(57)【要約】【課題】  高ＴＭＲ比及び低電流でのスピン注入磁化反転を可能とする。【解決手段】  本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、下地層１１／第１の磁性層１２／トンネルバリア層１３／第２の磁性層１４のスタック構造を有する。第１及び第２の磁性層１２，１４の残留磁化は、それらの膜面に垂直な方向を向き、第１及び第２の磁性層１２，１４のうちの一方は、磁化方向が不変で、その他方は、磁化方向が可変であり、第１の磁性層１２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓの第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とから構成される強磁性体金属であり、下地層１１は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの第３のグループから選ばれる１つの元素を含む金属、又は、前記第３のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む金属である。【選択図】    図１
2009239121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層と、前記下地層上の第１の磁性層と、前記第１の磁性層上のトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上の第２の磁性層とを具備し、
前記第１の磁性層の残留磁化は、前記第２の磁性層側又はその反対側を向き、前記第２の磁性層の残留磁化は、前記第１の磁性層側又はその反対側を向き、
前記第１及び第２の磁性層のうちの一方は、磁化方向が不変で、その他方は、磁化方向が可変であり、
前記第１の磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓの第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とから構成される強磁性体金属であり、
前記下地層は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの第３のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む金属であり、
前記トンネルバリア層の下地が前記第１の磁性層であり、前記下地層及び前記第１の磁性層の構成元素、組成比及び厚さにより、前記第１の磁性層の表面電位が中性化される
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層は、正方晶又は立方晶を基本格子とし、（００１）面に配向する部分を有する酸化物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】
前記第１の磁性層と前記トンネルバリア層との間に配置され、前記第１の磁性層とは構成元素又は組成比が異なる界面磁性層をさらに具備し、
前記界面磁性層は、前記第１のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む強磁性体金属であり、
前記トンネルバリア層の下地が前記界面磁性層であり、前記下地層、前記第１の磁性層及び前記界面磁性層の構成元素、組成比及び厚さにより、前記界面磁性層の表面電位が中性化される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記下地層と前記第１の磁性層との間に配置される中間下地層をさらに具備し、
前記中間下地層は、前記第２のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む金属であり、
前記トンネルバリア層の下地が前記第１の磁性層となり、前記下地層、前記中間下地層及び前記第１の磁性層の構成元素、組成比及び厚さにより、前記第１の磁性層の表面電位が中性化される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第１の磁性層と前記トンネルバリア層との間に配置され、前記第１の磁性層とは構成元素又は組成比が異なる界面磁性層と、前記下地層と前記第１の磁性層との間に配置される中間下地層とをさらに具備し、
前記界面磁性層は、前記第１のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む強磁性体金属であり、
前記中間下地層は、前記第２のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む金属であり、
前記トンネルバリア層の下地が前記界面磁性層となり、前記下地層、前記中間下地層、前記第１の磁性層及び前記界面磁性層の構成元素、組成比及び厚さにより、前記界面磁性層の表面電位が中性化される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記中間下地層は、立方晶又は正方晶を基本格子とし、（００１）面が前記下地層の上面に対向する配向性を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記下地層及び前記第１の磁性層は、それぞれ、立方晶又は正方晶を基本格子とし、その上面が（００１）面となる配向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】
前記第１の磁性層は、Ｌ１０構造からなる規則相を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の磁性層は、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＰｔのグループから選ばれる１つを母金属とすることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記トンネルバリア層は、ＭｇＯであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層は、これらがスタックされる方向に磁気異方性を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項１乃至１１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、
前記磁気抵抗効果素子の一端から他端、又は、他端から一端に、書き込み電流を流す書き込み回路を具備し、
前記書き込み電流により前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる
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、磁気抵抗効果素子及び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、ＴＭＲ素子ともいう）をメモリセルの記憶素子として用いて、ＴＭＲ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】
ＴＭＲ素子は、磁化が可変の磁化自由層(magnetic  free layer)と、磁化が固着された磁化不変層(magnetic pinned layer)とを含んでいる。磁化自由層の磁化の向きが、磁化不変層の磁化の向きと平行(parallel)なときに低抵抗状態となり、反平行(anti-parallel)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ＴＭＲ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、ＴＭＲ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、ＴＭＲ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ＴＭＲ素子のサイズを小さくすると、ＴＭＲ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、１ギガビット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））を用いた書き込み方式（スピン注入書き込み方式）が提案されている（特許文献１を参照）。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ＴＭＲ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、ＴＭＲ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、適宜、電流密度Ｊｃで規定されることが多い。デバイス仕様を満たす電流密度Ｊｃが得られたＴＭＲ素子で、反転電流密度Ｊｃが一定となる場合、電流の通電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。従って、ＴＭＲ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】
スピン注入磁化反転では、反転電流は磁化自由層及び磁化不変層の実効的な分極率で決まる。実効的な分極率が高い場合は、ＴＭＲ比が原理的に大きくなる。従って、高ＴＭＲ比を得ることが、スピン注入磁化反転電流の低減には効果的である。
