(57)【要約】  素子サイズが小さい磁気抵抗効果素子において、熱安定性指数Δを大きくすることと、書き込み電流ＩC0を小さくすることを両立させ、熱安定性指数Δを書き込み電流ＩC0で除した性能指数Δ／ＩC0（μＡ-1）を向上させた磁気抵抗効果素子を提供する。磁気抵抗効果素子は、第１の参照層（Ｂ１）、第１の接合層（１１）、第１の磁性層（２１）、第１の非磁性結合層（３１）、第２の磁性層（２２）及び第２の接合層（１２）を備え、第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である構成を有する。
2020026637.tif 000002
【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た第１の接合層（１１）と、
前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、
前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、
を備え、
前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、
前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、
前記第１の非磁性結合層（３１）はＷ又はＭｏを含み、前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、
素子サイズが６０ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
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た第１の接合層（１１）と、
前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、
前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、
を備え、
前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、
前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、
前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、
素子サイズが４０ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１の非磁性結合層の膜厚はＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのいずれかからなる、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、
前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（３２）と、
前記第２の非磁性結合層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（２３）と、
をさらに備え、
前記第２の非磁性結合層（３２）及び前記第３の磁性層（２３）は前記第１の記録層（Ａ１）の一部を構成し、
前記第２の非磁性結合層（３２）はＷ又はＭｏを含み、前記第２の非磁性結合層（３２）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、
前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（３２）と、
前記第２の非磁性結合層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（２３）と、
をさらに備え、
前記第２の非磁性結合層（３２）及び前記第３の磁性層（２３）は前記第１の記録層（Ａ１）の一部を構成し、
前記第２の非磁性結合層（３２）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、
前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる非磁性挿入層（４１）と、
前記非磁性挿入層（４１）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（２４）と、
前記第４の磁性層（２４）の前記非磁性挿入層（４１）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性結合層（３３）と、
前記第３の非磁性結合層（３３）の前記第４の磁性層（２４）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第５の磁性層（２５）と、
をさらに備え、
前記非磁性挿入層（４１）、前記第４の磁性層（２４）、前記第３の非磁性結合層（３３）及び前記第５の磁性層（２５）は前記第１の記録層（Ａ１）の一部を構成し、
前記非磁性挿入層（４１）はＯ（酸素）を含み、
前記第３の非磁性結合層（３３）はＷ又はＭｏを含み、前記第３の非磁性結合層（３３）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、
前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる非磁性挿入層（４１）と、
前記非磁性挿入層（４１）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（２４）と、
前記第４の磁性層（２４）の前記非磁性挿入層（４１）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性結合層（３３）と、
前記第３の非磁性結合層（３３）の前記第４の磁性層（２４）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第５の磁性層（２５）と、
をさらに備え、
前記非磁性挿入層（４１）、前記第４の磁性層（２４）、前記第３の非磁性結合層（３３）及び前記第５の磁性層（２５）は前記第１の記録層（Ａ１）の一部を構成し、
前記非磁性挿入層（４１）はＯ（酸素）を含み、
前記第３の非磁性結合層（３３）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７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。
【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、該磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリに関する。
【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き込み耐性を有し、また、メモリサイズを微細化可能であるＭＲＡＭは、次世代のワーキングメモリとして注目されている。【０００３】
ＭＲＡＭに使用される磁気抵抗効果素子は、強磁性層の記録層と参照層の間にトンネル障壁層となる非磁性層が挟まれた構造を基本とする。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、記録層と参照層の磁化が平行配置の場合に小さく、反平行配置の場合に大きくなり、２つの抵抗状態がビット情報「０」、「１」に割り当てられる。ビット情報の書き込みには、磁気抵抗効果素子に直接電流を流し、電子が有する角運動量の移行を利用したスピントランスファートルク（ＳＴＴ）により行われる。一方、情報の読み出しについては、トンネル障壁層を通りＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；トンネル磁気抵抗）効果が用いられる。
