(57)【要約】  記録層の磁化方向が膜面に対して垂直方向である磁気抵抗効果素子において、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供する。磁気抵抗効果素子の記録層の磁性層を少なくとも２つに分け、各磁性層中の磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成を変えて積層する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）と、
前記第１の磁性層（２）に隣接して設けられる第１の非磁性層（１）と、
前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（３）と、を備え、
前記第１の磁性層（２）は少なくともＦｅを含み、前記第１の磁性層（２）のＦｅの組成は前記第１の磁性層（２）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上であり、前記第１の磁性層（２）の磁化方向は前記第１の非磁性層（１）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いており、
前記第２の磁性層（３）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含み、前記第２の磁性層（３）のＦｅの組成は前記第２の磁性層（３）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下であり、
前記第１の非磁性層（１）と前記第１の磁性層（２）との界面の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiは、前記第１の非磁性層（１）と前記第２の磁性層（３）とを接合させた場合の界面の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiよりも大きく、
前記第２の磁性層（３）の飽和磁化Ｍsは前記第１の磁性層（２）の飽和磁化Ｍsよりも低い、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第１の磁性層（２）は、前記第１の磁性層（２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第２の磁性層（３）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１よりも小さい、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（３）の間に隣接して、第１の金属からなる第１の非磁性挿入層（７）をさらに備えた、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第１の非磁性挿入層（７）の挿入層膜厚は０．１〜０．５ｎｍである、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１の非磁性挿入層（７）はスパッタ法により第１のスパッタリングガスを用いて成膜され、前記第１の非磁性挿入層（７）の前記第１の金属の質量数ＭTの前記第１のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第１のＭT／ＭG比は２．２以下である、請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）と、
前記第１の磁性層（２）に隣接して設けられる第１の非磁性層（１）と、
前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（３）と、
前記第２の磁性層（３）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（４）と、
前記第３の磁性層（４）の前記第２の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（５）と、を備え、
前記第１の磁性層（２）は少なくともＦｅを含み、前記第１の磁性層（２）のＦｅの組成は前記第１の磁性層（２）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上であり、前記第１の磁性層（２）の磁化方向は前記第１の非磁性層（１）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いており、
前記第３の磁性層（４）は少なくともＦｅを含み、前記第３の磁性層（４）のＦｅの組成は前記第３の磁性層（４）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上であり、前記第３の磁性層（４）の磁化方向は前記第２の非磁性層（５）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いており、
前記第１の非磁性層（１）と前記第１の磁性層（２）との界面の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiは、前記第１の非磁性層（１）と前記第２の磁性層（３）とを接合させた場合の界面の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiよりも大きく、
前記第２の非磁性層（５）と前記第３の磁性層（４）との界面の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiは、前記第２の非磁性層（５）と前記第２の磁性層（３）とを接合させた場合の界面の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiよりも大きく、
前記第２の磁性層（３）の飽和磁化Ｍsは、前記第１の磁性層（２）の飽和磁化Ｍs及び前記第３の磁性層（４）の飽和磁化Ｍsよりも低い、磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１の磁性層（２）は、前記第１の磁性層（２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第２の磁性層（３）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１より小さく、
前記第３の磁性層（４）は、前記第３の磁性層（４）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第２の磁性層（３）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１より小さい、請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（３）の間に隣接して、第１の金属からなる第１の非磁性挿入層（７）をさらに備え、
前記第３の磁性層（４）と前記第２の磁性層（３）の間に隣接して、第２の金属からなる第２の非磁性挿入層（８）をさらに備えた、請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の非磁性挿入層（７）及び前記第２の非磁性挿入層（８）のそれぞれの挿入層膜厚は、０．１〜０．５ｎｍである、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の非磁性挿入層（７）はスパッタ法により第１のスパッタリングガスを用いて成膜され、前記第１の非磁性挿入層（７）の前記第１の金属の質量数ＭTの前記第１のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第１のＭT／ＭG比は２．２以下であり、
前記第２の非磁性挿入層（８）はスパッタ法により第２のスパッタリングガスを用いて成膜され、前記第２の非磁性挿入層（８）の前記第２の金属の質量数ＭTの前記第２のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第２のＭT／ＭG比は２．２より大きい、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第２の磁性層（３）は、
前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜内垂直方向である第４の磁性層（３ａ）と、
前記第４の磁性層（３ａ）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる非磁性結合層（６）と、
前記非磁性結合層（６）の前記第４の磁性層（３ａ）とは反対側に隣接して設けられ、かつ、前記第３の磁性層（４）の前記第２の非磁性層（５）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜内垂直方向である第５の磁性層（３ｂ）と、
を備えた構造を有し、
前記第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）はそれぞれＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含み、前記第４の磁性層（３ａ）のＦｅの組成は前記第４の磁性層（３ａ）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下であり、前記第５の磁性層（３ｂ）のＦｅの組成は前記第５の磁性層（３ｂ）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下であり、
前記非磁性結合層（６）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を少なくとも１つ含む、請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記第１の磁性層（２）は、前記第１の磁性層（２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、前記第４の磁性層（３ａ）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１より小さく、
前記第３の磁性層（４）は、前記第３の磁性層（４）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素の、前記第５の磁性層（３ｂ）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比が１より小さい、請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第１の磁性層（２）と前記第４の磁性層（３ａ）の間に隣接して、第１の金属からなる第１の非磁性挿入層（７）をさらに備え、
前記第３の磁性層（４）と前記第５の磁性層（３ｂ）の間に隣接して、第２の金属からなる第２の非磁性挿入層（８）をさらに備えた、請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第１の非磁性挿入層（７）及び前記第２の非磁性挿入層（８）のそれぞれの挿入層膜厚は、０．１〜０．５ｎｍである、請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１の非磁性挿入層（７）はスパッタ法により第１のスパッタリングガスを用いて成膜され、前記第１の非磁性挿入層（７）の前記第１の金属の質量数ＭTの前記第１のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第１のＭT／ＭG比は２．２以下であり、
前記第２の非磁性挿入層（８）はスパッタ法により第２のスパッタリングガスを用いて成膜され、前記第２の非磁性挿入層（８）の前記第２の金属の質量数ＭTの前記第２のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第２のＭT／ＭG比は２．２より大きい、請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記第１の非磁性挿入層（７）は、Ｘｅ又はＫｒを用いてスパッタ法により成膜されたＭｏ、Ｔａ、Ｗ又はＮｂからなり、
前記第２の非磁性挿入層（８）は、Ａｒを用いてスパッタ法により成膜されたＭｏ、Ｔａ、Ｗ又はＮｂからなる、請求項１３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を磁気メモリセルとする磁気メモリ。
【請求項１８】
第１の非磁性層（１）と、
前記第１の非磁性層（１）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）であって、前記第１の磁性層（２）は少なくともＦｅを含み、前記第１の磁性層（２）のＦｅの組成は第１の磁性層（２）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上である、第１の磁性層（２）と、
前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられ、第１の金属からなる第１の非磁性挿入層（７）と、
前記第１の非磁性挿入層（７）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（３）であって、前記第２の磁性層（３）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含み、第２の磁性層（３）のＦｅの組成は前記第２の磁性層（３）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下である、第２の磁性層（３）と、
前記第２の磁性層（３）の前記第１の非磁性挿入層（７）とは反対側に隣接して設けられ、第２の金属からなる第２の非磁性挿入層（８）と、
前記第２の非磁性挿入層（８）の前記第２の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（４）であって、前記第３の磁性層（４）は少なくともＦｅを含み、前記第３の磁性層（４）のＦｅの組成は前記第３の磁性層（４）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上である、第３の磁性層（４）と、
前記第３の磁性層（４）の前記第２の非磁性挿入層（８）とは反対側に隣接して設けられた第２の非磁性層（５）と、
を、この順に積層して作製する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記第１の非磁性挿入層（７）を第１のスパッタリングガスを用いて成膜し、
前記第２の非磁性挿入層（８）を第２のスパッタリングガスを用いて成膜し、
前記第１の非磁性挿入層（７）の前記第１の金属の質量数ＭTの前記第１のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第１のＭT／ＭG比は、前記第２の非磁性挿入層（８）の前記第２の金属の質量数ＭTの前記第２のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第２のＭT／ＭG比より小さい、磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１９】
前記第１のＭT／ＭG比は２．２以下であり、前記第２のＭT／ＭG比は２．２より大きい、請求項１８に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２０】
Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ又はＮｂからなる前記第１の非磁性挿入層（７）を、Ｘｅ又はＫｒを用いてスパッタ法により成膜し、
Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ又はＮｂからなる前記第２の非磁性挿入層（８）を、Ａｒを用いてスパッタ法により成膜する、請求項１８に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２１】
前記第１の非磁性挿入層（７）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜内垂直方向である第４の磁性層（３ａ）と、
前記第４の磁性層（３ａ）の前記第１の非磁性挿入層（７）とは反対側に隣接して設けられる非磁性結合層（６）と、
前記非磁性結合層（６）の前記第４の磁性層（３ａ）とは反対側に隣接して設けられ、かつ、前記第２の非磁性挿入層（８）の前記第３の磁性層（４）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜内垂直方向である第５の磁性層（３ｂ）と、
からなる前記第２の磁性層（３）を、この順に積層して作製し、
前記第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）はそれぞれＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含み、前記第４の磁性層（３ａ）のＦｅの組成は前記第４の磁性層（３ａ）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下であり、前記第５の磁性層（３ｂ）のＦｅの組成は前記第５の磁性層（３ｂ）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下であり、
前記非磁性結合層（６）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を少なくとも１つ含む、請求項１８に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。  
【請求項２２】
Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ又はＮｂからなる前記第１の非磁性挿入層（７）を、Ｘｅ又はＫｒを用いてスパッタ法により成膜し、
Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ又はＮｂからなる前記第２の非磁性挿入層（８）を、Ａｒを用いてスパッタ法により成膜する、請求項２１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【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、特に記録層の磁化方向が膜面に対して垂直方向である磁気抵抗効果素子、及び、該磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の高性能の不揮発性の磁気メモリとして開発が進むＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）は、選択トランジスタと、磁気抵抗効果素子とが直列に電気的に接続された構造を有する磁気メモリセルを備える。
選択トランジスタのソース電極はソース線に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子を介してビット線に、ゲート電極はワード線にそれぞれ電気的に接続される。
磁気抵抗効果素子は、２つの磁性層（参照層、記録層）の間に非磁性層（障壁層）が挟まれた構造を基本としており、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を有するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子とも呼ばれる。磁性層の１つは磁化方向が固定された参照層であり、磁性層の他の１つは磁化方向が可変である記録層である。【０００３】
磁気抵抗効果素子の抵抗値は、参照層の磁性層の磁化方向と記録層の磁性層の磁化方向が平行に配置される場合には小さくなり、反平行に配置される場合には大きくなる。ＭＲＡＭの磁気メモリセルは、この２つの抵抗状態をビット情報「０」と「１」に割り当てている。【０００４】
ＭＲＡＭに要求される主な特性は、（ｉ）磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）が大きいこと、（ｉｉ）書込み電流ＩC0が小さいこと、（ｉｉｉ）熱安定性指数Δが大きいことである。（ｉ）は高速での読出しに対応するため、（ｉｉ）は高速での書込みに対応するため、（ｉｉｉ）は磁気メモリの不揮発性のために必要な特性である。【０００５】
近年、ＭＲＡＭの高集積化のため、磁気抵抗効果素子の微細化を求められるようになってきているが、磁気抵抗効果素子の磁性層（参照層）及び磁性層（記録層）を共に微細化すると、磁化が熱擾乱し、ビット情報が消失しやすくなるという問題があった。
つまり、磁気抵抗効果素子の微細化により高集積化したＭＲＡＭを実現するためには、磁気メモリには記録されたビット情報を１０年間保持する不揮発性が要求され、上記（ｉｉｉ）熱安定性指数Δを高めることが重要となる。【０００６】
非特許文献１〜３には、磁気抵抗効果素子を微細化してもビット情報を保持するために、磁性層（参照層）及び磁性層（記録層）が７０以上の高い熱安定性指数Δを有することが必要であり、かつ、参照層となる磁性層は記録層となる磁性層よりもさらに大きな熱安定性指数Δを有することが必要であることが開示されている。【０００７】
また、非特許文献１には、磁気抵抗効果素子の磁性層の熱安定性指数Δは実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと相関があり、また、大きな磁気異方性（実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeff）を有する物質に垂直磁気異方性を示すものが多いことから、ＭＲＡＭの磁気メモリセルの磁気抵抗効果素子として垂直磁化ＴＭＲ素子が用いられるようになってきていることが開示されている。【０００８】
非特許文献４には、薄膜化したＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造を垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子に適用することにより、記録層の磁性層において、接合サイズ直径４０ｎｍで熱安定性指数Δが約４０の磁気抵抗効果素子が得られていることが開示されている。
さらに非特許文献６には、二重のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面記録層構造にして記録層の磁性層を厚くすることにより、接合サイズ直径４０ｎｍ台で熱安定性指数Δが８０以上の磁気抵抗効果素子が得られているが、接合サイズ直径２９ｎｍでは熱安定性指数Δが約５９の磁気抵抗効果素子となることが開示されている。
なお、磁性層の接合サイズとは、隣り合う非磁性層や電極と接する接合面上で、最も長い直線の長さである。磁性層が円柱状で接合面が円形のときは、接合サイズは接合面の直径となる。接合サイズが接合面の直径の場合、接合サイズを特に接合サイズ直径という。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】N. Nishimura, T. Hirai, A. Koganei, T. Ikeda, K. Okano, Y. Sekiguchi, and Y. Osada, “Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory”, J. Appl. Phys. 2002, 91, 5246
【非特許文献２】G. Kim, Y. Sakuraba, M. Oogane, Y. Ando and T. Miyazaki, “Tunneling magnetoresistance of magnetic tunnel junctions using perpendicular magnetization electrodes”, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 172502
【非特許文献３】K. Mizunuma, S. Ikeda, J. H. Park, H. Yamamoto, H. D. Gan, K. Miura, H. Hasegawa, J. Hayakawa, F. Matsukura and H. Ohno, “MgO barrier-perpendicular magnetic tunnel junctions with CoFe/Pd multilayers and ferromagnetic insertion layers”, Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 232516.
