(57)【要約】【課題】微細化してもビット情報の高い熱擾乱耐性を保ち、大容量化を実現する。【解決手段】本発明の磁気抵抗効果素子は、垂直磁化を有する記録層１１と固定層１２との間に非磁性層１３を有し、非磁性層１３と固定層１２との間に磁性金属層１８を有し、非磁性層１３と記録層１１との間に磁性金属層１９を有する。非磁性層１３は、（００１）面が配向したＭｇＯを備え、磁性金属層１８，１９は、（００１）面が配向した、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金から選ばれる磁性材料を備え、記録層１１と固定層１２の少なくとも一方は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１つを含む層と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの少なくとも１つを含む層とが交互に積層され、磁性金属層１９のダンピング定数は、記録層１１のダンピング定数より小さい。【選択図】図３
2010021580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピン偏極電子を磁性体に流すことで情報が記録される磁気抵抗効果素子であって、
磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第１の磁化を有する第１の固定層と、
磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第２の磁化を有し、前記スピン偏極電子の作用により前記第２の磁化の方向が反転可能な記録層と、
前記第１の固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第１の固定層に対向する第１の面と前記記録層に対向する第２の面とを有する第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層の前記第１の面と前記第１の固定層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第１の磁性金属層と、
前記第１の非磁性層の前記第２の面と前記記録層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第２の磁性金属層と
を具備し、
前記第１の非磁性層は、（００１）面が配向したＭｇＯを備え、
前記第１及び第２の磁性金属層の少なくとも一方は、ｂｃｃ構造を有し（００１）面が配向した、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金から選ばれる磁性材料を備え、
前記第１の固定層及び前記記録層の少なくとも一方は、Ｃｏと、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つとを含む合金であり、
前記記録層と前記第２の磁性金属層は、互いに交換結合し、
前記第２の磁性金属層のダンピング定数は、前記記録層のダンピング定数より小さい
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
スピン偏極電子を磁性体に流すことで情報が記録される磁気抵抗効果素子であって、
磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第１の磁化を有する第１の固定層と、
磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第２の磁化を有し、前記スピン偏極電子の作用により前記第２の磁化の方向が反転可能な記録層と、
前記第１の固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第１の固定層に対向する第１の面と前記記録層に対向する第２の面とを有する第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層の前記第１の面と前記第１の固定層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第１の磁性金属層と、
前記第１の非磁性層の前記第２の面と前記記録層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第２の磁性金属層と
を具備し、
前記第１の非磁性層は、（００１）面が配向したＭｇＯを備え、
前記第１及び第２の磁性金属層の少なくとも一方は、ｂｃｃ構造を有し（００１）面が配向した、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金から選ばれる磁性材料を備え、
前記第１の固定層及び前記記録層の少なくとも一方は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１つを含む第１の層と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの少なくとも１つを含む第２の層とが交互に積層され、
前記記録層と前記第２の磁性金属層は、互いに交換結合し、
前記第２の磁性金属層のダンピング定数は、前記記録層のダンピング定数より小さい
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第３の磁化を有する第２の固定層と、
前記第２の固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第２の固定層に対向する第３の面と前記記録層に対向する第４の面とを有する第２の非磁性層と
をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第３の磁化を有する第２の固定層と、
前記第２の固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第２の固定層に対向する第３の面と前記記録層に対向する第４の面とを有する第２の非磁性層と、
前記第１の非磁性層を介して前記記録層及び前記第１の固定層間に生じる第１の磁気抵抗比は、前記第２の非磁性層を介して前記記録層及び前記第２の固定層間に生じる第２の磁気抵抗比より大きい
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の非磁性層は絶縁体であり、トンネル磁気抵抗効果を示すことを特徴とする請求項３又は４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁性材料を備える層のうち１つ以上の層は、第１の磁性層と第２の磁性層と前記第１及び第２の磁性層間に設けられた第３の非磁性層とを有し、
前記第１及び第２の磁性層が互いに反強磁性的に結合している
ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１の固定層及び前記記録層の少なくとも一方は、Ｃｏを含む層とＰｄを含む層とが交互に積層された構造を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記記録層は、（１１１）面に配向していることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記磁性材料を備える層のうち１つ以上の層は、非磁性体部が偏析することにより、磁性体部と非磁性体部とが分離した構造であることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１及び第２の磁性金属層の少なくとも一方は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素とＢ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｗのうち１つ以上の元素を含む強磁性合金を備え、前記強磁性合金の結晶構造がｂｃｃ構造であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第２の磁性金属層の膜厚は、前記第１の磁性金属層の膜厚より薄いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線と
を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１３】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線と、
前記書き込み配線の少なくとも一部を被覆し、前記磁気抵抗効果素子から漏れた磁場を吸収する軟磁性膜と
を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１４】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線と、
前記磁気抵抗効果素子を厚さ方向から挟み、前記磁気抵抗効果素子から漏れた磁場を吸収する第１及び第２の軟磁性膜と
を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１５】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有する半導体チップと、
前記半導体チップを収納し、前記半導体チップを露出する窓を有するカード部と、
前記窓を開閉し、磁気遮蔽効果を有する材料を備えるシャッターと、
前記カード部に設けられ、前記半導体チップを前記カード部の外部に電気的に接続する端子と
を具備することを特徴とする電子カード。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電子カードを収納する収納部と、
前記収納部に設けられ、前記電子カードと電気的に接続され、前記電子カードのデータ書き換え制御信号を供給する端子と
を具備することを特徴とする電子装置。
【請求項１７】
スピン偏極電子を磁性体に流すことで情報が記録される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第１の磁化を有する第１の固定層と、
磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第２の磁化を有し、前記スピン偏極電子の作用により前記第２の磁化の方向が反転可能な記録層と、
前記第１の固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第１の固定層に対向する第１の面と前記記録層に対向する第２の面とを有する第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層の前記第１の面と前記第１の固定層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第１の磁性金属層と、
前記第１の非磁性層の前記第２の面と前記記録層との間に設けられ、前記記録層と交換結合し、前記記録層のダンピング定数より小さいダンピング定数を有し、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第２の磁性金属層と
を含む積層構造を形成する工程を具備し、
（００１）面が配向したＭｇＯにより、前記第１の非磁性層を形成し、
ｂｃｃ構造を有し（００１）面が配向した、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金から選ばれる磁性材料により、前記第１及び第２の磁性金属層の少なくとも一方を形成し、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１つを含む第１の層と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの少なくとも１つを含む第２の層とを、交互に積層することにより、前記第１の固定層及び前記記録層の少なくとも一方を形成する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の磁気抵抗効果素子を形成し、
前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線を形成する
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の磁気抵抗効果素子を形成し、
前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線を形成し、
前記書き込み配線の少なくとも一部を被覆し、前記磁気抵抗効果素子から漏れた磁場を吸収する軟磁性膜を形成する
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【請求項２０】
請求項１７に記載の磁気抵抗効果素子を形成し、
前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線を形成し、
前記磁気抵抗効果素子を厚さ方向から挟み、前記磁気抵抗効果素子から漏れた磁場を吸収する第１及び第２の軟磁性膜を形成する
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【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、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）と、それを用いた電子カード及び電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）は、データをＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の磁化状態により記憶する点に特徴を有する。この磁気ランダムアクセスメモリに関しては、実用化に向けて数々の技術が提案されている。
【０００３】
例えば、書き込み電流の低減を目的として、ヨーク配線構造が提案されている。また、ＭＴＪ素子の構造に関しては、ＧｄＦｅ合金からなる垂直磁化膜を用いた構造（例えば、非特許文献１参照）や、垂直磁化膜を用いた積層構造（例えば、非特許文献２参照）等が提案されている。これらは、基本的に電流により発生する磁場を利用して、磁性層の磁化の向きを反転させる磁場書き込み方式である。電流により発生する磁場は、当然、電流が大きければ大きな磁場を発生できるが、微細化が進むほど配線に流せる電流も制限される。配線と磁性層の距離を近づける、あるいは発生する磁場を集中させるヨーク構造を利用することで、磁性体を反転させるために必要な電流値を低減することはできるが、微細化により、磁性体の磁化反転に必要な磁場が増大するため、低電流化と微細化の両立が非常に難しい。微細化により磁性体の磁化反転に必要な磁場が増大するのは、熱擾乱に打ち勝つだけの磁気エネルギーを必要とするためである。磁気エネルギーは磁気異方性エネルギー密度と磁性体の体積を大きくすればよいが、微細化により体積が減少してしまうので、形状磁気異方性エネルギー、結晶磁気異方性エネルギーを利用するのが一般的である。しかし、上述したように磁性体の持つ磁気エネルギーの増大は反転磁場を増大させるため、低電流化と微細化を両立するのは非常に困難である。特許文献１には、結晶磁気異方性エネルギーの大きな垂直磁化膜を導入し、かつ究極的に大きな電流磁場の発生効率を有する完全閉磁路型のヨーク構造が提案されているが、ヨーク構造が磁性体素子に対して大きくなるため、セル面積が比較的大きくなり、微細化、低電流化、セル面積の縮小をすべて満たすことができない。
【０００４】
近年、スピン偏極電流による磁化反転が理論的に予想され、実験でも確認されるようになり、スピン偏極電流を利用した磁気ランダムアクセスメモリが提案されてきた（例えば、非特許文献３参照）。この方式によれば、磁性体にスピン偏極電流を流すだけで磁性体の磁化反転を実現でき、磁性体の体積が小さければ注入するスピン偏極電子も少なくて済むため、微細化、低電流化を両立できると期待されている。さらに、電流により発生する磁場を利用しないため、磁場を増加させるヨーク構造も必要ではなく、セル面積を縮小できるという利点を持つ。しかし、当然のことながらスピン偏極電流における磁化反転方式においても、熱擾乱の問題は微細化にともなって顕在化する。上述したように、熱擾乱耐性を確保するためには、磁気異方性エネルギー密度を増加させる必要がある。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、形状を利用して磁気異方性を確保しているため、反転電流は形状敏感になり、微細化に伴い反転電流ばらつきが増加することが問題になる。ＭＴＪセルのアスペクトも少なくとも１．５以上は必要となるため、セルサイズも大きくなる。面内磁化型の構成で形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を利用する場合、大きな結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料（例えば、ハードディスク媒体で用いられているようなＣｏ−Ｃｒ合金材料）を用いた場合、結晶軸が面内に大きく分散してしまうため、ＭＲ（Magneto Resistive）の低下、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。
【０００５】
垂直磁化型のＭＴＪ構成は上述したようにいくつか報告例があるが、スピン偏極電流を利用した書き込み方式で大規模なアレイを構成するための具体的な手段が提案されていない。
【０００６】
以上のように、従来の磁気ランダムアクセスメモリは、書き込み電流の低減とビット情報の熱擾乱耐性の確保、セル面積の縮小を同時に満たすことが望ましいが、電流により発生する磁場を利用した書き込み方式では非常に困難である。また、従来のスピン偏極電流を利用した書き込み方式でも、微細化に伴って顕在化する、熱擾乱耐性の確保に対する具体的な手段が提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2005-19464号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】池田他、「GdFe合金垂直磁化膜を用いたGMR 膜及びTMR 膜」、日本応用磁気学会誌、Vol.24, No.4-2, 2000, p.563-566
【非特許文献２】N.Nisimura,et al., "Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory",JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 91,NUMBER 8, 15 APRIL 2002
【非特許文献３】J.C. Slonczewski et al., "Current-driven excitation of magnetic multilayers", JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS, VOLUME 159, NUMBER 1-2, L1-7 1996
【非特許文献４】K. Yagami et al., “Low-current spin-transfer switching and its thermal durability in a low-saturation-magnetization nanomagnet”, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 85, NUMBER 23, 5634-5636 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、メモリセルを微細化してもビット情報の高い熱擾乱耐性を保ち、大容量化を実現し得る磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリとそれを用いた電子カード及び電子装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の視点による磁気抵抗効果素子は、スピン偏極電子を磁性体に流すことで情報が記録される磁気抵抗効果素子であって、磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第１の磁化を有する第１の固定層と、磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第２の磁化を有し、前記スピン偏極電子の作用により前記第２の磁化の方向が反転可能な記録層と、前記第１の固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第１の固定層に対向する第１の面と前記記録層に対向する第２の面とを有する第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層の前記第１の面と前記第１の固定層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第１の磁性金属層と、前記第１の非磁性層の前記第２の面と前記記録層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第２の磁性金属層とを備える。前記第１の非磁性層は、（００１）面が配向したＭｇＯを備え、前記第１及び第２の磁性金属層の少なくとも一方は、ｂｃｃ構造を有し（００１）面が配向した、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金から選ばれる磁性材料を備え、前記記録層と前記第２の磁性金属層は、互いに交換結合し、前記第２の磁性金属層のダンピング定数は、前記記録層のダンピング定数より小さい。
