(57)【要約】【課題】全膜厚をより薄くすることで、サイズの微細化を可能にする。【解決手段】磁気抵抗効果素子３０は、遷移金属窒化物膜１１と、反強磁性膜１２と、第１の強磁性膜１３と、反平行結合膜１６と、第２の強磁性膜１７と、非磁性膜１４と、垂直磁気異方性膜１５とがこの順に積層された多層膜を含む。第１の強磁性膜１３は、負の垂直磁気異方性定数を有し、第１の強磁性膜１３の磁化は、反強磁性膜１２の発生する交換結合磁界により強制的に膜面垂直方向に向けられ、第１の強磁性膜１３の磁化と第２の強磁性膜１７の磁化とは、反平行結合膜１６が誘起する超交換相互作用によって反平行に向けられている。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遷移金属窒化物膜と、反強磁性膜と、第１の強磁性膜と、反平行結合膜と、第２の強磁性膜と、非磁性膜と、垂直磁気異方性膜とがこの順に積層された多層膜を具備し、
前記第１の強磁性膜は、負の垂直磁気異方性定数を有し、
前記第１の強磁性膜の磁化は、前記反強磁性膜の発生する交換結合磁界により強制的に膜面垂直方向に向けられ、
前記第１の強磁性膜の磁化と前記第２の強磁性膜の磁化とは、前記反平行結合膜が誘起する超交換相互作用によって反平行に向けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
遷移金属窒化物膜と、反強磁性膜と、強磁性膜と、非磁性膜と、垂直磁気異方性膜とがこの順に積層された多層膜を具備し、
前記強磁性膜は、負の垂直磁気異方性定数を有し、
前記強磁性膜の磁化は、前記反強磁性膜の発生する交換結合磁界により強制的に膜面垂直方向に向けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記遷移金属窒化物膜は、窒化チタン、窒化バナジウム、窒化クロム、窒化マンガン、窒化鉄、窒化コバルト、窒化銅、窒化ルテニウム、窒化タングステンのいずれか、またはこれらから選ばれる２種類以上の窒化物からなる合金窒化物であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記遷移金属窒化物膜は、立方晶の結晶構造であり、その格子定数が０．３７９〜０．４２２ｎｍの範囲にあり、その（００１）結晶面が膜面に略平行に優先配向していることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記遷移金属窒化物膜は、正方晶の結晶構造であり、その短手方向の格子定数が０．３７９〜０．４２２ｎｍの範囲にあり、その（００１）結晶面が膜面に略平行に優先配向していることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
垂直磁気異方性膜と、非磁性膜と、強磁性膜と、反平行結合膜と、遷移金属磁性窒化物膜と、反強磁性膜とがこの順に積層された多層膜を具備し、
前記遷移金属磁性窒化物膜は、負の垂直磁気異方性定数を有し、
前記遷移金属磁性窒化物膜の磁化は、前記反強磁性膜の発生する交換結合磁界により強制的に膜面垂直方向に向けられ、
前記強磁性膜の磁化と前記遷移金属磁性窒化物膜の磁化とは、前記反平行結合膜が誘起する超交換相互作用によって反平行に向けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
垂直磁気異方性膜と、非磁性膜と、遷移金属磁性窒化物膜と、反強磁性膜とがこの順に積層された多層膜を具備し、
前記遷移金属磁性窒化物膜は、負の垂直磁気異方性定数を有し、
前記遷移金属磁性窒化物膜の磁化は、前記反強磁性膜の発生する交換結合磁界により強制的に膜面垂直方向に向けられていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記遷移金属磁性窒化物膜は、窒化マンガン、窒化鉄、窒化コバルトのいずれか、またはこれらから選ばれる２種類以上の窒化物からなる合金窒化物であることを特徴とする請求項６または７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記遷移金属磁性窒化物膜は、立方晶の結晶構造であり、その格子定数が０．３７９〜０．３８７ｎｍの範囲にあり、その（００１）結晶面が膜面に略平行に優先配向していることを特徴とする請求項６または７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記遷移金属磁性窒化物膜は、正方晶の結晶構造であり、その短手方向の格子定数が０．３７９〜０．３８７ｎｍの範囲にあり、その（００１）結晶面が膜面に略平行に優先配向していることを特徴とする請求項６または７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記反強磁性膜は、ニッケル-マンガン、パラジウム-マンガン、白金-マンガン、イリジウム-マンガン、ロジウム-マンガン、ルテニウム-マンガンのいずれか、またはこれらから選ばれる２種類以上からなる合金であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記反平行結合膜は、ルテニウム、イリジウム、ロジウムのいずれか、またはこれらから選ばれる２種類以上からなる合金であることを特徴とする請求項１または６に記載の磁気抵抗効果素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９８９年にA. FertとP. A. Grunbergらによって報告（Phys. Rev. Lett., vol. 61, No. 21, pp.2472）された［強磁性膜／非磁性膜］ｎ人工格子膜における巨大磁気抵抗効果（Giant Magnetoresistance effect：ＧＭＲ）は、その後International Business Machines社によって人工格子部分が簡略化され反強磁性膜が付加された「強磁性膜／非磁性膜／強磁性膜／反強磁性膜」の多層構造を有するスピンバルブ磁気抵抗効果膜が開発されたことで、ハードディスクドライブ（Hard Disk Drive：ＨＤＤ）用の再生ヘッド用素子として実用化に至った。
【０００３】
また、１９９５年にT. Miyazakiらによって実証された室温におけるトンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magnetoresistance effect：ＴＭＲ）は、「強磁性膜／酸化アルミニウム(Al-O)トンネル障壁膜／強磁性膜」の構造で見出されたが、のちＴＤＫ社によって反強磁性膜が付加された「強磁性膜／Al-Oトンネル障壁膜／強磁性膜／反強磁性膜」の多層構造で実用化された（IEEE Trans. Magn., vol. 38, No. 1, pp.72）。また、２００１年にW. H. Butlerらによって理論的に予想され、２００３年にS. Yuasaらによって実証された酸化マグネシウム（MgO）の（１００）配向膜をトンネル障壁膜に用いた巨大トンネル磁気抵抗効果も、２００４年にアネルバ社（現在はキャノンアネルバ社）によって「強磁性膜／MgOトンネル障壁膜／強磁性膜／反強磁性膜」の多層構造を有する磁気抵抗効果素子が開発されたことで実用化に至った。
【０００４】
以上はＨＤＤ用再生ヘッドでの実用化例だが、それ以外の分野で磁気抵抗効果膜を用いた素子が実用化された例として磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）がある。Motorola社によって開発されFreescale Semiconductor社によって量産化されたＭＲＡＭでは、情報を記憶する素子に「強磁性膜／Al-Oトンネル障壁膜／強磁性膜／反強磁性膜」の多層構造を基本としたＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を用いていると見られている。
【０００５】
これまでＨＤＤ用再生ヘッドやＭＲＡＭで実用化された磁気抵抗効果膜は、「強磁性膜／非磁性膜／強磁性膜」の多層構造だけではなく、常に反強磁性膜が付加された形で用いられており、新規の膜開発においても磁気抵抗効果膜と言えば反強磁性膜付きの多層構造のものが一般的である。反強磁性膜が発生する交換結合磁界には、隣接する強磁性膜の磁化方向を略一方向に固定する効果があるため、反強磁性膜はＨＤＤ用再生ヘッドの再生信号の安定化や、ＭＲＡＭに記憶した“０”、“１”の情報を長期間保存し続けるのに不可欠な要素とされる。
【０００６】
