(57)【要約】【課題】情報保持のために必要な高い磁化反転エネルギーを有する磁化自由層を低電流で磁化反転させることのできるスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子を提供することを可能にする。【解決手段】膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された磁化参照層２と、膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層６と、磁化参照層と磁化自由層との間に設けられた中間層４と、磁化自由層に対して中間層と反対側に設けられて磁化自由層と磁気的に結合し、反強磁性体と強磁性体との間で磁気相転移が可能な磁気相転移層８と、磁気相転移層に対して磁化自由層と反対側に設けられ、磁気相転移層に反強磁性体から強磁性体への磁気相転移を生じさせる励起層１０と、を備え、磁化自由層の磁化の向きは、中間層を介して磁化参照層および磁化自由層に通電することにより変化可能である。【選択図】図１
2009081215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された第１磁化参照層と、
膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層と、
前記第１磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた第１中間層と、
前記磁化自由層に対して前記第１中間層と反対側に設けられて前記磁化自由層と磁気的に結合し、反強磁性体と強磁性体との間で磁気相転移が可能な磁気相転移層と、
前記磁気相転移層に対して前記磁化自由層と反対側に設けられ、前記磁気相転移層に反強磁性体から強磁性体への磁気相転移を生じさせる励起層と、
を備え、
前記磁化自由層の磁化の向きは、前記第１中間層を介して前記第１磁化参照層および前記磁化自由層に通電することにより変化可能であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された第１磁化参照層と、
膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層と、
前記第１磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた第１中間層と、
前記磁化自由層に対して前記第１中間層と反対側に設けられて前記磁化自由層と磁気的に結合し、反強磁性体と強磁性体との間で磁気相転移が可能な磁気相転移層と、
前記磁気相転移層に対して前記磁化自由層と反対側に設けられ、垂直磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定されて前記第１磁化参照層の磁化の向きを略反平行となる第２磁化参照層と、
前記磁気相転移層と、前記第２磁化参照層との間に設けられ、前記磁気相転移層に反強磁性体から強磁性体への磁気相転移を生じさせる第２中間層と、
を備え、
前記磁化自由層の磁化の向きは、前記第１中間層を介して前記第１磁化参照層および前記磁化自由層に通電することにより変化可能であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記磁気相転移層は、ＦｅとＲｈを主成分とする合金であり、
ＦｅとＲｈの組成比の式：Ｆｅ１−ｘＲｈｘ（０．３≦ｘ≦０．７）で表されることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記磁気相転移層は、ＦｅとＲｈを主成分とする合金であり、
前記磁気相転移層には、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも１種類以上の元素Ａが含まれ、
前記磁気相転移層は、ＦｅとＲｈと元素Ａの組成比の式：Ｆｅ１−ｘ（Ｒｈ１−ｙＡｙ）ｘ（０．３≦ｘ≦０．７、０＜ｙ＜１）で表されることを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁化自由層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる少なくとも１種類以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄから選ばれる少なくとも１種類以上の元素を含む、強磁性体膜あるいはフェリ磁性体膜であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁化自由層は、面心正方晶を有し、Ｌ１０型規則構造相を有することを特徴とする請求項５記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁化自由層は、（００１）面に配向していることを特徴とする請求項６記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記励起層は、２００μΩｃｍ以上の比抵抗を有する材料から形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルに備えていることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子と、一端が前記磁気抵抗効果素子の一端と直列接続されたトランジスタと、を含むメモリセルと、
前記磁気抵抗効果素子の他端と接続された第１書き込み電流回路と、
前記トランジスタの他端と接続され、前記第１書き込み電流回路とともに前記磁気抵抗効果素子の一端から他端または他端から一端に向かう電流を供給する第２書き込み電流回路と、
を備えていることを特徴とする磁気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、磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しい原理に基づいて情報を記録する固体メモリが多数提案されている。中でも、固体磁気メモリとして、トンネル磁気抵抗効果（以下、ＴＭＲ（tunneling magneto resistance）ともいう）を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（以下、ＭＲＡＭ（magnetoresistive random access memory）ともいう）が知られている。ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果を発現する磁気抵抗効果素子（以下、ＭＲ素子ともいう）をメモリセルの記憶素子として用いて、ＭＲ素子の磁化の状態によってメモリセルが情報を記憶する。
【０００３】
ＭＲ素子は、磁化が可変の磁化自由層と、磁化が固着された磁化固着層とを含んでいる。磁化自由層の磁化の向きが、磁化固着層の磁化の向きと平行なときに低抵抗状態となり、反平行のときに高抵抗状態となる。この抵抗状態の違いが情報の記憶に用いられる。
【０００４】
