotropy constant K eff t is also reduced.
  • the thickness is more than 2.0 nm, MgO or the like is removed from the first nonmagnetic layer (1) and the second This is because when used in the nonmagnetic layer (7), in-plane magnetic anisotropy is obtained from Equation (2).
  • the film thickness of the first magnetic layer (2) is more preferably 1.2 to 1.6 nm, and further preferably 1.4 to 1.6 nm.
  • the film thickness of the second magnetic layer (6) is more preferably in the range of 0.8 to 1.4 nm.
  • the first nonmagnetic coupling layer (3) and the second nonmagnetic coupling layer (5a) are made of W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt.
  • Nonmagnetic elements such as Since the nonmagnetic coupling layer also has a role of providing perpendicular magnetic anisotropy by absorbing B or the like in the magnetic layer adjacent to the interface, it is bcc (body-centered cubic lattice), has a large atomic radius, and a relatively small lattice spacing. Larger elements are preferred. Of these, W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, and the like of bcc are preferable, and W and Ta are more preferable.
  • the sputtering time is adjusted so that the atomic size is about or Since a layer having a thinner film thickness is produced, a layer in which the layers are continuous and a layer in which the layers are not continuous are included. Even when the layers are not continuous, it is possible to have perpendicular magnetic anisotropy if the lattice has a gap for absorbing B or the like of the magnetic layer.
  • the first nonmagnetic coupling More preferably, the thickness of each of the layer (3) and the second nonmagnetic coupling layer (5a) does not exceed 0.3 nm.
  • the first magnetic insertion layer (4a) contains at least one of Co, Fe, and Ni.
  • Co, CoB, CoFeB, CoW, Ni, NiFe, NiFeB, Fe, CoFe, FeB and the like can be mentioned.
  • the first magnetic insertion layer (4a) may further contain nonmagnetic elements such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt. .
  • the film thickness of the first magnetic insertion layer (4a) is preferably larger than 0 and 1.6 nm or less, more preferably 0.1 nm or more and 1.2 nm or less, and further preferably 0.2 nm or more and 1.0 nm or less. From FIG. 30 described later, when the first magnetic insertion layer (4a) is Co or Fe, it is more preferable that the two magnetic layers have a perpendicular magnetic anisotropy of less than 0.6 nm. When the first magnetic insertion layer (4a) is FeB or CoFeB, it is more preferably 1.0 nm or less, and further preferably 0.9 nm or less.
  • the first magnetic insertion layer (4a) is Co, 0.4 nm or more is more preferable, and when it is CoFeB, 0.6 nm or more is more preferable.
  • the film thickness in the evaluation range of perpendicular magnetic anisotropy (0 to 2 nm) and the film in the evaluation range of magnetic coupling force J ex In the range of thickness (0 to 0.8 nm), it has perpendicular magnetic anisotropy and the magnetic coupling force J ex is greater than zero, which satisfies the application range of the present invention.
  • CoW does not reverse the two magnetic layers integrally, and the magnetic coupling force J ex is smaller than that in FIG.
  • the effect of increasing the thermal stability index ⁇ is smaller than that of Co or CoFeB.
  • the saturation magnetization M s at the time of stacking the first magnetic insertion layer (4a) is preferably 0.4 T or more, and more preferably 1.0 T or more.
  • the bulk saturation magnetization M s of the material that is not laminated is preferably 0.7 T or more, and more preferably 0.9 T or more. The reason why the value of the saturation magnetization M s is lowered at the time of stacking than in the bulk state is that it is affected by an adjacent layer. From FIG. 34 and Table 3 described later, the saturation magnetization M s of the first magnetic insertion layer (4a) is one of the factors that increase the magnetic coupling force J ex .
  • the magnetization direction of the first magnetic layer (2) is oriented perpendicular to the film surface due to the interface perpendicular magnetic anisotropy at the interface with the first nonmagnetic layer (1).
  • the magnetization direction of the second magnetic layer (6) is oriented perpendicular to the film surface due to the interface perpendicular magnetic anisotropy at the interface with the second nonmagnetic layer (7).
  • the magnetoresistive effect element according to Embodiment 1 has two so-called double interfaces (W interfaces), and the interface magnetic anisotropy energy density K i is expressed in unit area as expressed by the equation (2). Two magnetic layers contribute to the effective magnetic anisotropy constant K eff t.
  • the recording layer (A1) of the magnetoresistive effect element according to Embodiment 1 is composed of a first nonmagnetic coupling layer (3), a first magnetic insertion layer (4a), and a second nonmagnetic coupling layer (5a).
  • the magnetic coupling force is expressed by a magnetic coupling force J ex (mJ / m 2 ) per unit area, which will be described later, and the magnetism between the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6). If the coupling force J ex exceeds 0, for example, 0.1 mJ / m 2 or more, the coupling force J ex can be magnetically coupled to increase the thermal stability index ⁇ .
  • the first A higher magnetic coupling force J ex can be obtained by using the magnetic insertion layer (4a) having a higher saturation magnetization M s or performing an annealing treatment.
  • the first nonmagnetic layer (1) when the reference layer is adjacent to the opposite side of the first nonmagnetic layer (1) and the first magnetic layer (2), the first nonmagnetic layer (1) is If the other reference layer is adjacent to the opposite side of the second nonmagnetic layer (7) and the second magnetic layer (6), the second layer becomes the barrier layer of the basic structure of the magnetoresistive element.
  • the nonmagnetic layer (7) becomes a barrier layer.
  • the first magnetic layer (2) / first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) / second magnetic layer (6) Configure the recording layer.
  • the elements constituting the magnetic insertion layer (4a) inserted into the two nonmagnetic coupling layers (3, 5a) include at least one of Co, Fe, and Ni, and CoFeB, CoW, and Co are included therein.
  • the magnetic coupling force was evaluated when the film thickness was in the range of 0 nm to 0.6 nm or 0.8 nm.
  • Figure 25 (a) and block diagram of a magnetoresistive element for evaluation, (b) bonding layer evaluation magnetoresistive element of the magnetic coupling force J ex is only the first non-magnetic coupling layer (3) A block diagram is shown.
  • the first magnetic layer (2) is in contact with the first nonmagnetic coupling layer (3) and the W layer.
  • the configuration of the magnetoresistive effect element for evaluation is [Co (0.5 nm) / Pt (0.3 nm)] 5 / Co (0.5 nm) / Ru (0.9 nm) / [Co (0 .5 nm) / Pt (0.3 nm)] 2 / Co (0.5 nm) / W (0.3 nm) / CoFeB 25 (1.2 nm) / W (0.2 nm) / magnetic insertion layer (0-0.
  • FIG. 26A shows a magnetization curve when the magnetic insertion layer (4a) is CoFeB
  • FIG. 26B shows a magnetization curve when the magnetic insertion layer (4a) is CoW
  • FIG. 26C shows the magnetic insertion.
  • the magnetization curve when the layer (4a) is Co is shown.
  • the magnetization reversal part of the second magnetic layer (6) is circled.
  • the magnetization reversal of the two magnetic layers is integrated magnetically, and the magnetic coupling force J ex reaches 0.5 mJ / m 2 when CoFeB is inserted as the magnetic insertion layer (4a). .6 nm, and 0.4 nm when Co was inserted.
  • CoW when CoW was inserted, it was found that the magnetic coupling force J ex did not increase as the film thickness increased and did not reach 0.5 mJ / m 2 in the evaluation range.
  • FIG. 28 shows the relationship between the thickness t of the magnetic insertion layer of each material (type of element) and the magnetization M, and was interpolated with a linear approximation curve (regression line) to calculate the slope of the line.
  • Table 1 shows the slope of the straight line and the saturation magnetization M s .
  • the saturation magnetization M s during the Co lamination used in this evaluation test is 1.69 T
  • the saturation magnetization M s during the CoFeB lamination is 1.27 T
  • the saturation magnetization M s during the CoW lamination is 0. It turns out that it is 06T.
  • FIG. 29 shows a configuration diagram of a magnetoresistive element for evaluating the film thickness dependence of the magnetic insertion layer.
  • the structure of the magnetoresistive element for evaluation is MgO (0.9 nm) / CoFeB 25 (1.4 nm) / W (0.25 nm) / magnetic insertion layer (saturation magnetization M s , film thickness t). / W (0.25 nm) / CoFeB 25 (1.0 nm) / MgO (0.9 nm).
  • FIG. 30 and Table 2 show the relationship between the thickness of the magnetic insertion layer and the effective magnetic anisotropy energy density K eff for each element type and bulk saturation magnetization M s of the magnetic insertion layer. 30 that the first magnetic layer and the second magnetic layer change from perpendicular magnetic anisotropy to in-plane magnetic anisotropy as the thickness of the magnetic insertion layer increases. Since the magnetoresistive effect element of the present invention is used as a perpendicular magnetic anisotropy magnetoresistive element, it is necessary that the effective magnetic anisotropy energy density K eff has a positive film thickness.
  • the thickness of the magnetic insertion layer is preferably less than 0.6 nm.
  • the thickness of the magnetic insertion layer is preferably less than 1.6 nm.
  • the film thickness of the magnetic insertion layer should be 1.0 nm or less. Is preferable, and it is more preferable to set it to 0.9 nm or less.
  • FIG. 31A shows the relationship between the sputtering power for Co and the saturation magnetization M s when the TS distance is 230 mm.
  • 31B shows the relationship between the sputtering power for Co and the saturation magnetization M s when the TS distance is 280 mm. It has been found that the saturation magnetization M s decreases when the sputtering power for Co is reduced. This is due to the fact that when the sputtering power for Co is reduced, the amount of Co sputtering decreases compared to W, and the composition of Co in CoW decreases.
  • FIG. 32 shows a configuration diagram of a magnetoresistive effect element for evaluating the saturation magnetization M s dependency of the magnetic insertion layer.
  • the configuration of the magnetoresistive effect element for evaluation is [Co (0.5 nm) / Pt (0.3 nm)] 5 / Co (0.5 nm) / Ru (0.9 nm) / [Co (0 .5nm) / Pt (0.3nm)] 2 /Co(0.5nm)/W(0.3nm)/CoFeB 25 (1.2nm) / W (t W nm) / CoW ( saturation magnetization M s, film Thickness t CoW nm, Kr gas or Ar gas) / W (t W nm) / CoFeB 25 (1.0 nm) / MgO (0.9 nm) / CoFeB 25 (1.0 nm) / Ru (5 nm) / Ta (5 nm ) Is annealed at 400 ° C. for 1 hour.
  • CoFeB, Co, and CoW having different saturation magnetization M s were used as magnetic insertion layers and evaluated using the magnetoresistive effect element for evaluation shown in FIG. 32, and the relationship between the thickness of the magnetic insertion layer and the magnetic coupling force J ex was shown.
  • FIG. 34 shows the result.
  • Table 3 shows the type of magnetic insertion layer, sputtering gas, saturation magnetization M s , and presence / absence of magnetic coupling force J ex .
  • the saturation magnetization M s * at the time of lamination shown in Table 3 is a value calculated from the dependence of the magnetic moment on the thickness of the magnetic insertion layer. Further, the value of bulk saturation magnetization M s is added to the column of material. From FIG. 34 and Table 3, it was found that the greater the saturation magnetization M s , the greater the effect of the magnetic coupling force J ex . In CoW, the effect of the magnetic coupling force J ex appears as the saturation magnetization M s increases.
  • the magnetic coupling accompanying the increase in film thickness occurs when the saturation magnetization M s at the time of laminating the magnetic insertion layer is 0.4 T or more and the bulk saturation magnetization M s of the non-laminated material exceeds 0.6 T or more. The effect of increasing the force J ex was observed.
  • FIG. 35 shows the relationship between the thickness t of the magnetic insertion layer of CoFeB, Co, and CoW and the magnetization M, and was interpolated with a linear approximation curve (regression line) to calculate the slope of the line.
  • Table 4 shows the slope of the straight line and the saturation magnetization M s during lamination.
  • the thermal stability index ⁇ of the entire recording layer is twice the thermal stability index ⁇ 0 of one magnetic layer ( magnetic coupling force J ex to the maximum value) was found to be the evaluation model is about 0.5 mJ / m 2 or more. Details will be described below.
  • the evaluation model includes a first nonmagnetic layer (1), a first magnetic layer (2), a second magnetic layer (6), and a second nonmagnetic layer (7). Calculations were made to find the optimum conditions for the thermal stability index ⁇ of the entire recording layer. This model for evaluation was constructed in order to examine whether the thermal stability index ⁇ increases if the recording layer is configured so that the magnetic coupling force J ex works between the two magnetic layers. .
  • J ex is the magnetic coupling force between the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6)
  • D is the diameter of the magnetoresistive element
  • ⁇ 1 is the first magnetic layer (2)
  • ⁇ 2 is the angle formed by the y-axis of the magnetic moment of the second magnetic layer (3)
  • K i is the magnetic anisotropy energy density.
  • the first nonmagnetic layer (1) such as MgO adjacent to the first magnetic layer (2) is used.
  • the effective magnetic anisotropy constant received from the magnetic layer (1) and the effective magnetic anisotropy constant received from the second nonmagnetic layer (7) such as MgO adjacent to the second magnetic layer (6) are considered to be equal. It is done.
  • N z (D) is a demagnetizing field coefficient and is calculated by spheroid approximation.
  • the standardized magnetic energy e is obtained by standardizing the magnetic energy E per unit area of the formula (4) with the effective magnetic anisotropy constant K eff t per unit area, which is expressed by the formula (6).
  • the normalized magnetic barrier energy ⁇ e obtained by taking the difference is expressed by Equation 7.
  • the thermal stability index ⁇ of the entire recording layer is the product of the normalized magnetic barrier energy ⁇ e and the thermal stability index ⁇ 0 of one magnetic layer, and is expressed by the following equation (8).
  • the parameter ⁇ in the equation (6) is obtained by normalizing the magnetic coupling force J ex by the effective magnetic anisotropy constant K eff t per unit area, and is expressed by the equation (9).
  • a saddle point is a point in the domain of a multivariable real function that has a maximum value when viewed in one direction but a minimum value when viewed in another direction.
  • the normalized magnetic barrier energy ⁇ e which is the number of saddle points, is 1, and the thermal stability index ⁇ of the entire recording layer is the same as the thermal stability index ⁇ 0 of one magnetic layer according to the equation (8).
  • the effect of increasing the thermal stability index ⁇ due to the construction of the magnetic layer cannot be obtained.
  • FIG. 39 shows the numerical value of the calculation result of the normalized magnetic barrier energy ⁇ e ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) as it is
  • FIG. 40 shows the normalized magnetic barrier energy ⁇ e ( ⁇ 1 , ⁇ 2).
  • the numerical value of the calculation result is represented by gray shades, and the magnetization reversal path is indicated by an arrow.
  • the magnetization reversal of the two magnetic layers partially occurs in parallel.
  • the normalized magnetic barrier energy ⁇ e which is the number of saddle points, is 1.4
  • the thermal stability index ⁇ of the entire recording layer is 1.4 of the thermal stability index ⁇ 0 of one magnetic layer according to the equation (8).
  • the effect of increasing the thermal stability index ⁇ due to the construction of the two magnetic layers was observed.
  • FIG. 41 shows the numerical value of the calculation result of the normalized magnetic barrier energy ⁇ e ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) as it is
  • FIG. 31 shows the normalized magnetism barrier energy ⁇ e ( ⁇ 1, ⁇ 2) of the numerical calculation results, expressed colored with shades of gray, and showed magnetization reversal path by an arrow.
  • the normalized magnetic barrier energy ⁇ e which is the number of saddle points, is 2, and the thermal stability index ⁇ of the entire recording layer is twice the thermal stability index ⁇ 0 of one magnetic layer according to the equation (8).
  • the effect of increasing the thermal stability index ⁇ due to the construction of two magnetic layers was observed.
  • FIG. 43 shows the numerical value of the calculated magnetic barrier energy ⁇ e ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) as it is
  • FIG. 44 shows the normalized magnetic barrier energy ⁇ e ( ⁇ 1 , ⁇ 2).
  • the numerical value of the calculation result is represented by gray shades, and the magnetization reversal path is indicated by an arrow.
  • the normalized magnetic barrier energy ⁇ e which is the number of saddle points, is 2, and the thermal stability index ⁇ of the entire recording layer is twice the thermal stability index ⁇ 0 of one magnetic layer according to the equation (8).
  • the effect of increasing the thermal stability index ⁇ due to the construction of two magnetic layers was observed.
  • FIG. 45 in the case of 300K
  • FIG. 46 in the case of 423K
  • the magnetic coupling force J ex is smaller than the larger 0.5 mJ / m 2 nearby from 0 mJ / m 2, the thermal stability index of the magnetoresistance effect element delta with two magnetic layers at the interface of the recording layer of the delta 0 It can be seen that it increases within a range of 1 to 2 times.
  • the recording layer has two magnetic layers adjacent to the interface of the nonmagnetic layer, and the nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic layer between the two magnetic layers.
  • An example of the magnetoresistive effect element of the present invention characterized in that a coupling layer composed of a coupling layer is provided.
  • the magnetic coupling layer (5a) / second magnetic insertion layer (4b) / third nonmagnetic coupling layer (5b) / second magnetic layer (6) / second nonmagnetic layer (7) are adjacent to each other in this order. Are stacked.
  • the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) are magnetically coupled. That is, a magnetic coupling force J ex works between the two magnetic layers.
  • the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), and the third nonmagnetic coupling layer (5b) are formed of W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Nonmagnetic elements such as Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt are included. Since the nonmagnetic coupling layer also has a role of absorbing B or the like in the magnetic layer adjacent to the interface, an element having bcc (body-centered cubic lattice), a large atomic radius, and a relatively large lattice spacing is preferable.
  • bcc body-centered cubic lattice
  • the sum of the film thicknesses of the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), and the third nonmagnetic coupling layer (5b) is determined by calculating B or the like in the magnetic layer adjacent to the interface.
  • the thickness is such that it absorbs and causes perpendicular magnetic anisotropy, and the magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers (2, 6) is adjusted to a range of thinness.
  • the film thickness of any of the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), and the third nonmagnetic coupling layer (5b) is less than 0.2 nm, Since a layer having a film thickness of about the atomic size or thinner is produced, the layer is continuous and the layer is not continuous. Even when the layers are not continuous, it is possible to have perpendicular magnetic anisotropy if there is a gap in the lattice that absorbs B or the like of the magnetic layer.
  • the first nonmagnetic coupling layer (3) The film thicknesses of the second nonmagnetic coupling layer (5a) and the third nonmagnetic coupling layer (5b) are more preferably not more than 0.3 nm, respectively.
  • the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) contain at least one of Co, Fe, and Ni.
  • Co, CoB, CoFeB, CoW, Ni, NiFe, NiFeB, Fe, CoFe, FeB and the like can be mentioned.
  • the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) are further made of W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, A nonmagnetic element such as Pt may be included.
  • the total thickness of the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) is preferably greater than 0 and not greater than 1.6 nm, more preferably not less than 0.1 nm and not greater than 1.2 nm. More preferably, it is 2 nm or more and 1.0 nm or less. From FIG. 30, when the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) are Co or Fe, it is more preferable that the two magnetic layers have a perpendicular magnetic anisotropy of less than 0.6 nm.
  • first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) are FeB or CoFeB, 1.0 nm or less is more preferable, and 0.9 nm or less is more preferable.
  • first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) are CoB, 1.0 nm or less is more preferable, and 0.8 nm or less is more preferable.
  • the lower limit of the film thickness may be greater than zero, but the two magnetic layers are magnetically integrated.
  • the thickness (0 to 2 nm) in the evaluation range of perpendicular magnetic anisotropy within the scope of the evaluation range of the film thickness of the magnetic coupling force J ex (0 ⁇ 0.8nm) has a perpendicular magnetic anisotropy, the magnetic coupling force J ex is greater than zero, satisfies the scope of the present invention.
  • CoW has two magnetic layers that are not magnetically integrated and reversed, and the magnetic coupling force J ex is smaller than that in FIG.
  • the effect of increasing the sex index ⁇ is smaller than that of Co or CoFeB.
  • the saturation magnetization M s at the time of stacking the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) is preferably 0.4 T or more, and more preferably 1.0 T or more.
  • the bulk saturation magnetization M s of the material not stacked is preferably 0.7 T or more, and more preferably 0.9 T or more.
  • the reason why the value of the saturation magnetization M s is lowered at the time of stacking than in the bulk state is that it is affected by an adjacent layer. 34 and Table 3, the saturation magnetization M s of the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) is one of the factors that increase the magnetic coupling force J ex .
  • the recording layer (A1) of the magnetoresistive effect element according to the second embodiment includes a first nonmagnetic coupling layer (3), a first magnetic insertion layer (4a), a second nonmagnetic coupling layer (5a), The first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) by the first coupling layer (J1) composed of the two magnetic insertion layers (4b) and the third nonmagnetic coupling layer (5b). Are magnetically coupled.
  • the magnetic coupling force is expressed by the magnetic coupling force J ex (mJ / m 2 ) per unit area, and the magnetic coupling force J between the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6). If ex exceeds 0, for example, 0.1 mJ / m 2 or more, it can be magnetically coupled to increase the thermal stability index ⁇ .
  • the first It is possible to obtain a higher magnetic coupling force J ex by using the magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) of which the saturation magnetization M s is increased or annealing treatment is performed. it can.
  • the first nonmagnetic layer (1) is If the other reference layer is adjacent to the opposite side of the second nonmagnetic layer (7) and the second magnetic layer (6), the second layer becomes the barrier layer of the basic structure of the magnetoresistive element.
  • the nonmagnetic layer (7) becomes a barrier layer.
  • the third nonmagnetic coupling layer (5b) / second magnetic layer (6) constitutes a recording layer.
  • the recording layer has two magnetic layers adjacent to the interface of the nonmagnetic layer, and the nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic layer between the two magnetic layers.
  • An example of a magnetoresistive effect element according to the present invention characterized in that a coupling layer composed of a coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer is provided.
  • Two magnetic layers (6) / second nonmagnetic layer (7) are stacked adjacent to each other in this order.
  • the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), the third nonmagnetic coupling layer (5b), and the fourth nonmagnetic coupling layer (5c) are W, Ta, Hf , Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt, and other nonmagnetic elements. Since the nonmagnetic coupling layer also has a role of absorbing B or the like in the magnetic layer adjacent to the interface, an element having bcc (body-centered cubic lattice), a large atomic radius, and a relatively large lattice spacing is preferable.
  • the total film thickness of the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), the third nonmagnetic coupling layer (5b), and the fourth nonmagnetic coupling layer (5c) is: A thickness that absorbs B or the like in the magnetic layer adjacent to the interface to cause perpendicular magnetic anisotropy, and is thin enough to allow the magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers (2, 6) to work. It is adjusted to the range.
  • the layer is preferably 0.2 nm or more and 1.3 nm or less, and more preferably adjusted in the range of 0.4 nm or more and 1.2 nm or less.
  • the thickness is less than 0.2 nm, a layer having a film thickness of about the atomic size or thinner than that is produced. Therefore, the layer is continuous and the layer is not continuous.
  • the first nonmagnetic coupling layer ( 3) The film thicknesses of the second nonmagnetic coupling layer (5a), the third nonmagnetic coupling layer (5b), and the fourth nonmagnetic coupling layer (5c) do not exceed 0.3 nm, respectively. preferable.
  • the first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), and the third magnetic insertion layer (4c) contain at least one of Co, Fe, and Ni.
  • Co, CoB, CoFeB, CoW, Ni, NiFe, NiFeB, Fe, CoFe, FeB and the like can be mentioned.
