(57)【要約】【課題】  熱履歴に関わらず、磁気特性を向上することが可能な構成の磁気抵抗効果素子を提供する。【解決手段】  一対の強磁性層５，７が中間層６を間に挟んで形成され、強磁性層５，７のうち、少なくとも一方の強磁性層７が、外部磁界に対して自由に磁化の向きが変わる構成であり、一方の強磁性層７に接する下地層３が、Ｔａ層３１及びＲｕ層３２の積層膜であり、かつこの積層膜では、一方の強磁性層７に接してＴａ層３１が形成されている構成の磁気抵抗効果素子１を形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の強磁性層が中間層を間に挟んで形成され、
前記強磁性層のうち、少なくとも一方の強磁性層が、外部磁界に対して自由に磁化の向きが変わる構成であり、
前記一方の強磁性層に接する下地層或いは保護層が、Ｔａ層及びＲｕ層の積層膜であり、かつ前記積層膜では、前記一方の強磁性層に接してＴａ層が形成されている
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記下地層が前記積層膜であり、前記Ｔａ層及びＲｕ層の膜厚がいずれも２ｎｍ〜５ｎｍの範囲内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】
前記保護層が前記積層膜であり、前記Ｔａ層の膜厚が１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内であり、前記Ｒｕ層の膜厚が１ｎｍ〜３ｎｍの範囲内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４】
前記下地層或いは前記保護層に接する前記一方の強磁性層は、アモルファスあるいは微結晶組織を有す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】
前記中間層として、トンネルバリア層が用いられてい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】
前記下地層或いは前記保護層に接する前記一方の強磁性層が、磁化自由層、或いはその一部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７】
前記一対の強磁性層のうち、少なくとも、一方の強磁性層が積層フェリ構造とされてい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】
一対の強磁性層が中間層を間に挟んで形成され、前記強磁性層のうち、少なくとも一方の強磁性層が、外部磁界に対して自由に磁化の向きが変わる構成であり、前記一方の強磁性層に接する下地層或いは保護層が、Ｔａ層及びＲｕ層の積層膜であり、かつ前記積層膜では、前記一方の強磁性層に接してＴａ層が形成された磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備えてなる
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項９】
前記下地層が前記積層膜であり、前記Ｔａ層及びＲｕ層の膜厚がいずれも２ｎｍ〜５ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ装置。
【請求項１０】
前記保護層が前記積層膜であり、前記Ｔａ層の膜厚が１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内であり、前記Ｒｕ層の膜厚が１ｎｍ〜３ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ装置。
【請求項１１】
前記下地層或いは前記保護層に接する前記一方の強磁性層は、アモルファスあるいは微結晶組織を有することを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ装置。
【請求項１２】
前記中間層として、トンネルバリア層が用いられていることを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ装置。
【請求項１３】
前記下地層或いは前記保護層に接する前記一方の強磁性層が、磁化自由層、或いはその一部であることを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ装置。
【請求項１４】
前記一対の強磁性層のうち、少なくとも、一方の強磁性層が積層フェリ構造とされていることを特徴とする請求項８に記載の磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、特に携帯端末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等の素子には、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要求されている。特に不揮発性メモリの高密度化及び大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクに置き換わる技術として、ますます重要度が増している。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory）等が挙げられる。しかしながら、フラッシュメモリでは、書き込み速度がμ秒オーダーであって遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭでは、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。
【０００４】
