特許 6427396 磁気抵抗素子及び磁気メモリ

(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】6427396

(24)【登録日】2018年11月2日

(45)【発行日】2018年11月21日

(54)【発明の名称】磁気抵抗素子及び磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/8239 20060101AFI20181112BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20181112BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20181112BHJP

   H01L 43/10 20060101ALI20181112BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/105 447

   H01L43/08 M

   H01L43/10

【請求項の数】15

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-234956(P2014-234956)

(22)【出願日】2014年11月19日

(65)【公開番号】特開2016-100417(P2016-100417A)

(43)【公開日】2016年5月30日

【審査請求日】2017年9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】長谷 直基

(72)【発明者】

【氏名】落合 隆夫

(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】大嶺 俊平

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 順一

【審査官】 上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１９７４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０１６６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１０９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８０７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３２４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０６９７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７６９３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９，２７／１０５，４３／０８，４３／１０

Ｇ１１Ｃ １１／１５

Ｇ１１Ｂ ５／３９

Ｈ０１Ｆ １０／１６，１０／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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、前記第２磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ前記第２磁性層の磁化と前記第３磁性層の磁化とを反平行に結合させる反強磁性結合層と、を備え、前記第２磁性層は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの少なくとも１つと、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕの少なくとも１つと、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕの少なくとも１つと、を含む磁性体を備える磁気抵抗素子。

【請求項2】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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、前記第２磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ前記第２磁性層の磁化と前記第３磁性層の磁化とを反平行に結合させる反強磁性結合層と、を備え、前記第２磁性層は、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｇｄか、またはＣｏ、Ｐｔ、Ｔｂを含む磁気抵抗素子。

【請求項3】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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、前記第２磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕの少なくとも１つを含む単一層である金属層と、を備え、前記第２磁性層は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの少なくとも１つと、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕの少なくとも１つと、を含む磁性体を備える磁気抵抗素子。

【請求項4】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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、前記第２磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた金属層であって、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕの少なくとも１つを含む第１層と、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷの少なくとも１つを含む第２層とを備えた積層構造を有する金属層と、を備え、前記第２磁性層は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの少なくとも１つと、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕの少なくとも１つと、を含む磁性体を備える磁気抵抗素子。

【請求項5】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有しＣｏＰｔを含む第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、前記第２磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられＧｄを含む金属層と、を備える磁気抵抗素子。

【請求項6】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有しＣｏＰｔを含む第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、前記第２磁性層と前記第１非磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられＴｂを含む金属層と、を備える磁気抵抗素子。

【請求項7】

前記金属層は、前記第２磁性層に隣接するように配置される請求項３乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。

【請求項8】

前記磁性体は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの少なくとも１つおよびＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕの少なくとも１つを含む第１層と、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕの少なくとも１つを含む第２層との積層構造を有する請求項１記載の磁気抵抗素子。

【請求項9】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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、前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた金属層と、を備え、
前記第２磁性層は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの少なくとも１つの元素と、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕの少なくとも１つと、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、およびＺｎの少なくとも１つと、を含む磁性体を備え、
前記金属層は、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷの少なくとも１つを含む磁気抵抗素子。

【請求項10】

前記金属層は、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷの少なくとも１つを含む単一層である請求項９記載の磁気抵抗素子。

【請求項11】

前記金属層は、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕの少なくとも１つを含む第１層と、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷの少なくとも１つを含む第２層とを備えた積層構造を有する請求項９記載の磁気抵抗素子。

【請求項12】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有しＳｍＣｏＣｕを含む第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、前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられＧｄを含む金属層と、を備える磁気抵抗素子。

【請求項13】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有しＳｍＣｏＣｕを含む第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、前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられＴｉを含む金属層と、を備える磁気抵抗素子。

【請求項14】

垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有しＳｍＣｏＣｕを含む第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、前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられＴａを含む金属層と、を備える磁気抵抗素子。

【請求項15】

請求項１乃至１４のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、
ソースおよびドレインのうちの一方が前記磁気抵抗素子の前記第１および第２磁性層のうちの一方に電気的に接続される選択トランジスタと、
前記磁気抵抗素子の前記第１および第２磁性層のうちの他方に電気的に接続される第１配線と、
前記選択トランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続される第２配線と、
前記選択トランジスタのゲートに電気的に接続される第３配線と、
を備える磁気メモリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、磁気抵抗素子及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有している。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を増加させることができる。このため、記憶層の磁化反転を容易に実現することが可能となり、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを実現することができる。