【００１１】
そして、前記第１の固定層及び前記記録層の少なくとも一方は、(1) Ｃｏと、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つとを含む合金から構成されるか、又は、(2) Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１つを含む第１の層と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの少なくとも１つを含む第２の層とが交互に積層される。
【００１２】
本発明の第２の視点による磁気ランダムアクセスメモリは、前記第１の視点による磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線とを備える。
【００１３】
本発明の第３の視点による磁気ランダムアクセスメモリは、前記第１の視点による磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線と、前記書き込み配線の少なくとも一部を被覆し、前記磁気抵抗効果素子から漏れた磁場を吸収する軟磁性膜とを備える。
【００１４】
本発明の第４の視点による磁気ランダムアクセスメモリは、前記第１の視点による磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線と、前記磁気抵抗効果素子を厚さ方向から挟み、前記磁気抵抗効果素子から漏れた磁場を吸収する第１及び第２の軟磁性膜とを備える。
【００１５】
本発明の第５の視点による電子カードは、前記第１の視点による磁気抵抗効果素子を有する半導体チップと、前記半導体チップを収納し、前記半導体チップを露出する窓を有するカード部と、前記窓を開閉し、磁気遮蔽効果を有する材料を備えるシャッターと、前記カード部に設けられ、前記半導体チップを前記カード部の外部に電気的に接続する端子とを備える。
【００１６】
本発明の第６の視点による電子装置は、前記第５の視点による電子カードを収納する収納部と、前記収納部に設けられ、前記電子カードと電気的に接続され、前記電子カードのデータ書き換え制御信号を供給する端子とを備える。
【００１７】
本発明の第７の視点による磁気抵抗効果素子の製造方法は、スピン偏極電子を磁性体に流すことで情報が記録される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第１の磁化を有する第１の固定層と、磁性材料を備え、膜面に対して垂直方向に向く第２の磁化を有し、前記スピン偏極電子の作用により前記第２の磁化の方向が反転可能な記録層と、前記第１の固定層と前記記録層との間に設けられ、前記第１の固定層に対向する第１の面と前記記録層に対向する第２の面とを有する第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層の前記第１の面と前記第１の固定層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第１の磁性金属層と、前記第１の非磁性層の前記第２の面と前記記録層との間に設けられ、前記記録層と交換結合し、前記記録層のダンピング定数より小さいダンピング定数を有し、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む第２の磁性金属層とを含む積層構造を形成する工程を具備し、（００１）面が配向したＭｇＯにより、前記第１の非磁性層を形成し、ｂｃｃ構造を有し（００１）面が配向した、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金から選ばれる磁性材料により、前記第１及び第２の磁性金属層の少なくとも一方を形成し、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１つを含む第１の層と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの少なくとも１つを含む第２の層とを、交互に積層することにより、前記第１の固定層及び前記記録層の少なくとも一方を形成する。
【００１８】
本発明の第８の視点による磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、前記第７の視点による磁気抵抗効果素子を形成し、前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線を形成する。
【００１９】
本発明の第９の視点による磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、前記第７の視点による磁気抵抗効果素子を形成し、前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線を形成し、前記書き込み配線の少なくとも一部を被覆し、前記磁気抵抗効果素子から漏れた磁場を吸収する軟磁性膜を形成する。
【００２０】
本発明の第１０の視点による磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、前記第７の視点による磁気抵抗効果素子を形成し、前記磁気抵抗効果素子に電流を与える書き込み配線を形成し、前記磁気抵抗効果素子を厚さ方向から挟み、前記磁気抵抗効果素子から漏れた磁場を吸収する第１及び第２の軟磁性膜を形成する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、メモリセルを微細化してもビット情報の高い熱擾乱耐性を保ち、大容量化を実現し得る磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリとそれを用いた電子カード及び電子装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るシングルピン構造のＭＴＪ素子を示す概略図。
【図２】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−１を示す概略的な断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−２を示す概略的な断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−５を示す概略的な断面図。
【図５】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−５の他の例を示す概略的な断面図。
【図６】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−５の他の例を示す概略的な断面図。
【図７】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−６を示す概略的な断面図。
【図８】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−７を示す概略的な断面図。
【図９】本発明の一実施形態に係るデュアルピン構造１のＭＴＪ素子を示す概略図。
【図１０】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例２−１を示す概略的な断面図。
【図１１】本発明の一実施形態に係るデュアルピン構造２のＭＴＪ素子を示す概略図。
【図１２】本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例３を示す概略的な断面図。
【図１３】本発明の一実施形態に係る記録層の膜厚、飽和磁化、磁気異方性エネルギー密度の関係（ダンピング定数＝０．０１）を示す図。
【図１４】本発明の一実施形態に係る記録層の膜厚、飽和磁化、磁気異方性エネルギー密度の関係（ダンピング定数＝０．００２）を示す図。
【図１５】本発明の一実施形態に係るダンピング定数、飽和磁化、磁気異方性エネルギー密度の関係を示す図。
【図１６】本発明の一実施形態に係るダンピング定数の小さな材料とダンピング定数の大きな材料とが分散した形態を示す模式図。
【図１７】本発明の実施形態１に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す概略的な断面図。
【図１８】本発明の実施形態２に係る磁気ランダムアクセスメモリを示す概略的な断面図。
【図１９】本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリがモデムに適用された適用例１を示すブロック図。
【図２０】本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリが携帯電話端末に適用された適用例２を示すブロック図。
【図２１】本発明の実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリがメディアコンテンツを収納するＭＲＡＭカードに適用された適用例３を示す上面図。
【図２２】図２１の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を示す平面図。
【図２３】図２１の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を示す断面図。
【図２４】図２１のＭＲＡＭカードにデータを転写するためのはめ込み型のデータ転写装置を示す断面図。
【図２５】図２１の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を示す断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
【００２４】
［１］ＭＴＪ素子
本発明の例では、磁気抵抗効果素子としてＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を用いる。
【００２５】
［１−１］シングルピン構造
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るシングルピン構造のＭＴＪ素子の概略図を示す。以下に、本発明の一実施形態に係るシングルピン構造のＭＴＪ素子について説明する。
【００２６】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁性層からなる記録層（自由層、フリー層）１１と、磁性層からなる固定層（固定磁化層、ピン層）１２と、記録層１１及び固定層１２の間に挟まれた非磁性層１３とを有する積層構造である。そして、記録層１１の磁化方向２１及び固定層１２の磁化方向２２が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子１０である。
【００２７】
ＭＴＪ素子１０は、非磁性層１３が絶縁体の場合はＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistive）効果を有し、非磁性層１３が金属の場合はＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）効果を有する。ここで、非磁性層１３が絶縁体の場合はＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯ（酸化アルミニウム、例えばＡｌ２Ｏ３）等が用いられ、非磁性層１３が金属の場合はＣｕ、Ｐｔ、Ａｕ等が用いられる。
【００２８】
（動作）
垂直磁化型のＭＴＪ素子１０では、２層の磁性層（記録層１１及び固定層１２）の磁化配列状態が平行配列（図１（ａ））又は反平行配列（図１（ｂ））となる。この磁化配列状態により変化する抵抗値に、“０”、“１”の情報を対応させている。また、ＭＴＪ素子１０にスピン偏極電流３０を流し、記録層１１の磁化方向２１を変化させて情報を書き込む。但し、スピン偏極した電子（以下、スピン偏極電子と称す）は、スピン偏極電流３０と逆向きに流れる。
【００２９】
具体的には、図１（ａ）に示すように、スピン偏極電流３０を記録層１１から固定層１２へ流すと、スピン偏極電子は固定層１２から記録層１１へ注入され、固定層１２の磁化方向２２と記録層１１の磁化方向２１が平行配列となる。一方、図１（ｂ）に示すように、スピン偏極電流３０を固定層１２から記録層１１へ流すと、スピン偏極電子は記録層１１から固定層１２へ流れ、固定層１２と平行なスピンを持つ電子は透過し、反平行のスピンを持つ電子が反射され、結果として、記録層１１の磁化方向２１と固定層１２の磁化方向２２が反平行配列となる。
【００３０】
（磁性材料）
ＭＴＪ素子１０において、固定層１２として反転電流の大きな磁性層を用い、記録層１１として固定層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、高性能なＭＴＪ素子１０を実現することができる。スピン偏極電流３０により磁化反転を起こす場合、その反転電流は飽和磁化、異方性磁界、体積に比例するため、これらを適切に調整して、記録層１１と固定層１２の反転電流に差をつけることができる。
【００３１】
垂直磁化を実現する記録層１１及び固定層１２を構成する磁性材料としては、例えば５×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い結晶磁気異方性エネルギー密度をもつ材料が望ましく、具体例を以下にあげる。
【００３２】
（１）不規則合金
Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む合金。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等があげられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
【００３３】
（２）規則合金
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素とからなる合金であり、この合金の結晶構造がＬ１０型の規則合金。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等があげられる。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、Ａｇ（銀）等の不純物元素あるいはその合金、絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を低く調整することができる。
【００３４】
（３）人工格子
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか１つの元素あるいは１つ以上の元素を含む合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうちいずれか１つの元素あるいは１つ以上の元素を含む合金とが交互に積層された構造。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人工格子等があげられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
【００３５】
（４）フェリ磁性体
希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体。例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）と、遷移金属のうちのうち１つ以上の元素とからなるアモルファス合金。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等があげられる。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
【００３６】
尚、磁性層は、非磁性体部が偏析することにより、磁性体部と非磁性体部とが分離した構造としてもよい。例えば、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ等の酸化物、窒化物、炭化物を非磁性体部としてもよいし、例えばＣｒ濃度が２５ａｔ％以上と大きい非磁性ＣｏＣｒ合金のような合金でもよい。
【００３７】
また、ＭＴＪ素子１０の非磁性層１３に接する磁性層（記録層１１、固定層１２）の界面には、高分極率材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む合金からなる磁性金属層を配置して、磁気抵抗（Magneto Resistive：ＭＲ）比を上昇させた構成でもよい。但し、通常、これらの磁性層は単層では面内磁化となるため、垂直磁化の安定性を損なわないように積層する垂直磁気異方性材料との磁気的な膜厚比を調整する必要がある。
【００３８】
その他、記録層１１及び固定層１２は、磁性層を積層した構造からなり、その一方の磁性層は磁性体が分散した、いわゆるグラニュラー構造であってもよい。
【００３９】
（効果）
本発明の一実施形態に係るシングルピン構造のＭＴＪ素子１０では、記録層１１及び固定層１２の磁化方向２１，２２を膜面垂直方向に向けるためには、垂直方向の磁気異方性が必要となる。この磁気異方性を結晶磁気異方性に頼る場合は形状には左右されないので、磁性膜のパターンサイズが小さくなっても原理的に形状異方性による異方性磁界は変わらない。従って、磁性膜を垂直磁化膜とすることで初めて反転電流密度を増加させることなく微細化が可能になる。
【００４０】
また、上記したようにＭＴＪ素子１０を微細化しても反転電流密度が増加しないため、従来の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）では実現できなかった９０ｎｍ以下の微細なＭＴＪ素子１０を有する大容量（例えば２５６Ｍビット以上）の磁気ランダムアクセスメモリを具現化することができる。
【００４１】
以下に、シングルピン構造のＭＴＪ素子１０の具体例について説明する。
【００４２】
（ａ）具体例１−１
具体例１−１のＭＴＪ素子１０は、記録層１１が人工格子からなり、固定層１２が規則合金からなる。
【００４３】
図２は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−１の概略的な断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子１０の具体例１−１について説明する。
【００４４】
図２に示すように、ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地１５、固定層１２、トンネルバリア層ＴＢ（非磁性層１３）、記録層１１、キャップ層１６が順に積層された構造を有する。そして、結晶配向用下地１５の底面に下部電極１４が設けられ、キャップ層１６の上面に上部電極１７が設けられている。
【００４５】
ここで、固定層１２は、記録層１１に比べて磁化反転する電流が大きければよく、上述したように飽和磁化、異方性磁界、膜厚を調整すればよい。例えば、固定層１２としてＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ規則合金を用いる場合は、垂直磁気異方性を発現させるにはｆｃｔ（face centered tetragonal：面心正方晶）構造の（００１）面を配向させる必要がある。そのためには、結晶配向用下地１５として、数ｎｍ程度のＭｇＯ（酸化マグネシウム）からなる極薄下地を用いればよい。他にも、結晶配向用下地１５として、格子定数が２．８Å、４Å、５．６Å程度のｆｃｃ（face centered cubic：面心立方晶）構造、ｂｃｃ（body centered cubic：体心立方晶）構造を持つ元素、化合物、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ等、あるいはそれらを主成分とした合金を用いることができる。
【００４６】
記録層１１は、固定層１２に比べて磁化反転する電流が小さくなければならない。上述したように、飽和磁化、異方性磁界、膜厚を固定層１２に比べて電流が小さくなるように調整すればよい。例えばＣｏ／Ｐｔ人工格子を用いる場合は、ＣｏとＰｔの膜厚を調整することにより保磁力を調整することが可能となる。
