(57)【要約】【課題】下地層を形成しても、書き込み電流値が高くなるといった問題点を回避することができる磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】磁気抵抗素子１０は、下部電極３１、非磁性材料から成る第１下地層２１Ａ、垂直磁気異方性を有する記憶層２２、中間層２３、磁化固定層２４及び上部電極３２が積層されて成り、記憶層２２は、少なくとも３ｄ遷移金属元素及びホウ素元素を組成として有する磁性材料から成り、下部電極３１と第１下地層２１Ａとの間に、更に、第２下地層２１Ｂを備えており、第２下地層２１Ｂは、記憶層を構成する元素の少なくとも１種類の元素を組成として有する材料から成る。【選択図】  図１
2018032805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極、非磁性材料から成る第１下地層、垂直磁気異方性を有する記憶層、中間層、磁化固定層、及び、上部電極が積層されて成り、
記憶層は、少なくとも３ｄ遷移金属元素及びホウ素元素を組成として有する磁性材料から成り、
下部電極と第１下地層との間に、更に、第２下地層を備えており、
第２下地層は、記憶層を構成する元素の少なくとも１種類の元素を組成として有する材料から成る磁気抵抗素子。
【請求項２】
第２下地層は、面内磁気異方性又は非磁性を有する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから成り、
第２下地層のボロン原子含有量は、１０原子％乃至５０原子％である請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
第２下地層は、１層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層から成り、
第１下地層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
第２下地層の厚さをＴ2、記憶層の厚さをＴ0としたとき、Ｔ0≦Ｔ2を満足する請求項４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
Ｔ2≦３ｎｍを満足する請求項５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
下部電極と第２下地層との間に第３下地層が形成されている請求項４に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
第３下地層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る請求項７に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
第３下地層は、第１下地層を構成する材料と同じ材料から構成されている請求項７に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
第２下地層は、第１材料層と第２材料層が交互に積層されて成る請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
第１材料層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層から成り、
第２材料層は、非磁性材料層から成る請求項１０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１２】
第２材料層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る請求項１０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１３】
第１下地層を構成する材料と第２材料層を構成する材料とは同じ材料である請求項１０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１４】
第２下地層の厚さをＴ2’としたとき、３ｎｍ≦Ｔ2’を満足する請求項１０に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１５】
第１下地層の厚さをＴ1としたとき、１ｎｍ≦Ｔ1≦４ｎｍを満足する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１６】
下部電極、非磁性材料から成る第１下地層、記憶層、中間層、磁化固定層、及び、上部電極が積層されて成り、
記憶層は、垂直磁気異方性を有し、
下部電極と第１下地層との間に、更に、第２下地層を備えており、
第２下地層は、面内磁気異方性又は非磁性を有する磁気抵抗素子。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子を備えている電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁気抵抗素子、より具体的には、例えば記憶素子を構成する磁気抵抗素子、及び、係る磁気抵抗素子を備えた電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報処理システムでは、様々な種類の記憶装置がキャッシュメモリやストレージとして用いられている。次世代の記憶装置として、ＲｅＲＡＭ（Resistive RAM）やＰＣＲＡＭ（Phase-Change RAM）、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive RAM）等の不揮発性メモリの開発が進められている。これらの不揮発性メモリの中でも、コンパクトで、高速、且つ、書換え回数が無限大に近いことなどの理由により、強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子、Magnetic Tunnel Junction 素子。以下、単に『磁気抵抗素子』と呼ぶ場合がある）を記憶素子として用いるＭＲＡＭが注目されており、スピン角運動量移動（ＳＭＴ：Spin-Momentum-Transfer）を用いた書き込み方式（スピン注入書き込み方式）のスピン注入型磁気抵抗効果素子（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ，Spin Transfer Torque based Magnetic Random Access Memory）が提案されている。
【０００３】
情報が記憶される磁気抵抗素子は、例えば、垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成される。この磁気抵抗素子は、磁化方向が可変の記憶層（記録層、磁化反転層、磁化自由層、フリー層、Magnetic  Free Layer とも呼ばれる）、磁化が固着された磁化固定層（ピン層、Mmagnetic Pinned Layer とも呼ばれる）、及び、記憶層と磁化固定層との間に形成されたトンネル絶縁層から成る中間層から構成されている。記憶層の磁化方向が、磁化固定層の磁化方向と平行のとき（『平行磁化状態』と呼ぶ）、磁気抵抗素子は低抵抗状態となり、反平行のとき（『反平行磁化状態』と呼ぶ）、磁気抵抗素子は高抵抗状態となる。この抵抗状態の違いを情報の記憶に用いる。ここで、平行磁化状態（Ｐ状態）から反平行磁化状態（ＡＰ状態）とするときの方が、反平行磁化状態（ＡＰ状態）から平行磁化状態（Ｐ状態）とするときよりも、多くの磁化反転電流（書込み電流とも呼ばれる）が必要とされる。
【０００４】
ところで、このような磁気抵抗素子は、２種類の構造に分類される。即ち、下部電極の上に磁化固定層を形成し、磁化固定層の上に中間層を介して記憶層を形成するボトムピン構造と、下部電極の上に記憶層を形成し、記憶層の上に中間層を介して磁化固定層を形成するトップピン構造である。また、磁気抵抗素子は選択用トランジスタと接続されており、選択用トランジスタとして、通常、ＮＭＯＳ型ＦＥＴが用いられる。
【０００５】
情報の書き込み時、スピン注入型磁気抵抗効果素子に印加される電圧、電流は、選択用トランジスタの駆動能力によって決められる。そして、ドレイン領域からソース領域に電流を流す場合と、ソース領域からドレイン領域に電流を流す場合とでは、流れる選択用トランジスタの駆動電流の値に相違があるといった、非対称性が存在する。スピン注入型磁気抵抗効果素子にドレイン領域が接続されたＮＭＯＳ型ＦＥＴを選択用トランジスタとして用いる場合、ドレイン領域からソース領域へ流す電流をＩ1、ソース領域からドレイン領域へ流す電流をＩ2としたとき、Ｉ1＞Ｉ2の関係にある。
【０００６】
上述したとおり、記憶層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向が平行磁化状態から反平行磁化状態となるように記憶層の磁化方向を反転させる（情報を書き換える）とき、より多くの磁化反転電流が必要とされる。磁気抵抗素子においては、屡々、ボトムピン構造が採用されている。しかしながら、ボトムピン構造では、このような情報の書換えの際、選択用トランジスタからスピン注入型磁気抵抗効果素子へと電流Ｉ2を流すので、ＮＭＯＳ型ＦＥＴにおける電流値のマージンが少なく、場合によっては情報の書き換えが困難となる場合がある（非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Hiroki Koike, et al., "Wide operational margin capability of 1 kbit spin-transfer-torque memory array chip with 1-PMOS and 1-bottom-pin-magnetic-tunnel-junction type cell", Japanese Journal of Applied Physics 53, 04ED13 (2014)
