(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の隣接層に対するフリー層の第１界面および第２界面において界面垂直異方性を示す磁気素子であって、
（ａ）基板の上に形成されたピンド層と、
（ｂ）前記ピンド層の表面に隣接するトンネルバリア層と、
（ｃ）前記ピンド層から離れた前記トンネルバリア層の表面と共に第１界面を形成する下面と、Ｈｋ増加層と共に第２界面を形成する上面とを有し、
第１ＣｏＦｅＢ磁性層中のＦｅ含有量と第２ＣｏＦｅＢ磁性層中のＦｅ含有量とが異なる２つのＣｏＦｅＢ磁性層の複合体であり、
垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy ）を有する、前記フリー層と、
（ｄ）前記フリー層において前記第１界面および前記第２界面における界面垂直異方性が形状異方性磁界を支配するように、前記第２界面に沿った前記フリー層において界面異方性を提供する前記Ｈｋ増加層と、
（ｅ）前記Ｈｋ増加層の上面に隣接するキャップ層と、
を備え、
ピンド層／トンネルバリア層／フリー層／Ｈｋ増加層／キャップ層からなる積層構造を有する、
磁気素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＯx またはＨｆＯx であり、あるいはこれらの酸化物のうちの１または２以上の積層体である、
請求項１記載の磁気素子。
【請求項３】
前記フリー層は、５オングストローム以上２５オングストローム以下の厚さを有する、
請求項１記載の磁気素子。
【請求項４】
前記Ｈｋ増加層は、ＭｇＯ、ＳｉＯx 、ＳｒＴｉＯx 、ＢａＴｉＯx 、ＣａＴｉＯx 、ＬａＡｌＯx 、ＭｎＯx 、ＶＯx 、ＡｌＯx 、ＴｉＯx およびＨｆＯx から選択される１または２以上の酸化物からなる単層または積層体であると共に、前記トンネルバリア層の面積抵抗（抵抗×面積：ＲＡ）値よりも小さい面積抵抗値を有する、
請求項１記載の磁気素子。
【請求項５】
さらに、前記Ｈｋ増加層の中に埋め込まれたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕのうちの１または２以上からなる粒子を備えた、
請求項４記載の磁気素子。
【請求項６】
前記Ｈｋ増加層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｂ、Ｖ、Ｍｇ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕまたはＣｒからなる、
請求項１記載の磁気素子。
【請求項７】
前記キャップ層は、前記Ｈｋ増加層に用いられる前記酸化物の酸化物形成の自由エネルギーよりも大きな酸化物形成の自由エネルギーを有する、
請求項４記載の磁気素子。
【請求項８】
前記トンネルバリア層および前記Ｈｋ増加層は、ＭｇＯからなり、
前記キャップ層は、Ｒｕである、
請求項７記載の磁気素子。
【請求項９】
前記界面垂直異方性は、１２０００Ｏｅよりも大きな強度を有し、
前記フリー層の磁化方向は、前記フリー層の上面および下面に対して垂直である、
請求項１記載の磁気素子。
【請求項１０】
前記（ａ）のピンド層、前記（ｂ）のトンネルバリア層、前記（ｃ）のフリー層、前記（ｄ）のＨｋ増加層および前記（ｅ）のキャップ層は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子の一部であり、
前記磁気トンネル接合素子のアレイは、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory ）、スピントランスファーＭＲＡＭまたは他のスピントロニックデバイスのデジタルストレージに用いられる、
請求項１記載の磁気素子。
【請求項１１】
所定の隣接層に対するフリー層の第１界面および第２界面において界面垂直異方性を示す磁気素子であって、
（ａ）基板の上に形成されたシード層と、
（ｂ）前記シード層の上面に隣接するＨｋ増加層と、
（ｃ）前記Ｈｋ増加層の上面と共に第２界面を形成する下面と、トンネルバリア層と共に第１界面を形成する上面とを有し、
第１ＣｏＦｅＢ磁性層中のＦｅ含有量と第２ＣｏＦｅＢ磁性層中のＦｅ含有量とが異なる２つのＣｏＦｅＢ磁性層の複合体であり、
垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有し、
前記第１界面および前記第２界面における前記界面垂直異方性により形状異方性磁界が支配される、前記フリー層と、
（ｄ）前記トンネルバリア層と、
（ｅ）前記トンネルバリア層の上面に隣接するピンド層と
を備え、
シード層／Ｈｋ増加層／フリー層／トンネルバリア層／ピンド層からなる積層構造を有する、
磁気素子。
【請求項１２】
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＯx またはＨｆＯx であり、あるいはこれらの酸化物のうちの１または２以上の積層体である、
請求項１１記載の磁気素子。
【請求項１３】
前記フリー層は、５オングストローム以上２５オングストローム以下の厚さを有する、
請求項１１記載の磁気素子。
【請求項１４】
前記Ｈｋ増加層は、ＭｇＯ、ＳｉＯx 、ＳｒＴｉＯx 、ＢａＴｉＯx 、ＣａＴｉＯx 、ＬａＡｌＯx 、ＭｎＯx 、ＶＯx 、ＡｌＯx 、ＴｉＯx およびＨｆＯx から選択される１または２以上の酸化物からなる単層または積層体であると共に、前記トンネルバリア層の面積抵抗（抵抗×面積：ＲＡ）値よりも小さい面積抵抗値を有する、
請求項１１記載の磁気素子。
【請求項１５】
さらに、前記Ｈｋ増加層の中に埋め込まれたＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、ＡｇおよびＣｕのうちの１または２以上からなる粒子を備えた、
請求項１４記載の磁気素子。
【請求項１６】
前記Ｈｋ増加層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｂ、Ｖ、Ｍｇ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｕまたはＣｒからなる、
請求項１１記載の磁気素子。
【請求項１７】
前記シード層は、前記Ｈｋ増加層に用いられる前記酸化物の酸化物形成の自由エネルギーよりも大きな酸化物形成の自由エネルギーを有する、
請求項１４記載の磁気素子。
【請求項１８】
前記トンネルバリア層および前記Ｈｋ増加層は、ＭｇＯからなり、
前記キャップ層は、Ｒｕである、
請求項１７記載の磁気素子。
【請求項１９】
前記フリー層の前記界面垂直異方性は、前記フリー層の磁化方向が前記フリー層の上面および下面に対して垂直になるように、１２０００Ｏｅよりも大きな強度を有する、
請求項１１記載の磁気素子。
【請求項２０】
