(57)【要約】【課題】  充分に高いＭＲ比が得られ、安定してかつ安いコストで作製することができる磁気メモリ素子を提供する。【解決手段】  記憶層１とトンネル絶縁膜２と磁化固定層３とを有し、記憶層１又は磁化固定層３のうち少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素とＢ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から成り、この化合物の結晶の単位結晶構造の周期ｘが、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの範囲内である磁気メモリ素子１０を構成する。【選択図】        図１
2006318983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性層の磁化状態により情報を保持する記憶層と、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、
前記記憶層又は前記磁化固定層のうち、少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素と、Ｂ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成され、
前記化合物の結晶の単位結晶構造の周期ｘが、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの範囲内である
ことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２】
強磁性層の磁化状態により情報を保持する記憶層と、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、
前記記憶層又は前記磁化固定層のうち、少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素と、Ｂ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する磁性材料から構成され、
前記化合物の結晶の単位格子の格子定数ａが、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）を満たす
ことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項３】
前記トンネル絶縁膜が、酸化マグネシウムから成ることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項４】
前記トンネル絶縁膜が、酸化マグネシウムから成ることを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ素子。
【請求項５】
磁気メモリ素子と、
互いに交差する２種類の配線とを有し、
前記２種類の配線の交点付近に前記磁気メモリ素子が配置され、
前記２種類の配線により、前記磁気メモリ素子に対して、磁場又は電流が印加され、
前記磁気メモリ素子が、強磁性層の磁化状態により情報を保持する記憶層と、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、前記記憶層又は前記磁化固定層のうち、少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素と、Ｂ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成され、前記化合物の結晶の単位結晶構造の周期ｘが、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの範囲内である構成とされている
ことを特徴とするメモリ。
【請求項６】
磁気メモリ素子と、
互いに交差する２種類の配線とを有し、
前記２種類の配線の交点付近に前記磁気メモリ素子が配置され、
前記２種類の配線により、前記磁気メモリ素子に対して、磁場又は電流が印加され、
前記磁気メモリ素子が、強磁性層の磁化状態により情報を保持する記憶層と、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、前記記憶層又は前記磁化固定層のうち、少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素と、Ｂ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成され、前記化合物の結晶の単位格子の格子定数ａが、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）を満たす構成とされている
ことを特徴とするメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリ素子及びこの磁気メモリ素子を備えたメモリ（記憶装置）に係わる。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型情報機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が求められている。特に、不揮発性メモリの高密度化・大容量化は、可動部分の存在等の原因により本質的に小型化・高速化・低消費電力化が困難な磁気ハードディスク等と相補的な技術として、ますます重要になってきている。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ(強誘電体不揮発メモリ)等が実用化されており、さらなる高性能化に向けての活発な研究開発が行われている。
