(57)【要約】【課題】垂直磁気異方性を有し、かつより大きな磁気抵抗効果を発現する。【解決手段】磁気抵抗素子１０は、安定化層１１と、非磁性層１３と、安定化層１１と非磁性層１３との間に設けられ膜面に垂直な方向の磁気異方性を有するスピン分極層１２と、非磁性層１３に対してスピン分極層１２とは反対側に設けられた磁性層１４とを含む。安定化層１１は、スピン分極層１２より膜面内方向の格子定数が小さい。スピン分極層１２は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を含み、かつＢＣＴ（body-centered tetragonal）構造を有し、かつ膜面に垂直な方向をｃ軸、膜面内方向をａ軸とした場合の格子定数の比ｃ／ａが１．１０以上１．３５以下である。【選択図】      図２
2010238769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の安定化層と、非磁性層と、前記第１の安定化層と前記非磁性層との間に設けられ膜面に垂直な方向の磁気異方性を有する第１のスピン分極層と、前記非磁性層に対して前記第１のスピン分極層とは反対側に設けられた磁性層とを具備し、
前記第１の安定化層は、前記第１のスピン分極層より膜面内方向の格子定数が小さく、
前記第１のスピン分極層は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を含み、かつＢＣＴ（body-centered tetragonal）構造を有し、かつ膜面に垂直な方向をｃ軸、膜面内方向をａ軸とした場合の格子定数の比ｃ／ａが１．１０以上１．３５以下であることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記磁性層は、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有する第２のスピン分極層であり、
前記第２のスピン分極層に対して前記非磁性層とは反対側に設けられ、かつ前記第２のスピン分極層より膜面内方向の格子定数が小さい第２の安定化層をさらに具備し、
前記第２のスピン分極層は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を含み、かつＢＣＴ構造を有し、かつ膜面に垂直な方向をｃ軸、膜面内方向をａ軸とした場合の格子定数の比ｃ／ａが１．１０以上１．３５以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記スピン分極層は、ＣｏＸＦｅ１−Ｘ合金であり、その組成比が０．４≦Ｘ≦０．６であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記スピン分極層は、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、及び金（Ａｕ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記安定化層は、膜面に垂直な方向に（００１）配向し、かつ膜面内方向の格子定数が３．６３７Å以上３．９１１Å以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記安定化層は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びイリジウム（Ｉｒ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を含む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】
前記安定化層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）からなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、及び金（Ａｕ）からなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素との合金を含む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８】
前記安定化層は、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）、及びカルシウム（Ｃａ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素の酸化物を含む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９】
前記安定化層は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、セリウム（Ｃｅ）、及びランタン（Ｌａ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素の窒化物を含む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１０】
前記安定化層は、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、及びガドリニウム（Ｇｄ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素の硫化物を含む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１１】
前記安定化層は、ランタン（Ｌａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素のホウ化物を含む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１２】
前記安定化層は、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素の炭化物を含む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１３】
前記安定化層は、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素のケイ化物を含む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１４】
前記非磁性層は、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、及びチタン（Ｔｉ）からなるグループから選ばれる１つの元素の酸化物を含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載の磁気抵抗素子をメモリセルに備え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、及びこれを用いた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子のスピン自由度を利用した技術（スピンエレクトロニクス）の研究が行われている。強磁性体の状態密度は、アップスピン及びダウンスピンを持つ電子についてそれぞれフェルミ面近傍で分極している。フェルミエネルギー近傍の電子が伝導を担っており、強磁性体内では伝導電子とスピンとが混成しているので、このスピンが遍歴性を有するために電流がスピン分極（spin polarization）していると考えられる。強磁性体をスピンの注入源と考えれば、スピン自由度を利用した高機能デバイスの構築の可能性は大きく膨らむ。
