(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直及び可変の磁化を持つ記憶層と、
垂直及び不変の磁化を持つ参照層と、
垂直、不変及び前記参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持つシフト調整層と、
前記記憶層及び前記参照層間の第１の非磁性層と、
前記参照層及び前記シフト調整層間の第２の非磁性層とを具備し、
前記記憶層の磁化反転は、スピン注入書き込みにより実行され、
前記参照層の反転磁界は、前記記憶層の反転磁界と同じ又はそれよりも小さく、
前記参照層の磁気緩和定数は、前記記憶層の磁気緩和定数よりも大きく、
前記参照層の磁化反転のエネルギー障壁は、前記記憶層の前記磁化反転のエネルギー障壁よりも大きい、
磁気抵抗素子。
【請求項２】
垂直及び可変の磁化を持つ記憶層と、
垂直及び不変の磁化を持つ参照層と、
垂直、不変及び前記参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持つシフト調整層と、
前記記憶層及び前記参照層間の第１の非磁性層と、
前記参照層及び前記シフト調整層間の第２の非磁性層とを具備し、
前記記憶層の磁化反転は、スピン注入書き込みにより実行され、
前記参照層の反転磁界は、前記記憶層の反転磁界と同じ又はそれよりも小さく、
前記参照層の磁気緩和定数は、前記記憶層の磁気緩和定数よりも大きく、
前記参照層の磁化反転に必要な書き込み電流は、前記記憶層の前記磁化反転に必要な書き込み電流よりも大きい、
磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記参照層の実効磁気異方性は、前記記憶層の実効磁気異方性と同じ又はそれよりも小さい請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記参照層は、前記記憶層よりも上に配置され、前記シフト調整層は、前記参照層よりも上に配置される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記参照層は、人工格子系及びＲＥ−ＴＭ合金系のうちの１つを備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記記憶層は、ＣｏＦｅ−Ｘ系（Ｘは、Ｂ、Ｃ，Ｎの少なくとも１つ）、規則合金系、人工格子系及び不規則合金系のうちの１つを備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記記憶層と前記第１の非磁性層との間及び前記参照層と前記第１の非磁性層との間のうちの少なくとも１つに界面層を備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記界面層は、（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（但し、ｘ≧５０ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）を備える請求項７に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に双方向電流を流すことにより、前記記憶層及び前記参照層の磁化方向の関係を平行又は反平行にする書き込み回路とを具備する磁気メモリ。
【請求項１０】
前記磁気抵抗素子の直下に配置され、前記磁気抵抗素子に選択的に前記双方向電流を流すためのスイッチ素子をさらに具備する請求項９に記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
前記磁気抵抗素子及び前記スイッチ素子は、直列接続されることにより、第１及び第２の端子並びに前記スイッチ素子のオン／オフを決める制御端子を持つ直列接続体を構成し、
前記第１の端子は、第１のビット線に接続され、前記第２の端子は、第２のビット線に接続され、前記制御端子は、ワード線に接続される
請求項１０に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗素子(Magnetoresistive element)は、不変の磁化を持つ磁性層（参照層）と、可変の磁化を持つ磁性層（記憶層）と、それらの間の非磁性層との積層構造を基本構造とし、磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルや、リコンフィギャブルなロジック回路のスピンＦＥＴ(Field effect transistor)などのＬＳＩに使用される。この場合、磁気抵抗素子は、ピラー状にパターニングされる。
【０００３】
また、磁気抵抗素子に固有の課題として、参照層の磁化により生じる磁界（漏洩磁界）の影響により、記憶層の磁気ヒステリシス曲線が、漏洩磁界がないときのそれに対して一定方向にシフトする、という現象がある。これを元の状態に戻すためには、磁気抵抗素子に、漏洩磁界をキャンセルするためのシフト調整層を付加する必要がある。
【０００４】
しかし、近年では、スピン注入による書き込み方式や、垂直磁化型の磁気抵抗素子などが開発され、それに伴い、磁気抵抗素子の微細化が急速に進行している。磁気抵抗素子が微細化されると、これに比例して漏洩磁界も大きくなるため、最終的にはシフト調整層をいくら厚く形成したとしても、記憶層の磁気ヒステリシス曲線を、漏洩磁界がないときの元の状態に戻すことが困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−８０７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実施形態は、磁気抵抗素子の微細化に伴って増大する漏洩磁界をシフト調整層により確実にキャンセルする技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、磁気抵抗素子は、垂直及び可変の磁化を持つ記憶層と、垂直及び不変の磁化を持つ参照層と、垂直、不変及び前記参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持つシフト調整層と、前記記憶層及び前記参照層間の第１の非磁性層と、前記参照層及び前記シフト調整層間の第２の非磁性層とを備え、前記記憶層の磁化反転は、スピン注入書き込みにより実行され、前記参照層の反転磁界は、前記記憶層の反転磁界と同じ又はそれよりも小さく、前記参照層の磁気緩和定数は、前記記憶層の磁気緩和定数よりも大きく、前記参照層の磁化反転のエネルギー障壁は、前記記憶層の前記磁化反転のエネルギー障壁よりも大きい。
【０００８】
実施形態によれば、磁気メモリは、前記磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に双方向電流を流すことにより、前記記憶層及び前記参照層の磁化方向の関係を平行又は反平行にする書き込み回路とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】磁気抵抗素子を示す図。
【図２】磁気抵抗素子を示す図。
【図３】磁気抵抗素子を示す図。
【図４】参照層を薄くしたときの課題を説明する図。
【図５】参照層と記憶層の保磁力が同等であるときのＭＨループを示す図。
【図６】記憶層と参照層の磁化反転確率分布を示す図。
【図７】記憶層と参照層の磁化反転確率分布を示す図。
【図８】ＭＲＡＭの主要部を示す図。
【図９】ＭＲＡＭのメモリセルを示す図。
【図１０】適用例としてのＤＳＬデータパス部を示す図。
【図１１】適用例としての携帯電話端末を示す図。
【図１２】適用例としてのＭＲＡＭカードを示す図。
【図１３】ＭＲＡＭカードにデータを転写する転写装置を示す図。
【図１４】ＭＲＡＭカードにデータを転写する転写装置を示す図。
【図１５】ＭＲＡＭカードにデータを転写する転写装置を示す図。
【図１６】ＭＲＡＭカードにデータを転写する転写装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
磁気抵抗素子及び磁気メモリの実施形態を説明する。
【００１１】
