(57)【要約】【課題】巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜１１と、第一の磁性膜１１上のトンネルバリア膜１４と、トンネルバリア膜１４上の第二の磁性膜１６とを備える。第一の磁性膜１１は、C,P,As,Sn,Sb,Te,Pbの中から選択される少なくとも一つの元素を含む。トンネルバリア膜１４は、第一の磁性膜１１とトンネルバリア膜１４との界面における第一の磁性膜１１の膜面に対してその法線方向に(001)配向するNaCl型結晶構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜上のトンネルバリア膜と、前記トンネルバリア膜上の第二の磁性膜とを具備し、
前記第一の磁性膜は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、
前記トンネルバリア膜は、前記第一の磁性膜と前記トンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第一の磁性膜は、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも一つ以上の元素とＰｔ、Ｐｄから選択される少なくとも一つ以上の元素を含み、
前記Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される前記元素の総含有量は３０原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜上の電気陰性度調整層と、前記電気陰性度調整層上のトンネルバリア膜と、前記トンネルバリア膜上の第二の磁性膜とを具備し、
前記電気陰性度調整層は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、
前記トンネルバリア膜は、前記電気陰性度調整層と前記トンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記電気陰性度調整層は、前記電気陰性度調整層の数原子層分に相当する厚さ以下の厚さを有することを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第一及び第二の磁性膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも一つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄから選択される少なくとも一つの元素とを含むL10規則相を含む合金であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第一及び第二の磁性膜は、その一部がアモルファス構造を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第一及び第二の磁性膜は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜上の第一のスピン分極膜と、前記第一のスピン分極膜上のトンネルバリア膜と、前記トンネルバリア膜上の第二のスピン分極膜と、前記第二のスピン分極膜上の第二の磁性膜とを具備し、
前記第一のスピン分極膜は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、
前記トンネルバリア膜は、前記第一のスピン分極膜と前記トンネルバリア膜との界面に対してその法線方向にＮａＣｌ型結晶構造する結晶構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第一のスピン分極膜は、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも１つの元素を含み、
Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも１つの元素の総含有量は３０原子％以下であることを特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜上の第一のスピン分極膜と、前記第一のスピン分極膜上の電気陰性度調整層と、前記電気陰性度調整層上のトンネルバリア膜と、前記トンネルバリア膜上の第二のスピン分極膜と、前記第二のスピン分極膜上の第二の磁性膜とを具備し、
前記電気陰性度調整層は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、
前記トンネルバリア膜は、前記電気陰性度調整層と前記トンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記電気陰性度調整層は、前記電気陰性度調整層の数原子層分に相当する厚さ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記第一及び第二のスピン分極膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記第一及び第二のスピン分極膜は、その全体、或いはその一部が体心立方構造を有することを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記第一及び第二の磁性膜は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記トンネルバリア膜は、ＮａＣｌ型結晶構造を有するＭｇＯ、ＮａＣｌ、ＣａＯ、ＢａＯのうちの１つであることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
請求項１乃至１５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ることを特徴とする磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子(magnetoresistive element) 及びこれを用いた磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子のスピン自由度を利用したデバイス開発(スピンエレクトロニクス)の研究が精力的に行われている。強磁性体の状態密度は、アップ（↑）スピン及びダウン（↓）スピンを持つ電子についてそれぞれフェルミ面付近で分極している。
【０００３】
フェルミエネルギー付近の電子が伝導を担うことから，強磁性体内では伝導電子とスピンとが混成し、その電流がスピン分極(spin polarization)していると考えられる。このため、強磁性体をスピンのインジェクター(injector)とすれば、スピン自由度を利用した新機能デバイスの開発が期待される。
【０００４】
製膜技術、微細加工技術の進歩によって、現在では、ナノマテリアルデザインが可能となった。ナノスケール領域では、強磁性体を有するハイブリット構造を人工的に作成することにより量子干渉効果が現れ、単独物質では観測できない物理現象が数多く観測されている。なかでも、磁気抵抗効果素子としてのMTJ（Magnetic Tunnel Junction）素子は、強磁性膜、トンネルバリア膜、強磁性膜を基本構造とし、トンネル磁気抵抗効果（TMR:Tunneling Magnetoresistive）を示すことが知られており、100 MBT/int2級HDD用ヘッドや磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM：Magnetic Random Access Memory）に応用されている。
【０００５】
MRAMは、データをMTJ（Magnetic Tunnel Junction）素子の磁化の相対角度の変化により“１”、“０”の状態を記憶するという特徴がある。このため不揮発である。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、読み出しが可能である。従って、MRAMは、次世代の高速不揮発性メモリと期待されている。
【０００６】
また、スピン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磁化反転方式を利用すれば、MRAMのセルサイズを低減することでスピン電流密度が増えるために容易に磁性体の磁化反転を実現でき、高密度低消費電力MRAMの構築も可能である。
【０００７】
さらに近年では、MgOをトンネルバリア膜に用いることで3000％もの磁気抵抗比(MR比)が得られることが理論的に示され、これが注目を集めている（例えば、非特許文献１，２参照）。
【０００８】
これは、MgOを(001)方向に配向成長させることにより、強磁性膜（磁化膜）から特定の波数を持った電子のみが波数を保存したまま選択的にトンネル伝導することが可能となり、巨大な磁気抵抗効果が発現されるためと考えられている。
【０００９】
この高出力MgOを用いてMTJ素子を構築することで、よりいっそう不揮発性磁気メモリの高密度化、消費電力の低減化が実現できると期待されている。
【００１０】
しかし、そのためには平坦な(001)配向のMgOを作製しなければならない。
【００１１】
MgOはNaCl型の結晶構造をとる。それぞれ、Mgは金属カチオン、Oはアニオンとから構成されるイオン結合である。一般に、原子価数の多い金属カチオンほど酸化性が強く、MgO結晶内においてMg2+イオンを取り巻くO2-イオンの配位数によりMgイオンの酸化度が変化する。
【００１２】
特にMgOの表面では、結晶面方向により配位数が異なる。（111）配向のMgO最表面ではMg2+は三つのO2-と配位しており、一方（001）配向のMgO最表面では五つの酸素イオンと配位している。従って、酸性強度の順番は、Mg2+ (111) > Mg2+ (001)となる。この結果は酸素アニオンでも同じである。Mg及びOの酸化点及び還元点としての相互作用のため、MgOの(111)面は、電気分極面として働くことになる。
【００１３】
このように強磁性膜の最表面が正、又は負のいずれかの電位に分極している場合、電位を中性化するために、MgOは、強磁性膜の膜面に対してその法線方向に(111)配向して堆積される。
【００１４】
ここで、(111)配向したMgOの最表面にMg（マグネシウム）が露出する場合、その最表面は強い酸化面として作用し、一方、O（酸素）が露出する場合、その最表面は強い塩基面として作用する。従って、この電気分極面を電気的に中和するために対向電位を有する分極面が交互に堆積される。また、このMgOの最表面は完全電気分局面であり不安定面であることから、MgOの堆積中に表面エネルギーを低減するために膜面から45°方向に(001)面が露出する。
【００１５】
このように、電荷補償を繰り返して電気的に安定に成長しようとするために、最終的には、強磁性膜の膜面に対してその法線方向に(111)配向し、かつ、凹凸の激しいトンネルバリア膜(MgO)が形成されてしまう。
【００１６】
これらのことを鑑みると、巨大磁気抵抗効果を発現させるには、強磁性膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向した平坦なトンネルバリア膜(MgO)を成長させることが重要である。
【非特許文献１】Butler W. H., Zhang X. G., Schulthess T. C. & MacLaren J. M., “Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches.” Phys. Rev. B 63, 054416 (2001).
