(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、
膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられたトンネルバリア層と、
前記第１強磁性層と前記トンネルバリア層との間に設けられた第１界面磁性層と、
前記第２強磁性層と前記トンネルバリア層との間に設けられた第２界面磁性層と、
を備え、
前記第１界面磁性層は、前記第１強磁性層側に設けられ（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｚＢｚ（ｘ＞７５ａｔ％、０＜ｚ≦３０ａｔ％）である第１界面磁性膜と、前記トンネルバリア層側に設けられ（ＣｏｙＦｅ１００−ｙ）１００−ｗＢｗ（ｙ≦７５ａｔ％、０＜ｗ≦３０ａｔ％）である第２界面磁性膜と、前記第１界面磁性膜と前記第２界面磁性膜との間に設けられＴａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉ、およびＺｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第１非磁性膜とを備え、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に前記トンネルバリア層を通して電流を流すことにより、前記第１強磁性層および前記第２強磁性層の一方の磁化方向が可変となることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記第２界面磁性層は、前記第２強磁性層側に設けられ（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｚＢｚ（ｘ＞７５ａｔ％、０＜ｚ≦３０ａｔ％）である第３界面磁性膜と、前記トンネルバリア層側に設けられ（ＣｏｙＦｅ１００−ｙ）１００−ｗＢｗ（ｙ≦７５ａｔ％、０＜ｗ≦３０ａｔ％）である第４界面磁性膜と、前記第３界面磁性膜と前記第４界面磁性膜との間に設けられＴａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉ、およびＺｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第２非磁性膜とを備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記第１強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第１合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第２合金とが交互に積層された多層構造を有していることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第１強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第２強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄの群から選択された少なくとも１つの元素を含むアモルファス合金であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第２強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第１合金と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第２合金とが交互に積層された多層構造を有していることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記第２強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｕの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗素子の一端が電気的に接続される第１配線と、
前記磁気抵抗素子の他端が電気的に接続される第２配線と、
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】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗素子（magnetoresistive element）としてのＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、第１の強磁性層、トンネルバリア層、及び第２の強磁性層の積層を基本構造とし、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を示すことが知られており、１００Ｍｂｐｓｉ（bits per square inch）級ＨＤＤ用ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）に応用されている。
【０００３】
ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子に含まれる磁性層の磁化の相対角度の変化により情報（“１”、“０”）を記憶するという特徴があり、このため不揮発である。また、磁化反転速度は、数ナノ秒であることから、データの高速書き込み、高速読み出しが可能である。従って、ＭＲＡＭは、次世代の高速不揮発性メモリとして期待されている。また、スピン分極電流により磁化を制御するスピン注入磁化反転と呼ばれる方式を利用すれば、ＭＲＡＭのセルサイズを低減することで電流密度が増える。このため、容易に磁性体の磁化反転を実現でき、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを構成することが可能である。
【０００４】
さらに近年では、ＭｇＯをトンネルバリア層に用いることで１０００％もの磁気抵抗比が得られることが理論的に示され、これが注目を集めている（例えば、非特許文献１）。これは、ＭｇＯを結晶化させることにより、強磁性層から特定の波数を持った電子のみが波数を保存したまま選択的にトンネル伝導することが可能となる。このとき、特定の結晶方位でスピン分極率が大きな値を示すことから、巨大な磁気抵抗効果が発現する。したがって、ＭＴＪ素子の磁気抵抗効果を大きくすることが、ＭＲＡＭの高密度化、低消費電力化に直結する。
【０００５】
一方、不揮発性メモリの高密度化を考えた場合、磁気抵抗素子の高集積化は欠かせない。しかし、磁気抵抗素子を構成する強磁性体は、素子サイズの低減化に伴い熱擾乱耐性が劣化するため、如何にして強磁性体の磁気異方性及び熱擾乱耐性を向上させるかが課題となる。
【０００６】