【非特許文献４】S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan, M. Endo, S. Kanai, F. Matsukura, and H. Ohno, “A perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction”, Nature Mater., 2010, 9, 721
【非特許文献５】H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H.Ohno, “Perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junctions with a MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure”, Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 022414.
【非特許文献６】H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H. Ohno, “MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure in magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis”, IEEE Trans. Magn., 2013, 49, 4437
【非特許文献７】H. Sato, T. Yamamoto, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, K.Kinoshita, F. Matsukura, N. Kasai, and H. Ohno, “Comprehensive study of CoFeB-MgO magnetic tunnel junction characteristics with single- and double-interface scaling down to 1X nm”, Tech. Dig. -Int. Electron Devices Meet. 2013, 3.2.1.
【非特許文献８】S. Ikeda, R. Koizumi, H. Sato, M. Yamanouchi, K. Miura, K. Mizunuma, H. D. Gan, F. Matsukura , and H. Ohno, “Boron Composition Dependence of Magnetic Anisotropy and Tunnel Magnetoresistance in MgO/CoFe(B) Based Stack Structures”, IEEE Trans. Magn., 2012, 48, 3829
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−２５８５９６号公報
【特許文献２】ＰＣＴ／ＪＰ２０１６／０７０８５０
【特許文献３】特願２０１６−１５０１５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、磁気抵抗効果素子の微細化により高集積化したＭＲＡＭにおいて、ビット情報を１０年間記録保持する不揮発性を実現するため、従来技術よりさらに高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを課題としている。【００１２】
磁気抵抗効果素子の熱安定性指数Δは、以下の式で表される。【００１３】
【数１】
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【００１４】
数１の式において、Ｅはエネルギー障壁、ｋBはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、Ｋeffは実効磁気異方性エネルギー密度、Ｓは記録層の面積、ｔは記録層の膜厚である。【００１５】
ここで、ｘ軸、ｙ軸を平面内、ｚ軸をｘ−ｙ平面に垂直な面直方向にとった座標において、実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと記録層の膜厚ｔの積Ｋeffｔは、以下の式により表される。【００１６】
【数２】
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【００１７】
数２の式において、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度、Ｎzはｚ軸の反磁界係数、Ｎxはｘ軸の反磁界係数、Ｍsは飽和磁化、μ0は真空の透磁率、Ｋbはバルク（結晶）磁気異方性や磁気弾性効果に由来するバルク磁気異方性エネルギー密度である。
なお、Ｎxはｙ軸の反磁界係数Ｎyと等しいとする。Ｎz及びＮxは記録層が円筒形の場合に厳密に求めることは難しく、楕円近似により数値計算で求めることができる。
Ｋeffｔが正の時は垂直磁気異方性を示し、負の時は面内磁気異方性を示す。すなわち、正の時は面直方向が磁化容易軸となる。
この点につき具体例を用いて詳述すれば、たとえばＣｏＦｅ（Ｂ）／ＭｇＯ接合において、界面磁気異方性エネルギー密度ＫiをＣｏＦｅＢとＭｇＯの界面に誘起させることにより、垂直磁気異方性（Ｋeff＞０）を得ることができる。しかしながら、磁性層としてＣｏＦｅＢを用いた場合の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiは、Ｂを含まないＣｏＦｅを用いた場合の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiよりも低くなる。一方、Ｂを含まないＣｏＦｅを用いた場合は高い界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiが得られるものの、ＣｏＦｅはＣｏＦｅＢに比べ飽和磁化Ｍsが高いために反磁界（−（Ｎz−Ｎx）Ｍs／2μ0）が大きく、面内磁気異方性（Ｋeff＜０）となり、垂直磁気異方性は得られない。【００１８】
数１の式より、熱安定性指数Δを大きくするには、実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔを大きくすればよいことが分かる。
さらに、数２の式より、高い実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔを得るためには、非磁性層と磁性層の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）界面における、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを低下させないように記録層全体の飽和磁化Ｍsを低くする必要があることが分かる。【００１９】
なお、数２の式で実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔの検討において、実効磁気異方性は界面磁気異方性とバルク（結晶）磁気異方性の影響を受けることに留意する。
界面磁気異方性は、界面における電子軌道の混成により磁化しやすい方向が現れる性質であり、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiの単位はＪ／ｍ2で、界面磁気異方性の効果は記録層の磁性層の膜厚を薄くすると顕著になる。一方、バルク（結晶）磁気異方性は、結晶構造の非等方性により磁化しやすい方向が現れる性質であり、バルク（結晶）磁気異方性エネルギー密度Ｋbの単位はＪ／ｍ3である。【００２０】
本発明者らは、数１及び数２の式より、磁気抵抗効果素子の熱安定性指数Δを大きくするために、非磁性層と磁性層の界面における界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを低下させないように記録層全体の飽和磁化Ｍsを低くする様々な方法を検討している。たとえば、磁気抵抗効果素子の磁性層を少なくとも２つの領域（記録層を挟む非磁性層と接合する第１の磁性層、及び、記録層を挟む非磁性層とは接合しない第２の磁性層）に分け、第１の磁性層の磁性元素の組成を第２の磁性層の磁性元素の組成より大きくすれば、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子が得られることを見出している（特許文献２等参照）。【００２１】
本発明は、上記課題の上記検討において、磁性層中の磁性元素の種類やその組成に着目することにより、さらに高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子が得られることを見出し、完成させるに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）と、前記第１の磁性層（２）に隣接して設けられる第１の非磁性層（１）と、前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（３）と、を備え、前記第１の磁性層（２）は少なくともＦｅを含み、前記第１の磁性層（２）のＦｅの組成は前記第１の磁性層（２）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上であり、前記第１の磁性層（２）の磁化方向は前記第１の非磁性層（１）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向を向いており、前記第２の磁性層（３）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含み、前記第２の磁性層（３）のＦｅの組成は前記第２の磁性層（３）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下であり、前記第１の非磁性層（１）と前記第１の磁性層（２）との界面の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiは、前記第１の非磁性層（１）と前記第２の磁性層（３）とを接合させた場合の界面の界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiよりも大きく、前記第２の磁性層（３）の飽和磁化Ｍsは前記第１の磁性層（２）の飽和磁化Ｍsよりも低いことを特徴とする。
また、本発明の他の磁気抵抗効果素子は、前記第１の磁性層（２）と前記第２の磁性層（３）の間に隣接して、第１の非磁性挿入層（７）をさらに備えることを特徴とする。
さらに、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１の非磁性層（１）と、前記第１の非磁性層（１）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）であって、前記第１の磁性層（２）は少なくともＦｅを含み、前記第１の磁性層（２）のＦｅの組成は第１の磁性層（２）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上である、第１の磁性層（２）と、前記第１の磁性層（２）の前記第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられ、第１の金属からなる第１の非磁性挿入層（７）と、前記第１の非磁性挿入層（７）の前記第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（３）であって、前記第２の磁性層（３）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含み、第２の磁性層（３）のＦｅの組成は前記第２の磁性層（３）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下である、第２の磁性層（３）と、前記第２の磁性層（３）の前記第１の非磁性挿入層（７）とは反対側に隣接して設けられ、第２の金属からなる第２の非磁性挿入層（８）と、前記第２の非磁性挿入層（８）の前記第２の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（４）であって、前記第３の磁性層（４）は少なくともＦｅを含み、前記第３の磁性層（４）のＦｅの組成は前記第３の磁性層（４）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上である、第３の磁性層（４）と、前記第３の磁性層（４）の前記第２の非磁性挿入層（８）とは反対側に隣接して設けられた第２の非磁性層（５）と、を、この順に積層して作製する磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記第１の非磁性挿入層（７）を第１のスパッタリングガスを用いて成膜し、前記第２の非磁性挿入層（８）を第２のスパッタリングガスを用いて成膜し、前記第１の非磁性挿入層（７）の前記第１の金属の質量数ＭTの前記第１のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第１のＭT／ＭG比は、前記第２の非磁性挿入層（８）の前記第２の金属の質量数ＭTの前記第２のスパッタリングガスの質量数ＭGに対する比である第２のＭT／ＭG比より小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
第１の磁性層（２）の磁性元素中のＦｅ組成を５０ａｔ％以上にし、第２の磁性層（３）の磁性元素中のＦｅ組成を５０ａｔ％以下にすることを特徴とする本発明によれば、熱安定性の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。
また、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（３）の間に第１の非磁性挿入層（７）を挿入することを特徴とする本発明によれば、より熱安定性の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。
さらに、第１及び第２の非磁性挿入層の成膜時のスパッタリングガスについて、第１のＭT／ＭG比を第２のＭT／ＭG比より小さくすることを特徴とする本発明によれば、磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）を高めた上で、熱安定性の高い磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の一例を示す、縦断面図である。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である
【図３】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図４】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図７】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図８】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図９】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１０】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１１】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１２】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１３】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１４】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１５】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１６】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１７】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１８】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図１９】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図２０】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例を示す、縦断面図である。
