(57)【要約】【課題】各記憶素子間の反転磁界のばらつきおよびアステロイドのずれを抑制し、これにより各記憶素子への選択記録のマージンを大きく確保する。【解決手段】少なくとも二つの強磁性領域２４，２５，２６，２８とこれらに挟まれた非磁性層２７とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域２４，２５，２６の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域２８の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層２７の前に成膜される強磁性領域２６を、二種以上の異なる強磁性材料の積層体２６ａ，２６ｂからなるものとする。【選択図】　　　　図４
2004023015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子において、
前記非磁性層の前に成膜される強磁性領域は、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなる
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記積層体は、当該積層体を構成する強磁性材料の少なくとも一つが、当該積層体を構成する他の強磁性材料と平衡状態での結晶構造を異にするものである
ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記積層体は、当該積層体を構成する強磁性材料の少なくとも一つが非晶質である
ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記積層体は、コバルトおよび鉄を含む合金材料と、コバルト、鉄およびホウ素を含む合金材料とからなる二層構造を有している
ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記積層体は、前記非磁性層との界面の粗さＲａが４Å以下である
ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記非磁性層と当該非磁性層の前に成膜される強磁性領域との間の磁気的な相互作用磁界のうち、当該強磁性領域の前記非磁性層との界面粗さに起因するネール結合磁界が５Ｏｅ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記非磁性層が絶縁体または半導体からなり、当該非磁性層とこれを挟む二つの強磁性領域とで強磁性トンネル接合を形成する
ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記非磁性層が金属からなり、当該非磁性層とこれを挟む二つの強磁性領域とで巨大磁気抵抗効果を発生させる
ことを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子を製造するための製造方法であって、
前記二つの強磁性領域および前記非磁性層をその積層順に成膜するとともに、
前記非磁性層の成膜に先立って行う強磁性領域の成膜に際して、二種以上の異なる強磁性材料を順に成膜し、当該強磁性領域を前記強磁性材料の積層体によって形成する
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子を具備し、当該磁気抵抗効果素子における強磁性領域の磁化方向の変化を利用して情報記録を行う磁気メモリ装置において、
前記磁気抵抗効果素子は、前記非磁性層の前に成膜される強磁性領域が、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものである
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項１１】
前記磁気抵抗効果素子が複数配されている場合に、各磁気抵抗効果素子での磁化方向の反転に必要となる外部磁界の大きさのばらつきが、標準偏差／平均値で１２％以下に収まっている
ことを特徴とする請求項１０記載の磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部から加える磁界によって抵抗値が変化するという、いわゆるＭＲ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を発生する磁気抵抗効果素子およびその製造方法、並びにその磁気抵抗効果素子を用いて情報を記憶するメモリデバイスとして構成された磁気メモリ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信機器、特に携帯端末装置等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジックといったデバイスには、高集積化、高速化、低電力化等、より一層の高性能化が要請されている。特に、不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分（例えばヘッドシーク機構やディスク回転機構）の存在により本質的に小型化が困難なハードディスク装置や光ディスク装置を置き換える相補的な技術として、益々重要になりつつある。
