(57)【要約】【課題】スイッチング磁界およびＭＲ比のバラツキが小さく、ビットサイズを微小化してもスイッチング磁界が小さく、熱安定性に優れた磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】少なくとも一層のトンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟んで設けられた磁気記録層および磁化固着層とを有し、磁気記録層が少なくとも２層のアモルファス磁性層とその間に挿入された非磁性層を含む磁気抵抗効果素子。【選択図】    図１
2004179187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一層のトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層を挟んで設けられた磁気記録層および磁化固着層とを有し、前記磁気記録層が少なくとも２層のアモルファス磁性層とその間に挿入された非磁性層を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記アモルファス磁性層が、下記一般式
Ｃｏ−Ｆｅ−ＡＡ、Ｃｏ−Ｆｅ−ＡＡ−ＡＡ２、Ｆｅ−ＡＡ−ＡＡ２、Ｃｏ−ＡＡ−ＡＡ２、Ｃｏ−Ｍｎ−ＡＡ−ＡＡ２、Ｆｅ−Ｃｕ−ＡＡ−ＡＡ２、およびＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉ−ＡＡ
（ここで、ＡＡまたはＡＡ２は、Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｐ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎ，Ｃ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，Ｖ，希土類および窒素からなる群より選択される少なくとも１種の元素である）
で表され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】
前記アモルファス磁性層が、下記一般式
（Ｃｏ１−ａ−ｂＭａＴｂ）１００−ｃ−ｄＸ１ｃＸ２ｄ
（ここで、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｍｎから選ばれる少なくとも１種、ＴはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕから選ばれる少なくとも１種、Ｘ１はＢ，Ｐから選ばれる少なくとも１種、Ｘ２はＳｉ，Ｇｅ，Ｃ，Ｇａ，Ｎ，Ｆ，Ｏ，Ａｌ，Ｓｎから選ばれる少なくとも１種、０．０３≦ａ≦０．２０（ただしＭがＮｉの場合ａは０．０３≦ａ≦０．３５）、０≦ｂ≦０．１０、５≦ｃ≦３０、０≦ｄ≦２５、１５≦ｃ＋ｄ≦３０）
で表され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４】
前記アモルファス磁性層が、下記一般式
Ｔ１００−ａ−ｂ−ｃＡａＭｂＸ４ｃ
（ここで、ＴはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種、ＡはＣｕ，Ａｇ，Ａｕから選ばれる少なくとも１種、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎから選ばれる少なくとも１種、Ｘ４はＢ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｆ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ．Ｐｄから選ばれる少なくとも１種、０≦ａ≦８、２≦ｂ≦２０、２≦ｃ≦３５）
で表され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５】
前記アモルファス磁性層が、下記一般式
Ｎｉ１００−ａ−ｂ−ｃＦｅａＭｂＸ８ｃ
（ここで、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎから選ばれる少なくとも１種、Ｘ８はＢ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｐから選ばれる少なくとも１種、１６≦ａ≦２２、０≦ｂ≦５、０≦ｃ≦１０）
で表され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６】
前記非磁性層が、Ｒｕ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，ＴｉＷ，Ｗ，ＴａＮおよびＴｉＮからなる群より選択され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７】
前記非磁性層の膜厚が１．４ｎｍ以上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８】
第１の方向に延在する第１の配線と、
前記第１の配線の上方に設けられ、前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線と、
前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられた、請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子と
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関し、より詳細には強磁性トンネル接合型の磁気抵抗効果素子を含むメモリアレーを有し、特に熱安定性に優れた大容量磁気メモリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられており、さらに固体磁気メモリ（磁気抵抗効果メモリ：ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ））に用いることが提案されている。
【０００３】
近年、２つの磁性金属層の間に１層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜において、膜面に対して垂直に電流を流してトンネル電流を利用する磁気抵抗効果素子、いわゆる強磁性トンネル接合素子：ＴＭＲ素子（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ）が提案されている。強磁性トンネル接合素子においては、２０％以上の磁気抵抗変化率が得られている。このため、強磁性トンネル接合素子をＭＲＡＭに応用する可能性が高まってきた。
【０００４】
この強磁性トンネル接合素子は、強磁性層上に０．６〜２．０ｎｍ厚の薄いＡｌ（アルミニウム）層を成膜した後、その表面を酸素グロー放電または酸素ガスに曝すことによって、Ａｌ２Ｏ３からなるトンネルバリア層を形成し、トンネルバリア層上にもう１層の強磁性層を形成することにより作製される。
【０００５】
また、この強磁性一重トンネル接合の一方の強磁性層に反強磁性層を付与して磁化固着層とした構造を有する強磁性１重トンネル接合が提案されている。
【０００６】
また、誘電体中に分散した磁性粒子を介した強磁性トンネル接合や、強磁性二重トンネル接合（連続膜）も提案されている。
【０００７】
これらの強磁性トンネル接合素子においても２０〜５０％の磁気抵抗変化率が得られるようになったこと、および所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やしても磁気抵抗変化率の減少が抑えられることから、ＭＲＡＭへの応用の可能性が高まってきた。
【０００８】
強磁性一重トンネル接合または強磁性二重トンネル接合を用いた磁気メモリは、不揮発性で、書き込み読み出し時間も１０ナノ秒以下と速く、書き換え回数も１０１５以上というポテンシャルを有する。特に、強磁性二重トンネル接合を用いた磁気メモリは、上述したように所望の出力電圧値を得るため強磁性トンネル接合素子に印加する電圧値を増やしても磁気抵抗変化率の減少が抑えられるため、大きな出力電圧が得られ、メモリ素子として好ましい特性を示す。
