(57)【要約】      （修正有）【課題】磁性層の飽和磁化量や保磁力を制御し、その温度依存性も制御する磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供する。【解決手段】垂直磁気異方性を有する第１磁性層２と、垂直磁気異方性を有する第２磁性層６と、第１磁性層と第２磁性層との間の第１非磁性層４と、を備える。Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍからなる群から選択された少なくとも１つの元素をｌＲとし、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる群から選択された少なくとも１つの元素をｈＲとし、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素をＴＭとし、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素をＺとしたとき、第２磁性層は、（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）ｚ（ＴＭ１−ｙＺｙ）１−ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０．１３≦ｚ≦０．２２）の磁性材料を含む。【選択図】図１
2016063150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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第１非磁性層と、を備え、
Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍからなる群から選択された少なくとも１つの元素を軽希土類元素ｌＲとし、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる群から選択された少なくとも１つの元素を重希土類元素ｈＲとし、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素を磁性遷移金属元素ＴＭとし、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素を非磁性元素Ｚとしたとき、前記第２磁性層は、（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）ｚ（ＴＭ１−ｙＺｙ）１−ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０．１３≦ｚ≦０．２２）の組成の磁性材料を含む磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記磁性材料は、六方晶構造の結晶構造を有している請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記磁性材料は、（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）ｚ（ＴＭ１−ｙＺｙ）１−ｚ（０．１≦ｘ≦０．７、０．１８≦ｙ≦０．５４、０．１３≦ｚ≦０．２２）の組成を有している請求項１または２記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記磁性材料は、前記軽希土類元素ｌＲとして少なくともＳｍを含み、前記重希土類元素ｈＲとして少なくともＧｄを含み、且つ、前記磁性遷移金属元素ＴＭとして少なくともＣｏを含み、前記非磁性元素Ｚとして少なくともＣｕを含む請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第２磁性層に対して前記第１非磁性層と反対側に設けられ前記第２磁性層の磁化方向と反平行な磁化を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に反強磁性的な交換結合を生じさせる第１反強磁性結合層と、を更に備えた請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ前記第２磁性層の磁化方向と同じ方向の磁化を有する第４磁性層を、更に備えた請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記第２磁性層と前記第４磁性層との間に設けられた第１層を更に備えた請求項６記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
前記第１層は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの群から選択された少なくとも１つの元素、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群から選択された少なくとも１つの元素、またはＭｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｚｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む請求項７記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ前記第２磁性層の磁化方向と逆方向の磁化を有する第５磁性層と、前記第５磁性層と前記前記第２磁性層との間に設けられ前記第５磁性層と前記第２磁性層との間に反強磁性的な交換結合を生じさせる第２反強磁性結合層と、を更に備えた請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
前記第１非磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ前記第２磁性層の磁化方向と逆方向の磁化を有する第３磁性層と、前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ前記第２磁性層と前記第３磁性層との間に反強磁性的な交換結合を生じさせる反強磁性結合層と、前記第２磁性層に対して前記反強磁性結合層と反対側に設けられ前記第２磁性層の磁化方向と同じ方向の磁化を有する第４磁性層と、前記第２磁性層と前記第４磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、を更に備えた請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、
ソースおよびドレインのうちの一方が前記磁気抵抗素子の前記第１および第２磁性層のうちの一方に電気的に接続される選択トランジスタと、