  • first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), and the third magnetic insertion layer (4c) further have W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Nonmagnetic elements such as Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt may be included.
  • the total thickness of the first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), and the third magnetic insertion layer (4c) is preferably greater than 0 and not greater than 1.6 nm, and not less than 0.1 nm. 1.2 nm or less is more preferable, and 0.2 nm or more and 1.0 nm or less is more preferable. From FIG.
  • the two magnetic layers have perpendicular magnetic anisotropy. More preferably, it is less than 0.6 nm.
  • the thickness is more preferably 1.0 nm or less, and further 0.9 nm or less. preferable.
  • the first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b) and the third magnetic insertion layer (4c) are CoB, the thickness is more preferably 1.0 nm or less, and further preferably 0.8 nm or less.
  • the saturation magnetization M s at the time of stacking the first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), and the third magnetic insertion layer (4c) is preferably 0.4 T or more, and 1.0 T or more. More preferred.
  • the bulk saturation magnetization M s of the material that is not laminated is preferably 0.7 T or more, and more preferably 0.9 T or more.
  • the reason why the value of the saturation magnetization M s is lowered at the time of stacking than in the bulk state is that it is affected by an adjacent layer. 34 and Table 3, the saturation magnetization M s of the first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), and the third magnetic insertion layer (4c) increases the magnetic coupling force J ex . This is one of the factors.
  • the recording layer (A1) of the magnetoresistive effect element according to the third embodiment includes the first nonmagnetic coupling layer (3), the first magnetic insertion layer (4a), the second nonmagnetic coupling layer (5a), First magnetic coupling layer (4b), the third nonmagnetic coupling layer (5b), the third magnetic insertion layer (4c), and the first nonmagnetic coupling layer (5c).
  • J1 the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) are magnetically coupled.
  • the magnetic coupling force is expressed by the magnetic coupling force J ex (mJ / m 2 ) per unit area, and the magnetic coupling force J between the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6).
  • thermal stability index delta for example 0.1 mJ / m 2 or more such, magnetically coupled if greater than 0, it is possible to increase the thermal stability index delta. It is preferably 0.3 mJ / m 2 or more, as long as 0.5 mJ / m 2 or more, since the thermal stability index of the entire recording layer ⁇ can be maximized, and more preferred. 45 and 46, in order to maximize the thermal stability index ⁇ (in the case of two magnetic layers, twice the thermal stability index ⁇ 0 ), J ex ⁇ K eff t ⁇ 0 . 5 mJ / m 2 .
  • a high magnetic coupling force Jex can be obtained.
  • Embodiment 3 shown in FIG. 3 when the reference layer is adjacent to the opposite side of the first nonmagnetic layer (1) and the first magnetic layer (2), the first nonmagnetic layer (1) If the other reference layer is adjacent to the opposite side of the second nonmagnetic layer (7) and the second magnetic layer (6), the second layer becomes the barrier layer of the basic structure of the magnetoresistive element.
  • the nonmagnetic layer (7) becomes a barrier layer.
  • the third nonmagnetic coupling layer (5b) / the third magnetic insertion layer (4c) / the fourth nonmagnetic coupling layer (5c) / the second magnetic layer (6) constitutes a recording layer.
  • FIG. 4 shows an example of the magnetoresistive element of the present invention, wherein the recording layer has four magnetic layers, and a total of three coupling layers are provided between the four magnetic layers.
  • the first coupling layer (J1) is formed by laminating adjacent to the first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) in this order.
  • the second coupling layer (J2) is composed of the third nonmagnetic layer (8), and the third coupling layer (J3) is the fifth nonmagnetic coupling layer (10) / fourth magnetic layer.
  • the insertion layer (11a) / the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) are stacked adjacent to each other in this order. By inserting the first magnetic insertion layer (4a), the fourth magnetic insertion layer (11a), and the third nonmagnetic layer (8), the four magnetic layers are magnetically coupled.
  • the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) a layer containing O (oxygen) is used.
  • O oxygen
  • the first nonmagnetic layer (1) or the second nonmagnetic layer (7) is a barrier layer (tunnel junction layer made of an insulating layer) of a magnetoresistive effect element, a combination of two end face materials to be joined
  • An insulator containing oxygen such as MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO, Hf 2 O, or the like is used so that the magnetoresistive change rate is greatly expressed, preferably MgO is used.
  • the film thickness of the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) is preferably 0.2 to 2.0 nm, more preferably adjusted to a range of 0.7 to 1.0 nm. preferable.
  • the first magnetic layer (2), the second magnetic layer (6), the third magnetic layer (9), and the fourth magnetic layer (13) contain at least one of Co or Fe.
  • Co, CoFe, CoB, Fe, FeB, CoFeB, and the like, and FeB and CoFeB containing B are more preferable.
  • the composition may be (Co 25 Fe 75 ) 75 B 25 or the like, but the second magnetic layer (between the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) is formed by the magnetic coupling force J ex.
  • the present invention is not limited to this as long as it is magnetically coupled between 6) and the third magnetic layer (9) and between the third magnetic layer (9) and the fourth magnetic layer (13).
  • the first magnetic layer (2), the second magnetic layer (6), the third magnetic layer (9), and the fourth magnetic layer (13) are made of 3d such as Ni as well as Co and Fe as magnetic elements. It may further contain a ferromagnetic transition metal.
  • the first magnetic layer (2), the second magnetic layer (6), the third magnetic layer (9), and the fourth magnetic layer (13) are made of W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo. , Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt, and other nonmagnetic elements may be further included. Among these, B and V are preferable from the viewpoint of ease of handling. These nonmagnetic elements can lower the saturation magnetization (M s ) of the magnetic layer.
  • the film thicknesses of the first magnetic layer (2), the second magnetic layer (6), the third magnetic layer (9), and the fourth magnetic layer (13) are in the range of 0.7 to 2.0 nm, respectively. Preferably there is.
  • the thickness is less than 0.7 nm, the magnetization is greatly reduced and the effective magnetic anisotropy constant K eff t is also reduced.
  • the thickness is more than 2.0 nm, MgO or the like is removed from the first nonmagnetic layer (1) and the second This is because when used in the nonmagnetic layer (7), in-plane magnetic anisotropy is obtained from Equation (2).
  • the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), the fifth nonmagnetic coupling layer (10), and the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) are W, Ta, and Hf. , Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt, and other nonmagnetic elements. Since the nonmagnetic coupling layer also has a role of absorbing B or the like in the magnetic layer adjacent to the interface, an element having bcc (body-centered cubic lattice), a large atomic radius, and a relatively large lattice spacing is preferable.
  • bcc body-centered cubic lattice
  • the sum of the film thicknesses of the first nonmagnetic coupling layer (3) and the second nonmagnetic coupling layer (5a) absorbs B and the like in the magnetic layer adjacent to the interface and causes perpendicular magnetic anisotropy. It is the thickness, and is adjusted to a range of the magnetic coupling force J ex works thinness between two magnetic layers (2,6).
  • the total film thickness of the fifth nonmagnetic coupling layer (10) and the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) is 0.2 nm or more and 1.3 nm or less, 0.4 nm or more and 1.0 nm or less, Or it is more preferable to adjust in the range of 0.4 nm or more and 0.8 nm or less.
  • any film of the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), the fifth nonmagnetic coupling layer (10), and the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) When the thickness is less than 0.2 nm, a layer having a film thickness of about the atomic size or thinner than that is produced. Therefore, the layer is continuous and the layer is not continuous. Even when the layers are not continuous, it is possible to have perpendicular magnetic anisotropy if there is a gap in the lattice that absorbs B or the like of the magnetic layer. From the viewpoint of increasing the magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers (between 2 and 6, 9 and 13) and increasing the thermal stability index ⁇ of the recording layer of the magnetoresistive element.
  • the film thicknesses of the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), the fifth nonmagnetic coupling layer (10), and the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) are 0. More preferably, it does not exceed 3 nm.
  • the first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) contain at least one of Co, Fe, and Ni.
  • Co, CoB, CoFeB, CoW, Ni, NiFe, NiFeB, Fe, CoFe, FeB and the like can be mentioned.
  • the first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) further include W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, A nonmagnetic element such as Pt may be included.
  • the total thickness of the first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) is preferably greater than 0 and not greater than 1.6 nm, more preferably not less than 0.1 nm and not greater than 1.2 nm. More preferably, it is 2 nm or more and 1.0 nm or less. From FIG. 30, when the first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) are Co or Fe, it is more preferable that the two magnetic layers have a perpendicular magnetic anisotropy of less than 0.6 nm.
  • first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) are FeB or CoFeB, 1.0 nm or less is more preferable, and 0.9 nm or less is more preferable.
  • first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) are CoB, 1.0 nm or less is more preferable, and 0.8 nm or less is more preferable.
  • the lower limit of the film thickness may be greater than zero, but the two magnetic layers are magnetically integrated.
  • the film thickness is more preferably 0.4 nm or more, and when CoFeB is 0.6 nm or more.
  • the film thickness (0 to 2 nm) in the evaluation range of perpendicular magnetic anisotropy within the scope of the evaluation range of the film thickness of the magnetic coupling force J ex (0 ⁇ 0.8nm) has a perpendicular magnetic anisotropy, the magnetic coupling force J ex is greater than zero, satisfies the scope of the present invention.
  • CoW has two magnetic layers that are not magnetically integrated and reversed, and the magnetic coupling force J ex is smaller than that in FIG.
  • the effect of increasing the sex index ⁇ is smaller than that of Co or CoFeB.
  • Saturation magnetization M s at the time of stacking of the first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) is preferably at least 0.4 T, or 1.0T is more preferable.
  • the bulk saturation magnetization M s of the material that is not laminated is preferably 0.7 T or more, and more preferably 0.9 T or more. 34 and Table 2, the saturation magnetization M s of the first magnetic insertion layer (4a) and the fourth magnetic insertion layer (11a) is one of the factors that increase the magnetic coupling force J ex .
  • the third nonmagnetic layer (8) constituting the second coupling layer (J2) contains an oxide of a nonmagnetic element.
  • a compound containing oxygen such as MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO, and Hf 2 O is used, and MgO is preferably used.
  • the thickness of the third nonmagnetic layer (8) is preferably 0.75 nm or more and 0.9 nm or less, and more preferably 0.75 nm or more and 0.85 nm or less. From the evaluation test described below and Table 4, when the film thickness becomes thinner than 0.75 nm, the third magnetic layer (9) and the fourth magnetic layer (13) show in-plane magnetic anisotropy, and This is because, from FIG.
  • the third non-magnetic layer (8) constituting the second coupling layer (J2) is a material or film that magnetically couples the four magnetic layers so that the magnetic coupling force J ex is greater than zero.
  • the thickness may be any thickness, and the preferred thickness in the evaluation system is only an example.
  • the magnetization direction of the first magnetic layer (2) is oriented perpendicular to the film surface due to the interface perpendicular magnetic anisotropy at the interface with the first nonmagnetic layer (1).
  • the magnetization direction of the fourth magnetic layer (13) is oriented perpendicular to the film surface due to the interface perpendicular magnetic anisotropy at the interface with the second nonmagnetic layer (7).
  • the second magnetic layer (6) and the third magnetic layer (9) are each oriented in a direction perpendicular to the film surface due to perpendicular magnetic anisotropy at the interface with the third nonmagnetic layer (8). Yes.
  • the magnetoresistive effect element according to the fourth embodiment has four portions having interface perpendicular magnetic anisotropy, and the interface magnetic anisotropy energy density K i is expressed per unit area as expressed by the equation (2).
  • the effective magnetic anisotropy constant K eff t is expected to contribute up to four magnetic layers.
  • the four magnetic layers are magnetically coupled to each other.
  • Magnetic coupling force is represented by a magnetic coupling force J ex per unit area (mJ / m 2), the magnetic coupling force J ex magnetic layers, for example 0.1 mJ / m 2 or more such, is beyond the 0 Can be magnetically coupled to increase the thermal stability index ⁇ . It is preferably 0.3 mJ / m 2 or more, as long as 0.5 mJ / m 2 or more, since the thermal stability index of the entire recording layer ⁇ can be maximized, and more preferred.
  • the first The magnetic insertion layer (4a) or the fourth magnetic insertion layer (11a) having a higher saturation magnetization M s or an annealing treatment can be used to obtain a higher magnetic coupling force J ex. it can.
  • the first nonmagnetic layer (1) when the reference layer is adjacent to the opposite side of the first nonmagnetic layer (1) and the first magnetic layer (2), the first nonmagnetic layer (1) is It becomes a barrier layer in the basic structure of the magnetoresistive effect element, and when the other reference layer is adjacent to the opposite side of the second nonmagnetic layer (7) and the fourth magnetic layer (13), the second layer The nonmagnetic layer (7) becomes a barrier layer.
  • the fourth magnetic layer (13) constitutes a recording layer.
  • FIG. 47 shows a configuration diagram of a magnetoresistive effect element for evaluating the film thickness dependence of the second coupling layer.
  • the configuration of the magnetoresistive effect element for evaluation is [Co (0.5 nm) / Pt (0.3 nm)] 5 / Co (0.5 nm) / Ru (0.9 nm) / [Co (0 .5nm) / Pt (0.3nm)] 2 /Co(0.5nm)/W(0.3nm)/CoFeB 25 ( second magnetic layer, 1.2 nm) / MgO (third non-magnetic layer, 0.7 to 1.0 nm) / CoFeB 25 (third magnetic layer, 1.0 nm) / W (0.3 nm) / CoFeB 25 (fourth magnetic layer, 1.0 nm) / MgO (0.9 nm) / CoFeB 25 (1.0 nm) / Ru (5 nm) / Ta (5 nm) annealed at 400 ° C. for 1 hour.
  • the magnetization reversal of the third magnetic layer (9) and the fourth magnetic layer In order to evaluate the
  • FIG. 48 shows the magnetization curve for each film thickness of the third nonmagnetic layer (8) MgO.
  • the magnetization reversal portions of the third magnetic layer (9) and the fourth magnetic layer (13) are circled.
  • the third magnetic layer (9) and the fourth magnetic layer (13) in the present evaluation system are magnetically coupled and magnetically reversal. It was.
  • the magnetic coupling force J ex is obtained from the magnetization reversal field and the magnetic moment, and is shown in FIG. From FIG. 49, it was found that the magnetic coupling force J ex becomes a maximum in the vicinity of 0.70 to 0.85 nm.
  • the magnetic anisotropy according to the film thickness of the third nonmagnetic layer (8) MgO is shown in Table 5.
  • I represents in-plane magnetic anisotropy
  • P represents perpendicular magnetic anisotropy.
  • the film thickness of the third nonmagnetic layer (8) MgO is 0.75 nm. The above is desirable.
  • the thickness of the third nonmagnetic layer (8) MgO is preferably 0.75 nm or more and 0.85 nm or less in this evaluation system. It was found that by setting the thickness within the range, the magnetic coupling force J ex can be maximized and a recording layer of a perpendicular magneto-anisotropic magnetoresistive element having a higher thermal stability index ⁇ can be obtained.
  • the recording layer has four magnetic layers, and a total of three coupling layers are provided between the four magnetic layers, and a nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / An example of the magnetoresistive effect element of the present invention, characterized in that a coupling layer composed of a nonmagnetic coupling layer is provided.
  • the first coupling layer (J1) includes a first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) / second magnetic insertion layer (4b).
  • the layer (J3) includes the fifth nonmagnetic coupling layer (10) / the fourth magnetic insertion layer (11a) / the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) / the fifth magnetic insertion layer (11b) / the seventh.
  • the nonmagnetic coupling layers (12b) are adjacently stacked. By inserting the four magnetic insertion layers (4a) and the third nonmagnetic layer (8), the four magnetic layers are magnetically coupled.
  • the layer (12a) and the seventh nonmagnetic coupling layer (12b) are made of nonmagnetic elements such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt. Including. Since the nonmagnetic coupling layer also has a role of absorbing B or the like in the magnetic layer adjacent to the interface, an element having bcc (body-centered cubic lattice), a large atomic radius, and a relatively large lattice spacing is preferable.
  • bcc body-centered cubic lattice
  • the total thickness of the first nonmagnetic coupling layer (3), the second nonmagnetic coupling layer (5a), and the third nonmagnetic coupling layer (5b) is determined by calculating B or the like in the magnetic layer adjacent to the interface. The thickness is such that it absorbs and causes perpendicular magnetic anisotropy, and the magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers (2, 6) is adjusted to a range of thinness.
  • the total thickness of the fifth nonmagnetic coupling layer (10), the sixth nonmagnetic coupling layer (12a), and the seventh nonmagnetic coupling layer (12b) is not less than 0.2 nm and not more than 1.3 nm. Yes, it is more preferable to adjust in the range of 0.4 nm to 1.0 nm, or 0.4 nm to 0.8 nm.
  • the film thickness of either the magnetic coupling layer (12a) or the seventh non-magnetic coupling layer (12b) is less than 0.2 nm, a layer having a thickness of about the atomic size or thinner is produced. Therefore, those in which the layers are continuous and those in which the layers are not continuous are included. Even when the layers are not continuous, it is possible to have perpendicular magnetic anisotropy if there is a gap in the lattice that absorbs B or the like of the magnetic layer.
  • the first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), the fourth magnetic insertion layer (11a), and the fifth magnetic insertion layer (11b) are at least one of Co, Fe, and Ni. including.
  • Co, CoB, CoFeB, CoW, Ni, NiFe, NiFeB, Fe, CoFe, FeB and the like can be mentioned.
  • first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), the fourth magnetic insertion layer (11a), and the fifth magnetic insertion layer (11b) further include W, Ta, Hf, Nonmagnetic elements such as Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt may be included.
  • the total thickness of the first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), the fourth magnetic insertion layer (11a), and the fifth magnetic insertion layer (11b) is greater than 0 and 1 .6 nm or less is preferable, 0.1 nm or more and 1.2 nm or less is more preferable, and 0.2 nm or more and 1.0 nm or less is more preferable.
  • the magnetic insertion layer is Co or Fe
  • the two magnetic layers have perpendicular magnetic anisotropy and are less than 0.6 nm.
  • the thickness is 1.0 nm or less.
  • it is 0.8 nm or less.
  • CoW has two magnetic layers that are not magnetically integrated and reversed, and the magnetic coupling force J ex is smaller than that in FIG.
  • the effect of increasing the sex index ⁇ is smaller than that of Co or CoFeB.
  • the saturation magnetization M s is 0. 4T or more is preferable, and 1.0T or more is more preferable.
  • the bulk saturation magnetization M s of the material that is not laminated is preferably 0.7 T or more, and more preferably 0.9 T or more. The reason why the value of the saturation magnetization M s is lowered at the time of stacking than in the bulk state is that it is affected by an adjacent layer. 34 and Table 3, the saturation magnetization M s of the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b) is one of the factors that increase the magnetic coupling force J ex .
  • the first nonmagnetic layer (1) when the reference layer is adjacent to the opposite side of the first nonmagnetic layer (1) and the first magnetic layer (2), the first nonmagnetic layer (1) It becomes a barrier layer in the basic structure of the magnetoresistive effect element, and when the other reference layer is adjacent to the opposite side of the second nonmagnetic layer (7) and the fourth magnetic layer (13), the second layer The nonmagnetic layer (7) becomes a barrier layer.
  • the fourth magnetic layer (13) constitutes a recording layer.
  • the recording layer has two magnetic layers adjacent to the interface of the nonmagnetic layer, and a coupling layer constituted by a nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer is provided between the two magnetic layers.
  • a coupling layer constituted by a nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer is provided between the two magnetic layers.
  • An example of the magnetoresistive effect element of the present invention is provided, wherein each magnetic layer is divided into an outer layer and an inner layer.
  • the first nonmagnetic layer (1) / first magnetic outer layer (2a) / first magnetic inner layer (2b) / first nonmagnetic coupling layer (3) / first Magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) / second magnetic inner layer (6a) / second magnetic outer layer (6b) / second nonmagnetic layer (7) in this order Are stacked.
  • first magnetic insertion layer (4a) the interface between the first nonmagnetic layer (1) / first magnetic outer layer (2a) and the second magnetic outer layer (6b) / second nonmagnetic
  • the magnetic layers are magnetically coupled while having perpendicular magnetic anisotropy at the interface of the layer (7). That is, the magnetic coupling force J ex works between the magnetic layers.
  • the first magnetic outer layer (2a), the first magnetic inner layer (2b), the second magnetic inner layer (6a), and the second magnetic outer layer (6b) include at least one of Co or Fe. .
  • Co, CoFe, CoB, Fe, FeB, CoFeB and the like, and CoFeB containing B is preferable.
  • the composition includes FeB, (Co 25 Fe 75 ) 75 B 25 and the like, but the first magnetic outer layer (2a), the first magnetic inner layer (2b), and the second magnetic coupling force J ex are used.
  • the present invention is not limited to this as long as the magnetic inner layer (6a) and the second magnetic outer layer (6b) are magnetically coupled.
  • the first magnetic outer layer (2a), the first magnetic inner layer (2b), the second magnetic inner layer (6a), and the second magnetic outer layer (6b) include Co and Fe as magnetic elements, It may further contain a 3d ferromagnetic transition metal such as Ni.
  • the first magnetic outer layer (2a), the first magnetic inner layer (2b), the second magnetic inner layer (6a), and the second magnetic outer layer (6b) are W, Ta, Hf, Zr. Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt, and other nonmagnetic elements may be further included. Among these, B and V are preferable from the viewpoint of ease of handling. These nonmagnetic elements can lower the saturation magnetization (M s ) of the magnetic layer.
  • Nonmagnetic element composition such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt of the first magnetic outer layer (2a)
  • the ratio of the layer (2b) to the composition of nonmagnetic elements such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt is preferably smaller than 1.
  • the second magnetic outer layer (6b) of the second nonmagnetic element composition such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt, etc.
  • the ratio of the magnetic inner layer (6a) to the composition of nonmagnetic elements such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt is smaller than 1. preferable.
  • the thickness is less than 0.7 nm, the magnetization is greatly reduced and the effective magnetic anisotropy constant K eff t is also reduced.
  • the thickness is more than 2.0 nm, MgO or the like is removed from the first nonmagnetic layer (1) and the second This is because when used in the nonmagnetic layer (7), in-plane magnetic anisotropy is obtained from Equation (2).
  • the sum of the thicknesses of the first magnetic outer layer (2a) and the first magnetic inner layer (2b) is more preferably 1.2 to 1.6 nm, and further preferably 1.4 to 1.6 nm.
  • the sum of the film thicknesses of the second magnetic inner layer (6a) and the second magnetic outer layer (6b) is more preferably in the range of 0.8 to 1.4 nm.
  • FIG. 7 shows that the recording layer has two magnetic layers adjacent to the interface of the nonmagnetic layer, and the nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic layer between the two magnetic layers.
  • An example of the magnetoresistive effect element according to the present invention wherein a coupling layer including a coupling layer is provided, and each magnetic layer is divided into an outer layer and an inner layer.
  • Two magnetic outer layers (6b) / second nonmagnetic layer (7) are stacked adjacent to each other in this order.
  • the magnetic layers are magnetically coupled by the insertion of the first magnetic insertion layer (4a) and the second magnetic insertion layer (4b). That is, the magnetic coupling force J ex works between the magnetic layers.
  • the recording layer has two magnetic layers adjacent to the interface of the nonmagnetic layer, and the nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic layer between the two magnetic layers.
  • a magnetoresistive element of the present invention is characterized in that a coupling layer comprising a coupling layer / magnetic insertion layer / nonmagnetic coupling layer is provided, and each magnetic layer is divided into an outer layer and an inner layer. An example is shown.