【非特許文献２】Kay Yakushiji, et al., "High Magnetoresistance Ratio and Low Resistance-Area Product in Magnetic Tunnel Junctions with Perpendicularly Magnetized Electrodes", Applied Physics Express 3 (2010) 053003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、トップピン構造を採用することで、このような書き換え電流値のマージン不足といった問題は改善される。しかしながら、下部電極の上に構成される記憶層の垂直磁気異方性を保持するために、下部電極と記憶層との間に下地層を形成する必要がある。例えば、非特許文献２には、下部電極の上にＲｕから成る下地層を形成し、このＲｕ・下地層とＣｏ−Ｆｅ−Ｂから成る記憶層との間にＣｏ−Ｐｔから成る垂直磁気異方性を有する磁性下地層を形成する技術が開示されている。このように記憶層に隣接して垂直磁気異方性を有する磁性下地層を配置すると、磁性下地層と記憶層とが磁気的に結合するため、記憶層自体の垂直磁気異方性が強化され、記憶層の保磁力が向上する。しかしながら、磁性下地層を有していない構造に比べると、書き込み電流値が高くなるという問題点がある。
【０００９】
従って、本開示の目的は、下地層を形成しても、書き込み電流値が高くなるといった問題点を回避することができる構成、構造を有する磁気抵抗素子、及び、係る磁気抵抗素子を備えた電子デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本開示の第１の態様に係る磁気抵抗素子は、
下部電極、非磁性材料から成る第１下地層、垂直磁気異方性を有する記憶層（記録層、磁化反転層、磁化自由層あるいはフリー層とも呼ばれる）、中間層、磁化固定層、及び、上部電極が積層されて成り、
記憶層は、少なくとも３ｄ遷移金属元素及びホウ素元素を組成として有する磁性材料から成り、
下部電極と第１下地層との間に、更に、第２下地層を備えており、
第２下地層は、記憶層を構成する元素の少なくとも１種類の元素を組成として有する材料から成る。
【００１１】
上記の目的を達成するための本開示の第２の態様に係る磁気抵抗素子は、
下部電極、非磁性材料から成る第１下地層、記憶層、中間層、磁化固定層、及び、上部電極が積層されて成り、
記憶層は、垂直磁気異方性を有し、
下部電極と第１下地層との間に、更に、第２下地層を備えており、
第２下地層は、面内磁気異方性又は非磁性を有する。
【００１２】
上記の目的を達成するための本開示の電子デバイスは、本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子を備えている。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の第１の態様に係る磁気抵抗素子において、下部電極と第１下地層との間に備えられた第２下地層は、記憶層を構成する元素の少なくとも１種類の元素を組成として有する材料から成る。また、本開示の第２の態様に係る磁気抵抗素子において、下部電極と第１下地層との間に備えられた第２下地層は、面内磁気異方性又は非磁性を有する。そして、このような第２下地層を設けることで、第１下地層の結晶配向性が向上し、その結果、第１下地層の上に形成された記憶層の垂直磁気異方性を向上させることができるので、記憶層の保磁力を増加させることができる一方、書き込み電流値が高くなるといった問題点を回避することができる。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施例１の磁気抵抗素子の概念図である。
【図２】図２は、選択用トランジスタを含む実施例１の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図である。
【図３】図３は、選択用トランジスタを含む実施例１の磁気抵抗素子及びメモリセルユニットの等価回路図である。
【図４】図４は、実施例２の磁気抵抗素子の概念図である。
【図５】図５Ａは、実施例１及び比較例１Ａの磁気抵抗素子において、第２下地層の厚さ（Ｔ2）と記憶層の保持力との関係を求めたグラフであり、図５Ｂは、第１下地層の厚さ（Ｔ1）と記憶層の保持力との関係を求めたグラフである。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、実施例３の複合型磁気ヘッドの一部を切り欠いて示した模式的な斜視図、及び、実施例３の複合型磁気ヘッドの模式的な断面図である。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、スピン注入磁化反転を適用したスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、スピン注入磁化反転を適用したスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子及び本開示の電子デバイス、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子及び本開示の電子デバイス）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１〜実施例２において説明した磁気抵抗素子を備えた電子デバイス）
５．その他
【００１６】
〈本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子及び本開示の電子デバイス、全般に関する説明〉
本開示の第１の態様に係る磁気抵抗素子、本開示の電子デバイスに備えられた本開示の第１の態様に係る磁気抵抗素子において、第２下地層は面内磁気異方性又は非磁性を有する形態とすることができる。
【００１７】
上記の好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る磁気抵抗素子、本開示の電子デバイスに備えられた上記の好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子、本開示の第２の態様に係る磁気抵抗素子（以下、これらを総称して、『本開示の磁気抵抗素子等』と呼ぶ）において、
記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから成り、
第２下地層のボロン原子含有量は、１０原子％乃至５０原子％である形態とすることができる。第２下地層のボロン原子含有量の下限値をこのような値に規定することで、第２下地層の形成によって第１下地層の結晶配向性が一層向上し、その結果、記憶層の垂直磁気異方性を一層確実に向上させることができる。また、第２下地層のボロン原子含有量の上限値をこのように規定することで、スパッタリング法に基づき第２下地層を形成する際に使用するターゲット材料の強度低下といった問題が発生する虞が無くなる。
【００１８】
上記の好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子等において、
第２下地層は、１層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層から成り、
第１下地層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る構成とすることができる。このような構成を、便宜上、『第１の構成の磁気抵抗素子』と呼ぶ。そして、第１の構成の磁気抵抗素子においては、第２下地層の厚さをＴ2、記憶層の厚さをＴ0としたとき、Ｔ0≦Ｔ2を満足する構成とすることができ、更には、Ｔ2≦３ｎｍ、例えば、１ｎｍ≦Ｔ2≦３ｎｍを満足することが好ましい。Ｔ0≦Ｔ2とすることで、第１下地層の結晶配向性が一層向上し、その結果、記憶層の垂直磁気異方性を一層強めることができる。一方、Ｔ2≦３ｎｍとすることで、第２下地層が面内磁気異方性を適切に発現する結果、記憶層の垂直磁気異方性を一層強めることができ、記憶層の保磁力の一層の向上を図ることができる。また、このように、第２下地層の厚さＴ2を規定することで、第２下地層が面内磁気異方性又は非磁性を有することを、確実に達成することができる。尚、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層に対してその法線方向の磁界を加えたとき、一般に、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層の厚さが１ｎｍ以上、１．５ｎｍ未満では垂直磁気異方性を示し、厚さが１．５ｎｍ以上では面内磁気異方性を示す。
【００１９】
更には、以上に説明した好ましい構成を含む第１の構成の磁気抵抗素子にあっては、下部電極と第２下地層との間に第３下地層が形成されている構成とすることができる。ここで、第３下地層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る構成とすることができるし、あるいは又、第３下地層は第１下地層を構成する材料と同じ材料から成る構成とすることができる。第３下地層を形成することで、第２下地層の結晶配向性の向上を図ることができる結果、第１下地層の結晶配向性が一層向上し、記憶層の垂直磁気異方性を一層強めることができる。
【００２０】
あるいは又、上記の好ましい形態を含む本開示の磁気抵抗素子等において、第２下地層は、第１材料層と第２材料層が交互に積層されて成る構成とすることができる。このような構成を、便宜上、『第２の構成の磁気抵抗素子』と呼ぶ。そして、第２の構成の磁気抵抗素子において、
