(57)【要約】【課題】熱的に安定であると同時に低電流での磁化反転が可能なスピン注入書き込み方式の磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】本実施形態の磁気抵抗素子は、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に設けられた非磁性層と、を備え、第１磁性層および第２磁性層のうちの少なくとも一方が、第１磁性膜と、非磁性層側に設けられた第２磁性膜とが積層された構造を有し、第２磁性膜が、磁性材料層と非磁性材料層とが少なくとも２周期以上繰り返して積層された構造を有し、第２磁性膜の前記非磁性材料層が、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含み、第１磁性層と第２磁性層との間を、非磁性層を介して電流を流すことにより第１磁性層および第２磁性層の一方の磁化方向が可変となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、
膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層および前記第２磁性層のうちの少なくとも一方が、第１磁性膜と、前記非磁性層側に設けられた第２磁性膜とが積層された構造を有し、
前記第２磁性膜が、磁性材料層と非磁性材料層とが少なくとも２周期以上繰り返して積層された構造を有し、
前記第２磁性膜の前記非磁性材料層が、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含み、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間を、前記非磁性層を介して電流を流すことにより前記第１磁性層および前記第２磁性層の一方の磁化方向が可変となることを特徴する磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記第２磁性膜の前記磁性材料層のうち、前記非磁性層に最も近い磁性材料層がＣｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記第２磁性膜の前記磁性材料層のうち、前記非磁性層から最も遠い磁性材料層がＣｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ＜２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第１磁性層および前記第２磁性層のうちの片方が固定層であって、この固定層に対して前記非磁性層と反対側に、前記固定層の磁化方向と反平行な方向の磁化を有する第３磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗素子の一端が電気的に接続される第１配線と、
前記磁気抵抗素子の他端が電気的に接続される第２配線と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
【請求項６】
前記メモリセルは、前記磁気抵抗素子の一端と前記第１配線との間に設けられる選択トランジスタを更に含むことを特徴とする請求項５記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速読み書き、大容量、低消費電力動作も可能な次世代の固体不揮発メモリとして、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：以下、ＭＲＡＭと記す）への関心が高まっている。特に、強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子は、大きな磁気抵抗変化率を示すことが見いだされて以来、注目されている。強磁性トンネル接合は、磁化方向が可変な記憶層と、絶縁体層と、記憶層と対向し、所定の磁化方向を維持する固定層との三層積層構造を有している。
【０００３】
この強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子はＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子とも呼ばれ、その書き込み方式としてスピン角運動量移動（SMT：spin-momentum-transfer）を用いた書込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている。この方式は、磁気抵抗素子にスピン偏極電流を流して記憶層の磁化方向を反転させるもので、さらに記憶層を形成する磁性層の体積が小さいほど注入するスピン偏極電子も少なくてよいため、素子の微細化と低電流化を両立できる書き込み方式と期待されている。
【０００４】
そして、この磁気抵抗素子を構成する強磁性材料に、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する、いわゆる垂直磁化膜を用いることが考えられている。垂直磁化型の構成で結晶磁気異方性を利用する場合、形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比べて小さくすることができる。また、磁化容易方向の分散も小さくできるため、大きな結晶磁気異方性を有する材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が実現できると期待される。
【０００５】
垂直磁化型でＭＴＪを形成する場合、結晶配向性を調整するための下地層や記憶層を構成する材料が熱処理により拡散し、ＭＲ比が劣化するという課題がある。この課題に対し、アモルファス構造を有する界面磁性膜に接するように結晶化を促進する結晶化促進膜を形成することにより、トンネルバリア層側から結晶化を促進し、トンネルバリア層と上記界面磁性膜層との界面を整合させて、高いＭＲ比を実現する技術が知られている（例えば、特許文献１）。この技術を用いることにより、高いＭＲ比を実現することは可能となるが、素子加工による熱処理を考慮すると、初期状態からさらに熱処理が加えられた場合にＭＲ比、抵抗値が変化しないことが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０８１２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の実施形態は、熱的に安定であると同時に低電流での磁化反転が可能なスピン注入書き込み方式の磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態の磁気抵抗素子は、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層と、を備え、前記第１磁性層および前記第２磁性層のうちの少なくとも一方が、第１磁性膜と、前記非磁性層側に設けられた第２磁性膜とが積層された構造を有し、前記第２磁性膜が、磁性材料層と非磁性材料層とが少なくとも２周期以上繰り返して積層された構造を有し、前記第２磁性膜の前記非磁性材料層が、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含み、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間を、前記非磁性層を介して電流を流すことにより前記第１磁性層および前記第２磁性層の一方の磁化方向が可変となることを特徴する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の磁気抵抗素子を示す断面図。
