磁気メモリ
【課題】データ記憶層が強い垂直磁気異方性を有し、かつ、データ記憶層とその下方に設けられた磁化固定層との間の磁気的結合が強い磁気メモリを提供する。
【解決手段】磁気メモリが、垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層５０ａ、５０ｂと、層間絶縁層６０と、磁化固定層５０ａ、５０ｂと層間絶縁層６０の上面に形成された下地層４０と、下地層４０の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０とを備えている。下地層４０は、磁性材料で形成された第１磁性下地層４１と、第１磁性下地層４１の上に形成された非磁性下地層４２とを備えている。第１磁性下地層４１の膜厚は、層間絶縁層６０の上において第１磁性下地層４１が面内磁気異方性を発現しないように調節されている。
【解決手段】磁気メモリが、垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層５０ａ、５０ｂと、層間絶縁層６０と、磁化固定層５０ａ、５０ｂと層間絶縁層６０の上面に形成された下地層４０と、下地層４０の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０とを備えている。下地層４０は、磁性材料で形成された第１磁性下地層４１と、第１磁性下地層４１の上に形成された非磁性下地層４２とを備えている。第１磁性下地層４１の膜厚は、層間絶縁層６０の上において第１磁性下地層４１が面内磁気異方性を発現しないように調節されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関し、特に、各メモリセルにおいてデータを記憶するデータ記憶層として垂直磁気異方性を有する磁化膜を使用する磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory; MRAM）は、高速動作および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリである。このことから、ＭＲＡＭの実用化は一部で始まっており、また、より汎用性を高めるための開発が行われている。磁気メモリは、記憶素子として磁性体膜を用い、その磁性体膜の磁化の向きに対応させてデータを記憶する。磁性体膜に所望のデータを書き込むためには、磁性体膜の磁化が、そのデータに対応した向きにスイッチされる。この磁化方向のスイッチング方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流（以下、「書き込み電流」と参照される）を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ低減できるかが非常に重要である。書き込み電流の低減の重要性については、例えば、非特許文献１（N.Sakimura et al., “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”, IEEE
JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.42, NO.4, pp.830-838, 2007）において議論されている。
【０００３】
書き込み電流を低減するための一つの手法は、電流誘起磁壁移動（Current Driven Domain Wall
Motion）を用いてデータを書き込むことである。非特許文献２（A.Yamaguchi et al.,“Real-Space
Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”,
PHYSICAL REVIEW LETTERS,VOL.92,NO.7,077205,2004）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、その磁壁は伝導電子の方向に移動する。従って、データ記憶層に書き込み電流を流すことにより、その電流方向に応じた向きに磁壁を移動させ、所望のデータを書き込むことが可能となる。電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭは、例えば、特開２００５−１９１０３２号公報に開示されている。
【０００４】
また、米国特許第６，８３４，００５号公報には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁を利用してデータを記憶する。多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。
【０００５】
電流誘起磁壁移動によってデータ書き込みを行う磁気メモリにおいて、データを記憶するデータ記憶層に垂直磁気異方性（PMA ;perpendicular magnetic anisotropy)）を有する磁性体膜を使用することで書き込み電流を更に低減することが知られている。このような技術は、例えば、非特許文献３（S.Fukami et al., “Micromagnetic analysis of current driven domain wall
motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy”, JOURNAL OF APPLIED
PHYSICS, VOL.103, 07E718, (2008)）に開示されている。
【０００６】
加えて、データを記憶するデータ記憶層に垂直磁気異方性を有する磁性体膜を使用し、電流誘起磁壁移動によってデータ書き込みを行う磁気メモリが、国際公開ＷＯ２００９／００１７０６ Ａ１に開示されている。図１は、公知のその磁気メモリに集積化された磁気抵抗効果素子２００を模式的に示す断面図である。磁気抵抗効果素子２００は、データ記憶層１１０と、スペーサ層１２０と、参照層１３０とを具備している。データ記憶層１１０は、垂直磁気異方性を有する磁性体膜で形成されている。スペーサ層１２０は、非磁性の絶縁層で形成されている。参照層１３０は、磁化方向が固定された強磁性体膜で形成されている。
【０００７】
データ記憶層１１０は、２つの磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂ、及び磁化自由領域１１３を有している。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂは磁化自由領域１１３の両側に配置されている。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化は、磁化固定層１１５ａ、１１５ｂによって互いに逆方向（反平行）に固定されている。より具体的には、磁化固定領域１１１ａの磁化方向は、磁化固定層１１５ａとの磁気的結合によって＋ｚ方向に固定され、磁化固定領域１１１ｂの磁化方向は磁化固定層１１５ｂとの磁気的結合により−ｚ方向に固定されている。一方、磁化自由領域１１３の磁化方向は、磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの一方から他方へ流れる書込み電流により反転可能であり、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向となる。従って、磁化自由領域１１３の磁化方向に応じて、データ記憶層１１０内には磁壁１１２ａ又は磁壁１１２ｂが形成される。データは、磁化自由領域１１３の磁化の向きとして記憶される。磁壁１１２の位置（１１２ａ又は１１２ｂ）として記憶されると見ることもできる。
【０００８】
参照層１３０、スペーサ層１２０及びデータ記憶層１１０の磁化自由領域１１３は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成している。ＭＴＪの抵抗値は、磁化自由領域１１３の磁化の向き、即ち、データ記憶層１１０に書き込まれているデータに応じて変化する。データは、ＭＴＪの抵抗値の大きさとして読み出される。
【０００９】
垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を使用する磁気メモリにおいて重要な点は、強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を形成することである。例えば、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜（薄いＣｏ膜とＮｉ層とが交互に積層された積層体）をデータ記憶層として使用する場合、強いｆｃｃ（１１１）配向を有するＣｏ／Ｎｉ多層膜を形成することで強い垂直磁気異方性を実現することができる。しかしながら、十分に強いｆｃｃ（１１１）配向を有するＣｏ／Ｎｉ多層膜を形成することは必ずしも容易なことではない。
【００１０】
特開２００６−１１４１６２号公報は、基板上に積層された、密着層、軟磁性下地層、中間層、及び垂直記録層を有する垂直磁気記録媒体を開示している。この特許文献は、軟磁性下地層の磁気特性や表面平坦性を改善し、さらに基板との密着性を高めるための技術を開示している。具体的には、密着層が、第１の下地層及び第２の下地層から構成されている。第１の下地層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏから選ばれる少なくとも２種類の元素からなる合金で構成されており、第２の下地層は、Ｔａ単体、もしくはＴａに、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種類の元素を含む非晶質構造の合金からなる。
【００１１】
非特許文献４（F.J.A. den Broeder et al., Perpendicular MagneticAnisotropy
and Coercivity of Co/Ni Multilayers, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL. 28,
NO. 5, pp.2760-2765, (1992)）は、下地層無しでガラス基板の上に成膜をすると、面内方向に強い異方性が現れる事を開示しており、垂直磁気異方性を得るためには下地層が必要であると議論している。この文献は、好適な下地層として（１１１）配向性を有するＡｕ膜を開示している。ここで、非特許文献４に開示されている下地層は、非磁性体であり、また、その膜厚が２０ｎｍ以上と比較的厚いことに留意されたい。
【００１２】
非特許文献４に記載されているような厚い非磁性層を下地層として使用することは、図１に図示された磁気メモリのように、データ記憶層の下に形成された磁化固定層によってデータ記憶層の磁化固定領域の磁化を固定する構造の磁気メモリには好ましくない。例えば、図１の磁気メモリで下地層を用いるならば、データ記憶層１１０と磁化固定層１１５ａ、１１５ｂの間に下地層が挿入されることになる。この場合、下地層として厚い非磁性層が介在すると、データ記憶層１１０と磁化固定層１１５ａ、１１５ｂの間の磁気的な結合が切断され、磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化が固定できなくなる。これは、磁気メモリを正常に動作させるためには好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献２】米国特許第６，８３４，００５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００９／００１７０６ Ａ１
【特許文献４】特開２００６−１１４１６２号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】N.Sakimura et al., “MRAM Cell TechnologyforOver 500-MHz SoC”, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.42, NO.4,pp.830-838,2007.
【非特許文献２】A.Yamaguchi et al.,“Real-Space ObservationofCurrent-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”, PHYSICAL REVIEWLETTERS,VOL.92,NO.7,077205,2004.
【非特許文献３】S.Fukami et al., “Micromagnetic analysisofcurrent driven domain wall motion in nanostrips with perpendicularmagneticanisotropy”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL.103, 07E718, (2008).
【非特許文献４】F.J.A. den Broeder et al., Perpendicular MagneticAnisotropy and Coercivity of Co/Ni Multilayers, IEEE TRANSACTIONSONMAGNETICS,VOL. 28, NO. 5, pp.2760-2765, (1992).
【非特許文献５】A.Thiaville et al., “Domain wall motion by spin-polarizedcurrent: a micromagnetic study”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL.95,NO.11,pp.7049-7051, 2004.
【非特許文献６】G.H.O.Daalderop et al., “PredictionandConfirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers”,PHYSICALREVIEW LETTERS, VOL.68, NO.5, pp.682-685,1992.
【非特許文献７】T.Suzuki et al., “Evaluation ofScalabilityfor Current-Driven Domain Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Stripfor MemoryApplications”, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.45, NO.10,pp.3776-3779, (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明の目的は、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を備えた磁気メモリであって、データ記憶層が強い垂直磁気異方性を有し、かつ、データ記憶層とその下方に設けられた磁化固定層との間の磁気的結合が強い磁気メモリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一の観点では、磁気メモリが、垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、層間絶縁層と、磁化固定層と層間絶縁層の上面に形成された下地層と、下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層とを備えている。下地層は、磁性材料で形成された第１磁性下地層と、第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層とを備えている。第１磁性下地層が、層間絶縁層の上において面内磁気異方性を発現しないような膜厚で形成されている。
【００１７】
一実施形態では、第１磁性下地層の膜厚は、層間絶縁層の上において第１磁性下地層が強磁性を発現しないように調節されている。
【００１８】
本発明の更に他の観点では、磁気メモリが、垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、層間絶縁層と、磁化固定層と層間絶縁層の上面に形成された下地層と、下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層とを備えている。下地層は、磁性材料で形成された第１磁性下地層と、第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層とを備えている。第１磁性下地層は、ＮｉＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む。第１磁性下地層の膜厚は、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。
【００１９】
本発明の更に他の観点では、磁気メモリが、垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、層間絶縁層と、磁化固定層と層間絶縁層の上面に形成された下地層と、下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層とを備えている。下地層は、第１磁性下地層と、第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層
とを備えている。第１磁性下地層は、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む。第１磁性下地層の膜厚は、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。
【００２０】
本発明の更に他の観点では、磁気メモリが、強磁性体の下地層と、下地層上に設けられた非磁性体の中間層と、中間層上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層と、非磁性層を介してデータ記憶層に接続された参照層と、下地層の下側に接して設けられた第１磁化固定層及び第２磁化固定層とを具備する。データ記憶層は、反転可能な磁化を有し参照層とオーバーラップする磁化自由領域と、磁化自由領域の第１境界に接続され、第１磁化固定層に磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、磁化自由領域の第２境界に接続され、第２磁化固定層に磁化の向きが第１方向と反平行な第２方向に固定された第２磁化固定領域とを備えている。中間層は、膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＴａである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、データ記憶層が強い垂直磁気異方性を有し、かつ、データ記憶層とその下方に設けられた磁化固定層との間の磁気的結合が強い磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の概略的な構成を示す断面図である。
【図３Ａ】データ“０”が書き込まれた磁気抵抗効果素子の状態を示す概念図である。
【図３Ｂ】データ“１”が書き込まれた磁気抵抗効果素子の状態を示す概念図である。
【図４Ａ】ＮｉＦｅＷ膜の、膜厚に対する磁化の大きさの変化を示すグラフである。
【図４Ｂ】ＮｉＦｅＺｒ膜の、膜厚に対する磁化の大きさの変化を示すグラフである。
【図４Ｃ】ＮｉＦｅＴａ膜の、膜厚に対する磁化の大きさの変化を示すグラフである。
【図５Ａ】非磁性下地層に対応するＰｔ膜を介して作用する結合磁界のＰｔ膜厚に対する変化を示す表である。
【図５Ｂ】非磁性下地層に対応するＰｄ膜を介して作用する結合磁界のＰｄ膜厚に対する変化を示す表である。
【図５Ｃ】非磁性下地層に対応するＩｒ膜を介して作用する結合磁界のＩｒ膜厚に対する変化を示す表である。
【図６Ａ】第１の実施形態の実施例１において、第２磁性下地層がない場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図６Ｂ】第１の実施形態の実施例１において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が１回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図６Ｃ】第１の実施形態の実施例１において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が２回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図６Ｄ】第１の実施形態の実施例１において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が３回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図６Ｅ】非磁性下地層に相当するＰｔ膜の上に形成されたＣｏ／Ｐｔ積層膜の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図７】飽和磁界Ｈｓの定義を説明するグラフである。
【図８】第１の実施形態の実施例１における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。
【図９】第１の実施形態の実施例１における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数、飽和磁界Ｈｓ及び書き込み電流の関係を示すグラフである。
【図１０】第１の実施形態の比較例１の構成を示す断面図である。
【図１１Ａ】第１の実施形態の実施例１における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の膜厚比と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。ただし、第１磁性下地層としてはＮｉＦｅＷ膜、非磁性下地層としてはＰｔ膜が使用されている。
【図１１Ｂ】第１の実施形態の実施例１における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の膜厚比と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。ただし、第１磁性下地層としてはＮｉＦｅＶ膜、非磁性下地層としてはＡｕ膜が使用されている。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の概略的な構成を示す断面図である。
【図１３Ａ】磁気トンネル接合の第１磁性下地層の材料による依存性を示すグラフである。
【図１３Ｂ】第１磁性下地層がＮｉＦｅＺｒである場合のデータ記憶層と磁化固定層の結合状態を示す磁化−磁界曲線である。
【図１３Ｃ】第１磁性下地層がＮｉＦｅＺｒである場合のデータ記憶層と磁化固定層の結合状態を示す磁化−磁界曲線である。
【図１３Ｄ】第１磁性下地層がＣｏＴａである場合のデータ記憶層と磁化固定層の結合状態を示す磁化−磁界曲線である。
【図１３Ｅ】第１磁性下地層がＣｏＴａである場合のデータ記憶層と磁化固定層の結合状態を示す磁化−磁界曲線である。
【図１４Ａ】第１磁性下地層がＣｏＴａである場合の第１磁性下地層の膜厚と磁化−磁界曲線の関係を示す図である。
【図１４Ｂ】第１磁性下地層がＣｏＴａである場合の第１磁性下地層の膜厚と磁化の大きさの関係を示す図である。
【図１５Ａ】第２の実施形態において、第２磁性下地層がない場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図１５Ｂ】第２の実施形態において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が１回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図１５Ｃ】第２の実施形態において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が２回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図１６】第２の実施形態における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。
【図１７】第２の実施形態における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数、飽和磁界Ｈｓ及び書き込み電流の関係を示すグラフである。
【図１８】第２の実施形態における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の膜厚比と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。ただし、第１磁性下地層としてはＣｏＴａ膜が使用されている。
【図１９Ａ】本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図１９Ｂ】第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成を示す断面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、比較例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、比較例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２１Ａ】図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２１Ｂ】図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２２Ａ】図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２２Ｂ】図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２３Ａ】実施例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２３Ｂ】実施例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２４Ａ】図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２４Ｂ】図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２５】図２５は、中間層の膜厚及び熱処理の温度と飽和磁界との関係の一例を示すグラフである。
【図２６】図２６は、図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２７】本発明の一実施形態における磁気メモリの構成例を示すブロック図である。
【図２８】本発明の一実施形態におけるメモリセルの構成例を示す模式回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
添付図面を参照して、本発明の電流誘起磁壁移動型の磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリの実施形態について説明する。
【００２４】
第１の実施形態：
図２は、本発明の第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１００の構成を示す概略断面図である。磁気抵抗効果素子１００は、データ記憶層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０と、下地層４０と、磁化固定層５０ａ、５０ｂとを備えている。
【００２５】
データ記憶層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成されている。データ記憶層１０は、磁化方向が反転可能な領域を含んでおり、その磁化状態に応じてデータを記憶する。より詳細には、データ記憶層１０は、２つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化自由領域１３とを有している。
【００２６】
磁化固定領域１１ａ、１１ｂは、磁化自由領域１３にそれぞれ隣接して設けられている。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は互いに逆方向（反平行）に固定されている。図２の例では、磁化固定領域１１ａの磁化方向は＋ｚ方向に固定され、磁化固定領域１１ｂの磁化方向は−ｚ方向に固定されている。
【００２７】
一方、磁化自由領域１３の磁化は反転可能であり、＋ｚ方向又は−ｚ方向のいずれにも向けられ得る。従って、磁化自由領域１３の磁化方向に応じて、データ記憶層１０内には磁壁が形成される。詳細には、図３Ａに図示されているように、磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と磁化固定領域１１ｂとの間に磁壁１２が形成される。一方、図３Ｂに図示されているように、磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と磁化固定領域１１ａとの間に磁壁１２が形成される。すなわち、データ記憶層１０は磁壁１２を有し、その磁壁１２の位置は磁化自由領域１３の磁化方向に対応している。