Freescale Semiconductor社（現在はEverspin Technologies社）が現在量産しているＭＲＡＭは、情報の書き込みに磁界書き込み方式を用いていることが知られている。磁界書き込み方式は、書き込み時間が長い、あるいは微細化すると必要な書き込み電流が増大し駆動トランジスタの能力を超えるなどの原理的な壁があり、高速化および高集積化には向かないとされている。一方で、磁界書き込み方式に代わり、２０００年に実証されたスピン注入磁化反転（Spin transfer magnetization switching：ＳＴＳ）現象を用いたスピン注入書き込み方式をＭＲＡＭに適用することで、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）以上の高速化と高集積化が実現すると期待されている。
【０００７】
中でも、多層膜表面に対して垂直方向に磁化を向けた強磁性膜を記憶素子に用いた垂直磁化ＭＴＪ素子は、従来の膜面内に磁化が向いているＭＴＪ素子に比べてスピン注入電流が短パルス化および低電流化できるため、究極の高速・高集積ＭＲＡＭが実現できると考えられている。なお、ＨＤＤ用再生ヘッドでは、記録媒体からの漏洩磁界が印加される方向が常に磁気抵抗効果膜の膜面内方向のため、２つの強磁性層のうち一方の磁化固定方向が膜面内方向である必要がある。よって、ＨＤＤ用再生ヘッドでは、膜面垂直方向に磁化を固定された強磁性膜を含む磁気抵抗効果膜が用いられることはない。
【０００８】
現在のところ垂直磁化ＭＴＪ素子とスピン注入反転書き込み方式を用いたＭＲＡＭでは、「第１の強磁性膜／トンネル障壁膜／第２の強磁性膜」の多層構造を含んだＭＴＪ素子において第１及び第２の強磁性膜を垂直磁気異方性膜とし、第１の垂直磁気異方性膜の保磁力を第２の垂直磁気異方性膜の保磁力よりも大きくすることで、第１の垂直磁気異方性膜の磁化方向を固定した状態を作り出す。垂直磁気異方性膜の例としては、ＨＤＤ用記録媒体に用いられているコバルト−白金（Co-Pt）系合金、光磁気記録に用いられているテルビウム−鉄−コバルト（Tb-Fe-Co）などの希土類−遷移金属系アモルファス合金（Rare earth-Transition metal amorphous alloy：ＲＥ−ＴＭ)などが知られている。これらの材料は、例えばスパッタリング法で基板上に堆積して膜形成され、膜全体としてＫｕ＝１×１０５Ｊ／ｍ３以上の垂直磁気異方性定数が得られている。
【０００９】
現在ＨＤＤ用再生ヘッドやＭＲＡＭに用いられている面内磁化ＭＴＪ素子は、反強磁性膜を磁化固定に用いているものがほとんどである。一方で、垂直磁化ＭＴＪ素子においては、強磁性膜の磁化が膜面垂直方向に向いた時の反磁界が大きいため、現在一般的に知られている反強磁性膜では、強磁性膜の磁化を固定するだけの十分な交換結合磁界が得られていないことから、現状では強磁性膜に垂直磁気異方性膜を用いる必要がある。しかし、垂直磁気異方性膜の磁化を反強磁性膜で膜面垂直方向に固定するのは無意味であるばかりか、多層膜の全膜厚が反強磁性膜の厚さ分厚くなるなどのマイナスの効果しかないことから、現在ＭＲＡＭ用に開発されている垂直磁化ＭＴＪ素子には、垂直磁気異方性膜を用いるだけで、反強磁性膜は付加されていないものが一般的となっている。
【００１０】
一方で、半導体メモリにおいては、記憶素子サイズの狭小化により集積度を上げることが要求されるが、このサイズの限界はＭＴＪ素子の微細加工の精度によって決まってしまう。この微細加工は、一般的に、ＭＴＪ素子上にフォトリソグラフィ法でパターンマスクを形成し、イオンビームエッチング（Ion Beam Etching：ＩＢＥ）または反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ)でマスク開口部を除去することで実現している。しかし、ＭＴＪ素子に使われる強磁性膜などはＲＩＥにおける材料選択比が小さいため、半導体プロセスで一般的な矩形の断面形状が得られず、膜面に対して断面が４５〜６０度の傾きを持つ、いわゆるテーパ形状になってしまう。このため、原則としてＭＴＪ素子の全膜厚は、記憶素子サイズと同程度まで薄くしなくてはならない。
【００１１】
例えば記憶素子サイズが６０ｎｍでセル間隔が６０ｎｍの、いわゆる８Ｆ２（Ｆはminimum feature size）配置のアレイを微細加工で作るには、テーパ角度が６０度の加工条件だと、ＭＴＪ素子の全膜厚を約５２ｎｍ以下にする必要がある。これより厚い膜を微細加工すると、テーパ形状の底部において隣接するビット同士がつながってしまうためである。逆に言えば、ＭＲＡＭの集積度を上げるためには、ＭＴＪ素子は薄くして行かなくてはならないということになる。テーパ角度が９０度近くまでになれば、ＭＴＪ素子の膜厚の制限はなくなるが、現在のところ稠密パターンをそのように加工できる方法は知られていない。
【００１２】
加工限界に対応するために垂直磁気異方性膜を薄くしていくと、反磁界は膜厚に反比例して増大する一方で異方性磁界は減少して行くため、いずれは垂直磁気異方性膜の薄膜化限界に達してしまう。一般的に、前述の合金系で約４０ｎｍ以下、ＲＥ−ＴＭ系でも約２５ｎｍ以下の膜厚になると垂直磁気異方性が弱くなり始め、半導体メモリの平均動作温度、例えば８５℃程度の温度下で磁化の方向が膜面内成分を含むようになってしまう、すなわち磁化を一方向に固定できなくなる。磁化を固定しない方の強磁性膜は、これより薄くても垂直磁気異方性定数が正である範囲であればメモリ動作は可能だが、それでも合金系では約５ｎｍ、ＲＥ−ＴＭ系では約２ｎｍ程度が限界である。
【００１３】
また、磁化方向が固定された垂直磁気異方性膜からの漏れ磁界は膜厚に比例するため、漏れ磁界の大きさも薄膜化限界以下にできない。一方で、磁化固定層からの漏れ磁界を低減するための第３の強磁性膜を付加する場合、この第３の強磁性層にも薄膜化限界があるため、一般的に、前述の合金系で８０ｎｍ以上、ＲＥ−ＴＭ系でも５０ｎｍ以上の全膜厚が必要となる。これは、垂直磁化ＭＴＪ素子を用いたＭＲＡＭはこれ以下のサイズの高集積化に対応できないということであり、半導体メモリとして致命的である。
【００１４】
漏れ磁界を減少させる手段として磁化を固定する方の垂直磁気異方性膜に飽和磁化の小さい材料を用いることも検討されているが、磁気抵抗効果が小さくなる、耐熱性がさらに悪くなるなどの副作用があるため、完全な解決策とはならないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１０−２３２４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
実施形態は、多層膜構造の改良とこれに適した膜材料の適用によって全膜厚をより薄くすることで、サイズの微細化が可能な磁気抵抗効果素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、遷移金属窒化物膜と、反強磁性膜と、第１の強磁性膜と、反平行結合膜と、第２の強磁性膜と、非磁性膜と、垂直磁気異方性膜とがこの順に積層された多層膜を具備する。前記第１の強磁性膜は、負の垂直磁気異方性定数を有し、前記第１の強磁性膜の磁化は、前記反強磁性膜の発生する交換結合磁界により強制的に膜面垂直方向に向けられ、前記第１の強磁性膜の磁化と前記第２の強磁性膜の磁化とは、前記反平行結合膜が誘起する超交換相互作用によって反平行に向けられていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の交換結合多層膜の構成を示す断面図。
【図２】比較例に係る多層膜の磁化曲線。
【図３】実施例１に係る交換結合多層膜の磁化曲線。
【図４】実施例２に係る交換結合多層膜の磁化曲線。
【図５】第２の交換結合多層膜の構成を示す断面図。
【図６】逆積層ＭＴＪ素子の構成を示す断面図。
【図７】シフト調整層を備えた逆積層ＭＴＪ素子の構成を示す断面図。
【図８】変形例に係る逆積層ＭＴＪ素子の構成を示す断面図。
【図９】変形例に係る逆積層ＭＴＪ素子の構成を示す断面図。
【図１０】順積層ＭＴＪ素子の構成を示す断面図。
【図１１】シフト調整層を備えた順積層ＭＴＪ素子の構成を示す断面図。
【図１２】変形例に係る順積層ＭＴＪ素子の構成を示す断面図。
【図１３】変形例に係る順積層ＭＴＪ素子の構成を示す断面図。
【図１４】ＭＲＡＭの構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。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。
【００２０】
以下では、実施形態としてその詳細を、［ａ］：交換結合多層膜、［ｂ］：［ａ］を用いた磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子）、[ｃ]：[ｂ]を用いたＭＲＡＭ、の３形態に分けて段階的に記述する。
【００２１】
［ａ］  交換結合多層膜
交換結合多層膜には、［ａ−１］少なくとも遷移金属窒化物膜とマンガン系反強磁性膜と磁化方向を固定される強磁性膜の３層がこの順に積層されてなるもの（第１の交換結合多層膜）と、［ａ−２］少なくとも磁化方向を固定される遷移金属強磁性窒化物膜とマンガン系反強磁性膜の２層がこの順に積層されてなるもの（第２の交換結合多層膜）、の２種類がある。いずれも垂直方向の交換結合磁界の発生原理は同じであるため、ここで併記する。
