(57)【要約】【課題】垂直磁気異方性、規則度、平坦性に優れた自由層を有している磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリを提供する。【解決手段】磁気抵抗素子１は、自由層３と、自由層３上に配設される格子歪緩和層４と、格子歪緩和層４上に配設されるトンネル絶縁層５と、トンネル絶縁層５上に配設される固定層６と、を少なくとも備え、自由層３はＬ１0規則合金からなり、かつ自由層３の面内の垂直方向に磁化し、格子歪緩和層４は、自由層３とトンネル絶縁層５との間に生じる格子歪を緩和する。格子歪緩和層４は、強磁性のアモルファス層や結晶層とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由層と、該自由層上に配設される格子歪緩和層と、該格子歪緩和層上に配設されるトンネル絶縁層と、該トンネル絶縁層上に配設される固定層と、を少なくとも備え、
上記自由層はＬ１0規則合金からなり、かつ該自由層の面内の垂直方向に磁化し、
上記格子歪緩和層は、上記自由層と上記トンネル絶縁層との間に生じる格子歪を緩和する、磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記Ｌ１0規則合金は、ＦｅＰｄ層からなる、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記ＦｅＰｄ層の厚さは、２．５ｎｍ〜４ｎｍである、請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記ＦｅＰｄ層の飽和磁化Ｍｓは、１０４６〜１１１４ｅｍｕ／ｃｍ3である、請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記ＦｅＰｄ層の磁気異方性定数Ｋｕは、０．８×１０6ｅｒｇ／ｃｍ3以上である、請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記格子歪緩和層は、強磁性のアモルファス層からなる、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記格子歪緩和層は、強磁性の結晶層からなる、請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記強磁性のアモルファス層又は結晶層は、ＣｏxＦｅ80-xＢ20（２０≦ｘ≦４０）又はＦｅ80Ｂ20からなる、請求項６又は７に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記アモルファス層は、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20層からなる、請求項８に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
前記Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20層の厚さは、０．５ｎｍ〜１．２ｎｍである、請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れかに記載の磁気抵抗素子を、不揮発性メモリ素子とする、磁気メモリ。
【請求項１２】
前記磁気抵抗素子が、マトリクス状に配設されている、請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１３】
さらに、書き込み及び読み出し回路を備えている、請求項１１に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリに関し、さらに詳しくは、スピン注入型で自由層の磁化が垂直磁化される磁気抵抗素子と、この磁気抵抗素子を不揮発性メモリセルとした磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ＭＴＪ（磁気トンネル接合、Magnetic Tunnel Junctionと呼ばれている。）素子において、その磁化方向が、ＭＴＪ素子が形成される基板の面に対して垂直方向となりスピン注入磁化反転ができる素子が、所謂スピンを利用した電子素子として注目を浴びている。スピン注入磁化反転とは、ＭＴＪ素子の自由層の磁化反転に外部磁場が不要な方法であり、ＭＴＪ素子に印加する電流の向きを変えて自由層の磁化を反転する方法である。このようなＭＴＪ素子を記憶素子としたスピンＭＲＡＭ（Magnetorestive Random Access Memory）は、ＭＴＪ素子の電流を切っても記憶が保持されるので、不揮発性記憶ができる（非特許文献１及び２参照）。