【図２】第２実施形態の磁気抵抗素子を示す断面図。
【図３】第３実施形態の磁気抵抗素子を示す断面図。
【図４】第４実施形態の磁気抵抗素子を示す断面図。
【図５】第５実施形態の磁気抵抗素子を示す断面図。
【図６】垂直磁気異方性のＰｄ濃度依存性を示す図。
【図７】図７（ａ）、７（ｂ）は積層構造を有する磁性膜の抵抗およびＭＲに関する熱処理温度依存性を示す図。
【図８】図８（ａ）、８（ｂ）は、記憶層の積層構造を示す断面図。
【図９】図９（ａ）、９（ｂ）は、固定層の積層構造を示す断面図。
【図１０】下地層及び記憶層を含む積層構造を示す断面図。
【図１１】第６実施形態のＭＲＡＭを示す回路図。
【図１２】１個のメモリセルＭＣを示す断面図。
【図１３】ＤＳＬモデムのＤＳＬデータパス部を示すブロック図。
【図１４】携帯電話端末を示すブロック図。
【図１５】ＭＲＡＭカードを示す上面図。
【図１６】転写装置を示す平面図。
【図１７】転写装置を示す断面図。
【図１８】はめ込み型の転写装置を示す断面図。
【図１９】スライド型の転写装置を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施形態の磁気抵抗素子は、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層と、を備え、前記第１磁性層および前記第２磁性層のうちの少なくとも一方が、第１磁性膜と、前記非磁性層側に設けられた第２磁性膜とが積層された構造を有し、前記第２磁性膜が、磁性材料層と非磁性材料層とが少なくとも２周期以上繰り返して積層された構造を有し、前記第２磁性膜の前記非磁性材料層が、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒの中から選ばれる少なくとも１つの元素を含み、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間を、前記非磁性層を介して電流を流すことより前記第１磁性層および前記第２磁性層の一方の磁化方向が可変となる。
【００１１】
以下に、本実施形態による磁気抵抗素子の基本概念を説明する。
【００１２】
以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは云うまでもない。
【００１３】
（第１実施形態）  
第１実施形態の磁気抵抗素子を図１に示す。図１は、第１実施形態の磁気抵抗素子１の断面図である。図１において、矢印は磁化方向を示している。本明細書及び特許請求の範囲でいう磁気抵抗素子とは、半導体或いは絶縁体をスペーサ層に用いるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子を指す。また、以下の図では、磁気抵抗素子の主要部を示しているが、図示の構成を含んでいれば、さらなる層を含んでいても構わない。
【００１４】
磁気抵抗素子１は、スピン注入磁化反転方式によって書き込みを行う。即ち、各層に対し膜面垂直方向に流すスピン偏極電流の方向に応じて、記憶層と固定層の磁化の相対角を平行、反平行状態（即ち抵抗の極小、極大）とを変化させ、二進情報の“０”又は“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。
【００１５】
図１に示すように、磁気抵抗素子１は、少なくとも、２つの磁性層２、３と、磁性層２と磁性層３との間に設けられる非磁性層４とを有する。磁性層３は、下地層５上に設けられ、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化が膜面と交わる面に沿って回転する。すなわち、磁性層３の磁化方向は可変となる。ここで、磁化方向が可変とは、書き込みの前後で磁化方向が変化することを意味する。また、本明細書では、膜面とは、対象となる層の上面を意味する。以下、磁性層３を記憶層（自由層、磁化自由層、磁化可変層、または記録層）と称する。本実施形態の記憶層３は磁性膜３ａと磁性膜３ｂが積層された構造である。記憶層３の詳細な性質については後述する。以下、膜面に垂直方向の磁化を垂直磁化と称する。磁性膜３ｂは非磁性層４と接しているため、界面での格子不整合を緩和する効果を有するとともに、高いスピン分極率を有する材料を用いることにより高ＴＭＲと高いスピン注入効率を実現することができる。
【００１６】
磁性層２は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、記憶層に対し磁化方向が固定されている。ここで、磁化方向が固定されるとは、書き込みの前後で磁化方向が変化しないことを意味する。以下、磁性層２を固定層（磁化固定層、参照層、磁化参照層、ピン層、または基準層、磁化基準層）と称する。固定層２の詳細な性質については後述する。尚、図１では、固定層２の磁化方向は、典型例として、下地層５の下方に設けられた図示しない基板に対し反対方向（上）を向いているが、基板の方向（下）を向いていても構わない。
【００１７】
非磁性層４はトンネルバリア層とも呼ばれ、酸化物などの絶縁膜から構成される。非磁性層４のより詳細な性質については、後述する。
【００１８】
本実施形態の磁気抵抗素子１は、スピン注入書込み方式に用いる磁気抵抗素子である。即ち、書き込みの際は、固定層２から記憶層３へ、又は記憶層３から固定層２へ、膜面垂直方向に電流を流すことによって、スピン情報が有する電子が固定層２から記憶層３へ注入される。この注入される電子のスピン角運動量が、スピン角運動量の保存則に従って記憶層３の電子に移動されることによって、記憶層３の磁化が反転することになる。例えば、記憶層３の磁化方向と、固定層２の磁化方向が反平行な場合には、記憶層３から固定層２に向かって電流を流す。この場合、電子は固定層２から記憶層３に流れる。このとき、固定層２によってスピン偏極された電子は非磁性層４を通って記憶層３に流れ、記憶層３にスピン角運動量が移動されて記憶層３の磁化方向が反転し、固定層２の磁化方向に平行になる。これに対して、固定層２の磁化方向が平行な場合には、固定層２から記憶層３に向かって電流を流す。この場合、電子は記憶層３から固定層２に流れる。このとき、記憶層３によってスピン偏極された電子は非磁性層４を通って固定層２に流れ、固定層２の磁化方向と同じスピンを有する電子は固定層２を通過するが、固定層２の磁化方向と逆のスピンを有する電子は非磁性層４と固定層２との界面で反射され、非磁性層４を通って記憶層に流れる。すると、記憶層３にスピン角運動量が移動されて記憶層３の磁化方向が反転し、固定層２の磁化方向に反平行になる。なお、磁気記憶素子１から情報を読み出す場合は、記憶層３と固定層２との間に非磁性層４を通して記憶層３の磁化が反転しない読み出し電流を流すことにより行うことができる。