【０００４】
最近、磁性体を利用した新しい不揮発メモリとして、トンネル磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が試作され、注目を集めている（例えば、非特許文献１参照）。
このＭＲＡＭは、特にランダムアクセスがしやすいこと、書き換え可能回数が大きいこと、高速に動作させることが可能であること、の３点においてフラッシュメモリよりも優れており、また書き換え可能回数が大きい点でＦｅＲＡＭ（強誘電体メモリ）よりも優れている。さらに、ＤＲＡＭ並みの高集積度とＳＲＡＭ並みのスピードの両立が期待されるため、システムＬＳＩ用混載メモリをすべて置き換える可能性も有している。
【０００５】
ＭＲＡＭは、情報の記録を行う微小な磁気メモリ素子を規則的に配置し、その各々にアクセスできるように、配線例えばワード線及びビット線を設けた構造を有している。
それぞれの磁気メモリ素子は、情報を強磁性体の磁化の向きとして記録させる記憶層を有して構成される。
【０００６】
そして、磁気メモリ素子の構成としては、上述の記憶層と、トンネル絶縁膜（非磁性スペーサ膜）と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成る、いわゆる磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を用いた構造が採用されている。磁化固定層の磁化の向きは、例えば反強磁性層を設けることにより固定することができる。
【０００７】
このような構造においては、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとのなす角度に応じて、トンネル絶縁膜を流れるトンネル電流に対する抵抗値が変化する、いわゆるトンネル磁気抵抗効果を生じるため、このトンネル磁気抵抗効果を利用して、情報の書き込み（記録）を行うことができる。この抵抗値の大きさは、記憶層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが反平行であるときに最大値をとり、平行であるときに最小値をとる。
【０００８】
このように構成した磁気メモリ素子において、磁気メモリ素子への情報の書き込み（記録）は、ワード線及びビット線の両方に電流を流すことにより発生する合成電流磁界により、磁気メモリ素子の記憶層の磁化の向きを制御することにより行うことができる。一般的には、このときの磁化の向き（磁化状態）の違いを、「０」情報と「１」情報とにそれぞれ対応させて記憶させる。
一方、記録された情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いてメモリセルの選択を行い、磁気メモリ素子のトンネル磁気抵抗効果を利用して、記憶層の磁化の向きの違いを電圧信号の差として検出することにより、記録された情報を検知することができる。
【０００９】
そして、ＭＲＡＭにおいて、エラーレートを低くし、安定してメモリ動作させるためには、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）をできるだけ大きくすることが重要である。
【００１０】
従来、一般に、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を用いたトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性層（磁化自由層及び磁化固定層）の材料として、ＮｉＦｅやＣｏＦｅ等の強磁性材料が用いられており、トンネル絶縁膜の材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏ）が用いられていた。
そして、これらの材料を用いた磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）のＭＲ比は、２０〜５０％であることが、様々な研究機関から報告されている。
【００１１】
これに対して、トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性層（特に、磁化自由層）として、ＣｏＦｅベースの強磁性材料にＢ元素を添加したアモルファス材料を用いることにより、従来の構成よりも高いＭＲ比（５０〜５５％）が安定して得られることが報告されている（非特許文献２参照）。
この報告では、強磁性層へのＢ元素の添加によって、トンネル絶縁膜の酸化アルミニウムのＯ元素が強磁性層中へ拡散するのが抑制され、結果として、強磁性層の磁気分極率の劣化が抑制され、高ＭＲ比が得られたものと考えられている。
【００１２】
また、強磁性層へＢ元素を添加することによって、層間拡散を防止する効果や、磁性薄膜の連続性を向上する効果を得ることが開示されている（例えば、特許文献１や特許文献２を参考）。
【００１３】
上述した各種の報告例では、いずれも、強磁性層にＢ元素を添加することにより、強磁性層がアモルファス化、もしくは微結晶化している。
なお、Ｂ元素の添加によって強磁性層が微結晶化した場合には、微結晶粒子の結晶構造は、ベースとなる磁性材料（例えばＣｏＦｅ）の結晶構造が反映され、面心立方格子（ｆｃｃ）もしくは、体心立方格子（ｂｃｃ）のいずれかの構造を有する。
Ｂ元素を添加して微結晶化した強磁性層がｆｃｃもしくはｂｃｃのいずれの構造を有するかは、ベースとなる磁性材料の構成元素の組成比に依存する。例えば、ＣｏＦｅ合金の場合、元素組成がＦｅリッチの場合はｂｃｃ構造を有し、Ｃｏリッチの場合はｆｃｃ構造を有する。そして、Ｆｅの組成が２５％以上のＣｏＦｅ合金はｂｃｃ構造を有し、Ｆｅの組成が２５％未満ではｆｃｃ構造を有することが報告されている（特許文献３参照）。
【００１４】