【０００９】
こうした磁気メモリのスイッチング磁界のばらつきが抑えるために、フリー層にアモルファス磁性体である（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）１−ｘＢｘを用いることが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系のアモルファス磁性層は３５０℃以上で結晶化を起こすため、４００℃以上での熱処理、配線プロセスを有するＭＲＡＭ作製では熱安定性に限界があり、スイッチング磁界のばらつきが増大するという問題がある。また、大容量化のためにビットサイズを微小化すると熱揺らぎの問題が生じ、スピン情報が消えてしまう可能性が生じるほか、ビットサイズの微小化に伴うスイッチング磁界の増大などが問題となってくる。
【００１０】
また、強磁性層（自由層）とトンネル障壁層との間、強磁性層（固定層）とトンネル障壁層との間の少なくとも一方にアモルファス強磁性層を設けた強磁性トンネル接合素子、これを用いた磁気メモリセルが知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この文献の素子においても、スイッチング磁界のばらつきが増大するという問題があり、また、大容量化のためにビットサイズを微小化すると熱揺らぎの問題が生じ、スピン情報が消えてしまう可能性が生じるほか、ビットサイズの微小化に伴うスイッチング磁界の増大などが問題となってくる。
【００１１】
以上説明したように、磁気メモリの大容量化を実現するためには、ビットサイズを微小化してもＭＲ比が大きく、スイッチング磁界が小さく、熱安定性に優れた磁気抵抗効果素子が必要とされる。
【００１２】
【非特許文献１】
Ｉｎｔｅｒｍａｇ  Ｅｕｒｏｐｅ  ２００２，  ＢＢ０５，  ２００２年４月
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−６８７６０公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、熱安定性に優れスイッチング磁界のばらつきが小さく、強磁性トンネル接合のビットサイズを微小化してもスイッチング磁界の増大を抑えることができる磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、少なくとも一層のトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層を挟んで設けられた磁気記録層および磁化固着層とを有し、前記磁気記録層が少なくとも２層のアモルファス磁性層とその間に挿入された非磁性層を含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明の他の態様に係る磁気メモリは、第１の方向に延在する第１の配線と、前記第１の配線の上方に設けられ、前記第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線と、前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられ、少なくとも一層のトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層を挟んで設けられた磁気記録層および磁化固着層とを有し、前記磁気記録層が少なくとも２層のアモルファス磁性層とその間に挿入された非磁性層を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、少なくとも一層のトンネルバリア層と、トンネルバリア層を挟んで設けられた磁気記録層および磁化固着層とを有し、磁気記録層が少なくとも２層のアモルファス磁性層とその間に挿入された非磁性層を含む。
【００１９】
本発明の実施形態において、磁気記録層（フリー層）は、アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層の三層膜に限らず、アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層の５層膜、さらにそれ以上の多層膜でもかまわない。なお、磁気記録層（フリー層）に含まれるアモルファス磁性層は偶数層であることが好ましい。
【００２０】
本明細書において、磁気記録層（フリー層）を形成するアモルファス磁性層とは、実質的に結晶粒が観察されない磁性層だけでなく、微細な結晶粒を含む微結晶磁性層をも含むものとする。
【００２１】
図１〜図８に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の例を示す。図１〜図４は強磁性一重トンネル接合素子、図５〜図８は強磁性二重トンネル接合素子である。
【００２２】
図１は、反強磁性層が下部に形成されたボトム型の強磁性一重トンネル接合素子である。図１の磁気抵抗効果素子は、図示しない基板上に、下地電極１、反強磁性層２、一層からなる磁化固着層（ピン層）３、トンネルバリア層４、アモルファス磁性層５ａ／非磁性層５ｂ／アモルファス磁性層５ｃの三層構造を有する磁気記録層（フリー層）５、カバー層（ハードマスク）９および上部電極１０を形成した構造を有する。
【００２３】
図２は、磁化固着層３をピン層３ａ／非磁性層３ｂ／フィックス層３ｃの三層構造とした以外は図１と同様の構造を有する。
【００２４】
図３は、反強磁性層が上部に形成されたトップ型の強磁性一重トンネル接合素子である。図３の磁気抵抗効果素子は、図示しない基板上に、下地電極１、アモルファス磁性層５ａ／非磁性層５ｂ／アモルファス磁性層５ｃの三層構造を有する磁気記録層５、トンネルバリア層６、一層からなる磁化固着層（ピン層）７、反強磁性層８、カバー層（ハードマスク）９および上部電極１０を形成した構造を有する。
【００２５】
図４は、磁化固着層７をピン層７ａ／非磁性層７ｂ／フィックス層７ｃの三層構造とした以外は図３と同様の構成を有する。
【００２６】
図５は強磁性二重トンネル接合素子である。図５の磁気抵抗効果素子は、図示しない基板上に、下地電極１、反強磁性層２、一層からなる磁化固着層（ピン層）３、トンネルバリア層４、アモルファス磁性層５ａ／非磁性層５ｂ／アモルファス磁性層５ｃの三層構造を有する磁気記録層（フリー層）５、トンネルバリア層６、一層からなる磁化固着層（ピン層）７、反強磁性層８、カバー層（ハードマスク）９および上部電極１０を形成した構造を有する。
【００２７】
図６は、下部の磁化固着層３をピン層３ａ／非磁性層３ｂ／フィックス層３ｃの三層構造とした以外は図５と同様の構造を有する。
【００２８】
図７は、上部の磁化固着層７をフィックス層７ａ／非磁性層７ｂ／ピン層７ｃの三層構造とした以外は図５と同様の構造を有する。
【００２９】
図８は、下部の磁化固着層３をピン層３ａ／非磁性層３ｂ／フィックス層３ｃの三層構造、上部の磁化固着層７をフィックス層７ａ／非磁性層７ｂ／ピン層７ｃの三層構造とした以外は図５と同様の構造を有する。
【００３０】
上記のように、磁気記録層（フリー層）にアモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層を用いた場合、強磁性トンネル接合のビットサイズが微小化してもスイッチング磁界の増大を抑制することができ、しかもＭＲ比のバイアス依存性および層間相互作用の非磁性層膜厚依存性が小さいためマージンが大きく、信頼性の高い磁気抵抗効果素子（強磁性トンネル接合素子）を提供できる。
【００３１】
次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子に用いられる材料などについて説明する。
【００３２】
磁気記録層（フリー層）を形成するアモルファス磁性層は、下記一般式
