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JP4649457B2 - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents

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Description

本発明は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリに関する。
磁気抵抗（Magnetoresistive）効果は、磁気記憶装置であるハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）に応用され、現在、実用化されている。ＨＤＤに搭載される磁気ヘッドは、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）効果、或いはＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）効果が応用され、これらは共に２つの磁性層の磁化方向が互いに角度をなすことによって起こる抵抗変化を利用して、磁気媒体からの磁場を検出する。
近年、ＧＭＲ素子或いはＴＭＲ素子を利用して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）を実現すべく、様々な技術が提案されている。その一例として、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の磁化状態により“１”、“０”情報を記録し、ＴＭＲ効果による抵抗変化でこの情報を読み出す形式が挙げられる。この形式のＭＲＡＭにおいても、実用化に向けて数々の技術が提案されている。例えば、電流により発生する磁場を利用して、磁性層の磁化の向きを反転させる磁場書き込み方式がある。電流により発生する磁場は、当然、電流が大きければ大きな磁場を発生できるが、微細化が進むほど配線に流せる電流も制限される。配線と磁性層の距離を近づける、或いは発生する磁場を集中させるヨーク構造を利用すれば、電流により発生する磁場の効率が向上し、磁性層の磁化を反転させるために必要な電流値を低減することはできる。しかし、微細化により磁性層の磁化反転に必要な磁場が増大するため、低電流化と微細化との両立が非常に難しい。
微細化により磁性層の磁化反転に必要な磁場が増大するのは、熱擾乱に打ち勝つだけの磁気エネルギーを必要とするためである。磁気エネルギーを大きくするには、磁気異方性エネルギー密度と磁性層の体積とのいずれかを大きくすればよいが、微細化により体積が減少してしまうので、形状磁気異方性エネルギー或いは結晶磁気異方性エネルギーを大きくする、すなわち、磁気異方性エネルギー密度を大きくするのが一般的である。しかし、上述したように磁性層の持つ磁気エネルギーの増大は反転磁場を増大させるため、低電流化と微細化とを両立するのは非常に困難である。
近年、スピン偏極電流による磁化反転が理論的に予想され、実験でも確認されるようになり、スピン偏極電流を利用したＭＲＡＭが提案されている。この方式によれば、磁性層にスピン偏極電流を流すだけで磁性層の磁化反転を実現でき、磁性層の体積が小さければ注入するスピン偏極電子も少なくて済むため、微細化、低電流化を両立できると期待されている。さらに、電流により発生する磁場を利用しないため、磁場を増加させるヨーク構造も必要ではなく、セル面積を縮小できるという利点を持つ。しかし、当然のことながらスピン偏極電流における磁化反転方式においても、熱擾乱の問題は微細化にともなって顕在化する。
上述したように、熱擾乱耐性を確保するためには、磁気異方性エネルギー密度を増加させる必要がある。これまで主に検討されている面内磁化型の構成では、形状磁気異方性を利用するのが一般的である。この場合、形状を利用して磁気異方性を確保しているため、反転電流は形状敏感になり、微細化に伴い反転電流ばらつきが増加することが問題になる。形状磁気異方性を利用して磁気異方性エネルギー密度を増加させるには、ＭＴＪ素子のアスペクト比を大きくする、磁性層の膜厚を増加する、磁性層の飽和磁化を増加することが考えられる。
ＭＴＪ素子のアスペクト比の増大は、セル面積を増大させ、大容量化に適さない。磁性体の膜厚、飽和磁化の増加は、スピン偏極電流による磁化反転に必要な電流値を増加させる結果となり、好ましくない。面内磁化型の構成で形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を利用する場合、大きな結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料（例えば、ハードディスク媒体で用いられているようなＣｏ−Ｃｒ合金材料）を用いた場合、結晶軸が面内に大きく分散してしまうため、ＭＲ（Magnetoresistive）が低下し、或いはインコヒーレントな歳差運動が誘発され、結果として反転電流が増加してしまう。
これに対し、垂直磁化型の構成で結晶磁気異方性を利用する場合、面内磁化型で課題であった結晶軸の分散を抑制することができる。例えば、前述したＣｏ−Ｃｒ合金材料の結晶構造は六方晶構造であり、ｃ軸を容易軸とした一軸の結晶磁気異方性を有するため、結晶方位をｃ軸が膜面の垂直方向と平行になるように制御すればよい。面内磁化型の場合、ｃ軸を膜面内で一軸に揃える必要があり、各結晶粒の膜面内の回転が結晶軸の回転となって一軸方向を分散させてしまう。垂直磁化型の場合、ｃ軸は膜面に垂直方向にあるため、各結晶粒が膜面内に回転しても、ｃ軸は垂直方向を保ったままで分散しない。同様に、正方晶構造でもｃ軸を垂直方向に制御することにより、垂直磁化型のＭＴＪ構成を実現することが可能になる。正方晶構造の磁性材料は、例えば、Ｌ１０型の結晶構造を有するＦｅ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｐｄ規則合金、Ｃｏ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐｔ規則合金、或いはＦｅ−Ｎｉ−Ｐｄ規則合金等が挙げられる。結晶磁気異方性を利用して垂直磁化型のＭＴＪ構成を実現する場合は、ＭＴＪ素子のアスペクト比が１で良いため、微細化にも適している。
ＭＲＡＭの大容量化には、高い磁気抵抗比が必要である。近年、高い磁気抵抗比を示すバリア材料として、ＭｇＯを用いたＭＴＪ素子の報告が多数あり、高い磁気抵抗比を実現するにはＭｇＯの（１００）面が配向していることが重要とされている。ＭｇＯはＮａＣｌ型の結晶構造を持ち、その（１００）面は、Ｌ１０構造の（００１）面と格子整合の観点から好ましい。このため、垂直磁化型のＭＴＪ素子において、Ｌ１０型の垂直磁化膜を磁性層として用いることは磁気抵抗比の観点から非常に有望と言える。
ところが、Ｌ１０構造を垂直磁化膜とするには、その結晶配向性を（００１）面に配向させることが必要になるため、結晶配向性を制御するための下地層が必要である。スピン偏極電流による磁化反転方式の場合、バリア層に電流が流れるため、ＭＴＪ素子の抵抗を低く抑える必要があり、抵抗の高い下地層を使用することは好ましくない。また、高い磁気抵抗比を実現するためには、磁性層をＬ１０構造へと規則化させるために必要な熱工程で生じる拡散の影響が顕著に現われる、磁気抵抗比を劣化させる元素を下地層の材料として使用することは好ましくない。
以上のように、スピン偏極電流による磁化反転を垂直磁化型のＭＴＪ素子で実現できれば、書き込み電流の低減とビット情報の熱擾乱耐性の確保、セル面積の縮小を同時に満たすことが可能になる。さらにＭｇＯバリアと格子整合の観点から好ましいＬ１０構造の磁性材料を用いたＭＴＪ素子が形成できれば、高い磁気抵抗比を実現することができる。ところが、Ｌ１０構造の磁性材料を用いてＭＴＪ素子を形成し、高い磁気抵抗比を実現した報告例及び具体的な方法はこれまで提案されていない。
本発明は、高い磁気抵抗比を有し、かつメモリセルを微細化してもビット情報の高い熱擾乱耐性を保つことが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供する。
本発明の第１の視点に係る磁気抵抗素子は、アモルファス構造或いは微結晶構造を有する第１の下地層と、前記第１の下地層上に設けられ、かつＮａＣｌ構造を有する酸化物から構成される第２の下地層と、前記第２の下地層上に設けられ、かつＮａＣｌ構造を有し、かつ（００１）面に配向する窒化物から構成される第３の下地層と、前記第３の下地層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつＬ１０構造を有し、かつ（００１）面に配向する強磁性合金から構成される第１の磁性層と、前記第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有する第２の磁性層とを具備する。
本発明の第２の視点に係る磁気メモリは、上記第１の視点に係る磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする。
本発明によれば、高い磁気抵抗比を有し、かつメモリセルを微細化してもビット情報の高い熱擾乱耐性を保つことが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
［第１の実施形態］
［１］Ｌ１０構造を有する強磁性合金の下地層の構成
Ｌ１０の呼称は、“Strukturebereichi”表記によるものであり、この構造の代表的な系によりＣｕＡｕ Ｉ型とも呼ばれる。図１に示すように、Ｌ１０構造は、２成分以上の合金においてそれらの成分元素が面心立方格子の２つの面心点（サイト１）と、残りの面心点及び隅点（サイト２）を異なる確率で占有することによって形成される。サイト１とサイト２との数は等しく、この構造の化学量論組成は５０ａｔ％であり、面心立方の固溶体を生成する様々な合金において、その対称組成付近でＬ１０構造は出現する。
構成元素が格子点上をこのような規則的な配列を取ることにより、基本格子の面心立方格子では等価であった（００２）或いは（１１０）面は、それぞれサイト１のみとサイト２のみとからなる２種類の（００１）或いは（１１０）面に区別され、構造の対称性は低下する。その結果、Ｌ１０構造のＸ線や電子線の回折像では、面心立方格子では禁制である（００１）或いは（１１０）面の超格子反射が面心立方格子の基本反射に加えて現れる。
一般に、Ｌ１０構造では、［００１］方向の格子定数ｃと、［１００］並びに［０１０］方向の格子定数ａとは等しくない。従って、Ｌ１０構造を有する強磁性合金は、そのｃ軸が磁化容易軸となる。膜面に対して垂直方向を磁化容易軸とする垂直磁化膜を形成するには、Ｌ１０構造の結晶配向性を（００１）面が配向するように制御する必要がある。
例えば、Ｌ１０構造を有するＦｅＰｔの場合、ＪＣＰＤＳ（Joint Committee on Powder Diffraction Standards）カード、４３−１３５９によれば、（００１）面の強度は、（１１１）面からの回折強度を１００とすると、３０である。Ｌ１０構造を有するＣｏＰｔの場合、ＪＣＰＤＳカード、４３−１３５８によれば、（００１）面の強度は３６である。これらは粉末の場合であるため、無配向な形態の強度比と考えると、（００１）面が配向する場合は、少なくとも（００１）面の強度がこれらの強度以上であればよい。実際には、膜面に対して垂直方向が容易軸であれば、（００１）面が配向し、かつ規則化しているため、Ｘ線回折や電子線回折からは前述した超格子反射である（００１）面からの回折が確認される。
前述したように、Ｌ１０構造を有する垂直磁化膜とするには、その結晶配向性を（００１）面を配向させることが必要になるため、結晶配向性を制御するための下地層が必要であり、磁気媒体の分野ではいくつかの報告がなされている。例えば、非特許文献１（IEEE Trans. Magn., vol. 41, 2005, pp.3331-3333, T. Maeda）によれば、Ｌ１０構造のＦｅＰｔの下地層として、Ｐｔ２０ｎｍ／Ｃｒ５ｎｍ／ＮｉＴａ２５ｎｍが開示されている。なお、積層膜の記載において、“／”の左側が上層、右側が下層を表している。また、特許文献１（特開２００１−１８９０１０号公報）には、ＮａＣｌ構造を有する酸化物、窒化物、或いは炭化物が開示され、それらの格子定数が３．５２乃至４．２０Åと規定している。非特許文献２（Ｊ. Magn. Magn. Mater., 193 (1999) 85-88, T. Suzuki et al.）によれば、下地層としてＣｒ７０ｎｍ／ＭｇＯ１０ｎｍが開示されている。