【図２１】垂直磁気異方性の特性評価に用いるＭsｔ値及びＫeffｔ値の求め方を示した、磁化曲線の概略図である。
【図２２】磁性層の磁性元素中のＦｅ組成による特性評価に使用した、磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。
【図２３Ａ】記録層のＦｅ75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２３Ｂ】記録層の（Ｃｏ16.7Ｆｅ83.3）75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２３Ｃ】記録層の（Ｃｏ20Ｆｅ80）75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２３Ｄ】記録層の（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２３Ｅ】記録層の（Ｃｏ33.3Ｆｅ66.7）75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２３Ｆ】記録層の（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２３Ｇ】記録層の（Ｃｏ66.7Ｆｅ33.3）75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２３Ｈ】記録層の（Ｃｏ83.3Ｆｅ16.7）75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２３Ｉ】記録層のＣｏ75Ｂ25総膜厚が（ａ）２．４ｎｍ、（ｂ）２．６ｎｍ、（ｃ）２．８ｎｍ、（ｄ）３．０ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図２４】実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと膜厚ｔの相関を示す。
【図２５】界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiと磁性層の磁性元素に対するＦｅ組成（ａｔ％）の相関を示す。
【図２６】飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと膜厚ｔの相関を示す。
【図２７】飽和磁化Ｍsと磁性層の磁性元素に対するＦｅ組成（ａｔ％）の相関を示す。
【図２８】非磁性挿入層を挿入していない磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。
【図２９】図２８において、記録層の、Ｃｏ75Ｂ25と隣接する（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25の膜厚が（ａ）０．２ｎｍ、（ｂ）０．４ｎｍ、（ｃ）０．６ｎｍ、（ｄ）０．８ｎｍ、（ｅ）１．０ｎｍ、（ｆ）１．４ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図３０】Ｗ層を非磁性挿入層とした、磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。
【図３１】図３０において、記録層の、Ｗ層の膜厚が（ａ）０．０ｎｍ、（ｂ）０．１ｎｍ、（ｃ）０．２ｎｍ、（ｄ）０．３ｎｍ、（ｅ）０．４ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図３２】Ｗ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと非磁性挿入層の挿入層膜厚ｔの相関を示す。
【図３３】Ｗ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと非磁性挿入層の挿入層膜厚ｔの相関を示す。
【図３４】Ｔａ層を非磁性挿入層とした、磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。
【図３５】図３４において、記録層の、Ｔａ層の膜厚が（ａ）０．０ｎｍ、（ｂ）０．２ｎｍ、（ｃ）０．３ｎｍ、（ｄ）０．４ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図３６】Ｔａ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと非磁性挿入層の挿入層膜厚ｔの相関を示す。
【図３７】Ｔａ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと非磁性挿入層の挿入層膜厚ｔの相関を示す。
【図３８】Ｍｏ層を非磁性挿入層とした、磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。
【図３９】図３７において、記録層の、Ｍｏ層の膜厚が（ａ）０．０ｎｍ、（ｂ）０．２ｎｍ、（ｃ）０．３ｎｍ、（ｄ）０．４ｎｍの場合の磁化曲線であり、垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示したものである。
【図４０】Ｍｏ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと非磁性挿入層の挿入層膜厚ｔの相関を示す。
【図４１】Ｍｏ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと非磁性挿入層の挿入層膜厚ｔの相関を示す。
【図４２】非磁性挿入層を構成する元素種による、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと非磁性挿入層の挿入層膜厚ｔの相関を示す。
【図４３】非磁性挿入層を構成する金属種による、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと非磁性挿入層の挿入層膜厚ｔの相関を示す。
【図４４】成膜時のスパッタリングガスによる特性評価に使用した、磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。
【図４５】スパッタリングガスがＸｅ、Ｋｒ、Ａｒの場合の磁化曲線を示す。
【図４６】スパッタリングガスがＸｅ、Ｋｒ、Ａｒの場合のＴＭＲ比と挿入層膜厚の相関を示したものである。
【図４７】非磁性挿入層の下側のＣｏＦｅＢ層の膜厚によるスパッタリングガス特性評価に使用した、磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。
【図４８】スパッタリングガスがＸｅ、Ｋｒ、Ａｒの場合のＴＭＲ比と非磁性挿入層の下側のＣｏＦｅＢ層の膜厚の相関を示したものである。
【図４９】（ａ）非磁性挿入層Ｗを磁性層ＣｏＦｅＢ層上にＡｒでスパッタした場合、（ｂ）Ｋｒでスパッタした場合のイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリについて、詳細を説明する。
なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
【００２６】
（磁性層の磁性元素中のＦｅ組成による熱安定性指数Δに関する検討）
上述のとおり、数１の式より、熱安定性指数Δを大きくするには、実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔを大きくすればよい。また、数２の式より、高い実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔを得るためには、非磁性層と磁性層の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）界面における、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを低下させないように記録層全体の飽和磁化Ｍsを低くする必要がある。
さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、記録層の磁性層の膜厚が薄く、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiの効果が顕著になるため、数２の式でバルク（結晶）磁気異方性エネルギー密度Ｋbはごく僅かと（ゼロと仮定）することができる。
【００２７】
数２の式においてバルク（結晶）磁気異方性エネルギー密度Ｋbを無視できる構成を有する本発明の場合、実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔと記録層の膜厚ｔは、ｙ切片Ｋi、傾き（−（Ｎz−Ｎx）Ｍs2／2μ0）の略線形の関係となる。
【００２８】
上記実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔの値は、記録層のＭＴＪ膜面垂直方向に磁場を掃引した磁化曲線と、ＭＴＪ膜面の面内方向に磁場を掃引した磁化曲線を測定することにより、求めることができる。
図２１に磁化曲線の概念図を示す。縦軸に磁化と膜厚の積Ｍｔ、横軸に真空の透磁率と磁界の積μ0Ｈをとり、記録層のＭＴＪ膜面に対して垂直方向に磁場を掃引した場合の磁化曲線（垂直Ｍ−Ｈループ）を実線で示し、面内方向に磁場を掃引した場合の磁化曲線（面内Ｍ−Ｈループ）を点線で示す。このグラフにおいて、実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔの値は、第１象限における垂直Ｍ−Ｈループの磁場と磁化の大きさで囲まれる面積と面内Ｍ−Ｈループの磁場と磁化の大きさで囲まれる面積の差で表される。
すなわち、記録層が垂直磁気異方性を持つ場合は、面内方向に磁場を傾けるのに大きなエネルギーが必要なため、面内Ｍ−Ｈループの磁場と磁化の大きさで囲まれる面積と垂直Ｍ−Ｈループの磁場と磁化の大きさで囲まれる面積の差は正になる。逆に面内磁気異方性を持つ場合はこの値は負となる。
【００２９】
図２２に、実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔの値を求めるために使用した磁気抵抗効果素子の構成を示す。基体上にＴａ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．４ｎｍ）／Ｗ（０．５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１〜１．６ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）を積層した。記録層において上下のＣｏＦｅＢ層の間にＷ層（０．５ｎｍ）を挟み、下のＣｏＦｅＢ層の膜厚を１．４ｎｍに固定し、上のＣｏＦｅＢ層の膜厚を１．０ｎｍ、１．２ｎｍ、１．４ｎｍ、１．６ｎｍに変え、上下のＣｏＦｅＢ層の膜厚の総和を２．４〜３．０ｎｍに調整した。なお、本実験では、記録層のみの磁気特性を評価するため、参照層を省略している。
上下のＣｏＦｅＢ層は、（Ｃｏ100-xＦｅx）75Ｂ25、ｘ＝０〜１００、すなわち、記録層の磁性層の磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が０〜１００ａｔ％の範囲となるように調整した。４００℃において１時間アニール処理を行い、磁気抵抗効果素子を得た。
【００３０】
各Ｆｅ組成、各膜厚における磁化曲線が図２３Ａ〜図２３Ｉである。垂直Ｍ−Ｈループを太線で、面内Ｍ−Ｈループを細線で示した。
得られた実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔの値と、記録層の膜厚ｔの関係を、表１及び図２４に示した。図２４では、各Ｆｅ組成における線形近似曲線（回帰直線）で内挿及び外挿した。
【００３１】
【表１】
2018134929.tif 000005
【００３２】
上述したように、表１及び図２４に示した線形近似曲線（回帰直線）のｙ切片は界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiとなる。
図２５に、Ｆｅ組成と界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiの関係をプロットした。
図２５より、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiは、磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が６０〜８０ａｔ％付近で極大となることが分かる。
【００３３】
数２の式における飽和磁化Ｍsの値も、記録層のＭＴＪ膜面垂直方向に磁場を掃引した磁化曲線と、ＭＴＪ膜面の面内方向に磁場を掃引した磁化曲線を測定することにより、求めることができる。
図２１に磁化曲線の概念図を示す。縦軸に磁化と膜厚の積Ｍｔ、横軸に真空の透磁率と磁界の積μ0Ｈをとり、記録層のＭＴＪ膜面に対して垂直方向に磁場を掃引した場合の磁化曲線（垂直Ｍ−Ｈループ）を実線で示し、面内方向に磁場を掃引した場合の磁化曲線（面内Ｍ−Ｈループ）を点線で示す。このグラフにおいて、飽和磁化Ｍsと膜厚ｔの積は、第１象限において垂直Ｍ−Ｈループ又は面内Ｍ−Ｈループの磁化が飽和する部分の磁化の値である。
【００３４】
飽和磁化Ｍsの値を求めるために使用した磁気抵抗効果素子の構成は、実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔの値を求めるために使用した磁気抵抗効果素子の構成と同じである（図２２参照）。記録層は上下のＣｏＦｅＢ層の間にＷ層（０．５ｎｍ）を挟み、下のＣｏＦｅＢ層の膜厚を１．４ｎｍに固定し、上のＣｏＦｅＢ層の膜厚を１．０ｎｍ、１．２ｎｍ、１．４ｎｍ、１．６ｎｍに変え、上下のＣｏＦｅＢ層の膜厚の総和を２．４〜３．０ｎｍに調整した。なお、本実験では、記録層のみの磁気特性を評価するため、参照層を省略している。
上下のＣｏＦｅＢ層は、（Ｃｏ100-xＦｅx）75Ｂ25、ｘ＝０〜１００、すなわち、記録層の磁性層の磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が０〜１００ａｔ％の範囲となるように調整した。４００℃において１時間アニール処理を行い、磁気抵抗効果素子を得た。
【００３５】
各Ｆｅ組成、各膜厚における磁化曲線を図２３Ａ〜図２３Ｉに示した。
得られた飽和磁化Ｍsと膜厚ｔの積Ｍsｔの値と記録層の膜厚ｔの関係を、表２、表３及び図２６に示した。図２６では、各Ｆｅ組成における線形近似曲線（回帰直線）で内挿及び外挿した。
なお、得られた飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔは、ｃｇｓ系単位（ｅｍｕ／ｃｍ2）をＭＫＳ（Ｔ・ｎｍ）に変換した（表２及び表３参照）。変換式はＴ・ｎｍ＝４πｘ１０００ｅｍｕ／ｃｍ2である。
【００３６】
【表２】
2018134929.tif 000006
【表３】
2018134929.tif 000007
【００３７】
上述したように、表３及び図２６に示した線形近似曲線（回帰直線）の傾きが記録層のＣｏＦｅＢ層の飽和磁化Ｍsとなる。
図２７に、Ｆｅ組成と飽和磁化Ｍsの関係をプロットした。
図２７より、飽和磁化Ｍsは、磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が６０〜８０ａｔ％付近で極大となることが分かる。
【００３８】
上述のとおり、数２の式より、高い実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔを得るためには、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを低下させないように記録層の飽和磁化Ｍsを低くする必要がある。本発明の検討において、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋi、飽和磁化Ｍsは共に、磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が６０〜８０ａｔ％付近で極大となることが分かった。つまり、高い実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffを得る場合、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを高くする（Ｆｅの組成比を大きくする）ことと、記録層の飽和磁化Ｍsを低くする（Ｆｅの組成比を小さくする）ことはトレードオフの関係であることを意味する。