【００４７】
そこで、ＭＴＪ素子１０の具体例１−１の積層構成は、以下のようになっている。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．５ｎｍのＭｇＯ上に形成した膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。ここで、ＭｇＯ／Ｐｔ積層膜は、（００１）面が配向している。固定層１２は、膜厚が１０ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ５０Ｐｔ５０からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．５ｎｍのＭｇＯからなる。記録層１１は、膜厚が０．４５ｎｍのＣｏと膜厚が１．５ｎｍのＰｔとを１周期として５周期積層した積層膜［Ｃｏ／Ｐｔ］５からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚が１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。
【００４８】
このような具体例１−１によるＭＴＪ素子１０において、振動試料型磁力計で保磁力、飽和磁化を測定した場合、固定層１２は５ｋＯｅ、７００ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１１は１３０Ｏｅ、３４０ｅｍｕ／ｃｃである。
【００４９】
尚、トンネルバリア層ＴＢと記録層１１のＣｏの界面に、ＭＲ比を損なわない程度にＰｔ層を挿入してもよい。また、固定層１２として、上述したＦｅ５０Ｐｔ５０規則層の代わりに、Ｃｏ５０Ｐｔ５０規則層、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０規則層等を用いてもよい。さらに、固定層１２として、これらをＳｉＯ２、ＭｇＯ等で分断した構造となる、（Ｆｅ５０Ｐｔ５０）８８−（ＳｉＯ２）１２等を用いてもよい。記録層１１として、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子の代わりに、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子を用いてもよい。トンネルバリア層ＴＢとして、Ａｌ−Ｏを用いてもよい。
【００５０】
記録層１１と固定層１２の積層順が逆になっていてもよい。この場合、ＭＴＪ素子１０は次のような積層構成になる。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．５ｎｍのＭｇＯ上に形成した膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。記録層１１は、膜厚が０．３ｎｍのＣｏと膜厚が１．５ｎｍのＰｔを１周期として５周期積層した［Ｃｏ／Ｐｔ］４／Ｃｏ人工格子からなる。結晶配向用下地１５により、人工格子はＰｔが（００１）面に配向している。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．５ｎｍのＭｇＯからなり、記録層１１である人工格子の配向性を反映して、（００１）面に配向している。固定層１２は、膜厚が１０ｎｍのＦｅ５０Ｐｔ５０からなり、ＭｇＯ（００１）面を反映してＦｅ５０Ｐｔ５０（００１）面が配向している。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚が１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。このような積層順においても、記録層１１及び固定層１２の保磁力及び飽和磁化は上記と同様の値を示す。この積層順の場合、固定層１２としてＦｅ５０Ｐｔ５０を用いているため、トンネルバリア層ＴＢは（００１）面が配向したＭｇＯが特によい。記録層１１である人工格子［Ｃｏ／Ｐｔ］４／Ｃｏは必ずしも（００１）面に配向している必要は無く、（１１１）面に配向してもよい。この場合、例えば、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる下部電極１４上に膜厚が５ｎｍのＰｔからなる結晶配向用下地１５を形成することにより、Ｐｔは（１１１）面が配向する。記録層１１上のトンネルバリア層ＴＢのＭｇＯを（００１）面に配向させるには、記録層１１である人工格子［Ｃｏ／Ｐｔ］４／Ｃｏのトンネルバリア層ＴＢの界面側のＣｏを膜厚が０．５ｎｍのＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０とし、人工格子［Ｃｏ／Ｐｔ］４／Ｃｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０とすればよい。
【００５１】
固定層１２を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、ＭｎとＦｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎやＣｒＰｔＭｎ等を用いることができる。
【００５２】
（ｂ）具体例１−２
具体例１−２のＭＴＪ素１０は、具体例１−１の変形例であり、トンネルバリア層ＴＢと記録層１１の界面及びトンネルバリア層ＴＢと固定層１２の界面に高分極率層をそれぞれ設けている。
【００５３】
図３は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−２の概略的な断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子１０の具体例１−２について説明する。
【００５４】
図３に示すように、具体例１−２のＭＴＪ素子１０では、固定層１２とトンネルバリア層ＴＢとの界面に第１の高分極率層１８が設けられ、記録層１１とトンネルバリア層ＴＢとの界面に第２の高分極率層１９が設けられている。第１の高分極率層１８は固定層１２と交換結合し、第２の高分極率層１９は記録層１１と交換結合している。第２の高分極率層１９の膜厚は、第１の高分極率層１８の膜厚より薄いことが望ましい。これは、記録層１１は固定層１２よりも小さい電流密度で反転させるためであり、記録層１１の体積と飽和磁化Ｍｓの積で表される磁気的な膜厚を固定層１２の磁気的な膜厚よりも小さくする。そのために、飽和磁化Ｍｓを小さくする、膜の厚みを小さくする、あるいは異方性エネルギー密度を小さくすることが望ましい。
【００５５】
第１及び第２の高分極率層１８，１９は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素を含む磁性金属層からなる。また、第１及び第２の高分極率１８，１９の少なくとも一方は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素とＢ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｗのうち１つ以上の元素とを含む強磁性合金であって、この強磁性合金の結晶構造がｂｃｃ構造からなってもよい。
【００５６】
ＭＴＪ素子１０の具体例１−２の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．５ｎｍのＭｇＯ上に形成した膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。ここで、ＭｇＯ／Ｐｔ積層膜は、（００１）面が配向している。固定層１２は、膜厚が１５ｎｍの（００１）面が配向したＣｏ５０Ｐｔ５０からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が１．５ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．５ｎｍのＭｇＯからなる。第２の高分極率層は、膜厚が１．０ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。記録層１１は、膜厚が０．７ｎｍのＰｄと膜厚が０．３ｎｍのＣｏとを１周期として４周期積層した積層膜［Ｐｄ／Ｃｏ］４からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｄからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。
【００５７】
このような具体例１−２によるＭＴＪ素子１０において、動試料型磁力計で保磁力、飽和磁化を測定した場合、固定層１２は３．５ｋＯｅ、７５０ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１１は２５０Ｏｅ、５００ｅｍｕ／ｃｃである。但し、固定層１２と第１の高分極率層１８は交換結合し、記録層１１と第１の高分極率層１９は交換結合しているため、それぞれ１つの磁性層として振舞うので、上述した保磁力、飽和磁化は１つの磁性体として見た場合の値である。高分極率層１８，１９の寄与により、ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比は１２０％になる。
【００５８】
尚、固定層１２をＳｉＯ２、ＭｇＯ等で分断した構造となる、（Ｃｏ５０Ｐｔ５０）９０−（ＭｇＯ）１０等を用いてもよい。記録層１１として、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子の代わりに、ＣｏＣｒ／Ｐｄ人工格子を用いてもよい。トンネルバリア層ＴＢとして、Ａｌ−Ｏを用いてもよい。記録層１１と固定層１２の積層順が逆になっていてもよい。固定層１２を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、ＭｎとＦｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎやＣｒＰｔＭｎ等を用いることができる。
【００５９】
（ｃ）具体例１−３
具体例１−３のＭＴＪ素１０は、図３に示す具体例１−２の積層と同様であり、トンネルバリア層ＴＢと記録層１１の界面及びトンネルバリア層ＴＢと固定層１２の界面に高分極率層をそれぞれ設けている。そして、高分極率層が、ｂｃｃ構造の（００１）面が配向して積層されたＣｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなり、さらに（００１）面が配向したＬ１０型の規則合金が積層されている。このＬ１０型の規則合金は、記録層であっても固定層であっても良い。
【００６０】
ＭＴＪ素子１０の具体例１−３の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．５ｎｍのＭｇＯ上に形成した膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。ここで、ＭｇＯ／Ｐｔ積層膜は、（００１）面が配向している。固定層１２は、膜厚が１５ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ５０Ｐｔ５０からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が１．０ｎｍのＦｅからなる。Ｆｅは、ｂｃｃ構造の（００１）面が配向している。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．５ｎｍの（００１）面が配向したＭｇＯからなる。第２の高分極率層は、膜厚が０．５ｎｍのＣｏ５０Ｆｅ５０からなる。Ｃｏ５０Ｆｅ５０は、ｂｃｃ構造の（００１）面が配向している。記録層１１は、膜厚が０．７ｎｍのＰｄと膜厚が０．３ｎｍのＣｏを１周期として４周期積層した積層膜［Ｐｄ／Ｃｏ］４からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｄからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚が１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。
【００６１】
このような具体例１−３によるＭＴＪ素子１０において、振動試料型磁力計で保磁力、飽和磁化を測定した場合、固定層１２は４．５ｋＯｅ、８００ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１１は２００Ｏｅ、５５０ｅｍｕ／ｃｃである。但し、固定層１２と第１の高分極率層１８は交換結合し、記録層１１と第１の高分極率層１９は交換結合しているため、それぞれ１つの磁性層として振舞うので、上述した保磁力、飽和磁化は１つの磁性体として見た場合の値である。高分極率層１８，１９の寄与により、ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比は１２０％になる。
【００６２】
（ｄ）具体例１−４
具体例１−４のＭＴＪ素子１０は、図３に示す具体例１−２の積層と同様であり、トンネルバリア層ＴＢと記録層１１の界面及びトンネルバリア層ＴＢと固定層１２の界面に高分極率層をそれぞれ設けている。そして、記録層１１及び固定層１２の少なくとも一方が希土類金属（ＲＥ）と遷移金属（ＴＭ）とを有するＲＥ−ＴＭアモルファス合金からなる。
【００６３】
ＭＴＪ素子１０の具体例１−４の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が５ｎｍのＲｕからなる。固定層１２は、膜厚が３０ｎｍの（００２）面が配向した（Ｃｏ７８Ｐｔ１２Ｃｒ１０）８５−（ＳｉＯ２）１５からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚２．０ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．０ｎｍのＭｇＯからなる。第２の高分極率層１９は、膜厚が１．０ｎｍのＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０からなる。記録層１１は、膜厚が１０ｎｍのＴｂ２７（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７３からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚が１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。
【００６４】
このような具体例１−４によるＭＴＪ素子１０において、振動試料型磁力計で保磁力、飽和磁化を測定した場合、固定層１２は４．０ｋＯｅ、５００ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１１は５００Ｏｅ、３００ｅｍｕ／ｃｃである。但し、固定層１２と第１の高分極率層１８は交換結合し、記録層１１と第１の高分極率層１９は交換結合しているため、それぞれ１つの磁性層として振舞うので、上述した保磁力、飽和磁化は１つの磁性体として見た場合の値である。高分極率層１８，１９の寄与により、ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比は１００％になる。
【００６５】
尚、固定層１２を膜厚５０ｎｍのＴｂ２２（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７８としてもよい。この場合、Ｔｂ２２（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７８等のＲＥ−ＴＭ合金はアモルファス合金であるので、結晶配向用下地１５として用いた膜厚が５ｎｍのＲｕは必ずしも必要ではない。但し、ＲＥ−ＴＭ合金を平滑に形成するバッファ層として、Ｐｔ、Ｒｕ、ＳｉＮ等があってもよい。この場合の保磁力、飽和磁化は振動試料型磁力計で測定した結果、８ｋＯｅ、２００ｅｍｕ／ｃｃであった。但し、固定層１２と第１の高分極率層１８は交換結合しているため、１つの磁性層として振舞うので、上述した保磁力、飽和磁化は１つの磁性体として見た場合の値である。
【００６６】
また、固定層１２に積層フェリ構造（磁性層／金属層が交互に積層された構造）を用いてもよい。積層フェリ構造の磁性層としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、それらの合金等があげられ、積層フェリ構造の金属層としては、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ等があげられる。積層フェリ構造の具体例としては、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｃｏ／Ｉｒ、Ｃｏ／Ｒｈ等がある。この場合、固定層１２は、膜厚が０．８ｎｍのＲｕと膜厚が０．３ｎｍのＣｏを１周期として１５周期積層した人工格子［Ｒｕ／Ｃｏ］１５からなる。
【００６７】
トンネルバリア層ＴＢとして、Ａｌ−Ｏを用いてもよい。記録層１１と固定層１２の積層順が逆になっていてもよい。固定層１２を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、ＭｎとＦｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎやＣｒＰｔＭｎ等を用いることができる。
【００６８】
（ｅ）具体例１−５
具体例１−５のＭＴＪ素子は、固定層１２を構成する２つの磁性層が反強磁性的に交換結合したシンセティックアンチフェロ（Synthetic AntiFerro：ＳＡＦ）構造である。
【００６９】
図４は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−５の概略的な断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子１０の具体例１−５について説明する。
【００７０】
図４に示すように、具体例１−５のＭＴＪ素子１０では、固定層１２が第１の磁性層３４と第２の磁性層３６と第１及び第２の磁性層３４，３６間に設けられた第１の非磁性層３５とからなり、第１及び第２の磁性層３４，３６が反強磁性的に交換結合したＳＡＦ構造である。この場合、第１及び第２の磁性層３４，３６の磁化２２−１，２２−２が反平行状態であるので、第１及び第２の磁性層３４，３６からの漏れ磁場を相殺し、結果として固定層１２の漏れ磁場を低減する効果がある。また、交換結合した磁性層３４，３６は体積が増加する効果として、熱擾乱耐性を向上させる。
【００７１】
このようなＭＴＪ素子１０の具体例１−５の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が５ｎｍのＲｕからなる。固定層１２は、第１の磁性層３４として膜厚が２０ｎｍの（００２）面が配向した（Ｃｏ７８Ｐｔ１２Ｃｒ１０）８５−（ＳｉＯ２）１５からなり、第１の非磁性層３５として膜厚が０．９ｎｍのＲｕからなり、第２の磁性層３６として膜厚が１５ｎｍの（Ｃｏ７８Ｐｔ１２Ｃｒ１０）８５−（ＳｉＯ２）１５からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が１．０ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．０ｎｍのＭｇＯからなる。記録層１１は、膜厚が０．４ｎｍのＣｏと膜厚が０．８ｎｍのＰｔを１周期として５周期積層した積層膜［Ｃｏ／Ｐｔ］５からなる。ここで、ＭｇＯ上に形成した積層膜［Ｃｏ／Ｐｔ］５の第１層目のＣｏが第２の高分極率層１９として機能する。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。
【００７２】
ここで、上下の磁性層３４，３６を反強磁性的に結合させる第１の非磁性層３５の材料としては、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈのうち１つ以上の元素あるいは主成分とする合金があげられる。
【００７３】
尚、第１及び第２の磁性層３４，３６がＲＥ−ＴＭ合金のフェリ磁性体からなる場合も、反強磁性結合を実現することができる。この場合、第１の非磁性層３５は必ずしも用いなくてもよい。その一例を、図５（ａ）及び（ｂ）を用いて以下に説明する。
【００７４】
ＲＥ−ＴＭ合金は、希土類金属（ＲＥ）の磁気モーメントと遷移金属（ＴＭ）の磁気モーメントが反強磁性的に結合した状態にある。ＲＥ−ＴＭ合金を積層した場合、ＲＥ同士、ＴＭ同士が強磁性的に結合することが知られている。ＲＥ及びＴＭの磁気モーメントが互いに相殺するため、ＲＥ−ＴＭ合金としての磁気モーメントは、組成により調整することができる。
【００７５】
