(57)【要約】【課題】  熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】  磁気抵抗効果素子１は、磁化の方向が固定された第１磁化固定層２を含む。磁化可変層３は、磁化の方向が可変で、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎから選ばれる少なくとも１つの元素と、を含む。第１中間層４は、第１磁化固定層と磁化可変層との間に設けられ、非磁性材料からなる。第１磁化固定層と第１中間層と磁化可変層とを貫く双方向電流によって磁化可変層の磁化の方向が可変とされる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の方向が固定された第１磁化固定層と、
磁化の方向が可変で、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎから選ばれる少なくとも１つの元素と、を含む磁化可変層と、
前記第１磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられ、非磁性材料からなる第１中間層と、
を具備し、前記第１磁化固定層と前記第１中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が可変とされることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つの元素の含有量が、３０ａｔ％以上７０ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素に対する、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎから選ばれる少なくとも１つの元素の組成比が、１以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記磁化可変層が、ＦＣＴ構造を有するＬ１0規則構造相の部分を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁化可変層が、フェリ磁性体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
磁化の方向が固定された第１磁化固定層と、
磁化の方向が可変で、ＭｎＡｌ合金からなり、Ｍｎの含有量が３０ａｔ％以上７０ａｔ％であり、強磁性体またはフェリ磁性体からなる磁化可変層と、
前記第１磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられ、非磁性材料からなる第１中間層と、
を具備し、前記第１磁化固定層と前記第１中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が可変とされることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記ＭｎＡｌから構成される磁化可変層に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素が含有されており、Ｍｎ元素に対するその組成比が、１以下であることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記磁化可変層に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つの元素が含有されており、Ａｌ元素に対するその組成比が、１以下であることを特徴とする請求項６または７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記磁化可変層が、ＦＣＴ構造を有するＬ１0規則構造相の部分を有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
非磁性材料からなり、前記磁化可変層の前記第１中間層と反対の面側に設けられた、第２中間層と、
磁化方向が前記第１磁化固定層の磁化方向と反平行方向に固定され、前記第２中間層の前記磁化可変層と反対の面側に設けられた第２磁化固定層と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記磁化可変層と前記第１中間層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを５０ａｔ％以上含有する第１界面層をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記磁化可変層と前記第２中間層との間に設けられ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを５０ａｔ％以上含有する第２界面層をさらに具備することを特徴とする請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第１界面層および前記第２界面層の少なくとも一方が、ＢＣＣ構造の部分を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１界面層および前記第２界面層の少なくとも一方が、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１磁化固定層および前記磁化可変層が、前記第１磁化固定層、前記第１中間層、前記磁化可変層が相互に面する面に対して実質的に垂直な磁化を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を記憶素子として含むメモリセルを複数個含むメモリセルアレイと、
前記メモリセルに対して双方向に電流を供給する電流供給回路と、
を具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリに関し、例えば、スピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しい原理に基づいて情報を記録する固体メモリが多数提案されている。中でも、固体磁気メモリとして、トンネル磁気抵抗効果(TMR: tunneling magnetoresistance)を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM：magnetoresistive random access memory）が知られている。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗効果を発現する磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）をメモリセルとして用いて、ＴＭＲ素子の磁化の状態によってメモリセルが情報を記憶する。
【０００３】
ＴＭＲ素子は磁化が可変の層と磁化が固定された層とを含んでいる。磁化が可変の層の磁化の向きが、磁化が固定された層の磁化の向きと平行なときに低抵抗状態となり、反平行のときに高抵抗状態となる。この抵抗状態の違いが情報の記憶に用いられる。
【０００４】
ＴＭＲ素子に情報を書き込む方法として、いわゆる電流磁場書き込み方式が知られている。この方式では、ＴＭＲ素子の近傍に配線が配置され、この配線を流れる電流によって生じる磁場によって、ＴＭＲ素子の磁化の状態を変化させる。ＭＲＡＭの微細化を行うためにＴＭＲ素子のサイズを小さくすると、ＴＭＲ素子の保持力Ｈｃが大きくなる。このため、磁場書き込み方式のＭＲＡＭでは、微細化の進展に伴い、書き込みに必要な電流が大きくなる傾向がある。この結果、２５６Ｍｂｉｔを超えるような大容量化に向けたセルサイズの微細化と低電流化の両立は困難である。
