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(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】6119051
(24)【登録日】2017年4月7日
(45)【発行日】2017年4月26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 43/08 20060101AFI20170417BHJP
H01L 43/10 20060101ALI20170417BHJP
H01L 21/8246 20060101ALI20170417BHJP
H01L 27/105 20060101ALI20170417BHJP
【ＦＩ】
H01L43/08 M
H01L43/08 Z
H01L27/10 447
【請求項の数】12
【全頁数】31
(21)【出願番号】特願2013-161823(P2013-161823)
(22)【出願日】2013年8月2日
(65)【公開番号】特開2015-32713(P2015-32713A)
(43)【公開日】2015年2月16日
【審査請求日】2016年6月3日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「ノーマリーオフコンピューティング基盤技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(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
(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】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】100117787
【弁理士】
【氏名又は名称】勝沼 宏仁
(72)【発明者】
【氏名】加 藤 侑 志
(72)【発明者】
【氏名】大 坊 忠 臣
(72)【発明者】
【氏名】北 川 英 二
(72)【発明者】
【氏名】落 合 隆 夫
(72)【発明者】
【氏名】伊 藤 順 一
(72)【発明者】
【氏名】窪 田 崇 秀
(72)【発明者】
【氏名】水 上 成 美
(72)【発明者】
【氏名】宮▲崎▼照 宣
【審査官】
鈴木 和樹
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１０−０８０５３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−１４０５８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−０７３９７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−２０４６８３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ４３／０８
Ｈ０１Ｌ ２１／８２４６
Ｈ０１Ｌ ２７／１０５
Ｈ０１Ｌ ４３／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｌｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｌｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項2】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＧｅｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、２０ａｔｍ％≦ｚ≦６０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＧｅｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、２０ａｔｍ％≦ｚ≦６０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項3】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＩｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＲｅの群から選択された少なくとも１つの元素とするとき、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＩｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＲｅの群から選択された少なくとも１つの元素とするとき、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項4】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｒｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｒｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項5】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＮｉおよびＦｅの群から選択された少なくとも１つの元素とするとき、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＮｉおよびＦｅの群から選択された少なくとも１つの元素とするとき、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項6】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＡｕおよびＣｕの群から選択された少なくとも１つの元素とすると、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＡｕおよびＣｕの群から選択された少なくとも１つの元素とすると、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項7】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＢ、Ｃ、およびＰの群から選択された少なくとも１つの元素とすると、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ＜２０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＢ、Ｃ、およびＰの群から選択された少なくとも１つの元素とすると、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ＜２０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項8】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＧｄ、Ｔｂ、およびＤｙの群から選択された少なくとも１つの元素とすると、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦３０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層は、ＸをＧｄ、Ｔｂ、およびＤｙの群から選択された少なくとも１つの元素とすると、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＸｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦３０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項9】
前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間、および前記第２磁性層と前記第１非磁性層との間の少なくとも一方に設けられた第３磁性層を更に備えている請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項10】
前記第３磁性層はＣｏ、Ｆｅ、およびＮｉ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９記載の磁気抵抗素子。
【請求項11】
第１磁性層と、
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられた第３磁性層を更に備え、前記第１磁性層は、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｏｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられた第３磁性層を更に備え、前記第１磁性層は、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｏｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）を含む磁気抵抗素子。
【請求項12】
請求項１乃至１１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磁性層と電気的に接続する第１配線と、
前記磁気抵抗素子の前記第２磁性層と電気的に接続する第２配線と、
を備えている磁気メモリ。
前記磁気抵抗素子の前記第１磁性層と電気的に接続する第１配線と、
前記磁気抵抗素子の前記第２磁性層と電気的に接続する第２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、磁化方向が可変な記憶層と、磁化方向が不変の参照層と、記憶層と参照層との間に設けられた絶縁層とを有する積層構造を基本構造としている。このＭＴＪ素子は、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、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ: Magnetic Random Access Memory）におけるメモリセルの記憶素子として用いられる。
【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”）を記憶し、不揮発性である。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。したがって、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、容易に記憶層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】
不揮発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。このため、強磁性体の磁気異方性および熱擾乱耐性を向上させることが課題となる。
【0005】