【０００３】
スピンＭＲＡＭの記憶容量を高密度にするには、スピン注入磁化反転に要する電流を低下させることと熱的に安定なメモリセルとが必要となる。垂直磁気記録の場合には、水平磁気記録に比較して、スピン注入磁化反転に要する電流を低下させることができる（非特許文献３参照）。
【０００４】
一方、熱的な安定性は、メモリセルの体積に比例して安定する。このため、高密度化のためにメモリセルを縮小するには、自由層の材料としては磁気異方性の大きい材料が必要となる。
【０００５】
磁気異方性の大きい材料としては、硬磁性のＬ１0型の結晶構造を有しているＦｅＰｔ（非特許文献４参照）、ＣｏＰｔ（非特許文献５参照）、ＦｅＰｄ、ＭｎＧａ（非特許文献６）のような材料が候補となっている。
【０００６】
これらの材料の内、ＣｏＰｔ合金は、薄膜形成時の堆積温度や熱処理温度がＦｅＰｔやＦｅＰｄに比較して高温を必要とする。このため、ＣｏＰｔ合金は、工業的な工程には不向きである。
【０００７】
Ｌ１0型のＦｅＰｄは、ＦｅＰｔに比較すると、十分に大きな磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）と、ＰｄはＰｔに比べて軽元素であることから、磁気摩擦が小さく、スピン注入磁化反転に要する電流を低下させることが可能である。このため、Ｌ１0型のＦｅＰｄは、高密度のスピンＭＲＡＭの材料として有望と考えられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M. Nakayama, T. Kai, N. Shimomura, M. Amano, E. Kitagawa, T. Nagase, M. Yoshikawa, T. Kishi, S. Ikegawa, and H. Yoda, J. Appl. Phys., Vol.103, p.07A710, 2008
【非特許文献２】X. Jiang, L. Gao, J. Z. Sun, and S. P. Parkin, Phys. Rev. Lett., Vol.97, p.217202, 2006
【非特許文献３】S. Mangin, D. Ravelosona, J. A. Katine, M. J. Carey, B. D. Terris, and E. E. Fullerton, Nature Mater., Vol.5, p.210, 2006
【非特許文献４】N. Inami, H. Naganuma, T. Hiratsuka, G. Kim, T. Miyazaki, K. Sato, T. J. Konno, M. Oogane, and Y. Ando, J. Magn. Soc. Jpn.,Vol.34, p.293, 2010
【非特許文献５】G. Kim, Y. Sakuraba, M. Oogane, Y. Ando, and T. Miyazaki, Appl. Phys. Lett., Vol.92, p.172502, 2008
【非特許文献６】S. Mizukami, F. Wu, A. Sakuma, J. Walowski, D. Watanabe, T. Kubota, X. Zhang, H. Naganuma, M. Oogane, Y. Ando, and T. Miyazaki, Phys. Rev. Lett., Vol.106, p.117201, 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のＬ１0型の規則合金系の垂直磁化材料は、その厚さが数ｎｍ、例えば５ｎｍ以下程度になると垂直磁気異方性、規則度、平坦性などの種々の性能が劣化することが課題となっていた。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑み、垂直磁気異方性、規則度、平坦性に優れた自由層を有している磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋭意研究を行った結果、アモルファスのＣｏＦｅＢ層をＬ１0規則合金からなる自由層とトンネル絶縁層との間に挿入したところ、Ｌ１0合金が極薄の領域において垂直磁気異方性、規則度、平坦性等を向上でき、不揮発性磁気メモリの記録層として必要となる極薄試料で諸性能の劣化を低減できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の磁気抵抗素子は、自由層と、自由層上に配設される格子歪緩和層と、格子歪緩和層上に配設されるトンネル絶縁層と、トンネル絶縁層上に配設される固定層と、を少なくとも備え、自由層はＬ１0規則合金からなり、かつ自由層の面内の垂直方向に磁化し、格子歪緩和層は、自由層とトンネル絶縁層との間に生じる格子歪を緩和する。