【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。しかし、磁気抵抗素子を構成する磁性体は、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、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、磁性体の磁化が膜面に垂直な方向を向く垂直ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。垂直ＭＴＪ素子を構成する磁性材料は、垂直磁気異方性を有する。垂直磁気異方性を発現させるために、結晶磁気異方性や界面磁気異方性を有する材料が選択される。例えば、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄなどは強い結晶磁気異方性を有する材料である。他にもＭｇＯをトンネルバリア層として用いたＭＴＪ素子として、ＣｏＦｅＢに代表される界面垂直磁気異方性を有する材料を用いたものも報告されている。

【0006】

ＭＴＪ素子の記憶層及び参照層は磁性体を含み、外部に対して磁場を発生している。一般に、記憶層及び参照層が垂直磁気異方性を有する垂直磁化型ＭＴＪ素子において、参照層から発生する漏れ磁場は、磁性体の磁化が膜面に平行な方向を向く面内磁化型ＭＴＪ素子のそれに比べて大きい。また、参照層に比べて保磁力の小さい記憶層は、参照層からの漏れ磁場の影響を強く受ける。具体的には、参照層からの漏れ磁場の影響により、記憶層の磁化反転磁場のシフトが発生するとともに熱安定性を低下させる問題が発生する。

【0007】

垂直磁化型ＭＴＪ素子において、記憶層にかかる参照層からの漏れ磁場を低減する一つの施策として、参照層の飽和磁化量を低減することや、参照層の磁化をキャンセルするような磁化方向を持つ磁性層（シフト調整層）を設けることが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１２−０６４９０３号公報

【特許文献2】特開２０１３−２５１３３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本実施形態は、漏洩磁界を低減することができる磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本実施形態による磁気抵抗素子は、垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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２磁性層は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる第１群から選択される少なくとも１つの元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる第２群から選択される少なくとも１つの元素と、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる第３群から選択される少なくとも１つの元素と、を含む磁性体を備える。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。

【図2】第１実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。

【図3】第２実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。

【図4】第３実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。

【図5】第４実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。

【図6】第５実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。

【図7A】２つのＣｏＰｔ磁性層間に厚さが６ÅのＧｄ層を挿入した積層構造の磁化曲線を示す図。

【図7B】２つのＣｏＰｔ磁性層間に厚さが１０ÅのＧｄ層を挿入した積層構造の磁化曲線を示す図。

【図7C】２つのＣｏＰｔ磁性層間に厚さが１５ÅのＧｄ層を挿入した積層構造の磁化曲線を示す図。

【図8】[ＣｏＰｔ／Ｇｄ]を３回積層した積層構造におけるＭｓ×ＴとＧｄ層の厚さとの関係を示す図。

【図9】[ＣｏＰｔ／Ｔｂ]を３回積層した積層構造におけるＭｓ×ＴとＴｂ層の厚さ依存性を示す図。

【図10】Ｇｄ／ＣｏＰｔ積層膜におけるＣｏＰｔ層のＭｓとＧｄ層の厚さとの関係を示す図。

【図11】ＳｍＣｏＣｕ／Ｇｄ／Ｔａ積層膜におけるＳｍＣｏＣｕ層のＭｓとＧｄ層の膜さとの関係を示す図。

【図12】実施例１による磁気抵抗素子と参照例による磁気抵抗素子のトンネル磁気抵抗効果比を比較した図。

【図13】ＳｍＣｏＣｕからなる参照層を用いた磁気抵抗素子のＴｉからなる機能層の膜さとトンネル磁気抵抗効果比と関係を示す図。

【図14】第６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15】第６実施形態による磁気メモリの回路図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

（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、シングルピン構造のＭＴＪ素子である。この磁気抵抗素子１は、磁性体を含む記憶層２と、磁性体を含む界面磁性層５と、磁性体を含む参照層６と、記憶層２と界面磁性層５との間に設けられた非磁性層４と、界面磁性層５と参照層６との間に設けられた機能層７と、参照層６に対して機能層７と反対側に設けられ磁性体を含むシフト調整層１０と、参照層６とシフト調整層１０との間に設けられた反強磁性結合層８と、を有する積層構造を備えている。すなわち、第１実施形態の磁気抵抗素子１は、記憶層２、非磁性層４、界面磁性層５、機能層７、参照層６、反強磁性結合層８、およびシフト調整層１０が、この順序で積層された積層構造（図１において、記憶層２からシフト調整層１０に向けて順次積層された積層構造）を有している。

【0014】

（変形例）
また、図２に示す第１実施形態の変形例による磁気抵抗素子１Ａのように、シフト調整層１０、反強磁性結合層８、参照層６、機能層７、界面磁性層５、非磁性層４、および記憶層２が、この順序で積層された積層構造であってもよい。すなわち、図２に示す変形例においては、図１に示す積層順序と逆の順序で積層された積層構造を有している。