【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、高ＴＭＲ比及び低電流での磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子及び磁気ランダムアクセスメモリを提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の例に係る磁気抵抗効果素子は、下地層と、前記下地層上の第１の磁性層と、前記第１の磁性層上のトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上の第２の磁性層とを備え、前記第１の磁性層の残留磁化は、前記第２の磁性層側又はその反対側を向き、前記第２の磁性層の残留磁化は、前記第１の磁性層側又はその反対側を向き、前記第１及び第２の磁性層のうちの一方は、磁化方向が不変で、その他方は、磁化方向が可変であり、前記第１の磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓの第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とから構成される強磁性体金属であり、前記下地層は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの第３のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む金属であり、前記トンネルバリア層の下地が前記第１の磁性層となり、前記下地層及び前記第１の磁性層の構成元素、組成比及び厚さにより、前記第１の磁性層の表面電位が中性化される。
【００１０】
本発明の例に係る磁気ランダムアクセスメモリは、前記磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の一端から他端、又は、他端から一端に、書き込み電流を流す書き込み回路とを備え、前記書き込み電流により前記第１の磁性層の磁化方向と前記第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高ＴＭＲ比及び低電流での磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子及び磁気ランダムアクセスメモリを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
１．  概要  
本発明の例で提案する技術は、トンネルバリア層において、その（００１）面が膜面の法線方向に対して略垂直な関係になるように配向する、という配向性（（００１））面配向性）を持たせ、これにより高ＴＭＲ比を実現し、低電流での磁化反転を可能にする、というものである。この場合、トンネルバリア層は、正方晶又は立方晶を基本格子として有する酸化物であることが好ましい。この酸化物は、（００１）面において、電荷の中性化が実現し、エネルギー安定面となり易いからである。ここで、基本格子とは、別名、ブラベー格子と呼ばれ、基本ユニットのことである。基本格子は、結晶学用語として用いられ、例えば、BCC（体心立方）構造やFCC（面心立方）構造の基本格子は、立方晶となる。
【００１４】
トンネルバリア層に上述のような配向性を持たせるには、特に、トンネルバリア層の形成時に、その下地となる層の上面（表面）の表面電位を中性化することが重要である。
【００１５】
ここで、本発明の例では、表面電位の中性化について以下のように定義する。
【００１６】
金属材料あるいは金属元素は、それぞれ異なる電子との親和性、すなわち、電子の引き付け易さを持っており、これらは電気陰性度、イオン化傾向などの指標で表される。
【００１７】
一方、標準電極電位とは、標準電極（電位ゼロ）とそれとは異なる種類の金属片が標準溶液に浸される場合に発生する電位差のことをいう。この概念は、異なる金属層が積層され接触する場合にも適用でき、それぞれの金属層が持つ標準電極電位により、接触界面を中心に電位差が形成され、それを基に電子の移動が発生する。その結果、接触界面での電位差が緩和されるが、接触界面と反対側の表面、あるいは、界面では電位が生じることになる。
【００１８】
したがって、理論的には異種の金属が接触しない限りは、電位差は形成されないが、実際には必ず異種材料間での接触が生じるために必ず界面では電位差が生じることなり、材料表面では電位を生じている。かつ、材料表面では大気あるいは真空中への電子の脱出が生じているために、表面は電位を生じている。
【００１９】
表面電位とは、トンネルバリア層の下地となる層の表面における電位状態を示す指標であり、すなわち、プラスあるいはマイナスのどちらの電荷が存在し易いかを表す指標のことである。表面電位を中性化することにより、トンネルバリア層の（００１）面配向性を持たせることが可能となる。
【００２０】
例えば、トンネルバリア層の下地となる層の表面が、プラスにもマイナスにも帯びていない状態は、表面電位が中性化された状態であり、この場合には、トンネルバリア層は、（００１）面配向して下地となる層上に成長する。また、トンネルバリア層の下地となる層の表面が多少の電荷を帯びていても、トンネルバリア層が（００１）面配向して成長する場合には、表面電位が中性化されているものとする。
【００２１】
そして、本発明の例は、トンネルバリア層の下地となる層の表面電荷が中性化されるように、トンネルバリア層の直下に存在する層、例えば、界面磁性層、第１の磁性層、中間下地層、下地層などの構成元素、組成比及び厚さを制御する点に特徴を有する。
【００２２】
ところで、例えば、第２の磁性層／トンネルバリア層／第１の磁性層というスタック構造を有する磁気抵抗効果素子について考える。ここで、記号／を複数の層のスタック構造の意味として使用する場合には、原則として、記号／の左側に記載される層を上層とし、右側に記載される層を下層とする。
【００２３】
第１の磁性層が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓの第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とから構成される強磁性体金属から構成される場合には、第１の磁性層の標準電極電位は、これら元素の性質上、必然的にプラス側に傾く。なぜならば、第１のグループの元素群は、弱いマイナスの標準電極電位を有する元素であり、第２のグループの元素群は、強いプラスの標準電極電位を有する元素だからである。
【００２４】
従って、そのままでは、トンネルバリア層に、（００１）面が第１の磁性層の上面に対向する配向性を持たせることが困難である。
【００２５】
例えば、トンネルバリア層の代表例であるＭｇＯの場合、第１の磁性層の上面の表面電荷がプラスに帯びていると、ＭｇＯがＭｇ２＋とＯ２−に乖離して飛来する場合、まず、第１の磁性層上にＯ２−の単元素層が形成され、次いで、その上にＭｇ２＋の単元素層が積み重なる。結果として、トンネルバリア層は、（１１１）面が第１の磁性層の上面に対向する、という配向性を有することになる。同様に、第１の磁性層の上面の表面電荷がマイナスに帯びていると、まず、第１の磁性層上にＭｇ２＋の単元素層が形成され、次いで、その上にＯ２−の単元素層が積み重なる。結果として、トンネルバリア層は、（１１１）面が第１の磁性層の上面に対向する、という配向性を有することになる。結果的に、ＭｇＯ（００１）配向性は構築されず、高ＴＭＲ比及び低電流での磁化反転を実現することはできない。
【００２６】
また、ＭｇＯがＭｇＯ分子として飛来する場合、第１の磁性層の上面の表面電荷がプラスに帯びていると、ＭｇＯ分子のＯ側が優先的に第１の磁性層に吸着・積層し、結果として、トンネルバリア層は、（１１１）面が第１の磁性層の上面に対向する、という配向性を有することになる。第１の磁性層の上面の表面電荷がマイナスに帯びていると、その逆の積層となるが、（１１１）面が第１の磁性層の上面に対向する、という配向性を有することになる。
【００２７】
そこで、本発明の例では、トンネルバリア層の形成時に、その下地となる第１の磁性層の上面（表面）の表面電位を中性化することを提案する。
【００２８】
具体的には、第１の磁性層の下地として、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの第３のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む金属から構成される下地層を新たに付加する。
【００２９】
この場合、下地層の上面（表面）の表面電位は、これら元素の性質上、必然的にマイナス側に傾くことになる。このため、下地層上に形成する第１の磁性層内のプラスの電荷は、下地層の上面に存在するマイナスの電荷により消滅し、第１の磁性層の上面の表面電位は、中性化される。
【００３０】
これにより、本発明の例では、トンネルバリア層に（００１）面配向性を持たせ、磁気抵抗効果素子の高ＴＭＲ比及び低電流での磁化反転を可能にする。
【００３１】
以上の効果は、磁気抵抗効果素子が、いわゆる垂直磁化素子、即ち、第１の磁性層の残留磁化が第２の磁性層側又はその反対側を向き、第２の磁性層の残留磁化が第１の磁性層側又はその反対側を向く磁気特性を有する素子であって、スピン注入書き込み方式により書き込みを行う場合に顕著に現れるため、本発明の例では、このような磁気抵抗効果素子を対象とする。
【００３２】
垂直磁化素子では、第１の磁性層及び第２の磁性層は、これらがスタックされる方向に磁気異方性を有する。
【００３３】
垂直磁化素子とは、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以上ある素子のことである。
【００３４】
垂直磁化素子といっても、第１及び第２磁性層の残留磁化の方向は、これらがスタックされる方向の膜面に対して垂直である必要はない。即ち、第１及び第２磁性層の残留磁化の方向（一軸磁気異方性の軸：各層の平均値）は、それらの膜面に対して４５°以上、９０°以下であればよい。上述の「第１の磁性層の残留磁化が第２の磁性層側又はその反対側を向き、第２の磁性層の残留磁化が第１の磁性層側又はその反対側を向く」とは、このことを意味する。
【００３５】
