(57)【要約】      （修正有）【課題】磁性層を３段以上有する参照層を備え、参照層の磁化が反転する電流と記録層の書き込み電流Ｉｃの間のマージンを広く取れる素子構成により書き込みエラー率を低減させ、かつ、参照層からの漏れ磁界の影響をより少なくすることにより熱安定性指数Δを向上させた、磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子は、第１の記録層Ａ１と、第１の非磁性層１１と、第１の参照層Ｂ１を備える。第１の参照層Ｂ１は、ｎ個の複数の磁性層２１、２２、・・・２ｎと、複数の磁性層のそれぞれの間に隣接して挟まれた（ｎ−１）個の複数の非磁性挿入層３１、３２、・・・３（ｎ−１）を含み、ｎ≧３である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の記録層（Ａ１）と、
前記第１の記録層（Ａ１）に隣接して設けられた第１の非磁性層（１１）と、
前記第１の非磁性層（１１）の前記第１の記録層（Ａ１）とは反対側に隣接して設けられた第１の参照層（Ｂ１）を備え、
前記第１の参照層（Ｂ１）は、ｎ個の複数の磁性層（２１、２２、・・・２ｎ）と、前記複数の磁性層のそれぞれの間に隣接して挟まれた（ｎ−１）個の複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））を含み、ｎ≧３であり、
前記複数の磁性層のうち第１の磁性層（２１）は前記第１の非磁性層（１１）に隣接して設けられ、
前記第１の参照層（Ｂ１）の磁化の向きは、膜面垂直方向に固定されており、
前記複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））のそれぞれは、隣接した２つの磁性層間を反強磁性結合する、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））のそれぞれは、Ｒｕ又はＩｒを含み、
前記Ｒｕの膜厚は０．９±０．２ｎｍ又は０．４±０．１５ｎｍであり、
前記Ｉｒの膜厚は０．５±０．１５ｎｍ又は１．３５±０．１ｎｍである、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１の参照層（Ｂ１）からの漏れ磁界による前記第１の記録層（Ａ１）に対するシフト磁界Ｈｓは、前記第１の記録層（Ａ１）の保磁力Ｈｃより小さい、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記シフト磁界Ｈｓは、前記保磁力Ｈｃの０．２以下である、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記複数の磁性層（２１、２２、・・・２ｎ）のそれぞれはＣｏを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記複数の磁性層（２１、２２、・・・２ｎ）のそれぞれは、隣接する前記非磁性挿入層との界面にＣｏ層（２１３）を備える、請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接してＣｏ又はＦｅを含む界面磁性層（２１１）と、前記界面磁性層（２１１）の第１の非磁性層（１１）と反対側に隣接して設けられた非磁性結合層（４１）と、前記非磁性結合層（４１）の前記界面磁性層（２１１）と反対側に隣接して設けられたＣｏを含むＣｏ磁性層（２１２）を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記複数の磁性層の数はｎ≧４であり、
前記複数の磁性層及び前記複数の非磁性挿入層は、
前記第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられた第１の非磁性挿入層（３１）と、
前記第１の非磁性挿入層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられた第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性挿入層（３１）とは反対側に隣接して設けられた第２の非磁性挿入層（３２）と、
前記第２の非磁性挿入層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられた第３の磁性層（２３）と、
前記第３の磁性層（２３）の前記第２の非磁性挿入層（３２）とは反対側に隣接して設けられた第３の非磁性挿入層（３３）と、
前記第３の非磁性挿入層（３３）の前記第３の磁性層（２３）とは反対側に隣接して設けられた第４の磁性層（２４）と、
を含む構成を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記複数の磁性層の数はｎ＝４であり、
前記第１の磁性層（２１）の磁化Ｍ１及び前記第３の磁性層（２３）の磁化Ｍ３の和は、前記第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２及び前記第４の磁性層（２４）の磁化Ｍ４の和以下である、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の磁性層（２１）の磁化Ｍ１は前記第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２より小さい、請求項８又は９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記複数の磁性層の数はｎ＝４であり、
前記第１の磁性層（２１）の膜厚ｔ１及び前記第３の磁性層（２３）の膜厚ｔ３の和は、前記第２の磁性層（２２）の膜厚ｔ２及び前記第４の磁性層（２４）の膜厚ｔ４の和以下である、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記第１の磁性層（２１）の膜厚ｔ１は前記第２の磁性層（２２）の膜厚ｔ２より小さい、請求項８又は１１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第３の磁性層（２３）の膜厚ｔ３は前記第４の磁性層（２４）の膜厚ｔ４より大きい、請求項１１又は１２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第３の磁性層（２３）の膜厚ｔ３は前記第４の磁性層（２４）の膜厚ｔ４より小さい、請求項１１又は１２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記複数の磁性層の数はｎ＝４であり、
前記第１の磁性層（２１）と前記第２の磁性層（２２）の間の反強磁性結合力Ｊ１２は、前記第２の磁性層（２２）と前記第３の磁性層（２３）の間の反強磁性結合力Ｊ２３より大きい、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記第３の磁性層（２３）と前記第４の磁性層（２４）の間の反強磁性結合力Ｊ３４は、前記第２の磁性層（２２）と前記第３の磁性層（２３）の間の反強磁性結合力Ｊ２３より大きい、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
前記複数の磁性層の数はｎ＝４であり、
前記第１の非磁性挿入層（３１）及び前記第３の非磁性挿入層（３３）は、膜厚０．４±０．１５ｎｍのＲｕであり、
前記第２の非磁性挿入層（３２）は膜厚０．９±０．２ｎｍのＲｕである、請求項８〜１６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
前記複数の磁性層の数はｎ＝４であり、
前記第１の非磁性挿入層（３１）及び前記第３の非磁性挿入層（３３）は、膜厚０．５±０．１５ｎｍのＩｒであり、
前記第２の非磁性挿入層（３２）は膜厚０．９±０．２ｎｍのＲｕである、請求項８〜１６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
前記複数の磁性層の数はｎ＝３であり、
前記複数の磁性層及び前記複数の非磁性挿入層は、
前記第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられた第１の非磁性挿入層（３１）と、
前記第１の非磁性挿入層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられた第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性挿入層（３１）とは反対側に隣接して設けられた第２の非磁性挿入層（３２）と、
前記第２の非磁性挿入層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられた第３の磁性層（２３）と、
を備え、
前記第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２は、前記第１の磁性層（２１）の磁化Ｍ１及び前記第３の磁性層（２３）の磁化Ｍ３の和より大きい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２０】
前記複数の磁性層の数はｎ＝３であり、
前記複数の磁性層及び前記複数の非磁性挿入層は、
前記第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられた第１の非磁性挿入層（３１）と、
前記第１の非磁性挿入層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられた第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性挿入層（３１）とは反対側に隣接して設けられた第２の非磁性挿入層（３２）と、
前記第２の非磁性挿入層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられた第３の磁性層（２３）と、
を備え、
前記第２の磁性層（２２）の膜厚ｔ２は、前記第１の磁性層（２１）の膜厚ｔ１及び前記第３の磁性層（２３）の膜厚ｔ３の和より大きい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２１】
前記第１の記録層（Ａ１）の前記非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられるキャップ層（Ｃ１）と、
前記キャップ層（Ｃ１）の前記第１の記録層（Ａ１）とは反対側に隣接して設けられる上部電極層（Ｅ２）と、
前記第１の参照層（Ｂ１）の前記非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられる下地層（Ｓ１）と、
前記下地層（Ｓ１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられる下部電極層（Ｅ１）と、
をさらに備える、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２２】
前記第１の参照層（Ｂ１）の前記非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられるキャップ層（Ｃ１）と、
前記キャップ層（Ｃ１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられる上部電極層（Ｅ２）と、
前記第１の記録層（Ａ１）の前記非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられる下地層（Ｓ１）と、
前記下地層（Ｓ１）の前記第１の記録層（Ａ１）とは反対側に隣接して設けられる下部電極層（Ｅ１）と、
をさらに備える、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２３】
前記第１の記録層（Ａ１）の前記第１の非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（１２）と、
前記第２の非磁性層（１２）の前記第１の記録層（Ａ１）とは反対側に隣接して設けられる第２の参照層（Ｂ２）と、
をさらに備え、
前記第２の参照層（Ｂ２）は、ｎ個の複数の磁性層（２１、２２、・・・２ｎ）と、前記複数の磁性層のそれぞれの間に隣接して挟まれた（ｎ−１）個の複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））を含み、ｎ≧３であり、
前記複数の磁性層のうち第１の磁性層（２１）は前記第１の非磁性層（１１）に隣接して設けられ、