【００１９】
図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１は、下地層５の上に記憶層３が形成され、非磁性層４の上に固定層２が形成される、いわゆるトップピン構造を示している。下地層５は、記憶層３より上の層の結晶配向性及び結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられるが、詳細な性質については後述する。固定層２上にはキャップ層６がさらに形成されていてもよい。キャップ層６は、磁性層の酸化防止等、主として保護層として機能する。
【００２０】
（第２実施形態）
第２実施形態の磁気抵抗素子の断面図を図２に示す。この第２実施形態の磁気抵抗素子１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、記憶層３を積層構造ではなく単層にするとともに、固定層２が磁性膜２ａと磁性膜２ｂとの積層構造を有するように構成したものである。磁性膜２ａは非磁性層４と接しているため、界面での格子不整合を緩和する効果を有するとともに、高いスピン分極率を有する材料を用いることにより高ＴＭＲと高いスピン注入効率を実現することができる。磁性膜２ａと磁性膜２ｂの詳細な性質については後述する。
【００２１】
（第３実施形態）
第３実施形態による磁気抵抗素子の断面を図３に示す。この第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、固定層２が磁性膜２ａと磁性膜２ｂとの積層構造を有するように構成したものである。
【００２２】
磁性膜２ａは非磁性層４と接しているため、界面での格子不整合を緩和する効果を有するとともに、高いスピン分極率の材料を用いることにより高ＴＭＲと高いスピン注入効率を実現することができる。
【００２３】
（第４実施形態）
第４実施形態による磁気抵抗素子の断面を図４に示す。この第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｃは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、固定層２とキャップ層６の間に、非磁性層２１とバイアス層（シフト調整層）２２とが挿入された構成となっている。
【００２４】
バイアス層２２は、強磁性体からなり、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜であり、かつ固定層２の磁化方向と反対方向（逆方向、または反平行）に固定されている。バイアス層２２は、素子加工時に問題となる、固定層２からの漏れ磁場による記憶層反転特性のオフセットを、逆方向へ調整する効果を有する。非磁性層２１及びバイアス層２２の詳細な性質については、後述する。
【００２５】
（第５実施形態）
第５実施形態による磁気抵抗素子の断面を図５に示す。この第５実施形態の磁気抵抗素子１Ｄは、図３に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂにおいて、固定層２とキャップ層６の間に、非磁性層２１とバイアス層（シフト調整層）２２とが挿入された構成となっている。
【００２６】
なお、上記第１乃至第５実施形態においては、下地層５の上に記憶層３が形成され、非磁性層４の上に固定層２が形成される、いわゆるトップピン構造を有していたが、下地層５の上に固定層２が形成され、非磁性層４の上に記憶層３が形成された、いわゆるボトムピン構造であってもよい。
【００２７】
次に、第１乃至第５実施形態において用いられた各層について以下に説明する。
【００２８】
（記憶層について）
まず、第１乃至第５実施形態における記憶層について説明する。記憶層３として垂直磁化膜を用いる場合、前述の通り形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比し小さくでき、大きな垂直磁気異方性を示す材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が可能となる。以下に記憶層として具備すべき性質、及び材料選択の具体例について詳細に説明する。
【００２９】
（記憶層が具備すべき性質）  
記憶層３として垂直磁化材料を用いる場合、対するその熱擾乱指数Δは、実効的な異方性エネルギー（Ｋｕｅｆｆ・Ｖ）と熱エネルギー（ｋＢＴ）との比をとって、下記のように表される。
【００３０】
Δ＝Ｋｕｅｆｆ・Ｖ／（ｋＢＴ）  
＝（Ｋｕ−２πＮＭＳ２）・Ｖa／（ｋＢＴ）  ・・・（１）
ここで、
Ｋｕｅｆｆ：実効的な垂直磁気異方性
Ｖ：垂直磁化材料の体積
Ｔ：垂直磁化材料の温度
ｋＢ：ボルツマン定数  
Ｋｕ：垂直磁気異方性  
ＭＳ：飽和磁化  
Ｎ：反磁場係数  
Ｖa：磁化反転単位体積  
である。
【００３１】
熱エネルギーにより磁化が揺らぐ問題（熱擾乱）を回避するには、Δが６０より大きな値が望ましいが、大容量化を念頭に素子サイズが小さくなる、若しくは膜厚が薄くなると、Ｖaが小さくなり、記憶が維持できなくなり（＝熱擾乱）、不安定となることが懸念される。そのため、記憶層３としては、垂直磁気異方性Ｋｕが大きい、かつ／或いは、飽和磁化ＭＳが小さい材料を選択することが望ましい。
【００３２】
一方、垂直磁化方式のスピン注入書き込みによる磁化反転に必要な臨界電流ＩＣは、一般的に、α／（η・Δ）に比例する。ここで、  
α：磁気緩和定数  
η：スピン注入効率係数  
である。
【００３３】
（記憶層の材料）  
上記のように、垂直磁化膜であり、かつ高い熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、飽和磁化ＭＳが小さく、熱擾乱指数（Δ）を維持するに足る高い磁気異方性Ｋｕを持ち、また、高分極率を示す材料であることが好ましい。以下により具体的に説明する。
【００３４】
記憶層３は、コバルト（Ｃｏ）およびパラジウム（Ｐｄ）を含む合金またはコバルト（Ｃｏ）および白金（Ｐｔ）を含む合金から構成される。図１乃至図５に示す下地層５として、稠密面が配向した下地層を適切に選択することにより、結晶配向性を制御し、垂直磁化膜とする。下地層５の詳細及び具体的な作製方法については後述する。
【００３５】
図６は、ＣｏＰｄ膜の実効的な垂直磁気異方性ＫｕｅｆｆのＰｄ濃度依存性を示している。横軸は、Ｐｄ濃度を示し、縦軸は、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆを示している。図６からわかるように、Ｐｄ濃度が３０ａｔ％以上であれば、１×１０７（ｅｒｇ／ｃｍ３）以上の高い垂直磁気異方性が可能となる。この高い垂直磁気異方性により、微細化しても、高い熱安定性を示すことができる磁気抵抗素子を提供することが可能となる。なお、記憶層３は、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）などの添加元素を含んでいてもよい。
【００３６】
