(57)【要約】【課題】熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気メモリを提供する。【解決手段】下地層１２と、下地層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第１の磁性層１３と、第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層１５と、第１の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が固定された第２の磁性層１７と、を備え、第１の磁性層は、ＤＯ２２構造またはＬ１０構造を有しｃ軸が膜面に垂直方向を向くフェリ磁性体層を含み、第１の磁性層と第１の非磁性層と第２の磁性層とを貫く双方向電流によって、第１の磁性層の磁化方向が可変となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層と、
前記下地層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が固定された第２の磁性層と、
を備え、
前記第１の磁性層は、ＤＯ２２構造またはＬ１０構造を有しｃ軸が膜面に垂直方向を向くフェリ磁性体層を含み、前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層と前記第２の磁性層とを貫く双方向電流によって、前記第１の磁性層の磁化方向が可変となることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記第１の磁性層の前記フェリ磁性体層は、ＭｎおよびＧａを含む合金層であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記下地層は、（００１）面に配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅのうちから選択された少なくとも１つの元素の窒化物の第１の層を含むことを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記下地層は、ＡＢＯ３からなる（００２）面に配向したペロブスカイト系導電性酸化物の第１の層を含み、サイトＡはＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａのうちから選択された少なくとも１つの元素から構成され、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂのうちから選択された少なくとも１つの元素から構成されることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記下地層は、前記第１の層上に設けられ、正方晶構造または立方晶構造を有し（００１）面に配向した金属を含む第２の層を更に備えていることを特徴とする請求項３または４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第２の磁性層上に設けられた第２の非磁性層と、
前記第２の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化方向が前記第２の磁性層の磁化方向と互いに反平行な第３の磁性層と、
を更に備え、
前記第２の磁性層の飽和磁化をＭＳ２、膜厚をｔ２とし、前記第３の磁性層の飽和磁化をＭＳ３、膜厚をｔ３とするとき、
ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ３×ｔ３の関係を満たすことを特徴とする請求項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２の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第１の界面層を更に備え、
前記第１の界面層は、合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層との間に設けられた第２の界面層を更に備え、
前記第２の界面層は、合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％）であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記第１の界面層および第２の界面層は、立方晶構造あるいは正方晶構造からなり、（１００）面に配向することを特徴とする請求項８記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを備えていることを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子およびこの磁気抵抗素子を記憶セルに用いた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速読み書き、大容量、低消費電力動作も可能な次世代の固体不揮発メモリとして、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：以下、ＭＲＡＭとも記す）への関心が高まっている。特に、強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子は、大きな磁気抵抗変化率を示すことが見いだされて以来、注目されている。
【０００３】
強磁性トンネル接合は、磁化方向が可変な記憶層と、絶縁体層と、前記記憶層と対向し、所定の磁化方向を維持する固定層との三層積層構造が基本構成となる。この強磁性トンネル接合に電流を流すと、絶縁体層をトンネルして電流が流れる。このとき、接合部の抵抗は、記憶層と固定層の磁化方向の相対角により変化し、磁化方向が平行のとき極小値を、反平行のとき極大値をとる。この抵抗変化はトンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto-Resistance effect：以下、ＴＭＲ効果とも記す）と呼ばれ、実際に一つの記憶セルとして強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子を用いる場合には、記憶層と固定層との磁化方向の平行、反平行状態（すなわち抵抗の極小、極大）を二進情報の“０”または“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。
【０００４】
磁気抵抗素子の記憶の書き込みには、記憶セル近傍に書き込み配線を配置し、この書き込み配線に電流を流した際に発生する電流磁場によって、記憶層の磁化方向のみを反転させる磁場書き込み方式が知られている。しかしながら、大容量メモリを実現するために、素子サイズを小さくすると、記憶層を構成する磁性体の保磁力Ｈｃが原理的に大きくなるため、書き込みに必要な電流が素子を微細化するほど大きくなる傾向がある。一方、書き込み配線からの電流磁場はセルサイズの縮小に対し原理的に小さくなるため、磁場書き込み方式では、大容量設計で要求されるセルサイズの縮小と書き込み電流の低減を両立することは困難である。
【０００５】
一方、近年この課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（SMT：spin-momentum-transfer）を用いた書込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方式は、磁気抵抗素子にスピン偏極電流を流して記憶層の磁化方向を反転させるもので、さらに記憶層を形成する磁性層の体積が小さいほど注入するスピン偏極電子も少なくてよいため、素子の微細化と低電流化を両立できる書き込み方式と期待されている。
【０００６】
しかしながら、大容量化を達成するために素子を微細化すると、記憶層の磁化方向を一方向に維持するためのエネルギー障壁すなわち磁気異方性エネルギーが熱エネルギーより小さくなり、結果として磁性体の磁化方向が揺らぎ（熱擾乱）、記憶情報をもはや維持できなくなるという問題が顕在化する。
【０００７】