前記第２の参照層（Ｂ２）の磁化の向きは、膜面垂直方向に固定されており、
前記複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））のそれぞれは、隣接した２つの磁性層間を反強磁性結合する、磁気抵抗効果素子。
【請求項２４】
第１の記録層（Ａ１）と、
前記第１の記録層（Ａ１）に隣接して設けられた第１の非磁性層（１１）と、
前記第１の非磁性層（１１）の前記第１の記録層（Ａ１）とは反対側に隣接して設けられた第１の参照層（Ｂ１）を備え、
前記第１の参照層（Ｂ１）は、ｎ個の複数の磁性層（２１、２２、・・・２ｎ）と、前記複数の磁性層のそれぞれの間に隣接して挟まれた（ｎ−１）個の複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））を含み、ｎ≧３であり、
前記複数の磁性層のうち第１の磁性層（２１）は前記第１の非磁性層（１１）に隣接して設けられ、
前記第１の参照層（Ｂ１）の磁化の向きは、膜面垂直方向に固定されており、
前記複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））のそれぞれは、Ｒｕ又はＩｒを含み、
前記Ｒｕの膜厚は０．９±０．２ｎｍ又は０．４±０．１５ｎｍであり、
前記Ｉｒの膜厚は０．５±０．１５ｎｍ又は１．３５±０．１ｎｍである、磁気抵抗効果素子。
【請求項２５】
前記複数の磁性層の数はｎ≧４である、請求項２４に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２６】
前記複数の磁性層の数はｎ＝４であり、
前記第１の磁性層（２１）の磁化Ｍ１と膜厚ｔ１の積、及び、前記第３の磁性層（２３）の磁化Ｍ３と膜厚ｔ３の積の和は、
前記第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２と膜厚ｔ２の積、及び、前記第４の磁性層（２４）の磁化Ｍ４と膜厚ｔ４の積の和以下である、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２７】
前記複数の磁性層の数はｎ＝３であり、
前記複数の磁性層及び前記複数の非磁性挿入層は、
前記第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の非磁性層（１１）とは反対側に隣接して設けられた第１の非磁性挿入層（３１）と、
前記第１の非磁性挿入層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられた第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性挿入層（３１）とは反対側に隣接して設けられた第２の非磁性挿入層（３２）と、
前記第２の非磁性挿入層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられた第３の磁性層（２３）と、
を備え、
前記第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２と膜厚ｔ２の積は、前記第１の磁性層（２１）の磁化Ｍ１と膜厚ｔ１の積及び前記第３の磁性層（２３）の磁化Ｍ３と膜厚ｔ３の積の和より大きい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項２８】
請求項１〜２７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備える、磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、及び、該磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリに関する。特に、参照層の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；磁気メモリ）は、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；磁気トンネル接合）を利用した不揮発性メモリである。
待機時に電力を消費せず、高速動作性及び高書き込み耐性を有し、また、メモリサイズを微細化可能であるＭＲＡＭは、次世代の論理集積回路として注目されている。
【０００３】
ＭＲＡＭに使用される磁気抵抗効果素子は、記録層と参照層の間に障壁層となる非磁性層が挟まれた構造を基本とする。ＭＲＡＭの磁性層（記録層）に記録されたビット情報は、障壁層ならびにその上下に形成される記録層及び参照層の磁化状態に依存して発現するＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；トンネル磁気抵抗）効果を用いて読み出される。
【０００４】
ところで、磁気抵抗効果素子であるＭＲＡＭで応用上重要となる特性は、（ｉ）熱安定性指数Δが大きいこと、（ｉｉ）書き込み電流ＩCが小さいこと、（ｉｉｉ）磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）が大きいこと、（ｉｖ）素子サイズが小さいことである。（ｉ）は磁気メモリの不揮発性のため、（ｉｉ）はセルトランジスタのサイズを小さくしてセルサイズを小さくし、また消費電力を下げるため、（ｉｉｉ）は高速での読み出しに対応するため、（ｉｖ）はセル面積を小さくして大容量化するために要求される特性である。
【０００５】
さらに、上記（ｉｉ）の特性に関連し、参照層の固定された磁化が反転を起こす電流と、記録層の書き込み電流Ｉｃの間のマージンを広く取ることが求められてきている。両電流の値が近接すると、記録層の書き込みにおいて書き込みエラー率が上がってしまうからである。
また、上記（ｉ）の特性に関連し、記録層に対し参照層からの漏れ磁界をなるべく低減させることが求められてきている。漏れ磁界の影響が大きいと、いずれか一方の磁化状態における記録層の熱安定性指数Δが下がってしまうからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４５９５５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の参照層は、特許文献１等に公開されているように、図３１に示す２段構成を有するのが一般的である。すなわち、参照層（Ｂ１）は２つの磁性層（２１、２２）及びＲｕに代表される非磁性挿入層（３１）を備え、２つの磁性層（２１、２２）は非磁性挿入層（３１）のＲｕを介して反強磁性結合している。
ここで、ＲｕはＲｕ膜の膜厚に依存して反強磁性結合の強さが変化し、膜厚０．４±０．１５ｎｍで最大の反強磁性結合力Ｊ１２が得られる。しかしながら、耐熱性が十分でないため、ＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）等の回路製造におけるバックエンドプロセスの４００℃での熱処理で反強磁性結合の劣化が生じやすかった。
そこで、Ｒｕ膜では２番目に大きな反強磁性結合を示す膜厚０．９±０．２ｎｍに調整し、参照層の非磁性挿入層（３１）として利用していた。
【０００８】
しかしながら、膜厚０．９±０．２ｎｍにおける反強磁性結合力は、膜厚０．４±０．１５ｎｍにおける反強磁性結合力に比べて弱いため、２つの磁性層（２１、２２）の結合力が弱く、参照層の固定された磁化が反転を起こしてしまう電流値が小さくなる、という問題があった。すなわち、参照層の固定された磁化が反転する電流と、記録層の書き込み電流Ｉｃの間のマージンを広く取ることができず、書き込みエラー率が増加するという課題があった。
【０００９】
また、図３１の従来例の参照層（Ｂ１）の磁性層のうち、最も記録層（Ａ１）に近い磁性層（２１）からの漏れ磁界が大きく、シフト磁界Ｈｓが発生し、特に磁化状態が並行の場合に記録層（Ａ１）の熱安定性指数Δと相関する実効的な保磁力Ｈｃ′が下がり、素子の熱安定性指数Δが低下するという課題も生じていた。
【００１０】
さらに、従来例の参照層（Ｂ１）の磁性層の内、最も記録層に近い磁性層からの漏れ磁界の影響を低減するためには、非磁性挿入層の下に配置される磁性層２２の磁性層膜厚を増加させることが有効であるが、その場合には、同時に反強磁性結合の強さが低下するために、参照層が反転する電流と記録層が反転する電流の間のマージンが狭くなるという問題が生じる。つまり、従来例では、参照層が反転する電流と記録層が反転する電流の間のマージンを十分に広くすることと、参照層からの漏れ磁界を十分に小さくすることを両立することが難しいという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記実情に鑑み、磁性層を３段以上有する参照層を備え、参照層の磁化が反転する電流と記録層の書き込み電流Ｉｃの間のマージンを広く取れる素子構成により書き込みエラー率を低減させ、かつ、参照層からの漏れ磁界の影響をより少なくすることにより熱安定性指数Δを向上させた、磁気抵抗効果素子を見出し、完成させるに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）と、前記第１の記録層（Ａ１）に隣接して設けられた第１の非磁性層（１１）と、前記第１の非磁性層（１１）の前記第１の記録層（Ａ１）とは反対側に隣接して設けられた第１の参照層（Ｂ１）を備え、前記第１の参照層（Ｂ１）は、ｎ個の複数の磁性層（２１、２２、・・・２ｎ）と、前記複数の磁性層のそれぞれの間に隣接して挟まれた（ｎ−１）個の複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））を含み、ｎ≧３であり、前記複数の磁性層のうち第１の磁性層（２１）は前記第１の非磁性層（１１）に隣接して設けられ、前記第１の参照層（Ｂ１）の磁化の向きは、膜面垂直方向に固定されており、前記複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））のそれぞれは、隣接した２つの磁性層間を反強磁性結合することを特徴とする。
【００１３】
前記複数の非磁性挿入層（３１、３２、・・・３（ｎ−１））のそれぞれは、Ｒｕ又はＩｒを含み、前記Ｒｕの膜厚は０．９±０．２ｎｍ又は０．４±０．１５ｎｍであり、前記Ｉｒの膜厚は０．５±０．１５ｎｍ又は１．３５±０．１ｎｍであることが望ましい。
【００１４】
また、本発明の磁気メモリは、上述の磁気抵抗効果素子を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、参照層の磁化が反転する電流と記録層の書き込み電流Ｉｃの間のマージンを広く取れる素子構成により書き込みエラー率を低減させ、かつ、参照層からの漏れ磁界の影響をより少なくすることにより熱安定性指数Δを向上させた、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の一例の縦断面図を示す。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図３】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図４】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図７】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図８】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図９】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１０】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１１】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１２】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１３】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１４】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１５】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１６】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１７】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１８】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図１９】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図２０】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図２１】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図２２】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図２３】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図２４】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図２５】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。