  • the first nonmagnetic layer (1) / first magnetic outer layer (2a) / first magnetic inner layer (2b) / first nonmagnetic coupling layer (3) / first Magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) / second magnetic insertion layer (4b) / third nonmagnetic coupling layer (5b) / third magnetic insertion layer (4c) / first 4 nonmagnetic coupling layers (5c) / second magnetic inner layer (6a) / second magnetic outer layer (6b) / second nonmagnetic layer (7) are laminated in this order.
  • the magnetic layers are magnetically coupled by the insertion of the first magnetic insertion layer (4a), the second magnetic insertion layer (4b), and the third magnetic insertion layer (4c). That is, the magnetic coupling force J ex works between the magnetic layers.
  • FIG. 9 shows that the recording layer has four magnetic layers, a total of three coupling layers are provided between the four magnetic layers, and each magnetic layer is divided into an outer layer and an inner layer.
  • An example of the magnetoresistive effect element of the present invention will be described.
  • the first nonmagnetic layer (1) / first magnetic outer layer (2a) / first magnetic inner layer (2b) / first coupling layer (J1) / second magnetic inner layer Layer (6a) / second magnetic outer layer (6b) / second coupling layer (J2) / third magnetic outer layer (9a) / third magnetic inner layer (9b) / third coupling layer ( J3) / fourth magnetic inner layer (13a) / fourth magnetic outer layer (13b) / second nonmagnetic layer (7) are stacked adjacent to each other in this order.
  • the first coupling layer (J1) is formed by laminating adjacent to the first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) in this order.
  • the second coupling layer (J2) is composed of the third nonmagnetic layer (8), and the third coupling layer (J3) is the fifth nonmagnetic coupling layer (10) / fourth magnetic layer.
  • the insertion layer (11a) / the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) are stacked adjacent to each other in this order. By inserting the first magnetic insertion layer (4a), the fourth magnetic insertion layer (11a), and the third nonmagnetic layer (8), the four magnetic layers are magnetically coupled.
  • FIG. 10 shows an example of the magnetoresistive effect element of the present invention comprising a lower nonmagnetic electrode / reference layer / barrier layer / recording layer / upper nonmagnetic electrode.
  • the magnetoresistive effect element includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1) as a barrier layer,
  • the recording layer (A1), the second nonmagnetic layer (7), and the upper nonmagnetic electrode (E2) have a laminated structure, and the first recording layer (A1) is the first magnetic layer of the first embodiment ( 2) / first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) / second magnetic layer (6).
  • the first reference layer (B1) is a magnetic layer whose magnetization direction is fixed as a whole reference layer.
  • the magnetic layer of the reference layer may have a laminated structure of a magnetic layer and a nonmagnetic layer.
  • the lower nonmagnetic electrode (E1) is connected to the end surface of the first reference layer (B1) opposite to the first nonmagnetic layer (1).
  • Examples of the laminated structure of the lower nonmagnetic electrode (E1) include Ta (5 nm) / Ru (5 nm) / Ta (10 nm) / Pt (5 nm), Ta (5 nm) / TaN (20 nm), and the like.
  • the first nonmagnetic layer (1) is a barrier layer (tunnel junction layer made of an insulating layer) of the magnetoresistive effect element, and the first nonmagnetic coupling layer (3) of the first magnetic layer (2) Is joined to the end face on the opposite side and the end face on the opposite side to the lower nonmagnetic electrode (E1) of the first reference layer (B1).
  • the second nonmagnetic layer (7) is bonded to the end surface of the second magnetic layer (6) opposite to the second nonmagnetic coupling layer (5a) and the upper nonmagnetic electrode (E2). Has been.
  • the material of the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) includes the material of the end surface opposite to the lower nonmagnetic electrode (E1) of the first reference layer (B1) and the first nonmagnetic layer (1).
  • a compound containing oxygen such as MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO, and Hf 2 O, is preferably used so that the magnetoresistive change ratio is greatly expressed in combination with the material of the magnetic layer (2) of 1 MgO is used.
  • the film thicknesses of the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) are preferably adjusted in the range of 0.2 to 2.0 nm. The film thickness may be varied such that the first nonmagnetic layer (1) is 1.2 nm and the second nonmagnetic layer (7) is 1.0 nm.
  • the upper nonmagnetic electrode (E2) is connected to the end surface of the second nonmagnetic layer (7) opposite to the second magnetic layer (6).
  • the laminated structure of the upper nonmagnetic electrode (E2) is Ta (50 nm), Ta (5 nm) / Ru (50 nm), Ru (1 to 50 nm), Pt (1 to 50 nm), CoFeB (0.2 to 1.5 nm). ) / Ru (5) / Ta (50 nm).
  • FIG. 11 shows an example of the magnetoresistive effect element of the present invention having the lower nonmagnetic electrode / reference layer / barrier layer / recording layer / upper nonmagnetic electrode, and the recording layer having the laminated structure of the second embodiment.
  • the magnetoresistive effect element includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1) as a barrier layer,
  • the recording layer (A1), the second nonmagnetic layer (7), and the upper nonmagnetic electrode (E2) have a laminated structure, and the first recording layer (A1) is the first magnetic layer of the second embodiment ( 2) / first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) / second magnetic insertion layer (4b) / third nonmagnetic A coupling layer (5b) / second magnetic layer (6) are provided.
  • FIG. 12 shows an example of the magnetoresistive effect element of the present invention having the lower electrode / reference layer / barrier layer / recording layer / upper electrode, and the recording layer having the laminated structure of the third embodiment.
  • the magnetoresistance effect element of the twelfth embodiment includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1) as a barrier layer,
  • the recording layer (A1), the second nonmagnetic layer (7), and the upper nonmagnetic electrode (E2) have a laminated structure, and the first recording layer (A1) is the first magnetic layer of Embodiment 3 ( 2) / first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) / second magnetic insertion layer (4b) / third nonmagnetic A coupling layer (5b) / third magnetic insertion layer (4c) / fourth nonmagnetic coupling layer (5c) / second magnetic layer (6) are provided.
  • FIG. 13 shows an example of a magnetoresistive effect element of the present invention having a lower nonmagnetic electrode / reference layer / barrier layer / recording layer / upper nonmagnetic electrode and the recording layer having the laminated structure of the fourth embodiment.
  • the magnetoresistive effect element includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1) as a barrier layer,
  • the recording layer (A1), the second nonmagnetic layer (7), and the upper nonmagnetic electrode (E2) have a laminated structure, and the first recording layer (A1) is the first magnetic layer of Embodiment 4 ( 2) / first coupling layer (J1) / second magnetic layer (6) / second coupling layer (J2) / third magnetic layer (9) / third coupling layer (J3) / fourth The magnetic layer (13) is provided.
  • the first coupling layer (J1) is formed by laminating adjacent to the first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) in this order.
  • the second coupling layer (J2) is composed of the third nonmagnetic layer (8), and the third coupling layer (J3) is the fifth nonmagnetic coupling layer (10) / fourth magnetic layer.
  • the insertion layer (11a) / the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) are stacked adjacent to each other in this order.
  • FIG. 14 shows an example of the magnetoresistive effect element of the present invention that includes one recording layer, two reference layers, and two barrier layers, and the recording layer has a laminated structure of the recording layer of the first embodiment.
  • the magnetoresistive effect element includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1), and a first recording layer (A1). ),
  • the second nonmagnetic layer (7), the second reference layer (B2), and the upper nonmagnetic electrode (E2), and the first recording layer (A1) is the same as that of the first embodiment.
  • the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) serve as barrier layers.
  • the second reference layer (B2) is a magnetic layer whose magnetization direction is fixed as a whole reference layer.
  • the magnetic layer of the reference layer may have a laminated structure of a magnetic layer and a nonmagnetic layer.
  • the second reference layer (B2) has a property as an antiparallel coupling reference layer by reversing the magnetization arrangement state of each magnetic layer from the first reference layer (B1).
  • FIG. 15 shows an example of the magnetoresistive element of the present invention having one recording layer, two reference layers, and two barrier layers.
  • the magnetoresistive effect element includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1), and a first recording layer (A1). ),
  • the second nonmagnetic layer (7), the second reference layer (B2), and the upper nonmagnetic electrode (E2), and the first recording layer (A1) is the same as that of the second embodiment.
  • a third nonmagnetic coupling layer (5b) / second magnetic layer (6) are provided.
  • the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) serve as barrier layers.
  • FIG. 16 shows an example of the magnetoresistive element of the present invention having one recording layer, two reference layers, and two barrier layers.
  • the magnetoresistive effect element includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1), and a first recording layer (A1). ),
  • the second nonmagnetic layer (7), the second reference layer (B2), and the upper nonmagnetic electrode (E2), and the first recording layer (A1) is the same as that of the fourth embodiment.
  • the first coupling layer (J1) is formed by laminating adjacent to the first nonmagnetic coupling layer (3) / first magnetic insertion layer (4a) / second nonmagnetic coupling layer (5a) in this order.
  • the second coupling layer (J2) is composed of the third nonmagnetic layer (8), and the third coupling layer (J3) is the fifth nonmagnetic coupling layer (10) / fourth magnetic layer.
  • the insertion layer (11a) / the sixth nonmagnetic coupling layer (12a) are stacked adjacent to each other in this order.
  • the first nonmagnetic layer (1) and the second nonmagnetic layer (7) serve as barrier layers.
  • FIG. 17 shows an example of the magnetoresistive element of the present invention having two recording layers, three reference layers, and four barrier layers.
  • the magnetoresistive effect element includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1), and a first recording layer (A1). ), Second nonmagnetic layer (7), second reference layer (B2), fourth nonmagnetic layer (14), second recording layer (A2), fifth nonmagnetic layer (15), It has a laminated structure of a third reference layer (B3) and an upper nonmagnetic electrode (E2).
  • the first nonmagnetic layer (1), the second nonmagnetic layer (7), the fourth nonmagnetic layer (14), and the fifth nonmagnetic layer (15) are defined as barrier layers.
  • the first recording layer (A1) and the second recording layer (A2) may have any of the recording layer configurations shown in the first to ninth embodiments.
  • the fourth nonmagnetic layer (14) is a barrier layer of the magnetoresistive effect element, the end surface of the second reference layer (B2) opposite to the second nonmagnetic layer (7),
  • the recording layer (A2) is joined adjacent to the end surface opposite to the fifth nonmagnetic layer (15).
  • the fifth nonmagnetic layer (15) is a barrier layer of the magnetoresistive effect element, the end surface of the second recording layer (A2) opposite to the fourth nonmagnetic layer (14), 3 is bonded adjacent to the end surface of the reference layer (B3) opposite to the upper nonmagnetic electrode (E2).
  • the materials of the fourth non-magnetic layer (14) and the fifth non-magnetic layer (15) are MgO, Al 2 O 3 so that the magnetoresistance change rate is greatly expressed by the combination of the materials of the two end faces to be joined. , SiO 2 , TiO, Hf 2 O and other compounds containing oxygen are used, preferably MgO.
  • the film thicknesses of the fourth nonmagnetic layer (14) and the fifth nonmagnetic layer (15) are preferably adjusted in the range of 0.2 to 2.0 nm. Even if the film thicknesses of the first nonmagnetic layer (1), the second nonmagnetic layer (7), the fourth nonmagnetic layer (14), and the fifth nonmagnetic layer (15) are different. Good.
  • the third reference layer (B3) is a magnetic layer whose magnetization direction is fixed as a whole reference layer.
  • the magnetic layer of the reference layer may have a laminated structure of a magnetic layer and a nonmagnetic layer.
  • the third reference layer (B3) has a property as an antiparallel coupling reference layer by reversing the magnetization arrangement of the second reference layer (B2) and the magnetic layer.
  • the magnetoresistive effect element of the present invention has more recording layers and references. Layers and barrier layers can be provided. By using a plurality of reference layers, a multi-value function can be provided.
  • FIG. 18 shows an example of the magnetoresistive effect element of the present invention comprising a lower nonmagnetic electrode / reference layer / barrier layer / recording layer / upper nonmagnetic electrode.
  • the magnetoresistive effect element includes a lower nonmagnetic electrode (E1), a first reference layer (B1), a first nonmagnetic layer (1) as a barrier layer, It has a laminated structure of a recording layer (A1), a second nonmagnetic layer (7), and an upper nonmagnetic electrode (E2).
  • the lower nonmagnetic electrode (E1) is laminated in the order of Ta (3 nm), Ru (20 nm), TaN (23 nm), then the surface of TaN is cleaned to reach a thickness of 20 nm, and further Pt (6 nm) is laminated. The surface of Pt was cleaned to a thickness of 3 nm.
  • the first reference layer (B1) has [Co (0.5 nm) / Pt (0.3 nm)] 5 / Co (0.5 nm) / Ru (0.9 nm) / [Co (0.5 nm) / Pt. (0.3 nm)] 2 / Co (0.5 nm) / W (0.3 nm) / CoFeB (1.2 nm) are sequentially stacked on the lower nonmagnetic electrode (E1).
  • the first nonmagnetic layer (1) is MgO (1.0 nm).
  • the first recording layer (A1) is composed of CoFeB 25 (1.4 nm) of the first magnetic layer / W (0.2 nm) of the first nonmagnetic layer / Co (0.3 nm) of the magnetic insertion layer / second.
  • 2 nonmagnetic layer W (0.2 nm) / second magnetic layer (1.0 nm) are sequentially laminated on the first nonmagnetic layer (1).
  • the second nonmagnetic layer (7) is MgO (0.9 nm).
  • the upper nonmagnetic electrode (E2) is obtained by sequentially stacking CoFeB 25 (1.0 nm) / Ru (5 nm) / Ta (50 nm) on the second nonmagnetic layer (7).
  • FIG. 50 shows the configuration of the first comparative example.
  • the magnetoresistive effect element according to the first comparative example has a first nonmagnetic layer (1) / first magnetic layer (2) / nonmagnetic element-alloy alloy film / second magnetic layer.
  • the element having the configuration shown in FIG. 51 generates a strong magnetic coupling force J ex , but is perpendicular to the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) due to the magnetization characteristics shown in FIG. It was found that no magnetic anisotropy occurred. Even if a layer containing W is disposed between the magnetic layers as in the first embodiment of the present invention, the effect of increasing the perpendicular magnetic anisotropy does not appear in the CoW alloy film. This is because the CoW alloy film is amorphous and has a high filling rate, and has a structure with few gaps inside like the fcc (face centered cubic lattice), so even if B has a relatively small atomic radius, it is incorporated.
  • the two nonmagnetic coupling layers (3, 5a) in FIG. 1 are bcc (body-centered cubic lattice) and the lattice spacing is This confirms that a relatively large element (material) is preferable. This is because a large lattice spacing such as bcc facilitates absorption of B and the like in the two magnetic layers (2, 6).
  • FIG. 53 shows a configuration diagram of the magnetoresistive effect element for evaluation.
  • the first magnetic layer (2) is the first nonmagnetic coupling layer (3). And is in contact with the W layer.
  • the structure of the magnetoresistive element for evaluation is [Si / SiO 2 substrate] / Ta (5 nm) / Ru (5 nm) / TaN (from 23 nm to 20 nm by cleaning) / Pt (6 nm by cleaning) To 3 nm) / [Co (0.5 nm) / Pt (0.3 nm)] 5 /Co(0.5 nm) / Ru (0.9 nm) / [Co (0.5 nm) / Pt (0.
  • FIG. 54 shows a magnetization curve when the magnetic insertion layer (4a) is FeB (0.4 nm). It was confirmed that the magnetic field H was shifted and magnetically coupled in the magnetization reversal portion of the second magnetic layer (6) surrounded by a circle. From the saturation magnetization m per unit area and the shift magnetic field shift magnetic field H ex , the magnetic coupling force J ex between the two magnetic layers is obtained as follows.
  • FIG. 56 shows an example of a magnetoresistive element for recording layer evaluation of the present invention.
  • the magnetoresistive effect elements of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are a Si / SiO 2 substrate, Ta (5 nm), CoFeB (1.0 nm), first nonmagnetic layer (1) (MgO 1.0 nm), first magnetic layer (2), first nonmagnetic coupling layer (3) (W, 0.2 nm), first magnetic insertion layer (4a), second nonmagnetic coupling layer (5a) (W, 0.2 nm), second magnetic layer (6), second nonmagnetic layer (7) (MgO, 1.0 nm), CoFeB (1.0 nm), Ru (5 nm), Ta (5 nm) and Ti—N (50 nm) laminated structure and annealed at 400 ° C. for 1 hour.
  • the materials and film thicknesses (nm) of the magnetic insertion layer (4a), the first magnetic layer (2), and the second magnetic layer (6) of the magnetoresistive effect elements of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are as follows: Table 6 shows.
  • K eff t * (mJ / m 2 )
  • K i is represented by the numerical formula 11.
  • K i 1 is the interface magnetic anisotropy energy density received from the first nonmagnetic layer (MgO layer)
  • K i 2 is the interface magnetic anisotropy energy density received from the second nonmagnetic layer (MgO layer).
  • the thickness t of the magnetic layer in the formula 2 is expressed by the formula 12.
  • t FL1 is the thickness of the first magnetic layer
  • t FL2 is the thickness of the second magnetic layer
  • t M1 is the thickness of the first magnetic insertion layer.
  • N z and N x are demagnetizing field coefficients when the three magnetic layers are integrated, and M s is the average saturation magnetization of the three magnetic layers. Therefore, the effective magnetic anisotropy constant K eff t * is the energy per unit area (mJ / m) of the interface of the first nonmagnetic layer or the second nonmagnetic layer (where both interface areas are equal). 2 ), the larger the value, the larger the thermal stability index ⁇ (see Equation 1 etc.).
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) of Example 1 and Comparative Example 1 are each Fe of the same film thickness, but the magnetic insertion layer (4a) is made of Fe of Comparative Example 1. It was found that by using FeB of Example 1, K eff t * was significantly improved by about 4.7 times. Further, by changing the magnetic layers (2, 6) from Fe of Example 1 to FeB of Example 2, K eff t * of Example 2 is significantly improved to about 8.2 times that of Comparative Example 1. I understood that.
  • Examples 3-1 to 3-3 are magnetoresistive elements in which the magnetic layer of Example 2 is composed of two types of films.
  • the second magnetic inner layer (6a) CoFeB (0.2 nm)
  • second magnetic outer layer (6b): FeB (0.6 nm) see FIG. 6, Embodiment 6).
  • Example 3-2 has a configuration in which the magnetic outer layer and the magnetic inner layer of Example 3-1 are reversed.
  • FeB in the first magnetic outer layer (2a) and the second magnetic outer layer (6b) of Example 3-1 was replaced with Fe. It was found that the effective magnetic anisotropy constants K eff t * values comparable to those of Example 2 were exhibited under the conditions of Examples 3-1, 3-2, and 3-3.
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) of Example 4 and Example 5 are made of CoFeB having the same film thickness, but the magnetic insertion layer (4a) is made of Fe of Example 4. It was found that K eff t * was improved about 1.14 times by using FeB of Example 5.
  • the first magnetic layer (2) and the second magnetic layer (6) of Example 6 and Example 5 are CoFeB with different thicknesses, but the magnetic insertion layer (4a) is the same as that of Example 6. It was found that by changing from Co to FeB of Example 5, K eff t * was improved to about 2.8 times in the magnetic insertion layer of 0.4 nm.
  • the junction size of the magnetoresistive element of the present invention may not be constant throughout the element.
  • the magnetoresistive effect element of the present invention is incorporated in a magnetic memory of MRAM, which is being developed as a magnetic memory. Either the lower non-magnetic electrode (E1) or the upper non-magnetic electrode (E2) of the magnetoresistive effect element is electrically connected to the drain electrode of the selection transistor, and the other electrode is electrically connected to the bit line.

