(57)【要約】  磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と、磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由との間に設けられたバリア層（１４）とを具備する。磁化自由層は、非磁性膜（２３）を介して互いに反強磁性的に結合した複数の強磁性膜（２１）を備える。複数の強磁性膜（２１）の少なくとも一つは、一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした第１磁性膜（２１ａ）を含む。Ｆは、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｘは、０．０５以上、０．２３以下である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層と、
磁化自由層と、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に設けられたバリア層と
を具備し、
前記磁化自由層は、
非磁性膜を介して互いに反強磁性的に結合した複数の強磁性膜を備え、
前記複数の強磁性膜の少なくとも一つは、
一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした第１磁性膜を含み、
前記Ｆは、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される少なくとも１種類の元素であり、
前記Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群から選択される少なくとも１種類の元素であり、
前記Ｘは、０．０５以上、０．２３以下である
磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記磁化自由層は、前記第１強磁性膜が少なくとも最下層に設けられている
磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記磁化自由層は、前記複数の強磁性膜の全てが前記第１強磁性膜を含む
磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記磁化自由層は、
前記バリア層上に設けられた前記複数の強磁性膜の一つとしての第１強磁性膜と、
前記第１強磁性膜上に設けられた前記非磁性膜と、
前記非磁性膜上に設けられた前記複数の強磁性膜の他の一つとしての第２強磁性膜と
を備え、
前記第１強磁性膜は、前記第１磁性膜を含む
磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第１強磁性膜と前記非磁性膜と前記第２強磁性膜とにおける飽和磁界ＨＳａｔとフロップ磁界Ｈｆとは、以下の式を満たす
飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界Ｈｆ＞５
磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第１磁性膜は、表面粗さが０．３ｎｍ以下である
磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記バリア層は、酸化アルミニウムを含む
磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
第１方向へ伸びる複数の第１配線と、
第１方向と略垂直な第２方向へ伸びる複数の第２配線と、
前記複数の第１配線と前記複数の第２配線とが交叉する点の各々に対応して設けられ、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を含む複数のメモリセルと
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項９】
（ａ）磁化固定層を形成する工程と、
（ｂ）前記磁化固定層上に、バリア層を形成する工程と、
（ｃ）前記バリア層上に、磁化自由層を形成する工程と
を具備し、
前記磁化自由層は、
非磁性膜を介して互いに反強磁性的に結合した複数の強磁性膜を備え、
前記複数の強磁性膜の少なくとも一つは、
一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした第１磁性膜を含み、
前記Ｆは、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される少なくとも１種類の元素であり、
前記Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群から選択される少なくとも１種類の元素であり、
前記Ｘは、０．０５以上、０．２３以下である
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記（ｃ）工程は、
（ｃ１）前記バリア層上に、前記複数の強磁性膜の一つとしての第１強磁性膜を形成する工程と、
（ｃ２）前記第１強磁性膜上に、前記非磁性膜を形成する工程と、
（ｃ３）前記非磁性膜上に、前記複数の強磁性膜の他の一つとしての第２強磁性膜を形成する工程と
を備え、
前記第１強磁性膜は、前記第１磁性膜を含む
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法において、
前記（ｃ）工程は、
（ｃ４）前記（ｃ３）工程の後に、前記（ｃ２）工程及び前記（ｃ３）工程をこの順に繰り返す工程を更に備え、
前記繰り返される前記（ｃ３）工程における前記第２強磁性膜のうちの少なくとも一つは、前記第１磁性膜を含む
磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項１２】
（ｄ）半導体基板上に所定の半導体素子及び配線を形成する工程と、
（ｅ）請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行する工程と
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ
Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）に関し、特に、積層フェリ構造の磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
高集積・高速動作の観点から有望な不揮発性メモリである磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が知られている。ＭＲＡＭは、ＡＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果、及びＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果のような磁気抵抗効果を示す磁気抵抗効果素子を利用する。【０００３】
