(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａの少なくともいずれかを有する金属層を備えた電極層と、
前記金属層上に前記金属層と接するように配置され、膜面垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が可変の第１磁性層と、
前記第１磁性層上に配置され、膜面垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が不変の第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層とを具備し、
前記第１磁性層は、少なくとも第１強磁性材料と第２強磁性材料が積層された構造を有し、前記第２強磁性材料は前記第１強磁性材料と前記第１非磁性層との間に配置され、
前記第１強磁性材料は、Ｃｏ単層あるいはＣｏを主成分とする膜を有し、
前記第２強磁性材料は、ＣｏＦｅ合金あるいはＣｏ、Ｆｅ及びＢを含む合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％であり、
前記第１磁性層の磁化方向は、前記第１磁性層、前記第１非磁性層、及び前記第２磁性層を貫く電流により可変とされることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記Ｔａの膜厚が０．３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記第１強磁性材料と前記第２強磁性材料との間に配置され、非磁性元素を含む中間層をさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第２強磁性材料は、立方晶構造又は正方晶構造からなり、（１００）面に配向することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第２磁性層からの漏れ磁場を低減又は調整する第３磁性層と、
前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に配置された第２非磁性層とをさらに具備し、
前記第３磁性層は、膜面垂直方向に磁化容易軸を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第２磁性層はＣｏＦｅ合金あるいはＣｏ、Ｆｅ及びＢを含む合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％であり、
前記第３磁性層は前記第２磁性層と反強磁性結合することにより磁化の向きが互いに反平行であることを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記第１非磁性層は、酸化マグネシウムを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
請求項１に記載の磁気抵抗素子を含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
前記磁気抵抗素子に双方向に電流を供給する書き込み回路さらに具備することを特徴とする請求項８に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
前記メモリセルは、前記書き込み回路との間に電気的に接続される選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項９に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
【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ランダムアクセスメモリに係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速読み書き、大容量、低消費電力動作も可能な次世代の固体不揮発メモリとして、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）への関心が高まっている。特に、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜を記憶層に用いたスピン注入書き込み方式のＭＲＡＭは、書き込み電流の低減および大容量化に優れている。このＭＲＡＭに用いられている強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子は、大きな磁気抵抗変化率を示すことが見いだされて以来、注目されている。磁気抵抗素子は、磁化方向が可変の記憶層と、所定の磁化方向を維持する参照層と、これら記憶層と参照層との間に配置された非磁性層とから構成されている。
【０００３】
従来の記憶層を構成する垂直磁気異方性を有する材料系は、磁性材料であるＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉと、Ｐｔ，Ｐｄ等やＴｂ，Ｄｙ等を、磁性材料と合金化あるいは積層化した系である。しかし、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｔｂ，Ｄｙ等は磁性材料の摩擦係数を増大させる。また、熱処理工程において、ＭｇＯ近傍に拡散して電気特性を変化させ、さらに磁気異方性の大きさを減少させる。このため、従来は摩擦係数の低減による低電流化と電気・磁気特性のプロセス耐熱性を両立できる材料がなかった。