ここで、ＭＲＡＭに使用される磁気抵抗効果素子は、複数集積した上で特定の素子に対して情報の読み出し及び書き込みを行う必要がある。このため、磁気抵抗効果素子、選択トランジスタ、ワード線及びビット線からなるメモリセルをアレイ状に配置してメモリアレイを構成し、各メモリアレイのワード線及びビット線に電圧を印加するのが一般的である。【０００４】
ところで、ＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子で応用上重要となる特性は、（ｉ）熱安定性指数Δが大きいこと、（ｉｉ）書き込み電流ＩC0が小さいこと、（ｉｉｉ）磁気抵抗効果素子の磁気抵抗（ＭＲ）比が大きいこと、（ｉｖ）素子サイズが小さいことである。（ｉ）は磁気メモリの不揮発性のため、（ｉｉ）はセルトランジスタのサイズを小さくしてセルサイズを小さくし、また消費電力を下げるため、（ｉｉｉ）は高速での読み出しに対応するため、（ｉｖ）はセル面積を小さくして大容量化するために要求される特性である。
（ｉｉ）の書き込み電流ＩC0は書込み電圧が一定の場合、素子面積に比例する。そのため、素子間の比較、あるいは文献値との対応において、素子寸法を考慮する必要があり、指標として扱いづらい面がある。一方、（ｉ）熱安定性指数Δが大きいことと（ｉｉ）書き込み電流ＩC0が小さいことの意味を併せ持つ、性能指数Δ／ＩC0（μＡ-1）は、後述する数２よりダンピング定数αなる物性値と対応づけられることもあり、素子の性能指数として業界内で広く用いられている（非特許文献１、非特許文献２参照）。なお、性能指数Δ／ＩC0は、安定性指数Δを書き込み電流ＩC0で除した値である。そして、この（ｖ）性能指数Δ／ＩC0を大きくすることが、素子の高集積化が進む近年、強く求められてきている。【０００５】
上記特性のうち（ｉ）熱安定性指数Δを大きくするため、記録層に接する界面を増やした、いわゆる二重界面を備える磁気抵抗効果素子が開発された（図１１参照）。図１１に示すように、二重界面を備える磁気抵抗効果素子の記録層（Ａ１）は、トンネル障壁層となる第１の接合層（１１）と、第２の接合層（１２）に挟まれた構成を有する。本構成は、熱安定性指数Δが下記数１の式で表されることから、記録層に接する界面を増やすことにより界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを高めようとする技術思想に基づくものである。【０００６】
【数１】
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【０００７】
数１の式において、Ｅはエネルギー障壁、ｋBはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、Ｋeffは単位体積あたりの実効磁気異方性エネルギー密度、ｔは膜厚、Ｋeffｔは単位面積あたりの実効磁気異方性エネルギー密度、Ｓは記録層の面積、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度、Ｋbはバルク（結晶）磁気異方性エネルギー密度、Ｍsは飽和磁化、μ0は真空の透磁率である。また、素子全体の実効磁気異方性エネルギー密度はＫeffｔ*で表される。【０００８】
その他にも、いわゆる二重界面に挟まれた記録層中に非磁性結合層を挿入して、熱安定性指数Δをさらに向上させることが開示されている（特許文献１、２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１３／１５３９４２
【特許文献２】特開２０１２−６４６２５
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】L. Tomas， G. Jan， J. Zhu， H. Liu， Y-J. Lee， R-Y Tong， K. Pi， Y-J. Wang， D. Shen， R. He， J. Haq， J. Teng， V. Lam， K. Huang， T. Zhong， T. Torng amd P-K. Wang， Journal of Applied Physics 115， 172615 (2014)
【非特許文献２】G. Hu， M. G. Gotwald， Q. He， J. H. Park， G. Lauer， J. J. Nowak， S. L. Brown， B. Doris， D. Edelstein， E. R. Evarts， P. Hashemi， B. Khan， Y. H. Kim， C. Kothandaraman， N. Marchack， E. J. O’Suillivian， M. Reuter， R. P. Roertazzi， J. Z. Sun， T. Suwannasiri， P. L. Trouilloud， Y. Zhu and D. C. Worledge， International Electron Device Meeting (IEDM) 2017， p. 844
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記先行技術文献の前提となっている素子サイズは、今般要求される（ｉｖ）微細化された素子サイズよりも大きい。一方で、素子を微細化すると、素子の面積Ｓが減少し、数１の式から熱安定性指数Δは低下してしまう。このため、微細化により大容量化した場合、熱安定性指数Δをさらに高めることが要求されるようになった。
しかしながら、上述したような特性を有する素子を検討するにあたり、素子サイズが概ね４０〜６０ｎｍの範囲以下の場合は、素子サイズがその範囲を超える従来の素子とは支配的となる磁気の結合の種類や磁化反転のメカニズムが異なってくるため、従来技術の知見のみでは熱安定性指数Δをさらに高めるには十分ではないという課題があった。【００１２】
また、いわゆる二重界面の接合層や、記録層中の非磁性結合層は、熱安定性指数Δ等の向上のために設けられた。一方、前述したとおり書き込み電流ＩC0も重要な指標である。つまり、熱安定性指数Δと性能指数Δ／ＩC0の両方を高めることが磁気トンネル接合の特性という観点では重要である。【００１３】
しかしながら、従来の技術では、特に微細な領域で高い熱安定性指数Δと高い性能指数Δ／ＩC0を両立することが困難であった。【００１４】
本発明は、上記実情に鑑み、より微細な磁気抵抗効果素子が要求される次世代に向けて、素子サイズが小さい領域において、（ｖ）性能指数Δ／ＩC0（μＡ-1）を向上させた磁気抵抗効果素子の構成を見出し、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】
【００１５】
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た第１の接合層（１１）と、前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、を備え、前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、前記第１の非磁性結合層（３１）はＷ又はＭｏを含み、前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、素子サイズが６０ｎｍ以下であることを特徴とする。【００１６】
また、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た第１の接合層（１１）と、前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、を備え、前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、素子サイズが４０ｎｍ以下であることを特徴とする。【００１７】
前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（３２）と、前記第２の非磁性結合層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（２３）と、をさらに備えてもよい。【００１８】