Ｃｏ−Ｆｅ−ＡＡ、Ｃｏ−Ｆｅ−ＡＡ−ＡＡ２、Ｆｅ−ＡＡ−ＡＡ２、Ｃｏ−ＡＡ−ＡＡ２、Ｃｏ−Ｍｎ−ＡＡ−ＡＡ２、Ｆｅ−Ｃｕ−ＡＡ−ＡＡ２、およびＣｏ−Ｆｅ−Ｎｉ−ＡＡ
（ここで、ＡＡまたはＡＡ２は、Ｂ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｐ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎ，Ｃ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｗ，Ｖ，希土類および窒素からなる群より選択される少なくとも１種の元素である）
で表されるものが用いられる。アモルファス磁性層は、３ｄ磁性元素（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ）以外の添加元素であるＡＡまたはＡＡ２を２０ａｔ％以上含んでいてもよい。
【００３３】
これらのアモルファス合金は、結晶化温度（熱安定性）が高く、トンネルバリア層上にも均一な膜厚でスパッタされるため、４００℃以上の熱工程を経てもアモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層の構造が維持され、磁歪が小さく、スイッチング磁界バラツキが抑えられる。より具体的なアモルファス磁性層の材料については、後に詳細に説明する。
【００３４】
非磁性層は特に限定されないが、Ｒｕ，Ｃｕ，Ｉｒ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，ＴｉＷ，Ｗ，ＴａＮ，ＴｉＮを用いることが好ましい。非磁性層の膜厚は、１．４ｎｍ以上であることが好ましい。
【００３５】
また、磁気記録層に含まれる二層のアモルファス磁性層の磁化方向は反平行であることが好ましく、非磁性層を介した二層のアモルファス磁性層間の相互作用は、典型的には−２０００Ｏｅ〜５００Ｏｅである。２層のアモルファス磁性層間の相互作用が−２０００Ｏｅ〜５００Ｏｅであると、スイッチング磁界が低減し、ビットサイズを微小化してもスイッチング磁界の増大を抑制できる。また、アモルファス磁性層を用いると、上述した相互作用の大きさを容易に得ることができ、非磁性層の膜厚に対するマージンが広くなる。
【００３６】
トンネルバリア層としては、Ａｌ，Ｍｇ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｓｒ，Ｂａ，希土類またはこれら合金の酸化物または窒化物を用いることが好ましい。具体的には、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｂｉ２Ｏ３（酸化ビスマス）、ＭｇＦ２（フッ化マグネシウム）、ＣａＦ２（フッ化カルシウム）、ＳｒＴｉＯ２（酸化チタン・ストロンチウム）、ＡｌＬａＯ３（酸化ランタン・アルミニウム）、Ａｌ−Ｎ−Ｏ（酸化窒化アルニウム），ＧａＯ，ＩｎＯなどを用いることができる。これらの材料でトンネルバリア層を形成すると、バリア高さが高いためＭＲ変化率が大きなトンネル接合を作製することができる。
【００３７】
磁化固着層は、上述したように、強磁性層（ピン層）／非磁性層／強磁性層（フィックス層）の３層構造としてもよい。この場合、トンネルバリア層に近い強磁性層（フィックス層）の厚さをトンネルバリア層から遠い強磁性層（ピン層）の厚さよりも厚くすることが好ましい。このような構造を用いると、記録層−フィックス層間のオレンジピール相互作用を、フィックス層とピン層との膜厚差に相当する漏れ磁場（Ｓｔｒａｙ  Ｆｉｅｌｄ）によりキャンセルすることができる。
【００３８】
また、図６の構造において上部ピン層膜厚≒（下部フィックス層膜厚−下部ピン層膜厚）に保つことにより、ヒステリシスループのシフトを完全にキャンセルすることができる。
【００３９】
アモルファス磁性層は、磁気記録層だけでなく、ピン層やフィックス層にも用いることができる。１層のアモルファス磁性層の膜厚は０．５〜５ｎｍであることが好ましい。アモルファス磁性層は、膜の連続性が良好であり、０．５ｎｍの薄さまで良好な磁気特性を得ることができる。しかし、膜厚が０．５ｎｍ未満では、超常磁性的なＭ−ＨカーブになるおそれがありＭＲＡＭには好ましくない。一方、アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層の三層記録層において、１層のアモルファス磁性層の膜厚は５ｎｍ以下にすることが好ましい。アモルファス磁性層は、飽和磁化の値がＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ合金より小さいため、ＴＭＲの幅を０．６μｍまで小さくした場合に、膜厚を５ｎｍ程度まで厚くしてもスイッチング磁界を数十Ｏｅ程度に抑えることができるが、膜厚が５ｎｍを超えるとスイッチング磁界が大きくなるおそれがある。
【００４０】
また、これらの磁性体には、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｔａ（タンタル）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｏ（酸素）、Ｎ（窒素）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）などの非磁性元素を添加して、磁気特性のほか、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節してもよい。
【００４１】
磁気抵抗効果素子が形成される基板としては、例えば、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＯ２（酸化シリコン）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、スピネル、ＡｌＮ（窒化アルニウム）など各種の基板を用いることができる。
【００４２】
基板の上に下地電極層を設けたり、磁気抵抗効果素子上に上部電極層や保護層などを設けたりしてもよい。下地電極層、上部電極層、保護層の材料としては、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｕ（金）、Ｔｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）、Ｔａ（タンタル）／Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタン）／Ｐｄ（パラジウム）、Ｔａ（タンタル）／Ｐｄ（パラジウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）‐Ｃｕ（銅）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）などが用いられる。
【００４３】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成手段を用いて形成することができる。強磁性トンネル接合の加工は、エキシマステッパとイオンミリングなどを用いて行うことができる。
【００４４】
図９（ａ）〜（ｅ）に加工された磁気抵抗効果素子の平面図を示す。これらの図に示されるように，個々の磁気抵抗効果セル（ＴＭＲセル）に、幅（Ｗ）と長さ（Ｌ）の比が２以下である低アスペクトの磁気抵抗効果素子を用いることが好ましい。これらのＴＭＲセルでは、形状異方性に加えて、磁場中成膜、磁場中アニールを利用することにより、アモルファス磁性層に一軸異方性を容易に付与することができる。
【００４５】
以下、本発明の実施形態において好適に用いられるアモルファス合金を、一般式を用いてより具体的に示す。なお、以下の一般式において組成を示す添字の数値範囲は原子％を表す。
【００４６】
［１］Ｃｏ基アモルファス合金（金属−メタロイド系）
（Ｃｏ１−ａ−ｂＭａＴｂ）１００−ｃ−ｄＸ１ｃＸ２ｄ