【図２６】磁性層の膜厚を変えた場合の、フルスタックによる評価用参照層の構成と各磁化曲線を示す。
【図２７Ａ】磁性層の膜厚を変えた場合の、フルスタックによるトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）及び抵抗面積積（ＲＡ）を示す。
【図２７Ｂ】磁性層の膜厚を変えた場合の、フルスタックによる交換結合磁界（Ｈex1）を示す。
【図２８】磁性層の膜厚を変えた場合の、フルスタックによる評価用参照層の構成と各磁化曲線を示す。
【図２９Ａ】磁性層の膜厚を変えた場合の、フルスタックによるトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）及び抵抗面積積（ＲＡ）を示す。
【図２９Ｂ】磁性層の膜厚を変えた場合の、フルスタックによる交換結合磁界（Ｈex1）を示す。
【図３０】本発明の磁気抵抗効果素子を複数個配置した磁気メモリのブロック図の一例である。
【図３１】従来の磁気抵抗効果素子の構成の一例の縦断面図を示す。
【図３２】Ｒｕの膜厚と層間交換結合エネルギーＪｅｘの関係を表したグラフである。
【図３３】Ｉｒの膜厚と層間交換結合エネルギーＪｅｘの関係を表したグラフである。
【図３４Ａ】（ａ）に従来の磁性層２段の参照層の一例を示す。（ｂ）に本発明の参照層の一例を示す。（ｃ）に、（ａ）及び（ｂ）の磁化曲線を示す。
【図３４Ｂ】（ａ）に本発明の参照層の一例を示し、（ｂ）にＣｏ／Ｐｔ層の詳細（一部拡大図）を示す。
【図３５Ａ】磁性層の磁化及び反強磁性結合力と、漏れ磁界の概念図を示す。（ａ）磁化がＭ２＞Ｍ１、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｂ）磁化がＭ１＞Ｍ２、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｃ）磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｄ）磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ３４＞Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図をそれぞれ示す。
【図３５Ｂ】磁性層の磁化及び反強磁性結合力と、漏れ磁界の概念図を示す。（ａ）磁化がＭ２＞Ｍ１、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｂ）磁化がＭ１＞Ｍ２、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｃ）磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｄ）磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３、反強磁性結合力がＪ１２＞Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図をそれぞれ示す。
【図３６】記録層の保磁力Ｈｃとシフト磁界Ｈｓの関係の概念図である。（ａ）保磁力Ｈｃが低抵抗状態にシフトした状態、（ｂ）保磁力Ｈｃにシフト磁界Ｈｓの影響がない状態、（ｃ）保磁力Ｈｃが高抵抗状態にシフトした状態を示す。
【図３７】第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２、及び、第４の磁性層（２４）の磁化Ｍ４を、膜厚ｔ２及びｔ４により変化させた場合の、参照層の構成と、各磁化曲線を示す。
【図３８】第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２を、積層回数により変化させた場合の、（ａ）参照層の構成、（ｂ）シフト磁界との関係を示す。
【図３９】各磁性層の磁化を変化させた場合の、参照層の構成及び磁化曲線である。
【図４０】各磁性層の磁化を変化させた場合の、交換結合磁界Ｈex1を示す。
【図４１】各非磁性挿入層の反強磁性結合力を変化させた場合の、参照層の構成及び磁化曲線である。
【図４２】各非磁性挿入層の反強磁性結合力を変化させた場合の、交換結合磁界Ｈex1を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリについて、詳細を説明する。
なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。また、図面に示された幅等は、必ずしも実際の比率とはなっていない。
【００１８】
（実施の形態１）
―素子の構成―
図１に、本発明の実施の形態１の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／ｎ−１番目の磁性層（２（ｎ−１））／ｎ−１番目の非磁性挿入層（３（ｎ−１））／ｎ番目の磁性層（２ｎ）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／ｎ−１番目の磁性層（２（ｎ−１））／ｎ−１番目の非磁性挿入層（３（ｎ−１））／ｎ番目の磁性層（２ｎ）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成する。ｎは３以上であり、より好ましくは４以上である。
本発明の磁気抵抗効果素子の磁化方向は膜面に垂直であり、第１の参照層（Ｂ１）の磁化の向きは膜面に垂直に固定されている。第１の記録層（Ａ１）の磁化の向きは、書き込み情報に対応して、膜面垂直方向に平行方向又は反平行方向に反転する。
【００１９】
第１の記録層（Ａ１）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つを含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＭｎＡｌ等が例示される。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
第１の記録層（Ａ１）は、単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよい。合金状態でもよい。非磁性元素が含まれる場合、複数の磁性層の間に、磁性層間の磁化方向が同じとなる非磁性結合層を適宜配置してもよいし、非磁性元素の酸化物を適宜配置してもよい。
以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有率はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
また、第１の記録層（Ａ１）の磁化の向きが膜面垂直方向であるため、第１の記録層（は膜面垂直方向に界面垂直磁気異方性を有する材料であることが好ましい。さらには、第１の非磁性層（１１）との界面で垂直磁気異方性を有することがより好ましく、また、第１の非磁性層（１１）以外の非磁性層を設けて、二重の界面で垂直磁気異方性を有するような構成にしてもよい。
【００２０】
第１の記録層（Ａ１）内の磁性層の膜厚の合計は、層構成にもよるが、概ね０．３ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．５ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲にあることがより好ましい。
【００２１】
第１の非磁性層（１１）は、Ｏ（酸素）を含む材料が用いられてもよい。第１の非磁性層（１１）は磁気抵抗効果素子の障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）であるため、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きくなる発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が好ましく、より好ましくはＭｇＯが用いられる。
【００２２】
第１の非磁性層（１１）の膜厚は、ＴＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな書き込み電流Ｉｃで磁化反転するために２．０ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍ以下であることがより好ましい。よって、好ましくは０．５ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲、より好ましくは０．８ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲に調整される。
【００２３】
第１の参照層（Ｂ１）は、磁化方向（磁化の向き）が膜面垂直方向に固定された強磁性層であり、ｎ個の磁性層（２１、２２、・・・、２ｎ）と（ｎ−１）個の非磁性挿入層（３１、３２、・・・、３（ｎ−１））を交互に隣接して配置してなる。第１の参照層（Ｂ１）の第１の非磁性層（１１）とは反対側に、固定層等を隣接して配置してもよい。
【００２４】
ｎ個の磁性層（２１、２２、・・・、２ｎ）は、少なくとも３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことが好ましく、Ｃｏを含むことがより好ましい。具体的には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ，ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＮｉＰｔ、ＣｏＰｄ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等の元素の組み合わせが例示され、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＴｂＴｅＣｏ等のＣｏを含む組み合わせがより好ましい。該磁性層は、上記磁性元素に、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性層元素をさらに含んだ合金であってもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでもよい。
また、各磁性層内に薄い非磁性結合層を挿入してもよい。非磁性結合層の材料としては、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｍｇ、ＭｇＯ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐｄ等が例示される。
ｎ個の磁性層はそれぞれ、合金、単層からなってもよく、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｃｏ／Ｐｔの他、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｄ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。強磁性層が多層から構成される場合、層の材料や膜厚により磁化の向きが平行に固定されていてもよく、反平行に固定されていてもよい。
【００２５】
ｎ個の磁性層（２１、２２、・・・、２ｎ）の磁性元素相当分の膜厚の合計は、層構成にもよるが、概ね３．０ｎｍ〜１４ｎｍ程度に調整される。
【００２６】
