WO2019187800A1 - 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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WO2019187800A1
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magnetic layer
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magnetic
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PCT/JP2019/006150
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French (fr)
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本庄　弘明
哲郎 遠藤
正二 池田
佐藤　英夫
西岡　浩一
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国立大学法人東北大学
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    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic memory.
  • the present invention relates to a magnetoresistive effect element having shape magnetic anisotropy in a direction perpendicular to a substrate surface.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • magnetic memory is a non-volatile memory using MTJ (Magnetic Tunnel Junction).
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • MTJ Magnetic Tunnel Junction
  • the MRAM includes a magnetic memory cell having a structure in which a selection transistor and a magnetoresistive effect element are electrically connected in series.
  • the source electrode of the selection transistor is electrically connected to the source line
  • the drain electrode is electrically connected to the bit line via the magnetoresistive effect element
  • the gate electrode is electrically connected to the word line.
  • the magnetoresistive effect element is based on a structure in which a nonmagnetic layer (tunnel barrier layer) is sandwiched between magnetic layers (reference layer and recording layer) containing two ferromagnetic materials.
  • 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 decreases 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 arranged in parallel, and increases when the magnetization direction is arranged antiparallel.
  • these two resistance states are assigned to bit information “0” and “1”.
  • a tunnel magnetoresistance ratio of the magnetoresistance effect element (TMR ratio) is large, (ii) the write current I C is small, the (iii) thermal stability index ⁇ It is large (iv) The element size is small (miniaturized).
  • I is necessary for high-speed reading, (ii) is compatible with high-speed writing, (iii) is non-volatile in magnetic memory, and (iv) is necessary for high integration of MRAM. It is a characteristic.
  • the present inventors have developed a tunnel magnetic junction mainly utilizing interfacial magnetic anisotropy, and have established many techniques for miniaturizing magnetoresistive effect elements that improve the above characteristics at various angles (non-patent literature). 1, 2, Patent Document 1, and many others).
  • the ferromagnetic recording layer is required to have a thermal stability index ⁇ of 70 or more.
  • the value of the thermal stability index needs to be 70 or more as a single memory.
  • it is not necessarily 70 or more when used as a DRAM replacement or SRAM replacement. good.
  • Non-Patent Document 1 discloses that a magnetoresistive element having a junction size diameter of 40 nm and a thermal stability index ⁇ of about 40 is obtained in the magnetic layer of the recording layer.
  • Non-Patent Document 2 discloses a double CoFeB / MgO interface recording structure in which the thermal stability index ⁇ is 80 or more when the junction size diameter of the recording layer is on the order of 40 nm, and the thermal stability when the junction size diameter is 29 nm. It is disclosed that the sex index ⁇ is about 59.
  • the write current density increases and the thermal stability decreases due to the influence of the leakage magnetic field from adjacent elements.
  • the leakage magnetic field is antiparallel (reverse)
  • the original film surface perpendicular direction This causes thermal disturbance such as tilting of the magnetization direction of the magnetoresistive element.
  • the leakage magnetic field is parallel (in the same direction)
  • it adversely affects the fact that the write current of the magnetoresistive element perpendicular to the film surface must be increased.
  • the present invention has found and completed a magnetoresistive effect element and magnetic memory having shape magnetic anisotropy using a recording layer having antiparallel coupling.
  • a magnetoresistive effect element includes a first reference layer (B1) and a first nonmagnetic layer (2) provided adjacent to the first reference layer (B1). ), A first magnetic layer (3) provided adjacent to the first nonmagnetic layer (2) opposite to the first reference layer (B1), and the first magnetic layer ( 3) a nonmagnetic coupling layer (4) provided adjacent to the opposite side of the first nonmagnetic layer (2), and the first magnetic layer (3) of the nonmagnetic coupling layer (4).
  • a second magnetic layer (5) provided adjacent to the opposite side of the second magnetic layer (2) and a second magnetic layer (5) provided adjacent to the opposite side of the nonmagnetic coupling layer (4) of the second magnetic layer (5).
  • the first reference layer (B1) includes a ferromagnetic material, the magnetization direction is fixed in the direction perpendicular to the film surface, and the first magnetic layer (3) and the nonmagnetic layer (6)
  • the magnetic layer (5) includes a ferromagnetic material, the magnetization direction is variable in the direction perpendicular to the film surface, and is magnetically coupled in the antiparallel direction, and the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer ( 5) the junction size D (nm) which is the length of the longest straight line on the end surface perpendicular to the thickness direction, the film thickness t 1 (nm) of the first magnetic layer (3), and the second And D ⁇ t 1 and D ⁇ t 2 , or D ⁇ t 1 and D ⁇ t 2 , with respect to the thickness t 2 (nm) of the magnetic layer (5).
  • the second nonmagnetic layer (6) further includes a second reference layer (B2) provided adjacent to the opposite side of the second magnetic layer (5), and the second reference layer (B2). ) Includes a ferromagnetic material, the magnetization direction is fixed in the direction perpendicular to the film surface, and the magnetization direction of the first reference layer (B1) is opposite to the magnetization direction of the second reference layer (B2). Also good.
  • the first nonmagnetic layer (2) and the second nonmagnetic layer (6) may contain O.
  • the nonmagnetic coupling layer (4) may include one or more of Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W, or an alloy thereof.
  • the junction size D may be 40 nm or less.
  • the film thickness t 1 (nm) of the first magnetic layer (3) and the film thickness t 2 (nm) of the second magnetic layer (5) may be 15 nm or less.
  • the film thickness of the first nonmagnetic layer (2) and the film thickness of the second nonmagnetic layer (6) may be different.
  • the first magnetic layer (3) includes a first divided magnetic layer (3a), a first nonmagnetic insertion layer (3b), and a second divided magnetic layer (3c), and the first divided magnetic layer (3c).
  • the layer (3a) is provided adjacent to the first nonmagnetic layer (2) and the first nonmagnetic insertion layer (3b), and the first nonmagnetic insertion layer (3b) is formed of the first nonmagnetic insertion layer (3b).
  • the divided magnetic layer (3a) and the second divided magnetic layer (3c) are provided adjacent to each other, and the second divided magnetic layer (3c) is formed of the first nonmagnetic insertion layer (3b) and the nonmagnetic layer.
  • the second magnetic layer (5) includes a third divided magnetic layer (5a), a second nonmagnetic insertion layer (5b), and a fourth divided magnetic layer.
  • the third divided magnetic layer (5a) is provided adjacent to the nonmagnetic coupling layer (4) and the second nonmagnetic insertion layer (5b), and
  • the nonmagnetic insertion layer (5b) is provided adjacent to the third divided magnetic layer (5a) and the fourth divided magnetic layer (5c), and the fourth divided magnetic layer (5c) is provided in the second divided magnetic layer (5c).
  • the first divided magnetic layer (3a), the second divided magnetic layer (3c), the second 3 divided magnetic layers (5a) and the fourth divided magnetic layer (5c) include at least one of Co and Fe, and the first divided magnetic layer (3a) and the second divided magnetic layer (3c) ) Are magnetically coupled in the parallel direction, and the third divided magnetic layer (5a) and the fourth divided magnetic layer (5c) are magnetically coupled in the parallel direction, and the second divided magnetic layer (3c) and the above-mentioned
  • the third divided magnetic layer (5a) may be magnetically coupled in the antiparallel direction.
  • the ratio of the Fe composition of the first divided magnetic layer (3a) to the Fe composition of the second divided magnetic layer (3c) is greater than 1, or the ratio of the first divided magnetic layer (3a) of the first divided magnetic layer (3a)
  • the ratio of the Co composition to the Co composition of the second divided magnetic layer (3c) is smaller than 1, and the third divided magnetic layer (of the Fe composition of the fourth divided magnetic layer (5c) ( The ratio of 5a) to the composition of Fe is greater than 1, or the ratio of the composition of Co in the fourth divided magnetic layer (5c) to the composition of Co in the third divided magnetic layer (5a) is more than 1. It may be small.
  • a non-magnetized film (8) may be included on the outer periphery of the first magnetic layer (3), the non-magnetic coupling layer (4), and the second magnetic layer (5).
  • a sidewall (9) may further be provided on the outer periphery of the first reference layer (B1).
  • the magnetic memory of the present invention includes the magnetoresistive element.
  • the present invention it is possible to provide a magnetoresistive element and a magnetic memory having a high thermal stability index ⁇ even with a fine junction size. Further, it is possible to provide a magnetoresistive effect element and a magnetic memory that have a small leakage magnetic field and are not easily affected by the leakage magnetic field.
  • FIG. 1 shows a basic configuration of Embodiment 1 of the present invention.
  • the basic structure of the magnetoresistive effect element is as follows: first reference layer (B1) / first nonmagnetic layer (2) / first magnetic layer (3) / nonmagnetic coupling layer (4) / second magnetic property.
  • the layer (5) / second nonmagnetic layer (6) are arranged adjacent to each other in order, and the first magnetic layer (3) / nonmagnetic coupling layer (4) / second magnetic layer (5 ) Constitutes the recording layer (A).
  • the first reference layer (B1) is a material containing at least one 3d ferromagnetic transition metal element such as Co, Fe, Ni, and Mn. Co, Fe, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, CoFeB, FePt, TbTeCo, MnAl, MnGa etc. are mentioned. Nonmagnetic elements such as B, V, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, Pd, and Pt may be further included.
  • the first reference layer (B1) may be a single layer, or may be laminated or multilayered, or may be laminated with Pt, Pd, Cu, Ru, W, Ni, or a thin layer ferri structure. Good.
  • a fixed layer or the like may be adjacent to the first reference layer (B1) on the side opposite to the first nonmagnetic layer (2).
  • the film thickness of the first reference layer (B1) is about 0.5 nm to 10 nm, depending on the material and the structure of the layer.
  • the magnetization direction of the first reference layer (B1) is fixed in the direction perpendicular to the film surface and faces the recording layer (A) in FIG. 1, but may be reversed.
  • the first nonmagnetic layer (2) is a tunnel junction layer made of an insulating layer, and preferably contains at least O (oxygen). Insulators containing oxygen, such as MgO, MgAlO, Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO, Hf 2 O, etc. are exemplified so that the magnetoresistive change ratio is greatly expressed by the combination of the materials of the two end faces to be joined, and more desirable. MgO is used.
  • the film thickness of the first nonmagnetic layer (2) is preferably adjusted to a range of 0.1 to 10 nm, more preferably 0.2 nm to 5 nm, and still more preferably 0.5 nm to 2 nm.
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) are preferably made of a material containing at least one 3d ferromagnetic transition metal element such as Co, Fe, Ni, or Mn. Examples include Ni, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, NiB, CoFeB, MnAl, and the like. Nonmagnetic elements such as B, V, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, Pd, Pt, and Ir may be further included.
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) may be composed of a single layer or a laminate. A laminated film of a layer containing Fe and a layer containing FeB or CoB is exemplified.
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) may be the same material, have the same composition, or have the same saturation magnetization M s , or have different materials, different compositions. Or may have a different saturation magnetization M s .
  • Thickness t 2 of the thickness t 1 of the first magnetic layer (3) (nm) and the second magnetic layer (5) (nm) is provided between the junction size D of the magnetoresistive element (nm) , D ⁇ t 1 and D ⁇ t 2 , or D ⁇ t 1 and D ⁇ t 2 . Details of the relationship will be described later.
