(57)【要約】      （修正有）【課題】磁気抵抗素子のスピントルク・スイッチング効率(κ)を高くする。【解決手段】磁気抵抗素子は、垂直又は面内方向に容易磁化方向を持つ自由層１、自由層が垂直方向の場合は垂直方向、自由層が面内方向の場合には面内方向に容易磁化方向を持つ固定層３及びそれらの層の間に挟まれた非磁性層２を備える。自由層が、バイアス電流がゼロ付近のとき、下記の式１、かつ、式２を満たすか又は下記の式３、かつ、式４を満たす。Ｋu1,eff＞０(１)、ｒK≧０.１(２)、Ｋu1,eff＝０(３)、Ｋu2＞０(４)、但し、Ｋu1,effは、実効的な１次の異方性定数で、Ｋu2は２次の異方性定数であり、ｒKは、Ｋu2／Ｋu1,effである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直又は面内方向に容易磁化方向を持つ自由層、前記自由層が垂直方向の場合は垂直方向、前記自由層が面内方向の場合には面内方向に容易磁化方向を持つ固定層、及びそれらの層の間に挟まれた非磁性層を備えた磁気抵抗素子において、
前記自由層が、バイアス電流がゼロ付近のとき、下記の式１かつ式２を満たすか、又は下記の式３かつ式４を満たし、
Ｋu1,eff ＞０    ・・・・・・・(１)
ｒK ≧０.１      ・・・・・・・(２)
Ｋu1,eff ＝０    ・・・・・・・(３)
Ｋu2 ＞０        ・・・・・・・(４)
但し、Ｋu1,effは、実効的な１次の異方性定数で、Ｋu2は２次の異方性定数であり、ｒKは、Ｋu2 ／Ｋu1,effである、磁気抵抗素子。
【請求項２】
規格化されたスピントルク・スイッチング効率(κ／κ(p0))が１.１以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記ｒKが０.２５より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記ｒKが０.３以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記ｒKが０.７以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記ｒKが０.７〜１.５(両端を含む)であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記ｒKが０.９〜１.１(両端を含む)であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記ｒKが１であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子に関し、より具体的には、スイッチング効率(κ)の高い磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗素子(以下、単にＭＲ素子とも言う)は、基本的には３層構造を有し、その構造は、自由層、固定層及びそれらの層の間に挟まれた非磁性層を含む。原理的には、ＭＲ素子には、巨大磁気抵抗効果(ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive effect)を利用するものと、トンネル磁気抵抗効果(ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance Effect)を利用するものと２種ある。いずれにせよ、自由層と固定層の各磁化の向きが平行の場合と反平行の場合があり、これをデジタル信号の“０”、“１”に対応づける。ＭＲ素子は現在多用されているＤＲＡＭとＳＲＡＭを代替するＭＲＡＭ(磁気抵抗ランダムアクセスメモリ)の記憶単位素子として期待されている。特に微小化できるので、ＭＲ素子はＧｂｉｔ級の不揮発性メモリの記憶単位素子として期待されている。
【０００３】
情報の書込みは、ＭＲ素子に垂直方向に電流(電流パルス)を流すことで行われる。電流を流すと、自由層の磁化にＳＴＴ(スピントランスファートルク)が働く。電流を流す方向により、自由層と固定層の磁化の相対的な向きは、平行から反平行に又はその逆の反平行から平行に移行する。情報の読出しは、平行状態と反平行状態で、磁気抵抗(ＭＲ)に差があること(磁気抵抗効果)を利用して行われる。磁気抵抗効果はＭＲ比によって評価され、ＭＲ比＝[(ＲAP−ＲP)／ＲP]×１００(％)と定義されている。ここでＲAPとＲPは、反平行状態と平行状態でのＭＲ素子の抵抗をそれぞれ表す。平行状態と反平行状態でＭＲ素子に垂直方向に電流を流すと、自由層と固定層との間の電圧が平行状態と反平行状態で異なる。当然に読出し電流値は書込み電流値より小さい。