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、例えばＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）とよばれる磁気メモリ装置である（非特許文献１参照）。このＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために書き換え可能回数が大である。また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。
【０００５】
ここで、このようなＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子、例えば、トンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magneto Resistance:ＴＭＲ）素子の構成を、図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて説明する。
ＴＭＲ素子６０は、図１３Ａに示すように、一対の強磁性層６１，６２との間にトンネルバリア層６３が挟まれて、強磁性トンネル接合６４が構成されている。このＴＭＲ素子６０では、強磁性層６１，６２との間に一定の電流を流した状態で外部磁場を加えることにより、強磁性層６１，６２の磁化の向きの相対角度に応じて磁気抵抗効果が現れる。
そして、同図に示すように、例えば、双方の強磁性層６１，６２の磁化の向き（図中矢印）が反平行の場合に抵抗値が最大であり、図１３Ｂに示すように、双方の強磁性層６１，６２の磁化の向き（図中矢印）が平行の場合に抵抗値が最小である。
【０００６】
このように外部磁場により反平行と平行の状態を作り出すことにより、メモリ素子としての機能を得ることができる。
【０００７】
ＴＭＲ素子は、このような構成以外にも、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、一方の強磁性層（図１４Ａの場合では強磁性層６２）に隣接して反強磁性層６５を形成することにより、強磁性層６２と反強磁性層６５とが反強磁性的に結合することを利用して、一方の強磁性層６２を、磁化の向き（図中矢印）が常に固定された磁化固定層とし、他方の強磁性層６１を、外部磁場等によって容易に磁化反転する磁化自由層とした、所謂スピンバルブ型のＴＭＲ素子も知られている。
【０００８】
なお、図１４Ａに示すスピンバルブ型のＴＭＲ素子９０は、磁化固定層６２がトンネルバリア層６３よりも下側に形成され、磁化自由層６１がトンネルバリア層６３よりも上側に形成された、ボトムタイプのＴＭＲ素子であり、図１４Ｂに示すスピンバルブ型のＴＭＲ素子は、磁化固定層６２がトンネルバリア層６３よりも上側に形成され、磁界自由層６１がトンネルバリア層６３よりも下側に形成されたトップタイプのＴＭＲ素子９１を示している。
【０００９】
このような磁気抵抗効果素子を用いて磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）を構成する場合は、図示しないが、ビット書き込み線と、このビット書き込み線に直交するワード書き込み線との交点付近に、上述したような磁気抵抗効果素子を配置することでメモリセルを形成し、このようなメモリセルをマトリクス状に複数配置することでＭＲＡＭアレイ（メモリセルアレイ）を形成することにより可能である。
そして、このような構成の磁気メモリ装置において記録を行う場合は、アステロイド特性を利用して磁気抵抗効果素子に対して選択書き込みを行うようにする（特許文献１参照）。
【非特許文献１】Wang et al., IEEE Trans Magn. 33 (1997), P.4498
【特許文献１】特開平１０−１１６４９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述した磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）においては、各メモリセルにおいて磁気抵抗効果素子の磁気特性にばらつきが存在した場合や、同一の磁気抵抗効果素子を繰り返し測定した際に磁気特性のばらつきが存在した場合に、アステロイド特性がゼロ磁場中心からずれてしまい、選択書き込み性が劣化してしまう問題が生じる。つまり、アステロイド特性を利用した選択書き込みが困難になる。
【００１１】
したがって、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率（ＴＭＲ比）のＲ−Ｈ（抵抗−磁場）曲線において、理想的なアステロイド曲線が描かれることが必要である。そのためには、例えばこのＲ−Ｈ曲線において、ノイズ（例えばバルクハウゼンノイズ）がないこと、波形の角形性が良いこと、保磁力Ｈｃのばらつきが少ないこと等が求められる。
【００１２】
このような要求を満たすためには、各強磁性層の特性を、同一のＴＭＲ素子内、又はＴＭＲ素子間においてできるだけ均一にすることが望ましいが、このためには、強磁性層と隣接する各層（例えば保護層や下地層）との間で生じる相互拡散等に起因する組成ずれを抑えることが重要となる。
【００１３】
すなわち、例えば、図１５Ａに示すように、図１４Ａに示したボトムタイプのＴＭＲ素子の磁化自由層６１の上に保護層６６を形成し、磁化自由層６１をＣｏＦｅＢ層とし、保護層６６をＴａ層とした場合を考える。この場合、ＴＭＲ素子の製造工程において熱履歴が加えられた際の、磁化自由層（ＣｏＦｅＢ層）６１からのＢ元素の拡散量と、保護層（Ｔａ層）６６からのＴａ元素の拡散量とに差があると、磁化自由層６１と保護層６６との間で組成ずれを生じる。そして、熱履歴によって組成ずれ量が異なるため、ＴＭＲ素子の磁気特性（例えば磁化自由層６１の保磁力Ｈｃ）にばらつきを生じていた。
【００１４】