【０００５】
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（SMT：spin-momentum-transfer）を用いた書込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている（特許文献１）。スピン注入書き込み方式では、トンネル磁気抵抗効果を奏する素子の、各膜が相対する方向に垂直に電流を流すことにより、ＴＭＲ素子の磁化の状態を変化（反転）させる。
【０００６】
スピン注入による磁化反転では、磁化反転に必要な電流Ｉｃは、電流密度Ｊｃでよく規定される。したがって、ＴＭＲ素子の、電流が通過する面の面積が小さくなれば、磁化を反転させるための注入電流Ｉｃも小さくなる。電流密度一定で書込む場合、ＴＭＲ素子サイズが小さくなれば、電流Ｉｃも小さくなるために、スピン注入書き込み方式は、原理的には、磁場書き込み方式に比べてスケーラビリティ性に優れる。
【０００７】
しかしながら、スピン注入書き込み方式を利用してＭＲＡＭを実現する際に、以下の問題が生じる。すなわち、磁化反転に必要な電流は、現状、ＭＲＡＭ実現の際に多く利用されている選択トランジスタで発生可能な電流値よりも大きい。このため、スピン注入書き込み方式を用いてメモリとして動作させることが、実質的にはできない。
【０００８】
一般的に、非特許文献１に記載されているように、スピン注入によって磁化を反転させるための反転電流は、磁化自由層の飽和磁化Ｍｓに依存する。このため、低電流のスピン注入によって磁化自由層の磁化を反転させるには、飽和磁化Ｍｓを小さくすることが重要である。しかしながら、現在の技術では、飽和磁化を小さくすると、同時に、メモリとしての情報保持特性で必要な熱安定性もが低下してしまう。
【特許文献１】米国特許第6,256,223号明細書
【非特許文献１】C. Slonczewski、“Current-driven ecitation of magnetic multilayers”、「JORNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS」、1996、VOLUME 159、p.L1-L7
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様による磁気抵抗効果素子は、（Ａ）磁化の方向が固定された第１磁化固定層と、（Ｂ）磁化の方向が可変で、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つの元素と、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎから選ばれる少なくとも１つの元素と、を含む磁化可変層と、（Ｃ）前記第１磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられ、非磁性材料からなる第１中間層と、を具備し、前記第１磁化固定層と前記第１中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が可変とされることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様による磁気抵抗効果素子は、（Ａ）磁化の方向が固定された第１磁化固定層と、磁化の方向が可変で、ＭｎＡｌ合金からなり、Ｍｎの含有量が３０ａｔ％以上７０ａｔ％であり、強磁性体またはフェリ磁性体からなる磁化可変層と、前記第１磁化固定層と前記磁化可変層との間に設けられ、非磁性材料からなる第１中間層と、を具備し、前記第１磁化固定層と前記第１中間層と前記磁化可変層とを貫く双方向電流によって前記磁化可変層の磁化の方向が可変とされることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱的に安定であると同時に低電流の磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、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。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、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ものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１４】
また、以下に示す各実施形態は、この発明の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、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、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。
【００１５】
（第１実施形態）
第１実施形態は、ＭＲ素子に関する。
【００１６】
（１）ＭＲ素子の構造
図１は、本発明の第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示している。図１は、いわゆるシングルピン構造のＭＲ素子を示している。図１において、矢印は磁化方向を示している。本明細書および特許請求の範囲でいうＭＲ素子とは、金属スペーサ層を用いたＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子と、半導体あるいは絶縁体をスペーサ層に用いるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子とを総称している。以下の図では、ＭＲ素子の主要部を示しているが、図示の構成を含んでいれば、さらなる層を含んでいても構わない。
【００１７】
ＭＲ素子１は、各層が相互に面する面（膜面）を貫いて流れる電流の方向に応じて、２つの定常状態の一方を取るように構成された素子である。各定常状態を、“０”データ、“１”データに対応させることによって、ＭＲ素子１は２値のデータを記憶できる。そして、ＭＲ素子１は、スピン注入書き込み（スピン注入磁化反転）方式によって、磁化の状態が変化し、この状態に応じた情報を記憶する。
【００１８】
図１に示すように、ＭＲ素子１は、少なくとも、２つの磁性層２、３と、磁性層２、３の間に設けられたスペーサ層（中間層）４を有する。磁性層２は、膜面を貫く方向、典型例として膜面に垂直な方向を向いて磁化容易軸を有し、膜面と交わる面に沿って回転する。以下、磁性層２をフリー層（自由層、磁化自由層、磁化可変層、記録層）と称する。フリー層２のより詳細な性質については後述する。以下、膜面を貫く方向の磁化を垂直磁化と称する。
【００１９】
磁性層３は、その磁化を膜面と交わる方向、典型例として膜面に垂直な方向に固定されている。または、フリー層２の保持力よりも大きい保持力を有する構成とされていてもよい。以下、磁性層３を、ピン層（固定層、磁化固定層、参照層、磁化参照層、基準層、磁化基準層）と称する。典型例として、フリー層２の磁化容易軸の方向は、ピン層３の磁化の方向に沿っている。ピン層３のより詳細な性質については後述する。なお、ピン層３の磁化方向は、図では、上を向いているが、下を向いていても構わない。
【００２０】
スペーサ層（中間層）４は、非磁性金属、非磁性半導体、絶縁膜等から構成される。スペーサ層４のより詳細な性質については、後述する。
【００２１】
