(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（００１）面に配向したＮａＣｌ構造を有する第１の下地層と、
前記第１の下地層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ（００１）面に配向するｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を有する第１の磁性層と、
前記第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有する第２の磁性層と、
を具備し、
前記第１の下地層の膜面内方向の格子定数ａ１及び前記第１の磁性層の膜面内方向の格子定数ａ２は、前記第１の磁性層のバーガースベクトルの大きさｂ、前記第１の磁性層の弾性定数ν、前記第１の磁性層の膜厚ｈｃとすると、
│√２×ａ１／２−ａ２│／ａ２＜ｂ×{ｌｎ（ｈｃ／ｂ）＋１}／{２π×ｈｃ×（１＋ν）}
の関係を満たし、
前記第１の下地層は、
Ｌａを含む窒化物、
Ｂａを含む酸化物、
Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、及びＴｍのうち１つ以上の元素を含む硫化物、又は、
Ｃｄ、Ｍｇ、Ｍｎ、及びＥｒのうち１つ以上の元素を含むセレン化物
を含むことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記第１の下地層の下に設けられ、かつアモルファス構造又は微結晶構造を有する第２の下地層をさらに具備す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２の下地層は、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち１つ以上の元素と、Ｂ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、及びＺｒのうち１つ以上の元素とを含む金属または当該金属の表面にその酸化物が形成されたものを含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第１の下地層及び前記第２の下地層間に設けられ、かつＭｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉのうち１つ以上の元素を主成分とする酸化物を含む第３の下地層をさらに具備することを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第１の下地層及び前記第２の下地層間に設けられ、かつＡｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、又はＶを主成分とする金属を含む第３の下地層をさらに具備することを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第１の磁性層は、Ｌ１０構造、Ｌ１２構造、又はこれらの混合構造を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記第１の磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＭｎのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ａｌ及びＡｕのうち１つ以上の元素とからなる合金を含む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】
前記第１の非磁性層は、酸化マグネシウムを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記第２の磁性層上に設けられた第２の非磁性層と、
前記第２の非磁性層上に設けられ、かつ前記第２の磁性層からの漏れ磁場を低減して調整する磁場調整層と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
前記第２の磁性層及び前記磁場調整層は、反強磁性結合していることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
前記第２の磁性層上に設けられた反強磁性層をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟み、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１３】
前記第１の電極に電気的に接続された第１の配線と、
前記第２の電極に電気的に接続された第２の配線と、
前記第１の配線及び前記第２の配線に電気的に接続され、かつ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とをさらに具備することを特徴とする請求項１２に記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
前記メモリセルは、前記第２の電極及び前記書き込み回路間に電気的に接続された選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項１３に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記憶することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）は、不揮発性、高速動作、大容量、低消費電力を備えた不揮発性メモリとして期待されている。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling Magnetoresistive）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を記憶素子として備え、このＭＴＪ素子の磁化状態により情報を記憶する。
【０００３】
配線電流による磁場で書き込みを行なう従来型のＭＲＡＭにおいては、微細化に伴い配線に流すことのできる電流値が減少するために、十分な電流磁場をＭＴＪ素子に供給することが困難になる。さらに、ＭＴＪ素子に情報を記録するために必要とする電流磁場の大きさはＭＴＪ素子の微細化に伴い増加するため、１２６Ｍ〜２５６Ｍビット世代で配線電流による磁場で書き込みを行なう方式を用いたＭＲＡＭには原理的な限界が来ると考えられる。
【０００４】
そこで、スピン角運動量移動（ＳＭＴ：Spin Momentum Transfer）を利用した書き込み方式を用いたＭＲＡＭが提案されている（例えば、特許文献１）。スピン角運動量移動（以下、スピン注入ともいう）による磁化反転は、素子を微細化しても、磁化反転に必要な電流密度の大きさはほとんど増加しないため、高効率な書き込みが可能である利点を有している。
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【特許文献２】特開２００１−１８９０１０号公報
【非特許文献１】T. Maeda, IEEE Trans. Magn., vol. 41, 2005, pp.3331-3333
【非特許文献２】T. Suzuki et al., Ｊ. Magn. Magn. Mater., 193 (1999) 85-88
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、熱的安定性を向上させることができ、かつ磁性層が磁化反転する際の反転電流密度のばらつきを低減することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一視点に係る磁気抵抗素子は、（００１）面に配向したＮａＣｌ構造を有する第１の下地層と、前記第１の下地層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ（００１）面に配向するｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を有する第１の磁性層と、前記第１の磁性層上に設けられた第１の非磁性層と、前記第１の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有する第２の磁性層とを具備する。前記第１の下地層の膜面内方向の格子定数ａ１及び前記第１の磁性層の膜面内方向の格子定数ａ２は、前記第１の磁性層のバーガースベクトルの大きさｂ、前記第１の磁性層の弾性定数ν、前記第１の磁性層の膜厚ｈｃとすると、