このＭＲ素子に情報を書き込む方法として、いわゆる電流磁場書き込み方式が知られている。この方式では、ＭＲ素子の近傍に配線が配置され、この配線を流れる電流によって生じる磁場によって、ＭＲ素子の磁化自由層の磁化を反転させる。ＭＲＡＭの微細化を行うためにＭＲ素子のサイズを小さくすると、ＭＲ素子の磁化自由層の保持力Ｈｃが大きくなる。このため、磁場書き込み方式のＭＲＡＭでは、微細化の進展に伴い、書き込みに必要な電流が大きくなる傾向がある。この結果、２５６Ｍｂｉｔを超えるような大容量化に向けたメモリセルの微細化と低電流化の両立は困難である。
【０００５】
この課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動（ＳＭＴ（spin-momentum-transfer））を用いた書き込み（スピン注入書き込み）方式が提案されている（特許文献１）。スピン注入書き込み方式では、トンネル磁気抵抗効果を奏するＭＲ素子を構成する各膜の膜面に垂直に電流を流すことにより、ＭＲ素子の磁化の状態を変化（反転）させる。
【０００６】
スピン注入による磁化反転では、磁化反転に必要な電流Ｉｃは、電流密度Ｊｃで規定される。従って、ＭＲ素子の、電流が通過する面の面積が小さくなれば、磁化を反転させるための注入電流Ｉｃも小さくなる。電流密度一定で書込む場合、ＭＲ素子のサイズが小さくなれば、電流Ｉｃも小さくなるために、スピン注入書き込み方式は、原理的には、磁場書き込み方式に比べてスケーラビリティ性に優れる。
【０００７】
しかしながら、スピン注入書き込み方式を利用してＭＲＡＭを実現する場合において、情報保持に対して十分な磁化反転エネルギーを有する磁化自由層が磁化反転するために必要な電流は、現状のＭＲＡＭの実現の際に多く利用されている選択トランジスタで発生可能な電流値よりも大きいため、実質的にメモリとして動作させることができない。
【特許文献１】米国特許第６，２５６，２２３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、情報保持のために必要な高い磁化反転エネルギーを有する磁化自由層を低電流で磁化反転させることを可能にするスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子とそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された第１磁化参照層と、膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層と、前記第１磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた第１中間層と、前記磁化自由層に対して前記第１中間層と反対側に設けられて前記磁化自由層と磁気的に結合し、反強磁性体と強磁性体との間で磁気相転移が可能な磁気相転移層と、前記磁気相転移層に対して前記磁化自由層と反対側に設けられ、前記磁気相転移層に反強磁性体から強磁性体への磁気相転移を生じさせる励起層と、を備え、前記磁化自由層の磁化の向きは、前記第１中間層を介して前記第１磁化参照層および前記磁化自由層に通電することにより変化可能であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された第１磁化参照層と、膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層と、前記第１磁化参照層と前記磁化自由層との間に設けられた第１中間層と、前記磁化自由層に対して前記第１中間層と反対側に設けられて前記磁化自由層と磁気的に結合し、反強磁性体と強磁性体との間で磁気相転移が可能な磁気相転移層と、前記磁気相転移層に対して前記磁化自由層と反対側に設けられ、垂直磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定されて前記第１磁化参照層の磁化の向きを略反平行となる第２磁化参照層と、前記磁気相転移層と、前記第２磁化参照層との間に設けられ、前記磁気相転移層に反強磁性体から強磁性体への磁気相転移を生じさせる第２中間層と、を備え、前記磁化自由層の磁化の向きは、前記第１中間層を介して前記第１磁化参照層および前記磁化自由層に通電することにより変化可能であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第３の態様による磁気ランダムアクセスメモリは、第１または第２の態様のいずれかの磁気抵抗効果素子をメモリセルに備えていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の第４の態様による磁気ランダムアクセスメモリは、第１または第２の態様のいずれかの磁気抵抗効果素子と、一端が前記磁気抵抗効果素子の一端と直列接続されたトランジスタと、を含むメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子の他端と接続された第１書き込み電流回路と、前記トランジスタの他端と接続され、前記第１書き込み電流回路とともに前記磁気抵抗効果素子の一端から他端または他端から一端に向かう電流を供給する第２書き込み電流回路と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、情報保持のために必要な高い磁化反転エネルギーを有する磁化自由層を低電流で磁化反転させることを可能にするスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子とそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明の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、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。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を図１に示す。図１は、本実施形態のＭＲ素子の主要部の積層構造を示している。図１において、矢印は磁化方向を示している。
【００１６】
ＭＲ素子は、膜面に垂直に流れる双方向電流の方向に応じて、２つの定常状態の一方を取るように構成された素子である。各定常状態を、“０”データ、“１”データに対応させることによって、ＭＲ素子は２値のデータを記憶できる。これをスピン注入書き込み方式といい、電流通電方向によって、磁化の状態が変化し、この状態に応じた情報を記憶する。
【００１７】
本実施形態のＭＲ素子１は、強磁性体あるいはフェリ磁性体からなり、膜面に実質的に垂直な磁化（以下、垂直磁化ともいう）を有し、磁化の向きが一方向に固定された磁化参照層（以下、ピン層ともいう）２と、強磁性体あるいはフェリ磁性体からなり、膜面に実質的に垂直な磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層（以下、フリー層ともいう）６と、磁化参照層２と磁化自由層６との間に設けられた中間層４と、中間層４と反対側の磁化自由層６の面と接するように形成されて磁気的に結合し、反強磁性体と強磁性体との間で磁気相転移する磁気相転移層８と、磁化自由層６と反対側の磁気相転移層８の面に接するように形成され、磁気相転移層８の相転移を制御するために設けられる励起層１０と、を備えている。磁化自由層６と中間層４との界面および磁化参照層２と中間層４との界面には界面磁性層も形成が可能である。これらの界面磁性層は、磁化自由層６あるいは磁化参照層２として含まれるために図示はしていない。
