特許 6365901 磁気抵抗素子及び磁気記憶装置

(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】6365901

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】磁気抵抗素子及び磁気記憶装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/10 20060101AFI20180723BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20180723BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20180723BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20180723BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20180723BHJP

   H01F 10/30 20060101ALI20180723BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20180723BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/10

   H01L43/08 Z

   H01L27/105 447

   H01L29/82 Z

   H01F10/30

   H01F10/32

【請求項の数】18

【全頁数】42

(21)【出願番号】特願2016-189475(P2016-189475)

(22)【出願日】2016年9月28日

(65)【公開番号】特開2018-56272(P2018-56272A)

(43)【公開日】2018年4月5日

【審査請求日】2016年11月7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２７年度、国立研究開発法人 科学技術振興機構「革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）」「無充電で長期間使用できる究極のエコＩＴ機器の実現」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】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(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】上口 裕三

(72)【発明者】

【氏名】下村 尚治

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 順一

(72)【発明者】

【氏名】介川 裕章

(72)【発明者】

【氏名】ベルムバーリク モハツマド

(72)【発明者】

【氏名】チュン ポーハン

(72)【発明者】

【氏名】三谷 誠司

(72)【発明者】

【氏名】大久保 忠勝

(72)【発明者】

【氏名】宝野 和博

【審査官】 安田 雅彦

(56)【参考文献】

【文献】 特許第６１０３１２３（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１７／１３５２５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１０７４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２０１４５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１４４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７６９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０２１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１５８９２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１７５６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１１９９２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−０９０８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Atsuto SEKO et al.，Prediction of ground-state structures and order-disorder phase transitions in II-III spinel oxides: A combined cluster-expansion method and first-principles study，PHYSICAL REVIEW B，２００６年，Vol.73, No.18，pp.184117

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／０８−１２

Ｈ０１Ｌ ２７／１０−１０５

Ｈ０１Ｌ ２７／２２

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

(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非磁性層であって、逆スピネル構造を含む第１酸化物を含む前記第１非磁性層と、
を備え、
前記第１酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及びＩｎ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非磁性層であって、逆スピネル構造を含む第１酸化物を含む前記第１非磁性層と、
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磁性層と、
前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた中間層と、
を備え、
前記中間層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｗ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｂ、Ｃ及びＮ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、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非磁性層であって、逆スピネル構造を含む第１酸化物を含む前記第１非磁性層と、
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磁性層と、
前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた中間層と、
を備え、
前記中間層は、アモルファスのＴａ層を含む、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非磁性層であって、逆スピネル構造を含む第１酸化物を含む前記第１非磁性層と、
を備え、
前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含み、
前記第１層は、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の酸化物を含み、
前記第２層は、Ｍｇ及びＧａを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む、磁気抵抗素子。

【請求項5】

前記第１酸化物は、Ｍｇ及びＧａを含む、請求項２〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子。

【請求項6】

前記第１酸化物は、Ｉｎをさらに含む、請求項５記載の磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記第１酸化物は、Ｉｎを含む、請求項２〜４のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子。

【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Ｇａを含む酸化物を含む第１非磁性層と、
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磁性層と、
前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた中間層と、
を備え、
前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において前記酸化物に含まれる前記Ｇａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有し、
前記中間層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｗ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｂ、Ｃ及びＮ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、磁気抵抗素子。

【請求項9】

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Ｇａを含む酸化物を含む第１非磁性層と、
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磁性層と、
前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた中間層と、
を備え、
前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において前記酸化物に含まれる前記Ｇａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有し、
前記中間層は、アモルファスのＴａ層を含む、磁気抵抗素子。

【請求項10】

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Ｇａを含む酸化物を含む第１非磁性層と、
を備え、
前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において前記酸化物に含まれる前記Ｇａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有し、
前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含み、
前記第１層は、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の酸化物を含み、
前記第２層は、Ｍｇ及びＧａを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む、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酸化物を含む第１非磁性層と、
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磁性層と、
前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた中間層と、
を備え、
前記酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及び酸素を含み、
前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において、１０３７０エレクトロンボルト以上１０３８５エレクトロンボルト以下のフォトンエネルギー範囲において、第１フォトンエネルギーの第１ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーよりも大きい第２フォトンエネルギーの第２ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーと前記第２フォトンエネルギーとの間の第３フォトンエネルギーの中間強度と、を有し、前記中間強度は、前記第１ピーク強度よりも低く、前記第２ピーク強度よりも低く、
前記中間層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｗ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｂ、Ｃ及びＮ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、磁気抵抗素子。

【請求項12】

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酸化物を含む第１非磁性層と、
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磁性層と、
前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた中間層と、
を備え、
前記酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及び酸素を含み、
前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において、１０３７０エレクトロンボルト以上１０３８５エレクトロンボルト以下のフォトンエネルギー範囲において、第１フォトンエネルギーの第１ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーよりも大きい第２フォトンエネルギーの第２ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーと前記第２フォトンエネルギーとの間の第３フォトンエネルギーの中間強度と、を有し、前記中間強度は、前記第１ピーク強度よりも低く、前記第２ピーク強度よりも低く、
前記中間層は、アモルファスのＴａ層を含む、磁気抵抗素子。

【請求項13】

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非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含み、
前記第１層は、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の第１酸化物を含み、
前記第２層は、Ｍｇ及びＧａを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含み、
前記第１酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において、１０３７０エレクトロンボルト以上１０３８５エレクトロンボルト以下のフォトンエネルギー範囲において、第１フォトンエネルギーの第１ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーよりも大きい第２フォトンエネルギーの第２ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーと前記第２フォトンエネルギーとの間の第３フォトンエネルギーの中間強度と、を有し、前記中間強度は、前記第１ピーク強度よりも低く、前記第２ピーク強度よりも低い、磁気抵抗素子。

【請求項14】

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非磁性層であって、逆スピネル構造を含む第１酸化物を含む前記第１非磁性層と、
を備え、
前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含み、
前記第１層は、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物を含み、
前記第２層は、Ｉｎを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む、磁気抵抗素子。

【請求項15】

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Ｇａを含む酸化物を含む第１非磁性層と、
を備え、
前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において前記酸化物に含まれる前記Ｇａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有し、
前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含み、
前記第１層は、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物を含み、
前記第２層は、Ｉｎを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む、磁気抵抗素子。

【請求項16】

前記第１磁性層と前記第２磁性層とを結ぶ第１方向に沿った前記第１非磁性層の長さは、０．２ナノメートル以上４ナノメートル以下である、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子。

【請求項17】

前記第１非磁性層のバンドギャップは、２エレクトロンボルト以上７エレクトロンボルト未満である、請求項１〜１６のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子。

【請求項18】

請求項１〜１７のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子と電気的に接続された制御素子と、
を備えた磁気記憶装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、磁気抵抗素子及び磁気記憶装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を用いた磁気抵抗素子（Magnetoresistive element）がある。ＭＴＪ素子は、例えば、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を示す。磁気抵抗素子は、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ:Magnetic Random Access Memory）などの磁気記憶装置のメモリセルとなる。磁気抵抗素子において、磁気抵抗比が高いことが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−１７５６１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、磁気抵抗比を向上できる磁気抵抗素子及び磁気記憶装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層及び第１非磁性層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記第１非磁性層は、逆スピネル構造を含む第１酸化物を含む。前記第１酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及びＩｎを含む。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層、第３磁性層及び中間層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記第１非磁性層は、逆スピネル構造を含む酸化物を含む。前記第３磁性層は、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられる。前記中間層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられる。前記中間層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｗ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｂ、Ｃ及びＮ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。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層、第３磁性層及び中間層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記第１非磁性層は、逆スピネル構造を含む酸化物を含む。前記第３磁性層は、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられる。前記中間層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられる。前記中間層は、アモルファスのＴａ層を含む。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記第１非磁性層は、逆スピネル構造を含む第１酸化物を含む。前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含む。前記第１層は、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の酸化物を含む。前記第２層は、Ｍｇ及びＧａを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層、第３磁性層及び中間層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられＧａを含む酸化物を含む。前記第３磁性層は、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられる。前記中間層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられる。前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において前記酸化物に含まれる前記Ｇａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有する。前記中間層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｗ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｂ、Ｃ及びＮ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。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層、第３磁性層及び中間層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられＧａを含む酸化物を含む。前記第３磁性層は、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられる。前記中間層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられる。前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において前記酸化物に含まれる前記Ｇａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有する。前記中間層は、アモルファスのＴａ層を含む。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられＧａを含む酸化物を含む。前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において前記酸化物に含まれる前記Ｇａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有する。前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含む。前記第１層は、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の酸化物を含む。前記第２層は、Ｍｇ及びＧａを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層、第３磁性層及び中間層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ酸化物を含む。前記第３磁性層は、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられる。前記中間層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられる。前記酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及び酸素を含む。前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において、１０３７０エレクトロンボルト以上１０３８５エレクトロンボルト以下のフォトンエネルギー範囲において、第１フォトンエネルギーの第１ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーよりも大きい第２フォトンエネルギーの第２ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーと前記第２フォトンエネルギーとの間の第３フォトンエネルギーの中間強度と、を有し、前記中間強度は、前記第１ピーク強度よりも低く、前記第２ピーク強度よりも低い。前記中間層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｗ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｂ、Ｃ及びＮ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。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層、第３磁性層及び中間層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ酸化物を含む。前記第３磁性層は、前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられる。前記中間層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられる。前記酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及び酸素を含む。前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において、１０３７０エレクトロンボルト以上１０３８５エレクトロンボルト以下のフォトンエネルギー範囲において、第１フォトンエネルギーの第１ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーよりも大きい第２フォトンエネルギーの第２ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーと前記第２フォトンエネルギーとの間の第３フォトンエネルギーの中間強度と、を有し、前記中間強度は、前記第１ピーク強度よりも低く、前記第２ピーク強度よりも低い。前記中間層は、アモルファスのＴａ層を含む。
本発明の別の実施形態によれば、磁気抵抗素子は、第１磁性層、第２磁性層、第１非磁性層を含む。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ酸化物を含む。前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含む。前記第１層は、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の第１酸化物を含む。前記第２層は、Ｍｇ及びＧａを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む。前記第１酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及び酸素を含む。前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において、１０３７０エレクトロンボルト以上１０３８５エレクトロンボルト以下のフォトンエネルギー範囲において、第１フォトンエネルギーの第１ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーよりも大きい第２フォトンエネルギーの第２ピーク強度と、前記第１フォトンエネルギーと前記第２フォトンエネルギーとの間の第３フォトンエネルギーの中間強度と、を有し、前記中間強度は、前記第１ピーク強度よりも低く、前記第２ピーク強度よりも低い。
本発明の別の実施形態によれば、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、を含む。前記第１非磁性層は、逆スピネル構造を含む第１酸化物を含む。前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含む。前記第１層は、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物を含む。前記第２層は、Ｉｎを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む。
本発明の別の実施形態によれば、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、を含む。前記第１非磁性層は、Ｇａを含む酸化物を含む。前記酸化物は、エックス線吸収端近傍構造(X-ray Absorption Near Edge Structure)分析において前記酸化物に含まれる前記Ｇａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有する。前記第１非磁性層は、第１層と、前記第１層と積層された第２層と、を含む。前記第１層は、Ｉｎを含み逆スピネル構造の酸化物を含む。前記第２層は、Ｉｎを含み前記第１層とは異なり逆スピネル構造の酸化物、Ｍｇ及びＧａを含み逆スピネル構造の酸化物、及び、正スピネル構造のＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された１つを含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１実施形態に係る磁気抵抗素子を例示する模式的断面図である。

【図2】実施形態に係る磁気抵抗素子の特性を例示するグラフ図である。

【図3】図３（ａ）〜図３（ｅ）は、磁気抵抗素子の解析結果を例示する写真像である。

【図4】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、磁気抵抗素子の分析結果を例示するグラフ図である。

【図5】磁気抵抗素子の特性を例示するグラフ図である。

【図6】磁気抵抗素子の特性を例示するグラフ図である。

【図7】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図8】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図9】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図10】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図11】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図12】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図13】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図14】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図15】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図16】第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。

【図17】第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。

【図18】図１８（ａ）〜図１８（ｅ）は、第２実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を例示する模式的断面図である。

【図19】第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。

【図20】第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。

【図21】第２実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0008】

（第１実施形態）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１実施形態に係る磁気抵抗素子を例示する模式的断面図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１０は、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１非磁性層１１Ｎを含む。第１非磁性層１１Ｎは、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に設けられる。

【0009】

第１磁性層１１は、例えば、強磁性層である。第２磁性層１２は、例えば、強磁性層である。第１非磁性層１１Ｎは、例えば、トンネルバリア層である。例えば、第１非磁性層１１Ｎは、酸化物を含む。

【0010】

図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１０Ａの例では、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１非磁性層１１Ｎに加えて、ベース層１０Ｓ及び第２非磁性層１２Ｎが設けられている。ベース層１０Ｓと第２磁性層１２との間に、第１磁性層１１が設けられる。第２非磁性層１２Ｎは、第１磁性層１１と第１非磁性層１１Ｎとの間に設けられる。第２非磁性層１２Ｎは、例えば、非磁性の金属層である。第２非磁性層１２Ｎと第１非磁性層１１Ｎとの間の境界は、不明確である場合がある。第２非磁性層１２Ｎが薄い場合（例えば０．６ｎｍ以下）、第２非磁性層１２Ｎ及び第１非磁性層１１Ｎは、一体として観測される場合がある。

【0011】

後述するように、実施形態において、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１非磁性層１１Ｎの他に、種々の層が設けられても良い。

【0012】

例えば、磁気抵抗素子１１０及び１１０Ａに、エネルギー（例えば、磁界、電界、電流、電圧及び応力の少なくともいずれか）が加わると、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗が変化する。

【0013】

電気抵抗の変化は、例えば、磁気抵抗効果に基づく。例えば、加わるエネルギーに応じて、第１磁性層１１の磁化及び第２磁性層１２の磁化の少なくともいずれかの方向が変化する。例えば、加わるエネルギーに応じて、これらの磁化の間の角度が変化する。これにより、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗が変化する。