【０００３】
このような要求に応え得る不揮発性メモリとして注目されているのが、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ばれる磁気メモリ装置である。ＭＲＡＭは、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ；ＧＭＲ）型またはトンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ；ＴＭＲ）型の記憶素子を用いて情報記録を行うもので、特に近年のＴＭＲ材料の特性向上により注目を集めるようになってきている（例えば、「Ｎａｊｉ　ｅｔ　ａｌ．ＩＳＳＣＣ２００１」）。
【０００４】
ここで、ＭＲＡＭの動作原理について簡単に説明する。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された磁気抵抗効果型の記憶素子（セル）を有するとともに、特定の記憶素子への情報記録のためにこれら素子群を縦横に横切る導線（ワード線）および読出し用線（ビット線）を有しており、その交差領域に位置する素子のみに選択的に情報の書き込みを行うように構成されている。つまり、記憶素子への書き込みは、ワード線およびビット線の両方に電流を流すことによって発生する合成電流磁界を用いて、各記憶素子における磁性体の磁化方向を制御することにより行う。一般的には、磁化の向きに応じて、「０」または「１」のいずれかの情報を記憶させる。一方、記憶素子からの情報の読み出しは、トランジスタ等の素子を用いて記憶素子の選択を行い、磁気抵抗効果を通じてその記憶素子における磁性体の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。記憶素子の膜構成としては、強磁性体／非磁性体／強磁性体からなる三層構造、すなわち強磁性トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）と呼ばれる構造が提案されている。ＭＴＪ構造では、片方の強磁性体の磁化の向きを固定参照層（ピンド／リファレンス層）、他方を記憶層（フリー層）として用いることによって、トンネル磁気抵抗効果を通じて記憶層における磁化方向が電圧信号と対応するようになるので、上述したような電圧信号としての取り出しが実現可能となるのである。
【０００５】
続いて、書き込み時における記憶素子の選択についてさらに詳しく説明する。一般に、強磁性体の容易軸方向に磁化方向と反対向きの磁界を印加すると、ある臨界値±Ｈｓｗ（以下「反転磁界」という）において、磁化方向が印加された磁界の方向に反転することが知られている。この反転磁界の値は、理論的にはエネルギ最小条件から求めることができる。さらに、磁化容易軸だけでなく磁化困難軸方向にも磁界を印加した場合には、この反転磁界の絶対値が減少することが知られている。これも、やはりエネルギ最小条件から求めることができる。すなわち、磁化困難軸方向に印加した磁界をＨｘとすると、このときの反転磁界Ｈｙとの間には、Ｈｘ（２／３）＋Ｈｙ（２／３）＝Ｈｃ（２／３）という関係が成立する。Ｈｃは記憶層の異方性磁界である。この曲線は、図９（ａ）に示すように、Ｈｘ−Ｈｙ平面上でアステロイド（星芒）を形成するため、アステロイド曲線と呼ばれる。
【０００６】
記憶素子の選択は、このアステロイドを用いて説明するのが簡単である。一般に、ワード線からの発生磁界が磁化容易軸方向と略一致している構成のＭＲＡＭにおいては、ワード線からの発生磁界により磁化を反転させて情報の記録を行う。ところが、そのワード線から等距離に位置する記憶素子は複数個あるため、ワード線に反転磁界以上の磁界を発生させる電流を流すと、これら等距離に位置する記憶素子の全てについて同様に記録をしてしまうことになる。ただし、このとき、選択したい記憶素子を横切るビット線に電流を流し、磁化困難軸方向の磁界を発生させると、その選択したい記憶素子における反転磁界が下がる。したがって、このときの反転磁界をＨｃ（ｈ）とし、ビット線磁界が「０」の場合の反転磁界をＨｃ（０）とすると、ワード線磁界ＨをＨｃ（ｈ）＜Ｈ＜Ｈｃ（０）となるように設定すれば、その選択したい記憶素子のみに対して選択的に情報記録を行うことができるようになる。これがＭＲＡＭにおける情報記録時の記憶素子選択の手法である。
【０００７】
