WO2020026637A1 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ Download PDF

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WO2020026637A1
WO2020026637A1 PCT/JP2019/024673 JP2019024673W WO2020026637A1 WO 2020026637 A1 WO2020026637 A1 WO 2020026637A1 JP 2019024673 W JP2019024673 W JP 2019024673W WO 2020026637 A1 WO2020026637 A1 WO 2020026637A1
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WO
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layer
magnetic
nonmagnetic
magnetic layer
bonding
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/024673
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English (en)
French (fr)
Inventor
三浦　貞彦
本庄　弘明
佐藤　英夫
正二 池田
哲郎 遠藤
Original Assignee
国立大学法人東北大学
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistance effect element and a magnetic memory provided with the magnetoresistance effect element.
  • An MRAM Magnetic Random Access Memory; magnetic memory
  • MTJ Magnetic Tunnel Junction; magnetic tunnel junction
  • a magnetoresistive element used in an MRAM has a basic structure in which a nonmagnetic layer serving as a tunnel barrier layer is sandwiched between a recording layer of a ferromagnetic layer and a reference layer.
  • the resistance value of the magnetoresistive element is small when the magnetizations of the recording layer and the reference layer are arranged in parallel, and becomes large when the magnetizations are in antiparallel arrangement.
  • Two resistance states are assigned to bit information “0” and “1”.
  • Writing of bit information is performed by applying a current directly to the magnetoresistive effect element and using a spin transfer torque (STT) utilizing a shift of angular momentum of electrons.
  • STT spin transfer torque
  • tunnel magnetoresistance (TMR) effect is used through a tunnel barrier layer.
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • characteristics that are important in application in the magnetoresistance effect element used in the MRAM include (i) a large thermal stability index ⁇ , (ii) a small write current I C0 , and (iii) a magnetoresistance effect element.
  • (I) is for the non-volatility of the magnetic memory, (ii) is for reducing the cell size by reducing the size of the cell transistor, and to reduce power consumption.
  • (Iii) is for high-speed reading,
  • Iv) is a characteristic required to reduce the cell area and increase the capacity.
  • the write current I C0 in (ii) is proportional to the element area when the write voltage is constant.
  • the performance index ⁇ / I C0 ( ⁇ A ⁇ 1 ), which has both (i) a large thermal stability index ⁇ and (ii) a small write current I C0, is a damping constant ⁇ from Equation 2 described later. It may be associated with a physical property value, and is widely used in the industry as a performance index of the element (see Non-Patent Documents 1 and 2).
  • the performance index ⁇ / I C0 is a value obtained by dividing the stability index ⁇ by the write current I C0 .
  • Increasing the (v) figure of merit ⁇ / I C0 has been strongly demanded in recent years as the degree of integration of elements has been increased.
  • a magnetoresistive element having a so-called double interface in which the number of interfaces in contact with the recording layer is increased (see FIG. 11).
  • the recording layer (A1) of the magnetoresistance effect element having a double interface is sandwiched between a first bonding layer (11) serving as a tunnel barrier layer and a second bonding layer (12). It has a configuration.
  • This configuration since the thermal stability index ⁇ is expressed by the following equation 1, based on the technical idea of trying to increase the interfacial magnetic anisotropy energy density K i by increasing the surface in contact with the recording layer It is.
  • E is an energy barrier
  • k B is a Boltzmann coefficient
  • T is an absolute temperature
  • K eff is an effective magnetic anisotropic energy density per unit volume
  • t is a film thickness
  • K eff t is a unit per unit area.
  • Effective magnetic anisotropy energy density S is the area of the recording layer
  • K i is the interface magnetic anisotropy energy density
  • K b is the bulk (crystal) magnetic anisotropy energy density
  • M s is the saturation magnetization
  • ⁇ 0 is the vacuum Is the magnetic permeability.
  • the effective magnetic anisotropic energy density of the entire device is represented by K eff t * .
  • thermo stability index ⁇ is further improved by inserting a nonmagnetic coupling layer into a recording layer sandwiched between so-called double interfaces (see Patent Documents 1 and 2).
  • the element size on which the prior art documents are based is larger than the recently required (iv) miniaturized element size.
  • the area S of the element decreases, and the thermal stability index ⁇ decreases from the equation (1). Therefore, when the capacity is increased by miniaturization, it has been required to further increase the thermal stability index ⁇ .
  • the thermal stability index ⁇ when the element size is approximately equal to or less than the range of 40 to 60 nm, the type of magnetic coupling that becomes dominant over the conventional element whose element size exceeds that range is considered. And the mechanism of magnetization reversal are different, and there is a problem that knowledge of the related art alone is not enough to further increase the thermal stability index ⁇ .
  • the write current I C0 is also an important index. That is, it is important to increase both the thermal stability index ⁇ and the performance index ⁇ / I C0 from the viewpoint of the characteristics of the magnetic tunnel junction.
  • the present invention improves (v) the figure of merit ⁇ / I C0 ( ⁇ A ⁇ 1 ) in a region where the element size is small, for the next generation in which a finer magnetoresistive element is required.
  • the present inventors have found out the configuration of the magnetoresistive effect element and have completed it.
  • a magnetoresistive element includes a first reference layer (B1) and a first bonding layer (11) provided adjacent to the first reference layer (B1). ) And a first magnetic layer (21) provided adjacent to the first bonding layer (11) on a side opposite to the first reference layer (B1) and having a magnetization direction perpendicular to a film surface.
  • a first non-magnetic coupling layer (31) provided adjacent to the first magnetic layer (21) on a side opposite to the first bonding layer (11);
  • a second magnetic layer (22) provided adjacent to the layer (31) on the opposite side to the first magnetic layer (21) and having a magnetization direction perpendicular to the film surface; and a second magnetic layer.
  • the first nonmagnetic coupling layer (31) and the second magnetic layer (22) constitute a first recording layer (A1), and the first bonding layer (11) and the second
  • the first bonding layer (11) is a tunnel barrier layer, the first non-magnetic coupling layer (31) includes W or Mo, and the first bonding layer (11) includes W or Mo.
  • the thickness of the nonmagnetic coupling layer (31) is 0.1 nm or more and 0.3 nm or less, and the element size is 60 nm or less.
  • the magnetoresistive element of the present invention includes: a first reference layer (B1); a first bonding layer (11) provided adjacent to the first reference layer (B1); A first magnetic layer (21), which is provided adjacent to the bonding layer (11) on the opposite side to the first reference layer (B1) and has a magnetization direction perpendicular to the film surface; A first non-magnetic coupling layer (31) provided adjacent to the magnetic layer (21) on the side opposite to the first bonding layer (11); and a first non-magnetic coupling layer (31). A second magnetic layer (22) provided adjacent to and opposite to the first magnetic layer (21) and having a magnetization direction perpendicular to the film surface; and a second magnetic layer (22) of the second magnetic layer (22).
  • a second bonding layer (12) provided adjacent to and opposite to the first nonmagnetic coupling layer (31), wherein the first magnetic layer (21) and the first nonmagnetic
  • the coupling layer (31) and the second magnetic layer (22) constitute a first recording layer (A1)
  • the first bonding layer (11) and the second bonding layer (12) are (Oxygen)
  • the first bonding layer (11) is a tunnel barrier layer
  • the thickness of the first nonmagnetic coupling layer (31) is 0.1 nm or more and 0.3 nm or less. Is 40 nm or less.
  • a second nonmagnetic coupling layer (32) provided adjacent to the second magnetic layer (22) between the second magnetic layer (22) and the second bonding layer (12);
  • the second nonmagnetic coupling layer (32) is provided on the opposite side of the second magnetic layer (22) and adjacent to the second bonding layer (12), and has a magnetization direction.
  • a third magnetic layer (23) extending in the direction perpendicular to the film surface.
  • a magnetic memory of the present invention includes the above-described magnetoresistance effect element.
  • the “element size” of the magnetoresistive element in this specification is a positive element when the area obtained from the short side and long side of the shape of the junction surface of the reference layer / tunnel barrier layer / recording layer is a perfect circle. This is the value of the diameter of the circle. If the element shape is an ellipse, it is determined from the major axis and minor axis. If the element shape is circular, the element size is its diameter.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of another example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of another example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of another example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of another example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of another example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of another example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of another example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of another example of the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • 1 shows an example of a memory cell having the configuration of the magnetoresistive element of the present invention.
  • 1 is an example of a block diagram of a magnetic memory in which a plurality of magnetoresistive elements of the present invention are arranged.
  • 1 shows a longitudinal sectional view of a configuration of a conventional magnetoresistance effect element.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of a configuration of a device for evaluating a performance index ⁇ / I C0 .
  • 5 is a graph showing the relationship between the element size, the thickness of the nonmagnetic coupling layer, and the thermal stability index ⁇ .
  • 4 is a graph showing a relationship between an element size, a film thickness of a nonmagnetic coupling layer, and a write current I C0 .
  • 4 is a graph showing a relationship between an element size, a film thickness of a nonmagnetic coupling layer, and a figure of merit ⁇ / I C0 .
  • FIG. 1 shows a basic configuration of the first embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is as follows: a first reference layer (B1) / a first bonding layer (11) / a first magnetic layer (21) / a first nonmagnetic coupling layer (31) / a second nonmagnetic coupling layer (31).
  • the magnetic layer (22) / the second bonding layer (12) are sequentially arranged adjacent to each other.
  • the first magnetic layer (21) / first non-magnetic coupling layer (31) / second magnetic layer (22) constitute a first recording layer (A1), and include a first reference layer (B1) and
  • the first magnetic layer (21) forms a magnetic tunnel junction with the first bonding layer (11).
  • a lower electrode provided on a side of the first reference layer (B1) opposite to the first bonding layer (11), and a second bonding layer It has an upper electrode provided on the side opposite to the second magnetic layer (22) of (12).
  • the first reference layer (B1) is a ferromagnetic layer whose magnetization direction is fixed in a direction perpendicular to the film surface.