前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる非磁性挿入層（４１）と、前記非磁性挿入層（４１）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（２４）と、前記第４の磁性層（２４）の前記非磁性挿入層（４１）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性結合層（３３）と、前記第３の非磁性結合層（３３）の前記第４の磁性層（２４）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第５の磁性層（２５）と、をさらに備えてもよい。【００１９】
また、本発明の磁気メモリは、上述の磁気抵抗効果素子を備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、素子サイズが６０ｎｍ以下の磁気抵抗効果素子において、熱安定性指数Δを大きくすることと、書き込み電流ＩC0を小さくすることを両立させ、性能指数Δ／ＩC0（μＡ-1）を向上させた磁気抵抗効果素子を提供することができる。【００２１】
なお、本明細書における磁気抵抗効果素子の「素子サイズ」とは、参照層／トンネル障壁層／記録層の接合面の形状の短辺、長辺から求めた面積を正円としたときの正円の直径の値である。素子形状が楕円であれば、長径と短径から求める。素子形状が円形であれば、素子サイズはその直径である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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を示す。
【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を示す。
【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を示す。
【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を示す。
【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を示す。
【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を示す。
【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を示す。
【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を示す。
【図９】本発明の磁気抵抗効果素子の構成を備えるメモリセルの一例を示す。
【図１０】本発明の磁気抵抗効果素子を複数個配置した磁気メモリのブロック図の一例である。
【図１１】従来の磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。
【図１２】性能指数Δ／ＩC0評価用の素子の構成の縦断面図を示す。
【図１３】素子サイズ及び非磁性結合層の膜厚と、熱安定性指数Δの関係を示す、グラフである。
【図１４】素子サイズ及び非磁性結合層の膜厚と、書き込み電流ＩC0の関係を示す、グラフである。
【図１５】素子サイズ及び非磁性結合層の膜厚と、性能指数Δ／ＩC0の関係を示す、グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ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。
【００２４】
（実施の形態１）
―  素子の構成  ―
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の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の接合層（１２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
該磁気抵抗効果素子が磁気メモリセルに接続されるときは、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側に設けられる下部電極、及び、第２の接合層（１２）の第２の磁性層（２２）とは反対側に設けられる上部電極を有する。
【００２５】
第１の参照層（Ｂ１）は、磁化方向が膜面垂直方向で固定された強磁性層である。
第１の参照層（Ｂ１）は少なくとも３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことがより好ましい。具体的にはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等の元素の組み合わせが例示される。第１の参照層（Ｂ１）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んだ合金であってもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
また、第１の参照層（Ｂ１）の強磁性体の間に薄い非磁性結合層を挿入してもよい。該非磁性結合層の材料としては、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ，Ｔｉ、Ｍｇ、ＭｇＯ、Ｃｒ、Ｖ等が例示される。
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、Ｃｏ／Ｐｔ他、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｄ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。参照層中の強磁性層が多層から構成される場合、層の材料や膜厚により磁化の向きが平行に固定されてもよく、反平行に固定されていてもよい。
さらに、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側に固定層等が隣接されていてもよい。
【００２６】
第１の接合層（１１）は、Ｏ（酸素）を含む材料が用いられる、本磁気抵抗効果素子の磁気抵抗に支配的なトンネル障壁層である。第１の参照層（Ｂ１）と第１の磁性層（２１）に挟まれた第１の接合層（１１）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、少なくともＯ及びＭｇを含むことが好ましい。また、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｉｎ等を含む導電性酸化物、もしくは、Ｍｇ-Ｏ、Ａｌ-Ｏ、Ｍｇ-Ａｌ-Ｏ、Ｓｉ-Ｏ、Ｔｉ-Ｏ、Ｈｆ-Ｏ、Ｔａ−Ｏ、Ｗ−Ｏ等の酸化が完全ではない弱酸化の導電性酸化物を用いてもよく、これらの導電性酸化物に他の元素が微量に含まれていてもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
また、第１の接合層（１１）は第１の磁性層（２１）との界面において界面磁気異方性を生じるように酸素を含む材料を選択することがより望ましく、この点においてもＭｇＯがさらに望ましい。
第１の接合層（１１）の膜厚は、磁気抵抗ＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな抵抗面積積ＲＡとなるように１．２ｎｍ以下であることが好ましく、１．１ｎｍ以下、さらには１．０ｎｍ以下であることがより好ましい。よって、好ましくは０．５〜１．２ｎｍの範囲、より好ましくは０．８〜１．１ｎｍの範囲に調整される。
【００２７】
第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は磁化方向が膜面垂直方向に反転可能な強磁性層である。