【００１３】
上記構成において、Ｌ１0規則合金は、好ましくは、ＦｅＰｄ層からなる。ＦｅＰｄ層の厚さは、好ましくは、２．５ｎｍ〜４ｎｍの厚さである。ＦｅＰｄ層の飽和磁化Ｍｓは、好ましくは、１０４６〜１１１４ｅｍｕ／ｃｍ3である。ＦｅＰｄ層の磁気異方性定数Ｋｕは、好ましくは、０．８×１０6ｅｒｇ／ｃｍ3以上である。
格子歪緩和層は、強磁性のアモルファス層からなる。格子歪緩和層は、強磁性の結晶層からなる。強磁性のアモルファス層又は結晶層は、好ましくは、ＣｏxＦｅ80-xＢ20（２０≦ｘ≦４０）又はＦｅ80Ｂ20からなる。アモルファス層は、好ましくは、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20層からなる。Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20層の厚さは、好ましくは、０．５ｎｍ〜１．２ｎｍである。
【００１４】
本発明の磁気メモリは、上記構成の何れかに記載の磁気抵抗素子を不揮発性メモリ素子とする。上記構成において、好ましくは、磁気抵抗素子はマトリクス状に配設されている。さらに、好ましくは、書き込み及び読み出し回路を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の磁気抵抗素子は、自由層とトンネル絶縁層との間に格子歪緩和層を有しているので、Ｌ１0規則合金からなる自由層を面内の垂直方向に磁化する際に、Ｌ１0規則合金からなる自由層とトンネル絶縁層との間に生じる格子歪みを低減し、Ｌ１0規則度が高く、磁気抵抗素子の表面を平坦とし、自由層を数ｎｍ以下の薄膜にできる磁気抵抗素子を提供することができる。
【００１６】
本発明の磁気抵抗素子を用いた磁気メモリによれば、自由層としてＬ１0規則度が高く、厚さが薄い垂直磁化が実現できるので高密度で不揮発の磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の磁気抵抗素子の構造を示す断面図である。
【図２】磁気抵抗素子の動作を示す図であり、それぞれ、（ａ）は磁気抵抗素子において固定層と自由層の磁化方向が平行状態の場合、（Ｂ）は磁気抵抗素子において固定層と自由層の磁化方向が反平行の場合、（Ｃ）は等価回路図である。
【図３】本発明の磁気抵抗素子の変形例の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の磁気抵抗素子を記憶素子とした磁気メモリの構成を模式的に示す図である。
【図５】実施例１、２、３及び４のＸ線回折の結果を示す図である。
【図６】比較例１、２、３及び４のＸ線回折の結果を示す図である。
【図７】実施例２〜４及び比較例２〜４のＸ線回折のオーダーパラメータのＦｅＰｄ層の厚さ依存性を示すグラフである。
【図８】実施例２〜４及び比較例２〜４の多層膜表面の表面粗さのＦｅＰｄ層の厚さ依存性を示すグラフである。
【図９】実施例１〜４の多層膜の磁化曲線を示す図であり、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３、（ｄ）は実施例４を示している。
【図１０】比較例１〜４の多層膜の磁化曲線を示す図であり、（ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例２、（ｃ）は比較例３、（ｄ）は比較例４を示している。
【図１１】実施例１〜４及び比較例１〜４の多層膜の飽和磁化のＦｅＰｄ層の厚さ依存性を示す図である。