以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。また、図面は模式的であり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合がある。従って、具体的な厚みや寸法は、以下の説明を参酌して判断すべきである。図面相互間においても、互いの寸法の関係や比率などが異なる場合がある。
【００１２】
また、以下に示す実施形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１３】
以下の説明においては、この技術思想に係わる磁気抵抗素子及び磁気メモリに特有の表現を使用する場合があるので、それらの代表的なものについて以下に定義する。また、以下に定義しないものについても、適宜、実施形態の説明中において定義する。
【００１４】
以下に説明する磁気抵抗素子は、垂直及び可変の磁化を持つ記憶層と、垂直及び不変の磁化を持つ参照層と、垂直、不変及び参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持つシフト調整層と、記憶層及び参照層間の非磁性層と、参照層及びシフト調整層間の非磁性層とを基本構成要素とする。
【００１５】
ここで、記憶層とは、可変の磁化を持つ磁性層のことであり、参照層とは、不変の磁化を持つ磁性層のことである。可変とは、磁性層の残留磁化が互いに逆向きの第１及び第２の方向に反転し得ることを意味し、不変とは、磁性層の残留磁化が第１及び第２の方向のうちの１つを常に向いていることを意味する。
【００１６】
互いに逆向きとは、第１及び第２の方向がなす角度θが、９０°＜θ≦１８０°の範囲内にある場合を含むものとする。但し、記憶層の残留磁化の磁化方向は、ほぼ１８０°反転し得るのが望ましい。
【００１７】
シフト調整層とは、参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持つ磁性層のことである。シフト調整層は、記憶層の磁気ヒステリシス曲線のシフトを調整することを目的とする。
【００１８】
垂直磁化とは、磁性層の残留磁化の磁化方向がその磁性層の膜面（上面／下面）に対して垂直又はほぼ垂直となることである。この明細書において、ほぼ垂直とは、磁性層の残留磁化の磁化方向がその磁性層の膜面に対して、４５°＜θ≦９０°の範囲内にあることを意味する。
【００１９】
（磁気抵抗素子）  
（１）磁気抵抗素子の構造  
図１乃至図３は、磁気抵抗素子を示している。
【００２０】
同図において、矢印は磁化方向を示している。磁気抵抗素子ＭＴＪは、例えば、ＴＭＲ効果（トンネル磁気抵抗効果）を発生する素子である。以下では、磁気抵抗素子の主要部を示すが、図示の要素を含んでいれば、それに加えてさらなる要素を含んでいてもよい。
【００２１】
この磁気抵抗素子ＭＴＪは、参照層４が記憶層２よりも上に配置されるトップピン構造を有する。本例では、トップピン構造を説明するが、磁気抵抗素子ＭＴＪは、参照層４が記憶層２よりも下に配置されるボトムピン構造を有していてもよい。
【００２２】
下地層１は、記憶層２より上にある層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御することを目的に配置される。
【００２３】
記憶層２は、下地層１上に配置される。非磁性層３は、記憶層２上に配置される。非磁性層３は、一般的には、絶縁層（例えば、酸化層）であり、この場合、非磁性層３は、トンネルバリア層と呼ばれる。参照層４は、非磁性層３上に配置される。
【００２４】
記憶層２及び参照層４は、垂直磁化を持つ。即ち、記憶層２及び参照層４は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する。一般的には、参照層４の保持力は、記憶層２の保磁力よりも大きい。同図では、参照層４の磁化方向は、膜面に対して上を向いているが、膜面に対して下を向いていてもよい。
【００２５】
非磁性層５は、参照層４上に配置される。シフト調整層６は、非磁性層５上に配置される。シフト調整層６は、参照層４の磁化に対して逆向きの不変の磁化を持つ。キャップ層７は、シフト調整層６うえに配置される。キャップ層７は、磁気抵抗素子ＭＴＪのパターニング時のハードマスクとして、さらに、記憶層２、参照層４及びシフト調整層６の酸化防止などを目的とした保護層として機能する。
【００２６】
尚、図２の構造では、さらに、非磁性層３及び参照層４間に界面層８が配置される。界面層８は、磁性層であり、非磁性層３と参照層４との界面における格子ミスマッチを緩和することを目的とする。また、界面層８が高分極率を有する材料であるとき、高いＴＭＲ比及び高いスピン注入効率を実現できる。
【００２７】
また、図３の構造では、さらに、非磁性層３及び参照層４間に界面層８が配置され、記憶層２及び非磁性層３間に界面層９が配置される。界面層８，９は、共に磁性層であり、非磁性層３と参照層４との界面及び記憶層２と非磁性層３との界面における格子ミスマッチをそれぞれ緩和することを目的とする。また、界面層８，９が高分極率を有する材料であるとき、高いＴＭＲ比及び高いスピン注入効率を実現できる。
【００２８】
図３において、界面層８は、省略することもできる。この場合、記憶層２と非磁性層３との界面のみに界面層９が配置される。
【００２９】
以上の磁気抵抗素子ＭＴＪに対しては、例えば、スピン注入磁化反転方式により書き込みを行う。即ち、磁気抵抗素子ＭＴＪ内の各層に対して、それらの膜面に垂直な方向にスピン偏極電流（双方向電流）を流すことにより書き込みを行う。
【００３０】
例えば、スピン偏極電流を記憶層２から参照層４に向かって流すとき、参照層４のスピン情報を蓄積した電子が参照層４から記憶層２に注入される。この電子のスピン角運動量が、スピン角運動量の保存則に従って記憶層２の電子に影響を与えることにより、記憶層２の磁化が平行に変化する。
【００３１】
また、スピン偏極電流を参照層４から記憶層２に向かって流すとき、記憶層２のスピン情報を反転したスピン情報を蓄積した電子が参照層４から記憶層２に注入される。この電子のスピン角運動量が、スピン角運動量の保存則に従って記憶層２の電子に影響を与えることにより、記憶層２の磁化が反平行に変化する。
【００３２】
この原理により、記憶層２と参照層４の残留磁化の磁化方向の相対角を、平行（相対角が０°又はほぼ０°の状態）又は反平行（相対角が１８０°又はほぼ１８０°の状態）に変化させることができる。
【００３３】
尚、平行は、記憶層２と参照層４の残留磁化が同じ方向を向いている状態であり、例えば、この場合に、磁気抵抗素子ＭＴＪの抵抗値は、極小値となる。これに対し、反平行は、記憶層２と参照層４の残留磁化が逆方向を向いている状態であり、例えば、この場合に、磁気抵抗素子ＭＴＪの抵抗値は、極大値となる。
【００３４】
従って、磁気抵抗素子ＭＴＪの抵抗値の変化（極小値／極大値）を、二進データの“０”／“１”に対応付けることにより、磁気抵抗素子ＭＴＪに二進データを記憶できる。
【００３５】
（２）参照層
以下、参照層の性質及び材料について説明する。
【００３６】
（２−１）参照層の性質  
図１乃至図３の磁気抵抗素子ＭＴＪの参照層４の条件は、記憶層２と比べて容易に磁化方向が変化せず、かつ、記憶層２への漏洩磁界が小さいことである。従って、参照層４としては、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ、保磁力Ｈｃ及び磁気緩和定数αが大きく、かつ、飽和磁化Ｍｓが小さい材料により構成するのが望ましい。
【００３７】
しかし、磁気抵抗素子ＭＴＪのサイズが小さくなるに従い、参照層４から記憶層２への漏洩磁界が大きくなる。この漏洩磁界による記憶層２の磁気ヒステリシス曲線のシフトをシフト調整層６によりキャンセルするためには、参照層４をできる限り薄くする必要がある。なぜなら、参照層４の厚さが大きくなるに従い、記憶層２とシフト調整層６との距離が大きくなるため、シフト調整層６による記憶層２の磁気ヒステリシス曲線の調整が難しくなるからである。
【００３８】
しかし、参照層４を薄くすると、一般的に、以下に示す理由により実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆが小さくなる。
【００３９】
例えば、垂直磁化を持つ磁性層の実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆは、材料本来の磁気異方性Ｋｕｉｎｔと、材料形状に起因する磁気異方性Ｋｄにより、下記のように表される。  