例えば、ＣｏＰｄ合金の場合、垂直磁気異方性は大きいが、摩擦定数も大きく、さらに約３５０℃のプロセス耐熱性（熱擾乱耐性）を持たないという問題を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１４２３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱擾乱耐性が大きく、低電流でスピン注入磁化反転書き込みが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施態様の磁気抵抗素子は、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａの少なくともいずれかを有する金属層を備えた電極層と、前記金属層上に前記金属層と接するように配置され、膜面垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が可変の第１磁性層と、前記第１磁性層上に配置され、膜面垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が不変の第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた第１非磁性層とを具備し、前記第１磁性層は、少なくとも第１強磁性材料と第２強磁性材料が積層された構造を有し、前記第２強磁性材料は前記第１強磁性材料と前記第１非磁性層との間に配置され、前記第１強磁性材料は、Ｃｏ単層あるいはＣｏを主成分とする膜を有し、前記第２強磁性材料は、ＣｏＦｅ合金あるいはＣｏ、Ｆｅ及びＢを含む合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％であり、前記第１磁性層の磁化方向は、前記第１磁性層、前記第１非磁性層、及び前記第２磁性層を貫く電流により可変とされることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態の磁気抵抗素子の主要部を示す断面図である。
【図２】第１実施形態の変形例の磁気抵抗素子の主要部を示す断面図である。
【図３】記憶層としてＣｏ膜を用いた磁気抵抗素子の磁気抵抗比のＣｏ膜厚依存性を示す図である。
【図４】記憶層としてＣｏ膜を用いた磁気抵抗素子の保磁力のＣｏ膜厚依存性を示す図である。
【図５】記憶層をＣｏＦｅＢとＴａ或いはＷの積層としたときの磁気特性を示す図である。
【図６】記憶層をＣｏＦｅＢとＴａ或いはＷの積層としたときの磁気特性を示す図である。
【図７】記憶層をＣｏＦｅＢで形成したときの磁気特性を示す図である。
【図８】記憶層をＣｏＦｅＢで形成したときの磁気特性を示す図である。
【図９】第２実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を示す断面図である。
【図１０】第２実施形態のＭＲＡＭの構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【０００９】
（第１実施形態）
第１実施形態の磁気抵抗素子について説明する。
【００１０】
本明細書及び特許請求の範囲でいう磁気抵抗素子とは、半導体或いは絶縁体をスペーサ層に用いるトンネル磁気抵抗効果(ＴＭＲ:Tunneling MagnetoResistance effect)素子（あるいは磁気トンネル接合(ＭＴＪ:Magnetic tunnel junction)素子）を指す。また、以下の図では、磁気抵抗素子の主要部を示しているが、図示の構成を含んでいれば、さらなる層を含んでいても構わない。
【００１１】
（１）磁気抵抗素子の構造
図１は、第１実施形態の磁気抵抗素子の主要部を示している。
【００１２】
磁気抵抗素子１は、スピン注入磁化反転方式によって書き込みを行う。即ち、各層に対し膜面垂直方向に流すスピン偏極電流の方向に応じて、記憶層と参照層の磁化の相対角を平行、反平行状態（即ち抵抗の極小、極大）に変化させ、二進情報の“０”又は“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。
【００１３】
図１に示すように、磁気抵抗素子１は、少なくとも、２つの磁性層２、３と、磁性層２、３の間に設けられた非磁性層４とを有する。さらに、磁性層３の下地として設けられた下地層５と、磁性層２上のキャップ層６とを有する。図１において、矢印は磁化方向を示している。
【００１４】
磁性層３は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化容易軸が膜面と交わる面に沿って回転する。以下、磁性層３を記憶層（自由層、磁化自由層、磁化可変層、記録層）と称する。記憶層３は、第１強磁性材料と第２強磁性材料とが積層された構造を有する、あるいは、第１強磁性材料と第２強磁性材料との間に非磁性からなる中間層を挟む構造を有する。さらに、第１強磁性材料からなる層を省略し、前記非磁性からなる中間層と第２強磁性材料からなる構造でも良い。ＭＴＪ成膜プロセスのスループットの観点からはこちらの方が良い。記憶層３の詳細な性質については後述する。以下、膜面垂直方向の磁化を垂直磁化と称する。
【００１５】
磁性層２は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、記憶層３に対し磁化方向が固定されている。以下、磁性層２を参照層（磁化参照層、固定層、磁化固定層、ピン層、基準層、磁化基準層）と称する。参照層２は、少なくとも第３強磁性材料と第４強磁性材料とが積層された構造を有する。尚、図１では、参照層２の磁化方向は、典型例として下地層５に対し反対方向（上）を向いているが、下地層５の方向（下）を向いていても構わない。
【００１６】
非磁性層（トンネルバリア層）４は、酸化物などの絶縁膜から構成される。非磁性層４のより詳細な性質については、後述する。
【００１７】
磁気抵抗素子１は、スピン注入書込み方式に用いる磁気抵抗素子である。即ち、書き込みの際は、参照層２から記憶層３へ、又は記憶層３から参照層２へ、膜面垂直方向に電流を流すことによって、スピン情報を蓄積される電子が参照層２から記憶層３へ注入される。
【００１８】