│√２×ａ１／２−ａ２│／ａ２＜ｂ×{ｌｎ（ｈｃ／ｂ）＋１}／{２π×ｈｃ×（１＋ν）}
の関係を満たす。前記第１の下地層は、Ｌａを含む窒化物、Ｂａを含む酸化物、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、及びＴｍのうち１つ以上の元素を含む硫化物、又は、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｍｎ、及びＥｒのうち１つ以上の元素を含むセレン化物を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の一視点に係る磁気メモリは、上記第１或いは第２の視点に係る磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟み、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱的安定性を向上させることができ、かつ磁性層が磁化反転する際の反転電流密度のばらつきを低減することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
ＭＲＡＭの大容量化のためには、ＭＴＪ素子を構成する強磁性層をセル集積度に応じたセルサイズに微細化しなければならない。例えば１Ｇビットの記憶容量を有するＭＲＡＭの設計では、セルサイズが１００ｎｍ以下になることが想定され、さらに大容量化を試みるにはさらなる微細化が必要となる。一方、強磁性層のサイズを小さくしていくと、熱ゆらぎ磁気余効により熱振動の影響を受け、強磁性層の磁化が自由に向きを変えるようになる。以下に、一軸磁気異方性を有する単磁区粒子を例に熱ゆらぎ磁気余効の影響について説明する。
【００１１】
磁気異方性エネルギーＵは、磁気異方性エネルギー密度Ｋｕ、強磁性層の体積Ｖとすると、Ｕ＝ＫｕＶで表される。ある温度Ｔにおいて原子は熱振動エネルギーＫＢＴを有しているため、熱振動エネルギーが磁気異方性エネルギーＵより大きくなると、磁化の反転が起こりやすくなる。つまり、ＫｕＶ＜ＫＢＴ（若しくは、ＫｕＶ／ＫＢＴ＜１）になると、強磁性層の磁化は常磁性のように振る舞うようになる。常磁性体になると磁化を一方向に保持できなくなるため、記憶素子としての機能を果たさなくなる。よって、強磁性層は、ＫｕＶ／ＫＢＴ＞１を満たすことが最低限必要となる。
【００１２】
さらに、記憶素子に用いられる強磁性層は、磁化情報を数年間保持できなければならい。ＫｕＶ／ＫＢＴ＞１の条件には時間の情報が含まれていないため、例えば１Ｇビットのメモリセルにおいて、１０年間で磁化方向が反転する確立を１ビット以下にする場合を考えると、ＫｕＶ／ＫＢＴ＞６０以上の値が必要となる。
【００１３】
磁気異方性エネルギーＵは、強磁性層の磁気異方性エネルギー密度Ｋｕと体積Ｖとの積に正比例する。また、セルサイズを微細化していくと強磁性層の体積Ｖが減少する。ＭＴＪ素子に不揮発な情報を記憶させるためにはＫｕＶ／ＫＢＴ＞６０の条件を満たす必要があるため、体積Ｖの減少を補うために磁気異方性エネルギー密度Ｋｕを大きくしなければならない。強磁性層の膜厚が３ｎｍである場合、セルサイズが１００ｎｍになるとＫｕは１×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上の値が必要となり、さらに、セルサイズが４０ｎｍになるとＫｕは６×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上の値が必要となる。
【００１４】
強磁性層の磁気異方性エネルギーを確保する方法として、形状磁気異方性エネルギー若しくは結晶磁気異方性エネルギーを利用する２通りの方法が検討されている。形状磁気異方性エネルギーは平面形状、膜厚、素子幅等に比例することが知られている。４０ｎｍ以下のセルサイズにおいて形状磁気異方性を用いて強磁性層の磁気異方性エネルギーを確保しようとすると、平面形状を細長く設計する、若しくは素子膜厚を厚く設計する必要がある。
【００１５】
強磁性層の膜厚を３ｎｍに固定し、平面形状のみで磁気異方性エネルギーを確保しようとすると、アスペクト比が３以上必要となるため、ＭＲＡＭの微細化及び大容量化が困難になる。また、強磁性層の平面形状をアスペクト比が２の楕円に固定し、膜厚を厚くすることによって磁気異方性エネルギーを確保しようとすると、この膜厚は４ｎｍ以上必要となる。強磁性層の膜厚の増大はスピン注入電流の増大を引き起こすため、数十ｎｍ以下の微細な強磁性層の磁気異方性エネルギーを形状磁気異方性で補うことは困難である。
【００１６】
一方、強磁性層の磁気異方性エネルギーを結晶磁気異方性エネルギーで確保するケースを考える。結晶磁気異方性は結晶の対称性から生じるため、結晶構造の違いによって一軸磁気異方性以外の複数の軸に異方性を持つ場合も存在する。強磁性層に２値（１ビット）の情報を与える場合、磁化方向は０°方向（“１”値と仮定）、１８０°方向（“０”値と仮定）の２方向を安定な状態として持つことが望ましい。しかし、結晶磁気異方性の磁化容易軸の方向が２つ以上存在する場合の磁化は３つ以上の安定な状態を持ち得る。スピン注入によって反転できる磁化方向が３つ以上存在すると、“１”値、“０”値の情報を正確に記憶することが不可能となるため好ましくない。
【００１７】
つまり、結晶磁気異方性を用いて磁気異方性エネルギーを確保する場合、一軸磁気異方性を持つ材料を強磁性層に用いることが必要となる。面内磁化型の強磁性層に一軸磁気異方性を持たせる場合、大きな結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料として例えば、ハードディスク媒体で用いられるようなＣｏＣｒ合金では結晶軸が面内に大きく分散してしまうため、ＭＲ（Magnetic Resistance）が低下し、またインコーヒーレントな歳差運動が誘発され、結果としてＭＴＪ素子の磁化反転電流が増加してしまう。
【００１８】
結晶軸を膜面に垂直方向に向けた場合、結晶軸はｚ軸しか存在しないため、結晶軸の分散を抑制できる。ｚ方向に結晶軸を向けるには、異なる材料の膜を積層し、この積層膜の界面に誘導される異方性を用いる方法、六方晶構造を膜面に対して〔００１〕方向に成長させ、結晶の対称性から誘起される結晶磁気異方性を用いる方法、膜面内方向と垂直方向との結晶格子の大きさを変える方法、若しくは、磁歪を利用する方法などが考えられる。
【００１９】
垂直磁気異方性を有する材料の中で高い結晶磁気異方性を持つ材料としては、膜面内方向に対して〔００１〕方向に成長したＬ１０型の結晶構造を有するＦｅＰｔ規則合金、ＦｅＰｄ規則合金、ＣｏＰｔ規則合金、或いはＮｉＰｔ規則合金などが挙げられる。例えばＦｅＰｄ規則合金は、２．６×１０７ｅｒｇ／ｃｃの結晶磁気異方性が得られている。結晶磁気異方性が２×１０７ｅｒｇ／ｃｃ、飽和磁化が１０００ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚が２ｎｍの強磁性層を有するＭＴＪ素子を仮定すると、このＭＴＪ素子は１０ｎｍ程度まで微細化が可能となる。
【００２０】
しかし、薄いＦｅＰｄ膜をスパッタ法などの気相急冷法で成膜すると、固相に存在する熱力学的な不規則―規則変態点を通過しないため、成膜直後では準安定なｆｃｃ（face-centered cubic）不規則相（Ａ１相）が形成される。この準安定なＡ１相をＬ１０規則変態させるためには原子の体拡散が必要となるので、ＦｅＰｄ合金の融点の半分に相当する５００℃程度での熱処理が必要となる。
【００２１】
しかし、ＭＴＪ素子は、ＭＯＳトランジスタやＦＥＯＬ（Front End Of Line）配線上に形成されるため、このＭＯＳトランジスタへのダメージ及びＦＥＯＬ配線へのダメージを考慮すると、このような高温熱処理を加えることには多くの困難がある。このような理由から、低温での熱処理によってＡ１相をＬ１０構造に規則化させる必要がある。
【００２２】
Ｌ１０構造を低温で形成する手法の１つとして加熱成膜が挙げられる。加熱成膜とは基板を加熱しながらＦｅＰｄ膜をスパッタする手法で、Ｌ１０構造を形成するために必要なエネルギーとして基板からの熱エネルギーに加えスパッタ粒子の運動エネルギーも付加されるため、３００℃〜４５０℃の低温で高品質なＬ１０構造の規則層を得ることが可能となる。
【００２３】