また、例えば、図１５Ｂに示すように、図１４Ｂに示したトップタイプのＴＭＲ素子の磁化自由層６１を、電極層６８上に下地層６７を介して形成し、磁化自由層６１をＣｏＦｅＢ層とし、下地層６７をＴａ層とした場合を考える。この場合も、ＴＭＲ素子の製造工程において熱履歴が加えられた際の、磁化自由層（ＣｏＦｅＢ層）６１からのＢ元素の拡散量と、下地層（Ｔａ層）６７からのＴａ元素の拡散量とに差があると、磁化自由層６１と下地層６７との間で組成ずれを生じる。そして、熱履歴によって組成ずれ量が異なるため、ＴＭＲ素子の磁気特性（例えば磁化自由層６１の保磁力Ｈｃ）にばらつきを生じていた。
【００１５】
上述した点に鑑み、本発明は、熱履歴に関わらず、磁気特性を向上することが可能な構成の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、一対の強磁性層が中間層を間に挟んで形成され、強磁性層のうち、少なくとも一方の強磁性層が、外部磁界に対して自由に磁化の向きが変わる構成であり、一方の強磁性層に接する下地層或いは保護層が、Ｔａ層及びＲｕ層の積層膜であり、かつこの積層膜では、一方の強磁性層に接してＴａ層が形成されている構成とする。
【００１７】
上述した本発明の磁気抵抗効果素子によれば、一対の強磁性層が中間層を間に挟んで形成され、強磁性層のうち、少なくとも一方の強磁性層が、外部磁界に対して自由に磁化の向きが変わる構成であり、一方の強磁性層に接する下地層或いは保護層が、Ｔａ層及びＲｕ層の積層膜であり、かつこの積層膜では、一方の強磁性層に接してＴａ層が形成されているので、素子製造工程において加えられる熱履歴の違いによって、一方の強磁性層と下地層或いは保護層との間で生じる組成ずれ量が大きく変化することを抑えることができる。これにより、例えば、磁化自由層内の保磁力がばらつくことを抑えることができ、磁気抵抗効果素子の磁気特性を安定にすることができる。
【００１８】
本発明に係る磁気メモリ装置は、一対の強磁性層が中間層を間に挟んで形成され、強磁性層のうち、少なくとも一方の強磁性層が、外部磁界に対して自由に磁化の向きが変わる構成であり、一方の強磁性層に接する下地層或いは保護層が、Ｔａ層及びＲｕ層の積層膜であり、かつこの積層膜では、一方の強磁性層に接してＴａ層が形成された磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備えてなる構成とする。
【００１９】
上述した本発明の磁気メモリ装置によれば、磁気抵抗効果素子が上記本発明の磁気抵抗効果素子の構成であることにより、磁気抵抗効果素子において、安定な磁気特性を得ることができる。これにより、例えば、選択書き込みを良好に行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果素子によれば、熱履歴に関係なく、磁気特性を安定にすることができるので、高性能で、高い信頼性を有する磁気抵抗効果素子を得ることができる。
【００２１】
また、このような磁気抵抗効果素子を用いて磁気メモリ装置を構成することにより、例えば書き込み特性に優れた磁気メモリ装置を得ることができるので、高い信頼性を有する磁気メモリ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
まず、本発明に係る磁気抵抗効果素子、例えば、トンネル磁気抵抗効果素子の一実施の形態を、図１を用いて説明する。
このトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と示す）１は、例えばシリコン等からなる基板２上に、電極層１１と、下地層３と、強磁性層である磁化自由層７と、トンネルバリア層（中間層）６と、強磁性層である磁化固定層５と、反強磁性層４と、保護層（トップコート層）８とが順に積層された構成である。
このＴＭＲ素子１においては、一対の強磁性層である磁化固定層５と磁化自由層７との間にトンネルバリア層６が挟まれることにより、強磁性トンネル接合９が形成されている。そして、このＴＭＲ素子１は、強磁性層の一方が磁化固定層５とされ、他方が磁化自由層７とされた、いわゆるスピンバルブ型のＴＭＲ素子を示している。また、このＴＭＲ素子１は、トンネルバリア層６より下側に磁化自由層７が形成された、いわゆるトップタイプのＴＭＲ素子を示している。
【００２４】
電極層１１は、例えば、Ｔａ等の材料より形成することができる。なお、この電極層１１は、例えば１０ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚で形成される。
【００２５】
磁化自由層７は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、あるいは、これら複数以上を主成分とし、Ｂを含有したアモルファス材料（例えばＣｏＦｅＢ層、ＦｅＣｏＮｉＢ層）により形成することができる。
なお、ＴＭＲ素子１をＭＲＡＭに用いる場合には、この磁化自由層７を情報記憶層として使用する。
【００２６】
トンネルバリア層６は、スパッタリング法や蒸着法等によって成膜された金属膜を、酸化又は窒化することにより形成することができる。また、トンネルバリア層６は、有機金属と、酸素、オゾン、窒素、ハロゲン、ハロゲン化ガス等とを用いるＣＶＤ法によっても形成することができる。
【００２７】
磁化固定層５は、例えば、上述したように、反強磁性層４と結合することにより、磁化の向きが常に一定に固定されている。
【００２８】
反強磁性層４は、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ等を含むＭｎ合金、Ｃｏ酸化物、Ｎｉ酸化物等の材料より形成することができる。
この反強磁性層４は、一方の強磁性層である磁化固定層５と結合することにより、磁界が加えられても磁化固定層５の磁化の向きを反転させず、磁化固定層５の磁化の向きを常に一定に固定するための層である。
【００２９】
保護層８は、例えば、Ｔａ等の材料を用いて形成することができる。
【００３０】
そして、本実施の形態においては、特に、下地層３を、Ｔａ層３１及びＲｕ層３２の積層膜とし、さらに、磁化自由層７に接する側をＴａ層３１とする。
【００３１】