  • the junction size is the length of the longest straight line on the end surface perpendicular to the thickness direction of the magnetic layer, i.e., the junction surface in contact with the adjacent nonmagnetic layer or electrode. In the case of a circle, the diameter is the same. In the case of an ellipse, the major axis is used.
  • the film thickness t 1 , the film thickness t 2 and the junction size D is established, for example, even if the junction size is 40 nm or less, 15 nm or less, or 10 nm or less, the film surface has perpendicular magnetic anisotropy and is necessary. Thermal stability can be obtained. The reason for this effect will also be described later.
  • the bonding size is desirably 40 nm or less.
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) are magnetically coupled in the antiparallel direction.
  • the nonmagnetic coupling layer (4) may be any layer that magnetically couples the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) in the antiparallel direction. It is preferable to include one or more of Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, V, Cr or an alloy thereof, and Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W are included. More preferably, Ru is more preferable.
  • the film thickness of the nonmagnetic coupling layer (4) may be within a range in which the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) are magnetically coupled in the antiparallel direction. Depending on the case, it may be 0.1 nm to 2 nm, preferably 0.3 nm to 1 nm. In the case of Ru, since the antiferromagnetic coupling magnetic field has a peak value in the vicinity of 0.4 nm or 0.9 nm, it is desirable to adjust the film thickness in this vicinity.
  • the second nonmagnetic layer (6) is made of an oxide film such as MgO or a metal nonmagnetic film such as Ta, W, Hf, or Mg.
  • the second nonmagnetic layer (6) functions as a tunnel junction layer, it is preferable that at least O (oxygen) be included.
  • Insulators containing oxygen such as MgO, MgAlO, Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO, Hf 2 O, etc. are exemplified so that the magnetoresistive change ratio is greatly expressed by the combination of the materials of the two end faces to be joined, and more desirable. MgO is used.
  • the magnetoresistive effect element of the present invention includes a nonmagnetic coupling layer (4) that magnetically couples the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) in the antiparallel direction.
  • a nonmagnetic coupling layer (4) that magnetically couples the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) in the antiparallel direction.
  • the leakage magnetic field is proportional to the product of the film thickness and the saturation magnetization, there is a problem that the leakage magnetic field increases when the film thickness is large.
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer Since the layer (5) is magnetically coupled in the antiparallel direction, the leakage magnetic field to the outside of the magnetoresistive element can be reduced. Furthermore, as shown in FIG. 21, when the junction size is small and the element interval is small, for example, the diameter is 15 nm, the element interval (corresponding to S in FIG. 21) is 15 nm, the magnetoresistive effect elements are arranged in 3 ⁇ 3.
  • the write current increases due to the influence of the leakage magnetic field if the distance between adjacent magnetoresistive elements decreases. Become.
  • This leakage magnetic field has an adverse effect such as tilting the magnetization direction of the magnetoresistive effect element which should be perpendicular to the film surface or increasing the write current.
  • the magnetoresistive effect element of the present invention which can reduce the leakage magnetic field and has high thermal stability due to the effect of shape anisotropy even in a small element and is not easily affected by the leakage magnetic field, even if highly integrated, Since the leakage magnetic field is small and the thermal stability is high, the influence on adjacent elements is small.
  • the film thickness t 1 (nm) and the film thickness t 2 (nm) of the magnetoresistive effect element of the present invention are D ⁇ t 1 and D between the junction size D (nm) of the magnetoresistive effect element.
  • ⁇ t 2 , or D ⁇ t 1 and D ⁇ t 2 This relational expression is established by the following facts.
  • the energy barrier E is the magnetic anisotropy energy density K and the recording. It is represented by the product of the volume V of the layer.
  • the magnetic anisotropy energy density K is expressed by the following equation 1 in the coordinates where the x-axis and y-axis are in the plane and the z-axis is in the direction perpendicular to the plane.
  • K i is the interfacial magnetic anisotropy energy density
  • t is the thickness of the recording layer
  • K b is the bulk magnetic anisotropy energy density derived from the magnetocrystalline anisotropy and magnetoelastic effect
  • N z and N x are the demagnetizing field coefficients of the z-axis and the x-axis
  • M s is the saturation magnetization of the recording layer
  • ⁇ 0 is the permeability of the vacuum.
  • the configuration of the magnetoresistive element of the present invention that is, the magnetic layer of the recording layer (A) is divided into the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5), and the magnetic layers are magnetically antiparallel to each other.
  • the conditions for the recording layer (A) to have perpendicular magnetic anisotropy when coupled and the magnetization direction is reversed will be described.
  • the magnetic anisotropic energy density of the recording layer (A) K is expressed as the following Equation 2.
  • Ku1 is the magnetic anisotropy energy density of the first magnetic layer (3)
  • Ku2 is the magnetic anisotropy energy density of the second magnetic layer (5)
  • Ki1 is the first magnetic layer (3).
  • K i2 is the interface magnetic anisotropy energy density of the second magnetic layer (5) and the second nonmagnetic layer (6)
  • K b1 is the bulk magnetic anisotropy energy density of the first magnetic layer (3)
  • K b2 is the bulk magnetic anisotropy energy density of the second magnetic layer (5)
  • N 1 is the first magnetic layer (3 )
  • N 2 is the demagnetizing factor of the second magnetic layer (5)
  • M s1 is the saturation magnetization of the first magnetic layer (3)
  • M s2 is the saturation of the second magnetic layer (5).
  • K i1 , K i2 , K b1 , and K b2 do not have to be 0, and have a perpendicular magnetic anisotropy when the number 2 is positive.
  • Equation 4 since M s1 , M s2 , ⁇ 0 , t 1 , and t 2 are always positive, the relationship of Equation 4 is established if the demagnetizing field coefficients N 1 and N 2 are negative. Therefore, the positive / negative of the demagnetizing factors N 1 and N 2 will be described in more detail.
  • the demagnetizing field is that of the magnetic field H d of the magnetic body portion, because the magnetization direction in the magnetic body portion (flux lines direction) and the direction of the magnetic field (the direction of magnetic field lines) are opposite, the demagnetizing field be called.
  • FIG. 22A shows magnetic flux lines connecting the outside and inside of the magnetic material, and FIG.
  • the demagnetizing factor N is a vector quantity, has components in the x, y, and z-axis directions, and is expressed as N x , N y , and N z , respectively, and has a relationship expressed by the equation (5).
  • N x , N y , and N z are determined by the shape of the magnetic material.
  • the orientation of the shape magnetic anisotropy was also examined, including the relationship between the z-axis direction (film thickness t) and the xy-axis direction (element in-plane direction).
  • N x N y
  • the shape has magnetic anisotropy in the vertical direction.
  • K in Equation 3 always takes a negative value and always has shape magnetic anisotropy in the in-plane direction.
  • ⁇ Category 5> In the case of t 2 ⁇ D ⁇ t 1 or t 1 ⁇ D ⁇ t 2 , the shape magnetic anisotropy in the vertical direction is obtained only when K in the formula 3 is positive.
  • Equation 6 It was obtained from the spheroid approximation and the flat ellipse approximation in which case the relationship of Equation 6 is satisfied within the range of t 2 ⁇ D ⁇ t 1 or t 1 ⁇ D ⁇ t 2 .
  • N When t> D, from the spheroid approximation, N has the relationship of the following equation (7), and when the equation of equation (7) is linearly approximated, there is a relationship of equation (8).
  • N has the following equation (9), and when the equation (9) is linearly approximated, there is a relationship of equation (10).
  • FIG. 23 is a plot of the relationship between the demagnetizing factor N and t / D from the equations (8) and (10).
  • t / D ⁇ 1 i.e., t ⁇ D
  • t / D> 1 i.e., t> D
  • Specific values can be derived from the approximate curve.
  • Equation 8 and Equation 10 substituting Equation 8 and Equation 10 into Equation 6 and if the relationship of Equation 6 is established, the shape magnetic anisotropy in the vertical direction is Have.
  • the respective demagnetizing factor N 1 and N 2 are read from FIG. 23 and substituted into Equation 6 together with each film thickness, and if it is in a negative range, it has perpendicular magnetic anisotropy.
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) are formed of different materials and different compositions, for example, the saturation magnetization M s1 of the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (3).
  • FIG. 24 shows a conceptual diagram of a region having shape magnetic anisotropy in the vertical direction in relation to the film thickness t 1 , the film thickness t 2 , and the junction size D. If the interface magnetic anisotropy energy density assumed to be 0 in the calculation is positive (K i1 , K i2 > 0), the region of the film thickness in the vertical direction may increase.
  • FIG. 2 shows the configuration of the second embodiment of the present invention.
  • the magnetoresistive element has the following structure: first reference layer (B1) / first nonmagnetic layer (2) / first magnetic layer (3) / nonmagnetic coupling layer (4) / second magnetic layer (5) / second nonmagnetic layer (6) / second reference layer (B2) are arranged adjacent to each other in order, and the first magnetic layer (3) / nonmagnetic coupling layer (4) /
  • the second magnetic layer (5) constitutes the recording layer (A).
  • the second embodiment has the same features as the first embodiment except for the following points.
  • the second reference layer (B2) is a material containing at least one 3d ferromagnetic transition metal element such as Co, Fe, Ni, Mn, and Co, Fe, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, CoFeB, FePt, TbTeCo, MnAl, MnGa etc. are mentioned. Nonmagnetic elements such as B, V, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, Pd, and Pt may be further included.
  • the second reference layer (B2) may be a single layer, or may be laminated or multilayered, or may be laminated with Pt, Pd, Cu, Ru, W, Ni, or a thin layer ferrimagnetic structure. Good.
  • the film thickness of the second reference layer (B2) is about 0.5 nm to 10 nm, depending on the material and the structure of the layer.
  • the magnetization direction of the second reference layer (B2) is fixed in the direction perpendicular to the film surface and faces the recording layer (A) in FIG. 2, but may be reversed. Furthermore, the magnetization direction of the first reference layer (B1) and the magnetization direction of the second reference layer (B2) are opposite (antiparallel).
  • the second nonmagnetic layer (6) is a tunnel junction layer made of an insulating layer, and preferably contains at least O (oxygen). Insulators containing oxygen such as MgO, Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO, Hf 2 O, etc. are exemplified so that the magnetoresistive change rate is greatly expressed by the combination of the materials of the two end faces to be joined, and more preferably MgO. Is used.
  • the film thickness of the second nonmagnetic layer (6) is preferably adjusted to a range of 0.1 to 10 nm, more preferably 0.2 nm to 5 nm, and still more preferably 0.5 nm to 2 nm.
  • the thickness of the first nonmagnetic layer (2) may be different from the thickness of the second nonmagnetic layer (6), and the material or composition of the first nonmagnetic layer (2). However, it may be different from the second nonmagnetic layer (6). *
  • the lower nonmagnetic electrode is opposite to the recording layer (A) of the first reference layer (B1), and the recording layer (A) of the second reference layer (B2) is opposite to the recording layer (A).
  • An upper nonmagnetic electrode is disposed on the side, and the magnetoresistive element is electrically connected to the selection transistor through the electrode.
  • FIG. 3 shows a basic configuration of the third embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive effect element is the same as that of the first embodiment except that the film thickness t 1 and the film thickness t 2 are equal, and has the same characteristics as those of the first embodiment except for the following points. .
