(57)【要約】【課題】  高耐熱性を実現することができる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がトンネルバリア層６を間に挟んで形成され、少なくとも、トンネルバリア層６の下側に形成された強磁性層５が積層フェリ構造とされ、この積層フェリ構造において、トンネルバリア層６に接する強磁性層５１がＣｏＦｅＢ層であり、積層フェリ構造の全ての非磁性中間層５３の下側に接する層５２がＣｏＦｅ層であり、ＣｏＦｅＢ層５１の組成が、ＣｏａＦｅｂＢｃ（式中ａ、ｂ、ｃは原子％を表す。また、ａ：ｂ＝３０：７０〜８０：２０、１８≦ｃ≦３７である。ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である。）である構成の磁気抵抗効果素子１を形成する。【選択図】      図１
2005203443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の強磁性層がトンネルバリア層を間に挟んで形成され、少なくとも、前記トンネルバリア層の下側に形成された前記強磁性層が積層フェリ構造とされた磁気抵抗効果素子であって、
前記積層フェリ構造において、前記トンネルバリア層に接する強磁性層がＣｏＦｅＢ層であり、前記積層フェリ構造の全ての非磁性中間層の下側に接する層がＣｏＦｅ層であり、
前記ＣｏＦｅＢ層の組成が、ＣｏａＦｅｂＢｃ（式中ａ、ｂ、ｃは原子％を表す。また、ａ：ｂ＝３０：７０〜８０：２０、１８≦ｃ≦３７である。ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である。）である
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層の下側に形成された強磁性層は、その下側に反強磁性層が形成された磁化固定層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】
一対の強磁性層がトンネルバリア層を間に挟んで形成され、少なくとも、前記トンネルバリア層の下側に形成された前記強磁性層が積層フェリ構造とされた磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を厚さ方向に挟むワード線及びビット線とを備えた磁気メモリ装置であって、
前記積層フェリ構造において、前記トンネルバリア層に接する強磁性層がＣｏＦｅＢ層であり、前記積層フェリ構造の全ての非磁性中間層の下側に接する層がＣｏＦｅ層であり、
前記ＣｏＦｅＢ層の組成が、ＣｏａＦｅｂＢｃ（式中ａ、ｂ、ｃは原子％を表す。また、ａ：ｂ＝３０：７０〜８０：２０、１８≦ｃ≦３７である。ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である。）である
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項４】
前記トンネルバリア層の下側に形成された強磁性層は、その下側に反強磁性層が形成された磁化固定層であることを特徴とする請求項３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、磁気抵抗効果素子、特に、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が得られる構成の磁気抵抗効果素子及びこの磁気抵抗効果素子を用いた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８０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た、トップタイプのＴＭＲ素子８１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、例えば、複数のビット書き込み線と、これら複数のビット書き込み線に直交する複数のワード書き込み線とを設け、これらビット書き込み線とワード書き込み線との交点付近に、磁気メモリ素子として上述したような磁気抵抗効果素子を配することにより構成することができる。そして、このような磁気メモリ装置で記録を行う場合は、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、上述したアステロイド特性は、ゼロ磁場を中心に正磁場及び負磁場において対称であることが必要である。