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、強磁性体として、一般的に結晶磁気異方性の大きな材料が用いられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９９（２０１１）２２２５１０．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本実施形態は、低飽和磁化かつ高垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子および磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本実施形態による磁気抵抗素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、を備え、前記第１磁性層は、Ｍｎと、Ｇａと、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、およびＤｙの群から選択される少なくとも１つの元素と、を含む磁性膜を備えている。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【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】第１実施形態の一変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。
【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２実施形態の一変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図5】第３実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図6】第３実施形態の一変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図7】第４実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図8】第４実施形態の一変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図9】第４実施形態の他の変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図12A】ＭｎＧａＡｌの好適な組成範囲を示す図。
【図12B】ＭｎＧａＧｅの好適な組成範囲を示す図。
【図12C】ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＲｅの好適な組成範囲を示す図。
【図13A】ＭｎＧａＣｒの好適な組成範囲を示す図。
【図13B】ＭｎＧａＣｏの好適な組成範囲を示す図。
【図13C】ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅの好適な組成範囲を示す図。
【図14A】ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕの好適な組成範囲を示す図。
【図14B】ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰの好適な組成範囲を示す図。
【図14C】ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ、ＭｎＧａＤｙの好適な組成範囲を示す図。
【図20】ＭｎＧａＧｅ合金の磁気特性のＧｅ組成依存性の一例を示す図。
【図21】ＭｎＧａＩｒ合金の磁化曲線の一例を示す図。
【図26】第５実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図。
【図27】第５実施形態の磁気メモリの主要部の回路図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、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。
【0011】
実施形態を説明する前に、実施形態に至った経緯を説明する。スピン注入磁化反転方式を用いたＭＲＡＭにおいて、スピン注入磁化反転方式によって磁化を反転させるための反転電流は、記憶層の磁気摩擦定数に依存する。このため、低電流のスピン注入によって記憶層の磁化を反転させるには、記憶層の磁気摩擦定数を小さくすることが必要である。また、参照層から発せられる漏れ磁場の影響は、素子の微細化に伴い、より顕在化される。このため、磁気抵抗素子の高集積化には参照層の高い磁気異方性を維持したまま飽和磁化を小さくすることも必要になる。そこで、本発明者達は鋭意研究に努めた結果、低飽和磁化かつ高垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気メモリを得ることができた。これらの磁気抵抗素子および磁気メモリを以下に実施形態として説明する。
【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）、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および強磁性層８の一方は、ＭｎとＧａを含む磁性層であり、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの群から選択される少なくとも１つの元素を含む磁性膜を含む。以下、この磁性膜をＭｎＧａＸと表記する。ここで、Ｘは、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙのうち少なくとも１つの元素を表す。
【0013】
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。外部磁場あるいはＭＴＪ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できる。その際、二つの磁性層の保磁力あるいは異方性磁界Ｈｋや磁気摩擦定数αの大きさに差をつけることにより、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。ここでは保磁力あるいは異方性磁界Ｈｋや磁気摩擦定数αの大きい磁性層を参照層と呼び、保磁力あるいは異方性磁界Ｈｋや磁気摩擦定数αの小さな磁性層を記憶層と呼ぶ。したがって、一般的には磁性層を参照層に用いる場合にはより大きな保磁力、より大きな異方性磁界Ｈｋ、またはより大きな磁気摩擦定数αを持つことが望まれ、記憶層に用いる場合にはより小さな保磁力、より小さな異方性磁界Ｈｋ、またはより小さな磁気摩擦定数αを持つことが望まれる。ＭｎＧａＸ磁性膜は、後述するように含有元素によって分極率、保磁力、および異方性磁界を調整できるために、参照層や記憶層として用いることに適している。
【0014】
本実施形態の強磁性層に用いられるＭｎＧａＸの磁性膜は、ｃ軸が磁化容易軸となる。そのため、結晶化させる際にｃ軸が膜面に垂直方向を向くように配向制御することにより、垂直磁化ＭＴＪ素子を作製することが可能となる。本明細書では、膜面とは、積層方向に直交する面を意味する。
【0015】
この第１実施形態においては、非磁性層４として、酸化物絶縁体を用いることが好ましい。ＭＴＪ素子が、例えば、ＣｏＦｅ（Ｂ）からなる強磁性層、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層、ＭｎＧａＸからなる強磁性層がこの順序で積層された積層構造を有している場合に、ＭｎＧａＸ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）の配向関係を作ることができる。ここで、ＣｏＦｅ（Ｂ）とはＣｏおよびＦｅの他にＢを含んでいてもよい強磁性層を意味する。また、ＭｎＧａＸ（００１）、ＭｇＯ（００１）とはそれぞれの上面に（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。
【0016】
強磁性層２および強磁性層８は、結晶配向の向きを制御することで、それらの容易磁化方向を膜面に対して垂直にすることが可能である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗素子１は、磁化方向が膜面に平行な方向を向く面内磁化ＭＴＪ素子のみならず、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垂直磁化ＭＴＪ素子になり得る。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、外部磁界が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。
【0017】
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憶層と称す。本実施形態においては、例えば、強磁性層２を記憶層、強磁性層８を参照層とする。
【0018】
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が記憶層、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の磁化と同じ方向を向くように働く。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。
【0019】
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の磁化と逆向きのスピンを有するスピン偏極された電子は、非磁性層４と強磁性層８との界面で反射され、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。
【0020】
（変形例）第１実施形態では、下地層１００上に、強磁性層２、非磁性層４、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。図２に示す第１実施形態の一変形例による磁気抵抗素子のように、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、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。
【0021】
（第２実施形態）図３に、第２実施形態による磁気抵抗素子１Ａを示す。この磁気抵抗素子１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、非磁性層４と強磁性層８との間に界面磁性層６を設けた構成になっている。このうち、強磁性層２、強磁性層８および界面磁性層６のうち少なくとも一つは、ＭｎとＧａを含む磁性層であり、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの群から選択される少なくとも１つの元素を含む磁性膜を含む。
【0022】
第１実施形態と同様に、強磁性層の結晶配向性を制御することで、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とすることが可能である。すなわち、本実施形態の磁気抵抗素子１Ａは、面内磁化ＭＴＪ素子のみならず、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垂直磁化ＭＴＪ素子となり得る。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、例えば、強磁性層２を記憶層、強磁性層８を参照層とする。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、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。
【0023】
