(57)【要約】      （修正有）【課題】高集積化に伴うＭＲＡＭの技術的課題の一つである素子の微細化に伴う熱的安定性の低下を低減させたトンネル磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ）素子を提供する。【解決手段】バリア層１４の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層１５と、バリア層１４の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層１３とを有し、記録層１５のバリア層１４と反対側面に接した第一の中間層１６と、固定層１３のバリア層１４と反対側面に接した第二の中間層１２とを有し、第一の中間層１６の記録層１５と反対側面に接した第一の磁性層１７と第二の中間層１２の固定層１３と反対側面に接した第二の磁性層１１とを有し、前記記録層１５、固定層１３、第一の磁性層１７、第二の磁性層１１のうち少なくとも一つがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層であること
を特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を形成する工程から選ばれる少なくとも一つの工程と同時および／またはその後に交番電磁場照射処理を施すことにより得られる配向性を有する結晶組織を含む層が配置された請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記交番電磁場照射処理が、薄膜温度１５００℃以下で行われる、請求項２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記交番電磁場照射処理における交番電磁場の周波数が、３００ＭＨｚ〜１ＴＨｚである、請求項２又は３に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記交番電磁場照射処理における交番電磁場の出力が、１ｍＷ〜１ＭＷである、請求項２〜４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記交番電磁場照射処理における、交番電磁場照射がパルス照射または連続的照射である、請求項２〜５のいずれか１項に記載の薄膜。
【請求項７】
前記各層を形成する工程が、加圧下、大気下、または減圧下で行われる、請求項２〜６のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
前記記録層の磁化がスピントランスファートルクにより反転可能な磁気メモリセルにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層であること
を特徴とする磁気メモリセル。
【請求項９】
複数の磁気メモリセルと、
前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えたランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層であり、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の書き込みを行う手段は、前記磁気メモリ セルの前記記録層をスピントランスファートルクにより磁化反転させる
ことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直磁化材料を用いた磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリ及びランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報通信機器の普及に伴い、メモリの高集積化が求められてきている。特に、不揮発性メモリ、例えばＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）の高集積化がますます重要となってきている。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗（Tunneling Magnetoresistive：ＴＭＲ）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunneling Junction）素子を要素素子として用いる。
【０００３】
高集積化に伴うＭＲＡＭの技術的課題は、低消費電力化、熱的安定性の改善およびＳ／Ｎ比の向上である。低消費電力化は、記録層の磁気特性改善によって解決可能である。また、熱的安定性の改善には、高磁気異方性定数を有する磁性材料を使用することで解決が可能である。Ｓ／Ｎ比向上については、ＴＭＲ効果の増大によって解決可能である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、垂直磁化材料を適用し、ＴＭＲ比（抵抗変化率）の高い磁気抵抗効果素子として、ＣｏＦｅＢ層／ＭｇＯバリア層／ＣｏＦｅＢ層の外側に融点が１６００℃以上の単体金属、もしくはその金属を含んだ合金からなる中間層を挿入した素子が開示されており、これを製造するためには、ＣｏＦｅＢ層の結晶化をＭｇＯ（００１）結晶側から進行させ、ＣｏＦｅＢ層をｂｃｃ（００１）で結晶配向させるために薄膜形成後のアニールが不可欠であるが、このような中間層を備えることでアニール処理後でも高いＴＭＲ比を示す垂直磁化ＭＴＪ素子を実現できることが開示されている。
【０００５】
例えば、特許文献２には、垂直ＭＴＪ素子において、高いＴＭＲ比と低い書き込み電流を維持しつつ、かつ、素子全体の抵抗増大を抑制しながら記録層及び固定層の熱安定性指数（Ｅ／ｋBＴ）を高める、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性を増大することで、素子動作の安定性を向上できる構造として、ＣｏＦｅＢを用いた垂直ＭＴＪ素子において、強磁性材料ＣｏＦｅＢからなる記録層、固定層の少なくとも一方において、トンネルバリア層と反対側に導電性酸化物層を配置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１５５０７３号公報