この問題を解決するために近年、強磁性体の磁化が膜面に垂直な方向を向く垂直磁化ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。垂直磁化ＭＴＪ素子では、一般的に結晶磁気異方性の大きな材料を強磁性体に用いる。このような材料は、磁化が特定の結晶方向を向いており、構成元素の組成比、結晶性を変化させることで結晶磁気異方性の大きさを制御することができる。よって、結晶の成長方向を変化させることにより磁化の方向を制御することができる。また、強磁性体自身が高い結晶磁気異方性を有するので素子のアスペクト比が１に設定でき、さらに熱擾乱耐性が高いので、集積化に適している。これらのことを鑑みると、ＭＲＡＭの高集積化、及び低消費電力化を実現するには、大きな磁気抵抗効果を発現する垂直磁化ＭＴＪ素子を作成することが極めて重要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Butler W. H., Zhang X. G., Schulthess T. C.,  MacLaren J. M., “Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches”, Phys. Rev. B Vol. 63, 054416-054427(2001).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の実施形態は、垂直磁気異方性を有し、かつより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗効果素子及びこれを用いた磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態の磁気抵抗素子は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第１界面磁性層と、前記第２強磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第２界面磁性層と、を備え、前記第１界面磁性層は、前記第１強磁性層側に設けられた第１界面磁性膜と、前記非磁性層側に設けられ前記第１界面磁性膜と組成が異なる第２界面磁性膜と、前記第１界面磁性膜と前記第２界面磁性膜との間に設けられた第１非磁性膜とを備え、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に前記非磁性層を通して電流を流すことにより、前記第１強磁性層および前記第２強磁性層の一方の磁化方向が可変となることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図２】第２実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図３】第３実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。
【図４】界面磁性膜におけるＣｏ組成に対する磁気抵抗比の依存性を示す図。
【図５】界面磁性膜におけるＣｏ組成に対する磁気抵抗比の依存性を示す図。
【図６】第４実施形態によるＭＲＡＭの構成を示す回路図。
【図７】第４実施形態におけるメモリセルを示す断面図。
【図８】第５実施形態による磁気ディスク装置の構造を示す概略図。
【図９】ＴＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ部の構造を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、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、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１２】
本実施形態の磁気抵抗素子は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１強磁性層と、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた非磁性層と、前記第１強磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第１界面磁性層と、前記第２強磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第２界面磁性層と、を備えている。そして、前記第１界面磁性層は、前記第１強磁性層側に設けられた第１界面磁性膜と、前記非磁性層側に設けられ前記第１界面磁性膜と組成が異なる第２界面磁性膜と、前記第１界面磁性膜と前記第２界面磁性膜との間に設けられた第１非磁性膜とを備え、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に前記非磁性層を通して電流を流すことにより、前記第１強磁性層および前記第２強磁性層の一方の磁化方向が可変となる。
【００１３】
（第１実施形態）
第１実施形態の磁気抵抗素子を図１に示す。図１は第１実施形態の磁気抵抗素子１の断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子１はＭＴＪ素子であって、第１強磁性層２、第１界面磁性層４、非磁性層（トンネルバリア層）６、第２界面磁性層８、および第２強磁性層１０がこの順序で積層され構造を有している。なお、積層順序は逆であってもよい。すなわち、第２強磁性層１０，第２界面磁性層８、非磁性層６、第１界面磁性層４、および第１強磁性層２がこの順序で積層されていてもよい。本実施形態においては、第１界面磁性層４は、界面磁性膜４ａ、非磁性膜４ｂ、および界面磁性膜４ｃの積層構造を有している。そして、界面磁性膜４ａは第１強磁性層２側に設けられ、界面磁性膜４ｃは非磁性層６側に設けられる。
【００１４】
第１及び第２強磁性層２、１０はそれぞれ、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１は、第１及び第２強磁性層２、１０の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。なお、本明細書では膜面とは、強磁性層の上面を意味する。また、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。これに対して困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。そして、第１及び第２強磁性層２、１０のうちの一方の強磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１に流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変であり、他方の強磁性層は可変である。不変である強磁性層を参照層とも称し、可変である強磁性層を記録層と称す。本実施形態においては、例えば、第１強磁性層２を記録層、第２強磁性層１０を参照層とする。
【００１５】
なお、書き込み電流は、第１強磁性層２と第２強磁性層１０との間に膜面に垂直方向に流す。第１強磁性層２が記録層、第２強磁性層が参照層であってかつ第１強磁性層２の磁化の方向と第２強磁性層１０の磁化の方向が反平行（逆の方向）な場合には、第１強磁性層２から第２強磁性層１０に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は第２強磁性層１０から非磁性層６を通って第１強磁性層２に流れる。そして、第２強磁性層１０を通ることによりスピン偏極された電子は第１強磁性層２に流れる。第１強磁性層２の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は第１強磁性層２を通過するが、第１強磁性層２の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、第１強磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、第１強磁性層２の磁化の方向が第２強磁性層１０の磁化と同じ方向に向くように働く。これにより、第１強磁性層２の磁化の方向が反転し、第２強磁性層１０の磁化の方向と平行（同じ方向）になる。