この第２実施形態において、例えば、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層４上にＭｎＧａＸからなる界面磁性層６を作製した場合、界面磁性層６上へ、Ｍｎと、Ａｌ、Ｇｅ、およびＧａから選択される１つ以上の元素と、を含む強磁性層８のエピタキシャル積層成長が可能となる。例えば、ＭｎとＧａを含む合金を強磁性層８として選択する場合、ＭｎＧa（００１）／ＭｎＧａＸ（００１）／ＭｇＯ（００１）のエピタキシャル積層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と同時に、低飽和磁化の参照層を得ることが可能となる。
【0024】
（変形例）第２実施形態では、下地層１００上に、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。図４に示す第２実施形態の一変形例による磁気抵抗素子のように、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。
【0025】
（第３実施形態）図５に、第３実施形態による磁気抵抗素子１Ｂを示す。この磁気抵抗素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、強磁性層２と非磁性層４との間に界面磁性層３を挿入するとともに、非磁性層４と強磁性層８との間に界面磁性層６を挿入した構成となっている。このうち、強磁性層２、強磁性層８、界面磁性層３および界面磁性層６のうちの少なくとも１つは、ＭｎとＧａを含む磁性膜であり、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの群から選択される少なくとも１つの元素を含む磁性膜を含む。界面磁性層３および界面磁性層６の詳細な性質については後述する。
【0026】
この第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂも、第１、２実施形態と同様に、面内磁化ＭＴＪ素子のみならず垂直磁化ＭＴＪ素子になり得る。また同様に、界面磁性層３および界面磁性層６は、スピン分極率を増大させるために設けられている。
【0027】
（変形例）なお、第３実施形態では、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。図６に示す第３実施形態の一変形例による磁気抵抗素子のように、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。
【0028】
（第４実施形態）図７に、第４実施形態による磁気抵抗素子１Ｃを示す。この磁気抵抗素子１Ｃは、図５に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂにおいて、強磁性層８上に非磁性層１０、強磁性層１１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、例えば界面磁性層６と強磁性層８が参照層となっている。強磁性層１１はバイアス層とも呼ばれ、強磁性層８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１１は、非磁性層１０を介して強磁性層８と反強磁性結合（Synthetic Anti-Ferromagnetic結合）していてもよい。これにより、界面磁性層６と強磁性層８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１０は、強磁性層８と強磁性層１１とが熱工程によって混ざらない耐熱性、および強磁性層１１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。
【0029】
さらに、非磁性層１０の膜厚が厚くなると強磁性層１１と記憶層（本実施形態では例えば強磁性層２）との距離が離れるため、強磁性層１１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１０の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。強磁性層１１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。強磁性層１１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強磁性層１１によって調整するためには、強磁性層１１の膜厚、あるいは飽和磁化Ｍｓの大きさを参照層のそれらより大きく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ｔ２、Ｍｓ２、強磁性層１１の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ３、Ｍｓ３、とすると、以下の関係式を満たす必要がある。 Ｍｓ２×ｔ２＜Ｍｓ３×ｔ３
【0030】
なお、第４実施形態で説明した強磁性層１１は、第１乃至第２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上に非磁性層１０を間に挟んで積層される。
【0031】
（変形例）なお、第４実施形態では、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、強磁性層８、非磁性層１０、および強磁性層１１がこの順序で積層された上バイアス構造を有している。しかし、強磁性層１１は下地層１００下に積層されていてもよい。すなわち、図８に示す第５実施形態の一変形例による磁気抵抗素子１Ｄのように、強磁性層１１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下バイアス構造であってもよい。この場合、強磁性層２を参照層として用いることが好ましい。また、図９に示す第５実施形態の一変形例による磁気抵抗素子のように、積層順序は逆であってもよい。すなわち、下地層１００、強磁性層１１、非磁性層１０、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の順序で積層されていてもよい。
【0032】
（単結晶構造の磁性膜を有するＭＴＪ素子）次に、単結晶構造の磁性膜を有するＭＴＪ素子（以下、単結晶ＭＴＪ素子ともいう）の製造方法について説明する。第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）は、強磁性層２、強磁性層８、界面磁性層３、および界面磁性層６のうちの少なくとも一つが単結晶構造を備えていることが好ましい。これは、膜面内方向の結晶配向が一方向にそろった単結晶構造の磁性膜を形成することにより、膜面内の磁気結合が強くなることで磁気特性のばらつきを大幅に抑制できる。また、結晶粒界の形成が抑制されるので原子レベルで平坦であり且つ結晶性の良い磁性膜や絶縁層を形成できるので従来のＭＴＪ素子に比べより大きな磁気抵抗比（ＭＲ比）が得られることも期待できる。したがって数十Ｇｂｉｔの大容量ＭＲＡＭの実現のためには単結晶ＭＴＪ素子の製造が必要となる。
【0033】
しかし、回路上の配線は一般に多結晶或いはアモルファス構造を有するためにこの上に単結晶膜を成長させることはできない。したがって、トランジスタが組み込まれた基板上に単結晶ＭＴＪ素子を形成することは難しい。
【0034】
しかし、単結晶ＭＴＪ素子とトランジスタが形成された基板をそれぞれ準備し、上記単結晶基板上に形成したＭＴＪ素子とトランジスタ等を作製した基板を貼り合わせた後、不要な単結晶基板を除去することにより単結晶ＭＴＪ素子を備えたＭＲＡＭを構築することができる。これを図１０（ａ）乃至図１１（ｃ）を参照して説明する。
【0035】
具体的には、まず上記第１乃至第４実施形態のいずれかのＭＴＪ素子を適切な成膜条件の下でＳｉ単結晶基板上に形成する。例えば、図１０（ａ）に示すように、Ｓｉ単結晶基板２００上に、下地層１００、強磁性層２、非磁性層４、および強磁性層８を、スパッタ法またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いてこの順序で形成し、第１実施形態のＭＴＪ素子１を得る。このとき、Ｓｉ単結晶基板２００の結晶性が下地層１００、強磁性層２、非磁性層４、および強磁性層８に伝わり、形成されたＭＴＪ素子１は単結晶ＭＴＪ素子となる。その後、強磁性層８上に金属接着層２０ａを形成する（図１０（ａ））。同様に、トランジスタ回路および配線が形成された基板２２０を用意し、この基板２２０上に金属接着層２０ｂを形成する（図１０（ａ））。金属接着層２０ａ、２０ｂとしてはＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｔａなどの金属層が挙げられる。
【0036】
次に、単結晶ＭＴＪ素子１が形成された基板２００と、トランジスタ回路が形成された基板２２０とを、金属接着層２０ａ、２０ｂが対向するように配置する。その後、図１０（ｂ）に示すように、金属接着層２０ａ、２０ｂを接触させる。このとき、加重を加えることで金属接着層２０ａ、２０ｂを貼り合わせることができる。接着力を上げるために加重を加える際に加熱しても良い。
【0037】
次に、図１１（ａ）に示すように、単結晶ＭＴＪ素子１が形成された単結晶基板２００を除去する。この除去は、まず、例えばバックサイドグランイン（ＢＳＧ）法を用いて、薄くする。その後、図１１（ｂ）に示すように、薄くした単結晶基板２００をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)法などにより機械的に研磨し、除去する。これにより、ＭＴＪ素子１を完成する（図１１（ｃ））。
【0038】
このように、単結晶基板２００上に形成された上記第１乃至第４実施形態のいずれかの単結晶ＭＴＪ素子と、トランジスタ回路が形成された基板２２０をそれぞれ準備し、単結晶ＭＴＪ素子１上にトランジスタ等を作製した基板を貼り合わせ、その後、不要な単結晶基板２００を除去する一連の製造方法を用いることにより、上記第１乃至第４実施形態のいずれかの単結晶ＭＴＪ素子を作製することができる。
【0039】
次に、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例によるＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄに含まれる各層の具体的な構成を、強磁性層２、強磁性層８、下地層１００、非磁性層４、界面磁性層３、界面磁性層６の順に説明する。
【0040】
（強磁性層２）強磁性層２は垂直磁化を有し、かつ高い熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、飽和磁化Ｍｓが小さく、熱擾乱指数Δを維持するに足る高い磁気異方性エネルギーＫｕを持ち、また、強磁性層８で用いる磁性材料よりも低い、保磁力や異方性磁界あるいは磁気摩擦定数を示す磁性材料であることが好ましい。更に高分極率を示す磁性材料であることが好ましい。
【0041】
以下により具体的に説明する。
【0042】
強磁性層２の第１具体例は、ＭｎおよびＧａと、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの群から選択される少なくとも１つの元素と、を含む磁性膜が挙げられる。具体的には、ＭｎＧａＡｌ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＣｒ、ＭｎＧａＣｏ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕ、ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰ、ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ、ＭｎＧａＤｙなどが挙げられる。
【0043】