【特許文献２】特許５８１６８６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そして、本発明は、高集積化に伴うＭＲＡＭの技術的課題の一つである素子の微細化に伴う熱的安定性の低下を低減させたＭＴＪ素子、それを用いた磁気メモリ及びランダムアクセスメモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは鋭意研究した結果、高磁気異方性定数・高保磁力を有する材料を用いて成形した薄膜を有するＭＴＪ素子は、記録層および固定層の熱的安定性指数（Ｅ／ｋＴ）が高くなる、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性が高くなるので、超高集積に対応可能なＭＴＪ素子となることを見出した。また、高磁気異方性定数・高保磁力を有する材料を用いた薄膜製造において、交番電磁場（交番電場・交番磁場を含む）を照射することによって、当該薄膜を含むＭＴＪ多層膜構造を、バリア層との界面に垂直に記録層及び固定層が一様にc軸方向に揃ったＭＴＪ多層膜構造とすることができることを見出した。本発明はかかる新規知見に基づくものである。従って、本発明は以下の項を提供する。
【０００９】
項１．バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層であること
を特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
【００１０】
項２．記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を形成する工程から選ばれる少なくとも一つの工程と同時および／またはその後に交番電磁場照射処理を施すことにより得られる配向性を有する結晶組織を含む層が配置された項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【００１１】
項３．前記交番電磁場照射処理が、薄膜温度１５００℃以下で行われる、項２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【００１２】
項４．前記交番電磁場照射処理における交番電磁場の周波数が、３００ＭＨｚ〜１ＴＨｚである、項２又は３に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【００１３】
項５．前記交番電磁場照射処理における交番電磁場の出力が、１ｍＷ〜１ＭＷである、項２〜４のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【００１４】
項６．前記交番電磁場照射処理における交番電磁場照射が、パルス照射または連続的照射である、項２〜５のいずれか１項に記載の薄膜。
【００１５】
項７．前記各層を形成する工程が、加圧下、大気下、または減圧下で行われる、項２〜６のいずれか１項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【００１６】
項８．  記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と を備え、
前記記録層の磁化がスピントランスファートルクにより反転可能な磁気メモリセルにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層であること
を特徴とする磁気メモリセル。
【００１７】
項９．複数の磁気メモリセルと、
前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えたランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層であり、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の書き込みを行う手段は、前記磁気メモリセルの前記記録層をスピントランスファートルクにより磁化反転させる
ことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリ及びランダムアクセスメモリは、記録層および固定層の熱的安定性指数（Ｅ／ｋＴ）が高くなる、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性が高くなるので、超高集積に対応可能なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態の例を説明する図である（実施例１）。
【図２】本発明の別の実施形態の例を説明する図である（実施例２）。
【図３】本発明のさらに別の実施形態の例を説明する図である（実施例３）。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１をもとに本発明の一実施形態を説明する。磁気抵抗効果素子には、バリア層１４が配置され、そのバリア層１４の片側面に接して垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層１５が配置され、バリア層の他方側面には、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層１３が配置されている。記録層１５のバリア層と反対側面に接して第一の中間層１６が、固定層１３のバリア層と反対側面に接して第二の中間層１２が配置されている。さらに第一の中間層１６の記録層と反対側面に接して第一の磁性層１７が、第二の中間層１２の固定層と反対側面に接して第二の磁性層１１とが配置されている。