第１材料層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層から成り、
第２材料層は、非磁性材料層から成る構成とすることができる。更には、これらの構成の第２の構成の磁気抵抗素子において、第２材料層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る構成とすることができる。更には、これらの構成の第２の構成の磁気抵抗素子において、第１下地層を構成する材料と第２材料層を構成する材料とは同じ材料である構成とすることができる。更には、これらの構成の第２の構成の磁気抵抗素子において、第２下地層の厚さをＴ2’としたとき、３ｎｍ≦Ｔ2’を満足することが好ましく、これによって、第１下地層の結晶配向性が一層向上し、その結果、記憶層の垂直磁気異方性を一層強めることができる。Ｔ2’の上限や第１材料層及び第２材料層の層数は、特に制限はなく、加工性や各種の層の厚さから積層構造体の厚さ（高さ）が規定されるので、積層構造体の厚さ（高さ）に応じてＴ2’の値や第１材料層及び第２材料層の層数を決定すればよい。また、第１材料層及び第２材料層の厚さや層数が増加すると、第１材料層及び第２材料層の成膜時間等の処理時間が長くなるので、処理時間も考慮して決定すればよい。例えば、Ｔ2’の上限として１０ｎｍを例示することができる。第１材料層の厚さをＴ2-A’、第２材料層の厚さをＴ2-B’としたとき、限定するものではないが、
０．２≦Ｔ2-A’／Ｔ2-B’≦５
を満足することが好ましい。また、第１材料層の厚さＴ2-A’は、記憶層の厚さＴ0よりも薄い、即ち、
Ｔ2-A’＜Ｔ0
を満足することが好ましい。
【００２１】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成、第１の構成の磁気抵抗素子、第２の構成の磁気抵抗素子を含む本開示の磁気抵抗素子等において、第１下地層の厚さをＴ1としたとき、１ｎｍ≦Ｔ1≦４ｎｍを満足することが好ましい。１ｎｍ≦Ｔ1を満足することで、例えば、第２下地層の面内磁気異方性が記憶層の垂直磁気異方性に与える影響が少なくなる。一方、Ｔ1≦４ｎｍを満足することで、第１下地層の結晶配向性が一層向上し、その結果、記憶層の垂直磁気異方性を一層確実に向上させることができる。
【００２２】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成、第１の構成の磁気抵抗素子、第２の構成の磁気抵抗素子を含む本開示の磁気抵抗素子等において、記憶層の磁化方向は、記憶すべき情報に対応して変化し、記憶層の磁化容易軸は、下地層、記憶層、中間層及び磁化固定層から成る積層構造体の積層方向に対して平行である（即ち、垂直磁化型である）。そして、この場合、磁気抵抗素子は、スピントルクによって記憶層の磁化が反転することで情報の書き込み、消去を行う垂直磁化方式の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）から成る形態とすることができる。ここで、下地層には、第１下地層及び第２下地層が含まれ、あるいは又、第１下地層、第２下地層及び第３下地層が含まれる。
【００２３】
以上に説明した各種の好ましい形態、第１の構成の磁気抵抗素子、第２の構成の磁気抵抗素子を含む本開示の磁気抵抗素子等（以下、単に『本開示の素子』と呼ぶ場合がある）において、記憶層や磁化固定層の結晶性は、本質的に任意であり、多結晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、非晶質であってもよい。
【００２４】
本開示の素子において、記憶層を構成する材料として、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを挙げたが、広くは、コバルト、鉄、ニッケル及びホウ素から成る金属材料（合金、化合物）から構成されている形態とすることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの他、例えば、Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｂを挙げることができる。更には、垂直磁気異方性を一層増加させるために、係る合金にテルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）等の重希土類元素を添加してもよい。記憶層を構成する材料に非磁性元素を添加することも可能である。また、非磁性元素の添加により、拡散の防止による耐熱性の向上や磁気抵抗効果の増大、平坦化に伴う絶縁耐圧の増大等の効果が得られる。添加する非磁性元素として、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｏｓを挙げることができる。
【００２５】
記憶層は、単層構成とすることもできるし、組成の異なる強磁性材料層を積層した積層構成とすることもできるし、強磁性材料層と非磁性体層とを積層した積層構成とすることもできる。あるいは又、強磁性材料層と軟磁性材料層とを積層させたり、複数層の強磁性材料層を軟磁性材料層や非磁性体層を介して積層することも可能である。強磁性材料層の複数を非磁性体層を介して積層させた構成とする場合、強磁性材料層相互の磁気的強さの関係を調整することが可能になるため、スピン注入型磁気抵抗効果素子における磁化反転電流が大きくならないように抑制することが可能となる。ここで、上述した記憶層を構成する材料以外の強磁性材料として、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）といった強磁性材料、これらの強磁性材料の合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｆｅ等）、あるいは、これらの合金にガドリニウム（Ｇｄ）が添加された合金、これらの合金に非磁性元素（例えば、タンタル、クロム、白金、シリコン、炭素、窒素等）を混ぜた合金、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの内の１種類以上を含む酸化物（例えば、フェライト：Ｆｅ−ＭｎＯ等）、ハーフメタリック強磁性材料と呼ばれる一群の金属間化合物（ホイスラー合金：ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ2ＭｎＧｅ、Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2ＣｒＡｌ等）、酸化物（例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3、ＣｒＯ2、Ｆｅ3Ｏ4等）を挙げることができる。また、非磁性体層の材料として、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、又は、これらの合金を挙げることができる。
【００２６】
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の素子において、中間層は非磁性体材料から成ることが好ましい。即ち、本開示の素子は、スピン注入型磁気抵抗効果素子であって、ＴＭＲ（Tunnel Magnetoresistance）効果を有する。即ち、本開示の素子は、磁性材料から成る磁化固定層と、磁性材料から成る記憶層との間に、トンネル絶縁層として機能する非磁性体材料から成る中間層が挟まれた構造を有する。中間層は、記憶層と磁化固定層との間の磁気的結合を切ると共に、トンネル電流を流すための役割を担い、トンネル絶縁層とも呼ばれる。
【００２７】
ここで、中間層を構成する非磁性体材料として、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、マグネシウムフッ化物、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、シリコン酸化物（ＳｉＯX）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、ＴｉＯ2、Ｃｒ2Ｏ3、Ｇｅ、ＮｉＯ、ＣｄＯX、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｂｉ2Ｏ3、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ3、ＡｌＬａＯ3、Ｍｇ−Ａｌ2−Ｏ、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、ＢＮ、ＺｎＳ等の各種絶縁材料、誘電体材料、半導体材料を挙げることができる。中間層の面積抵抗値は、数十Ω・μｍ2程度以下であることが好ましい。中間層をマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）から構成する場合、ＭｇＯ層は結晶化していることが望ましく、（００１）方向に結晶配向性を有することがより望ましい。また、中間層をマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）から構成する場合、その厚さは１．５ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００２８】
