特許 6411186 磁気抵抗素子および磁気メモリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6411186

(24)【登録日】2018年10月5日

(45)【発行日】2018年10月24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 20060101AFI20181015BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20181015BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20181015BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20181015BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20181015BHJP

   H01F 10/16 20060101ALI20181015BHJP

   H01F 10/32 20060101ALI20181015BHJP

   H01F 10/30 20060101ALI20181015BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/08 M

   H01L27/105 447

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

   H01F10/16

   H01F10/32

   H01F10/30

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-234949(P2014-234949)

(22)【出願日】2014年11月19日

(65)【公開番号】特開2016-100415(P2016-100415A)

(43)【公開日】2016年5月30日

【審査請求日】2017年9月8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２６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

(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】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100118876

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 順生

(72)【発明者】

【氏名】大嶺 俊平

(72)【発明者】

【氏名】大坊 忠臣

(72)【発明者】

【氏名】加藤 侑志

(72)【発明者】

【氏名】長谷 直基

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 順一

【審査官】 石丸 昌平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２０４６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２２１５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１６８１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２６８３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９７４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３４４２９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

Ｈ０１Ｆ １０／１６

Ｈ０１Ｆ １０／３０

Ｈ０１Ｆ １０／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＣｓＣｌ構造を有し、Ｎｉ_ｘＡｌ_{１００−ｘ}（５９ａｔｍ％＞ｘ≧４５ａｔｍ％）を含むか、またはＣｏ_ｘＡｌ_{１００−ｘ}（５６ａｔｍ％＞ｘ≧４６ａｔｍ％）を含む第１層と、
垂直磁気異方性を有する磁性体を含む第１磁性層と、
前記第１層と前記第１磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第１層と前記第１非磁性層との間に設けられ、ＭｎおよびＧａを含むとともに垂直磁気異方性を有する磁性体を含む第２磁性層と、
を備えた磁気抵抗素子。

【請求項2】

前記第１層は、前記第２磁性層に対向する面が（００１）面に配向している請求項１記載の磁気抵抗素子。

【請求項3】

前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に流れる電流によって前記第２磁性層の磁化方向が可変となる請求項１または２記載の磁気抵抗素子。

【請求項4】

前記第１磁性層と前記第１非磁性層との間、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磁性層を更に備えた請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項5】

前記第３磁性層は、ＣｏおよびＦｅのうちの少なくとも１つの元素を含む請求項４記載の磁気抵抗素子。

【請求項6】

前記第１磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられた第４磁性層と、前記第１磁性層と前記第４磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、を更に備えた請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記第１磁性層は、
遷移金属Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、希土類金属Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄ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、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる第１の群から選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２の群から選ばれる少なくとも１つの元素と、を含む合金、および
Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群から選択された１つの元素からなる単体あるいはこの１つの元素を含む合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、およびＣｕからなる群から選択された１つの元素からなる単体あるいはこの１つの元素を含む合金とが交互に積層された積層構造、
のうちのいずれか一つを含む請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項8】

請求項１乃至７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。

【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(Magnetoresistive 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、および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、スピン分極された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】

不揮発性メモリの高密度化を考えた場合、磁気抵抗素子の高集積化は欠かせない。また、高集積化の他に書き込み電流低減の観点から、近年では磁性体の磁化が膜面に垂直なＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。

【0005】

一般的に、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、記憶層の飽和磁化および磁気緩和定数に依存する。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、記憶層の飽和磁化および磁気緩和定数を小さくすることが望まれている。また、記憶層および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、各層の薄膜化が要求される。膜厚を薄くした場合に、強磁性層は下地層との界面におけるラフネスや、下地層に含まれる元素の拡散の影響を大きく受けるため、これらを抑制する材料や、成膜方法を確立することが望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−２３２４９９号公報