一方、加熱成膜を用いて膜面内方向に対して〔００１〕方向に配向したＬ１０構造膜を成長させるためには、下地層から結晶配向性を制御しながら成長させる必要があり、磁気媒体の分野ではいくつかの報告がなされている。例えば非特許文献１によれば、Ｌ１０構造を有するＦｅＰｔの下地層として、Ｐｔ２０ｎｍ／Ｃｒ５ｎｍ／ＮｉＴａ２５ｎｍが開示されている。なお、積層膜の記載において“／”の左側が上層、右側が下層を表している。また、特許文献２には、ＮａＣｌ構造を有する酸化物、窒化物、若しくは炭化物が開示されている。また、非特許文献２によれば、下地層としてＣｒ７ｎｍ／ＭｇＯ１０ｎｍが開示されている。
【００２４】
スピン偏極電流による磁化反転方式を実現する積層構造には、抵抗の高い下地層や、規則化に必要な熱工程、又はＦＥＯＬ若しくはＢＥＯＬ（Back End Of Line）に必要な熱工程で生じる拡散によって、磁気異方性エネルギー、バリア抵抗、若しくはＭＲ比等の電気特性を顕著に劣化させる元素を含む下地層を記録層に隣接する下地層に用いることは好ましくない。このような観点から、前述の公知文献の下地層を適用することは好ましくない。すなわち、非特許文献１では、ＭＲ比を顕著に減少させるＣｒが用いられており、また非特許文献２では、抵抗の高いＭｇＯが厚く形成されているので、ＭＴＪ素子の抵抗が著しく高くなり電流が流れなくなる。つまり、Ｌ１０構造を有する規則化合金をスピン注入磁化反転方式を用いた記録層に用いる場合、下地層は下記特性を満たす必要がある。  
・低電気抵抗
・高耐熱性
・低格子ミスマッチ
・結晶配向性（膜面内方向に対して〔００１〕方向に配向）
下地層に金属を用いると熱工程によって拡散が生じるため耐熱性の観点から好ましくない。よって、下地層には、熱工程によって拡散が生じ難い、イオン化結合や共有結合した化合物を用いることが望ましい。ＭｇＯは化合物であるが、前述したように高抵抗となるため好ましくない。特許文献２には低抵抗かつ低電気抵抗のＣｒＮが用いられているが、ＣｒＮはＦｅＰｄ記録層に対して、格子ミスマッチが８％程度となるため好ましくない。なぜならば、記録層として用いる材料と下地層として用いる材料との間の格子ミスマッチが大きいと、結晶成長する段階で記録層に転位（dislocation）が入り、記録層の配向性が劣化する。この結果、Ｌ１０構造を有する記録層の磁気特性がばらつくためである。
【００２５】
加熱成膜で高品質なＬ１０構造を有する記録層を得るためには、格子整合性の良い下地層の選択、さらには下地層からの原子拡散を抑制するために耐熱性が良い下地層を選択する必要がある。
【００２６】
ここで、下地層の格子定数ａ１、記録層の膜面内方向の格子定数ａ２、記録層のバーガースベクトルの大きさｂ、記録層の弾性定数ν、記録層の膜厚ｈｃとすると、Matthews-Blakesleeのモデルより、下地層と記録層との間の格子ミスフットと、記録層に転位が入らないための臨界膜厚との間には、下記の関係式（１）が与えられる。  
│ａ１−ａ２│／ａ２＜ｂ×{ｌｎ（ｈｃ／ｂ）＋１}／{２π×ｈｃ×（１＋ν）}
・・・（１）
図１は、記録層としてＦｅＰｄを用いた場合の下地層と記録層との格子ミスフィットと、転位欠陥が生じる記録層の臨界膜厚との関係を示している。導出するにあたって、ｂ＝０．２６８ｎｍ、ν＝０.３４３を用いた。関係式（１）は、図１の曲線の下側の領域を表している。図１より、記録層の膜厚が与えられれば、記録層に転位が入らないための下地層と記録層との格子ミスフィットの大きさが与えられる。
【００２７】
記録層の膜厚は、スピン注入効率と熱擾乱耐性との兼ね合いから決められる。例えば、記録層の膜厚が大きくなるとスピン注入による磁化反転電流が増大するため、膜厚を極端に厚くすることはできない。また、記録層の膜厚が薄くなると熱擾乱耐性が低下するため、薄膜化にも限界がある。経験的に記録層の膜厚は１．５〜４ｎｍの範囲に設計する必要がある。例えば記録層の膜厚を３ｎｍに設計すると記録層に転位が入らない条件として、図１より下地層と記録層との格子ミスフィットを４％以下に設計する必要があり、記録層としてＬ１０構造を有するＦｅＰｄに設定すると、必要とされる下地層の格子定数が決められる。つまり、Ｌ１０構造を有するＦｅＰｄを記録層として用いる場合、記録層に対して格子ミスフットが４％以下になるような下地層の材料選択が必要ということになる。
【００２８】
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施の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なう。
【００２９】
［第１の実施形態］
［１］ＭＴＪ素子１０の全体構成
図２は、本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。図中の矢印は、磁化方向を示している。本実施形態では、シングルピン層構造（１つの記録層と１つの参照層とが非磁性層を介して配置される構造）を有するＭＴＪ素子１０について説明する。
【００３０】
ＭＴＪ素子１０は、結晶配向用の下地層１２、記録層（或いは、自由層ともいう）１３、トンネルバリア層（非磁性層）１４、参照層（或いは、固定層ともいう）１５が順に積層された積層構造を有する。そして、結晶配向用下地層１２の底面に下部電極１１が設けられ、参照層１５の上面に上部電極１６が設けられている。下部電極１１及び上部電極１６としては、例えばタンタル（Ｔａ）が用いられる。なお、結晶配向用下地層１２が下部電極１１を兼ねて１つの層となっていてもよい。
【００３１】
記録層１３は、磁化（或いはスピン）の方向が可変である（反転する）。参照層１５は、磁化の方向が不変である（固着している）。「参照層１５の磁化方向が不変である」とは、記録層１３の磁化方向を反転するために使用される磁化反転電流を参照層１５に流した場合に、参照層１５の磁化方向が変化しないことを意味する。従って、ＭＴＪ素子１０において、参照層１５として反転電流の大きな磁性層を用い、記録層１３として参照層１５よりも反転電流の小さい磁性層を用いることによって、磁化方向が可変の記録層１３と磁化方向が不変の参照層１５とを備えたＭＴＪ素子１０を実現することができる。スピン偏極電子により磁化反転を引き起こす場合、その反転電流は減衰定数、異方性磁界、及び体積に比例するため、これらを適切に調整して、記録層１３と参照層１５との反転電流に差を設けることができる。
【００３２】
参照層１５及び記録層１３はそれぞれ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、参照層１５及び記録層１３の容易磁化方向は膜面（或いは積層面）に対して垂直である（以下、垂直磁化という）。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、参照層１５及び記録層１３の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型ＭＴＪ素子である。なお、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。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。
【００３３】
このように構成されたＭＴＪ素子１０において、情報の書き込みは、以下のように行われる。先ず、ＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは積層面）に垂直な方向において、双方向に電流通電される。
【００３４】
参照層１５側から電子（すなわち、参照層１５から記録層１３へ向かう電子）を供給した場合、参照層１５の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子が記録層１３に注入される。この場合、記録層１３の磁化方向は、参照層１５の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、参照層１５と記録層１３との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、この場合を例えばデータ“０”と規定する。
【００３５】
一方、記録層１３側から電子（すなわち、記録層１３から参照層１５へ向かう電子）を供給した場合、参照層１５により反射されることで参照層１５の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子が記録層１３に注入される。この場合、記録層１３の磁化方向は、参照層１５の磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、参照層１５と記録層１３との磁化方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も大きくなり、この場合を例えばデータ“１”と規定する。