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Abstract

記録層の磁化方向が膜面に対して垂直方向である磁気抵抗効果素子において、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供する。第１の磁性層／第１の非磁性結合層／第１の磁性挿入層／第２の非磁性結合層／第２の磁性層の構成を有する記録層を、第１及び第２の非磁性層に挟み、第１の磁性層と第２の磁性層との間に磁気結合力が発生するように積層する。

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、特に記録層の磁化方向が膜面に対して垂直方向である磁気抵抗効果素子、及び、該磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリに関する。
　次世代の高性能の不揮発性の磁気メモリとして開発が進むＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）は、選択トランジスタと、磁気抵抗効果素子とが直列に電気的に接続された構造を有する磁気メモリセルを備える。
　選択トランジスタのソース電極はソース線に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子を介してビット線に、ゲート電極はワード線にそれぞれ電気的に接続される。
　磁気抵抗効果素子は、２つの磁性層（参照層、記録層）の間に非磁性層（障壁層）が挟まれた構造を基本としており、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を有するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子とも呼ばれる。磁性層の１つは磁化方向が固定された参照層であり、磁性層の他の１つは磁化方向が可変である記録層である。
　磁気抵抗効果素子の抵抗値は、参照層の磁性層の磁化方向と記録層の磁性層の磁化方向が平行に配置される磁化容易方向の場合には小さくなり、反平行に配置される磁化困難方向の場合には大きくなる。ＭＲＡＭの磁気メモリセルは、この２つの抵抗状態をビット情報「０」と「１」に割り当てている。
　磁気抵抗効果素子の２つの抵抗状態は、磁性層の磁気モーメントによって反転される。磁気モーメントの反転とは、磁性層について、ある磁化容易方向から磁化困難方向を超えて他の磁化容易方向へ方位を変化させることである。磁化容易方向の磁気エネルギーをＥeasy、磁化困難方向の磁気エネルギーをＥhardとすると、Ｅeasy＜Ｅhardとなる。磁気エネルギーＥを、単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔで規格化したのが、規格化磁気エネルギーｅ（θ1，θ2）であり、その差分が規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）である。詳細は後述する。
　ＭＲＡＭに要求される主な特性は、（ｉ）磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）が大きいこと、（ｉｉ）書込み電流ＩC0が小さいこと、（ｉｉｉ）熱安定性指数Δが大きいことである。（ｉ）は高速での読出しに対応するため、（ｉｉ）は高速での書込みに対応するため、（ｉｉｉ）は磁気メモリの不揮発性のために要求される特性である。
　近年、ＭＲＡＭの高集積化のため、磁気抵抗効果素子の微細化を求められるようになってきているが、磁気抵抗効果素子の磁性層（参照層）及び磁性層（記録層）を共に微細化すると、磁化が熱擾乱し、ビット情報が消失しやすくなるという問題があった。
　つまり、磁気抵抗効果素子の微細化により高集積化したＭＲＡＭを実現するためには、磁気メモリには記録されたビット情報を１０年間保持する不揮発性が要求され、上記（ｉｉｉ）熱安定性指数Δを高めることが重要となる。
　非特許文献１～３には、磁気抵抗効果素子を微細化してもビット情報を保持するために、磁性層（参照層）及び磁性層（記録層）が７０以上の高い熱安定性指数Δを有することが必要であり、かつ、参照層となる磁性層は記録層となる磁性層よりもさらに大きな熱安定性指数Δを有することが必要であることが開示されている。
　また、非特許文献１には、磁気抵抗効果素子の磁性層の熱安定性指数Δは実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと相関があり、また、大きな磁気異方性（実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeff）を有する物質に垂直磁気異方性を示すものが多いことから、ＭＲＡＭの磁気メモリセルの磁気抵抗効果素子として垂直磁化ＴＭＲ素子が用いられるようになってきていることが開示されている。
　非特許文献４には、薄膜化したＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造を垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子に適用することにより、記録層の磁性層において、接合サイズ直径４０ｎｍで熱安定性指数Δが約４０の磁気抵抗効果素子が得られていることが開示されている。
　さらに非特許文献６には、二重のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面記録層構造にして記録層の磁性層を厚くすることにより、接合サイズ直径４０ｎｍ台で熱安定性指数Δが８０以上の磁気抵抗効果素子が得られているが、接合サイズ直径２９ｎｍでは熱安定性指数Δが約５９の磁気抵抗効果素子となることが開示されている。
　なお、磁性層の接合サイズとは、隣り合う非磁性層や電極と接する接合面上で、最も長い直線の長さである。磁性層が円柱状で接合面が円形のときは、接合サイズは接合面の直径となる。接合サイズが接合面の直径の場合、接合サイズを特に接合サイズ直径という。
N. Nishimura, T. Hirai, A. Koganei, T. Ikeda, K. Okano, Y. Sekiguchi, and Y. Osada, "Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory", J. Appl. Phys. 2002, 91, 5246 G. Kim, Y. Sakuraba, M. Oogane, Y. Ando and T. Miyazaki, "Tunneling magnetoresistance of magnetic tunnel junctions using perpendicular magnetization electrodes", Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 172502 K. Mizunuma, S. Ikeda, J. H. Park, H. Yamamoto, H. D. Gan, K. Miura, H. Hasegawa, J. Hayakawa, F. Matsukura and H. Ohno, "MgO barrier-perpendicular magnetic tunnel junctions with CoFe/Pd multilayers and ferromagnetic insertion layers", Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 232516. S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan, M. Endo, S. Kanai, F. Matsukura, and H. Ohno, "A perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction", Nature Mater., 2010, 9, 721 H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H.Ohno, "Perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junctions with a MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure", Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 022414. H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H. Ohno, "MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure in magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis", IEEE Trans. Magn., 2013, 49, 4437 H. Sato, T. Yamamoto, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, K.Kinoshita, F. Matsukura, N. Kasai, and H. Ohno, "Comprehensive study of CoFeB-MgO magnetic tunnel junction characteristics with single- and double-interface scaling down to 1X nm", Tech. Dig. -Int. Electron Devices Meet. 2013, 3.2.1. S. Ikeda, R. Koizumi, H. Sato, M. Yamanouchi, K. Miura, K. Mizunuma, H. D. Gan, F. Matsukura , and H. Ohno, "Boron Composition Dependence of Magnetic Anisotropy and Tunnel Magnetoresistance in MgO/CoFe(B) Based Stack Structures", IEEE Trans. Magn., 2012, 48, 3829
特開２０１１－２５８５９６号公報 ＰＣＴ／ＪＰ２０１６／０７０８５０ ＰＣＴ／ＪＰ２０１７／００１６１７
　本発明は、磁気抵抗効果素子の微細化により高集積化したＭＲＡＭにおいて、ビット情報を１０年間記録保持する不揮発性を実現するため、従来技術よりさらに高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを課題としている。
　より具体的には、２つの磁性層が２つの界面それぞれに配置された磁気抵抗効果素子の記録層において、該２つの磁性層それぞれの熱安定性指数Δを効果的に併せ、記録層全体の熱安定性指数Δをさらに高めた磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを課題としている。
　ところで、磁気抵抗効果素子の熱安定性指数Δは、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　数１の式において、ΔＥは磁気障壁エネルギー、ｋBはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、Ｋeffは実効磁気異方性エネルギー密度、Ｓは記録層の面積、ｔは膜厚である。前述したように、磁気エネルギーＥを、単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔで規格化したのが規格化磁気エネルギーｅ（θ1，θ2）であり、その差分が規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）である。規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）は、磁気モーメントの反転過程で必要なエネルギーと等しい。
　ｘ軸、ｙ軸を平面内、ｚ軸をｘ－ｙ平面に垂直な面直方向にとった座標において、実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと記録層の膜厚ｔの積Ｋeffｔ（以下、Ｋeffｔを、単位面積当たりの実効磁気異方性定数という。）は、以下の式により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　数２の式において、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度、Ｎzはｚ軸の反磁界係数、Ｎxはｘ軸の反磁界係数、Ｍsは飽和磁化、μ0は真空の透磁率、Ｋbはバルク（結晶）磁気異方性や磁気弾性効果に由来するバルク磁気異方性エネルギー密度である。
　なお、Ｎxはｙ軸の反磁界係数Ｎyと等しいとする。Ｎz及びＮxは記録層が円筒形の場合に厳密に求めることは難しく、楕円近似により数値計算で求めることができる。
　単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔが正の時は垂直磁気異方性を示し、負の時は面内磁気異方性を示す。すなわち、正の時は面直方向が磁化容易軸となる。
　この点につき具体例を用いて詳述すれば、たとえばＣｏＦｅ（Ｂ）／ＭｇＯ接合において、界面磁気異方性エネルギー密度ＫiをＣｏＦｅＢとＭｇＯの界面に誘起させることにより、垂直磁気異方性（Ｋeff＞０）を得ることができる。しかしながら、磁性層としてＣｏＦｅＢを用いた場合の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiは、Ｂを含まないＣｏＦｅを用いた場合の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiよりも低くなる。一方、Ｂを含まないＣｏＦｅを用いた場合は高い界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiが得られるものの、ＣｏＦｅはＣｏＦｅＢに比べ飽和磁化Ｍsが高いために反磁界（－（Ｎz－Ｎx）Ｍs／2μ0）が大きく、面内磁気異方性（Ｋeff＜０）となり、垂直磁気異方性は得られない。
　数１の式より、熱安定性指数Δを大きくするには、単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔを大きくすればよいことが分かる。
　さらに、数２の式より、高い単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔを得るためには、非磁性層と磁性層の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）界面における、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを低下させないように記録層全体の飽和磁化Ｍsを低くするのが望ましいことが分かる。
　なお、数２の式で単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔの検討において、実効磁気異方性は界面磁気異方性とバルク（結晶）磁気異方性の影響を受けることに留意する。
　界面磁気異方性は、界面における電子軌道の混成により磁化しやすい方向が現れる性質であり、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiの単位はＪ／ｍ2で、界面磁気異方性の効果は記録層の磁性層の膜厚を薄くすると顕著になる。一方、バルク（結晶）磁気異方性は、結晶構造の非等方性により磁化しやすい方向が現れる性質であり、バルク（結晶）磁気異方性エネルギー密度Ｋbの単位はＪ／ｍ3である。
　本発明者らは、数１及び数２の式より、磁気抵抗効果素子の熱安定性指数Δを大きくするために、隣接する非磁性層と磁性層の界面における界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを低下させないように記録層全体の飽和磁化Ｍsを低くする様々な方法を検討している。たとえば、磁気抵抗効果素子の磁性層を少なくとも２つの領域（記録層を挟む非磁性層と隣接する第１の磁性層、及び、記録層を挟む非磁性層とは隣接しない第２の磁性層）に分け、第１の磁性層の磁性元素の組成を第２の磁性層の磁性元素の組成より大きくすれば、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子が得られること等を見出している（特許文献２等参照）。
　また、第１の磁性層の磁性元素中のＦｅ組成を５０ａｔ％以上にし、第２の磁性層の磁性元素中のＦｅ組成を５０ａｔ％以下にすれば、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子が得られること等を見出している（特許文献３等参照）。
　本発明者らはまた、ＭｇＯ界面に隣接した２つの磁性層を有し、２つの磁性層の間に非磁性結合層を挟んだ従来例の記録層について、垂直磁気異方性及び２つの磁性層の間の磁気的な結合の観点から、該非磁性結合層の膜厚の範囲を検討している。
　従来例の記録層の構成は図１９に示され、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第２の磁性層（６）／第２の非磁性層（７）となっている。この第１の非磁性層（３）の膜厚は、記録層が垂直磁気異方性を有するように、また、２つの磁性層間が磁気的に結合するように調整されることが望まれる。なお、第１の非磁性結合層（３）はＷ等の非磁性元素を含み、第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）は少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等、Ｂが含まれることが望ましい。
　記録層の垂直磁気異方性については、２つの磁性層に挟まれた第１の非磁性結合層（３）が隣接する磁性層に含まれるＢ等を吸収することが、上記界面での界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを増大させる理由のひとつとして知られている。すなわち、第１の非磁性結合層（３）は、隣接する磁性層中のＢ等を吸収可能な厚みを有することが望ましい。
　記録層が垂直磁気異方性を有するかの確認は、図２０の構成を有する評価用磁気抵抗効果素子を使用し、磁界Ｈを磁気抵抗効果素子の膜面垂直に印加して、磁化曲線を得て行った。
　第１の非磁性層（１）をＭｇＯ（膜厚１ｎｍ）、第１の磁性層（２）をＣｏＦｅＢ25（膜厚１．４ｎｍ）、第２の磁性層（６）をＣｏＦｅＢ25（膜厚１ｎｍ）、第２の非磁性層（７）をＭｇＯ（膜厚１ｎｍ）に、一定に設定した。第１の非磁性結合層（３）をＷとし、膜厚ｔ＝０（なし）、０．３ｎｍ、０．５ｎｍに設定した。
　膜厚の調整は、たとえば長めのスパッタ時間で厚めの膜を作製して膜厚を測り、スパッタ時間が膜厚と比例することを利用し、スパッタ時間を調整することで行うことができる。なお、特にスパッタ金属の原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚の層を作製する場合は、スパッタ時間で膜厚を算出しているため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。
　図２１（ａ）に非磁性結合層の膜厚が０ｎｍの（＝非磁性結合層がない）場合、図２１（ｂ）に非磁性結合層の膜厚が０．３ｎｍの場合、図２１（ｃ）に非磁性結合層の膜厚が０．５ｎｍの場合の、磁化曲線を示した。
　磁化曲線は、縦軸に磁化Ｍ、横軸に磁界Ｈをとったものであり、磁性体の特性評価が可能である。
　図２１（ａ）の磁化曲線より、非磁性結合層（３）が挿入されていない磁気抵抗効果素子の記録層は、垂直磁気異方性を有していないことが分かった。
　また、図２１（ｂ）及び図２１（ｃ）より、非磁性結合層（３）が０．３ｎｍ以上の場合、磁気抵抗効果素子の記録層は垂直磁気異方性を有することが分かった。本構成のＷの非磁性結合層の場合、膜厚は０．５ｎｍ以上でさらに十分な垂直磁気異方性が得られることが分かった。
　次に、２つの磁性層間が磁気的に結合する、第１の非磁性結合層（３）の膜厚を検討した。ここで、「磁性層間が磁気的に結合する」とは、図１９の従来例においては、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間の単位面積当たりの磁気結合力（以下、「磁気結合力」という。）Ｊexがはたらくこと、すなわち、磁気結合力Ｊexがゼロより大きいことである。
　２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexの評価は、図２２の構成を有する評価用磁気抵抗効果素子を使用し、磁化曲線を得て行った。
　第１の磁性層（２）をＣｏＦｅＢ25（膜厚１．２ｎｍ）、第２の磁性層（６）をＣｏＦｅＢ25（膜厚１ｎｍ）、第２の非磁性層（７）をＭｇＯ（膜厚０．９ｎｍ）に、一定に設定し、第１の非磁性結合層（３）をＷとし、膜厚ｔ＝０．３ｎｍ、０．４ｎｍ、０．５ｎｍに設定した。第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の磁化反転を測定するため、第１の磁性層（２）を第２の積層フェリ固定層に固定させる必要があり、図１９の第１の非磁性層（１）を省いている。
　図２３（ａ）に非磁性結合層（３）の膜厚が０．３ｎｍの場合、図２３（ｂ）に非磁性結合層（３）の膜厚が０．４ｎｍの場合、図２３（ｃ）に非磁性結合層（３）の膜厚が０．５ｎｍの場合の、磁化曲線を示した。
　非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍの場合、２つの磁性層の磁気結合力Ｊexは、以下のように計算される。
　図２４（ａ）に図２３（ｂ）と同じ磁化曲線の詳細を示し、第２の磁性層（６）の磁化反転部分と第１の磁性層（２）及び第２の積層フェリ固定層の磁化反転部分を丸で囲んだ。また、図２４（ｂ）に、第２の磁性層（６）の磁化反転部分の拡大図を示した。
　２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexは、磁界のシフトの量（以下、「シフト磁界Ｈex」という。）と、飽和磁化Ｍsと膜の面積Ｓで以下のように計算することができる。
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　図２４（ｂ）の例で計算すると、Ｍs＝４．５ｘ１０-4ｅｍｕ、Ｈex＝＋６３０Ｏｅであり、Ｓ＝３．８ｃｍ2を代入して、Ｊex＝＋０．０７５ｍＪ／ｍ2であることが分かった。
　非磁性結合層の膜厚が０．５ｎｍの場合も、２つの磁性層の磁気結合力Ｊexは、上述したように、得られた磁化曲線からシフト磁界Ｈexと、飽和磁化Ｍsを求め、膜の面積Ｓと併せて計算される。
　一方、非磁性結合層の膜厚が０．３ｎｍの場合、図２３（ａ）の磁化曲線に示されるとおり、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）は磁気的に一体となって磁化反転し、シフト磁界Ｈexや飽和磁化Ｍsの値が求められないため、別の方法で計算する。後述するように、２つの磁性層が磁気的に一体となって磁化反転する場合は、磁気結合力Ｊexは実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと等しくなることを利用して計算する。
　図２３（ｄ）に、非磁性結合層（３）のＷの膜厚と、第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）の間の磁気結合力Ｊexの関係を示した。
　図２３（ｄ）より、非磁性結合層（３）の膜厚が０．５ｎｍの場合、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間の磁気結合力Ｊexはゼロであり、磁気的な結合力がはたらかないことが分かった。
　非磁性結合層（３）の膜厚が０．３ｎｍの場合、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間の磁気結合力Ｊexは０．５ｍＪ／ｍ2であった。なお、後で説明する図４５等から、磁気結合力Ｊexがほぼ０．５ｍＪ／ｍ2以上であると２つの磁性層は磁気的に一体となって磁化反転し、記録層全体の熱安定性指数Δは２つの磁性層それぞれの熱安定性指数Δ0の２倍に増大させることができる。
　以上より、ＭｇＯ界面に隣接した２つの磁性層を有する記録層において、２つの磁性層の間に挿入された非磁性結合層は、垂直磁気異方性を有するために好ましい膜厚は０．３ｎｍ、より好ましくは０．５ｎｍ以上である。一方で２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexを０．５ｍＪ／ｍ2以上得るために好ましい膜厚は０．３ｎｍ以下である。すなわち、非磁性結合層単層のみで、記録層の十分な垂直磁気異方性を保ちながら、２つの磁性層間の十分な磁気結合力Ｊexを得ることは、トレードオフに近い関係にあり、２つの磁性層を記録層界面に配置したことによる熱安定性指数Δの増大効果は出にくいという課題があった。
　本発明は、上記課題の検討において、非磁性層と界面で隣接する２つ以上の磁性層それぞれの熱安定性指数Δ0の効果を足し合わせ記録層全体の熱安定性指数Δを高めるために、磁性挿入層が挿入された非磁性結合層を該２つの磁性層の間に挟むとともに、該磁性挿入層や非磁性結合層の元素の種類や膜厚等に着目することにより、さらに高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子が得られることを見出し、完成させるに至ったものである。
　上記課題を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の非磁性層（１）と、前記第１の非磁性層（１）に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）と、前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３）と、前記第１の非磁性結合層（３）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性挿入層（４ａ）と、前記第１の磁性挿入層（４ａ）の前記第１の非磁性結合層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（５ａ）と、前記第２の非磁性結合層（５ａ）の前記第１の磁性挿入層（４ａ）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（６）と、前記第２の磁性層（６）の前記第２の非磁性結合層（５ａ）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（７）と、を備え、前記第１の非磁性層（１）及び前記第２の非磁性層（７）は、Ｏ（酸素）を含む層で構成され、前記第１の磁性層（２）及び前記第２の磁性層（６）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、前記第１の非磁性結合層（３）及び前記第２の非磁性結合層（５ａ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、前記第１の磁性挿入層（４ａ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ又はＮｉのいずれかを含み、前記第１の非磁性結合層（３）、前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第２の非磁性結合層（５ａ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）により、前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（６）は磁気的に結合され、前記第１の磁性層（２）、前記第１の結合層（Ｊ１）及び前記第２の磁性層（６）は第１の記録層（Ａ１）を構成することを特徴とする。
　前記第１の磁性挿入層（４ａ）は、少なくともＦｅ及びＢを含むことがより望ましい。
　また、本発明の他の磁気抵抗効果素子は、第１の非磁性層（１）と、前記第１の非磁性層（１）に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）と、前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３）と、前記第１の非磁性結合層（３）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性挿入層（４ａ）と、前記第１の磁性挿入層（４ａ）の前記第１の非磁性結合層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（５ａ）と、前記第２の非磁性結合層（５ａ）の前記第１の磁性挿入層（４ａ）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（６）と、前記第２の磁性層（６）の前記第２の非磁性結合層（５ａ）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性層（８）と、前記第３の非磁性層（８）の前記第２の磁性層（６）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（９）と、前記第３の磁性層（９）の前記第３の非磁性層（８）とは反対側に隣接して設けられる第５の非磁性結合層（１０）と、前記第５の非磁性結合層（１０）の前記第３の磁性層（９）とは反対側に隣接して設けられる第４の磁性挿入層（１１ａ）と、前記第４の磁性挿入層（１１ａ）の前記第５の非磁性結合層（１０）とは反対側に隣接して設けられる第６の非磁性結合層（１２ａ）と、前記第６の非磁性結合層（１２ａ）の前記第４の磁性挿入層（１１ａ）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（１３）と、前記第４の磁性層（１３）の前記第６の非磁性結合層（１２ａ）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（７）と、を備え、前記第１の非磁性層（１）及び前記第２の非磁性層（７）は、Ｏ（酸素）を含む層で構成され、前記第１の磁性層（２）、前記第２の磁性層（６）、前記第３の磁性層（９）及び前記第４の磁性層（１３）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、前記第１の非磁性結合層（３）、前記第２の非磁性結合層（５ａ）、前記第５の非磁性結合層（１０）、及び、前記第６の非磁性結合層（１２ａ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第４の磁性挿入層（１１ａ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ又はＮｉのいずれかを含み、前記第３の非磁性層（８）は、非磁性元素の酸化物を含み、前記第１の非磁性結合層（３）、前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第２の非磁性結合層（５ａ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）により、前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（６）は磁気的に結合され、前記第３の非磁性層（８）で構成される第２の結合層（Ｊ２）により、前記第２の磁性層（６）と前記第３の磁性層（９）は磁気的に結合され、前記第５の非磁性結合層（１０）、前記第４の磁性挿入層（１１ａ）及び前記第６の非磁性結合層（１２ａ）で構成される第３の結合層（Ｊ３）により、前記第３の磁性層（９）と前記第４の磁性層（１３）は磁気的に結合され、前記第１の結合層（Ｊ１）、前記第２の結合層（Ｊ２）及び前記第３の結合層（Ｊ３）により、前記第１の磁性層（２）と前記第４の磁性層（１３）は磁気的に結合され、前記第１の磁性層（２）、前記第１の結合層（Ｊ１）、前記第２の磁性層（６）、前記第２の結合層（Ｊ２）、前記第３の磁性層（９）、前記第３の結合層（Ｊ３）及び前記第４の磁性層（１３）は第１の記録層（Ａ１）を構成することを特徴とする。
　前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第４の磁性挿入層（１１ａ）は、少なくともＦｅ及びＢを含むことがより望ましい。
　第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間に、第１の非磁性結合層（３）、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の非磁性結合層（５ａ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）を挟み、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）が磁気的に結合されることを特徴とする本発明によれば、熱安定性の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。
　また、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間に、第１の非磁性結合層（３）、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の非磁性結合層（５ａ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）を挟み、第２の磁性層（６）と第３の磁性層（９）の間に、第３の非磁性層（８）で構成される第２の結合層（Ｊ２）を挟み、第３の磁性層（９）と第４の磁性層（１３）の間に、第５の非磁性結合層（１０）、第４の磁性挿入層（１１ａ）及び第６の非磁性結合層（１２ａ）で構成される第３の結合層（Ｊ３）を挟み、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）、第２の磁性層（６）と第３の磁性層（９）、第３の磁性層（９）と第４の磁性層（１３）が磁気的に結合されることを特徴とする本発明によれば、さらに熱安定性の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。