ＭＲＡＭの記録方式の一つとして、米国特許ＵＳ６，５４５，９０６号にトグル書き込み方式が開示されている。トグル書き込み方式は、一般的なＭＲＡＭに比較して、誤書込みを抑制することができる。このＭＲＡＭは、互いに反強磁性的に結合したＮ層（Ｎは２以上の整数）の強磁性膜を用いる。米国特許ＵＳ６，５４５，９０６号では、Ｎ＝２とＮ＝３の場合が示されている。【０００４】
図１及び図２は、従来のトグル書き込み方式を用いるＭＲＡＭにおける磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。この磁気抵抗効果素子１０１は、下部電極層１１１、反強磁性層１１２、磁化固定層（ピン層）１１３、バリア層１１４、磁化自由層（フリー層）１１５及び上部電極層１１６を含んでいる。磁化自由層１１５は、薄い非磁性膜１２３を介して反強磁性的に結合した第１強磁性膜１２１と第２強磁性膜１２２とを含んでいる（Ｎ＝２）。この反強磁性結合により、図１及び図２中の矢印で示されているように、第１強磁性膜１２１及び第２強磁性膜１２２の自発磁化の向きは、安定状態において反平行となる。磁化自由層（フリー層）１１５中の第１強磁性膜１２１及び第２強磁性膜１２２の自発磁化の向きは反転可能である。一方の自発磁化が反転した場合、反平行状態を保つように、他方の自発磁化も反転する。【０００５】
磁化自由層１１５中の第１強磁性膜１２１は、バリア層１１４を介して磁化固定層１１３上に積層されている。図１は、第１強磁性膜１２１の自発磁化の向きと磁化固定層１１３の自発磁化の向きが「反平行」である「第１状態」を示し、図２は、第１強磁性膜１２１の自発磁化の向きと磁化固定層１１３の自発磁化の向きが「平行」である「第２状態」を示している。磁気抵抗効果により、第１状態における磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値（Ｒ＋ΔＲ）は、第２状態における抵抗値（Ｒ）よりも大きくなる。ＳＡＦ構造を用いたＭＲＡＭは、この磁気抵抗効果素子１０１をメモリセルとして用い、抵抗値の変化を利用することによってデータを不揮発的に記憶する。例えば、図１に示される第１状態は、データ「１」に対応付けられ、図２に示される第２状態は、データ「０」に対応付けられる。【０００６】
図３は、図１のＭＲＡＭにおける磁化自由層の自発磁化の向きを示す平面図である。書込みワード線１５３及びビット線１５５は、互いに直交するＳ方向及びＴ方向に沿ってそれぞれ形成されている。書込みワード線１５３には書込み電流ＩＷＬが、ビット線１５５には書込み電流ＩＢＬがそれぞれ流れる。メモリセル（磁気抵抗効果素子１０１）は、書込みワード線１５３とビット線１５５に挟まれて配置されている。ここで、磁気抵抗効果素子１０１の磁化自由層１１５における「磁化容易軸方向」をＸ方向とし、「磁化困難軸方向」をＹ方向とする。このＭＲＡＭでは、磁化容易軸方向（Ｘ方向）がＳ方向あるいはＴ方向と４５度の角をなすように、メモリセルが配置される。安定状態において、第１強磁性膜１２１の自発磁化（太矢印）と第２強磁性膜１２２の自発磁化（細矢印）とは、互いに反平行であり、且つ、磁化容易軸方向に向いている。【０００７】
図４は、図１のＭＲＡＭにおける閾値特性を示すグラフである。図４において、縦軸、横軸は、それぞれ書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬを示す。データが書き込まれる「選択セル」に対応する書込みワード線１５３及びビット線１５５には、図中の「ｔｏｇｇｌｅ」と示された領域（トグル動作領域）に対応する書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬが供給される。これにより、その選択セルにおいてトグル動作が行われる。ここで、このトグル動作領域はＸ切片、Ｙ切片を持たない。よって、書込みワード線１５３及びビット線１５５のいずれか一方が選択セルと共通である「半選択セル」には、いずれかの書込み電流による磁界しか印加されない。したがって、その半選択セルにおいてトグル動作は起こらない。このように、トグル書込み方式のＭＲＡＭによれば、一般的なＭＲＡＭと比較して、書き込みディスターブ（誤書込み）が大幅に低減される。また、書込み電流の値を厳密に制御する必要がないので、書込みマージンを向上させることができる。【０００８】
トグル書込み方式のＭＲＡＭの動作領域は、次のように規定される。図５は、トグル書込み方式のＭＲＡＭの閾値特性を詳細に示すグラフである。縦軸、横軸は、それぞれ書込み電流ＩＷＬ、ＩＢＬによって生成されるワード線垂直磁界ＨＷＬ、ビット線垂直磁界ＨＢＬを示す。Ｘは、図３に示す磁化容易軸方向を示す。【０００９】
トグル動作に必要な最小の磁界であって、磁化容易軸（Ｘ）方向の磁界が、「フロップ磁界（Ｓｐｉｎ  Ｆｌｏｐ  Ｆｉｅｌｄ）Ｈｆ」と定義される。すなわち、フロップ磁界Ｈｆの大きさは、図５において原点から点ａまでの距離で定義される。また、書込み動作時の磁界がある値よりも大きくなった場合、磁化自由層１１５に含まれる各強磁性膜の自発磁化は完全に同じ方向を向いてしまう。この時、動作が不安定になってしまう。不安定にならない限界の磁界は、図５において曲線Ｃ（ただし、縦軸及び横軸に平行な部分を含まず）で示されている。その限界の磁界であって、磁化容易軸（Ｘ）方向の磁界は、「飽和磁界（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  Ｆｉｅｌｄ）ＨＳａｔ」と定義される。すなわち、飽和磁界ＨＳａｔの大きさは、図５において原点から曲線Ｃの点ｃまでの距離で定義される。【００１０】
磁化自由層１１５が２層の等価な強磁性膜から構成される場合、フロップ磁界Ｈｆは、「一軸異方性磁界ＨＫ」と「飽和磁界ＨＳａｔ」とを用いて、次の式で表すことができる。
Ｈｆ＝（ＨＫ×ＨＳａｔ）０．５  …（１）【００１１】
図６は、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおける磁化自由層１１５の磁気抵抗特性を示すグラフである。横軸は磁化容易軸（Ｘ）方向の磁界ＨＸを示し、縦軸は抵抗値を示す。２本の矢印の組は、第１強磁性膜１２１及び第２強磁性膜１２２におけるそれぞれの磁化の向きを示す。書込み動作時に印加される磁化容易軸方向の磁界ＨＸがゼロ（０）からフロップ磁界Ｈｆ（図５のａ点）までは、磁化の向きが互いに反平行であることを示す。磁界ＨＸがフロップ磁界Ｈｆから飽和磁界ＨＳａｔ（図５のｃ点）までは、磁化の向きが磁界により回転可能な状態であることを示す。すなわち、磁界ＨＸは、トグル動作領域にある。磁界ＨＸが飽和磁界ＨＳａｔ以上では、磁化の向きが互いに平行であることを示す。【００１２】
このように、図４に示されているトグル動作領域は、図５及び図６に示されているフロップ磁界Ｈｆ（点ａ）から飽和磁界ＨＳａｔ（点ｃ）までの範囲で規定される。したがって、フロップ磁界Ｈｆをより小さくし、そして、飽和磁界ＨＳａｔをより大きくすることで、書き込みマージンをより大きくすることができる。【００１３】