（固定層について）
次に、第１乃至第５実施形態における固定層について説明する。固定層２としては、記憶層３に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。即ち、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ及び飽和磁化Ｍｓが大きく、また磁気緩和定数αが大きい材料を選択することが好ましい。固定層２には以下の材料が用いられる。
【００３７】
（規則合金系）  
規則合金系としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素とを含む合金であり、この合金の結晶構造がＬ１０型の規則合金である。このＬ１０型の規則合金としては、例えば、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ２０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等が挙げられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。
【００３８】
これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）、Ａｇ（銀）等の不純物元素、或いはその合金、絶縁物を加えて実効的な磁気異方性及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層２として用いる場合、特に非磁性層４との格子不整合が大きい材料を選択する場合においては、図２、３、５に示すように、固定層２を磁性膜２ａと磁性膜２ｂとが積層された構造にすることが好ましい。
【００３９】
（人工格子系）  
人工格子系としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも１つの元素を含む合金（磁性層）と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１つの元素を含む合金（非磁性層）とが交互に積層される構造である。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層の膜厚比及び積層周期を調整することで、実効的な磁気異方性及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの積層膜を固定層２として用いる場合は、多くの場合、非磁性層４との格子不整合が大きく、高ＴＭＲの観点からは好ましくない。このような場合は、図２、３、５に示すように、固定層２を磁性膜２ａと磁性膜２ｂとが積層された構造にすることが好ましい。
【００４０】
（不規則合金系）  
不規則合金系としては、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である。例えば、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて実効的な磁気異方性及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層２として用いる場合は、多くの場合、非磁性層４との格子不整合が大きく、高ＴＭＲの観点からは好ましくない。このような場合は、図２、３、５に示すように、固定層２を磁性膜２ａと磁性膜２ｂとが積層された構造にすることが好ましい。
【００４１】
（ＲＥ（希土類金属）−ＴＭ（遷移金属）合金系）  
希土類金属と遷移金属との合金は希土類金属の材料によりフェリ磁性体、フェロ磁性体の両方を実現することができる。フェリ磁性体の具体例として、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、遷移金属のうち少なくとも１つの元素とを含む合金が挙げられる。このようなフェリ磁性体としては、例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。フェロ磁性体の具体例として、サマリウム（Ｓｍ）、ネオジウム（Ｎｄ）、ホルミウム（Ｈｏ）と、遷移金属のうち少なくとも１つの元素とを含む合金が挙げられる。このようなフェロ磁性体としては、例えば、ＳｍＣｏ５、ＮｄＦｅＢ等が挙げられる。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層２として用いる場合は、多くの場合、非磁性層４との格子不整合が大きく、高ＴＭＲの観点からは好ましくない。このような場合は、図２、３、５に示すように、固定層２を磁性膜２ａと磁性膜２ｂとが積層された構造にすることが好ましい。
【００４２】
（記憶層および固定層の積層構造について）
非磁性層４に接する、記憶層３を構成する磁性膜３ｂおよび固定層２を構成する磁性膜２ａは、磁性材料層と非磁性材料層が少なくとも２周期以上繰り返して積層された構成を有している。磁性膜３ｂまたは磁性膜２ａの含まれる磁性材料層はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１つの元素を含む合金である。非磁性層４にＮａＣｌ構造の酸化物を用いた場合、これらのＮａＣｌ構造の酸化物は、
（ｉ）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの１つ以上を含む、例えば、アモルファスＣｏＦｅＮｉＢ合金上、或いは、
（ｉｉ）体心立方（ＢＣＣ）構造で（１００）優先配向面を有し、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの１つ以上を含む合金上で、
結晶成長させると、（１００）面を優先配向面として成長し易い。特に、Ｂ、Ｃ、Ｎなどを添加したＣｏＦｅＸ（Ｘは、Ｂ、Ｃ、Ｎの少なくとも１つの元素を表す）のアモルファス合金上では、非常に容易に（１００）面を優先配向させることが可能である。このため、非磁性層４に接する磁性材料層はＣｏ、Ｆｅ、Ｂを含む合金（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。磁性膜３ｂまたは磁性膜２ａに含まれる非磁性材料層には、融点が高い、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒのいずれかの元素か、あるいはそれらの合金が好ましい。なお、非磁性材料層にＴａを用い、磁性材料層のＣｏＦｅＢを用いた場合には、磁性材料層のＣｏＦｅＢ中のＢは熱処理後にＴａに吸い寄せられため、Ｔａ層に近づくにつれてＢの濃度が高くなる分布を有することになる。
【００４３】
磁性膜３ｂおよび磁性膜２ａは、磁性材料層と非磁性材料層が２周期以上繰り返し積層された構成であるが、磁性材料層は非磁性材料層を介して磁気的な交換結合を有していることが望ましく、非磁性材料層は１０Å以下であることが好ましく、５Å以下であることがより好ましい。これにより、磁性膜３ｂおよび磁性膜２ａは磁性膜３ａおよび磁性膜２ｂとそれぞれ磁化方向を揃えることができる。磁性膜３ａおよび磁性膜２ｂとしては、記憶層および固定層で説明した材料を用いることができる。
