特許 5761788 磁気抵抗素子および磁気メモリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5761788

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月12日

(54)【発明の名称】磁気抵抗素子および磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/8246 20060101AFI20150723BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20150723BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20150723BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20150723BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20150723BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20150723BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/10 447

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

   H01L43/08 M

   H01F10/32

【請求項の数】14

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2011-68868(P2011-68868)

(22)【出願日】2011年3月25日

(65)【公開番号】特開2012-204683(P2012-204683A)

(43)【公開日】2012年10月22日

【審査請求日】2014年3月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100103263

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 康

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(72)【発明者】

【氏名】大 坊 忠 臣

(72)【発明者】

【氏名】伊 藤 順 一

(72)【発明者】

【氏名】甲 斐 正

(72)【発明者】

【氏名】天 野 実

(72)【発明者】

【氏名】與 田 博 明

(72)【発明者】

【氏名】宮▲崎▼照 宣

(72)【発明者】

【氏名】水 上 成 美

(72)【発明者】

【氏名】窪 田 崇 秀

(72)【発明者】

【氏名】薬師寺 啓

(72)【発明者】

【氏名】湯 浅 新 治

(72)【発明者】

【氏名】久保田 均

(72)【発明者】

【氏名】福 島 章 雄

(72)【発明者】

【氏名】長 浜 太 郎

(72)【発明者】

【氏名】安 藤 功 兒

【審査官】 加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０１０５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３２４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３９０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１１９９２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２３９１２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２５２０３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／８２４６

Ｈ０１Ｆ １０／３２

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

垂直磁気異方性を有し、Ｍｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）を含む第１の磁性層と、
垂直磁気異方性を有し、Ｍｎ_ｙＧａ_{１００−ｙ}（４５≦ｙ＜６４ａｔｍ％）を含む第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層と、
を備え、前記第１の磁性層は、前記第２の磁性層よりもＭｎの組成比が小さく、前記第１の磁性層の磁化方向は可変で、かつ前記第２の磁性層の磁化方向は不変である磁気抵抗素子。

【請求項2】

前記第１の非磁性層は、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ｓｒ、Ｔｉの群から選択される１つの元素を含む酸化物である請求項１記載の磁気抵抗素子。

【請求項3】

前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間、前記第２の磁性層と前記第１の非磁性層との間の少なくとも一方に、ＡｌとＭｎとを含む界面層が設けられている請求項１または２記載の磁気抵抗素子。

【請求項4】

前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間、前記第２の磁性層と前記第１の非磁性層との間の少なくとも一方に、ホイスラー合金を含む界面層が設けられている請求項１または２記載の磁気抵抗素子。

【請求項5】

前記界面層は、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、およびＣｏ_２ＭｎＧｅのいずれかを含む請求項４記載の磁気抵抗素子。

【請求項6】

前記ホイスラー合金はＭｎを含む請求項４記載の磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記第１の非磁性層はＭｇＡｌＯを含む請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項8】

前記第１の磁性層、第１の非磁性層、および第２の磁性層を含む積層構造の下に設けられた下地層を更に備え、
前記下地層は、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物を含む請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項9】

前記第１の磁性層、第１の非磁性層、および第２の磁性層を含む積層構造の下に設けられた下地層を更に備え、
前記下地層は、ＡＢＯ_３からなる（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層を含み、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａのうちから選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂのうちから選択された１つの元素を含む請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項10】

前記第１の磁性層、第１の非磁性層、および第２の磁性層を含む積層構造の下に設けられた下地層を更に備え、
前記下地層は、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物を含む請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項11】

前記第１の磁性層、第１の非磁性層、および第２の磁性層を含む積層構造の下に設けられた下地層を更に備え、
前記下地層は、正方晶構造または立方晶構造を有し（００１）配向し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの群から選択される少なくとも１つの元素を含む請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項12】

前記第１の磁性層、第１の非磁性層、および第２の磁性層を含む積層構造の下に設けられた下地層を更に備え、
前記下地層は、第１の層と、前記第１の層上に設けられる第２の層とを備え、
前記第１の層は、
（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層、
ＡＢＯ_３からなる（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の層であって、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａのうちから選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂのうちから選択された１つの元素を含む層、および
（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層、
のうちの少なくとも一つの層を含み、
前記第２の層は、正方晶構造または立方晶構造を有し（００１）配向し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を含む
請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項13】

前記第２の磁性層に対して前記第１の非磁性層と反対側に設けられ、垂直磁気異方性を有し磁化方向が前記第２の磁性層の磁化方向と互いに反平行な第３の磁性層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の非磁性層と、を更に備え、
前記第２の磁性層の飽和磁化をＭ_Ｓ２、厚さをｔ_２とし、前記第３の磁性層の飽和磁化をＭ_Ｓ３、厚さをｔ_３とするとき、
Ｍ_Ｓ２×ｔ_２＜Ｍ_Ｓ３×ｔ_３
の関係を満たす請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項14】

請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の前記第１の磁性層と電気的に接続する第１の配線と、
前記磁気抵抗素子の前記第２の磁性層と電気的に接続する第２の配線と、
を備えている磁気メモリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、磁気抵抗素子および磁気メモリに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気抵抗素子（magnetoresistive element）としてのＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、第１の強磁性層、トンネルバリア層、および第２の強磁性層の積層を基本構造とし、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を示すことが知られており、１００Ｍｂｐｓｉ（bits per square inch）級ＨＤＤ用ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に応用されている。

