JPWO2017010549A1 - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents

磁気抵抗効果素子および磁気メモリ Download PDF

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Abstract

微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現する。磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２５）と、第１の磁性層（２５）に隣接して設けられる第１の非磁性層（１３）と、第１の磁性層（２５）の第１の非磁性層（１３）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（１２）とを備え、第１の磁性層（２５）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含み、第１の非磁性層（１３）との界面に界面磁気異方性エネルギー密度（Ki）を増大させる機能を有し、第２の磁性層（１２）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含み、第１の磁性層（２５）の飽和磁化（Ms）よりも低い飽和磁化である、磁気抵抗効果素子及び当該磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリを提供することができる。

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。
図１４に示すように、従来の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）の磁気メモリセル（１０５）は、磁気抵抗効果素子（１１０）と選択トランジスタ（１０９）とが直列に電気的に接続された構造を有している。選択トランジスタ（１０９）のソース電極はソース線（１０２）に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子（１１０）を介してビット線（１０４）に、ゲート電極はワード線（１０３）にそれぞれ電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子（１１０）は、第６の磁性層（１１１）（参照層）と第１の磁性層（１１２）との間に第１の非磁性層（１１３）が挟まれた３層構造を基本としている。磁気抵抗効果素子（１１０）の抵抗値は、第６の磁性層（１１１）（参照層）の磁化と第１の磁性層（１１２）の磁化とが平行配置の場合に小さくなり、反平行配置の場合に大きくなる。ＭＲＡＭのメモリセルでは、この２つの抵抗状態をビット情報「０」「１」に割り当てている。
ＭＲＡＭは、高集積化のために、年々、磁気抵抗効果素子（１１０）が微細化されている。磁気抵抗効果素子（１１０）の第６の磁性層（１１１）（参照層）および第１の磁性層（１１２）は共に、微細化すると磁化が熱擾乱し、ビット情報が消失してしまうことが懸念される。そこで、微細化してもビット情報を保持するために、記録層となる第１の磁性層（１１２）は７０以上の熱安定性指数（Ｅ／ｋBＴ）を有し、参照層となる第６の磁性層（１１１）（参照層）は第１の磁性層（１１２）よりも大きな熱安定性指数（Ｅ／ｋBＴ）を有することが必要である。ここで、Ｅは、磁化反転に要するエネルギー障壁であり、第６の磁性層（１１１）（参照層）もしくは第１の磁性層１１２の磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと体積Ｖとの積（Ｅ＝ＫeffＶ）である。また、ｋBはボルツマン係数、Ｔは絶対温度である。
高い熱安定性指数Ｅ／ｋBＴを得るためには、第６の磁性層（１１１）（参照層）もしくは第１の磁性層（１１２）の実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffを増加させる必要がある。この観点から、第６の磁性層（１１１）（参照層）もしくは第１の磁性層（１１２）が垂直磁化容易軸を有する垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子が注目されている。このような垂直磁気異方性電極として、希土類基アモルファス合金、Ｌ１0−規則系（Ｃｏ、Ｆｅ）−Ｐｔ合金、Ｃｏ／（Ｐｄ、Ｐｔ）多層膜等が研究されている（例えば、非特許文献１、２または３参照）。
また、本発明者等により、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造において、ＣｏＦｅＢの薄層化により垂直磁気異方性が発現することが見出され（例えば、特許文献１参照）、このＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ積層構造を垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子に適用することにより、記録層の第１の磁性層（１１２）において、接合サイズ直径４０ｎｍで、Ｅ／ｋBＴ≒４０が得られている（例えば、非特許文献４参照）。さらに、熱安定性の向上を目指し、２重ＣｏＦｅＢ/ＭｇＯ界面記録層構造にして記録層の磁性層を厚くすることにより、記録層の第１の磁性層１１２において、接合サイズ直径４０ｎｍ台のとき、Ｅ／ｋBＴが８０以上、接合サイズ直径２９ｎｍのとき、Ｅ／ｋBＴ≒５９が得られている（例えば、非特許文献６参照）。
ここで、磁性層の接合サイズとは、隣り合う非磁性層や電極と接する接合面上で、最も長い直線の長さである。非特許文献４および５では、磁性層が円柱形状を成し、接合面が円形であるため、接合サイズは接合面の直径となる。接合面が直径の場合の接合サイズを接合サイズ直径という。
なお、図１５（ａ）に示すように、非特許文献４に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子は、第６の磁性層（１１１）（参照層）と第１の磁性層（１１２）との間に第１の非磁性層（１１３）が挟まれた３層構造に、下部非磁性電極（１１４）と上部非磁性電極（１１５）とを接続した基本構造を有している。
また、図１５（ｂ）に示すように、非特許文献５に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子は、非磁性層（１１３）上の第１の磁性層（１１２）に第３の非磁性層（１１６）を積層し、その上に第３の磁性層（１１７）を積層し、第３の磁性層（１１７）の上に、第３の磁性層（１１７）との間に界面磁気異方性が発生する第２の非磁性層（１１８）を積層した５層構造を有している。非特許文献５には、この５層構造を用いることで、熱安定性を向上できることが記載されている。第１の磁性層（１１２）と第３の磁性層（１１７）は第３の非磁性層（１１６）を介して磁気的結合し記録層（１１９）として機能する。
図１５（ｃ）において、第６の磁性層（１１１）（参照層）からの漏れ磁束が記録層（１１９）に影響し、第６の磁性層（１１１）（参照層）と記録層（１１９）の反平行磁化配列の熱安定性を低下させてしまう。そこで、非特許文献７に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子は、第６の磁性層（１１１）（参照層）と第７の磁性層（１２０）が第4の非磁性層（１２１）を介して強磁性的に結合し、その部分と第８の磁性層（１２２）とが第５の非磁性層（１２３）を介して反平行に配列させた第１の参照層（１２４）を有する。この反平行結合参照層にすることで、第１の参照層（１２４）から第１の記録層（１１９）に加わる漏れ磁束を低減でき、第６の磁性層（１１１）（参照層）と第１の記録層（１１９）の反平行磁化配列の熱安定性を改善することができる。