【０００３】
さらに、成膜技術、及び微細加工技術の進歩によって、現在では、ナノマテリアルデザインが可能となった。ナノスケール領域では、強磁性体を有するハイブリッド構造を人工的に作成することにより、量子干渉効果が現れ、単独物質では観測できない物理現象が数多く観測されている。中でも、磁気抵抗素子（magnetoresistive element）としてのＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、第１の強磁性層、トンネルバリア層、及び第２の強磁性層を基本構造とし、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を示すことが知られており、１００Ｍｂｐｓｉ（bits per square inch）級ＨＤＤ用ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に応用されている。
【０００４】
ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子に含まれる磁性層の磁化の相対角度の変化により情報（“１”、“０”）を記憶するという特徴があり、このため不揮発である。また、磁化反転速度は、数ナノ秒であることから、データの高速書き込み、高速読み出しが可能である。従って、ＭＲＡＭは、次世代の高速不揮発性メモリとして期待されている。また、スピン分極電流により磁化を制御するスピン注入磁化反転と呼ばれる方式を利用すれば、ＭＲＡＭのセルサイズを低減することで電流密度が増える。このため、容易に磁性体の磁化反転を実現でき、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを構成することが可能である。
【０００５】
さらに近年では、ＭｇＯをトンネルバリア層に用いることで１０００％もの磁気抵抗比が得られることが理論的に示され、これが注目を集めている（例えば、非特許文献１）。これは、ＭｇＯを結晶化させることにより、強磁性層から特定の波数を持った電子のみが波数を保存したまま選択的にトンネル伝導することが可能となる。このとき、特定の結晶方位でスピン分極率が大きな値を示すことから、巨大な磁気抵抗効果が発現する。したがって、ＭＴＪ素子の磁気抵抗効果を大きくすることが、ＭＲＡＭの高密度化、低消費電力化に直結する。
【０００６】
一方、不揮発性メモリの高密度化を考えた場合、磁気抵抗素子の高集積化は欠かせない。しかし、磁気抵抗素子を構成する強磁性体は、素子サイズの低減化に伴い熱擾乱耐性が劣化するため、如何にして強磁性体の磁気異方性及び熱擾乱耐性を向上させるかが課題となる。面内磁化ＭＴＪ素子は、強磁性体の磁化が素子に対して面内方向を向いている。面内磁化ＭＴＪ素子を用いて高集積化を実現しようとした場合、形状磁気異方性を利用して磁気異方性を上げる試みがなされるが、熱擾乱耐性が素子形状に対して敏感であるため、加工精度が特性の分布の要因となる。また、形状磁気異方性を発現させるためには、素子の形状を面内で特定方向に引き伸ばすことが一般的であるが、この方法は素子の占有面積が大きくなってしまうために集積化には不向きである。
【０００７】
この問題を解決するために近年、強磁性体の磁化が膜面に垂直な方向を向く垂直磁化ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。垂直磁化ＭＴＪ素子では、一般的に結晶磁気異方性の大きな材料を強磁性体に用いる。このような材料は、磁化が特定の結晶方向を向いており、構成元素の組成比、結晶性を変化させることで結晶磁気異方性の大きさを制御することができる。よって、結晶の成長方向を変化させることにより磁化の方向を制御することができる。また、強磁性体自身が高い結晶磁気異方性を有するので素子のアスペクト比が１に設定でき、さらに熱擾乱耐性が高いので、集積化に適している。これらのことを鑑みると、ＭＲＡＭの高集積化、及び低消費電力化を実現するには、大きな磁気抵抗効果を発現する垂直磁化ＭＴＪ素子を作成することが極めて需要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Butler W. H., Zhang X. G., Schulthess T. C., MacLaren J. M., “Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches”, Phys. Rev. B Vol. 63, 054416-054427(2001)
【非特許文献２】Patrick Bruno, “Tight-binding approach to the orbital magnetic moment and magnetocrystalline anisotropy of transition-metal monolayers”, Phys. Rev. B, Vol. 39, 865-868(1989)
【非特許文献３】Till Burkert et al., “Giant Magnetic Anisotropy in Tetragonal FeCo Alloys”, Phys. Rev. Let., Vol. 93, No. 2, 027203-1-027203-4, 9 JULY 2004
【非特許文献４】R. People and J.C. Bean, “Calculation of critical layer thickness versus lattice mismatch for GexSi1-x/Si strained-layer heterostructures”, Appl. Phys. Lett. 47 (1985), pp. 322-324
【非特許文献５】J.W. Mathews and A.E. Blakeslee, “Defects in epitaxial multilayers. I. Misfit dislocations”, J. Cryst. Growth 27 (1974), pp. 118-125
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、垂直磁気異方性を有し、かつより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子、及びこれを用いた磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る磁気抵抗素子は、第１の安定化層と、非磁性層と、前記第１の安定化層と前記非磁性層との間に設けられ膜面に垂直な方向の磁気異方性を有する第１のスピン分極層と、前記非磁性層に対して前記第１のスピン分極層とは反対側に設けられた磁性層とを具備する。前記第１の安定化層は、前記第１のスピン分極層より膜面内方向の格子定数が小さく、前記第１のスピン分極層は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を含み、かつＢＣＴ（body-centered tetragonal）構造を有し、かつ膜面に垂直な方向をｃ軸、膜面内方向をａ軸とした場合の格子定数の比ｃ／ａが１．１０以上１．３５以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記磁気抵抗素子をメモリセルに備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、垂直磁気異方性を有し、かつより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子、及びこれを用いた磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】スピン分極層の単位格子が変化する様子を説明する図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。