例えば、図５（ａ）に示すように、ＲＥの磁気モーメント４１がＴＭの磁気モーメント４２より大きいＲＥ−ＴＭ合金層５１の場合、残った磁気モーメント４３はＲＥの磁気モーメント４１と同じ方向になる。このようなＲＥ−ＴＭ合金層５１上に、ＲＥの磁気モーメント４４がＴＭの磁気モーメント４５より大きいＲＥ−ＴＭ合金層５２が積層されると、ＲＥの磁気モーメント４１，４４、ＴＭの磁気モーメント４２，４５がそれぞれ同じ向きになり、２つのＲＥ−ＴＭ合金層５１，５２の磁気モーメント４３、４６は同じ方向を向き、平行な状態となる。
【００７６】
これに対し、図５（ｂ）に示すように、ＲＥの磁気モーメント４７がＴＭの磁気モーメント４８より小さいＲＥ−ＴＭ合金層５３をＲＥ−ＴＭ合金層５１上に積層した場合、２つのＲＥ−ＴＭ合金層５１，５３の磁気モーメント４３、４９は反平行な状態となる。
【００７７】
例えば、Ｔｂ−Ｃｏ合金の場合、Ｔｂが２２ａｔ％でＴｂの磁気モーメントとＣｏの磁気モーメントの大きさが同じになり、磁気モーメントが０になるいわゆる補償組成である。１０ｎｍのＴｂ２５Ｃｏ７５と１０ｎｍのＴｂ２０Ｃｏ８０を積層した場合、これらの磁気モーメントは反平行となる。
【００７８】
このような形態を利用して、固定層１２を形成する２つの磁性層が反平行に結合したＭＴＪ素子１０を作製することができる。具体的には、図４の固定層１２を、ＲＥ−ＴＭ合金からなる第１及び第２の磁性層３４，３６の２層を積層した構成とすればよい。例えば、第１の磁性層３４は膜厚が２０ｎｍのＴｂ２２（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７８からなり、第２の磁性層３６は膜厚が１５ｎｍのＴｂ２６（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７４からなる。ここで、Ｔｂ２４（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７６が補償組成である。
【００７９】
また、第１及び第２の磁性層３４，３６がＲＥ−ＴＭ合金からなる場合に、第１及び第２の磁性層３４，３６間に第１の非磁性層３５を設けて反強磁性結合を実現することも可能である。その一例を、図６（ａ）及び（ｂ）を用いて以下に説明する。
【００８０】
図６（ａ）に示す第１及び第２の磁性層５１，５２のＴＭの磁気モーメント４２，４５は、非磁性層５４を介して交換結合すると考えられる。同様に、図６（ｂ）に示す第１及び第２の磁性層５１，５３のＴＭの磁気モーメント４２，４８は、非磁性層５４を介して交換結合すると考えられる。
【００８１】
例えば、図６（ａ）に示すように、Ｃｏを反強磁性的に結合させる金属及びその合金を非磁性層５４として用いた場合は、ＲＥ−ＴＭ合金層５１のＲＥの磁気モーメント４１をＴＭの磁気モーメント４２より大きくし、ＲＥ−ＴＭ合金層５２のＲＥの磁気モーメント４４をＴＭの磁気モーメント４５より大きくする。すなわち、非磁性層５４が反強磁性結合に寄与する場合、ＴＭの磁気モーメント４２とＲＥの磁気モーメント４１の大小関係とＴＭの磁気モーメント４５とＲＥの磁気モーメント４４の大小関係を同じに設定すれば、ＴＭとＲＥの磁気モーメントが互いに相殺され、磁気モーメント４３，４６が第１及び第２の磁性層５１，５２で反平行となる。尚、Ｃｏを反強磁性的に結合させる非磁性層５４の材料としては、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｅのうち１つ以上の元素、あるいは当該元素を主成分とする合金があげられる。
【００８２】
また、図６（ｂ）に示すように、Ｃｏを強磁性的に結合させる金属及びその合金を非磁性層５４として用いた場合は、ＲＥ−ＴＭ合金層５１のＲＥの磁気モーメント４１をＴＭの磁気モーメント４２より大きくし、ＲＥ−ＴＭ合金層５３のＲＥの磁気モーメント４７をＴＭの磁気モーメント４８より小さくする。すなわち、非磁性層５４が強磁性結合に寄与する場合、ＴＭの磁気モーメント４２とＲＥの磁気モーメント４１の大小関係とＴＭの磁気モーメント４８とＲＥの磁気モーメント４７の大小関係を逆に設定すれば、ＴＭとＲＥの磁気モーメントが互いに相殺され、磁気モーメント４３，４９が第１及び第２の磁性層５１，５３で反平行となる。尚、Ｃｏを強磁性的に結合させる非磁性層５４の材料としては、Ｐｔ、Ｐｄ等のうち１つ以上の元素、あるいは当該元素を主成分とする合金があげられる。
【００８３】
このような形態を利用して、図６（ａ）及び（ｂ）の第１の磁性層５１、非磁性層５４、第２の磁性層５２，５３を、図４の固定層１２の第１の磁性層３４、非磁性層３５、第２の磁性層３６に対応させればよい。
【００８４】
尚、固定層１２を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、ＭｎとＦｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎやＣｒＰｔＭｎ等を用いることができる。
【００８５】
このほか、ＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントよりも大きいＲＥ−ＴＭ合金と遷移金属を主成分とする金属、合金を積層してもよい。
【００８６】
（ｆ）具体例１−６
具体例１−６のＭＴＪ素子は、記録層１１がＳＡＦ構造の人工格子からなる。
【００８７】
図７は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−６の概略的な断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子１０の具体例１−６について説明する。
【００８８】
図７に示すように、具体例１−６のＭＴＪ素子１０では、記録層１１が第１の磁性層３１と第１の非磁性層３２と第２の磁性層３３とからなり、第１及び第２の磁性層３１，３３が反強磁性的に交換結合したＳＡＦ構造である。この場合、第１及び第２の磁性層３１，３３の磁化２１−１，２１−２が反平行状態であるので、第１及び第２の磁性層３１，３３からの漏れ磁場を相殺し、結果として記録層１１の漏れ磁場を低減する効果がある。また、交換結合した磁性層３１，３３は体積が増加する効果として、熱擾乱耐性を向上させる。
【００８９】
このようなＭＴＪ素子１０の具体例１−５の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．５ｎｍのＭｇＯ上に形成した膜厚３ｎｍのＰｔからなる。ここで、ＭｇＯ／Ｐｔ積層膜は、（００１）面が配向している。固定層１２は、膜厚が２０ｎｍの（００１）面が配向したＣｏ５０Ｐｔ５０からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が１．５ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．２ｎｍのＭｇＯからなる。第２の高分極率層１９は、膜厚が０．８ｎｍのＣｏ６３Ｆｅ１７Ｂ１０からなる。記録層１１の第１の磁性層３１は、膜厚が０．７ｎｍのＰｄと膜厚が０．３ｎｍのＣｏを１周期として４周期積層した人工格子［Ｐｄ／Ｃｏ］４からなる。記録層１１の第１の非磁性層３２は、膜厚が０．９ｎｍのＲｕからなる。記録層１１の第２の磁性層３３は、膜厚が０．３ｎｍのＣｏと膜厚が０．７ｎｍのＰｄを１周期として３周期積層した人工格子［Ｃｏ／Ｐｄ］３からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｄからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。
【００９０】
尚、固定層１２を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、ＭｎとＦｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎやＣｒＰｔＭｎ等を用いることができる。
【００９１】
このほか、第１及び第２の磁性層３１，３３が人工格子ではなく、規則合金や不規則合金でもよい。ＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントよりも大きいＲＥ−ＴＭ合金と遷移金属を主成分とする金属、合金を積層してもよい。
【００９２】
（ｇ）具体例１−７
具体例１−７のＭＴＪ素子は、記録層１１及び固定層１２の両方がＳＡＦ構造になっている。
【００９３】
図８は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例１−７の概略的な断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子１０の具体例１−７について説明する。
【００９４】
図８に示すように、具体例１−７のＭＴＪ素子１０では、記録層１１が第１の磁性層３１と第１の非磁性層３２と第２の磁性層３３とからなり、第１及び第２の磁性層３１，３３が反強磁性的に交換結合したＳＡＦ構造である。さらに、固定層１２が第１の磁性層３４と第１の非磁性層３５と第２の磁性層３６とからなり、第１及び第２の磁性層３４，３６が反強磁性的に交換結合したＳＡＦ構造である。この場合、第１及び第２の磁性層３１，３３の磁化２１−１，２１−２が反平行状態であるので、第１及び第２の磁性層３１，３３からの漏れ磁場を相殺し、結果として記録層１１の漏れ磁場を低減する効果がある。同様に、第１及び第２の磁性層３４，３６の磁化２２−１，２２−２が反平行状態であるので、第１及び第２の磁性層３４，３６からの漏れ磁場を相殺し、結果として固定層１２の漏れ磁場を低減する効果がある。また、交換結合した磁性層３１，３３、磁性層３４，３６は体積が増加する効果として、熱擾乱耐性を向上させる。
【００９５】
このようなＭＴＪ素子１０の具体例１−７の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が５ｎｍのＲｕからなる。固定層１２は、第１の磁性層３４として膜厚が２０ｎｍの（００２）面が配向した（Ｃｏ７８Ｐｔ１２Ｃｒ１０）８５−（ＳｉＯ２）１５からなり、第２の非磁性層３５として膜厚が０．９ｎｍのＲｕからなり、第２の磁性層３６として膜厚が１５ｎｍの（Ｃｏ７８Ｐｔ１２Ｃｒ１０）８５−（ＳｉＯ２）１５からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が１．０ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．２ｎｍのＭｇＯからなる。第２の高分極率層は、膜厚が０．８ｎｍのＣｏ６３Ｆｅ１７Ｂ１０からなる。記録層１１の第１の磁性層３１は、膜厚が０．７ｎｍのＰｄと膜厚が０．３ｎｍのＣｏを１周期として４周期積層した人工格子［Ｐｄ／Ｃｏ］４からなる。記録層１１の第２の非磁性層３２は膜厚が０．９ｎｍのＲｕからなる。記録層１１の第２の磁性層３３は膜厚が０．３ｎｍのＣｏと膜厚が０．７ｎｍのＰｄを１周期として３周期積層した人工格子［Ｃｏ／Ｐｄ］３からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｄからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。
【００９６】
尚、固定層１２を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、ＭｎとＦｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎやＣｒＰｔＭｎ等を用いることができる。
【００９７】
反平行結合の形態は、前述したようにＲＥの磁気モーメントとＴＭの磁気モーメントの大小関係が逆のＲＥ−ＴＭ合金の積層膜、ＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントよりも大きいＲＥ−ＴＭ合金と遷移金属を主成分とする金属、合金を積層してもよいし、Ｒｕ等の非磁性層を挟んだいわゆるＳＡＦ構造としてもよい。
【００９８】
［１−２］デュアルピン構造１
図９（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るデュアルピン構造１のＭＴＪ素子の概略的な断面図を示す。以下に、本発明の一実施形態に係るデュアルピン構造１のＭＴＪ素子について説明する。
【００９９】
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁性層からなる記録層１１と、磁性層からなる第１及び第２の固定層１２ａ，１２ｂと、記録層１１及び第１の固定層１２ａの間に挟まれた第１の非磁性層１３ａと、記録層１１及び第２の固定層１２ｂの間に挟まれた第２の非磁性層１３ｂとを有する積層構造である。そして、記録層１１の磁化方向２１及び固定層１２ａ，１２ｂの磁化方向２２ａ，２２ｂが膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子１０である。ここで、第１及び第２の固定層１２ａ，１２ｂは、磁化２２ａ，２２ｂが異なる方向に向く反平行の磁化配列である。
【０１００】
ＭＴＪ素子１０は、第１及び第２の非磁性層１３ａ、１３ｂが絶縁体の場合はＴＭＲ効果を有し、第１及び第２の非磁性層１３ａ、１３ｂが金属の場合はＧＭＲ効果を有する。ここで、第１及び第２の非磁性層１３ａ、１３ｂが絶縁体の場合はＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯ（酸化アルミニウム、例えばＡｌ２Ｏ３）等が用いられ、第１及び第２の非磁性層１３ａ、１３ｂが金属の場合はＣｕ、Ｐｔ、Ａｕ等が用いられる。
【０１０１】
（動作）
デュアルピン構造１のＭＴＪ素子１０では、第１の非磁性層１３ａを挟持する磁性層（記録層１１及び固定層１２ａ）又は第２の非磁性層１３ｂを挟持する磁性層（記録層１１及び固定層１２ｂ）は、平行、反平行配列を取る。しかし、ＭＴＪ素子１０全体として見た場合、図９（ａ）及び（ｂ）は共に平行配列と反平行配列が同時に存在するため、両者の全体の磁気抵抗は変化しない。従って、このように固定層１２ａ，１２ｂを記録層１１の両側に反平行の磁化配列で設けた場合、第１及び第２の非磁性層１３ａ，１３ｂを介した磁気抵抗の変化に差をつけておく必要がある。
【０１０２】
例えば、第１の非磁性層１３ａをトンネルバリア層ＴＢとし、第２の非磁性層１３ｂを金属層とした場合、トンネルバリア層ＴＢで生じる磁気抵抗の変化の方が金属層で生じる磁気抵抗の変化に比べて大きく、第１の非磁性層１３ａを介した磁化配列が“０”、“１”の情報に対応する。従って、図９（ａ）では平行配列、図９（ｂ）では反平行配列となる。尚、第２の非磁性層１３ｂをトンネルバリア層ＴＢ、第１の非磁性層１３ａを金属層としても構わない。
【０１０３】
上述するように第１の非磁性層１３ａをトンネルバリア層ＴＢとした場合、２層の磁性層（記録層１１及び固定層１２ａ）の磁化配列状態が平行配列（図９（ａ））又は反平行配列（図９（ｂ））となる。この磁化配列状態により変化する抵抗値に、“０”、“１”の情報を対応させている。そして、ＭＴＪ素子１０にスピン偏極電流３０を流し、記録層１１の磁化方向２１を変化させて情報を書き込む。但し、スピン偏極電子は、スピン偏極電流３０と逆向きに流れる。
【０１０４】
具体的には、図９（ａ）に示すように、スピン偏極電流３０を第２の固定層１２ｂから第１の固定層１２ａへ流すと、スピン偏極電子は第１の固定層１２ａから第２の固定層１２ｂへ流れる。この場合、第１の固定層１２ａからは上向きのスピンが主として注入されるため、記録層１１のスピンを平行に揃えようとするトルクが働き、記録層１１から第２の固定層１２ｂにスピン偏極電子が流れる過程で、第２の固定層１２ｂが下向きスピンを透過しやすいため、反射された上向きスピンの電子が記録層１１に注入されることになり、記録層１１の磁化方向２１が第１の固定層１２ａの磁化方向２２ａと平行になる。一方、図９（ｂ）に示すように、第２の固定層１２ｂから第１の固定層１２ａに電流を流した場合は、同様に考えられ、記録層１１の磁化方向２１が第２の固定層２２ｂの磁化方向２２ｂと平行になる。
【０１０５】
（磁性材料）
記録層１１及び固定層１２ａ，１２ｂの磁性材料としては、上記シングルピン構造と同様の材料を用いることができる。
【０１０６】
（効果）
本発明の一実施形態に係るデュアルピン構造１のＭＴＪ素子１０によれば、上記シングルピン構造と同様の効果を得ることができる。さらに、固定層１２ａ，１２ｂを記録層１１の両側に設けたデュアルピン構造にすることで、スピン偏極電子の反射の効果をより利用できるため、シングルピン構造よりもさらに反転電流を低減することができる。
【０１０７】
以下に、デュアルピン構造１のＭＴＪ素子１０の具体例について説明する。
【０１０８】
（ａ）具体例２−１
具体例２−１のＭＴＪ素子は、記録層１１の両側に設けられた固定層１２ａ，１２ｂのうち一方の固定層１２ａがＳＡＦ構造になっている。
【０１０９】
図１０は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例２−１の概略的な断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子１０の具体例２−１について説明する。
【０１１０】
図１０に示すように、ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地１５、第１の固定層１２ａ、第１の非磁性層１３ａ、記録層１１、第１の高分極率層１８、第２の非磁性層１３ｂ、第２の高分極率層１９、第２の固定層１２ｂ、キャップ層１６が順に積層された構造を有する。ここで、第１の固定層１２ａは、第１の磁性層３４と非磁性層３５と第２の磁性層３６からなるＳＡＦ構造である。そして、結晶配向用下地１５の底面に下部電極１４が設けられ、キャップ層１６の上面に上部電極１７が設けられている。この場合、第１及び第２の磁性層３４，３６の磁化２２ａ−１，２２ａ−２が反平行状態であるので、第１及び第２の磁性層３４，３６からの漏れ磁場を相殺し、結果として固定層１２ａの漏れ磁場を低減する効果がある。また、交換結合した磁性層３４，３６は体積が増加する効果として、熱擾乱耐性を向上させる。
【０１１１】
ＭＴＪ素子１０の具体例２−１の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が５ｎｍのＲｕからなる。固定層１２ａは、第１の磁性層３４として膜厚が２０ｎｍの（００２）面が配向した（Ｃｏ７８Ｐｔ１２Ｃｒ１０）８５−（ＳｉＯ２）１５からなり、非磁性層３５として膜厚が０．９ｎｍのＲｕからなり、第２の磁性層３６として膜厚が１５ｎｍの（Ｃｏ７８Ｐｔ１２Ｃｒ１０）８５−（ＳｉＯ２）１５からなる。第１の非磁性層１３ａは、膜厚が５ｎｍのＣｕからなる。記録層１１は、膜厚が０．３ｎｍのＣｏと膜厚が０．７ｎｍのＰｔを１周期として４周期積層した人工格子［Ｃｏ／Ｐｔ］４からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が０．５ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．５ｎｍのＭｇＯからなる。ここで、ＭｇＯは、（００１）面が配向している。第２の高分極率層１９は、膜厚が１ｎｍのＦｅからなる。このとき、Ｆｅは、（００１）面が配向している。固定層１２ｂは、膜厚が１５ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ５０Ｐｔ５０からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。ここで、トンネルバリア層ＴＢを介して生じる磁気抵抗比は、磁性層１３ａを介して生じる磁気抵抗比より大きくなっている。
【０１１２】
この構成では、第１の非磁性層１３ａであるＣｕを介した磁気抵抗の変化より、トンネルバリア層ＴＢであるＭｇＯを介した磁気抵抗の変化が大きく、記録層１１と第１の高分極率層１８を一体とした磁性層と第２の高分極率層１９と第２の固定層１２ｂを一体とした磁性層の磁化配列によって、情報を記憶する。また、固定層１２ａの磁性層に膜厚差をつけたＳＡＦ構造とすることで、固定層１２ａの差し引きの磁気モーメントと、固定層１２ｂの磁気モーメントの向きを逆向きに設定することができ、記録層１１にかかる固定層１２ａ、１２ｂからの漏れ磁場を相殺することができる。
【０１１３】
尚、固定層１２ａは、ＲＥ−ＴＭ合金を利用して形成することもできる。これは、具体例１−５で述べたように、ＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントより大きくなるＲＥ−ＴＭ合金を用い、ＴＭを主成分とする、例えばＣｏやＣｏＦｅ合金を積層すれば、第２の非磁性層１３ａの界面にあるＣｏ、ＣｏＦｅの磁気モーメントをＲＥ−ＴＭ合金におけるＴＭの磁気モーメントと平行にすることができるので、当該Ｃｏ、ＣｏＦｅの磁気モーメントをＲＥ−ＴＭ合金の磁気モーメント（ＲＥの磁気モーメント）と反平行に設定することができるためである。
【０１１４】
（ｂ）具体例２−２
具体例２−２のＭＴＪ素子は、図９のように記録層１１の両側に設けられた固定層１２ａ，１２ｂがともに単層構造になっている。つまり、具体例２−２は、図１０の固定層１２ａが単層構造となった例であるため、この図１０を参照してＭＴＪ素子１０の具体例２−２について以下に説明する。