【0003】

ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子に含まれる磁性層の磁化の相対角度の変化により情報（“１”、“０”）を記憶するという特徴があり、このため不揮発である。また、磁化反転速度は、数ナノ秒であることから、データの高速書き込み、高速読み出しが可能である。従って、ＭＲＡＭは、次世代の高速不揮発性メモリとして期待されている。また、スピン分極電流により磁化を制御するスピン注入磁化反転と呼ばれる方式を利用すれば、ＭＲＡＭのセルサイズを低減することで電流密度が増える。このため、容易に磁性体の磁化反転を実現でき、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを構成することが可能である。

【0004】

さらに近年では、ＭｇＯをトンネルバリア層に用いることで１０００％もの磁気抵抗比が得られることが理論的に示され、これが注目を集めている。これは、ＭｇＯを結晶化させることにより、強磁性層から特定の波数を持った電子のみが波数を保存したまま選択的にトンネル伝導することが可能となる。このとき、特定の結晶方位でスピン分極率が大きな値を示すことから、巨大な磁気抵抗効果が発現する。したがって、ＭＴＪ素子の磁気抵抗効果を大きくすることが、ＭＲＡＭの高密度化、低消費電力化に直結する。

【0005】

一方、不揮発性メモリの高密度化を考えた場合、磁気抵抗素子の高集積化は欠かせない。しかし、磁気抵抗素子を構成する強磁性体は、素子サイズの低減化に伴い熱擾乱耐性が劣化するため、如何にして強磁性体の磁気異方性および熱擾乱耐性を向上させるかが課題となる。

【0006】

この問題を解決するために近年、強磁性体の磁化が膜面に垂直な方向を向く垂直磁化ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。垂直磁化ＭＴＪ素子では、一般的に結晶磁気異方性の大きな材料を強磁性体に用いる。このような材料は、磁化が特定の結晶方向を向いており、構成元素の組成比、結晶性を変化させることで結晶磁気異方性の大きさを制御することができる。よって、結晶の成長方向を変化させることにより磁化の方向を制御することができる。また、強磁性体自身が高い結晶磁気異方性を有するので素子のアスペクト比が調整でき、さらに熱擾乱耐性が高いので、集積化に適している。これらのことを鑑みると、ＭＲＡＭの高集積化、および低消費電力化を実現するには、大きな磁気抵抗効果を発現する垂直磁化ＭＴＪ素子を作成することが極めて重要である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Butler W. H., Zhang X. G., Schulthess T. C., MacLaren J. M., “Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches”, Phys. Rev. B Vol. 63, 054416-054427(2001).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子およびこれを用いた磁気メモリを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本実施形態による磁気抵抗素子は、下地層と、前記下地層上に設けられ、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、Ｍｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）である磁性体膜を含む第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、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、Ｍｎ_ｙＧａ_{１００−ｙ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）である磁性体膜を含む第２の磁性層と、を備え、前記第１および第２の磁性層のＭｎの組成比が異なり、前記第１の非磁性層を介して前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に流れる電流によって、前記第１の磁性層の磁化方向が可変となることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図2】ＭｎＧａ層のＭｎ組成に対する垂直方向の保磁力の変化を示す図。

【図3】第２実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図4】第３実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図5】第４実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図6】第５実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図7】下地層の一具体例を示す断面図。

【図8】Ｍｎ_７５Ｇａ_２５の磁化曲線の一例を示す図。

【図9】Ｍｎ_７５Ｇａ_２５の磁化曲線の一例を示す図。

【図10】第６実施形態によるＭＲＡＭを示す回路図。

【図11】第６実施形態のＭＲＡＭのメモリセルを示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

【0012】

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気抵抗素子を図１に示す。図１は第１実施形態の磁気抵抗素子１の断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子１はＭＴＪ素子であって、下地層１００上に、強磁性層２、非磁性層４（以下、トンネルバリア層４ともいう）、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有している。下地層１００は、強磁性層２および強磁性層２より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられるが、詳細な性質については後述する。強磁性層２はＭｎおよびＧａを含み、その組成比がＭｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）である。図２に膜厚が５ｎｍのＴａ／膜厚が３０ｎｍのＭｎＧａ／Ｃｒ／ＭｇＯ基板のＭｎ組成に対する垂直方向の保磁力の変化を示す。Ｍｎ_５０Ｇａ_５０では保磁力が約１ｋＯｅ、Ｍｎ組成を増やすことにより保磁力が増大し、Ｍｎ_６０Ｇａ_４０で約６ｋＯｅまで増加する。試料はＭｎ_４５Ｇａ_５５とＭｎターゲットをコスパッタすることにより系統的に組成を変化させ作成した。ここでＭｎとＧａの組成は設計値である。スパッタ法でＭｎＧａを形成する場合、通常ＭｎＧａターゲットを使用する。しかし、ＭｎＧａはすべての組成にわたってターゲットを作成することは極めて困難である。Ｍｎ組成を減らしていくとターゲットがわれてしまう。ＭｎＧａが割れることなくターゲットが作成できるＧａに対するＭｎの限界組成はおよそ４５ａｔｍ％である。したがってＭｎ_４５Ｇａ_５５をＭｎ組成の下限組成とした。ＭＴＪ素子の抵抗値はトンネルバリアを介して配される二つの磁性層の磁化方向の角度により決まる。外部磁場或いは素子に流す電流により磁化方向の角度を制御することが出来る。その際二つの磁性層に保磁力の大きさに差を付けることにより、より安定的に磁化方向の角度を制御することが可能となる。ここでは保磁力の大きい磁性層を参照層、保磁力の小さな磁性層を記憶層と呼ぶ。したがって一般的には参照層に用いる場合にはより大きな保磁力、記憶層に用いる場合にはより小さな保持力を持つことが望まれる。図２に示すようにＭｎ濃度を増やすことで保磁力を増大させることが可能であるために、より参照層として適している。