また基板上に下部電極１０が設けられ、その上に上記多層構造が積層されている。上記多層構造の上部にはキャップ層１８を介して上部電極１９が配置されている。図示していないが下部電極、上部電極には、上記多層構造のＭＴＪに電流を流すための配線が接続されている。
【００２１】
ここで、記録層、固定層および第二の磁性層をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層としている。これら記録層、固定層および第二の磁性層の少なくとも一つは、形成する工程と同時および／またはその後に交番電磁場照射処理を施すことにより、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織を含む層となっている。
【００２２】
これらＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層は、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂを主相としており、添加元素として、Ｄｙ、Ｐｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｏ、Ｃ、Ｎなどを含んでいても良く、結晶化後はＦｃｃ−ＮｄＯｘ相、Ｎｄ３０Ｆｅ６６Ｂ３Ｃｕ相、Ｎｄ−Ｃｕ合金相、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｃｕu合金相などを含んでいても良い。
【００２３】
各層の材料等を例示する。バリア層１４にＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用いることができる。その片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層１５にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層（膜厚：１ｎｍ）を用いることができる。また、バリア層１４の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層１３にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層（膜厚：１ｎｍ）を用いることができる。記録層１５のバリア層と反対側面に接した第一の中間層１６と、固定層１３のバリア層と反対側面に接した第二の中間層１２にＴａ（膜厚：０．５ｎｍ）を用いることができる。第一の中間層１６の記録層と反対側面に接した第一の磁性層１７にＣｏＦｅ（膜厚：０．２ｎｍ）とＰｄ（膜厚：１．２ｎｍ）の二層膜を三周期積層した多層膜（膜厚：４．２ｎｍ）を用いることができる。第二の中間層１２の固定層と反対側面に接した第二の磁性層１１にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層（膜厚：１ｎｍ）を用いることができる。また下部電極１０としてＴａ層を用いることができる。なお、第二の磁性層１１と下部電極１０の間に下地層を設けてもよく下地層としてＲｕを用いることができる。キャップ層１８はＴａ層とし、Ｃｒ／Ａｕの積層構造からなる上部電極１９を用いることができる。基板の素材としては特に限定されないが、例えば、シリカ、シリコン、ガラス等が挙げられる。
【００２４】
本実施形態では、第二の磁性層は新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織を含む層となっており、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂはｃ軸がバリア層ＭｇＯおよび第二の中間層Ｔａ面に対して垂直方向に充分に配向している。これにより第二の磁性層に中間層を介して隣接している強磁性体からなる固定層の磁化がピン止めされる。また電流を流した際の固定層の磁化揺らぎを強力に封じることができるから安定した動作をする素子となる。このような実施形態は、記録層および固定層の熱的安定性指数（Ｅ／ｋＴ）が高くなる、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性が高くなるので、超高集積に対応可能なものとなる。この素子を用いた磁気メモリ及びランダムアクセスメモリは、超高集積に対応可能なものとなる。
【００２５】
バリア層として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用い、その両側にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂを配置する構造とすることで、垂直磁化ＭＴＪ素子において抵抗変化率（ＴＭＲ比）を向上させることができる。
【００２６】
中間層を配置しているのでＴＭＲ比の耐熱性が向上する。例えば、記録層、固定層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂを熱処理すると、ホウ素（Ｂ）の拡散が起きる。その際、各層に適切な中間層が隣接しているとＢの拡散が抑制され、各層はＭｇＯ（００１）結晶の界面から結晶化し、ｂｃｃ（００１）に配向する。一方、中間層がない場合（直接、第二の磁性層が隣接する場合）、もしくは、中間層がＢの拡散を抑制しにくい材料（Ｐｄ，Ｃｕ，Ａ ｌなど）の場合、アニールによって各層中のＢが拡散によって抜けるため、低いア ニール温度でＢの抜けた合金として結晶化してしまう。その時、各層の結晶化はＭｇＯ と逆側（各層に隣接する中間層側もしくは磁性層側）から進行し、中間層もしくは 磁性層の結晶構造に影響を受けてｂｃｃ（００１）とは異なる結晶構造（ｆｃｃ構造）か 、異なる結晶方位（ｂｃｃ（１１０））で結晶化してしまう。したがって、Ｂの拡散を抑制する 非磁性材料の挿入が各層のｂｃｃ（００１）結晶を得るために有効となる。
【００２７】