【図１２】実施例１〜４及び比較例１〜４の多層膜の磁気異方性定数のＦｅＰｄ層の厚さ依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を具体的に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の磁気抵抗素子１の構造を示す断面図であり、図２は、磁気抵抗素子１の動作を示す図で、それぞれ、（ａ）は磁気抵抗素子１において固定層６と自由層３の磁化方向が平行状態の場合、（Ｂ）は磁気抵抗素子１において固定層６と自由層３の磁化方向が反平行の場合、（Ｃ）は等価回路図である。
図１に示すように、磁気抵抗素子１は、基板２と、基板２上に形成される自由層３と、自由層３上に形成される格子歪緩和層４と、格子歪緩和層４上に形成されるトンネル絶縁層５と、トンネル絶縁層５上に形成される固定層６と、を含んで構成されている。
固定層６は、図の下向き矢印（↓）で示す磁化方向、つまりスピンの向きが固定されている層であり、強磁性固定層とも呼ばれている。自由層３は磁化の向きが、磁気抵抗素子１に印加される電流により変化する層であり、強磁性自由層とも呼ばれている。固定層６及び自由層３は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、パラジウム（Ｐｄ）等の強磁性体又はこれらの合金からなる単層や複数の層で形成される。トンネル絶縁層５は、ＭｇＯやＡｌ2Ｏ3の薄膜で形成されている。
【００１９】
磁気抵抗素子１は、基板２上に上記自由層３、格子歪緩和層４、トンネル絶縁層５、固定層６の順に積層されている。磁化方向は、上記各層が積層される基板２面に垂直な方向、つまり、図の下向き矢印（↓）で示す方向に垂直磁化されている。
尚、固定層や自由層には、さらに電極７が配設されてもよい。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、固定層６と自由層３の磁化の向きがそろっている状態を平行状態と呼び、このときの磁気抵抗素子１の抵抗値が最小となり、ＲPと表す。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、固定層６と自由層３の磁化の向きが逆を向いている状態を反平行状態と呼び、このとき磁気抵抗素子１の抵抗値が最大となり、ＲAPと表す。自由層３の磁化の状態を固定層６に対して平行又は反平行に制御することにより“０”、“１”の記録、つまり、書き込みができる。このように、磁気抵抗素子１に流す電流により、自由層３の磁化を平行又は反平行に変える方法は、スピン注入方式やスピン注入磁化反転と呼ばれている。スピン注入磁化反転によれば、従来の磁気抵抗素子の自由層３の磁化を変えるために印加していた外部磁場は不要となる。
【００２２】
上記自由層３及び固定層６は、何れも垂直磁化となる強磁性層とする。このような垂直磁化となる強磁性層は、Ｌ１0規則合金を用いることができる。Ｌ１0規則合金は、所謂ＣｕＡｕ型の秩序合金である。合金がＡ原子及びＢ原子からなる場合、面心立方格子を４個の単純立方副格子に分けたとき、その内の二つをＡ原子、他の二つをＢ原子が占めるような秩序合金を、Ｌ１0規則合金と呼んでいる。このような、Ｌ１0規則合金で磁化容易軸が膜面の垂直方向となる強磁性体としては、ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａなどが挙げられる。
【００２３】
本発明の特徴は、Ｌ１0規則合金からなる自由層３とトンネル絶縁層５との間に生じる格子歪みを緩和するために、Ｌ１0規則合金からなる自由層３とトンネル絶縁層５との間に、格子歪緩和層４を挿入した点にある。格子歪緩和層４としては、アモルファスの強磁性層や、格子歪を緩和する厚さとした結晶からなる強磁性層を用いることができる。これにより、Ｌ１0規則合金からなる自由層３とトンネル絶縁層５との間に生じる格子歪みを、格子歪緩和層４で緩和することができ、Ｌ１0規則合金からなる自由層３の垂直磁化特性を良好とすることができる。
【００２４】
強磁性のアモルファス層からなる格子歪緩和層４の材料としては、ＣｏxＦｅ80-xＢ20（２０≦ｘ≦４０）やＦｅ80Ｂ20を用いることができる。厚さとしては、０．５〜１．２ｎｍ程度である。格子歪緩和層４の厚さが、０．４ｎｍよりも薄いと、格子歪緩和層４としての作用が無くなり好ましくないが、０．５ｎｍ〜１．２ｎｍで十分に格子歪の緩和ができるので、１．２ｎｍよりも厚くする必要がない。
【００２５】