スピン偏極電流による磁化反転方式を実現する積層構造には、抵抗の高い下地層や、規則化に必要な熱工程で生じる拡散によって、飽和磁化若しくは磁気異方性エネルギー密度等の磁気特性、又はバリア抵抗若しくはＭＲ比等の電気特性を顕著に劣化させる元素を含む下地層を用いることは好ましくない。このような観点から、前述の公知文献の下地層を適用することは好ましくない。すなわち、非特許文献１では、磁気抵抗（ＭＲ）比を顕著に減少させるＣｒが用いられており、また、非特許文献２では、抵抗の高いＭｇＯが１０ｎｍと厚く形成されている。特許文献１では、ＮａＣｌ構造を有する材料が多数記載されているが、一般的に酸化物は抵抗が高く、また、窒化物や炭化物についてはＮａＣｌ構造を有する材料を（１００）面に配向させる具体的な手段が開示されていない。
また、後述するが、本実施形態によるＮａＣｌ構造を有する窒化物の格子定数は３．５２Å乃至４．２０Åの範囲になくてもよい。また、磁気抵抗素子としてもＭｇＯ単結晶基板上に形成した報告例がいくつか存在するが、ＭＲ比は室温で数％と低い。また、大容量のＭＲＡＭを考える上で、ＭｇＯ単結晶基板を用いることは非常に困難である。
［１−１］下地層の実施例
このような視点から、発明者らは、Ｌ１０構造を有する磁性層を良好に形成するための下地層に関して鋭意研究を行った。図２は、本実施形態に係る下地層１３及び強磁性合金１４を含む積層構造を示す断面図である。
図２に示した積層構成は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、下地層１３との密着層１２として膜厚５ｎｍ程度のＴａ、下地層１３上にＬ１０構造の強磁性合金１４として膜厚１０ｎｍ程度のＦｅＰｔＢ、保護層１８として膜厚２ｎｍ程度のＭｇＯを順次形成した構成である。
本発明の実施例１における下地層１３は、下地層２１として膜厚３ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、下地層２２として膜厚０．５ｎｍ程度のＭｇＯ、下地層２３として膜厚２０ｎｍ程度のＴｉＮ、下地層２４として膜厚３ｎｍ程度のＰｔを順次形成した構成である。
本発明の実施例２における下地層１３は、下地層２１として膜厚３ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、下地層２２はなし、下地層２３として膜厚２０ｎｍ程度のＴｉＮ、下地層２４として膜厚３ｎｍ程度のＰｔを順次形成した構成である。
比較例１における下地層１３は、非特許文献１の構成であり、膜厚２０ｎｍ程度のＮｉＴａ、膜厚２０ｎｍ程度のＣｒ、膜厚５ｎｍ程度のＰｔを順次形成した構成である。すなわち、この比較例１は、下地層２１としてＮｉＴａ、下地層２２及び２３としてＣｒ、下地層２４としてＰｔを順次形成した構成である。比較例２における下地層１３は、下地層２１として膜厚３ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、下地層２２として膜厚０．３ｎｍ程度のＭｇＯ、下地層２３はなし、下地層２４として膜厚３ｎｍ程度のＰｔを順次形成した構成である。
実施例１、２及び比較例１、２のＬ１０構造の強磁性合金１４を構成するＦｅＰｔＢは、いずれも４００℃の基板加熱を行いながら形成する。実施例１、２及び比較例１、２の磁化曲線（ＭＨループ）を振動試料型磁力計で測定した結果を図３乃至図６にそれぞれ示す。図３乃至図６において、横軸は印加磁場（ｋＯｅ）、縦軸は磁気モーメント（ｅｍｕ／ｃｍ２）である。また、図３乃至図６に示したいずれのＭＨループにおいても、実線が膜面の垂直方向（perp.）に磁場を印加した、容易軸方向のＭＨループであり、破線が膜面の面内方向（in-plane）に磁場を印加した、困難軸方向のＭＨループである。
比較例１以外は、下地層１３の中に下地層２１として膜厚３ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０が形成されているため、磁性材料であるＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０のＭＨループと、Ｌ１０構造の強磁性合金１４であるＦｅＰｔＢのＭＨループとが重なったＭＨループになっている。これらを考慮してＭＨループを考察すると、容易軸方向のＭＨループと困難軸方向のＭＨループにおいて、それぞれ磁場が０の磁気モーメントを比較すると、いずれの構成でも容易軸方向のＭＨループの磁場０での磁気モーメントの方が大きく、膜面の垂直方向が容易軸である垂直磁化膜と言える。困難軸方向のＭＨループをみると、実施例１のＭＨループが最もヒステリシスが小さく、実施例２、比較例２、比較例１の順でヒステリシスが顕著に現われる。困難軸方向のＭＨループにヒステリシスが現われる場合、容易軸が分散していることが１つの原因と考えられる。
実施例１、２及び比較例１、２におけるそれぞれのＸ線回折プロファイルを図７に示す。図７において、横軸は回折角２θ（ｄｅｇ．）、縦軸は回折強度（intensity）（ａｒｂ． ｕｎｉｔ）である。図７に示すように、いずれのプロファイルもＬ１０構造を示す規則格子線である（００１）面からの回折ピークが検出され、また、基本格子線である（００２）面からの回折ピークが検出されている以外には、Ｌ１０構造に起因する回折ピークは検出されていない。すなわち、いずれのサンプルも（００１）面が配向している。
（００１）面のロッキングカーブを測定し、ロッキングカーブの半値全幅を解析すると、実施例１、２が４〜５度、比較例１、２が１０度程度である。これらの結果から実施例１、２は、比較例１、２に比べて、結晶配向性が良好で、磁化容易軸の分散が小さいことが分かる。また、実施例１、２において４１度付近に回折ピークが見られるが、Ｌ１０構造を有する強磁性合金１４を形成しない積層構造のＸ線回折プロファイルを予め測定した結果、これはＴｉＮ（２００）の回折ピークであることが分かっている。ＴｉＮ（２００）の予想される回折角度は４２度近傍であり、格子定数が大きくなったＴｉＮ（２００）が形成されていると考えられる。
実施例１、２及び比較例１、２の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）像からも顕著な差が確認できる。実施例１は、比較例１、２と比べると、Ｌ１０構造の強磁性合金１４であるＦｅＰｔＢの粒成長が比較例１、２よりも進んでおり、ＦｅＰｔＢの結晶粒が大きい。これは、図７に示したＸ線回折プロファイルで実施例１の回折強度が他よりも大きいことと整合している。比較例２では、下地層２２のＭｇＯが１層としては認められず、下地層１３の上に形成されたＬ１０構造の強磁性合金１４であるＦｅＰｔＢの表面が粗く、平滑性が顕著に劣化している。つまり、薄い酸化物層の上に金属層を直接形成する場合には、平滑性が劣化することが分かる。
実施例１、２は、窒化物層（下地層２３はＴｉＮ）上にバッファー層としての金属層（下地層２４はＰｔ）を形成しており、また、比較例１は、下地層２１〜２３はすべて金属層である。比較例１は、前述したように実施例１に比べてＬ１０構造の強磁性合金１４であるＦｅＰｔＢの結晶粒が小さく、このためにＦｅＰｔＢを形成した状態で短い周期のうねりが見られる。平滑性の観点からは、短い周期のうねりもトンネルバリア層の薄膜化を困難にする。
実施例１と実施例２とを比較すると、下地層２１のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０と下地層２３のＴｉＮとの間に下地層２２のＭｇＯを形成しない実施例２は、下地層２１であるＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０がその形成後の熱工程により、凝集していることが分かった。これは、下地層２３より上層を形成するにあたり、表面粗さ（ラフネス）を増加させ、平滑性を損なう要因となる。ＭＲＡＭを実現するにあたり、規格化抵抗ＲＡは数１０Ωμｍ２まで低減する必要があり、つまり、トンネルバリア層の膜厚は１ｎｍ程度に薄膜化しなければならない。このため、トンネルバリア層を形成する前の平滑性は非常に重要となり、下地層２２が形成された方が好ましい。だたし、実施例２の下地層１３を用いる場合は、下地層２１のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０が凝集しないように、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０形成後の熱工程を制御すればよい。
また、実施例１及び比較例２において、下地層２４のＰｔを設けない構成を比較した。実施例１において下地層２４のＰｔがない場合は、容易軸方向のＭＨループにより、Ｐｔが存在する場合（実施例１）に比べて、ＦｅＰｔＢの保磁力が小さい。これは、Ｐｔがない構成は、Ｐｔが存在する場合に比べて、ＦｅＰｔＢの規則化が進行していないことを示唆する結果であるが、前述したように困難軸方向のＭＨループとの比較から（００１）面が配向したＬ１０構造の強磁性合金は形成されている。
一方、比較例２において下地層２４のＰｔがない場合は、薄い酸化物（ＭｇＯ）上に金属層であるＦｅＰｔＢを直接形成しているため、平滑性も悪く、また、（００１）面の配向性も比較例２よりもさらに悪い。従って、薄いＭｇＯ（酸化物）上にＦｅＰｔＢを形成するよりも、ＴｉＮ（窒化物）上にＦｅＰｔＢを形成した方が、平滑性、（００１）面の配向性がよいことが分かる。
以上から、下地層１３にＮａＣｌ構造を有する窒化物を用いることによって、結晶性、（００１）面の配向性、平滑性が良好なＬ１０構造の強磁性合金１４を形成することができる。さらに、窒化物の配向性、平滑性を制御するためには、下地層２１としてＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０のようなアモルファス層或いは微結晶層、及び下地層２２としてＮａＣｌ構造を有する酸化物層が下地層１３内に形成されていることが好ましい。
次に、発明者らは図８のようなＭＴＪ構造で高いＭＲ比を実現する下地層に関して鋭意研究を行った。図８示したＭＴＪ構造は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、下地層１３との密着層１２として膜厚５ｎｍ程度のＴａ、下地層１３上にＬ１０構造の強磁性合金で構成される固定層１４として膜厚１０ｎｍ程度のＦｅＰｔＢ、ＭＲ比を増加させる界面層１５として膜厚２ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、トンネルバリア層１６として膜厚２ｎｍ程度のＭｇＯ、記録層１７として膜厚３ｎｍ程度のＦｅＰｔ、保護層１８として膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯを順次形成した構成である。
固定層１４のＦｅＰｔＢは、４００℃の基板加熱を行いながら形成する。また、記録層１７のＦｅＰｔは、膜厚１．５ｎｍ程度のＦｅと膜厚１．５ｎｍ程度のＰｔとを順次形成し、保護層１８のＭｇＯを形成した後、４００℃、２時間の真空中アニールを行い、規則化させる。
本発明の実施例３における下地層１３は、下地層２１として膜厚３ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、下地層２２として膜厚０．５ｎｍ程度のＭｇＯ、下地層２３として膜厚２０ｎｍ程度のＴｉＮ、下地層２４として膜厚３ｎｍ程度のＰｔを順次形成した構成である。
本発明の実施例４における下地層１３は、下地層２１として膜厚３ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、下地層２２はなし、下地層２３として膜厚２０ｎｍ程度のＴｉＮ、下地層２４として膜厚３ｎｍ程度のＰｔを順次形成した構成である。
比較例３における下地層１３は、非特許文献１の構成であり、膜厚２０ｎｍ程度のＮｉＴａ、膜厚２０ｎｍ程度のＣｒ、膜厚５ｎｍ程度のＰｔを順次形成した構成である。すなわち、この比較例３は、下地層２１としてＮｉＴａ、下地層２２及び２３としてＣｒ、下地層２４としてＰｔを順次形成した構成である。