磁化自由層７に接する下地層３をこのような構成とすることにより、素子製造工程において加えられる熱履歴の違いによって、磁化自由層７と下地層３との間で生じる組成ずれ量が大きく変化することを抑えることができ、例えば、磁化自由層７内の保持力Ｈｃのばらつきを改善することができる。
【００３２】
本実施の形態においては、下地層３の積層膜において、磁化自由層７に接する側をＴａ層３１としたが、例えば積層順序を反対にして磁化自由層７に接する側をＲｕ層３２とした場合は、磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化（ばらつき）がやや大きくなる。このようなことから、磁化自由層７に接する側はＴａ層３１とする。
【００３３】
また、磁化自由層７は単層で形成したが、例えば、この磁化自由層７が複数の強磁性層から構成された場合は、その最外層に接して上述した構成の下地層３を形成することにより同様の作用を得ることができる。
【００３４】
また、Ｔａ層３１及びＲｕ層３２の膜厚は、いずれも１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内とすることが好ましい。Ｔａ層３１及びＲｕ層３２がこのような膜厚を超える場合は、磁化自由層７との間での熱による相互拡散量がさらに増加するために、上述した本発明の作用は得られ難くなる。
【００３５】
また、磁化自由層７に用いるアモルファス材料の膜厚は１ｎｍ以上、１５ｎｍ以下であることが好ましい。すなわち、膜厚をこのような範囲内で規定することにより、良好な磁気特性を確保することができるからである。
例えば、磁化自由層７の膜厚が１ｎｍ未満である場合では、熱による相互拡散によりＴＭＲ素子１内の磁気特性が大幅に損なわれる。
また、磁化自由層７の膜厚が１５ｎｍを上回る場合では、ＴＭＲ素子１内の保磁力Ｈｃが過剰に高くなる。
【００３６】
ここで、実際にこのような構成のＴＭＲ素子１を作製し、このＴＭＲ素子１において、熱処理を行った後における、磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化について測定を行った。
【００３７】
具体的には、磁化自由層７側に接する側から順にＴａ層３１、Ｒｕ層３２を形成した本実施の形態のＴＭＲ素子１に対して、室温から４００℃まで熱処理を行った後の磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化について測定を行った。
また、この測定では、比較例として、下地層として単にＴａ層のみを形成した構成のＴＭＲ素子を作製し、このＴＭＲ素子に対しても同様に、熱処理を行った後の磁化自由層内の保磁力Ｈｃの変化について測定を行った。
なお、いずれの場合も、磁化自由層の組成をＣｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０（原子％）とした。また、下地層以外の層構成は同一とした。
【００３８】
この測定結果を図２に示す。
図２中、実線Ｘは、本実施の形態のＴＭＲ素子１における保磁力Ｈｃの変化を示し、破線Ｙは、比較例のＴＭＲ素子における保磁力Ｈｃの変化を示している。
【００３９】
図２より、下地膜３を、Ｔａ層３１とＲｕ層３２からなる積層構造とした本実施の形態の場合、どの熱処理温度（例えば３４０℃，３６０℃，３８０℃）においても、磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化が小さく抑えられていることが分かる。
すなわち、これは、下地層３をＴａ層３１及びＲｕ層３２の積層膜とすることにより、熱履歴が加えられた際に、下地層３から磁化自由層７へと向かう、Ｔａ元素やＲｕ元素の相互拡散量が変化し、この相互拡散量の変化が、磁化自由層７の特性に何らかの影響を及ぼしているためと考えられる。
これに対し、下地層を単にＴａ層のみの単層構造とした比較例の場合、熱処理温度が例えば３６０℃を超えた場合に、磁化自由層内の保磁力Ｈｃが大きく上昇していることが分かる。
【００４０】
このような結果から、下地層３は、Ｔａ層３１のみではなく、Ｔａ層３１とＲｕ層３２の積層構造で形成することにより、磁化自由層７内の保磁力Ｈｃを安定にすることができることが分かった。
【００４１】
上述した本実施の形態のＴＭＲ素子１によれば、トップタイプのＴＭＲ素子１において、磁化自由層７に接する下地層３をＴａ層３１及びＲｕ層３２の積層膜とし、磁化自由層７に接する側をＴａ層３１としたので、素子製造工程において加えられる熱履歴の違いによる、磁化自由層７と下地層３との間で組成ずれ量の変化が大きくなることを抑えることができる。
これにより、例えば、磁化自由層７内の保磁力Ｈｃのばらつきを抑えることができる。また、この他にも、例えば、ＴＭＲ素子１のＲ−Ｈ曲線の角形性を良好にすることができる。
すなわち、熱履歴の違いに関わらず、ＴＭＲ素子１の磁気特性を改善することができる。
【００４２】
次に、本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の実施の形態を、図３を用いて説明する。
上述した実施の形態では、トンネルバリア層６を挟んで下側に磁化自由層７が形成され、上側に磁化固定層５と反強磁性層４が形成されたトップタイプのスピンバルブ型のＴＭＲ素子１の場合を挙げて説明を行った。
これに対して本実施の形態は、トンネルバリア層６を挟んで下側に反強磁性層４と磁化固定層５が形成され、上側に磁化自由層７が形成されたボトムタイプのスピンバルブ型のＴＭＲ素子１０の場合である。
なお、その他の構成においては、図１に示す場合と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４３】
そして、本実施の形態においては、特に、磁化自由層７上の保護層８を、Ｔａ層８１及びＲｕ層８２の積層膜とし、さらに、磁化自由層７に接する側をＴａ層８１とする。
【００４４】