尚、第１の磁性層とトンネルバリア層との間に、第１の磁性層とは構成元素又は組成比が異なる界面磁性層をさらに有していてもよい。この場合、界面磁性層は、上述の第１のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む強磁性体金属であるのが好ましい。
【００３６】
また、下地層と第１の磁性層との間に中間下地層をさらに有していてもよい。この場合、中間下地層は、上述の第２のグループから選ばれる１つ以上の元素を含む金属であるのが好ましい。
【００３７】
さらに、中間下地層は、立方晶又は正方晶を基本格子とし、その（００１）面が膜面の法線方向に対して略垂直となる配向性を有するのが好ましい。下地層及び第１の磁性層は、それぞれ、立方晶又は正方晶を基本格子とし、その上面が（００１）面となる配向性を有するのが好ましい。第１の磁性層は、Ｌ１０構造からなる規則相を有するのが好ましい。
【００３８】
第１の磁性層は、具体的には、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＰｔのグループから選ばれる１つを母金属とする。トンネルバリア層は、正方晶又は立方晶を基本格子とする酸化物、例えば、ＭｇＯである。
【００３９】
本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子は、特に、磁気抵抗効果素子の一端から他端、又は、他端から一端に、書き込み電流を流す書き込み回路を備え、書き込み電流により第１の磁性層の磁化方向と第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させる磁気ランダムアクセスメモリに有効である。
【００４０】
２．  実施形態  
(1)   磁気抵抗効果素子の基本構造  
まず、本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子（例えば、ＴＭＲ素子）の基本構造について説明する。
【００４１】
図１は、磁気抵抗効果素子の基本構造を示している。
【００４２】
下地層１１上に第１の磁性層（例えば、強磁性層）１２が形成され、第１の磁性層１２上にトンネルバリア層１３が形成され、トンネルバリア層１３上に第２の磁性層（例えば、強磁性層）１４が形成される。
【００４３】
第１の磁性層１２の残留磁化は、第２の磁性層１４側又はその反対側を向き、第２の磁性層１４の残留磁化は、第１の磁性層１２側又はその反対側を向く。即ち、第１及び第２の磁性層１２，１４は、これらがスタックされる方向に磁気異方性を有するいわゆる垂直磁化層である。
【００４４】
第１及び第２の磁性層１２，１４のうちの一方は、磁化方向が不変の磁化不変層（参照層）であり、その他方は、磁化方向が可変の磁化自由層である。ここで、磁化不変層とは、書き込み電流を流す前後で磁化が不変の層を意味する。第１の磁性層１２が磁化不変層である場合をトップフリー型と称し、第２の磁性層１４が磁化不変層である場合をボトムフリー型と称する。
【００４５】
そして、第１の磁性層１２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓの第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とから構成される強磁性体金属から構成される。
【００４６】
また、下地層１１は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの第３のグループから選ばれる１つの元素を含む金属、又は、上述の第３のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む金属から構成される。
【００４７】
下地層１１及び第１の磁性層１２は、それぞれ、立方晶又は正方晶を基本格子とし、その上面が（００１）面となる配向性を有するのが好ましい。第１の磁性層１２は、Ｌ１０構造からなる規則相を有するのが好ましい。
【００４８】
第１の磁性層１２は、具体的には、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＰｔのグループから選ばれる１つを母金属とする。トンネルバリア層１３は、正方晶又は立方晶を基本格子とする酸化物、例えば、ＭｇＯである。
【００４９】
この磁気抵抗効果素子は、２つの定常状態をとることができ、そのうちの１つを“０”データ、他の１つを“１”データに対応させることによって２値データを記憶する。２つの定常状態の１つは、第１の磁性層１２の磁化方向と第２の磁性層１４の磁化方向とが同じ方向を向く平行状態であり、他の１つは、第１の磁性層１２の磁化方向と第２の磁性層１４の磁化方向とが逆の方向を向く反平行状態である。
【００５０】
そして、第１の磁性層１２の磁化方向と第２の磁性層１４の磁化方向との関係は、第１及び第２の磁性層１２，１４がスタックされる方向に書き込み電流（スピン注入電流）を流すことにより変化させる。
【００５１】
図２は、図１の基本構造の変形例である。  
この変形例は、第１の磁性層１２とトンネルバリア層１３との間に界面磁性層１５が配置されている点に特徴を有し、その他の点は、図１の基本構造と同じである。
【００５２】
界面磁性層１５は、第１の磁性層１２とは構成元素又は組成比が異なり、上述のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つの元素を含む強磁性体金属、又は、上述のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む強磁性体金属から構成される。
【００５３】
界面磁性層１５は、第１の磁性層１２とトンネルバリア層１３との格子ミスフィットが５％を超える場合に、その格子ミスフィットを緩和及び吸収するのに有効である。
【００５４】
ここで、格子ミスフィットとは、第１の磁性層１２を構成する材料の格子サイズとトンネルバリア層１３を構成する材料の格子サイズとの差のことである。
【００５５】
尚、第１の磁性層１２が磁化自由層である場合には、第１の磁性層１２と界面磁性層１５とは、一体で磁化反転する。
【００５６】
図３は、図１の基本構造の変形例である。  
この変形例は、第１の磁性層１２とトンネルバリア層１３との間に界面磁性層１５が配置され、トンネルバリア層１３と第２の磁性層１４との間に界面磁性層１６が配置されている点に特徴を有し、その他の点は、図１の基本構造と同じである。
【００５７】
界面磁性層１５の機能及び効果については、図２の変形例で説明したので、ここでは、その説明を省略する。
【００５８】
界面磁性層１６は、第２の磁性層１４とは構成元素又は組成比が異なり、上述のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つの元素を含む強磁性体金属、又は、上述のＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む強磁性体金属から構成される。
【００５９】
界面磁性層１６は、トンネルバリア層１３と第２の磁性層１４との格子ミスフィットが５％を超える場合に、その格子ミスフィットを緩和及び吸収するのに有効である。
【００６０】
尚、第２の磁性層１４が磁化自由層である場合には、第２の磁性層１４と界面磁性層１６とは、一体で磁化反転する。
【００６１】
第１の磁性層１２が磁化自由層である場合は、第１の磁性層１２と界面磁性層１５とは、一体で磁化反転する。尚、第１の磁性層１２を省略した構造も用いることができる。
【００６２】
図４は、図１の基本構造の変形例である。  
この変形例は、第１の磁性層１２とトンネルバリア層１３との間に界面磁性層１５が配置され、トンネルバリア層１３と第２の磁性層１４との間に界面磁性層１６が配置され、さらに、下地層１１と第１の磁性層１２との間に中間下地層１７が配置されている点に特徴を有し、その他の点は、図１の基本構造と同じである。
【００６３】
界面磁性層１５，１６の機能及び効果については、図２及び図３の変形例で説明したので、ここでは、その説明を省略する。
【００６４】
中間下地層１７は、上述のＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓの第２のグループから選ばれる１つの元素を含む金属、又は、上述のＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓの第２のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む金属から構成される。
【００６５】
中間下地層１７は、立方晶又は正方晶を基本格子とし、（００１）面が膜面の法線方向に対して略垂直となる、すなわち、下地層１１の上面に対向する配向性を有するのが好ましい。
【００６６】
中間下地層１７は、下地層１１と第１の磁性層１２との格子ミスフィットが５％を超える場合に、その格子ミスフィットを緩和及び吸収するのに有効である。
【００６７】
(2)   表面電位の調整  
表面電位の調整による高ＴＭＲ比トンネルバリア層の形成について説明する。
【００６８】
本発明においては、トンネルバリア層は、正方晶又は立方晶を基本格子として有する酸化物である。酸化物のほとんどは２価のマイナスの電荷を有する酸素イオンとイオン結合している。正方晶及び立方晶を基本格子として有する酸化物は、単位包において電荷が中和している。従って、単位包で考えた場合、（００１）面では電荷は中性となる。
【００６９】
一方、酸化物が薄膜として形成される場合、表面の電荷が中性になるように酸化物自身は結晶成長し、最も安定な面を表面に露出する傾向が強い。特に、ＮａＣｌ構造を有するイオン結合酸化物は、その傾向が顕著である。
【００７０】
このことから、酸化物薄膜を形成する場合、その下地層の表面電荷を中性化するように酸化物薄膜は初期成長をすることが容易に想像される。従って、トンネルバリア層を形成するときにその下地となる下地層の表面電荷の制御が、（００１）配向のトンネルバリア層を成長させるために非常に重要なファクターとなる。
