(57)【要約】【課題】共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を用いた高速・低消費電力不揮発性メモリを提供する。【解決手段】不揮発性磁気メモリに、共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を装備し、共鳴準位に相当する電圧によりスピントランスファートルクによる書込み方式を適用する。共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における障壁層は少なくとも２層３０２１，３０２２，３０２３で構成される。また、強磁性層に量子井戸形成層を隣接した構成を有する。【選択図】図１
2010045060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーギャップの異なる少なくとも２層の絶縁膜を積層して形成された障壁層と、
前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、
電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、
前記複数の絶縁膜のエネルギーギャップのうち最も小さなエネルギーギャップに相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性自由層と強磁性固定層の少なくとも一方は、非磁性層を挟んで設けられた２層の強磁性膜からなり、前記２層の強磁性膜の磁化は反平行結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、反強磁性層が前記強磁性固定層に隣接積層されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも一つの元素とＢを含有する体心立方構造の膜を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記障壁層は、ＭｇＯ膜及びＺｎＯ膜の少なくとも一方を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記障壁層は、ＭｇＯ膜とＺｎＯ膜を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
障壁層と、
前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、
前記強磁性自由層と強磁性固定層のいずれか一方に隣接して設けられた量子井戸形成層と、
電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、
前記量子井戸形成層の共鳴準位電圧に相当する電圧を前記一対の電極に印加し、
スピントランスファートルクにより、前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項７記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性自由層と強磁性固定層の少なくとも一方は、非磁性層を挟んで設けられた２層の強磁性膜からなり、前記２層の強磁性膜の磁化は反平行結合していることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項７記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、反強磁性層が前記強磁性固定層に隣接積層されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項７記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層は、前記強磁性固定層と前記強磁性自由層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも一つの元素とＢを含有する体心立方構造の膜を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項７記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記量子井戸形成層は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＭｇＯ，ＺｎＯの少なくとも一つ含むことを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
エネルギーギャップの異なる少なくとも２層の絶縁膜を積層して形成された障壁層と、前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、前記複数の絶縁膜のエネルギーギャップのうち最も小さなエネルギーギャップに相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と
を備えることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１３】
障壁層と、前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層のいずれか一方に隣接して設けられた量子井戸形成層と、電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、前記量子井戸形成層の共鳴準位電圧に相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより、前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と
を備えることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１４】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、エネルギーギャップの異なる少なくとも２層の絶縁膜を積層して形成された障壁層と、前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、前記複数の絶縁膜のエネルギーギャップのうち最も小さなエネルギーギャップに相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備えることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１５】
複数の磁気メモリセルと、所望の磁気メモリセルを選択する手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、障壁層と、前記障壁層を挟んで設けられた強磁性自由層と強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層のいずれか一方に隣接して設けられた量子井戸形成層と、電流を膜面垂直方向に流すための一対の電極とを備え、前記量子井戸形成層の共鳴準位電圧に相当する電圧を前記一対の電極に印加し、スピントランスファートルクにより、前記強磁性自由層の磁化方向を回転する機能を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備えることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い出力と低電流スピントルク磁化反転機能を有する共鳴トンネル磁気抵抗素子及びそれを装備した高速・低消費電力不揮発磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