【００１８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を図２に示す。図２は、本実施形態のＭＲ素子の主要部の積層構造を示している。図２において、矢印は磁化方向を示している。
【００１９】
第２実施形態のＭＲ素子１Ａは、強磁性体あるいはフェリ磁性体からなり、垂直磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された磁化参照層２と、強磁性体あるいはフェリ磁性体からなり垂直磁化を有し、磁化の向きが可変である磁化自由層６と、磁化参照層２と磁化自由層６との間に設けられた中間層４と、中間層４と反対側の磁化自由層６の面と接するように形成されて磁気的に結合し、反強磁性体と強磁性体との間で磁気相転移する磁気相転移層８と、磁気相転移層８の、磁化自由層６と反対側に形成され、強磁性体あるいはフェリ磁性体からなり、垂直磁化を有し、磁化の向きが一方向に固定された磁化参照層１４と、磁気相転移層８と、磁化参照層１４との間に設けられ、磁気相転移層８の相転移を制御する機能を有する中間層１２と、を備えている。磁化自由層６と中間層４との界面、磁化参照層２と中間層４との界面、磁化参照層１４と中間層１２との界面には界面磁性層も形成が可能である。これらの界面磁性層は、磁化自由層６、磁化参照層２、あるいは磁化参照層１４として含まれるために図示はしていない。
【００２０】
すなわち、第２実施形態のＭＲ素子１Ａは、磁化自由層６との間に、それぞれ中間層４、１２を挟むように２つの磁化参照層２、１４が設けられており、「デュアル構造」と呼ばれる。これに対して、第１実施形態のＭＲ素子は、「シングル構造」と呼ばれる。
【００２１】
第１および第２実施形態のＭＲ素子の各層の材料などについては、共通な部分が多く、それらの材料に関する詳細については後に詳述する。
【００２２】
第１および第２実施形態のＭＲ素子におけるスピン注入磁化反転は同じ原理に基づいている。
【００２３】
以下に、第１および第２実施形態のＭＲ素子におけるスピン注入磁化反転機構について図３、図４を参照して説明する。図３は読み出し時、情報保持時の磁化状態を示す。図４は書き込み時の磁化状態を示す。
【００２４】
最初に、スピン注入による磁化反転電流と、磁化反転に必要なエネルギーなどのパラメータとの関係について説明する。
【００２５】
スピン注入による磁化反転電流Ｉｃは、自由電子モデルに基づいたスピン角運動量の移動によって起こるとすると、解析的には、下記の（１）式
Ｉｃ∝η・α・ΔＥ・ｋＢ・Ｔ                    （１）
で表される。ここで、ΔＥは磁化自由層６の磁化反転に必要な活性化エネルギー（以下、磁化エネルギーともいう）、ηはスピン注入効率、αはダンピング定数、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは実効温度である。
【００２６】
スピン注入ＭＲＡＭデバイス構造上、通電できる電流上限が規定されるために、材料バラメータであるη、α、および実効温度Ｔが決まると、磁化反転させることができる磁化自由層の磁化エネルギーΔＥが決まる。これをΔＥｗとする。
【００２７】
（１）式が示す関係から、磁化自由層６の磁化反転電流の低減には、書き込み時の磁化エネルギー（以下、書き込み磁化エネルギーともいう）ΔＥｗを下げることが有効である。一方、磁化自由層６の磁化エネルギーΔＥは、磁化自由層自身の磁化の安定度を示すエネルギー指標でもある。スピン注入ＭＲＡＭのメモリ動作上においては、動作温度の補償などの観点から、情報保持に必要な磁化エネルギー（以下、情報保持磁化エネルギーともいう）ΔＥｒが規定される。この情報保持磁化エネルギーΔＥｒは、その値が高いほど磁化自由層６の磁化反転が困難となり、すなわち、情報保持能力が高くなる。したがって、メモリ設計上、ΔＥｗ≦ΔＥｒとなる設計が必要となる。このため、高い情報保持磁化エネルギーΔＥｒを有する磁化自由層６の磁化エネルギーを書き込みが可能な磁化エネルギーΔＥｗにまで低下させることが必要である。
【００２８】
次に、第１または第２実施形態のＭＲ素子における具体的低電流磁化反転メカニズムを説明する。
【００２９】
第１または第２実施形態のＭＲ素子を用いると、十分に高い情報保持磁化エネルギーを有する磁化自由層６について適切な書き込み磁化エネルギーまで下げ、かつ、安定に磁化自由層６を磁化反転させることができる。
【００３０】
ここで、磁化自由層６が有する磁化エネルギーΔＥの設計指針を説明する。上述したように情報保持のために必要とされる磁化エネルギーをΔＥｒ、デバイス構造上書き込みが可能である磁化エネルギーをΔＥｗとする。磁化自由層６の磁化エネルギーΔＥの設計値としては、
情報保持時は、ΔＥ≧ΔＥｒ≧ΔＥｗ        （２）
書き込み時は、ΔＥｒ≧ΔＥｗ≧ΔＥ        （３）
が必要となる。
【００３１】
第１または第２実施形態のＭＲ素子では、垂直磁化を有する磁化自由層６を有する。垂直磁化膜では、材料物性値である結晶磁気異方性Ｋｕと飽和磁化の制御により、上記の磁化エネルギーΔＥの操作を実現できる。
【００３２】
磁化自由層６の磁化エネルギーΔＥは、
ΔＥ＝Ｋｅ・Ｖａ／（ｋＢ・Ｔ）          （４）
で表される。ここでｋＢはボルツマン定数、Ｔは実効温度、Ｖａは磁化自由層６の有効な磁化体積（いわゆる、活性化体積）、Ｋｅは磁化自由層６の有効磁気異方性エネルギーである。
【００３３】
垂直磁化の場合、有効磁気異方性エネルギーＫｅは、
Ｋｅ＝Ｋｕ−２πＭｓ２                    （５）
と表される。ここで、Ｋｕは磁化自由層６の垂直方向の一軸磁気異方性エネルギー、Ｍｓは磁化自由層６の飽和磁化である。Ｋｅ＞０の場合において、垂直磁化となり、Ｋｅ＜０の場合は、面内磁化となる。すなわち、Ｋｅ＞０からＫｅ＜０となる操作により、垂直磁化を面内磁化にまで回転させることが可能となる。
【００３４】
本発明の第１および第２実施形態においては、垂直磁化を有する磁化自由層６に接する磁気相転移層８が反強磁性体から強磁性体に磁気相転移する物理現象を用いる。詳細は後述するが、上記の磁気相転移層８の材料としてはＦｅＲｈ合金を用いる。磁気相転移層８は、あるエネルギー状態（例えば、ある相転移温度Ｔｘ）になると反強磁性体から強磁性体に磁気相変態する。相転移エネルギーまで活性化する（例えば、相転移温度まで温度を上昇させる）ための機能を有する層が励起層１０または中間層１２である。励起層１０または中間層１２は、電流の通電により磁気相転移層８が相転移するに必要なエネルギーを与える（例えば、相転移温度まで温度上昇させる）機能を有する。
【００３５】
磁気相転移層８は磁化自由層６と磁気的に結合している、すなわち、交換結合しているために磁化自由層６の磁化と結合して磁化反転動作する。すなわち、磁化自由層６と磁気相転移層８は一体で磁化反転動作を行うことになる。したがって、上記の効果を取り込むことで、磁化自由層６の飽和磁化が磁気相転移層８の磁気転移により見かけ上変化することを用い、磁化自由層６の垂直磁化における磁化エネルギーを操作することが可能となる。なお、図４において、点線は磁化自由層６と磁気相転移層８との交換結合を表している。
【００３６】