この例で中間層に用いたＴａは、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂの各元素に比べて高い融点（１６００℃以上）を有する。この場合、上述したような各層の結晶化をＭｇＯ側から進行させる効果が得られる 。第一の中間層と第二の中間層としてＴａを挙げているが、それ以外にも、融点が１６００℃以上の材料である、Ｗ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｏｓ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ， Ｍｏ，Ｒｈ，Ｈｆ，Ｒｅなどを用いても、同様の効果が得られる。前記中間層は、アモルファスの強磁性体であり、かつ各層よりも結晶化温度が高い材料を用いてもよい。中間層の材料は、ＦｅＴａＮ ，ＦｅＴａＣ，ＦｅＺｒＢ，ＦｅＨｆＢ，ＦｅＴａＢ，ＣｏＺｒＮｂ，ＣｏＦｅＢＮｂ， ＣｏＦｅＺｒ，ＣｏＦｅＺｒＮｂ，ＣｏＦｅＺｒＴａ，ＣｏＴａＺｒのいずれかを用いてもよい。中間層は、Ｓｉ及びＢを含み、かつ、Ｆｅ，Ｃｏのいずれか、及び、Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａのいずれかを含んだ合金を用いてもよい。また、第一の中間層と第二の中間層に、異なる材料の組み合わせを用いてもよい。
【００２８】
第一の磁性層の垂直磁化材料としてＣｏＦｅとＰｄの積層膜を挙げたが、それ以外の垂直磁化材料を適用しても同様の効果が得られる。具体的な材料として、例えば、Ｃｏ５０Ｐｔ５０，Ｆｅ５０Ｐｔ５０，Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等のＬ１０型規則合金や、ｍ−Ｄ０１９型のＣｏ７５Ｐｔ２５規則合金、もしくは、ＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ２，ＦｅＰｔ−ＳｉＯ２など粒状の磁性体が非磁性体の母相中に分散したグラニュラー構造の材料、もしくは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのいずれかもしくは一つ以上を含む合金と、Ｒｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｒなどの非磁性金属を交互に積層した積層膜、もしくは、ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏなど、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｔｂ等の希土類金属に遷移金属を含んだアモルファス合金を用いてもよい。また、Ｃｏを含み、Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ ，Ｖ，Ｗ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｆｅ，Ｎｉの中の１つ以上の元素を含む、例えばＣｏＣｒ合金や、ＣｏＣｒＰｔ合金を用いても良い。
キャップ層としては、アニール処理による磁性層との反応や拡散の観点から 、挙げているＴａが望ましい。ただし、それ以外の材料として、Ｒｕ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｗなどの金属を用いてもよい。
【００２９】
本実施形態の特徴のひとつは、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を作製しているとき及び／またはその後に交番電磁場を印加することで、少なくとも一つの層が新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織を含む層としていることである。交番電磁場を印加することで、例えば、層を構成する薄膜の材料である高磁気異方性材料の結晶成長方向を変化させ、薄膜の配向制御を行うことができる。また、高磁気異方性定数を有する材料が交番電磁場をよく吸収するため、二層以上からなる薄膜を製造する実施形態においては、上記変化とともに、磁気記録層のみにエネルギーを与える選択加熱によって、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織をえることができる。例えば、交番電磁場照射により、薄膜界面をきれいに保ったまま正方晶Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ結晶を面直方向にｃ軸を高配向させることができる。
【００３０】
薄膜
本発明は、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のいずれかが垂直磁化層であるＭＴＪ多層構造からなる磁気抵抗効果素子であって、前記垂直磁化層が、Kuが106〜109 erg cm-3の強磁性体を主成分とする。
【００３１】
本発明において、当該高磁気異方性粒子の主成分となる強磁性体としては、磁気異方性の高い強磁性体であれば特に限定されず、磁気異方性定数（Ku）が106〜109 erg cm-3であり、好ましくは、5×106〜109 erg cm-3、より好ましくは107〜8×108 erg cm-3の範囲となるよう適宜材料を選択することができる。
【００３２】
本発明にかかる薄膜の製造方法は特に限定されないが、例えば、Kuが106〜109 erg cm-3の強磁性体を含む材料を用いて薄膜を形成する工程、及び上記薄膜形成工程と同時に及び／又はその後に、当該薄膜に交番電磁場照射を行う工程を含む方法等により得ることができる。従って、本発明は、かかる薄膜の製造方法も提供する。
【００３３】
薄膜形成工程
記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層はそれぞれの原材料を用いた薄膜形成工程により製造される。本発明にかかる薄膜成形工程は、高磁気異方性定数を有する材料を用いて配向ナノ柱状粒子を有する垂直磁化薄膜を形成する工程を含む。
【００３４】