中間層は、例えば、スパッタリング法にて形成された金属層を酸化若しくは窒化することにより得ることができる。より具体的には、中間層を構成する絶縁材料としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合、例えば、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを大気中で酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをプラズマ酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをＩＰＣプラズマで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素ラジカルで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化させるときに紫外線を照射する方法、アルミニウムやマグネシウムを反応性スパッタリング法にて成膜する方法、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）やマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）をスパッタリング法にて成膜する方法を例示することができる。
【００２９】
磁化固定層の磁化方向は情報の基準であるので、情報の記録や読出しによって磁化方向が変化してはならないが、必ずしも特定の方向に固定されている必要はなく、記憶層よりも保磁力を大きくするか、膜厚を厚くするか、あるいは、磁気ダンピング定数を大きくして、記憶層よりも磁化方向が変化し難い構成、構造とすればよい。
【００３０】
以上に説明した各種の好ましい形態を含む本開示の素子において、磁化固定層は、少なくとも２層の磁性材料層が積層された積層フェリ構造（積層フェリピン構造とも呼ばれる）を有する形態とすることができる。積層フェリ構造は、反強磁性的結合を有する積層構造、即ち、２つの磁性材料層（参照層及び固定層）の層間交換結合が反強磁性的になる構造であり、合成反強磁性結合（ＳＡＦ：Synthetic Antiferromagnet）とも呼ばれ、２つの磁性材料層（参照層及び固定層）の間に設けられた非磁性層の厚さによって、２つの磁性材料層の層間交換結合が、反強磁性的あるいは強磁性的になる構造を指し、例えば、 S. S. Parkin et. al, Physical Review Letters, 7 May, pp 2304-2307 (1990) に報告されている。参照層の磁化方向は、記憶層に記憶すべき情報の基準となる磁化方向である。積層フェリ構造を構成する一方の磁性材料層（参照層）が記憶層側に位置する。磁化固定層を積層フェリ構造を採用することで、情報書き込み方向に対する熱的安定性の非対称性を確実にキャンセルすることができ、スピントルクに対する安定性の向上を図ることができる。積層フェリ構造において、例えば、参照層を構成する材料としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を挙げることができるし、固定層としてＣｏ−Ｐｔ合金を挙げることができる。あるいは又、磁化固定層をＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から構成することもできる。磁化固定層の厚さとして、０．５ｎｍ乃至３０ｎｍを例示することができる。
【００３１】
以上に説明した種々の層は、例えば、スパッタリング法、イオンビーム堆積法、真空蒸着法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に代表される化学的気相成長法（ＣＶＤ法）にて形成することができる。また、これらの層のパターニングは、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）やイオンミリング法（イオンビームエッチング法）にて行うことができる。種々の層を真空装置内で連続的に形成することが好ましく、その後、パターニングを行うことが好ましい。
【００３２】
本開示の素子にあっては、反平行磁化状態で、磁化反転電流を記憶層から磁化固定層へ流すと、電子が磁化固定層から記憶層へ注入されることで作用するスピントルクにより記憶層の磁化が反転し、記憶層の磁化方向と磁化固定層（具体的には、参照層）の磁化方向と記憶層の磁化方向が平行配列となる。一方、平行磁化状態で、磁化反転電流を磁化固定層から記憶層へ流すと、電子が記憶層から磁化固定層へ流れることで作用するスピントルクによって記憶層の磁化が反転し、記憶層の磁化方向と磁化固定層（具体的には、参照層）の磁化方向が反平行磁化状態となる。
【００３３】
記憶層の立体形状は、円筒形（円柱形）であることが、加工の容易さ、記憶層における磁化容易軸の方向の均一性を確保するといった観点から望ましいが、これに限定するものではなく、三角柱、四角柱、六角柱、八角柱等（これらにあっては側辺あるいは側稜が丸みを帯びているものを含む）、楕円柱とすることもできる。記憶層の面積は、低磁化反転電流で磁化の向きを容易に反転させるといった観点から、例えば、０．０１μｍ2以下であることが好ましい。下部電極から上部電極へと、あるいは又、上部電極から下部電極へと、磁化反転電流を積層構造体に流すことによって、記憶層における磁化方向を磁化容易軸と平行な方向あるいはそれとは反対の方向とすることで、記憶層に情報が書き込まれる。
【００３４】
下部電極を第１配線に接続し、上部電極を第２配線に接続する形態とすることができる。第１配線や第２配線は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ等の単層構造から成り、あるいは又、ＣｒやＴｉ等から成る下地層と、その上に形成されたＣｕ層、Ａｕ層、Ｐｔ層等の積層構造を有していてもよい。更には、Ｔａ等の単層構造あるいはＣｕ、Ｔｉ等との積層構造から構成することもできる。これらの配線や下部電極（第１電極）、上部電極（２で）は、例えば、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法にて形成することができる。
【００３５】
記憶層において、積層構造体の下方にＮＭＯＳ型ＦＥＴから成る選択用トランジスタが設けられており、第２配線（例えば、ビット線）の延びる方向の射影像は、ＮＭＯＳ型ＦＥＴを構成するゲート電極（例えば、ワード線あるいはアドレス線としても機能する）の延びる方向の射影像と直交する形態とすることができるし、第２配線の延びる方向は、ＮＭＯＳ型ＦＥＴを構成するゲート電極の延びる方向と平行である形態とすることもできる。選択用トランジスタは、第１配線を介して下部電極と接続されている。
【００３６】
本開示の素子における好ましい形態にあっては、上述したとおり、積層構造体の下方にＮＭＯＳ型ＦＥＴから成る選択用トランジスタを有しているが、より具体的な構成として、例えば、限定するものではないが、
半導体基板に形成された選択用トランジスタ、及び、
選択用トランジスタを覆う層間絶縁層、
を備えており、
層間絶縁層上に、下部電極に接続された第１配線が形成されており、
積層構造体、層間絶縁層及び第１配線を覆う絶縁材料層が形成されており、
絶縁材料層上に、上部電極と接続された第２配線が形成されており、
第１配線は、層間絶縁層に設けられた接続孔（あるいは接続孔とランディングパッド部や下層配線）を介して選択用トランジスタの一方のソース／ドレイン領域に電気的に接続されている構成を例示することができる。選択用トランジスタの他方のソース／ドレイン領域はセンス線に接続されている。
【００３７】
第１配線と選択用トランジスタとを電気的に接続する接続孔は、不純物がドーピングされたポリシリコンや、タングステン、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＴｉＷ、ＴｉＮＷ、ＷＳｉ2、ＭｏＳｉ2等の高融点金属や金属シリサイドから構成することができ、ＣＶＤ法や、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法に基づき形成することができる。配線をこれらの材料から構成することもできる。また、層間絶縁層、絶縁材料層を構成する材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ、ＮＳＧ、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＬＴＯ、Ａｌ2Ｏ3を例示することができる。
【００３８】
本開示の電子デバイス（電子機器）として、モバイル機器、ゲーム機器、音楽機器、ビデオ機器といった携帯可能な電子デバイスや、固定型の電子デバイスを挙げることができるし、磁気ヘッドを挙げることもできる。また、本開示の磁気抵抗素子（具体的には記憶素子、より具体的には不揮発性メモリセル）が２次元マトリクス状に配列されて成る不揮発性記憶素子アレイから構成された記憶装置（メモリセルユニット）を挙げることもできる。即ち、メモリセルユニットは、複数の不揮発性メモリセルが、第１の方向、及び、第１の方向とは異なる第２の方向に２次元マトリクス状に配列されて成り、不揮発性メモリセルは、各種の好ましい形態、第１の構成の磁気抵抗素子、第２の構成の磁気抵抗素子を含む本開示の磁気抵抗素子から構成されている。
【実施例１】
【００３９】
実施例１は、本開示の磁気抵抗素子、具体的には、第１の構成の磁気抵抗素子、より具体的には、例えば記憶素子（不揮発性メモリセル）を構成する磁気抵抗素子に関し、また、本開示の電子デバイスに関する。実施例１の磁気抵抗素子１０の概念図を図１に示す。図中、磁化方向を白抜きの矢印で示す。また、選択用トランジスタを含む実施例１の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図を図２に示し、選択用トランジスタを含む実施例１の磁気抵抗素子及びメモリセルユニットの等価回路図を図３に示す。
【００４０】
実施例１の磁気抵抗素子１０は、トップピン構造を有し、
下部電極（第１電極）３１、非磁性材料から成る第１下地層２１Ａ、垂直磁気異方性を有する記憶層（記録層、磁化反転層あるいは自由層とも呼ばれる）２２、中間層２３、磁化固定層２４、及び、上部電極（第２電極）３２が積層されて成り、
