JP2010016408A - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】高い磁気抵抗比を有し、かつ書き込み電流を低減する。
【解決手段】磁気抵抗素子１０は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された固定層１５と、磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造からなり、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が変化可能である記録層１７と、固定層１５と記録層１７との間に設けられ、かつ非磁性材料からなる中間層１６とを具備する。記録層１７を構成する磁性層のうち中間層１６と接する磁性層１７Ａ−１は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含む合金からなり、かつその膜厚が中間層１６と接していない磁性層の膜厚より大きい。
【選択図】 図６

Description

本発明は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリに関する。

磁気抵抗（Magnetoresistive）効果は、磁気記憶装置であるハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）に応用され、現在、実用化されている。ＨＤＤに搭載される磁気ヘッドは、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）効果、或いはＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）効果が応用され、これらは共に２つの磁性層の磁化方向が互いに角度をなすことによって起こる抵抗変化を利用して、磁気媒体からの磁場を検出する。

近年、ＧＭＲ素子或いはＴＭＲ素子を利用して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）を実現すべく、様々な技術が提案されている。その一例として、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の磁化状態により“１”、“０”情報を記録し、ＴＭＲ効果による抵抗変化でこの情報を読み出す形式が挙げられる。この形式のＭＲＡＭにおいても、実用化に向けて数々の技術が提案されている。さらに、スピン偏極電流による磁化反転が理論的に予想され、実験でも確認されるようになり、スピン偏極電流を利用したＭＲＡＭが提案されている。この方式によれば、磁性層にスピン偏極電流を流すだけで磁性層の磁化反転を実現でき、磁性層の体積が小さければ注入するスピン偏極電子も少なくて済むため、微細化、低電流化を両立できると期待されている。しかし、熱擾乱の問題は微細化にともなって顕在化する。

熱擾乱耐性を確保するためには、磁気異方性エネルギー密度を増加させる必要がある。これまで主に検討されている面内磁化型の構成では、形状磁気異方性を利用するのが一般的である。この場合、形状を利用して磁気異方性を確保しているため、反転電流は形状敏感になり、微細化に伴い反転電流ばらつきが増加することが問題になる。形状磁気異方性を利用して磁気異方性エネルギー密度を増加させるには、ＭＴＪ素子のアスペクト比を大きくする、磁性層の膜厚を増加する、磁性層の飽和磁化を増加することが考えられる。

ＭＴＪ素子のアスペクト比の増大は、セル面積を増大させ、大容量化に適さない。磁性体の膜厚、飽和磁化の増加は、スピン偏極電流による磁化反転に必要な電流値を増加させる結果となり、好ましくない。面内磁化型の構成で形状磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性を利用する場合、大きな結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料（例えば、ハードディスク媒体で用いられているようなＣｏ−Ｃｒ合金材料）を用いた場合、結晶軸が面内に大きく分散してしまうため、ＭＲ（Magnetoresistance）が低下し、或いはインコヒーレントな歳差運動が誘発され、結果として反転電流が増加してしまう。

これに対し、垂直磁化型の構成で結晶磁気異方性を利用する場合、面内磁化型で課題であった結晶軸の分散を抑制することができる。例えば、前述したＣｏ−Ｃｒ合金材料の結晶構造は六方晶構造であり、ｃ軸を容易軸とした一軸の結晶磁気異方性を有するため、結晶方位をｃ軸が膜面の垂直方向と平行になるように制御すればよい。面内磁化型の場合、ｃ軸を膜面内で一軸に揃える必要があり、各結晶粒の膜面内の回転が結晶軸の回転となって一軸方向を分散させてしまう。垂直磁化型の場合、ｃ軸は膜面に垂直方向にあるため、各結晶粒が膜面内に回転しても、ｃ軸は垂直方向を保ったままで分散しない。

同様に、正方晶構造でもｃ軸を垂直方向に制御することにより、垂直磁化型のＭＴＪ構成を実現することが可能になる。正方晶構造の磁性材料は、例えば、Ｌ１_０型の結晶構造を有するＦｅ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｐｄ規則合金、Ｃｏ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐｔ規則合金、或いはＦｅ−Ｎｉ−Ｐｄ規則合金等が挙げられる。ところが、Ｌ１_０構造を垂直磁化膜とするには、その結晶配向性を（００１）面に配向させることが必要になるため、結晶配向性を制御するための下地層や規則化させるための熱工程をスピン偏極電流による磁化反転方式に合わせて開発することが必要である。

一方、垂直磁気異方性を界面の磁気異方性を利用して実現することが考えられる。界面の磁気異方性を利用した垂直磁化膜には、例えば、磁性層と非磁性層とを繰り返し積層した、いわゆる人工格子がある。この場合も面内磁化型で課題であった結晶軸の分散を抑制することができる。人工格子から構成される磁性材料の場合、垂直磁気異方性がＦｅ−Ｐｔ規則合金等のように結晶磁気異方性を主としていないため、結晶配向性には比較的制約を受け難い。人工格子の垂直磁気異方性材料は、磁性層をＣｏ、非磁性層をＰｔとして、これらが交互に積層された系が良く知られている。

スピン偏極電流による磁化反転方式を考慮した場合、記録層材料としては、ダンピング定数が小さい方が好ましい。ところが、磁性層の界面に非磁性層としてＰｔが存在すると、スピンポンピング効果により、ダンピング定数が増大してしまうという問題がある。また、人工格子は磁性層を０．３乃至１．０ｎｍ程度に薄膜化した方が、磁気異方性エネルギー密度の観点からは好ましいが、磁性層を薄膜化すると、スピンポンピング効果がより顕著に効いてくるため、ダンピング定数が大きくなってしまうという問題がある。

ＭＲＡＭの大容量化には、読み出しの観点から高い磁気抵抗比が必要である。近年、高い磁気抵抗比を示すバリア材料として、ＭｇＯを用いたＭＴＪの報告が多数あり、高い磁気抵抗比を実現するにはＭｇＯの（１００）面が配向していることが重要とされている。磁性層として微結晶構造或いはアモルファス構造を有するＣｏＦｅＢをＭｇＯの両界面側に形成した場合、（１００）面に配向することが知られている。人工格子でＣｏＦｅＢを磁性層とした報告例はなく、明瞭な結晶構造を持たないＣｏＦｅＢは結晶構造を有するＣｏに比べて、著しく垂直磁気異方性が減少することが予想される。

スピン注入方式によって垂直磁気異方性を有する記録層の磁化を反転させる場合、スピン注入素子のアスペクト比が１で良いため、微細化にも適している。従って、スピン偏極電流による磁化反転を垂直磁化型のスピン注入素子で実現できれば、書き込み電流の低減とビット情報の熱擾乱耐性の確保、セル面積の縮小を同時に満たすことが可能になる。ところが、人工格子を記録層材料に用いてスピン注入素子を形成するためには、上述したようにスピンポンピング効果によるダンピング定数の増大と高ＴＭＲ化が問題となる。人工格子を記録層材料に用いて、低ダンピング定数でかつ高い磁気抵抗比を実現したスピン注入素子の報告例及び具体的な方法はこれまで提案されていない。

本発明は、高い磁気抵抗比を有し、かつ書き込み電流を低減することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供する。

本発明の第１の視点に係る磁気抵抗素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された第１の固定層と、磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造からなり、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が変化可能である記録層と、前記第１の固定層と前記記録層との間に設けられ、かつ非磁性材料からなる第１の中間層とを具備する。前記記録層を構成する磁性層のうち前記第１の中間層と接する第１の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含む合金からなり、かつその膜厚が前記第１の中間層と接していない磁性層の膜厚より大きい。

本発明の第２の視点に係る磁気メモリは、上記第１の視点に係る磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする。

本発明によれば、高い磁気抵抗比を有し、かつ書き込み電流を低減することが可能な磁気抵抗素子及び磁気メモリを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１の実施形態］
［１］記録層材料としての人工格子
スピン注入型の磁気抵抗素子を構成する記録層として人工格子を用いる場合、垂直磁気異方性の確保、ダンピング定数の低減、高磁気抵抗比（ＭＲ比）を同時に両立しなければならない。人工格子を記録層として利用した公知例としては、特許文献１：ＵＳ２００５／０１８５４５５Ａ１、特許文献２：ＵＳ２００５／０１０４１０１Ａ１が挙げられる。特許文献１には、人工格子を構成する非磁性層としてＰｔが開示されており、これはダンピング定数が大きくなることが予想される。特許文献２には、人工格子として、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕについて開示されているが、垂直磁気異方性の確保、ダンピング定数の低減、高ＭＲ比をすべて満たすことができる具体的な手段が開示されていない。後述するが、Ｃｏ／Ａｕを積層しただけでは、上記条件を満たすことはできない。

発明者等は、磁性層と非磁性層とを交互に積層した人工格子の形態において、低ダンピング定数を実現するために、まず、非磁性層の材料に関して考察を行った。垂直磁気異方性を有する人工格子を実現する非磁性材料は、通常、白金（Ｐｔ）、及びパラジウム（Ｐｄ）が知られている。ところが、スピンポンピング効果によるダンピング定数の増加の程度はＰｔが顕著に大きく、人工格子を構成する磁性層を薄膜化することによりさらに大きくなる。従って、スピン注入による磁化反転を考えた場合、Ｐｔを用いることはダンピング定数の観点から好ましくない。ＰｄはＰｔよりもダンピング定数を増加させないが、後述するように人工格子を構成する磁性材料を適切に選択しなければならない。

Ｐｄ以外の非磁性材料の候補として、発明者等は、スピン散乱効果の少ない銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び金（Ａｕ）に着目した。これらの非磁性材料を用いて、磁性層をＣｏとして人工格子を形成したところ、Ｃｕ、Ａｇは面内磁化膜となったが、Ａｕは垂直磁化膜となり、垂直磁気異方性を示すことが確認できた。従って、ダンピング定数の低減と垂直磁気異方性の確保との観点から、非磁性材料にはパラジウム（Ｐｄ）、或いは金（Ａｕ）を主体とする材料を選択することが好ましい。