将来の高集積磁気メモリに適用されるトンネル磁気抵抗効果素子として、Ａｌの酸化物を絶縁体に用いたトンネル磁気抵抗効果素子（T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)）よりも数倍大きい磁気抵抗比が得られる絶縁膜に酸化マグネシウムを用いたトンネル磁気抵抗効果素子がS. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868 (2004)や特開２００７−５９８７９号公報に開示されている。また、従来の不揮発性磁気メモリは、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはＭＯＳＦＥＴを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させ、情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第５，６９５，８６４号明細書あるいは特開２００２−３０５３３７号公報に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995)
【非特許文献２】Nature Material 3, 868 (2004)
【特許文献１】特開２００７−５９８７９号公報
【特許文献２】米国特許第５，６９５，８６４号明細書
【特許文献３】特開２００２−３０５３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高速・低消費電力不揮発性磁気メモリの実現には、高いトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）と低電流によるスピントランスファートルク磁化反転書込み方式とを同時に満足する技術を開発する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような要請に応えることのできる共鳴トンネル効果をもつトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子に以下の２方式を適用した共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を提供する。一つは、トンネル磁気抵抗効果素子の絶縁層をエネルギーギャップの異なる少なくとも２層の絶縁層により形成する方式である。もう一つは、トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性層の少なくとも一方に量子井戸形成層を積層させる方式である。これらの手段を適用することにより、トンネル磁気抵抗効果素子に適当な電圧を印加したとき共鳴トンネル効果が現れ、その電圧において、５００％を超えるＴＭＲ比と２×１０6Ａ／ｃｍ2より小さな電流密度でのスピントルク磁化反転を実現できる。
【０００７】
本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、トンネル磁気抵抗効果素子に適当な電圧を印加したとき共鳴トンネル効果が現れ、その電圧において、５００％を超えるＴＭＲ比と２×１０6Ａ／ｃｍ2より小さな電流密度でのスピントルク磁化反転を実現できる。
【０００９】
本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用し、高速・低消費電力磁気メモリを実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に述べるトンネル磁気抵抗効果素子では、その強磁性自由層の磁化反転（スイッチング）を、トンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンが強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与えることにより行う。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すこと自体で発生する。したがって、トンネル磁気抵抗効果素子に外部から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転が実現する。以下では、スピントランスファートルク磁化反転の起こる電流密度の閾値をＪcと定義した。
【００１１】
［実施例１］
図１は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性固定層３０１、第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０２３、強磁性自由層３０３、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成され、適当な温度で熱処理することによりＴＭＲ比とＪcが最適化される。
【００１２】
ここで、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に述べる構成１−２から構成１−５を用いることが可能である。
【００１３】
構成１−２は、図１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００１４】
構成１−３は、図１における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００１５】
構成１−４は、図１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００１６】
構成１−５は、図１における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。また、構成１−５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合していてもよい。
【００１７】
本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、上記した構成を組み合わせてもよい。そのいくつかの例を、以下に説明する。
【００１８】
図２に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、図１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層３０１１、非磁性層３０１２、第二の強磁性固定層３０１３により形成され、第一の強磁性固定層３０１１に反強磁性層５００が隣接している例である。ここで、第一の強磁性固定層３０１１と第二の強磁性固定層３０１３の磁化方向は互いに反平行に結合している。
【００１９】
図３に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、図２における強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層３０３１、非磁性層３０３２、第二の強磁性自由層３０３３により形成され、第一の強磁性自由層３０３１と第二の強磁性自由層３０３３の磁化方向は互いに反平行に結合している例である。
【００２０】
図４に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性自由層３０３、第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０２３、強磁性固定層３０１、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成される。強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に述べる構成４−２から構成４−６を用いることが可能である。