【非特許文献２】Mathon J. & Umerski A. “Theory of tunneling magnetoresistance of an epitaxial Fe/MgO/Fe(001) junction.”. Phys. Rev. B 63, 220403 (2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜と、第一の磁性膜上のトンネルバリア膜と、トンネルバリア膜上の第二の磁性膜とを備え、第一の磁性膜は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、トンネルバリア膜は、第一の磁性膜とトンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有する。
【００１９】
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜と、第一の磁性膜上の電気陰性度調整層と、電気陰性度調整層上のトンネルバリア膜と、トンネルバリア膜上の第二の磁性膜とを備え、電気陰性度調整層は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、トンネルバリア膜は、電気陰性度調整層とトンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有する。
【００２０】
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜と、第一の磁性膜上の第一のスピン分極膜と、第一のスピン分極膜上のトンネルバリア膜と、トンネルバリア膜上の第二のスピン分極膜と、第二のスピン分極膜上の第二の磁性膜とを備え、第一のスピン分極膜は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、トンネルバリア膜は、第一のスピン分極膜とトンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有する。
【００２１】
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、第一の磁性膜と、第一の磁性膜上の第一のスピン分極膜と、第一のスピン分極膜上の電気陰性度調整層と、電気陰性度調整層上のトンネルバリア膜と、トンネルバリア膜上の第二のスピン分極膜と、第二のスピン分極膜上の第二の磁性膜とを備え、電気陰性度調整層は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含み、トンネルバリア膜は、電気陰性度調整層とトンネルバリア膜との界面に対してその法線方向に(001)配向するＮａＣｌ型結晶構造を有する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００２４】
１．  概要  
本発明は、磁気抵抗効果素子のトンネルバリア膜を、その直下の膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向させるための技術を提案する。
【００２５】
そのための第一の手段は、トンネルバリア膜の直下の磁性膜内に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を添加し、磁性膜を電気的に中性化する、というものである。
【００２６】
第二の手段は、トンネルバリア膜と磁性膜との間に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含む電気陰性度調整層を形成し、トンネルバリア膜の下地を電気的に中性化する、というものである。
【００２７】
ここで、電気陰性度調整層は、磁性膜の一部であって、磁性膜とトンネルバリア膜との界面領域において上述の元素を有する場合を含む。
【００２８】
第三の手段は、トンネルバリア膜の直下のスピン分極膜内に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を添加し、スピン分極膜を電気的に中性化する、というものである。
【００２９】
第四の手段は、トンネルバリア膜とスピン分極膜との間に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素を含む電気陰性度調整層を形成し、トンネルバリア膜の下地を電気的に中性化する、というものである。
【００３０】
ここで、電気陰性度調整層は、スピン分極膜の一部であって、スピン分極膜とトンネルバリア膜との界面領域において上述の元素を有する場合を含む。
【００３１】
これらの手段によれば、磁気抵抗効果素子のトンネルバリア膜を、その直下の膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向させることができるため、巨大磁気抵抗効果を発現する磁気抵抗効果素子を提供できる。
【００３２】
本発明の効果を得るためには、磁性膜及びスピン分極膜の添加元素の添加量は、１原子％以上、より好ましくは５原子％以上であることが望ましい。特に、スピン分極膜の場合には、添加元素の添加量は、１０原子％以上であることが望ましい。
【００３３】
２．  実施の形態  
(1)   定義  
磁気抵抗効果素子の基本構造は、強磁性膜、トンネルバリア膜、強磁性膜のスタック構造である。また、トンネル磁気抵抗比(TMR比)を向上させるために、強磁性膜とトンネルバリア膜との間に高スピン分極膜を介在させることもある。
【００３４】
ここで、強磁性膜とは、残留磁化が一定方向を向く磁気異方性を有する強磁性膜のことであり、垂直磁化膜と面内磁化膜とがある。
【００３５】
垂直磁化膜は、残留磁化が膜面に対して垂直方向を向く垂直磁気異方性を有する強磁性膜のことである。面内磁化膜とは、残留磁化が膜面に対して水平方向を向く面内磁気異方性を有する強磁性膜のことである。
【００３６】
垂直磁化膜は、例えば、3d遷移金属であるFe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含むL10規則合金である。また、面内磁化膜は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とから構成される合金である。磁気異方性の大きさはFe, Co, NiとPt或いはPdの割合に依存するので、それぞれの元素の添加量を調整することにより残留磁化の方向を制御することができる。
【００３７】
高スピン分極膜とは、スピン分極率が大きい強磁性膜のことである。高スピン分極膜は、例えば、3d遷移金属であるFe, Co, Niの少なくとも一つの元素から構成される。スピン分極率は、フェルミ面近傍におけるマジョリティー電子数とマイノリティー電子数の差を全電子数で割った比率で定義される。