次に、人工格子を構成する磁性材料に関して検討を行った。非磁性材料をＰｄとして人工格子を形成し、垂直磁気異方性エネルギー密度とＣｏ−Ｆｅ合金の組成依存性とを測定したところ、鉄（Ｆｅ）が多くなるにつれて、垂直磁気異方性が低下することが分かった。一方、Ｃｏ−Ｆｅ合金をダンピング定数の観点から考察すると、Ｆｅの濃度が多いほどダンピング定数が小さいことが知られている。

発明者等は、新たに人工格子を形成する非磁性材料であるパラジウム（Ｐｄ）、及び金（Ａｕ）を想定して、Ａｕ／Ｃｏ−Ｆｅ／Ａｕ、及びＰｄ／Ｃｏ−Ｆｅ／Ｐｄの積層膜をそれぞれ形成し、ダンピング定数のＣｏ−Ｆｅ合金の組成に対する依存性、及びダンピング定数の膜厚依存性について検討した。なお、積層膜の記載において、“／”の左側が上層、右側が下層（基板側）を表している。

その結果、Ｃｏ−Ｆｅ合金の組成依存性は、Ｃｏ−Ｆｅ合金の膜厚により、その依存性が大きく異なることを見出した（図１参照）。Ｃｏ−Ｆｅ合金の膜厚が３ｎｍ程度の場合は、非磁性材料がＰｄ及びＡｕの両方において、Ｆｅの濃度が２０ａｔ％近傍でダンピング定数が最も小さくなることが分かる。なお、「ａｔ％」は、原子（数）パーセントを表している。Ｃｏ−Ｆｅ合金の膜厚が１ｎｍ程度に薄くなると、非磁性材料がＰｄの場合、Ｃｏの濃度が８０ａｔ％（すなわち、Ｆｅの濃度が２０ａｔ％）近傍でダンピング定数が最小となるが、Ｆｅの濃度が５０ａｔ％の場合と比べて大きな差はなくなる。

非磁性材料がＡｕの場合、Ｆｅの濃度が５０ａｔ％の方が２０ａｔ％よりもダンピング定数は小さくなる。つまり、Ｃｏの濃度が８０ａｔ％（すなわち、Ｆｅの濃度が２０ａｔ％）近傍はダンピング定数が小さいが、Ｃｏ−Ｆｅ合金を薄膜化すると、Ｆｅの濃度が５０ａｔ％の方がダンピング定数の膜厚依存性が緩いため、ある膜厚でＦｅの濃度が２０ａｔ％と５０ａｔ％とのダンピング定数が同程度となり、さらに薄膜化するとＦｅ５０ａｔ％の方がダンピング定数が小さくなる傾向が見られる。

Ｆｅが０ａｔ％、すなわち、Ｃｏが１００ａｔ％ではダンピング定数の膜厚依存性が顕著であるため、ダンピング定数の低減の観点から、磁性材料をコバルト（Ｃｏ）にした人工格子をスピン注入方式による記録層材料として用いるのは好ましくない。従って、垂直磁気異方性を維持しつつ、ダンピング定数を低減するためには、Ｆｅを２０ａｔ％以上（すなわち、Ｃｏを８０％以下）含んだＣｏ−Ｆｅ合金を磁性材料に用いて人工格子を形成することが好ましい。また、図１より明らかなように、同一膜厚であれば、非磁性材料としてはＰｄよりＡｕの方がダンピング定数の観点からは好ましい。

そこで、人工格子を形成する非磁性材料としてＰｄ−Ａｕ合金を検討した。図２に、Ｐｄ−Ａｕ／Ｃｏ_８０Ｆｅ_２０／Ｐｄ−Ａｕの積層構成におけるダンピング定数のＰｄ−Ａｕ合金の組成に対する依存性を示す。ただし、Ｃｏ_８０Ｆｅ_２０の膜厚は３ｎｍ程度である。図２に示すように、Ｐｄに対してＡｕ濃度を増加していくと、ダンピング定数が低減できることが分かる。従って、人工格子を形成する非磁性材料としてＰｄ−Ａｕ合金を用いる場合、ダンピング定数だけの観点からはＡｕを５０ａｔ％以上含んでいることが望ましい。

次に、非磁性材料としてＰｄ−Ａｕ合金を用いた人工格子において、垂直磁気異方性の大きさを検討した。熱酸化基板上に、膜厚５ｎｍ程度のＴａ、膜厚１０ｎｍ程度のＲｕ、膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、膜厚４ｎｍ程度のＡｕ、［Ｃｏ_８０Ｆｅ_２００．５ｎｍ程度／Ｐｄ−Ａｕ１ｎｍ程度］を２周期、膜厚０．５ｎｍ程度のＣｏ_８０Ｆｅ_２０、膜厚３ｎｍ程度のＡｕを順次形成した積層構造を用いて、磁気異方性エネルギー密度のＰｄ−Ａｕ合金の組成に対する依存性を測定した結果を図３に示す。

図３に示すように、Ｐｄが５０ａｔ％程度で異方性エネルギー密度が飽和傾向にあることが分かる。この結果から、ダンピング定数及び垂直磁気異方性の観点から、Ｐｄ−Ａｕ合金を非磁性材料として用いる場合、Ａｕの組成は５０ａｔ％程度であることが最も好ましい。なお、Ａｕの組成が４５ａｔ％以上５５ａｔ％以下となる範囲において特に優れた効果を得ることができる。この非磁性材料を記録層の非磁性層に適用すると、垂直磁気異方性を保ちつつダンピング定数を著しく低下させることが可能となる。

また、記録層として人工格子を形成する磁性層のうち、第１の中間層と接する第１の磁性層のダンピング定数は特に小さいことが望ましい。第１の磁性層は第１の中間層に接しているため、スピン偏極した電子が最初に流れ込み、スピントルクを受けやすい。第１の磁性層がＣｏ−Ｆｅ或いはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる場合は、Ｃｏ−Ｆｅ組成は上述した通りであるが、スピンポンピング効果を鑑みると、第１の磁性層の膜厚は、垂直磁化を維持できる範囲内で厚い方がダンピング定数を小さくできるため好ましい。

さらに、ダンピング定数の小さい磁性材料として、組成がＣｏ_２ＸＹからなる磁性材料を第１の磁性層として用いることもできる。ここで、Ｘはバナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）のうち１つ以上の元素であり、Ｙはアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、すず（Ｓｎ）、及びアンチモン（Ｓｂ）のうち１つ以上の元素である。これらの組成の合金は、規則合金を形成するとＬ２_１構造を示す。また、ＸとＹとが不規則に置換した構造はＢ２構造であり、分極率がＬ２_１構造に比べて小さいとされる。Ｃｏ、Ｘ、Ｙが不規則に置換するとＡ２構造（体心立方晶構造）になる。第１の磁性層としては、ダンピング定数及び分極率の観点から、Ｌ２_１構造或いはＢ２構造が好ましい。

通常、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）膜では、スペーサー材料（中間層）として銅（Ｃｕ）がよく用いられる。しかし、図３の結果から、垂直磁化型のＧＭＲ素子を形成する場合は、スペーサー材料として、銅（Ｃｕ）よりも金（Ａｕ）を用いた方が垂直磁気異方性を確保し易いことが分かった。これは前述したように、コバルト（Ｃｏ）を磁性材料として用い、非磁性材料として銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び金（Ａｕ）を用いてそれぞれ人工格子を形成した場合を比較した際に、Ａｕが垂直磁気異方性を示したことからも分かる。

そこで、図４のような層構成でスピン注入型のＧＭＲ素子を形成した。図４の層構成は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、低抵抗層１２としてＴａ／Ｃｕ／Ｔａ、低抵抗層１２との密着層１３として膜厚５ｎｍ程度のＴａ、密着層１３上に下地層１４として膜厚１０ｎｍ程度のＲｕ、固定層１５として膜厚１ｎｍ程度のＰｄと膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏとを８周期積層し、９周期目の磁性層Ｃｏを膜厚２ｎｍ程度とした人工格子Ｃｏ２ｎｍ／Ｐｄ１ｎｍ／[Ｃｏ０．３ｎｍ／Ｐｄ１ｎｍ]８、スペーサー層１６として膜厚４ｎｍ程度のＡｕ、記録層１７として膜厚０．５ｎｍ程度のＣｏと膜厚１ｎｍ程度のＰｄとを２周期積層した人工格子から、スペーサー層１６と最も離れた磁性層に接する（最上層の）非磁性層をＡｕ１ｎｍにしたＡｕ１ｎｍ／Ｃｏ０．５ｎｍ／Ｐｄ１ｎｍ／Ｃｏ０．５ｎｍ、保護層１８として膜厚５ｎｍ程度のＲｕを順次形成した構成である。素子加工の際に必要なハードマスク１９には、膜厚３５ｎｍ程度のＲｕと膜厚６０ｎｍ程度のＴａとを順次形成した。

素子直径８０ｎｍに加工したＧＭＲ素子のＭＲ−Ｈ曲線を図５に示す。図５において、縦軸はＭＲ比（％）、横軸は磁界Ｈ（Ｏｅ）である。図５に示すように、ＧＭＲ素子は、明瞭な保磁力差型のループを示している。これに対して、Ｉ−Ｈ相図を作成し、反転電流を評価したところ、固定層１５と記録層１７との磁化配列が反平行（Anti-Parallel）から平行（Parallel）への反転電流密度が１２０ＭＡ／ｃｍ^２、平行から反平行への反転電流密度が１２０ＭＡ／ｃｍ^２であった。但し、Ｉ−Ｈ相図から電流を印加しないときの保磁力は２．４ｋＯｅであった。

これに対し、記録層１７の非磁性層をＰｄ１ｎｍからＡｕ１ｎｍに変えたＡｕ１ｎｍ／Ｃｏ０．５ｎｍ／Ａｕ１ｎｍ／Ｃｏ０．５ｎｍの構成にしたところ、磁化配列が反平行から平行への反転電流密度が４．８ＭＡ／ｃｍ^２、平行から反平行への反転電流密度が４．４ＭＡ／ｃｍ^２であった。但し、Ｉ−Ｈ相図から電流を印加しないときの保磁力は１３０Ｏｅであった。ダンピング定数からの予想通り、非磁性層をすべてＡｕにした方が保磁力で規格化した電流密度が下がっていることから、低電流化が実現していると言える。