（ｎ−１）個の非磁性挿入層（３１、３２、・・・、３（ｎ−１））は、非磁性挿入層を構成する元素膜により隣接する上記磁性層を反強磁性結合し、構成元素とその膜厚により隣接する上記磁性層間の層間交換結合エネルギーＪex、すなわち、反強磁性結合力を調整する。膜厚により層間交換結合エネルギーＪexが変化する材料の例としては、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ，Ａｕ、Ｒｅ、Ｃｕ等が挙げられる。
（ｎ−１）個の非磁性挿入層はまた、結晶構造を変えない程度の他の元素を含んでいてもよい。たとえば、Ｔａ、Ｂ、Ｎｂ、Ｖ等が挙げられる。
【００２７】
上記非磁性挿入層を介した層間交換結合エネルギーＪex、すなわち、反強磁性結合力の強度は、該非磁性挿入層の材料、膜厚の他、隣接する磁性層の膜厚の変更や、図１のように磁性層と非磁性挿入層を交互に配置した多層膜とすることによって調整される。理想的には、隣接する磁性層の磁性が消失しない膜厚の範囲では、磁性層の膜厚を減少させると、層間交換結合エネルギーＪex、すなわち、反強磁性結合力の強度は逆比例して増大する。また、多層膜の積層数を増やすと、層間交換結合エネルギーＪex、すなわち、反強磁性結合力の強度は増大する傾向にある。
【００２８】
上記非磁性層の膜厚は、主たる元素としてＲｕを含む場合は、反強磁性結合力がピークを示す、０．９±０．２ｎｍ、又は、０．４±０．１５ｎｍに調整することが望ましい。
上記非磁性層の膜厚は、主たる元素としてＩｒを含む場合は、反強磁性結合力がピークを示す、０．５±０．１５ｎｍ、又は、１．３５±０．１ｎｍに調整することが望ましい。詳細は後述する。
【００２９】
第１の参照層（Ｂ１）からの漏れ磁界による第１の記録層（Ａ１）に対するシフト磁界Ｈｓは、第１の記録層（Ａ１）の保磁力Ｈｃより小さいことが好ましく、シフト磁界Ｈｓは保磁力Ｈｃの０．５以下、あるいは０．２以下がより好ましく、０．１５以下がさらに好ましい。詳細は後述する。
【００３０】
―非磁性挿入層を介した反強磁性結合について―
上述したように、（ｎ−１）個の非磁性挿入層（３１、３２、・・・、３（ｎ−１））は、非磁性挿入層を構成する元素膜により隣接する磁性層を反強磁性結合する。
２つの磁性層の層間交換結合エネルギーＪexは、該磁性層の間に非磁性層が存在すると、ある元素に関しては、該非磁性層の膜厚により、ＲＫＫＹ相互作用により層間交換結合の振動がもたらされるという特徴を有する。この振動現象の振動周期は、膜の成長方向のフェルミ面のネスティング・ベクトルの波数で決定されており、２つの磁性層の間の非磁性層内にこの波数の定在波が生じ、量子井戸状態が生成することによる。また、フェルミ面のネスティング・ベクトルがない場合は、層間交換結合エネルギーＪexの強度は振動せず、単調減少する。
【００３１】
図３２に、Ｒｕの膜厚と層間交換結合エネルギーＪexの関係を示した。図３２に示したＣｏ磁性層間の層間交換結合エネルギーＪexは、Ｃｏ／Ｒｕ／Ｃｏ３層膜のＲｕの膜厚を変化させた試料の磁気特性を測定し、磁化の飽和磁界から計算することが可能である。
図３２より、Ｒｕの膜厚が０．４±０．１５ｎｍの範囲に層間交換結合エネルギーＪexの最大値を示すピークがあり、Ｒｕの膜厚が０．９±０．２ｎｍの範囲に層間交換結合エネルギーＪexの第２のピークが存在することが分かる。
【００３２】
図３３に、Ｉｒの膜厚と層間交換結合エネルギーＪexの関係を示した。図３３に示したＣｏ磁性層間の層間交換結合エネルギーＪexは、Ｃｏ／Ｉｒ／Ｃｏ３層膜のＩｒの膜厚を変化させた試料の磁気特性を測定し、磁化の飽和磁界から計算することが可能である。
図３３より、Ｉｒの膜厚が０．５±０．１５ｎｍの範囲に層間交換結合エネルギーＪexの最大値を示すピークがあり、Ｉｒの膜厚が１．３５±０．１ｎｍの範囲に層間交換結合エネルギーＪexの第２のピークが存在することが分かる。
【００３３】
ＲｕやＩｒの元素や膜厚の選択においては、層間交換結合エネルギーＪex、すなわち、反強磁性結合力の大きさの設定や、ＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）等の回路製造における熱処理での反強磁性結合の劣化や、ＲｕやＩｒの非磁性挿入層の個数等が考慮される。たとえば、記録層に近い非磁性挿入層に対しては、反強磁性結合力を大きく設定することも検討されるし、熱処理による反強磁性結合の劣化が抑えられるように、膜厚を第２のピークの範囲に調整することも検討されるし、１つ１つの反強磁性結合力は小さくても記録層全体として反強磁性結合力を大きくするように非磁性挿入層の個数を増やすことも検討され得る。
【００３４】
―漏れ磁界について―
図３５Ａに示すように、第１の参照層（Ｂ１）を構成する各磁性層は、膜面垂直方向に平行方向あるいは反平行方向の磁化（Ｍ１、Ｍ２、、、）を有し、各矢印及び該矢印の始点と終点を結ぶように連続した磁界が生じている。各磁性層の磁化の大きさや磁性層間の反強磁性結合の大きさに依存するものの、かかる磁界は、第１の参照層（Ｂ１）からの漏れ磁界としてシフト磁界Ｈｓを生じ、第１の記録層（Ａ１）の保磁力Ｈｃに多かれ少なかれ影響を与えている。特に、参照層の磁化方向が面内である素子の漏れ磁界が、素子の端部から発生するだけであり記録層への影響が少ないのに対し、本発明の磁気抵抗効果素子の第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向が膜面垂直方向すなわち記録層の方向を向いているため、記録層全面が参照層の漏れ磁界の影響を受ける。かかる漏れ磁界は、記録層の保磁力Ｈｃをシフトさせ、記録層の安定性指数Δに影響を与える。
【００３５】
図３６に、記録層の保磁力Ｈｃとシフト磁界Ｈｓの関係の概念図を示す。（ａ）は保磁力Ｈｃがシフト磁界Ｈｓの影響を受けて低抵抗状態にシフトした状態、（ｂ）は保磁力Ｈｃにシフト磁界Ｈｓの影響がない状態、（ｃ）は保磁力Ｈｃがシフト磁界Ｈｓの影響を受けて高抵抗状態にシフトした状態である。
（ｂ）に示すように参照層からの漏れ磁界がなくシフト磁界Ｈｓの影響がない場合、記録層の磁性層の磁化において、低抵抗状態（Ｐ−ｓｔａｔｅ）の熱安定性指数ΔPと高抵抗状態（ＡＰ−ｓｔａｔｅ）の熱安定性指数ΔAPはバランスしている。しかしながら、（ａ）や（ｃ）に示すように参照層からの漏れ磁界によりシフト磁界Ｈｓが生じる場合、熱安定性指数ΔPとΔAPはアンバランスとなり、素子動作の不具合の原因となり得る。また、記録層の磁性層の保磁力Ｈｃは、素子の熱安定性指数Δに比例するが、シフト磁界Ｈｓの影響を受けると、実効的な保磁力Ｈｃ′は、Ｈｃ′＝Ｈｃ−Ｈｓとなり、熱安定性指数Δは減少する。
よって、シフト磁界Ｈｓは、なるべく小さく抑える必要があり、記録層の有する保磁力Ｈｃより小さいことが好ましく、シフト磁界Ｈｓは保磁力Ｈｃの０．５以下、あるいは０．２以下がより好ましく、０．１５以下がさらに好ましい。
【００３６】
参照層の磁化方向が膜面垂直方向である磁気抵抗効果素子において、参照層からの漏れ磁界によるシフト磁界Ｈｓをより弱めるためには、反強磁性結合をした参照層の２つの磁性層を、本発明のように３つ以上、あるいは４つ以上の磁性層にすることが挙げられる。参照層内の隣接する磁性層の磁化の向きがＮ極同士、あるいはＳ極同士となるため、記録層へ漏れる磁界を低減させることができるからである。なお、参照層の磁化方向が面内である素子の場合、隣接する磁性層上下でＮ極とＳ極が逆となるため、反強磁性結合が強められることが知られている。
【００３７】
実施の形態１の素子サイズは、適宜設定されるが、１００ｎｍ以下が好ましく、４０ｎｍ以下がより好ましい。
【００３８】
（実施の形態２）
―素子の構成―
図２に、本発明の実施の形態２の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成する。すなわち、実施の形態１のうち、ｎ＝４の場合の構成である。
実施の形態２の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態１と同様である。
【００３９】
―磁性層の磁化及び膜厚について―
実施の形態２において、第１の磁性層（２１）の磁化をＭ１、第２の磁性層（２２）の磁化をＭ２、第３の磁性層（２３）の磁化をＭ３、第４の磁性層の磁化をＭ４とした場合、それらの大小関係は、Ｍ２＋Ｍ４≧Ｍ１＋Ｍ３、Ｍ２＞Ｍ１、Ｍ２＝Ｍ３＞Ｍ１＝Ｍ４、Ｍ４＞Ｍ３、Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４等が例示される。
【００４０】
ここで、各磁性層の磁化（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）の大きさは、磁性層の磁性元素分の膜厚にほぼ相当する。よって、第１の磁性層（２１）の膜厚をｔ１、第２の磁性層（２２）の膜厚をｔ２、第３の磁性層（２３）の膜厚をｔ３、第４の磁性層（２４）の膜厚をｔ４とした場合、それらの大小関係は、ｔ２＋ｔ４≧ｔ１＋ｔ３、ｔ２＞ｔ１、ｔ２＝ｔ３＞ｔ１＝ｔ４、ｔ４＞ｔ３、ｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４等が同様に例示される。
【００４１】
以下、上記磁化及び膜厚の大小関係について、説明する。
なお、以下の説明において、第１の磁性層（２１）と第２の磁性層（２２）の間の反強磁性結合力をＪ１２、第２の磁性層（２２）と第３の磁性層（２３）の間の反強磁性結合力をＪ２３、第３の磁性層（２３）と第４の磁性層（２４）の間の反強磁性結合力をＪ３４としている。
【００４２】
図３４Ａ（ａ）に従来例の参照層の磁性層が２つの構成、図３４Ａ（ｂ）に実施の形態２の参照層の磁性層が４つの構成を示した。図３４Ａ（ａ）は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]4.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]4.5 ／ MgO ／記録層の構成を有し、図３４Ａ（ｂ）は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ MgO ／記録層の構成を有する。ここで、[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5に示される積層回数の２．５とは、両端がＣｏ層となるように、Ｃｏを３回、Ｐｔを２回積層したものである。図３４Ｂ（ａ）のＣｏ／Ｐｔ層の詳細を図３４Ｂ（ｂ）に示した。以下、本明細書における積層回数について同様である。すなわち、[Co(0.5)/Pt(0.3)]3.5は積層回数３．５であり、両端がＣｏ層となるようにＣｏを４回、Ｐｔを３回積層したものである。同様に、[Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5は積層回数１．５であり、両端がＣｏ層となるようにＣｏを２回、Ｐｔを１回積層したものである。さらに、元素右隣りの括弧内の数字は膜厚であり、単位はｎｍである（以下、本明細書において、同じ。）。図３４Ａ（ｂ）において、４つの磁性層の磁化は、Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４であり、膜厚はｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４である。また、図３４Ａ（ａ）も図３４Ａ（ｂ）も非磁性挿入層は膜厚０．９ｎｍのＲｕであり、図３４Ａ（ｂ）の反強磁性結合力はＪ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４である。
【００４３】
図３４Ａ（ｃ）に、図３４Ａ（ａ）及び図３４Ａ（ｂ）の層構成における磁化曲線を示した。図内に矢印で示したように、磁化が飽和する磁界（交換結合磁界Ｈex1）を、従来例の３５００Ｏｅから６２００Ｏｅに増加させることが分かった。
よって、４つの磁性層の磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４の場合においても、参照層の固定された磁化の反転を起こす電流が大きくなり、記録層の書き込み電流Ｉｃと参照層の磁化が反転する電流のマージンを広く取ることが可能となることが分かった。
【００４４】