ＭｎＧａＡｌ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ａｌを０ａｔｍ％より多くかつ４０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｌｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。この組成範囲を図１２Ａの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＡｌ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。特に、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｌｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）と表される組成範囲において、正方晶系ＭｎＧａと正方晶系ＭｎＡｌの合金として存在することから、ＭｎＧａＡｌ合金は高い分極率や低い磁気摩擦定数を組成によって調整できることが期待でき、そのため記憶層としてより望ましい。
【0044】
ＭｎＧａＧｅ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｇｅを２０ａｔｍ％〜６０ａｔｍ％含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＧｅｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、２０ａｔｍ％≦ｚ≦６０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。この組成範囲を図１２Ｂの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＧｅ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を広い範囲で変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。
【0045】
ＭｎＧａＩｒ合金、ＭｎＧａＰｔ合金、ＭｎＧａＲｕ合金、ＭｎＧａＰｄ合金、ＭｎＧａＲｈ合金、およびＭｎＧａＲｅ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＲｅから選択された少なくとも１つの元素を０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、例えば、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＩｒｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＰｔｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＲｕｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＰｄｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＲｈｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＲｅｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。この組成範囲を図１２Ｃの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＩｒ合金、ＭｎＧａＰｔ合金、ＭｎＧａＲｕ合金、ＭｎＧａＰｄ合金、ＭｎＧａＲｈ合金、およびＭｎＧａＲｅ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。
【0046】
ＭｎＧａＣｒ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｃｒを０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｒｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。この組成範囲を図１３Ａの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＣｒ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。
【0047】
ＭｎＧａＣｏ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｃｏを０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｏｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。この組成範囲を図１３Ｂの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＣｏ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。
【0048】
ＭｎＧａＮｉ合金およびＭｎＧａＦｅ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、ＮｉおよびＦｅから選択された少なくとも１つの元素を０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、例えば、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＮｉｚもしくは（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＦｅｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。この組成範囲を図１３Ｃの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＮｉ合金およびＭｎＧａＦｅ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。
【0049】
ＭｎＧａＡｕ合金およびＭｎＧａＣｕ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、ＡｕおよびＣｕから選択された少なくとも１つの元素を０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、例えば、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｕｚもしくは（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｕｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。この組成範囲を図１４Ａの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＡｕ合金およびＭｎＧａＣｕ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。
【0050】
ＭｎＧａＢ合金、ＭｎＧａＣ合金、およびＭｎＧａＰ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｂ、Ｃ、およびＰから選択された少なくとも１つの元素を０ａｔｍ％より多くかつ２０ａｔｍ％より少なく含む組成範囲、例えば、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＢｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＰｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ＜２０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。Ｂ、Ｃ、およびＰのいずれかの元素を２０ａｔｍ％含有させると、ペロブスカイト型の結晶構造を有する磁性体になり得るために、垂直磁化膜としての特性を失う。この組成範囲を図１４Ｂの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＢ合金、ＭｎＧａＣ合金、およびＭｎＧａＰ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。
【0051】
ＭｎＧａＧｄ合金、ＭｎＧａＴｂ合金、およびＭｎＧａＤｙ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｇｄ、Ｔｂ、およびＤｙから選択された少なくとも１つの元素を０ａｔｍ％より多くかつ３０ａｔｍ％以下含む組成範囲、例えば、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＧｄｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＴｂｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＤｙｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦３０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。この組成範囲を図１４Ｃの斜線で囲まれた領域に示す。ＭｎＧａＧｄ合金、ＭｎＧａＴｂ合金、およびＭｎＧａＤｙ合金は、磁化が特定の結晶方位を向いており、作製条件を変化させることで強磁性層８に用いる材料よりも低い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を実現することが可能である。
【0052】
第２具体例として、例えばＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択される１つの元素と、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの群から選択される２つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＭｎＡｌＧｅやＭｎＺｎＳｂなどが挙げられる。
【0053】
上記の材料の垂直磁気異方性を発現させるためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００１）配向成長させる必要がある。具体的には下地層１００を適切に選択することにより、強磁性層２の結晶配向成長を制御することが可能である。下地層１００の詳細については後述する。
【0054】
第３具体例として、例えば、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも１つの金属よりなる合金が挙げられる。なお、強磁性層２の飽和磁化を制御するために、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、強磁性層２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、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等が挙げられる。
【0055】
（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し、かつ飽和磁化Ｍｓが小さく、熱擾乱指数Δを維持するに足る高い磁気異方性エネルギーＫｕを持ち、また、強磁性層２で用いる材料よりも高い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を示す磁性材料であることが好ましい。更に高分極率を示す磁性材料であることが好ましい。