【0015】

そして、第１実施形態の磁気抵抗素子１およびその変形例の磁気抵抗素子１Ａにおいては、記憶層２、界面磁性層５、参照層６、およびシフト調整層１０はそれぞれ垂直磁気異方性を有している。すなわち、磁性体を含む各層の磁化方向が膜面に対して垂直方向に向く垂直磁化型のＭＴＪ素子である。ここで、「膜面」とは、各層の上面を意味する。

【0016】

記憶層２は、スピン偏極した電子の作用により磁化の向きが反転することが可能な磁性体を含む層である。記憶層２としては、磁性遷移元素の群（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群）から選択された一つの元素からなる単体、上記磁性遷移元素の群から選択された少なくとも１つの元素を含む合金、或いは上記磁性遷移元素の群から選択された少なくとも一つの元素と非磁性元素の群（例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｇｅ、およびＢｉ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が用いられる。

【0017】

界面磁性層５は、磁性遷移元素の群（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群）から選択された一つの元素からなる単体、上記磁性遷移元素の群から選択された少なくとも１つの元素を含む合金、上記磁性遷移元素の群から選択された少なくとも１つの元素とホウ素Ｂとの化合物（例えば、ＦｅＢ、またはＣｏＦｅＢなど）、或いは上記磁性遷移元素の群から選択された少なくとも１つの元素と非磁性元素の群（Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｇａ、およびＧｅからなる群）から選択された少なくとも１つの非磁性元素とを含む合金（例えば、ＭｎＧａやＭｎ_３Ｇｅなど）、或いはホイスラー合金(例えば、Ｃｏ_２ＦｅＭｎＳｉなど)等が用いられる。

【0018】

参照層６および機能層７は本実施形態の鍵となる層である。記憶層２に印加される漏洩磁界を低減するための施策として参照層６からの漏洩磁界を低減する、或いは機能層７を工夫することで参照層６または界面磁性層５からの漏洩磁界を低減しつつ、良好なトンネル磁気抵抗効果比（ＴＭＲ比）を実現することが重要になる。これらについての詳細は後述する。

【0019】

シフト調整層１０は、磁性遷移元素の群（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群）から選択された少なくとも１つの元素と希土類元素の群（Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群）から選択された少なくとも１つの元素と含む合金（例えば、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７など）、或いは上記磁性遷移元素の群から選択された少なくとも１つの元素と貴金属元素の群（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、およびＡｇ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（例えば、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄなど）が用いられる。また、シフト調整層１０は、記憶層２に及ぼす漏洩磁界の影響を小さくするため、上記参照層６の磁化と互いに逆方向に向いた磁化配列、すなわち反平行の磁化配列を有している。

【0020】

非磁性層４は、金属元素の群（Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、およびＳｒからなる群）から選択された少なくとも１つの金属元素を含む酸化物が用いられる。

【0021】

反強磁性結合層８は、磁性層間に挿入することで、これらの磁性層間に反強磁性的な層間交換結合を生じさせる。反強磁性結合層８としては、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、およびＩｒ等の群から選択された１つの金属元素を含む単体、Ｍｎ、Ｃｒ、およびＦｅからなる群から選択された少なくとも１つの３ｄ遷移元素を含む合金、或いは上記金属元素と上記３ｄ遷移元素とを含む合金が用いられる。例えば３ｄ遷移元素を含む合金としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＦｅＲｈなどの合金が用いられる。また反強磁性結合層８は、希土類元素の群（Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群）から選択された１つの元素を含んでいてもよい。

【0022】

（書き込み方法）
第１実施形態および以下の実施形態で説明する磁気抵抗素子への情報（データ）の書き込み方法について説明する。

【0023】

まず、記憶層２の磁化方向を参照層６の磁化方向に対して反平行から平行にする場合には、電流とは逆向きの流れとなる電子流をシフト調整層１０から記憶層２に向かって流す。この場合、参照層６および界面磁性層５を通過した電子はスピン偏極される。このスピン偏極された電子は、非磁性層４を通って記憶層２に流入する。記憶層２に流入した電子は記憶層２の磁化にスピントルクを及ぼし、記憶層２の磁化方向を界面磁性層５の磁化方向に平行となるように作用する。これにより、記憶層２の磁化方向が界面磁性層５の磁化方向と平行になる。