N. Nishimura, T. Hirai, A. Koganei, T. Ikeda, K. Okano, Y. Sekiguchi, and Y. Osada, ''Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory'', J. Appl. Phys. 2002, 91, 5246 G. Kim, Y. Sakuraba, M. Oogane, Y. Ando and T. Miyazaki, ''Tunneling magnetoresistance of magnetic tunnel junctions using perpendicular magnetization electrodes'', Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 172502 K. Mizunuma, S. Ikeda, J. H. Park, H. Yamamoto, H. D. Gan, K. Miura, H. Hasegawa, J. Hayakawa, F. Matsukura and H. Ohno, ''MgO barrier-perpendicular magnetic tunnel junctions with CoFe/Pd multilayers and ferromagnetic insertion layers'', Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 232516. S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan, M. Endo, S. Kanai, F. Matsukura, and H. Ohno, ''A perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction'', Nature Mater., 2010, 9, 721 H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H.Ohno, ''Perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junctions with a MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure'', Appl. Phys. Lett. 2012, 101, 022414. H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H. Ohno, ''MgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgO recording structure in magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis'', IEEE Trans. Magn., 2013, 49, 4437 H. Sato, T. Yamamoto, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, K.Kinoshita, F. Matsukura, N. Kasai, and H. Ohno, ''Comprehensive study of CoFeB-MgO magnetic tunnel junction characteristics with single- and double-interface scaling down to 1X nm'', Tech. Dig. -Int. Electron Devices Meet. 2013, 3.2.1. S. Ikeda, R. Koizumi, H. Sato, M. Yamanouchi, K. Miura, K. Mizunuma, H. D. Gan, F. Matsukura , and H. Ohno, ''Boron Composition Dependence of Magnetic Anisotropy and Tunnel Magnetoresistance in MgO/CoFe(B) Based Stack Structures'', IEEE Trans. Magn., 2012, 48, 3829
特開２０１１−２５８５９６号公報
微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現するためには、記録されたビット情報を１０年間保持する不揮発性が必要である。そのためには、記録層となる磁性層は、熱安定性指数７０以上の熱安定性を有する必要がある。非特許文献４に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子では、記録層の接合サイズ直径４０ｎｍで熱安定性指数が約４０であり、熱安定性指数が７０以下である。また、非特許文献５に記載の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子では、記録層の接合サイズ直径４０ｎｍ台のとき、熱安定性指数が８０以上になっているが、接合サイズ直径２９ｎｍのとき、熱安定性指数が約５９で熱安定性指数７０以下である。さらに、非特許文献７に記載の反平行結合した参照層を用いた垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子では、記録層の接合サイズ直径３０ｎｍ台のとき、熱安定性指数が９０以上になっているが、接合サイズ直径２０ｎｍのとき、熱安定性指数が約５８で熱安定性指数７０以下である。微細化により高集積化された大容量の磁気メモリを実現するためには、微細な接合サイズで記録層の熱安定性をさらに向上させる必要があるという課題があった。
また、微細化により高集積化した大容量の磁気メモリに応用される垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子の、磁性層と非磁性層の接合面に要求される特性（高いトンネル磁気抵抗（TMR）比、低い書込み電流Ico及び高い熱安定性）のうち、書込み電流Icoはダンピング定数αにより決まるため、ダンピング定数αは0.01以下にする必要があるという課題があった。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、微細な接合サイズであっても熱安定性指数７０以上の熱安定性を有する磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを目的とする。
また、微細な接合サイズであってもダンピング定数α0.01以下、界面磁気異方性エネルギー密度2.6 mJ/m2以上の磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを目的とする。
磁気抵抗効果素子の高い熱安定性を実現するために、本発明者等は、以下の原理に基づいて検討を行った。すなわち、磁気抵抗効果素子のビット情報の保持性能を決める、記録層として機能する強磁性層の熱安定性指数Ｅ／ｋBＴにおいて、エネルギー障壁Ｅは、実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと記録層の体積Ｖ(面積S×記録層厚t)との積で表される。ここで、ｘ軸，ｙ軸を平面内、ｚ軸をその平面に垂直な面直方向にとった座標において、実効磁気異方性エネルギー密度Ｋeffと記録層厚tの積は、以下の（数１）の式のように表される。
Figure 2017010549
 ここで、Ｋbは結晶磁気異方性や磁気弾性効果に由来するバルク磁気異方性エネルギー密度、ＮzおよびＮxはそれぞれｚ軸およびｘ軸の反磁界係数、MSは記録層の飽和磁化、μ0は真空の透磁率、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度である。なお、Ｎxはｙ軸の反磁界係数Ｎyと等しいとする。ＮzおよびＮxは記録層が円筒形の場合に厳密に求めることは難しく、楕円近似により数値計算により求めることができる。Ｋeff tは、正符号の時に面直方向に磁化容易軸となる。
非特許文献７に記載されているように、CoFe(B)／MgO接合においては、界面磁気異方性エネルギー密度KiをCoFeBとMgOの界面に誘起させ、垂直磁気異方性（Ｋeff＞０）を得ることができる。しかしながら、界面磁気異方性エネルギー密度Kiを得るためにMgOと接する強磁性層としてCoFeBを用いる場合、Bを含まないCoFeよりも界面磁気異方性エネルギー密度Kiが低くなってしまう。一方、Bを含まないCoFeとMgOが接することで高い界面磁気異方性エネルギー密度Kiが得られるものの、CoFeはCoFeBに比べ飽和磁化Msが高いために反磁界(−(Nz-Nx)Ms/2μ0)が大きく、面内磁気異方性（Keff<0）となってしまい垂直磁気異方性は得られない。
また、垂直磁気異方性磁気トンネル接合(p-MTJ)におけるスピン注入磁化反転の書込み電流IC0と熱安定性指数Δ（＝Ｅ／ｋBＴ）については以下の数式の関係が知られている。

Figure 2017010549