本実施の形態の磁気抵抗効果素子１０によれば、このように、磁化自由層７に接する保護層８を形成したので、前述した実施の形態の場合と同様に、素子製造工程において加えられる熱履歴の違いによって、磁化自由層７と保護層８との間で生じる組成ずれ量が大きく変化することを抑えることができ、例えば、磁化自由層７内の保持力Ｈｃのばらつきを改善することができる。
【００４５】
なお、Ｔａ層８１及びＲｕ層８２の具体的な構成は、前述した実施の形態のＴａ層３１及びＲｕ層３２と同様にすることができる。また、これ以外の各層の構成も前述した実施の形態の場合と同様にすることができる。
【００４６】
上述した本実施の形態によれば、ボトムタイプのＴＭＲ素子１０において、磁化自由層７に接する保護層８をＴａ層８１及びＲｕ層８２の積層膜とし、磁化自由層７に接する層をＴａ層８１としたので、例えば、素子製造工程における温度履歴の違いによる、磁化自由層７と保護層８との間での組成ずれ量の変化を抑制することができる。これにより、例えば、磁化自由層７内の保磁力Ｈｃのばらつきを抑えることができる。また、例えば、ＴＭＲ素子１０のＲ−Ｈ曲線の角形性を良好にすることができる。
【００４７】
上述した各実施の形態においては、図１及び図３に示したように、磁化固定層５及び磁化自由層７が、それぞれ単層とされた構成のＴＭＲ素子１，１０を挙げて説明を行ったが、本発明では、磁化固定層５及び磁化自由層７が複数の強磁性層と非磁性中間層とからなる積層フェリ構造で構成されていても構わない。
【００４８】
例えば、図４に示すように、トンネルバリア層６を挟んで下側に磁化固定層５と反強磁性層４とが形成され、上側に磁化自由層７が形成されたボトムタイプのＴＭＲ素子において、図３に示した実施の形態と同様に、保護層８がＴａ層８１及びＲｕ層８２の積層膜であると共に、磁化固定層５が一対の強磁性層５１，５２との間に非磁性中間層５３が挟まれた積層フェリ構造とされていても構わない。
【００４９】
また、図５に示すように、トンネルバリア層６を挟んで上側に磁化固定層５と反強磁性層４とが形成され、下側に磁化自由層７が形成されたトップタイプのＴＭＲ素子において、図１に示した実施の形態と同様に、下地層３がＴａ層３１及びＲｕ層３２の積層膜であると共に、磁化固定層５が一対の強磁性層５１，５２との間に非磁性中間層５３が挟まれた積層フェリ構造とされていても構わない。
【００５０】
なお、図４及び図５に示すＴＭＲ素子において、非磁性中間層５３としては、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ及びＡｇ等の材料からなる層を用いて形成することができる。また、この非磁性中間層５３は反強磁性結合が得られる膜厚で形成する。
その他の構成は、図１及び図３に示す場合と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００５１】
また、積層フェリ構造は、図４及び図５に示したように、２層の強磁性層５１，５２との間に非磁性中間層５３が挟まれた構成に限らず、図示しないが、例えば、さらに非磁性中間層、強磁性層が形成された、３層以上の強磁性層からなる積層フェリ構造であっても構わない。この場合においても、上述した実施の形態の場合と同様の作用が得られる。
【００５２】
次に、このような構成のＴＭＲ素子を用いた、本発明に係る磁気メモリ装置の一実施の形態を、図６を用いて説明する。
なお、本実施の形態では、磁気メモリ装置として、例えばＭＲＡＭの場合を挙げて説明する。
【００５３】
磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）２０は、複数のワード線ＷＬと、これらワード線ＷＬと直交する複数のビット線ＢＬとを有し、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとの各交点に、図１及び図３に示したようなＴＭＲ素子（１，１０）が配置されてメモリセル２１が形成され、このメモリセル２１が複数配置されることにより、ＭＲＡＭアレイ２２が形成されている。図６では、３×３のメモリセル１１がマトリクス状に配列された構成のＭＲＡＭアレイ２２を示している。
【００５４】
次に、上述したメモリセル２１の構成を、図７を用いて説明する。
メモリセル２１では、例えばシリコン基板２３上に、ゲート電極２４、ソース領域２５及びドレイン領域２６からなるトランジスタ２７を有する。ゲート電極２４は、読み出し用のワード線ＷＬ１を構成している。そして、ゲート電極２４上には絶縁層（図示せず）を介して書き込み用のワード線ＷＬ２が形成されている。トランジスタ２７のドレイン領域２６にはコンタクトメタル２８が接続され、さらにコンタクトメタル２８には下地層２９が接続されている。
【００５５】
そして、本実施の形態の磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）２０においては、上述した構成のＴＭＲ素子１又は１０を、下地層２９上の書き込み用のワード線ＷＬ２の上方に対応する位置に形成する。
なお、このＴＭＲ素子１又は１０上には、ワード線ＷＬ１及びＷＬ２と直交するビット線ＢＬが形成される。
【００５６】
本実施の形態の磁気メモリ装置２０によれば、上述した構成のＴＭＲ素子１又は１０を用いて構成することにより、このＴＭＲ素子１又は１０の磁気特性が安定であるので、例えば選択書き込みを良好に行うことが可能になる。
【００５７】
本実施の形態においては、本発明のＴＭＲ素子を、磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）に適用した場合を挙げて説明を行ったが、本発明のＴＭＲ素子は、このような磁気メモリ装置のみならず、磁気ヘッドやこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブに適用することが可能である。また、これ以外にも、集積回路チップやパソコン、携帯端末や携帯電話といった各種電子機器、電気機器等にも適用することが可能である。