【0024】

また、記憶層２の磁化方向を界面磁性層５の磁化方向に対して平行から反平行にする場合には、電子流を記憶層２からシフト調整層１０に向かって流す。この場合、記憶層２を通過した電子はスピン偏極される。このスピン偏極された電子は、非磁性層４を通って界面磁性層５に向かう。スピン偏極された電子のうち、界面磁性層５の磁化方向と同じ方向のスピンを有する電子は、界面磁性層５を通過する。しかし、界面磁性層５の磁化方向と逆方向のスピンを有する電子は、非磁性層４と界面磁性層５との界面で反射され、非磁性層４を通って記憶層２に流入する。記憶層２に流入した電子は、記憶層２の磁化にスピントルクを及ぼし、記憶層２の磁化方向を界面磁性層５の磁化方向とは反平行となるように作用する。これにより、記憶層２の磁化方向が界面磁性層５の磁化方向と反平行になる。

【0025】

（読み出し方法）
次に、第１実施形態および以下の実施形態で説明する磁気抵抗素子からの情報（データ）の読み出し方法について説明する。

【0026】

磁気抵抗素子からの情報の読み出しは、記憶層２およびシフト調整層１０のうちの一方から他方に読み出し電流を流し、磁気抵抗素子１の両端の電圧または電流を測定することにより、記憶層２の磁化方向が界面磁性層５の磁化方向と平行であるか、反平行であるかを判定する。平行である場合は磁気抵抗素子１の両端の電気抵抗が低く、反平行である場合は、磁気抵抗素子１の両端の電気抵抗が高くなる。

【0027】

（第２実施形態）
第２実施形態による磁気抵抗素子の断面を図３に示す。この第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において界面磁性層５と参照層６の間に設けられた機能層７を除去した構造を有している。つまり、界面磁性層５と参照層６とが直接接した構造を有している。

【0028】

なお、図３に示す第２実施形態の磁気抵抗素子２においては、記憶層２、非磁性層４、磁性界面層５、参照層６、反強磁性結合層８、およびシフト調整層１０がこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、シフト調整層１０、反強磁性結合層８、参照層６、磁性界面層５、非磁性層４、および記憶層２が、この順序で積層された構造であってもよい。

【0029】

（第３実施形態）
第３実施形態による磁気抵抗素子の断面を図４に示す。この第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｃは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、界面磁性層５と参照層６との間に、機能層７の代わりに反強磁性結合層８ａを設け、この反強磁性結合層８ａによって界面磁性層５と参照層６の磁化方向が反平行に結合させた構造を有している。

【0030】

反強磁性結合層８ａによって界面磁性層５と参照層６との磁化方向を反平行に結合させることにより、界面磁性層５からの漏れ磁場と参照層６からの漏れ磁場の差分をシフト調整層１０で打ち消せばよい。これにより、記憶層２に掛かる漏れ磁場を低減することが可能となる。このように記憶層２に印加される漏れ磁場が低減すると、シフト調整層１０の膜厚を薄くしても記憶層２に印加される漏れ磁場を打ち消すことが可能となり、磁気抵抗素子を製造する際の加工膜厚の低減に繋がる利点がある。また反強磁性結合層８ａは、第１実施形態で説明した反強磁性結合層８の材料を用いることができる。

【0031】

なお、図４に示す第３実施形態の磁気抵抗素子３においては、記憶層２、非磁性層４、界面磁性層５、反強磁性結合層８ａ、参照層６、反強磁性結合層８、およびシフト調整層１０がこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、シフト調整層１０、反強磁性結合層８、参照層６、反強磁性結合層８ａ、界面磁性層５、非磁性層４、および記憶層２が、この順序で積層された構造であってもよい。

【0032】

（第４実施形態）
第４実施形態による磁気抵抗素子の断面を図５に示す。この第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｄは、図４に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいて、シフト調整層１０の代わりに参照層６と同じ磁化方向を有するシフト調整層１０ａを設けるとともに、反強磁性結合層８の代わりに界面層９を参照層６とシフト調整層１０ａとの間に設けた構造を有している。このような構造により、シフト調整層１０ａと参照層６との磁化の向きが界面層９を介して平行で、かつシフト調整層１０ａと参照層６との磁化の向きが界面磁性層５の磁化の向きに対して反平行になる。この場合も、第３実施形態と同様に界面磁性層５からの漏洩磁界と参照層６からの漏洩磁界との差分をシフト調整層１０ａで打ち消せばよいことになる。界面磁性層５からの漏洩磁界量が参照層６からの漏洩磁界量に比べて大きい場合、記憶層２に印加される漏洩磁界を低減するために、シフト調整層１０ａと参照層６の磁化の向きを平行にする。この場合、界面層９には、反強磁性結合を起こさない非磁性材料（例えば、Ａｌ、Ｓｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等）を用いるか、反強磁性結合が起きないよう膜厚を調整した金属材料（例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ等）を用いるか、または窒化物材料（例えば、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＶＮなど）などを用いる。