  • the thickness t 2 of the thickness t 1 of the first magnetic layer (3) (nm) and the second magnetic layer (5) (nm) is the junction size D of the magnetoresistive element (nm)
  • the magnetic anisotropy energy density K always takes a positive value and has a perpendicular shape magnetic anisotropy.
  • FIG. 4 shows a basic configuration of the fourth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive effect element is the same as that of the second embodiment except that the film thickness t 1 and the film thickness t 2 are equal, and has the same characteristics as those of the second embodiment except for the following points. .
  • the thickness t 2 of the thickness t 1 of the first magnetic layer (3) (nm) and the second magnetic layer (5) (nm) is the junction size D of the magnetoresistive element (nm)
  • the magnetic anisotropy energy density K always takes a positive value and has a perpendicular shape magnetic anisotropy.
  • FIG. 5 shows a basic configuration of the fifth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is the same as that of the first embodiment except that the film thickness t 1 is smaller than the junction size D, and has the same characteristics as those of the first embodiment except for the following points.
  • the thickness t 2 of the thickness t 1 of the first magnetic layer (3) (nm) and the second magnetic layer (5) (nm) is the junction size D of the magnetoresistive element (nm)
  • D> t 1 and D ⁇ t 2 there is a relationship of D> t 1 and D ⁇ t 2 .
  • D> t 1 and D ⁇ t 2 N 1 > 0 and N 2 ⁇ 0, and if one is in the range satisfying Equation 6 or Equation 11, Even if the thickness of the magnetic layer is smaller than the junction size, the magnetic anisotropy energy density K takes a positive value and has a perpendicular shape magnetic anisotropy.
  • the junction size D is 10 nm
  • the film thickness t 2 is 15 nm
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) are made of the same material or the same composition (second magnetic layer (5 )
  • the thickness t 1 that is perpendicular magnetic anisotropy and the left side of Equation 11 The graph which showed the relationship is shown.
  • the film thickness t 1 that provides perpendicular magnetic anisotropy needs to be about 9 nm or more.
  • the junction size D is 10 nm
  • the film thickness t 2 is 15 nm
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) are made of different materials or different compositions (second magnetic layer (5 saturation magnetization M s2 of) is the case of the first magnetic layer (2 times the saturation magnetization M s1 of 3)), was determined thickness t 1 which is a perpendicular magnetic anisotropy the relationship between the left-hand side of Equation 11 A graph is shown.
  • the film thickness t 1 that provides perpendicular magnetic anisotropy needs to be about 6.5 nm or more.
  • FIG. 6 shows a basic configuration of the sixth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is the same as that of the second embodiment except that the film thickness t 1 is smaller than the junction size D, and has the same characteristics as those of the second embodiment except for the following points.
  • the thickness t 2 of the thickness t 1 of the first magnetic layer (3) (nm) and the second magnetic layer (5) (nm) is the junction size D of the magnetoresistive element (nm)
  • D> t 1 and D ⁇ t 2 there is a relationship of D> t 1 and D ⁇ t 2 .
  • D> t 1 and D ⁇ t 2 N 1 > 0 and N 2 ⁇ 0, and if one is in the range satisfying Equation 6 or Equation 11, Even if the thickness of the magnetic layer is smaller than the junction size, the magnetic anisotropy energy density K takes a positive value and has a perpendicular shape magnetic anisotropy.
  • the film thickness t 1 that provides perpendicular magnetic anisotropy needs to be about 9 nm or more.
  • the junction size D is 10 nm
  • the film thickness t 2 is 15 nm
  • the first magnetic layer (3) and the second magnetic layer (5) are made of different materials or different compositions (second magnetic layer (5 saturation magnetization M s2 of) is the case of the first magnetic layer (2 times the saturation magnetization M s1 of 3)), was determined thickness t 1 which is a perpendicular magnetic anisotropy the relationship between the left-hand side of Equation 11 A graph is shown.
  • the film thickness t 1 that provides perpendicular magnetic anisotropy needs to be about 6.5 nm or more.
  • FIG. 7 shows a basic configuration of the seventh embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is the same as that of the first embodiment except that the film thickness t 2 is smaller than the junction size D, and has the same characteristics as those of the first embodiment except for the following points.
  • the thickness t 2 of the thickness t 1 of the first magnetic layer (3) (nm) and the second magnetic layer (5) (nm) is the junction size D of the magnetoresistive element (nm)
  • D ⁇ t 1 and D> t 2 there is a relationship of D ⁇ t 1 and D> t 2 therebetween.
  • the magnetic anisotropy energy density K takes a positive value and has a perpendicular shape magnetic anisotropy.
  • FIG. 8 shows a basic configuration of the eighth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is the same as that of the second embodiment except that the film thickness t 2 is smaller than the junction size D, and has the same characteristics as those of the second embodiment except for the following points.
  • the thickness t 2 of the thickness t 1 of the first magnetic layer (3) (nm) and the second magnetic layer (5) (nm) is the junction size D of the magnetoresistive element (nm)
  • D ⁇ t 1 and D> t 2 there is a relationship of D ⁇ t 1 and D> t 2 therebetween.
  • D ⁇ t 1 and D> t 2 N 1 ⁇ 0 and N 2 > 0, and when one is in the range satisfying Equation 6 or Equation 11, Even if the thickness of the magnetic layer is smaller than the junction size, the magnetic anisotropy energy density K takes a positive value and has a perpendicular shape magnetic anisotropy.
  • FIG. 9 shows a basic configuration of the ninth embodiment of the present invention.
  • the basic structure of the magnetoresistive effect element is as follows: first reference layer (B1) / first nonmagnetic layer (2) / first divided magnetic layer (3a) / first nonmagnetic insertion layer (3b) / Second divided magnetic layer (3c) / nonmagnetic coupling layer (4) / third divided magnetic layer (5a) / second nonmagnetic insertion layer (5b) / fourth divided magnetic layer (5c) / second
  • the two nonmagnetic layers (6) are arranged adjacently in order, and the first divided magnetic layer (3a) / first nonmagnetic insertion layer (3b) / second divided magnetic layer (3c) / Nonmagnetic coupling layer (4) / third divided magnetic layer (5a) / second nonmagnetic insertion layer (5b) / fourth divided magnetic layer (5c) constitute the recording layer (A).
  • the ninth embodiment has the same features as the first embodiment except for the following points.
  • the first divided magnetic layer (3a), the second divided magnetic layer (3c), the third divided magnetic layer (5a), and the fourth divided magnetic layer (5c) are at least Co, Fe, Ni, Mn, etc.
  • a material containing at least one 3d ferromagnetic transition metal element such as Co, Fe, Ni, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, NiB, CoFeB, MnAl, and MnGa.
  • Nonmagnetic elements such as B, V, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, Pd, and Pt may be further included.
  • the ratio of the Fe composition of the first divided magnetic layer (3a) to the Fe composition of the second divided magnetic layer (3c) is greater than 1, or the Co composition of the first divided magnetic layer (3a)
  • the ratio of the second divided magnetic layer (3c) to the Co composition may be smaller than 1.
  • Strong interfacial magnetic coupling can be obtained by increasing Fe in the first divided magnetic layer (3a)
  • strong antiferromagnetic coupling can be achieved by increasing Co in the second divided magnetic layer (3c). This is because the operation of the magnetoresistive element is stabilized.
  • the ratio of the composition of Fe in the fourth divided magnetic layer (5c) to the composition of Fe in the third divided magnetic layer (5a) is greater than 1, or the fourth divided magnetic layer (5c)
  • the ratio of the composition of Co to the composition of the Co in the third divided magnetic layer (5a) may have a characteristic smaller than 1.
  • the first divided magnetic layer (3a) and the second divided magnetic layer (3c) are magnetically coupled in the parallel direction, and the third divided magnetic layer (5a) and the fourth divided magnetic layer (5c) are in the parallel direction.
  • the magnetization directions of the magnetic layers that are magnetically coupled and magnetically coupled in the parallel direction are reversed so as to be in the same direction.
  • the second divided magnetic layer (3c) and the third divided magnetic layer (5a) are magnetically coupled in the antiparallel direction by the nonmagnetic coupling layer (4).
  • the first divided magnetic layer (3a), the second divided magnetic layer (3c), the third divided magnetic layer (5a), and the fourth divided magnetic layer (5c) may be a single layer or a stacked layer. It may be. A laminated film of a layer containing Fe and a layer containing FeB or CoB is exemplified.
  • the first divided magnetic layer (3a), the second divided magnetic layer (3c), the third divided magnetic layer (5a), and the fourth divided magnetic layer (5c) are made of the same material and have the same composition. Alternatively, they may have the same saturation magnetization M s , different materials, different compositions, or different saturation magnetization M s .
  • the first nonmagnetic insertion layer (3b) and the second nonmagnetic insertion layer (5b) contain a nonmagnetic element and are at least one of Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, Ru, V, and C.
  • a configuration containing one or more elements is exemplified.
  • the film thicknesses of the first nonmagnetic insertion layer (3b) and the second nonmagnetic insertion layer (5b) are respectively adjacent to the first divided magnetic layer (3a) and the second divided magnetic layer (3c).
  • the third divided magnetic layer (5a) and the fourth divided magnetic layer (5c) are adjusted so as to maintain the magnetic coupling. It is preferably in the range of 0.1 nm to 2 nm, more preferably 0.1 nm to 0.5 nm.
  • the total film thickness t 2 (nm) has a relationship of D ⁇ t 1 and D ⁇ t 2 with the junction size D (nm) of the magnetoresistive element, or D ⁇ t 1 and D ⁇ It is formed so as to have a relation of t 2. If the relationship between the film thickness t 1 , the film thickness t 2 and the junction size D is established, for example, even when the junction size is 40 nm or less, 15 nm or less, or 10 nm or less, the film surface has perpendicular magnetic anisotropy.
  • the nonmagnetic coupling layer (4) may be any layer that couples the second divided magnetic layer (3c) and the third divided magnetic layer (5a) in antiparallel. It is preferable to include one or more of Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, V, Cr or an alloy thereof, and Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W are included. More preferably, Ru is more preferable.
  • the film thickness of the nonmagnetic coupling layer (4) may be within a range in which the second divided magnetic layer (3c) and the third divided magnetic layer (5a) are magnetically coupled in the antiparallel direction.
  • 0.1 nm to 2 nm preferably 0.3 nm to 1 nm is exemplified.
  • Ru since the antiferromagnetic coupling magnetic field has a peak at around 0.4 nm or 0.9 nm, it is desirable to adjust the film thickness around this.
  • FIG. 10 shows a basic configuration of the tenth embodiment of the present invention.
  • the basic structure of the magnetoresistive effect element is as follows: first reference layer (B1) / first nonmagnetic layer (2) / first divided magnetic layer (3a) / first nonmagnetic insertion layer (3b) / Second divided magnetic layer (3c) / nonmagnetic coupling layer (4) / third divided magnetic layer (5a) / second nonmagnetic insertion layer (5b) / fourth divided magnetic layer (5c) / second 2 nonmagnetic layers (6) / second reference layers (B2) are arranged adjacent to each other in order, and the first divided magnetic layer (3a) / first nonmagnetic insertion layer (3b) / The second divided magnetic layer (3c) / nonmagnetic coupling layer (4) / third divided magnetic layer (5a) / second nonmagnetic insertion layer (5b) / fourth divided magnetic layer (5c) are recorded.
  • Configure layer (A) The tenth embodiment has the same features as the first and
  • FIG. 11 shows a basic configuration of the eleventh embodiment of the present invention.