前記（ａ）のシード層、前記（ｂ）のＨｋ増加層、前記（ｃ）のフリー層、前記（ｄ）のトンネルバリア層および前記（ｅ）のピンド層は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子の一部であり、
前記磁気トンネル接合素子のアレイは、ＭＲＡＭ、スピントランスファーＭＲＡＭまたは他のスピントロニックデバイスのデジタルストレージに用いられる、
請求項１１記載の磁気素子。
【請求項２１】
前記第２ＣｏＦｅＢ磁性層は、５０原子％以上のＦｅ含有量を有するＦｅリッチであり、
前記Ｈｋ増加層は、ＭｇＯ、ＴｉＯx 、ＨｆＯx またはＡｌ2 Ｏ3 からなる、
請求項１記載の磁気素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネルバリア層に接するフリー層と薄い面外Ｈｋ強化層とを含む磁気素子に関し、これにより強化された面垂直異方性を与えて垂直異方性磁場を低下させるものである。ここでは、面内磁化方向の形態では反転電流が低下し、面垂直磁化方向のデバイスでは熱安定性が向上する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンＣＭＯＳと磁気トンネル接合技術とを組み合わせた磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）は、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭおよびフラッシュメモリ等の現行の半導体メモリに対して大いに競争力を有する主要な新興技術として注目されている。同様に、C.Slonczewskiによる非特許文献１に記載のスピントランスファー（スピントルク）磁化反転は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ等のギガビット規模のスピントロニック素子に応用できる可能性があることから、近年多大な関心を呼んでいる。
【０００３】
フィールドＭＲＡＭおよびＳＴＴ−ＭＲＡＭは、いずれもトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling magnetoresistance）効果に基づくＭＴＪ素子を有している。このＭＴＪ素子の積層構造は、２つの強磁性層が薄い非磁性誘電体層により分離された構造を有している。一方の強磁性層は磁気モーメントが第１の方向に固定（ｐｉｎｎｅｄ）されている。一方、他方の強磁性層の磁気モーメントは自由であり、第１の方向に対して平行または反平行方向のどちらにも回転できる。ＭＲＡＭセルの大きさが小さくなるにつれて、フリー層の磁気モーメント方向を反転させるために電流通過線によって生じる外部磁場を用いると、問題が生じやすくなる。半選択の問題を解消することにより大きな磁化反転マージンを確保することが、超高密度のＭＲＡＭの製造を実現するための鍵の一つである。このような理由により、スピントランスファー（スピントルク）デバイスと呼ばれる新しいタイプのデバイスが開発された。このスピントランスファートルクあるいはＳＴＴ−ＭＲＡＭは、これまでのＭＲＡＭと比較して、次のような利点を有する。この利点とは、半選択の問題を回避すると共に隣接するセル間の書き込み動作を抑えることである。スピントランスファー効果は、強磁性層-スペーサ層-強磁性層という多層構造がもつスピン依存性の電子伝導特性に起因するものである。スピン偏極電流が膜面垂直通電（ＣＰＰ：Current Perpendicular to Plane）構造の磁気多層体の内部を横断する際、強磁性層へ入射する電子のスピン角運動量（spin angular moment）が、その強磁性層と非磁性スペーサ層との界面近傍において、その強磁性層の磁気モーメントと相互に作用する。この相互作用を通じて、電子の角運動量が強磁性のフリー層に移動することになる。その結果、スピン偏極電流の電流密度が十分に高く、多層構造の寸法が小さければ、スピン偏極電流は強磁性のフリー層の磁化方向を反転させることができる。
【０００４】
ＳＴＴ−ＭＲＡＭを９０ｎｍテクノロジーノード以上において実現可能とするには、極小のＭＴＪ素子（ナノマグネットとも称する）が、ＮｉＦｅからなるフリー層とＡｌＯxからなるトンネルバリア層とを有する従来のＭＲＡＭ−ＭＴＪよりも遥かに高いＭＲ（magnetoresistive）比を発揮する必要がある。さらに、１００ｎｍのゲート幅につき１００μＡを供給可能なＣＭＯＳトランジスタによって駆動するには、臨界電流密度（Ｊｃ）を１０6  Ａ／ｃｍ2未満とする必要がある。スピントランスファー反転の臨界電流（Ｉｃ）[＝（Ｉｃ++Ｉｃ-）／２]は、現在の１８０ｎｍノードのサブミクロンＭＴＪ素子（楕円形に形成された上下面の面積が０．２μｍ×０．４μｍ）では一般的に数マイクロアンペアである。臨界電流密度（Ｊｃ）は、例えば（Ｉｃ／Ａ）、１０7Ａ／ｃｍ2のオーダーである。このような、スピントランスファー効果を引き起こすような高い電流密度は、ＡｌＯxやＭｇＯなどからなる薄いトンネルバリア層を破壊する可能性がある。したがって、ＳＴＴ−ＭＲＡＭなどのギガビット規模の高密度デバイスにおいては、ＭＴＪデバイスの電気的破壊を回避し、かつ、下方に配置されるＣＭＯＳトランジスタ（特定のメモリを選択する際の反転電流を供給するもの）と適合させるために、臨界電流Ｉｃ（およびその臨界電流密度Ｊｃ）を１桁以上低減させることが望ましい。
【０００５】
ＳＴＴ−ＭＲＡＭのような磁気メモリに、あるいは、電流誘起磁壁移動（Current Induced Domain Wall Motion）のＭＲＡＭ、ロジックおよびセンサ適用品にスピントランスファートルクメカニズムを用いる方法がいくつか提案されている。電流誘起磁壁移動については特許文献１，２に記載されている。ＴＭＲ構造中で、ピンド強磁性層とフリー強磁性層とが酸化物からなるトンネル層によって分離された構造を有する磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）を用いて実施することが好ましい。この方法は、ＭＲＡＭにおけるメモリ素子として用いるため、あるいは、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）ヘッドにおけるセンサとして用いるために広く研究されている。
【０００６】
図１Ａおよび図１Ｂに示したように、ＴＭＲ構造の２つの磁性層では、その磁化方向が膜面内であっても膜面外であってもよい。面内の磁化の例を図１Ａに示す。この図１Ａでは、ピンド層１０がＸ軸に沿った磁気モーメントを有し、フリー層１２が（＋）または（−）のＸ軸方向に回転自由な磁気モーメントを有している。絶縁（トンネルバリア）層１１が上記２つの強磁性層を隔てている。面外磁化については図１Ｂに示す。この図１Ｂでは、ピンド層２０がＹ軸方向あるいは膜面に対して垂直方向の磁化方向を有し、フリー層２１が（＋）また は（−）のＹ軸方向のどちらにも回転自由な磁気モーメントを有している。両例共に、フリー層およびピンド層の磁化は、静止状態において互いに平行または反平行になる。そして、フリー層１２（またはフリー層２１）の磁化方向によって、デジタル情報が記憶される。