【００２１】
構成４−２は、図４における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００２２】
構成４−３は、図４における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００２３】
構成４−４は、図４における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００２４】
構成４−５は、図４における強磁性固定層３０１に反強磁性層５００を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。また、構成４−５において、強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合していてもよい。さらに、構成４−５において、強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合していてもよい。
【００２５】
ここで、本実施例のトンネル磁気抵抗素子の典型的作製方法について用いて述べる。まず強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）について述べる。強磁性固定層にはＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、その例を表１に示した。強磁性固定層の材料は具体的には、第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０３３に用いる材料により選択される。次に、強磁性自由層３０３の材料について述べる。強磁性自由層３０３（３０３１，３０３３）は、強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）と同様にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、表１に示した材料が選択されるが、具体的には、第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０３３に用いる材料により選択される。
【００２６】
【表１】
2010045060.tif 000003
【００２７】
次に障壁層（３０２１，３０２２，３０２３）の材料選択について述べる。表２の左欄に示したような材料を用いることが望ましい。このうち第一の障壁層３０２１と第三の障壁層３０２３にＭｇＯ、第二の障壁層３０２２にＺｎＯを用いた場合に効率的な共鳴トンネル効果が期待される。第一の障壁層３０２１と第三の障壁層３０２３にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯに接する強磁性固定層と強磁性自由層には体心立方格子のＣｏＦｅＢを用いることがもっとも望ましく、さらにＭｇＯとＣｏＦｅＢの（００１）結晶配向を選択することにより良好な共鳴トンネル効果が得られる。これは、（００１）配向したＭｇＯ障壁内では、トンネル電流中のスピンの選択性が大きいためである。
【００２８】
【表２】
2010045060.tif 000004
【００２９】
本実施例のシリーズでは反強磁性層５００としてＭｎＩｒを用いたが、ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒやＭｎＦｅなどの反強磁性膜を用いてもよい。
【００３０】
配向制御膜３００は、その直上に隣接する材料によって選択される。例えば配向制御膜３００上に、ＣｏＦｅＢが選択される場合、５ｎｍ以下を用いることが望ましいが、ＣｕＮ、ＴａＮなどの非結晶材料を用いてもよい。また、配向制御膜３００上に、反強磁性層５００があり、それが面心立方格子（Ｆｃｃ）の（１１１）配向膜である場合、配向制御膜３００としてＴａ／ＮｉＦｅなどの２層膜構成を適用してもよい。この場合、ＮｉＦｅが、反強磁性膜５００のＦｃｃ（１１１）結晶方位を優先的に成長させる役割を果たす。
【００３１】
このように形成したトンネル磁気抵抗効果膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子に形成される。また、適当な温度において熱処理を行うことにより、高ＴＭＲ比と低Ｊcの最適化が行われるが、強磁性固定層、強磁性自由層にＣｏＦｅＢを、障壁層にＭｇＯを用いた場合は特に３５０℃以上の熱処理が望ましい。熱処理は、上記トンネル磁気抵抗効果膜を製膜した後に実施してもよいし、微細加工を施したあとに行ってもかまわない。
【００３２】
次に、上記共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における高ＴＭＲ比と低電流（電圧）の原理について説明する。図９は、本実施例のシリーズで示した共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における第一の障壁層３０２１、第二の障壁層３０２２、第三の障壁層３０２３の部分で形成される絶縁特性を示す。図９は、横軸を各障壁層の膜厚とし、縦軸にエネルギーギャップ（Ｅg(1)、Ｅg(2)、Ｅg(3)）を表した模式図である。本実施例のシリーズでは、Ｅg(1)，Ｅg(3)＞Ｅg(2)であることが特徴であり、各障壁層に用いる材料として表２に示す材料を選択することが望ましい。例えば、第一の障壁層、第三の障壁層にＭｇＯ、第二の障壁層にＺｎＯなどが選択可能である。
【００３３】
このようなエネルギー状態が形成されることにより、共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の電極４００と電極４０１の間に発生する電流−印加電圧の関係は図１１のようになり、Ｅg(2)に相当する電圧（この電圧を共鳴準位電圧と呼ぶ）において、電流が局所的に大きくなる。障壁層が一層の従来構造（例えば、図１の構成において第二の障壁層３０２２及び第三の障壁層３０２３が無いトンネル磁気抵抗効果素子）では、このような特定の電圧における電流の急峻な増大は観測されることがない。この電流の増大は、共鳴トンネルによるものである。共鳴トンネルは、電極４００と電極４０１の間に流れる電流が共鳴を起こし電流の透過率が増大するためにおきる現象である。このとき、図１２Ａに示すように、Ｅg(2)に相当する電圧においてＴＭＲ比の顕著な増大が生じる。そのＴＭＲ比は、５００％を超えることが期待され、従来の値に比べ一桁以上の改善が期待される。このＴＭＲ比の増大は、共鳴準位において、流れる電子のスピンの方向選択性が増大するためである。従って、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子に印加する電圧は、Ｅg(2)に相当する電圧とする。
【００３４】
図１２Ｂは、ＴＭＲ比とスピントランスファートルク磁化反転における閾値電流密度Ｊcの関係を示す図である。従来のＴＭＲ比１００％の素子では、Ｊcは２×１０6（Ａ／ｃｍ2）であるのに対して、５００％以上のＴＭＲ比では、２×１０6（Ａ／ｃｍ2）より小さいＪcが実現できる。
【００３５】
［実施例２］
図５から図８に、実施例２のトンネル磁気抵抗効果素子のシリーズを示す。ここに示す実施例２のシリーズは、実施例１のシリーズで示した３層の障壁層を用いる構成に代えて、異なる２層の障壁層材料３０２１，３０２２を用いる構成である。
【００３６】