【００３８】
電気陰性度調整層はＣ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂの中から選択される層であり、膜厚は一原子層から5Ａ（オングストローム。以下同じ。）の範囲にある。前記元素の一原子層の膜厚はそれぞれCが1.4Ａ、Alが2.5Ａ、Pが2Ａ、Asが2.3Ａ、Snが2.8Ａ、Sbが2.9Ａ、Teが2.8Ａ、Pbが3.6Ａである。
【００３９】
以下では、強磁性膜及び高スピン分極膜をそれぞれ単に磁性膜及びスピン分極膜と称することにする。
【００４０】
(2)   原理  
異なる材料同士を接触させると、電気陰性度が大きい材料に電子が引き付けられるためその界面に電位勾配が生じて電子の流れが発生する。従って、電子を供給した一方の材料内では電子欠乏状態になるので実効的に陽イオン化する（ガルバニック効果）。また、電気陰性度の差が大きいほうが電子の偏りが大きく、そのため、イオン結合性がより顕著に現れるので結合力が強くなると考えられる。電気陰性度の値の大小関係はO（酸素）＞Pd（パラジウム）〜Pt（プラチナ＞Fe（鉄）〜Co（コバルト）〜Ni（ニッケル）＞Mg（マグネシウム）である。
【００４１】
磁性膜を構成する白金族は、高い電気陰性度を有する。従って、これと接する金属の電子分布は、磁性膜に引き付けられ、さらにはスピン分極膜を用いる場合には、スピン分極膜の表面も電子欠乏状態が維持される。
【００４２】
一般に、スパッタ法によりMgOを形成する場合、MgとOは或る確率でそれぞれMg陽イオン、O陰イオンに乖離することが予想されている。したがって、もし磁性体の表面が陽イオン化していた場合、その電位を中和させるためにOが優先的に磁性体表面に吸着し単原子層が形成される。
【００４３】
このような同一原子で構成された単原子層は、磁性膜上に形成するMgOを、磁性膜の膜面に対してその法線方向に(111)配向する結晶構造にする原因となる。
【００４４】
尚、単原子膜とは、原子(ex MgやO)１個分の厚さを有する層のことである。
【００４５】
更に、(111)配向したMgOの膜面は完全電気分極面である。従って、MgO堆積時に、その最上面にMg（マグネシウム）が露出した場合、その最上面は強い酸化面（＋）として作用し、一方、O（酸素）が露出した場合、その最上面は強い塩基面（−）となる。
【００４６】
この場合、最上面に露出した電気分極面を電気的に中和するために、MgOの結晶構造は、対向電位を有する分極面が交互に積み重なる構造になる。また、MgO堆積中に表面エネルギーを低減するために、MgOは、磁性膜の膜面に対して傾いた方向に(001)面が露出する。
【００４７】
このように、電荷補償を繰り返しながら、電気的・熱力学的に最も低いエネルギー過程を通って結晶成長するために、MgOは、(111)方向に優先的に配向し、かつ、凹凸の激しい膜となってしまう。
【００４８】
白金族の高い電気陰性度（具体的な数値）は、金属原子の3d不対電子が起源と考えられる。
【００４９】
従って、磁性膜内に、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂなどの元素を添加し、金属原子に対する組成比及び添加元素を適切に選択すれば、L10金属内のd電子の空孔への電子移動量を制御でき、その結果、金属原子のd電子密度も制御可能になる。
【００５０】
このようにして、磁性膜の標準電位を中和することで、図７に示すように、トンネルバリア膜としてのMgO堆積時に、まず、非分極面となる単原子膜を磁性膜上に結晶成長させることができる。これにより、MgOは、磁性膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向して成長することになる。
【００５１】
また、スピン分極膜を用いる場合には、同様に、スピン分極膜内に上述の元素を添加することにより、スピン分極膜の電子欠乏状態を補い、その標準電位を等電位化することができる。これにより、トンネルバリア膜としてのMgOは、スピン分極膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向して成長することになる。
【００５２】
さらに、磁性膜上に上述の元素を含む電気陰性度調整層を形成し、電気陰性度調整層上にMgOを結晶成長させる場合、及び、スピン分極膜上に上述の元素を含む電気陰性度調整層を形成し、電気陰性度調整層上にMgOを結晶成長させる場合の双方についても、同様に、トンネルバリア膜としてのMgOをその下地である電気陰性度調整層の膜面に対してその法線方向に(001)配向して成長させることができる。
【００５３】
なお、トンネルバリア膜としては、MgOに限らず、例えば、NaCl型結晶構造を有するNaCl,CaO,BaOなどを用いてもよく、巨大磁気抵抗効果を発現させることができる。
【００５４】
(3)   基本構造  
磁気抵抗効果素子の基本構造を説明する。
【００５５】
A.  第一の基本構造  
第一の基本構造は、概要の第一の手段に相当する。
【００５６】
図１は、磁気抵抗効果素子の第一の基本構造を示している。
【００５７】
第一の磁性膜１０上にはトンネルバリア膜１４が形成され、トンネルバリア膜１４上には第二の磁性膜１６が形成される。第一及び第二の磁性膜１０，１６のうちの一方は、磁化方向が固定されるピンド(pinned)層となり、他方は、磁化方向が可変のフリー(free)層となる。
【００５８】
第一の磁性膜１０は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含み、かつ、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂのグループから選択される少なくとも一つの元素を含む。
【００５９】
第一の磁性膜１０は、例えば、(FexCo(100-x)PtyPd(100-y))100-z(X1)zである。
【００６０】
但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表し、X1は、上述のグループから選択される少なくとも一つの元素である。
【００６１】
第二の磁性膜１０は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含む。
【００６２】
第二の磁性膜１６は、例えば、(FexCo(100-x)PtyPd(100-y))100-z(X1)zである。  
但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表す。
【００６３】
