トンネル磁気抵抗素子、磁気メモリ装置及びその製造方法
【課題】ＭＲ比が高いトップピン型のトンネル磁気抵抗素子を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層とを備えることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【解決手段】基板と、前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層とを備えることを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗素子、磁気メモリ装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現行のＤＲＡＭ、あるいはＦＬＡＳＨに代わる次世代の大容量不揮発性メモリとして、磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）が挙げられる。現在開発されているＭＲＡＭにおいて、トンネルバリア層を２層の強磁性体で挟んだ、いわゆるトンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）素子が用いられている。一方の強磁性層は、隣接する反強磁性層により磁化の方向が固定された固定磁化層である。他方の強磁性層は、磁化の方向を変更できる自由磁化層とする。２層の強磁性層の磁化の向きが平行のとき、トンネル電流に対する抵抗値は低く、反平行のときトンネル電流に対する抵抗は高い。例えば書込ワード線に電流を流して発生する磁界により、自由磁化層の磁化方向を制御して、自由磁化層に磁気情報を書き込む。
【０００３】
２層の強磁性層の磁化の向きが平行のときと反平行のときとで電圧出力変化量は、差動アンプで判定できる程度に大きい必要がある。電圧出力変化が５０ｍＶ以上となるような高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が要求される。ＭＲ比の大きいＴＭＲ素子として、トンネルバリア層にＭｇＯが用いられたＴＭＲ素子が知られている。ＭｇＯ層の両側には、例えばＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性材料からなる層が設けられる。
【０００４】
ＴＭＲ素子のＭＲ比を向上させる手段として、例えば特許文献１に開示された手段がある。特許文献１のＴＭＲ素子は、トンネル絶縁層の上にホウ素原子（Ｂ）などの添加物を含有する第１自由磁化層と、第１自由磁化層と強磁性的に交換結合した第２自由磁化層とが設けられている。第１自由磁化層と第２自由磁化層との間に、第１自由磁化層から第２自由磁化層へ添加物が拡散するのを防止する拡散防止層が設けられている。このようなボトムピン型のＴＭＲ（基板上に、固定磁化層、トンネルバリア層、自由磁化層を順に積層した素子）素子は、ＭＲ比の向上の点において一定の効果が認められる。
【０００５】
また、更なる記憶容量の大容量化のため、自由磁化層を線状とし、その細線に電流を流すことにより自由磁化層の磁壁（磁区）を移動させて、多数のデータを記録できる磁壁移動型ストレージ・メモリが提案されている（例えば特許文献２、３を参照）。磁壁移動型ストレージ・メモリは、製造プロセスの簡便性の点から、ボトムピン型のＴＭＲ素子よりもトップピン型のＴＭＲ素子（基板上に、自由磁化層、トンネルバリア層、固定磁化層を順に積層した素子）を備えることが好ましい。
【０００６】
しかし、ＮｉＦｅ層の上にトンネルバリア層、固定磁化層を設けたトップピン型のＴＭＲ素子は、高いＭＲ比を得ることができないという問題があった。ＭＲ比が低いＴＭＲ素子を備えるＭＲＡＭにおいて、読出し動作の信頼性は劣る。
【特許文献１】特開２００６−３１９２５９号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７１８３号公報
【特許文献３】特開２００７−２７３４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ＭＲ比が高いトップピン型のトンネル磁気抵抗素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によると、
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備える
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、トップピン型の構造を備えながらＭＲ比が高い。このトンネル磁気抵抗素子を備える磁気メモリ装置は、読出し動作の信頼性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
〜トンネル磁気抵抗素子〜
本発明の一実施形態によるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子について、図１を用いて説明する。
【００１１】
図１は本実施形態によるトンネル磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。本実施形態のＴＭＲ素子１は、任意の基板１０上に、第１自由磁化層１１、緩和層１２、第２自由磁化層１３、トンネルバリア層１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属層１６、第２固定磁化層１７、及び反強磁性層１８が順に形成されている。このＴＭＲ素子は、基板上に、自由磁化層、トンネルバリア層、固定磁化層を順に積層した、いわゆるトップピン型のＴＭＲ素子である。
【００１２】
一般に、ＴＭＲ素子はトンネルバリア層の両側を強磁性体で挟んだ構造を備える。一方の強磁性層は、隣接する反強磁性層により磁化の方向が固定された固定磁化層である。本実施形態において、この固定磁化層は、第１固定磁化層１５、非磁性金属層１６、第２固定磁化層１７が積層された固定磁化積層体２２に相当する。他方の強磁性層は、磁化の方向を変更できる自由磁化層とする。第１自由磁化層１１と第２自由磁化層１３が強磁性交換結合している本実施形態において、この自由磁化層は、第１自由磁化層１１、緩和層１２、第２自由磁化層１３が積層された自由磁化積層体２１に相当する。固定磁化層と自由磁化層の強磁性層の磁化の向きが平行のとき、トンネル電流に対する抵抗値は低く、反平行のときトンネル電流に対する抵抗は高い。
【００１３】
自由磁化層と固定磁化層の強磁性層の磁化の向きが平行のときと反平行のときとで電圧出力変化量は、例えば差動アンプで判定できる程度に大きい（例えば５０ｍＶ以上）必要がある。すなわち、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が要求される。ＭＲ比とは、磁気抵抗効果素子の固定磁化層及び自由磁化層の磁化方向が平行の場合と反平行の場合との間における電気抵抗の変化率を示すものである。ＭＲ比が大きいほど読出しマージンが大きくＳ／Ｎ比が向上していることを表す。
【００１４】
第１自由磁化層１１は、例えば外部磁場などの影響を受けて容易に磁化の方向が変化しうる材料が適している。このような強磁性材料として、例えばｆｃｃ結晶構造を有するＮｉＦｅや、ｂｃｃ結晶構造のＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｃｏ等のアモルファスではなく何らかの結晶性を有する強磁性材料が適している。但し、製造方法によって結晶配向性、格子乗数は大きくことなり、磁気特性、上層膜の結晶性を左右する原因となる。
また、第１自由磁化層１１に用いられる材料は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅに対して、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＺｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素が添加された材料で形成してもよい。
【００１５】
第１自由磁化層１１は、通常、第２自由磁化層１３よりも保磁力の小さな材料で形成される。第１自由磁化層１１と、それよりも保磁力の小さな第２自由磁化層１３とが強磁性的に交換結合することにより、外部磁場の変化に対するＴＭＲ素子感度（第１自由磁化層１１及び第２自由磁化層１３の磁化方向の変化のしやすさ）を向上させることができる。一般に、強磁性膜は、その保磁力が小さいほど、外部磁場の方向の変化に反応しやすくなる。第１自由磁化層１１の保磁力が第２自由磁化層１３の保磁力よりも小さいため、外部磁場の方向が変化すると、第２自由磁化層１３の磁化方向の変化よりも先に、第１自由磁化層１１の磁化方向が変化する。第２自由磁化層１３の磁化方向は、第１自由磁化層１１磁化方向の変化に追随して変化しやすくなる。この保磁力の点から、第１自由磁化層に用いられる材料はＮｉ及びＦｅを含む強磁性材料が好ましく、特にＮｉＦｅが好ましい。
【００１６】
第１自由磁化層１１の厚さは、例えば１０ｎｍ以上である。本実施形態のＴＭＲ素子を後述する磁気メモリ装置に設けたときに、１０ｎｍ以上の自由磁化層１１は、磁気情報を記録する記録部としても機能する。磁気メモリ装置の詳細は後述する。
【００１７】
上述のように本構造のトップピンＴＭＲでは、第１自由磁化層１１は、アモルファスではなく何らかの結晶性を有する強磁性材料が適している。結晶性を有する下地層は、上層の結晶性に影響を与えることは一般的であり、第１自由磁化層１１と、この上層にある第２自由磁化層１３、トンネルバリア層１４を独立に結晶性制御するためには、第１自由磁化層１１の結晶性の影響を何らかの方法で抑制する必要がある。
【００１８】
緩和層１２は第１自由磁化層１１の上に設けられる。緩和層１２は、第１自由磁化層１１がトンネルバリア層１４の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する働きを有する。緩和層１２に用いられる材料は、例えばタンタル（Ｔａ）から構成される。Ｔａからなる緩和層１２の厚さは例えば０．１ｎｍ〜０．５ｎｍである。Ｔａからなる緩和層の厚さを上記範囲内とすることにより、第１自由磁化層１１の結晶構造が、トンネルバリア層１４の結晶配向性に及ぼす影響を抑制できる。緩和層１２は、第１自由磁化層１１と第２自由磁化層１２とが強磁性交換結合することができる厚さを有する。Ｔａ層からなる緩和層１２の厚さが２．０ｎｍを超えると、第１自由磁化層１１と第２自由磁化層１３とが交換結合しなくなり、第２自由磁化層１３の磁化が反転せず、ＴＭＲ素子のＭＲ比が低下するおそれがある。一方、Ｔａ層からなる緩和層１２の厚さが０．１ｎｍ未満では、トンネルバリア層１４の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する働きが不十分なおそれがある。
【００１９】
なお、本実施形態において緩和層１２に用いられる材料はＴａであるが、本発明における緩和層に使用可能な材料はこれに限定されず、例えば、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆなどの導電性の非晶質材料を用いることができる。これらの材料により形成される緩和層は、第１自由磁化層１１がトンネルバリア層１４の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する働きを有する。
【００２０】
第２自由磁化層１３は、例えば外部磁場などの影響を受けて磁化の方向が変化しうる。第２自由磁化層１３は第１自由磁化層１１と強磁性的に交換結合している。第２自由磁化層１３は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅを含む強磁性材料で形成される。第２自由磁化層１３は非晶質であることが、絶縁層の結晶性に悪影響を及ぼしにくいため、得られる素子のＭＲ比が大きい点において好ましい。第２自由磁化層１３は、強磁性材料であるＣｏＦｅに加えて更にＢを含むことにより非晶質となりうる。第２自由磁化層１３は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂの他に、更にＣ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＺｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素が添加されていてもよい。
【００２１】