第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は、３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことがより好ましい。具体例として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられ、なかでもＦｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがより望ましい。
また、第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）との界面、第２の磁性層（２２）は第２の接合層（１２）との界面で、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料がより望ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがさらに望ましい。すなわち、第１の磁性層（２１）と第１の接合層（１１）の界面、及び、第２の磁性層（２２）と第２の接合層（１２）の界面での界面垂直磁気異方性により、第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の磁化は、膜面に対し垂直であることが望ましい。
また、第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。
【００２８】
第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の膜厚の合計は１．６ｎｍ〜３．２ｎｍの範囲にあることが好ましく、２．０ｎｍ〜２．６ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄い場合も、膜厚がより厚い場合もともに、ＭｇＯ等を第１の接合層（１１）及び第２の接合層（１２）に用いた場合は垂直磁気異方性が弱まってしまうからである。
【００２９】
第１の非磁性結合層（３１）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は隣接した磁性層中のＢ等を吸収して膜面方向に垂直磁気異方性を備えることも可能であるため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等がより好ましく、Ｗ、Ｍｏがさらに好ましい。
【００３０】
第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。詳細は図１２〜１５を用いて後述する。
なお、第１の非磁性結合層（３１）の膜厚が約０．２ｎｍ以下あるいはゼロ近くに小さくなった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁気異方性を有し得る。
【００３１】
第２の接合層（１２）は、Ｏ（酸素）を含む材料が用いられ、少なくともＭｇ及びＯを含むことが好ましい。また、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｉｎ等を含む導電性酸化物、もしくは、Ｍｇ-Ｏ、Ａｌ-Ｏ、Ｍｇ-Ａｌ-Ｏ、Ｓｉ-Ｏ、Ｔｉ-Ｏ、Ｈｆ-Ｏ、Ｔａ−Ｏ、Ｗ−Ｏ等の酸化が完全ではない弱酸化の導電性酸化物を用いてもよく、これらの導電性酸化物に他の元素が微量に含まれていてもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
【００３２】
第２の接合層（１２）の膜厚は、０．２〜２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．５〜１．２ｎｍの範囲がより好ましく、０．８〜１．１ｎｍに調整されることがさらに好ましい。
【００３３】
実施の形態１の磁気抵抗効果素子の素子サイズは、性能指数Δ／ＩC0を高める観点から、６０ｎｍ以下が好ましく、４０ｎｍ以下あるいは４０ｎｍ未満がより好ましい。詳細は図１２〜１５を用いて後述する。
なお、上述したように、本明細書における磁気抵抗効果素子の「素子サイズ」とは、参照層／トンネル障壁層／記録層の接合面の形状の、短辺、長辺から求めた面積を正円としたときの正円の直径の値である。素子形状が楕円であれば、長径と短径から求める。素子形状が円形であれば、素子サイズはその直径である。
【００３４】
以下、実施の形態１の構成に関する検討内容を説明する。
【００３５】
―  性能指数Δ／ＩC0の評価について  ―
上述したように、性能指数Δ／ＩC0は、熱安定性指数Δを書き込み電流ＩC0で除したものである。
図１２に、性能指数Δ／ＩC0の評価用素子の構成の概略を示す。素子サイズを２０〜８０ｎｍの範囲に、Ｗからなる非磁性結合層の膜厚を０．２、０．３、０．４ｎｍとした。
【００３６】
評価用素子の試料に１μｓから５ｍｓのパルス幅の電流を流して、各試料の抵抗値を測定し、書き込み電流による反転確率を求めた。次に、測定された反転確率と、電流値及びパルス幅との関係から、各試料の熱安定性指数Δと、１ｎｓでの書き込み電流に対応するＩC0を求めた。
また、各試料のばらつきを考慮するため、同一構成、同一素子サイズの試料を、各１０個程度評価し、熱安定性指数Δと書き込み電流ＩC0のメジアン値を解析に用いた。
【００３７】
図１３及び表１に、素子サイズＤ（ｎｍ）毎の熱安定性指数Δを示す。
図１３は、横軸に素子サイズＤ（ｎｍ）、縦軸に熱安定性指数Δをとり、非磁性結合層の膜厚を変えて熱安定性指数Δの各値をプロットしたものであり、その具体的な数値を表１にまとめた。
【００３８】
【表１】
2020026637.tif 000004
【００３９】
図１３及び表１より、評価を行った素子サイズ２０〜８０ｎｍの素子すべてにおいて、熱安定性指数Δは６０以上であることが分かった。
【００４０】
次に、図１４及び表２に、素子サイズ毎の書き込み電流ＩC0の関係を示す。
図１４は、横軸に素子サイズＤ（ｎｍ）、縦軸に素子サイズを６０ｎｍ、非磁性結合層の膜厚を０．４ｎｍの試料の書き込み電流ＩC0を１としたときの、書き込み電流ＩC0の相対値をとり、非磁性結合層の膜厚を変えて書き込み電流ＩC0の各相対値をプロットしたものであり、その具体的な数値を表２にまとめた。
【００４１】
【表２】
2020026637.tif 000005
【００４２】
図１４及び表２より、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍの場合、素子サイズＤが２０ｎｍから６０ｎｍの範囲において、書き込み電流ＩC0の相対値は０．３６〜１．００と高い値を推移した。これに対し、非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍ、０．３ｎｍの場合、書き込み電流ＩC0の相対値は０．１５〜０．５３と小さい値になり、書き込み電流ＩC0を小さくする特性が向上していることが分かった。
【００４３】
図１５及び表３に、素子サイズ毎の性能指数Δ／ＩC0の関係を示す。
図１５は、横軸に素子サイズＤ（ｎｍ）、縦軸に素子サイズを６０ｎｍ、非磁性結合層の膜厚を０．４ｎｍの試料の性能指数Δ／ＩC0を１としたときの、性能指数Δ／ＩC0の相対値をとり、非磁性結合層の膜厚を変えて性能指数Δ／ＩC0の各相対値をプロットしたものであり、その具体的な数値を表３にまとめた。
【００４４】
【表３】
2020026637.tif 000006
【００４５】
なお、図１５において、非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍのときの近似曲線はy = -0.0613x + 5.2224、０．３ｎｍのときの近似曲線はy = -0.0469x + 4.2804、０．４ｎｍのときの近似曲線はy = -0.0213x + 2.3749で表される。以下の比較では近似曲線の式で算出した値を用いた。
【００４６】