また、記録層１７の磁性層をＣｏからＣｏ_８０Ｆｅ_２０に変えたＡｕ１ｎｍ／Ｃｏ_８０Ｆｅ_２００．５ｎｍ／Ｐｄ１ｎｍ／Ｃｏ_８０Ｆｅ_２００．５ｎｍの構成にしたところ、磁化配列が反平行から平行への反転電流密度が２．７ＭＡ／ｃｍ^２、平行から反平行への反転電流密度が６．１ＭＡ／ｃｍ^２であった。但し、Ｉ−Ｈ相図から電流を印加しないときの保磁力は１．８ｋＯｅであった。ダンピング定数からの予想通り、磁性層をＣｏからＣｏ_８０Ｆｅ_２０にした方が保磁力で規格化した電流密度が下がっていることから、低電流化が実現していると言える。

以上により、非磁性材料としてＡｕ、磁性材料としてＣｏＦｅを用いて人工格子を形成し、この人工格子を記録層に用いることにより、低電流密度のスピン注入反転が可能なＧＭＲ素子を実現できる。

次に、発明者等は高い磁気抵抗比を実現するため、図６のようなＭＴＪ構造で鋭意研究を行った。図６の積層構造は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、下地層１４との密着層１３として膜厚５ｎｍ程度のＴａ、下地層１４として膜厚３ｎｍ程度のＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０、膜厚０．５ｎｍ程度のＭｇＯ、膜厚２０ｎｍ程度のＴｉＮ、及び膜厚３ｎｍ程度のＰｄを順次形成した。下地層１４上には、固定層１５として膜厚１０ｎｍ程度のＦｅＰｔＢ、膜厚２ｎｍ程度のＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０を順次形成した。ＦｅＰｔＢは、４００℃で加熱成膜を行った。固定層１５上には、トンネルバリア層１６として膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯ、後述する人工格子からなる記録層１７、保護層１８として膜厚５ｎｍ程度のＲｕを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク１９には、膜厚１００ｎｍ程度のＴａを形成した。

記録層１７は、膜厚１ｎｍ程度のＣｏＦｅＢと膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、さらに膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏと膜厚１ｎｍ程度のＰｄとを２周期積層した人工格子[Ｐｄ１ｎｍ／Ｃｏ０．３ｎｍ]２／Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１ｎｍから構成されている。具体的には、記録層１７は、第１の磁性層１７Ａ−１として膜厚１ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ、第１の非磁性層１７Ｂ−１として膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、第２の磁性層１７Ａ−２として膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ、第２の非磁性層１７Ｂ−２として膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、第３の磁性層１７Ａ−３として膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ、第３の非磁性層１７Ｂ−３として膜厚１ｎｍ程度のＰｄが順に積層された人工格子である。

トンネルバリア層１６としては、ＮａＣｌ構造を有し、かつ（１００）面に配向した絶縁体が用いられる。高い磁気抵抗比を実現するためには、トンネルバリア層１６としてのＭｇＯが（１００）面に配向していることが重要とされる。ＭｇＯは、ＮａＣｌ構造を有する。記録層１７の形成工程として、固定層１５、トンネルバリア層１６を形成後、記録層１７の最初の磁性層１７Ａ−１としてのＣｏＦｅＢ１ｎｍを形成し、３００℃、２時間の真空中アニールを行い、ＣｏＦｅＢ（１００）／ＭｇＯ（１００）／ＣｏＦｅＢ（１００）の結晶方位の関係を形成させて高ＭＲ比を実現している。そして、このアニール処理後、人工格子を構成する非磁性材料から再び形成を行う。このように構成されたＭＴＪ構造では、ＭＲ比１００％を実現できた。ＣｏＦｅＢ（１００）／ＭｇＯ（１００）／ＣｏＦｅＢ（１００）の結晶配向性は膜全体にわたって実現されていることが望ましいが、例えば、配向面の違う結晶粒や積層欠陥等の配向性の異なる部位が、ＭＲ比を大きく劣化させない範囲で含まれていても構わない。

また、同様に記録層１７は、膜厚１ｎｍ程度のＣｏＦｅＢと膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、さらに膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ_８０Ｆｅ_２０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄ−Ａｕ合金とを２周期積層した人工格子[Ｐｄ−Ａｕ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．３ｎｍ]２／Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１ｎｍから構成されている。具体的には、記録層１７は、第１の磁性層１７Ａ−１として膜厚１ｎｍ程度のＣｏＦｅＢ、第１の非磁性層１７Ｂ−１として膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、第２の磁性層１７Ａ−２として膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ_８０Ｆｅ_２０、第２の非磁性層１７Ｂ−２として膜厚１ｎｍ程度のＰｄ−Ａｕ合金、第３の磁性層１７Ａ−３として膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ_８０Ｆｅ_２０、第３の非磁性層１７Ｂ−３として膜厚１ｎｍ程度のＰｄ−Ａｕ合金が順に積層された人工格子から構成されている。このように構成されたＭＴＪ構造では、ＭＲ比９０％を実現できた。

上記の記録層１７はトンネルバリア層１６に接する磁性層として高ＭＲ比を実現すべくＣｏＦｅＢ１ｎｍを形成しているため、非磁性層としてＡｕを用いた場合、垂直磁気異方性を実現することが難しい。このため、ＣｏＦｅＢ上の非磁性層には、Ｐｄを用いている。また、その上の非磁性層は、ダンピング定数の更なる低減のため、Ｐｄを５０ａｔ％添加したＡｕ−Ｐｄ合金としている。すなわち、単にＣｏ／Ａｕでは高ＭＲ比は実現することが難しく、人工格子を構成する各磁性材料と膜厚、及び非磁性材料と膜厚を適切に設定しなければならない。

なお、中間層（トンネルバリア層）と接する磁性層（上記例ではＣｏＦｅＢ）に接する非磁性層としては、Ｐｄに限らずＰｄ−Ａｕ合金を用いても良い。この場合、当該磁性層に接する非磁性層におけるＰｄ−Ａｕ合金のＰｄ組成を、接しない非磁性層におけるＰｄ−Ａｕ合金のＰｄ組成よりも大きくすれば良い。例えば、上記磁性層に接する非磁性層のＰｄ組成を２０ａｔ％以上９０ａｔ％以下の範囲とし、接しない非磁性層のＰｄ組成を１０ａｔ％以上５５ａｔ％以下の範囲とすることができる。このような範囲においても、垂直磁気異方性を保ちつつ所望のＭＲ比を実現することが可能である。

高い磁気抵抗比を実現するためには、トンネルバリア層１６に接する第１の磁性層１７Ａ−１は、立方晶構造或いは正方晶構造を有し、かつ（１００）面に配向していることが望ましい。このため、第１の磁性層１７Ａ−１は、ＣｏＦｅ合金にホウ素（Ｂ）が添加されて構成されている。ホウ素（Ｂ）の濃度は、多すぎると垂直磁気異方性が劣化してしまうため、３０ａｔ％以下であることが好ましい。具体的には、前述した鉄（Ｆｅ）の濃度を考慮すると、第１の磁性層１７Ａ−１は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）を含む合金（Ｃｏ_{１００−ｘ}−Ｆｅ_ｘ）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％に設定される。

垂直磁気異方性の確保と高ＭＲ比とを両立させるためには、トンネルバリア層１６に接する第１の磁性層１７Ａ−１は、トンネルバリア層１６に接していない磁性層（１７Ａ−２、１７Ａ−３）の膜厚より大きく設定される。具体的には、上記関係を満たしつつ、トンネルバリア層１６に接する第１の磁性層１７Ａ−１の膜厚は、垂直磁気異方性と高ＭＲ比との観点から、０．５乃至１．５ｎｍ程度であることが好ましい。トンネルバリア層１６に接していない磁性層（１７Ａ−２、１７Ａ−３）の膜厚は、垂直磁気異方性及びダンピング定数のバランスで適宜調整すればよいが、０．２乃至１ｎｍの範囲にあることが好ましい。非磁性層（１７Ｂ−１、１７Ｂ−２、及び１７Ｂ−３）の膜厚は、２ｎｍ以上と厚すぎると磁性材料同士の交換結合が弱くなるために好ましくなく、０．５乃至１．５ｎｍ程度であることが好ましい。

［２］磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）
前述した人工格子から構成される記録層１７を用いて、メモリ等に使用されるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子１０を構成することができる。以下に、人工格子から構成される記録層１７をＭＴＪ素子に適用した実施形態について説明する。

［２−１］シングルピン構造
図７は、第１の実施形態に係るシングルピン構造のＭＴＪ素子１０の概略図である。図７中の矢印は、磁化方向を示している。なお、シングルピン構造とは、記録層と固定層とが中間層を介して積層された構造である。

図７に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁性体からなる固定層（ピンド層ともいう）１５と、磁性体からなる記録層（自由層ともいう）１７と、固定層１５と記録層１７との間に挟まれた中間層（非磁性層）１６とを有する積層構造である。そして、固定層１５及び記録層１７が垂直磁気異方性を有し、固定層１５及び記録層１７の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子１０である。また、固定層１５は、磁化（或いは、スピン）の方向が固定されている。記録層１７は、磁化方向が変化（反転）可能である。

ＭＴＪ素子１０は、非磁性層１６が絶縁体であり、ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）効果を有する。ここで、非磁性層１６が絶縁体の場合は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）等が用いられる。非磁性層１６が金属の場合はＧＭＲ素子であり、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）効果を有する。非磁性層１６が金属の場合は金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等が用いられる。本実施形態では、非磁性層１６が金属の場合は、前述したようにＡｕが最も好ましい。非磁性層１６にＡｕを用いることで、ダンピング定数を低減でき、かつ反転電流密度を低減することが可能となる。

（動作）
ＭＴＪ素子１０は、スピン注入型の磁気抵抗素子である。従って、ＭＴＪ素子１０にデータを書き込む、或いはＭＴＪ素子１０からデータを読み出す場合、ＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは、積層面）に垂直な方向において、双方向に電流通電される。また、ＭＴＪ素子１０は、２つの磁性層（記録層１７及び固定層１５）の磁化配列が平行（Parallel）配列、或いは反平行（Anti-Parallel）配列となる。これら磁化配列により変化するＭＴＪ素子１０の抵抗値に、“０”、“１”の情報を対応させることで、ＭＴＪ素子１０を記憶素子として用いることができる。