一般的に、磁化方向が反転するために必要なエネルギー障壁は、磁気異方性定数（単位体積当りの磁気異方性エネルギー）と磁化反転単位体積の積で表わされるため、微細な素子サイズ領域で熱擾乱に対する耐性を確保するためには、磁気異方性定数が大きな材料を選択する必要がある。これまで主に検討されている面内磁化型の構成では、形状磁気異方性を利用するのが一般的である。この場合、磁気異方性エネルギーを増加させるには、磁気抵抗素子のアスペクト比を大きくする、記憶層の膜厚を厚くする、記憶層の飽和磁化を大きくするなどの方策が必要となるが、これらの方策は、スピン注入方式の特徴を考えたとき、いずれも反転電流の増大を招くため、微細化に適さない。
【０００８】
一方、形状磁気異方性ではなく、大きな結晶磁気異方性を有する材料を利用することも考えられるが、その場合、面内方向の磁化容易軸は、膜面内で大きく分散してしまうため、ＭＲ比（Magnetoresistance ratio）が低下、或いはインコヒーレントな歳差運動が誘発され、結果として反転電流が増加してしまうこととなる。そのためこの方法もまた好ましくない。また、面内磁化型では形状により発現する磁気異方性を利用しているため、反転電流は形状に敏感となる。その結果、微細化に伴い反転電流のばらつきが増加することも懸念される。
【０００９】
一方、これに対し、磁気抵抗素子を構成する強磁性材料に、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する、いわゆる垂直磁化膜を用いることが考えられる。垂直磁化型で結晶磁気異方性を利用する場合、形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比べて小さくすることができ、また磁化容易方向の分散も小さくできるため、大きな結晶磁気異方性を有する材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が実現できると期待される。
【００１０】
垂直磁化膜に用いる材料系としては、Ｌ１０規則合金系（ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔなど）や、人工格子（Ｃｏ／Ｐｔ，Ｐｄ）系、ｈｃｐ系（ＣｏＰｔなど）、ＲＥ−ＴＭ系（Ｔｂ−ＣｏＦｅなど）が挙げられる。
【００１１】
一方、一般的に例えば、非特許文献１に記載されているように、スピン注入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ＭＳ及び磁気緩和定数α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、飽和磁化Ｍｓ及び磁気緩和定数αを小さくすることが重要である。また、デバイスとしては加工プロセス温度に耐える必要もある。しかしながら、上記垂直磁化膜に記憶層として具備すべき上記特性をすべて満たすものは存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】C. Slonczewski,“Current-driven ecitation of magnetic multilayers”,「JORNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS」,1996, VOLUME 159, p.L1-L7
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気メモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様による磁気抵抗素子は、下地層と、前記下地層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第１の磁性層と、前記第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が固定された第２の磁性層と、を備え、前記第１の磁性層は、ＤＯ２２構造またはＬ１０構造を有しｃ軸が膜面に垂直方向を向くフェリ磁性体層を含み、前記第１の磁性層と前記第１の非磁性層と前記第２の磁性層とを貫く双方向電流によって、前記第１の磁性層の磁化方向が可変となることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第２の態様による磁気メモリは、上記第１の態様による磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態によるＭＲ素子の断面図。
【図２】第１実施形態の第１変形例によるＭＲ素子の断面図。
【図３】第１実施形態の第２変形例によるＭＲ素子の断面図。
【図４】第１実施形態の第３変形例によるＭＲ素子の断面図。
【図５】ＤＯ２２構造を説明する図。
【図６】ＤＯ２２構造を有するＭｎＧａ膜の飽和磁化および実効的な垂直磁気異方性エネルギーの、加熱成膜温度依存性を示す図。
【図７】ＤＯ２２構造を有するＭｎＧａ膜の飽和磁化および実効的な垂直磁気異方性エネルギーの、Ｍｎ濃度依存性を示す図。
【図８】Ｌ１０構造を説明する図。
【図９】下地層及び記憶層を含む積層構造を示す断面図。
【図１０】第２実施形態によるＭＲＡＭの構成を示す回路図。
【図１１】１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図。
【図１２】ＭＲＡＭの適用例１によるデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を示すブロック図。
【図１３】ＭＲＡＭの適用例２による携帯電話端末３００を示すブロック図。
【図１４】ＭＲＡＭの適用例３によるＭＲＡＭカード４００を示す上面図。
【図１５】ＭＲＡＭカードにデータを転写するデータ転写装置５００を示す平面図。
【図１６】ＭＲＡＭカードにデータを転写するデータ転写装置５００を示す断面図。
【図１７】ＭＲＡＭカードにデータを転写する、はめ込み型のデータ転写装置５００を示す断面図。
【図１８】ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、スライド型のデータ転写装置５００を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態による磁気抵抗素子の基本概念を説明する。
【００２０】
なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２１】
また、以下に示す各実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２２】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態による磁気抵抗素子の構造について説明する。
【００２３】
磁気抵抗素子の構造
図１に、本実施形態による磁気抵抗素子１を示す。図１において、矢印は磁化方向を示している。本明細書においては、磁気抵抗素子とは、半導体あるいは絶縁体をスペーサ層に用いるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子を指す。また、以下の図では、磁気抵抗素子１の主要部を示しているが、図示の構成を含んでいれば、さらなる層を含んでいても構わない。
【００２４】
本実施形態の磁気抵抗素子１は、下地層１２、磁性層１３、非磁性層１５、磁性層１７、キャップ層２０がこの順序で積層された積層構造を有している。磁性層１３は、膜面に垂直な方向（すなわち上面に垂直な方向）に磁化容易軸を有し、磁化が磁化容易軸のまわりを回転する（歳差運動する）。以下、磁性層１３を記憶層と称する。記憶層１３の詳細な性質については後述する。以下、膜面に垂直方向の磁化を垂直磁化と称する。
【００２５】
磁性層１７は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、記憶層１３に対し磁化方向が固定されている。「磁化の方向が固定される」とは、書き込み電流を流した前後で、磁化方向が変わらないことを意味する。または、記憶層１３の保磁力よりも大きい保磁力を有する磁性材料から構成される。以下、磁性層１７を固定層と称する。固定層１７の詳細な性質については後述する。なお、図１では、固定層１７の磁化方向は、典型例として、下地層１２に対して記憶層１３と反対側に設けられる基板に対し、反対方向（上）を向いているが、基板方向（下）を向いていても構わない。