実施例３、４、及び比較例３はともに、アニール処理後に、電極１９として膜厚７ｎｍ程度のＲｕを形成する。実施例３、４、及び比較例３のＭＨループを図９乃至図１１にそれぞれ示す。図９乃至図１１に示すように、いずれも明瞭な保磁力差型のループが確認できる。
これらの規格化抵抗ＲＡ及びＭＲ比を測定したところ、実施例３：ＲＡ＝１０ｋΩμｍ２、ＭＲ比＝８０％、実施例４：ＲＡ＝１０ｋΩμｍ２、ＭＲ比＝８０％、比較例３：ＲＡ＝１０ｋΩμｍ２、ＭＲ比＝５５％であった。比較例３が実施例３、４に比べてＭＲ比が小さいのは、基板加熱及びアニールの熱工程により、ＣｒがＭｇＯ界面まで拡散してきたためである。すなわち、Ｃｒの存在しない実施例３、４では、ＭＲ比の高いＭＴＪ構造が実現できることが確認できる。
さらに、比較例３は、短い周期でのうねりのために、固定層１４のＦｅＰｔＢの平滑性が悪いことも起因している。実施例３、４は、比較例３に比べて、固定層１４のＦｅＰｔＢを形成した状態でのラフネスが長周期なため、界面層１５のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０を形成した状態では平滑性が向上する。このために、実施例３、４は、高いＭＲ比を実現できている。
実施例３と実施例４とを比較すると、実施例４は下地層２１であるＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０がその形成後の熱工程により凝集しているため、実施例３よりも固定層１４の平滑性が劣化しているが、トンネルバリア層１６のＭｇＯも２ｎｍ程度と比較的厚いため、実施例３と同様のＭＲ比が実現できている。しかし、この状態でトンネルバリア層１６の膜厚を薄くすると、実施例３よりも実施例４の方が早くＭＲ比が膜厚に対して減少する。
以上から、比較例３の下地構成では、下地を構成するＣｒの拡散により、ＭＲ比が劣化するため、実施例３、４による下地層の方が高いＭＲ比を実現できる。また、実施例３、４では、固定層１４のＦｅＰｔＢの平滑性が向上するため、比較例３に比べて、高いＭＲ比を実現できる。
［１−２］下地層１３の材料
下地層１３のうち、下地層２３としては、ＮａＣｌ構造を有する窒化物が用いられる。ＮａＣｌ構造を有する窒化物は、導電性を有し、かつ結晶性がよいため、下地層に使用する材料としては適している。
下地層２３としては、ＴｉＮの他に、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＶＮ等が挙げられる。このような窒化物を下地層２３として用いた場合でも、磁気特性及びＭＲ比ともに上記各実施例と同様の結果を得ることができる。ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＶＮは、ＴｉＮと同様に、ＮａＣｌ構造を有する窒化物である。ＮａＣｌ構造を有する窒化物は、例えば、ＴｉＮのように金属が１元素ではなく、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎ、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎのように金属が２元素であってもよい。また、下地層２３は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖの窒化物の他に、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅ等の窒化物を用いてもよい。
窒化物は、標準生成自由エネルギーが低い方が安定に窒化物として存在し得ると言える。ＮａＣｌ構造を有する代表的な窒化物の５００℃における標準生成自由エネルギーを低い順に並べると、ＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮ、ＶＮ、ＣｒＮとなる（金属データブックｐ．９０、日本金属学会編）。窒化物が安定に存在できないと、窒化物の形成時及び形成後の熱工程により、窒化物を構成する元素の一部が拡散する可能性がある。このため、本実施形態で用いる窒化物は、その標準生成エネルギーが低い方が好ましく、このような観点からＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮがより好ましい。
また、代表的なＬ１０構造であるＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのａ軸の格子定数はそれぞれ、３．８４６Å、３．８６Å、３．８２Åである。前述したＮａＣｌ構造を有する窒化物ＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮの格子定数はそれぞれ、４．５３７Å、４．２１５Å、５．０２Åであり、格子定数の観点からは、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＣｅＮの順で好ましい。また、下地層２３である窒化物の膜厚は、厚すぎると平滑性が悪くなり、薄すぎると窒化物として機能しないため、３乃至３０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
下地層１３のうち、下地層２１は、平滑性、及び下地層２３のＮａＣｌ構造を有する酸化物、窒化物の結晶性及び配向性を向上させる目的でアモルファス層或いは微結晶層が用いられる。アモルファス構造（或いは微結晶構造）からなる下地層２１としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素と、ホウ素（Ｂ）、ニオブ（Ｎｂ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）のうち１つ以上の元素とを含む金属が挙げられる。
具体的には、上記実施例で用いたＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０の他に、Ｃｏ８０Ｂ２０、Ｆｅ８０Ｓｉ１０Ｂ１０等のアモルファス層（或いは、微結晶層）が挙げられる。さらに、ＣｏＺｒＢ、ＮｉＳｉＢ、ＦｅＮｉＳｉＢ、ＦｅＣｏＺｒＢ等も好ましい材料と言える。これらのアモルファス層を下地層２１として用いた場合でも、磁気特性及びＭＲ比ともに上記各実施例と同様の結果を得ることができる。
これらのアモルファス層（或いは、微結晶層）は、形成時には明瞭な結晶構造を示さないが、成膜後の熱工程によって部分的に結晶化が開始して、ある領域が明瞭な結晶構造を示しても構わない。つまり、最終的にデバイスとして機能している際には、結晶構造を示していても構わない。このように、下地層２１としてアモルファス層を用いることで、このアモルファス層上に、ＮａＣｌ構造を有する酸化物及び窒化物を形成した場合に、これら酸化物及び窒化物が（１００）面が配向しやすくなる。
さらに、下地層２１であるアモルファス層の膜厚は、厚すぎると成膜に時間がかかり、生産性が低下する要因となり、また、薄すぎるとＮａＣｌ構造の材料の配向性を整える層として機能しないため、１乃至１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
下地層１３のうち、下地層２４としては、正方晶構造或いは立方晶構造を有し、かつ、格子定数が２．７乃至３．０Å、或いは３．７乃至４．２Åの範囲にあり、かつ、（００１）面に配向した金属を用いることが好ましい。下地層２３としての窒化物上にＬ１０構造の強磁性合金で構成される固定層１４としての規則合金を直接形成するよりも、窒化物と規則合金との間に、バッファー層としての下地層２４を設けることで、規則合金の配向性をより向上させることができる。
具体的には、下地層２４は、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び金（Ａｕ）のうち１つの元素、或いは１つの元素を主成分とする合金から構成されていることが好ましい。下地層２４である金属層の膜厚は、厚すぎると平滑性が悪くなり、薄すぎるとＬ１０構造を有する規則合金の配向性を整える層として十分に機能しないため、１乃至１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
下地層１３のうち、下地層２２としては、この下地層２２より上層の平滑性、結晶性、配向性を向上させる目的で、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が用いられる。ＮａＣｌ構造を有する酸化物としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも１つ以上の元素を主成分とする材料が挙げられる。下地層２２である酸化物の膜厚は、厚すぎると抵抗が高くなり、直列抵抗が付加されてトンネルバリア層で生じる磁気抵抗比を損なうことになるため、少なくともバリア層の抵抗よりも小さくする必要があり、１ｎｍよりも薄いことが好ましい。
［１−３］Ｌ１０構造の強磁性合金１４の材料
例えば、記録層と固定層とが非磁性層を介して積層されたシングルピン構造のＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子において、基板側に固定層がある場合、Ｌ１０構造の強磁性合金１４は固定層に相当し、基板側に記録層がある場合は、Ｌ１０構造の強磁性合金１４は記録層に相当する。
この規則合金は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）のうち１つ以上の元素と、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、及び金（Ａｕ）のうち１つ以上の元素とから構成される。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｆｅ４０Ｃｕ１０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｔ２５Ｐｄ２５、Ｆｅ５０Ｐｔ４５Ａｕ５が挙げられる。なお、これらの規則合金は、上記組成比に限定されない。
さらに、これらの規則合金に、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及び銀（Ａｇ）のうち少なくとも１つ以上の元素が合計で２０ａｔ％以下の濃度で含まれていても構わない。「ａｔ％」は、原子（数）パーセントを表している。なお、非磁性元素が２０ａｔ％より多く含まれていると、Ｌ１０構造の強磁性合金１４の垂直磁気異方性が劣化してしまうため好ましくない。
また、Ｌ１０構造の強磁性合金１４は、グラニュラー構造を有していてもよい。グラニュラー構造を有するＬ１０構造の強磁性合金１４としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１つ以上の元素と、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）のうち少なくとも１つ以上の元素とを含む規則合金に、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）のうち１つ以上の元素の酸化物或いは窒化物が２０ｖｏｌ％以下の濃度で含まれて構成される。「ｖｏｌ％」は、体積パーセントを表している。なお、酸化物或いは窒化物が２０ｖｏｌ％より多く含まれていると、Ｌ１０構造の強磁性合金１４の垂直磁気異方性が劣化してしまうため好ましくない。
［２］磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）
前述した下地層１３及び規則合金（固定層１４）を用いて、メモリ等に使用されるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子１０を構成することができる。以下に、下地層１３及び規則合金（固定層１４）をＭＴＪ素子に適用した実施形態について説明する。
［２−１］シングルピン構造
図１２は、第１の実施形態に係るシングルピン構造のＭＴＪ素子１０の概略図である。図１２中の矢印は、磁化方向を示している。なお、シングルピン構造とは、記録層と固定層とが非磁性層を介して積層された構造である。