図１５に示した性能指数Δ／ＩC0の相対値は、上述したように、その値が大きいほど素子としての性能が優れていることを示す。図１５に示されるように、素子サイズＤが６０ｎｍから小さくなるにつれ性能指数Δ／ＩC0は概ね単調に増大することが分かった。さらに、素子サイズＤが６０ｎｍ以下の領域において、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0と０．３ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0を比較すると、どの素子サイズＤであっても０．３ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0の方が大きい。この差は、素子サイズＤが６０ｎｍ以下ではっきり見られ、４０ｎｍ以下では差がより顕著となることが分かった。さらに、非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0は、０．３ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0より大きくなることが分かった。
【００４７】
表３や図１５の近似曲線で求めた値で詳細を確認すると、素子サイズＤが６０ｎｍの場合、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．１０であるのに対し、０．３ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．４７で約１．３倍、０．２ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．５４で約１．４倍と改善されることが分かった。
素子サイズＤが４０ｎｍの場合、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．５２であるのに対し、０．３ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は２．４０で約１．６倍、０．２ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は２．７７で約１．８倍と改善されることが分かった。
素子サイズが２０ｎｍの場合、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．９５であるのに対し、０．３ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は３．３４で約１．７倍、０．２ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は４．００で約２．１倍と改善されることが分かった。
【００４８】
以上の評価結果から、素子サイズが６０ｎｍ以下において、非磁性結合層の膜厚を０．３ｎｍ以下に薄くすることにより、熱安定性指数Δを６０以上に維持しつつ性能指数Δ／ＩC0を改善することができた。特に、素子サイズＤが６０ｎｍ以下、あるいは４０ｎｍ以下であるとその効果が顕著であることが分かった。
【００４９】
性能指数Δ／ＩC0が、素子サイズの小さい領域、かつ、非磁性結合層の膜厚が薄い領域で改善される理由は複合的である。素子サイズの小さい領域において記録層中の複数の磁性層の磁化反転が一体的となって起こりやすいため、記録層中の磁化の歳差運動でのダンピング定数αが小さいほど書き込み電流ＩC0の絶対値は小さくなり、性能指数Δ／ＩC0が向上することが理由のひとつである。なお、ダンピング定数αとは、スピントランスファートルク等により、磁化容易軸の周りを歳差運動する磁化を減衰する効果をいう。
磁化反転が一体的となって一斉に回転する場合、書き込み電流ＩC0は以下の数２の式で表される（Phys. Review. B， vol. 88， pp.104426(2013）参照）。
【００５０】
【数２】
2020026637.tif 000007
【００５１】
数２において、ｈ（ｂａｒ）はプランク定数、ｅは電気素量、αはダンピング定数、ηはトンネル磁気抵抗比に関連したスピン分極因子、Ｅはエネルギー障壁、ＴＭＲはトンネル磁気抵抗比である。
数２の式に各定数及びＴＭＲ＝１５０％を代入すると、性能指数Δ／ＩC0は数３の式で表される。
【００５２】
【数３】
2020026637.tif 000008
【００５３】
数３より、性能指数Δ／ＩC0はダンピング定数αの逆数となることから、性能指数Δ／ＩC0はダンピング定数αが小さいほど、すなわち、減衰効果が小さいほど改善されることが分かる。そして、非磁性結合層の膜厚が薄いほど、磁化の減衰効果は小さい。
この関係は、図１２の評価用素子のダンピング定数αを強磁性共鳴法で測定した値とも整合する。結果を表４に示す。
【００５４】
【表４】
2020026637.tif 000009
【００５５】
さらに、図１２の非磁性結合層のＷをＭｏに置き換えた場合のダンピング定数を、表５に示す。
【００５６】
【表５】
2020026637.tif 000010
【００５７】
表４より、Ｗの非磁性結合層の膜厚が０．３ｎｍ以下ではダンピング定数αが０．００８５以下と小さい値であるのに対し、０．４ｎｍでは０．０１３５と約１．５９倍高くなっていることが分かった。
また、表５より、Ｍｏの非磁性結合層を有する評価用素子のダンピング定数αは、同じ膜厚のＷの非磁性結合層を有する評価用素子のダンピング定数αと比較して、さらに小さくなることが分かった。表３と表４に示した結果との対応関係から、Ｍｏを用いた場合には、更に大きな性能指数Δ／ＩC0が得られることが分かった。
【００５８】
一方で、素子サイズが７０ｎｍを超えるような大きい領域において、性能指数Δ／ＩC0が低い値となる理由も複合的であるが、記録層中の複数の磁性層の磁化反転において、磁壁移動モードが支配的になるためと考えられる。磁壁移動モードである場合、エネルギー障壁Ｅbは以下の数４の式で表される。
【００５９】
【数４】
2020026637.tif 000011
【００６０】
数４において、σWは磁壁のエネルギー密度、ＤWは素子の直径、ｔは記録層の膜厚である。
数４に示されるとおり、磁壁移動モードが支配的となる場合は、素子の直径（素子サイズ）及び記録層の膜厚が大きいほどエネルギー障壁Ｅbは大きくなり、数４及び数１から少なくとも熱安定性指数Δを向上させることが可能であることが示唆される。
【００６１】
（実施の形態２）
図２に、本発明の実施の形態２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の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性結合層（３２）／第３の磁性層（２３）／第２の接合層（１２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性結合層（３２）／第３の磁性層（２３）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
該磁気抵抗効果素子が磁気メモリセルに接続されるときは、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側に設けられる下部電極、及び、第２の接合層（１２）の第３の磁性層（２３）とは反対側に設けられる上部電極を有する。
実施の形態２は、以下の特徴を有する他、実施の形態１と同様である。
【００６２】
第２の非磁性結合層（３２）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は隣接した磁性層中のＢ等を吸収して膜面方向に垂直磁気異方性を備えることも可能であるため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等がより好ましく、Ｗ、Ｍｏがさらに好ましい。
【００６３】
第２の非磁性結合層（３２）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。
なお、第２の非磁性結合層（３２）の膜厚が約０．２ｎｍ以下あるいはゼロ近くに小さくなった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁気異方性を有し得る。
【００６４】
第３の磁性層（２３）は磁化方向が膜面垂直方向に反転可能な強磁性層である。