しかしながら、界面磁気異方性は界面における電子軌道の混成により磁化しやすい方向が現れる性質であり、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiの値は、第１の非磁性層（図１１ではＭｇＯ）と記録層の磁性層（図２２では記録層中のＣｏＦｅＢ層）の界面の数原子レベルの層で決まる値である。つまり、それよりも離れた記録層の磁性層のＦｅの組成は、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiの値に影響を与えない。
一方、飽和磁化Ｍsの値は記録層の磁性層全体で決まる。表３及び図２６に示すように、Ｆｅの組成が同じであれば、飽和磁化Ｍsの値は膜厚の増加に伴って増大する。
そこで、記録層の磁性層を少なくとも２つに分け、第１の非磁性層（図２２ではＭｇＯ）との界面に磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が５０ａｔ％以上、好ましくは６０ａｔ％以上、さらに好ましくは６０〜９０ａｔ％である第１の磁性層を設け、磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が５０ａｔ％以下、好ましくは４０ａｔ％以下である非磁性層と接しない第２の磁性層を配置することで、より実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffを有するＭＴＪを作製することができ、該ＭＴＪを有する熱安定性指数Δの高い磁気抵抗効果素子を提供することが可能となる。
【００３９】
（非磁性挿入層を用いた熱安定性指数Δ向上に関する検討）
上記磁性層の磁性元素中のＦｅ組成による熱安定性指数Δに関する検討において、実際に記録層の磁性層を少なくとも２つに分け、第１の非磁性層（図２８では下部非磁性電極（Ｅ１）と第１の記録層（Ａ１）に挟まれたＭｇＯ）との界面に磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が５０ａｔ％以上、好ましくは６０ａｔ％以上、さらに好ましくは６０〜９０ａｔ％である第１の磁性層（図２８では（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25）を設け、磁性元素の原子分率の総和に対するＦｅの組成が５０ａｔ％以下、好ましくは４０ａｔ％以下である非磁性層と接しない第２の磁性層（図２８ではＣｏ75Ｂ25）を配置し、４００℃において１時間アニール処理を行った磁気抵抗効果素子を使用し、熱安定性指数Δに影響を与える飽和磁化Ｍs及び実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔの増減を確認した。
磁気抵抗効果素子の構成を詳述すると、図２８に示すように、下部非磁性電極（Ｅ１）／第１の非磁性層／第１の記録層（Ａ１）／第２の非磁性層／上部非磁性電極（Ｅ２）の順に積層され、下部非磁性電極（Ｅ１）は基体／Ｔａ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）の順に、第１の非磁性層はＭｇＯ（１．１４ｎｍ）、第１の記録層（Ａ１）は（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25（ｔｎｍ、図２８において矢印で示した層）／Ｃｏ75Ｂ25（（１．４−ｔ）ｎｍ）／Ｗ（０．５ｎｍ）／（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25（１ｎｍ）の順に、第２の非磁性層はＭｇＯ（１．０ｎｍ）、上部非磁性電極（Ｅ２）はＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）の順に、積層されている。本実験での上部非磁性電極（Ｅ２）のＣｏＦｅＢはキャップ層である。また、Ｗ層はＡｒでスパッタリングされたものである。
本確認試験において、第１の磁性層の膜厚と第２の磁性層の膜厚の総和を１．４ｎｍとし、第１の磁性層の膜厚ｔを０．２〜１．４ｎｍの範囲に設定した。
なお、（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25は、層全体の原子分率の総和を１００％とした場合、Ｃｏは１８．７５ａｔ％、Ｆｅは５６．２５ａｔ％、Ｂは２５ａｔ％である。また、本実験では、記録層のみの磁気特性を評価するため、参照層を省略している。
【００４０】
図２９に、第１の磁性層（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25の各膜厚における磁化曲線を示した。
また、これらの磁化曲線から求められる、飽和磁化Ｍs及び実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔを、表４に示した。
【００４１】
【表４】
2018134929.tif 000008
【００４２】
図２９及び表４より、ＭｇＯ層に接する第１の磁性層（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25の膜厚の第１の磁性層の膜厚と第２の磁性層の膜厚の総和に対する割合の増加すなわち第１の磁性層及び第２の磁性層トータルのＦｅ組成の増加に比例して、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔ及び実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔがともに増加することが分かる。
ここで、飽和磁化Ｍsについては、第１の磁性層の膜厚の割合すなわち第１の磁性層及び第２の磁性層トータルのＦｅ組成（ａｔ％）が増加すれば、飽和磁化Ｍsが増加することは図２７等からも明らかである。
一方、実効磁気異方性エネルギー密度と記録層の膜厚の積Ｋeffｔについては、飽和磁化Ｍsが下がった場合すなわち第１の磁性層の膜厚の割合が低い場合においても、界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiの寄与により、さらなるＫeffｔの増加が見込まれる。しかしながら、第１の磁性層及び第２の磁性層トータルのＦｅ組成の増加に比例して、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔ及び実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔがともに増加することから、実際の成膜及び熱処理時に第１の磁性層及び第２の磁性層の構成元素が相互に拡散しやすいために、ＭｇＯ層に接する第１の磁性層の界面磁気異方性エネルギー密度ＫiのＫeffｔへの寄与による効果を、十分に引き出せていないことが示唆された。
【００４３】
そこで、第１の磁性層と第２の磁性層の間に相互拡散を防止する非磁性挿入層を挿入し、飽和磁化Ｍs及び実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔへの影響を調べる実験を行った。
【００４４】
図３０に、Ｗ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の構成を示す。下部非磁性電極（Ｅ１）／第１の非磁性層／第１の記録層（Ａ１）／第２の非磁性層／上部非磁性電極（Ｅ２）の順に積層され、下部非磁性電極（Ｅ１）は基体／Ｔａ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）の順に、第１の非磁性層はＭｇＯ（１．１４ｎｍ）、第１の記録層（Ａ１）は（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25（０．６ｎｍ）／非磁性挿入層であるＷ（０〜０．４ｎｍ）／Ｃｏ75Ｂ25（０．８ｎｍ）／非磁性結合層であるＷ（０．５ｎｍ）／（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25（１ｎｍ）の順に、第２の非磁性層はＭｇＯ（１．１４ｎｍ）、上部非磁性電極（Ｅ２）はＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）の順に、積層されている。本実験での上部非磁性電極（Ｅ２）のＣｏＦｅＢはキャップ層である。また、非磁性挿入層としてのＷ層はＫｒでスパッタリングされ、０．５ｎｍのＷ層はＡｒでスパッタリングされた。なお、本実験では、記録層のみの磁気特性を評価するため、参照層を省略している。
第１の記録層（Ａ１）の非磁性挿入層のＷ層（図３０において矢印で示した層）を、第１の磁性層（図３０では第１の非磁性層のＭｇＯに接した（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25、０．６ｎｍ）と第２の磁性層（図３０ではＣｏ75Ｂ25、０．８ｎｍ）の間に挿入し、挿入層膜厚を０〜０．４ｎｍの範囲に設定した。
積層された磁気抵抗効果素子は、４００℃１時間アニール処理された。４００℃アニール後に、下部非磁性電極（Ｅ１）のＣｏＦｅＢ及び上部非磁性電極（Ｅ２）のＣｏＦｅＢは、隣接するＴａあるいはＲｕのＣｏＦｅＢ中への拡散によって非磁性化する。
【００４５】
図３１に、Ｗ層の各挿入層膜厚における磁化曲線を示した。
また、これらの磁化曲線から求められる、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと挿入層膜厚の相関を図３２に、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと挿入層膜厚の相関を図３３に示した。
Ｗ層の挿入により、飽和磁化Ｍsは減少し、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔは挿入層膜厚０．２ｎｍ付近で極大となることが分かる。
【００４６】
図３４に、Ｔａ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の構成を示す。下部非磁性電極（Ｅ１）／第１の非磁性層／第１の記録層（Ａ１）／第２の非磁性層／上部非磁性電極（Ｅ２）の順に積層され、下部非磁性電極（Ｅ１）は基体／Ｔａ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）の順に、第１の非磁性層はＭｇＯ（１．１４ｎｍ）、第１の記録層（Ａ１）は（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25（０．６ｎｍ）／Ｔａ（０〜０．４ｎｍ）／Ｃｏ75Ｂ25（０．８ｎｍ）／Ｗ（０．５ｎｍ）／（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25（１ｎｍ）の順に、第２の非磁性層はＭｇＯ（１．１４ｎｍ）、上部非磁性電極（Ｅ２）はＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）の順に、積層されている。本実験での上部非磁性電極（Ｅ２）のＣｏＦｅＢはキャップ層である。また、非磁性挿入層としてのＴａ層はＫｒでスパッタリングされ、０．５ｎｍのＷ層はＡｒでスパッタリングされた。なお、本実験では、記録層のみの磁気特性を評価するため、参照層を省略している。
第１の記録層（Ａ１）の非磁性挿入層のＴａ層（図３４において矢印で示した層）を、第１の磁性層（図３４では第１の非磁性層のＭｇＯに接した（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25、０．６ｎｍ）と第２の磁性層（図３４ではＣｏ75Ｂ25、０．８ｎｍ）の間に挿入し、挿入層膜厚を０〜０．４ｎｍの範囲に設定した。
積層された磁気抵抗効果素子は、４００℃１時間アニール処理された。４００℃アニール後に、下部非磁性電極（Ｅ１）のＣｏＦｅＢ及び上部非磁性電極（Ｅ２）のＣｏＦｅＢは、隣接するＴａあるいはＲｕのＣｏＦｅＢ中への拡散によって非磁性化する。
【００４７】
図３５に、Ｔａ層の各挿入層膜厚における磁化曲線を示した。
また、これらの磁化曲線から求められる、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと挿入層膜厚の相関を図３６に、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと挿入層膜厚の相関を図３７に示した。
Ｔａ層の挿入により、飽和磁化Ｍsは減少し、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔは増加することが分かる。
【００４８】
図３８に、Ｍｏ層を非磁性挿入層とした磁気抵抗効果素子の構成を示す。下部非磁性電極（Ｅ１）／第１の非磁性層／第１の記録層（Ａ１）／第２の非磁性層／上部非磁性電極（Ｅ２）の順に積層され、下部非磁性電極（Ｅ１）は基体／Ｔａ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）の順に、第１の非磁性層はＭｇＯ（１．１４ｎｍ）、第１の記録層（Ａ１）は（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25（０．６ｎｍ）／Ｍｏ（０〜０．４ｎｍ）／Ｃｏ75Ｂ25（０．８ｎｍ）／Ｗ（０．５ｎｍ）／（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25（１ｎｍ）の順に、第２の非磁性層はＭｇＯ（１．１４ｎｍ）、上部非磁性電極（Ｅ２）はＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）の順に、積層されている。本実験での上部非磁性電極（Ｅ２）のＣｏＦｅＢはキャップ層である。また、非磁性挿入層としてのＭｏ層はＫｒでスパッタリングされ、０．５ｎｍのＷ層はＡｒでスパッタリングされた。なお、本実験では、記録層のみの磁気特性を評価するため、参照層を省略している。
第１の記録層（Ａ１）の非磁性挿入層のＭｏ層（図３８において矢印で示した層）を、第１の磁性層（図３８では第１の非磁性層のＭｇＯ層に接した（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25、０．６ｎｍ）と第２の磁性層（図３８ではＣｏ75Ｂ25、０．８ｎｍ）の間に挿入し、挿入層膜厚を０〜０．４ｎｍの範囲に設定した。
積層された磁気抵抗効果素子は、４００℃１時間アニール処理された。４００℃アニール後に、下部非磁性電極（Ｅ１）のＣｏＦｅＢ及び上部非磁性電極（Ｅ２）のＣｏＦｅＢは、隣接するＴａあるいはＲｕのＣｏＦｅＢ中への拡散によって非磁性化する。
【００４９】
図３９に、Ｍｏ層の各挿入層膜厚における磁化曲線を示した。
また、これらの磁化曲線から求められる、飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと挿入層膜厚の相関を図４０に、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと挿入層膜厚の相関を図４１に示した。
Ｍｏ層の挿入により、飽和磁化Ｍsは減少し、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔは増加することが分かる。
【００５０】
非磁性挿入層としてＭｇ層、ＭｇＯ層を用い、同様な実験を行った。
飽和磁化と膜厚の積Ｍsｔと挿入層膜厚の相関をまとめて図４２に、実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔと挿入層膜厚の相関をまとめて図４３に示した。なお、図中ＣｏＦｅＢ単層とは、ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯの構成を有する層である（非特許文献６等参照）。
【００５１】
図４２より、非磁性挿入層がない場合に比べて、非磁性挿入層がＷ、Ｍｏ、Ｔａの場合は飽和磁化Ｍsが減少し、非磁性挿入層がＭｇ、ＭｇＯの場合は飽和磁化Ｍsが不変であることが分かる。
図４３より、非磁性挿入層を挿入することで、いずれの系においても実効磁気異方性エネルギー密度と膜厚の積Ｋeffｔが増加する効果が見られ、垂直磁気異方性が向上していることが分かった。挿入層膜厚０．３ｎｍの場合のＫeffｔ値は、Ｍｏ＞Ｗ＞Ｔａ＞ＭｇＯ＞Ｍｇの順に高い。
【００５２】
以上の非磁性挿入層を用いた熱安定性指数Δ向上に関する検討により、非磁性挿入層に用いられる金属（非磁性挿入元素）としては、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ等が好ましいことが分かった。さらにｂｃｃ（体心立方格子構造）を含む非磁性金属が適していることが分かった。なかでも原子半径が１３９ｐｍ以上の高融点金属が好ましい。
【００５３】