強磁性の結晶からなる格子歪緩和層４の材料としては、ＣｏxＦｅ80-xＢ20（２０≦ｘ≦４０）やＦｅ80Ｂ20を用いることができる。厚さとしては、０．５〜１．２ｎｍ程度である。格子歪緩和層４の厚さが、０．４ｎｍよりも薄いと、格子歪緩和層４としての作用が無くなり好ましくない。逆に厚さが１．２ｎｍよりも厚くなると、垂直磁気異方性が著しく劣化するので、厚くする必要がない。
【００２６】
本発明の磁気抵抗素子１は、以下のようにして製作することができる。
最初に、基板２上に、自由層３と、格子歪緩和層４と、トンネル絶縁層５と、固定層６と、の順に、所定の厚さで堆積する。自由層３や固定層６の強磁性体材料としては、ＦｅＰｄやＦｅＰｔ等からなるＬ１0規則合金を用いることができる。格子歪緩和層４の材料としては、ＣｏＦｅＢを用いることができる。トンネル絶縁層５としては、ＭｇＯを用いることができる。これらの各層の堆積方法としては、物理蒸着法であるスパッタ法、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）などを用いることができる。この基板２としては、ＭｇＯ基板や、絶縁層で被覆したＳｉ基板にＭｇＯを堆積した基板を用いることができる。格子歪緩和層４をアモルファスや結晶とするには、スパッタ法やＭＢＥ法において、成膜の条件を制御すればよい。例えば、成膜時の温度を調整すればよい。
【００２７】
次に、自由層３及び固定層６の電極７を形成する。この電極形成工程には、マスク工程やエッチング工程により、磁気抵抗素子１のパターンを形成することで、磁気抵抗素子１を作製することができる。
【００２８】
本発明の磁気抵抗素子１によれば、Ｌ１0規則合金からなる自由層３とトンネル絶縁層５との間に格子歪緩和層４を挿入したことにより、Ｌ１0規則合金からなる自由層３とトンネル絶縁層５との間に生じる格子歪みが低減し、磁気抵抗素子１として以下の優れた効果が得られる。
（１）Ｌ１0規則合金からなる自由層３の磁化容易化軸を、垂直磁化方向とする。
（２）Ｌ１0規則度が高い。
（３）磁気抵抗素子１の表面が平坦である。
（４）自由層３を数ｎｍ以下の薄膜にできる。
（５）スピン分極率が高い。
【００２９】
（第１の実施形態の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態の変形例に係る磁気抵抗素子１０について説明する。
図３は、本発明の磁気抵抗素子１０の構造を示す断面図である。
図３に示すように、磁気抵抗素子１０が図１に示す磁気抵抗素子１と異なるのは、さらに格子歪緩和層９をトンネル絶縁層５と固定層６との間に挿入している点にある。図１に示す格子歪緩和層４を第１の格子歪緩和層と呼んだ場合には、この格子歪緩和層９を第２の格子歪緩和層と呼んで区別する。第２の格子歪緩和層９の材料とその厚さは、第１の格子歪緩和層４と同様である。第２の格子歪緩和層９の挿入によりトンネル絶縁層５と固定層６との間に生じる格子歪を緩和することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
本発明の磁気抵抗素子１を記憶素子とした磁気メモリ２０について説明する。
図４は、本発明の磁気抵抗素子１を記憶素子とした磁気メモリ２０の構成を模式的に示す図である。
本発明の磁気メモリ２０は、上記構成の本発明の磁気抵抗素子１を、基板２上に、図１で示した１ビットのメモリセルとなる磁気抵抗素子１をＸ，Ｙマトリクスとなるように格子状に多数配列した構成を有している。各磁気抵抗素子１には、メモリセルの選択用トランジスタ２２が配設されている。
Ｘ方向（行方向）には、磁気抵抗素子１の一端に接続されるビット線２４が配設されている。磁気抵抗素子１の他端は接地されている。
Ｙ方向（列方向）には、選択用トランジスタ２２のゲートに接続されるワード線２６が配設されている。図示していない書き込み及び読み出し用の周辺回路を設ければ、大容量の磁気メモリ２０を構成することができる。選択用トランジスタ２２及び周辺回路は、ＭＯＳトランジスタを用いて作製することができる。これらの回路は、低消費電力化のために相補型ＭＯＳからなる集積回路、所謂ＣＭＯＳ集積回路で構成してもよい。
【００３１】
図４の磁気メモリ２０では、任意のビット線２４とワード線２６を選択してこれらの交点にある磁気抵抗素子１に電流を流すことにより、書き込みができる。この書き込み状態、つまり記憶の読み出しは、任意のビット線２４とワード線２６を選択してこれらの交点にある磁気抵抗素子１にスピン注入磁化反転が生じない電流を流すことにより電流値を検出して行うことができる。磁気抵抗素子１は、図３に示す磁気抵抗素子１０を用いてもよい。