第３の磁性層（２３）は、３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことがより好ましい。具体例として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられ、なかでもＦｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがより望ましい。
また、第３の磁性層（２３）は第２の接合層（１２）との界面で、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料がより望ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがさらに望ましい。すなわち、第３の磁性層（２３）と第２の接合層（１２）の界面での界面垂直磁気異方性により、第３の磁性層（２３）の磁化は、膜面に対し垂直であることが望ましい。
また、第３の磁性層（２３）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。
【００６５】
第１の磁性層（２１）、第２の磁性層（２２）及び第３の磁性層（２３）の膜厚の合計は２．４ｎｍ〜４．８ｎｍの範囲にあることが好ましく、２．８ｎｍ〜３．４ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄い場合も、膜厚がより厚い場合もともに、ＭｇＯ等を第１の接合層（１１）及び第２の接合層（１２）に用いた場合は垂直磁気異方性が弱まってしまうからである。
【００６６】
（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、第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／非磁性挿入層（４１）／第４の磁性層（２４）／第３の非磁性結合層（３３）／第５の磁性層（２５）／第２の接合層（１２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／非磁性挿入層（４１）／第４の磁性層（２４）／第３の非磁性結合層（３３）／第５の磁性層（２５）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
該磁気抵抗効果素子が磁気メモリセルに接続されるときは、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側に設けられる下部電極、及び、第２の接合層（１２）の第５の磁性層（２５）とは反対側に設けられる上部電極を有する。
実施の形態３は、以下の特徴を有する他、実施の形態１と同様である。
【００６７】
非磁性挿入層（４１）は、Ｏ（酸素）を含む材料が用いられ、少なくともＭｇ及びＯを含むことが好ましい。また、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｉｎ等を含む導電性酸化物、もしくは、Ｍｇ-Ｏ、Ａｌ-Ｏ、Ｍｇ-Ａｌ-Ｏ、Ｓｉ-Ｏ、Ｔｉ-Ｏ、Ｈｆ-Ｏ、Ｔａ−Ｏ、Ｗ−Ｏ等の酸化が完全ではない弱酸化の導電性酸化物を用いてもよく、これらの導電性酸化物に他の元素が微量に含まれていてもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
【００６８】
非磁性挿入層（４１）は、第２の磁性層（２２）と第４の磁性層（２４）を磁気的に結合するとともに、垂直磁気異方性を付与する働きを有する。
【００６９】
非磁性挿入層（４１）の膜厚は、抵抗面積積ＲＡを小さくする観点や磁気的結合を高める観点から、１．２ｎｍ以下が好ましく、１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．８ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００７０】
第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）は磁化方向が膜面垂直方向に反転可能な強磁性層である。
第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）は、３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことがより好ましい。具体例として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられ、なかでもＦｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがより望ましい。
また、第４の磁性層（２４）は非磁性挿入層（４１）との界面、第５の磁性層（２５）は第２の接合層（１２）との界面で、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料がより望ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがさらに望ましい。すなわち、第４の磁性層（２４）と非磁性挿入層（４１）の界面、及び、第５の磁性層（２５）と第２の接合層（１２）の界面での界面垂直磁気異方性により、第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）の磁化は、膜面に対し垂直であることが望ましい。
また、第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。
【００７１】
第１の磁性層（２１）、第２の磁性層（２２）、第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）の膜厚の合計は１．６ｎｍ〜３．２ｎｍの範囲にあることが好ましく、２．０ｎｍ〜２．６ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄い場合も、膜厚がより厚い場合もともに、ＭｇＯ等を第１の接合層（１１）、非磁性挿入層（４１）、第２の接合層（１２）に用いた場合は垂直磁気異方性が弱まってしまうからである。
【００７２】
第３の非磁性結合層（３３）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は隣接した磁性層中のＢ等を吸収して膜面方向に垂直磁気異方性を備えることも可能であるため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等がより好ましく、Ｗ、Ｍｏがさらに好ましい。
【００７３】
第３の非磁性結合層（３３）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。
なお、第３の非磁性結合層（３３）の膜厚が約０．２ｎｍ以下あるいはゼロ近くに小さくなった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁気異方性を有し得る。
【００７４】
（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、下部電極（Ｅ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の接合層（１２）／第１の保護層（Ｃ１）／上部電極（Ｅ２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
実施の形態４は、以下を特徴とする他、実施の形態１と同様である。
【００７５】
下部電極（Ｅ１）は、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側の端面に接続されている。
下部電極（Ｅ１）の積層構造はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）／ＴａＮ（２０ｎｍ）等が例示される。
【００７６】
第１の保護層（Ｃ１）は、第２の接合層（１２）の第２の磁性層（２２）とは反対側に設けられる。