【００１６】
第１強磁性層２の磁化の方向と第２強磁性層１０の磁化の方向が平行な場合には、第２強磁性層１０から第１強磁性層２に向かって書き込み電流を流す。この場合、電子は第１強磁性層２から非磁性層６を通って第２強磁性層１０に流れる。そして、第１強磁性層２を通ることによりスピン偏極された電子は第２強磁性層１０に流れる。第２強磁性層１０の磁化と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は第２強磁性層１０を通過するが、第２強磁性層１０の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、非磁性層６と第２強磁性層１０との界面で反射され、非磁性層６を通って第１強磁性層２に流れこみ、第１強磁性層２の磁化にスピントルクを作用し、第１強磁性層２の磁化の方向が第２強磁性層１０の磁化と反対方向に向くように働く。これにより、第１強磁性層２の磁化の方向が反転し、第２強磁性層１０の磁化の方向と反平行になる。
【００１７】
第１、第２界面磁性層４、８は、スピン分極率を増大させるために設けられている。また、第１界面磁性層４中に非磁性膜４ｂを挿入し、この非磁性膜４ｂを挟む界面磁性膜４ａ、４ｃの組成を調整することにより界面磁性膜４ａ、４ｃに積極的に異なる機能性を持たせる。例えば、ＭｇＯからなるトンネルバリア層６に隣接する界面磁性膜４ｃは高いスピン分極率を有し、さらに体心立方（ＢＣＣ）構造の結晶構造に調整する。調整された界面磁性膜４ｃはＢＣＣ構造の結晶構造であるためにＭｇＯからなるトンネルバリア層６との格子不整合が小さく、したがって高磁気抵抗を実現できる。一方、界面磁性膜４ａは隣接する垂直磁化を有する第１強磁性層２と格子不整合が小さくなるように結晶構造を調整する。これにより熱処理に伴い界面磁性膜４ａの結晶化が進行したとしても垂直磁化を有する第１強磁性層２の結晶性が大きく変調を受けることがないので高温の熱処理を施しても高い磁気異方性を保持することが可能となり、磁気抵抗比を大きくすることができる。このように、非磁性膜４ｂは、界面磁性膜４ａ、４ｃの結晶を分断する機能を有している。
【００１８】
以上説明したように、ＭｇＯからなるトンネルバリア層６および第１強磁性層２にそれぞれ隣接する界面磁性膜４ｃ、４ａを最適化することにより、高スピン分極率と垂直磁化を有する第１強磁性層２の熱安定性を両立することが可能となり、高耐熱性を有する磁気抵抗素子を形成することができる。すなわち、垂直磁気異方性を有し、かつより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
【００１９】
（第２実施形態）
第２実施形態による磁気抵抗素子を図２に示す。図２は第２実施形態の磁気抵抗素子１Ａの断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子１ＡはＭＴＪ素子であって、第１強磁性層２、第１界面磁性層４、非磁性層（トンネルバリア層）６、第２界面磁性層８、および第２強磁性層１０がこの順序で積層され構造を有している。なお、積層順序は逆であってもよい。すなわち、第２強磁性層１０，第２界面磁性層８、非磁性層６、第１界面磁性層４、および第１強磁性層２がこの順序で積層されていてもよい。本実施形態においては、第２界面磁性層８は、界面磁性膜８ａ、非磁性膜８ｂ、および界面磁性膜８ｃの積層構造を有している。そして、界面磁性膜８ａは第２強磁性層１０側に設けられ、界面磁性膜８ｃは非磁性層６側に設けられる。
【００２０】
第１実施形態と同様に、第１及び第２強磁性層２、１０はそれぞれ、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、本実施形態のＭＴＪ素子１Ａは、第１及び第２強磁性層２、１０の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化ＭＴＪ素子である。そして、第１及び第２強磁性層２、１０のうちの一方の強磁性層は書き込み電流をＭＴＪ素子１Ａに流したときに、書き込みの前後で磁化の方向が不変であり、他方の強磁性層は可変である。本実施形態においては、例えば、第１強磁性層２を参照層、第２強磁性層を記録層とする。なお、書き込み電流は、第１実施形態と同様に、第１強磁性層２と第２強磁性層１０との間に膜面に垂直方向に流す。
【００２１】
第１実施形態と同様に、第１、第２界面磁性層４、８は、スピン分極率を増大させるために設けられている。また、第２界面磁性層８中に非磁性膜８ｂを挿入し、この非磁性膜８ｂを挟む界面磁性膜８ａ、８ｃの組成を調整することにより界面磁性膜８ａ、８ｃに積極的に異なる機能性を持たせる。例えば、ＭｇＯからなるトンネルバリア層６に隣接する界面磁性膜８ｃは高いスピン分極率を有し、さらに体心立方（ＢＣＣ）構造の結晶構造に調整する。調整された界面磁性膜８ｃはＢＣＣ構造の結晶構造であるためにＭｇＯからなるトンネルバリア層６との格子不整合が小さく、したがって高磁気抵抗を実現できる。一方、界面磁性膜８ａは隣接する垂直磁化を有する第２強磁性層１０と格子不整合が小さくなるように結晶構造を調整する。これにより熱処理に伴い界面磁性膜８ａの結晶化が進行したとしても垂直磁化を有する第２強磁性層１０の結晶性が大きく変調を受けることがないので高温の熱処理を施しても高い磁気異方性を保持することが可能となり、磁気抵抗比を大きくすることができる。このように、非磁性膜８ｂは、界面磁性膜８ａ、８ｃの結晶を分断する機能を有している。
【００２２】
以上説明したように、ＭｇＯからなるトンネルバリア層６および第２強磁性層１０にそれぞれ隣接する界面磁性膜８ｃ、８ａを最適化することにより、高スピン分極率と垂直磁化を有する第２強磁性層１０の熱安定性を両立することが可能となり、高耐熱性を有する磁気抵抗素子を形成することができる。すなわち、垂直磁気異方性を有し、かつより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
【００２３】
（第３実施形態）
第３実施形態による磁気抵抗素子を図３に示す。図３は第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂの断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子１Ｂは図１に示すＭＴＪ素子１において、第２実施形態のように、第２界面磁性層８として、界面磁性膜８ａ、非磁性膜８ｂ、および界面磁性膜８ｃの積層構造を用いた構成となっている。なお、界面磁性膜８ａは第２強磁性層１０側に設けられ、界面磁性膜８ｃは非磁性層６側に設けられる。
【００２４】
この第３実施形態も第１及び第２実施形態と同様に、界面磁性膜４ａ、４ｃおよび界面磁性膜８ａ、８ｃの組成を適切に調整することにより、高スピン分極率と垂直磁化を有する第２強磁性層１０の熱安定性を両立することが可能となり、高耐熱性を有する磁気抵抗素子を形成することができる。すなわち、垂直磁気異方性を有し、かつより大きな磁気抵抗効果を発現することが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
【００２５】