【０００４】
当初のＭＲ素子は、容易磁化方向が面内(面内タイプ)であったが、その後、改良されたＭＲ素子は、容易磁化方向が垂直(垂直タイプ)である。面内タイプでも垂直タイプでも、同一素子内の自由層と固定層は容易磁化方向が同じ方向である。一般に自由層の容易磁化方向が垂直ならば固定層の容易磁化方向も垂直である。自由層と固定層の容易磁化方向が同じであるＭＲ素子は、コリニア(collinear)ＭＲ素子と呼ばれる。この場合、コリニアとは、素子に流すバイアス電流がゼロの状態(書込み電流や読出し電流など、どんな電流も流さない状態)のときに言う。ただ、一般にはコリニアタイプであるので、以下、特にはコリニアとは言わない。
【０００５】
自由層の閾電流Ｉｓｗは、エネルギー障壁高さをゼロにする電流と定義される。このＩswは、絶対零度において書込みに必要な電流強度の最低値(閾値)と言うことができ、Ｉswは消費電力に関係するので小さいほど好ましい。垂直タイプのＩswは、１次の有効異方性定数Ｋu1,effに比例し、次式：
Ｉsw＝４(e・Ｖ／ｈ-)(α／Ｐ) Ｋu1,eff              (Ａ)
と解析的に書き表される。ここでeは電子素量、Ｖは自由層の体積、ｈ-はディラック定数、αは自由層のギルバートの減衰定数、Ｐ(＝０〜１)は電流のスピン分極率である。
【０００６】
他方、熱耐性Δ０は自由層の磁気異方性エネルギーと熱エネルギーの比であり、Δ0が大きいほど磁化は安定、つまり、“０”、“１”の情報が消え難い。ＭＲ素子を１０年以上の記憶保持時間を持つＧｂｉｔ級不揮発性メモリの記憶単位素子として使用する場合、熱耐性Δ０が６０以上という要求も満たさなければならない。垂直タイプのΔ0は、１次の有効異方性定数Ｋu1,effに比例し、次式：
Δ０＝Ｋu1,eff Ｖ／(ｋBＴ)      (Ｂ)
と解析的に書き表される。ここでｋBはボルツマン定数、Ｔは温度(単位：ケルビン)である。Δ０を大きくするためにはＫu1,effを大きくする必要があるが、大きいＫu1,effは式Ａから明らかなようにＩswも大きくしてしまう。従って、垂直タイプでは異方性定数の調節による小さいＩswと大きいΔ0の両立は不可能であるという問題があった。
【０００７】
一般に小さいＩswと大きいΔ0の両立性を示す指標としてスピントルク・スイッチング効率(κ)が用いられている。κ＝Δ0／Ｉswと定義され、大きいほど好ましい。従来の垂直タイプでは、後述するが、一軸性の異方性定数(Ｋu1,eff ,Ｋu2)のうち、２次の項(Ｋu2)は比較的小さいので無視されて来たので、Ｋu2をゼロとし、特別にスピントルク・スイッチング効率(κ)をκ(p0)と表す。そして、κ(p0)は次式：
κ ＝κ(p0)＝ [ｈ-／(４ e ｋBＴ)] ×(Ｐ／α)    (Ｃ)
に従う。ここで、ｈ-はディラック定数、ｅは電子素量で定数、ｋBはボルツマン定数、Ｔは実用上は室温付近にほぼ固定される。従って、κ(p0)を大きくするためには、Ｐ(電流のスピン分極率)を大きくするかα(自由層のギルバートの減衰定数)を小さくするしかなく、そのために例えば非特許文献１に開示されるように、様々な材料及び手法が提案されて来たが、スピントルク・スイッチング効率κ(p0)の向上は限界に達した感がある。このことは、面内タイプでも同様である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】E. Kitagawa et al., IEDM Tech. Dig. (2012) pp. 29.4.1 - 29.4.4.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、スピントルク・スイッチング効率(κ)を高めたＭＲ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
これまで、ＭＲ素子では、一軸性の異方性定数(Ｋu1,eff ,Ｋu2)のうち、２次の項(Ｋu2)は比較的小さいので無視されて来た。本発明者らは、この無視されてきた２次の項(Ｋu2)に着目し、２次の項(Ｋu2)が大きい、即ち、式：Ｋu2 ＞０を満足し、かつ実効的な１次の項(Ｋu1,eff)がゼロ以上、即ち、式：Ｋu1,eff ≧０を満足する自由層材料に着目した。少なくともＫu1,effとＫu2の足し合わせによるΔ０の増大が見込まれ、異方性定数の調整によるκの改善への道筋が開かれる。そして、鋭意研究の結果、本発明を成すに至った。
【００１１】
本発明の一実施態様によれば、垂直又は面内方向に容易磁化方向を持つ自由層、前記自由層が垂直方向の場合は垂直方向、前記自由層が面内方向の場合には面内方向に容易磁化方向を持つ固定層、及びそれらの層の間に挟まれた非磁性層を備えた磁気抵抗素子において、