【0056】
以下により具体的に説明する。
【0057】
強磁性層８の第１具体例は、ＭｎとＧａと、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの群から選択される少なくとも１つの元素を含むＭｎＧａＸ磁性膜が挙げられる。具体的には、ＭｎＧａＡｌ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＣｒ、ＭｎＧａＣｏ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕ、ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰ、ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ、ＭｎＧａＤｙなどが挙げられる。
【0058】
結晶磁気異方性の大きなＭｎＧａＸ合金は、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。このため、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、ＭｎＧａＸ合金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を調整でき、さらに熱擾乱耐性が高いので集積化に適している。
【0059】
ＭｎＧａＡｌ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ａｌを０ａｔｍ％より多くかつ４０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｌｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。特に、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｌｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）と表される組成範囲において、正方晶系ＭｎＧａと正方晶系ＭｎＡｌの合金として存在することから、ＭｎＧａＡｌ合金は分極率や磁気摩擦定数を組成によって調整できることが期待できる。
【0060】
第一例として、ＭｇＯ（００１）上に作製した（Ｍｎ５５Ｇａ４５）１００−ｚＡｌｚ（０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）の飽和磁化Ｍｓおよび磁気異方性エネルギーＫｕのＡｌ含有量ＸＡｌに対する依存性を図１５（ａ）に示し、Ｘ線回折結果から得られるｃ軸方向の格子定数のＡｌ含有量ＸＡｌに対する依存性を図１５（ｂ）にそれぞれ示す。図１５（ａ）、１５（ｂ）に示したＡｌ含有量ＸＡｌはＩＣＰ（誘導結合プラズマ発光）分析により算出した値である。配向制御されたＭｇＯ上に加熱成膜を行うことにより、より高配向に（００１）結晶配向したＭｎＧａＡｌを作製可能であることを確認した。さらに、得られたＭｎＧａＡｌは飽和磁化Ｍｓが４８２（ｅｍｕ／ｃｃ）〜６１３（ｅｍｕ／ｃｃ）と小さく、垂直磁気異方性エネルギーＫｕが８．７×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）〜１１．５×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と高く、参照層として要請される特性を満たすことを確認した（図１５（ａ）参照）。また、図１５（ｂ）より、ＭｎＧａＡｌのｃ軸の格子定数はベガード則に従った変化をしていることが分かる。図１５（ｂ）において、測定結果のバルク値からのずれは薄膜化による歪みの効果と考えられる。よって、正方晶系ＭｎＧａと正方晶系ＭｎＡｌの合金として存在していることが期待でき、そのためＡｌ含有量により種々の特性、例えば、飽和磁化、垂直磁気異方性、磁気摩擦定数、および分極率等を制御することが可能である。ここで第一原理計算によるＭｎＧａＡｌのバンド構造の結果を図１６（ａ）、１６（ｂ）に示す。図１６（ａ）、１６（ｂ）はそれぞれＭａｊｏｒｉｔｙ状態とＭｉｎｏｒｉｔｙ状態を示している。図１６（ａ）、１６（ｂ）に示すように、ある最適組成によりＭｎＧａからＭｎＡｌ側へ格子定数が変調されることで、Ｍａｊｏｒｉｔｙ状態ではΔ１バンドがフェルミエネルギーＥＦを横切っているのに対し、Ｍｉｎｏｒｉｔｙ状態ではΔ１バンドがＥＦを横切っていないことが分かる。これは、ｃ軸方向に進む電子のスピンが完全に分極することを意味する。つまり、理想的なΔ１バンドのハーフメタル性が実現でき、そのため高分極率が期待される。
【0061】
第二例として、ＭｇＯ（００１）上に作製した（Ｍｎ６３Ｇａ３７）１００−ｚＡｌｚ（０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）の磁化曲線を図１７（ａ）乃至１７（ｃ）に、磁気特性結果を図１８（ａ）、１８（ｂ）にそれぞれ示す。図１７（ａ）乃至１７（ｃ）のグラフｇ１は、上記ＭｎＧａＡｌの膜面に平行な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示し、グラフｇ２は、上記ＭｎＧａＡｌの膜面に垂直な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示す。例えば、図１８に示すようにＡｌを１５％添加した時で、飽和磁化Ｍｓが２７５（ｅｍｕ／ｃｃ）と非常に小さく、垂直磁気異方性エネルギーＫｕが９．４×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と高く、参照層として要請された特性を満たすことが確認された。また、図１７（ｂ）、１７（ｃ）から分かるように、垂直磁化膜として振舞うＡｌの添加量（含有量）ＸＡｌの上限は４０ａｔｍ％〜５０ａｔｍ％の範囲内にある。
【0062】
上記の結果より、要請される参照層の特性のうち、低磁気摩擦定数や高分極率を重要視する場合には（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｌｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）と表される組成範囲が特に好ましく、低飽和磁化や高垂直磁気異方性を重要視する場合には（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｌｚ（６３ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦３７ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦４０ａｔｍ％）と表される組成範囲が特に好ましい。
【0063】
ＭｎＧａＧｅ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｇｅを２０ａｔｍ％〜６０ａｔｍ％含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＧｅｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦５５ａｔｍ％、４５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、２０ａｔｍ％≦ｚ≦６０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。
【0064】
一例として、ＭｇＯ（００１）上に熱処理温度Ｔａが３００℃、４００℃、および５００℃で作製したＭｎ３７Ｇａ３１Ｇｅ３２の磁化曲線をそれぞれ図１９（ａ）、図１９（ｂ）、および図１９（ｃ）に示す。図１９（ａ）乃至１９（ｃ）のグラフｇ１は、上記ＭｎＧａＧｅの膜面に平行な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示し、グラフｇ２は、上記ＭｎＧａＧｅの膜面に垂直な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示す。図中のＭｎＧａＧｅは室温成膜したのち、ポストアニール処理をすることによって得られている。いずれの熱処理においても低飽和磁化と高垂直磁気異方性を有したＭｎＧａＧｅが得られている。特に、図１９（ｃ）から分かるように、５００℃の熱処理後において、飽和磁化Ｍｓが２６０（ｅｍｕ／ｃｃ）と非常に小さく、垂直磁気異方性エネルギーＫｕが７．４×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と高く、参照層として要請された特性を満たすことを確認した。
【0065】
また、Ｇｅの含有量を変えて作製したＭｎＧａＧｅの飽和磁化Ｍｓおよび磁気異方性エネルギーの測定結果を図２０に示す。図２０から分かるように、垂直磁化膜として振舞うＧｅ添加量範囲は２０ａｔｍ％〜６０ａｔｍ％の範囲内にあることが確認された。非磁性元素Ｇｅを２０ａｔｍ％〜６０ａｔｍ％含有させても垂直磁化膜として機能する組成的にロバストな特徴と、室温成膜を経たポストアニール処理によっても作製できるという作製容易な特徴が挙げられる。
【0066】
ＭｎＧａＩｒ合金、ＭｎＧａＰｔ合金、ＭｎＧａＲｕ合金、ＭｎＧａＰｄ合金、ＭｎＧａＲｈ合金、およびＭｎＧａＲｅ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｅから選択された少なくとも１つの元素を０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、例えば、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＩｒｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＰｔｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＲｕｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＰｄｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＲｈｚもしくは（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＲｅｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。
【0067】
一例として、ＭｇＯ（００１）上に作製したＭｎ６８Ｇａ３０Ｉｒ２の磁化曲線を図２１に示す。このＭｎＧａＩｒは加熱成膜をすることによって得られている。図２１において、グラフｇ１は、上記ＭｎＧａＩｒの膜面に平行な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示し、グラフｇ２は、上記ＭｎＧａＩｒの膜面に垂直な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示す。ＭｎＧａＩｒは飽和磁化Ｍｓが１２８（ｅｍｕ／ｃｃ）と非常に小さく、垂直磁気異方性Ｋｕが５．３×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と高く、参照層として要請された特性を満たすことを確認した。
【0068】
一般に、磁気摩擦定数（ダンピングファクタ）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軌道相互作用が大きく、磁気摩擦定数も大きい。ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＲｕは重元素Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕが含有されているために磁気摩擦定数が大きくなると予想され、そのため参照層として好ましい。