図３５Ａに、実施の形態２の参照層における、漏れ磁界の概念図を示した。図３５Ａ（ａ）は磁化がＭ２＞Ｍ１、あるいは、Ｍ２＋Ｍ４≧Ｍ１＋Ｍ３、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４の場合の、漏れ磁界の概念図、図３５Ａ（ｂ）は磁化がＭ１＞Ｍ２、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４の場合の、漏れ磁界の概念図、図３５Ａ（ｃ）は磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４の場合の、漏れ磁界の概念図、図３５Ａ（ｄ）磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ３４＞Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図である。
図３５Ａ（ｃ）を基準にすると、図３５Ａ（ｂ）は記録層に対し参照層からの漏れ磁界が大きく、図３５Ａ（ａ）は漏れ磁界が小さいことが理解できる。すなわち、Ｍ２＞Ｍ１、あるいは、Ｍ２＋Ｍ４≧Ｍ１＋Ｍ３に調整すると、参照層からの漏れ磁界を抑えることができ、記録層におけるシフト磁界Ｈｓの影響を低減し、実効的な保磁力Ｈｃ′＝Ｈｃ−Ｈｓを増大させ、熱安定性指数Δを向上させることができることが分かる。
【００４５】
図３７に、第２の磁性層（２２）の磁性元素であるＣｏの膜厚ｔ２及び第４の磁性層（２４）の磁性元素であるＣｏの膜厚ｔ４を変えた層構成と、各記録層の磁化曲線を示した。
図３７の（ａ）はPt(6->3) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ W(0.3) ／ CoFeB(1) ／ MgO(1.25)／記録層の構成であり、（ｂ）はPt(6->3) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ W(0.3) ／ CoFeB(1) ／ MgO(1.25)／記録層の構成であり、（ｃ）はPt(6->3) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]3.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ W(0.3) ／ CoFeB(1) ／ MgO(1.25)／記録層の構成であり、（ｄ）はPt(6->3) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ W(0.3) ／ CoFeB(1) ／ MgO(1.25)／記録層の構成である。なお、図３７中の[Co(0.5/Pt(0.3)]／Co(0.5)、[Co(0.5/Pt(0.3)]2／Co(0.5)、[Co(0.5/Pt(0.3)]3／Co(0.5)等は、Ｐｔ層の両面がＣｏ層に隣接して挟まれるように配置される。
【００４６】
図３７の（ａ）及び（ｂ）の磁化曲線から、参照層からの漏れ磁界によりシフト磁界Ｈｓの影響を受け、実効的な保磁力Ｈｃ′が小さくなっていることが分かった。一方、（ｃ）及び（ｄ）において、シフト磁界Ｈｓは小さくなり、実効的な保磁力Ｈｃ′は小さくなっていないことが分かった。
よって、漏れ磁界の観点からは、ｔ２＋ｔ４≧ｔ１＋ｔ３、ｔ２＞ｔ１、又は、ｔ４＞ｔ３となるように、Ｍ２＋Ｍ４≧Ｍ１＋Ｍ３、Ｍ２＞Ｍ１、又は、Ｍ４＞Ｍ３となるように、膜厚、磁化を調整すると、記録層の実効的な保磁力Ｈｃ′が大きくなり、素子の熱安定性指数Δを向上させることができる。
【００４７】
図３８（ａ）に示される、図３７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の試料及び素子サイズを４００ｎｍ、１５０ｎｍ、１２０ｎｍ、１１０ｎｍとした場合の磁化曲線から、シフト磁界Ｈｓを求め、図３８（ｂ）に磁性層の膜厚（積層回数）との関係を示した。また、これらの試料の場合、漏れ磁界の影響の少ない場合の保磁力Ｈｃは磁化曲線から１０００Ｏｅであることが読み取れたため、保磁力Ｈｃの０．２に相当する−２００Ｏｅ〜２００Ｏｅの範囲にシフト磁界Ｈｓを調整するには、第２の磁性層（２２）の膜厚を２．０ｎｍ〜３．０ｎｍ（Ｃｏ／Ｐｔの積層回数を２．５回〜３．５回）にすることが漏れ磁界の観点から好ましいことが分かった。さらに、保磁力Ｈｃの０．１５に相当する−１５０Ｏｅ〜１５０Ｏｅの範囲にシフト磁界Ｈｓを調整するには、磁性層の膜厚を３．０ｎｍ（Ｃｏ／Ｐｔの積層回数を３．５回）にすることが、漏れ磁界の観点からより好ましいことが分かった。
【００４８】
図３９に、磁性層の磁化の大きさ、すなわち膜厚を変えた場合の層構成と磁化曲線を示した。（ａ）はＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４、ｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４であり、（ｂ）はＭ２＝Ｍ３＞Ｍ１＝Ｍ４、ｔ２＝ｔ３＞ｔ１＝ｔ４であり、（ｃ）はＭ１＝Ｍ４＞Ｍ２＝Ｍ３、ｔ１＝ｔ４＞ｔ２＝ｔ３である。なお、（ａ）〜（ｃ）はいずれもＭ２＋Ｍ４＝Ｍ１＋Ｍ３、ｔ２＋ｔ４＝ｔ１＋ｔ３の関係が成り立っており、非磁性挿入層は膜厚０．９ｎｍのＲｕで、Ｊ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４である。
図３９の（ａ）は[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5の構成であり、（ｂ）は[Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5の構成であり、（ｃ）は[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5の構成である。
【００４９】
図３９の磁化曲線より交換結合磁界Ｈex1を求め、従来例の磁性層２つを有する参照層の値とともに、表１及び図４０に示した。
【００５０】
【表１】
2020174141.tif 000003
【００５１】
表１及び図４０から、従来例の磁性層２つを有する参照層に比べ、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）いずれも、交換結合磁界Ｈex1を増加させることが分かった。
また、４つの磁性層の磁化、すなわち、磁性層の膜厚が同じ（ａ）を基準にすると、第１の磁性層（２１）及び第４の磁性層（２４）の磁化Ｍ１及びＭ４を小さく、膜厚ｔ１及びｔ４を薄くすることで、交換結合磁界Ｈex1を６２００Ｏｅから９６００Ｏｅまで増加させることが分かった。一方で、第２の磁性層（２２）及び第３の磁性層（２３）の磁化Ｍ２及びＭ３を小さく、膜厚ｔ２及びｔ３を薄くすると、交換結合磁界Ｈex1は、基準とした（ａ）とほぼ同じであった。
よって、４つの磁性層を有する参照層のうち、磁性層の磁化がＭ２＝Ｍ３＞Ｍ１＝Ｍ４、あるいはＭ２＞Ｍ１の場合、特に交換結合磁界Ｈex1が増加し、記録層の書き込み電流Ｉｃと参照層の磁化が反転する電流のマージンを広く取ることが可能となる。
【００５２】
以上、記録層の書き込み電流Ｉｃと参照層の磁化が反転する電流のマージン、及び、漏れ磁界を抑えることによる熱安定性指数Δ向上の観点から、第１の参照層（Ｂ１）の４つの磁性層の磁化は、Ｍ２＋Ｍ４≧Ｍ１＋Ｍ３、Ｍ２＞Ｍ１、Ｍ２＝Ｍ３＞Ｍ１＝Ｍ４、Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝Ｍ４、磁性層の膜厚は、ｔ２＋ｔ４≧ｔ１＋ｔ３、ｔ２＞ｔ１、ｔ２＝ｔ３＞ｔ１＝ｔ４、ｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４の条件を備えることが好ましい。さらには、第１の参照層（Ｂ１）の４つの磁性層の磁化は、Ｍ２＋Ｍ４≧Ｍ１＋Ｍ３、及び／又は、Ｍ２＞Ｍ１、磁性層の膜厚は、ｔ２＋ｔ４≧ｔ１＋ｔ３、及び／又は、ｔ２＞ｔ１の条件を備えることがより好ましい。
【００５３】
―非磁性挿入層の膜厚について―
図４１に、非磁性挿入層（３１、３２、３３）の膜厚、すなわち、反強磁性結合力Ｊ１２、Ｊ２３、Ｊ３４を変えた場合の層構成と磁化曲線を示した。（ａ）はＪ１２＝Ｊ２３＝Ｊ３４であり、（ｂ）はＪ２３＞Ｊ１２＝Ｊ３４であり、（ｃ）はＪ１２＝Ｊ３４＞＝Ｊ２３である。なお、（ａ）〜（ｃ）の非磁性挿入層（３１、３２、３３）はいずれもＲｕであり、膜厚０．９ｎｍでの反強磁性結合力は、膜厚０．４ｎｍでの反強磁性結合力より小さい。
図４１の（ａ）は[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5の構成であり、（ｂ）は[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.4) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5の構成であり、（ｃ）は[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.4) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.4) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5の構成である。
【００５４】
図４１の磁化曲線より交換結合磁界Ｈex1を求め、従来例の磁性層２つを有する参照層の値とともに、表２及び図４２に示した。
【００５５】
【表２】
2020174141.tif 000004
【００５６】
表２及び図４２から、従来例の磁性層２つを有する参照層に比べ、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）いずれも、交換結合磁界Ｈex1を増加させることが分かった。
また、４つの磁性層間の反強磁性結合力が同じ（ａ）を基準にすると、第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）間の反強磁性結合力Ｊ１２と、第３の磁性層（２３）及び第４の磁性層（２４）間の反強磁性結合力Ｊ３４を、第２の磁性層（２２）及び第３の磁性層（２３）間の反強磁性結合力Ｊ２３より大きくすることで、交換結合磁界Ｈex1を６１００Ｏｅから１２３００Ｏｅまで増加させることが分かった。逆に、Ｊ２３をＪ１２及びＪ３４より大きくすると、交換結合磁界Ｈex1は、基準とした（ａ）とほぼ同じであった。
よって、４つの磁性層を有する参照層において、Ｊ１２＝Ｊ３４＞Ｊ２３のように外側の結合を強くした場合、特に交換結合磁界Ｈex1が増加し、記録層の書き込み電流Ｉｃと参照層の磁化が反転する電流のマージンを広く取ることが可能となる。
【００５７】
さらに、反強磁性結合力Ｊ１２及びＪ３４を高めるため、非磁性挿入層（３１、３３）として、膜厚０．５±０．１５ｎｍのＩｒを挿入し、第２の非磁性挿入層（３２）に膜厚０．９±０．２ｎｍのＲｕを挿入してもよい。
【００５８】
（実施の形態３）
図３に、本発明の実施の形態３の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成し、４つの磁性層（２１、２２、２３、２４）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３）との界面にＣｏ層（２１３）を備える。
実施の形態３の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態２と同様である。
【００５９】
第１の磁性層（２１）は第１の非磁性挿入層（３１）との界面に、第２の磁性層（２２）は第１の非磁性挿入層（３１）及び第２の非磁性挿入層（３２）との界面に、第３の磁性層（２３）は第２の非磁性挿入層（３２）及び第３の非磁性挿入層（３３）との界面に、第４の磁性層（２４）は第３の非磁性挿入層（３３）との界面に、Ｃｏ層（２１３）を備える。
３つの非磁性挿入層（３１、３２、３３）の界面にＣｏ層（２１３）が接触することにより、反強磁性結合力（Ｊ１２、Ｊ２３、Ｊ３４）をより大きくすることができる。
【００６０】
Ｃｏ層（２１３）は、Ｃｏを主成分として含み、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性層元素をさらに含んだ合金であってもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでもよい。
【００６１】
Ｃｏ層（２１３）の膜厚は、０．１ｎｍ〜１．０ｎｍの範囲が好ましく、０．３ｎｍ〜０．８ｎｍの範囲がより好ましい。
【００６２】
（実施の形態４）
図４に、本発明の実施の形態４の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成し、第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備える。