この注入される電子のスピン角運動量が、スピン角運動量の保存則に従って記憶層３の電子に移動されることによって、記憶層３の磁化が反転することになる。即ち、記憶層３の磁化方向は、記憶層３、非磁性層４及び参照層２を貫く双方向電流により変化する。
【００１９】
図１に示した磁気抵抗素子は、下地層５の上に記憶層３が形成され、非磁性層４の上に参照層２が形成される、いわゆるトップピン構造を示している。記憶層３は、下地層５上にこの下地層５と接するように配置されてもよい。
【００２０】
記憶層３の下には、前述したように、下地層５がさらに形成されていてもよい。下地層５は、記憶層３より上の層の結晶配向性及び結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられる。下地層５は、この下地層５そのものが電極層であってもよいし、さらにこの電極層（下地層５）の下にさらに電極層を設けて積層構造の電極層としてもよい。また、下地層５は、金属層を備えた電極層であってもよいし、さらに金属層に金属以外の導電層が積層された積層構造の電極層としてもよい。
【００２１】
参照層２上には、キャップ層６がさらに形成されていてもよい。キャップ層６は、磁性層の酸化防止等、主として保護層として機能する。
【００２２】
前述したように、記憶層３は、第１強磁性材料と第２強磁性材料とが積層された構造、または第１強磁性層材料と第２強磁性材料との間に非磁性元素を含む中間層とが積層された構造、非磁性元素を含む中間層と第２強磁性材料とが積層された構造を有する。第２強磁性材料は、第１強磁性材料と非磁性層４との間に配置されている。記憶層３を構成する第１強磁性材料の垂直磁気異方性は、第２強磁性材料の垂直磁気異方性よりも大きいことが望ましい。
【００２３】
第１強磁性材料は、例えば、Ｃｏ単層あるいはＣｏを主成分として含む合金であり、そのＣｏあるいは合金の原子稠密面に対して優先配向される。
【００２４】
第２強磁性材料は、例えば、ＣｏＦｅ合金あるいはＣｏ、Ｆｅ及びＢを含む合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙ、ｘ≧２０ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％である。また、第２強磁性材料は、例えば、Ｃｏ及びＦｅを含み、さらに、Ｔａ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂの少なくとも１つを含む合金であってもよい。また、例えば、ＣｏＦｅＢ/ＣｏＦｅＴａ、あるいはＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢのように、それらが積層された形態でもよい。
【００２５】
第２強磁性材料は、立方晶構造又は正方晶構造からなり、（１００）面に配向した結晶粒を含んでいても構わない。
【００２６】
また、参照層２を構成する第３強磁性材料は、記憶層３に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。
【００２７】
次に、第１実施形態の変形例の磁気抵抗素子について説明する。
【００２８】
図２は、図１に示した磁気抵抗素子の変形例を示している。
【００２９】
図２に示す磁気抵抗素子１０の構造が図１の構造と異なる点は、参照層２とキャップ層６の間に、非磁性層７とバイアス層（シフト調整層）８とが挿入されていることにある。即ち、参照層２上に非磁性層７とバイアス層８が順に形成され、バイアス層８上にキャップ層６が形成されている。
【００３０】
バイアス層８は、強磁性体からなり、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜であり、かつその磁化方向は参照層２の磁化方向と反対方向に固定されている。バイアス層８は、参照層２からの漏れ磁場による記憶層反転特性のオフセットを、逆方向へ調整する効果を有する。非磁性層７及びバイアス層８の詳細な性質については、後述する。
【００３１】
（２）記憶層
磁気抵抗素子１の記憶層３として垂直磁化膜を用いる場合、大きな垂直磁気異方性を示す材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が可能となる。以下に記憶層として具備すべき材料選択の具体例について詳細に説明する。
【００３２】
（２−1）記憶層材料
垂直磁化膜であり、かつ十分な熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、熱擾乱指数（Δ）を維持しながら、磁気緩和定数αを小さく、スピン注入効率係数ηを大きくすることが望ましい。
【００３３】
スピン注入効率係数ηは、スピン分極率に対して単調に増加するため、高いスピン分極率を示す材料が望ましい。磁気緩和定数αの低減は、小さな磁気緩和定数αを有する磁性層と大きな磁気緩和定数を有する垂直磁化膜との積層膜により達成できる。
【００３４】
小さな磁気緩和定数αを有する磁性層は、その垂直磁気異方性が、大きな磁気緩和定数を有する垂直磁化膜の垂直磁気異方性よりも小さい材料から構成される。しかし、この場合、小さな磁気緩和定数αを有する磁性層の膜厚が垂直磁化膜の膜厚よりも薄く、反転電流は低減の程度が十分ではない。このため、今後の大容量化を考慮すると、低電流化をさらに推し進める必要がある。
【００３５】
本実施形態では、記憶層３を第１及び第２強磁性材料から構成する。第１強磁性材料としての垂直磁化膜は、その膜厚が１ｎｍ以下の非常に薄い領域でも十分に高い垂直磁気異方性定数Ｋｕを有している。このため、第２強磁性材料は、その垂直磁気異方性が第１強磁性材料の垂直磁気異方性よりも小さく、その膜厚が第１強磁性材料の膜厚よりも厚くても、第１及び第２強磁性材料の磁気交換結合により垂直磁化膜となる。
【００３６】