記憶層２２は、少なくとも３ｄ遷移金属元素及びホウ素（Ｂ）元素を組成として有する磁性材料から成る。そして、
下部電極３１と第１下地層２１Ａとの間に、更に、第２下地層２１Ｂを備えており、
第２下地層２１Ｂは、記憶層２２を構成する元素の少なくとも１種類の元素を組成として有する材料から成る。ここで、第２下地層２１Ｂは面内磁気異方性又は非磁性を有する。
【００４１】
あるいは又、実施例１の磁気抵抗素子１０は、
下部電極３１、非磁性材料から成る第１下地層２１Ａ、記憶層２２、中間層２３、磁化固定層２４、及び、上部電極３２が積層されて成り、
記憶層２２は、垂直磁気異方性を有し、
下部電極３１と第１下地層２１Ａとの間に、更に、第２下地層２１Ｂを備えており、
第２下地層２１Ｂは、面内磁気異方性又は非磁性を有する。
【００４２】
実施例１の電子デバイスは、実施例１あるいは後述する実施例２の磁気抵抗素子１０，１０Ａを備えている。具体的には、実施例１の電子デバイスは、実施例１あるいは後述する実施例２の磁気抵抗素子１０，１０Ａが２次元マトリクス状に配列されて成る不揮発性記憶素子アレイから構成された記憶装置（メモリセルユニット）である。即ち、メモリセルユニットは、複数の不揮発性メモリセルが、第１の方向、及び、第１の方向とは異なる第２の方向に２次元マトリクス状に配列されて成り、不揮発性メモリセルは実施例１あるいは後述する実施例２の磁気抵抗素子１０，１０Ａから構成されている。
【００４３】
実施例１の磁気抵抗素子１０は、スピントルクによって記憶層２２の磁化が反転することで情報の書き込み、消去を行う垂直磁化方式の磁気抵抗素子１０（スピン注入型磁気抵抗効果素子）から成る。記憶層２２の磁化方向は、記憶すべき情報に対応して変化し、記憶層２２において、磁化容易軸は、第１下地層２１Ａ、記憶層２２、中間層２３及び磁化固定層２４から成る積層構造体２０の積層方向に対して平行である。即ち、垂直磁化型である。参照層２４Ａの磁化方向は、記憶層２２に記憶すべき情報の基準となる磁化方向であり、記憶層２２の磁化方向と参照層２４Ａの磁化方向の相対的な角度によって、情報「０」及び情報「１」が規定される。
【００４４】
実施例１あるいは後述する実施例２の磁気抵抗素子１０，１０Ａにおいて、具体的には、記憶層２２は、磁化方向が積層構造体２０の積層方向に自由に変化する磁気モーメントを有する強磁性材料、より具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金［（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20］から構成されている。記憶層２２の立体形状を直径６０ｎｍの円筒形（円柱形）としたが、これに限定するものではない。また、第２下地層２１Ｂのボロン原子含有量は、１０原子％乃至５０原子％である。
【００４５】
ところで、第２下地層２１Ｂは、記憶層２２を構成する元素の少なくとも１種類の元素を組成として有する材料から成るが、より具体的には、実施例１の磁気抵抗素子１０において、第２下地層２１Ｂは１層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層［具体的には、（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20］から成る。即ち、実施例１にあっては、第２下地層２１Ｂは記憶層２２と同じ材料から成る。また、第１下地層２１Ａは、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウムといった高融点非磁性金属及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料［より具体的には、実施例１にあっては、タンタル（Ｔａ）］から成る。ここで、第２下地層２１Ｂの厚さをＴ2、記憶層２２の厚さをＴ0としたとき、Ｔ0≦Ｔ2を満足するし、Ｔ2≦３ｎｍ、より具体的には、１ｎｍ≦Ｔ2≦３ｎｍを満足する。また、第１下地層２１Ａの厚さをＴ1としたとき、１ｎｍ≦Ｔ1≦４ｎｍを満足する。Ｔ0，Ｔ1，Ｔ2の具体的な値を表１に掲げる。
【００４６】
更には、実施例１の磁気抵抗素子１０にあっては、下部電極３１と第２下地層２１Ｂとの間に第３下地層２１Ｃが形成されている。ここで、第３下地層２１Ｃは、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウムといった高融点非磁性金属及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料、具体的には、実施例１にあっては、タンタル（Ｔａ）から成る。即ち、第３下地層２１Ｃは、第１下地層２１Ａを構成する材料と同じ材料から成る。尚、第１下地層２１Ａ、第２下地層２１Ｂ、第３下地層２１Ｃを纏めて、図２では、下地層２１で表す。
【００４７】
磁化固定層２４は、少なくとも２層の磁性材料層が積層された積層フェリ構造を有する。積層フェリ構造を構成する一方の磁性材料層（参照層）２４Ａと積層フェリ構造を構成する他方の磁性材料層（固定層）２４Ｃとの間には非磁性層２４Ｂが形成されている。参照層２４Ａにおける磁化容易軸は、積層構造体２０の積層方向と平行である。即ち、参照層２４Ａは、磁化方向が積層構造体２０の積層方向と平行な方向に変化する磁気モーメントを有する強磁性材料、より具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金［（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20］から構成されている。更には、固定層２４Ｃは、Ｃｏ−Ｐｔ合金層から構成され、ルテニウム（Ｒｕ）から構成された非磁性層２４Ｂを介して参照層２４Ａと磁気的に結合する積層フェリ構造を構成している。
【００４８】
非磁性体材料から成る中間層２３は、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）として機能する絶縁層、具体的には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層から成る。中間層２３をＭｇＯ層から構成することで、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、これによってスピン注入の効率を向上させることができ、記憶層２２の磁化方向を反転させるために必要とされる磁化反転電流密度を低減させることができる。
【００４９】
下部電極３１は第１配線４１に接続され、上部電極３２は第２配線４２に接続されている。そして、第１配線４１と第２配線４２との間に電流（磁化反転電流）を流すことで、記憶層２２に情報を記憶する。即ち、積層構造体２０の積層方向に磁化反転電流を流すことにより記憶層２２の磁化方向を変化させ、記憶層２２において情報の記録が行われる。
【００５０】
以上に説明した積層構造体２０の層構成を纏めて以下の表１に掲げた。
【００５１】
〈表１〉
上部電極３２        ：厚さ３ｎｍのＲｕ層（上層）／厚さ５ｎｍのＴａ層（下層）
磁化固定層２４
固定層２４Ｃ    ：膜厚２．５ｎｍのＣｏ−Ｐｔ合金層
非磁性層２４Ｂ  ：膜厚０．８ｎｍのＲｕ層
参照層２４Ａ    ：膜厚１．０ｎｍの（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20層
中間層２３          ：膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ層
記憶層２２          ：膜厚（Ｔ0）１．２５ｎｍの（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20層
下地層
第１下地層２１Ａ：膜厚（Ｔ1）１．０ｎｍのＴａ層
第２下地層２１Ｂ：膜厚（Ｔ2）２．０ｎｍの（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20層
第３下地層２１Ｃ：Ｔａ層（厚さ５ｎｍ）
下部電極３１        ：ＴａＮ層（厚さ５ｎｍ）
【００５２】
積層構造体２０の下方に、ＮＭＯＳ型ＦＥＴから成る選択用トランジスタＴＲが設けられている。具体的には、
半導体基板６０に形成された選択用トランジスタＴＲ、及び、
選択用トランジスタＴＲを覆う層間絶縁層６７（６７Ａ，６７Ｂ）、
を備えており、
層間絶縁層６７上に第１配線４１（下部電極３１を兼ねる）が形成されており、
第１配線４１上には、積層構造体２０が形成されており、
層間絶縁層６７上であって、積層構造体２０を囲んで、絶縁材料層５１が形成されており、
上部電極３２と接続された第２配線４２が、絶縁材料層５１の上に形成されている。
【００５３】
そして、第１配線４１（下部電極３１）は、層間絶縁層６７に設けられた接続孔（あるいは接続孔とランディングパッド部や下層配線）６６を介して選択用トランジスタＴＲの一方のソース／ドレイン領域（ドレイン領域）６４Ａに電気的に接続されている。
【００５４】
選択用トランジスタＴＲは、ゲート電極６１、ゲート絶縁層６２、チャネル形成領域６３及びソース／ドレイン領域６４Ａ，６４Ｂを備えている。一方のソース／ドレイン領域（ドレイン領域）６４Ａと第１配線４１とは、上述したとおり、接続孔６６を介して接続されている。他方のソース／ドレイン領域（ソース領域）６４Ｂは、接続孔６５を介してセンス線４３に接続されている。ゲート電極６１は、所謂ワード線ＷＬあるいはアドレス線としても機能する。そして、第２配線４２（ビット線ＢＬ）の延びる方向の射影像は、ゲート電極６１の延びる方向の射影像と直交しており、あるいは又、第２配線４２の延びる方向の射影像と平行である。
【００５５】