しかしながら、例えば、図１４Ａや図１４Ｂに示した磁気抵抗効果素子８０，８１を用いた磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）においては、磁化固定層６２端からの漏れ磁場等により、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。
【００１１】
そこで、このような問題を解決する手段として、強磁性層を複数用いて、それぞれの強磁性層を互いに反平行に結合させることにより、正味の磁化を小さくすることができる構造として、積層フェリ構造が用いられている。
すなわち、図１５に示すように、磁化固定層６２を、例えば、強磁性層６２１、非磁性中間層６２３、強磁性層６２２を順に積層して形成することにより、磁化固定層６２端からの漏れ磁場を少なくしている。
なお、強磁性層６２１，６２２としては例えばＣｏＦｅ層が用いられ、非磁性中間層６２３としては例えばＲｕ層が用いられている。
【００１２】
しかしながら、このような積層フェリ構造においては、例えば、磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）を作製する際の熱履歴により、その温度によっては各強磁性層間で形成されている反平行結合にばらつきが生じて、反強磁性結合磁界Ｈｓが弱くなってしまう。
【００１３】
このように積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓが弱くなった場合は、磁化固定層６２の磁界の向きが固定されず不安定となるので、例えば書き込みに必要な電流磁界にもばらつきが生じ、書き込み特性が低下してしまう。
また、ＴＭＲ素子自体の抵抗変化率（ＴＭＲ比）も低下するので、例えば読み出しが困難となり、読み出し特性が低下してしまう。
また、これ以外にも、磁化自由層６１の磁気異方性の方向分散の誘発等の問題も生じる。
【００１４】
以上により、ＴＭＲ素子においては、積層フェリ構造の耐熱性は十分に確保しておくことが望ましいことが分かる。
【００１５】
上述した点に鑑み、本発明は、高耐熱性を実現することができる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】
本発明は、一対の強磁性層がトンネルバリア層を間に挟んで形成され、少なくとも、トンネルバリア層の下側に形成された強磁性層が積層フェリ構造とされた磁気抵抗効果素子であって、積層フェリ構造において、トンネルバリア層に接する強磁性層がＣｏＦｅＢ層であり、積層フェリ構造の全ての非磁性中間層の下側に接する層がＣｏＦｅ層であり、ＣｏＦｅＢ層の組成が、ＣｏａＦｅｂＢｃ（式中ａ、ｂ、ｃは原子％を表す。また、ａ：ｂ＝３０：７０〜８０：２０、１８≦ｃ≦３７である。ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である。）である構成とする。
【００１７】
上述した本発明の磁気抵抗効果素子によれば、積層フェリ構造において、トンネルバリア層に接する強磁性層がＣｏＦｅＢ層であり、積層フェリ構造の全ての非磁性中間層の下側に接する層がＣｏＦｅ層であり、ＣｏＦｅＢ層の組成が、ＣｏａＦｅｂＢｃ（式中ａ、ｂ、ｃは原子％を表す。また、ａ：ｂ＝３０：７０〜８０：２０、１８≦ｃ≦３７である。ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である。）であるので、熱履歴に関係なく、積層フェリ構造内の反平行結合にばらつきが生じることを防ぐことができ、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓが弱くなることを防ぐことができる。
また、Ｂ元素の量（原子％）のみではなく、Ｃｏ元素とＦｅ元素の量（原子％）の比率も規定したので、磁気抵抗効果素子自体の抵抗変化率を低下させずに、充分な抵抗変化率を得ることができる。
【００１８】
本発明は、一対の強磁性層がトンネルバリア層を間に挟んで形成され、少なくとも、前記トンネルバリア層の下側に形成された強磁性層が積層フェリ構造とされた磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子を厚さ方向に挟むワード線及びビット線とを備えた磁気メモリ装置であって、積層フェリ構造において、トンネルバリア層に接する強磁性層がＣｏＦｅＢ層であり、積層フェリ構造の全ての非磁性中間層の下側に接する層がＣｏＦｅ層であり、ＣｏＦｅＢ層の組成が、ＣｏａＦｅｂＢｃ（式中ａ、ｂ、ｃは原子％を表す。また、ａ：ｂ＝３０：７０〜８０：２０、１８≦ｃ≦３７である。ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である。）である構成とする。