実施の形態４の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態２と同様である。
【００６３】
第１の磁性層（２１）に含まれる界面磁性層（２１１）は、少なくともＣｏ又はＦｅを含み、第１の非磁性層（１１）との界面で垂直磁気異方性を有するように設けられる。具体的には、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ，ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等が例示され、ＣｏＦｅＢがより好ましい。このような界面磁性層（２１１）を非磁性層に隣接して設けることは、隣接する第１の非磁性層（１１）がＭｇＯの場合、ＭｇＯを（００１）の結晶方向に配向させ、高いトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）を得ることが可能である点で望ましい。該磁性層は、上記磁性元素に、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性層元素をさらに含んだ合金であってもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでもよい。
【００６４】
界面磁性層（２１１）の膜厚は、０．１ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲がより好ましい。
【００６５】
第１の磁性層（２１）に含まれる非磁性結合層（４１）は、Ｗ、Ｔａ，Ｈｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、より好ましくはＷ、Ｔａ等が例示される。非磁性結合層（４１）は、隣接する磁性層中にＢが存在する場合はＢを吸収し結晶化を促進し、また、非磁性結合層（４１）に対して隣接する界面磁性層（２１１）とＣｏ磁性層（２１２）を磁気的に結合することが可能である。さらに、Ｃｏ磁性層（２１２）の結晶構造がｆｃｃ構造の場合に、非磁性結合層（４１）はｆｃｃ構造をリセットし、界面磁性層（２１１）がｂｃｃ構造に配向するようにする役割を有する。これらの作用が相まって、高いトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）を得ることができる。
【００６６】
非磁性結合層（４１）の膜厚は、隣接する界面磁性層（２１１）及びＣｏ磁性層（２１２）を強制的に結合させる必要があるため、十分に薄く、たとえば０．２ｎｍ〜０．７ｎｍ程度に調整される。
【００６７】
第１の磁性層（２１）に含まれるＣｏ磁性層（２１２）は、少なくとも３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、少なくともＣｏを含む。具体的には、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉ，ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＴｂＴｅＣｏ等の元素の組み合わせが例示され、ＣｏＰｔが好ましく、積層のＣｏ／Ｐｔがより好ましい。該磁性層は、上記磁性元素に、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性層元素をさらに含んだ合金であってもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでもよい。
また、Ｃｏ磁性層（２１２）内に薄い非磁性結合層を挿入してもよい。非磁性結合層の材料としては、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｍｇ、ＭｇＯ、Ｃｒ、Ｖ、Ｐｄ等が例示される。
Ｃｏ磁性層（２１２）は、単層からなってもよく、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｃｏ／Ｐｔの他、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｄ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。強磁性層が多層から構成される場合、層の材料や膜厚により磁化の向きが平行に固定されていてもよく、反平行に固定されていてもよい。
【００６８】
（実施の形態５）
図５に、本発明の実施の形態５の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成し、４つの磁性層（２１、２２、２３、２４）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３）との界面にＣｏ層（２１３）を備え、第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備える。
実施の形態５の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態３及び４と同様である。
【００６９】
第１の磁性層（２１）は、界面磁性層（２１１）、非磁性結合層（４１）、Ｃｏ磁性層（２１２）、及び、Ｃｏ層（２１３）を含む。
【００７０】
（実施の形態６）
―素子の構成―
図６に、本発明の実施の形態６の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成する。すなわち、実施の形態１のうち、ｎ＝３の場合の構成である。
実施の形態６の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態１及び２と同様である。
【００７１】
―磁性層の磁化及び膜厚について―
第１の磁性層（２１）の磁化をＭ１、第２の磁性層（２２）の磁化をＭ２、第３の磁性層（２３）の磁化をＭ３とした場合、それらの大小関係は、Ｍ２≧Ｍ１＋Ｍ３、あるいは、Ｍ２≧Ｍ１が例示される。
【００７２】
ここで、各磁性層の磁化（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）の大きさは、磁性層の磁性元素分の膜厚にほぼ相当する。よって、第１の磁性層（２１）の膜厚をｔ１、第２の磁性層（２２）の膜厚をｔ２、第３の磁性層（２３）の膜厚をｔ３とした場合、それらの大小関係は、ｔ２≧ｔ１＋ｔ３、あるいは、ｔ２≧ｔ１が同様に例示される。
【００７３】
以下、上記磁化及び膜厚の大小関係について、説明する。
なお、以下の説明においては、第１の磁性層（２１）と第２の磁性層（２２）の間の反強磁性結合力をＪ１２、第２の磁性層（２２）と第３の磁性層（２３）の間の反強磁性結合力をＪ２３としている。
【００７４】
図３５Ｂに、実施の形態６の参照層における、漏れ磁界の概念図を示した。（ａ）は磁化がＭ２＞Ｍ１、あるいは、Ｍ２＞Ｍ１＋Ｍ３、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｂ）は磁化がＭ１＞Ｍ２、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｃ）は磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３、反強磁性結合力がＪ１２＝Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図、（ｄ）磁化がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３、反強磁性結合力がＪ１２＞Ｊ２３の場合の、漏れ磁界の概念図である。
図３５Ｂの（ｃ）を基準にすると、（ｂ）は記録層に対し参照層からの漏れ磁界が大きく、（ａ）は漏れ磁界が小さいことが分かる。すなわち、Ｍ２＞Ｍ１＋Ｍ３、あるいは、Ｍ２＞Ｍ１、に調整すると、参照層からの漏れ磁界を抑えることができ、記録層におけるシフト磁界Ｈｓの影響を低減し、実効的な保磁力Ｈｃ′＝Ｈｃ−Ｈｓの低下を抑制し、熱安定性指数Δを向上させることができる。
【００７５】
以上、記録層の書き込み電流Ｉｃと参照層の磁化が反転する電流のマージン、及び、漏れ磁界を抑えることによる熱安定性指数Δ向上の観点から、第１の参照層（Ｂ１）の３つの磁性層の磁化は、Ｍ２≧Ｍ１＋Ｍ３、あるいは、Ｍ２≧Ｍ１、磁性層の膜厚は、ｔ２≧ｔ１＋ｔ３、あるいは、ｔ２≧ｔ１であることがより好ましい。
【００７６】
（実施の形態７）
図７に、本発明の実施の形態７の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成し、３つの磁性層（２１、２２、２３）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２）との界面にＣｏ層（２１３）を備える。
実施の形態７の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態３及び６と同様である。
【００７７】
第１の磁性層（２１）は第１の非磁性挿入層（３１）との界面に、第２の磁性層（２２）は第１の非磁性挿入層（３１）及び第２の非磁性挿入層（３２）との界面に、第３の磁性層（２３）は第２の非磁性挿入層（３２）との界面に、Ｃｏ層（２１３）を備える。
【００７８】
（実施の形態８）
図８に、本発明の実施の形態８の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成し、第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備える。
実施の形態８の詳細は、実施の形態４及び６と同様である。
【００７９】
（実施の形態９）
図９に、本発明の実施の形態９の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成し、３つの磁性層（２１、２２、２３）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２）との界面にＣｏ層（２１３）を備え、第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）／Ｃｏ層（２１３）を備える。
実施の形態９の詳細は、実施の形態５及び６と同様である。
【００８０】
（実施の形態１０）
図１０に、本発明の実施の形態１０の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）／第４の非磁性挿入層（３４）／第５の磁性層（２５）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）／第４の非磁性挿入層（３４）／第５の磁性層（２５）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成する。すなわち、実施の形態１のうち、ｎ＝５の場合の構成である。
実施の形態１０の詳細は、実施の形態１〜５と同様である。
【００８１】
なお、図１０において、各磁性層（２１、２２、２３、２４、２５）のそれぞれが、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３、３４）との界面にＣｏ層（２１３）を備えてもよい。
また、第１の磁性層（２１）に、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備えてもよい。
【００８２】
（実施の形態１１）
図１１に、本発明の実施の形態１１の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）／第４の非磁性挿入層（３４）／第５の磁性層（２５）／第５の非磁性挿入層（３５）／第６の磁性層（２６）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）／第４の非磁性挿入層（３４）／第５の磁性層（２５）／第５の非磁性挿入層（３５）／第６の磁性層（２６）は、第１の参照層（Ｂ１）を構成する。すなわち、実施の形態１のうち、ｎ＝６の場合の構成である。
実施の形態１１の詳細は、実施の形態１〜５と同様である。
【００８３】
なお、図１１において、各磁性層（２１、２２、２３、２４、２５、２６）のそれぞれが、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３、３４、３５）との界面にＣｏ層（２１３）を備えてもよい。