Figure 2017010549
Figure 2017010549
ここで、高い熱安定指数Δを維持し、低い書込み電流Icoを実現するためには、高いKefftかつ低いダンピング定数αの記録層にする必要がある。また、ダンピング定数αとKefftの関係については、以下のような関係がある（表１）。
Figure 2017010549
さらに、高いトンネル磁気抵抗（TMR）比を同時に満足するためには障壁層をMgOとするMTJ（磁気トンネル接合）にすることが好ましい。
ダンピング定数αの上昇を抑制しつつ、高いKefftを得るためには、CoFe(B)とMgOの界面における界面磁気異方性エネルギー密度Kiを低下させないように、低Ms化を図る（飽和磁化Msを低くする）必要がある。
本発明者等は、界面磁気異方性エネルギー密度Kiを低下させないように、低Ms化を図ることができる特性を具備した記録層から成る磁気抵抗効果素子および磁気メモリを発明するに至った。
すなわち、本発明に係る磁気抵抗効果素子の記録層は、ダンピング定数αの上昇抑制のために、非磁性層との界面のみ高い界面磁気異方性エネルギー密度Kiとなる磁性材料を適用し、Kefftの増大のために非磁性層との界面以外は飽和磁化Msの低い材料を適用するものである。
本発明に係る磁気抵抗効果素子及び磁気メモリは、微細な接合サイズであってもダンピング定数αの上昇を抑制し、かつ高い熱安定性の記録層を有する磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを可能にした。
図２（ａ）はCoFe(B)/MgO積層膜の飽和磁化MsのB(0〜25at%)組成依存性である。このB組成はターゲット組成であり、膜中のBの組成は0〜33at%で変化している。B組成の減少とともに飽和磁化Msは増加することがわかる。
図２（ｂ）は、CoFe(B)とMgO間の界面で生じる界面磁気異方性エネルギー密度KiのB組成依存性であり、界面磁気異方性エネルギー密度KiはB組成の減少とともに増加する。
この結果より、KefftすなわちΔ(=KefftS/kBT)はKiと、反磁界(-Ms2/2μ0)のトレードオフの関係で決まってくる。磁化測定ではブランケット膜を測定するため反磁界係数Nz−Nx=1となる。
非特許文献４より、CoFeB/MgO単界面の界面磁気異方性エネルギー密度Kiは1.3 mJ/m2であり、２重CoFeB-MgO界面にすることで理想的には単界面の界面磁気異方性エネルギー密度Kiの2倍の2Ki=2.6 mJ/m2となる。一方、非特許文献８より、CoFe/MgO単界面の界面磁気異方性エネルギー密度Kiは1.8 mJ/m2であり、２重界面とすることで理想的には2Ki=3.6 mJ/m2となる。2重CoFe/MgO界面構造とし、中間にCoFeBを挿入し、全体の飽和磁化Msを変化させた時の式（数１）と式（数２）を用い計算した熱安定性指数E/kBT（=Δ）を図３に示す。CoFeとCoFeBの全体の記録層の厚さは2.6nmとした。MgO/CoFe/CoFeB/CoFe/MgO構造とすることで、非特許文献５から７記載の従来構造のMgO/CoFeB/Ta/CoFeB/MgOよりも高いE/kBTが得られることがわかる。表２に示すようにMgO/CoFe/CoFeB/CoFe/MgO記録層の飽和磁化Msを1.5Tとしても２０nm直径のMTJ（磁気トンネル接合）で熱安定性指数が100以上を示す。MgO/CoFe/CoFeB/CoFe/MgO構造の飽和磁化Msは、CoFeやCoFeBの組成や膜厚を変えることによって調整できる。
Figure 2017010549
非特許文献８では、CoFeの飽和磁化Msは2.3Tで、成膜時のCoFeBの飽和磁化Msは0.5Tが得られている。この飽和磁化Msが〜2.3TのCoFeと飽和磁化Msが〜0.5 TのCoFeBを使用した場合、記録層全体の飽和磁化Msを1.5T以下にするためにはCoFeBとCoFeの膜厚比ｔCoFeB/ｔCoFeを1.5以上とすればよい。界面に使用するCoFeは当然CoFeBよりもBで希釈していないためにCoFeの原子分率は高い。例えば、(CoFe)67B33とCoFe のCoFeの原子分率の比は67/100＝0.67で、１以下となる。
別の例としては、飽和磁化Msが〜2.2TのFeと飽和磁化Msが〜1.5 TのFeVを使用した場合、記録層全体の飽和磁化Msを1.5T以下にするためにはFeVとFeの膜厚比ｔFeV/ｔFeを1.5以上とすればよい。界面に使用するFeは当然FeVよりもVで希釈していないためにFeの原子分率は高い。例えば、Fe80V20とFe の場合のFeの原子分率の比は80/100＝0.8、１以下となる。
したがって、１つの非磁性層と１つの磁性層の界面を有する図１（ａ）に示す構造においては、界面磁気異方性エネルギー密度Kiを増加させる第１の磁性層（２５）を第１の非磁性層（１３）上に堆積し、前記第１の磁性層（２５）上に低い飽和磁化Msである第２の磁性層（１２）を堆積することにより、微細な素子で書込み電流Icoを抑制しながら高い熱安定性を得ることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
また、前記界面を２つ有する場合には、図１（ｂ）に示すように、低い飽和磁化Msである第２の磁性層（１２）と第１の非磁性層（１３）、前記低い飽和磁化Msである第２の磁性層（１２）と第２の非磁性層（１８）の各々の間に界面磁気異方性エネルギー密度Kiを増大させる第１の磁性層（２５）、第３の磁性層（１７）を挿入することにより、微細な素子で書込み電流Icoを抑制しながら高い熱安定性を得ることができる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
なお、図１と図４について整合性のある説明をするために、「第１、第２・・・」等の記載を共通して用いている。
ここで、図１（ａ）に示す本願発明の磁気抵抗効果素子には以下のような特徴がある。
第１の非磁性層（１３）上に前記第１の非磁性層（１３）に接する界面で界面磁気異方性エネルギー密度（Ki）を増大させる機能を有する第１の磁性層（２５）と前記第１の磁性層（２５）の飽和磁化（Ms）よりも低い飽和磁化である第２の磁性層（１２）を備えた積層構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
詳細には、図１（ａ）に示すとおり、第１の磁性層（２５）は第１の非磁性層（１３）と第２の磁性層（１２）の間に設けられる。
前記第２の磁性層（１２）の膜厚の、前記第１の磁性層（２５）の膜厚に対する比が１以上であることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
前記第２の磁性層（１２）の磁性元素の原子分率の総和の、前記第１の磁性層（２５）の磁性元素の原子分率の総和に対する比が１よりも小さい磁気抵抗効果素子である。
より詳細に説明すれば、磁性元素の原子分率（ａｔ％）の総和とは、金属組成物全体に対する、金属組成物に含まれる磁性元素の原子分率の合計である。上記例では、第２の磁性層（１２）に含まれる磁性元素の割合が、第１の磁性層（２５）に含まれる磁性元素の割合より少ないことを示す。
前記磁性元素は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
前記第１の磁性層（２５）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素を含まない及び前記第２の磁性層（１２）はＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素を含む、または、前記第１及び第２の磁性層（２５，１２）はＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素を含み、前記第１の磁性層（２５）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成の、前記第２の磁性層（１２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
一例としては、前記第１の磁性層（２５）は、ボロン（B）を含まない及び前記第２の磁性層（１２）はボロン（B）を含む、または、前記第１の磁性層（２５）のボロン（B）組成の、前記第２の磁性層（１２）のボロン（B）の組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