【００７１】
一般的には、ＮａＣｌ型構造を有する酸化物が、最も結晶構造が簡単で制御しやすい。ＮａＣｌ型構造を有する酸化物としては、ＭｇＯが本発明に適用できる最適な酸化物である。なぜなら、ＭｇＯを代表とするＮａＣｌ構造を有する酸化物においては、体心立方構造を有するＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む金属と（００１）面で接合することによって、バンド構造起因のスピンフィルター効果が表れ、大きなＴＭＲ比が発現するからである。
【００７２】
上述したように、ＭｇＯにおいても、（００１）面が電荷的に最も安定な面となり、電荷的に中性になる。これは、ＭｇとＯが交互に同量で存在することに起因する。
【００７３】
その他の配向面では、ＭｇとＯの存在比率が異なる。例えば、（１１１）面では、Ｍｇのみからなる単元素層と、Ｏのみからなる単元素層とが交互にスタックされた形となるために、その表面は、Ｍｇ及びＯのいずれか一方のみが露出する表面状態となる。また、（０１１）面では、ＭｇとＯの原子存在比率が１：１から若干ずれる。
【００７４】
その他のＮａＣｌ型構造酸化物としては、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、又は、これらとＭｇＯとからなるグループから選ばれる２つ以上の化合物から構成される混合物などがある。このような化合物又は混合物は、本発明に係わるトンネルバリア層として適用が可能である。
【００７５】
これらのいずれの化合物又は混合物においても、上述の配向面による電荷的な安定性については同様のことが言える。
【００７６】
上述したＮａＣｌ型構造酸化物の薄膜は、ほとんどの場合、その膜厚が１０ｎｍ以上になると、下地層との界面での影響が小さくなり、本来の安定な（００１）面を表面に露出するようになる。しかし、スピン注入磁化反転が適用される磁気抵抗効果素子として用いるためには、低抵抗化が必須であり、そのためにはトンネルバリア層の薄膜化（例えば、１０ｎｍ未満）が必須要件となる。
【００７７】
特に、トンネルバリア層として最も有望なＭｇＯにおいては、２ｎｍ以下の膜厚が要求されており、その場合に（００１）面配向させるには、トンネルバリア層（ＭｇＯ）の下地となる下部電極の表面電荷の中性化が必要になる。
【００７８】
以下では、トンネルバリア層（ＭｇＯ）の初期成長過程における第１の磁性層（又は界面磁性層）の表面電位について説明する。
【００７９】
本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子は、例えば、半導体基板側から、下地層、第１の磁性層、トンネルバリア層、第２の磁性層の順序でスタックされる。
【００８０】
第１の磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒの第２のグループから選ばれる１つ以上の元素とから構成される強磁性体金属であり、プラスの標準電極電位を有する。即ち、電子との親和力が大きく、電子を引き寄せやすい。
【００８１】
そこで、トンネルバリア層を形成する前に、予め、このようなプラスの標準電極電位を有する材料に、マイナスの標準電極電位を有する材料（下地層）を接触させておく。
【００８２】
下地層は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの第３のグループから選ばれる１つの元素を含む金属、又は、上述の第３のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む金属であり、マイナスの標準電極電位を有する。即ち、電子との親和力が小さく、電子を放出しやすい。
【００８３】
この場合、下地層と第１の磁性層との接触界面で電位差が生じ、電子は、プラスの標準電極電位を有する材料側（第１の磁性層側）に流れる。このような電子（電荷）移動の効果により、第１の磁性層のプラスの表面電位は緩和される。理想的には、第１の磁性層の表面電荷は、中和状態（マイナスにもプラスにも帯びていない状態）になる。
【００８４】
尚、第１の磁性層の表面電位は、下地層の標準電極電位と第１の磁性層の標準電極電位との差、及び、下地層の厚さと第１の磁性層の厚さとの差により制御する。
【００８５】
従って、例えば、図５に示すように、トンネルバリア層（ＭｇＯ）を形成するときには、第１の磁性層の表面電荷は中性になっており、トンネルバリア層を（００１）面配向させることが可能になる。
【００８６】
仮に、本発明の例で提案する下地層を形成しない場合に、第１の磁性層上にトンネルバリア層を形成すると、例えば、図６（ａ）に示すように、トンネルバリア層がＭｇＯの場合、最初に、マイナスの電荷を有する酸素イオンＯ２−が第１の磁性層の表面に引き寄せられ、吸着・残留するために、トンネルバリア層は、結果的に、Ｏ／Ｍｇ／Ｏ／…／Ｍｇ／Ｏ／第１の磁性層というスタック構造となる場合がある。あるいは、図６には示していないが、Ｏ元素が吸着・残留せずに解離・飛散し、Ｏ／Ｍｇ／Ｏ／…／Ｍｇ／第１の磁性層というスタック構造となる場合がある。
【００８７】
即ち、トンネルバリア層の第１層目が酸素原子あるいはＭｇ原子が過多となるため、トンネルバリア層の（１１１）面が第１の磁性層の上面に対向する配向性を有するようになり、さらに、トンネルバリア層と接触する第１の磁性層（界面磁性層）の上面が酸素原子と結合する割合が増大することに起因して、第１の磁性層の上面が酸化状態となり、結果として、高抵抗かつ低ＴＭＲの磁気抵抗効果素子になる。
【００８８】
これに対し、本発明では、第１の磁性層の下地として、上述のような下地層を形成しているため、そのような問題が発生することはなく、トンネルバリア層を（００１）面配向させて高ＴＭＲ比を実現できる。
【００８９】
本発明の例では、第１の磁性層とトンネルバリア層との間に界面磁性層を配置しても構わない。界面磁性層は、第１の磁性層とは異なる構成元素又は組成比を有し、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの第１のグループから選ばれる１つの元素を含む強磁性体金属、又は、第１のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む強磁性体金属であり、弱いマイナスの標準電極電位を有する。即ち、電子との親和力が小さく、電子を放出しやすい。
【００９０】
従って、界面磁性層を第１の磁性層上に形成し、界面磁性層の表面電位の制御を行うことにより（００１）面配向のトンネルバリア層を形成することもできる。
【００９１】
界面磁性層として用いられる金属材料としては、ｆｃｃ(face-centered cubic lattice)−ＣｏＦｅ、ｂｃｃ(body-centered cubic lattice)−ＦｅＣｏ、ｂｃｃ−ＦｅＮｉ、ｆｃｃ−ＮｉＦｅ、ａ(amorphous)−ＣｏＦｅＢ、ａ−ＣｏＦｅＮｉＢなどがある。
【００９２】
界面磁性層は、第１の磁性層とトンネルバリア層との格子ミスフィットを緩和及び吸収するための効果を有している。即ち、格子緩和層として用いられる。第１の磁性層とトンネルバリア層との格子ミスフィットが５％を越える場合においては、必須となる。
【００９３】
界面磁性層の最低の厚さは、表面電位の影響のみを考慮すれば、０．１ｎｍ以上とするのが好ましい。界面磁性層は、組成的に完全な連続膜でなくても、表面電荷の中性化効果を奏する。しかし、界面磁性層を格子緩和層としての機能させる場合には、０．５ｎｍ以上の厚さが必要である。一方、界面磁性層に第１の磁性層と同じ磁気異方性を付与するには、界面磁性層の厚さは、５ｎｍ以下にするのが好ましい。
【００９４】
第１の磁性層上に界面磁性層を形成することで、第１の磁性層と界面磁性層との間での電荷移動の効果により、界面磁性層の表面電位についても中性化することができる。界面磁性層の表面電位は、下地層及び第１の磁性層の標準電極電位と厚さに加えて、さらに、界面磁性層の標準電極電位と厚さにより制御する。
【００９５】
第１の磁性層については、いわゆる垂直磁化を維持するために、界面磁性層の厚さは、３ｎｍ以下にするのが好ましい。界面磁性層の厚さが３ｎｍを超えると、第１の磁性層の垂直磁化特性が損なわれる。ここで、垂直磁化とは、残留磁化比：  Ｍｒ（残留磁化）／Ｍｓ（飽和磁化）で０．５以上のものと定義する。
【００９６】
本発明の例では、下地層と第１の磁性層との間に中間下地層を配置しても構わない。中間下地層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓの第２のグループから選ばれる１つの元素を含む金属、又は、第２のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む金属から構成される。
【００９７】
ところで、第１の磁性層のベースとなる２元系強磁性体金属としては、面心立方構造又は面心正方構造であるＦｅＰｔ金属とＦｅＰｄ金属、ＣｏＰｔ金属、ＣｏＰｄ金属、ＮｉＰｔ金属、ＮｉＰｄ金属、さらには、最蜜充填構造であるＣｏＰｔ金属などがある。
【００９８】
また、上述の２元系強磁性体金属を適切に混合した３元系、４元系、５元系金属なども、ベース金属として第１の磁性層の材料に用いられる。
【００９９】
３元系強磁性体金属としては、ＦｅＰｄＰｔ金属、ＦｅＲｈＰｄ金属、ＦｅＲｈＰｔ金属、ＦｅＮｉＰｄ金属、ＦｅＮｉＰｔ金属、ＦｅＣｏＰｄ金属、ＦｅＣｏＰｔ金属などがある。
【０１００】
単元素金属の標準電極電位は、プラスの標準電極電位を有するものとして、例えば、Ｃｕ＝０．５２（ｅＶ）、Ａｇ＝０．８０（ｅＶ）、Ａｕ＝１．６８（ｅＶ）、Ｐｄ＝０．９９（ｅＶ）、Ｐｔ＝１．１９（ｅＶ）、Ｒｕ＞０（ｅＶ）、Ｒｈ＞０（ｅＶ）、Ｉｒ＝１．００（ｅＶ）、Ｏｓ＞０（ｅＶ）があり、マイナスの標準電極電位を有するものとして、例えば、Ｃｏ＝−０．２８（ｅＶ）、Ｆｅ＝−０．４４（ｅＶ）、Ｎｉ＝−０．２５（ｅＶ）がある。