また、第１の磁性層（２１）に、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備えてもよい。
【００８４】
（実施の形態１２）
図１２に、本発明の実施の形態１２の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、ｎ番目の磁性層（２ｎ）／ｎ−１番目の非磁性挿入層（３（ｎ−１））／ｎ−１番目の磁性層（２（ｎ−１））／・・・／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の磁性層（２１）／第２の非磁性層（１２）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／ｎ−１番目の磁性層（２（ｎ−１））／ｎ−１番目の非磁性挿入層（３（ｎ−１））／ｎ番目の磁性層（２ｎ）が順に隣接して配置された構成を含む。
第１の非磁性層１１に隣接した［第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／ｎ−１番目の磁性層（２（ｎ−１））／ｎ−１番目の非磁性挿入層（３（ｎ−１））／ｎ番目の磁性層（２ｎ）］は、第１の参照層（Ｂ１）を構成する。ｎは３以上であり、より好ましくは４以上である。第２の非磁性層１２に隣接した［ｎ番目の磁性層（２ｎ）／ｎ−１番目の非磁性挿入層（３（ｎ−１））／ｎ−１番目の磁性層（２（ｎ−１））／・・・／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の磁性層（２１）］は、第２の参照層（Ｂ２）を構成する。ｎは３以上であり、より好ましくは４以上である。
実施の形態１２の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態１と同様である。
【００８５】
第２の参照層（Ｂ２）は、磁化方向（磁化の向き）が膜面垂直方向に固定された強磁性層であり、第１の参照層（Ｂ１）と第２の参照層（Ｂ２）の構成は、同じであっても、各層の膜厚や元素組成が異なってもよい。第１の記録層（Ａ１）において、第１の参照層（Ｂ１）からの漏れ磁界と第２の参照層（Ｂ２）からの漏れ磁界をキャンセルするような構成が好ましく、また、参照層の総膜厚を減らして交換結合磁界を大きくするような構成であることが望ましい。かかる観点から、第１の参照層（Ｂ１）の構成と第２の参照層（Ｂ２）の構成を第１の記録層（Ａ１）を挟んで上下対称とすることがより好ましい。
第２の非磁性層（１２）は、第１の非磁性層（１１）と同様の構成及び特性を有する。
【００８６】
（実施の形態１３）
図１３に、本発明の実施の形態１３の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の磁性層（２１）／第２の非磁性層（１２）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の記録層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）が順に隣接して配置された構成を含む。
第１の非磁性層（１１）に隣接した［第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）］は、第１の参照層（Ｂ１）を構成する。すなわち、実施の形態１２のうち、ｎ＝４の場合の構成である。第２の非磁性層（１２）に隣接した［第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の磁性層（２１）］は、第２の参照層（Ｂ２）を構成する。すなわち、実施の形態１２のうち、ｎ＝４の場合の構成である。
実施の形態１３の詳細は、実施の形態２及び１２と同様である。
【００８７】
（実施の形態１４）
図１４に、本発明の実施の形態１４の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の磁性層（２１）／第２の非磁性層（１２）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）が順に隣接して配置された構成を含む。
第１の非磁性層（１１）に隣接した［第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）］は、第１の参照層（Ｂ１）を構成し、４つの磁性層（２１、２２、２３、２４）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３）との界面にＣｏ層（２１３）を備える。第２の非磁性層（１２）に隣接した［第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の磁性層（２１）は、第２の参照層（Ｂ２）を構成し、４つの磁性層（２１、２２、２３、２４）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３）との界面にＣｏ層（２１３）を備える。
実施の形態１４の詳細は、実施の形態３及び１３と同様である。
【００８８】
（実施の形態１５）
図１５に、本発明の実施の形態１５の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の磁性層（２１）／第２の非磁性層（１２）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）が順に隣接して配置された構成を含む。
第１の非磁性層（１１）に隣接した［第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／第４の磁性層（２４）］は、第１の参照層（Ｂ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）中の第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備える。第２の非磁性層（１２）に隣接した［第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の磁性層（２１）］は、第２の参照層（Ｂ２）を構成し、第２の参照層（Ｂ２）中の第１の磁性層（２１）は、第２の非磁性層（１２）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備える。
実施の形態１５の詳細は、実施の形態４及び１３と同様である。
【００８９】
（実施の形態１６）
図１６に、本発明の実施の形態１６の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の参照層（Ｂ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／・・・／ｎ−１番目の磁性層（２（ｎ−１））／ｎ−１番目の非磁性挿入層（３（ｎ−１））／下地層（Ｓ１）に隣接したｎ番目の磁性層（２ｎ）を含む。ｎは３以上であり、より好ましくは４以上である。
実施の形態１６の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態１と同様である。
【００９０】
第１の参照層（Ｂ１）の第１の非磁性層（１１）とは反対側に必要に応じて下地層（Ｓ１）が設けられ、該下地層（Ｓ１）の第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に下部電極層（Ｅ１）が設けられる。
また、第１の記録層（Ａ１）の第１の非磁性層（１１）とは反対側にキャップ層（Ｃ１）が設けられ、該キャップ層（Ｃ１）の第１の記録層（Ａ１）とは反対側に上部電極層（Ｅ２）が設けられる。
【００９１】
下部電極層（Ｅ１）の積層構造は、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）／ＴａＮ（２０ｎｍ）等が例示される。
【００９２】
上部電極層（Ｅ２）の積層構造は、Ｔａ（５０ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５０ｎｍ）、Ｒｕ（１ｎｍ〜５０ｎｍ）、Ｐｔ（１ｎｍ〜５０ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．２ｎｍ〜１．５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５０ｎｍ）等が例示される。
【００９３】
キャップ層（Ｃ１）は、記録層を保護する材料で構成されることが望ましく、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔ、ＣｏＦｅＢ等が例示される。
下地層（Ｓ１）は、拡散防止、上部磁性層の結晶配向制御等の目的で下部電極の上に積層される。Ｔａ（５）、Ｔａ（５）／Ｐｔ（５）、Ｔａ（５）／Ｒｕ（３０）等が例示される。
【００９４】
（実施の形態１７）
図１７に、本発明の実施の形態１７の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の参照層（Ｂ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／下地層（Ｓ１）に隣接した第４の磁性層（２４）を含む。
実施の形態１７の詳細は、実施の形態２及び１６と同様である。
【００９５】
（実施の形態１８）
図１８に、本発明の実施の形態１８の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の参照層（Ｂ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／下地層（Ｓ１）に隣接した第４の磁性層（２４）を含み、４つの磁性層（２１、２２、２３、２４）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３）との界面にＣｏ層（２１３）を備える。
実施の形態１８の詳細は、実施の形態３及び１６と同様である。
【００９６】
（実施の形態１９）
図１９に、本発明の実施の形態１９の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の参照層（Ｂ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／下地層（Ｓ１）に隣接した第４の磁性層（２４）を含み、第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備える。
実施の形態１９の詳細は、実施の形態４及び１６と同様である。
【００９７】
（実施の形態２０）
図２０に、本発明の実施の形態２０の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の参照層（Ｂ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）／第１の非磁性挿入層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性挿入層（３２）／第３の磁性層（２３）／第３の非磁性挿入層（３３）／下地層（Ｓ１）に隣接した第４の磁性層（２４）を含み、４つの磁性層（２１、２２、２３、２４）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３）との界面にＣｏ層（２１３）を備え、第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）／Ｃｏ層（２１３）を備える。
実施の形態２０の詳細は、実施の形態５及び１６と同様である。
【００９８】
（実施の形態２１）
図２１に、本発明の実施の形態２１の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の記録層（Ａ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、キャップ層に隣接したｎ番目の磁性層（２ｎ）／ｎ−１番目の非磁性挿入層（３（ｎ−１））／ｎ−１番目の磁性層（２（ｎ−１））／・・・／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）を含む。ｎは３以上であり、より好ましくは４以上である。
実施の形態２１の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態１６と同様である。
【００９９】