【図３】ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図。
【図４】第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。
【図５】ＭＲＡＭの構成を示す断面図。
【図６】第２の実施形態に係る磁気ディスク装置の構造を示す概略図。
【図７】ＴＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ部の構造を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１５】
［第１の実施形態］
［１．原理］
ＴＭＲ効果は、トンネルバリア層と強磁性層との界面のスピン分極率に敏感である。なぜなら、トンネルするのは界面近傍の電子であり、したがって、スピン分極率は界面電子状態と関係する。このため、大きなＴＭＲ効果を発現するには、トンネルバリア層と強磁性層との界面に高いスピン分極率を持つ材料を挿入することが考えられる。高いスピン分極率を持つスピン分極層に接する強磁性層の磁化が膜面に対して垂直方向を向いており、かつスピン分極層が十分に薄い場合、強磁性層の磁気的相互作用をうけるため、スピン分極層の磁化は膜面に垂直な方向に揃う。しかし、スピン分極層が薄いと、界面スピン分極率が下がるために磁気抵抗比は小さくなってしまう。
【００１６】
一方、界面スピン分極率を上げるためにスピン分極層の膜厚を増やすと、強磁性層からの磁気的相互作用の影響が小さくなるのでスピン分極層の磁化が膜面内方向を向いてしまう。本発明は、高いスピン分極率を持つスピン分極層自身に高い結晶磁気異方性を持たせることで、スピン分極層の膜厚を増やすことを可能とする。これにより、垂直磁化を維持しつつ高い磁気抵抗比を有する垂直磁化ＭＴＪ素子を構成することが可能となる。
【００１７】
スピン磁気モーメントと軌道磁気モーメント（orbital magnetic moment）とはスピン軌道相互作用により結合しているため、磁性層の磁気異方性は、軌道磁気モーメントの異方性に直接依存する。スピン分極層をＣｏＦｅ合金とした場合、単位格子内でｄ電子は異方性を有するため、ｄ電子の空間分布がＣｏＦｅ合金の磁気異方性に直接関係する。非特許文献２が指摘しているように、磁気異方性エネルギーは、占有されるｄＸＹ軌道及びｄＸ２−Ｙ２の空軌道のエネルギー差に反比例する。ｄＸＹ軌道及びｄＸ２−Ｙ２軌道はそれぞれｔ２ｇ軌道及びｅｇ軌道に属し、それらのエネルギーはＥ（ｔ２ｇ）＜Ｅ（ｅｇ）の大小関係にある。それぞれの軌道は三重、二重に縮退しているが、結晶格子が歪むことで縮退が解ける。ここで、ｘ軸方向の格子定数をａ、ｚ軸方向の格子定数をｃとすると、ｄＸＹ軌道及びｄＸ２−Ｙ２軌道は格子定数の比ｃ／ａが大きくなるにつれそれぞれ単調増加、単調減少するので、ｃ／ａ≒１．２でエネルギーレベルは一致する。
【００１８】
一方、ＣｏＦｅ合金のフェルミレベルは電子数に依存する。ＣｏＦｅ合金の組成がＣｏＸＦｅ１−Ｘ（Ｘ≒０．５）で、フェルミレベルはｄＸＹ軌道及びｄＸ２−Ｙ２軌道の中間のエネルギーレベルを横切るので、ｄ電子の分布としては、ｄＸＹ軌道は電子に占有され、一方でｄＸ２−Ｙ２軌道は電子に占有されない状態になる。したがって、このとき、ＣｏＦｅの磁気異方性が最大になる。
【００１９】
スピン分極層に高い垂直磁気異方性を発現させるためには、正方晶構造を実現させる必要があり、したがって、ｚ軸方向に歪ませることが重要となる。結晶構造を制御する方策としては、構成元素の組成を調整することが一般的である。例えばＣｏＸＦｅ１−Ｘ合金では、Ｃｏ濃度の増加に対し、Ｘ＝０．７５付近でＢＣＣ（body-centered cubic）構造からＦＣＣ（face-centered cubic）構造に変化する。このようにＣｏＦｅ合金の組成を変化させることにより結晶構造及び格子定数を制御することは可能ではあるが、立方格子を維持する。
【００２０】
これに対して本実施形態では、図１に示すように、スピン分極層より小さな格子定数を有する安定化層をスピン分極層に接触させて、スピン分極層の結晶格子をｘ軸及びｙ軸方向に縮ませる。これにより、単位格子あたりの原子密度を一定に保つために、スピン分極層は膜面に垂直な方向に伸びる。すなわち、ＢＣＣ構造がｚ軸方向に伸びたＢＣＴ（body-centered tetragonal）構造としてＣｏＦｅ合金を安定化させ、ｃ／ａ＞１を実現する。このように、本実施形態では、スピン分極層の格子定数の比ｃ／ａ、及びその組成を制御することで、ＳＲＴ（Spin Reorientation Transition）効果によってスピン分極層自身に垂直磁気異方性を発現させる。
【００２１】
［２．磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）の構成］
図２は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。ＭＴＪ素子１０は、第１の安定化層１１、第１のスピン分極層１２、非磁性層１３、第２のスピン分極層１４、第２の安定化層１５が順に積層されて構成されている。
【００２２】
スピン分極層１２及び１４はそれぞれ、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、第１のスピン分極層１２及び第２の第２のスピン分極層１４の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。なお、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。
【００２３】
このようにスピン分極層１２及び１４の各々に高い垂直磁気異方性を発現させるために、スピン分極層をｚ軸方向に歪ませる。これにより、スピン分極層１２及び１４はそれぞれ、ＢＣＣ構造がｚ軸方向に伸びたＢＣＴ構造を有するようになる。同時に、スピン分極層１２及び１４の各々の組成比を、その結晶磁気異方性が大きくなる範囲に設定する。この組成比については後述する。この結果、スピン分極層１２及び１４はそれぞれ、垂直磁気異方性を発現する。したがって、スピン分極層１２及び１４を、垂直磁化ＭＴＪ素子１０を構成する磁性層として用いることが可能となる。
【００２４】
また、スピン分極層１２及び１４はそれぞれ、高スピン分極材料によって構成される。これにより、非磁性層（トンネルバリア層）１３とスピン分極層１２との界面のスピン分極率を大きくすることができる。同様に、非磁性層（トンネルバリア層）１３とスピン分極層１４との界面のスピン分極率を大きくすることができる。この結果、ＭＴＪ素子１０は、大きなＴＭＲ効果を発現することが可能となり、磁気抵抗比を大きくすることができる。
【００２５】
安定化層１１及び１５はそれぞれ、スピン分極層１２及び１４の結晶構造を安定化する機能を果たす。すなわち、安定化層１１は、スピン分極層１２より膜面内方向の格子定数が小さく設定され、この安定化層１１上に形成されかつ膜面内方向に縮んだスピン分極層１２をＢＣＴ構造として安定化させる。同様に、安定化層１５は、スピン分極層１４より膜面内方向の格子定数が小さく設定され、この安定化層１５の下に形成されかつ膜面内方向に縮んだスピン分極層１４をＢＣＴ構造として安定化させる。