ただし、トグル書き込み方式における書込み電流値Ｉは、磁場電流効率をηとすれば次式で表される。
Ｉ＝Ｈｆ／η  …（２）
したがって、飽和磁界ＨＳａｔを大きくし過ぎると、（１）式からフロップ磁界Ｈｆが大きくなり、その結果（３）式から書き込み電流値Ｉが大きくなってしまう。書き込み電流Ｉを低減しながら、トグル動作領域を更に拡大し、書き込みマージンを増加する（書き込みディスターブに対する耐性を向上する）技術が求められる。【００１４】
一方、図１及び図２に示す磁気抵抗効果素子１０１において、第１強磁性膜１２１は、下地となるバリア層１１４の膜質に影響される。例えば、バリア層１１４に非晶質のアルミナ膜が形成されている場合、その非晶質膜上に成膜される第１強磁性膜１２１の結晶性や結晶配向性が悪くなる。そうなると、第１強磁性膜１２１と第２強磁性膜１２２との間の反強磁性結合を、トグル書き込み動作に必要な十分な大きさにすることが困難となる。【００１５】
それに対処するために、従来は反強磁性エネルギーの大きいＣｏＦｅを第１強磁性膜１２１の内部に挿入して、必要な反強磁性結合を得ていた。ただし、ＣｏＦｅは一軸異方性磁界ＨＫが大きいため（１）式からフロップ磁界Ｈｆも大きくなってしまう。そうなると、（２）式から書込み電流値Ｉも大きくなってしまう。磁気抵抗効果素子における磁化自由層の強磁性膜の膜質を改善することが可能な技術が望まれる。書き込み電流Ｉを低減しながら、磁化自由層内における反強磁性結合を確保することが可能な技術が望まれる。
【発明の開示】
【００１６】
本発明の目的は、トグル書き込み方式における書き込み電流を低減しながら、積層フェリ構造を有する磁気抵抗効果素子の磁化自由層内における反強磁性結合を確保することが可能なＭＲＡＭを提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、積層フェリ構造を有する磁気抵抗効果素子の磁化自由層の膜質を改善することが可能なＭＲＡＭを提供することにある。
【００１８】
本発明の更に他の目的は、トグル書き込み方式における書き込み電流を低減しながら、書き込みマージンを増加することが可能なＭＲＡＭを提供することにある。
【００１９】
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、磁化固定層と、磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層との間に設けられたバリア層とを具備する。磁化自由層は、非磁性膜を介して互いに反強磁性的に結合した複数の強磁性膜を備える。複数の強磁性膜の少なくとも一つは、一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした第１磁性膜を含む。Ｆは、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｘは、０．０５以上、０．２３以下である。
本発明において、Ｆ１−ＸＭＸで示される材料の特性から、一軸異方性磁界を低減できるので、磁化自由層のフロップ磁界Ｈｆも低減することができる。したがって、磁気抵抗効果素子の書き込み電流を低減できる。加えて、第１磁性膜が高い平滑性を有するので、非磁性膜も膜厚の均一性、平滑性の高い膜となる。したがって、磁化自由層の反強磁性結合を強くすることができる。それらにより、トグル書き込み方式における書き込み電流を低減しながら、磁気抵抗効果素子の磁化自由層内における反強磁性結合を確保することができる。
【００２０】
上記の磁気抵抗効果素子において、磁化自由層は、第１強磁性膜が少なくとも最下層に設けられている。
【００２１】
上記の磁気抵抗効果素子において、磁化自由層は、複数の強磁性膜の全てが第１強磁性膜を含む。
【００２２】
上記の磁気抵抗効果素子において、磁化自由層は、第１強磁性膜と非磁性膜と第２強磁性膜とを備える。第１強磁性膜は、バリア層上に設けられた複数の強磁性膜の一つである。非磁性膜は、第１強磁性膜上に設けられている。第２強磁性膜は、非磁性膜上に設けられた複数の強磁性膜の他の一つである。第１強磁性膜は、第１磁性膜を含む。
【００２３】
上記の磁気抵抗効果素子において、第１強磁性膜と非磁性膜と第２強磁性膜とにおける飽和磁界ＨＳａｔとフロップ磁界Ｈｆとは、以下の式を満たす。飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界Ｈｆ＞５。
【００２４】
上記の磁気抵抗効果素子において、第１磁性膜は、表面粗さが０．３ｎｍ以下である。
【００２５】
上記の磁気抵抗効果素子において、バリア層は、酸化アルミニウムを含む。
【００２６】
上記課題を解決するために本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、複数の第１配線と複数の第２配線と複数のメモリセルとを具備する。複数の第１配線は、第１方向へ伸びる。複数の第２配線は、第１方向と略垂直な第２方向へ伸びる。複数のメモリセルは、複数の第１配線と複数の第２配線とが交叉する点の各々に対応して設けられ、上記各項いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を含む。
【００２７】
上記課題を解決するために本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、（ａ）磁化固定層を形成する工程と、（ｂ）磁化固定層上に、バリア層を形成する工程と、（ｃ）バリア層上に、磁化自由層を形成する工程とを具備する。磁化自由層は、非磁性膜を介して互いに反強磁性的に結合した複数の強磁性膜を備える。複数の強磁性膜の少なくとも一つは、一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした第１磁性膜を含む。Ｆは、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｘは、０．０５以上、０．２３以下である。
本発明において、Ｆ１−ＸＭＸで示される材料の特性から、高い平滑性を有する第１磁性膜を形成することができる。それにより、膜厚の均一性の高い平滑な非磁性膜を得ることができる。したがって、反強磁性結合の強い磁化自由層を形成することができる。加えて、低い一軸異方性磁界を有する第１磁性膜を形成することができる。それにより、フロップ磁界Ｈｆの低い磁化自由層を形成することができる。したがって、磁気抵抗効果素子の書き込み電流を低減できる。それらにより、トグル書き込み方式における書き込み電流を低減しながら、磁気抵抗効果素子の磁化自由層内における反強磁性結合を確保することができる。
【００２８】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、（ｃ）工程は、（ｃ１）バリア層上に、複数の強磁性膜の一つとしての第１強磁性膜を形成する工程と、（ｃ２）第１強磁性膜上に、非磁性膜を形成する工程と、（ｃ３）非磁性膜上に、複数の強磁性膜の他の一つとしての第２強磁性膜を形成する工程とを備える。第１強磁性膜は、第１磁性膜を含む。