【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、書き込みのばらつきに対する耐性が充分に確保された装置を実現することが可能になる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の磁気抵抗効果素子によれば、熱履歴等に関係なく、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界を安定にすることができるので、充分な耐熱性が確保された構成を得ることができる。また、高い抵抗変化率を有する構成も得ることが可能になる。
【００２１】
したがって、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した場合は、書き込みのばらつきに対する耐性や読み出しのばらつきに対する耐性に優れた装置を実現す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得ることができる。
【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、下地層３と、反強磁性層４と、強磁性層である磁化固定層５と、トンネルバリア層６と、強磁性層である磁化自由層７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、トンネルバリア層よりも下側に磁化固定層５が形成された、ボトムタイプのＴＭＲ素子を示している。
【００２４】
下地層３は、例えば、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ等の材料より形成することができる
【００２５】
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。
【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】
磁化自由層７は、例えば、ＣｏＦｅＢ層等の材料より形成することができる。この磁化自由層７は、外部磁場等によって磁化の向きが容易に反転される構成となっている。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。
【００２８】
保護層８は、例えばＴａ等の材料より形成することができる。
【００２９】
磁化固定層５は、強磁性層５１及び強磁性層５２との間に非磁性中間層５３が挟まれた構成の、いわゆる積層フェリ構造で形成されている。
【００３０】
そして、本実施の形態においては、特に、この積層フェリ構造とされた磁化固定層５において、トンネルバリア層６に接する強磁性層５１をＣｏＦｅＢ層として、これ以外の強磁性層５２、すなわち、非磁性中間層５３の下側に接する強磁性層５２をＣｏＦｅ層とする。
そして、さらに、ＣｏＦｅＢ層において、Ｂ元素の量を１８〜３７（原子％）の範囲内で規定する。
【００３１】
このように、トンネルバリア層６に接する強磁性層５１としてＢ元素が添加されたＣｏＦｅＢ層を形成し、反強磁性層４に接する強磁性層５２としてＣｏＦｅ層を形成し、さらに、ＣｏＦｅＢ層において、Ｂ元素の量を１８〜３７（原子％）の範囲内で規定することにより、積層フェリ構造内の各強磁性層間で形成されている反平行結合がばらつくことを防ぐことができ、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓが弱くなることを防止できる。
【００３２】
すなわち、従来では、積層フェリ構造において、非磁性中間層を挟む強磁性層の両方をＣｏＦｅ層で形成していたので、製造時の熱履歴が加わった場合に、反強磁性層からのＭｎ元素の拡散によってＣｏＦｅ層が影響を受け、積層フェリ構造内の反平行結合にばらつきが生じていた。
しかし、本実施の形態では、トンネルバリア層６に接する強磁性層５１をＣｏＦｅＢ層で形成したので、上述したように熱履歴が加わった場合に、反強磁性層４に用いられているＭｎ元素が拡散しても、ＣｏＦｅＢ層５１のＢ元素がＭｎ元素の拡散の広がりを抑えるはたらきをするので、反平行結合にばらつきが生じることを防いで、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓが弱まることを防止できる。
【００３３】