トンネルバリア層１４はＭｇＯで形成されており、その厚さは、例えば１．０ｎｍである。第２自由磁化層１３及び第１固定磁化層１５に挟まれたトンネルバリア層１４は、その層の主面に略垂直な方向に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層である。トンネルバリア層１４を形成するＭｇＯは結晶質であることが好ましく、特に、（００１）配向したＭｇＯが好ましい。このようなトンネルバリア層を備えるＴＭＲ素子はＭＲ比が高い。また、トンネルバリア層１４の厚さは、その膜質が良好な点から、０．７ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲内とすることが好ましい。なお、トンネルバリア層１４を、ＭｇＯ以外に、ＡｌＯｘ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘＺｒＯｘ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ等で形成してもよい。
【００２２】
第１固定磁化層１５、非磁性金属層１６、第２固定磁化層１７がトンネルバリア層１４の上に順に積層されてなる固定磁化積層体２２は、第１固定磁化層１５と第２固定磁化層１７とが、非磁性金属層１６を介して反強磁性的に交換結合する、いわゆる積層フェリピン構造を有する。
【００２３】
第１固定磁化層１５は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅを含む強磁性材料で形成される。第２自由磁化層１３は非晶質であることが、絶縁層の結晶性に悪影響を及ぼしにくいため、得られる素子のＭＲ比が大きい点において好ましい。第２自由磁化層１３は、強磁性材料であるＣｏＦｅに加えてＢを含むことにより非晶質となりうる。なお、第２自由磁化層１３は、ＣｏＦｅＢの他に、更にＣ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＺｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素が添加されていてもよい。第１固定磁化層１５の厚さは、例えば２．３ｎｍである。
【００２４】
非磁性金属層１６は、例えばＲｕで形成されており、その厚さは、例えば０．８ｎｍである。非磁性金属層１６の厚さは、第１固定磁化層１５と第２固定磁化層１７とが反強磁性的に交換結合する範囲に設定される。その範囲は、０．４ｎｍ〜１．５ｎｍであり、好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍである。非磁性金属層１６は、Ｒｕ以外に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料で形成してもよい。Ｒｕ系合金の例として、例えば、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＭｎからなる群より選択された少なくとも１つの元素とＲｕとの合金が挙げられる。
【００２５】
第２固定磁化層１７は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉを含む強磁性材料で形成され、例えば、ＣｏＦｅが好ましく用いられる。第２固定磁化層１７の厚さは例えば１．７ｎｍである。第２固定磁化層１７の磁化方向は、反強磁性層１８との交換相互作用により、所定の方向に固定される。すなわち、第２固定磁化層１７は、外部磁場が印加されても、その磁場強度が交換相互作用よりも弱い範囲であれば磁化方向が変化せず、このとき、第１固定磁化層１５の磁化方向も変化しない。
【００２６】
反強磁性層１８は、固定磁化積層体２２の上に設けられる。反強磁性層１８は、ＩｒＭｎで形成されており、その厚さは例えば７ｎｍである。なお、反強磁性層１８は、ＩｒＭｎ以外の反強磁性材料、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、及びＲｈからなる群より選択された少なくとも１つの元素とＭｎとの合金で形成してもよい。反強磁性層１８は、ＴＭＲ素子を構成する各層を成膜し終えた後に、磁場中で熱処理（アニール）を行うことにより、規則合金化して反強磁性が出現する。
【００２７】
反強磁性層１８の上には、図示されない上部電極膜が設けられていてもよい。上部電極膜に用いる材料は、導電性を有する材料であればよく、例えばＣｕである。また、反強磁性層１８と上部電極膜の間には、更に、図示されない接続電極膜が設けられていてもよい。接続電極膜に用いられる材料としては、例えばＴａ、Ｒｕが挙げられる。
【００２８】
基板１０と第１自由磁化層１１との間には、図示されない下部電極膜が設けられていてもよい。下部電極に用いる材料は、導電性を有する材料であればよく、例えばＣｕである。
【００２９】
本実施形態のように、第１自由磁化層と第２自由磁化層との間に緩和層が設けられたトップピン型のＴＭＲ素子は、緩和層が設けられていないものに比べてＭＲ比が高い。このＴＭＲ素子を磁気メモリ装置に用いると、読出し動作の信頼性が向上する。
【００３０】
本実施形態のＴＭＲ素子のＭＲ比が向上する理由は以下のように推測される。緩和層の存在により、成膜工程及び反強磁性層の反強磁性を出現させるための磁場中における熱処理工程等において、第１自由磁化層の上に設けられた第２自由磁化層及びトンネルバリア層の結晶構造は第１自由磁化層の結晶構造の影響を受けにくい。
例えば、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢからなるＴＭＲ素子において、第１自由磁化層がｆｃｃ（１１１）ＮｉＦｅで緩和層を設けない場合、磁場中で熱処理（アニール）時に、アモルファスＣｏＦｅＢは、ｆｃｃ（１１１）に結晶配向し、ＭｇＯも下地に依存して、（１１１）配向や（２２０）配向し、ＭＲが低下する。
【００３１】
一方、本件の緩和層は、この下層膜の結晶性の影響を上層に伝達しない効果があり、ＭｇＯは、高いＭＲ比を得られることが知られている（００１）配向していると考えられる。
【００３２】
このように本件の緩和層を挿入した構造であれば、第１自由磁化層１１と、この上層にある第１自由磁化層１３、トンネルバリア層１４を独立に結晶性制御することが可能となり、材料選択の幅、製造方法の幅が広がる特徴も有る。
【００３３】
本実施形態のトップピン型のＴＭＲ素子は、例えば、多数の磁気情報を記録できる記録用の磁性細線を第１自由磁化層として含むＴＭＲ素子を設けた磁気メモリ装置、いわゆる磁壁移動型ストレージ・メモリに好ましく用いることができる。トップピン型のＴＭＲ素子を備える磁気メモリを作成する際、磁性細線の形状精度を高め配線の接触不良を防ぐための特別なプロセスを必要としない。このため、ＴＭＲ素子のうち磁性細線とそれ以外の部分とを連続して成膜することができる。得られるＴＭＲ素子は、不純物の混入や大気暴露による表面酸化などの問題が生じないため、ＭＲ比が向上する。また、このような磁気メモリ装置は、その製造工程が簡略であるため、低コスト化を実現可能である。なお、ボトムピン型のＴＭＲ素子を備える磁気メモリ装置の製造方法において、磁性細線の形状精度を高め配線の接触不良を防ぐために、通常、ＴＭＲ素子を製造する途中で、例えばＳｉＯ２やＳｉＮなどの平坦化膜が上面に設けられ、その上面を平坦化し、その平坦化された上面に磁性細線が設けられる。この平坦化の際に不純物の混入や大気暴露による表面酸化などの問題が生じうる。
【００３４】
磁気メモリ装置に備えられるＴＭＲ素子において、記録用の磁性細線の厚さは、例えば、１０〜４０ｎｍ程度である。この第１自由磁化層がｆｃｃ（１１１）ＮｉＦｅの下地層が厚くなるほど、その上に設けられる膜の結晶性は下地層の影響を受けやすい。比較的大きな膜厚を有し且つｆｃｃ構造を有する磁性細線が下地として設けられたＴＭＲ素子は、磁性細線とトンネルバリア層との間に緩和層が設けられることによって、トンネルバリア層への下地層の影響を効果的に抑制することができる。
【００３５】
上記実施形態のＴＭＲ素子の製造方法は特に限定されるものではない。上記実施形態のＴＭＲ素子は、集積回路の製造に用いられるスパッタリングなどの成膜技術、フォトリソグラフィ法やエッチング法等を利用したパタニング技術、及び機械加工や研磨加工などの研磨技術を含む既存の薄膜製造プロセスを用いて作成できる。
【００３６】
〜磁気メモリ装置〜
本発明の一実施形態による磁気メモリ装置について、図２を用いて説明する
図２は、本実施形態による磁気メモリ装置の基本構造を示す概略図である。本実施形態の磁気メモリ装置は、任意の基板１０上に設けられた磁性細線（第１自由磁化層）１１と、その上に設けられた読出し素子３２とからなるＴＭＲ素子を備える、いわゆる磁壁移動型ストレージ・メモリである。読出し素子３２には、読み出し用のパルス電流発生装置３６と比較回路３５が接続されている。磁性細線１１の読出し素子が設けられていない部分の周辺には読出し素子３１が設けられている。読出し素子３１は、書込み用のパルス電流発生器３４に接続されている。磁性細線１１には、磁性細線内の磁区を移動させるためのパルス電流Ｉを発生させる磁壁移動装置３３が接続されている。
【００３７】
図３は、本実施形態の磁気メモリ装置の要部を示す斜視図である。磁性細線（第１自由磁化層）１１は図示されない基板上に設けられ、複数の磁気情報を記録可能な記録部として機能する。磁性細線１１はその層厚方向に垂直な一方向に伸びた、いわゆる線状の形状を有する。磁性細線１１は、上記実施形態のＴＭＲ素子の説明における第１自由磁化層１１と同様、例えば外部磁場などの影響を受けて磁化方向が変化しうる。磁性細線１１に用いられる材料は、上記実施形態のＴＭＲ素子の説明における第１自由磁化層１１と同様、Ｎｉ及びＦｅを含んでなる強磁性材料であり、例えばｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅやＣｏＦｅＮｉである。
【００３８】
磁性細線１１の内部には、静電磁エネルギーが最小になるように磁区が形成され、磁区の境界に磁壁（Ｄｏｍｅｉｎ Ｗａｌｌ）が形成される。磁性細線１１の線幅は例えば１０〜３００ｎｍ程度である。磁性細線１１の膜厚は例えば１０〜４０ｎｍ程度である。このような線幅及び膜厚を有する細線内には、長手方向に並んだ複数の微小磁区が形成される。磁性細線１１の長手方向が磁化容易方向（磁気モーメントが向きやすい方向）であり、長手方向に垂直な方向は磁化困難方向（磁気モーメントが向き難い方向）である。磁壁移動装置３３により磁性細線１１に電流パルスを印加すると、伝導電子ｅが磁壁を横切る際、伝導電子のスピンはＳ−ｄ相互作用によって磁気モーメントに沿って回転する。この際、角運動量保存によって伝道電子のスピン角運動量は磁気モーメントへ吸収される。この現象をスピントルク・トランスファー効果という。その結果、磁気モーメントは回転して磁壁移動が生じる。このように磁性細線１１に電流を流すことによって長手方向に並んだ複数の微小磁区を移動させることができる。
【００３９】
読出し素子３２は、磁性細線１１に記録された磁気情報を読み出すための素子である。
読出し素子３２は、磁性細線１１上の任意の場所に設けられる。読出し素子３２は、磁性細線１１に近いほうから、緩和層１２、第２自由磁化層１３、トンネルバリア層１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属層１６、第２固定磁化層１７、及び反強磁性層１８が順に形成されてなる。これらの説明は、上記実施形態のＴＭＲ素子についての説明と同様であるため省略する。反強磁性層１８の上には更に上部電極膜４６が設けられる。
【００４０】
書込み素子３１は、磁性細線１１内の磁化の方向を反転させる素子である。書込み素子３１は、例えば、電流を流すことができる導線である。パルス電流発生器３４を用いて導線に電流を流すことによりその周囲に生じる磁場を利用して、磁性細線１１に磁気情報を記録する。また、書込み素子３１は、例えば、読出し素子３２と同様な構成を有するＴＭＲ素子であってもよい。このとき、書込み用のＴＭＲ素子は、読出し素子３２と同様、磁性細線１１上に設けられる。ＴＭＲ素子を構成する各層の積層方向に流すパルス電流の向きによって、磁性細線１１の磁化の向きは反転する。この書込み方式は、スピン注入磁化反転方式と呼ばれる。この書込み方式の詳細は、例えば、「スピン注入磁化反転の研究動向」（屋上公二郎，鈴木義茂，日本応用磁気学会Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．９、２００４）に開示されている。
【００４１】
磁壁移動装置３３は、磁性細線内の磁区を移動させるためのパルス電流Ｉを発生させるためのパルス電流発生器である。磁壁移動装置３３は、読出したい又は書き込みたい相対的な位置の磁区が読出し素子３２と接するように、磁性細線１１にパルス電流Ｉを流すことができる。
【００４２】