これにより、第２強磁性材料の特徴を記憶層３に反映させることができる。例えば、第２強磁性材料は、磁気緩和定数αが小さく、非磁性層４を構成する材料（ＮａＣｌ構造の酸化物など）との相性がよく、高い分極率を有し、高いスピン注入効率係数ηを発現する材料から構成することができる。第２強磁性材料の具体例については、後に詳しく説明する。
【００３７】
以下に具体的に説明する。
【００３８】
（２−１−１）記憶層を構成する第１強磁性材料の実施例
比較例として、記憶層３を構成する第１強磁性材料が、コバルト（Ｃｏ）あるいはＣｏを主成分とする合金から構成される場合について述べる。この場合、これら合金を垂直磁化膜とするためには、膜面面内を稠密に配し、即ちｆｃｃ（１１１）配向、或いは、ｈｃｐ(０００１)方向に成長させればよい。
【００３９】
具体的には、図１乃至図２に示す下地層５を適切に選択することにより、結晶配向成長を制御することが可能である。下地層５の詳細及び具体的な作製方法については後述する。
【００４０】
図３は参照層に垂直磁化膜を用い、記憶層の第１強磁性材料としてＣｏを用い、第２強磁性材料にはＣｏＦｅＢからなる合金を用いて図１の構成のＭＴＪを形成し、磁気抵抗比を測定した結果である。横軸は第１強磁性材料Ｃｏの膜厚を表わし、縦軸は磁気抵抗比を表わしている。記憶層の磁化は膜面に対し垂直方向を向いており、Ｃｏ膜厚が１０Å以下の範囲で高いＭＲ比を保持している。
【００４１】
図４は、図３と同じ試料を使ってＭＴＪ膜の記憶層の保磁力Ｈｃを測定した結果である。保磁力はＣｏの厚さ７Åでピークをとる。Ｃｏの膜厚が１０Åよりも厚くなると、記憶層の磁化が膜面に対して水平方向を向くため、垂直磁化膜のＴＭＲ特性が得られなくなる。よって、Ｃｏの膜厚は１０Å以下であることが好ましい。なお、第１強磁性材料はＣｏを主成分とする合金であっても良い。
【００４２】
（２−１−２）記憶層を構成する第２強磁性材料の実施例
磁気抵抗素子１の記憶層３を構成する第２強磁性材料は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのいずれかの元素あるいは少なくとも１元素以上含む合金からなる。例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉの３元合金の磁気緩和定数αは、特に、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ―Ｆｅで小さい。このため、これらＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉは、第２強磁性材料に適している。
【００４３】
また、第２強磁性材料は、高分極材料で非磁性層４との間の格子ミスマッチを緩和させる機能を有しているのが望ましい。
【００４４】
即ち、非磁性層４にＮａＣｌ構造の酸化物を用いた場合、これらのＮａＣｌ構造の酸化物は、（i）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの１つ以上を含む、例えば、アモルファスＣｏＦｅＮｉＢ合金上、或いは、（ii）体心立方（BCC : body-centered cubic）構造で（１００）優先配向面を有し、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの１つ以上を含む合金上で、結晶成長させると、（１００）面を優先配向面として成長し易い。
【００４５】
特に、Ｂ、Ｃ、Ｎなどを添加したＣｏＦｅ−Ｘ（Ｘは、Ｂ、Ｃ、Ｎの少なくとも１つ）アモルファス合金上では、ＮａＣｌ構造の酸化物を、非常に容易に（１００）面を優先配向させることが可能である。ＣｏＦｅ−Ｂについては、磁気緩和定数が小さく、第２強磁性材料に適している。
【００４６】
（２−１−３）第２強磁性材料の積層構造に係わる実施例
この実施例では、磁気抵抗素子１の記憶層３は、第２強磁性材料としてＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、非磁性からなる中間層はＴａ或いはＷを積層したものとする。記憶層３は、下地層５に接している。
【００４７】
図５及び図６は、記憶層３を第２強磁性材料としてのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０、非磁性からなる中間層としてＴａ或いはＷを積層したもののみで形成し、下地層５の材料をパラメータとしたときの磁気特性を示している。ここでは、第１強磁性材料は形成しない。
【００４８】
横軸は印加した磁場を示し、縦軸は磁化量を示す。図５及び図６から判ることは、下地層５の材料をＩｒ、Ｔａ、Ｗとしたときに、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０とＴａ或いはＷの積層膜が垂直磁気特性を有していることである。即ち、第２強磁性材料の垂直磁気異方性のみで、記憶層３としての垂直磁気異方性を確保できる（膜面垂直方向が磁化容易軸となる）ことが、図５及び図６から明らかになった。
【００４９】
また、図７及び図８は、記憶層３を第２強磁性材料としてのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０で形成し、下地層５の材料をＴａとし、Ｔａの膜厚をパラメータとしたときの磁気特性を示している。ここでは、第１強磁性材料は形成しない。
【００５０】
図７及び図８から判ることは、下地層５のＴａの膜厚が１０Å以上と厚いときは膜全体の磁化量（Ｍｓ×ｔ）が小さく、Ｔａの膜厚が３Åと薄いときは磁化量が増加していることである。即ち、第２強磁性材料のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０中へ下地のＴａが拡散し、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０とＴａが混ざり合うことで、第２強磁性材料の磁化量を下げる効果があることを示している。
【００５１】