【０１１５】
図１０に示すように、ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地１５、第１の固定層１２ａ、第１の非磁性層１３ａ、記録層１１、第１の高分極率層１８、第２の非磁性層１３ｂ、第２の高分極率層１９、第２の固定層１２ｂ、キャップ層１６が順に積層された構造を有する。そして、結晶配向用下地１５の底面に下部電極１４が設けられ、キャップ層１６の上面に上部電極１７が設けられている。
【０１１６】
ＭＴＪ素子１０の具体例２−２の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．５ｎｍのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、膜厚が０．５ｎｍのＭｇＯ、膜厚が２ｎｍのＰｔが順次形成された積層膜からなる。固定層１２ａは膜厚が１０ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ５０Ｐｔ５０からなり、第１の非磁性層１３ａは、膜厚が５ｎｍの（００１）面が配向したＡｕからなり、記録層１１は、膜厚が２ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ３８Ｃｕ１２Ｐｔ５０からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が０．５ｎｍのＦｅからなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．２ｎｍのＭｇＯからなる。ここで、ＭｇＯは、（００１）面が配向している。第２の高分極率層１９は、膜厚が１ｎｍのＦｅからなる。このとき、Ｆｅは、（００１）面が配向している。固定層１２ｂは、膜厚が５ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ５０Ｐｔ５０からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。
【０１１７】
ここで、トンネルバリア層ＴＢを介して生じる磁気抵抗比は、非磁性層１３ａを介して生じる磁気抵抗比より大きくなっている。
【０１１８】
固定層１２ａの保磁力は固定層１２ｂの保磁力よりも大きく、この保磁力の差を利用して固定層１２ａと固定層１２ｂの磁化配列を反平行に設定することが可能になる。すなわち、２回の着磁を行えばよい。まず、１回目の磁場印加により、固定層１２ａの磁化と、一体化した記録層として振舞う記録層１１と第１の高分極率層１８の磁化と、一体化した固定層として振舞う第２の高分極率層１９と固定層１２ｂの磁化は、同じ方向に配列する。その後、２回目の磁場印加は、１回目と逆向きに行う。この２回目の印加磁場は、一体化した固定層として振舞う第２の高分極率層１９と固定層１２ｂの保磁力よりも大きく、固定層１２ａの保磁力よりも小さい。これにより、固定層１２ａの磁化方向に対して、一体化した記録層として振舞う記録層１１と第１の高分極率層１８の磁化と、一体化した固定層として振舞う第２の高分極率層１９と固定層１２ｂの磁化は逆方向になる。このようにして、図９のような磁化配列を実現する事ができる。
【０１１９】
この構成では、第１の非磁性層１３ａであるＡｕを介した磁気抵抗の変化より、トンネルバリア層ＴＢであるＭｇＯを介した磁気抵抗の変化が大きく、記録層１１と第１の高分極率層１８を一体とした磁性層と第２の高分極率層１９と第２の固定層１２ｂを一体とした磁性層の磁化配列によって、情報を記憶する。Ａｕ等の金属膜を介した磁気抵抗は抵抗が低いため、高分極率層を設置しても磁気抵抗の変化はトンネルバリア層よりも小さいため、高分極率層を設置しても構わない。
【０１２０】
同様に、上述のＭＴＪ素子１０の中で、固定層１２ａを膜厚が３０ｎｍのＴｂ２２（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７８、固定層１２ｂを膜厚が３０ｎｍのＴｂ２６（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７４、記録層１１を膜厚が５ｎｍのＴｂ２２（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７８にする。ここで、Ｔｂ２４（Ｆｅ７１Ｃｏ２９）７６が補償組成である。この場合、固定層１２ａはＴＭの磁気モーメントがＲＥの磁気モーメントよりも大きく、固定層１２ｂはＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントよりも大きいため、一方向に一度だけ着磁することで、図９の固定層１２ａ、１２ｂの磁化配列と同等の磁化配列を実現できる。すなわち、固定層１２ｂのＴＭの磁気モーメントはＲＥの磁気モーメントと反対を向くため、固定層１２ｂ全体では着磁した方向（ＴＭの磁気モーメントの方向）と逆向きを向き、さらに第２の高分極率層１９であるＦｅはＴＭの磁気モーメントと交換結合するため、着磁した方向と逆向きになる。
【０１２１】
各磁性層は、具体例１−１から具体例１−７で述べてきたように、規則合金、不規則合金、人工格子、ＲＥ−ＴＭ合金等から適宜選択することができる。
【０１２２】
固定層１２ｂをＳＡＦ構造としたり、固定層１２ａを単層構造としたりしてもよい。
【０１２３】
本具体例では、高分極率層１８，１９は、トンネルバリア層ＴＢと記録層１１との間及びトンネルバリア層ＴＢと固定層１２ｂとの間にそれぞれ挿入し、非磁性層１３ａと記録層１１との間及び非磁性層１３ａと固定層１２ａとの間には設けていない。しかし、非磁性層１３ａを介した記録層１１及び固定層１２ａの間に高分極率層を設けてもよい。この場合も、トンネルバリア層ＴＢを介して生じる磁気抵抗比を、磁性層１３ａを介して生じる磁気抵抗比より大きくする必要がある。ここで、非磁性層１３ａ、１３ｂは、トンネル磁気抵抗効果を示す絶縁体、トンネルバリアとしても良い。この場合、どちらか一方のみのトンネルバリアの界面に高分極率層を設けることにより、磁気抵抗比に差をつけることができる。
【０１２４】
固定層１２を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、ＭｎとＦｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎやＣｒＰｔＭｎ等を用いることができる。
【０１２５】
［１−３］デュアルピン構造２
図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るデュアルピン構造２のＭＴＪ素子の概略的な断面図を示す。以下に、本発明の一実施形態に係るデュアルピン構造２のＭＴＪ素子について説明する。
【０１２６】
図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁性層からなる記録層１１と、磁性層からなる第１及び第２の固定層１２ａ，１２ｂと、記録層１１及び第１の固定層１２ａの間に挟まれた第１の非磁性層１３ａと、記録層１１及び第２の固定層１２ｂの間に挟まれた第２の非磁性層１３ｂとを有する積層構造である。さらに、記録層１１は、第１の磁性層３１と非磁性層３２と第２の磁性層３３からなるＳＡＦ構造である。そして、記録層１１の磁化方向２１−１，２１−２及び固定層１２ａ，１２ｂの磁化方向２２ａ，２２ｂが膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子１０である。
【０１２７】
ここで、具体例２−１とは、第１及び第２の固定層１２ａ，１２ｂの磁化２２ａ，２２ｂが平行の磁化配列である点が異なる。これに対応して、記録層１１はＳＡＦ構造となることが望ましいが、具体例１−５等で述べたように、ＲＥの磁気モーメント４１がＴＭの磁気モーメント４２より大きいＲＥ−ＴＭ合金層５１とＲＥの磁気モーメント４７がＴＭの磁気モーメント４８より小さいＲＥ−ＴＭ合金層５３とを積層して、２つのＲＥ−ＴＭ合金の磁気モーメントを反平行な状態としてもよい。
【０１２８】
ＭＴＪ素子１０は、第１及び第２の非磁性層１３ａ、１３ｂが絶縁体の場合はＴＭＲ効果を有し、第１及び第２の非磁性層１３ａ、１３ｂが金属の場合はＧＭＲ効果を有する。ここで、第１及び第２の非磁性層１３ａ、１３ｂが絶縁体の場合はＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＯ（酸化アルミニウム、例えばＡｌ２Ｏ３）等が用いられ、第１及び第２の非磁性層１３ａ、１３ｂが金属の場合はＣｕ、Ｐｔ、Ａｕ等が用いられる。
【０１２９】
（動作）
デュアルピン構造２のＭＴＪ素子１０では、第１の非磁性層１３ａを挟持する磁性層（記録層１１の磁性層３１及び固定層１２ａ）又は第２の非磁性層１３ｂを挟持する磁性層（記録層１１の磁性層３３及び固定層１２ｂ）は、平行、反平行配列を取る。しかし、ＭＴＪ素子１０全体として見た場合、図１１（ａ）及び（ｂ）は共に平行配列と反平行配列が同時に存在するため、両者の全体の磁気抵抗は変化しない。従って、このように固定層１２ａ，１２ｂを記録層１１の両側に平行の磁化配列で設けた場合、第１及び第２の非磁性層１３ａ，１３ｂを介した磁気抵抗の変化に差をつけておく必要がある。
【０１３０】
例えば、第１の非磁性層１３ａをトンネルバリア層ＴＢとし、第２の非磁性層１３ｂを金属層とした場合、トンネルバリア層ＴＢで生じる磁気抵抗の変化の方が金属層での変化に比べて大きく、第１の非磁性層１３ａを介した磁化配列が“０”、“１”の情報に対応する。従って、図１１（ａ）では平行配列、図１１（ｂ）では反平行配列となる。尚、第２の非磁性層１３ｂをトンネルバリア層ＴＢ、第１の非磁性層１３ａを金属層としても構わない。ここで、非磁性層１３ａ、１３ｂは、トンネル磁気抵抗効果を示す絶縁体、トンネルバリアとしても良い。この場合、どちらか一方のみのトンネルバリアの界面に高分極率層を設けることにより、磁気抵抗比に差をつけることができる。
【０１３１】
上述するように第１の非磁性層１３ａをトンネルバリア層ＴＢとした場合、２層の磁性層（記録層１１の磁性層３１及び固定層１２ａ）の磁化配列状態が平行配列（図１１（ａ））又は反平行配列（図１１（ｂ））となる。この磁化配列状態により変化する抵抗値に、“０”、“１”の情報を対応させている。そして、ＭＴＪ素子１０にスピン偏極電流３０を流し、記録層１１の磁化方向２１を変化させて情報を書き込む。但し、スピン偏極電子は、スピン偏極電流３０と逆向きに流れる。
【０１３２】
具体的には、図１１（ａ）に示すように、スピン偏極電流３０を第２の固定層１２ｂから第１の固定層１２ａへ流すと、スピン偏極電子は第１の固定層１２ａから第２の固定層１２ｂへ流れる。この場合、第１の固定層１２ａからは上向きのスピンが主として注入されるため、記録層１１を形成する第１の磁性層３１のスピンを平行に揃えようとするトルクが働き、記録層１１を形成する第２の磁性層３３から第２の固定層１２ｂに電子が流れる過程で、第２の固定層１２ｂが上向きスピンを透過しやすいため、反射された下向きスピンの電子が記録層１１を形成する第２の磁性層３３に注入されることになり、記録層１１を形成する第１の磁性層３１の磁化２１−１の向きが固定層１２ａの磁化２２ａと平行になり、第２の磁性層３３の磁化２１−２の向きが固定層１２ｂの磁化２２ｂと反平行になる。一方、図１１（ｂ）に示すように、第２の固定層１２ｂから第１の固定層１２ａに電流を流した場合も同様に考えられ、記録層１１を形成する第１の磁性層３１の磁化２１−１の向きが固定層１２ａの磁化２２ａと反平行になり、第２の磁性層３３の磁化２１−２の向きが固定層１２ｂの磁化２２ｂと平行になる。
【０１３３】
（磁性材料）
記録層１１の磁性層３１，３３及び固定層１２ａ，１２ｂの磁性材料としては、上記シングルピン構造と同様の材料を用いることができる。
【０１３４】
（効果）
本発明の一実施形態に係るデュアルピン構造２のＭＴＪ素子１０によれば、上記シングルピン構造と同様の効果を得ることができる。さらに、固定層１２ａ，１２ｂを記録層１１の両側に設けたデュアルピン構造にすることで、スピン偏極電子の反射の効果をより利用できるため、シングルピン構造よりもさらに反転電流を低減することができる。
【０１３５】
以下に、デュアルピン構造２のＭＴＪ素子１０の具体例について説明する。
【０１３６】
（ａ）具体例３
具体例３のＭＴＪ素子は、記録層１１がＳＡＦ構造になっており、第１及び第２の固定層１２ａ，１２ｂの磁化の向きが平行である。
【０１３７】
図１２は、本発明の一実施形態に係るＭＴＪ素子の具体例３の概略的な断面図を示す。以下に、ＭＴＪ素子１０の具体例３について説明する。
【０１３８】
図１２に示すように、ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用下地１５、第１の固定層１２ａ、第１の高分極率層１８、トンネルバリア層ＴＢ、第２の高分極率層１９、記録層１１、第２の非磁性層１３ｂ、第２の固定層１２ｂ、キャップ層１６が順に積層された構造を有する。ここで、記録層１１は、第１の磁性層３１と非磁性層３２と第２の磁性層３３からなるＳＡＦ構造である。そして、結晶配向用下地１５の底面に下部電極１４が設けられ、キャップ層１６の上面に上部電極１７が設けられている。この場合、第１及び第２の磁性層３１，３３の磁化２１−１，２１−２が反平行状態であるので、第１及び第２の磁性層３１，３３からの漏れ磁場を相殺し、結果として記録層１１の漏れ磁場を低減する効果がある。また、交換結合した磁性層３１，３３は体積が増加する効果として、熱擾乱耐性を向上させる。
【０１３９】
ＭＴＪ素子１０の具体例３の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．５ｎｍのＭｇＯ上に形成した膜厚３ｎｍのＰｔからなる。ここで、ＭｇＯ／Ｐｔ積層膜は、（００１）面が配向している。第１の固定層１２ａは、膜厚が２０ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ５０Ｐｔ５０からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が１．５ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．５ｎｍのＭｇＯからなる。第２の高分極率層１９は、膜厚が０．５ｎｍのＣｏ６３Ｆｅ１７Ｂ１０からなる。記録層１１の第１の磁性層３１は、膜厚が０．７ｎｍのＰｄと膜厚が０．３ｎｍのＣｏを１周期として４周期積層した人工格子［Ｐｄ／Ｃｏ］４からなる。記録層１１の第１の非磁性層３２は、膜厚が０．９ｎｍのＲｕからなる。記録層１１の第２の磁性層３３は、膜厚が０．３ｎｍのＣｏと膜厚が０．７ｎｍのＰｄを１周期として２周期積層した人工格子［Ｃｏ／Ｐｄ］２からなる。第２の非磁性層１３ｂは、膜厚が０．８ｎｍのＭｇＯからなる。第２の固定層１２ｂは、膜厚が３０ｎｍのＴｂ２０（Ｆｅ８０Ｃｏ２０）８０からなる。ここで、Ｔｂ２０（Ｆｅ８０Ｃｏ２０）８０は、ＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントより小さくなっており、第１の固定層１２ａと第２の固定層１２ｂの磁化方向２２ａ，２２ｂが、平行になるように調整してある。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が１０ｎｍのＴａ上に膜厚１０ｎｍのＲｕを形成した積層膜からなる。ここで、両界面に高分極率層が挿入されているトンネルバリア層ＴＢを介して生じる磁気抵抗比は、高分極率層が挿入されていない非磁性層１３ｂを介して生じる磁気抵抗比より大きくなっている。
【０１４０】
尚、各磁性層は、具体例１−１から具体例１−７で述べてきたように、規則合金、不規則合金、人工格子、ＲＥ−ＴＭ合金等から適宜選択することができる。
【０１４１】
本具体例では、高分極率層１８，１９は、トンネルバリア層ＴＢと記録層１１の磁性層３１との間及びトンネルバリア層ＴＢと固定層１２ａとの間にそれぞれ挿入し、非磁性層１３ｂと記録層１１の磁性層３３との間及び非磁性層１３ｂと固定層１２ｂとの間には設けていない。しかし、非磁性層１３ｂを介した記録層１１の磁性層３３及び固定層１２ｂの間に高分極率層を設けてもよい。この場合も、トンネルバリア層ＴＢを介して生じる磁気抵抗比を、非磁性層１３ｂを介して生じる磁気抵抗比より大きくする必要がある。
【０１４２】
固定層１２ａ，１２ｂを一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、ＭｎとＦｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒの合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎやＣｒＰｔＭｎ等を用いることができる。
【０１４３】
［１−４］記録層の飽和磁化等についての考察
上述した種々の具体例は、スピン注入磁化反転を実現する垂直磁化膜の構成の一例である。例えば、２５６Ｍｂｉｔ以上の容量をもつ大容量メモリとするには、書き込み電流の低減が必須である。この書き込み電流は、書き込み用の選択トランジスタで流せる電流で制約され、それ以下のスピン偏極電流で磁化反転を起こさなければならない。微細化に伴い、選択トランジスタのゲート長が縮小されると、書き込み電流の電流値も小さくなる。このため、書き込み電流密度Ｊｗは、５×１０６Ａ／ｃｍ２以下程度に抑えなければならず、より好ましくは、２×１０６Ａ／ｃｍ２以下程度に抑えることが望ましい。
【０１４４】
非特許文献３、４によれば、反転電流は、概ね、（式１）で見積もることができる。但し、（式１）の反転電流は、磁化状態が平行（Ｐ）から反平行（ＡＰ）に反転する場合のものである。磁化状態が平行（Ｐ）から反平行（ＡＰ）に反転する場合の方が、磁化状態が反平行（ＡＰ）から平行（Ｐ）に反転する場合よりも反転電流が大きくなるので、前者の場合について考察をしている。
【０１４５】
【数１】
2010021580.tif 000003
【０１４６】
ここで、ｅは電気素量、Ｍｓは反転する磁性層（記録層１１）の飽和磁化、Ｖは体積、αｄａｍｐはギルバートのダンピング定数、ｈはプランク定数を２πで割った定数、ｇ’はｇ係数、ｇ（θ）は２つの磁性体のなす角θのときのスピントランスファーの効率で分極率の関数である。磁化状態が平行（Ｐ）から反平行（ＡＰ）に反転する場合はθ＝０、反平行（ＡＰ）から平行（Ｐ）に反転する場合はθ＝πとする。Ｈｅｘｔは外部磁場、Ｈａｎｉは異方性磁界である。異方性磁界Ｈａｎｉは、一般に形状磁気異方性と材料に起因する磁気異方性である。ｇ’（ｇ係数）は磁気モーメントと角運動量を結びつける係数の１つであり、軌道角運動量の場合はｇ’＝１、スピン角運動量の場合はｇ’＝２で表される。強磁性体の物理(上)、近角聰信著、ｐ.73-79によれば、３ｄ遷移金属の場合、ｇ係数は２に近いことが示されている。
【０１４７】
外部磁場Ｈｅｘｔを０、形状異方性（∝Ｍｓ×ｔ／ｗ、ｔは膜厚、ｗは素子幅）が材料に起因する磁気異方性磁界（Ｈｋ）に比べて十分小さいとして、（式１）を変形すると、（式２）になる。
【０１４８】
【数２】
2010021580.tif 000004
【０１４９】
（式２）において、括弧内の第１項は磁気異方性エネルギー密度Ｋｕを表し、括弧内の第２項は反磁界エネルギーを表す。
【０１５０】
体積Ｖをセル面積Ｓと膜厚ｔで表すと、Ｖ＝Ｓ×ｔであるので、反転電流密度は（式３）のようになる。
【０１５１】
【数３】
2010021580.tif 000005
【０１５２】
実際、垂直磁化膜を利用するには、材料に起因する磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ、例えば結晶磁気異方性エネルギー密度が大きく、形状磁気異方性を利用せず、素子形状はアスペクト１程度を利用することが微細化には向いている。このため、上述したように形状異方性が材料に起因する磁気異方性磁界に比べて十分小さいとしてもよい。
【０１５３】
（式３）において、ｇ’、ｅ、αｄａｍｐ、ｈ、ｇ（０）からなる定数をＡとし、Ｍｓ・Ｈｋ／２をＫｕとすることで、（式４）を得る。
【０１５４】
【数４】
2010021580.tif 000006
【０１５５】
（式４）において、書き込み電流密度をＪｗとすると、以下の（式５）を満たす必要がある。
【０１５６】
【数５】
2010021580.tif 000007
【０１５７】
さらに、磁化方向を膜面に垂直方向に設定するためには、以下の（式６）の関係を満たす必要がある。
【０１５８】
【数６】
2010021580.tif 000008
【０１５９】
従って、（式５）及び（式６）より、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは、（式７）の関係を満たす必要がある。
【０１６０】
【数７】
2010021580.tif 000009
【０１６１】