【００２６】
非磁性層（トンネルバリア層とも云う）１５は、酸化物絶縁物等から構成される。非磁性層１５のより詳細な性質については、後述する。
【００２７】
この磁気抵抗素子１は、スピン注入磁化反転方式によって書き込みを行う。すなわち、各層に対し膜面に垂直方向に流すスピン偏極電流の方向に応じて、記憶層１３と固定層１７の磁化方向の相対角を平行、反平行状態（すなわち抵抗の極小、極大）とを変化させ、二進情報の“０”または“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。より詳細に説明すれば、書き込みの際は、固定層１７から記憶層１３へ、または記憶層１３から固定層１７へ、膜面に垂直方向に電流を流すことによって、スピン情報を蓄積された電子が固定層１７から記憶層１３へ注入される。この注入された電子のスピン角運動量が、スピン角運動量の保存則に従って記憶層１３の電子に移動されることによって、記憶層１３の磁化が反転することになる。
【００２８】
本実施形態の磁気抵抗素子１は、下地層１２上に記憶層１３およびこれより上の層が形成され、非磁性層１５上に固定層１７が形成される、いわゆるトップピン型の構造を有している。
【００２９】
下地層１２は、記憶層１３より上の層の結晶配向性および結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられるが、詳細な性質については後述する。キャップ層２０は、磁性層１７の酸化防止等、主として保護層として機能する。
【００３０】
図１に示す本実施形態に磁気抵抗素子１では、後述する界面層が挿入されていない。記憶層１３および固定層１７を構成する磁性材料としては、高ＴＭＲを発現させる、また、高いスピン注入効率をもたらすに足るスピン分極率を有する材料を用いることができる。本実施形態の磁気抵抗素子１は、以下に示す各種の変形例の磁気抵抗素子であってもよい。
【００３１】
（第１変形例）
図２に、第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗素子１を示す。この変形例の磁気抵抗素子１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１５と固定層１７との間に界面層１６を設けた構成となっている。界面層１６は強磁性体からなり、非磁性層１５と固定層１７との界面での格子ミスマッチを緩和する効果を有するとともに、高分極率材料を用いることにより高ＴＭＲと高いスピン注入効率を実現する効果も有する。
【００３２】
（第２変形例）
図３に、第１実施形態の第２変形例による磁気抵抗素子１を示す。この変形例の磁気抵抗素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、記憶層１３と非磁性層１５との間に界面層１４を挿入するとともに、非磁性層１５と固定層１７との間に界面層１６を挿入した構成となっている。界面層１４も界面層１６と同様に強磁性体からなり、記憶層１３と非磁性層１５との界面での格子ミスマッチを緩和する効果を有するとともに、高分極率材料を用いることにより高ＴＭＲと高いスピン注入効率を実現する効果も有する。界面層１４及び界面層１６の詳細な性質については後述する。
【００３３】
（第３変形例）
図４に、第１実施形態の第３変形例による磁気抵抗素子１を示す。この変形例の磁気抵抗素子１は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、固定層１７とキャップ層２０との間に、非磁性層１８と、バイアス層（以下、シフト調整層とも云う）１９とがこの順序で設けられた構成となっている。バイアス層１９は強磁性体からなり、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜であり、かつ固定層１７の磁化方向と反対方向に磁化が固定されている。バイアス層１９は、素子加工時に問題となる、固定層１７からの漏れ磁場による記憶層１３における磁化反転特性のオフセットを、逆方向へ調整する効果を有する。また、この第３変形例において、第１および第２変形例と同様に、記憶層１３と非磁性層１５との間、または非磁性層１５と固定層１７との間に、界面層１４または界面層１６が挿入されていてもよい。非磁性層１８及びバイアス層１９の詳細な性質については後述する。
【００３４】
以下に、第１実施形態およびその変形例の磁気抵抗素子を構成する各層について詳述する。まず、記憶層について説明する。
【００３５】
記憶層１３
磁気抵抗素子１の記憶層１３として垂直磁化膜を用いる場合、前述した通り、形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比べて小さくでき、大きな結晶磁気異方性を有する材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が可能となる。以下に、記憶層１３として具備すべき性質及び、材料選択の具体例について詳細に示す。
【００３６】
記憶層１３が具備すべき性質
記憶層１３として垂直磁化材料を用いる場合、対するその熱擾乱指数Δは、実効的な異方性エネルギーＫｕｅｆｆ・Ｖと、熱エネルギーｋＢＴとの比をとって、下記のように表される。
Δ＝Ｋｕｅｆｆ・Ｖ／（ｋＢＴ）
＝（Ｋｕ−２πＮＭＳ２）・Ｖａ／（ｋＢＴ）                ・・・（式１）
ここで、Ｋｕは結晶磁気異方性定数、ＭＳは飽和磁化、Ｎは反磁場係数、Ｖａは磁化反転単位体積、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度（Ｋ）を表す。
【００３７】
熱エネルギーにより磁化が揺らぐ問題（熱擾乱）を回避するには、熱擾乱指数Δは６０以上が必要条件となる。しかし、大容量化を念頭に素子サイズが小さくなる、もしくは膜厚が薄くなると、磁化反転単位体積Ｖａが小さくなり、記憶が維持できなくなる（＝熱擾乱）ことが懸念される。そのため、記憶層１３としては、結晶磁気異方性定数Ｋｕが大きい、かつ／あるいは、飽和磁化ＭＳが小さい材料を選択することが望ましい。一方、スピン注入書き込み方式による磁化反転に必要な臨界電流Ｉｃは、一般的に、
Ｉｃ∝α・η・Δ                                    ・・・（式２）
であることが知られている。ここで、αは磁気緩和定数、ηはスピン注入効率係数を表す。磁化反転単位体積Ｖａは飽和磁化Ｍｓが小さいほど大きい。このため、最低限の熱擾乱指数Δを保ちつつ反転電流を下げるには、飽和磁化ＭＳの小さな材料を選択することが望ましい。
【００３８】
記憶層１３の材料
上記のように、記憶層１３は垂直磁化膜であり、かつ高い熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、飽和磁化ＭＳが小さく、熱擾乱指数Δを維持するに足る高い磁気異方性Ｋｕを持ち、また、高分極率を示す材料であることが好ましい。このような要請を満たす材料として、フェリ磁性を示す組成のＭｎＧａ合金が考えられる。以下により具体的に説明する。
【００３９】
（記憶層材料の第１具体例（ＤＯ２２型−Ｍｎ３−δＧａ））
記憶層１３の第１具体例は、ＤＯ２２相を有するマンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）の合金から構成される。Ｍｎ３−δＧａ合金は、Ｍｎ組成が０．１５＜δ＜１．０５（６６乃至７４ａｔ％）の範囲内で面心正方（ＦＣＴ : face-centered tetragonal）構造に基づく、図５に示すようなＤＯ２２型構造を有し、この組成範囲内でフェリ磁性を発現する。垂直磁化膜とするためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００２）配向成長させればよい。具体的には図１乃至４に示す下地層１２を適切に選択することにより、記憶層１３の結晶配向成長を制御することが可能である。下地層１２の詳細および具体的な作製方法については後述する。
【００４０】