【００３６】
また、データの読み出しは、ＭＴＪ素子１０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１０は、磁気抵抗効果により、参照層１５と記録層１３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。この抵抗値の変化を読み出し電流に基づいて検出する。
【００３７】
［２］記録層１３、参照層１５、及びトンネルバリア層１４の構成
垂直磁化を実現する記録層１３及び参照層１５としては、膜面内方向に対して（００１）面に配向したｆｃｔ（face-centered tetragonal）構造を基本構造とするＬ１０構造、或いはＬ１２構造を有する磁性材料が用いられる。また、記録層１３及び参照層１５で垂直磁化を実現するには、５×１０５ｅｒｇ／ｃｃ以上の結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料が望ましい。
【００３８】
記録層１３及び参照層１５の磁性材料には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びマンガン（Ｍｎ）のうち１つ以上の元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、金（Ａｕ）、及びアルミニウム（Ａｌ）のうち１つ以上の元素とを含む合金からなり、かつ結晶構造がＬ１０構造の規則合金が挙げられる。
【００３９】
例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｃｏ５０Ｐｄ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｍｎ５０Ａｌ５０等の規則合金が挙げられる。その他にも、結晶構造がＬ１０構造の規則合金としては、Ｆｅ５０Ｎｉ５０等が挙げられる。これらの規則合金の組成比は一例であり、上記組成比に限定されるものではない。なお、これらの規則合金に、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、チタン（Ｔｉ）、オスミウム（Ｏｓ）等の不純物元素単体或いはそれらの合金、又は絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を低く調整することができる。また、組成比を調整することによって、Ｌ１０構造の規則合金とＬ１２構造の規則合金との混合層を用いても良い。
【００４０】
参照層１５に必要となる条件は、記録層１３より異方性磁界が大きい、膜厚が厚い、減衰定数が大きい、これら条件のどれか１つ若しくは複数を満たせば良い。仮に記録層１３としてＦｅＰｄを用いる場合、参照層１５としては、減衰定数がＦｅＰｄより大きいＦｅＰｔ若しくはＣｏＰｔ、又はＦｅＰｄ等を記録層１３の膜厚より厚くして構成することが望ましい。
【００４１】
図３は、ＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図である。記録層１３は、記録層１３Ａと、この記録層１３Ａとトンネルバリア層１４との界面に挿入された界面層１３Ｂとから構成されていても良い。記録層１３を構成する磁性材料の具体例としては、膜厚が２ｎｍ程度のＦｅＰｄ層１３Ａと、膜厚が０．５ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ層１３Ｂとの積層膜が挙げられる。トンネルバリア層１４に接するＣｏＦｅＢ層１３Ｂは、例えばＭｇＯからなるトンネルバリア層１４の結晶性を向上させる。また、界面層１３ＢをＣｏＦｅＢ層などの高分極率材料で構成することで、ＭＲを向上させることができる。
【００４２】
同様に、参照層１５は、参照層１５Ａと、この参照層１５Ａとトンネルバリア層１４との界面に挿入された界面層１５Ｂとから構成されていても良い。参照層１５を構成する磁性材料の具体例としては、膜厚が７ｎｍ程度のＦｅＰｔ層１５Ａと、膜厚が１ｎｍ程度のＣｏＦｅ層１５Ｂとの積層膜が挙げられる。さらに、ＦｅＰｔ層１５ＡとＣｏＦｅ層１５Ｂとの間にＰｔ層などを挿入させても良い。Ｐｔ層の挿入は成膜時の格子整合性を向上させることにあり、これによって、参照層１５の磁気異方性エネルギーを向上させることができる。
【００４３】
また、参照層１５の界面層１５ＢにＣｏＦｅＢを用いた場合は、参照層１５Ａの磁性材料としては下記（１）〜（３）の材料を用いることも可能である。
【００４４】
（１）不規則合金
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。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ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。
【００４５】
（２）人工格子
鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうちいずれか１つの元素或いは２つ以上の元素を含む金属と、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）のうちいずれか１つの元素或いは２つ以上の元素を含む金属とが交互に積層された積層膜。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人工格子、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層と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。
【００４６】
（３）フェリ磁性体
希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体。例えば、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、或いはガドリニウム（Ｇｄ）と、遷移金属のうち１つ以上の元素とを含むアモルファス合金。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。これらの合金は、組成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。
【００４７】
トンネルバリア層１４としては、結晶構造がＮａＣｌ構造の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、
酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、若しくは酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等が用いられる。従って、本実施形態のＭＴＪ素子１０は、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）効果を有することになる。
【００４８】
［３］下地層１２の構成
下地層１２は、記録層１３の結晶配向性或いは結晶性を制御するために設けられている。記録層１３が垂直磁気異方性を発現するには、この記録層１３は（００１）面に配向したｆｃｔ構造を有する必要がある。このような結晶配向を有する記録層１３を形成するためには、下地層１２としては、膜面に対して（００１）面に配向した立方晶構造、正方晶構造を有する窒化物、酸化物、硫化物、或いはセレン化物が用いられる。
【００４９】
前述したように、記録層１３の結晶配向性或いは結晶性を制御するためには、記録層１３に用いられるＬ１０構造を有する規則合金に対して格子ミスマッチが４％以下であることが望ましい。ここで、記録層１３と下地層１２との方位関係が記録層（１００）［１１０］／／下地層（１００）［１００］で整合している場合、関係式（１）で用いたMatthews-Blakesleeのモデルを４５°傾けることにより、下地層１２と記録層１３との間の格子ミスフットと、記録層１３に転位が入らないための臨界膜厚との間には、下記の関係式（２）が与えられる。  
│√２×ａ１／２−ａ２│／ａ２＜ｂ×{ｌｎ（ｈｃ／ｂ）＋１}／{２π×ｈｃ×（１＋ν）}
・・・（２）
下地層１２の格子定数ａ１、記録層１３の膜面内方向の格子定数ａ２、記録層１３のバーガースベクトルの大きさｂ、記録層１３の弾性定数ν、記録層１３の膜厚ｈｃである。
【００５０】