Ｋｕｅｆｆ（∝Ｍｓ・Ｈｃ／２）  ＝  Ｋｕｉｎｔ−Ｋｄ
即ち、参照層４を薄くすると、膜質の劣化により、Ｋｕｉｎｔが低下し、Ｋｄが増大するため、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ及び保磁力（反転磁界）Ｈｃは、低下する。
【００４０】
結果として、図４に示すように、参照層４は、記憶層２及びシフト調整層６からの漏洩磁界を受けるため、参照層４を薄くしたとき、参照層４の磁化を不変とすることが困難になるという問題が発生する。
【００４１】
具体的には、記憶層２の磁化を平行から反平行に変化させる書き込みにおいて、正しい書き込みは、記憶層２の磁化方向のみを反転させる動作であるが、記憶層２及び参照層４の磁化方向が共に反転してしまう誤書き込みが発生し易くなる。
【００４２】
これは、参照層４が薄くなることにより、参照層４のエネルギー障壁が低くなり、記憶層２のエネルギー障壁と参照層４のエネルギー障壁との間で書き込みマージンが十分に確保できなくなることに起因する。
【００４３】
特に、参照層４を薄くしたことにより、参照層４の反転磁界が、記憶層２の反転磁界と同じ又はそれよりも小さくなることがある。この場合、スピン注入書き込み方式においても、記憶層２の磁化を参照層４の磁化に対して逆向き（平行→反平行）とするとき、同時に、参照層４の磁化も反転してしまい、結果として、記憶層２の磁化を参照層４の磁化に対して逆向きとすることができない。
【００４４】
そこで、以下では、このような誤書き込みの問題を発生させずに、参照層４を薄膜化するための技術、即ち、磁気抵抗素子の微細化に伴って増大する漏洩磁界をシフト調整層により確実にキャンセルする技術を提案する。
【００４５】
結論としては、参照層４を薄くしても、上述の誤書き込みを発生させることがない条件を、記憶層２と参照層４の磁気緩和定数の観点から提案する。即ち、実施形態の磁気抵抗素子においては、参照層４の磁気緩和定数を記憶層２の磁気緩和定数よりも大きくする。この場合、例えば、参照層４の薄膜化により、参照層４の反転磁界が、記憶層２の反転磁界と同じ又はそれよりも小さくなったとしても、記憶層２のエネルギー障壁と参照層４のエネルギー障壁との間で書き込みマージンが十分に確保できるため、上述の誤書き込みが発生することもない。これにより、参照層４からの漏洩磁界をシフト調整層により確実にキャンセルすることができる。
【００４６】
以下、記憶層２及び参照層４の磁気緩和定数について、Landaw-Lifshitz-Gilbert（LLG)方程式により検証する。
【００４７】
一般的に、垂直磁化を持つ磁気抵抗素子に対してスピン注入書き込みによる磁化反転を行うときの臨界電流ＩＣは、下記のように表される。  
Ｉｃ∝α／η・Δ  ・・・（式１）
ここで、  
α：磁気緩和定数  
η：スピン注入効率係数  
である。
【００４８】
Δは、熱擾乱指数で、実効的な異方性エネルギーＫｕｅｆｆ・Ｖと熱エネルギーｋＢＴとの比をとって、下記のように表される。
【００４９】
Δ＝Ｋｕｅｆｆ・Ｖ／ｋＢＴ  
∝Ｍｓ・Ｈｃ／２・Ｖa／ｋＢＴ  ・・・（式２）
ここで、  
Ｋｕｅｆｆ：垂直磁気異方性定数  
Ｈｃ：保磁力  
ＭＳ：飽和磁化  
Ｎ：反磁場係数  
Ｖa：磁化反転の単位体積  
である。
【００５０】
上述のように、参照層４を薄膜化すると、磁気異方性の劣化により保磁力Ｈｃが低下する。また、記憶層２とシフト調整層６からの漏洩磁界により、記憶層２の磁化方向を平行から反平行に変化させるときに、参照層４の磁化方向も反転してしまう恐れが生じる。即ち、参照層４の反転磁界が低下すると、記憶層２の磁気緩和定数が参照層４の磁気緩和定数と同じ又はそれよりも大きいときは、記憶層２と参照層４の反転電流差が小さくなる。結果として、書き込みマージンが減少し、誤書き込みが生じることとなる。
【００５１】
このような問題を回避するには、参照層４の磁気緩和定数を記憶層２の磁気緩和定数よりも大きくすればよい。また、磁気抵抗素子の微細化により漏洩磁界が次第に大きくなってきたとしても、参照層４と記憶層２の磁気緩和定数の差を次第に大きくしていけば、磁気抵抗素子の微細化にも十分に対応できる。
【００５２】
図５は、ＭＨカーブを示している。
【００５３】
同図では、参照層の保磁力（反転磁界）が記憶層の保磁力と同じ又はそれよりも小さい場合を想定している。このとき、記憶層に印加される参照層からの漏洩磁界は、シフト調整層によりキャンセルされるが、参照層は、記憶層とシフト調整層からの漏洩磁界により反転磁場がシフトする。
【００５４】
参照層の反転磁場がシフトすることにより、記憶層の磁化方向を平行から反平行にするときに、参照層の磁化方向が反転してしまう恐れが生じる。
【００５５】
そこで、以下の図６及び図７では、記憶層と参照層の磁気緩和定数をどのように設定したら、参照層の磁化反転が発生しないかについて検証する。
【００５６】
図６は、磁性層の反転確率分布の第１の例を示している。
【００５７】
この例は、記憶層の磁気緩和定数が０．０５、参照層の磁気緩和定数が０．０２である場合、即ち、記憶層の磁気緩和定数が参照層の磁気緩和定数よりも大きい場合の磁化反転確率分布である。
【００５８】
同図によれば、記憶層を平行から反平行にする場合（Ｐ→ＡＰ）の反転確率は、ワーストビットＷ１についてみると、記憶層に流れる電流Ｉが約９０（μＡ）のときに１００％である。このため、記憶層を平行から反平行にするときの書き込み電流Ｉwrite(P→AP)は、マージンを考慮して、例えば、１００（μＡ）前後に設定される。
【００５９】
しかし、参照層が反転してしまう場合（ＡＰ→Ｐ）の反転確率は、ワーストビットＷ２についてみると、参照層に流れる電流Ｉが１００（μＡ）前後のときに約５０％である。このため、記憶層を平行から反平行にするために、書き込み電流Ｉwrite(P→AP)として、例えば、１００（μＡ）前後を磁気抵抗素子に流すと、参照層の磁化も反転してしまう場合がある。
【００６０】
このように、記憶層の磁気緩和定数を参照層の磁気緩和定数よりも大きくすると、書き込みマージンが確保できないことが判る。
【００６１】
図７は、磁性層の反転確率分布の第２の例を示している。
【００６２】
この例は、記憶層の磁気緩和定数が０．０５、参照層の磁気緩和定数が０．０５である場合、即ち、参照層の磁気緩和定数が記憶層の磁気緩和定数と同じ場合の磁化反転確率分布である。
【００６３】
同図によれば、記憶層を平行から反平行にする場合（Ｐ→ＡＰ）の反転確率は、ワーストビットＷ１についてみると、記憶層に流れる電流Ｉが、約３０（μＡ）のときに０％、約４５（μＡ）のときに１００％である。このため、記憶層を平行から反平行にするときの書き込み電流Ｉwrite(P→AP)は、マージンを考慮して、例えば、５０（μＡ）前後に設定される
一方、参照層が反転してしまう場合（ＡＰ→Ｐ）の反転確率は、ワーストビットＷ２についてみると、参照層に流れる電流Ｉが９０（μＡ）前後のときに０％である。このため、記憶層を平行から反平行にするために、書き込み電流Ｉwrite(P→AP)として、例えば、５０（μＡ）前後を磁気抵抗素子に流しても、参照層の磁化が反転することはない。
【００６４】
尚、書き込み電流Ｉwrite(P→AP)と参照層（ワーストビット）の反転確率が０％となる最大電流との間の書き込みマージンは、参照層の磁気緩和定数を記憶層の磁気緩和定数よりも大きくし、その差を大きくすればするほど、大きくなる。但し、磁気抵抗素子の構造（各層の厚さなど）は、一定であるものとする。
【００６５】
このように、参照層の磁気緩和定数を記憶層の磁気緩和定数と同じ又はそれよりも大きくすることにより、書き込みマージンを十分に確保できることが判る。
【００６６】
（２−２）参照層の材料  
参照層は、上述のように、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ、保磁力Ｈｃ及び磁気緩和定数αが大きく、かつ、飽和磁化Ｍｓが小さい材料により構成するのが望ましい。そのような材料としては、下記から適宜選択することができる。
【００６７】
（２−２−１）人工格子系  
人工格子系とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つの元素を含む合金（磁性層）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１つの元素を含む合金（非磁性層）とが交互に積層される構造のことである。