このような構成のＭＲＡＭは、不揮発性であり、非破壊読み出しおよびランダムアクセスが可能であるという点の他に、以下に述べるような特徴を有する。すなわち、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また記憶素子における磁気モーメントの回転により情報記録を行うために書き換え可能回数が大である（例えば、１０１６回以上）。さらには、アクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている（例えば、５ｎｓ以下）。また、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）作製後に配線工程のみで形成されるため、プロセス整合性がよい。特に、書き換え可能回数、ランダムアクセス、高速動作の３点においてフラッシュメモリよりも優れ、またプロセス整合性の点でＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）に勝る。さらには、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）並みの高集積度とＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）並みの高速性を両立できると期待されるため、メモリ装置の主流となり得る可能性を秘めている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＲＡＭについては、フラッシュメモリやＦｅＲＡＭ等といった他の不揮発性メモリあるいはＤＲＡＭやＳＲＡＭ等の揮発性メモリのようなＭＯＳスイッチ等ではなく、直交磁場による選択記録という特徴的な書き込み方式を採用しているため、ＭＲＡＭ固有の技術的課題も存在する。直交磁場による選択記録については、既に図９（ａ）のアステロイド曲線を参照しながら説明したが、図例のアステロイド曲線は理想的なものであり、現実にＭＲＡＭを評価することで得られるアステロイド曲線は、図９（ｂ）に示すような二つの特徴を有したものとなる。すなわち、現実に得られるアステロイド曲線においては、▲１▼各困難軸方向磁界に対する反転磁界の値が各記憶素子間で異なっており（以下、このことを「反転磁界のばらつき」という）、また▲２▼アステロイド曲線自体に容易軸磁場方向（図中の上下方向）へのずれが生じている（以下、このことを「アステロイドのずれ」という）。
【０００９】
これら二つの特徴▲１▼，▲２▼を有したアステロイド曲線の場合には、直交磁場による選択記録を行うことが可能な領域が、図９（ｂ）中におけるハッチング領域に限られてしまい、図９（ａ）に示す理想的なアステロイド曲線の場合に比べて、選択記録のマージン確保が困難になってしまう。このことから、情報記録時の素子選択を的確に行うためには、各記憶素子間の反転磁界のばらつきを抑制し、かつ、アステロイドのずれを「０」に近づけることが重要である。
【００１０】
そこで、本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて、各記憶素子間の反転磁界のばらつきを抑制し、かつ、アステロイドのずれを「０」に近づけることを容易に実現可能とし、これにより選択記録のマージンを大きく確保して良好な記録特性を実現することができる磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために案出された物で、少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層の前に成膜される強磁性領域は、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された方法で、少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子を製造するための製造方法であって、前記二つの強磁性領域および前記非磁性層をその積層順に成膜するとともに、前記非磁性層の成膜に先立って行う強磁性領域の成膜に際して、二種以上の異なる強磁性材料を順に成膜し、当該強磁性領域を前記強磁性材料の積層体によって形成することを特徴とする。
【００１３】
また、上記目的を達成するために案出された物で、少なくとも二つの強磁性領域とこれらに挟まれた非磁性層とからなる積層構造を有し、一方の強磁性領域の磁化方向が固定され、他方の強磁性領域の磁化方向が外部磁界に応じて反転するように構成された磁気抵抗効果素子を具備し、当該磁気抵抗効果素子における強磁性領域の磁化方向の変化を利用して情報記録を行う磁気メモリ装置において、前記磁気抵抗効果素子は、前記非磁性層の前に成膜される強磁性領域が、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであることを特徴とする。
【００１４】