【００２８】
スペーサ層２０は、データ記憶層１０に隣接して設けられている。スペーサ層２０は、少なくともデータ記憶層１０の磁化自由領域１３の上面に接するように設けられている。このスペーサ層２０は非磁性の絶縁体で形成されている。
【００２９】
参照層３０は、スペーサ層２０の上面に接するように設けられている。つまり、参照層３０は、スペーサ層２０を介してデータ記憶層１０（磁化自由領域１３）に接続されている。データ記憶層１０と同様に、参照層３０も垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成され、その磁化方向は＋ｚ方向又は−ｚ方向に固定される。図２の例では、参照層３０の磁化方向は、＋ｚ方向に固定されている。
【００３０】
以上に説明されたデータ記憶層１０の磁化自由領域１３と、スペーサ層２０と、参照層３０とは、磁気トンネル接合（Magnetic
Tunnel Junction; MTJ）を形成している。すなわち、データ記憶層１０（磁化自由領域１３）、スペーサ層２０、及び参照層３０は、ＭＴＪにおけるフリー層、バリア層、及びピン層に相当する。
【００３１】
下地層４０は、データ記憶層１０の下面に（即ち基板側に）設けられている。下地層４０は、データ記憶層１０の配向性を向上させてデータ記憶層１０に強い垂直磁気異方性を発現させるために使用される。下地層４０の構造と機能については、後に詳細に議論する。
【００３２】
磁化固定層５０ａ、５０ｂは、垂直磁気異方性を有する磁気的にハードな強磁性体で形成され、その磁化方向は＋ｚ方向又は−ｚ方向に固定される。磁化固定層５０ａ、５０ｂは、データ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化を固定するためのものである。磁化固定領域１１ａの磁化は磁化固定層５０ａとの磁気的な結合によって固定され、磁化固定領域１１ｂの磁化は磁化固定層５０ｂとの磁気的な結合によって固定される。本実施形態では、磁化固定層５０ａ、５０ｂは、層間絶縁層６０に埋め込まれている。本実施形態では、磁化固定層５０ａ、５０ｂとしてＣｏＰｔ合金膜、又は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜（薄いＣｏ膜とＰｔ膜とが交互に積層された積層膜）が用いられる。これらの硬質磁性材料は、強い垂直磁気異方性を示す。
【００３３】
層間絶縁層６０は、一般的な半導体集積回路で使用される層間分離のための絶縁膜である。層間絶縁層６０としては、例えば、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜、又はそれらの積層膜が使用され得る。
【００３４】
なお、上記に加えて、図示されない電極層が、データ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂのそれぞれに電気的に接続されている。これらの電極層は、データ記憶層１０に書き込み電流を導入するために用いられる。一実施形態では、該電極層は、上述した磁化固定層５０ａ、５０ｂを介してデータ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂに接続することができる。また、他の電極層（図示されず）が参照層３０に電気的に接続されている。
【００３５】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１００では、データ記憶層１０の磁化状態、すなわち、データ記憶層１０中の磁壁の位置に対応して、２つの記憶状態が実現される。図３Ａに図示されているように、データ記憶層１０の磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と磁化固定領域１１ｂとの境界に、磁壁１２が形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“０”の記憶状態に対応付けられる。
【００３６】
一方、図３Ｂに図示されているように、データ記憶層１０の磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２が形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに反平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“１”の記憶状態に対応付けられる。
【００３７】
但し、データ記憶層１０の磁化状態と２つの記憶状態との間の対応関係は上記に限られないことに留意されたい。すなわち、データ記憶層１０が磁壁１２を有しており、その磁壁１２の位置が磁化自由領域１３の磁化方向に対応している。結果として、データ記憶層１０は、その磁壁１２の位置に対応してデータを記憶していることになる。
【００３８】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１００は、電流誘起磁壁移動を用いてデータ書き込みが行われる。図３Ａに図示されているようなデータ“０”が記憶されている状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向が互いに平行）においてデータ“１”を書き込む場合、磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１３を経由して磁化固定領域１１ｂへ書き込み電流が流される。この場合、伝導電子は、磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１３を経由して磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき、磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２にスピントランスファートルク（Spin Transfer Torque; STT）が働き、磁壁１２が磁化固定領域１１ａに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流の電流密度は、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３との境界よりも磁化固定領域１１ａの側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界の近傍で停止する。このようにして、磁壁１２が磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“１”の書き込みが実現される。
【００３９】
一方、図３Ｂに図示されているようなデータ“１”が記憶されている状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は互いに反平行）においてデータ“０”を書き込む場合、磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１３を経由して磁化固定領域１１ａへ書き込み電流を流す。この場合、伝導電子は、磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１３を経由して磁化固定領域１１ｂへと流れる。このとき、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２にはスピントランスファートルクが働き、磁壁１２は、磁化固定領域１１ｂに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流の電流密度は、磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３との境界よりも磁化固定領域１１ｂの側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界近傍で停止する。このようにして、磁壁１２が第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“０”の書き込みが実現される。
【００４０】
なお、データ“０”が記憶されている状態においてデータ“０”の書き込みが行われた場合、及びデータ“１”が記憶されている状態においてデータ“１”の書き込みが行われた場合には状態変化は起こらない。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子１００は、オーバーライトが可能である。
【００４１】
一方、データ読み出しは、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magnetoresistive effect;
TMR effect）を利用して行われる。具体的には、データ読み出しのために、ＭＴＪ（データ記憶層１０の磁化自由領域１３、スペーサ層２０、参照層３０）を貫通する方向に、読み出し電流が流される。なお、読み出し電流の方向は任意である。磁気抵抗効果素子１００にデータ“０”が記憶されている状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は相対的に小さくなる。一方、データ“１”が記憶されている状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。従って、この抵抗値の値を検出することで、データを読み出すことができる。
【００４２】
続いて、データ記憶層１０の好適な態様について説明する。データ記憶層１０に求められる望ましい特性は、飽和磁化が小さく、スピン分極率が大きいことである。例えば非特許文献５（A.Thiaville et al.,“Domain wall motion by spin-polarized current: a micromagnetic
study”,JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,VOL.95,NO.11,pp.7049-7051,2004.）に開示されているように、電流誘起磁壁移動は、パラメータ：ｇμＢＰ／２ｅＭｓが大きいほど起こり易い。ここで、ｇはランデのｇ因子、μＢはボーア磁子、Ｐはスピン分極率、ｅは電子の素電荷、Ｍｓは飽和磁化である。ｇ、μＢ、ｅは物理定数であるので、書き込み電流を低減するためには、データ記憶層１０の飽和磁化Ｍｓを小さく、スピン分極率Ｐを大きくすることが有効であることが分かる。
【００４３】
まず、飽和磁化の観点からは、データ記憶層１０として使用される垂直磁気異方性を有する磁性膜としては、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｎｉ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄなどの遷移金属系の交互積層膜が有望である。これらの材料の飽和磁化は比較的小さいことが知られている。より一般的に言えば、データ記憶層１０は、第１層と第２層が積層された積層構造を有する。第１の層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。第２の層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。
【００４４】
上記の積層膜の中でも特にＣｏ／Ｎｉ積層膜はスピン分極率が高い。従って、データ記憶層１０としてはＣｏ／Ｎｉ積層膜が特に好適であると言える。実際に、発明者は、Ｃｏ／Ｎｉを用いることにより制御性の高い磁壁移動が実現されることを、実験を通して確認した。
【００４５】
ところで、遷移金属系の交互積層膜（例えば、Ｃｏ／Ｎｉ）は、ｆｃｃ構造を有し、且つ、（１１１）面が基板垂直方向に積層したｆｃｃ（１１１）配向結晶構造を有する場合に垂直磁気異方性を発現する。また、非特許文献６（G.H.O.Daalderop et al., “Prediction and Confirmation of Perpendicular
Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOL.68,
NO.5, pp.682-685,1992.）によれば、上述のような積層膜の垂直磁気異方性は、それら膜の界面における界面磁気異方性によって発現する。従って、データ記憶層１０に良好な垂直磁気異方性を実現させるためには、上述の遷移金属系の交互積層膜が良好なｆｃｃ（１１１）配向で成長できるような「下地層」を設けることが好ましい。
【００４６】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１００は、データ記憶層１０を良好なｆｃｃ（１１１）配向した状態で成長でき、良好な垂直磁気異方性が実現されるような下地層４０を有している。以下、下地層４０について説明する。
【００４７】
本実施形態では、下地層４０は、３つの層：第１磁性下地層４１、非磁性下地層４２及び第２磁性下地層４３で構成されている。第１磁性下地層４１は、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上面と、層間絶縁層６０の磁化固定層５０ａ、５０ｂの間に位置する部分の上面を被覆するように形成されている。非磁性下地層４２は、第１磁性下地層４１の上面を被覆するように形成され、第２磁性下地層４３は、非磁性下地層４２の上面を被覆するように形成されている。第１磁性下地層４１は、本質的には強磁性を発現する材料で形成される一方、層間絶縁層６０のようなアモルファスの膜の上に形成された場合には強磁性を発現しないような膜厚で形成される。本実施形態では、第１磁性下地層４１は、ＮｉＦｅを主成分として含み、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素が添加され、該非磁性元素の添加量が１０ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲である磁性材料で形成されており、且つ、０．５ｎｍ〜３ｎｍの膜厚を有している。非磁性下地層４２は、ｆｃｃ構造を有し、且つ、（１１１）配向性を強く発現する非磁性膜で形成される。本実施形態では、非磁性下地層４２は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成され、膜厚は０．３ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲である。第２磁性下地層４３は、Ｐｔ又はＰｄのいずれか一つの元素からなる第一の層とＦｅ又はＣｏ又はＮｉのいずれか一つの元素からなる第二の層が少なくとも１回以上交互に積層された積層磁性膜からなる。
【００４８】
このような第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２の組み合わせは、データ記憶層１０に強い垂直磁気異方性を発現させながら、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くすることを可能にする。詳細には、第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２は、図２に図示されているように、層間絶縁層６０の上方にある部分と磁化固定層５０ａ、５０ｂの上方にある部分とに大別される。一般に、アモルファスの膜の上に形成された膜は配向性が悪いから、アモルファスであるＳｉＯ膜又はＳｉＮ膜で形成された層間絶縁層６０の上方にある部分については、データ記憶層１０をｆｃｃ（１１１）配向構造を有するように形成して強い垂直磁気異方性を発現させるという要求が問題になる。一方、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上方にある部分については、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くするという要求が問題になる。即ち、下地層４０の構造が不適切であると（例えば、下地層４０として従来技術に開示されて
いるような厚い非磁性膜を使用すると）、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合が弱くなる。本実施形態の第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２の組み合わせは、このような２つの要求を同時に実現することができる。
【００４９】
まず、層間絶縁層６０の上方にある部分について議論する。第１磁性下地層４１は、層間絶縁層６０のようなアモルファスの膜の上に形成された場合、０．５ｎｍ〜３ｎｍのような膜厚が薄い領域ではアモルファス状に成長し、その表面エネルギーが大きくなる。その一方で、第１磁性下地層４１の層間絶縁層６０に接して成膜された部分は、上述したようにアモルファス状に成長すると共に、その磁化がほとんど消失した状態で形成される。このような第１磁性下地層４１は、その上に成長する結晶の最稠密面（最低表面エネルギー面）配向を生み出すことが可能となる。さらに、第１磁性下地層４１の上に積層される非磁性下地層４２は、上述したようにＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成されてなり、これらからなる膜はそれ自体がｆｃｃ構造を有しているため、結晶の最稠密面がｆｃｃ（１１１）面に配向して成長する。このような構造の非磁性下地層４２の上方に、ｆｃｃ構造を有し、（１１１）配向した場合に強い垂直磁気異方性を発現する磁性膜を形成することにより、強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を実現することができる。ここで、第１磁性下地層４１が形成されていることにより、非磁性下地層４２の膜厚が薄くても強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を形成できることに留意されたい。
【００５０】
その一方で、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上方にある部分については、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くすることができる。一般的な磁化固定層５０ａ、５０ｂとしてＣｏ／Ｐｔ膜やＣｏ−Ｐｔ合金のような強い垂直磁気異方性を発現する硬質磁性材料を使用した場合、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上に上述した軟磁性体で形成される第１磁性下地層と非磁性下地層とを積層すると、磁化固定層５０ａ、５０ｂからの磁気的作用により、第１磁性下地層４１の磁化が磁化固定層５０ａ、５０ｂと同じ垂直方向にそろう現象がみられる。この磁気的な相互作用は、さらに非磁性下地層４２を介して、データ記憶層１０の一部分（磁化固定領域１１ａ、１１ｂ）の磁化を固定し、結果として、データ記憶層１０に磁化固定領域１１ａ、１１ｂが形成される。本実施形態では、非磁性下地層４２の膜厚が薄い（０．５ｎｍ〜４．０ｎｍ）ため、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間に強固な磁気的結合が得られることに留意されたい。
【００５１】
ここで、磁性材料である第１磁性下地層４１を層間絶縁層６０に直接に接して成膜すると、垂直磁気異方性を低下させる方向への磁気的な影響を及ぼす可能性があるという懸念があるかもしれない。即ち、アモルファスである層間絶縁層６０の上に磁性材料である第１磁性下地層４１を形成すると、第１磁性下地層４１において面内磁気異方性が発現し、データ記憶層１０の垂直磁気異方性が低下するという懸念があるかもしれない。しかしながら、実際には、本実施形態では層間絶縁層６０の上において第１磁性下地層４１の磁化が実質的に消失した状態で形成され、第１磁性下地層４１が垂直磁気異方性を有したデータ記憶層１０に対して、垂直磁気異方性を低下させるような磁気的な影響を及ぼすことがない。そのため、データ記憶層１０においても良好な垂直磁気異方性が実現される。
【００５２】
一方、第２磁性下地層４３は、データ記憶層１０の結晶配向のテンプレートとして働き、データ記憶層１０のｆｃｃ（１１１）配向を向上させて垂直磁気異方性をより強くする作用がある。本実施形態では、第２磁性下地層４３は、Ｐｔ又はＰｄのいずれかからなる第一の層とＦｅ、Ｃｏ又はＮｉのいずれかからなる第二の層とからなる積層膜が、少なくとも１つ積層された積層体で構成されている。このような構造の第２磁性下地層４３は、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜からなるデータ記憶層１０に関して、ｆｃｃ（１１１）配向を向上させて垂直磁気異方性を強くすることができる。加えて、このような構造の第２磁性下地層４３を使用する場合、積層される積層体の数によってデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を調節することができる。データ記憶層１０の垂直磁気異方性が過剰に強いと書き込み電流が増加するため、データ記憶層１０の垂直磁気異方性は適切な範囲に調節されることが望ましい。
【００５３】
ここで、ｆｃｃ（１１１）配向構造が形成されやすい磁性膜がデータ記憶層１０として使用される場合には、第２磁性下地層４３は必ずしも必要でないことに留意されたい。Ｃｏ／Ｎｉ積層膜がデータ記憶層１０として使用される場合には、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成される非磁性下地層４２の上に直接にデータ記憶層１０を成膜しても、強い垂直磁気異方性が得られない。このような場合には、第２磁性下地層４３を使用することにより、相対的にｆｃｃ（１１１）配向構造が形成されにくいＣｏ／Ｎｉ積層膜がデータ記憶層１０として使用されても、強い垂直磁気異方性を得る事ができる。一方、Ｐｔ又はＰｄのいずれかからなる第一の層とＦｅ、Ｃｏ又はＮｉのいずれかからなる第二の層とからなる積層磁性膜のようにｆｃｃ（１１１）配向構造が形成されやすい磁性膜がデータ記憶層１０として使用される場合には、非磁性下地層４２の上に直接にデータ記憶層１０を形成してもよい。
【００５４】
以上に議論されているように、下地層４０として、第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３の積層構造を用いることで、データ記憶層１０に強い垂直磁気異方性を発現させ、かつ、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くする事ができる。発明者は、以上に述べたことを実験により確認した。以下では、その実験結果について説明する。
【００５５】
（実験１：第１磁性下地層４１の磁気特性）
まず、第１磁性下地層４１の磁気特性、及び、好適な膜厚範囲について述べる。前述したように、第１磁性下地層４１は、図２に図示されているように、層間絶縁層６０（ＳｉＮ膜又はＳｉＯ膜）と接する部分と磁化固定層５０ａ、５０ｂと接する領域とに大別される。
【００５６】
まず、第１磁性下地層４１の層間絶縁層６０（ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜）に接した部分について考察するために、Ｓｉ基板の表面にＳｉＮ膜又はＳｉＯ膜が２０ｎｍ成膜された基板上にＮｉＦｅＷ膜が形成され、その磁化が測定された。成膜されたＮｉＦｅＷ膜の膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲にあった。また、成膜されたＮｉＦｅＷ膜の組成は、Ｗが１２．５（ａｔ％）であり、残部がＮｉＦｅ母材であった。ここで、ＮｉＦｅ母材におけるＮｉとＦｅとの比は、Ｎｉが７７．５に対してＦｅが２２．５であった。各々の試料は真空中で３５０℃２時間のアニール処理が行われている。磁化の計測時には膜面垂直方向に磁界が印加された。しかしながら、ＮｉＦｅＷ膜の膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲では角型性の良いヒステリシスを有したＭ−Ｈループが得られず、ＮｉＦｅＷ膜は強磁性を示さない膜又は面内磁化膜であることが確認できた。
【００５７】
図４Ａに、ＮｉＦｅＷ膜の膜厚に対する磁化の大きさをプロットした図を示す。図４Ａに図示されているように、ＮｉＦｅＷ膜の直下にある膜がＳｉＮ膜及びＳｉＯ膜のいずれであるかに関わらず、膜厚が４ｎｍ以上では、膜厚の増加に伴い磁化が単調に増加する傾向がみられた。一方、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下の範囲、特に、２ｎｍ未満の範囲ではＳｉＮ膜及びＳｉＯ膜の両方の場合について磁化が４ｎｍ以上の膜厚のＮｉＦｅＷ膜の磁化に比べかなり小さい磁化が観測された。この結果は、層間絶縁層６０上にＮｉＦｅＷ膜を成膜した場合、膜厚が薄い領域では磁化が発現できないことを示している。
【００５８】
このように、０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲のＮｉＦｅＷ膜を第１磁性下地層として用いた場合、非磁性下地層を介して、第２磁性下地層に磁気的な影響を与えることがないため、第２磁性下地層が有する垂直磁気異方性が乱されることなく形成でき、Ｃｏ／Ｎｉからなるデータ記憶層の垂直磁気異方性に影響を与えることはない。従って、Ｃｏ／Ｎｉからなるデータ記憶層１０においても良好なｆｃｃ（１１１）配向が実現される。
【００５９】
一方、３ｎｍより厚いＮｉＦｅＷ膜を第１磁性下地層４１として用いた場合、非磁性下地層４２を介して、第２磁性下地層４３及びデータ記憶層１０に磁気的な影響を及ぼすためにデータ記憶層１０の垂直磁気異方性が弱まるため好ましくない。また、０．５ｎｍより薄いＮｉＦｅＷ膜を第１磁性下地層４１として用いた場合、層間絶縁層６０の凹凸の影響が第１磁性下地層４１を介して、非磁性下地層４２に影響を及ぼすため、データ記憶層１０の良好なｆｃｃ（１１１）配向が阻害される。以上の議論から、第１磁性下地層として好適なＮｉＦｅＷ膜の厚さは、０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲であることが分かる。
【００６０】
同様の議論は、上述したＮｉＦｅにＷを添加したＮｉＦｅＷ膜のみならず、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｖからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を添加した場合においてもあてはまる。例えば、図４Ｂは、ＮｉＦｅＺｒ膜の膜厚に対する磁化の大きさをプロットした図であり、図４Ｃは、ＮｉＦｅＴａ膜の膜厚に対する磁化の大きさをプロットした図である。ここで、図４Ｂ、図４Ｃは、Ｓｉ基板の表面にＳｉＮ膜が２０ｎｍ成膜された基板上に、それぞれＮｉＦｅＺｒ膜、ＮｉＦｅＴａ膜を形成し、その磁化を測定することによって得られたものである。ＮｉＦｅＺｒ膜、ＮｉＦｅＴａ膜についても同様に、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下の範囲、特に、２ｎｍ未満の範囲において、かなり小さい磁化が観測された。この結果は、層間絶縁層６０上にＮｉＦｅＺｒ膜、ＮｉＦｅＴａ膜を成膜した場合、膜厚が薄い領域では磁化が発現できないことを示している。
【００６１】
以上に述べたことから、好適な第１磁性下地層４１の膜厚範囲は、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、一層に好適な膜厚範囲は、０．５ｎｍ以上、２ｎｍ未満である。
【００６２】
（実験２：第１磁性下地層４１の結晶構造）
続いて、上述したＮｉＦｅを主成分として含み、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む第１磁性下地層４１について、非磁性元素の添加量と結晶構造の関係についての実験結果について述べる。この実験では、ＮｉＦｅ母材に、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶのいずれかが添加された膜が形成され、形成された膜の結晶構造がＸ線回折装置を用いて調べられた。ここで主成分であるＮｉＦｅ母材の組成比は、Ｎｉ：Ｆｅ＝７７．５：２２．５であった。また、形成された膜の膜厚は、１５ｎｍであった。
【００６３】
その結果、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を添加したＮｉＦｅＸ膜（Ｘ：Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ）は、非磁性元素の添加量が１０ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲では、いずれの非磁性元素を添加した場合においてもブロードな回折プロファイルを発現し、アモルファス構造を有していることを確認した。非磁性元素の添加量が１０ａｔ％未満ではＮｉＦｅ由来の結晶構造が観測され、２５ａｔ％を超えた範囲ではＮｉＦｅと非磁性元素の化合物及び混合物の回折ピークが観測された。このことは、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を添加したＮｉＦｅＸ膜（Ｘ：Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ）を第１磁性下地層４１として使用する場合、非磁性元素の添加量の好ましい範囲が１０ａｔ％〜２５ａｔ％であることを示している。