  • the first reference layer (B1) is a ferromagnetic material containing at least one of the 3d ferromagnetic transition metal elements, and more preferably contains at least one of Co, Fe, and Ni.
  • examples include combinations of elements such as Co, Fe, Ni, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, NiB, CoFeB, FePt, TbTeCo, MnAl, and MnGa.
  • the first reference layer (B1) is an alloy further containing a nonmagnetic element such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt. Is also good.
  • a nonmagnetic element such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt. Is also good.
  • a thin non-magnetic coupling layer may be inserted between the ferromagnetic materials of the first reference layer (B1). Examples of the material of the nonmagnetic coupling layer include Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, Mg, MgO, Cr, and V.
  • the first reference layer (B1) may be composed of a single layer, a laminate or a multilayer, or a laminate of Co / Pt, Pt, Ru, Ir, Rh, W, Ni, Pd, or the like. Or a thin ferri-structure.
  • the direction of magnetization may be fixed in parallel or antiparallel depending on the material and thickness of the layer.
  • a fixed layer or the like may be adjacent to the first reference layer (B1) on the side opposite to the first bonding layer (11).
  • the first bonding layer (11) is a tunnel barrier layer that uses a material containing O (oxygen) and is dominant in the magnetoresistance of the present magnetoresistance effect element. At least O and Mg are included so that the combination of the materials of the first bonding layer (11) sandwiched between the first reference layer (B1) and the first magnetic layer (21) exhibits a large magnetoresistance change rate. Is preferred.
  • a conductive oxide containing Mn, Fe, Co, Ni, V, Ti, Ga, Nb, Mo, Ru, Ir, Ce, Pb, Zn, In, or the like, or Mg—O, Al — O, Mg Weakly oxidized conductive oxides such as -Al - O, Si-O, Ti-O, Hf-O, Ta-O, WO, etc. may be used, and these conductive oxides may be used. May contain trace amounts of other elements. Of the elements combined as described above, the content of some of the elements may be extremely small, and may further include other magnetic or non-magnetic materials used for improving the characteristics of the material.
  • the first bonding layer (11) be made of a material containing oxygen so that interfacial magnetic anisotropy is generated at the interface with the first magnetic layer (21). More desirable.
  • the thickness of the first bonding layer (11) is preferably at least 0.5 nm, more preferably at least 0.8 nm, in order to increase the magnetoresistance MR ratio. Further, the thickness is preferably 1.2 nm or less, more preferably 1.1 nm or less, and even more preferably 1.0 nm or less so as to obtain a small resistance area product RA. Therefore, it is preferably adjusted to a range of 0.5 to 1.2 nm, more preferably to a range of 0.8 to 1.1 nm.
  • the first magnetic layer (21) and the second magnetic layer (22) are ferromagnetic layers whose magnetization directions can be reversed in the direction perpendicular to the film surface.
  • the first magnetic layer (21) and the second magnetic layer (22) are ferromagnetic materials containing any of the 3d ferromagnetic transition metal elements, and preferably contain at least one of Co, Fe, and Ni. preferable. Specific examples include Co, Fe, Ni, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, NiB, CoFeB, FePt, TbTeCo, MnAl, and MnGa, among which Fe, Co, FeB, CoB, and CoFeB are more preferable. .
  • the first magnetic layer (21) is at the interface with the first bonding layer (11), and the second magnetic layer (22) is at the interface with the second bonding layer (12).
  • Materials having interfacial magnetic anisotropy are more desirable, and Fe, Co, FeB, CoB, and CoFeB are even more desirable. That is, the interface perpendicular magnetic anisotropy at the interface between the first magnetic layer (21) and the first bonding layer (11) and at the interface between the second magnetic layer (22) and the second bonding layer (12). Due to the nature, it is desirable that the magnetizations of the first magnetic layer (21) and the second magnetic layer (22) are perpendicular to the film surface.
  • the first magnetic layer (21) and the second magnetic layer (22) are made of W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt, or the like. It may further contain a non-magnetic element. Above all, B and V are preferable from the viewpoint of easy handling.
  • the total thickness of the first magnetic layer (21) and the second magnetic layer (22) is preferably in the range of 1.6 nm to 3.2 nm, and more preferably in the range of 2.0 nm to 2.6 nm. Is more preferred.
  • MgO or the like is used for the first bonding layer (11) and the second bonding layer (12)
  • the perpendicular magnetic anisotropy is weakened both when the film thickness is smaller and when the film thickness is larger. It is because it is.
  • the first non-magnetic coupling layer (31) contains a non-magnetic element such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt. Since the nonmagnetic coupling layer can also absorb perpendicular magnetic anisotropy in the film surface direction by absorbing B and the like in the adjacent magnetic layer, it has a large atomic radius in bcc (body-centered cubic lattice), Elements with relatively large spacing are preferred. W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V and the like are more preferable, and W and Mo are more preferable.
  • the thickness of the first non-magnetic coupling layer (31) is preferably 0.3 nm or less from the viewpoint of increasing the performance index ⁇ / I C0 . Details will be described later with reference to FIGS.
  • the sputtering time is adjusted to produce a film of about the atomic size or smaller. Therefore, a layer having continuous layers and a layer having discontinuous layers are included. Even when the layers are not continuous, the lattice may have perpendicular magnetic anisotropy as long as the lattice has a gap for absorbing B or the like of the magnetic layer.
  • the second bonding layer (12) is made of a material containing O (oxygen) and preferably contains at least Mg and O. Further, a conductive oxide containing Mn, Fe, Co, Ni, V, Ti, Ga, Nb, Mo, Ru, Ir, Ce, Pb, Zn, In, or the like, or Mg—O, Al — O, Mg Weakly oxidized conductive oxides such as -Al - O, Si-O, Ti-O, Hf-O, Ta-O, WO, etc. may be used, and these conductive oxides may be used. May contain trace amounts of other elements. Of the elements combined as described above, the content of some of the elements may be extremely small, and may further include other magnetic or non-magnetic materials used for improving the characteristics of the material.
  • the thickness of the second bonding layer (12) is preferably in the range of 0.2 to 2.0 nm, more preferably in the range of 0.5 to 1.2 nm, and adjusted to 0.8 to 1.1 nm. Is more preferred.
  • the element size of the magnetoresistive element of the first embodiment is preferably 60 nm or less, more preferably 40 nm or less, from the viewpoint of increasing the figure of merit ⁇ / I C0 . Details will be described later with reference to FIGS.
  • the “element size” of the magnetoresistive element in this specification refers to the area of the shape of the junction surface of the reference layer / tunnel barrier layer / recording layer, which is obtained from the short side and the long side. It is the value of the diameter of a perfect circle as a circle. If the element shape is an ellipse, it is determined from the major axis and minor axis. If the element shape is circular, the element size is its diameter.
  • FIG. 12 schematically shows the structure of the evaluation element having the performance index ⁇ / I C0 .
  • the element size was in the range of 20 to 80 nm, and the thickness of the nonmagnetic coupling layer made of W was 0.2, 0.3, and 0.4 nm.
  • a current having a pulse width of 1 ⁇ s to 5 ms was passed through the sample of the element for evaluation, the resistance value of each sample was measured, and the inversion probability due to the write current was obtained.
  • the thermal stability index ⁇ of each sample and I C0 corresponding to the write current at 1 ns were determined. Further, in order to consider the variation of each sample, about 10 samples each having the same configuration and the same element size were evaluated, and the thermal stability index ⁇ and the median value of the write current I C0 were used for the analysis.
  • FIG. 13 and Table 1 show the thermal stability index ⁇ for each element size D (nm).
  • FIG. 13 is a graph in which the horizontal axis indicates the element size D (nm) and the vertical axis indicates the thermal stability index ⁇ , and plots each value of the thermal stability index ⁇ by changing the thickness of the nonmagnetic coupling layer. Table 1 summarizes the specific numerical values.
  • thermal stability index ⁇ was 60 or more in all the evaluated devices having a device size of 20 to 80 nm.
  • FIG. 14 and Table 2 show the relationship of the write current I C0 for each element size.
  • FIG. 14 shows the write current I when the write current I C0 of the sample having the element size D (nm) on the horizontal axis, the element size on the vertical axis of 60 nm, and the thickness of the nonmagnetic coupling layer of 0.4 nm is 1. taking the relative value of C0, it plots the respective relative values of the write current I C0 by changing the thickness of the nonmagnetic coupling layer, summarizes the specific values in Table 2.
  • FIG. 15 and Table 3 show the relationship of the performance index ⁇ / I C0 for each element size.
  • FIG. 15 shows the performance when the performance index ⁇ / I C0 of a sample having an element size D (nm) on the horizontal axis, an element size on the vertical axis of 60 nm, and a nonmagnetic coupling layer thickness of 0.4 nm is 1.
  • the relative values of the index ⁇ / I C0 are taken, and the relative values of the performance index ⁇ / I C0 are plotted by changing the film thickness of the nonmagnetic coupling layer.
  • Table 3 The specific numerical values are summarized in Table 3.
  • the relative value of the performance index ⁇ / I C0 shown in FIG. 15 indicates that the larger the value, the better the performance as an element.
  • the performance index ⁇ / I C0 generally monotonically increases as the element size D decreases from 60 nm.
  • the film thickness of the nonmagnetic coupling layer is to compare the performance index delta / I C0 when the performance index delta / I C0 and 0.3nm in the case of 0.4 nm, which Even when the element size is D, the figure of merit ⁇ / I C0 at 0.3 nm is larger.
  • the performance index delta / I C0 when the film thickness of the nonmagnetic coupling layer is 0.2nm was found to be greater than the performance index delta / I C0 in the case of 0.3 nm.
  • the relative value of the performance index ⁇ / I C0 when the film thickness of the nonmagnetic coupling layer is 0.4 nm is as follows. In contrast to 1.10, the relative value of the performance index ⁇ / I C0 at 0.3 nm is 1.47, which is about 1.3 times, and the relative value of the performance index ⁇ / I C0 at 0.2 nm. Was found to be about 1.4 times improved at 1.54.