【０１０１】
ここで、ＲｕとＲｈとＯｓの標準電極電位は、電子親和力の数値から見積もられる数値である。標準電極電位は、組成比に応じて各元素が有する標準電極電位が分配されて計算される。例えば、２元系のＡｘＢ（１−ｘ）金属における標準電極電位ＥＡＢは、それぞれの元素の標準電極電位ＥＡとＥＢを用いて下記の式で表される。  
ＥＡＢ  ＝  ｘＥＡ  ＋  （１−ｘ）ＥＢ  …（１）
本発明の例に係わる下地層に使用されるＡｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖの第３のグループから選ばれる１つの元素を含む金属、又は、第３のグループから選ばれる２つ以上の元素を含む金属は、マイナスの標準電極電位を有している。また、ＡｌとＮｉとＣｏは、面心立方構造、ＦｅとＭｎとＣｒとＶは、体心立方構造を有する。
【０１０２】
それぞれの単元素金属の標準電極電位は、Ａｌ＝−１．６６（ｅＶ）、Ｎｉ＝−０．２５（ｅＶ）、Ｃｏ＝−０．２８（ｅＶ）、Ｆｅ＝−０．４４（ｅＶ）、Ｍｎ＝−１．１８（ｅＶ）、Ｃｒ＝−０．９１（ｅＶ）、Ｖ＝−０．８８（ｅＶ）である。
【０１０３】
これらの他にも、単元素金属の標準電極電位がマイナスの元素がある。
【０１０４】
それらは、Ｔｉ＝−１．６３（ｅＶ）、Ｚｒ＝−１．５３（ｅＶ）、Ｍｇ＝−２．３７（ｅＶ）、Ｚｎ＝−０．７６（ｅＶ）、Ｃｄ＝−０．４０（ｅＶ）、Ｓｎ＝−０．１４（ｅＶ）、Ｐｂ＝−０．１３（ｅＶ）、Ｔａ＜０（ｅＶ）、Ｎｂ＜０（ｅＶ）、Ｗ＜０（ｅＶ），Ｍｏ＜０（ｅＶ）である。
【０１０５】
Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ，Ｍｏについては、電子親和力から見積もられる数値である。
【０１０６】
ここで、２元系以上の金属からなる下地層における標準電極電位の計算手法は、第１の磁性層の場合と同様である。
【０１０７】
本発明の例に係わる下地層に使用される金属としては、ｆｃｃ−ＦｅＮｉ、ｂｃｃ−ＦｅＣｒ、ｆｃｃ−ＦｅＭｎ、ｂｃｃ−ＦｅＣｏ、ｆｃｃ−ＣｏＦｅなどがある。
【０１０８】
下地層としては、ｂｃｃ構造又はｆｃｃ構造が好ましい。
【０１０９】
また、下地層は、その上面が（００１）面となる配向性を有すれば、その上に形成される第１の磁性層又は中間下地層についても、それらの上面が（００１）面となる配向性を有するようになるため、最終的に、トンネルバリア層を（００１）面配向させるには好都合である。
【０１１０】
また、第１の磁性層は、（００１）配向性の向上により垂直磁気特性が向上する。
【０１１１】
第１の磁性層には、格子定数及び標準電極電位の調整の観点から、格子定数の大きなＴａ、Ｗ，Ｎｂ、Ｍｏ、最蜜充填六方構造（ｈｃｐ）を有するＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｌａなどを微量添加することも可能である。
【０１１２】
ここで、微量添加とは、１０ａｔ％以下の添加と定義する。
【０１１３】
第１の磁性層と界面磁性層との界面付近、又は、中間下地層と第１の磁性層との界面付近において微量添加となっていればよい。ここで、界面付近とは、２つの層の界面から１ｎｍ以下の範囲と定義する。
【０１１４】
また、下地層において、その厚さ方向に組成のグラデーションを付けることにより、格子定数を調整することも可能である。例えば、ＮｉＴａ金属、ＮｉＷ金属、ＡｌＣｕ金属、ＮｉＭｏ金属などがその候補として挙げられる。
【０１１５】
また、本発明の例においては、酸化物、窒化物、及び、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａなどの半導体元素の金属化合物（例えば、金属シリサイド）は、電子との親和性が中性であり、標準電極電位は、零とする。即ち、酸化物、窒化物、及び、金属化合物により、標準電極電位を零にリセットすることができる。これらは、電位リセット層となる。
【０１１６】
従って、下地層の直下に酸化物層（例えば、酸化シリコン層）が存在する場合には、その酸化物層は、電荷的に中性となっている。
【０１１７】
本発明の例においては、下地層の直下には、これらの電位リセット層が存在しているのが好ましい。
【０１１８】
次に、トンネルバリア層を形成する前に、その下地の表面電位をリセットするための標準電極電位の構造設計について説明する。
【０１１９】
磁気抵抗効果素子は、界面磁性層／第１の磁性層／中間下地層／下地層のスタック構造を有するものとし、界面磁性層上にトンネルバリア層を形成する。
【０１２０】
下地層、中間下地層、第１の磁性層及び界面磁性層の厚さは、それぞれ、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４とする。また、下地層、中間下地層、第１の磁性層、界面磁性層の標準電極電位は、それぞれ、Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４とする。
【０１２１】
各層の標準電極電位については、上述の式（１）により算出される。
【０１２２】
界面磁性層の表面電位を中性化するために最低限必要な条件は、  
ΔＥ  ＝  Ｅ１・ｔ１  ＋  Ｅ２・ｔ２  ＋  Ｅ３・ｔ３  ＋  Ｅ４・ｔ４  ＝  ０  
である。
【０１２３】
ここで、Ｅ１・ｔ１＜０、  Ｅ２・ｔ２＞０、  Ｅ３・ｔ３＞０である。  
Ｅ４・ｔ４については、微調整される。
【０１２４】
但し、最上層となる界面磁性層の標準電極電位は、その他の層の標準電極電位よりも過剰に影響する場合がある。実際には、第１の磁性層の組成及び厚さが決まると、Ｅ３及びｔ３が固定され、それを考慮したうえで、最適な中間下地層の組成及び厚さが決まると、Ｅ２及びｔ２が決まる。
【０１２５】
例えば、界面磁性層がＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）、第１の磁性層がＦｅＰｔ（３ｎｍ）、ＦｅＰｔ組成は５０：５０ａｔ％、中間下地層がＰｔ（３ｎｍ）、下地層がＣｒの場合、それぞれのパラメーターは、ｔ２＝３（ｎｍ）、ｔ３＝３（ｎｍ）、ｔ４＝１（ｎｍ）、Ｅ１＝−０．９１（ｅＶ）、Ｅ２＝１．１９（ｅＶ）、Ｅ３＝０．８１５（ｅＶ）、Ｅ４〜０（ｅＶ）となるので、Ｃｒ下地層に最低必要な膜厚ｔ１は、  
ｔ１  ＝  −（Ｅ２・ｔ２＋Ｅ３・ｔ３＋Ｅ４・ｔ４）／Ｅ１  ＝  ６．６ｎｍ  
となる。
【０１２６】
従って、実際には、下地層としてのＣｒの厚さは、微調整も含めると、６．６ｎｍ以上が必要となる。
【０１２７】
(3)   トンネルバリア層と界面磁性層との関係  
本発明の全ての実施形態ではトンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が用いられる。具体的な材料としては、Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉなどの酸化物であるＢｅＯ、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｉＯが挙げられる。トンネルバリア層は、上述の酸化物のグループから選ばれる２つ以上の材料の混晶物であってもよい。
【０１２８】
トンネルバリア層の製造容易性、加工性などを考慮すると、トンネルバリア層の材料としては、ＭｇＯが実用的であり、最も大きなＭＲ比を発現する。
【０１２９】
ＮａＣｌ構造のトンネルバリア層は、体心立方構造（ｂｃｃ）又は面心立方構造（ｆｃｃ）を有する界面磁性層、例えば、Ｆｅ（１−ｘ―ｙ）ＣｏｘＮｉｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と（００１）面でエピタキシャルな整合界面を形成すると、高いＴＭＲ比を実現できる。
【０１３０】
界面磁性層がｂｃｃ構造の場合に高いＴＭＲ比が得られるが、その場合には、トンネルバリア層の（００１）面と、体心立方構造（ｂｃｃ）の界面磁性層の（００１）面とにおいて、  
・  トンネルバリア層［１００］方向／／体心立方構造の界面磁性層［１１０］方向  
・  トンネルバリア層（００１）面／／体心立方構造の界面磁性層（００１）面  
の関係が成立しているのが好ましい。
【０１３１】
また、界面磁性層がｆｃｃ構造の場合には、トンネルバリア層の（００１）面と、ｆｃｃの界面磁性層の（００１）面とにおいて、  
・  トンネルバリア層［１００］方向／／面心立方構造の界面磁性層［１００］方向  
・  トンネルバリア層（００１）面／／面心立方構造の界面磁性層（００１）面  
の関係が成立しているのが好ましい。
【０１３２】
ここで、記号／／は、平行であることを意味する。
【０１３３】
また、トンネルバリア層と界面磁性層との界面における格子不整合が少なくするのが上述の配向関係及び方位関係を保つ意味において好ましい。
【０１３４】
さらに、その界面での格子整合性が良いと、界面磁性層とトンネルバリア層の電子状態におけるバンド構造のつながりが良くなり、コヒーレントな電子トンネリングが起こる。理想的には、コヒーレントな電子トンネリングが起こると、磁気抵抗効果素子が低抵抗状態（２つの磁性層の磁化方向が平行状態）のときの抵抗値が低下し、高いＴＭＲ比が望める。この場合、コヒーレントなトンネリングを実現するには、ＮａＣｌ構造のトンネルバリア層の両界面における格子整合性が必要となる。
【０１３５】
通常の磁気抵抗効果素子は、ｂｃｃ構造の磁性層の（１００）面上にＮａＣｌ構造のトンネルバリア層を（１００）面配向で成長させることは、非常に困難である。そして、この場合、トンネルバリア層の配向性は、（１００）面以外にも、（１１１）面が混ざった混相状態となり、（１００）面配向の結晶粒と（１１１）面配向の結晶粒とがランダムに存在することになる。
【０１３６】