前記自由層が、バイアス電流がゼロ付近のとき、下記の式１かつ式２、又は下記の式３かつ式４：
Ｋu1,eff ＞０    ・・・・・・・(１)
ｒK ≧０.１      ・・・・・・・(２)
Ｋu1,eff ＝０    ・・・・・・・(３)
Ｋu2 ＞０        ・・・・・・・(４)
を満たすことを特徴とする磁気抵抗素子が提供される。但し、Ｋu1,effは、実効的な１次の異方性定数で、Ｋu2は２次の異方性定数であり、ｒKは、Ｋu2 ／Ｋu1,effである。なお上記ゼロ付近とは、ゼロ又はゼロから読出し電流値までをいう。
【００１２】
本発明の一実施態様の磁気抵抗素子において、ｒKは０.２５より大きいことが好ましい。規格化されたスピントルク・スイッチング効率(κ／κ(p0))は１.１以上であることが好ましい。また、ｒKは０.２５より大きいことが好ましい。特にｒKは０.３以上であることが好ましい。更にｒKは０.７以上であることが好ましい。更にまた、ｒKは０.７〜１.５(両端を含む)、特に０.９〜１.１(両端を含む)であることが好ましい。最も好ましい磁気抵抗素子は、ｒKが１の場合である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、スピントルク・スイッチング効率(κ)の高いＭＲ素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】垂直タイプのＭＲ素子(一例)の縦断面を示す概念図である。
【図２】面内タイプのＭＲ素子(一例)の縦断面を示す概念図である。
【図３】バイアス電流がゼロのとき、自由層の磁化状態を区分する座標図である。
【図４】規格化スピントルク・スイッチング効率κ／κ(p0)のｒK依存性を説明するグラフである。
【図５】バイアス電流が有限値のとき、自由層の磁化状態を区分する座標図である。
【図６】コーン磁化状態を説明する概念図である。容易磁化方向がｃ軸(垂直方向)からθ1傾いている。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。図１に本発明の一実施形態の垂直タイプのＭＲ素子(一例)の縦断面を示す。図２に本発明の一実施形態の面内タイプのＭＲ素子(一例)の縦断面を示す。両図において、ＭＲ素子は、自由層１、固定層３及びそれらの層の間に挟まれた非磁性層２を含む。なお、図１、図２の矢印ｅは、正の電流の場合に、電子が流れる方向を示す。自由層の磁化方向をｍ、固定層の磁化方向をｐと定義している。以下、図１の垂直タイプに正の電流(バイアス電流)を流した場合を例にとって説明を進めるが、図２の面内タイプの場合や負の電流を流した場合でも同様に成り立つ。
【００１６】
次に図３を引用しながら自由層の磁化状態について説明する。図３は、素子つまりは自由層に流すバイアス電流がゼロのとき、自由層の磁化状態のＫu1,eff 、Ｋu2依存性をまとめた相図である。Ｋu1,effは、Ｋu1,eff＜０(このとき自由層は面内磁化かコーン磁化になる)にもなりえるが、今、図１の垂直タイプで説明しているので、自由層が垂直磁化状態になりえるＫu1,eff≧０の範囲について以下の解析を進める。なお、面内タイプの場合は、図２に示すようにｚ軸を垂直から面内方向に傾けるだけで、全く同じ解析で進めることができ、本発明の既出の条件式１〜４に変更はない。他方、Ｋu2については、本発明の前に戻って説明する。つまり、Ｋu2の範囲を限定しないで解析を進める。
【００１７】
バイアス電流がゼロのときの自由層の容易磁化方向をｍ0と記す。ｍ0は自由層のエネルギーＥ(θ)によって定まり、バイアス電流がゼロにおいてＥ(θ)は、次式： 
Ｅ(θ)＝(Ｋu1,eff sin2θ＋Ｋu2 sin4θ)Ｖ    (５)
によって与えられる。この場合、垂直タイプにおけるＫu1,effは、Ｋu1,eff＝Ｋu1−(１／２)μ0Ｍs2であり、Ｋu1は１次の異方性定数であり、μ0は真空の透磁率であり、Ｍsは飽和磁化であり、Ｖは自由層の体積である。
【００１８】
自由層の容易磁化方向ｍ0の傾き角(極角)θ0 は、式５で表されるＥ(θ)を極小にする値として求まる。
・Ｋu2 ≧−(１／２)Ｋu1,eff のときθ0 ＝０°、１８０°であり、自由層は垂直磁化状態である。
・Ｋu2 ＜−(１／２)Ｋu1,effのときθ0 ＝０°、９０°、１８０°であり、自由層は垂直磁化状態と面内磁化状態の双安定状態となる。このうちＫu2＞−Ｋu1,effのとき垂直磁化状態は最安定状態で、Ｋu2＜−Ｋu1,effのとき垂直磁化状態は準安定状態である。
【００１９】