【００３２】
本発明の磁気メモリ２０は、以下のようにして製作することができる。
最初に、Ｓｉ等の基板２上に選択用トランジスタ２２及び周辺回路をＣＭＯＳ工程で形成し、その後で、本発明の磁気メモリ２０の各メモリセル１を形成すればよい。
具体的には、上記の工程で製作した選択用トランジスタ２２及び周辺回路の全体をさらに絶縁膜で被覆し、磁気抵抗素子１の各電極だけに接続される領域の窓開けを行い、磁気抵抗素子１を形成する。次に、形成した磁気抵抗素子１、各メモリセル、ビット線２４、ワード線２６等の配線を、層間絶縁層と電極配線による多層配線層で形成すればよい。
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法以外には、ＣＶＤ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
以下、実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
【００３３】
試料は、ベース真空度が１０-7Ｐａの超高真空スパッタリング装置で作製した。
【００３４】
（実施例１〜４）
（１００）面を有しているＭｇＯ基板２に、Ｃｒを４０ｎｍ、Ｐｄを１０ｎｍ、ＦｅＰｄを所定の厚さで、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20を０．５ｎｍ、ＭｇＯを２ｎｍ、キャップ層となるＴａを３ｎｍ堆積した。ＦｅＰｄ層の厚さは、実施例１〜４では、それぞれ、２．５ｎｍ、３．０ｎｍ、３．５ｎｍ、４．０ｎｍとした。ここで、図１の磁気抵抗素子１と対比すると、上記ＦｅＰｄ層は自由層３、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20は格子歪緩和層４、ＭｇＯ層はトンネル絶縁層５に対応している。
【００３５】
（比較例１〜４）
（１００）面を有しているＭｇＯ基板２に、Ｃｒを４０ｎｍ、Ｐｄを１０ｎｍ、ＦｅＰｄを所定の厚さで、ＭｇＯを２ｎｍ、キャップ層となるＴａを３ｎｍ堆積した。ＦｅＰｄ層の厚さは、比較例１〜４では、それぞれ、２．５ｎｍ、３．０ｎｍ、３．５ｎｍ、４．０ｎｍとした。比較例１〜４では、格子歪緩和層４となるＣｏ40Ｆｅ40Ｂ20層を挿入していない。
【００３６】
ＦｅＰｄ層は、Ｆｅ50Ｐｄ50の合金からなるスパッタリングターゲットを用いて堆積した。Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20層は、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20の合金からなるスパッタリングターゲットを用いて堆積した。以下、Ｃｏ40Ｆｅ40Ｂ20層は、ＣｏＦｅＢ層と呼ぶ。ＭｇＯ層は、焼結したＭｇＯからなるスパッタリングターゲットを用いて堆積した。
【００３７】
上記各層をスパッタリングで成膜した時の温度、即ち成膜温度について説明する。
Ｃｒ層は雰囲気温度として室温（ＲＴ）で堆積し、次に７００℃で１時間熱処理した。
次に、ＭｇＯ基板２を３５０℃まで冷却した後、Ｐｄ層を堆積した。
ＦｅＰｄ層の堆積では、基板温度を３００℃とし、アルゴン圧力を０．６Ｐａと最適化してスパッタリングを行った。この状態で基板加熱を停止し、基板２の温度を室温まで低下した。
室温において、ＦｅＰｄ層上にＣｏＦｅＢ層をスパッタリングで堆積した。ＣｏＦｅＢ層は室温で堆積したので、アモルファス構造を有している。
ＭｇＯ層とＴａ層は、室温で堆積した。
【００３８】
結晶構造は、銅（Ｃｕ）のＫα線を用いたＸＲＤ法で調べた。ＦｅＰｄ層からなるＬ１0規則合金のオーダーパラメータ（Ｓ）は、Ｌ１0規則合金の格子中の正しい配列の確率で定義され、下記（１）式により算出される。
【数１】
2013168455.tif 000003
ここで、Ｉ001及びＩ002は、それぞれＸ線回折における超格子線と、基本線とを示しており、（１）式の添え字である「ｍｅａｓ」は測定値であり、「ｃａｌｃ」は計算値である。
【００３９】
多層膜の表面モルフォロジーは、原子間力顕微鏡を用いて調べ、多層膜表面の表面粗さＲａを算出した。
【００４０】
３００Ｋにおける磁化特性、即ちヒステリシスループは、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた磁力計で測定した。