【0013】

一方、文献（Thaddeus B.Massalski, “BINARY ALLOY PHASE DIAGRAMS”, Vol.2,P1144.)に示すＭｎＧａの相図から、Ｍｎ濃度が約６５％以上の組成域では異なる相が共存することが示唆される。これは、組成域では磁気特性の異なる相が混在した状態で結晶成長することが予想され、磁気特性などのばらつきなどの原因になりうる。したがってＭｎＧａ磁性体を安定的に形成し、所望の磁気特性を得るために、Ｇａに対するＭｎの上限組成を６４ａｔｍ％とした。また、強磁性層８はＭｎおよびＧａを含まない強磁性層で、詳細な性質については後述する。そして、この第１実施形態においては、非磁性層４として、ＭｇＡｌＯを用いることが好ましい。例えば、ＭｎＧａからなる強磁性層、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層、ＭｎＧａからなる強磁性層がこの順序で積層された積層構造とした場合に、ＭｎＧａ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＭｎＧａ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。ここでＭｎＧａ（００１）、ＭｇＯ（００１）とはそれぞれ膜の法線方向に（００１）面が露出するように結晶配向しているという意味である。これにより、トンネル電子の波数選択性を向上させることができ、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。ＭｎＧａが膜の法線方向に（００１）面が露出するように結晶配向した場合、膜面内方向の格子定数はＭｎ、Ｇａの組成に寄らず約３．９１Åである。ＭｎＧａとＭｇＯの膜面内方向におけるバルクの格子定数から格子ミスマッチを求めると約７．７％と大きい。格子ミスマッチは以下の式で定義される。(ａ（ＭｇＯ）-ａ（ＭｎＧａ）)/ａ（ＭｎＧａ）×１００。ここでａ（ＭｇＯ）、ａ（ＭｎＧａ）はそれぞれ膜面内方向のＭｎＧａおよびＭｇＯの格子定数である。格子ミスマッチが大きいと格子歪による界面エネルギーを低減させるために界面に転移などが生成される。その場合、結晶粒の間でエピタキシャル関係が成立し、膜面内にわたって均一にエピタキシャル成長させることは困難である。素子に電流を流すと転移が電子の散乱源になるために磁気抵抗比は低減されてしまう。したがって、転移を発生させず膜面内に均一にエピタキシャル成長させるためにはより格子ミスマッチが小さい材料で積層させることが重要である。そのため非磁性層としてＭｇＡｌＯを用い、ＭｎＧａ（００１）／ＭｇＡｌＯ（００１）／ＭｎＧａ（００１）を構成する。たとえばＭｇＡｌ_２Ｏ_４のａ軸方向の格子定数は８．０９Åである。したがって格子ミスマッチは３．５％まで低減できるのでより大きな磁気抵抗比が得られる。

【0014】

強磁性層２および強磁性層８はそれらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１は、強磁性層２および強磁性層８の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。なお、本明細書では膜面とは、強磁性層の上面を意味する。また、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。これに対して困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。

【0015】

そして、強磁性層２および強磁性層８のうちの一方の強磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１に流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変であり、他方の強磁性層は可変である。不変である強磁性層を参照層とも称し、可変である強磁性層を記録層と称す。本実施形態においては、例えば、強磁性層２を記録層、強磁性層８を参照層とする。なお、書き込み電流は、強磁性層２と強磁性層８との間に膜面に垂直方向に流す。強磁性層２が記録層、強磁性層８が参照層であってかつ強磁性層２の磁化の方向と強磁性層８の磁化の方向が反平行（逆の方向）な場合には、強磁性層２から強磁性層８に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は強磁性層８から界面磁性層６、非磁性層４を通って強磁性層２に流れる。そして、強磁性層８を通ることによりスピン偏極された電子は強磁性層２に流れる。強磁性層２の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は強磁性層２を通過するが、強磁性層２の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、強磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、強磁性層２の磁化の方向が強磁性層８の磁化と同じ方向に向くように働く。これにより、強磁性層２の磁化の方向が反転し、強磁性層８の磁化の方向と平行（同じ方向）になる。

【0016】

これに対して、強磁性層２の磁化の方向と強磁性層８の磁化の方向が平行な場合には、強磁性層８から強磁性層２に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は強磁性層２から非磁性層４、界面磁性層６を通って強磁性層８に流れる。そして、強磁性層２を通ることによりスピン偏極された電子は強磁性層８に流れる。強磁性層８の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は強磁性層８を通過するが、強磁性層８の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、界面磁性層６と強磁性層８との界面で反射され、界面磁性層６、非磁性層４を通って強磁性層２に流れ込む。これにより、強磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、強磁性層２の磁化の方向が強磁性層８の磁化と反対方向に向くように働く。これにより、強磁性層２の磁化の方向が反転し、強磁性層８の磁化の方向と反平行になる。なお、界面磁性層６は、スピン分極率を増大させるために設けられている。

【0017】

なお、第１実施形態では、下地層１００上に、強磁性層２、非磁性層４（以下、トンネルバリア層４ともいう）、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有しているが、下地層１００上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層１００上に、強磁性層８、界面磁性層６、非磁性層４、および強磁性層２がこの順序で積層された構造であってもよい。

【0018】

（第２実施形態）
第２実施形態による磁気抵抗素子を図３に示す。図３は第２実施形態の磁気抵抗素子１Ａの断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子１ＡはＭＴＪ素子であって、下地層１００上に、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有している。このうち強磁性層２はＭｎおよびＧａを含み、その組成比がＭｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）である。界面磁性層３はスピン分極率を増大させるためにＭｎＡｌを用いことが好ましい。また、非磁性層４として、後述するトンネルバリア層の材料を用いることができるがＭｇＡｌＯを用いることが好ましい。なお、界面磁性層３として、ＭｎＧａを用いることもできる。