図１２に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁性体からなる固定層（ピンド層ともいう）１４と、磁性体からなる記録層（自由層ともいう）１７と、固定層１４と記録層１７との間に挟まれた非磁性層１６とを有する積層構造である。そして、固定層１４及び記録層１７が垂直磁気異方性を有し、固定層１４及び記録層１７の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子１０である。また、固定層１４は、磁化（或いは、スピン）の方向が固定されている。記録層１７は、磁化方向が変化（反転）可能である。
ＭＴＪ素子１０において、固定層１４として磁化反転電流の大きな磁性層を用い、記録層１７として固定層１４よりも反転電流の小さい磁性層を用いることによって、高性能なＭＴＪ素子１０を実現することができる。スピン偏極電流により磁化反転を起こす場合、その反転電流は飽和磁化、異方性磁界、体積に比例するため、これらを適切に調整して、記録層１７と固定層１４との反転電流に差をつけることができる。また、記録層１７及び固定層１４で垂直磁化を実現するには、５×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上の結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料が望ましい。
ＭＴＪ素子１０は、非磁性層１６が絶縁体の場合はＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）効果を有し、非磁性層１６が金属の場合はＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）効果を有する。ここで、非磁性層１６が絶縁体の場合は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等が用いられ、非磁性層１６が金属の場合は金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等、或いはこれらのうち少なくとも１つの元素を主成分とする合金が用いられる。
（動作）
ＭＴＪ素子１０は、スピン注入型の磁気抵抗素子である。従って、ＭＴＪ素子１０にデータを書き込む、或いはＭＴＪ素子１０からデータを読み出す場合、ＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは、積層面）に垂直な方向において、双方向に電流通電される。また、ＭＴＪ素子１０は、２つの磁性層（記録層１７及び固定層１４）の磁化配列が平行（Parallel）配列、或いは反平行（Anti-Parallel）配列となる。これら磁化配列により変化するＭＴＪ素子１０の抵抗値に、“０”、“１”の情報を対応させることで、記憶素子として用いることができる。
具体的には、固定層１４側から電子（すなわち、固定層１４から記録層１７へ向かう電子）を供給した場合、固定層１４の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子が記録層１７に注入される。この場合、記録層１７の磁化方向は、固定層１４の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層１４と記録層１７との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、この場合を例えばデータ“０”と規定する。
一方、記録層１７側から電子（すなわち、記録層１７から固定層１４へ向かう電子）を供給した場合、固定層１４により反射されることで固定層１４の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子が記録層１７に注入される。この場合、記録層１７の磁化方向は、固定層１４の磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、固定層１４と記録層１７との磁化方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も大きくなり、この場合を例えばデータ“１”と規定する。
以下に、シングルピン構造のＭＴＪ素子１０の具体例について説明する。
（ａ）具体例１−１
具体例１−１のＭＴＪ素子１０は、前述した実施例３の構成と同様である。図１３は、具体例１−１のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。具体例１−１のＭＴＪ素子１０は、固定層１４及び記録層１７がそれぞれ、Ｌ１０構造を有し、かつ（００１）面が配向した強磁性合金（規則合金）が用いられる。この規則合金には、項目［１−３］に示した材料が用いられる。以下に、具体例１−１のＭＴＪ素子１０の一例について説明する。
図１３に示すように、ＭＴＪ素子１０は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、下地層１３との密着層１２として膜厚１０ｎｍ程度のＴａ、下地層１３上に固定層１４として膜厚１０ｎｍ程度のＦｅＰｔＢ、ＭＲ比を増加させる界面層１５として膜厚２ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、トンネルバリア層１６として膜厚２ｎｍ程度のＭｇＯ、記録層１７として膜厚３ｎｍ程度のＦｅＰｔ、保護層１８として膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯを順次形成した構成である。ここで、密着層１２のＴａは、下部電極としても機能する。
固定層１４のＦｅＰｔＢは、４００℃の基板加熱を行いながら形成する。また、記録層１７のＦｅＰｔは、膜厚１．５ｎｍ程度のＦｅと膜厚１．５ｎｍ程度のＰｔとを順次形成し、保護層１８のＭｇＯを形成した後、４００℃、２時間の真空中アニールを行い、規則化させる。アニール処理後に上部電極１９として膜厚５ｎｍ程度のＲｕ、膜厚１００ｎｍ程度のＴａを順次形成する。下地層１３は、下地層２１として膜厚３ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、下地層２２として膜厚０．５ｎｍ程度のＭｇＯ、下地層２３として膜厚２０ｎｍ程度のＴｉＮ、下地層２４として膜厚３ｎｍ程度のＰｔを順次形成した構成である。
このような具体例１−１では、トンネルバリア層１６のＭｇＯは（１００）面が配向しているため、高いＭＲ比を実現することができる。具体例１−１について、振動試料型磁力計で保磁力及び飽和磁化をそれぞれ測定したところ、固定層１４は６ｋＯｅ、８５０ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１７は７００Ｏｅ、１０００ｅｍｕ／ｃｃであった。ただし、固定層１４と界面層１５とは交換結合しているため、これらは１つの磁性層として振る舞うので、上述した保磁力及び飽和磁化は、固定層１４と界面層１５とを１つの磁性層として見た場合の値である。ＭＴＪ素子１０のＭＲ比は８０％であった。
具体例１−１の構成は、トンネルバリア層１６に対して固定層１４が下側（基板側）、記録層１７が上側に配置されている、いわゆるボトムピン（bottom pin）構造である。具体例１−１と同様の構成をトンネルバリア層１６に対して、固定層１４が上側、記録層１７が下側(基板側)に配置された、いわゆるトップピン（top pin）構造としてもよい。すなわち、具体例１−１で固定層１４の位置に膜厚２ｎｍ程度のＦｅＰｔＢを記録層１７として、界面層１５を膜厚１ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０とする。界面層１５のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０を１ｎｍに設定しているのは、膜厚２ｎｍのＦｅＰｔＢに対して、膜厚２ｎｍのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０を形成して交換結合させた場合、垂直磁化を維持できなくなるためである。記録層１７の位置には、固定層１４としてＦｅＰｔＢを膜厚１０ｎｍ程度形成すればよい。
ボトムピン構造及びトップピン構造ともに、固定層１４の磁化を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、マンガン（Ｍｎ）と、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、或いはイリジウム（Ｉｒ）との合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎ等を用いることができる。
（ｂ）具体例１−２
具体例１−２のＭＴＪ素子１０は、具体例１−１の記録層１７が人工格子であること、それに伴い、保護層１８がＰｄであること以外は具体例１−１と同様の構成である。
人工格子としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素或いは１つの元素を含む合金と、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）のうち１つの元素或いは１つの元素を含む合金とが交互に積層された構造を用いることができる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＣｒ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等の人工格子が挙げられる。また、人工格子を形成する磁性材料にＣｕ等の非磁性金属を添加することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。さらに、磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することでも、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
以下に、具体例１−２のＭＴＪ素子１０の一例について説明する。記録層１７は、膜厚１．０ｎｍ程度のＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０、膜厚０．７ｎｍ程度のＰｄを順次形成した後、さらに、膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ５０Ｆｅ５０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄとを１周期として２周期積層した人工格子からなる。保護層１８は、膜厚３ｎｍ程度のＰｄからなる。具体例１−２では、記録層１７がＬ１０構造の規則合金ではないため、４００℃、２時間の真空中アニールは行っていない。
このような具体例１−２によるＭＴＪ素子１０において、動試料型磁力計で保磁力及び飽和磁化をそれぞれ測定したところ、記録層１７は３００Ｏｅ、５００ｅｍｕ／ｃｃであった。ＭＴＪ素子１０のＭＲ比は６０％であった。
なお、トンネルバリア層１６として、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を用いてもよい。さらに、固定層１４の磁化方向を固定するために、この固定層１４に隣接して反強磁性層を設けてもよい。
（ｃ）具体例１−３
具体例１−３のＭＴＪ素子１０は、記録層１７がフェリ磁性体であること、保護層１８がＲｕとＴａとが順次形成された構成であること以外は具体例１−１と同様の構成である。
記録層１７としては、希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体が用いられる。具体的には、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、或いはガドリニウム（Ｇｄ）と、遷移金属のうち１つ以上の元素とを含むアモルファス合金が用いられる。このようなフェリ磁性体としては、例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
以下に、具体例１−３のＭＴＪ素子１０の一例について説明する。記録層１７は、膜厚１ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、膜厚５ｎｍ程度のＴｂ２４（Ｃｏ８０Ｆｅ２０）７６を順次形成した構成である。保護層１８は、膜厚３ｎｍ程度のＲｕ、膜厚５ｎｍ程度のＴａを順次形成した構成である。具体例１−３では、記録層１７がＬ１０構造の規則合金ではないため、４００℃、２時間の真空中アニールは行っていない。