【0069】
一例として、ＭｇＯ（００１）上に作製した（ＭｎＧａ）１００−ｚＰｔｚの磁化曲線を図２２（ａ）乃至２２（ｄ）に示す。図２２（ａ）、図２２（ｂ）、図２２（ｃ）、図２２（ｄ）はそれぞれ、Ｐｔの含有量ｚが０ａｔｍ％、３ａｔｍ％、５ａｔｍ％、７ａｔｍ％の場合の磁化曲線を示す。すなわち、図２２（ａ）はＭｎ６７Ｇａ３３、図２２（ｂ）は（Ｍｎ６９Ｇａ３１）９７Ｐｔ３、図２２（ｃ）は（Ｍｎ７１Ｇａ２９）９５Ｐｔ５、図２２（ｄ）は（Ｍｎ７１Ｇａ２９）９３Ｐｔ７の磁化曲線を示す。図２２（ａ）乃至２２（ｄ）において、グラフｇ１は、上記（ＭｎＧａ）１００−ｚＰｔｚの膜面に平行な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示し、グラフｇ２は、上記（ＭｎＧａ）１００−ｚＰｔｚの膜面に垂直な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示す。また、上記（ＭｎＧａ）１００−ｚＰｔｚの磁気特性、すなわち飽和磁化Ｍｓおよび磁気異方性エネルギーＫｕの測定結果を図２３（ａ）および図２３（ｂ）にそれぞれ示す。図２３（ａ）および図２３（ｂ）のそれぞれの横軸は、Ｐｔの含有率ｚを示す。上記（ＭｎＧａ）１００−ｚＰｔｚにおいて、Ｐｔの含有量が０ａｔｍ％、３ａｔｍ％、５ａｔｍ％、７ａｔｍ％の場合のＸ線回折結果を図２４（ａ）乃至２４（ｄ）にそれぞれ示す。
【0070】
図２３（ａ）および図２３（ｂ）から分かるように、（ＭｎＧａ）１００−ｚＰｔｚはＰｔ含有量ｚを増加させることで飽和磁化と垂直磁気異方性エネルギーが単調減少する傾向があり、磁化する組成領域では正方晶系の結晶構造を維持している。特に、Ｐｔを５ａｔｍ％添加した時において飽和磁化Ｍｓが約１５０（ｅｍｕ／ｃｃ）と非常に小さく、垂直磁気異方性エネルギーＫｕが約１０×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と非常に高く、参照層として要請された特性を満たすことを確認した。また図２４（ｃ）より、垂直磁化膜として振舞うＰｔ添加量上限は１０ａｔｍ％以下の範囲内にあることが確認された。
【0071】
ＭｎＧａＣｒ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｃｒを０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｒｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。
【0072】
実験結果の一例として、Ｃｒ含有量が９％程度のとき、ＭｎＧａＣｒは飽和磁化Ｍｓが１８８（ｅｍｕ／ｃｃ）と非常に小さく、垂直磁気異方性Ｋｕが４．３×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と高く、参照層として要請された特性を満たすことを確認した。
【0073】
ＭｎＧａＣｏ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｃｏを０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｏｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。磁性元素であるＣｏは母材ＭｎＧａ中に含有される際、Ｍｎサイトに置換するものと考えられている。このとき、ＭｎとＣｏは磁気モーメントが互いに逆向きとなり、全体としてフェリ構造のように飽和磁化が減少する傾向にある。フェリ磁性体の利点は、強磁性体中の非磁性元素の添加による単純に磁化希釈する場合に比べ、磁気構造が安定化したまま磁化量を減少させられる点にある。
【0074】
一般的に、低Ｍｓになると磁化量が小さいので、界面磁性層を用いた場合、磁気的カップリングが弱くなるという問題がある。母材であるＭｎＧａもＣｏやＦｅをベースとした磁性材料に比べ磁化量が小さいため、界面磁性層と磁気的カップリングが弱いことが考えられる。しかし、ＭｎＧａＣｏは強磁性体であるＣｏを添加しているために、低Ｍｓでありながら磁気的カップリングを強化することが可能であり、そのため特に界面磁性層とＭｎＧａＣｏ磁性層を組み合わせて用いることが好ましい。その際、ＭｎＧａＣｏと磁気的に相性のよい界面磁性層として、Ｃｏ、Ｆｅから選択された少なくとも１つの元素を含む磁性体を用いることが特に好ましい。具体的には、ＣｏＦｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢの他に、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＰ、ＣｏＦｅＷ、ＣｏＦｅＮｂ等が挙げられる。また、Ｃｏをベースとしたホイスラー合金であってもよい。具体的には、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ等が挙げられる。
【0075】
一例として、ＭｇＯ（００１）上に作製した各組成のＭｎＧａＣｏの磁化曲線を図２５（ａ）乃至２５（ｆ）に示す。図２５（ａ）乃至２５（ｆ）はそれぞれ、Ｃｏの含有量が０ａｔｍ％、７．５ａｔｍ％、１０ａｔｍ％、１２．５ａｔｍ％、１７．５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％の場合の磁化曲線を示す。図２５（ａ）乃至２５（ｆ）において、グラフｇ１は、上記ＭｎＧａＣｏの膜面に平行な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示し、グラフｇ２は、上記ＭｎＧａＣｏの膜面に垂直な方向へ磁場を印加した場合の磁化曲線を示す。特に図２５（ｂ）に示すＣｏの含有量が７．５ａｔｍ％の磁化曲線より、ＭｎＧａＣｏは飽和磁化Ｍｓが１８９（ｅｍｕ／ｃｃ）と非常に小さく、垂直磁気異方性エネルギーＫｕが９．２×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と非常に高く、参照層として要請された特性を満たすことを確認した。また図２５（ａ）乃至２５（ｆ）から分かるように、垂直磁化膜として振舞うＣｏ添加量範囲は０ａｔｍ％より多く１０ａｔｍ％以下の範囲内にある。
【0076】
ＭｎＧａＮｉ合金およびＭｎＧａＦｅ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、ＮｉもしくはＦｅを０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＮｉｚもしくは（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＦｅｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。
【0077】
磁性元素であるＮｉやＦｅは、母材ＭｎＧａ中に含有される際、ＭｎＧａ中のＭｎとＮｉＭｎ合金やＦｅＭｎ合金を形成する。ＮｉＭｎ合金やＦｅＭｎ合金は反強磁性体として知られており、母材ＭｎＧａの飽和磁化を減少させる効果を有する。このように反強磁性体を形成する磁性元素の添加の利点は、強磁性体中への非磁性元素の添加による単純な磁化希釈の場合に比べ、磁気構造が安定化したまま磁化量を減少させられる点にある。
【0078】
ＭｎＧａＡｕ合金およびＭｎＧａＣｕ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、ＡｕもしくはＣｕを０ａｔｍ％より多くかつ１０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＡｕｚもしくは（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｕｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦１０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。
【0079】
非磁性元素ＡｕやＣｕはＭｎに対して広い領域で固溶し合金を形成する。従って、非磁性元素ＡｕやＣｕが母材ＭｎＧａ中に含有される際、より安定的にＭｎＧａＸとして固溶体を形成し得る。特に添加元素を１０％以下の微量添加する場合、結晶構造を大きく変化させることなく固溶体を形成することが可能なために、垂直磁気異方性の劣化を抑制しつつ、全体としての磁化量を単純に希釈させることが可能である。
【0080】
ＭｎＧａＢ合金、ＭｎＧａＣ合金、およびＭｎＧａＰ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｂ、Ｃ、Ｐのいずれかの元素を０ａｔｍ％より多くかつ２０ａｔｍ％より少なく含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＢｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＣｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＰｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、ｚ＜２０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。
【0081】
非磁性元素Ｂ、Ｃ、Ｐは原子半径の小さい軽元素であることが特徴であり、そのため添加時に母材であるＭｎＧａの格子間に配置される。特に添加量が０ａｔｍ％より多くかつ２０ａｔｍ％より少ない範囲内においては、アモルファスになることなく結晶性を維持したまま格子間に含有されるために、垂直磁気異方性の劣化を抑制しつつ全体としての磁化量を単純に希釈させることが可能となる。また、Ｂ、Ｃ、およびＰのいずれかの元素を２０ａｔｍ％含有させると、ペロブスカイト型の結晶構造を有する磁性体になり得るために、垂直磁化膜としての特性を失う。
【0082】
ＭｎＧａＧｄ合金、ＭｎＧａＴｂ合金、およびＭｎＧａＤｙ合金は、ＭｎｘＧａｙ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％）に、Ｇｄ、Ｔｂ、およびＤｙのいずれかの元素を０ａｔｍ％より多くかつ３０ａｔｍ％以下含む組成範囲、すなわち、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＧｄｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＴｂｚ、（ＭｎｘＧａｙ）１００−ｚＤｙｚ（４５ａｔｍ％≦ｘ≦７５ａｔｍ％、２５ａｔｍ％≦ｙ≦５５ａｔｍ％、ｘ＋ｙ＝１００ａｔｍ％、０ａｔｍ％＜ｚ≦３０ａｔｍ％）と表される組成範囲において垂直磁化膜としての特性を発現する。
【0083】
磁性元素Ｇｄ、Ｔｂ、およびＤｙは母材ＭｎＧａ中に含有される際、Ｍｎサイトに置換するものと考えられている。このとき、Ｍｎと、添加された磁性元素Ｇｄ、Ｔｂ、およびＤｙの磁気モーメントは互いに逆向きとなり、添加量によって全体の磁性が強磁性からフェリ磁性、反強磁性と変化する傾向にある。特に、添加量が０ａｔｍ％より多くかつ３０ａｔｍ％以下の範囲内においては、フェリ磁性体として振舞い、強磁性体中への非磁性元素添加による単純磁化希釈に比べ、磁気構造が安定化したまま磁化量を減少させられる利点がある。
【0084】