（ここで、ＭはＦｅ，Ｎｉ，Ｍｎから選ばれる少なくとも１種、ＴはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕから選ばれる少なくとも１種、Ｘ１はＢ，Ｐから選ばれる少なくとも１種、Ｘ２はＳｉ，Ｇｅ，Ｃ，Ｇａ，Ｎ，Ｆ，Ｏ，Ａｌ，Ｓｎから選ばれる少なくとも１種、０．０３≦ａ≦０．２０（ただしＭがＮｉの場合ａは０．０３≦ａ≦０．３５）、０≦ｂ≦０．１０、５≦ｃ≦３０、０≦ｄ≦２５、１５≦ｃ＋ｄ≦３０）。
【００４７】
たとえば、（Ｃｏ０．９５Ｆｅ０．０５）７０Ｓｉ１６Ｂ１４，（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．０５Ｎｂ０．０４Ｃｒ０．０１）７５Ｓｉ１２Ｂ１３，（Ｃｏ０．８８Ｆｅ０．０５Ｔｉ０．０７）７９Ｓｉ１０Ｂ１１，（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．０５Ｍｏ０．０３Ｗ０．０２）７６Ｓｉ１０Ｂ１１Ａｌ３，（Ｃｏ０．８２Ｆｅ０．０９Ｎｉ０．０６Ｍｏ０．０３）７３Ｓｉ７Ｇｅ３Ｂ７Ｐ１０，（Ｃｏ０．８８Ｍｎ０．０９Ｔａ０．０３）７６Ｓｉ９Ｂ１４Ｃ１，（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．０５Ｚｒ０．０５）７２Ｓｉ１０Ｂ１０Ｏ４Ｎ４，（Ｃｏ０．８８Ｍｎ０．０９Ｍｏ０．０３）７６Ｓｉ１１Ｂ１２Ｆ１，（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．０４Ｗ０．０６）７７Ｓｉ１２Ｂ１０Ｇａ１，（Ｃｏ０．８８Ｆｅ０．０６Ｈｆ０．０３Ｖ０．０３）７４Ｓｉ１２Ｂ１３Ｓｎ１などが挙げられる。
【００４８】
［２］Ｃｏ基アモルファス合金（金属−金属系）
（Ｃｏ１−ａＴａ）１００−ｂ−ｃＭｂＸ３ｃ
（ここで、ＴはＦｅ，Ｍｎ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種、ＭはＴｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる少なくとも１種、Ｍ’はＣｒ，Ｖ，Ｃｕから選ばれる少なくとも１種、Ｘ３はＢ，Ｐ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｓｉ，Ｆ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｎ，Ａｌから選ばれる少なくとも１種、０≦ａ≦０．１、６≦ｂ≦２０、０≦ｃ≦８）。
【００４９】
たとえば、Ｃｏ８６Ｎｂ６Ｚｒ８，Ｃｏ８６Ｚｒ６Ｂ６Ｐ２，Ｃｏ８６Ｔａ７Ｚｒ６Ｃｕ１，Ｃｏ８６Ｔａ７Ｚｒ６Ｇｅ１，Ｃｏ８１Ｍｎ４Ｎｂ１５，Ｃｏ８４Ｍｎ４Ｔａ１０Ｓｉ２，Ｃｏ６９Ｎｉ１０Ｆｅ６Ｎｂ１３Ｈｆ２，Ｃｏ８５Ｆｅ２Ｎｂ１４Ｃ１，Ｃｏ７９Ｆｅ４Ｎｂ１５Ｗ１Ｆ１，Ｃｏ８５Ｎｂ７Ｔｉ７Ｏ１，Ｃｏ８５Ｎｂ７Ｔｉ７Ｆ１，Ｃｏ９０Ｔａ５Ｚｒ５Ｎ１，Ｃｏ８６Ｎｂ６Ｚｒ３Ｍｏ３Ｃｒ１Ｖ１，Ｃｏ９０Ｔａ５Ｚｒ４Ｇａ１Ｎ１，Ｃｏ８４Ｔａ８Ｚｒ７Ｓｎ１，Ｃｏ８４Ｔａ８Ｚｒ７Ａｌ１などが挙げられる。
【００５０】
［３］ＦｅＣｏ基微結晶磁性合金
Ｔ１００−ａ−ｂ−ｃＡａＭｂＸ４ｃ
（ここで、ＴはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種、ＡはＣｕ，Ａｇ，Ａｕから選ばれる少なくとも１種、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎから選ばれる少なくとも１種、Ｘ４はＢ，Ｓｉ，Ｐ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｆ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｒｈ．Ｐｄから選ばれる少なくとも１種、０≦ａ≦８、２≦ｂ≦２０、２≦ｃ≦３５）。この一般式で表される磁性薄膜には、平均粒径５〜１００ｎｍの微結晶が含まれる。上記ＦｅＣｏ基微結晶磁性合金のより好ましい組成範囲は、下記の２つの一般式［３’］，［３”］で表される。
【００５１】
［３’］Ｆｅ−メタロイド系微結晶磁性合金（ファインメット系）
（Ｆｅ１−ａＴａ）１００−ｂ−ｃ−ｄ−ｅ−ｆＡｂＭｃＳｉｄＢｅＸ５ｆ
（ここで、ＴはＮｉ，Ｃｏ，Ｍｎから選ばれる少なくとも１種、ＡはＣｕ，Ａｇ，Ａｕから選ばれる少なくとも１種、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる少なくとも１種、Ｘ５はＰ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｆ，Ｇｅ，Ｇａ，Ｓｎ，Ａｌから選ばれる少なくとも１種、０≦ａ≦０．１、０．０１≦ｂ≦５、０．１≦ｃ≦１０、８≦ｄ≦２０、４≦ｅ≦１５、０≦ｆ≦５）。この一般式で表される磁性薄膜には、平均粒径５〜１００ｎｍの微結晶が含まれ、微結晶の割合は５０体積％以上である。
【００５２】
たとえば、Ｆｅ７３Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１７Ｂ６，Ｆｅ７２Ｃｕ１Ｎｂ４Ｓｉ１６Ｂ７，Ｆｅ７２Ｃｕ２Ｔａ２Ｓｉ１５Ｂ８Ｃ１，Ｆｅ７０Ｃｕ３Ｗ２Ｓｉ１４Ｂ８Ｎ３，Ｆｅ７１Ａｇ１Ｚｒ５Ｓｉ１５Ｂ６Ｐ２，Ｆｅ７２Ｃｕ１Ｔｉ５Ｓｉ１５Ｂ７，Ｆｅ６９Ａｕ１Ｖ６Ｓｉ１５Ｂ７Ｏ２，Ｆｅ７０Ｃｏ３Ｃｕ２Ｈｆ４Ｓｉ１６Ｂ５，Ｆｅ７０Ｎｉ３Ｃｕ２Ｍｏ３Ｃｒ１Ｓｉ１５Ｂ６，Ｆｅ７２Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１５Ｂ６Ｎ２，Ｆｅ７３Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１５Ｂ６Ｆ１，Ｆｅ７２Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１５Ｂ６Ｇｅ３，Ｆｅ７２Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１５Ｂ６Ａｌ３，Ｆｅ７０Ｍｎ２Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１６Ｂ７などが挙げられる。
【００５３】
［３”］（ＦｅＣｏ）−メタル−（Ｂ，Ｃ，Ｎなど）（ナノパーム系）
Ｔ１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄＭａＭ’ｂＸ６ｃＸ７ｄ
（ここで、ＴはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗから選ばれる少なくとも１種、Ｍ’はＣｕ，Ａｇ，Ａｕから選ばれる少なくとも１種、Ｘ６はＢ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｐから選ばれる少なくとも１種、Ｘ７はＳｉ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｓｎ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｐｔから選ばれる少なくとも１種、４≦ａ≦２０、０≦ｂ≦８、２≦ｃ≦２０、０≦ｄ≦５）。この一般式で表される磁性薄膜は、主に微細な結晶粒からなる。
【００５４】
たとえば、Ｆｅ９０Ｚｒ７Ｂ２，Ｆｅ９０Ｃｕ１Ｚｒ７Ｂ２，Ｆｅ８３Ｚｒ６Ｎ１１，Ｆｅ８２Ａｕ１Ｚｒ６Ｎ１１，Ｆｅ８０Ｚｒ６Ｎ１１Ｓｉ３，Ｆｅ７８Ｔａ１０Ｎ１２，Ｆｅ７７Ｔａ１０Ｎ１１Ｇｅ２，Ｆｅ７７Ａｇ１Ｔａ１０Ｃｒ２Ｎ５Ｃ５，Ｆｅ８２Ｚｒ８Ｃ８Ｍｎ２，Ｆｅ７７Ａｇ１Ｔａ１０Ｎ１２，Ｆｅ７８Ｔａ１０Ｎ１０Ｆ２，Ｆｅ７４Ｎｂ１３Ｃ１１Ｐ２，Ｆｅ７１Ｎｂ１２Ａｌ９Ｎ６Ｏ２，Ｆｅ７７Ｖ７Ａｌ９Ｎ５Ｏ２，Ｃｏ７９Ｔａ８Ｃ１３，Ｃｏ７８Ｔａ８Ｃ１３Ｓｎ１，Ｃｏ７８Ｔａ８Ｃ１３Ｇａ１，Ｃｏ８４Ｆｅ２Ｐｄ２Ｈｆ８Ｏ６，Ｃｏ８４Ｆｅ２Ｐｔ２Ｈｆ８Ｏ６，Ｃｏ８４Ｆｅ２Ｒｈ２Ｈｆ８Ｏ６などが挙げられる。
【００５５】
［４］ＦｅＡｌＳｉ系（センダスト系）