一例として、図６に、下地層１２上に作製したＤＯ２２構造を有するＭｎ２．５Ｇａの飽和磁化ＭＳ及び実効的な垂直磁気異方性定数Ｋｕｅｆｆの、基板加熱成膜温度依存性を示す。配向制御された下地層１２上に加熱成膜を行うことにより、より高配向に（００２）結晶配向したＭｎ２．５Ｇａを作製することが可能となる。詳細に実験を行った結果、基板温度Ｔｓ＝４００℃付近で最も大きな垂直磁気異方性が発現することを確認した（図６参照）。
【００４１】
また、図７に、このようにして作製した垂直磁化Ｍｎ３−δＧａの飽和磁化ＭＳ及び実効的な磁気異方性定数Ｋｕｅｆｆの、Ｍｎ組成依存性示す。Ｍｎ組成を調整することにより、低飽和磁化（＜３００（ｅｍｕ／ｃｃ））でかつ１×１０７（ｅｒｇ／ｃｃ）以上の高い実効的垂直磁気異方性の両立が可能となることが判った。また、文献、例えばJ. Winterlink et al, Phys. Rev. B, 77 (2008) 054406およびJ. Kubler et al, J. Phys: Condens. MatterB, 18 (2006) 9795によると、この組成範囲のＭｎ３−δＧａの分極率は、バンド計算上およそ６６％〜９８％と高いことが予想される。また、高分極材料として研究が盛んなハーフメタル系およびホイスラー系の材料に比べ、キュリー温度がおよそ７００Ｋ以上と高く、安定にＤＯ２２構造が存在できることからも、記憶層の特性要請を満たす材料として好ましい。
【００４２】
（記憶層材料の第２の具体例（Ｌ１０型−ＭｎＧａ））
記憶層１３の第２の具体例は、Ｌ１０相を有するマンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）の合金から構成される。ＭｎＧａ合金は、Ｍｎの組成比が５０ａｔ％で強磁性体となる。さらに低飽和磁化ＭＳを実現するためには、Ｍｎを添加すればよい。具体的には、Ｍｎの組成比がこれよりも多くなると、ＭｎのＧａサイトへの置換が起こり、ＧａサイトのＭｎは、ＭｎサイトのＭｎと反平行なスピン配列をとる。この結果、Ｍｎ組成が６４ａｔ％乃至６６ａｔ％の範囲内で相図上、τ相あるいはε’相と呼ばれる、面心正方（ＦＣＴ: face-centered tetragonal）構造を基本格子とする、図８に示すようなＬ１０型（ＣｕＡｕ型）規則構造相が安定相のフェリ磁性体となり、実効的な飽和磁化ＭＳの大きさを５０（ｅｍｕ/ｃｃ）以下に調整することができる。垂直磁化膜とするためには、ｃ軸を膜面に垂直方向、すなわち（００１）配向成長させればよい。具体的には図１乃至図４で説明した下地層１２を適切に選択することにより、記憶層１３の結晶配向成長を制御することが可能である。下地層１２の詳細および具体的な作製方法については後述する。ＭｎＧａ合金は、この組成範囲内においては５×１０６（ｅｒｇ／ｃｃ）と高い実効的な垂直磁気異方性と、およそ６９０Ｋと高いキュリー温度を有し、記憶層としての要請された特性を満たす。
【００４３】
下地層１２
記憶層１３についての上述の詳細な説明に示すＤＯ２２構造およびＬ１０構造では、一般に、［００１］方向の格子定数ｃと、［１００］並びに［０１０］方向の格子定数ａとは等しくない。従って、ＤＯ２２構造あるいはＬ１０構造を有する強磁性合金は、ｃ軸が磁化容易軸となる。すなわち、膜面に対して垂直方向を磁化容易軸とする垂直磁化膜を形成するには、ＤＯ２２構造およびＬ１０構造の結晶配向性をそれぞれ（００２）面、（００１）面が配向するように制御する必要がある。そのため、下地層１２の材料及びその積層構造の選択が重要となる。以下に下地層１２について、その材料及び積層構成の詳細を説明するが、ＤＯ２２構造及びＬ１０構造の［１００］方向の格子定数ａは、それぞれおよそ３.９０Å程度と近いため、以下に示す材料および積層構成の具体例は、記憶層１３がＤＯ２２構造のＭｎＧａ、Ｌ１０構造のＭｎＧａの場合のどちらに対しても適用される。
【００４４】
（下地層１２の積層構造）
図９は、下地層１２および記憶層１３を含む積層構造を示す断面図である。図９に示した積層構造は、熱酸化膜付きＳｉ基板１０上に、下地層１２との密着層１１としての膜厚５ｎｍ程度のＴａ層と、下地層１２と、この下地層１２上のＤＯ２２構造あるいはＬ１０構造の記憶層１３としての膜厚２ｎｍ程度のＭｎＧａ層と、を順次形成した構成を有している。ＭｎＧａ層より上の構成は、図１乃至図４に示す、第１実施形態またはその変形例と同じとなっている。
【００４５】
下地層１２としては、下地層１２ａとして膜厚３ｎｍ程度のアモルファス層、下地層１２ｂとして膜厚０．５ｎｍ程度の酸化物層、下地層１２ｃとして膜厚２０ｎｍ程度のＮａＣｌ構造を有する窒化物層もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物層、下地層１２ｄして膜厚３ｎｍ程度の金属層を順次積層した構成が好ましい。これらの下地層１２ａ〜１２ｄの中で、特に、ＮａＣｌ構造を有する窒化物もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物からなる下地層１２ｃを有することが必要である。これは、下地層１２にＮａＣｌ構造を有する窒化物層もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物層１２ｃを含むことによって、ＤＯ２２構造ならば（００２）面の、Ｌ１０構造ならば（００１）面の結晶配向性および平滑性が良好なフェリ磁性ＭｎＧａ合金の記憶層１３を形成することができるからである。
【００４６】
さらに、窒化物層１２ｃの結晶配向性、平滑性を制御するためには、下地層１２ａとしてＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０のようなアモルファス層或いは微結晶層、および下地層１２ｂとしてＮａＣｌ構造を有する酸化物層、および下地層１２ｄとして正方晶構造あるいは立方晶構造を有する金属層が、下地層１２内に形成されていることが好ましい。下地層１２内に含まれる下地層１２ａ乃至１２ｄの具体的な材料については後述する。
【００４７】
（下地層１２の材料）
下地層１２のうち、下地層１２ｃとしては、ＮａＣｌ構造を有する窒化物もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物が用いられる。すなわち、ＮａＣｌ構造を有する窒化物として、（００１）面に配向したＮａＣｌ構造を有し、かつＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅのうちから選択された少なくとも１つの元素の窒化物が用いられる。例えば、ＮａＣｌ構造を有する窒化物としては、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＶＮ等が挙げられる。また、例えば、ＴｉＮのように金属が１元素ではなく、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｎ、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎのように金属が２元素、もしくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖの窒化物の他に、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅ等の窒化物を用いてもよい。しかしながら窒化物としての安定性を考慮すると、標準生成自由エネルギーが低い方が好ましい。そこで、ＮａＣｌ構造を有する代表的な窒化物の５００℃における標準生成自由エネルギーを低い順に並べると、ＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮ、ＶＮ、ＣｒＮとなる（例えば、金属データブックｐ．９０、日本金属学会編参照）。窒化物が安定に存在できないと、窒化物の形成時及び形成後の熱工程により、窒化物を構成する元素の一部が拡散する可能性がある。このため、本実施形態で用いる窒化物は、その標準生成エネルギーが低い方が好ましく、このような観点からＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮがより好ましい。一方、これらの窒化物、ＺｒＮ、ＴｉＮ、ＣｅＮの格子定数はそれぞれ、４．５４Å、４．２２Å、５．０２Åであり、前述の通りＤＯ２２構造及びＬ１０構造を有するＭｎＧａの［１００］方向の格子定数ａは、およそ３.９０Å程度であるため、格子定数の観点からは、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＣｅＮの順で好ましい。また、膜厚が厚すぎると平滑性が悪くなり、薄すぎると窒化物として機能しないため、膜厚範囲としては、３ｎｍ乃至３０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００４８】