また、ｚの範囲は、0<ｚ<100とし、zの値は、添加元素が1原子％以上、より好ましくは5原子％以上、30原子％以下となる数値にするのが望ましい。
【００６４】
トンネル磁気抵抗比は、近似的にはジュリーレの式によって決まり、その値は、トンネルバリア膜１４に接する第一及び第二の磁性膜１０，１６のスピン分極率が高いほど大きな値となる。
【００６５】
尚、磁気抵抗効果素子の規格抵抗値が1000 Ωμm2以下である場合には、トンネルバリア膜１４の厚さは、0.5〜2 nmの範囲内の値とする。
【００６６】
トンネルバリア膜１４は、第一の磁性膜１０を下地として形成される。
【００６７】
トンネルバリア膜１４をMgOとする場合には、トンネルバリア膜１４は、MgOターゲットを用いて、希ガス（Ar（アルゴン）、Ne（ネオン）、Kr（クリプトン）、又は、Xe（キセノン））雰囲気内でのスパッタ法により形成するか、又は、Mgターゲットを用いて、O2雰囲気内での酸化反応性スパッタ法により形成する。
【００６８】
その他、Mg膜を成膜した後に、純酸素、酸素ラジカル、酸素イオン、又は、オゾンにより酸化することでMgOを形成してもよい。また、分子線エピタキシー法によりMgOをエピタキシャル成長させることもできる。
【００６９】
第一及び第二の磁性膜１０，１６の形成方法については、後述する「材料」の項目において説明する。
【００７０】
B.  第二の基本構造  
第二の基本構造は、概要の第二の手段に相当する。
【００７１】
図２は、磁気抵抗効果素子の第二の基本構造を示している。
【００７２】
第二の基本構造は、第一の基本構造と比べると、さらに電気陰性度調整層１３が付加されている点に特徴を有する。
【００７３】
第一の磁性膜１１上には電気陰性度調整層１３が形成され、電気陰性度調整層１３上にはトンネルバリア膜１４が形成され、トンネルバリア膜１４上には第二の磁性膜１６が形成される。第一及び第二の磁性膜１１，１６のうちの一方は、磁化方向が固定されるピンド層となり、他方は、磁化方向が可変のフリー層となる。
【００７４】
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含む。
【００７５】
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、例えば、FexCo(100-x)PtyPd(100-y)である。  
但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表す。
【００７６】
電気陰性度調整層１３は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂのグループから選択される少なくとも一つの元素を含む。
【００７７】
電気陰性度調整層１３は、できるだけ薄いほうがトンネル磁気抵抗比の向上には好ましいため、その厚さは、例えば、上述の元素の数原子層分の厚さ以下の厚さ（例えば一原子層分の厚さ）とする。即ち、電気陰性度調整層１３は、単原子膜とするのがよい。
【００７８】
ここで、電気陰性度調整層１３は、磁性膜１１の一部であって、磁性膜１１とトンネルバリア膜１４との界面領域において上記グループから選択される上記元素を有する場合を含む。
【００７９】
具体的には、図３に示すように、磁性膜１１とトンネルバリア膜１４との界面領域において、磁性膜１１が上述の元素を含むエリア１３’を有している場合も第二の基本構造に含まれる。
【００８０】
エリア１３’は、例えば、磁性膜１１上に上述の元素から構成される電気陰性度調整層を形成し、その後、熱処理により、磁性膜１１内の元素と電気陰性度調整層内の元素とを相互拡散させることにより形成できる。
【００８１】
この場合、電気陰性度調整層の元素と磁性膜１１の3d遷移金属との結合が形成され、磁性膜１１の膜面（上面）の標準電位が中性化される。
【００８２】
トンネルバリア膜１４は、エリア１３’を下地として形成される。  
トンネルバリア膜１４の厚さ及び形成方法については、第一の基本構造で説明した場合と同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００８３】
第一及び第二の磁性膜１１，１６の形成方法については、後述する「材料」の項目において説明する。
【００８４】
C.  第三の基本構造  
第三の基本構造は、概要の第三の手段に相当する。
【００８５】
図４は、磁気抵抗効果素子の第三の基本構造を示している。
【００８６】
第三の基本構造は、第一の基本構造と比べると、スピン分極膜１２，１５が付加されている点に特徴を有する。
【００８７】
第一の磁性膜１１上には第一のスピン分極膜１２が形成され、第一のスピン分極膜１２上にはトンネルバリア膜１４が形成され、トンネルバリア膜１４上には第二のスピン分極膜１５が形成され、第二のスピン分極膜１５上には第二の磁性膜１６が形成される。
【００８８】
第一及び第二の磁性膜１１，１６のうちの一方は、磁化方向が固定されるピンド層となり、他方は、磁化方向が可変のフリー層となる。
【００８９】
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含む。
【００９０】
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、例えば、FexCo(100-x)PtyPd(100-y)である。  
但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表す。
【００９１】
第一のスピン分極膜１２は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素を含み、かつ、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂのグループから選択される少なくとも一つの元素を含む。
【００９２】
第一のスピン分極膜１２は、例えば、(FexCo(100-x))(100-z)(X1)zである。
【００９３】
但し、xは組成比(0≦x≦100)を表し、X1は、上述のグループから選択される少なくとも一つの元素である。
【００９４】
また、ｚの範囲は、0<ｚ<100とし、zの値は、添加元素が1原子％以上、より好ましくは5原子％以上、さらに好ましくは10原子％以上、30原子％以下となる数値にするのが望ましい。
【００９５】
第二のスピン分極膜１５は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素を含む。
【００９６】
第二のスピン分極膜１５は、例えば、FexCo(100-x)である。
【００９７】
但し、xは組成比(0≦x≦100)を表す。
【００９８】
