JP4100025B2 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術として、ますます重要度が増している。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory）等が挙げられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒オーダーと遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。
【０００４】
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、例えば「Wang et al., IEEE Trans Magn. 33 (1997), 4498」に記載されているような、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）とよばれる磁気メモリ装置である。このＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために書き換え可能回数が大である。またアクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている。
【０００５】
このＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子、特にトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magnetoresistance :TMR）素子は基本的に強磁性層／トンネルバリア層／強磁性層の強磁性トンネル接合で構成される。この素子では、強磁性層間に一定の電流を流した状態で強磁性層間に外部磁場を印加した場合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて磁気抵抗効果が現れる。双方の強磁性層の磁化の向きが反平行の場合は抵抗値が最大となり、平行の場合は抵抗値が最小となる。メモリ素子としての機能は外部磁場により反平行と平行の状態を作り出すことによってもたらされる。
【０００６】
特にスピンバルブ型のＴＭＲ素子においては、一方の強磁性層が隣接する反強磁性層と反強磁性的に結合することによって磁化の向きを常に一定とされ、磁化固定層とされる。他方の強磁性層は、外部磁場等によって容易に磁化反転する情報記録層とされる。
【０００７】
この抵抗の変化率はそれぞれの磁性層のスピン分極率をＰ１、Ｐ２とすると、下記の式（１）で表される。
２Ｐ１Ｐ２／（１−Ｐ１Ｐ２） ...式（１）
【０００８】
このように、それぞれのスピン分極率が大きいほど抵抗変化率が大きくなる。強磁性層に用いる材料と、この抵抗変化率の関係についてはこれまでに、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等のＦｅ族の強磁性体元素やそれら３種類のうちの合金についての報告がなされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＲＡＭの基本的な構成は、例えば特開平１０−１１６４９０号公報に開示されているように、複数のビット書き込み線と、これら複数のビット書き込み線に直交する複数のワード書き込み線とを設け、これらビット書き込み線とワード書き込み線との交点に磁気メモリ素子としてＴＭＲ素子が配されてなる。そして、このようなＭＲＡＭで記録を行う際には、アステロイド特性を利用してＴＭＲ素子に対して選択書き込みを行う。
【００１０】
ＭＲＡＭに使用されるビット書き込み線及びワード書き込み線には、通常の半導体装置の配線材料であるＣｕ、Ａｌ等の導体薄膜が使用される。このような通常の配線材料を用い、且つ０．２５μｍ線幅とされたビット書き込み線及びワード書き込み線によって例えば反転磁界が２０Ｏｅである磁気メモリ素子に対して書き込むためには、約２ｍＡの電流が必要となる。ビット書き込み線及びワード書き込み線の厚みが線幅と同じ０．２５μｍである場合、このときの電流密度は、エレクトロマイグレーションによる断線限界値に近い３．２×１０６Ａ／ｃｍ３である。したがって、配線の信頼性を維持するためには、書き込み電流の低減が不可欠である。また、書き込み電流による発熱の問題や、消費電力低減の観点からも、この書き込み電流を低減させる必要がある。
【００１１】
ＭＲＡＭにおける書き込み電流の低減を実現する手法として、ＴＭＲ素子の保磁力を低減させることが挙げられる。ＴＭＲ素子の保磁力は、ＴＭＲ素子の大きさ、形状、層構成、材料の選択等によって適宜決定されるものである。しかしながら、例えばＭＲＡＭの記録密度の向上を目的としてＴＭＲ素子を微細化した場合には、ＴＭＲ素子の保磁力が上昇するといった不都合が生じる。したがって、ＭＲＡＭの微細化（高集積化）と書き込み電流の低減とを同時に達成するためには、材料面からＴＭＲ素子の保磁力低減を達成する必要がある。
【００１２】
また、ＭＲＡＭにおいてＴＭＲ素子の磁気特性が素子毎にばらつくことや、同一素子を繰り返し測定した場合のばらつきが存在するとアステロイド特性を使用した選択書き込みが困難となるという問題点がある。したがって、ＴＭＲ素子には、理想的なアステロイド曲線を描かせるための磁気特性も求められる。理想的なアステロイド曲線を描かせるためには、ＴＭＲ測定を行った際のＲ−Ｈ（抵抗−磁場）曲線においてバルクハウゼンノイズ等のノイズがないこと、波形の角形性が良いこと、磁化状態が安定しており保磁力Ｈｃのばらつきが少ないことが必要である。
【００１３】
ところで、ＴＭＲ素子の情報読み出しは、トンネルバリア層を挟んだ一方の強磁性層と他方の強磁性層との磁気モーメントが反平行であり抵抗値が高い場合を例えば"１"、その逆に各々の磁気モーメントが平行である場合を"０"としてそれらの状態での一定バイアス電圧での差電流や一定バイアス電流での差電圧により読み出しを行う。したがって、素子間の抵抗ばらつきが同じである場合には、ＴＭＲ比が高いほど有利であり、高速で集積度が高く、エラーレートの低いメモリが実現される。
【００１４】
また、ＴＭＲ素子には抵抗変化率のバイアス電圧依存性が存在し、バイアス電圧が上昇するにつれてＴＭＲ比が減少していくことが知られている。差電流又は差電圧で読み出しを行う場合に、多くの場合に抵抗変化率がバイアス電圧依存性により半減する電圧（Ｖｈ）で読み出し信号の最大値をとることが知られているので、バイアス電圧依存性も少ない方が読み出しエラーの低減において有効である。
【００１５】
以上のように、ＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子には、上述の書き込み特性要件と読み出し特性要件とを同時に満足することが必要である。
【００１６】
しかしながら、ＴＭＲ素子の強磁性層の材料を選択する場合に、式（１）のＰ１及びＰ２で示されるスピン分極率が大きくなるような合金組成をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの強磁性遷移金属元素のみを成分とする材料から選択すると、一般的にＴＭＲ素子の保磁力Ｈｃが増大する傾向にある。
【００１７】
例えば、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金等を情報記録層に用いた場合は、スピン分極率が大きく４０％以上の高いＴＭＲ比が確保できるが、保磁力Ｈｃも大きくなる。
【００１８】
代わりに、軟磁性材料として知られるパーマロイと呼称されるＮｉ８０Ｆｅ２０（原子％）合金等を用いた場合、保磁力Ｈｃの低減は可能であるものの、上述のＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金と比較してスピン分極率が小さいためにＴＭＲ比が３３％程度まで低下してしまう。
【００１９】
また、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（原子％）は、約３７％のＴＭＲ比を得られるとともに、保磁力Ｈｃを上述のＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金とＮｉ８０Ｆｅ２０（原子％）合金との中間程度に抑えられるが、Ｒ−Ｈ曲線の角形性が劣り、書き込みを可能とするアステロイド特性が得られない。
【００２０】
そこで本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、これまでにない新規な材料を強磁性層に適用することにより、書き込み特性及び読み出し特性を同時に向上する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、一対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子において、上記強磁性層のうち少なくとも一方は、ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を表す。また、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０である。また、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。）を含有する強磁性材料を含み、中間層としてトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る磁気メモリ装置は、一対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子と、上記磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、上記強磁性層のうち少なくとも一方は、ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を表す。また、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０である。また、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。）を含有する強磁性材料を含むことを特徴とする。
【００２３】
少なくとも一方の強磁性層が、強磁性材料として強磁性遷移金属元素であるＦｅ及びＣｏに加えてＢを含有することによって、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗（ＭＲ）比の向上、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の改善、ＭＲ比のバイアス電圧依存性の改善、保磁力のばらつきの改善を図ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
本発明を適用したトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と称する。）１は、例えば図１に示すように、Ｓｉ等からなる基板２上に、下地層３と、反強磁性層４と、強磁性層である磁化固定層５と、トンネルバリア層６と、強磁性層である情報記録層７と、トップコート層８とがこの順に積層されて構成される。このＴＭＲ素子１は、一対の強磁性層である磁化固定層５と情報記録層７とでトンネルバリア層６を挟み込むことにより、強磁性トンネル接合９を形成している。ＴＭＲ素子１は、強磁性層の一方が磁化固定層５とされ、他方が情報記録層７とされたいわゆるスピンバルブ型のＴＭＲ素子である。
【００２６】
反強磁性層４は、強磁性層の一方である磁化固定層５と反強磁性的に結合することにより、書き込みのための電流磁界によっても磁化固定層５の磁化を反転させず、磁化固定層５の磁化の向きを常に一定とするための層である。すなわち、図１に示すＴＭＲ素子１においては、他方の強磁性層である情報記録層７だけを外部磁場等によって磁化反転させる。反強磁性層４を構成する材料としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ等を含むＭｎ合金、Ｃｏ酸化物、Ｎｉ酸化物等を使用することができる。
【００２７】
同図に示すスピンバルブ型のＴＭＲ素子１においては、磁化固定層５は、反強磁性層４と反強磁性的に結合することによって磁化の向きを一定とされる。このため、書き込みの際の電流磁界によっても磁化固定層５の磁化は反転しない。
【００２８】
トンネルバリア層６は、スパッタリング法や蒸着法等によって成膜された金属膜を、酸化又は窒化することにより得ることができる。また、トンネルバリア層６は、有機金属と、酸素、オゾン、窒素、ハロゲン、ハロゲン化ガス等とを用いるＣＶＤ法によって得ることもできる。
【００２９】