  • the relative value of the performance index ⁇ / I C0 when the thickness of the nonmagnetic coupling layer is 0.4 nm is 1.52, whereas the performance index ⁇ when the thickness is 0.3 nm. It was found that the relative value of / I C0 was about 1.6 times at 2.40, and the relative value of figure of merit ⁇ / I C0 at 0.2 nm was about 1.8 times at 2.77. .
  • the relative value of the performance index ⁇ / I C0 when the thickness of the nonmagnetic coupling layer is 0.4 nm is 1.95, whereas the performance index ⁇ / I C0 when the thickness is 0.3 nm. the relative values of I C0 is approximately 1.7 times 3.34, relative values of the performance index delta / I C0 when the 0.2nm was found to be improved to be about 2.1 times 4.00.
  • the performance index ⁇ / I C0 can be maintained while maintaining the thermal stability index ⁇ at 60 or more.
  • the effect was remarkable when the element size D was 60 nm or less or 40 nm or less.
  • the reason why the performance index ⁇ / I C0 is improved in a region where the element size is small and a region where the thickness of the nonmagnetic coupling layer is small is complex. Since magnetization reversal of a plurality of magnetic layers in the recording layer is likely to occur integrally in a region where the element size is small, the smaller the damping constant ⁇ due to the precession of the magnetization in the recording layer, the smaller the absolute value of the write current I C0 . One of the reasons is that the value decreases and the figure of merit ⁇ / I C0 improves.
  • the damping constant ⁇ refers to an effect of attenuating the magnetization that precesses around the axis of easy magnetization by spin transfer torque or the like. When the magnetization reversals are integrally rotated simultaneously, the write current I C0 is represented by the following equation (see Phys. Review. B, vol. 88, pp. 104426 (2013)).
  • Equation 2 h (bar) is a Planck constant, e is an elementary charge, ⁇ is a damping constant, ⁇ is a spin polarization factor related to a tunnel magnetoresistance ratio, E is an energy barrier, and TMR is a tunnel magnetoresistance ratio.
  • Equation 3 since the figure of merit ⁇ / I C0 is the reciprocal of the damping constant ⁇ , it can be seen that the figure of merit ⁇ / I C0 is improved as the damping constant ⁇ is smaller, that is, as the damping effect is smaller.
  • This relationship also matches the damping constant ⁇ of the evaluation element in FIG. 12 measured by the ferromagnetic resonance method. Table 4 shows the results.
  • Table 5 shows the damping constant when W of the nonmagnetic coupling layer in FIG. 12 is replaced with Mo.
  • Table 4 shows that when the thickness of the nonmagnetic coupling layer of W is 0.3 nm or less, the damping constant ⁇ is a small value of 0.0085 or less, whereas at 0.4 nm, the damping constant ⁇ is 0.0135, which is about 1.59 times higher. It turned out to be. Further, from Table 5, the damping constant ⁇ of the evaluation element having the nonmagnetic coupling layer of Mo is smaller than the damping constant ⁇ of the evaluation element having the nonmagnetic coupling layer of W of the same film thickness. I understood that. From the correspondence between the results shown in Tables 3 and 4, it was found that when Mo was used, a larger figure of merit ⁇ / I C0 was obtained.
  • the reason why the figure of merit ⁇ / I C0 is low in a large region where the element size exceeds 70 nm is also complex.
  • the domain wall motion mode Is considered to be dominant in the case of the domain wall motion mode, the energy barrier Eb is expressed by the following equation (4).
  • Equation 4 ⁇ W is the energy density of the domain wall, D W is the diameter of the element, and t is the thickness of the recording layer. As shown in Equation 4, when the domain wall motion mode is dominant, the energy barrier Eb increases as the element diameter (element size) and the recording layer thickness increase. It is suggested that it is possible to improve the stability index ⁇ .
  • FIG. 2 shows a basic configuration of the second embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is as follows: a first reference layer (B1) / a first bonding layer (11) / a first magnetic layer (21) / a first nonmagnetic coupling layer (31) / a second nonmagnetic coupling layer (31). Magnetic layer (22) / second non-magnetic coupling layer (32) / third magnetic layer (23) / second bonding layer (12) are sequentially arranged adjacently.
  • One recording layer (A1) is formed, and the first reference layer (B1) and the first magnetic layer (21) are magnetically tunnel-joined by the first bonding layer (11).
  • a lower electrode provided on a side of the first reference layer (B1) opposite to the first bonding layer (11), and a second bonding layer It has an upper electrode provided on the side opposite to the third magnetic layer (23) of (12).
  • Embodiment 2 is the same as Embodiment 1 except for the following features.
  • the second non-magnetic coupling layer (32) contains a non-magnetic element such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt.
  • the nonmagnetic coupling layer can also absorb perpendicular magnetic anisotropy in the film surface direction by absorbing B and the like in the adjacent magnetic layer. Elements with relatively large spacing are preferred. W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V and the like are more preferable, and W and Mo are more preferable.
  • the thickness of the second non-magnetic coupling layer (32) is preferably 0.3 nm or less for increasing the figure of merit ⁇ / I C0 .
  • the sputtering time is adjusted to produce a film having a thickness of about the atomic size or smaller. Therefore, a layer having continuous layers and a layer having discontinuous layers are included. Even when the layers are not continuous, the lattice may have perpendicular magnetic anisotropy as long as the lattice has a gap for absorbing B or the like of the magnetic layer.
  • the third magnetic layer (23) is a ferromagnetic layer whose magnetization direction can be reversed in the direction perpendicular to the film surface.
  • the third magnetic layer (23) is a ferromagnetic material containing any of the 3d ferromagnetic transition metal elements, and more preferably contains at least one of Co, Fe, and Ni. Specific examples include Co, Fe, Ni, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, NiB, CoFeB, FePt, TbTeCo, MnAl, and MnGa, among which Fe, Co, FeB, CoB, and CoFeB are more preferable. .
  • the third magnetic layer (23) is more preferably made of a material having an interface magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the film surface at the interface with the second bonding layer (12), such as Fe, Co, FeB, CoB, and CoFeB. Is more desirable. That is, the magnetization of the third magnetic layer (23) is perpendicular to the film surface due to the interface perpendicular magnetic anisotropy at the interface between the third magnetic layer (23) and the second bonding layer (12). It is desirable. Further, the third magnetic layer (23) may further include a non-magnetic element such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt. Above all, B and V are preferable from the viewpoint of easy handling.
  • a non-magnetic element such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt. Above all, B and V are preferable from
  • the total thickness of the first magnetic layer (21), the second magnetic layer (22), and the third magnetic layer (23) is preferably in the range of 2.4 nm to 4.8 nm, and is preferably 2.8 nm. More preferably, it is in the range of from to 3.4 nm.
  • MgO or the like is used for the first bonding layer (11) and the second bonding layer (12)
  • the perpendicular magnetic anisotropy is weakened both when the film thickness is smaller and when the film thickness is larger. It is because.
  • FIG. 3 shows a basic configuration of the third embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is as follows: a first reference layer (B1) / a first bonding layer (11) / a first magnetic layer (21) / a first nonmagnetic coupling layer (31) / a second nonmagnetic coupling layer (31). Magnetic layer (22) / nonmagnetic insertion layer (41) / fourth magnetic layer (24) / third nonmagnetic coupling layer (33) / fifth magnetic layer (25) / second bonding layer ( 12) are sequentially arranged adjacently.
  • the magnetic coupling layer (33) / the fifth magnetic layer (25) constitutes a first recording layer (A1)
  • the first reference layer (B1) and the first magnetic layer (21) form a first junction.
  • a magnetic tunnel junction is formed by the layer (11).
  • a lower electrode provided on a side of the first reference layer (B1) opposite to the first bonding layer (11), and a second bonding layer
  • An upper electrode is provided on the side opposite to the fifth magnetic layer (25) of (12).
  • Embodiment 3 is the same as Embodiment 1 except for the following features.
  • the nonmagnetic insertion layer (41) is made of a material containing O (oxygen), and preferably contains at least Mg and O. Further, a conductive oxide containing Mn, Fe, Co, Ni, V, Ti, Ga, Nb, Mo, Ru, Ir, Ce, Pb, Zn, In, or the like, or Mg—O, Al — O, Mg Weakly oxidized conductive oxides such as -Al - O, Si-O, Ti-O, Hf-O, Ta-O, WO, etc. may be used, and these conductive oxides may be used. May contain trace amounts of other elements. Of the elements combined as described above, the content of some of the elements may be extremely small, and may further include other magnetic or non-magnetic materials used for improving the characteristics of the material.
  • the nonmagnetic insertion layer (41) has a function of magnetically coupling the second magnetic layer (22) and the fourth magnetic layer (24) and imparting perpendicular magnetic anisotropy.
  • the thickness of the nonmagnetic insertion layer (41) is preferably 1.2 nm or less, more preferably 1.0 nm or less, and more preferably 0.8 nm or less, from the viewpoint of reducing the resistance area product RA and increasing the magnetic coupling. Is more preferable.
  • the fourth magnetic layer (24) and the fifth magnetic layer (25) are ferromagnetic layers whose magnetization directions can be reversed in the direction perpendicular to the film surface.
  • the fourth magnetic layer (24) and the fifth magnetic layer (25) are ferromagnetic materials containing any of the 3d ferromagnetic transition metal elements, and preferably contain at least one of Co, Fe, and Ni. preferable. Specific examples include Co, Fe, Ni, CoFe, FeNi, CoNi, CoB, FeB, NiB, CoFeB, FePt, TbTeCo, MnAl, and MnGa, among which Fe, Co, FeB, CoB, and CoFeB are more preferable. .
  • the fourth magnetic layer (24) is at the interface with the nonmagnetic insertion layer (41), and the fifth magnetic layer (25) is at the interface with the second bonding layer (12).