前記磁気抵抗素子の前記第１および第２磁性層のうちの他方に電気的に接続される第１配線と、
前記選択トランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続される第２配線と、
前記選択トランジスタのゲートに電気的に接続される第３配線と、
を備えた磁気メモリ。
【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】
磁気抵抗素子（magnetoresistive element）としてのＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、磁化方向が可変な記憶層と、磁化方向が不変の参照層と、記憶層と参照層との間に設けられた絶縁層とを有する積層構造を有している。このＭＴＪ素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ: Tunneling Magnetoresistive）効果を示すことが知られており、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ: Magnetic Random Access Memory）におけるメモリセルの記憶素子として用いられる。
【０００３】
ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子に含まれる磁性層の磁化の相対角度の変化により情報（“１”、“０”）を記憶し、不揮発性である。また、磁化反転速度は数ナノ秒であることから、データの高速書き込み、高速読み出しが可能である。したがって、ＭＲＡＭは、次世代の高速不揮発性メモリとして期待されている。また、スピン分極電流により磁化を制御するスピン注入磁化反転と呼ばれる方式を利用すれば、ＭＲＡＭのセルサイズを低減することで電流密度を増加させることができる。このため、記憶層の磁化反転を容易に実現することが可能となり、高密度、低消費電力のＭＲＡＭを実現することができる。
【０００４】
不揮発性メモリの高密度化を考えた場合、磁気抵抗素子の高集積化は欠かせない。しかし、磁気抵抗素子を構成する強磁性体は、素子サイズの低減化に伴い熱擾乱耐性が劣化する。このため、強磁性体の磁気異方性および熱擾乱耐性を向上させることが課題となる。
【０００５】
この問題を解決するために近年、強磁性体の磁化が膜面に垂直な方向を向く垂直ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭの構築が試みられている。垂直ＭＴＪ素子を構成する磁性材料は、垂直磁気異方性を有する。垂直磁気異方性を発現させるために、結晶磁気異方性や界面磁気異方性を有する材料が選択される。例えば、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄなどは強い結晶磁気異方性を有する材料である。他にもＭｇＯをトンネルバリア層として用いたＭＴＪ素子として、ＣｏＦｅＢに代表される界面垂直磁気異方性を有する材料を用いたものも報告されている。
【０００６】
ＭＴＪ素子は、記憶層と、参照層と、記憶層と参照層との間に設けられたトンネルバリア層とを有している。記憶層及び参照層は磁性体からなっており、外部に対して磁場を発生している。一般に、記憶層及び参照層が垂直磁化型であるＭＴＪ素子において、参照層から発生する漏れ磁場は、強磁性体の磁化が膜面に平行な方向を向く面内磁化型ＭＴＪ素子のそれに比べて大きい。また、参照層に比べて保磁力の小さい記憶層は、参照層からの漏れ磁場の影響を強く受ける。具体的には、参照層からの漏れ磁場の影響により、記憶層の磁化反転磁場のシフトが発生するとともに熱安定性を低下させる問題が発生する。
【０００７】
垂直磁化型ＭＴＪ素子において、記憶層にかかる参照層からの漏れ磁場を低減する一つの施策として、参照層の飽和磁化量を低減することや、参照層の磁化をキャンセルするような磁化方向を持つ磁性層（シフト調整層）を設けることが提案されている。しかしながら、参照層の飽和磁化量を低減することは参照層自体の熱安定性を低下させる原因となり得る。例えば、磁気メモリアレイのリフローはんだ付け工程など昇温を伴う際に参照層の磁化方向がシフト調整層や記憶層からの漏れ磁場によって反転する。このため、本来漏れ磁場を打ち消しあうよう配置すべき参照層とシフト調整層の磁化方向が一致してしまい、より大きな漏れ磁場が記憶層にかかるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１１５６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本実施形態は、磁性層の飽和磁化量や保磁力を制御することができるとともにその温度依存性も制御することができる磁気抵抗効果素子およ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】
【００１０】
本実施形態による磁気抵抗素子は、垂直磁気異方性を有する第１磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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第１非磁性層と、を備え、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍからなる群から選択された少なくとも１つの元素を軽希土類元素ｌＲとし、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる群から選択された少なくとも１つの元素を重希土類元素ｈＲとし、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素を磁性遷移金属元素ＴＭとし、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素を非磁性元素Ｚとしたとき、前記第２磁性層は、（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）ｚ（ＴＭ１−ｙＺｙ）１−ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０．１３≦ｚ≦０．２２）の組成の磁性材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図２】第１実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図３】第２実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図４】第３実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図５】第４実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図６】第５実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図７】第６実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図８】Ｓｍ−Ｃｏの状態図。