具体的には、固定層１５側から電子（すなわち、固定層１５から記録層１７へ向かう電子）を供給した場合、固定層１５の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子が記録層１７に注入される。この場合、記録層１７の磁化方向は、固定層１５の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層１５と記録層１７との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、この場合を例えばデータ“０”と規定する。

一方、記録層１７側から電子（すなわち、記録層１７から固定層１５へ向かう電子）を供給した場合、固定層１５により反射されることで固定層１５の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子が記録層１７に注入される。この場合、記録層１７の磁化方向は、固定層１５の磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、固定層１５と記録層１７との磁化方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も大きくなり、この場合を例えばデータ“１”と規定する。

（磁性材料）
ＭＴＪ素子１０において、固定層１５として磁化反転電流の大きな磁性層を用い、記録層１７として固定層１５よりも磁化反転電流の小さい磁性層を用いることによって、高性能なＭＴＪ素子１０を実現することができる。スピン偏極電流により磁化反転を起こす場合、その反転電流は飽和磁化、異方性磁界、及び体積に比例するため、これらを適切に調整して、記録層１７と固定層１５との反転電流に差をつけることができる。

本実施形態では、記録層１７は人工格子で構成するが、固定層１５は下記に示す材料から適宜選択することができる。垂直磁化を実現する固定層１５を構成する磁性材料としては、例えば５×１０^５ｅｒｇ／ｃｃ以上の結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料が望ましく、具体例を以下に挙げる。

（１）不規則合金
不規則合金は、コバルト（Ｃｏ）を主成分とし、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素を含む合金から構成される。例えば、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＰｔＴａ、ＣｏＣｒＮｂ等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。

（２）規則合金
規則合金は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素と、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）のうち１つ以上の元素とから構成され、かつ、結晶構造がＬ１_０構造の強磁性合金（規則合金）である。例えば、Ｆｅ_５０Ｐｔ_５０、Ｆｅ_５０Ｐｄ_５０、Ｃｏ_５０Ｐｔ_５０、Ｆｅ_３０Ｎｉ_２０Ｐｔ_５０、Ｃｏ_３０Ｆｅ_２０Ｐｔ_５０、Ｃｏ_３０Ｎｉ_２０Ｐｔ_５０が挙げられる。なお、これらの規則合金は、上記組成比に限定されない。これらの規則合金に、Ｃｕ（銅）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）等の不純物元素或いはその合金、絶縁物を加えて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を低く調整することができる。

（３）人工格子
人工格子は、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を適切に調整して固定層として用いることもできる。鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素或いは１つの元素を含む合金と、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、金（Ａｕ）、及び銅（Ｃｕ）のうち１つの元素或いは１つの元素を含む合金とが交互に積層された構造を用いることができる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＣｒ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等の人工格子が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、或いは磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。

（４）フェリ磁性体
フェリ磁性体としては、希土類金属と遷移金属との合金が用いられる。具体的には、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、或いはガドリニウム（Ｇｄ）と、遷移金属のうち１つ以上の元素とからなるアモルファス合金が用いられる。このようなフェリ磁性体としては、例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ等が挙げられる。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。

なお、磁性層は、非磁性体部が偏析することにより、磁性体部と非磁性体部とが分離した構造としてもよい。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等の酸化物、窒化物、炭化物を非磁性体部としてもよいし、例えばＣｒ濃度が２５ａｔ％以上と大きい非磁性ＣｏＣｒ合金のような合金であってもよい。

また、ＭＴＪ素子１０の非磁性層１６に接する磁性層（記録層１７、固定層１５）の界面には、高分極率材料として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素或いは１つの元素を含む合金からなる磁性金属層を配置して、磁気抵抗比を上昇させた構成としてもよい。ただし、通常、この磁性金属層は単層では面内磁化となるため、垂直磁化の安定性を損なわないように、磁性金属層に積層する垂直磁気異方性材料との磁気的な膜厚比を調整する必要がある。

その他、記録層１７及び固定層１５はそれぞれ、磁性層を積層した構造からなり、その一方の磁性層は磁性体が分散した、いわゆるグラニュラー構造であってもよい。

以下に、シングルピン構造のＭＴＪ素子１０の具体例について説明する。

（ａ）具体例１−１
具体例１−１のＭＴＪ素子１０は、固定層１５及び記録層１７がそれぞれ人工格子から構成されている。図８は、具体例１−１に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。

図８に示すように、ＭＴＪ素子１０は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、下地層１４との密着層１３として膜厚５ｎｍ程度のＴａ、下地層１４として膜厚１０ｎｍ程度のＲｕ、下地層１４上に固定層１５として膜厚１ｎｍ程度のＰｔと膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏとを８周期積層し、９周期目の磁性層を膜厚１．５ｎｍ程度のＣｏＦｅＢとした人工格子ＣｏＦｅＢ１．５ｎｍ／Ｐｔ１ｎｍ／[Ｃｏ０．３ｎｍ／Ｐｔ１ｎｍ]８、トンネルバリア層１６として膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯ、記録層１７として膜厚０．５ｎｍ程度のＣｏ_５０Ｆｅ_５０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、さらに膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ_８０Ｆｅ_２０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄとを２周期積層した人工格子[Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．３ｎｍ]２／Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．５ｎｍ、保護層１８として膜厚５ｎｍ程度のＲｕを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク１９には、膜厚１００ｎｍ程度のＴａを形成した。なお、密着層１３は下部電極としても機能し、ハードマスク１９は上部電極としても機能する。

記録層１７の形成工程として、固定層１５、トンネルバリア層１６を形成後、記録層１７の最初の磁性層ＣｏＦｅ０．５ｎｍを形成し、３００℃、２時間の真空中アニールを行い、ＣｏＦｅ（１００）／ＭｇＯ（１００）／ＣｏＦｅＢ（１００）の結晶方位の関係を形成させて高ＭＲ比を実現している。そして、このアニール処理後、人工格子を構成する非磁性材料から再び形成を始める。このように構成された具体例１−１のＭＴＪ素子１０では、ＭＲ比５０％を実現できた。

上述した具体例１−１の構成は、トンネルバリア層１６に対して、固定層１５が下側（基板側）、記録層１７が上側に配置される、いわゆるボトムピン（bottom pin）構造である。具体例１−１と同様の構成をトンネルバリア層１６に対して、固定層１５が上側、記録層１７が下側（基板側）に配置される、いわゆるトップピン（top pin）構造としてもよい。

ボトムピン構造、トップピン構造ともに、固定層１５を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、マンガン（Ｍｎ）と、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、或いはイリジウム（Ｉｒ）との合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎ等を用いることができる。

（ｂ）具体例１−２
具体例１−２のＭＴＪ素子１０は、具体例１−１の固定層１５がＬ１_０構造のＦｅＰｔ規則合金である以外は、具体例１−１とほぼ同様の構成である。

ＭＴＪ素子１０は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、下地層１４との密着層１３として膜厚１０ｎｍ程度のＴａ、下地層１４上に固定層１５として膜厚１０ｎｍ程度のＦｅＰｔＢと磁気抵抗比を増加させるために膜厚２ｎｍ程度のＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０とを積層した構成である。固定層１５のＦｅＰｔＢは、４００℃の基板加熱を行いながら形成する。固定層１５上には、トンネルバリア層１６として膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯ、記録層１７として膜厚１ｎｍ程度のＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、さらに膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ_８０Ｆｅ_２０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄとを２周期積層した人工格子[Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．３ｎｍ]２／Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１ｎｍ、保護層１８として膜厚５ｎｍ程度のＲｕを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク１９には、膜厚１００ｎｍのＴａを形成した。

記録層１７の形成工程として、固定層１５、トンネルバリア層１６を形成後、記録層１７の最初の磁性層ＣｏＦｅＢ１ｎｍを形成し、３００℃、２時間の真空中アニールを行い、ＣｏＦｅＢ（１００）／ＭｇＯ（１００）／ＣｏＦｅＢ（１００）の結晶方位の関係を形成させて高ＭＲ比を実現している。そして、このアニール処理後、人工格子を構成する非磁性材料から再び形成を始める。

このように構成された具体例１−２のＭＴＪ素子１０では、ＭＲ比９０％を実現できた。また、固定層１５にＬ１_０構造を有する規則合金を用いることで、良好な垂直磁気異方性を有する固定層１５を構成することが可能となる。

［２−２］デュアルピン構造
図９は、第１の実施形態に係るデュアルピン構造のＭＴＪ素子１０の概略図である。なお、デュアルピン構造とは、記録層の両側にそれぞれ中間層を介して２つの固定層が配置された構造である。

図９に示すように、ＭＴＪ素子１０は、磁性体からなる記録層１７と、磁性体からなる第１及び第２の固定層１５、２２と、記録層１７及び第１の固定層１５間に挟まれた中間層（非磁性層）１６と、記録層１７及び第２の固定層２２間に挟まれた中間層（非磁性層）２１とを有する積層構造である。そして、固定層１５、２２、及び記録層１７の磁化方向が膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化型のＭＴＪ素子１０である。ここで、第１及び第２の固定層１５、２２は、磁化が反対方向に向く反平行配列である。

非磁性層１６、２１としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）等の絶縁体や、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の金属或いはそれらの合金が用いられる。本実施形態では、非磁性層が金属の場合は、Ａｕが最も好ましい。非磁性層にＡｕを用いることで、反転電流密度を低減することが可能となる。

ここで、デュアルピン構造のＭＴＪ素子１０では、非磁性層１６を挟む２つの磁性層（記録層１７及び固定層１５）、及び非磁性層２１を挟む２つの磁性層（記録層１７及び固定層２２）は、平行、或いは反平行配列を取る。しかし、ＭＴＪ素子１０全体として見た場合、平行配列と反平行配列とが同時に存在するため、非磁性層１６、２１を介したＭＲ比に差を設けておく必要がある。

従って、非磁性層１６をトンネルバリア層とし、非磁性層２１を金属（スペーサー層）とした場合、トンネルバリア層１６で生じるＭＲ比の方が非磁性層２１で生じるＭＲ比に比べて大きくなる。従って、トンネルバリア層１６を挟む２つの磁性層（記録層１７及び固定層１５）の磁化配列を、“０”、“１”の情報に対応させる。