本発明にかかる薄膜の形成方法は、特に限定されず、スパッタリング、化学的気相堆積法（CVD）、蒸着、イオンプレーティング、イオンビーム蒸着、ディップコート、スピンコート、スプレーコート、メッキおよびその他の方法を適宜選択することができる。これらの薄膜の形成に用いる基板としては特に限定されず、例えば、サファイア、シリコン、石英、金属酸化物（ＭｇＯ等）、金属窒化物（ＧａＮ、ＡｌＮ等）、金属炭化物（ＳｉＣ等）等に代表される無機材料及びポリカーボネート等に代表される有機材料等が挙げられる。また、薄膜の形成方法は、基板上に薄膜を形成する方法だけでなく、水等の媒体中でのレーザーアブレーション等で行ってもよい。また、薄膜の形成工程は、大気下、減圧下、加圧下のいずれで行ってもよく、塗膜の形成方法、原料等に応じて適宜設定することができる。成膜工程の温度も特に限定されず、例えば、常温（例えば、25℃）〜1500℃までの範囲で適宜設定することができる。
【００３５】
本発明にかかる製造方法により得られる薄膜の膜厚は特に限定されず、例えば、０．１ｎｍ以上、１ｎｍ以上、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上等の範囲で適宜設定できる。また、薄膜の膜厚の上限も特に限定されず、例えば、１μｍ以下、５００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、１００ｎｍ以下、５０ｎｍ以下等の範囲で適宜設定できる。
【００３６】
本発明にかかる製造方法においては、薄膜の膜厚は好ましくは、０．１ｎｍ〜１μｍの範囲であっても良く、より好ましくは０．２ｎｍ〜５００μｍの範囲であってもよく、望ましくは０．２ｎｍ〜２００ｎｍの範囲であってもよい。
【００３７】
交番電磁場照射工程
本発明にかかる製造方法は、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を形成する工程から選ばれる少なくとも一つの工程と同時および／またはその後に交番電磁場照射処理を施す照射工程を含む。なお膜の成形中に照射する場合は、その照射対象は薄膜及び／又はその原料となる。交番電磁場の照射によるエネルギーは物質と相互作用して物質の変化をもたらし、かつ選択された物質に作用させることができる点が、他の熱処理とは異なるが、その作用メカニズムや照射済物質の形態の変化は対象物質ごとに複雑で充分には解明されていない。本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を形成する工程から選ばれる少なくとも一つの工程と同時および／またはその後に交番電磁場照射処理を施すことにより得られる配向性を有する結晶組織を含む層が配置されたトンネル磁気抵抗効果素子となっていると言える。
【００３８】
当該交番電磁場照射により得られる、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織は、例えば高磁気異方性を有する材料からなる薄膜の形態が高配向ナノ柱状粒子である。よって、この照射処理を施すことで、記録層、固定層、第１の磁性層、第２の磁性層から選ばれる少なくとも一つ層が新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織を有する層、例えばバリア層面に垂直方向にｃ軸の配向性が良い層となっている。
【００３９】
膜の成形中に照射する、成形後の薄膜に照射する、またはその組み合わせで照射する交番電磁場としては、交番電磁場を印加できる方法であれば特に限定されず、例えば、マイクロ波、サブミリ波等を挙げることができる。また、交番電磁場照射工程は、薄膜形成の後に行っても、薄膜形成と同時（薄膜形成工程の一部で交番電磁場照射することを含む）に行っても、その両方に行ってもよい。
【００４０】
交番電磁場の周波数は特に限定されず、例えば、３００ＭＨｚ以上、０．５ＧＨｚHz以上、１ＧＨｚ以上、２ＧＨｚ以上等の範囲で適宜設定できる。また、交番電磁場の周波数の上限も特に限定されず、例えば、１ＴＨｚ以下、３００ＧＨｚ以下、３０ＧＨｚ以下、６ＧＨｚ以下、３ＧＨｚ以下等の範囲で適宜設定できる。本実施形態においては、交番電磁場照射工程の周波数条件は好ましくは、３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲であっても良く、より好ましくは９００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲であってもよく、望ましくは９００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲であってもよい。
【００４１】
交番電磁場照射の出力は特に限定されず、例えば、１ｍＷ以上、１Ｗ以上、１ｋＷ以上、５ｋＷ以上等の範囲で適宜設定できる。また、交番電磁場の出力の上限も特に限定されず、例えば、１ＭＷ以下、１００ｋＷ以下、１０ｋＷ以下、１ＭＷ以下等の範囲で適宜設定できる。本実施形態においては、交番電磁場照射工程の出力条件は好ましくは、１ｍＷ〜５００ｋＷの範囲であっても良く、より好ましくは１ｍＷ〜１０ｋＷの範囲であってもよく、望ましくは１ｍＷ〜５ｋＷの範囲であってもよい。
【００４２】
照射時間も特に限定されず、例えば、１秒以上、１分以上、５分以上等の範囲で適宜設定できる。また、照射時間の上限も特に限定されず、例えば、１日以下、１時間以下、３０分以下、１５分以下等の範囲で適宜設定できる。本実施形態においては、交番電磁場照射工程の照射時間条件は好ましくは、１秒〜１８時間の範囲であっても良く、より好ましくは１秒〜１０時間の範囲であってもよく、望ましくは１秒〜３時間の範囲であってもよい。
【００４３】