【００２６】
図３は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。ＭＴＪ素子１０は、安定化層１１、スピン分極層１２、非磁性層１３、磁性層１６が順に積層されて構成されている。
【００２７】
磁性層１６は、垂直磁気異方性を有する。磁性層１６としては、強磁性合金、或いはＬ１０合金を形成しうる金属が用いられる。磁性層１６の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）からなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、及び金（Ａｕ）からなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金を主成分とする。具体的には、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
【００２８】
図３のＭＴＪ素子１０では、垂直磁気異方性を有する磁性層１６自体が強磁性電極の役割を担うので、これと隣接するスピン分極層は挿入しなくてもよい。図３のような構成を用いた場合でも、磁気抵抗比が大きな垂直磁化ＭＴＪ素子１０を実現することができる。なお、図３のＭＴＪ素子１０の積層順を上下反対とした構造のＭＴＪ素子を採用することも可能である。これらの場合もＢＣＴ構造の安定化により大きなＴＭＲ効果を発現することが可能となり、磁気抵抗比を大きくすることができる。
【００２９】
以下に、ＭＴＪ素子１０に含まれる各層の具体的な構成を、スピン分極層１２及び１４、安定化層１１及び１５、非磁性層１３の順に説明する。
【００３０】
［３．スピン分極層１２及び１４の構成］
例えばＣｏＦｅ合金をスピン分極層に用いた場合、ＣｏＦｅ合金の格子定数の比ｃ／ａが１．１０以上１．３５以下であり、かつその組成がＣｏＸＦｅ１−Ｘ（０．４≦Ｘ≦０．６）のとき結晶磁気異方性は大きくなる（非特許文献３の図１を参照）。この結晶磁気異方性は大きい条件において、歪みが生成されるためのＢＣＴ構造のＣｏＦｅ合金の格子定数ａを見積もる。ここでａＣｏＦｅをＢＣＣ構造のＣｏＦｅ合金の格子定数とする。
【００３１】
ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸（ａ軸、ｂ軸、ｃ軸ともいう）方向の格子定数をそれぞれａ、ｂ、ｃとすると、ＢＣＣ構造は３つの軸の格子定数はすべて等しいので、ａ＝ｂ＝ｃ＝ａＣｏＦｅの関係が成り立つ。ここで、膜面内方向に圧力を加えるなどして単位格子を均等に縮めると、格子定数a及びｂは小さくなりかつ等しくなるので、ａ＝ｂ＝ａ１の関係が成り立つ。ここで、ａ１は、単位格子が縮んだ後のｘ軸方向の格子定数である。
【００３２】
その一方、圧力を加えられた単位格子は、格子あたりの体積を一定に保とうとするためにｚ軸方向に伸びると考えられ、その伸び率をｄとすると、ｃ＝ｄ×ａ１の関係が成り立つ。結晶磁気異方性が最大となるのは格子定数の比ｃ／ａが１．１０≦ｃ／ａ≦１．３５の場合であるので、伸び率ｄは１．１０≦ｄ≦１．３５である。したがって、体積一定の条件（ａＣｏＦｅ）×（ａＣｏＦｅ）×（ａＣｏＦｅ）＝ａ１×ａ１×（ｄ×ａ１）から、ａ１の値はａ１＝ａＣｏＦｅ／ｄ１／３と見積もられる。したがって、結晶磁気異方性が最大となるａ１の値は、ａＣｏＦｅ×０．９０５Å≦ａ１≦ａＣｏＦｅ×０．９６９Åである。
【００３３】
一方、ＢＣＴ構造のＣｏＦｅ合金の結晶磁気異方性はその組成比に依存し、ＣｏＸＦｅ１−Ｘ（０．４≦Ｘ≦０．６）のとき最大になる。ＣｏＦｅ合金の格子定数は、０．４≦Ｘ≦０．６において２．８４３Å≦ａＣｏＦｅ≦２．８５４Åであることから、ＢＣＴ構造のＣｏＦｅ合金の格子定数を２．５７３Å≦ａ≦２．７６６Åに設定することにより、スピン分極層は大きな磁気異方性が発現する。
【００３４】
ＢＣＴ構造のＣｏＦｅ合金の組成を調整させることによりスピン分極層の結晶磁気異方性を制御することができる。したがって、スピン分極層１２及び１４でそれぞれ組成比の異なるＣｏＦｅ合金を用いることで異なる保磁力を持つスピン分極層１２及び１４を有する磁気抵抗素子となる。また、安定化層に隣接させることでスピン分極層をＢＣＴ構造化させた場合、スピン分極層の結晶磁気異方性はスピン分極層の膜厚に強く依存する。これは、スピン分極層が結晶磁気異方性を発現しつづける膜厚がスピン分極層がＢＣＴ構造を保持できる膜厚に対応するからである。この観点から、スピン分極層１２及び１４でそれぞれ膜厚を調整することで異なる保磁力を持つスピン分極層１２及び１４を有する磁気抵抗素子となる。なお、ＣｏＦｅ合金の格子定数を制御するために、ＣｏＦｅ合金に、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）のうち１つ以上を添加してもよい。
【００３５】
スピン分極層１２及び１４それぞれの膜厚があまりに薄いとスピン分極層はバルクの電子状態を維持することはできない。したがって、スピン分極層１２及び１４は少なくとも単位格子１個分に相当する膜厚が必要となる。例えば、鉄（Ｆｅ）ＢＣＣ構造の単位格子は２原子層に相当し、その格子定数は０．２８ｎｍである。したがって、スピン分極層１２及び１４の下限値は、望ましくは０．２８ｎｍ以上である。
【００３６】
スピン分極層と安定化層間とに格子ミスフィットがある場合、スピン分極層が十分に薄い際は安定化層の格子に追従し、スピン分極層は擬似格子整合する。しかし、スピン分極層の膜厚が厚くなると格子の歪みのエネルギーを緩和させるためにスピン分極層と安定化層との界面に転位が生じてしまう。したがって、転位を発生せず、擬似格子整合を維持することができる臨界膜厚が、スピン分極層が歪みを保持できる厚さであり、スピン分極層１２及び１４それぞれの膜厚の上限値に対応する。スピン分極層が安定化層と接触し歪むことで垂直磁気異方性が発現するために必要な格子ミスフィットは、約３％以上である。転位に作用する力をエネルギー平衡理論（非特許文献４）及び力学的平衡理論（非特許文献５）で計算すると、格子ミスフィット３％における臨界膜厚は、おおよそ３ｎｍである。この観点から、スピン分極層１２及び１４それぞれの膜厚の上限値は、望ましくは３ｎｍである。
【００３７】
このように、本実施形態では、ＣｏＦｅ合金の結晶構造を歪ませ、さらにＣｏ及びＦｅの組成を調整して電子数を制御することで、結晶磁気異方性によって垂直磁気異方性を発現させている。一方、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等を含む強磁性層と、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ等を含む非磁性層とを１０層程度を交互に積層した多層膜からなる人工格子において垂直磁気異方性を有することが確認されているが、人工格子の垂直磁気異方性の起源は、強磁性層及び非磁性層の界面異方性及び表面異方性である。したがって、例えばＣｏとＰｔとを交互に積層させることで垂直磁気異方性が確認されているが、ＣｏとＰｔとの人工格子では強磁性層Ｃｏの膜厚は１ｎｍ以下にしなければ垂直磁気異方性は消失してしまう。
【００３８】
これに対して本実施形態は、ＣｏＦe合金の歪みが垂直磁気異方性の起源であるために、ＣｏＦe合金の歪みが維持できる約３ｎｍ程度の膜厚においても垂直磁気異方性を発現させつづけることができる。このように、本実施形態のスピン分極層と人工格子とでは、垂直磁気異方性の起源が本質的に異なる。
【００３９】