（高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子において、ＴＭＲ比も高めた成膜時のスパッタリングガスに関する検討）
上述したとおり、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子において、磁性層の磁性元素中のＦｅ組成による熱安定性指数Δに関する検討、さらに、非磁性挿入層を用いた熱安定性指数Δ向上に関する検討を行ってきた。ここで、ＭＲＡＭに要求される主な特性のひとつであるトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）も高めた、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子を得るため、非磁性挿入層成膜時のスパッタリングガスに関する検討を行った。
【００５４】
トンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）は、（Ｒap−Ｒp）／Ｒp（ここで、Ｒpは障壁層に隣接する参照層の磁化と記録層の磁化とが平行に配列した時の抵抗値、Ｒapは障壁層に隣接する参照層の磁化と記録層の磁化とが反平行に配列した時の抵抗値）で定義される。  たとえば、図４に示す記録層（Ａ１）中の非磁性結合層（６）は、製造時のアニール処理により、隣接する第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）に含まれるＢ（ボロン）を吸収し、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）の結晶化を促進し、ＴＭＲ比を高めることができる。この作用は図５等に示す第１及び第２の非磁性挿入層（７、８）においても同様である。
【００５５】
一方、非磁性結合層（６）は第４の磁性層（３ａ）の上にスパッタ法により成膜されるが、スパッタ条件によっては、第４の磁性層（３ａ）が損傷し、あるいは非磁性結合層の元素が第４の磁性層（３ａ）内部に拡散し、ＴＭＲ比の低下を引き起こす。詳細は後述する。
【００５６】
図４４に、ＣｏＦｅＢ層間に挿入されたＷ層（図４４において矢印で示した層）の、成膜時のスパッタリングガスの種類による特性評価を行った磁気抵抗効果素子の構成を示す。
Ｗ層の挿入層膜厚を０．２、０．３、０．５ｎｍに調整し、スパッタリングガスをＸｅ、Ｋｒ、Ａｒにして、それぞれの磁気抵抗効果素子の特性を評価した。
図４５に、スパッタリングガスの種類による磁気抵抗効果素子の磁化曲線を示す。
図４６及び表５に、各Ｗ挿入層膜厚、及び、スパッタリングガスの種類によるＴＭＲ比を示す。
【００５７】
【表５】
2018134929.tif 000009
【００５８】
図４６及び表５より、Ｗ層のスパッタリングガスをＡｒからＫｒ、Ｘｅにすることで、ＴＭＲ比は増加することが分かる。また、図４５より、Ｗ層のスパッタリングガスをＡｒからＫｒ、Ｘｅにすることで、垂直磁気異方性の劣化は防止されることが分かる。
【００５９】
図４７に、ＣｏＦｅＢ層間に挿入される非磁性挿入層Ｗの挿入層膜厚を一定にし、非磁性挿入層の下側のＣｏＦｅＢ層（図４７において矢印で示した層）の膜厚を変えた場合の、成膜時のスパッタリングガス特性評価に用いた磁気抵抗効果素子の構成を示す。
Ｗ層の挿入層膜厚を０．３ｎｍ、非磁性挿入層の下側の（Ｃｏ25Ｆｅ75）75Ｂ25層の膜厚を０．６〜１．４ｎｍの範囲に調整し、スパッタリングガスをＸｅ、Ｋｒ及びＡｒにして、それぞれの磁気抵抗効果素子の特性を評価した。
図４８及び表６に、下側のスパッタリングガスがＸｅ、Ｋｒ、Ａｒの場合のＴＭＲ比と非磁性挿入層の下側のＣｏＦｅＢ層の膜厚の相関を示す。
【００６０】
【表６】
2018134929.tif 000010
【００６１】
図４８及び表６より、Ｗ層のスパッタリングガスをＡｒからＫｒ、Ｘｅにすることで、ＴＭＲ比は増加することが分かる。また、スパッタリングガスをＡｒにして成膜した場合、下側のＣｏＦｅＢ層の膜厚が１．０ｎｍ以下になるとＴＭＲ比が急激に低下することが分かる。下側のＣｏＦｅＢ層の表面にスパッタされたＷ原子が、アニール後に反跳ＡｒによりＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面に拡散し、ＴＭＲ比を低下させている。
【００６２】
図４９に、非磁性挿入層Ｗを磁性層ＣｏＦｅＢ上にＡｒ及びＫｒでスパッタした場合の、イメージを示す。スパッタリングガスの種類によりＴＭＲ比が異なるのは、スパッタターゲットとなる挿入層の金属の質量数とスパッタリングガスの質量数との関係で、反跳ガスが下側のＣｏＦｅＢ層表面に与えるダメージの大小に基づく。
【００６３】
この点を詳述すると、スパッタ時にターゲットから反跳されるスパッタリングガスのエネルギー（Ｅ）は、ターゲットの質量数（ＭT）とスパッタリングガスの質量数（ＭG）の比（ＭT／ＭG）によって分類される。
スパッタリングガス及びターゲットに用いる元素及びその質量数を表７に示す。
【００６４】
【表７】
2018134929.tif 000011
【００６５】
たとえば、ターゲットがＷ、スパッタリングガスがＡｒの場合、ＭT／ＭGは約４．６（＝１８３．８４／３９．９４８）となる。また、ターゲットがＷ、スパッタリングガスがＫｒの場合、は約２．２である。反跳されるスパッタリングガスのエネルギーは、ＭT／ＭGが大きいほど大きくなる。
このため、Ａｒスパッタ時、高いエネルギーを有する反跳ガスは下側の磁性層ＣｏＦｅＢに侵入し、ダメージを与える（図４９（ａ）参照）。一方で、Ｋｒスパッタ時は反跳ガスが有するエネルギーが小さいため、下側の磁性層ＣｏＦｅＢにダメージを与えにくく、その結果、ＴＭＲ比を増加させることができる（図４９（ｂ）参照）。
【００６６】
スパッタリングガスの質量数、及び、ターゲットに用いる元素の質量数の比を、表８に示す。
【００６７】
【表８】
2018134929.tif 000012
2018134929.tif 000013
【００６８】
図４６、図４８、表５〜８より、ＭT／ＭGが２．２以下であることが、下側の磁性層ＣｏＦｅＢへのダメージを抑え、高いＴＭＲ比を得るための条件となることが分かる。
逆に、ＭT／ＭGが２．２より大きいことが、下側の磁性層ＣｏＦｅＢにダメージを与えるための条件となる。  
【００６９】
以上より、図５、図６等の第１の非磁性挿入層（７）は、スパッタ時に下側となる第１の磁性層（２）のダメージを抑え、高いＴＭＲ比を得ることが要求されるため、ＭT／ＭGが２．２以下となる非磁性挿入元素及びスパッタリングガスを選択する。たとえばＭｏ、Ｔａ、Ｗ又はＮｂからなる第１の非磁性挿入層（７）がＫｒ又はＸｅ等を用いてスパッタ法により成膜される場合、スパッタ時に下側となる第１の磁性層（２）はもちろん、非磁性挿入層（７）にもＫｒ又はＸｅ等のスパッタリング元素の反跳ガスは到達しにくく、第１の磁性層（２）や第１の非磁性挿入層（７）に残存しにくい（図４９（ｂ）参照）。
一方、第２の非磁性挿入層（８）は、第２の磁性層（３）がスパッタ時に下側となる。第２の磁性層（３）は先の検討において飽和磁化Ｍsを低くする目的で配置されているものであり、寧ろ、反跳ガスによりダメージを与えてさらに飽和磁化Ｍsを低くすることが優先される。よって、ＭT／ＭGが２．２より大きくなる非磁性挿入元素及びスパッタリングガスを選択する。たとえばＭｏ、Ｔａ、Ｗ又はＮｂからなる第２の非磁性挿入層（８）がＡｒ等を用いてスパッタ法により成膜される場合、第２の非磁性挿入層（８）やスパッタ時に下側となる第２の磁性層（３）にＡｒ等のスパッタリング元素の反跳ガスが侵入しやすく、第２の磁性層（３）や第２の非磁性挿入層（８）に残存しやすい（図４９（ａ）参照）。
【実施例】
【００７０】
以下に本発明の実施例を、図面を参照して具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。【００７１】
（実施例１）
図１に、記録層の磁性層を２つ備え、そのうち１つの磁性層が非磁性層に隣接して設けられることを特徴とする、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【００７２】
実施例１は、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２）と、第１の磁性層（２）に隣接して設けられる第１の非磁性層（１）と、第１の磁性層（２）の第１の非磁性層（１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（３）とを備えるものである。
図１に示すとおり、第１の磁性層（２）は第１の非磁性層（１）と第２の磁性層（３）の間に設けられる。【００７３】
第１の磁性層（２）の磁化方向は、第１の非磁性層（１）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向である。また、第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）との界面の界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）は、第１の非磁性層（１）と第２の磁性層（３）とを接合させた場合の界面の界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）よりも大きくなるように構成される。界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）は、後述する第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（３）の組成等により調整される。【００７４】
第１の磁性層（２）は少なくともＦｅを含み、第１の磁性層（２）のＦｅの組成は第１の磁性層（２）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上であり、好ましくは６０ａｔ％以上、さらに好ましくは６０〜９０ａｔ％である。Ｆｅの組成が５０ａｔ％以上であると、大きな界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）を得ることができ、Ｆｅの組成が５０ａｔ％未満であると、大きな界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）を得ることができないためである（図２５等参照）。【００７５】
第２の磁性層（３）の飽和磁化（Ｍs）は、第１の磁性層（２）の飽和磁化（Ｍs）よりも低くなるように構成される。飽和磁化（Ｍs）は、第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（３）の組成等により調整される。【００７６】
第２の磁性層（３）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含み、第２の磁性層（３）のＦｅの組成は第２の磁性層（３）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下、好ましくは４０ａｔ％以下である。Ｆｅの組成が５０ａｔ％以下であると、飽和磁化（Ｍs）を低くすることができ、Ｆｅの組成が５０ａｔ％を超えると、飽和磁化（Ｍs）が大きくなってしまうからである（図２７等参照）。【００７７】
第１の磁性層（２）は、磁性元素としてＦｅの他、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素をさらに含んでもよい。【００７８】
第２の磁性層（３）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。【００７９】
第１の磁性層（２）もＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでもＢ、Ｖが好ましい。
なお、第１の磁性層（２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、第２の磁性層（３）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比は、１より小さくすることができる。飽和磁化（Ｍs）を低くすることに寄与することが知られている磁性層のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素の比を調整することで、第２の磁性層（３）の飽和磁化（Ｍs）が第１の磁性層（２）の飽和磁化（Ｍs）よりも低くなり磁性層全体として飽和磁化（Ｍs）を下げることができ、磁性層の磁性元素中のＦｅ組成の調整と併せ、さらに飽和磁化（Ｍs）を下げることができるからである。【００８０】
第２の磁性層（３）の膜厚は、第１の磁性層（２）の膜厚に対する比が１以上であること、すなわち、第２の磁性層（３）の膜厚は第１の磁性層（２）の膜厚より大きいことが好ましい。第２の磁性層（３）は低い飽和磁化（Ｍs）を得るために磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下、好ましくは４０ａｔ％以下となっているが、第１の非磁性層（１）との界面で界面磁気異方性に資する第１の磁性層（２）のＦｅの組成は磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上となっており、記録層全体としては第２の磁性層（３）を相対的に厚くして低い飽和磁化（Ｍs）を得ることが望ましいからである。
具体的には、第１の磁性層（２）の膜厚は０．２〜１．０ｎｍの範囲に、第２の磁性層（３）の膜厚は０．４〜５．０ｎｍの範囲に調整される。【００８１】
第１の非磁性層（１）の材料は、磁気抵抗効果素子の障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）となる場合、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（５）の膜厚は、０．１〜１．０ｎｍ、好ましくは０．２〜０．５ｎｍの範囲に調整される。【００８２】
実施例１の具体例としては、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第２の磁性層（３）が、ＭｇＯ／（ＣｏaＦｅbＭ100-a―b）cＮ100-c／（ＣｏdＦｅeＭ100-d-e）fＮ100-f（ただし、ＭはＣｏ，Ｆｅ以外の磁性元素、Ｎは非磁性元素、０≦ａ≦５０、５０≦ｂ≦１００、３０≦ｃ≦１００、０≦ｄ≦１００、０≦ｅ≦５０、３０≦ｆ≦１００）が挙げられ、より具体的にはＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｃｏ50Ｆｅ50、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25、ＭｇＯ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／（Ｃｏ60Ｆｅ40）75Ｂ25、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｃｏ15Ｆｅ40Ｎｉ45、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25等が例示できる。【００８３】
図１に示した実施例１において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合、第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、第１の磁性層（２）及び第２の磁性層（３）は記録層の一部を構成する。【００８４】
（実施例２）
図２に、２つの磁性層の間に非磁性挿入層を挿入した、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【００８５】
実施例２は、実施例１に加え、第１の非磁性挿入層（７）をさらに備えるものである。
図２に示すとおり、第１の非磁性層（１）、第１の磁性層（２）、第１の非磁性挿入層（７）、第２の磁性層（３）の順に積層したものである。【００８６】
実施例２の詳細は、以下の記載を除き、実施例１と同様である。【００８７】
第１の非磁性挿入層（７）は、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（３）の構成元素の相互拡散を防止する目的で挿入される。相互拡散を防止する材料（非磁性挿入元素）であれば制限はないが、好ましくはＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ等であり、より好ましくはｂｃｃを含む非磁性金属であり、さらに好ましくは原子半径が１３９ｐｍ以上である。