【００２９】
上記の磁気抵抗効果素子の製造方法において、（ｃ）工程は、（ｃ４）（ｃ３）工程の後に、（ｃ２）工程及び（ｃ３）工程をこの順に繰り返す工程を更に備える。その繰り返される（ｃ３）工程における第２強磁性膜のうちの少なくとも一つは、第１磁性膜を含む。
【００３０】
上記課題を解決するために本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、（ｄ）半導体基板上に所定の半導体素子及び配線を形成する工程と、（ｅ）請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法を実行する工程とを具備する。
【００３１】
本発明により、積層フェリ構造を有する磁気抵抗効果素子の磁化自由層の膜質を改善することが可能となる。トグル書き込み方式における書き込み電流を低減しながら、積層フェリ構造を有する磁気抵抗効果素子の磁化自由層内における反強磁性結合を確保することが可能となる。トグル書き込み方式における書き込み電流を低減しながら、書き込みマージンを増加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明の前記及びその他の目的、長所及び特徴は、添付の図面を考慮して次の説明によって、より詳細に分かるであろう。
【図１】図１は、従来技術におけるＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子のＳＡＦ構造を示す概念図である。
【図２】図２は、従来技術におけるＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子のＳＡＦ構造を示す概念図である。
【図３】図３は、ＳＡＦ構造のＭＲＡＭにおける自発磁化の向きを示す平面図である。
【図４】図４は、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおける書込み動作を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、トグル書込み方式のＭＲＡＭにおける閾値特性を示すグラフである。
【図６】図６は、トグル書込み方式のＭＲＡＭの閾値特性を詳細に示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図８】図８は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態における構成を示す断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態における磁化自由層の構成を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態における磁化自由層の構成を示す断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態における磁化自由層の構成を示す断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態における磁化自由層の構成を示す断面図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態における磁化自由層の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの一軸異方性磁界ＨＫのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの表面荒さＲａのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。
【図１２】図１２は、非磁性層を介して結合した強磁性膜の磁気的結合の状態を示すグラフ図である。
【図１３】図１３は、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの平均結晶粒径ＤｆｃｃのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。
【図１４】図１４は、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸ上の非磁性膜におけるＸ線の反射強度のＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、非磁性膜における結晶配向性の向上の効果を説明する概念図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、非磁性膜における結晶配向性の向上の効果を説明する概念図である。
【図１６】図１６は、本発明に係る非磁性膜を介して結合した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸのフロップ磁界Ｈｆ及び飽和磁界ＨＳａｔのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。
【図１７】図１７は、本発明に係る非磁性層を介して結合した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界ＨｆのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。
【図１８】図１８は、従来の非磁性層を介して結合した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの飽和磁界ＨＳａｔ及びフロップ磁界Ｈｆのばらつきを示すグラフ図である。
【図１９】図１９は、本発明に係る非磁性層を介して結合した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの飽和磁界ＨＳａｔ及びフロップ磁界Ｈｆのばらつきを示すグラフ図である。
【図２０】図２０は、図１８及び図１９の内容をまとめた表である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。【００３４】
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の実施の形態の構成について説明する。図７は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の実施の形態の構成を示すブロック図である。ＭＲＡＭ４０は、Ｘセレクタ４１、Ｙセレクタ４３及びメモリアレイ５１を具備する。【００３５】