安定化層の膜厚があまりに薄いと不連続膜になってしまうので、スピン分極層を歪ませることが出来ず安定化層として機能しない。また、厚くなりすぎると表面平坦性が悪くなる。したがって、安定化層は、１〜１０ｎｍ程度の膜厚が望ましい。
【００４０】
（スピン分極層１２及び１４の材料）
本実施形態のスピン分極層１２及び１４としては、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）を主成分とする強磁性体が用いられる。さらに、スピン分極層の格子定数を制御するために、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）のうち１つ以上の元素を２５原子％以下の濃度で添加してもよい。このような材料をスピン分極層として用いることで、スピン分極率を制御することができる。
【００４１】
また、スピン分極層自体の磁気異方性を大きくするために、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、及び金（Ａｕ）のうち１つ以上の元素を添加してもよい。
【００４２】
また、スピン分極層は、非磁性層１３と接する界面が（００１）面となる配向性を有することが望ましい。すなわち、スピン分極層１２は、その上面が（００１）面となる配向性を有することが望ましい。また、スピン分極層１４は、その底面が（００１）面となる配向性を有することが望ましい。
【００４３】
上面が（００１）面となっているスピン分極層１２（ＣｏＦｅ）上に非磁性層１３（ＭｇＯ）を成長させると、膜面に垂直な方向に（００１）配向したＭｇＯを形成することができる。例えば、第１のスピン分極層１２（ＣｏＦｅ）、非磁性層１３（ＭｇＯ）、第２のスピン分極層１４（ＣｏＦｅ）とした場合に、ＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。この場合、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。
【００４４】
［４．安定化層１１及び１５の構成］
本実施形態のスピン分極層を実現するためには、図１に示すように、スピン分極層より小さい格子定数を有する安定化層をスピン分極層に接触させる。これにより、安定化層との界面エネルギーを低減させるために、スピン分極層の膜面内方向の格子定数は本来の値に対して小さくなる。さらに、このとき、単位格子あたりの原子密度を一定に保つためにスピン分極層は膜面に垂直な方向に伸びるので、ＢＣＴ構造が安定化する。
【００４５】
安定化層１１及び１５はそれぞれ、立方晶、又は正方晶を基本格子とし、膜面に垂直な方向に（００１）配向する。なお、安定化層１１は、その全体が膜面に垂直な方向に（００１）配向している必要はなく、少なくともスピン分極層１２に接するその上面が膜面に垂直な方向に（００１）配向していればよい。同様に、安定化層１５は、少なくともスピン分極層１４に接するその底面が膜面に垂直な方向に（００１）配向していればよい。
【００４６】
スピン分極層の結晶粒は、上面が膜面に垂直な方向に（００１）配向した安定化層上に、膜面に垂直な方向に（００１）配向する。これに対して、スピン分極層の結晶粒は、膜面内方向には安定化層の膜面内方向、すなわち［００１］方向に対して４５°回転して成長する。よって、安定化層及びスピン分極層は、（００１）／／（００１）、［００１］／／［１１０］なるエピタキシャル関係を維持する。
【００４７】
スピン分極層として、組成がＣｏＸＦｅ１−Ｘ（０．４≦Ｘ≦０．６）、格子定数の比ｃ／ａが１．１０以上１．３５以下であるＢＣＴ構造のＣｏＦｅ合金を用いた場合に、スピン分極層を安定化させるために必要な安定化層の膜面内方向（ｘ軸方向）の格子定数ａ０を見積もる。安定化層は最終的には膜面内方向に縮んだスピン分極層と格子整合するため、格子定数ａ０は、スピン分極層の格子定数ａ１を用いて算出することができる。ここで、前述したように、スピン分極層の結晶磁気異方性が最大となるａ１の値は、ａＣｏＦｅ×０．９０５Å≦ａ１≦ａＣｏＦｅ×０．９６９Åである。
【００４８】
スピン分極層の結晶粒は、上面が膜面に垂直な方向に（００１）配向した安定化層上に、膜面に垂直な方向に（００１）配向し、かつ、膜面内方向には安定化層の膜面内方向、すなわち［００１］方向に対して４５°回転して成長することから、ＣｏＦｅ合金の［１１０］方向の格子定数を考える必要がある。したがって、ＢＣＴ構造のＣｏＦｅ合金を安定化させるために必要な安定化層の膜面内方向の格子定数ａ０は、ＣｏＦｅ合金の格子定数ａ１を２の平方根倍して得られる。すなわち、格子定数ａ０は、ａＣｏＦｅ×０．９０５×１．４１４Å≦ａ０≦ａＣｏＦｅ×０．９６９×１．４１４Åであり、ＣｏＸＦｅ１−Ｘ（０．４≦Ｘ≦０．６）の格子定数が２．８４３Å≦ａＣｏＦｅ≦２．８５４Åであることから、３．６３７Å≦ａ０≦３．９１１Åと見積もられる。
【００４９】
（安定化層１１及び１５の材料）
安定化層１１及び１５としてはそれぞれ、以下の（１）乃至（８）で示した材料を用いることができる。これら（１）乃至（８）で示した材料を用いることで、スピン分極層１２及び１４をＢＣＴ構造として安定化させる。
【００５０】
（１）非磁性金属
白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びイリジウム（Ｉｒ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を主成分とする非磁性金属が挙げられる。
【００５１】
（２）強磁性合金、又はＬ１０合金を形成しうる金属
鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）からなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、及び金（Ａｕ）からなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金を主成分とする強磁性合金が挙げられる。具体的には、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、又はＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
【００５２】
（３）酸化物
亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）、及びカルシウム（Ｃａ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を主成分とする酸化物が挙げられる。具体的には、ＳｒＲｕＯ、ＳｒＴｉＯ、ＢａＴｉＯ、ＣａＴｉＯ、ＲｕＴｉＯ、又はＺｎＯが挙げられる。
【００５３】
（４）窒化物
チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、セリウム（Ｃｅ）、及びランタン（Ｌａ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を主成分とする窒化物が挙げられる。具体的には、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＶＮ、ＴａＮ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＣｅＮ、又はＬａＮが挙げられる。また、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＴａＮ等を用いても良い。
【００５４】