なお、反強磁性層４に接する強磁性層５２をＣｏＦｅＢ層で形成した場合は、積層フェリ構造内の反平行結合磁界Ｈｓが弱くなる。これは、Ｂ元素が添加されることにより、ＣｏＦｅＢ層はアモルファス構造を有することになるが、このようなアモルファス構造を有する層を反強磁性層４に接して形成したためである。
このような点から、反強磁性層４側に接しては、単に結晶質構造を有するＣｏＦｅ層５２を形成するようにした。
【００３４】
ここで、積層フェリ構造とされた磁化固定層５において、実際にトンネルバリア層６に接する強磁性層５１としてＣｏＦｅＢ層を形成した構成のＴＭＲ素子１を作製して、高温で熱処理を行った後における積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓの変化について測定を行った。なお、この測定では、比較例として、トンネルバリア層に接する強磁性層として単にＣｏＦｅ層を形成した構成のＴＭＲ素子の場合も行った。
【００３５】
具体的には、積層フェリ構造とされた磁化固定層５において、トンネルバリア層６側に接してＣｏ３７．５Ｆｅ３７．５Ｂ２５層を２．５ｎｍの膜厚で形成したＴＭＲ素子１と、比較例として、トンネルバリア層に接してＣｏ９０Ｆｅ１０層を２．５ｎｍの膜厚で形成したＴＭＲ素子を作製し、この２つのＴＭＲ素子に対して、磁場中において、２５０℃、５時間及び４００℃、３０分の熱処理をそれぞれ行った後の反強磁性結合磁界Ｈｓの変化についてそれぞれ測定を行った。
なお、これ以外の層構成は、それぞれ、反強磁性層４側に接する強磁性層５１としてＣｏ９０Ｆｅ１０層を２．５ｎｍの膜厚で形成し、非磁性中間層５３としてＲｕ層を０．８ｎｍの膜厚で形成した。また、磁化自由層７としてＣｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０層を３ｎｍの膜厚で形成した。
【００３６】
この測定結果を表１に示す。
表１中、４００℃熱処理後の欄中において括弧内に示す値は、４００℃で熱処理を行った後の反強磁性結合磁界Ｈｓが、２５０℃で熱処理を行った後の反強磁性結合磁界Ｈｓに対して、その何％に変化した値かを表したものである。
【００３７】
【表１】
2005203443.tif 000003
【００３８】
表１より、高温（４００℃）で熱処理を行った後の測定結果においては、比較例であるトンネルバリア層６に接してＣｏ９０Ｆｅ１０層を形成した場合よりも、本実施の形態のＣｏ３７．５Ｆｅ３７．５Ｂ２５層を形成した場合の方が、熱処理による反強磁性結合磁界Ｈｓの低下が抑えられ、高い値を示していることが分かる。
したがって、上述した本実施の形態の構成を用いることにより、積層フェリ構造の耐熱性が向上していることが分かる。
【００３９】
また、本実施の形態では、さらに、ＣｏＦｅＢ層において、Ｃｏ元素の量とＦｅ元素の量の比率を、３０：７０〜８０：２０の範囲内で規定する。
すなわち、ＣｏＦｅＢ層の組成をＣｏａＦｅｂＢｃ（式中、ａ、ｂ、ｃは原子％を表し、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００である）としたときに、１８≦ｃ≦３７かつａ：ｂ＝３０：７０〜８０：２０とする。
【００４０】
このように、Ｂ元素の量に合わせて、Ｃｏ元素やＦｅ元素の量を規定することにより、上述したように、高温の熱処理を行った後においても、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓを高い状態とすることができ、かつＴＭＲ素子自体の抵抗変化率（ＴＭＲ比）も高くすることができる。
【００４１】
ここで、反強磁性結合磁界Ｈｓを測定した場合と同様の構成のＴＭＲ素子を用いて、実際にこのＴＭＲ素子の磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）を測定した結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
なお、上述したように、ＣｏＦｅＢ層の組成はＣｏ３７．５Ｆｅ３７．５Ｂ２５（原子％）とした。
また、この表２においても、比較例として、反平行結合磁界Ｈｓを測定した場合と同様の構成のＴＭＲ素子の場合の測定結果も示した。
また、抵抗変化率（ＴＭＲ比）の測定においては、３４０℃、２時間の熱処理を行った後の値を示している点が、上述した反強磁性結合磁界Ｈｓを測定した場合とは異なっている。
【００４４】
表２より、高温（３４０℃）で熱処理を行った後の磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）においても、比較例であるトンネルバリア層７に接してＣｏ９０Ｆｅ１０層を形成した場合より、本実施の形態のＣｏ３７．５Ｆｅ３７．５Ｂ２５層を形成した場合の方が高い値を示していることが分かる。