【００６４】
以上に述べたように、ＮｉＦｅを主成分として含み、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む第１磁性下地層４１は、膜厚を０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲とすることで磁化がほぼ消失した。このような現象を発現させるためには、非磁性元素（Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ）の添加量は、１０ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲であることが好ましい。
【００６５】
（実験３：データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合）
続いて、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合の強さと非磁性下地層４２の膜厚の関係についての実験結果について述べる。この実験では、磁化固定層５０ａ、５０ｂ、第１磁性下地層４１、非磁性下地層４２、第２磁性下地層４３及びデータ記憶層１０にそれぞれに対応する膜を備える積層構造が形成された。ここでは、磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性膜としては、Ｃｏ膜とＰｔ膜が交互に積層されたＣｏ／Ｐｔ積層膜が用いられた。また、第１磁性下地層４１に対応する膜として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、非磁性下地層４２に対応する膜としてＰｔ膜、第２磁性下地層４３に対応する膜として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層されたＣｏ／Ｐｔ積層膜が用いられた。更に、データ記憶層１０に対応する膜としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜とが交互に５回積層されたＣｏ／Ｎｉ積層膜が用いられた。上述した構成を有し、且つ、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜の膜厚が０．３ｎｍ〜５ｎｍの範囲で異なる試料が作製され、その磁気特性が測定された。作成された各々の試料は真空中で３５０℃２時間のアニール処理を行っている。
【００６６】
図５Ａは、（非磁性下地層４２に対応する）Ｐｔ膜の各膜厚に対する、当該Ｐｔ膜を介して作用する結合磁界の大きさの関係を示す表である。図５Ａに示されているように、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜の膜厚が０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲では、１９００（Ｏｅ）〜１９７５（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。これは、以下の要因によるものと考えている。磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応するＣｏ／Ｐｔ積層膜が第１磁性下地層４１に対応するＮｉＦｅＺｒ膜の下地として機能するため、このＣｏ／Ｐｔ積層膜の磁化の影響により、薄いＮｉＦｅＺｒ膜が垂直磁気異方性を持つ。さらに、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜及びＮｉＦｅＺｒ膜の垂直方向の磁化は、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜を介して、第２磁性下地層４３に対応するＣｏ／Ｐｔ積層膜に影響を及ぼし、Ｐｔ膜厚が比較的薄い範囲では、磁気的に結合する。さらに第２磁性下地層４３に対応するＣｏ／Ｐｔ積層膜は、その上に積層されるデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜と磁気的に結合する。結果として、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜を介して１９００（Ｏｅ）〜１９７５（Ｏｅ）程度の結合磁界が作用する。これは、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間の磁気的結合によってデータ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化を固定することができる事を意味している。
【００６７】
一方、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜の膜厚が４．５ｎｍ以上の範囲では結合磁界がゼロとなった。これは、非磁性下地層４２として膜厚が４．５ｎｍ以上のＰｔ膜を使用した場合には、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０の磁化が磁気的に結合しない、即ち、データ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化を固定できない事を意味している。
【００６８】
なお、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜の膜厚が０．３ｎｍと薄い場合には、磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応するＣｏ／Ｐｔ積層膜とデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜とが磁気的に結合はしているが、結合磁界は相対的に小さい。これは、Ｐｔ膜厚が薄いためにＰｔ膜がｆｃｃ（１１１）方向に十分に配向せず、その上に積層されるＣｏ／Ｎｉ積層膜もｆｃｃ（１１１）配向が弱まるためである。以上のことから、非磁性下地層４２としてＰｔ膜を用いた場合、Ｐｔ膜の膜厚としては０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲が望ましいことが分かる。
【００６９】
同様の結果は、Ａｕ膜、Ｐｄ膜及びＩｒ膜のいずれの膜を用いた場合でも得られる。例えば、図５Ｂは、第１磁性下地層４１に対応する膜として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＴａ膜、非磁性下地層４２に対応する膜としてＰｄ膜を用いた場合の、Ｐｄ膜の各膜厚に対する、当該Ｐｄ膜を介して作用する結合磁界の大きさの関係を示す表である。図５Ｂに示されているように、非磁性下地層４２に対応するＰｄ膜の膜厚が０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲では、１９１０（Ｏｅ）〜１９７５（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。一方、非磁性下地層４２に対応するＰｄ膜の膜厚が４．５ｎｍ以上の範囲では結合磁界がゼロ、又はゼロに近い値となった。また、非磁性下地層４２に対応するＰｄ膜の膜厚が０．３ｎｍと薄い場合には、やや結合磁界が低下し、１６３０（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。
【００７０】
更に、図５Ｃは、第１磁性下地層４１に対応する膜として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＴａ膜、非磁性下地層４２に対応する膜としてＩｒ膜を用いた場合の、Ｉｒ膜の各膜厚に対する、当該Ｉｒ膜を介して作用する結合磁界の大きさの関係を示す表である。図５Ｃに示されているように、非磁性下地層４２に対応するＩｒ膜の膜厚が０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲では、１９３０（Ｏｅ）〜１９６５（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。一方、非磁性下地層４２に対応するＩｒ膜の膜厚が４．５ｎｍ以上の範囲では結合磁界がゼロとなった。また、非磁性下地層４２に対応するＩｒ膜の膜厚が０．３ｎｍと薄い場合には、やや結合磁界が低下し、１７００（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。
【００７１】
以上の結果は、非磁性下地層４２の膜厚としては、０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲が望ましいことを示している。
【００７２】
（実験４：磁気抵抗効果素子１００の磁気的特性）
更に、上述の下地層４０が適用された磁気抵抗効果素子１００の磁気的特性についての実験結果を述べる。この実験では、上述の下地層４０が適用された磁気抵抗効果素子１００が実際に作成され、データ記憶層１０の磁気的特性が測定された。
【００７３】
実施例１として、次のような構造の磁気抵抗効果素子１００が作成された。下地層４０としては、第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３が順次この順に形成された。第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜、第２磁性下地層として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。上述した構成において、第２磁性下地層４３として用いたＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜４回の間で変化させた磁気抵抗効果素子１００を作製した。なお、磁気抵抗効果素子１００の幅は１００ｎｍであった。また、これらの磁気抵抗効果素子１００は、下地層４０及びデータ記憶層１０を形成後に、真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【００７４】
図６Ａ〜図６Ｄに、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜３回の範囲で変化させた場合の、データ記憶層１０の磁化−磁界曲線を測定した図を示す。図６Ａに示されているように、積層回数がゼロの場合はデータ記憶層１０の垂直磁気異方性が相対的に弱く面内成分が混ざった膜となっている。一方、図６Ｂ〜図６Ｄに図示されているように、積層回数が増えるに従い、Ｍ−Ｈループの角型性が向上し、垂直磁気異方性が強くなる傾向にあることが判る。このことは、データ記憶層１０として比較的ｆｃｃ（１１１）配向が得られにくいＣｏ／Ｎｉ積層膜について、第２磁性下地層４３を使用することによって３５０℃、２時間のアニール処理を行った後も強い垂直磁気異方性を得る事ができる事を意味している。
【００７５】
また、第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜を用い、その非磁性下地層４２の上に、膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層されたＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を積層した場合についても、同様の測定が行われた。当該積層磁性膜におけるＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数は、１回であった。図６Ｅは、Ｃｏ／Ｐｔ積層磁性膜が使用された場合の磁化−磁界曲線を測定した図を示す。図６Ｅに図示されているように、比較的ｆｃｃ（１１１）配向が形成されやすいＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜については、角型性が良好な磁化−磁界曲線が得られる。
【００７６】
このことには、２つの技術的意味がある。第１に、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を使用することで、垂直磁気異方性が強いデータ記憶層１０が得られることが分かる。第２に、Ｃｏ／Ｐｔ積層磁性膜を第２磁性下地層４３として用いることによって、良好なｆｃｃ（１１１）配向を持つ第２磁性下地層４３を形成でき、更には、その上に形成されるデータ記憶層１０（例えば、Ｃｏ／Ｎｉ積層磁性膜）の垂直磁気異方性を向上させることができる。
【００７７】
更に、第２磁性下地層４３としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を用い、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｎｉ積層磁性膜を使用した場合のデータ記憶層１０について飽和磁界Ｈｓが測定された。本明細書でいう飽和磁界Ｈｓの定義を図７に示す。本明細書でいう飽和磁界Ｈｓとは、データ記憶層１０の面内方向に外部磁界を印加し、データ記憶層１０の磁化が外部磁界の方向に揃った時点での磁界の大きさである。例えば、図７において、Ｈｓ１は試料（１）の飽和磁界を示しており、Ｈｓ２は試料（２）の飽和磁界を示している。飽和磁界Ｈｓが大きいということは、垂直磁気異方性が大きい事を意味している。例えば、図７では、試料（１）の方が試料（２）に比べて飽和磁界Ｈｓ、即ち、磁化の向きが外部磁界の方向に揃う磁界が大きく、これは、試料（１）の方が垂直磁気異方性が大きいことを意味している。
【００７８】
図８に、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜４回の範囲で変化させた場合のデータ記憶層１０の飽和磁界Ｈｓと積層回数の関係を示す。図８より、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数の増加に伴って飽和磁界Ｈｓが増加し、垂直磁気異方性が強くなっていることが判る。
【００７９】
図９に、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数と、飽和磁界Ｈｓ及び書き込み電流の関係を示す。書き込み電流の電流値は、データ記憶層１０で磁壁移動を起こすために必要な書き込み電流の最小値を示している。なお、実験方法の詳細については、非特許文献７（T.Suzuki et al., “Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain
Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”,IEEE TRANSACTIONS
ON MAGNETICS, VOL.45, NO.10, pp.3776-3779, (2009).）に記載されている。
【００８０】
第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数がゼロの場合（即ち、第２磁性下地層４３が存在しない場合）、電流による明確な磁壁移動が観測されなかったため、書き込み電流の計測ができなかった。これは、図６Ａに示されているように、データ記憶層１０の垂直磁気異方性が相対的に弱く面内成分が混ざった膜であることに起因していると考えられる。
【００８１】
第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数がゼロでない場合、積層回数が増加するに従い書き込み電流は徐々に増加した。積層回数が４回になると、飽和磁界Ｈｓが１００００（Ｏｅ）近傍になると共に、急激に書き込み電流が増加し、０．５ｍＡを超えた。上述した非特許文献１によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下に低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。
【００８２】
以上に説明されているように、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｎｉ積層膜を使用した場合、このように、第２磁性下地層４３としてＣｏ／Ｐｔ積層膜を使用することによってデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を強化できることが分かった。加えて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を調節することにより、データ記憶層１０の垂直磁気異方性を適当な大きさに制御し、磁壁移動を起こすための書き込み電流（磁壁移動電流）をより低くすることができることが分かった。垂直磁気異方性を適当な大きさにする飽和磁界Ｈｓの範囲は３０００（Ｏｅ）≦Ｈｓ≦１００００（Ｏｅ）であり、これに対応する第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数は1回〜３回の範囲であった。
【００８３】
比較例１として、図１０に図示されているように、下地層７０が、第１磁性下地層７１と非磁性下地層７２で構成され、第１磁性下地層７１に膜厚２ｎｍのＮｉＦｅＢ膜、非磁性下地層７２に膜厚２ｎｍのＰｔ膜が用いられた磁気抵抗効果素子３００が作製された。その上に、データ記憶層１０として、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜が形成された。この磁気抵抗効果素子３００は、実施例１と同様に、下地層７０及びデータ記憶層１０を形成後に、真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【００８４】
この磁気抵抗効果素子３００のデータ記憶層１０の飽和磁界Ｈｓを計測したところ、飽和磁界Ｈｓは約１０５０（Ｏｅ）の値を示した。また、膜面垂直方向に磁界を印加して測定された磁化−磁界曲線から、磁気抵抗効果素子３００のデータ記憶層１０は、面内成分を含んだ垂直磁気異方性が非常に弱い膜であることが確認できた。ＮｉＦｅＢ膜は、膜厚に依らず面内磁気異方性を有した面内膜であり、さらに熱処理により磁化が増加する。このため、非磁性下地層７２を介してデータ記憶層１０（Ｃｏ／Ｎｉ積層膜）の磁化を面内方向に倒す作用が働き、結果として、データ記憶層１０は垂直磁気異方性の弱い面内膜となってしまったためと考えられる。
【００８５】
更に、実施例２として、第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＷ膜が使用された磁気抵抗効果素子１００が作成された。他の構成は、実施例１の磁気抵抗効果素子１００と同じである。詳細には、下地層４０として第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３が順次この順に形成された。第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＷ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜が使用された。また、第２磁性下地層４３としては、Ｃｏ膜とＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。各々の磁気抵抗効果素子１００は真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。上述した構成において、第２磁性下地層４３のＰｔ膜とＣｏ膜の膜厚の比と積層回数を変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を調べた。図１１Ａに、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比を変化させて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を逐次変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を示す。図１１Ａより、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比が１．０〜５．０の範囲では、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数が１回〜３回の場合に飽和磁界Ｈｓが３０００（Ｏｅ）〜５５００（Ｏｅ）の範囲となり、データ記憶層１０が電流による磁壁駆動が可能となる垂直磁気異方性を有していることが判る。
【００８６】
更に、実施例３として、第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＶ膜が使用され、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＡｕ膜が使用されている磁気抵抗効果素子１００が作成された。他の構成は、実施例１、実施例２と同様である。この構成において、第２磁性下地層４３のＰｔ膜とＣｏ膜の膜厚の比と積層回数を変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を調べた。図１１Ｂに、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比を変化させて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を逐次変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を示す。図１１Ｂでも同様に、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比が１．０〜５．０の範囲において飽和磁界Ｈｓが３０００（Ｏｅ）〜５５００（Ｏｅ）の範囲となり、データ記憶層１０が電流による磁壁駆動が可能となる垂直磁気異方性を有していることが判る。
【００８７】
以上の結果は、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜におけるＰｔ膜厚とＣｏ膜厚の比が１．０〜５．０の範囲が望ましいことを示している。
【００８８】
以上に述べた実施例では、第１磁性下地層４１としてＮｉＦｅＺｒ膜又はＮｉＦｅＷ膜を用い、非磁性下地層４２としてＰｔ膜を用い、第２磁性下地層４３としてＣｏ膜とＰｔ膜からなる積層膜を用いた場合について説明したが、これらの材料に限定されることはない。第１磁性下地層４１の添加元素として、ＺｒやＷ以外のＴａ、Ｈｆ又はＶから選択された少なくとも一種類の非磁性元素を主成分元素であるＮｉＦｅに添加して得られる薄膜材料を用いることで同様の効果が得られることを確認している。また非磁性下地層４２として、Ｐｔ膜以外にＡｕ膜、Ｐｄ膜、Ｉｒ膜を用いても同様の効果が得られることを確認している。また、第２磁性下地層４３として、上述したＣｏ膜とＰｔ膜の組み合わせ以外に、Ｐｔ又はＰｄのいずれか一つの元素からなる層とＦｅ又はＣｏ又はＮｉのいずれか一つの元素からなる層の組み合わせでも同様の効果が得られることを確認している。
【００８９】
第２の実施形態：
図１２は、本発明の第２の実施形態における磁気抵抗効果素子１００Ａの構成を示す断面図である。第２の実施形態の磁気抵抗効果素子１００Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１００と類似した構造を有しているが、下地層の構造が異なっている。第１の実施形態では、下地層４０の第１磁性下地層４１が、本質的には強磁性を発現する材料で形成される一方で、強磁性を発現しないような膜厚で形成されている。一方、第２の実施形態では、下地層４０Ａの第１磁性下地層４１Ａが、本質的には面内磁気異方性を示す磁性材料で形成される一方で、垂直磁気異方性を発現するような薄い膜厚（具体的には、０．５ｎｍ〜３ｎｍ）で形成されている。第１磁性下地層４１Ａは、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含むアモルファス磁性体として形成される。
【００９０】
一方、第２の実施形態における非磁性下地層４２、第２磁性下地層４３、及びデータ記憶層１０の構成は、第１の実施形態と同様である。非磁性下地層４２は、ｆｃｃ構造を有し、且つ、（１１１）配向性を強く発現する非磁性膜で形成される。本実施形態では、非磁性下地層４２は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成され、膜厚は０．３ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲である。第２磁性下地層４３は、Ｐｔ又はＰｄのいずれか一つの元素からなる第一の層とＦｅ又はＣｏ又はＮｉのいずれか一つの元素からなる第二の層が少なくとも１回以上交互に積層された積層磁性膜からなる。また、データ記憶層１０として使用される垂直磁気異方性を有する磁性膜としては、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｎｉ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄなどの遷移金属系の交互積層膜が有望である。これらの材料の飽和磁化は比較的小さいことが知られている。より一般的に言えば、データ記憶層１０は、第１層と第２層が積層された積層構造を有する。第１の層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。第２の層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。上記の積層膜の中でも特にＣｏ／Ｎｉ積層膜はスピン分極率が高い。従って、データ記憶層１０としてはＣｏ／Ｎｉ積層膜が特に好適であると言える。
【００９１】
以下では、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａの有利性について議論する。第１の実施形態の第１磁性下地層４１と同様に、層間絶縁層６０のようなアモルファスの膜の上に形成された場合、第１磁性下地層４１Ａは、０．５ｎｍ〜３ｎｍのような膜厚が薄い領域ではアモルファス状に成長し、その表面エネルギーが大きくなる。このような第１磁性下地層４１Ａは、その上に成長する結晶の最稠密面（最低表面エネルギー面）配向を生み出すことが可能となる。さらに、第１磁性下地層４１Ａの上に積層される非磁性下地層４２は、上述したようにＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成されてなり、これらからなる膜はそれ自体がｆｃｃ構造を有しているため、結晶の最稠密面がｆｃｃ（１１１）面に配向して成長する。このような構造の非磁性下地層４２の上方に、ｆｃｃ構造を有し、（１１１）配向した場合に強い垂直磁気異方性を発現する磁性膜を形成することにより、強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を実現することができる。ここで、第１磁性下地層４１Ａが形成されていることにより、非磁性下地層４２の膜厚が薄くても強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を形成できることに留意されたい。
【００９２】
ここで、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａは、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む材料で形成されるが、このような材料は本来的には面内磁気異方性を示す。これは、一見、データ記憶層１０の垂直磁気異方性を低下させるように見えるかもしれない。しかしながら、実際には、このような材料で形成された第１磁性下地層４１Ａは、０．５ｎｍ〜３ｎｍのような薄い膜厚においては、弱い垂直磁気異方性を持つアモルファス磁性体として形成される。弱い垂直磁気異方性を持つ第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａでも、磁化がほとんど消失した状態で形成される第１の実施形態の第１磁性下地層４１と同様に、データ記憶層１０の垂直磁気異方性は阻害されない。したがって、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａも、強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を形成するために有効である。
【００９３】