【００５８】
（実施例）
次に、上述した各実施の形態のＴＭＲ素子を実際にそれぞれ作製して特性を調べた。
なお、図６及び図７を用いて説明したように、磁気メモリ装置２０ではＴＭＲ素子１以外にスイッチング用のトランジスタ２７等が形成されているが、本実施例においては、ＴＭＲ素子１の特性を調べるために、後述するように、強磁性トンネル接合のみが形成された特性評価用素子（Test Element Group:ＴＥＧ）をそれぞれ作成し、この特性評価用素子を用いて特性を調べた。
【００５９】
（実験１）
図１に示した、トップタイプのＴＭＲ素子において、下地層３における、Ｔａ層３１及びＲｕ層３２の最適な膜厚を規定するために、このＴａ層３１及びＲｕ層３２の膜厚をそれぞれ変化させて、熱処理を行った後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化について測定を行った。
【００６０】
（試料１）
図８に平面図、図９に図８のＡ−Ａにおける断面図をそれぞれ示すように、特性評価用素子（ＴＥＧ）として、基板３３上に、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとが直交して配され、これらワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交点付近にＴＭＲ素子１が形成された構造を作製した。このＴＥＧはＴＭＲ素子が短軸５μｍ×長軸１０μｍの楕円形状であり、ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬの両端にそれぞれ端子パッド３１，３２が形成され、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとをＡｌ2Ｏ3膜からなる絶縁層３４によって互いに電気的に絶縁した構成となっている。
【００６１】
具体的には、次のようにして図８及び図９に示すＴＥＧを作製した。
先ず、基板３３上にワード線の材料を成膜し、フォトリソグラフィ技術によってマスクした後に、ワード線ＷＬ以外の部分をＡｒプラズマにより選択的にエッチングし、ワード線ＷＬを形成した。このとき、ワード線ＷＬ以外の領域は、基板３３の深さ５ｎｍまでエッチングした。なお、基板３３としては、表面に厚さ２μｍの熱酸化膜が形成された、厚さ０．６ｍｍのシリコン基板を用いた。
【００６２】
続いて、下記の層構成（１）からなるＴＭＲ素子を、公知のリソグラフィ法及びエッチングにより作製した。層構成（１）は、／の左側が基板側となっており、（）内は膜厚を示している。
電極層／下地層（Ｒｕ層１ｎｍ又は２ｎｍ、Ｔａ層ｘｎｍ）／磁化自由層（６ｎｍ）／Ａｌ−Ｏｘ／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（３０ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）−（１）
【００６３】
なお、上記の層構成（１）のうち、磁化自由層７の組成を、Ｃｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０（原子％）とし、磁化自由層７以外のＣｏＦｅからなる層の組成を、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）とした。また、磁化固定層５は積層フェリ構造としている。
【００６４】
トンネルバリア層６として形成したＡｌ−Ｏｘ層は、先ず、ＤＣスパッタ法を用いて、磁化固定層５の強磁性層５１上にＡｌ膜を１ｎｍの膜厚で堆積させた後、酸素／アルゴンの流量比を１：１とし、チャンバー内に導入されるガス圧を０．１ｍＴｏｒｒとして、ＩＣＰプラズマを用いて上記Ａｌ膜をプラズマ酸化することにより形成した。
また、酸化時間はＩＣＰプラズマ出力に依存するが、今回の実施例中では３０秒とした。
また、このＡｌ−Ｏｘ層以外の各層においては、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて形成した。
【００６５】
このようにして、ワード線ＷＬ上にＴＭＲ素子１を形成した後、磁場中熱処理炉において、１０ｋＯｅ、２５０℃、５時間の熱処理を行い、反強磁性層４であるＰｔＭｎ層の規則化熱処理を行い、強磁性トンネル接合９を形成した。
【００６６】
次に、例えばＡｌ2Ｏ3膜をスパッタリングすることにより、厚さ１００ｎｍ程度の絶縁層３４を形成し、さらに、リソグラフィ技術を用いて、ビット線ＢＬ及び端子パッド３１，３２を形成することにより、図８及び図９に示すＴＥＧを得て、これを試料１のＴＥＧとした。
【００６７】
そして、この試料１のＴＥＧにおいて、下地層３における、Ｒｕ層３２の膜厚を１ｎｍ又は２ｎｍとし、Ｔａ層３１の膜厚ｘを上限が５ｎｍの範囲内で変化させて、熱処理を施した後の保磁力Ｈｃの変化を測定した。
具体的には、後述するようにして、Ｒ−Ｈ曲線の測定を行い、さらにこのＲ−Ｈ曲線から保磁力Ｈｃを求めた。
【００６８】
（Ｒ−Ｈ曲線の測定）
通常のＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置では、電流磁界によってＴＭＲ素子を磁化反転させて情報を書き込むが、本実施例では、外部磁界によってＴＭＲ素子１を磁化反転させることにより、抵抗値の測定を行った。すなわち、先ず、ＴＭＲ素子１の磁化自由層７を磁化反転させるための外部磁界を、磁化自由層７の磁化容易軸に対して平行となるように印加した。測定のための外部磁界の大きさは例えば５００Ｏｅとした。次に、磁化自由層７の磁化容易軸の一方から見て例えば−５００Ｏｅから＋５００Ｏｅまで掃引するのと同時に、ワード線ＷＬの端子パッド３１とビット線ＢＬの端子パッド３２とにかかるバイアス電圧が１００ｍＶとなるように調節して、強磁性トンネル接合９にトンネル電流を流した。このときの、各外部磁界に対する抵抗値を測定し、Ｒ−Ｈ曲線を得た。