【００２２】
［ａ−１］  第１の交換結合多層膜
図１は、第１の交換結合多層膜１０の構成を示す断面図である。交換結合多層膜１０は、少なくとも、遷移金属窒化物膜１１と、マンガン系反強磁性膜１２と、磁化方向を固定される強磁性膜１３の３層がこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。この場合、遷移金属窒化物膜１１と反強磁性膜１２が隣接してこの順に積層されていることが必要である。遷移金属窒化物膜１１は、その直下に下地膜として非遷移金属膜あるいは非窒化物膜が存在しても良い。
【００２３】
磁化方向を固定される強磁性膜１３は、単層の強磁性膜の場合と、複数の強磁性膜または複数の強磁性膜と非磁性膜の積層からなる多層膜の場合があるが、強磁性膜全体としては負の垂直磁気異方性定数を有しており、その膜単独では面内方向に磁化が向く面内磁化膜となっているものに限られる。
【００２４】
遷移金属窒化物膜１１は、窒化チタン（Ti-N）、窒化バナジウム（V-N）、窒化クロム（Cr-N）、窒化マンガン（Mn-N）、窒化鉄（Fe-N）、窒化コバルト（Co-N）、窒化銅（Cu-N）、窒化ルテニウム（Ru-N）、窒化タングステン（W-N）のいずれか、またはこれらから選ばれる２種類以上の窒化物からなる合金窒化物を含む。ここで列記された遷移金属窒化物はその特徴として、（１）立方晶または正方晶の結晶系であり、その多くがNaCl構造である、（２）遷移金属の原子半径が窒素に比べて大きい、（３）結晶の格子定数（正方晶の場合は短手方向の格子定数）が０．３７９〜０．４２２ｎｍの範囲にある、ことが挙げられる。
【００２５】
これは、原子半径が大と小の元素から構成されるNaCl構造で原子の面密度の総和が最も大きくなるのがNaCl（００１）面であることから、スパッタなどの薄膜形成法で二次元的に成長させようとした時に、NaCl（００１）面が膜面に対して平行の結晶成長が起きやすいという性質を必要とするためである。この性質は、元素によらず結晶構造に依存するため、前記のうち２種類以上の遷移金属を含む窒化物においてもこの性質は変わらない。従って、遷移金属窒化物膜１１は、（００１）結晶面が膜面に略平行に優先配向している。
【００２６】
立方晶または正方晶の構造を有する材料は非窒化物にもあるが、通常の薄膜形成法で（００１）面配向膜が得られるのは酸化物や硫化物などしかなく、これらは絶縁性であるため本実施形態の用途には適さない。また、遷移金属以外の窒化物、例えば窒化ホウ素や窒化アルミニウムなどはNaCl構造とならず、窒化ナトリウムなどは１：１の組成にならないなど上記の性質を有しない。
【００２７】
このように、（００１）面配向した遷移金属窒化物膜１１の上に反強磁性膜１２を積層すると、両者の格子定数が非常に近いことから、反強磁性膜１２が（００１）面配向でヘテロエピタキシャル的に成長する。
【００２８】
マンガン系反強磁性膜１２は、ニッケル-マンガン（Ni-Mn）、パラジウム-マンガン（Pd-Mn）、白金-マンガン（Pt-Mn）、イリジウム-マンガン（Ir-Mn）、ロジウム-マンガン（Rh-Mn）、ルテニウム-マンガン（Ru-Mn）のいずれか、またはこれらから選ばれる２種類以上からなる合金を含む。ここで列記されたマンガン系反強磁性膜１２は、マンガン（Mn）が約４０乃至８０at％（原子％）含まれており、面心立方格子(face-centered cubic：ｆｃｃ)または面心正方格子(face-centered tetragonal：ｆｃt)の格子点にマンガン（Mn）もしくは上に出てくるニッケル（Ni）、パラジウム（Pd）、白金（Pt）、イリジウム（Ir）、ロジウム（Rh）、またはルテニウム（Ru）の金属元素が入った構造となっていて、その結晶の格子定数は０．３７５〜０．４０７ｎｍの範囲にある。このように、マンガン系反強磁性膜１２は、その結晶の格子定数が遷移金属窒化物膜１１の格子定数に近い材料が選択される。
【００２９】
これらの反強磁性膜は、結晶の＜１００＞軸方向に沿ってMn原子の磁気モーメントが最も大きくなることが知られている。このため、（００１）面配向した反強磁性膜１２においては、膜面垂直方向の＜１００＞軸成分の割合が＜１１０＞や＜１１１＞軸成分よりも遥かに多くなるため、交換結合磁界の総和を効果的に強くすることができる。これが（０１１）や（１１１）面配向であると、膜面垂直方向に優先的に向いた軸成分がなく、磁気モーメントが膜面内方向に分散してしまうため、膜面垂直方向の交換結合磁界の総和は小さくなってしまう。
【００３０】
一般的に、面内磁化のスピンバルブ膜やＭＴＪ素子に用いられているマンガン系反強磁性膜は（１１１）面配向である。これは、（００１）面配向させてしまうと膜面垂直方向の交換結合磁界が強くなってしまうため、膜面内方向に強磁性膜の磁化を固定する上で不都合だからである。（１１１）面配向のマンガン系反強磁性膜と強磁性膜を積層して、磁場中熱処理などで強制的に強磁性膜の磁化を膜面垂直方向に向かせようとしても、強磁性膜の反磁界を低減できるほどの強い交換結合磁界を発生させることはできず、強磁性膜の磁化は膜面内方向に傾いてしまう。よって、マンガン系反強磁性膜は、（１１１）面配向では本実施形態の目的に適さず、（００１）面配向であれば膜面垂直方向に磁化を固定できるだけの強い交換結合を発生させることができる。
【００３１】
磁化方向を固定される強磁性膜１３は、基本的に材料や結晶構造は問われないため、すでに広く実用に供されているニッケル-鉄（Ni-Fe）、コバルト（Co）、コバルト-鉄（Co-Fe）、コバルト-鉄-ボロン（Co-Fe-B）などの材料を使用することができる。後述するＭＴＪ素子においては、MgOトンネル障壁膜と相性の良いCo-Fe-B膜が用いられている。
【００３２】
実際にこのような交換結合多層膜１０が実現できるかどうかをデータで示す。実験方法は以下の通りである。まず、シリコン基板を真空チャンバ内に導入して表面をイオン衝撃などで清浄化する。続いて、タンタル（Ta）の金属ターゲットをアルゴンガスでスパッタしてシリコン基板上にTa膜を約５ｎｍ厚堆積する。Ta膜は、シリコン基板の単結晶の影響を上の層に伝えないためのパッシベーションの役割を果たしている。
【００３３】
続いて、Ta膜上に遷移金属窒化物膜１１を堆積するが、ここでは窒化物膜の効果を比較するために、（１）約２ｎｍ厚のルテニウム(Ru)膜、（２）３ｎｍ厚のRu-N膜、（３）３ｎｍ厚のCu-N膜、の３種類の試料を作製している。（１）のRu膜は実用のＭＴＪ素子で、マンガン系反強磁性膜の下地として一般的に使用されているもので、Ru膜上に堆積したマンガン系反強磁性膜はほとんどの場合（１１１）面配向となることが知られている。（２）のRu-N膜または（３）のCu-N膜はそれぞれ、ルテニウム(Ru)または銅(Cu)のターゲットを、他の非窒化物膜の堆積時はアルゴンガスを放電させてスパッタをするところを、今回はアルゴン(90vol％)-窒素(10vol％)の混合ガスでのスパッタ、いわゆる金属ターゲットの反応性スパッタで形成している。
【００３４】
続いて、遷移金属窒化物膜１１上に、反強磁性膜１２として、Ir(20at％)-Mn(80at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタしてIr-Mn膜を約７ｎｍ厚堆積する。Ir-Mn膜は、＜１００＞軸方向にMn原子の磁気モーメントが最大となる組成範囲である。なお、Ir-Mn膜の堆積時にシリコン基板を２００℃〜３５０℃程度に昇温して成膜すると、室温で成膜した場合に比べて交換結合磁界が数倍大きくなる。この場合でも、Mn原子の磁気モーメントは＜１００＞軸方向が最大になるため、高温成膜をした方がより強く膜面に垂直方向に磁化を固定することができる。
【００３５】
続いて、反強磁性膜１２上に、強磁性膜１３として、Fe(80at％)-B(20at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタして鉄-ボロン(Fe-B)膜を約１０ｎｍ厚堆積する。このFe-B膜は、熱処理後の飽和磁化が約１．５Teslaであるため、本実施形態の方法で十分に強い交換結合磁界を膜面垂直方向に発生できることを示すのに適している。続いて、RuターゲットをアルゴンガスでスパッタしてRu膜を約０．８５ｎｍ厚堆積する。これは、実際のＭＴＪ素子において磁化固定層と積層される一般的な材料である。
【００３６】
続いて、Cr(80at％)-B(20at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタして非磁性のクロム-ボロン(Cr-B)膜を約２．５ｎｍ厚堆積し、TaターゲットをアルゴンガスでスパッタしてTa膜を約５ｎｍ厚堆積した後、試料を真空チャンバから大気中に取り出す。Cr-B膜とTa膜は、大気中に膜を取り出した際や、後の熱処理工程で、Fe-B膜が酸化されないようにするための保護膜である。