本発明の磁気抵抗効果素子の構成の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。 従来の磁気抵抗効果素子の構成の一例を示す、縦断面図である。 ＭｇＯ界面に隣接する２つの磁性層を有する磁気抵抗効果素子の記録層において、２つの磁性層に挿入された非磁性結合層の膜厚に対する磁気異方性の評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。 ＭｇＯ界面に隣接する２つの磁性層を有する磁気抵抗効果素子の記録層において、非磁性結合層の膜厚が（ａ）０ｎｍ（＝非磁性結合層がない）場合、（ｂ）０．３ｎｍの場合、（ｃ）０．５ｎｍの場合の磁化曲線を示す。 ＭｇＯ界面に隣接する２つの磁性層を有する磁気抵抗効果素子の記録層において、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexの、膜厚ごとの評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。 ＭｇＯ界面に隣接する２つの磁性層を有する磁気抵抗効果素子の記録層において、非磁性結合層Wの膜厚が（ａ）０．３ｎｍの場合、（ｂ）０．４ｎｍの場合、（ｃ）０．５ｎｍの場合の磁化曲線を示す。また、（ｄ）非磁性結合層の膜厚に対する、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexの関係を示す。 ＭｇＯ界面に隣接する２つの磁性層を有する磁気抵抗効果素子の記録層において、非磁性結合層Wの膜厚が０．４ｎｍの場合の（ａ）磁化曲線、（ｂ）第２の磁性層反転部分の拡大図、を示す。 （ａ）結合層内の磁性挿入層の元素の種類及び膜厚による磁気結合力Ｊexの評価用磁気抵抗効果素子の構成図と、（ｂ）磁性挿入層を除いた第１の非磁性結合層のみによる磁気結合力Ｊexの対照評価用磁気抵抗効果素子の構成図である。 結合層内の磁性挿入層の元素の種類及び膜厚を、（ａ）ＣｏＦｅＢ、ｔ＝０～０．６ｎｍとした場合、（ｂ）ＣｏＷ、ｔ＝０～０．８ｎｍとした場合、（ｃ）Ｃｏ、ｔ＝０～０．８ｎｍとした場合の、正から負へ磁界を掃引したときの磁化曲線を示す。（ａ）には、対照評価用磁気抵抗効果素子の磁化曲線も併記される。 結合層内の磁性挿入層の元素の種類ごとの、膜厚ｔと磁気結合力Ｊexとの関係を示したものである。 結合層内の磁性挿入層の元素の種類ごとの、膜厚ｔと磁化Mとの関係を示したものである。 実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと第１の磁性挿入層（４ａ）の膜厚の関係の評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。 実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと第１の磁性挿入層（４ａ）の膜厚の関係を示したものである。 ＣｏＷ膜作製時のＣｏスパッタパワーと飽和磁化Ｍsとの関係を示す。（ａ）はＴ－Ｓ距離が２３０ｍｍの場合、（ｂ）はＴ－Ｓ距離が２８０ｍｍの場合である。 ＣｏＷを磁性挿入層とした場合の、バルクの飽和磁化Ｍsによる評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。 ＣｏＷを磁性挿入層とし、（ａ）バルクの飽和磁化Ｍs＝１．２Ｔ、スパッタガスがＫｒの場合、（ｂ）バルクの飽和磁化Ｍs＝０．９Ｔ、スパッタガスがＫｒの場合の、正から負へ掃引したときの磁化曲線を示す。 磁性挿入層の元素の種類及びバルクの飽和磁化Ｍsごとの、磁性挿入層の膜厚と磁気結合力Ｊexの関係を示したものである。 磁性挿入層の元素の種類及びバルクの飽和磁化Ｍsごとの、磁性挿入層の膜厚と磁化Ｍの関係を示したものである。 ２つの磁性層を有する磁気抵抗効果素子の記録層における、熱安定性指数Δを求める際の評価用モデルの概略図である。 γ＝０（Ｊex＝０）の場合の規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値をそのまま表したものである。 γ＝０（Ｊex＝０）の場合の規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値を、濃淡で着色して表し、かつ、磁化反転経路を示したものである。 γ＝０．４の場合の規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値をそのまま表したものである。 γ＝０．４の場合の規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値を、濃淡で着色して表し、かつ、磁化反転経路を示したものである。 γ＝１（Ｊex＝Ｋeffｔ）の場合の規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値をそのまま表したものである。 γ＝１（Ｊex＝Ｋeffｔ）の場合の規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値を、濃淡で着色して表し、かつ、磁化反転経路を示したものである。 γ＝１．５の場合の規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値をそのまま表したものである。 γ＝１．５の場合の規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値を、濃淡で着色して表し、かつ、磁化反転経路を示したものである。 直径の異なる磁気抵抗効果素子の、３００Ｋにおける磁気結合力Ｊexと熱安定性指数Δの関係を示したものである。 直径の異なる磁気抵抗効果素子の、４２３Ｋにおける磁気結合力Ｊexと熱安定性指数Δの関係を示したものである。 第２の結合層（Ｊ２）を構成する第３の非磁性層（８）の膜厚ｔの磁化曲線及び第３の非磁性層（８）の膜厚ｔと磁気結合力Ｊexの関係の評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。 第２の結合層（Ｊ２）を構成する第３の非磁性層（８）の膜厚ｔを０．７ｎｍ～１．０ｎｍとした場合の、正から負へ掃引したときの磁化曲線を示す。 第２の結合層（Ｊ２）を構成する第３の非磁性層（８）の膜厚ｔと磁気結合力Ｊexの関係を示したものである。 ２つの磁性層に挟まれた結合層を、非磁性元素及び磁性元素の合金とした場合の、構成図である。 ２つの磁性層に挟まれた結合層を、非磁性元素及び磁性元素の合金とした場合の、磁化特性の評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。 ２つの磁性層に挟まれた結合層を、非磁性元素及び磁性元素の合金とした場合の、磁化曲線を示す。 結合層内の磁性挿入層ＦｅＢの膜厚による磁気結合力Ｊexの評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。 結合層内の磁性挿入層ＦｅＢの膜厚が０．４ｎｍの場合の磁化曲線を示す。 結合層内の磁性挿入層ＦｅＢの膜厚と磁気結合力Ｊexの関係を示す。 記録層評価用の磁気抵抗効果素子の構成を示す。 実施例１～３及び比較例１の磁気抵抗効果素子の、記録層の実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*（ｍＪ／ｍ2）の測定結果を示す。 実施例４～６の磁気抵抗効果素子の、記録層の実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*（ｍＪ／ｍ2）の測定結果を示す。
　本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリの実施の形態について、図面を参照しながら詳細を説明する。なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
（実施の形態１）
　図１に、記録層に非磁性層の界面に隣接する２つの磁性層を有し、２つの磁性層の間に非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層で構成される結合層が設けられることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性層（６）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。第１の磁性挿入層（４ａ）の挿入により、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）の界面及び第２の磁性層（６）／第２の非磁性層（７）の界面に垂直磁気異方性を有しつつ、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間が磁気的に結合される。すなわち、２つの磁性層間に磁気結合力Ｊexがはたらく。
　第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）は、Ｏ（酸素）を含む層が用いられる。第１の非磁性層（１）又は第２の非磁性層（７）が磁気抵抗効果素子の障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）となる場合、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
　第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）の膜厚は、０．２～２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．７～１．０ｎｍの範囲に調整されることがより好ましい。
　第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含む。たとえば、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等であり、Ｂを含むＦｅＢ、ＣｏＦｅＢがより好ましい。組成は（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25等が挙げられるが、磁気結合力Ｊexにより第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）の間が磁気的に結合するものであれば、これに限定されない。
　第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）は、磁性元素としてＣｏ、Ｆｅの他、Ｎｉ等の３ｄ強磁性遷移金属をさらに含んでいてもよい。
　また、第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
　第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）の膜厚はそれぞれ０．７～２．０ｎｍの範囲にあることが好ましい。０．７ｎｍより薄くなると磁化が大きく減少し、実効磁気異方性定数Ｋeffｔも減少してしまう一方、２．０ｎｍより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）に用いた場合は数２より面内磁気異方性となってしまうからである。第１の磁性層（２）の膜厚は１．２～１．６ｎｍがより好ましく、１．４～１．６ｎｍがさらに好ましい。第２の磁性層（６）の膜厚は０．８～１．４ｎｍの範囲がより好ましい。
　第１の非磁性結合層（３）及び第２の非磁性結合層（５ａ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を備える役割も有するため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。なかでもｂｃｃのＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等が好ましく、Ｗ、Ｔａがより好ましい。
　第１の非磁性結合層（３）及び第２の非磁性結合層（５ａ）の膜厚の総和は、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexがはたらく薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ以上１．３ｎｍ以下であり、０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下、あるいは０．４ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の範囲で調整されることがより好ましい。
　なお、第１の非磁性結合層（３）及び第２の非磁性結合層（５ａ）のいずれかの膜厚が０．２ｎｍ未満となった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚の層を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁気異方性を有することが可能である。
　また、２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexをより増大させ、磁気抵抗効果素子の記録層の熱安定性指数Δをより高める観点からは、第１の非磁性結合層（３）及び第２の非磁性結合層（５ａ）の膜厚は、それぞれ０．３ｎｍを超えないことがより好ましい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含む。たとえば、Ｃｏ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＷ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅB、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＢ等が挙げられる。２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexをより増大させる観点からは、少なくともＦｅ及びＢを含むことが好ましく、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ等がより好ましい。
　また、第１の磁性挿入層（４ａ）は、さらにＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含んでもよい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）の膜厚は、０より大きく１．６ｎｍ以下が好ましく、０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下がより好ましく、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下がさらに好ましい。後述する図３０より、第１の磁性挿入層（４ａ）がＣｏ又はＦｅの場合は２つの磁性層が垂直磁気異方性を有する０．６ｎｍ未満がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）がＦｅＢ又はＣｏＦｅＢの場合は１．０ｎｍ以下がよりに好ましく、０．９ｎｍ以下がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）がＣｏＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．８ｎｍ以下がさらに好ましい。また、後述する図２７より、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexがゼロより大きければよいことから、膜厚の下限値はゼロより大きければよいが、２つの磁性層が磁気的に一体となって磁化反転し、熱安定性指数Δが飽和する、磁気結合力Ｊex＝０．５ｍＪ／ｍ2となる膜厚に調整することがより好ましい。その点からは、第１の磁性挿入層（４ａ）がＣｏの場合は０．４ｎｍ以上がより好ましく、ＣｏＦｅＢの場合は０．６ｎｍ以上がより好ましい。なお、図３０及び図２７より、第１の磁性挿入層（４ａ）がＣｏＷの場合、垂直磁気異方性の評価範囲の膜厚（０～２ｎｍ）、磁気結合力Ｊexの評価範囲の膜厚（０～０．８ｎｍ）の範囲においては、垂直磁気異方性を有し、磁気結合力Ｊexがゼロより大きく、本発明の適用範囲を満たす。ただし、後述する図２６（ｂ）の磁化曲線が示すように、ＣｏＷは２つの磁性層が磁気的に一体となって反転しておらず、また、図２７より磁気結合力Ｊexが小さく、熱安定性指数Δの増大効果としてはＣｏやＣｏＦｅＢに比べて小さい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）の積層時の飽和磁化Ｍsは０．４Ｔ以上が好ましく、１．０Ｔ以上がより好ましい。積層していない素材のバルクの飽和磁化Ｍsにおいては、０．７Ｔ以上が好ましく、０．９Ｔ以上がより好ましい。バルク状態よりも積層時に飽和磁化Ｍsの値が低下するのは、隣接層の影響を受けるためである。後述する図３４及び表３より、第１の磁性挿入層（４ａ）の飽和磁化Ｍsは、磁気結合力Ｊexを増大させる要因のひとつである。
　第１の磁性層（２）の磁化方向は、第１の非磁性層（１）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いている。また、第２の磁性層（６）の磁化方向は、第２の非磁性層（７）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いている。
　実施の形態１の磁気抵抗効果素子は、界面が２つのいわゆる二重界面（Ｗ界面）であり、数２の式で表されるように、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiが、単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔに磁性層２つ分、寄与する。
　実施の形態１の磁気抵抗効果素子の記録層（Ａ１）は、第１の非磁性結合層（３）、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の非磁性結合層（５ａ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）により、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）は磁気的に結合される。
　磁気的な結合力は、後述する、単位面積当たりの磁気結合力Ｊex（ｍＪ／ｍ2）で表され、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間の磁気結合力Ｊexは、たとえば０．１ｍＪ／ｍ2以上等、０を超えていれば磁気的に結合し、熱安定性指数Δを増大させることができる。０．３ｍＪ／ｍ2以上であることが好ましく、０．５ｍＪ／ｍ2以上であれば、記録層全体の熱安定性指数Δを最大化することができるので、より好ましい。なお、後述する図４５及び図４６より、熱安定性指数Δを最大化（２つの磁性層であれば、それぞれの熱安定性指数Δ0の２倍）するにはＪex≒Ｋeffｔ≒０．５ｍＪ／ｍ2となる。
　記録層全体の熱安定性指数Δを高めるために磁気結合力Ｊexを増大させるには、今まで説明したように、各層の元素の種類（材料）や膜厚を調整する他に、第１の磁性挿入層（４ａ）の飽和磁化Ｍsを高めたものを使用することや、アニール処理を行うこと等でさらに高い磁気結合力Ｊexを得ることができる。
　図１に示した実施の形態１において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（７）と第２の磁性層（６）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（７）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性層（６）は記録層を構成する。
　以下に、実施の形態１の構成を裏付ける評価検討について、説明する。
＜磁性挿入層の元素の種類及び膜厚による磁気結合力Ｊexの評価＞
　２つの非磁性結合層（３、５ａ）に挿入される磁性挿入層（４ａ）を構成する元素は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含むものであるが、その中からＣｏＦｅＢ、ＣｏＷ、Ｃｏを選択し、膜厚を０ｎｍ～０．６ｎｍあるいは０．８ｎｍの範囲にした場合の、磁気結合力の評価を行った。
　図２５に、（ａ）評価用磁気抵抗効果素子の構成図と、（ｂ）結合層が第１の非磁性結合層（３）のみである磁気結合力Ｊexの評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の磁化反転を評価するため、第１の磁性層（２）は第１の非磁性結合層（３）とＷ層に接している。
　評価用磁気抵抗効果素子の構成は、具体的には、［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］5／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］2／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．２ｎｍ）／Ｗ（０．２ｎｍ）／磁性挿入層（０～０．８ｎｍ）／Ｗ（０．２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を４００℃で１時間アニール処理したものである。
　図２６（ａ）に磁性挿入層（４ａ）をＣｏＦｅＢとした場合の磁化曲線、図２６（ｂ）に磁性挿入層（４ａ）をＣｏＷとした場合の磁化曲線、図２６（ｃ）に磁性挿入層（４ａ）をＣｏとした場合の磁化曲線を示した。第２の磁性層（６）の磁化反転の部分を丸で囲んだ。
　図２６（ａ）より、磁性挿入層（４ａ）としてＣｏＦｅＢを挿入した場合、磁界Ｈがシフトし、また、膜厚ｔが０．６ｎｍ以上で第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）が磁気的に一体となって反転することが分かった。
　図２６（ｂ）より、磁性挿入層（４ａ）としてＣｏＷを挿入した場合、磁界Ｈはあまりシフトせず、また、膜厚が０～０．８ｎｍの範囲においては第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）が磁気的に一体となって反転する様子は見られなかった。
　図２６（ｃ）より、磁性挿入層（４ａ）としてＣｏを挿入した場合、磁界Ｈがシフトし、また、膜厚ｔが０．４ｎｍ以上で第１の磁性層と第２の磁性層が磁気的に一体となって反転することが分かった。すなわち、磁性挿入層（４ａ）としてＣｏＦｅＢを挿入した場合に比べ、薄い膜厚で磁気結合力Ｊexは０．５ｍＪ／ｍ2に到達する。
　図２６（ａ）、図２６（ｂ）、図２６（ｃ）のそれぞれの磁化曲線から、磁気結合力Ｊexを、シフト磁界Ｈexと、飽和磁化Ｍsと膜の面積Ｓで計算することができる。各膜厚と磁気結合力Ｊexの関係を、図２７に示した。
　第１の磁性層と第２の磁性層が磁気的に結合するのは磁気結合力Ｊexがゼロより大きくなる範囲であるから、磁性挿入層（４ａ）の膜厚は評価材料に全てにおいてゼロより大きければ２つの磁性層は磁気的に結合していることが分かった。また、２つの磁性層が磁気的に一体となって磁化反転し、磁気結合力Ｊexが０．５ｍＪ／ｍ2に到達するのは、磁性挿入層（４ａ）としてＣｏＦｅＢを挿入した場合は０．６ｎｍ、Ｃｏを挿入した場合は０．４ｎｍであることが分かった。一方でＣｏＷを挿入した場合は、磁気結合力Ｊexが膜厚増加とともに増大する現象は見られず、評価範囲では０．５ｍＪ／ｍ2に到達しないことが分かった。
　上記のように、元素の種類によって磁気結合力Ｊexが異なる理由の一つとしては、各材料が有する飽和磁化Ｍsの違いによると考えられる。
　なお、各材料（元素の種類）の積層時の飽和磁化Ｍsは、磁性挿入層の膜厚に対する磁化Ｍの傾きから求めることができる。
　図２８に、各材料（元素の種類）の磁性挿入層の膜厚ｔと磁化Ｍの関係を示し、線形近似曲線（回帰直線）で内挿し、直線の傾きを計算した。
　表１に直線の傾き及び飽和磁化Ｍsを示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表１より、本評価試験に使用したＣｏの積層時の飽和磁化Ｍsは１．６９Ｔ、ＣｏＦｅＢの積層時の飽和磁化Ｍsは１．２７Ｔ、ＣｏＷの積層時の飽和磁化Ｍsは０．０６Ｔであることが分かる。
＜磁性挿入層の飽和磁化Ｍsと垂直磁気異方性を有する膜厚の検討＞
　本発明の磁気抵抗効果素子を構成する層の膜厚依存性の評価のうち、磁性挿入層の飽和磁化Ｍsと垂直磁気異方性を有する膜厚の最適な範囲を検討した。
　図２９に、磁性挿入層の膜厚依存性評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。
　評価用磁気抵抗効果素子の構成は、具体的には、ＭｇＯ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．４ｎｍ）／Ｗ（０．２５ｎｍ）／磁性挿入層（飽和磁化Ｍs、膜厚ｔ）／Ｗ（０．２５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．９ｎｍ）である。
　図３０及び表２に、磁性挿入層の元素の種類及びバルクの飽和磁化Ｍsごとの、磁性挿入層の膜厚と実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffの関係を示す。
　図３０より、磁性挿入層の膜厚が厚くなると、第１の磁性層と第２の磁性層は垂直磁気異方性から面内磁気異方性へと変化することが分かった。
　本発明の磁気抵抗効果素子は垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子として用いるため、実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffが正の値となる膜厚であることが条件となることから、図３０より、本評価用磁気抵抗効果素子においては、磁性挿入層にＣｏ（バルクの飽和磁化Ｍs＝１．８Ｔ）を用いる場合は、磁性挿入層の膜厚を０．６ｎｍ未満にすることが好ましい。磁性挿入層にＮｉＦｅ（バルクの飽和磁化Ｍs＝１．０Ｔ）を用いる場合は、磁性挿入層の膜厚を１．６ｎｍ未満にすることが好ましい。磁性挿入層にＣｏＦｅＢ（バルクの飽和磁化Ｍs＝１．２４Ｔ）又はＦｅＢ（バルクの飽和磁化Ｍs＝１．２３５Ｔ）を用いる場合は、磁性挿入層の膜厚を１．０ｎｍ以下にすることが好ましく、０．９ｎｍ以下にすることがさらに好ましい。磁性挿入層にＣｏＷ（バルクの飽和磁化Ｍs＝０．６Ｔ）を用いる場合は、磁性挿入層の膜厚が評価範囲を超えても実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffが正であることが分かった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
＜磁性挿入層の飽和磁化Ｍsと磁気結合力Ｊexに関する検討＞
　非磁性挿入層にＣｏＷを用いた場合、図２６（ｂ）及び図２７に示すように、磁界Ｈはあまりシフトせず、また、膜厚が０～０．８ｎｍの範囲で第１の磁性層と第２の磁性層が磁気的に一体となって反転する様子は見られなかった。これは、図２８、表１で示すように、飽和磁化Ｍsが低いことが一因であると考えられた。
　そこで、飽和磁化Ｍsが異なるＣｏＷ膜を磁性挿入層として挿入した、評価用磁気抵抗効果素子を用いて、磁性挿入層の飽和磁化の最適化を検討した。
　飽和磁化Ｍsが異なるＣｏＷ膜を作製するため、ＣｏＷの厚膜（～３０ｎｍ）でスパッタ条件の検討を行った。
　ＣｏＷスパッタにおいて、Ｗ用のスパッタパワーを３０Ｗに固定し、Ｃｏ用のスパッタパワーを１００～６００Ｗの範囲に設定してスパッタを行い、４００℃で１時間アニール処理後、飽和磁化Ｍsを評価した。
　図３１（ａ）に、Ｔ－Ｓ距離が２３０ｍｍの場合の、Ｃｏ用のスパッタパワーと飽和磁化Ｍsの関係を示した。図３１（ｂ）に、Ｔ－Ｓ距離が２８０ｍｍの場合の、Ｃｏ用のスパッタパワーと飽和磁化Ｍsの関係を示した。
　飽和磁化Ｍsは、Ｃｏ用のスパッタパワーを小さくすると低下することが分かった。これは、Ｃｏ用のスパッタパワーを小さくするとＷに比べＣｏのスパッタ量が減少し、ＣｏＷ中のＣｏの組成が低くなることが一因である。
　飽和磁化Ｍsの異なるＣｏＷを磁性挿入層として評価用磁気抵抗効果素子に挿入し、磁気結合力Ｊexの効果を評価した。
　図３２に、磁性挿入層の飽和磁化Ｍs依存性評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。
　評価用磁気抵抗効果素子の構成は、具体的には、［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］5／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］2／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．２ｎｍ）／Ｗ（ｔWｎｍ）／ＣｏＷ（飽和磁化Ｍs、膜厚ｔCoWｎｍ、Ｋｒガス又はＡｒガス）／Ｗ（ｔWｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を４００℃で１時間アニール処理したものである。
　図３３（ａ）に、バルクの飽和磁化Ｍs＝１．２Ｔ、Ｋｒガススパッタ、ｔW＝０．２ｎｍ、ｔCoW＝０．２～０．８ｎｍ、及び、ｔW＝０．４ｎｍ、ｔCoW＝０ｎｍの場合の磁化曲線を示す。
　図３３（ｂ）に、バルクの飽和磁化Ｍs＝０．９Ｔ、Ｋｒガススパッタ、ｔW＝０．２ｎｍ、ｔCoW＝０．２～０．８ｎｍ、及び、ｔW＝０．４ｎｍ、ｔCoW＝０ｎｍの場合の磁化曲線を示す。
　飽和磁化Ｍsが大きいと磁界Ｈのシフトも大きく、磁気結合力Ｊexが大きくなることが分かった。
　ＣｏＦｅＢ、Ｃｏ、及び、飽和磁化Ｍsの異なるＣｏＷを磁性挿入層として、図３２の評価用磁気抵抗効果素子を用いて評価し、磁性挿入層の膜厚と磁気結合力Ｊexの関係を示したのが図３４である。
　磁性挿入層の種類、スパッタガス、飽和磁化Ｍs、磁気結合力Ｊexの効果の有無を、表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表３に記載された積層時の飽和磁化Ｍs *は磁気モーメントの磁性挿入層膜厚依存性より算出した値である。また、素材の欄にバルクの飽和磁化Ｍsの値を付記した。
　図３４及び表３より、飽和磁化Ｍsが大きいほど、磁気結合力Ｊexの効果も大きいことが分かった。また、ＣｏＷにおいても、飽和磁化Ｍsが大きいほど、磁気結合力Ｊexの効果が現れることが分かった。スパッタ条件によるものの、磁性挿入層の積層時の飽和磁化Ｍsが０．４Ｔ以上、積層していない素材のバルクの飽和磁化Ｍsが０．６Ｔを超える点以上で膜厚増加に伴う磁気結合力Ｊex増大の効果が見られた。
　なお、表３のＣｏＦｅＢ、Ｃｏ及びＣｏＷを磁性挿入層とした場合のＭs *は、磁性挿入層の膜厚に対する磁化Ｍの傾きから求めた。
　図３５に、ＣｏＦｅＢ、Ｃｏ及びＣｏＷの磁性挿入層の膜厚ｔと磁化Ｍの関係を示し、線形近似曲線（回帰直線）で内挿し、直線の傾きを計算した。
　表４に直線の傾き及び積層時の飽和磁化Ｍsを示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
＜磁気結合力Ｊexと熱安定性指数Δの関係の検討＞
　界面で非磁性層にそれぞれ隣接する２つの磁性層を有する磁気抵抗効果素子の記録層において、記録層全体の熱安定性指数Δを１つの磁性層が有する熱安定性指数Δ0の２倍（最大値）にするための磁気結合力Ｊexは、評価モデルによって約０．５ｍＪ／ｍ2以上であることが明らかとなった。以下に詳述する。
　図３６に示すように、第１の非磁性層（１）、第１の磁性層（２）、第２の磁性層（６）、第２の非磁性層（７）からなる評価用モデルで計算を行い、記録層全体の熱安定性指数Δの最適化条件を見出した。本評価用モデルは、２つの磁性層間にどのような磁気結合力Ｊexがはたらくように記録層を構成すれば、熱安定性指数Δが増大するかを検討するために構築されたものである。
　図３６において、Ｊexは第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）間の磁気結合力、Ｄは磁気抵抗効果素子の直径、θ1は第１の磁性層（２）の磁気モーメントのｙ軸となす角度、θ2は第２の磁性層（３）の磁気モーメントのｙ軸となす角度、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度である。
　図３６に示す評価用モデルにおいて、単位面積当たりの磁気エネルギーＥ（Ｊ／ｍ2）は、次の式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここで、第１の非磁性層（１）と第２の非磁性層（７）の材料がＭｇＯ等で同じ場合は、第１の磁性層（２）が隣接するＭｇＯ等の第１の非磁性層（１）から受ける実効磁気異方性定数と、第２の磁性層（６）が隣接するＭｇＯ等の第２の非磁性層（７）から受ける実効磁気異方性定数は等しいと考えられる。
　また、数２の式において、本評価用モデルではバルク磁気異方性エネルギー密度Ｋb≒０とみなすことができることから、次の式のように変形して表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここで、Ｎz（Ｄ）は反磁界係数であり、回転楕円体近似により算出される。
　数４の式の単位面積当たりの磁気エネルギーＥを、単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔで規格化したものが規格化磁気エネルギーｅであり、数６の式で表される。またその差分を取った規格化磁気障壁エネルギーΔｅを、数７に表す。