そして本発明では、強磁性トンネル接合９のうち強磁性層である磁化固定層５、情報記録層７の少なくとも一方が、強磁性材料として強磁性遷移金属元素であるＦｅ及びＣｏとともにＢを含有する。強磁性遷移金属元素のみで強磁性層を構成した従来のＴＭＲ素子では、スピン分極率を高めると保磁力も増大するといった不都合を伴うが、本発明ではこのような強磁性材料を含有することによってスピン分極率の向上と保磁力の低減とを両立し、ＴＭＲ比の向上及び書き込み電流の低減を実現できる。しかも、本発明では、高いＴＭＲ比と低い保磁力とを両立しつつ、Ｒ−Ｈ曲線の角形性を損なうことがない。また、Ｂを含有することによって、バイアス電圧依存性の改善も可能となる。
【００３０】
ここで、情報記録層が強磁性材料として本発明の範囲内である（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ１０を含有するＴＭＲ素子と、情報記録層が強磁性材料としてＣｏ９０Ｆｅ１０を含有するＴＭＲ素子とをそれぞれ実際に作製し、これらについて抵抗−外部磁場曲線を測定した結果を図２に示す。図２から明らかなように、情報記録層が強磁性材料としてＦｅ、Ｃｏ、Ｂを含有するＴＭＲ素子では、Ｆｅ及びＣｏのみを含有するＴＭＲ素子に比べて、ＴＭＲ比を高く維持しつつ保磁力Ｈｃを低減することが可能であった。また、Ｒ−Ｈループの角形性が向上するとともにバルクハウゼンノイズも低減された。したがって、本発明によれば、書き込み電流の低減が可能となるばかりでなく、アステロイド曲線の形状も改善されて書き込み特性が向上し、書き込みエラーの低減を図ることが可能となる。
【００３１】
このような効果が現れる原因は明確ではないが、Ｂを含有する強磁性層では、微視的な構造が通常の金属組織から微結晶又はアモルファス組織へと組織形態が変化するためと考えられる。ただし、単に微視的な構造がアモルファスであればＴＭＲ特性が改善するというわけではなく、強磁性層が上述の元素を含有し、また、後述する組成範囲を満足することが重要である。
【００３２】
ところで、強磁性層が含有するＦｅ、Ｃｏ、Ｂの合金組成には最適範囲が存在し、磁性層のうち少なくとも一方が含有する強磁性材料は、不可避な不純物元素を除いて、組成式ＦｅｘＣｏｙＢｚ（式中、ｘ、ｙ及びｚは原子％を表す。）から構成され、５≦ｘ≦４５、３５≦ｙ≦８５、１０≦ｚ≦３０であることが好ましいといえる。このとき、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００である。これらの規定について以下に述べる。
【００３３】
先ず、強磁性層に添加するＢについて説明する。Ｂの添加量が１０原子％未満である場合には、ベースとなるＦｅ−Ｃｏ合金の磁気特性が大きく反映され、緩やかな改善効果が認められるのみである。したがって、１０原子％以上のＢを含有することにより、Ｆｅ、Ｃｏ等を同じ比率で含む合金と比較して、ＴＭＲ比が顕著に増大するとともに、Ｒ−Ｈ曲線の角形性が改善される。また、ＴＭＲ比のバイアス依存性も改善され、さらに情報記録層の磁化状態が安定しているため、保磁力のばらつきが小さく、Ｒ−Ｈ曲線上に見られるノイズも大幅に低減する。また、Ｂの添加量は３０原子％以下であることが好ましい。Ｂの添加量が３０原子％を上回ると、情報記録層の強磁性的な特性及び磁化固定層の固定磁界が損なわれ始める。この結果、ＴＭＲ比の低下、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の劣化及び保磁力の減少を招くおそれがある。したがって、Ｂを添加することによる本発明の効果を確実に得るためには、Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成により若干変化するが、少なくとも一方の強磁性層は１０原子％以上、３０原子％以下のＢを含有することが好ましい。
【００３４】
次に、ベースとなる（Ｆｅ、Ｃｏ）合金について説明する。本発明の効果を顕著に得る観点では、Ｃｏは必須の元素である。具体的には、Ｂを含めた合金組成で少なくとも３５原子％のＣｏが必要である。Ｂが添加された場合の効果を促進し、しかも強磁性的な性質を保持するためである。その上でＦｅが添加されると、Ｃｏ−Ｆｅベース合金での変化と同様に、ＴＭＲ比の向上及び保磁力の増大効果が認められる。しかし、Ｆｅの含有量が４５原子％を上回ると、実際の素子寸法では保磁力が過剰に増大し、ＴＭＲ素子として不適当である。また、Ｆｅの含有量が５原子％未満であると強磁性層のスピン分極率が小さく、磁気抵抗効果素子として動作するのに充分なＴＭＲ比が得られなくなるおそれがある。したがって、Ｆｅの含有量は５原子％以上、４５原子％以下とすることが好ましい。
【００３５】
また、本発明の強磁性トンネル接合の強磁性層の少なくとも一方は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂの他にＮｉを含有していてもかまわない。強磁性層がさらにＮｉを含有する場合でも、保磁力の増大を抑えつつ良好なＴＭＲ比を維持し、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の改善効果を得られる。Ｎｉの含有量にも最適範囲が存在し、Ｎｉは０原子％以上、３５原子％以下であることが好ましい。Ｎｉの含有量が３５原子％を上回ると、保磁力が小さくなりすぎてＴＭＲ素子の動作の制御が困難となるおそれがあるためである。すなわち、強磁性層のうち少なくとも一方が含有する強磁性材料は、不可避な不純物元素を除いて、組成式ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を表す。）から構成され、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０であることが好ましい。このとき、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。
【００３６】
以上のようなＦｅ、Ｃｏ、Ｂを含有する強磁性材料は、情報記録層７、磁化固定層５の少なくとも一方に適用すればよいが、少なくとも情報記録層７、より好ましくは情報記録層７及び磁化固定層５の双方に適用させることによって、本発明の効果をより顕著に得られる。勿論、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂを含有する強磁性材料を含む強磁性層以外の強磁性層は、この種の磁気抵抗効果素子に通常用いられる材料をいずれも使用可能である。
【００３７】
また、例えば上述の材料を情報記録層７に適用する場合、情報記録層７の膜厚は１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることが好ましく、この範囲内であることによって良好な磁気特性を確保できる。情報記録層７の膜厚が１ｎｍ未満である場合には磁気特性が大幅に損なわれ、逆に情報記録層７の膜厚が１０ｎｍを上回る場合にはＴＭＲ素子の保磁力が過剰に高くなるので実用上不適当となるおそれがあるためである。ただし、情報記録層７が上述の元素を含む材料からなる層の単層ではなく、例えば上述の元素を含む材料からなる層と、例えば磁化量の小さなＮｉＦｅ層等との積層構造である場合には、情報記録層７の膜厚の合計は１０ｎｍを上回ってもかまわない。
【００３８】
また、上述の材料を磁化固定層５に適用する場合、磁化固定層５の膜厚は０．５ｎｍ以上、６ｎｍ以下であることが好ましく、この範囲内であることによって本発明の効果をより確実に得られる。磁化固定層５の膜厚が０．５ｎｍ未満である場合には磁気特性が損なわれ、逆に磁化固定層の膜厚が６ｎｍを上回る場合には反強磁性層４との交換結合磁界を充分に得られなくなるおそれがある。
【００３９】
なお、本発明のＴＭＲ素子としては、図１に示すような磁化固定層５及び情報記録層７のそれぞれが単層から構成される場合に限定されない。例えば図３に示すように、磁化固定層５が、第１の磁化固定層５ａと第２の磁化固定層５ｂとで導電体層５ｃを挟み込んでなる積層フェリ構造とされる場合であっても、本発明の効果を得ることができる。図３に示すＴＭＲ素子１０では、第１の磁化固定層５ａが反強磁性層４と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第１の磁化固定層５ａは強い一方向の磁気異方性を持つ。積層フェリ構造の導電体層５ｃに用いられる材料としては、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ等が挙げられる。図３のＴＭＲ素子１０の他の層については、図１に示すＴＭＲ素子１とほぼ同様の構成であるため、図１と同じ符号を付し詳細な説明を省略する。
【００４０】
また、本発明のＴＭＲ素子は、図１及び図３に示す層構成に限定されず、公知の様々な層構成をとりうることは勿論である。
【００４１】
さらに、本発明は、一対の強磁性層が非磁性導体層を挟んでなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子に適用した場合であっても上述の効果を得ることができる。
【００４２】
上述のようなＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子は、例えばＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置に用いられて好適である。以下、本発明のＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭについて、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００４３】
本発明のＴＭＲ素子を有するクロスポイント型のＭＲＡＭアレイを、図４に示す。同図に示すＭＲＡＭアレイは、複数のワード線ＷＬと、これらワード線ＷＬと直交する複数のビット線ＢＬとを有し、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交点に本発明のＴＭＲ素子が配置されてなるメモリセル１１とを有する。すなわち、このＭＲＡＭアレイでは、３×３のメモリセル１１がマトリクス状に配列される。勿論、ＭＲＡＭアレイに用いられるＴＭＲ素子としては、図１に示すＴＭＲ素子に限定されず、積層フェリ構造を有する図３に示すＴＭＲ素子１０等、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子において強磁性層のうち少なくとも一方が上述の強磁性材料を含んでいるのであればいかなる構成であってもかまわない。
【００４４】
各メモリセル１１は、図５に示すように、例えばシリコン基板１２上に、ゲート電極１３、ソース領域１４及びドレイン領域１５からなるトランジスタ１６を有する。ゲート電極１３は、読み出し用のワード線ＷＬ１を構成している。ゲート電極１３上には、絶縁層を介して書き込み用のワード線ＷＬ２が形成されている。トランジスタ１６のドレイン領域１５にはコンタクトメタル１７が接続され、さらにコンタクトメタル１７には下地層１８が接続されている。この下地層１８上の書き込み用のワード線ＷＬ２の上方に対応する位置に、本発明のＴＭＲ素子１が形成されている。このＴＭＲ素子１上に、ワード線ＷＬ１及びＷＬ２と直交するビット線ＢＬが形成されている。
【００４５】
本発明を適用したＭＲＡＭは、先に述べたように、強磁性トンネル接合を構成する強磁性層のいずれか一方が特定の元素を含有するＴＭＲ素子１を用いているので、ＴＭＲ出力に極めて優れ、メモリ動作の安定性が飛躍的に向上する。また、本発明のＭＲＡＭは、ＴＭＲ比のバイアス電圧依存特性が向上したＴＭＲ素子１を用いているので、読み出し時に低抵抗状態と高抵抗状態との判別が容易となり、エラーレートが低減する。さらに、Ｒ−Ｈ曲線においてノイズが低減し、アステロイド特性が向上するので書き込みエラーの低減が図られる。以上まとめると、本発明のＭＲＡＭは、読み出し特性及び書き込み特性を同時に満足することができる。
【００４６】
なお、本発明のＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子は、先に述べた磁気メモリ装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパソコン、携帯端末、携帯電話をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【００４７】
また、本発明は上述の記載に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。なお、図４及び図５を用いて説明したように、ＭＲＡＭにはＴＭＲ素子以外にスイッチング用のトランジスタ等が存在するが、本実施例ではＴＭＲ特性を調べるために図６及び図７に示すような強磁性トンネル接合のみを形成したウェハにより検討を行った。
【００４９】
実験１
先ず、強磁性トンネル接合の強磁性層のいずれか一方がＦｅ、Ｃｏ及びＢを含むことによる効果、並びに強磁性層の組成の最適範囲について検討した。
【００５０】
＜サンプル１＞