第１の保護層（Ｃ１）は、記録層を保護する材料で構成されていることが好ましく、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔ、ＣｏＦｅＢ等が例示される。
【００７７】
上部電極（Ｅ２）は、第１の保護層（Ｃ１）の第１の記録層（Ａ１）とは反対側の端面に接続されている。
上部電極（Ｅ２）の積層構造は、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（５０ｎｍ）、Ｒｕ（１〜５０ｎｍ）、Ｐｔ（１〜５０ｎｍ）／Ｔａ（５０ｎｍ）等が例示される。
（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、下部電極（Ｅ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性結合層（３２）／第３の磁性層（２３）／第２の接合層（１２）／第１の保護層（Ｃ１）／上部電極（Ｅ２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性結合層（３２）／第３の磁性層（２３）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
実施の形態５の詳細は、実施の形態２及び４と同様である。
【００７８】
（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、下部電極（Ｅ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／非磁性挿入層（４１）／第４の磁性層（２４）／第３の非磁性結合層（３３）／第５の磁性層（２５）／第２の接合層（１２）／第１の保護層（Ｃ１）／上部電極（Ｅ２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／非磁性挿入層（４１）／第４の磁性層（２４）／第３の非磁性結合層（３３）／第５の磁性層（２５）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
実施の形態６の詳細は、実施の形態３及び４と同様である。
【００７９】
（実施の形態７）
図７に、本発明の実施の形態７の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、下部電極（Ｅ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の記録層（Ａ１）／第２の接合層（１２）／第２の参照層（Ｂ２）／上部電極（Ｅ２）が順に隣接して配置されたものである。
実施の形態７の詳細は、以下の特徴を有する他、実施の形態１〜４と同様である。
【００８０】
第１の記録層（Ａ１）には、実施の形態１〜３に開示された記録層の構成が配置され得る。
第２の参照層（Ｂ２）は、第１の参照層（Ｂ１）の構成と同様である。性能指数Δ／ＩC0の向上のため、図７において、第１の参照層（Ｂ１）及び第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆向きとなっていることが好ましい。
【００８１】
実施の形態７においては、第１の接合層（１１）及び第２の接合層（１２）は、両方ともトンネル障壁層となる。
【００８２】
（実施の形態８）
図８に、本発明の実施の形態８の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、下部電極／参照層／ＭｇＯ（１．１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．４ｎｍ）／Ｗ（０．２５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／保護層が順に隣接して配置されたものである。
【００８３】
ＭｇＯ以外の各層はＤＣマグネトロンスパッタ法で、ＭｇＯ層はＲＦマグネトロンスパッタ法で成膜し、その後、磁場中熱処理炉にて加熱処理（４００℃、１時間）を行った。
次に、電子ビーム描画装置により記録素子のパターンのマスクを形成し、積層膜に対してＡｒイオンにより選択エッチングを行い、本磁気抵抗効果素子を形成した。
【００８４】
（実施の形態９）
図９に、本発明の実施の形態９の構成を示す。本発明の磁気抵抗効果素子を配置したメモリセルである。
実施の形態９のメモリセル（５０）は、磁気抵抗効果素子（１０）と選択トランジスタ（６０）とが電気的に直列接続される。磁気抵抗効果素子（１０）の下部電極（Ｅ１）に接続された選択トランジスタ（６０）のソース電極はソース線（ＳＬ１）に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子（１０）の上部電極（Ｅ２）からビット線（ＢＬ１）に、ゲート電極はワード線（ＷＬ１）に、それぞれ電気的に接続される。
【００８５】
磁気抵抗効果素子（１０）には実施の形態４の構成を例示したが、実施の形態１〜８のいずれの構成であってもよい。
また、磁気抵抗効果素子（１０）は図９とは上下逆向きに接続されてもよい。すなわち、ソース電極は磁気抵抗効果素子（１０）の上部電極（Ｅ２）に接続された選択トランジスタ（６０）のソース電極はソース線（ＳＬ１）に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子（１０）の下部電極（Ｅ１）からビット線（ＢＬ１）に、ゲート電極はワード線（ＷＬ１）に、それぞれ電気的に接続されてもよい。
【００８６】
（実施の形態１０）
図１０に、実施の形態１０として、実施の形態１〜９の構成を有するメモリセル（５０）を複数個備える磁気メモリの一例を示す。
磁気メモリは、メモリセルアレイ、Ｘドライバ、Ｙドライバ、コントローラを備える。メモリセルアレイは、アレイ状に配置された磁気メモリセルを有する。Ｘドライバは複数のワード線（ＷＬ）に接続され、Ｙドライバは複数のビット線（ＢＬ）に接続され、読み出し手段及び書き出し手段として機能する。
【００８７】
本発明の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、上下左右の向き等は限定されない。
【符号の説明】
【００８８】
１０    磁気抵抗効果素子
１１    第１の接合層
１２    第２の接合層
１３    第３の接合層
２１    第１の磁性層
２２    第２の磁性層
２３    第３の磁性層
２４    第４の磁性層
２５    第５の磁性層
３１    第１の非磁性結合層
３２    第２の非磁性結合層
３３    第３の非磁性結合層
４１    非磁性挿入層
５０    メモリセル
６０    選択トランジスタ  
Ａ１    第１の記録層
Ａ２    第２の記録層
Ｂ１    第１の参照層
Ｂ２    第２の参照層
Ｂ３    第３の参照層
Ｃ１    保護層
Ｅ１    下部電極
Ｅ２    上部電極
ＢＬ１  第１のビット線
ＢＬ２  第２のビット線
ＧＮＤ  グラウンド線
ＳＬ１  ソース線
ＷＬ１  ワード線
【図１】
2020026637.tif 000012
【図２】
2020026637.tif 000013
【図３】
2020026637.tif 000014
【図４】
2020026637.tif 000015
【図５】
2020026637.tif 000016
【図６】
2020026637.tif 000017
【図７】
2020026637.tif 000018
【図８】
2020026637.tif 000019
【図９】
2020026637.tif 000020
【図１０】
2020026637.tif 000021
【図１１】
2020026637.tif 000022
【図１２】
2020026637.tif 000023
【図１３】
2020026637.tif 000024
【図１４】
2020026637.tif 000025
【図１５】
2020026637.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】令和2年12月11日(2020.12.11)