また、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ等の３ｄ遷移金属元素をベースとした磁性材料の場合、単位格子の格子定数は、一般に、ｂｃｃでは０．２８〜０．２９ｎｍ、ｆｃｃでは０．３５〜０．３６ｎｍであることが知られている。
【００１５】
一方、最近、新たなトンネル絶縁膜（非磁性スペーサ層）の材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いた、ＭＴＪ素子が脚光を浴びている。
これは、酸化マグネシウムをトンネル絶縁膜に用いることにより、酸化アルミニウムを用いた場合と比較して、より高いＭＲ比を実現することが可能になるからである。
【００１６】
例えば、酸化マグネシウムＭｇＯ（００１）単結晶基板上に、エピタキシャル成長させたＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／Ｆｅ（００１）からなる単結晶ＭＴＪ素子において、室温で１００％を超えるＭＲ比が初めて報告されている（非特許文献３及び非特許文献４参照）。
【００１７】
また、シリコン酸化膜が表面に形成されたＳｉ基板上に、スパッタ成膜により、ＴａＮ下地層／ＩｒＭｎ反強磁性層／ＣｏＦｅ強磁性固定層／ＭｇＯスペーサ層／ＣｏＦｅ強磁性自由層からなる、（１００）配向した多結晶ＭＴＪ素子を作製し、このＭＴＪ素子において、室温で２００％を超えるＭＲ比をもつことが報告されている（非特許文献５参照）。
そして、この構成のＭＴＪ素子のＣｏＦｅ強磁性層は、ｂｃｃ構造を持つことが報告されている。なお、このＭＴＪ素子は、多結晶構造を持つために、磁気メモリへの応用も可能である。
【００１８】
【非特許文献１】Wang et al.,IEEETrans.Magn.33,(1997),p4498
【非特許文献２】Intermag Europe 2002，ＢＢ０４，２００２年４月
【非特許文献３】Jpn. J. Appl. Phys.,43,L588(2004)
【非特許文献４】Nature material,3,868(2004)
【非特許文献５】Nature material,3,862(2004)
【特許文献１】特開２００１−６８７６０号公報
【特許文献２】特開２００２−２０４００４号公報
【特許文献３】特開２００３−１２４５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、これまで報告されている材料や膜構成では、充分にＭＲ比の高いＭＴＪ素子を、安定してかつ安いコストで作製することができなかった。
【００２０】
強磁性層にＢ元素を添加した場合には、上述したように従来の構成と比較してＭＲ比が高くなるが、大幅にＭＲ比を向上することは難しかった。
【００２１】
また、上記非特許文献３に記載された材料は、単結晶ＭＴＪ素子を作製するために、単結晶基板が必要となることから、材料コストが高くなり、磁気メモリへの応用は困難である。
【００２２】
上記非特許文献４に記載された材料は、ＭＴＪ素子を構成する積層膜において、最下層のＩｒＭｎ層から最上層の強磁性自由層までの全域で（１００）配向させる必要があるため、下地材料や反強磁性材料の選択に制限がある。
このため、膜構成の設計の自由度が低くなり、その分材料コストが高くなる。
【００２３】
上述した問題の解決のために、本発明においては、充分に高いＭＲ比が得られ、安定してかつ安いコストで作製することができる磁気メモリ素子、及びこの磁気メモリ素子を備えたメモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の磁気メモリ素子は、強磁性層の磁化状態により情報を保持する記憶層と、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、記憶層又は磁化固定層のうち少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素とＢ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成され、この化合物の結晶の単位結晶構造の周期ｘが、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの範囲内であるものである。
【００２５】
本発明の磁気メモリ素子は、強磁性層の磁化状態により情報を保持する記憶層と、トンネル絶縁膜と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、記憶層又は磁化固定層のうち少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素とＢ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成され、この化合物の結晶の単位格子の格子定数ａが、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）を満たすものである。
【００２６】
本発明のメモリは、磁気メモリ素子と、互いに交差する２種類の配線とを有し、これら２種類の配線の交点付近に磁気メモリ素子が配置され、２種類の配線により、磁気メモリ素子に対して磁場又は電流が印加され、磁気メモリ素子が、上記本発明の磁気メモリ素子の構成であるものである。
【００２７】
上述の本発明の磁気メモリ素子の構成によれば、記憶層とトンネル絶縁膜と磁化固定層とを有し、記憶層又は磁化固定層のうち少なくとも一方を構成する強磁性層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素とＢ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成されていることにより、記憶層とトンネル絶縁膜と磁化固定層から成る磁気トンネル接合素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることが可能になる。