図６及び図７に示すように、本実施例で用いる特性評価用素子（Test Element Group :TEG）は、基板２１上に、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとが直交して配され、これらワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交差する部分に磁気抵抗効果素子２２が形成されている。ここで形成される磁気抵抗効果素子２２は、短軸０．５μｍ×長軸１．０μｍの楕円形状を呈する。また、ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬの両端には、それぞれ端子パッド２３，２４が形成されている。また、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとは、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁膜２５によって電気的に絶縁される。
【００５１】
このようなＴＥＧは、以下のようにして作製される。先ず、基板２１上にワード線材料を成膜し、フォトリソグラフィによってマスクした後にワード線以外の部分をＡｒプラズマにより選択的にエッチングし、ワード線を形成した。このとき、ワード線以外の領域は、基板の深さ５ｎｍまでエッチングされた。基板としては、厚み０．６ｍｍの熱酸化膜（２μｍ）付きシリコン基板を用いた。
【００５２】
次に、ワード線ＷＬに下記の層構成（１）からなる強磁性トンネル接合、つまりＴＭＲ素子を、公知のリソグラフィ法及びエッチングにより作製した。括弧内は膜厚を示す。
【００５３】
Ｔａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１００ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）−Ｏｘ／ＦｅＣｏＢ（４ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）
【００５４】
上記の層構成のうち、情報記録層を構成するＦｅＣｏＢの組成を、Ｆｅ９Ｃｏ８１Ｂ１０（原子％）とした。また、情報記録層以外のＣｏＦｅからなる層の組成を、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）とした。
【００５５】
トンネルバリア層であるＡｌ−Ｏｘ層は、先ず金属Ａｌ膜をＤＣスパッタ法により１ｎｍ堆積させ、その後に、酸素／アルゴンの流量比を１：１とし、チャンバーガス圧を０．１ｍＴｏｒｒとし、ＩＣＰプラズマにより金属Ａｌ膜をプラズマ酸化することにより形成された。酸化時間はＩＣＰプラズマ出力に依存するが、今回の実施例では３０秒とした。
【００５６】
また、トンネルバリア層であるＡｌ−Ｏｘ層以外は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
【００５７】
上記の膜を積層した後、磁場中熱処理炉にて、１０ｋＯｅ、２７０℃、４時間の熱処理を行い、反強磁性層であるＰｔＭｎ層の規則化熱処理を行い、強磁性トンネル接合を得た。
【００５８】
上記のような強磁性トンネル接合の作製後、Ａｌ２Ｏ３をスパッタすることにより厚さ１００ｎｍ程度の絶縁層２５を成膜し、さらにフォトリソグラフィによりビット線ＢＬ及び端子パッド２４を形成することで、図６及び図７に示すＴＥＧを得た。
【００５９】
＜サンプル２＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６０】
＜サンプル３＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ７Ｃｏ６３Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６１】
＜サンプル４＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ２２．５Ｃｏ６７．５Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６２】
＜サンプル５＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６３】
＜サンプル６＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ１７．５Ｃｏ５２．５Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６４】
＜サンプル７＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ３６Ｃｏ５４Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６５】
＜サンプル８＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ３２Ｃｏ４８Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６６】
＜サンプル９＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ２８Ｃｏ４２Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６７】
＜サンプル１０＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ２５Ｃｏ７５（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６８】
＜サンプル１１＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ１０Ｃｏ８２Ｂ８（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６９】
＜サンプル１２＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ５０Ｃｏ４３Ｂ７（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７０】
＜サンプル１３＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｃｏ９５Ｂ５（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７１】
＜サンプル１４＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ１０Ｃｏ５５Ｂ３５（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７２】
＜サンプル１５＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ３０Ｃｏ３５Ｂ３５（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７３】
＜サンプル１６＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ４０Ｃｏ３０Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７４】
＜サンプル１７＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ５０Ｃｏ３０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７５】
以上のように作製されたサンプル１〜サンプル１７のＴＥＧについて、下記のようにしてＴＭＲ比、保磁力Ｈｃのばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性を測定した。
【００７６】
ＴＭＲ比の測定
通常のＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置では、電流磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化反転させて情報を書き込むが、本実施例では、外部磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化反転させることにより、ＴＭＲ比の測定を行った。すなわち、先ず、ＴＭＲ素子の情報記録層を磁化反転させるための外部磁界を、情報記録層の磁化容易軸に対して平行となるように印加した。測定のための外部磁界の大きさは、５００Ｏｅとした。次に、情報記録層の磁化容易軸の一方から見て−５００Ｏｅから＋５００Ｏｅまで掃引するのと同時に、ワード線ＷＬの端子パッド２３とビット線ＢＬの端子パッド２４とにかかるバイアス電圧が１００ｍＶとなるように調節して、強磁性トンネル接合にトンネル電流を流した。このときの、各外部磁界に対する抵抗値を測定した。そして、磁化固定層と情報記録層との磁化が反平行の状態であって抵抗が高い状態での抵抗値と、磁化固定層と情報記録層との磁化が平衡の状態であって抵抗が低い状態での抵抗値の比を、ＴＭＲ比とした。なお、良好な読み出し特性を得るといった観点から、このＴＭＲ比は、４５％以上であることが好ましい。
【００７７】
保磁力Ｈｃのばらつきの測定
保磁力（Ｈｃ）は、上記のＴＭＲ比の測定法から求められるＲ−Ｈ曲線から求めた。そして、同一素子に対してＲ−Ｈ曲線を５０回繰り返し測定し、最大抵抗値と最小抵抗値との半分の値に対し、保磁力（Ｈｃ）のばらつきを求めた。ばらつき値は、ΔＨｃ／Ｈｃ平均値として算出した。なお、書き込み特性の向上を図るといった観点から、保磁力（Ｈｃ）のばらつきは４％以下であることが好ましい。
【００７８】
角形比の測定
Ｒ−Ｈ曲線から波形の角形比を求めた。すなわち、測定時の−５００Ｏｅから＋５００Ｏｅまでの磁場範囲でのＲ−Ｈ曲線のＲ１ｍａｘ−Ｒ１ｍｉｎとゼロ磁場（Ｈ＝０）でのＲ２ｍａｘ−Ｒ２ｍｉｎの比、（Ｒ２ｍａｘ−Ｒ２ｍｉｎ）／（Ｒ１ｍａｘ−Ｒ１ｍｉｎ）の値を示す。角形比は、書き込み特性の向上を図るといった観点から、０．９以上であることが好ましい。
【００７９】
バイアス電圧依存性の測定
バイアス電圧を１００ｍＶから１０００ｍＶまで１０ｍＶ刻みに変化させながらＲ−Ｈ曲線の測定を行い、ＴＭＲ比を求め、バイアス電圧に対してプロットした。そして、外挿された０ｍＶでのＴＭＲ比に対して、半分になるバイアス電圧を求め、これをＶhalfとした。Ｖhalfは、５５０ｍＶ以上であることが好ましい。
【００８０】
以上のサンプル１〜サンプル１７の情報記録層の組成及び膜厚を、下記の表１に示す。また、以上のように求められたＴＭＲ比、保磁力Ｈｃのばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性の結果を下記表２に示す。
【００８１】
【表１】
【００８２】
【表２】
【００８３】
以上の表１及び表２から明らかなように、磁化固定層及び情報記録層のいずれにおいてもＢを含有しないサンプル１０は、例えば情報記録層にＢを僅かに含むサンプル１１〜サンプル１３がバイアス電圧依存性Ｖhalfに限っては良好な値を示したのに対して、ＴＭＲ比、保磁力（Ｈｃ）のばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性Ｖhalfのいずれにおいても劣っていた。このことから、強磁性トンネル接合の少なくとも一方の強磁性層がＦｅ、ＣｏとともにＢを含有することにより、書き込み特性の改善効果が得られることがわかる。
【００８４】
また、本発明の合金組成の範囲内であるサンプル１〜サンプル９は、４５％以上のＴＭＲ比が得られ、角形比が０．９以上と優れたＴＭＲ特性を示した。また、サンプル１〜サンプル９は、保磁力（Ｈｃ）のばらつきが４％以下に抑制されており、磁気的に非常に安定した状態といえる。さらに、サンプル１〜サンプル９は、Ｖhalfが５５０ｍＶ以上の高い値を示しているので、ＭＲＡＭとしての動作時において０／１の差電圧が大きくなる。したがって、サンプル１〜サンプル９は、書き込み特性及び読み出し特性の双方に優れ、書き込み及び読み出しのいずれにおいてもエラーの非常に小さなＭＲＡＭを実現することができる。これに対して、本発明の組成の範囲外であるサンプル１０〜サンプル１７は、ＴＭＲ比、保磁力（Ｈｃ）のばらつき、角形比及びＶhalfに劣り、書き込み特性及び読み出し特性が不十分なものであるとわかる。
【００８５】
図８は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂの三元系状態図であり、上述のサンプル１〜サンプル１７をプロットしたものである。同図中の数値はサンプル番号を表す。図８の斜線で示す領域は、本願の組成範囲、すなわちＦｅが５原子％以上４５原子％以下、Ｃｏが３５原子％以上８５原子％以下、Ｂが１０原子％以上３０原子％以下の組成範囲であり、サンプル１〜サンプル９はこの範囲内におさまる。
【００８６】
以上のことから、強磁性トンネル接合のうちいずれか一方の強磁性層が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＢを含有し、Ｆｅが５原子％以上４５原子％以下、Ｃｏが３５原子％以上８５原子％以下、Ｂが１０原子％以上３０原子％以下であることが好ましいとわかった。
【００８７】
実験２
