(57)【要約】  反平行結合を有する記録層を用いた、形状磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供する。  磁気抵抗効果素子の第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）は強磁性体を含み、磁化方向は膜面垂直方向に可変であり、反平行方向に磁気結合し、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）の厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）と、第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有する構成を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の参照層（Ｂ１）と、
前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられる第１の非磁性層（２）と、
前記第１の非磁性層（２）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性層（３）と、
前記第１の磁性層（３）の前記第１の非磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる非磁性結合層（４）と、
前記非磁性結合層（４）の前記第１の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の磁性層（５）と、
前記第２の磁性層（５）の前記非磁性結合層（４）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（６）と、
を備え、
前記第１の参照層（Ｂ１）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、
前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）は、強磁性体を含み、磁化方向は膜面垂直方向に可変であり、反平行方向に磁気結合し、
前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）の厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）と、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）との間に、
Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有する、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記第２の非磁性層（６）の前記第２の磁性層（５）とは反対側に隣接して設けられる第２の参照層（Ｂ２）をさらに備え、
前記第２の参照層（Ｂ２）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、前記第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向と前記第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆方向である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１の非磁性層（２）及び前記第２の非磁性層（６）は、Ｏを含む、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記非磁性結合層（４）は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、又はこれらの合金のいずれか１以上を含む、請求項１〜３いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記接合サイズＤが４０ｎｍ以下である、請求項１〜４いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）、及び、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は１５ｎｍ以下である、請求項１〜５いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第１の非磁性層（２）の膜厚と、前記第２の非磁性層（６）の膜厚は異なる、請求項１〜６いずれか一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（３）は、第１の分割磁性層（３ａ）、第１の非磁性挿入層（３ｂ）、第２の分割磁性層（３ｃ）を含み、前記第１の分割磁性層（３ａ）は前記第１の非磁性層（２）及び前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）に隣接して設けられ、前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）は前記第１の分割磁性層（３ａ）及び前記第２の分割磁性層（３ｃ）に隣接して設けられ、前記第２の分割磁性層（３ｃ）は前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び前記非磁性結合層（４）に隣接して設けられ、
前記第２の磁性層（５）は、第３の分割磁性層（５ａ）、第２の非磁性挿入層（５ｂ）、第４の分割磁性層（５ｃ）を含み、前記第３の分割磁性層（５ａ）は前記非磁性結合層（４）及び前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）に隣接して設けられ、前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）は前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）に隣接して設けられ、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）及び前記第２の非磁性層（６）に隣接して設けられ、
前記第１の分割磁性層（３ａ）、前記第２の分割磁性層（３ｃ）、前記第３の分割磁性層（５ａ）、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅのいずれかを含み、
前記第１の分割磁性層（３ａ）及び第２の分割磁性層（３ｃ）は平行方向に磁気結合し、
前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）は平行方向に磁気結合し、
前記第２の分割磁性層（３ｃ）及び前記第３の分割磁性層（５ａ）は反平行方向に磁気結合する、請求項１〜７いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第１の分割磁性層（３ａ）のＣｏの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏの組成に対する比は１より小さく、
前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＦｅの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＣｏの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＣｏの組成に対する比は１より小さい、請求項８に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記第１の磁性層（３）、前記非磁性結合層（４）及び前記第２の磁性層（５）の外周部に非磁性化膜（８）を含む、請求項１〜９いずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記第１の参照層（Ｂ１）の外周に、サイドウォール（９）をさらに備えた、請求項１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備える、磁気メモリ。
【請求項１３】
磁気抵抗効果素子の素子間隔が１５ｎｍ以下である、請求項１２に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。特に、基板面に対して垂直方向に形状磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；磁気メモリ）は、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；磁気トンネル接合）を利用した不揮発性メモリである。
待機時に電力を消費せず、高速動作性及び高書込み耐性を有し、また、１０ｎｍ以下まで微細化可能であるＭＲＡＭは、次世代のメモリや論理集積回路として注目されている。【０００３】
ＭＲＡＭは、選択トランジスタと、磁気抵抗効果素子とが直列に電気的に接続された構造を有する磁気メモリセルを備える。
選択トランジスタのソース電極はソース線に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子を介してビット線に、ゲート電極はワード線にそれぞれ電気的に接続される。【０００４】
磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性体を含む磁性層（参照層、記録層）の間に非磁性層（トンネル障壁層）が挟まれた構造を基本としている。磁性層の１つは磁化方向が固定された参照層であり、磁性層の他の１つは磁化方向が可変である記録層である。
磁気抵抗効果素子の抵抗値は、参照層の磁性層の磁化方向と記録層の磁性層の磁化方向が平行に配置される場合には小さくなり、反平行に配置される場合には大きくなる。ＭＲＡＭの磁気メモリセルは、この２つの抵抗状態をビット情報「０」と「１」に割り当てている。【０００５】