下地層１２ｃの材料として、ＮａＣｌ構造を有する窒化物の他に、同様の効果がある材料として、（００２）面に配向したペロブスカイト構造を有する導電性酸化物が挙げられる。具体的には、ペロブスカイト型酸化物をＡＢＯ３で表すと、サイトＡは、ストロンチウム（Ｓｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ランタン（Ｌａ）、Ｋ（カリウム）、Ｃａ（カルシウム）、ナトリウム（Ｎａ）、鉛（Ｐｂ）、もしくはバリウム（Ｂａ）等から選択された少なくとも１つの元素から構成され、サイトＢは、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、Ｔａ（タンタル）、セリウム（Ｃｅ）若しくは鉛（Ｐｂ）等から選択された少なくとも１つの元素から構成される。すなわち、ＳｒＲｕＯ３、Ｓｒ（Ｔｉ，Ｒｕ）Ｏ３、ＳｒＮｂＯ３、Ｓｒ（Ｔｉ,Ｖ）Ｏ３、ＳｒＣｒＯ３、ＳｒＦｅＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＳｒＩｒＯ３、ＣｅＧａＯ３、ＤｙＭｎＯ３、ＬａＴｉＯ３、ＬａＶＯ３、Ｌａ1−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ1−ｘＳｒｘＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＣａＣｅＯ３、ＣａＣｒＯ３、ＣａＲｕＯ３等が挙げられる。これらの酸化物は（００１）面の格子定数ａが３．７Å〜４．０Å程度で結晶配向性に優れ、下地層として好ましい。上述材料の中から高耐熱性、低格子ミスマッチ、低抵抗の観点から適宜選択すればよい。また、ペロブスカイト型酸化物は、酸素を欠損させることで電気伝導性を調整することが可能である。
【００４９】
下地層１２のうち、下地層１２ａは、平滑性と、下地層１２ｂとなるＮａＣｌ構造を有する酸化物、下地層１２ｃとなるＮａＣｌ構造を有する窒化物あるいはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物のそれぞれの結晶配向性とを向上させる目的で、アモルファス層或いは微結晶層が用いられる。アモルファス構造（或いは微結晶構造）からなる下地層１２ａとしては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素と、ホウ素（Ｂ）、ニオブ（Ｎｂ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）のうち１つ以上の元素とを含む金属が挙げられる。具体的には、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、Ｃｏ８０Ｂ２０、Ｆｅ８０Ｓｉ１０Ｂ１０等のアモルファス層（或いは、微結晶層）が挙げられる。さらに、ＣｏＺｒＢ、ＮｉＳｉＢ、ＦｅＮｉＳｉＢ、ＦｅＣｏＺｒＢ等も好ましい材料と言える。これらのアモルファス層（或いは、微結晶層）は、形成時には明瞭な結晶構造を示さないが、成膜後の熱工程によって部分的に結晶化が開始して、ある領域が明瞭な結晶構造を示しても構わない。つまり、最終的にデバイスとして機能している際には、結晶構造を示していても構わない。下地層１２ａとしてアモルファス層を用いると、下地層１２ｂとなるＮａＣｌ構造を有する酸化物および下地層１２ｃとなるＮａＣｌ構造を有する窒化物あるいはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物酸化物が、（１００）面に高配向に成長し易くなる。また、下地層１２ａであるアモルファス層の膜厚は、厚すぎると成膜に時間がかかり、生産性が低下する要因となり、また、薄すぎると上述の配向制御の効果を失うため、１ｎｍ乃至１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００５０】
下地層１２のうち、下地層１２ｂとしては、下地層１２ｃおよび下地層１２ｄの平滑性、結晶配向性を向上させる目的で、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が用いられる。ＮａＣｌ構造を有する酸化物としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも１つ以上の元素を主成分とする材料が挙げられる。また、下地層１２ｂである酸化物の膜厚は、厚すぎると抵抗が高くなり、直列抵抗が付加されて非磁性層（トンネルバリア層）１５で生じる磁気抵抗比を低下させることになるため、少なくとも非磁性層１５の抵抗よりも小さくする必要があり、１ｎｍよりも薄いことが好ましい。
【００５１】
下地層１２のうち、下地層１２ｄとしては、正方晶構造あるいは立方晶構造を有しかつ格子定数が２．７Å乃至３．０Å、或いは３．７Å乃至４．２Åの範囲にありかつ（００１）面に配向した金属を用いることが好ましい。下地層１２ｃとなる窒化物あるいは酸化物上にＤＯ２２構造またはＬ１０構造のＭｎＧａを記憶層１３として直接形成するよりも、下地層１２ｃと記憶層１３との間に、バッファー層として下地層１２ｄを設けることで、ＤＯ２２構造またはＬ１０構造のＭｎＧａの記憶層１３のｃ軸配向性を、より向上させることができる。下地層１２ｄの具体的な材料としては、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び金（Ａｕ）のうち１つの元素、或いは１つの元素を主成分とする合金から構成されていることが好ましい。また、下地層１２ｄである金属層の膜厚は、厚すぎると平滑性が悪くなり、薄すぎるとＤＯ２２構造またはＬ１０構造を有する規則合金の配向性を整える層として十分に機能しないため、１ｎｍ乃至１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００５２】
非磁性層１５
非性層１５の材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。具体的にはＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯなどが挙げられる。これらのＮａＣｌ構造酸化物は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、あるいは２種以上を主成分として含む、例えばアモルファスＣｏＦｅＮｉＢ合金上、あるいは体心立方（ＢＣＣ: body-centered cubic）構造で（１００）優先配向面を有するＦｅＣｏＮｉのいずれか、あるいは２種以上を主成分として含む合金上、あるいはＤＯ２２構造を有する合金の（００２）面上、あるいはＦＣＴ構造を有するＬ１０型規則合金の（００１）配向面上で結晶成長させると、（１００）面を優先配向面として成長し易い。特に、Ｂ、Ｃ、Ｎなどを添加したＣｏＦｅ―Ｘアモルファス合金上では、非常に容易に（１００）面を優先配向させることが可能である。
【００５３】
また、記憶層１３の磁化と、固定層１７の磁化の方向とが反平行の場合、スピン分極したΔ１バンドがトンネル伝導の担い手となるため、マジョリティースピン電子のみが伝導に寄与することとなる。この結果、磁気抵抗素子１の伝導率が低下し、抵抗値が大きくなる。反対に、記憶層１３の磁化と、固定層１７の磁化の方向とが平行であると、スピン偏極していないΔ５バンドが伝導を支配するために、磁気抵抗素子１の伝導率が上昇し、抵抗値が小さくなる。したがって、Δ１バンドの形成が高ＭＲ比を発現させるためのポイントとなる。Δ１バンドを形成するためには、ＮａＣｌ構造の酸化物からなる非磁性層１５の（１００）面と記憶層１３及び固定層１７との界面の整合性がよくなければならない。
【００５４】
