(57)【要約】【課題】磁化方向が膜面垂直方向に安定であり、磁気抵抗変化率が制御された磁気抵抗効果素子及びその磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリを提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子を構成する強磁性層１０６，１０７の材料を、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含んだ強磁性材料で構成することで、磁気抵抗変化率を制御し、且つ、強磁性層の膜厚を原子層レベルで制御することで磁化方向を膜面内方向から膜面垂直方向に変化させた。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が可変である記録層と、前記固定層と前記記録層の間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記固定層と前記記録層のいずれか一方は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含み、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して平行方向から垂直方向になる強磁性体によって構成され、膜厚制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、前記固定層の膜厚は前記記録層の膜厚より薄いことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が可変である記録層と、前記固定層と前記記録層の間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記固定層と前記記録層のいずれか一方は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含み、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して平行方向から垂直方向になる強磁性体によって構成され、膜厚制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、前記固定層は結晶化しており、前記記録層はアモルファス状態であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が可変である記録層と、前記固定層と前記記録層の間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記固定層と前記記録層のいずれか一方は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含み、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して平行方向から垂直方向になる強磁性体によって構成され、膜厚制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、
前記固定層の、前記第１の非磁性層と反対側の面に第２の非磁性層を備え、
前記記録層の、前記第１の非磁性層と反対側の面に第３の非磁性層を備え、
前記第２の非磁性層は前記第３の非磁性層に比べてスピン軌道相互作用が大きい材料であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
磁化方向が固定されている固定層と、磁化方向が可変である記録層と、前記固定層と前記記録層の間に配置された第１の非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子において、
前記固定層と前記記録層のいずれか一方は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含み、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して平行方向から垂直方向になる強磁性体によって構成され、膜厚制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、
前記固定層の、前記第１の非磁性層と反対側の面に第２の非磁性層を備え、前記第２の非磁性層は酸素を含む材料であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１〜４に記載の磁気抵抗効果素子において、前記３ｄ遷移金属はＣｏ，Ｆｅのうち少なくとも一つであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の磁気抵抗効果素子において、前記固定層及び前記記録層はＦｅ、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１〜５に記載の磁気抵抗効果素子において、前記固定層及び前記記録層はＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢであり、
ＣｏとＦｅの組成比において、前記固定層は前記記録層に比べてＦｅの含有比が高いことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１、３、４又は５に記載の磁気抵抗効果素子において、前記記録層はダンピング定数αが０．０１以下のホイスラー合金であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子において、前記固定層の前記第１の非磁性層と反対側の面に反強磁性層が形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子において、前記固定層は、前記第１の非磁性層と接する面から順に強磁性層と非磁性層を交互に３層以上積層した積層構造を有し、前記積層構造を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
請求項１０記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性層と交互に積層された非磁性層が酸素を含む絶縁体であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項１０記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性層と交互に積層された非磁性層が酸化マグネシウムであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
請求項１０記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性層と交互に積層された非磁性層が、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｖ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｅのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子において、前記第１の非磁性層は酸素を含む絶縁体であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子において、前記第１の非磁性層は酸化マグネシウムであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子において、磁気抵抗変化率が７０％以上に制御されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