上記構成の磁気抵抗効果素子、上記手順の磁気抵抗効果素子の製造方法、および上記構成の磁気メモリ装置によれば、非磁性層の前に成膜される強磁性領域が単一の強磁性材料の層からなる場合に比べて、その強磁性領域における非磁性層との界面の平坦化が図れる。これは、単一の層の場合よりも、二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるほうが、結晶粒の成長を抑えられるからである。すなわち、その結晶粒の大きさに起因して表面粗さが荒れてしまうのを回避できるからである。そして、非磁性層との界面の平坦化は、各層の界面の状態に起因して発生するネール結合磁界の影響、すなわち強磁性領域における反転磁界のばらつきやアステロイドずれを招く要因の排除に繋がることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明に係る磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置について説明する。ここでは、磁気抵抗効果素子としてＴＭＲ型スピンバルブ素子（以下、単に「ＴＭＲ素子」という）を、また磁気メモリ装置としてＴＭＲ素子を具備したＭＲＡＭを、それぞれ例に挙げて説明する。
【００１６】
〔磁気メモリ装置の概要〕
先ず、はじめに、本発明に係る磁気メモリ装置全体の概略構成について説明する。図１は、ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配された複数のＴＭＲ素子１を備えている。さらに、これらのＴＭＲ素子１が配された行および列のそれぞれに対応するように、相互に交差するワード線２およびビット線３が、各ＴＭＲ素子１群を縦横に横切るように設けられている。そして、各ＴＭＲ素子１は、ワード線２とビット線３とに上下から挟まれた状態で、かつ、これらの交差領域に位置するように、それぞれが配置されている。なお、ワード線２およびビット線３は、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）またはこれらの合金等の導電性物質を、化学的または物理的に堆積した後に選択的にエッチングする、といった周知の手法を用いて形成されるものとする。
【００１７】
図２は、ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。それぞれのＴＭＲ素子部分では、半導体基板４上に、ゲート電極５、ソース領域６およびドレイン領域７からなる電界効果トランジスタが配設され、さらにその上方に、ワード線２、ＴＭＲ素子１およびビット線３が順に配設されている。このことからも明らかなように、ＴＭＲ素子１は、ワード線２とビット線３との交差点において、これらワード線２およびビット線３に上下から挟まれるように配されている。なお、ＴＭＲ素子１は、バイパス線８を介して電界効果トランジスタと接続している。
【００１８】
このような構成により、ＭＲＡＭでは、ＴＭＲ素子１の記憶層に対して、ワード線２およびビット線３の両方に電流を流すことによって合成電流磁界を発生させ、その合成電流磁界を用いて記憶層の磁化方向を変化させることにより、情報の書き込みを行う。また、ＴＭＲ素子１からの情報の読み出しは、電界効果トランジスタを用いてＴＭＲ素子１の選択を行い、そのＴＭＲ素子１における情報記憶層の磁化方向を電圧信号として取り出すことによって行う。
【００１９】
〔磁気抵抗効果素子の構成〕
続いて、このようなＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子１自体の構成について説明する。ＴＭＲ素子１は、ＭＴＪ構造の膜構成を有する。図３は、ＭＴＪ構造の基本的な構成例を示す模式図である。ＭＴＪ構造は、強磁性体／絶縁体／強磁性体からなる三層構造からなり、片方の強磁性体層の磁化の向きを固定参照層（ピンド／リファレンス層）１１、他方を記憶層（フリー層）１２として用いる。そして、ワード線２およびビット線３が発生する合成電流磁界によって、その記憶層１２の磁化方向を変化させることで、情報の書き込み（記録）を行うとともに、トンネルＭＲ効果を通じてその記憶層１２における磁化方向と電圧信号を対応させている。これら二つの強磁性体層、すなわち固定参照層１１および記憶層１２の間に挟まれた絶縁体層は、例えばＡｌの酸化物からなり、トンネル障壁層１３としての機能を有する。なお、下地層１４や保護層１５といった、その他の層は、一般には磁性を持たない材料からなる。
【００２０】
図４は、ＭＴＪ構造のＴＭＲ素子をさらに具体的に説明するための模式図である。ＴＭＲ素子１としては、例えば、被成膜物である基板（例えばバイパス線）２１上に、Ｔａ（タンタル）膜２２と、ＰｔＭｎ（白金マンガン）膜２３と、ＣｏＦｅ（コバルト鉄）膜２４と、Ｒｕ（ルテニウム）膜２５と、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ホウ素）膜２６と、Ａｌ−Ｏｘ（酸化アルミニウム）膜２７と、ＣｏＦｅＢ膜２８と、Ｔａ膜２９とが、順に積層されてなるものが挙げられる。
【００２１】
このようなＴＭＲ素子１のうち、Ｔａ膜２２は下地層１４として機能するようになっている。また、ＰｔＭｎ膜２３は反強磁性層として、非磁性層であるＲｕ膜２５を介してＣｏＦｅ膜２４およびＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６が積層された積層フェリ構造部は固定層として、それぞれ機能するものである。そして、その積層フェリ構造部の磁化方向をＰｔＭｎ膜２３が直接的または間接的に固定することで、これらの各層は固定参照層１１として機能することになる。さらに、Ａｌ−Ｏｘ膜２７はトンネル障壁層１３として、ＣｏＦｅＢ膜２８は記憶層１２として、Ｔａ膜２９は保護層１５として、それぞれ機能するようになっている。