以下に、第１乃至第３実施形態のＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂに含まれる各層の具体的な構成を、第１強磁性層２、第２強磁性層１０、第１界面磁性層４、第２界面磁性層８、非磁性層６の順に説明する。
【００２６】
（第１強磁性層２及び第２強磁性層１０）
第１および第３実施形態における第１強磁性層２と、第２および第３実施形態における第２強磁性層１０は、垂直磁気異方性を有する材料が用いられる。例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）あるいは六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（００１）に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。ＦＣＣの（１１１）あるいはＨＣＰの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、およびＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ、或いはＮｉＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
【００２７】
第１および第３実施形態における第１強磁性層２または第２および第３実施形態における第２強磁性層に用いられる人工格子としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素あるいはこの１つの元素を含む合金（強磁性膜）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうち１つの元素あるいはこの１つの元素を含む合金（非磁性膜）とが交互に積層された構造が挙げられる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、強磁性膜への元素の添加、強磁性膜と非磁性膜の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
【００２８】
第１実施形態における第２強磁性層１０と第２実施形態に用いられる第１強磁性層２は垂直磁気異方性を有する。第１実施形態における第２強磁性層１０または第２実施形態に用いられる第１強磁性層２としては、アモルファス金属、体心立方構造（ＢＣＣ）の（００１）または体心正方構造（ＢＣＴ）の（００１）に結晶配向した金属が用いられる。
【００２９】
ここで、第１実施形態における第２強磁性層１０と第２実施形態に用いられる第１強磁性層２に用いられるアモルファス金属としては、希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体、または、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄの群から選択された少なくとも１つの元素を含むアモルファス合金が挙げられる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。また、これらの合金を交互に積層された多層構造であってもよい。具体的にはＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ或いはＤｙＦｅ／Ｃｏ、ＤｙＣｏ／Ｆｅ、ＤｙＦｅＣｏ／ＣｏＦｅなどの多層膜が挙げられる。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
【００３０】
第１実施形態における第２強磁性層１０と第２実施形態に用いられる第１強磁性層２に用いられるＢＣＣの（００１）、ＢＣＴの（００１）に結晶配向した金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｕからなる第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、及びＡｕからなる第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔなどの強磁性合金が挙げられる。
【００３１】
（第１界面磁性層４及び第２界面磁性層８）
第１界面磁性層４は、非磁性膜４ｂを含み、さらに非磁性層６に隣接する界面磁性膜４ｃと、第１強磁性層２に隣接する界面磁性膜４ａとを備えている。また、第２界面磁性層８は、非磁性膜８ｂを含み、さらに非磁性層６に隣接する界面磁性膜８ｃと、第２強磁性層１０に隣接する界面磁性膜８ａとを備えている。
【００３２】
＜界面磁性膜４ｃ及び界面磁性膜８ｃ＞
一般に素子の磁気抵抗比を上げるために、ＭｇＯからなるトンネルバリア層（非磁性層）６に隣接する界面磁性層には高スピン分極率を有する材料が用いられる。したがって、界面磁性膜４ｃ及び界面磁性膜８ｃは、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも一つの金属よりなる合金が望ましい。また、界面磁性膜４ｃ及び界面磁性膜８ｃは、非磁性層６と接する界面がＢＣＣ構造の（００１）面となる配向性を有することが望ましい。例えば、ＣｏＦｅ合金は組成により結晶構造が変化するのでＣｏＦｅ合金がＢＣＣ構造を安定的にとれる組成域となるＣｏｘＦｅ１００−ｘ（ｘ≦７５ａｔ％）であることが望ましい。非磁性層６と接する界面がＢＣＣ構造の（００１）面となっている界面磁性膜４ｃ及び界面磁性膜８ｃは、ＣｏＦｅ上にＭｇＯからなる非磁性層６を成長させると、膜面に垂直な方向に（００１）配向したＭｇＯを形成することができる。例えば、ＣｏＦｅからなる界面磁性層、ＭｇＯからなる非磁性層、ＣｏＦｅからなる界面磁性層とした場合に、ＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることができる。この場合、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。なお、界面磁性膜４ｃ、８ｃが膜面に垂直方向に伸び縮みしていてもＭｇＯに対して（００１）配向でエピタキシャル成長していれば大きな磁気抵抗比を得ることができるので、非磁性層６と接する界面磁性膜４ｃ、８ｃはＢＣＴ構造でもよい。また、ＣｏＦｅ合金の格子定数を制御するために、ＣｏＦｅ合金に、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｇｅの群から選択された少なくとも１つの元素を添加してもよい。すなわち、界面磁性膜４ｃ、８ｃはＦｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎ、ＧｅおよびＮｂの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であってもよい。例えば、ＣｏＦｅＢの他に、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＰ、ＣｏＦｅＷ、ＣｏＦｅＮｂ等が挙げられ、これらの合金は、ＣｏＦｅＢと同等のスピン分極率を有している。またＣｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ等のホイスラー金属でもよい。ホイスラー金属はＣｏＦｅＢと同等かあるいはより高いスピン分極率を有しているため界面磁性層に適している。
【００３３】
＜界面磁性膜４ａおよび界面磁性膜８ａ＞