例えば、記録層１３としてＦｅＰｄを用いた場合、上記関係式（２）を満たす下地層１２としては、膜厚が５ｎｍ程度の膜面内方向に対して（００１）面に配向したＮａＣｌ構造を有する、ランタン（Ｌａ）を主成分とする窒化物が挙げられる。ＮａＣｌ構造を有するＬａＮは、Ｌ１０構造を有するＦｅＰｄに対してＦｅＰｄ（１００）［１１０］／／ＬａＮ（１００）［１００］の方位でエピタキシャル関係が得られ、格子ミスフィットが２．７％となる。ＦｅＰｄは、ＬａＮに対して膜面内方向に４５°回転した格子が整合する。
【００５１】
このように、下地層１２としてのＬａＮは、上記関係式（２）を満たし、膜中に転位欠陥がほとんどない、磁気特性（結晶配向性）のばらつきが少ないＦｅＰｄ層を形成することが可能となる。図４は、下地層１２にＬａＮ、記録層１３にＦｅＰｄを用いた場合の結晶構造を説明する模型図である。ＦｅＰｄの膜面内方向の格子定数は３．８５Å程度である。ＬａＮの膜面内方向の格子定数は５．３Å程度である。
【００５２】
図４に示すように、ＬａＮ上にはＦｅＰｄが積層されている。ＦｅＰｄは、ＬａＮに対して膜面内方向に４５°回転するようにして、ＬａＮと格子整合している。このため、ＬａＮとＦｅＰｄとの格子ミスフィットが小さくなり、ＬａＮ上に、磁気特性（結晶配向性）のばらつきが少ないＦｅＰｄ層を形成することが可能となる。
【００５３】
ＬａＮのほかに、４５°回転したMatthews-Blakesleeのモデルを満たす下地層１２としては、下記（１）〜（３）に示す、膜面内方向の格子定数が５．２５〜５．６５Å程度のＮａＣｌ構造を有する化合物を用いることが可能である。  
（１）バリウム（Ｂａ）を含む酸化物
（２）ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、及びツリウム（Ｔｍ）のうち１つ以上の元素を含む硫化物
（３）カドミウム（Ｃｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、及びエルビウム（Ｅｒ）のうち１つ以上の元素を含むセレン化物
或いは下記（４）に示す、面内方向の格子定数が５．２５〜５．６５Å程度のホタル石構造を有する化合物を用いることが可能である。  
（４）セリウム（Ｃｅ）、若しくはナトリウム（Ｎａ）を含む酸化物
一方、Matthews-Blakesleeのモデルによる上記関係式（１）を満たす下地層１２の材料としては、膜面内方向に対して（００１）面に配向したペロブスカイト構造を有し、膜面内方向の格子定数が３．７〜４．０Å程度の化合物が用いられる。この化合物としては、ストロンチウム（Ｓｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ランタン（Ｌａ）、カリウム（Ｋ）、鉛（Ｐｄ）、カルシウム（Ｃａ）、及びバリウム（Ｂａ）のうち１つ以上の元素を含む酸化物が挙げられる。
【００５４】
ペロブスカイト型酸化物をＡＢＯ３で表すと、Ａは、ストロンチウム（Ｓｒ）、セリウム（Ｃｅ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ランタン（Ｌａ）、Ｋ（カリウム）、Ｃａ（カルシウム）、ナトリウム（Ｎａ）、鉛（Ｐｂ）、若しくはバリウム（Ｂａ）、Ｂは、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、Ｔａ（タンタル）、セリウム（Ｃｅ）若しくは鉛（Ｐｂ）等が挙げられる。すなわち、ＳｒＲｕ３、Ｓｒ（Ｔｉ，Ｒｕ）Ｏ３、ＳｒＮｂＯ３、Ｓｒ（Ｔｉ,Ｖ）Ｏ３、ＳｒＣｒＯ３、ＳｒＦｅＯ３、ＳｒＣｏＯ３、ＳｒＮｂＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＳｒＩｒＯ３、ＣｅＧａＯ３、ＤｙＭｎＯ３、ＬａＴｉＯ３、ＬａＶＯ３、Ｌａ1−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ1−ｘＳｒｘＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＣａＣｅＯ３、ＣａＣｒＯ３、ＣａＲｕＯ３等が挙げられる。これらの中から高耐熱性、低格子ミスマッチ、低抵抗の観点から適宜選択すればよい。ペロブスカイト型酸化物は、酸素を欠損させることで電気伝導性を調整することが可能である。
【００５５】
［３−１］下地層１２の具体的構成１
図５は、下地層１２の具体的な構成例を示す断面図である。下地層１２は、第２の下地層１２Ｃ、第３の下地層１２Ｂ、第１の下地層１２Ａが順に積層された積層構造を有している。第１の下地層１２Ａは、［３］で説明した下地層１２と同じ材料で構成される。
【００５６】
第２の下地層１２Ｃは、この上の第３の下地層１２Ｂ（或いは第１の下地層１２Ａ）の平滑性、結晶性、及び配向性を向上させるために設けられている。第２の下地層１２Ｃとしては、アモルファス構造又は微結晶構造を有する金属が用いられる。第２の下地層１２Ｃの材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素と、ホウ素（Ｂ）、ニオブ（Ｎｂ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）のうち１つ以上の元素とを含む金属又は当該金属の表面にその酸化物が形成されたものが挙げられる。
【００５７】
第３の下地層１２Ｂは、この上の第１の下地層１２Ａの平滑性、結晶性、及び配向性を向上させるために設けられている。第３の下地層１２Ｂとしては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が用いられる。第３の下地層１２Ｂの材料としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、バリウム（Ｂａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を主成分とする酸化物が挙げられる。
【００５８】
＜下地層１２の具体例＞
下地層１２は、第２の下地層１２Ｃとして膜厚が３ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ、第３の下地層１２Ｂとして膜厚が０．５ｎｍ程度のＭｇＯ、第１の下地層１２Ａとして膜厚が５ｎｍ程度のＬａＮが順に積層されて構成される。
【００５９】
［３−２］下地層１２の具体的構成２
図５に示すように、下地層１２は、第２の下地層１２Ｃ、第３の下地層１２Ｂ、第１の下地層１２Ａが順に積層された積層構造を有している。第１の下地層１２Ａは、［３］で説明した下地層１２と同じ材料で構成される。
【００６０】
第２の下地層１２Ｃは、この上の第３の下地層１２Ｂ（或いは第１の下地層１２Ａ）の平滑性、結晶性、及び配向性を向上させるために設けられている。第２の下地層１２Ｃとしては、アモルファス構造又は微結晶構造を有する金属が用いられる。第２の下地層１２Ｃとしては、［３−１］で挙げた材料を用いることができる。
【００６１】
第３の下地層１２Ｂは、この上の第１の下地層１２Ａの平滑性、及び結晶性を向上させ、かつ（００１）面配向を得るために設けられている。第３の下地層１２Ｂとしては、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、又はバナジウム（Ｖ）などの金属が用いられる。
【００６２】
＜下地層１２の具体例＞
第２の下地層１２Ｃとして膜厚が１０ｎｍ程度のＮｉＴａを用い、ＮｉＴａを成膜後、このＮｉＴａの上面を酸化し、上面が酸化されたＮｉＴａ上に膜厚が１０ｎｍ程度のＣｒを第３の下地層１２Ｂとして成膜し、さらに第１の下地層１２Ａとして膜厚が５ｎｍ程度のＬａＮを成膜する。このようにして下地層１２を構成しても良い。
【００６３】
このような構成を有する下地層１２では、第３の下地層１２Ｂ上に、膜面内方向に対して［００１］方向に高配向に第１の下地層１２ＡとしてのＬａＮを成長させることが可能となる。
【００６４】
以上詳述したように本実施形態では、垂直磁気異方性を有する記録層１３を形成するために、（００１）面に配向したＮａＣｌ構造を有する下地層１２を用いるようにしている。さらに、この下地層１２は、記録層１３に対して格子ミスフィットが小さくなるように設定される。これにより、記録層１３の結晶性、（００１）面の配向性、及び平滑性を向上させることができる。すなわち、記録層１３として、膜面に対して垂直方向を磁化容易軸とする垂直磁化膜を形成することができる。
【００６５】
また、記録層１３の垂直磁気異方性分散を低減することが可能となり、記録層１３の磁気特性のばらつきを低減することができる。これにより、記録層１３の熱擾乱耐性（或いは、熱的安定性）を向上させることができ、さらに素子間での磁化反転の際の反転電流密度のばらつきを低減することができる。