請求項３記載の磁気抵抗効果素子において、前記第２の非磁性層はＰｔあるいはＰｄであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１８】
請求項４記載の磁気抵抗効果素子において、前記第２の非磁性層は酸化マグネシウムであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１９】
相互に平行に配置された複数のビット線と、
前記ビット線と平行な方向に、互いに平行に配置された複数のソース線と、
前記ビット線と交差する方向に、互いに平行に配置された複数のワード線と、
前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置された磁気抵抗効果素子とを備え、
前記ビット線は前記磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の他端は選択トランジスタのドレイン電極に電気的に接続され、
前記ソース線は前記選択トランジスタのソース電極に電気的に接続され、
前記ワード線は前記選択トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を印加する機構を備え、
前記磁気抵抗効果素子は請求項１〜１８のいずれか１項記載の磁気抵抗効果素子であることを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子及びその磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備えた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセル１００は、磁気抵抗効果素子１０１と選択トランジスタ１０２が電気的に直列に接続された構造となっている。選択トランジスタ１０２のソース電極はソース線１０３に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子１０１を介してビット線１０４に、ゲート電極はワード線１０５にそれぞれ電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子１０１は、第１の強磁性層１０６と第２の強磁性層１０７の２つの強磁性層で非磁性層１０８を挟んだ３層構造を基本構造とする。図示した例では、第１の強磁性層１０６は磁化方向が固定されていて固定層となり、第２の強磁性層１０７は磁化方向が可変であって記録層となる。この磁気抵抗効果素子１０１は、第１の強磁性層１０６の磁化方向と第２の強磁性層１０７の磁化方向が互いに平行（Ｐ状態）のとき低抵抗に、反平行（ＡＰ状態）のとき高抵抗になる。ＭＲＡＭでは、この抵抗変化をビット情報の「０」と「１」に対応させる。ビット情報は、磁気抵抗効果素子１０１を流れる電流によるスピントルク磁化反転によって書込む。電流が固定層から記録層に流れるとき、記録層の磁化は固定層の磁化に対して反平行になり、ビット情報は「１」となる。電流が記録層から固定層に流れるとき、記録層の磁化は固定層の磁化に対して平行になり、ビット情報は「０」となる。電流による磁化反転の速さは1ナノ秒程度であるため、ＭＲＡＭは非常に高速な書込みが可能である。また、記録層の磁化の向きによってビット情報を記録するため、ＭＲＡＭは不揮発性を有し、待機時電力消費を抑えることができる。このため、ＭＲＡＭは次世代のメモリとして期待されている。
【０００３】
また、図１では磁気抵抗効果素子１０１の第１の強磁性層１０６が固定層、第２の強磁性層１０７が記録層の場合を示したが、磁気抵抗効果素子１０１の第１の強磁性層１０６を磁化方向が可変な記録層とし、第２の強磁性層１０７を磁化方向が固定されている固定層としても、同様にＭＲＡＭとして動作する。この場合でも、電流が固定層から記録層に流れるとき、記録層の磁化は固定層の磁化に対して反平行になり、ビット情報は「１」となる。電流が記録層から固定層に流れるとき、記録層の磁化は固定層の磁化に対して平行になり、ビット情報は「０」となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】S. MANGIN, D. RAVELOSONA, J. A. KATINE, M. J. CAREY, B. D. TERRIS and ERIC E. FULLERTON, “Current-induced magnetization reversal in nanopillars with perpendicular anisotropy”, Nature Mater. 5, 210 (2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＲＡＭを実現するためには課題があり、その主なものとして、記録素子である磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）、書込み電流密度、熱安定性定数の３つの特性が満たさなければならない条件がある。これらの条件は、ＭＲＡＭの集積度、最小加工寸法、動作速度などによって異なる。例えば、読出しが高速になるほど磁気抵抗変化率は高い値が必要となり、一般的には７０％から１００％以上の高い磁気抵抗変化率が必要とされる。また、書込みの高速化及び低消費電力化のため、書込み電流密度を２×１０6Ａ／ｃｍ2以下にする必要がある。さらに、１０年以上の記録保持時間及び誤書き込み防止のため、８０以上の熱安定性定数が必要とされる。
【０００６】
高い磁気抵抗変化率を得るために、第１の強磁性層及び第２の強磁性層に３ｄ遷移金属元素を含む材料を用い、非磁性層にＭｇＯを用いた構成が知られている。この場合、３ｄ遷移金属元素を含む材料がｂｃｃ構造であったほうが望ましい。これは、３ｄ遷移金属元素を含む材料がｂｃｃ構造の場合、ＭｇＯとのコヒーレントな伝導が実現されるため、磁気抵抗変化率が大きくなりやすいという利点があるからである。この場合、第１の強磁性層及び第２の強磁性層の磁化方向は、図１のように膜面に対して平行方向になる。一方、非特許文献１のように、ＣｏとＰｔ、ＮｉとＰｔなどの多層膜や、ＦｅＰｔ，ＴｂＦｅＣｏなどの合金に代表される垂直磁気異方性材料を第１の強磁性層及び第２の強磁性層に用いた場合、低い書込み電流密度と高い熱安定性定数を実現できるとされている。これは、第１の強磁性層及び第２の強磁性層の磁化方向が膜面に対して垂直方向になることに起因する。しかし、これらの垂直磁気異方性材料とＭｇＯの組合せの場合、磁気抵抗変化率が小さくなってしまう。このため、現状はＭｇＯと垂直磁気異方性材料の間に、膜面に対して平行な磁化を持ちｂｃｃ構造である３ｄ遷移金属元素を含む材料を挿入し、ＭＲ比を高くするなどの方法が試されている。しかし、この方法では構造は複雑になり、 ３ｄ遷移金属元素を含む材料の磁化方向の制御や磁気抵抗変化率が予想されるほど高くならないなどの課題が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、磁気抵抗効果素子を構成する第１の強磁性層及び第２の強磁性層の少なくとも一方に用いる材料を、Ｃｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含んだＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢなどの材料、若しくはＣｏ2ＭｎＳｉ，Ｃｏ2ＦｅＡｌ，Ｃｏ2ＣｒＡｌなどに代表されるホイスラー合金で構成することで磁気抵抗変化率を制御することとした。これらの材料を用いると、ＭｇＯバリア層とΔ１バンドによる電子のコヒーレントなトンネル伝導が実現できる。それにより、高いＭＲ比を実現できる。また、ホイスラー合金はハーフメタル材料であり、高いスピン分極率（約１００％）を有するため、ＣｏＦｅなどの通常の強磁性体よりもさらに高いＭＲ比の実現に有効である。また、ダンピング定数αが小さく書き込み電流密度Ｊc0の低減にも有効な材料である。通常、これらＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの材料で磁気抵抗効果素子を作製した場合、強磁性層の磁化方向は膜面に対して平行な方向を向くが、本発明者らは、強磁性層の膜厚を原子層レベルで制御して磁化方向を膜面に対して垂直にすることによって、低い書き込み電流密度と高い熱安定性定数を実現する技術を開発した。