【特許文献2】特開２０１２−２０４６８３号公報

【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、記憶層を薄膜化しても、下地層に含まれる元素の拡散の影響を低減することのでき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、ＮｉおよびＣｏのうちの少なくとも１つの元素と、Ａｌとを含み、ＣｓＣｌ構造を有する第１層と、垂直磁気異方性を有する磁性体を含む第１磁性層と、前記第１層と前記第１磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、前記第１層と前記第１非磁性層との間に設けられ、ＭｎおよびＧａを含もとともに垂直磁気異方性を有する磁性体を含む第２磁性層と、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】ＮｉＡｌ層上にＭｎＧａ層を形成した試料を示す図。

【図3】図２に示す試料の磁化特性を示す図。

【図4】第１実施形態の変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図5】第２実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図6】第２実施形態の変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図7】第３実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図8】第３実施形態の変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。

【図9】図９（ａ）および９（ｂ）は、第４実施形態による磁気抵抗素子の製造方法を示す図。

【図10】図１０（ａ）乃至１０（ｃ）は、第４実施形態の磁気抵抗素子の製造方法を示す図。

【図11】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12】第５実施形態による磁気メモリの主要部を示す回路図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、実施形態による磁気抵抗素子について説明する。

【0011】

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気抵抗素子の断面を図１に示す。第１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、磁性層２、非磁性層４（以下、トンネルバリア層４ともいう）、界面磁性層６、および磁性層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、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、それらの詳細について後述する。下地層としては導電性および絶縁性のどちらでもよいが、下地層に通電する場合には導電性材料を用いることが望ましい。

【0012】

ＭＴＪ素子の抵抗値はトンネルバリア層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、異方性磁界Ｈｋ、または磁気摩擦定数(Gilbert damping constant)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。磁性層２および磁性層８はそれらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。

【0013】

磁性層２および磁性層８のうちの一方の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。不変である磁性層を参照層と称し、可変である磁性層を記憶層と称す。本実施形態においては、例えば、磁性層２を記憶層、磁性層８を参照層とする。なお、書き込み電流は、磁性層２と磁性層８との間に膜面に垂直方向に流す。

【0014】

磁性層２が記憶層、磁性層８が参照層であってかつ磁性層２の磁化の方向と磁性層８の磁化の方向が反平行（逆の方向）な場合には、磁性層２から磁性層８に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子が磁性層８から界面磁性層６、非磁性層４を通って磁性層２に流れる。そして、磁性層８を通ることによりスピン偏極された電子は磁性層２に流れる。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磁性層２を通過するが、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、磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、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、磁性層２の磁化の方向が反転し、磁性層８の磁化の方向と平行（同じ方向）になる。

【0015】

これに対して、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、磁性層８から磁性層２に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子が磁性層２から非磁性層４、界面磁性層６を通って磁性層８に流れる。そして、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。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磁性層８を通過するが、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、界面磁性層６と磁性層８との界面で反射され、非磁性層４を通って磁性層２に流れ込む。これにより、磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、磁性層２の磁化の方向が磁性層８の磁化と反対方向に向くように働く。これにより、磁性層２の磁化の方向が反転し、磁性層８の磁化の方向と反平行になる。なお、界面磁性層６は、スピン分極率を増大させるために設けられている。

【0016】

磁気抵抗素子１の抵抗値は磁性層２と磁性層８の磁化の相対角度に依存し、相対角度が反平行状態における抵抗値から平行状態における抵抗値を引いた値を平行状態における抵抗値で割った値を磁気抵抗変化率と称する。

【0017】

一般的に、保磁力、異方性磁界Ｈｋ、または磁気摩擦定数αの大きい磁性層は参照層として用いられ、保磁力、異方性磁界Ｈｋ、または磁気摩擦定数αの小さな磁性層は記憶層として用いられる。なお、下地層の表面のラフネスまたは導電性は磁気摩擦定数αおよびトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）に大きく影響するため、適切な下地層を用いることが望まれる。