図５に示した本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、図１に示したトンネル磁気抵抗効果素子から第三の障壁層３０２３を除いたものに相当する。同様に、図６、図７、図８に示した本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、図２、図３、図４に示したトンネル磁気抵抗効果素子から第三の障壁層３０２３を除いたものに相当する。
【００３７】
本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例１と同様である。一方、障壁層部分で形成されるエネルギー状態は、図１０に示すとおりであり、この場合も実施例１のシリーズと同様に図１１、図１２Ａ、１２Ｂで説明した現象及び素子としての効果が得られる。
【００３８】
［実施例３］
図１３は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性固定層３０１、障壁層３０２、強磁性自由層３０３、量子井戸形成層６００、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成され、適当な温度で熱処理することによりＴＭＲ比とＪcが最適化される。
【００３９】
ここで、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に示す構成３−２から構成３−１６の構成を用いることが可能であり、これらを実施例３のシリーズとする。
【００４０】
構成３−２は、図１３における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００４１】
構成３−３は、図１３における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性自由層に隣接して積層している。
【００４２】
構成３−４は、図１３における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性自由層３０３３に隣接して積層している。
【００４３】
構成３−５は、図１３における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にする構成である。
【００４４】
構成３−６は、構成３−５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層に反強磁性層が隣接している構成である。第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している。
【００４５】
構成３−７は、構成３−５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性自由層に隣接して積層している。
【００４６】
本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、上記した構成を組み合わせてもよい。そのいくつかの例を、以下に説明する。
【００４７】
図１４に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、構成３−５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層３０１１、非磁性層３０１２、第二の強磁性固定層３０１３により形成され、第一の強磁性固定層３０１１に反強磁性層５００が隣接している。ここで、第一の強磁性固定層３０１１と第二の強磁性固定層３０１３の磁化方向は互いに反平行に結合している。さらに、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層３０３１、非磁性層３０３２、第二の強磁性自由層３０３３により形成され、第一の強磁性自由層３０３１と第二の強磁性自由層３０３３の磁化方向は互いに反平行に結合している。また、量子井戸形成層６００は、第二の強磁性自由層３０３３に隣接して積層している。
【００４８】
図１５に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、量子井戸形成層６００、強磁性自由層３０３、障壁層３０２、強磁性固定層３０１、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成される。このトンネル磁気抵抗効果素子の膜構成に関し、以下に述べる変形例が可能である。
【００４９】
構成３−８は、図１５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００５０】
構成３−９は、図１５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性自由層に隣接して積層している。
【００５１】
構成３−１０は、図１５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性自由層に隣接して積層している。
【００５２】
構成３−１１は、図１５における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。
【００５３】
構成３−１２は、構成３−１１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００５４】
構成３−１３は、構成３−１１における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性自由層に隣接して積層している。
【００５５】
構成３−１４は、構成３−１１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性自由層に隣接して積層している。
【００５６】
ここで、実施例３のシリーズに示したトンネル磁気抵抗素子の典型的作製方法について述べる。
【００５７】
まず、強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）について述べる。強磁性固定層には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、その例は上記表１に示したとおりである。強磁性固定層の材料は具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。次に、強磁性自由層３０３の材料について述べる。強磁性自由層３０３（３０３１，３０３３）は、強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）と同様にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、表１に示した材料から選択されるが、具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。
【００５８】
次に、障壁層３０２の材料選択について述べる。本実施例においても表２の左欄に示したような材料を用いることが望ましい。障壁層３０２にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯに接する強磁性固定層と強磁性自由層には体心立方格子のＣｏＦｅＢを用いることがもっとも望ましく、さらにＭｇＯとＣｏＦｅＢの（００１）結晶配向を選択することにより、良好な共鳴トンネル効果が得られる。これは、（００１）配向したＭｇＯ障壁内では、トンネル電流中のスピンの選択性が大きいためである。
【００５９】