【０００８】
図２に示したのは、強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた例において、磁化方向が膜面に対して垂直になるために必要な膜厚を、製造工程に含まれる熱処理工程の温度に対して示したものである。ここで熱処理を行った時間は１時間であった。図中の白丸は膜厚の上限を、黒丸は下限を表している。図のように、熱処理温度に対応して、磁化方向が膜面に対して垂直になるＣｏＦｅＢの膜厚範囲は変化する。
【０００９】
図２の例はＣｏＦｅＢに対するものであり、他の３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含んだ材料、例えばＣｏＦｅやＦｅに対しては、磁化方向が膜面に対して垂直になるために必要な膜厚と熱処理温度の関係は図２と異なる場合があるが、材料に適した膜厚に制御することにより磁化方向を膜面に対して平行から垂直に変化させることが可能である。このように磁化方向が膜面に対して垂直になる原因は、ＣｏＦｅＢ等の界面における特殊な異方性の変化だと考えられる。ＣｏＦｅＢの膜厚を原子層レベルに制御して薄膜化することによって、ＣｏＦｅＢ層の体積に対して界面の効果が及ぶ体積の割合を増大することができる。このため、界面の特殊な異方性の効果が顕著に現れ、磁化方向が膜面に対して垂直になる。特に、ＭｇＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などに代表される酸素を含む化合物と、Ｃｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料の界面にこのような効果が大きく表れ、磁化が膜面垂直方向に向き易くなる傾向があると考えられる。
【００１０】
一方、図３は、例として第１の強磁性層と第２の強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた場合の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率を、熱処理時の温度に対して示したものである。非磁性層はＭｇＯである。熱処理温度が大きくなるとともに、磁気抵抗変化率は大きくなる。従って、この例では、例えば７０％の磁気抵抗変化率を得るためにはおよそ２５０℃で熱処理を行えばよいし、１００％の磁気抵抗変化率を得るためには３００℃で熱処理を行えばよい。このとき、熱処理温度を３００℃として膜面に垂直な磁化方向を持つ磁気抵抗効果素子を得るには、図２を参照すると第１の強磁性層及び第２の強磁性層の膜厚を１．０ｎｍから１．６ｎｍ程度に制御すればよい。こうして、本発明の磁気抵抗効果素子は、高速読出しに必要な７０％以上の磁気抵抗変化率を達成することができる。
【００１１】
他の材料を用いた場合でも、熱処理温度と磁気抵抗変化率の関係を調査しておくことによって、所望の磁気抵抗変化率が得られ、且つ、磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いている磁気抵抗効果素子を作製することが可能である。図４は第１の強磁性層及び第２の強磁性層の材料としてＣｏＦｅＢ、非磁性層としてＭｇＯを用いた場合の、膜面に対して垂直方向に印加した磁場に対する磁気抵抗効果素子の抵抗変化を示している。この例では、熱処理温度を３００℃とした。実験結果から、記録層、固定層の磁化方向は膜面に対して垂直を向いており、印加磁場の変化による記録層、固定層の磁化反転に対応して、素子の抵抗が変化していることがわかる。また、このときの磁気抵抗変化率は１００％であった。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を適用することによって、磁気抵抗変化率が大きく、且つ、膜面に対して垂直な磁化方向を持つ磁気抵抗効果素子を容易に作製することができる。また、磁気抵抗変化率を制御したい場合、熱処理温度を制御するとともに、非磁性層を挟んで形成される第１の強磁性層及び第２の強磁性層の膜厚を調整することにより膜面に対して垂直な磁化方向を維持した磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】磁気メモリのメモリセル基本構造を示す模式図。
【図２】第１の強磁性層及び第２の強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた場合の、熱処理工程の温度に対する、磁気抵抗効果素子の磁化方向が膜面に対して垂直になるために必要な膜厚の変化を示す図。
【図３】第１の強磁性層及び第２の強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた場合の、熱処理工程の温度に対する、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率の変化を示す図。
【図４】第１の強磁性層及び第２の強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた場合の、膜面垂直方向の磁場印加に対する磁気抵抗効果素子の抵抗変化を示す図。
【図５】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図６】（Ａ）は強磁性体ＣｏＦｅＢのダンピング定数αのＣｏＦｅＢ膜厚依存性を示す図、（Ｂ）はＫeff・ｔのＣｏＦｅＢ膜厚依存性を示す図。
【図７】本発明による磁気抵抗効果素子の記録層及び固定層における磁化反転確率を示す図。
【図８】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図９】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図１０】本発明による磁気メモリの例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した磁気メモリ及び磁気抵抗効果素子について、図面を参照して詳細に説明する。
＜実施例１＞
実施例１の磁気抵抗効果素子の構造を図５に模式的に示す。磁気抵抗効果素子１０１は、磁化方向が固定されている第１の強磁性層１０６と、磁化方向が可変である第２の強磁性層１０７と、第１の強磁性層と第２の強磁性層の間に電気的に接続された非磁性層１０８を備える。第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料はＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20であり、非磁性層１０８は厚さ１ｎｍのＭｇＯで構成した。第１の強磁性層１０６の膜厚は１．０ｎｍとし、第２の強磁性層の膜厚は、１．２ｎｍとした。また、下地層５０３とキャップ層５０４には厚さ５ｎｍのＴａを用いた。図５の構成をもつ積層薄膜は超高真空中でのスパッタリングを用いて作製し、その後、第１の強磁性層、第２の強磁性層、非磁性層の結晶化のため３００℃での熱処理を行った。