ＮａＣｌ構造の酸化物層からなる非磁性層１５の（１００）面での格子整合性をさらに良くするために、記憶層１３との間に界面層１４を、固定層１７との間に界面層１６を挿入してもよい。Δ１バンドを形成するという観点からは、界面層１４及び界面層１６として、非磁性層１５の（１００）面での格子ミスマッチが５％以下となるような材料を選択することが、より好ましい。
【００５５】
固定層１７
固定層１７としては、記憶層１３に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。すなわち、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ及び飽和磁化Ｍｓが大きく、また磁気緩和定数αが大きい材料を選択することが好ましい。具体的な材料については後述する。
【００５６】
（規則合金系）
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素と、を含む合金であり、この合金の結晶構造がＬ１０型の規則合金である。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等が挙げられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ａｇ（銀）等の不純物元素あるいはその合金、絶縁物を加えて実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層１７として用いる場合、特に非磁性層１５との格子ミスマッチが大きい材料を選択する場合においては、図２に示す第１変形例のように、非磁性層１５と固定層１７との間に、界面層１６が挿入されることが好ましい。
【００５７】
（人工格子系）
人工格子系とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも１つの元素を含む合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうち少なくとも１つの元素を含む合金とが交互に積層された構造を有している。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、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比、及び積層周期を調整することで、実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの積層膜を固定層１７として用いる場合は、多くの場合、非磁性層１５との格子ミスマッチが大きく、高ＭＲ比の観点からは好ましくない。このような場合は、図２に示す第１変形例のように、非磁性層１５と固定層１７との間に、界面層１６が挿入されることが好ましい。
【００５８】
（不規則合金系）
不規則合金系とは、コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を含む金属である。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層１７として用いる場合は、多くの場合、非磁性層１５との格子ミスマッチが大きく、高ＭＲ比の観点からは好ましくない。このような場合は、図２に示す第１変形例のように、非磁性層１５と固定層１７との間に、界面層１６が挿入されることが好ましい。
【００５９】
界面層
非磁性層１５と、固定層１７または記憶層１３との界面には、磁気抵抗比（ＴＭＲ比）を上昇させる目的で、図２及び図３に示す界面層１６及び界面層１４が挿入される。界面層１４及び界面層１６は高分極率材料、具体的には合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％であることが好ましい。また、界面層１６及び界面層１４は立方晶構造あるいは正方晶構造からなり、（１００）面に配向することが好ましい。これらの磁性材料を界面層１６及び界面層１４として用いることにより、固定層１７と非磁性層１５との間、及び記憶層１３と非磁性層１５との間の格子ミスマッチが緩和され、更に高分極率材料であるため、高ＭＲ比と高いスピン注入効率を実現する効果が期待される。
【００６０】
バイアス層
図４に示す第３変形例のように、固定層１７とキャップ層２０との間に、非磁性層１８と、バイアス層１９を配置してもよい。これにより、固定層１７からの漏れ磁場による記憶層１３の反転電流のシフトを緩和及び調整することが可能となる。
【００６１】
非磁性層１８は、固定層１７とバイアス層１９とが熱工程によって混ざらない耐熱性、及びバイアス層１９を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。さらに、非磁性層１８の膜厚が厚くなるとバイアス層１９と記憶層１３との距離が離れるため、バイアス層１９から記憶層１３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１８の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。バイアス層１９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。具体的には、固定層１７で挙げた材料を用いることができる。ただし、バイアス層１９は、固定層１７に比べて記憶層１３から離れているため、記憶層１３に印加される漏れ磁場をバイアス層１９によって調整するためには、バイアス層１９の膜厚、或いは飽和磁化ＭＳの大きさを固定層１７のそれらより大きくする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、固定層１７の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ２、ＭＳ２、バイアス層１９の膜厚、飽和磁化をそれぞれｔ２２、ＭＳ２２とすると、以下の関係式を満たす必要がある。
ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ２２×ｔ２２                                            ・・・（式３）
【００６２】
例えば素子サイズ５０ｎｍの加工を想定した場合、反転電流のシフトを相殺するためには、固定層１７に飽和磁化ＭＳ２が１０００ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ２が５ｎｍの磁性材料を用いたとすると、非磁性層１８の膜厚は３ｎｍ、バイアス層１９には飽和磁化ＭＳ２２が１０００ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ２２が１５ｎｍ程度のバイアス層特性が要求される。
【００６３】
また、上述のシフト相殺効果を得るには、固定層１７とバイアス層１９との磁化方向は反平行に設定される必要がある。この関係を満たすためには、固定層１７の保磁力Ｈｃ２とバイアス層１９の保磁力Ｈｃ２２との間には、Ｈｃ２＞Ｈｃ２２、或いはＨｃ２＜Ｈｃ２２の関係を満たす材料を選択すればよい。この場合、予めマイナーループ（Minor Loop）着磁により保磁力の小さい層の磁化方向を反転させることにより、固定層１７とバイアス層１９との磁化方向は反平行に設定することが可能となる。また非磁性層１８を介して固定層１７とバイアス層１９とを反強磁性結合（ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）結合）させることによっても、同様に固定層１７とバイアス層１９との磁化方向は反平行に設定することが可能となる。具体的には、非磁性層１８の材料として例えばルテニウム（Ｒｕ）を用いると、固定層１７とバイアス層１９との磁化方向を反平行に結合させることができる。これにより、バイアス層１９によって固定層１７から出る漏れ磁界を低減することができ、結果的に記憶層１３の反転電流のシフトを低減することができる。この結果、素子間での記憶層１３の反転電流のばらつきを低減することも可能となる。
【００６４】
以上の述べたように、第１実施形態による磁気抵抗効果素子１によれば、熱的に安定であると同時に低電流での磁化反転が可能なスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗素子を得られる。