トンネル磁気抵抗比は、近似的にはジュリーレの式によって決まり、その値は、トンネルバリア膜１４に接する第一及び第二のスピン分極膜１２，１５のスピン分極率によって決まる。
【００９９】
第一及び第二のスピン分極膜１２，１５のスピン分極率は、第一及び第二の磁性膜１１，１６のスピン分極率よりも大きいため、第三の基本構造では、第一の基本構造よりも大きなトンネル磁気抵抗比を得ることができる。
【０１００】
尚、第一及び第二のスピン分極膜１２，１５の厚さは、3nm以下であるのが好ましい。
【０１０１】
トンネルバリア膜１４は、第一のスピン分極膜１２を下地として形成される。
【０１０２】
トンネルバリア膜１４の厚さ及び形成方法については、第一の基本構造で説明した場合と同じであるので、ここではその説明を省略する。
【０１０３】
第一及び第二の磁性膜１１，１６及び第一及び第二のスピン分極膜１２，１５の形成方法については、後述する「材料」の項目において説明する。
【０１０４】
D.  第四の基本構造  
第四の基本構造は、概要の第四の手段に相当する。
【０１０５】
図５は、磁気抵抗効果素子の第四の基本構造を示している。
【０１０６】
第四の基本構造は、第一の基本構造と比べると、さらに、電気陰性度調整層１３と、第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５とが付加されている点に特徴を有する。
【０１０７】
第一の磁性膜１１上には第一のスピン分極膜１２’が形成され、第一のスピン分極膜１２’上には電気陰性度調整層１３が形成され、電気陰性度調整層１３上にはトンネルバリア膜１４が形成され、トンネルバリア膜１４上には第二のスピン分極膜１５が形成され、第二のスピン分極膜１５上には第二の磁性膜１６が形成される。
【０１０８】
第一及び第二の磁性膜１１，１６のうちの一方は、磁化方向が固定されるピンド層となり、他方は、磁化方向が可変のフリー層となる。
【０１０９】
第一及び第二の磁性膜１１，１６は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素と、Pt, Pdの少なくとも一つの元素とを含む。第一及び第二の磁性膜１１，１６は、例えば、FexCo(100-x)PtyPd(100-y)である。但し、x及びyは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表す。
【０１１０】
第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５は、Fe, Co, Niの少なくとも一つの元素を含む。第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５は、例えば、FexCo(100-x)である。但し、xは組成比(0≦x≦100)を表す。
【０１１１】
電気陰性度調整層１３は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂのグループから選択される少なくとも一つの元素を含む。
【０１１２】
電気陰性度調整層１３は、できるだけ薄いほうがトンネル磁気抵抗比の向上には好ましいため、その厚さは、例えば、上述の元素の数原子層分の厚さ以下の厚さ（例えば一原子層分の厚さ）とする。即ち、電気陰性度調整層１３は、単原子膜とするのがよい。
【０１１３】
ここで、電気陰性度調整層１３は、スピン分極膜１２’の一部であって、スピン分極膜１２’とトンネルバリア膜１４との界面領域において上記グループから選択される元素を有する場合を含む。
【０１１４】
具体的には、図６に示すように、スピン分極膜１２’とトンネルバリア膜１４との界面領域において、スピン分極膜１２’が上述の元素を含むエリア１３’を有している場合も第四の基本構造に含まれる。
【０１１５】
エリア１３’は、例えば、スピン分極膜１２’上に上述の元素から構成される電気陰性度調整層を形成し、その後、熱処理により、スピン分極膜１２’内の元素と電気陰性度調整層内の元素とを相互拡散させることにより形成できる。
【０１１６】
この場合、電気陰性度調整層の元素とスピン分極膜１２’の3d遷移金属との結合が形成され、スピン分極膜１２’の膜面（上面）の標準電位が中性化される。
【０１１７】
トンネル磁気抵抗比は、近似的にはジュリーレの式によって決まり、その値は、トンネルバリア膜１４に接する第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５のスピン分極率によって決まる。
【０１１８】
第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５のスピン分極率は、第一及び第二の磁性膜１１，１６のスピン分極率よりも大きいため、第四の基本構造でも、第三の基本構造と同様に、第一の基本構造よりも大きなトンネル磁気抵抗比を得ることができる。
【０１１９】
尚、第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５の厚さは、3nm以下であるのが好ましい。
【０１２０】
トンネルバリア膜１４は、エリア１３’を下地として形成される。
【０１２１】
トンネルバリア膜１４の厚さ及び形成方法については、第一の基本構造で説明した場合と同じであるので、ここではその説明を省略する。
【０１２２】
第一及び第二の磁性膜１１，１６及び第一及び第二のスピン分極膜１２’，１５の形成方法については、後述する「材料」の項目において説明する。
【０１２３】
(4)   材料  
A.  磁性膜に用いられる材料
磁性膜の代表例は、Pt（プラチナ）、Pd（パラジウム）などの白金族と3d遷移金属であるFe(鉄)、Co(コバルト)とより成る合金（FexCo(100-x)）50(PtyPd(100-y))50である。
【０１２４】
これは、高い磁気異方性を有する強磁性膜である。さらに、製膜条件を最適化することにより、白金族と3d遷移金属の結晶サイトが規則化され、L10規則合金が得られる。この材料は、106〜107 erg/ccの高い磁気異方性を有し、膜面に対して法線方向に磁化する垂直磁気異方性を示す。
【０１２５】
スピン注入による磁化反転方式において、書き込みに要する電流値を低減するには、垂直磁化膜の磁化反転の際の摩擦力に対応する物理量であるダンピング定数を低減化することが必要である。一般に、ダンピング定数は、物質のスピン-軌道相互作用の大きさに依存すると考えられている。
【０１２６】
従って、ここでは、Pd（パラジウム）とPt（プラチナ）の組成比を変化させ、ダンピング定数の低減化を図っている。また、FeとCoの組成比を変化させることにより、スピン分極率が最適化された垂直磁化膜の構築を図っている。
【０１２７】