【００１５】
図２に示したように、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７を構成するＣｏＦｅＢ層は、熱処理温度が３００℃のとき、その膜厚を１．０ｎｍから１．６ｎｍ程度に制御することによって、磁化容易軸は膜面に対して垂直方向となる。本実施例では、第１の強磁性層１０６は膜厚を１．０ｎｍとし、第２の強磁性層１０７の膜厚は１．２ｎｍとした。これらの膜厚を適用することで、第１の強磁性層の磁化５０１及び、第２の強磁性層の磁化５０２は図５に示したように垂直方向を向く。また、第１の強磁性層１０６と、第２の強磁性層１０７に膜厚差をつけることで、固定層と記録層の磁化反転のしやすさを制御することがでる。
【００１６】
ＣｏＦｅＢの膜厚と、記録層と固定層における磁化反転のしやすさ（言い換えると磁化反転に必要な電流密度Ｊc0の差）の関係について、より詳細に説明する。磁性層の磁化反転に要する電流密度Ｊc0は、以下の式で表すことができる。
Ｊc0∝α・Keff・ｔ      (1)
ここで、αはギルバートのダンピング定数、ｔは磁性層の膜厚、Keffは磁性層の垂直磁気異方性エネルギー密度である。
【００１７】
αやＫeffの値はＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20の膜厚に依存して変化する。図６に、α及びＫeff・ｔ（Ｋeffとｔの積）の、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20膜厚依存性を示す。図６に示すように、α及びＫeff・ｔはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20膜厚の低下に伴い増大する。これらの特性と式(1)から、書込み電流密度Ｊc0はＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20膜厚の低下に伴い増大することがわかる。以上の理由から、実施例１の構成では、記録層（１．２ｎｍ）に比べて固定層（１．０ｎｍ）は磁化反転しにくく、記録層の情報書き換えのために電流を流しても、固定層の磁化方向を安定して保持できる。
【００１８】
図７に、本実施例の素子における、記録層及び固定層の磁化反転確率の計算結果を示す。図示したように、印加電圧を正とした場合、磁気抵抗効果素子には下（固定層１０６）から上（記録層１０７）に向かって電流が流れる。正方向に電圧を印加し、ある一定以上の電流が素子に流れると記録層１０７の磁化が反転する（図中Ａの変化）。このとき、固定層１０６の磁化方向は依然として保持される。さらに正の電圧を増大させて電流を流していくと最終的には固定層１０６の磁化も反転するが（図中Ｂの変化）、固定層１０６の磁化反転に必要な電圧（電流）は、記録層１０７の反転に必要な値に比べて大幅に大きい。一方、負の電圧を印加した場合には電流は素子の上（記録層１０７）から下（固定層１０６）に向かって流れる。この場合も、正の電圧印加のときと同様、記録層１０７の磁化反転（図中Ｃの変化）に対して、固定層１０６の磁化反転（図中Ｄの変化）に必要な電圧（電流）は大幅に大きい。したがって、上述したように、本実施例の構成では、記録層と固定層の膜厚差をつけることで磁化反転のしやすさを制御し、記録層の情報書き換え（磁化反転）の際に固定層の磁化方向を安定して保持する動作を実現できる。
【００１９】
実施例１の構成の素子を作製、評価した結果、垂直方向の磁化反転による抵抗変化と、１００％以上のＭＲ比を確認した。また、図７に示した計算結果と同様、記録層の書き換え時に固定層の磁化は安定して保持できていることを確認した。
【００２０】
本実施例では、第１の強磁性層１０６を固定層として、第２の強磁性層１０７を記録層として用いたが、両者の上下位置を入れ替えた構成を用いてもよい。その場合、非磁性層１０８の上側にある強磁性層の膜厚を、非磁性層１０８の下側にある強磁性層に比べて薄くする。これにより、非磁性層１０８の上側にある強磁性層が固定層となる。
【００２１】
また、本実施例では、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料にＣｏＦｅＢを用いたが、その他の材料として、３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む、例えば、ＣｏＦｅ、あるいはＦｅなどを用いてもよい。また、Ｃｏ2ＭｎＳｉ，Ｃｏ2ＦｅＡｌ，Ｃｏ2ＣｒＡｌなどに代表されるホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金はハーフメタル材料のためスピン分極率が高く、よりＭＲ比を向上できる。また、ホイスラー合金は、通常の強磁性体と比べてダンピング定数αが小さい。これまで、垂直磁化材料として検討されている材料は一般的にダンピング定数が大きく、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜では０．１程度である。それと比較して、本実施例で用いたＣｏＦｅＢのダンピング定数は０．０３以下と低いが（膜厚に依存）、例えばＣｏ2ＦｅＭｎＳｉなどのホイスラー合金は、さらに低い０．０１を下回る低いダンピング定数を有する。よって、ダンピング定数αが小さいホイスラー合金を記録層に適用すれば、書込み電流密度Ｊc0をより低減できる効果が得られる。
【００２２】
また、本実施例では、非磁性層１０８の材料にＭｇＯを用いたが、その他の材料として、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などの酸素を含む化合物、あるいはＺｎＯなどの半導体、あるいはＣｕなどの金属などを用いてもよい。Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などアモルファスの絶縁体をバリア層として用いる場合、ＭＲ比はＭｇＯを用いる場合と比較して低下するが、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直にする効果があるため、垂直磁化の磁気抵抗効果素子として機能させることは可能である。非磁性層１０８にＣｕなどの金属を用いる場合は、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直に立たせるために、下地層５０３とキャップ層５０４には酸素を含む化合物を用いるとよい。
【００２３】
＜実施例２＞
実施例２は、固定層と記録層に異なる結晶構造の層を適用した磁気抵抗効果素子を提案するものである。
【００２４】