【００６５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるＭＲＡＭを説明する。この実施形態のＭＲＡＭは、第１実施形態の磁気抵抗素子１を用いたＭＲＡＭであり、その構成を図１０に示す。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ４０を備えている。メモリセルアレイ４０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ４０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。
【００６６】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、磁気抵抗素子１と、ＮチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ４１と、を備えている。磁気抵抗素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。磁気抵抗素子１の他端は、選択トランジスタ４１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ４１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ４１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【００６７】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ４２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路４４及び読み出し回路４５が接続されている。書き込み回路４４及び読み出し回路４５には、カラムデコーダ４３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ４２及びカラムデコーダ４３により選択される。
【００６８】
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ４１がターンオンする。
【００６９】
ここで、磁気抵抗素子１には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、磁気抵抗素子１に左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路４４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、磁気抵抗素子１に右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路４４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
【００７０】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ４１がターンオンする。読み出し回路４５は、磁気抵抗素子１に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路４５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、磁気抵抗素子１の抵抗値を検出する。このようにして、磁気抵抗素子１に記憶されたデータを読み出すことができる。
【００７１】
次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図１１は、１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【００７２】
Ｐ型半導体基板５１の表面領域には、素子分離絶縁層が設けられ、この素子分離絶縁層が設けられていない半導体基板５１の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。
【００７３】
半導体基板５１の素子領域には、互いに離間したソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが設けられている。このソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄはそれぞれ、半導体基板５１内に高濃度のＮ＋型不純物を導入して形成されたＮ＋型不純物領域から構成される。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ間で半導体基板５１上には、ゲート絶縁膜４１Ａを介して、ゲート電極４１Ｂが設けられている。ゲート電極４１Ｂは、ワード線ＷＬとして機能する。このようにして、半導体基板５１には、選択トランジスタ４１が設けられている。
【００７４】
ソース領域Ｓ上には、コンタクト５２を介して配線層５３が設けられている。配線層５３は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域Ｄ上には、コンタクト５４を介して引き出し線５５が設けられている。引き出し線５５上には、下部電極２５、磁気抵抗素子１、及び上部電極２７がこの順序で積層されている。上部電極２７上には、配線層５６が設けられている。配線層５６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板５１と配線層５６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層５７で満たされている。
【００７５】
以上詳述したように本実施形態によれば、第１実施形態で示した磁気抵抗素子１を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、磁気抵抗素子１は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。
【００７６】
第２実施形態で示したＭＲＡＭは、様々な装置に適用することが可能である。以下に、ＭＲＡＭのいくつかの適用例について説明する。
【００７７】
（適用例１）
図１２は、デジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）１００、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１０、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１２０、送信ドライバ１３０、及び受信機増幅器１４０等を備えている。
【００７８】
図１２では、バンドパスフィルタを省略しており、その代わりに回線コードプログラム（ＤＳＰで実行される、コード化された加入者回線情報、伝送条件等（回線コード：ＱＡＭ、ＣＡＰ、ＲＳＫ、ＦＭ、ＡＭ、ＰＡＭ、ＤＷＭＴ等）に応じてモデムを選択、動作させるためのプログラム）を保持するための種々のタイプのオプションのメモリとして、本実施形態のＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）１８０とを示している。
【００７９】
なお、本適用例では、回線コードプログラムを保持するためのメモリとしてＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０との２種類のメモリを用いているが、ＥＥＰＲＯＭ１８０をＭＲＡＭに置き換えてもよい。すなわち、２種類のメモリを用いず、ＭＲＡＭのみを用いるように構成してもよい。
【００８０】
（適用例２）
図１３は、別の適用例として、携帯電話端末３００を示している。通信機能を実現する通信部２００は、送受信アンテナ２０１、アンテナ共用器２０２、受信部２０３、ベースバンド処理部２０４、音声コーデックとして用いられるＤＳＰ(Digital Signal Processor)２０５、スピーカ（受話器）２０６、マイクロホン（送話器）２０７、送信部２０８、及び周波数シンセサイザ２０９等を備えている。
【００８１】