  • a material having magnetic anisotropy is more desirable, and Fe, Co, FeB, CoB, and CoFeB are more desirable. That is, the interface perpendicular magnetic anisotropy at the interface between the fourth magnetic layer (24) and the nonmagnetic insertion layer (41) and at the interface between the fifth magnetic layer (25) and the second bonding layer (12). Accordingly, it is desirable that the magnetizations of the fourth magnetic layer (24) and the fifth magnetic layer (25) are perpendicular to the film surface.
  • the fourth magnetic layer (24) and the fifth magnetic layer (25) are made of W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, Pt or the like. It may further contain a non-magnetic element. Above all, B and V are preferable from the viewpoint of easy handling.
  • the total thickness of the first magnetic layer (21), the second magnetic layer (22), the fourth magnetic layer (24), and the fifth magnetic layer (25) is in the range of 1.6 nm to 3.2 nm. And more preferably in the range of 2.0 nm to 2.6 nm.
  • MgO or the like is used for the first bonding layer (11), the nonmagnetic insertion layer (41), and the second bonding layer (12), both when the film thickness is smaller and when the film thickness is larger, This is because the perpendicular magnetic anisotropy is weakened.
  • the third non-magnetic coupling layer (33) contains a non-magnetic element such as W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, Si, Al, B, Pd, and Pt. Since the nonmagnetic coupling layer can also absorb perpendicular magnetic anisotropy in the film surface direction by absorbing B and the like in the adjacent magnetic layer, it has a large atomic radius in bcc (body-centered cubic lattice), Elements with relatively large spacing are preferred. W, Ta, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, V and the like are more preferable, and W and Mo are more preferable.
  • the thickness of the third non-magnetic coupling layer (33) is preferably 0.3 nm or less for increasing the figure of merit ⁇ / I C0 .
  • the sputtering time is adjusted to produce a film thickness of about the atomic size or smaller. Therefore, a layer having continuous layers and a layer having discontinuous layers are included. Even when the layers are not continuous, the lattice may have perpendicular magnetic anisotropy as long as the lattice has a gap for absorbing B or the like of the magnetic layer.
  • FIG. 4 shows a basic configuration of the fourth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is as follows: lower electrode (E1) / first reference layer (B1) / first bonding layer (11) / first magnetic layer (21) / first nonmagnetic coupling layer (31) / second magnetic layer (22) / second bonding layer (12) / first protective layer (C1) / upper electrode (E2) are arranged adjacent to each other in this order.
  • the first magnetic layer (21) / first non-magnetic coupling layer (31) / second magnetic layer (22) constitute a first recording layer (A1), and include a first reference layer (B1) and
  • the first magnetic layer (21) forms a magnetic tunnel junction with the first bonding layer (11).
  • Embodiment 4 is the same as Embodiment 1 except for the following features.
  • the lower electrode (E1) is connected to the end surface of the first reference layer (B1) on the side opposite to the first bonding layer (11).
  • Examples of the laminated structure of the lower electrode (E1) include Ta (5 nm) / Ru (5 nm) / Ta (10 nm) / Pt (5 nm) and Ta (5 nm) / TaN (20 nm).
  • the first protective layer (C1) is provided on the side of the second bonding layer (12) opposite to the second magnetic layer (22).
  • the first protective layer (C1) is preferably made of a material for protecting the recording layer, and examples thereof include Ta, Ru, Pt, and CoFeB.
  • the upper electrode (E2) is connected to the end face of the first protective layer (C1) opposite to the first recording layer (A1).
  • Examples of the laminated structure of the upper electrode (E2) include Ta (50 nm) / Ru (50 nm), Ru (1 to 50 nm), and Pt (1 to 50 nm) / Ta (50 nm).
  • FIG. 5 shows a basic configuration of the fifth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is as follows: lower electrode (E1) / first reference layer (B1) / first bonding layer (11) / first magnetic layer (21) / first nonmagnetic coupling layer (31) / second magnetic layer (22) / second nonmagnetic coupling layer (32) / third magnetic layer (23) / second bonding layer (12) / first protective layer (C1) / Upper electrodes (E2) are sequentially arranged adjacent to each other.
  • One recording layer (A1) is formed, and the first reference layer (B1) and the first magnetic layer (21) are magnetically tunnel-joined by the first bonding layer (11).
  • the details of the fifth embodiment are the same as those of the second and fourth embodiments.
  • FIG. 6 shows a basic configuration of the sixth embodiment of the present invention.
  • the basic configuration of the magnetoresistive element is as follows: lower electrode (E1) / first reference layer (B1) / first bonding layer (11) / first magnetic layer (21) / first nonmagnetic coupling layer (31) / second magnetic layer (22) / nonmagnetic insertion layer (41) / fourth magnetic layer (24) / third nonmagnetic coupling layer (33) / fifth magnetic layer (25) /
  • the second bonding layer (12) / the first protective layer (C1) / the upper electrode (E2) are sequentially arranged adjacent to each other.
  • the magnetic coupling layer (33) / the fifth magnetic layer (25) constitutes a first recording layer (A1)
  • the first reference layer (B1) and the first magnetic layer (21) form a first junction.
  • a magnetic tunnel junction is formed by the layer (11).
  • the details of the sixth embodiment are the same as those of the third and fourth embodiments.
  • FIG. 7 shows a configuration of the seventh embodiment of the present invention.
  • the configuration of the magnetoresistive element is as follows: lower electrode (E1) / first reference layer (B1) / first bonding layer (11) / first recording layer (A1) / second bonding layer (12). / Second reference layer (B2) / upper electrode (E2) arranged in this order.
  • the details of the seventh embodiment are the same as those of the first to fourth embodiments, except for the following features.
  • the configuration of the recording layer disclosed in the first to third embodiments can be arranged in the first recording layer (A1).
  • the second reference layer (B2) has the same configuration as the first reference layer (B1).
  • the magnetization directions of the first reference layer (B1) and the second reference layer (B2) are opposite in FIG.
  • both the first bonding layer (11) and the second bonding layer (12) become tunnel barrier layers.
  • FIG. 8 shows a configuration of the eighth embodiment of the present invention.
  • the configuration of the magnetoresistive element is as follows: lower electrode / reference layer / MgO (1.1 nm) / CoFeB (1.4 nm) / W (0.25 nm) / CoFeB (1.0 nm) / MgO (1.0 nm) / The protective layers are sequentially arranged adjacent to each other.
  • Each layer other than MgO was formed by DC magnetron sputtering, and the MgO layer was formed by RF magnetron sputtering, and then heat-treated (400 ° C., 1 hour) in a magnetic field heat treatment furnace.
  • a mask of the pattern of the recording element was formed by an electron beam lithography apparatus, and the laminated film was selectively etched with Ar ions to form the present magnetoresistive element.
  • FIG. 9 shows a configuration of the ninth embodiment of the present invention.
  • 4 is a memory cell in which the magnetoresistive element of the present invention is arranged.
  • a magnetoresistive element (10) and a selection transistor (60) are electrically connected in series.
  • the source electrode of the select transistor (60) connected to the lower electrode (E1) of the magnetoresistive element (10) is connected to the source line (SL1), and the drain electrode is connected to the upper electrode (E2) of the magnetoresistive element (10).
  • the gate electrode is electrically connected to the bit line (BL1), and the gate electrode is electrically connected to the word line (WL1).
  • the magnetoresistance effect element (10) may be connected upside down in FIG. That is, the source electrode of the selection transistor (60) connected to the upper electrode (E2) of the magnetoresistive element (10) is the source electrode (SL1), and the drain electrode is the lower part of the magnetoresistive element (10).
  • the electrode (E1) may be electrically connected to the bit line (BL1), and the gate electrode may be electrically connected to the word line (WL1).
  • FIG. 10 shows, as a tenth embodiment, an example of a magnetic memory including a plurality of memory cells (50) having the configurations of the first to ninth embodiments.
  • the magnetic memory includes a memory cell array, an X driver, a Y driver, and a controller.
  • the memory cell array has magnetic memory cells arranged in an array.
  • the X driver is connected to a plurality of word lines (WL)
  • the Y driver is connected to a plurality of bit lines (BL), and functions as reading means and writing means.
  • the layer configurations shown in the embodiments of the present invention may be arranged adjacent to each other in order, and the lamination method, lamination order, up / down / left / right directions, and the like are not limited.