実施例２の磁気抵抗効果素子の基本構造・各層の膜厚は、図５で示した実施例１と同様であり、非磁性層１０８にはＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用い、下地層５０３とキャップ層５０４にはＴａ（膜厚：５ｎｍ）を用いた。実施例１と異なる点として、実施例２では、固定層となる第１の強磁性層１０６に結晶化したＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１ｎｍ）を用い、記録層となる第２の強磁性層１０７にアモルファス状態のＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１．２ｎｍ）を用いた。磁気異方性エネルギーＫeffはアモルファス状態より結晶状態の方が高い。実施例１で説明したように、磁性層の磁化反転に必要な書込み電流密度Ｊc0はＫeffに依存するため、上記の構成とすることで記録層に比べ固定層は磁化反転しにくくなる。すなわち、記録層の書込み動作時に固定層の磁化方向が安定して保持される動作が実現できる。
【００２５】
実施例２の素子を構成する積層膜の作製方法を、図５を参照して説明する。超高真空中で室温において、スパッタリングを用い、下地層５０３、第１の強磁性層１０６、非磁性層１０８まで積層し、そのまま一度３５０℃にて熱処理する。このとき、第１の強磁性層１０６であるＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20は、室温での成膜時にはアモルファス状態であるが、その後の熱処理によって結晶化する。続いて再び室温に戻した後、第２の磁性層１０７とキャップ層５０４を積層する。このような作製方法により、第２の強磁性層１０７はアモルファス状態、第１の強磁性層１０６は結晶化した構造の積層膜を実現できる。ＣｏＦｅＢはアモルファスの状態であっても膜厚を制御することで磁化方向を垂直とすることができる。
【００２６】
また、上記の方法で作製した素子においてより高いＭＲ比を得るためには、積層膜を作製後、２００℃程度の温度で熱処理することが望ましい。これにより第２の強磁性層１０７はおおむねアモルファス状態であるが、非磁性層１０８の界面でのみ結晶化が進みＭＲ比は向上する。
【００２７】
実施例２の構成の素子を作製、評価した結果、垂直方向の磁化反転による抵抗変化と、１００％以上のＭＲ比を確認した。また、記録層の書き換え時に固定層の磁化は安定して保持できていることを確認した。
【００２８】
また、別の方法として、固定層を構成する強磁性層に結晶の材料であるＣｏＦｅを用い、記録層を構成する強磁性層にアモルファスのＣｏＦｅＢを用いてもよい。
【００２９】
また、本実施例では、非磁性層１０８の材料にＭｇＯを用いたが、その他の材料として、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などの酸素を含む化合物、あるいはＺｎＯなどの半導体、あるいはＣｕなどの金属などを用いてもよい。Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などアモルファスの絶縁体をバリア層として用いる場合、ＭＲ比はＭｇＯを用いる場合と比較して低下するが、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直にする効果があるため、垂直磁化の磁気抵抗効果素子として機能させることは可能である。非磁性層１０８にＣｕなどの金属を用いる場合は、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直に立たせるために、下地層５０３とキャップ層５０４には酸素を含む化合物を用いるとよい。
【００３０】
また、上記実施例では第１の強磁性層１０６の膜厚と第２強磁性層１０７の膜厚に差をつけたが、両者が同じ膜厚であっても垂直磁化の磁気抵抗効果素子として動作は可能である。この場合でも、第１の強磁性層１０６と、第２強磁性層１０７の結晶構造の違いによって、両者の垂直磁気異方性に差があるため、固定層となる第１の強磁性層１０６は記録層となる第２の強磁性層１０７よりも磁化反転しにくい。これにより、上記実施例の構成と比べると固定層の磁化の安定性は低下するもの、記録層の書き換え時に固定層の磁化方向を固定しておくことが可能である。
【００３１】
＜実施例３＞
実施例３は、固定層に接する非磁性層によって、固定層の磁化を安定化させる磁気抵抗効果素子を提案するものである。
【００３２】
実施例３の磁気抵抗効果素子の基本構造・各層の膜厚は、図５で示した実施例１と同様である。第１の強磁性層１０６にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１ｎｍ）、第２の強磁性層１０７にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１．２ｎｍ）、非磁性層１０８にはＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。実施例１と異なる点として、実施例３では、下地層５０３にはＰｔ（膜厚：５ｎｍ）を、キャップ層５０４にはＴａ（膜厚：５ｎｍ）を用いた。この積層膜を作製した後、３００℃での熱処理を行った。
【００３３】
実施例３の下地層５０３に適用したＰｔなどスピン軌道相互作用の強い材料を磁性層に接続すると、磁性層のダンピング定数αが増大する。実施例１において式(1)で説明したように、αの増大によって書込み電流密度Ｊc0は増大する。一方、記録層側に接続するキャップ層５０４には、スピン軌道相互作用が弱い非磁性材料、すなわち隣接する磁性層のダンピング定数αが小さくなる材料として、例えば本実施例で用いたＴａをはじめＣｕ，Ｍｇなどを適用するのが望ましい。これらの組み合わせにより、αが小さい記録層に比べ、αが大きい固定層のＪc0は大きくなる。その結果、記録層の情報書き換えの際、流す電流によって誤って固定層の磁化が反転する誤動作を抑制でき、安定した動作を実現できる。
【００３４】
実施例３の構成の素子を作製、評価した結果、垂直方向の磁化反転による抵抗変化と、１００％以上のＭＲ比を確認した。また、記録層の書き換え時に固定層の磁化は安定して保持できていることを確認した。
【００３５】
本実施例では、第１の強磁性層１０６を固定層として、第２の強磁性層１０７を記録層として用いたが、両者の上下位置を入れ替えた構成を用いてもよい。その場合、非磁性層１０８の上側にある強磁性層の膜厚を、第１の非磁性層１０８の下側にある強磁性層に比べて薄くする。これにより、非磁性層１０８の上側にある強磁性層が固定層となる。またその場合、非磁性層１０８の上側にある強磁性層と接する非磁性層（キャップ層５０４）にはＰｔを、非磁性層１０８の下側にある強磁性層と接する非磁性層（下地層５０３）にはＴａを用いるとよい。
【００３６】
また、本実施例では、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料にＣｏＦｅＢを用いたが、その他の材料として、３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む、例えば、ＣｏＦｅ、あるいはＦｅなどを用いてもよい。また、Ｃｏ2ＭｎＳｉ，Ｃｏ2ＦｅＡｌ，Ｃｏ2ＣｒＡｌなどに代表されるホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金はハーフメタル材料のためスピン分極率が高く、よりＭＲ比を向上できる。また、ホイスラー合金は、通常の強磁性体と比べてダンピング定数αが小さい。これまで、垂直磁化材料として検討されている材料は一般的にダンピング定数が大きく、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜では０．１程度である。それと比較して、本実施例で用いたＣｏＦｅＢのダンピング定数は０．０３以下と低いが（膜厚に依存）、例えばＣｏ2ＦｅＭｎＳｉなどのホイスラー合金は、さらに低い０．０１を下回る低いダンピング定数を有する。よって、ダンピング定数αが小さいホイスラー合金を記録層に適用すれば、より書込み電流密度Ｊc0を低減できる効果が得られる。