他の例としては、前記第１の磁性層（２５）は、バナジウム（V）を含まない及び前記第２の磁性層（１２）はバナジウム（V）を含む、または、前記第１の磁性層（２５）のバナジウム（V）組成の、前記第２の磁性層（１２）のバナジウム（V）の組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
第１の磁性層（２５）及び第２の磁性層（１２）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されることが好ましい。
また、図１（ｂ）に示す２層の非磁性層を有する構造の場合には以下のような特徴がある。
第１の非磁性層（１３）と第２の非磁性層（１８）の間に記録層（１９）を有する磁気抵抗効果素子において、前記記録層（１９）は、前記第１の非磁性層（１３），前記第２の非磁性層（１８）に接する界面磁気異方性エネルギー密度（Ki）を増大させる機能を有する第１の磁性層（２５）、第３の磁性層（１７）と、前記第１の磁性層（２５）、前記第３の磁性層（１７）の飽和磁化（Ms）よりも低い飽和磁化である前記第２の磁性層（１２）を備えた積層構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
詳細には、図１（ｂ）に示すとおり、第２の磁性層（１２）は第１の磁性層（２５）と第３の磁性層（１７）の間に設けられる。
前記第２の磁性層（１２）の膜厚の、前記第１の磁性層（２５）の膜厚に対する比が１以上、かつ前記第２の磁性層（１２）の膜厚の、前記第３の磁性層（１７）の膜厚に対する比が１以上であることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
前記第２の磁性層（１２）の磁性元素の原子分率の総和の、前記第１の磁性層（２５）の磁性元素の原子分率の総和に対する比が１よりも小さく、前記第２の磁性層（１２）の磁性原子分率の総和の、前記第３の磁性層（１７）の磁性元素の原子分率の総和に対する比が１よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
前記磁性元素は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
前記第１の磁性層（２５）と前記第３の磁性層（１７）は、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素を含まない及び前記第２の磁性層（１２）はＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素を含む、または、前記第１、第２及び第３の磁性層（２５，１２，１７）はＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素を含み、前記第１の磁性層（２５）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成の、前記第２の磁性層（１２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成に対する比が１よりも小さいこと、前記第３の磁性層（１７）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成の、前記第２の磁性層（１２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
一例としては、前記第１の磁性層（２５）と前記第３の磁性層（１７）はボロン（B）を含まない及び前記第２の磁性層（１２）はボロン（B）を含む、もしくは、前記第１の磁性層（２５）のボロン（B）の組成の、前記第２の磁性層（１２）のボロン（B）の組成に対する比が１よりも小さいこと、前記第３の磁性層（１７）のボロン（B）の組成の、前記第２の磁性層（１２）のボロン（B）の組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
他の例としては、前記第１の磁性層（２５）と前記第３の磁性層（１７）はバナジウム（V）を含まない及び前記第２の磁性層（１２）はバナジウム（V）を含む、もしくは、前記第１の磁性層（２５）のバナジウム（V）の組成の、前記第２の磁性層（１２）のバナジウム（V）の組成に対する比が１よりも小さいこと、前記第３の磁性層（１７）のバナジウム（V）の組成の、前記第２の磁性層（１２）のバナジウム（V）の組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
ここで、第１の非磁性層（１３），第２の非磁性層（１８）は、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏなどの酸素を含む化合物を有する材料など、第１の磁性層（２５）および第３の磁性層（１７）の材料との組み合わせで、磁気抵抗変化率が大きく発現する材料から構成されることが好ましい。また、第１の非磁性層（１３），第２の非磁性層（１８）のいずれか一方は、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒの内のいずれか一つを含む材料で構成されていてもよい。
第１の磁性層（２５），第２の磁性層（１２），第３の磁性層（１７）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されることが好ましい。
第１の非磁性層（１３）及び第２の非磁性層（１８）を構成するＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏなどの酸素を含む化合物の界面は（００１）配向であり、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素の組成比が低下した第１の磁性層（２５）及び第３の磁性層（１７）材料との界面の格子整合が起こりやすくなる。これにより、界面磁気異方性エネルギー密度Kiを増大させることができる。
また、本発明に係る磁気メモリは、互いに平行に配置された複数のソース線と、前記ソース線と交差する方向に、互いに平行に配置された複数のワード線と、前記ソース線に平行に配置された複数のビット線と、ゲート電極が前記ワード線に電気的に接続され、ソース電極が前記ソース線に電気的に接続された選択トランジスタと、前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置され、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層のいずれか一方が前記選択トランジスタのドレイン電極に電気的に接続され、他方が前記ビット線に電気的に接続された本発明に係る磁気抵抗効果素子を備え、前記厚さ方向に沿って前記磁気抵抗効果素子に電流を印加可能に構成されていることを特徴とする。
本発明に係る磁気メモリは、本発明に係る磁気抵抗効果素子を有しているため、熱安定性指数７０以上の熱安定性を得ることができる。
本発明によれば、微細な接合サイズであってもダンピング定数αの上昇を抑制し、かつ高い熱安定性を有する磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することができる。
本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の記録層を示す縦断面図である。 磁気抵抗効果素子の（ａ）Ms−B含有比率特性、（ｂ）Ki−B含有比率特性を示すグラフである。 熱安定性指数E/kBTと飽和磁化Msの関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第１及び第２の実施例を示す縦断面図である。 本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子の熱安定性と界面磁気異方性エネルギー密度Ki特性の関係を示すシミュレーションによる第１のグラフである。 本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子の熱安定性と界面磁気異方性エネルギー密度Ki特性の関係を示すシミュレーションによる第２のグラフである 本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第３の実施例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第４の実施例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第５の実施例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第６の実施例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の第７の実施例を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態の磁気メモリを示す回路ブロック図である。 本発明の第２の実施例の磁気抵抗効果素子の（ａ）Ｆｅ層膜厚と界面磁気異方性エネルギー密度Ki特性、（ｂ）Ｆｅ層膜厚とダンピング定数α特性の関係を示すグラフである。 従来の磁気抵抗効果素子を有する磁気メモリの磁気メモリセルを示す回路図である。 （ａ）従来の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子を示す縦断面図、（ｂ）他の第１の従来の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子を示す縦断面図、（ｃ）他の第２の従来の垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子を示す縦断面図である。