第１の非磁性挿入層（７）の挿入層膜厚は０．１〜０．５ｎｍである。挿入層膜厚が０．５ｎｍより大きいと、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（３）との磁気的な結合が弱くなり、熱安定性が低下するからである。【００８８】
第１の非磁性挿入層（７）はスパッタ法により第１のスパッタリングガスを用いて成膜されることが好ましい。
第１の非磁性挿入層（７）の金属の質量数（ＭT）の、第１のスパッタリングガスの質量数（ＭG）に対する比（第１のＭT／ＭG比）は、２．２以下となるように選択される。たとえば、非磁性挿入元素がＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂの場合は、スパッタリングガスにＸｅ、Ｋｒ等を選択する。【００８９】
実施例２の具体例としては、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の非磁性挿入層（７）／第２の磁性層（３）が、ＭｇＯ／（ＣｏaＦｅbＭ100-a―b）cＮ100-c／ＮＩ／（ＣｏdＦｅeＭ100-d-e）fＮ100-f（ただし、ＭはＣｏ，Ｆｅ以外の磁性元素、Ｎは非磁性元素、ＮＩは非磁性挿入元素、０≦ａ≦５０、５０≦ｂ≦１００、３０≦ｃ≦１００、０≦ｄ≦１００、０≦ｅ≦５０、３０≦ｆ≦１００）が挙げられ、より具体的にはＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｗ／Ｃｏ50Ｆｅ50、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｔａ／（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25、ＭｇＯ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／Ｎｂ／（Ｃｏ60Ｆｅ40）75Ｂ25、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｗ／Ｃｏ15Ｆｅ40Ｎｉ45、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｍｏ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25等が例示できる。【００９０】
図２に示した実施例２において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合、第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層を構成し、第１の磁性層（２）／第１の非磁性挿入層（７）／第２の磁性層（３）は記録層の一部を構成する。【００９１】
（実施例３）
図３に、２つの非磁性層で記録層を挟んだ、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【００９２】
実施例３は、実施例１に加え、第２の磁性層（３）の第１の磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（４）と、第３の磁性層（４）の第２の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（５）と、
を、さらに備えるものである。
図３に示すとおり、第１の磁性層（２）、第２の磁性層（３）、第３の磁性層（４）が第１の記録層（Ａ１）として構成され、第１の記録層（Ａ１）は第１の非磁性層（１）と第２の非磁性層（５）の間に挟まれた構成となっている。【００９３】
実施例３の詳細は、以下の記載を除き、実施例１と同様である。【００９４】
第３の磁性層（４）の磁化方向は、第２の非磁性層（５）との界面における界面垂直磁気異方性により膜面に対して垂直方向である。また、第２の非磁性層（５）と第３の磁性層（４）との界面の界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）は、第２の非磁性層（５）と第２の磁性層（３）とを接合させた場合の界面の界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）よりも大きくなるように構成される。界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）は、後述する第３の磁性層（４）及び第２の磁性層（３）の組成等により調整される。【００９５】
第３の磁性層（４）は少なくともＦｅを含み、第３の磁性層（４）のＦｅの組成は第３の磁性層（４）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上であり、好ましくは６０ａｔ％以上、さらに好ましくは６０〜９０ａｔ％である。Ｆｅの組成が５０ａｔ％以上であると、大きな界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）を得ることができ、Ｆｅの組成が５０ａｔ％未満であると、大きな界面磁気異方性エネルギー密度（Ｋi）を得ることができないためである（図２５等参照）。【００９６】
第２の磁性層（３）の飽和磁化（Ｍs）は、第３の磁性層（４）の飽和磁化（Ｍs）よりも低くなるように構成される。飽和磁化（Ｍs）は、第３の磁性層（４）及び第２の磁性層（３）の組成等により調整される。【００９７】
第３の磁性層（４）は、磁性元素としてＦｅの他、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素をさらに含んでもよい。【００９８】
第２の磁性層（３）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。【００９９】
第３の磁性層（４）もＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。
なお、第３の磁性層（４）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、第２の磁性層（３）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比は、１より小さくすることができる。飽和磁化（Ｍs）を低くすることに寄与することが知られている磁性層のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素の比を調整することで、第２の磁性層（３）の飽和磁化（Ｍs）が第３の磁性層（４）の飽和磁化（Ｍs）よりも低くなり磁性層全体として飽和磁化（Ｍs）を下げることができ、磁性層の磁性元素中のＦｅ組成の調整と併せ、さらに飽和磁化（Ｍs）を下げることができるからである。【０１００】
第２の磁性層（３）の膜厚は、第３の磁性層（４）の膜厚に対する比が１以上であること、すなわち、第２の磁性層（３）の膜厚は第３の磁性層（４）の膜厚より大きいことが好ましい。第２の磁性層（３）は低い飽和磁化（Ｍs）を得るために磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下となっているが、第２の非磁性層（５）との界面で界面磁気異方性に資する第３の磁性層（４）のＦｅの組成は磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上となっており、記録層全体としては第２の磁性層（３）を相対的に厚くして低い飽和磁化（Ｍs）を得ることが望ましいからである。
具体的には、第３の磁性層（４）の膜厚は０．２〜１．０ｎｍの範囲に、第２の磁性層（３）の膜厚は０．４〜５．０ｎｍの範囲に調整される。【０１０１】
実施例３のより具体的な例としては、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第２の磁性層（３）／第３の磁性層（４）／第２の非磁性層（５）が、ＭｇＯ／（ＣｏaＦｅbＭ100-a―b）cＮ100-c／（ＣｏdＦｅeＭ100-d-e）fＮ100-f／（ＣｏgＦｅhＭ100-g―h）iＮ100-i／ＭｇＯ（ただし、ＭはＣｏ，Ｆｅ以外の磁性元素、Ｎは非磁性元素、０≦ａ≦５０、５０≦ｂ≦１００、３０≦ｃ≦１００、０≦ｄ≦１００、０≦ｅ≦５０、３０≦ｆ≦１００、０≦ｇ≦５０、５０≦ｈ≦１００、３０≦ｉ≦１００）が挙げられ、より具体的にはＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｃｏ50Ｆｅ50／Ｃｏ25Ｆｅ75／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25／Ｃｏ25Ｆｅ75／ＭｇＯ、ＭｇＯ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／（Ｃｏ60Ｆｅ40）75Ｂ25／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｃｏ15Ｆｅ40Ｎｉ45／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／ＭｇＯ等が例示できる。【０１０２】
図３に示した実施例３において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（５）と第３の磁性層（４）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（５）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第２の磁性層（３）／第３の磁性層（４）は記録層を構成する。【０１０３】
（実施例４）
図４に、記録層の磁性層に極薄の非磁性結合層を挟んだ、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１０４】
実施例４は図４に示すとおり、実施例３の第２の磁性層（３）を第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）とし、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）の間に隣接して非磁性結合層（６）を備えた構造を有するものである。【０１０５】
実施例４の詳細は、以下の記載を除き、実施例３と同様である。【０１０６】
実施例３の第２の磁性層（３）と同様、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）はそれぞれＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含み、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）のＦｅの組成は第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）の磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下、好ましくは４０ａｔ％以下である。Ｆｅの組成が５０ａｔ％以下であると、飽和磁化（Ｍs）を低くすることができ、Ｆｅの組成が５０ａｔ％を超えると、飽和磁化（Ｍs）が大きくなってしまうからである（図２７等参照）【０１０７】
実施例３の第２の磁性層（３）と同様、第４の磁性層（３ａ）の飽和磁化（Ｍs）は、第１の磁性層（２）の飽和磁化（Ｍs）よりも低くなるように構成される。また、第５の磁性層（３ｂ）の飽和磁化（Ｍs）は、第３の磁性層（４）の飽和磁化（Ｍs）よりも低くなるように構成される。飽和磁化（Ｍs）は、第１の磁性層（２）、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）、第３の磁性層（４）の組成等により調整される。【０１０８】
実施例３の第２の磁性層（３）と同様、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。これらの非磁性元素は、磁性層の飽和磁化（Ｍs）を低くすることができる。【０１０９】
第１の磁性層（２）又は第３の磁性層（４）もＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。
なお、第１の磁性層（２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、第４の磁性層（３ａ）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比は、１より小さくすることができる。また、第３の磁性層（４）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成の、第５の磁性層（３ｂ）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素組成に対する比は、１より小さくすることができる。飽和磁化（Ｍs）を低くすることに寄与することが知られている磁性層のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素の比を調整することで、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）の飽和磁化（Ｍs）が第１の磁性層（２）及び第３の磁性層（４）の飽和磁化（Ｍs）よりも低くでき、磁性層の磁性元素中のＦｅ組成の調整と併せ、さらに飽和磁化（Ｍs）を下げることができるからである。【０１１０】
非磁性結合層（６）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含み、Ｗ、Ｔａがより好ましい。【０１１１】
第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）の間に挟まれた非磁性結合層（６）の膜厚は、０．１〜１ｎｍであることが望ましく、０．３〜１ｎｍであることがより好ましい。非磁性結合層（６）は、Ｂ等の非磁性元素の拡散の受け止め領域として作用するため、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）に含まれるＢ等の非磁性元素の濃度を制御する機能を有する。非磁性結合層（６）の膜厚が１ｎｍより大きくなると、かかる制御による効果が得にくくなる。【０１１２】
第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）の膜厚の総和は、第１の磁性層（２）の膜厚に対する比が１以上であり、かつ、第３の磁性層（４）の膜厚に対する比が１以上であること、すなわち、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）の膜厚の総和は、第１の磁性層（２）の膜厚及び第３の磁性層（４）の膜厚より大きいことが好ましい。第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）は低い飽和磁化（Ｍs）を得るために磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以下となっているが、第１の非磁性層（１）との界面で界面磁気異方性に資する第１の磁性層（２）のＦｅの組成、及び、第２の非磁性層（５）との界面で界面磁気異方性に資する第３の磁性層（４）のＦｅの組成は磁性元素の原子分率の総和に対して５０ａｔ％以上となっており、記録層全体としては第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）を相対的に厚くして低い飽和磁化（Ｍs）を得ることが望ましいからである。なお、記録層の磁性層の飽和磁化（Ｍs）は、磁性層が非磁性層に分断されていても膜厚の総和と相関する。
具体的には、第１の磁性層（２）の膜厚及び第３の磁性層（４）の膜厚は０．２〜１．０ｎｍの範囲に、第４及び第５の磁性層（３ａ、３ｂ）の膜厚の総和は０．４〜５．０ｎｍの範囲に調整される。【０１１３】