次に、強磁性トンネル接合の層構成を変化させた上で、情報記録層の最適な膜厚範囲について検討した。
【００８８】
＜サンプル１８＞
強磁性トンネル接合の層構成を下記のような層構成（２）とするとともに、磁化固定層及び情報記録層の組成を変化させたこと以外は、サンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。すなわち、このサンプル１８では、磁化固定層の組成を、本発明の組成範囲内であるＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）とした。また、このサンプル１８の情報記録層の組成を、Ｆｅ４５Ｃｏ４５Ｂ２０（原子％）とした。さらに、このサンプル１８においては、サンプル１〜サンプル１７とは異なり、情報記録層の膜厚を５ｎｍとした。
Ｔａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１００ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）−Ｏｘ／ＦｅＣｏＢ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）
【００８９】
＜サンプル１９＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ４０Ｃｏ４０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９０】
＜サンプル２０＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ３５Ｃｏ３５Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９１】
＜サンプル２１＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）とし、さらに情報記録層の膜厚を２．５ｎｍとしたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９２】
＜サンプル２２＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９３】
＜サンプル２３＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ３２Ｃｏ４８Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９４】
＜サンプル２４＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ４０Ｃｏ４０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９５】
＜サンプル２５＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）とし、さらに情報記録層の膜厚を１．８ｎｍとしたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９６】
＜サンプル２６＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２５と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９７】
＜サンプル２７＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ３２Ｃｏ４８Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２５と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９８】
＜サンプル２８＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ９Ｃｏ８１Ｂ１０（原子％）とし、さらに情報記録層の膜厚を１０．５ｎｍとしたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９９】
＜サンプル２９＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２８と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１００】
＜サンプル３０＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ７Ｃｏ６３Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル２８と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１０１】
以上のサンプル１８〜サンプル３０の情報記録層の組成及び膜厚を、下記の表３に示す。また、以上のように求められたＴＭＲ比、保磁力Ｈｃのばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性の結果を下記表４に示す。
【０１０２】
【表３】
【０１０３】
【表４】
【０１０４】
以上の表３及び表４から明らかなように、情報記録層の膜厚が１．８ｎｍであるサンプル２５〜サンプル２７及び情報記録層の膜厚が１０．５ｎｍであるサンプル２８〜サンプル３０は、サンプル１８〜サンプル２４に比べて、各特性のいずれかが若干劣るものであった。したがって、情報記録層の膜厚には最適範囲が存在し、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、特に２．５ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましいとわかった。
【０１０５】
実験３
次に、強磁性トンネル接合を構成する強磁性層のいずれか一方が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂの他にさらにＮｉを含有する場合について検討する。
【０１０６】
＜サンプル３１＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ２０Ｃｏ３５Ｎｉ３５Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１０７】
＜サンプル３２＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１０Ｃｏ３５Ｎｉ３５Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１０８】
＜サンプル３３＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ７Ｃｏ３５Ｎｉ２８Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１０９】
＜サンプル３４＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１５Ｃｏ５０Ｎｉ２５Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１０】
＜サンプル３５＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１５Ｃｏ４０Ｎｉ２５Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１１】
＜サンプル３６＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１０Ｃｏ３５Ｎｉ２５Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１２】
＜サンプル３７＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１０Ｃｏ３５Ｎｉ３５Ｂ２０（原子％）とし、情報記録層の膜厚を２．５ｎｍとしたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１３】
＜サンプル３８＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１５Ｃｏ４０Ｎｉ２５Ｂ２０（原子％）とし、情報記録層の膜厚を２．５ｎｍとしたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１４】
＜サンプル３９＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ２０Ｃｏ３０Ｎｉ３０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１５】
＜サンプル４０＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ５Ｃｏ４０Ｎｉ４５Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１６】
以上のサンプル３１〜サンプル４０の情報記録層の組成及び膜厚を、下記の表５に示す。また、以上のように求められたＴＭＲ比、保磁力Ｈｃのばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性の結果を下記表６に示す。
【０１１７】
【表５】
【０１１８】
【表６】
【０１１９】
以上の表５及び表６から明らかなように、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂの組成範囲が適正な範囲内であるサンプル３１〜サンプル３８は、さらにＮｉを含有した場合であっても優れた書き込み特性及び読み出し特性を得られることがわかった。しかしなら、Ｎｉの含有量が４５原子％であるサンプル４０は、ＴＭＲ比の低下、角形比の劣化及びＶhalfの低下を引き起こした。このことから、Ｎｉの含有量には最適な範囲が存在し、３５原子％以下であることが好ましいとわかった。また、Ｃｏ含有量が不足しているサンプル３９ではＴＭＲ比が低下していることから、強磁性層のベースとなる合金として、Ｆｅ及びＣｏの含有量が重要であるとわかった。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＲ比の向上、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の改善、ＭＲ比のバイアス電圧依存性の改善、保磁力のばらつきの改善を図ることにより、磁気メモリ装置等に用いられたときに書き込み特性及び読み出し特性を同時に満足し得る磁気抵抗効果素子を提供することが可能である。
【０１２１】
また、このような磁気抵抗効果素子を用いることにより、書き込み特性及び読み出し特性を同時に満足することが可能な磁気メモリ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したＴＭＲ素子の一例を示す要部概略断面図である。
【図２】情報記録層にＦｅ、Ｃｏ、Ｂを含有する強磁性材料を用いたＴＭＲ素子、及び情報記録層にＦｅ、Ｃｏを含有する強磁性材料を用いたＴＭＲ素子の抵抗−外部磁場曲線を示す特性図である。
【図３】本発明を適用したＴＭＲ素子の他の例であって、積層フェリ構造を有するＴＭＲ素子を示す要部概略断面図である。
【図４】本発明のＴＭＲ素子をメモリセルとして有する、クロスポイント型ＭＲＡＭアレイの要部概略斜視図である。
【図５】図４に示すメモリセルの拡大断面図である。
【図６】ＴＭＲ素子評価用のＴＥＧの平面図である。
【図７】図６中Ａ−Ａ線の断面図である。
【図８】本発明の最適な合金組成を説明するための三元系状態図である。
【符号の説明】
１ ＴＭＲ素子
２ 基板
３ 下地層
４ 反強磁性層
５ 磁化固定層
６ トンネルバリア層
７ 情報記録層
８ トップコート層
９ 強磁性トンネル接合
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子には、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。特に不揮発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術として、ますます重要度が増している。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory）等が挙げられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒オーダーと遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。
【０００４】