【００６８】
例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子などが人工格子系として挙げられる。また、２つの磁性層を用いた人工格子系の例として、Ｃｏ／Ｎｉ人工格子、Ｆｅ／Ｎｉ人工格子が挙げられる。
【００６９】
これらの人工格子系では、非磁性層（例えば、トンネルバリア層）に対する磁性層の膜厚比を小さくすることにより、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆを大きく、飽和磁化Ｍｓを小さくすることができる。また、磁性層の積層周期を増やすことにより、形状起因の磁気異方性が減少するため、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆを大きくすることができる。
【００７０】
例えば、磁気緩和定数αを大きくするには、ｄ軌道の電子数が多く、スピン−軌道相互作用が大きくなるような、磁性層／非磁性層を組み合わせた参照層を用いるか、又は、ｄ軌道の電子数が多く、スピン−軌道相互作用が大きくなるようなキャップ層を用いればよい。そのようなキャップ層を構成し得る材料としては、Ｐｔ、Ｐｄなどがある。
【００７１】
（２−２−２）ＲＥ(希土類金属)−ＴＭ（遷移金属）合金系
ＲＥ−ＴＭ合金系とは、希土類金属と遷移金属との合金のことである。ＲＥ−ＴＭ合金系は、希土類金属の材料により、フェリ磁性体及びフェロ磁性体のうちの１つとなる。
【００７２】
フェリ磁性体としては、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）及びガドリニウム（Ｇｄ）のうちの少なくとも１つと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つとを含む合金が挙げられる。
【００７３】
例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどがフェリ磁性体として挙げることができる。
【００７４】
これらの合金は、希土類金属と遷移金属の磁化方向が反強磁性的に結合し、飽和磁化が０となる組成（補償点組成）が存在する（例えば、ＴｂＣｏＦｅの場合、Ｔｂ＝８０（Ｖｏｌ．％）付近）。補償点組成の近傍では、飽和磁化の減少に応じて保磁力Ｈｃが増大するため、その近傍で組成を調整することにより、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ、飽和磁化Ｍｓ及び磁気緩和定数αを調整することができる。
【００７５】
フェロ磁性体としては、サマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）及びホルミウム（Ｈｏ）のうちの少なくとも１つと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つとを含む合金が挙げられる。
【００７６】
例えば、ＳｍＣｏ５、ＮｄＦｅＢなどがフェロ磁性体として挙げることができる。
【００７７】
これらの合金は、その組成比を調整することにより、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ、飽和磁化Ｍｓ及び磁気緩和定数αを調整することができる。
【００７８】
上記の材料系を参照層として用いる場合、参照層は、非磁性層（例えば、トンネルバリア層）との格子ミスマッチが大きく、高いＴＭＲ比を実現する観点からすると望ましいことではない。そこで、このような場合には、既に述べたように、参照層及び非磁性層間に界面層を配置する。
【００７９】
（３）記憶層  
以下、記憶層の性質及び材料について説明する。
【００８０】
図１乃至図３の磁気抵抗素子ＭＴＪの記憶層２の条件は、素子サイズが小さく、かつ、大きな垂直磁気異方性により熱擾乱耐性を維持できることである。これにより、磁気抵抗素子ＭＴＪの微細化と低電流書き込みの両立が可能となる。
【００８１】
（３−１）記憶層の性質  
記憶層が垂直磁化を持つ場合、記憶層の熱擾乱指数Δは、熱エネルギーにより磁化が揺らぐ問題（熱擾乱）を回避するために、一般的には、Δ＞６０が必要条件となる。
【００８２】
しかし、磁気抵抗素子ＭＴＪのサイズが小さくなり、記憶層が薄くなると、磁化反転の単位体積Ｖaが小さくなるために、記憶層に熱が加わると、記憶層の残留磁化の状態を維持できなくなり、記憶層による記憶動作が不安定（熱擾乱）になる。
【００８３】
従って、記憶層としては、実効的な磁気異方性定数Ｋｕｅｆｆが大きい材料により構成するのが望ましい。また、記憶層は、飽和磁化ＭＳが小さいのが望ましい。
【００８４】
（３−２）記憶層の材料  
記憶層は、下記から適宜選択することができる。
【００８５】
（３−２−１）ＣｏＦｅ-Ｘ系  
ＣｏＦｅ-Ｘ系とは、Ｂ、Ｃ、Ｎなどを添加したＣｏＦｅ（アモルファス合金）のことである。即ち、Ｘは、Ｂ、Ｃ、Ｎのうちの少なくとも１つである。
【００８６】
ＣｏＦｅ-Ｘ系は、熱処理後、ＮａＣｌ構造を有する非磁性層（例えば、トンネルバリア層）と格子整合性が良く、高いＴＭＲ比を実現することができる。
【００８７】
特に、記憶層としては、（１００）面に優先配向させる観点から、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂを含む合金（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であるのが望ましい。また、ＣｏＦｅ-Ｘ系に、さらに、融点が高い、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒのうちの少なくとも１つを含ませてもよい。
【００８８】
例えば、非磁性層にＴａを用い、磁性層にＣｏＦｅＢを用い、両者を接触させる場合には、ＣｏＦｅＢ内のＢは、熱処理後にＴａに吸い寄せられるため、非磁性層の近傍における磁性層の結晶化が促進される。
【００８９】
（３−２−２）規則合金系  
規則合金系とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つと、Ｐｔ、Ｐｄのうちの少なくとも１つとを含む合金のことである。規則合金系の結晶構造は、Ｌ１０型であるのが望ましい。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０などは、規則系合金として挙げることができる。これらの規則系合金は、上記組成比に限定されることはない。
【００９０】
また、規則合金系に、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ａｇ（銀）などの不純物、その合金又はその絶縁物を加えることにより、記憶層の実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ及び飽和磁化Ｍｓを調整することができる。
【００９１】
規則合金系を記憶層として用いる場合、記憶層と非磁性層（例えば、トンネルバリア層）との格子ミスマッチが大きい場合においては、記憶層と非磁性層との間に界面層を配置するのが望ましい。
【００９２】
（３−２−３）人工格子系  
人工格子系とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つを含む合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１つを含む合金とが交互に積層される構造のことである。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子などは、人工格子系として挙げることができる。
【００９３】
人工格子系は、磁性層へ元素を添加することにより、非磁性層（例えば、トンネルバリア層）に対する磁性層の膜厚比を小さくすることにより、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆを大きく、飽和磁化Ｍｓを小さくすることができる。
【００９４】
また、人工格子系を記憶層として用いる場合、非磁性層（例えば、トンネルバリア層）との格子ミスマッチが大きく、高いＴＭＲ比を維持する観点からは望ましくはない。そこで、このような場合においては、非磁性層と記憶層との間に界面層を配置するのが望ましい。