Ｆｅ１００−ａ−ｂ−ｃ−ｄＡｌａＳｉｂＭｃＸ８ｄ
（ここで、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎから選ばれる少なくとも１種、Ｘ８はＢ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｐから選ばれる少なくとも１種、３≦ａ≦９、６≦ｂ≦１２、０≦ｃ≦４、０≦ｄ≦１０）。
【００５６】
たとえば、Ｆｅ８５Ａｌ６Ｓｉ９，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｃｒ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｍｏ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｗ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｃｕ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｍｎ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｔｉ１，Ｆｅ８２Ａｌ６Ｓｉ９Ｚｒ２Ｆ１，Ｆｅ８３Ａｌ５Ｓｉ９Ｈｆ１Ｂ２，Ｆｅ８３Ａｌ５Ｓｉ１０Ｖ１Ｏ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ９Ｎｂ１Ｎ１，Ｆｅ８３Ａｌ５Ｓｉ１０Ｔａ１Ｃ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｇａ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｇｅ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｓｎ１，Ｆｅ８４Ａｌ５Ｓｉ１０Ｃｒ１などが挙げられる。
【００５７】
［５］ＮｉＦｅ系（パーマロイ系）
Ｎｉ１００−ａ−ｂ−ｃＦｅａＭｂＸ８ｃ
（ここで、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎから選ばれる少なくとも１種、Ｘ８はＢ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｐから選ばれる少なくとも１種、１６≦ａ≦２２、０≦ｂ≦５、０≦ｃ≦１０）。
【００５８】
たとえば、Ｆｅ２０Ｎｉ７９Ｍｏ１，Ｆｅ２０Ｎｉ７９Ｃｒ１，Ｆｅ２０Ｎｉ７９Ｗ１，Ｆｅ２０Ｎｉ７９Ｍｎ１，Ｆｅ１９Ｎｉ７９Ｔｉ２，Ｆｅ１９Ｎｉ７８Ｚｒ２Ｆ１，Ｆｅ１９Ｎｉ７８Ｈｆ１Ｂ２，Ｆｅ１９Ｎｉ７８Ｖ２Ｏ１，Ｆｅ１９Ｎｉ７８Ｎｂ２Ｎ１，Ｆｅ１９Ｎｉ７８Ｔａ２Ｃ１，Ｆｅ２０Ｎｉ７９Ｇａ１，Ｆｅ２０Ｎｉ７９Ｇｅ１，Ｆｅ２０Ｎｉ７９Ｓｎ１などが挙げられる。
【００５９】
［６］ＦｅＳｉ系（珪素鋼系）
Ｆｅ１００−ａ−ｂ−ｃＳｉａＭｂＸ８ｃ
（ここで、ＭはＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎから選ばれる少なくとも１種、Ｘ８はＢ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｐから選ばれる少なくとも１種、９≦ａ≦１５、０≦ｂ≦５、０≦ｃ≦１０）。
【００６０】
たとえば、Ｆｅ８８Ｓｉ１２，Ｆｅ８７Ｓｉ１２Ｍｏ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１２Ｗ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１２Ｃｕ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１２Ｍｎ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１２Ｔｉ１，Ｆｅ８６Ｓｉ１１Ｚｒ２Ｆ１，Ｆｅ８６Ｓｉ１１Ｈｆ１Ｂ２，Ｆｅ８７Ｓｉ１１Ｖ１Ｏ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１１Ｎｂ１Ｎ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１１Ｔａ１Ｃ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１１Ｇａ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１１Ｇｅ１，Ｆｅ８７Ｓｉ１１Ｓｎ１などが挙げられる。
【００６１】
次に、これまでに記載したアモルファス磁性合金（または微結晶磁性合金）を用いて磁気抵抗効果素子を作製し、その耐熱性を調べることにより、これらのアモルファス磁性合金（または微結晶磁性合金）が好適な材料であることを確認した。下記の表１〜表２４に、作製した磁気抵抗効果素子の構造および評価結果を示す。
【００６２】
ここでは、耐熱性を評価するだけなので、図１０または図１１に示した三層構造の磁気記録層を有する磁気抵抗効果素子に加えて、これらの磁気抵抗効果素子の磁気記録層を単層のアモルファス磁性層に変更した磁気抵抗効果素子を作製した。図１０は図１に類似し、図１１は図５に類似するが、いずれも反強磁性層を省略したものである。これは、反強磁性層を形成した場合には反強磁性層から拡散したＭｎが素子特性に影響を及ぼすので、Ｍｎ拡散の影響を避けるためである。
【００６３】
表１〜表４を代表例として評価方法を説明する。表１および表２には、請求項２等に含まれるアモルファス磁性合金を用いて作製した磁気抵抗効果素子の構造（ピン層／トンネルバリア層／磁気記録層、またはピン層／トンネルバリア層／磁気記録層／トンネルバリア層／ピン層）を示している。また、比較のために、従来例である（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ２０を用いて作製した磁気抵抗効果素子の構造も示している（表２の末尾参照）。
【００６４】
具体的には、熱酸化Ｓｉ基板上に下地電極としてＴａ／Ｃｕ／Ｔａを形成した後、表１および表２の各番号に示す構造を形成し、さらにカバー層としてＴａ、上部電極としてＴａ／Ｃｕ／Ｔａを形成した。各層はスパッタリングにより成膜した。トンネルバリア層はＡｌをスパッタリングした後、酸化することにより形成した。また、ピン層および磁気記録層のアモルファス磁性層は磁場中で成膜した。トンネル接合の加工を、エキシマステッパとイオンミリングを用いて行い、１００個の素子を作製した。
【００６５】
素子作製後、３００〜４００℃の範囲の所定温度で１時間、磁場中アニールを行い、スイッチング磁界のばらつきを評価した。この際、オートプローバを用いてＭＲ曲線を測定し、統計処理を行って標準偏差を求めた。表３および表４に、各アニール温度でのスイッチング（保磁力）のばらつき（ｄＨｃ）とオフセット磁界のばらつき（ｄＨｏｆｆ）の標準偏差値（１σ）を示す。
【００６６】
表３および表４から、請求項３に含まれるアモルファス磁性層を用いた場合、アニール温度が４００℃でも、スイッチング磁界およびオフセット磁界のばらつきが小さく抑えられることがわかる。このことは、ＭＲＡＭとして好ましい特性である。また、磁化固着層にもアモルファス磁性層を用いた場合、さらにスイッチング磁界およびオフセット磁界のばらつきの低減が認められ、ＭＲＡＭとしてより好ましい特性を示した。
【００６７】
その他の表も、上述した表１〜表４と同様な内容を表示している。すなわち
表５〜表８は上記［１］Ｃｏ基アモルファス合金（金属−メタロイド系）を用いた場合、
表９〜表１２は上記［３’］Ｆｅ−メタロイド系微結晶磁性合金（ファインメット系）を用いた場合、
表１３〜表１６は上記［３”］（ＦｅＣｏ）−メタル−（Ｂ，Ｃ，Ｎなど）（ナノパーム系）を用いた場合、
表１７〜表２０は上記［５］ＮｉＦｅ系（パーマロイ系）を用いた場合、