バイアス電流がゼロのとき、自由層の熱耐性Δ０は、エネルギー障壁高さを熱エネルギー(ｋBＴ)で規格化したものに相当する。垂直磁化状態に対するエネルギー障壁高さは、Ｅ(θ)の極大値からＥ(０°)又はＥ(１８０°)を差し引いたものである。以下、ｒK＝Ｋu2／Ｋu1,effと定義し、Ｋu1,eff ≧０を考慮し、解析式をまとめると、
・ｒK ≧−１／２のとき
Δ0＝(Ｋu1,eff＋Ｋu2)Ｖ／(ｋBＴ)        (６)
・ｒK ＜−１／２のとき  
Δ0＝ −Ｋu1,eff2Ｖ／(４Ｋu2ｋBＴ)      (７)
となる。
【００２０】
自由層の閾電流Ｉsw(絶対温度ゼロにおける書込み電流の下限値に相当)は、エネルギー障壁高さをゼロにする電流と定義される。有限値のバイアス電流における自由層の有効エネルギーＥeff(θ)は、
Ｅeff(θ)＝(Ｋu1,eff  sin2θ＋Ｋu2  sin4θ＋μ0  Ｍs  ａI／α)Ｖ  (８)
で与えられる。ここで、ａI／αはスピントルクによる有効磁場を表し、
ＡI＝ｈ-ＩＰ／(２eμ0ＭsＶ)
と定義される。
・０°＜θ≦９０°においてＥeff(θ)が極大値をとるθをθmと定義し、
・０°≦θ≦θｍにおいてＥeff(θ)が極小値をとるθをθ1と定義する。
【００２１】
垂直磁化状態に対するエネルギー障壁高さは、Ｅ(θm)−Ｅ(θ1)である。エネルギー障壁高さをゼロにするという条件から閾電流Ｉswは次のように求まる。
・ｒK ＞ １／４(＝０.２５)のときは、次式９：
【数１】
2018133422.tif 000003
である。
・ｒK ≦ １／４(＝０.２５)のときは、次式：
Ｉsw＝Ｉsw(p0)＝４(e・Ｖ／ｈ-)(α／Ｐ) Ｋu1,eff      (１０)
である。
【００２２】
スピントルク・スイッチング効率(κ)は既述のとおりκ＝Δ0／Ｉswと定義される。従来のＫu2 ＝０の垂直磁化自由層でのκ(＝κ(p0))と比べた場合の優位性を示すために、κ(p0)で規格化した「κ／κ(p0)(規格化されたスピントルク・スイッチング効率)」を導入し、比較する。そこで、式６(Δ0の式)を、ｒK＞１／４(＝０.２５)とｒK≦１／４(＝０.２５)に場合分けして、Ｉswの解析式(数１)か式１０で割ることにする。その結果、
・ｒK＞１／４(＝０.２５)のとき、次式１１：
【数２】
2018133422.tif 000004
が得られる。更に、
・−１／２≦ｒK ≦ １／４(＝０.２５)のとき
κ／κ(p0)＝１＋ｒK        (１２)
が得られる。
更に、ｒK ＜ −１／２のときは式７(Δ0の式)をＩswの解析式である式１０で割ることで、
κ／κ(p0)＝ −１／(４ｒK)(１３)
が得られる。
【００２３】
図４に上記した式１１〜１３をグラフ化して、κ／κ(p0)のｒK依存性を示す。グラフでは数値が読みとり難いので、いくつか切の良い数値を次表(表１)に示す。
【表１】
2018133422.tif 000005
ｒK＞０では「κ／κ(p0)」が基準値１より大きく、従来の垂直磁化自由層(Ｋu2＝０)の場合よりスピントルク・スイッチング効率(κ)が高くなることを示している。ｒK＝１のとき最大値√２(ルート２)をとる。逆にｒK＜０では基準値１より小さく、Ｋu2＝０の垂直磁化自由層の場合より効率(κ)は低くなる。
【００２４】
そこで、本発明は、従来の垂直磁化自由層(Ｋu2＝０)より顕著な効果が認められる、即ち(１)「κ／κ(p0)」が１.１０以上と従来より１０％以上高い、即ちｒKが０.１以上(式２)、及び(２)「κ／κ(p0)」が１.３０となるｒKが∞(無限大)を選択した。Ｋu1,eff ≧０を前提に解析を進めた経緯から、前者(１)の場合、Ｋu1,eff ＞ ０(式１)、Ｋu2 ＞０(式４)での範囲を意味し、後者(２)の場合、Ｋu1,eff ＝０(式３)、Ｋu2 ＞０(式４)を意味する。この選択の結果、本発明が成されるに至った。本発明で、好ましい選択範囲をいくつか言えば、以下の通りである。下に行くほど、より好ましい。
・ｒK＞０.２５(κ／κ(p0)＞１.２５)
・ｒK≧０.３  (κ／κ(p0)≧１.２９)
・ｒK≧０.７  (κ／κ(p0)≧１.４１)
・ｒK＝０.７〜１.５(両端を含む)(κ／κ(p0)≧１.４１)
・ｒK＝０.９〜１.１(両端を含む)(κ／κ(p0)≧１.４１)
【００２５】
本発明者らは、更に厳密な解析を進めた結果、まったく新しいＭＲ素子を発明した。素子に有限値のバイアス電流を流した(印加した)場合の自由層の磁化状態を考える。このような磁化状態は、上述したＥeff(θ)が極小値をとるθ1を計算することによって得られる。図５を引用しながら自由層の磁化状態について説明する。図５は、自由層の磁化状態のｒK、バイアス電流Ｉ(≧０)依存性をまとめた相図である。ｒK ≦ １／４(＝０.２５)かつＩ ＜ Ｉsw(p0)の場合(図５のＣ、Ｄ、Ｅの領域の場合)、θ1＝０°である。