（式７）の関係を具体的に図示したものが、図１３（ａ）及び（ｂ）、図１４（ａ）及び（ｂ）である。図１３（ａ）及び（ｂ）、図１４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る記録層の磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ、飽和磁化Ｍｓ、膜厚ｔの関係を示す。ここで、図１３（ａ）及び図１４（ａ）は、書き込み電流密度Ｊｗが５ＭＡ／ｃｍ２の場合を示し、図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は、書き込み電流密度Ｊｗが２ＭＡ／ｃｍ２の場合を示す。また、記録層１１の膜厚ｔは、０．５ｎｍ、１ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍの場合を検討している。
【０１６２】
前述した５ＭＡ／ｃｍ２、２ＭＡ／ｃｍ２の書き込み電流密度Ｊｗを実現するためには、（式７）より、図１３（ａ）及び（ｂ）、図１４（ａ）及び（ｂ）に示す斜線領域に、記録層１１の磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ、飽和磁化Ｍｓ、膜厚ｔを設定する必要がある。
【０１６３】
非磁性層がＣｕ、Ａｕ等の導電性の材料である巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）及び非磁性層がトンネルバリアであるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）のｇ（θ）と分極率Ｐの関係は、（式８）、（式９）でそれぞれ表せる。ｇ係数ｇ’は２とする。
【０１６４】
【数８】
2010021580.tif 000010
【０１６５】
【数９】
2010021580.tif 000011
【０１６６】
図１３（ａ）及び（ｂ）の関係を得るにあたり、一例として、ダンピング定数αｄａｍｐを０．０１、ｇ（０）を０．１８とした。磁気異方性エネルギー密度Ｋｕの上限は、（式７）で規定され、その第１項はＪｗ／（２Ａ・ｔ）である。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）はダンピング定数αｄａｍｐを０．００２とした場合である。両者を同じ膜厚で比較すると、ダンピング定数αｄａｍｐが１／５になると、上限の磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは５倍、飽和磁化Ｍｓは√５倍まで範囲が広がる。これは、（式７）からも分かる。同様に、効率ｇ（０）も、上限の磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ、飽和磁界Ｍｓの範囲を変化させる。従って、飽和磁化Ｍｓ及び磁気異方性エネルギー密度Ｋｕの適正な範囲を決めるにあたり、上述したように、ダンピング定数αｄａｍｐ、膜厚ｔ、効率ｇ（０）が重要であり、（式３）よりＪｃはαｄａｍｐ×ｔ／ｇ（０）に比例する。
【０１６７】
磁性体のダンピング定数αｄａｍｐは、０．００１〜０．５程度を考えればよい。効率ｇ（０）は、（式８）、（式９）で示したように分極率Ｐから推定することができる。スピン注入による磁化反転を行うには少なくとも分極率Ｐが０．１以上であることが望ましく、効率ｇ（０）はＧＭＲ、ＴＭＲの場合でそれぞれ０．０２６、０．０５程度である。また、分極率Ｐが１のときは、ＧＭＲ、ＴＭＲともに効率ｇ（０）は０．２５となる。
【０１６８】
次に、記録層１１の膜厚ｔについて検討する。（式７）より、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕの上限は膜厚ｔの増加に伴い減少するため、膜厚ｔが厚くなると磁気異方性エネルギー密度Ｋｕを小さく設定する必要が生じ、さらに、垂直磁化を実現するため、飽和磁化Ｍｓも小さくする必要がある。このことは、図１３（ａ）及び（ｂ）、図１４（ａ）及び（ｂ）からも理解でき、記録層１１の膜厚が５ｎｍより大きくすることが難しいことが分かる。従って、記録層１１の膜厚は、５ｎｍ以下に設定することが望ましい。また、面内均一性等の観点から、０．５ｎｍ以上であることが望ましい。
【０１６９】
以上より、記録層１１の膜厚ｔは、（式１０）の関係を満たすことが望ましい。尚、記録層１１が１周期の人工格子からなる場合を考えると、記録層１１の膜厚の下限値を０．２ｎｍ以上と考えることも可能である。記録層１１が非磁性層を介して交換結合した積層膜の場合は、交換結合している各層の膜厚に対応する。
【０１７０】
０．５ｎｍ≦ｔ≦５ｎｍ…（式１０）
ダンピング定数αｄａｍｐ、効率ｇ（０）、膜厚ｔの上述した範囲からαｄａｍｐ×ｔ／ｇ（０）の範囲を考慮すると、０．００２≦αｄａｍｐ×ｔ／ｇ（０）≦１００となる。但し、膜厚ｔの単位はｎｍで表している。これらを考慮して、図１３（ａ）及び（ｂ）、図１４（ａ）及び（ｂ）と同様に、αｄａｍｐ×ｔ／ｇ（０）をパラメータとして書き込み電流密度Ｊｗが５ＭＡ／ｃｍ２と２ＭＡ／ｃｍ２の場合を、図１５（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。
【０１７１】
（式１０）の記録層１１の膜厚ｔを考慮した上で、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕについて検討する。磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは、垂直磁化膜となるためには、（式６）に示すように、Ｋｕ＞２πＭｓ２である必要がある。飽和磁化Ｍｓを最も小さくできる磁性体はフェリ磁性体、反強磁性体であり、前述したＲＥ−ＴＭ合金がこれに該当する。ＲＥ−ＴＭ合金の垂直磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは１×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上であるとされ、これが磁気異方性エネルギー密度Ｋｕの下限値と言える。
【０１７２】
一方、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕの上限値は、図１５（ａ）及び（ｂ）の関係から導き出せる。すなわち、図１５（ａ）に示すように、書き込み電流密度Ｊｗが５ＭＡ／ｃｍ２の場合、斜線領域内で最大となる４．１×１０７ｅｒｇ／ｃｃが磁気異方性エネルギー密度Ｋｕの上限値となる。また、図１５（ｂ）に示すように、書き込み電流密度Ｊｗが２ＭＡ／ｃｍ２の場合、斜線領域内で最大となる１．６×１０７ｅｒｇ／ｃｃが磁気異方性エネルギー密度Ｋｕの上限値となる。
【０１７３】
以上より、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは、書き込み電流密度Ｊｗが５ＭＡ／ｃｍ２以下の場合は（式１１）、書き込み電流密度Ｊｗは２ＭＡ／ｃｍ２以下の場合は（式１２）の関係を満たすことが望ましい。
【０１７４】
１×１０５ｅｒｇ／ｃｃ≦Ｋｕ≦４．１×１０７ｅｒｇ／ｃｃ…（式１１）
１×１０５ｅｒｇ／ｃｃ≦Ｋｕ≦１．６×１０７ｅｒｇ／ｃｃ…（式１２）
次に、（式１０）の記録層１１の膜厚ｔを考慮した上で、飽和磁化Ｍｓについて検討する。飽和磁化Ｍｓは、図１５（ａ）及び（ｂ）の関係から導き出せる。すなわち、図１５（ａ）に示すように、書き込み電流密度Ｊｗが５ＭＡ／ｃｍ２の場合、飽和磁化Ｍｓは０〜２０９０ｅｍｕ／ｃｃが望ましい。また、図１５（ｂ）に示すように、書き込み電流密度Ｊｗが２ＭＡ／ｃｍ２の場合、飽和磁化Ｍｓは０〜１３２０ｅｍｕ／ｃｃが望ましい。
【０１７５】
以上より、飽和磁化Ｍｓは、書き込み電流密度Ｊｗが５ＭＡ／ｃｍ２以下の場合は（式１３）、書き込み電流密度Ｊｗは２ＭＡ／ｃｍ２以下の場合は（式１４）の関係を満たすことが望ましい。
【０１７６】
０≦Ｍｓ≦２０９０ｅｍｕ／ｃｃ…（式１３）
０≦Ｍｓ≦１３２０ｅｍｕ／ｃｃ…（式１４）
上述した内容をまとめると、書き込み電流密度Ｊｗは５ＭＡ／ｃｍ２以下であることが望ましく、（式１０）の記録層１１の膜厚ｔの範囲では、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは１×１０５ｅｒｇ／ｃｃ〜４．１×１０７ｅｒｇ／ｃｃの範囲にあることが望ましく、かつ飽和磁化Ｍｓは０〜２０９０ｅｍｕ／ｃｃの範囲にあることが望ましい。より好ましくは、書き込み電流は２ＭＡ／ｃｍ２以下であることが望ましく、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは１×１０５ｅｒｇ／ｃｃ〜１．６×１０７ｅｒｇ／ｃｃの範囲にあることが望ましく、かつ飽和磁化Ｍｓは０〜１３２０ｅｍｕ／ｃｃの範囲にあることが望ましい。
【０１７７】
尚、記録層１１が高分極材料と磁性層が積層されてなる場合は、積層構造の全体を１つの磁性層、つまり記録層とみなす。この場合、記録層（高分極材料と磁性層）の飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ、膜厚ｔは、高分極率材料及び磁性層の飽和磁化、磁気異方性エネルギー密度、膜厚をそれぞれＭｓ１，Ｋｕ１，ｔ１，Ｍｓ２，Ｋｕ２，ｔ２とすると、以下のように見積もることができる。尚、３層以上の場合も同様に見積もることができる。
【０１７８】
Ｍｓ＝（Ｍｓ１×ｔ１＋Ｍｓ２×ｔ２）／ｔ…（式１５）
Ｋｕ＝（Ｋｕ１×ｔ１＋Ｋｕ２×ｔ２）／ｔ…（式１６）
ｔ＝ｔ１＋ｔ２…（式１７）
実際、高分極率材料はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉあるいは、それらの元素のうち少なくとも１つ以上の元素を含む合金からなり、飽和磁化は少なくとも５００ｅｍｕ／ｃｃ程度以上である。高分極率材料は、ＭＲ比を向上する役割を果たすが、そのためには０．５ｎｍ以上の膜厚とすることが望ましい。一方、垂直磁化膜となる磁性体のうち、飽和磁化を小さくできるのは、ＲＥ−ＴＭ合金であり、前述したようにＲＥとＴＭの磁気モーメントがそれぞれ等しくなる補償点組成では飽和磁化は０である。一例として、飽和磁化Ｍｓ１が８００ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ１が０．５ｎｍ、異方性エネルギー密度Ｋｕ１が１０００ｅｒｇ／ｃｃの高分極率材料と、飽和磁化Ｍｓ２が０ｅｍｕ／ｃｃ、異方性エネルギー密度Ｋｕ２が５×１０５ｅｒｇ／ｃｃの磁性層が積層されたとする。この場合、上述した式で見積もると、磁性層の膜厚ｔ２が１．２ｎｍのとき、記録層（高分極材料と磁性層）としての異方性エネルギー密度が３．５３×１０５ｅｒｇ／ｃｃ、飽和磁化が２３５ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚１．７ｎｍとなり、垂直磁化膜となる条件であるＫｕ＞２πＭｓ２を満たす。
【０１７９】
次に、記録層１１の飽和磁化Ｍｓに着目して検討する。上述した（式７）において、下限値と上限値が等しい場合を考える。すなわち、これは、図１５（ａ）及び（ｂ）の交点を求めることになる。そして、飽和磁化Ｍｓがこの交点よりも小さいことが望ましいことを考慮すると、（式１８）の関係を導くことができる。
【０１８０】
Ｍｓ＜√｛Ｊｗ／（６πＡｔ）｝…（式１８）
さらに、上述するように、記録層１１をＲＥ−ＴＭ合金の積層構造とした場合、飽和磁化Ｍｓは０となる。従って、飽和磁化Ｍｓの下限値は０と言える。
【０１８１】
以上より、記録層１１の飽和磁化Ｍｓは、書き込み電流密度Ｊｗ、記録層１１の膜厚ｔ、定数Ａを用いると、（式１７）及び（式１８）のようになる。
【０１８２】
０≦Ｍｓ＜√｛Ｊｗ／（６πＡｔ）｝…（式１９）
Ａ＝ｇ’・ｅ・α／（ｈ／２π×ｇ）…（式２０）
ここで、ｇ’はｇ係数、ｅは電気素量、αはギルバートのダンピング定数、ｈはプランク定数、gは２つの磁性体の磁化が平行に配列しているときのスピントランスファーの効率である。
【０１８３】
以下に、上述した書き込み電流密度Ｊｗ等を勘案した具体例について説明する。
【０１８４】
（ａ）具体例４−１
具体例４−１のＭＴＪ素子は、図３に示す具体例１−４の積層に類似するものであり、記録層１１、固定層１２がＲＥ−ＴＭ合金からなる。
【０１８５】
ＭＴＪ素子１０の具体例４−１の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が５ｎｍのＴａと膜厚が５ｎｍのＲｕからなる。本具体例では結晶配向用下地１５に相当するものは存在しない。固定層１２は、膜厚が３０ｎｍのＴｂ２１（Ｃｏ８４Ｆｅ１６）７９からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が２．０ｎｍのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が０．７ｎｍのＭｇＯからなる。第２の高分極率層１９は、膜厚が１．０ｎｍのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０からなる。記録層１１は、膜厚が５ｎｍのＴｂ３０（Ｃｏ８４Ｆｅ１６）７０からなる。ここで、Ｔｂ２３（Ｃｏ８４Ｆｅ１６）７７は、補償組成である。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＲｕからなる。上部電極１７は、膜厚が５ｎｍのＴａ、膜厚が５ｎｍのＲｕ、膜厚が１００ｎｍのＴａを順次形成した積層膜からなる。
【０１８６】
このようなＭＴＪ素子１０を０．１４ｕｍ×０．２８ｕｍの素子サイズに加工し、４端子法によりＲ−Ｈループを測定したところ、固定層１２の保磁力は９．５ｋＯｅ、記録層１１の保磁力は６．５ｋＯｅであった。また、加工前に振動試料型磁力計でＭＨループから飽和磁化Ｍｓを測定したところ、固定層１２は１００ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１１は８０ｅｍｕ／ｃｃであった。但し、固定層１２と第１の高分極率層１８は交換結合し、記録層１１と第２の高分極率層１９は交換結合しているため、それぞれ１つの磁性層として振舞うので、上述した保磁力、飽和磁化は１つの磁性体として見た場合の値である。
【０１８７】
ここで、記録層１１と第２の高分極率層１９のそれぞれの飽和磁化、磁気異方性エネルギー密度は、以下の通りである。記録層１１の飽和磁化Ｍｓ２、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ２は、それぞれ−２００ｅｍｕ／ｃｃ、５×１０５ｅｒｇ／ｃｃであり、第２の高分極率層１９の飽和磁化Ｍｓ１、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ１は、それぞれ１２００ｅｍｕ／ｃｃ、１×１０４ｅｒｇ／ｃｃである。記録層１１の飽和磁化Ｍｓ２を負と表記したのは、ＴＭの磁気モーメントの向きを正にしており、本具体例ではＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントよりも大きいため、ＲＥ−ＴＭ合金としての磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントと逆方向であるためである。そこで、（式１５）乃至（式１７）のように見積もると、全体としての飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは、それぞれ３３ｅｍｕ／ｃｃ、４．２×１０５ｅｒｇ／ｃｃとなる。これから、異方性磁界を見積もると、２５ｋＯｅとなり、測定された保磁力よりも大きい。保磁力が異方性磁界よりも小さいのは膜質の不均一性等に起因して反転核が形成され、磁壁移動により磁化反転が起きていると考えられる。また、飽和磁化がずれているのは、ＣｏＦｅＢとＴｂＣｏＦｅの相互拡散により、組成が設定通りになっていないことも考えられる。
【０１８８】
ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比は、高分極率層１８，１９の寄与により、３０％である。この素子をスピン注入磁化反転させたところ、反平行（ＡＰ）状態から平行（Ｐ）状態への反転電流密度は４．５×１０６Ａ／ｃｍ２である。ここで、反平行状態から平行状態への反転電流密度を測定したのは、（式９）より明らかなように、ｇ（π）＞ｇ（０）であるため、平行状態から反平行状態への反転電流密度より小さくなることが予想され、評価上の素子の非可逆的な破壊を避けるためである。
【０１８９】
ＲＥ−ＴＭの一例であるＧｄ−ＣｏＦｅのダンピング定数αｄａｍｐは、０．１程度であると報告されている。本具体例の記録層１１のＴｂ−ＣｏＦｅも同程度であることが予想される。また、磁気抵抗比はそのバイアス電圧依存性のため、反転時には２０％程度であり、ｇ（π）は０．１６５程度であることが予想される。ダンピング定数αｄａｍｐを０．１、ｇ（π）を０．１６５、飽和磁化Ｍｓを１１７ｅｍｕ／ｃｃ、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕを４．２×１０５ｅｒｇ／ｃｃ、膜厚を６ｎｍとして、反転電流密度を見積もると、９．４×１０７Ａ／ｃｍ２である。一方、上述したように実際に測定された反転電流密度は、４．５×１０６Ａ／ｃｍ２であり、見積もりと大きく異なる。
【０１９０】
本発明者は、この結果から鑑みて、Ｔｂ−ＣｏＦｅからなる記録層１１に積層した第２の高分極率層１９の効果に着目した。すなわち、第２の高分極率層１９であるＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０のダンピング定数αｄａｍｐは０．００８程度であると言われており、そのまま反転電流密度を見積もると、８．２×１０６Ａ／ｃｍ２となり、比較的良い一致を示す。つまり、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性材料（第２の高分極率層１９として用いたＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０：αｄａｍｐ＝０．００８）とダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性材料（記録層１１に用いたＴｂ−ＣｏＦｅ：αｄａｍｐ＝０．１）とを積層した場合、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性材料がダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性材料に比べて大きなスピントルクを受けるため、反転するきっかけとなって反転電流密度を低減する効果があることを見出した。
【０１９１】
上述したようにダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性材料と大きな磁性材料を積層した場合、電流低減効果があることが見出されたが、ダンピング定数αｄａｍｐが小さい材料としては例えばＦｅがあげられる。Ｆｅのダンピング定数αｄａｍｐは０．００２程度と報告されており、また、その分極率Ｐは０．４程度であると報告されている。このため、上述した指標αｄａｍｐ×ｔ／ｇ（０）は膜厚ｔ（ｎｍ）を１ｎｍとして、０．０１程度と見積もられる。このため、図１５（ａ）、（ｂ）よりそれぞれ指標αｄａｍｐ×ｔ／ｇ（０）が０．０１の場合から、飽和磁化Ｍｓと異方性エネルギー密度Ｋｕを見積もると、Ｊｗ＝５ＭＡ／ｃｍ２の場合、Ｍｓ＜９３４ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＜８．２×１０６ｅｒｇ／ｃｃ、Ｊｗ＝２ＭＡ／ｃｍ２の場合、Ｍｓ＜５９１ｅｍｕ／ｃｃ、Ｋｕ＜３．３×１０６ｅｒｇ／ｃｃの範囲が好ましいことが分かる。
【０１９２】
上述したようなダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性材料とダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性材料を積層した場合は一例であり、例えば、以下のような形態であってもよい。
【０１９３】
ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性材料とダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性材料が混合して形成された形態であってもよい。例えば、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、ダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料を母材としてダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料が分散した形態でもよいし、図１６（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料を母材としてダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料が分散した形態であってもよい。尚、図１６（ｂ）及び（ｄ）では、分散している材料が円柱形であるが、これに限定されず、例えば球形、直方体、立方体のような形状でもよく、基本的にはその形状に制限されない。