表２１〜表２４は上記［６］ＦｅＳｉ系（珪素鋼系）を用いた場合、をそれぞれ示している。いずれの場合でも、４つの表で１組となっており、前半２つの表が素子構造、後半２つの表が評価結果を示している。
【００６８】
【表１】
2004179187.tif 000003
【００６９】
【表２】
2004179187.tif 000004
【００７０】
【表３】
2004179187.tif 000005
【００７１】
【表４】
2004179187.tif 000006
【００７２】
【表５】
2004179187.tif 000007
【００７３】
【表６】
2004179187.tif 000008
【００７４】
【表７】
2004179187.tif 000009
【００７５】
【表８】
2004179187.tif 000010
【００７６】
【表９】
2004179187.tif 000011
【００７７】
【表１０】
2004179187.tif 000012
【００７８】
【表１１】
2004179187.tif 000013
【００７９】
【表１２】
2004179187.tif 000014
【００８０】
【表１３】
2004179187.tif 000015
【００８１】
【表１４】
2004179187.tif 000016
【００８２】
【表１５】
2004179187.tif 000017
【００８３】
【表１６】
2004179187.tif 000018
【００８４】
【表１７】
2004179187.tif 000019
【００８５】
【表１８】
2004179187.tif 000020
【００８６】
【表１９】
2004179187.tif 000021
【００８７】
【表２０】
2004179187.tif 000022
【００８８】
【表２１】
2004179187.tif 000023
【００８９】
【表２２】
2004179187.tif 000024
【００９０】
【表２３】
2004179187.tif 000025
【００９１】
【表２４】
2004179187.tif 000026
【００９２】
以上のような磁気抵抗効果素子を磁気メモリ（ＭＲＡＭ）に適用する場合には、第１の方向に延在する第１の配線と、第１の配線の上方に設けられ、第１の方向と交差する方向に延在する第２の配線とを形成し、第１の配線と第２の配線との間に、少なくとも一層のトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層を挟んで設けられた磁気記録層および磁化固着層とを有し、前記磁気記録層が少なくとも２層のアモルファス磁性層とその間に挿入された非磁性層を含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子とを設ける。具体的なＭＲＡＭのアーキテクチャについては後に詳細に説明する。
【００９３】
【実施例】
（実施例１）
非磁性層の膜厚を変化させて強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層構造を形成し、非磁性層を介した二層の強磁性層間の相互作用を調べた。
【００９４】
アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層として、
Ａ：（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ２０／Ｒｕ／（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ２０、および
Ｂ：（Ｃｏ０．９５Ｆｅ０．０５）７５（Ｓｉ０．５Ｂ０．５）２５／Ｒｕ／（Ｃｏ０．９５Ｆｅ０．０５）７５（Ｓｉ０．５Ｂ０．５）２５
を形成した。
比較のために、結晶質強磁性層／非磁性層／結晶質強磁性層として、
Ｃ：Ｃｏ９０Ｆｅ１０／Ｒｕ／Ｃｏ９０Ｆｅ１０
を形成した。
【００９５】
図１２に非磁性層（Ｒｕ）の膜厚と層間相互作用との関係を示す。図１２に示されるように、アモルファス磁性層を用いると層間相互作用が抑えられ、ＭＲＡＭの磁気記録層として好ましい特性を示した。また、アモルファス磁性層では、（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ２０よりも（Ｃｏ０．９５Ｆｅ０．０５）７５（Ｓｉ０．５Ｂ０．５）２５の方が好ましい特性を示している。また、非磁性層の膜厚が１．４ｎｍ以上であれば、層間相互作用を非常に小さくできることがわかる。このことから、スイッチング磁界を小さくできることが予想される。
【００９６】
（実施例２）
種々のアモルファス磁性合金を用いて、図３から反強磁性層を除いた構造を有する磁気抵抗効果素子を作製し、スイッチング磁界（保磁力）の平均値Ｈｃのアニール温度依存性を調べた。
【００９７】
熱酸化Ｓｉ基板上に下地電極としてＴａ／Ｃｕ／Ｔａを形成した後、磁気記録層としてアモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層、トンネルバリア層としてＡｌＯｘ、ピン層としてＣｏ９Ｆｅ、カバー層としてＴａ、上部電極としてＴａ／ＡｌＣｕ／Ｔａを形成した。各層はスパッタリングにより成膜した。トンネルバリア層はＡｌをスパッタリングした後、酸化することにより形成した。また、ピン層および磁気記録層のアモルファス磁性層は磁場中で成膜した。トンネル接合の加工を、エキシマステッパとイオンミリングを用いて行い、１００個の素子を作製した。
【００９８】
素子作製後、所定温度で１時間、磁場中アニールを行い、スイッチング磁界の絶対値（１００個の素子の平均）を評価した。
【００９９】
図１３〜図１７は、以下の構造を有する磁気記録層を有する素子についての結果である。
【０１００】
図１３：（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．１０）８５Ｂ１５（３ｎｍ）／Ｒｕ／（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．１０）８５Ｂ１５（５ｎｍ）、図１３（ａ）はＲｕ（１．９ｎｍ）、図１０はＲｕ（２．４５ｎｍ）
図１４：［（Ｃｏ０．９５Ｆｅ０．０５）０．９５Ｎｂ０．０５］８５Ｂ１５（３ｎｍ）／Ｒｕ／［（Ｃｏ０．９５Ｆｅ０．０５）０．９５Ｎｂ０．０５］８５Ｂ１５（５ｎｍ）、図１４（ａ）はＲｕ（１．９ｎｍ）、図１４（ｂ）はＲｕ（２．４５ｎｍ）
図１５：Ｆｅ８３．５Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ３．５Ｂ９（３ｎｍ）／Ｒｕ／Ｆｅ８３．５Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ３．５Ｂ９（５ｎｍ）、図１５（ａ）はＲｕ（１．９ｎｍ）、図１５（ｂ）はＲｕ（２．４５ｎｍ）
図１６：Ｆｅ９０Ｃｕ１Ｚｒ７Ｂ２（３ｎｍ）／Ｒｕ／Ｆｅ９０Ｃｕ１Ｚｒ７Ｂ２（５ｎｍ）、図１６（ａ）はＲｕ（１．９ｎｍ）、図１６（ｂ）はＲｕ（２．４５ｎｍ）
Ｒｕの膜厚が１．９ｎｍである場合には２層のアモルファス磁性層間には弱い強磁性結合が生じ、Ｒｕの膜厚が２．４５ｎｍである場合には２層のアモルファス磁性層間には弱い反強磁性結合が生じていると考えられる。
【０１０１】
図１７は比較例であり、（Ｃｏ０．９０Ｆｅ０．１０）８０Ｂ２０（３ｎｍ）単層の磁気記録層を有する磁気抵抗効果素子についての結果である。
【０１０２】
これらの結果から、アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層という構造の磁気記録層を用いると、４００℃のアニール温度でもスイッチング磁界の増大が抑えられ、ＭＲＡＭに好適な特性を示した。また、スイッチング磁界のばらつき（１σ）も１０％以内におさまり、ＭＲＡＭに好適な特性を示した。
【０１０３】
さらに、図７の構造を有する強磁性二重トンネル接合素子では、スイッチング磁界のばらつき（１σ）が７％以内におさまり、ＭＲＡＭにより好適な特性を示した。
【０１０４】
（実施例３）
アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層の三層構造の磁気記録層を有する図８の強磁性二重トンネル接合素子を作製した。また、比較のために、単層のアモルファス磁性層からなる磁気記録層を有する強磁性二重トンネル接合素子を作製した。これらの２つの素子について、規格化ＭＲ比のバイアス電圧依存性を比較した。
【０１０５】
本実施例で作製した素子の構造は、基板：熱酸化Ｓｉ基板、下地電極：Ｔａ（５ｎｍ）／Ｃｕ（３０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）、反強磁性層：ＮｉＦｅ（４ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）、ピン層：Ｃｏ９Ｆｅ（３ｎｍ）、非磁性層：Ｒｕ（１ｎｍ）、フィックス層：Ｃｏ９Ｆｅ（３ｎｍ）、トンネルバリア層：ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）、磁気記録層（フリー層）：Ｃｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．３ｎｍ）／Ｃｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）、トンネルバリア層：ＡｌＯｘ（１．４ｎｍ）、フィックス層：Ｃｏ９Ｆｅ（３ｎｍ）、非磁性層：Ｒｕ（１ｎｍ）、ピン層：Ｃｏ９Ｆｅ（３ｎｍ）、反強磁性層：ＩｒＭｎ（１０ｎｍ）、カバー層：Ｔａ、上部電極：Ｔａ（５ｎｍ）／Ｃｕ（３０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）である。
【０１０６】
比較のために作製した素子は、磁気記録層（フリー層）が単層のＣｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）からなっているものである。
【０１０７】
図１８（ａ）および（ｂ）に規格化ＭＲ比のバイアス電圧依存性を示す。図１８（ａ）は比較例の結果、図１８（ｂ）は実施例３の結果である。図１８（ａ）および（ｂ）からわかるように、単層のアモルファス磁性層からなる磁気記録層を有する強磁性二重トンネル接合素子（ａ）に比べて、アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層の三層構造の磁気記録層を有する強磁性二重トンネル接合素子（ｂ）は、規格化ＭＲ比のバイアス依存性が改善されている。したがって、図１８（ｂ）の素子は大きな信号出力が得られ、ＭＲＡＭとしてより好ましい特性を示すことがわかる。
【０１０８】
（実施例４）
種々のアモルファス磁性合金を用いて図２に示す構造を有する磁気抵抗効果素子を作製し、素子の幅とスイッチング磁界との関係を調べた。
【０１０９】
本実施例で作製した素子の構造は、基板：熱酸化Ｓｉ基板、下地電極：Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａ、反強磁性層：Ｉｒ２３Ｍｎ７７（１０ｎｍ）、ピン層：Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）、非磁性層：Ｒｕ（０．９ｎｍ）、フィックス層：Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３ｎｍ）、トンネルバリア層：ＡｌＯｘ（１．２ｎｍ）、磁気記録層（詳細については後述する）、カバー層：Ｔａ、上部電極：Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａである。各層はスパッタリングにより成膜した。トンネルバリア層はＡｌをスパッタリングした後、酸化することにより形成した。また、ピン層および磁気記録層のアモルファス磁性層は磁場中で成膜した。トンネル接合の加工を、エキシマステッパとイオンミリングを用いて行い、１００個の素子を作製した。素子作製後、３２５℃で磁場中アニールを行い、オートプロ−バを用いてＭＲ曲線を測定して統計処理を行い、素子の幅（ＴＭＲ幅）とスイッチング磁界との関係を調べた。
【０１１０】
磁気記録層の構造は以下の通りである。
１（参考例）：Ｃｏ２５Ｆｅ３５Ｎｉ４０（１．８ｎｍ）／Ｒｕ（１．７ｎｍ）／Ｃｏ２５Ｆｅ３５Ｎｉ４０（１．８ｎｍ）
２：Ｃｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．２ｎｍ）／Ｃｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）
３：Ｃｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）／Ｒｕ（１．８ｎｍ）／Ｃｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）
４：Ｃｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）／Ｒｕ（２．２ｎｍ）／Ｃｏ７０．５Ｆｅ４．７Ｓｉ１５Ｂ１０（２ｎｍ）
５：Ｆｅ７３．５Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１３．５Ｂ９（２ｎｍ）／Ｃｕ（２．８ｎｍ）／Ｆｅ７３．５Ｃｕ１Ｎｂ３Ｓｉ１３．５Ｂ９（２ｎｍ）
６：Ｃｏ８７Ｎｂ５Ｚｒ８（２ｎｍ）／Ｉｒ（１．２ｎｍ）／Ｃｏ８７Ｎｂ５Ｚｒ８（２ｎｍ）
７：Ｃｏ８４Ｆｅ２Ｎｂ１４（２ｎｍ）／Ｃｕ（２．８ｎｍ）／Ｃｏ８４Ｆｅ２Ｎｂ１４（２ｎｍ）
８：Ｆｅ９０Ｃｕ１Ｚｒ７Ｂ２（２ｎｍ）／Ｗ（２ｎｍ）／Ｆｅ９０Ｃｕ１Ｚｒ７Ｂ２（２ｎｍ）
比較例として、Ｘ：単層のＣｏ３５Ｆｅ２５Ｎｉ４０（２ｎｍ）からなる磁気記録層を有する素子、およびＹ：単層のアモルファス磁性体（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ２０（２ｎｍ）からなる磁気記録層を有する素子を作製した。
【０１１１】
図１９および図２０に結果を示す。これらの図に示されるように、アモルファス磁性層／非磁性層／アモルファス磁性層という構造の磁気記録層を用いると、スイッチング磁界のＴＭＲ幅依存性が小さいうえに、スイッチング磁界のばらつきも小さく、ＭＲＡＭに好適な特性を示した。これらの図において、丸で囲った範囲は、１ＧｂｉｔのＭＲＡＭで要求される仕様を示している。
【０１１２】
以下、上述したような磁気抵抗効果素子を用いて構成されるＭＲＡＭのアーキテクチャについて説明する。
図２１〜図２４は、磁気抵抗効果素子とＭＯＳトランジスタを用いたＭＲＡＭアーキテクチャを示す。
【０１１３】
図２１（ａ）および（ｂ）のＭＲＡＭアーキテクチャを説明する。シリコン基板上にＭＯＳトランジスタ３０が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３０を覆う絶縁層中には、ワード線（ＷＬ）４０が一方向に延在して設けられている。また、ＭＯＳトランジスタ３０を覆う絶縁層中には、ＭＯＳトランジスタ３０に接続したプラグおよび配線が形成され、ワード線（ＷＬ）４０の上方に配線と接続するＴＭＲ素子２０が形成されている。ＴＭＲ素子２０上には、ワード線（ＷＬ）４０と直交する方向に延在するビット線（ＢＬ）５０が形成されている。
【０１１４】
図２２（ａ）および（ｂ）のＭＲＡＭアーキテクチャは、ＴＭＲ素子２０がワード線（ＷＬ）４０と配線に接続されて形成されている以外は、図２１と同様である。
【０１１５】
図２３（ａ）および（ｂ）のＭＲＡＭアーキテクチャは、ワード線（ＷＬ）４０およびビット線（５０）の一部が磁性膜４１、５１によって被覆されている以外は、図２１と同様である。
【０１１６】
図２４（ａ）および（ｂ）のＭＲＡＭアーキテクチャは、ワード線（ＷＬ）４０およびビット線（５０）の一部が磁性膜４１、５１によって被覆されている以外は、図２２と同様である。
【０１１７】