また、交番電磁場照射は、シングルモードで行っても、マルチモードで行ってもよい。さらに、交番電磁場の照射は、所定の時間、交番電磁場照射をし、その後、所定の時間、交番電磁場照射を休止する工程を繰り返す、いわゆるパルス照射を行ってもよいし、連続的に交番電磁場照射を行ってもよい。交番電磁場照射工程の温度条件は特に限定されないが、例えば、常温（例えば、２５℃）〜１５００℃の範囲（例えば、常温〜１５００℃、常温〜８００℃等）で適宜設定することができる。また、この時、基板が交番電磁場照射によりエネルギーを吸収しないもの（交番電磁場の不活性基板）であれば、当該薄膜のみに交番電磁場照射の効果を出すことができる。例えば、サファイア、シリコン、石英、MgO等は、交番電磁場照射のエネルギーを吸収する能力が弱く、不活性基板と言っても良い。
【００４４】
かかる観点からは、交番電磁場照射工程の温度条件を９００℃以下、８００℃以下、７００℃以下、６００℃以下、５００℃以下等から適宜設定することが好ましい。その際、温度条件の下限は特に限定されないが、例えば、常温以上、３０℃以上、５０℃以上、１００℃以上、１５０℃以上、２００℃以上等の条件から適宜設定することが好ましい。尚、本発明において、「交番電磁場照射工程の温度条件」とは、交番電磁場照射工程を行う装置内の環境温度ではなく、照射工程中の薄膜自体の温度を意味する。従って、交番電磁場照射工程の温度条件が７００℃以下とは、照射工程中の薄膜自体の温度が７００℃以下であることを意味する。
【００４５】
照射する交番電磁場は必要に応じて、周波数変調、位相変調、出力変調、それらを組み合わせた変調を施したものとしてもよい。
【００４６】
新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織
また、本発明は、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織、例えば、所定の高配向ナノ柱状粒子を有する薄膜も提供する。かかる薄膜は、前述した薄膜製造方法により作製することができる。
【００４７】
本発明において薄膜材料に付与される物理的・化学的特性としては、例えば、下記のものが挙げられる。原料となる高磁気異方性定数を有する材料として、ＦｅＰｔ、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂなどの高磁気異方性定数を有する金属を用いて薄膜を形成する工程、及び薄膜形成工程と同時に及び／又はその後に、当該材料に交番電磁場照射を行う工程を含む、薄膜材料を製造する方法によって、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織、例えば高配向ナノ柱状粒子を含む垂直磁化薄膜が物理的・化学的特性として提供される。
【００４８】
高磁気異方性定数を有する金属としては、強磁性体、フェリ磁性体等を用いることができ、強磁性体又はフェリ磁性体としては、例えば、強磁性体金属（例えば、白金含有金属（コバルト白金含有金属（ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ等）、鉄白金含有金属（ＦｅＰｔ等））、強磁性金属間化合物（Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ等）が挙げられる。
【００４９】
交番電磁場照射により、強磁性体又はフェリ磁性体及び常磁性体又は反強磁性体のうち、強磁性体又はフェリ磁性体のグレインに優先的に電磁波が吸収され、加熱される。その結果、強磁性体又はフェリ磁性体の結晶成長方向が電磁反応場により変化するため、強磁性体又はフェリ磁性体の各グレインが高配向を保ちつつ成長するものと考えられる。
【００５０】
本発明の好ましい磁気メモリ及びランダムアクセスメモリの実施形態
本発明のＭＴＪ素子を適用した磁気メモリ及びランダムアクセスメモリの実施形態の例を説明する。磁気メモリセルは、本発明のＭＴＪ素子を搭載している。電極を介してＭＴＪ素子に接続される配線にはＭＴＪ素子に流す電流を制御するためにスイッチング素子が接続されている。スイッチング素子としてはＣ−ＭＯＳトランジスタを用いることができる。Ｃ−ＭＯＳトランジスタは、２つのｎ型半導体とそれらに挟まれた一つのｐ型半導体からなる。ｎ型半導体にドレインとなる電極が電気的に接続され配線を介してグラウンドに接続されている。他方のｎ型半導体には、ソースとなる電極が電気的に接続されている。
【００５１】
ソース電極は配線を介してＭＴＪ素子の下部電極に接続されている。ビット線はＭＴＪ素子の上部電極に接続されている。さらにｐ型半導体にはゲート電極が設けられ、このゲート電極のＯＮ／ＯＦＦによりソース電極とドレイン電極の間の電流のＯＮ ／ＯＦＦを制御することでＭＲＪ素子に流れる電流をオン・オフ制御する。このように構成された磁気メモリセルでは、ＭＴＪ素子に流れる電流、すなわちスピントランスファートルクによりＭＴＪ素子の記録層の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録する。スピントランスファートルクは、空間的な外部磁界ではなく、主としてＭＴＪ素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがＭＴＪ素子の強磁性記録層の磁気モーメントにトルクを与える原理である。したがってＭＴＪ素子に外部から電流を供給する手段を備え、その手段を用いて電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。本実施形態では、ビット線とソース電極の間に流す電流をオン・オフすることによりＭＴＪ素子中の記録層の磁化の方向を制御する。
【００５２】
上記磁気メモリセルをアレイ状に配置したものが磁気ランダムアクセスメモリである。ゲート電極に接続されたワード線及びビット線がＭＴＪ素子を備える磁気メモリセルに電気的に接続されている。本発明のＭＴＪ素子を備えた磁気メモリセルを配置することにより、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは従来よりも低消電力で動作が可能であり、微細化に伴う熱的安定性の低下を低減させたギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択し選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段として、ワード線に接続された書き込みドライバとビット線に接続された書き込みドライバを備えている。