また、Ｐａｕｌｉｎｇの電気陰性度の値によればPt（プラチナ）、Pd（パラジウム）の電気陰性度はおよそ2.2に対して典型的なスピン分極磁性膜であるFeの電気陰性度は1.8である。このため、L10合金を構成する白金族とスピン分極磁性膜Feを接触させると電位差が生じFe表面は正に帯電してしまう。電気陰性度の値の順位は、C（カーボン）2.5 ＞Se（セレン）2.4 ＞Pd（パラジウム）2.2〜Pt（プラチナ）2.2〜P（リン）2.1〜Te（テルル）2.1＞B（ボロン）2.0〜As（ヒ素）2.0＞Sb（アンチモン）1.9〜Bi（ビスマス）1,9 ＞Si（シリコン）1.8〜Ge（ゲルマニウム）1.8〜Sn（スズ）1.8である。
【０１２８】
したがって、もし磁性膜を構成する白金族原子に対して電気陰性度が大きいC, Seを添加した場合、電子はこれらの添加元素側に移動し、白金族のd電子空孔密度が増加し、より電子欠乏性が増す。これに対して、電気陰性度が小さい元素であるB, Si, Geなどを添加した場合、電子は白金族側に移動するために白金族のd電子の空孔密度が減少し電子欠乏性は抑制される。
【０１２９】
例えば、合金の電気陰性度が単純希釈により決まると仮定しFePtの電気陰性度を近似的に見積もると2.0となる。ここでFePtに対してSiを50atom%添加すると(FePt)50Si50の電気陰性度は1.9と低減するので。MgO製膜時に問題となる下地層の帯電効果を大きく抑制することが可能となり、MgOバリアの(001)高配向化が促進される。
【０１３０】
このように (FexCo(100-x)PtyPd(100-y))100-z(X1)zはMgO(001)トンネルバリアの下地層に適した磁性層である。
【０１３１】
但し、x, y及びzは組成比(0≦x≦100, 0≦y≦100)を表し、X1は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素である。
【０１３２】
また、ｚの範囲は、0<ｚ<100とし、zの値は、添加元素が1原子％以上、より好ましくは5原子％以上、30原子％以下となる数値にするのが望ましい。
【０１３３】
また、磁性膜に上述した元素を添加した場合、垂直磁化膜内で当該元素がアモルファスの生成を促進するために空間的に均一なアモルファス膜が形成され、膜のモフォロジーが改善される。
【０１３４】
特に、アモルファスは、極めて平坦な表面を有するので、平坦かつ高配向なMgOを形成するには最適な下地の結晶構造であるといえる。
【０１３５】
但し、上記添加元素をメタロイドとして作用させ、磁性膜を安定的にアモルファス化させるためには、当該元素の添加量は10 atom％を下限とすることが必要である。
【０１３６】
一方で、上記元素の添加量を増やすことにより磁性膜のキュリー温度及び飽和磁化が減少し、約50％の添加量で磁気特性が急峻に劣化する。
【０１３７】
従って、上記元素の添加量は、磁性膜における3d遷移金属元素に対する組成比の上限を50 atom％とする。
【０１３８】
磁性膜の製膜法は、真空蒸着法又はスパッタ法である。
【０１３９】
真空蒸着法で製膜する場合、湯壷に個々の金属、添加元素材料を配置し同時に加熱する。その際、個々の元素の蒸気圧を考慮に入れ、蒸着速度を調整することにより所望の組成比を有する磁性膜を形成できる。必要に応じて、堆積する磁性膜の組成比を考慮した合金を用意し、これを蒸着することでも磁性膜の形成は可能である。
【０１４０】
スパッタ法で製膜する場合、個々の金属、添加元素材料のターゲットを用意し、Ar(アルゴン）ガス雰囲気内でDC又はRF電力を投入し、プラズマを生成する。高電圧により電離されたArガスが、高い運動エネルギーを持ってターゲット表面に入射するために、ターゲットを構成する原子は弾き飛ばされ、その結果、磁性膜が形成される。
【０１４１】
その際、個々の元素のスパッタ速度を調整することにより所望の組成比を有する磁性膜を形成できる。必要に応じて、堆積する磁性膜の組成比を考慮した合金ターゲットを用意し、これをスパッタすることでも磁性膜の形成は可能である。
【０１４２】
スパッタ法で薄膜を堆積する場合、薄膜内にスパッタガスが捕獲されて薄膜の磁気特性及び伝導特性が劣化することがある。これを防ぐために、場合によっては、Kr（クリプトン）、Xe（キセノン）をスパッタガスとして用いる。
【０１４３】
B. スピン分極膜に用いられる材料
低抵抗及び高TMR比のMTJ膜の開発には、トンネルバリア膜として、膜厚 1 nm以下で高配向のMgOを形成することが必要である。そのためにMgOの下地となるスピン分極膜の平坦化が重要となる。従って、上述した元素の添加によるスピン分極膜のアモルファス化は欠かせない。
【０１４４】
スピン分極膜の代表例は、FeCoNi合金である。FeCoNi合金は、高いスピン分極率を示すのでトンネル磁気抵抗比の向上には適した材料である。FeCoNi合金を安定にアモルファス化するためにこれに10atom％を下限として元素X1を添加するのが望ましい。但し、X1は、Ｃ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐｂから選択される少なくとも一つの元素である。
【０１４５】
これによりBernal構造と呼ばれる多面体が形成され、添加された元素がBernal空隙（site）に配されることで多面体構造が安定化し、原子オーダーで一様かつ平坦なアモルファス強磁性膜が形成される。
【０１４６】
しかし、FeCoNi合金がアモルファスのままでは、MgOとFeCoNi合金との界面に、格子不整合のみならず格子欠陥が多数存在することになる。これらが電子の散乱体となってスピン伝導を妨げるために大きなトンネル磁気抵抗比が得られない。
【０１４７】
そこで、素子作成後に熱処理を加えて、アモルファス化されたFeCoNi合金を結晶化する。具体的には、CoFeNiは、その膜面に対して法線方向に(001)配向した体心立方構造となる。その結果、MgOとCoFeNiとの格子ミスマッチが小さくなる。
【０１４８】
また、元素X1を適宜に選択し、MTJ素子を形成後、又は、スピン分極膜を形成後に、500℃を上限として熱処理を行うことにより元素X1を、白金族を含む磁気異方性膜に拡散させる。
【０１４９】
これにより白金族の電気陰性度が小さくなるので、これと接するスピン分極膜間の電位勾配は低減され、トンネルバリア膜としてのMgOをスピン分極膜の膜面に対してその法線方向に(001)配向して成長させることができる。
【０１５０】
但し、元素X1の添加量を増やすことによりスピン分極膜のキュリー温度及び飽和磁化が減少する。約50 atom％の添加量で磁気特性が急峻に劣化するために、もはや強磁性状態をとることができない。  従って、元素X1の添加量は、スピン分極膜（CoFeNi）の組成比の上限を50 atom％とする。