【図９】Ｓｍ（Ｃｏ，Ｃｕ）磁性膜における、保磁力Ｈｃの（Ｃｏ，Ｃｕ）組成依存性を示す図。
【図１０】（Ｓｍ、Ｇｄ）17Ｃｏ83磁性膜のＫｅｒｒ効果の測定結果を示す図。
【図１１】（Ｓｍ，Ｇｄ）17（Ｃｏ，Ｃｕ）83磁性膜のＫｅｒｒ効果の測定結果を示す図。
【図１２】図１２（ａ）は（Ｓｍ，Ｇｄ）17（Ｃｏ，Ｃｕ）83膜面上のＸＲＤ測定点を示す図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示す測定点における（Ｓｍ，Ｇｄ）17（Ｃｏ，Ｃｕ）83磁性膜のＸＲＤ測定結果を示す図。
【図１３】図１３（ａ）、１３（ｂ）はそれぞれ、飽和磁化のＣｕ置換量依存性およびＧｄ置換量依存性の測定結果を示す図。
【図１４】図１４（ａ）、１４（ｂ）はそれぞれ、（Ｓｍ，Ｇｄ）17（Ｃｏ，Ｃｕ）83磁性膜のＳｍに対するＧｄ置換量およびＣｏに対するＣｕ置換量を変化させた場合の保磁力の測定結果を示した図。
【図１５】（Ｓｍ，Ｇｄ）17（Ｃｏ，Ｃｕ）83磁性膜のＳｍに対するＧｄ置換量およびＣｏに対するＣｕ置換量を変化させた場合の保磁力の測定結果をまとめた図。
【図１６】（Ｓｍ，Ｇｄ）17（Ｃｏ，Ｃｕ）83磁性膜の保磁力Ｈｃの温度依存性を示す図。
【図１７】第７実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図。
【図１８】第７実施形態による磁気メモリの回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１３】
（第１実施形態）
第１実施形態による磁気抵抗素子を図１に示す。第１実施形態の磁気抵抗素子１は、シングルピン構造のＭＴＪ素子である。磁気抵抗素子１は、磁性膜を含む記憶層２と、磁性膜を含む参照層６と、記憶層２と参照層６との間に設けられた非磁性層４と、参照層６に対して非磁性層４と反対側に設けられた、磁性層を含むシフト調整層１０と、参照層６とシフト調整層１０との間に設けられた反強磁性結合層８と、を有する積層構造を備えている。すなわち、第１実施形態の磁気抵抗素子１は、記憶層２、非磁性層４、参照層６、反強磁性結合層８、およびシフト調整層１０が、この順序で積層された積層構造（図１において、記憶層２からシフト調整層１０に向けて順次積層された積層構造）を有している。また、図２に示す第１実施形態の変形例による磁気抵抗素子のように、シフト調整層１０、反強磁性結合層８、参照層６、非磁性層４、および記憶層２が、この順序で積層された積層構造であってもよい。すなわち、図２に示す変形例においては、図１に示す積層順序と逆の順序で積層された積層構造を有している。そして、第１実施形態の磁気抵抗素子１においては、記憶層２、参照層６、およびシフト調整層１０はそれぞれ垂直磁気異方性を有している。すなわち、第１実施形態の磁気抵抗素子１は、各層の磁化方向が膜面に対して垂直方向に向く垂直磁化型のＭＴＪ素子である。ここで、「膜面」とは、各層の上面を意味する。
【００１４】
記憶層２は、スピン偏極した電子の作用により磁化の向きが反転することが可能な磁性層である。記憶層２としては、磁性遷移元素（Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，またはＮｉ）からなる金属、上記磁性遷移元素を少なくとも１つ含む合金、或いは磁性遷移元素と非磁性元素（例えば、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｂｉ等から選択された少なくとも１つの元素）とを含む合金が用いられる。
【００１５】
参照層６およびシフト調整層１０は、磁化が互いに逆方向に向いた磁化配列、すなわち反平行の磁化配列を有している。この磁気抵抗素子１は、非磁性層４が絶縁体の場合は例えば、ＭｇＯが用いられ、ＴＭＲ効果を有する。また、非磁性層４が導電体の場合はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の単体または合金等が用いられ、ＧＭＲ効果を有する。
【００１６】
反強磁性結合層８は磁性層間に挿入することで、これらの磁性層間に反強磁性的な層間交換結合を生じさせる。反強磁性結合層８としては、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ等から選択された１つの金属元素を含む金属層、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅのうち１つ以上の３ｄ遷移元素を含む合金、或いは上記金属元素と遷移金属元素とを含む合金が用いられる。例えば３ｄ遷移元素を用いた合金としてはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＦｅＲｈなどの合金が用いられる。また反強磁性結合層８として単体の希土類元素（Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる群から選択された１つの元素）を含む層、或いは、希土類元素と遷移金属元素とを含む合金（例えば、ＴｂＣｏＦｅ、またはＧｄＣｏ等）を用いてもよい。
【００１７】
（書き込み方法）
第１実施形態および以下の実施形態で説明する磁気抵抗素子において、記憶層２の磁化方向を参照層６の磁化方向に対して反平行から平行にする場合には、電流とは逆向きの流れとなる電子流を参照層６から記憶層２に向かって流す。この場合、参照層６を通過した電子はスピン偏極される。このスピン偏極された電子は、非磁性層４を通って記憶層２に流入する。記憶層２に流入した電子は記憶層２の磁化にスピントルクを及ぼし、記憶層２の磁化方向を参照層６の磁化方向に平行となるように作用する。これにより、記憶層２の磁化方向が参照層６の磁化方向と平行になる。
【００１８】
また、記憶層２の磁化方向を参照層６の磁化方向に対して平行から反平行にする場合には、電子流を記憶層２から参照層６に向かって流す。この場合、記憶層２を通過した電子はスピン偏極される。このスピン偏極された電子は、非磁性層４を通って参照層６に向かう。スピン偏極された電子のうち、参照層６の磁化方向と同じ方向のスピンを有する電子は、参照層６を通過する。しかし、参照層６の磁化方向と逆方向のスピンを有する電子は、非磁性層４と参照層６との界面で反射され、非磁性層４を通って記憶層２に流入する。記憶層２に流入した電子は、記憶層２の磁化にスピントルクを及ぼし、記憶層２の磁化方向を参照層６の磁化方向とは反平行となるように作用する。これにより、記憶層２の磁化方向が参照層６の磁化方向と反平行になる。