【0018】

本実施形態および後述する各実施形態においては、記憶層となる磁性層としては、例えばＭｎ_ｘＧａ_{１００−ｘ}（４５ａｔｍ％≦ｘ＜６４ａｔｍ％）合金が用いられ、このＭｎＧａ合金は、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、垂直磁化型磁気抵抗素子を作製することが可能となる。

【0019】

ＭｎＧａはその組成に対して飽和磁化量を変化させることができる。また、磁気異方性エネルギーの大きさが約１０（Ｍｅｒｇ／ｃｃ）と大きな、垂直磁化材料である。更に、磁化反転のし易さの指標の一つである磁気摩擦定数（Gilbert damping constant）の値は組成に依存するが、おおよそ０．００８〜０．０１５との報告がある（例えば、S. Mizukami, F. Wu, A. Sakuma, J. Walowski, D. Watanabe, T. Kubota, X. Zhang, H. Naganuma, M. Oogane, Y. Ando, and T. Miyazaki, “Long-Lived Ultrafast Spin Precession in Manganese Alloys Films with a Large Perpendicular Magnetic Anisotropy”, Phys. Rev. Lett. 106, 117201 (2011)）。

【0020】

一般に、磁気摩擦定数は材料のスピン軌道相互作用の大きさと相関があり、原子番号の大きな材料ではスピン軌道相互作用が大きく、磁気摩擦定数も大きい傾向がある。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。

【0021】

このように、ＭｎＧａは低い飽和磁化、高い磁気異方性エネルギー、低い磁気摩擦定数を有する垂直磁化材料であることから、磁気抵抗素子の記憶層に適している。

【0022】

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１が、例えば、ＭｎＧａからなる磁性層、結晶質ＭｇＯからなる非磁性層、ＣｏＦｅ（Ｂ）からなる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、ＭｎＧａ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（Ｂ）（００１）の配向関係を作ることができる。ここでＭｎＧａ（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。

【0023】

磁性層２および磁性層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（すなわち、垂直磁気異方性を有する）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、磁性層２および磁性層８の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子になる。なお、本明細書では、膜面とは磁性層が積層される方向に垂直な面を意味する。また、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。これに対して困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界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。

【0024】

次に、各層の材料について説明する。

【0025】

（下地層）
下地層１００は、下地層上の記憶層に用いられる、Ｌ１_０相を有するＭｎＧａ合金と格子定数が近く、拡散がしにくい材料を用いるのが好ましい。また、ＭｎおよびＧａと化合物を形成する相がない材料、もしくは２元系で元素間の結合が強く、自己拡散しないものが良い。このような下地層としては、（００１）面に配向したＣｓＣｌ構造を有し、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｇａの中から少なくとも２つ以上の元素の組み合わせから構成される。例として、ＮｉＭｎ、ＮｉＧａ、ＮｉＡｌ、ＣｏＡｌ、ＲｈＡｌ、ＲｕＡｌ、ＡｇＧａ等が挙げられる。もしくはＭｎＮｉＡｌ_２、ＭｎＣｏＡｌ_２、ＡｌＧａＣｏ_２等、３元系も例として挙げられる。これらの下地層の材料はＭｎおよびＧａとの化合物が存在し、その結晶構造はＣｓＣｌ型である。例えばＲｈＡｌであれば、ＲｈＭｎ、ＲｈＧａがそれぞれＣｓＣｌ構造を形成する。これら下地材料がＭｎＧａと混合したとしても、ＭｎおよびＧａと結合し、結晶構造を形成すると考えられるため、拡散が抑制される。

【0026】

なお、上記特性を満たす下地層に用いる材料のうち、ＮｉＡｌまたはＣｏＡｌは、下地層上に設けられるＭｎＧａとの格子ミスマッチが小さく、より好ましい。すなわち、Ａｌと、ＮｉおよびＣｏのうちの少なくとも１つの元素と、を含むことが好ましい。また、ＮｉＡｌとして、Ｎｉ_ｘＡｌ_{１００−ｘ}（５９ａｔｍ％＞ｘ≧４５ａｔｍ％）を用いることが好ましく、ＣｏＡｌとして、Ｃｏ_ｘＡｌ_{１００−ｘ}（５６ａｔｍ％＞ｘ≧４６ａｔｍ％）を用いることが好ましい。