【００２２】
ところで、以上のような積層構造のＴＭＲ素子１では、Ａｌ−Ｏｘ膜２７の直下に位置するＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６が、ＣｏＦｅ膜２６ａおよびＣｏＦｅＢ２６膜ｂといった二種類の異なる強磁性材料の積層体からなる点に、大きな特徴がある。すなわち、Ａｌ−Ｏｘ膜２７の前に成膜されるＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６が、ＣｏおよびＦｅを含む合金材料と、Ｃｏ、ＦｅおよびＢを含む合金材料とからなる二層構造を有している。これにより、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６では、その積層体を構成する各膜２６ａ，２６ｂが、平衡状態での結晶構造を互いに異にするものとなっている。また、ＣｏＦｅＢ２６膜ｂでは、Ｂを含んでいることで、明瞭な結晶粒界のない非晶質（ｎｏｎ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）のアモルファス（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）構造となっている。
【００２３】
〔磁気抵抗効果素子の製造方法〕
次に、以上のような構成のＴＭＲ素子１の製造方法およびこれに用いる製造装置について説明する。ＴＭＲ素子１の製造装置としては、例えば背圧を超高真空領域にまで排気したマグネトロンスパッタ装置を用いる。
【００２４】
そして、そのマグネトロンスパッタ装置により、例えば表面を熱酸化したＳｉ（ケイ素）基板２１上に、Ｔａ膜２２を３ｎｍ厚、ＰｔＭｎ膜２３を３０ｎｍ厚、ＣｏＦｅ膜２４を２．５ｎｍ厚、Ｒｕ膜２５を０．８ｎｍ厚、ＣｏＦｅ膜２６ａを１．５ｎｍ厚、ＣｏＦｅＢ膜２６ｂを３ｎｍ厚、Ａｌ膜を１ｎｍ厚で、それぞれ順に積層する。このときのＣｏＦｅ膜２６ａおよびＣｏＦｅＢ膜２６ｂのターゲット組成は、例えばＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ２０（原子％）とすることが考えられる。その後は、Ａｌ膜を純酸素中でプラズマ酸化させ、均一なＡｌ−Ｏｘ膜２７を得る。そして、Ａｌ−Ｏｘ膜２５を得た後、再びマグネトロンスパッタ装置により、ＣｏＦｅＢ膜２８を３ｎｍ厚、Ｔａ膜２９を５ｎｍ厚で、それぞれ順に成膜する。最後に、ＰｔＭｎ膜２３の規則合金化のための熱処理を、磁界中、例えば２８０℃で１時間行う。
【００２５】
〔磁気抵抗効果素子の特性〕
次に、以上のようにして製造されたＴＭＲ素子１の特性について説明する。ここでは、ＴＭＲ素子１（以下「試料Ａ」という）の特性を、従来の構成によるＴＭＲ素子（以下「試料Ｂ」という）と比較しながら説明する。試料Ｂは、熱酸化Ｓｉ基板上に、試料Ａの場合と同様の製造方法で、Ｔａ膜３ｎｍ厚、ＰｔＭｎ膜３０ｎｍ厚、ＣｏＦｅ膜２．５ｎｍ厚、Ｒｕ膜０．８ｎｍ厚、ＣｏＦｅ膜３ｎｍ厚、Ａｌ膜１ｎｍの順に積層し、そのＡｌ膜をプラズマ酸化させた後に、ＣｏＦｅＢ膜３ｎｍ厚、Ｔａ膜５ｎｍを順に積層したものである。ＰｔＭｎ膜についての規則化熱処理も同様に行っている。すなわち、試料Ａ，Ｂの相違点は、Ａｌ−Ｏｘ膜の直下にある層が、二層構造の積層体からなるＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６であるか、単層のＣｏＦｅ膜であるかの違いだけである。
【００２６】
これら試料Ａおよび試料Ｂについて、特にＡｌ−Ｏｘ膜とその直下にある二層構造のＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６または単層のＣｏＦｅ膜との界面に着目しつつ、その断面状態を例えばＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察すると、試料Ａにおける界面のほうが試料Ｂにおける界面よりも明らかに平坦となっていることがわかった。これは、単一の層の場合よりも二層構造のほうが結晶粒の成長を抑えられるからであると考えられる。つまり、二層構造であれば、単一の層を成膜する場合の如く結晶粒が大きく成長する可能性が低くなるので、その結晶粒の大きさに起因して表面粗さが荒れてしまうのを回避できるようになり、結果としてＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６のＡｌ−Ｏｘ膜２７側の界面の平坦化が図れるのである。
【００２７】
また、試料Ａおよび試料Ｂについて、アステロイドのずれを測定したところ、図５に示すような測定結果が得られた。図例では、例えば平面形状が楕円状に形成されたＴＭＲ素子１において、そのアステロイドの容易軸方向へのずれＨｆを、ＴＭＲ素子１の長軸方向の寸法Ｌの逆数に対してプロットして示している。なお、図中における直線は、それぞれのプロットを直線近似したものである。