【００４４】
図７（ａ）、７（ｂ）にそれぞれＲＡ（面積抵抗）とＭＲ（磁気抵抗変化）の熱処理温度依存性を示す。ここで、磁性膜３ｂとして、非磁性層４側からＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）／Ｔａ（０．１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（０．３ｎｍ）／Ｔａ（０．１ｎｍ）となる構成のサンプルＡ、Ｂを作成した。また、磁性膜３ｂとして、非磁性層４側からＣｏＦｅＢ（１．２ｎｍ）／Ｔａ（０．１ｎｍ）となる構成のサンプルａ、ｂを作成した。サンプルＡ、ＢはＴａが２層挿入された、２周期の構成、サンプルａ、ｂはＴａを1層挿入した、1周期に相当する構成である。図７（ａ）から、いずれのＲＡの領域においてもサンプルＡ、Ｂがサンプルａ、ｂに対して熱処理温度に対して変化が少ないことが分かる。また、図７（ｂ）から、サンプルＡ，Ｂがサンプルａ、ｂに対し、同じＲＡを有する場合には高いＭＲ比を実現することができ、特に、ＲＡの低い領域では、顕著な効果見られた。すなわち、磁性膜３ｂおよび磁性膜２ａは、磁性材料層と非磁性材料層が２周期以上繰り返し積層された構造を有していることが好ましいことが証明された。
【００４５】
したがって、第１、第３、および第５実施形態における記憶層３は、図８（ａ）に示すように、磁性膜３ａと、磁性膜３ｂとの積層構造を有し、磁性膜３ｂは、磁性膜３ａと、非磁性層４との間に、磁性材料層３ｂ５、非磁性材料層３ｂ４、磁性材料層３ｂ３、非磁性材料層３ｂ２、磁性材料層３ｂ１がこの順序で積層された構造を有していることが好ましい。この場合、非磁性層４に接する磁性材料層３ｂ１としては上述したように、（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。また、磁性膜３ａに接する磁性材料層３ｂ５としては、（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ＜２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。これは、磁性膜３ａとしてＣｏＦｅＰｄまたはＣｏＦｅＰｔからなる材料が用いられるので、磁性材料層３ｂ５が（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ＜２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であると、格子不整合が小さくなるためである。非磁性層４に接する磁性材料層３ｂ１の膜厚はＭＲ比を向上させるために厚い方が好ましい。したがって、磁性材料層３ｂ１と磁性材料層３ｂ３と磁性材料層３ｂ５の膜厚はそれぞれ異なっていても良い。非磁性材料層３ｂ２と非磁性材料層３ｂ４は材料および膜厚がそれぞれ異なっていても良い。  
また、第１、第３、および第５実施形態における記憶層３は、図８（ｂ）に示すように、磁性膜３ａと、磁性膜３ｂとの積層構造を有し、磁性膜３ｂは、磁性膜３ａと非磁性層４との間に、非磁性材料層３ｂ４、磁性材料層３ｂ３、非磁性材料層３ｂ２、磁性材料層３ｂ１がこの順序で積層された構造を有していてもよい。この場合も、非磁性層４に接する磁性材料層３ｂ１としては、（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。非磁性層４に接する磁性材料層３ｂ１の膜厚はＭＲ比を向上させるために厚い方が好ましい。したがって、磁性材料層３ｂ１と磁性材料層３ｂ３との膜厚はそれぞれ異なっていても良い。非磁性材料層３ｂ２と非磁性材料層３ｂ４は材料および膜厚がそれぞれ異なっていても良い。  
同様に、第２、第４、および第５実施形態における固定層２は、図９（ａ）に示すように、磁性膜２ａと、磁性膜２ｂとの積層構造を有し、磁性膜２ａは、非磁性層４と磁性膜２ｂとの間に、磁性材料層２ａ１、非磁性材料層２ａ２、磁性材料層２ａ３、非磁性材料層２ｂ４、磁性材料層２ａ５がこの順序で積層された構造を有していることが好ましい。この場合、非磁性層４に接する磁性材料層２ａ１としては上述したように、（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。また、磁性膜３ｂに接する磁性材料層２ａ５としては、（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ＜２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。これは、磁性膜２ａとしてＣｏＦｅＰｄまたはＣｏＦｅＰｔからなる材料が用いられるので、磁性材料層３ｂ５が（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ＜２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であると、格子不整合が小さくなるためである。非磁性層４に接する磁性材料層３ａ１の膜厚はＭＲ比を向上させるために厚い方が好ましい。したがって、磁性材料層３ａ１と磁性材料層３ａ３と磁性材料層３ａ５との膜厚はそれぞれ異なっていても良い。非磁性材料層３ａ２と非磁性材料層３ａ４は材料および膜厚がそれぞれ異なっていても良い。  
また、同様に、第２、第４、および第５実施形態における固定層２は、図９（ｂ）に示すように、磁性膜２ａと、磁性膜２ｂとの積層構造を有し、磁性膜２ａは、非磁性層４と磁性膜２ｂとの間に、磁性材料層２ａ１、非磁性材料層２ａ２、磁性材料層２ａ３、非磁性材料層２ａ４がこの順序で積層された構造を有していてもよい。この場合も、非磁性層４に接する磁性材料層２ａ１としては、（Ｃｏ１００−ｘＦｅｘ）１００−ｙＢｙ（ｘ≧２５ａｔ％、０≦ｙ≦３０ａｔ％）であることが好ましい。非磁性層４に接する磁性材料層３ａ１の膜厚はＭＲ比を向上させるために厚い方が好ましい。したがって、磁性材料層３ａ１と磁性材料層３ａ３との膜厚はそれぞれ異なっていても良い。非磁性材料層３ａ２と非磁性材料層３ａ４は材料および膜厚がそれぞれ異なっていても良い。  
このように、記憶層３または固定層２として、磁性材料層と非磁性材料層が２周期以上繰り返し積層された構造を有するように構成することにより、膜形成後の熱処理による電気特性の変化が少ない、耐熱性の高い磁気抵抗素子を得ることができる。
【００４６】
（下地層５について）  
上述の記憶層の説明に示す通り、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には、原子稠密面が配向しやすい構造を取る必要がある。即ち、結晶配向性を面心立方（ＦＣＣ）構造の（１１１）面、六方最密充填（ＨＣＰ）構造の（００１）面が配向するように制御する必要があり、そのため下地層材料及び積層構成の選択が重要となる。
【００４７】
（下地層の積層構成）  