【００９５】
（３−２−４）不規則合金系  
不規則合金系とは、コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）及びニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくとも１つを含む金属のことである。
【００９６】
例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金などは、不規則合金系として挙げることができる。
【００９７】
不規則合金系は、非磁性元素の割合を増加させることにより、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆを大きく、飽和磁化Ｍｓを小さくすることができる。
【００９８】
また、不規則合金系を記憶層として用いる場合、非磁性層（例えば、トンネルバリア層）との格子ミスマッチが大きく、高いＴＭＲ比を維持する観点からは望ましくはない。そこで、このような場合においては、非磁性層と記憶層との間に界面層を配置するのが望ましい。
【００９９】
（４）下地層  
記憶層及び参照層が垂直磁化を持つ構造（膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する磁性膜）とするためには、一般的には、下地層が必要となる。
【０１００】
例えば、記憶層を規則合金系、人工格子系又は不規則合金系により構成する場合、記憶層の原子稠密面が配向し易い構造を採用する必要がある。即ち、記憶層の結晶配向性を、ｆｃｃ（１１１）面又はｈｃｐ（００１）面が配向するように制御する必要があり、そのために、下地層の選択は重要となる。
【０１０１】
尚、記憶層をＣｏＦｅ−Ｘ（アモルファス合金）系により構成する場合、ＣｏＦｅ−Ｘは、非磁性層（例えば、トンネルバリア層）との界面磁気異方性を垂直磁気異方性の起源とするため、下地層は、必ずしも稠密面配向する必要はない。
【０１０２】
（４−１）下地層の材料  
下地層としては、下地層上に記憶層が形成される場合及び下地層上に参照層が形成される場合のいずれにおいても、下記の材料を選択することができる。
【０１０３】
下地層上の磁性層（記憶層又は参照層）として、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉなどの人工格子系、ｆｃｃ若しくはｈｃｐのＣｏＰd合金若しくはＣｏＰt合金、又は、ＲＥ−ＴＭ規則合金（例えば、Ｓｍ−Ｃｏなど）を採用する場合は、下地層としては、稠密構造を有する金属から構成するのが望ましい。
【０１０４】
稠密構造を有する金属としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕなどが挙げられる。また、下地層は、１元素金属のみではなく、例えば、Ｐｔ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｉｒのように、２元素以上の元素を含む合金であってもよい。
【０１０５】
但し、これらの金属は、スピンポンピング効果により、記憶層の磁気緩和定数αを大きくする傾向があるため、（ａ）上述の金属と、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどのｆｃｃ金属との合金である、Ｐｔ−Ｃｕ、Ｐｄ−Ｃｕ、Ｉｒ−Ｃｕ、Ｐｔ−Ａｕ、Ｒｕ−Ａｕ、Ｐｔ−Ａｌ、Ｉｒ−Ａｌ、（ｂ）上述の金属と、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどのｈｃｐ金属との合金である、Ｐｔ−Ｒｅ、Ｐｔ−Ｔｉ、Ｒｕ−Ｒｅ、Ｒｕ−Ｔｉ、Ｒｕ−Ｚｒ、Ｒｕ−Ｈｆ、Ａｌ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｔｉ、又は、（ｃ）上記（ａ）及び（ｂ）の酸化物又は窒化物を、下地層とするのが望ましい。
【０１０６】
即ち、下地層は、ｄ軌道の電子数が小さく、スピン−軌道相互作用が小さい材料から構成するのが望ましい。このような材料を下地層とすれば、稠密構造を保ちつつ、可能な限りＰｔやＩｒなどのｄ軌道の電子数が多い金属の比率を下げることができ、結果として、記憶層の磁気緩和定数αを下げることができる。
【０１０７】
また、下地層が厚過ぎると、磁気抵抗素子ＭＴＪの平滑性が悪くなるため、下地層の厚さの上限としては、３０ｎｍであるのが望ましい。
【０１０８】
尚、下地層は、複数層の積層構造を有していてもよい。この積層構造は、格子定数の異なる材料を積層することにより、格子定数を調整することを目的とする。
【０１０９】
例えば、下地層を、Ｒｕ層とＰｔ層との積層構造とした場合、Ｐｔ層は、Ｒｕ層の影響を受けて、バルクの格子定数とは異なる格子定数を持つことになる。
【０１１０】
下地層を積層構造とする場合、下地層の最下層は、平滑性及び下地層のその他の層（稠密構造）の結晶配向性を向上させることを目的として、例えば、Ｔａ層を備えることができる。また、下地層の厚さの上限は、下地層の形成にかかる時間、即ち、生産性の向上を考慮すると、１０ｎｍとなる。また、下地層の厚さの下限は、結晶配向性の向上を考慮すると、１ｎｍとなる。
【０１１１】
従って、下地層の厚さは、１〜１０ｎｍの範囲内にあるのが望ましい。
【０１１２】
尚、下地層上の磁性層（記憶層又は参照層）が、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄなどのＬ１o規則合金である場合は、下地層としては、（１００）面が配向したＰｔ、Ｐｄなどのｆｃｃ金属、Ｃｒなどのｂｃｃ金属、又は、ＴｉＮ、ＭｇＯなどのＮａＣl構造を有する化合物を採用するのが望ましい。
【０１１３】
また、下地層上の磁性層（記憶層又は参照層）が、ＣｏＦｅ−Ｘ（アモルファス合金）系である場合には、下地層は、Ｔａ、Ｗなどの密着層を兼ね備えた材料から構成するのが望ましい。
【０１１４】
（５）非磁性層  
記憶層及び参照層間に配置される非磁性層としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物であるのが望ましい。具体的には、非磁性層は、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯのうちの１つを備える。
【０１１５】
記憶層の磁化方向と参照層の磁化方向とが反平行である場合、スピン分極したΔ１バンドがトンネル伝導の担い手となるため、マジョリティースピン電子のみが電気伝導に寄与することとなる。この結果、磁気抵抗素子ＭＴＪの電気伝導率が低下し、磁気抵抗素子ＭＴＪの抵抗値が大きくなる。
【０１１６】
これに対し、記憶層の磁化方向と参照層の磁化方向とが平行である場合、スピン偏極していないΔ５バンドが電気伝導を支配するために、磁気抵抗素子ＭＴＪの電気伝導率が上昇し、磁気抵抗素子ＭＴＪの抵抗値が小さくなる。従って、Δ１バンドの形成が高いＴＭＲ比を発現させるためのポイントとなる。
【０１１７】
Δ１バンドを形成するためには、ＮａＣｌ構造の酸化物を備える非磁性層の（１００）面と、記憶層が非磁性層に接触する面及び参照層が非磁性層に接触する面との整合性が良くなければならない。
【０１１８】
そこで、非磁性層（例えば、ＮａＣｌ構造を有する酸化物）の（１００）面での格子整合性をさらに良くするために、非磁性層と記憶層との間及び非磁性層と参照層との間にそれぞれ界面層を挿入してもよい。
【０１１９】
Δ１バンドを形成するという観点から、界面層としては、非磁性層の（１００）面での格子ミスマッチが５％以下となるような材料を選択するのが望ましい。
【０１２０】
（６）界面層  
磁気抵抗素子ＭＴＪの記憶層と非磁性層との間及び参照層と非磁性層との間に、磁気抵抗比（ＴＭＲ比）を向上させる目的で、界面層を設ける場合、界面層としては、高分極率材料、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＢを含む合金であるのが望ましい。そのような材料としては、（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙ（但し、ｘ≧５０ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）がある。（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙは、記憶層と非磁性層との間及び参照層と非磁性層との間の格子ミスマッチを緩和し、さらに、高分極率材料であるため、高いＴＭＲ比と高いスピン注入効率を実現し得るという特徴を有する。