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施例）
図４は、本発明の実施の形態の一つとして、２つの非磁性層を有する構造の磁気抵抗効果素子を示している。
図４に示すように、磁気抵抗効果素子（１０）は、下部非磁性電極（１４）、第１の参照層（２４）、第１の非磁性層（１３）、第１の記録層（１９）、第２の非磁性層（１８）、上部非磁性電極（１５）という積層構造を有している。ここで、第１の非磁性層（１３）は磁気抵抗効果素子の障壁層（トンネル接合層）であり、第２の非磁性層（１８）は保護層である。
第１の参照層（２４）は、第８の磁性層（２２）、第５の非磁性層（２３）、第７の磁性層（２０）、第４の非磁性層（２１）、第６の磁性層（１１）の積層構造からなる。また、第１の記録層（１９）は、第１の磁性層（２５）、第２の磁性層（１２）、第３の磁性層（１７）の積層構造からなる。
（下部非磁性電極１４）
下部非磁性電極（１４）は、第８の磁性層（２２）の、第５の非磁性層（２３）が接する端面とは反対側の端面に接続されている。具体的には、Ｓｕｂ／Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（５ｎｍ）という積層構造を用いた。
（第７の磁性層２０、第８の磁性層２２）
第７の磁性層（２０）および第８の磁性層（２２）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。なお、第７の磁性層（２０）および第８の磁性層（２２）は、垂直磁化容易軸を有する合金膜や多層膜から成っていてもよく、全ての膜厚を接合サイズよりも大きくして、形状磁気異方性により垂直磁化容易軸を付与した合金膜や多層膜から成っていてもよい。具体的には、第８の磁性層２２として[Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）]×６．５層、第７の磁性層（２０）として[Ｃｏ（０．５ｎｍ）／Ｐｔ（０．３ｎｍ）]×２．５層の構造を用いた。
（第５の非磁性層２３）
第５の非磁性層２３は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｕなどの内のいずれか一つを含む材料で構成されている。なお、第５の非磁性層２３は、第７の磁性層２０の磁化と第８の磁性層２２の磁化とが反平行になる場合、必ずしもこのような材料で構成される必要はない。具体的には、Ｒｕ（０．４ｎｍ）を用いた。
（第４の非磁性層２１）
第４の非磁性層（２１）は、隣接する第７の磁性層（２０）と第６の磁性層（１１）とを磁気的に結合するとともに、第４の非磁性層（２１）は、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒなどの内のいずれか一つを含む材料で構成されている。第７の磁性層（２０）と第６の磁性層（１１）とが磁気的に結合されている限り、必ずしもこのような材料で構成される必要はない。具体的には、Ｔａ（０．３ｎｍ）を用いた。
（第６の磁性層１１）
第６の磁性層（１１）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。具体的には、ＣｏＦｅＢ（１．２ｎｍ）を用いた。
（第１の非磁性層１３、第２の非磁性層１８）
第１の非磁性層（１３）は、両端面がそれぞれ第６の磁性層（１１）と第１の磁性層（２５）とに接合されている。また、第２の非磁性層（１８）は、両端面がそれぞれ第３の磁性層（１７）と上部非磁性電極（１５）とに接合されている。
第１の非磁性層（１３）及び第２の非磁性層（１８）は、第６の磁性層（１１）および第１の磁性層（２５）の材料との組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＴｉＯ、Ｈｆ2Ｏなどの酸素を含む化合物を有する材料で構成されている。具体的には、第１の非磁性層（１３）及び第２の非磁性層（１８）は、ＭｇＯ（１．２ｎｍ）を用いた。また、第１の非磁性層（１３）をＭｇＯ（１．２ｎｍ）、第２の非磁性層（１８）をＭｇＯ（１．０ｎｍ）とし、膜厚に差をつけてもよい。
（第３の磁性層１７、第１の磁性層２５）
第３の磁性層（１７）と第１の磁性層（２５）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されることが好ましい。また、第３の磁性層（１７）と第１の磁性層（２５）はBを含まない及び第２の磁性層（１２）はBを含む、または第３の磁性層（１７）のボロン（B）の組成の、第２の磁性層（１２）のボロン（B）の組成に対する比が１よりも小さく、かつ第１の磁性層（２５）のボロン（B）の組成の、第２の磁性層（１２）のボロン（B）の組成に対する比が１よりも小さい。
具体的には、第３の磁性層（１７）及び第１の磁性層（２５）としてＣｏＦｅ（０．４ｎｍ〜１ｎｍ）を用いた。
（第２の磁性層１２）
第２の磁性層（１２）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されている。また、Kefftの増大のために界面以外は飽和磁化Msの低い材料を適用する。具体的には、ＣｏＦｅＢ（０．４ｎｍ〜５ｎｍ）を用いた。ＣｏＦｅＢを５nm以上にすることもできる。
（上部非磁性電極１５）
上部非磁性電極（１５）は、第２の非磁性層（１８）の、第１の記録層（１９）が接する端面とは反対側の端面に接続されている。具体的には、Ｔａ（５ｎｍ）用いた。また、Ta(５nm)/Ru(5nm)、もしくはRu(1〜5nm)、もしくはPt(1〜5nm)、CoFeB(０．２〜１．５nm)/Ta(5nm)などを用いてもよい。
次に、本発明の第１の実施例の磁気抵抗効果素子の特性について説明する。
図５には、図４の積層構造における、第１の非磁性層（１３）／第１の磁性層（２５）／第２の磁性層（１２）／第３の磁性層（１７）／第２の非磁性層（１８）に関し、具体的な材料及び膜厚としてMgO/CoFe/CoFeB/CoFe/MgO（記録層CoFe/CoFeB/CoFe の全膜厚2.6nm、2Ki=3.6 mJ/m2)の接合サイズに対し、式（数１）と式（数２）を用い計算した熱安定性指数E/kBTを示す。記録層の飽和磁化Msを1Tにするために、CoFe とCoFeBの膜厚をそれぞれ0.4nmと1.8nmとした。また、CoFeB/CoFeの膜厚比を一定にすることで記録層全体の飽和磁化Msは一定にすることができる。上記の例ではCoFeB/CoFeの膜厚比は4.5で、記録層全厚さは2.6nmであるが、CoFeB/CoFeの膜厚比を4.5とし記録層全厚さを2.6nm以上にすることができる。記録層が図５に示すように、非特許文献７および2重界面CoFeB/MgO で期待される2Ki=2.6 mJ/m2 を用い計算した結果よりも、記録層がMgOで挟まれたMgO/CoFe/CoFeB/CoFe/MgOが高いE/kBTが得られることがわかる。さらに、記録層がMgOで挟まれたMgO/CoFe/CoFeB/CoFe/MgOはKefftを上げるために界面の界面磁気異方性エネルギー密度Kiのみを利用しているので、中間の低い飽和磁化MsであるCoFeB部分はダンピング定数αの増大に寄与しないように膜厚や組成を設計することで、書込み電流Icoの増大を抑制できる。
以上の結果から、図４の構造を有する磁気抵抗効果素子は、微細な素子で書込み電流Icoを抑制しながら高い熱安定性を得ることができる。