  • the basic structure of the magnetoresistive effect element is that the first reference layer (B1) of Embodiment 1 is further provided with a nonmagnetic insertion layer (1b) and a magnetic layer (1a) adjacent to the magnetic layer (1c).
  • the eleventh embodiment has the same features as the first embodiment except for the following points.
  • the two magnetic layers (1a, 1c) are materials containing at least one 3d ferromagnetic transition metal element such as Co, Fe, Ni, Mn, and the like.
  • Nonmagnetic elements such as B, V, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, Pd, and Pt may be further included.
  • the two magnetic layers (1a, 1c) may be a single layer, a laminate or a multilayer, a laminate with Pt, Ru, W, Ni or the like, or a thin layer ferri structure.
  • the magnetization directions of the two magnetic layers (1a, 1c) are fixed in the direction perpendicular to the film surface, and are opposite to each other (anti-parallel). In this way, by setting the magnetization direction in the first reference layer (B1) to an antiparallel coupling stacked structure, the magnetic field from the first reference layer (B1) can be weakened, and the thermal stability is improved. be able to.
  • the nonmagnetic insertion layer (1b) may be any layer that magnetically couples two adjacent magnetic layers (1a, 1c) in the antiparallel direction. It is preferable to include one or more of Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, V, Cr or an alloy thereof, and Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W are included. More preferably, Ru is more preferable.
  • the film thickness of the nonmagnetic insertion layer (1b) may be any film as long as it can magnetically couple two adjacent magnetic layers (1a, 1c) in the antiparallel direction. Illustrated is ⁇ 2 nm, preferably 0.3 nm to 1 nm. In the case of Ru, since the antiferromagnetic coupling has a peak value near 0.4 nm or 0.9 nm, it is desirable to adjust the film thickness around this.
  • the configuration of the recording layer of the eleventh embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration of the recording layer of the third to tenth embodiments may be applied.
  • FIG. 12 shows a basic configuration of the twelfth embodiment of the present invention.
  • the basic structure of the magnetoresistive effect element is that the second reference layer (B2) of Embodiment 2 is further provided with a nonmagnetic insertion layer (7b) and a magnetic layer (7c) adjacent to the magnetic layer (7a).
  • the twelfth embodiment has the same features as the eleventh embodiment except for the following points.
  • the two magnetic layers (7a, 7c) are materials containing at least one 3d ferromagnetic transition metal element such as Co, Fe, Ni, Mn, and the like.
  • Nonmagnetic elements such as B, V, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, Pd, and Pt may be further included.
  • the two magnetic layers (7a, 7c) may be a single layer, a laminate or a multilayer, a laminate with Pt, Ru, W, Ni, or the like, or a thin layer ferri structure.
  • the magnetization directions of the two magnetic layers (7a, 7c) are fixed in the direction perpendicular to the film surface and are opposite to each other (anti-parallel).
  • the magnetization directions of the magnetic layer (1c) as the first reference layer (B1) and the magnetic layer (7a) as the second reference layer (B2) are directed toward the recording layer (A). All the magnetic layers in the reference layer may be fixed in the direction opposite to that in FIG. In this way, by setting the magnetization direction in the reference layers (B1, B2) to an antiparallel coupled stacked structure, the magnetic field from the reference layers (B1, B2) can be weakened, and the thermal stability can be improved. it can.
  • the nonmagnetic insertion layer (7b) may be any layer that magnetically couples two adjacent magnetic layers (7a, 7c) in the antiparallel direction. It is preferable to include one or more of Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, V, Cr or an alloy thereof, and Ru, Cu, Ir, Pd, Ta, W are included. More preferably, Ru is more preferable.
  • the film thickness of the nonmagnetic insertion layer (7b) may be any film as long as it can magnetically couple two adjacent magnetic layers (7a, 7c) in the antiparallel direction. Illustrated is ⁇ 2 nm, preferably 0.3 nm to 1 nm. In the case of Ru, since the antiferromagnetic coupling has a peak value near 0.4 nm or 0.9 nm, it is desirable to adjust the film thickness around this.
  • the configuration of the recording layer of the twelfth embodiment is the same as that of the second embodiment, the configuration of the recording layer of the third to tenth embodiments may be applied.
  • One reference layer may be replaced with a configuration fixed in one direction as in the first embodiment.
  • FIG. 13 shows a basic configuration of the thirteenth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive effect element is that a magnetic layer (1e) as the first reference layer (B1) of Embodiment 1 is further added to a nonmagnetic insertion layer (1d), a magnetic layer (1c), and a nonmagnetic insertion layer. (1b) and a magnetic layer (1a) are provided adjacent to each other.
  • the thirteenth embodiment has the same characteristics as the eleventh embodiment except for the following points.
  • the nonmagnetic insertion layer (1d) includes a nonmagnetic element, and includes a configuration including at least one of Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, Ru, V, and C.
  • the film thickness of the nonmagnetic insertion layer (1d) is adjusted so as to maintain magnetic coupling with the two adjacent magnetic layers (1e, 1c). It is preferably in the range of 0.1 nm to 2 nm, more preferably 0.1 nm to 0.5 nm.
  • the magnetic layer (1e) is a material containing at least one 3d ferromagnetic transition metal element such as Co, Fe, Ni, and Mn, and Co, Fe, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, CoFeB, FePt, Examples include TbTeCo and MnAl. Nonmagnetic elements such as B, V, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, Pd, and Pt may be further included.
  • the magnetic layer (1e) may be a single layer, a laminate or a multilayer, a laminate with Pt, Ru, W, Ni or the like, or a thin layer ferri structure.
  • the film thickness of the magnetic layer (1e) is generally adjusted to about 0.1 nm to 10 nm depending on the material and the structure of the layer. Of the three magnetic layers, the magnetization directions of the two magnetic layers (1e, 1c) are the same.
  • FIG. 14 shows a basic configuration of the fourteenth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive effect element is that a magnetic layer (7e) as the second reference layer (B2) of Embodiment 2 is further added with a nonmagnetic insertion layer (7d), a magnetic layer (7a), and a nonmagnetic insertion layer. (7b) and a magnetic layer (7c) are provided adjacent to each other.
  • the fourteenth embodiment has the same features as the thirteenth embodiment except for the following points.
  • the nonmagnetic insertion layer (7d) includes a nonmagnetic element, and includes a configuration including at least one of Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, Ru, V, and C.
  • the film thickness of the nonmagnetic insertion layer (7d) is adjusted so as to maintain the magnetic coupling between the two adjacent magnetic layers (7e, 7a). It is preferably in the range of 0.1 nm to 2 nm, more preferably 0.1 nm to 0.5 nm.
  • the magnetic layer (7e, 7a) is a material containing at least one 3d ferromagnetic transition metal element such as Co, Fe, Ni, Mn, etc., and Co, Fe, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, CoFeB, FePt, TbTeCo, MnAl etc. are mentioned. Nonmagnetic elements such as B, V, Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, Pd, and Pt may be further included.
  • the magnetic layers (7e, 7a) may be composed of a single layer, may be laminated or multilayered, may be laminated with Pt, Ru, W, Ni, etc., or may be a thin layer ferri structure. Of the three magnetic layers, the magnetization directions of the two magnetic layers (7e, 7a) are the same.
  • the configuration of the recording layer of the fourteenth embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration of the recording layer of the second to tenth embodiments may be applied. Also, one reference layer may be replaced with the configuration of the reference layer of the second and twelfth embodiments.
  • FIG. 15 shows a basic configuration of the fifteenth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element has the same characteristics as those of the second embodiment except for the following points.
  • the recording layer (A) includes a non-magnetized film (8) on the outer periphery.
  • the non-magnetized film (8) is obtained by oxidizing or nitriding the surface of the recording layer (A), and the diameter of the recording layer (A) having magnetic properties can be physically reduced.
  • the effective diameter D1 of the element having the magnetic properties is smaller than the effective diameter D1
  • the film thickness t 2 (nm) of the layer (5) has a relationship of D1 ⁇ t 1 and D1 ⁇ t 2 with the effective diameter D1 (nm), or D1 ⁇ t 1 and D1 ⁇ It is formed so as to have a relation of t 2.
  • the non-magnetized film (8) oxidizes and nitrides the outer peripheral portion of the laminated recording layer (A), the effective diameter D1 is in the range of 0 ⁇ D1 ⁇ D. Therefore, in the fifteenth embodiment, the film thickness t 1 (nm) and the film thickness t 2 (nm) can be further reduced, and the element size can be further miniaturized.
  • the configuration of the fifteenth embodiment other than the non-magnetized film (8) is the same as that of the second embodiment, the configurations of the fourth to fourteenth embodiments may be applied.
  • FIG. 18 shows a basic configuration of the sixteenth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element has the same characteristics as those of the fifteenth embodiment except for the following points.
  • the first reference layer (B1) is further provided with a sidewall (9).
  • the sidewall (9) is provided to prevent the first reference layer (B1) from being deteriorated when the non-magnetized film (8) is provided, and is made of a material such as SiN, Al 2 O 3 , SiCN, or the like. Is used.
  • the thickness in the xy-axis direction of the sidewall (9) is adjusted in the range of 1 nm to 30 nm. Further, by providing the sidewall (9), the distance between the end portion on the reference layer side of the element and the end portion of the recording layer is increased, and the leakage magnetic field from the reference layer side can be reduced.
  • a sidewall (9) may be provided in the configuration of FIG. 16, or a sidewall (9) may be provided in the configuration of FIG. 17 as shown in FIG.
  • the configuration of the sixteenth embodiment other than the sidewall (9) is the same as that of the fifteenth embodiment, but the configurations of the second to fourteenth embodiments may be applied.
  • the magnetoresistive element of the present invention can reduce the leakage magnetic field even when the junction size is 15 nm or less and the element interval (corresponding to S in FIG. 21) is 15 nm or less. It has high thermal stability. In the magnetoresistive effect element of the present invention that is not easily affected by the leakage magnetic field, even if highly integrated, the leakage magnetic field is small and the thermal stability is high, so the influence on adjacent elements is small.
  • the layer configuration shown in each embodiment may be arranged adjacent to each other in order, and is not limited to a stacking method, a stacking order, an up / down / left / right direction, or the like.