本実施形態では、垂直磁化を有する磁化自由層６が用いられているが、磁化自由層６単独では、情報の保持に必要な十分大きな情報保持磁化エネルギーを有する。
【００３７】
次に、上述したように相互に交換結合している磁気相転移層８と垂直磁化を有する磁化自由層６を有する本発明のＭＲ素子の磁化自由層の磁化反転について説明する。磁気相転移層８が反強磁性状態の場合の結晶磁気異方性エネルギーをＫｕ−ＡＦＭ、磁気相転移層８が強磁性体に相転移した場合の飽和磁化および結晶磁気異方性エネルギーを、それぞれＭｓ−ＦＭ、Ｋｕ−ＦＭとする。ここで、Ｋｕ−ＦＭ≒Ｋｕ−ＡＦＭであり、それぞれは垂直磁化を有する磁化自由層６のＫｕより十分に小さい。したがって、磁気相転移層８の相転移後の飽和磁化および結晶磁気異方性は、Ｍｓ−ＰＴ、Ｋｕ−ＰＴとそれぞれ表記され、これらの値Ｍｓ−ＰＴ、Ｋｕ−ＰＴは、磁気相転移層８中の強磁性体部分と反強磁性体部分との体積比率で平均化された数値である。したがって、第１または第２実施形態において、磁気相転移層８は、強磁性体に相転移した場合はＫｅ＜０となり、面内磁化となる性質を有する。上記式において、係数０．５は、見積もった値であり、これは、反強磁性状態から強磁性状態への磁気相転移は、完全に強磁性状態に相転移しなくともよいからである。
【００３８】
情報保持または読出し時（Ｉ＝０またはＩｒｅａｄ）においては、図３に示す磁気相転移層８の全体あるいは部分的には、反強磁性状態となるので、その飽和磁化Ｍｓ−ＰＴ≒０であり、垂直磁化を有する磁化自由層８の磁化エネルギーΔＥへの影響は軽微である。
【００３９】
一方、書き込み通電時においては、ＭＲ素子１、１Ａへの電流通電過程（Ｉ＝Ｉｅｘｃｉ）において、励起層１０、１２から磁化相転移層８に相転移に必要なエネルギーが付与され、磁気相転移層８は全体あるいは部分的に反強磁性体から強磁性体へ磁気相転移する。すなわち、磁気相転移層８は垂直磁化から面内磁化に変化する（図４（ａ）、図４（ｂ））。このとき、磁気相転移層８は飽和磁化Ｍｓ−ＰＴを有するようになる。したがって、垂直磁化を有する磁化自由層６の磁化エネルギー状態は、図４（ａ）に示す情報保持時（Ｉ＝０）から変化し、Ｉ＝Ｉｅｘｃｉにおいて磁化エネルギーが低下する（図４（ｂ））。すなわち、有効な異方性エネルギーＫｅ―ｗは、
Ｋｅ―ｗ＝（ｔＦｒｅｅ・Ｋｕ＋ｔＰＴ・Ｋｕ−ＰＴ）／（ｔＦｒｅｅ＋ｔＰＴ）−２π［（ｔＦｒｅｅ・Ｍｓ＋ｔＰＴ・Ｍｓ−ＰＴ）／（ｔＦｒｅｅ＋ｔＰＴ）］２                （６）
と表される。ここで、Ｋｕ＞＞Ｋｕ−ＰＴであるので、近似的に
Ｋｅ―ｗ≒ｔｒｅｅ・Ｋｕ／（ｔＦｒｅｅ＋ｔＰＴ）−２π［（ｔＦｒｅｅ・Ｍｓ＋ｔＰＴ・Ｍｓ−ＰＴ）／（ｔＦｒｅｅ＋ｔＰＴ）］２                            （７）
となる。ここで、ｔＦｒｅｅは垂直磁化を有する磁化自由層６の膜厚、ｔＰＴは磁気相転移層８の膜厚である。
【００４０】
一方、励起電流Ｉｅｘｃｉと書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの関係は、Ｉｅｘｃｉ≦Ｉｗｒｉｔｅである。  したがって、書き込み電流（Ｉ＝Ｉｗｒｉｔｅ）の通電時、磁気相転移するためのエネルギーは、既に励起されており、有効な異方性エネルギーＫｅ―ｗは、情報保持時の異方性エネルギーＫｅ―ｒよりも低下している  故に、図４（ｃ）に示す書き込み時において、磁化自由層６の磁化エネルギーΔＥは低下し、
ΔＥｒ≧ΔＥｗ≧ΔＥ            （８）
が成り立つ。ここで、ΔＥ＝Ｋｅ−ｗ・Ｖａ／（ｋＢ・Ｔ）である。
【００４１】
結果的に、高い情報保持特性を有する垂直磁化を有する磁化自由層６に電流Ｉ＝Ｉｗｒｉｔｅを通電することで、スピン注入磁化反転させることが可能となる（図４（ｃ）、（ｄ）、（ｅ））。
【００４２】
なお、書き込み通電時に磁化自由層６の磁化エネルギーΔＥがあまりに低下しすぎると、熱擾乱の影響による確率的な誤書き込みの問題が生じる。
【００４３】
また、書き込み時の磁化自由層６の磁化エネルギーΔＥｗの設定については、エラー補正回路により、読み出し時に発生しうる確率的な誤書き込み（読み出し擾乱）が補償できる範囲となるように設定する必要がある。書き込み時の磁化自由層６の磁化エネルギーはほぼ正規分布するので、確率的には、読み出し時に通電する電流で磁化反転する可能性があるからである。読み出し時の平均電流と書き込み時の平均電流の関係は、設計されるメモリの要領および書き込み電流のばらつきの大きさで設計される。
【００４４】
次に、第２実施形態のＭＲ素子１Ａの効果と特徴について説明する。
【００４５】
このＭＲ素子１Ａでは、磁気相転移層８に接する形で、磁化自由層６とは反対側に中間層（第２中間層）１２、磁化参照層（第２ピン層）１４が形成され、いわゆる、デュアル構造を有している。したがって、磁化参照層（第１ピン層）２と磁化参照層（第２ピン層）１４との磁化の向きは、互いに反平行である。
【００４６】
通常のスピン注入型のＭＲ素子において、デュアル構造は、第２ピン層／第２中間層／フリー層／第１中間層／第１ピン層となる。第１ピン層と第２ピン層の磁化方向は、反平行である。この場合は、フリー層の磁化の向きによって、第２ピン層／第２中間層／フリー層のユニット部分（以下、上部ユニットという）と、フリー層／第１中間層／第１ピン層のユニット部分（以下、下部ユニットという）とでは、互いの磁気抵抗効果（ＭＲ）を相殺するような抵抗の変化が生じる。したがって、書き込み電流はＭＲに依存するために、デュアル構造で書き込み電流を低減するためには、上部ユニットと下部ユニットで共に高いＭＲ比を必要とする。しかし、その場合の読み出し時のＭＲは上部ユニットと下部ユニットとの差分しか出ないために、ＭＲ比は激減する。
【００４７】
これに対して、第２実施形態のＭＲ素子１Ａにおいては、垂直磁化を有するフリー層６／第１中間層４／第１ピン層２のユニット部分では、読み出し時および書き込み時において、強磁性体／中間層／強磁性体の接合であるのでＭＲが発現する。一方、第２ピン層１４／第２中間層１２／磁気相転移層８のユニット部分では、読み出し時においては、磁気相転移層８は反強磁性体であるために、強磁性体／中間層／反強磁性体の接合であるのでＭＲが発現しない。したがって、読み出し時においては、スピントルクがフリー層６に働かない。しかし、書き込み時には、磁気相転移層８が強磁性体に相転移するために、強磁性体／中間層／強磁性体の接合となりＭＲ比が発現する。したがって、書き込み時のみフリー層６に有効なスピントルクが働くことになる。
【００４８】
したがって、第２実施形態のＭＲ素子１Ａでは、書き込み時のみフリー層６にスピントルクがダブルで作用し、かつ読み出し時においては、第２ピン層１４／第２中間層１２／磁気相転移層８のユニットではＭＲが発現しないために、垂直磁化を有するフリー層６／第１中間層４／第１ピン層２のユニット部分の高いＭＲを維持できることになる。但し、第２中間層１２の抵抗分だけＭＲ比は低下することになる。
【００４９】
次に、第１および第２実施形態のＭＲ素子の各層の具体的な材料について詳細に説明する。
【００５０】
磁気相転移層