図６（ａ）と図６（ｂ）は20nm直径の記録層の全膜厚tに対して式（数１）と式（数３）を用い数値計算した熱安定性指数を示した。ここで、楕円体近似で反磁界を補正している。
図６（ａ）は2重CoFeB/MgO界面で理想的に生じる2Ki=2.6 mJ/m2で記録層の飽和磁化Msを1.0〜1.5Tで変化させた時の熱安定性指数である。図６（ｂ）は2重CoFe/MgO界面で2Ki=3.6 mJ/m2となるCoFe/CoFeB/CoFe記録層の飽和磁化Msを1.0〜1.5Tで変化させた時の熱安定性指数である。図６（ａ）および（ｂ）において、記録層の全膜厚の増加とともに、熱安定性指数は界面磁気異方性Ki/tの減少効果で一旦減少するが、ある記録層厚を超えると反磁界(−（Nz-Nx)Ms2/2μ0)の減少の効果で増加に転じる。同じ飽和磁化Msの時、界面磁気異方性エネルギー密度Kiが大きい方が熱安定性指数が高くなる。また、記録層全体の飽和磁化Msが減少するほど、すなわちCoFe/CoFeB/CoFe記録層の中間のCoFeBの飽和磁化Msを減少するほど熱安定性指数が増加する。したがって、従来型の記録層に比べCoFe/CoFeB/CoFe記録層をMgO層で挟んだ構造にすることで熱安定性の改善が図られる。
なお、図４において、第１の磁性層又は第３の磁性層がない磁気抵抗効果素子も同様に、微細な素子で書込み電流Icoを抑制しながら高い熱安定性を得ることができる。
（第２の実施例）
図４の積層構造における、第１の非磁性層（１３）／第１の磁性層（２５）／第２の磁性層（１２）／第３の磁性層（１７）／第２の非磁性層（１８）に関し、具体的な材料、膜厚及びB組成として、MgO/CoFeB/CoFeB/CoFeB/MgOについて、第１の磁性層（２５）及び第３の磁性層（１７）のCoFeBの膜厚を0.4nm、第２の磁性層（１２）のCoFeBの膜厚を1.8nmとし、第１の磁性層（２５）及び第３の磁性層（１７）のB組成を0.05（=5/100）（Co24Fe71B5）、第２の磁性層（１２）のB組成を0.35(=35/100)（Co16Fe49B35）、第１の磁性層（２５）及び第３の磁性層（１７）のB組成の第２の磁性層（１２）のB組成に対する比を0.05/0.35＝0.14とした。第２の磁性層（１２）のCoFeBの膜厚の、第１の磁性層（２５）及び第３の磁性層（１７）のCoFeBの膜厚に対する比は4.5で、記録層全厚さは2.6nmである。さらに、記録層がMgOで挟まれたMgO/CoFeB/CoFeB/CoFeB/MgOはKefftを上げるために界面の界面磁気異方性エネルギー密度Kiのみを利用しているので、中間の低い飽和磁化Msである第１、第２及び第３の磁性層のCoFeB部分はダンピング定数αの増大に寄与しないように膜厚や組成を設計することで、書込み電流Icoの増大を抑制できる。また、記録層全体の飽和磁化Msが減少するほど、すなわちMgO/CoFeB/CoFeB/CoFeB/MgOの中間のCoFeBの飽和磁化Msを減少するほど熱安定性指数が増加する。したがって、従来型の記録層に比べをCoFeB/CoFeB/CoFeB記録層をMgO層で挟んだ構造にすることで熱安定性の改善が図られる。
なお、図４において、第１の磁性層又は第３の磁性層がない磁気抵抗効果素子も同様に、微細な素子で書込み電流Icoを抑制しながら高い熱安定性を得ることができる。
（第３の実施例）
図７は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子（１０）の、第３の実施例を示している。
この第３の実施例では、第２の磁性層（１２）を第４の磁性層（１２−１）及び第５の磁性層（１２−２）とし、第４の磁性層（１２−１）と第５の磁性層（１２−２）の間にBの濃度を制御するために、第３の非磁性層（１６）を備えている点に特徴がある。第３の非磁性層（１６）は、Bの濃度を制御することを目的としたものである。
この第３の実施例では、第３の非磁性層（１６）が、第４の磁性層（１２−１）及び第５の磁性層（１２−２）内Bの拡散を受け止め領域として作用し、第４の磁性層（１２−１）及び第５の磁性層（１２−２）内のB濃度を制御する機能を果たす。例えば、第３の非磁性層（１６）がTaの場合、膜厚は１nm以下とするのが適している。その結果、第１の磁性層（２５）、第３の磁性層（１７）のB濃度を下げて第１の非磁性層（１３）、第２の非磁性層（１８）との界面において高い界面磁気異方性エネルギー密度Kｉの形成を実現し、当該界面領域以外は低Mｓ化を図ることができる。
図７の積層構造における、第１の非磁性層（１３）／第１の磁性層（２５）／第４の磁性層（１２−１）／第３の非磁性層（１６）／第５の磁性層（１２−２）／第３の磁性層（１７）／第２の非磁性層１８に関し、具体的な材料、膜厚及びB組成としてMgO/CoFeB/CoFeB/Ta/CoFeB/CoFeB/MgOについて、第１の磁性層（２５）及び第３の磁性層（１７）のCoFeBの膜厚を0.4nm、第４の磁性層（１２−１）及び第５の磁性層（１２−２）のCoFeBの膜厚を0.9nm、第３の非磁性層（１６）の膜厚を0.5nmとし、第１の磁性層（２５）及び第３の磁性層（１７）のBの組成をCo24Fe71B5（5/100＝0.05）、第４の磁性層（１２−１）及び第５の磁性層（１２−２）のBの組成をCo16Fe49B35（35/100＝0.35）とした。記録層全厚さは3.1nmである。さらに、記録層がMgOで挟まれたMgO/CoFeB/CoFeB/Ta/CoFeB/CoFeB/MgOはKefftを上げるために界面の界面磁気異方性エネルギー密度Kiのみを利用しているので、中間の低い飽和磁化Msである第１、第３、第４及び第５の磁性層の部分はダンピング定数αの増大に寄与しないように膜厚や組成を設計することで、書込み電流Icoの増大を抑制できる。また、記録層全体の飽和磁化Msが減少するほど、すなわちMgO/CoFeB/CoFeB/Ta/CoFeB/CoFeB/MgOの記録層CoFeB/CoFeB/Ta/CoFeB/CoFeBの飽和磁化Msを減少するほど熱安定性指数が増加する。したがって、従来型の記録層に比べCoFeB/CoFeB/Ta/CoFeB/CoFeB記録層をMgO層で挟んだ構造にすることで熱安定性の改善が図られる。
（第４の実施例）
図８は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子（１０）の、第４の実施例を示している。
この第４の実施例では、第１及び第２の実施例において、第２の参照層（３２）を備えた点に特徴がある。
第２の参照層（３２）は、反平行結合参照層としての性質を有している。前記第２の参照層（３２）は第1の参照層２４と各磁性層の磁化の配列状態を反対にしている。
その結果、スピン注入効率を向上させ、書込み電流Icoを低減させるという顕著な効果を奏する。
（第５の実施例）
図９は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子（１０）の、第５の実施例を示している。第５の実施例では、第４の実施例と同様に第２の参照層（３２）を備えている点で共通するが、この参照層が反平行結合層でない点で相違する。
（第６の実施例）
図１０は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子（１０）の、第６の実施例を示している。第６の実施例では、本発明の第１及び第２の実施例のように第２の磁性層（１２）と第３の磁性層（１７）が直接接する積層構造であり、かつ第５の実施例と同様に第２の参照層（３２）を備えた構造である点に特徴がある。B濃度の制御の必要性に応じて、第３の非磁性層（１６）を省略することが可能である。
（第７の実施例）
図１１は、本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子（１０）の、第７の実施例を示している。第７の実施例では、第１の参照層（２４）、第２の参照層（３２）、第３の参照層（３３）という３つの参照層を備えた積層構造とする点に特徴がある。
この第７の実施例では、３つの参照層を利用して、多値化機能を提供することができる。
（第１の実施例の変形例）
次に、本発明の第１の実施例の変形例の磁気抵抗効果素子の特性について説明する。
本願発明の磁気メモリに応用される垂直磁気異方性磁気抵抗効果素子の、磁性層と非磁性層の接合面に要求される特性は、高いトンネル磁気抵抗（TMR）比、低い書込み電流Ico及び高い熱安定性である。このうち、書込み電流Icoはダンピング定数αにより決まり、ダンピング定数αは0.01以下、更には0.005以下にすることが好ましい。また、例えば接合サイズ直径２０ｎｍの磁気抵抗効果素子の接合面では、界面磁気異方性エネルギー密度Kiは2.6 mJ/m2以上必要である。