図８（ｂ）は、第２強磁性材料としてのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０の下地層５の材料をＩｒとしたときの磁気特性を示している。下地層５の材料がＴａのときと比べ、膜全体の磁化量が大きくなっていることが判る。これは、第２強磁性材料のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０と下地層５のＩｒの組み合わせでは、下地層５がＴａの場合に比べ、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０中へＩｒの拡散が抑制されていることが考えられる。
【００５２】
第２強磁性材料の垂直磁気異方性のみで記憶層３を構成するためには、下地層の拡散を抑制する目的で、材料、膜厚を制御する必要があるということが、図７及び図８から明らかになった。また、第２強磁性材料としてのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０の下地層の材料として、拡散を引き起こしにくく、磁気緩和定数αを上げないＭｏ、Ｎｂなども候補として挙げられる。
【００５３】
（３）非磁性層
磁気抵抗素子の非磁性層４の材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。具体的には、例えばＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯなどが挙げられる。
【００５４】
記憶層３の磁化方向と参照層２の磁化方向とが反平行の場合、スピン偏極したΔ１バンドがトンネル伝導の担い手となるため、マジョリティースピン電子のみが伝導に寄与することとなる。この結果、磁気抵抗素子１の伝導率が低下し、抵抗値が大きくなる。
【００５５】
反対に、記憶層３の磁化方向と参照層２の磁化方向とが平行であると、スピン偏極していないΔ５バンドが伝導を支配するために、磁気抵抗素子１の伝導率が上昇し、抵抗値が小さくなる。従って、Δ１バンドの形成が高ＴＭＲを発現させるためのポイントとなる。
【００５６】
Δ１バンドを形成するためには、ＮａＣｌ構造の酸化物からなる非磁性層４の（１００）面と記憶層３及び参照層２との界面の整合性がよくなければならない。Δ１バンドを形成するという観点からは、非磁性層４の（１００）面での格子ミスマッチが５％以下となるような材料を選択することが、より好ましい。
【００５７】
（４）バイアス層
図２に示したように、磁気抵抗素子１の参照層２とキャップ層６の間に、非磁性層７とバイアス層（シフト調整層）８を配置してもよい。これにより、参照層２からの漏れ磁場による記憶層３の反転電流のシフトを緩和及び調整（シフトキャンセルすることが可能となる）できる。
【００５８】
非磁性層７は、参照層２とバイアス層８とが熱工程によって混ざらない耐熱性、及びバイアス層８を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。
【００５９】
さらに、非磁性層７の膜厚が厚くなると、バイアス層８と記憶層３との距離が離れるため、バイアス層８から記憶層３に印加されるシフト調整磁界が小さくなってしまう。このため、非磁性層７の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。
【００６０】
バイアス層８は、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する、強磁性材料から構成される。具体的には、規則合金系、人工格子系、あるいは不規則合金系の材料を用いることができる。
【００６１】
規則合金系としては以下のようなものがある。
【００６２】
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素とからなる合金であり、この合金の結晶構造がＬ１０型の規則合金。例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等があげられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。
【００６３】
これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ａｇ（銀）等の不純物元素、或いはその合金、絶縁物を加えて実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。
【００６４】
人工格子系としては以下のようなものがある。
【００６５】
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちいずれか１つの元素、或いは１つ以上の元素を含む合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうちいずれか１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金とが交互に積層される構造。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人工格子等があげられる。
【００６６】
これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層の膜厚比及び積層周期を調整することで、実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。
【００６７】
不規則合金系としては以下のようなものがある。
【００６８】
コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を含む金属。
【００６９】
例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。