【００５３】
本構成の場合の書込みは、まず、電流を流したいビット線に接続された書き込みドライバにライトイネーブル信号を送って昇圧し、ビット線に所定の電流を流す。電流の向きに応じ、書き込みドライバをグランドに落として、電位差を調節して電流方向を制御する。次に所定時間経過後、ワード線に接続された書き込みドライバにライトイネーブル信号を送り、書き込みドライバを昇圧して、書き込みたいＭＴＪ素子に接続されたトランジスタをオンにする。これによりＭＴＪ素子に電流が流れ、スピントルク磁化反転が行われる。所定の時間、トランジスタをオンにしたのち、書込みドライバへの信号を切断し、トランジスタをオフにする。読出しの際は、読出したいＭＴＪ素子につながったビット線のみを読出し電圧Ｖに昇圧し、選択トランジスタのみをオンにして電流を流し、読出しを行う。この構造は最も単純な１トランジスタ＋１メモリセルの配置なので、単位セルの占める面積は小さくなり高集積なものにすることができる。
【００５４】
また本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いているので、本実施形態の磁気メモリ及びランダムアクセスメモリは、微細化に伴う熱的安定性の低下を低減させることができるので超高集積に対応可能なものとなる。
【００５５】
以上、トンネル磁気抵抗効果素子において記録層、固定層、第二の磁性層をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層とした例で説明したが、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層であればよい。例えば図２に示すように固定層、第二の磁性層をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層とすることができる。これは、図１と同様に第二の磁性層をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層としたことによる効果に加えて、バリア層に接する層をより配向性の高いものとすることによる効果を奏することになる。さらに図３に示すように第二の磁性層をＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層とすることができる。バリア層の両側に電子スピンの分極率が高い材料（ＣｏＦｅＢなど）を配置する構造とすることで、垂直磁化ＭＴＪ素子において抵抗変化率（ＴＭＲ比）を向上させることができる。また図には示していないが、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のすべてをＮｄ−Ｆｅ−Ｂ層とすることもできる。
【００５６】
＜実施例＞
以下実施例を挙げて、本発明の実施の形態をさらに具体的に説明するとともに本発明による作用効果を例証する。これらの実施例は例示及び具体的説明のためのものであり、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【００５７】
（実施例１）
図１に、実施例１におけるＭＴＪ素子の断面模式図を示す。各層の材料等を以下に示す。バリア層１４にＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。その片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層１５にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。また、バリア層１４の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層１３にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。記録層１５のバリア層と反対側面に接した第一の中間層１６と、固定層１３のバリア層と反対側面に接した第二の中間層１２にＴａ（膜厚：０．５ｎｍ）を用いた。第一の中間層１６の記録層と反対側面に接した第一の磁性層１７にＣｏＦｅ（膜厚：０．２ｎｍ）とＰｄ（膜厚：１．２ｎｍ）の二層膜を三周期積層した多層膜（膜厚：４．２ｎｍ）を用いた。第二の中間層１２の固定層と反対側面に接した第二の磁性層１１にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。また下部電極１０としてＴａ層を用いた。キャップ層１８はＴａ層とし、Ｃｒ／Ａｕの積層構造からなる上部電極１９を配置した。
【００５８】
薄膜の作製方法を具体的に示す。
上記各層はＡｒガスを用いたＲＦスパッタリング法でシリカ基板上に順次製膜した。このＭＴＪ素子を８ｍｍφに切り出した。切り出した試料は、自作のシングルモードキャビティ型マイクロ波照射装置における磁場強度最大部分に設置した。試料は石英製試験管に挿入した。本試験管はターボ分子ポンプを用いて減圧した。試料温度は放射温度計を用いて測温した。試料温度最大７００℃となるようにマイクロ波出力を約５００Ｗでパルス制御し、約１０分間、２．４５ＧＨｚマイクロ波照射し、記録層、固定層、第二の磁性層を結晶化させた。
【００５９】
第二の磁性層は、第二の中間層Ｔａ面に対して垂直に結晶構造がｃ軸配向していた。第二の磁性層Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ層は、配向しており、かつ垂直磁気異方性が大きいという特性を持つため、固定層が磁気的に安定する。固定層及び固定層の外側の強磁性層がＮｄ２Ｆｅ１４Ｂであるとしているので、ｃ軸配向したＮｄ２Ｆｅ１４Ｂが固定層の磁化をピン止めするように作用し、電流を流した時の固定層の磁化揺らぎを強力に封じることができているからと推定される。