【００６９】
（保磁力Ｈｃの変化の測定）
保磁力（Ｈｃ）は、上記のＲ−Ｈ曲線の測定法を用いてＲ−Ｈ曲線を測定し、磁化固定層５と磁化自由層７が反平行の状態であって抵抗が高い状態での抵抗値と、磁化固定層５と磁化自由層７が平行の状態であって抵抗が低い状態での抵抗値との間で、半分の抵抗値が得られるときの外部磁界値を保磁力（Ｈｃ）と定義した。
そして、２００℃の熱処理後と４００℃の熱処理後においてそれぞれ保磁力Ｈｃの測定を行い、４００℃の熱処理後の保持力Ｈｃから２００℃の熱処理後の保磁力Ｈｃを引いたものをΔＨｃとし、２００℃の熱処理後の保磁力ＨｃをＨｃ−２００とし、熱処理温度による保磁力変化をΔＨｃ／Ｈｃ_２００と定義した。
【００７０】
この試料１のＴＥＧの保磁力Ｈｃの変化の測定結果を図１０に示す。
なお、図１０中、斜線で示すグラフはＲｕ層３２の膜厚が１ｎｍの場合を示し、白抜きで示すグラフはＲｕ層３２の膜厚が２ｎｍの場合を示している。
【００７１】
図１０より、前述した本実施の形態のように、下地層３をＴａ層３１及びＲｕ層３２の積層膜とすることにより、熱処理後における保磁力Ｈｃの変化を抑制できていることが分かる。ただし、この場合、Ｒｕ層３２が例えば２ｎｍ（白抜き）以上の膜厚で形成されることが必要である。
なお、Ｒｕ層３２の膜厚をある程度厚く形成した場合、結晶成長に伴う粒の増大がおこり、ＴＭＲ素子において望ましくない界面粗さの増大が起きる。したがって、Ｒｕ層３２は５ｎｍ以下の膜厚で形成することが好ましい。
【００７２】
また、このような構成において、Ｔａ層３１の膜厚ｘが２ｎｍ〜５ｎｍの範囲内で形成された場合に、熱処理後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化がさらに抑えられていることが分かる。
【００７３】
また、Ｔａ層３１の膜厚ｘが０（ゼロ）ｎｍの場合、すなわち、下地層３がＲｕ層３２のみで形成された場合においても、保磁力Ｈｃの変化が抑えられていることが分かる。
ただし、この場合、磁化自由層７の材料として望ましいとしたアモルファス材料層（ＣｏＦｅＢ層）に接して直接Ｒｕ層３２が形成されることになるので、このアモルファス材料層がさらに結晶質として成長してしまう虞があり、磁気特性を考慮した場合には好ましくない。したがって、磁化自由層７とＲｕ層３２との間にＴａ層３１を形成することが必要である。
【００７４】
以上のような実験１の結果から、トップタイプのＴＭＲ素子の場合では、磁化自由層７に接する下地層３を、Ｔａ層３１及びＲｕ層３２の積層構造とすることにより、熱処理後における磁界自由層７内の保磁力Ｈｃの変化を抑えられることが分かった。また、この場合、Ｔａ層３１の膜厚ｘは２〜５ｎｍ、Ｒｕ層３２の膜厚は２〜５ｎｍの範囲内で形成することにより、熱処理後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化をさらに抑えられることが分かった。
【００７５】
（実験２）
図３に示した、ボトムタイプのＴＭＲ素子において、保護層８における、一方のＲｕ層８２の最適な膜厚を規定するために、このＲｕ層８２の膜厚をそれぞれ変化させて、熱処理を行った後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化について測定を行った。
【００７６】
（試料２）
下記の層構成（２）からなるＴＭＲ素子１０を、前述した実験１に示す場合と同様に、公知のリソグラフィ法及びエッチングにより作製した。層構成（２）は、／の左側が基板側となっており、（）内は膜厚を示している。
Ｔａ（３ｎｍ）／ＰｔＭｎ（３０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ−Ｏｘ／磁化自由層（６ｎｍ）／保護層（Ｔａ層５ｎｍ、Ｒｕ層ｙｎｍ）−（２）
【００７７】
なお、上記の層構成（２）のうち、磁化自由層７の組成を、Ｃｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０（原子％）とし、磁化自由層７以外のＣｏＦｅからなる層の組成を、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）とした。また、磁化固定層５は積層フェリ構造としている。
そして、前述した実験１と同様にして図８及び図９に示すＴＥＧを得て、これを試料２のＴＥＧとした。
【００７８】
そして、この試料２のＴＥＧにおいて、保護層８におけるＲｕ層８２の膜厚ｙを上限が３ｎｍの範囲内で変化させ、２００℃の熱処理後と４００℃の熱処理後における保磁力Ｈｃの変化についてそれぞれ測定を行った。
具体的には、前述したようにして、Ｒ−Ｈ曲線の測定を行い、さらにこのＲ−Ｈ曲線から保磁力Ｈｃを求めた。
【００７９】
この試料２のＴＥＧの保磁力Ｈｃの変化の測定結果を図１１に示す。
【００８０】
図１１からわかるように、磁化自由層７に接する保護層８として、Ｒｕ層８２の膜厚ｙが０（ゼロ）ｎｍの場合、すなわち、単にＴａ層８１のみを形成したＴＭＲ素子の場合では、熱処理による磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化が大きくなっていることが分かる。
これに対して、本実施の形態のように、Ｔａ層８１上にＲｕ層８２をさらに形成して積層膜とした場合は、Ｒｕ層８２の膜厚が１ｎｍの場合及び３ｎｍの場合で、熱処理後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化が抑えられていることが分かる。
ただし、この図１１からは、Ｒｕ層８１の膜厚ｙが厚くなるにしたがって、熱処理後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化が大きくなっていくものと推測できる。
【００８１】