【００６６】
また、本実施形態で示した下地層１２を用いることで、下地層１２の抵抗を低く抑えることができる。これにより、直列抵抗の付加による磁気抵抗比の減少を抑制することができる。また、耐熱性が高い下地層１２を用いているため、結果として、ＭＴＪ素子１０の熱擾乱耐性（或いは、熱的安定性）を向上させることができる。
【００６７】
また、記録層１３及び参照層１５に垂直磁化膜を用いている。すなわち、記録層１３及び参照層１５が熱的に安定するのに必要な異方性磁界は、結晶磁気異方性により得られる。これにより、ＭＴＪ素子１０のアスペクト比を小さくすることができるため、ＭＴＪ素子１０の微細化が可能である。
【００６８】
また、ＭＴＪ素子１０を微細化しても反転電流密度が増加しないため、従来の磁気ランダムアクセスメモリでは実現できなかった９０ｎｍ以下の微細なＭＴＪ素子１０を有する大容量（例えば２５６Ｍビット以上）の磁気ランダムアクセスメモリを具現化することができる。
【００６９】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、新たに磁場調整層１８を付加することで、参照層１５から出る漏れ磁場を低減し、これによって、この漏れ磁場に起因する記録層１３の反転磁界のシフトを低減或いは調整するようにしている。
【００７０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。下部電極１１から参照層１５までの構成は、第１の実施形態と同じである。
【００７１】
参照層１５上には、非磁性層１７、磁場調整層１８、上部電極１６が順に積層されている。磁場調整層１８は、参照層１５から出る漏れ磁場を低減する効果を有し、この漏れ磁場に起因する記録層１３の反転磁界のシフト調整を行うために用いられる。
【００７２】
非磁性層１７は、参照層１５と磁場調整層１８とが熱工程によって混ざらない耐熱性、及び磁場調整層１８を形成する際の結晶配向を制御する機能が必要となり、下地層１２で挙げた材料を用いることが望ましい。さらに、非磁性層１７の膜厚が厚くなると磁場調整層１８と記録層１３との距離が離れる結果、磁場調整層１８から記録層１３に印加される磁場が小さくなってしまう。このため、非磁性層１７の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。
【００７３】
磁場調整層１８は、磁性材料から構成され、具体的には、参照層１５で挙げた材料を用いることができる。ただし、磁場調整層１８は、参照層１５に比べて記録層１３から離れているため、記録層１３に印加される漏れ磁場を磁場調整層１８によって補正するためには、磁場調整層１８の膜厚、或いは飽和磁化の大きさを参照層１５より大きくする必要がある。例えば参照層１５に飽和磁化が７００ｅｍｕ／ｃｃ程度、膜厚が７ｎｍ程度のＦｅＰｔＮｉを用いた場合、磁場調整層１８には１０００ｅｍｕ／ｃｃ程度、膜厚が１５ｎｍ程度のＦｅＰｔを用いることができる。
【００７４】
また、参照層１５と磁場調整層１８との磁化方向は反平行に設定される。このために、参照層１５の保磁力Ｈｃ１と磁場調整層１８の保磁力Ｈｃ２との間には、Ｈｃ１＞Ｈｃ２、或いはＨｃ１＜Ｈｃ２の関係を満たす必要がある。
【００７５】
参照層１５、非磁性層１７、及び磁場調整層１８は、ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnet）構造で構成されていても良い。すなわち、非磁性層１７の材料として例えばルテニウム（Ｒｕ）を用い、反強磁性結合を利用して、参照層１５と磁場調整層１８との磁化方向を反平行に結合させることも可能である。
【００７６】
さらに、図７のように、非磁性層１７と参照層１５との間に反強磁性層１９を挟んでも良い。すなわち、参照層１５上には、反強磁性層１９が設けられ、この反強磁性層１９上には、非磁性層１７が設けられている。
【００７７】
反強磁性層１９は、参照層１５の磁化を一方向に固着する機能を有する。反強磁性層１９としては、マンガン（Ｍｎ）と、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、或いはイリジウム（Ｉｒ）との合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎ等を用いることができる。
【００７８】
以上詳述したように本実施形態によれば、磁場調整層１８によって参照層１５から出る漏れ磁場を低減することができる。これにより、この漏れ磁場に起因する記録層１３の反転磁界のシフトを低減することができる。この結果、素子間での記録層１３の反転磁界のばらつきを低減することが可能となる。また、磁場調整層１８及び反強磁性層１９を用いることで、参照層１５の磁化を一方向に強固に固着することができる。
【００７９】
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、第１の実施形態或いは第２の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の構成例について示している。
【００８０】
図８は、本発明の第３の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図である。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５０を備えている。メモリセルアレイ５０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ５０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。
【００８１】
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、ＭＴＪ素子１０、及びＮチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ５１を備えている。ＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ５１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ５１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ５１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【００８２】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ５２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路５４及び読み出し回路５５が接続されている。書き込み回路５４及び読み出し回路５５には、カラムデコーダ５３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ５２及びカラムデコーダ５３により選択される。
【００８３】
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。先ず、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５１がターンオンする。
【００８４】
ここで、ＭＴＪ素子１０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、ＭＴＪ素子１０に左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路５４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、ＭＴＪ素子１０に右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路５４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”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。
【００８５】
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、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ５１がターンオンする。読み出し回路５５は、ＭＴＪ素子１０に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路５５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１０に記憶されたデータを読み出すことができる。