【０１５１】
スピン分極膜は、トンネル磁気抵抗比を増大させるために、磁性膜とトンネルバリア膜との間に3 nm以下の厚さで形成することが望ましい。
【０１５２】
スピン分極膜の製膜法は、真空蒸着法又はスパッタ法である。
【０１５３】
真空蒸着法で製膜する場合、湯壷に個々の金属、添加元素材料を配置し同時に加熱する。その際、個々の元素の蒸気圧を考慮に入れ蒸着速度を調整することにより所望の組成比を有するスピン分極膜を形成できる。必要に応じて、堆積するスピン分極膜の組成比を考慮した合金を用意し、これを蒸着することでもスピン分極膜の形成は可能である。
【０１５４】
スパッタ法で製膜する場合、個々の金属、添加元素材料のターゲットを用意し、Ar(アルゴン)ガス雰囲気内で、DC又はRF電力を投入し、プラズマを生成する。高電圧により電離されたArガスが、高い運動エネルギーを持ってターゲット表面に入射されるために、ターゲットを構成する原子は弾き飛ばされ、その結果、スピン分極膜が形成される。
【０１５５】
その際、個々の元素のスパッタ速度を調整することにより、所望の組成比を有するスピン分極膜を形成する。必要に応じて、堆積するスピン分極膜の組成比を考慮した合金ターゲットを用意し、これをスパッタすることでもスピン分極膜の形成は可能である。
【０１５６】
スパッタ法で薄膜を形成する場合、薄膜内にスパッタガスが捕獲され、薄膜の磁気特性及び伝導特性が劣化することがある。これを防ぐために、場合によっては、Kr（クリプトン）、Xe（キセノン）をスパッタガスとして用いる。
【０１５７】
(5)   効果  
図７は、本発明のMgO堆積時の様子を示している。  
トンネルバリア膜としてのMgOは、磁性膜としてのFePt（同図（ａ））上及びスピン分極膜としてのFeCo（同図（ｂ））上に、その膜面に対して法線方向に(001)配向して堆積する（同図（ｃ））。
【０１５８】
図８は、比較例として、従来のMgO堆積時の様子を示す。
【０１５９】
トンネルバリア膜としてのMgOは、磁性膜としてのFePt（同図（ａ））上及びスピン分極膜としてのFeCo（同図（ｂ））上に、その膜面に対して法線方向に(111)配向して堆積する（同図（ｃ））。
【０１６０】
３．  実施例  
次に、本発明の実施例として、具体的なTMR素子の積層構造を詳細に説明する。
【０１６１】
第一実施例の一具体例
本発明の第一実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子は図１を基本構成とする。FePt（3nm）からなる磁性膜１６／MgO（0.5〜2nm）からなるトンネルバリア膜１４／(FePd)90(BP)10（3nm）からなる磁性膜１０／下地層／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）を形成するものである。
【０１６２】
第二実施例の一具体例
本発明の第二実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子は図２を基本構成とする。FePt（3nm）からなる磁性膜１６／MgO（0.5〜2nm）からなるトンネルバリア膜１４／P(１原子層分)からなる電気陰性度調整層１３／FePd（3nm）からなる磁性膜１１／下地層／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）を形成するものである。
【０１６３】
第三実施例の一具体例
本発明の第三実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子は図４を基本構成とする。FePt(3 nm）からなる磁性膜１６／CoFe(1nm) からなるスピン分極膜１５／MgO（0.5〜2nm）からなるトンネルバリア膜１４／(CoFe)80P20(0.5nm) からなるスピン分極膜１２／FePd（3nm）からなる磁性膜１１／下地層／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）を形成するものである。
【０１６４】
第四実施例の一具体例
本発明の第四実施例による保磁力差型のＴＭＲ素子は図５を基本構成とする。FePt(3 nm）からなる磁性膜１６／CoFe(1nm) からなるスピン分極膜１５／MgO（0.5〜2nm）からなるトンネルバリア膜１４／P(１原子層分)からなる電気陰性度調整層１３／CoFe(0.25nm) からなるスピン分極膜１２’／FePd（3nm）からなる磁性膜１１／下地層／熱酸化Ｓｉ基板（図示せず）を形成するものである。
【０１６５】
本実施例によれば、(001)配向のトンネルバリア膜により巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を実現できる。
【０１６６】
４．  適用例  
本発明の磁気抵抗効果素子は、磁気ランダムアクセスメモリや、磁気ディスク装置の磁気ヘッドなどに適用できる。
【０１６７】
図９は、スピン注入型磁気ランダムアクセスメモリを示している。
【０１６８】
磁気抵抗効果素子Ｃの一端は、ビット線ＢＬに接続される。
【０１６９】
ビット線ＢＬの一端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ１を経由してセンスアンプＳ／Ａに接続される。センスアンプＳ／Ａは、磁気抵抗効果素子Ｃからの読み出し電位Ｖｒと参照電位Ｖｒｅｆとを比較し、出力信号ＤＡＴＡを出力する。尚、Ｒｆは、帰還抵抗である。
【０１７０】
ビット線ＢＬの他端は、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ２を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１に接続される。
【０１７１】
磁気抵抗効果素子Ｃの他端は、下部電極Ｌに接続される。下部電極Ｌは、選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタＳＴ３を経由してソース線ＳＬに接続される。ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ４を経由して、ＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ２及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ２に接続される。
【０１７２】
また、ソース線ＳＬは、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ５を経由して接地点Ｖｓｓに接続される。ＭＯＳトランジスタＳＴ３のゲートは、ワード線ＷＬに接続される。ワード線ＷＬは、ビット線ＢＬが延びる方向に対して交差する方向に延びる。