以上のような実験２の結果から、磁化自由層７に接する側から順にＴａ層８１、Ｒｕ層８２を積層して保護層８を形成することにより、熱処理後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化のばらつきが抑えられることが分かった。また、この場合、Ｒｕ層８２の膜厚ｙは厚くし過ぎると磁気特性に影響を与えることが分かった。
【００８２】
（実験３）
ボトムタイプのＴＭＲ素子において、保護層８における、もう一方のＴａ層８１の最適な膜厚を規定するために、このＴａ層８１の膜厚をそれぞれ変化させて、熱処理を行った後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化について測定を行った。
【００８３】
（試料３）
実験２の層構成（２）に対して、保護層（Ｔａ層ｚｎｍ、Ｒｕ層１ｎｍ）と変更した以外は、層構成（２）と同様にした層構成（３）からなるＴＭＲ素子を、前述した実験１に示す場合と同様に、公知のリソグラフィ法及びエッチングにより作製した。
そして、前述した実験１と同様にして図８及び図９に示すＴＥＧを得て、これを試料３のＴＥＧとした。
【００８４】
そして、この試料３のＴＥＧにおいて、保護層８におけるＴａ層８１の膜厚ｚを上限が５ｎｍの範囲内で変化させ、２００℃の熱処理後と４００℃の熱処理後における保磁力Ｈｃの変化についてそれぞれ測定を行った。
具体的には、前述したようにして、Ｒ−Ｈ曲線の測定を行い、さらにこのＲ−Ｈ曲線から保磁力Ｈｃを求めた。
【００８５】
試料３のＴＥＧの測定結果を図１１に示す。
【００８６】
図１２からわかるように、Ｔａ層８１の上にＲｕ層８２を積層することにより、Ｔａ層８１の膜厚ｚを上限が５ｎｍの範囲内で変化させても、熱処理後における磁化自由層７内の保磁力の変化が抑えられていることが分かる。
ここで、Ｔａ層８１の膜厚ｚが０ｎｍの場合、すなわち、下地層３がＲｕ層８２のみで形成された場合においても、保磁力Ｈｃの変化が抑えられていることが分かる。しかしながらこの場合、ＴＭＲ素子の抵抗変化率（ＴＭＲ比）が劣化することが分かっているので、磁化自由層７とＲｕ層８２との間にＴａ層８１を形成することが必要である。
【００８７】
以上のような実験３の結果より、実験２の場合と同様に、磁化自由層７に接する側から順にＴａ層８１、Ｒｕ層８２を積層して保護層８を形成することにより、熱処理後における磁化自由層７内の保磁力Ｈｃの変化のばらつきが抑えられることが分かった。また、Ｒｕ層８２のみで保護層８を形成した場合は、ＴＭＲ素子の磁気特性に影響を与えることがわかった。この場合、Ｔａ層８１の膜厚ｚは厚くし過ぎないように形成することが好ましいことが分かった。
【００８８】
したがって、実験２及び実験３の結果をふまえると、ボトムタイプのＴＭＲ素子１０の場合では、磁化自由層７に接する側から順にＴａ層８１、Ｒｕ層８２を積層して保護層８を形成し、Ｔａ層８１の膜厚ｚは１〜５ｎｍ、Ｒｕ層８２の膜厚ｙは１〜３ｎｍの範囲内で形成することにより、良好な磁気特性が得られることが分かる。
【００８９】
尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明に係る磁気抵抗効果素子の一実施の形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明の構成と比較例の構成との熱処理後の保磁力の変化を示すグラフである。
【図３】本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の実施の形態を示す概略構成図である。
【図４】本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の形態を示す概略構成図（その１）である。
【図５】本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の形態を示す概略構成図（その２）である。
【図６】本発明に係る磁気メモリ装置の一実施の形態を示す斜視図である。
【図７】図６に示す磁気メモリ装置のメモリセルの拡大断面図である。
【図８】実験において用いられるＴＭＲ素子評価用のＴＥＧの平面図である。
【図９】図８に示すＴＥＧのＡ−Ａ線上の拡大断面図である。
【図１０】トップタイプの磁気抵抗効果素子において、Ｔａ層及びＲｕ層の膜厚をそれぞれ変化させて熱処理を行った後の保磁力の変化を示す図である。
【図１１】ボトムタイプの磁気抵抗効果素子において、Ｒｕ層の膜厚を変化させて熱処理を行った後の保磁力の変化を示す図である。
【図１２】ボトムタイプの磁気抵抗効果素子において、Ｔａ層の膜厚を変化させて熱処理を行った後の保磁力の変化を示す図である。
【図１３】Ａ，Ｂ  従来の磁気抵抗効果素子の要部を示す概略断面図である。
【図１４】Ａ，Ｂ  従来のスピンバルブ型の磁気抵抗効果素子を説明するための図である。
【図１５】Ａ，Ｂ  ボトムタイプ及びトップタイプの磁気抵抗効果素子を説明するための図である。
【符号の説明】
【００９１】
１、１０・・・ＴＭＲ素子、２・・・基板、３・・・下地層、３１・・・Ｔａ層、３２・・・Ｒｕ層、４・・・反強磁性層、５・・・磁化固定層、５１，５２・・・強磁性層、５３・・・非磁性中間層、６・・・トンネルバリア層、７・・・磁化自由層、８・・・保護層、８１・・・Ｔａ層、８２・・・Ｒｕ層、９・・・強磁性トンネル接合、１１・・・電極層、２０・・・磁気メモリ装置、２１・・・メモリセル、２２・・・ＭＲＡＭアレイ
【図１】
2005203701.tif 000003
【図２】
2005203701.tif 000004
【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】
2005203701.tif 000014
【図１３】
2005203701.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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