その結果、トンネルバリア層とその下地となる磁性層の（１００）面との界面不整合によるエネルギー増大を緩和するようになる。これにより、トンネルバリア層とその下地となる磁性層との界面での格子不整合によるミスフィット転移が増大し、磁気抵抗効果素子の面抵抗ＲＡが増大する。
【０１３７】
ＮａＣｌ構造のトンネルバリア層は、アモルファス構造を有する下地層上では、（１００）面が優先的に配向して結晶成長しやすい。これは、アモルファス構造を有する薄膜の表面が電荷又は電位を中性な方向に緩める効果を有することに起因している。
【０１３８】
但し、下地層の表面を完全に中性にすることが出来るわけではなく、完全な中性化にはプラス／マイナスの標準電極電位を有する元素の混合による調整が必要である。
【０１３９】
本発明の例に係わる界面磁性層の場合、トンネルバリア層の下地層として機能を持たせるためには、ｂｃｃ構造を有するＦｅ（１−ｘ―ｙ）ＣｏｘＮｉｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）金属に、Ｂ、Ｐ、Ｓ、Ｃなどの半金属元素又はＮ（窒素）又はＳｉ、Ｇｅ、Ｇａなどの半導体元素などを添加するのが好ましい。
【０１４０】
そのなかでも、Ｂは、弱いプラスの標準電極電位を有すると想定されるため、ＦｅＣｏＮｉ金属にＢを添加すれば、ＦｅＣｏＮｉの弱いマイナスの標準電極電位を中性化することが可能である。このようなＢが添加されたＦｅＣｏＮｉ金属は、熱処理過程により結晶化され、その表面にはｂｃｃ構造相が析出される。
【０１４１】
界面磁性層の厚さは、０．１ｎｍ以上、５ｎｍ以下の範囲内で最適化される。
【０１４２】
界面磁性層の厚さが０．１ｎｍ未満では、高ＴＭＲ化及び面抵抗ＲＡの低抵抗化を得ることができず、その厚さが５ｎｍを超えるとスピントルクが発生し難くなり、磁化自由層がスピン注入による磁化反転を行わなくなくなるためである。
【０１４３】
従って、電子伝導とスピントルクとの観点から、界面磁性層を含めた磁化自由層の厚さを５ｎｍ以下に抑えられるように、界面磁性層の厚さは、０．１ｎｍ以上、５ｎｍ以下の範囲内で最適化される。
【０１４４】
また、界面磁性層は、第１の磁性層の垂直磁化特性を維持する観点から、３ｎｍ以下にすることが好ましい。３ｎｍを超えると、残留磁化比（Ｍｒ／Ｍｓ比）が０．５を下回る場合が多く、垂直磁化特性を維持するのが困難になるからである。
【０１４５】
また、界面磁性層は、第１の磁性層とトンネルバリア層との格子ミスフィットを緩和及び吸収するための効果も有している。即ち、界面磁性層は、格子緩和層としても用いられる。第１の磁性層とトンネルバリア層との格子ミスフィットが５％を越える場合においては、必須となる。
【０１４６】
しかし、格子緩和層としての機能を十分に発揮するためには、０．５ｎｍ以上の厚さが必要である。
【０１４７】
従って、界面磁性層の最適な膜厚は、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下になる。
【０１４８】
また、界面磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選ばれる１つ以上の元素を５０ａｔ％以上含むのが好ましい。これは、界面磁性層に含まれるこれら元素の比率が５０ａｔ％未満になると、磁化を消失する場合があるからである。
【０１４９】
例えば、界面磁性層に、Ｃｒ，Ｖ、Ｍｎなどを５０ａｔ％以上添加すると、界面磁性層の磁化が消失する。その場合は、界面磁性層の分極率が低下するか、又は、それが消失する可能性が高く、たとえ、これにより磁気抵抗効果素子の面抵抗ＲＡの低抵抗化が実現できたとしても、ＭＲ比が観測できなくなる。
【０１５０】
(4)   界面磁性層／第１の磁性層／中間下地層／下地層の関係  
第１の磁性層に垂直磁化を発現させる材料としては、Ｌ１０型規則構造を有する、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ（以下、元素Ａと表記する）のグループから選ばれる１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ（以下、元素Ｂと表記する）のグループから選ばれる１つ以上の元素とからなる面心正方構造の強磁性体金属がある。
【０１５１】
Ｌ１０型規則構造の強磁性体金属としては、Ｌ１０−ＦｅＰｔ金属、Ｌ１０−ＦｅＰｄ金属、Ｌ１０−ＣｏＰｔ金属、Ｌ１０−ＮｉＰｔ金属などが代表的である。これらの少なくとも２つを含む金属、例えば、Ｌ１０−ＦｅＣｏＮｉＰｔＰｄ金属も、Ｌ１０型規則構造の強磁性体金属となる。
【０１５２】
第１の磁性層は、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＰｔのグループから選ばれる１つの２元系金属を母金属とする。これらの母金属は、その組成比がほぼ１：１の割合で混合されている。ここで、「母金属」とは、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＰｔのグループから選ばれる１つの２元系金属、又は、その２元系金属を５０ａｔ％以上含む３元系以上の金属のことをいう。
【０１５３】
また、第１の磁性層は、低ダンピング化のためには、Ｌ１０−ＦｅＰｄ金属とするのが好ましく、低い飽和磁化Ｍｓのためには、Ｌ１０−ＣｏＰｔ金属、Ｌ１０−ＣｏＮｉＰｔ金属、Ｌ１０−ＦｅＲｈＰｔ金属、Ｌ１０−ＦｅＲｈＰｄ金属などとするのが好ましい。
【０１５４】
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、Ａ（１００−ｘ）Ｂｘ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Ｃｕ、Ｚｎなど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。
【０１５５】
これにより、垂直磁化を有する磁化自由層の飽和磁化Ｍｓ及び結晶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。
【０１５６】
このＬ１０型規則構造を有する強磁性体ＡＢ金属は、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、１×１０７ｅｒｇ／ｃｃ程度の強い結晶磁気異方性エネルギーを有する。
【０１５７】
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までの範囲内である。上述の元素Ａ又は元素Ｂへ置換する形で元素を添加する場合には、飽和磁化及び結晶磁気異方性エネルギーは低下する。
【０１５８】
上述のＬ１０規則構造を有する第１の磁性層としてのＡＢ金属は、その表面が（００１）面となる、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを主成分とする金属又は単元素金属であり、かつ、その上には、立方晶又は正方晶を基本格子として有する界面磁性層の（００１）面が優先的に成長しやすい。
【０１５９】
Ｌ１０構造相を有する第１の磁性層の表面が（００１）面となることは、Ｘ線回折のθ―２θスキャンにおいて、２θ＝４５〜５０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。
【０１６０】
また、Ｌ１０型規則構造相の存在とその（００１）面の優先配向性は、Ｘ線回折のθ―２θスキャンにおいて、２θ＝２０〜２５度付近に見られる（００１）回折ピークの存在で確認する。
【０１６１】
これらの（００１）面及び（００２）面に起因する回折像は、電子線回折分析によっても確認できる。
【０１６２】
第１の磁性層は、（００１）面に優先配向した中間下地層上又は下地層上に、（００１）面に優先配向して形成される。
【０１６３】
中間下地層としては、Ｐｔ，Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｏｓが単元素金属として挙げられる。金属としては、ＰｔＰｄ金属、ＰｄＣｕ金属、ＡｕＣｕ金属などが挙げられる。これらの中間下地層は、（００１）面配向の第１の磁性層と（００１）面配向の下地層との格子ミスフィット低減のために挿入される。
【０１６４】
また、磁気特性的な観点から、下地層が強磁性体、反強磁性体、フェリ磁性体である場合においては、下地層と第１の磁性層の磁化を分離するために、中間下地層の挿入が必須となる。
【０１６５】
中間下地層は、基本的にはｆｃｃを有しているが、ＡｕＣｕ金属のようにＣｓＣｌ構造を有する規則相からなる場合もある。
【０１６６】
中間下地層は、（００１）面に優先配向している。また、（００１）面配向した中間下地層上において、第１の磁性層は、（００１）面に優先配向して結晶成長させることが可能である。
【０１６７】
本発明においては、下地層が非磁性であることが好ましく、この場合は、中間下地層を省略できる場合がある。
【０１６８】
さらに、中間下地層に用いられる元素は、プラスの標準電極電位を有するために、トンネルバリア層の形成前の表面電位を中性化するために必要な下地層の厚さが厚くなる可能性がある。それを考慮すれば、中間下地層は、省略できる場合には省略するのが好ましいと言える。
【０１６９】
ｆｃｃ構造を有する中間下地層とＬ１０構造を有する第１の磁性層との間には、下記の結晶方位関係がある。  
・  Ｌ１０構造第１の磁性層［１００］方向／／ｆｃｃ構造中間下地層［１００］方向  
・  Ｌ１０構造第１の磁性層（００１）面／／ｆｃｃ構造中間下地層（００１）面
さらに、Ｌ１０構造第１の磁性層とｆｃｃ構造中間下地層との（００１）界面において、それらの格子ミスマッチは、３％以下であることが好ましい。格子ミスフィットは、中間下地層の金属化により、さらに小さく１％程度に調整される。例えば、ＡｕＣｕ金属やＰｄＣｕ金属用いるとその調整が可能である。
【０１７０】
ｆｃｃ構造中間下地層とｆｃｃ構造下地層との間には、下記の結晶方位関係が成立する。  