本実施例のシリーズでは反強磁性層５００としてＭｎＩｒを用いたが、ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒやＭｎＦｅなどの反強磁性膜を用いてもよい。
【００６０】
配向制御膜３００は、その直上に隣接する材料によって選択される。例えば配向制御膜３００上に、ＣｏＦｅＢが選択される場合、５ｎｍ以下とすることが望ましいが、ＣｕＮ，ＴａＮなどの非結晶材料を用いてもよい。また、配向制御膜３００上に、反強磁性層５００があり、それが面心立方格子（Ｆｃｃ）の（１１１）配向膜である場合、配向制御膜３００としてＴａ／ＮｉＦｅなどの２層膜構成を適用してもよい。この場合、ＮｉＦｅが、反強磁性膜５００のＦｃｃ（１１１）結晶方位を優先的に成長させる役割を果たす。
【００６１】
本実施例において共鳴トンネル効果を発現する起源となるのは量子井戸形成層６００である。量子井戸形成層６００は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＭｇＯ，ＺｎＯなどの材料からなる層や、それらの多層構造が適用される。例えば、強磁性固定層３０１や強磁性自由層３０３にＣｏＦｅＢを用いた場合、ＣｒやＭｇＯ／Ｃｒを量子井戸形成層６００に用いることが望ましい。ここで、ＣｏＦｅＢや、ＣｏＦｅなどを強磁性固定層３０１、強磁性自由層３０３に適用したときに、ＦｅのＣｏに対する組成比Ｆｅ／Ｃｏが、０．５以上（つまりＦｅ組成が大きい）の場合、量子井戸形成層６００にＣｒを用いることが好まれる。一方、Ｆｅ／Ｃｏが０．５より小さい場合は量子井戸形成層６００にＣｕを使用することが好ましい。
【００６２】
このように形成したトンネル磁気抵抗効果膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子に形成される。また、適当な温度において熱処理を行うことにより、高ＴＭＲ比と低Ｊcの最適化が行われる。熱処理は、上記トンネル磁気抵抗効果膜を製膜した後に実施してもよいし、微細加工を施したあとに行ってもかまわない。
【００６３】
次に、上記共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における高ＴＭＲ比と低電流（電圧）の原理について説明する。
【００６４】
図２３は、本実施例のシリーズで示した共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の障壁層３０２と強磁性自由層３０３（あるいは強磁性固定層３０１）と量子井戸形成層６００によって形成されるエネルギー状態を示す図である。本実施例のシリーズでは、量子井戸形成層においてエネルギー状態が離散的になることが特徴である。例えば、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のように３状態が形成される。このようなエネルギー状態が形成されることにより、共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の電極４００と電極４０１の間に発生する電流−印加電圧の関係は図２５のようになり、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に相当する共鳴準位電圧において、電流が局所的に大きくなる。量子井戸形成層のない従来構造、例えば、電極４００、配向制御膜３００、強磁性固定層３０１、障壁層３０２、強磁性自由層３０３、保護膜３０４、電極４０１がこの順に積層されたトンネル磁気抵抗効果素子では、このような特定の電圧における電流の急峻な増大は観測されることがない。この電流の増大は、共鳴トンネルによるものである。共鳴トンネルは、電極４００と電極４０１の間に流れる電流が共鳴を起こし、電流の透過率が増大するためにおきる現象である。
【００６５】
このとき、図２５に示すように、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に相当する電圧においてＴＭＲ比の顕著な増大が生じる。そのＴＭＲ比は、５００％以上が期待され、従来の値に比べ一桁以上の改善が期待される。このＴＭＲ比の増大は、共鳴準位において、流れる電子のスピンの方向選択性が増大するために生じる。従って、本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子に印加する電圧は、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３のいずれかとする。
【００６６】
本実施例においても、図１２Ｂに示したＴＭＲ比とスピントランスファートルク磁化反転における閾値電流密度Ｊcの関係のように、従来の素子のＴＭＲ比１００％では、Ｊcは２×１０6（Ａ／ｃｍ2）であるのに対して、５００％以上のＴＭＲ比では、１×１０6（Ａ／ｃｍ2）以下のＪcが実現できる。
【００６７】
［実施例４］
図１６から図１８に、実施例４のトンネル磁気抵抗効果素子のシリーズを示す。ここに示す実施例４のシリーズは、前記実施例３のシリーズで示した図１３から図１５の構成において量子井戸形成層６００が、障壁層３０２と隣接し、強磁性自由層３０３に接して形成される形態である。
【００６８】
図１６に示した本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、図１３に示したトンネル磁気抵抗効果素子に対して、強磁性自由層３０３と量子井戸形成層６００の積層順を逆にし、障壁層３０２と強磁性自由層３０３の間に量子井戸形成層６００を形成したものに相当する。同様に、図１７に示したトンネル磁気抵抗効果素子は、図１４に示したトンネル磁気抵抗効果素子に対して、強磁性自由層３０３と量子井戸形成層６００の積層順を逆にし、障壁層３０２と第一の強磁性自由層３０３１の間に量子井戸形成層６００を形成したものに相当する。また、図１８に示したトンネル磁気抵抗効果素子は、図１５に示したトンネル磁気抵抗効果素子に対して、強磁性自由層３０３と量子井戸形成層６００の積層順を逆にし、強磁性自由層３０３と障壁層３０２の間に量子井戸形成層６００を形成したものに相当する。
【００６９】
そのほかに、前記実施例３のシリーズで示した構成３−２から構成３−１４の構成において量子井戸形成層６００が、障壁層と隣接して、強磁性自由層に接して形成される形態を用いることも可能である。これらの構成例を、実施例４のシリーズとする。
【００７０】
本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例３で述べたのと同様である。一方、量子井戸形成層部分で形成されるエネルギー状態は図２４に示すようになり、この場合も実施例３のシリーズと同様に図２５、図２６、図１２Ｂに示した効果が得られる。
【００７１】
［実施例５］
図１９は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、量子井戸形成層６００、強磁性固定層３０１、障壁層３０２、強磁性自由層３０３、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成され、量子井戸形成層６００が強磁性固定層３０１に隣接していることが特徴である。本実施例においても、適当な温度で熱処理することによりＴＭＲ比とＪcが最適化される。
【００７２】
ここで、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に示す構成５−２から構成５−８の構成を用いることが可能であり、これらを実施例５のシリーズとする。
【００７３】
構成５−２は、図１９における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接している。