【０１２１】
（７）  シフト調整層  
シフト調整層は、参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持ち、記憶層の磁気ヒステリシス曲線のシフトを調整することを目的とする。このため、シフト調整層は、参照層と同じ材料から構成することができる。
【０１２２】
（７−１）人工格子系  
人工格子系とは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つの元素を含む合金（磁性層）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１つの元素を含む合金（非磁性層）とが交互に積層される構造のことである。
【０１２３】
例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子などが人工格子系として挙げられる。また、２つの磁性層を用いた人工格子系の例として、Ｃｏ／Ｎｉ人工格子、Ｆｅ／Ｎｉ人工格子が挙げられる。
【０１２４】
（７−２）ＲＥ(希土類金属)−ＴＭ（遷移金属）合金系
ＲＥ−ＴＭ合金系とは、希土類金属と遷移金属との合金のことである。ＲＥ−ＴＭ合金系は、希土類金属の材料により、フェリ磁性体及びフェロ磁性体のうちの１つとなる。
【０１２５】
フェリ磁性体としては、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）及びガドリニウム（Ｇｄ）のうちの少なくとも１つと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つとを含む合金が挙げられる。
【０１２６】
例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどがフェリ磁性体として挙げることができる。
【０１２７】
フェロ磁性体としては、サマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）及びホルミウム（Ｈｏ）のうちの少なくとも１つと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つとを含む合金が挙げられる。
【０１２８】
例えば、ＳｍＣｏ５、ＮｄＦｅＢなどがフェロ磁性体として挙げることができる。
【０１２９】
（磁気メモリ）  
近年、高速読み出し／書き込み、大容量、低消費電力動作が可能な次世代の不揮発性半導体メモリとして、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory： MRAM）への関心が高まっている。特に、強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子は、大きな磁気抵抗変化率を示すことが見出されて以来、注目されている。
【０１３０】
強磁性トンネル接合は、可変な磁化を持つ記憶層と、不変な磁化を持つ参照層と、これらの間のトンネルバリア層（絶縁層）とを基本構造とする。この強磁性トンネル接合に電流を流すと、トンネルバリア層にトンネル電流が流れる。このとき、強磁性トンネル接合の抵抗は、記憶層と参照層の磁化方向の相対角により変化する。
【０１３１】
例えば、記憶層と参照層の磁化方向が平行のときに、強磁性トンネル接合の抵抗は、極小値をとり、記憶層と参照層の磁化方向が反平行のときに、強磁性トンネル接合の抵抗は、極大値をとる。この抵抗変化は、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto-Resistance effect： TMR効果）と呼ばれる。この強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子をメモリセルとして用いる場合には、記憶層と参照層との磁化方向の平行／反平行に、二進データの“０”／“１”を対応付ける。
【０１３２】
磁気抵抗素子に対する書き込み動作は、その近傍に書き込み線を配置し、書き込み線に流れる電流により発生する磁場によって、記憶層の磁化方向のみを反転させる、いわゆる磁場書き込み方式が知られている。しかし、この方式では、大容量メモリを実現するために素子サイズを小さくすると、記憶層を構成する磁性体の保磁力Ｈｃが原理的に大きくなるため、書き込みに必要な電流が素子を微細化するほど大きくなる傾向がある。
【０１３３】
これに対し、書き込み線からの磁場は、素子サイズの縮小に対して原理的に小さくなるため、磁場書き込み方式では、大容量設計で要求される素子サイズの縮小と書き込み電流の低減とを両立することは困難である。
【０１３４】
そこで、近年、この課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（spin-momentum-transfer：SMT）を用いた書き込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている。この方式は、磁気抵抗素子にスピン偏極電流を流すことにより、記憶層の磁化方向を反転させる。また、この方式は、記憶層の体積が小さいほど、それに注入するスピン偏極電子も少なくてよいため、素子の微細化と低電流化とを両立できる書き込み方式として期待されている。
【０１３５】
しかし、大容量化を達成するために素子を微細化すると、記憶層の磁化方向を一方向に維持するためのエネルギー障壁、即ち、磁気異方性エネルギーが熱エネルギーよりも小さくなるため、結果として、記憶層の磁化方向が揺らぎ（熱擾乱の発生）、データを保持できなくなるという問題が発生する。
【０１３６】
一般的に、磁化方向が反転するために必要なエネルギー障壁は、磁気異方性（単位体積当りの磁気異方性エネルギー）と磁化反転の単位体積との積で表わされるため、微細な素子サイズで熱擾乱に対する耐性を確保するためには、記憶層としては、磁気異方性が大きな材料で構成するのが望ましい。
【０１３７】
これまで主に検討されている面内磁化型では、形状磁気異方性を利用するのが一般的である。この場合、磁気異方性エネルギーを増加させるには、磁気抵抗素子のアスペクト比を大きくする、記憶層を厚くする、記憶層の飽和磁化を大きくする、などの対策が必要となるが、これらは、スピン注入方式の特徴を考えたとき、いずれも反転電流の増大を招くため、微細化に適さない。
【０１３８】
一方、形状磁気異方性ではなく、大きな結晶磁気異方性を有する材料を利用することも考えられるが、その場合、面内方向の磁化容易軸は、膜面内で大きく分散してしまうため、ＭＲ比（Magnetoresistance ratio）が低下し、インコヒーレントな歳差運動が誘発するため、結果として、反転電流が増加してしまうこととなる。そのため、この方策もまた望ましくはない。
【０１３９】
また、面内磁化型では、素子の形状により生じる磁気異方性を利用するため、反転電流の値は、形状に左右される。その結果、素子の微細化に伴い、反転電流のばらつきが増加することも懸念される。
【０１４０】
これに対し、磁気抵抗素子を構成する強磁性材料に、膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する、いわゆる垂直磁化膜を用いる技術が提案されている。垂直磁化型により結晶磁気異方性を発生させる場合、形状磁気異方性を利用しないため、素子の形状を面内磁化型に比べて非常に小さくできる。また、磁化容易方向の分散も小さくできるため、大きな結晶磁気異方性を有する材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流との両立を図ることができる。
【０１４１】
図８は、ＭＲＡＭを示している。
【０１４２】
ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列される複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ４０を備える。メモリセルアレイ４０は、列（カラム）方向に延在する複数のビット線対ＢＬ，ｂＢＬと、行（ロウ）方向に延在する複数のワード線ＷＬを備える。