そして、上記化合物が結晶質構造を有するので、同様の元素を含むアモルファス構造又は微結晶構造とした場合と比較しても、ＭＲ比を向上することができる。
【００２８】
また、この化合物の結晶の単位結晶構造の周期ｘが、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの範囲内である、又は、この化合物の結晶の単位格子の格子定数ａが、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）を満たすことにより、トンネル絶縁膜（酸化膜等）の結晶格子と前記化合物の結晶格子とを整合させることができる。これにより、化合物の結晶を良好な状態で形成することができるため、高いＭＲ比を安定して再現性よく得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００２９】
上述の本発明によれば、高いＭＲ比（例えば２００％以上）が、安定して再現性よく得られる。
これにより、磁気メモリ素子において、エラーレートを低くして、安定してメモリ動作させることができる。
また、高いＭＲ比が得られるため、磁気メモリ素子の膜構成の設計の自由度が高くなり、安いコストで磁気メモリを作製することが可能になる。
【００３０】
従って、本発明により、エラーが少なく安定して動作すると共に、製造コストが安いメモリを実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。
【００３２】
前述したように、ＭＲＡＭにおいて、エラーレートを低くし、安定してメモリ動作させるためには、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）をできるだけ大きくすることが求められる。
【００３３】
そこで、本発明者は、鋭意検討の結果、従来構造とは異なる、新しい構造をもつ強磁性材料を見い出した。
この新材料は、少なくともＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素を含み、かつ、少なくともＢ元素を含み、さらに、結晶質構造を有する化合物であることを特徴としている。
【００３４】
また、この化合物の結晶は、下記の（１）又は（２）のいずれかの構成であることを特徴とする。
（１）  化合物の結晶の単位結晶構造が、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの周期ｘの周期性を持つ構造を有する。
（２）  化合物の結晶の単位格子の格子定数ａが、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）を満たす。
【００３５】
そして、磁気メモリ素子を構成するＭＴＪ素子において、トンネル絶縁膜を挟む磁化自由層と磁化固定層のうち、少なくとも一方を構成する強磁性層に、上述した構成の新材料を用いる。
即ち、記憶層を構成する強磁性層のうちの一層或いは全ての層に、上述した新材料を用いた構成、磁化固定層を構成する強磁性層のうちの一層或いは全ての層に、上述した新材料を用いた構成、記憶層を構成する強磁性層のうちの一層或いは全ての層及び磁化固定層を構成する強磁性層のうちの一層或いは全ての層に、上述した新材料を用いた構成が挙げられる。
【００３６】
これにより、ＭＴＪ素子のＭＲ比を非常に高く（例えば２００％前後に）することが可能になり、磁気メモリ素子を安定して動作させることができる。
【００３７】
なお、上述した新材料を用いた構成の強磁性層と、材料又は組成範囲の異なる他の強磁性層とを直接積層させて記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層とすることも可能であり、このように積層させた場合でも、本発明の効果が得られる。
【００３８】
上述したように、ＭＴＪ素子の強磁性層として、上述したＢ元素を含む結晶質構造の化合物材料を用いた場合に、ＭＲ比が劇的に向上し、２００％を超えるＭＲ比が得られるようになる理由は、よく分かっていないが、材料固有の物理的性質（例えば磁気分極率等の物理的性質）に起因すると考えられる。
従って、強磁性層を構成する化合物材料の構造が、上述した条件を満たせば、製造方法や膜構成に依存せず、２００％を超える高ＭＲ比が再現性よく得られることになる。
【００３９】
上述した化合物材料において、Ｂ元素の含有量は、５％〜５０％（原子％）とすることが好ましい。
含有量を５％以上とすれば、ＭＲ比を充分に高くすることができる。
一方、含有量を５％未満とすると、Ｂ元素が結晶粒界等に析出して、化合物を形成しないおそれがある。
また、含有量が５０％を超えると、強磁性が消失してしまい、良好なＭＲ比が得られなくなるおそれがある。
【００４０】
しかしながら、ＣｏＦｅＢ化合物材料を、組成・膜構成・製造方法を、従来提案されている構成と全く同じにした場合には、アモルファス又は微結晶になってしまう。
そこで、結晶質構造とするために、これらの作製条件のうち少なくとも一部を従来提案されている構成から変更する。
【００４１】
例えば、成膜時の基板温度、或いは積層膜を形成した後の熱処理工程（反強磁性層の規則化熱処理工程を含む）の温度を、３５０℃〜３８０℃の範囲として、１時間以上（例えば４時間）熱を加えることにより、Ｂ元素を含む（ＣｏＦｅＢ等の）化合物材料を、結晶質構造とすることができる。
従来提案されている構成では、短時間又はより低い温度の熱処理だけであるために、アモルファス又は微結晶になってしまうと考えられる。