磁気相転移層８としては、強磁性―反強磁性の磁気相転移を生じる材料であることが必要である。磁気相転移層８には、ＦｅＲｈ合金が用いられる。ＦｅＲｈ合金は、体心立方（ＢＣＣ：Body Centered Cubic）構造を有しており、ＦｅとＲｈの組成比の式：Ｆｅ１−ｘＲｈｘ（０．３≦ｘ≦０．７）で表される組成範囲でＣｓＣｌ型構造を有するＦｅ５０Ｒｈ５０規則相を形成する。Ｆｅ５０Ｒｈ５０（ａｔ％）組成付近でおおよそ膜全体が規則相となる。ＢＣＣ−ＦｅＲｈ合金は、ある所定の相転移温度Ｔ０を超えると、反強磁性体から強磁性体へ磁気相転移する。これを１次相転移という。１次相転移温度Ｔ０は、薄膜の場合においては、おおよそ４００Ｋ程度である。この１次相転移温度Ｔ０については、ＢＣＣ−ＦｅＲｈ合金中のＲｈに、元素Ａ（Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの群から選択された少なくとも１つの元素）をＲｈと置換する形で添加することにより、１次相転移温度Ｔ０を上げるまたは下げる制御が可能となる。具体的にはＲｈの一部を３ｄ元素Ａ３ｄ（Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｎｉ、Ｃｕの群から選択された少なくとも１つの元素）で置換すると１次相転移温度Ｔ０が低下し、Ｒｈの一部を５ｄ元素Ａ５ｄ（Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ａｇの群から選択された少なくとも１つの元素）で置換すると１次相転移温度Ｔ０が上昇する。上記の元素Ａの添加量の調整によって、１次相転移温度Ｔ０は、１００℃から３００℃の間で調整が可能である。
【００５１】
強磁性となったＢＣＣ−ＦｅＲｈ合金の飽和磁化は約８００〜１３００ｅｍｕ／ｃｃ程度であり、結晶磁気異方性は１×１０６ｅｒｇ／ｃｃ以下である。
【００５２】
また、磁気相転移層８が強磁性に相転移した場合の飽和磁化の増大を抑制するためには、元素Ａ３ｄのうちＶ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｕが好ましく、あるいは、元素Ａ５ｄが好ましい。
【００５３】
また、元素Ａの添加量は、ＦｅＲｈ合金のＣｓＣｌ構造を消滅させない程度が好ましい。ＦｅとＲｈと元素Ａの組成比の式：Ｆｅ１−ｘ（Ｒｈ１−ｙＡｙ）ｘ（０．３≦ｘ≦０．７、０＜ｙ＜１）で表される範囲であることが好ましい。ｘが０．３を下回る、あるいは、ｘが０．７を超えると、ＣｓＣｌ規則構造起因の（１００）超格子ピークが消滅して、磁気相転移するＣｓＣｌ規則構造相がなくなる。ＢＣＣ−ＦｅＲｈにおけるＣｓＣｌ規則構造は、通常、消滅則によりＢＣＣ構造では現れない（１００）ピークが、規則化により出現することで確認できる。上述する手法としては、Ｘ線回折法によるθ―２θ回折像で観測できる。上記（１００）ピークは、2θで３０〜４０度付近に現れる。また、（１００）ピークは電子顕微鏡観察などの透過あるいは反射電子線回折法による回折像（回折リング、あるいは、回折スポット）でも観測できる。
【００５４】
垂直磁化を有する磁化自由層
磁化自由層６は、垂直磁化特性を有する材料である。ここで、「垂直磁化」、あるいは、「膜面に実質的に垂直な磁化」の定義は、ＶＳＭ（振動試料磁化測定法）測定などによって得られる磁化―磁界（Ｍ−Ｈ）曲線において、磁界ゼロ時の残留磁化Ｍｒと飽和磁化Ｍｓとの比（Ｍｒ／Ｍｓ）が０．５以上あることである。また、磁化自由層６の膜厚としては、スピントルクを有効に伝えるためにも０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが望まれる。０．５ｎｍ未満では連続膜としての制御性がなく、５ｎｍを超えるとスピントルクが働く特性長をはるかに超えるために、磁化自由層６がスピン注入による磁化反転を行わなくなくなる。スピントルクが働く特性長はおおよそ１．０ｎｍ程度である。これは、スピンがドリフト的に移動する際、その歳差運動が一回転する距離である。スピントルクで磁化自由層６の磁化反転が起きるかどうかは、磁化自由層６の磁化反転エネルギーで決まる。
【００５５】
垂直磁化が発現する材料としては、最蜜充填六方晶（ＨＣＰ：Ｈｅｘａｇｏｎａｌ  Ｃｌｏｓｅｄ  Ｐａｃｋ）構造あるいは面心立法（ＦＣＣ：Ｆａｃｅ  Ｃｅｎｔｅｒｅｄ  Ｃｕｂｉｃ）構造を有するＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金などがある。膜面に垂直な磁化を示すためには、ＨＣＰ構造では（００１）面に配向しなければならず、ＦＣＣ構造の場合は（１１１）面に配向しなければならない。この材料上では、ＣｓＣｌ型規則構造相を有する相転移層は（１１０）面に配向しやすい。
【００５６】
また、垂直磁化が発現する材料としては、希土類金属（以下、ＲＥともいう）と、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選ばれる元素（以下、ＴＭ元素ともいう）とから構成され、アモルファス構造を有するＲＥ−ＴＭ合金がある。ＲＥ−ＴＭ合金は、ＲＥ元素の量により、正味の飽和磁化がマイナスからプラスになるように操作できる。正味の飽和磁化Ｍｓ−ｎｅｔがゼロになる場合を補償点といい、そのときの組成を補償点組成という。補償点組成は、ＲＥ元素の割合がａｔ％（原子％）で２５ａｔ％から５０ａｔ％の間になる。
【００５７】
また、垂直磁化が発現する材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選ばれる元素を含む磁性層とＰｄ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ａｇ，Ｃｕを含む非磁性金属層の多層積層からなる人工格子型の垂直磁化膜も用いられる。上記磁性層の材料としては、Ｃｏ１００−ｘ−ｙＦｅｘＮｉｙ合金膜（０≦ｘ≦１００、０≦ｙ≦１００）が用いられる。上記のＣｏＦｅＮｉ合金にＢを１０〜２５ａｔ％添加したＣｏＦｅＮｉＢアモルファス合金なども用いられる。磁性層の層厚は、０．１ｎｍから１ｎｍで最適化される。非磁性層の厚さは、０．１ｎｍから３ｎｍの範囲で最適化される。人工格子膜の結晶構造はＨＣＰ構造でもＦＣＣ構造でもＢＣＣ構造でもよい。膜の配向性は、その一部がＦＣＣの場合は（１１１）面に配向、ＢＣＣ構造の場合は（１１０）面に配向、ＨＣＰ構造の場合は（００１）面に配向が良い。配向性はＸ船回折および電子線回折から得られる。
【００５８】
また、垂直磁化が発現する材料としては、Ｌ１０型規則構造を有する、Ｆｅ、Ｃｏ（以下、元素Ａと表記する）から選ばれる少なくとも一つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ（以下、元素Ｂと表記する）から選ばれる少なくとも１つ以上の元素とからなるＦＣＴ構造強磁性体合金がある。Ｌ１０型規則構造強磁性体合金としては、Ｌ１０−ＦｅＰｔ合金、Ｌ１０−ＦｅＰｄ合金、Ｌ１０−ＣｏＰｔ合金が代表的であり、これらの合金であるＬ１０−ＦｅＣｏＰｔＰｄ合金もある。Ｌ１０型規則構造を有するためには、元素Ａと元素Ｂの組成比が、Ａ１００−ｘＢｘという組成式で表される場合、ｘは３０ａｔ％以上７０ａｔ％以下であることが必要である。元素Ａにおいては、その一部をＮｉ，Ｃｕで置換が可能である。また、元素Ｂにおいては、その一部をＡｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、希土類元素（Ｎｄ，Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂなど）で置換することが可能である。これにより、垂直磁化を有する磁化自由層６の飽和磁化Ｍｓおよび結晶磁気異方性エネルギー（一軸磁気異方性エネルギー）Ｋｕを調整し最適化することができる。