第１強磁性層２に隣接する界面磁性膜４ａおよび第２強磁性層１０に隣接する界面磁性膜８ａは、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも一つの金属を含む合金が望ましい。例えば第１強磁性層がＣｏＰｄ合金とした場合、ＣｏＰｄは膜面に垂直方向にＦＣＣ構造の（１１１）配向、或いはＨＣＰ構造の（００１）配向した場合、磁化の方向が膜面の法線方向を向いた垂直磁化膜になる。したがって、例えば、界面磁性膜４ａまたは界面磁性膜８ａにＣｏＦｅ合金を選んだ場合、ＣｏＰｄからなる第１強磁性層２または第２強磁性層１０と格子不整合が小さいことが望ましい。格子不整合が大きいと、格子の歪みのエネルギーを緩和させるためにＣｏＰｄからなる第１強磁性層２または第２強磁性層１０と、ＣｏＦｅからなる界面磁性膜４ａまたは界面磁性膜８ａとの界面に転位が生じてしまい、磁気異方性が小さくなってしまう。ＣｏＦｅ合金は組成により結晶構造が変化するので、ＣｏＦｅ合金がＦＣＣ構造を安定的にとれる組成域となるＣｏｙＦｅ１００−ｙ（ｙ＞７５ａｔ％）が望ましい。ＣｏＰｄからなる第１強磁性層２または第２強磁性層１０と結晶構造の近いＣｏＦｅからなる界面磁性膜４ａまたは界面磁性膜８ａを積層させることによりＣｏＰｄからなる第１強磁性層２または第２強磁性層１０の結晶構造を安定化させることができる。また、ＣｏＦｅからなる界面磁性膜４ａまたは界面磁性膜８ａを隣接させることで、非磁性膜４ｂまたは非磁性膜８ｂに含まれる元素がＣｏＰｄからなる第１強磁性層２または第２強磁性層１０への拡散を防ぐことができるので、高い温度で熱処理をしてもＣｏＰｄからなる第１強磁性層２または第２強磁性層１０の磁気異方性は劣化せず、磁気異方性を保つことができる。界面磁性膜４ａ、８ａも、界面磁性膜４ｃ、８ｃと同様に、Ｆｅ、Ｃｏの群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｎｉ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎ、ＧｅおよびＮｂの群から選択された少なくとも１つの元素とを含む合金であってもよい。
【００３４】
＜非磁性膜４ｂおよび非磁性膜８ｂ＞
ＭｇＯからなるトンネルバリア層６を用いた磁気抵抗素子において波数の選択制を利用して大きな磁気抵抗効果を発現させるためには、例えばＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作ることが重要である。しかし、第１強磁性層２または第２強磁性層１０にＣｏＰｄを用いた場合、ＣｏＰｄはＦＣＣ構造の（１１１）配向、或いはＨＣＰ構造の（００１）配向している。更にこれに隣接される界面磁性膜を構成するＣｏＦｅ合金はＦＣＣ構造の（１１１）配向が安定な組成を有している。したがって、ＣｏＦｅ（００１）／ＭｇＯ（００１）／ＣｏＦｅ（００１）のエピタキシャル関係を作るために数Å程度の膜厚を有する非磁性膜４ｂまたは非磁性膜８ｂによって界面磁性膜４ａまたは界面磁性膜８ａの結晶構造を分断する。非磁性膜４ｂまたは非磁性膜８ｂは極薄で微結晶化或いはアモルファスであることが望ましく、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｓｉ、およびＺｒの群から選択された少なくとも１つの元素を含む金属であることが望ましい。非磁性膜８ｂの膜厚があまりに厚いと界面磁性膜４ｃと界面磁性膜４ａの磁気結合が弱くなってしまい、また非磁性膜４ｂの膜厚があまりに厚いと界面磁性膜８ｃと界面磁性膜８ａとの磁気結合が弱くなってしまうため、磁化を膜面直方向に維持することはできなくなる。したがって、非磁性膜４ｂまたは非磁性膜８ｂの膜厚の上限は望ましくは１ｎｍ以下である。
【００３５】
そして、非磁性膜４ｂまたは非磁性膜８ｂにＴａを用い、界面磁性膜４ａ、４ｂ、８ａ、８ｂにＣｏＦｅＢを用いた場合には、第１および第３実施形態の第１界面磁性層４または第２および第３実施形態の第２界面磁性層８は、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢという積層構造を有する。この場合、磁気抵抗素子を製造後における、ＣｏＦｅＢからなる界面磁性膜中のＢはＴａからなる非磁性膜４ｂ、８ｂに吸い寄せられるため、Ｔａ膜に近づくにつれてＢ濃度が大きくなる分布を有する。界面磁性膜４ａ、４ｂ、８ａ、８ｂとしてＣｏＦｅＢを用いるのは、ＣｏＦｅに比べて作り易いためである。このように、界面磁性膜４ａ、４ｂ、８ａ、８ｂがＣｏＦｅＢから形成されている場合は、第１及び第３実施形態の界面磁性膜４ｃおよび第２および第３実施形態の界面磁性膜８ｃは（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｚＢｚ（ｘ≦７５ａｔ％、０≦ｚ≦３０ａｔ％）であることが好ましく、第１及び第３実施形態の界面磁性膜４ａおよび第２および第３実施形態の界面磁性膜８ａは（ＣｏｙＦｅ１００−ｙ）１００−ｚＢｚ（ｙ＞７５ａｔ％、０≦ｚ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。
【００３６】
Ｃｏの含有量ｘの上限およびｙの下限については既に述べた。Ｂの含有量ｚの上限が３０ａｔ％であるのは、３０ａｔ％を超えると、ＣｏＦｅＢのスピン分極率が極端に低下するためである。
【００３７】
なお、結晶分断の機能を有する非磁性層４ｂまたは非磁性層８ｂはそれぞれ第１界面磁性層４または第２界面磁性層８中に一層以上あってもよい。多層構造にすることによって、結晶分断の効果がより顕著になり磁気抵抗素子の磁気抵抗比向上に強力に寄与できる。したがって、非磁性膜４ｂまたは非磁性膜８ｂにＴａを用いた場合には、第１および第３実施形態の第１界面磁性層４または第２および第３実施形態の第２界面磁性層８は、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢという積層構造であることがより好ましい。
【００３８】
（非磁性層（トンネルバリア層）６）
非磁性層６は絶縁材料からなり、したがって、非磁性層６としては、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層６は、立方晶又は正方晶を基本格子とする。大きい磁気抵抗比を得るためには、トンネルバリア層６の配向度の向上が必要であり、トンネルバリア層６は、膜面に垂直な方向に（００１）配向していることが望ましい。
【００３９】
トンネルバリア層６としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、及びチタン（Ｔｉ）からなるグループから選ばれる１つの元素を主成分とする酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＡｌＯ、ＢｅＯ、ＳｒＯ、又はＴｉＯが挙げられる。トンネルバリア層６は、上述の酸化物のグループから選ばれる２つ以上の材料の混晶物であってもよい。
【００４０】
トンネルバリア層６は、結晶質及びアモルファスのいずれであっても構わない。しかし、トンネルバリア層６が結晶化している場合、強磁性層から特定の波数を持った電子のみが波数を保存したまま選択的にトンネル伝導するので、磁気抵抗比を大きくすることができる。
【００４１】
また、トンネルバリア層６が結晶化している場合、界面エネルギーを低減させるためにスピン分極させる界面磁性膜４ｃとトンネルバリア層６との界面でエピタキシャル関係を持つことになる。上面が（００１）面に配向したトンネルバリア層６に対して、界面磁性膜４ｃは膜面に垂直な方向に（００１）配向し、膜面内方向にはトンネルバリア層６の膜面内方向［００１］に対して４５°回転して成長する。