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、例えば「Wang et al., IEEE Trans Magn. 33 (1997), 4498」に記載されているような、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）とよばれる磁気メモリ装置である。このＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために書き換え可能回数が大である。またアクセス時間についても非常に高速であることが予想され、既にナノ秒台で動作可能であることが確認されている。
【０００５】
このＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子、特にトンネル磁気抵抗効果（Tunnel Magnetoresistance :TMR）素子は基本的に強磁性層／トンネルバリア層／強磁性層の強磁性トンネル接合で構成される。この素子では、強磁性層間に一定の電流を流した状態で強磁性層間に外部磁場を印加した場合、両磁性層の磁化の相対角度に応じて磁気抵抗効果が現れる。双方の強磁性層の磁化の向きが反平行の場合は抵抗値が最大となり、平行の場合は抵抗値が最小となる。メモリ素子としての機能は外部磁場により反平行と平行の状態を作り出すことによってもたらされる。
【０００６】
特にスピンバルブ型のＴＭＲ素子においては、一方の強磁性層が隣接する反強磁性層と反強磁性的に結合することによって磁化の向きを常に一定とされ、磁化固定層とされる。他方の強磁性層は、外部磁場等によって容易に磁化反転する情報記録層とされる。
【０００７】
この抵抗の変化率はそれぞれの磁性層のスピン分極率をＰ１、Ｐ２とすると、下記の式（１）で表される。
２Ｐ１Ｐ２／（１−Ｐ１Ｐ２） ...式（１）
【０００８】
このように、それぞれのスピン分極率が大きいほど抵抗変化率が大きくなる。強磁性層に用いる材料と、この抵抗変化率の関係についてはこれまでに、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等のＦｅ族の強磁性体元素やそれら３種類のうちの合金についての報告がなされている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＭＲＡＭの基本的な構成は、例えば特開平１０−１１６４９０号公報に開示されているように、複数のビット書き込み線と、これら複数のビット書き込み線に直交する複数のワード書き込み線とを設け、これらビット書き込み線とワード書き込み線との交点に磁気メモリ素子としてＴＭＲ素子が配されてなる。そして、このようなＭＲＡＭで記録を行う際には、アステロイド特性を利用してＴＭＲ素子に対して選択書き込みを行う。
【００１０】
ＭＲＡＭに使用されるビット書き込み線及びワード書き込み線には、通常の半導体装置の配線材料であるＣｕ、Ａｌ等の導体薄膜が使用される。このような通常の配線材料を用い、且つ０．２５μｍ線幅とされたビット書き込み線及びワード書き込み線によって例えば反転磁界が２０Ｏｅである磁気メモリ素子に対して書き込むためには、約２ｍＡの電流が必要となる。ビット書き込み線及びワード書き込み線の厚みが線幅と同じ０．２５μｍである場合、このときの電流密度は、エレクトロマイグレーションによる断線限界値に近い３．２×１０６Ａ／ｃｍ３である。したがって、配線の信頼性を維持するためには、書き込み電流の低減が不可欠である。また、書き込み電流による発熱の問題や、消費電力低減の観点からも、この書き込み電流を低減させる必要がある。
【００１１】
ＭＲＡＭにおける書き込み電流の低減を実現する手法として、ＴＭＲ素子の保磁力を低減させることが挙げられる。ＴＭＲ素子の保磁力は、ＴＭＲ素子の大きさ、形状、層構成、材料の選択等によって適宜決定されるものである。しかしながら、例えばＭＲＡＭの記録密度の向上を目的としてＴＭＲ素子を微細化した場合には、ＴＭＲ素子の保磁力が上昇するといった不都合が生じる。したがって、ＭＲＡＭの微細化（高集積化）と書き込み電流の低減とを同時に達成するためには、材料面からＴＭＲ素子の保磁力低減を達成する必要がある。
【００１２】
また、ＭＲＡＭにおいてＴＭＲ素子の磁気特性が素子毎にばらつくことや、同一素子を繰り返し測定した場合のばらつきが存在するとアステロイド特性を使用した選択書き込みが困難となるという問題点がある。したがって、ＴＭＲ素子には、理想的なアステロイド曲線を描かせるための磁気特性も求められる。理想的なアステロイド曲線を描かせるためには、ＴＭＲ測定を行った際のＲ−Ｈ（抵抗−磁場）曲線においてバルクハウゼンノイズ等のノイズがないこと、波形の角形性が良いこと、磁化状態が安定しており保磁力Ｈｃのばらつきが少ないことが必要である。
【００１３】
ところで、ＴＭＲ素子の情報読み出しは、トンネルバリア層を挟んだ一方の強磁性層と他方の強磁性層との磁気モーメントが反平行であり抵抗値が高い場合を例えば"１"、その逆に各々の磁気モーメントが平行である場合を"０"としてそれらの状態での一定バイアス電圧での差電流や一定バイアス電流での差電圧により読み出しを行う。したがって、素子間の抵抗ばらつきが同じである場合には、ＴＭＲ比が高いほど有利であり、高速で集積度が高く、エラーレートの低いメモリが実現される。
【００１４】
また、ＴＭＲ素子には抵抗変化率のバイアス電圧依存性が存在し、バイアス電圧が上昇するにつれてＴＭＲ比が減少していくことが知られている。差電流又は差電圧で読み出しを行う場合に、多くの場合に抵抗変化率がバイアス電圧依存性により半減する電圧（Ｖｈ）で読み出し信号の最大値をとることが知られているので、バイアス電圧依存性も少ない方が読み出しエラーの低減において有効である。
【００１５】
以上のように、ＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子には、上述の書き込み特性要件と読み出し特性要件とを同時に満足することが必要である。
【００１６】
しかしながら、ＴＭＲ素子の強磁性層の材料を選択する場合に、式（１）のＰ１及びＰ２で示されるスピン分極率が大きくなるような合金組成をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉの強磁性遷移金属元素のみを成分とする材料から選択すると、一般的にＴＭＲ素子の保磁力Ｈｃが増大する傾向にある。
【００１７】
例えば、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金等を情報記録層に用いた場合は、スピン分極率が大きく４０％以上の高いＴＭＲ比が確保できるが、保磁力Ｈｃも大きくなる。
【００１８】
代わりに、軟磁性材料として知られるパーマロイと呼称されるＮｉ８０Ｆｅ２０（原子％）合金等を用いた場合、保磁力Ｈｃの低減は可能であるものの、上述のＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金と比較してスピン分極率が小さいためにＴＭＲ比が３３％程度まで低下してしまう。
【００１９】
また、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（原子％）は、約３７％のＴＭＲ比を得られるとともに、保磁力Ｈｃを上述のＣｏ７５Ｆｅ２５（原子％）合金とＮｉ８０Ｆｅ２０（原子％）合金との中間程度に抑えられるが、Ｒ−Ｈ曲線の角形性が劣り、書き込みを可能とするアステロイド特性が得られない。
【００２０】
そこで本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、これまでにない新規な材料を強磁性層に適用することにより、書き込み特性及び読み出し特性を同時に向上する磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る磁気抵抗効果素子は、一対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子において、上記強磁性層のうち少なくとも一方は、ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を表す。また、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０である。また、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。）を含有する強磁性材料を含み、中間層としてトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る磁気メモリ装置は、一対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子と、上記磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、上記強磁性層のうち少なくとも一方は、ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を表す。また、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０である。また、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。）を含有する強磁性材料を含むことを特徴とする。
【００２３】
少なくとも一方の強磁性層が、強磁性材料として強磁性遷移金属元素であるＦｅ及びＣｏに加えてＢを含有することによって、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗（ＭＲ）比の向上、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の改善、ＭＲ比のバイアス電圧依存性の改善、保磁力のばらつきの改善を図ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
本発明を適用したトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子と称する。）１は、例えば図１に示すように、Ｓｉ等からなる基板２上に、下地層３と、反強磁性層４と、強磁性層である磁化固定層５と、トンネルバリア層６と、強磁性層である情報記録層７と、トップコート層８とがこの順に積層されて構成される。このＴＭＲ素子１は、一対の強磁性層である磁化固定層５と情報記録層７とでトンネルバリア層６を挟み込むことにより、強磁性トンネル接合９を形成している。ＴＭＲ素子１は、強磁性層の一方が磁化固定層５とされ、他方が情報記録層７とされたいわゆるスピンバルブ型のＴＭＲ素子である。
【００２６】
反強磁性層４は、強磁性層の一方である磁化固定層５と反強磁性的に結合することにより、書き込みのための電流磁界によっても磁化固定層５の磁化を反転させず、磁化固定層５の磁化の向きを常に一定とするための層である。すなわち、図１に示すＴＭＲ素子１においては、他方の強磁性層である情報記録層７だけを外部磁場等によって磁化反転させる。反強磁性層４を構成する材料としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ等を含むＭｎ合金、Ｃｏ酸化物、Ｎｉ酸化物等を使用することができる。
【００２７】
同図に示すスピンバルブ型のＴＭＲ素子１においては、磁化固定層５は、反強磁性層４と反強磁性的に結合することによって磁化の向きを一定とされる。このため、書き込みの際の電流磁界によっても磁化固定層５の磁化は反転しない。
【００２８】
トンネルバリア層６は、スパッタリング法や蒸着法等によって成膜された金属膜を、酸化又は窒化することにより得ることができる。また、トンネルバリア層６は、有機金属と、酸素、オゾン、窒素、ハロゲン、ハロゲン化ガス等とを用いるＣＶＤ法によって得ることもできる。
【００２９】
そして本発明では、強磁性トンネル接合９のうち強磁性層である磁化固定層５、情報記録層７の少なくとも一方が、強磁性材料として強磁性遷移金属元素であるＦｅ及びＣｏとともにＢを含有する。強磁性遷移金属元素のみで強磁性層を構成した従来のＴＭＲ素子では、スピン分極率を高めると保磁力も増大するといった不都合を伴うが、本発明ではこのような強磁性材料を含有することによってスピン分極率の向上と保磁力の低減とを両立し、ＴＭＲ比の向上及び書き込み電流の低減を実現できる。しかも、本発明では、高いＴＭＲ比と低い保磁力とを両立しつつ、Ｒ−Ｈ曲線の角形性を損なうことがない。また、Ｂを含有することによって、バイアス電圧依存性の改善も可能となる。
【００３０】
ここで、情報記録層が強磁性材料として本発明の範囲内である（Ｃｏ９０Ｆｅ１０）８０Ｂ１０を含有するＴＭＲ素子と、情報記録層が強磁性材料としてＣｏ９０Ｆｅ１０を含有するＴＭＲ素子とをそれぞれ実際に作製し、これらについて抵抗−外部磁場曲線を測定した結果を図２に示す。図２から明らかなように、情報記録層が強磁性材料としてＦｅ、Ｃｏ、Ｂを含有するＴＭＲ素子では、Ｆｅ及びＣｏのみを含有するＴＭＲ素子に比べて、ＴＭＲ比を高く維持しつつ保磁力Ｈｃを低減することが可能であった。また、Ｒ−Ｈループの角形性が向上するとともにバルクハウゼンノイズも低減された。したがって、本発明によれば、書き込み電流の低減が可能となるばかりでなく、アステロイド曲線の形状も改善されて書き込み特性が向上し、書き込みエラーの低減を図ることが可能となる。