参照層から発せられる漏れ磁場の影響は、ＭＴＪ素子の微細化に伴い、より顕在化される。その解決法としてバイアス層の導入が効果的である。バイアス層の詳細は後述する。ＭＴＪ素子の形状が円柱（ピラー状）であると仮定した、計算による事前検討によると、参照層の膜厚を６ｎｍに想定した場合、ＭＴＪ素子の加工微細化の可能範囲（直径サイズ）は、参照層の飽和磁化Ｍｓが１０００ｅｍｕ／ｃｃで３８ｎｍ程度、Ｍｓが７５０ｅｍｕ／ｃｃで２８ｎｍ程度、Ｍｓが５００ｅｍｕ／ｃｃで２０ｎｍ程度となる。
【0085】
これらのことから、直径サイズが１０ｎｍ台の更なるＭＴＪ素子の高集積化には３００ｅｍｕ／ｃｃ以下の低Ｍｓ材料を参照層に用いることが望ましい。この解決方法として、ＭｎＧａＸを参照層に用いることが挙げられる。上記の実験結果より、添加元素Ｘとして、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの群のうち少なくとも一つの元素を選択することが、低Ｍｓ参照層として好ましいと言える。
【0086】
また、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。この打開策として、垂直磁気異方性エネルギーＫｕを向上させることが挙げられる。上記の例の中でも特にＡｌ、Ｃｏ、Ｐｔ添加では大きな垂直磁気異方性エネルギーＫｕが得られており、熱擾乱耐性に優れた参照層としてより好ましい。
【0087】
以上の観点から、ＭｎＧａＸ合金は低い飽和磁化と高い垂直磁気異方性を兼備した垂直磁化膜であり、参照層として特に適した磁化膜であることが分かる。垂直磁気異方性を発現させるためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００１）配向成長させる必要がある。具体的にはトンネルバリア層や界面磁性層を適切に選択することにより、（００１）配向成長させることが可能である。
【0088】
また、磁気抵抗素子が例えば第２乃至第４実施形態のように、界面磁性層６を有し、この界面磁性層６が、ＭｎとＧａと、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの群から選択される少なくとも１つの元素を含むＭｎＧａＸ磁性膜である場合には、強磁性層８としては、以下の材料を用いることができる。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（０００１）に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属、またはＭｎと、Ａｌ、Ｇｅ、およびＧａからなる群から選択される１つ以上の元素と、を含む合金が用いられる。ＦＣＣの（１１１）あるいはＨＣＰの（０００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる群から選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる群から選ばれる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、ＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。Ｍｎと、Ａｌ、Ｇｅ、Ｇａから選択される１つ以上の元素と、を含む合金としては、具体的にはＭｎＧaまたはＭｎＡｌＧｅなどの強磁性合金が挙げられる。
【0089】
また、強磁性層８に用いられる人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの群から選択された１つの元素を含む合金（強磁性膜）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、およびＣｕの群から選択された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人工格子、Ｃｏ／Ａｕ人工格子、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子などが挙げられる。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。
【0090】
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などが挙げられる。また、これらの合金を交互に積層させた多層構造であってもよい。具体的にはＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ、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。
【0091】
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からなる群から選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる群から選ばれる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。
【0092】
（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。なお、下地層としては、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、下地層に通電する場合には導電性材料を用いることが好ましい。
【0093】
まず、下地層１００の第１の例として、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、およびＣｅからなる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が挙げられる。
【0094】
下地層１００の第２の例として、ＡＢＯ３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が挙げられる。ここで、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、およびＢａからなる群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、およびＰｂからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。
【0095】
下地層１００の第３の例として、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＭｇ、Ａｌ、およびＣｅからなる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が挙げられる。
【0096】
下地層１００の第４の例として、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、およびＷからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む層が挙げられる。
【0097】
下地層１００の第５の例として、上記第１乃至第４の例のいずれかの層を組み合わせて２層以上積層した積層構造が挙げられる。このように、下地層の構成を工夫することにより強磁性層２および強磁性層２よりも上の層の結晶性を制御でき磁気特性の改善が可能となる。
【0098】
（非磁性層４）非磁性層４は、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、絶縁材料から形成されたトンネルバリア層を用いることが好ましい。非磁性層４は、隣接する強磁性層または界面磁性層との適切な組み合わせにより、選択的なトンネル伝導と高い磁気抵抗比が実現できる。そのため、非磁性層４の材料の選択が重要となる。以下に非磁性層４の材料について説明する。
【0099】
トンネルバリア層の材料としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、およびＮｂからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、またはＴｉＯなどが挙げられる。特に結晶構造として、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。具体的にはＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、またはＮｂＯなどが挙げられる。これらのＮａＣｌ構造を有する酸化物は、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉのいずれか、あるいはその２種以上を主成分として含む合金上、あるいは体心立方構造で（００１）優先配向する金属のいずれか、あるいはその２種以上を主成分として含む合金上、あるいはＭｎＧａＸ合金の（００１）面上で結晶成長させると、（００１）面を優先配向面として成長しやすい。特に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｐ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、およびＮｂのいずれかの元素を微量に添加してアモルファス性を促進させたＣｏＦｅ−Ｘアモルファス合金上では、非常に容易に（００１）面を優先配向させることが可能である。ここで、Ｘは、添加したＢ、Ｃ、Ｎ等の元素を示す。
【0100】
トンネルバリア層は、上述の酸化物の群から選択される２つ以上の材料の混晶物あるいはこれらの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、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯ／ＭｇＡｌＯなどが挙げられる。
【0101】
トンネルバリア層の第２の例として、ＡＢＯ３からなる（００２）配向したペロブスカイト系酸化物が挙げられる。ここで、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、およびＢａからなる群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、およびＰｂからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。具体的には、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＢａＴｉＯ３、またはＰｂＴｉＯ３などが挙げられる。これらの酸化物は［１００］面の格子定数が３．７Å〜４．０Å程度であり、組成範囲によって多少の変動があるがＭｎＧａＸの母材であるＭｎＧａ合金の［１００］面の格子定数３．９Å程度との格子整合が良いことから、良質な界面を形成し、大きな磁気抵抗比を得るという観点で適している。
【0102】
トンネルバリア層の第３の例として、スピネル系酸化物ＭｇＡｌＯが挙げられる。スピネル構造を有するＭｇＡｌ２Ｏ４は格子定数が４．０５Å程度であり、組成範囲によって多少の変動があるがＭｎＧａＸの母材であるＭｎＧａ合金の［１００］面の格子定数３．９Å程度との格子ミスマッチが比較的小さい。そのため、良質な界面を形成し、大きな磁気抵抗比を得るという観点で適している。
【0103】
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。
【0104】