【００５９】
このＬ１０型規則構造を有する上記の強磁性体ＡＢ合金は、面心正方晶（ＦＣＴ：Ｆａｃｅ  Ｃｅｎｔｅｒｅｄ  Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造である。規則化することで、［００１］方向において、１ｘ１０７ｅｒｇ／ｃｃ程度の強い結晶磁気異方性エネルギーを有する。従って、（００１）面を優先的に配向させることで良好な垂直磁化特性を得ることが可能となる。また、飽和磁化はおおよそ６００ｅｍｕ／ｃｍ３から１２００ｅｍｕ／ｃｍ３の範囲内である。上述した元素Ａあるいは元素Ｂへ置換する形で元素を添加するばあいには、飽和磁化および結晶磁気異方性エネルギーは低下する。上記のＬ１０規則構造を有する強磁性体ＡＢ合金の（００１）面上では、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖなどを主成分とするＢＣＣ構造合金が（００１）面に優先的に配向して成長しやすい。
【００６０】
なお、上述したＣｓＣｌ型構造ＦｅＲｈ合金は、Ｌ１０−ＡＢ合金の（００１）面上では、（００１）面を優先配向して成長する。
【００６１】
ＦＣＴ−ＦｅＰｔ合金が（００１）面優先配向していることは、Ｘ線回折のθ―２θスキャンにおいて、２θ＝４５度〜５０度付近に見られる（００２）ピークにより確認できる。垂直磁化特性の向上という意味では、（００２）回折ピークのロッキングカーブの反値幅が１０度以下である必要があり、好ましくは５度以下である。
【００６２】
また、Ｌ１０型規則構造相の有無および（００１）面優先配向性は、Ｘ線回折のθ―２θスキャンにおいて、２θ＝２０度〜２５度付近に見られる（００１）回折ピークにより確認できる。
【００６３】
これらの（００１）面および（００２）面起因の回折像は、電子線回折などによっても確認できる。
【００６４】
垂直磁化を有する磁化参照層
本発明の第１および第２の実施の形態磁化参照層２および磁化参照層１４で用いられる材料は、上述した磁化自由層６に用いられる材料とほぼ同じである。
【００６５】
ただし、磁化参照層は磁化が一方向に規定される必要があり、かつ、電流通電により磁化反転させないために、膜厚の制御が重要となる。実際には、磁化参照層の結晶磁気異方性は、磁化自由層の結晶磁気異方性より大きいことが望ましい。さらには、磁化参照層の膜厚は磁化自由層の膜厚よりも厚いことが望ましく、実質的には２倍以上の膜厚が好ましい。
【００６６】
また、読み出しに必要なＭＲ比を得るためには、磁化参照層２と中間層４の界面に界面磁性層を挿入することが好ましい。界面磁性層としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選ばれる１種類以上の元素を含む単金属あるいは合金が用いられる。（００１）面優先配向したＮａＣｌ型構造を有する中間層４を用いる場合には、（００１）面優先配向したＢＣＣ構造を有する界面磁性層が良い。あるいは、Ｂ，Ｃ，Ｐ，Ｎなどを添加したアモルファス構造を有する界面磁性層が良い。界面磁性層の膜厚としては、０．５ｎｍ以上挿入することでＭＲ比の向上効果が得られる。ただし、界面磁性層の膜厚は４ｎｍ以下が好ましく、４ｎｍを超えると磁化参照層の垂直磁化特性が損なわれる。この場合、界面磁性層の飽和磁化は０．５Ｔ（テスラ）〜２．４Ｔの範囲であり、界面磁性層の元素組成比で調整される。
【００６７】
なお、磁化自由層６と中間層４との間にも界面磁性層が設けられていても良い。
【００６８】
励起層
第１実施形態においては、磁気相転移層８の相転移は、主に励起層１０からのエネルギーの投入により生じる。磁気相転移層８は、励起層１０自身による発熱、あるいは励起層１０越しに注入される高エネルギー電子（例えば、ホットエレクトロン）の注入によりエネルギー的に励起され、活性化されて磁気相転移する。励起層１０が発熱する場合、通電時のジュール熱を利用する。通電により発生するジュール熱は、熱源となる励起層１０の比抵抗、比熱、密度、通電時間で決まる。したがって、励起層の膜厚およびＭＲ素子のサイズも重要な要素となる。ＭＲ素子サイズはデバイスプロセス設計上、１０ｎｍ以上が妥当である。スピン注入ＭＲＡＭデバイスにおいて、ジュール熱による発熱を考えた場合、１００℃以上に発熱させるためには、励起層の比抵抗としては、１００μΩｃｍ以上であることが必要である。実際のスピン注入ＭＲＡＭにおけるＭＲ素子では、発熱温度は、励起層１０の膜厚で制御される。励起層の比抵抗が、２００μΩｃｍの場合は、励起層の膜厚は５０ｎｍ以上が必要となる。また、デバイス設計の観点からＭＲ素子の微細化を考慮すると、ＭＲ素子サイズの制御のために励起層の膜厚は薄い方が好ましく、よって、励起層の比抵抗が高い方が好ましい。結果的に、励起層の膜厚を５０ｎｍ以下とするためには、励起層の比抵抗は２００μΩｃｍ以上であることが好ましい。また、発熱量は、ＭＲ素子サイズ、すなわち、励起層との通電断面積にも依存する。通電面積が小さい方が電流密度が向上し発熱しやすくなる。デバイス設計的観点からＭＲ素子のサイズとしては、短辺方向の長さが１００ｎｍ以下であるとが好ましい。
【００６９】
上記の場合、励起層１０の材料としては、アモルファス構造を有する金属や半導体、絶縁体などが上げられる。アモルファス金属層としては、アモルファスＴａなどがある。Ｔａのほか、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂなどの高融点元素を用いたアモルファス合金が好ましい。金属層のアモルファス化のためには、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａなどの半導体元素、あるいは、Ｃ、Ｂ，Ｐ、Ｓなどの半金属元素を添加することが好ましい。
【００７０】
また、励起層として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの３ｄ強磁性金属を用いたアモルファスＣｏＦｅＢなども上げられる。この材料を励起層１０Ａとして用いた第１実施形態の変形例によるＭＲ素子１Ｂを図５に示す。この変形例のＭＲ素子１Ｂにおいては、励起層１０Ａは、面内磁化膜であることが必要である。励起層１０Ａは磁気相転移層８と交換結合する。非通電時の磁化状態は図５に示している。励起層１０Ａは、非通電時には反強磁性体であるために、その磁化配列を変えることなく上下で異なる磁化方向の強磁性体と交換結合することが可能である。書き込み時における通電では、励起層１０Ａの磁化は面内であり、磁気相転移層８と交換結合しており、磁気相転移層８が強磁性体となるために、強磁性体である励起層１０Ａは磁気相転移層８のアシスト的役割を担うことになる。
【００７１】
励起層が高エネルギー電子の注入源として機能する場合、励起層は絶縁体、あるいは、半導体から構成されることが望まれる。絶縁体、半導体は、比抵抗が大きいために、励起層の膜厚を薄膜化できる。実際には、２ｎｍ以下程度まで励起層膜厚を低減できる。また、励起層として絶縁体および半導体を用いる場合、高エネルギー電子が磁気相転移層８に注入された後、格子系にそのエネルギーを放出すると、熱エネルギーに変換され、放散されることになる。この場合は直接に磁気相転移層８が発熱していることと等価である。励起層／磁気相転移層の界面の抵抗（界面抵抗）が高い場合には、ほとんどの注入電子のエネルギーは界面で失われ、界面で発熱することになる。