【0014】

例えば、第１磁性層１１は、例えば、自由層として機能する。第１磁性層１１は、例えば、記憶層として機能する。第２磁性層１２は、例えば、参照層として機能する。

【0015】

第１磁性層１１と第２磁性層１２とを結ぶ第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。第１方向は、第１磁性層１１、第１非磁性層１１Ｎ及び第２磁性層１２の積層方向に対応する。

【0016】

第１非磁性層１１Ｎは、第１方向（Ｚ軸方向）と交差する面１１Ｎａを有する。面１１Ｎａは、例えば、第１磁性層１１に対向する面である。面１１Ｎａは、例えば、｛１００｝面に沿う。実施形態において、面１１Ｎａは、例えば、｛１００｝面に対して完全に平行でなくても良く、例えば、傾斜していても良い。面１１Ｎａと｛１００｝面との間の角度は、例えば、１０度以下でも良い。｛１００｝面は、例えば、第１磁性層１１の結晶方位の面でも良い。

【0017】

第１非磁性層１１Ｎの厚さ（第１非磁性層厚ｔ１、図１（ａ）参照）は、例えば、０．２ｎｍ（ナノメートル）以上４ｎｍ以下である。このような厚さにより、例えば、適正なトンネルバリア効果が得られる。後述するように、このような厚さにより、高い磁気抵抗比が得られる。第１非磁性層厚ｔ１は、第１方向（Ｚ軸方向）に沿った、第１非磁性層１１Ｎの長さである。第１非磁性層厚ｔ１は、例えば、１．１ｎｍ以上３．３ｎｍ以下でも良い。第１非磁性層厚ｔ１は、例えば、１．１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下でも良い。第１非磁性層厚ｔ１は、例えば、１．１ｎｍ以上２．８ｎｍ以下でも良い。

【0018】

既に説明したように、第１非磁性層１１Ｎは、酸化物を含む。この酸化物は、例えば、Ｍｇ及びＧａを含む。この酸化物は、ＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物の他の例については、後述する。

【0019】

実施形態においては、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、逆スピネル構造を含む。

【0020】

これにより、高い磁気抵抗比ＭＲが得られることが分かった。例えば、低い面積抵抗ＲＡを維持しつつ高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。磁気抵抗比ＭＲは、例えば、トンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）である。

【0021】

以下、実施形態に係る磁気抵抗素子の特性の例について説明する。以下に説明する実験の試料（第１試料）は、磁気抵抗素子１１０Ａの構成を有する。

【0022】

この例では、ベース層１０Ｓは、Ｃｒ層である。第１磁性層１１は、Ｆｅ層である。第２非磁性層１２Ｎは、Ｍｇ層である。このＭｇ層の厚さは、０．６ｎｍである。第１非磁性層１１Ｎは、ＭｇＧａ_２Ｏ_４層である。このＭｇＧａ_２Ｏ_４層の厚さ（第１非磁性層厚ｔ１）は、３．０ｎｍである。第２磁性層１２は、Ｆｅ層である。

【0023】

本明細書において、「第１材料名／第２材料名」の表記が記載される場合がある。この表記は、第２材料名の層の上に第１材料名の層が設けられることを示す。本明細書において、「第１材料名（第１長さ）」の表記が記載される場合がある。この表記は、第１材料名の層の厚さが、第１長さであることを示す。例えば、「Ｆｅ／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（３．０ｎｍ）」の記載は、３．０ｎｍの厚さのＭｇＧａ_２Ｏ_４の層の上に、Ｆｅ層が設けられている状態に対応する。

【0024】

この第１試料においては、Ｆｅ／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（３．０ｎｍ）／Ｍｇ（０．６ｎｍ）／Ｆｅ／Ｃｒの構造が設けられる。

【0025】

第１試料の作製条件は、以下である。基板（図示しない）の上に、Ｃｒ層が、室温のスパッタにより形成され、その後、８００℃で加熱処理される。このＣｒ層の上に、Ｆｅ層が、室温のスパッタにより形成され、その後、４００℃で加熱処理される。このＦｅ層の上に、Ｍｇ層が、室温のスパッタにより形成され、さらに、このＭｇ層の上に、ＭｇＧａ_２Ｏ_４層が、室温のスパッタにより形成される。その後、５００℃で加熱処理される。このＭｇＧａ_２Ｏ_４層の上に、Ｆｅ層が、室温のスパッタにより形成され、その後、４００℃で加熱処理される。このようにして、第１試料が作製される。

【0026】

図２は、実施形態に係る磁気抵抗素子の特性を例示するグラフ図である。
図２の横軸は、上記の第１試料ＳＰ１（磁気抵抗素子１１０Ａ）に外部から加えられる外部磁界Ｈａ（エルステッド：Ｏｅ）である。縦軸は、磁気抵抗比ＭＲ１（％）である。磁気抵抗比ＭＲ１の測定温度は、３００Ｋ（ケルビン）である。

【0027】

図２に示すように、第１試料ＳＰ１においては、磁気抵抗比ＭＲ１（室温）は、約１２１％と高い。第１試料ＳＰ１において、例えば、コヒーレントなトンネル効果が発現していると示唆される。

【0028】

以下、試料の構造解析結果の例について説明する。この構造解析の試料は、第１試料ＳＰ１においてＭｇ層を設けない構造を有する。すなわち、構造解析の試料は、図１（ａ）に例示した磁気抵抗素子１１０の構造を有する。この他は、第１試料ＳＰ１と同様である。

【0029】

図３（ａ）〜図３（ｅ）は、磁気抵抗素子の解析結果を例示する写真像である。
図３（ａ）は、試料の断面ＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）像である。この像は、Ｆｅ［１１０］面に沿って観察された像である。図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）による分析結果を示す。図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、Ｍｇ、Ｇａ及びＯの分布のそれぞれに対応する。図３（ｅ）は、試料のナノ電子線回折像を示す。この像は、試料中の第１非磁性層１１Ｎ（ＭｇＧａ_２Ｏ_４層）の近傍の領域から取得される。図３（ｅ）に示される数字は、反射スポットの結晶面を示す。

【0030】

図３（ａ）から分かるように、ＭｇＧａ_２Ｏ_４層の界面は極めて平坦である。試料中の積層構造は、（００１）配向を伴ったエピタキシャル成長により形成されたと考えられる。ＭｇＧａ_２Ｏ_４層は、例えば、立方晶の逆スピネル構造を有する。ＭｇＧａ_２Ｏ_４層は、正方晶型に僅かに歪んでいても良い。これは、ＭｇＧａ_２Ｏ_４層を含まれる積層構造に生じる応力の影響であると考えられる。この試料のＭｇＧａ_２Ｏ_４層において、転位が実質的に形成されていない。格子整合した界面が得られている。

【0031】

図３（ｂ）〜図３（ｄ）に示すように、ＭｇＧａ_２Ｏ_４層は、均一である。界面における析出、または、相互元素拡散が観測されない。ＲＢＳ分析結果により、このＭｇＧａ_２Ｏ_４層は、実質的に化学量論組成を有することが分かっている。

【0032】

図３（ｅ）から分かるように、試料の積層構造は、Ｆｅ（００１）［１１０］／／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）［１００］のエピタキシャル関係を有する。図３（ｅ）において、ＭｇＧａ_２Ｏ_４の｛０２２｝スポットが存在する。このことから、ＭｇＧａ_２Ｏ_４がスピネル構造に規則化していることが、示唆される。スピネル構造は、正スピネル構造または逆スピネル構造を含む。

【0033】

以下に説明するように、上記の試料においては、このスピネル構造は、逆スピネル構造を含む。

【0034】

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、磁気抵抗素子の分析結果を例示するグラフ図である。
これらの図は、第２〜第４試料ＳＰ２〜ＳＰ４のＸＡＮＥＳ（エックス線吸収端近傍構造：X-ray Absorption Near Edge Structure）分析結果の例を示す。第２〜第４試料ＳＰ２〜ＳＰ４は、上記の第１試料ＳＰ１と同様の構成（図１（ｂ）に例示した磁気抵抗素子１１０Ａの構造）を有する。第２〜第４試料ＳＰ２〜ＳＰ４においては、ＭｇＧａ_２Ｏ_４層（第１非磁性層１１Ｎ）の第１非磁性層厚ｔ１が異なる。第２〜第４試料ＳＰ２〜ＳＰ４において、第１非磁性層厚ｔ１は、それぞれ、２．８ｎｍ、１．９ｎｍ及び１．１ｎｍである。この分析結果では、Ｇａの結合状態が着目されている。図４（ｂ）は、図４（ａ）の一部の拡大図である。これらの図において、横軸は、フォトンエネルギーＥｐ（ｅＶ）である。縦軸は、強度Ｉｎｔである。強度Ｉｎｔは、規格化されて表示されている。第２〜第４試料ＳＰ２〜ＳＰ４においては、Ｍｇ層及びＭｇＧａ_２Ｏ_４層の室温でのスパッタによる形成の後に、４００℃の熱処理が行われる。この温度の違いの他は、第１試料ＳＰ１と同様の条件で第２〜第４試料ＳＰ２〜ＳＰ４が作製される。

【0035】

図４（ａ）及び図４（ｂ）において、１０３７０ｅＶ（エレクトロンボルト）以上１０３８５ｅＶ以下のフォトンエネルギーＥｐの範囲において、ピークが得られる。このピークが、Ｇａの結合状態に関係する。この例では、このピークは、Ｇａ−Ｋ殻の電子エネルギーに対応するフォトンエネルギーＥｐのピークに対応する。

【0036】

第１非磁性層厚ｔ１が１．１ｎｍのときにおいて、このフォトンエネルギーＥｐの範囲において、２つのピークが明確に観察される。２つのピークの１つ（低エネルギー側のピーク）は、Ｇａが４面体配置に存在しているとき（第１状態）のピークに対応する。２つのピークの別の１つ（高エネルギー側のピーク）は、Ｇａが８面体配置に存在するとき（第２状態）のピークに対応する。

【0037】

第１非磁性層厚ｔ１が１．１ｎｍの第４試料ＳＰ４において、２つのピークが観察される。第４試料ＳＰ４において、上記の第１状態及び第２状態が存在していると推定される。２つのピークの間に、谷が観察される。谷における強度Ｉｎｔは、２つのピークにおけるそれぞれの強度Ｉｎｔよりも低い。第４試料ＳＰ４においては、これらの２つのピークの強度Ｉｎｔは実質的に同じである。

【0038】

完全な逆スピネル構造においては、４面体配置のＧａの量（密度）と、８面体配置のＧａの量（密度）が、互いに同じになる。このことから、第１非磁性層厚ｔ１が１．１ｎｍの試料においては、実質的に完全な逆スピネル構造が設けられていると推定される。

【0039】

第１非磁性層厚ｔ１が、１．９ｎｍの第３試料ＳＰ３においても、２つのピークが観察される。第３試料においては、低エネルギー側のピークの強度Ｉｎｔが、高エネルギー側のピークの強度Ｉｎｔよりも低い。第３試料ＳＰ３においては、第１状態の領域が相対的に少なくなっていると考えられる。第３試料ＳＰ３においても、２つのピークの間に谷が観察される。

【0040】

一方、第１非磁性層厚ｔ１が、２．８ｎｍの第２試料ＳＰ２においては、低エネルギー側のピークは、ショルダー状である。

【0041】

第１非磁性層厚ｔ１の減少に伴って、低エネルギー側のピークの強度Ｉｎｔが相対的に上昇する。このことは、逆スピネル度の増大を示唆する。

【0042】

少なくとも２つのピークが観察される場合は、逆スピネル構造が存在していることが明確である。低エネルギー側のピークがショルダー状の場合も、このショルダーは逆スピネル構造に由来するものである。ショルダー状においても、逆スピネル構造が含まれる。

【0043】

本実施形態において、例えば、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、Ｇａを含んでおり、この酸化物は、エックス線吸収端近傍構造分析において、酸化物に含まれるＧａの結合状態に対応する複数のフォトンエネルギーピークを有する。例えば、この酸化物は、エックス線吸収端近傍構造分析において、酸化物に含まれるＧａ−Ｋ殻の電子エネルギーに対応する複数のフォトンエネルギーピークを有する。

【0044】

本実施形態において、例えば、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物が、Ｍｇ、Ｇａ及び酸素を含む場合、その酸化物は、ＸＡＮＥＳ分析において、１０３７０ｅＶ以上１０３８５ｅＶ以下のフォトンエネルギーＥｐの範囲において、２つのピーク強度と、その２つのピークの間の中間強度（谷）と、を有する。２つのピーク強度の１つは、第１フォトンエネルギー（この例では、１０３７３ｅＶ以上１７３７６ｅＶ未満）の第１ピーク強度である。２つのピーク強度の別の１つは、第２フォトンエネルギー（この例では、１０３７６ｅＶ超１０３８５ｅＶ以下）の第２ピーク強度である。第２フォトンエネルギーは、第１フォトンエネルギーよりも大きい。中間強度は、第３フォトンエネルギーに対応する強度である。第３フォトンエネルギーは、第１フォトンエネルギーと第２フォトンエネルギーとの間である。第３フォトンエネルギーの中間強度は、第１ピーク強度よりも低く、第２ピーク強度よりも低い。少なくともこのような中間強度（谷）が観察されるとときには、第１非磁性層１１Ｎは、逆スピネル構造を含む。

【0045】

図３（ａ）及び図３（ｂ）に例示した試料においても、第１非磁性層１１Ｎ（ＭｇＧａ_２Ｏ_４層）は、逆スピネル構造を含む。上記のショルダーが観察される。

【0046】

上記の試料においては、各層の成膜の後に熱処理が行われる。この熱処理の条件によって、第１非磁性層１１Ｎの結晶の状態は変化する。例えば、熱処理の温度及び時間などにより、結晶の状態が変化する。熱処理の温度の上昇カーブまたは下降カーブなどによっても結晶の状態が変化する。適正な作製条件を採用することで、逆スピネル構造を有する酸化物が得られる。

【0047】

例えば、４ｎｍ以下の薄い酸化物層（第１非磁性層１１Ｎ）は、この酸化物層に隣接する層の影響を受けやすい。例えば、薄い酸化物層は、第１磁性層１１または第２磁性層１２の影響を受けやすい。例えば、薄い酸化物層は、下地となるベース層１０Ｓまたは第２非磁性層１２Ｎの影響を受けやすい。適正な作製条件を採用することで、薄い酸化物層においても逆スピネル構造が形成できる。