【００２６】
一方、ｒK ≦ １／４(＝０.２５)と区別するため、ｒK＝１／４(＝０.２５)を除いて、ｒK ＞ １／４(＝０.２５)の場合、０ ≦ Ｉ ≦ Ｉsw(p0)(図５のＢの領域)においてθ1＝０°であるものの、Ｉsw(p0)＜ Ｉ ＜Ｉsw(c)(図５のＡの領域においてθ1 ≠ ０°(コーン磁化状態、図６参照)である。バイアス電流Ｉを印加した場合、その電流値がゼロから立ち上がる過程において、電流値Ｉが「Ｉsw(p0)＜ Ｉ ＜Ｉsw(c)」に達したとき、自由層の磁化方向が一旦垂直方向から傾いてコーン磁化状態(図６参照)となる。そして、更に電流が立ち上がり、電流値Ｉが閾電流Ｉsw(c)を超えると磁化方向は反転する。このことは、驚くべき新規な発見である。なお、実際の製品レベルでは、バイアス電流Ｉ印加中の過渡状態で自由層がコーン磁化状態であるかどうかを実測することは技術的に容易ではないため、下記の式１４かつ式１５、又は下記の式１６かつ式１７：
Ｋu1,eff ＞ ０   ・・・・・・・(１４)
ｒK ＞ ０.２５   ・・・・・・・(１５)
Ｋu1,eff ＝ ０   ・・・・・・・(１６)
Ｋu2 ＞ ０       ・・・・・・・(１７)
を満たすか否かを以て、本発明を実施しているか否かを判断すべきである。
【００２７】
即ち、ｒK ＞ １／４(＝０.２５)の自由層の場合、バイアス電流Ｉが所定値(Ｉsw(p0)＜ Ｉ ＜Ｉsw(c))に達したとき、自由層の磁化は一旦コーン磁化状態になるので、スイッチング時間は短くなり、書込み速度が速くなる。それでいて、読出し電流は閾電流Iswより小さい(具体的に言えばそれの０.７倍以下好ましくは０.５倍以下と小さい)ので、読出し電流において自由層の磁化はコーン磁化状態にならない。従って、ＭＲ比が損なわれることがない、つまりはＳ／Ｎ比が損なわれないことになる。
【００２８】
本発明の一実施形態のＭＲ素子は、ｒKが０.２５より大きい(好ましくは０.３以上の)ものであり、そのため規格化されたスピントルク・スイッチング効率「κ／κ(p0)」が１.２５より大きい(好ましくは１.２９以上)のものである。本発明の一実施形態のＭＲ素子は、スピントルク・スイッチング効率(κ)が高いことに加えて、書込み速度が速い、ＭＲ比が損なわれることがなく、バイアス電流がゼロでコーン磁化の自由層の場合と比するとＭＲ比は高いという特徴を有する。
【００２９】
以下、本発明の一実施形態のＭＲ素子に用いられる自由層、非磁性層及び固定層の各層について詳細に説明する。
１.自由層
Ｋu1,eff及びＫu2が既知の強磁性材料があれば、そこから選択して自由層を作製すれば良い。未知の場合には、素子ではなく、自由層単独であれば、そのＫu1,eff、Ｋu2を測定することは、比較的容易である。そこで、事前に自由層単独の磁気特性を測定し、そのＫu1,eff、Ｋu2を確かめておいてから、その自由層を使用して素子を作製しても良い。なお、自由層全体が正のＫu2を有する垂直磁化状態であることに本発明は限定されない。自由層の一部だけが正のＫu2を有し、他の部分ではＫu2≒０で、自由層全体として正のＫu2を有してもよい。例えば、非磁性層やキャップ層などとの界面付近の自由層に界面磁気異方性を生じさせ、界面磁気異方性と自由層の磁気異方性を競合させることにより部分的に正のＫu2を有する自由層を得ることもできる。
【００３０】
自由層を構成する材料は、強磁性材料である。強磁性材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはそれらの合金(例えばＦｅ-Ｃｏ)が代表的である。これらにＢ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖなどを添加した合金Ｆｅ-Ｂ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ-Ｓｉ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ-Ｔｉ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ-Ｃｒ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ-Ｖなどを用いることもできる。また、Ｃｏ-Ｐｔ、Ｃｏ-Ｐｄ、Ｆｅ-Ｐｔ、Ｆｅ-Ｐｄなどの合金又はそれらの合金を積層した合金、これらにＢ、Ｃｒなど添加した合金を用いることができる。積層した合金としては、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ(１１１)、Ｃｏ／Ｐｄ(１１１)、Ｃｏ／Ｎｉ(１１１)、Ｎｉ／Ｃｕ(００１)なども使用可能である。