図４において、第１の非磁性層（１３）及び第２の非磁性層（１８）にはＭｇＯ（１．２ｎｍ）を用い、第３の磁性層（１７）及び第１の磁性層（２５）にはＦｅ（０．４ｎｍ〜１ｎｍ）を用いた。また、第２の磁性層（１２）にはＦｅＶ（０．０１ｎｍ〜０．４ｎｍ）を用いた。
図１３（ａ）は、図４の積層構造における、第１の非磁性層（１３）／第１の磁性層（２５）／第２の磁性層（１２）／第３の磁性層（１７）／第２の非磁性層（１８）に関し、具体的な材料及び膜厚としてMgO/Fe/FeV/Fe/MgO（記録層Fe/FeV/Fe の接合サイズ直径２０ｎｍ)のFe層膜厚に対する界面磁気異方性エネルギー密度Ki特性を示す。図１３（ａ）より、Ｆｅ層膜厚の増加に伴い、界面磁気異方性エネルギー密度Kiは直線的に増加することが分かった。
図１３（ｂ）には、Ｆｅ層膜厚に対するダンピング定数α特性を示す。図１３（ｂ）より、Ｆｅ層膜厚の増加に伴い、ダンピング定数αも微増しているが、接合サイズ直径２０ｎｍの接合面で要求されるダンピング定数αの値である0.005よりも小さな値となっていることが分かった。
以上の結果から、図４の構造を有する第１の実施例の変形例の磁気抵抗効果素子は、ダンピング定数αの値を抑制することによって微細な素子で書込み電流Icoを抑制することができる。
さらに、第１の実施例の変形例において、ＦｅＶに代えて、Ｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素を少なくとも１つ含む磁性層を適用することができる。
さらに、第２乃至７の実施例についても、第１の実施例の変形例と同様に、Ｂを含む磁性層に代えてＦｅＶなどのＶを含む磁性層、さらにはＢ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成を少なくとも１つ含む磁性層を適用することができる。
さらに、上記実施例及び変形例において、第２の磁性層の飽和磁化（Ms）が、第１の磁性層又は第１及び第３の磁性層の飽和磁化より低いという条件を満たす限りにおいて、第１乃至第５の磁性層に含まれる磁性元素又は非磁性元素を、それぞれ異なるようにすることができる。具体例としては、MgO/FeB/FeV/FeB/MgO、MgO/Fe95B5/FeV/Fe90B10/MgO、MgO/Co24Fe71B5/FeV/Co22Fe68B10/MgO、MgO/Co47Fe48B5/FeV/Co22Fe68B10/MgO、MgO/FeB/FeV/FeTa/MgO、MgO/（Co）FeB/FeV/（Co）FeM/MgO（MはＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１つを含み、2種以上混ぜてもよい）のような積層構造が挙げられる。
［本発明の実施の形態の磁気メモリ１］
図１２は、本発明の実施の形態の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）を示している。
図１２に示すように、磁気メモリ（１）は、それぞれ複数から成るソース線２とワード線（３）とビット線（４）とメモリセル（５）とを有している。
各ソース線（２）は、互いに平行に配置されている。各ワード線（３）は、各ソース線（２）と垂直に交差する方向に、互いに平行に配置されている。各ビット線（４）は、各ソース線（２）に平行に、互いに平行に配置されている。各ソース線（２）および各ビット線（４）は、互いに平行に、横方向に交互に並んで配置されている。各ソース線（２）および各ビット線（４）の一端は、電圧印加のためのライトドライバ（６）およびセンス増幅器（７）に電気的に接続されている。各ワード線（３）の一端は、ワードドライバ（８）に電気的に接続されている。
各メモリセル（５）は、各ビット線（４）と各ワード線（３）との各交点に配置されている。各メモリセル（５）は、選択トランジスタ（９）と磁気抵抗効果素子（１０）とを有している。選択トランジスタ（９）は、ゲート電極がワード線（３）に電気的に接続され、ソース電極が配線層を介してソース線（２）に電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子（１０）は、下部非磁性電極（１４）または上部非磁性電極（１５）を介して、第６の磁性層（１１）および第２の磁性層（１２）のいずれか一方が選択トランジスタ（９）のドレイン電極に電気的に接続され、他方がビット線（４）に電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子（１０）は、図１，図４または図６〜図１１のいずれか１つから成っている。磁気メモリ（１）は、厚さ方向に沿って磁気抵抗効果素子（１０）に電流を印加可能に構成されている。
次に、作用について説明する。
「１」の書込み動作では、ライトドライバ（６）からソース線（２）に電圧を印加するとともに、ワードドライバ８からワード線（３）に電圧を印加することによって、ソース線（２）から磁気抵抗効果素子（１０）を介してビット線（４）に電流を流す。このとき、磁気抵抗効果素子（１０）の磁化方向が可変の記録層である第２の磁性層（１２）の磁化方向と、磁化方向が固定された参照層である第６の磁性層（１１）の磁化方向とが反平行状態となる。これにより、磁気抵抗効果素子（１０）は高抵抗状態となり、磁気抵抗効果素子（１０）の保持する情報は「１」となる。
一方、「０」の書込み動作では、ライトドライバ（６）からビット線（４）に電圧を印加するとともに、ワードドライバ（８）からワード線（３）に電圧を印加することによって、ビット線（４）から磁気抵抗効果素子（１０）を介してソース線（２）に電流を流す。このとき、磁気抵抗効果素子（１０）の磁化方向が可変の記録層である第２の磁性層（１２）の磁化方向と、磁化方向が固定された参照層である第６の磁性層（１１）の磁化方向とが平行状態となる。これにより、磁気抵抗効果素子（１０）は低抵抗状態となり、磁気抵抗効果素子（１０）の保持する情報は「０」となる。
読み出し時は、センス増幅器（７）を用いて、抵抗変化による信号の違いを読み取る。このようなメモリアレイを用いることにより、磁気抵抗変化率が大きく、書込み電流が小さく、従来構造よりも熱安定性が高い磁気抵抗効果素子１０を具備する磁気メモリを実現することができる。
１ 磁気メモリ
２ ソース線
３ ワード線
４ ビット線
５ メモリセル
６ ライトドライバ
７ センス増幅器
８ ワードドライバ
９ 選択トランジスタ
１０ 磁気抵抗効果素子
１１ 第６の磁性層
１２ 第２の磁性層
１２−１ 第４の磁性層
１２−２ 第５の磁性層
１３ 第１の非磁性層
１４ 下部非磁性電極
１５ 上部非磁性電極
１６ 第３の非磁性層
１７ 第３の磁性層
１８ 第２の非磁性層
１９ 第１の記録層
２０ 第７の磁性層
２１ 第４の非磁性層
２２ 第８の磁性層
２３ 第５の非磁性層
２４ 第１の参照層
２５ 第１の磁性層
２７ 第９の磁性層
２８ 第１０の磁性層
２９ 第６の非磁性層
３０ 第１１の磁性層
３１ 第７の非磁性層
３２ 第２の参照層
３３ 第３の参照層
３４ 第２の記録層
３５ 第８の非磁性層
３６ 第９の非磁性層

１１１ 第６の磁性層（参照層）
１１２ 第１の磁性層
１１３ 第１の非磁性層
１１４ 下部非磁性電極
１１５ 上部非磁性電極
１１６ 第３の非磁性層
１１７ 第３の磁性層
１１８ 第２の非磁性層
１１９ 記録層
１２０ 第７の磁性層
１２１ 第４の非磁性層
１２２ 第８の磁性層
１２３ 第５の非磁性層
１２４ 第１の参照層
【０００６】
び磁気メモリを提供することを目的とする。
また、微細な接合サイズであってもダンピング定数α０．０１以下、界面磁気異方性エネルギー密度２．６ｍＪ／ｍ２以上の磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［００１３］
磁気抵抗効果素子の高い熱安定性を実現するために、本発明者等は、以下の原理に基づいて検討を行った。すなわち、磁気抵抗効果素子のビット情報の保持性能を決める、記録層として機能する強磁性層の熱安定性指数Ｅ／ｋＢＴにおいて、エネルギー障壁Ｅは、実効磁気異方性エネルギー密度Ｋｅｆｆと記録層の体積Ｖ（面積Ｓ×記録層厚ｔ）との積で表される。ここで、ｘ軸，ｙ軸を平面内、ｚ軸をその平面に垂直な面直方向にとった座標において、実効磁気異方性エネルギー密度Ｋｅｆｆと記録層厚ｔの積は、以下の（数１）の式のように表される。
［００１４］
［数１］