【0048】

ＭｇＧａ_２Ｏ_４の層において、作製条件及び厚さなどにより構造（正スピネル、逆スピネル、アモルファスの割合）が変化すると考えられる。適正な作製条件及び厚さを用いることで、逆スピネル構造が得られる。例えば、熱処理の温度、処理の時間、または、温度変化カーブ（上昇及び下降）などによっても、結晶の状態が変化する。例えば、加熱中または加熱後の酸素充填における酸素濃度範囲も、結晶性に関係する。例えば、複数の層の形成のそれぞれの後に熱処理するか、または、複数の層の形成の後に一括して熱処理するかも、結晶性に影響する。結晶性の変化は、例えば、Ｇａ^３＋の一部が、金属Ｇａに還元されやすくなることも含む。成膜レートが高いと、結晶性及び平坦性が向上し、逆スピネル構造が得られやすい。例えば、厚さが薄くなると、逆スピネル構造の割合が多くなる。過度に薄いと、結晶化する臨界膜厚以下になり、アモルファスの割合が増える。ＭｇＧａ_２Ｏ_４の層（第１非磁性層１１Ｎ）の厚さは例えば、１．１ｎｍ以上３．３ｎｍ以下である。

【0049】

一般的に、スピネル構造酸化物は（Ａ_１−ｘＢ_ｘ）［Ａ_ｘＢ_２−ｘ］Ｏ_４と表記される。この表記において、「ｘ」は、逆スピネル度である。「Ａ」及び「Ｂ」は、典型元素、または、遷移金属の元素である。「Ａ」は、例えば、２価の陽イオンとなる元素である。「Ｂ」は、３価の陽イオンとなる元素である。「Ｏ」は、酸素である。この表記において、（）内の元素は、酸素イオンで形成される立方格子の４面体空隙の１／８を占めるように配置される。（）内の元素の配置は、例えば規則的である。この表記において、［］内の元素は、８面体空隙の１／２を占めるように配置される。［］内の元素の配置は、例えば規則的である。前者及び後者は、それぞれ、スピネル構造を形成する。

【0050】

例えば、正スピネル構造においては、ｘ＝０である。正スピネル構造は（Ａ）［Ｂ_２］Ｏ_４と表記される。一方、逆スピネル構造においては、ｘ＝１である。逆スピネル構造は、（Ｂ）［ＡＢ］Ｏ_４と表記される。

【0051】

スピネル構造に含まれる典型元素金属は、例えば、２価の陽イオンとなる元素、及び、３価の陽イオンとなる元素を含む。２価の陽イオンとなる元素は、例えば、Ｚｎ及びＭｇからなる群から選択された少なくとも１つを含む。３価の陽イオンとなる元素は、例えば、Ｉｎ、Ｇａ及びＡｌからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0052】

酸素の４面体位置への入りやすさは、例えば、（容易）Ｚｎ＞Ｉｎ＞Ｇａ＞Ｍｇ＞Ａｌ（困難）である。例えば、ＩｎまたはＧａは、Ｍｇよりも、４面体位置を占め易い。例えば、ＭｇＧａ_２Ｏ_４及びＭｇＩｎ_２Ｏ_４は、逆スピネル構造を安定構造として有する。

【0053】

例えば、トンネルバリア層（例えば第１非磁性層１１Ｎ）として岩塩型のＭｇＯを用いる参考例がある。この参考例において、高い磁気抵抗比ＭＲ（例えば約３００％）が得られる。しかしながら、ＭｇＯのバンドギャップは７ｅＶ〜８ｅＶと高く、このため、面積抵抗が高い。磁気抵抗素子が用いられた磁気記憶装置において、記憶密度を高め、素子サイズが小さくなったときに、抵抗が高くなる。このためこの参考例の構成で素子サイズを小さくする場合には、ＭｇＯ層の厚さを非常に薄くする。しかしながら、薄いＭｇＯにおいて、絶縁性が劣化し、製造歩留まりまたは信頼性が低下する。

【0054】

これに対して、後述するように、実施形態に係る酸化物においては、低い面積抵抗が得られる。これは、実施形態に係る酸化物のバンドギャップが小さいことに起因すると考えられる。後述するように、例えば、ＭｇＧａ_２Ｏ_４のバンドギャップは約４．７ｅＶ（４．７ｅＶ以上４．９ｅＶ以下）である。

【0055】

実施形態によれば、低い面積抵抗を維持しつつ、高い磁気抵抗比ＭＲを得ることができる。

【0056】

岩塩型のＭｇＯにおいて高い磁気抵抗比ＭＲが得られることは、岩塩型のＭｇＯの結晶構造に由来していると考えられる。岩塩型のＭｇＯにおいては、ＭｇＯがすべての８面体位置に配置されている。

【0057】

一方、ＭｇＧａ_２Ｏ_４（すなわち（Ｇａ）［ＭｇＧａ］Ｏ_４）において、２種類のスピネル構造のうちで、正スピネル構造よりも逆スピネル構造が、ＭｇＯの構造により近い。このことが、逆スピネル構造のＭｇＧａ_２Ｏ_４において、高い磁気抵抗比ＭＲが得られることに関係していると考えられる。このように、第１非磁性層１１Ｎの酸化物（ＭｇＧａ_２Ｏ_４またはＭｇＩｎ_２Ｏ_４など）が、高いＭＲ比が得られることは、逆スピネル構造に基づいていると考えられる。

【0058】

そして後述するように、ＭｇＧａ_２Ｏ_４などにおいては、低い面積抵抗ＲＡが得られる。

【0059】

一方、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４は、正スピネル構造を基底状態として持つ。本願発明者達の実験によると、ＭｇＯと同様に室温成膜プロセスにおいても、ＭｇＧａ_２Ｏ_４においては自己組織的に陽イオンサイトが規則化することが分かった。このため、ＭｇＧａ_２Ｏ_４においては、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりも、逆スピネル構造が形成され易い。

【0060】

自己組織的に規則化する性質により、例えば、第１非磁性層１１Ｎ以外の層（例えば第１磁性層１１など）の選択の幅を広げることが可能である。例えば、第１非磁性層１１Ｎは、単結晶でも良く、多結晶でも良い。第１非磁性層１１Ｎが多結晶を含む場合、第１非磁性層１１Ｎには、例えば、配向膜が含まれる。

【0061】

実施形態において、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、例えば、Ｍｇ_１−ｘＧａ_ｘＯ_ｙ（ｘは０を超え１未満、ｙは３以上５以下）である。または、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、例えば、Ｍｇ_１−ｘＩｎ_ｘＯ_ｙ（ｘは０を超え１未満、ｙは３以上５以下）である。このような組成範囲において、例えば、逆スピネル構造が得られる。酸化物の他の例については、後述する。

【0062】

以下、第１非磁性層１１Ｎの結晶状態の分析方法の例について説明する。
例えば、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）による構造解析法により、第１非磁性層１１Ｎの結晶状態に関する情報が得られる。例えば、ＴＥＭにより、結晶パターン、格子欠陥の存在、及び、結晶の配向方位などに関する情報が得られる。例えば、電子線回折パターンを併せて取得することで、原子レベルでの組織構造及び結晶構造に関する情報を得ることができる。例えば、特定の回折スポットに着目することで、逆スピネル構造か否かに関する情報が得られる。

【0063】

例えば、ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ（high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy ＴＥＭ）により、第１非磁性層１１Ｎの結晶状態に関する情報が得られる。この分析方法においては、原子に照射され散乱した電子が検出される。原子量に比例したコントラストが得られる。コントラストに着目することで、原子配置に関する情報が得られる。逆スピネル構造か否かに関する情報が得られる。

【0064】

例えば、ＸＡＦＳ（X-ray absorption fine structure）法、ＥＸＡＦＳ（Extended X-ray Absorption Fine Structure）法、または、ＸＡＮＥＳ法などにより、第１非磁性層１１Ｎの結晶状態に関する情報が得られる。これらの分析方法では、化学状態に関する分析、及び、構造解析が可能である。これらの方法において、分析深さ（表面またはバルク）を選択することで、非破壊で、深さ方向の化学状態分析または構造解析が可能である。ＸＡＮＥＳ分析においては、構成元素の配位構造に関する情報が得られる。逆スピネル構造か否かに関する情報が得られる。

【0065】

磁気抵抗素子を用いた磁気記憶装置において、微細化すると抵抗値が上昇する。このため、磁気抵抗素子における面積抵抗ＲＡを低減することが望まれる。バリア層（例えば第１非磁性層１１Ｎ）としてＭｇＯまたはＭｇＡｌ_２Ｏ_４を用いる参考例がある。これらの参考例において、材料としての面積抵抗ＲＡの低減に限界があり、バリア層の厚さを薄くする必要がある。薄くすると、バリア層の破壊電圧が急激に劣化する。このため、磁気抵抗比ＭＲ比の向上とともに、面積抵抗ＲＡが低いことが望まれる。

【0066】

以下、実施形態に係る磁気抵抗素子についての面積抵抗の例について説明する。

【0067】

図５は、磁気抵抗素子の特性を例示するグラフ図である。
図５には、第１非磁性層１１ＮがＭｇＧａ_２Ｏ_４である試料（例えば、第１〜第４試料ＳＰ１〜ＳＰ４などを含む）と、第１非磁性層１１ＮがＭｇＡｌ_２Ｏ_４である試料（参考例）と、における面積抵抗ＲＡの例を示す。これらの試料において、第１磁性層１１及び第２磁性層１２は、ともにＦｅ層である。図５の横軸は、第１非磁性層厚ｔ１（ｎｍ）である。縦軸は、面積抵抗ＲＡ（Ω・μｍ^２）である。この面積抵抗ＲＡは、第１磁性層１１の磁化と第２磁性層１２の磁化が平行状態であるときに対応する。測定温度は、３００Ｋである。ＭｇＧａ_２Ｏ_４の試料において、ＭｇＧａ_２Ｏ_４は、逆スピネル構造を含む。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の試料（参考例）において、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４は、正スピネル構造を含む。

【0068】

図５に示すように、同じ第１非磁性層厚ｔ１において、ＭｇＧａ_２Ｏ_４の面積抵抗ＲＡは、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の面積抵抗ＲＡよりも低い。このような特性は、少なくとも、第１非磁性層厚ｔ１が、１．１ｎｍ以上３．３ｎｍ以下において確認されている。

【0069】

このように、実施形態に係るＭｇＧａ_２Ｏ_４（第１非磁性層１１Ｎ）により、低い面積抵抗ＲＡが得られる。実施形態によれば、高い磁気抵抗比ＭＲを得つつ、低い面積抵抗ＲＡが得られる。例えば、第１非磁性層１１Ｎは、過度に薄くされない。これにより、高い信頼性が得られる。本実施形態によれば、高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。さらに、低い面積抵抗が得られる。高い信頼性が得られる。

【0070】

図５に示すように、２つの試料において、面積抵抗ＲＡの対数は、第１非磁性層厚ｔ１に対して線形に増加する。これらの試料において、ダイレクトトンネリングモードが支配的であると示唆される。

【0071】

ＭｇＧａ_２Ｏ_４の試料における、厚さの増加に対する面積抵抗ＲＡの増加の変化率（傾き）は、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の試料のそれよりも低い。このことから、ＭｇＧａ_２Ｏ_４の試料におけるバリア障壁高さが、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の試料におけるバリア障壁高さよりも小さいことが示唆される。

【0072】

図６は、磁気抵抗素子の特性を例示するグラフ図である。
図６は、図５に示した２つの試料における、電流密度の例を示す。図６の横軸は、バイアス電圧Ｖｂ（ボルト：Ｖ）である。縦軸は、電流密度ＣＤ（Ａ／ｃｍ^２）である。測定温度は、３００Ｋである。図６において、実線は、第１磁性層１１の磁化と第２磁性層１２の磁化が平行である状態に対応する。点線は、第１磁性層１１の磁化と第２磁性層１２の磁化が反平行である状態に対応する。

【0073】

図６に示すように、ＭｇＧａ_２Ｏ_４の試料においては、電流密度ＣＤが急激に変化するバイアス電圧Ｖｂは、約０．６Ｖである。これに対して、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の試料においては、電流密度ＣＤが急激に変化するバイアス電圧Ｖｂは、約１．１Ｖである。

【0074】

一般的に、電流密度ＣＤが急激に増加するバイアス電圧Ｖｂは、バリア障壁高さと関係がある。図６の結果から、ＭｇＧａ_２Ｏ_４のバリア障壁高さは、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４のバリア障壁高さよりも低いことが示唆される。

【0075】

バンドギャップ及びバリア障壁高さにおいて、相関がある。バンドギャップを小さくすることで、バリア障壁高さが低くなる。例えば、バンドギャップを小さくすることで、例えば、面積抵抗ＲＡが低くなる。

【0076】

ＭｇＯまたはＭｇＡｌ_２Ｏ_４において、高い磁気抵抗比（ＭＲ比）が得られている。これらの材料のバンドギャップは、７ｅＶ〜８ｅＶである。

【0077】

ＲＥＥＬＳ（reflection electron energy loss spectroscopy）分析結果によると、ＭｇＧａ_２Ｏ_４のバンドギャップは、約４．７ｅＶと見積もられる。このように、ＭｇＧａ_２Ｏ_４のバンドギャップは、ＭｇＯまたはＭｇＡｌ_２Ｏ_４のバンドギャップよりも小さい。例えば、ＭｇＧａ_２Ｏ_４のバリア障壁高さは、ＭｇＯまたはＭｇＡｌ_２Ｏ_４のバリア障壁高さよりも低い。ＭｇＧａ_２Ｏ_４の面積抵抗ＲＡは、同じ第１非磁性層厚ｔ１において、ＭｇＯまたはＭｇＡｌ_２Ｏ_４の面積抵抗よりも低くなる。

【0078】

実施形態において、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物のバンドギャップは、例えば、７ｅＶ未満であることが好ましい。この酸化物のバンドギャップは、５ｅＶ以下であることがさらに好ましい。