【００７０】
但し、バイアス層８は、参照層２に比べて記憶層３から離れているため、記憶層３に印加される漏れ磁場をバイアス層８よって調整するためには、バイアス層８の膜厚、或いは飽和磁化Ｍｓの大きさを参照層２より大きく設定する必要がある。
【００７１】
即ち、参照層２の膜厚及び飽和磁化をｔ２、ＭＳ２とし、バイアス層８の膜厚及び飽和磁化をｔ８、ＭＳ８とすると、以下の関係式を満たす必要がある。
【００７２】
ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ８×ｔ８  ・・・（式１）
例えば、素子サイズ５０ｎｍの加工を想定した場合、反転電流のシフトを相殺するためには、参照層２に飽和磁化Ｍs２が１０００ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ２が５ｎｍの磁性材料を用いたとすると、非磁性層７の膜厚は３ｎｍ、バイアス層８には飽和磁化Ｍs８が１０００ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ８が１５ｎｍ程度の特性が要求される。
【００７３】
また、上述の参照層２からの漏れ磁場による記憶層３の反転電流のシフトを緩和及び調整するシフトキャンセル効果を得るには、参照層２とバイアス層８との磁化方向は反平行に設定される必要がある。
【００７４】
この関係を満たすためには、参照層２の保磁力Ｈｃ２とバイアス層８の保磁力Ｈｃ８との間には、Ｈｃ２＞Ｈｃ８、或いはＨｃ２＜Ｈｃ８の関係を満たす材料を選択すればよい。この場合、予めMinor Loop着磁により保磁力の小さい層の磁化方向を反転させることにより、参照層２とバイアス層８との磁化方向は反平行に設定することが可能となる。
【００７５】
また、非磁性層７を介して参照層２及びバイアス層８を反強磁性結合（ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnet）結合）させることによっても、同様に参照層２とバイアス層８との磁化方向は反平行に設定することが可能となる。
【００７６】
具体的には、非磁性層７の材料として、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）を用い、参照層２とバイアス層８との磁化方向を反平行に結合させることができる。この場合、参照層２は例えばＣｏＦｅ合金あるいはＣｏ、Ｆｅ及びＢを含む合金（Ｃｏ１００−ｘ−Ｆｅｘ）１００−ｙＢｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％とすることができる。
【００７７】
これにより、バイアス層８によって参照層２から出る漏れ磁界を低減することができ、結果的に、記憶層３の反転電流のシフトを低減することができる。スピン注入の書き込み電流増大を抑え、熱擾乱耐性を確保するためには、記憶層のシフト磁界は記憶層の保持力(Ｈｃ)より十分小さくする必要がある。
【００７８】
以上、述べたように、第１実施形態の磁気抵抗素子によれば、熱擾乱耐性が大きく、低電流でスピン注入磁化反転書き込みが可能な磁気抵抗素子を得ることができる。
【００７９】
なお、前述した実施形態では、磁気抵抗素子において、記憶層が下で、参照層が上に配置されている場合を示したが、記憶層が上で、参照層が下に配置されていてもよい。すなわち、記憶層と参照層とが上下に逆転した構成としてもよい。
【００８０】
（第２実施形態）  
次に、第２実施形態の磁気ランダムアクセスメモリについて説明する。
【００８１】
第２実施形態では、第１実施形態の磁気抵抗素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：magnetoresistive random access memory）について説明する。ここでは、磁気抵抗素子１（または１０）を用いた、スピン注入書き込み型のＭＲＡＭについて述べる。
【００８２】
（１）磁気ランダムアクセスメモリの構造
図９は、第２実施形態のＭＲＡＭにおけるメモリセルの構造を示す断面図である。
【００８３】
図示するように、メモリセルは、磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）１（または１０）と選択トランジスタ４０を有している。ｐ型半導体基板４１の表面領域には、素子分離絶縁層４２が設けられている。この素子分離絶縁層４２が設けられていない半導体基板４１の表面領域は、素子が形成される素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層４２は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。
【００８４】
半導体基板４１の素子領域には、互いに離隔したソース領域４３Ｓ及びドレイン領域４３Ｄが形成されている。このソース領域４３Ｓ及びドレイン領域４３Ｄは、それぞれ半導体基板４１内に高濃度の不純物、例えばｎ+型不純物を導入して形成されたｎ+型拡散領域から構成される。
【００８５】
ソース領域４３Ｓとドレイン領域４３Ｄとの間の半導体基板４１上には、ゲート絶縁膜４４が形成されている。このゲート絶縁膜４４上には、ゲート電極４５が形成されている。このゲート電極４５は、ワード線ＷＬとして機能する。このように、半導体基板４１には、選択トランジスタ４０が設けられている。
【００８６】
ソース領域４３Ｓ上には、コンタクト４６を介して配線層４７が形成されている。配線層４７は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域４３Ｄ上には、コンタクト４８を介して引き出し線４９が形成されている。
【００８７】