その一方で、第１磁性下地層４１Ａの磁化固定層５０ａ、５０ｂの上方にある部分については、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くすることができる。一般的な磁化固定層５０ａ、５０ｂとしてＣｏ／Ｐｔ膜やＣｏ−Ｐｔ合金のような強い垂直磁気異方性を発現する硬質磁性材料を使用した場合、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上に上述した軟磁性体で形成される第１磁性下地層４１Ａと非磁性下地層４２とを積層すると、磁化固定層５０ａ、５０ｂからの磁気的作用により、第１磁性下地層４１Ａの磁化が磁化固定層５０ａ、５０ｂと同じ垂直方向にそろう現象がみられる。この磁気的な相互作用は、さらに非磁性下地層４２を介して、データ記憶層１０の一部分（磁化固定領域１１ａ、１１ｂ）の磁化を固定し、結果として、データ記憶層１０に磁化固定領域１１ａ、１１ｂが形成される。本実施形態では、非磁性下地層４２の膜厚が薄い（０．５ｎｍ〜４．０ｎｍ）ため、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間に強固な磁気的結合が得られることに留意されたい。
【００９４】
後述の実験結果らから理解されるように、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａは、第１の実施形態の第１磁性下地層４１と比較して、データ記憶層１０の強い垂直磁気異方性を促進する効果が高く、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を増大することができる。加えて、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａは、第１の実施形態の第１磁性下地層４１と比較して、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強める作用が高い。以下では、その実験結果について説明する。
【００９５】
（実験１：磁気トンネル接合のＭＲ比の下地層依存性）
まず、データ記憶層１０、スペーサ層２０、及び参照層３０で構成される磁気トンネル接合のＭＲ比の第１磁性下地層４１及び４１Ａの材料に対する依存性を調べた。基板の上に層間絶縁層６０に対応する絶縁膜が形成され、その上に、下地層４０又は４０Ａ、データ記憶層１０、スペーサ層２０、及び参照層３０が形成された。下地層４０、４０Ａとしては、第１磁性下地層４１、４１Ａと非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３とが順次この順に形成された。
【００９６】
第１磁性下地層４１又は４１Ａとしては、膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、ＣｏＴａ膜、ＣｏＺｒ膜又はＦｅＺｒ膜が用いられた。ＮｉＦｅＷ膜の組成は、Ｗが１２．５（ａｔ％）であり、残部がＮｉＦｅ母材であった。ここで、ＮｉＦｅ母材におけるＮｉとＦｅとの比は、Ｎｉが７７．５に対してＦｅが２２．５であった。ＣｏＴａ膜の組成は、Ｔａが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。ＣｏＺｒ膜の組成は、Ｚｒが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。ＦｅＺｒ膜の組成は、Ｚｒが２０（ａｔ％）であり、残部がＦｅ母材であった。ＮｉＦｅＺｒ膜は、第１の実施形態の第１磁性下地層４１に対応しており、ＣｏＴａ膜、ＣｏＺｒ膜又はＦｅＺｒ膜は、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａに対応している。
【００９７】
更に、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜、第２磁性下地層として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。このように形成された試料の幅は１００ｎｍであった。また、これらの試料は、下地層（４０又は４０Ａ）、データ記憶層１０、スペーサ層２０、及び参照層３０を形成した後に、真空中で３００〜３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【００９８】
図１３Ａは、ＭＲ比の第１磁性下地層（４１又は４１Ａ）に対する依存性を示すグラフである。図１３Ａに図示されているように、ＮｉＦｅＺｒ膜（第１の実施形態の第１磁性下地層４１に対応）については、磁気トンネル接合が２３〜４２程度のＭＲ比を示した（これは、実用上は十分な値である）。一方、ＣｏＴａ膜、ＣｏＺｒ膜及びＦｅＺｒ膜（第２の実施形態の第１磁性下地層４１に対応）については、磁気トンネル接合が５３〜６５程度のＭＲ比を示し、得られたＭＲ比は、ＮｉＦｅＺｒ膜よりも高かった。ＭＲ比の向上の効果は、特に、アニール処理の温度が低い場合（具体的には、アニール温度が３００℃の場合）に顕著であった。この結果は、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａが、第１の実施形態の第１磁性下地層４１と比較してデータ記憶層１０の強い垂直磁気異方性を促進する効果が高く、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を増大できることを示唆している。
【００９９】
（実験２：磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０の結合状態の評価）
続いて、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０の結合状態の評価が行われた。基板の上に磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性体膜が形成され、その上に、下地層４０又は４０Ａとデータ記憶層１０とが形成された。下地層４０、４０Ａとしては、第１磁性下地層４１、４１Ａと非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３とが順次この順に形成された。
【０１００】
第１磁性下地層４１又は４１Ａとしては、膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、ＣｏＴａ膜が用いられた。ＮｉＦｅＺｒ膜は、第１の実施形態の第１磁性下地層４１に対応しており、ＣｏＴａ膜は、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａに対応している。ＮｉＦｅＺｒ膜の組成は、Ｚｒが１２．５（ａｔ％）であり、残部がＮｉＦｅ母材であった。ここで、ＮｉＦｅ母材におけるＮｉとＦｅとの比は、Ｎｉが７７．５に対してＦｅが２２．５であった。ＣｏＴａ膜の組成は、Ｔａが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。
【０１０１】
更に、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜、第２磁性下地層として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。データ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。試料の幅は１００ｎｍであった。また、これらの試料は、下地層４０、データ記憶層１０を形成した後に、真空中で３００〜３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【０１０２】
図１３Ｂ〜図１３Ｅは、このようにして得られた試料の磁界−磁化曲線を示す。詳細には、図１３Ｂ、図１３Ｃは、ＮｉＦｅＺｒ膜を用いた第１磁性下地層４１を含む試料のヒステリシスループを示しており、図１３Ｄ、図１３Ｅは、ＣｏＴａ膜を用いた第１磁性下地層４１Ａを含む試料の磁界−磁化曲線を示している。磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性体膜とデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜の間に十分大きな磁気結合が発現している場合には、当該磁性体膜とＣｏ／Ｎｉ積層膜とが一体となって磁化反転を起こし、磁界−磁化曲線として段差のない綺麗なヒステリシスループが観測されることになる。その一方で、発現している磁気結合が弱い場合には、当該磁性体膜とＣｏ／Ｎｉ積層膜とが別々に磁化反転を起こすため、磁界−磁化曲線として段差のあるヒステリシスループが観測されることになる。
【０１０３】
図１３Ｂ、図１３Ｃに図示されているように、ＮｉＦｅＺｒ膜を用いた第１磁性下地層４１については、アニール処理が３５０℃である場合に段差のないヒステリシスループが得られるものの、アニール処理が３００℃である場合には段差のあるヒステリシスループが観測される。これは、アニール処理が３００℃であり、第１磁性下地層４１としてＮｉＦｅＺｒ膜を用いた場合には、磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性体膜とデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜の間の磁気的結合が弱くなることを示している。
【０１０４】
一方、図１３Ｄ、図１３Ｅに図示されているように、ＣｏＴａ膜を用いた第１磁性下地層４１Ａについては、アニール処理が３００℃、３５０℃のいずれの場合でも段差のないヒステリシスループが観測される。これは、第１磁性下地層４１ＡとしてＣｏＴａ膜を用いた場合には、磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性体膜とデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜の間に十分に強い磁気的結合が発現することを示している。言い換えれば、第１磁性下地層４１ＡとしてＣｏＴａ膜を用いることで、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間の磁気的結合を強くすることができる。
【０１０５】
（実験３：第１磁性下地層４１Ａの磁気特性）
続いて、第１磁性下地層４１Ａの磁気特性、及び、好適な膜厚範囲について述べる。第１磁性下地層４１Ａの層間絶縁層６０（ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜）に接した部分について考察するために、Ｓｉ基板の表面にＳｉＮ膜が２０ｎｍ成膜された基板上にＣｏＴａ膜が形成され、その磁化が測定された。成膜されたＣｏＴａ膜の膜厚は、０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあった。また、成膜されたＣｏＴａ膜の組成は、Ｔａが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。各々の試料は真空中で３５０℃２時間のアニール処理が行われている。
【０１０６】
図１４Ａは、磁化の計測時に膜面垂直方向に磁界を印加した場合における、ＣｏＴａ膜の磁化−磁界曲線をプロットした図を示しており、図１４Ｂは、ＣｏＴａ膜の膜厚に対する磁化の大きさをプロットした図を示している。これは、各試料の垂直磁気異方性を計測していることに相当する。図１４Ａに示されているように、膜厚が０．５ｎｍの場合には、ＣｏＴａ膜には、ほぼ磁化が存在しなかった。（面内磁気異方性を発現しない）かかるＣｏＴａ膜は、データ記憶層１０の垂直磁気異方性の発現に磁気的な影響を及ぼさないので、第１磁性下地層４１Ａとして適している。
【０１０７】
膜厚が１．０ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲では、磁化−磁界曲線がヒステリシスを示した。ただし、図１４Ｂに図示されているように、１．０ｎｍ〜３ｎｍの範囲におけるＣｏＴａ膜の膜面垂直方向の磁化の大きさは小さい。膜面垂直方向の磁化は、膜厚が増加すると微小な増加を示した。これは、１．０ｎｍ〜３ｎｍの範囲において、ＣｏＴａ膜は、微小な垂直磁気異方性を示すことを意味している。（面内磁気異方性を発現しない）かかるＣｏＴａ膜は、データ記憶層１０の垂直磁気異方性の発現に磁気的な影響を及ぼさないので、第１磁性下地層４１Ａとして適している。
【０１０８】
ただし、膜厚が０．５ｎｍよりも薄い場合には、結晶成長を促すという第１磁性下地膜４１Ａの本来の機能を果たさなくなる。したがって、第１磁性下地膜４１ＡとしてＣｏＴａ膜が使用される場合には、その膜厚は０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることが好ましい。
【０１０９】
一方、膜厚が４．０ｎｍの場合には、図１４Ａから理解されるように、膜面垂直方向の磁化の大きさは小さくなった。ただし、これは、ＣｏＴａ膜において面内方向に大きな磁化が発生した、即ち、大きな面内磁気異方性が発生したためである。ＣｏＴａ膜の膜厚が４．０ｎｍ以上であると大きな面内磁気異方性が発生し、かかるＣｏＴａ膜は、第１磁性下地層４１Ａとしては不適である。
【０１１０】
以上の結果から、第１磁性下地層４１Ａとして適切なＣｏＴａ膜の厚さは、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることが分かった。
【０１１１】
発明者は、同様の議論が、上述したＣｏＴａ膜のみならず、ＣｏＺｒ膜、ＦｅＴａ膜、ＦｅＺｒ膜についても成立することを確認した。
【０１１２】
（実験４：第２磁性下地層４３の構造の効果）
更に、上述された、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａが適用された磁気抵抗効果素子における第２磁性下地層４３の積層回数の効果が確かめられた。具体的には、次のような構造の試料が作成された。下地層４０Ａとしては、第１磁性下地層４１Ａと非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３が順次この順に形成された。第１磁性下地層４１Ａとして膜厚１．５ｎｍのＣｏＴａ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜が使用された。ＣｏＴａ膜の組成は、Ｔａが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。第２磁性下地層として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。上述した構成において、第２磁性下地層４３として用いたＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜４回の間で変化させた磁気抵抗効果素子１００を作製した。なお、作製した試料の幅は１００ｎｍであった。また、これらの試料は、下地層４０Ａ及びデータ記憶層１０を形成後に、真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【０１１３】
図１５Ａ〜図１５Ｃに、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜２回の範囲で変化させた場合の、データ記憶層１０の磁化−磁界曲線を測定した図を示す。図１５Ａに示されているように、積層回数がゼロの場合はデータ記憶層１０の垂直磁気異方性が相対的に弱く面内成分が混ざった膜となっている。一方、図１５Ｂ〜図１５Ｃに図示されているように、積層回数が増えるに従い、Ｍ−Ｈループの角型性が向上し、垂直磁気異方性が強くなる傾向にあることが判る。このことは、データ記憶層１０として比較的ｆｃｃ（１１１）配向が得られにくいＣｏ／Ｎｉ積層膜について、第２磁性下地層４３を使用することによって３５０℃、２時間のアニール処理を行った後も強い垂直磁気異方性を得る事ができる事を意味している。
【０１１４】
このことには、２つの技術的意味がある。第１に、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を使用することで、垂直磁気異方性が強いデータ記憶層１０が得られる。第２に、Ｃｏ／Ｐｔ積層磁性膜を第２磁性下地層４３として用いることによって、良好なｆｃｃ（１１１）配向を持つ第２磁性下地層４３を形成でき、更には、その上に形成されるデータ記憶層１０（例えば、Ｃｏ／Ｐｔ積層磁性膜）の垂直磁気異方性を向上させることができる。
【０１１５】
更に、第１磁性下地層４１ＡとしてＣｏＴａ膜を用い、第２磁性下地層４３としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を用い、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を使用した場合のデータ記憶層１０について飽和磁界Ｈｓが測定された。図１６に、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜４回の範囲で変化させた場合のデータ記憶層１０の飽和磁界Ｈｓと積層回数の関係を示す。図１６より、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数の増加に伴って飽和磁界Ｈｓが増加し、垂直磁気異方性が強くなっていることが判る。
【０１１６】
図１７に、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数と、飽和磁界Ｈｓ及び書き込み電流の関係を示す。書き込み電流の電流値は、データ記憶層１０で磁壁移動を起こすために必要な書き込み電流の最小値を示している。なお、実験方法の詳細については、非特許文献７（T.Suzuki et al., “Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain
Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”,IEEE TRANSACTIONS
ON MAGNETICS, VOL.45, NO.10, pp.3776-3779, (2009).）に記載されている。
【０１１７】
第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数がゼロの場合（即ち、第２磁性下地層４３が存在しない場合）、電流による明確な磁壁移動が観測されなかったため、書き込み電流の計測ができなかった。これは、図１５Ａに示されているように、データ記憶層１０の垂直磁気異方性が相対的に弱く面内成分が混ざった膜であることに起因していると考えられる。
【０１１８】
第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数がゼロでない場合、積層回数が増加するに従い書き込み電流は徐々に増加した。積層回数が４回になると、飽和磁界Ｈｓが１００００（Ｏｅ）近傍になると共に、急激に書き込み電流が増加し、０．５ｍＡを超えた。上述した非特許文献１によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下に低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。
【０１１９】
以上に説明されているように、第１磁性下地層４１ＡとしてＣｏＴａ膜を使用し、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｎｉ積層膜を使用した場合、第２磁性下地層４３としてＣｏ／Ｐｔ積層膜を使用することによってデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を強化できることが分かった。加えて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を調節することにより、データ記憶層１０の垂直磁気異方性を適当な大きさに制御し、磁壁移動を起こすための書き込み電流（磁壁移動電流）をより低くすることができることが分かった。垂直磁気異方性を適当な大きさにする飽和磁界Ｈｓの範囲は３０００（Ｏｅ）≦Ｈｓ≦１００００（Ｏｅ）であり、これに対応する第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数は１回〜３回の範囲であった。
【０１２０】
更に、第２磁性下地層４３における、Ｐｔ膜とＣｏ膜の膜厚の比の効果が調べられた。詳細には、下地層４０Ａとして第１磁性下地層４１Ａと非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３が順次この順に形成された。第１磁性下地層４１Ａとして膜厚１．５ｎｍのＣｏＴａ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜が使用された。また、第２磁性下地層４３としては、Ｃｏ膜とＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。各々の試料は真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。上述した構成において、第２磁性下地層４３のＰｔ膜とＣｏ膜の膜厚の比と積層回数を変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を調べた。
【０１２１】
図１８に、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比を変化させて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を逐次変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を示す。図１８より、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比が１．０〜５．０の範囲では、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数が１回〜３回の場合に飽和磁界Ｈｓが３０００（Ｏｅ）〜５５００（Ｏｅ）の範囲となり、データ記憶層１０が電流による磁壁駆動が可能となる垂直磁気異方性を有していることが判る。
【０１２２】
第３の実施形態：
図１９Ａは、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００Ｂの構成を示す断面図であり、図１９Ｂは、第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成を示す断面図である。ただし、図１９Ｂは、図１９ＡにおけるＳＳ’断面図である。
【０１２３】
第３の実施形態の磁気抵抗効果素子１００Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１００と類似した構造を有しているが、下地層の構造が異なっている。第１の実施形態では、下地層４０が、第１磁性下地層４１と、非磁性下地層４２と、第２磁性下地層４３とを含んでいる。一方、第３の実施形態では、下地層４０Ｂが、磁性下地層４１と、中間層４２Ｂ（非磁性下地層に相当）とを含んでいる一方で、第１の実施形態の第２磁性下地層４３に相当する構成要素を含んでいない。データ記憶層１０は、中間層４２Ｂの上に形成される。第１の実施形態において第２磁性下地層４３が必須の構成要素ではないことは既に議論されているが、本実施形態では、第２磁性下地層４３がない場合の最適な構造が提示される。
【０１２４】
層間絶縁層６０に形成された溝に磁化固定層５０ａ、５０ｂが埋め込まれている。なお、層間絶縁層６０（例示：ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ）の下方には、素子（例示：選択トランジスタＴｒａ、Ｔｒｂ）や配線（例示：ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬ、／ＢＬ）が埋設される。
【０１２５】
磁性下地層４１は、層間絶縁層６０及び磁化固定層５０ａ、５０ｂの上面の上に形成されている。磁性下地層４１は、その下側（−ｚ側）の両端部（ｘ方向）で磁化固定層５０ａ、５０ｂの上面に接している。磁性下地層４１は、磁性体であり、強磁性体であることが好ましい。上述のように、磁性下地層４１が強磁性体であることは、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との磁気的結合を補助するためである。
【０１２６】
磁性下地層４１は、アモルファス又は微結晶構造であることが好ましい。磁性下地層４１の表面の平坦性が高くなるからである。ただし、微結晶構造は、例えば、数ｎｍ〜２０ｎｍ程度の粒径の結晶を有する結晶相を含み、アモルファス相との混相であっても良い。磁性下地層４１の表面が平坦であることは、その上に中間層４２Ｂを介して積層されるデータ記憶層１０を所望の結晶性を有する膜にするために好ましい。例えば、データ記憶層１０が［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の場合、Ｃｏ／Ｎｉを、垂直磁気異方性が高くなるｆｃｃ（１１１）に配向させるために好ましい。
【０１２７】
磁性下地層４１は、材料として、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの少なくとも一つを主成分として含み、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｗ、Ｂ、Ｎからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む。ただし、主成分とは、最も多い成分を意味する。例えば、磁性下地層４１として、ＮｉＦｅＺｒ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＭｏ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＨｆ、ＣｏＴａ、ＣｏＴａＨｆ、ＣｏＮｂＨｆ，ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＨｆＰｄ、ＣｏＴａＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＭｏＮｉ、ＣｏＴｉがある。
【０１２８】
中間層４２Ｂは、磁性下地層４１を覆うように積層された非磁性体である。中間層４２Ｂは、その上に積層されるデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を高めるべく、結晶配向しやすいように表面エネルギーの小さい材料で形成することが好ましい。例えば、中間層４２Ｂは、Ｔａ膜に例示される。中間層４２Ｂは、Ｔａ膜の場合、後述されるように、膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚がこれより薄い場合にはデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を高めるという効果が著しく低下し、膜厚がこれより厚い場合には磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との磁気的結合が切れてしまうからである。
【０１２９】
データ記憶層１０は、中間層４２Ｂを覆うように積層され、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。磁化固定領域１１ａ、１１ｂ及び磁化自由領域１３は、このデータ記憶層１０に形成される。すなわち、データ記憶層１０は、磁壁が形成され、磁化自由領域１３の磁化方向又は磁壁の位置でデータが記憶される領域である。データ記憶層１０は、第１の実施形態及び第２の実施形態で記述されているような、垂直磁気異方性を有する強磁性体材料を用いることができる。
【０１３０】
以下、第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の実施例について、比較例と比較しながら説明する。垂直磁気異方性の大きさの指標としては飽和磁界が使用される。なお、飽和磁界の定義は、上記において図７を参照しながら定義されている通りである。
【０１３１】
［比較例１］
図２０Ａ及び図２０Ｂは、比較例の磁気抵抗効果素子３００Ｂの構成を示す断面図及び側面図である。ただし、スペーサ層２０及び参照層３０は省略している。層間絶縁層６０は、一例としてＳｉＯ２を用いた。また、データ記憶層１０としては、一例として、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Ｐｔ膜１０ｂと、ＣｏとＮｉの積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜１０ａとを積層した［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜を用いた。なお、ここでは、更にキャップ層としてＰｔ膜１０ｃを積層した。
【０１３２】
［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向するとき垂直磁気異方性が高くなる。しかし、下地膜の材料により結晶配向性が変わり、垂直磁気異方性の大きさも異なる。比較例１では、中間層４２Ｂを用いず、磁性下地層４１の上に直接にデータ記憶層１０を積層した。磁性下地層４１としては、ＮｉＦｅＺｒ膜を用いた。膜厚は、２．０ｎｍとした。ここでは、膜本来の磁気特性を評価するために、膜にはパターニングを施していない。すなわち、ａｓ−ｄｅｏｐｓｏｔｅｄ膜（Ｐｔ／［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜／ＮｉＦｅＺｒ膜）の状態で、データ記憶層１０の膜の磁気特性を評価した。磁気特性の評価は、ＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer）を用いた（以下、同様）。