メモリアレイ５１は、複数のメモリセル５２、複数の書込みワード線５３、複数の読出しワード線５４、複数のビット線５５を備える。複数の書込みワード線５３は、Ｓ方向へ延びるように形成されている。一端をＸセレクタ４１に接続されている。複数の読出しワード線５４は、Ｓ方向へ延びるように形成されている。一端を第１Ｙセレクタ４３に接続されている。一本の書込みワード線５３と一本の読出しワード線５４とは組になっている。複数のビット線５５は、Ｔ方向に延びるように形成されている。一端をＹセレクタ４３に接続されている。なお、ここでは、ビット線５５は、書き込み動作及び読み出し動作に共通であるが、書き込みビット線と書き込みワード線とに分けていても良い。Ｓ方向とＴ方向とは、図に示すように互いに直交する。複数のメモリセル５２の各々は、磁気抵抗効果素子１（後述）を含み、複数の書込みワード線５３と複数のビット線５５との交叉する点の各々に対応して設けられている。【００３６】
なお、磁気抵抗効果素子１と書込みワード線５３及びビット線５５との関係は、図３に示す磁気抵抗効果素子１０１と書込みワード線１５３及びビット線１５５との関係と同様であるので、その図示及びその説明を省略する。【００３７】
Ｘセレクタ４１は、書込み動作時に、Ｘアドレスの入力に基づいて、複数の書込みワード線５３のうちから選択書込みワード線５３ｓを選択する。Ｙセレクタ４３は、書込み動作時及び読出し動作時に、Ｙアドレスの入力に基づいて、複数のビット線５５のうちから選択ビット線５５ｓを選択する。それにより、書込み動作時に、選択書込みワード線５３ｓと選択ビット線５５ｓとの交叉する点に対応するメモリセル５２が、書込みを行う選択セル５２ｓとして選択される。そして、選択書込みワード線５３ｓに流れる書込み電流ＩＷＬと、選択ビット線５５ｓに流れる書込み電流ＩＢＬとにより、選択セル５２ｓにデータが書き込まれる。【００３８】
図８は、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態における構成を示す断面図である。磁気抵抗効果素子１は、下部電極層１１、反強磁性層１２、磁化固定層（ピン層）１３、バリア層１４、磁化自由層（フリー層）１５及び上部電極層１６を含んでいる。磁化固定層１３と磁化自由層１５とは、いずれも、自発磁化を有する磁性層を含んでいる。磁化固定層１３の自発磁化の向き（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）は所定の方向に固定されている。一方、磁化自由層１５の自発磁化の向きは反転可能である。磁化固定層１３、バリア層１４、及び磁化自由層１５によって、磁気トンネル接合（ＭＴＪ；  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）が形成される。【００３９】
下部電極層１１は、例えばＴａからなり、その膜厚は、例えば２０ｎｍである。反強磁性層１２は、例えばＰｔＭｎからなり、その膜厚は、例えば１５ｎｍである。磁化固定層１３は、例えば、２．５ｎｍの厚さを有するＣｏＦｅ膜と、その上に形成された０．８ｎｍの厚さを有するＲｕ膜と、その上に形成された２．５ｎｍの厚さを有するＣｏＦｅ膜から構成される。バリア層１４は、例えばＡｌＯからなり、その膜厚は例えば１ｎｍである。上部電極層２４は、例えばＴａからなり、その膜厚は、例えば５ｎｍである。磁化自由層１５の膜厚は、例えば５ｎｍである。本発明に係る磁化自由層１５の材料は、以下に示される。ただし、バリア層１４は、非磁性膜であっても良い。【００４０】
磁化自由層１５は、薄い非磁性膜２３−ｉを介して反強磁性的に結合した強磁性膜２１−ｉと強磁性膜２１−（ｉ＋１）とを含んだ積層フェリ構造を有する。ただし、ｉ＝１〜ｎ（ｎ：自然数）である。この反強磁性結合により、強磁性膜２１−ｉ及び強磁性膜２１−（ｉ＋１）の自発磁化の向きは、安定状態において反平行となる。磁化自由層１５中の強磁性膜２１−ｉ及び強磁性膜２１−（ｉ＋１）の自発磁化の向きは反転可能である。一方の自発磁化が反転した場合、反平行状態を保つように、他方の自発磁化も反転する。【００４１】
複数の強磁性膜２１−１〜強磁性膜２１−ｎのうちの少なくとも１層は、一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした強磁性膜を含む。ここで主成分とは、全体の７０％以上を占める成分であることを示す。Ｆは、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）、及びＣｏ（コバルト）からなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｍは、、Ｔｉ（チタン），Ｚｒ（ジルコニウム），Ｎｂ（ニオブ），Ｈｆ（ハフニウム），Ｔａ（タンタル），Ｍｏ（モリブデン），及びＷ（タングステン）からなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。【００４２】
図９Ａ〜図９Ｅは、本発明の磁気抵抗効果素子の実施の形態における磁化自由層の構成を示す断面図である。ここでは、図９Ａに示すように、強磁性膜２１が２層の場合（強磁性膜２１（２１−ｉ）、非磁性膜２３（２３−ｉ）及び強磁性膜２１−（ｉ＋１））を例に説明する。【００４３】
図９Ｂは、非磁性層２３の下側（バリア層１４側）に、磁性層２１としてＮｉＦｅＭ（（ＮｉＦｅ）１−ＸＭＸ）２１ａが設けられている。上側に磁性層２１としてＮｉＦｅ２１ｂが設けられている。下側のＮｉＦｅＭ２１ａは、バリア層１４に直接積層されていても良いし、他の強磁性膜２１と非磁性膜２３とが積層された上に積層されていても良い。【００４４】
図９Ｃは、非磁性層２３の上下の磁性層２１としてＮｉＦｅＭ２１ａが設けられている。ただし、磁性層２１としてＮｉＦｅＭ２１ａとＮｉＦｅ２１ｂとがこの順に積層されていても良い。下側のＮｉＦｅＭ２１ａは、バリア層１４に直接積層されていても良いし、他の強磁性膜２１と非磁性膜２３とが積層された上に積層されていても良い。【００４５】
図９Ｄは、非磁性層２３の下側に、磁性層２１としてＮｉＦｅ２１ｂとＮｉＦｅＭ２１ａとがこの順に積層されている。非磁性層２３の上側に、磁性層２１としてＮｉＦｅ２１ｂが設けられている。ただし、上側の磁性層２１としてＮｉＦｅＭ２１ａが設けられていても良い。下側のＮｉＦｅ２１ｂは、バリア層１４に直接積層されていても良いし、他の強磁性膜２１と非磁性膜２３とが積層された上に積層されていても良い。【００４６】
図９Ｅは、非磁性層２３の下側に、磁性層２１としてＮｉＦｅ２１ｂとＮｉＦｅＭ２１ａとがこの順に積層されている。非磁性層２３の上側に、磁性層２１としてＮｉＦｅＭ２１ａとＮｉＦｅ２１ｂとがこの順に積層されている。上側の磁性層２１としてＮｉＦｅ２１ｂとＮｉＦｅＭ２１ａとがこの順に積層されていても良い。下側のＮｉＦｅ２１ｂは、バリア層１４に直接積層されていても良いし、他の強磁性膜２１と非磁性膜２３とが積層された上に積層されていても良い。【００４７】