図２３および図２４に示すように、ＴＭＲセルに書き込みを行う配線の側面の少なくとも一部を軟磁性膜で被覆すると、電流磁界の増大とクロストークの低減が可能となる。
【０１１８】
図２５は、磁気抵抗効果素子とダイオードを用いたＭＲＡＭアーキテクチャを示す。一方向に延在する読み出し／書き込みデジット線（ＤＬ）１１０と、デジット線１１０に直交する方向に延在する読み出し／書き込みビット線（ＢＬ）１２０との間に、ダイオード６０と磁気抵抗効果素子２０の積層体が設けられている。デジット線（ＤＬ）１１０にはトランジスタ（ＳＴｗ）１３０が、ビット線（ＢＬ）１２０にはトランジスタ（ＳＴＢ）１４０がそれぞれ接続され、さらにトランジスタ（ＳＴｗ）１３０はセンスアンプ（ＳＡ）３００に接続されている。
【０１１９】
図２６は、磁気抵抗効果素子をはしご型配置したＭＲＡＭアーキテクチャを示す。一方向に延在する書き込みデジット線（ＤＬ）１５０と、デジット線１５０に直交する方向に延在する読み出しビット線（ＢＬｒ）１６０および書き込みビット線（ＢＬｗ）１７０が形成され、読み出しビット線（ＢＬｒ）１６０と書き込みビット線（ＢＬｗ）１７０との間に磁気抵抗効果素子２０が設けられている。読み出しビット線（ＢＬｒ）１６０にはトランジスタ（ＳＴ）１８０が、書き込みビット線（ＢＬｗ）１７０にはトランジスタ（ＳＴ）１９０がそれぞれ接続され、さらにトランジスタ１８０はセンスアンプ（ＳＡ）３００に接続されている。
【０１２０】
図２７は、磁気抵抗効果素子を単純マトリックス型配置したＭＲＡＭアーキテクチャを示す。一方向に延在する書き込みデジット線（ＤＬ）２００と読み出しビット線（ＢＬｒ）２１０とが上下に配置され、これらに直交する方向に延在する書き込みビット線（ＢＬｗ）２２０が形成され、読み出しビット線（ＢＬｒ）２１０と書き込みビット線（ＢＬｗ）２２０との間に磁気抵抗効果素子２０が設けられている。読み出しビット線（ＢＬｒ）２１０にはトランジスタ（ＳＴ２）２３０が、書き込みビット線（ＢＬｗ）２２０にはトランジスタ（ＳＴ１）２４０がそれぞれ接続され、さらにトランジスタ２３０はセンスアンプ（ＳＡ）３００に接続されている。
【０１２１】
図２８は、磁気抵抗効果素子を単純マトリックス型配置したＭＲＡＭアーキテクチャを示す。一方向に延在する書き込みデジット線（ＤＬ）２５０と読み出しビット線（ＢＬｒ）２６０とが並列に配置され、これらに直交する方向に延在する書き込みビット線（ＢＬｗ）２７０が形成され、読み出しビット線（ＢＬｒ）２６０と書き込みビット線（ＢＬｗ）２７０との間に磁気抵抗効果素子２０が設けられている。読み出しビット線（ＢＬｒ）２６０にはトランジスタ（ＳＴ２）２８０が、書き込みビット線（ＢＬｗ）２７０にはトランジスタ（ＳＴ１）２９０がそれぞれ接続され、さらにトランジスタ２８０はセンスアンプ（ＳＡ）３００に接続されている。
【０１２２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、スイッチング磁界のばらつきが小さく，強磁性トンネル接合のビットサイズを微小化してもスイッチング磁界の増大を抑制でき、熱安定性に優れ、信頼性のある磁気抵抗効果素子、およびそれを用いた磁気メモリを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るボトム型の強磁性一重トンネル接合素子の模式図。
【図２】本発明の実施形態に係るボトム型の強磁性一重トンネル接合素子の模式図。
【図３】本発明の実施形態に係るトップ型の強磁性一重トンネル接合素子の模式図。
【図４】本発明の実施形態に係るトップ型の強磁性一重トンネル接合素子の模式図。
【図５】本発明の実施形態に係る強磁性二重トンネル接合素子の模式図。
【図６】本発明の実施形態に係る強磁性二重トンネル接合素子の模式図。
【図７】本発明の実施形態に係る強磁性二重トンネル接合素子の模式図。
【図８】本発明の実施形態に係る強磁性二重トンネル接合素子の模式図。
【図９】本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の平面図。
【図１０】耐熱性試験のために作製した磁気抵抗効果素子の模式図。
【図１１】耐熱性試験のために作製した磁気抵抗効果素子の模式図。
【図１２】実施例１における磁気抵抗効果素子について、非磁性層の膜厚と層間相互作用との関係を示す図。
【図１３】実施例２における磁気抵抗効果素子について、スイッチング磁界の絶対値を示す図。
【図１４】実施例２における磁気抵抗効果素子について、スイッチング磁界の絶対値を示す図。
【図１５】実施例２における磁気抵抗効果素子について、スイッチング磁界の絶対値を示す図。
【図１６】実施例２における磁気抵抗効果素子について、スイッチング磁界の絶対値を示す図。
【図１７】比較例の磁気抵抗効果素子について、スイッチング磁界の絶対値を示す図。
【図１８】実施例３における磁気抵抗効果素子について、規格化ＭＲ比のバイアス電圧依存性を示す図。
【図１９】実施例４における磁気抵抗効果素子について、素子の幅とスイッチング磁界との関係を示す図。
【図２０】実施例４における磁気抵抗効果素子について、素子の幅とスイッチング磁界との関係を示す図。
【図２１】磁気抵抗効果素子とＭＯＳトランジスタを用いたＭＲＡＭアーキテクチャを示す図。
【図２２】磁気抵抗効果素子とＭＯＳトランジスタを用いたＭＲＡＭアーキテクチャを示す図。
【図２３】磁気抵抗効果素子とＭＯＳトランジスタを用いたＭＲＡＭアーキテクチャを示す図。
【図２４】磁気抵抗効果素子とＭＯＳトランジスタを用いたＭＲＡＭアーキテクチャを示す図。
【図２５】磁気抵抗効果素子とダイオードを用いたＭＲＡＭアーキテクチャを示す図。
【図２６】磁気抵抗効果素子をはしご型配置したＭＲＡＭアーキテクチャを示す図。
【図２７】磁気抵抗効果素子を単純マトリックス型配置したＭＲＡＭアーキテクチャを示す図。
【図２８】磁気抵抗効果素子を単純マトリックス型配置したＭＲＡＭアーキテクチャを示す図。
【符号の説明】
１…下地電極
２…反強磁性層
３…磁化固着層（ピン層）
４…トンネルバリア層
５…磁気記録層（フリー層）
５ａ…アモルファス磁性層
５ｂ…非磁性層
５ｃ…アモルファス磁性層
６…トンネルバリア層
７…磁化固着層（ピン層）
８…反強磁性層
９…カバー層（ハードマスク）
１０…上部電極
【図１】
2004179187.tif 000027
【図２】
2004179187.tif 000028
【図３】
2004179187.tif 000029
【図４】
2004179187.tif 000030
【図５】
2004179187.tif 000031
【図６】
2004179187.tif 000032
【図７】
2004179187.tif 000033
【図８】
2004179187.tif 000034
【図９】
2004179187.tif 000035
【図１０】
2004179187.tif 000036
【図１１】
2004179187.tif 000037
【図１２】
2004179187.tif 000038
【図１３】
2004179187.tif 000039
【図１４】
2004179187.tif 000040
【図１５】
2004179187.tif 000041
【図１６】
2004179187.tif 000042
【図１７】
2004179187.tif 000043
【図１８】
2004179187.tif 000044
【図１９】
2004179187.tif 000045
【図２０】
2004179187.tif 000046
【図２１】
2004179187.tif 000047
【図２２】
2004179187.tif 000048
【図２３】
2004179187.tif 000049
【図２４】
2004179187.tif 000050
【図２５】
2004179187.tif 000051
【図２６】
2004179187.tif 000052
【図２７】
2004179187.tif 000053
【図２８】
2004179187.tif 000054