引き出し線４９上には、下部電極５０及び上部電極５１に挟まれた磁気抵抗素子１（または１０）が設けられている。上部電極５１上には、配線層５２が形成されている。配線層５２は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板４１と配線層５２との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層５３で満たされている。
【００８８】
（２）磁気ランダムアクセスメモリの回路構成及び動作
次に、第２実施形態のＭＲＡＭの回路構成及びその動作について説明する。
【００８９】
図１０は、第２実施形態のＭＲＡＭの構成を示す回路図である。
【００９０】
ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ６０を備えている。メモリセルアレイ６０には、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬがそれぞれ列（カラム）方向に延伸するように配設されている。また、メモリセルアレイ６０には、複数のワード線ＷＬがそれぞれ行（ロウ）方向に延伸するように配設されている。
【００９１】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、磁気抵抗素子１、及び選択トランジスタ（例えば、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ）４０を備えている。磁気抵抗素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。磁気抵抗素子１の他端は、選択トランジスタ４０のドレインに接続されている。選択トランジスタ４０のソースは、ビット線／ＢＬに接続されている。さらに、選択トランジスタ４０のゲートは、ワード線ＷＬに接続されている。
【００９２】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ６１が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、電流供給回路としての書き込み回路６２及び読み出し回路６３が接続されている。書き込み回路６２及び読み出し回路６３には、カラムデコーダ６４が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ６１及びカラムデコーダ６４により選択される。
【００９３】
メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。まず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ４０がターンオンする。
【００９４】
ここで、磁気抵抗素子１には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、磁気抵抗素子１にビット線ＢＬからビット線／ＢＬへ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路６２は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、磁気抵抗素子１にビット線／ＢＬからビット線ＢＬへ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路６２は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、あるいはデータ“１”を書き込むことができる。
【００９５】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されるメモリセルＭＣの選択トランジスタ４０がターンオンする。読み出し回路６３は、磁気抵抗素子１に、例えばビット線／ＢＬからビット線ＢＬへ読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路６３は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、磁気抵抗素子１の抵抗値を検出する。このようにして、磁気抵抗素子１の抵抗値から磁気抵抗素子１に記憶されたデータを読み出すことができる。
【００９６】
このように、第２実施形態によれば、磁気抵抗素子を用いて磁気ランダムアクセスメモリを構成することができる。
【００９７】
以上説明したように実施形態によれば、高温熱処理工程を経ても磁気特性及び出力特性が劣化しない熱擾乱耐性が大きく、かつ低電流でスピン注入磁化反転書き込みが可能な磁気抵抗素子、及びこれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
【００９８】
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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【００９９】
１…磁気抵抗素子、２，３…磁性層、４…非磁性層、５…下地層、６…キャップ層、７…非磁性層、８…バイアス層（シフト調整層）、１０…磁気抵抗素子、４０…選択トランジスタ、４１…ｐ型半導体基板、４２…素子分離絶縁層、４３Ｓ…ソース領域、４３Ｄ…ドレイン領域、４４…ゲート絶縁膜、４５…ゲート電極、４６…コンタクト、４７…配線層、４８…コンタクト、４９…引き出し線、５０…下部電極、５１…上部電極、５２…配線層、５３…層間絶縁層、６０…メモリセルアレイ、６１…ロウデコーダ、６２…書き込み回路、６３…読み出し回路、６４…カラムデコーダ。
【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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【図１０】
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