【００１９】
（読み出し方法）
読み出し方法は、記憶層２および参照層６のうちの一方から他方に読み出し電流を流し、磁気抵抗素子１の両端の電圧または電流を測定することにより、記憶層２の磁化方向が参照層６の磁化方向と平行であるか、反平行であるかを判定する。平行である場合は磁気抵抗素子１の両端の電気抵抗が低く、反平行である場合は、磁気抵抗素子１の両端の電気抵抗が高くなる。
【００２０】
（第２実施形態）
第２実施形態による磁気抵抗素子を図３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、非磁性層４と参照層６の間に磁性界面層５を挿入した構造を有している。これは、磁性界面層５を挿入することにより磁気抵抗素子１Ａで十分大きなＴＭＲ効果を発現するためである。磁性界面層５は、垂直磁気異方性を有し、すなわち磁化方向が膜面に垂直で、かつ参照層６の磁化方向と同じ向きを有している。
【００２１】
この磁性界面層５には磁性遷移金属元素（Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）の合金、上記磁性遷移金属元素の群から選択された少なくとも１つの元素とホウ素Ｂとの化合物（例えば、ＦｅＢ、またはＣｏＦｅＢなど）、或いは上記磁性遷移金属元素の群から選択された少なくとも１つの元素と非磁性金属元素（Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｇｅ）の群から選択された少なくとも１つの非磁性金属元素とを含むホイスラー合金等が用いられる。
【００２２】
なお、図３に示す第２実施形態の磁気抵抗素子１Ａにおいては、記憶層２、非磁性層４、磁性界面層５、参照層６、反強磁性結合層８、およびシフト調整層１０がこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、シフト調整層１０、反強磁性結合層８、参照層６、磁性界面層５、非磁性層４、および記憶増２が、この順序で積層された構造であってもよい。
【００２３】
（第３実施形態）
第３実施形態による磁気抵抗素子を図４に示す。この第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂは、図３に示す第２実施形態の磁気抵抗素子１Ａにおいて、磁性界面層５と参照層６との間に機能層７を挿入した構造を有している。機能層７の挿入は、１）磁性界面層５より上層の成膜プロセスの際に磁性界面層５と参照層６との構成元素が相互拡散することによるＴＭＲ効果の低減を抑制する、および２）結晶構造が磁性界面層５と参照層６とで異なる場合に参照層６の結晶規則化を妨げないあるいは参照層６の結晶規則化を促進するためである。機能層７は、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗなどの高融点で結晶化し難い元素、或いは面心立方構造を持つ元素（例えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群から選択された少なくとも１つの元素）、または六方晶構造を持つ元素（例えば、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｚｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素）を含む。
【００２４】
上記した高融点で結晶化し難い元素を用いる場合、機能層７はアモルファスまたは微結晶構造となることが予想されるので、磁性界面層５以下の結晶構造が参照層６以降の形成の妨げにならないという効果を得ることができる。
【００２５】
また、上記した参照層６に含まれる磁性膜の結晶構造が六方晶構造のため、機能層７の結晶構造が面心立方構造や六方晶構造を用いることで、磁性層の結晶規則化を促進することができる。ここで、面心立方構造では優先配向面が（１１１）面で正三角形の原子配列が集まった状態のため、六方晶構造の優先配向面（０００１）面の六角形と原子配列の形状が一致するので、機能層７より上層の磁性層の結晶規則化を促進することができる。
【００２６】
なお、図４に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂにおいては、記憶層２、非磁性層４、磁性界面層５、機能層７、参照層６、反強磁性結合層８、およびシフト調整層１０がこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、シフト調整層１０、反強磁性結合層８、参照層６、機能層７、磁性界面層５、非磁性層４、および記憶増２が、この順序で積層された構造であってもよい。
【００２７】
（第４実施形態）
第４実施形態による磁気抵抗素子を図５に示す。この第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｃは、図４に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｂにおいて、磁性界面層５と参照層６との間に機能層７の代わりに反強磁性結合層８ａを設け、この反強磁性層８ａによって磁性界面層５と参照層６の磁化方向が反平行に結合させた構造を有している。
【００２８】
反強磁性結合層８ａによって磁性界面層５と参照層６との磁化方向を反平行に結合させることにより、磁性界面層５からの漏れ磁場と参照層６からの漏れ磁場の差分をシフト調整層１０で打ち消せばよい。これにより、記憶層２に掛かる漏れ磁場を低減することが可能となる。このように記憶層２に掛かる漏れ磁場が低減すると、シフト調整層１０の膜厚を薄くしても記憶層２に掛かる漏れ磁場を打ち消すことが可能となり、磁気抵抗素子に製造する際の加工膜厚の低減に繋がる利点がある。反強磁性結合層８ａとしては、反強磁性結合層８と同様に、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ等から選択された１つの金属元素を含む金属層、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅのうち１つ以上の３ｄ遷移元素を含む合金、或いは上記金属元素と遷移金属元素とを含む合金が用いられる。例えば３ｄ遷移元素を用いた合金としてはＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＦｅＲｈなどの合金が用いられる。また反強磁性結合層８ａとして単体の希土類元素（Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕからなる群から選択された１つの元素）を含む層、或いは、希土類元素と遷移金属元素とを含む合金（例えば、ＴｂＣｏＦｅ、またはＧｄＣｏ等）を用いてもよい。