上記図９Ｂ〜図９Ｅに示される構造は、非磁性膜２３の直下（下地）に上述のＦ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした強磁性膜（例示：ＮｉＦｅＭ２１ａ）２１を有している。後述されるように、Ｆ１−ＸＭＸの強磁性膜２１は、その直下（下地）の膜の種類に依存せず、平滑な膜になり易い。その場合、非磁性膜２３は、その平滑な強磁性膜上に形成されるので、結晶性及び結晶配向性の良好な欠陥の少ない膜になる。そのような良好な非磁性膜２３を形成することで、磁化自由層１５における反強磁性結合を強くすることができる。それにより、一軸異方性磁界ＨＫの小さい物質を強磁性膜２１として用いることができ、書き込み電流を小さくすることができる。【００４８】
なお、磁化自由層１５において、強磁性膜２１が３層以上ある場合、図９Ｂ〜図９Ｅの構成を組み合わせて用いることも可能である。また、非磁性膜２３の直下（下地）ではなく、一層又は２層下にＦ１−ＸＭＸの強磁性膜２１があっても、両者の間の膜が平滑性を維持できるものであれば良い。その場合でも同様の効果を得ることができる。【００４９】
以下、本発明係る磁化自由層１５の強磁性膜２１について考察する。
図１０は、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの一軸異方性磁界ＨＫのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。ここでは、例として、ＮｉＦｅＺｒ膜（図中「Ｚｒ」で表示）、及び、ＮｉＦｅＴｉ膜（図中「Ｔｉ」で表示）について説明する。縦軸は一軸異方性磁界ＨＫを示し、横軸は膜全体に対するＺｒ又はＴｉの含有量（単位：原子百分率（％）：ａｔｏｍｉｃ  ｐｅｒｃｅｎｔ）を示す。膜中の元素の含有量は、二次イオン質量分析計（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）で計測している。本願発明者らは、Ｚｒ又はＴｉ含有量が増加するにつれ、一軸異方性磁界ＨＫは単調に減少することを発見した。したがって、この膜の一軸異方性磁界ＨＫをより小さくするためには、Ｚｒ又はＴｉ含有量を０より多くすることが好適である。一軸異方性磁界ＨＫをより小さくすることにより、上記（１）式にあるように、フロップ磁界Ｈｆを小さくすることができる。それにより、上記（２）式にあるように、書き込み電流値を低減することができる。【００５０】
例えば、膜厚５ｎｍでアルミナ膜上で形成された強磁性膜では、一軸異方性磁界ＨＫは以下のようになる。
Ｃｏ９０Ｆｅ１０          ３０．０  Ｏｅ
Ｎｉ８０Ｆｅ２０            ４．５  Ｏｅ
Ｎｉ７２Ｆｅ１８Ｚｒ１０      ３．３  Ｏｅ
Ｎｉ７２Ｆｅ１８Ｔｉ１０      ２．８  Ｏｅ
このように、従来用いていたＣｏ９０Ｆｅ１０に比較して、Ｎｉ７２Ｆｅ１８Ｚｒ１０やＮｉ７２Ｆｅ１８Ｔｉ１０のようなＮｉ８０Ｆｅ２０に所定の元素を加えた場合、一軸異方性磁界ＨＫは約１／１０に低減できる。その場合、（１）式及び（２）式から、書き込み電流値を、約１／１０に低減することができると見積もられる。この効果は、Ｆ１−ＸＭＸに関する上述の他の材料を用いた場合においても同様である。【００５１】
強磁性膜にＭ元素を添加することは、強磁性膜の平滑性に影響を与える。
図１１は、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの表面荒さＲａのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。ここでは、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸとしてＮｉＦｅＺｒ膜を例としている。ただし、表面荒さＲａとは、生成された膜の表面の平均荒さ（Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ  Ａｖｅｒａｇｅ：例えばＪＩＳ  Ｂ  ０６０１−２００１）により定義され、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による観察から得られる。図１１において、縦軸は表面荒さＲａを示し、横軸は膜全体に対するＺｒ含有量（単位：原子百分率）を示している。表面荒さＲａはＺｒ含有量に依存して大きく変化する。特に、本願発明者らは、Ｚｒ含有量が５原子％を超えると、表面荒さＲａが顕著に低下することを発見した。このように、Ｚｒの含有量は５原子％より大きいと好適である。８原子％以上がより好適である。また、表面荒さＲａは、０．４ｎｍより小さいことが好ましい。より好ましくは、０．３ｎｍである。これにより、生成される膜の平滑性が格段に向上する。【００５２】
平滑性が向上することは、以下の理由から好ましい。
図１２は、非磁性層を介して結合した強磁性膜の磁気的結合の状態を示すグラフ図である。縦軸は磁気的結合の状態を示し、原点を挟んで上側が反強磁性的な結合、下側が強磁性的な結合を示す。横軸は非磁性層の膜厚を示す。非磁性層を介して結合した強磁性膜の磁気的結合は、非磁性層の膜厚により反強磁性的または強磁性的な結合となる。このとき、下側の強磁性膜が平滑な場合、その上に成膜される薄い非磁性膜も平滑になる。そのため、その非磁性膜の膜厚が均一になり、反強磁性的または強磁性的な結合が場所に依存しなくなる。それにより、結合の強さは、材料の有する本来の結合の強さになる（図中、曲線Ｃ１）。【００５３】
一方、下側の強磁性膜の凹凸が大きい場合、その上に成膜される薄い非磁性膜も凹凸が大きくなる。そのため、それら非磁性膜の膜厚が不均一になり、強磁性膜の磁気的結合が場所ごとに異なることになる。それにより、結合の強さは、各場所の結合状態を足し合わせた大きさになり（図中、曲線Ｃ２）、本来の結合の強さに比較して小さくなる。【００５４】
以上の理由から、非磁性膜の下地となる強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの平滑性が高いほど、非磁性膜を介した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸ間の反強磁性結合のピーク磁界は大きくなる。すなわち、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸを平滑にすることで、磁気的結合を強くすることができる。
磁気的結合を強くすることにより、ＣｏＦｅのような物質を強磁性膜に用いなくても、トグル書き込み方式に必要な反強磁性結合を有する磁化自由層を得ることができる。ＣｏＦｅのような物質を用いないので、一軸異方性磁界ＨＫを低く抑えることができ、書き込み電流値を低減することができる。【００５５】
平滑性が向上することは、更に次のような効果もある。