なお、記録層１７及び固定層１５、２２の材料としては、上記シングルピン構造と同様の材料を用いることができる。

（動作）
デュアルピン構造のＭＴＪ素子１０の動作について説明する。ＭＴＪ素子１０にデータを書き込む、或いはＭＴＪ素子１０からデータを読み出す場合、ＭＴＪ素子１０は、膜面（或いは、積層面）に垂直な方向において、双方向に電流通電される。

固定層１５側から電子（すなわち、固定層１５から記録層１７へ向かう電子）を供給した場合、固定層１５の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層２２により反射されることで固定層２２の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが記録層１７に注入される。この場合、記録層１７の磁化方向は、固定層１５の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層１５と記録層１７との磁化方向が平行配列となる。これにより、固定層１５と記録層１７との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も小さくなり、この場合を例えばデータ“０”と規定する。

一方、固定層２２側から電子（すなわち、固定層２２から記録層１７へ向かう電子）を供給した場合、固定層２２の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層１５により反射されることで固定層１５の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが記録層１７に注入される。この場合、記録層１７の磁化方向は、固定層１５の磁化方向と反対方向に揃えられる。この反平行配列のときはＭＴＪ素子１０の抵抗値は最も大きくなり、この場合を例えばデータ“１”と規定する。

このように、ＭＴＪ素子１０を、固定層１５、２２を記録層１７の両側に配置したデュアルピン構造にすることで、スピン偏極電子の反射の効果をより利用できるため、シングルピン構造よりもさらに磁化反転電流を低減することができる。

以下に、デュアルピン構造のＭＴＪ素子１０の具体例について説明する。

（ａ）具体例２−１
具体例２−１のＭＴＪ素子１０は、固定層１５、２２、及び記録層１７がそれぞれ人工格子から構成されている。図１０は、具体例２−１に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。

ＭＴＪ素子１０は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、下地層１４との密着層１３として膜厚５ｎｍ程度のＴａ、下地層１４として膜厚１０ｎｍ程度のＲｕ、下地層１４上に固定層１５として膜厚１ｎｍ程度のＰｄと膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏとを８周期積層し、９周期目の磁性層を膜厚１．５ｎｍ程度のＣｏＦｅＢとした人工格子ＣｏＦｅＢ１．５ｎｍ／Ｐｄ１ｎｍ／[Ｃｏ０．３ｎｍ／Ｐｄ１ｎｍ]８、トンネルバリア層１６として膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯ、記録層１７として膜厚１ｎｍ程度のＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、さらに膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ_８０Ｆｅ_２０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄとを２周期積層した人工格子[Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．３ｎｍ]２／Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１ｎｍを順次形成した。

記録層１７の形成工程として、固定層１５、トンネルバリア層１６を形成後、記録層１７の最初の磁性層ＣｏＦｅＢ１ｎｍを形成し、３００℃、２時間の真空中アニールを行い、ＣｏＦｅＢ（１００）／ＭｇＯ（１００）／ＣｏＦｅＢ（１００）の結晶方位の関係を形成させて高ＭＲ比を実現している。このアニール処理後、人工格子を構成する膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、[Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．３ｎｍ]２を順次形成する。

記録層１７上には、スペーサー層２１として膜厚４ｎｍ程度のＡｕ、固定層２２として膜厚０．５ｎｍ程度のＣｏＦｅと膜厚１ｎｍ程度のＰｔとを７周期積層した人工格子[ＣｏＦｅ０．５ｎｍ／Ｐｔ１ｎｍ]７、保護層１８として膜厚５ｎｍ程度のＲｕを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク１９には、膜厚１００ｎｍ程度のＴａを形成した。

固定層２２の保磁力は固定層１５の保磁力よりも大きく、この保磁力の差を利用して固定層１５と固定層２２との磁化配列を反平行に設定することが可能となる。すなわち、２回の着磁を行えばよい。まず、１回目の磁場印加により、固定層１５の磁化と、記録層１７及び固定層２２の磁化とは、同じ方向に配列する。その後、２回目の磁場印加は、１回目と逆向きに行う。この２回目の印加磁場は、固定層１５の保磁力よりも大きく、固定層２２の保磁力よりも小さく設定する。これにより、固定層２２の磁化方向に対して、記録層１７及び固定層１５の磁化は逆方向になる。このようにして、図１０に示すような磁化配列を実現することができる。

具体例２−１の構成では、スペーサー層２１のＡｕを介した磁気抵抗の変化より、トンネルバリア層１６のＭｇＯを介した磁気抵抗の変化の方が大きく、ＭＴＪ素子１０は、記録層１７と固定層１５との磁化配列、及び記録層１７と固定層２２との磁化配列によって、情報を記憶する。なお、記録層１７とトンネルバリア層１６との界面、及び記録層１７とスペーサー層２１との界面に、分極率の大きな磁性材料を界面層として設置しても構わない。また、スペーサー層２１を、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）や酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）のような絶縁体で構成しても構わない。この場合、スペーサー層２１の抵抗及びＭＲ比をトンネルバリア層１６よりも小さくすれば、動作上は問題ない。

同様に、上述のＭＴＪ素子１０の中で、固定層２２を膜厚３０ｎｍ程度のＴｂ_３０（Ｃｏ_８０Ｆｅ_２０）_７０と膜厚２ｎｍ程度のＦｅとの２層で構成してもよい。ここで、Ｔｂ_２４（Ｃｏ_８０Ｆｅ_２０）_７６が補償組成である。この場合、固定層２２は希土類金属（ＲＥ）の磁気モーメントが大きく、積層したＦｅと合わせても全体としてＲＥの磁気モーメントが大きい。この場合、一方向に一度だけ着磁することで、図１０の固定層１５、２２の磁化配列と同等の磁界配列を実現できる。すなわち、固定層２２の遷移金属（ＴＭ）の磁気モーメントはＲＥの磁気モーメントよりも小さく、遷移金属（ＴＭ）の磁気モーメントはＲＥの磁気モーメントと反対を向くため、固定層２２の磁化は着磁した方向と逆向きを向く。

この他、固定層１５、２２は、具体例１−１及び１−２で述べたように、規則合金、不規則合金、人工格子、フェリ磁性体等から適宜選択することができる。

なお、固定層１５、２２の磁化を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。この反強磁性層としては、マンガン（Ｍｎ）と、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、或いはイリジウム（Ｉｒ）との合金であるＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＯｓＭｎ、ＩｒＭｎ等を用いることができる。

（ａ）具体例２−２
具体例２−２のＭＴＪ素子１０は、固定層１５がＬ１_０構造を有するＦｅＰｔ規則合金から構成されており、また、下側（基板側）にＴＭＲ構造、上側にＧＭＲ構造を有している。図１１は、具体例２−２に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。

ＭＴＪ素子１０は、熱酸化膜付きＳｉ基板１１上に、下地層１４との密着層１３として膜厚１０ｎｍ程度のＴａ、下地層１４として膜厚１０ｎｍ程度のＲｕ、下地層１４上に固定層１５として膜厚１０ｎｍ程度のＦｅＰｔＢ、磁気抵抗比を増加させる界面層１５Ａとして膜厚２ｎｍ程度のＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０、トンネルバリア層１６として膜厚２ｎｍ程度のＭｇＯ、記録層１７として膜厚１ｎｍ程度のＣｏＦｅＢと膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、さらに膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏ_８０Ｆｅ_２０と膜厚１ｎｍ程度のＰｄとを２周期積層した人工格子[Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．３ｎｍ]２／Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅＢ１ｎｍを順次形成した。

なお、固定層１５と界面層１５Ａとは交換結合しているため、これらは１つの磁性層（固定層）として振る舞う。高い磁気抵抗比を実現するためには、トンネルバリア層１６に接する界面層１５Ａは、立方晶構造或いは正方晶構造を有し、かつ（１００）面に配向していることが望ましい。このため、界面層１５Ａは、ＣｏＦｅ合金にホウ素（Ｂ）が添加されて構成されている。ホウ素（Ｂ）の濃度は、多すぎると垂直磁気異方性が劣化してしまうため、３０ａｔ％以下であることが好ましい。具体的には、界面層１５Ａは、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）を含む合金（Ｃｏ_{１００−ｘ}−Ｆｅ_ｘ）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％に設定される。

記録層１７の形成工程として、固定層１５、界面層１５Ａ、トンネルバリア層１６を形成後、記録層１７の最初の磁性層ＣｏＦｅＢ１ｎｍを形成し、３００℃、２時間の真空中アニールを行い、ＣｏＦｅＢ（１００）／ＭｇＯ（１００）／ＣｏＦｅＢ（１００）の結晶方位の関係を形成させて高ＭＲ比を実現している。このアニール処理後、膜厚１ｎｍ程度のＰｄ、[Ｐｄ１ｎｍ／ＣｏＦｅ０．３ｎｍ]２を順次形成する。

記録層１７上には、スペーサー層２１として膜厚４ｎｍ程度のＡｕ、固定層２２として膜厚１ｎｍ程度のＰｔと膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏとを７周期積層した人工格子[Ｃｏ０．３ｎｍ／Ｐｔ１ｎｍ]７、保護層１８として膜厚５ｎｍ程度のＲｕを順次形成した。素子加工の際に必要なハードマスク１９には、膜厚３５ｎｍ程度のＲｕと膜厚６０ｎｍ程度のＴａとを順次形成した。

このように、固定層１５としてＬ１_０構造を有する強磁性合金（規則合金）を用いることで、良好な垂直磁気異方性を有する固定層１５を構成することが可能となる。また、固定層２２をＬ１_０構造を有する規則合金で構成するようにしてもよい。さらに、固定層１５、２２の磁化を一方向に固着するために、隣接して反強磁性層を設けてもよい。

（ｃ）具体例２−３
具体例２−３のＭＴＪ素子１０は、トンネルバリア層を有するＴＭＲ構造が上側、スペーサー層を有するＧＭＲ構造が下側（基板側）に配置された構成である。図１２は、具体例２−３に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。

具体例２−１と同様に固定層１５まで形成後、スペーサー層１６として膜厚４ｎｍ程度のＡｕ、記録層１７として膜厚０．５ｎｍ程度のＣｏＦｅと膜厚１ｎｍ程度のＡｕ−Ｐｄと膜厚１ｎｍ程度のＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０とを順次形成した。記録層１７上には、トンネルバリア層２１として膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯを形成し、トンネルバリア層２１以降の構成は具体例２−１と同様の構成を順次形成した。