【００３７】
以上のような交換結合多層膜では、反強磁性膜１２と磁化を固定される強磁性膜１３とが接する界面の状態が常に重要である。特に、界面の一部が酸化されると、イリジウム（Ir）はほとんど酸化されないがMnは酸化される上、Mn-OはIr-Mnに比べてはるかに小さい交換結合磁界しか発生できず、またFe-Oは反強磁性を示す相があるためFe-B膜内に磁区を作るなどして交換結合を阻害する可能性が高い。このため、このような交換結合多層膜の堆積は、大気中の酸素や水で酸化される恐れのないよう真空中で連続的に行うことが必要不可欠である。
【００３８】
実際には、各種のターゲット、上記の例ではTa、Ru、Ir(20at％)-Mn(80at％)、Fe(80at％)-B(20at％)、Cr(80at％)-B(20at％)の５種類のターゲットが一つの真空チャンバ内に装着された、いわゆる５元ターゲットチャンバを用いる、あるいは各ターゲットが一つ乃至２つずつ装着された真空チャンバ同士を真空搬送チャンバで直結し、ロボットで搬送するなどのスパッタ装置が実用化されており、これらを用いることで交換結合多層膜を再現性良く成膜することができる。
【００３９】
以上のように多層膜が形成されたシリコン基板を、１Teslaの直流磁界を膜面に垂直方向に連続的に印加できる真空熱処理炉内に導入し、ヒータにて２７０℃に基板を昇温した状態で約２時間の磁場中熱処理を行った後、室温まで冷却してから大気中に取り出した。ここで、熱処理条件として、印加磁界は１０ｎｍ厚のFe-B膜の反磁界よりも大きい必要があるため１Teslaとしており、これより大きければどのような印加磁界でも構わない。また、加熱温度と加熱時間は、Ir-Mn膜の磁気モーメントの規則化を促進するための条件の一つとして２７０℃２時間に設定しているが、他の部分の耐熱性が低いなどの問題があるならば例えば２５０℃６時間などに設定しても良いし、それ以上の温度、例えばFe-B膜の結晶化の促進のため３００℃１時間などに設定することもある。
【００４０】
このような磁場中熱処理を行う装置はすでに実用化されている。磁場を印加する方法として、永久磁石を用いるものと、電磁石を用いるものがある。電磁石を用いるものには、磁場を発生するのに常電導コイルを用いるものと、超電導コイルを用いるものがある。現在、メモリ製造で一般的に用いられている１２インチシリコン基板の表面に垂直に磁界を印加する場合、永久磁石では１Tesla、常電導コイルでは１．５Tesla、超電導コイルでは５Teslaまで印加できる。交換結合を確実に行う上では、完全に反磁界をキャンセルできる５Teslaまで印加できる超伝導コイル方式の磁場中熱処理炉を用いるのが最も望ましい。
【００４１】
磁気特性の評価は、一般的な振動試料式磁力計（Vibrating Sample Magnetometer：ＶＳＭ）を用いて、膜面垂直方向にスイープ磁界を−１．８〜＋１．８Tesla印加してFe-B膜の磁化の変化を磁化曲線（Ｍ−Ｈカーブ）でプロットした。図２は、遷移金属窒化物膜１１の代わりに約２ｎｍ厚のRu膜を用いた場合の多層膜（比較例）の磁化曲線である。図３は、遷移金属窒化物膜１１として３ｎｍ厚のRu-N膜を用いた場合の交換結合多層膜（実施例１）の磁化曲線である。図４は、遷移金属窒化物膜１１として３ｎｍ厚のCu-N膜を用いた場合の交換結合多層膜（実施例２）の磁化曲線である。図２乃至図４において、横軸が印加磁界Ｈ（Ｏｅ）、縦軸が膜面垂直方向の磁気モーメントＭ（ｅｍｕ）を示す。図２乃至図４には、Fe-B膜の膜厚を変化させた曲線と、Fe-B膜をCo-Fe膜に代えた場合の磁化曲線も載せている。
【００４２】
図２の比較例（Ru下地）の場合、ほとんど膜面垂直方向の磁化成分が現れていない。この膜を面内方向に磁界印加して測定すると、いわゆるＭ−Ｈヒステリシスループが現れる。ただし、交換結合磁界に起因するシフトはゼロの状態である。
【００４３】
それに対し、図３の実施例１（Ru-N下地）では、膜面垂直方向の測定でヒステリシスループが現れており、印加磁界が０．１１Tesla程度の所にＭ−Ｈループの中心がシフトしていることから、約０．１１Teslaの交換結合磁界が膜面垂直方向に発生していることがわかる。図２の比較例のＭ−Ｈカーブが典型的な面内磁化膜の振る舞いであるのと対照的に、図３のＭ−Ｈカーブは磁界印加方向と平行にFe-B膜の磁化が回転している垂直磁気異方性膜となっていることがわかる。図４の実施例２（Cu-N下地）も同様で、印加磁界が０．１１Tesla程度の所にヒステリシスループが見られる。
【００４４】
図３および図４で膜面垂直方向にFe-B膜の磁化が固定できているのは、Ru-N膜またはCu-N膜上にIr-Mn膜を堆積した際に、Ir-Mn結晶の優先配向面が（００１）面になっているのが主要因である。これは、Ru-N膜やCu-N膜の結晶構造に起因した現象であるため、同様の結晶構造、すなわち立方晶または正方晶系で、主としてNaCl構造を取る他の遷移金属窒化物膜においても同様の結果が得られると考えられる。
【００４５】
一方で、図２で膜面垂直方向にFe-B膜の磁化が固定できていないのは、Ruは通常、六方晶（hexagonal close-packed structure：ｈｃｐ）の結晶構造で成長しやすく、Ru結晶の優先配向面が（０００１）面になっており、その上にIr-Mn膜を堆積すると、Ru（０００１）面と格子ミスマッチの小さい（１１１）面配向でIr-Mn膜がヘテロエピテキシャル的に成長するためと考えられる。この場合、最も交換結合磁界が強い＜１００＞軸は膜面垂直方向から約５４度傾いた方向にコーン状に分散するため、原理的に（００１）面配向したIr-Mn膜の約６割以下の交換結合磁界しか膜面垂直方向に発生できない。この大きさがFe-B膜の反磁界に比べてかなり小さいため、膜面垂直方向に磁化が固定できていないと考えられる。
【００４６】
１０ｎｍ厚のFe-B膜における交換結合磁界が０．１１Teslaということは、交換結合エネルギーに直すと、交換結合磁界０．１１Tesla×飽和磁化１．５Tesla×膜厚１０ｎｍ＝０．０１６５Ｊ／ｍ２となり、Ir-Mn膜を（１１１）面配向させて面内方向に交換結合磁界を発生させた場合とほぼ同等の交換結合エネルギーが得られている。強磁性膜１３の膜厚が厚くなったり、強磁性膜１３の磁化が大きくなった場合でも強磁性膜１３の磁化を強制的に垂直方向に固定するためには、交換結合磁界の膜面垂直方向の成分の交換結合エネルギーは、０．０１５Ｊ／ｍ２以上であることが望ましい。
【００４７】
ここでは、Fe-B膜の膜厚が１０ｎｍでの例を示したが、交換結合磁界は強磁性膜厚に反比例して強くなることが知られているため、前述の磁場中熱処理の時の膜面垂直方向に印加する直流磁場の大きさが反磁界よりも大きければ、強磁性膜１３が１０ｎｍよりも薄くなって反磁界が増大したとしても、この方法で強磁性膜１３の磁化を固定することは問題なくできる。
【００４８】
なお、本実施形態において、「強磁性膜の磁化方向が膜面垂直方向に向く」とは、強磁性膜の磁化が完全に膜面垂直方向に向く場合のみを指すのではなく、部分的には磁化が膜面垂直方向に向いていなくても全体して磁化が膜面垂直方向に向いていればよい。例えば、強磁性膜の全磁気モーメントの９０％相当以上の磁化が膜面垂直方向に向けられていればよい。
【００４９】
また、この実験例で示した材料や組成以外の膜を同じ方法で使用することができる。膜を堆積する基板はシリコン以外でも使用できる。遷移金属窒化物膜１１としては、Ru-N膜以外に、Ti-N、V-N、Cr-N、Mn-N、Fe-N、Co-N、Cu-N、W-N、またはこれらの化合物でも構わないし、反強磁性膜１２としては、Ir-Mn膜以外に、Ni-Mn、Pd-Mn、Pt-Mn、Rh-Mn、Ru-Mn、またはこれらの合金でも構わない。また、強磁性膜１３は、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)の３つの内一つ以上の元素を含みかつ強磁性を示す材料であればどのような組成の膜であっても、上記の方法で磁化を膜面垂直方向に固定することができる。
【００５０】
各層の膜厚についても、ここで示した例より厚いあるいは薄い膜が形成される場合がある。しかし、一部または全部の層厚が違う場合でも、遷移金属窒化物膜１１が（００１）面配向しておりその上に堆積する反強磁性膜１２が（００１）面配向していれば、本実施形態の要件を満たすことは言うまでもない。
【００５１】
また、遷移金属窒化物膜１１の形成法についても、混合比の違うアルゴン-窒素ガスでスパッタを行っても良いし、混合ガス種を例えばアルゴン-アンモニアとしても良い。また、窒化物ターゲットをアルゴンガス単独で、またはアルゴン-窒素の混合ガスでスパッタすることも可能である。これらのスパッタ法の選択は、形成される遷移金属窒化物膜１１の物性や成膜の再現性、真空チャンバの内部構造などに合わせて最適となる組み合わせを選べば良い。ターゲットについても、Ir-Mn膜の場合は合金ターゲットを例として示しているが、Mnターゲット上にIr片を置いた複合ターゲットを用いてスパッタを行う方法や、MnターゲットとIrターゲットを同時にスパッタしたコスパッタ法でも同じ結果が得られる。