【００７４】
構成５−３は、図１９における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００７５】
構成５−４は、図１９における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接して積層している。
【００７６】
構成５−５は、図１９に示したトンネル磁気抵抗効果素子において強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３の位置が入れ替わり、量子井戸形成層６００が保護膜３０４側において強磁性固定層３０１に隣接している構成である。すなわち、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性自由層３０３、障壁層３０２、強磁性固定層３０１、量子井戸形成層６００、保護膜３０４がこの順に形成される構成である。
【００７７】
構成５−６は、構成５−５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接している構成である。
【００７８】
構成５−７は、構成５−５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００７９】
構成５−８は、構成５−５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接して積層している。
【００８０】
ここで、実施例５のシリーズに示したトンネル磁気抵抗素子の典型的作製方法について用いて述べる。
【００８１】
まず、強磁性固定層３０１（第一の強磁性固定層、第二の強磁性固定層）について述べる。強磁性固定層には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、その例を表１に示した。強磁性固定層の材料は具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。次に、強磁性自由層３０３の材料について述べる。強磁性自由層３０３（第一の強磁性自由層、第二の強磁性自由層）は、強磁性固定層と同様にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、表１に示した材料が選択されるが、具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。
【００８２】
次に、障壁層３０２の材料選択について述べる。本実施例においても表２の左欄に示したような材料を用いることが望ましい。障壁層３０２にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯに接する強磁性固定層と強磁性自由層には体心立方格子のＣｏＦｅＢを用いることがもっとも望ましく、さらにＭｇＯとＣｏＦｅＢの（００１）結晶配向を選択することにより良好な共鳴トンネル効果が得られる。これは、（００１）配向したＭｇＯ障壁内では、トンネル電流中のスピンの選択性が大きいためである。
【００８３】
配向制御膜３００は、その直上に隣接する材料によって選択される。例えば配向制御膜３００上に、ＣｏＦｅＢが選択される場合、５ｎｍ以下とするのが望ましいが、ＣｕＮ，ＴａＮなどの非結晶材料を用いてもよい。
【００８４】
本実施例５において共鳴トンネル効果を発現する起源となるのは量子井戸形成層６００である。量子井戸形成層６００として用いられる材料は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＭｇＯ，ＺｎＯなどの材料やそれらの多層構造が適用される。例えば、強磁性固定層３０１や強磁性自由層３０３にＣｏＦｅＢを用いた場合ＣｒやＭｇＯ／Ｃｒを量子井戸形成層６００に用いることが望ましい。ここで、ＣｏＦｅＢや、ＣｏＦｅなどを強磁性固定層３０１、強磁性自由層３０３に適用したときに、ＦｅのＣｏに対する組成比Ｆｅ／Ｃｏが、０．５以上（つまりＦｅ組成が大きい）の場合、量子井戸形成層６００にＣｒを用いることが好まれる。一方、Ｆｅ／Ｃｏが０．５より小さい場合は量子井戸形成層６００にＣｕを使用することが好ましい。
【００８５】
このように形成したトンネル磁気抵抗効果膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子に形成される。また、適当な温度において熱処理を行うことにより、高ＴＭＲ比と低Ｊcの最適化が行われる。熱処理は、上記トンネル磁気抵抗効果膜を製膜した後に実施してもよいし、微細加工を施したあとに行ってもかまわない。
【００８６】
本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例３と同様である。本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例３と同様である。一方、量子井戸形成層部分で形成されるエネルギー状態は図２３に示すとおりであり、この場合も実施例３のシリーズと同様に図２５、図２６、図１２Ｂに示した効果が得られる。
【００８７】
［実施例６］
図２０は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の一例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。このトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性固定層３０１、量子井戸形成層６００、障壁層３０２、強磁性自由層３０３、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成され、量子井戸形成層６００が、障壁層３０２と隣接して、強磁性固定層３０１に接して形成されていることが特徴である。本実施例においても適当な温度で熱処理することによりＴＭＲ比とＪcが最適化される。
【００８８】
ここで、強磁性固定層３０１と強磁性自由層３０３について、以下に示す図２１と構成６−２から構成６−１４の構成を用いることが可能であり、これらを実施例６のシリーズとする。
【００８９】
構成６−２は、図２０における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性固定層に隣接する。
【００９０】
構成６−３は、図２０における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００９１】
構成６−４は、図２０における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性固定層に隣接して積層している。
【００９２】
構成６−５は、図２０における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。
【００９３】
構成６−６は、構成６−５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層に反強磁性層が隣接している構成である。ここで、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している。量子井戸形成層６００は、第二の強磁性固定層に隣接する。
【００９４】
構成６−７は、構成６−５における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００９５】