　さらに、記録層全体の熱安定性指数Δは、規格化磁気障壁エネルギーΔｅと１つの磁性層の熱安定性指数Δ0の積であり、数８の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　数６の式のパラメータγは磁気結合力Ｊexを単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔで規格化したものであり、数９の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　数９の式でパラメータγを０～１．５とした場合、θ1とθ2を１０度ごとに振り、数６の式及び数７の式を用いて規格化磁気障壁エネルギーΔｅを計算した結果を、図３７～４４に示した。各図中において、鞍点の数字を太字に下線を引いた。
　パラメータγ＝０、すなわち磁気結合力Ｊex＝０の場合について、図３７に規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）の計算結果の数値をそのまま表し、図３８に規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値を、グレーの濃淡で着色して表し、かつ、磁化反転経路を矢印で示した。
　規格化磁気障壁エネルギーΔｅは磁化反転に必要なエネルギーであり、数値が小さいほど必要なエネルギーは小さくなる。また、２つの磁性層の磁気モーメントのｙ軸となす角度が０度から１８０度と反転する経路は、規格化磁気障壁エネルギーΔｅの鞍点を通る。鞍点とは、多変数実関数の変域の中で、ある方向で見れば極大値となるが別の方向で見れば極小値となる点である。
　図３８に鞍点及び反転経路を示したとおり、θ1＝θ2＝０からθ1＝θ2＝１８０の磁化反転の鞍点はθ1＝０又はθ2＝０上にある。第１の磁性層（２）又は第２の磁性層（６）のいずれかがまず磁化反転し、反転終了後に続いて他の磁性層が磁化反転することが分かる。
　また、鞍点の数字である規格化磁気障壁エネルギーΔｅは１であり、数８の式により記録層全体の熱安定性指数Δは１つの磁性層の熱安定性指数Δ0と同じとなり、２つの磁性層を構成したことによる熱安定性指数Δの増大効果は得られない。
　パラメータγ＝０．４の場合について、図３９に規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）の計算結果の数値をそのまま表し、図４０に規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値を、グレーの濃淡で着色して表し、かつ、磁化反転経路を矢印で示した。
　図４０に鞍点及び反転経路を示したとおり、θ1＝１００、θ2＝１０からθ1＝１７０、θ2＝８０の鞍点、又は、θ1＝１０、θ2＝１００からθ1＝８０、θ2＝１７０の鞍点を通って磁性層が磁化反転することが分かる。つまり、２つの磁性層の磁化反転は一部並行して起こることが分かる。
　また、鞍点の数字である規格化磁気障壁エネルギーΔｅは１．４であり、数８の式により記録層全体の熱安定性指数Δは１つの磁性層の熱安定性指数Δ0の１．４倍となり、２つの磁性層を構成したことによる熱安定性指数Δの増大効果が見られた。
　パラメータγ＝１、すなわち磁気結合力Ｊex＝Ｋeffｔの場合について、図４１に規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）の計算結果の数値をそのまま表し、図３１に規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値を、グレーの濃淡で着色して表し、かつ、磁化反転経路を矢印で示した。
　図４２に鞍点及び反転経路を示したとおり、θ1＝６０～１２０、θ2＝６０～１２０内の鞍点を通って磁性層が磁化反転することが分かる。つまり、２つの磁性層の磁化反転は多くが並行して起こることが分かる。
　また、鞍点の数字である規格化磁気障壁エネルギーΔｅは２であり、数８の式により記録層全体の熱安定性指数Δは１つの磁性層の熱安定性指数Δ0の２倍となり、２つの磁性層を構成したことによる熱安定性指数Δの増大効果が見られた。
　パラメータγ＝１．５の場合について、図４３に規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）の計算結果の数値をそのまま表し、図４４に規格化磁気障壁エネルギーΔｅ（θ1，θ2）計算結果の数値を、グレーの濃淡で着色して表し、かつ、磁化反転経路を矢印で示した。
　図４４に鞍点及び反転経路を示したとおり、θ1＝９０、θ2＝９０上の鞍点を通って磁性層が磁化反転することが分かる。つまり、２つの磁性層の磁化反転はほぼ並行して起こることが分かる。
　また、鞍点の数字である規格化磁気障壁エネルギーΔｅは２であり、数８の式により記録層全体の熱安定性指数Δは１つの磁性層の熱安定性指数Δ0の２倍となり、２つの磁性層を構成したことによる熱安定性指数Δの増大効果が見られた。ただし、磁気結合力Ｊex＝Ｋeffｔより大きくなっても、熱安定性指数Δの値は飽和することが分かる。
　次に、磁気抵抗効果素子の直径を１０～２８ｎｍに設定し、磁気結合力Ｊexと熱安定性指数Δの関係を示したのが、図４５（３００Ｋの場合）及び図４６（４２３Ｋの場合）である。
　熱安定性指数Δは、磁気抵抗効果素子の直径にかかわらず磁気結合力Ｊexとともに増大し、γ＝１となるＪex＝０．５ｍＪ／ｍ2付近で、Ｊex＝０のときの熱安定性指数Δ0の２倍の値で飽和することが分かる。なお、磁気結合力Ｊexが０ｍＪ／ｍ2より大きく０．５ｍＪ／ｍ2付近より小さい場合、記録層の界面に２つの磁性層を有する磁気抵抗効果素子の熱安定性指数ΔはΔ0の１～２倍未満の範囲で増大することが分かる。
（実施の形態２）
　図２に、記録層に非磁性層の界面に隣接する２つの磁性層を有し、２つの磁性層の間に非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層で構成される結合層が設けられることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態２は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第２の磁性層（６）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）の挿入により、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間が磁気的に結合される。すなわち、２つの磁性層間に磁気結合力Ｊexがはたらく。
　実施の形態２の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１と同様である。
　第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）及び第３の非磁性結合層（５ｂ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収する役割も有するため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。なかでもｂｃｃのＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等が好ましく、Ｗ、Ｔａがより好ましい。
　第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）及び第３の非磁性結合層（５ｂ）の膜厚の総和は、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexがはたらく薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ以上１．３ｎｍ以下が好ましく、０．４ｎｍ以上１．３ｎｍ以下の範囲で調整されることがより好ましい。
　なお、第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）のいずれかの膜厚が０．２ｎｍ未満となった場合、原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚の層を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、磁性層のＢ等を吸収する格子に間隙があれば、垂直磁気異方性を有することが可能である。
　また、２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexをより増大させ、磁気抵抗効果素子の記録層の熱安定性指数Δを高める観点からは、第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）及び第３の非磁性結合層（５ｂ）の膜厚は、それぞれ０．３ｎｍを超えないことがより好ましい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含む。たとえば、Ｃｏ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＷ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅB、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＢ等が挙げられる。２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexをより増大させる観点からは、少なくともＦｅ及びＢを含むことが好ましく、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ等がより好ましい。
　また、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）は、さらにＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含んでもよい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）の膜厚の総和は、０より大きく１．６ｎｍ以下が好ましく、０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下がより好ましく、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下がさらに好ましい。図３０より、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）がＣｏ又はＦｅの場合は２つの磁性層が垂直磁気異方性を有する０．６ｎｍ未満がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）がＦｅＢ又はＣｏＦｅＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．９ｎｍ以下がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）がＣｏＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．８ｎｍ以下がさらに好ましい。また、図２７より、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexがゼロより大きければよいことから、膜厚の下限値はゼロより大きければよいが、２つの磁性層が磁気的に一体となって磁化反転し、熱安定性指数Δが飽和する、磁気結合力Ｊex＝０．５ｍＪ／ｍ2となる膜厚に調整することがより好ましい。その点からは、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）がＣｏの場合は０．４ｎｍ以上がより好ましく、ＣｏＦｅＢの場合は０．６ｎｍ以上がより好ましい。なお、図３０及び図２７より、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）がＣｏＷの場合、垂直磁気異方性の評価範囲の膜厚（０～２ｎｍ）、磁気結合力Ｊexの評価範囲の膜厚（０～０．８ｎｍ）の範囲においては、垂直磁気異方性を有し、磁気結合力Ｊexがゼロより大きく、本発明の適用範囲を満たす。ただし、図２６（ｂ）の磁化曲線が示すように、ＣｏＷは２つの磁性層が磁気的に一体となって反転しておらず、また、図２７より磁気結合力Ｊexが小さく、熱安定性指数Δの増大効果としてはＣｏやＣｏＦｅＢに比べて小さい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）の積層時の飽和磁化Ｍsは、０．４Ｔ以上が好ましく、１．０Ｔ以上がより好ましい。積層していない素材のバルクの飽和磁化Ｍsは、０．７Ｔ以上が好ましく、０．９Ｔ以上がより好ましい。バルク状態よりも積層時に飽和磁化Ｍsの値が低下するのは、隣接層の影響を受けるためである。図３４及び表３より、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）の飽和磁化Ｍsは、磁気結合力Ｊexを増大させる要因のひとつである。
　実施の形態２の磁気抵抗効果素子の記録層（Ａ１）は、第１の非磁性結合層（３）、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の非磁性結合層（５ｂ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）により、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）は磁気的に結合される。
　磁気的な結合力は、単位面積当たりの磁気結合力Ｊex（ｍＪ／ｍ2）で表され、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間の磁気結合力Ｊexは、たとえば０．１ｍＪ／ｍ2以上等、０を超えていれば磁気的に結合し、熱安定性指数Δを増大させることができる。０．３ｍＪ／ｍ2以上であることが好ましく、０．５ｍＪ／ｍ2以上であれば、記録層全体の熱安定性指数Δを最大化することができるので、より好ましい。なお、図４５及び図４６より、熱安定性指数Δを最大化（２つの磁性層であれば、それぞれの熱安定性指数Δ0の２倍）するにはＪex≒Ｋeffｔ≒０．５ｍＪ／ｍ2となる。
　記録層全体の熱安定性指数Δを高めるために磁気結合力Ｊexを増大させるには、今まで説明したように、各層の元素の種類（材料）や膜厚を調整する他に、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）の飽和磁化Ｍsを高めたものを使用することや、アニール処理を行うこと等でさらに高い磁気結合力Ｊexを得ることができる。
　図２に示した実施の形態２において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（７）と第２の磁性層（６）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（７）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第２の磁性層（６）は記録層を構成する。
（実施の形態３）
　図３に、記録層に非磁性層の界面に隣接する２つの磁性層を有し、２つの磁性層の間に非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層で構成される結合層が設けられることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態３は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第３の磁性挿入層（４ｃ）／第４の非磁性結合層（５ｃ）／第２の磁性層（６）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）の挿入により、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間が磁気的に結合される。すなわち、２つの磁性層間に磁気結合力Ｊexがはたらく。
　実施の形態３の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１と同様である。
　第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）及び第４の非磁性結合層（５ｃ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収する役割も有するため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。なかでもｂｃｃのＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等が好ましく、Ｗ、Ｔａがより好ましい。
　第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）及び第４の非磁性結合層（５ｃ）の膜厚の総和は、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexがはたらく薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ以上１．３ｎｍ以下が好ましく、０．４ｎｍ以上１．２ｎｍ以下の範囲で調整されることがより好ましい。
　なお、第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）及び第４の非磁性結合層（５ｃ）のいずれかの膜厚が０．２ｎｍ未満となった場合、原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚の層を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、磁性層のＢ等を吸収する格子に間隙があれば、垂直磁気異方性を有することが可能である。
　また、２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexを増大させ、磁気抵抗効果素子の記録層の熱安定性指数Δを高める観点からは、第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）及び第４の非磁性結合層（５ｃ）の膜厚は、それぞれ０．３ｎｍを超えないことがより好ましい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含む。たとえば、Ｃｏ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＷ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅB、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＢ等が挙げられる。２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexをより増大させる観点からは、少なくともＦｅ及びＢを含むことが好ましく、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ等がより好ましい。
　また、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）は、さらにＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含んでもよい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）の膜厚の総和は、０より大きく１．６ｎｍ以下が好ましく、０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下がより好ましく、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下がさらに好ましい。図３０より、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）がＣｏ又はＦｅの場合は２つの磁性層が垂直磁気異方性を有する０．６ｎｍ未満がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）がＦｅＢ又はＣｏＦｅＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．９ｎｍ以下がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）がＣｏＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．８ｎｍ以下がさらに好ましい。また、図２７より、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexがゼロより大きければよいことから、膜厚の下限値はゼロより大きければよいが、２つの磁性層が磁気的に一体となって磁化反転し、熱安定性指数Δが飽和する、磁気結合力Ｊex＝０．５ｍＪ／ｍ2となる膜厚に調整することがより好ましい。その点からは、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）がＣｏの場合は０．４ｎｍ以上がより好ましく、ＣｏＦｅＢの場合は０．６ｎｍ以上がより好ましい。なお、図３０及び図２７より、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）がＣｏＷの場合、垂直磁気異方性の評価範囲の膜厚（０～２ｎｍ）、磁気結合力Ｊexの評価範囲の膜厚（０～０．８ｎｍ）の範囲においては、垂直磁気異方性を有し、磁気結合力Ｊexがゼロより大きく、本発明の適用範囲を満たす。ただし、図２６（ｂ）の磁化曲線が示すように、ＣｏＷは２つの磁性層が磁気的に一体となって反転しておらず、また、図２７より磁気結合力Ｊexが小さく、熱安定性指数Δの増大効果としてはＣｏやＣｏＦｅＢに比べて小さい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）の積層時の飽和磁化Ｍsは０．４Ｔ以上が好ましく、１．０Ｔ以上がより好ましい。積層していない素材のバルクの飽和磁化Ｍsおいては、０．７Ｔ以上が好ましく、０．９Ｔ以上がより好ましい。バルク状態よりも積層時に飽和磁化Ｍsの値が低下するのは、隣接層の影響を受けるためである。図３４及び表３より、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）の飽和磁化Ｍsは、磁気結合力Ｊexを増大させる要因のひとつである。
　実施の形態３の磁気抵抗効果素子の記録層（Ａ１）は、第１の非磁性結合層（３）、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）、第３の磁性挿入層（４ｃ）、第４の非磁性結合層（５ｃ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）により、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）は磁気的に結合される。
　磁気的な結合力は、単位面積当たりの磁気結合力Ｊex（ｍＪ／ｍ2）で表され、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間の磁気結合力Ｊexは、たとえば０．１ｍＪ／ｍ2以上等、０を超えていれば磁気的に結合し、熱安定性指数Δを増大させることができる。０．３ｍＪ／ｍ2以上であることが好ましく、０．５ｍＪ／ｍ2以上であれば、記録層全体の熱安定性指数Δを最大化することができるので、より好ましい。なお、図４５及び図４６より、熱安定性指数Δを最大化（２つの磁性層であれば、それぞれの熱安定性指数Δ0の２倍）するにはＪex≒Ｋeffｔ≒０．５ｍＪ／ｍ2となる。
　記録層全体の熱安定性指数Δを高めるために磁気結合力Ｊexを増大させるには、今まで説明したように、各層の元素の種類（材料）や膜厚を調整する他に、第１の磁性挿入層（４ａ）や第２の磁性挿入層（４ｂ）、第３の磁性挿入層（４ｃ）の飽和磁化Ｍsを高めたものを使用することや、アニール処理を行うこと等でさらに高い磁気結合力Ｊexを得ることができる。
　図３に示した実施の形態３において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（７）と第２の磁性層（６）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（７）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第３の磁性挿入層（４ｃ）／第４の非磁性結合層（５ｃ）／第２の磁性層（６）は記録層を構成する。
（実施の形態４）
　図４に、記録層に４つの磁性層を有し、４つの磁性層の間にそれぞれ結合層が計３つ設けられることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態４は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の結合層（Ｊ１）／第２の磁性層（６）／第２の結合層（Ｊ２）／第３の磁性層（９）／第３の結合層（Ｊ３）／第４の磁性層（１３）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。
　第１の結合層（Ｊ１）は、第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）の順に隣接して積層されて構成され、第２の結合層（Ｊ２）は、第３の非磁性層（８）で構成され、第３の結合層（Ｊ３）は、第５の非磁性結合層（１０）／第４の磁性挿入層（１１ａ）／第６の非磁性結合層（１２ａ）の順に隣接して積層されて構成される。第１の磁性挿入層（４ａ）、第４の磁性挿入層（１１ａ）、第３の非磁性層（８）の挿入により、４つの磁性層の間が磁気的に結合される。
　実施の形態４の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１と同様である。
　第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）は、Ｏ（酸素）を含む層が用いられる。第１の非磁性層（１）又は第２の非磁性層（７）が磁気抵抗効果素子の障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）となる場合、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
　第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）の膜厚は、０．２～２．０ｎｍが好ましく、０．７～１．０ｎｍの範囲に調整されることがより好ましい。
　第１の磁性層（２）、第２の磁性層（６）、第３の磁性層（９）及び第４の磁性層（１３）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含む。たとえば、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等であり、Ｂを含むＦｅＢ、ＣｏＦｅＢがより好ましい。組成は（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25等が挙げられるが、磁気結合力Ｊexにより、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の間、第２の磁性層（６）と第３の磁性層（９）の間、第３の磁性層（９）と第４の磁性層（１３）の間が磁気的に結合するものであれば、これに限定されない。
　第１の磁性層（２）、第２の磁性層（６）、第３の磁性層（９）及び第４の磁性層（１３）は、磁性元素としてＣｏ、Ｆｅの他、Ｎｉ等の３ｄ強磁性遷移金属をさらに含んでいてもよい。
　また、第１の磁性層（２）、第２の磁性層（６）、第３の磁性層（９）及び第４の磁性層（１３）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
　第１の磁性層（２）、第２の磁性層（６）、第３の磁性層（９）及び第４の磁性層（１３）の膜厚はそれぞれ０．７～２．０ｎｍの範囲にあることが好ましい。０．７ｎｍより薄くなると磁化が大きく減少し、実効磁気異方性定数Ｋeffｔも減少してしまう一方、２．０ｎｍより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）に用いた場合は数２より面内磁気異方性となってしまうからである。
　第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第５の非磁性結合層（１０）及び第６の非磁性結合層（１２ａ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収する役割も有するため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。なかでもｂｃｃのＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等が好ましく、Ｗ、Ｔａがより好ましい。
　第１の非磁性結合層（３）及び第２の非磁性結合層（５ａ）の膜厚の総和は、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexがはたらく薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ以上１．３ｎｍ以下であり、０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下、あるいは０．４ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の範囲で調整されることがより好ましい。第５の非磁性結合層（１０）及び第６の非磁性結合層（１２ａ）の膜厚の総和も同様に、０．２ｎｍ以上１．３ｎｍ以下であり、０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下、あるいは０．４ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の範囲で調整されることがより好ましい。
　なお、第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第５の非磁性結合層（１０）及び第６の非磁性結合層（１２ａ）のいずれかの膜厚が０．２ｎｍ未満となった場合、原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚の層を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、磁性層のＢ等を吸収する格子に間隙があれば、垂直磁気異方性を有することが可能である。
　また、２つの磁性層の間（２及び６の間、９及び１３の間）の磁気結合力Ｊexを増大させ、磁気抵抗効果素子の記録層の熱安定性指数Δを高める観点から、第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第５の非磁性結合層（１０）及び第６の非磁性結合層（１２ａ）の膜厚は、それぞれ０．３ｎｍを超えないことがより好ましい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含む。たとえば、Ｃｏ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＷ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅB、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＢ等が挙げられる。２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexをより増大させる観点からは、少なくともＦｅ及びＢを含むことが好ましく、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ等がより好ましい。
　また、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）は、さらにＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含んでもよい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）の膜厚の総和は、０より大きく１．６ｎｍ以下が好ましく、０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下がより好ましく、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下がさらに好ましい。図３０より、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）がＣｏ又はＦｅの場合は２つの磁性層が垂直磁気異方性を有する０．６ｎｍ未満がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）がＦｅＢ又はＣｏＦｅＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．９ｎｍ以下がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）がＣｏＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．８ｎｍ以下がさらに好ましい。また、図２７より、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexがゼロより大きければよいことから、膜厚の下限値はゼロより大きければよいが、２つの磁性層が磁気的に一体となって磁化反転し、熱安定性指数Δが飽和する、磁気結合力Ｊex＝０．５ｍＪ／ｍ2となる膜厚に調整することがより好ましい。その点からは、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）がＣｏの場合は０．４ｎｍ以上がより好ましく、ＣｏＦｅＢの場合は０．６ｎｍ以上がより好ましい。なお、図３０及び図２７より、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）がＣｏＷの場合、垂直磁気異方性の評価範囲の膜厚（０～２ｎｍ）、磁気結合力Ｊexの評価範囲の膜厚（０～０．８ｎｍ）の範囲においては、垂直磁気異方性を有し、磁気結合力Ｊexがゼロより大きく、本発明の適用範囲を満たす。ただし、図２６（ｂ）の磁化曲線が示すように、ＣｏＷは２つの磁性層が磁気的に一体となって反転しておらず、また、図２７より磁気結合力Ｊexが小さく、熱安定性指数Δの増大効果としてはＣｏやＣｏＦｅＢに比べて小さい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）の積層時の飽和磁化Ｍsは０．４Ｔ以上が好ましく、１．０Ｔ以上がより好ましい。積層していない素材のバルクの飽和磁化Ｍsおいては、０．７Ｔ以上が好ましく、０．９Ｔ以上がより好ましい。図３４及び表２より、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第４の磁性挿入層（１１ａ）の飽和磁化Ｍsは、磁気結合力Ｊexを増大させる要因のひとつである。