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Abstract

反平行結合を有する記録層を用いた、形状磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供する。　磁気抵抗効果素子の第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）は強磁性体を含み、磁化方向は膜面垂直方向に可変であり、反平行方向に磁気結合し、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）の厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）と、第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有する構成を有する。

Description

磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
　本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。特に、基板面に対して垂直方向に形状磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子に関する。
　ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ；磁気メモリ）は、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；磁気トンネル接合）を利用した不揮発性メモリである。
　待機時に電力を消費せず、高速動作性及び高書込み耐性を有し、また、１０ｎｍ以下まで微細化可能であるＭＲＡＭは、次世代のメモリや論理集積回路として注目されている。
　ＭＲＡＭ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つの強磁性体を含む磁性層（参照層、記録層）の間に非磁性層（トンネル障壁層）が挟まれた構造を基本としている。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場合には小さくなり、反平行に配置される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。
　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ＩCが小さいこと、（ｉｉｉ）熱安定性指数Δが大きいこと、（ｉｖ）素子サイズが小さいこと（微細化されていること）である。（ｉ）は高速での読出しのため、（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、（ｉｖ）はＭＲＡＭの高集積化のために必要な特性である。
　本発明者らは、界面磁気異方性を主に利用するトンネル磁気接合を開発し、上記特性を様々な切り口で改善した磁気抵抗効果素子の微細化技術を多数確立している（非特許文献１、２、特許文献１、他多数）。
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, "MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure in magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis", IEEE Trans. Magn., 2013, 49, 4437
国際特許出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１７／００１６１７
　ところで、微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現するためには、記録されたビット情報を１０年間以上保持する不揮発性が必要である。そのため、強磁性体の記録層は、熱安定性指数Δが７０以上であることを求められている。
　ただし、上記のように熱安定性指数の値は単体メモリとしては７０以上の値が必要であるが、例えば、ＤＲＡＭ代替、ＳＲＡＭ代替として用いる場合は必ずしも７０以上である必要はなく、これ以下でも良い。
　非特許文献１には、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。
　また、非特許文献２には、二重のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面記録構造にして、記録層の接合サイズ直径が４０ｎｍ台のとき熱安定性指数Δが８０以上、接合サイズ直径が２９ｎｍのとき熱安定性指数Δが約５９であることが開示されている。
　また、素子サイズの間隔が約１５ｎｍ以下となると、隣接する素子からの漏れ磁界の影響によって書込み電流密度が高くなることや熱安定性が低下することが知られている。たとえば磁化方向が本来膜面垂直方向であるべき磁気抵抗効果素子が、隣接する磁気抵抗効果素子の漏れ磁界を受けた場合、漏れ磁界が反平行（逆向き）であれば、本来膜面垂直方向の磁気抵抗効果素子の磁化方向が傾く等、熱擾乱の原因となる。逆に漏れ磁界が平行（同じ向き）であれば、本来膜面垂直方向の磁気抵抗効果素子の書込み電流を増加させなければならなくなる等の悪影響を及ぼす。
　つまり、微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現するためには、磁気抵抗効果素子のより小さい接合サイズでの熱安定性をさらに向上するとともに素子からの漏れ磁界を小さくする必要がある。
　本発明は、上記実情に鑑み、反平行結合を有する記録層を用いた形状磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを見出し、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の参照層（Ｂ１）と、前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられる第１の非磁性層（２）と、前記第１の非磁性層（２）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性層（３）と、前記第１の磁性層（３）の前記第１の非磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる非磁性結合層（４）と、前記非磁性結合層（４）の前記第１の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の磁性層（５）と、前記第２の磁性層（５）の前記非磁性結合層（４）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（６）と、を備え、前記第１の参照層（Ｂ１）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）は、強磁性体を含み、磁化方向は膜面垂直方向に可変であり、反平行方向に磁気結合し、前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）の厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）と、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有することを特徴とする。
　前記第２の非磁性層（６）の前記第２の磁性層（５）とは反対側に隣接して設けられる第２の参照層（Ｂ２）をさらに備え、前記第２の参照層（Ｂ２）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、前記第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向と前記第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆方向であってもよい。
　前記第１の非磁性層（２）及び前記第２の非磁性層（６）は、Ｏを含んでもよい。
　前記非磁性結合層（４）は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、又はこれらの合金のいずれか１以上を含んでもよい。
　前記接合サイズＤが４０ｎｍ以下であってもよい。
　前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）、及び、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は１５ｎｍ以下であってもよい。
　前記第１の非磁性層（２）の膜厚と、前記第２の非磁性層（６）の膜厚は異なってもよい。
　前記第１の磁性層（３）は、第１の分割磁性層（３ａ）、第１の非磁性挿入層（３ｂ）、第２の分割磁性層（３ｃ）を含み、前記第１の分割磁性層（３ａ）は前記第１の非磁性層（２）及び前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）に隣接して設けられ、前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）は前記第１の分割磁性層（３ａ）及び前記第２の分割磁性層（３ｃ）に隣接して設けられ、前記第２の分割磁性層（３ｃ）は前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び前記非磁性結合層（４）に隣接して設けられ、前記第２の磁性層（５）は、第３の分割磁性層（５ａ）、第２の非磁性挿入層（５ｂ）、第４の分割磁性層（５ｃ）を含み、前記第３の分割磁性層（５ａ）は前記非磁性結合層（４）及び前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）に隣接して設けられ、前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）は前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）に隣接して設けられ、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）及び前記第２の非磁性層（６）に隣接して設けられ、前記第１の分割磁性層（３ａ）、前記第２の分割磁性層（３ｃ）、前記第３の分割磁性層（５ａ）、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅのいずれかを含み、前記第１の分割磁性層（３ａ）及び第２の分割磁性層（３ｃ）は平行方向に磁気結合し、前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）は平行方向に磁気結合し、前記第２の分割磁性層（３ｃ）及び前記第３の分割磁性層（５ａ）は反平行方向に磁気結合してもよい。
　前記第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第１の分割磁性層（３ａ）のＣｏの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏの組成に対する比は１より小さく、前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＦｅの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＣｏの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＣｏの組成に対する比は１より小さくてもよい。
　前記第１の磁性層（３）、前記非磁性結合層（４）及び前記第２の磁性層（５）の外周部に非磁性化膜（８）を含んでもよい。
　前記第１の参照層（Ｂ１）の外周に、サイドウォール（９）をさらに備えでもよい。
　本発明の磁気メモリは、上記磁気抵抗効果素子を備える。
　本発明によれば、微細な接合サイズであっても、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。また、漏れ磁界が小さく、また、漏れ磁界の影響を受けにくい磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。
本発明の磁気抵抗効果素子の構成の一例の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、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の、縦断面図である。 隣接する磁気抵抗効果素子との漏れ磁界を説明するイメージ図である。 反磁界及び反磁界の形状依存について説明する図である。 反磁界係数Ｎと、膜厚及び接合サイズとの関係を示すグラフである。 本発明の反平行方向に磁気結合する２つの磁性層の膜厚と接合サイズとの関係において、垂直磁気異方性を示す範囲を示す概念図である。 実施の形態５及び６の膜厚と垂直磁気異方性の範囲を示すグラフである。 実施の形態５及び６の膜厚と垂直磁気異方性の範囲を示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら、本発明の磁気抵抗効果素子について、詳細を説明する。
　なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
（実施の形態１）
　図１に、本発明の実施の形態１の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（２）／第１の磁性層（３）／非磁性結合層（４）／第２の磁性層（５）／第２の非磁性層（６）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（３）／非磁性結合層（４）／第２の磁性層（５）は記録層（Ａ）を構成する。
　第１の参照層（Ｂ１）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
　第１の参照層（Ｂ１）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。さらに、第１の参照層（Ｂ１）の第１の非磁性層（２）とは反対側に固定層等が隣接されていてもよい。
　第１の参照層（Ｂ１）の膜厚は、材料や層の構成によるが、概ね０．５ｎｍ～１０ｎｍ程度である。
　第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されており、図１では記録層（Ａ）側を向いているが、逆でもよい。
　第１の非磁性層（２）は、絶縁層からなるトンネル接合層であり、少なくともＯ（酸素）を含むことが望ましい。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、ＭｇＡｌＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が例示され、より望ましくはＭｇＯが用いられる。
　第１の非磁性層（２）の膜厚は、好ましくは０．１～１０ｎｍ、より好ましくは０．２ｎｍ～５ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ～２ｎｍの範囲に調整される。
　第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であることが好ましく、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ，ＭｎＡｌ等が例示される。Ｂ，Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
　第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）は、単層からなっていても、積層となっていてもよい。Ｆｅを含む層と、ＦｅＢ又はＣｏＢを含む層との積層膜が例示される。
　第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）は、同じ材料である、同じ組成である、あるいは同じ飽和磁化Ｍsを有してもよいし、異なる材料である、異なる組成である、あるいは異なる飽和磁化Ｍsを有してもよい。
　第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有するように形成される。関係の詳細は、後述する。
　なお、本発明において、接合サイズとは、磁性層の厚さ方向に垂直な端面、すなわち、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り、接合面が円形のときはその直径、楕円形のときはその長径、四角形のときはその対角線の長い方となる。
　上記、膜厚ｔ1、膜厚ｔ2と接合サイズＤとの関係が成り立てば、たとえば接合サイズが４０ｎｍ以下、１５ｎｍ以下、もしくは１０ｎｍ以下でも膜面に対し垂直磁気異方性を有し、必要な熱安定性を得ることができる。この効果が生じる理由も後述する。
　なお、接合サイズが大きする場合は、上記関係により膜厚も大きくする必要が生じ、素子加工が難しくなる。この加工上の観点から、接合サイズは４０ｎｍ以下であることが望ましい。