したがって、上述した本実施の形態の構成を用いることにより、高温処理を行った後でも高い抵抗変化率（ＴＭＲ比）が得られていることが分かる。
【００４５】
以上のような結果から、積層フェリ構造とされた磁化固定層５において、トンネルバリア層６に接してＣｏＦｅＢ層５１を形成し、反強磁性層４に接してＣｏＦｅ層を形成し、さらに、ＣｏＦｅＢ層５１において、Ｂ元素の量を１７〜３７の範囲内で規定し、Ｃｏ元素の量とＦｅ元素の量の比率を３０：７０〜８０：２０の範囲内で規定することにより、熱履歴に関係なく、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓを高い状態にすることができ、充分に耐熱性が確保されたＴＭＲ素子が得られることが分かる。また、ＴＭＲ素子自体の抵抗変化率（ＴＭＲ比）も高くできることが分かる。
【００４６】
ここで、強磁性層５１，５２として用いたＣｏＦｅＢ層及びＣｏＦｅ層は、それぞれ１ｎｍ以上、１５ｎｍ以下の膜厚で形成することが好ましい。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。
【００４７】
例えば、ＣｏＦｅＢ層５１及びＣｏＦｅ層５２の合計膜厚が１ｎｍ未満である場合では、熱による相互拡散により磁気特性が大幅に損なわれ、ＣｏＦｅＢ層５１及びＣｏＦｅ層５２の合計膜厚が１５ｎｍを上回る場合では、磁化固定層５の特性（例えば反強磁性結合磁界Ｈｓ）が不十分になり実用上不適当となる虞がある。
【００４８】
また、非磁性中間層５３として用いたＲｕ層の膜厚は、反強磁性結合が得られる膜厚（例えば０．８ｎｍ）で形成することができる。なお、非磁性中間層としては、Ｒｕ層以外にも、Ｉｒ、Ｒｅ、Ｒｈ等の材料からなる層を用いて形成することができる。この場合においても、反強磁性結合が得られる膜厚で形成する。
【００４９】
上述した本実施の形態によれば、トンネルバリア層６の下側の磁化固定層５が積層フェリ構造で形成されたＴＭＲ素子１において、トンネルバリア層６に接する強磁性層５１としてＣｏＦｅＢ層を形成し、反強磁性層４に接する強磁性層５２としてＣｏＦｅ層を形成し、さらに、ＣｏＦｅＢ層５１において、Ｂ元素の量を１８〜３７の範囲内で規定したので、高温の熱処理を行った後においても、積層フェリ構造内で形成されている反平行結合がばらつくことを防ぐことができ、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓが弱まることを防止することができる。したがって、耐熱性が確保された磁気抵抗効果素子を得ることができる。
また、Ｂ元素の量以外にも、Ｃｏ元素の量とＦｅ元素の量の比率を３０：７０〜８０：２０の範囲内で規定したので、ＴＭＲ素子１自体の抵抗変化率（ＴＭＲ比）も高くすることができる。
また、このように積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓの弱まりを抑えることができることから、磁化固定層５内の磁界の向きが固定されて安定になるので、磁化自由層７への磁化方向に与える影響（例えば磁化自由層７の方向分散）を回避することができる。
【００５０】
上述した本実施の形態では、本発明をボトムタイプのＴＭＲ素子に適用した説明を行ったが、これ以外にも、図２に示すような、トップタイプのＴＭＲ素子にも適用することができる。
このトップタイプのＴＭＲ素子１０では、トンネルバリア層６よりも上側に磁化固定層５及び反強磁性層４が形成され、下側に磁化自由層７が形成された構成である。その他の部分は、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いる。
【００５１】
このようなトップタイプのＴＭＲ素子１０の場合では、磁化自由層７を、強磁性層７１及び強磁性層７２との間に非磁性中間層７３が挟まれた積層フェリ構造で形成し、このような積層フェリ構造とされた磁化自由層７において、トンネルバリア層６に接する強磁性層７１としてＣｏＦｅＢ層を形成し、下地層３に接する強磁性層７２としてＣｏＦｅ層を形成する。そして、上述したボトムタイプのＴＭＲ素子１の場合と同様に、ＣｏＦｅＢ層において、Ｂ元素の量やＣｏ元素の量とＦｅ元素の量の比率を規定するようにする。
なお、トップタイプのＴＭＲ素子１０の場合、強磁性層７２が、例えば、ＣｏＦｅ層とＣｏＦｅＢ層の積層構造で形成される場合もある。この場合は、非磁性中間層７３の下側に接してＣｏＦｅ層が形成される。
【００５２】