図１０は、下地層５及び記憶層３を含む積層構造を示す断面図である。この積層構造は、下部電極７と下地層５との間に、密着層８として、例えば、膜厚５ｎｍ程度のＴａを設けた構造である。そして、下地層５は下地膜５ａ、５ｂ、５ｃがこの順序で積層された積層構造を有する。また、下地層５上には、記憶層３として、例えば、膜厚２ｎｍ程度のＣｏＰｄ層を設ける。ＣｏＰｄ層よりも上の構成は、図１乃至図５に示す通りである。
【００４８】
第１乃至第５実施形態による磁気抵抗素子の下地層５のうち、下地膜５ｃはＣｏＰｄおよびＣｏＰｔ合金と格子整合性する金属材料が好ましい。下地膜５ａは下地膜５ｂ、５ｃが平滑かつ結晶配向性が向上するような材料および構成が好ましい。下地膜５ｂ，５ｃは、膜厚３ｎｍ程度のＲｕ層、膜厚３ｎｍ程度のＰｔ層などから構成するのが好ましい。
【００４９】
次に、下地膜５ａ、５ｂ、５ｃの具体的な材料について説明する。
【００５０】
（下地膜の材料）  
下地膜５ｃとしては、稠密構造を有する金属が用いられる。ＣｏＰｄ合金、ＣｏＰｔ合金と格子整合し、稠密構造を有する金属としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ等が挙げられる。また、例えば、金属が１元素ではなく、Ｐｔ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｉｒのように、上述の金属が２元素、或いは３元素以上で構成される合金を用いてもよい。また、上述の金属と、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ等のｆｃｃ金属との合金であるＰｔ−Ｃｕ、Ｐｄ−Ｃｕ、Ｉｒ−Ｃｕ、Ｐｔ−Ａｕ、Ｒｕ−Ａｕ、Ｐｔ−Ａｌ、Ｉｒ−Ａｌ等や、Ｒｅ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等のｈｃｐ金属との合金であるＰｔ−Ｒｅ、Ｐｔ−Ｔｉ、Ｒｕ−Ｒｅ、Ｒｕ−Ｔｉ、Ｒｕ−Ｚｒ、Ｒｕ−Ｈｆ等であってもよい。膜厚が厚すぎると平滑性が悪くなるため、膜厚範囲としては、３０ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。下地膜５ｂ、５ｃの積層構成とするのは、格子定数の異なる材料を積層することにより、ＣｏＰｄ合金、ＣｏＰｔ合金を形成前に格子定数を調整するためである。例えば、下地膜５ｂにＲｕ、下地膜５ｃにＰｔを形成した場合、下地膜５ｃのＰｔは下地膜５ｂのＲｕの影響を受けて、バルクの格子定数とは異なる格子定数となる。但し、上述したように、合金を用いても格子定数を調整できるため、下地膜５ｂ，５ｃはいずれかを省くこともできる。
【００５１】
下地層５のうち、下地膜５ａは、平滑性、及び下地膜５ｂ，５ｃの稠密構造を有する金属の結晶配向性を向上させる目的で用いられる。具体的には、Ｔａ等が挙げられる。さらに、下地膜５ａの膜厚は、厚すぎると成膜に時間がかかり、生産性が低下する要因となり、また、薄すぎると上述の配向制御の効果を失うため、１ｎｍ乃至１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【００５２】
（非磁性層４について）  
第１乃至第５実施形態における非磁性層４の材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。具体的にはＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯなどが挙げられる。これらのＮａＣｌ構造の酸化物は、
（ｉ）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、或いは２種以上を主成分として含む、例えば、アモルファスＣｏＦｅＮｉＢ合金上、或いは
（ｉｉ）  体心立方（ＢＣＣ）構造で（１００）優先配向面を有するＦｅＣｏＮｉのいずれか、或いは２種以上を主成分として含む合金上で、
結晶成長させると、（１００）面を優先配向面として成長し易い。
【００５３】
特に、Ｂ、Ｃ、Ｎなどを添加したＣｏＦｅＸ（Ｘは、Ｂ、Ｃ、Ｎの少なくとも１つを表す）のアモルファス合金上では、非常に容易に（１００）面を優先配向させることが可能である。
【００５４】
また、記憶層３の磁化方向と固定層２の磁化方向とが反平行の場合、スピン分極したΔ１バンドがトンネル伝導の担い手となるため、マジョリティースピン電子のみが伝導に寄与することとなる。この結果、磁気抵抗素子の伝導率が低下し、抵抗値が大きくなる。反対に、記憶層３の磁化方向と固定層２の磁化方向とが平行であると、スピン偏極していないΔ５バンドが伝導を支配するために、磁気抵抗素子の伝導率が上昇し、抵抗値が小さくなる。従って、Δ１バンドの形成が高ＴＭＲを発現させるためのポイントとなる。Δ１バンドを形成するためには、ＮａＣｌ構造の酸化物からなる非磁性層４の（１００）面と、記憶層３及び固定層２との界面の整合性が良くなければならない。
【００５５】
ＮａＣｌ構造の酸化物層からなる非磁性層４の（１００）面での格子整合性をさらに良くするために、上述したように記憶層および固定層を積層構造とすることが好ましい。Δ１バンドを形成するという観点からは、記憶層３を形成する磁性膜３ｂおよび固定層２を形成する磁性膜２ａとして、非磁性層４の（１００）面での格子不整合が５％以下となるような材料を選択することが、より好ましい。
【００５６】
（バイアス層について）  
図４または図５に示すように固定層２とキャップ層６の間に、非磁性層２１と、バイアス層（シフト調整層）２２を配置してもよい。これにより、固定層２からの漏れ磁場による記憶層３の反転電流のシフトを緩和及び調整することが可能となる。
【００５７】
非磁性層２１は、固定層２とバイアス層２２とが熱工程によって混ざらない耐熱性、及びバイアス層２２を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。さらに、非磁性層２１の膜厚が厚くなるとバイアス層２２と記憶層３との距離が離れるため、バイアス層２２から記憶層３に印加されるシフト調整磁界が小さくなってしまう。このため、非磁性層２１の膜厚は、５ｎｍ以下であることが望ましい。
【００５８】
バイアス層２２は、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する、強磁性材料から構成される。具体的には、固定層２で挙げた材料を用いることができる。但し、バイアス層２２は、固定層２に比べて記憶層３から離れているため、記憶層３に印加される漏れ磁場をバイアス層２２によって調整するためには、バイアス層２２の膜厚、或いは飽和磁化Ｍｓの大きさを固定層２より大きくする設定する必要がある。
【００５９】
即ち、固定層２の膜厚及び飽和磁化をｔ２、ＭＳ２、バイアス層２２の膜厚及び飽和磁化をｔ２２、ＭＳ２２とすると、以下の関係式を満たす必要がある。  
ＭＳ２×ｔ２＜ＭＳ２３×ｔ３２  ・・・（２）
例えば、素子サイズ５０ｎｍの加工を想定した場合、反転電流のシフトを相殺するためには、固定層２に飽和磁化Ｍｓが１０００ｅｍｕ／ｃｍ３、膜厚が５ｎｍの磁性材料を用いたとすると、非磁性層２１の膜厚は３ｎｍ、バイアス層２２には飽和磁化Ｍｓが１０００ｅｍｕ／ｃｍ３、膜厚が１５ｎｍ程度のバイアス層特性が要求される。
【００６０】