【0079】

一方、バンドギャップが過度に小さいと、例えば、トンネル伝導モードの維持が困難になり、例えば、ＭＲ比が十分に高くできない場合がある。実施形態において、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物のバンドギャップは、２ｅＶ以上であることが好ましく、３ｅＶ以上であることがより好ましい。

【0080】

実施形態において、第１非磁性層１１Ｎの面内格子間隔と、第１磁性層１１の面内格子間隔との差、及び、第１非磁性層１１Ｎの面内格子間隔と、第２磁性層１２の面内格子間隔との差は、小さいことが好ましい。例えば、転位が実質的に無い界面が得られる。例えば、トンネル電子の波数選択性が阻害されない。例えば、高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。

【0081】

磁気抵抗素子に含まれる磁性層は、例えば、Ｆｅと同程度の格子定数を有する立方晶型材料を含む。または、磁性層は、ＭｎＧａと同程度の格子定数を有する正方晶型材料を含む。

【0082】

実施形態において、例えば、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、Ｆｅ及びＭｎＧａの両者と格子整合性の高い材料を含むことが好ましい。Ｆｅのａ軸格子定数は、０．２８７ｎｍである。面内に４５度回転すると、格子定数は、０．４０５ｎｍとなる。一方、ＭｎＧａのａ軸格子定数は０．３８９ｎｍである。

【0083】

例えば、第１非磁性層１１Ｎの格子定数の１／２は、０．３７７５ｎｍ以上０．４２５５ｎｍ以下であることが好ましい。この下限値及び上限値は、０．７５５ｎｍ／２及び０．８５１ｎｍ／２にそれぞれ対応する。これにより、第１非磁性層１１Ｎは、Ｆｅなどの立方晶型磁性層と、５％以内の格子定数差で、整合する。

【0084】

または、例えば、第１非磁性層１１Ｎの格子定数の１／２は、０．３７０ｎｍ以上０．４０９ｎｍ以下であることが好ましい。この下限値及び上限値は、０．７４０ｎｍ／２及び０．８１８ｎｍ／２にそれぞれ対応する。これにより、第１非磁性層１１Ｎは、ＭｎＧａなどの正方晶型磁性層と、５％以内の格子定数差で、整合する。

【0085】

上記の格子定数は、例えば、Ｘ−Ｙ平面内の１つの方向における格子定数に対応する。

【0086】

図１（ｂ）に関して説明した磁気抵抗素子１１０Ａにおいて、Ｍｇ層（第２非磁性層１２Ｎ）により、例えば、界面の酸化状態が良好に制御される。実施形態において、第２非磁性層１２Ｎは省略されても良い。

【0087】

本実施形態に係る磁気抵抗素子（例えば磁気抵抗素子１１０など）において、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、例えば、｛１００｝面の結晶質であり、２価の陽イオンと、３価の陽イオンと、を含む。酸化物は、逆スピネル構造を、安定構造として有する。

【0088】

実施形態において、例えば、書き込み電流などの外部から供給されるエネルギーにより、磁気抵抗素子の電気抵抗が変化する。電気抵抗の変化は、例えば、第１磁性層１１の磁化と、第２磁性層１２の磁化と、の間の角度の差に基づく。外部から供給されるエネルギーの例が、書き込み電流である。書き込み電流は、例えば、Ｚ軸方向に沿う。

【0089】

例えば、磁気抵抗素子への書き込み電流の供給の前後において、第１磁性層１１及び第２磁性層１２の一方の磁化の方向は、実質的に変化しない。第１磁性層１１及び第２磁性層１２の他方の磁化の方向は、書き込み電流の供給の前後において変化する。前者は、例えば、参照層に対応する。後者は、記憶層（または自由層）に対応する。

【0090】

例えば、第１磁性層１１が記憶層であり、第２磁性層１２が参照層である場合における磁化の変化の例について説明する。

【0091】

例えば、第１磁性層１１の磁化と第２磁性層１２の磁化とが互いに反平行の場合において、第１磁性層１１から第２磁性層１２に向かう方向の書き込み電流が供給される。電子は、第２磁性層１２から第１非磁性層１１Ｎを通って第１磁性層１１に流れる。第２磁性層１２を通ることにより電子はスピン偏極される。スピン偏極された電子が、第１磁性層１１に流れる。第１磁性層１１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、第１磁性層１１を通過する。一方、第１磁性層１１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、第１磁性層１１の磁化に、スピントルクを作用する。第１磁性層１１の磁化の方向は、第２磁性層１２の磁化と同じ向きになる。第１磁性層１１の磁化の方向が反転する。第１磁性層１１の磁化は、第２磁性層１２の磁化の方向と平行（同じ方向）になる。

【0092】

一方、第１磁性層１１の磁化の方向と第２磁性層１２の磁化の方向とが、互いに平行な場合において、第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう書き込み電流が供給される。電子は、第１磁性層１１から第１非磁性層１１Ｎを通って第２磁性層１２に流れる。第１磁性層１１を通ることにより電子はスピン偏極される。スピン偏極された電子が、第２磁性層１２に流れる。第２磁性層１２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、第２磁性層１２を通過する。一方、第２磁性層１２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、第１非磁性層１１Ｎと第２磁性層１２との間の界面で反射され、第１非磁性層１１Ｎを通って第２磁性層１２に流れ込む。この電子は、第１磁性層１１の磁化にスピントルクを作用し、第１磁性層１１の磁化の方向が第２磁性層１２の磁化と反対方向に向くように働く。第１磁性層１１の磁化の方向が反転する。第１磁性層１１の磁化は、第２磁性層１２の磁化の方向と反平行になる。

【0093】

本実施形態において、第１磁性層１１と第２磁性層１２は、互いに入れ替え可能である。例えば、第１磁性層１１が参照層で、第２磁性層１２が記憶層でも良い。

【0094】

実施形態において、第１磁性層１１及び第２磁性層１２の間において、保磁力、異方性磁界Ｈｋ、及び、磁気摩擦定数αの少なくともいずれかが異なっていることが好ましい、例えば、より安定的に磁化方向の角度を制御することができる。

【0095】

例えば、保磁力、異方性磁界Ｈｋ、及び、磁気摩擦定数αのいずれかが相対的に大きい磁性層が参照層に対応する。保磁力、異方性磁界Ｈｋ、及び、磁気摩擦定数αのいずれかが相対的に小さい磁性層が記憶層に対応する。

【0096】

以下、本実施形態に係る別の磁気抵抗素子のいくつかの例について説明する。以下の磁気抵抗素子も、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１非磁性層１１Ｎを含む。さらに、ベース層１０Ｓ（例えばＣｒなどの金属層）が設けられても良い。これらについては、磁気抵抗素子１１０または１１０Ａと同様なので説明を省略する。以下に説明する磁気抵抗素子のいくつかの例において、第２非磁性層１２Ｎが設けられても良い。

【0097】

以下の説明において、「第１元素名（第２元素名）」の記載は、第１元素名の材料に第２元素名の元素が含まれている状態、または、第２元素が実質的に含まれていない状態を示す。例えば、「ＣｏＦｅ（Ｂ）」の記載は、ＣｏＦｅを含む状態、または、ＣｏＦｅＢを含む状態に対応する。

【0098】

以下の説明において、「材料名（面方位）」の記載は、その材料名の層の１つの面（膜面）がその面方位に沿っていることを示す。例えば、「ＭｎＧａ（００１）」の表記は、ＭｎＧａの層が別の層と積層されており、ＭｎＧａの１つの面が（００１）面に沿っている状態に対応する。この１つの面は、ＭｎＧａの層と、その別の層と、を結ぶ方向（積層方向）と交差する。この１つの面は、例えば、Ｘ−Ｙ平面に沿う面である。

【0099】

図７は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図７に示すように、本実施形態に係る別の磁気抵抗素子１１１においては、第３磁性層１３が設けられる。第３磁性層１３は、第１磁性層１１と第１非磁性層１１Ｎとの間に設けられる。

【0100】

例えば、第１磁性層１１と第３磁性層１３とが互いに磁気的に結合している状態が好ましい。例えば、第１磁性層１１の磁化は、第３磁性層１３と一体となって反転する。例えば、第３磁性層１３の磁化は、第１磁性層１１と一体となって反転する。第１磁性層１１の磁化の向きは、第３磁性層１３の磁化の向きと実質的に同じである。

【0101】

第３磁性層１３により、例えば、スピン分極率が大きくできる。これにより、磁気抵抗比ＭＲがさらに大きくできる。

【0102】

磁気抵抗素子１１１の第１例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第３磁性層１３は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が得られる。

【0103】

磁気抵抗素子１１１の第２例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第３磁性層１３は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が得られる。

【0104】

磁気抵抗素子１１１の第３例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第３磁性層１３は、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／Ｆｅ_３Ｏ_４（００１）／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が得られる。

【0105】

図８は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図８に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ａは、第３磁性層１３及び第１中間層２１を含む。第３磁性層１３は、第１磁性層１１と第１非磁性層１１Ｎとの間に設けられる。第１中間層２１は、第１磁性層１１と第３磁性層１３との間に設けられる。

【0106】

第３磁性層１３により、例えば、スピン分極率が増大する。第１中間層２１により、例えば、第１磁性層１１と第３磁性層１３との間において、結晶構造が調整される。第１中間層２１により、例えば、元素の拡散が抑制される。

【0107】

磁気抵抗素子１１１Ａの第１例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第１中間層２１は、アモルファス層を含む。第３磁性層１３は、例えば、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／アモルファス層／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が設けられる。

【0108】

アモルファスの第１中間層２１により、例えば、成膜時に、第３磁性層１３の少なくとも一部がアモルファスとなる。例えば、第１非磁性層１１Ｎの配向性が向上する。第１中間層２１のアモルファス層は、例えば、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｂ、Ｃ及びＮ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。

【0109】

磁気抵抗素子１１１Ａの第２例において、第１磁性層１１はＭｎＧａを含む。第１中間層２１は、結晶質層を含む。第３磁性層１３は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／結晶質層／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が設けられる。

【0110】

図９は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図９に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ｂは、第４磁性層１４を含む。第４磁性層１４は、第２磁性層１２と第１非磁性層１１Ｎとの間に設けられる。

【0111】

第４磁性層１４は、例えば、第２磁性層１２と磁気的に結合する。第４磁性層１４を設けることにより、例えば、スピン分極率が増大する。

【0112】

磁気抵抗素子１１１Ｂの第１例において、例えば、第１磁性層１１は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）の配向関係が設けられる。

【0113】

磁気抵抗素子１１１Ｂの第２例において、第１磁性層１１は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）の配向関係が設けられる。

【0114】

図１０は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図１０に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ｃは、第４磁性層１４及び第２中間層２２を含む。第４磁性層１４は、第２磁性層１２と第１非磁性層１１Ｎとの間に設けられる。第２中間層２２は、第４磁性層１４と第２磁性層１２との間に設けられる。

【0115】

第４磁性層１４は、例えば、第２磁性層１２と磁気的に結合する。第４磁性層１４を設けることにより、例えば、スピン分極率が増大する。

【0116】

第２中間層２２により、例えば、第２磁性層１２と第４磁性層１４との間において、結晶構造が調整される。第２中間層２２により、例えば、元素の拡散が抑制される。

【0117】

磁気抵抗素子１１１Ｃの第１例において、第１磁性層１１は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第２中間層２２は、アモルファス層を含む。第２磁性層１２は、ＣｏＰｔを含む。例えば、ＣｏＰｔ（１１１）／アモルファス層／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）の配向関係が設けられる。アモルファス層を用いることにより、第２磁性層１２と第４磁性層１４との間において、結晶型の違いがリセットされる。第２中間層２２となるアモルファス層は、例えば、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｕ，Ｒｈ、Ｉｒ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。

【0118】

磁気抵抗素子１１１Ｃの第２例において、第１磁性層１１は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第２中間層２２は、結晶質層を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／結晶質層／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）の配向関係が設けられる。

【0119】

図１１は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図１１に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ｄは、第３磁性層１３及び第４磁性層１４を含む。

【0120】

磁気抵抗素子１１１Ｄの第１例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第３磁性層１３は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が設けられる。

【0121】

磁気抵抗素子１１１Ｄの第２例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第３磁性層１３は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が設けられる。

【0122】

図１２は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図１２に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ｅは、第１中間層２１、第３磁性層１３、第４磁性層１４及び第２中間層２２を含む。

【0123】

磁気抵抗素子１１１Ｅの第１例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第１中間層２１は、アモルファス層を含む。第３磁性層１３は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第２中間層２２は、アモルファス層を含む。第２磁性層１２は、ＣｏＰｔを含む。例えば、ＣｏＰｔ（１１１）／アモルファス層／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／アモルファス層／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が設けられる。

【0124】

磁気抵抗素子１１１Ｅの第２例においては、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第１中間層２１は、結晶質層を含む。第３磁性層１３は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第２中間層２２は、結晶質層を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／結晶質層／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／結晶質層／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が設けられる。

【0125】

磁気抵抗素子１１１Ｅの第３例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第１中間層２１は、結晶質層を含む。第３磁性層１３は、Ｆｅ_３Ｏ_４を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第４磁性層１４は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌを含む。第２中間層２２は、結晶質層を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／結晶質層／Ｃｏ_２ＦｅＡｌ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／Ｆｅ_３Ｏ_４（００１）／結晶質層／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が設けられる。

【0126】

図１３は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図１３に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ｆは、第１磁性層１１，第１非磁性層１１Ｎ及び第２磁性層１２を含む。

【0127】

磁気抵抗素子１１１Ｆの第１例において、第１磁性層１１は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第２磁性層１２は、ＣｏＦｅ（Ｂ）を含む。ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）の配向関係が設けられる。

【0128】

磁気抵抗素子１１１Ｆの第２例において、第１磁性層１１は、ＭｎＧａを含む。第１非磁性層１１Ｎは、結晶質のＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧｅを含む。例えば、ＭｎＧｅ（００１）／ＭｇＧａ_２Ｏ_４（００１）／ＭｎＧａ（００１）の配向関係が設けられる。

【0129】

図１４は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図１４に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ｇは、第３磁性層１３、第４磁性層１４、第３非磁性層１３Ｎ及び第５磁性層１５を含む。