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Abstract

素子サイズが小さい磁気抵抗効果素子において、熱安定性指数Δを大きくすることと、書き込み電流ＩC0を小さくすることを両立させ、熱安定性指数Δを書き込み電流ＩC0で除した性能指数Δ／ＩC0（μＡ-1）を向上させた磁気抵抗効果素子を提供する。磁気抵抗効果素子は、第１の参照層（Ｂ１）、第１の接合層（１１）、第１の磁性層（２１）、第１の非磁性結合層（３１）、第２の磁性層（２２）及び第２の接合層（１２）を備え、第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である構成を有する。

Description

磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
　本発明は、磁気抵抗効果素子、及び、該磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリに関する。
　ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ；磁気メモリ）は、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；磁気トンネル接合）を利用した不揮発性メモリである。
　待機時に電力を消費せず、高速動作性及び高書き込み耐性を有し、また、メモリサイズを微細化可能であるＭＲＡＭは、次世代のワーキングメモリとして注目されている。
　ＭＲＡＭに使用される磁気抵抗効果素子は、強磁性層の記録層と参照層の間にトンネル障壁層となる非磁性層が挟まれた構造を基本とする。磁気抵抗効果素子の抵抗値は、記録層と参照層の磁化が平行配置の場合に小さく、反平行配置の場合に大きくなり、２つの抵抗状態がビット情報「０」、「１」に割り当てられる。ビット情報の書き込みには、磁気抵抗効果素子に直接電流を流し、電子が有する角運動量の移行を利用したスピントランスファートルク（ＳＴＴ）により行われる。一方、情報の読み出しについては、トンネル障壁層を通りＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；トンネル磁気抵抗）効果が用いられる。
　ここで、ＭＲＡＭに使用される磁気抵抗効果素子は、複数集積した上で特定の素子に対して情報の読み出し及び書き込みを行う必要がある。このため、磁気抵抗効果素子、選択トランジスタ、ワード線及びビット線からなるメモリセルをアレイ状に配置してメモリアレイを構成し、各メモリアレイのワード線及びビット線に電圧を印加するのが一般的である。
　ところで、ＭＲＡＭに用いられる磁気抵抗効果素子で応用上重要となる特性は、（ｉ）熱安定性指数Δが大きいこと、（ｉｉ）書き込み電流ＩC0が小さいこと、（ｉｉｉ）磁気抵抗効果素子の磁気抵抗（ＭＲ）比が大きいこと、（ｉｖ）素子サイズが小さいことである。（ｉ）は磁気メモリの不揮発性のため、（ｉｉ）はセルトランジスタのサイズを小さくしてセルサイズを小さくし、また消費電力を下げるため、（ｉｉｉ）は高速での読み出しに対応するため、（ｉｖ）はセル面積を小さくして大容量化するために要求される特性である。
　（ｉｉ）の書き込み電流ＩC0は書込み電圧が一定の場合、素子面積に比例する。そのため、素子間の比較、あるいは文献値との対応において、素子寸法を考慮する必要があり、指標として扱いづらい面がある。一方、（ｉ）熱安定性指数Δが大きいことと（ｉｉ）書き込み電流ＩC0が小さいことの意味を併せ持つ、性能指数Δ／ＩC0（μＡ-1）は、後述する数２よりダンピング定数αなる物性値と対応づけられることもあり、素子の性能指数として業界内で広く用いられている（非特許文献１、非特許文献２参照）。なお、性能指数Δ／ＩC0は、安定性指数Δを書き込み電流ＩC0で除した値である。そして、この（ｖ）性能指数Δ／ＩC0を大きくすることが、素子の高集積化が進む近年、強く求められてきている。
　上記特性のうち（ｉ）熱安定性指数Δを大きくするため、記録層に接する界面を増やした、いわゆる二重界面を備える磁気抵抗効果素子が開発された（図１１参照）。図１１に示すように、二重界面を備える磁気抵抗効果素子の記録層（Ａ１）は、トンネル障壁層となる第１の接合層（１１）と、第２の接合層（１２）に挟まれた構成を有する。本構成は、熱安定性指数Δが下記数１の式で表されることから、記録層に接する界面を増やすことにより界面磁気異方性エネルギー密度Ｋiを高めようとする技術思想に基づくものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　数１の式において、Ｅはエネルギー障壁、ｋBはボルツマン係数、Ｔは絶対温度、Ｋeffは単位体積あたりの実効磁気異方性エネルギー密度、ｔは膜厚、Ｋeffｔは単位面積あたりの実効磁気異方性エネルギー密度、Ｓは記録層の面積、Ｋiは界面磁気異方性エネルギー密度、Ｋbはバルク（結晶）磁気異方性エネルギー密度、Ｍsは飽和磁化、μ0は真空の透磁率である。また、素子全体の実効磁気異方性エネルギー密度はＫeffｔ*で表される。
　その他にも、いわゆる二重界面に挟まれた記録層中に非磁性結合層を挿入して、熱安定性指数Δをさらに向上させることが開示されている（特許文献１、２等参照）。
国際公開ＷＯ２０１３／１５３９４２ 特開２０１２－６４６２５
L. Tomas， G. Jan， J. Zhu， H. Liu， Y-J. Lee， R-Y Tong， K. Pi， Y-J. Wang， D. Shen， R. He， J. Haq， J. Teng， V. Lam， K. Huang， T. Zhong， T. Torng amd P-K. Wang， Journal of Applied Physics 115， 172615 (2014) G. Hu， M. G. Gotwald， Q. He， J. H. Park， G. Lauer， J. J. Nowak， S. L. Brown， B. Doris， D. Edelstein， E. R. Evarts， P. Hashemi， B. Khan， Y. H. Kim， C. Kothandaraman， N. Marchack， E. J. O’Suillivian， M. Reuter， R. P. Roertazzi， J. Z. Sun， T. Suwannasiri， P. L. Trouilloud， Y. Zhu and D. C. Worledge， International Electron Device Meeting (IEDM) 2017， p. 844
　上記先行技術文献の前提となっている素子サイズは、今般要求される（ｉｖ）微細化された素子サイズよりも大きい。一方で、素子を微細化すると、素子の面積Ｓが減少し、数１の式から熱安定性指数Δは低下してしまう。このため、微細化により大容量化した場合、熱安定性指数Δをさらに高めることが要求されるようになった。
　しかしながら、上述したような特性を有する素子を検討するにあたり、素子サイズが概ね４０～６０ｎｍの範囲以下の場合は、素子サイズがその範囲を超える従来の素子とは支配的となる磁気の結合の種類や磁化反転のメカニズムが異なってくるため、従来技術の知見のみでは熱安定性指数Δをさらに高めるには十分ではないという課題があった。
　また、いわゆる二重界面の接合層や、記録層中の非磁性結合層は、熱安定性指数Δ等の向上のために設けられた。一方、前述したとおり書き込み電流ＩC0も重要な指標である。つまり、熱安定性指数Δと性能指数Δ／ＩC0の両方を高めることが磁気トンネル接合の特性という観点では重要である。
　しかしながら、従来の技術では、特に微細な領域で高い熱安定性指数Δと高い性能指数Δ／ＩC0を両立することが困難であった。
　本発明は、上記実情に鑑み、より微細な磁気抵抗効果素子が要求される次世代に向けて、素子サイズが小さい領域において、（ｖ）性能指数Δ／ＩC0（μＡ-1）を向上させた磁気抵抗効果素子の構成を見出し、完成させるに至ったものである。
　上記課題を解決するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の参照層（Ｂ１）と、前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられた第１の接合層（１１）と、前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、を備え、前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、前記第１の非磁性結合層（３１）はＷ又はＭｏを含み、前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、素子サイズが６０ｎｍ以下であることを特徴とする。
　また、本発明の磁気抵抗効果素子は、第１の参照層（Ｂ１）と、前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられた第１の接合層（１１）と、前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、を備え、前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、素子サイズが４０ｎｍ以下であることを特徴とする。
　前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（３２）と、前記第２の非磁性結合層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（２３）と、をさらに備えてもよい。
　前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる非磁性挿入層（４１）と、前記非磁性挿入層（４１）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（２４）と、前記第４の磁性層（２４）の前記非磁性挿入層（４１）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性結合層（３３）と、前記第３の非磁性結合層（３３）の前記第４の磁性層（２４）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第５の磁性層（２５）と、をさらに備えてもよい。
　また、本発明の磁気メモリは、上述の磁気抵抗効果素子を備える。
　本発明によれば、素子サイズが６０ｎｍ以下の磁気抵抗効果素子において、熱安定性指数Δを大きくすることと、書き込み電流ＩC0を小さくすることを両立させ、性能指数Δ／ＩC0（μＡ-1）を向上させた磁気抵抗効果素子を提供することができる。
　なお、本明細書における磁気抵抗効果素子の「素子サイズ」とは、参照層／トンネル障壁層／記録層の接合面の形状の短辺、長辺から求めた面積を正円としたときの正円の直径の値である。素子形状が楕円であれば、長径と短径から求める。素子形状が円形であれば、素子サイズはその直径である。
本発明の磁気抵抗効果素子の構成の一例の縦断面図を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成の他の一例の縦断面図を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子の構成を備えるメモリセルの一例を示す。 本発明の磁気抵抗効果素子を複数個配置した磁気メモリのブロック図の一例である。 従来の磁気抵抗効果素子の構成の縦断面図を示す。 性能指数Δ／ＩC0評価用の素子の構成の縦断面図を示す。 素子サイズ及び非磁性結合層の膜厚と、熱安定性指数Δの関係を示す、グラフである。 素子サイズ及び非磁性結合層の膜厚と、書き込み電流ＩC0の関係を示す、グラフである。 素子サイズ及び非磁性結合層の膜厚と、性能指数Δ／ＩC0の関係を示す、グラフである。
　以下、図面を参照しながら、本発明の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリについて詳細を説明する。
　なお、図は一例に過ぎず、また、符号を付して説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
（実施の形態１）
―　素子の構成　―
　図１に、本発明の実施の形態１の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の接合層（１２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
　該磁気抵抗効果素子が磁気メモリセルに接続されるときは、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側に設けられる下部電極、及び、第２の接合層（１２）の第２の磁性層（２２）とは反対側に設けられる上部電極を有する。
　第１の参照層（Ｂ１）は、磁化方向が膜面垂直方向で固定された強磁性層である。
　第１の参照層（Ｂ１）は少なくとも３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことがより好ましい。具体的にはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等の元素の組み合わせが例示される。第１の参照層（Ｂ１）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んだ合金であってもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