ＭＲＡＭに要求される主な特性は、（ｉ）磁気抵抗効果素子のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）が大きいこと、（ｉｉ）書込み電流ＩCが小さいこと、（ｉｉｉ）熱安定性指数Δが大きいこと、（ｉｖ）素子サイズが小さいこと（微細化されていること）である。（ｉ）は高速での読出しのため、（ｉｉ）は高速での書込みに対応するため、（ｉｉｉ）は磁気メモリの不揮発性のため、（ｉｖ）はＭＲＡＭの高集積化のために必要な特性である。【０００６】
本発明者らは、界面磁気異方性を主に利用するトンネル磁気接合を開発し、上記特性を様々な切り口で改善した磁気抵抗効果素子の微細化技術を多数確立している（非特許文献１、２、特許文献１、他多数）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan, M. Endo, S. Kanai, F. Matsukura, and H. Ohno, “A perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction“, Nature Mater., 2010, 9, 721
【非特許文献２】H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H. Ohno, “MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure in magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis“, IEEE Trans. Magn., 2013, 49, 4437
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際特許出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１７／００１６１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現するためには、記録されたビット情報を１０年間以上保持する不揮発性が必要である。そのため、強磁性体の記録層は、熱安定性指数Δが７０以上であることを求められている。
ただし、上記のように熱安定性指数の値は単体メモリとしては７０以上の値が必要であるが、例えば、ＤＲＡＭ代替、ＳＲＡＭ代替として用いる場合は必ずしも７０以上である必要はなく、これ以下でも良い。【００１０】
非特許文献１には、記録層の磁性層において、接合サイズ直径４０ｎｍで熱安定性指数Δが約４０の磁気抵抗効果素子が得られていることが開示されている。
また、非特許文献２には、二重のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ界面記録構造にして、記録層の接合サイズ直径が４０ｎｍ台のとき熱安定性指数Δが８０以上、接合サイズ直径が２９ｎｍのとき熱安定性指数Δが約５９であることが開示されている。【００１１】
また、素子サイズの間隔が約１５ｎｍ以下となると、隣接する素子からの漏れ磁界の影響によって書込み電流密度が高くなることや熱安定性が低下することが知られている。たとえば磁化方向が本来膜面垂直方向であるべき磁気抵抗効果素子が、隣接する磁気抵抗効果素子の漏れ磁界を受けた場合、漏れ磁界が反平行（逆向き）であれば、本来膜面垂直方向の磁気抵抗効果素子の磁化方向が傾く等、熱擾乱の原因となる。逆に漏れ磁界が平行（同じ向き）であれば、本来膜面垂直方向の磁気抵抗効果素子の書込み電流を増加させなければならなくなる等の悪影響を及ぼす。
つまり、微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現するためには、磁気抵抗効果素子のより小さい接合サイズでの熱安定性をさらに向上するとともに素子からの漏れ磁界を小さくする必要がある。【００１２】
本発明は、上記実情に鑑み、反平行結合を有する記録層を用いた形状磁気異方性を有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを見出し、完成させるに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の参照層（Ｂ１）と、前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられる第１の非磁性層（２）と、前記第１の非磁性層（２）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性層（３）と、前記第１の磁性層（３）の前記第１の非磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる非磁性結合層（４）と、前記非磁性結合層（４）の前記第１の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の磁性層（５）と、前記第２の磁性層（５）の前記非磁性結合層（４）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（６）と、を備え、前記第１の参照層（Ｂ１）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）は、強磁性体を含み、磁化方向は膜面垂直方向に可変であり、反平行方向に磁気結合し、前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）の厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）と、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有することを特徴とする。【００１４】
前記第２の非磁性層（６）の前記第２の磁性層（５）とは反対側に隣接して設けられる第２の参照層（Ｂ２）をさらに備え、前記第２の参照層（Ｂ２）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、前記第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向と前記第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆方向であってもよい。【００１５】
前記第１の非磁性層（２）及び前記第２の非磁性層（６）は、Ｏを含んでもよい。【００１６】
前記非磁性結合層（４）は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、又はこれらの合金のいずれか１以上を含んでもよい。【００１７】
前記接合サイズＤが４０ｎｍ以下であってもよい。【００１８】
前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）、及び、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は１５ｎｍ以下であってもよい。【００１９】
前記第１の非磁性層（２）の膜厚と、前記第２の非磁性層（６）の膜厚は異なってもよい。【００２０】
前記第１の磁性層（３）は、第１の分割磁性層（３ａ）、第１の非磁性挿入層（３ｂ）、第２の分割磁性層（３ｃ）を含み、前記第１の分割磁性層（３ａ）は前記第１の非磁性層（２）及び前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）に隣接して設けられ、前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）は前記第１の分割磁性層（３ａ）及び前記第２の分割磁性層（３ｃ）に隣接して設けられ、前記第２の分割磁性層（３ｃ）は前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び前記非磁性結合層（４）に隣接して設けられ、前記第２の磁性層（５）は、第３の分割磁性層（５ａ）、第２の非磁性挿入層（５ｂ）、第４の分割磁性層（５ｃ）を含み、前記第３の分割磁性層（５ａ）は前記非磁性結合層（４）及び前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）に隣接して設けられ、前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）は前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）に隣接して設けられ、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）及び前記第２の非磁性層（６）に隣接して設けられ、前記第１の分割磁性層（３ａ）、前記第２の分割磁性層（３ｃ）、前記第３の分割磁性層（５ａ）、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅのいずれかを含み、前記第１の分割磁性層（３ａ）及び第２の分割磁性層（３ｃ）は平行方向に磁気結合し、前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）は平行方向に磁気結合し、前記第２の分割磁性層（３ｃ）及び前記第３の分割磁性層（５ａ）は反平行方向に磁気結合してもよい。【００２１】
前記第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第１の分割磁性層（３ａ）のＣｏの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏの組成に対する比は１より小さく、前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＦｅの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＣｏの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＣｏの組成に対する比は１より小さくてもよい。【００２２】
前記第１の磁性層（３）、前記非磁性結合層（４）及び前記第２の磁性層（５）の外周部に非磁性化膜（８）を含んでもよい。【００２３】
前記第１の参照層（Ｂ１）の外周に、サイドウォール（９）をさらに備えでもよい。【００２４】