図１３は、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸ上の非磁性膜におけるＸ線の反射強度のＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。ここでは、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸとしてＮｉＦｅＺｒ膜、非磁性膜としてＲｕ膜を例としている。縦軸は、Ｒｕ膜についてＸ線回折を行った場合における、ある反射面（ミラー面）からのＸ線の反射強度を示している。横軸は、膜全体に対するＺｒ含有量（単位：原子百分率）を示している。ＮｉＦｅＺｒ膜上のＲｕ膜は、ある反射面からのＸ線の反射強度がＺｒ含有量に依存して大きく変化する。具体的には、Ｚｒ含有量が増加するに従って、その反射強度が増加する傾向が見られる。すなわち、Ｚｒ含有量が増加するに従って、そのＲｕ膜の結晶性が向上し、結晶配向性が強くなることがわかる。特に、本願発明者らは、Ｚｒ含有量が１０原子％以上になると、平滑性が向上することに加えて、結晶配向性が顕著に強くなることを発見した。【００５６】
図１５Ａ、図１５Ｂは、非磁性膜における結晶配向性の向上の効果を説明する概念図である。図１５Ａにおいて、従来の磁気抵抗効果素子においては、バリア層１１４上の強磁性膜１２１（ＮｉＦｅ）の平滑性が悪いので、その上の非磁性膜１２３（Ｒｕ）の結晶性や結晶配向性が悪く、欠陥が多い場合があった。そのため、強磁性膜１２１と非磁性膜１２３との界面で物質が相互拡散して、非磁性膜１２３及び強磁性膜１２１が劣化する可能性があった。一方、本発明では、図１５Ｂにおいて、バリア層１４上の強磁性膜２１の平滑性が良いので、その上の非磁性膜２３の結晶性も向上する。それにより、強磁性膜２１と非磁性膜２３との界面における物質の相互拡散が抑制される。更に、図１３に示すように結晶配向性が向上している。したがって、強磁性膜２１と非磁性膜２３との界面における物質の相互拡散が大幅に抑制される。それらにより、強磁性膜２１及び非磁性膜２３が劣化する可能性を大幅に低減できる。【００５７】
以上のことから、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸを平滑にすることで、更に、非磁性膜の膜質を改善することができる。それにより、強磁性膜及び非磁性層間の物質拡散を抑制し、磁気自由層１５の特性のばらつきやそそ劣化を抑制することが可能となる。上述のように、強磁性膜及び非磁性層間の物質拡散を抑制するには、【００５８】
平滑性が向上する理由は、以下のように考えられる。
図１４は、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの平均結晶粒径ＤｆｃｃのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。ここでは、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸとしてＮｉＦｅＺｒ膜を例としている。この平均結晶粒径Ｄｆｃｃは、Ｘ線回折のピークの半値幅（ＦＷＨＭ）から周知の方法で算出することが可能である。この例の場合、Ｘ線回折で現れてくるのは、主にＮｉＦｅに対するパタンであり、算出される平均結晶粒径Ｄｆｃｃは、ＮｉＦｅの平均結晶粒径を示すものと考えられる。縦軸は平均結晶粒径Ｄｆｃｃを示し、横軸は膜全体に対するＺｒ含有量（単位：原子百分率）を示している。図中の四角は、製膜直後に２７５℃の熱処理が５時間行われた場合を示し、図中の丸は、製膜直後に３５０℃の熱処理が半時間行われた場合を示す。【００５９】
図１４に示されるように、平均結晶粒径ＤｆｃｃはＺｒ含有量に依存して大きく変化する。具体的には、Ｚｒ含有量が増加するに従って、平均結晶粒径が減少する傾向が見られる。つまり、純粋なＮｉＦｅ結晶と比較して、Ｚｒが入れられた場合のＮｉＦｅ結晶の方が、結晶粒が小さくなる。特に、本願発明者らは、Ｚｒ含有量が５原子％を超えると、平均結晶粒径Ｄｆｃｃが顕著に低下する（微結晶化）ことを発見した。このように、平均結晶粒径が減少することで、生成される膜の凹凸が抑制され、平滑性が向上することが判明した。【００６０】
図１４に示された結果の一つの原因として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの結晶粒の成長を妨害し、平均結晶粒径を小さくするためには、Ｍ元素の原子半径が、より大きい方がよいと考えられる。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの原子半径（約０．１２５ｎｍ）と比較して、本発明に係る元素の原子半径は大きい：Ｔｉ（０．１４７ｎｍ），Ｚｒ（０．１６２ｎｍ）、Ｎｂ（０．１４３ｎｍ）、Ｈｆ（０．１６０ｎｍ）、Ｔａ（０．１４３ｎｍ）、Ｍｏ（０．１３６ｎｍ）、Ｗ（０．１３７ｎｍ）。これらの元素を用いることによって、微結晶化がおこることが確認された。特に、これらの元素のうち、Ｚｒ，Ｈｆの原子半径は比較的大きく、好適である。【００６１】
以上に説明されたように、本発明によれば、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの結晶粒の成長が抑制される。従来技術に比べ、結晶粒の大きさは小さくなる。これにより、生成される強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの平滑性が向上する。このような強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸを磁化自由層１５に適用することで、磁化自由層１５の平滑性が向上する。それにより、磁化自由層１５での反強磁性結合を強くすることができる。一方、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸを用いることで、一軸異方性磁界ＨＫを低くすることができる。以上のことから、本発明に係る強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸを用いることで、反強磁性結合を強くしつつ、書き込み電流の値を低くすることができる。【００６２】
図１６は、本発明に係る非磁性膜を介して結合した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸのフロップ磁界Ｈｆ及び飽和磁界ＨＳａｔのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。ここでは、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸとしてＮｉＦｅＺｒ膜を例としている。縦軸は、フロップ磁界Ｈｆ及び飽和磁界ＨＳａｔの大きさを示している。横軸は、膜全体に対するＺｒ含有量（単位：原子百分率）を示している。飽和磁界ＨＳａｔは、Ｚｒ含有量に依存して大きく変化する。
フロップ磁界Ｈｆの傾向もほぼ同様である。図１１及び図１２を参照すれば、強磁性膜の表面粗さが最少、かつ、非磁性膜の結晶配向性が最大となるＸ組成の時に飽和磁界ＨＳａｔが最大となっている。書き込みマージンとの関係から、飽和磁界ＨＳａｔを減少させないよう（Ｚｒ含有量ゼロの場合と同程度）にするとすれば、測定のばらつきを考慮して、Ｚｒ含有量を２３原子％以下にすることが好ましい。【００６３】