【００７２】
励起層の具体的な材料としては、ＮａＣｌ型構造を有する、ＭｇＯ、ＣａＯ，ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ、ＥｕＯ、ＶＯ、ＣｒＯ、ＣｏＯ、ＦｅＯ、ＣｄＯなどのの酸化物が挙げられる。また、ＮａＣｌ構造に近いＮｂＯ型構造を有するＮｂＯも良い。また、これらの酸化物が混合されていてもよい。これらの酸化物材料は、（００１）面に優先配向しやすく、前述したＢＣＣ構造やＦＣＴ構造を有する磁化自由層、磁化参照層の（００１）面との格子整合性が良い。よって、ＢＣＣ金属やＦＣＴ金属上で（００１）面に優先配向しやすい。更には、(００１)面に優先配向したＮａＣｌ構造の励起層上では、ＢＣＣ構造やＦＣＴ構造を有する磁化自由層あるいは磁化参照層は、（００１）面優先配向しやすく、良好な垂直磁化特性を得ることが可能となる。
【００７３】
また、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３などのアモルファス酸化物、Ｓｉ，Ｇｅ，ＺｎＳｅなどの半導体、ＴｉＯ２などの酸化物系半導体などが挙げられる。これらの材料は、前述したＦＣＣ構造あるいはＨＣＰ構造を有する磁化自由層あるいは磁化参照層との界面格子整合が良く、それらの垂直磁化特性を良好にする。
【００７４】
これらの励起層材料を用いる場合、電子の有するエネルギーの大きさは、第一原理計算などから求められるフェルミ準位と、伝導を担う準位とのエネルギーギャップで見積もられる。また、実際の励起層の物理膜厚などでも制御される。膜厚としては、０．１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが望まれる。０．１ｎｍ未満の成膜の制御は困難であるし、２ｎｍを超えるとＭＲ素子の抵抗が急激に増大しすぎてしまい、所定の電圧での読み出し、書き込みが不可能となる。
【００７５】
中間層４
中間層４は、ＭＲ素子としてＭＲ比を発生するための中間層の機能を果たさなくてはならない。ＭＲ素子１、１Ａ、１ＢをＭＲＡＭの記憶素子として動作させる場合、配線部および選択トランジスタなどの既成抵抗を打ち消すためには、ＭＲ素子のＭＲ発生部分の抵抗が相応に高い必要がある。そのため、ＭＲＡＭに用いられるＭＲ素子においては、ＴＭＲ素子が用いられることが多い。ＴＭＲ素子では、中間層４にトンネルバリア層が用いられる。
【００７６】
トンネルバリア層としては、ＮａＣｌ構造を有する、ＭｇＯ、ＣａＯ，ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯなどの酸化物やＡｌ２Ｏ３などの酸化物、あるいはＴｉＯ２などの酸化物系などの半導体が用いられる。高いＴＭＲ比を発生させるためには、バンド構造上、分極した伝導バンド（Δ１バンド）の存在が必要であり、そのような観点からＮａＣｌ構造を有するＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯなどが好ましい。これらのトンネルバリア層４は（００１）面に優先配向させて、磁化自由層６および磁化参照層２との界面でのミスフィットを低減すると上記のΔ１バンドでの伝導が生じる。そのために、上記ＮａＣｌ構造（００１）配向したトンネルバリア層に接する磁化参照層および磁化自由層も、ＢＣＣ構造、ＦＣＴ構造、あるは、ＦＣＣ構造を有していて、かつ、それぞれの構造の（００１）面と、トンネルバリア層の（００１）面とが整合界面を形成する必要がある。
【００７７】
特にＭｇＯは、スピンフィルター作用があるバンド構造を有するので、高いＴＭＲ比を発現することが可能となる。また、ＭｇＯは、（００１）面に配向膜が比較的容易に作成でき、さらには高いスピン注入効率を発現することができる。
【００７８】
中間層１２
第２実施形態のＭＲ素子で用いられる中間層１２は、書き込み時においてスピン注入効率が求められるので、中間層４と同等のものが好ましい。
【００７９】
同時に、磁気相転移層８の相転移を誘発させる励起層としての機能も有さなければならない。中間層１２には、励起層の機能として、発熱機能あるいは高エネルギー電子の注入機能が必要となる。したがって、中間層１２には、中間層４で用いることが可能である絶縁体が用いられる。また、半導体、強磁性半導体、強磁性絶縁体なども用いられる。ここで、強磁性半導体、強磁性絶縁体を用いる場合は、磁化参照層１４を省略することも可能である。この場合は、中間層１２が磁化参照層１４を兼用することになる。
【００８０】
中間層１２に用いられる半導体としては、ＴｉＯ２、ＧａＡｓ、アモルファスＧｅ、アモルファスＳｉ、などが上げられる。
【００８１】
強磁性絶縁体としては、Ｆｅ３Ｏ４などを代表とするフェライト材料がある。Ｆｅ３Ｏ４はスピンフィルター効果も有し、ハーフメタル材料でもある。
【００８２】
強磁性半導体としては、ＭｎＡｌＡｓなどが上げられる。
【００８３】
次に、第１および第２実施形態のＭＲ素子の実施例を説明する。
【００８４】
（第１実施例）
まず、第１実施形態のＭＲ素子の一具体例を以下に示す。
【００８５】
キャップ層／ＭｇＯ（０．７ｎｍ）からなる励起層１０／Ｆｅ５０Ｒｈ５０（１０ｎｍ）からなる磁気相移転層８／（Ｆｅ５０Ｐｔ５０（２ｎｍ）／Ｆｅ（０．５ｎｍ））からなる磁化自由層６／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／（Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｆｅ５０Ｐｔ５０（１０ｎｍ））からなる磁化参照層２／下地層
各層の括弧内の数字は層厚を示している。また、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｆｅ５０Ｐｔ５０（１０ｎｍ）からなる磁化参照層２は、磁化参照層の磁化の向きが一方向に規定される。Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）層は界面磁性層であり、ＭＲ比の向上のために挿入される。また、Ｆｅ５０Ｐｔ５０（１０ｎｍ）層は反強磁性体との交換結合により磁化方向を一方向に固着されていても構わない。Ｆｅ５０Ｒｈ５０からなる磁気転移層の膜厚ｔＦｅＲｈと磁化自由層におけるＦｅ５０Ｐｔ５０の膜厚ｔＦｅＰｔとの膜厚比（ｔＦｅＲｈ／ｔＦｅＰｔ）は、２〜１０の範囲で最適化される。
【００８６】
（第２実施例）
次に、第２実施形態のＭＲ素子の一具体例を以下に示す。
キャップ層／（Ｆｅ５０Ｐｔ５０（１０ｎｍ）／Ｆｅ（１ｎｍ））からなる磁化参照層１４／ＭｇＯ（０．７ｎｍ）からなる中間層１２／Ｆｅ５０Ｒｈ５０（５ｎｍ）からなる磁気相移転層８／（Ｆｅ５０Ｐｔ５０（２ｎｍ）／Ｆｅ（０．５ｎｍ））からなる磁化自由層／ＭｇＯ（１ｎｍ）からなる中間層（バリア層）４／（Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）／Ｆｅ５０Ｐｔ５０（１０ｎｍ））からなる磁化参照層２／下地層
【００８７】