【0019】

第１実施形態と同様に、強磁性層２および強磁性層８はそれぞれ、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１Ａは、強磁性層２および強磁性層８の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。そして、強磁性層２および強磁性層８のうちの一方の強磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１Ａに流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変であり、他方の強磁性層は可変である。本実施形態においては、例えば、強磁性層２を参照層、強磁性層８を記録層とする。なお、書き込み電流は、第１実施形態と同様に、強磁性層２と強磁性層８との間に膜面に垂直方向に流す。なお、第１実施形態と同様に、界面磁性層３、６は、スピン分極率を増大させるために設けられている。

【0020】

なお、第２実施形態においては、下地層１００上に、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有しているが、下地層１００上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層１００上に、強磁性層８、界面磁性層６、非磁性層４、界面磁性層３、および強磁性層２がこの順序で積層された構造であってもよい。

【0021】

（第３実施形態）
第３実施形態による磁気抵抗素子を図４に示す。図４は第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂの断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子３はＭＴＪ素子であって、下地層１００上に、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、および強磁性層１０がこの順序で積層された構造を有している。このうち強磁性層２、および強磁性層１０はＭｎおよびＧａを含み、その組成比がＭｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）である。この場合、強磁性層１０のＭｎの組成比を、強磁性層２のＭｎの組成比と異ならせることにより、強磁性層１０と強磁性層２の保持力に差を設け、Ｍｎの組成比の少ない強磁性層が記録層となり、Ｍｎの組成比の多い強磁性層が参照層となる。参照層と記憶層の保磁力差が１ｋＯｅ以上あれば十分である。したがって図２からＭｎ_５０Ｇａ_５０を仮に記憶層とした場合Ｍｎ５５ａｔｍ％以上のＭｎ組成を有するＭｎＧａが参照層に適している。また、界面磁性層３として、スピン分極率を高くするためにＭｎＡｌを用いることが好ましい。この第３実施形態においては、非磁性層４として後で詳細に説明する材料を用いることができる。なお、界面磁性層３としてＭｎＧａを用いることもできる。

【0022】

この第３実施形態も第１、２実施形態と同様に、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。また同様に、界面磁性層３は、スピン分極率を増大させるために設けられている。

【0023】

なお、第３実施形態においては、下地層１００上に、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、および強磁性層１０がこの順序で積層された構造を有しているが、下地層１００上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層１００上に、強磁性層１０、非磁性層４、界面磁性層３、および強磁性層２がこの順序で積層された構造であってもよい。

【0024】

（第４実施形態）
第４実施形態による磁気抵抗素子を図５に示す。図５は第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｃの断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子１ＣはＭＴＪ素子であって、下地層１００上に、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層９、および強磁性層１０がこの順序で積層された構造を有している。このうち強磁性層２および強磁性層１０はＭｎおよびＧａを含み、その組成比がＭｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）である。なお、第４実施形態においても、第３実施形態と同様に、強磁性層１０と強磁性層２の保持力に差を設け、Ｍｎの組成比を異ならせる。また、界面磁性層３、９として、スピン分極率を高くするためにＭｎＡｌを用いることが好ましい。この第４実施形態においては、非磁性層４として後で詳細に説明する材料を用いることができる。なお、界面磁性層３、９として、ＭｎＧａを用いることもできる。

【0025】

この第４実施形態も第１、２、３実施形態と同様に、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。

【0026】

（第５実施形態）
第５実施形態による磁気抵抗素子を図６に示す。図６はこの第５実施形態の磁気抵抗素子１Ｄの断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子１Ｄは第４実施形態において、強磁性層１０上に非磁性層１２、強磁性層１４を積層した構成となっている。なお、本実施形態においては、界面磁性層９と強磁性層１０が参照層となっている。強磁性層１４はバイアス層とも呼ばれ、強磁性層１０とは、磁化の向きが反平行（逆向き）の磁化を有している。強磁性層１４は、非磁性層１２を介して強磁性層と反強磁性結合（ＳＡＳ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）結合）していてもよい。これにより、界面磁性層９と強磁性層１０より成る参照層からの漏れ磁場による界面磁性層３と強磁性層２より成る記憶層の反転電流のシフトを緩和および調整することが可能となる。非磁性層１２は、強磁性層１０とバイアス層１４とが熱工程によって混ざらない耐熱性、およびバイアス層１４を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。

【0027】

さらに、非磁性層１２の膜厚が厚くなるとバイアス層１４と記憶層（本実施形態では強磁性層２）との距離が離れるため、バイアス層１４から記憶層に印加されるシフト調整磁界が小さくなってしまう。このため、非磁性層１２の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。バイアス層１４は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する、強磁性材料から構成される。バイアス層１４は、参照層に比べて記憶層から離れているため、記憶層に印加される漏れ磁場をバイアス層１４によって調整するためには、バイアス層１４の膜厚、或いは飽和磁化Ｍ_Ｓの大きさを参照層のそれらより大きくする設定する必要がある。すなわち、本発明者達の研究結果によれば、参照層の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ_２、Ｍ_Ｓ２、強磁性層９（バイアス層）の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ_３、Ｍ_Ｓ３とすると、以下の関係式を満たす必要がある。

【0028】

Ｍ_Ｓ２×ｔ_２＜Ｍ_Ｓ３×ｔ_３
なお、第５実施形態で説明したバイアス層１４は、第１乃至第３実施形態の磁気抵抗素子にも適用することができる。この場合、参照層となる強磁性層８または強磁性層１０上に非磁性層１２を間に挟んで積層される。

【0029】

次に、第１乃至第５実施形態によるＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃに含まれる各層の具体的な構成を、強磁性層２、強磁性層１０、下地層１００、界面磁性層３、界面磁性層９、強磁性層８、界面磁性層６、非磁性層４の順に説明する。