【００４２】
この他にも、各元素の組成比や膜構成を調整することにより、Ｂ元素を含む化合物材料を結晶質構造とすることが可能である。
【００４３】
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
まず、本発明の磁気メモリ素子の一実施の形態の概略構成図（模式的斜視図）を図１に示す。
この磁気メモリ素子１０は、ＭＲＡＭ等磁気記憶装置の１つのメモリセルに相当する部分を示しており、上層側から、記憶層１と、トンネル絶縁膜２と、磁化固定層３とを積層して成る磁気トンネル接合ＭＴＪを有して構成されている。
【００４４】
記憶層１は、磁性層から成り、磁化状態、即ち磁化の向きを情報として記録することができるものである。
トンネル絶縁膜２は、酸化膜や窒化膜、或いは酸窒化膜から成り、トンネル電流を流すために薄く形成されているものである。
磁化固定層３は、磁性層から成り、磁化の向きが固定されているものである。例えば、磁化固定層３に対して図示しない反強磁性層を設けることにより、磁化固定層３の磁化の向きを固定することができる。
【００４５】
そして、この磁気トンネル接合ＭＴＪと、ビット線（ＢＬ）１１と、書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２と、読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３と、メモリセルの選択を行うＭＯＳトランジスタＴｒとを有して構成されている。
また、磁気トンネル接合ＭＴＪの上にビット線（ＢＬ）１１が接続され、磁気トンネル接合ＭＴＪの下方に書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２が配置されている。
読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３は、ＭＯＳトランジスタＴｒのゲートＧを兼ねている。
また、ＭＯＳトランジスタＴｒのソース（Ｓ）１６及びドレイン（Ｄ）１７は、半導体層２１内に形成されている。
さらに、ＭＯＳトランジスタＴｒとＭＴＪとを接続するために、バッファ配線１４が設けられている。このバッファ配線１４は、一端側が磁気トンネル接合ＭＴＪに接続され、他端側がコンタクト層１５を介してＭＯＳトランジスタＴｒのソース１６に接続されている。
なお、書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２は、ＭＴＪや読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３やＭＯＳトランジスタＴｒのドレイン１７に対して、図示しない絶縁層により絶縁されている。
【００４６】
この磁気メモリ素子１０に対する、情報の書き込み（記録）は、ビット線（ＢＬ）１１及び書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２の両方に対してそれぞれ電流を流すことにより、発生する合成電流磁界によって、記憶層１の磁化の向きを制御することによって、行うことができる。
【００４７】
一方、記録された情報の読み出しは、ＭＯＳトランジスタＴｒを用いてメモリセルの選択を行い、磁気メモリ素子１０のトンネル絶縁膜２におけるトンネル磁気抵抗効果を利用して、記憶層１の磁化の向きの違いを電圧信号の差として検出することによって、行うことができる。
【００４８】
また、図１の磁気メモリ素子１０を規則的に配置して構成したＭＲＡＭの集積回路の模式図を図２に示す。図２において、破線で囲った部分が、図１に示した磁気メモリ素子１０に相当する。
図中上下方向に延びるビット線（ＢＬ）１１と、図中左右方向に延びる書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２及び読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３とが、それぞれ多数平行して配置され、これらの配線１１，１２，１３の交差点付近にメモリセル、即ち図１に示した磁気メモリ素子１０が設けられている。
【００４９】
この図２に示す構成の集積回路１００において、情報を書き込む（記録）する際には、情報を書き込む対象のメモリセルに対応する、書き込み用ワード線（ＷＷＬ）１２及びビット線（ＢＬ）１１の両方に電流を流して発生する合成電流磁界により、これらの配線１１，１２の交差する目的のメモリセルの記憶層１の磁化の向きを制御する。
【００５０】
一方、メモリセルの記憶層１に記録された情報を読み出す際には、ＭＯＳトランジスタＴｒを用いて対象とするメモリセルを選択する。即ち、目的のメモリセルに接続された読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３をＨｉｇｈ（ＯＮ状態）にする。
さらに、ビット線（ＢＬ）１１の電位変化を検出することにより、ビット線（ＢＬ）１１と読み出し用ワード線（ＲＷＬ）１３とが交差する目的のメモリセルに記録された情報を読み出す。このとき、ビット線（ＢＬ）１１の電位は、磁気メモリ素子１０の記憶層１の磁化の向きによって決まる磁気抵抗（ΔＲ）に比例した値を示す。
このようにして、目的のメモリセルに対して、情報の書き込みや記録された情報の読み出しを行うことができる。
【００５１】
ここで、図２の集積回路１００等に用いられる、磁気トンネル接合ＭＴＪを有する磁気メモリ素子１０の代表的な膜構成を図３に示す。
【００５２】
図３は、磁化固定層を記憶層に対して下層に配置したボトムタイプの膜構成を示す。即ち図１と同様に、上層側から、記憶層１、トンネル絶縁膜２、磁化固定層３が配置されて磁気トンネル接合ＭＴＪが構成され、磁化固定層３の下に磁化固定層３の磁化の向きを固定するための反強磁性層４が配置されている。なお、図中３１は下地層や電極やバイパス用のバッファ配線等であり、図中３２は保護層やビット線（ＢＬ）等である。