第１の参照層（Ｂ１）の第１の非磁性層（１１）とは反対側に必要に応じてキャップ層（Ｃ１）が設けられ、該キャップ層（Ｃ１）の第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に上部電極層（Ｅ２）が設けられる。
また、第１の記録層（Ａ１）の第１の非磁性層（１１）とは反対側に下地層（Ｓ１）が設けられ、該下地層（Ｓ１）の第１の記録層（Ａ１）とは反対側に下部電極層（Ｅ１）が設けられる。
実施の形態１６と２１は、電極の上下に対し参照層と記録層の位置を逆にしたものである。各種条件によるが、記録層の磁気特性の向上には、参照層を上部電極側に配置することが好ましい。
【０１００】
（実施の形態２２）
図２２に、本発明の実施の形態２２の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の記録層（Ａ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、キャップ層（Ｃ１）に隣接した第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）を含む。
実施の形態２２の詳細は、実施の形態１７及び２１と同様である。
【０１０１】
（実施の形態２３）
図２３に、本発明の実施の形態２３の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の記録層（Ａ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、キャップ層（Ｃ１）に隣接した第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）を含み、４つの磁性層（２１、２２、２３、２４）のそれぞれは、隣接する非磁性挿入層（３１、３２、３３）との界面にＣｏ層（２１３）を備える。
実施の形態２３の詳細は、実施の形態１８及び２１と同様である。
【０１０２】
（実施の形態２４）
図２４に、本発明の実施の形態２４の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の記録層（Ａ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含み、第１の参照層（Ｂ１）は、キャップ層（Ｃ１）に隣接した第４の磁性層（２４）／第３の非磁性挿入層（３３）／第３の磁性層（２３）／第２の非磁性挿入層（３２）／第２の磁性層（２２）／第１の非磁性挿入層（３１）／第１の非磁性層（１１）に隣接した第１の磁性層（２１）を含み、第１の磁性層（２１）は、第１の非磁性層（１１）に隣接した界面磁性層（２１１）／非磁性結合層（４１）／Ｃｏ磁性層（２１２）を備える。
実施の形態２４の詳細は、実施の形態１９及び２１と同様である。
【０１０３】
（実施の形態２５）
図２５に、本発明の実施の形態２５の構成を示す。該磁気抵抗効果素子は、上部電極層（Ｅ２）／キャップ層（Ｃ１）／第２の参照層（Ｂ２）／第２の非磁性層（１２）／第１の記録層（Ａ１）／第１の非磁性層（１１）／第１の参照層（Ｂ１）／下地層（Ｓ１）／下部電極層（Ｅ１）が順に隣接して配置された構成を含む。
実施の形態２５の詳細は、以下を特徴とする他、実施の形態１２、１６及び２１と同様である。
【０１０４】
第１の参照層（Ｂ１）及び第２の参照層（Ｂ２）は、実施の形態１〜１１に例示される構成を有し、第１の参照層（Ｂ１）及び第２の参照層（Ｂ２）の構成、膜厚、組成が同じであっても異なっていてもよい。第１の記録層（Ａ１）において、第１の参照層（Ｂ１）からの漏れ磁界と第２の参照層（Ｂ２）からの漏れ磁界をキャンセルするような構成が好ましく、また、参照層の総膜厚を減らして交換結合磁界を大きくするような構成であることが望ましい。かかる観点から、第１の参照層（Ｂ１）の構成と第２の参照層（Ｂ２）の構成を第１の記録層（Ａ１）を挟んで上下対称とすることがより好ましい。
【０１０５】
（実施の形態２６）
図２６に、実施の形態２６として、磁性層の膜厚を変えた場合のフルスタックでの層構成及び磁化曲線を示した。また、図２７Ａに（ａ）〜（ｄ）のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）及び抵抗面積積（ＲＡ）を、図２７Ｂ及び表３に（ａ）〜（ｄ）の交換結合磁界Ｈex1を示した。
（ａ）の参照層の構成は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ W(0.3) ／ CoFeB(1)であり、（ｂ）の参照層の構成は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ W(0.3) ／ CoFeB(1)であり、（ｃ）の参照層の構成は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ W(0.3) ／ CoFeB(1)であり、（ｄ）の参照層の構成は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ W(0.3) ／ CoFeB(1)であり、試料（ａ）〜（ｄ）いずれもＣｏＦｅＢ層が、記録層に隣接した非磁性層に隣接する。ここで、試料（ａ）の磁性層４つの磁化の大きさ（Ｍａ１、Ｍａ２、Ｍａ３、Ｍａ４）は全て同じであり（Ｍａ１＝Ｍａ２＝Ｍａ３＝Ｍａ４）、試料（ｄ）の磁性層４つの磁化の大きさ（Ｍｄ１、Ｍｄ２、Ｍｄ３、Ｍｄ４）も全て同じであるが（Ｍｄ１＝Ｍｄ２＝Ｍｄ３＝Ｍｄ４）、試料（ａ）の磁化のほうが試料（ｄ）の磁化より大きい（Ｍａ１＞Ｍｄ１）。
【０１０６】
【表３】
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【０１０７】
フルスタックであっても、試料（ａ）〜（ｄ）いずれも、図２７Ｂに点線で示した従来例の４４００Ｏｅより、交換結合磁界Ｈex1が大きくなることが分かった。特に磁性層の磁化がＭ２＞Ｍ１、磁性層の膜厚がｔ２＞ｔ１の場合は、交換結合磁界Ｈex1が大きく、図２７Ｂに点線で示した従来例の４４００Ｏｅから９０００Ｏｅに増加させることが分かった。また、磁性層４つの磁化の大きさが全て同じであっても、１層あたりの磁化の大きさが小さいほうが、交換結合磁界Ｈex1が大きく、図２７Ｂに点線で示した従来例の４４００Ｏｅから９０００Ｏｅに増加させることが分かった。
よって、フルスタックの場合でも、記録層の書き込み電流Ｉｃと参照層の磁化が反転する電流のマージンを広く取ることが可能となることを示している。
さらに、抵抗面積積（ＲＡ）が５Ω・μｍ2において、トンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）も図２７Ａに点線で示した従来例の値と同様に約１５０％を確保できることが確認された。
【０１０８】
（実施の形態２７）
図２８に、実施の形態２７として、非磁性挿入層及び磁性層の膜厚を変えた場合の、フルスタックでの層構成及び磁化曲線を示した。また、図２９Ａに、（ａ）〜（ｃ）のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）及び抵抗面積積（ＲＡ）を、図２９Ｂ及び表４に（ａ）〜（ｃ）の交換結合磁界Ｈex1を示した。
（ａ）の参照層の構成は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ir(0.5) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]1.5 ／ Ir(0.5) ／ Co(0.5) ／ W(0.3) ／ CoFeB(1)であり、（ｂ）の参照層の構成は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ir(0.5) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ir(0.5) ／ Co(0.5) ／ W(0.3) ／ CoFeB(1)であり、（ｃ）の参照層の構成は、[Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ir(0.5) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]2.5 ／ Ru(0.9) ／ [Co(0.5)/Pt(0.3)]3.5 ／ Ir(0.5) ／ Co(0.5) ／ W(0.3) ／ CoFeB(1)であり、試料（ａ）〜（ｃ）いずれもＣｏＦｅＢ層が、記録層に隣接した非磁性層に隣接する。
【０１０９】
【表４】
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【０１１０】
フルスタックであっても、外側の非磁性挿入層、すなわち、第１の非磁性挿入層（３１）及び第３の非磁性挿入層（３３）をＲｕ（０．９ｎｍ）からＩｒ（０．５ｎｍ）にした場合、層間結合エネルギーは、Ｊ１２＝Ｊ３４＞Ｊ２３の関係となり、交換結合磁界Ｈex1は、図２９Ｂに点線で示した従来例４４００Ｏｅの約１．５倍となった。また、磁性層の磁化がＭ２＞Ｍ１、磁性層の膜厚がｔ２＞ｔ１の場合も、交換結合磁界Ｈex1を増加させることが分かった。
よって、フルスタックの場合でも、記録層の書き込み電流Ｉｃと参照層の磁化が反転する電流のマージンを広く取ることが可能となることを示している。
さらに、抵抗面積積（ＲＡ）が６．５Ω・μｍ2程度において、トンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）も従来例の値と同様に約１５０％を確保できることが確認された。
【０１１１】
（実施の形態２８）
図２に例示される構成を有する磁気抵抗効果素子において、参照層中の４つの磁性層につき、「第１の磁性層（２１）の磁化Ｍ１と膜厚ｔ１の積、及び、第３の磁性層（２３）の磁化Ｍ３と膜厚ｔ３の積」の和が、「第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２と膜厚ｔ２の積、及び、第４の磁性層（２４）の磁化Ｍ４と膜厚ｔ４の積の和」以下であるように、磁性層の磁化及び膜厚を制御すると、より高い効果が得られる。
【０１１２】
（実施の形態２９）
図６に例示される構成を有する磁気抵抗効果素子において、参照層中の３つの磁性層につき、「第２の磁性層（２２）の磁化Ｍ２と膜厚ｔ２の積」は、「第１の磁性層（２１）の磁化Ｍ１と膜厚ｔ１の積及び第３の磁性層（２３）の磁化Ｍ３と膜厚ｔ３の積」の和より大きくなるように、磁性層の磁化及び膜厚を制御すると、より高い効果が得られる。  
【０１１３】
（実施の形態３０）
図３０に、実施の形態３０として、実施の形態１〜１５の構成を有する磁気メモリセルを複数個備える磁気メモリの一例を示す。
磁気メモリは、メモリセルアレイ、Ｘドライバ、Ｙドライバ、コントローラを備える。メモリセルアレイは、アレイ状に配置された磁気メモリセルを有する。Ｘドライバは複数のワード線（ＷＬ）に接続され、Ｙドライバは複数のビット線（ＢＬ）に接続され、読み出し手段及び書き出し手段として機能する。
【０１１４】
なお、各実施の形態において示した層構成は順に隣接して配置していればよく、積層方法、積層順序、上下左右の向き等限定されない。
【符号の説明】
【０１１５】
１１  第１の非磁性層
１２  第２の非磁性層
２１  第１の磁性層
２１１  界面磁性層
２１２  Ｃｏ磁性層
４１  非磁性結合層
２２  第２の磁性層
２３  第３の磁性層
２４  第４の磁性層
２ｎ  （ｎ番目の）磁性層
３１  第１の非磁性挿入層
３２  第２の非磁性挿入層
３３  第３の非磁性挿入層
３ｎ  （ｎ番目の）非磁性挿入層
Ａ１  第１の記録層
Ｂ１  第１の参照層
Ｂ２  第２の参照層
Ｃ１  キャップ層
Ｅ１  下部電極層
Ｅ２  上部電極層
Ｓ１  下地層
Ｊ１２、Ｊ２３、、、（磁性層の間の）反強磁性結合力
Ｊ１２  第１の磁性層と第２の磁性層間の反強磁性結合力
Ｊ２３  第２の磁性層と第３の磁性層間の反強磁性結合力
Ｊｎ（ｎ＋１）  第ｎ番目の磁性層と第（ｎ＋１）番目の磁性層間の反強磁性結合力
ＢＬ１  第１のビット線
ＢＬ２  第２のビット線
ＧＮＤ  グラウンド線
Ｔ１    第１端子  
Ｔ２    第２端子  
Ｔ３    第３端子  
Ｔｒ１  第１トランジスタ  
Ｔｒ２  第２トランジスタ  
ＷＬ    ワード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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