固定層１５、２２は、具体例１−１及び１−２で述べたように、規則合金、不規則合金、人工格子、フェリ磁性体等から適宜選択することができる。なお、固定層１５、２２の磁化を一方向に固着するために、これらに隣接して反強磁性層を設けてもよい。

（ｄ）具体例２−４
具体例２−４のＭＴＪ素子１０は、中間層（非磁性層）１６及び２１が絶縁体からなり、下側（基板側）と上側がともにＴＭＲ構造である。図１３は、具体例２−４のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。具体例２−４のＭＴＪ素子１０は、非磁性層２１が絶縁体であること、及び、固定層２２をＣｏＦｅＢとＴｂＣｏＦｅとの積層構成とした以外は、具体例２−２と同様である。

具体例２−２と同様に記録層１７まで形成後、記録層１７上には、トンネルバリア層２１として膜厚１ｎｍ程度のＭｇＯ、固定層２２として膜厚２ｎｍ程度のＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０と膜厚３０ｎｍ程度のＴｂ_３０（Ｃｏ_８０Ｆｅ_２０）_７０との積層構成を順次形成した。ここで、Ｔｂ_２４（Ｃｏ_８０Ｆｅ_２０）_７６が補償組成である。

固定層２２上には、保護層１８として膜厚５ｎｍ程度のＲｕ、素子加工の際に必要なハードマスク１９として膜厚３５ｎｍ程度のＲｕと膜厚６０ｎｍ程度のＴａとを順次形成した。また、固定層１５、２２の磁化を一方向に固着するために、これらに隣接して反強磁性層を設けてもよい。

具体例２−４のＭＴＪ素子１０では、トンネルバリア層１６は膜厚２ｎｍ程度のＭｇＯであり、一方、トンネルバリア層２１のＭｇＯは膜厚が１ｎｍであり、抵抗差は大きく、磁気抵抗比はトンネルバリア層１６が支配的となる。

（ｅ）具体例２−５
図１４は、具体例２−５のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図である。具体例２−５のＭＴＪ素子１０は、固定層２２がＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnet）構造になっていること以外は具体例２−１と同様の構成であり、ＴＭＲ構造が下側（基板側）、ＧＭＲ構造が上側に配置される。ＳＡＦ構造は、２つの磁性層が反強磁性的に交換結合した構造である。固定層２２は、第１の磁性層２２−１と、第２の磁性層２２−３と、第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３間に挟まれた非磁性層２２−２とからなり、第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３が反強磁性的に交換結合したＳＡＦ構造である。

この場合、第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３の磁化配列が反平行であるので、第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３からの漏れ磁場を相殺し、結果として固定層２２の漏れ磁場を低減する効果がある。また、交換結合した磁性層は、体積が増加する効果として、熱擾乱耐性を向上させる。非磁性層２２−２の材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、及びロジウム（Ｒｈ）のうち１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金が挙げられる。

以下に、具体例２−５のＭＴＪ素子１０の層構成について説明する。基板１１から記録層１７までは具体例１−１と同様の構成である。

記録層１７上にスペーサー層２１として膜厚４ｎｍ程度のＡｕを形成後、固定層２２は、第１の磁性層２２−１として膜厚１ｎｍ程度のＰｔと膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏとを４周期積層した人工格子［Ｐｔ／Ｃｏ］４を形成した後、反強磁性的な交換結合を実現するため、非磁性層２２−２として膜厚０．９ｎｍ程度のＲｕを形成し、第２の磁性層２２−３として膜厚０．３ｎｍ程度のＣｏと膜厚１ｎｍ程度のＰｔとを５周期積層した人工格子［Ｃｏ／Ｐｔ］５を形成した。

なお、第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３がＲＥ−ＴＭ合金のフェリ磁性体からなる場合も、反強磁性結合を実現することができる。この場合、非磁性層２２−２は必ずしも用いなくてもよい。その一例を、図１５及び図１６を用いて説明する。

ＲＥ−ＴＭ合金は、希土類金属（ＲＥ）の磁気モーメントと遷移金属（ＴＭ）の磁気モーメントとが反強磁性的に結合した状態にある。ＲＥ−ＴＭ合金を積層した場合、ＲＥ同士、ＴＭ同士が強磁性的に結合することが知られている。この場合、ＲＥ及びＴＭの磁気モーメントが互いに相殺するため、ＲＥ−ＴＭ合金としての磁気モーメントは、組成により調整することができる。

例えば、図１５に示すように、ＲＥの磁気モーメント４１がＴＭの磁気モーメント４２より大きいＲＥ−ＴＭ合金層２２−１の場合、残った磁気モーメント４３はＲＥの磁気モーメント４１と同じ方向になる。このＲＥ−ＴＭ合金層２２−１上に、ＲＥの磁気モーメント４４がＴＭの磁気モーメント４５より大きいＲＥ−ＴＭ合金層２２−３を積層すると、ＲＥの磁気モーメント４１、４４同士、ＴＭの磁気モーメント４２、４５同士がそれぞれ同じ向きになり、２つのＲＥ−ＴＭ合金層２２−１、２２−３の磁気モーメント４３、４６は同じ方向を向き、平行な状態となる。

これに対し、図１６に示すように、ＲＥの磁気モーメント４４がＴＭの磁気モーメント４５より小さいＲＥ−ＴＭ合金層２２−３をＲＥ−ＴＭ合金層２２−１上に積層した場合、２つのＲＥ−ＴＭ合金層２２−１、２２−３の磁気モーメント４３、４６は反平行な状態となる。

例えば、Ｔｂ−Ｃｏ合金は、Ｔｂが２２ａｔ％でＴｂの磁気モーメントとＣｏの磁気モーメントとの大きさが同じになり、磁気モーメントがほぼゼロであるいわゆる補償組成となる。膜厚１０ｎｍ程度のＴｂ_２５Ｃｏ_７５と膜厚１０ｎｍ程度のＴｂ_２０Ｃｏ_８０とを積層した場合、これらの磁気モーメントは反平行となる。

このような形態を利用して、２つの磁性層２２−１、２２−３が反平行に結合した固定層２２を作製することができる。例えば、固定層２２を構成する第１の磁性層２２−１は膜厚１５ｎｍ程度のＴｂ_２６（Ｆｅ_７１Ｃｏ_２９）_７４からなり、第２の磁性層２２−３は膜厚２０ｎｍ程度のＴｂ_２２（Ｆｅ_７１Ｃｏ_２９）_７８からなる。ここで、Ｔｂ_２４（Ｆｅ_７１Ｃｏ_２９）_７６が補償組成である。

このような構成のＭＴＪ素子１０では、一方向に一度だけ着磁することで、図９に示した固定層１５、２２の磁化配列と同じ磁化配列を実現できる。すなわち、固定層２２のＴＭの磁気モーメントはＲＥの磁気モーメントより小さく、ＴＭの磁気モーメントはＲＥの磁気モーメントと反対方向を向くため、固定層２２の磁化は着磁した方向と逆向きになる。

また、第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３がＲＥ−ＴＭ合金からなる場合に、第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３間に非磁性層２２−２を設けて反強磁性結合を実現することも可能である。その一例を、図１７及び図１８を用いて説明する。

図１７に示す第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３のＴＭの磁気モーメント４２、４５は、非磁性層２２−２を介して交換結合すると考えられる。同様に、図１８に示す第１及び第２の磁性層２２−１、２２−３のＴＭの磁気モーメント４２、４５は、非磁性層２２−２を介して交換結合すると考えられる。

例えば、図１７に示すように、Ｃｏを反強磁性的に結合させる金属を非磁性層２２−２として用いた場合は、ＲＥ−ＴＭ合金層２２−１のＲＥの磁気モーメント４１をＴＭの磁気モーメント４２より大きくし、一方、ＲＥ−ＴＭ合金層２２−３のＲＥの磁気モーメント４４をＴＭの磁気モーメント４５より大きくする。すなわち、非磁性層２２−２が反強磁性結合に寄与する場合、ＴＭの磁気モーメント４２及びＲＥの磁気モーメント４１の大小関係と、ＴＭの磁気モーメント４５及びＲＥの磁気モーメント４４の大小関係とを同じに設定すれば、ＴＭとＲＥとの磁気モーメントが互いに相殺され、磁気モーメント４３、４６が反平行となる。なお、Ｃｏを反強磁性的に結合させる非磁性層２２−２の材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、及びロジウム（Ｒｈ）のうち１つの元素或いは１つ以上の元素を含む合金が挙げられる。

また、図１８に示すように、Ｃｏを強磁性的に結合させる金属を非磁性層２２−２として用いた場合は、ＲＥ−ＴＭ合金層２２−１のＲＥの磁気モーメント４１をＴＭの磁気モーメント４２より大きくし、ＲＥ−ＴＭ合金層２２−３のＲＥの磁気モーメント４４をＴＭの磁気モーメント４５より小さくする。すなわち、非磁性層２２−２が強磁性結合に寄与する場合、ＴＭの磁気モーメント４２及びＲＥの磁気モーメント４１の大小関係と、ＴＭの磁気モーメント４５及びＲＥの磁気モーメント４４の大小関係とを逆に設定すれば、ＴＭとＲＥとの磁気モーメントが互いに相殺され、磁気モーメント４３、４６が反平行となる。なお、Ｃｏを強磁性的に結合させる非磁性層２２−２の材料としては、白金（Ｐｔ）、及びパラジウム（Ｐｄ）のうち１つの以上の元素或いは１つ以上の元素を含む合金が挙げられる。

この他、ＲＥの磁気モーメントがＴＭの磁気モーメントよりも大きいＲＥ−ＴＭ合金と、遷移金属を主成分とする金属或いは合金とを積層して固定層２２を構成してもよい。

以上詳述したように第１の実施形態では、記録層１７を磁性層と非磁性層とが交互に積層された人工格子で形成している。そして、記録層１７を構成する磁性層をコバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含む合金で形成し、記録層１７を構成する非磁性層の少なくとも１層をパラジウム（Ｐｄ）及び金（Ａｕ）を含む合金で構成している。また、記録層１７を構成する磁性層のうちトンネルバリア層１６に接する磁性層１７Ａ−１をコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びホウ素（Ｂ）を含む合金で構成し、トンネルバリア層１６に接する磁性層の膜厚をトンネルバリア層１６に接していない磁性層の膜厚より大きく設定している。これにより、垂直磁気異方性の確保、ダンピング定数の低減（すなわち、書き込み電流の低減）、高磁気抵抗比を実現できる記録層１７を構成することが可能となる。