【0033】

なお、図５に示す第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｄにおいては、記憶層２、非磁性層４、界面磁性層５、反強磁性結合層８ａ、参照層６、界面層９、およびシフト調整層１０ａがこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、シフト調整層１０ａ、界面層９、参照層６、反強磁性結合層８ａ、界面磁性層５、非磁性層４、および記憶増２が、この順序で積層された構造であってもよい。

【0034】

（第５実施形態）
第５実施形態による磁気抵抗素子の断面を図６に示す。この第５実施形態の磁気抵抗素子１Ｅは、図５に示す第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｄにおいて、界面層９およびシフト調整層１０ａを削除した構造を有している。この場合、磁化方向が反平行に結合して漏洩磁界を打ち消すことができるよう界面磁性層５および参照層６の飽和磁化をそれぞれ調整する。これにより、シフト調整層１０ａが不要となる。これに付随して界面層９も不要となる。このように、界面層９およびシフト調整層１０ａが不要になると、磁気抵抗素子を製造する際の加工膜厚が大幅に低減することができ、素子サイズの微細化が容易になり、大容量化に寄与することが可能となる。

【0035】

なお、図６に示す第５実施形態の磁気抵抗素子１Ｅにおいては、記憶層２、非磁性層４、界面磁性層５、反強磁性結合層８ａ、および参照層６がこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、参照層６、反強磁性結合層８ａ、界面磁性層５、非磁性層４、および記憶増２が、この順序で積層された構造であってもよい。

【0036】

（参照層６）
次に、上記第１乃至第５実施形態およびそれらの変形例に用いられる参照層６について以下に詳細に説明する。

【0037】

上記実施形態およびその変形例における磁気抵抗素子の参照層には、一般的に磁性遷移元素の群（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群）から選択される少なくとも１つの元素と、貴金属元素の群（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群）から選択される少なくとも１つの元素との合金（例えば、ＣｏＰｔなど）等が用いられる。

【0038】

しかしながら、記憶層に印加される漏洩磁界を低減するために、より低飽和磁化Ｍｓにすることが望ましい。参照層を低飽和磁化にするための一般的に知られた方法として、２つの磁性層の磁化の向きを反平行結合させるために２つの磁性層の間にＲｕなどの反強磁性結合層を挿入する方法が用いられる。しかし、この方法で得られる２つの磁性層に作用する層間交換結合力はそれほど大きくなく、数ｋＯｅ程度の外部磁界で２つの磁性層の磁化が反平行から平行方向に変化してしまう。このため、参照層の飽和磁化Ｍｓの低減を目的とした用途には向かない。従って、上記した理由から参照層を低飽和磁化にしつつ参照層内の磁気結合を十分に確保する方法が要求される。そこで、本発明者達は、以下に示す各種の実験を行った。

【0039】

まず、厚さが１８ÅのＣｏＰｔ磁性層と厚さが１８ÅのＣｏＰｔ磁性層との間に、厚さが異なる重希土類元素Ｇｄ層を挿入したＣｏＰｔ／Ｇｄ／ＣｏＰｔの積層構造を３種類用意した。用意した３種類の積層構造は、Ｇｄ層の厚さが６Å、１０Å、１５Åであり、これらの３種類の積層構造の磁化曲線を図７Ａ、７Ｂ、７Ｃにそれぞれ示す。横軸はＧｄ層の厚さを示し、縦軸は、積層構造の磁化Ｍ（ｅｍｕ／ｃｃ）を示す。

【0040】

図７Ａ、７Ｂ、７Ｃからわかるように、１０ｋＯｅの外部磁場を印可してもＧｄ層の膜厚に関わらず、上下のＣｏＰｔ層の磁化方向の関係が変化した場合に現れる磁化Ｍの増減を示す段差は生じない。つまり、ＣｏＰｔ／Ｇｄ／ＣｏＰｔからなる積層構造は一つの磁性膜として振る舞うことを示しており、Ｇｄ層を介して２つのＣｏＰｔ層は強固に磁気結合していることを意味している。

【0041】

次に、厚さが１８ÅのＣｏＰｔ層と、厚さがｔÅのＧｄ層との積層膜[ＣｏＰｔ（１８Å）／Ｇｄ（ｔÅ）]を１ユニットとして、これを３回繰り返して積層した積層構造を用意した。なお、各積層構造においてはＧｄ層の厚さｔは同じであり、Ｇｄ層の厚さｔがｔ＝０、２、３、４Åである４種類の積層構造を用意した。これら４種類の積層構造の飽和磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）と積層構造の厚さＴ（Å）の積（以下、Ｍｓ×Ｔと呼ぶ）と、Ｇｄ層の厚さｔの関係を測定した結果を図８に示す。ここで、Ｍｓ×Ｔは磁性膜全体の磁化量を示す値である。図８からわかるように、Ｇｄ層の厚さｔの増大に伴いＭｓ×Ｔが低下することを示している。