【０００７】
メモリ素子に、膜面内の磁気モーメントを有するフリー層を用いるとき、磁場の磁化配向を反転させるために必要な電流は、正味の電流の分極度、体積、磁化、ギルバート減衰定数（Gilbert damping constant）および作用磁場の異方性磁場に比例する。このような磁化の反転に必要な臨界電流（ic）は、下記数式（１）で表される。
【数１】
0005735661.tif 000002
【０００８】
ここで、ｅは電子の電荷、αはギルバートダンピング定数、Ｍｓはフリー層の飽和磁化、ｈバーは換算プランク定数、ｇは磁気回転比、ＨKeff,‖は面内異方性磁場、ＨKeff,⊥は反転磁場の面外異方性磁場、およびＶはフリー層の体積である。ほとんどの場合、スピン偏極電流はできるだけ小さくしておく。
【０００９】
Δ＝ｋＶ／ｋBＴの値は、磁気素子の熱安定性の測定値である。磁化方向が面内である場合には、その値は以下の数式（２）で表すことができる。
【数２】
0005735661.tif 000003
【００１０】
ここで、ｋBはボルツマン定数（Boltzmann constant）、Ｔは温度である。
【００１１】
残念ながら、磁場の熱安定性を向上させるためには、大きな磁化が必要であるが、これにより、ほとんどの場合、磁場の配向を反転させるのに必要なスピン偏極電流が増加する。
【００１２】
図１Ｂに示したように、フリー層の磁化方向が膜面に対して垂直方向であるとき、磁気素子の反転に必要な臨界電流は、以下の数式（３）に示すように、垂直異方性磁場に直接比例する。
【００１３】
数式（３）のパラメータは、数式（１）で説明したものと同様である。
【００１４】
数式（４）に示したように、熱安定性は垂直異方性磁場の関数である。
【数４】
0005735661.tif 000004
【００１５】
図１Ａおよび図１Ｂに示した面内および面外の構造の両方で、磁気素子の垂直異方性磁場は、以下の数式（５）のように表される。
【００１６】
ここで、Ｍｓは飽和磁化、ｄは磁気素子の厚み、Ｈk,x,⊥は垂直方向の結晶異方性磁場、ＫU(⊥,s)は磁気素子の上下面の表面垂直異方性である。強力な結晶異方性がないとき、磁性層の垂直異方性磁場は、形状異方性磁場（-４πＭｓ）によって支配される。この形状異方性磁場（-４πＭｓ）はほとんど制御できない。所定の厚みでは、飽和磁化を小さくすることにより、形状異方性およびスピン偏極反転電流が小さくなる。しかしながら、熱安定性も低くなり、好ましくない。したがって、面内の磁化方向を有するフリー層のスピン偏極反転電流を小さくし、面外の磁気異方性を有するフリー層の熱安定性を向上させる磁気素子の構造が必要である。
【００１７】
非特許文献２では、ＭｇＯ面上に成長させたＦｅ膜の一軸異方性について記載されている。この一軸異方性は、膜面に垂直方向の容易軸によるものである。
【００１８】
特許文献３は、（Ｃｏ/Ｐｔ）nまたは（Ｃｏ/Ｐｄ）nからなる多層磁気超格子構造について記載している。（Ｃｏ/Ｐｔ）nまたは（Ｃｏ/Ｐｄ）nは適切なシード層上に形成されると、非常に大きく、かつ、制御可能な磁化保持力を示す。
【００１９】
特許文献４では、フリー層と金属の反強磁性層との間に酸化物からなる反強磁性層を用いている。この酸化物からなる反強磁性層は、スピンフリップ散乱によるスピン緩和を抑えるために用いられている。これにより、スピントランスファートルク反転電流を大きく減少させることができる。
【００２０】
特許文献５は、フリー層とその上層の上部コンタクトとの間の酸化物拡散バリア層を示している。ここでは、この酸化物拡散バリア層の酸化物形成のエネルギーが上部コンタクト層の酸化物形成のエネルギーよりも小さくなっている。
【００２１】
特許文献６には、非磁性のスペーサで隔てられた２つの強磁性層からなるフリー層が開示されている。この２つの強磁性層は、それぞれの双極子場を通じて互いの静磁場が反平行方向に対をなすようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２５２５３９号明細書
【特許文献２】国際公開第２００９／１０１８２７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，７４３，５０３号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１０／００７２５２４号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００８／０２７８８６７号明細書
【特許文献６】米国特許第６，１６６，９４８号明細書
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】C.Slonczewski著、「Current driven excitation of magnetic multilayers」、J.Magn. Magn.Mater.、１９９６年、Ｖ１５９、Ｌ１−Ｌ７
【非特許文献２】M.Klaua著、「Growth,structure,electronic,and magnetic properties of MgO/Fe(001) bilayers and Fe/MgO/Fe(001) trilayers」、Physical Review B、２００１年、Vol.６４、１３４４１１−１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の第１の目的は、面内方向の磁化を有するフリー層を含み、熱安定性またはＭＲ比を低下させることなく、臨界反転電流を減少させることが可能な磁気素子を提供することにある。
【００２５】
本発明の第２の目的は、面外方向の磁化を有するフリー層を含み、強化された界面垂直異方性が用いられた磁気素子を提供することにある。これにより高いＭＲ比を維持しつつ、熱安定性を向上させることが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