【００３１】
このような効果が現れる原因は明確ではないが、Ｂを含有する強磁性層では、微視的な構造が通常の金属組織から微結晶又はアモルファス組織へと組織形態が変化するためと考えられる。ただし、単に微視的な構造がアモルファスであればＴＭＲ特性が改善するというわけではなく、強磁性層が上述の元素を含有し、また、後述する組成範囲を満足することが重要である。
【００３２】
ところで、強磁性層が含有するＦｅ、Ｃｏ、Ｂの合金組成には最適範囲が存在し、磁性層のうち少なくとも一方が含有する強磁性材料は、不可避な不純物元素を除いて、組成式ＦｅｘＣｏｙＢｚ（式中、ｘ、ｙ及びｚは原子％を表す。）から構成され、５≦ｘ≦４５、３５≦ｙ≦８５、１０≦ｚ≦３０であることが好ましいといえる。このとき、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００である。これらの規定について以下に述べる。
【００３３】
先ず、強磁性層に添加するＢについて説明する。Ｂの添加量が１０原子％未満である場合には、ベースとなるＦｅ−Ｃｏ合金の磁気特性が大きく反映され、緩やかな改善効果が認められるのみである。したがって、１０原子％以上のＢを含有することにより、Ｆｅ、Ｃｏ等を同じ比率で含む合金と比較して、ＴＭＲ比が顕著に増大するとともに、Ｒ−Ｈ曲線の角形性が改善される。また、ＴＭＲ比のバイアス依存性も改善され、さらに情報記録層の磁化状態が安定しているため、保磁力のばらつきが小さく、Ｒ−Ｈ曲線上に見られるノイズも大幅に低減する。また、Ｂの添加量は３０原子％以下であることが好ましい。Ｂの添加量が３０原子％を上回ると、情報記録層の強磁性的な特性及び磁化固定層の固定磁界が損なわれ始める。この結果、ＴＭＲ比の低下、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の劣化及び保磁力の減少を招くおそれがある。したがって、Ｂを添加することによる本発明の効果を確実に得るためには、Ｆｅ−Ｃｏ合金の組成により若干変化するが、少なくとも一方の強磁性層は１０原子％以上、３０原子％以下のＢを含有することが好ましい。
【００３４】
次に、ベースとなる（Ｆｅ、Ｃｏ）合金について説明する。本発明の効果を顕著に得る観点では、Ｃｏは必須の元素である。具体的には、Ｂを含めた合金組成で少なくとも３５原子％のＣｏが必要である。Ｂが添加された場合の効果を促進し、しかも強磁性的な性質を保持するためである。その上でＦｅが添加されると、Ｃｏ−Ｆｅベース合金での変化と同様に、ＴＭＲ比の向上及び保磁力の増大効果が認められる。しかし、Ｆｅの含有量が４５原子％を上回ると、実際の素子寸法では保磁力が過剰に増大し、ＴＭＲ素子として不適当である。また、Ｆｅの含有量が５原子％未満であると強磁性層のスピン分極率が小さく、磁気抵抗効果素子として動作するのに充分なＴＭＲ比が得られなくなるおそれがある。したがって、Ｆｅの含有量は５原子％以上、４５原子％以下とすることが好ましい。
【００３５】
また、本発明の強磁性トンネル接合の強磁性層の少なくとも一方は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂの他にＮｉを含有していてもかまわない。強磁性層がさらにＮｉを含有する場合でも、保磁力の増大を抑えつつ良好なＴＭＲ比を維持し、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の改善効果を得られる。Ｎｉの含有量にも最適範囲が存在し、Ｎｉは０原子％以上、３５原子％以下であることが好ましい。Ｎｉの含有量が３５原子％を上回ると、保磁力が小さくなりすぎてＴＭＲ素子の動作の制御が困難となるおそれがあるためである。すなわち、強磁性層のうち少なくとも一方が含有する強磁性材料は、不可避な不純物元素を除いて、組成式ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を表す。）から構成され、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０であることが好ましい。このとき、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。
【００３６】
以上のようなＦｅ、Ｃｏ、Ｂを含有する強磁性材料は、情報記録層７、磁化固定層５の少なくとも一方に適用すればよいが、少なくとも情報記録層７、より好ましくは情報記録層７及び磁化固定層５の双方に適用させることによって、本発明の効果をより顕著に得られる。勿論、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂを含有する強磁性材料を含む強磁性層以外の強磁性層は、この種の磁気抵抗効果素子に通常用いられる材料をいずれも使用可能である。
【００３７】
また、例えば上述の材料を情報記録層７に適用する場合、情報記録層７の膜厚は１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であることが好ましく、この範囲内であることによって良好な磁気特性を確保できる。情報記録層７の膜厚が１ｎｍ未満である場合には磁気特性が大幅に損なわれ、逆に情報記録層７の膜厚が１０ｎｍを上回る場合にはＴＭＲ素子の保磁力が過剰に高くなるので実用上不適当となるおそれがあるためである。ただし、情報記録層７が上述の元素を含む材料からなる層の単層ではなく、例えば上述の元素を含む材料からなる層と、例えば磁化量の小さなＮｉＦｅ層等との積層構造である場合には、情報記録層７の膜厚の合計は１０ｎｍを上回ってもかまわない。
【００３８】
また、上述の材料を磁化固定層５に適用する場合、磁化固定層５の膜厚は０．５ｎｍ以上、６ｎｍ以下であることが好ましく、この範囲内であることによって本発明の効果をより確実に得られる。磁化固定層５の膜厚が０．５ｎｍ未満である場合には磁気特性が損なわれ、逆に磁化固定層の膜厚が６ｎｍを上回る場合には反強磁性層４との交換結合磁界を充分に得られなくなるおそれがある。
【００３９】
なお、本発明のＴＭＲ素子としては、図１に示すような磁化固定層５及び情報記録層７のそれぞれが単層から構成される場合に限定されない。例えば図３に示すように、磁化固定層５が、第１の磁化固定層５ａと第２の磁化固定層５ｂとで導電体層５ｃを挟み込んでなる積層フェリ構造とされる場合であっても、本発明の効果を得ることができる。図３に示すＴＭＲ素子１０では、第１の磁化固定層５ａが反強磁性層４と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第１の磁化固定層５ａは強い一方向の磁気異方性を持つ。積層フェリ構造の導電体層５ｃに用いられる材料としては、例えばＲｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ等が挙げられる。図３のＴＭＲ素子１０の他の層については、図１に示すＴＭＲ素子１とほぼ同様の構成であるため、図１と同じ符号を付し詳細な説明を省略する。
【００４０】
また、本発明のＴＭＲ素子は、図１及び図３に示す層構成に限定されず、公知の様々な層構成をとりうることは勿論である。
【００４１】
さらに、本発明は、一対の強磁性層が非磁性導体層を挟んでなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成のスピンバルブ型磁気抵抗効果素子に適用した場合であっても上述の効果を得ることができる。
【００４２】
上述のようなＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子は、例えばＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置に用いられて好適である。以下、本発明のＴＭＲ素子を用いたＭＲＡＭについて、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００４３】
本発明のＴＭＲ素子を有するクロスポイント型のＭＲＡＭアレイを、図４に示す。同図に示すＭＲＡＭアレイは、複数のワード線ＷＬと、これらワード線ＷＬと直交する複数のビット線ＢＬとを有し、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交点に本発明のＴＭＲ素子が配置されてなるメモリセル１１とを有する。すなわち、このＭＲＡＭアレイでは、３×３のメモリセル１１がマトリクス状に配列される。勿論、ＭＲＡＭアレイに用いられるＴＭＲ素子としては、図１に示すＴＭＲ素子に限定されず、積層フェリ構造を有する図３に示すＴＭＲ素子１０等、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子において強磁性層のうち少なくとも一方が上述の強磁性材料を含んでいるのであればいかなる構成であってもかまわない。
【００４４】
各メモリセル１１は、図５に示すように、例えばシリコン基板１２上に、ゲート電極１３、ソース領域１４及びドレイン領域１５からなるトランジスタ１６を有する。ゲート電極１３は、読み出し用のワード線ＷＬ１を構成している。ゲート電極１３上には、絶縁層を介して書き込み用のワード線ＷＬ２が形成されている。トランジスタ１６のドレイン領域１５にはコンタクトメタル１７が接続され、さらにコンタクトメタル１７には下地層１８が接続されている。この下地層１８上の書き込み用のワード線ＷＬ２の上方に対応する位置に、本発明のＴＭＲ素子１が形成されている。このＴＭＲ素子１上に、ワード線ＷＬ１及びＷＬ２と直交するビット線ＢＬが形成されている。
【００４５】
本発明を適用したＭＲＡＭは、先に述べたように、強磁性トンネル接合を構成する強磁性層のいずれか一方が特定の元素を含有するＴＭＲ素子１を用いているので、ＴＭＲ出力に極めて優れ、メモリ動作の安定性が飛躍的に向上する。また、本発明のＭＲＡＭは、ＴＭＲ比のバイアス電圧依存特性が向上したＴＭＲ素子１を用いているので、読み出し時に低抵抗状態と高抵抗状態との判別が容易となり、エラーレートが低減する。さらに、Ｒ−Ｈ曲線においてノイズが低減し、アステロイド特性が向上するので書き込みエラーの低減が図られる。以上まとめると、本発明のＭＲＡＭは、読み出し特性及び書き込み特性を同時に満足することができる。
【００４６】
なお、本発明のＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子は、先に述べた磁気メモリ装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパソコン、携帯端末、携帯電話をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【００４７】
また、本発明は上述の記載に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。なお、図４及び図５を用いて説明したように、ＭＲＡＭにはＴＭＲ素子以外にスイッチング用のトランジスタ等が存在するが、本実施例ではＴＭＲ特性を調べるために図６及び図７に示すような強磁性トンネル接合のみを形成したウェハにより検討を行った。
【００４９】
実験１
先ず、強磁性トンネル接合の強磁性層のいずれか一方がＦｅ、Ｃｏ及びＢを含むことによる効果、並びに強磁性層の組成の最適範囲について検討した。
【００５０】
＜サンプル１＞
図６及び図７に示すように、本実施例で用いる特性評価用素子（Test Element Group :TEG）は、基板２１上に、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとが直交して配され、これらワード線ＷＬとビット線ＢＬとの交差する部分に磁気抵抗効果素子２２が形成されている。ここで形成される磁気抵抗効果素子２２は、短軸０．５μｍ×長軸１．０μｍの楕円形状を呈する。また、ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬの両端には、それぞれ端子パッド２３，２４が形成されている。また、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとは、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁膜２５によって電気的に絶縁される。
【００５１】
このようなＴＥＧは、以下のようにして作製される。先ず、基板２１上にワード線材料を成膜し、フォトリソグラフィによってマスクした後にワード線以外の部分をＡｒプラズマにより選択的にエッチングし、ワード線を形成した。このとき、ワード線以外の領域は、基板の深さ５ｎｍまでエッチングされた。基板としては、厚み０．６ｍｍの熱酸化膜（２μｍ）付きシリコン基板を用いた。
【００５２】
次に、ワード線ＷＬに下記の層構成（１）からなる強磁性トンネル接合、つまりＴＭＲ素子を、公知のリソグラフィ法及びエッチングにより作製した。括弧内は膜厚を示す。
【００５３】
Ｔａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１００ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）−Ｏｘ／ＦｅＣｏＢ（４ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）
【００５４】
上記の層構成のうち、情報記録層を構成するＦｅＣｏＢの組成を、Ｆｅ９Ｃｏ８１Ｂ１０（原子％）とした。また、情報記録層以外のＣｏＦｅからなる層の組成を、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（原子％）とした。
【００５５】
トンネルバリア層であるＡｌ−Ｏｘ層は、先ず金属Ａｌ膜をＤＣスパッタ法により１ｎｍ堆積させ、その後に、酸素／アルゴンの流量比を１：１とし、チャンバーガス圧を０．１ｍＴｏｒｒとし、ＩＣＰプラズマにより金属Ａｌ膜をプラズマ酸化することにより形成された。酸化時間はＩＣＰプラズマ出力に依存するが、今回の実施例では３０秒とした。
【００５６】
また、トンネルバリア層であるＡｌ−Ｏｘ層以外は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
【００５７】
上記の膜を積層した後、磁場中熱処理炉にて、１０ｋＯｅ、２７０℃、４時間の熱処理を行い、反強磁性層であるＰｔＭｎ層の規則化熱処理を行い、強磁性トンネル接合を得た。
【００５８】
上記のような強磁性トンネル接合の作製後、Ａｌ２Ｏ３をスパッタすることにより厚さ１００ｎｍ程度の絶縁層２５を成膜し、さらにフォトリソグラフィによりビット線ＢＬ及び端子パッド２４を形成することで、図６及び図７に示すＴＥＧを得た。
【００５９】
＜サンプル２＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６０】
＜サンプル３＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ７Ｃｏ６３Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６１】
＜サンプル４＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ２２．５Ｃｏ６７．５Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６２】
＜サンプル５＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６３】
＜サンプル６＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ１７．５Ｃｏ５２．５Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６４】
＜サンプル７＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ３６Ｃｏ５４Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６５】
＜サンプル８＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ３２Ｃｏ４８Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６６】
＜サンプル９＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ２８Ｃｏ４２Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６７】
＜サンプル１０＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ２５Ｃｏ７５（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６８】
＜サンプル１１＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ１０Ｃｏ８２Ｂ８（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００６９】
＜サンプル１２＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ５０Ｃｏ４３Ｂ７（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７０】
＜サンプル１３＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｃｏ９５Ｂ５（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７１】
＜サンプル１４＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ１０Ｃｏ５５Ｂ３５（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７２】
＜サンプル１５＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ３０Ｃｏ３５Ｂ３５（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７３】
＜サンプル１６＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ４０Ｃｏ３０Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７４】
＜サンプル１７＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成を、Ｆｅ５０Ｃｏ３０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００７５】
以上のように作製されたサンプル１〜サンプル１７のＴＥＧについて、下記のようにしてＴＭＲ比、保磁力Ｈｃのばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性を測定した。
【００７６】
ＴＭＲ比の測定
通常のＭＲＡＭ等の磁気メモリ装置では、電流磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化反転させて情報を書き込むが、本実施例では、外部磁界によって磁気抵抗効果素子を磁化反転させることにより、ＴＭＲ比の測定を行った。すなわち、先ず、ＴＭＲ素子の情報記録層を磁化反転させるための外部磁界を、情報記録層の磁化容易軸に対して平行となるように印加した。測定のための外部磁界の大きさは、５００Ｏｅとした。次に、情報記録層の磁化容易軸の一方から見て−５００Ｏｅから＋５００Ｏｅまで掃引するのと同時に、ワード線ＷＬの端子パッド２３とビット線ＢＬの端子パッド２４とにかかるバイアス電圧が１００ｍＶとなるように調節して、強磁性トンネル接合にトンネル電流を流した。このときの、各外部磁界に対する抵抗値を測定した。そして、磁化固定層と情報記録層との磁化が反平行の状態であって抵抗が高い状態での抵抗値と、磁化固定層と情報記録層との磁化が平衡の状態であって抵抗が低い状態での抵抗値の比を、ＴＭＲ比とした。なお、良好な読み出し特性を得るといった観点から、このＴＭＲ比は、４５％以上であることが好ましい。
【００７７】
保磁力Ｈｃのばらつきの測定
保磁力（Ｈｃ）は、上記のＴＭＲ比の測定法から求められるＲ−Ｈ曲線から求めた。そして、同一素子に対してＲ−Ｈ曲線を５０回繰り返し測定し、最大抵抗値と最小抵抗値との半分の値に対し、保磁力（Ｈｃ）のばらつきを求めた。ばらつき値は、ΔＨｃ／Ｈｃ平均値として算出した。なお、書き込み特性の向上を図るといった観点から、保磁力（Ｈｃ）のばらつきは４％以下であることが好ましい。
【００７８】
角形比の測定
Ｒ−Ｈ曲線から波形の角形比を求めた。すなわち、測定時の−５００Ｏｅから＋５００Ｏｅまでの磁場範囲でのＲ−Ｈ曲線のＲ１ｍａｘ−Ｒ１ｍｉｎとゼロ磁場（Ｈ＝０）でのＲ２ｍａｘ−Ｒ２ｍｉｎの比、（Ｒ２ｍａｘ−Ｒ２ｍｉｎ）／（Ｒ１ｍａｘ−Ｒ１ｍｉｎ）の値を示す。角形比は、書き込み特性の向上を図るといった観点から、０．９以上であることが好ましい。
【００７９】
バイアス電圧依存性の測定
バイアス電圧を１００ｍＶから１０００ｍＶまで１０ｍＶ刻みに変化させながらＲ−Ｈ曲線の測定を行い、ＴＭＲ比を求め、バイアス電圧に対してプロットした。そして、外挿された０ｍＶでのＴＭＲ比に対して、半分になるバイアス電圧を求め、これをＶhalfとした。Ｖhalfは、５５０ｍＶ以上であることが好ましい。
【００８０】
以上のサンプル１〜サンプル１７の情報記録層の組成及び膜厚を、下記の表１に示す。また、以上のように求められたＴＭＲ比、保磁力Ｈｃのばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性の結果を下記表２に示す。
【００８１】
【表１】
【表２】
以上の表１及び表２から明らかなように、磁化固定層及び情報記録層のいずれにおいてもＢを含有しないサンプル１０は、例えば情報記録層にＢを僅かに含むサンプル１１〜サンプル１３がバイアス電圧依存性Ｖhalfに限っては良好な値を示したのに対して、ＴＭＲ比、保磁力（Ｈｃ）のばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性Ｖhalfのいずれにおいても劣っていた。このことから、強磁性トンネル接合の少なくとも一方の強磁性層がＦｅ、ＣｏとともにＢを含有することにより、書き込み特性の改善効果が得られることがわかる。
【００８４】
また、本発明の合金組成の範囲内であるサンプル１〜サンプル９は、４５％以上のＴＭＲ比が得られ、角形比が０．９以上と優れたＴＭＲ特性を示した。また、サンプル１〜サンプル９は、保磁力（Ｈｃ）のばらつきが４％以下に抑制されており、磁気的に非常に安定した状態といえる。さらに、サンプル１〜サンプル９は、Ｖhalfが５５０ｍＶ以上の高い値を示しているので、ＭＲＡＭとしての動作時において０／１の差電圧が大きくなる。したがって、サンプル１〜サンプル９は、書き込み特性及び読み出し特性の双方に優れ、書き込み及び読み出しのいずれにおいてもエラーの非常に小さなＭＲＡＭを実現することができる。これに対して、本発明の組成の範囲外であるサンプル１０〜サンプル１７は、ＴＭＲ比、保磁力（Ｈｃ）のばらつき、角形比及びＶhalfに劣り、書き込み特性及び読み出し特性が不十分なものであるとわかる。
【００８５】
図８は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂの三元系状態図であり、上述のサンプル１〜サンプル１７をプロットしたものである。同図中の数値はサンプル番号を表す。図８の斜線で示す領域は、本願の組成範囲、すなわちＦｅが５原子％以上４５原子％以下、Ｃｏが３５原子％以上８５原子％以下、Ｂが１０原子％以上３０原子％以下の組成範囲であり、サンプル１〜サンプル９はこの範囲内におさまる。
【００８６】
以上のことから、強磁性トンネル接合のうちいずれか一方の強磁性層が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＢを含有し、Ｆｅが５原子％以上４５原子％以下、Ｃｏが３５原子％以上８５原子％以下、Ｂが１０原子％以上３０原子％以下であることが好ましいとわかった。
【００８７】
実験２
次に、強磁性トンネル接合の層構成を変化させた上で、情報記録層の最適な膜厚範囲について検討した。
【００８８】
＜サンプル１８＞
強磁性トンネル接合の層構成を下記のような層構成（２）とするとともに、磁化固定層及び情報記録層の組成を変化させたこと以外は、サンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。すなわち、このサンプル１８では、磁化固定層の組成を、本発明の組成範囲内であるＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）とした。また、このサンプル１８の情報記録層の組成を、Ｆｅ４５Ｃｏ４５Ｂ２０（原子％）とした。さらに、このサンプル１８においては、サンプル１〜サンプル１７とは異なり、情報記録層の膜厚を５ｎｍとした。
Ｔａ（３ｎｍ）／Ｃｕ（１００ｎｍ）／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／Ａｌ（１ｎｍ）−Ｏｘ／ＦｅＣｏＢ（５ｎｍ）／Ｔａ（５ｎｍ）
【００８９】
＜サンプル１９＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ４０Ｃｏ４０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９０】
＜サンプル２０＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ３５Ｃｏ３５Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９１】