ＭＲ素子１は、いわゆる、スピン注入書込み方式に用いるＭＲ素子である。すなわち、書き込みの際は、ピン層３からフリー層２へ、またはフリー層２からピン層３へ、膜面を貫く（典型的には膜面に垂直な）方向に電流を流すことによって、スピン情報を蓄積された電子がピン層３からフリー層２へ注入される。この注入された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フリー層２の電子に移動されることによって、フリー層２の磁化が反転する。
【００２２】
また、図１は、スペーサ層４の上にフリー層２が形成され、スペーサ層４の下にピン層３が形成される、いわゆるボトムピン構造を例示している。しかしながら、スペーサ層４の下にフリー層２が形成され、スペーサ層４の上にピン層３が形成される、いわゆるトップピン構造であっても構わない。
【００２３】
ピン層３の下には下地層５がさらに形成されてもよい。下地層５は、ピン層３より上の層の結晶の配向性および結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられる。
【００２４】
フリー層２上にはキャップ層６がさらに形成されていてもよい。キャップ層６は、保護層として機能し、ボトムピン層構造のフリー層２、あるいは、トップピン層構造のピン層３を酸化から保護する。同時に、キャップ層６はポストアニールにおいて原子（分子）が拡散することを抑制する機能も有する。また、キャップ層６はフリー層２あるいはピン層４が相変化を伴う場合、格子のミスフィットなどを考慮するとエネルギー的に相変化をアシストする効果を有する場合もある。
【００２５】
図１では、後述する界面層が挿入されていない。図１の構成は、フリー層２およびピン層４が、十分なＴＭＲを発現させたり、スピン注入効率をもたらしたりするに足るスピン分極率を有する場合に用いることができる。
【００２６】
図２に示すように、フリー層２とスペーサ層４との間に界面層１１が挿入されていても良い。界面層１１、および後述の界面層１２、１３は、強磁性体からなる。界面層１１乃至１３のより詳細な性質については後に詳述する。界面層１１は、スペーサ層４とフリー層２との界面での結晶格子ミスフィットを低減する効果も有する。すなわち、スペーサ層４上のフリー層２あるいはピン層３のバッファ層としての機能を有する。
【００２７】
また、図３に示すように、ピン層３とスペーサ層４との間に界面層１２が挿入されていても良い。界面層１２は、ＭＲ素子１のＴＭＲ比を向上させ、スピン供給側の分極率を向上させ、スピン注入効率を向上させることを目的として挿入される。界面層１２はスペーサ層４とピン層３との界面での結晶格子のミスフィットを低減する効果も有する。すなわち、ボトムピン構造またはトップピン構造に応じてピン層３上あるいはフリー層２上のスペーサ層４のバッファ層としての機能を有する。特に結晶質なスペーサ層４を用いる場合に重要となる。
【００２８】
また、図４に示すように、フリー層２とスペーサ層４との間、ピン層３とスペーサ層４との間に、界面層１１、１２がそれぞれ挿入されていても良い。この構成により、図２、図３の説明において記載した効果の両方を得られる。
【００２９】
ＭＲ素子１は、いわゆるデュアルピン構造を有していても良い。図５は、本発明の実施形態に係るＭＲ素子の主要部を示しており、いわゆるデュアルピン構造のＭＲ素子を示している。
【００３０】
図５に示すように、フリー層２の、スペーサ層４と反対の面上に、さらなるスペーサ層２１、さらなるピン層２２が設けられている。キャップ層６は、ピン層２２上に位置する。ピン層２２は、ピン層３と同じく垂直磁化を有する。スペーサ層２１の材料はスペーサ層４に用いられるのと同じ材料から選択することができ、ピン層２２の材料はピン層３に用いられるのと同じ材料から選択することができる。ピン層３の磁化とピン層２２の磁化とは反平行となっている。
【００３１】
スピン注入磁化反転においては、デュアルピン構造にすることにより、電子の注入源が２箇所となる。この結果、電子の注入効率が上昇して、反転電流を下げる効果を得られる。
【００３２】
デュアルピン構造の場合、ＴＭＲを発現させるために、スペーサ層４、２１の一方が、トンネルバリアとしての機能を有していれば良い。すなわち、スペーサ層４、２１の一方が、絶縁体または半導体から形成される。また、スペーサ層４、２１の一方が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｍｇなどの金属でも構わない。スペーサ層４および２１が共にトンネルバリア層である場合、スペーサ層４および２１に抵抗差をつければよく、その時の面抵抗（Ｒ・Ａ（Ｒは抵抗値、Ａは面積を表す））の差が２倍から５倍であることが好ましい。そうすることで、スピン蓄積の効果を最大限に利用することができる。
【００３３】
また、図６に示すように、図２と同様に、フリー層２とスペーサ層４との間に界面層１１が挿入されていても良い。また、図７に示すように、フリー層２とスペーサ層２１との間に界面層１３が挿入されていても良い。また、図８に示すように、フリー層２とスペーサ層４との間、フリー層２とスペーサ層２１との間に、界面層１１、１３がそれぞれ挿入されていても良い。さらに、図３と同様に、デュアルピン構造において、ピン層３とスペーサ層４との間、ピン層２２とスペーサ層２１との間の、一方または両方に界面層１２が挿入されても良い。デュアルピン構造において、フリー層２とスペーサ層４との間、フリー層２とスペーサ層２１との間に、ピン層３とスペーサ層４との間、ピン層２２とスペーサ層２１との間に界面層１１、１２、１３が挿入されても良い。
【００３４】
なお、本明細書では垂直磁化を有する磁性層を用いたＭＲ素子を主に扱っている。しかしながら、本発明を、面内磁化（膜面に沿った方向の磁化）を有する磁性層を用いたＭＲ素子に適用することも可能である。
【００３５】
（２）フリー層
フリー層２が垂直磁化を有するため、以下の利点を得られる。すなわち、垂直磁化膜は情報の保持に必要な磁気異方性エネルギーを結晶磁気異方性エネルギーで賄う。このため、垂直磁化膜を用いたＭＲ素子に対しては、面内磁化膜を用いたＭＲ素子と異なり、形状の制約がなくなる。このため、ＭＲ素子のアスペクト比を１まで小さくすることが可能となる。具体的には、磁気記憶装置の製造工程における最小寸法をＦとすると、ＭＲ素子を、４Ｆ2で形成することが可能となる。ＭＲＡＭの１つのメモリセルは、１つのＭＲ素子と１つの選択トランジスタから構成されるので、セルサイズは、選択トランジスタの形状によって規定される。このため、サイズが４Ｆ2のＭＲ素子が形成されたとしても、選択トランジスタが６Ｆ2のサイズを有するため、サイズが６Ｆ2のセルを有するＭＲＡＭが形成される。
【００３６】
（２−１）フリー層に求められる性質
ある層が垂直磁化を有するためには、結晶磁気異方性エネルギーＫｕが高くなければならず、実効的な（有効）異方性エネルギーＫｅが、
Ｋｅ＝Ｋｕ−２πＭｓ2＞０                                        ・・・（式１）
ただし、
Ｍｓ：飽和磁化
でなければ垂直磁化状態が安定ではない。したがって、安定な垂直磁化膜を形成するには、適度な実効的異方性エネルギーＫｅを確保することが重要である。このためには、結晶磁気異方性エネルギーＫｕを大きくするか、飽和磁化Ｍｓを低減することが考えられる。結晶磁気異方性エネルギーＫｕは、材料の性質に大きく依存するため、結晶磁気異方性エネルギーＫｕを大きくすることには限界がある。
【００３７】
また、フリー層２が情報を保持するために必要な活性化エネルギーＥａは、
Ｅａ＝Ｋｅ・ＶM
ただし、
Ｋｅ：実効磁気異方性エネルギー
ＶM：有効磁化体積
で表される。
【００３８】
ここで垂直磁化膜の実効磁気異方性エネルギーＫｅは、
Ｋｅ＝Ｋｕ−２πＭｓ2
で表される。Ｍｓは、飽和磁化を表す。