（５）硫化物
テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、及びガドリニウム（Ｇｄ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を主成分とする硫化物が挙げられる。具体的には、ＧｄＳ、ＴｂＳ、ＤｙＳ、ＨｏＳ、ＥｒＳ、又はＴｍＳが挙げられる。
【００５５】
（６）ホウ化物
ランタン（Ｌａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を主成分とするホウ化物が挙げられる。具体的には、ＷＢ、ＭｏＢ、ＣｒＢ、又はＬａＢが挙げられる。
【００５６】
（７）炭化物
チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を主成分とする炭化物が挙げられる。具体的には、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＶＣ、又はＺｒＣが挙げられる。
【００５７】
（８）ケイ化物
モリブデン（Ｍｏ）、及びタングステン（Ｗ）からなるグループから選ばれる１つ以上の元素を主成分とするケイ化物が挙げられる。具体的には、ＭｏＳｉ、又はＷＳｉが挙げられる。
【００５８】
（３）乃至（８）で示した材料は、共有結合或いはイオン結合によって化学結合している。したがって、（１）乃至（２）で示した材料に比べ強く結合しており構造が安定である。よって、安定化層として（３）乃至（８）で示した材料を用いた場合は、スピン分極層との間での原子の相互拡散を小さく抑えることが出来るので、スピン分極層の磁気異方性を維持できるという利点がある。
【００５９】
［５．非磁性層（トンネルバリア層）１３の構成］
非磁性層１３は絶縁材料からなり、したがって、非磁性層１３としては、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層１３は、立方晶又は正方晶を基本格子とする。大きい磁気抵抗比を得るためには、トンネルバリア層１３の配向度の向上が必要であり、トンネルバリア層１３は、膜面に垂直な方向に（００１）配向していることが望ましい。
【００６０】
トンネルバリア層１３としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、及びチタン（Ｔｉ）からなるグループから選ばれる１つの元素を主成分とする酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＡｌＯ、ＢｅＯ、ＳｒＯ、又はＴｉＯが挙げられる。トンネルバリア層１３は、上述の酸化物のグループから選ばれる２つ以上の材料の混晶物であってもよい。
【００６１】
トンネルバリア層１３は、結晶質及びアモルファスのいずれであっても構わない。しかし、トンネルバリア層１３が結晶化している場合、磁性層から特定の波数を持った電子のみが波数を保存したまま選択的にトンネル伝導するので、磁気抵抗比を大きくすることができる。
【００６２】
また、トンネルバリア層１３が結晶化している場合、界面エネルギーを低減させるためにスピン分極層とトンネルバリア層との界面でエピタキシャル関係を持つことになる。スピン分極層と安定化層とのエピタキシャル関係と同様に、上面が（００１）面に配向したトンネルバリア層に対して、スピン分極層は膜面に垂直な方向に（００１）配向し、膜面内方向にはトンネルバリア層の膜面内方向［００１］に対して４５°回転して成長する。特に結晶質トンネルバリア層の格子定数がスピン分極層の格子定数より大きい場合、スピン分極層の膜面内方向の格子定数はトンネルバリア層の格子定数に追従するように大きくなり、ｃ／ａ＜１となるので、結晶質トンネルバリア層と接する界面付近のスピン分極層自体には高い磁気異方性は発現しない。しかし、スピン分極層の安定化層と接する反対側の界面はｃ／ａ＞１を維持しているので、磁気的相互作用によってスピン分極層の磁化は膜面に垂直な方向に揃う。
【００６３】
また、トンネルバリア層１３としては、ＡｌＯなどのアモルファス性のトンネルバリア層であってもよい。アモルファス性のトンネルバリア層１３では、スピン分極層はトンネルバリア層１３との格子ミスフィットに起因する界面エネルギーを無視することができる。したがって、安定化層により生成される格子歪みは、トンネルバリア層１３との界面近傍まで保存することができ、結晶磁気異方性が失われることはないので、スピン分極層の磁化は膜面に垂直な方向に揃う。
【００６４】
［６．実施例］
次に、本発明の実施例として、具体的な垂直磁化ＭＴＪ素子１０の積層構造を説明する。下記の磁気抵抗膜（サンプル）を形成し、垂直磁化ＭＴＪ素子１０を作成した。各層の後に括弧書きで示した数値は、成膜時の各層の厚さ（設計値）である。それぞれのサンプルは、成膜後に、ＴＭＲ特性及び磁気特性が最適化されるように、適切な温度及び時間で真空アニールが施される。
【００６５】
（具体例１）
図２を基本構成とする垂直磁化ＭＴＪ素子１０の具体例を以下に示す。安定化層１１及び１５としては、非磁性層を用いている。
【００６６】
具体例１のＭＴＪ素子１０は、上層から、Ｉｒ（３ｎｍ）安定化層／ＣｏＦｅＢ（０．５ｎｍ）スピン分極層／ＭｇＯ（１．５ｎｍ）トンネルバリア層／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）スピン分極層／Ｉｒ（３ｎｍ）安定化層／下地層（図示せず）／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）によって形成される。
【００６７】
サンプルの膜面に垂直な方向に磁場を掃引し磁化を測定した。その結果、第１のスピン分極層１２の残留磁化は、第２のスピン分極層１４側又はその反対側を向き、スピン分極層１４の残留磁化は、第１のスピン分極層１２側又はその反対側を向いたことを反映する磁化曲線が得られた。この結果から、スピン分極層１２及び１４が、積層される方向（膜面に垂直な方向）に磁気異方性を有する垂直磁化ＭＴＪ素子が実現されていることを確認できた。
【００６８】
（具体例２）
図３を基本構成とする垂直磁化ＭＴＪ素子１０の具体例を以下に示す。
【００６９】
具体例２のＭＴＪ素子１０は、上層から、ＦｅＰｔ（３ｎｍ）磁性層／ＭｇＯ（１．５ｎｍ）トンネルバリア層／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）スピン分極層／Ｉｒ（３ｎｍ）安定化層／下地層（図示せず）／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）によって形成される。
【００７０】
サンプルの膜面に垂直な方向に磁場を掃引し磁化を測定した。その結果、スピン分極層１２の残留磁化は、磁性層１６側又はその反対側を向き、磁性層１６の残留磁化は、スピン分極層１２側又はその反対側を向いたことを反映する磁化曲線が得られた。この結果から、スピン分極層１２及び磁性層１６が、積層される方向に磁気異方性を有する垂直磁化ＭＴＪ素子１０が実現されていることを確認できた。
【００７１】
（具体例３）
図２を基本構成とする垂直磁化ＭＴＪ素子１０の具体例を以下に示す。安定化層１１及び１５としては、強磁性層を用いている。
【００７２】
具体例３のＭＴＪ素子１０は、上層から、ＦｅＰｔ（３ｎｍ）安定化層／Ｆｅ（１ｎｍ）スピン分極層／ＭｇＯ（１．５ｎｍ）トンネルバリア層／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）スピン分極層／ＦｅＰｄ（３ｎｍ）安定化層／下地層（図示せず）／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）によって形成される。