【００４１】
ＸＲＤ法において、多層膜をφスキャン法により調べた。多層膜がＭｇＯ（１００）[１００]、Ｃｒ（００１）[１１０]、Ｐｄ（００１）[１００]、ＦｅＰｄ（００１）[１００]の順にエピタキシャル成長していることが分かった。
ここで、(１００)等の表記は各層の結晶面を示し、[１００]等の表記は各層の結晶方位を示している。
【００４２】
図５は、実施例１、２、３及び４のＸ線回折の結果を示す図である。図５において、縦軸はＸ線回折強度（任意目盛）、横軸は角度（°）、即ちＸ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度を示している。図５に示すように、ＦｅＰｄ層の厚さが３ｎｍの実施例２、ＦｅＰｄ層の厚さが３．５ｎｍの実施例３及びＦｅＰｄの厚さが４ｎｍの実施例４で、（００１）の基本線が顕著に観察されることが分かる。
【００４３】
図６は、比較例１、２、３及び４のＸ線回折の結果を示す図である。図６の縦軸及び横軸は図５と同じである。図６に示すように、ＦｅＰｄ層の厚さが４ｎｍの比較例４で（００１）の基本線が観察されるが、ＦｅＰｄ層の厚さが４ｎｍよりも薄い比較例１〜３では、（００１）の基本線が観察されなかった。
【００４４】
図７は、実施例２〜４及び比較例２〜４のＸ線回折のオーダーパラメータのＦｅＰｄ層の厚さ依存性を示すグラフである。図７の縦軸はオーダーパラメータ、横軸はＦｅＰｄ層の厚さ（ｎｍ）である。なお、実施例１及び比較例１では、ＦｅＰｄ層の基本線のＸ線回折強度が弱かったので、オーダーパラメータの計算は行っていない。
図７に示すように、実施例２〜４及び比較例２〜４共に、オーダーパラメータは、僅かにＦｅＰｄ層の厚さに比例して増加することが分かる。そして、ＣｏＦｅＢ層をＦｅＰｄ層とＭｇＯ層との間に挿入した実施例２〜４では、比較例２〜４よりも顕著にオーダーパラメータが増加することが判明した。実施例及び比較例のオーダーパラメータ及び表面粗さを表１に示す。
【表１】
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【００４５】
図８は、実施例２〜４及び比較例２〜４の多層膜表面の表面粗さのＦｅＰｄ層の厚さ依存性を示すグラフである。図８の縦軸は表面粗さＲａ（ｎｍ）であり、横軸はＦｅＰｄ層の厚さ（ｎｍ）である。図８に示すように、実施例１、２、３、４の多層膜の表面粗さは、それぞれ、０．４６ｎｍ、０．３２ｎｍ、０．２９ｎｍ、０．２４ｎｍである。実施例１、２、３、４の多層膜の表面粗さは、ＦｅＰｄ層の厚さが増すにつれて減少する、つまり、多層膜の平坦性が良くなることが分かる。
比較例１、２、３、４の多層膜の表面粗さは、それぞれ、０．６２ｎｍ、０．５６ｎｍ、０．５１ｎｍ、０．３５ｎｍである。実施例１〜４と同様に多層膜の表面粗さは、ＦｅＰｄ層の厚さが増すにつれて減少することが分かる。
【００４６】
上記結果から、実施例１〜４の多層膜の表面粗さは、何れも比較例１〜４に比較して小さいことが分かる。実施例１〜４の多層膜ではＣｏＦｅＢ層がＦｅＰｄ層とＭｇＯ層との間に挿入されることにより、表面粗さが小さくなり、ＦｅＰｄ層とＭｇＯ層との間の格子不整合が解消されていると考えられる。これにより、実施例２〜４の多層膜では、Ｌ１0規則合金の秩序化が促進しているものと推定される。
【００４７】
一方、比較例１〜４では、多層膜の表面粗さが大きい。比較例１〜４では実施例に比較してＣｏＦｅＢ層がＦｅＰｄ層とＭｇＯ層との間に挿入されていないので、ＦｅＰｄ層とＭｇＯ層と間には、約７％（非特許文献４参照）の大きな格子不整合が生じて、多層膜の表面粗さが大きくなっている。
【００４８】
図９は、実施例１〜４の多層膜の磁化曲線を示す図で、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、（ｃ）は実施例３、（ｄ）は実施例４を示している。図９の縦軸は磁化（ｅｍｕ／ｃｍ3）であり、横軸は磁場（ｋＯｅ）である。図９において、『／／』は、多層膜の磁化方向が多層膜面内、つまり水平磁化を示し、『⊥』は多層膜の磁化方向が多層膜面内の垂直方向、つまり垂直磁化を示している。