【００３９】
このように活性化エネルギーＥａは、実効的異方性エネルギーＫｅに、ひいては、結晶磁気異方性エネルギーＫｕに依存する。このため、安定な垂直磁化膜を形成するために結晶磁気異方性エネルギーＫｕを大きくし過ぎると、情報の保持に必要な活性化エネルギーＥａが大きくなり過ぎてしまうことが懸念される。
【００４０】
以上の制約から、安定な垂直磁化膜を形成する、すなわち、十分な熱耐性を有する垂直磁化膜を形成するためには、飽和磁化Ｍｓを低減することが重要である。
【００４１】
また、一般的に、ある層におけるスピン注入磁化反転に必要な臨界電流（磁化反転電流）Ｉｃは、
Ｉｃ∝α・η・Ｍｓ・Δ                                            ・・・（式２）
ただし、
α：ダンピング定数
η：スピン注入効率係数
Δ：熱安定指標
である。ここで、熱安定性指標Δは、
Δ＝Ｋｅ・ＶM／（ｋb・Ｔ）である。
【００４２】
ただし、
ＶＭ：有効磁化体積
ｋb：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
である。熱安定指標Δは、ある層に記録された情報の保持能力の指標となる。したがって、熱安定指標Δは維持しつつ飽和磁化Ｍｓを低減することが、磁化反転電流を下げ且つ情報の保持能力を上げることにつながる。
【００４３】
以上の事項を考慮して、フリー層２として、垂直磁化および高い熱安定指標を保てるように正の範囲で高い値の実効的磁気異方性エネルギーを維持しながら、小さな結晶磁気異方性エネルギーＫｕおよび飽和磁化Ｍｓを有する材料が好ましい。
【００４４】
（２−２）フリー層の具体例
（２−２−１）性質
上記のように、ある層が、垂直磁化を有し、少ない電流で磁化が反転し、高い情報保持能力を有するには、正の範囲で高い値の実効的磁気異方性エネルギーＫｅを保ちつつ、活性化エネルギーＥａを抑制できる程度に小さい結晶磁気異方性エネルギーＫｕと小さい飽和磁化Ｍｓとを有する材料が好ましい。このような要請を満たす材料として、以下の材料が考えられる。
【００４５】
第１実施形態に係るＭＲ素子１のフリー層２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ａと、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ｂと、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎから選ばれる少なくとも１つ以上の元素Ｃとを含有する磁性体合金から構成される。
【００４６】
元素Ｂ（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ）は、多くの４ｄ電子および５ｄ電子を有している。３ｄ、４ｄ、５ｄ電子を多く有する元素は、高い結晶磁気異方性エネルギーを有する。このため、元素Ａと元素Ｂからなる合金（ＡＢ合金と称する）は、高い結晶磁気異方性エネルギーＫｕを有し、正の高い値の実効的磁気異方性エネルギーＫｅを有する。なお、ＡＢ合金は、フェロ磁性合金である。元素Ｂの組成は、３０ａｔ％以上７０ａｔ％以下であることが好ましい。その理由は、下記で詳細を説明するが、この組成領域において、１ｘ１０6ｅｒｇ／ｃｃ以上の大きな結晶磁気異方性エネルギーＫｕを有するＬ１0規則構造相を有することが可能だからである。
【００４７】
ＡＢ合金のうちで、特に、室温において垂直磁化特性を示すものとしては、ＦｅＰｔ合金、ＦｅＰｄ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＮｉＰｔ合金が挙げられる。ここで、垂直磁気異方性を示す条件としては、実効磁気異方性エネルギーＫｅ＞０であることである。これらの合金は、元素Ａの組成比が４０乃至６０ａｔ％の範囲内で、面心正方（FCT : face-centered tetragonal）構造を基本格子として有するＬ１0型（ＣｕＡｕ型）規則構造相を安定相として有している。Ｌ１0規則構造相は、基本的にＦＣＴ構造を基本格子としており、単位胞の格子定数（ａ，ｂ，ｃ）の関係は、ａ＝ｂ、ａ≠ｃ、ａ＞ｃである。また、元素Ａの組成比が３０乃至７０ａｔ％の範囲においても、Ｌ１0規則構造相が形成される。ここで、L１0構造層は、体積比で５０％以上である。Ｌ１0規則構造層では元素Ａで形成される（００１）面であるＡ面、および、元素Ｂで形成される（００１）面であるＢ面が、［００１］方向に、Ａ面、Ｂ面、Ａ面、Ｂ面、Ａ面・・・・のように交互に積層される。Ｌ１0規則相においては、Ｘ線回折あるいは電子ビーム回折において、規則化に伴う禁制反射が観測される。すなわち、ＦＣＴ構造で見られる（００２）面に起因する回折像と同時に、（００１）面に起因する回折像も得られることになる。
【００４８】
また、上述したＡＢＡＢＡＢという積層構造を有するＬ１0構造は、スパッタリング法あるいはＭＢＥ法（モレキュラー・ビーム・エピタキシー法）によって、多数の周期を有する人工格子によっても人工的に形成が可能である。従って、必ずしも、２元系あるいは３元系相状態図に安定相として存在する必要性はない。
【００４９】
また、元素Ａの組成比が３０乃至５０ａｔ％の範囲では、ＡＢ3で表されるＬ１2規則構造相が局所的に形成されることがある。また、元素Ａの組成比が５０乃至７０ａｔ％の範囲では、Ａ3Ｂで表されるＬ１2規則構造相が局所的に形成されることがある。
【００５０】
Ｌ１0構造のＡＢ合金は、高い一軸結晶磁気異方性エネルギーＫｕを［００１］方向に有しており、（００１）面が膜面に対して平行に優先配向すると垂直磁化が安定となる。しかしながら、Ｌ１0規則構造相を有する２元系のＡＢ合金では、飽和磁化Ｍｓが１０００ｅｍｕ／ｃｃ程度と大きい。このため、磁化反転電流Ｉｃを下げるためには、飽和磁化Ｍｓを小さくする必要がある。飽和磁化Ｍｓを小さくする際に、同時に、正の高い値の実効的磁気異方性エネルギー（Ｋｅ＞０）を維持できる程度に高く且つ活性エネルギーＥａを小さく抑える程度に小さな結晶磁気異方性エネルギーＫｕを維持しなければならない。
【００５１】
一般的に、フェロ磁性体に非磁性元素を添加していくと、添加量にほぼ比例する形で飽和磁化Ｍｓおよび結晶磁気異方性エネルギーＫｕが低下する。しかしながら、結晶磁気異方性エネルギーＫｕの低下率のほうが、飽和磁化Ｍｓの低下率より大きい。このため、非磁性元素の添加量の増加に伴い、式１から分かるように、実効的磁気異方性エネルギーＫｅ＞０を維持できず、垂直磁化を維持するのが非常に困難となる。
【００５２】
そこで、フェロ磁性体であるＬ１0構造のＡＢ合金をフェリ磁性体化すればよい。フェリ磁性体を作成する方法としては、フェロ磁性体に、反強磁性的振る舞いをする元素を添加することが挙げられる。このために、ＡＢ合金に元素Ｃが添加される。元素Ｃは、元素Ａに対して置換型で固溶することが好ましい。ここで、反強磁性的な振る舞いをする元素Ｃとして、上記のように、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎがある。ＡＢ合金をフェリ磁性体化することによって、正の高い値の実効異方性エネルギーＫｅを維持しつつ、結晶磁気異方性エネルギーＫｕと実効的な飽和磁化Ｍｓ（ネットＭｓ）とを小さく抑制することができる。元素Ｃを元素Ａと置換する場合、ネットの飽和磁化Ｍｓが０以上となるように添加しなくてはならない。ネットの飽和磁化Ｍｓがゼロになる組成は、補償点組成と呼ばれ、本発明のＬ１0構造のＡＢ合金の場合、元素Ｃの置換量が全体に対して２５％未満となることが好ましい。すなわち、元素Ａと元素Ｃの原子組成比はＡ：Ｃ＝５０：５０（ａｔ％）、換言すれば元素Ａに対する元素Ｃの組成比が１以下（０を除く）が最大の置換量となる。これを超えるとＡＢＣ合金は反強磁性合金となり、ＴＭＲ比が激減する。