各層の括弧内の数字は層厚を示している。磁化参照層２、１４はそれぞれ、また、磁化参照２，１４のＦｅ５０Ｐｔ５０（１０ｎｍ）は硬質磁性層である。磁化参照層２、１４の磁化の向きはＦｅ５０Ｐｔ５０（１０ｎｍ）層の磁化方向で規定される。Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）層は界面磁性層であり、ＭＲ比の向上のために挿入される。
【００８８】
第１実施例、第２実施例において、ＭｇＯ層４と、ＦｅＰｔ層との間には、磁化自由層および磁化参照層側で共に、ＣｏＦｅＢ層がよく挿入されるが、ＢＣＣ−Ｆｅ層でも構わないし、ＢＣＣ−ＦｅＣｏ合金層でも構わない。それぞれ界面磁化自由層、界面磁化参照層、総称して界面磁性層という。磁化自由層／中間層／磁化参照層／／基板の構成を有するボトムピン型構造では、上記界面磁化参照層はＭｇＯからなる中間層の（００１）面への配向性向上に寄与し、界面磁化自由層は、Ｌ１０規則構造の磁化自由層の（００１）面への結晶配向性向上に寄与する。磁化参照層／中間層／磁化自由層／／基板の構成を有するトップピン型構造では、上記界面磁化自由層はＭｇＯの（００１）面への配向性向上に寄与し、かつ、界面磁化参照層は磁化参照層の（００１）面への結晶配向性向上に寄与する。
【００８９】
界面磁化自由層には、組成比の式：Ｆｅ１−ｘ−ｙＣｏｘＮｉｙ（０≦ｘ＋ｙ≦１、０≦ｘ、ｙ≦１）で表される合金や、それにＢを１５≦Ｂ≦２５ａｔ％で添加したアモルファスＦｅＣｏＮｉＢ合金が用いられる。また、ＭｇＯからなるバリア層（中間層）との格子不整合を考えると、エピタキシャル成長性の観点から、不整合は５％以内に収める必要がある。したがって、界面磁性層としては、ＢＣＣ構造を有するＦｅＣｏＮｉ合金、あるいは、アモルファスＦｅＣｏＮｉＢ合金が好ましい。第１実施例および第２実施例において、ＭＲ比の向上のためのアモルファスＣｏＦｅＢ層の再結晶化アニールを施す。アニールによって、アモルファスＦｅＣｏＮｉＢはＢＣＣ構造に再結晶化する。この場合、一部のＢがＢＣＣ−ＦｅＣｏＮｉに残留する。
【００９０】
上述したＭｇＯの（００１）面上で成長したＢＣＣ構造のＦｅＣｏＮｉ（Ｂ）合金は、格子不整合を最小にするために、
面関係：  （００１）ＭｇＯ／／（００１）ＢＣＣ−ＦｅＣｏ（Ｂ）
方位関係：［１００］ＭｇＯ／／［１１０］ＢＣＣ−ＦｅＣｏ（Ｂ）
を有しながら、結晶成長する。
【００９１】
ここで用いたＦｅ５０Ｐｔ５０の飽和磁化ＭｓＦｅＰｔは、約１０００ｅｍｕ／ｃｍ３、Ｆｅ５０Ｒｈ５０の強磁性体時の飽和磁化ＭｓＦｅＲｈは、約１１００ｅｍｕ／ｃｍ３である。また、Ｆｅ５０Ｐｔ５０の結晶磁気異方性ＫｕＦｅＰｔは、約１ｘ１０７ｅｒｇ／ｃｍ３、Ｆｅ５０Ｒｈ５０の反強磁性体および強磁性体時の結晶磁気異方性ＫｕＦｅＲｈは、１×１０６ｅｒｇ／ｃｍ３以下である。
【００９２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態によるスピン注入書き込み型のＭＲＡＭについて説明する。
【００９３】
本実施形態のＭＲＡＭは複数のメモリセルを有している。本実施形態のＭＲＡＭの１つのメモリセルの主要部の断面を図６に示す。図６に示すように、ＭＲ素子１の上面は、上部電極３１を介してビット線３２と接続されている。また、ＭＲ素子１の下面は、下部電極３３、引き出し電極３４、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ＭＲ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、プラグ３５、４１は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕ等から形成されている。
【００９４】
本実施形態のＭＲＡＭにおいては、図６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。図７は、本実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。
【００９５】
図５に示すように、ＭＲ素子１と選択トランジスタＴｒとからなる複数のメモリセル５３が行列状に配置されている。同じ列に属するメモリセル５３の一端は同一のビット線３２と接続され、他端は同一のビット線４２と接続されている。同じ行に属するメモリセル５３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。
【００９６】
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（反転電流）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。
【００９７】
ビット線４２は、また、読み出し回路５２と接続されている。読み出し回路５２は、ビット線３２と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。
【００９８】
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がオンされることにより、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。
【００９９】
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。
【０１００】
読み出しの際、書き込みと同様にして指定されたＭＲ素子１に、読み出し電流回路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は、ＭＲ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。
【０１０１】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図２】本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図３】各実施形態の磁気抵抗効果素子の情報保持時および読出し時の磁化状態を説明する断面図。
【図４】各実施形態の磁気抵抗効果素子の書き込み時の磁化反転を説明する図。
【図５】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６】本発明の第３実施形態によるＭＲＡＭのメモリセルを示す断面図。
【図７】第３実施形態のＭＲＡＭの主要部の回路図。
【符号の説明】
【０１０３】
１  磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
１Ａ  磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
１Ｂ  磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）
２  磁化参照層（ピン層）
４  中間層
６  磁化自由層（フリー層）
８  磁気相転移層
１０  励起層
１２  中間層
１４  磁化参照層（ピン層）
【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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