【００２８】
一般に、アステロイドのずれが生じる要因としては、ＭＴＪ構造における固定参照層１１、記憶層１２およびトンネル障壁層１３の間の界面の粗さに起因するネール結合磁界による影響と、固定参照層１１の側端面からの漏洩磁界による影響との二つが挙げられる。これら二つのうち、漏洩磁界による影響は素子サイズに依存するが、ネール結合磁界による影響は素子サイズに依らずに略一定である。したがって、図５に示したプロット点を横軸「０」に外挿した値がネール結合磁界を与えることになる（例えば、「Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｎ−ｓｉｚｅ　ｆｉｌｍｓ　ｉｎ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｕｎｎｅｌ　ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」Ａ．Ａｎｇｕｅｌｏｕｃｈ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７６，Ｎｏ．５，３１，ｊａｎｕａｒｙ２０００）。これによると、試料Ａのネール結合磁界は１．０Ｏｅ（エルステッド）であるのに対し、試料Ｂのネール結合磁界は５．１Ｏｅであり、明らかに試料Ａの方がネール結合磁界が小さいことがわかる。
【００２９】
ただし、ネール結合磁界は、界面の粗さに起因して生じるだけではなく、固定参照層１１の飽和磁化に比例し、また固定参照層１１の膜厚にも依存する。ところが、試料Ａの固定参照層１１として機能するＣｏＦｅＢ膜２６ｂの飽和磁化は９６５ｅｍｕ／ｃｃ、また試料Ｂにおける場合のＣｏＦｅ膜の飽和磁化は１５６０ｅｍｕ／ｃｃであるため、図５の測定結果から得られるネール結合磁界の差は、これら飽和磁化の差だけでは解明できない。また、固定参照層１１の膜厚が厚いほどネール結合磁界も大きくなるはずであるが、図５の測定結果では、これと矛盾する結果が得られている。これらのことから、試料Ａにて観察されるネール結合磁界の低減化は、ＣｏＦｅＢ膜２６ｂの界面の粗さ（ラフネス）の低減によるものと考えることができる。このことは、上述した断面のＴＥＭ観察結果とも矛盾しない。
【００３０】
つまり、試料Ａにおいては、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６が二層構造であり、ＣｏＦｅ膜２６ａにおける結晶成長をＣｏＦｅＢ膜２６ｂの成膜によって分断し、その結晶粒成長に起因する界面粗さを荒れを回避して、その界面を平坦化することができるが故に、ネール結合磁界の発生を試料Ｂの場合よりも低減でき、その結果、記憶層１２として機能するＣｏＦｅＢ膜２８でのアステロイドずれを抑制することができるのである。なお、界面粗さとネール結合磁界とを結びつける関係としては、以下に示す（１）式が知られている（例えば、「Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｌｍ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｎ　Ｎｅｅｌ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｉｎ　ｓｐｉｎ　ｖａｌｖｅｓ」Ｊ．Ｃ．Ｓ．ｋｏｏｌｓ　ｅｔ　ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．８，１５，Ａｐｒｉｌ１９９９）。
【００３１】
【数１】
2004023015.tif 000003
【００３２】
この（１）式において、ｈおよびλは界面粗さの振幅および周期であり、ＭｓＰは固定参照層１１の飽和磁化であり、ｄＦ、ｄＰ、ｄＡｌ−Ｏｘはそれぞれ記憶層１２、固定参照層１１、トンネル障壁層１３の厚さである。このような（１）式および図５に示したアステロイドずれの測定結果を基に、界面粗さの振幅を算出すると、試料ＡにおけるＣｏＦｅＢ膜２６ｂの粗さＲａは４．０Å、試料ＢおけるＣｏＦｅ膜の粗さＲａは４．８Åであることがわかった。
【００３３】
また、試料Ａおよび試料Ｂについて、反転磁界のばらつきを測定したところ、図６に示すような測定結果が得られた。図例では、４インチウエハの全面に形成される数の試料Ａおよび試料Ｂについて、それぞれ反転磁界を測定した結果を、ヒストグラム化して示している。図例からも明らかなように、試料Ａについては、試料Ｂと比較して、反転磁界の測定結果の分布が狭い範囲に抑えられていることがわかる。具体的には、標準偏差／平均値で比較すると、試料Ｂにおける分布範囲が１７％程度であるのに対して、試料Ａについてはその分布範囲が１２％程度となっている。このように、試料Ａについての分布範囲が狭くなっているのは、上述したような界面粗さの平坦化の効果により、ＣｏＦｅＢ膜２８における磁化反転プロセスが単純化されたためと考えられる。
【００３４】