比較回路３５は、読出し素子３２に接続されている。パルス電流発生器３６を用いて読出し素子３２の膜厚方向に電流を流すことにより発生する読出し素子３２の膜厚方向の電位差Ｖｓｐと、基準電圧値（リファレンス値）Ｖｒｅｆとを比較する回路である。基準電圧値Ｖｒｅｆは、例えば同じタイプの複数のＴＭＲ素子について、膜厚方向の電位差を実測することにより求めた値である。具体的には、固定磁化層と自由磁化層の磁化方向が同じであるときの電位差と、固定磁化層と自由磁化層の磁化方向が異なるときの電位差とを測定し、その両者の中間の値を基準電圧値とすることができる。例えば、電位差Ｖｓｐが基準電圧値Ｖｒｅｆ以上のときをデジタル信号“０”に対応させ、電位差Ｖｓｐが基準電圧値Ｖｒｅｆよりも小さいときをデジタル信号“１”に対応する。
【００４３】
上記実施形態の磁気メモリ装置は、ｆｃｃ構造を有する磁性細線（第１自由磁化層）と第２自由磁化層との間に緩和層が設けられたトップピン型のＴＭＲ素子を備える。このようなＴＭＲ素子は、緩和層が設けられていないものに比べてＭＲ比が高い。
【００４４】
ＴＭＲ素子のＭＲ比が向上する理由は、既に述べたとおり、緩和層の存在により、第２自由磁化層及びトンネルバリア層の結晶構造が第１自由磁化層の結晶構造の影響を受けにくく、トンネルバリア層が高いＭＲ比を得られることが知られている結晶構造を有するためであると推測される。磁性細線の厚さが１０〜４０ｎｍ程度の膜厚を有する磁性細線の上に緩和層を設けると、緩和層が設けられていないものに比べてＭＲ比が著しく高くなる。このＴＭＲ素子を備える磁気メモリは、磁性細線に多数のデータを記録でき、その読出し動作の信頼性が高い。
【００４５】
なお、上記実施形態の磁気メモリ装置において、緩和層１２及び第２自由磁化層１３はその上に設けられたトンネルバリア層１４の幅及び奥行きに対応する形状を有しているが、緩和層１２は磁性細線１１の幅及び奥行きの形状に対応していてもよく、また、緩和層１２及び第２自由磁化層１４の両方が磁性細線１１の幅及び奥行きの形状に対応していてもよい。
【００４６】
〜磁気メモリ装置の製造方法〜
本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の製造方法について、図４を用いて説明する。
【００４７】
図４は、本実施形態の磁気メモリ装置の製造方法を示す断面図である。
【００４８】
まず、シリコン基板１０上に層間絶縁膜として厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜４２をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成する。次いで、シリコン酸化膜４２上にレジストパタンを形成し、更にドライエッチングによりレジストパタンが設けられていない部分に溝を形成し、その溝の内部にＣｕからなる厚さ４００ｎｍの下部電極膜４２をスパッタリング法により形成する。その後、ＣＭＰ法により上面を平坦化し、図４（ａ）に示す積層体を得る。
【００４９】
次に、第１自由磁化層１１として厚さ４０ｎｍのＮｉＦｅ層、及び緩和層１２として厚さ０．４ｎｍのＴａ層を順に成膜する。続けて、第２自由磁化層１３として厚さ２ｎｍのＣｏＦｅＢ層、トンネルバリア膜１４として厚さ１．０ｎｍのＭｇＯ層、第１固定磁化層１５として厚さ２．３ｎｍのＣｏＦｅＢ層、非磁性金属膜１６として厚さ０．８ｎｍのＲｕ層、第２固定磁化層１７として厚さ１．７ｎｍのＣｏＦｅ層、反強磁性層１８として厚さ７ｎｍのＩｒＭｎ層を順に成膜する。図４は、一連の成膜により得られる積層体の断面図である。第１自由磁化層１１及び緩和層１２は、最終的に線状の積層膜５１を構成する。また、第２自由磁化層１３、トンネルバリア膜１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属膜１６、第２固定磁化層１７、反強磁性層１８は、線状の積層膜５１の上に形成される積層膜５２を構成する。積層膜５２の上に、更に、接続電極膜４３として厚さ５０ｎｍのＴａ層を成膜する。これらの層は、例えば、スパッタリング法によって成膜することができる。
【００５０】
次に、レジストパターニング及びドライエッチングにより、図４（ｂ）に示されるように、第１自由磁化層１１、緩和層１２、第２自由磁化層１３、トンネルバリア膜１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属膜１６、第２固定磁化層１７、反強磁性層１８、及び接続電極膜４３を、ライン／スペース＝５０ｎｍ／５０ｎｍのパターンに加工する。更に、同様の方法により、図４（ｄ）に示されるように、第２自由磁化層１３、トンネルバリア膜１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属膜１６、第２固定磁化層１７、反強磁性層１８、及び接続電極膜４３からなる積層膜５２が、幅３０ｎｍ×奥行き９０ｎｍの寸法をそれぞれ有する読出し素子３２、書込み素子３１、基準電圧素子６３を備えるように加工する。加工後、読出し素子３２と書込み素子３１とは第１自由磁化層１１及び緩和層１２からなる線状の積層膜５１で接続されている。一方、読出し素子３２及び書込み素子３１が備える積層膜５１と、基準電圧素子６３が備える積層膜５１とは、離れている。
【００５１】
積層膜５２を加工する工程において、ドライエッチングは、緩和層１２が露出するまで行う。ドライエッチングとしては、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリング法などが挙げられる。緩和層１２として例えばＴａが用いられるとき、Ｔａはエッチング速度が小さい。よって、緩和層１２は積層膜５２のドライエッチングにおいてストッパとして機能する。第１自由磁化層の上にこの緩和層１２が設けられていることにより、第１自由磁化層１１へ加工ダメージが及ばず、得られる磁気メモリ装置の信頼性が高まる。緩和層１２が露出したことを確認するため、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）信号を検出可能なドライエッチング装置を用いることができる。Ｔａ元素由来の信号を検出したところで加工を終了することにより、磁気情報を記録する記録部として機能する第１自由磁化層１１へのオーバーエッチングが防止され、磁気メモリ装置の高信頼性に寄与する。図５は、積層膜５２をイオンミリングにより加工する間に検出したＭｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔａ、ＲｕのＳＩＭＳ信号を示すグラフである。図５において、横軸は時間であり、縦軸は信号強度を示す。Ｔａの信号を検出した後、すぐに加工を停止することにより、第１自由磁化層１１の損傷を防ぐことができる。なお、本実施形態において、緩和層１２に用いられる材料はＴａであるが、本発明における緩和層に使用可能な材料はこれに限定されず、例えば、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆなどの導電性の非晶質材料を用いることができる。これらの材料により形成される緩和層は、積層膜５２のドライエッチングよる加工の際、ストッパとして機能する。緩和層１２を設けていない
次いで、積層膜５１及び５２を覆うように、厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜４４をＣＶＤ法等により形成する。その後、接続電極膜４３が露出するようにＣＭＰ法等により研磨し、更にエッチバックを行い接続電極膜４３が露出した表面を平坦化し、図４（ｅ）に示される積層体を得る。
【００５２】
次いで、積層膜５１と電気的に接続するコンタクトプラグを形成するためのコンタクトホールを、レジストパターニング及びドライエッチングにより形成する。その後、例えばＣＶＤ法により、導電性であり且つバリアメタルとして設けられる窒化チタン膜（図示せず）、及び導電性のタングステン膜（図示せず）を堆積する。その後、これら導電膜をエッチバック或いはポリッシュバックし、下部電極４１及び線状の積層膜５１と電気的に接続されたコンタクトプラグ４５を形成し、図４（ｆ）に示される積層体を得る。
【００５３】
次いで、接続電極膜４３の上に、厚さ２００ｎｍの銅層をスパッタリング法により成膜し、更にレジストパターニング、及びエッチングを行うことで、上部電極４６を形成する。その後、保護膜４７として、厚さ４００ｎｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ法等により形成し、図４（ｇ）に示される積層体を得る。
【００５４】
その後、基板を真空中に配置し、磁場を印加した状態で熱処理を行い、本実施形態の磁気メモリ装置を得る。この熱処理によって、第１固定磁化層１５及び第２固定磁化層１７の磁化方向が固定され、また、トンネルバリア層１４を構成するＭｇＯ（００１）面の配向性が向上する。熱処理温度は、例えば２７０℃であり、熱処理時間は例えば４時間である。
【００５５】
本実施形態における磁気メモリは、線状の積層膜５１とその上に設けられた積層膜５２とを含むＴＭＲ素子が、読出し素子３２のほかに、書込み素子３１、及び基準電圧素子６３にも設けられている。書き込み素子部６２は、それを構成する各層の積層方向に流すパルス電流の向きによって、線状の第１自由磁化層１１の内部の磁化の向きを反転させることができる。また、基準抵抗素子部６３は、読出し素子６１の膜厚方向の電位差Ｖｓｐと比較する、基準電圧値Ｖｒｅｆを生成するために設けられている。
【００５６】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
実施例１のＴＭＲ素子を以下の手順で作成する。まず、シリコン基板上に層間絶縁膜として厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成した。次いで、シリコン基板に近い方から第１自由磁化層としてＮｉＦｅ（４０ｎｍ）、緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）、第２自由磁化層としてＣｏＦｅＢ（２．０ｎｍ）、トンネルバリア膜としてＭｇＯ（１．３ｎｍ）、第１固定磁化層としてＣｏＦｅＢ（２．０ｎｍ）、非磁性金属層としてＲｕ（０．９ｎｍ）、第２固定磁化層としてＣｏＦｅ（２．０ｎｍ）、反強磁性層としてＩｒＭｎ（７ｎｍ）、接続電極膜としてＴａ（５ｎｍ）及びＲｕ（１０ｎｍ）を、スパッタリング法により順に積層形成した。次いで、磁場中、２７０℃環境下において、４時間真空熱処理を行い、実施例１のＴＭＲ素子を得た。なお、上記の括弧内の数値は膜厚を表し、以下の実施例、比較例、および分析のための積層体において同様である。
【００５８】
（実施例２）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．２ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例２の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００５９】
（実施例３）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．３ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例３の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６０】
（実施例４）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．４ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例４の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６１】
（実施例５）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．５ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例５の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６２】
（実施例６）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．４ｎｍ）を、トンネルバリア膜としてＭｇＯ（１．３ｎｍ）の代わりにＭｇＯ（１．８ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例６の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６３】