また、ＭｇＯに代表されるＮａＣｌ構造を有する絶縁体をトンネルバリア層１６として使用し、トンネルバリア層１６と固定層１５との間にコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びホウ素（Ｂ）を含む合金で構成された界面層１５Ａを配置している。これにより、ＣｏＦｅＢ（１００）／ＭｇＯ（１００）／ＣｏＦｅＢ（１００）の結晶方位の関係を形成することができるため、高い磁気抵抗比を実現することが可能となる。

また、記録層１７を構成する磁性層としては、鉄（Ｆｅ）の濃度を２０ａｔ％以上含んだＣｏ−Ｆｅ合金を用いている。これにより、記録層１７の垂直磁気異方性を維持しつつ、ダンピング定数を低減することが可能となる。

また、固定層１５にＬ１_０構造を有する規則合金を用いることで、良好な垂直磁気異方性を有する固定層１５を構成することが可能となる。

また、記録層として上記人工格子を用いた場合、記録層と固定層との間に設けられるスペーサー層には、金（Ａｕ）を用いるようにしている。これにより、低電流密度のスピン注入反転が可能なＧＭＲ構造を実現することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、第１の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成した場合の例について示している。

図１９は、本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図である。ＭＲＡＭは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有するメモリセルアレイ５０を備えている。メモリセルアレイ５０には、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対ＢＬ，／ＢＬが配設されている。また、メモリセルアレイ５０には、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配設されている。

ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分には、メモリセルＭＣが配置されている。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子１０、及びＮチャネルＭＯＳトランジスタからなる選択トランジスタ５１を備えている。ＭＴＪ素子１０の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子１０の他端は、選択トランジスタ５１のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ５１のゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタ５１のソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。

ワード線ＷＬには、ロウデコーダ５２が接続されている。ビット線対ＢＬ，／ＢＬには、書き込み回路５４及び読み出し回路５５が接続されている。書き込み回路５４及び読み出し回路５５には、カラムデコーダ５３が接続されている。各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ５２及びカラムデコーダ５３により選択される。

メモリセルＭＣへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行なうメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタ５１がターンオンする。

ここで、ＭＴＪ素子１０には、書き込みデータに応じて、双方向の書き込み電流Ｉｗが供給される。具体的には、ＭＴＪ素子１０に左から右へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路５４は、ビット線ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線／ＢＬに接地電圧を印加する。また、ＭＴＪ素子１０に右から左へ書き込み電流Ｉｗを供給する場合、書き込み回路５４は、ビット線／ＢＬに正の電圧を印加し、ビット線ＢＬに接地電圧を印加する。このようにして、メモリセルＭＣにデータ“０”、或いはデータ“１”を書き込むことができる。

次に、メモリセルＭＣからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルＭＣの選択トランジスタ５１がターンオンする。読み出し回路５５は、ＭＴＪ素子１０に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Ｉｒを供給する。そして、読み出し回路５５は、この読み出し電流Ｉｒに基づいて、ＭＴＪ素子１０の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子１０に記憶されたデータを読み出すことができる。

次に、ＭＲＡＭの構造について説明する。図２０は、メモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図である。

Ｐ型半導体基板６１の表面領域には、素子分離絶縁層が設けられ、この素子分離絶縁層が設けられていない半導体基板６１の表面領域が素子を形成する素子領域（active area）となる。素子分離絶縁層は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）により構成される。ＳＴＩとしては、例えば酸化シリコンが用いられる。

半導体基板６１の素子領域には、離間したソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄが設けられている。このソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄはそれぞれ、半導体基板６１内に高濃度のＮ^＋型不純物を導入して形成されたＮ^＋型拡散領域から構成される。ソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄ間で半導体基板６１上には、ゲート絶縁膜５１Ａを介して、ゲート電極５１Ｂが設けられている。ゲート電極５１Ｂは、ワード線ＷＬとして機能する。このようにして、半導体基板６１には、選択トランジスタ５１が設けられている。

ソース領域Ｓ上には、コンタクト６２を介して配線層６３が設けられている。配線層６３は、ビット線／ＢＬとして機能する。

ドレイン領域Ｄ上には、コンタクト６４を介して引き出し線６５が設けられている。引き出し線６５上には、下部電極１３及び上部電極１９に挟まれたＭＴＪ素子１０が設けられている。上部電極１９上には、配線層６６が設けられている。配線層６６は、ビット線ＢＬとして機能する。また、半導体基板６１と配線層６６との間は、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁層６７で満たされている。

以上詳述したように、第１の実施形態で示したＭＴＪ素子１０を用いてＭＲＡＭを構成することができる。なお、ＭＴＪ素子１０は、スピン注入型の磁気メモリの他、磁壁移動型の磁気メモリにも使用することが可能である。

また、第２の実施形態で示したＭＲＡＭは、様々な装置に適用することが可能である。ＭＲＡＭのいくつかの適用例について以下に説明する。

（適用例１）
図２１は、デジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）１００、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１０、デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ１２０、送信ドライバ１３０、及び受信機増幅器１４０等を含んで構成されている。

図２１では、バンドパスフィルタを省略しており、その代わりに回線コードプログラム（ＤＳＰで実行される、コード化された加入者回線情報、伝送条件等（回線コード：ＱＡＭ、ＣＡＰ、ＲＳＫ、ＦＭ、ＡＭ、ＰＡＭ、ＤＷＭＴ等）に応じてモデムを選択、動作させるためのプログラム）を保持するための種々のタイプのオプションのメモリとして、本実施形態のＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０とを示している。

なお、本適用例では、回線コードプログラムを保持するためのメモリとしてＭＲＡＭ１７０とＥＥＰＲＯＭ１８０との２種類のメモリを用いているが、ＥＥＰＲＯＭ１８０をＭＲＡＭに置き換えてもよい。すなわち、２種類のメモリを用いず、ＭＲＡＭのみを用いるように構成してもよい。

（適用例２）
図２２は、別の適用例として、携帯電話端末３００を示している。通信機能を実現する通信部２００は、送受信アンテナ２０１、アンテナ共用器２０２、受信部２０３、ベースバンド処理部２０４、音声コーデックとし用いられるＤＳＰ２０５、スピーカ（受話器）２０６、マイクロホン（送話器）２０７、送信部２０８、及び周波数シンセサイザ２０９等を備えている。

また、この携帯電話端末３００には、当該携帯電話端末の各部を制御する制御部２２０が設けられている。制御部２２０は、ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、本実施形態のＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４がバス２２５を介して接続されて形成されたマイクロコンピュータである。上記ＲＯＭ２２２には、ＣＰＵ２２１において実行されるプログラムや表示用のフォント等の必要となるデータが予め記憶されている。

ＭＲＡＭ２２３は、主に作業領域として用いられるものであり、ＣＰＵ２２１がプログラムの実行中において計算途中のデータ等を必要に応じて記憶したり、制御部２２０と各部との間でやり取りするデータを一時記憶したりする場合等に用いられる。また、フラッシュメモリ２２４は、携帯電話端末３００の電源がオフされても、例えば直前の設定条件等を記憶しておき、次の電源オン時に同じ設定にするような使用方法をする場合に、それらの設定パラメータを記憶しておくものである。これによって、携帯電話端末３００の電源がオフにされても、記憶されている設定パラメータを消失してしまうことがない。

さらに、この携帯電話端末３００には、オーディオ再生処理部２１１、外部出力端子２１２、ＬＣＤコントローラ２１３、表示用のＬＣＤ（液晶ディスプレイ）２１４、及び呼び出し音を発生するリンガ２１５等が設けられている。上記オーディオ再生処理部２１１は、携帯電話端末３００に入力されたオーディオ情報（或いは、後述する外部メモリ２４０に記憶されたオーディオ情報）を再生する。再生されたオーディオ情報は、外部出力端子２１２を介してヘッドフォンや携帯型スピーカ等に伝えることにより、外部に取り出すことが可能である。このように、オーディオ再生処理部２１１を設けることにより、オーディオ情報の再生が可能となる。上記ＬＣＤコントローラ２１３は、例えば上記ＣＰＵ２２１からの表示情報をバス２２５を介して受け取り、ＬＣＤ２１４を制御するためのＬＣＤ制御情報に変換し、ＬＣＤ２１４を駆動して表示を行わせる。

携帯電話端末３００には、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１，２３３，２３５、外部メモリ２４０、外部メモリスロット２３２、キー操作部２３４、及び外部入出力端子２３６等が設けられている。上記外部メモリスロット２３２にはメモリカード等の外部メモリ２４０が挿入される。この外部メモリスロット２３２は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３１を介してバス２２５に接続される。このように、携帯電話端末３００にスロット２３２を設けることにより、帯電話端末３００の内部の情報を外部メモリ２４０に書き込んだり、或いは外部メモリ２４０に記憶された情報（例えばオーディオ情報）を携帯電話端末３００に入力したりすることが可能となる。

上記キー操作部２３４は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続される。キー操作部２３４から入力されたキー入力情報は、例えばＣＰＵ２２１に伝えられる。上記外部入出力端子２３６は、インターフェース回路（Ｉ／Ｆ）２３３を介してバス２２５に接続され、携帯電話端末３００に外部から種々の情報を入力したり、或いは携帯電話端末３００から外部へ情報を出力したりする際の端子として機能する。

なお、本適用例では、ＲＯＭ２２２、ＭＲＡＭ２２３、及びフラッシュメモリ２２４を用いているが、フラッシュメモリ２２４をＭＲＡＭに置き換えてもよいし、さらにＲＯＭ２２２もＭＲＡＭに置き換えることも可能である。

（適用例３）
図２３乃至図２７は、ＭＲＡＭをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード（ＭＲＡＭカード）に適用した例をそれぞれ示す。