【0030】

（強磁性層２および強磁性層１０の材料）
強磁性層２および強磁性層１０は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。強磁性層２および強磁性層１０に用いられる材料としては、ＭｎおよびＧａを含むＭｎＧａ合金であり、その組成比がＭｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）である。Ｍｎの組成を調整することにより飽和磁化、結晶磁気異方性の制御をすることが可能である。また、ＭｎＧａ合金は高スピン分極率を有するため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。

【0031】

一般に、磁気摩擦定数は材料のスピン軌道相互作用の大きさと相関があり、原子番号の大きな材料ではスピン起動相互作用が大きく、磁気摩擦定数も大きい。ＭｎＧａは軽元素で構成されている材料であるため磁気摩擦定数が小さい。したがって磁化反転に必要なエネルギーが少なくて済むため、スピン偏極した電子によって磁化を反転させるための電流密度を大幅に低減できる。

【0032】

（下地層１００）
下地層１００は、強磁性層２および強磁性層２より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられる。そのため、下地層１００の材料の選択が重要となる。以下に下地層１００の材料および構成について説明する。

【0033】

まず、下地層１００の第１の例としては、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層である。

【0034】

下地層１００の第２の例としては、ＡＢＯ_３からなる（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物の単層である。ここで、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａのうちから選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂのうちから選択され少なくとも一つの元素を含む。

【0035】

下地層１００の第３の例としては、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層である。

【0036】

下地層１００の第４の例としては、正方晶構造または立方晶構造を有し（００１）配向し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層である。

【0037】

下地層１００の第５の例としては、例えば図７に示すように、第１乃至第３の例のいずれかの層１００ａ上に、第４の例の層１００ｂを積層した積層構造を有している。図８にＭｇＯ基板上に下地層として膜厚が２．５ｎｍのＭｇＯを挿入し作成した、膜厚５ｎｍのＴａ／膜厚が３０ｎｍのＭｎ_７５Ｇａ_２５／膜厚が２．５ｎｍのＭｇＯ／ＭｇＯ基板の磁化曲線の一例を示す。ＶＳＭ評価から垂直方向の保磁力が約５ｋＯｅと大きな垂直磁気特性が得ることができた。

【0038】

しかし、面内方向と垂直方向の磁化ループ形状がほぼ等しかった。Ｍｎ_７５Ｇａ_２５の磁化容易軸はｃ軸（００１）方向である。膜の結晶性は向上しているものの、個々の結晶粒はランダムに結晶配向することで磁化容易軸もランダムな方向に向くため膜全体で磁気特性を評価した場合に、垂直方向と面内方向で違いが観測できなかったと考えられる。次に図９にＭｇＯ基板上に下地層として２層積層構造を有する膜厚が１ｎｍのＣｒ／膜厚が２．５ｎｍのＭｇＯを挿入し作成した、膜厚が５ｎｍのＴａ／膜厚が３０ｎｍのＭｎ_７５Ｇａ_２５／膜厚が１ｎｍのＣｒ／膜厚が２．５ｎｍのＭｇＯ／ＭｇＯ基板の磁化曲線の一例を示す。ＶＳＭ評価から垂直方向の保磁力が約１０ｋＯｅ、面内方向の保磁力が約３．７ｋＯｅと膜面に対して垂直優勢であることが確認できた。さらにＭｇＯ単層下地の試料に比べ垂直方向の保磁力も増大している。Ｃｒを積層させることによりＭｇＯ表面エネルギーが低減し、且つＭｎ_７５Ｇａ_２５とのミスフィットが低減されＭｎ_７５Ｇａ_２５が結晶性良く成長し、結晶配向の分布が抑えられたと考えられる。この傾向はＭｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５≦ｘ＜６４ａｔｍ％）でも同様で、このように下地層の構成を工夫することによりＭｎＧａの成長を制御でき磁気特性の改善が可能となる。このほかにも下地層として２層積層される例として例えば、Ａｇ／ＭｇＯ、Ａｇ／ＴｉＮ、ＴｉＮ／ＭｇＯ、Ｃｒ／ＭｇＯ、Ｃｒ／ＴｉＮ、Ｃｒ／ＶＮ、Ｃｒ／ＮｂＮ、Ｐｔ／ＭｇＯ、Ｐｔ／ＴｉＮ、Ｐｔ／ＶＮ、Ｐｔ／ＮｂＮ、Ｉｒ／ＭｇＯ、Ｉｒ／ＴｉＮ、Ｉｒ／ＶＮ、Ｉｒ／ＮｂＮ、などが挙げられる。同様に下地層として３層以上積層されることでも同様な効果が得られる。下地層として３層以上積層される例として例えば、Ｃｒ／Ｆｅ／ＭｇＯ、Ｃｒ／Ｆｅ／ＴｉＮ、Ａｇ／Ｆｅ／ＭｇＯ、Ｃｒ／ＴｉＮ／ＭｇＯ、Ａｇ／Ｃｒ／ＭｇＯ、Ｃｒ／ＶＮ／ＭｇＯ、Ｃｒ／ＮｂＮ／ＭｇＯ、Ｐｔ／ＴｉＮ／ＭｇＯ、Ｐｔ／ＶＮ／ＭｇＯ、Ｐｔ／ＮｂＮ／ＭｇＯ、Ｉｒ／ＴｉＮ／ＭｇＯ、Ｉｒ／ＶＮ／ＭｇＯ、Ｉｒ／ＮｂＮ／ＭｇＯ、Ｃｒ／Ｐｔ／ＶＮ／ＭｇＯ、Ｃｒ／Ｐｔ／ＮｂＮ／ＭｇＯ、Ｃｒ／Ｐｔ／ＴｉＮ／ＭｇＯ、などが挙げられる。