　また、第１の参照層（Ｂ１）の強磁性体の間に薄い非磁性結合層を挿入してもよい。該非磁性結合層の材料としては、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ，Ｔｉ、Ｍｇ、ＭｇＯ、Ｃｒ、Ｖ等が例示される。
　第１の参照層（Ｂ１）は単層からなっていても、積層あるいは多層となっていてもよいし、Ｃｏ／Ｐｔ他、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｄ等との積層や薄層フェリ構造等でもよい。参照層中の強磁性層が多層から構成される場合、層の材料や膜厚により磁化の向きが平行に固定されてもよく、反平行に固定されていてもよい。
　さらに、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側に固定層等が隣接されていてもよい。
　第１の接合層（１１）は、Ｏ（酸素）を含む材料が用いられる、本磁気抵抗効果素子の磁気抵抗に支配的なトンネル障壁層である。第１の参照層（Ｂ１）と第１の磁性層（２１）に挟まれた第１の接合層（１１）の材料の組み合わせで磁気抵抗変化率が大きく発現するよう、少なくともＯ及びＭｇを含むことが好ましい。また、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｉｎ等を含む導電性酸化物、もしくは、Ｍｇ-Ｏ、Ａｌ-Ｏ、Ｍｇ-Ａｌ-Ｏ、Ｓｉ-Ｏ、Ｔｉ-Ｏ、Ｈｆ-Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ等の酸化が完全ではない弱酸化の導電性酸化物を用いてもよく、これらの導電性酸化物に他の元素が微量に含まれていてもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
　また、第１の接合層（１１）は第１の磁性層（２１）との界面において界面磁気異方性を生じるように酸素を含む材料を選択することがより望ましく、この点においてもＭｇＯがさらに望ましい。
　第１の接合層（１１）の膜厚は、磁気抵抗ＭＲ比を大きくするために０．５ｎｍ以上であることが好ましく、０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。また、小さな抵抗面積積ＲＡとなるように１．２ｎｍ以下であることが好ましく、１．１ｎｍ以下、さらには１．０ｎｍ以下であることがより好ましい。よって、好ましくは０．５～１．２ｎｍの範囲、より好ましくは０．８～１．１ｎｍの範囲に調整される。
　第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は磁化方向が膜面垂直方向に反転可能な強磁性層である。
　第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は、３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことがより好ましい。具体例として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられ、なかでもＦｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがより望ましい。
　また、第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）との界面、第２の磁性層（２２）は第２の接合層（１２）との界面で、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料がより望ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがさらに望ましい。すなわち、第１の磁性層（２１）と第１の接合層（１１）の界面、及び、第２の磁性層（２２）と第２の接合層（１２）の界面での界面垂直磁気異方性により、第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の磁化は、膜面に対し垂直であることが望ましい。
　また、第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。
　第１の磁性層（２１）及び第２の磁性層（２２）の膜厚の合計は１．６ｎｍ～３．２ｎｍの範囲にあることが好ましく、２．０ｎｍ～２．６ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄い場合も、膜厚がより厚い場合もともに、ＭｇＯ等を第１の接合層（１１）及び第２の接合層（１２）に用いた場合は垂直磁気異方性が弱まってしまうからである。
　第１の非磁性結合層（３１）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は隣接した磁性層中のＢ等を吸収して膜面方向に垂直磁気異方性を備えることも可能であるため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等がより好ましく、Ｗ、Ｍｏがさらに好ましい。
　第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。詳細は図１２～１５を用いて後述する。
　なお、第１の非磁性結合層（３１）の膜厚が約０．２ｎｍ以下あるいはゼロ近くに小さくなった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁気異方性を有し得る。
　第２の接合層（１２）は、Ｏ（酸素）を含む材料が用いられ、少なくともＭｇ及びＯを含むことが好ましい。また、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｉｎ等を含む導電性酸化物、もしくは、Ｍｇ-Ｏ、Ａｌ-Ｏ、Ｍｇ-Ａｌ-Ｏ、Ｓｉ-Ｏ、Ｔｉ-Ｏ、Ｈｆ-Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ等の酸化が完全ではない弱酸化の導電性酸化物を用いてもよく、これらの導電性酸化物に他の元素が微量に含まれていてもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
　第２の接合層（１２）の膜厚は、０．２～２．０ｎｍの範囲が好ましく、０．５～１．２ｎｍの範囲がより好ましく、０．８～１．１ｎｍに調整されることがさらに好ましい。
　実施の形態１の磁気抵抗効果素子の素子サイズは、性能指数Δ／ＩC0を高める観点から、６０ｎｍ以下が好ましく、４０ｎｍ以下あるいは４０ｎｍ未満がより好ましい。詳細は図１２～１５を用いて後述する。
　なお、上述したように、本明細書における磁気抵抗効果素子の「素子サイズ」とは、参照層／トンネル障壁層／記録層の接合面の形状の、短辺、長辺から求めた面積を正円としたときの正円の直径の値である。素子形状が楕円であれば、長径と短径から求める。素子形状が円形であれば、素子サイズはその直径である。
　以下、実施の形態１の構成に関する検討内容を説明する。
―　性能指数Δ／ＩC0の評価について　―
　上述したように、性能指数Δ／ＩC0は、熱安定性指数Δを書き込み電流ＩC0で除したものである。
　図１２に、性能指数Δ／ＩC0の評価用素子の構成の概略を示す。素子サイズを２０～８０ｎｍの範囲に、Ｗからなる非磁性結合層の膜厚を０．２、０．３、０．４ｎｍとした。
　評価用素子の試料に１μｓから５ｍｓのパルス幅の電流を流して、各試料の抵抗値を測定し、書き込み電流による反転確率を求めた。次に、測定された反転確率と、電流値及びパルス幅との関係から、各試料の熱安定性指数Δと、１ｎｓでの書き込み電流に対応するＩC0を求めた。
　また、各試料のばらつきを考慮するため、同一構成、同一素子サイズの試料を、各１０個程度評価し、熱安定性指数Δと書き込み電流ＩC0のメジアン値を解析に用いた。
　図１３及び表１に、素子サイズＤ（ｎｍ）毎の熱安定性指数Δを示す。
　図１３は、横軸に素子サイズＤ（ｎｍ）、縦軸に熱安定性指数Δをとり、非磁性結合層の膜厚を変えて熱安定性指数Δの各値をプロットしたものであり、その具体的な数値を表１にまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図１３及び表１より、評価を行った素子サイズ２０～８０ｎｍの素子すべてにおいて、熱安定性指数Δは６０以上であることが分かった。
　次に、図１４及び表２に、素子サイズ毎の書き込み電流ＩC0の関係を示す。
　図１４は、横軸に素子サイズＤ（ｎｍ）、縦軸に素子サイズを６０ｎｍ、非磁性結合層の膜厚を０．４ｎｍの試料の書き込み電流ＩC0を１としたときの、書き込み電流ＩC0の相対値をとり、非磁性結合層の膜厚を変えて書き込み電流ＩC0の各相対値をプロットしたものであり、その具体的な数値を表２にまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図１４及び表２より、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍの場合、素子サイズＤが２０ｎｍから６０ｎｍの範囲において、書き込み電流ＩC0の相対値は０．３６～１．００と高い値を推移した。これに対し、非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍ、０．３ｎｍの場合、書き込み電流ＩC0の相対値は０．１５～０．５３と小さい値になり、書き込み電流ＩC0を小さくする特性が向上していることが分かった。
　図１５及び表３に、素子サイズ毎の性能指数Δ／ＩC0の関係を示す。
　図１５は、横軸に素子サイズＤ（ｎｍ）、縦軸に素子サイズを６０ｎｍ、非磁性結合層の膜厚を０．４ｎｍの試料の性能指数Δ／ＩC0を１としたときの、性能指数Δ／ＩC0の相対値をとり、非磁性結合層の膜厚を変えて性能指数Δ／ＩC0の各相対値をプロットしたものであり、その具体的な数値を表３にまとめた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　なお、図１５において、非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍのときの近似曲線はy = -0.0613x + 5.2224、０．３ｎｍのときの近似曲線はy = -0.0469x + 4.2804、０．４ｎｍのときの近似曲線はy = -0.0213x + 2.3749で表される。以下の比較では近似曲線の式で算出した値を用いた。
　図１５に示した性能指数Δ／ＩC0の相対値は、上述したように、その値が大きいほど素子としての性能が優れていることを示す。図１５に示されるように、素子サイズＤが６０ｎｍから小さくなるにつれ性能指数Δ／ＩC0は概ね単調に増大することが分かった。さらに、素子サイズＤが６０ｎｍ以下の領域において、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0と０．３ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0を比較すると、どの素子サイズＤであっても０．３ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0の方が大きい。この差は、素子サイズＤが６０ｎｍ以下ではっきり見られ、４０ｎｍ以下では差がより顕著となることが分かった。さらに、非磁性結合層の膜厚が０．２ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0は、０．３ｎｍの場合の性能指数Δ／ＩC0より大きくなることが分かった。
　表３や図１５の近似曲線で求めた値で詳細を確認すると、素子サイズＤが６０ｎｍの場合、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．１０であるのに対し、０．３ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．４７で約１．３倍、０．２ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．５４で約１．４倍と改善されることが分かった。
　素子サイズＤが４０ｎｍの場合、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．５２であるのに対し、０．３ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は２．４０で約１．６倍、０．２ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は２．７７で約１．８倍と改善されることが分かった。
　素子サイズが２０ｎｍの場合、非磁性結合層の膜厚が０．４ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は１．９５であるのに対し、０．３ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は３．３４で約１．７倍、０．２ｎｍのときの性能指数Δ／ＩC0の相対値は４．００で約２．１倍と改善されることが分かった。
　以上の評価結果から、素子サイズが６０ｎｍ以下において、非磁性結合層の膜厚を０．３ｎｍ以下に薄くすることにより、熱安定性指数Δを６０以上に維持しつつ性能指数Δ／ＩC0を改善することができた。特に、素子サイズＤが６０ｎｍ以下、あるいは４０ｎｍ以下であるとその効果が顕著であることが分かった。