本発明の磁気メモリは、上記磁気抵抗効果素子を備える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、微細な接合サイズであっても、高い熱安定性指数Δを有する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。また、漏れ磁界が小さく、また、漏れ磁界の影響を受けにくい磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の一例の、縦断面図である。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図３】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図４】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図５】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図６】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図７】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図８】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図９】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１０】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１１】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１２】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１３】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１４】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１５】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１６】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１７】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１８】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図１９】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図２０】本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の、縦断面図である。
【図２１】隣接する磁気抵抗効果素子との漏れ磁界を説明するイメージ図である。
【図２２】反磁界及び反磁界の形状依存について説明する図である。
【図２３】反磁界係数Ｎと、膜厚及び接合サイズとの関係を示すグラフである。
【図２４】本発明の反平行方向に磁気結合する２つの磁性層の膜厚と接合サイズとの関係において、垂直磁気異方性を示す範囲を示す概念図である。
【図２５】実施の形態５及び６の膜厚と垂直磁気異方性の範囲を示すグラフである。
【図２６】実施の形態５及び６の膜厚と垂直磁気異方性の範囲を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気抵抗効果素子について、詳細を説明する。
なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（２）／第１の磁性層（３）／非磁性結合層（４）／第２の磁性層（５）／第２の非磁性層（６）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（３）／非磁性結合層（４）／第２の磁性層（５）は記録層（Ａ）を構成する。
【００２９】
第１の参照層（Ｂ１）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
第１の参照層（Ｂ１）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。さらに、第１の参照層（Ｂ１）の第１の非磁性層（２）とは反対側に固定層等が隣接されていてもよい。
第１の参照層（Ｂ１）の膜厚は、材料や層の構成によるが、概ね０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
【００３０】
第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されており、図１では記録層（Ａ）側を向いているが、逆でもよい。
【００３１】
第１の非磁性層（２）は、絶縁層からなるトンネル接合層であり、少なくともＯ（酸素）を含むことが望ましい。接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が例示され、より望ましくはＭｇＯが用いられる。
第１の非磁性層（２）の膜厚は、好ましくは０．１〜１０ｎｍ、より好ましくは０．２ｎｍ〜５ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ〜２ｎｍの範囲に調整される。
【００３２】
第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であることが好ましく、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ，ＭｎＡｌ等が例示される。Ｂ，Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）は、単層からなっていても、積層となっていてもよい。Ｆｅを含む層と、ＦｅＢ又はＣｏＢを含む層との積層膜が例示される。
第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）は、同じ材料である、同じ組成である、あるいは同じ飽和磁化Ｍsを有してもよいし、異なる材料である、異なる組成である、あるいは異なる飽和磁化Ｍsを有してもよい。
【００３３】
第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有するように形成される。関係の詳細は、後述する。
なお、本発明において、接合サイズとは、磁性層の厚さ方向に垂直な端面、すなわち、隣り合う非磁性層や電極と接する接合面上で、最も長い直線の長さであり、接合面が円形のときはその直径、楕円形のときはその長径、四角形のときはその対角線の長い方となる。
上記、膜厚ｔ1、膜厚ｔ2と接合サイズＤとの関係が成り立てば、たとえば接合サイズが４０ｎｍ以下、１５ｎｍ以下、もしくは１０ｎｍ以下でも膜面に対し垂直磁気異方性を有し、必要な熱安定性を得ることができる。この効果が生じる理由も後述する。
なお、接合サイズが大きする場合は、上記関係により膜厚も大きくする必要が生じ、素子加工が難しくなる。この加工上の観点から、接合サイズは４０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３４】
第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）は、反平行方向に磁気結合している。
【００３５】
非磁性結合層（４）は、第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）を反平行方向に磁気結合するものであればよい。Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金のいずれか１以上を含むことが好ましく、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗがより好ましく、Ｒｕがさらに好ましい。
非磁性結合層（４）の膜厚は、第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）を反平行方向に磁気結合する範囲であればよく、素子構成材料や成膜条件によって異なるが、０．１ｎｍ〜２ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ〜１ｎｍが例示される。Ｒｕの場合、反強磁性結合磁界は０．４ｎｍあるいは０．９ｎｍ付近でピーク値を持つため、この付近の膜厚に調整されることが望ましい。
【００３６】
第２の非磁性層（６）は、キャップ層として機能する場合、ＭｇＯなどの酸化膜やＴａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｍｇなどの金属非磁性膜からなる。
第２の非磁性層（６）が、トンネル接合層として機能する場合、少なくともＯ（酸素）を含むことが望ましい。接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が例示され、より望ましくはＭｇＯが用いられる。
【００３７】
以下に、本発明及びその効果を詳述する。
【００３８】
まず、本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）を反平行方向に磁気結合する非磁性結合層（４）を備える。
この構成により、たとえば図１において、記録層（Ａ）側から第１の参照層（Ｂ１）に向かって注入された電流は、第２の磁性層（５）の磁化を反転した上、第１の非磁性層（２）で反射スピンが生成し、第１の磁性層（３）の磁化を、生成した反射スピンで反転する。このため、記録層（Ａ）の磁性層の磁化反転に必要な電流が約半分とすることが可能である。