【0039】

（界面磁性層３および界面磁性層９）
界面磁性層３および界面磁性層９は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。界面磁性層３および界面磁性層９に用いられる材料としては、例えばＭｎおよびＡｌからなる合金が挙げられる。ＭｎＡｌ合金は軽元素で構成されている材料であるため磁気摩擦定数が小さい。したがって磁化反転に必要なエネルギーが少なくて済むため、スピン偏極した電子によって磁化を反転させるための電流密度を大幅に低減できる。また、ＭｎＡｌ合金は（００１）方向に上向きスピン、或いは下向きスピンのどちらか一方のスピンバンドに対してエネルギーギャップが存在するためにハーフメタリックな特性を持ち、高スピン分極率を有し、これにより大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。

【0040】

（強磁性層８）
強磁性層８は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。強磁性層８に用いられる材料としては、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）あるいはＨＣＰの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。

【0041】

また、強磁性層８に用いられる人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む合金（強磁性膜）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうち１つの元素あるいはこの１つの元素を含む合金（非磁性膜）と、が交互に積層された構造が挙げられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、強磁性膜への元素の添加、強磁性膜と非磁性膜の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。

【0042】

また、強磁性層８に用いられる材料としては、遷移金属Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群と、希土類金属Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄの群からそれぞれ選択された少なくとも１つの元素を含む合金が挙げられる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。また、これらの合金を交互に積層された多層構造であってもよい。具体的にはＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ或いはＤｙＦｅ／Ｃｏ、ＤｙＣｏ／Ｆｅ、ＤｙＦｅＣｏ／ＣｏＦｅなどの多層膜が挙げられる。これらの合金は、膜厚比や組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。

【0043】

また、強磁性層８に用いられる材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。

【0044】

（界面磁性層６）
磁気抵抗素子の磁気抵抗比を上げるために、ＭｇＯのトンネルバリア層に隣接する界面磁性層には高スピン分極率を有する材料が用いる。例えば界面磁性層６は、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも一つの金属よりなる合金が望ましい。このとき、例えば、ＣｏＦｅからなる界面磁性層、ＭｇＯからなる非磁性層、ＣｏＦｅからなる界面磁性層とした場合に、ＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。この場合、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。

【0045】

なお、界面磁性層６がＭｇＯに対して（００１）配向でエピタキシャル成長していれば大きな磁気抵抗比を得ることができるので、ＭｇＯである非磁性層４と接する界面磁性層６は膜面に垂直方向に伸び縮みしていてもよい。

【0046】

また、界面磁性層６の飽和磁化を制御するために、界面磁性層６に、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｇｅの群から選択された少なくとも１つの元素を添加してもよい。すなわち、界面磁性層６はＦｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、ＭｎおよびＧｅの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であってもよい。例えば、ＣｏＦｅＢの他に、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＰ、ＣｏＦｅＷ、ＣｏＦｅＮｂ等が挙げられ、これらの合金は、ＣｏＦｅＢと同等のスピン分極率を有している。またＣｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ等のホイスラー金属でもよい。ホイスラー金属はＣｏＦｅＢと同等かあるいはより高いスピン分極率を有しているため界面磁性層の適している。

【0047】

（非磁性層４）
非磁性層４は絶縁材料からなり、したがって、非磁性層４としては、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層の材料としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、亜鉛（Ｚｎ）およびチタン（Ｔｉ）からなるグループから選ばれる少なくとも１つの元素を主成分とする酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、またはＴｉＯが挙げられる。トンネルバリア層は、上述の酸化物のグループから選ばれる２つ以上の材料の混晶物あるいはこれら積層構造であってもよい。混晶物の例としては、ＭｇＡｌＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＴｉＯ、ＭｇＣａＯなどである。二層積層構造の例としてはＭｇＯ／ＺｎＯ、ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＴｉＯ／ＡｌＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯなどが挙げられる。三層積層構造の例としてはＡｌＯ／ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＺｎＯ／ＭｇＯ／ＺｎＯなどが挙げられる。なお、記号「／」の左側が上層を示し、右側が下層を示している。

【0048】

トンネルバリア層は、結晶質およびアモルファスのいずれであっても構わない。しかし、トンネルバリア層が結晶化している場合、トンネルバリア中での電子の散乱が抑制されるため電子が強磁性層から波数を保存したまま選択的にトンネル伝導する確率が増え、磁気抵抗比を大きくすることができる。したがって大きな磁気抵抗比を得るという観点においては結晶質トンネルバリアの方が望ましい。

【0049】

例えば、ＭｎＧａからなる強磁性層、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層、ＭｎＧａからなる強磁性層がこの順序で積層された積層構造とした場合に、ＭｎＧａ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＭｎＧａ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。これにより、トンネル電子の波数選択性を向上させることができ、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。しかし、ＭｎＧａとＭｇＯの膜面内方向におけるバルクの格子定数から格子ミスマッチを求めると約７．７％と大きい。格子ミスマッチは以下の式で定義される。(ａ（ＭｇＯ）-ａ（ＭｎＧａ）)/ａ（ＭｎＧａ）×１００。ここでａ（ＭｇＯ）、ａ（ＭｎＧａ）はそれぞれ膜面内方向のＭｎＧａおよびＭｇＯの格子定数である。格子ミスマッチが大きいと格子歪による界面エネルギーを低減させるために界面に転移などが生成される。その場合、結晶粒の間でエピタキシャル関係が成立し、膜面内にわたって均一にエピタキシャル成長させることは困難である。素子に電流を流すと転移が電子の散乱源になるために磁気抵抗比は低減されてしまう。したがって、転移を発生させず膜面内に均一にエピタキシャル成長させるためにはより格子ミスマッチが小さい材料で積層させることが重要である。そのため非磁性層としてＭｇＡｌＯを用い、ＭｎＧａ（００１）／ＭｇＡｌＯ（００１）／ＭｎＧａ（００１）を構成する。これによりＭｎＧａとの格子ミスマッチは３．５％まで低減できるのでより大きな磁気抵抗比が得られる。