　第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）は、反平行方向に磁気結合している。
　非磁性結合層（４）は、第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）を反平行方向に磁気結合するものであればよい。Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金のいずれか１以上を含むことが好ましく、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗがより好ましく、Ｒｕがさらに好ましい。
　非磁性結合層（４）の膜厚は、第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）を反平行方向に磁気結合する範囲であればよく、素子構成材料や成膜条件によって異なるが、０．１ｎｍ～２ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ～１ｎｍが例示される。Ｒｕの場合、反強磁性結合磁界は０．４ｎｍあるいは０．９ｎｍ付近でピーク値を持つため、この付近の膜厚に調整されることが望ましい。
　第２の非磁性層（６）は、キャップ層として機能する場合、ＭｇＯなどの酸化膜やＴａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｍｇなどの金属非磁性膜からなる。
　第２の非磁性層（６）が、トンネル接合層として機能する場合、少なくともＯ（酸素）を含むことが望ましい。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、ＭｇＡｌＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が例示され、より望ましくはＭｇＯが用いられる。
　以下に、本発明及びその効果を詳述する。
　まず、本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）を反平行方向に磁気結合する非磁性結合層（４）を備える。
　この構成により、たとえば図１において、記録層（Ａ）側から第１の参照層（Ｂ１）に向かって注入された電流は、第２の磁性層（５）の磁化を反転した上、第１の非磁性層（２）で反射スピンが生成し、第１の磁性層（３）の磁化を、生成した反射スピンで反転する。このため、記録層（Ａ）の磁性層の磁化反転に必要な電流が約半分とすることが可能である。
　形状磁気異方性を用いる素子では、素子の直径より膜厚が厚い。従って、素子サイズが大きい領域では厚い膜厚が必要となる。漏れ磁界の大きさは膜厚と飽和磁化の積に比例するため膜厚が厚いと漏れ磁界が大きくなるという課題があった、本発明では、第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）が反平行方向に磁気結合することで、磁気抵抗効果素子の外部への漏れ磁界を低減することができる。さらに、図２１に示すように、たとえば直径１５ｎｍで、素子間隔（図２１のＳに相当）が１５ｎｍといった接合サイズが小さく、かつ、素子間隔が狭い場合に、磁気抵抗効果素子を３ｘ３で配列し、選択された中央の素子の磁化方向が平行であり、他の素子の磁化方向が反平行である場合、隣接する磁気抵抗効果素子どうしの距離が小さくなると、漏れ磁界の影響によって書込み電流が大きくなる。この漏れ磁界は、磁化方向が本来膜面垂直方向であるべき磁気抵抗効果素子の磁化方向を傾ける、あるいは書込み電流が大きくなる等の悪影響を及ぼす。しかしながら、漏れ磁界を低減でき、かつ、小さい素子でも形状異方性の効果で熱安定性が高く、漏れ磁界の影響を受けにくい本発明の磁気抵抗効果素子においては、高集積化されても、漏れ磁界が小さく、熱安定性も高いため隣接素子に対する影響が小さくなる。
　次に、本発明の磁気抵抗効果素子の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有するように形成される。この関係式は、以下の事実により成立する。
　磁気抵抗効果素子のビット情報の保持性能を決める、記録層として機能する磁性層の熱安定性指数Δ（＝Ｅ／ｋBＴ）において、エネルギー障壁Ｅは、磁気異方性エネルギー密度Ｋと記録層の体積Ｖとの積で表される。ここで、ｘ軸、ｙ軸を平面内、ｚ軸をその平面に垂直な方向にとった座標において、磁気異方性エネルギー密度Ｋは、以下の数１の式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度、ｔは記録層の膜厚、Ｋbは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、Ｎz及びＮxはそれぞれｚ軸及びｘ軸の反磁界係数、Ｍsは記録層の飽和磁化、μ0は真空の透磁率である。磁気異方性エネルギー密度Ｋ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。
　次に、本発明の磁気抵抗効果素子の構成、すなわち、記録層（Ａ）の磁性層が第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）に分かれ、互いに反平行方向に磁気結合して磁化方向が逆向きとなる場合に、該記録層（Ａ）が垂直磁気異方性を有するための条件について、説明する。
　記録層（Ａ）が、膜厚ｔ1の第１の磁性層（３）及び膜厚ｔ2の第２の磁性層（５）を備える場合、記録層（Ａ）の磁気異方性エネルギー密度Ｋは、以下の数２のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ただし、Ｋu1は第１の磁性層（３）の磁気異方性エネルギー密度、Ｋu2は第２の磁性層（５）の磁気異方性エネルギー密度、Ｋi1は第１の磁性層（３）と第１の非磁性層（２）の界面磁気異方性エネルギー密度、Ｋi2は第２の磁性層（５）と第２の非磁性層（６）の界面磁気異方性エネルギー密度、Ｋb1は第１の磁性層（３）のバルク磁気異方性エネルギー密度、Ｋb2は第２の磁性層（５）のバルク磁気異方性エネルギー密度、Ｎ1は第１の磁性層（３）の反磁界係数、Ｎ2は第２の磁性層（５）の反磁界係数、Ｍs1は第１の磁性層（３）の飽和磁化、Ｍs2は第２の磁性層（５）の飽和磁化である。
　ここで、計算をひとまず単純にするため、便宜上Ｋi1＝Ｋi2＝Ｋb1＝Ｋb2＝０とすると、数３のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ただし、実際にＫi1、Ｋi2、Ｋb1、Ｋb2は０でなくてもよく、数２が正の場合に垂直磁気異方性を有する。　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　数４において、Ｍs1、Ｍs2、μ0、ｔ1、ｔ2は常に正であるので、反磁界係数Ｎ1、Ｎ2が負であれば数４の関係が成り立つ。そこで反磁界係数Ｎ1、Ｎ2の正負について、さらに詳細に説明する。
　ここで、反磁界とは磁性体内部の磁界Ｈdのことであり、磁性体内部において磁化の向き（磁束線の向き）と磁界の向き（磁力線の向き）が逆であるため、反磁界と呼ばれる。図２２（ａ）は磁性体の外部と内部が繋がっている磁束線を示し、図２２（ｂ）は磁極が作る磁界による磁力線を示す。
　かかる反磁界Ｈdは磁化Ｍにより生じるので、磁化Ｍに比例し、μ0Ｈd＝－ＮＭの関係が成り立つ。この比例係数Ｎを反磁界係数という。
　反磁界係数Ｎはベクトル量であり、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の成分を有し、それぞれＮx、Ｎy、Ｎzと表され、数５の式の関係を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　Ｎx、Ｎy、Ｎzの値は磁性体の形状で決まる。ｚ軸方向（膜厚ｔ）とｘｙ軸方向（素子面内方向）との関係を含め、形状磁気異方性の向きを併せて検討した。
　図２２（ｃ）に示すように磁性体の形状が球の場合（Ｄ＝ｔの場合に相当）、形状は等方であるため、Ｎx＝Ｎy＝Ｎzとなり、数５の式と併せ、Ｎx＝Ｎy＝Ｎz＝1/3である。よって、Ｎ＝Ｎz－Ｎx＝０となり、形状磁気異方性を有しない。
　図２２（ｄ）に示すように磁性体の形状がｘｙ軸方向に扁平な磁性体の場合（Ｄ＞ｔの場合）、ｘｙ軸方向の磁極は離れているため、対応する反磁界係数はＮx＝Ｎy＝０であり、数５の式と併せ、Ｎz＝1である。よって、Ｎ＝Ｎz－Ｎx＝１＞０となり、面内方向の形状磁気異方性を有する。
　図２２（ｅ）に示すように磁性体の形状がｚ軸方向に長い磁性体の場合（Ｄ＜ｔの場合）、ｚ軸方向の磁極は離れているため対応する反磁界係数Ｎz＝０であり、ｘ軸とｙ軸は対称であるためＮx＝Ｎyとなり、数５の式と併せ、Ｎx＝Ｎy＝1/2である。よって、Ｎ＝Ｎz－Ｎx＝-1/2＜０となり、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
　次に、記録層が膜厚ｔ1の第１の磁性層（３）及び膜厚ｔ2の第２の磁性層（５）に分かれた場合の分類を行った。
＜分類１＞
　Ｄ＜ｔ1、かつ、Ｄ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０、Ｎ2＜０である。よって、数３の式中のＫは常に正の値を取り、常に垂直方向の形状磁気異方性を有する。
＜分類２＞
　Ｄ＝ｔ1、かつ、Ｄ＝ｔ2の場合、Ｎ1＝０、Ｎ2＝０である。よって、数３の式中のＫ＝０となり、形状磁気異方性を有しない。
＜分類３＞
　Ｄ＞ｔ1、かつ、Ｄ＞ｔ2の場合、Ｎ1＞０、Ｎ2＞０である。よって、数３の式中のＫは常に負の値を取り、常に面内方向の形状磁気異方性を有する。
＜分類４＞
　Ｄ＜ｔ1かつＤ＝ｔ2の場合、又は、Ｄ＝ｔ1かつＤ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０かつＮ2＝０、又は、Ｎ1＝０かつＮ2＜０である。よって、数３の式中のＫは常に正の値を取り、常に垂直方向の形状磁気異方性を有する。
＜分類５＞
　ｔ2＜Ｄ＜ｔ1、又は、ｔ1＜Ｄ＜ｔ2の場合、数３の式中のＫが正となるときのみ、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
　ここで、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が同一の材料、同一の組成で形成されている等、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1と及び第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が同じ場合（Ｍs1＝Ｍs2の場合）は、数４の式の両辺を－Ｍs1／２μ0ｔ1ｔ2で割ると、以下の数６の式のように表され、この関係を満たしたときに垂直方向の形状磁気異方性を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　数６の関係がｔ2＜Ｄ＜ｔ1、又は、ｔ1＜Ｄ＜ｔ2の範囲のうち、どのような場合に成立するかを回転楕円体近似及び扁平楕円近似から求めた。
　ｔ＞Ｄのとき、回転楕円体近似から、Ｎは以下の数７の式の関係があり、数７の式を線形近似すると数８の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　一方、ｔ＜Ｄのとき、扁平楕円体近似から、Ｎは以下の数９の式の関係があり、数９の式を線形近似すると数１０の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　数８及び数１０の式より、反磁界係数Ｎとｔ／Ｄの関係をプロットしたものが、図２３である。ｔ／Ｄ＜１すなわちｔ＜Ｄの場合は面内方向の形状磁気異方性を有し、ｔ／Ｄ＞１すなわちｔ＞Ｄの場合は垂直方向の形状磁気異方性を有するが、その具体的な値を近似曲線から導くことができる。
　ｔ2＜Ｄ＜ｔ1、又は、ｔ1＜Ｄ＜ｔ2の場合、数８及び数１０を数６に代入し、数６の関係が成立すれば、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
　簡易的には、図２３からそれぞれの反磁界係数Ｎ1とＮ2を読み取り、各膜厚とともに数６に代入し、負になる範囲であれば、垂直磁気異方性を有する。
　また、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が異なる材料、異なる組成で形成されている等、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1と及び第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が異なる場合（Ｍs2＝ａＭs1の場合。ａは定数）は、数４のＭs2にａＭs1を代入し、両辺を－Ｍs1／２μ0ｔ1ｔ2で割ると、以下の数１１の式で表され、この関係を満たしたときに垂直方向の形状磁気異方性を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　異なる材料、異なる組成で形成されている等、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1と及び第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が異なる場合も、数８及び数１０を数１１に代入し、数１１の関係が成立すれば、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
　以上、＜分類１＞～＜分類５＞の解析から、少なくとも＜分類１＞及び＜分類４＞の関係を満たす、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の範囲において、常に垂直方向に形状磁気異方性を有すると言え、＜分類５＞の解析から、たとえ膜厚ｔ1又は膜厚ｔ2のどちらかが接合サイズＤより小さくても、数６又は数１１の範囲においては垂直方向の形状磁気異方性を有することが分かる。
　膜厚ｔ1と膜厚ｔ2、及び接合サイズＤとの関係で、垂直方向に形状磁気異方性になる領域の概念図を示したのが、図２４である。
　なお、計算で０と仮定した界面磁気異方性エネルギー密度が正の場合（Ｋi1、Ｋi2＞０）、垂直方向となる膜厚の領域は増えることが考えられる。
（実施の形態２）
　図２に、本発明の実施の形態２の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（２）／第１の磁性層（３）／非磁性結合層（４）／第２の磁性層（５）／第２の非磁性層（６）／第２の参照層（Ｂ２）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（３）／非磁性結合層（４）／第２の磁性層（５）は記録層（Ａ）を構成する。
　実施の形態２は、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
　第２の参照層（Ｂ２）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ，ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
　第２の参照層（Ｂ２）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
　第２の参照層（Ｂ２）の膜厚は、材料や層の構成によるが、概ね０．５ｎｍ～１０ｎｍ程度である。
　第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されており、図２では記録層（Ａ）側に向いているが、逆でもよい。さらに第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向と第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆向き（反平行）である。
　第２の非磁性層（６）は、絶縁層からなるトンネル接合層であり、少なくともＯ（酸素）を含むことが望ましい。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例示され、より望ましくはＭｇＯが用いられる。
　第２の非磁性層（６）の膜厚は、好ましくは０．１～１０ｎｍ、より好ましくは０．２ｎｍ～５ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ～２ｎｍの範囲に調整される。
　また、第１の非磁性層（２）の膜厚は、第２の非磁性層（６）の膜厚と異なっていてもよく、また、第１の非磁性層（２）の材質あるいは組成が、第２の非磁性層（６）と異なっていてもよい。　
　なお、図示しないが、通常、第１の参照層（Ｂ１）の記録層（Ａ）とは反対側には下部非磁性電極、第２の参照層（Ｂ２）の記録層（Ａ）とは反対側には上部非磁性電極が配置され、磁気抵抗効果素子は該電極を介して選択トランジスタと電気的に接続される。
（実施の形態３）
　図３に、本発明の実施の形態３の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ1及び膜厚ｔ2が等しい点を除いて実施の形態１と同じであり、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
　すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1、Ｄ＜ｔ2、かつ、ｔ1＝ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＜ｔ1、かつ、Ｄ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０、Ｎ2＜０であるため、２つの磁性層の膜厚が同じ（ｔ1＝ｔ2）であっても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは常に正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
（実施の形態４）
　図４に、本発明の実施の形態４の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ1及び膜厚ｔ2が等しい点を除いて実施の形態２と同じであり、以下の点を除き、実施の形態２と同様の特徴を有する。
　すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1、Ｄ＜ｔ2、かつ、ｔ1＝ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＜ｔ1、かつ、Ｄ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０、Ｎ2＜０であるため、２つの磁性層の膜厚が同じ（ｔ1＝ｔ2）であっても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは常に正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
（実施の形態５）
　図５に、本発明の実施の形態５の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ1が接合サイズＤより小さい点を除いて実施の形態１と同じであり、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
　すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の場合、Ｎ1＞０かつＮ2＜０であり、数６もしくは数１１の式を満たす範囲にある場合は、片方の磁性層の膜厚が接合サイズより小さくても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
　図２５に、接合サイズＤが１０ｎｍ、膜厚ｔ2が１５ｎｍ、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が同一の材料あるいは同一の組成（第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1と同じ、すなわちａ＝１）の場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1と数１１の左辺との関係を示したグラフを示す。この場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1は約９ｎｍ以上であることが必要である。
　図２６に、接合サイズＤが１０ｎｍ、膜厚ｔ2が１５ｎｍ、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が異なる材料あるいは異なる組成の材料（第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1の２倍）の場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1を数１１の左辺との関係から求めたグラフを示す。この場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1は約６．５ｎｍ以上であることが必要である。
（実施の形態６）
　図６に、本発明の実施の形態６の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ1が接合サイズＤより小さい点を除いて実施の形態２と同じであり、以下の点を除き、実施の形態２と同様の特徴を有する。
　すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の場合、Ｎ1＞０かつＮ2＜０であり、数６もしくは数１１の式を満たす範囲にある場合は、片方の磁性層の膜厚が接合サイズより小さくても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
　図２５に、接合サイズＤが１０ｎｍ、膜厚ｔ2が１５ｎｍ、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が同一の材料あるいは同一の組成の場合（ａ＝１）、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1と数１１の左辺との関係を示したグラフを示す。この場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1は約９ｎｍ以上であることが必要である。
　図２６に、接合サイズＤが１０ｎｍ、膜厚ｔ2が１５ｎｍ、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が異なる材料あるいは異なる組成の材料（第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1の２倍）の場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1を数１１の左辺との関係から求めたグラフを示す。この場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1は約６．５ｎｍ以上であることが必要である。
（実施の形態７）
　図７に本発明の実施の形態７の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ2が接合サイズＤより小さい点を除いて実施の形態１と同じであり、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
　すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ＞ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０かつＮ2＞０であり、数６もしくは数１１の式を満たす範囲にある場合は、片方の磁性層の膜厚が接合サイズより小さくても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
（実施の形態８）
　図８に本発明の実施の形態８の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ2が接合サイズＤより小さい点を除いて実施の形態２と同じであり、以下の点を除き、実施の形態２と同様の特徴を有する。
　すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ＞ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＜ｔ1かつＤ＞ｔ2の場合、Ｎ1＜０かつＮ2＞０であり、数６もしくは数１１の式を満たす範囲にある場合は、片方の磁性層の膜厚が接合サイズより小さくても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
（実施の形態９）
　図９に、本発明の実施の形態９の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（２）／第１の分割磁性層（３ａ）／第１の非磁性挿入層（３ｂ）／第２の分割磁性層（３ｃ）／非磁性結合層（４）／第３の分割磁性層（５ａ）／第２の非磁性挿入層（５ｂ）／第４の分割磁性層（５ｃ）／第２の非磁性層（６）が順に隣接して配置されたものであり、第１の分割磁性層（３ａ）／第１の非磁性挿入層（３ｂ）／第２の分割磁性層（３ｃ）／非磁性結合層（４）／第３の分割磁性層（５ａ）／第２の非磁性挿入層（５ｂ）／第４の分割磁性層（５ｃ）は記録層（Ａ）を構成する。
　実施の形態９は、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
　第１の分割磁性層（３ａ）、第２の分割磁性層（３ｃ）、第３の分割磁性層（５ａ）及び第４の分割磁性層（５ｃ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ，ＭｎＡｌ、ＭｎＧａが例示される。Ｂ，Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
　第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅの組成の、第２の分割磁性層（３ｃ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、第１の分割磁性層（３ａ）のＣｏの組成の、第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏの組成に対する比は１より小さい特徴を有してもよい。第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅを多くすることで強い界面磁気結合を得ることができ、また、第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏを多くすることで強い反強磁性結合を得ることができるため、磁気抵抗効果素子の動作が安定するからである。
　同様な理由で、第４の分割磁性層（５ｃ）のＦｅの組成の、第３の分割磁性層（５ａ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、第４の分割磁性層（５ｃ）のＣｏの組成の、第３の分割磁性層（５ａ）のＣｏの組成に対する比は１より小さい特徴を有してもよい。
　第１の分割磁性層（３ａ）と第２の分割磁性層（３ｃ）は平行方向に磁気結合し、第３の分割磁性層（５ａ）と第４の分割磁性層（５ｃ）は平行方向に磁気結合し、平行方向に磁気結合した磁性層の磁化方向は同じ向きになるように反転する。
　第２の分割磁性層（３ｃ）と第３の分割磁性層（５ａ）は、非磁性結合層（４）により反平行方向に磁気結合する。
　第１の分割磁性層（３ａ）、第２の分割磁性層（３ｃ）、第３の分割磁性層（５ａ）及び第４の分割磁性層（５ｃ）は、単層からなっていても、積層となっていてもよい。Ｆｅを含む層と、ＦｅＢ又はＣｏＢを含む層との積層膜が例示される。
　第１の分割磁性層（３ａ）、第２の分割磁性層（３ｃ）、第３の分割磁性層（５ａ）及び第４の分割磁性層（５ｃ）は、同じ材料である、同じ組成である、あるいは同じ飽和磁化Ｍsを有してもよいし、異なる材料である、異なる組成である、あるいは異なる飽和磁化Ｍsを有してもよい。
　第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び第２の非磁性挿入層（５ｂ）は、非磁性元素を含み、少なくともＴａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｖ、Ｃのいずれか１以上の元素を含む構成が例示される。
　第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び第２の非磁性挿入層（５ｂ）の膜厚はそれぞれ、隣接する第１の分割磁性層（３ａ）と第２の分割磁性層（３ｃ）、隣接する第３の分割磁性層（５ａ）と第４の分割磁性層（５ｃ）との磁気的結合を保つように調整される。０．１ｎｍ～２ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．１ｎｍ～０．５ｎｍがより好ましい。
　第１の分割磁性層（３ａ）及び第２の分割磁性層（３ｃ）の合計の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第３の分割磁性層（５ａ）及び第４の分割磁性層（５ｃ）の合計の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有するように形成される。
　上記、膜厚ｔ1、膜厚ｔ2と接合サイズＤとの関係が成り立てば、たとえば接合サイズが４０ｎｍ以下、１５ｎｍ以下、もしくは１０ｎｍ以下でも膜面に対し垂直磁気異方性を有する。
　非磁性結合層（４）は、第２の分割磁性層（３ｃ）と第３の分割磁性層（５ａ）を反平行に結合するものであればよい。Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金のいずれか１以上を含むことが好ましく、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗがより好ましく、Ｒｕがさらに好ましい。
　非磁性結合層（４）の膜厚は、第２の分割磁性層（３ｃ）と第３の分割磁性層（５ａ）を反平行方向に磁気結合する範囲であればよく、素子構成材料や成膜条件によって異なるが、０．１ｎｍ～２ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ～１ｎｍが例示される。Ｒｕの場合、反強磁性結合磁界は０．４ｎｍあるいは０．９ｎｍ付近でピークを有するため、この付近の膜厚に調整されることが望ましい。
（実施の形態１０）
　図１０に、本発明の実施の形態１０の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（２）／第１の分割磁性層（３ａ）／第１の非磁性挿入層（３ｂ）／第２の分割磁性層（３ｃ）／非磁性結合層（４）／第３の分割磁性層（５ａ）／第２の非磁性挿入層（５ｂ）／第４の分割磁性層（５ｃ）／第２の非磁性層（６）／第２の参照層（Ｂ２）が順に隣接して配置されたものであり、第１の分割磁性層（３ａ）／第１の非磁性挿入層（３ｂ）／第２の分割磁性層（３ｃ）／非磁性結合層（４）／第３の分割磁性層（５ａ）／第２の非磁性挿入層（５ｂ）／第４の分割磁性層（５ｃ）は記録層（Ａ）を構成する。
　実施の形態１０は、実施の形態１及び９と同様の特徴を有する。
（実施の形態１１）
　図１１に、本発明の実施の形態１１の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、実施の形態１の第１の参照層（Ｂ１）として磁性層（１ｃ）にさらに非磁性挿入層（１ｂ）、磁性層（１ａ）を隣接して設けたものである。
　実施の形態１１は、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
　２つの磁性層（１ａ、１ｃ）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
　２つの磁性層（１ａ、１ｃ）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
　２つの磁性層（１ａ、１ｃ）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されており、互いに逆向き（反平行）である。
　このように、第１の参照層（Ｂ１）内の磁化方向を反平行結合積層構造にすることにより、第１の参照層（Ｂ１）からの磁界を弱めることができ、熱安定性を改善することができる。
　非磁性挿入層（１ｂ）は、隣接する２つの磁性層（１ａ、１ｃ）を反平行方向に磁気結合するものであればよい。Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金のいずれか１以上を含むことが好ましく、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗがより好ましく、Ｒｕがさらに好ましい。
　非磁性挿入層（１ｂ）の膜厚は、隣接する２つの磁性層（１ａ、１ｃ）を反平行方向に磁気結合するものであればよく、素子構成材料や成膜条件によって異なるが０．１ｎｍ～２ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ～１ｎｍが例示される。Ｒｕの場合、反強磁性結合は０．４ｎｍあるいは０．９ｎｍ付近でピーク値を持つため、この付近の膜厚に調整されることが望ましい。
　なお、実施の形態１１の記録層の構成を、実施の形態１と同じにしたが、実施の形態３～１０の記録層の構成を当て嵌めてもよい。
（実施の形態１２）
　図１２に、本発明の実施の形態１２の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、実施の形態２の第２の参照層（Ｂ２）として磁性層（７ａ）にさらに非磁性挿入層（７ｂ）、磁性層（７ｃ）を隣接して設けたものである。
　実施の形態１２は、以下の点を除き、実施の形態１１と同様の特徴を有する。
　２つの磁性層（７ａ、７ｃ）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
　２つの磁性層（７ａ、７ｃ）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