また、上述のシフトをキャンセルする効果を得るには、固定層２とバイアス層２２との磁化方向は反平行に設定される必要がある。この関係を満たすためには、固定層２の保磁力Ｈｃ２とバイアス層２２の保磁力Ｈｃ２２との間には、Ｈｃ２＞Ｈｃ２２、或いはＨｃ２＜Ｈｃ２２の関係を満たす材料を選択すればよい。この場合、予めマイナーループ（Ｍｉｎｏｒ  Ｌｏｏｐ）着磁により保磁力の小さい層の磁化方向を反転させることにより、固定層２とバイアス層２２との磁化方向は反平行に設定することが可能となる。
【００６１】
また、非磁性層２１を介して固定層２及びバイアス層２２を反強磁性結合（ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）結合）させることによっても、同様に固定層２とバイアス層２２との磁化方向は反平行に設定することが可能となる。具体的には、非磁性層２１の材料として、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）を用い、固定層２とバイアス層２２との磁化方向を反平行に結合させることができる。これにより、バイアス層２２によって固定層２から出る漏れ磁界を低減することができ、結果的に、記憶層３の反転電流のシフトを低減することができる。この結果、素子間での記憶層３の反転電流のばらつきを低減することも可能となる。
【００６２】
以上、述べたように、第１乃至第５実施形態によれば、記憶層または固定層として、磁性材料層と非磁性材料層が２周期以上繰り返し積層された構造を有するように構成することにより、膜形成後の熱処理による電気特性の変化が少ない、耐熱性の高い磁気抵抗素子を得ることができる。すなわち、熱的に安定であると同時に低電流での磁化反転が可能なスピン注入書き込み方式のための磁気抵抗素子を得ることができる。
【００６３】
また、非磁性層４としてＮａｃｌ構造の酸化物を用い、記憶層３または固定層２を積層構造とすることにより、非磁性層４の（１００）面での格子整合性をさらに良くすることができる。
【００６４】
（第６実施形態）  
第６実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）について図１１および図１２を参照して説明する。この第６実施形態のＭＲＡＭは、第１乃至第５実施形態のいずれかの磁気抵抗素子を記憶素子として用いた構成となっている。以下の実施形態では、磁気抵抗素子を第１実施形態の磁気抵抗素子１であるとして説明する。
【００６５】
図１１は、第６実施形態のＭＲＡＭの構成を示す回路図である。この第６実施形態のＭＲＡＭは、マトリクス状に配列される複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ４０を備えている。メモリセルアレイ４０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４０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。
【００６６】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、磁気抵抗素子１、及びＮチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ４１を備えている。磁気抵抗素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。磁気抵抗素子１の他端は、選択トランジスタ４１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ４１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４１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【００６７】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ４２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路４４及び読み出し回路４５が接続されている。書き込み回路４４及び読み出し回路４５には、カラムデコーダ４３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ４２及びカラムデコーダ４３により選択される。
【００６８】
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に接続されるワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ４１がターンオンする。
【００６９】
ここで、磁気抵抗素子１には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、磁気抵抗素子１に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４４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、磁気抵抗素子１に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４４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。
【００７０】
次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されるメモリセルＭＣの選択トランジスタ４１がターンオンする。読み出し回路４５は、磁気抵抗素子１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４５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、磁気抵抗素子１の抵抗値を検出する。このようにして、磁気抵抗素子１に記憶されるデータを読み出すことができる。
【００７１】
次に、ＭＲＡＭの構造について図１２を参照して説明する。図１２は、１個のメモリセルＭＣを示す断面図である。Ｐ型半導体基板５１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５１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。
【００７２】
半導体基板５１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５１内に高濃度のＮ＋型不純物を導入して形成される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５１上には、ゲート絶縁膜４１Ａを介して、ゲート電極４１Ｂが設けられている。ゲート電極４１Ｂ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５１には、選択トランジスタ４１が設けられている。
【００７３】