（実施例７）
第１自由磁化層としてＮｉＦｅ（４０ｎｍ）の代わりにＮｉＦｅ（４ｎｍ）を、緩和層として（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．４ｎｍ）を、トンネルバリア膜としてＭｇＯ（１．３ｎｍ）の代わりにＭｇＯ（２．０ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例７の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６４】
（実施例８）
第１自由磁化層としてＮｉＦｅ（４０ｎｍ）の代わりにＮｉＦｅ（１０ｎｍ）を、緩和層として（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．４ｎｍ）を、トンネルバリア膜としてＭｇＯ（１．３ｎｍ）の代わりにＭｇＯ（２．０ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例７の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６５】
（比較例１）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）を形成する代わりに、第１自由磁化層の上に緩和層を設けることなく第２自由磁化層を形成したことを除き、実施例１同様の手順で比較例１の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６６】
（測定方法）
上記実施例１〜５、７、８、及び比較例１のＴＭＲ素子について、ＲＡ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ａｒｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔ）及び磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を下記測定方法１により測定した。また、上記実施例６のＲＡ及びＭＲ比を下記測定方法２により測定した。
【００６７】
＜測定方法１＞
ＲＡ及びＭＲ比の測定にはＣＩＰＴ法（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）を用いた。ＣＩＰＴ法の詳細については、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ， ｖｏｌ． ８３， Ｎｏ． １，ｐ８４−８６ （２００３年）に記載されている。磁気抵抗変化率の値は、走査型伝導度顕微鏡（Ｃａｐｒｅｓ製、商品名「ＳＰＭ−ＣＩＰＴｅｃｈ」）を使用して６点測定した値の平均値である。）
＜測定方法２＞
ＲＡ及びＭＲ比の測定はＲ−Ｈ測定法により行った。具体的には、まず、上記ＴＭＲ素子を１．４ｕｍ×０．４ｕｍの寸法に微細加工し、上部電極、下部電極を形成した評価素子を作成した。次いで、外部磁界Ｈｘを−２００から＋２００Ｏｅまで連続印加しながら、上部電極と下部電極に一定のバイアス電流Ｉｓ＝０．０５ｍＡを印加し、この端子間の電圧Ｖｓを測定することでＴＭＲ素子の変化抵抗（Ｒ＝Ｖｓ／Ｉｓ）を測定した。本測定において、定電流源は、ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ社、商品名「Ｒ−６１４２」、電圧計は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ社、商品名「２１８２Ａ」を使用した。
【００６８】
（測定結果）
図６は、実施例１〜５及び比較例１のＴＭＲ素子について、ＭＲ比を測定した結果を示すグラフである。図６は、ＭＲ比に対する緩和層の膜厚の依存性を示すグラフである。Ｔａ緩和層を備える実施例１〜５のＴＭＲ素子のＭＲ比は、Ｔａ緩和層が存在しない比較例１のＴＭＲ素子のそれと比較して大きくなった。Ｔａ緩和層の膜厚が０．２ｎｍ以上のとき、特にＭＲ特性が大きく向上した。なお、実施例１〜５及び比較例１のＲＡは３０Ω・μｍ２だった。
【００６９】
実施例６〜８の測定結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
【００７１】
実施例６のＴＭＲ素子を３素子測定した結果のＭＲ比は７２〜８２％、ＲＡは９９６〜１０６５Ω・μｍ２だった。
【００７２】
実施例６のＴＭＲ素子の、自由磁化層の磁化方向による電圧変化量は、印加電流Ｉｓ＝０．０５ｍＡにおいて６１ｍＶだった。これは、差動アンプ等で判定可能な電圧変化量である。
【００７３】
実施例７、８のＴＭＲ素子のＭＲ比はそれぞれ１６１％、１５５％であり、高い値だった。実施例７、８のＴＭＲ素子のＲＡはそれぞれ５８３７Ω・μｍ２、４０５３Ω・μｍ２
だった。
【００７４】
ここで、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
（付記１）
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備える
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
（付記２）
前記緩和層が導電性の非晶質材料を含んでなることを特徴とする付記１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記３）
前記導電性の非晶質材料がＴａであることを特徴とする付記２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記４）
前記緩和層の厚さが０．１〜２ｎｍであることを特徴とする付記３に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記５）
前記第１自由磁化層がＮｉ及びＦｅを含む結晶化合物からなることを特徴とする付記１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記６）
前記トンネルバリア層がＭｇＯからなることを特徴とする付記１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記７）
前記ＮｉＦｅ層の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする付記１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記８）
前記導電性の非晶質材料が、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆからなる群の中から選ばれた少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする付記２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記９）
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備えることを特徴とする磁気メモリ装置。
（付記１０）
前記第１自由磁化層は層厚方向に垂直な一方向に伸び、更に、前記第１自由磁化層の一端から他端へ電流を流す手段を有する付記９に記載の磁気メモリ装置。
（付記１１）
更に、前記第１自由磁化層、前記緩和層、前記トンネルバリア層、及び前記固定磁化層を通る読出し電流を流すための読出し電流印加手段を有することを特徴とする付記９に記載の磁気メモリ装置。
（付記１２）
更に、前記第１自由磁化層の磁化方向を制御する書込み素子を備える付記９に記載の磁気メモリ装置。
（付記１３）
基板を準備する工程と、
前記基板上に、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層を設ける工程と、
前記第１自由磁化層上に緩和層を設ける工程と、
前記ＮｉＦｅ層上に外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層を設ける工程と、
前記第２自由磁化層上に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層を設ける工程と、
前記トンネルバリア層上に磁化方向が固定可能な固定磁化層を設ける工程と
を有し、
前記緩和層は、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
（付記１４）
更に、前記固定磁化層、前記トンネルバリア層、前記第２自由磁化層を、前記緩和層が露出するまでドライエッチングする工程を有することを特徴とする付記１３に記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本実施形態によるトンネル磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態による磁気メモリ装置の基本構造を示す概略図である。
【図３】図２の磁気メモリ装置の要部を示す斜視図である。
【図４】本実施形態の磁気メモリ装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】ＴＭＲ素子をイオンミリングにより加工する際に検出したＳＩＭＳ信号を示すグラフである。
【図６】ＴＭＲ素子のＭＲ比に対する緩和層の膜厚の依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１ トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）
１０ 基板
１１ 第１自由磁化層（磁性細線）
１２ 緩和層
１３ 第２自由磁化層
１４ トンネルバリア層
１５ 第１固定磁化層
１６ 非磁性金属層
１７ 第２固定磁化層
１８ 反強磁性層
２１ 自由磁化積層体
２２ 固定磁化積層体
３１ 読出し素子
３２ 書込み素子
３３ 磁壁移動装置
３４ パルス電流発生器
３５ 比較回路
３６ パルス電流発生器
４３ 接続電極膜
４４ シリコン酸化膜
４５ コンタクトプラグ
４６ 上部電極膜
４７ 保護膜
５１ 積層膜
５２ 積層膜
６３ 基準電圧素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗素子、磁気メモリ装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現行のＤＲＡＭ、あるいはＦＬＡＳＨに代わる次世代の大容量不揮発性メモリとして、磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）が挙げられる。現在開発されているＭＲＡＭにおいて、トンネルバリア層を２層の強磁性体で挟んだ、いわゆるトンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）素子が用いられている。一方の強磁性層は、隣接する反強磁性層により磁化の方向が固定された固定磁化層である。他方の強磁性層は、磁化の方向を変更できる自由磁化層とする。２層の強磁性層の磁化の向きが平行のとき、トンネル電流に対する抵抗値は低く、反平行のときトンネル電流に対する抵抗は高い。例えば書込ワード線に電流を流して発生する磁界により、自由磁化層の磁化方向を制御して、自由磁化層に磁気情報を書き込む。
【０００３】
２層の強磁性層の磁化の向きが平行のときと反平行のときとで電圧出力変化量は、差動アンプで判定できる程度に大きい必要がある。電圧出力変化が５０ｍＶ以上となるような高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が要求される。ＭＲ比の大きいＴＭＲ素子として、トンネルバリア層にＭｇＯが用いられたＴＭＲ素子が知られている。ＭｇＯ層の両側には、例えばＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性材料からなる層が設けられる。
【０００４】
ＴＭＲ素子のＭＲ比を向上させる手段として、例えば特許文献１に開示された手段がある。特許文献１のＴＭＲ素子は、トンネル絶縁層の上にホウ素原子（Ｂ）などの添加物を含有する第１自由磁化層と、第１自由磁化層と強磁性的に交換結合した第２自由磁化層とが設けられている。第１自由磁化層と第２自由磁化層との間に、第１自由磁化層から第２自由磁化層へ添加物が拡散するのを防止する拡散防止層が設けられている。このようなボトムピン型のＴＭＲ（基板上に、固定磁化層、トンネルバリア層、自由磁化層を順に積層した素子）素子は、ＭＲ比の向上の点において一定の効果が認められる。
【０００５】