【００５２】
さらに、この例では、強磁性膜１３や反強磁性膜１２の成膜法として一般的なスパッタ法で説明しているが、遷移金属窒化物膜１１について同様の結晶配向性が得られる成膜法であれば、他の成膜法、例えば真空蒸着法、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ)法、液相成長法、レーザーアブレーション等でも同じ効果が得られる。また、真空中で連続成膜する装置であれば、ある層についてはスパッタ法で成膜し、他の層については真空蒸着法で成膜するといった使い分けをして多層膜を形成するのも問題ない。
【００５３】
［ａ−２］  第２の交換結合多層膜
図５は、第２の交換結合多層膜２０の構成を示す断面図である。交換結合多層膜２０は、少なくとも、磁化方向を固定される遷移金属強磁性窒化物膜２１と、マンガン系反強磁性膜２２の２層がこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。これは言い換えれば、［ａ−１］の第１の交換結合多層膜１０における遷移金属窒化物膜１１と強磁性膜１３の役割を、遷移金属強磁性窒化物膜２１が兼任するとも言える。
【００５４】
遷移金属強磁性窒化物膜２１は、Mn-N、Fe-N、Co-Nのいずれか、またはこれらから選ばれる２種類以上の窒化物からなる合金窒化物を含む。ここで列記された遷移金属磁性窒化物はその特徴として、（１）立方晶または正方晶の結晶系であり、その多くがNaCl構造である、（２）遷移金属の原子半径が窒素に比べて大きい、（３）結晶の格子定数（正方晶の場合は短手方向の格子定数）が０．３７９〜０．３８７ｎｍの範囲にある、ことが挙げられる。また、遷移金属強磁性窒化物膜２１は、（００１）結晶面が膜面に略平行に優先配向している。マンガン系反強磁性膜２２は、［ａ−１］で説明したマンガン系反強磁性膜１２と同じ材料を用いることができる。
【００５５】
遷移金属強磁性窒化物膜２１は、負の垂直磁気異方性定数を有しており、その膜単独では面内方向に磁化が向く面内磁化膜となっている。遷移金属強磁性窒化物膜２１の磁化は、反強磁性膜２２の発生する交換結合磁界により強制的に膜面垂直方向に向けられている。交換結合磁界の膜面垂直方向の成分の交換結合エネルギーは、０．０１５Ｊ／ｍ２以上であることが望ましい。
【００５６】
交換結合多層膜２０の実施例は以下の通りである。まず、シリコン基板を真空チャンバ内に導入して表面を清浄化する。続いて、Taの金属ターゲットをアルゴンガスでスパッタしてシリコン基板上にTa膜を約５ｎｍ厚堆積する。続いて、Feのターゲットを、アルゴン(90vol％)-窒素(10vol％)の混合ガスで反応性スパッタし、Fe-N膜を約１０ｎｍ厚堆積する。続いて、Ir(20at％)-Mn(80at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタしてIr-Mn膜を約7ｎｍ厚堆積する。ここでもIr-Mn膜の堆積時に高温成膜をすることで交換結合磁界を増大させる手法が有効である。
【００５７】
続いて、RuターゲットをアルゴンガスでスパッタしてRu膜を約０．８５ｎｍ厚堆積し、Cr(80at％)-B(20at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタしてCr-B膜を約２．５ｎｍ厚堆積する。続いて、TaターゲットをアルゴンガスでスパッタしてTa膜を約５ｎｍ厚堆積した後、試料を真空チャンバから大気中に取り出す。
【００５８】
この多層膜が形成されたシリコン基板に膜面垂直方向に１乃至２Teslaの直流磁界中で磁場中熱処理を行うことで、膜面に垂直方向に磁化が向いたFe-N強磁性膜が得られる。ここで用いたFe-N膜は、FeN、Fe2N、Fe4Nなどさまざまな組成の安定相が存在するが、結晶化が非常に困難なFe16N2以外はいずれも垂直磁気異方性定数が負の、いわゆる面内磁化膜であることが知られている。
【００５９】
［ａ−１］と同様、交換結合多層膜２０においても、違う材料、違う組成の膜を用いることができる。また、膜形成条件や形成法、熱処理条件などについても［ａ−１］と同様に可変である。
【００６０】
［ｂ］  磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）
ＭＴＪ素子には、［ａ−１］および［ａ−２］の２種類のいずれかの交換結合多層膜を用いることができる。［ａ−１］および［ａ−２］を用いたＭＴＪ素子をそれぞれ、［ｂ−１］逆積層ＭＴＪ素子、［ｂ−２］順積層ＭＴＪ素子、として詳述する。
【００６１】
［ｂ−１］  逆積層ＭＴＪ素子
図６は、逆積層ＭＴＪ素子３０の構成を示す断面図である。逆積層ＭＴＪ素子３０は、少なくとも、遷移金属窒化物膜１１と、マンガン系反強磁性膜１２と、磁化方向を固定される強磁性膜（磁化固定層）１３と、非磁性膜（トンネル障壁膜）１４と、強磁性膜（記憶層）１５とがこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。すなわち、逆積層ＭＴＪ素子３０は、磁化固定層より記憶層が上にくる、いわゆるトップフリー構造を有している。
【００６２】
遷移金属窒化物膜１１、マンガン系反強磁性膜１２、および磁化方向を固定される強磁性膜１３は、［ａ−１］の交換結合多層膜１０と同じ構成である。強磁性膜１５は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有する垂直磁気異方性膜（垂直磁化膜）が用いられる。強磁性膜１５は、磁化方向が可変である。垂直磁気異方性膜とは、強磁性膜からなり、強磁性膜全体として正の垂直磁気異方性定数を有しており、その膜単独で膜面垂直方向に磁化が向く垂直磁化膜を意味している。
【００６３】
磁化固定層の保磁力は、記憶層の保磁力より大きく設定される。これにより、所定の書き込み電流に対して、磁化方向が固定された磁化固定層と磁化方向が可変である記憶層とを実現できる。ＭＴＪ素子に、記憶層から磁化固定層に向かう書き込み電流（電子の場合は逆方向）を流すと、記憶層の磁化方向が磁化固定層の磁化方向に対して平行に向いてＭＴＪ素子の抵抗が低抵抗状態となり、“０”データを記憶させることができる。一方、磁化固定層から記憶層に向かう書き込み電流を流すと、記憶層の磁化方向が磁化固定層の磁化方向に対して反平行に向いてＭＴＪ素子の抵抗が高抵抗状態となり、“１”データを記憶させることができる。
【００６４】
逆積層ＭＴＪ素子３０は、以下のような手順で作製できる。まず、シリコン基板を真空チャンバ内に導入して表面を清浄化する。続いて、［ａ−１］あるいは［ａ−２］と同様の手順で、Ta約５ｎｍ／Ru-N約３ｎｍ／Ir-Mn約７ｎｍ／Fe-B約２ｎｍ／MgO約１ｎｍ／Gd-Fe-Co約２ｎｍ／Ta約３０ｎｍの多層膜をスパッタ法で堆積する。なお、積層構造を表現する場合、“／”の左側が下層、右側が上層を表している。ここで、トンネル障壁膜１４としてのMgO膜は、MgOターゲットをアルゴンガスでスパッタして形成している。また、記憶層１５としてのGd-Fe-Co膜は、Gd(21at％)-Fe(47.4at％)-Co(31.6at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタして形成している。その後、膜面垂直方向に１乃至２Teslaの直流磁界で磁場中熱処理を行うことで、Fe-B膜（磁化固定層１３）およびGd-Fe-Co膜（記憶層１５）の磁化が膜面垂直方向に向いた垂直磁化ＭＴＪ素子が得られる。
【００６５】
保護膜のTa膜が３０ｎｍとなっているのは、これをパターンマスクに用いて微細加工を行うことを想定している。ここで、Fe-B膜の厚さが２ｎｍとなっており、［ａ−１］の実施例の５分の１の膜厚になっていることから、今回の逆積層ＭＴＪ素子３０での交換結合磁界は０．１Teslaの５倍の約０．５Teslaとなる。一方で、Gd-Fe-Co膜は、膜厚を２ｎｍと薄くした場合の膜面垂直方向の保磁力が約０．０２５Teslaであり、薄くても垂直磁気異方性が残っていることから、この多層膜はＭＴＪ素子として問題なく動作する。
【００６６】