このような具体例１−３によるＭＴＪ素子１０において、振動試料型磁力計で保磁力及び飽和磁化をそれぞれ測定したところ、記録層１７は２．０ｋＯｅ、３００ｅｍｕ／ｃｃであった。ただし、記録層１７のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０とＴｂ２４（Ｃｏ８０Ｆｅ２０）７６とは交換結合しているため、これらは１つの磁性層として振る舞い、上述した保磁力及び飽和磁化は１つの磁性層として見た場合の値である。ＭＴＪ素子１０のＭＲ比は、８０％であった。
なお、トンネルバリア層１６として、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を用いてもよい。さらに、固定層１４の磁化方向を固定するために、この固定層１４に隣接して反強磁性層を設けてもよい。
その他、記録層１７としては、不規則合金を用いてもよい。不規則合金は、コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を含む合金から構成される。例えば、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＰｔＴａ、ＣｏＣｒＮｂ等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
［２−２］デュアルピン構造
図１４は、第１の実施形態に係るデュアルピン構造のＭＴＪ素子１０の概略図である。なお、デュアルピン構造とは、記録層の両側にそれぞれ非磁性層を介して２つの固定層が配置された構造である。
図１４に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁性体からなる記録層１７と、磁性体からなる第１及び第２の固定層１４、３３と、記録層１７及び第１の固定層１４間に挟まれた非磁性層１６と、記録層１７及び第２の固定層３３間に挟まれた非磁性層３１とを有する積層構造である。そして、固定層１４、３３、及び記録層１７の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子１０である。ここで、第１及び第２の固定層１４、３３は、磁化が反対方向に向く反平行配列である。
非磁性層１６、３１としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の絶縁体や、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属、或いはこれらのうち少なくとも１つの元素を主成分とする合金が用いられる。
ここで、デュアルピン構造のＭＴＪ素子１０では、非磁性層１６を挟む２つの磁性層（記録層１７及び固定層１４）、及び非磁性層３１を挟む２つの磁性層（記録層１７及び固定層３３）は、平行、或いは反平行配列を取る。しかし、ＭＴＪ素子１０全体として見た場合、平行配列と反平行配列とが同時に存在するため、非磁性層１６、３１を介したＭＲ比に差を設けておく必要がある。
従って、非磁性層１６をトンネルバリア層とし、非磁性層３１を金属とした場合、トンネルバリア層１６で生じるＭＲ比の方が非磁性層３１で生じるＭＲ比に比べて大きくなる。従って、トンネルバリア層１６を挟む２つの磁性層（記録層１７及び固定層１４）の磁化配列を、“０”、“１”の情報に対応させる。
（動作）
デュアルピン構造のＭＴＪ素子１０の動作について説明する。ＭＴＪ素子１０にデータを書き込む、或いはＭＴＪ素子１０からデータを読み出す場合、ＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは、積層面）に垂直な方向において、双方向に電流通電される。
固定層１４側から電子（すなわち、固定層１４から記録層１７へ向かう電子）を供給した場合、固定層１４の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層３３により反射されることで固定層３３の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが記録層１７に注入される。この場合、記録層１７の磁化方向は、固定層１４の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層１４と記録層１７との磁化方向が平行配列となる。これにより、固定層１４と記録層１７との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、この場合を例えばデータ“０”と規定する。
一方、固定層３３側から電子（すなわち、固定層３３から記録層１７へ向かう電子）を供給した場合、固定層３３の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層１４により反射されることで固定層１４の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが記録層１７に注入される。この場合、記録層１７の磁化方向は、固定層１４の磁化方向と反対方向に揃えられる。この反平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も大きくなり、この場合を例えばデータ“１”と規定する。
このように、ＭＴＪ素子１０を、固定層１４、３３を記録層１７の両側に配置したデュアルピン構造にすることで、スピン偏極電子の反射の効果をより利用できるため、シングルピン構造よりもさらに磁化反転電流を低減することができる。
以下に、デュアルピン構造のＭＴＪ素子１０の具体例について説明する。
（ａ）具体例２−１
図１５は、具体例２−１のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。具体例２−１のＭＴＪ素子１０は、記録層１７の両側に設けられた固定層１４、３３はともに単層構造であり、Ｌ１０構造からなる強磁性合金で構成される。以下に、具体例２−１のＭＴＪ素子１０の一例について説明する。
基板１１から記録層１７までは具体例１−１と同様の構成である。記録層１７を形成後、成膜装置内で大気暴露することなく、４００℃、２時間の真空中アニールを行い、記録層１７をＬ１０構造へと規則化させる。このアニール処理後、スペーサー層３１として膜厚５ｎｍ程度のＡｕ、界面層３２として膜厚２ｎｍ程度のＦｅ、固定層３３として膜厚１０ｎｍ程度のＦｅＰｔ、電極１９として膜厚５ｎｍ程度のＲｕ、及び膜厚１００ｎｍ程度のＴａを順次形成する。
固定層３３の保磁力は固定層１４の保磁力よりも大きく、この保磁力の差を利用して固定層１４と固定層３３との磁化配列を反平行に設定することが可能となる。すなわち、２回の着磁を行えばよい。まず、１回目の磁場印加により、固定層１４の磁化と、記録層１７及び固定層３３の磁化とは、同じ方向に配列する。ここで、固定層１４と界面層１５とは交換結合しているため、一体化した固定層として振る舞う。固定層３３と界面層３２とについても同様である。
その後、２回目の磁場印加は、１回目と逆向きに行う。この２回目の印加磁場は、一体化した固定層として振る舞う固定層１４及び界面層１５の保磁力よりも大きく、固定層３３及び界面層３２の保磁力よりも小さく設定する。これにより、固定層３３の磁化方向に対して、記録層１７及び固定層１４の磁化は逆方向になる。このようにして、図１５に示すような磁化配列を実現することができる。
この構成では、スペーサー層３１のＡｕを介した磁気抵抗の変化より、トンネルバリア層１６のＭｇＯを介した磁気抵抗の変化の方が大きく、ＭＴＪ素子１０は、記録層１７と固定層１４との磁化配列、及び記録層１７と固定層３３との磁化配列によって、情報を記憶する。なお、記録層１７とトンネルバリア層１６との界面、及び記録層１７とスペーサー層３１との界面に、分極率の大きな磁性材料を界面層として設置しても構わない。また、スペーサー層３１を、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）や酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）のような絶縁層にしても構わない。この場合、スペーサー層３１の抵抗及びＭＲ比をトンネルバリア層１６よりも小さくすれば、動作上は問題ない。
なお、固定層１４、３３の磁化を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、マンガン（Ｍｎ）と、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、或いはイリジウム（Ｉｒ）との合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎ等を用いることができる。
また、固定層１４を除いた各磁性層は、具体例１−１乃至１−３で述べたように、規則合金、人工格子、フェリ磁性体、不規則合金から適宜選択することができる。
（ｂ）具体例２−２
図１６は、具体例２−２のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。具体例２−２のＭＴＪ素子１０は、非磁性層１６が金属からなるスペーサー層、非磁性層３１が絶縁体からなるトンネルバリア層であり、ＧＭＲ構造が下側（基板側）、ＴＭＲ構造が上側の構成である。その他の構成は、具体例２−１と同様である。以下に、具体例２−２のＭＴＪ素子１０の一例について説明する。
スペーサー層１６である膜厚５ｎｍ程度のＡｕ上に、記録層１７として膜厚２ｎｍ程度のＦｅＰｔＢ、及び膜厚１ｎｍ程度のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０を順次形成する。ＦｅＰｔＢは、基板温度４００℃で形成する。さらに、記録層１７上に、トンネルバリア層３１として膜厚２ｎｍ程度のＭｇＯ、界面層３２として膜厚２ｎｍ程度のＦｅ、固定層３３として膜厚１２ｎｍ程度のＦｅＰｔ、電極１９として膜厚５ｎｍ程度のＲｕ及び膜厚１００ｎｍ程度のＴａを順次形成する。
なお、固定層１４、３３の磁化を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。また、固定層１４を除いた各磁性層は、具体例１−１乃至１−３で述べたように、規則合金、人工格子、フェリ磁性体、不規則合金から適宜選択することができる。
（ｃ）具体例２−３
図１７は、具体例２−３のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。具体例２−３のＭＴＪ素子１０は、非磁性層１６及び３１がともに絶縁体からなるトンネルバリア層であり、下側（基板側）及び上側がともにＴＭＲ構造である。非磁性層３１が絶縁体であること以外は、具体例２−１と同様の構成である。以下に、具体例２−３のＭＴＪ素子１０の一例について説明する。
基板１１から記録層１７までは具体例２−１と同様の構成である。記録層１７を形成後、成膜装置内で大気暴露することなく、４００℃、２時間の真空中アニールを行い、記録層１７をＬ１０構造へと規則化させる。このアニール処理後、トンネルバリア層３１として膜厚１．０ｎｍ程度のＭｇＯ、界面層３２として膜厚２ｎｍ程度のＦｅ、固定層３３として膜厚１０ｎｍ程度のＦｅＰｔ、電極１９として膜厚５ｎｍ程度のＲｕ、及び膜厚１００ｎｍ程度のＴａを順次形成する。トンネルバリア層１６は膜厚２ｎｍ程度のＭｇＯであり、一方、トンネルバリア層３１のＭｇＯは膜厚が１ｎｍであり、抵抗差は大きく、磁気抵抗比はトンネルバリア層１６が支配的となる。
なお、固定層１４、３３の磁化を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。また、固定層１４を除いた各磁性層は、具体例１−１乃至１−３で述べたように、規則合金、人工格子、フェリ磁性体、不規則合金から適宜選択することができる。
（ｄ）具体例２−４