これらの目的は、ピンド層、トンネルバリア層および以下のような磁気素子を含む磁気トンネル接合（ＭＴＪ:Magnetic Tunnel Junction）素子を提供することにより達成可能である。この磁気素子は、トンネルバリア層に接する第１面を有するフリー層、フリー層の第２面に接するＨｋ強化層およびキャップ層を有するものである。第１面および第２面は、それぞれボトム型のスピンバルブ構造におけるフリー層の下面および上面である。第１面および第２面の両方の界面は、強力な面垂直異方性を示す。フリー層は単層であってもよく、あるいは多層であってもよい。このフリー層は、ＦｅとＣｏ，ＮｉおよびＢのうちの少なくとも１つの合金を含んでいてもよい。フリー層の厚みは５オングストローム〜２５オングストロームであってもよい。面垂直異方性磁場が、形状異方性磁場に比べて大きくなるようにフリー層は十分に薄くなっていることが好ましい。更に、界面垂直異方性が面外磁化構造における異方性磁場を支配するように、フリー層を設計するようにしてもよい。面外磁化構造は、垂直磁気異方性（PMA:Perpendicular Magnetic anisotropy）としても知られている。一つの態様として、ＭＴＪ素子がボトム型のスピンバルブ構造を有するようにしてもよい。ボトム型のスピンバルブ構造としては、例えばシード層／ＡＦＭ層／ピンド層／トンネルバリア層／フリー層／Ｈｋ強化層／キャップ層が挙げられる。
【００２７】
Ｈｋ強化層は、フリー磁性層（フリー層が複数層からなる場合には、その最上層の磁性層）に接した際に、付加的な界面垂直異方性を与えるものであれば、どのような材料により構成するようにしてもよい。Ｈｋ強化層は、フリー層のうち、トンネルバリア層が接している面とは反対側に形成されている。好ましい形態では、トンネルバリア層およびＨｋ強化層ともにＭｇＯにより構成される。この場合には、Ｈｋ強化層におけるＭｇＯの厚みおよび酸化状態を制御して、面積抵抗（ＲＡ）積をトンネルバリア層の面積抵抗（ＲＡ）積よりも小さくすることができる。これにより、磁気抵抗（ＭＲ）比の低下を最小限に抑えることが可能となる。他の態様では、Ｈｋ強化層をＭｇＯ，ＳｉＯｘ，ＳｒＴｉＯｘ，ＢａＴｉＯｘ，ＣａＴｉＯｘ，ＬａＡｌＯｘ，ＭｎＯｘ，ＶＯｘ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘおよびＨｆＯｘを含む他の酸化物により構成するようにしてもよい。その他の態様として、Ｈｋ強化層がＲｕ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｂ，Ｖ，Ｍｇ，Ａｇ，Ａｕ，ＣｕおよびＣｒのうちの１つであってもよい。更に、Ｈｋ強化層が酸化物からなるとき、この酸化物にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ａｕ，ＡｇおよびＣｕのうちの少なくとも１つからなる導電性の粒子が埋め込まれていてもよい。これにより、この層の抵抗を下げることが可能となる。
【００２８】
キャップ層（バッファ層とも称する）は、Ｒｕにより構成することが好ましい。Ｈｋ強化層が酸化物である場合には、Ｈｋ強化層の形成自由エネルギーよりも、十分に高い形成自由エネルギーを有するように、バッファ層を選択することが重要である。これにより、アニール処理の工程で、バッファ層がＨｋ強化層の酸化状態を変化させないようになる。換言すれば、バッファ層に用いられる金属が、アニール処理工程中に酸化物からなるＨｋ強化層から酸素を引き付けることがないようにする。これにより、フリー層とＨｋ強化層との界面の誘起垂直異方性が減少する虞があるためである。
【００２９】
あるいは、トップ型のスピンバルブ構造で、トンネルバリア層の下にフリー層を形成するようにしてもよい。トップ型のスピンバルブ構造としては、例えばシード層／Ｈｋ強化層／フリー層／トンネルバリア層／ピンド層／ＡＦＭ層／キャップ層が挙げられる。この場合、シード層がＲｕであることが好ましい。これにより、シード層では、酸化物形成の自由エネルギーが、酸化物からなるＨｋ強化層の自由エネルギーよりも非常に小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１Ａ】面内の磁化方向を有する磁気トンネル接合素子を表す断面図である。
【図１Ｂ】面外の磁化方向を有する磁気トンネル接合素子を表す断面図である。
【図２】本発明の第１の形態に係る磁気素子の構成を表す断面図である。この磁気素子のフリー層はトンネルバリア層との第１界面およびＨｋ強化層との第２界面を有している。
【図３】本発明の第２の形態に係る磁気素子の構成を表す断面図である。この磁気素子のフリー層は複合体であり、トンネルバリア層との第１界面およびＨｋ強化層との第２界面を有している。
【図４】垂直飽和磁場の測定値をＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ積層構造中のＣｏＦｅＢ層の厚みの関数としてプロットした図である。
【図５】本発明のボトム型のスピンバルブ構造の形態を用いて形成されたＭＴＪ素子の構成を表す断面図である。この構造では、複合体のフリー層の上面、下面にＨｋ強化層、トンネルバリア層がそれぞれ接している。
【図６】本発明の一の形態を用いて形成されたＭＴＪ素子の構成を表す断面図である。ここでは、トップ型のスピンバルブ構造において、複合体のフリー層が設けられており、このフリー層の上面、下面にトンネルバリア層、Ｈｋ強化層がそれぞれ接している。
【図７】本発明の一の形態に係るＣｏＦｅＢ／ＭｇＯの積層構造中では、ＭｇＯからなるＨｋ強化層の酸化状態（高い面積抵抗（ＲＡ））を高めることにより垂直飽和磁場が下がることについて説明するためのプロットである。
【図８】ＢＨルーパーを用いて測定されたフリー層の磁気モーメントの関数として反転電流をプロットした図である。
【図９】磁性構造における磁気モーメントの関数として垂直Ｈｋをプロットした図である。
【図１０】本発明の一の形態に係る磁性材料／Ｈｋ強化層の組み合わせを表した表である。この組み合わせは、界面垂直異方性を生じさせるのに適したものである。
【図１１】様々な物質の酸化物形成の自由エネルギーを一覧にした表である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、面垂直異方性が磁気素子の複数の界面で強められ、反転電流を小さくすると共に熱安定性を向上させる可能性があることを発見したことに基づくものである。代表的な形態としてＭＴＪ素子におけるボトム型のスピンバルブ構造を示すが、当業者であればわかるように、本発明はトップ型のスピンバルブ構造およびデュアル型のスピンバルブ構造をも含むものである。面垂直異方性が向上するように設計された磁気素子は、ＴＭＲ構造中のフリー層を含んでいてもよい。更に、設計された磁気素子を、ＳＴＴ−ＭＲＡＭあるいは他のスピントロニックデバイスの一部としてのＭＴＪ素子として用いるようにしてもよい。あるいは、磁壁運動デバイスにおける磁壁のための伝播媒体として用いるようにしてもよい。界面垂直異方性および面垂直異方性の語は、ほとんど同じ意味で使用される。
【００３２】
本出願人は、関連出願（米国特許第８，４７０，４６２号）において、ＮＣＣ(nanocurrent channel)層をＣｏＦｅＢフリー層に取り込むことにより、どのようにＨeffが下げられているのか、と共にこれにより界面垂直異方性Ｈｋ⊥（interfacial）が強まることを