これらのことから、試料Ａについては、Ａｌ−Ｏｘ膜２７の直下に位置するＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６がＣｏＦｅ膜２６ａおよびＣｏＦｅＢ膜２６ｂからなる二層構造であるため、そのＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜２６のＡｌ−Ｏｘ膜２７側の界面の平坦化が図れ、これによりその界面の状態に起因するネール結合磁界の発生を抑制して、ＣｏＦｅＢ膜２８における反転磁界のばらつきやアステロイドずれを招く要因を排除することが可能であるといえる。
【００３５】
〔他の磁気抵抗効果素子の例〕
ここまでは、本発明の具体例として試料Ａを挙げて説明したが、この試料Ａは一例に過ぎず、これに限定されるものでないことは勿論である。図７は、他の積層膜構成についての反転磁界ばらつき、ネール結合磁界の発生量および界面粗さの測定結果を示す説明図である。他の積層膜構成としては、図中に示すように、固定参照層として機能する領域部分の材料、構成、膜厚等が異なるものを、試料Ｃ〜Ｇとして挙げている。
【００３６】
試料Ｃ〜Ｇのいずれも、トンネル障壁層として機能するＡｌ−Ｏｘ膜の直下に位置する固定参照層の領域が、二種または三種の異なる強磁性材料（Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）、ＣｏＦｅＢ、Ｎｉ８１Ｆｅ１９（原子％）等）の積層体からなる。そのため、試料Ｃ〜Ｇは、そのいずれも、反転磁界のばらつきが標準偏差／平均値で７％程度、すなわち試料Ａにおける１２％以下となっている。ネール結合磁界についても、試料Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの順に１．５Ｏｅ，４．９Ｏｅ，０．０Ｏｅ，２．１Ｏｅ，２．４Ｏｅと、いずれも５Ｏｅ以下に抑えられている。また、試料Ａ，Ｂの場合と同様に、（１）式を用いてラフネスを算出すると、試料Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇの順に３．８Å，４．０Å，２．９Å，３．４Å，３．５Åと、いずれも４Å以下に抑えられている。
【００３７】
これらのことから明らかなように、トンネル障壁層の直下に位置する固定参照層が二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであれば、その積層化により固定参照層の界面が平坦化されるので、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になるといえる。さらには、試料Ａまたは試料Ｃ〜Ｇ以外の材料系や四層以上の積層構造であっても、積層化による平坦化が達成されるものであれば、同様の技術的効果が期待される。
【００３８】
ただし、図７に示した測定結果を鑑みると、反転磁界のばらつきやアステロイドずれの抑制といった技術的効果を確実に得るためには、固定参照層とトンネル障壁層と界面の粗さＲａで４Å以下となっていることが望ましい。また、同様に、その界面粗さに起因するネール結合磁界が５Ｏｅ以下であることが望ましい。さらには、反転磁界のばらつき［標準偏差／平均値］が１２％以下であることが望ましい。
【００３９】
なお、積層体を構成する二種以上の異なる強磁性材料としては、種々の組み合わせが考えられるが（例えば図７参照）、成膜時の結晶粒成長を抑制するという観点からは、その積層体を構成する強磁性材料の少なくとも一つ（例えば、最初に成膜する第一層）が、他の強磁性材料（例えば、第一層目以降）と平衡状態での結晶構造を異にするものであり、結晶粒成長が界面で不連続となるようなものであることが好ましい。また、二種以上の異なる強磁性材料のうち、少なくとも一つが非晶質であれば、結晶粒成長の抑制の確実化が図れるので、更なる界面の平坦化が期待できる。
【００４０】
また、試料Ａまたは試料Ｃ〜Ｇのように、トンネル障壁層の直下に固定参照層が位置する、いわゆるボトム型のＴＭＲ素子の他にも、そのトンネル障壁層の直下の層を強磁性積層体とすることによって、ボトム型の場合と同様の効果を得ることが可能となる。図８は、本発明に係るＴＭＲ素子の他の積層膜構成を示す模式図である。
【００４１】
図８（ａ）に示すＴＭＲ素子は、記憶層として機能するＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜３３がトンネル障壁層として機能するＡｌ−Ｏｘ膜３４よりも下方に位置し、さらにそのＡｌ−Ｏｘ膜３４の上方に固定参照層として積層フェリ構造のＣｏＦｅ膜３５、Ｒｕ膜３６およびＣｏＦｅ膜３７並びにＰｔＭｎ膜３８が配された、いわゆるトップ型のものである。このようなＴＭＲ素子であっても、Ａｌ−Ｏｘ膜３４の直下に位置するＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜３３が二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであれば、その積層化により界面が平坦化されるので、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になる。