実施例４のより具体的な例としては、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第４の磁性層（３ａ）／非磁性結合層（６）／第５の磁性層（３ｂ）／第３の磁性層（４）／第２の非磁性層（５）が、ＭｇＯ／（ＣｏaＦｅbＭ100-a―b）cＮ100-c／（ＣｏdＦｅeＭ100-d-e）fＮ100-f／Ｎ／（ＣｏdＦｅeＭ100-d-e）fＮ100-f／（ＣｏgＦｅhＭ100-g―h）iＮ100-i／ＭｇＯ（ただし、ＭはＣｏ，Ｆｅ以外の磁性元素、Ｎは非磁性元素、０≦ａ≦５０、５０≦ｂ≦１００、３０≦ｃ≦１００、０≦ｄ≦１００、０≦ｅ≦５０、３０≦ｆ≦１００、０≦ｇ≦５０、５０≦ｈ≦１００、３０≦ｉ≦１００）が挙げられ、より具体的にはＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｃｏ50Ｆｅ50／Ｗ／Ｃｏ50Ｆｅ50／Ｃｏ25Ｆｅ75／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25／Ｔａ／（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25／Ｃｏ25Ｆｅ75／ＭｇＯ、ＭｇＯ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／（Ｃｏ60Ｆｅ40）75Ｂ25／Ｗ／（Ｃｏ60Ｆｅ40）75Ｂ25／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｃｏ15Ｆｅ40Ｎｉ45／Ｔａ／Ｃｏ15Ｆｅ40Ｎｉ45／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｗ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｔａ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／ＭｇＯ等が例示できる。【０１１４】
図４に示した実施例４において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（５）と第３の磁性層（４）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（５）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第４の磁性層（３ａ）／非磁性結合層（６）／第５の磁性層（３ｂ）／第３の磁性層（４）は記録層を構成する。【０１１５】
（実施例５）
図５に、３つの磁性層の間の２か所に非磁性挿入層を挿入した、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１１６】
実施例５は、実施例３に加え、第１の非磁性挿入層（７）及び第２の非磁性挿入層（８）をさらに備えるものである。
図５に示すとおり、第１の非磁性層（１）、第１の磁性層（２）、第１の非磁性挿入層（７）、第２の磁性層（３）、第２の非磁性挿入層（８）、第３の磁性層（４）、第２の非磁性層（５）の順に積層したものである。【０１１７】
実施例５の詳細は、以下の記載を除き、実施例３と同様である。【０１１８】
第１の非磁性挿入層（７）は第１の磁性層（２）と第２の磁性層（３）の構成元素の相互拡散を、第２の非磁性挿入層（８）は第２の磁性層（３）と第３の磁性層（４）の構成元素の相互拡散を防止する目的で挿入される。相互拡散を防止する材料（非磁性挿入層）であれば制限はないが、好ましくはＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ等であり、より好ましくはｂｃｃを含む非磁性金属であり、さらに好ましくは原子半径が１３９ｐｍ以上である。
第１及び第２の非磁性挿入層（７、８）の挿入層膜厚は０．１〜０．５ｎｍである。挿入層膜厚が０．５ｎｍより大きいと、第１の磁性層（２）と第２の磁性層（３）との磁気的な結合、第２の磁性層（３）と第３の磁性層（４）との磁気的な結合が弱くなり、熱安定性が低下するからである。【０１１９】
第１及び第２の非磁性挿入層（７、８）はスパッタ法により第１及び第２のスパッタリングガスを用いて成膜されることが好ましい。
第１の非磁性挿入層（７）の金属の質量数（ＭT）の、第１のスパッタリングガスの質量数（ＭG）に対する比（第１のＭT／ＭG比）は、２．２以下となるように選択される。たとえば、非磁性挿入元素がＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂの場合は、スパッタリングガスにＸｅ、Ｋｒ等を選択する。
第２の非磁性挿入層（８）の金属の質量数（ＭT）の、第２のスパッタリングガスの質量数（ＭG）に対する比（第２のＭT／ＭG比）は、２．２より大きくなるように選択される。たとえば、非磁性挿入元素がＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂの場合は、スパッタリングガスにＡｒ等を選択する。【０１２０】
実施例５のより具体的な例としては、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の非磁性挿入層（７）／第２の磁性層（３）／第２の非磁性挿入層（８）／第３の磁性層（４）／第２の非磁性層（５）が、ＭｇＯ／（ＣｏaＦｅbＭ100-a―b）cＮ100-c／ＮＩ／（ＣｏdＦｅeＭ100-d-e）fＮ100-f／ＮＩ／（ＣｏgＦｅhＭ100-g―h）iＮ100-i／ＭｇＯ（ただし、ＭはＣｏ，Ｆｅ以外の磁性元素、Ｎは非磁性元素、ＮＩは非磁性挿入元素、０≦ａ≦５０、５０≦ｂ≦１００、３０≦ｃ≦１００、０≦ｄ≦１００、０≦ｅ≦５０、３０≦ｆ≦１００、０≦ｇ≦５０、５０≦ｈ≦１００、３０≦ｉ≦１００）が挙げられ、より具体的にはＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｗ／Ｃｏ50Ｆｅ50／Ｗ／Ｃｏ25Ｆｅ75／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｍｏ／（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25／Ｔａ／Ｃｏ25Ｆｅ75／ＭｇＯ、ＭｇＯ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／Ｗ／（Ｃｏ60Ｆｅ40）75Ｂ25／Ｍｏ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｍｏ／Ｃｏ15Ｆｅ40Ｎｉ45／Ｗ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｍｏ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｍｏ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｔａ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｎｂ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／ＭｇＯ等が例示できる。【０１２１】
図５に示した実施例５において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（５）と第３の磁性層（４）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（５）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第１の非磁性挿入層（７）／第２の磁性層（３）／第２の非磁性挿入層（８）／第３の磁性層（４）は記録層を構成する。【０１２２】
（実施例６）
図６に、非磁性挿入層を２か所に挿入した、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１２３】
実施例６は、実施例４に加え、第１の非磁性挿入層（７）及び第２の非磁性挿入層（８）をさらに備えるものである。
図６に示すとおり、第１の非磁性層（１）、第１の磁性層（２）、第１の非磁性挿入層（７）、第４の磁性層（３ａ）、非磁性結合層（６）、第５の磁性層（３ｂ）、第２の非磁性挿入層（８）、第３の磁性層（４）、第２の非磁性層（５）の順に積層したものである。【０１２４】
実施例６の詳細は、以下の記載を除き、実施例４と同様である。【０１２５】
第１の非磁性挿入層（７）は第１の磁性層（２）と第４の磁性層（３ａ）の構成元素の相互拡散を、第２の非磁性挿入層（８）は第５の磁性層（３ｂ）と第３の磁性層（４）の構成元素の相互拡散を防止する目的で挿入される。相互拡散を防止する材料（非磁性挿入元素）であれば制限はないが、好ましくはＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ等であり、より好ましくはｂｃｃを含む非磁性金属であり、さらに好ましくは原子半径が１３９ｐｍ以上である。
第１の非磁性挿入層（７）の挿入層膜厚は０．１〜０．５ｎｍである。挿入層膜厚が０．５ｎｍより大きいと、第１の磁性層（２）と第４の磁性層（３ａ）との磁気的な結合が弱くなり、熱安定性が低下するからである。
第２の非磁性挿入層（８）の挿入層膜厚は０．１〜０．５ｎｍである。挿入層膜厚が０．５ｎｍより大きいと、第３の磁性層（４）と第５の磁性層（３ｂ）との磁気的な結合が弱くなり、熱安定性が低下するからである。【０１２６】
第１及び第２の非磁性挿入層（７、８）はスパッタ法により第１及び第２のスパッタリングガスを用いて成膜されることが好ましい。
第１の非磁性挿入層（７）の金属の質量数（ＭT）の、第１のスパッタリングガスの質量数（ＭG）に対する比（第１のＭT／ＭG比）は、２．２以下となるように選択される。たとえば、非磁性挿入元素がＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂの場合は、スパッタリングガスにＸｅ、Ｋｒ等を選択する。
第２の非磁性挿入層（８）の金属の質量数（ＭT）の、第２のスパッタリングガスの質量数（ＭG）に対する比（第２のＭT／ＭG比）は、２．２より大きくなるように選択される。たとえば、非磁性挿入元素がＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂの場合は、スパッタリングガスにＡｒ等を選択する。【０１２７】
実施例６のより具体的な例としては、第１の非磁性層（１）／第１の磁性層（２）／第１の非磁性挿入層（７）／第４の磁性層（３ａ）／非磁性結合層（６）／第５の磁性層（３ｂ）／第２の非磁性挿入層（８）／第３の磁性層（４）／第２の非磁性層（５）が、ＭｇＯ／（ＣｏaＦｅbＭ100-a―b）cＮ100-c／ＮＩ／（ＣｏdＦｅeＭ100-d-e）fＮ100-f／Ｎ／（ＣｏdＦｅeＭ100-d-e）fＮ100-f／ＮＩ／（ＣｏgＦｅhＭ100-g―h）iＮ100-i／ＭｇＯ（ただし、ＭはＣｏ，Ｆｅ以外の磁性元素、Ｎは非磁性元素、ＮＩは非磁性挿入元素、０≦ａ≦５０、５０≦ｂ≦１００、３０≦ｃ≦１００、０≦ｄ≦１００、０≦ｅ≦５０、３０≦ｆ≦１００、０≦ｇ≦５０、５０≦ｈ≦１００、３０≦ｉ≦１００）が挙げられ、より具体的にはＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｗ／Ｃｏ50Ｆｅ50／Ｗ／Ｃｏ50Ｆｅ50／Ｗ／Ｃｏ25Ｆｅ75／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｔａ／（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25／Ｔａ／（Ｃｏ50Ｆｅ50）75Ｂ25／Ｍｏ／Ｃｏ25Ｆｅ75／ＭｇＯ、ＭｇＯ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／Ｍｏ／（Ｃｏ60Ｆｅ40）75Ｂ25／Ｗ／（Ｃｏ60Ｆｅ40）75Ｂ25／Ｍｏ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｔａ／Ｃｏ15Ｆｅ40Ｎｉ45／Ｔａ／Ｃｏ15Ｆｅ40Ｎｉ45／Ｔａ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／Ｔａ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｗ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｎｂ／Ｃｏ20Ｆｅ75Ｎｉ5／ＭｇＯ、ＭｇＯ／Ｃｏ25Ｆｅ75／Ｗ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｔａ／（Ｃｏ50Ｆｅ45Ｎｉ5）75Ｂ25／Ｗ／（Ｃｏ25Ｆｅ75）80Ｂ20／ＭｇＯ等が例示できる。【０１２８】
図６に示した実施例６において、参照層が第１の非磁性層（１）と第１の磁性層（２）の反対側に隣接する場合は第１の非磁性層（１）は磁気抵抗効果素子の基本構造のうちの障壁層となり、また、他の参照層が第２の非磁性層（５）と第３の磁性層（４）の反対側に隣接する場合は第２の非磁性層（５）は障壁層となる。第１の磁性層（２）／第１の非磁性挿入層（７）／第４の磁性層（３ａ）／非磁性結合層（６）／第５の磁性層（３ｂ）／第２の非磁性挿入層（８）／第３の磁性層（４）は記録層を構成する。【０１２９】
（実施例７）
図７に、下部非磁性電極／参照層／障壁層／記録層／上部非磁性電極を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１３０】
実施例７の磁気抵抗効果素子は図７に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施例３の第１の磁性層（２）、第２の磁性層（３）、第３の磁性層（４）を備える。【０１３１】
実施例７の詳細は、以下の記載を除き、実施例３と同様である。【０１３２】
第１の参照層（Ｂ１）は、参照層全体として磁化方向が固定された磁性層である。参照層の磁性層は、磁性層と非磁性層の積層構造になっていてもよい。【０１３３】
下部非磁性電極（Ｅ１）は、第１の参照層（Ｂ１）の第１の非磁性層（１）とは反対側の端面に接続されている。
下部非磁性電極（Ｅ１）の積層構造はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）／ＴａＮ（２０ｎｍ）等が例示される。【０１３４】
第１の非磁性層（１）は、磁気抵抗効果素子の障壁層（絶縁層からなるトンネル接合層）であり、第１の磁性層（２）の第２の磁性層（３）とは反対側の端面と、第１の参照層（Ｂ１）の下部非磁性電極（Ｅ１）とは反対側の端面とに接合されている。また、第２の非磁性層（５）は、第３の磁性層（４）の第２の磁性層（３）とは反対側の端面と、上部非磁性電極（Ｅ２）とに接合されている。
第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（５）の材料には、第１の参照層（Ｂ１）の下部非磁性電極（Ｅ１）とは反対側の端面の材料と第１の磁性層（２）の材料との組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（５）の膜厚は、０．1〜５．０ｎｍ、好ましくは０．５〜２．０ｎｍの範囲に調整される。また、第１の非磁性層（１）を１．２ｎｍ、第２の非磁性層（５）を１．０ｎｍとする等、膜厚に差をつけてもよい。【０１３５】
上部非磁性電極（Ｅ２）は、第２の非磁性層（５）の第３の磁性層（４）とは反対側の端面に接続されている。
上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造は、Ｔａ（５０ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５０ｎｍ）、Ｒｕ（１〜５０ｎｍ）、Ｐｔ（１〜５０ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．２〜１．５ｎｍ）／Ｒｕ（５）／Ｔａ（５０ｎｍ）等が例示される。【０１３６】
（実施例８）
図８に、下部非磁性電極／参照層／障壁層／記録層／上部非磁性電極を備え、記録層が実施例４の積層構造である本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１３７】
実施例８の磁気抵抗効果素子は図８に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施例４の第１の磁性層（２）、第４の磁性層（３ａ）、非磁性結合層（６）、第５の磁性層（３ｂ）、第３の磁性層（４）を備える。【０１３８】
実施例８の詳細は、実施例４及び７と同様である。【０１３９】
（実施例９）
図９に、下部電極／参照層／障壁層／記録層／上部電極を備え、記録層が実施例５の積層構造である本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１４０】
実施例９の磁気抵抗効果素子は図９に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施例５の第１の磁性層（２）、第１の非磁性挿入層（７）、第２の磁性層（３）、第２の非磁性挿入層（８）、第３の磁性層（４）を備える。【０１４１】
実施例９の詳細は、実施例５及び７と同様である。【０１４２】
（実施例１０）