・  ｆｃｃ構造中間下地層［１００］方向／／ｆｃｃ構造下地層［１００］方向  
・  ｆｃｃ構造中間下地層（００１）面／／ｆｃｃ構造下地層（００１）面
また、ｆｃｃ構造中間下地層とｂｃｃ構造下地層との間には、下記の結晶方位関係が成立する。  
・  ｆｃｃ構造中間下地層［１００］方向／／ｂｃｃ構造下地層［１１０］方向  
・  ｆｃｃ構造中間下地層（００１）面／／ｂｃｃ構造下地層（００１）面
(5)   第２の磁性層と界面磁性層との関係  
垂直磁化を有する第２の磁性層について説明する。ここで、「垂直磁化」、又は、「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。
【０１７１】
スピントルクが働く特性長は、おおよそ１．０ｎｍ程度である。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）構造又は面心立方（ｆｃｃ：  ｆａｃｅ  ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）構造を有するＣｏＰｔ金属、ＣｏＣｒＰｔ金属、ＣｏＣｒＰｔＴａ金属などがある。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。これらの材料では、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。
【０１７２】
さらに、垂直磁化が発現する材料としては、希土類金属（以下、ＲＥ）と、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選ばれる元素（以下、ＴＭ）とから構成され、アモルファス構造を有するＲＥ−ＴＭ金属がある。ＲＥ−ＴＭ金属は、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２５ａｔ％から５０ａｔ％の間になる。
【０１７３】
さらに、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との多層積層からなる人工格子型の垂直磁化膜がある。磁性層の材料としては、Ｃｏ（１００−ｘ−ｙ）ＦｅｘＮｉｙ金属（０≦ｘ≦１００、０≦ｙ≦１００）がある。ＣｏＦｅＮｉ金属にＢを１０〜２５ａｔ％添加したＣｏＦｅＮｉＢアモルファス金属などもある。
【０１７４】
磁性層の厚さは、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）面に配向するのが良い。配向性は、Ｘ線回折及び電子線回折から得られる。
【０１７５】
さらに、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１つ以上の元素とからなるｆｃｔ構造強磁性体金属がある。
【０１７６】
Ｌ１０型規則構造強磁性体金属としては、Ｌ１０−ＦｅＰｔ金属、Ｌ１０−ＦｅＰｄ金属、Ｌ１０−ＣｏＰｔ金属が代表的であり、これらの金属であるＬ１０−ＦｅＣｏＰｔＰｄ金属もある。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、Ａ（１００−ｘ）Ｂｘ（ｘはａｔ％）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）で置換可能である。
【０１７７】
これにより、垂直磁化を有する磁化自由層の飽和磁化Ｍｓ及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。
【０１７８】
このＬ１０型規則構造を有する強磁性体ＡＢ金属は、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、１×１０７ｅｒｇ／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。元素Ａ又は元素Ｂへ置換する形で元素を添加する場合には、飽和磁化及び結晶磁気異方性エネルギーは低下する。Ｌ１０規則構造を有する強磁性体ＡＢ金属の（００１）面では、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖなどを主成分とするｂｃｃ構造金属が（００１）面に優先的に配向して成長しやすい。
【０１７９】
ｆｃｔ−ＦｅＰｔ金属が（００１）面に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＝４５〜５０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。
【０１８０】
また、Ｌ１０型規則構造相の有無及び（００１）面の優先配向性は、Ｘ線回折のθ―２θスキャンにおいて、２θ＝２０〜２５度付近に見られる（００１）回折ピークにより確認できる。
【０１８１】
これらの（００１）面及び（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。
【０１８２】
(6)   磁化自由層と磁化不変層の設計  
次に、磁化自由層と磁化不変層の熱安定性について説明する。
【０１８３】
第１の磁性層及び第２の磁性層は、それ自身Ｋｕが大きく、下部電極の磁化の熱安定性を向上させている。結晶磁気異方性エネルギーＫｕは、界面磁性層に比べると大きく、Ｋｕは、１×１０６ｅｒｇ／ｃｃ以上である。第１及び第２の磁性層は、それぞれ界面磁性層と交換結合し、界面磁性層の磁化方向を垂直にする。
【０１８４】
例えば、図７に示すように、第１の磁性層１２が磁化自由層である場合、第１の磁性層１２と界面磁性層１５との合計の厚さは、スピン注入磁化反転を考慮すると、実質的には５ｎｍ以下とする。なぜなら、合計の暑さが５ｎｍを超えると、磁化自由層１２及び界面磁性層１５からなる磁性層内でスピントルクが十分に作用しなくなるために、第１の磁性層１２でスピン注入による磁化反転が行わなくなくなるからである。
【０１８５】
一方、磁化不変層となる第２の磁性層１４と界面磁性層１６との合計の厚さは、磁化自由層１２の磁化反転時に生じる反作用により磁化反転しないことを条件に決定される。
【０１８６】
従って、磁化自由層１２の飽和磁化及び厚さを、それぞれ、Ｍｓ-ｆｒｅｅ及びｔｆｒｅｅとし、磁化不変層１４の飽和磁化及び厚さを、それぞれ、Ｍｓ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ及びｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅとすると、  
Ｍｓ-ｆｒｅｅ×ｔｆｒｅｅ  ＜  Ｍｓ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ×ｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  …（Ａ）  
となる。
【０１８７】
また、図８に示すように、第２の磁性層１４が磁化自由層である場合、第２の磁性層１４と界面磁性層１６との合計の厚さは、スピン注入磁化反転を考慮すると、図５の場合と同様の理由により、実質的には５ｎｍ以下であるのが好ましい。
【０１８８】
一方、磁化不変層となる第１の磁性層１２と界面磁性層１５との合計の厚さは、磁化自由層１４の磁化反転時に生じる反作用により磁化反転しないことを条件に決定される。
【０１８９】
従って、磁化自由層１４の飽和磁化及び厚さを、それぞれ、Ｍｓ-ｆｒｅｅ及びｔｆｒｅｅとし、磁化不変層１２の飽和磁化及び厚さを、それぞれ、Ｍｓ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ及びｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅとすると、図５の場合と同様に、上述の（Ａ）式の関係が得られることになる。
【０１９０】
３．  実施例  
本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子の実施例について説明する。
【０１９１】
下記の磁気抵抗効果膜（サンプル）を形成し、トンネルバリア層の結晶性を検証した。各層の後に括弧書きで示した数値は成膜時の各層の厚さ（設計値）である。それぞれのサンプルは、適切な温度・時間で成膜後にアニールされた。
【０１９２】
比較例１：  
磁気抵抗効果素子は、上層側から、キャップ層／ＴｂＣｏＦｅ強磁性層（３０ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ界面層（１ｎｍ）／ＭｇＯトンネルバリア層（１．５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ界面磁性層（１ｎｍ）／Ｌ１０−ＦｅＰｔ強磁性層（５ｎｍ）／Ｐｔ中間下地層（３ｎｍ）／窒化物リセット層（２０ｎｍ）から構成される。
【０１９３】
実施例１：  
磁気抵抗効果素子は、上層側から、キャップ層／ＴｂＣｏＦｅ強磁性層（３０ｎｍ）／ＭｇＯトンネルバリア層（１．５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ界面磁性層（１ｎｍ）／Ｌ１０−ＦｅＰｔ強磁性層（５ｎｍ）／Ｐｔ中間下地層（３ｎｍ）／Ｆｅ下地層（１０ｎｍ）／Ｃｒ下地層（１０ｎｍ）／ＮｉＴａ下地層（２０ｎｍ）／Ｔａ下地層（５ｎｍ）／熱酸化Ｓｉ層（電位リセット層）から構成される。
【０１９４】
実施例２：  
磁気抵抗効果素子は、上層側から、キャップ層／Ｌ１０−ＦｅＰｔ強磁性層（３ｎｍ）／ＭｇＯトンネルバリア層（１．５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ界面磁性層（２ｎｍ）／Ｌ１０−ＦｅＰｔ強磁性層（１０ｎｍ）／Ｐｔ中間下地層（３ｎｍ）／Ｃｒ下地層（２０ｎｍ）／ＮｉＴａ下地層（２０ｎｍ）／Ｔａ下地層（５ｎｍ）／熱酸化Ｓｉ層（電位リセット層）から構成される。