図１８は、具体例２−４のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。具体例２−４のＭＴＪ素子１０は、固定層３３がＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnet）構造になっていること以外は具体例２−１と同様の構成であり、ＴＭＲ構造が下側（基板側）、ＧＭＲ構造が上側に配置される。ＳＡＦ構造は、２つの磁性層が反強磁性的に交換結合した構造である。固定層３３は、第１の磁性層３３−１と、第２の磁性層３３−３と、第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３間に挟まれた非磁性層３３−２とからなり、第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３が反強磁性的に交換結合したＳＡＦ構造である。
この場合、第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３の磁化配列が反平行であるので、第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３からの漏れ磁場を相殺し、結果として固定層３３の漏れ磁場を低減する効果がある。また、交換結合した磁性層は、体積が増加する効果として、熱擾乱耐性を向上させる。非磁性層３３−２の材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）のうち１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金が挙げられる。
以下に、具体例２−４のＭＴＪ素子１０の一例について説明する。基板１１から記録層１７までは具体例１−１と同様の構成である。
記録層１７を形成後、成膜装置内で大気暴露することなく、４００℃、２時間の真空中アニールを行い、記録層１７をＬ１０構造へと規則化させる。このアニール処理後、スペーサー層３１として膜厚５ｎｍ程度のＣｕ、界面層３２として膜厚１ｎｍ程度のＣｏ、固定層３３は後述するＳＡＦ構造を形成し、電極１９として膜厚５ｎｍ程度のＲｕ及び膜厚１００ｎｍ程度のＴａを順次形成する。
固定層３３は、界面層３２上に、第１の磁性層３３−１として膜厚１ｎｍ程度のＰｔと膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏとを１周期とした４周期の［Ｐｔ／Ｃｏ］４人工格子、非磁性層３３−２として膜厚０．９ｎｍ程度のＲｕ、第２の磁性層３３−３として膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏと膜厚１ｎｍ程度のＰｔとを１周期とした５周期の［Ｃｏ／Ｐｔ］５人工格子を順次形成した構成である。
なお、第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３がＲＥ−ＴＭ合金のフェリ磁性体からなる場合も、反強磁性結合を実現することができる。この場合、非磁性層３３−２は必ずしも用いなくてもよい。その一例を、図１９及び図２０を用いて説明する。
ＲＥ−ＴＭ合金は、希土類金属（ＲＥ）の磁気モーメントと遷移金属（ＴＭ）の磁気モーメントとが反強磁性的に結合した状態にある。ＲＥ−ＴＭ合金を積層した場合、ＲＥ同士、ＴＭ同士が強磁性的に結合することが知られている。この場合、ＲＥ及びＴＭの磁気モーメントが互いに相殺するため、ＲＥ−ＴＭ合金としての磁気モーメントは、組成により調整することができる。
例えば、図１９に示すように、ＲＥの磁気モーメント４１がＴＭの磁気モーメント４２より大きいＲＥ−ＴＭ合金層３３−１の場合、残った磁気モーメント４３はＲＥの磁気モーメント４１と同じ方向になる。このＲＥ−ＴＭ合金層３３−１上に、ＲＥの磁気モーメント４４がＴＭの磁気モーメント４５より大きいＲＥ−ＴＭ合金層３３−３を積層すると、ＲＥの磁気モーメント４１、４４同士、ＴＭの磁気モーメント４２、４５同士がそれぞれ同じ向きになり、２つのＲＥ−ＴＭ合金層３３−１、３３−３の磁気モーメント４３、４６は同じ方向を向き、平行な状態となる。
これに対し、図２０に示すように、ＲＥの磁気モーメント４４がＴＭの磁気モーメント４５より小さいＲＥ−ＴＭ合金層３３−３をＲＥ−ＴＭ合金層３３−１上に積層した場合、２つのＲＥ−ＴＭ合金層３３−１、３３−３の磁気モーメント４３、４６は反平行な状態となる。
例えば、Ｔｂ−Ｃｏ合金は、Ｔｂが２２ａｔ％でＴｂの磁気モーメントとＣｏの磁気モーメントとの大きさが同じになり、磁気モーメントがほぼゼロであるいわゆる補償組成となる。膜厚１０ｎｍ程度のＴｂ２５Ｃｏ７５と膜厚１０ｎｍ程度のＴｂ２０Ｃｏ８０とを積層した場合、これらの磁気モーメントは反平行となる。
このような形態を利用して、２つの磁性層３３−１、３３−３が反平行に結合した固定層３３を作製することができる。例えば、固定層３３を構成する第１の磁性層３３−１は膜厚１５ｎｍ程度のＴｂ２６（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７４からなり、第２の磁性層３３−３は膜厚２０ｎｍ程度のＴｂ２２（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７８からなる。ここで、Ｔｂ２４（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７６が補償組成である。
このような構成のＭＴＪ素子１０では、一方向に一度だけ着磁することで、図１４に示した固定層１４、３３の磁化配列と同じ磁化配列を実現できる。すなわち、固定層３３のＴＭの磁気モーメントはＲＥの磁気モーメントより小さく、ＴＭの磁気モーメントはＲＥの磁気モーメントと反対方向を向くため、固定層３３の磁化は着磁した方向と逆向きになる。
また、第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３がＲＥ−ＴＭ合金からなる場合に、第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３間に非磁性層３３−２を設けて反強磁性結合を実現することも可能である。その一例を、図２１及び図２２を用いて説明する。
図２１に示す第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３のＴＭの磁気モーメント４２、４５は、非磁性層３３−２を介して交換結合すると考えられる。同様に、図２２に示す第１及び第２の磁性層３３−１、３３−３のＴＭの磁気モーメント４２、４５は、非磁性層３３−２を介して交換結合すると考えられる。
例えば、図２１に示すように、Ｃｏを反強磁性的に結合させる金属を非磁性層３３−２として用いた場合は、ＲＥ−ＴＭ合金層３３−１のＲＥの磁気モーメント４１をＴＭの磁気モーメント４２より大きくし、一方、ＲＥ−ＴＭ合金層３３−３のＲＥの磁気モーメント４４をＴＭの磁気モーメント４５より大きくする。すなわち、非磁性層３３−２が反強磁性結合に寄与する場合、ＴＭの磁気モーメント４２及びＲＥの磁気モーメント４１の大小関係と、ＴＭの磁気モーメント４５及びＲＥの磁気モーメント４４の大小関係とを同じに設定すれば、ＴＭとＲＥとの磁気モーメントが互いに相殺され、磁気モーメント４３、４６が反平行となる。なお、Ｃｏを反強磁性的に結合させる非磁性層３３−２の材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、及びロジウム（Ｒｈ）のうち１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金が挙げられる。
また、図２２に示すように、Ｃｏを強磁性的に結合させる金属を非磁性層３３−２として用いた場合は、ＲＥ−ＴＭ合金層３３−１のＲＥの磁気モーメント４１をＴＭの磁気モーメント４２より大きくし、ＲＥ−ＴＭ合金層３３−３のＲＥの磁気モーメント４４をＴＭの磁気モーメント４５より小さくする。すなわち、非磁性層３３−２が強磁性結合に寄与する場合、ＴＭの磁気モーメント４２及びＲＥの磁気モーメント４１の大小関係と、ＴＭの磁気モーメント４５及びＲＥの磁気モーメント４４の大小関係とを逆に設定すれば、ＴＭとＲＥとの磁気モーメントが互いに相殺され、磁気モーメント４３、４６が反平行となる。なお、Ｃｏを強磁性的に結合させる非磁性層２２−２の材料としては、白金（Ｐｔ）、及びパラジウム（Ｐｄ）のうち１つの以上の元素或いは１つ以上の元素を含む合金が挙げられる。
この他、ＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントよりも大きいＲＥ−ＴＭ合金と、遷移金属を主成分とする金属或いは合金とを積層して固定層３３を構成してもよい。
以上詳述したように第１の実施形態では、下地層１３のうち下地層２３に、導電性を有しかつＮａＣｌ構造の窒化物を用いている。ＮａＣｌ構造を有する窒化物は結晶性がよいため、下地層２３より上に配置される規則合金（固定層１４）の結晶性、（００１）面の配向性、及び平滑性を向上させることができる。すなわち、規則合金１４として、磁化方向が膜面に対し垂直方向を容易軸とする垂直磁化膜を形成することができる。
また、下地層２３に窒化物を用いることで、下地層１３の抵抗を低く抑える事ができ、直列抵抗の付加による磁気抵抗比の減少を抑制することができる。また、下地層１３上の規則合金（固定層１４）の平滑性が向上するため、この規則合金上に形成されるＭｇＯの平滑性も向上する。
また、下地層１３の最下層としてアモルファス構造或いは微結晶構造の金属からなる下地層２１を用いているため、下地層２２の酸化物及び下地層２３の窒化物の結晶性及び配向性を向上させることができる。また、下地層２１と下地層２３との間にＮａＣｌ構造を有する酸化物からなる下地層２２を設けているため、この下地層２２上の窒化物の平滑性を向上させることができる。
また、下地層２３と規則合金（固定層１４）との間に、正方晶構造或いは立方晶構造を有し、かつ、格子定数が２．７乃至３．０Å、３．７乃至４．２Åの範囲にあり、かつ、（００１）面に配向した金属からなる下地層２４を設けるようにしている。このように、下地層２３としての窒化物上に規則合金を直接形成するよりも、窒化物と規則合金との間に、バッファー層としての下地層２４を設けることで、規則合金の配向性をより向上させることができる。
また、このような下地層１３上にＬ１０構造の規則合金を形成することで、この規則合金を（００１）面に配向させることが可能となる。さらに、（００１）面に配向する規則合金上にＭｇＯを形成することで、（１００）面に配向したＭｇＯ形成することができる。これにより、高い磁気抵抗比を実現することが可能となる。
また、Ｌ１０構造を有する強磁性合金１４の規則化に必要な熱工程で生じる拡散によって、ＭＴＪ素子１０の磁気特性及び電気特性を劣化させる元素を下地層１３に用いていない。これにより、本実施形態の下地層１３を用いた場合でも、ＭＴＪ素子１０の磁気特性及び電気特性が劣化するのを防ぐことが可能となる。
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、第１の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の例について示している。
図２３は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ５０を備えている。メモリセルアレイ５０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ５０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１０、及びＮチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ５１を備えている。ＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ５１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ５１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ５１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ５２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路５４及び読み出し回路５５が接続されている。書き込み回路５４及び読み出し回路５５には、カラムデコーダ５３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ５２及びカラムデコーダ５３により選択される。