比較例として、従来の垂直磁気異方性膜を用いた垂直磁化ＭＴＪ素子は、例えばTa約5ｎｍ／Ir約5ｎｍ／Tb-Fe-Co約25ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／Ta約30ｎｍの膜構造となる。ここで、Tb-Fe-Co膜は、Tb(20at％)-Fe(60at％)-Co(40at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタして形成している。また、Ir膜は、Irターゲットをクリプトンガスでスパッタして形成しており、Tb-Fe-Co膜の垂直磁気異方性を誘発するために用いられる。比較例の垂直磁化ＭＴＪ素子では全膜厚が約６８ｎｍと厚いのに対し、前述の交換結合を用いた垂直磁化ＭＴＪ素子では約５０ｎｍと薄くできる。また、磁化固定層からの漏れ磁界は膜厚と飽和磁化の積に比例するが、垂直磁気異方性膜を用いた場合は０．１２Tesla×５０ｎｍ＝６Tesla・ｎｍであるのに対し、交換結合を用いた場合は１．５Tesla×２ｎｍ＝３Tesla・ｎｍと半減できる。
【００６７】
なお、ＭＴＪ素子をＭＲＡＭに用いる場合、メモリ動作点をゼロにするために、前述の「第１の強磁性膜（磁化固定層）／トンネル障壁膜／第２の強磁性膜（記憶層）」の構造に加えて、非磁性膜を介して第３の強磁性膜（シフト調整層）を付加する方式が有効である。これは前述の構造のままだと磁化方向が固定された状態の第１の強磁性膜からの漏れ磁界が第２の強磁性膜に印加され、両者の磁化方向が平行に向いたほうがエネルギー的に安定となるため、“０”を書き込む時は少ない電流で書けるが“１”を書き込む時に多大な電流を必要とするからである。メモリ動作点をゼロにするためには、第１の強磁性膜と第３の強磁性膜の磁化方向を互いに反平行に着磁し、第１の強磁性膜からの漏れ磁界を第３の強磁性膜からの漏れ磁界で打ち消すようにする。この膜構造を用いることで、スピン注入電流が順逆方向でほぼ同じ大きさになり、一個の記憶素子への書き込み電流の駆動に一個の半導体トランジスタを用いた、いわゆる１セル１トランジスタ型のＭＲＡＭの実現を容易にできる。
【００６８】
図７は、シフト調整層を備えた逆積層ＭＴＪ素子３０の構成を示す断面図である。逆積層ＭＴＪ素子３０は、少なくとも、遷移金属窒化物膜１１と、反強磁性膜１２と、強磁性膜（シフト調整層）１３と、非磁性膜（反平行結合膜）１６と、強磁性膜（磁化固定層）１７と、非磁性膜（トンネル障壁膜）１４と、強磁性膜（記憶層）１５とがこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。本実施形態では、シフト調整層１３に超交換相互作用に基づく交換結合膜を用いることができ、シフト調整層１３よって磁化固定層１７の漏れ磁界を低減する。
【００６９】
膜構造としては、例えばTa約5ｎｍ／Ru-N約3ｎｍ／Ir-Mn約7ｎｍ／Fe-B約2ｎｍ／Ru約0.85ｎｍ／Co-Fe-B約2ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／Ta約30ｎｍとなる。Fe-B膜がシフト調整層１３である。反平行結合膜１６としてのRu膜は、超交換相互作用により両隣の強磁性膜の磁化同士を反平行に向ける役割を果たす（Phys. Rev. B, vol.44, No.13, pp.7131）。反平行結合膜１６には、Ru以外にもIr、Rhなどが強い超交換相互作用を発生しうることが知られており、反平行の交換結合エネルギーは０．１６乃至０．５Ｊ／ｍ２である（Phys. Rev. Lett., vol.67, No.25, pp.3598）。本実施形態では、反平行結合膜１６は、Ru、Ir、Rhのいずれか、またはこれらから選ばれる２種類以上からなる合金を含む。また、反平行結合膜を介した反平行の交換結合磁界は、その交換結合エネルギーが０．１５Ｊ／ｍ２以上であることが望ましい。
【００７０】
磁化固定層１７としてのCo-Fe-B膜は、Co(40at％)-Fe(40at％)-B(20at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタして形成しており、トンネル障壁膜１４であるMgO膜の下地としても機能する。なお、Co-Fe-B膜とFe-B膜は、ほぼ同じ大きさの飽和磁化を有している。Ru膜を介して発生する反平行の交換結合磁界は約０．７TeslaとFe-B単膜やCo-Fe-B単膜の反磁界に比べて小さいが、Fe-B膜とCo-Fe-B膜の磁化が反平行に向くと両者の反磁界は互いに低減しキャンセルしてしまうため、問題なく反平行結合を保つことができる。ちなみに、垂直磁気異方性膜同士をRu膜を介して交換結合することも可能であるが、垂直磁気異方性膜の異方性磁界がRu膜を介して発生する交換結合磁界とほぼ同じ大きさであるため、完全な反平行結合は得られない。
【００７１】
上述の超交換相互作用が使えない材料構成の場合は、第３の強磁性膜（シフト調整層）として垂直磁気異方性膜を使用することができる。図８は、変形例１に係る逆積層ＭＴＪ素子３０の構成を示す断面図である。変形例１の逆積層ＭＴＪ素子３０は、少なくとも、強磁性膜（シフト調整層）１７と、遷移金属窒化物膜１１と、反強磁性膜１２と、強磁性膜（磁化固定層）１３と、非磁性膜（トンネル障壁膜）１４と、強磁性膜（記憶層）１５とがこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。変形例１では、垂直磁気異方性膜からなるシフト調整層１７を遷移金属窒化物膜１１の下に配置している。シフト調整層１７と磁化固定層１３とは、磁化方向が反平行に設定される。
【００７２】
変形例１の膜構造としては、例えばTa約5ｎｍ／Ir約5ｎｍ／Tb-Fe-Co約40ｎｍ／Ru-N約3ｎｍ／Ir-Mn約7ｎｍ／Fe-B約1ｎｍ／Co-Fe-B約1ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／Ta約30ｎｍとなる。Tb-Fe-Co膜がシフト調整層１７であり、Fe-B膜及びCo-Fe-B膜が磁化固定層１３であり、Gd-Fe-Co膜が記憶層１５である。
【００７３】
図９は、変形例２に係る逆積層ＭＴＪ素子３０の構成を示す断面図である。変形例２の逆積層ＭＴＪ素子３０は、少なくとも、遷移金属窒化物膜１１と、反強磁性膜１２と、強磁性膜（磁化固定層）１３と、非磁性膜（トンネル障壁膜）１４と、強磁性膜（記憶層）１５と、非磁性膜（反平行結合膜）１６と、強磁性膜（シフト調整層）１７とがこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。変形例２では、垂直磁気異方性膜からなるシフト調整層１７を反平行結合膜１６を介して記憶層１５の上側に配置している。シフト調整層１７と磁化固定層１３とは、磁化方向が反平行に設定される。
【００７４】
変形例２の膜構造としては、例えばTa約5ｎｍ／Ru-N約3ｎｍ／Ir-Mn約7ｎｍ／Fe-B約1ｎｍ／Co-Fe-B約1ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／Ir約5ｎｍ／Tb-Fe-Co約25ｎｍ／Ta約30ｎｍとなる。Fe-B膜及びCo-Fe-B膜が磁化固定層１３であり、Gd-Fe-Co膜が記憶層１５であり、Tb-Fe-Co膜がシフト調整層１７である。
【００７５】
変形例２のTb-Fe-Co膜（シフト調整層１７）の膜厚が変形例１に比べて薄いのは、より記憶層１５に近い距離にあり漏れ磁界が大きくかけられるため、その分膜厚が薄くても動作点を確保できるためである。変形例１および変形例２の膜構造の場合、成膜後の磁場中熱処理を行った後、室温で熱処理時の印加磁界と逆方向にTb-Fe-Co膜の保磁力以上の直流磁界を印加して着磁をすることで、ゼロ動作点の状態を作り出すことができる。
【００７６】
一方で、比較例の垂直磁気異方性膜を用いた垂直磁化ＭＴＪ素子に第３の強磁性膜（シフト調整層）を付加した構造は、例えばTa約5ｎｍ／Ir約5ｎｍ／Dy-Fe-Co約40ｎｍ／Ir約3ｎｍ／Tb-Fe-Co約25ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／Ta約30ｎｍとなる。ここで、Dy-Fe-Co膜は、Dy(20at％)-Fe(60at％)-Co(40at％)の組成の合金ターゲットをアルゴンガスでスパッタして形成している。この垂直磁化ＭＴＪ素子の全膜厚は約１１１ｎｍであるのに対し、前述の超交換相互作用を用いた垂直磁化ＭＴＪ素子では約５３ｎｍと大幅に薄くて済む。
【００７７】
また、垂直磁気異方性膜のみの垂直磁化ＭＴＪ素子では、漏れ磁界をキャンセルするための着磁工程が交換結合を用いた膜に比べて難しい。これは、上記の比較例で言えば、Dy-Fe-Co膜の保磁力が約２．４Teslaであれば、まず２．４Teslaで一方向に着磁をして、次にTb-Fe-Co膜の保磁力が約２Teslaであれば、２．４Teslaとは反平行の方向に２乃至２．４Teslaで逆着磁をする必要がある。これらの膜の保磁力は、ＭＴＪ素子のサイズである数１０ｎｍの大きさの場合、サイズが例えば１ｎｍばらつくと０．２Teslaばらつくオーダであるため、Tb-Fe-Co膜を反平行に着磁しようとして２．２Teslaを印加した場合にDy-Fe-Co膜の磁化が逆着磁されてしまったり、Tb-Fe-Co膜の磁化が逆着磁できないといったばらつきが生じる。これに対し、超交換相互作用を用いた交換結合多層膜では、逆着磁をしなくても２層の強磁性膜の磁化が常に反平行を向くため、磁化の方向がばらつかない磁化固定状態を実現できる。