図９に示すように、ＦｅＰｄ層の厚さが２．５ｎｍの実施例１の多層膜では、多層膜の面の水平方向に磁化し易い、つまり面内磁化膜であることが分かる。ＦｅＰｄ層の厚さが３ｎｍ以上の実施例２〜４の多層膜では、多層膜の面の垂直方向に磁化し易いことが分かる。つまり、実施例１では磁化容易軸が水平方向であり、実施例２〜４では磁化容易軸が垂直方向である。実施例１〜４の多層膜の飽和磁化（ｅｍｕ／ｃｍ3）は、それぞれ、１０９５、１１１４、１０９５、１０４６である。実施例２〜４の多層膜の磁気異方性定数（ｅｒｇ／ｃｍ3）は、それぞれ、０．８×１０6、１．１×１０6、１．２×１０6であり、０．８×１０6以上であった。実施例１〜４の多層膜の飽和磁化及び磁気異方性定数を表２に示す。
【表２】
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【００４９】
図１０は、比較例１〜４の多層膜の磁化曲線を示す図であり、（ａ）は比較例１、（ｂ）は比較例２、（ｃ）は比較例３、（ｄ）は比較例４を示している。図１０の縦軸及び横軸は図９と同じである。
図１０に示すように、ＦｅＰｄ層の厚さが２．５ｍの比較例１、同３．０ｎｍの比較例２、同３．５ｎｍの比較例３の多層膜では、多層膜の面の水平方向に磁化し易いことが分かる。ＦｅＰｄ層の厚さが４．０ｎｍの比較例４の多層膜では、多層膜の面の垂直方向に磁化し易いことが分かる。つまり、比較例１〜３では磁化容易軸が水平方向であり、比較例４では磁化容易軸が垂直方向である。比較例１〜４の多層膜の飽和磁化（ｅｍｕ／ｃｍ3）は、それぞれ、１０８５、１０３１、１０４４、１０４８である。比較例４の多層膜の磁気異方性定数（ｅｒｇ／ｃｍ3）は、０．５×１０6であった。
【００５０】
上記結果から実施例２及び３では、ＦｅＰｄ層を比較例４のＦｅＰｄ層の厚さである４ｎｍより薄い３ｎｍ及び３．５ｎｍで磁化容易軸を垂直方向にできることが分かる。実施例２〜４及び比較例４の磁化容易軸が垂直方向である点は、ＸＲＤにより測定して図７に示したオーダーパラメータのＦｅＰｄ層の厚さ依存性に一致している。
【００５１】
図１１は、実施例１〜４及び比較例１〜４の多層膜の飽和磁化のＦｅＰｄ層の厚さ依存性を示す図である。図１１の縦軸は飽和磁化（Ｍｓ）（ｅｍｕ／ｃｍ3）であり、横軸はＦｅＰｄ層の厚さ（ｎｍ）である。図１１には、バルクのＦｅＰｄからなるＬ１0規則合金で得られる飽和磁化の値を点線で示している。
図１１に示すように、実施例１〜４で得た飽和磁化は、バルクのＦｅＰｄからなるＬ１0規則合金で得られる約１１００ｅｍｕ／ｃｍ3と良く一致していることが分かる。
一方、比較例１〜４で得た飽和磁化は、バルクのＦｅＰｄからなるＬ１0規則合金で得られる値よりも若干低い値である。
【００５２】
図１２は、実施例１〜４及び比較例１〜４の多層膜の磁気異方性定数のＦｅＰｄ層の厚さ依存性を示す図である。図１２の縦軸は磁気異方性定数（Ｋｕ）（ｅｒｇ／ｃｍ3）で、横軸はＦｅＰｄ層の厚さ（ｎｍ）である。多層膜の磁気異方性定数（Ｋｕ）は、水平磁化の場合は負で、垂直磁化の場合は正である。
図１１に示すように、ＦｅＰｄ層の厚さが２．５ｎｍの実施例１の多層膜の磁気異方性定数Ｋｕは負である。ＣｏＦｅＢ層がＦｅＰｄ層とＭｇＯ層との間に挿入され、かつ、ＦｅＰｄ層の厚さが３ｎｍ以上である実施例２〜４の多層膜の磁気異方性定数Ｋｕは正である。特にＦｅＰｄ層の厚さが３ｎｍ、３．５ｎｍの実施例２及び実施例３では、飽和磁化Ｍｓと磁気異方性定数Ｋｕの双方が大きいことが分かった。
一方、ＣｏＦｅＢ層がＦｅＰｄ層とＭｇＯ層との間に挿入されていない比較例１〜４の場合、ＦｅＰｄ層の厚さが４ｎｍよりも小さいと、多層膜の面の水平方向に磁化し易いことが分かる。
【００５３】
上記実施例１〜４及び比較例１〜４によれば、ＣｏＦｅＢ層をＦｅＰｄ層とＭｇＯ層との間に挿入した実施例において、垂直磁化特性が良好であることが分かる。
【００５４】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、格子歪緩和層４は、自由層３及びトンネル絶縁層５の材料に応じて、その材料や厚さは適宜に設計することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１、１０：磁気抵抗素子
２：基板
３：自由層
４、９：格子歪緩和層
５：トンネル絶縁層
６：固定層
７：電極
２０：磁気メモリ
２２：選択用トランジスタ
２４：ビット線
２６：ワード線
【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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