図１０に、下部非磁性電極／参照層／障壁層／記録層／上部非磁性電極を備え、記録層が実施例６の積層構造である本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１４３】
実施例１０の磁気抵抗効果素子は図１０に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、障壁層である第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施例６の第１の磁性層（２）、第１の非磁性挿入層（７）、第４の磁性層（３ａ）、非磁性結合層（６）、第５の磁性層（３ｂ）、第２の非磁性挿入層（８）、第３の磁性層（４）を備える。【０１４４】
実施例１０の詳細は、実施例６及び７と同様である。【０１４５】
（実施例１１）
図１１に、１つの記録層、２つの参照層及び２つの障壁層を備え、記録層が実施例３の記録層の積層構造である本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１４６】
実施例１１の磁気抵抗効果素子は図１１に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、第２の参照層（Ｂ２）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施例２の第１の磁性層（２）、第２の磁性層（３）、第３の磁性層（４）を備える。
この実施例では、第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（５）が障壁層となる。【０１４７】
実施例１１の詳細は、以下の記載を除き、実施例３及び７と同様である。【０１４８】
第２の参照層（Ｂ２）は、参照層全体として磁化方向が固定された磁性層である。参照層の磁性層は、磁性層と非磁性層の積層構造になっていてもよい。また、第２の参照層（Ｂ２）は、第１の参照層（Ｂ１）と各磁性層の磁化の配列状態を反対にしており、反平行結合参照層としての性質を有している。【０１４９】
（実施例１２）
図１２に、１つの記録層、２つの参照層及び２つの障壁層を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１５０】
実施例１２の磁気抵抗効果素子は図１２に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、第２の参照層（Ｂ２）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施例４の第１の磁性層（２）、第４の磁性層（３ａ）、非磁性結合層（６）、第５の磁性層（３ｂ）、第３の磁性層（４）を備える。
この実施例では、第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（５）が障壁層となる。【０１５１】
実施例１２の詳細は、実施例４、８及び１１と同様である。【０１５２】
（実施例１３）
図１３に、１つの記録層、２つの参照層及び２つの障壁層を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１５３】
実施例１３の磁気抵抗効果素子は図１３に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、第２の参照層（Ｂ２）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施例５の第１の磁性層（２）、第１の非磁性挿入層（７）、第２の磁性層（３）、第２の非磁性挿入層（８）、第３の磁性層（４）を備える。
この実施例では、第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（５）が障壁層となる。【０１５４】
実施例１３の詳細は、実施例５、９及び１１と同様である。【０１５５】
（実施例１４）
図１４に、１つの記録層、２つの参照層及び２つの障壁層を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１５６】
実施例１４の磁気抵抗効果素子は図１４に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、第２の参照層（Ｂ２）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有し、第１の記録層（Ａ１）は実施例６の第１の磁性層（２）、第１の非磁性挿入層（７）、第４の磁性層（３ａ）、非磁性結合層（６）、第５の磁性層（３ｂ）、第２の非磁性挿入層（８）、第３の磁性層（４）を備える。
この実施例では、第１の非磁性層（１）及び第２の非磁性層（５）が障壁層となる。【０１５７】
実施例１４の詳細は、実施例６、１０及び１１と同様である。【０１５８】
（実施例１５）
図１５に、２つの記録層、３つの参照層及び４つの障壁層を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１５９】
実施例１５の磁気抵抗効果素子は図１５に示すとおり、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、第２の参照層（Ｂ２）、第３の非磁性層（９）、第２の記録層（Ａ２）、第４の非磁性層（１０）、上部非磁性電極（Ｅ２）の積層構造を有する。
この実施例では、第１の非磁性層、及び第２の非磁性層（５）、第３の非磁性層（９）及び第４の非磁性層（１０）が障壁層となる。
第１の記録層（Ａ１）及び第２の記録層（Ａ２）は、実施例３乃至６に示された記録層の構成のいずれであってもよい。【０１６０】
実施例１５の詳細は、以下の記載を除き、実施例１〜１４と同様である。【０１６１】
第３の非磁性層（９）は、磁気抵抗効果素子の障壁層であり、第２の参照層（Ｂ２）の第２の非磁性層（５）とは反対側の端面と、第２の記録層（Ａ２）の第４の非磁性層（１０）とは反対側の端面とに接合されている。また、第４の非磁性層（１０）は、磁気抵抗効果素子の障壁層であり、第２の記録層（Ａ２）の第３の非磁性層（９）とは反対側の端面と、第３の参照層（Ｂ３）の上部非磁性電極（Ｅ２）とは反対側の端面とに接合されている。
第３の非磁性層（９）及び第４の非磁性層（１０）の材料には、接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む化合物が用いられ、好ましくはＭｇＯが用いられる。
第３の非磁性層（９）及び第４の非磁性層（１０）の膜厚は、０．１〜５．０ｎｍ、好ましくは０．２〜２．０ｎｍの範囲に調整される。また、第１の非磁性層（１）、第２の非磁性層（５）、第３の非磁性層（９）、第４の非磁性層（１０）の膜厚に差をつけてもよい。【０１６２】
第３の参照層（Ｂ３）は、参照層全体として磁化方向が固定された磁性層である。参照層の磁性層は、磁性層と非磁性層の積層構造になっていてもよい。また、第３の参照層（Ｂ３）は、第２の参照層（Ｂ２）と磁性層の磁化の配列状態を反対にしており、反平行結合参照層としての性質を有している。【０１６３】
実施例１５には２つの記録層、３つの参照層及び４つの障壁層で構成された磁気抵抗効果素子の一例を示したが、本発明の磁気抵抗効果素子はそれ以上の記録層、参照層及び障壁層を備えることができる。複数の参照層の利用により、多値化機能を提供することができる。【０１６４】
（実施例１６）
図１６に、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）（第１の障壁層（Ｔ１）に相当）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）、上部非磁性電極（Ｅ２）を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。【０１６５】
実施例１６の下部非磁性電極（Ｅ１）は基体上にＴａ（５ｎｍ）／Ｐｔ（３ｎｍ）が積層され、第１の参照層（Ｂ１）は、［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）］×４／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）／［Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）]×２／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．２ｎｍ）、第１の非磁性層（１）はＭｇＯ（１．０ｎｍ）である。第１の記録層（Ａ１）は第１の磁性層（２）／第４の磁性層（３ａ）／非磁性結合層（６）／第５の磁性層（３ｂ）／第３の磁性層（４）が（Ｃｏ25Ｆｅ75）Ｂ（ｔ）／（Ｃｏ50Ｆｅ50）Ｂ（１．０ｎｍ）／Ｗ（０．５ｎｍ）／（Ｃｏ50Ｆｅ50）Ｂ（１．０ｎｍ）／（Ｃｏ25Ｆｅ75）Ｂ（ｔ）の積層構造をとり、第２の非磁性層（５）はＭｇＯ（１．０ｎｍ）であり、上部非磁性電極（Ｅ２）は第２の非磁性層（５）側から順にＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（５０）の積層構造となっている。【０１６６】
（実施例１７）
図１７に、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）（第１の障壁層（Ｔ１）に相当）、第１の参照層（Ｂ１）、上部非磁性電極（Ｅ２）を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
実施例１７は図１７に示すとおり、第１の記録層（Ａ１）に隣接した第２の非磁性層（５）が第１の障壁層（Ｔ１）となっており、第２の非磁性層（５）と上部非磁性電極（Ｅ２）との間に隣接して第１の参照層（Ｂ１）を備えている。【０１６７】
（実施例１８）
図１８に、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）（第１の障壁層（Ｔ１）に相当）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）（第２の障壁層（Ｔ２）に相当）、第２の参照層（Ｂ２）、上部非磁性電極（Ｅ２）を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
実施例１８は図１８に示すとおり、第１の記録層（Ａ１）に隣接した第１の非磁性層（１）は第１の障壁層（Ｔ１）となっており、第１の非磁性層（１）と下部非磁性電極（Ｅ１）との間に隣接して第１の参照層（Ｂ１）を備える。また、第１の記録層（Ａ１）に隣接した第２の非磁性層（５）は第２の障壁層（Ｔ２）となっており、第２の非磁性層（ｔ）と上部非磁性電極（Ｅ２）との間に隣接して第２の参照層（Ｂ１）を備えている。【０１６８】
（実施例１９）
図１９（ａ）に、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）（第１の障壁層（Ｔ１）に相当）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
図１９（ｂ）に、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の非磁性層（１）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）（第１の障壁層（Ｔ１）に相当）、第１の参照層（Ｂ１）を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
いずれの第１の記録層（Ａ１）も、第１の磁性層（２）としてＦｅ組成（濃度）が高いＣｏＦｅＢ層、第１の非磁性挿入層（７）、第２の磁性層（３）としてＣｏ組成（濃度）が高いＣｏＦｅＢ層、第２の非磁性挿入層（８）、第３の磁性層（４）としてＦｅ組成（濃度）が高いＣｏＦｅＢ層を備える。
第１及び第２の非磁性挿入層（７、８）はスパッタ法により第１及び第２のスパッタリングガスを用いて成膜されることが好ましい。
いずれの実施例においても、第１の非磁性挿入層（７）の金属の質量数（ＭT）の、第１のスパッタリングガスの質量数（ＭG）に対する比（第１のＭT／ＭG比）は、２．２以下となるように選択される。たとえば、非磁性挿入元素がＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂの場合は、スパッタリングガスにＸｅ、Ｋｒ等を選択する。これにより、スパッタ時に下側となる第１の磁性層（２）はもちろん、非磁性挿入層（７）にもＫｒ又はＸｅ等のスパッタリング元素の反跳ガスは到達しにくく、第１の磁性層（２）や第１の非磁性挿入層（７）に残存しにくい（図４９（ｂ）参照）。
いずれの実施例においても、第２の非磁性挿入層（８）の金属の質量数（ＭT）の、第２のスパッタリングガスの質量数（ＭG）に対する比（第２のＭT／ＭG比）は、２．２より大きくなるように選択される。たとえば、非磁性挿入元素がＭｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂの場合は、スパッタリングガスにＡｒ等を選択する。これにより、第２の非磁性挿入層（８）やスパッタ時に下側となる第２の磁性層（３）にＡｒ等のスパッタリング元素の反跳ガスが侵入しやすく、第２の磁性層（３）や第２の非磁性挿入層（８）に残存しやすい（図４９（ａ）参照）。下側の第２の磁性層は、スパッタリング元素の反跳ガスによりダメージを受け、かつ、反跳ガスとして侵入したスパッタリング元素が残存することにより、さらに飽和磁化Ｍsを低くすることができる。【０１６９】
（実施例２０）
図２０に、下部非磁性電極（Ｅ１）、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（１）（第１の障壁層（Ｔ１）に相当）、第１の記録層（Ａ１）、第２の非磁性層（５）を備えた、本発明の磁気抵抗効果素子の一例を示す。
第１の記録層（Ａ１）は、第１の磁性層（２）としてＦｅ組成（濃度）が高いＣｏＦｅＢ層、第１の非磁性挿入層（７）、第４の磁性層（３ａ）としてＣｏ組成（濃度）が高いＣｏＦｅＢ層、非磁性結合層（６）、第５の磁性層（３ｂ）としてＣｏ組成（濃度）が高いＣｏＦｅＢ層、第２の非磁性挿入層（８）、第３の磁性層（４）としてＦｅ組成（濃度）が高いＣｏＦｅＢ層を備える。【０１７０】
なお、本発明の磁気抵抗効果素子の作製は、ターゲット組成の材料をスパッタリングして積層後にアニール処理する方法の他、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）等を用いることができるが、これに限定されるものではない。
また、本発明の磁気抵抗効果素子の接合サイズは素子全体で一定でなくてもよい。【０１７１】
本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気メモリとして開発が進むＭＲＡＭの磁気メモリに組み込まれる。磁気抵抗効果素子の下部非磁性電極（Ｅ１）又は上部非磁性電極（Ｅ２）のどちらかの電極が選択トランジスタのドレイン電極に電気的に接続され、他の電極がビット線に電気的に接続される。
【符号の説明】
【０１７２】
１    第１の非磁性層
２    第１の磁性層
３    第２の磁性層
３ａ  第４の磁性層
３ｂ  第５の磁性層
４    第３の磁性層
５    第２の非磁性層
６    非磁性結合層
７    第１の非磁性挿入層
８    第２の非磁性挿入層
９    第３の非磁性層
１０  第４の非磁性層
Ａ１  第１の記録層
Ａ２  第２の記録層
Ｂ１  第１の参照層
Ｂ２  第２の参照層
Ｂ３  第３の参照層
Ｅ１  下部非磁性電極
Ｅ２  上部非磁性電極
Ｔ１  第１の障壁層
Ｔ２  第２の障壁層
【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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【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【図２３Ｅ】
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【図２３Ｆ】
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【図２３Ｇ】
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【図２３Ｈ】
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【図２３Ｉ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【国際調査報告】
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