　第２の結合層（Ｊ２）を構成する第３の非磁性層（８）は、非磁性元素の酸化物を含む。たとえばＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む化合物が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
　第３の非磁性層（８）の膜厚は、０．７５ｎｍ以上０．９ｎｍ以下であることが望ましく、０．７５ｎｍ以上０．８５ｎｍ以下であることがより好ましい。後述する評価試験及び表４より、膜厚が０．７５ｎｍより薄くなると、第３の磁性層（９）と第４の磁性層（１３）が面内磁気異方性を示すようになり、また、後述する図４９より、膜厚が０．９ｎｍより厚くなると磁気結合力Ｊexが減少して負になってしまうからである。
　なお、第２の結合層（Ｊ２）を構成する第３の非磁性層（８）は、４つの磁性層を磁気的に結合し、磁気結合力Ｊexがゼロより大きくなるような材料、膜厚であればよく、上記評価系における好ましい膜厚は一例に過ぎない。
　第１の磁性層（２）の磁化方向は、第１の非磁性層（１）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いている。また、第４の磁性層（１３）の磁化方向は、第２の非磁性層（７）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いている。
　さらに第２の磁性層（６）及び第３の磁性層（９）はそれぞれ、第３の非磁性層（８）との界面における垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いている。
　実施の形態４の磁気抵抗効果素子は、界面垂直磁気異方性を有する部分が４面あり、数２の式で表されるように、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiが、単位面積当たりの実効磁気異方性定数Ｋeffｔに最大で磁性層４つ分、寄与することが期待される。
　実施の形態４の磁気抵抗効果素子の記録層（Ａ１）において、４つの磁性層はそれぞれの間で磁気的に結合される。
　磁気的な結合力は、単位面積当たりの磁気結合力Ｊex（ｍＪ／ｍ2）で表され、磁性層間の磁気結合力Ｊexは、たとえば０．１ｍＪ／ｍ2以上等、０を超えていれば磁気的に結合し、熱安定性指数Δを増大させることができる。０．３ｍＪ／ｍ2以上であることが好ましく、０．５ｍＪ／ｍ2以上であれば、記録層全体の熱安定性指数Δを最大化することができるので、より好ましい。なお、図４５及び図４６より、熱安定性指数Δを最大化（２つの磁性層であれば、それぞれの熱安定性指数Δ0の２倍）するにはＪex≒Ｋeffｔ≒０．５ｍＪ／ｍ2となる。
　記録層全体の熱安定性指数Δを高めるために磁気結合力Ｊexを増大させるには、今まで説明したように、各層の元素の種類（材料）や膜厚を調整する他に、第１の磁性挿入層（４ａ）や第４の磁性挿入層（１１ａ）の飽和磁化Ｍsを高めたものを使用することや、アニール処理を行うこと等でさらに高い磁気結合力Ｊexを得ることができる。
　図４に示した実施の形態４において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（７）と第４の磁性層（１３）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（７）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第１の結合層（Ｊ１）／第２の磁性層（６）／第２の結合層（Ｊ２）／第３の磁性層（９）／第３の結合層（Ｊ３）／第４の磁性層（１３）は記録層を構成する。
＜第２の結合層の膜厚と、垂直磁気異方性及び磁気結合力Ｊexの検討＞
　図４に示すような、４つの磁性層（２、６、９、１３）を、第１の結合層（Ｊ１）、第２の結合層（Ｊ２）、第３の結合層（Ｊ３）で結合した磁気抵抗効果素子の記録層において、第２の結合層（Ｊ２）となる第３の非磁性層（８）の膜厚と磁化特性の評価を行った。
　図４７に、第２の結合層の膜厚依存性評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。
　評価用磁気抵抗効果素子の構成は、具体的には、［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］5／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］2／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（第２の磁性層、１．２ｎｍ）／ＭｇＯ（第３の非磁性層、０．７～１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（第３の磁性層、１．０ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（第４の磁性層、１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を４００℃で１時間アニール処理したものである。第３の磁性層（９）及び第４の磁性層（１３）の磁化反転を評価するため、第２の磁性層（６）を固定層上に形成している。
　図４８に、第３の非磁性層（８）ＭｇＯの膜厚ごとの磁化曲線を示す。第３の磁性層（９）及び第４の磁性層（１３）の磁化反転部分を丸で囲んだ。
　図４８より、本評価系における膜厚第３の磁性層（９）及び第４の磁性層（１３）は、磁気的に結合し、また、磁気的に一体となって磁化反転することが分かった。その磁化反転磁界と磁気モーメントから磁気結合力Ｊexを求め、図４９に示した。
　図４９より、磁気結合力Ｊexは０．７０～０．８５ｎｍ付近で極大となることが分かった。
　また、図４８より、第３の非磁性層（８）ＭｇＯの膜厚による磁気異方性を表５に示した。Ｉは面内磁気異方性、Ｐは垂直磁気異方性を表す。
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　表５より、第３の磁性層（９）と第４の磁性層（１３）が垂直磁気異方性を有するためには、第３の非磁性層（８）ＭｇＯの膜厚は０．７５ｎｍ以上であることが望ましい。
　以上の磁気異方性及び磁気結合力Ｊexの極大値の結果より、本評価系においては、第３の非磁性層（８）ＭｇＯの膜厚は好ましくは０．７５ｎｍ以上０．８５ｎｍ以下の範囲内にすることで、磁気結合力Ｊexを最大化でき、より高い熱安定性指数Δを有する垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子の記録層が得られることが分かった。
（実施の形態５）
　図５に、記録層に４つの磁性層を有し、４つの磁性層の間にそれぞれ結合層が計３つ設けられ、非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層で構成される結合層が設けられることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態５は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の結合層（Ｊ１）／第２の磁性層（６）／第２の結合層（Ｊ２）／第３の磁性層（９）／第３の結合層（Ｊ３）／第４の磁性層（１３）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。
　第１の結合層（Ｊ１）は、第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）の順に隣接して積層されて構成され、第２の結合層（Ｊ２）は、第３の非磁性層（８）で構成され、第３の結合層（Ｊ３）は、第５の非磁性結合層（１０）／第４の磁性挿入層（１１ａ）／第６の非磁性結合層（１２ａ）／第５の磁性挿入層（１１ｂ）／第７の非磁性結合層（１２ｂ）の順に隣接して積層されて構成される。４つの磁性挿入層（４ａ）及び第３の非磁性層（８）の挿入により、４つの磁性層の間が磁気的に結合される。
　実施の形態５の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態４と同様である。
　第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）、第５の非磁性結合層（１０）、第６の非磁性結合層（１２ａ）及び第７の非磁性結合層（１２ｂ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収する役割も有するため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。なかでもｂｃｃのＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等が好ましく、Ｗ、Ｔａがより好ましい。
　第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）の膜厚の総和は、界面に隣接した磁性層中のＢ等を吸収して垂直磁気異方性を生じさせる厚さであり、かつ、２つの磁性層（２、６）の間の磁気結合力Ｊexがはたらく薄さの範囲に調整される。たとえば０．２ｎｍ以上１．３ｎｍ以下であり、０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下、あるいは０．４ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の範囲で調整されることがより好ましい。第５の非磁性結合層（１０）、第６の非磁性結合層（１２ａ）及び第７の非磁性結合層（１２ｂ）の膜厚の総和も同様に、０．２ｎｍ以上１．３ｎｍ以下であり、０．４ｎｍ以上１．０ｎｍ以下、あるいは０．４ｎｍ以上０．８ｎｍ以下の範囲で調整されることがより好ましい。
　なお、第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）、第５の非磁性結合層（１０）、第６の非磁性結合層（１２ａ）及び第７の非磁性結合層（１２ｂ）のいずれかの膜厚が０．２ｎｍ未満となった場合、原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚の層を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、磁性層のＢ等を吸収する格子に間隙があれば、垂直磁気異方性を有することが可能である。
　また、２つの磁性層の間（２及び６の間、９及び１３の間）の磁気結合力Ｊexを増大させ、磁気抵抗効果素子の記録層の熱安定性指数Δを高める観点から、第１の非磁性結合層（３）、第２の非磁性結合層（５ａ）、第３の非磁性結合層（５ｂ）、第５の非磁性結合層（１０）、第６の非磁性結合層（１２ａ）の膜厚は、それぞれ０．３ｎｍを超えないことがより好ましい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）、第４の磁性挿入層（１１ａ）及び第５の磁性挿入層（１１ｂ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのいずれかを含む。たとえば、Ｃｏ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＷ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅB、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＢ等が挙げられる。２つの磁性層の間（２及び６の間、９及び１３の間）の磁気結合力Ｊexをより増大させる観点からは、少なくともＦｅ及びＢを含むことが好ましく、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ等がより好ましい。
　また、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）、第４の磁性挿入層（１１ａ）及び第５の磁性挿入層（１１ｂ）は、さらにＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含んでもよい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）、第４の磁性挿入層（１１ａ）及び第５の磁性挿入層（１１ｂ）の膜厚の総和は、０より大きく１．６ｎｍ以下が好ましく、０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下がより好ましく、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下がさらに好ましい。図３０より、磁性挿入層がＣｏ又はＦｅの場合は２つの磁性層が垂直磁気異方性を有する０．６ｎｍ未満がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）、第４の磁性挿入層（１１ａ）及び第５の磁性挿入層（１１ｂ）がＦｅＢ又はＣｏＦｅＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．９ｎｍ以下がさらに好ましい。第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）、第４の磁性挿入層（１１ａ）及び第５の磁性挿入層（１１ｂ）がＣｏＢの場合は１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．８ｎｍ以下がさらに好ましい。また、図２７より、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexがゼロより大きければよいことから、膜厚の下限値はゼロより大きければよいが、２つの磁性層が磁気的に一体となって磁化反転し、熱安定性指数Δが飽和する、磁気結合力Ｊex＝０．５ｍＪ／ｍ2となる膜厚に調整することがより好ましい。その点からは、磁性挿入層がＣｏの場合は０．４ｎｍ以上がより好ましく、ＣｏＦｅＢの場合は０．６ｎｍ以上がより好ましい。なお、図３０及び図２７より、磁性挿入層がＣｏＷの場合、垂直磁気異方性の評価範囲の膜厚（０～２ｎｍ）、磁気結合力Ｊexの評価範囲の膜厚（０～０．８ｎｍ）の範囲においては、垂直磁気異方性を有し、磁気結合力Ｊexがゼロより大きく、本発明の適用範囲を満たす。ただし、図２６（ｂ）の磁化曲線が示すように、ＣｏＷは２つの磁性層が磁気的に一体となって反転しておらず、また、図２７より磁気結合力Ｊexが小さく、熱安定性指数Δの増大効果としてはＣｏやＣｏＦｅＢに比べて小さい。
　第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）、第４の磁性挿入層（１１ａ）及び第５の磁性挿入層（１１ｂ）の積層時の飽和磁化Ｍsは０．４Ｔ以上が好ましく、１．０Ｔ以上がより好ましい。積層していない素材のバルクの飽和磁化Ｍsおいては、０．７Ｔ以上が好ましく、０．９Ｔ以上がより好ましい。バルク状態よりも積層時に飽和磁化Ｍsの値が低下するのは、隣接層の影響を受けるためである。図３４及び表３より、第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）の飽和磁化Ｍsは、磁気結合力Ｊexを増大させる要因のひとつである。
　図５に示した実施の形態５において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（７）と第４の磁性層（１３）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（７）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第１の結合層（Ｊ１）／第２の磁性層（６）／第２の結合層（Ｊ２）／第３の磁性層（９）／第３の結合層（Ｊ３）／第４の磁性層（１３）は記録層を構成する。
（実施の形態６）
　図６に、記録層に非磁性層の界面に隣接する２つの磁性層を有し、２つの磁性層の間に非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層で構成される結合層が設けられ、各磁性層が外側層と内側層に分かれて構成されることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態６は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性外側層（２ａ）／第１の磁性内側層（２ｂ）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性内側層（６ａ）／第２の磁性外側層（６ｂ）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。第１の磁性挿入層（４ａ）の挿入により、第１の非磁性層（１）／第１の磁性外側層（２ａ）の界面及び第２の磁性外側層（６ｂ）／第２の非磁性層（７）の界面に垂直磁気異方性を有しつつ、磁性層の間が磁気的に結合される。すなわち、磁性層間に磁気結合力Ｊexがはたらく。
　第１の磁性外側層（２ａ）、第１の磁性内側層（２ｂ）、第２の磁性内側層（６ａ）及び第２の磁性外側層（６ｂ）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含む。たとえば、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、Ｆｅ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等であり、Ｂを含むＣｏＦｅＢが好ましい。組成はＦｅＢ、（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25等が挙げられるが、磁気結合力Ｊexにより第１の磁性外側層（２ａ）、第１の磁性内側層（２ｂ）、と、第２の磁性内側層（６ａ）及び第２の磁性外側層（６ｂ）の間が磁気的に結合するものであれば、これに限定されない。
　第１の磁性外側層（２ａ）、第１の磁性内側層（２ｂ）、第２の磁性内側層（６ａ）及び第２の磁性外側層（６ｂ）は、磁性元素としてＣｏ、Ｆｅの他、Ｎｉ等の３ｄ強磁性遷移金属をさらに含んでいてもよい。
　また、第１の磁性外側層（２ａ）、第１の磁性内側層（２ｂ）、第２の磁性内側層（６ａ）及び第２の磁性外側層（６ｂ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。
　第１の磁性外側層（２ａ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、第１の磁性内側層（２ｂ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さいことが好ましい。
　飽和磁化（Ｍs）を低くすることに寄与することが知られている磁性層のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素の比を調整することで、第１の磁性内側層（２ｂ）の飽和磁化（Ｍs）が第１の磁性外側層（２ａ）の飽和磁化（Ｍs）よりも低くなり磁性層全体として飽和磁化（Ｍs）を下げることができるからである。
　同様に、第２の磁性外側層（６ｂ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、第２の磁性内側層（６ａ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さいことが好ましい。
　第１の磁性外側層（２ａ）と第１の磁性内側層（２ｂ）の膜厚の和、及び、第２の磁性内側層（６ａ）と第２の磁性外側層（６ｂ）の膜厚の和は、それぞれ０．７～２．０ｎｍの範囲にある。０．７ｎｍより薄くなると磁化が大きく減少し、実効磁気異方性定数Ｋeffｔも減少してしまう一方、２．０ｎｍより厚くなるとＭｇＯ等を第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）に用いた場合は数２より面内磁気異方性となってしまうからである。第１の磁性外側層（２ａ）と第１の磁性内側層（２ｂ）の膜厚の和は１．２～１．６ｎｍがより好ましく、１．４～１．６ｎｍがさらに好ましい。第２の磁性内側層（６ａ）と第２の磁性外側層（６ｂ）の膜厚の和は０．８～１．４ｎｍの範囲がより好ましい。
（実施の形態７）
　図７に、記録層に非磁性層の界面に隣接する２つの磁性層を有し、２つの磁性層の間に非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層で構成される結合層が設けられ、各磁性層が外側層と内側層に分かれて構成されることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態７は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性外側層（２ａ）／第１の磁性内側層（２ｂ）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第２の磁性内側層（６ａ）／第２の磁性外側層（６ｂ）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。第１の磁性挿入層（４ａ）及び第２の磁性挿入層（４ｂ）の挿入により、磁性層の間が磁気的に結合される。すなわち、磁性層間に磁気結合力Ｊexがはたらく。
　実施の形態７の詳細は、実施の形態２及び実施の形態６と同様である。
　（実施の形態８）
　図８に、記録層に非磁性層の界面に隣接する２つの磁性層を有し、２つの磁性層の間に非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層／磁性挿入層／非磁性結合層で構成される結合層が設けられ、各磁性層が外側層と内側層に分かれて構成されることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態８は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性外側層（２ａ）／第１の磁性内側層（２ｂ）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第３の磁性挿入層（４ｃ）／第４の非磁性結合層（５ｃ）／第２の磁性内側層（６ａ）／第２の磁性外側層（６ｂ）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の磁性挿入層（４ｂ）及び第３の磁性挿入層（４ｃ）の挿入により、磁性層の間が磁気的に結合される。すなわち、磁性層間に磁気結合力Ｊexがはたらく。
　実施の形態８の詳細は、実施の形態３及び実施の形態６と同様である。
（実施の形態９）
　図９に、記録層に４つの磁性層を有し、４つの磁性層の間にそれぞれ結合層が計３つ設けられ、各磁性層が外側層と内側層に分かれて構成されることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態９は、第１の非磁性層（１）／第１の磁性外側層（２ａ）／第１の磁性内側層（２ｂ）／第１の結合層（Ｊ１）／第２の磁性内側層（６ａ）／第２の磁性外側層（６ｂ）／第２の結合層（Ｊ２）／第３の磁性外側層（９ａ）／第３の磁性内側層（９ｂ）／第３の結合層（Ｊ３）／第４の磁性内側層（１３ａ）／第４の磁性外側層（１３ｂ）／第２の非磁性層（７）の順に隣接して積層されるものである。
　第１の結合層（Ｊ１）は、第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）の順に隣接して積層されて構成され、第２の結合層（Ｊ２）は、第３の非磁性層（８）で構成され、第３の結合層（Ｊ３）は、第５の非磁性結合層（１０）／第４の磁性挿入層（１１ａ）／第６の非磁性結合層（１２ａ）の順に隣接して積層されて構成される。第１の磁性挿入層（４ａ）、第４の磁性挿入層（１１ａ）、第３の非磁性層（８）の挿入により、４つの磁性層の間が磁気的に結合される。
　実施の形態９の詳細は、実施の形態４及び実施の形態６と同様である。
（実施の形態１０）
　図１０に、下部非磁性電極／参照層／障壁層／記録層／上部非磁性電極を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１０の磁気抵抗効果素子は図１０に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施の形態１の第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性層（６）を備える。
　実施の形態１０の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１と同様である。
　第１の参照層（Ｂ１）は、参照層全体として磁化方向が固定された磁性層である。参照層の磁性層は、磁性層と非磁性層の積層構造になっていてもよい。
　下部非磁性電極（Ｅ１）は、第１の参照層（Ｂ１）の第１の非磁性層（１）とは反対側の端面に接続されている。
　下部非磁性電極（Ｅ１）の積層構造はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）／ＴａＮ（２０ｎｍ）等が例示される。
　第１の非磁性層（１）は、磁気抵抗効果素子の障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）であり、第１の磁性層（２）の第１の非磁性結合層（３）とは反対側の端面と、第１の参照層（Ｂ１）の下部非磁性電極（Ｅ１）とは反対側の端面とに接合されている。また、第２の非磁性層（７）は、第２の磁性層（６）の第２の非磁性結合層（５ａ）とは反対側の端面と、上部非磁性電極（Ｅ２）とに接合されている。
　第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）の材料には、第１の参照層（Ｂ１）の下部非磁性電極（Ｅ１）とは反対側の端面の材料と第１の磁性層（２）の材料との組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む化合物が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
　第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）の膜厚は、０．２～２．０ｎｍの範囲に調整されることが好ましい。また、第１の非磁性層（１）を１．２ｎｍ、第２の非磁性層（７）を１．０ｎｍとする等、膜厚に差をつけてもよい。
　上部非磁性電極（Ｅ２）は、第２の非磁性層（７）の第２の磁性層（６）とは反対側の端面に接続されている。
　上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造は、Ｔａ（５０ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５０ｎｍ）、Ｒｕ（１～５０ｎｍ）、Ｐｔ（１～５０ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．２～１．５ｎｍ）／Ｒｕ（５）／Ｔａ（５０ｎｍ）等が例示される。
（実施の形態１１）
　図１１に、下部非磁性電極／参照層／障壁層／記録層／上部非磁性電極を備え、記録層が実施の形態２の積層構造である本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１１の磁気抵抗効果素子は図１１に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施の形態２の第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第２の磁性層（６）を備える。
　実施の形態１１の詳細は、実施の形態２及び実施の形態１０と同様である。
（実施の形態１２）
　図１２に、下部電極／参照層／障壁層／記録層／上部電極を備え、記録層が実施の形態３の積層構造である本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１２の磁気抵抗効果素子は図１２に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施の形態３の第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第３の磁性挿入層（４ｃ）／第４の非磁性結合層（５ｃ）／第２の磁性層（６）を備える。
　実施の形態１２の詳細は、実施の形態３及び実施の形態１０と同様である。
（実施の形態１３）
　図１３に、下部非磁性電極／参照層／障壁層／記録層／上部非磁性電極を備え、記録層が実施の形態４の積層構造である本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１３の磁気抵抗効果素子は図１３に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施の形態４の第１の磁性層（２）／第１の結合層（Ｊ１）／第２の磁性層（６）／第２の結合層（Ｊ２）／第３の磁性層（９）／第３の結合層（Ｊ３）／第４の磁性層（１３）を備える。第１の結合層（Ｊ１）は、第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）の順に隣接して積層されて構成され、第２の結合層（Ｊ２）は、第３の非磁性層（８）で構成され、第３の結合層（Ｊ３）は、第５の非磁性結合層（１０）／第４の磁性挿入層（１１ａ）／第６の非磁性結合層（１２ａ）の順に隣接して積層されて構成される。
　実施の形態１３の詳細は、実施の形態４及び実施の形態１０と同様である。
（実施の形態１４）
　図１４に、１つの記録層、２つの参照層及び２つの障壁層を備え、記録層が実施の形態１の記録層の積層構造である本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１４の磁気抵抗効果素子は図１４に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、第２の参照層（Ｂ２）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施の形態１の第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性層（６）を備える。
　この実施の形態では、第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）が障壁層となる。
　実施の形態１４の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１及び実施の形態１０と同様である。
　第２の参照層（Ｂ２）は、参照層全体として磁化方向が固定された磁性層である。参照層の磁性層は、磁性層と非磁性層の積層構造になっていてもよい。また、第２の参照層（Ｂ２）は、第１の参照層（Ｂ１）と各磁性層の磁化の配列状態を反対にしており、反平行結合参照層としての性質を有している。
（実施の形態１５）
　図１５に、１つの記録層、２つの参照層及び２つの障壁層を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１５の磁気抵抗効果素子は図１５に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、第２の参照層（Ｂ２）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施の形態２の第１の磁性層（２）／第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）／第２の磁性挿入層（４ｂ）／第３の非磁性結合層（５ｂ）／第２の磁性層（６）を備える。
　この実施の形態では、第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）が障壁層となる。
　実施の形態１５の詳細は、実施の形態２、実施の形態１０及び実施の形態１４と同様である。
（実施の形態１６）
　図１６に、１つの記録層、２つの参照層及び２つの障壁層を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１６の磁気抵抗効果素子は図１６に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、第２の参照層（Ｂ２）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施の形態４の第１の磁性層（２）／第１の結合層（Ｊ１）／第２の磁性層（６）／第２の結合層（Ｊ２）／第３の磁性層（９）／第３の結合層（Ｊ３）／第４の磁性層（１３）を備える。第１の結合層（Ｊ１）は、第１の非磁性結合層（３）／第１の磁性挿入層（４ａ）／第２の非磁性結合層（５ａ）の順に隣接して積層されて構成され、第２の結合層（Ｊ２）は、第３の非磁性層（８）で構成され、第３の結合層（Ｊ３）は、第５の非磁性結合層（１０）／第４の磁性挿入層（１１ａ）／第６の非磁性結合層（１２ａ）の順に隣接して積層されて構成される。