【０１９５】
各サンプルにおいて、それぞれ窒化物リセット層および熱酸化Ｓｉ層が表面電荷を発生させない電位リセット層として用いられる。また、各層を形成した後に、ＴＭＲ特性及び磁気特性が最適化されるように、真空アニールが施される。
【０１９６】
上述の３つのサンプルについて、断面ＴＥＭ観察を実施し、ＭｇＯトンネルバリア層の結晶性について評価検討した。
【０１９７】
比較例１では、ＭｇＯトンネルバリア層は、Ｘ線回折では、明瞭な（００１）回折ピークが観察されず、アモルファス状態であると判断された。このため、ＭｇＯトンネルバリア層の結晶性が劣化し、面抵抗ＲＡの高抵抗化及びそれに伴うＴＭＲ比の劣化が顕著に表れた。
【０１９８】
これに対し、実施例１及び実施例２では、それぞれ良好なＭｇＯトンネルバリア層の（００１）配向性がＸ線回折により確認された。また、これら実施例では、比較例１に比べて、面抵抗ＲＡの低抵抗化及びそれに伴うＴＭＲ比の向上が顕著に表れた。特に実施例２では、１００％に近い大きなＴＭＲを得ることができた。
【０１９９】
尚、下地層、中間下地層、界面磁性層及び強磁性層が複数層のスタック構造からなる場合には、全ての層についての標準電極電位が考慮される。
【０２００】
４．  適用例  
本発明の適用例について説明する。
【０２０１】
(1)   スピン注入磁気ランダムアクセスメモリ  
本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子は、特に、磁気抵抗効果素子の一端から他端、又は、他端から一端に、書き込み電流を流す書き込み回路を備え、書き込み電流により第１の磁性層の磁化方向と第２の磁性層の磁化方向との関係を変化させるスピン注入磁気ランダムアクセスメモリに有効である。
【０２０２】
図９は、スピン注入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。
【０２０３】
磁気抵抗効果素子１の上端は、上部電極３１を介して上部ビット線３２に接続される。また、磁気抵抗効果素子１の下端は、下部電極３３、引き出し電極３４及びプラグ３５を介して、選択トランジスタＴｒのドレイン拡散層３７ａに接続される。
【０２０４】
選択トランジスタＴｒのソース拡散層３７ｂは、プラグ４１を介して下部ビット線４２に接続される。
【０２０５】
ドレイン拡散層３７ａ及びソース拡散層３７ｂ間の半導体基板（チャネル領域）３６上には、ゲート絶縁膜３８を介してゲート電極（ワード線）３９が形成される。
【０２０６】
このような構造のメモリセルでは、引き出し電極３４の直下に配置される層間絶縁膜（例えば、窒化シリコン）が電位リセット層となる。また、下部電極３３及び引き出し電極３４は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕなどの一般的な配線材料から構成される。
【０２０７】
この場合、磁気抵抗効果素子１のトンネルバリア層の直下には、少なくとも磁気抵抗効果素子１の第１の磁性層、本発明の例に係わる下地層、さらには、下部電極３３及び引き出し電極３４が存在することになる。
【０２０８】
そこで、本発明の例では、磁気抵抗効果素子１のトンネルバリア層の下地となる層の表面電荷を中性化することを条件に、磁気抵抗効果素子１の第１の磁性層、本発明の例に係わる下地層、さらには、下部電極３３及び引き出し電極３４の構成元素、組成比及び厚さを決定する。
【０２０９】
尚、下部電極３３及び引き出し電極３４の少なくとも１つを省略してもよい。
【０２１０】
例えば、下部電極３３を省略する場合には、磁気抵抗効果素子１は、引き出し電極３４上に形成される。また、引き出し電極３４を省略する場合には、下部電極３３は、プラグ３５上に形成される。さらに、下部電極３３及び引き出し電極３４を省略する場合には、磁気抵抗効果素子１は、プラグ３５上に形成される。
【０２１１】
図１０は、図９のメモリセルを含むメモリセルアレイを示している。  
同図において、図９と同じ要素には同じ符号を付してある。
【０２１２】
メモリセルＭＣは、例えば、図９の構造を有し、アレイ状に配置される。
【０２１３】
ワード線３９は、Ｘ方向に延び、メモリセルＭＣを構成する選択トランジスタＴｒのゲート電極に接続される。ワード線３９の一端は、ロウデコーダ５１に接続される。ロウデコーダ５１は、ワード線３９に対する選択動作を行う。
【０２１４】
ビット線３２の一端は、トランジスタなどのスイッチ回路５４を介して書き込み回路５５に接続される。書き込み回路５５は、書き込み電流（スピン注入電流）を発生／吸収するための電流ソース／シンク回路を備える。
【０２１５】
同様に、ビット線４２の一端は、トランジスタなどのスイッチ回路５６を介して書き込み回路５７に接続される。書き込み回路５７は、書き込み電流（スピン注入電流）を発生／吸収するための電流ソース／シンク回路を備える。
【０２１６】
また、ビット線４２の他端は、読み出し回路５２に接続される。読み出し回路５２は、読み出し電流を発生する電流源や、センスアンプなどを含んでいる。
【０２１７】
書き込み時には、書き込み対象となる選択されたメモリセルＭＣに接続されるスイッチ回路５４，５６がオンになり、その他のスイッチ回路がオフになる。また、選択されたメモリセルＭＣ内の選択トランジスタＴｒがオンになる。
【０２１８】
そして、書き込みデータに応じた向きの書き込み電流を選択されたメモリセルＭＣに供給する。例えば、“１”書き込みのときは、書き込み回路（ソース側）５５から書き込み回路（シンク側）５７に向かって書き込み電流を流し、“０”書き込みのときは、書き込み回路（ソース側）５７から書き込み回路（シンク側）５５に向かって書き込み電流を流す。
【０２１９】
書き込み電流は、例えば、数ナノ秒から数マイクロ秒までの範囲内のパルス幅を有する電流とする。
【０２２０】
読み出し時には、読み出し対象となる選択されたメモリセルＭＣに接続されるスイッチ回路５４がオンになり、その他のスイッチ回路がオフになる。また、選択されたメモリセルＭＣ内の選択トランジスタＴｒがオンになる。
【０２２１】
そして、読み出し電流を選択されたメモリセルＭＣに供給する。
【０２２２】
読み出し電流は、読み出し電流によって磁化反転（スイッチング）が生じないように、書き込み電流よりも十分に小さな値とする。また、読み出し電流のパルス幅は、書き込み電流のパルス幅よりも短いのが好ましい。
【０２２３】
(2)   磁気ディスク装置  
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。
【０２２４】
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。
【０２２５】
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。
【０２２６】
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。
【０２２７】
ここで、ＴＭＲヘッドは、本発明の例に係わる磁気抵抗効果素子を含む。
【０２２８】
リード線６４の他端は、電極パッド(Electrode pad)６５に接続される。
【０２２９】
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。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
(3)   その他  
以上、本発明の適用例をスピン注入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、本発明の例は、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。
【０２３５】
５．  むすび  
本発明によれば、高ＴＭＲ比及び低電流での磁化反転を可能とするスピン注入書き込み方式の磁気抵抗効果型素子及び磁気ランダムアクセスメモリを実現できる。
【０２３６】
本発明の例は、上述の実施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】
【０２３７】
【図１】磁気抵抗効果素子の基本構造を示す図。
【図２】図１の基本構造の変形例を示す図。
【図３】図１の基本構造の変形例を示す図。
【図４】図１の基本構造の変形例を示す図。
【図５】本発明の例に係わるトンネルバリア層の結晶構造を示す図。
【図６】比較例としてのトンネルバリア層の結晶構造を示す図。
【図７】ボトムフリー型磁気抵抗効果素子を示す図。
【図８】トップフリー型磁気抵抗効果素子を示す図。
【図９】磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルを示す図。
【図１０】スピン注入磁気ランダムアクセスメモリを示す図。
【図１１】磁気ディスク装置の内部構造を示す図。
【図１２】ＴＭＲヘッドを搭載した磁気ヘッドアセンブリ部を示す図。
【符号の説明】
【０２３８】
１１：  下地層、  １２：  第１の磁性層、  １３：  トンネルバリア層、  １４：  第２の磁性層、  １５，１６：  界面磁性層、  １７：  中間下地層。
【図１】
2009239121.tif 000003
【図２】
2009239121.tif 000004
【図３】
2009239121.tif 000005
【図４】
2009239121.tif 000006
【図５】
2009239121.tif 000007
【図６】
2009239121.tif 000008
【図７】
2009239121.tif 000009
【図８】
2009239121.tif 000010
【図９】
2009239121.tif 000011
【図１０】
2009239121.tif 000012
【図１１】
2009239121.tif 000013
【図１２】
2009239121.tif 000014