明らかにした。加えて、同じＢｓでは、２つのＮＣＣ−ＭＴＪのＨｃおよび熱安定性Δの方が、１つのＮＣＣ−ＭＴＪよりも大きくなることが観測された。上記数式（１），（２）に基づくと、Ｈｋｅｆｆ⊥（例えば磁場のうち垂直異方性磁場）は、面内磁化方向を有するフリー層の熱安定性を低下させることなく、スピン偏極反転電流を小さくするように制御できる可能性があるように思える。更に、例え臨界電流が小さくならなくても、独立して磁気モーメントもしくは体積の熱安定性を向上させたい場合には、面垂直のフリー層の構造において垂直異方性を増加させることは、明らかに利点がある。従って、図１Ａおよび図１Ｂに示した面内および面外の両方の構造で、数式（５）に示した磁気素子の垂直異方性磁場を向上させることが望まれる。ここで、本出願人は、フリー層の上面および下面での界面垂直異方性を強めた磁気素子を示す。この磁気素子により、面内磁化方向の形態では、反転電流が小さくなり、面外の形態ではＭＲ比等の他の特性に大きな影響を及ぼすことなく、熱安定性を向上させることが可能となる。
【００３３】
図２は、本発明の一実施の形態を表している。例えばＭｇＯからなるトンネルバリア層３０を含む磁気素子が示されている。このトンネルバリア層３０の上に、連続して、フリー磁性層３１、Ｈｋ強化層３２およびキャップ層３３が形成されている。そして、磁気素子の機能部３４は、フリー層３１の下面とトンネルバリア層３０との間の第１界面、およびフリー層の上面とＨｋ強化層３２の下面との間の第２界面を有している。ここでは、上面をトンネルバリア層と対向して離間する面、下面をトンネルバリア層との対向面とする。このような構造では、上述の第１界面に強力な面垂直異方性（数式（５）のＫU1(⊥,S)）がある。同様に、第２界面で強力な面垂直異方性（ＫU2(⊥,S)）が生じるように、Ｈｋ強化層３２の材料を選択する。フリー磁性層３１の全体の厚みｄは、界面垂直異方性（ＫU1(⊥,S)+ＫU2(⊥,S)）／Ｍｓｄが、形状異方性磁場に比べて大きくなるように、十分に薄くしておく。例えば、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20からなるフリー層の形状異方性磁場４πＭｓはおよそ１２０００Ｏｅである。機能部３４の構成に依存するが、本出願人は、厚みｄを５オングストローム〜２５オングストロームの間に保つことにより、界面垂直異方性を１２０００Ｏｅよりも大きくすることが可能であることを見出した。このような状況下では、フリー層における面外磁化が確立される。界面垂直異方性が形状異方性磁場の大きさよりも小さいと、フリー層の磁化は面内のままとなる。
【００３４】
トンネルバリア層３０はＭｇＯからなり、このトンネルバリア層３０が自然酸化（ＮＯＸ：Natural Oxidation）工程で形成されていることが好ましい。この自然酸化工程では、ピンド層上に第１のＭｇ層が設けられ、次いで、ＮＯＸ法により酸化される。典型的には、このＮＯＸ工程では、３０秒〜５０秒間、酸素圧０．０５ｔｏｒｒ．〜１ｔｏｒｒ．で０．１ｓｌｍ（standard liters per minute）〜１ｓｌｍの流量の酸素が流される。次いで、このＭｇＯ層の上に第２のＭｇ層が設けられる。実質的には、ＭＴＪ素子の残りの層を設けた後のアニール工程により、均一なＭｇＯのトンネルバリア層が形成される。この均一なＭｇＯのトンネルバリア層では、第２のＭｇ層は、下層のＭｇＯからの酸素分散によって、および、フリー層３１から酸素を得ることによって、酸化されている。Ｍｇ成膜およびＮＯＸ酸化の一連の工程は、トンネルバリア積層物上に最上層のＭｇ層を設けた後、アニール工程により酸化する前に、一回以上繰り返すようにしてもよい。トンネルバリア層は、Ａｌ2Ｏ3，ＴｉＯxまたはＨｆＯxにより構成するようにしてもよい。更に、トンネルバリア層は、上述の酸化物のうちの一種または複数の積層体であってもよい。
【００３５】
重要な特徴は、界面垂直異方性は酸化物と磁性金属との間で確立されているということである。ＣｏＦｅ層およびＣｏＦｅＢ層は、通常、面内方向の磁化を有している。界面垂直異方性が磁性層の形状異方性磁場を超える条件下では、このようなＣｏＦｅ層またはＣｏＦｅＢ層がＭｇＯなどの酸化物層に接すると、この磁化方向は面外の方向に配列する。ＦｅリッチのＣｏＦｅＢ層は、ＭｇＯ（トンネルバリア層）／ＣｏＦｅＢ（フリー層）構造において、高いＭＲ比を得るために好ましいが、本発明では、フリー層３１として、ＦｅとＣｏ，ＮｉおよびＢのうちの少なくとも一つとの他の合金を用いてもよい。トンネルバリア層がＡｌ2Ｏ3からなる形態では、フリー層にＣｏリッチ合金を用いることが好ましい。
【００３６】
図４は、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20フリー層の垂直飽和磁場を、それぞれ異なる厚みのフリー層について示したものである。このＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20フリー層は、ＭｇＯ層およびＲｕ層の間に挟まれている。ＭｇＯ層上に、薄いＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20層と厚みが５０オングストロームのＲｕ層とを順にスパッタで成膜した後、１００００Ｏｅの磁場を印加しながら、３３０℃で１時間に亘るアニール処理を施した。測定は試料振動型磁力計（vibrating sample magnetometer）を用いて行った。この測定は、明らかに、ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ界面の面垂直異方性が、厚みの小さいＣｏＦｅＢでの垂直飽和磁場の減少に関係していることを示している。ＭｇＯ層は、約１０オングストロームであり、ＮＯＸ  ＩＩ工程で形成されたものである。このＮＯＸ  ＩＩ工程は、６オングストロームの第１のＭｇ層を設け、ＮＯＸを施し、３オングストロームの第２のＭｇ層を設けて第２のＮＯＸを施した後、第３のＭｇ層を設けるものである。この第３のＭｇ層は３オングストロームの厚みを有し、後の３３０℃のアニール工程で酸化される。
【００３７】
本発明は、フリー層が２層以上の磁性層で構成された複合体の形態をも含んでいる。図３に示した代表的な形態では、複合体のフリー層は第１の磁性層３１および第２の磁性層３５から構成されている。第１の磁性層３１は上述と同様のものである。第２の磁性層３５は、例えばＣｏ，ＮｉおよびＦｅのうちの少なくとも一つを含んでいてもよく、これらとＢとの合金であってもよい。例えば、第１の磁性層３１がＣｏＦｅＢからなり、第２の磁性層３５がＣｏ，Ｆｅ，ＣｏＦｅあるいは第１の磁性層３１とはＦｅの含有量が異なる他のＣｏＦｅＢにより構成されていてもよい。２つの磁性層（第１の磁性層３１，第２の磁性層３５）全体の厚みｄは、５オングストローム〜２５オングストロームであることが好ましい。この形態では、磁気素子の機能部３６は、トンネルバリア層上に、第１の磁性層３１、第２の磁性層３５、Ｈｋ強化層３２およびキャップ層３３が順に形成された構成を有している。このトンネルバリア層は、ＭｇＯにより構成することが好ましい。トンネルバリア層３０と第１の磁性層３１との界面、および第２の磁性層３５の上面とＨｋ強化層３２の下面との界面で強力な面垂直異方性が確立される。