図７Ａ及び図８Ａに概念図を示すように、記憶層２２に記憶されている情報「０」を「１」に書き換えるとする。即ち、平行磁化状態で、書込み電流（磁化反転電流）Ｉ1を、磁化固定層２４から記憶層２２を経由して選択用トランジスタＴＲへと流す。云い換えれば、記憶層２２から磁化固定層２４に向かって電子を流す。具体的には、例えば、第２配線４２にＶddを印加し、選択用トランジスタＴＲのソース領域６４Ｂを接地する。磁化固定層２４に達した一方の向きのスピンを有する電子は、磁化固定層２４を通過する。一方、他方の向きのスピンを有する電子は、磁化固定層２４で反射される。そして、係る電子が記憶層２２に進入すると、記憶層２２にトルクを与え、記憶層２２は反平行磁化状態へと反転する。ここで、磁化固定層２４の磁化方向は固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層２２が反転すると考えてもよい。
【００５６】
図７Ｂ及び図８Ｂに概念図を示すように、記憶層２２に記憶されている情報「１」を「０」に書き換えるとする。即ち、反平行磁化状態で、書込み電流Ｉ2を、選択用トランジスタＴＲから記憶層２２を経由して磁化固定層２４へ流す。云い換えれば、磁化固定層２４から記憶層２２に向かって電子を流す。具体的には、例えば、選択用トランジスタＴＲのソース領域６４ＢにＶddを印加し、第２配線４２を接地する。磁化固定層２４を通過した電子には、スピン偏極、即ち、上向きと下向きの数に差が生じる。中間層２３の厚さが十分に薄く、このスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極状態（上向きと下向きが同数の状態）になる前に記憶層２２に達すると、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系全体のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転、即ち、スピン角運動量の向きを変えさせられる。このとき、系の全角運動量は保存されなければならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層２２における磁気モーメントに与えられる。電流、即ち、単位時間に磁化固定層２４を通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないために、記憶層２２における磁気モーメントに発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に記憶層２２に与えることができる。角運動量の時間変化はトルクであり、トルクが或る閾値を超えると記憶層２２の磁気モーメントは反転を開始し、その一軸異方性により１８０度回転したところで安定となる。即ち、反平行磁化状態から平行磁化状態への反転が起こり、情報「０」が記憶層２２に記憶される。
【００５７】
記憶層２２に書き込まれた情報を読み出すときには、情報を読み出すべき磁気抵抗素子１０における選択用トランジスタＴＲを導通状態とする。そして、第２配線４２（ビット線ＢＬ）とセンス線４３との間に電流を流し、ビット線ＢＬに現れる電位を、比較回路（図示せず）を構成するコンパレータ回路（図示せず）の他方の入力部に入力する。一方、リファレンス抵抗値を求める回路（図示せず）からの電位を、比較回路を構成するコンパレータ回路の一方の入力部に入力する。そして、比較回路にあっては、リファレンス抵抗値を求める回路からの電位を基準として、ビット線ＢＬに現れる電位が高いか低いかが比較され、比較結果（情報０／１）が、比較回路を構成するコンパレータ回路の出力部から出力される。
【００５８】
以下、実施例１の磁気抵抗素子の製造方法の概要を説明する。
【００５９】
［工程−１００］
先ず、周知の方法に基づき、シリコン半導体基板から成る半導体基板６０に素子分離領域６０Ａを形成し、素子分離領域６０Ａによって囲まれた半導体基板６０の部分に、ゲート絶縁層６２、ゲート電極６１、ソース／ドレイン領域６４Ａ，６４Ｂから成る選択用トランジスタＴＲを形成する。ソース／ドレイン領域６４Ａとソース／ドレイン領域６４Ｂとの間に位置する半導体基板６０の部分がチャネル形成領域６３に相当する。次いで、層間絶縁層６７の下層６７Ａを形成し、他方のソース／ドレイン領域（ソース領域）６４Ｂの上方の下層６７Ａの部分に接続孔（タングステンプラグ）６５を形成し、更には、下層６７Ａ上にセンス線４３を形成する。その後、全面に層間絶縁層６７の上層６７Ｂを形成する。そして、一方のソース／ドレイン領域（ドレイン領域）６４Ａの上方の上層６７Ｂ及び下層６７Ａの部分に接続孔（タングステンプラグ）６６を形成する。こうして、層間絶縁層６７で覆われた選択用トランジスタＴＲを得ることができる。そして、層間絶縁層６７の上に、下部電極３１を兼用する第１配線４１を形成するための導電材料層を形成した後、導電材料層をパターニングすることで、下部電極３１を兼用する第１配線４１を得ることができる。第１配線４１は接続孔６６と接している。
【００６０】
［工程−１１０］
その後、全面に、第３下地層２１Ｃ、第２下地層２１Ｂ、第１下地層２１Ａ、記憶層２２、中間層２３、参照層２４Ａ、非磁性層２４Ｂ、固定層２４Ｃ、上部電極３２を順次成膜し、これらをパターニングすることで、積層構造体２０を得ることができる。尚、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成る中間層２３は、ＲＦマグネトロンスパッタ法に基づきＭｇＯ層の成膜を行うことで形成した。また、その他の層はＤＣマグネトロンスパッタ法に基づき成膜を行った。
【００６１】
［工程−１２０］
次いで、全面に絶縁材料層５１を形成する。そして、絶縁材料層５１に平坦化処理を施すことで、絶縁材料層５１の頂面を上部電極３２の頂面と同じレベルとする。その後、絶縁材料層５１上に、上部電極３２と接する第２配線４２を形成する。こうして、図２に示した構造の磁気抵抗素子１０（具体的には、スピン注入型磁気抵抗効果素子）を得ることができる。尚、各層のパターニングは、ＲＩＥ法によって行うこともできるし、イオンミリング法（イオンビームエッチング法）に基づき行うこともできる。
【００６２】
以上のとおり、実施例１の磁気抵抗素子の製造には一般のＭＯＳ製造プロセスを適用することができ、汎用メモリとして適用することが可能である。
【００６３】
表１に示した構成において、第２下地層２１Ｂの厚さ（Ｔ2）を変えたとき、記憶層２２の保持力（単位：Ｏｅ）がどのように変化するかを調べた。その結果を図５Ａに示す。尚、記憶層２２の保磁力は、磁気抵抗素子を作製後、外部から磁界を加え、製造した磁気抵抗素子の電気抵抗値を測定し、電気抵抗値が急激に変化したときの磁界の値から算出した。以下の説明においても同様である。
【００６４】
また、図５Ａには、Ｔ2＝０の磁気抵抗素子（即ち、第２下地層２１Ｂが形成されていない磁気抵抗素子）のデータを、比較例１Ａとして示す。比較例１Ａにあっては、下地層は、タンタル層、１層から成る。
【００６５】
図５Ａより、第２下地層２１Ｂの厚さ（Ｔ2）を、１ｎｍ≦Ｔ2≦３ｎｍとすることで、比較例１Ａの磁気抵抗素子よりも、記憶層２２の保磁力が増加し、垂直磁気異方性が強められたことが判る。
【００６６】
また、表１に示した構成において、第１下地層２１Ａの厚さ（Ｔ1）を変えたとき、記憶層２２の保持力（単位：Ｏｅ）がどのように変化するかを調べた。その結果を図５Ｂに示すが、１ｎｍ≦Ｔ1≦４ｎｍを満足することが好ましいことが判る。
【００６７】
Ｔａから成る第３下地層上に、Ｐｔ層／Ｃｏ層／Ｐｔ層／Ｃｏ層が積層されて成る第２下地層、Ｔａから成る第１下地層（膜厚：０．４ｎｍ）が形成され、第１下地層上に、実施例１と同様の記憶層、中間層、磁化固定層が形成された、比較例１Ｂの磁気抵抗素子を試作した。
【００６８】
実施例１、後述する実施例２、比較例１Ａ、比較例１Ｂの磁気抵抗素子における書込み電流値（単位：マイクロアンペア）、及び、熱的安定性、データリテンションの指標である熱擾乱定数（単位：無次元）を測定した。その結果を表２に示す。
【００６９】
〈表２〉
書込み電流値      熱擾乱定数
実施例１            ７０            ８６
実施例２            ６５            ８０
比較例１Ａ          ２０            ５１
比較例１Ｂ        ２７５            ９４
【００７０】
比較例１Ｂの磁気抵抗素子の保磁力は約４３７０（Ｏｅ）であり、実施例１の磁気抵抗素子の保磁力よりも高い値を示した。即ち、比較例１Ｂにおいては、Ｐｔ層／Ｃｏ層／Ｐｔ層／Ｃｏ層が積層されて成る第２下地層を設け、しかも、０．４ｎｍと薄い第１下地層を設けたが故に、薄い第１下地層を介して第２下地層と記憶層とが磁気的に結合し、実施例１よりも、記憶層２２は高い垂直磁気異方性を示したと考えられる。しかしながら、表２に示すとおり、比較例１Ｂの磁気抵抗素子は、実施例１と比較して、非常に高い書込み電流値を示した。
【００７１】
また、表２に示すとおり、実施例１及び比較例１Ｂは同程度の熱擾乱定数を示したが、比較例１Ａは非常に低い熱擾乱定数を示した。即ち、第２下地層を設けない場合、磁気抵抗素子の熱的安定性が低いことが判る。
【００７２】
以上のとおり、実施例１の磁気抵抗素子において、下部電極と第１下地層との間に備えられた第２下地層は、記憶層を構成する元素の少なくとも１種類の元素を組成として有する材料から成り、あるいは又、面内磁気異方性又は非磁性を有する。そして、このような第２下地層を設けることで、第１下地層の結晶配向性が向上し、その結果、第１下地層の上に形成された記憶層の垂直磁気異方性を向上させることができるので、記憶層の保磁力を増加させることができる。しかも、書き込み電流値が高くなるといった問題点を回避することができる。更には、実施例１の磁気抵抗素子は、高い熱的安定性を有する。