【実施例】

【0050】

次に、実施例として、具体的な垂直磁化ＭＴＪ素子の積層構造を説明する。下記の磁気抵抗膜（サンプル）を形成し、第１乃至第５実施形態のいずれかの垂直磁化ＭＴＪ素子を作成した。各層の後に括弧書きで示した数値は、成膜時の各層の厚さ（設計値）である。それぞれのサンプルは、成膜後に、ＴＭＲ特性および磁気特性が最適化されるように、適切な温度および時間で真空アニールが施される。

【0051】

（実施例１）
実施例１の垂直磁化ＭＴＪ素子として、図１に示す第１実施形態による垂直磁化を有するＭＴＪ素子１を作成する。この実施例１によるＭＴＪ素子１は、ＭｇＯ単結晶基板（図示せず）上に、下地層１００、強磁性層２、非磁性層４、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有している。ここでは強磁性層２として膜厚が２０ｎｍのＭｎＧａを用いる。強磁性層２は膜面の垂直方向に磁化容易軸を有し磁化の方向が可変である記憶層となる。強磁性層８として膜厚が１６ｎｍのＴｂＣｏＦｅを用いる。強磁性層８は膜面の垂直方向に磁化容易軸を有し磁化の方向が不変である参照層となる。また、界面磁性層６は膜厚が１ｎｍのＣｏ_６０Ｆｅ_２０Ｂ_２０を用いる。非磁性層４としてＭｇＡｌＯからなるトンネルバリア層を用いる。

【0052】

垂直ＭＴＪの膜面垂直方向に磁場を掃引しながら室温で電気抵抗値を測定した。その結果、記憶層と参照層の磁化配列が平行、反平行時の電気抵抗変化率は２７％である。

【0053】

（実施例２）
実施例２の垂直磁化ＭＴＪ素子として、図３に示す第２実施形態による垂直磁化ＭＴＪ素子１Ａを作成した。この実施例２によるＭＴＪ素子１Ａは、ＭｇＯ単結晶基板（図示せず）上に、下地層１００、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および強磁性層８がこの順序で積層された構造を有している。

【0054】

ここでは強磁性層１として膜厚が２０ｎｍのＭｎＧａ、界面磁性層３として膜厚が２０ｎｍのＭｎＡｌ、界面磁性層６として膜厚が１ｎｍのＣｏ_６０Ｆｅ_２０Ｂ_２０、強磁性層８として膜厚が１６ｎｍのＴｂＣｏＦｅを用いる。また、非磁性層４としてＭｇＡｌＯからなるトンネルバリア層を用いる。

【0055】

垂直ＭＴＪの膜面垂直方向に磁場を掃引しながら室温で電気抵抗値を測定した。その結果、記憶層と参照層の磁化配列が平行、反平行時の電気抵抗変化率は４３％である。

【0056】

（実施例３）
実施例３の垂直磁化ＭＴＪ素子として、図４に示す第３実施形態による垂直磁化ＭＴＪ素子１Ｂを作成する。この実施例３によるＭＴＪ素子１Ｂは、ＭｇＯ単結晶基板（図示せず）上に、下地層１００、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層（トンネルバリア層）４、および強磁性層１０がこの順序で積層された構造を有している。ここでは強磁性層２として膜厚が２０ｎｍのＭｎ_５０Ｇａ_５０、界面磁性層３として膜厚が２０ｎｍのＭｎＡｌ、強磁性層１０として膜厚が５０ｎｍのＭｎ_６４Ｇａ_３６を用いる。また、非磁性層４としてＭｇＯからなるトンネルバリア層を用いる。

【0057】

垂直ＭＴＪの膜面垂直方向に磁場を掃引しながら室温で電気抵抗値を測定した。その結果、記憶層と参照層の磁化配列が平行、反平行時の電気抵抗変化率は２３％である。

【0058】

（実施例４）
実施例４の垂直磁化ＭＴＪ素子として、図５に示す第４実施形態による垂直磁化ＭＴＪ素子１Ｃを作成する。この実施例４によるＭＴＪ素子１Ｄは、ＭｇＯ単結晶基板（図示せず）上に、下地層１００、強磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層９、および強磁性層１０がこの順序で積層された構造を有している。

【0059】

ここでは強磁性層２として膜厚が２０ｎｍのＭｎ_５０Ｇａ_５０、界面磁性層３として膜厚が２０ｎｍのＭｎＡｌ、界面磁性層９として膜厚が２０ｎｍのＭｎＡｌ、強磁性層１０として膜厚が５０ｎｍのＭｎ_６４Ｇａ_３６を用いる。また、非磁性層４としてＭｇＯからなるトンネルバリア層を用いる。

【0060】

垂直ＭＴＪの膜面垂直方向に磁場を掃引しながら電気抵抗値を測定する。その結果、記憶層と参照層の磁化配列が平行、反平行時の電気抵抗変化率は１９％である。

【0061】

以上説明したように、各実施形態および各実施例によれば、垂直磁気異方性を有するとともにより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。

【0062】

（第６実施形態）
第１乃至第５実施形態のＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは、ＭＲＡＭに適用できる。以下では、説明を簡単にするために、第１実施形態のＭＴＪ素子１を用いた場合について説明する。