　性能指数Δ／ＩC0が、素子サイズの小さい領域、かつ、非磁性結合層の膜厚が薄い領域で改善される理由は複合的である。素子サイズの小さい領域において記録層中の複数の磁性層の磁化反転が一体的となって起こりやすいため、記録層中の磁化の歳差運動でのダンピング定数αが小さいほど書き込み電流ＩC0の絶対値は小さくなり、性能指数Δ／ＩC0が向上することが理由のひとつである。なお、ダンピング定数αとは、スピントランスファートルク等により、磁化容易軸の周りを歳差運動する磁化を減衰する効果をいう。
　磁化反転が一体的となって一斉に回転する場合、書き込み電流ＩC0は以下の数２の式で表される（Phys. Review. B， vol. 88， pp.104426(2013）参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　数２において、ｈ（ｂａｒ）はプランク定数、ｅは電気素量、αはダンピング定数、ηはトンネル磁気抵抗比に関連したスピン分極因子、Ｅはエネルギー障壁、ＴＭＲはトンネル磁気抵抗比である。
　数２の式に各定数及びＴＭＲ＝１５０％を代入すると、性能指数Δ／ＩC0は数３の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　数３より、性能指数Δ／ＩC0はダンピング定数αの逆数となることから、性能指数Δ／ＩC0はダンピング定数αが小さいほど、すなわち、減衰効果が小さいほど改善されることが分かる。そして、非磁性結合層の膜厚が薄いほど、磁化の減衰効果は小さい。
　この関係は、図１２の評価用素子のダンピング定数αを強磁性共鳴法で測定した値とも整合する。結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　さらに、図１２の非磁性結合層のＷをＭｏに置き換えた場合のダンピング定数を、表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　表４より、Ｗの非磁性結合層の膜厚が０．３ｎｍ以下ではダンピング定数αが０．００８５以下と小さい値であるのに対し、０．４ｎｍでは０．０１３５と約１．５９倍高くなっていることが分かった。
　また、表５より、Ｍｏの非磁性結合層を有する評価用素子のダンピング定数αは、同じ膜厚のＷの非磁性結合層を有する評価用素子のダンピング定数αと比較して、さらに小さくなることが分かった。表３と表４に示した結果との対応関係から、Ｍｏを用いた場合には、更に大きな性能指数Δ／ＩC0が得られることが分かった。
　一方で、素子サイズが７０ｎｍを超えるような大きい領域において、性能指数Δ／ＩC0が低い値となる理由も複合的であるが、記録層中の複数の磁性層の磁化反転において、磁壁移動モードが支配的になるためと考えられる。磁壁移動モードである場合、エネルギー障壁Ｅbは以下の数４の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　数４において、σWは磁壁のエネルギー密度、ＤWは素子の直径、ｔは記録層の膜厚である。
　数４に示されるとおり、磁壁移動モードが支配的となる場合は、素子の直径（素子サイズ）及び記録層の膜厚が大きいほどエネルギー障壁Ｅbは大きくなり、数４及び数１から少なくとも熱安定性指数Δを向上させることが可能であることが示唆される。
（実施の形態２）
　図２に、本発明の実施の形態２の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性結合層（３２）／第３の磁性層（２３）／第２の接合層（１２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性結合層（３２）／第３の磁性層（２３）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
　該磁気抵抗効果素子が磁気メモリセルに接続されるときは、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側に設けられる下部電極、及び、第２の接合層（１２）の第３の磁性層（２３）とは反対側に設けられる上部電極を有する。
　実施の形態２は、以下の特徴を有する他、実施の形態１と同様である。
　第２の非磁性結合層（３２）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は隣接した磁性層中のＢ等を吸収して膜面方向に垂直磁気異方性を備えることも可能であるため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等がより好ましく、Ｗ、Ｍｏがさらに好ましい。
　第２の非磁性結合層（３２）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。
　なお、第２の非磁性結合層（３２）の膜厚が約０．２ｎｍ以下あるいはゼロ近くに小さくなった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁気異方性を有し得る。
　第３の磁性層（２３）は磁化方向が膜面垂直方向に反転可能な強磁性層である。
　第３の磁性層（２３）は、３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことがより好ましい。具体例として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられ、なかでもＦｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがより望ましい。
　また、第３の磁性層（２３）は第２の接合層（１２）との界面で、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料がより望ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがさらに望ましい。すなわち、第３の磁性層（２３）と第２の接合層（１２）の界面での界面垂直磁気異方性により、第３の磁性層（２３）の磁化は、膜面に対し垂直であることが望ましい。
　また、第３の磁性層（２３）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。
　第１の磁性層（２１）、第２の磁性層（２２）及び第３の磁性層（２３）の膜厚の合計は２．４ｎｍ～４．８ｎｍの範囲にあることが好ましく、２．８ｎｍ～３．４ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄い場合も、膜厚がより厚い場合もともに、ＭｇＯ等を第１の接合層（１１）及び第２の接合層（１２）に用いた場合は垂直磁気異方性が弱まってしまうからである。
（実施の形態３）
　図３に、本発明の実施の形態３の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／非磁性挿入層（４１）／第４の磁性層（２４）／第３の非磁性結合層（３３）／第５の磁性層（２５）／第２の接合層（１２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／非磁性挿入層（４１）／第４の磁性層（２４）／第３の非磁性結合層（３３）／第５の磁性層（２５）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
　該磁気抵抗効果素子が磁気メモリセルに接続されるときは、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側に設けられる下部電極、及び、第２の接合層（１２）の第５の磁性層（２５）とは反対側に設けられる上部電極を有する。
　実施の形態３は、以下の特徴を有する他、実施の形態１と同様である。
　非磁性挿入層（４１）は、Ｏ（酸素）を含む材料が用いられ、少なくともＭｇ及びＯを含むことが好ましい。また、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｅ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｉｎ等を含む導電性酸化物、もしくは、Ｍｇ-Ｏ、Ａｌ-Ｏ、Ｍｇ-Ａｌ-Ｏ、Ｓｉ-Ｏ、Ｔｉ-Ｏ、Ｈｆ-Ｏ、Ｔａ－Ｏ、Ｗ－Ｏ等の酸化が完全ではない弱酸化の導電性酸化物を用いてもよく、これらの導電性酸化物に他の元素が微量に含まれていてもよい。以上のように組み合わせられた元素のうち、一部の元素の含有量はごく微量であってもよく、材料の特性改善に用いられる他の磁性材料や非磁性材料をさらに含んでいてもよい。
　非磁性挿入層（４１）は、第２の磁性層（２２）と第４の磁性層（２４）を磁気的に結合するとともに、垂直磁気異方性を付与する働きを有する。
　非磁性挿入層（４１）の膜厚は、抵抗面積積ＲＡを小さくする観点や磁気的結合を高める観点から、１．２ｎｍ以下が好ましく、１．０ｎｍ以下がより好ましく、０．８ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
　第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）は磁化方向が膜面垂直方向に反転可能な強磁性層である。
　第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）は、３ｄ強磁性遷移金属元素のいずれかを含む強磁性体であり、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの少なくとも１つを含むことがより好ましい。具体例として、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＮｉ、ＣｏＮｉ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＮｉＢ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧａ等が挙げられ、なかでもＦｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがより望ましい。
　また、第４の磁性層（２４）は非磁性挿入層（４１）との界面、第５の磁性層（２５）は第２の接合層（１２）との界面で、膜面垂直方向に界面磁気異方性を有する材料がより望ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＢがさらに望ましい。すなわち、第４の磁性層（２４）と非磁性挿入層（４１）の界面、及び、第５の磁性層（２５）と第２の接合層（１２）の界面での界面垂直磁気異方性により、第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）の磁化は、膜面に対し垂直であることが望ましい。
　また、第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素をさらに含んでもよい。なかでも、Ｂ、Ｖは、取り扱いやすさの面からも好ましい。
　第１の磁性層（２１）、第２の磁性層（２２）、第４の磁性層（２４）及び第５の磁性層（２５）の膜厚の合計は１．６ｎｍ～３．２ｎｍの範囲にあることが好ましく、２．０ｎｍ～２．６ｎｍの範囲にあることがより好ましい。膜厚がより薄い場合も、膜厚がより厚い場合もともに、ＭｇＯ等を第１の接合層（１１）、非磁性挿入層（４１）、第２の接合層（１２）に用いた場合は垂直磁気異方性が弱まってしまうからである。
　第３の非磁性結合層（３３）は、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｐｄ、Ｐｔ等の非磁性元素を含む。非磁性結合層は隣接した磁性層中のＢ等を吸収して膜面方向に垂直磁気異方性を備えることも可能であるため、ｂｃｃ（体心立方格子）で、原子半径が大きく、格子間隔が比較的大きな元素が好ましい。Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ等がより好ましく、Ｗ、Ｍｏがさらに好ましい。
　第３の非磁性結合層（３３）の膜厚は、性能指数Δ／ＩC0を高める理由から、０．３ｎｍ以下であることが好ましい。
　なお、第３の非磁性結合層（３３）の膜厚が約０．２ｎｍ以下あるいはゼロ近くに小さくなった場合、スパッタ時間を調整して原子サイズ程度あるいはそれより薄い膜厚を作製することになるため、層が連続しているものも、層が連続していないものも含まれる。層が連続していない場合であっても、格子に磁性層のＢ等を吸収する間隙があれば、垂直磁気異方性を有し得る。
（実施の形態４）
　図４に、本発明の実施の形態４の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、下部電極（Ｅ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の接合層（１２）／第１の保護層（Ｃ１）／上部電極（Ｅ２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
　実施の形態４は、以下を特徴とする他、実施の形態１と同様である。
　下部電極（Ｅ１）は、第１の参照層（Ｂ１）の第１の接合層（１１）とは反対側の端面に接続されている。
　下部電極（Ｅ１）の積層構造はＴａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（５ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）／ＴａＮ（２０ｎｍ）等が例示される。
　第１の保護層（Ｃ１）は、第２の接合層（１２）の第２の磁性層（２２）とは反対側に設けられる。
　第１の保護層（Ｃ１）は、記録層を保護する材料で構成されていることが好ましく、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔ、ＣｏＦｅＢ等が例示される。