【0027】

Ａｌと、ＮｉおよびＣｏのうちの少なくとも１つの元素と、を含む下地層１００の一例として厚さが４０ｎｍのＮｉＡｌを用い、このＮｉＡｌ層１００上に厚さが３ｎｍのＭｎ_５５Ｇａ_４５層１６を作成した試料を用意する（図３参照）。この試料の磁化特性を測定した結果を図３に示す。横軸が外部磁界Ｈを示し、縦軸が回転角θを示す。ＭＯＫＥ（Magneto Optical Kerr Effect）評価から垂直方向の保磁力が約８ｋＯｅで角型比の良い垂直磁気特性が得ることができた。

【0028】

（磁性層２）
磁性層２に用いられるＭｎＧａ合金は、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。なお、低電流の磁化反転を実現するためには、磁性層２の膜厚を出来るだけ薄くする必要がある。そのような観点では、１ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあることが好ましい。しかし、結晶磁気異方性により高い熱擾乱指数Δを得ることができる結晶系材料においては、薄膜化することで異方性低下の問題点も浮上する。そのような観点では、薄膜の膜厚は、結晶化臨界膜厚以上１０ｎｍ以下の膜厚であることが望ましい。

【0029】

（界面磁性層６）
磁気抵抗素子の磁気抵抗比を上げるために、ＭｇＯのトンネルバリア層４に隣接する界面磁性層には高スピン分極率を有する材料が用いられる。界面磁性層６は、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも一つの金属を含む合金が望ましい。このとき、例えば、ＣｏＦｅからなる界面磁性層、ＭｇＯからなる非磁性層、ＣｏＦｅからなる界面磁性層とした場合に、ＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。この場合、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。

【0030】

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

【0031】

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

【0032】

磁性層８は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する、すなわち垂直磁気異方性を有する。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）面あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）面に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）面あるいはＨＣＰの（００１）面に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕからなる第１の群から選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２の群から選ばれる少なくとも１つの元素と、を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。

【0033】

また、磁性層８に用いられる人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群から選択された１つの元素からなる単体あるいはこの１つの元素を含む合金（磁性膜）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、およびＣｕからなる群から選択された１つの元素あるいはこの１つの元素を含む合金（非磁性膜）と、が交互に積層された積層構造が挙げられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性膜への元素の添加、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。

【0034】

以上説明したように、本実施形態においては、下地層として、（００１）面に配向したＣｓＣｌ構造を有し、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｏ、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｇａの中から少なくとも２つ以上の元素を組み合わせた材料は自己拡散係数が小さいため、下地層上に、低い飽和磁化、高い磁気異方性エネルギー、低い磁気摩擦定数を有する垂直磁化材料であるＭｎＧａ層を設けても、下地層に含まれる元素の拡散を低減することができる。

【0035】

（変形例）
第１実施形態の変形例による磁気抵抗素子の断面を図４に示す。この変形例の磁気抵抗素子１Ａは、下地層１００上に形成される層の積層順序が図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１とは逆になっている。すなわち、下地層１００上に、磁性層８、界面磁性層６、非磁性層４、および磁性層２がこの順序で積層された構造を有している。

【0036】

この変形例において磁性層８としてＭｎＧａを用いれば、第１実施形態と同様に、記憶層を薄膜化しても、下地層に含まれる元素の拡散の影響を低減することができる。

【0037】

（第２実施形態）
図５に、第２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、非磁性層４と磁性層２との間に界面磁性層３を設けた構成になっている。第２実施形態では、下地層１００上に、磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および磁性層８がこの順序で積層された構造を有している。