形状磁気異方性を用いる素子では、素子の直径より膜厚が厚い。従って、素子サイズが大きい領域では厚い膜厚が必要となる。漏れ磁界の大きさは膜厚と飽和磁化の積に比例するため膜厚が厚いと漏れ磁界が大きくなるという課題があった、本発明では、第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）が反平行方向に磁気結合することで、磁気抵抗効果素子の外部への漏れ磁界を低減することができる。さらに、図２１に示すように、たとえば直径１５ｎｍで、素子間隔（図２１のＳに相当）が１５ｎｍといった接合サイズが小さく、かつ、素子間隔が狭い場合に、磁気抵抗効果素子を３ｘ３で配列し、選択された中央の素子の磁化方向が平行であり、他の素子の磁化方向が反平行である場合、隣接する磁気抵抗効果素子どうしの距離が小さくなると、漏れ磁界の影響によって書込み電流が大きくなる。この漏れ磁界は、磁化方向が本来膜面垂直方向であるべき磁気抵抗効果素子の磁化方向を傾ける、あるいは書込み電流が大きくなる等の悪影響を及ぼす。しかしながら、漏れ磁界を低減でき、かつ、小さい素子でも形状異方性の効果で熱安定性が高く、漏れ磁界の影響を受けにくい本発明の磁気抵抗効果素子においては、高集積化されても、漏れ磁界が小さく、熱安定性も高いため隣接素子に対する影響が小さくなる。
【００３９】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有するように形成される。この関係式は、以下の事実により成立する。
【００４０】
磁気抵抗効果素子のビット情報の保持性能を決める、記録層として機能する磁性層の熱安定性指数Δ（＝Ｅ／ｋBＴ）において、エネルギー障壁Ｅは、磁気異方性エネルギー密度Ｋと記録層の体積Ｖとの積で表される。ここで、ｘ軸、ｙ軸を平面内、ｚ軸をその平面に垂直な方向にとった座標において、磁気異方性エネルギー密度Ｋは、以下の数１の式のように表される。
【００４１】
【数１】
2019187800.tif 000003
【００４２】
ここで、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度、ｔは記録層の膜厚、Ｋbは結晶磁気異方性や磁気弾性効果に由来するバルク磁気異方性エネルギー密度、Ｎz及びＮxはそれぞれｚ軸及びｘ軸の反磁界係数、Ｍsは記録層の飽和磁化、μ0は真空の透磁率である。磁気異方性エネルギー密度Ｋが正の時は垂直磁気異方性を示し、負の時は面内磁気異方性を示す。
【００４３】
次に、本発明の磁気抵抗効果素子の構成、すなわち、記録層（Ａ）の磁性層が第１の磁性層（３）と第２の磁性層（５）に分かれ、互いに反平行方向に磁気結合して磁化方向が逆向きとなる場合に、該記録層（Ａ）が垂直磁気異方性を有するための条件について、説明する。
【００４４】
記録層（Ａ）が、膜厚ｔ1の第１の磁性層（３）及び膜厚ｔ2の第２の磁性層（５）を備える場合、記録層（Ａ）の磁気異方性エネルギー密度Ｋは、以下の数２のように表される。
【００４５】
【数２】
2019187800.tif 000004
【００４６】
ただし、Ｋu1は第１の磁性層（３）の磁気異方性エネルギー密度、Ｋu2は第２の磁性層（５）の磁気異方性エネルギー密度、Ｋi1は第１の磁性層（３）と第１の非磁性層（２）の界面磁気異方性エネルギー密度、Ｋi2は第２の磁性層（５）と第２の非磁性層（６）の界面磁気異方性エネルギー密度、Ｋb1は第１の磁性層（３）のバルク磁気異方性エネルギー密度、Ｋb2は第２の磁性層（５）のバルク磁気異方性エネルギー密度、Ｎ1は第１の磁性層（３）の反磁界係数、Ｎ2は第２の磁性層（５）の反磁界係数、Ｍs1は第１の磁性層（３）の飽和磁化、Ｍs2は第２の磁性層（５）の飽和磁化である。
ここで、計算をひとまず単純にするため、便宜上Ｋi1＝Ｋi2＝Ｋb1＝Ｋb2＝０とすると、数３のように表される。
【００４７】
【数３】
2019187800.tif 000005
【００４８】
ただし、実際にＫi1、Ｋi2、Ｋb1、Ｋb2は０でなくてもよく、数２が正の場合に垂直磁気異方性を有する。  
【００４９】
【数４】
2019187800.tif 000006
【００５０】
数４において、Ｍs1、Ｍs2、μ0、ｔ1、ｔ2は常に正であるので、反磁界係数Ｎ1、Ｎ2が負であれば数４の関係が成り立つ。そこで反磁界係数Ｎ1、Ｎ2の正負について、さらに詳細に説明する。
ここで、反磁界とは磁性体内部の磁界Ｈdのことであり、磁性体内部において磁化の向き（磁束線の向き）と磁界の向き（磁力線の向き）が逆であるため、反磁界と呼ばれる。図２２（ａ）は磁性体の外部と内部が繋がっている磁束線を示し、図２２（ｂ）は磁極が作る磁界による磁力線を示す。
かかる反磁界Ｈdは磁化Ｍにより生じるので、磁化Ｍに比例し、μ0Ｈd＝−ＮＭの関係が成り立つ。この比例係数Ｎを反磁界係数という。
反磁界係数Ｎはベクトル量であり、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の成分を有し、それぞれＮx、Ｎy、Ｎzと表され、数５の式の関係を有する。
【００５１】
【数５】
2019187800.tif 000007
【００５２】
Ｎx、Ｎy、Ｎzの値は磁性体の形状で決まる。ｚ軸方向（膜厚ｔ）とｘｙ軸方向（素子面内方向）との関係を含め、形状磁気異方性の向きを併せて検討した。
図２２（ｃ）に示すように磁性体の形状が球の場合（Ｄ＝ｔの場合に相当）、形状は等方であるため、Ｎx＝Ｎy＝Ｎzとなり、数５の式と併せ、Ｎx＝Ｎy＝Ｎz＝1/3である。よって、Ｎ＝Ｎz−Ｎx＝０となり、形状磁気異方性を有しない。
図２２（ｄ）に示すように磁性体の形状がｘｙ軸方向に扁平な磁性体の場合（Ｄ＞ｔの場合）、ｘｙ軸方向の磁極は離れているため、対応する反磁界係数はＮx＝Ｎy＝０であり、数５の式と併せ、Ｎz＝1である。よって、Ｎ＝Ｎz−Ｎx＝１＞０となり、面内方向の形状磁気異方性を有する。
図２２（ｅ）に示すように磁性体の形状がｚ軸方向に長い磁性体の場合（Ｄ＜ｔの場合）、ｚ軸方向の磁極は離れているため対応する反磁界係数Ｎz＝０であり、ｘ軸とｙ軸は対称であるためＮx＝Ｎyとなり、数５の式と併せ、Ｎx＝Ｎy＝1/2である。よって、Ｎ＝Ｎz−Ｎx＝-1/2＜０となり、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００５３】
次に、記録層が膜厚ｔ1の第１の磁性層（３）及び膜厚ｔ2の第２の磁性層（５）に分かれた場合の分類を行った。
＜分類１＞
Ｄ＜ｔ1、かつ、Ｄ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０、Ｎ2＜０である。よって、数３の式中のＫは常に正の値を取り、常に垂直方向の形状磁気異方性を有する。
＜分類２＞
Ｄ＝ｔ1、かつ、Ｄ＝ｔ2の場合、Ｎ1＝０、Ｎ2＝０である。よって、数３の式中のＫ＝０となり、形状磁気異方性を有しない。
＜分類３＞
Ｄ＞ｔ1、かつ、Ｄ＞ｔ2の場合、Ｎ1＞０、Ｎ2＞０である。よって、数３の式中のＫは常に負の値を取り、常に面内方向の形状磁気異方性を有する。
＜分類４＞
Ｄ＜ｔ1かつＤ＝ｔ2の場合、又は、Ｄ＝ｔ1かつＤ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０かつＮ2＝０、又は、Ｎ1＝０かつＮ2＜０である。よって、数３の式中のＫは常に正の値を取り、常に垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００５４】
＜分類５＞
ｔ2＜Ｄ＜ｔ1、又は、ｔ1＜Ｄ＜ｔ2の場合、数３の式中のＫが正となるときのみ、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
ここで、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が同一の材料、同一の組成で形成されている等、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1と及び第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が同じ場合（Ｍs1＝Ｍs2の場合）は、数４の式の両辺を−Ｍs1／２μ0ｔ1ｔ2で割ると、以下の数６の式のように表され、この関係を満たしたときに垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００５５】
【数６】
2019187800.tif 000008
【００５６】
数６の関係がｔ2＜Ｄ＜ｔ1、又は、ｔ1＜Ｄ＜ｔ2の範囲のうち、どのような場合に成立するかを回転楕円体近似及び扁平楕円近似から求めた。
ｔ＞Ｄのとき、回転楕円体近似から、Ｎは以下の数７の式の関係があり、数７の式を線形近似すると数８の関係がある。
【００５７】
【数７】
2019187800.tif 000009
【００５８】
【数８】
2019187800.tif 000010
【００５９】
一方、ｔ＜Ｄのとき、扁平楕円体近似から、Ｎは以下の数９の式の関係があり、数９の式を線形近似すると数１０の関係がある。
【００６０】
【数９】
2019187800.tif 000011
【００６１】
【数１０】
2019187800.tif 000012
【００６２】
数８及び数１０の式より、反磁界係数Ｎとｔ／Ｄの関係をプロットしたものが、図２３である。ｔ／Ｄ＜１すなわちｔ＜Ｄの場合は面内方向の形状磁気異方性を有し、ｔ／Ｄ＞１すなわちｔ＞Ｄの場合は垂直方向の形状磁気異方性を有するが、その具体的な値を近似曲線から導くことができる。
【００６３】
ｔ2＜Ｄ＜ｔ1、又は、ｔ1＜Ｄ＜ｔ2の場合、数８及び数１０を数６に代入し、数６の関係が成立すれば、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
簡易的には、図２３からそれぞれの反磁界係数Ｎ1とＮ2を読み取り、各膜厚とともに数６に代入し、負になる範囲であれば、垂直磁気異方性を有する。
【００６４】
また、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が異なる材料、異なる組成で形成されている等、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1と及び第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が異なる場合（Ｍs2＝ａＭs1の場合。ａは定数）は、数４のＭs2にａＭs1を代入し、両辺を−Ｍs1／２μ0ｔ1ｔ2で割ると、以下の数１１の式で表され、この関係を満たしたときに垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００６５】
【数１１】