【0042】

これら図７Ａ乃至図８の実験結果からわかるように、２つのＣｏＰｔ磁性層の間にＲｕ層を挿入した場合と比較して、Ｇｄ層を挿入した場合では磁気結合が強固であり磁化も低減することを示している。

【0043】

次に、厚さが１８ÅのＣｏＰｔ層と、厚さがｔÅのＴｂ層との積層膜[ＣｏＰｔ（１８Å）／Ｇｄ（ｔÅ）]を１ユニットとして、これを３回繰り返し積層した積層構造を用意した。なお、各積層構造においてはＴｂ層の厚さｔは同じであり、Ｔｂ層の厚さｔがｔ＝０、２、３、４Åである４種類の積層構造を用意した。これら４種類の積層構造の飽和磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）と積層構造の厚さＴの積（以下、Ｍｓ×Ｔと呼ぶ）と、Ｔｂ層の厚さｔ（Å）の関係を測定した結果を図９に示す。図９からわかるように、Ｔｂ層の挿入の場合でもＧｄ層の挿入の場合と同様に、Ｔｂ層の厚さｔの増大に伴い、Ｍｓ×ｔが低減する。従って、Ｔｂ層の挿入の場合でもＧｄ層の挿入と同様の効果を得ることを示している。

【0044】

図７Ａ乃至図９に示した実験結果が示す、挿入したＧｄ層またはＴｂ層の厚さの増大に伴ってＭｓ×ｔが低減する理由は以下のように考えられる。

【0045】

ＧｄやＴｂなどの重希土類元素（Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）は、磁性遷移元素（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）とフェリ結合を作り易い性質があると考えられる。このため、上記ＧｄやＴｂに限らず重希土類元素を用いた場合は同様の結果を得ることが出来ると考えられる。また、ＧｄやＴｂ層の厚さｔの増大でＭｓ×ｔがより低減するのは、ＣｏＰｔとフェリ結合する部分が大きくなるためと考えられる。

【0046】

上述したように、強固な磁気結合を有し、且つ上記第１乃至第５実施形態に用いられる参照層６の飽和磁化Ｍｓを低減させるために、参照層６は磁性遷移元素の群（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群）から選択される少なくとも１つの元素と、貴金属元素の群（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群）から選択される少なくとも１つの元素と、重希土類元素の群（Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群）から選択される少なくとも１つの元素とを含む磁性体を用いればよい。

【0047】

また、後述する図１０からわかるように、参照層６の飽和磁化Ｍｓを低減させるために、参照層６は磁性遷移元素の群（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群）から選択される少なくとも１つの元素と貴金属元素の群（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群）から選択される少なくとも１つの元素とを含む第１層と、重希土類元素の群（Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群）から選択される少なくとも１つの元素を含む第２層との積層構造であってもよい。なお、第２層として、上記重希土類元素の群から選択される少なくとも１つの元素からなる単一層を用いることができる。

【0048】

（機能層７）
次に、上記第１実施形態に用いられる機能層７について以下に詳細に説明する。

【0049】

ＣｏＰｔ層上に異なる厚さを有するＧｄ層（厚さが０、１５、３０、５０Å）をそれぞれ成膜した場合のＣｏＰｔ層の飽和磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）と、Ｇｄ層の厚さ（Å）との関係を測定した結果を図１０に示す。図１０からわかるように、Ｇｄ層の厚さを厚くするとＣｏＰｔ層の飽和磁化Ｍｓが低下していくことを示している。つまり、図７Ａ乃至図８では２つのＣｏＰｔ層の間にＧｄ層を挿入することでＭｓ×Ｔを低減する効果が示した。しかし、図１０に示すように、ＣｏＰｔ層とＧｄ層を隣接させるだけでもＣｏＰｔ層の飽和磁化Ｍｓを低減する効果が得られることを示している。