図２１に示したトンネル磁気抵抗効果素子は、構成６−５における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層３０１１、非磁性層３０１２、第二の強磁性固定層３０１３により形成され、第一の強磁性固定層３０１１に反強磁性層５００が隣接している。ここで、第一の強磁性固定層３０１１と第二の強磁性固定層３０１３の磁化方向は互いに反平行に結合している。さらに、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層３０３１、非磁性層３０３２、第二の強磁性自由層３０３３により形成され、第一の強磁性自由層３０３１と第二の強磁性自由層３０３３の磁化方向は互いに反平行に結合している。また、量子井戸形成層６００は、第二の強磁性固定層３０１３に隣接して積層している。
【００９６】
図２２に示すトンネル磁気抵抗効果素子は、電極４００側から、配向制御膜３００、強磁性自由層３０３、障壁層３０２、強磁性固定層３０１、量子井戸形成層６００、保護膜３０４、電極４０１がこの順に形成される。
【００９７】
構成６−８は、図２２における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層３０１１に隣接する。
【００９８】
構成６−９は、図２２における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【００９９】
構成６−１０は、図２２における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接して積層している。
【０１００】
構成６−１１は、図２２における強磁性固定層３０１に反強磁性層を隣接し、強磁性固定層３０１の磁化方向を一方向に固定し、トンネル磁気抵抗効果素子における動作を安定にした構成である。
【０１０１】
構成６−１２は、構成６−１１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合している。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接している構成である。
【０１０２】
構成６−１３は、構成６−１１における強磁性自由層３０３が、第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。
【０１０３】
構成６−１４は、構成６−１１における強磁性固定層３０１が、第一の強磁性固定層、非磁性層、第二の強磁性固定層により形成され、第一の強磁性固定層と第二の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行に結合し、強磁性自由層３０３が第一の強磁性自由層、非磁性層、第二の強磁性自由層により形成され、第一の強磁性自由層と第二の強磁性自由層の磁化方向は互いに反平行に結合している構成である。量子井戸形成層６００は、第一の強磁性固定層に隣接して積層している。
【０１０４】
ここで、実施例６のシリーズに示したトンネル磁気抵抗素子の典型的作製方法について用いて述べる。
【０１０５】
まず強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）について述べる。強磁性固定層には、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、その例を表１に示した。強磁性固定層の材料は具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。次に、強磁性自由層３０３の材料について述べる。強磁性自由層３０３（３０３１，３０３３）は、強磁性固定層３０１（３０１１，３０１３）と同様にＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも一つの元素とＢを含む材料を用いることが望ましく、表１に示した材料が選択されるが、具体的には、障壁層３０２に用いる材料により選択される。
【０１０６】
次に、障壁層３０２の材料選択について述べる。本実施例においても表２の左欄に示したような材料を用いることが望ましい。障壁層３０２にＭｇＯを用いた場合、ＭｇＯに接する強磁性固定層と強磁性自由層には体心立方格子のＣｏＦｅＢを用いることが最も望ましく、さらにＭｇＯとＣｏＦｅＢの（００１）結晶配向を選択することにより良好な共鳴トンネル効果が得られる。これは、（００１）配向したＭｇＯ障壁内では、トンネル電流中のスピンの選択性が大きいためである。
【０１０７】
本実施例のシリーズでは反強磁性層５００としてＭｎＩｒを用いたが、ＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＩｒやＭｎＦｅなどの反強磁性膜を用いてもよい。
【０１０８】
配向制御膜３００は、その直上に隣接する材料によって選択される。例えば配向制御膜３００上に、ＣｏＦｅＢが選択される場合、５ｎｍ以下とすることが望ましいが、ＣｕＮ，ＴａＮなどの非結晶材料を用いてもよい。また、配向制御膜３００上に、反強磁性層５００があり、それが面心立方格子（Ｆｃｃ）の（１１１）配向膜である場合、配向制御膜３００としてＴａ／ＮｉＦｅなどの２層膜構成を適用してもよい。この場合、ＮｉＦｅが、反強磁性膜５００のＦｃｃ（１１１）結晶方位を優先的に成長させる役割を果たす。
【０１０９】
本実施例において共鳴トンネル効果を発現する起源となるのは量子井戸形成層６００である。量子井戸形成層６００として用いられる材料は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＭｇＯ，ＺｎＯなどの材料やそれらの多層構造が適用される。例えば、強磁性固定層３０１や強磁性自由層３０３にＣｏＦｅＢを用いた場合ＣｒやＭｇＯ／Ｃｒを量子井戸形成層６００に用いることが望ましい。ここで、ＣｏＦｅＢや、ＣｏＦｅなどを強磁性固定層３０１、強磁性自由層３０３に適用したときに、ＦｅのＣｏに対する組成比Ｆｅ／Ｃｏが、０．５以上（つまりＦｅ組成が大きい）の場合、量子井戸形成層６００にＣｒを用いることが好まれる。一方、Ｆｅ／Ｃｏが０．５より小さい場合は量子井戸形成層６００にＣｕを使用することが好ましい。
【０１１０】
このように形成したトンネル磁気抵抗効果膜は、フォトリソグラフィーとイオンミリングを用いることによって、０．１μｍ×０．１５μｍの面積をもつトンネル磁気抵抗効果素子に形成される。また、適当な温度において熱処理を行うことにより、高ＴＭＲ比と低Ｊcの最適化が行われる。熱処理は、上記トンネル磁気抵抗効果膜を製膜した後に実施してもよいし、微細加工を施したあとに行ってもかまわない。
【０１１１】
本実施例のシリーズにおいても、各層を構成する具体的材料の選択は実施例３と同様である。一方、量子井戸形成層部分で形成されるエネルギー状態は図２４に示すとおりであり、この場合も実施例３のシリーズと同様に図２５、図２６、図１２Ｂに示した効果が得られる。
【０１１２】
［実施例７］
図２７と図２８は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして実施例１から６に示したトンネル磁気抵抗効果素子２００を搭載している。
【０１１３】
Ｃ−ＭＯＳ１００は、２つのｎ型半導体１０１，１０２と一つのｐ型半導体１０３からなる。ｎ型半導体１０１にドレインとなる電極１２１が電気的に接続され、電極１４１，１４７を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体１０２には、ソースとなる電極１２２が電気的に接続されている。ゲート電極１２３のＯＮ／ＯＦＦにより、ソース電極１２２とドレイン電極１２１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する。上記ソース電極１２２に電極１４５，１４４、１４３，１４２，４００が積層され、電極４００にトンネル磁気抵抗効果素子の配向制御膜３００が接続されている。