【００３８】
一つの態様として、図２の磁性層３１と図３の磁性層３１，３５とが面内方向の磁気モーメントを有するものがある。他の形態として、界面垂直異方性が形状異方性磁場を支配するように、フリー層とＨｋ強化層とを選択するようにしてもよい。その結果、磁性層３１（図２）の磁化および磁性層３１，３５（図３）の磁化は、層の面に対して垂直方向になる。このような状況は、垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）としても知られている。複合体のフリー層を有する形態では、磁性層３１，３５が互いに同じ方向に配列された磁気モーメントを有していることが好ましい。
【００３９】
上記の全ての形態において、Ｈｋ強化層３２は、磁性層３１（図２）の上面、あるいは図３に示した複合体のフリー層構造における磁性層３５の上面に接したときに界面垂直異方性を生じる材料により構成される。好ましい形態として、Ｈｋ強化層３２をＭｇＯにより構成したものが挙げられる。このＨｋ強化層３２のＭｇＯでは、面積抵抗（ＲＡ）積がトンネルバリア層３０の面積抵抗（ＲＡ）積よりも小さくなるように、厚みおよび酸化状態が制御されている。これは、ＭＲ比（ＴＭＲ構造におけるＴＭＲ比）の低下を最小限に抑えるためである。他の形態として、Ｈｋ強化層が、ＳｉＯｘ，ＳｒＴｉＯｘ，ＢａＴｉＯｘ，ＣａＴｉＯｘ，ＬａＡｌＯｘ，ＭｎＯｘ，ＶＯｘ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘおよびＨｆＯｘを含む他の酸化物により構成されていてもよい。その他の形態として、Ｈｋ強化層をＲｕ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｂ，Ｖ，Ｍｇ，Ａｇ，Ａｕ，ＣｕおよびＣｒのうちの一つにより構成するようにしてもよい。更に、Ｈｋ強化層が酸化物からなるときには、この酸化物にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ａｕ，ＡｇおよびＣｕのうちの少なくとも一つからなる導電性の粒子が埋め込まれていてもよい。これにより、この層の抵抗を下げることが可能となる。例えば、Ｈｋ強化層がＳｉＯｘまたはＡｌ2Ｏ3により構成されているとき、導電性粒子がＨｋ強化層の重量の２０％〜４５％であってもよい。本発明では、Ｈｋ強化層が複数の酸化物層を含む積層体であってもよいことが予測される。この複数の酸化物は、上述の酸化物のうちの少なくとも一つを含んでいる。
【００４０】
上述した形態での、もう一つの重要な特徴は、キャップ層３３に用いられる材料である。好ましい形態では、キャップ層はＲｕから構成される。代わりに、キャップ層に他の元素を用いるようにしてもよい。しかしながら、Ｈｋ強化層に用いられている酸化物の自由エネルギーに比べて著しく高い酸化物形成の自由エネルギーを有する物質が最も適している。図１１は様々な元素の酸化物形成の自由エネルギーの一覧を表している。Ｈｋ強化層としてＭｇＯが用いられている場合には、キャップ層の物質としては、−１１４６ｋＪ．／ｍｏｌｅよりも著しく高い酸化物形成の自由エネルギーをもつものが好ましいことに着目する。従って、図１１の表の上部付近の元素の方が、下部付近の元素に比べて好ましい。前者の方が後者よりも小さな負の値（より高い酸化物形成のエネルギー）を有しているからである。従って、キャップ層としては、ＴａはＲｕよりも好ましくない。Ｔａの酸素に対する親和性はＭｇに近く、このことは、アニーリング工程中に酸素がＭｇＯのＨｋ強化層からＲｕのキャップ層よりもＴａのキャップ層に移動し易いことを意味するからである。Ｈｋ強化層での酸素の減少は、フリー層との界面での界面垂直異方性を低下させる。これにより、フリー層３１（またはフリー層３５）における誘起ＰＭＡが減少する。上述のように、フリー層の界面に関連した界面垂直異方性の結果として、フリー層で最も大きなＰＭＡが誘起された時に、本発明のトンネルバリア層／フリー層／Ｈｋ強化層／キャップ層の構造によってもたらされる最大の利益が生じる。キャップ層３３がＲｕ／ＴａまたはＲｕ／Ｔａ／Ｒｕで構成されている形態では、Ｈｋ強化層に接する最下層（図示せず）が酸化物のＨｋ強化層に比べて酸化物形成の高いエネルギーを有するようにする。
【００４１】
図５は、磁気素子がボトム型のスピンバルブ構造を有するＭＴＪ素子の一部である形態を示している。ＭＴＪ素子は、下部電極（図示せず）等の基板上に形成されていてもよく、例えば、シード層／ＡＦＭ層／ピンド層／トンネルバリア層／フリー層／Ｈｋ強化層／キャップ層の積層構造を有している。シード層２７は、ＮｉＣｒまたは当該技術分野で用いられる他のシード材料であってもよい。反強磁性（ＡＦＭ：anti-ferromagnetic）層２８は、ピンド層の磁化方向を固定するために用いられる。ＡＦＭ層２８は、ＩｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＯｓＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＰｄＭｎ，ＲｕＲｈＭｎまたはＭｎＰｔＰｄにより構成することも可能であるが、ＭｎＰｔにより構成することが好ましい。ピンド層２９は、ＡＰ２／カップリング／ＡＰ１構造として知られている反平行結合（ＳｙＡＦ：synthetic anti-ferromagnetic）構造を有していてもよい。これにより、ＭＴＪ素子の熱安定性を向上させると共に、フリー層に印加される層間カップリングＨｉｎ（オフセット）磁場を小さくすることが可能となる。一の形態では、ＡＰ２層およびＡＰ１層（図示せず）がＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢのうちの少なくとも一つにより構成され、カップリング層がＲｕにより構成される。Ｈｏ（オフセット磁場）がおよそ０Ｏｅにとなるよう、ＡＰ２層およびＡＰ１層の厚みを変えてもよい。
【００４２】