また、更なる記憶容量の大容量化のため、自由磁化層を線状とし、その細線に電流を流すことにより自由磁化層の磁壁（磁区）を移動させて、多数のデータを記録できる磁壁移動型ストレージ・メモリが提案されている（例えば特許文献２、３を参照）。磁壁移動型ストレージ・メモリは、製造プロセスの簡便性の点から、ボトムピン型のＴＭＲ素子よりもトップピン型のＴＭＲ素子（基板上に、自由磁化層、トンネルバリア層、固定磁化層を順に積層した素子）を備えることが好ましい。
【０００６】
しかし、ＮｉＦｅ層の上にトンネルバリア層、固定磁化層を設けたトップピン型のＴＭＲ素子は、高いＭＲ比を得ることができないという問題があった。ＭＲ比が低いＴＭＲ素子を備えるＭＲＡＭにおいて、読出し動作の信頼性は劣る。
【特許文献１】特開２００６−３１９２５９号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７１８３号公報
【特許文献３】特開２００７−２７３４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ＭＲ比が高いトップピン型のトンネル磁気抵抗素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によると、
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備える
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、トップピン型の構造を備えながらＭＲ比が高い。このトンネル磁気抵抗素子を備える磁気メモリ装置は、読出し動作の信頼性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
〜トンネル磁気抵抗素子〜
本発明の一実施形態によるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子について、図１を用いて説明する。
【００１１】
図１は本実施形態によるトンネル磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。本実施形態のＴＭＲ素子１は、任意の基板１０上に、第１自由磁化層１１、緩和層１２、第２自由磁化層１３、トンネルバリア層１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属層１６、第２固定磁化層１７、及び反強磁性層１８が順に形成されている。このＴＭＲ素子は、基板上に、自由磁化層、トンネルバリア層、固定磁化層を順に積層した、いわゆるトップピン型のＴＭＲ素子である。
【００１２】
一般に、ＴＭＲ素子はトンネルバリア層の両側を強磁性体で挟んだ構造を備える。一方の強磁性層は、隣接する反強磁性層により磁化の方向が固定された固定磁化層である。本実施形態において、この固定磁化層は、第１固定磁化層１５、非磁性金属層１６、第２固定磁化層１７が積層された固定磁化積層体２２に相当する。他方の強磁性層は、磁化の方向を変更できる自由磁化層とする。第１自由磁化層１１と第２自由磁化層１３が強磁性交換結合している本実施形態において、この自由磁化層は、第１自由磁化層１１、緩和層１２、第２自由磁化層１３が積層された自由磁化積層体２１に相当する。固定磁化層と自由磁化層の強磁性層の磁化の向きが平行のとき、トンネル電流に対する抵抗値は低く、反平行のときトンネル電流に対する抵抗は高い。
【００１３】
自由磁化層と固定磁化層の強磁性層の磁化の向きが平行のときと反平行のときとで電圧出力変化量は、例えば差動アンプで判定できる程度に大きい（例えば５０ｍＶ以上）必要がある。すなわち、高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が要求される。ＭＲ比とは、磁気抵抗効果素子の固定磁化層及び自由磁化層の磁化方向が平行の場合と反平行の場合との間における電気抵抗の変化率を示すものである。ＭＲ比が大きいほど読出しマージンが大きくＳ／Ｎ比が向上していることを表す。
【００１４】
第１自由磁化層１１は、例えば外部磁場などの影響を受けて容易に磁化の方向が変化しうる材料が適している。このような強磁性材料として、例えばｆｃｃ結晶構造を有するＮｉＦｅや、ｂｃｃ結晶構造のＣｏＦｅ、Ｆｅ、Ｃｏ等のアモルファスではなく何らかの結晶性を有する強磁性材料が適している。但し、製造方法によって結晶配向性、格子乗数は大きくことなり、磁気特性、上層膜の結晶性を左右する原因となる。
また、第１自由磁化層１１に用いられる材料は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅに対して、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＺｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素が添加された材料で形成してもよい。
【００１５】
第１自由磁化層１１は、通常、第２自由磁化層１３よりも保磁力の小さな材料で形成される。第１自由磁化層１１と、それよりも保磁力の小さな第２自由磁化層１３とが強磁性的に交換結合することにより、外部磁場の変化に対するＴＭＲ素子感度（第１自由磁化層１１及び第２自由磁化層１３の磁化方向の変化のしやすさ）を向上させることができる。一般に、強磁性膜は、その保磁力が小さいほど、外部磁場の方向の変化に反応しやすくなる。第１自由磁化層１１の保磁力が第２自由磁化層１３の保磁力よりも小さいため、外部磁場の方向が変化すると、第２自由磁化層１３の磁化方向の変化よりも先に、第１自由磁化層１１の磁化方向が変化する。第２自由磁化層１３の磁化方向は、第１自由磁化層１１磁化方向の変化に追随して変化しやすくなる。この保磁力の点から、第１自由磁化層に用いられる材料はＮｉ及びＦｅを含む強磁性材料が好ましく、特にＮｉＦｅが好ましい。
【００１６】
第１自由磁化層１１の厚さは、例えば１０ｎｍ以上である。本実施形態のＴＭＲ素子を後述する磁気メモリ装置に設けたときに、１０ｎｍ以上の自由磁化層１１は、磁気情報を記録する記録部としても機能する。磁気メモリ装置の詳細は後述する。
【００１７】
上述のように本構造のトップピンＴＭＲでは、第１自由磁化層１１は、アモルファスではなく何らかの結晶性を有する強磁性材料が適している。結晶性を有する下地層は、上層の結晶性に影響を与えることは一般的であり、第１自由磁化層１１と、この上層にある第２自由磁化層１３、トンネルバリア層１４を独立に結晶性制御するためには、第１自由磁化層１１の結晶性の影響を何らかの方法で抑制する必要がある。
【００１８】
緩和層１２は第１自由磁化層１１の上に設けられる。緩和層１２は、第１自由磁化層１１がトンネルバリア層１４の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する働きを有する。緩和層１２に用いられる材料は、例えばタンタル（Ｔａ）から構成される。Ｔａからなる緩和層１２の厚さは例えば０．１ｎｍ〜０．５ｎｍである。Ｔａからなる緩和層の厚さを上記範囲内とすることにより、第１自由磁化層１１の結晶構造が、トンネルバリア層１４の結晶配向性に及ぼす影響を抑制できる。緩和層１２は、第１自由磁化層１１と第２自由磁化層１２とが強磁性交換結合することができる厚さを有する。Ｔａ層からなる緩和層１２の厚さが２．０ｎｍを超えると、第１自由磁化層１１と第２自由磁化層１３とが交換結合しなくなり、第２自由磁化層１３の磁化が反転せず、ＴＭＲ素子のＭＲ比が低下するおそれがある。一方、Ｔａ層からなる緩和層１２の厚さが０．１ｎｍ未満では、トンネルバリア層１４の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する働きが不十分なおそれがある。
【００１９】
なお、本実施形態において緩和層１２に用いられる材料はＴａであるが、本発明における緩和層に使用可能な材料はこれに限定されず、例えば、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆなどの導電性の非晶質材料を用いることができる。これらの材料により形成される緩和層は、第１自由磁化層１１がトンネルバリア層１４の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する働きを有する。
【００２０】
第２自由磁化層１３は、例えば外部磁場などの影響を受けて磁化の方向が変化しうる。第２自由磁化層１３は第１自由磁化層１１と強磁性的に交換結合している。第２自由磁化層１３は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅを含む強磁性材料で形成される。第２自由磁化層１３は非晶質であることが、絶縁層の結晶性に悪影響を及ぼしにくいため、得られる素子のＭＲ比が大きい点において好ましい。第２自由磁化層１３は、強磁性材料であるＣｏＦｅに加えて更にＢを含むことにより非晶質となりうる。第２自由磁化層１３は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂの他に、更にＣ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＺｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素が添加されていてもよい。
【００２１】
トンネルバリア層１４はＭｇＯで形成されており、その厚さは、例えば１．０ｎｍである。第２自由磁化層１３及び第１固定磁化層１５に挟まれたトンネルバリア層１４は、その層の主面に略垂直な方向に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有する絶縁層である。トンネルバリア層１４を形成するＭｇＯは結晶質であることが好ましく、特に、（００１）配向したＭｇＯが好ましい。このようなトンネルバリア層を備えるＴＭＲ素子はＭＲ比が高い。また、トンネルバリア層１４の厚さは、その膜質が良好な点から、０．７ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲内とすることが好ましい。なお、トンネルバリア層１４を、ＭｇＯ以外に、ＡｌＯｘ、ＨｆＯｘ、ＴｉＯｘ、ＴａＯｘＺｒＯｘ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＺｒＮ等で形成してもよい。
【００２２】
第１固定磁化層１５、非磁性金属層１６、第２固定磁化層１７がトンネルバリア層１４の上に順に積層されてなる固定磁化積層体２２は、第１固定磁化層１５と第２固定磁化層１７とが、非磁性金属層１６を介して反強磁性的に交換結合する、いわゆる積層フェリピン構造を有する。
【００２３】
第１固定磁化層１５は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅを含む強磁性材料で形成される。第２自由磁化層１３は非晶質であることが、絶縁層の結晶性に悪影響を及ぼしにくいため、得られる素子のＭＲ比が大きい点において好ましい。第２自由磁化層１３は、強磁性材料であるＣｏＦｅに加えてＢを含むことにより非晶質となりうる。なお、第２自由磁化層１３は、ＣｏＦｅＢの他に、更にＣ、Ａｌ、Ｓｉ、及びＺｒからなる群より選択された少なくとも１つの元素が添加されていてもよい。第１固定磁化層１５の厚さは、例えば２．３ｎｍである。
【００２４】
非磁性金属層１６は、例えばＲｕで形成されており、その厚さは、例えば０．８ｎｍである。非磁性金属層１６の厚さは、第１固定磁化層１５と第２固定磁化層１７とが反強磁性的に交換結合する範囲に設定される。その範囲は、０．４ｎｍ〜１．５ｎｍであり、好ましくは０．４ｎｍ〜０．９ｎｍである。非磁性金属層１６は、Ｒｕ以外に、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｕ系合金、Ｒｈ系合金、Ｉｒ系合金等の非磁性材料で形成してもよい。Ｒｕ系合金の例として、例えば、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＭｎからなる群より選択された少なくとも１つの元素とＲｕとの合金が挙げられる。
【００２５】
第２固定磁化層１７は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉを含む強磁性材料で形成され、例えば、ＣｏＦｅが好ましく用いられる。第２固定磁化層１７の厚さは例えば１．７ｎｍである。第２固定磁化層１７の磁化方向は、反強磁性層１８との交換相互作用により、所定の方向に固定される。すなわち、第２固定磁化層１７は、外部磁場が印加されても、その磁場強度が交換相互作用よりも弱い範囲であれば磁化方向が変化せず、このとき、第１固定磁化層１５の磁化方向も変化しない。