【００７３】
また、下地層は簡素な構造を有し、製造が容易であるし、記憶層を単層構成としても、高い垂直磁気異方性、保磁力を発現する。更には、第１下地層は、第２下地層を構成する材料における記憶層を構成する元素の少なくとも１種類の元素（具体的には、ホウ素）の拡散を確実に防ぐことができる。
【実施例２】
【００７４】
実施例２は、実施例１の変形であるが、第２の構成の磁気抵抗素子に関する。実施例２の磁気抵抗素子１０Ａの概念図を図４に示す。実施例２において、第２下地層２１Ｂは、第１材料層２１Ｂ1と第２材料層２１Ｂ2が交互に積層されて成る。第１材料層２１Ｂ1はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層［具体的には、（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20層］から成る。即ち、実施例２にあっては、第１材料層２１Ｂ1は記憶層２２と同じ材料から成る。また、第２材料層２１Ｂ2は非磁性材料層から成る。第２材料層２１Ｂ2は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウムといった高融点非磁性金属及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料、具体的には、実施例２にあってタンタル（Ｔａ）から成る。また、第１下地層２１Ａを構成する材料と第２材料層２１Ｂ2を構成する材料とは同じ材料（具体的には、タンタル）である。更には、第２下地層２１Ｂの厚さをＴ2’としたとき、３ｎｍ≦Ｔ2’を満足する。Ｔ2’＝４ｎｍとしたときの書込み電流値及び熱擾乱定数の測定結果を表２に示すが、実施例１の磁気抵抗素子とほぼ同じ値を示した。また、実施例２の磁気抵抗素子の保磁力は約２８００（Ｏｅ）であり、実施例１と同程度の値を示した。
【００７５】
以上の点を除き、実施例２の磁気抵抗素子の構成、構造は、実施例１の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００７６】
実施例３は、実施例１〜実施例２において説明した磁気抵抗素子１０，１０Ａを備えた電子デバイス、具体的には、磁気ヘッドに関する。磁気ヘッドは、例えば、ハードディスクドライブ、集積回路チップ、パーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【００７７】
一例として図６Ａ、図６Ｂに、磁気抵抗素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。尚、図６Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が判るように一部を切り欠いて示した模式的な斜視図であり、図６Ｂは複合型磁気ヘッド１００の模式的な断面図である。
【００７８】
複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、実施例１〜実施例２において説明した磁気抵抗素子１０，１０Ａを備えた磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されており、この磁気抵抗効果型磁気ヘッド上に、更に、インダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されている。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作し、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。即ち、この複合型磁気ヘッド１００にあっては、再生用ヘッドと記録用ヘッドとが複合されている。
【００７９】
複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、所謂シールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド層１２５と、第１の磁気シールド層１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗素子１０１と、磁気抵抗素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド層１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等の絶縁材料から成る。第１の磁気シールド層１２５は、磁気抵抗素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等の軟磁性材料から成る。第１の磁気シールド層１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗素子１０１が形成されている。磁気抵抗素子１０１は、磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。磁気抵抗素子１０１の形状は略矩形状であり、一側面が磁気記録媒体への対向面として露呈している。そして、磁気抵抗素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。また、バイアス層１２８，１２９に接続された接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗素子１０１にセンス電流が供給される。バイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。
【００８０】
磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、磁気コアを捲回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。上層コア１３２は、第２の磁気シールド層１２７と共に閉磁路を形成しており、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等の軟磁性材料から成る。ここで、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２は、これらの前端部が磁気記録媒体への対向面として露呈しており、且つ、これらの後端部において第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体の対向面において、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。即ち、複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド層１２７は、磁気抵抗素子１０１の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド層１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
【００８１】
また、第２の磁気シールド層１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２から成る磁気コアを捲回するように形成されている。図示していないが、薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈しており、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、インダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。即ち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３３に記録電流が供給される。
【００８２】
以上のような複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドとして磁気抵抗効果型磁気ヘッドを搭載しているが、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として、実施例１〜実施例２において説明した磁気抵抗素子１０１を備えている。そして、磁気抵抗素子１０１は、上述したように非常に優れた特性を示すので、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、磁気記録の更なる高記録密度化に対応することができる。
【００８３】
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した各種の積層構造、使用した材料等は例示であり、適宜、変更することができる。
【００８４】
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《磁気抵抗素子：第１の態様》
下部電極、非磁性材料から成る第１下地層、垂直磁気異方性を有する記憶層、中間層、磁化固定層、及び、上部電極が積層されて成り、
記憶層は、少なくとも３ｄ遷移金属元素及びホウ素元素を組成として有する磁性材料から成り、
下部電極と第１下地層との間に、更に、第２下地層を備えており、
第２下地層は、記憶層を構成する元素の少なくとも１種類の元素を組成として有する材料から成る磁気抵抗素子。
［Ａ０２］第２下地層は、面内磁気異方性又は非磁性を有する［Ａ０１］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０３］記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから成り、