【００２９】
なお、図５に示す第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいては、記憶層２、非磁性層４、磁性界面層５、反強磁性結合層８ａ、参照層６、反強磁性結合層８、およびシフト調整層１０がこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、シフト調整層１０、反強磁性結合層８、参照層６、反強磁性結合層８ａ、磁性界面層５、非磁性層４、および記憶増２が、この順序で積層された構造であってもよい。
【００３０】
（第５実施形態）
第５実施形態による磁気抵抗素子を図６に示す。この第５実施形態の磁気抵抗素子１Ｄは、図５に示す第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいて、シフト調整層１０の代わりに参照層６と同じ磁化方向を有するシフト調整層１０ａを設けるとともに、反強磁性結合層８の代わりに界面層９を参照層６とシフト調整層１０ａとの間に設けた構造を有している。このような構造により、シフト調整層１０ａと参照層６との磁化の向きが界面層９を介して平行で、かつシフト調整層１０ａと参照層６との磁化の向きが磁性界面層５の磁化の向きに対して反平行になる。この場合も、第４実施形態と同様に磁性界面層５からの漏れ磁場と参照層６からの漏れ磁場の差分をシフト調整層１０ａで打ち消せばよいことになる。磁性界面層５からの漏れ磁場量が参照層６からの漏れ磁場量に比べて大きい場合、記憶層２に印加される漏れ磁場を低減するために、シフト調整層１０ａと参照層６の磁化の向きを平行にする。この場合、界面層９には反強磁性結合を起こさない非磁性材料（例えば、Ａｌ、Ｓｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ等）、反強磁性結合が起きないよう膜厚を調整した金属材料（例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ等）、または窒化物材料（例えば、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＶＮなど）などが用いられる。
【００３１】
なお、図６に示す第５実施形態の磁気抵抗素子１Ｄにおいては、記憶層２、非磁性層４、磁性界面層５、反強磁性結合層８ａ、参照層６、界面層９、およびシフト調整層１０ａがこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、シフト調整層１０ａ、界面層９、参照層６、反強磁性結合層８ａ、磁性界面層５、非磁性層４、および記憶増２が、この順序で積層された構造であってもよい。
【００３２】
（第６実施形態）
第６実施形態による磁気抵抗素子を図７に示す。この第６実施形態の磁気抵抗素子１Ｅは、図６に示す第５実施形態の磁気抵抗素子１Ｄにおいて、界面層９およびシフト調整層１０を削除した構造を有している。この場合、磁化方向が反平行に結合して漏れ磁場を打ち消すことができるよう磁性界面層５および参照層６の飽和磁化をそれぞれ調整する。これにより、シフト調整層１０が不要となる。これに付随して界面層９も不要となる。
【００３３】
また、第６実施形態の磁気抵抗素子１Ｅは、図５に示す第４実施形態の磁気抵抗素子１Ｃにおいて、反強磁性結合層８およびシフト調整層１０を削除した構造を有している。このように、反強磁性結合層８または界面層９と、シフト調整層１０とが不要になると、磁気抵抗素子を製造する際の加工膜厚が大幅に低減することができ、素子サイズの微細化が容易になり、大容量化に寄与することが可能となる。
【００３４】
なお、図７に示す第６実施形態の磁気抵抗素子１Ｄにおいては、記憶層２、非磁性層４、磁性界面層５、反強磁性結合層８ａ、および参照層６がこの順序で積層された構造を有しているが、第１実施形態の変形例と同様に、逆の順序で積層された構造であってもよい。すなわち、参照層６、反強磁性結合層８ａ、磁性界面層５、非磁性層４、および記憶増２が、この順序で積層された構造であってもよい。
【００３５】
（磁性層）
次に、上記第１乃至第６実施形態に用いられる磁性層、特に参照層について以下に詳細に説明する。
【００３６】
上記実施形態の磁気抵抗素子の参照層は、容易に磁化反転を起こさないことおよび飽和磁化が小さいことが求められる。容易に磁化反転を起こさないためには、磁性層の保磁力および結晶磁気異方性が大きいことが必要になる。このような特徴を備えた磁性材料として希土類元素と、Ｆｅ、Ｃｏといった磁性遷移金属元素の群から選択された少なくとも１つの磁性遷移金属元素と、を組み合わせた希土類磁性材料が知られている（例えば、参考文献１（俵好夫他、「希土類永久磁石」、森北出版）参照）。
【００３７】
しかし、こうした希土類磁性材料は一般に飽和磁化の大きい場合が多く、ＭＲＡＭ用ＭＴＪ素子の参照層に使うことは出来ない。飽和磁化を減少させるために、非磁性元素を添加することで飽和磁化を単純に低下させる方法もあるが、この場合はキュリー温度の低下など磁気特性の耐熱性劣化を招く（例えば、参考文献２（JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 75、6277、15 May 1994）参照）。
【００３８】
磁気メモリの参照層として使用する場合に、ＭＴＪ素子への電流印加による昇温および磁気メモリをパッケージングする際のリフローはんだ付け工程に耐えうる耐熱性が要求される。したがって、磁気メモリの参照層として使用する場合には、磁気特性の耐熱性の劣化を抑制することが必要となる。
【００３９】
そこで、本発明者達は、鋭意研究に努めた結果、軽希土類元素と、重希土類元素と、磁性遷移金属元素と、非磁性元素と、を含む六方晶構造を有する磁性膜を参照層として用いることに思い至った。本明細書において、軽希土類元素をｌＲと表示し、重希土類元素をｈＲと表示し、磁性遷移金属元素をＴＭと表示し、非磁性元素をＺと表示する。軽希土類元素ｌＲはＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、およびＳｍからなる群から選択された少なくとも１つの元素を表し、重希土類元素ｈＲは、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群から選択された少なくとも１つの元素を表し、磁性遷移金属元素ＴＭは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素を表し、非磁性元素Ｚは、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群から選択された少なくとも１つの元素を表す。