【0130】

第１磁性層１１と第５磁性層１５との間に第２磁性層１２が設けられる。第２磁性層１２と第５磁性層１５との間に第３非磁性層１３Ｎが設けられる。この場合も、第１磁性層１１と第１非磁性層１１Ｎとの間に第３磁性層１３が設けられる。第２磁性層１２と第１非磁性層１１Ｎとの間に第４磁性層１４が設けられる。

【0131】

この例では、第４磁性層１４及び第２磁性層１２が、参照層となる。第３磁性層１３及び第１磁性層１１が、記憶層となる。

【0132】

第５磁性層１５は、例えば、バイアス層またはシフト調整層として機能する。第５磁性層１５の磁化は、第２磁性層１２の磁化の向きと反平行（逆向き）である。第５磁性層１５は、第３非磁性層１３Ｎを介して、第２磁性層１２と反強磁性（Synthetic Anti-Ferromagnetic）結合してもよい。これにより、例えば、参照層からの漏れ磁界による記憶層の磁化反転の電流のシフトを抑制できる。例えば、漏れ磁界による磁化反転の電流のシフトを調整できる。

【0133】

第３非磁性層１３Ｎは、高い耐熱性を有することが好ましい。例えば、熱工程による、第２磁性層１２と第５磁性層１５との間における熱混合が抑制できる。第３非磁性層１３Ｎは、例えば、第５磁性層１５を形成する際において結晶の配向を制御する機能を有することが好ましい。

【0134】

第３非磁性層１３Ｎが過度に厚くなると、第５磁性層１５と、記憶層（この例では、第１磁性層１１など）と、の間の距離が長くなる。このため、第５磁性層１５から記憶層に印加されるシフト調整磁界が減少する場合がある。第３非磁性層１３Ｎの厚さは、例えば、５ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、上記のシフト調整磁界の減少が抑制される。

【0135】

第５磁性層１５は、例えば、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する強磁性材料を含む。例えば、第５磁性層１５と記憶層との間の距離は、参照層と記憶層との間の距離よりも長い。例えば、第５磁性層１５の厚さは、参照層の厚さよりも厚いことが好ましい。例えば、第５磁性層１５の飽和磁化は、参照層の飽和磁化よりも大きい。これにより、記憶層との距離が参照層よりも長い第５磁性層１５により、記憶層に印加される漏れ磁界が効果的に調整できる。

【0136】

例えば、参照層の厚さをｔｒとし、参照層の飽和磁化をＭｓｒとする。第５磁性層１５の厚さをｔ５とし、第５磁性層１５の飽和磁化をＭｓ５とする。このとき、例えば、（Ｍｓｒ×ｔｒ）は、（Ｍｓ５×ｔ５）よりも小さいことが好ましい。第２磁性層１２の厚さをｔ２とし、第２磁性層１２の飽和磁化をＭｓ２とする。第４磁性層１４の厚さをｔ４とし、第４磁性層１４の飽和磁化をＭｓ４とする。この例において、参照層の厚さ（ｔｒ）は、第４磁性層１４の厚さ（ｔ４）と、第２磁性層１２の厚さ（ｔ２）と、の和である。参照層の磁化量（Ｍｓｒ×ｔｒ）は、例えば、（Ｍｓ２×ｔ２＋Ｍｓ４×ｔ４）である。

【0137】

第５磁性層１５は、任意の参照層と組み合わせて設けられても良い。このとき、例えば、第５磁性層１５と記憶層との間に参照層が位置する。第３非磁性層１３Ｎが、第５磁性層１５と参照層との間に設けられても良い。

【0138】

図１５は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図１５に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ｈは、第３磁性層１３、第４磁性層１４及び第５磁性層１５を含む。

【0139】

第５磁性層１５と第２磁性層１２との間に第１磁性層１１が設けられる。この例では、ベース層１０Ｓが、第５磁性層１５と第１磁性層１１との間に設けられる。この例においても、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に第１非磁性層１１Ｎが設けられる。第１磁性層１１と第１非磁性層１１Ｎとの間に第３磁性層１３が設けられる。第２磁性層１２と第１非磁性層１１Ｎとの間に第４磁性層１４が設けられる。この例では、例えば、第１磁性層１１が参照層となる。第２磁性層１２が記憶層となる。

【0140】

図１６は、第１実施形態に係る別の磁気抵抗素子を示す模式的断面図である。
図１６に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子１１１Ｉは、第３磁性層１３、第４磁性層１４、第５磁性層１５及び第３非磁性層１３Ｎを含む。

【0141】

ベース層１０Ｓと第２磁性層１２との間に第５磁性層１５が設けられる。第５磁性層１５と第２磁性層１２との間に第１磁性層１１が設けられる。第５磁性層１５と第１磁性層１１との間に第３非磁性層１３Ｎが設けられる。この例においても、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に第１非磁性層１１Ｎが設けられる。第１磁性層１１と第１非磁性層１１Ｎとの間に第３磁性層１３が設けられる。第２磁性層１２と第１非磁性層１１Ｎとの間に第４磁性層１４が設けられる。この例では、例えば、第１磁性層１１が参照層となる。第２磁性層１２が記憶層となる。

【0142】

第５磁性層１５が設けられる磁気抵抗素子１１１Ｇ〜１１１Ｉにおいて、例えば、第５磁性層１５（シフト調整層）から記憶層に印加される漏れ磁界の強さは、参照層から記憶層に印加される漏れ磁界の強さと実質的に同じに設定されても良い。例えば、記憶層とシフト調整層との間の距離が、記憶層と参照層との間の距離よりも短い場合は、シフト調整層の総磁化量は、参照層の総磁化量よりも小さい。一方、記憶層とシフト調整層との間の距離が、記憶層と参照層との距離よりも長い場合は、シフト調整層の総磁化量は、参照層の総磁化量よりも大きい。これにより、適正なシフト調整が得られる。

【0143】

上記の磁気抵抗素子１１１及び１１１Ａ〜１１１Ｉにおいても、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、逆スピネル構造を含む。これにより、高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。さらに、低い面積抵抗が得られる。高い信頼性が得られる。

【0144】

実施形態に係る磁気抵抗素子（例えば磁気抵抗素子１１１及び１１１Ａ〜１１１Ｉ）において、第１磁性層１１及び第２磁性層１２の結晶の配向が制御される。これにより、例えばこれらの磁性層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。

【0145】

膜面に対して垂直である状態は、Ｚ軸方向に沿う状態に対応する。膜面に対して平行である状態は、Ｘ−Ｙ平面の１つの方向に沿う状態に対応する。

【0146】

例えば、実施形態に係る磁気抵抗素子は、面内磁化素子（面内磁化ＭＴＪ素子）または垂直磁化素子（垂直磁化ＭＴＪ素子）である。面内磁化素子において、例えば、第１磁性層１１の磁化方向及び第２磁性層１２の磁化方向は、膜面に沿う。垂直磁化素子において、例えば、第１磁性層１１の磁化及び第２磁性層１２の磁化は、膜面に対して垂直方向に沿う。

【0147】

マクロなサイズの強磁性体において、外部磁界のない状態で、自発磁化が容易磁化方向に向くと、最も内部エネルギーが低くなる。マクロなサイズの強磁性体において、外部磁界がない状態で、自発磁化が困難磁化方向に向くと、最も内部エネルギーが大きくなる。

【0148】

上記の磁気抵抗素子１１１及び１１１Ａ〜１１１Ｆの第１例において、第１非磁性層１１Ｎは、面内方向において結晶方位が均一なエピタキシャル成長層でなくても良い。例えば、第１非磁性層１１Ｎは、エピタキシャル成長した単結晶を有しても良い。または、第１非磁性層１１Ｎは、ｃ軸配向した多結晶構造を有しても良い。例えば、トンネル電子の波数選択性を向上させることができる。高い磁気抵抗比ＭＲを得ることができる。

【0149】

上記の磁気抵抗素子１１１及び１１１Ａ〜１１１Ｆの第２例において、第１非磁性層１１Ｎは、エピタキシャル成長していることが好ましい。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る。高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。

【0150】

上記の磁気抵抗素子１１１及び１１１Ｅの第３例において、第１非磁性層１１Ｎは、エピタキシャル成長していることが好ましい。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る。高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。

【0151】

実施形態において、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、Ｉｎと酸素とを含んでも良い。この場合も、この酸化物は、逆スピネル構造を有する。実施形態において、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ、Ｉｎ及び酸素を含んでも良い。この場合も、この酸化物は、逆スピネル構造を有する。

【0152】

例えば、第１磁性層１１及び第２磁性層１２の少なくとも１つは、Ｃｏ及びＦｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第１磁性層１１及び第２磁性層１２の少なくとも１つは、第１元素及び第２元素を含む。第１元素は、Ｍｎ、Ａｌ、Ｇｅ及びＧａからなる群から選択される。第２元素は、Ｍｎ、Ａｌ、Ｇｅ及びＧａからなる群から選択され、上記の第１元素とは異なる。

【0153】

第３磁性層１３及び第４磁性層１４の少なくとも１つは、例えば、Ｃｏ及びＦｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0154】

以下、実施形態に係る磁気抵抗素子に含まれる層の材料及び厚さなどの例について説明する。

【0155】

ベース層１０Ｓは、例えば、下地層である。ベース層１０Ｓにより、例えば、他の層（例えば、第１磁性層１１など）の結晶性が制御される。結晶性は、例えば、結晶の配向性または結晶の粒径などを含む。ベース層１０Ｓは、導電性または絶縁性である。ベース層１０Ｓに電流を流す場合は、ベース層１０Ｓは導電性材料を含む。

【0156】

ベース層１０Ｓの第１例において、ベース層１０Ｓは、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有する。ベース層１０Ｓは、窒化物を含む。この窒化物は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ及びＣｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0157】

ベース層１０Ｓの第２例において、ベース層１０Ｓは、ペロブスカイト系酸化物層を含む。このペロブスカイト系酸化物層は、ＡＢＯ_３の（００２）配向したペロブスカイト系酸化物を含む。サイト「Ａ」は、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。サイト「Ｂ」は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ及び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。

【0158】

ベース層１０Ｓの第３例において、ベース層１０Ｓは、酸化物の層を含む。この酸化物の層は、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有する。この酸化物の層は、Ｍｇ、Ａｌ及びＣｅ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。

【0159】

ベース層１０Ｓの第４例において、ベース層１０Ｓは、Ａｌ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ及びＷからなる群から選択された少なくとも１つを含む層を含む。この層は、（００１）配向した正方晶構造を有する。または、この層は、（００１）配向した立方晶構造を有する。

【0160】

ベース層１０Ｓの第５例においては、ベース層１０Ｓは、上記の第１〜第４例のいずれかの複数の層を含む積層構造を有する。
上記のような第１〜第５例のベース層１０Ｓにより、例えば、他の層の結晶性を制御できる。良好な特性が得られる。

【0161】

第１磁性層１１は、例えば、垂直磁化を有する。第１磁性層１１の材料（磁性材料）は、例えば、飽和磁化Ｍｓが小さい。第１磁性層１１の材料は、例えば、高い磁気異方性エネルギーＫｕを有する。第１磁性層１１の材料は、例えば、低い磁気摩擦定数を有する。例えば、高い熱擾乱耐性が得られる。例えば、低電流での磁化反転が行われる。高い磁気異方性エネルギーＫｕにより、例えば、熱擾乱指数Δが維持される。

【0162】

第３磁性層１３を用いない場合は、第１磁性層１１の材料は、高分極率を有することが好ましい。

【0163】

第１磁性層１１の第１例において、第１磁性層１１は、Ｃｏ及びＦｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む磁性層を含む。第１磁性層１１は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＢからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0164】

第１磁性層１１の第２例において、第１磁性層１１は、Ｃｏ基ホイスラー合金を含む磁性層を含む。Ｃｏ基ホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＹＺと表記される。第１磁性層１１は、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２Ｍｎ（Ｓｉ、Ｇｅ）及びＣｏ_２Ｍｎ（Ｇａ、Ｇｅ）からなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0165】

上記の第１及び第２例において、材料及び厚さは、適切に選択される。これにより、第１磁性層１１において、垂直磁気異方性が得られる。例えば、一定の厚さにより、界面垂直磁気異方性が顕著に誘起される。垂直磁化膜としての特性が得られる。

【0166】

第１磁性層１１の第３例において、第１磁性層１１に含まれる磁性層は、Ｍｎ及び第１元素を含む。この第１元素は、Ａｌ、Ｇｅ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１は、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧｅ及びＭｎＡｌＧｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0167】

第１磁性層１１の第４例において、第１磁性層１１は、Ｍｎ、Ｇａ及び第１元素を含む。この第１元素は、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＤｙよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１は、例えば、ＭｎＧａＡｌ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＣｒ、ＭｎＧａＣｏ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕ、ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰ、ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ及びＭｎＧａＤｙよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0168】

上記の第１磁性層１１の第３及び第４例において、第１磁性層１１は、例えば、ｃ軸が膜面に対して垂直になるように成長される。第１磁性層１１は、例えば、（００１）配向成長される。これにより、例えば、垂直磁気異方性が得られる。例えば、ベース層１０Ｓが適切に選択される。これにより、第１磁性層１１の結晶配向成長を制御できる。

【0169】

第１磁性層１１の第５例において、第１磁性層１１は、合金を含む。この合金は、第１元素及び第２元素を含む。第１元素は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２元素は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。または、第１磁性層１１は、積層体を含んでも良い。積層体は、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｉｒ人工格子、及び、Ｃｏ／Ａｕ人工格子よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。これらの人工格子において、元素の添加、及び、磁性層と非磁性層とにおける厚さの比が調整される。これにより、例えば、垂直磁気異方性及び飽和磁化が調整される。上記の合金は、例えば、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ及びＣｏＰｄよりなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。この合金は、例えば、強磁性合金である。