第２下地層のボロン原子含有量は、１０原子％乃至５０原子％である［Ａ０１］又は［Ａ０２］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０４］《第１の構成の磁気抵抗素子》
第２下地層は、１層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層から成り、
第１下地層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る［Ａ０１］乃至［Ａ０３］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０５］第２下地層の厚さをＴ2、記憶層の厚さをＴ0としたとき、Ｔ0≦Ｔ2を満足する［Ａ０４］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０６］Ｔ2≦３ｎｍを満足する［Ａ０５］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０７］下部電極と第２下地層との間に第３下地層が形成されている［Ａ０４］乃至［Ａ０６］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０８］第３下地層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る［Ａ０７］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０９］第３下地層は、第１下地層を構成する材料と同じ材料から構成されている［Ａ０７］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１０］《第２の構成の磁気抵抗素子》
第２下地層は、第１材料層と第２材料層が交互に積層されて成る［Ａ０１］乃至［Ａ０３］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１１］第１材料層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層から成り、
第２材料層は、非磁性材料層から成る［Ａ１０］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１２］第２材料層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る［Ａ１０］又は［Ａ１１］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１３］第１下地層を構成する材料と第２材料層を構成する材料とは同じ材料である［Ａ１０］乃至［Ａ１２］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１４］第２下地層の厚さをＴ2’としたとき、３ｎｍ≦Ｔ2’を満足する［Ａ１０］乃至［Ａ１３］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１５］第１材料層の厚さをＴ2-A’、第２材料層の厚さをＴ2-B’としたとき、
０．２≦Ｔ2-A’／Ｔ2-B’≦５
を満足する［Ａ１０］乃至［Ａ１４］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１６］第１材料層の厚さをＴ2-A’、記憶層の厚さをＴ0としたとき、
Ｔ2-A’＜Ｔ0
を満足する［Ａ１０］乃至［Ａ１５］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１５］第１下地層の厚さをＴ1としたとき、１ｎｍ≦Ｔ1≦４ｎｍを満足する［Ａ０１］乃至［Ａ１４］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ０１］《磁気抵抗素子：第２の態様》
下部電極、非磁性材料から成る第１下地層、記憶層、中間層、磁化固定層、及び、上部電極が積層されて成り、
記憶層は、垂直磁気異方性を有し、
下部電極と第１下地層との間に、更に、第２下地層を備えており、
第２下地層は、面内磁気異方性又は非磁性を有する磁気抵抗素子。
［Ｂ０２］記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから成り、
第２下地層のボロン原子含有量は、１０原子％乃至５０原子％である［Ｂ０１］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ０３］《第１の構成の磁気抵抗素子》
第２下地層は、１層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層から成り、
第１下地層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る［Ｂ０１］又は［Ｂ０２］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ０４］第２下地層の厚さをＴ2、記憶層の厚さをＴ0としたとき、Ｔ0≦Ｔ2を満足する［Ｂ０３］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ０５］Ｔ2≦３ｎｍを満足する［Ｂ０４］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ０６］下部電極と第２下地層との間に第３下地層が形成されている［Ｂ０３］乃至［Ｂ０５］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ０７］第３下地層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る［Ｂ０６］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ０８］第３下地層は、第１下地層を構成する材料と同じ材料から構成されている［Ｂ０６］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ０９］《第２の構成の磁気抵抗素子》
第２下地層は、第１材料層と第２材料層が交互に積層されて成る［Ｂ０１］又は［Ｂ０２］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ１０］第１材料層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層から成り、
第２材料層は、非磁性材料層から成る［Ｂ０９］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ１１］第２材料層は、タンタル、モリブデン、タングステン、チタン、マグネシウム及び酸化マグネシウムから成る群から選択された１種類の材料から成る［Ｂ０９］又は［Ｂ１０］に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ１２］第１下地層を構成する材料と第２材料層を構成する材料とは同じ材料である［Ｂ０９］乃至［Ｂ１１］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ１３］第２下地層の厚さをＴ2’としたとき、３ｎｍ≦Ｔ2’を満足する［Ｂ０９］乃至［Ｂ１２］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ｂ１４］第１下地層の厚さをＴ1としたとき、１ｎｍ≦Ｔ1≦４ｎｍを満足する［Ｂ０１］乃至［Ｂ１３］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ｃ０１］《電子デバイス》
［Ａ０１乃至［Ｂ１４］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子を備えている電子デバイス。
［Ｃ０２］《メモリセルユニット》
複数の不揮発性メモリセルが、第１の方向、及び、第１の方向とは異なる第２の方向に２次元マトリクス状に配列されて成り、不揮発性メモリセルは、［Ａ０１乃至［Ｂ１４］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子から構成されているメモリセルユニット。
【符号の説明】
【００８５】
１０，１０Ａ・・・磁気抵抗素子、２０・・・積層構造体、２１・・・下地層、２１Ａ・・・第１下地層、２１Ｂ・・・第２下地層、２１Ｃ・・・第３下地層、２２・・・記憶層、２３・・・中間層、２４・・・磁化固定層、２４Ａ・・・参照層、２４Ｂ・・・非磁性層、２４Ｃ・・・固定層、３１・・・下部電極（第１電極）、３２・・・上部電極（第２電極）、４１・・・第１配線、４２・・・第２配線、４３・・・センス線、５１・・・絶縁材料層、ＴＲ・・・選択用トランジスタ、６０・・・半導体基板、６０Ａ・・・素子分離領域、６１・・・ゲート電極、６２・・・ゲート絶縁層、６３・・・チャネル形成領域、６４Ａ，６４Ｂ・・・ソース／ドレイン領域、６５・・・タングステンプラグ、６６・・・接続孔、６７，６７Ａ，６７Ｂ・・・層間絶縁層、１００・・・複合型磁気ヘッド、１０１・・・磁気抵抗素子、１２２・・・基板、１２３・・・絶縁層、１２５・・・第１の磁気シールド層、１２７・・・第２の磁気シールド層、１２８，１２９・・・バイアス層、１３０，１３１・・・接続端子、１３２・・・上層コア、１３３・・・薄膜コイル
【図１】
2018032805.tif 000003
【図２】
2018032805.tif 000004
【図３】
2018032805.tif 000005
【図４】
2018032805.tif 000006
【図５】
2018032805.tif 000007
【図６】
2018032805.tif 000008
【図７】
2018032805.tif 000009
【図８】
2018032805.tif 000010