図５に示したＭＴＪ素子の例では、第１の磁性層３１および第２の磁性層３５を含んでいる。第１の磁性層３１は絶縁層（トンネルバリア）３０と第１の界面７１を形成し、第２の磁性層３５は上層のＨｋ強化層３２と第２の界面７２を形成する。ＭＴＪ積層体の最上層としてキャップ層が設けられている。この本発明の一の形態に係る磁気素子は、磁性層３１，３５、Ｈｋ強化層３２およびキャップ層３３を有している。最大の界面垂直異方性を示すように、第１の磁性層３１およびトンネルバリア層３０を選択することが重要である。トンネルバリア層はＭｇＯにより構成し、第１の磁性層はＣｏ，ＮｉおよびＢのうちの１種以上を含むＦｅリッチの合金により構成することが好ましい。このような合金としては、Ｆｅの含有量が５０原子％以上である、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20またはＣｏ10Ｆｅ70Ｂ20等が挙げられる。同様に、第２の磁性層およびＨｋ強化層も、最大の界面垂直異方性を供するように選択される。Ｈｋ強化層がＭｇＯ，ＴｉＯｘ，ＨｆＯｘあるいはＡｌ2Ｏ3からなり、第２の磁性層がＣｏ，ＮｉおよびＢのうちの少なくとも１種以上を含むＦｅリッチの合金であることが好ましい。このような合金としては、Ｆｅの含有量が５０原子％以上である、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20が挙げられる。あるいは、第１の磁性層３１および第２の磁性層３５の一方を、Ｆｅ，ＮｉおよびＢのうち１種以上を含むＣｏリッチの合金により構成するようにしてもよい。この合金では、Ｃｏの含有量は５０原子％以上である。
【００４３】
図６には代替の形態であるトップ型のスピンバルブ構造のＭＴＪ素子を示している。このトップ型のスピンバルブ構造では、ここで定義された磁気素子３７がトンネルバリアの下に配置され、シード層／Ｈｋ強化層／フリー層／トンネルバリア層／ピンド層／ＡＦＭ層／キャップ層の構造となっている。複合体のフリー層を有する形態では、第１の磁性層３１とトンネルバリア層３０との間の第１の界面７１、および第２の磁性層３５とＨｋ強化層３２との間の第２の界面７２が存在する。これにより、図５のボトム型のスピンバルブ構造と同程度の非常に大きな界面垂直異方性が生じる。トップ型のスピンバルブの形態は、トンネルバリア層、フリー層およびＨｋ強化層の組成および特性の点で、ボトム型のスピンバルブの形態と同様の特徴を保持している。しかしながら、この場合、シード層２７はＨｋ強化層の面に接している。このＨｋ強化層の面は、フリー層との第２の界面７２に離間して対向する面である。シード層は、金属または合金により構成される。Ｒｕによりシード層を構成するとよい。このシード層の構成材料は、Ｈｋ強化層に用いられる酸化物の自由エネルギーよりも、十分に大きな酸化物形成の自由エネルギーを有している。シード層が複合体である場合には、Ｈｋ強化層に接する最上層（図示せず）がＨｋ強化層に比べて高い酸化物形成のエネルギーを有するようにする。
【００４４】
図１０は、大きな界面垂直異方性を生じさせる磁性層／トンネルバリア層、または磁性層／Ｈｋ強化層における各構成材料の好適な組み合わせの追加例を示した一覧表である。Ｈｋ強化層として酸化物を用いるとき、酸化状態を低下させるか、あるいは、導電性（磁性もしくは非磁性）の不純物を層にドープすることにより、ＲＡ値を下げることが可能になる。この導電性の不純物は、ＭＲＡＭもしくはスピントロニックデバイスにおいて有益なＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｃｒ，Ａｕ，ＡｇおよびＣｕのうちの少なくとも一つを含んでいる。表中に示したＦｅまたはＣｏの例に代えて、上記組み合わせの磁性（フリー）層の部分として、Ｆｅリッチ合金またはＣｏリッチ合金を用いるようにしてもよい。
【００４５】
図７の測定結果は、強化された垂直異方性により、垂直飽和磁場が劇的に低下することを示している。特に、本発明の一の形態に係るＨｋ強化層としてＭｇＯを用いることにより、一般的なＭＴＪ積層構造、例えば、（ＮｉＣｒ）シード層／（ＭｎＰｔ）ＡＦＭ層／（ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ）ピンド層／（ＭｇＯ）トンネルバリア層／（Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20）フリー層／（Ｒｕ）キャップ層の構造（データポイント４０）に比べて垂直飽和磁場を抑えることができる。更に、（ＭｇＯ）Ｈｋ強化層の酸化状態を高めると、より大きな界面垂直異方性が得られ、垂直飽和磁場は低下する。図７（４１−４６）の結果は、（ＮｉＣｒ）シード層、（ＭｎＰｔ）ＡＦＭ層、（ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ）ピンド層、（ＭｇＯ）トンネルバリア層および（Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20）フリー層／（ＭｇＯ）Ｈｋ強化層／（Ｒｕ）キャップ層の本発明の一の形態に係る磁気素子を含む完全なＭＴＪ積層構造について示している。Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20層は２０オングストロームの厚みを有している。酸化状態は、データポイント４６（酸化６）からデータポイント４１（酸化１）にかけて高まる。一般的に、酸化状態が高まるにつれて、垂直飽和磁場およびＭＲ比は低下する。しかしながら、ＲＡ値が５．５から６（ポイント４２，４３）の範囲でさえもＭＲ比は、リファレンスデータポイント４０と同様に高いレベルが維持される。一方、データポイント４２をリファレンスポイント４０と比較すると、垂直飽和磁場は５０％を超えて低下する。ＲＡが７に増加するとき（データポイント４１）、リファレンスと比較して少しＭＲ比は低下するが、垂直飽和磁場がさらに低下する。ポイント４１−４６のＲＡ値は、両方のＭｇＯ層からの付加的な寄与を表すことに注目する。ＲＡ(MgO1+MgO2)＝７の例（ポイント４１）中で、ＭｇＯトンネルバリア層（ＭｇＯ１）はＲＡ値５〜５．５に寄与し、ＭｇＯ  Ｈｋ強化層（ＭｇＯ２）はよりＲＡへの寄与が少なく、ＲＡ＝２までである。
【００４６】
上記のように、ＲＡ値は酸化物（ＭｇＯ）層の厚みにも依存する。従って、少なくとも一方のＭｇＯの厚みおよび酸化状態を調整して、所定のＲＡ値を得るようにしてもよい。通常は、一方または両方のＭｇＯの厚みおよび酸化状態を減少させることにより、ＲＡ値を低くすることが可能となる。この実験（図７）では、ＭｇＯ１層は上述のＮＯＸ  ＩＩ工程で形成され、ＭｇＯ２層は以下のように形成される。まず、４．５オングストロームの厚みで最初のＭｇ層を設け、ＮＯＸ処理を施した後、３オングストロームの厚みで２番目のＭｇ層を設けて、ＭｇＯ２層を形成する。従って、ＭｇＯ２層はＭｇＯ１層の厚みよりも小さくなり、これにより、ＭｇＯ２層では、約２よりも小さな低いＲＡ値が生じることになる。低い酸化状態は、上述のＮＯＸ工程において少なくとも一つのＭｇ層を酸化する際に、酸化時間を短くするか、あるいは、Ｏ2流量を下げることにより得ることが可能であることに注目する。続いて、３３０℃で１時間（ｅｘ−ｓｉｔｕ）アニーリングを行うことにより、ＣｏＦｅＢ層上に、実質的に均一なＭｇＯ  Ｈｋ強化層が約１０オングストロームの厚みで形成される。フリー層の磁化を面内に維持するため、比較的厚いＣｏＦｅＢフリー層を用いた（図７）。トンネルバリア層／フリー層／Ｈｋ強化層／キャップ層の構造に係る本発明の一実施の形態によれば、ＭＲ比の減少を最小限に抑えるために、図１１の表からＲｕなどのキャップ層が選択される。