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行なうメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ５１がターンオンする。
ここで、ＭＴＪ素子１０には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＴＪ素子１０に左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路５４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、ＭＴＪ素子１０に右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路５４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ５１がターンオンする。読み出し回路５５は、ＭＴＪ素子１０に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路５５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１０に記憶されたデータを読み出すことができる。
次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図２４は、メモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
Ｐ型半導体基板６１の表面領域には、素子分離絶縁層が設けられ、この素子分離絶縁層が設けられていない半導体基板６１の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。
半導体基板６１の素子領域には、離間したソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが設けられている。このソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄはそれぞれ、半導体基板６１内に高濃度のＮ＋型不純物を導入して形成されたＮ＋型拡散領域から構成される。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ間で半導体基板６１上には、ゲート絶縁膜５１Ａを介して、ゲート電極５１Ｂが設けられている。ゲート電極５１Ｂは、ワード線ＷＬとして機能する。このようにして、半導体基板６１には、選択トランジスタ５１が設けられている。
ソース領域Ｓ上には、コンタクト６２を介して配線層６３が設けられている。配線層６３は、ビット線／ＢＬとして機能する。
ドレイン領域Ｄ上には、コンタクト６４を介して引き出し線６５が設けられている。引き出し線６５上には、下部電極１２及び上部電極１９に挟まれたＭＴＪ素子１０が設けられている。上部電極１９上には、配線層６６が設けられている。配線層６６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板６１と配線層６６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層６７で満たされている。
以上詳述したように、第１の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、ＭＴＪ素子１０は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。
また、第２の実施形態で示したＭＲＡＭは、様々な装置に適用することが可能である。ＭＲＡＭのいくつかの適用例について以下に説明する。
（適用例１）
図２５は、デジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）１００、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１０、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１２０、送信ドライバ１３０、及び受信機増幅器１４０等を含んで構成されている。
図２５では、バンドパスフィルタを省略しており、その代わりに回線コードプログラム（ＤＳＰで実行される、コード化された加入者回線情報、伝送条件等（回線コード：ＱＡＭ、ＣＡＰ、ＲＳＫ、ＦＭ、ＡＭ、ＰＡＭ、ＤＷＭＴ等）に応じてモデムを選択、動作させるためのプログラム）を保持するための種々のタイプのオプションのメモリとして、本実施形態のＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０とを示している。
なお、本適用例では、回線コードプログラムを保持するためのメモリとしてＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０との２種類のメモリを用いているが、ＥＥＰＲＯＭ１８０をＭＲＡＭに置き換えてもよい。すなわち、２種類のメモリを用いず、ＭＲＡＭのみを用いるように構成してもよい。
（適用例２）
図２６は、別の適用例として、携帯電話端末３００を示している。通信機能を実現する通信部２００は、送受信アンテナ２０１、アンテナ共用器２０２、受信部２０３、ベースバンド処理部２０４、音声コーデックとし用いられるＤＳＰ２０５、スピーカ（受話器）２０６、マイクロホン（送話器）２０７、送信部２０８、及び周波数シンセサイザ２０９等を備えている。
また、この携帯電話端末３００には、当該携帯電話端末の各部を制御する制御部２２０が設けられている。制御部２２０は、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、本実施形態のＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４がバス２２５を介して接続されて形成されたマイクロコンピュータである。上記ＲＯＭ２２２には、ＣＰＵ２２１において実行されるプログラムや表示用のフォント等の必要となるデータが予め記憶されている。
ＭＲＡＭ２２３は、主に作業領域として用いられるものであり、ＣＰＵ２２１がプログラムの実行中において計算途中のデータ等を必要に応じて記憶したり、制御部２２０と各部との間でやり取りするデータを一時記憶したりする場合等に用いられる。また、フラッシュメモリ２２４は、携帯電話端末３００の電源がオフされても、例えば直前の設定条件等を記憶しておき、次の電源オン時に同じ設定にするような使用方法をする場合に、それらの設定パラメータを記憶しておくものである。これによって、携帯電話端末３００の電源がオフにされても、記憶されている設定パラメータを消失してしまうことがない。
さらに、この携帯電話端末３００には、オーディオ再生処理部２１１、外部出力端子２１２、ＬＣＤコントローラ２１３、表示用のＬＣＤ（液晶ディスプレイ）２１４、及び呼び出し音を発生するリンガ２１５等が設けられている。上記オーディオ再生処理部２１１は、携帯電話端末３００に入力されたオーディオ情報（或いは、後述する外部メモリ２４０に記憶されたオーディオ情報）を再生する。再生されたオーディオ情報は、外部出力端子２１２を介してヘッドフォンや携帯型スピーカ等に伝えることにより、外部に取り出すことが可能である。このように、オーディオ再生処理部２１１を設けることにより、オーディオ情報の再生が可能となる。上記ＬＣＤコントローラ２１３は、例えば上記ＣＰＵ２２１からの表示情報をバス２２５を介して受け取り、ＬＣＤ２１４を制御するためのＬＣＤ制御情報に変換し、ＬＣＤ２１４を駆動して表示を行わせる。
携帯電話端末３００には、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１，２３３，２３５、外部メモリ２４０、外部メモリスロット２３２、キー操作部２３４、及び外部入出力端子２３６等が設けられている。上記外部メモリスロット２３２にはメモリカード等の外部メモリ２４０が挿入される。この外部メモリスロット２３２は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１を介してバス２２５に接続される。このように、携帯電話端末３００にスロット２３２を設けることにより、帯電話端末３００の内部の情報を外部メモリ２４０に書き込んだり、或いは外部メモリ２４０に記憶された情報（例えばオーディオ情報）を携帯電話端末３００に入力したりすることが可能となる。
上記キー操作部２３４は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続される。キー操作部２３４から入力されたキー入力情報は、例えばＣＰＵ２２１に伝えられる。上記外部入出力端子２３６は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続され、携帯電話端末３００に外部から種々の情報を入力したり、或いは携帯電話端末３００から外部へ情報を出力したりする際の端子として機能する。
なお、本適用例では、ＲＯＭ２２２、ＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４を用いているが、フラッシュメモリ２２４をＭＲＡＭに置き換えてもよいし、さらにＲＯＭ２２２もＭＲＡＭに置き換えることも可能である。
（適用例３）
図２７乃至図３１は、ＭＲＡＭをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード（ＭＲＡＭカード）に適用した例をそれぞれ示す。
図２７に示すように、ＭＲＡＭカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１が内蔵されている。このカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１に対応する位置に開口部４０２が形成され、ＭＲＡＭチップ４０１が露出されている。この開口部４０２にはシャッター４０３が設けられており、当該ＭＲＡＭカードの携帯時にＭＲＡＭチップ４０１がシャッター４０３で保護されるようになっている。このシャッター４０３は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えばセラミックからなっている。データを転写する場合には、シャッター４０３を開放してＭＲＡＭチップ４０１を露出させて行なう。外部端子４０４は、ＭＲＡＭカードに記憶されたコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。
図２８及び図２９は、上記ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、カード挿入型の転写装置５００の上面図及び断面図を示している。
データ転写装置５００は、収納部５００ａを有している。この収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０が収納されている。収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０に電気的に接続された外部端子５３０が設けられており、この外部端子５３０を用いて第１のＭＲＡＭカード５５０のデータが書き換えられる。
エンドユーザの使用する第２ＭＲＡＭカード４５０を、矢印で示すように転写装置５００の挿入部５１０より挿入し、ストッパ５２０で止まるまで押し込む。このストッパ５２０は、第１ＭＲＡＭ５５０と第２ＭＲＡＭカード４５０を位置合わせするための部材としても働く。第２ＭＲＡＭカード４５０が所定位置に配置されると、第１ＭＲＡＭデータ書き換え制御部から外部端子５３０に制御信号が供給され、第１ＭＲＡＭ５５０に記憶されたデータが第２ＭＲＡＭカード４５０に転写される。
図３０には、はめ込み型の転写装置を示す。この転写装置は、矢印で示すように、ストッパ５２０を目標に、第１ＭＲＡＭ５５０上に第２ＭＲＡＭカード４５０をはめ込むように載置するタイプである。転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