【００５３】
本実施の形態においては、特に、記憶層１又は磁化固定層３のうち少なくとも一方の強磁性層を、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素と、Ｂ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成する。
また、この化合物の結晶を、下記の（１）又は（２）のいずれかの構成とする。
（１）  化合物の結晶の単位結晶構造が、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの周期ｘの周期性を持つ構造を有する。
（２）  化合物の結晶の単位格子の格子定数ａが、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）を満たす。
【００５４】
このように記憶層１又は磁化固定層３のうち少なくとも一方の強磁性層を、上述の結晶質構造を有する化合物から構成することにより、ＭＲ比を高くすることができる。
【００５５】
上述の本実施の形態の磁気メモリ素子１０によれば、記憶層１又は磁化固定層３のうち少なくとも一方の強磁性層を、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる１種以上の元素と、Ｂ元素とを少なくとも含み、かつ結晶質構造を有する化合物から構成することにより、同様の元素を含むアモルファス構造又は微結晶構造とした場合と比較しても、ＭＲ比を高くすることができる。
また、この化合物の結晶を、（１）化合物の結晶の単位結晶構造が、０．１９ｎｍ≦ｘ≦０．２３ｎｍの周期ｘの周期性を持つ構造を有する（２）化合物の結晶の単位格子の格子定数ａが、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）を満たす、のいずれかの構成とすることにより、化合物の結晶格子とトンネル絶縁膜２に用いられる酸化物（例えば酸化マグネシウム等）の結晶格子とを整合させることができる。これにより、化合物の結晶を良好な状態で形成することができるため、高いＭＲ比を安定して再現性よく得ることが可能になる。
【００５６】
このように高いＭＲ比（例えば２００％以上）が、安定して再現性よく得られることにより、磁気メモリ素子１０において、エラーレートを低くして、安定してメモリ動作させることができる。
また、高いＭＲ比が得られるため、磁気メモリ素子１０の膜構成の設計の自由度が高くなり、安いコストで磁気メモリを作製することが可能になる。
【００５７】
従って、本実施の形態の磁気メモリ１０を用いて、エラーが少なく安定して動作すると共に、製造コストが安いメモリ（記憶装置）を実現することが可能になる。
【００５８】
本発明の磁気メモリ素子では、図３に示した以外の膜構成も可能である。
磁化固定層を記憶層に対して上層に配置したトップタイプの膜構成や、磁化固定層を記憶層に対して上層と下層とに配置したデュアルタイプの膜構成とすることも可能である。
また、例えば、磁性層（記憶層１又は磁化固定層３）を、非磁性層を挟んだ２層以上の強磁性層から成る積層フェリ構造とすることも可能である。この場合、積層する強磁性層の数は、デバイス設計に応じて何層でもよく、このような構造を、一般に（強磁性層／非磁性層）ｎ＋（強磁性層）（ｎは０以上の整数）と表すことができる。
上述したような膜構成により、磁気トンネル接合ＭＴＪを有する磁気メモリ素子１０を構成することができる。そして、この磁気メモリ素子１０を用いて図２に示した集積回路１００を構成することができる。
【００５９】
本発明では、記憶層と磁化固定層を構成する強磁性層のうち、少なくとも１層の強磁性層において、Ｂ元素を含有する結晶質構造の化合物から成る磁性材料を用いればよい。
また、強磁性層全体にこの化合物から成る磁性材料を用いる構成の他、この化合物から成る磁性材料を用いた強磁性層と他の磁性材料から成る強磁性層とを直接積層して、記憶層又は磁化固定層を構成する強磁性層を形成してもよい。
【００６０】
続いて、本発明の磁気メモリ素子を実際に作製して、その特性を調べた。
【００６１】
図４に示すように、図３に示した膜構成の磁化固定層３を、２層の強磁性層５，７とその間の非磁性導電層６とから成る積層フェリ構造として、この図４に示す膜構成の磁気メモリ素子を作製した。
【００６２】
（実施例）
図４に示した膜構成において、各層の材料及び膜厚を、下地材料３１として膜厚３ｎｍのＴａ膜、反強磁性層４として膜厚２５ｎｍのＰｔＭｎ膜、積層フェリ構造の磁化固定層３を構成する強磁性層５として膜厚１．８ｎｍのＣｏ８０Ｆｅ２０膜、非磁性導電層６として膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、強磁性層７として膜厚２．０ｎｍのＣｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０膜、トンネル絶縁膜２として膜厚２．０ｎｍのＭｇＯ膜、記憶層１として膜厚３ｎｍのＣｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０膜、と選定した。
即ち、磁化固定層３の強磁性層７と記憶層１に、Ｃｏ組成が６４％，Ｆｅ組成が１６％，Ｂ組成が２０％のＣｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０合金を用いている。このように、トンネル絶縁膜（ＭｇＯ膜）の両側の強磁性層（磁化固定層３の強磁性層７及び記憶層１）をＣｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０合金としたことにより、この合金の物理的な性質によって、ＭＲ比の大きさが決まることになる。