【００３１】
そのほか、以下の材料も使用可能である。
（ａ）Ｃｏを含む薄膜とＰｔ又はＰｄ又はＮｉを含む薄膜との交互多層膜又は超格子膜：
この場合、Ｃｏを含む薄膜は例えばｈｃｐ結晶又はｆｃｃ(１１１)結晶構造であることが好ましい。Ｐｔ又はＰｄを含む薄膜は、例えばｆｃｃ(１１１)結晶であることが好ましいが、他の面方位でもよい。他の例として、Ｃｏを含む薄膜はｆｃｃ(００１)で、Ｐｔ又はＰｄを含む薄膜はｆｃｃ(００１)であってもよい。Ｐｔを含む薄膜の上に積層するＣｏを含む薄膜１層の膜厚は、Ｃｏ原子の大きさで７〜１０個に相当することが好ましい。Ｐｄを含む薄膜の上に積層するＣｏを含む薄膜１層の膜厚は、Ｃｏ原子の大きさで３〜４.５個に相当することが好ましい。
【００３２】
（ｂ）Ｐｔを含む薄膜(膜厚２ｎｍ)の上に積層されたＣｏを含む薄膜(膜厚０.７ｎｍ〜０.９ｎｍ)からなる多層膜又は超格子膜
（ｃ）Ｃｏを含む薄膜(膜厚 ０.５ｎｍ〜０.７ｎｍ)／Ｐｔを含む薄膜(膜厚２ｎｍ)の２層を８回繰り返した多層膜
（ｄ）Ｃｏを含む薄膜(膜厚０.７ｎｍ)／Ｐｔを含む薄膜(膜厚２ｎｍ〜３ｎｍ)の２層を８回繰り返した多層膜
（ｅ）厚さ約１〜２原子層のＣｏを含む薄膜と厚さ約１〜２原子層のＰｔを含む薄膜を交互に数周期から数十周期積層した超格子膜
（ｆ）厚さ約１〜２原子層のＣｏを含む薄膜と厚さ約１〜２原子層のＰｄを含む薄膜を交互に数周期から数十周期積層した超格子膜
（ｇ）Ｎｉを含む薄膜(膜厚０.４ｎｍ)の上に積層されたＣｏを含む薄膜(膜厚０.２ｎｍ)からなる多層膜又は超格子膜
【００３３】
（ｈ）六方最密充填(ｈｃｐ)構造を有するＣｏを含む合金薄膜
（ｉ）コバルト基合金薄膜；
コバルト基合金薄膜も好ましい自由層の材料例である。このコバルト基合金薄膜は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｂ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＮｉの少なくとも一つを含むことができる。特にＰｔを含むコバルト基合金薄膜の場合、シード層としてＲｕを用いることもできるが、シード層としてＲｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｕを選びコバルト基合金の格子定数比、つまりｃ／ａを大きくすることがより好ましい。
【００３４】
（ｊ）部分的に正のＫu2を有するＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉを含む合金薄膜；
自由層の磁気異方性と界面磁気異方性を競合させることにより正のＫu2を発生させることのできる、自由層とそれに接する非磁性層やキャップ層の材料の具体例として、例えばＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｃｏ／Ｉｒ、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｃｏ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｒｈ、Ｃｏ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｆｅ／Ｐｄ、Ｆｅ／Ａｇ、Ｆｅ／Ｔａ、Ｆｅ／Ｈｆ、Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｆｅ／Ｍｇ-Ｏ、Ｎｉ／Ｃｕ、Ｎｉ／Ｇａ-Ａｓ、Ｎｉ／Ａｕの組み合わせが使用できる。以上、材料として結晶の例を説明したが、正のＫu2があり、本発明の条件(式１〜式４)を満足すれば、自由層は単結晶、多結晶、部分的結晶、テクスチャー(texture)、微結晶(nano-crystal)、非晶質、それらの混合系でもよい。
【００３５】
自由層の膜厚は体積Ｖに関連するが、それ以外の因子にも関連がある。すなわち、自由層が薄くなると、閾電流が小さくなるので好ましいが、逆に熱安定性が下がるという問題が発生する。また、自由層が薄くなると、連続膜を作るのが難しくなるという問題も発生する。逆に自由層が厚くなると、それに比例して大きい電流を流さないと磁化反転が起きないという問題が発生する。従って、自由層の膜厚は、一般的には例えば１〜１０ｎｍ程度であり、好ましくは１〜３ｎｍ程度である。
【００３６】
＜自由層の実施例１(ｒK＝０.１)＞