【００７３】
サンプルの膜面に垂直な方向に磁場を掃引し磁化を測定した。その結果、第１のスピン分極層１２の残留磁化は、第２のスピン分極層１４側又はその反対側を向き、スピン分極層１４の残留磁化は、第１のスピン分極層１２側又はその反対側を向いたことを反映する磁化曲線が得られた。この結果から、スピン分極層１２及び１４が、積層される方向に磁気異方性を有する垂直磁化ＭＴＪ素子が実現されていることを確認できた。
【００７４】
（具体例４）
図２を基本構成とする垂直磁化ＭＴＪ素子１０の具体例を以下に示す。安定化層１１及び１５としては、強磁性層を用いている。
【００７５】
具体例４のＭＴＪ素子１０は、上層から、ＦｅＰｔ（３ｎｍ）安定化層／Ｆｅ（１ｎｍ）スピン分極層／ＭｇＯ（１．５ｎｍ）トンネルバリア層／Ｃｏ４８Ｆｅ３２Ｂ２０（０．５ｎｍ）／Ｃｏ５６Ｆｅ２４Ｂ２０（０．５ｎｍ）スピン分極層／ＦｅＰｄ（３ｎｍ）安定化層／下地層（図示せず）／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）によって形成される。
【００７６】
サンプルの膜面に垂直な方向に磁場を掃引し磁化を測定した。その結果、第１のスピン分極層１２の残留磁化は、第２のスピン分極層１４側又はその反対側を向き、スピン分極層１４の残留磁化は、第１のスピン分極層１２側又はその反対側を向いたことを反映する磁化曲線が得られた。この結果から、スピン分極層１２及び１４が、積層される方向に磁気異方性を有する垂直磁化ＭＴＪ素子が実現されていることを確認できた。
【００７７】
このように、本実施例（具体例１乃至４）によれば、巨大磁気抵抗効果が発現する垂直磁化ＭＴＪ素子１０を実現できる。
【００７８】
［７．効果］
以上詳述したように本実施形態では、スピン分極層１２自身に高い垂直磁気異方性を発現させる。このために、スピン分極層１２をｚ軸方向に歪ませることで、ＢＣＣ構造がｚ軸方向に伸びたＢＣＴ構造を有するスピン分極層１２を構成する。また、スピン分極層１２の組成比をその結晶磁気異方性が大きくなる範囲に設定する。また、安定化層１１の格子定数は、スピン分極層１２の格子定数より小さく設定され、この安定化層１１上に形成されかつ膜面内方向に縮んだスピン分極層１２をＢＣＴ構造として安定化させる。スピン分極層１４と安定化層１５との関係についても同様である。さらに、スピン分極層１２及び１４をそれぞれ、高スピン分極材料によって構成するようにしている。
【００７９】
従って本実施形態によれば、スピン分極層とトンネルバリア層との界面分極率を大きくすることができるため、大きなＴＭＲ効果が発現する。これにより、ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比を大きくすることが可能となる。
【００８０】
また、高スピン分極材料自身に垂直磁気異方性を付与することができるため、スピン分極層の膜厚を増やすことが可能である。これにより、垂直磁化を維持しつつ高い磁気抵抗比を有する垂直磁化ＭＴＪ素子を構成することが可能となる。
【００８１】
また、スピン分極層１２及び１４としてＣｏ、Ｆｅなどの軽金属を用いているため、ダンピング定数を低減することができる。よって、ＭＴＪ素子１０は、スピン注入による磁化反転を実現できる。
【００８２】
［第２の実施形態］
第１の実施形態で示したＭＴＪ素子１０は、ＭＲＡＭや、磁気ディスク装置の磁気ヘッドなどに適用できる。
【００８３】
ＭＲＡＭを構成する記憶素子は、磁化（或いはスピン）方向が可変である（反転する）記録層、磁化方向が不変である（固着している）参照層、これら記録層及び参照層に挟まれた非磁性層を備えている。「参照層の磁化方向が不変である」とは、記録層の磁化方向を反転するために使用される磁化反転電流を参照層に流した場合に、参照層の磁化方向が変化しないことを意味する。垂直磁気異方性を有するスピン分極層１２及び１４の一方を記録層、他方を参照層として用いることで、ＭＴＪ素子１０を記憶素子として用いたＭＲＡＭを構成することができる。
【００８４】
具体的には、スピン分極層１２及び１４に保磁力差を設けることで、これらを記録層及び参照層として用いることができる。従って、ＭＴＪ素子１０において、スピン分極層（参照層）１２として反転電流の大きな磁性層を用い、スピン分極層（記録層）１４として参照層１２よりも反転電流の小さい磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の記録層１４と磁化方向が不変の参照層１２とを備えたＭＴＪ素子１０を実現することができる。スピン分極電子により磁化反転を引き起こす場合、例えば、スピン分極層１２及び１４を構成する材料の組成を調整することで、結晶磁気異方性に差を設けることができるため、スピン分極層１２及び１４の反転電流に差を設けることができる。
【００８５】
また、前述したように、安定化層１１及び１５として強磁性材料を用いた場合、安定化層１１及び１５を参照層及び記録層として用いることも可能である。この場合も、安定化層１１及び１５に保磁力差を設ければよい。また、安定化層１１及びスピン分極層１２を合わせた磁性体を参照層（或いは記録層）として用い、安定化層１５及びスピン分極層１４を合わせた磁性体を記録層（或いは参照層）として用いてもよい。さらに、図３の構成では、磁性層１６及びスピン分極層１２に保磁力差を設けることで、磁性層１６及びスピン分極層１２の一方を参照層、他方を記録層として用いることが可能である。
【００８６】
図４は、第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図である。ＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに電気的に接続される。ビット線ＢＬの一端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ１を経由してセンスアンプＳＡに電気的に接続される。センスアンプＳＡは、ＭＴＪ素子１０からの読み出し電位Ｖｒと参照電位Ｖｒｅｆとを比較し、この比較結果を出力信号ＤＡＴＡとして出力する。センスアンプＳＡに電気的に接続された抵抗Ｒｆは、帰還抵抗である。
【００８７】
ビット線ＢＬの他端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ２を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１のドレイン及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１のドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタＰ１のソースは、電源端子Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＮ１のソースは、接地端子Ｖｓｓに接続される。
【００８８】
ＭＴＪ素子１０の他端は、下部電極２９に電気的に接続される。下部電極２９は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３を経由してソース線ＳＬに電気的に接続される。なお、ソース線ＳＬはビット線ＢＬと平行な方向に延在する。
【００８９】
ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ４を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２のドレイン及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２のドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタＰ２のソースは、電源端子Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＮ２のソースは、接地端子Ｖｓｓに接続される。また、ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ５を経由して接地端子Ｖｓｓに接続される。
【００９０】
ＭＯＳトランジスタＳＴ３のゲートは、ワード線ＷＬに電気的に接続される。ワード線ＷＬは、ビット線ＢＬが延在する方向に対して交差する方向に延在する。
【００９１】
ＭＴＪ素子１０へのデータ書き込みは、スピン注入書き込み方式によって行われる。すなわち、制御信号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤによるＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２、Ｎ１及びＮ２のオン／オフによりＭＴＪ素子１０に流れる書き込み電流の向きを制御し、データ書き込みを実現する。
【００９２】
ＭＴＪ素子１０からのデータ読み出しは、ＭＴＪ素子１０に読み出し電流を供給することで行われる。この読み出し電流は、書き込み電流よりも小さい値に設定される。ＭＴＪ素子１０は、磁気抵抗効果により、参照層と記録層との磁化方向が平行配列か反平行配列かで異なる抵抗値を有する。すなわち、参照層と記録層との磁化方向が平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、一方、参照層と記録層との磁化方向が反平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も大きくなる。この抵抗値の変化をセンスアンプＳＡによって検出することで、ＭＴＪ素子１０に記録された情報を読み出す。
【００９３】
図５は、ＭＲＡＭの構成を示す断面図である。Ｐ型半導体基板２１内には、ＳＴＩ(shallow trench isolation)構造の素子分離絶縁層２２が形成される。素子分離絶縁層２２に囲まれた素子領域（活性領域）には、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３が設けられている。ＭＯＳトランジスタＳＴ３は、ソース／ドレイン領域としての拡散領域２３及び２４、拡散領域２３及び２４間のチャネル領域の上に設けられたゲート絶縁膜２５、ゲート絶縁膜２５上に設けられたゲート電極２６を有する。ゲート電極２６は、図４のワード線ＷＬに相当する。
【００９４】
拡散領域２３上には、コンタクトプラグ２７が設けられている。コンタクトプラグ２７上には、ソース線ＳＬが設けられている。拡散領域２４上には、コンタクトプラグ２８が設けられている。コンタクトプラグ２８上には、下部電極２９が設けられている。下部電極２９上には、ＭＴＪ素子１０が設けられている。ＭＴＪ素子１０上には、上部電極３０が設けられている。上部電極３０上には、ビット線ＢＬが設けられている。半導体基板２１とビット線ＢＬとの間は、層間絶縁層３１で満たされている。
【００９５】
層間絶縁層３１の形成条件を調整することにより応力を制御することができる。これを利用することで、層間絶縁層３１からＭＴＪ素子１０のスピン分極層或いは安定化層に直接応力を与え、圧縮させることが可能である。したがって、層間絶縁層３１は本来の機能であるＭＴＪ素子１０を電気的に絶縁する効果のみならず、層間絶縁層３１がスピン分極層の歪みを安定化させる効果を持たせることができる。
【００９６】
図６は、第２の実施形態に係る磁気ディスク装置の構造を示す概略図である。図７は、ＴＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ部の構造を示す概略図である。アクチュエータアーム（actuator arm）４１は、磁気ディスク装置内の固定軸４０に固定されるための穴を有し、アクチュエータアーム４１の一端には、サスペンション（suspension）４２が接続されている。
【００９７】
サスペンション４２の先端には、ＴＭＲヘッドを搭載したヘッドスライダ（head slider）４３が取り付けられている。また、サスペンション４２には、データの書き込み／読み取りのためのリード線（lead line）４４が配線される。このリード線４４の一端とヘッドスライダ４３に組み込まれたＴＭＲヘッドの電極とが電気的に接続される。ＴＭＲヘッドは、本発明のＭＴＪ素子１０を含む。リード線４４の他端は、電極パッド（electrode pad）４５に電気的に接続される。
【００９８】
磁気ディスク（magnetic disc）４６は、スピンドル（spindle）４７に装着され、駆動制御部からの制御信号により、モータ駆動される。ヘッドスライダ４３は、磁気ディスク４６の回転により所定量だけ浮上する。この状態で、ＴＭＲヘッドを用いてデータの記録再生を行う。
【００９９】
アクチュエータアーム４１は、駆動コイルを保持するボビン部を有する。アクチュエータアーム４１には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ（voice coil motor）４８が接続される。ボイスコイルモータ４８は、アクチュエータアーム４１のボビン部に巻き上げられた駆動コイルと、この駆動コイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークとからなる磁気回路を備える。アクチュエータアーム４１は、固定軸４０の上下２ヶ所に設けられるボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ４８によって駆動される。
【０１００】
以上、本発明の適用例をＭＲＡＭと磁気ディスク装置とについて説明したが、本発明は、それ以外にもＴＭＲ効果を利用するデバイス全般に適用できる。
【０１０１】
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】
【０１０２】
１０…ＭＴＪ素子、１１，１５…安定化層、１２，１４…スピン分極層、１３…非磁性層、１６…磁性層、２１…半導体基板、２２…素子分離絶縁層、２３，２４…拡散領域、２５…ゲート絶縁膜、２６…ゲート電極、２７，２８…コンタクトプラグ、２９…下部電極、３０…上部電極、３１…層間絶縁層、４０…固定軸、４１…アクチュエータアーム、４２…サスペンション、４３…ヘッドスライダ、４４…リード線、４５…電極パッド、４６…磁気ディスク、４７…スピンドル、４８…ボイスコイルモータ、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、ＳＬ…ソース線、ＳＡ…センスアンプ、Ｐ１，Ｐ２…ＰチャネルＭＯＳトランジスタ、Ｎ１，Ｎ２，ＳＴ１〜ＳＴ５…ＮチャネルＭＯＳトランジスタ。
【図１】
2010238769.tif 000003
【図２】
2010238769.tif 000004
【図３】
2010238769.tif 000005
【図４】
2010238769.tif 000006
【図５】
2010238769.tif 000007
【図６】
2010238769.tif 000008
【図７】
2010238769.tif 000009