【０１４３】
ビット線対ＢＬ，ｂＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置される。各メモリセルＭＣは、直列接続される磁気抵抗素子ＭＴＪ及びスイッチ素子（例えば、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ）４１を備える。
【０１４４】
メモリセルＭＣの第１の端子は、ビット線ＢＬに接続され、第２の端子は、ビット線ｂＢＬに接続される。スイッチ素子４１のオン／オフを決める制御端子（例えば、ＮチャネルＭＯＳトランジスタのゲート）は、ワード線ＷＬに接続される。
【０１４５】
ワード線ＷＬの一端には、ロウデコーダ４２が接続される。ビット線対ＢＬ，ｂＢＬの一端には、書き込み回路４４及び読み出し回路４５が接続される。書き込み回路４４及び読み出し回路４５には、カラムデコーダ４３が接続される。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ４２及びカラムデコーダ４３により選択される。
【０１４６】
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。
【０１４７】
まず、データ書き込みの対象となる選択メモリセルＭＣに接続されるワード線ＷＬを活性化することにより、その選択メモリセルＭＣ内のスイッチ素子４１をオンにする。
【０１４８】
ここで、磁気抵抗素子ＭＴＪに流す書き込み電流（双方向電流）Ｉｗの向きを、書き込みデータに応じて決定する。
【０１４９】
例えば、データ“０”を書き込むときは、磁気抵抗素子ＭＴＪにビット線ＢＬからビット線ｂＢＬに向かう書き込み電流Ｉｗを供給する。この場合、書き込み回路４４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ｂＢＬに接地電圧を印加すればよい。
【０１５０】
また、データ“１”を書き込むときは、磁気抵抗素子ＭＴＪにビット線ｂＢＬからビット線ＢＬに向かう書き込み電流Ｉｗを供給する。この場合、書き込み回路４４は、ビット線ｂＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加すればよい。
【０１５１】
このようにして、選択メモリセルＭＣに、データ“０”又はデータ“１”を書き込むことができる。
【０１５２】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。
【０１５３】
まず、選択メモリセルＭＣ内のスイッチ素子４１をオンにする。読み出し回路４５は、磁気抵抗素子ＭＴＪに読み出し電流Ｉｒを流す。そして、読み出し回路４５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、選択メモリセルＭＣ内の磁気抵抗素子ＭＴＪの抵抗値を検出する。このようにして、磁気抵抗素子ＭＴＪに記憶されるデータを読み出すことができる。
【０１５４】
尚、読み出し電流Ｉｒの向きは、特に制限されないが、読み出し時の誤書き込みを防止するために、読み出し電流Ｉｒの値は、書き込み電流Ｉｗの値よりも十分に小さいことが必要となる。
【０１５５】
次に、ＭＲＡＭのメモリセルのデバイス構造を説明する。
【０１５６】
図９は、メモリセルのデバイス構造を示している。  
半導体基板５１の表面領域には、素子分離領域（素子分離絶縁層ＳＴＩ）が配置され、この素子分離領域に取り囲まれた素子領域（Active area）内には、スイッチ素子４１が配置される。素子分離領域は、例えば、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造を有する酸化シリコンを備える。
【０１５７】
素子領域内には、ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが配置される。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄは、例えば、Ｐ型半導体基板５１内のＮ＋型不純物拡散領域である。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ間の半導体基板５１上には、ゲート絶縁膜４１Ａを介して、ゲート電極４１Ｂが配置される。ゲート電極４１Ｂは、ワード線ＷＬとして機能する。
【０１５８】
ソース領域Ｓ上には、コンタクトプラグ５２を介して導電線５３が配置される。導電線５３は、ビット線ｂＢＬとして機能する。ドレイン領域Ｄ上には、コンタクトプラグ５４を介して下部電極５５が配置される。下部電極５５上には、例えば、図１乃至図３の磁気抵抗素子ＭＴＪが配置される。
【０１５９】
本例では、磁気抵抗素子ＭＴＪ上にキャップ層５６が配置される。キャップ層５６は、磁気抵抗素子ＭＴＪのパターニング時のハードマスク層として機能すると共に、磁気抵抗素子ＭＴＪを保護する保護層としても機能する。キャップ層５６上には、導電線５８が配置される。導電線５８は、ビット線ＢＬとして機能する。
【０１６０】
また、半導体基板５１と導電線５８との間の空間は、例えば、酸化シリコンなどの層間絶縁層５７により満たされる。
【０１６１】
以上、詳述したように、実施形態の磁気抵抗素子ＭＴＪを用いて、磁気メモリ、例えば、ＭＲＡＭを構成することができる。尚、磁気抵抗素子ＭＴＪは、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリとして使用することも可能である。
【０１６２】
（適用例）  
上述の磁気メモリは、様々な電子機器に適用することが可能である。以下、磁気メモリの適用例について説明する。
【０１６３】
（１）ＤＳＬ用モデムのＤＳＬデータパス部  
図１０は、デジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を抽出して示している。
【０１６４】
このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ（Programmable Digital Signal Processor： Programmable DSP）１００、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１０、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１２０、送信ドライバ１３０及び受信増幅器１４０を備える。
【０１６５】
同図では、バンドパスフィルタを省略しており、その代わりに、ＭＲＡＭ１７０及びＥＥＰＲＯＭ１８０を設けている。これらは、回線コードプログラムを保持するためのオプションメモリとして機能する。ここで、回線コードプログラムとは、ＤＳＰで実行される、コード化される加入者回線情報、伝送条件など（回線コード：ＱＡＭ、ＣＡＰ、ＲＳＫ、ＦＭ、ＡＭ、ＰＡＭ、ＤＷＭＴなど）に応じて、モデムを選択又は動作させるためのプログラムのことである。
【０１６６】
この適用例では、回線コードプログラムを保持するためのメモリとしてＭＲＡＭ１７０及びＥＥＰＲＯＭ１８０を用いているが、ＥＥＰＲＯＭ１８０をＭＲＡＭに置き換えてもよい。即ち、回線コードプログラムを保持するためのメモリをＭＲＡＭのみで構成することも可能である。
【０１６７】
（２）  携帯電話端末  
図１１は、携帯電話端末を示している。
【０１６８】
この携帯電話端末は、バス２２５を介して、通信部及び制御部が接続されるマイクロコンピュータとして実現される。
【０１６９】
通信部は、送受信アンテナ２０１、アンテナ共用器２０２、受信部２０３、ベースバンド処理部２０４、音声コーデックとして用いられるＤＳＰ２０５、スピーカ（受話器）２０６、マイクロホン（送話器）２０７、送信部２０８及び周波数シンセサイザ２０９を備える。また、制御部は、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、本実施形態のＭＲＡＭ２２３及びフラッシュメモリ２２４を備える。
【０１７０】
ＲＯＭ２２２には、ＣＰＵ２２１において実行されるプログラムや表示用のフォントなどのデータが予め記憶される。ＭＲＡＭ２２３は、主に作業領域として用いられる。ＭＲＡＭ２２３は、ＣＰＵ２２１がプログラムの実行中である場合に、計算途中のデータを記憶し、制御部と通信部との間で授受するデータを一時的に記憶する。