　２つの磁性層（７ａ、７ｃ）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されており、互いに逆向き（反平行）である。図１２では、第１の参照層（Ｂ１）としての磁性層（１ｃ）及び第２の参照層（Ｂ２）としての磁性層（７ａ）の磁化方向は記録層（Ａ）側に向いているが、参照層中の磁性層全てを図１２とは逆方向に固定してもよい。
　このように、参照層（Ｂ１、Ｂ２）内の磁化方向を反平行結合積層構造にすることにより、参照層（Ｂ１、Ｂ２）からの磁界を弱めることができ、熱安定性を改善することができる。
　非磁性挿入層（７ｂ）は、隣接する２つの磁性層（７ａ、７ｃ）を反平行方向に磁気結合するものであればよい。Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金のいずれか１以上を含むことが好ましく、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗがより好ましく、Ｒｕがさらに好ましい。
　非磁性挿入層（７ｂ）の膜厚は、隣接する２つの磁性層（７ａ、７ｃ）を反平行方向に磁気結合するものであればよく、素子構成材料や成膜条件によって異なるが０．１ｎｍ～２ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ～１ｎｍが例示される。Ｒｕの場合、反強磁性結合は０．４ｎｍあるいは０．９ｎｍ付近でピーク値を持つため、この付近の膜厚に調整されることが望ましい。
　なお、実施の形態１２の記録層の構成を、実施の形態２と同じにしたが、実施の形態３～１０の記録層の構成を当て嵌めてもよい。また、一方の参照層を、実施の形態１のように一方向に固定した構成に置き換えてもよい。
（実施の形態１３）
　図１３に、本発明の実施の形態１３の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、実施の形態１の第１の参照層（Ｂ１）としての磁性層（１ｅ）にさらに非磁性挿入層（１ｄ）、磁性層（１ｃ）、非磁性挿入層（１ｂ）、磁性層（１ａ）を隣接して設けたものである。
　実施の形態１３は、以下の点を除き、実施の形態１１と同様の特徴を有する。
　非磁性挿入層（１ｄ）は、非磁性元素を含み、少なくともＴａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｖ、Ｃのいずれか１以上の元素を含む構成が例示される。
　非磁性挿入層（１ｄ）の膜厚は、隣接する２つの磁性層（１ｅ、１ｃ）と磁気的結合を保つように調整される。０．１ｎｍ～２ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．１ｎｍ～０．５ｎｍがより好ましい。
　磁性層（１ｅ）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
　磁性層（１ｅ）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
　磁性層（１ｅ）の膜厚は、材料や層の構成によるが、概ね０．１ｎｍ～１０ｎｍ程度に調整される。
　３つの磁性層のうち、２つの磁性層（１ｅ、１ｃ）の磁化方向は同じ向きである。
　なお、実施の形態１３の記録層の構成を、実施の形態１と同じにしたが、実施の形態２～１０の記録層の構成を当て嵌めてもよい。
（実施の形態１４）
　図１４に、本発明の実施の形態１４の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、実施の形態２の第２の参照層（Ｂ２）としての磁性層（７ｅ）にさらに非磁性挿入層（７ｄ）、磁性層（７ａ）、非磁性挿入層（７ｂ）、磁性層（７ｃ）を隣接して設けたものである。
　実施の形態１４は、以下の点を除き、実施の形態１３と同様の特徴を有する。
　非磁性挿入層（７ｄ）は、非磁性元素を含み、少なくともＴａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｖ、Ｃのいずれか１以上の元素を含む構成が例示される。
　非磁性挿入層（７ｄ）の膜厚は、隣接する２つの磁性層（７ｅ、７ａ）との磁気的結合を保つように調整される。０．１ｎｍ～２ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．１ｎｍ～０．５ｎｍがより好ましい。
　磁性層（７ｅ，７ａ）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
　磁性層（７ｅ，７ａ）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
　３つの磁性層のうち、２つの磁性層（７ｅ、７ａ）の磁化方向は同じ向きである。
　なお、実施の形態１４の記録層の構成を、実施の形態１と同じにしたが、実施の形態２～１０の記録層の構成を当て嵌めてもよい。また、一方の参照層を、実施の形態２、１２の参照層の構成に置き換えてもよい。
（実施の形態１５）
　図１５に、本発明の実施の形態１５の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、以下の点を除き、実施の形態２と同様の特徴を有する。
　記録層（Ａ）は、外周部に非磁性化膜（８）を含む。該非磁性化膜（８）は記録層（Ａ）の表面を酸化、窒化すること等で得られ、記録層（Ａ）の磁気的性質を有する部分の径を物理的に減らすことができる。
　この場合、素子の磁気的性質を有する部分の実効的な直径Ｄ１は実効的な直径Ｄ１より小さくなり、また、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、実効的な直径Ｄ１（ｎｍ）との間に、Ｄ１＜ｔ1かつＤ１≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ１≦ｔ1かつＤ１＜ｔ2の関係を有するように形成される。また、非磁性化膜（８）は積層された記録層（Ａ）の外周部を酸化、窒化するため、実効的な直径Ｄ１は０＜Ｄ１＜Ｄの範囲となる。
　このため、実施の形態１５では、膜厚ｔ1（ｎｍ）や膜厚ｔ2（ｎｍ）をより小さくすることができ、素子サイズのより微細化が可能となる。
　なお、図１６に示すように、実施の形態１５の構成のうち、第２の参照層（Ｂ２）を除いたものであってもよい。垂直方向に形状磁気異方性を有し、かつ、２つの磁性層は反平行方向に磁気結合することができるため、熱安定性指数Δを高めることができる。
　さらに、図１７に示すように、実施の形態１５の構成のうち、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（２）、第１の磁性層（３）、及び、キャップ層として機能する第２の非磁性層（６）の磁気トンネル接合の基本構造だけであってもよい。垂直方向に形状磁気異方性を有するため、素子サイズが小さくなっても熱安定性指数Δを高めることができる。
　なお、非磁性化膜（８）以外の実施の形態１５の構成を、実施の形態２と同じにしたが、実施の形態４～１４の構成を当て嵌めてもよい。
（実施の形態１６）
　図１８に、本発明の実施の形態１６の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、以下の点を除き、実施の形態１５と同様の特徴を有する。
　第１の参照層（Ｂ１）さらにサイドウォール（９）を備える。該サイドウォール（９）は、非磁性化膜（８）を設ける際に、第１の参照層（Ｂ１）の劣化を防止するために備えられ、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣＮ、等の材料が使用される。サイドウォール（９）のｘｙ軸方向厚みは１ｎｍ～３０ｎｍの範囲に調整される。
　また、サイドウォール（９）を備えることにより、素子の参照層側の端部と記録層の端部の距離が離れ、参照層側からの漏れ磁界を低減させることができる。
　なお、図１９に示すように図１６の構成にサイドウォール（９）を備えてもよいし、図２０に示すように図１７の構成にサイドウォール（９）を備えてもよい。さらには、サイドウォール（９）以外の実施の形態１６の構成を、実施の形態１５と同じにしたが、実施の形態２～１４の構成を当て嵌めてもよい。
　さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、たとえば接合サイズが１５ｎｍ以下、素子間隔（図２１のＳに相当）が１５ｎｍ以下でも、漏れ磁界を低減でき、かつ、小さい素子でも形状異方性の効果で熱安定性が高いものである。漏れ磁界の影響を受けにくい本発明の磁気抵抗効果素子においては、高集積化されても、漏れ磁界が小さく、熱安定性も高いため隣接素子に対する影響が小さくなる。
　各実施の形態において示した層構成は順に隣接して配置していればよく、積層方法、積層順序、上下左右の向き等限定されない。
　Ｂ１　第１の参照層
　　１、１ａ、１ｃ、１ｅ　　磁性層
　　１ｂ、１ｄ　　　　　　　非磁性挿入層
　２　　第１の非磁性層
　Ａ　　記録層
　　３　　第１の磁性層
　　３ａ　　第１の分割磁性層
　　３ｂ　　第１の非磁性挿入層
　　３ｃ　　第２の分割磁性層
　　４　　非磁性結合層
　　５　　第２の磁性層
　　５ａ　　第３の分割磁性層
　　５ｂ　　第２の非磁性挿入層
　　５ｃ　　第４の分割磁性層
　６　　第２の非磁性層
　Ｂ２　第２の参照層
　　７、７ａ、７ｃ、７ｅ　　磁性層
　　７ｂ、７ｄ　　　　　　　非磁性挿入層
　８　　非磁性化膜
　９　　サイドウォール

Claims (13)

  1. 　第１の参照層（Ｂ１）と、
    　前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられる第１の非磁性層（２）と、
    　前記第１の非磁性層（２）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性層（３）と、
    　前記第１の磁性層（３）の前記第１の非磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる非磁性結合層（４）と、
    　前記非磁性結合層（４）の前記第１の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の磁性層（５）と、
    　前記第２の磁性層（５）の前記非磁性結合層（４）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（６）と、
    を備え、
    　前記第１の参照層（Ｂ１）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、
    　前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）は、強磁性体を含み、磁化方向は膜面垂直方向に可変であり、反平行方向に磁気結合し、
    　前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）の厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）と、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）との間に、
    　Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有する、磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記第２の非磁性層（６）の前記第２の磁性層（５）とは反対側に隣接して設けられる第２の参照層（Ｂ２）をさらに備え、
    　前記第２の参照層（Ｂ２）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、前記第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向と前記第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆方向である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記第１の非磁性層（２）及び前記第２の非磁性層（６）は、Ｏを含む、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記非磁性結合層（４）は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、又はこれらの合金のいずれか１以上を含む、請求項１～３いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記接合サイズＤが４０ｎｍ以下である、請求項１～４いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）、及び、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は１５ｎｍ以下である、請求項１～５いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　前記第１の非磁性層（２）の膜厚と、前記第２の非磁性層（６）の膜厚は異なる、請求項１～６いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 　前記第１の磁性層（３）は、第１の分割磁性層（３ａ）、第１の非磁性挿入層（３ｂ）、第２の分割磁性層（３ｃ）を含み、前記第１の分割磁性層（３ａ）は前記第１の非磁性層（２）及び前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）に隣接して設けられ、前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）は前記第１の分割磁性層（３ａ）及び前記第２の分割磁性層（３ｃ）に隣接して設けられ、前記第２の分割磁性層（３ｃ）は前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び前記非磁性結合層（４）に隣接して設けられ、
    　前記第２の磁性層（５）は、第３の分割磁性層（５ａ）、第２の非磁性挿入層（５ｂ）、第４の分割磁性層（５ｃ）を含み、前記第３の分割磁性層（５ａ）は前記非磁性結合層（４）及び前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）に隣接して設けられ、前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）は前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）に隣接して設けられ、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）及び前記第２の非磁性層（６）に隣接して設けられ、
    　前記第１の分割磁性層（３ａ）、前記第２の分割磁性層（３ｃ）、前記第３の分割磁性層（５ａ）、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅのいずれかを含み、
    　前記第１の分割磁性層（３ａ）及び第２の分割磁性層（３ｃ）は平行方向に磁気結合し、
    　前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）は平行方向に磁気結合し、
    　前記第２の分割磁性層（３ｃ）及び前記第３の分割磁性層（５ａ）は反平行方向に磁気結合する、請求項１～７いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 　前記第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第１の分割磁性層（３ａ）のＣｏの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏの組成に対する比は１より小さく、
    　前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＦｅの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＣｏの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＣｏの組成に対する比は１より小さい、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 　前記第１の磁性層（３）、前記非磁性結合層（４）及び前記第２の磁性層（５）の外周部に非磁性化膜（８）を含む、請求項１～９いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 　前記第１の参照層（Ｂ１）の外周に、サイドウォール（９）をさらに備えた、請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 　請求項１～１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備える、磁気メモリ。
  13. 　磁気抵抗効果素子の素子間隔が１５ｎｍ以下である、請求項１２に記載の磁気メモリ。
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