例えば、ＭＴＪ素子として、ＣｏＦｅ（Ｂ）からなる強磁性層、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層、ＭｎＧａＸからなる強磁性層がこの順序で積層された積層構造であるとした場合に、ＭｎＧａＸ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）の配向関係を作製することができる。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、母材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８％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ＭｇＯおよびＭｎＧａの格子定数である。格子ミスマッチが大きいと、格子歪み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。ＭＴＪ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、格子ミスマッチがより小さい材料で積層することが重要である。そのため、格子ミスマッチの観点から非磁性層としては、ペロブスカイト系酸化物、スピネル系酸化物、ＮａＣｌ構造酸化物の順に適している。
【0105】
（界面磁性層３および界面磁性層６）界面磁性層３および界面磁性層６は垂直磁化膜であり、かつ高い熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、飽和磁化Ｍｓが小さく、熱擾乱指数Δを維持するに足る高い磁気異方性Ｋｕを持ち、また、高分極率を示す材料であることが好ましい。このような要請を満たす材料としてＭｎおよびＧａを含むＭｎＧａＸ合金磁性材料が考えられる。以下により具体的に説明する。
【0106】
界面磁性層３および界面磁性層６の具体例は、ＭｎＧａＸ合金から構成される。すなわち、ＭｎとＧａと、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙの群から選択される少なくとも１つの元素を含むＭｎＧａＸ磁性膜が挙げられる。具体的には、ＭｎＧａＡｌ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＣｒ、ＭｎＧａＣｏ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕ、ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰ、ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ、およびＭｎＧａＤｙなどが挙げられる。
【0107】
ＭｎＧａＸは適切な組成範囲において、垂直磁化膜としての特性を発現する。垂直磁気異方性を発現させるためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００１）配向成長させる必要がある。具体的には下地層１００を適切に選択することにより、強磁性層２および界面磁性層３の結晶配向成長を制御することが可能であり、更に非磁性層４を適切に選択することにより、界面磁性層６および強磁性層８の結晶配向成長を制御することが可能である。
【0108】
一般に、磁気摩擦定数（ダンピングファクタ）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軌道相互作用が大きく、磁気摩擦定数も大きい。ＭｎＧａＸの母材である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ことから、特に界面磁性層３へ効果的に適用可能である。特に、添加元素ＸとしてＡｌを選択すると、正方晶系ＭｎＧａと正方晶系ＭｎＡｌの合金として存在することから、ＭｎＧａＡｌ合金は磁気摩擦定数を組成によって小さい値に調整できる。すなわち、ＭｎＧａＡｌ合金はより界面磁性層３に適している。ＭｎＧａＡｌは、図１６（ａ）、１６（ｂ）で説明したように、理想的なΔ１バンドのハーフメタル性が実現でき、そのため高分極率が期待される。同様な効果が期待できる添加元素としてＡｌの他にＣｒが挙げられる。以上のことから、ＭｎＧａＡｌやＭｎＧａＣｒは記憶層や参照層の界面磁性層として、より適していることが分かる。
【0109】
また、界面磁性層３および界面磁性層６の第２の例として、例えばＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群から選択される１つの元素と、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＢｉからなる群から選択される２つの元素とを含む合金でもよい。具体的には、ＭｎＡｌＧｅやＭｎＺｎＳｂなどが挙げられる。
【0110】
また、界面磁性層３および界面磁性層６の第３の例として、例えば、ＦｅおよびＣｏからなる群から選択された少なくとも１つの金属よりなる合金が挙げられる。例えば、界面磁性層６は、ＦｅおよびＣｏからなる群から選択された少なくとも１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）の配向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。なお、界面磁性層３および界面磁性層６の飽和磁化を制御するために、界面磁性層３および界面磁性層６にＮｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、およびＧｅからなる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３および界面磁性層６は、ＦｅおよびＣｏからなる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からなる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、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ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、界面磁性層に適している。
【0111】
また、界面磁性層３および界面磁性層６の第４の例として、例えば、ＭｎＡｌ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、ある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。
【0112】
なお、界面磁性層３および界面磁性層６が非磁性層４に対して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、非磁性層４と接する界面磁性層３および界面磁性層６は膜面に垂直方向に伸び縮みしていてもよい。
【0113】
（第５実施形態）次に、第５実施形態によるスピン注入書き込み型の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）について説明する。
【0114】
本実施形態のＭＲＡＭは複数のメモリセルを有している。本実施形態のＭＲＡＭの１つのメモリセルの主要部の断面を図２６に示す。各メモリセルは、第１乃至第４実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗素子を記憶素子として備えている。この第５実施形態では、記憶素子が第１実施形態の磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）１であるとして説明する。
【0115】
図２６に示すように、ＭＴＪ素子１の上面は、上部電極３１を介してビット線３２と接続されている。また、ＭＴＪ素子１の下面は、下部電極３３、引き出し電極３４、プラグ３５を介して、半導体基板３６の表面のソース／ドレイン領域のうちドレイン領域３７ａと接続されている。ドレイン領域３７ａは、ソース領域３７ｂ、基板３６上に形成されたゲート絶縁膜３８、ゲート絶縁膜３８上に形成されたゲート電極３９と共に、選択トランジスタＴｒを構成する。選択トランジスタＴｒとＭＴＪ素子１とは、ＭＲＡＭの１つのメモリセルを構成する。ソース領域３７ｂは、プラグ４１を介してもう１つのビット線４２と接続されている。なお、引き出し電極３４を用いずに、下部電極３３の下方にプラグ３５が設けられ、下部電極３３とプラグ３５が直接接続されていてもよい。ビット線３２、４２、電極３１、３３、引き出し電極３４、プラグ３５、４１は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕ等から形成されている。
【0116】
本実施形態のＭＲＡＭにおいては、図２６に示す１つのメモリセルが例えば行列状に複数個設けられることにより、ＭＲＡＭのメモリセルアレイが形成される。図２７は、本実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。
【0117】
図２７に示すように、ＭＴＪ素子１と選択トランジスタＴｒとからなる複数のメモリセル５３が行列状に配置されている。同じ列に属するメモリセル５３の一端子は同一のビット線３２と接続され、他端子は同一のビット線４２と接続されている。同じ行に属するメモリセル５３の選択トランジスタＴｒのゲート電極（ワード線）３９は相互に接続され、さらにロウデコーダ５１と接続されている。
【0118】
ビット線３２は、トランジスタ等のスイッチ回路５４を介して電流ソース／シンク回路５５と接続されている。また、ビット線４２は、トランジスタ等のスイッチ回路５６を介して電流ソース／シンク回路５７と接続されている。電流ソース／シンク回路５５、５７は、書き込み電流を、接続されたビット線３２、４２に供給したり、接続されたビット線３２、４２から引き抜いたりする。
【0119】
ビット線４２は、また、読み出し回路５２と接続されている。読み出し回路５２は、ビット線３２と接続されていてもよい。読み出し回路５２は、読み出し電流回路、センスアンプ等を含んでいる。
【0120】
書き込みの際、書き込み対象のメモリセルと接続されたスイッチ回路５４、５６および選択トランジスタＴｒがオンされることにより、対象のメモリセルを介する電流経路が形成される。そして、電流ソース／シンク回路５５、５７のうち、書き込まれるべき情報に応じて、一方が電流ソースとして機能し、他方が電流シンクとして機能する。この結果、書き込まれるべき情報に応じた方向に書き込み電流が流れる。
【0121】
書き込み速度としては、数ナノ秒から数マイクロ秒までのパルス幅を有する電流でスピン注入書込みを行うことが可能である。
【0122】
読み出しの際、書き込みと同様にして指定されたＭＴＪ素子１に、読み出し電流回路によって磁化反転を起こさない程度の小さな読み出し電流が供給される。そして、読み出し回路５２は、ＭＴＪ素子１の磁化の状態に応じた抵抗値に起因する電流値あるいは電圧値を、参照値と比較することで、その抵抗状態を判定する。
【0123】
なお、読み出し時は、書き込み時よりも電流パルス幅が短いことが望ましい。これにより、読み出し時の電流での誤書込みが低減される。これは、書き込み電流のパルス幅が短い方が、書き込み電流値の絶対値が大きくなるということに基づいている。
【0124】
以上説明したように、本実施形態によれば、低飽和磁化かつ高垂直磁気異方性を有する磁気抵抗素子を用いた磁気メモリを得ることができる。
【0125】
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】
【0126】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 磁気抵抗素子２ 記憶層
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 参照層
１０ 非磁性層
１１ 強磁性層（シフト磁界調整層）
２０ａ、２０ｂ 金属接着層
２００ 単結晶基板
２２０ 基板