2019187800.tif 000013
【００６６】
異なる材料、異なる組成で形成されている等、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1と及び第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が異なる場合も、数８及び数１０を数１１に代入し、数１１の関係が成立すれば、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００６７】
以上、＜分類１＞〜＜分類５＞の解析から、少なくとも＜分類１＞及び＜分類４＞の関係を満たす、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の範囲において、常に垂直方向に形状磁気異方性を有すると言え、＜分類５＞の解析から、たとえ膜厚ｔ1又は膜厚ｔ2のどちらかが接合サイズＤより小さくても、数６又は数１１の範囲においては垂直方向の形状磁気異方性を有することが分かる。
膜厚ｔ1と膜厚ｔ2、及び接合サイズＤとの関係で、垂直方向に形状磁気異方性になる領域の概念図を示したのが、図２４である。
なお、計算で０と仮定した界面磁気異方性エネルギー密度が正の場合（Ｋi1、Ｋi2＞０）、垂直方向となる膜厚の領域は増えることが考えられる。
【００６８】
（実施の形態２）
図２に、本発明の実施の形態２の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（２）／第１の磁性層（３）／非磁性結合層（４）／第２の磁性層（５）／第２の非磁性層（６）／第２の参照層（Ｂ２）が順に隣接して配置されたものであり、第１の磁性層（３）／非磁性結合層（４）／第２の磁性層（５）は記録層（Ａ）を構成する。
実施の形態２は、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
【００６９】
第２の参照層（Ｂ２）はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ，ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
第２の参照層（Ｂ２）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
第２の参照層（Ｂ２）の膜厚は、材料や層の構成によるが、概ね０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
【００７０】
第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されており、図２では記録層（Ａ）側に向いているが、逆でもよい。さらに第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向と第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆向き（反平行）である。
【００７１】
第２の非磁性層（６）は、絶縁層からなるトンネル接合層であり、少なくともＯ（酸素）を含むことが望ましい。接合する２つの端面の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏ等の酸素を含む絶縁体が例示され、より望ましくはＭｇＯが用いられる。
第２の非磁性層（６）の膜厚は、好ましくは０．１〜１０ｎｍ、より好ましくは０．２ｎｍ〜５ｎｍ、さらに好ましくは０．５ｎｍ〜２ｎｍの範囲に調整される。
【００７２】
また、第１の非磁性層（２）の膜厚は、第２の非磁性層（６）の膜厚と異なっていてもよく、また、第１の非磁性層（２）の材質あるいは組成が、第２の非磁性層（６）と異なっていてもよい。  
【００７３】
なお、図示しないが、通常、第１の参照層（Ｂ１）の記録層（Ａ）とは反対側には下部非磁性電極、第２の参照層（Ｂ２）の記録層（Ａ）とは反対側には上部非磁性電極が配置され、磁気抵抗効果素子は該電極を介して選択トランジスタと電気的に接続される。
【００７４】
（実施の形態３）
図３に、本発明の実施の形態３の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ1及び膜厚ｔ2が等しい点を除いて実施の形態１と同じであり、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
【００７５】
すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1、Ｄ＜ｔ2、かつ、ｔ1＝ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＜ｔ1、かつ、Ｄ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０、Ｎ2＜０であるため、２つの磁性層の膜厚が同じ（ｔ1＝ｔ2）であっても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは常に正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００７６】
（実施の形態４）
図４に、本発明の実施の形態４の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ1及び膜厚ｔ2が等しい点を除いて実施の形態２と同じであり、以下の点を除き、実施の形態２と同様の特徴を有する。
【００７７】
すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1、Ｄ＜ｔ2、かつ、ｔ1＝ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＜ｔ1、かつ、Ｄ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０、Ｎ2＜０であるため、２つの磁性層の膜厚が同じ（ｔ1＝ｔ2）であっても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは常に正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００７８】
（実施の形態５）
図５に、本発明の実施の形態５の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ1が接合サイズＤより小さい点を除いて実施の形態１と同じであり、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
【００７９】
すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の場合、Ｎ1＞０かつＮ2＜０であり、数６もしくは数１１の式を満たす範囲にある場合は、片方の磁性層の膜厚が接合サイズより小さくても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
図２５に、接合サイズＤが１０ｎｍ、膜厚ｔ2が１５ｎｍ、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が同一の材料あるいは同一の組成（第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1と同じ、すなわちａ＝１）の場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1と数１１の左辺との関係を示したグラフを示す。この場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1は約９ｎｍ以上であることが必要である。
図２６に、接合サイズＤが１０ｎｍ、膜厚ｔ2が１５ｎｍ、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が異なる材料あるいは異なる組成の材料（第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1の２倍）の場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1を数１１の左辺との関係から求めたグラフを示す。この場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1は約６．５ｎｍ以上であることが必要である。
【００８０】
（実施の形態６）
図６に、本発明の実施の形態６の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ1が接合サイズＤより小さい点を除いて実施の形態２と同じであり、以下の点を除き、実施の形態２と同様の特徴を有する。
【００８１】
すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の場合、Ｎ1＞０かつＮ2＜０であり、数６もしくは数１１の式を満たす範囲にある場合は、片方の磁性層の膜厚が接合サイズより小さくても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
図２５に、接合サイズＤが１０ｎｍ、膜厚ｔ2が１５ｎｍ、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が同一の材料あるいは同一の組成の場合（ａ＝１）、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1と数１１の左辺との関係を示したグラフを示す。この場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1は約９ｎｍ以上であることが必要である。
図２６に、接合サイズＤが１０ｎｍ、膜厚ｔ2が１５ｎｍ、第１の磁性層（３）及び第２の磁性層（５）が異なる材料あるいは異なる組成の材料（第２の磁性層（５）の飽和磁化Ｍs2が、第１の磁性層（３）の飽和磁化Ｍs1の２倍）の場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1を数１１の左辺との関係から求めたグラフを示す。この場合、垂直磁気異方性となる膜厚ｔ1は約６．５ｎｍ以上であることが必要である。