【００７８】
上記の例では、記憶層１５の垂直磁気異方性膜としてGd-Fe-Co膜を用いているが、これは他の垂直磁気異方性膜、例えば前述したコバルト-白金(Co-Pt)系合金、鉄-パラジウム(Fe-Pd)系合金、鉄-白金(Fe-Pt)系合金、Co/PdまたはCo/Pt人工格子などを用いることができる。これらは合金ターゲットのスパッタ以外にも、２種のターゲットの同時スパッタや、スパッタ法以外の成膜法、真空蒸着法、分子線エピタキシー法、ＣＶＤ法などで形成することができる。
【００７９】
なお、MgO膜の成膜法の例として、MgOターゲットをアルゴンガスでスパッタする方法を説明しているが、これをアルゴン-酸素の混合ガスでスパッタする方法や、Mgターゲットをアルゴン-酸素の混合ガスでスパッタする方法、Mgターゲットをアルゴンガスでスパッタ成膜した後で酸素ガスに晒して表面を酸化してMgO膜を形成する方法なども使える。また、スパッタ法以外でも、真空蒸着法、分子線エピタキシー法、ＣＶＤ法などでMgO膜を形成しても良い。
【００８０】
また、上記の例では、トンネル障壁膜１４としてMgO膜を用いているが、ＴＭＲ効果が得られる他の材料、例えばAl-O、酸化チタン、または窒化アルミニウムなどに代えても良い。あるいは、絶縁膜ではなく、CuやPdなどの非磁性導電膜に代えて、スピンバルブ膜としても使用することができる。
【００８１】
［ｂ−２］  順積層ＭＴＪ素子
図１０は、順積層ＭＴＪ素子４０の構成を示す断面図である。順積層ＭＴＪ素子４０は、少なくとも、強磁性膜（記憶層）１５と、非磁性膜（トンネル障壁膜）１４と、遷移金属強磁性窒化物膜（磁化固定層）２１と、マンガン系反強磁性膜２２とがこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。すなわち、順積層ＭＴＪ素子４０は、磁化固定層より記憶層が下にくる、いわゆるボトムフリー構造を有している。
【００８２】
遷移金属強磁性窒化物膜２１およびマンガン系反強磁性膜２２は、［ａ−２］の第２の交換結合多層膜２０と同じ構成である。強磁性膜１５は、膜面垂直方向の磁気異方性を有する垂直磁気異方性膜（垂直磁化膜）が用いられる。
【００８３】
順積層ＭＴＪ素子４０は、以下のような手順で作製できる。まず、シリコン基板を真空チャンバ内に導入して表面を清浄化する。続いて、［ａ−１］、［ａ−２］あるいは［ｂ−１］と同様の手順で、Ta約5ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Fe-N約2ｎｍ／Ir-Mn約7ｎｍ／Ta約30ｎｍの多層膜をスパッタ法で堆積する。続いて、膜面垂直方向に１乃至２Teslaの直流磁界で磁場中熱処理を行うことで、Fe-N膜およびGd-Fe-Co膜の磁化が膜面に垂直方向に向いた垂直磁化ＭＴＪ素子が得られる。
【００８４】
この多層膜の全膜厚は約４７ｎｍと薄くできる。また、磁化固定層からの漏れ磁界も２Tesla×２ｎｍ＝４Tesla・ｎｍに抑えられている。この計算の飽和磁化には、Fe-N系で最も大きいFe4Nの２Teslaを用いている。
【００８５】
順積層ＭＴＪ素子４０においても、メモリ動作点をゼロにするための第３の強磁性膜（シフト調整層）を付加しても良い。図１１は、シフト調整層を備えた順積層ＭＴＪ素子４０の構成を示す断面図である。順積層ＭＴＪ素子４０は、少なくとも、強磁性膜（記憶層）１５と、非磁性膜（トンネル障壁膜）１４と、強磁性膜（磁化固定層）１７と、非磁性膜（反平行結合膜）１６と、遷移金属強磁性窒化物膜（シフト調整層）２１と、反強磁性膜２２とがこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。強磁性膜（磁化固定層）１７と遷移金属強磁性窒化物膜（シフト調整層）２１とは、反平行結合膜１６を介して超交換相互作用により磁化方向が反平行に固定されている。
【００８６】
膜構造としては、例えばTa約5ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Co-Fe-B約2.7ｎｍ／Ru約0.85ｎｍ／Fe-N約2ｎｍ／Ir-Mn約7ｎｍ／Ta約30ｎｍとなる。Gd-Fe-Co膜が記憶層１５であり、Co-Fe-B膜が磁化固定層１７であり、Fe-N膜がシフト調整層２１である。反平行結合膜１６としては、Ru以外にも、Cr、Ir、Rhなどを用いることができる。Co-Fe-B膜は、Fe-N膜と磁化が互いに反平行になっているが、Co-Fe-B膜はFe-N膜よりも飽和磁化が小さいため、漏れ磁界をキャンセルできるようFe-N膜よりも厚くしている。
【００８７】
上述の超交換相互作用が使えない材料構成の場合は、第３の強磁性膜（シフト調整層）として垂直磁気異方性膜を使用することができる。図１２は、変形例１に係る順積層ＭＴＪ素子４０の構成を示す断面図である。変形例１の順積層ＭＴＪ素子４０は、少なくとも、強磁性膜（シフト調整層）１７と、非磁性膜（反平行結合膜）１６と、強磁性膜（記憶層）１５と、非磁性膜（トンネル障壁膜）１４と、遷移金属強磁性窒化物膜（磁化固定層）２１と、反強磁性膜２２とがこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。変形例１では、垂直磁気異方性膜からなるシフト調整層１７を記憶層１５の下方に配置している。シフト調整層１７と磁化固定層２１とは、磁化方向が反平行に設定される。
【００８８】
変形例１の膜構造としては、例えばTa約5ｎｍ／Ir約5ｎｍ／Tb-Fe-Co約25ｎｍ／Ir約5ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Co-Fe-B約1ｎｍ／Fe-N約1ｎｍ／Ir-Mn約7ｎｍ／Ta約30ｎｍとなる。Tb-Fe-Co膜がシフト調整層１７であり、Gd-Fe-Co膜が記憶層１５であり、Co-Fe-B膜及びFe-N膜が磁化固定層２１である。Ir膜は、Gd-Fe-Co膜などの垂直磁気異方性を強めるための下地として用いられる。
【００８９】
図１３は、変形例２に係る順積層ＭＴＪ素子４０の構成を示す断面図である。変形例２の順積層ＭＴＪ素子４０は、少なくとも、強磁性膜（記憶層）１５と、非磁性膜（トンネル障壁膜）１４と、遷移金属強磁性窒化物膜（磁化固定層）２１と、反強磁性膜２２と、非磁性膜（反平行結合膜）１６と、強磁性膜（シフト調整層）１７とがこの順に積層されてなる多層構造が含まれる。変形例２では、垂直磁気異方性膜からなるシフト調整層１７を反強磁性膜２２の上方に配置している。シフト調整層１７と磁化固定層２１とは、磁化方向が反平行に設定される。
【００９０】
変形例２の膜構造としては、例えばTa約5ｎｍ／Ir約5ｎｍ／Gd-Fe-Co約2ｎｍ／MgO約1ｎｍ／Co-Fe-B約1ｎｍ／Fe-N約1ｎｍ／Ir-Mn約7ｎｍ／Ir約5ｎｍ／Tb-Fe-Co約35ｎｍ／Ta約30ｎｍとなる。Gd-Fe-Co膜が記憶層１５であり、Co-Fe-B膜及びFe-N膜が磁化固定層２１であり、Tb-Fe-Co膜がシフト調整層１７である。
【００９１】
変形例１のGd-Fe-Co膜（シフト調整層１７）の膜厚が変形例２に比べて薄いのは、［ｂ−１］と同様の理由による。変形例１および変形例２の多層膜の全膜厚はそれぞれ約８２ｎｍおよび９２ｎｍと、［ｂ−１］に示した垂直磁気異方性膜のみからなる多層膜の１１１ｎｍに比べて薄くできる。
【００９２】
［ｃ］  ＭＲＡＭ
次に、［ｂ］で説明したＭＴＪ素子を用いてＭＲＡＭを構成した場合の実施例について説明する。図１４は、ＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【００９３】
Ｐ型半導体基板４１内には、ＳＴＩ(shallow trench isolation)構造の素子分離絶縁層４２が設けられている。素子分離絶縁層４２に囲まれた素子領域（活性領域）には、選択トランジスタ４３としてのＮチャネルＭＯＳＦＥＴが設けられている。選択トランジスタ４３は、素子領域内に離間して形成されたソース領域４４及びドレイン領域４５と、ソース領域４４及びドレイン領域４５間のチャネル領域上に設けられたゲート絶縁膜４６と、ゲート絶縁膜４６上に設けられたゲート電極４７とを備えている。ゲート電極４７は、ワード線ＷＬに相当する。ソース領域４４及びドレイン領域４５はそれぞれ、Ｎ型拡散領域から構成される。
【００９４】