図２３に示すように、ＭＲＡＭカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１が内蔵されている。このカード本体４００には、ＭＲＡＭチップ４０１に対応する位置に開口部４０２が形成され、ＭＲＡＭチップ４０１が露出されている。この開口部４０２にはシャッター４０３が設けられており、当該ＭＲＡＭカードの携帯時にＭＲＡＭチップ４０１がシャッター４０３で保護されるようになっている。このシャッター４０３は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えばセラミックからなっている。データを転写する場合には、シャッター４０３を開放してＭＲＡＭチップ４０１を露出させて行なう。外部端子４０４は、ＭＲＡＭカードに記憶されたコンテンツデータを外部に取り出すためのものである。

図２４及び図２５は、上記ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、カード挿入型の転写装置５００の上面図及び断面図を示している。

データ転写装置５００は、収納部５００ａを有している。この収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０が収納されている。収納部５００ａには、第１のＭＲＡＭカード５５０に電気的に接続された外部端子５３０が設けられており、この外部端子５３０を用いて第１のＭＲＡＭカード５５０のデータが書き換えられる。

エンドユーザの使用する第２ＭＲＡＭカード４５０を、矢印で示すように転写装置５００の挿入部５１０より挿入し、ストッパ５２０で止まるまで押し込む。このストッパ５２０は、第１ＭＲＡＭ５５０と第２ＭＲＡＭカード４５０を位置合わせするための部材としても働く。第２ＭＲＡＭカード４５０が所定位置に配置されると、第１ＭＲＡＭデータ書き換え制御部から外部端子５３０に制御信号が供給され、第１ＭＲＡＭ５５０に記憶されたデータが第２ＭＲＡＭカード４５０に転写される。

図２６には、はめ込み型の転写装置を示す。この転写装置は、矢印で示すように、ストッパ５２０を目標に、第１ＭＲＡＭ５５０上に第２ＭＲＡＭカード４５０をはめ込むように載置するタイプである。転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。

図２７には、スライド型の転写装置を示す。この転写装置は、ＣＤ−ＲＯＭドライブやＤＶＤドライブと同様に、転写装置５００に受け皿スライド５６０が設けられており、この受け皿スライド５６０が矢印で示すように移動する。受け皿スライド５６０が破線の位置に移動したときに第２ＭＲＡＭカード４５０を受け皿スライド５６０に載置し、第２ＭＲＡＭカード４５０を転写装置５００の内部へ搬送する。ストッパ５２０に第２ＭＲＡＭカード４５０の先端部が当接するように搬送される点、及び転写方法についてはカード挿入型と同一であるので、説明を省略する。

本発明は、上述した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内で、構成要素を変形して具体化できる。また、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わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、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。

ダンピング定数とＣｏ−Ｆｅ合金の組成との関係を示す図。 ダンピング定数とＰｄ−Ａｕ合金の組成との関係を示す図。 磁気異方性エネルギー密度とＰｄ−Ａｕ合金の組成との関係を示す図。 第１の実施形態に係るＧＭＲ素子の構成を示す断面図。 図４に示したＧＭＲ素子のＭＲ−Ｈ曲線を示す図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ構造の断面図。 第１の実施形態に係るシングルピン構造のＭＴＪ素子１０の概略図。 具体例１−１に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 第１の実施形態に係るデュアルピン構造のＭＴＪ素子１０の概略図。 具体例２−１に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 具体例２−２に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 具体例２−３に係るＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 具体例２−４のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 具体例２−５のＭＴＪ素子１０の構成を示す断面図。 固定層２２の他の構成例を説明する図。 固定層２２の他の構成例を説明する図。 固定層２２の他の構成例を説明する図。 固定層２２の他の構成例を説明する図。 本発明の第２の実施形態に係るＭＲＡＭの構成を示す回路図。 メモリセルＭＣを中心に示したＭＲＡＭの構成を示す断面図。 ＭＲＡＭの適用例１に係るデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムのＤＳＬデータパス部を示すブロック図。 ＭＲＡＭの適用例２に係る携帯電話端末３００を示すブロック図。 ＭＲＡＭの適用例３に係るＭＲＡＭカード４００を示す上面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための転写装置５００を示す平面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための転写装置５００を示す断面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、はめ込み型の転写装置５００を示す断面図。 ＭＲＡＭカードにデータを転写するための、スライド型の転写装置５００を示す断面図。

１０…ＭＴＪ素子、１１…基板、１２…低抵抗層、１３…密着層（下部電極）、１４…下地層、１５…固定層、１５Ａ…界面層、１６…トンネルバリア層、１７…記録層、１７Ａ…磁性層、１７Ｂ…非磁性層、１８…保護層、１９…ハードマスク（上部電極）、２１…スペーサー層、２２…固定層、２２−１，２２−３…磁性層、２２−２…非磁性層、５０…メモリセルアレイ、５１…選択トランジスタ、５１Ａ…ゲート絶縁膜、５１Ｂ…ゲート電極、５２…ロウデコーダ、５３…カラムデコーダ、５４…書き込み回路、５５…読み出し回路、６１…半導体基板、６２，６４…コンタクト、６３，６６…配線層、６５…引き出し線、６７…層間絶縁層、ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、ＷＬ…ワード線、Ｓ…ソース領域、Ｄ…ドレイン領域、１００…ＤＳＰ、１１０…Ａ／Ｄコンバータ、１２０…Ｄ／Ａコンバータ、１３０…送信ドライバ、１４０…受信機増幅器、１７０…ＭＲＡＭ、１８０…ＥＥＰＲＯＭ、２００…通信部、２０１…送受信アンテナ、２０２…アンテナ共用器、２０３…受信部、２０４…ベースバンド処理部、２０５…ＤＳＰ、２０６…スピーカ、２０７…マイクロホン、２０８…送信部、２０９…周波数シンセサイザ、２１１…オーディオ再生処理部、２１２…外部出力端子、２１３…ＬＣＤコントローラ、２１４…ＬＣＤ、２１５…リンガ、２２０…制御部、２２１…ＣＰＵ、２２２…ＲＯＭ、２２３…ＭＲＡＭ、２２４…フラッシュメモリ、２２５…バス、２３１，２３３，２３５…インターフェース回路、２３２…外部メモリスロット、２３２…スロット、２３４…キー操作部、２３６…外部入出力端子、２４０…外部メモリ、３００…携帯電話端末、４００…ＭＲＡＭカード本体、４０１…ＭＲＡＭチップ、４０２…開口部、４０３…シャッター、４０４…外部端子、４５０…ＭＲＡＭカード、５００…転写装置、５１０…挿入部、５２０…ストッパ、５３０…外部端子、５５０…ＭＲＡＭ、５６０…受け皿スライド。

Claims (20)

1. 膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された第１の固定層と、
   磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造からなり、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が変化可能である記録層と、
   前記第１の固定層と前記記録層との間に設けられ、かつ非磁性材料からなる第１の中間層と
   を具備し、
   前記記録層を構成する磁性層のうち前記第１の中間層と接する第１の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含む合金からなり、かつその膜厚が前記第１の中間層と接していない磁性層の膜厚より大きいことを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 前記記録層を構成する磁性層のうち少なくとも１層は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）を含む合金Ｃｏ_{１００−ｘ}−Ｆｅ_ｘからなり、ｘ≧２０ａｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記第１の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）を含む合金（Ｃｏ_{１００−ｘ}−Ｆｅ_ｘ）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記第１の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）を含み、その組成がＣｏ_２ＸＹである合金からなり、Ｘはバナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び銅（Ｃｕ）のうち１つ以上の元素であり、Ｙはアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、すず（Ｓｎ）、及びアンチモン（Ｓｂ）のうち１つ以上の元素であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
5. 前記記録層を構成する非磁性層のうち少なくとも１層は、パラジウム（Ｐｄ）及び金（Ａｕ）を含む合金からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
6. 前記記録層を構成する非磁性層のうち前記第１の中間層から最も離れた非磁性層は、金（Ａｕ）からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
7. 前記第１の中間層は、ＮａＣｌ構造を有し、かつ（１００）面に配向することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
8. 前記第１の中間層は、酸化マグネシウムからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
9. 前記第１の磁性層は、立方晶構造或いは正方晶構造を有し、かつ（１００）面に配向することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
10. 前記第１の固定層は、Ｌ１_０構造を有する強磁性合金を含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
11. 前記第１の固定層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうち１つ以上の元素と、パラジウム（Ｐｄ）、及び白金（Ｐｔ）のうち１つ以上の元素とを含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
12. 前記第１の固定層と前記第１の中間層との間に設けられた界面層をさらに具備し、
    前記界面層は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びホウ素（Ｂ）を含む合金（Ｃｏ_{１００−ｘ}−Ｆｅ_ｘ）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙからなり、ｘ≧２０ａｔ％、０＜ｙ≦３０ａｔ％であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
13. 前記界面層は、立方晶構造或いは正方晶構造を有し、かつ（１００）面に配向することを特徴とする請求項１２に記載の磁気抵抗素子。
14. 膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ磁化方向が固定された第２の固定層と、
    前記第２の固定層と前記記録層との間に設けられ、かつ非磁性材料からなる第２の中間層とをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
15. 前記第２の中間層は、金（Ａｕ）からなることを特徴とする請求項１４に記載の磁気抵抗素子。
16. 前記第１の固定層及び前記第２の固定層のうち少なくとも１層は、第２の磁性層と、第３の磁性層と、前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の非磁性層とを含み、
    前記第２の磁性層と前記第３の磁性層とが互いに反強磁性的に結合していることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の磁気抵抗素子。
17. 前記第１の非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、及びロジウム（Ｒｈ）のうち１つの元素からなる金属、或いはこれらのうち少なくとも１つ以上の元素を含む合金からなることを特徴とする請求項１６に記載の磁気抵抗素子。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第１及び第２の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気メモリ。
19. 前記第１の電極に電気的に接続された第１の配線と、
    前記第２の電極に電気的に接続された第２の配線と、
    前記第１の配線及び前記第２の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗素子に双方向に電流を供給する書き込み回路とをさらに具備することを特徴とする請求項１８に記載の磁気メモリ。
20. 前記メモリセルは、前記第２の電極と前記書き込み回路との間に電気的に接続された選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項１９に記載の磁気メモリ。

Images