上述した各層を順次成膜した後、その上にＴａ膜から成る保護層３２を形成した。各層の成膜はスパッタリング法により行った。
その後、反強磁性層４のＰｔＭｎ膜に反強磁性を付加するために、熱処理を３６０℃で２時間行った。
このようにして、図４に示した膜構成の磁気メモリ素子を形成した。
【００６３】
磁化固定層３の２層の強磁性層５，７は、非磁性導電層６を介して積層されているため、それぞれの磁化の向きが反平行となり、反強磁性的に互いに強く結合する。
磁化の向きが反平行であるため、２層の強磁性層の磁気モーメントが打ち消し合って、磁化固定層３全体の正味の磁気モーメントが小さくなる。ピン止め磁界は、正味の磁気モーメントに反比例するため、結果的に、ピン止め磁界が増幅される効果がある。
【００６４】
実施例の磁気メモリ素子の試料の断面を、高分解能の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した。
観察結果を図５Ａに示す。
また、図５ＡのＴＥＭ像の周期的コントラストを直線で結んだ格子縞模式図を図５Ｂに示す。
【００６５】
ＭｇＯは、図６に示すように、ＮａＣｌ型の結晶構造であり、Ｍｇ原子とＯ原子が交互に配置されている。
図５ＡのＴＥＭ像は、図６の［０１０］方向から見た、原子の配列・周期性を反映した像である。
【００６６】
そして、図５Ａから、格子縞の間隔、即ち（００２）面及び（２００）面の面間隔は０．２１ｎｍと見積もられる。
また、図６に示す単位格子の格子定数ａは、（００２）面の面間隔（０．２１ｎｍ）の２倍の値で、０．４２ｎｍとなる。ＭｇＯの（００２）面の間隔は、ＭｇＯ内のＭｇとＯの組成比や、内部応力等に影響され、１０％程度変化する。
【００６７】
一方、図５Ａから、ＣｏＦｅＢ（Ｃｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０）においても、格子縞が観察され、結晶質であることがわかる。
図５Ｂの格子縞模式図中の、格子縞が形成する４角形が、Ｃｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０の結晶の最小単位と考えることができる。
この４角形の格子縞は、図７に示すような立方晶，正方晶，斜方晶，単斜晶等の空間格子の［０１０］方向から観察したときの原子配列を反映した像である。
図５ＡのＴＥＭ像から、４角形の１辺の間隔は、０．１９（ｎｍ）≦ａ≦０．２３（ｎｍ） と見積もられた。この格子縞の間隔は、格子定数ａに相当すると考えられる。また、Ｂと強磁性元素の組成比によっては、ＮａＣｌ型の結晶構造のように、Ｂと強磁性元素が格子縞の２倍の周期で規則的に配列した規則格子をつくる可能性がある。この場合、格子定数ａは格子縞の間隔の２倍と考えることができる。従って、一般に格子定数ａは、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）と表現することができる。格子縞の間隔をｎ倍する意味は、基本格子の定義のしかたの問題であり、格子定数が大きくなることを意味するものではない。
【００６８】
図７に示した空間格子のうちいずれの空間格子をとるかは、局所的な歪み分布や、Ｂ元素の含有率（組成）等に依存して異なるが、実際の材料では、ＭｇＯとＣｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０の界面における局所的な歪みや、Ｂ元素の含有率（組成）の揺らぎが少なからず存在するので、同じ膜中でも、図７のいずれの空間格子もとりうる。また、どの空間格子をとる場合においても、ａ１，ａ２，ａ３のいずれも、０．１９×ｎ（ｎｍ）≦ａ≦０．２３×ｎ（ｎｍ）（ｎは１，２）を満たす。
別の観点からみると、Ｃｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０の結晶構造は、立方晶がベースであり、ＭｇＯとＣｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０との界面における局所的な歪みや、Ｂ元素の含有率（組成）の揺らぎに起因して、基本格子が変形すると考えることもできる。
【００６９】
注目すべきは、上述したＣｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０の格子定数ａが、ｂｃｃ構造のＣｏＦｅ合金の格子定数（０．２８〜０．２９ｎｍ）や、ｆｃｃ構造のＣｏＦｅ合金の格子定数（０．３５〜０．３６ｎｍ）とは異なる点である。
これは、このＣｏＦｅＢ材料が従来報告されてきた材料とは異なる結晶構造を有していることを示している。
【００７０】
続いて、エネルギーフィルター電顕法（エネルギーフィルターＴＥＭ法）と呼ばれる解析手法を用いて、実施例の試料の磁気メモリ素子内における、Ｃｏ，Ｏ，Ｂの各元素の分布を解析した。
この解析手法は、イメージング電子エネルギー損失分光法（イメージングＥＥＬＳ法）とも呼ばれている。本発明者は、このエネルギーフィルター電顕法が、ＭＲＡＭを歩留まり良く製造するために必須の検査手法であることを見出し、電子エネルギー損失分光法による検査工程を含むことを特徴とする磁気メモリの製造方法を提案している（特開２００４−３４９５７４号公報参照）。測定原理の詳細は、この公報の明細書に記されている。
【００７１】
解析結果を図８Ａ及び図８Ｂに示す。
図８Ａは、エネルギーフィルターＴＥＭ像と呼ばれるもので、Ｃｏ，Ｏ，Ｂの各元素の存在する領域を、白のコントラストで示している。