【００２６】
反強磁性層１８は、固定磁化積層体２２の上に設けられる。反強磁性層１８は、ＩｒＭｎで形成されており、その厚さは例えば７ｎｍである。なお、反強磁性層１８は、ＩｒＭｎ以外の反強磁性材料、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｒ、及びＲｈからなる群より選択された少なくとも１つの元素とＭｎとの合金で形成してもよい。反強磁性層１８は、ＴＭＲ素子を構成する各層を成膜し終えた後に、磁場中で熱処理（アニール）を行うことにより、規則合金化して反強磁性が出現する。
【００２７】
反強磁性層１８の上には、図示されない上部電極膜が設けられていてもよい。上部電極膜に用いる材料は、導電性を有する材料であればよく、例えばＣｕである。また、反強磁性層１８と上部電極膜の間には、更に、図示されない接続電極膜が設けられていてもよい。接続電極膜に用いられる材料としては、例えばＴａ、Ｒｕが挙げられる。
【００２８】
基板１０と第１自由磁化層１１との間には、図示されない下部電極膜が設けられていてもよい。下部電極に用いる材料は、導電性を有する材料であればよく、例えばＣｕである。
【００２９】
本実施形態のように、第１自由磁化層と第２自由磁化層との間に緩和層が設けられたトップピン型のＴＭＲ素子は、緩和層が設けられていないものに比べてＭＲ比が高い。このＴＭＲ素子を磁気メモリ装置に用いると、読出し動作の信頼性が向上する。
【００３０】
本実施形態のＴＭＲ素子のＭＲ比が向上する理由は以下のように推測される。緩和層の存在により、成膜工程及び反強磁性層の反強磁性を出現させるための磁場中における熱処理工程等において、第１自由磁化層の上に設けられた第２自由磁化層及びトンネルバリア層の結晶構造は第１自由磁化層の結晶構造の影響を受けにくい。
例えば、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢからなるＴＭＲ素子において、第１自由磁化層がｆｃｃ（１１１）ＮｉＦｅで緩和層を設けない場合、磁場中で熱処理（アニール）時に、アモルファスＣｏＦｅＢは、ｆｃｃ（１１１）に結晶配向し、ＭｇＯも下地に依存して、（１１１）配向や（２２０）配向し、ＭＲが低下する。
【００３１】
一方、本件の緩和層は、この下層膜の結晶性の影響を上層に伝達しない効果があり、ＭｇＯは、高いＭＲ比を得られることが知られている（００１）配向していると考えられる。
【００３２】
このように本件の緩和層を挿入した構造であれば、第１自由磁化層１１と、この上層にある第１自由磁化層１３、トンネルバリア層１４を独立に結晶性制御することが可能となり、材料選択の幅、製造方法の幅が広がる特徴も有る。
【００３３】
本実施形態のトップピン型のＴＭＲ素子は、例えば、多数の磁気情報を記録できる記録用の磁性細線を第１自由磁化層として含むＴＭＲ素子を設けた磁気メモリ装置、いわゆる磁壁移動型ストレージ・メモリに好ましく用いることができる。トップピン型のＴＭＲ素子を備える磁気メモリを作成する際、磁性細線の形状精度を高め配線の接触不良を防ぐための特別なプロセスを必要としない。このため、ＴＭＲ素子のうち磁性細線とそれ以外の部分とを連続して成膜することができる。得られるＴＭＲ素子は、不純物の混入や大気暴露による表面酸化などの問題が生じないため、ＭＲ比が向上する。また、このような磁気メモリ装置は、その製造工程が簡略であるため、低コスト化を実現可能である。なお、ボトムピン型のＴＭＲ素子を備える磁気メモリ装置の製造方法において、磁性細線の形状精度を高め配線の接触不良を防ぐために、通常、ＴＭＲ素子を製造する途中で、例えばＳｉＯ２やＳｉＮなどの平坦化膜が上面に設けられ、その上面を平坦化し、その平坦化された上面に磁性細線が設けられる。この平坦化の際に不純物の混入や大気暴露による表面酸化などの問題が生じうる。
【００３４】
磁気メモリ装置に備えられるＴＭＲ素子において、記録用の磁性細線の厚さは、例えば、１０〜４０ｎｍ程度である。この第１自由磁化層がｆｃｃ（１１１）ＮｉＦｅの下地層が厚くなるほど、その上に設けられる膜の結晶性は下地層の影響を受けやすい。比較的大きな膜厚を有し且つｆｃｃ構造を有する磁性細線が下地として設けられたＴＭＲ素子は、磁性細線とトンネルバリア層との間に緩和層が設けられることによって、トンネルバリア層への下地層の影響を効果的に抑制することができる。
【００３５】
上記実施形態のＴＭＲ素子の製造方法は特に限定されるものではない。上記実施形態のＴＭＲ素子は、集積回路の製造に用いられるスパッタリングなどの成膜技術、フォトリソグラフィ法やエッチング法等を利用したパタニング技術、及び機械加工や研磨加工などの研磨技術を含む既存の薄膜製造プロセスを用いて作成できる。
【００３６】
〜磁気メモリ装置〜
本発明の一実施形態による磁気メモリ装置について、図２を用いて説明する
図２は、本実施形態による磁気メモリ装置の基本構造を示す概略図である。本実施形態の磁気メモリ装置は、任意の基板１０上に設けられた磁性細線（第１自由磁化層）１１と、その上に設けられた読出し素子３２とからなるＴＭＲ素子を備える、いわゆる磁壁移動型ストレージ・メモリである。読出し素子３２には、読み出し用のパルス電流発生装置３６と比較回路３５が接続されている。磁性細線１１の読出し素子が設けられていない部分の周辺には読出し素子３１が設けられている。読出し素子３１は、書込み用のパルス電流発生器３４に接続されている。磁性細線１１には、磁性細線内の磁区を移動させるためのパルス電流Ｉを発生させる磁壁移動装置３３が接続されている。
【００３７】
図３は、本実施形態の磁気メモリ装置の要部を示す斜視図である。磁性細線（第１自由磁化層）１１は図示されない基板上に設けられ、複数の磁気情報を記録可能な記録部として機能する。磁性細線１１はその層厚方向に垂直な一方向に伸びた、いわゆる線状の形状を有する。磁性細線１１は、上記実施形態のＴＭＲ素子の説明における第１自由磁化層１１と同様、例えば外部磁場などの影響を受けて磁化方向が変化しうる。磁性細線１１に用いられる材料は、上記実施形態のＴＭＲ素子の説明における第１自由磁化層１１と同様、Ｎｉ及びＦｅを含んでなる強磁性材料であり、例えばｆｃｃ構造を有するＮｉＦｅやＣｏＦｅＮｉである。
【００３８】
磁性細線１１の内部には、静電磁エネルギーが最小になるように磁区が形成され、磁区の境界に磁壁（Ｄｏｍｅｉｎ Ｗａｌｌ）が形成される。磁性細線１１の線幅は例えば１０〜３００ｎｍ程度である。磁性細線１１の膜厚は例えば１０〜４０ｎｍ程度である。このような線幅及び膜厚を有する細線内には、長手方向に並んだ複数の微小磁区が形成される。磁性細線１１の長手方向が磁化容易方向（磁気モーメントが向きやすい方向）であり、長手方向に垂直な方向は磁化困難方向（磁気モーメントが向き難い方向）である。磁壁移動装置３３により磁性細線１１に電流パルスを印加すると、伝導電子ｅが磁壁を横切る際、伝導電子のスピンはＳ−ｄ相互作用によって磁気モーメントに沿って回転する。この際、角運動量保存によって伝道電子のスピン角運動量は磁気モーメントへ吸収される。この現象をスピントルク・トランスファー効果という。その結果、磁気モーメントは回転して磁壁移動が生じる。このように磁性細線１１に電流を流すことによって長手方向に並んだ複数の微小磁区を移動させることができる。
【００３９】
読出し素子３２は、磁性細線１１に記録された磁気情報を読み出すための素子である。
読出し素子３２は、磁性細線１１上の任意の場所に設けられる。読出し素子３２は、磁性細線１１に近いほうから、緩和層１２、第２自由磁化層１３、トンネルバリア層１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属層１６、第２固定磁化層１７、及び反強磁性層１８が順に形成されてなる。これらの説明は、上記実施形態のＴＭＲ素子についての説明と同様であるため省略する。反強磁性層１８の上には更に上部電極膜４６が設けられる。
【００４０】
書込み素子３１は、磁性細線１１内の磁化の方向を反転させる素子である。書込み素子３１は、例えば、電流を流すことができる導線である。パルス電流発生器３４を用いて導線に電流を流すことによりその周囲に生じる磁場を利用して、磁性細線１１に磁気情報を記録する。また、書込み素子３１は、例えば、読出し素子３２と同様な構成を有するＴＭＲ素子であってもよい。このとき、書込み用のＴＭＲ素子は、読出し素子３２と同様、磁性細線１１上に設けられる。ＴＭＲ素子を構成する各層の積層方向に流すパルス電流の向きによって、磁性細線１１の磁化の向きは反転する。この書込み方式は、スピン注入磁化反転方式と呼ばれる。この書込み方式の詳細は、例えば、「スピン注入磁化反転の研究動向」（屋上公二郎，鈴木義茂，日本応用磁気学会Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．９、２００４）に開示されている。
【００４１】
磁壁移動装置３３は、磁性細線内の磁区を移動させるためのパルス電流Ｉを発生させるためのパルス電流発生器である。磁壁移動装置３３は、読出したい又は書き込みたい相対的な位置の磁区が読出し素子３２と接するように、磁性細線１１にパルス電流Ｉを流すことができる。
【００４２】
比較回路３５は、読出し素子３２に接続されている。パルス電流発生器３６を用いて読出し素子３２の膜厚方向に電流を流すことにより発生する読出し素子３２の膜厚方向の電位差Ｖｓｐと、基準電圧値（リファレンス値）Ｖｒｅｆとを比較する回路である。基準電圧値Ｖｒｅｆは、例えば同じタイプの複数のＴＭＲ素子について、膜厚方向の電位差を実測することにより求めた値である。具体的には、固定磁化層と自由磁化層の磁化方向が同じであるときの電位差と、固定磁化層と自由磁化層の磁化方向が異なるときの電位差とを測定し、その両者の中間の値を基準電圧値とすることができる。例えば、電位差Ｖｓｐが基準電圧値Ｖｒｅｆ以上のときをデジタル信号“０”に対応させ、電位差Ｖｓｐが基準電圧値Ｖｒｅｆよりも小さいときをデジタル信号“１”に対応する。
【００４３】
上記実施形態の磁気メモリ装置は、ｆｃｃ構造を有する磁性細線（第１自由磁化層）と第２自由磁化層との間に緩和層が設けられたトップピン型のＴＭＲ素子を備える。このようなＴＭＲ素子は、緩和層が設けられていないものに比べてＭＲ比が高い。
【００４４】
ＴＭＲ素子のＭＲ比が向上する理由は、既に述べたとおり、緩和層の存在により、第２自由磁化層及びトンネルバリア層の結晶構造が第１自由磁化層の結晶構造の影響を受けにくく、トンネルバリア層が高いＭＲ比を得られることが知られている結晶構造を有するためであると推測される。磁性細線の厚さが１０〜４０ｎｍ程度の膜厚を有する磁性細線の上に緩和層を設けると、緩和層が設けられていないものに比べてＭＲ比が著しく高くなる。このＴＭＲ素子を備える磁気メモリは、磁性細線に多数のデータを記録でき、その読出し動作の信頼性が高い。
【００４５】
なお、上記実施形態の磁気メモリ装置において、緩和層１２及び第２自由磁化層１３はその上に設けられたトンネルバリア層１４の幅及び奥行きに対応する形状を有しているが、緩和層１２は磁性細線１１の幅及び奥行きの形状に対応していてもよく、また、緩和層１２及び第２自由磁化層１４の両方が磁性細線１１の幅及び奥行きの形状に対応していてもよい。
【００４６】
〜磁気メモリ装置の製造方法〜
本発明の一実施形態による磁気メモリ装置の製造方法について、図４を用いて説明する。
【００４７】
図４は、本実施形態の磁気メモリ装置の製造方法を示す断面図である。
【００４８】
まず、シリコン基板１０上に層間絶縁膜として厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜４２をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成する。次いで、シリコン酸化膜４２上にレジストパタンを形成し、更にドライエッチングによりレジストパタンが設けられていない部分に溝を形成し、その溝の内部にＣｕからなる厚さ４００ｎｍの下部電極膜４２をスパッタリング法により形成する。その後、ＣＭＰ法により上面を平坦化し、図４（ａ）に示す積層体を得る。
【００４９】
次に、第１自由磁化層１１として厚さ４０ｎｍのＮｉＦｅ層、及び緩和層１２として厚さ０．４ｎｍのＴａ層を順に成膜する。続けて、第２自由磁化層１３として厚さ２ｎｍのＣｏＦｅＢ層、トンネルバリア膜１４として厚さ１．０ｎｍのＭｇＯ層、第１固定磁化層１５として厚さ２．３ｎｍのＣｏＦｅＢ層、非磁性金属膜１６として厚さ０．８ｎｍのＲｕ層、第２固定磁化層１７として厚さ１．７ｎｍのＣｏＦｅ層、反強磁性層１８として厚さ７ｎｍのＩｒＭｎ層を順に成膜する。図４は、一連の成膜により得られる積層体の断面図である。第１自由磁化層１１及び緩和層１２は、最終的に線状の積層膜５１を構成する。また、第２自由磁化層１３、トンネルバリア膜１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属膜１６、第２固定磁化層１７、反強磁性層１８は、線状の積層膜５１の上に形成される積層膜５２を構成する。積層膜５２の上に、更に、接続電極膜４３として厚さ５０ｎｍのＴａ層を成膜する。これらの層は、例えば、スパッタリング法によって成膜することができる。