【実施例】
【００４２】
次に、実施例として、具体的な垂直磁化ＭＴＪ素子の積層構造を説明する。下記の磁気抵抗膜（サンプル）を形成し、第１乃至第３実施形態のいずれかの垂直磁化ＭＴＪ素子を作成した。各層の後に括弧書きで示した数値は、成膜時の各層の厚さ（設計値）である。それぞれのサンプルは、成膜後に、ＴＭＲ特性及び磁気特性が最適化されるように、適切な温度及び時間で真空アニールが施される。
【００４３】
（実施例１）
実施例１の垂直磁化ＭＴＪ素子として、図３に示す垂直磁化ＭＴＪ素子１Ｂを作成した。この実施例１によるＭＴＪ素子１Ｂは、第１強磁性層２と、第２強磁性層１０と、第１強磁性層２と第２強磁性層１０との間に設けられた非磁性層（トンネルバリア層）６とを備えている。第１強磁性層２および第２強磁性層１０のそれぞれと、非磁性層６との間にはスピン分極率を増大させるために第１および第２界面磁性層４、８がそれぞれ挿入されており、さらに第１界面磁性層４中に結晶を分断する非磁性膜４ｂが挿入される。また第２界面磁性層８中に結晶を分断する非磁性膜８ｂが挿入される。非磁性層６に隣接する第１、第２界面磁性層４、８中の界面磁性膜４ｃ、８ｃはそれぞれ、高スピン分極材料によって構成され、さらに非磁性層６との格子不整合が小さくなるように組成調整されている。第１強磁性層２に隣接する界面磁性膜４ａは垂直磁化を有する第１強磁性層２と格子不整合が小さくなるように結晶構造を調整する。また第２強磁性層１０に隣接する界面磁性膜８ａは垂直磁化を有する第２強磁性層１０と格子不整合が小さくなるように結晶構造を調整する。ここでは第１強磁性層２としてＰｄ（０．２ｎｍ）とＣｏ（０．５ｎｍ）の積層構造を用いる。第１強磁性層２は垂直磁気異方性を有し垂直方向に磁化容易軸を有し磁化の方向が可変である記憶層となる。第２強磁性層１０としてＴｂＣｏＦｅ（１６ｎｍ）を用いる。第２強磁性層１０は垂直磁気異方性を有し垂直方向に磁化容易軸を有し磁化の方向が不変である参照層となる。また、非磁性層６としてＭｇＯからなるトンネルバリア層を用いる。
【００４４】
非磁性膜４ｂ、８ｂとしてＴａを用い、界面磁性膜４ａ、４ｃ、８ａ、８ｃはＣｏＦｅＢを用いる。このとき、界面磁性膜４ｃとして、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）８０Ｂ２０におけるＣｏとＦｅの組成比を０≦Ｘ≦１００と変化させたサンプルを作成し、各サンプルの膜面に垂直な方向に磁化を固着させ素子の抵抗値を測定した。その結果を図４に示す。図４からわかるように、Ｃｏの組成比Ｘが減少するにつれＣｏＦｅＢ合金がＢＣＣ構造を安定的にとれる組成域であるＣｏｘＦｅ１００−ｘ  ｘ≦７５ａｔ％で磁気抵抗比（ＴＭＲ）は増加する傾向があることが確認できた。非磁性層６と接する界面がＢＣＣ構造の（００１）面となっている界面磁性膜４ｃと非磁性層６の間でエピタキシャル関係が形成され、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることができたと考えられる。
【００４５】
次に、界面磁性膜４ｃをＣｏＦｅＢ合金がＢＣＣ構造を安定的にとれる組成域であるＦｅ８０Ｂ２０（０．９ｎｍ）にし、界面磁性膜４ａとして、（ＣｏｙＦｅ１００−ｙ）８０Ｂ２０（０．４ｎｍ）におけるＣｏとＦｅの組成比を０≦Ｙ≦１００と変化させたサンプルを作成し、各サンプルの膜面に垂直な方向に磁化を固着させ素子の抵抗値を測定した。その結果を図５に示す。図５からわかるようにＣｏＦｅ合金がＦＣＣ構造を安定的にとれる組成域であるＣｏＹＦｅ１００−Ｙ（Ｙ≧７５ａｔ％）でＴＭＲが増加する。この組成の界面磁性膜４ａはＣｏＰｄからなる第１強磁性層２と格子不整合が小さいために、ＣｏＰｄからなる第１強磁性層２の結晶構造を安定化させることができる。さらに非磁性膜４ｂがＣｏＰｄからなる第１強磁性層２への拡散を防ぐ機能を有するために高い温度で熱処理をしてもＣｏＰｄからなる第１強磁性層２の磁気異方性は劣化せず、磁気異方性を保つことができ、ＴＭＲ効果が増加した。
【００４６】
また、本実施例では、第２強磁性層１０として用いられるＴｂＣｏＦｅはアモルファス構造を有する。したがって、ＭｇＯからなる非磁性層６上に積層されるＣｏＦｅＢからなる第２界面磁性層８は熱処理に伴う結晶化の過程でＣｏＦｅＢは隣接する第２強磁性層１０の結晶構造の影響を受けることなく結晶化することができるために、より格子不整合が小さくＭｇＯ（００１）とエピタキシャル関係を保つことができる。さらに第２強磁性層１０としてＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔなど膜面に垂直方向に（００１）配向した垂直磁化膜を用いてよい。この場合も結晶化されるＣｏＦｅＢからなる第２界面磁性層８は膜面に垂直方向に（００１）配向を維持できるのでＭｇＯ（００１）とエピタキシャル関係は保たれる。したがって、第２強磁性層１０として、ＴｂＣｏＦｅを用いるか、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれかまたはこれらの合金を用いた場合は、図３に示すような結晶分断の機能を有する非磁性膜８ｂは必ずしも必要ではない。この場合は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子となる。
【００４７】
（実施例２）
実施例２による磁気抵抗素子を説明する。この実施例２による磁気抵抗素子は、実施例１において、第２強磁性層１０として、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等の人工格子を用いたものである。
【００４８】
これらの材料を用いると、第２強磁性層１０は膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する。更に、第１強磁性層２の材料として、ＣｏＰｄを用いる。この材料を用いると、第１強磁性層２は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する。
【００４９】
この実施例２の場合、図３に示すように第１、第２界面磁性層４、８に非磁性膜４ａ、８ｂが必要である。人工格子は、強磁性膜への元素の添加、強磁性膜と非磁性膜の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。したがって、第２強磁性層１０の磁気異方性エネルギー密度を第１強磁性層２であるＣｏＰｄの磁気異方性エネルギー密度より大きく調整した場合、この実施例２はボトムフリーと呼ばれる構造である。一方、第２強磁性層１０の磁気異方性エネルギー密度を第１強磁性層２であるＣｏＰｄの磁気異方性エネルギー密度より小さく調整した場合、この実施例２はトップフリーと呼ばれる構造である。界面磁性膜４ｃ、８ｃおよび界面磁性膜４ａ、８ａとして、それぞれＢＣＣ構造、ＦＣＣ構造を安定的にとれる組成に調整する。これにより実施例１で詳述したメカニズムによって実施例１と同様の効果が得られる。
【００５０】
（実施例３）
実施例３による磁気抵抗素子を説明する。この実施例３の磁気抵抗素子は、実施例１の磁気抵抗素子において、第２強磁性層１０として、例えばＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれか、またはこれらの合金を用いた構成となっている。実施例３における第２強磁性層は膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する。更に、第１強磁性層２として、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する。