＜サンプル２１＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）とし、さらに情報記録層の膜厚を２．５ｎｍとしたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９２】
＜サンプル２２＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９３】
＜サンプル２３＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ３２Ｃｏ４８Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９４】
＜サンプル２４＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ４０Ｃｏ４０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２１と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９５】
＜サンプル２５＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）とし、さらに情報記録層の膜厚を１．８ｎｍとしたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９６】
＜サンプル２６＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ２０Ｃｏ６０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２５と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９７】
＜サンプル２７＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ３２Ｃｏ４８Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２５と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９８】
＜サンプル２８＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ９Ｃｏ８１Ｂ１０（原子％）とし、さらに情報記録層の膜厚を１０．５ｎｍとしたこと以外はサンプル１８と同様にしてＴＥＧを得た。
【００９９】
＜サンプル２９＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ８Ｃｏ７２Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル２８と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１００】
＜サンプル３０＞
強磁性トンネル接合の層構成（２）のうち、情報記録層の組成をＦｅ７Ｃｏ６３Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル２８と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１０１】
以上のサンプル１８〜サンプル３０の情報記録層の組成及び膜厚を、下記の表３に示す。また、以上のように求められたＴＭＲ比、保磁力Ｈｃのばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性の結果を下記表４に示す。
【０１０２】
【表３】
【表４】
以上の表３及び表４から明らかなように、情報記録層の膜厚が１．８ｎｍであるサンプル２５〜サンプル２７及び情報記録層の膜厚が１０．５ｎｍであるサンプル２８〜サンプル３０は、サンプル１８〜サンプル２４に比べて、各特性のいずれかが若干劣るものであった。したがって、情報記録層の膜厚には最適範囲が存在し、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、特に２．５ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましいとわかった。
【０１０５】
実験３
次に、強磁性トンネル接合を構成する強磁性層のいずれか一方が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂの他にさらにＮｉを含有する場合について検討する。
【０１０６】
＜サンプル３１＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ２０Ｃｏ３５Ｎｉ３５Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１０７】
＜サンプル３２＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１０Ｃｏ３５Ｎｉ３５Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１０８】
＜サンプル３３＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ７Ｃｏ３５Ｎｉ２８Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１０９】
＜サンプル３４＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１５Ｃｏ５０Ｎｉ２５Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１０】
＜サンプル３５＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１５Ｃｏ４０Ｎｉ２５Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１１】
＜サンプル３６＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１０Ｃｏ３５Ｎｉ２５Ｂ３０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１２】
＜サンプル３７＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１０Ｃｏ３５Ｎｉ３５Ｂ２０（原子％）とし、情報記録層の膜厚を２．５ｎｍとしたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１３】
＜サンプル３８＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ１５Ｃｏ４０Ｎｉ２５Ｂ２０（原子％）とし、情報記録層の膜厚を２．５ｎｍとしたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１４】
＜サンプル３９＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ２０Ｃｏ３０Ｎｉ３０Ｂ２０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１５】
＜サンプル４０＞
強磁性トンネル接合の層構成（１）のうち、情報記録層の組成をＦｅ５Ｃｏ４０Ｎｉ４５Ｂ１０（原子％）としたこと以外はサンプル１と同様にしてＴＥＧを得た。
【０１１６】
以上のサンプル３１〜サンプル４０の情報記録層の組成及び膜厚を、下記の表５に示す。また、以上のように求められたＴＭＲ比、保磁力Ｈｃのばらつき、角形比及びバイアス電圧依存性の結果を下記表６に示す。
【０１１７】
【表５】
【表６】
以上の表５及び表６から明らかなように、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｂの組成範囲が適正な範囲内であるサンプル３１〜サンプル３８は、さらにＮｉを含有した場合であっても優れた書き込み特性及び読み出し特性を得られることがわかった。しかしなら、Ｎｉの含有量が４５原子％であるサンプル４０は、ＴＭＲ比の低下、角形比の劣化及びＶhalfの低下を引き起こした。このことから、Ｎｉの含有量には最適な範囲が存在し、３５原子％以下であることが好ましいとわかった。また、Ｃｏ含有量が不足しているサンプル３９ではＴＭＲ比が低下していることから、強磁性層のベースとなる合金として、Ｆｅ及びＣｏの含有量が重要であるとわかった。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＲ比の向上、Ｒ−Ｈ曲線の角形性の改善、ＭＲ比のバイアス電圧依存性の改善、保磁力のばらつきの改善を図ることにより、磁気メモリ装置等に用いられたときに書き込み特性及び読み出し特性を同時に満足し得る磁気抵抗効果素子を提供することが可能である。
【０１２１】
また、このような磁気抵抗効果素子を用いることにより、書き込み特性及び読み出し特性を同時に満足することが可能な磁気メモリ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したＴＭＲ素子の一例を示す要部概略断面図である。
【図２】情報記録層にＦｅ、Ｃｏ、Ｂを含有する強磁性材料を用いたＴＭＲ素子、及び情報記録層にＦｅ、Ｃｏを含有する強磁性材料を用いたＴＭＲ素子の抵抗−外部磁場曲線を示す特性図である。
【図３】本発明を適用したＴＭＲ素子の他の例であって、積層フェリ構造を有するＴＭＲ素子を示す要部概略断面図である。
【図４】本発明のＴＭＲ素子をメモリセルとして有する、クロスポイント型ＭＲＡＭアレイの要部概略斜視図である。
【図５】図４に示すメモリセルの拡大断面図である。
【図６】ＴＭＲ素子評価用のＴＥＧの平面図である。
【図７】図６中Ａ−Ａ線の断面図である。
【図８】本発明の最適な合金組成を説明するための三元系状態図である。
【符号の説明】
１ ＴＭＲ素子
２ 基板
３ 下地層
４ 反強磁性層
５ 磁化固定層
６ トンネルバリア層
７ 情報記録層
８ トップコート層
９ 強磁性トンネル接合
Claims (9)
- 一対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子において、
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を表す。また、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０である。また、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。）を含有する強磁性材料を含み、
上記中間層としてトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子である
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 上記強磁性材料はアモルファスであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 上記強磁性層のうち一方が磁化固定層であり、他方が情報記録層であるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 積層フェリ構造を有することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
- 一対の強磁性層が中間層を介して対向されてなり、膜面に対して垂直に電流を流すことによって磁気抵抗変化を得る構成の磁気抵抗効果素子と、
上記磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むワード線及びビット線とを備え、
上記強磁性層のうち少なくとも一方は、ＦｅａＣｏｂＮｉｃＢｄ（式中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは原子％を表す。また、５≦ａ≦４５、３５≦ｂ≦８５、０＜ｃ≦３５、１０≦ｄ≦３０である。また、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１００である。）を含有する強磁性材料を含むことを特徴とする磁気メモリ装置。 - 上記強磁性材料はアモルファスであることを特徴とする請求項５記載の磁気メモリ装置。
- 上記磁気抵抗効果素子は、上記中間層としてトンネルバリア層を用いたトンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項５記載の磁気メモリ装置。
- 上記磁気抵抗効果素子は、上記強磁性層のうち一方が磁化固定層であり、他方が情報記録層であるスピンバルブ型磁気抵抗効果素子であることを特徴とする請求項５記載の磁気メモリ装置。
- 積層フェリ構造を有することを特徴とする請求項５記載の磁気メモリ装置。
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