【0170】

第１磁性層１１の第６例において、第１磁性層１１は、酸化物を含む。この酸化物は、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＦｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１は、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＭｎＦｅ_２Ｏ４、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４、ＣｕＦｅ_２Ｏ_４及びＺｎＦｅ_２Ｏ_４からなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１は、例えば、上記の群から選択された少なくとも２つを含む混晶を含む。上記の材料の群は、例えば、スピネル型結晶構造を有するフェライトである。上記の材料の群を第１磁性層１１に用いた場合、第１磁性層１１は、第１非磁性層１１Ｎと同じ結晶対称性を有する。このため、良好な適合性が得られる。例えば、高結晶品位で整合性が高い界面が得られる。例えば、転位が実質的に無い界面が得られる。例えば、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）は、金属性酸化物であり、ハーフメタル性を有する。マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）においては、磁気摩擦定数が低い。マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）は、特に第１磁性層１１への適用に好ましい。

【0171】

第１磁性層１１の厚さは、薄いことが好ましい。第１磁性層１１の厚さ（Ｚ軸方向に沿う長さ）は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。これにより、例えば、低電流での磁化反転が得られる。例えば、結晶磁気異方性により高い熱擾乱指数Δが得られる結晶系材料においては、薄い厚さにおいて異方性が低下する場合がある。このような結晶系材料を用いる場合には、第１磁性層１１の厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましい。

【0172】

以下、第３磁性層１３の例について説明する。以下では、この磁性層を便宜的に「中間磁性層」と記載する。「中間磁性層」は、第３磁性層１３を指す。

【0173】

中間磁性層は、例えば、垂直磁化膜である。中間磁性層は、例えば、高い磁気異方性エネルギーＫｕを有する。中間磁性層は、高分極率を有する。高い磁気異方性エネルギーＫｕにより、例えば、高い熱擾乱指数Δが維持される。中間磁性層が、参照層側の中間磁性層として機能する場合、この中間磁性層の飽和磁化は低いことが好ましい。これにより、記憶層への漏れ磁界が低減できる。一方、中間磁性層が記憶層側の中間磁性層として機能する場合、この中間磁性層の磁気摩擦定数は低いことが好ましい。これにより、例えば、電流による磁化反転が容易になる。

【0174】

中間磁性層の第１例として、中間磁性層は、合金を含む。この合金は、Ｆｅ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１つを含む。中間磁性層は、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ａｌ及びＧｅからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含んでも良い。例えば、中間磁性層の飽和磁化が制御できる。例えば、中間磁性層に含まれる合金は、第１元素及び第２元素を含んでも良い。この第１元素は、Ｆｅ及びＣｏからなる群から選択された少なくとも１つを含む。この第２元素は、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ａｌ及びＧｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。中間磁性層は、例えば、ＣｏＦｅＢを含む。中間磁性層は、例えば、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＰ、ＣｏＦｅＷ及びＣｏＦｅＮｂからなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。これらの合金は、ＣｏＦｅＢと同等のスピン分極率を有している。中間磁性層は、例えば、ホイスラー金属を含んでも良い。ホイスラー金属は、例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２（Ｆｅ、Ｍｎ）Ｓｉ及びＣｏ_２（Ｆｅ、Ｍｎ）Ａｌからなる群から選択された少なくとも１つを含む。ホイスラー金属は、例えば、ＣｏＦｅＢと同等か、または、より高いスピン分極率を有している。ホイスラー金属は、中間磁性層に適している。

【0175】

中間磁性層の第２例において、中間磁性層は、酸化物を含む。この酸化物は、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ及びＦｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。中間磁性層は、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４、ＣｕＦｅ_２Ｏ_４及びＺｎＦｅ_２Ｏ_４からなる群から選択された少なくとも１つを含む。中間磁性層は、上記の材料の群から選択された２つ以上を含む混晶を含んでも良い。上記の材料の群は、例えば、スピネル型結晶構造を有するフェライトである。スピネル型結晶構造を有するフェライトは、第１非磁性層１１Ｎと同じ結晶対称性を有する。例えば、スピネル型結晶構造を有するフェライトは、適合性に優れる。例えば、高い結晶品位が得られる。例えば、転位を実質的に有しない界面が得られる。マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）は、金属性酸化物で、ハーフメタル性を有する。マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）は、低い磁気摩擦定数を有する。マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）は、特に中間磁性層への適用に好ましい。

【0176】

中間磁性層の第３例において、中間磁性層は、ＭｎＧａ合金を含む。この例において、中間磁性層は、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＤｙからなる群から選択された少なくとも１つをさらに含んでも良い。例えば、飽和磁化、垂直磁気異方性、磁気摩擦定数及びスピン分極率の少なくともいずれかが制御される。中間磁性層は、例えば、ＭｎＧａＸを含む。ＭｎＧａＸは、Ｍｎ、Ｇａ及び第１元素を含む。第１元素（Ｘ）は、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＤｙからなる群から選択された少なくとも１つを含む。中間磁性層は、例えば、ＭｎＧａＡｌ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＣｒ、ＭｎＧａＣｏ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕ、ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰ、ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ及びＭｎＧａＤｙからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0177】

中間磁性層の第４例において、中間磁性層は、ＭｎＧｅ合金を含む。ＭｎＧｅ合金は、例えば、（００１）方向において、一方のスピンバンドの状態は、フェルミ準位近傍に位置する。ＭｎＧｅ合金は、この結晶方位に対して、ハーフメタリックな特性を有すると考えられる。例えば、ＭｎＧｅ合金において、スピン分極率を向上できる。ＭｎＧｅ合金を適用することで、高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。

【0178】

中間磁性層の第５例において、中間磁性層は、合金を含む。この合金は、第１元素、第２元素及び第３元素を含む。第１元素は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２元素は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＢｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第３元素は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＢｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第３元素は、第２元素とは異なる。中間磁性層は、例えば、ＭｎＡｌＧｅ及びＭｎＺｎＳｂからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0179】

中間磁性層の第６例において、中間層は、ＭｎＡｌ合金を含む。ＭｎＡｌ合金は、軽元素を含む。ＭｎＡｌ合金の磁気摩擦定数は、小さい。例えば、磁化反転に必要なエネルギーが少ない。例えば、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。ＭｎＡｌ合金は、ＭｎＧｅ合金と同様に、（００１）方向において、ハーフメタリックの特性を有する。ＭｎＡｌ合金は、高いスピン分極率を有する。ＭｎＡｌ合金を用いることにより、例えば、高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。

【0180】

中間磁性層の上記の第３〜第６例において示した、ＭｎＧａ、ＭｎＧａＸ、ＭｎＧｅ、ＭｎＡｌＧｅ、ＭｎＺｎＳｂ及びＭｎＡｌなどにおいて、適切な組成範囲において、磁化膜としての特性が得られる。例えば、ｃ軸を膜面に対して垂直になるように、中間磁性層を配向させる。例えば、中間磁性層を（００１）配向成長させる。これにより、垂直磁気異方性が得られる。例えば、第１磁性層１１の上に中間磁性層を形成する場合には、第１磁性層１１が適切に選択される。例えば、第１非磁性層１１Ｎの上に中間磁性層を形成する場合には、第１非磁性層１１Ｎが適切に選択される。例えば、中間磁性層の形成の際に下に位置する層により、中間磁性層の結晶配向成長を制御できる。

【0181】

一般に、磁性材料の磁気摩擦定数は、その磁性材料のスピン軌道相互作用の大きさと相関がある。例えば、原子番号の大きな元素を含む材料においては、スピン軌道相互作用が大きい。原子番号の大きな元素を含む材料においては、一般的に、磁気摩擦定数が大きい。上記の例の磁性材料は、比較的軽い元素を含む。このため、磁気摩擦定数が小さい。磁化反転に必要なエネルギーが少ない。例えば、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。上記の例の磁性材料は、特に、記憶層側の中間磁性層へ、効果的に適用できる。

【0182】

例えば、第３磁性層１３または第４磁性層１４は、第１非磁性層１１Ｎに対してエピタキシャル成長している。これにより、高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。例えば、第１非磁性層１１Ｎと接する中間磁性層において、Ｘ−Ｙ平面に沿った格子長が、材料の固有の格子定数からシフトしても良い。

【0183】

第１非磁性層１１Ｎは、例えば、トンネルバリア層として機能する。

【0184】

第１非磁性層１１Ｎは、結晶質である。第１非磁性層１１Ｎは、例えば、単結晶を含む。第１非磁性層１１Ｎは、多結晶を含んでも良い。第１非磁性層１１Ｎは、アモルファス領域を含んでも良い。第１非磁性層１１Ｎが、結晶質であることにより、例えば、第１非磁性層１１Ｎにおける電子の散乱が抑制される。例えば、電子が波数を保存したまま選択的にトンネル伝導する確率が上昇する。これにより、高い磁気抵抗比ＭＲが得やすくなる。したがって、大きな磁気抵抗比ＭＲを得るという観点においては、トンネルバリア層において単結晶が多結晶（配向膜を含む）よりも好ましい。

【0185】

第１非磁性層１１Ｎの第１例において、第１非磁性層１１Ｎは、酸化物を含む。この酸化物は、Ｍｇ及びＧａを含む。第１非磁性層１１Ｎは、例えば、ＭｇＧａ_２Ｏ_４を含む。ＭｇＧａ_２Ｏ_４のバンドギャップは、約４．７ｅＶである。これにより、低い面積抵抗ＲＡが得られる。ＭｇＧａ_２Ｏ_４の格子定数は、０．８２８６ｎｍである。例えば、ＭｇＧａ_２Ｏ_４とＦｅとの間の格子ミスマッチは、約２．２％である。ＭｇＧａ_２Ｏ_４とＭｎＧａとの間の格子ミスマッチは、約６．４％である。ＭｇＧａ_２Ｏ_４においては、多くの強磁性材料との格子整合性が良い。

【0186】

「ＭｇＧａ_２Ｏ_４」における各元素の組成比は、厳密でなくても良い。例えば、逆スピネル構造が維持できる範囲で、Ｍｇ、Ｇａ及びＯの組成は、調整されても良い。ＭｇＧａ_２Ｏ_４は、完全な立方晶を有していなくても良い。例えば、１０％以下の正方晶歪みが含まれても良い。

【0187】

図２に関して説明した実験結果では、第１磁性層１１及び第２磁性層１２としてＦｅが用いられている。ＭｇＧａ_２Ｏ_４層がＦｅ層と共に用いられる場合、面内の格子間隔が異なるため、バンド折り畳み効果が発現すると考えられる。バンド折り畳み効果により、例えば、ＦｅのΔ１バンドの有効スピン分極率が低下する可能性がある。有効スピン分極率の低下が抑制されるとさらに高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。

【0188】

例えば、ＭｇＧａ_２Ｏ_４と物理的に直接接する磁性層が、ハーフメタリックである場合、バンド折り畳み効果が実質的に無視できる。例えば、この磁性層が、ハーフメタリックなホイスラー合金などである場合、図２に関して説明した実験結果における磁気抵抗比ＭＲよりもさらに高い磁気抵抗比ＭＲが得られると考えられる。

【0189】

実施形態において、例えば、第１非磁性層１１Ｎと物理的に直接接する磁性層（第１〜第４磁性層１１〜１４など）は、ホイスラー合金を含むことが好ましい。

【0190】

第１非磁性層１１Ｎの第２例において、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及びＩｎを含む。第１非磁性層１１Ｎは、例えば、Ｍｇ（Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｏ_４などを含む。

【0191】

「Ｍｇ（Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｏ_４」における各元素の組成は、厳密でなくても良い。例えば、逆スピネル構造が維持できる範囲で、Ｍｇ、Ｇａ、Ｉｎ及びＯの組成は、調整されても良い。

【0192】

ＭｇＧａ_２Ｏ_４及びＭｇＩｎ_２Ｏ_４においては、逆スピネル度が高い。例えば、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４においては、逆スピネル構造が安定であると考えられる。

【0193】

例えば、第１非磁性層１１Ｎは、ＭｇＧａ_２Ｏ_４（母材）と、Ｉｎと、を含んでも良い。Ｉｎは、融点が低く、イオン半径が大きい。このようなＩｎを用いることで、逆スピネル度を高めることができる。

【0194】

ＭｇＩｎ_２Ｏ_４のバンドギャップは、ＭｇＧａ_２Ｏ_４のバンドギャップよりも小さい。例えば、第１非磁性層１１Ｎは，ＭｇＧａ_２Ｏ_４（母材）と、Ｉｎと、を含んでも良い。例えば、小さいバンドギャップが得られる。第１非磁性層１１Ｎの酸化物は、Ｍｇ、Ｇａ及びＩｎを含むことが好ましい。逆スピネル構造がより安定になり、小さいバンドギャップが得られる。

【0195】

第１非磁性層１１Ｎの第３例において、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物は、Ｉｎを含む。第１非磁性層１１Ｎは、例えば、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４、ＺｎＩｎ_２Ｏ_４及び（Ｍｇ、Ｚｎ）Ｉｎ_２Ｏ_４からなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0196】

上記の「ＭｇＩｎ_２Ｏ_４」における各元素の組成は、厳密でなくても良い。例えば、逆スピネル構造が維持できる範囲で、Ｍｇ、Ｉｎ及びＯの組成は調整されても良い。

【0197】

第１非磁性層１１Ｎの上記の第１〜第３例に関して説明した材料において、典型元素金属がさらに含まれても良い。この典型元素は、スピネル構造を形成する元素である。この典型元素の含有量は、例えば、１０ａｔｍ％（原子パーセント）以下である。これにより、逆スピネル構造が実質的に劣化しない。このような典型元素金属は、例えば、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎからなる群から選択された少なくとも１つを含む。例えば、このような典型金属元素により、逆スピネル構造に含まれる元素の一部が置換されても良い。例えば、バンドギャップ、相安定性及び格子定数が調整される。

【0198】

第１非磁性層１１Ｎの第４例において、第１非磁性層１１Ｎは、上記の第１〜第３例に関して説明した材料の２つ以上の層を含む。これらの層は、積層される。積層構造に含まれる第１層は、例えば、磁性層（第１〜第４磁性層１１〜１４など）に接する。積層構造に含まれる第２層は、磁性層に接しない。例えば、第１層の、上記の磁性層に対する格子整合性は良好である。例えば、第２層のバンドギャップは、低い。このような構成により、例えば、高い磁気抵抗比ＭＲと、低い面積抵抗ＲＡと、が得られる。第１非磁性層１１Ｎは、例えば、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４／ＭｇＧａ_２Ｏ_４、Ｍｇ（Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｏ_４／ＭｇＧａ_２Ｏ_４、ＭｇＧａ_２Ｏ_４／ＭｇＩｎ_２Ｏ_４／ＭｇＧａ_２Ｏ_４、及び、ＭｇＧａ_２Ｏ_４／Ｍｇ（Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｏ_４／ＭｇＧａ_２Ｏ_４、からなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0199】