【０１３３】
まず、成膜後に処理を施していないデータ記憶層１０の膜の磁気特性について説明する。
図２１Ａ及び図２１Ｂは、図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図２１Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線を示している。図２１Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線を示している。垂直磁場を印加したときの磁化曲線（垂直ループ：図２１Ａ）が立っていて、且つそのヒステリシスが大きく、一方で、面内磁場を印加したときの磁化曲線（面内ループ：図２１Ｂ）が寝ていることがわかる。このことから、このデータ記憶層１０の膜は垂直磁気異方性を有する。すなわち、ＮｉＦｅＺｒ膜上の［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は垂直磁気異方性を有し、磁壁移動に適している可能性がある。
【０１３４】
次に、データ記憶層１０を３００℃、２時間、不活性ガス中で熱処理した後のデータ記憶層１０の膜の磁気特性について説明する。
図２２Ａ及び図２２Ｂは、図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図２２Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（垂直ループ）を示している。図２２Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。図２１Ａ及び図２１Ｂと比較すると、垂直ループ（図２２Ａ）がやや倒れて斜めになり、面内ループ（図２２Ｂ）が更に立って傾きが急になることがわかる。このことは、３００℃の熱処理によりこのデータ記憶層１０の膜の垂直磁気異方性が低下したことを示している。更に、図２１Ａと図２２Ａとを比較すると、図２２Ａの方がグラフの縦軸の値、すなわち飽和磁化と膜厚との積（Ｍｓ×ｔ）が大きくなっている。これは、３００℃の熱処理により面内磁気異方性を有するＮｉＦｅＺｒ膜と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜とが磁気的に結合することで磁化が増大したためである。また、磁気結合により垂直磁気異方性が低下したためと考えられる。
【０１３５】
［比較例２］
比較例２では、データ記憶層１０の構成は比較例１と同様であるが、磁性下地層４１としてＴａ膜を用いた点で、比較例１（磁性下地層４１：ＮｉＦｅＺｒ膜）と異なっている。この場合、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向する（垂直磁気異方性を有する）ために、Ｔａ膜を用いた場合、膜厚として４．０ｎｍ以上が必要であった。この膜厚は、比較例１のＮｉＦｅＺｒ膜の膜厚２．０ｎｍと比較して２倍程度であり非常に厚い。このように非磁性体であるＴａ膜の膜厚が厚いため、比較例２では、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間で磁気結合が困難となった。そうなると、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が固定されず、データ記憶層１０でデータを記憶できなくなってしまう。
【０１３６】
以上の比較例１や比較例２から、熱処理後にＮｉＦｅＺｒ膜と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜とが不必要に磁気的に結合しないことや、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間での磁気的結合が切れないこと等を考慮して、以下のような実施例を見出した。
【０１３７】
［実施例１］
図２３Ａ及び図２３Ｂは、実施例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図及び側面図である。ただし、スペーサ層２０及び参照層３０は省略している。層間絶縁層６０は、一例としてＳｉＯ２を用いた。また、データ記憶層１０としては、比較例１と同様に、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Ｐｔ膜１０ｂと、ＣｏとＮｉの積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜１０ａとを積層した［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜を用いた。なお、ここでも、更にキャップ層としてＰｔ膜１０ｃを積層した。
【０１３８】
実施例１では、比較例１の構成に対して、磁性下地層４１（ＮｉＦｅＺｒ膜）とデータ記憶層１０（［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜）とが磁気的に結合をしないように、両層の間に中間層４２Ｂを挿入した。中間層４２Ｂとしては、Ｔａ膜を用いた。膜厚は、２．０ｎｍとした。各層が形成されたＰｔ／［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜／Ｔａ膜／ＮｉＦｅＺｒ膜の状態で、３００℃、２時間、不活性ガス中で熱処理を施した。
【０１３９】
次に、３００℃、２時間、不活性ガス中での熱処理後のデータ記憶層の磁気特性について説明する。
図２４Ａ及び図２４Ｂは、図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図２４Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（垂直ループ）を示している。図２４Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。図２１Ａ、図２１Ｂ、図２２Ａ及び図２２Ｂと比較すると、面内ループが寝ていることから３５０℃熱処理後にも垂直磁気異方性が大きいことがわかる。また、図２２Ｂと比較すると、図２４Ｂの方が、飽和磁界Ｈｓ（図７参照）が高いことが分かる。すなわち、図２４Ｂの方が、磁化の向きを外部磁界の方向に向けるのに必要な磁界が高い。従って、中間層４２ＢであるＴａ膜を挿入した図２３Ａ及び図２３Ｂのデータ記憶層１０の方が、中間層４２Ｂのない図２０Ａ及び図２０Ｂのデータ記憶層１０と比較して、データ記憶層１０の垂直磁気異方性が大きいことが分かる。
【０１４０】
上記図２３Ａ及び図２３Ｂの構成について、中間層４２Ｂの膜厚及び熱処理の温度と飽和磁界Ｈｓとの関係について説明する。図２５は、中間層４２Ｂの膜厚及び熱処理の温度と飽和磁界Ｈｓとの関係の一例を示すグラフである。縦軸は飽和磁界Ｈｓ（Ｏｅ）、横軸は中間層４２ＢのＴａ膜の膜厚である。丸印は２００℃の熱処理、三角印は３５０℃の熱処理をそれぞれ示している。２００℃の熱処理及び３５０℃の熱処理のいずれも、Ｔａ膜が無いデータ記憶層１０と比較して、Ｔａ膜を膜厚０．１ｎｍ以上成膜したデータ記憶層１０は、飽和磁界Ｈｓが高い、すなわち、垂直磁気異方性が大きいことがわかる。一方で、Ｔａ膜を膜厚２．０ｎｍ以上成膜した構成では、飽和磁界Ｈｓが飽和している。従って、Ｔａ膜の膜厚は２．０ｎｍより厚くする必要はない。特に、上述のように非磁性体であるＴａ膜の膜厚を厚くし過ぎると、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間で磁気結合が困難となる。そうなると、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が固定され
ず、データ記憶層１０でデータを記憶できなくなってしまう。加えて、磁性下地層４１及び中間層４２Ｂの膜厚が大きくなると、データ記憶層１０を含めた書き込み電流の流れる経路が増えるため、製造ばらつき等を考慮すると、書き込み電流の制御が難しくなるおそれがある。したがって、Ｔａ膜の膜厚は０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下が好ましい。より好ましくは、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下である。
【０１４１】
以上の結果に示されるように、中間層４２Ｂ（例示：Ｔａ膜）の挿入により３５０℃という高温での熱処理後においても、図２３Ａ及び図２３Ｂのデータ記憶層１０は、中間層４２Ｂを有さない（Ｔａ膜の膜厚０ｎｍ）場合と比較して、高い垂直磁気異方性を有していることが分かる。これは、面内磁気異方性を持つＮｉＦｅＺｒ膜（磁性下地層４１）と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜（データ記憶層１０）との磁気結合が、Ｔａ膜（中間層４２Ｂ）により抑制されているためと考えられる。
【０１４２】
また、中間層４２Ｂ＋磁性下地層４１の膜厚が４．０ｎｍと厚い場合にもかかわらず、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間での磁気結合が維持されていることが確認された。すなわち、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が磁化固定層５０ａ、５０ｂにより固定されていた。これは、膜厚が４．０ｎｍであるとはいえ、非磁性体のＴａ膜のみの膜厚を厚くしたのではなく、磁性体のＮｉＦｅＺｒ膜の膜厚と合わせた膜厚が厚くなったためと考えられる。この場合、磁性体のＮｉＦｅＺｒ膜が、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間での磁気結合に何らかの貢献をしていると考えられる。
【０１４３】
以上のように、中間層４２ＢであるＴａ膜を膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下で磁性下地層４１とデータ記憶層１０との間に挿入することにより、データ記憶層の垂直磁気異方性や磁壁移動に対する適性を高くすることができる。また、磁化固定層とデータ記憶層の磁化固定領域との磁気的結合に悪影響を与えず、データ記憶層を熱処理に強くすることができる。その結果、磁気メモリ製造過程を終了した後であっても、データ記憶層が強い垂直磁気異方性を有する磁気メモリを得ることができる。
【０１４４】
［実施例２］
実施例２では、データ記憶層１０の構成は実施例１と同様であるが、中間層４２ＢとしてＲｕ膜及びＭｇ膜を用いた点で、実施例１（中間層４２Ｂ：Ｔａ膜）と異なっている。図２６は、図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図２６は、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。図中の磁化曲線ＥがＴａ膜の場合（実施例１）、磁化曲線ＦがＲｕ膜の場合、磁化曲線ＧがＭｇ膜の場合をそれぞれ示している。ただし、Ｒｕ膜、Ｍｇ膜、Ｔａ膜の膜厚はいずれも１．０ｎｍとし、熱処理はいずれも行っていない。
【０１４５】
図２６に示されるように、Ｔａ膜の面内ループ（磁化曲線Ｅ）が最も傾きが小さく、飽和磁界Ｈｓが高いことがわかる。Ｒｕ膜及びＭｇ膜とＴａ膜との間の磁気特性の差は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜のｆｃｃ（１１１）配向の違いであると考えられる。以上の結果から、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の垂直磁気異方性と関係が深いｆｃｃ（１１１）配向には、中間層４２ＢとしてＴａ膜が非常に適していることが分かる。また、少なくともＲｕ膜及びＭｇ膜は単独では中間層４２Ｂとして必ずしも適しているとは言えないということがわかった。これらＲｕ膜及びＭｇ膜は、例えばＴａ膜との積層膜により使用可能な場合があると考えられる。
【０１４６】
磁気メモリ及びメモリセルの構成：
上述の実施形態の磁気抵抗効果素子１００、１００Ａ、１００Ｂは、磁気メモリのメモリセルとして使用される。以下では、一実施形態における磁気メモリ及びメモリセルの構成を説明する。
【０１４７】
図２７は、本発明の一実施形態の磁気メモリ９０の構成例を示すブロック図である。磁気メモリ９０は、メモリセルアレイ９１、Ｘドライバ９２、Ｙドライバ９３、及びコントローラ９４を備えている。メモリセルアレイ９１は、アレイ状に配置された複数のメモリセル８０と、複数のワード線ＷＬと、複数のビット線対ＢＬａ、ＢＬｂと、複数のグラウンド線ＧＬとを備えている。各メモリセル８０は、対応するワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。Ｘドライバ９２は、複数のワード線ＷＬのうちアクセス対象のメモリセル８０につながる選択ワード線を駆動する。Ｙドライバ９３は、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されており、各ビット線を書き込み動作あるいは読み出し動作に応じた状態に設定する。コントローラ９４は、書き込み動作あるいは読み出し動作に応じて、Ｘドライバ９２とＹドライバ９３のそれぞれを制御する。
【０１４８】
図２８は、本発明の一実施形態におけるメモリセル８０の構成例を示す模式回路図である。メモリセル８０は、２Ｔ−１ＭＴＪ（2 Transistors-1 Magnetic Tunnel Junction）構成を有しており、具体的には、上述の磁気抵抗効果素子（１００、１００Ａ、１００Ｂ）と２つのトランジスタＴＲａ、ＴＲｂを含む。該磁気抵抗効果素子（１００、１００Ａ、１００Ｂ）は、３つの端子を有している。該磁気抵抗効果素子（１００、１００Ａ、１００Ｂ）の参照層３０につながる端子は、グラウンド線ＧＬに接続されている。データ記憶層１０の磁化固定領域１１ａにつながる端子は、トランジスタＴＲａを介してビット線ＢＬａに接続され、磁化固定領域１１ｂにつながる端子は、トランジスタＴＲｂを介してビット線ＢＬｂに接続されている。トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、ワード線ＷＬに共通に接続されている。
【０１４９】
メモリセル８０へのアクセスは、下記のようにして行われる。書き込み動作時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。その結果、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、データ記憶層１０を経由して、ビット線ＢＬａとビット線ＢＬｂとの間で書き込み電流が流れる。これにより、所望のデータがデータ記憶層１０に書き込まれる。
【０１５０】
一方、読み出し動作時には、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流Ｉｒｅａｄが、ビット線ＢＬｂから該磁気抵抗効果素子（１００、１００Ａ、１００Ｂ）のＭＴＪを貫通してグラウンド線ＧＬへ流れる。この読み出し電流Ｉｒｅａｄを検知することにより、磁気抵抗効果素子１００のデータ記憶層１０に記憶されているデータが判別される。
【０１５１】
以上には、本発明の実施形態、実施例が具体的に説明されているが、本発明は、上述の実施形態、実施例に限定して解釈されてはならない。本発明は、当業者には自明な様々な変更がなされて実施され得ることに留意されたい。
【符号の説明】
【０１５２】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、３００、３００Ｂ：磁気抵抗効果素子
１０：データ記憶層
１０ａ：［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜
１０ｂ、１０ｃ：Ｐｔ膜
１１ａ、１１ｂ：磁化固定領域
１２：磁壁
１３：磁化自由領域
２０：スペーサ層
３０：参照層
４０、４０Ａ、４０Ｂ：下地層
４１、４１Ａ：第１磁性下地層
４２：非磁性下地層
４２Ｂ：中間層
４３：第２磁性下地層
５０ａ、５０ｂ：磁化固定層
６０：層間絶縁層
７０：下地層
７１：第１磁性下地層
７２：非磁性下地層
８０：メモリセル
９０：磁気メモリ
９１：メモリセルアレイ
９２：Ｘドライバ
９３：Ｙドライバ
９４：コントローラ
２００： 磁気抵抗効果素子
１１０：データ記憶層
１１１ａ、１１１ｂ：磁化固定領域
１１２、１１２ａ、１１２ｂ：磁壁
１１３：磁化自由領域
１１５ａ、１１５ｂ：磁化固定層
１２０：スペーサ層
１３０：参照層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関し、特に、各メモリセルにおいてデータを記憶するデータ記憶層として垂直磁気異方性を有する磁化膜を使用する磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory; MRAM）は、高速動作および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリである。このことから、ＭＲＡＭの実用化は一部で始まっており、また、より汎用性を高めるための開発が行われている。磁気メモリは、記憶素子として磁性体膜を用い、その磁性体膜の磁化の向きに対応させてデータを記憶する。磁性体膜に所望のデータを書き込むためには、磁性体膜の磁化が、そのデータに対応した向きにスイッチされる。この磁化方向のスイッチング方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流（以下、「書き込み電流」と参照される）を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ低減できるかが非常に重要である。書き込み電流の低減の重要性については、例えば、非特許文献１（N.Sakimura et al., “MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”, IEEE
JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.42, NO.4, pp.830-838, 2007）において議論されている。
【０００３】
書き込み電流を低減するための一つの手法は、電流誘起磁壁移動（Current Driven Domain Wall
Motion）を用いてデータを書き込むことである。非特許文献２（A.Yamaguchi et al.,“Real-Space
Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”,
PHYSICAL REVIEW LETTERS,VOL.92,NO.7,077205,2004）で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、その磁壁は伝導電子の方向に移動する。従って、データ記憶層に書き込み電流を流すことにより、その電流方向に応じた向きに磁壁を移動させ、所望のデータを書き込むことが可能となる。電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭは、例えば、特開２００５−１９１０３２号公報に開示されている。
【０００４】
また、米国特許第６，８３４，００５号公報には、スピン注入を利用した磁気シフトレジスタが開示されている。この磁気シフトレジスタは、磁性体中の磁壁を利用してデータを記憶する。多数の領域（磁区）に分けられた磁性体において、磁壁を通過するように電流が注入され、その電流により磁壁が移動する。各領域の磁化の向きが、記録データとして扱われる。このような磁気シフトレジスタは、例えば、大量のシリアルデータの記録に利用される。
【０００５】
電流誘起磁壁移動によってデータ書き込みを行う磁気メモリにおいて、データを記憶するデータ記憶層に垂直磁気異方性（PMA ;perpendicular magnetic anisotropy)）を有する磁性体膜を使用することで書き込み電流を更に低減することが知られている。このような技術は、例えば、非特許文献３（S.Fukami et al., “Micromagnetic analysis of current driven domain wall
motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy”, JOURNAL OF APPLIED
PHYSICS, VOL.103, 07E718, (2008)）に開示されている。
【０００６】
加えて、データを記憶するデータ記憶層に垂直磁気異方性を有する磁性体膜を使用し、電流誘起磁壁移動によってデータ書き込みを行う磁気メモリが、国際公開ＷＯ２００９／００１７０６ Ａ１に開示されている。図１は、公知のその磁気メモリに集積化された磁気抵抗効果素子２００を模式的に示す断面図である。磁気抵抗効果素子２００は、データ記憶層１１０と、スペーサ層１２０と、参照層１３０とを具備している。データ記憶層１１０は、垂直磁気異方性を有する磁性体膜で形成されている。スペーサ層１２０は、非磁性の絶縁層で形成されている。参照層１３０は、磁化方向が固定された強磁性体膜で形成されている。
【０００７】
データ記憶層１１０は、２つの磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂ、及び磁化自由領域１１３を有している。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂは磁化自由領域１１３の両側に配置されている。磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化は、磁化固定層１１５ａ、１１５ｂによって互いに逆方向（反平行）に固定されている。より具体的には、磁化固定領域１１１ａの磁化方向は、磁化固定層１１５ａとの磁気的結合によって＋ｚ方向に固定され、磁化固定領域１１１ｂの磁化方向は磁化固定層１１５ｂとの磁気的結合により−ｚ方向に固定されている。一方、磁化自由領域１１３の磁化方向は、磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの一方から他方へ流れる書込み電流により反転可能であり、＋ｚ方向あるいは−ｚ方向となる。従って、磁化自由領域１１３の磁化方向に応じて、データ記憶層１１０内には磁壁１１２ａ又は磁壁１１２ｂが形成される。データは、磁化自由領域１１３の磁化の向きとして記憶される。磁壁１１２の位置（１１２ａ又は１１２ｂ）として記憶されると見ることもできる。
【０００８】
参照層１３０、スペーサ層１２０及びデータ記憶層１１０の磁化自由領域１１３は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成している。ＭＴＪの抵抗値は、磁化自由領域１１３の磁化の向き、即ち、データ記憶層１１０に書き込まれているデータに応じて変化する。データは、ＭＴＪの抵抗値の大きさとして読み出される。
【０００９】
垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を使用する磁気メモリにおいて重要な点は、強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を形成することである。例えば、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜（薄いＣｏ膜とＮｉ層とが交互に積層された積層体）をデータ記憶層として使用する場合、強いｆｃｃ（１１１）配向を有するＣｏ／Ｎｉ多層膜を形成することで強い垂直磁気異方性を実現することができる。しかしながら、十分に強いｆｃｃ（１１１）配向を有するＣｏ／Ｎｉ多層膜を形成することは必ずしも容易なことではない。
【００１０】
特開２００６−１１４１６２号公報は、基板上に積層された、密着層、軟磁性下地層、中間層、及び垂直記録層を有する垂直磁気記録媒体を開示している。この特許文献は、軟磁性下地層の磁気特性や表面平坦性を改善し、さらに基板との密着性を高めるための技術を開示している。具体的には、密着層が、第１の下地層及び第２の下地層から構成されている。第１の下地層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏから選ばれる少なくとも２種類の元素からなる合金で構成されており、第２の下地層は、Ｔａ単体、もしくはＴａに、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒから選ばれる少なくとも１種類の元素を含む非晶質構造の合金からなる。
【００１１】
非特許文献４（F.J.A. den Broeder et al., Perpendicular MagneticAnisotropy
and Coercivity of Co/Ni Multilayers, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL. 28,
NO. 5, pp.2760-2765, (1992)）は、下地層無しでガラス基板の上に成膜をすると、面内方向に強い異方性が現れる事を開示しており、垂直磁気異方性を得るためには下地層が必要であると議論している。この文献は、好適な下地層として（１１１）配向性を有するＡｕ膜を開示している。ここで、非特許文献４に開示されている下地層は、非磁性体であり、また、その膜厚が２０ｎｍ以上と比較的厚いことに留意されたい。
【００１２】
非特許文献４に記載されているような厚い非磁性層を下地層として使用することは、図１に図示された磁気メモリのように、データ記憶層の下に形成された磁化固定層によってデータ記憶層の磁化固定領域の磁化を固定する構造の磁気メモリには好ましくない。例えば、図１の磁気メモリで下地層を用いるならば、データ記憶層１１０と磁化固定層１１５ａ、１１５ｂの間に下地層が挿入されることになる。この場合、下地層として厚い非磁性層が介在すると、データ記憶層１１０と磁化固定層１１５ａ、１１５ｂの間の磁気的な結合が切断され、磁化固定領域１１１ａ、１１１ｂの磁化が固定できなくなる。これは、磁気メモリを正常に動作させるためには好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献２】米国特許第６，８３４，００５号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００９／００１７０６ Ａ１
【特許文献４】特開２００６−１１４１６２号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】N.Sakimura et al., “MRAM Cell TechnologyforOver 500-MHz SoC”, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.42, NO.4,pp.830-838,2007.
【非特許文献２】A.Yamaguchi et al.,“Real-Space ObservationofCurrent-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”, PHYSICAL REVIEWLETTERS,VOL.92,NO.7,077205,2004.
【非特許文献３】S.Fukami et al., “Micromagnetic analysisofcurrent driven domain wall motion in nanostrips with perpendicularmagneticanisotropy”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL.103, 07E718, (2008).
【非特許文献４】F.J.A. den Broeder et al., Perpendicular MagneticAnisotropy and Coercivity of Co/Ni Multilayers, IEEE TRANSACTIONSONMAGNETICS,VOL. 28, NO. 5, pp.2760-2765, (1992).
【非特許文献５】A.Thiaville et al., “Domain wall motion by spin-polarizedcurrent: a micromagnetic study”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL.95,NO.11,pp.7049-7051, 2004.
【非特許文献６】G.H.O.Daalderop et al., “PredictionandConfirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers”,PHYSICALREVIEW LETTERS, VOL.68, NO.5, pp.682-685,1992.