Ｔｉを含む薄膜の上に積層する[Ｃｏ(０.２ｎｍ)／Ｎｉ(０.４ｎｍ)]×１５(膜厚９ｎｍ)の多層膜からなる自由層である。この自由層の寸法は、厚さｄ＝９ｎｍ、直径Ｄ＝１９ｎｍ、体積Ｖ＝２.５５×１０3ｎｍ3である。この自由層は、Ｋu1,eff ＝ ２２０ｋＪ／ｍ3、Ｋu2＝２２ｋＪ／ｍ3で、ｒK＝０.１である。熱耐性はΔ0＝１４９である。自由層のギルバートダンピング定数がα＝０.０１、スピン分極率がＰ＝０.７、閾電流はＩsw＝４８.７μＡである。スピン分極率Ｐは一般に０.３〜１が好ましいが、ここでは０.７の例を示した。素子のスピントルク・スイッチング効率はκ＝３.０６μＡ-1であり、ＭＲ比は、１９２％である。
【００３７】
比較例１(従来の垂直磁化自由層、Ｋu2＝０)は、実施例１と同じ寸法とΔ0を持ち、Ｋu1,eff ＝ ２４２ｋＪ／ｍ3(熱耐性を実施例１と合わせるためＫu1,effを大きくしてある)である。αもＰも実施例１と同じであり、閾電流はＩsw＝５３.６μＡである。κ＝２.７８μＡ-1である。ＭＲ比は１９２％である。従って、実施例１の規格化されたスピントルク・スイッチング効率は、比較例１より１.１０倍(＝３.０６／２.７８)高い。その上、閾電流Ｉswは、９０.９％(＝４８.７／５３.６)と小さく優れている。更に、実施例１のＭＲ比は１９２％であり、全く損なわれていない。
【００３８】
＜自由層の実施例２(ｒK＝０.３)＞
Ｐｔを含む薄膜の上に積層するＣｏ(膜厚１.４ｎｍ)からなる自由層である。この自由層は、Ｋu1,eff ＝４００ｋＪ／ｍ3、Ｋu2 ＝１２０ｋＪ／ｍ3で、ｒK＝０.３である。自由層の寸法は、厚さｄ＝１.４ｎｍ、直径Ｄ＝２１ｎｍ、体積Ｖ＝４.８５×１０2ｎｍ3である。このとき熱耐性はΔ0＝６０.９である。自由層のギルバートダンピング定数はα＝０.０２、スピン分極率はＰ＝０.６５である。閾電流はＩsw＝３６.５μＡである。素子のスピントルク・スイッチング効率はκ＝１.６７μＡ-1であり、ＭＲ比は１４６％である。
【００３９】
比較例２(従来の垂直磁化自由層、Ｋu2 ＝ ０)は、実施例２と同じ寸法とΔ0を持ち、Ｋu1,eff ＝ ５２０ｋＪ／ｍ3(熱耐性を実施例２と合わせるためＫu1,effを大きくしてある)である。αもＰも実施例２と同じであり、閾電流はＩsw＝４７.１μＡである。素子のスピントルク・スイッチング効率はκ＝１.２９μＡ-1であり、ＭＲ比は１４６％である。従って、実施例２の規格化されたスピントルク・スイッチング効率は、比較例２に比べ１.２９倍(＝１.６７／１.２９)高い。その上、閾電流Ｉswは、７７.５％(＝３６.５／４７.１)と小さく優れている。実施例２のＭＲ比は１４６％であり、全く損なわれていない。
【００４０】
＜自由層の実施例３(ｒK＝１)＞
Ｐｔを含む薄膜の上に積層するＣｏ(膜厚１.８ｎｍ)からなる自由層である。この自由層は、Ｋu1,eff＝１２５ｋＪ／ｍ3、Ｋu2 ＝１２５ｋＪ／ｍ3で、ｒK＝１である。自由層の寸法は、厚さｄ＝１.８ｎｍ、直径Ｄ＝２８ｎｍ、体積Ｖ＝１.１１×１０3ｎｍ3である。熱耐性はΔ0＝６６.９である。自由層のギルバートダンピング定数はα＝０.０２、スピン分極率がＰ＝０.６５である。閾電流はIsw＝３６.６μＡである。素子のスピントルク・スイッチング効率はκ＝(１.８２６)＝約１.８３μＡ-1である。スイッチング時間Ｔswは、電流を印加し始めてからｍがθ＝９０°まで移動するのにかかる時間である。６０μＡまで立ち上がるのに１ｎｓを要するパルス電流を印加した場合、１ｎｓの立ち上がり時間を含めたスイッチング時間はＴsw＝２.０ｎｓである。素子のＭＲ比は１４６％である。
【００４１】
比較例３(従来の垂直磁化自由層、Ｋu2＝０)は、実施例３と同じ寸法とΔ0を持ち、Ｋu1,eff＝２５０ｋＪ／ｍ3(熱耐性を実施例３と合わせるためＫu1,effを大きくしてある)である。αもＰも実施例３と同じであり、閾電流はＩsw＝５１.８μＡである。素子のスピントルク・スイッチング効率は、κ＝(１.２９１)＝約１.２９μＡ-1である。６０μＡまで立ち上がるのに１ｎｓを要するパルス電流をバイアス電流として印加した場合、１ｎｓの立ち上がり時間を含めたスイッチング時間はＴsw＝７.４ｎｓである。素子のＭＲ比は１４６％である。従って、実施例３の規格化されたスピントルク・スイッチング効率は、１.８２６／１.２９１＝１.４１４倍(理論的にはルート２倍)高い。その上、閾電流Ｉswは、７０.６％(＝３６.６／５１.８)と小さく優れている。スイッチング時間Ｔswは、約１／３(２７％)程度にまで短くなっている。実施例３のＭＲ比は１４６％であり、全く損なわれていない。
【００４２】
２.非磁性層
自由層と固定層との間に位置する非磁性層の材料は、既に知られているが、(１)非磁性金属(ＧＭＲ素子)と(２)絶縁体(ＴＭＲ素子)に分けることができる。ＴＭＲ素子の場合、非磁性層はトンネル障壁層とも呼ばれる。本発明の一実施形態のＭＲ素子では、非磁性層にこれらの従来の材料を用いることができる。以下にその具体例を示す。