【００５１】
この実施例３の場合、図３に示すように第１および第２界面磁性層４、８には、非磁性膜４ｂ、８ｂが必要である。第２強磁性層１０であるＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれかかまたはこれらの合金の磁気異方性エネルギー密度を第１強磁性層２であるＣｏＰｄの磁気異方性エネルギー密度より大きく調整した場合、この実施例３はボトムフリーと呼ばれる構造である。一方、第２強磁性層１０であるＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれかかまたはこれらの合金の磁気異方性エネルギー密度を第１強磁性層２であるＣｏＰｄの磁気異方性エネルギー密度より小さく調整した場合、この実施例３はトップフリーと呼ばれる構造である。界面磁性膜４ｃ、８ｃおよび界面磁性膜４ａ、８ａとして、それぞれＢＣＣ構造、ＦＣＣ構造を安定的にとれる組成に調整する。これにより、実施例１で詳述したメカニズムによって実施例１と同様の効果が得られる。
【００５２】
（実施例４）
実施例４による磁気抵抗素子を説明する。この実施例４の磁気抵抗素子は、図２に示す第２実施形態の磁気抵抗素子１Ａにおいて、第２強磁性層１０として、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等の人工格子を用い、第１強磁性層２としてＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれかかまたはこれらの合金を用い、非磁性層６としてＭｇＯを用いる。第２強磁性層１０は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し、第１強磁性層２は膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する。
【００５３】
この実施例４の場合、図２に示すように第２界面磁性層８に非磁性膜８ｂが必要である。人工格子は、強磁性膜への元素の添加、強磁性膜と非磁性膜の膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。したがって、第２強磁性層１０の磁気異方性エネルギー密度を第１強磁性層２であるＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれかかまたはこれらの合金の磁気異方性エネルギー密度より大きく調整した場合、この実施例４はボトムフリーと呼ばれる構造である。一方、第２強磁性層１０の磁気異方性エネルギー密度を第１強磁性層２であるＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれかかまたはこれらの合金の磁気異方性エネルギー密度より小さく調整した場合、この実施例４はトップフリーと呼ばれる構造である。界面磁性膜８ｃおよび界面磁性膜８ａとして、それぞれＢＣＣ構造、ＦＣＣ構造を安定的にとれる組成に調整する。これにより、実施例１で詳述したメカニズムによって実施例１と同様の効果が得られる。
【００５４】
（実施例５）
実施例５による磁気抵抗素子について図２を参照して説明する。この実施例５においては、第１強磁性層２として、例えばＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれか、またはこれらの合金を用いる。また第２強磁性層１０としてはＣｏＰｄを用いる。
【００５５】
この実施例５の場合、参照層２は膜面直方向に（００１）配向しているので図２に示すように、第１界面磁性層２には結晶分断層は挿入しなくてもよい。第２界面磁性層４には非磁性膜８ｂが必要である。第２強磁性層１０であるＣｏＰｄの磁気異方性エネルギー密度を第１強磁性層２であるＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれかかまたはこれらの合金の磁気異方性エネルギー密度より大きく調整した場合、この実施例５はボトムフリーと呼ばれる構造である。一方、第２強磁性層１０であるＣｏＰｄの磁気異方性エネルギー密度を第１強磁性層２であるＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔのいずれかかまたはこれらの合金の磁気異方性エネルギー密度より小さく調整した場合、この実施例５はトップフリーと呼ばれる構造である。界面磁性膜８ｃおよび界面磁性膜８ａとして、それぞれＢＣＣ構造、ＦＣＣ構造を安定的にとれる組成に調整する。これにより、上記に詳述したメカニズムによって実施例１と同様の効果が得られる。
【００５６】
（第４実施形態）
第１乃至第３実施形態のＭＴＪ素子１、１Ａ、１Ｂは、ＭＲＡＭに適用できる。以下では、説明を簡単にするために、第１実施形態のＭＴＪ素子１を用いた場合について説明する。
【００５７】
ＭＲＡＭを構成する記憶素子は、磁化（或いはスピン）方向が可変である（反転する）記録層、磁化方向が不変である（固着している）参照層、これら記録層及び参照層に挟まれた非磁性層を備えている。垂直磁気異方性を有する第１強磁性層２及び第２強磁性層１０の一方を記録層、他方を参照層として用いることで、ＭＴＪ素子１を記憶素子として用いたＭＲＡＭを構成することができる。
【００５８】
具体的には、第１強磁性層２及び第２強磁性層１０に保磁力差を設けることで、これらを記録層及び参照層として用いることができる。従って、ＭＴＪ素子１において、例えば第１強磁性層２（参照層２）として反転電流の小さな強磁性層を用い、第２強磁性層１０（記録層１０）として第１磁性層よりも反転電流の大きな強磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の第１界面磁性層４と磁化方向が不変の第２界面磁性層８とを備えたＭＴＪ素子１を実現することができる。
【００５９】
図６は、第４実施形態によるＭＲＡＭの構成を示す回路図である。この実施形態のＭＲＡＭは、マトリクス状に配列されたメモリセルを有し、各メモリセルは、ＭＴＪ素子１を備えている。各ＭＴＪ素子１の一端は、ビット線ＢＬに電気的に接続される。ビット線ＢＬの一端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ１を経由してセンスアンプＳＡに電気的に接続される。センスアンプＳＡは、ＭＴＪ素子１からの読み出し電位Ｖｒと参照電位Ｖｒｅｆとを比較し、この比較結果を出力信号ＤＡＴＡとして出力する。センスアンプＳＡに電気的に接続された抵抗Ｒｆは、帰還抵抗である。
【００６０】
ビット線ＢＬの他端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ２を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１のドレイン及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１のドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタＰ１のソースは、電源端子Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＮ１のソースは、接地端子Ｖｓｓに接続される。