【非特許文献７】T.Suzuki et al., “Evaluation ofScalabilityfor Current-Driven Domain Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Stripfor MemoryApplications”, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL.45, NO.10,pp.3776-3779, (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明の目的は、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層を備えた磁気メモリであって、データ記憶層が強い垂直磁気異方性を有し、かつ、データ記憶層とその下方に設けられた磁化固定層との間の磁気的結合が強い磁気メモリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一の観点では、磁気メモリが、垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、層間絶縁層と、磁化固定層と層間絶縁層の上面に形成された下地層と、下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層とを備えている。下地層は、磁性材料で形成された第１磁性下地層と、第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層とを備えている。第１磁性下地層が、層間絶縁層の上において面内磁気異方性を発現しないような膜厚で形成されている。
【００１７】
一実施形態では、第１磁性下地層の膜厚は、層間絶縁層の上において第１磁性下地層が強磁性を発現しないように調節されている。
【００１８】
本発明の更に他の観点では、磁気メモリが、垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、層間絶縁層と、磁化固定層と層間絶縁層の上面に形成された下地層と、下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層とを備えている。下地層は、磁性材料で形成された第１磁性下地層と、第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層とを備えている。第１磁性下地層は、ＮｉＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む。第１磁性下地層の膜厚は、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。
【００１９】
本発明の更に他の観点では、磁気メモリが、垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、層間絶縁層と、磁化固定層と層間絶縁層の上面に形成された下地層と、下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層とを備えている。下地層は、第１磁性下地層と、第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層
とを備えている。第１磁性下地層は、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む。第１磁性下地層の膜厚は、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。
【００２０】
本発明の更に他の観点では、磁気メモリが、強磁性体の下地層と、下地層上に設けられた非磁性体の中間層と、中間層上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層と、非磁性層を介してデータ記憶層に接続された参照層と、下地層の下側に接して設けられた第１磁化固定層及び第２磁化固定層とを具備する。データ記憶層は、反転可能な磁化を有し参照層とオーバーラップする磁化自由領域と、磁化自由領域の第１境界に接続され、第１磁化固定層に磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、磁化自由領域の第２境界に接続され、第２磁化固定層に磁化の向きが第１方向と反平行な第２方向に固定された第２磁化固定領域とを備えている。中間層は、膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＴａである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、データ記憶層が強い垂直磁気異方性を有し、かつ、データ記憶層とその下方に設けられた磁化固定層との間の磁気的結合が強い磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の概略的な構成を示す断面図である。
【図３Ａ】データ“０”が書き込まれた磁気抵抗効果素子の状態を示す概念図である。
【図３Ｂ】データ“１”が書き込まれた磁気抵抗効果素子の状態を示す概念図である。
【図４Ａ】ＮｉＦｅＷ膜の、膜厚に対する磁化の大きさの変化を示すグラフである。
【図４Ｂ】ＮｉＦｅＺｒ膜の、膜厚に対する磁化の大きさの変化を示すグラフである。
【図４Ｃ】ＮｉＦｅＴａ膜の、膜厚に対する磁化の大きさの変化を示すグラフである。
【図５Ａ】非磁性下地層に対応するＰｔ膜を介して作用する結合磁界のＰｔ膜厚に対する変化を示す表である。
【図５Ｂ】非磁性下地層に対応するＰｄ膜を介して作用する結合磁界のＰｄ膜厚に対する変化を示す表である。
【図５Ｃ】非磁性下地層に対応するＩｒ膜を介して作用する結合磁界のＩｒ膜厚に対する変化を示す表である。
【図６Ａ】第１の実施形態の実施例１において、第２磁性下地層がない場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図６Ｂ】第１の実施形態の実施例１において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が１回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図６Ｃ】第１の実施形態の実施例１において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が２回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図６Ｄ】第１の実施形態の実施例１において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が３回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図６Ｅ】非磁性下地層に相当するＰｔ膜の上に形成されたＣｏ／Ｐｔ積層膜の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図７】飽和磁界Ｈｓの定義を説明するグラフである。
【図８】第１の実施形態の実施例１における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。
【図９】第１の実施形態の実施例１における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数、飽和磁界Ｈｓ及び書き込み電流の関係を示すグラフである。
【図１０】第１の実施形態の比較例１の構成を示す断面図である。
【図１１Ａ】第１の実施形態の実施例１における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の膜厚比と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。ただし、第１磁性下地層としてはＮｉＦｅＷ膜、非磁性下地層としてはＰｔ膜が使用されている。
【図１１Ｂ】第１の実施形態の実施例１における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の膜厚比と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。ただし、第１磁性下地層としてはＮｉＦｅＶ膜、非磁性下地層としてはＡｕ膜が使用されている。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の概略的な構成を示す断面図である。
【図１３Ａ】磁気トンネル接合の第１磁性下地層の材料による依存性を示すグラフである。
【図１３Ｂ】第１磁性下地層がＮｉＦｅＺｒである場合のデータ記憶層と磁化固定層の結合状態を示す磁化−磁界曲線である。
【図１３Ｃ】第１磁性下地層がＮｉＦｅＺｒである場合のデータ記憶層と磁化固定層の結合状態を示す磁化−磁界曲線である。
【図１３Ｄ】第１磁性下地層がＣｏＴａである場合のデータ記憶層と磁化固定層の結合状態を示す磁化−磁界曲線である。
【図１３Ｅ】第１磁性下地層がＣｏＴａである場合のデータ記憶層と磁化固定層の結合状態を示す磁化−磁界曲線である。
【図１４Ａ】第１磁性下地層がＣｏＴａである場合の第１磁性下地層の膜厚と磁化−磁界曲線の関係を示す図である。
【図１４Ｂ】第１磁性下地層がＣｏＴａである場合の第１磁性下地層の膜厚と磁化の大きさの関係を示す図である。
【図１５Ａ】第２の実施形態において、第２磁性下地層がない場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図１５Ｂ】第２の実施形態において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が１回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図１５Ｃ】第２の実施形態において、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数が２回である場合のデータ記憶層の磁化−磁界曲線を示すグラフである。
【図１６】第２の実施形態における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。
【図１７】第２の実施形態における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の積層回数、飽和磁界Ｈｓ及び書き込み電流の関係を示すグラフである。
【図１８】第２の実施形態における、第２磁性下地層におけるＣｏ膜、Ｐｔ膜の膜厚比と飽和磁界Ｈｓの関係を示すグラフである。ただし、第１磁性下地層としてはＣｏＴａ膜が使用されている。
【図１９Ａ】本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図１９Ｂ】第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成を示す断面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、比較例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、比較例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２１Ａ】図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２１Ｂ】図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２２Ａ】図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２２Ｂ】図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２３Ａ】実施例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２３Ｂ】実施例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。
【図２４Ａ】図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２４Ｂ】図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２５】図２５は、中間層の膜厚及び熱処理の温度と飽和磁界との関係の一例を示すグラフである。
【図２６】図２６は、図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。
【図２７】本発明の一実施形態における磁気メモリの構成例を示すブロック図である。
【図２８】本発明の一実施形態におけるメモリセルの構成例を示す模式回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
添付図面を参照して、本発明の電流誘起磁壁移動型の磁気抵抗効果素子、及びそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリの実施形態について説明する。
【００２４】
第１の実施形態：
図２は、本発明の第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１００の構成を示す概略断面図である。磁気抵抗効果素子１００は、データ記憶層１０と、スペーサ層２０と、参照層３０と、下地層４０と、磁化固定層５０ａ、５０ｂとを備えている。
【００２５】
データ記憶層１０は、垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成されている。データ記憶層１０は、磁化方向が反転可能な領域を含んでおり、その磁化状態に応じてデータを記憶する。より詳細には、データ記憶層１０は、２つの磁化固定領域１１ａ、１１ｂと磁化自由領域１３とを有している。
【００２６】
磁化固定領域１１ａ、１１ｂは、磁化自由領域１３にそれぞれ隣接して設けられている。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は互いに逆方向（反平行）に固定されている。図２の例では、磁化固定領域１１ａの磁化方向は＋ｚ方向に固定され、磁化固定領域１１ｂの磁化方向は−ｚ方向に固定されている。
【００２７】
一方、磁化自由領域１３の磁化は反転可能であり、＋ｚ方向又は−ｚ方向のいずれにも向けられ得る。従って、磁化自由領域１３の磁化方向に応じて、データ記憶層１０内には磁壁が形成される。詳細には、図３Ａに図示されているように、磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と磁化固定領域１１ｂとの間に磁壁１２が形成される。一方、図３Ｂに図示されているように、磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と磁化固定領域１１ａとの間に磁壁１２が形成される。すなわち、データ記憶層１０は磁壁１２を有し、その磁壁１２の位置は磁化自由領域１３の磁化方向に対応している。
【００２８】
スペーサ層２０は、データ記憶層１０に隣接して設けられている。スペーサ層２０は、少なくともデータ記憶層１０の磁化自由領域１３の上面に接するように設けられている。このスペーサ層２０は非磁性の絶縁体で形成されている。
【００２９】
参照層３０は、スペーサ層２０の上面に接するように設けられている。つまり、参照層３０は、スペーサ層２０を介してデータ記憶層１０（磁化自由領域１３）に接続されている。データ記憶層１０と同様に、参照層３０も垂直磁気異方性を有する強磁性体で形成され、その磁化方向は＋ｚ方向又は−ｚ方向に固定される。図２の例では、参照層３０の磁化方向は、＋ｚ方向に固定されている。
【００３０】
以上に説明されたデータ記憶層１０の磁化自由領域１３と、スペーサ層２０と、参照層３０とは、磁気トンネル接合（Magnetic
Tunnel Junction; MTJ）を形成している。すなわち、データ記憶層１０（磁化自由領域１３）、スペーサ層２０、及び参照層３０は、ＭＴＪにおけるフリー層、バリア層、及びピン層に相当する。
【００３１】
下地層４０は、データ記憶層１０の下面に（即ち基板側に）設けられている。下地層４０は、データ記憶層１０の配向性を向上させてデータ記憶層１０に強い垂直磁気異方性を発現させるために使用される。下地層４０の構造と機能については、後に詳細に議論する。
【００３２】
磁化固定層５０ａ、５０ｂは、垂直磁気異方性を有する磁気的にハードな強磁性体で形成され、その磁化方向は＋ｚ方向又は−ｚ方向に固定される。磁化固定層５０ａ、５０ｂは、データ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化を固定するためのものである。磁化固定領域１１ａの磁化は磁化固定層５０ａとの磁気的な結合によって固定され、磁化固定領域１１ｂの磁化は磁化固定層５０ｂとの磁気的な結合によって固定される。本実施形態では、磁化固定層５０ａ、５０ｂは、層間絶縁層６０に埋め込まれている。本実施形態では、磁化固定層５０ａ、５０ｂとしてＣｏＰｔ合金膜、又は、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜（薄いＣｏ膜とＰｔ膜とが交互に積層された積層膜）が用いられる。これらの硬質磁性材料は、強い垂直磁気異方性を示す。
【００３３】
層間絶縁層６０は、一般的な半導体集積回路で使用される層間分離のための絶縁膜である。層間絶縁層６０としては、例えば、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜、又はそれらの積層膜が使用され得る。
【００３４】
なお、上記に加えて、図示されない電極層が、データ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂのそれぞれに電気的に接続されている。これらの電極層は、データ記憶層１０に書き込み電流を導入するために用いられる。一実施形態では、該電極層は、上述した磁化固定層５０ａ、５０ｂを介してデータ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂに接続することができる。また、他の電極層（図示されず）が参照層３０に電気的に接続されている。
【００３５】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１００では、データ記憶層１０の磁化状態、すなわち、データ記憶層１０中の磁壁の位置に対応して、２つの記憶状態が実現される。図３Ａに図示されているように、データ記憶層１０の磁化自由領域１３の磁化方向が＋ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と磁化固定領域１１ｂとの境界に、磁壁１２が形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的小さくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“０”の記憶状態に対応付けられる。
【００３６】
一方、図３Ｂに図示されているように、データ記憶層１０の磁化自由領域１３の磁化方向が−ｚ方向の場合、磁化自由領域１３と磁化固定領域１１ａとの境界に、磁壁１２が形成される。また、磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は、互いに反平行である。従って、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。このような磁化状態は、例えばデータ“１”の記憶状態に対応付けられる。
【００３７】
但し、データ記憶層１０の磁化状態と２つの記憶状態との間の対応関係は上記に限られないことに留意されたい。すなわち、データ記憶層１０が磁壁１２を有しており、その磁壁１２の位置が磁化自由領域１３の磁化方向に対応している。結果として、データ記憶層１０は、その磁壁１２の位置に対応してデータを記憶していることになる。
【００３８】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１００は、電流誘起磁壁移動を用いてデータ書き込みが行われる。図３Ａに図示されているようなデータ“０”が記憶されている状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向が互いに平行）においてデータ“１”を書き込む場合、磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１３を経由して磁化固定領域１１ｂへ書き込み電流が流される。この場合、伝導電子は、磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１３を経由して磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき、磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２にスピントランスファートルク（Spin Transfer Torque; STT）が働き、磁壁１２が磁化固定領域１１ａに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流の電流密度は、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３との境界よりも磁化固定領域１１ａの側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界の近傍で停止する。このようにして、磁壁１２が磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“１”の書き込みが実現される。
【００３９】
一方、図３Ｂに図示されているようなデータ“１”が記憶されている状態（磁化自由領域１３の磁化方向と参照層３０の磁化方向は互いに反平行）においてデータ“０”を書き込む場合、磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１３を経由して磁化固定領域１１ａへ書き込み電流を流す。この場合、伝導電子は、磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１３を経由して磁化固定領域１１ｂへと流れる。このとき、磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１３の境界近傍に位置している磁壁１２にはスピントランスファートルクが働き、磁壁１２は、磁化固定領域１１ｂに向けて移動する。すなわち、電流誘起磁壁移動が起こる。書き込み電流の電流密度は、磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３との境界よりも磁化固定領域１１ｂの側で減少するため、磁壁１２の移動はその境界近傍で停止する。このようにして、磁壁１２が第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１３の境界近傍に移動し、データ“０”の書き込みが実現される。
【００４０】
なお、データ“０”が記憶されている状態においてデータ“０”の書き込みが行われた場合、及びデータ“１”が記憶されている状態においてデータ“１”の書き込みが行われた場合には状態変化は起こらない。すなわち、本実施形態の磁気抵抗効果素子１００は、オーバーライトが可能である。
【００４１】
一方、データ読み出しは、トンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magnetoresistive effect;
TMR effect）を利用して行われる。具体的には、データ読み出しのために、ＭＴＪ（データ記憶層１０の磁化自由領域１３、スペーサ層２０、参照層３０）を貫通する方向に、読み出し電流が流される。なお、読み出し電流の方向は任意である。磁気抵抗効果素子１００にデータ“０”が記憶されている状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は相対的に小さくなる。一方、データ“１”が記憶されている状態の場合、ＭＴＪの抵抗値は比較的大きくなる。従って、この抵抗値の値を検出することで、データを読み出すことができる。
【００４２】
続いて、データ記憶層１０の好適な態様について説明する。データ記憶層１０に求められる望ましい特性は、飽和磁化が小さく、スピン分極率が大きいことである。例えば非特許文献５（A.Thiaville et al.,“Domain wall motion by spin-polarized current: a micromagnetic
study”,JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,VOL.95,NO.11,pp.7049-7051,2004.）に開示されているように、電流誘起磁壁移動は、パラメータ：ｇμＢＰ／２ｅＭｓが大きいほど起こり易い。ここで、ｇはランデのｇ因子、μＢはボーア磁子、Ｐはスピン分極率、ｅは電子の素電荷、Ｍｓは飽和磁化である。ｇ、μＢ、ｅは物理定数であるので、書き込み電流を低減するためには、データ記憶層１０の飽和磁化Ｍｓを小さく、スピン分極率Ｐを大きくすることが有効であることが分かる。
【００４３】
まず、飽和磁化の観点からは、データ記憶層１０として使用される垂直磁気異方性を有する磁性膜としては、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｎｉ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄなどの遷移金属系の交互積層膜が有望である。これらの材料の飽和磁化は比較的小さいことが知られている。より一般的に言えば、データ記憶層１０は、第１層と第２層が積層された積層構造を有する。第１の層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。第２の層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。
【００４４】
上記の積層膜の中でも特にＣｏ／Ｎｉ積層膜はスピン分極率が高い。従って、データ記憶層１０としてはＣｏ／Ｎｉ積層膜が特に好適であると言える。実際に、発明者は、Ｃｏ／Ｎｉを用いることにより制御性の高い磁壁移動が実現されることを、実験を通して確認した。
【００４５】
ところで、遷移金属系の交互積層膜（例えば、Ｃｏ／Ｎｉ）は、ｆｃｃ構造を有し、且つ、（１１１）面が基板垂直方向に積層したｆｃｃ（１１１）配向結晶構造を有する場合に垂直磁気異方性を発現する。また、非特許文献６（G.H.O.Daalderop et al., “Prediction and Confirmation of Perpendicular
Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOL.68,
NO.5, pp.682-685,1992.）によれば、上述のような積層膜の垂直磁気異方性は、それら膜の界面における界面磁気異方性によって発現する。従って、データ記憶層１０に良好な垂直磁気異方性を実現させるためには、上述の遷移金属系の交互積層膜が良好なｆｃｃ（１１１）配向で成長できるような「下地層」を設けることが好ましい。
【００４６】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１００は、データ記憶層１０を良好なｆｃｃ（１１１）配向した状態で成長でき、良好な垂直磁気異方性が実現されるような下地層４０を有している。以下、下地層４０について説明する。
【００４７】
本実施形態では、下地層４０は、３つの層：第１磁性下地層４１、非磁性下地層４２及び第２磁性下地層４３で構成されている。第１磁性下地層４１は、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上面と、層間絶縁層６０の磁化固定層５０ａ、５０ｂの間に位置する部分の上面を被覆するように形成されている。非磁性下地層４２は、第１磁性下地層４１の上面を被覆するように形成され、第２磁性下地層４３は、非磁性下地層４２の上面を被覆するように形成されている。第１磁性下地層４１は、本質的には強磁性を発現する材料で形成される一方、層間絶縁層６０のようなアモルファスの膜の上に形成された場合には強磁性を発現しないような膜厚で形成される。本実施形態では、第１磁性下地層４１は、ＮｉＦｅを主成分として含み、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素が添加され、該非磁性元素の添加量が１０ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲である磁性材料で形成されており、且つ、０．５ｎｍ〜３ｎｍの膜厚を有している。非磁性下地層４２は、ｆｃｃ構造を有し、且つ、（１１１）配向性を強く発現する非磁性膜で形成される。本実施形態では、非磁性下地層４２は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成され、膜厚は０．３ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲である。第２磁性下地層４３は、Ｐｔ又はＰｄのいずれか一つの元素からなる第一の層とＦｅ又はＣｏ又はＮｉのいずれか一つの元素からなる第二の層が少なくとも１回以上交互に積層された積層磁性膜からなる。
【００４８】
このような第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２の組み合わせは、データ記憶層１０に強い垂直磁気異方性を発現させながら、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くすることを可能にする。詳細には、第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２は、図２に図示されているように、層間絶縁層６０の上方にある部分と磁化固定層５０ａ、５０ｂの上方にある部分とに大別される。一般に、アモルファスの膜の上に形成された膜は配向性が悪いから、アモルファスであるＳｉＯ膜又はＳｉＮ膜で形成された層間絶縁層６０の上方にある部分については、データ記憶層１０をｆｃｃ（１１１）配向構造を有するように形成して強い垂直磁気異方性を発現させるという要求が問題になる。一方、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上方にある部分については、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くするという要求が問題になる。即ち、下地層４０の構造が不適切であると（例えば、下地層４０として従来技術に開示されて