【００５３】
元素Ｂとして、元素Ａと元素Ｃとからなる材料が、フェリ的な磁化配列を維持しながら、高い結晶磁気異方性エネルギーＫｕを有し、ひいては正の高い値の実効的磁気異方性エネルギーＫｅを維持できるものが選択されている。元素Ｂは、４ｄ電子、５ｄ電子を多く有する元素である。このような元素として、他にも該当するものがあるが、これらは空き準位を有していないか非常に少ないため、元素Ａ、Ｃからなる材料の結晶磁気異方性エネルギーＫｕの増加に寄与しない。そこで、本実施形態では、上に列挙した元素Ｂが用いられている。ただし、電子数的にいうと５ｄ、４ｆ元素を含まないＢ元素がダンピング定数低減、すなわち、スピン注入磁化反転電流の低減には好ましく、この観点からいうと、元素Ｂとしては、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇが好ましい。
【００５４】
このように、フリー層２が、元素Ａ、Ｂ、Ｃを含んだ材料から構成される。フリー層２が元素Ａ、Ｂの合金から構成されることによって、フリー層２の実効的磁気異方性エネルギーＫｅを正の範囲で高く維持することができる。同時に、元素Ａ、Ｃによってフェリ磁性体を構成することによって、実効的磁気異方性エネルギーＫｅを正の範囲で高く維持しつつ結晶磁気異方性エネルギーＫｕおよび飽和磁化Ｍｓの小さなフリー層２を実現できる。この結果、フリー層２の垂直磁化を維持しやすい状態を保ちながら、磁化反転電流Ｉｃおよび活性化エネルギーＥａを小さくすることができる。
【００５５】
本実施形態では、３ｄ遷移元素をフェリ磁性体化して、フリー層２に用いている。これに対して、希土類元素を用いてフェリ磁性体を実現することも考えられる。希土類元素を用いると、フェリ磁性体の飽和磁化Ｍｓを正負両方の範囲で制御することができるので、飽和磁化Ｍｓの制御の観点からは望ましい。しかしながら、希土類元素を用いたフェリ磁性体、例えばＦｅＣｏ−ＲＥ材料（ＲＥは希土類元素）は、アモルファス構造を有し、アモルファス構造が崩れるとフェロ磁性体となってしまう。また、希土類元素は耐食性が非常に低い。このように、希土類元素は、フリー層２に用いるには、扱いが難しい。また、スピン注入書き込み用のＭＲ素子では、飽和磁化Ｍｓを最低で０まで低下できれば十分であり、飽和磁化に負の値を持たせることは求められない。以上の要素を考慮して、本実施形態では、元素Ａと元素Ｃを用いてフェリ磁性金属を実現している。
【００５６】
また、フリー層２の材料として、ＭｎＡｌ合金を用いることができる。ＭｎＡｌ合金によっても、実効的磁気異方性エネルギーＫｅを正の範囲で高く維持しつつ結晶磁気異方性エネルギーＫｕおよび飽和磁化Ｍｓの小さなフリー層２を実現できる。
【００５７】
また、垂直磁化を有するフェリ磁性金属を得る方法として、貴金属元素と３ｄ遷移金属元素による反強磁性合金に強磁性元素Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを添加することも可能である。貴金属元素と３ｄ遷移金属元素による反強磁性合金は、ＲｈＦｅ合金、ＰｄＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒ合金、ＲｈＭｎ合金、ＡｕＭｎ合金、ＡｕＣｒ合金、ＣｒＭｎ合金、ＰｄＣｒ合金、ＲｕＣｒ合金、ＲｅＣｒ合金などがある。これらの反強磁性の２元系合金は、おおよそ１：１の組成比である。ただし、厳密な意味ではなく、含有可能なＲｈ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｒｅ、Ｒｕの原子組成は、４０ａｔ％から６０ａｔ％の範囲である。
【００５８】
これら合金の中では、ＲｈＭｎ合金、ＡｕＭｎ合金、ＡｕＣｒ合金、ＣｒＭｎ合金、ＰｄＣｒ合金、ＲｕＣｒ合金、ＲｅＣｒ合金などは結晶磁気異方性エネルギーＫｕが小さいために垂直磁気異方性を示さない可能性が高い。これらに対しては、Ｐｔを添加することで、結晶磁気異方性エネルギーＫｕを上げることが可能である。
【００５９】
フェリ磁性体であることを調べるには、ＸＭＣＤ法を用いるとよい。ＸＭＣＤとは、X-ray Magnetic circular dichroismの略であり、Ｘ線磁気円二色性測定法という。ＸＭＣＤ法により、Ａ元素およびＢ元素、さらには、Ｃ元素が磁性を有する場合において、各元素についての磁化応答曲線を取得することが可能である。これにより、含有元素の磁気特性を分解できるため、磁場の応答性が元素ごとで異なれば、フェリ磁性体であることが判別できる。
【００６０】
また、フリー層２は、以下の面関係および方位関係を有することができる。すなわち、ＮａＣｌ構造を有する酸化物層上に、
面関係：ＮａＣｌ構造酸化物（１００）／／Ｌ１0構造合金（００１）
方位関係：ＮａＣｌ構造酸化物［１００］／／Ｌ１0構造合金［１００］
で結晶成長させることによって、Ｌ１0規則構造のｃ軸が膜面に対して垂直な層を形成することが可能となる。ここで、／／は、平行であることを意味している。そこで、後述のように、スペーサ層４として用いることができるＮａＣｌ構造を有する酸化物層上に、上記の面関係および方位関係を持って結晶成長させることができる。これにより、より安定な垂直磁化を実現できる。
【００６１】
（２−２−２）実施例（ＦｅＰｔ合金）
具体的な実施例として、ＦｅＰｔ合金膜へのＭｎの添加について説明する。
【００６２】
ＦｅＰｔ合金は、Ｆｅの組成比がおおよそ５０ａｔ％（３０ａｔ％から７０ａｔ％の範囲）でＬ１0構造を主構造とする。Ｆｅの組成比がＰｔの組成比より大きくなるとＦｅ3Ｐｔ組成のＬ１2構造合金が部分的に形成されやすく、Ｐｔの組成比がＦｅの組成比より大きくなるとＦｅＰｔ3組成のＬ１2構造合金が部分的に形成されやすくなる。
【００６３】
Ｌ１0構造のＦｅＰｔ合金は、ａ＝０．３８５ｎｍ±０．００５ｎｍ、ｃ＝０．３７１ｎｍ±０．００５ｎｍ、ｃ／ａ≒０．９６を有するＦＣＴ格子を有する規則相合金である。Ｌ１0構造のＦｅＰｔ合金は、飽和磁化Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｃ、結晶磁気異方性エネルギーＫｕ＞１×１０7ｅｒｇ／ｃｃを有し、理想的な高Ｋｕ膜である。
【００６４】
ＦｅＰｔ合金にＶ、Ｃｒ、Ｍｎを添加することにより、結晶磁気異方性エネルギーＫｕおよび飽和磁化Ｍｓを小さくすることが可能である。Ｖ、Ｃｒ、ＭｎはＦｅサイトへ置換型で添加される。置換されたＶ、Ｃｒ、Ｍｎは、磁気モーメントを持つが、Ｆｅとは反平行の磁化方向を有する。この結果、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎを添加されたＦｅＰｔ膜全体としてはフェリ磁性体となる。このことは、Ｐｔを部分的あるいは全体をＰｄで置換した場合にも同様である。
【００６５】
図９には、５ｎｍの厚さを有する、Ｌ１0構造のＦｅＰｔ膜へのＭｎの添加量と、飽和磁化Ｍｓおよび垂直磁化保磁力Ｈｃ⊥と、の関係を示した。ＦｅＭｎＰｔ膜のＭｎ原子の組成比で２５ａｔ％まで、すなわちＦｅとの置換率で５０％程度までは、垂直磁化特性を維持しながら、結晶磁気異方性エネルギーＫｕおよび飽和磁化Ｍｓを低減できることが分かった。
【００６６】
飽和磁化ＭｓはＭｎの添加量に応じて減少し、Ｍｎの添加量が２５ａｔ％付近で４００ｅｍｕ／ｃｃ程度の垂直保持力が得られた。また、ＭｇＯからなるスペーサ層４上に、厚さ１ｎｍのＦｅからなる界面層１１、ＦｅＭｎＰｔ合金膜からなるフリー層２を形成し、フリー層２が垂直磁化を有することを確認した。
【００６７】
（２−２−３）実施例（ＭｎＡｌ合金）