上述した本実施の形態では、本発明が適用される一方の強磁性層のみを積層フェリ構造とした場合を挙げて説明を行ったが（図１に示すボトムタイプのＴＭＲ素子では磁化固定層５、図２に示すトップタイプのＴＭＲ素子では磁化自由層７）、この積層フェリ構造は、本発明が適用される一方の強磁性層のみに限定されず、両方の強磁性層に形成されていても構わない。
【００５３】
例えば、図３に示すように、ボトムタイプのＴＭＲ素子において、上述したように、一方の磁化固定層５が積層フェリ構造で形成されると共に、もう一方の磁化自由層７が、非磁性中間層７３を挟んだ両側に強磁性層７１，７２が形成された積層フェリ構造とされていても構わない。
また、図４に示すように、トップタイプのＴＭＲ素子において、上述したように、一方の情報記憶層７が積層フェリ構造で形成されると共に、もう一方の磁気記憶層５が、非磁性中間層５３を間に挟んで両側に強磁性層５１，５２が形成された積層フェリ構造とされていても構わない。
なお、その他の部分は、図１に示すＴＭＲ素子１の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いる。
【００５４】
また、上述した本実施の形態では、例えば図１に示したように、間に非磁性中間層５３を挟んで２層の強磁性層５１，５２が形成された積層フェリ構造の場合を挙げて説明を行ったが、さらに中間層、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同様の効果は得られる。
具体的には、図５に示すように、例えば、ボトムタイプのＴＭＲ素子において、磁化固定層５を、４つの強磁性層（４１，４２，４３，４４）と、この４つの強磁性層（４１，４２，４３，４４）のそれぞれの間に形成された３つの非磁性中間層（５３１，５３２，５３３）とから構成したものである。
このような構成のＴＭＲ素子の場合においては、積層フェリ構造において、例えば、トンネルバリア層６に接する強磁性層４１がＣｏＦｅＢ層で形成され、全ての非磁性中間層５３１，５３２，５３３の下側に接する強磁性層４２，４３，４４がＣｏＦｅ層で形成される。
なお、その他の部分は、図１に示すＴＭＲ素子１の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いる。
【００５５】
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。
【００５６】
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２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。
【００５７】
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。
【００５８】
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１，１０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１，１０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。
【００５９】
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１，１０を用いて構成することにより、例えば、書き込みばらつきに対する耐性を充分に確保することが可能になる。また、例えば、読み出しばらつきに対する耐性を充分に確保することが可能になる。
【００６０】
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。
【００６１】
（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。
【００６２】
（実験１）
図１に示したように、磁化固定層５が積層フェリ構造とされたＴＭＲ素子１において、トンネルバリア層６に接する強磁性層５１として形成したＣｏＦｅＢ層において、Ｂ元素の組成を変化させて、高温で熱処理を行った後における積層フェリ構造内での反強磁性結合磁界Ｈｓの変化について測定を行った。
【００６３】
（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（Test Element Group）として、基板３３上にワード線ＷＬとビット線ＢＬとが直行して配置され、これらワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交差する部分にＴＭＲ素子１が形成された構造を作製した。このＴＥＧは、ＴＭＲ素子１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。