【００４７】
図８は、フリー層の磁気モーメントに対してＭＴＪデバイスの反転電流（ｍＡ／ｃｍ2）の測定値をプロットしたものであり、垂直異方性磁場の減少が磁気素子の磁化方向を反転させるのに必要なスピン偏極電流の減少に換算されることを示している。Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20／ＭｇＯ／Ｒｕ  面内磁化構造中のＨｋ強化層としてＭｇＯを用いると、データポイント５２での臨界電流密度（Ｊｃ０）は、データポイント５１ａ，５１ｂ表される一般的なＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20／Ｒｕフリー層／キャップ層の構造の臨界電流密度よりも低くなる。更に、本発明に係るＣｏ20Ｆｅ60Ｂ20／ＭｇＯ／Ｒｕ構造は、より高いＢｓを有している。これは、磁気素子でより高い熱安定性が実現されることを意味する。従って、図７，８のデータは、フリー層が面内磁化を有する本発明の一の形態に係る磁気素子を用いることにより、ＭＲ比を犠牲にすることなく、臨界電流密度を下げると共に高い熱安定性を実現できることを示す。
【００４８】
図９は、フリー層の磁化方向がフリー層の面に対して垂直となるように、界面垂直異方性がフリー層の全体の異方性磁場を支配する形態の結果を示している。データポイント６１，６２を作成するのに用いられ、本発明の一の形態を表すサンプルは、ＡｌＴｉＣ基板上にスパッタたい積法（sputter deposition tool）を用いてＮｉＣｒシード層、ＭｎＰｔ  ＡＦＭ層、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ  ピンド層、ＭｇＯトンネルバリア、Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20フリー層、ＭｇＯ  Ｈｋ強化層およびＲｕキャップ層を順に形成した後、図７，８で形成した完全なＭＴＪ積層体と同様に、１００００Ｏｅの磁場を印加しながら３３０℃で１時間アニール処理を施した。重要な違いは、前述の面内構造の形態のＣｏＦｅＢフリー層の厚みが１７．５オングストロームであるのに対して、ＣｏＦｅＢフリー層が薄く（１４−１６オングストローム）、強化された界面垂直異方性磁場が形状異方性磁場を支配することができるようになることである。データポイント６０に用いられるリファレンス構造は、一般的なＮｉＣｒ／ＭｎＰｔ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ60Ｂ20フリー層／Ｔａキャップ層構造を有している。この構造は、上記と同じ条件でアニール処理されたものである。新規構造は、実質的に従来技術の構造と同じ垂直異方性磁場を示すが、著しく高い磁気モーメントを与える。この高い磁気モーメントが、ＰＭＡを有するフリー層に基づいて、磁気素子の熱安定性を高めることになる。ＰＭＡはＭＲＡＭ適用品において有益である。
【００４９】
磁気素子３４，３６，３７または磁気素子３６または磁気素子３７を含むＭＴＪの全ての層は、通常、３つのＰＶＤ（Physical vapor deposition）チャンバーを有するＡｎｅｌｖａ  Ｃ−７１００薄膜スパッタリングシステムなどの中で形成することが可能である。３つのＰＶＤチャンバーは、それぞれが５つのターゲット、酸化チャンバーおよびスパッタエッチングチャンバーを有している。少なくとも一つのチャンバーは共スパッタリングが可能である。通常、スパッタたい積工程ではアルゴンスパッタガスおよび金属または合金により構成されたターゲットが基板上に蒸着される。一旦、磁気素子３４，３６，３７または磁気素子３６または磁気素子３７を含むＭＴＪの全ての層を基板上に設けた後、真空オーブン中３００℃〜３６０℃で１時間〜５時間、Ｘ軸（容易軸）に沿って５０００Ｏｅ〜１００００Ｏｅの磁場を印加することにより、高温アニーリングを行うようにしてもよい。その後、従来のフォトリソグラフィによるパターニングおよび反応性イオンエッチ（ＲＩＥ：Reactive ion etch）工程を含む工程により、実質的に垂直な側壁を有するＭＴＪ素子のアレイを形成することができる。フォトリソグラフィによるパターニングおよび反応性イオンエッチは、当該技術分野でよく知られており、ここではこれについて記載しない。次いで、隣り合うＭＴＪ素子を電気的に分離するために、絶縁層を設けるようにしてもよい。化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical mechanical polish）工程は、通常、絶縁層の上面をＭＴＪアレイの上面と共平面になるよう、滑らかにするために用いられる。その後、磁気デバイスを形成するため、ビット線層等の付加的な金属層をＭＴＪ素子上に形成してもよい。
【００５０】
ここで説明した全ての形態は、標準の手段および方法の製造スキームと組み合わせてもよい。特に、熱安定性（面垂直の形態）または低反転電流（面内の形態）のどちらかにおける顕著な利点は、例えばＭＲ比等の他の実行特性を犠牲にすることなく、実現される。これは、６４Ｍｂおよび２５６ＭｂのＳＴＴ−ＭＲＡＭ技術を可能にするため、および低反転電流、低ＲＡ値、高ＭＲ比および高い熱安定性が重要なパラメータである他の磁気デバイスにおいて重要な利点である。
【００５１】
本発明について、その好適な実施の形態および実施例を参照して具体的に説明したが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式的な変更および詳細な変更をなし得ることを理解することができよう。
【符号の説明】
【００５２】
２７・・・シード層、２８・・・ＡＦＭ層、２９・・・ピンド層、３０・・・トンネルバリア層、３１・・・フリー磁化層、３２・・・Ｈｋ強化層、３３・・・キャップ層、３４，３６・・・機能部、７１・・・第１界面、７２・・・第２界面。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【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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