別の具体的な実施例として、ＭｎＡｌ合金について説明する。
【００６８】
ＭｎＡｌ合金は、Ｍｎの組成比が３０乃至７０ａｔ％の付近で、Ｌ１0構造規則相を有する。より安定にＬ１0構造規則相を形成するためには、Ｍｎの組成比が４０乃至６０ａｔ％であることが好ましい。ＭｎＡｌ合金は、１００ｅｍｕ／ｃｃ以下の飽和磁化Ｍｓで、かつ５×１０5ｅｒｇ／ｃｃ以上の高い結晶磁気異方性エネルギーＫｕを有する。バルク的なキュリー点は、およそ６４５Ｋである。相図上、τ相あるいはε’相と呼ばれる。単位胞をＦＣＴ構造とすると、ａ＝０．３９４ｎｍ、ｃ＝０．３５８ｎｍ、ｃ／ａ＝０．９０８である。
【００６９】
Ｌ１0構造のＭｎＡｌ合金は、Ｍｎの組成比が５０ａｔ％で強磁性体である。Ｍｎの組成比がこれよりも多くなると、ＭｎのＡｌサイトへの置換が起こり、ＡｌサイトのＭｎは、ＭｎサイトのＭｎと反平行なスピン配列をとる。この結果、このようなＭｎＡｌ合金は、フェリ磁性体となる。
【００７０】
Ａｌの原子組成が５０ａｔ％以上の場合においても、Ｍｎ50Ａｌ50（ａｔ％）をＡｌで希釈する効果となる。したがって、結晶磁気異方性エネルギーＫｕも単純に減少し、同時に、飽和磁化Ｍｓも低下する。従って、Ｌ１0構造のＭｎＡｌ規則相を析出させることが、高い結晶磁気異方性エネルギーＫｕの維持のためには必要である。その観点から、Ｌ１0構造のＭｎＡｌ規則相を析出させるためには、Ａｌの原子組成は７０ａｔ％以下であることが好ましいといえる。
【００７１】
Ｌ１0構造のＭｎＡｌ合金は、低い飽和磁化Ｍｓで高い結晶磁気異方性エネルギーＫｕを有するがために、高い活性化エネルギーＥａを有する。そこで、活性化エネルギーＥａを適切な値へと調整するために、第３の元素Ｘおよび第４の元素Ｙが添加される。また、第３の元素Ｘは、ＭｎＡｌ合金の分極率を向上させ、ＴＭＲ比を向上させる効果も有する。同時に、第３の元素Ｘは、飽和磁化Ｍｓを上げて、活性化エネルギーＥａを下げるための添加元素である。
【００７２】
第３の元素Ｘとしては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉがある。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ元素は、Ｍｎサイトに置換型に配置される。これにより、ＭｎＸＡｌとなり、飽和磁化Ｍｓが増大するために、実効的な垂直磁化の結晶磁気異方性エネルギーＫｕ−ｅｆｆｅｃｔを下げることが可能となり、これによっても活性化エネルギーＥａを下げることができる。ここで、Ｋｕ−ｅｆｆｅｃｔは、
Ｋｕ−ｅｆｆｅｃｔ＝Ｋｕ−２πＭｓ2
で表される。第３の元素Ｘは、Ｍｎサイトに置換されるが、置換する量としては、Ｍｎと元素Ｘの原子組成比で、１以下（０を除く）であることが好ましい。これは、Ｆｅの原子組成比が１を超えると、急激に飽和磁化Ｍｓが増大すると考えられるからである。
【００７３】
また、第３の元素Ｘの添加量は、第４の元素Ｙの添加量によっても、上記の範囲内で依存関係がある。飽和磁化Ｍｓを上げる際、垂直磁化特性を維持するためには、実効的磁気異方性エネルギーＫｅ＞０を確保することが求められる。第３の元素Ｘを添加し、高いＴＭＲを発揮しつつ、実効的な垂直磁化の結晶磁気異方性エネルギーＫｕ−ｅｆｆｅｃｔを０以上に維持するためには、第３の元素Ｘの添加による飽和時Ｍｓの増大分の結晶磁気異方性エネルギーＫｕを増大させる必要が出てくる場合がある。この場合、第４の元素ＹであるＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕを添加する必要が出てくる。結晶磁気異方性エネルギーＫｕの増大の効果としては、ＰｔとＰｄが好ましい添加元素と言えるので、可能な範囲で、ＰｔあるいはＰｄを含めて添加するのが良い。第４の元素Ｙは、第３の元素ＸおよびＭｎと相互作用し、結晶磁気異方性エネルギーＫｕを増大させる効果がある。第４の元素Ｙの添加量は、第３の元素Ｘの添加量に依存関係があるが、ＭｎＡｌ合金をベースに考えると、Ａｌに対する原子組成比で１以下であることが好ましい。
【００７４】
また、ＭｎＡｌ合金は、ＮａＣｌ構造を有する酸化物層上に、下記の面関係および方位関係を持って結晶成長させることができる。
【００７５】
面関係：ＮａＣｌ構造酸化物（１００）／／Ｌ１0構造ＭｎＡｌ合金（００１）
方位関係：ＮａＣｌ構造酸化物［１００］／／Ｌ１0構造ＭｎＡｌ合金［１００］
この規則に沿って形成されることにより、Ｌ１0構造結晶のＭｎＡｌのｃ軸を膜面に対して垂直にすることが可能となり、より安定な垂直磁化を実現できる。例えば、ＭｇＯの（１００）面上では、ＭｎＡｌ合金が（１００）面の優先配向で成長すると、格子ミスフィット量は、非常に小さい。
【００７６】
高いＴＭＲ比を狙う場合においては、後述する界面層を挿入することが好ましい。より具体的には、例えば、ＭｇＯからなるスペーサ層４上に、厚さ２ｎｍのＦｅからなる界面層１１、厚さ５ｎｍのＭｎＡｌからなるフリー層２が積層された構成が取られる。
【００７７】
（３）スペーサ層
次に、スペーサ層についてより詳しく説明する。以下の説明で、スペーサ層４と記載した場合、スペーサ層２１も含むことが意図されている。
【００７８】
スペーサ層４の材料として、従来のアモルファス構造を有するＡｌＯx酸化物よりは、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。ＮａＣｌ構造を有する酸化物としては、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯなどがある。これらの酸化物は安定相としてＮａＣｌ構造を有する。これらのＮａＣｌ構造酸化物は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを主成分として含む、例えばアモルファスＣｏＦｅＮｉＢ合金上、あるいは体心立方（BCC : body-centered cubic）構造で（１００）優先配向面を有するＦｅＣｏＮｉ合金あるいは単元素金属上、ＦＣＴ構造の層の（００１）面で結晶成長させると、（１００）面を優先配向面として成長しやすい。特に、Ｂ、Ｃ、Ｎなどを添加したＣｏＦｅアモルファス合金上では、非常に容易に（１００）面を優先配向させることが可能である。
【００７９】
上記の酸化物の格子定数を示す。
【００８０】
ＭｇＯ：０．４２１１２ｎｍ
ＣａＯ：０．４８１０５ｎｍ
ＳｒＯ：０．５１６０２ｎｍ
ＴｉＯ：０．４１７６６ｎｍ
ＶＯ：０．４０６２ｎｍ
ＮｂＯ：０．４２１０１ｎｍ
格子の伸縮もあるので、実際のＸ線での格子定数測定では、上記の格子定数に±０．０１ｎｍ程度の誤差を生じる。
【００８１】
上記の（１００）面に優先配向した酸化物層上では、Ｌ１0構造の層は、（００１）面優先配向の場合、格子の整合性が良く、ミスフィットが１０％以下である。
【００８２】
フリー層２の磁化とピン層３の磁化とが反平行であると、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しか伝導に寄与できなくなる。この結果、ＭＲ素子１の伝導率Ｇが低下し、抵抗値が大きくなる。反対に、フリー層２の磁化とピン層３の磁化とが平行であると、スピン偏極していないΔ５バンドが伝導を支配するために、ＭＲ素子１の伝導率Ｇが上昇し、抵抗値が小さくなる。したがって、Δ１バンドの形成が高ＴＭＲを出すためのキーとなる。Δ１バンドを形成するためには、ＮａＣｌ構造の酸化物からなるスペーサ層４の（１００）面とフリー層２との界面が整合性よくつながらなければならない。
【００８３】
ＮａＣｌ構造の酸化物層のからなるスペーサ層４の（１００）面での格子整合性をさらに良くするために、界面層１１が挿入される。界面層１１として、スペーサ層４との（１００）面での格子整合が、５％以下となるような材料を選択することがΔ１バンド形成には好ましい。