ソース領域４４上には、コンタクトプラグ４８が設けられている。コンタクトプラグ４８上には、ビット線／ＢＬが設けられている。ドレイン領域４５上には、コンタクトプラグ４９が設けられている。コンタクトプラグ４９上には、引き出し電極５０が設けられている。引き出し電極５０上には、記憶素子５１が設けられている。記憶素子５１は、［ｂ］で説明したＭＴＪ素子のいずれかを用いることができる。記憶素子５１上には、ビット線ＢＬが設けられている。半導体基板４１とビット線ＢＬとの間は、層間絶縁層５２で満たされている。なお、実際には、ＭＲＡＭは、図１４に示した１個のメモリセル（選択トランジスタ４３および記憶素子５１からなる）がマトリクス状に配置されたメモリセルアレイを備えている。
【００９５】
（製造方法）
次に、［ｂ］のＭＴＪ素子を用いたＭＲＡＭの製造方法について説明する。なお、［ｂ−１］の逆積層型でも［ｂ−２］の順積層型でも多層膜の構成以外の工程は同じなので、以下では基本的に［ｂ−１］の逆積層ＭＴＪ素子を用いた場合を例示する。
【００９６】
ＭＲＡＭの形成は、まず、シリコン基板上に、スピン注入電流を発生させる駆動トランジスタ、書き込み／読み出しを行うビットを選択する選択トランジスタ、読み出した信号を成形する周辺トランジスタ、これらのトランジスタの電源を供給するトランジスタ、記憶素子への金属配線、トランジスタ同士を結合する配線などを形成する。これらの素子および配線は、一般的な製造方法を用いて形成される。
【００９７】
続いて、［ｂ−１］に示したような手順でＭＴＪ素子を形成し、磁場中熱処理を行う。超交換相互作用を用いる場合はこのまま次の工程に移り、垂直磁気異方性膜を用いる場合は一旦着磁をしてから次の工程に移る。
【００９８】
続いて、ＭＴＪ素子上に、ダミーマスクとして例えば酸化シリコン(Si-O)膜をＣＶＤ法などで約３０ｎｍ厚堆積する。続いて、Si-O膜上に、レジストプロセスにて直径６０ｎｍφのドットのレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクにして、CHF3ガスによるＲＩＥでSi-O膜にドットパターンを転写する。Si-O膜をダミーマスクに用いるのは、次のTa膜のＲＩＥ工程でレジストとTa膜の選択比が小さいため、Ta膜と選択比が大きいSi-O膜をマスクに用いる必要があるためである。
【００９９】
続いて、Si-O膜のパターンをマスクにしてCF4ガスによるＲＩＥで３０ｎｍ厚のTa膜にドットパターンを転写する。この時、Si-Oマスクは全て消失している。続いて、Ta膜のパターンをマスクにしてＭＴＪ素子を一番下のTa膜までArイオンビームのＩＢＥで微細加工する。ＭＴＪ素子の全膜厚が約５３ｎｍと薄いため、ドット間の最小幅が６０ｎｍの加工が可能である。この工程の直後はＭＴＪ素子の断面がむき出しになってしまい、そのまま大気中に出すと交換結合部分の界面が酸化されて交換結合磁界が減少してしまう。このため、ＩＢＥ加工後真空中で連続して側壁保護膜を成膜するのが最善である。ここでは、側壁保護膜として、ＣＶＤ法にて窒化シリコン(Si-N)膜を約１０ｎｍ厚堆積する。ここで、ＣＶＤ法を使うのは側壁への付き周りが良いためである。
【０１００】
続いて、微細加工で生じた約５０ｎｍの段差を埋めるために、ＣＶＤ法にてSi-O膜を約７０ｎｍ厚堆積する。Si-O膜はＩＢＥで除去した跡のトレンチ部分と、残ったＭＴＪドット部分に均質につくため、Si-O成膜後は基板表面でドット部分にSi-O膜が突き出した状態となる。この凸凹をなくすため、化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ)法でＭＴＪドットの最上部のTa膜が露出するまでSi-O膜とSi-N膜を削って平坦化する。側壁保護膜にSi-N膜を用いているにも関わらず段差を埋めるのにはSi-O膜を用いているのは、Si-N膜はＣＭＰが難しく平坦にならないので、平坦化しやすいSi-O膜で埋めているからである。一方で、側壁保護膜にSi-O膜を用いないのは、ＣＶＤ成膜時にＭＴＪドットの側壁を酸化してしまうからである。
【０１０１】
続いて、Si-O膜の表面にTa膜とSi-N膜の一部からなるドットが露出した状態で真空チャンバに導入し、表面を清浄化してからスパッタ法でチタン膜を約５ｎｍ厚全面に堆積し、続いて、ＣＶＤ法でタングステン膜を約１００ｎｍ厚堆積する。その後、レジストプロセスにて上部電極のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにしてCF4ガスによるＲＩＥでタングステンとチタンを除去する。ＲＩＥで除去した跡のトレンチ部分をＣＶＤ法によるSi-O膜で埋め、ＣＭＰ法にて表面を平坦化させる。その後、残りの配線を形成してＭＲＡＭが完成する。
【０１０２】
ここで示したＭＲＡＭ形成プロセスは、ＭＴＪ素子をＩＢＥで微細加工する行以外はほぼ基本的な半導体プロセスに準じたものとなっている。
【０１０３】
［ｄ］  効果
以上詳述したように本実施形態によれば、垂直磁化ＭＴＪ素子の多層膜構造の改良とこれに適した膜材料の適用によって、垂直磁化ＭＴＪ素子の全膜厚をより薄くすることができる。これにより、垂直磁気異方性膜の薄膜化限界以下の微小サイズにＭＴＪ素子を微細加工することが可能となる。具体的には、磁化が固定される強磁性膜を２ｎｍ程度まで薄くでき、下地膜および保護膜を含めた垂直磁化ＭＴＪ素子の全膜厚を少なくとも５３ｎｍ以下とすることができる。これにより、ＭＲＡＭの記憶素子サイズを少なくとも６０ｎｍ以下に微細加工することができるようになり、高集積化に対応することができる。
【０１０４】
本実施形態は、多層膜の積層構造と、強磁性膜の磁化方向を定義している。このうち積層構造については、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）と、エネルギー分散型Ｘ線分析（Energy Dispersive X-ray fluorescence spectrometer：ＥＤＸ）や電子エネルギー損失分光法（Electron Energy-Loss Spectroscopy：ＥＥＬＳ）などを用いた構造解析にて同定できる。
【０１０５】
一方で、磁気構造については直接磁化固定層の磁化方向を測定するのは困難だが、上記の構造解析で磁化固定層と対になっている記憶層の構造および組成が垂直磁気異方性膜であることが確認できれば、磁化固定層の磁化方向も膜面垂直方向に固定されていると考えられる。なぜなら、磁気抵抗効果素子においては、磁化固定層の磁化が面内方向に固定された状態で記憶層の磁化が膜面垂直方向で反転しても抵抗変化がゼロだからである。言い換えれば、記憶層が垂直磁気異方性膜であれば、磁化固定層の磁化は膜面垂直方向に向いていないと磁気抵抗効果素子の意味がないということである。
【０１０６】
また、近年、多層膜界面における電子状態の変化が強磁性膜に垂直磁気異方性を誘起している構造が見つかっている。例として、Ta／Co-Fe-B／MgOの積層構造で垂直磁気異方性が得られたとの報告がある。ここでは、Co-Fe-B膜は膜面垂直方向に磁化されているが反強磁性膜と接しておらず、垂直磁化の発現は交換結合磁界によるものではない。界面電子状態説では、MgO中の酸素原子のｐｚ軌道とCo原子のｄｚ２軌道が混成軌道を形成するとエネルギーが下がり、軌道角運動量が膜面垂直方向に向いてこれと結合しているスピン角運動量も膜面垂直方向に向くことから垂直磁気異方性が発現するとされている。
【０１０７】
しかし、この膜の垂直磁気異方性エネルギーは、前述のCo-Pt系合金やRE-TM系の垂直磁気異方性膜や本実施形態の反強磁性膜を用いた交換結合エネルギーに比べて非常に小さい。また、この例のCo-Fe-B膜は酸化物膜と隣接しなければ負の垂直磁気異方性定数を有する、いわゆる面内磁化膜であるが、MgO膜と隣接させると垂直磁気異方性定数が正となる。そのため、前述の記憶層の構造解析に当たっては、記憶層に当たるCo-Fe-B膜とMgO膜との積層構造において垂直磁気異方性が発現しているかどうかで判定しなくてはならない。
【０１０８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０，２０…交換結合多層膜、１１…遷移金属窒化物膜、１２…反強磁性膜、１３，１５，１７…強磁性膜、１４…トンネル障壁膜、１６…反平行結合膜、２１…遷移金属強磁性窒化物膜、２２…反強磁性膜、３０，４０…ＭＴＪ素子、４１…半導体基板、４２…素子分離絶縁層、４３…選択トランジスタ、４４…ソース領域、４５…ドレイン領域、４６…ゲート絶縁膜、４７…ゲート電極、４８，４９…コンタクトプラグ、５０…引き出し電極、５１…記憶素子、５２…層間絶縁層。
【図１】
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【図２】
2014060297.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2014060297.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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