（１）非磁性金属の場合
例えばＣｕ、Ａｇ、Ｃｒなどを含む金属・合金が使用できる。非磁性層の厚さは、例えば０.３ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。特に、大きなＭＲ比を実現するＣｕ、Ａｇを含む金属・合金を用いた場合、その厚さは例えば２ｎｍ〜１０ｎｍである。
【００４３】
（２）絶縁体の場合
例えばＭｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｌｉ等の酸化物、窒化物、ハロゲン化物等の様々な誘電体を使用することができる。特に、大きなＭＲ比と小さな面抵抗を両立するＭｇ-Ｏ(酸化マグネシウム)を使うことが好ましい。酸化物、窒化物を非磁性層に用いる場合は、その酸化物、窒化物の中に酸素、窒素欠損が多少存在していてもかまわない。非磁性層の厚さは、例えば０.３ｎｍ〜２ｎｍ程度である。
【００４４】
３.固定層
固定層は垂直方向(面内タイプの場合は面内方向)に容易磁化軸を持つ強磁性体層である。そのような強磁性体材料は既に知られている。本発明の一実施形態のＭＲ素子では、固定層としてそれらの従来の材料を用いることができる。以下にその具体例を示す。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄系又は鉄系合金(例えばＦｅ-Ｃｏ)が代表的な材料である。製法の都合で中間状態としてアモルファス状態を望む場合には、これらにＢ(ボロン)、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖなどを添加した合金Ｆｅ-Ｂ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ-Ｓｉ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ-Ｔｉ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ-Ｃｒ、Ｆｅ-Ｃｏ-Ｂ-Ｖなどを用いることもできる。特に垂直磁化の場合には、Ｃｏ-Ｐｔ、Ｃｏ-Ｐｄ、Ｆｅ-Ｐｔ、Ｆｅ-Ｐｄなどの合金、又はそれらの合金薄膜の多層膜、或いはそれら合金にＢ、Ｃｒなどを添加した合金を用いることができる。アモルファス状態の膜を結晶化するには、良く知られているように例えば熱処理(アニーリング)すれば良い。
【００４５】
固定層の膜厚について述べる。固定層が薄くなると、電流や熱に対する磁化方向の安定性が低下するという問題が発生する。また、連続膜を作るのが難しくなるという問題も発生する。逆に固定層が厚くなると、固定層から自由層への漏洩磁界が大きくなる問題と微細加工が難しくなる問題が発生する。従って、固定層の膜厚は、一般的には例えば２〜１００ｎｍであり、好ましくは自由層より厚い、厚さ２〜１０ｎｍ程度である。
【００４６】
４.製法
上述した各層は、非常に薄いので基板の上に真空薄膜形成技術によって作製できる。そのような技術としては、例えば、スパッタリング法、蒸着法、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、ＣＶＤ法等の従来からある技術を適宜選択的に用いることができる。
【００４７】
以上、基本的な自由層、非磁性層及び固定層の３層だけを説明した。しかし、これらに加えて、本発明の目的に反しない限り、場合により、取出し電極層、固定層の磁化方向を保持すべく支援する支援層、自由層の容易磁化方向を調整すべく支援する支援層、自由層の磁化の向きを読出す場合に読出し信号を高めるべく支援する支援層(読出し専用層)、キャッピング層などの層を付加しても良い。さらに、上記の電極層等を付加した本発明のコリニアＭＲ素子をアレイ状に配置し、情報の書込み又は読出しのために必要な配線や付加回路を設けて、磁気メモリとして構成することもできる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のＭＲ素子は、ＭＲＡＭ(磁気抵抗ランダムアクセスメモリ)の記憶単位素子のほか、乱数発生器、磁気センサーなどに利用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１：自由層
２：非磁性層
３：固定層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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