【００４２】
図８（ｂ）に示すＴＭＲ素子は、図８（ａ）の場合と同様のトップ型のものであるが、固定参照層として積層フェリ構造でないのＣｏＦｅ膜４５およびＰｔＭｎ膜４６が配されている点で、図８（ａ）の場合とは異なる。ただし、図８（ｂ）のＴＭＲ素子であっても、Ａｌ−Ｏｘ膜４４の直下に位置するＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜４３が二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであれば、その積層化により界面が平坦化されるので、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になる。
【００４３】
図８（ｃ）に示すＴＭＲ素子は、図４の場合と同様のボトム型のものであるが、固定参照層として積層フェリ構造でないのＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜５４およびＰｔＭｎ膜５３が配されている点で、図４の場合とは異なる。ただし、図８（ｃ）のＴＭＲ素子であっても、Ａｌ−Ｏｘ膜５５の直下に位置するＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜５４が二種以上の異なる強磁性材料の積層体からなるものであれば、その積層化により界面が平坦化されるので、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になる。さらに、図８（ｄ）に示すＴＭＲ素子は、図８（ｃ）におけるＰｔＭｎ膜５３に代わってＣｏＰｔ膜６３が設けられている点で異なる、いわゆる保磁力差型のものであるが、これについても図８（ｃ）の場合と全く同様のことがいえる。
【００４４】
また、絶縁体または半導体からなるトンネル障壁層を二つの強磁性領域で挟んで強磁性トンネル接合を形成するＴＭＲ素子以外にも、例えば金属からなる非磁性層を二つの強磁性領域と挟んで巨大磁気抵抗効果を発生させるＧＭＲ素子であっても、本発明を適用することで、反転磁界のばらつきやアステロイドずれを抑えることが可能になると考えられる。
【００４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る磁気抵抗効果素子およびその製造方法並びに磁気メモリ装置によれば、非磁性層の前に成膜される強磁性領域が単一の強磁性材料の層からなる場合に比べて、その強磁性領域における非磁性層との界面の平坦化が図れるので、各層の界面の状態に起因して発生するネール結合磁界の影響を排除し、強磁性領域における反転磁界のばらつきやアステロイドずれを「０」に近づけることが容易に実現可能となる。したがって、例えば複数の磁気抵抗効果素子を用いて磁気メモリ装置を構成した場合であっても、各素子の選択記録のマージンを大きく確保して良好な記録特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＲＡＭの基本的な構成例を示す模式図である。
【図２】ＭＲＡＭを構成する単一のＴＭＲ素子部分の断面構成の一例を示す模式図である。
【図３】ＭＴＪ構造の基本的な構成例を示す模式図である。
【図４】本発明が適用されたＴＭＲ素子における積層膜構造を具体的に説明するための模式図である。
【図５】アステロイドのずれの測定結果の一具体例について、そのアステロイドの容易軸方向へのずれＨｆを、ＴＭＲ素子の長軸方向の寸法Ｌの逆数に対してプロットして示した説明図である。
【図６】反転磁界のばらつきの測定結果の一具体例についてヒストグラム化して示した説明図であり、（ａ）は本発明が適用された試料Ａについて示す図、（ｂ）は従来の試料Ｂについて示す図である。
【図７】本発明が適用されたＴＭＲ素子における積層膜構造の他の具体例、およびその反転磁界ばらつき、ネール結合磁界の発生量および界面粗さの測定結果を示す説明図である。
【図８】本発明に係るＴＭＲ素子の他の積層膜構成を示す模式図であり、（ａ）および（ｂ）はトップ型の例を示す図、（ｃ）はボトム型の例を示す図、（ｄ）は保磁力差型の例を示す図である。
【図９】アステロイド曲線の一例を示す説明図であり（ａ）は理想的なアステロイド曲線を示す図、（ｂ）はずれが生じている状態のアステロイド曲線を示す図である。
【符号の説明】
１…ＴＭＲ素子、１１…固定参照層、１２…記憶層、１３…トンネル障壁層、２６，３３，４３，５４，６４…ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ膜、２６ａ…ＣｏＦｅ膜、２６ｂ…ＣｏＦｅＢ膜、２７，３４，４４，５５，６５…Ａｌ−Ｏｘ膜
【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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