上記の「ＡＢ_２Ｏ_４」における各元素の組成は、厳密でなくても良い。例えば、逆スピネル構造が維持できる範囲で、Ａ、Ｂ及びＯの各元素の組成は調整されても良い。

【0200】

第１非磁性層１１Ｎの第５例において、第１非磁性層１１Ｎは、第１化合物層と、第１層と、を含む。第１化合物層は、ＭｇＯ及びＭｇＡｌ_２Ｏ_４の一方である。第１層は、第１化合物層と積層される。第１層は、上記の第１〜第３例に関して説明した材料を含む。第１化合物層は、例えば、磁性層（第１〜第４磁性層１１〜１４など）と接する。第１層は、磁性層と接しない。このような構成により、例えば、高い磁気抵抗比ＭＲと、低い面積抵抗ＲＡと、が得られる。第１化合物においては、例えば、高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。上記の第１〜第３例で示した材料を含む第１層においては、低い面積抵抗ＲＡが得られる。第１非磁性層１１Ｎは、例えば、ＭｇＧａ_２Ｏ_４／ＭｇＯ、ＭｇＧａ_２Ｏ_４／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ／ＭｇＧａ_２Ｏ_４／ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４／ＭｇＧａ_２Ｏ_４／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４／ＭｇＯ、ＭｇＩｎ_２Ｏ_４／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ／ＭｇＩｎ_２Ｏ_４／ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４／ＭｇＩｎ_２Ｏ_４／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、Ｍｇ（Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｏ_４／ＭｇＯ、Ｍｇ（Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｏ_４／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ／Ｍｇ（Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｏ_４／ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４／Ｍｇ（Ｇａ、Ｉｎ）_２Ｏ_４／ＭｇＡｌ_２Ｏ_４よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0201】

上記の「ＭｇＯ」における各元素の組成は、厳密でなくても良い。例えば、岩塩型構造が維持できる範囲で、Ｍｇ及びＯの各元素の組成は調整されても良い。上記の「ＡＢ_２Ｏ_４」における各元素の組成は、厳密でなくても良い。例えば、逆スピネル構造が維持できる範囲でＡ、Ｂ及びＯの各元素の組成は調整されても良い。

【0202】

第２磁性層１２は、例えば、垂直磁化を有する。第２磁性層１２は、例えば、高い磁気異方性エネルギーＫｕを有する。第２磁性層１２は、例えば、第１磁性層１１の保磁力よりも大きい保磁力、第１磁性層１１の異方性磁界よりも大きい異方性磁界、及び、第１磁性層１１の磁気摩擦定数よりも大きい磁気摩擦定数の少なくともいずれかを有する。高い磁気異方性エネルギーＫｕにより、例えば、熱擾乱指数Δが維持できる。第２磁性層１２の飽和磁化Ｍｓは小さいことが好ましい。これにより、例えば、参照層からの漏れ磁界の影響を低減できる。第２磁性層１２の分極率は高いことが好ましい。これにより、例えば、高い磁気抵抗比ＭＲが得られる。

【0203】

第２磁性層１２の第１例において、第２磁性層１２は、Ｍｎ及び第１元素を含む。第１元素は、Ａｌ、Ｇｅ及びＧａから選択された少なくとも１つを含む。第２磁性層１２は、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧｅ及びＭｎＡｌＧｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0204】

第２磁性層１２の第２例において、第２磁性層１２は、Ｍｎ、Ｇａ及び第１元素を含む。第１元素は、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＤｙからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２磁性層１２は、例えば、ＭｎＧａＡｌ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＣｒ、ＭｎＧａＣｏ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕ、ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰ、ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ及びＭｎＧａＤｙからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0205】

例えば、第１非磁性層１１Ｎ及び第４磁性層１４の少なくともいずれかが、適切に選択される。これにより、例えば、第２磁性層１２の結晶配向成長が制御できる。例えば、第２磁性層１２において、ｃ軸が膜面に垂直方向となる。例えば、第２磁性層１２において、（００１）配向成長が得られる。例えば、垂直磁気異方性が得られる。

【0206】

第２磁性層１２の第３例において、第２磁性層１２は、合金を含む。この合金の少なくとも一部の結晶は、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）に配向する。または、この合金の少なくとも一部の結晶は、六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（０００１）に配向する。第２磁性層１２に含まれる合金は、例えば、人工格子を形成し得る。

【0207】

例えば、ＦＣＣの（１１１）またはＨＣＰの（０００１）に結晶配向する上記の合金は、例えば、第１元素及び第２元素を含む。第１元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２元素は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２磁性層１２に含まれる合金は、例えば、強磁性合金である。この強磁性合金は、例えば、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ及びＮｉＰｔからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0208】

第２磁性層１２に含まれ人工格子を形成し得る上記の合金は、例えば、交互に積層された第１層及び第２層を含む。第１層は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された１つの元素を含む合金（強磁性膜）を含む。第２層は、例えば、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ及びＣｕからなる群から選択された１つの元素を含む合金（非磁性膜）を含む。第２磁性層１２は、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／Ｉｒ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ人工格子、Ｃｏ／Ａｕ人工格子、及び、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子からなる群から選択された少なくとも１つを含む。これらの人工格子において、強磁性膜への元素の添加、及び、強磁性膜と非磁性膜との厚さの比の少なくともいずれかが、調整される。垂直磁気異方性及び飽和磁化の少なくともいずれかが調整できる。

【0209】

第２磁性層１２の第４例において、第２磁性層１２は、合金を含む。この合金は、第１元素及び第２元素を含む。第１元素は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１元素は、例えば、遷移金属である。第２元素は、例えば、Ｔｂ、Ｄｙ及びＧｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２元素は、例えば、希土類金属である。第２磁性層１２は、例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＴｂＣｏからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２磁性層１２は、積層体を含んでも良い。この積層体は、複数の層を含む。この複数の層のそれぞれは、上記の合金を含む。積層体において、複数の種類の層が、交互に積層されても良い。第２磁性層１２は、例えば、ＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ、ＤｙＦｅ／Ｃｏ、ＤｙＣｏ／Ｆｅ及びＤｙＦｅＣｏ／ＣｏＦｅからなる群から選択された少なくとも１つの積層体を含んでも良い。これらの合金において、例えば、厚さ及び組成の少なくともいずれらが調整される。例えば、垂直磁気異方性及び飽和磁化の少なくともいずれかが調整される。

【0210】

第２磁性層１２の第５例において、第２磁性層１２は、合金を含む。この合金は、第１元素及び第２元素を含む。第１元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２元素は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２磁性層１２は、例えば、強磁性合金を含む。この強磁性合金は、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ及びＣｏＰｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0211】

以下、第１中間層２１及び第２中間層２２の例について説明する。以下では、これらの層を便宜的に「中間層」と記載する。「中間層」は、第１中間層２１及び第２中間層２２の少なくともいずれかを指す。中間層は、非磁性材料を含むことが好ましい。

【0212】

中間層により、例えば、第１磁性層１１と第３磁性層１３との間における元素拡散による混合が、抑制される。中間層により、例えば、第２磁性層１２と第４磁性層１４との間における元素拡散による混合が、抑制される。

【0213】

例えば、中間層に含まれる元素、及び、磁性層に含まれる元素は、互いに非固溶でも良い。または、中間層に含まれる元素、及び、磁性層に含まれる元素は、実質的に完全な金属間化合物を形成しても良い。混合が抑制される。例えば、中間層において、異種元素をより弾く効果が生じる。例えば、中間層において、拡散が抑制される。例えば、中間層は、高い耐熱性を有することが好ましい。中間層は、高融点材料を含むことが好ましい。例えば、中間層に含まれる非磁性層は、Ｍｇ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｈｏ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｂ、Ｃ及びＮからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。中間層は、上記の元素を含む化合物を含んでも良い。この化合物により、例えば、融点が上昇する。例えば、中間層は、上記の元素を含むホウ化物、上記の元素を含む炭化物、及び、上記の元素を含む窒化物からなる群から選択された少なくとも１つを含む。中間層は、積層体を含んでも良い。この積層体は、上記の元素を含む複数の層を含む。この積層体は、上記の化合物を含む複数の層を含む。

【0214】

２つの層の間に中間層が設けられ、これらの２つの層において結晶構造が互いに類似している場合、中間層は結晶質であることが好ましい。例えば、これら２つの層に対する、中間層の結晶型及び格子定数の整合性が良好であることが好ましい。これにより、例えば、中間層の格子緩衝層としての機能が高まる。一方、２つの層の間に中間層が設けられ、これらの２つの層において結晶構造が互いに異なる場合、中間層はアモルファス状態を含むことが好ましい。中間層がアモルファス状態を含むことにより、例えば、２つの層の少なくとも一方において、所望の配向状態が得易くなる。中間層におけるアモルファス（非晶質）状態においては、例えば、結晶のような長距離秩序（周期的構造）がない。中間層におけるアモルファス状態は、短距離秩序を有しても良い。中間層におけるアモルファス状態は、２ｎｍ以下の平均結晶粒を有する多結晶も含んでも良い。

【0215】

中間層の厚さは、例えば、０．１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。厚さが０．１ｎｍ以上において、例えば、中間層を挟む２つの層における元素拡散の抑制が効果的に得られる。厚さが２ｎｍ以下において、例えば、中間層を挟む２つの層における磁気的結合が維持される。

【0216】

以下、第１非磁性層１１Ｎの製造方法の例について説明する。
例えば、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物の形成の少なくとも一部には、例えば、気相成長プロセスが用いられる。気相成長プロセスは、例えば、スパッタリング法、ＭＢＥ法及びレーザーアブレーション法の少なくともいずれかを含む。例えば、第１製造方法においては、合金層の形成後に、種々の酸化プロセスを経て、酸化物層が形成される。酸化プロセスは、例えば、酸素ガスをフローすることを含む。酸化プロセスは、例えば、プラズマ酸化プロセス及びラジカル酸化プロセスの少なくともいずれかを含んでも良い。第１非磁性層１１Ｎとなる合金層の材料及び厚さに適した、温度、処理時間及びパワーが適用される。第２製造方法においては、酸化物ターゲットを用いた膜の形成が行われる。例えば、スピネル構造酸化物（例えばＡＢ_２Ｏ_４）に含まれる、「Ａ」の元素及び「Ｂ」の元素において酸化力及び融点の差が大きい場合には、第２製造方法が適している。いずれの製造方法においても、加熱成膜及び後加熱処理の少なくともいずれかが実施されても良い。例えば、より結晶性の高い第１非磁性層１１Ｎが得られる。

【0217】

既に説明したように、第１非磁性層１１Ｎに含まれる酸化物（例えば、ＭｇＧａ_２Ｏ_４）は、例えば、室温のスパッタにより形成される。この後、例えば、３００℃以上６００℃以下で熱処理される。熱処理の温度は、４００℃以上５００℃以下でも良い。熱処理により、高い結晶性と高い平坦性とが得られる。熱処理により酸素が脱離することがあり得る。例えば、熱処理中または熱処理後に酸素ガスなどを導入しても良い。これにより、酸素の離脱が抑制できる。

【0218】

（第２実施形態）
本実施形態は、磁気記憶装置に係る。
図１７は、第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図１７に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置２１０は、例えば、第１実施形態に係る磁気抵抗素子と、制御素子７５と、を含む。第１実施形態に係る任意の磁気抵抗素子及びその変形の磁気抵抗素子が用いられても良い。この例では、磁気抵抗素子１１１が用いられている。

【0219】

制御素子７５は、磁気抵抗素子１１１と電気的に接続される。この例では、制御素子７５は、トランジスタ７０Ｔを含む。

【0220】

この例では、第１導電層１１Ｅ及び第２導電層１２Ｅが設けられる。これらの導電層は、例えば、電極である。これらの導電層の間に、第１磁性層１１、第２磁性層及び第１非磁性層１１Ｎが設けられる。第１導電層１１Ｅは、第１磁性層１１と電気的に接続される。第２導電層１２Ｅは、第２磁性層１２と電気的に接続される。

【0221】

この例では、第１配線７０ａ及び第２配線７０ｂが設けられる。第１配線７０ａは、第１磁性層１１（この例では第１導電層１１Ｅ）と電気的に接続される。第２配線７０ｂは、第２磁性層１２（この例では第２導電層１２Ｅ）と電気的に接続される。例えば、第２配線７０ｂは、１つのビット線である。

【0222】

トランジスタ７０Ｔのドレイン７０Ｔｄは、接続部７８ａを介して第１配線７０ａと電気的に接続される。トランジスタ７０Ｔのソース７０Ｔｓは、接続部７８ｂを介して別の配線７８ｃと電気的に接続される。別の配線７８ｃは、例えば、別のビット線である。トランジスタ７０Ｔのゲート７０Ｔｇは、ワード線に対応する。この例では、トランジスタ７０Ｔは、半導体基板７０Ｓの一部に設けられる。トランジスタ７０Ｔは、例えば、選択トランジスタとして機能する。トランジスタ７０Ｔ、配線及び接続部などの周りに層間絶縁部７０Ｉが設けられる。

【0223】

上記の、配線、導電層及び接続部の少なくともいずれかは、例えば、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0224】

後述するように、複数の磁気抵抗素子１１１（メモリセル）が設けられる。複数の磁気抵抗素子１１１の１つに、１つの制御素子７５が電気的に接続される。例えば、制御素子７５により、複数の磁気抵抗素子１１１の１つが選択される。

【0225】

以下、実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の例について説明する。以下の例の製造方法は、貼り合わせプロセスを含む。

【0226】

図１８（ａ）〜図１８（ｅ）は、第２実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
図１８（ａ）に示すように、第１積層体ＳＢ１が用意される。第１積層体ＳＢ１は、第１実施形態に係る任意の磁気抵抗素子を含む。この例では、磁気抵抗素子１１１が設けられている。この例では、基板２５の上に、磁気抵抗素子１１１が設けられている。第１基板２５は、シリコンの単結晶基板である。磁気抵抗素子１１１の上に、第１接合層２５ａが設けられている。