【0063】

ＭＲＡＭを構成する記憶素子は、磁化（或いはスピン）方向が可変である（反転する）記録層、磁化方向が不変である（固着している）参照層、これら記録層および参照層に挟まれた非磁性層を備えている。「参照層の磁化方向が不変である」とは、記録層の磁化方向を反転するために使用される磁化反転電流を参照層に流した場合に、参照層の磁化方向が変化しないことを意味する。膜面の垂直方向に磁化容易軸を有する２つの強磁性層の一方を記録層、他方を参照層として用いることで、ＭＴＪ素子を記憶素子として用いたＭＲＡＭを構成することができる。

【0064】

具体的には、２つの強磁性層に保磁力差を設けることで、これらを記録層および参照層として用いることができる。従って、ＭＴＪ素子において、一方の強磁性層（参照層）として反転電流の大きな強磁性層を用い、他方の強磁性層（記録層）として、参照層となる強磁性層よりも反転電流の小さい強磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の強磁性層と磁化方向が不変の強磁性層とを備えたＭＴＪ素子を実現することができる。

【0065】

図１０は、第４実施形態によるＭＲＡＭの構成を示す回路図である。この実施形態のＭＲＡＭは、マトリクス状に配列されたメモリセルを有し、各メモリセルは、ＭＴＪ素子１を備えている。各ＭＴＪ素子１の一端は、ビット線ＢＬに電気的に接続される。ビット線ＢＬの一端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ１を経由してセンスアンプＳＡに電気的に接続される。センスアンプＳＡは、ＭＴＪ素子１からの読み出し電位Ｖｒと参照電位Ｖｒｅｆとを比較し、この比較結果を出力信号ＤＡＴＡとして出力する。センスアンプＳＡに電気的に接続された抵抗Ｒｆは、帰還抵抗である。

【0066】

ビット線ＢＬの他端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ２を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１のドレイン及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１のドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタＰ１のソースは、電源端子Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＮ１のソースは、接地端子Ｖｓｓに接続される。

【0067】

各ＭＴＪ素子１の他端は、下部電極２９に電気的に接続される。下部電極２９は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３を経由してソース線ＳＬに電気的に接続される。なお、ソース線ＳＬはビット線ＢＬと平行な方向に延在する。

【0068】

ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ４を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２のドレイン及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２のドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタＰ２のソースは、電源端子Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＮ２のソースは、接地端子Ｖｓｓに接続される。また、ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ５を経由して接地端子Ｖｓｓに接続される。

【0069】

ＭＯＳトランジスタＳＴ３のゲートは、ワード線ＷＬに電気的に接続される。ワード線ＷＬは、ビット線ＢＬが延在する方向に対して交差する方向に延在する。

【0070】

ＭＴＪ素子１へのデータ書き込みは、スピン注入書き込み方式によって行われる。すなわち、制御信号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤによるＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２、Ｎ１及びＮ２のオン／オフによりＭＴＪ素子１に流れる書き込み電流の向きを制御し、データ書き込みを実現する。

【0071】

ＭＴＪ素子１からのデータ読み出しは、ＭＴＪ素子１に読み出し電流を供給することで行われる。この読み出し電流は、書き込み電流よりも小さい値に設定される。ＭＴＪ素子１は、磁気抵抗効果により、参照層と記録層との磁化方向が平行配列か反平行配列かで異なる抵抗値を有する。すなわち、参照層と記録層との磁化方向が平行配列のときはＭＴＪ素子１の抵抗値は最も小さくなり、一方、参照層と記録層との磁化方向が反平行配列のときはＭＴＪ素子１の抵抗値は最も大きくなる。この抵抗値の変化をセンスアンプＳＡによって検出することで、ＭＴＪ素子１に記録された情報を読み出す。

【0072】

図１１は、上記メモリセルを示す断面図である。Ｐ型半導体基板２１内には、ＳＴＩ（shallow trench isolation）構造の素子分離絶縁層２２が形成される。素子分離絶縁層２２に囲まれた素子領域（活性領域）には、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３が設けられている。ＭＯＳトランジスタＳＴ３は、ソース／ドレイン領域としての拡散領域２３及び２４と、拡散領域２３及び２４間のチャネル領域の上に設けられたゲート絶縁膜２５と、ゲート絶縁膜２５上に設けられたゲート電極２６とを有する。ゲート電極２６は、図１０に示すワード線ＷＬに相当する。

【0073】

拡散領域２３上には、コンタクトプラグ２７が設けられている。コンタクトプラグ２７上には、ソース線ＳＬが設けられている。拡散領域２４上には、コンタクトプラグ２８が設けられている。コンタクトプラグ２８上には、下部電極２９が設けられている。下部電極２９上には、ＭＴＪ素子１が設けられている。ＭＴＪ素子１上には、上部電極３０が設けられている。上部電極３０上には、ビット線ＢＬが設けられている。半導体基板２１とビット線ＢＬとの間は、層間絶縁層３１で満たされている。

【0074】

以上、第１乃至第５実施形態の磁気抵抗素子の適用例をＭＲＡＭについて説明したが、第１乃至第５実施形態の磁気抵抗素子は、それ以外にもＴＭＲ効果を利用するデバイス全般に適用できる。

【0075】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0076】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）
２ 下地層
２ 強磁性層
３ 界面磁性層
４ 非磁性層（トンネルバリア層）
６ 界面磁性層
８ 強磁性層
９ 界面磁性層
１０ 強磁性層
１４ 強磁性層（バイアス層）
２１ 半導体基板
２２ 素子分離絶縁層
２３、２４ 拡散領域
２５ ゲート絶縁膜
２６ ゲート電極
２７、２８ コンタクトプラグ
２９ 下部電極
３０ 上部電極
３１ 層間絶縁層
ＢＬ ビット線
ＷＬ ワード線
ＳＬ ソース線
ＳＡ センスアンプ
Ｐ１、Ｐ２ ＰチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｎ１、Ｎ２、ＳＴ１〜ＳＴ５ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】