【００８６】
次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図９は、１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。
【００８７】
Ｐ型半導体基板６１の表面領域には、素子分離絶縁層が設けられ、この素子分離絶縁層が設けられていない半導体基板６１の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層は、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。
【００８８】
半導体基板６１の素子領域には、互いに離間したソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが設けられている。このソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄはそれぞれ、半導体基板６１内に高濃度の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。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ間で半導体基板６１上には、ゲート絶縁膜５１Ａを介して、ゲート電極５１Ｂが設けられている。ゲート電極５１Ｂは、ワード線ＷＬとして機能する。このようにして、半導体基板６１には、選択トランジスタ５１が設けられている。
【００８９】
ソース領域Ｓ上には、コンタクト６２を介して配線層６３が設けられている。配線層６３は、ビット線／ＢＬとして機能する。ドレイン領域Ｄ上には、コンタクト６４を介して引き出し線６５が設けられている。引き出し線６５上には、下部電極１１及び上部電極１６に挟まれたＭＴＪ素子１０が設けられている。上部電極１６上には、配線層６６が設けられている。配線層６６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板６１と配線層６６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層６７で満たされている。
【００９０】
以上詳述したように本実施形態によれば、第１の実施形態或いは第２の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、ＭＴＪ素子１０は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。
【００９１】
第３の実施形態で示したＭＲＡＭは、様々な装置に適用することが可能である。以下に、ＭＲＡＭのいくつかの適用例について説明する。
【００９２】
（適用例１）
図１０は、デジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）１００、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１０、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１２０、送信ドライバ１３０、及び受信機増幅器１４０等を備えている。
【００９３】
図１０では、バンドパスフィルタを省略しており、その代わりに回線コードプログラム（ＤＳＰで実行される、コード化された加入者回線情報、伝送条件等（回線コード：ＱＡＭ、ＣＡＰ、ＲＳＫ、ＦＭ、ＡＭ、ＰＡＭ、ＤＷＭＴ等）に応じてモデムを選択、動作させるためのプログラム）を保持するための種々のタイプのオプションのメモリとして、本実施形態のＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０とを示している。
【００９４】
なお、本適用例では、回線コードプログラムを保持するためのメモリとしてＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０との２種類のメモリを用いているが、ＥＥＰＲＯＭ１８０をＭＲＡＭに置き換えてもよい。すなわち、２種類のメモリを用いず、ＭＲＡＭのみを用いるように構成してもよい。
【００９５】
（適用例２）
図１１は、別の適用例として、携帯電話端末３００を示している。通信機能を実現する通信部２００は、送受信アンテナ２０１、アンテナ共用器２０２、受信部２０３、ベースバンド処理部２０４、音声コーデックとして用いられるＤＳＰ２０５、スピーカ（受話器）２０６、マイクロホン（送話器）２０７、送信部２０８、及び周波数シンセサイザ２０９等を備えている。
【００９６】
また、この携帯電話端末３００には、当該携帯電話端末３００の各部を制御する制御部２２０が設けられている。制御部２２０は、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、本実施形態のＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４がバス２２５を介して接続されて形成されたマイクロコンピュータである。上記ＲＯＭ２２２には、ＣＰＵ２２１において実行されるプログラムや表示用のフォント等の必要となるデータが予め記憶されている。
【００９７】
ＭＲＡＭ２２３は、主に作業領域として用いられるものであり、ＣＰＵ２２１がプログラムの実行中において計算途中のデータ等を必要に応じて記憶したり、制御部２２０と各部との間でやり取りするデータを一時的に記憶したりする場合等に用いられる。また、フラッシュメモリ２２４は、携帯電話端末３００の電源がオフされても、例えば直前の設定条件等を記憶しておき、次の電源オン時に同じ設定にするような使用方法をする場合に、それらの設定パラメータを記憶しておくものである。これによって、携帯電話端末３００の電源がオフにされても、記憶されている設定パラメータを消失してしまうことがない。
【００９８】
また、この携帯電話端末３００には、オーディオ再生処理部２１１、外部出力端子２１２、ＬＣＤコントローラ２１３、表示用のＬＣＤ（液晶ディスプレイ）２１４、及び呼び出し音を発生するリンガ２１５等が設けられている。オーディオ再生処理部２１１は、携帯電話端末３００に入力されたオーディオ情報（或いは、後述する外部メモリ２４０に記憶されたオーディオ情報）を再生する。再生されたオーディオ情報は、外部出力端子２１２を介してヘッドフォンや携帯型スピーカ等に伝えることにより、外部に取り出すことが可能である。このように、オーディオ再生処理部２１１を設けることにより、オーディオ情報の再生が可能となる。ＬＣＤコントローラ２１３は、例えばＣＰＵ２２１からの表示情報をバス２２５を介して受け取り、ＬＣＤ２１４を制御するためのＬＣＤ制御情報に変換し、ＬＣＤ２１４を駆動して表示を行わせる。
【００９９】
さらに、携帯電話端末３００には、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１，２３３，２３５、外部メモリ２４０、外部メモリスロット２３２、キー操作部２３４、及び外部入出力端子２３６等が設けられている。上記外部メモリスロット２３２にはメモリカード等の外部メモリ２４０が挿入される。この外部メモリスロット２３２は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１を介してバス２２５に接続される。このように、携帯電話端末３００にスロット２３２を設けることにより、携帯電話端末３００の内部の情報を外部メモリ２４０に書き込んだり、或いは外部メモリ２４０に記憶された情報（例えばオーディオ情報）を携帯電話端末３００に入力したりすることが可能となる。
【０１００】
キー操作部２３４は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続される。キー操作部２３４から入力されたキー入力情報は、例えばＣＰＵ２２１に伝えられる。外部入出力端子２３６は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続され、携帯電話端末３００に外部から種々の情報を入力したり、或いは携帯電話端末３００から外部へ情報を出力したりする際の端子として機能する。
【０１０１】
なお、本適用例では、ＲＯＭ２２２、ＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４を用いているが、フラッシュメモリ２２４をＭＲＡＭに置き換えてもよいし、さらにＲＯＭ２２２もＭＲＡＭに置き換えることも可能である。