【００４０】
この磁性膜においては、磁性遷移金属元素ＴＭと反強磁性的に結合して飽和磁化を低下させることが可能な重希土類元素ｈＲを磁性膜が含むことで飽和磁化を低下させることができる。この場合、非磁性元素を添加する場合に比べて低飽和磁化と、磁気特性（例えば、保磁力など）の耐熱性（昇温時の磁気特性）の改善の両立を行うことができる。この理由は、希土類元素と磁性遷移金属元素（例えば、Ｃｏ）の磁気モーメントの結合方向が同方向（強磁性的結合）か反対方向（反強磁性的結合）の違いで飽和磁化の大小の違いが発生する。しかし、それぞれのキュリー温度は概ね同じになる（参考文献１参照）。
【００４１】
一方、非磁性元素によって磁性遷移金属元素を置換した場合では、上記したように非磁性元素の置換量の増大に伴いキュリー温度が減少する。こうしたキュリー温度の特性は磁性膜の磁気特性にも影響を及ぼすことが予想される。つまり、上記磁性膜における磁気特性の温度依存性は、磁性膜を構成する元素によって制御可能である。また、上記磁性遷移金属元素ＴＭと強磁性的に結合する軽希土類元素ｌＲを添加する目的は、上記磁性膜の結晶構造である六方晶構造の安定化や結晶規則化の効果を促進させることである。特に、Ｓｍは状態図上においても上記六方晶構造が安定に存在する組成域を、その他の希土類元素と比較して広く持つために上記効果をより得やすいと予想される。
【００４２】
一方、非磁性元素Ｚを添加する目的は飽和磁化の低減のみならず、保磁力の増大や上記磁性膜の結晶構造である六方晶構造の結晶規則化の促進効果を得ることである。上述したように、上記磁性膜においては、希土類元素の種類と非磁性元素Ｚという２つのパラメータにより飽和磁化、および保磁力等の磁気特性のみならずその温度依存性や結晶規則化も制御することを意図している。
【００４３】
上記磁性膜は、（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）ｚ（ＴＭ１−ｙＺｙ）１００−ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、１３原子％≦ｚ≦２２原子％）と表される。以下、これについて説明する。非磁性元素Ｚの磁性遷移金属元素（例えば、Ｃｏ）に対する置換量ｙが０〜０．６となっているのは、参考文献２で、Ｃｏを６０％より多く非磁性元素で置換すると飽和磁化が殆ど失われてしまうことが示唆されているからである。
【００４４】
図８は、希土類元素と磁性遷移金属元素の代表的な組み合わせであるＳｍ−Ｃｏの状態図である。図８に示した状態図から、六方晶構造を有するＳｍＣｏ５相の単相またはＳｍＣｏ５相を含む混合相が存在する破線で囲んだ組成領域Ａと、上記六方晶構造を持つ希土類元素（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）と、磁性遷移金属元素ＴＭ、非磁性元素Ｚ（ＴＭ１−ｙＺｙ）の合金が存在する原子％組成比が対応することから、希土類元素（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）の組成範囲が１１原子％〜２２原子％で、磁性遷移金属元素ＴＭと非磁性元素Ｚの合計（ＴＭ１−ｙＺｙ）の組成範囲が残りの７８原子％〜８９原子％の組成領域で、上記磁性膜の磁性材料相を得ることが可能となる。
【００４５】
図９は、シリコン基板上に作成したＳｍ（Ｃｏ，Ｃｕ）磁性膜における、保磁力Ｈｃの（Ｃｏ，Ｃｕ）組成依存性を調べた例である。磁性材料を例えば上記参照層に適用する場合、磁化反転が容易に起きない大きな保磁力Ｈｃが必要となる。図９に示した例より、（Ｃｏ，Ｃｕ）合計組成が７８原子％以下と８７原子％以上で保磁力が大きく低下することが分かる。つまり、図８に示す状態図から予想される組成よりも狭い（Ｃｏ，Ｃｕ）合計組成が７８原子％より大きく８７原子％未満の範囲で、残りの希土類元素の組成が１３原子％以上２２原子％以下の範囲で良好な磁気特性を得ることが可能である。
【００４６】
したがって、上記磁性膜は、（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）ｚ（ＴＭ１−ｙＺｙ）１００−ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、１３原子％≦ｚ≦２２原子％）と表される。このように、良好な磁気特性が得られる組成範囲と、状態図から予想される組成範囲に違いが生じる理由として、上記した良好な磁気特性が得られる組成範囲を外れると、六方晶構造の相が存在してもその他の相による磁気特性が支配的になるためと考えられる。
【００４７】
次に、上記磁性膜の好ましい組成について更に詳細に説明する。
【００４８】
図１０および図１１を参照して、軽希土類元素ｌＲとしてＳｍ、重希土類元素ｈＲとしてＧｄを用いた場合の磁性膜を説明する。図１０および図１１はそれぞれ、サファイア基板上に作成した、（Ｓｍ１−ｘＧｄｘ）１７（Ｃｏ１−ｙＣｕｙ）８３（０＜ｘ≦１、ｙ＝０）で表される磁性膜の９個の試料および（Ｓｍ１−ｘＧｄｘ）１７（Ｃｏ１−ｙＣｕｙ）８３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）で表される磁性膜の９個の試料のＫｅｒｒ効果の測定結果を示す図である。各図において、９種類の試料の測定結果が３×３のマトリクス状に配列されている。各測定結果において、横軸が外部磁界で縦軸が磁化量を示したグラフである。なお、図１０、図１１は、いずれも成膜条件および膜厚等が同一となるように作成された磁性膜の測定結果を示す図である。
【００４９】
図１０に示すマトリクス状に配列された９個の測定結果は、Ｃｏ濃度が試料の全てで同一になっている。しかし、横方向に配列された測定結果は、Ｓｍ（実線矢印）とＧｄ（破線矢印）がそれぞれ矢印の方向（横方向に）に組成比ｘが０〜１となるように濃度勾配が付けられた磁性膜の測定結果を示す。また、図１１に示すマトリクス状に配列された９個の測定結果は、Ｓｍ（実線矢印）とＧｄ（破線矢印）がそれぞれ矢印の方向（横方向）に組成比ｘが０〜１となるように濃度勾配が付けられ、Ｃｏ（実線矢印）とＣｕ（破線矢印）がそれぞれ矢印の方向（縦方向）に組成比ｙが０〜０．６となるように濃度勾配が付けられた磁性膜の測定結果を示す。
【００５０】