【００５０】
次に、レジストパターニング及びドライエッチングにより、図４（ｂ）に示されるように、第１自由磁化層１１、緩和層１２、第２自由磁化層１３、トンネルバリア膜１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属膜１６、第２固定磁化層１７、反強磁性層１８、及び接続電極膜４３を、ライン／スペース＝５０ｎｍ／５０ｎｍのパターンに加工する。更に、同様の方法により、図４（ｄ）に示されるように、第２自由磁化層１３、トンネルバリア膜１４、第１固定磁化層１５、非磁性金属膜１６、第２固定磁化層１７、反強磁性層１８、及び接続電極膜４３からなる積層膜５２が、幅３０ｎｍ×奥行き９０ｎｍの寸法をそれぞれ有する読出し素子３２、書込み素子３１、基準電圧素子６３を備えるように加工する。加工後、読出し素子３２と書込み素子３１とは第１自由磁化層１１及び緩和層１２からなる線状の積層膜５１で接続されている。一方、読出し素子３２及び書込み素子３１が備える積層膜５１と、基準電圧素子６３が備える積層膜５１とは、離れている。
【００５１】
積層膜５２を加工する工程において、ドライエッチングは、緩和層１２が露出するまで行う。ドライエッチングとしては、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）やイオンミリング法などが挙げられる。緩和層１２として例えばＴａが用いられるとき、Ｔａはエッチング速度が小さい。よって、緩和層１２は積層膜５２のドライエッチングにおいてストッパとして機能する。第１自由磁化層の上にこの緩和層１２が設けられていることにより、第１自由磁化層１１へ加工ダメージが及ばず、得られる磁気メモリ装置の信頼性が高まる。緩和層１２が露出したことを確認するため、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）信号を検出可能なドライエッチング装置を用いることができる。Ｔａ元素由来の信号を検出したところで加工を終了することにより、磁気情報を記録する記録部として機能する第１自由磁化層１１へのオーバーエッチングが防止され、磁気メモリ装置の高信頼性に寄与する。図５は、積層膜５２をイオンミリングにより加工する間に検出したＭｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔａ、ＲｕのＳＩＭＳ信号を示すグラフである。図５において、横軸は時間であり、縦軸は信号強度を示す。Ｔａの信号を検出した後、すぐに加工を停止することにより、第１自由磁化層１１の損傷を防ぐことができる。なお、本実施形態において、緩和層１２に用いられる材料はＴａであるが、本発明における緩和層に使用可能な材料はこれに限定されず、例えば、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆなどの導電性の非晶質材料を用いることができる。これらの材料により形成される緩和層は、積層膜５２のドライエッチングよる加工の際、ストッパとして機能する。緩和層１２を設けていない
次いで、積層膜５１及び５２を覆うように、厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜４４をＣＶＤ法等により形成する。その後、接続電極膜４３が露出するようにＣＭＰ法等により研磨し、更にエッチバックを行い接続電極膜４３が露出した表面を平坦化し、図４（ｅ）に示される積層体を得る。
【００５２】
次いで、積層膜５１と電気的に接続するコンタクトプラグを形成するためのコンタクトホールを、レジストパターニング及びドライエッチングにより形成する。その後、例えばＣＶＤ法により、導電性であり且つバリアメタルとして設けられる窒化チタン膜（図示せず）、及び導電性のタングステン膜（図示せず）を堆積する。その後、これら導電膜をエッチバック或いはポリッシュバックし、下部電極４１及び線状の積層膜５１と電気的に接続されたコンタクトプラグ４５を形成し、図４（ｆ）に示される積層体を得る。
【００５３】
次いで、接続電極膜４３の上に、厚さ２００ｎｍの銅層をスパッタリング法により成膜し、更にレジストパターニング、及びエッチングを行うことで、上部電極４６を形成する。その後、保護膜４７として、厚さ４００ｎｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ法等により形成し、図４（ｇ）に示される積層体を得る。
【００５４】
その後、基板を真空中に配置し、磁場を印加した状態で熱処理を行い、本実施形態の磁気メモリ装置を得る。この熱処理によって、第１固定磁化層１５及び第２固定磁化層１７の磁化方向が固定され、また、トンネルバリア層１４を構成するＭｇＯ（００１）面の配向性が向上する。熱処理温度は、例えば２７０℃であり、熱処理時間は例えば４時間である。
【００５５】
本実施形態における磁気メモリは、線状の積層膜５１とその上に設けられた積層膜５２とを含むＴＭＲ素子が、読出し素子３２のほかに、書込み素子３１、及び基準電圧素子６３にも設けられている。書き込み素子部６２は、それを構成する各層の積層方向に流すパルス電流の向きによって、線状の第１自由磁化層１１の内部の磁化の向きを反転させることができる。また、基準抵抗素子部６３は、読出し素子６１の膜厚方向の電位差Ｖｓｐと比較する、基準電圧値Ｖｒｅｆを生成するために設けられている。
【００５６】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５７】
（実施例１）
実施例１のＴＭＲ素子を以下の手順で作成する。まず、シリコン基板上に層間絶縁膜として厚さ２００ｎｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成した。次いで、シリコン基板に近い方から第１自由磁化層としてＮｉＦｅ（４０ｎｍ）、緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）、第２自由磁化層としてＣｏＦｅＢ（２．０ｎｍ）、トンネルバリア膜としてＭｇＯ（１．３ｎｍ）、第１固定磁化層としてＣｏＦｅＢ（２．０ｎｍ）、非磁性金属層としてＲｕ（０．９ｎｍ）、第２固定磁化層としてＣｏＦｅ（２．０ｎｍ）、反強磁性層としてＩｒＭｎ（７ｎｍ）、接続電極膜としてＴａ（５ｎｍ）及びＲｕ（１０ｎｍ）を、スパッタリング法により順に積層形成した。次いで、磁場中、２７０℃環境下において、４時間真空熱処理を行い、実施例１のＴＭＲ素子を得た。なお、上記の括弧内の数値は膜厚を表し、以下の実施例、比較例、および分析のための積層体において同様である。
【００５８】
（実施例２）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．２ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例２の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００５９】
（実施例３）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．３ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例３の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６０】
（実施例４）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．４ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例４の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６１】
（実施例５）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．５ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例５の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６２】
（実施例６）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．４ｎｍ）を、トンネルバリア膜としてＭｇＯ（１．３ｎｍ）の代わりにＭｇＯ（１．８ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例６の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６３】
（実施例７）
第１自由磁化層としてＮｉＦｅ（４０ｎｍ）の代わりにＮｉＦｅ（４ｎｍ）を、緩和層として（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．４ｎｍ）を、トンネルバリア膜としてＭｇＯ（１．３ｎｍ）の代わりにＭｇＯ（２．０ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例７の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６４】
（実施例８）
第１自由磁化層としてＮｉＦｅ（４０ｎｍ）の代わりにＮｉＦｅ（１０ｎｍ）を、緩和層として（０．１ｎｍ）の代わりにＴａ（０．４ｎｍ）を、トンネルバリア膜としてＭｇＯ（１．３ｎｍ）の代わりにＭｇＯ（２．０ｎｍ）を形成したことを除き、実施例１と同様の手順で実施例７の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６５】
（比較例１）
緩和層としてＴａ（０．１ｎｍ）を形成する代わりに、第１自由磁化層の上に緩和層を設けることなく第２自由磁化層を形成したことを除き、実施例１同様の手順で比較例１の強磁性ＴＭＲ素子を形成した。
【００６６】
（測定方法）
上記実施例１〜５、７、８、及び比較例１のＴＭＲ素子について、ＲＡ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ａｒｅａ Ｐｒｏｄｕｃｔ）及び磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を下記測定方法１により測定した。また、上記実施例６のＲＡ及びＭＲ比を下記測定方法２により測定した。
【００６７】
＜測定方法１＞
ＲＡ及びＭＲ比の測定にはＣＩＰＴ法（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎ−ｐｌａｃｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）を用いた。ＣＩＰＴ法の詳細については、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ， ｖｏｌ． ８３， Ｎｏ． １，ｐ８４−８６ （２００３年）に記載されている。磁気抵抗変化率の値は、走査型伝導度顕微鏡（Ｃａｐｒｅｓ製、商品名「ＳＰＭ−ＣＩＰＴｅｃｈ」）を使用して６点測定した値の平均値である。）
＜測定方法２＞
ＲＡ及びＭＲ比の測定はＲ−Ｈ測定法により行った。具体的には、まず、上記ＴＭＲ素子を１．４ｕｍ×０．４ｕｍの寸法に微細加工し、上部電極、下部電極を形成した評価素子を作成した。次いで、外部磁界Ｈｘを−２００から＋２００Ｏｅまで連続印加しながら、上部電極と下部電極に一定のバイアス電流Ｉｓ＝０．０５ｍＡを印加し、この端子間の電圧Ｖｓを測定することでＴＭＲ素子の変化抵抗（Ｒ＝Ｖｓ／Ｉｓ）を測定した。本測定において、定電流源は、ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ社、商品名「Ｒ−６１４２」、電圧計は、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ社、商品名「２１８２Ａ」を使用した。
【００６８】
（測定結果）