【0050】

次に、厚さが３０ÅのＴａからなる下地層上に、厚さの異なるＧｄ層（厚さは０、５、１０Å）を成膜し、これらのＧｄ層上にそれぞれ厚さが２００ÅのＳｍＣｏＣｕ層を成膜した場合のＳｍＣｏＣｕ層の飽和磁化ＭｓとＧｄ層の厚さとの関係を測定した結果を図１１に示す。ここで、上記機能層７とともにＳｍＣｏＣｕ層は参照層用の磁性体として用いられる。ＳｍＣｏＣｕからなる参照層は、磁性遷移元素の群（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群）から選択される少なくとも１つの元素と、希土類元素の群（Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群）から選択される少なくとも１つの元素と、非磁性元素の群（Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群）から選択される少なくとも１つの元素とを含む磁性体の群の１つの例である。参照層として、上記した磁性遷移元素の群、希土類元素の群、および非磁性元素の群からそれぞれ選択された元素を含む何れの磁性材料でもよい（例えば、本出願人によって出願された特願２０１４−１９１６６９号参照）。

【0051】

また、上記ＳｍＣｏＣｕからなる参照層については、後述する図１２および図１３に示す実施例に用いたＳｍＣｏＣｕ参照層についても同様のことが当てはまる。図１１からわかるように、Ｇｄ層の厚さの増大に伴いＳｍＣｏＣｕ層の飽和磁化Ｍｓが低減する。つまり、図１０に示した実験結果と同様に、ＳｍＣｏＣｕ層の飽和磁化ＭｓもＧｄ層を隣接させるだけで低減することが可能となることを示している。この理由としては、上記した重希土類元素と磁性遷移元素はフェリ結合を起こしやすいことが考えられる。従って図１０および図１１の実験ではＧｄ層を用いて検証したが、重希土類元素の群（Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群）から選択される少なくとも１つの元素を含む層を隣接させる場合も上記の実験と同様の効果を得ることができると考えられる。

【実施例】

【0052】

（実施例１）
次に、記憶層および界面磁性層にＣｏＦｅＢを用い、非磁性層にＭｇＯを用い、参照層としてＳｍＣｏＣｕを用いた図１に示す第１実施形態の実施例１による磁気抵抗素子と、実施例１の磁気抵抗素子において参照層としてＳｍＣｏＣｕの代わりにＣｏＰｔを用いた参照例の磁気抵抗素子のトンネル磁気抵抗効果比（以下、ＴＭＲ比と呼ぶ）を測定した結果を図１２に示す。

【0053】

ＳｍＣｏＣｕ参照層を用いた磁気抵抗素子においては、ＳｍＣｏＣｕ参照層と界面磁性層の間に挿入する機能層の材料としてＴｉ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔ（厚さは何れも３Å）を用いてＴＭＲ比を測定した。図１２からわかるように、機能層としてＴｉ層を挿入した場合（グラフｇ_２）では、参照例（グラフｇ_１）と殆ど同等のＴＭＲ比を得られる。また、ＴａおよびＲｕをそれぞれ機能層として用いた場合（グラフｇ_３およびｇ_４）は、参照例やＴｉからなる機能層の場合（グラフｇ_１およびグラフｇ_２）に比べてＴＭＲ比は若干低減するが比較的良好なＴＭＲ比を得ることが出来る。これらに対し、Ｐｔからなる機能層を用いた場合（グラフｇ_５）では、上記の場合と比較してＴＭＲ比が低下する。

【0054】

このようにＳｍＣｏＣｕ参照層を用いた磁気抵抗素子で、ＴＭＲ比が機能層の材料により大きく変化する理由として、希土類元素（図１２の実施例ではＳｍ）の拡散等による界面磁性層のスピン分極率等の劣化、酸化物トンネルバリア層の酸素引き抜き効果が影響すると考えられる。つまり、機能層としてＴｉを用いた場合は、Ｔｉの結晶構造が六方晶構造でありＳｍＣｏＣｕからなる参照層と同様の結晶構造を有するため、ＳｍＣｏＣｕからなる参照層の結晶規則化を促進および安定化するので参照層を構成する希土類元素などの拡散がより抑制される。これにより、ＳｍＣｏＣｕからなる参照層を用いない場合のＴＭＲ比と同等のＴＭＲ比を得ることが可能と考えられる。このような効果はＴｉに限らず六方晶構造を有する材料、例えば、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＺｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む材料を用いた場合でも期待できる。

【0055】

図１２の実施例１に示すように、機能層としてＲｕを用いた場合（グラフｇ_４）でも比較的良好なＴＭＲ比を得られた理由も上述した場合と同様で、Ｒｕの結晶構造が六方晶構造であるためと考えられる。

【0056】

また、機能層としてＴａを用いた場合（グラフｇ_３）において、比較的良好なＴＭＲ比が得られた理由として、Ｔａは高融点材料のため結晶化が難しくアモルファス或いは微結晶構造を持つため、ＳｍＣｏＣｕからなる参照層の結晶規則化を阻害せず結晶構造が安定化し易く、参照層の構成元素の拡散が抑制されるためと考えられる。これは、ＣｏＦｅＢからなる界面磁性層の立方晶構造をＴａ機能層でリセットすることが出来ることによる効果と考えられる。このような効果はＴａに限らず高融点材料、例えば、Ｎｂ、Ｍｏ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む材料を用いた場合でも期待できる。