【０１９４】
また、更なる反転電流密度の低減のためには、記録層の体積を低減することが効果的であることが、（式１）から分かるが、例えば、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料が分散した膜（いわゆるグラニュラー膜）とダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料との積層膜でもよいし、ダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料が分散した膜（いわゆるグラニュラー膜）とダンピング定数の小さな材料との積層膜でもよい。さらに、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料が分散した膜（いわゆるグラニュラー膜）とダンピング定数の大きな材料が分散した膜（いわゆるグラニュラー膜）との積層膜でもよい。
【０１９５】
垂直磁化膜となるためには、比較的大きな垂直磁気異方性エネルギーを有する必要があるが、大きな磁気異方性を示す材料は、高分極率材料として使用するＣｏ，Ｆｅ、Ｎｉからなる合金材料に比べてダンピング定数αｄａｍｐが大きい。従って、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料とダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料との積層形態は、垂直磁化膜のスピン注入磁化反転にはより望ましい。
【０１９６】
上述したようなダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性材料とダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性材料とを用いる場合の具体例を以下に示す。
【０１９７】
ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性材料としては、Ｆｅをベースとする低ダンピング定数の磁性合金がある。この磁性合金としては、例えば、少なくともＦｅを含む合金があげられ、Ｆｅは４０ａｔ％以上含まれていることが望ましい。また、この磁性合金としては、ハーフメタル材料として知られるホイスラー合金でもよく、例えば、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＣｒＡｌ、Ｃｏ２（Ｃｒ-Ｆｅ）Ａｌ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等がある。
【０１９８】
ダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性材料としては、高い垂直磁気異方性を有するＬ１０構造の磁性合金がある。この磁性合金としては、例えば、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｍｎ−Ａｌのいずれかを主成分とする合金があげられる。尚、この磁性合金としては、Ｆｅ−Ｐｔ−Ｘ、Ｆｅ−Ｐｄ−Ｘ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｘ等の３元以上の合金でもよい。
【０１９９】
ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性材料及び大きな磁性材料としては、ＭｇＯ（１００）面とのマッチングがよい格子定数ａをもつ材料が好ましく、具体的には次のものがある。例えば、立方晶、正方晶の（００１）面で、０．９ａ〜１．１ａ、０．９×√２ａ〜１．１×√２ａの格子定数をもつ材料として、結晶構造が面心立方晶又は面心正方晶からなり、ａ軸の格子定数が３．７９Ａ〜４．６３Ａ、５．３６Ａ〜６．５５Ａの範囲にあるものが望ましい。また、０．９×√２／２ａ〜１．１×√２／２ａの格子定数をもつ立方晶、正方晶の（００１）面の材料として、結晶構造が体心立方晶又は体心正方晶からなり、ａ軸の格子定数が２．６８Ａ〜３．２８Ａの範囲にあるものが望ましい。
【０２００】
尚、上記において、ダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料とダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料との大小関係は、両者の材料のダンピング定数αｄａｍｐの比較において成立してもよい。また、ダンピング定数αｄａｍｐの基準値（例えば、０．０１）を規定し、この基準値よりも大きい場合はダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料と規定し、基準値よりも小さい場合はダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料と規定してもよい。
【０２０１】
具体例４−１で述べたように、ダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性層とダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層とを積層させた場合、ダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料は、垂直磁気異方性エネルギーを有し、膜面に対して垂直方向に磁化していることが望ましい。ダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料は、ダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性層が有する垂直磁気異方性に影響を受け易いように、異方性エネルギーが小さいことが望ましい。ダンピング定数αｄａｍｐの小さな材料とダンピング定数αｄａｍｐの大きな材料とは、交換結合していることが望ましい。また、垂直磁気異方性を有し、かつダンピング定数αｄａｍｐが小さい材料であっても当然良い。
【０２０２】
ダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性層とダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層とを積層させた場合、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層がトンネルバリア層ＴＢ側に位置することが望ましい。例えば、図３の構造の場合、第２の高分極率層１９の位置にダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層を設け、記録層１１の位置にダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性層を設けるとよい。これにより、反転電流密度を低減する効果を高めることができる。尚、ダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性層をトンネルバリア層ＴＢ側に配置することも可能である。トンネルバリア層ＴＢ／第２の高分極率層１９／ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層／ダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性層からなる積層構造にしてもよい。
【０２０３】
ダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性層とダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層とを積層させる場合、２層に限定されず、３層以上でもよい。この場合も、上述するように、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層をトンネルバリア層ＴＢ側に配置して積層させることが望ましい。
【０２０４】
ＭＴＪ素子１０がデュアルピン構造の場合、記録層１１が非磁性層１３ａ，１３ｂで挟まれるが、ダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層が非磁性層１３ａ、１３ｂと記録層１１の界面にそれぞれ位置することが望ましい。例えば、図１０の構造の場合、トンネルバリア層ＴＢに近接する高分極率層１８の位置にダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層を設け、記録層１１の位置にダンピング定数αｄａｍｐの大きな磁性層を設けるとよい。磁気抵抗比の観点からトンネルバリア層ＴＢ側に高分極率材料があるが、記録層１１と非磁性層１３ａとの間にダンピング定数αｄａｍｐの小さな磁性層をさらに設けてもよい。記録層１１の両界面で効果的にスピントルクが作用することが望ましく、非磁性層１３ａ、１３ｂで磁気抵抗比に差があればよい。
【０２０５】
（ｂ）具体例４−２
具体例４−２のＭＴＪ素子は、図３に示す具体例１−２の積層と同様であり、記録層１１がＲＥ−ＴＭ合金からなり、固定層１２がＣｏＰｔＣｒからなる。
【０２０６】
ＭＴＪ素子１０の具体例４−２の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が５ｎｍのＲｕからなる。固定層１２は、膜厚が３０ｎｍの（００２）面が配向した（Ｃｏ７８Ｐｔ１２Ｃｒ１０）８５−（ＳｉＯ２）１５からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が２．０ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が１．０ｎｍのＭｇＯからなる。第２の高分極率層１９は、膜厚が１．０ｎｍのＣｏ６０Ｆｅ２０Ｂ２０からなる。記録層１１は、膜厚が４ｎｍのＴｂ２１（Ｃｏ８４Ｆｅ１６）７９からなる。ここで、Ｔｂ２３（Ｃｏ８４Ｆｅ１６）７７は、補償組成である。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が５ｎｍのＴａ、膜厚が５ｎｍのＲｕ、膜厚が１００ｎｍのＴａを順次形成した積層膜からなる。
【０２０７】
このようなＭＴＪ素子１０を０．１ｕｍ×０．１ｕｍの素子サイズに加工し、４端子法によりＲ−Ｈループを測定したところ、固定層１２の保磁力は４．０ｋＯｅ、記録層１１の保磁力は１２００Ｏｅであった。また、加工前に振動試料型磁力計でＭＨループから飽和磁化Ｍｓを測定したところ、固定層１２は５００ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１１は４００ｅｍｕ／ｃｃであった。但し、固定層１２と第１の高分極率層１８は交換結合し、記録層１１と第２の高分極率層１９は交換結合しているため、それぞれ１つの磁性層として振舞うので、上述した保磁力、飽和磁化は１つの磁性体として見た場合の値である。
【０２０８】
ここで、記録層１１と第２の高分極率層１９のそれぞれの飽和磁化、磁気異方性エネルギー密度は、以下の通りである。記録層１１の飽和磁化Ｍｓ２、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ２は、それぞれ１００ｅｍｕ／ｃｃ、７×１０５ｅｒｇ／ｃｃであり、第２の高分極率層１９の飽和磁化Ｍｓ１、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ１は、それぞれ１１００ｅｍｕ／ｃｃ、１×１０４ｅｒｇ／ｃｃである。そこで、（式１５）乃至（式１７）のように見積もると、全体としての飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは、それぞれ３００ｅｍｕ／ｃｃ、５．６×１０５ｅｒｇ／ｃｃとなる。これから、異方性磁界を見積もると、３．７ｋＯｅとなり、測定された保磁力よりも大きい。保磁力が異方性磁界よりも小さいのは膜質の不均一性等に起因して反転核が形成され、磁壁移動により磁化反転が起きていると考えられる。
【０２０９】
ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比は、高分極率層１８，１９の寄与により、１２０％である。この素子をスピン注入磁化反転させたところ、平均の電流密度は８．４×１０６Ａ／ｃｍ２である。
【０２１０】
尚、さらなる低電流密度化を狙って、次のようなＭＴＪ素子１０について検討した。第２の高分極率層１９は膜厚が０．５ｎｍのＮｉ８０Ｆｅ２０からなり、記録層１１は膜厚が２ｎｍのＴｂ２６（Ｃｏ８４Ｆｅ１６）７４からなる。上記同様に、Ｒ−Ｈループ、ＭＨループを測定したところ、記録層１１の保磁力、飽和磁化は１４００Ｏｅ、７０ｅｍｕ／ｃｃであった。Ｎｉ８０Ｆｅ２０の飽和磁化Ｍｓ１、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ１はそれぞれ８００ｅｍｕ／ｃｃ、１０００ｅｒｇ／ｃｃ、膜厚２．０ｎｍのＴｂ２６（Ｃｏ８４Ｆｅ１６）７４の飽和磁化Ｍｓ２、磁気異方性エネルギー密度はそれぞれ−１００ｅｍｕ／ｃｃ、５．０×１０５ｅｒｇ／ｃｃであった。前述した通りに見積もると、高分極率層１９を含めた記録層１１の全体としての飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕはそれぞれ８０ｅｍｕ／ｃｃ、４．０×１０５ｅｒｇ／ｃｃとなり、同様に異方性磁界を見積もると、１０ｋＯｅである。この場合、ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比は高分極率層１８，１９の寄与により、６０％である。この素子をスピン注入磁化反転させたところ、平均の電流密度は２．７×１０６Ａ／ｃｍ２である。
【０２１１】
（ｃ）具体例４−３
具体例４−３のＭＴＪ素子は、図３に示す具体例１−２の積層と同様であり、記録層１１が人工格子からなり、固定層１２がＦｅＰｔからなる。
【０２１２】
ＭＴＪ素子１０の具体例４−３の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．３ｎｍのＭｇＯ上に形成した膜厚が１０ｎｍのＰｔからなる。ここで、ＭｇＯ／Ｐｔ積層膜は、（００１）面が配向している。固定層１２は、膜厚が２０ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ５０Ｐｔ５０からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が１．５ｎｍのＣｏ６２Ｆｅ２２Ｂ１６からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が０．８ｎｍのＭｇＯからなり、ＭｇＯは（００１）面が配向している。第２の高分極率層１９は、膜厚が０．３ｎｍのＣｏからなる。ここで、ｂｃｃ構造のＣｏ（００１）面が形成されるように、成膜条件を調整している。記録層１１は、膜厚が２．０ｎｍのＰｔと膜厚が０．３ｎｍのＣｏ８０Ｃｒ２０を１周期として２周期積層した人工格子［Ｐｔ／ＣｏＣｒ］２からなる。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が５ｎｍのＴａ、膜厚が５ｎｍのＲｕ、膜厚が１００ｎｍのＴａを順次形成した積層膜からなる。
【０２１３】
このようなＭＴＪ素子１０を０．１ｕｍ×０．１ｕｍの素子サイズに加工し、４端子法によりＲ−Ｈループを測定したところ、固定層１２の保磁力は７．０ｋＯｅ、記録層１１の保磁力は１０００Ｏｅであった。また、加工前に振動試料型磁力計でＭＨループから飽和磁化を測定したところ、固定層１２は１０００ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１１は２２０ｅｍｕ／ｃｃであった。但し、固定層１２と第１の高分極率層１８は交換結合し、記録層１１と第２の高分極率層１９は交換結合しているため、それぞれ１つの磁性層として振舞うので、上述した保磁力、飽和磁化は１つの磁性体として見た場合の値である。
【０２１４】
ここで、記録層１１と第２の高分極率層１９のそれぞれの飽和磁化、磁気異方性エネルギー密度は、以下の通りである。記録層１１の飽和磁化Ｍｓ２、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ２は、それぞれ１４０ｅｍｕ／ｃｃ、５×１０５ｅｒｇ／ｃｃ、第２の高分極率層１９の飽和磁化Ｍｓ１、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ１は、それぞれ１４００ｅｍｕ／ｃｃ、１×１０６ｅｒｇ／ｃｃである。そこで、（式１５）乃至（式１７）のように見積もると、全体としての飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは、それぞれ２２０ｅｍｕ／ｃｃ、５．３×１０５ｅｒｇ／ｃｃとなる。ここで、人工格子の飽和磁化はＰｔ／ＣｏＣｒ全体の膜厚から換算した。これから、異方性磁界を見積もると、４．９ｋＯｅとなり、測定された保磁力よりも大きい。保磁力が異方性磁界よりも小さいのは膜質の不均一性等に起因して反転核が形成され、磁壁移動により磁化反転が起きていると考えられる。
【０２１５】
ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比は、高分極率層１８，１９の寄与により、８０％である。この素子をスピン注入磁化反転させたところ、平均の電流密度は７．７×１０６Ａ／ｃｍ２である。
【０２１６】
（ｄ）具体例４−４
具体例４−４のＭＴＪ素子は、図３に示す具体例１−２の積層と同様であり、記録層１１、固定層１２ともにＦｅＰｔ合金からなる。
【０２１７】
ＭＴＪ素子１０の具体例４−４の積層構成は、以下の通りである。下部電極１４は、膜厚が１０ｎｍのＴａからなる。結晶配向用下地１５は、膜厚が０．５ｎｍのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、膜厚が０．５ｎｍのＭｇＯ、膜厚が３ｎｍのＰｔを順次形成した構成からなる。ここで、ＭｇＯ／Ｐｔ積層膜は、（００１）面が配向している。固定層１２は、膜厚が１０ｎｍの（００１）面が配向したＦｅ５０Ｐｔ５０からなる。第１の高分極率層１８は、膜厚が２ｎｍのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０からなる。トンネルバリア層ＴＢは、膜厚が０．８ｎｍのＭｇＯからなり、ＭｇＯは（００１）面が配向している。第２の高分極率層１９は、膜厚が０．５ｎｍのＦｅ８０Ｂ２０からなり、（００１）面が配向している。記録層１１は、膜厚が２．０ｎｍのＦｅ１５Ｎｉ３５Ｐｔ５０からなり、（００１）面が配向している。キャップ層１６は、膜厚が３ｎｍのＰｔからなる。上部電極１７は、膜厚が５ｎｍのＴａ、膜厚が５ｎｍのＲｕ、膜厚が１００ｎｍのＴａを順次形成した積層膜からなる。
【０２１８】
このようなＭＴＪ素子１０を０．１ｕｍ×０．１ｕｍの素子サイズに加工し、４端子法によりＲ−Ｈループを測定したところ、固定層１２の保磁力は５．０ｋＯｅ、記録層１１の保磁力は１ｋＯｅであった。また、加工前に振動試料型磁力計でＭＨループから飽和磁化を測定したところ、固定層１２は１０００ｅｍｕ／ｃｃ、記録層１１は４５０ｅｍｕ／ｃｃであった。但し、固定層１２と第１の高分極率層１８は交換結合し、記録層１１と第２の高分極率層１９は交換結合しているため、それぞれ１つの磁性層として振舞うので、上述した保磁力、飽和磁化は１つの磁性体として見た場合の値である。
【０２１９】
ここで、記録層１１と第２の高分極率層１９のそれぞれの飽和磁化、磁気異方性エネルギー密度は、以下の通りである。記録層１１の飽和磁化Ｍｓ２、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ２は、それぞれ２５０ｅｍｕ／ｃｃ、２×１０６ｅｒｇ／ｃｃ、第２の高分極率層１９の飽和磁化Ｍｓ１、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ１は、それぞれ１３００ｅｍｕ／ｃｃ、１×１０３ｅｒｇ／ｃｃである。そこで、（式１５）乃至（式１７）のように見積もると、全体としての飽和磁化Ｍｓ、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕは、それぞれ４６０ｅｍｕ／ｃｃ、１．６×１０６ｅｒｇ／ｃｃとなる。ここで、人工格子の飽和磁化はＰｔ／ＣｏＣｒ全体の膜厚から換算した。これから、異方性磁界を見積もると、７ｋＯｅとなり、測定された保磁力よりも大きい。保磁力が異方性磁界よりも小さいのは膜質の不均一性等に起因して反転核が形成され、磁壁移動により磁化反転が起きていると考えられる。