【0227】

例えば、基板２５の上に、磁気抵抗素子１１１に含まれる層が形成される。この形成は、例えば、スパッタ法及びＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)の少なくともいずれかの実施を含む。磁気抵抗素子１１１に適切な条件が適用される。例えば、基板２５のシリコン単結晶の結晶性を反映した結晶性が、磁気抵抗素子１１１に含まれる層に設けられても良い。例えば、磁気抵抗素子１１１に含まれる少なくとも１つの層において、実質的な単結晶性が設けられる。

【0228】

図１８（ｂ）に示すように、第２積層体ＳＢ２が用意される。第２積層体ＳＢ２は、例えば、半導体基板７０Ｓ、トランジスタ７０Ｔ、接続部（図１７参照）、層間絶縁部７０Ｉ及び第２接合層２５ｂを含む。トランジスタ７０Ｔ、接続部及び層間絶縁部７０Ｉの上に第２接合層２５ｂが設けられる。

【0229】

第１接合層２５ａ及び第２接合層２５ｂは、金属を含む。この金属は、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ及びＴａからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0230】

図１８（ｃ）に示すように、第１接合層２５ａと第２接合層２５ｂとを互いに対向させる。例えば、圧力の印加、及び、加熱の少なくともいずれかが行われる。第１接合層２５ａと第２接合層２５ｂとが互いに接合される。

【0231】

図１８（ｄ）に示すように、基板２５の一部を除去する。例えば、ＢＳＧ(Back Side Grinder）処理が行われる。これにより、基板２５の厚さは減少する。

【0232】

図１８（ｅ）に示すように、基板２５の残った部分を除去する。例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理が行われる。

【0233】

この後、配線などの形成を経て、磁気記憶装置２１０が作製される。

【0234】

上記の製造方法においては、磁気抵抗素子１１１を含む第１積層体ＳＢ１と、トランジスタ７０Ｔ（制御素子７５）を含む第２積層体ＳＢ２と、が別に準備される。これらの積層体が貼り合わされる。このため、２つの積層体のそれぞれにおいて適正な条件（熱に関する条件を含む）が適用される。これにより、それぞれの積層体に含まれる素子（磁気抵抗素子１１１及びトランジスタ７０Ｔなど）において良好な特性が得られる。例えば、層における良好な結晶性が得られる。例えば、層における良好なアモルファス性が得られる。

【0235】

図１９は、第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。
図１９に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置２２０は、例えば、第１実施形態に係る磁気抵抗素子と、制御部７０と、を含む。第１実施形態に係る任意の磁気抵抗素子及びその変形の磁気抵抗素子が用いられても良い。この例では、磁気抵抗素子１１０が用いられている。

【0236】

制御部７０は、磁気抵抗素子１１０と電気的に接続される。この例では、第１配線７０ａは、第１磁性層１１（この例では第１導電層１１Ｅ）と、制御部７０と、を互いに電気的に接続する。第２配線７０ｂは、第２磁性層１２（この例では第２導電層１２Ｅ）と、制御部７０と、を互いに電気的に接続する。電気的な接続の経路上に、すでに説明した制御素子７５が設けられても良い。

【0237】

制御部７０は、例えば、磁気抵抗素子１１０の電気抵抗に対応する値（例えが、電流、電圧及び抵抗の少なくともいずれか）を検知可能である。例えば、制御部７０は、磁気抵抗素子１１０に記憶される情報を読み出す。制御部７０は、例えば、読み出し動作を実施しても良い。

【0238】

制御部７０は、例えば、磁気抵抗素子１１０に外部エネルギー（電流、電圧、電場及び磁界など）を加えても良い。この外部エネルギーにより、磁気抵抗素子１１０に複数の状態が形成されても良い。複数の状態において、磁気抵抗素子１１０における電気抵抗が互いに異なる。複数の状態は、例えば、記憶される情報に対応する。例えば、書き込み動作及び消去動作を実施しても良い。

【0239】

図２０は、第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。
図２０に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置２３０は、複数のメモリセルＭＣと、制御部７０と、含む。

【0240】

複数のメモリセルＭＣの１は、少なくとも１つの磁気抵抗素子と、少なくとも１つの制御素子７５と、を含む。この少なくとも１つの磁気抵抗素子は、第１実施形態に係る任意の磁気抵抗素子、または、その変形である。この例では、磁気抵抗素子１１０が設けられる。磁気抵抗素子１１０の一端と、制御素子７５の第１端子と、が電気的に接続される。制御素子７５は、例えば、トランジスタ７０Ｔに対応する。第１端子は、例えば、トランジスタ７０Ｔのドレイン７０Ｔｄに対応する。

【0241】

複数のビット線ＢＬ１、複数のビット線ＢＬ２及び複数のワード線ＷＬが設けられる。この例では、複数のビット線ＢＬ１及びＢＬ２は、Ｙ軸方向に延びる。複数のビット線ＢＬ１及びＢＬ２は、Ｘ軸方向に並ぶ。複数のワード線ＷＬは、Ｘ軸方向に延びる。複数のワード線ＷＬは、Ｙ軸方向に並ぶ。

【0242】

複数のビット線ＢＬ１の１つに、複数のメモリセルＭＣの１つに含まれる磁気抵抗素子１１０の他端が電気的に接続される。複数のビット線ＢＬ２の１つに、複数のメモリセルＭＣの１つに含まれる制御素子７５の第２端子が電気的に接続される。第２端子は、例えば、トランジスタ７０Ｔのソース７０Ｔｓに対応する。

【0243】

複数のワード線ＷＬの１つに、複数のメモリセルＭＣの１つに含まれる制御素子７５の第３端子が電気的に接続される。制御素子７５の第３端子が電気的に接続される。第３端子は、例えば、トランジスタ７０Ｔのゲート７０Ｔｇに対応する。

【0244】

複数のビット線ＢＬ１のそれぞれは、第１スイッチＳＷ１を介して、第１電流ソース／シンク回路ＳＳＣ１と接続される。複数のビット線ＢＬ２のそれぞれは、第２スイッチＳＷ２を介して、第２電流ソース／シンク回路ＳＳＣ２と接続される。

【0245】

複数のビット線ＢＬ２のそれぞれの他端は、読み出し回路ＲＣと電気的に接続される。読み出し回路ＲＣは、例えば、読み出し電流回路及びセンスアンプなどを含む。読み出し回路ＲＣは、複数のビット線ＢＬ１のそれぞれと電気的に接続されてもよい。

【0246】

第１電流ソース／シンク回路ＳＳＣ１は、例えば、書き込み電流Ｉｗを、複数のビット線ＢＬ１に供給する。または、第１電流ソース／シンク回路ＳＳＣ１は、例えば、書き込み電流Ｉｗを、複数のビット線ＢＬ１から受け取る。第２電流ソース／シンク回路ＳＳＣ２は、例えば、書き込み電流Ｉｗを、複数のビット線ＢＬ２に供給する。または、第２電流ソース／シンク回路ＳＳＣ２は、例えば、書き込み電流Ｉｗを、複数のビット線ＢＬ２から受け取る。

【0247】

複数のワード線ＷＬは、ロウデコーダＲＤと電気的に接続される。

【0248】

例えば、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１電流ソース／シンク回路ＳＳＣ１、第２電流ソース／シンク回路ＳＳＣ２、読み出し回路ＲＣ及びロウデコーダＲＤの少なくとも一部は、制御部７０に含まれる。制御部７０は、制御素子７５を含んでも良い
例えば、書き込み動作において、選択セル（複数のメモリセルＭＣの１つ）に対応する第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、及び、制御素子７５（トランジスタ７０Ｔ）がオン状態となる。例えば、第１電流ソース／シンク回路ＳＳＣ１及び第２電流ソース／シンク回路ＳＳＣ２の一方が、電流ソースとして機能する。例えば、第１電流ソース／シンク回路ＳＳＣ１及び第２電流ソース／シンク回路ＳＳＣ２の他方が、電流シンクとして機能する。選択セルに、書き込まれるべき情報に応じた方向に、書き込み電流Ｉｗが流れる。

【0249】

例えば、書き込み電流Ｉｗは、電流パルスを含む。電流パルスのパルス幅は、例えば、数ナノ秒以上数マイクロ秒以下である。書き込み電流Ｉｗは、選択セルの磁気抵抗素子１１０を流れる。書き込み電流Ｉｗにより、例えば、スピン注入書込みが行われる。

【0250】

読み出し動作において、磁気抵抗素子１１０に読み出し電流が流される。読み出し電流の大きさは、書き込み電流Ｉｗの大きさよりも小さい。読み出し回路ＲＣのセンスアンプは、磁気抵抗素子１１０の電気抵抗に応じた値（電流及び電圧の少なくともいずれか）を検知する。

【0251】

磁気記憶装置２３０は、例えば、スピン注入書き込み型の磁気メモリである。

【0252】

図２１は、第２実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式図である。
図２１に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置２４０は、第１実施形態に係る磁気抵抗素子またはその変形と、制御部７０と、を含む。この例では、磁気抵抗素子１１０が設けられている。磁気抵抗素子１１０は、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１非磁性層１１Ｎを含む。

【0253】

第１導電層１１Ｅの一部（後述する第３部分１１Ｅｃ）と、第２導電層１２Ｅと、の間に、第１磁性層１１が設けられる。第１磁性層１１と第２導電層１２Ｅとの間に、第２磁性層１２が設けられる。第１非磁性層１１Ｎは、第１磁性層１１及び第２磁性層１２の間に設けられる。第１導電層１１Ｅは、第１磁性層１１と電気的に接続される。第２導電層１２Ｅは、第２磁性層１２と電気的に接続される。

【0254】

制御部７０は、第１導電層１１Ｅの第１部分１１Ｅａと電気的に接続される。この接続は、例えば、第１配線７０ａにより行われる。制御部７０は、第１導電層１１Ｅの第２部分１１Ｅｂと電気的に接続される。この接続は、例えば、第３配線７０ｃにより行われる。上記の第３部分１１Ｅｃは、第１部分１１Ｅａと第２部分１１Ｅｂとの間に設けられる。制御部７０は、第２導電層１２Ｅ（第２磁性層１２）と電気的に接続される。

【0255】

制御部７０は、第１動作及び第２動作を実施する。第１動作において、制御部７０は、第１導電層１１Ｅに第１電流Ｉｃ１を供給する。第１電流Ｉｃ１は、第１部分１１Ｅａから第２部分１１Ｅｂに向かって流れる。第２動作において、制御部７０は、第１導電層１１Ｅに第２電流Ｉｃ２を供給する。第２電流Ｉｃ２は、第２部分１１Ｅｂから第１部分１１Ｅａに向かって流れる。

【0256】

上記の第１動作の後における、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗は、上記の第２動作の後における、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗とは異なる。

【0257】

例えば、上記の第１動作の後において、第１磁性層１１の磁化は、上記の第１電流Ｉｃ１の向きに応じた状態となる。上記の第２動作の後において、第１磁性層１１の磁化は、上記の第２電流Ｉｃ２の向きに応じた状態となる。これは、例えば、スピン軌道相互作用に基づく。

【0258】

例えば、上記の第１動作の後における、第１磁性層１１の磁化と、第２磁性層１２の磁化と、の間の角度は、上記の第２動作の後における、第１磁性層１１の磁化と、第２磁性層１２の磁化と、の間の角度とは異なる。

【0259】

例えば、第１導電層１１Ｅと第２導電層１２Ｅとの間に印加される電圧により、磁気抵抗素子１１０が選択される。第１磁性層１１の磁化は、この電圧、及び、上記の電流の向きにより制御される。

【0260】

実施形態によれば磁気抵抗比を向上できる磁気抵抗素子及び磁気記憶装置が提供できる。

【0261】

本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

【0262】

以上、例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗素子または磁気記憶装置に含まれる磁性層、中間層、導電層、制御素子、配線及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

【0263】

各例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

【0264】

本発明の実施の形態として上述した磁気抵抗素子及び磁気記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気抵抗素子及び磁気記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

【0265】

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

【0266】

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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

【符号の説明】

【0267】

１０Ｓ…ベース層、 １１〜１５…第１〜第５磁性層、 １１Ｅ、１２Ｅ…第１、第２導電層、 １１Ｅａ〜１１Ｅｃ…第１〜第３部分、 １１Ｎ〜１３Ｎ…第１〜第５非磁性層、 １１Ｎａ…面、 ２１、２２…第１、第２中間層、 ２５…基板、 ２５ａ、２５ｂ…第１、第２接合層、 ７０…制御部、 ７０Ｉ…層間絶縁部、 ７０Ｓ…半導体基板、 ７０Ｔ…トランジスタ、 ７０Ｔｄ…ドレイン、 ７０Ｔｇ…ゲート、 ７０Ｔｓ…ソース、 ７０ａ〜７０ｃ…第１〜第３配線、 ７５…制御素子、 ７８ａ、７８ｂ…接続部、 ７８ｃ…配線、 １１０、１１０Ａ、１１１、１１１Ａ〜１１１Ｉ…磁気抵抗素子、 ２１０、２２０、２３０、２４０…磁気記憶装置、 ＢＬ１、ＢＬ２…第１、第２ビット線、 ＣＤ…電流密度、 Ｅｐ…フォトンエネルギー、 Ｈａ…外部磁界、 Ｉｃ１、Ｉｃ２…第１、第２電流、 Ｉｎｔ…強度、 Ｉｗ…書き込み電流、 ＭＣ…メモリセル、 ＭＲ１…磁気抵抗比、 ＲＡ…面積抵抗、 ＲＣ…読み出し回路、 ＲＤ…ロウデコーダ、 ＳＢ１、ＳＢ２…第１、第２積層体、 ＳＰ１〜ＳＰ４…第１〜第４試料、 ＳＳＣ１、ＳＳＣ２…第１、第２ソース／シンク回路、 ＳＷ１、ＳＷ２…第１、第２スイッチ、 Ｖｂ…バイアス電圧、 ＷＬ…ワード線、 ｔ１…第１非磁性層厚

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】