Figure 2017010549
ここで、Ｋｂは結晶磁気異方性や磁気弾性効果に由来するバルク磁気異方性エネルギー密度、ＮｚおよびＮｘはそれぞれｚ軸およびｘ軸の反磁界係数、ＭＳは記録層の飽和磁化、μ０は真空の透磁率、Ｋｉは界面磁気異方性エネルギー密度である。なお、Ｎｘはｙ軸の反磁界係数Ｎｙと等しいとする。ＮｚおよびＮｘは記録層が円筒形の場合に厳密に求めることは難しく、楕円近似により数値計算により求めることができる。Ｋｅｆｆｔは、正符号の時に面直方向に磁化容易軸となる。
［００１５］
非特許文献７に記載されているように、ＣｏＦｅ（Ｂ）／ＭｇＯ接合においては、界面磁気異方性エネルギー密度ＫｉをＣｏＦｅＢとＭｇＯの界面に誘起させ、垂直磁気異方性（Ｋｅｆｆ＞０）を得ることができる。しかしながら、界面磁気異方性エネル

Claims (20)

  1. 磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２５）と、
    前記第１の磁性層（２５）に隣接して設けられる第１の非磁性層（１３）と、
    前記第１の磁性層（２５）の前記第１の非磁性層（１３）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（１２）とを備え、
    前記第１の磁性層（２５）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含み、前記第１の非磁性層（１３）との界面に界面磁気異方性エネルギー密度（Ki）を増大させる機能を有し、
    前記第２の磁性層（１２）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含み、前記第１の磁性層（２５）の飽和磁化（Ms）よりも低い飽和磁化である、磁気抵抗効果素子。
  2. 前記第２の磁性層（１２）の膜厚の、前記第１の磁性層（２５）の膜厚に対する比が１以上であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 前記第２の磁性層（１２）の磁性元素の原子分率の総和の、前記第１の磁性層（２５）の磁性元素の原子分率の総和に対する比が１よりも小さい、請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 前記第１の磁性層（２５）は、前記第１の磁性層（２５）のボロン（B）の組成の、前記第２の磁性層（１２）のボロン（B）の組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 前記第１の磁性層（２５）は、前記第１の磁性層（２５）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成の、前記第２の磁性層（１２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. さらに、前記第２の磁性層（１２）の前記第１の磁性層（２５）とは反対側に隣接して設けられる磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（１７）と、
    前記第３の磁性層（１７）の前記第２の磁性層（１２）とは反対側に隣接して設けられる第２の非磁性層（１８）とを備え、
    前記第３の磁性層（１７）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含み、前記第２の非磁性層（１８）との界面に界面磁気異方性エネルギー密度（Ki）を増大させる機能を有する、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 前記第２の磁性層（１２）の膜厚の、前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）の膜厚に対する比が１以上であることを特徴とする、請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 前記第２の磁性層（１２）の磁性元素の原子分率の総和の、前記第１及び３の磁性層（２５，１７）の磁性元素の原子分率の総和に対する比が１よりも小さいことを特徴とする、請求項６または請求項７記載の磁気抵抗効果素子。
  9. 前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）は、前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）のボロン（B）の組成の、前記第２の磁性層（１２）のボロン（B）の組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  10. 前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）は、前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成の、前記第２の磁性層（１２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  11. 前記第２の磁性層（１２）は、第４及び第５の磁性層（１２−１，１２−２）と、第４及び第５の磁性層の間に第３の非磁性層（１６）と、を備えた積層構造を有し、
    前記第４及び第５の磁性層（１２−１，１２−２）の磁性元素は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの３ｄ強磁性遷移金属元素を少なくとも一つ含むことを特徴とする、請求項６に記載の磁気抵抗効果素子。
  12. 前記第４及び第５の磁性層（１２−１，１２−２）の膜厚の、前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）の膜厚に対する比が１以上であることを特徴とする、請求項１１に記載の磁気抵抗効果素子。
  13. 前記第４及び第５の磁性層（１２−１，１２−２）の磁性元素の原子分率の総和の、前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）の磁性元素の原子分率の総和に対する比が１よりも小さいことを特徴とする、請求項１１または請求項１２に記載の磁気抵抗効果素子。
  14. 前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）は、前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）のボロン（B）の組成の、前記第４及び第５の磁性層（１２−１，１２−２）のボロン（B）の組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  15. 前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）は、前記第１及び第３の磁性層（２５，１７）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成の、前記第４及び第５の磁性層（１２−１，１２−２）のＶ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔなどの非磁性元素組成に対する比が１よりも小さいことを特徴とする、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  16. 前記第３の非磁性層（１６）の膜厚は１ｎｍ以下である、請求項１１乃至１５のいずれか一項に記載されたことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  17. ２つの参照層（２４，３２）を備えたことを特徴とする、請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  18. 前記２つの参照層（２４，３２）のうち１つの参照層は、反平行結合参照層であることを特徴とする、請求項１７に記載の磁気抵抗効果素子。
  19. ２つの記録層（１９，３４）と３つの参照層（２４，３２，３３）を備えたことを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
  20. 請求項１乃至請求項１９のいずれか一項に記載された磁気抵抗効果素子をメモリセルとする磁気メモリ。
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