いるような厚い非磁性膜を使用すると）、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合が弱くなる。本実施形態の第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２の組み合わせは、このような２つの要求を同時に実現することができる。
【００４９】
まず、層間絶縁層６０の上方にある部分について議論する。第１磁性下地層４１は、層間絶縁層６０のようなアモルファスの膜の上に形成された場合、０．５ｎｍ〜３ｎｍのような膜厚が薄い領域ではアモルファス状に成長し、その表面エネルギーが大きくなる。その一方で、第１磁性下地層４１の層間絶縁層６０に接して成膜された部分は、上述したようにアモルファス状に成長すると共に、その磁化がほとんど消失した状態で形成される。このような第１磁性下地層４１は、その上に成長する結晶の最稠密面（最低表面エネルギー面）配向を生み出すことが可能となる。さらに、第１磁性下地層４１の上に積層される非磁性下地層４２は、上述したようにＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成されてなり、これらからなる膜はそれ自体がｆｃｃ構造を有しているため、結晶の最稠密面がｆｃｃ（１１１）面に配向して成長する。このような構造の非磁性下地層４２の上方に、ｆｃｃ構造を有し、（１１１）配向した場合に強い垂直磁気異方性を発現する磁性膜を形成することにより、強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を実現することができる。ここで、第１磁性下地層４１が形成されていることにより、非磁性下地層４２の膜厚が薄くても強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を形成できることに留意されたい。
【００５０】
その一方で、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上方にある部分については、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くすることができる。一般的な磁化固定層５０ａ、５０ｂとしてＣｏ／Ｐｔ膜やＣｏ−Ｐｔ合金のような強い垂直磁気異方性を発現する硬質磁性材料を使用した場合、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上に上述した軟磁性体で形成される第１磁性下地層と非磁性下地層とを積層すると、磁化固定層５０ａ、５０ｂからの磁気的作用により、第１磁性下地層４１の磁化が磁化固定層５０ａ、５０ｂと同じ垂直方向にそろう現象がみられる。この磁気的な相互作用は、さらに非磁性下地層４２を介して、データ記憶層１０の一部分（磁化固定領域１１ａ、１１ｂ）の磁化を固定し、結果として、データ記憶層１０に磁化固定領域１１ａ、１１ｂが形成される。本実施形態では、非磁性下地層４２の膜厚が薄い（０．５ｎｍ〜４．０ｎｍ）ため、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間に強固な磁気的結合が得られることに留意されたい。
【００５１】
ここで、磁性材料である第１磁性下地層４１を層間絶縁層６０に直接に接して成膜すると、垂直磁気異方性を低下させる方向への磁気的な影響を及ぼす可能性があるという懸念があるかもしれない。即ち、アモルファスである層間絶縁層６０の上に磁性材料である第１磁性下地層４１を形成すると、第１磁性下地層４１において面内磁気異方性が発現し、データ記憶層１０の垂直磁気異方性が低下するという懸念があるかもしれない。しかしながら、実際には、本実施形態では層間絶縁層６０の上において第１磁性下地層４１の磁化が実質的に消失した状態で形成され、第１磁性下地層４１が垂直磁気異方性を有したデータ記憶層１０に対して、垂直磁気異方性を低下させるような磁気的な影響を及ぼすことがない。そのため、データ記憶層１０においても良好な垂直磁気異方性が実現される。
【００５２】
一方、第２磁性下地層４３は、データ記憶層１０の結晶配向のテンプレートとして働き、データ記憶層１０のｆｃｃ（１１１）配向を向上させて垂直磁気異方性をより強くする作用がある。本実施形態では、第２磁性下地層４３は、Ｐｔ又はＰｄのいずれかからなる第一の層とＦｅ、Ｃｏ又はＮｉのいずれかからなる第二の層とからなる積層膜が、少なくとも１つ積層された積層体で構成されている。このような構造の第２磁性下地層４３は、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜からなるデータ記憶層１０に関して、ｆｃｃ（１１１）配向を向上させて垂直磁気異方性を強くすることができる。加えて、このような構造の第２磁性下地層４３を使用する場合、積層される積層体の数によってデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を調節することができる。データ記憶層１０の垂直磁気異方性が過剰に強いと書き込み電流が増加するため、データ記憶層１０の垂直磁気異方性は適切な範囲に調節されることが望ましい。
【００５３】
ここで、ｆｃｃ（１１１）配向構造が形成されやすい磁性膜がデータ記憶層１０として使用される場合には、第２磁性下地層４３は必ずしも必要でないことに留意されたい。Ｃｏ／Ｎｉ積層膜がデータ記憶層１０として使用される場合には、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成される非磁性下地層４２の上に直接にデータ記憶層１０を成膜しても、強い垂直磁気異方性が得られない。このような場合には、第２磁性下地層４３を使用することにより、相対的にｆｃｃ（１１１）配向構造が形成されにくいＣｏ／Ｎｉ積層膜がデータ記憶層１０として使用されても、強い垂直磁気異方性を得る事ができる。一方、Ｐｔ又はＰｄのいずれかからなる第一の層とＦｅ、Ｃｏ又はＮｉのいずれかからなる第二の層とからなる積層磁性膜のようにｆｃｃ（１１１）配向構造が形成されやすい磁性膜がデータ記憶層１０として使用される場合には、非磁性下地層４２の上に直接にデータ記憶層１０を形成してもよい。
【００５４】
以上に議論されているように、下地層４０として、第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３の積層構造を用いることで、データ記憶層１０に強い垂直磁気異方性を発現させ、かつ、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くする事ができる。発明者は、以上に述べたことを実験により確認した。以下では、その実験結果について説明する。
【００５５】
（実験１：第１磁性下地層４１の磁気特性）
まず、第１磁性下地層４１の磁気特性、及び、好適な膜厚範囲について述べる。前述したように、第１磁性下地層４１は、図２に図示されているように、層間絶縁層６０（ＳｉＮ膜又はＳｉＯ膜）と接する部分と磁化固定層５０ａ、５０ｂと接する領域とに大別される。
【００５６】
まず、第１磁性下地層４１の層間絶縁層６０（ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜）に接した部分について考察するために、Ｓｉ基板の表面にＳｉＮ膜又はＳｉＯ膜が２０ｎｍ成膜された基板上にＮｉＦｅＷ膜が形成され、その磁化が測定された。成膜されたＮｉＦｅＷ膜の膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲にあった。また、成膜されたＮｉＦｅＷ膜の組成は、Ｗが１２．５（ａｔ％）であり、残部がＮｉＦｅ母材であった。ここで、ＮｉＦｅ母材におけるＮｉとＦｅとの比は、Ｎｉが７７．５に対してＦｅが２２．５であった。各々の試料は真空中で３５０℃２時間のアニール処理が行われている。磁化の計測時には膜面垂直方向に磁界が印加された。しかしながら、ＮｉＦｅＷ膜の膜厚が１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲では角型性の良いヒステリシスを有したＭ−Ｈループが得られず、ＮｉＦｅＷ膜は強磁性を示さない膜又は面内磁化膜であることが確認できた。
【００５７】
図４Ａに、ＮｉＦｅＷ膜の膜厚に対する磁化の大きさをプロットした図を示す。図４Ａに図示されているように、ＮｉＦｅＷ膜の直下にある膜がＳｉＮ膜及びＳｉＯ膜のいずれであるかに関わらず、膜厚が４ｎｍ以上では、膜厚の増加に伴い磁化が単調に増加する傾向がみられた。一方、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下の範囲、特に、２ｎｍ未満の範囲ではＳｉＮ膜及びＳｉＯ膜の両方の場合について磁化が４ｎｍ以上の膜厚のＮｉＦｅＷ膜の磁化に比べかなり小さい磁化が観測された。この結果は、層間絶縁層６０上にＮｉＦｅＷ膜を成膜した場合、膜厚が薄い領域では磁化が発現できないことを示している。
【００５８】
このように、０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲のＮｉＦｅＷ膜を第１磁性下地層として用いた場合、非磁性下地層を介して、第２磁性下地層に磁気的な影響を与えることがないため、第２磁性下地層が有する垂直磁気異方性が乱されることなく形成でき、Ｃｏ／Ｎｉからなるデータ記憶層の垂直磁気異方性に影響を与えることはない。従って、Ｃｏ／Ｎｉからなるデータ記憶層１０においても良好なｆｃｃ（１１１）配向が実現される。
【００５９】
一方、３ｎｍより厚いＮｉＦｅＷ膜を第１磁性下地層４１として用いた場合、非磁性下地層４２を介して、第２磁性下地層４３及びデータ記憶層１０に磁気的な影響を及ぼすためにデータ記憶層１０の垂直磁気異方性が弱まるため好ましくない。また、０．５ｎｍより薄いＮｉＦｅＷ膜を第１磁性下地層４１として用いた場合、層間絶縁層６０の凹凸の影響が第１磁性下地層４１を介して、非磁性下地層４２に影響を及ぼすため、データ記憶層１０の良好なｆｃｃ（１１１）配向が阻害される。以上の議論から、第１磁性下地層として好適なＮｉＦｅＷ膜の厚さは、０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲であることが分かる。
【００６０】
同様の議論は、上述したＮｉＦｅにＷを添加したＮｉＦｅＷ膜のみならず、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｖからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を添加した場合においてもあてはまる。例えば、図４Ｂは、ＮｉＦｅＺｒ膜の膜厚に対する磁化の大きさをプロットした図であり、図４Ｃは、ＮｉＦｅＴａ膜の膜厚に対する磁化の大きさをプロットした図である。ここで、図４Ｂ、図４Ｃは、Ｓｉ基板の表面にＳｉＮ膜が２０ｎｍ成膜された基板上に、それぞれＮｉＦｅＺｒ膜、ＮｉＦｅＴａ膜を形成し、その磁化を測定することによって得られたものである。ＮｉＦｅＺｒ膜、ＮｉＦｅＴａ膜についても同様に、０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下の範囲、特に、２ｎｍ未満の範囲において、かなり小さい磁化が観測された。この結果は、層間絶縁層６０上にＮｉＦｅＺｒ膜、ＮｉＦｅＴａ膜を成膜した場合、膜厚が薄い領域では磁化が発現できないことを示している。
【００６１】
以上に述べたことから、好適な第１磁性下地層４１の膜厚範囲は、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であり、一層に好適な膜厚範囲は、０．５ｎｍ以上、２ｎｍ未満である。
【００６２】
（実験２：第１磁性下地層４１の結晶構造）
続いて、上述したＮｉＦｅを主成分として含み、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む第１磁性下地層４１について、非磁性元素の添加量と結晶構造の関係についての実験結果について述べる。この実験では、ＮｉＦｅ母材に、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶのいずれかが添加された膜が形成され、形成された膜の結晶構造がＸ線回折装置を用いて調べられた。ここで主成分であるＮｉＦｅ母材の組成比は、Ｎｉ：Ｆｅ＝７７．５：２２．５であった。また、形成された膜の膜厚は、１５ｎｍであった。
【００６３】
その結果、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を添加したＮｉＦｅＸ膜（Ｘ：Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ）は、非磁性元素の添加量が１０ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲では、いずれの非磁性元素を添加した場合においてもブロードな回折プロファイルを発現し、アモルファス構造を有していることを確認した。非磁性元素の添加量が１０ａｔ％未満ではＮｉＦｅ由来の結晶構造が観測され、２５ａｔ％を超えた範囲ではＮｉＦｅと非磁性元素の化合物及び混合物の回折ピークが観測された。このことは、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を添加したＮｉＦｅＸ膜（Ｘ：Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ）を第１磁性下地層４１として使用する場合、非磁性元素の添加量の好ましい範囲が１０ａｔ％〜２５ａｔ％であることを示している。
【００６４】
以上に述べたように、ＮｉＦｅを主成分として含み、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む第１磁性下地層４１は、膜厚を０．５ｎｍ〜３ｎｍの範囲とすることで磁化がほぼ消失した。このような現象を発現させるためには、非磁性元素（Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｖ）の添加量は、１０ａｔ％〜２５ａｔ％の範囲であることが好ましい。
【００６５】
（実験３：データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合）
続いて、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合の強さと非磁性下地層４２の膜厚の関係についての実験結果について述べる。この実験では、磁化固定層５０ａ、５０ｂ、第１磁性下地層４１、非磁性下地層４２、第２磁性下地層４３及びデータ記憶層１０にそれぞれに対応する膜を備える積層構造が形成された。ここでは、磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性膜としては、Ｃｏ膜とＰｔ膜が交互に積層されたＣｏ／Ｐｔ積層膜が用いられた。また、第１磁性下地層４１に対応する膜として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、非磁性下地層４２に対応する膜としてＰｔ膜、第２磁性下地層４３に対応する膜として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層されたＣｏ／Ｐｔ積層膜が用いられた。更に、データ記憶層１０に対応する膜としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜とが交互に５回積層されたＣｏ／Ｎｉ積層膜が用いられた。上述した構成を有し、且つ、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜の膜厚が０．３ｎｍ〜５ｎｍの範囲で異なる試料が作製され、その磁気特性が測定された。作成された各々の試料は真空中で３５０℃２時間のアニール処理を行っている。
【００６６】
図５Ａは、（非磁性下地層４２に対応する）Ｐｔ膜の各膜厚に対する、当該Ｐｔ膜を介して作用する結合磁界の大きさの関係を示す表である。図５Ａに示されているように、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜の膜厚が０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲では、１９００（Ｏｅ）〜１９７５（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。これは、以下の要因によるものと考えている。磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応するＣｏ／Ｐｔ積層膜が第１磁性下地層４１に対応するＮｉＦｅＺｒ膜の下地として機能するため、このＣｏ／Ｐｔ積層膜の磁化の影響により、薄いＮｉＦｅＺｒ膜が垂直磁気異方性を持つ。さらに、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜及びＮｉＦｅＺｒ膜の垂直方向の磁化は、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜を介して、第２磁性下地層４３に対応するＣｏ／Ｐｔ積層膜に影響を及ぼし、Ｐｔ膜厚が比較的薄い範囲では、磁気的に結合する。さらに第２磁性下地層４３に対応するＣｏ／Ｐｔ積層膜は、その上に積層されるデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜と磁気的に結合する。結果として、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜を介して１９００（Ｏｅ）〜１９７５（Ｏｅ）程度の結合磁界が作用する。これは、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間の磁気的結合によってデータ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化を固定することができる事を意味している。
【００６７】
一方、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜の膜厚が４．５ｎｍ以上の範囲では結合磁界がゼロとなった。これは、非磁性下地層４２として膜厚が４．５ｎｍ以上のＰｔ膜を使用した場合には、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０の磁化が磁気的に結合しない、即ち、データ記憶層１０の磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化を固定できない事を意味している。
【００６８】
なお、非磁性下地層４２に対応するＰｔ膜の膜厚が０．３ｎｍと薄い場合には、磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応するＣｏ／Ｐｔ積層膜とデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜とが磁気的に結合はしているが、結合磁界は相対的に小さい。これは、Ｐｔ膜厚が薄いためにＰｔ膜がｆｃｃ（１１１）方向に十分に配向せず、その上に積層されるＣｏ／Ｎｉ積層膜もｆｃｃ（１１１）配向が弱まるためである。以上のことから、非磁性下地層４２としてＰｔ膜を用いた場合、Ｐｔ膜の膜厚としては０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲が望ましいことが分かる。
【００６９】
同様の結果は、Ａｕ膜、Ｐｄ膜及びＩｒ膜のいずれの膜を用いた場合でも得られる。例えば、図５Ｂは、第１磁性下地層４１に対応する膜として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＴａ膜、非磁性下地層４２に対応する膜としてＰｄ膜を用いた場合の、Ｐｄ膜の各膜厚に対する、当該Ｐｄ膜を介して作用する結合磁界の大きさの関係を示す表である。図５Ｂに示されているように、非磁性下地層４２に対応するＰｄ膜の膜厚が０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲では、１９１０（Ｏｅ）〜１９７５（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。一方、非磁性下地層４２に対応するＰｄ膜の膜厚が４．５ｎｍ以上の範囲では結合磁界がゼロ、又はゼロに近い値となった。また、非磁性下地層４２に対応するＰｄ膜の膜厚が０．３ｎｍと薄い場合には、やや結合磁界が低下し、１６３０（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。
【００７０】
更に、図５Ｃは、第１磁性下地層４１に対応する膜として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＴａ膜、非磁性下地層４２に対応する膜としてＩｒ膜を用いた場合の、Ｉｒ膜の各膜厚に対する、当該Ｉｒ膜を介して作用する結合磁界の大きさの関係を示す表である。図５Ｃに示されているように、非磁性下地層４２に対応するＩｒ膜の膜厚が０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲では、１９３０（Ｏｅ）〜１９６５（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。一方、非磁性下地層４２に対応するＩｒ膜の膜厚が４．５ｎｍ以上の範囲では結合磁界がゼロとなった。また、非磁性下地層４２に対応するＩｒ膜の膜厚が０．３ｎｍと薄い場合には、やや結合磁界が低下し、１７００（Ｏｅ）の結合磁界が観測された。
【００７１】
以上の結果は、非磁性下地層４２の膜厚としては、０．５ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲が望ましいことを示している。
【００７２】
（実験４：磁気抵抗効果素子１００の磁気的特性）
更に、上述の下地層４０が適用された磁気抵抗効果素子１００の磁気的特性についての実験結果を述べる。この実験では、上述の下地層４０が適用された磁気抵抗効果素子１００が実際に作成され、データ記憶層１０の磁気的特性が測定された。
【００７３】
実施例１として、次のような構造の磁気抵抗効果素子１００が作成された。下地層４０としては、第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３が順次この順に形成された。第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜、第２磁性下地層として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。上述した構成において、第２磁性下地層４３として用いたＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜４回の間で変化させた磁気抵抗効果素子１００を作製した。なお、磁気抵抗効果素子１００の幅は１００ｎｍであった。また、これらの磁気抵抗効果素子１００は、下地層４０及びデータ記憶層１０を形成後に、真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【００７４】
図６Ａ〜図６Ｄに、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜３回の範囲で変化させた場合の、データ記憶層１０の磁化−磁界曲線を測定した図を示す。図６Ａに示されているように、積層回数がゼロの場合はデータ記憶層１０の垂直磁気異方性が相対的に弱く面内成分が混ざった膜となっている。一方、図６Ｂ〜図６Ｄに図示されているように、積層回数が増えるに従い、Ｍ−Ｈループの角型性が向上し、垂直磁気異方性が強くなる傾向にあることが判る。このことは、データ記憶層１０として比較的ｆｃｃ（１１１）配向が得られにくいＣｏ／Ｎｉ積層膜について、第２磁性下地層４３を使用することによって３５０℃、２時間のアニール処理を行った後も強い垂直磁気異方性を得る事ができる事を意味している。
【００７５】
また、第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜を用い、その非磁性下地層４２の上に、膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層されたＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を積層した場合についても、同様の測定が行われた。当該積層磁性膜におけるＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数は、１回であった。図６Ｅは、Ｃｏ／Ｐｔ積層磁性膜が使用された場合の磁化−磁界曲線を測定した図を示す。図６Ｅに図示されているように、比較的ｆｃｃ（１１１）配向が形成されやすいＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜については、角型性が良好な磁化−磁界曲線が得られる。
【００７６】
このことには、２つの技術的意味がある。第１に、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を使用することで、垂直磁気異方性が強いデータ記憶層１０が得られることが分かる。第２に、Ｃｏ／Ｐｔ積層磁性膜を第２磁性下地層４３として用いることによって、良好なｆｃｃ（１１１）配向を持つ第２磁性下地層４３を形成でき、更には、その上に形成されるデータ記憶層１０（例えば、Ｃｏ／Ｎｉ積層磁性膜）の垂直磁気異方性を向上させることができる。
【００７７】
更に、第２磁性下地層４３としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を用い、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｎｉ積層磁性膜を使用した場合のデータ記憶層１０について飽和磁界Ｈｓが測定された。本明細書でいう飽和磁界Ｈｓの定義を図７に示す。本明細書でいう飽和磁界Ｈｓとは、データ記憶層１０の面内方向に外部磁界を印加し、データ記憶層１０の磁化が外部磁界の方向に揃った時点での磁界の大きさである。例えば、図７において、Ｈｓ１は試料（１）の飽和磁界を示しており、Ｈｓ２は試料（２）の飽和磁界を示している。飽和磁界Ｈｓが大きいということは、垂直磁気異方性が大きい事を意味している。例えば、図７では、試料（１）の方が試料（２）に比べて飽和磁界Ｈｓ、即ち、磁化の向きが外部磁界の方向に揃う磁界が大きく、これは、試料（１）の方が垂直磁気異方性が大きいことを意味している。
【００７８】
図８に、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜４回の範囲で変化させた場合のデータ記憶層１０の飽和磁界Ｈｓと積層回数の関係を示す。図８より、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数の増加に伴って飽和磁界Ｈｓが増加し、垂直磁気異方性が強くなっていることが判る。
【００７９】
図９に、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数と、飽和磁界Ｈｓ及び書き込み電流の関係を示す。書き込み電流の電流値は、データ記憶層１０で磁壁移動を起こすために必要な書き込み電流の最小値を示している。なお、実験方法の詳細については、非特許文献７（T.Suzuki et al., “Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain
Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”,IEEE TRANSACTIONS
ON MAGNETICS, VOL.45, NO.10, pp.3776-3779, (2009).）に記載されている。
【００８０】
第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数がゼロの場合（即ち、第２磁性下地層４３が存在しない場合）、電流による明確な磁壁移動が観測されなかったため、書き込み電流の計測ができなかった。これは、図６Ａに示されているように、データ記憶層１０の垂直磁気異方性が相対的に弱く面内成分が混ざった膜であることに起因していると考えられる。
【００８１】
第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数がゼロでない場合、積層回数が増加するに従い書き込み電流は徐々に増加した。積層回数が４回になると、飽和磁界Ｈｓが１００００（Ｏｅ）近傍になると共に、急激に書き込み電流が増加し、０．５ｍＡを超えた。上述した非特許文献１によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下に低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。
【００８２】
以上に説明されているように、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｎｉ積層膜を使用した場合、このように、第２磁性下地層４３としてＣｏ／Ｐｔ積層膜を使用することによってデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を強化できることが分かった。加えて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を調節することにより、データ記憶層１０の垂直磁気異方性を適当な大きさに制御し、磁壁移動を起こすための書き込み電流（磁壁移動電流）をより低くすることができることが分かった。垂直磁気異方性を適当な大きさにする飽和磁界Ｈｓの範囲は３０００（Ｏｅ）≦Ｈｓ≦１００００（Ｏｅ）であり、これに対応する第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数は1回〜３回の範囲であった。
【００８３】
比較例１として、図１０に図示されているように、下地層７０が、第１磁性下地層７１と非磁性下地層７２で構成され、第１磁性下地層７１に膜厚２ｎｍのＮｉＦｅＢ膜、非磁性下地層７２に膜厚２ｎｍのＰｔ膜が用いられた磁気抵抗効果素子３００が作製された。その上に、データ記憶層１０として、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜が形成された。この磁気抵抗効果素子３００は、実施例１と同様に、下地層７０及びデータ記憶層１０を形成後に、真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【００８４】