　この実施の形態では、第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（７）が障壁層となる。
　実施の形態１６の詳細は、実施の形態４、実施の形態１０及び実施の形態１４と同様である。
（実施の形態１７）
　図１７に、２つの記録層、３つの参照層及び４つの障壁層を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１７の磁気抵抗効果素子は図１７に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、第２の参照層（Ｂ２）、第４の非磁性層（１４）、第２の記録層（Ａ２）、第５の非磁性層（１５）、第３の参照層（Ｂ３）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有する。
　この実施の形態では、第１の非磁性層（１）、及び第２の非磁性層（７）、第４の非磁性層（１４）及び第５の非磁性層（１５）が障壁層となる。
　第１の記録層（Ａ１）及び第２の記録層（Ａ２）は、実施の形態１乃至９に示された記録層の構成のいずれであってもよい。
　実施の形態１７の詳細は、以下の記載を除き、実施の形態１～１６と同様である。
　第４の非磁性層（１４）は、磁気抵抗効果素子の障壁層であり、第２の参照層（Ｂ２）の第２の非磁性層（７）とは反対側の端面と、第２の記録層（Ａ２）の第５の非磁性層（１５）とは反対側の端面とに隣接して接合されている。また、第５の非磁性層（１５）は、磁気抵抗効果素子の障壁層であり、第２の記録層（Ａ２）の第４の非磁性層（１４）とは反対側の端面と、第３の参照層（Ｂ３）の上部非磁性電極（Ｅ２）とは反対側の端面とに隣接して接合されている。
　第４の非磁性層（１４）及び第５の非磁性層（１５）の材料には、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む化合物が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
　第４の非磁性層（１４）及び第５の非磁性層（１５）の膜厚は、０．２～２．０ｎｍの範囲に調整されることが好ましい。また、第１の非磁性層（１）、第２の非磁性層（７）、第４の非磁性層（１４）及び第５の非磁性層（１５）の膜厚に差をつけてもよい。
　第３の参照層（Ｂ３）は、参照層全体として磁化方向が固定された磁性層である。参照層の磁性層は、磁性層と非磁性層の積層構造になっていてもよい。また、第３の参照層（Ｂ３）は、第２の参照層（Ｂ２）と磁性層の磁化の配列状態を反対にしており、反平行結合参照層としての性質を有している。
　実施の形態１７には２つの記録層、３つの参照層及び４つの障壁層で構成された磁気抵抗効果素子の一例を示したが、本発明の磁気抵抗効果素子はそれ以上の記録層、参照層及び障壁層を備えることができる。複数の参照層の利用により、多値化機能を提供することができる。
（実施の形態１８）
　図１８に、下部非磁性電極／参照層／障壁層／記録層／上部非磁性電極を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施の形態１８の磁気抵抗効果素子は図１８に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（７）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有する。
　下部非磁性電極（Ｅ１）は、Ｔａ（３ｎｍ）、Ｒｕ（２０ｎｍ）、ＴａＮ（２３ｎｍ）の順に積層したあと、ＴａＮの表面をクリーニングして２０ｎｍの厚さまで到達させ、さらにＰｔ（６ｎｍ）を積層し、Ｐｔの表面をクリーニングして３ｎｍの厚さにしたものである。
　第１の参照層（Ｂ１）は、［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］5／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］2／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．２ｎｍ）を、下部非磁性電極（Ｅ１）の上に順に積層したものである。
　第１の非磁性層（１）は、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）である。
　第１の記録層（Ａ１）は、第１の磁性層のＣｏＦｅＢ25（１．４ｎｍ）／第１の非磁性層のＷ（０．２ｎｍ）／磁性挿入層のＣｏ（０．３ｎｍ）／第２の非磁性層のＷ（０．２ｎｍ）／第２の磁性層（１．０ｎｍ）を、第１の非磁性層（１）の上に順に積層したものである。
　第２の非磁性層（７）はＭｇＯ（０．９ｎｍ）である。
　上部非磁性電極（Ｅ２）は、ＣｏＦｅＢ25（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５０ｎｍ）を、第２の非磁性層（７）の上に順に積層したものである。
　実施の形態１８の詳細は、実施の形態１０と同様である。
（比較の形態１）
　図５０に、比較の形態１の構成を示す。
　比較の形態１の磁気抵抗効果素子は図５０に示すとおり、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／非磁性元素と磁性元素の合金膜／第２の磁性層（６）／第２の非磁性層（７）の積層構造を有する。すなわち、図１に代表されるような本発明の構成と異なり、２つの磁性層に合金膜を配置したものである。
　図５１に示す、比較の形態１の評価用磁気抵抗効果素子を用い、図５２の磁化曲線を得た。
　図５１の構成の素子は、強い磁気結合力Ｊexを発生するものであるが、図５２に示した磁化特性から、第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）に垂直磁気異方性は発生しないことが分かった。本発明の実施の形態１と同様に磁性層間にＷを含む層を配置しても、ＣｏＷ合金膜では垂直磁気異方性を増大させる効果が出ない。これは、ＣｏＷ合金膜は非晶質で高い充填率を有し、ｆｃｃ（面心立方格子）と同様に内部に隙間が少ない構造であるため、原子半径が比較的小さいＢであっても取り込みづらく、隣接する磁性層（２、６）中のＢ等を吸収しづらいためと考えられる。
　よって、結合層（Ｊ１）に非磁性元素と磁性元素の合金膜を配置させた構成は、垂直磁気抵抗効果素子として適さないことが分かった。
　なお、比較の形態１の結果と本発明の実施の形態１等の構成の比較から、図１の２つの非磁性結合層（３、５ａ）はｂｃｃ（体心立方格子）で、格子間隔が比較的大きな元素（材料）が好ましいことを裏付けるものである。ｂｃｃのように格子間隔が大きいと、２つの磁性層（２，６）中のＢ等を吸収しやすくなるためである。
（実施の形態１９）
　第１の磁性挿入層（４ａ）をＦｅＢとした場合の膜厚による磁気結合力Ｊexの評価を行った。
　図５３に、評価用磁気抵抗効果素子の構成図を示す。第１の磁性層（２）と第２の磁性層（６）の磁化反転を評価する目的で磁化を固定するため、第１の磁性層（２）は第１の非磁性結合層（３）とＷ層に接している。
　評価用磁気抵抗効果素子の構成は、具体的には、［Ｓｉ／ＳｉＯ2基板］／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／ＴａＮ（クリーニングにより２３ｎｍから２０ｎｍにしたもの）／Ｐｔ（クリーニングにより６ｎｍから３ｎｍにしたもの）／［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］5／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］2／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ20（１．２ｎｍ）／Ｗ（０．２ｎｍ）／磁性挿入層（０、０．４ｎｍ、０．６ｎｍ）／Ｗ（０．２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ20（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ25（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ｔｉ―Ｎ（５０ｎｍ）を４００℃で１時間アニール処理したものである。
　図５４に磁性挿入層（４ａ）をＦｅＢ（０．４ｎｍ）とした場合の磁化曲線を示した。丸で囲んだ第２の磁性層（６）の磁化反転の部分において、磁界Ｈがシフトし磁気的に結合していることが確認された。単位面積当たりの飽和磁化ｍとシフト磁界シフト磁界Ｈexから、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexは以下のとおりに求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　同様に、磁性挿入層（４ａ）ＦｅＢの膜厚を０．６ｎｍとしたときも磁界Ｈがシフトし、２つの磁性層は磁気的に結合していることが確認された。
　一方、磁性挿入層（４ａ）を挿入しない場合は、磁界Ｈはシフトせず、磁気的結合力Ｊexはゼロであった。
　以上の結果を、図５５に示した。
　図５５より、磁性挿入層（４ａ）にＦｅＢを適用した場合、２つの磁性層間の磁気結合力Ｊexは０．４ｍＪ／ｍ2以上となり、第１の磁性層と第２の磁性層が磁気的に一体となって反転する磁気結合力Ｊexの目安である０．５ｍＪ／ｍ2に近い値となることが分かった。
（実施例１～３、比較例１）
　記録層（Ａ１）を構成する磁性挿入層（４ａ）、第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）の材料について検討した。
　図５６に本発明の記録層評価用の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
　実施例１～３及び比較例１の磁気抵抗効果素子は図５６に示すとおり、Ｓｉ／ＳｉＯ2基板、Ｔａ（５ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）、第１の非磁性層（１）（ＭｇＯ、１．０ｎｍ）、第１の磁性層（２）、第１の非磁性結合層（３）（Ｗ、０．２ｎｍ）、第１の磁性挿入層（４ａ）、第２の非磁性結合層（５ａ）（Ｗ、０．２ｎｍ）、第２の磁性層（６）、第２の非磁性層（７）（ＭｇＯ、１．０ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｔｉ－Ｎ（５０ｎｍ）の積層構造を有し、４００℃で１時間アニール処理したものである。
　実施例１～３及び比較例１の磁気抵抗化効果素子の磁性挿入層（４ａ）、第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（６）の材料及び膜厚（ｎｍ）を、表６に示した。
　実施例１～３及び比較例１の磁気抵抗効果素子の、上下のＭｇＯで挟まれる記録層の実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*（ｍＪ／ｍ2）を測定し、結果を表６及び図５７に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
　実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*（ｍＪ／ｍ2）について、詳述する。本発明においては垂直磁気異方性を与えるＭｇＯが記録層の上下に２つあるので数２の式において、Ｋiは数１１の式で表現される。Ｋi1は第１の非磁性層（ＭｇＯ層）から受ける界面磁気異方性エネルギー密度であり、Ｋi2は第２の非磁性層（ＭｇＯ層）から受ける界面磁気異方性エネルギー密度である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　また、記録層は第１の磁性層と磁性挿入層と第２の磁性層からなることから、数２の式において磁性層膜厚ｔは数１２の式で表現される。ここで、ｔFL1は第１の磁性層の膜厚、ｔFL2は第2の磁性層の膜厚、ｔM1は第１の磁性挿入層の膜厚である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　従って、Ｋeffｔ*は数１３の式で表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　ＮzおよびＮxは３つの磁性層が一体となったとした場合の反磁界係数であり、Ｍsは３つの磁性層の平均の飽和磁化である。
　よって、該実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*は第１の非磁性層または第２の非磁性層界面（ここで、両界面積は等しいとしている）の単位面積当たりのエネルギー（ｍＪ／ｍ2）で表され、値が大きいほど熱安定性指数Δを大きくすることができる（数１等参照）。
　実施例１及び比較例１の第１の磁性層（２）、第２の磁性層（６）は、それぞれ同じ膜厚のＦｅであるが、磁性挿入層（４ａ）を比較例１のＦｅから実施例１のＦｅＢにすることで、Ｋeffｔ*は約４．７倍と大幅に向上することが分かった。
　さらに、磁性層（２、６）を実施例１のＦｅから実施例２のＦｅＢにすることで、比較例１に対し実施例２のＫeffｔ*は約８．２倍と大幅に向上することが分かった。
　実施例２の磁性層を２種類の膜で構成した磁気抵抗効果素子が、実施例３－１～３－３である。実施例３－１は、第１の磁性外側層（２ａ）：ＦｅＢ（０．６ｎｍ）、第１の磁性内側層（２ｂ）：ＣｏＦｅＢ（０．４ｎｍ）、第２の磁性内側層（６ａ）：ＣｏＦｅＢ（０．２ｎｍ）、第２の磁性外側層（６ｂ）：ＦｅＢ（０．６ｎｍ）とした構成である（図６、実施の形態６参照）。実施例３－２は、実施例３－１の磁性外側層と磁性内側層を逆にした構成のものである。実施例３－３は、実施例３－１の第１の磁性外側層（２ａ）及び第２の磁性外側層（６ｂ）のＦｅＢをＦｅに置き換えたものである。
　実施例３－１、３－２、３－３の条件においては、いずれも実施例２と同等程度の実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*値を示すことが分かった。
（実施例４～６）
　続いて、表７に示した実施例４～６の磁気抵抗効果素子を用い、上下のＭｇＯで挟まれる記録層の実効磁気異方性定数Ｋeffｔ*（ｍＪ／ｍ2）を測定した。素子構成は図５６に示し、結果を表７及び図５８に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000020
　実施例４及び実施例５の第１の磁性層（２）、第２の磁性層（６）は、それぞれ同じ膜厚のＣｏＦｅＢであるが、磁性挿入層（４ａ）を実施例４のＦｅから実施例５のＦｅＢにすることで、Ｋeffｔ*は約１．１４倍向上することが分かった。
　また、実施例６及び実施例５の第１の磁性層（２）、第２の磁性層（６）は、膜厚が異なるもののＣｏＦｅＢであるが、磁性挿入層（４ａ）を実施例６のＣｏから実施例５のＦｅＢにすることで、Ｋeffｔ*は磁性挿入層０．４ｎｍにおいて約２．８倍と向上することが分かった。
　本発明の磁気抵抗効果素子の接合サイズは素子全体で一定でなくてもよい。
　本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気メモリとして開発が進むＭＲＡＭの磁気メモリに組み込まれる。磁気抵抗効果素子の下部非磁性電極（Ｅ１）又は上部非磁性電極（Ｅ２）のどちらかの電極が選択トランジスタのドレイン電極に電気的に接続され、他の電極がビット線に電気的に接続される。
　１　　第１の非磁性層
　２　　第１の磁性層
　２ａ　第１の磁性外側層
　２ｂ　第１の磁性内側層
　３　　第１の非磁性結合層
　４ａ　第１の磁性挿入層
　４ｂ　第２の磁性挿入層
　４ｃ　第３の磁性挿入層
　５ａ　第２の非磁性結合層
　５ｂ　第３の非磁性結合層
　５ｃ　第４の非磁性結合層
　６　　第２の磁性層
　６ａ　第２の磁性内側層
　６ｂ　第２の磁性外側層
　７　　第２の非磁性層
　８　　第３の非磁性層
　９　　第３の磁性層
　９ａ　第３の磁性外側層
　９ｂ　第３の磁性内側層
　１０　第５の非磁性結合層
　１１ａ　第４の磁性挿入層
　１１ｂ　第５の磁性挿入層
　１２ａ　第６の非磁性結合層
　１２ｂ　第７の非磁性結合層
　１３　　第４の磁性層
　１３ａ　第４の磁性内側層
　１３ｂ　第４の磁性外側層
　１４　第４の非磁性層
　１５　第５の非磁性層
　Ａ１　第１の記録層
　Ａ２　第２の記録層
　Ｂ１　第１の参照層
　Ｂ２　第２の参照層
　Ｂ３　第３の参照層
　Ｅ１　下部非磁性電極
　Ｅ２　上部非磁性電極
　Ｊ１　第１の結合層
　Ｊ２　第２の結合層
　Ｊ３　第３の結合層

Claims (23)

  1. 　第１の非磁性層（１）と、
    　前記第１の非磁性層（１）に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）と、
    　前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３）と、
    　前記第１の非磁性結合層（３）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性挿入層（４ａ）と、
    　前記第１の磁性挿入層（４ａ）の前記第１の非磁性結合層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（５ａ）と、
    　前記第２の非磁性結合層（５ａ）の前記第１の磁性挿入層（４ａ）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（６）と、
    　前記第２の磁性層（６）の前記第２の非磁性結合層（５ａ）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（７）と、を備え、
    　前記第１の非磁性層（１）及び前記第２の非磁性層（７）は、Ｏ（酸素）を含む層で構成され、
    　前記第１の磁性層（２）及び前記第２の磁性層（６）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、
    　前記第１の非磁性結合層（３）及び前記第２の非磁性結合層（５ａ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、
    　前記第１の磁性挿入層（４ａ）は、少なくともＦｅ及びＢを含み、
    　前記第１の非磁性結合層（３）、前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第２の非磁性結合層（５ａ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）により、前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（６）は磁気的に結合され、
    　前記第１の磁性層（２）、前記第１の結合層（Ｊ１）及び前記第２の磁性層（６）は第１の記録層（Ａ１）を構成する、磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記第１の結合層（Ｊ１）は、
    　前記第２の非磁性結合層（５ａ）の前記第１の磁性挿入層（４ａ）とは反対側に隣接して設けられる第２の磁性挿入層（４ｂ）と、
    　前記第２の磁性挿入層（４ｂ）の前記第２の非磁性結合層（５ａ）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の磁性層（６）の前記第２の非磁性層（７）とは反対側に隣接して設けられる、第３の非磁性結合層（５ｂ）をさらに含み、
    　前記第１の非磁性結合層（３）、前記第２の非磁性結合層（５ａ）及び前記第３の非磁性結合層（５ｂ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、
    　前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第２の磁性挿入層（４ｂ）は、少なくともＦｅ及びＢを含み、
    　前記第１の非磁性結合層（３）、前記第１の磁性挿入層（４ａ）、前記第２の非磁性結合層（５ａ）、前記第２の磁性挿入層（４ｂ）及び前記第３の非磁性結合層（５ｂ）で構成される前記第１の結合層（Ｊ１）により、前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（６）は磁気的に結合される、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）はさらにＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）又は前記第２の磁性挿入層（４ｂ）は、さらにＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）の膜厚は０より大きく１．６ｎｍ以下である、請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）の膜厚は０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下である、請求項１又は３に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）の膜厚及び前記第２の磁性挿入層（４ｂ）の膜厚の合計は０より大きく１．６ｎｍ以下である、請求項２又は４に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）の膜厚及び前記第２の磁性挿入層（４ｂ）の膜厚の合計は０．１ｎｍ以上１．２ｎｍ以下である、請求項２又は４に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 　前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（６）の間の単位面積当たりの磁気結合力Ｊexは０．１ｍＪ／ｍ2以上である、請求項１～８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）の積層時の飽和磁化Ｍsは、０．４Ｔ以上である、請求項１、３、５、６又は９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第２の磁性挿入層（４ｂ）の積層時の飽和磁化Ｍsはそれぞれ、０．４Ｔ以上である、請求項２、４、７～９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 　前記第１の磁性層（２）は、前記第１の非磁性層（１）に隣接する第１の磁性外側層（２ａ）、及び、前記第１の磁性外側層（２ａ）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性内側層（２ｂ）からなり、
    　前記第１の磁性外側層（２ａ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第１の磁性内側層（２ｂ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さい、請求項１～１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  13. 　前記第２の磁性層（６）は、前記第２の非磁性層（７）に隣接する第２の磁性外側層（６ｂ）、及び、前記第２の磁性外側層（６ｂ）の前記第２の非磁性層（７）とは反対側に隣接して設けられる第２の磁性内側層（６ａ）からなり、
    　前記第２の磁性外側層（６ｂ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第２の磁性内側層（６ａ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さい、請求項１～１２のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  14. 　前記第１の結合層（Ｊ１）は、
    　前記第２の非磁性結合層（５ａ）の前記第１の磁性挿入層（４ａ）とは反対側に隣接して設けられる第２の磁性挿入層（４ｂ）と、
    　前記第２の磁性挿入層（４ｂ）の前記第２の非磁性結合層（５ａ）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性結合層（５ｂ）と、
    　前記第３の非磁性結合層（５ｂ）の前記第２の磁性挿入層（４ｂ）とは反対側に隣接して設けられる第３の磁性挿入層（４ｃ）と、
    　前記第３の磁性挿入層（４ｃ）と前記第２の磁性層（６）との間に隣接して設けられる第４の非磁性結合層（５ｃ）と、をさらに含み、
    　前記第１の非磁性結合層（３）、前記第２の非磁性結合層（５ａ）、前記第３の非磁性結合層（５ｂ）及び前記第４の非磁性結合層（５ｃ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、
    　前記第１の磁性挿入層（４ａ）、前記第２の磁性挿入層（４ｂ）及び前記第３の磁性挿入層（４ｃ）は、少なくともＦｅ及びＢを含み、
    　前記第１の非磁性結合層（３）、前記第１の磁性挿入層（４ａ）、前記第２の非磁性結合層（５ａ）、前記第２の磁性挿入層（４ｂ）、前記第３の非磁性結合層（５ｂ）、前記第３の磁性挿入層（４ｃ）及び前記第４の非磁性結合層（５ｃ）で構成される前記第１の結合層（Ｊ１）により、前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（６）は磁気的に結合される、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  15. 　第１の非磁性層（１）と、
    　前記第１の非磁性層（１）に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）と、
    　前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３）と、
    　前記第１の非磁性結合層（３）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性挿入層（４ａ）と、
    　前記第１の磁性挿入層（４ａ）の前記第１の非磁性結合層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（５ａ）と、
    　前記第２の非磁性結合層（５ａ）の前記第１の磁性挿入層（４ａ）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（６）と、
    　前記第２の磁性層（６）の前記第２の非磁性結合層（５ａ）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性層（８）と、
    　前記第３の非磁性層（８）の前記第２の磁性層（６）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（９）と、
    　前記第３の磁性層（９）の前記第３の非磁性層（８）とは反対側に隣接して設けられる第５の非磁性結合層（１０）と、
    　前記第５の非磁性結合層（１０）の前記第３の磁性層（９）とは反対側に隣接して設けられる第４の磁性挿入層（１１ａ）と、
    　前記第４の磁性挿入層（１１ａ）の前記第５の非磁性結合層（１０）とは反対側に隣接して設けられる第６の非磁性結合層（１２ａ）と、
    　前記第６の非磁性結合層（１２ａ）の前記第４の磁性挿入層（１１ａ）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（１３）と、
    　前記第４の磁性層（１３）の前記第６の非磁性結合層（１２ａ）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（７）と、を備え、
    　前記第１の非磁性層（１）及び前記第２の非磁性層（７）は、Ｏ（酸素）を含む層で構成され、
    　前記第１の磁性層（２）、前記第２の磁性層（６）、前記第３の磁性層（９）及び前記第４の磁性層（１３）は、少なくともＣｏ又はＦｅのいずれかを含み、
    　前記第１の非磁性結合層（３）、前記第２の非磁性結合層（５ａ）、前記第５の非磁性結合層（１０）、及び、前記第６の非磁性結合層（１２ａ）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、
    　前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第４の磁性挿入層（１１ａ）は、少なくともＦｅ及びＢを含み、
    　前記第３の非磁性層（８）は、非磁性元素の酸化物を含み、
    　前記第１の非磁性結合層（３）、前記第１の磁性挿入層（４ａ）及び前記第２の非磁性結合層（５ａ）で構成される第１の結合層（Ｊ１）により、前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（６）は磁気的に結合され、
    　前記第３の非磁性層（８）で構成される第２の結合層（Ｊ２）により、前記第２の磁性層（６）と前記第３の磁性層（９）は磁気的に結合され、
    　前記第５の非磁性結合層（１０）、前記第４の磁性挿入層（１１ａ）及び前記第６の非磁性結合層（１２ａ）で構成される第３の結合層（Ｊ３）により、前記第３の磁性層（９）と前記第４の磁性層（１３）は磁気的に結合され、
    　前記第１の結合層（Ｊ１）、前記第２の結合層（Ｊ２）及び前記第３の結合層（Ｊ３）により、前記第１の磁性層（２）と前記第４の磁性層（１３）は磁気的に結合され、
    　前記第１の磁性層（２）、前記第１の結合層（Ｊ１）、前記第２の磁性層（６）、前記第２の結合層（Ｊ２）、前記第３の磁性層（９）、前記第３の結合層（Ｊ３）及び前記第４の磁性層（１３）は第１の記録層（Ａ１）を構成する、磁気抵抗効果素子。
  16. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）又は前記第４の磁性挿入層（１１ａ）は、さらにＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
  17. 　前記第１の磁性挿入層（４ａ）の膜厚及び前記第４の磁性挿入層（１１ａ）の膜厚の合計は０より大きく１．６ｎｍ以下である、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
  18. 　前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（６）の間の単位面積当たりの磁気結合力Ｊexは０．１ｍＪ／ｍ2以上であり、前記第２の磁性層（６）と前記第３の磁性層（９）の間の単位面積当たりの磁気結合力Ｊexは０．１ｍＪ／ｍ2以上であり、前記第３の磁性層（９）と前記第４の磁性層（１３）の間の単位面積当たりの磁気結合力Ｊexは０．１ｍＪ／ｍ2以上である、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
  19. 　前記第１の磁性層（２）は、前記第１の非磁性層（１）に隣接する第１の磁性外側層（２ａ）、及び、前記第１の磁性外側層（２ａ）と前記第１の非磁性結合層（３）の間に挟まれて隣接する第１の磁性内側層（２ｂ）からなり、
    　前記第１の磁性外側層（２ａ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第１の磁性内側層（２ｂ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さい、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
  20. 　前記第２の磁性層（６）は、前記第３の非磁性層（８）に隣接する第２の磁性外側層（６ｂ）、及び、前記第２の磁性外側層（６ｂ）と前記第２の非磁性結合層（５ａ）の間に挟まれて隣接する第２の磁性内側層（６ａ）からなり、
    　前記第２の磁性外側層（６ｂ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第２の磁性内側層（６ａ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さい、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
  21. 　前記第３の磁性層（９）は、前記第３の非磁性層（８）に隣接する第３の磁性外側層（９ａ）、及び、前記第３の磁性外側層（９ａ）と前記第５の非磁性結合層（１０）の間に挟まれて隣接する第３の磁性内側層（９ｂ）からなり、
    　前記第３の磁性外側層（９ａ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第３の磁性内側層（９ｂ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さい、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
  22. 　前記第４の磁性層（１３）は、前記第２の非磁性層（７）に隣接する第４の磁性外側層（１３ｂ）、及び、前記第４の磁性外側層（１３ｂ）と前記第６の非磁性結合層（１２ａ）の間に挟まれて隣接する第４の磁性内側層（１３ａ）からなり、
    　前記第４の磁性外側層（１３ｂ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第４の磁性内側層（１３ａ）のＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さい、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
  23. 　請求項１乃至請求項２２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を磁気メモリセルとする磁気メモリ。
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