Ｃｕを含まない磁性膜の図１０に示す測定結果と、Ｃｕを含んだ磁性膜の図１１に示す測定結果とからわかるように、磁化曲線が開き、磁性膜の磁化反転を起こす保磁力が大きい。図１１に示す測定結果を詳しく見ると、Ｃｕ濃度が増大するほど磁化曲線の保磁力が大きくなる傾向がある。特に、Ｇｄ濃度が高い組成領域ではＣｕ濃度が高い領域で磁化曲線が開いて磁性膜が磁化され、Ｃｕ濃度が低下すると磁化曲線が開かず磁化しないことがわかる。また、Ｇｄ濃度が低下しＳｍ濃度が増大すると、磁化曲線が開いて磁性膜が磁化する傾向も示されている。このことは、希土類元素Ｓｍの添加量を増大することで垂直磁化しやすくなることを意味している。
【００５１】
図１２（ａ）、１２（ｂ）は、（Ｓｍ１−ｘＧｄｘ）１７（Ｃｏ１−ｙＣｕｙ）８３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）で表される磁性膜の１５個の試料のＸＲＤ（X-ray diffraction）測定の結果を示す図である。図１２（ａ）はＸＲＤ測定を行った１５個の試料１〜１５の概略の組成を示す図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）で示した試料１〜１５に対応するＸＲＤ測定結果を示す図である。図１２（ｂ）の横軸は角度で縦軸はＸＲＤ測定結果の強度を示している。また、図１２（ｂ）に示す通り、得られたＸＲＤ測定結果の２２°および４５°付近のピークは、上記試料に用いられた磁性膜に由来するピークであり、４２°付近のピークは上記磁性膜が形成された基板に由来するピークを示す。
【００５２】
これら試料１〜１５のＸＲＤ測定結果において、２２°付近の磁性膜に由来するピークに着目すると、試料１〜５のグループ、試料６〜１０のグループ、および試料１１〜１５のグループの順にＣｕ濃度の低下するに伴い、ピーク強度が減少することがわかる。つまり、Ｃｕ濃度が増大するほど、磁性膜の結晶規則化が促進されることを示唆している。結晶化が促進されると、磁性膜から期待される磁気特性を発現することが可能となるため、Ｃｕ濃度の増大に伴い磁性膜の磁化が容易になると考えられる。
【００５３】
図１０乃至図１２（ｂ）に示す測定結果から、成膜の際に初期層から終端層に向かってＣｕ等の非磁性元素Ｚおよび希土類元素におけるＳｍ等の軽希土類元素ｌＲの濃度が変調された磁性膜を作成することで、初期層から終端層に向かって結晶規則化の起こり易さおよび磁化の増減を制御した磁性膜の作成が可能になることを示している。
【００５４】
図１３（ａ）、１３（ｂ）は、（Ｓｍ１−ｘＧｄｘ）１７（Ｃｏ１−ｙＣｕｙ）８３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）で表される磁性膜の５個の試料の飽和磁化の測定結果を示す図である。図１３（ａ）は飽和磁化のＣｏに対するＣｕ置換量依存を示した図で、Ｓｍ，Ｇｄの組成比は固定している。図１３（ｂ）は飽和磁化のＳｍに対するＧｄ置換量依存を示した図で、Ｃｏ，Ｃｕの組成比は固定している。図１３（ａ）において、横軸はＣｏに対するＣｕ置換量の割合（％）を示し、縦軸は飽和磁化（ｅｍｕ／ｃｃ）を示している。図１３（ｂ）において、横軸はＣｏに対するＣｕ置換量の割合（％）を示し、縦軸は飽和磁化（ｅｍｕ／ｃｃ）を示している。図１３（ａ）、１３（ｂ）からわかるように、Ｃｕ、Ｇｄの置換量を増大させることで飽和磁化を減少させ得る。すなわち、希土類元素および非磁性元素の２つのパラメータを用いて、磁性膜の磁気特性（飽和磁化）を制御することが可能となることを示唆している。
【００５５】
次に、（Ｓｍ１−ｘＧｄｘ）１７（Ｃｏ１−ｙＣｕｙ）８３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）で表される磁性膜に関する複数の試料の保磁力Ｈｃを測定した結果を図１４（ａ）、１４（ｂ）に示す。図１４（ａ）は保磁力のＣｏに対するＣｕ置換量依存を示した図で、Ｓｍ，Ｇｄの組成比は固定している。図１４（ｂ）は保磁力のＳｍに対するＧｄ置換量依存を示した図で、Ｃｏ，Ｃｕの組成比は固定している。図１４（ａ）において、横軸はＣｏに対するＣｕ置換量の割合（％）を示し、縦軸は保磁力（ｋＯｅ）を示している。図１４（ｂ）において、横軸はＣｏに対するＣｕ置換量の割合（％）を示し、縦軸は保磁力（ｋＯｅ）を示している。
【００５６】
また、上記保磁力の測定結果をまとめた結果を図１５に示す。図１５に示した通り、縦の列はＣｏに対するＣｕ置換量を変化させた場合の保磁力の測定結果を示し、横の列はＳｍに対するＧｄ置換量を変化させた場合の保磁力の測定結果を示す。保磁力Ｈｃの測定単位はｋＯｅである。図１５において、あまり大きな保磁力の得られなかった組成を斜線で表示している。これに対して、８ｋＯｅを超える大きな保磁力が得られた範囲を斜線なしで表示している。
【００５７】
図１５に示す測定結果から、大きな保磁力が得られる組成領域はＣｕ置換量とＧｄ置換量の２つのパラメータで決まることがわかる。しかし、傾向としてＣｕ置換量が６％以下ではＣｕ置換量が少なすぎるために大きな保磁力を得にくいことがわかる。また、同様にＧｄ置換量が９０％以上ではＧｄ置換量が多すぎるために大きな保磁力を得にくいこともわかる。これらの傾向は、上記図１０乃至図１２（ｂ）で示された傾向とも合致する。
【００５８】
図１５に示す測定結果をまとめると、大きな保磁力を得ることが容易な最適組成範囲として、Ｃｏに対するＣｕ置換量が１８％以上５４％以下であることが望ましく、Ｓｍに対するＧｄ置換量は１０％以上７０％以下であることが望ましいことがわかる。すなわち、磁性膜は、（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）ｚ（ＴＭ１−ｙＺｙ）１−ｚ（０．１≦ｘ≦０．７、０．１８≦ｙ≦０．５４、０．１３≦ｚ≦０．２２）である組成を有していれば、大きな保磁力を得ることができる。
【００５９】
ただし、Ｃｕ置換量が６％以下でもＧｄ置換量が１０％以下なら大きな保磁力は得られるし、Ｇｄ置換量が９０％以上と多くても、Ｃｕ置換量が４８％以上あれば大きな保磁力を得ることが可能である。
【００６０】
図１６は、（Ｓｍ１−ｘＧｄｘ）１７（Ｃｏ１−ｙＣｕｙ）８３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６）で表される磁性膜における保磁力の温度依存性を示す図である。この保磁力の温度依存性は、ＣｕおよびＧｄ置換量に対して測定した結果である。図１６の横軸は測定温度を示し、縦軸は各測定温度における保磁力Ｈｃ（Ｔ）を最低測定温度である１００Ｋ時の保磁力Ｈｃ（１００Ｋ）で規格化した値を示している。この測定に用いた試料は、Ｃｏに対してＣｕ５０％、Ｓｍに対してＧｄ１０％で置換した組成を持つ試料と、同様にＣｕ３０％、Ｇｄ５０％で置換した組成の試料である。これら試料の組成域はそれぞれ、上記図１１に示す測定結果におけるＳｍ、Ｃｕ量が最大の組成域と、中心組成域の磁化曲線に対応しており、磁化曲線からは上記２つの試料の磁化の大きさは同等なことが示されている。