また、この携帯電話端末３００には、当該携帯電話端末３００の各部を制御する制御部２２０が設けられている。制御部２２０は、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、本実施形態のＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４がバス２２５を介して接続されて形成されたマイクロコンピュータである。上記ＲＯＭ２２２には、ＣＰＵ２２１において実行されるプログラムや表示用のフォント等の必要となるデータが予め記憶されている。
【００８２】
ＭＲＡＭ２２３は、主に作業領域として用いられるものであり、ＣＰＵ２２１がプログラムの実行中において計算途中のデータ等を必要に応じて記憶したり、制御部２２０と各部との間でやり取りするデータを一時的に記憶したりする場合等に用いられる。また、フラッシュメモリ２２４は、携帯電話端末３００の電源がオフされても、例えば直前の設定条件等を記憶しておき、次の電源オン時に同じ設定にするような使用方法をする場合に、それらの設定パラメータを記憶しておくものである。これによって、携帯電話端末３００の電源がオフにされても、記憶されている設定パラメータを消失してしまうことがない。
【００８３】
また、この携帯電話端末３００には、音声データ再生処理部２１１、外部出力端子２１２、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）コントローラ２１３、表示用のＬＣＤ２１４、及び呼び出し音を発生するリンガ２１５等が設けられている。音声データ再生処理部２１１は、携帯電話端末３００に入力された音声データ（オーディオ情報（或いは、後述する外部メモリ２４０に記憶されたオーディオ情報））を再生する。再生された音声データ情報は、外部出力端子２１２を介してヘッドフォンや携帯型スピーカ等に伝えることにより、外部に取り出すことが可能である。このように、音声データ再生処理部２１１を設けることにより、音声データ（オーディオ情報）の再生が可能となる。ＬＣＤコントローラ２１３は、例えばＣＰＵ２２１からの表示情報を、バス２２５を介して受け取り、ＬＣＤ２１４を制御するためのＬＣＤ制御情報に変換し、ＬＣＤ２１４を駆動して表示を行わせる。
【００８４】
さらに、携帯電話端末３００には、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１，２３３，２３５、外部メモリ２４０、外部メモリスロット２３２、キー操作部２３４、及び外部入出力端子２３６等が設けられている。上記外部メモリスロット２３２にはメモリカード等の外部メモリ２４０が挿入される。この外部メモリスロット２３２は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１を介してバス２２５に接続される。このように、携帯電話端末３００に外部メモリスロット２３２を設けることにより、携帯電話端末３００の内部の情報を外部メモリ２４０に書き込んだり、或いは外部メモリ２４０に記憶された情報（例えばオーディオ情報）を携帯電話端末３００に入力したりすることが可能となる。
【００８５】
キー操作部２３４は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続される。キー操作部２３４から入力されたキー入力情報は、例えばＣＰＵ２２１に伝えられる。外部入出力端子２３６は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続され、携帯電話端末３００に外部から種々の情報を入力したり、或いは携帯電話端末３００から外部へ情報を出力したりする際の端子として機能する。
【００８６】
なお、本適用例では、ＲＯＭ２２２、ＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４を用いているが、フラッシュメモリ２２４をＭＲＡＭに置き換えてもよいし、さらにＲＯＭ２２２もＭＲＡＭに置き換えることも可能である。
【００８７】
（適用例３）
図１４乃至図１８は、ＭＲＡＭをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード（ＭＲＡＭカード）に適用した例をそれぞれ示している。
【００８８】
図１４に示すように、ＭＲＡＭカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１が内蔵されている。このカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１に対応する位置に開口部４０２が形成され、ＭＲＡＭチップ４０１が露出されている。この開口部４０２にはシャッター４０３が設けられており、当該ＭＲＡＭカードの携帯時にＭＲＡＭチップ４０１がシャッター４０３で保護されるようになっている。このシャッター４０３は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えばセラミックからなっている。データを転写する場合には、シャッター４０３を開放してＭＲＡＭチップ４０１を露出させて行なう。外部端子４０４は、ＭＲＡＭカードに記憶されたコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。
【００８９】
図１５及び図１６は、上記ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、カード挿入型のデータ転写装置５００の上面図及び断面図を示している。
【００９０】
データ転写装置５００は、収納部５００ａを有している。この収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０が収納されている。収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０に電気的に接続された外部端子５３０が設けられており、この外部端子５３０を用いて第１のＭＲＡＭカード５５０のデータが書き換えられる。
【００９１】
エンドユーザの使用する第２のＭＲＡＭカード４５０を、矢印で示すようにデータ転写装置５００の挿入部５１０より挿入し、ストッパ５２０で止まるまで押し込む。このストッパ５２０は、第１のＭＲＡＭカード５５０と第２のＭＲＡＭカード４５０を位置合わせするための部材としても働く。第２のＭＲＡＭカード４５０が所定位置に配置されると、第１のＭＲＡＭカードのデータ書き換え制御部から外部端子５３０に制御信号が供給され、第１のＭＲＡＭカード５５０に記憶されたデータが第２のＭＲＡＭカード４５０に転写される。
【００９２】
図１７は、はめ込み型のデータ転写装置５００を示す断面図である。このデータ転写装置５００は、矢印で示すように、ストッパ５２０を目標に、第１のＭＲＡＭカード５５０上に第２のＭＲＡＭカード４５０をはめ込むように載置するタイプである。転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
【００９３】
図１８は、スライド型のデータ転写装置を示す断面図である。このデータ転写装置５００は、ＣＤ−ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブと同様に、データ転写装置５００に受け皿スライド５６０が設けられており、この受け皿スライド５６０が矢印で示すように移動する。受け皿スライド５６０が破線の位置に移動したときに第２のＭＲＡＭカード４５０を受け皿スライド５６０に載置し、第２のＭＲＡＭカード４５０をデータ転写装置５００の内部へ搬送する。ストッパ５２０に第２のＭＲＡＭカード４５０の先端部が当接するように搬送される点、及び転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
【００９４】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００９５】
１  磁気抵抗素子
１０  基板
１１  密着層
１２  下地層
１３  記憶層
１４  界面層
１５  非磁性層（トンネルバリア層）
１６  界面層
１７  固定層
１８  非磁性層
１９  バイアス層（シフト調整層）
２０  キャップ層
【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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