【０２２０】
ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比は、高分極率層１８，１９の寄与により、１２０％である。この素子をスピン注入磁化反転させたところ、平均の電流密度は５．７×１０６Ａ／ｃｍ２である。
【０２２１】
尚、磁化反転の目安となる磁気パラメータに保磁力Ｈｃがあるが、理想的に単磁区で磁化反転する場合は、ＨｃとＨｋは等しい。しかし、現実には単磁区とはならず、ＨｃはＨｋの０．３倍程度よりも小さくなると言われている。上述した具体例は、保磁力Ｈｃであり、実際は、Ｈｋは保磁力よりも大きく、Ｈｋ＞４πＭｓを満たしている。Ｈｋはトクルメーターにより磁気異方性エネルギー密度ＫｕからＨｋ＝２Ｋｕ／Ｍｓで評価することができる。
【０２２２】
上述する具体例４−１から具体例４−４では、シングルピン構造のＭＴＪ素子１０を例にあげているが、上記（式１）から（式２０）、図１３から図１５の関係はデュアルピン構造についても適用できる。
【０２２３】
［２］磁気ランダムアクセスメモリ
次に、上述する垂直磁化型のＭＴＪ素子１０をメモリセルの記憶素子として磁気ランダムアクセスメモリに適用した例を説明する。
【０２２４】
（ａ）実施形態１
実施形態１は、選択トランジスタ型のメモリセルを備えた磁気ランダムアクセスメモリの例である。
【０２２５】
図１７は、本発明の実施形態１に係る磁気ランダムアクセスメモリの概略的な断面図を示す。以下に、実施形態１に係る磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。
【０２２６】
図１７に示すように、半導体基板（例えばシリコン基板）６１上にゲート絶縁膜６２を介してゲート電極６３が形成され、このゲート電極６３の両側の半導体基板６１内にソース／ドレイン拡散層６４ａ，６４ｂが形成されている。このように、読み出し用のスイッチング素子として機能するトランジスタＴｒが設けられている。
【０２２７】
ドレイン拡散層６４ｂには、コンタクト６５を介して引き出し配線６６が接続されている。この引き出し配線６６上に下部配線１４が形成され、この下部配線１４上に垂直磁化型のＭＴＪ素子１０が形成されている。ＭＴＪ素子１０上に上部配線１７が形成され、この上部配線１７上に配線６７が形成されている。一方、ソース拡散層６４ｂには、コンタクト６８を介して配線６９が接続されている。
【０２２８】
尚、ＭＴＪ素子１０を引き出し配線６６上に形成する場合、上述するように、ＭＴＪ素子１０の一端に下部電極１４を形成することが望ましい。下部電極１４は、ＭＴＪ素子１０とトランジスタＴｒとの電気伝導が確保されればよく、抵抗率の低い材料が好ましい。また、下部電極１４上にＭＴＪ素子１０を形成するため、できるだけ平滑性の高い材料を形成することが望ましく、例えば、Ｔａ、ＴａＮ等や、これらの積層膜を用いればよい。また、下部電極１４を形成した後、平滑性を向上させるためＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）による平坦化の工程があってもよい。
【０２２９】
書き込み動作は、次のように行われる。まず、スイッチング素子を用いて、メモリセルアレイの複数のＭＴＪ素子の中からＭＴＪ素子１０を選択する。すなわち、ＭＴＪ素子１０につながるトランジスタＴｒのゲート電極６３の電位をＯＮ状態にする。これにより、配線６７から配線６９へ又は配線６９から配線６７へ、書き込み電流が流れる。この書き込み電流によりスピン偏極電子がＭＴＪ素子１０に注入され、スピン注入書き込みが実現する。
【０２３０】
一方、読み出し動作は、次のように行われる。読み出し動作は、上述する書き込み動作と同様の経路で、配線６７から配線６９へ又は配線６９から配線６７へ、読み出し電流を流す。ここで、ＭＴＪ素子１０のトンネル抵抗を読み出し、“１”、“０”の判断を行う。
【０２３１】
以上のような実施形態１によれば、垂直磁化型のＭＴＪ素子１０を用いることで、反転磁界Ｈｓｗを増加させることなく、ＭＴＪ素子１０の微細化が可能になる。また、上述するようにＭＴＪ素子１０を微細化しても反転磁界が増加しないため、従来の磁気ランダムアクセスメモリでは実現できなかった９０ｎｍ以下の微細なＭＴＪ素子１０を有する大容量（例えば２５６Ｍビット以上）の磁気ランダムアクセスメモリを実現できる。さらに、スピン注入書き込みを採用することで、書き込みと読み出しを同じ経路で行うことができるため、セル面積を著しく縮小することができる。
【０２３２】
（ｂ）実施形態２
ＭＴＪ素子１０を用いた場合、各磁性層からの漏れ磁場が隣接セルに影響を及ぼす可能性がある。そこで、実施形態２では、漏れ磁場の影響を低減するために、配線に軟磁性膜を設ける。
【０２３３】
図１８は、本発明の実施形態２に係る磁気ランダムアクセスメモリの概略的な断面図を示す。以下に、実施形態２に係る磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。
【０２３４】
図１８に示すように、ＭＴＪ素子１０の上下に位置する配線６６，６７，６９に軟磁性膜７１，７２，７３をそれぞれ設けている。具体的には、軟磁性膜７３は配線６６のＭＴＪ素子１０側の底面を覆い、軟磁性膜７２は引き出し配線６６のＭＴＪ素子１０側の上面を覆い、軟磁性膜７１は配線６９のＭＴＪ素子１０側の上面を覆っている。
【０２３５】
このような軟磁性膜７１，７２，７３は、ＭＲＡＭで知られている磁性ヨーク配線構造とは異なる。すなわち、磁性ヨークは、書き込み配線に流す電流から発生する磁場を効率的にＭＴＪ素子に供給するために設けるので、書き込み配線の周囲を全て覆わずに、書き込み配線のＭＴＪ素子に対向する面には設けないようにする。これに対し、本実施形態の軟磁性膜７１，７２，７３は、ＭＴＪ素子１０から発生する漏れ磁場が近隣の配線に影響を及ぼすことを抑制するために設けられている。つまり、本実施形態の軟磁性膜７１，７２，７３はＭＴＪ素子１０からの漏れ磁場を吸い込むことを目的とするため、ＭＴＪ素子１０より上にある配線６７に対しては配線６７の底面に、ＭＴＪ素子１０より下にある配線６６，６９には配線６６，６９の上面に、軟磁性膜７１，７２，７３が設けられ、ヨーク配線とは異なる。
【０２３６】
尚、軟磁性膜７１，７２，７３は、配線６６，６７，６９の上面又は底面のみに形成することに限定されない。例えば、軟磁性膜７１，７２，７３は、配線６６，６７，６９の側面にもさらに設けてもよいし、配線６６，６７，６９の周囲の面の全てを周回してもよい。さらに、配線６６，６７，６９に限らず、ベース等、ＭＴＪ素子１０に近接してある部位に軟磁性膜を形成してもよい。例えば、ＭＴＪ素子１０を上下（厚さ方向）から軟磁性膜で挟持してもよい。ＭＴＪ素子１０の側面に接して軟磁性膜を形成してもよく、この場合、ＭＴＪ素子１０の記録層と固定層とがショートしないように絶縁性の軟磁性膜を用いることが望ましい。
【０２３７】
軟磁性膜７１，７２，７３は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏのうち、いずれか１つの元素あるいはそれらの元素を少なくとも１つ以上含む合金からなる磁性層からなり、例えば、ＮｉＦｅが好ましいが、ＣｏＮｉ、ＦｅＣｏでも使用することができる。また、軟磁性膜７１，７２，７３は、ＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅのようにいわゆるＳＡＦ構造になっていてもよい。
【０２３８】
以上のような実施形態２によれば、上記実施形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、配線６６，６７，６９に軟磁性膜７１，７２，７３を設けることで、ＭＴＪ素子１０からの漏れ磁場を吸い込むことができるため、隣接セルへの影響を低減することが可能となる。
【０２３９】
［３］磁気ランダムアクセスメモリの応用
上述した本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリにおいて、メモリセルの構造は種々のタイプに適用できる。
【０２４０】
（ａ）適用例１
図１９は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの適用例１としてデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部分のブロック図を示す。以下に適用例１について説明する。
【０２４１】
図１９に示すように、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）１００、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ及びデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１１０，１２０、送信ドライバ１３０、受信機増幅器１４０等を含む。
【０２４２】
図１９では、バンドパスフィルタを省略されている。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が設けられる。このメモリとして、上述する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）１７０とＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）１８０を示している。
【０２４３】
尚、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磁気ランダムアクセスメモリ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０の２種類のメモリが用いられているが、ＥＥＰＲＯＭ１８０がＭＲＡＭに置き換えられていてもよい。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。
【０２４４】
（ｂ）適用例２
図２０は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリの適用例２として携帯電話端末における通信機能を実現する部分のブロック図を示す。以下に適用例２について説明する。
【０２４５】
図２０に示すように、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。
【０２４６】
また、この携帯電話端末３００は、当該携帯電話端末の各部を制御する制御部２２０を有する。制御部２２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２２１、ＲＯＭ２２２、上記実施形態及び適用例１の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）２２３、フラッシュメモリ２２４がＣＰＵ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。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に関して必要なデータが予め記憶されている。
【０２４７】
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など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記憶したりする場合などに用いられる。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などを記憶しておき、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。
【０２４８】
また、携帯電話端末３００は、音声データ再生処理部２１１、外部出力端子２１２、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）コントローラ２１３、表示用のＬＣＤ２１４、呼び出し音を発生するリンガ２１５を有する。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（あるいは後述する外部メモリ２４０に記憶された音声データ）を再生する。再生された音声データは、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、外部に取り出される。ＬＣＤコントローラ２１３は、例えばＣＰＵ２２１からの表示情報をＣＰＵバス２２５を介して受け取り、ＬＣＤ２１４を制御するためのＬＣＤ制御情報に変換する。この制御情報によって、ＬＣＤ２１４が駆動され、情報が表示される。
【０２４９】
また、携帯電話端末３００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、外部入出力端子２３６を有する。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。外部メモリスロット２３２は、インターフェース回路２３１を介してＣＰＵバス２２５に接続される。このように、携帯電話端末３００にスロット２３２を設けることにより、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、あるいは外部メモリ２４０に記憶された情報（例えば音声データ）を携帯電話端末３００に入力したりすることが可能となる。キー操作部２３４は、インターフェース回路２３３を介してＣＰＵ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２３５を介してＣＰＵ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、あるいは携帯電話端末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。
【０２５０】
尚、本適用例では、ＲＯＭ２２２、ＭＲＡＭ２２３、フラッシュメモリ２２４が用いられているが、フラッシュメモリ２２４、ＲＯＭ２２２の両方またはいずれか一方をＭＲＡＭに置き換えることもできる。
【０２５１】
（ｃ）適用例３
図２１は、本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリがスマートメディア等のメディアコンテンツを収納する電子カード（ＭＲＡＭカード）に適用された適用例３を示す。以下に、適用例３について説明する。
【０２５２】
図２１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。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、外部磁界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。
【０２５３】
図２２及び図２３は、図２１の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（電子装置）の上面図及び断面図を示す。以下に、カード挿入型のデータ転写装置について説明する。
【０２５４】
図２２及び図２３に示すように、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。
【０２５５】
エンドユーザの使用する第２のＭＲＡＭカード４５０をデータ転写装置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。ストッパ５２０は、第１のＭＲＡＭカード５５０と第２のＭＲＡＭカード４５０との位置合わせするための部材としても用いられる。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５５０のデータ書き換え制御部から外部端子５３０にデータ書き換え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。
【０２５６】
図２４は、図２１のＭＲＡＭカードにデータを転写するためのはめ込み型のデータ転写装置の断面図を示す。以下に、はめ込み型のデータ転写装置について説明する。
【０２５７】
図２４に示すように、はめ込み型のデータ転写装置は、図の矢印で示すように、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をはめ込みように載置するタイプである。転写方法については、前述したカード挿入型のデータ転写装置と同一であるので、説明を省略する。
【０２５８】
図２５は、図２１の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の断面図を示す。以下に、スライド型のデータ転写装置について説明する。
【０２５９】
図２５に示すように、スライド型のデータ転写装置は、ＣＤ−ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブと同様、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が図中矢印で示すように移動する。受け皿スライド５６０が図中破線で示す位置に移動した時に第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前述したカード挿入型のデータ転写装置と同一であるので、説明を省略する。
【０２６０】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【０２６１】
１０…ＭＴＪ素子、１１…記録層、１２，１２ａ，１２ｂ…固定層、１３，１３ａ，１３ｂ，３２，３５，５４…非磁性層、１４…下部電極、１５…結晶配向用下地、１６…キャップ層、１７…上部電極、１８，１９…高分極率層、２１，２１−１，２１−２…記録層の磁化方向、２２，２２ａ，２２ｂ，２２−１，２２−２…固定層の磁化方向、３０…スピン偏極電流、３１，３３，３４，３６…磁性層、５１，５２，５３…ＲＥ−ＴＭ合金層、６１…半導体基板、６２…ゲート絶縁膜、６３…ゲート電極、６４ａ…ソース拡散層、６４ｂ…ドレイン拡散層、６５，６８…コンタクト、６６…引き出し配線、６７，６９…配線、７１，７２，７３…軟磁性膜、ＴＢ…トンネルバリア層、Ｔｒ…トランジスタ、１００…プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ、１１０…アナログーデジタルコンバータ、１２０…デジタルーアナログコンバータ、１３０…送信ドライバ、１４０…受信機増幅器、１７０，２２３…ＭＲＡＭ、１８０…ＥＥＰＲＯＭ、２００…通信部、２０１…送受信アンテナ、２０２…アンテナ共用器、２０３…受信部、２０４…ベースバンド処理部、２０５…ＤＳＰ、２０６…スピーカ、２０７…マイクロホン、２０８…送信部、２０９…周波数シンセサイザ、２１１…音声データ再生処理部、２１２…外部出力端子、２１３…ＬＣＤコントローラ、２１４…ＬＣＤ、２１５…リンガ、２２０…制御部、２２１…ＣＰＵ、２２２…ＲＯＭ、２２４…フラッシュメモリ、２３１，２３３，２３５…インターフェース回路、２３２…外部メモリスロット、２３４…キー操作部、２３６…外部出力端子、２４０…外部メモリ、３００…携帯電話端末、４００…メモリカード、４０１…ＭＲＡＭチップ、４０２…開口部、４０３…シャッター、４０４…外部端子、４５０…第２のＭＲＡＭカード、５００…転写装置、５１０…挿入部、５２０…ストッパ、５３０…外部端子、５５０…第１のＭＲＡＭカード、５６０…受け皿スライド。
【図１】
2010021580.tif 000012
【図２】
2010021580.tif 000013
【図３】
2010021580.tif 000014
【図４】
2010021580.tif 000015
【図５】
2010021580.tif 000016
【図６】
2010021580.tif 000017
【図７】
2010021580.tif 000018
【図８】
2010021580.tif 000019
【図９】
2010021580.tif 000020
【図１０】
2010021580.tif 000021
【図１１】
2010021580.tif 000022
【図１２】
2010021580.tif 000023
【図１３】
2010021580.tif 000024
【図１４】
2010021580.tif 000025
【図１５】
2010021580.tif 000026
【図１６】
2010021580.tif 000027
【図１７】
2010021580.tif 000028
【図１８】
2010021580.tif 000029
【図１９】
2010021580.tif 000030
【図２０】
2010021580.tif 000031
【図２１】
2010021580.tif 000032
【図２２】
2010021580.tif 000033
【図２３】
2010021580.tif 000034
【図２４】
2010021580.tif 000035
【図２５】
2010021580.tif 000036