【0057】

（実施例２）
ＳｍＣｏＣｕからなる参照層を用いた第１実施形態の実施例２による磁気抵抗素子のＴｉからなる機能層の膜厚とＴＭＲ比との関係を測定した結果を図１３に示す。図１２の実施例１で用いたＳｍＣｏＣｕからなる参照層を有する磁気抵抗素子との違いはＣｏＦｅＢからなる界面磁性層の膜厚を薄膜化している点である。このため、図１３の実施例２で得られたＴＭＲ比は図１２に示す実施例１の場合に比べて全体的に低下している。図１３からわかるように、Ｔｉからなる機能層の厚さが厚くなるほどＴＭＲ比は増大し、Ｔｉからなる機能層の厚さが３Åで参照例の磁気抵抗素子のＴＭＲ比とほぼ同等のＴＭＲ比を得ることが出来る。従って、Ｔｉ機能層を単層の機能層として用いる場合は、厚さが３Å以上で、且つ参照層と界面磁性層の磁気結合が切れてしまわない膜厚（例えば、０Åより大きく２０Å以下）の範囲であることが望ましいと考えられる。これは、機能層としてＴｉを用いた場合に限らず、図１２の実施例１に関連して挙げた六方晶構造を有する材料、例えばＭｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、およびＺｎからなる群から選択される少なくとも一つの元素を含む材料、または高融点材料、例えばＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも一つの元素を含む材料でも同様と考えられる。

【0058】

上記第１実施形態に用いられる機能層７について上述したことを総合すると、以下のようになる。参照層からの漏洩磁界を低減しつつ良好なＴＭＲ比を実現するためには、機能層７としては、漏洩磁界の低減に寄与する重希土類元素の群（Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群）から選択された少なくとも一つの元素からなる単一層、高ＴＭＲ比に寄与する金属元素（六方晶構造を有する材料（Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎからなる群から選択された少なくとも一つの元素）を含む単一層、または高融点材料、例えばＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも一つの元素を含む単一層を用いることが望ましい。

【0059】

また、機能層７として、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む第１層と、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｚｎからなる群から選択された少なくとも一つの元素、またはＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも一つの元素を含む第２層とを備えた積層構造を用いることが望ましい。なお、第１層として、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群から選択された少なくとも１つの元素からなる単一層を用いることができる。

【0060】

なお、上記機能層７が用いられる磁気抵抗素子において、参照層としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群から選択される少なくとも１つの元素と、希土類元素からなる群から選択されたＳｍと、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素と、を含む磁性体を用いることが好ましい。また、上記参照層としては、更に、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群から選択される少なくとも１つの元素を含んでいてもよい。

【0061】

（第６実施形態）
第６実施形態による磁気メモリについて図１４および図１５を参照して説明する。第６実施形態の磁気メモリは少なくとも１個のメモリセルを有し、このメモリセルの断面図を図１４に示す。メモリセル５３は、第１乃至第５実施形態の磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）を記憶素子として有している。以下の説明では、メモリセル５３は、第１実施形態の磁気抵抗素子１を記憶素子として備えているものとする。

【0062】

図１４に示すように、磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）１の上面は、上部電極３１を介してビット線３２に接続されている。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、およびプラグ３５、４１は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕのいずれかの元素から形成されている。

【0063】

本実施形態の磁気メモリとしてのＭＲＡＭは、図１４に示す１つのメモリセル５３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。

【0064】

図１５は第６実施形態による磁気メモリ１００の回路図である。図１５に示すように、ＭＴＪ素子１と選択トランジスタＴｒとを備えたメモリセル５３がマトリクス状に配置されている。同じ列に属するメモリセル５３の一方の端子は同一のビット線３２に接続され、他方の端子は同一のビット線４２に接続されている。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。

【0065】

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。

【0066】

ビット線４２は、また、読み出し回路５２に接続されている。読み出し回路５２は、ビット線３２に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。

【0067】

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がオンすることにより、書き込み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。

【0068】

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。

【0069】

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５２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。

【0070】

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。

【0071】

以上説明したように、各実施形態によれば、漏洩磁界を低減することができ磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリを提供することができる。

【0072】

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】

【0073】

１ 磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）
２ 記憶層
４ 非磁性層
５ 界面磁性層
６ 参照層
７ 機能層
８ 反強磁性結合層
８ａ 反強磁性結合層
１０ シフト調整層
１０ａ シフト調整層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】