【００６４】
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。
まず、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。
【００６５】
続いて、下記の層構成（１）からなるＴＭＲ素子１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。
Ｔａ（５ｎｍ）／ＰｔＭｎ（３０ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２．５ｎｍ）／Ａｌ−Ｏｘ（１ｎｍ）／Ｃｏ６３Ｆｅ７Ｂ３０（３ｎｍ／Ｔａ（５ｎｍ）−（１）
【００６６】
なお、上記の層構成（１）のうち、磁化固定層５のトンネルバリア層６側の強磁性層５１を構成するＣｏＦｅＢ層の組成を、（（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）１００−ｘ）Ｂｘ（原子％）とし、ボロンＢの量（ｘ％）を変化させた。このボロンＢの量ｘは０〜３７（原子％）の間で変化させた。
【００６７】
なお、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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
そして、この試料１のＴＥＧにおいて、２５０℃の規則化熱処理に加えて、４００℃、３０分の熱処理を施し、４００℃の熱処理の前後における積層フェリ構造の磁化固定層５の反強磁性結合磁界Ｈｓの変化を測定した。
具体的には、下記のようにして、Ｒ−Ｈ曲線の測定を行い、さらにＲ−Ｈ曲線から反強磁性結合磁界Ｈｓを求めた。
【００７１】
（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素子の磁化自由層を磁化反転させるための外部磁界を、磁化自由層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４．５ｋＯｅとした。次に、磁化自由層の磁化容易軸の一方から見て例えば−４．５ｋＯｅから＋４．５ｋＯｅ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。
【００７２】
（反強磁性結合磁界Ｈｓの測定）
上記の測定方法により、図１１に示すようなＲ−Ｈ曲線を作成し、磁化固定層５と磁化自由層７が反平行であって抵抗が高い状態での抵抗値Ｒ１から、マイナス側（反強磁性層４に直接接している強磁性層５２の磁化方向に磁界を加えたとき磁化固定層５の磁化が回転して行く過程にあたる）の曲線に接線（破線）Ｘを引き、この接線Ｘが磁化固定層５と磁化自由層７が平行であって抵抗が低い状態での抵抗値Ｒ２と交差する磁界Ｈの値を便宜的に反強磁性結合磁界Ｈｓと定義した。
【００７３】
試料１のＴＥＧの反強磁性結合磁界Ｈｓの変化の測定結果を図１０に示す。
なお、図１０は、前述した表１の場合と同様に、４００℃で熱処理を行った後の反強磁性結合磁界Ｈｓが、２５０℃で熱処理を行った後の反強磁性結合磁界Ｈｓに対して、その何％に変化した値かを表したものである。
【００７４】
図１０より、Ｂ元素の量によって、熱による反強磁性結合磁界Ｈｓの変化が異なっていることが分かる。特に、Ｂ元素の量を１８〜３７（原子％）の範囲内にした場合では、強磁性層５１として、Ｂ元素が添加されていないＣｏ９０Ｆｅ１０（原子％）層を形成した比較例に比べて、熱処理後における、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓが高い状態を示している。すなわち、高温処理を行った後においても、積層フェリ構造である磁化固定層５では、高い反強磁性結合磁界Ｈｓを有しており、耐熱性が確保されていることが分かる。
なお、Ｂ元素の量が４０（原子％）程度になると非磁性化してしまうことが既に分かっている。
【００７５】
（実験２）
Ｃｏ元素の量とＦｅ元素の量の比率の最適な範囲を規定するために、図１に示したように、積層フェリ構造とされた磁化固定層５において、トンネルバリア層６に接する強磁性層５１として形成されたＣｏＦｅＢ層のＣｏ元素の組成を変化させて、高温で熱処理を行った後の状態での抵抗変化率の変化について測定を行った。
【００７６】