【００８２】
（実施の形態７）
図７に本発明の実施の形態７の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ2が接合サイズＤより小さい点を除いて実施の形態１と同じであり、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
【００８３】
すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ＞ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＞ｔ1かつＤ＜ｔ2の場合、Ｎ1＜０かつＮ2＞０であり、数６もしくは数１１の式を満たす範囲にある場合は、片方の磁性層の膜厚が接合サイズより小さくても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００８４】
（実施の形態８）
図８に本発明の実施の形態８の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、膜厚ｔ2が接合サイズＤより小さい点を除いて実施の形態２と同じであり、以下の点を除き、実施の形態２と同様の特徴を有する。
【００８５】
すなわち、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ＞ｔ2の関係を有する。実施の形態１において詳述したとおり、Ｄ＜ｔ1かつＤ＞ｔ2の場合、Ｎ1＜０かつＮ2＞０であり、数６もしくは数１１の式を満たす範囲にある場合は、片方の磁性層の膜厚が接合サイズより小さくても、磁気異方性エネルギー密度Ｋは正の値を取り、垂直方向の形状磁気異方性を有する。
【００８６】
（実施の形態９）
図９に、本発明の実施の形態９の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（２）／第１の分割磁性層（３ａ）／第１の非磁性挿入層（３ｂ）／第２の分割磁性層（３ｃ）／非磁性結合層（４）／第３の分割磁性層（５ａ）／第２の非磁性挿入層（５ｂ）／第４の分割磁性層（５ｃ）／第２の非磁性層（６）が順に隣接して配置されたものであり、第１の分割磁性層（３ａ）／第１の非磁性挿入層（３ｂ）／第２の分割磁性層（３ｃ）／非磁性結合層（４）／第３の分割磁性層（５ａ）／第２の非磁性挿入層（５ｂ）／第４の分割磁性層（５ｃ）は記録層（Ａ）を構成する。
実施の形態９は、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
【００８７】
第１の分割磁性層（３ａ）、第２の分割磁性層（３ｃ）、第３の分割磁性層（５ａ）及び第４の分割磁性層（５ｃ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ，ＭｎＡｌ、ＭｎＧａが例示される。Ｂ，Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
【００８８】
第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅの組成の、第２の分割磁性層（３ｃ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、第１の分割磁性層（３ａ）のＣｏの組成の、第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏの組成に対する比は１より小さい特徴を有してもよい。第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅを多くすることで強い界面磁気結合を得ることができ、また、第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏを多くすることで強い反強磁性結合を得ることができるため、磁気抵抗効果素子の動作が安定するからである。
同様な理由で、第４の分割磁性層（５ｃ）のＦｅの組成の、第３の分割磁性層（５ａ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、第４の分割磁性層（５ｃ）のＣｏの組成の、第３の分割磁性層（５ａ）のＣｏの組成に対する比は１より小さい特徴を有してもよい。
【００８９】
第１の分割磁性層（３ａ）と第２の分割磁性層（３ｃ）は平行方向に磁気結合し、第３の分割磁性層（５ａ）と第４の分割磁性層（５ｃ）は平行方向に磁気結合し、平行方向に磁気結合した磁性層の磁化方向は同じ向きになるように反転する。
第２の分割磁性層（３ｃ）と第３の分割磁性層（５ａ）は、非磁性結合層（４）により反平行方向に磁気結合する。
【００９０】
第１の分割磁性層（３ａ）、第２の分割磁性層（３ｃ）、第３の分割磁性層（５ａ）及び第４の分割磁性層（５ｃ）は、単層からなっていても、積層となっていてもよい。Ｆｅを含む層と、ＦｅＢ又はＣｏＢを含む層との積層膜が例示される。
第１の分割磁性層（３ａ）、第２の分割磁性層（３ｃ）、第３の分割磁性層（５ａ）及び第４の分割磁性層（５ｃ）は、同じ材料である、同じ組成である、あるいは同じ飽和磁化Ｍsを有してもよいし、異なる材料である、異なる組成である、あるいは異なる飽和磁化Ｍsを有してもよい。
【００９１】
第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び第２の非磁性挿入層（５ｂ）は、非磁性元素を含み、少なくともＴａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｖ、Ｃのいずれか１以上の元素を含む構成が例示される。
第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び第２の非磁性挿入層（５ｂ）の膜厚はそれぞれ、隣接する第１の分割磁性層（３ａ）と第２の分割磁性層（３ｃ）、隣接する第３の分割磁性層（５ａ）と第４の分割磁性層（５ｃ）との磁気的結合を保つように調整される。０．１ｎｍ〜２ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。
【００９２】
第１の分割磁性層（３ａ）及び第２の分割磁性層（３ｃ）の合計の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第３の分割磁性層（５ａ）及び第４の分割磁性層（５ｃ）の合計の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、磁気抵抗効果素子の接合サイズＤ（ｎｍ）との間に、Ｄ＜ｔ1かつＤ≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ1かつＤ＜ｔ2の関係を有するように形成される。
上記、膜厚ｔ1、膜厚ｔ2と接合サイズＤとの関係が成り立てば、たとえば接合サイズが４０ｎｍ以下、１５ｎｍ以下、もしくは１０ｎｍ以下でも膜面に対し垂直磁気異方性を有する。
【００９３】
非磁性結合層（４）は、第２の分割磁性層（３ｃ）と第３の分割磁性層（５ａ）を反平行に結合するものであればよい。Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金のいずれか１以上を含むことが好ましく、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗがより好ましく、Ｒｕがさらに好ましい。
非磁性結合層（４）の膜厚は、第２の分割磁性層（３ｃ）と第３の分割磁性層（５ａ）を反平行方向に磁気結合する範囲であればよく、素子構成材料や成膜条件によって異なるが、０．１ｎｍ〜２ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ〜１ｎｍが例示される。Ｒｕの場合、反強磁性結合磁界は０．４ｎｍあるいは０．９ｎｍ付近でピークを有するため、この付近の膜厚に調整されることが望ましい。
【００９４】
（実施の形態１０）
図１０に、本発明の実施の形態１０の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の非磁性層（２）／第１の分割磁性層（３ａ）／第１の非磁性挿入層（３ｂ）／第２の分割磁性層（３ｃ）／非磁性結合層（４）／第３の分割磁性層（５ａ）／第２の非磁性挿入層（５ｂ）／第４の分割磁性層（５ｃ）／第２の非磁性層（６）／第２の参照層（Ｂ２）が順に隣接して配置されたものであり、第１の分割磁性層（３ａ）／第１の非磁性挿入層（３ｂ）／第２の分割磁性層（３ｃ）／非磁性結合層（４）／第３の分割磁性層（５ａ）／第２の非磁性挿入層（５ｂ）／第４の分割磁性層（５ｃ）は記録層（Ａ）を構成する。
実施の形態１０は、実施の形態１及び９と同様の特徴を有する。
【００９５】
（実施の形態１１）
図１１に、本発明の実施の形態１１の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、実施の形態１の第１の参照層（Ｂ１）として磁性層（１ｃ）にさらに非磁性挿入層（１ｂ）、磁性層（１ａ）を隣接して設けたものである。
実施の形態１１は、以下の点を除き、実施の形態１と同様の特徴を有する。
【００９６】
２つの磁性層（１ａ、１ｃ）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
２つの磁性層（１ａ、１ｃ）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
２つの磁性層（１ａ、１ｃ）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されており、互いに逆向き（反平行）である。
このように、第１の参照層（Ｂ１）内の磁化方向を反平行結合積層構造にすることにより、第１の参照層（Ｂ１）からの磁界を弱めることができ、熱安定性を改善することができる。
【００９７】
非磁性挿入層（１ｂ）は、隣接する２つの磁性層（１ａ、１ｃ）を反平行方向に磁気結合するものであればよい。Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金のいずれか１以上を含むことが好ましく、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗがより好ましく、Ｒｕがさらに好ましい。