【００６１】
図１６に示すＣｕ５０％、Ｇｄ１０％で置換した組成を持つ試料と比較して、Ｃｕ３０％，Ｇｄ５０％置換した組成の試料では保磁力の温度上昇に対する低下率が小さいことが示されている。つまり、Ｃｕ置換量を大きくして飽和磁化を低下させた場合と、Ｇｄ置換量を大きくして飽和磁化を低下させた場合を比較すると、同程度の飽和磁化であってもＧｄ置換量が大きい場合の方が保磁力の温度上昇に対する低下を抑制することができることがわかる。このことは、磁性膜における磁気特性の温度依存性が置換元素種を調整することによって制御可能であることを示している。
【００６２】
上述したことにより、第１乃至第６実施形態の磁気抵抗素子の参照層が（ｌＲ１−ｘｈＲｘ）ｚ（ＴＭ１−ｙ、Ｚｙ）１００−ｚ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、１３原子％≦ｚ≦２２原子％）と表される磁性膜を備えていれば、飽和磁化量や保磁力を制御することができるとともにその温度依存性も制御することできる。
【００６３】
（第７実施形態）
第７実施形態による磁気メモリについて図１７および図１８を参照して説明する。第７実施形態の磁気メモリは少なくとも１個のメモリセルを有し、このメモリセルの断面図を図１７に示す。メモリセル５３は、第１乃至第６実施形態の磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）を記憶素子として有している。以下の説明では、メモリセル５３は、第１実施形態の磁気抵抗素子１を記憶素子として備えているものとする。
【００６４】
図１７に示すように、磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）１の上面は、上部電極３１を介してビット線３２に接続されている。また、ＭＴＪ素子１の下面は、下部電極３３、引き出し電極３４、およびプラグ３５を介して、半導体基板３６の表面のソース／ドレイン領域のうちドレイン領域３７ａと接続されている。ドレイン領域３７ａは、ソース領域３７ｂ、基板３６上に形成されたゲート絶縁膜３８、ゲート絶縁膜３８上に形成されたゲート電極３９と共に、選択トランジスタＴｒを構成する。選択トランジスタＴｒとＭＴＪ素子１とは、ＭＲＡＭの１つのメモリセルを構成する。ソース領域３７ｂは、プラグ４１を介してもう１つのビット線４２と接続されている。なお、引き出し電極３４を用いずに、下部電極３３の下方にプラグ３５が設けられ、下部電極３３とプラグ３５が直接接続されていてもよい。ビット線３２、４２、電極３１、３３、引き出し電極３４、およびプラグ３５、４１は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕのいずれかの元素から形成されている。
【００６５】
本実施形態の磁気メモリとしてのＭＲＡＭは、図１７に示す１つのメモリセルが例えば行列状に複数個設けられることにより、ＭＲＡＭのメモリセルアレイが形成される。
【００６６】
図１８は第７実施形態による磁気メモリ１００の回路図である。図１８に示すように、ＭＴＪ素子１と選択トランジスタＴｒとを備えたメモリセル５３がマトリクス状に配置されている。同じ列に属するメモリセル５３の一方の端子は同一のビット線３２に接続され、他方の端子は同一のビット線４２に接続されている。同じ行に属するメモリセル５３の選択トランジスタＴｒのゲート電極（ワード線）３９は相互に接続され、さらにロウデコーダ５１と接続されている。
【００６７】
ビット線３２は、トランジスタ等のスイッチ回路５４を介して電流ソース／シンク回路５５と接続されている。また、ビット線４２は、トランジスタ等のスイッチ回路５６を介して電流ソース／シンク回路５７と接続されている。電流ソース／シンク回路５５、５７は、書き込み電流を、接続されたビット線３２、４２に供給したり、接続されたビット線３２、４２から引き抜いたりする。
【００６８】
ビット線４２は、また、読み出し回路５２に接続されている。読み出し回路５２は、ビット線３２に接続されていてもよい。読み出し回路５２は、読み出し電流回路、センスアンプ等を含んでいる。
【００６９】
書き込みの際、書き込み対象のメモリセルと接続されたスイッチ回路５４、５６および選択トランジスタＴｒがオンすることにより、書き込み対象のメモリセルを介する電流経路が形成される。そして、電流ソース／シンク回路５５、５７のうち、書き込まれるべき情報に応じて、一方が電流ソースとして機能し、他方が電流シンクとして機能する。この結果、書き込まれるべき情報に応じた方向に書き込み電流が流れる。
【００７０】
書き込み速度としては、数ナノ秒から数マイクロ秒までのパルス幅を有する電流でスピン注入書込みを行うことが可能である。
【００７１】
読み出しの際、書き込みと同様にして指定されたＭＴＪ素子１に、読み出し電流回路５２によって磁化反転を起こさない程度の小さな読み出し電流が供給される。そして、読み出し回路５２のセンスアンプは、ＭＴＪ素子１の磁化の状態に応じた抵抗値に起因する電流値あるいは電圧値を、参照値と比較することで、その抵抗状態を判定する。
【００７２】
なお、読み出し時は、書き込み時よりも電流パルス幅が短いことが望ましい。これにより、読み出し時の電流での誤書込みが低減される。これは、書き込み電流のパルス幅が短い方が、書き込み電流値の絶対値が大きくなるということに基づいている。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態によれば、低い飽和磁化、高い垂直磁気異方性を有し、かつ高磁気抵抗比を持った磁気抵抗素子を備えた磁気メモリを得ることができる。
【００７４】
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】
【００７５】
１  磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）
２  記憶層
４  非磁性層
５  強磁性界面層
６  参照層
７  機能層
８  反強磁性結合層
８ａ  反強磁性結合層
１０  シフト調整層
１０ａ  シフト調整層
【図１】
2016063150.tif 000003
【図２】
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【図３】
2016063150.tif 000005
【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】
2016063150.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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