【０１１４】
ビット線４０１は上記トンネル磁気抵抗効果素子２００の保護膜３０４に接続されている。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果素子２００に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果素子２００の強磁性自由層の磁化方向を回転し磁気的情報を記録する。スピントランスファートルクは空間的な外部磁界ではなく、主としてトンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与える原理である。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すこと自身で発生するメカニズムをもつ。したがって、トンネル磁気抵抗効果素子に外部から電流を供給する手段を備え、その手段から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。本実施例では、ビット線４０１と電極１４７の間に電流が流れることによりトンネル磁気抵抗効果素子２００中の強磁性自由層にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。
【０１１５】
図２９は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極１２３とビット線４０１がメモリセル７００に電気的に接続されている。本発明の磁気メモリは超高速・低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気ランダムアクセスメモリを実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図２】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図３】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図４】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図５】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図６】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図７】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図８】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図９】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における３層で構成される障壁層のエネルギーギャップ関係の模式図。
【図１０】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における２層で構成される障壁層のエネルギーギャップ関係の模式図。
【図１１】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における電流と印加電圧の関係を示す図。
【図１２Ａ】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子におけるＴＭＲ比と印加電圧の関係を示す図。
【図１２Ｂ】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における書込み電流密度ＪcとＴＭＲ比の関係を示す図。
【図１３】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図１４】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図１５】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図１６】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図１７】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図１８】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図１９】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図２０】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図２１】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図２２】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子の構成例を示した図。
【図２３】本発明の量子井戸形成層を用いた共鳴トンネル磁気抵抗効果素子におけるエネルギーギャップ関係の模式図。
【図２４】本発明の量子井戸形成層を用いた共鳴トンネル磁気抵抗効果素子におけるエネルギーギャップ関係の模式図。
【図２５】本発明の量子井戸形成層を用いた共鳴トンネル磁気抵抗効果素子における電流と印加電圧の関係を示す図。
【図２６】本発明の量子井戸形成層を用いた共鳴トンネル磁気抵抗効果素子におけるＴＭＲ比と印加電圧の関係を示す図。
【図２７】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの構成例を示す図。
【図２８】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリセルの構成例を示す図。
【図２９】本発明の共鳴トンネル磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図。
【符号の説明】
【０１１７】
１００…トランジスタ、２００…共鳴トンネル磁気抵抗効果素子、１０１…第一のｎ型半導体、１０２…第二のｎ型半導体、１０３…ｐ型半導体、１２２…ソース電極、４０１…ビット線、１２１…ドレイン電極、１２３…ゲート電極、１４１…電極配線、１４２…電極配線、１４３…電極配線、１４４…電極配線、１４５…電極配線、３００…配向制御膜、３０１…強磁性固定層、３０１１…第一の強磁性固定層、３０１２…非磁性層、３０１３…第二の強磁性固定層、３０２…障壁層、３０２１…第一の障壁層、３０２２…第二の障壁層、３０２３…第三の障壁層、３０３…強磁性自由層、３０３１…第一の強磁性自由層、３０３２…非磁性層、３０３３…強磁性自由層、３０４…保護膜、４００，４０１…電極、５００…反強磁性層、６００…量子井戸形成層、７００…磁気メモリセル
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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２７】
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【図２８】
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【図２９】
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