図１７は、本発明に係る非磁性層を介して結合した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界ＨｆのＺｒ含有量依存性を示すグラフ図である。ここでは、強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸとしてＮｉＦｅＺｒ膜を例としている。縦軸は、飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界Ｈｆの大きさを示している。横軸は、膜全体に対するＺｒ含有量（単位：原子百分率）を示している。上記の（１）式及び（２）式から、書き込み電流Ｉを低減しながら、書き込みマージンを増加しようとする場合、飽和磁界ＨＳａｔをできるだけ大きく、フロップ磁界Ｈｆをできるだけ小さくすることがより好ましい。すなわち、飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界Ｈｆをできるだけ大きくすることがより好ましい。飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界Ｈｆ＞４（＝Ｚｒ含有量ゼロの場合）を基準とすれば、Ｚｒ含有量を５原子％以上、１５原子％以下にすることがより好ましい。更により好ましくは、飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界Ｈｆ＞５となる８原子％以上、１３原子％以下である。【００６４】
図１８は、従来の非磁性層を介して結合した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの飽和磁界ＨＳａｔ及びフロップ磁界Ｈｆのばらつきを示すグラフ図である。図１９は、本発明に係る非磁性層を介して結合した強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸの飽和磁界ＨＳａｔ及びフロップ磁界Ｈｆのばらつきを示すグラフ図である。いずれの図においても、縦軸は度数、横軸は各磁界の大きさを示している。図１８と図１９とを比較すると、従来の場合よりも本発明の場合の方が、ばらつきが減少していることがわかる。図２０は、図１８及び図１９の内容をまとめた表である。この表に示すように、σ及びσ／平均値の値が低減され、ばらつきが減少している。また、飽和磁界ＨＳａｔ／フロップ磁界Ｈｆの値は、従来の２．４０に比較して、本発明では２．５２と改善している。【００６５】
このように、本発明の強磁性膜Ｆ１−ＸＭＸを用いることで、非磁性膜の膜質も改善する。それにより、それらを用いた磁化自由層１５の特性のばらつきを小さく抑えることができる。それにより、磁気抵抗効果素子の特性のばらつきを小さく抑えることができる。
加えて、書き込み電流を低く抑え、書き込みマージンを広げることができる。それにより、ＭＲＡＭの製造歩留まり、及び、その信頼性を向上することができる。【００６６】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法の実施の形態について説明する。【００６７】
まず、基板（図示されず、半導体素子が形成済みでも良い）の上に下部電極層１１が形成される。次に、下部電極層１１の上に反強磁性層１２が形成される。次に、反強磁性層１２の上に磁化固定層１３が形成される。この磁化固定層１３は、例えば、２．５ｎｍの膜厚を有するＣｏＦｅ膜、０．８ｎｍの膜厚を有するＲｕ膜、及び２．５ｎｍの膜厚を有するＣｏＦｅ膜が順次積層されることにより形成される。次に、この磁化固定層１３の上にバリア層（トンネル絶縁層）１４が形成される。このバリア層１４として、例えば、１ｎｍの膜厚を有するＡｌＯ膜が形成される。【００６８】
次に、一般的なスパッタ法により、トンネル絶縁層３２の上に磁化自由層１５が形成される。ここで、この磁化自由層１５は、非磁性膜２３を介して互いに反強磁性的に結合した複数の強磁性膜２１を備えている。その複数の強磁性膜２１の少なくとも一つは、一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした強磁性膜２１ａを含んでいる。ただし、Ｆは、Ｎｉ、Ｆｅ、及びＣｏからなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。
Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、及びＷからなる群から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｘは、０．０５以上、０．２０以下であることが好ましい。【００６９】
そして、磁化自由層１５の上に上部電極層１６形成される。更に、所定の層（層間絶縁層等）が形成され磁気抵抗効果素子１が形成される。【００７０】
ただし、磁化自由層１５を形成する工程において、次の工程を含んでいても良い。
まず、バリア層（１４上に、複数の強磁性膜２１の一つとしての強磁性膜２１−１を形成する。次に、強磁性膜２１−１上に、非磁性膜２３−１を形成する。その後、非磁性膜２３−１上に、複数の強磁性膜２１の他の一つとしての強磁性膜２１−２を形成する。ただし、強磁性膜２１−１は、一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした強磁性膜２１ａを含んでいる。【００７１】
更に、磁化自由層１５を形成する工程において、上記の工程に続いて、次の二つの工程の組を繰り返し連続的に実行する工程を含んでいても良い。
まず、強磁性膜２１−２（２１−ｉ）上に非磁性膜２３−２（２３−ｉ）を形成する。
その後、非磁性膜２３−２（２３−ｉ）上に、複数の強磁性膜２１の他の一つとしての強磁性膜２１−３（２３−（ｉ＋１））を形成する。
ただし、繰り返される上記二つの工程における強磁性膜２１のうちの少なくとも一つは、一般式：Ｆ１−ＸＭＸで示される材料を主成分とした強磁性膜２１ａを含んでいる。【００７２】
このようにして、本発明の磁気抵抗効果素子を製造することができる。【００７３】
次に、本発明のＭＲＡＭの製造方法の実施の形態について説明する。
まず、半導体基板上に所定の半導体素子及び配線を形成する。次に、層間絶縁膜を介して、上記磁気抵抗効果素子の製造方法を実行する。続いて、所定の配線を形成する。このような工程により、本発明のＭＲＡＭを製造することができる。【００７４】
上記の実施の形態では、トグル書き込み方式のＭＲＡＭについて説明しているが、本発明は、ダイレクト書き込み方式のＭＲＡＭについても同様に用いることができる。その場合にもトグル書き込み方式のＭＲＡＭの場合と同様の効果を得ることができる。【００７５】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の範囲及び精神を逸脱しない変形や変更が可能であることは明らかである。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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