【0038】

第１実施形態と同様に、磁性層の結晶配向性を制御することで、磁性層２および磁性層８はそれぞれ、膜面に垂直な方向の磁気異方性（垂直磁気異方性）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、磁性層２および磁性層８の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子となる。そして、磁性層２および磁性層８のうちの一方の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、他方の磁性層は可変である。本実施形態において、例えば、磁性層２を記憶層、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、磁性層２と磁性層８との間に膜面に垂直方向に流す。

【0039】

なお、界面磁性層３は、スピン分極率を増大させるために設けられている。この界面磁性層３も、第１実施形態で説明した界面磁性層６の材料が用いられる。

【0040】

この第２実施形態も第１実施形態と同様に、記憶層を薄膜化しても、下地層に含まれる元素の拡散の影響を低減することができる。

【0041】

（変形例）
第２実施形態の変形例による磁気抵抗素子の断面を図６に示す。この変形例の磁気抵抗素子１Ｃは、下地層１００上に形成される層の積層順序が図５に示す第２実施形態の磁気抵抗素子１とは逆になっている。すなわち、下地層１００上に、磁性層８、界面磁性層６、非磁性層４、界面磁性層３、および磁性層２がこの順序で積層された構造を有している。

【0042】

この変形例において磁性層８としてＭｎＧａを用いれば、第２実施形態と同様に、記憶層を薄膜化しても、下地層に含まれる元素の拡散の影響を低減することができる。

【0043】

（第３実施形態）
図７に、第３実施形態による磁気抵抗素子１Ｄを示す。この磁気抵抗素子１Ｄは、図５に示す第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｂにおいて、磁性層８上に非磁性層１０、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と磁性層８が参照層となっている。磁性層１１はバイアス層またはシフト調整層とも呼ばれ、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。磁性層１１は、非磁性層１０を介して磁性層８と反強磁性結合（Synthetic Anti-Ferromagnetic結合；ＳＡＦ結合）していてもよい。これにより、界面磁性層６と磁性層８より成る参照層からの漏れ磁場による界面磁性層３と磁性層２より成る記憶層の磁化を反転する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、磁性層８と磁性層１１とが熱工程によって混ざらない耐熱性、および磁性層１１を形成する際の結晶配向を制御する機能を備えることが望ましい。

【0044】

さらに、非磁性層１０の膜厚が厚くなると磁性層１１と記憶層（本実施形態では例えば磁性層２）との距離が離れるため、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。また、上述したように磁性層１１は非磁性層１０を介して磁性層８とＳＡＦ結合していてもよく、その場合、非磁性層１０の膜厚が厚すぎると磁気的結合が切れてしまう恐れがある。そのような観点から非磁性層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。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、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ｔ_２、Ｍｓ_２、磁性層１１の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ_３、Ｍｓ_３、とすると、以下の関係式を満たす必要がある。

【0045】

Ｍｓ_２×ｔ_２＜Ｍｓ_３×ｔ_３
なお、第３実施形態で説明した磁性層１１は、第１および第２実施形態ならびにそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗素子にも適用することができる。この場合、参照層となる磁性層上に非磁性層１０を間に挟んで積層される。

【0046】

（変形例）
なお、第３実施形態では、下地層１００上に、磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、磁性層８、非磁性層１０、および磁性層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、磁性層１１は下地層１００の下に積層されていてもよい。すなわち、図８に示す第３実施形態の変形例による磁気抵抗素子１Ｅのように、磁性層１１上に、下地層１００、磁性層２、中間層５、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および磁性層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、磁性層２を参照層として用いることが好ましい。

【0047】

上記変形例においても、第３実施形態で記述したように、記憶層に印加される磁性層１１による漏れ磁場量と参照層による漏れ磁場量を同程度に設定する必要がある。すなわち、記憶層とシフト調整層の距離が、記憶層と参照層との距離に比べて短い場合は、シフト調整層の総磁化量＜参照層の総磁化量の関係式を満たす必要がある。一方、記憶層とシフト調整層の距離が、記憶層と参照層との距離に比べて長い場合は、シフト調整層の総磁化量＞参照層の総磁化量の関係式を満たす必要がある。