　上部電極（Ｅ２）は、第１の保護層（Ｃ１）の第１の記録層（Ａ１）とは反対側の端面に接続されている。
　上部電極（Ｅ２）の積層構造は、Ｔａ（５０ｎｍ）／Ｒｕ（５０ｎｍ）、Ｒｕ（１～５０ｎｍ）、Ｐｔ（１～５０ｎｍ）／Ｔａ（５０ｎｍ）等が例示される。
（実施の形態５）
　図５に、本発明の実施の形態５の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、下部電極（Ｅ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性結合層（３２）／第３の磁性層（２３）／第２の接合層（１２）／第１の保護層（Ｃ１）／上部電極（Ｅ２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／第２の非磁性結合層（３２）／第３の磁性層（２３）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
　実施の形態５の詳細は、実施の形態２及び４と同様である。
（実施の形態６）
　図６に、本発明の実施の形態６の基本構成を示す。該磁気抵抗効果素子の基本構成は、下部電極（Ｅ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／非磁性挿入層（４１）／第４の磁性層（２４）／第３の非磁性結合層（３３）／第５の磁性層（２５）／第２の接合層（１２）／第１の保護層（Ｃ１）／上部電極（Ｅ２）が順に隣接して配置されたものである。第１の磁性層（２１）／第１の非磁性結合層（３１）／第２の磁性層（２２）／非磁性挿入層（４１）／第４の磁性層（２４）／第３の非磁性結合層（３３）／第５の磁性層（２５）は第１の記録層（Ａ１）を構成し、第１の参照層（Ｂ１）及び第１の磁性層（２１）は第１の接合層（１１）により磁気トンネル接合する。
　実施の形態６の詳細は、実施の形態３及び４と同様である。
（実施の形態７）
　図７に、本発明の実施の形態７の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、下部電極（Ｅ１）／第１の参照層（Ｂ１）／第１の接合層（１１）／第１の記録層（Ａ１）／第２の接合層（１２）／第２の参照層（Ｂ２）／上部電極（Ｅ２）が順に隣接して配置されたものである。
　実施の形態７の詳細は、以下の特徴を有する他、実施の形態１～４と同様である。
　第１の記録層（Ａ１）には、実施の形態１～３に開示された記録層の構成が配置され得る。
　第２の参照層（Ｂ２）は、第１の参照層（Ｂ１）の構成と同様である。性能指数Δ／ＩC0の向上のため、図７において、第１の参照層（Ｂ１）及び第２の参照層（Ｂ２）の磁化方向は逆向きとなっていることが好ましい。
　実施の形態７においては、第１の接合層（１１）及び第２の接合層（１２）は、両方ともトンネル障壁層となる。
（実施の形態８）
　図８に、本発明の実施の形態８の構成を示す。該磁気抵抗効果素子の構成は、下部電極／参照層／ＭｇＯ（１．１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．４ｎｍ）／Ｗ（０．２５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／ＭｇＯ（１．０ｎｍ）／保護層が順に隣接して配置されたものである。
　ＭｇＯ以外の各層はＤＣマグネトロンスパッタ法で、ＭｇＯ層はＲＦマグネトロンスパッタ法で成膜し、その後、磁場中熱処理炉にて加熱処理（４００℃、１時間）を行った。
　次に、電子ビーム描画装置により記録素子のパターンのマスクを形成し、積層膜に対してＡｒイオンにより選択エッチングを行い、本磁気抵抗効果素子を形成した。
（実施の形態９）
　図９に、本発明の実施の形態９の構成を示す。本発明の磁気抵抗効果素子を配置したメモリセルである。
　実施の形態９のメモリセル（５０）は、磁気抵抗効果素子（１０）と選択トランジスタ（６０）とが電気的に直列接続される。磁気抵抗効果素子（１０）の下部電極（Ｅ１）に接続された選択トランジスタ（６０）のソース電極はソース線（ＳＬ１）に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子（１０）の上部電極（Ｅ２）からビット線（ＢＬ１）に、ゲート電極はワード線（ＷＬ１）に、それぞれ電気的に接続される。
　磁気抵抗効果素子（１０）には実施の形態４の構成を例示したが、実施の形態１～８のいずれの構成であってもよい。
　また、磁気抵抗効果素子（１０）は図９とは上下逆向きに接続されてもよい。すなわち、ソース電極は磁気抵抗効果素子（１０）の上部電極（Ｅ２）に接続された選択トランジスタ（６０）のソース電極はソース線（ＳＬ１）に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子（１０）の下部電極（Ｅ１）からビット線（ＢＬ１）に、ゲート電極はワード線（ＷＬ１）に、それぞれ電気的に接続されてもよい。
（実施の形態１０）
　図１０に、実施の形態１０として、実施の形態１～９の構成を有するメモリセル（５０）を複数個備える磁気メモリの一例を示す。
　磁気メモリは、メモリセルアレイ、Ｘドライバ、Ｙドライバ、コントローラを備える。メモリセルアレイは、アレイ状に配置された磁気メモリセルを有する。Ｘドライバは複数のワード線（ＷＬ）に接続され、Ｙドライバは複数のビット線（ＢＬ）に接続され、読み出し手段及び書き出し手段として機能する。
　本発明の各実施の形態において示した層構成は順に隣接して配置していればよく、積層方法、積層順序、上下左右の向き等は限定されない。
　１０　　磁気抵抗効果素子
　１１　　第１の接合層
　１２　　第２の接合層
　１３　　第３の接合層
　２１　　第１の磁性層
　２２　　第２の磁性層
　２３　　第３の磁性層
　２４　　第４の磁性層
　２５　　第５の磁性層
　３１　　第１の非磁性結合層
　３２　　第２の非磁性結合層
　３３　　第３の非磁性結合層
　４１　　非磁性挿入層
　５０　　メモリセル
　６０　　選択トランジスタ　
　Ａ１　　第１の記録層
　Ａ２　　第２の記録層
　Ｂ１　　第１の参照層
　Ｂ２　　第２の参照層
　Ｂ３　　第３の参照層
　Ｃ１　　保護層
　Ｅ１　　下部電極
　Ｅ２　　上部電極
　ＢＬ１　第１のビット線
　ＢＬ２　第２のビット線
　ＧＮＤ　グラウンド線
　ＳＬ１　ソース線
　ＷＬ１　ワード線

Claims (8)

  1. 　第１の参照層（Ｂ１）と、
    　前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられた第１の接合層（１１）と、
    　前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、
    　前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、
    　前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、
    　前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、
    を備え、
    　前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、
    　前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、
    　前記第１の非磁性結合層（３１）はＷ又はＭｏを含み、前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、
    　素子サイズが６０ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。
  2. 　第１の参照層（Ｂ１）と、
    　前記第１の参照層（Ｂ１）に隣接して設けられた第１の接合層（１１）と、
    　前記第１の接合層（１１）の前記第１の参照層（Ｂ１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第１の磁性層（２１）と、
    　前記第１の磁性層（２１）の前記第１の接合層（１１）とは反対側に隣接して設けられる第１の非磁性結合層（３１）と、
    　前記第１の非磁性結合層（３１）の前記第１の磁性層（２１）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第２の磁性層（２２）と、
    　前記第２の磁性層（２２）の前記第１の非磁性結合層（３１）とは反対側に隣接して設けられる第２の接合層（１２）と、
    を備え、
    　前記第１の磁性層（２１）、前記第１の非磁性結合層（３１）及び前記第２の磁性層（２２）は、第１の記録層（Ａ１）を構成し、
    　前記第１の接合層（１１）及び前記第２の接合層（１２）はＯ（酸素）を含み、前記第１の接合層（１１）はトンネル障壁層であり、
    　前記第１の非磁性結合層（３１）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、
    　素子サイズが４０ｎｍ以下である、磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記第１の非磁性結合層の膜厚はＷ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖのいずれかからなる、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、
    　前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（３２）と、
    　前記第２の非磁性結合層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（２３）と、
    をさらに備え、
    　前記第２の非磁性結合層（３２）及び前記第３の磁性層（２３）は前記第１の記録層（Ａ１）の一部を構成し、
    　前記第２の非磁性結合層（３２）はＷ又はＭｏを含み、前記第２の非磁性結合層（３２）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、
    　前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる第２の非磁性結合層（３２）と、
    　前記第２の非磁性結合層（３２）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第３の磁性層（２３）と、
    をさらに備え、
    　前記第２の非磁性結合層（３２）及び前記第３の磁性層（２３）は前記第１の記録層（Ａ１）の一部を構成し、
    　前記第２の非磁性結合層（３２）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、
    　前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる非磁性挿入層（４１）と、
    　前記非磁性挿入層（４１）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（２４）と、
    　前記第４の磁性層（２４）の前記非磁性挿入層（４１）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性結合層（３３）と、
    　前記第３の非磁性結合層（３３）の前記第４の磁性層（２４）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第５の磁性層（２５）と、
    をさらに備え、
    　前記非磁性挿入層（４１）、前記第４の磁性層（２４）、前記第３の非磁性結合層（３３）及び前記第５の磁性層（２５）は前記第１の記録層（Ａ１）の一部を構成し、
    　前記非磁性挿入層（４１）はＯ（酸素）を含み、
    　前記第３の非磁性結合層（３３）はＷ又はＭｏを含み、前記第３の非磁性結合層（３３）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　前記第２の磁性層（２２）及び前記第２の接合層（１２）の間に、
    　前記第２の磁性層（２２）に隣接して設けられる非磁性挿入層（４１）と、
    　前記非磁性挿入層（４１）の前記第２の磁性層（２２）とは反対側に隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第４の磁性層（２４）と、
    　前記第４の磁性層（２４）の前記非磁性挿入層（４１）とは反対側に隣接して設けられる第３の非磁性結合層（３３）と、
    　前記第３の非磁性結合層（３３）の前記第４の磁性層（２４）とは反対側に隣接し、かつ、前記第２の接合層（１２）と隣接して設けられ、磁化方向が膜面垂直方向である第５の磁性層（２５）と、
    をさらに備え、
    　前記非磁性挿入層（４１）、前記第４の磁性層（２４）、前記第３の非磁性結合層（３３）及び前記第５の磁性層（２５）は前記第１の記録層（Ａ１）の一部を構成し、
    　前記非磁性挿入層（４１）はＯ（酸素）を含み、
    　前記第３の非磁性結合層（３３）の膜厚は０．１ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子を備える、磁気メモリ。
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