図３１には、スライド型の転写装置を示す。この転写装置は、ＣＤ−ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブと同様に、転写装置５００に受け皿スライド５６０が設けられており、この受け皿スライド５６０が矢印で示すように移動する。受け皿スライド５６０が破線の位置に移動したときに第２ＭＲＡＭカード４５０を受け皿スライド５６０に載置し、第２ＭＲＡＭカード４５０を転写装置５００の内部へ搬送する。ストッパ５２０に第２ＭＲＡＭカード４５０の先端部が当接するように搬送される点、及び転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
Ｌ１０構造を説明する図。 本発明の第１の実施形態に係る下地層１３及び強磁性合金１４を含む積層構造を示す断面図。 実施例１に係るＭＨループを示す図。 実施例２に係るＭＨループを示す図。 比較例１に係るＭＨループを示す図。 比較例２に係るＭＨループを示す図。 実施例１、２及び比較例１、２におけるそれぞれのＸ線回折プロファイルを示す図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ構造を示す断面図。 実施例３に係るＭＨループを示す図。 実施例４に係るＭＨループを示す図。 比較例３に係るＭＨループを示す図。 第１の実施形態に係るシングルピン構造のＭＴＪ素子１０の概略図。 具体例１−１のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 第１の実施形態に係るデュアルピン構造のＭＴＪ素子１０の概略図。 具体例２−１のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 具体例２−２のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 具体例２−３のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 具体例２−４のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 固定層３３の他の構成例を説明する図。 固定層３３の他の構成例を説明する図。 固定層３３の他の構成例を説明する図。 固定層３３の他の構成例を説明する図。 本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。 メモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図。 ＭＲＡＭの適用例１に係るデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を示すブロック図。 ＭＲＡＭの適用例２に係る携帯電話端末３００を示すブロック図。 ＭＲＡＭの適用例３に係るＭＲＡＭカード４００を示す上面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための転写装置５００を示す平面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための転写装置５００を示す断面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、はめ込み型の転写装置５００を示す断面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、スライド型の転写装置５００を示す断面図。
符号の説明
１０…ＭＴＪ素子、１１…基板、１２…密着層（下部電極）、１３…下地層、１４…強磁性合金（固定層）、１５…界面層、１６…トンネルバリア層、１７…記録層、１８…保護層、１９…上部電極、２１〜２４…下地層、３１…スペーサー層、３２…界面層、３３…固定層、３３−１，３３−３…磁性層、３３−２…非磁性層、５０…メモリセルアレイ、５１…選択トランジスタ、５１Ａ…ゲート絶縁膜、５１Ｂ…ゲート電極、５２…ロウデコーダ、５３…カラムデコーダ、５４…書き込み回路、５５…読み出し回路、６１…半導体基板、６２，６４…コンタクト、６３，６６…配線層、６５…引き出し線、６７…層間絶縁層、ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、Ｓ…ソース領域、Ｄ…ドレイン領域、１００…ＤＳＰ、１１０…Ａ／Ｄコンバータ、１２０…Ｄ／Ａコンバータ、１３０…送信ドライバ、１４０…受信機増幅器、１７０…ＭＲＡＭ、１８０…ＥＥＰＲＯＭ、２００…通信部、２０１…送受信アンテナ、２０２…アンテナ共用器、２０３…受信部、２０４…ベースバンド処理部、２０５…ＤＳＰ、２０６…スピーカ、２０７…マイクロホン、２０８…送信部、２０９…周波数シンセサイザ、２１１…オーディオ再生処理部、２１２…外部出力端子、２１３…ＬＣＤコントローラ、２１４…ＬＣＤ、２１５…リンガ、２２０…制御部、２２１…ＣＰＵ、２２２…ＲＯＭ、２２３…ＭＲＡＭ、２２４…フラッシュメモリ、２２５…バス、２３１，２３３，２３５…インターフェース回路、２３２…外部メモリスロット、２３２…スロット、２３４…キー操作部、２３６…外部入出力端子、２４０…外部メモリ、３００…携帯電話端末、４００…ＭＲＡＭカード本体、４０１…ＭＲＡＭチップ、４０２…開口部、４０３…シャッター、４０４…外部端子、４５０…ＭＲＡＭカード、５００…転写装置、５１０…挿入部、５２０…ストッパ、５３０…外部端子、５５０…ＭＲＡＭ、５６０…受け皿スライド。

Claims (19)

  1. アモルファス構造或いは微結晶構造を有する第１の下地層と、
    前記第１の下地層上に設けられ、かつＮａＣｌ構造を有する酸化物から構成される第２の下地層と、
    前記第２の下地層上に設けられ、かつＮａＣｌ構造を有し、かつ（００１）面に配向する窒化物から構成される第３の下地層と、
    前記第３の下地層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつＬ１０構造を有し、かつ（００１）面に配向する強磁性合金から構成される第１の磁性層と、
    前記第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、
    前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有する第２の磁性層と、
    を具備することを特徴とする磁気抵抗素子。
  2. 前記第１及び第２の磁性層の一方は、磁化方向が固定された固定層であり、
    前記第１及び第２の磁性層の他方は、磁化方向が変化可能な記録層であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
  3. 前記第３の下地層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、及びＣｅのうち１つ以上の元素を主成分とする窒化物から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
  4. 前記第２の下地層は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち１つ以上の元素を主成分とする酸化物から構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
  5. 前記第１の下地層は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち１つ以上の元素と、Ｂ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、及びＺｒのうち１つ以上の元素とを含む金属から構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
  6. 前記第３の下地層と前記第１の磁性層との間に設けられ、かつ正方晶構造或いは立方晶構造を有し、かつ２．７乃至３．０Å或いは３．７乃至４．２Åの範囲の格子定数を有し、かつ（００１）面に配向する金属から構成される第４の下地層をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
  7. 前記第４の下地層は、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕのうち少なくとも１つの元素からなる金属、或いはこれらのうち少なくとも１つの元素を主成分とする合金から構成されることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗素子。
  8. 前記第１の磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１つ以上の元素と、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＡｕのうち１つ以上の元素と含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
  9. 前記第１の磁性層は、Ｂ、Ｚｒ、及びＡｇのうち１つ以上の元素を合計で２０ａｔ％以下の濃度で含むことを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗素子。
  10. 前記第１の磁性層は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＷのうち１つ以上の元素を主成分とする酸化物或いは窒化物を２０ｖｏｌ％以下の濃度で含むことを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗素子。
  11. 前記第１の非磁性層は、酸化マグネシウムから構成されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
  12. 前記第２の磁性層は、Ｌ１０構造を有し、かつ（００１）面に配向する強磁性合金から構成されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
  13. 前記第２の磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕのうち１つ以上の元素と、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＡｕのうち１つ以上の元素と含むことを特徴とする請求項１２に記載の磁気抵抗素子。
  14. 前記第２の磁性層上に設けられた第２の非磁性層と、
    前記第２の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された第３の磁性層とをさらに具備し、
    前記第１の磁性層は、磁化方向が固定され、
    前記第２の磁性層は、磁化方向が変化可能であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
  15. 前記第２の非磁性層は、Ａｕ、Ａｇ、及びＣｕのうち少なくとも１つの元素からなる金属、或いはこれらのうち少なくとも１つの元素を主成分とする合金から構成されることを特徴とする請求項１４に記載の磁気抵抗素子。
  16. 前記第２の非磁性層は、酸化マグネシウムから構成されることを特徴とする請求項１４に記載の磁気抵抗素子。
  17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気メモリ。
  18. 前記第１の電極に電気的に接続された第１の配線と、
    前記第２の電極に電気的に接続された第２の配線と、
    前記第１の配線及び前記第２の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗素子に双方向に電流を供給する書き込み回路とをさらに具備することを特徴とする請求項１７に記載の磁気メモリ。
  19. 前記メモリセルは、前記第２の電極と前記書き込み回路との間に電気的に接続された選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項１８に記載の磁気メモリ。
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