【0048】

第３実施形態およびその変形例によれば、第２実施形態と同様に、記憶層を薄膜化しても、下地層に含まれる元素の拡散の影響を低減することができる。

【0049】

（第４実施形態）
次に、第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例による磁気抵抗素子の製造方法について図９（ａ）乃至図１０（ｃ）を参照して説明する。

【0050】

この製造方法は、磁気抵抗素子が形成される基板、例えば単結晶基板と、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磁気抵抗素子と、トランジスタ等を作製した基板とを貼り合わせた後、不要な単結晶基板を除去することにより磁気抵抗素子１Ｂを備えたＭＲＡＭを構築するものである。

【0051】

具体的には、まず上記第１乃至第３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適切な成膜条件の下で基板２００上に形成する。例えば、図５に示す第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｂを製造する場合を例にとって説明する。まず、図９（ａ）に示すように、Ｓｉ単結晶基板２００上に、下地層１００、磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および磁性層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、図５に示す磁気抵抗素子１Ｂを得る。このとき、Ｓｉ単結晶基板２００の結晶性が下地層１００、磁性層２に伝わり、形成された磁気抵抗素子１Ｂは単結晶層を少なくとも１つ含む単結晶ＭＴＪ素子となる。その後、磁性層８上に金属接着層２０ａを形成する（図９（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９（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。

【0052】

次に、単結晶ＭＴＪ素子１Ｂ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９（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。

【0053】

次に、図１０（ａ）に示すように、単結晶ＭＴＪ素子１Ｂ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ＢＳＧ(Back Side Grinder)法を用いて、薄くする。その後、図１０（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１０（ｃ））。

【0054】

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３実施形態およびそれらの変形例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３実施形態およびそれらの変形例のいずれかの単結晶ＭＴＪ素子を作製することができる。

【0055】

上記製造方法によって製造された磁気抵抗素子は、磁性層２が記憶層となる場合は、参照層となる磁性層８よりも上方に設けられるアップフリー構造を有する。記憶層が参照層よりも下方に位置するボトムフリー構造を有する磁気抵抗素子の製造方法について、簡単に説明する。

【0056】

まず、例えば図９（ａ）の右側の図に示すように、トランジスタ回路および配線が形成された基板２２０を用意する。このとき、トランジスタ回路および配線上には、金属接着層２０ｂは形成されていない。この基板２２０上に、下地層１００を形成する。続いて、下地層１００上に、磁性層２、界面磁性層３、非磁性層４、界面磁性層６、および磁性層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する。このようにして、ボトムフリー構造を有する磁気抵抗素子を製造することができる。

【0057】

（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。

【0058】

この第５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１１に示す。各メモリセルは、第１乃至第３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である場合を例にとって説明する。

【0059】

図１１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、およびプラグ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。

【0060】

本実施形態のＭＲＡＭにおいては、図１１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１２は、本実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。

【0061】

図１２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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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、上記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のセンスアンプは、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。

【0067】

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。

【0068】

以上説明したように、本実施形態によれば、第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例と同様に、記憶層を薄膜化しても、下地層に含まれる元素の拡散の影響を低減することができる。また、低い飽和磁化、高い垂直磁気異方性を有し、かつ高磁気抵抗比を持った磁気抵抗素子を備えた磁気メモリを得ることができる。

【0069】

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】

【0070】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）
２ 磁性層
３ 界面磁性層
４ 非磁性層（トンネルバリア層）
６ 界面磁性層
８ 磁性層
１０ 非磁性層
１１ 磁性層（シフト調整層）
１００ 下地層
２０ａ、２０ｂ 金属接着層
２００ 単結晶基板
２２０ 基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】