【００８４】
（４）ピン層
次に、ピン層３についてより詳しく説明する。以下の説明で、スペーサ層３と記載した場合、ピン層２２も含むことが意図されている。
【００８５】
垂直磁化を有するピン層３は、フリー層２より厚く、飽和磁化Ｍｓと厚さｔの積あるいは結晶磁気異方性エネルギーＫｕがフリー層２より十分に大きいことが好ましい。これは、ピン層３内でのスピン蓄積効果、すなわち、磁化スピンから伝導電子への角運動量の移動を効率よく行うためであり、フリー層２からのスピンの注入によりピン層３の磁化が揺らぐことを最小限に抑えるためである。
【００８６】
ピン層３が垂直磁化を有する場合、ピン層３からの漏洩磁場を低減することが好ましい。ピン層３の漏洩磁場は、スピン注入によってフリー層２の磁化とピン層３の磁化方向を平行から反平行にする磁化反転を阻害する。したがって、ピン層３の見かけ上の飽和磁化Ｍｓ（ｎｅｔ−Ｍｓ）は小さい方が良い。
【００８７】
このための１つの方法として、ピン層３をシンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ）構造とすることができる。ＳＡＦ構造のピン層３は、図１０に示すように、強磁性層３ａ、中間層３ｂ、磁性層３ｃの積層構造からなる。強磁性層３ａと強磁性層３ｃは、反平行な磁化配列で安定となるように構成されている。中間層３ｂとしては、例えばＲｕやＯｓなどの元素が用いられる。
【００８８】
また、垂直磁化を有するピン層３の漏洩磁場を減ずるため別の方法として、ピン層３をフェリ磁性材料から構成することができる。この場合、図１１に示すように、ピン層３とスペーサ層４との界面に界面ピン層２３を挿入し、ＭＲ比を発現させる。フェリ磁性材料としては、ＦｅＣｏ−ＲＥ材料が代表的である。ＲＥとしては、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏが垂直磁化を安定化する意味では好ましい。ＦｅＣｏ−ＲＥ合金はアモルファス構造である。ＦｅＣｏ−ＲＥ合金では、補償点付近のＲＥ組成で、飽和磁化Ｍｓがほぼゼロになり、飽和磁化Ｍｓの担い手がＦｅＣｏからＲＥ元素へと移り、保持力Ｈｃが極大化する。よって、ＲＥ元素が５０ａｔ％を超える組成にすることで、界面ピン層２３とピン層３を合わせた見かけ上の飽和磁化ｎｅｔ−Ｍｓをほぼゼロに設定できる。なお、これらの材料をピン層３に用いても、フリー層２について述べた問題は生じない。
【００８９】
スピン注入書き込み用の、垂直磁化を有するＭＲ膜１の場合、フリー層２とピン層３の保磁力に十分な差をつけることが好ましい。フリー層２の保磁力Ｈｃfとピン層の保磁力Ｈｃpの関係は、Ｈｃp＞Ｈｃfとなる。また、飽和磁化Ｍｓと磁性層の厚さｔの積については、ピン層２がＭｓp・ｔpであり、フリー層３がＭｓf・ｔfであるとすると、Ｍｓp・ｔp＞Ｍｓf・ｔfとなることが好ましい。
【００９０】
ピン層３に十分な一方向性を付与するために、ピン層３を反強磁性層と交換結合させることも好ましい。例えば、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｄＭｎ、ＩｒＭｎなどの反強磁性体合金層と、ピン層３として、フリー層２で用いたようなＬ１0構造合金層との組み合わせが挙げられる。反強磁性合金体層とＬ１0構造合金層とは、交換結合される。反強磁性体合金層とＬ１0構造合金層からなるピン層３との格子ミスフィットは小さいので、反強磁性体合金層は、交換結合に加えて、より良い結晶性を有するピン層３を形成するための下地層としての役割も担うことが可能となる。
【００９１】
（５）界面層
次に、界面層についてより詳しく説明する。
【００９２】
シングルピン構造の場合、図２に示すように、界面層１１はスペーサ層４とフリー層２との間に設けることができる。デュアルピン構造の場合、図６乃至図８に示すように、スペーサ層４とフリー層２との間の界面層１１、スペーサ層２１とフリー層２との間の界面層１３の、いずれかまたは両方を設けることができる。
【００９３】
界面層１１、１３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる元素を主成分として含有する強磁性体からなる。ここで、主成分とは、主成分としての元素が５０ａｔ％以上の組成で含有されていることを意味する。
【００９４】
界面層１１、１３の厚さは、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。０．５ｎｍ未満では、界面層１１、１３を挿入することにより得られる効果が得られない。一方、３．０ｎｍを越えると、ＭＲ素子１の各層が垂直磁化を維持できなくなる。
【００９５】
ここで、界面層１１、１３を挿入することにより、例えばＭｇＯからなるスペーサ層４、２１とフリー層２との界面において、フリー層２に強磁性体としての磁化配列を与えることができる。これにより、ＭＲ素子１のＭＲ比の変化率の劣化を抑制できる。フェリ磁性体では、界面付近でも元素が反平行の磁化状態を取リ得るためである。より詳細には、フリー層２の表面が確率的に５０％以上、強磁性体で被覆されていれば効果を発揮する。したがって、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素からのみで構成される場合、界面層１１、１３が、原子層単位（ＭＬ：モノレイヤー）を用いて０．５ＭＬ（原子層）以上あればよい。
【００９６】
一方、１ＭＬを基準として考えると、界面層１１、１３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１つ以上の元素を５０ａｔ％より多く含有する強磁性体からなることが要求される。ただし、この規定は置換型でＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ以外の元素が添加される場合である。Ｂ、Ｃ、Ｎなどのような侵入型で添加される元素については、添加量は無視することができる。これらの例としては、（Ｃｏ1-YＦｅY）100-xＢx、Ｆｅ100-xＢx、Ｃｏ100-xＢxなどが挙げられる。
【００９７】
上述したＣｏＦｅＢ膜は、膜形成後のアニールでアモルファス（非晶質）構造からＢＣＣ構造となる組成が好ましい。成膜直後の膜において、Ｂを１５ａｔ％以上３０ａｔ％以下で含む場合、形成直後のＣｏＦｅＢ膜はアモルファス（非晶質）構造となり、膜形成後の熱処理によりＣｏＦｅを再結晶化させることができる。この場合においては、ＦｅとＣｏの原子組成比は問わない。再結晶化したＣｏＦｅは、その組成によらず、ＢＣＣ構造相を再結晶化させることが可能である。
【００９８】
上記のように、界面層１１、１３の厚さの上限は、３．０ｎｍである。これは、強磁性体からなる界面層１１、１３のスピン拡散長から決まっている。また、垂直磁化の観点からも、界面層１１、１３が３．０ｎｍを超えると垂直磁化特性の劣化がはなはだしくなる。
【００９９】
ＮａＣｌ構造を有する酸化物層からなるスペーサ層４上に界面層１１が形成される場合の（１００）面での格子整合性を考えると、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを主成分とする界面層１１は、ＢＣＣ構造であることが好ましい。このとき、ＢＣＣ構造の界面層１１は、（１００）面に優先配向している。ＢＣＣ構造の界面層１１とＮａＣｌ構造のスペーサ層４の方位関係は以下のようになる。
【０１００】
面関係：ＮａＣｌ構造層（１００）／／ＢＣＣ構造層（００１）
方位関係：ＮａＣｌ構造層［１００］／／ＢＣＣ構層［１１０］