【００６１】
各ＭＴＪ素子１の他端は、下部電極２９に電気的に接続される。下部電極２９は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３を経由してソース線ＳＬに電気的に接続される。なお、ソース線ＳＬはビット線ＢＬと平行な方向に延在する。
【００６２】
ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ４を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２のドレイン及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２のドレインに電気的に接続される。ＭＯＳトランジスタＰ２のソースは、電源端子Ｖｄｄに接続され、ＭＯＳトランジスタＮ２のソースは、接地端子Ｖｓｓに接続される。また、ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ５を経由して接地端子Ｖｓｓに接続される。
【００６３】
ＭＯＳトランジスタＳＴ３のゲートは、ワード線ＷＬに電気的に接続される。ワード線ＷＬは、ビット線ＢＬが延在する方向に対して交差する方向に延在する。
【００６４】
ＭＴＪ素子１へのデータ書き込みは、スピン注入書き込み方式によって行われる。すなわち、制御信号Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤによるＭＯＳトランジスタＰ１、Ｐ２、Ｎ１及びＮ２のオン／オフによりＭＴＪ素子１に流れる書き込み電流の向きを制御し、データ書き込みを実現する。
【００６５】
ＭＴＪ素子１からのデータ読み出しは、ＭＴＪ素子１に読み出し電流を供給することで行われる。この読み出し電流は、書き込み電流よりも小さい値に設定される。ＭＴＪ素子１は、磁気抵抗効果により、参照層と記録層との磁化方向が平行配列か反平行配列かで異なる抵抗値を有する。すなわち、参照層と記録層との磁化方向が平行配列のときはＭＴＪ素子１の抵抗値は最も小さくなり、一方、参照層と記録層との磁化方向が反平行配列のときはＭＴＪ素子１の抵抗値は最も大きくなる。この抵抗値の変化をセンスアンプＳＡによって検出することで、ＭＴＪ素子１に記録された情報を読み出す。
【００６６】
図７は、上記メモリセルを示す断面図である。Ｐ型半導体基板２１内には、ＳＴＩ（shallow trench isolation）構造の素子分離絶縁層２２が形成される。素子分離絶縁層２２に囲まれた素子領域（活性領域）には、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３が設けられている。ＭＯＳトランジスタＳＴ３は、ソース／ドレイン領域としての拡散領域２３及び２４と、拡散領域２３及び２４間のチャネル領域の上に設けられたゲート絶縁膜２５と、ゲート絶縁膜２５上に設けられたゲート電極２６とを有する。ゲート電極２６は、図６に示すワード線ＷＬに相当する。
【００６７】
拡散領域２３上には、コンタクトプラグ２７が設けられている。コンタクトプラグ２７上には、ソース線ＳＬが設けられている。拡散領域２４上には、コンタクトプラグ２８が設けられている。コンタクトプラグ２８上には、下部電極２９が設けられている。下部電極２９上には、ＭＴＪ素子１が設けられている。ＭＴＪ素子１上には、上部電極３０が設けられている。上部電極３０上には、ビット線ＢＬが設けられている。半導体基板２１とビット線ＢＬとの間は、層間絶縁層３１で満たされている。
【００６８】
（第５実施形態）
第５実施形態による磁気ディスク装置を図８および図９を参照して説明する。図８は、第５実施形態による磁気ディスク装置の構造を示す概略図である。図９は、ＴＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ部の構造を示す概略図である。アクチュエータアーム４１は、磁気ディスク装置内の固定軸４０に固定されるための穴を有し、アクチュエータアーム４１の一端には、サスペンション４２が接続されている。
【００６９】
サスペンション４２の先端には、ＴＭＲヘッドを搭載したヘッドスライダ４３が取り付けられている。また、サスペンション４２には、データの書き込み／読み取りのためのリード線４４が配線される。このリード線４４の一端とヘッドスライダ４３に組み込まれたＴＭＲヘッドの電極とが電気的に接続される。ＴＭＲヘッドは、第１乃至第３実施形態のいずれかのＭＴＪ素子を含む。以下では、説明を簡単にするために、第１実施形態のＭＴＪ素子１を用いた場合について説明する。リード線４４の他端は、電極パッド４５に電気的に接続される。
【００７０】
磁気ディスク４６は、スピンドル４７に装着され、駆動制御部からの制御信号により、モータで駆動される。ヘッドスライダ４３は、磁気ディスク４６の回転により所定量だけ浮上する。この状態で、ＴＭＲヘッドを用いてデータの記録再生を行う。
【００７１】
アクチュエータアーム４１は、駆動コイルを保持するボビン部を有する。アクチュエータアーム４１には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ４８が接続される。ボイスコイルモータ４８は、アクチュエータアーム４１のボビン部に巻き上げられた駆動コイルと、この駆動コイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークとからなる磁気回路を備える。アクチュエータアーム４１は、固定軸４０の上下２ヶ所に設けられるボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ４８によって駆動される。
【００７２】
以上、第１乃至第３実施形態の磁気抵抗素子の適用例をＭＲＡＭと磁気ディスク装置とについて説明したが、それ以外にもＴＭＲ効果を利用するデバイス全般に適用できる。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７４】
１  ＭＴＪ素子
１Ａ  ＭＴＪ素子
１Ｂ  ＭＴＪ素子
２  第１強磁性層
４  第１界面磁性層
４ａ  界面磁性膜
４ｂ  非磁性膜
４ｃ  界面磁性膜
６  非磁性層
８  第２界面磁性層
８ａ  界面磁性膜
８ｂ  非磁性膜
８ｃ  界面磁性膜
１０  第２強磁性層    
２１  半導体基板
２２  素子分離絶縁層
２３，２４  拡散領域
２５  ゲート絶縁膜
２６  ゲート電極
２７，２８  コンタクトプラグ
２９  下部電極
３０  上部電極
３１  層間絶縁層
４０  固定軸
４１  アクチュエータアーム
４２  サスペンション
４３  ヘッドスライダ
４４  リード線
４５  電極パッド
４６  磁気ディスク
４７  スピンドル
４８  ボイスコイルモータ
ＢＬ  ビット線
ＷＬ  ワード線
ＳＬ  ソース線
ＳＡ  センスアンプ
Ｐ１，Ｐ２  ＰチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｎ１，Ｎ２，ＳＴ１〜ＳＴ５  ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
【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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