【０１７３】
データ書き込みは、スピン注入書き込み方式により行う。即ち、制御信号Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤによるＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ２及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２のオン／オフにより磁気抵抗効果素子Ｃに流れるスピン注入電流の向きを制御し、データ書き込みを実行する。
【０１７４】
図１０は、スピン注入型磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示している。
【０１７５】
半導体基板２１内には、ＳＴＩ(shallow trench isolation)構造の素子分離層２２が形成される。素子分離層２２に囲まれた素子領域内には、選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３が形成される。
【０１７６】
ＭＯＳトランジスタＳＴ３は、ソース拡散領域２３、ドレイン拡散領域２４及びこれらの間のチャネル領域の上部に形成されるゲート電極２５(ＷＬ)を有する。ゲート電極２５(ＷＬ)は、図９のワード線ＷＬに相当する。
【０１７７】
ソース拡散領域２３は、コンタクトプラグ２６を経由してソース線ＳＬに接続される。ドレイン拡散領域２４は、中間層２７を経由して下部電極２８に接続される。
【０１７８】
下部電極２８上には、本発明の磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ）２９が形成される。磁気抵抗効果素子２９は、トップピン型及びボトムピン型のどちらでもよい。
【０１７９】
磁気抵抗効果素子２９の上面は、磁気抵抗効果素子２９を保護する機能を持つキャップ導電膜３０を経由してビット線３２（ＢＬ）に接続される。ビット線３２（ＢＬ）は、図９のビット線ＢＬに相当する。
【０１８０】
磁気抵抗効果素子２９及び選択スイッチとしてのＮチャネルＭＯＳトランジスタＳＴ３は、層間絶縁膜３２に覆われ、ビット線３１（ＢＬ）は、層間絶縁膜３２上に配置される。
【０１８１】
このような構造のメモリにおいて、データ書き込みは、ＭＯＳトランジスタＳＴ３をオンにして磁気抵抗効果素子２９にスピン注入電流を流すことにより行う。
【０１８２】
書き込みデータの値は、例えば、図９のＰチャネルＭＯＳトランジスタＰ１，Ｐ２及びＮチャネルＭＯＳトランジスタＮ１，Ｎ２のオン／オフにより、スピン注入電流の向きを制御することで決定する。
【０１８３】
データ読み出しは、ＭＯＳトランジスタＳＴ３をオンにして磁気抵抗効果素子２９に読み出し電流を流すことにより行う。読み出し電流は、読み出し時における誤書き込みを防止するためにスピン注入電流よりも小さな値とする。
【０１８４】
図１１は、磁気ディスク装置の内部構造を示している。図１２は、TMRヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ部を示している。
【０１８５】
アクチュエータアーム(Actuator arm)６１は、磁気ディスク装置内の固定軸６０に固定されるための穴を有し、アクチュエータアーム６１の一端には、サスペンション(Suspension)６２が接続される。
【０１８６】
サスペンション６２の先端には、TMRヘッドを搭載したヘッドスライダ(Head slider)６３が取り付けられている。また、サスペンション６２には、データの書き込み／読み取りのためのリード線(lead line)６４が配線される。
【０１８７】
このリード線６４の一端とヘッドスライダ６３に組み込まれたTMRヘッドの電極とが電気的に接続される。
【０１８８】
ここで、TMRヘッドは、本発明の磁気抵抗効果素子を含む。
【０１８９】
リード線６４の他端は、電極パッド(Electrode pad)６５に接続される。
【０１９０】
磁気ディスク(Magnetic disc)６６は、スピンドル(Spindle)６７に装着され、駆動制御部からの制御信号により、モータ駆動される。
【０１９１】
ヘッドスライダ６３は、磁気ディスク６６の回転により所定量だけ浮上する。この状態で、TMRヘッドを用いてデータの記録再生を行う。
【０１９２】
アクチュエータアーム６１は、駆動コイルを保持するボビン部を有する。アクチュエータアーム６１には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ(Voice coil motor)６８が接続される。
【０１９３】
ボイスコイルモータ６８は、アクチュエータアーム６１のボビン部に巻き上げられた駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークとからなる磁気回路を備える。
【０１９４】
アクチュエータアーム６１は、固定軸６０の上下２ヶ所に設けられるボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ６８によって駆動される。
【０１９５】
以上、本発明の適用例を磁気ランダムアクセスメモリと磁気ディスク装置とについて説明したが、本発明は、それ以外にもＴＭＲ効果を利用するメモリ全般に適用できる。
【０１９６】
５．  むすび  
本発明によれば、巨大磁気抵抗効果が発現する磁気抵抗素子を提供できる。
【０１９７】
本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１９８】
【図１】第一の基本構造を示す図。
【図２】第二の基本構造を示す図。
【図３】第二の基本構造に含まれる変形構造を示す図。
【図４】第三の基本構造を示す図。
【図５】第四の基本構造を示す図。
【図６】第四の基本構造に含まれる変形構造を示す図。
【図７】本発明によるMgOの結晶構造を示す図。
【図８】比較例によるMgOの結晶構造を示す図。
【図９】適用例としての磁気ランダムアクセスメモリを示す図。
【図１０】図９のメモリのメモリセルの構造を示す図。
【図１１】適用例としての磁気ディスク装置を示す図。
【図１２】図１１の磁気ヘッドアセンブリ部を示す図。
【符号の説明】
【０１９９】
１１，１６：  磁性膜、  １２，１５：  スピン分極膜、  １３：  電気陰性度調整層、  １４：  トンネルバリア膜。
【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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