【００３７】
また、本実施例では、固定層となる第１の強磁性層１０６に接する非磁性層５０３（下地層）にＰｔを用いたが、スピン軌道相互作用の強い他の材料、例えばＰｄなどを用いてもよい。
【００３８】
また、本実施例では、非磁性層１０８の材料にＭｇＯを用いたが、その他の材料として、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などの酸素を含む化合物、あるいはＺｎＯなどの半導体を用いてもよい。Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などアモルファスの絶縁体をバリア層として用いる場合、ＭＲ比はＭｇＯを用いる場合と比較して低下するが、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直にする効果があるため、垂直磁化の磁気抵抗効果素子として機能させることは可能である。
【００３９】
また、上記実施例では第１の強磁性層１０６の膜厚と第２強磁性層１０７の膜厚に差をつけたが、両者が同じ膜厚であっても垂直磁化の磁気抵抗効果素子として動作は可能である。この場合でも、下地層５０３とキャップ層５０４の効果により、第１の強磁性層１０６と第２強磁性層１０７のダンピング定数αが変わるため、固定層となる第１の強磁性層１０６は記録層となる第２の強磁性層１０７よりも磁化反転しにくい。これにより、上記実施例の構成と比べると固定層の磁化の安定性は低下するもの、記録層の書き換え時に固定層の磁化方向を固定しておくことが可能である。
【００４０】
＜実施例４＞
実施例４は、実施例３と同様、固定層に接する非磁性層によって、固定層の磁化を安定化させる磁気抵抗効果素子を提案するものである。
【００４１】
実施例４の磁気抵抗効果素子の基本構造・各層の膜厚は、図５で示した実施例１と同様である。第１の強磁性層１０６にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１ｎｍ）、第２の強磁性層１０７にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１．２ｎｍ）、非磁性層１０８にはＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。実施例１と異なる点として、実施例４では、下地層５０３にはＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を、キャップ層５０４にはＴａ（膜厚：５ｎｍ）を用いた。この積層膜を作製した後、３００℃での熱処理を行った。
【００４２】
実施例１でも説明したように、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７を構成するＣｏＦｅＢの磁化は、それぞれが接している非磁性層１０８のＭｇＯとの界面における異方性の変化によって垂直方向に向く。この効果は、ＭｇＯなど酸素を含む化合物が隣接する場合に顕著に現れる。実施例４では、固定層となる第１の強磁性層１０６にＭｇＯからなる下地層５０３を接続した。これにより、固定層の磁化がより垂直方向に安定化する。つまり、式(1)で示したＫeffが増大することになる。その結果、式(1)からも明らかなように、磁化反転に要する電流密度Ｊc0が増大する。この効果により、記録層の情報書き換えのために素子に電流を流しても固定層の磁化は安定して保持される。
【００４３】
実施例４の構成の素子を作製、評価した結果、垂直方向の磁化反転による抵抗変化と、１００％以上のＭＲ比を確認した。また、記録層の書き換え時に固定層の磁化は安定して保持できていることを確認した。
【００４４】
本実施例では、第１の強磁性層１０６を固定層として、第２の強磁性層１０７を記録層として用いたが、両者の上下位置を入れ替えた構成を用いてもよい。その場合、非磁性層１０８の上側にある強磁性層の膜厚を、非磁性層１０８の下側にある強磁性層に比べて薄くする。これにより、非磁性層１０８の上側にある強磁性層が固定層となる。また、その場合、非磁性層１０８の上側にある強磁性層と接する非磁性層（キャップ層５０４）にはＭｇＯを、非磁性層１０８の下側にある強磁性層と接する非磁性層（下地層５０３）にはＴａを用いる。
【００４５】
また、本実施例では、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料にＣｏＦｅＢを用いたが、その他の材料として、３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む、例えば、ＣｏＦｅ、あるいはＦｅなどを用いてもよい。また、Ｃｏ2ＭｎＳｉ，Ｃｏ2ＦｅＡｌ，Ｃｏ2ＣｒＡｌなどに代表されるホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金はハーフメタル材料のためスピン分極率が高く、よりＭＲ比を向上できる。また、ホイスラー合金は、通常の強磁性体と比べてダンピング定数αが小さい。これまで、垂直磁化材料として検討されている材料は一般的にダンピング定数が大きく、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜では０．１程度である。それと比較して、本実施例で用いたＣｏＦｅＢのダンピング定数は０．０３以下と低いが（膜厚に依存）、例えばＣｏ2ＦｅＭｎＳｉなどのホイスラー合金は、さらに低い０．０１を下回る低いダンピング定数を有する。よって、ダンピング定数αが小さいホイスラー合金を記録層に適用すれば、書込み電流密度Ｊc0をより低減できる効果が得られる。
【００４６】
また、本実施例では、固定層となる第１の強磁性層１０６に接する非磁性層（下地層５０３）にＭｇＯを用いたが、酸素を含む他の化合物、例えばＡｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などを用いてもよい。
【００４７】
また、本実施例では、非磁性層１０８の材料にＭｇＯを用いたが、その他の材料として、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などの酸素を含む化合物、あるいはＺｎＯなどの半導体を用いてもよい。Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などアモルファスの絶縁体をバリア層として用いる場合、ＭＲ比はＭｇＯを用いる場合と比較して低下するが、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直にする効果があるため、垂直磁化の磁気抵抗効果素子として機能させることは可能である。
【００４８】
また、上記実施例では第１の強磁性層１０６の膜厚と第２強磁性層１０７の膜厚に差をつけたが、両者が同じ膜厚であっても垂直磁化の磁気抵抗効果素子として動作は可能である。この場合でも、下地層５０３とキャップ層５０４の効果により、第１の強磁性層１０６と第２強磁性層１０７のダンピング定数αが変わるため、固定層となる第１の強磁性層１０６は記録層となる第２の強磁性層１０７よりも磁化反転しにくい。これにより、上記実施例の構成と比べると固定層の磁化の安定性は低下するもの、記録層の書き換え時に固定層の磁化方向を固定しておくことが可能である。
【００４９】
＜実施例５＞
実施例５は、固定層と記録層に、同じ材料系でかつ異なる組成比をもつ材料を適用した構造の素子を提案するものである。