また、図８Ｂは、エネルギーフィルターＴＥＭ像のコントラスト強度のラインプロファイル結果を示す。縦軸は、磁気メモリ素子の積層膜の膜厚方向の位置を示しており、横軸は、コントラスト強度を示している。ラインプロファイルの横軸の単位は任意で、各元素のコントラスト強度は定量化されていない。従って、図８Ｂのラインプロファイルは、相対的な分布状況を示している。
【００７２】
図８Ａ及び図８Ｂの結果から、Ｂ元素がＭｇＯ膜の両側に配置されたＣｏＦｅＢ膜内に均一に分布していることが分かる。
この結果は、Ｂ元素が結晶粒界に析出することなく、結晶格子を構成する一元素として化合物を形成していることを意味している。
【００７３】
（比較例）
次に、図４に示した膜構成において、磁化固定層３の強磁性層７及び記憶層１を、Ｃｏ組成が８０％，Ｆｅ組成が２０％のＣｏ８０Ｆｅ２０合金とした他は、実施例と同様にして磁気メモリ素子を作製して、比較例の試料とした。
【００７４】
実施例及び比較例の磁気メモリ素子の各試料について、ＭＲ比を測定した。
測定結果を、表１に示す。
【００７５】
【表１】
2006318983.tif 000003
【００７６】
表１から、Ｃｏ８０Ｆｅ２０を強磁性層として用いた比較例では、ＭＲ比が４５％程度であるのに対し、Ｃｏ６４Ｆｅ１６Ｂ２０を強磁性層として用いた実施例では、２２０％と高いＭＲ比が得られていることがわかる。
【００７７】
なお、前記非特許文献５において、ＣｏＦｅ強磁性層とＭｇＯ層を組み合わせたＭＴＪ素子においても、２００％以上のＭＲ比が報告されているが、この比較例では、５０％以下のＭＲしか得られていない。
これは、ＣｏＦｅを強磁性層として用いたＭＴＪ素子では、層構成やＣｏＦｅ組成、結晶配向によって、ＭＲ比が敏感に影響を受けることを示唆している。
従って、２００％以上の高いＭＲ比を得る目的で、ＣｏＦｅ合金材料を磁気メモリ素子に用いる場合には、磁気メモリ素子の層構成等の設計の自由度が小さくなる。
【００７８】
上述の実施例では、本発明によるＢ元素を含む結晶質構造の化合物としてＣｏＦｅＢ合金を用いているが、原子半径の近い他の３ｄ遷移金属で置換しても格子定数に大きな変化はない。
ただし、強磁性特性を得るために、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれるいずれかの元素が、少なくとも一種類以上含まれている必要がある。
また、ＣｏＦｅＢ合金のＣｏとＦｅの組成比は特に限定されるものではなく、このＣｏとＦｅの組成比が結晶構造及び格子定数に与える影響は小さい。
【００７９】
（熱処理温度と特性の関係）
次に、前述した実施例と同一の膜構成の磁気メモリ素子の各層を成膜した後、２時間の熱処理工程を行い、この熱処理工程の温度を２６５℃，３４０℃，３６０℃，３８０℃と変えて、それぞれ磁気メモリ素子の試料を作製した。
【００８０】
各試料について、ＭＲ比を測定した。
測定結果を図９に示す。
【００８１】
図９より、熱処理温度が高くなるほど、ＭＲ比が高くなることがわかる。
【００８２】
さらに、２６５℃で熱処理した試料と、３８０℃で熱処理した試料について、磁気メモリ素子の積層膜の断面をＴＥＭにより観察した。２６５℃で熱処理した試料のＴＥＭ像を図１０に示し、３８０℃で熱処理した試料のＴＥＭ像を図１１に示す。
【００８３】
図１０より、２６５℃で熱処理した試料では、ＭｇＯ膜との界面近傍のみでＣｏＦｅＢが結晶化していることがわかる。
図１１より、３８０℃で熱処理した試料では、結晶化領域が膜厚方向に広がっていることがわかる。
従って、熱処理温度を高くすると、結晶化領域が広がることによって、ＭＲ比も高くなっていると推測される。
【００８４】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の磁気メモリ素子の一実施の形態の概略構成図（模式的斜視図）である。
【図２】図１の磁気メモリ素子を規則的に配置したＭＲＡＭの集積回路の模式図である。
【図３】図１の磁気メモリ素子の膜構成を示す断面図である。
【図４】磁気メモリ素子の膜構成を示す断面図である。
【図５】Ａ  実施例の磁気メモリ素子の試料の断面のＴＥＭ像である。  Ｂ  図５ＡのＴＥＭ像から作成した格子縞模式図である。
【図６】ＭｇＯの結晶構造を示す図である。
【図７】各種の空間格子を示す図である。
【図８】実施例の試料の磁気メモリ素子内における、Ｃｏ，Ｏ，Ｂの各元素の分布を解析した結果である。  Ａ  エネルギーフィルターＴＥＭ像である。  Ｂ  図８ＡのエネルギーフィルターＴＥＭ像のコントラスト強度のラインプロファイルである。
【図９】熱処理温度と磁気メモリ素子のＭＲ比との関係を示す図である。
【図１０】２６５℃で熱処理した試料の断面のＴＥＭ像である。
【図１１】３８０℃で熱処理した試料の断面のＴＥＭ像である。
【符号の説明】
【００８６】
１  記憶層、２  トンネル絶縁膜、３  磁化固定層、４  反強磁性層、１０  磁気メモリ素子、１１  ビット線（ＢＬ）、１２  書き込みワード線（ＷＷＬ）、１３  読み出しワード線（ＲＷＬ）、１４  バッファ配線、１００  集積回路、ＭＴＪ  磁気トンネル接合、Ｔｒ  ＭＯＳトランジスタ
【図１】
2006318983.tif 000004
【図２】
2006318983.tif 000005
【図３】
2006318983.tif 000006
【図４】
2006318983.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006318983.tif 000009
【図８】
2006318983.tif 000010
【図９】
2006318983.tif 000011
【図１０】
2006318983.tif 000012
【図１１】
2006318983.tif 000013
【図５】
2006318983.tif 000014