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを主成分とするＢＣＣ構造の界面層１１、１３は、格子定数が０．２８８ｎｍ±０．０５ｎｍであり、ＮａＣｌ構造のスペーサ層４の（１００）面との格子整合は小さい。
【０１０１】
Ｆｅからなる界面層の効果について検証した結果を以下に示す。面内磁化を有する、Ｆｅ40Ｍｎ10Ｐｔ50［２ｎｍ］／Ｆｅ［ｔｎｍ］／ＭｇＯ［１ｎｍ］／Ｍｇ［０．４ｎｍ］／ＣｏＦｅＢ［３ｎｍ］（［］内は厚さを示し、スラッシュ／の左側の材料からなる層が右側の材料からなる層の上に形成されていることを示す）の積層構造を有するＭＲ素子を作成した。そして、このＭＲ素子のＭＲ比の、Ｆｅ界面層の厚さｔに対する依存性を評価した。Ｆｅ界面層が厚くなるに従いＭＲ比が向上した。Ｆｅ界面層の厚さｔが２ｎｍでおよそ１００％のＭＲ比が得られた。ＭＲ比は、磁化容易軸が面内か垂直かに依存するものではないので、界面層の挿入はＭＲ比の増大につながることが確認された。
【０１０２】
以上の述べたように、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子によれば、スピン注入によって磁化状態が反転し、フリー層２が上記の元素Ａ、Ｂ、Ｃを含んでいる。このため、フリー層２の垂直磁化を維持しやすい状態を保ちながら、磁化反転電流Ｉｃおよび活性化エネルギーＥａを小さくすることができる。この結果、熱的に安定であると同時に低電流での磁化反転が可能なスピン注入書き込み方式用の磁気抵抗効果素子を得られる。
【０１０３】
（第２実施形態）
第２実施形態は、第１実施形態のＭＲ素子を用いたＭＲＡＭに関する。
【０１０４】
スピン注入書き込み型のＭＲＡＭについて説明する。
【０１０５】
図１２は、本発明の第２実施形態に係るＭＲＡＭの１つのメモリセルの主要部を示す断面図である。図１２に示すように、ＭＲ素子１の上面は、上部電極３１を介してビット線３２と接続されている。また、ＭＲ素子１の下面は、下部電極３３、導電層（引き出し線）３４、プラグ３５を介して、半導体基板３６の表面のソース／ドレイン拡散領域３７ａと接続されている。
【０１０６】
ソース／ドレイン拡散領域３７ａは、ソース／ドレイン拡散領域３７ｂ、基板３６上に形成されたゲート絶縁膜３８、ゲート絶縁膜３８上に形成されたゲート電極３９と共に、選択トランジスタＴｒを構成する。選択トランジスタＴｒとＭＲ素子１とは、ＭＲＡＭの１つのメモリセルを構成する。
【０１０７】
ソース／ドレイン拡散領域３７ｂは、プラグ４１を介してもう１つのビット線４２と接続されている。
【０１０８】
なお、引き出し線３４を用いずに、下部電極３３の下方にプラグ３５が設けられ、下部電極３３とプラグ３５が直接接続されていてもよい。
【０１０９】
ビット線３２、４２、電極３１、３３、導電層３４、プラグ３５、４１は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕ等から構成されている。
【０１１０】
図１２に示す１つのメモリセルが例えば行列状に複数個設けられることにより、ＭＲＡＭのメモリセルアレイが形成される。図１３は、本発明の第２実施形態に係るＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。
【０１１１】
図１３に示すように、ＭＲ素子１と選択トランジスタＴｒとからなる複数のメモリセル５３が行列状に配置されている。同じ列に属するメモリセル５３の一端は同じビット線３２と接続され、他端は同じビット線４２と接続されている。同じ行に属するメモリセル５３のゲート電極（ワード線）３９は相互に接続され、さらにロウデコーダ５１と接続されている。
【０１１２】
ビット線３２は、トランジスタ等のスイッチ回路５４を介して電流ソース／シンク回路５５と接続されている。また、ビット線４２は、トランジスタ等のスイッチ回路５６を介して電流ソース／シンク回路５７と接続されている。電流ソース／シンク回路５５、５７は、書き込み電流（反転電流）を、接続されたビット線３２、４２に供給したり、接続されたビット線３２、４２から引き抜いたりする。
【０１１３】
ビット線４２は、また、読み出し回路５２と接続されている。読み出し回路５２は、ビット線３２と接続されていてもよい。読み出し回路５２は、読み出し電流回路、センスアンプ等を含んでいる。
【０１１４】
書き込みの際、書き込み対象のメモリセルと接続されたスイッチ回路５４、５６および選択トランジスタＴｒがオンされることにより、対象のメモリセルを介する電流経路が形成される。そして、電流ソース／シンク回路５５、５７のうち、書き込まれるべき情報に応じて、一方が電流ソースとして機能し、他方が電流シンクとして機能する。この結果、書き込まれるべき情報に応じた方向に書き込み電流が流れる。
【０１１５】
書き込み速度としては、数ナノ秒から数マイクロ秒までのパルス幅を有する電流でスピン注入書込みを行うことが可能である。
【０１１６】
読み出しの際、書き込みと同様にして指定されたＭＲ素子１に、読み出し電流回路によって磁化反転を起こさない程度の小さな読み出し電流が供給される。そして、読み出し回路３２は、ＭＲ素子１の磁化の状態に応じた抵抗値に起因する電流値あるいは電圧値を、参照値と比較することで、その抵抗状態を判定する。
【０１１７】
なお、読み出し時は、書き込み時よりも電流パルス幅が短いことが望ましい。これにより、読み出し時の電流での誤書込みが低減される。これは、書き込み電流のパルス幅が短い方が、書き込み電流値の絶対値が大きくなるということに基づいている。
【０１１８】
第２実施形態によれば、第１実施形態の磁気抵抗効果素子を用いることによって、熱的に安定であると同時に低電流での磁化反転が可能なスピン注入書き込み方式の磁気ランダムアクセスメモリを得られる。
【０１１９】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図２】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図３】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図４】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図５】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図６】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図７】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図８】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図９】Ｌ１0構造のＦｅＰｔ膜へのＭｎの添加量と、飽和磁化および垂直磁化保磁力との関係を示す図。
【図１０】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図１１】第１実施形態に係るＭＲ素子の主要部の一例を示す図。
【図１２】第２実施形態に係るＭＲ素子を用いたメモリセルの主要部を示す図。
【図１３】第２実施形態に係るＭＲ素子を用いたＭＲＡＭの回路図。
【符号の説明】
【０１２１】
１…ＭＲ素子、２…強磁性層（ピン層）、３…強磁性層（フリー層）、４…スペーサ層、５…下地層、６…キャップ層。
【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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