【０１７１】
フラッシュメモリ２２４は、携帯電話端末の電源がオフされても、例えば、直前の設定条件を記憶し、次の電源オン時に同じ設定にするような使用方法を実現する場合に、それらの設定パラメータを記憶するために用いられる。これにより、携帯電話端末の電源がオフにされても、記憶されている設定パラメータを消失してしまうことがない。
【０１７２】
また、この携帯電話端末には、音声データ再生処理部２１１、外部出力端子２１２、ＬＣＤコントローラ２１３、表示用のＬＣＤ（液晶ディスプレイ）２１４及び呼び出し音を発生するリンガ２１５が付加される。
【０１７３】
音声データ再生処理部２１１は、携帯電話端末に入力されるオーディオ情報（又は外部メモリ２４０に記憶されるオーディオ情報）を再生する。再生されるオーディオ情報は、外部出力端子２１２を介してヘッドフォンや携帯型スピーカなどに伝えられる。これにより、音声が外部に出力される。
【０１７４】
このように、音声データ再生処理部２１１を設けることにより、オーディオ情報の再生が可能となる。ＬＣＤコントローラ２１３は、例えば、ＣＰＵ２２１からの表示情報を、バス２２５を介して受け取り、これをＬＣＤ２１４の制御のためのＬＣＤ制御情報に変換し、さらに、ＬＣＤ２１４を駆動してＬＣＤ表示を行う。
【０１７５】
また、携帯電話端末には、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１，２３３，２３５、外部メモリ２４０、外部メモリスロット２３２、キー操作部２３４及び外部入出力端子２３６が付加される。
【０１７６】
外部メモリスロット２３２には、メモリカードなどの外部メモリ２４０が挿入される。この外部メモリスロット２３２は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１を介してバス２２５に接続される。
【０１７７】
このように、携帯電話端末にスロット２３２を設けることにより、携帯電話端末の内部情報を外部メモリ２４０に書き込んだり、又は、外部メモリ２４０に記憶される情報（例えばオーディオ情報）を携帯電話端末３００に入力したりすることが可能となる。
【０１７８】
キー操作部２３４は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続される。キー操作部２３４から入力されるキー入力情報は、例えば、ＣＰＵ２２１に伝えられる。外部入出力端子２３６は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続され、携帯電話端末に外部から情報を入力したり、又は、携帯電話端末から外部へ情報を出力したりするために使用される。
【０１７９】
尚、本適用例では、ＲＯＭ２２２、ＭＲＡＭ２２３及びフラッシュメモリ２２４の３つを用いているが、ＲＯＭ２２２及びフラッシュメモリ２２４のうちの少なくとも１つについては、ＭＲＡＭに置き換えることも可能である。例えば、ＲＯＭ２２２及びフラッシュメモリ２２４を省略してもよい。
【０１８０】
（３）  ＭＲＡＭカード  
ここでは、スマートメディアなどのメディアコンテンツを収納するカードに実施形態のＭＲＡＭを適用した場合について説明する。
【０１８１】
図１２は、ＭＲＡＭカードを示している。図１３乃至図１６は、ＭＲＡＭカードシステムを示している。
【０１８２】
ＭＲＡＭカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１が内蔵される。このカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１に対応する位置に開口部４０２が設けられ、ＭＲＡＭチップ４０１が露出される。この開口部４０２には、シャッター４０３が設けられ、ＭＲＡＭカードの携帯時にＭＲＡＭチップ４０１がシャッター４０３で保護されるようになっている。このシャッター４０３は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えば、セラミックであるのが望ましい。
【０１８３】
データの転写を実行する場合には、シャッター４０３を開け、ＭＲＡＭチップ４０１を露出させる。外部端子４０４は、ＭＲＡＭカードに記憶されるコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。
【０１８４】
図１３及び図１４は、ＭＲＡＭカードにデータを転写する転写装置を示している。
【０１８５】
この転写装置５００は、カード挿入型である。転写装置５００は、収納部５００ａを有する。収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０が収納される。収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０に電気的に接続される外部端子５３０が設けられ、この外部端子５３０を用いて第１のＭＲＡＭカード５５０のデータが書き換えられる。
【０１８６】
エンドユーザが使用する第２のＭＲＡＭカード４５０を、矢印で示すように転写装置５００の挿入部５１０より挿入し、ストッパ５２０で止まるまで押し込む。このストッパ５２０は、第１のＭＲＡＭカード５５０と第２のＭＲＡＭカード４５０とを位置合わせするための部材としても働く。第２のＭＲＡＭカード４５０が所定位置に配置されると、第１のＭＲＡＭカード５５０内の制御部から外部端子５３０に制御信号が供給され、第１のＭＲＡＭカード５５０に記憶されるデータが第２のＭＲＡＭカード４５０に転写される。
【０１８７】
図１５は、はめ込み型の転写装置を示している。
【０１８８】
この転写装置５００は、矢印で示すように、ストッパ５２０を目標に、第１のＭＲＡＭカード５５０上に第２のＭＲＡＭカード４５０をはめ込むように載置するタイプである。転写方法については、カード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
【０１８９】
図１６は、スライド型の転写装置を示している。
【０１９０】
この転写装置５００は、ＣＤ−ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブと同様に、転写装置５００に受け皿スライド５６０が設けられ、この受け皿スライド５６０が矢印で示すように移動する。受け皿スライド５６０が破線の位置に移動したときに第２のＭＲＡＭカード４５０を受け皿スライド５６０に配置し、第２のＭＲＡＭカード４５０を転写装置５００の内部へ搬送する。
【０１９１】
ストッパ５２０に第２のＭＲＡＭカード４５０の先端部が接触するように搬送される点及び転写方法については、カード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
【０１９２】
（むすび）  
実施形態によれば、磁気抵抗素子の微細化に伴って増大する漏洩磁界をシフト調整層により確実にキャンセルすることができる。
【０１９３】
実施形態は、高速ランダム書き込み可能なファイルメモリ、高速ダウンロード可能な携帯端末、高速ダウンロード可能な携帯プレーヤー、放送機器用半導体メモリ、ドライブレコーダ、ホームビデオ、通信用大容量バッファメモリ、防犯カメラ用半導体メモリなどに対して産業上のメリットは多大である。
【０１９４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均などの範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１９５】
ＭＴＪ：  磁気抵抗素子、  １：  下地層、  ２：  記憶層、  ３：  非磁性層（トンネルバリア層）、  ４：  参照層、  ５：  非磁性層、  ６：  シフト調整層、  ７：  キャップ層、  ８，９：  界面層。
【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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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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