【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】
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た第１の接合層（１１）と、
前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、
前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、
を備え、
前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、
前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、
前記第１の非磁性結合層（３１）はＷ又はＭｏを含み、前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．２ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、
素子サイズが５０ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
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た第１の接合層（１１）と、
前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、
前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、
を備え、
前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、
前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、
前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．２ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、
素子サイズが４０ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第１の非磁性結合層はＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのいずれかからなる、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
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た第１の接合層（１１）と、
前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、
前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（３２）と、
前記第２の非磁性結合層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（２３）と、
前記第３の磁性層（２３）の前記第２の非磁性結合層（３２）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、
を備え、
前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）、前記第２の磁性層（２２）、前記第２の非磁性結合層（３２）及び前記第３の磁性層（２３）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、
前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、
前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の非磁性結合層（３２）はＷ又はＭｏを含み、
前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の非磁性結合層（３２）の各膜厚は０．２ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、
素子サイズが５０ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
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た第１の接合層（１１）と、
前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、
前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、
前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、
前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる非磁性挿入層（４１）と、
前記非磁性挿入層（４１）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（２４）と、
前記第４の磁性層（２４）の前記非磁性挿入層（４１）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性結合層（３３）と、
前記第３の非磁性結合層（３３）の前記第４の磁性層（２４）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第５の磁性層（２５）と、
前記第５の磁性層（２５）の前記第３の非磁性結合層（３３）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、
を備え、
前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）、前記第２の磁性層（２２）、前記非磁性挿入層（４１）、前記第４の磁性層（２４）、前記第３の非磁性結合層（３３）及び前記第５の磁性層（２５）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、
前記第１の接合層（１１）、前記第２の接合層（１２）及び前記非磁性挿入層（４１）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、
前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第３の非磁性結合層（３３）はＷ又はＭｏを含み、
前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第３の非磁性結合層（３３）の各膜厚は０．２ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、
素子サイズが５０ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１〜５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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。詳細は図１２〜１５を用いて後述する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
第２の非磁性結合層（３２）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
第３の非磁性結合層（３３）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。
【国際調査報告】
2020026637.tif 000027
2020026637.tif 000028
2020026637.tif 000029
2020026637.tif 000030