図６は、実施例１〜５及び比較例１のＴＭＲ素子について、ＭＲ比を測定した結果を示すグラフである。図６は、ＭＲ比に対する緩和層の膜厚の依存性を示すグラフである。Ｔａ緩和層を備える実施例１〜５のＴＭＲ素子のＭＲ比は、Ｔａ緩和層が存在しない比較例１のＴＭＲ素子のそれと比較して大きくなった。Ｔａ緩和層の膜厚が０．２ｎｍ以上のとき、特にＭＲ特性が大きく向上した。なお、実施例１〜５及び比較例１のＲＡは３０Ω・μｍ２だった。
【００６９】
実施例６〜８の測定結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
【００７１】
実施例６のＴＭＲ素子を３素子測定した結果のＭＲ比は７２〜８２％、ＲＡは９９６〜１０６５Ω・μｍ２だった。
【００７２】
実施例６のＴＭＲ素子の、自由磁化層の磁化方向による電圧変化量は、印加電流Ｉｓ＝０．０５ｍＡにおいて６１ｍＶだった。これは、差動アンプ等で判定可能な電圧変化量である。
【００７３】
実施例７、８のＴＭＲ素子のＭＲ比はそれぞれ１６１％、１５５％であり、高い値だった。実施例７、８のＴＭＲ素子のＲＡはそれぞれ５８３７Ω・μｍ２、４０５３Ω・μｍ２
だった。
【００７４】
ここで、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
（付記１）
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備える
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
（付記２）
前記緩和層が導電性の非晶質材料を含んでなることを特徴とする付記１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記３）
前記導電性の非晶質材料がＴａであることを特徴とする付記２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記４）
前記緩和層の厚さが０．１〜２ｎｍであることを特徴とする付記３に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記５）
前記第１自由磁化層がＮｉ及びＦｅを含む結晶化合物からなることを特徴とする付記１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記６）
前記トンネルバリア層がＭｇＯからなることを特徴とする付記１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記７）
前記ＮｉＦｅ層の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする付記１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記８）
前記導電性の非晶質材料が、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆからなる群の中から選ばれた少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする付記２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
（付記９）
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備えることを特徴とする磁気メモリ装置。
（付記１０）
前記第１自由磁化層は層厚方向に垂直な一方向に伸び、更に、前記第１自由磁化層の一端から他端へ電流を流す手段を有する付記９に記載の磁気メモリ装置。
（付記１１）
更に、前記第１自由磁化層、前記緩和層、前記トンネルバリア層、及び前記固定磁化層を通る読出し電流を流すための読出し電流印加手段を有することを特徴とする付記９に記載の磁気メモリ装置。
（付記１２）
更に、前記第１自由磁化層の磁化方向を制御する書込み素子を備える付記９に記載の磁気メモリ装置。
（付記１３）
基板を準備する工程と、
前記基板上に、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層を設ける工程と、
前記第１自由磁化層上に緩和層を設ける工程と、
前記ＮｉＦｅ層上に外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層を設ける工程と、
前記第２自由磁化層上に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層を設ける工程と、
前記トンネルバリア層上に磁化方向が固定可能な固定磁化層を設ける工程と
を有し、
前記緩和層は、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
（付記１４）
更に、前記固定磁化層、前記トンネルバリア層、前記第２自由磁化層を、前記緩和層が露出するまでドライエッチングする工程を有することを特徴とする付記１３に記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本実施形態によるトンネル磁気抵抗素子の構造を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態による磁気メモリ装置の基本構造を示す概略図である。
【図３】図２の磁気メモリ装置の要部を示す斜視図である。
【図４】本実施形態の磁気メモリ装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】ＴＭＲ素子をイオンミリングにより加工する際に検出したＳＩＭＳ信号を示すグラフである。
【図６】ＴＭＲ素子のＭＲ比に対する緩和層の膜厚の依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１ トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）
１０ 基板
１１ 第１自由磁化層（磁性細線）
１２ 緩和層
１３ 第２自由磁化層
１４ トンネルバリア層
１５ 第１固定磁化層
１６ 非磁性金属層
１７ 第２固定磁化層
１８ 反強磁性層
２１ 自由磁化積層体
２２ 固定磁化積層体
３１ 読出し素子
３２ 書込み素子
３３ 磁壁移動装置
３４ パルス電流発生器
３５ 比較回路
３６ パルス電流発生器
４３ 接続電極膜
４４ シリコン酸化膜
４５ コンタクトプラグ
４６ 上部電極膜
４７ 保護膜
５１ 積層膜
５２ 積層膜
６３ 基準電圧素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備える
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記緩和層が導電性の非晶質材料を含んでなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記導電性の非晶質材料がＴａであることを特徴とする請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記緩和層の厚さが０．１〜０．５ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第１自由磁化層がＮｉ及びＦｅを含む結晶化合物からなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記トンネルバリア層がＭｇＯからなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備える
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項８】
前記第１自由磁化層はその層厚方向に垂直な一方向に伸び、更に、前記第１自由磁化層の一端から他端へ電流を流す手段を有することを特徴とする請求項７に記載の磁気メモリ装置。
【請求項９】
基板を準備する工程と、
前記基板上に、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層を設ける工程と、
前記第１自由磁化層上に緩和層を設ける工程と、
前記ＮｉＦｅ層上に外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層を設ける工程と、
前記第２自由磁化層上に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層を設ける工程と、
前記トンネルバリア層上に磁化方向が固定可能な固定磁化層を設ける工程と
を有し、
前記緩和層は、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１０】
更に、前記固定磁化層の上方から、前記固定磁化層、前記トンネルバリア層、及び前記第２自由磁化層を、前記緩和層が露出するまでドライエッチングする工程を有することを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備える
ことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記緩和層が導電性の非晶質材料を含んでなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記導電性の非晶質材料がＴａであることを特徴とする請求項２に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記緩和層の厚さが０．１〜０．５ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第１自由磁化層がＮｉ及びＦｅを含む結晶化合物からなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記トンネルバリア層がＭｇＯからなることを特徴とする請求項１に記載のトンネル磁気抵抗素子。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に設けられ、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層と、
前記第１自由磁化層上に設けられ、磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層と、
前記第２自由磁化層上に設けられ、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層と、
前記第１自由磁化層と前記第２自由磁化層との間に設けられ、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制する緩和層と、
前記トンネルバリア層上に設けられ、磁化方向が固定可能な固定磁化層と
を備える
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項８】
前記第１自由磁化層はその層厚方向に垂直な一方向に伸び、更に、前記第１自由磁化層の一端から他端へ電流を流す手段を有することを特徴とする請求項７に記載の磁気メモリ装置。
【請求項９】
基板を準備する工程と、
前記基板上に、結晶性を有し磁化方向が変化可能な第１自由磁化層を設ける工程と、
前記第１自由磁化層上に緩和層を設ける工程と、
前記ＮｉＦｅ層上に外部磁場の影響を受けて磁化方向が変化可能であるとともに前記第１自由磁化層と強磁性交換結合する第２自由磁化層を設ける工程と、
前記第２自由磁化層上に、トンネル現象により電子が透過可能なエネルギー障壁を有するトンネルバリア層を設ける工程と、
前記トンネルバリア層上に磁化方向が固定可能な固定磁化層を設ける工程と
を有し、
前記緩和層は、前記第１自由磁化層が前記トンネルバリア層の結晶配向性に及ぼす影響を抑制することを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
【請求項１０】
更に、前記固定磁化層の上方から、前記固定磁化層、前記トンネルバリア層、及び前記第２自由磁化層を、前記緩和層が露出するまでドライエッチングする工程を有することを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリ装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−８０４９６（Ｐ２０１０−８０４９６Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４４１０４（Ｐ２００８−２４４１０４）
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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