（試料２）
ＴＭＲ素子の層構成（１）のうち、磁化固定層５のトンネルバリア層６側の強磁性層５１を構成するＣｏＦｅＢ層の組成を、（ＣｏｙＦｅ１００−ｙ）７０Ｂ３０としたこと、またＣｏ元素の量（ｙ％）を変化させるようにしたこと以外は、試料１と同様にしてＴＥＧを得て、これを試料２のＴＥＧとした。Ｃｏ元素の量ｙは０〜９０（原子％）の間で変化させた。
【００７７】
そして、このような構成とされた試料２のＴＥＧにおいて、２５０℃の規則化熱処理に加えて、４００℃、３０分の熱処理を施し、ＴＭＲ素子の抵抗変化率（ＴＭＲ比）を測定した。
具体的には、前述した方法でＲ−Ｈ曲線の測定を行い、図１１の抵抗値Ｒ１及び抵抗値Ｒ２から抵抗変化率（ＴＭＲ比）を求めた。
【００７８】
試料２のＴＥＧの測定結果を図１２に示す。
なお、図１２中に示される破線は、図１０に示す場合と同様に、比較例として、トンネルバリア層６に接する強磁性層５１として、Ｂ元素が添加されていないＣｏ９０Ｆｅ１０層を形成した場合での磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）を示している。
また、縦軸は磁気抵抗変化率（ＴＭＲ比）、横軸はＣｏの量ｙ（原子％）を示している。
【００７９】
図１２より、ＣｏＦｅＢ層５１において、Ｃｏ元素の量が３０〜８０の範囲内で規定された場合に、強磁性層５１としてＣｏ９０Ｆｅ１０（原子％）層を形成した比較例に比べて、熱処理後における、ＴＭＲ素子内の抵抗変化率（ＴＭＲ比）が高い状態を示している。
すなわち、Ｃｏ元素の量とＦｅ元素の量の比率が３０：７０〜８０：２０の範囲内で規定された場合に、高温処理を行った後においても、高い抵抗変化率が得られていることが分かる。
【００８０】
本実験の場合、Ｂ元素の量が３０（原子％）でＣｏＦｅ元素の量が７０（原子％）であるので、上述した比率から例えば下限だけを考えてみると、Ｃｏ元素の量が２１（原子％）でＦｅ元素の量が４９（原子％）と表される。
【００８１】
このように実験１及び実験２に示した結果からも明らかなように、積層フェリ構造とされた磁化固定層５において、トンネルバリア層６に接してＣｏＦｅＢ層５１を形成し、反強磁性層４に接してＣｏＦｅ層５２を形成し、さらに、ＣｏＦｅＢ層５１において、Ｂ元素の量を１８〜３７（原子％）の範囲内で規定したことにより、高温の熱処理を行った後においても、積層フェリ構造内の反強磁性結合磁界Ｈｓが高い（強い）状態であることが分かる。
また、Ｂ元素の量の規定に合わせて、Ｃｏ元素の量とＦｅ元素の量の比率を３０：７０〜８０：２０（原子％）の範囲内で規定したことにより、ＴＭＲ素子自体の抵抗変化率（ＴＭＲ比）も高くできることが分かる。
【００８２】
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】
【００８３】
【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】本発明に係る磁気抵抗効果素子の他の形態を示す概略断面図（その１）である。
【図３】磁気抵抗効果素子の他の形態を示す概略断面図（その１）である。
【図４】磁気抵抗効果素子の他の形態を示す概略断面図（その２）である。
【図５】磁気抵抗効果素子の他の形態を示す概略断面図（その３）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】ＣｏＦｅＢ層において、Ｂ元素の量を変化させた場合の反強磁性結合磁界の変化を示すグラフである。
【図１１】Ｒ−Ｈ曲線から測定される反強磁性結合磁界の説明図である。
【図１２】ＣｏＦｅＢ層において、Ｃｏ元素の量を変化させた場合の抵抗変化率の変化を示すグラフである。
【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】積層フェリ構造を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８４】
１、１０・・・ＴＭＲ素子、２・・・基板、３・・・下地層、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、９・・・強磁性トンネル接合、２０・・・磁気メモリ装置（ＭＲＡＭ）、２１・・・メモリセル、２２・・・ＭＲＡＭアレイ
【図１】
2005203443.tif 000005
【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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