非磁性挿入層（１ｂ）の膜厚は、隣接する２つの磁性層（１ａ、１ｃ）を反平行方向に磁気結合するものであればよく、素子構成材料や成膜条件によって異なるが０．１ｎｍ〜２ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ〜１ｎｍが例示される。Ｒｕの場合、反強磁性結合は０．４ｎｍあるいは０．９ｎｍ付近でピーク値を持つため、この付近の膜厚に調整されることが望ましい。
【００９８】
なお、実施の形態１１の記録層の構成を、実施の形態１と同じにしたが、実施の形態３〜１０の記録層の構成を当て嵌めてもよい。
【００９９】
（実施の形態１２）
図１２に、本発明の実施の形態１２の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、実施の形態２の第２の参照層（Ｂ２）として磁性層（７ａ）にさらに非磁性挿入層（７ｂ）、磁性層（７ｃ）を隣接して設けたものである。
実施の形態１２は、以下の点を除き、実施の形態１１と同様の特徴を有する。
【０１００】
２つの磁性層（７ａ、７ｃ）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
２つの磁性層（７ａ、７ｃ）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
２つの磁性層（７ａ、７ｃ）の磁化方向は、膜面垂直方向に固定されており、互いに逆向き（反平行）である。図１２では、第１の参照層（Ｂ１）としての磁性層（１ｃ）及び第２の参照層（Ｂ２）としての磁性層（７ａ）の磁化方向は記録層（Ａ）側に向いているが、参照層中の磁性層全てを図１２とは逆方向に固定してもよい。
このように、参照層（Ｂ１、Ｂ２）内の磁化方向を反平行結合積層構造にすることにより、参照層（Ｂ１、Ｂ２）からの磁界を弱めることができ、熱安定性を改善することができる。
【０１０１】
非磁性挿入層（７ｂ）は、隣接する２つの磁性層（７ａ、７ｃ）を反平行方向に磁気結合するものであればよい。Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金のいずれか１以上を含むことが好ましく、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗがより好ましく、Ｒｕがさらに好ましい。
非磁性挿入層（７ｂ）の膜厚は、隣接する２つの磁性層（７ａ、７ｃ）を反平行方向に磁気結合するものであればよく、素子構成材料や成膜条件によって異なるが０．１ｎｍ〜２ｎｍ、好ましくは０．３ｎｍ〜１ｎｍが例示される。Ｒｕの場合、反強磁性結合は０．４ｎｍあるいは０．９ｎｍ付近でピーク値を持つため、この付近の膜厚に調整されることが望ましい。
【０１０２】
なお、実施の形態１２の記録層の構成を、実施の形態２と同じにしたが、実施の形態３〜１０の記録層の構成を当て嵌めてもよい。また、一方の参照層を、実施の形態１のように一方向に固定した構成に置き換えてもよい。
【０１０３】
（実施の形態１３）
図１３に、本発明の実施の形態１３の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、実施の形態１の第１の参照層（Ｂ１）としての磁性層（１ｅ）にさらに非磁性挿入層（１ｄ）、磁性層（１ｃ）、非磁性挿入層（１ｂ）、磁性層（１ａ）を隣接して設けたものである。
実施の形態１３は、以下の点を除き、実施の形態１１と同様の特徴を有する。
【０１０４】
非磁性挿入層（１ｄ）は、非磁性元素を含み、少なくともＴａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｖ、Ｃのいずれか１以上の元素を含む構成が例示される。
非磁性挿入層（１ｄ）の膜厚は、隣接する２つの磁性層（１ｅ、１ｃ）と磁気的結合を保つように調整される。０．１ｎｍ〜２ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。
【０１０５】
磁性層（１ｅ）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
磁性層（１ｅ）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
磁性層（１ｅ）の膜厚は、材料や層の構成によるが、概ね０．１ｎｍ〜１０ｎｍ程度に調整される。
３つの磁性層のうち、２つの磁性層（１ｅ、１ｃ）の磁化方向は同じ向きである。
【０１０６】
なお、実施の形態１３の記録層の構成を、実施の形態１と同じにしたが、実施の形態２〜１０の記録層の構成を当て嵌めてもよい。
（実施の形態１４）
図１４に、本発明の実施の形態１４の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、実施の形態２の第２の参照層（Ｂ２）としての磁性層（７ｅ）にさらに非磁性挿入層（７ｄ）、磁性層（７ａ）、非磁性挿入層（７ｂ）、磁性層（７ｃ）を隣接して設けたものである。
実施の形態１４は、以下の点を除き、実施の形態１３と同様の特徴を有する。
【０１０７】
非磁性挿入層（７ｄ）は、非磁性元素を含み、少なくともＴａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｖ、Ｃのいずれか１以上の元素を含む構成が例示される。
非磁性挿入層（７ｄ）の膜厚は、隣接する２つの磁性層（７ｅ、７ａ）との磁気的結合を保つように調整される。０．１ｎｍ〜２ｎｍの範囲にあることが好ましく、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍがより好ましい。
【０１０８】
磁性層（７ｅ，７ａ）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ等の３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも１つ含んだ材料であり、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ等が挙げられる。Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。
磁性層（７ｅ，７ａ）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗ、Ｎｉ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。
３つの磁性層のうち、２つの磁性層（７ｅ、７ａ）の磁化方向は同じ向きである。
【０１０９】
なお、実施の形態１４の記録層の構成を、実施の形態１と同じにしたが、実施の形態２〜１０の記録層の構成を当て嵌めてもよい。また、一方の参照層を、実施の形態２、１２の参照層の構成に置き換えてもよい。
【０１１０】
（実施の形態１５）
図１５に、本発明の実施の形態１５の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、以下の点を除き、実施の形態２と同様の特徴を有する。
【０１１１】
記録層（Ａ）は、外周部に非磁性化膜（８）を含む。該非磁性化膜（８）は記録層（Ａ）の表面を酸化、窒化すること等で得られ、記録層（Ａ）の磁気的性質を有する部分の径を物理的に減らすことができる。
この場合、素子の磁気的性質を有する部分の実効的な直径Ｄ１は実効的な直径Ｄ１より小さくなり、また、第１の磁性層（３）の膜厚ｔ1（ｎｍ）及び第２の磁性層（５）の膜厚ｔ2（ｎｍ）は、実効的な直径Ｄ１（ｎｍ）との間に、Ｄ１＜ｔ1かつＤ１≦ｔ2の関係を有する、又は、Ｄ１≦ｔ1かつＤ１＜ｔ2の関係を有するように形成される。また、非磁性化膜（８）は積層された記録層（Ａ）の外周部を酸化、窒化するため、実効的な直径Ｄ１は０＜Ｄ１＜Ｄの範囲となる。
このため、実施の形態１５では、膜厚ｔ1（ｎｍ）や膜厚ｔ2（ｎｍ）をより小さくすることができ、素子サイズのより微細化が可能となる。
【０１１２】
なお、図１６に示すように、実施の形態１５の構成のうち、第２の参照層（Ｂ２）を除いたものであってもよい。垂直方向に形状磁気異方性を有し、かつ、２つの磁性層は反平行方向に磁気結合することができるため、熱安定性指数Δを高めることができる。
さらに、図１７に示すように、実施の形態１５の構成のうち、第１の参照層（Ｂ１）、第１の非磁性層（２）、第１の磁性層（３）、及び、キャップ層として機能する第２の非磁性層（６）の磁気トンネル接合の基本構造だけであってもよい。垂直方向に形状磁気異方性を有するため、素子サイズが小さくなっても熱安定性指数Δを高めることができる。
【０１１３】
なお、非磁性化膜（８）以外の実施の形態１５の構成を、実施の形態２と同じにしたが、実施の形態４〜１４の構成を当て嵌めてもよい。
【０１１４】
（実施の形態１６）
図１８に、本発明の実施の形態１６の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、以下の点を除き、実施の形態１５と同様の特徴を有する。
【０１１５】
第１の参照層（Ｂ１）さらにサイドウォール（９）を備える。該サイドウォール（９）は、非磁性化膜（８）を設ける際に、第１の参照層（Ｂ１）の劣化を防止するために備えられ、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣＮ、等の材料が使用される。サイドウォール（９）のｘｙ軸方向厚みは１ｎｍ〜３０ｎｍの範囲に調整される。
また、サイドウォール（９）を備えることにより、素子の参照層側の端部と記録層の端部の距離が離れ、参照層側からの漏れ磁界を低減させることができる。
【０１１６】
なお、図１９に示すように図１６の構成にサイドウォール（９）を備えてもよいし、図２０に示すように図１７の構成にサイドウォール（９）を備えてもよい。さらには、サイドウォール（９）以外の実施の形態１６の構成を、実施の形態１５と同じにしたが、実施の形態２〜１４の構成を当て嵌めてもよい。
【０１１７】
さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、たとえば接合サイズが１５ｎｍ以下、素子間隔（図２１のＳに相当）が１５ｎｍ以下でも、漏れ磁界を低減でき、かつ、小さい素子でも形状異方性の効果で熱安定性が高いものである。漏れ磁界の影響を受けにくい本発明の磁気抵抗効果素子においては、高集積化されても、漏れ磁界が小さく、熱安定性も高いため隣接素子に対する影響が小さくなる。
【０１１８】
各実施の形態において示した層構成は順に隣接して配置していればよく、積層方法、積層順序、上下左右の向き等限定されない。
【符号の説明】
【０１１９】
Ｂ１  第１の参照層
１、１ａ、１ｃ、１ｅ    磁性層
１ｂ、１ｄ              非磁性挿入層
２    第１の非磁性層
Ａ    記録層
３    第１の磁性層
３ａ    第１の分割磁性層
３ｂ    第１の非磁性挿入層
３ｃ    第２の分割磁性層
４    非磁性結合層
５    第２の磁性層
５ａ    第３の分割磁性層
５ｂ    第２の非磁性挿入層
５ｃ    第４の分割磁性層
６    第２の非磁性層
Ｂ２  第２の参照層
７、７ａ、７ｃ、７ｅ    磁性層
７ｂ、７ｄ              非磁性挿入層
８    非磁性化膜
９    サイドウォール
【図１】
2019187800.tif 000014
【図２】
2019187800.tif 000015
【図３】
2019187800.tif 000016
【図４】
2019187800.tif 000017
【図５】
2019187800.tif 000018
【図６】
2019187800.tif 000019
【図７】
2019187800.tif 000020
【図８】
2019187800.tif 000021
【図９】
2019187800.tif 000022
【図１０】
2019187800.tif 000023
【図１１】
2019187800.tif 000024
【図１２】
2019187800.tif 000025
【図１３】
2019187800.tif 000026
【図１４】
2019187800.tif 000027
【図１５】
2019187800.tif 000028
【図１６】
2019187800.tif 000029
【図１７】
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【図１８】
2019187800.tif 000031
【図１９】
2019187800.tif 000032
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2019187800.tif 000036
【図２４】
2019187800.tif 000037
【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月1日(2019.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果素子の素子間隔が１５ｎｍ以下である磁気メモリであって、前記磁気抵抗効果素子は、
第１の参照層（Ｂ１）と、
前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられる第１の非磁性層（２）と、
前記第１の非磁性層（２）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられる第１の磁性層（３）と、
前記第１の磁性層（３）の前記第１の非磁性層（２）とは反対側に隣接して設けられる非磁性結合層（４）と、
前記非磁性結合層（４）の前記第１の磁性層（３）とは反対側に隣接して設けられる第２の磁性層（５）と、
前記第２の磁性層（５）の前記非磁性結合層（４）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（６）と、
を備え、
前記第１の参照層（Ｂ１）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、
前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）は、強磁性体を含み、磁化方向は膜面垂直方向に可変であり、反平行方向に磁気結合し、
前記第１の磁性層（３）及び前記第２の磁性層（５）の厚さ方向に垂直な端面上で最も長い直線の長さである接合サイズＤ（ｎｍ）と、前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ１（ｎｍ）と、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ２（ｎｍ）との間に、
Ｄ＜ｔ１かつＤ≦ｔ２の関係を有する、又は、Ｄ≦ｔ１かつＤ＜ｔ２の関係を有する、磁気メモリ。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子は、前記第２の非磁性層（６）の前記第２の磁性層（５）とは反対側に隣接して設けられる第２の参照層（Ｂ２）をさらに備え、
前記第２の参照層（Ｂ２）は強磁性体を含み、磁化方向が膜面垂直方向に固定され、前記第１の参照層（Ｂ１）の磁化方向と前記第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆方向である、請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記第１の非磁性層（２）及び前記第２の非磁性層（６）は、Ｏを含む、請求項１又は２に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記非磁性結合層（４）は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｗ、又はこれらの合金のいずれか１以上を含む、請求項１〜３いずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記接合サイズＤが４０ｎｍ以下である、請求項１〜４いずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記第１の磁性層（３）の膜厚ｔ１（ｎｍ）、及び、前記第２の磁性層（５）の膜厚ｔ２（ｎｍ）は１５ｎｍ以下である、請求項１〜５いずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項７】
前記第１の非磁性層（２）の膜厚と、前記第２の非磁性層（６）の膜厚は異なる、請求項１〜６いずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項８】
前記第１の磁性層（３）は、第１の分割磁性層（３ａ）、第１の非磁性挿入層（３ｂ）、第２の分割磁性層（３ｃ）を含み、前記第１の分割磁性層（３ａ）は前記第１の非磁性層（２）及び前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）に隣接して設けられ、前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）は前記第１の分割磁性層（３ａ）及び前記第２の分割磁性層（３ｃ）に隣接して設けられ、前記第２の分割磁性層（３ｃ）は前記第１の非磁性挿入層（３ｂ）及び前記非磁性結合層（４）に隣接して設けられ、
前記第２の磁性層（５）は、第３の分割磁性層（５ａ）、第２の非磁性挿入層（５ｂ）、第４の分割磁性層（５ｃ）を含み、前記第３の分割磁性層（５ａ）は前記非磁性結合層（４）及び前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）に隣接して設けられ、前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）は前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）に隣接して設けられ、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は前記第２の非磁性挿入層（５ｂ）及び前記第２の非磁性層（６）に隣接して設けられ、
前記第１の分割磁性層（３ａ）、前記第２の分割磁性層（３ｃ）、前記第３の分割磁性層（５ａ）、前記第４の分割磁性層（５ｃ）は、少なくともＣｏ、Ｆｅのいずれかを含み、
前記第１の分割磁性層（３ａ）及び第２の分割磁性層（３ｃ）は平行方向に磁気結合し、
前記第３の分割磁性層（５ａ）及び前記第４の分割磁性層（５ｃ）は平行方向に磁気結合し、
前記第２の分割磁性層（３ｃ）及び前記第３の分割磁性層（５ａ）は反平行方向に磁気結合する、請求項１〜７いずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項９】
前記第１の分割磁性層（３ａ）のＦｅの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第１の分割磁性層（３ａ）のＣｏの組成の、前記第２の分割磁性層（３ｃ）のＣｏの組成に対する比は１より小さく、
前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＦｅの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＦｅの組成に対する比は１より大きい、又は、前記第４の分割磁性層（５ｃ）のＣｏの組成の、前記第３の分割磁性層（５ａ）のＣｏの組成に対する比は１より小さい、請求項８に記載の磁気メモリ。
【請求項１０】
前記第１の磁性層（３）、前記非磁性結合層（４）及び前記第２の磁性層（５）の外周部に非磁性化膜（８）を含む、請求項１〜９いずれか一項に記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の参照層（Ｂ１）の外周に、サイドウォール（９）をさらに備える、請求項１０に記載の磁気メモリ。
【請求項１２】
（削除）
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
前記非磁性結合層（４）は、Ｒｕであり、膜厚が０．４ｎｍ又は０．９ｎｍ付近である、請求項４に記載の磁気メモリ。
【国際調査報告】
2019187800.tif 000040
2019187800.tif 000041
2019187800.tif 000042
2019187800.tif 000043