【００５０】
実施例５の磁気抵抗効果素子の基本構造・各層の膜厚は、図５で示した実施例１と同様である。ただし、実施例５では、第１の強磁性層１０６にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１ｎｍ）、第２の強磁性層１０７にはＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20（膜厚：１．２ｎｍ）と、それぞれの磁性層に組成の異なる材料を適用した。垂直磁気異方性エネルギー密度Ｋeffは、Ｆｅの組成比が高いＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20の方がＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20よりも高い。磁性層の磁化反転に必要な書込み電流密度Ｊc0はＫeffに依存するため、上記の構成とすることで記録層に比べ固定層の方が磁化反転しにくくなる。すなわち、記録層の書込み動作時に固定層の磁化方向が安定して保持され、信頼性の高い動作を実現できる。
【００５１】
実施例５の構成の素子を作製、評価した結果、垂直方向の磁化反転による抵抗変化と、１００％以上のＭＲ比を確認した。また、記録層の書き換え時に固定層の磁化は安定して保持できていることを確認した。
【００５２】
また、本実施例では、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料にＣｏＦｅＢを用いたが、その他の材料として、３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む、例えば、ＣｏＦｅ、あるいはＦｅなどを用いてもよい。また、実施例２のように、固定層となる第１の強磁性層１０６に結晶化したＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20を、記録層となる第２の強磁性層１０７にアモルファス状態のＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20を適用しても本実施例と同様の効果が得られることは明らかである。
【００５３】
また、本実施例では、下地層５０３にＴａを用いたが、より固定層の磁化を安定化させるには実施例３や実施例４と同様に、ＰｔやＰｄなどスピン軌道相互作用の大きい金属、あるいはＭｇＯなど酸素を含む化合物を用いるのが効果的である。
【００５４】
また、本実施例では、非磁性層１０８の材料にＭｇＯを用いたが、その他の材料として、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などの酸素を含む化合物、あるいはＺｎＯなどの半導体を用いてもよい。Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などアモルファスの絶縁体をバリア層として用いる場合、ＭＲ比はＭｇＯを用いる場合と比較して低下するが、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直にする効果があるため、垂直磁化の磁気抵抗効果素子として機能させることは可能である。
【００５５】
＜実施例６＞
実施例６は、反強磁性体の層を固定層に接続することで、固定層の磁化をより安定化させる磁気抵抗効果素子を提案するものである。
【００５６】
実施例６の素子を構成する積層膜の断面模式図を図８に示す。実施例６の素子の基本構造・各層の膜厚は図５で示した実施例１と同様である。第１の強磁性層１０６にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１ｎｍ）、第２の強磁性層１０７にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１．２ｎｍ）、非磁性層１０８にはＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。また、キャップ層５０４にはＴａ（膜厚：５ｎｍ）を用いた。実施例１と異なる点として、実施例６では、下地層５０３にはＮｉＦｅ（膜厚：３ｎｍ）を用い、その上に反強磁性層１３０１としてＭｎＩｒ（膜厚：８ｎｍ）を積層した。この積層膜を作製した後、３００℃での熱処理を行った。
【００５７】
反強磁性層１３０１を固定層となる第１の強磁性層１０６の下地に用いることで、固定層の磁化はより安定化し、記録層の情報書込みの際に流す電流によって固定層の磁化が反転する誤動作を抑制できる。
【００５８】
実施例６の構成の素子を作製、評価した結果、垂直方向の磁化反転による抵抗変化と、１００％以上のＭＲ比を確認した。また、記録層の書き換え時に固定層の磁化は安定して保持できていることを確認した。
【００５９】
また、本実施例では、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料にＣｏＦｅＢを用いたが、その他の材料として、３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む、例えば、ＣｏＦｅ、あるいはＦｅなどを用いてもよい。また、実施例２と同様に、記録層を構成する第２の強磁性層１０７にアモルファスのＣｏＦｅＢを用いてもよい。また、Ｃｏ2ＭｎＳｉ，Ｃｏ2ＦｅＡｌ，Ｃｏ2ＣｒＡｌなどに代表されるホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金はハーフメタル材料のためスピン分極率が高く、よりＭＲ比を向上できる。また、ホイスラー合金は、通常の強磁性体と比べてダンピング定数αが小さい。これまで、垂直磁化材料として検討されている材料は一般的にダンピング定数が大きく、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜では０．１程度である。それと比較して、本実施例で用いたＣｏＦｅＢのダンピング定数は０．０３以下と低いが（膜厚に依存）、例えばＣｏ2ＦｅＭｎＳｉなどのホイスラー合金は、さらに低い０．０１を下回る低いダンピング定数を有する。よって、ダンピング定数αが小さいホイスラー合金を記録層に適用すれば、書込み電流密度Ｊc0をより低減できる効果が得られる。
【００６０】
また、本実施例では、非磁性層１０８の材料にＭｇＯを用いたが、その他の材料として、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などの酸素を含む化合物、あるいはＺｎＯなどの半導体を用いてもよい。Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などアモルファスの絶縁体をバリア層として用いる場合、ＭＲ比はＭｇＯを用いる場合と比較して低下するが、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直にする効果があるため、垂直磁化の磁気抵抗効果素子として機能させることは可能である。
【００６１】
＜実施例７＞
実施例７は、強磁性層と非磁性層を交互に積層した構造の固定層を適用することで、固定層の磁化をより安定化させる磁気抵抗効果素子を提案するものである。
【００６２】