【００６０】
（実施例２）
図２に、実施例２におけるＭＴＪ素子の断面模式図を示す。各層の材料等を以下に示す。バリア層２４にＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。その片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層２５にＣｏＦｅＢ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。また、バリア層２４の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層２３にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。記録層２５のバリア層と反対側面に接した第一の中間層２６と、固定層２３のバリア層と反対側面に接した第二の中間層２２にＴａ（膜厚：０．５ｎｍ）を用いた。第一の中間層２６の記録層と反対側面に接した第一の磁性層２７にＣｏＦｅ（膜厚：０．２ｎｍ）とＰｄ（膜厚：１．２ｎｍ）の二層膜を三周期積層した多層膜（膜厚：４．２ｎｍnm）を用いた。第二の中間層２２の固定層と反対側面に接した第二の磁性層２１にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。また下部電極２０としてＴａ層を用いた。キャップ層２８はＴａ層とし、Ｃｒ／Ａｕの積層構造からなる上部電極２９を配置した。
【００６１】
薄膜の作製方法を具体的に示す。上記各層はＡｒガスを用いたＲＦスパッタリング法でシリカ基板上に順次製膜した。このＭＴＪ素子を８ｍｍφに切り出した。切り出した試料は、自作のシングルモードキャビティ型マイクロ波照射装置における磁場強度最大部分に設置した。試料は石英製試験管に挿入した。本試験管はターボ分子ポンプを用いて減圧した。試料温度は放射温度計を用いて測温した。試料温度最大７００℃となるようにマイクロ波出力を約５００Ｗでパルス制御し、約１０分間、２．４５ＧＨｚマイクロ波照射し、記録層、固定層、第二の磁性層を結晶化させた。
【００６２】
固定層は、バリア層ＭｇＯおよび第二の中間層Ｔａ面に対して垂直に結晶構造がｃ軸配向していた。第二の磁性層は、第二の中間層Ｔａ面に対して垂直に結晶構造がｃ軸配向していた。第二の磁性層Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ層は、充分に配向しており、かつ垂直磁気異方性が大きいという特性を持つため、固定層が磁気的に安定して優れた特性を示した。固定層および固定層の外側の強磁性層がＮｄ２Ｆｅ１４Ｂであるとしているので、ｃ軸配向したＮｄ２Ｆｅ１４Ｂが固定層の磁化をピン止めするように作用し、電流を流した時の固定層の磁化揺らぎを強力に封じることができているからと推定される。
【００６３】
（実施例３）
図３に、実施例３におけるＭＴＪ素子の断面模式図を示す。各層の材料等を以下に示す。バリア層３４にＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。その片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層３５にＣｏＦｅＢ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。また、バリア層３４の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層３３にＣｏＦｅＢ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。記録層３５のバリア層と反対側面に接した第一の中間層３６と、固定層３３のバリア層と反対側面に接した第二の中間層３２にＴａ（膜厚：０．５ｎｍ）を用いた。第一の中間層３６の記録層と反対側面に接した第一の磁性層３７にＣｏＦｅ（膜厚：０．２ｎｍ）とＰｄ（膜厚：１．２ｎｍ）の二層膜を三周期積層した多層膜（膜厚：４．２ｎｍ）を用いた。第二の中間層３２の固定層と反対側面に接した第二の磁性層３１にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。また下部電極３０としてＴａ層を用いた。キャップ層３８はＴａ層とし、Ｃｒ／Ａｕの積層構造からなる上部電極３０を配置した。
【００６４】
薄膜の作製方法を具体的に示す。
上記各層はＡｒガスを用いたＲＦスパッタリング法でシリカ基板上に順次製膜した。このＭＴＪ素子を８ｍｍφに切り出した。切り出した試料は、自作のシングルモードキャビティ型マイクロ波照射装置における磁場強度最大部分に設置した。試料は石英製試験管に挿入した。本試験管はターボ分子ポンプを用いて減圧した。試料温度は放射温度計を用いて測温した。試料温度最大７００℃となるようにマイクロ波出力を約５００Ｗでパルス制御し、約１０分間、２．４５ＧＨｚマイクロ波照射し、記録層、固定層、第二の磁性層を結晶化させた。
【００６５】
固定層は、バリア層ＭｇＯおよび第二の中間層Ｔａ面に対して垂直に結晶構造がｃ軸配向していた。第二の磁性層は、第二の中間層Ｔａ面に対して垂直に結晶構造がｃ軸配向していた。第二の磁性層Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ層は、充分に配向しており、かつ垂直磁気異方性が大きいという特性を持つため、固定層が磁気的に安定して優れた特性を示した。記録層・固定層がＣｏＦｅＢであり固定層の外側の強磁性層がＮｄ２Ｆｅ１４Ｂであるとしているので、ｃ軸配向したＮｄ２Ｆｅ１４Ｂが固定層の磁化をピン止めするように作用するので、電流を流した時の固定層の磁化揺らぎを強力に封じることができているからと推定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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