ソース領域Ｓ上には、コンタクト５２を介して配線層５３が設けられている。配線層５３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５４を介して引き出し線５５が設けられている。引き出し線５５上には、下部電極７及び上部電極９に挟まれた磁気抵抗素子１が設けられている。上部電極９上には、配線層５６が設けられている。配線層５６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板５１と配線層５６との間は、例えば、酸化シリコンからなる層間絶縁層５７で満たされている。
【００７４】
以上、詳述したように、第６実施形態によれば、磁気抵抗素子１を用いてＭＲＡＭを構成することができる。尚、磁気抵抗素子１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として使用することも可能である。
【００７５】
第６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。
【００７６】
（適用例１）  
図１３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。
【００７７】
図１３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、コード化される加入者回線情報、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、第６実施形態のＭＲＡＭ１７０と、ＥＥＰＲＯＭ１８０とを示している。
【００７８】
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。即ち、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。
【００７９】
（適用例２）  
図１４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ＤＳＰ（デジタル信号処理回路）２０５、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。
【００８０】
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、第６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る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。
【００８１】
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。
【００８２】
また、この携帯電話端末３００には、音声データ再生処理部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。音声データ再生処理部２１１は、携帯電話端末３００に入力される音声データ（或いは、後述する外部メモリ２４０に記憶されるオーディオ情報（音声データ））を再生する。再生される音声データ（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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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に記憶される情報（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。
【００８６】
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から入力されるキー入力情報は、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。
【００８７】
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。
【００８８】
（適用例３）  
図１５乃至図１９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。図１５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。
【００８９】
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カードに記憶されるコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。
【００９０】
図１６及び図１７は、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を示している。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１ＭＲＡＭカード５５０が収納されている。収納部５００ａには、第１ＭＲＡＭカード５５０に電気的に接続される外部端子５３０が設けられており、この外部端子５３０を用いて第１ＭＲＡＭカード５５０のデータが書き換えられる。
【００９１】
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に記憶されるデータが第２ＭＲＡＭカード４５０に転写される。
【００９２】
図１８は、はめ込み型の転写装置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。
【００９３】
図１９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。
【００９４】
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。
【００９５】
第６実施形態のＭＲＡＭは、高速ランダム書き込み可能なファイルメモリ、高速ダウンロード可能な携帯端末、高速ダウンロード可能な携帯プレーヤー、放送機器用半導体メモリ、ドライブレコーダ、ホームビデオ、通信用大容量バッファメモリ、防犯カメラ用半導体メモリなどに対して用いることができ、産業上のメリットは多大である。
【００９６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９７】
１  磁気抵抗素子
２  固定層（強磁性層）
２ａ  磁性膜
２ｂ  磁性膜
３  記憶層（磁性層）
３ａ  磁性膜
３ｂ  磁性膜
４  非磁性層（トンネルバリア層）
５  下地層
６  キャップ層
７  下部電極
８  密着層
９  上部電極
２１  非磁性層
２２  バイアス層（シフト調整層）
４０  メモリセルアレイ
４１  選択トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【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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