実施例７の素子を構成する積層膜の断面模式図を図９に示す。実施例７では、非磁性層１００５／強磁性層１００４／非磁性層１００３／強磁性層１００２の積層構造により、固定層１００１を構成する。非磁性層１００３と非磁性層１００５にはＭｇＯ（膜厚：０．４ｎｍ）を用い、強磁性層１００２と強磁性層１００４には、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１ｎｍ）を用いた。この積層構造を採用することによって、強磁性層と非磁性層の界面の数が増えるため固定層１００１の磁化方向が垂直に向くための界面効果が大きく生じる。さらに、固定層１００１を構成する強磁性層部分の全体積が増大するため、磁化方向は膜面に対して垂直方向により安定化する。以上の効果で、記録層の情報書込みの際に流す電流によって固定層の磁化が反転する誤動作をより抑制できる。また、実施例７の非磁性層１０８にはＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を、下地層５０３とキャップ層５０４にはＴａ（膜厚：５ｎｍ）を、記録層を構成する強磁性層１０７にはＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20（膜厚：１．２ｎｍ）を用いた。
【００６３】
実施例７の構成の素子を作製、評価した結果、垂直方向の磁化反転による抵抗変化と、１００％以上のＭＲ比を確認した。また、記録層の書き換え時に固定層の磁化は安定して保持できていることを確認した。
【００６４】
また、固定層の磁化を安定化させるために、固定層の積層構造はより多くの回数を積層してもよい。また、本実施例では、固定層１００１を構成する強磁性層１００２と強磁性層１００４の間に挿入する非磁性層１００３にはＭｇＯを用いたが、これ以外の材料として酸素を含むＡｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などを用いてもよい。さらには、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｖ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｅなどの金属を用いてもよい。この場合、強磁性層１００２と強磁性層１００４の磁化の間に交換結合が働くため、非磁性層１００３の膜厚を制御することによって、強磁性層１００２と強磁性層１００４の磁化方向を平行若しくは反平行に容易に変更することができる。  
【００６５】
また、本実施例では、積層構造の固定層を構成する複数の強磁性層及び第２の強磁性層１０７の材料にＣｏＦｅＢを用いたが、その他の材料として、３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む、例えば、ＣｏＦｅ、あるいはＦｅなどを用いてもよい。また、Ｃｏ2ＭｎＳｉ，Ｃｏ2ＦｅＡｌ，Ｃｏ2ＣｒＡｌなどに代表されるホイスラー合金を用いてもよい。ホイスラー合金はハーフメタル材料のためスピン分極率が高く、よりＭＲ比を向上できる。また、ホイスラー合金は、通常の強磁性体と比べてダンピング定数αが小さい。これまで、垂直磁化材料として検討されている材料は一般的にダンピング定数が大きく、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜では０．１程度である。それと比較して、本実施例で用いたＣｏＦｅＢのダンピング定数は０．０３以下と低いが（膜厚に依存）、例えばＣｏ2ＦｅＭｎＳｉなどのホイスラー合金は、さらに低い０．０１を下回る低いダンピング定数を有する。よって、ダンピング定数αが小さいホイスラー合金を記録層に適用すれば、書込み電流密度Ｊc0をより低減できる効果が得られる。
【００６６】
また、本実施例では、非磁性層１０８の材料にＭｇＯを用いたが、その他の材料として、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などの酸素を含む化合物、あるいはＺｎＯなどの半導体を用いてもよい。Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2などアモルファスの絶縁体をバリア層として用いる場合、ＭＲ比はＭｇＯを用いると比較して低下するが、第１の強磁性層１０６、第２の強磁性層１０７の磁化を垂直にする効果があるため、垂直磁化の磁気抵抗効果素子として機能させることは可能である。  
【００６７】
＜実施例８＞
本発明の別の観点によると、実施例１〜７の磁気抵抗効果素子を記録素子として採用することでＭＲＡＭを実現することができる。
【００６８】
本発明のＭＲＡＭは、図１０に示すように、互いに平行に配置された複数のビット線１０４と、ビット線１０４と平行に配置され、且つ、互いに平行に配置された複数のソース線１０３と、ビット線１０４と垂直に配置され、且つ、互いに平行な複数のワード線１０５を備え、ビット線１０４とワード線１０５の各交点にはメモリセル１００が配置される。メモリセル１００は、実施例１〜７の磁気抵抗効果素子１０１と選択トランジスタ１０２を備えている。これら複数のメモリセル１００がメモリアレイ１４０１を構成している。ビット線１０４は、磁気抵抗効果素子１０１を介して選択トランジスタ１０２のドレイン電極に電気的に接続されており、ソース線１０３は配線層を介して選択トランジスタ１０２のソース電極に電気的に接続されている。また、ワード線１０５は選択トランジスタ１０２のゲート電極に電気的に接続されている。ソース線１０３とビット線１０４の一端は、電圧印加のためのライトドライバ１４０２とセンス増幅器１４０３に電気的に接続されている。ワード線１０５の一端はワードドライバ１４０４に電気的に接続されている。
【００６９】
「０」書込み動作では、ライトドライバ１４０２からビット線１０４に電圧を印加するとともに、ワードドライバ１４０４からワード線１０５に電圧を印加することによって、ビット線１０４から選択された磁気抵抗効果素子１０１を介してソース線１０３に電流を流す。このとき、磁気抵抗効果素子１０１の構成が図５のように、第１の強磁性層１０６が固定層であり、第２の強磁性層１０７が記録層である場合、磁気抵抗効果素子１０１は低抵抗になり、磁気抵抗効果素子１０１が保持する情報は「０」になる。一方、「１」書込み動作では、ライトドライバ１４０２にからソース線１０３に電圧を印加するとともに、ワードドライバ１４０４からワード線１０５に電圧を印加することによって、ソース線１０３から選択された磁気抵抗効果素子１０１を介してビット線１０４に電流を流す。このとき、磁気抵抗効果素子１０１は高抵抗になり、磁気抵抗効果素子１０１が保持する情報は「１」になる。読出し時は、センス増幅器１４０３を用いて抵抗変化による信号の違いを読取る。このような構成のメモリアレイを採用することで、磁気抵抗変化率が大きく、書込み電流密度が小さく、熱安定性定数が大きくなり、ＭＲＡＭは不揮発なメモリとして動作することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１００…磁気メモリのメモリセル、１０１…磁気抵抗効果素子、１０２…選択トランジスタ、１０３…ソース線、１０４…ビット線、１０５…ワード線、１０６…第１の強磁性層、１０７…第２の強磁性層、１０８…非磁性層、５０１…磁化、５０２…磁化、５０３…下地層、５０４…キャップ層、１００１…固定層、１００２…強磁性層、１００３…非磁性層、１００４…強磁性層、１００５…非磁性層、１３０１…反強磁性層、１４０１…メモリアレイ、１４０２…ライトドライバ、１４０３…センス増幅器、１４０４…ワードドライバ
【図１】
2011258596.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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