【０１０２】
（適用例３）
図１２乃至図１６は、ＭＲＡＭをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード（ＭＲＡＭカード）に適用した例をそれぞれ示している。
【０１０３】
図１２に示すように、ＭＲＡＭカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１が内蔵されている。このカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１に対応する位置に開口部４０２が形成され、ＭＲＡＭチップ４０１が露出されている。この開口部４０２にはシャッター４０３が設けられており、当該ＭＲＡＭカードの携帯時にＭＲＡＭチップ４０１がシャッター４０３で保護されるようになっている。このシャッター４０３は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えばセラミックからなっている。データを転写する場合には、シャッター４０３を開放してＭＲＡＭチップ４０１を露出させて行なう。外部端子４０４は、ＭＲＡＭカードに記憶されたコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。
【０１０４】
図１３及び図１４は、上記ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、カード挿入型の転写装置５００の上面図及び断面図を示している。
【０１０５】
データ転写装置５００は、収納部５００ａを有している。この収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０が収納されている。収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０に電気的に接続された外部端子５３０が設けられており、この外部端子５３０を用いて第１のＭＲＡＭカード５５０のデータが書き換えられる。
【０１０６】
エンドユーザの使用する第２ＭＲＡＭカード４５０を、矢印で示すように転写装置５００の挿入部５１０より挿入し、ストッパ５２０で止まるまで押し込む。このストッパ５２０は、第１ＭＲＡＭ５５０と第２ＭＲＡＭカード４５０を位置合わせするための部材としても働く。第２ＭＲＡＭカード４５０が所定位置に配置されると、第１ＭＲＡＭデータ書き換え制御部から外部端子５３０に制御信号が供給され、第１ＭＲＡＭ５５０に記憶されたデータが第２ＭＲＡＭカード４５０に転写される。
【０１０７】
図１５は、はめ込み型の転写装置５００を示す断面図である。この転写装置５００は、矢印で示すように、ストッパ５２０を目標に、第１ＭＲＡＭ５５０上に第２ＭＲＡＭカード４５０をはめ込むように載置するタイプである。転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
【０１０８】
図１６は、スライド型の転写装置を示す断面図である。この転写装置５００は、ＣＤ−ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブと同様に、転写装置５００に受け皿スライド５６０が設けられており、この受け皿スライド５６０が矢印で示すように移動する。受け皿スライド５６０が破線の位置に移動したときに第２ＭＲＡＭカード４５０を受け皿スライド５６０に載置し、第２ＭＲＡＭカード４５０を転写装置５００の内部へ搬送する。ストッパ５２０に第２ＭＲＡＭカード４５０の先端部が当接するように搬送される点、及び転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。
【０１０９】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】格子ミスフィットと転位欠陥が生じる記録層の臨界膜厚との関係を示す図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図。
【図４】下地層１２にＬａＮ、記録層１３にＦｅＰｄを用いた場合の結晶構造を説明する模型図。
【図５】第１の実施形態に係る下地層１２の具体的な構成例を示す断面図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。
【図７】第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の他の構成例を示す断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。
【図９】１個のメモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図。
【図１０】ＭＲＡＭの適用例１に係るデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を示すブロック図。
【図１１】ＭＲＡＭの適用例２に係る携帯電話端末３００を示すブロック図。
【図１２】ＭＲＡＭの適用例３に係るＭＲＡＭカード４００を示す上面図。
【図１３】ＭＲＡＭカードにデータを転写するための転写装置５００を示す平面図。
【図１４】ＭＲＡＭカードにデータを転写するための転写装置５００を示す断面図。
【図１５】ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、はめ込み型の転写装置５００を示す断面図。
【図１６】ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、スライド型の転写装置５００を示す断面図。
【符号の説明】
【０１１１】
１０…ＭＴＪ素子、１１…下部電極、１２…下地層、１３…記録層、１３Ｂ、１５Ｂ…界面層、１４…トンネルバリア層、１５…参照層、１６…上部電極、１７…非磁性層、１８…磁場調整層、１９…反強磁性層、５０…メモリセルアレイ、５１…選択トランジスタ、５１Ａ…ゲート絶縁膜、５１Ｂ…ゲート電極、５２…ロウデコーダ、５３…カラムデコーダ、５４…書き込み回路、５５…読み出し回路、６１…半導体基板、６２，６４…コンタクト、６３，６６…配線層、６５…引き出し線、６７…層間絶縁層、ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、Ｓ…ソース領域、Ｄ…ドレイン領域、１００…ＤＳＰ、１１０…Ａ／Ｄコンバータ、１２０…Ｄ／Ａコンバータ、１３０…送信ドライバ、１４０…受信機増幅器、１７０…ＭＲＡＭ、１８０…ＥＥＰＲＯＭ、２００…通信部、２０１…送受信アンテナ、２０２…アンテナ共用器、２０３…受信部、２０４…ベースバンド処理部、２０５…ＤＳＰ、２０６…スピーカ、２０７…マイクロホン、２０８…送信部、２０９…周波数シンセサイザ、２１１…オーディオ再生処理部、２１２…外部出力端子、２１３…ＬＣＤコントローラ、２１４…ＬＣＤ、２１５…リンガ、２２０…制御部、２２１…ＣＰＵ、２２２…ＲＯＭ、２２３…ＭＲＡＭ、２２４…フラッシュメモリ、２２５…バス、２３１，２３３，２３５…インターフェース回路、２３２…外部メモリスロット、２３２…スロット、２３４…キー操作部、２３６…外部入出力端子、２４０…外部メモリ、３００…携帯電話端末、４００…ＭＲＡＭカード本体、４０１…ＭＲＡＭチップ、４０２…開口部、４０３…シャッター、４０４…外部端子、４５０…ＭＲＡＭカード、５００…転写装置、５１０…挿入部、５２０…ストッパ、５３０…外部端子、５５０…ＭＲＡＭ、５６０…受け皿スライド。
【図１】
0004599425.tif 000002
【図２】
0004599425.tif 000003
【図３】
0004599425.tif 000004
【図４】
0004599425.tif 000005
【図５】
0004599425.tif 000006
【図６】
0004599425.tif 000007
【図７】
0004599425.tif 000008
【図８】
0004599425.tif 000009
【図９】
0004599425.tif 000010
【図１０】
0004599425.tif 000011
【図１１】
0004599425.tif 000012
【図１２】
0004599425.tif 000013
【図１３】
0004599425.tif 000014
【図１４】
0004599425.tif 000015
【図１５】
0004599425.tif 000016
【図１６】
0004599425.tif 000017