この磁気抵抗効果素子３００のデータ記憶層１０の飽和磁界Ｈｓを計測したところ、飽和磁界Ｈｓは約１０５０（Ｏｅ）の値を示した。また、膜面垂直方向に磁界を印加して測定された磁化−磁界曲線から、磁気抵抗効果素子３００のデータ記憶層１０は、面内成分を含んだ垂直磁気異方性が非常に弱い膜であることが確認できた。ＮｉＦｅＢ膜は、膜厚に依らず面内磁気異方性を有した面内膜であり、さらに熱処理により磁化が増加する。このため、非磁性下地層７２を介してデータ記憶層１０（Ｃｏ／Ｎｉ積層膜）の磁化を面内方向に倒す作用が働き、結果として、データ記憶層１０は垂直磁気異方性の弱い面内膜となってしまったためと考えられる。
【００８５】
更に、実施例２として、第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＷ膜が使用された磁気抵抗効果素子１００が作成された。他の構成は、実施例１の磁気抵抗効果素子１００と同じである。詳細には、下地層４０として第１磁性下地層４１と非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３が順次この順に形成された。第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＷ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜が使用された。また、第２磁性下地層４３としては、Ｃｏ膜とＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。各々の磁気抵抗効果素子１００は真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。上述した構成において、第２磁性下地層４３のＰｔ膜とＣｏ膜の膜厚の比と積層回数を変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を調べた。図１１Ａに、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比を変化させて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を逐次変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を示す。図１１Ａより、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比が１．０〜５．０の範囲では、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数が１回〜３回の場合に飽和磁界Ｈｓが３０００（Ｏｅ）〜５５００（Ｏｅ）の範囲となり、データ記憶層１０が電流による磁壁駆動が可能となる垂直磁気異方性を有していることが判る。
【００８６】
更に、実施例３として、第１磁性下地層４１として膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＶ膜が使用され、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＡｕ膜が使用されている磁気抵抗効果素子１００が作成された。他の構成は、実施例１、実施例２と同様である。この構成において、第２磁性下地層４３のＰｔ膜とＣｏ膜の膜厚の比と積層回数を変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を調べた。図１１Ｂに、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比を変化させて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を逐次変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を示す。図１１Ｂでも同様に、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比が１．０〜５．０の範囲において飽和磁界Ｈｓが３０００（Ｏｅ）〜５５００（Ｏｅ）の範囲となり、データ記憶層１０が電流による磁壁駆動が可能となる垂直磁気異方性を有していることが判る。
【００８７】
以上の結果は、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜におけるＰｔ膜厚とＣｏ膜厚の比が１．０〜５．０の範囲が望ましいことを示している。
【００８８】
以上に述べた実施例では、第１磁性下地層４１としてＮｉＦｅＺｒ膜又はＮｉＦｅＷ膜を用い、非磁性下地層４２としてＰｔ膜を用い、第２磁性下地層４３としてＣｏ膜とＰｔ膜からなる積層膜を用いた場合について説明したが、これらの材料に限定されることはない。第１磁性下地層４１の添加元素として、ＺｒやＷ以外のＴａ、Ｈｆ又はＶから選択された少なくとも一種類の非磁性元素を主成分元素であるＮｉＦｅに添加して得られる薄膜材料を用いることで同様の効果が得られることを確認している。また非磁性下地層４２として、Ｐｔ膜以外にＡｕ膜、Ｐｄ膜、Ｉｒ膜を用いても同様の効果が得られることを確認している。また、第２磁性下地層４３として、上述したＣｏ膜とＰｔ膜の組み合わせ以外に、Ｐｔ又はＰｄのいずれか一つの元素からなる層とＦｅ又はＣｏ又はＮｉのいずれか一つの元素からなる層の組み合わせでも同様の効果が得られることを確認している。
【００８９】
第２の実施形態：
図１２は、本発明の第２の実施形態における磁気抵抗効果素子１００Ａの構成を示す断面図である。第２の実施形態の磁気抵抗効果素子１００Ａは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１００と類似した構造を有しているが、下地層の構造が異なっている。第１の実施形態では、下地層４０の第１磁性下地層４１が、本質的には強磁性を発現する材料で形成される一方で、強磁性を発現しないような膜厚で形成されている。一方、第２の実施形態では、下地層４０Ａの第１磁性下地層４１Ａが、本質的には面内磁気異方性を示す磁性材料で形成される一方で、垂直磁気異方性を発現するような薄い膜厚（具体的には、０．５ｎｍ〜３ｎｍ）で形成されている。第１磁性下地層４１Ａは、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含むアモルファス磁性体として形成される。
【００９０】
一方、第２の実施形態における非磁性下地層４２、第２磁性下地層４３、及びデータ記憶層１０の構成は、第１の実施形態と同様である。非磁性下地層４２は、ｆｃｃ構造を有し、且つ、（１１１）配向性を強く発現する非磁性膜で形成される。本実施形態では、非磁性下地層４２は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成され、膜厚は０．３ｎｍ〜４．０ｎｍの範囲である。第２磁性下地層４３は、Ｐｔ又はＰｄのいずれか一つの元素からなる第一の層とＦｅ又はＣｏ又はＮｉのいずれか一つの元素からなる第二の層が少なくとも１回以上交互に積層された積層磁性膜からなる。また、データ記憶層１０として使用される垂直磁気異方性を有する磁性膜としては、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｎｉ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄなどの遷移金属系の交互積層膜が有望である。これらの材料の飽和磁化は比較的小さいことが知られている。より一般的に言えば、データ記憶層１０は、第１層と第２層が積層された積層構造を有する。第１の層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。第２の層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕのいずれか、またはこれらの群から選択される複数の材料からなる合金を含有する。上記の積層膜の中でも特にＣｏ／Ｎｉ積層膜はスピン分極率が高い。従って、データ記憶層１０としてはＣｏ／Ｎｉ積層膜が特に好適であると言える。
【００９１】
以下では、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａの有利性について議論する。第１の実施形態の第１磁性下地層４１と同様に、層間絶縁層６０のようなアモルファスの膜の上に形成された場合、第１磁性下地層４１Ａは、０．５ｎｍ〜３ｎｍのような膜厚が薄い領域ではアモルファス状に成長し、その表面エネルギーが大きくなる。このような第１磁性下地層４１Ａは、その上に成長する結晶の最稠密面（最低表面エネルギー面）配向を生み出すことが可能となる。さらに、第１磁性下地層４１Ａの上に積層される非磁性下地層４２は、上述したようにＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｉｒのいずれかで構成されてなり、これらからなる膜はそれ自体がｆｃｃ構造を有しているため、結晶の最稠密面がｆｃｃ（１１１）面に配向して成長する。このような構造の非磁性下地層４２の上方に、ｆｃｃ構造を有し、（１１１）配向した場合に強い垂直磁気異方性を発現する磁性膜を形成することにより、強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を実現することができる。ここで、第１磁性下地層４１Ａが形成されていることにより、非磁性下地層４２の膜厚が薄くても強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を形成できることに留意されたい。
【００９２】
ここで、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａは、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む材料で形成されるが、このような材料は本来的には面内磁気異方性を示す。これは、一見、データ記憶層１０の垂直磁気異方性を低下させるように見えるかもしれない。しかしながら、実際には、このような材料で形成された第１磁性下地層４１Ａは、０．５ｎｍ〜３ｎｍのような薄い膜厚においては、弱い垂直磁気異方性を持つアモルファス磁性体として形成される。弱い垂直磁気異方性を持つ第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａでも、磁化がほとんど消失した状態で形成される第１の実施形態の第１磁性下地層４１と同様に、データ記憶層１０の垂直磁気異方性は阻害されない。したがって、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａも、強い垂直磁気異方性を有するデータ記憶層１０を形成するために有効である。
【００９３】
その一方で、第１磁性下地層４１Ａの磁化固定層５０ａ、５０ｂの上方にある部分については、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強くすることができる。一般的な磁化固定層５０ａ、５０ｂとしてＣｏ／Ｐｔ膜やＣｏ−Ｐｔ合金のような強い垂直磁気異方性を発現する硬質磁性材料を使用した場合、磁化固定層５０ａ、５０ｂの上に上述した軟磁性体で形成される第１磁性下地層４１Ａと非磁性下地層４２とを積層すると、磁化固定層５０ａ、５０ｂからの磁気的作用により、第１磁性下地層４１Ａの磁化が磁化固定層５０ａ、５０ｂと同じ垂直方向にそろう現象がみられる。この磁気的な相互作用は、さらに非磁性下地層４２を介して、データ記憶層１０の一部分（磁化固定領域１１ａ、１１ｂ）の磁化を固定し、結果として、データ記憶層１０に磁化固定領域１１ａ、１１ｂが形成される。本実施形態では、非磁性下地層４２の膜厚が薄い（０．５ｎｍ〜４．０ｎｍ）ため、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間に強固な磁気的結合が得られることに留意されたい。
【００９４】
後述の実験結果らから理解されるように、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａは、第１の実施形態の第１磁性下地層４１と比較して、データ記憶層１０の強い垂直磁気異方性を促進する効果が高く、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を増大することができる。加えて、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａは、第１の実施形態の第１磁性下地層４１と比較して、データ記憶層１０と磁化固定層５０ａ、５０ｂとの間の磁気的結合を強める作用が高い。以下では、その実験結果について説明する。
【００９５】
（実験１：磁気トンネル接合のＭＲ比の下地層依存性）
まず、データ記憶層１０、スペーサ層２０、及び参照層３０で構成される磁気トンネル接合のＭＲ比の第１磁性下地層４１及び４１Ａの材料に対する依存性を調べた。基板の上に層間絶縁層６０に対応する絶縁膜が形成され、その上に、下地層４０又は４０Ａ、データ記憶層１０、スペーサ層２０、及び参照層３０が形成された。下地層４０、４０Ａとしては、第１磁性下地層４１、４１Ａと非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３とが順次この順に形成された。
【００９６】
第１磁性下地層４１又は４１Ａとしては、膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、ＣｏＴａ膜、ＣｏＺｒ膜又はＦｅＺｒ膜が用いられた。ＮｉＦｅＷ膜の組成は、Ｗが１２．５（ａｔ％）であり、残部がＮｉＦｅ母材であった。ここで、ＮｉＦｅ母材におけるＮｉとＦｅとの比は、Ｎｉが７７．５に対してＦｅが２２．５であった。ＣｏＴａ膜の組成は、Ｔａが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。ＣｏＺｒ膜の組成は、Ｚｒが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。ＦｅＺｒ膜の組成は、Ｚｒが２０（ａｔ％）であり、残部がＦｅ母材であった。ＮｉＦｅＺｒ膜は、第１の実施形態の第１磁性下地層４１に対応しており、ＣｏＴａ膜、ＣｏＺｒ膜又はＦｅＺｒ膜は、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａに対応している。
【００９７】
更に、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜、第２磁性下地層として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。このように形成された試料の幅は１００ｎｍであった。また、これらの試料は、下地層（４０又は４０Ａ）、データ記憶層１０、スペーサ層２０、及び参照層３０を形成した後に、真空中で３００〜３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【００９８】
図１３Ａは、ＭＲ比の第１磁性下地層（４１又は４１Ａ）に対する依存性を示すグラフである。図１３Ａに図示されているように、ＮｉＦｅＺｒ膜（第１の実施形態の第１磁性下地層４１に対応）については、磁気トンネル接合が２３〜４２程度のＭＲ比を示した（これは、実用上は十分な値である）。一方、ＣｏＴａ膜、ＣｏＺｒ膜及びＦｅＺｒ膜（第２の実施形態の第１磁性下地層４１に対応）については、磁気トンネル接合が５３〜６５程度のＭＲ比を示し、得られたＭＲ比は、ＮｉＦｅＺｒ膜よりも高かった。ＭＲ比の向上の効果は、特に、アニール処理の温度が低い場合（具体的には、アニール温度が３００℃の場合）に顕著であった。この結果は、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａが、第１の実施形態の第１磁性下地層４１と比較してデータ記憶層１０の強い垂直磁気異方性を促進する効果が高く、磁気抵抗効果素子のＭＲ比を増大できることを示唆している。
【００９９】
（実験２：磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０の結合状態の評価）
続いて、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０の結合状態の評価が行われた。基板の上に磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性体膜が形成され、その上に、下地層４０又は４０Ａとデータ記憶層１０とが形成された。下地層４０、４０Ａとしては、第１磁性下地層４１、４１Ａと非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３とが順次この順に形成された。
【０１００】
第１磁性下地層４１又は４１Ａとしては、膜厚１．５ｎｍのＮｉＦｅＺｒ膜、ＣｏＴａ膜が用いられた。ＮｉＦｅＺｒ膜は、第１の実施形態の第１磁性下地層４１に対応しており、ＣｏＴａ膜は、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａに対応している。ＮｉＦｅＺｒ膜の組成は、Ｚｒが１２．５（ａｔ％）であり、残部がＮｉＦｅ母材であった。ここで、ＮｉＦｅ母材におけるＮｉとＦｅとの比は、Ｎｉが７７．５に対してＦｅが２２．５であった。ＣｏＴａ膜の組成は、Ｔａが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。
【０１０１】
更に、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜、第２磁性下地層として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。データ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。試料の幅は１００ｎｍであった。また、これらの試料は、下地層４０、データ記憶層１０を形成した後に、真空中で３００〜３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【０１０２】
図１３Ｂ〜図１３Ｅは、このようにして得られた試料の磁界−磁化曲線を示す。詳細には、図１３Ｂ、図１３Ｃは、ＮｉＦｅＺｒ膜を用いた第１磁性下地層４１を含む試料のヒステリシスループを示しており、図１３Ｄ、図１３Ｅは、ＣｏＴａ膜を用いた第１磁性下地層４１Ａを含む試料の磁界−磁化曲線を示している。磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性体膜とデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜の間に十分大きな磁気結合が発現している場合には、当該磁性体膜とＣｏ／Ｎｉ積層膜とが一体となって磁化反転を起こし、磁界−磁化曲線として段差のない綺麗なヒステリシスループが観測されることになる。その一方で、発現している磁気結合が弱い場合には、当該磁性体膜とＣｏ／Ｎｉ積層膜とが別々に磁化反転を起こすため、磁界−磁化曲線として段差のあるヒステリシスループが観測されることになる。
【０１０３】
図１３Ｂ、図１３Ｃに図示されているように、ＮｉＦｅＺｒ膜を用いた第１磁性下地層４１については、アニール処理が３５０℃である場合に段差のないヒステリシスループが得られるものの、アニール処理が３００℃である場合には段差のあるヒステリシスループが観測される。これは、アニール処理が３００℃であり、第１磁性下地層４１としてＮｉＦｅＺｒ膜を用いた場合には、磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性体膜とデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜の間の磁気的結合が弱くなることを示している。
【０１０４】
一方、図１３Ｄ、図１３Ｅに図示されているように、ＣｏＴａ膜を用いた第１磁性下地層４１Ａについては、アニール処理が３００℃、３５０℃のいずれの場合でも段差のないヒステリシスループが観測される。これは、第１磁性下地層４１ＡとしてＣｏＴａ膜を用いた場合には、磁化固定層５０ａ、５０ｂに対応する磁性体膜とデータ記憶層１０に対応するＣｏ／Ｎｉ積層膜の間に十分に強い磁気的結合が発現することを示している。言い換えれば、第１磁性下地層４１ＡとしてＣｏＴａ膜を用いることで、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間の磁気的結合を強くすることができる。
【０１０５】
（実験３：第１磁性下地層４１Ａの磁気特性）
続いて、第１磁性下地層４１Ａの磁気特性、及び、好適な膜厚範囲について述べる。第１磁性下地層４１Ａの層間絶縁層６０（ＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜）に接した部分について考察するために、Ｓｉ基板の表面にＳｉＮ膜が２０ｎｍ成膜された基板上にＣｏＴａ膜が形成され、その磁化が測定された。成膜されたＣｏＴａ膜の膜厚は、０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあった。また、成膜されたＣｏＴａ膜の組成は、Ｔａが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。各々の試料は真空中で３５０℃２時間のアニール処理が行われている。
【０１０６】
図１４Ａは、磁化の計測時に膜面垂直方向に磁界を印加した場合における、ＣｏＴａ膜の磁化−磁界曲線をプロットした図を示しており、図１４Ｂは、ＣｏＴａ膜の膜厚に対する磁化の大きさをプロットした図を示している。これは、各試料の垂直磁気異方性を計測していることに相当する。図１４Ａに示されているように、膜厚が０．５ｎｍの場合には、ＣｏＴａ膜には、ほぼ磁化が存在しなかった。（面内磁気異方性を発現しない）かかるＣｏＴａ膜は、データ記憶層１０の垂直磁気異方性の発現に磁気的な影響を及ぼさないので、第１磁性下地層４１Ａとして適している。
【０１０７】
膜厚が１．０ｎｍ〜３．０ｎｍの範囲では、磁化−磁界曲線がヒステリシスを示した。ただし、図１４Ｂに図示されているように、１．０ｎｍ〜３ｎｍの範囲におけるＣｏＴａ膜の膜面垂直方向の磁化の大きさは小さい。膜面垂直方向の磁化は、膜厚が増加すると微小な増加を示した。これは、１．０ｎｍ〜３ｎｍの範囲において、ＣｏＴａ膜は、微小な垂直磁気異方性を示すことを意味している。（面内磁気異方性を発現しない）かかるＣｏＴａ膜は、データ記憶層１０の垂直磁気異方性の発現に磁気的な影響を及ぼさないので、第１磁性下地層４１Ａとして適している。
【０１０８】
ただし、膜厚が０．５ｎｍよりも薄い場合には、結晶成長を促すという第１磁性下地膜４１Ａの本来の機能を果たさなくなる。したがって、第１磁性下地膜４１ＡとしてＣｏＴａ膜が使用される場合には、その膜厚は０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることが好ましい。
【０１０９】
一方、膜厚が４．０ｎｍの場合には、図１４Ａから理解されるように、膜面垂直方向の磁化の大きさは小さくなった。ただし、これは、ＣｏＴａ膜において面内方向に大きな磁化が発生した、即ち、大きな面内磁気異方性が発生したためである。ＣｏＴａ膜の膜厚が４．０ｎｍ以上であると大きな面内磁気異方性が発生し、かかるＣｏＴａ膜は、第１磁性下地層４１Ａとしては不適である。
【０１１０】
以上の結果から、第１磁性下地層４１Ａとして適切なＣｏＴａ膜の厚さは、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることが分かった。
【０１１１】
発明者は、同様の議論が、上述したＣｏＴａ膜のみならず、ＣｏＺｒ膜、ＦｅＴａ膜、ＦｅＺｒ膜についても成立することを確認した。
【０１１２】
（実験４：第２磁性下地層４３の構造の効果）
更に、上述された、第２の実施形態の第１磁性下地層４１Ａが適用された磁気抵抗効果素子における第２磁性下地層４３の積層回数の効果が確かめられた。具体的には、次のような構造の試料が作成された。下地層４０Ａとしては、第１磁性下地層４１Ａと非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３が順次この順に形成された。第１磁性下地層４１Ａとして膜厚１．５ｎｍのＣｏＴａ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜が使用された。ＣｏＴａ膜の組成は、Ｔａが２０（ａｔ％）であり、残部がＣｏ母材であった。第２磁性下地層として膜厚０．４ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．８ｎｍのＰｔ膜とが積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。上述した構成において、第２磁性下地層４３として用いたＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜４回の間で変化させた磁気抵抗効果素子１００を作製した。なお、作製した試料の幅は１００ｎｍであった。また、これらの試料は、下地層４０Ａ及びデータ記憶層１０を形成後に、真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。
【０１１３】
図１５Ａ〜図１５Ｃに、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜２回の範囲で変化させた場合の、データ記憶層１０の磁化−磁界曲線を測定した図を示す。図１５Ａに示されているように、積層回数がゼロの場合はデータ記憶層１０の垂直磁気異方性が相対的に弱く面内成分が混ざった膜となっている。一方、図１５Ｂ〜図１５Ｃに図示されているように、積層回数が増えるに従い、Ｍ−Ｈループの角型性が向上し、垂直磁気異方性が強くなる傾向にあることが判る。このことは、データ記憶層１０として比較的ｆｃｃ（１１１）配向が得られにくいＣｏ／Ｎｉ積層膜について、第２磁性下地層４３を使用することによって３５０℃、２時間のアニール処理を行った後も強い垂直磁気異方性を得る事ができる事を意味している。
【０１１４】
このことには、２つの技術的意味がある。第１に、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を使用することで、垂直磁気異方性が強いデータ記憶層１０が得られる。第２に、Ｃｏ／Ｐｔ積層磁性膜を第２磁性下地層４３として用いることによって、良好なｆｃｃ（１１１）配向を持つ第２磁性下地層４３を形成でき、更には、その上に形成されるデータ記憶層１０（例えば、Ｃｏ／Ｐｔ積層磁性膜）の垂直磁気異方性を向上させることができる。
【０１１５】
更に、第１磁性下地層４１ＡとしてＣｏＴａ膜を用い、第２磁性下地層４３としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を用い、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｐｔ積層磁性膜を使用した場合のデータ記憶層１０について飽和磁界Ｈｓが測定された。図１６に、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を０回〜４回の範囲で変化させた場合のデータ記憶層１０の飽和磁界Ｈｓと積層回数の関係を示す。図１６より、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数の増加に伴って飽和磁界Ｈｓが増加し、垂直磁気異方性が強くなっていることが判る。
【０１１６】
図１７に、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数と、飽和磁界Ｈｓ及び書き込み電流の関係を示す。書き込み電流の電流値は、データ記憶層１０で磁壁移動を起こすために必要な書き込み電流の最小値を示している。なお、実験方法の詳細については、非特許文献７（T.Suzuki et al., “Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain
Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”,IEEE TRANSACTIONS
ON MAGNETICS, VOL.45, NO.10, pp.3776-3779, (2009).）に記載されている。
【０１１７】
第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数がゼロの場合（即ち、第２磁性下地層４３が存在しない場合）、電流による明確な磁壁移動が観測されなかったため、書き込み電流の計測ができなかった。これは、図１５Ａに示されているように、データ記憶層１０の垂直磁気異方性が相対的に弱く面内成分が混ざった膜であることに起因していると考えられる。
【０１１８】
第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数がゼロでない場合、積層回数が増加するに従い書き込み電流は徐々に増加した。積層回数が４回になると、飽和磁界Ｈｓが１００００（Ｏｅ）近傍になると共に、急激に書き込み電流が増加し、０．５ｍＡを超えた。上述した非特許文献１によれば、書き込み電流を０．５ｍＡ以下に低減することでセル面積が既存の混載ＳＲＡＭと同等になることが示されている。
【０１１９】
以上に説明されているように、第１磁性下地層４１ＡとしてＣｏＴａ膜を使用し、データ記憶層１０としてＣｏ／Ｎｉ積層膜を使用した場合、第２磁性下地層４３としてＣｏ／Ｐｔ積層膜を使用することによってデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を強化できることが分かった。加えて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を調節することにより、データ記憶層１０の垂直磁気異方性を適当な大きさに制御し、磁壁移動を起こすための書き込み電流（磁壁移動電流）をより低くすることができることが分かった。垂直磁気異方性を適当な大きさにする飽和磁界Ｈｓの範囲は３０００（Ｏｅ）≦Ｈｓ≦１００００（Ｏｅ）であり、これに対応する第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数は１回〜３回の範囲であった。
【０１２０】
更に、第２磁性下地層４３における、Ｐｔ膜とＣｏ膜の膜厚の比の効果が調べられた。詳細には、下地層４０Ａとして第１磁性下地層４１Ａと非磁性下地層４２と第２磁性下地層４３が順次この順に形成された。第１磁性下地層４１Ａとして膜厚１．５ｎｍのＣｏＴａ膜、非磁性下地層４２として膜厚２ｎｍのＰｔ膜が使用された。また、第２磁性下地層４３としては、Ｃｏ膜とＰｔ膜とが交互に複数回積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層１０としては、膜厚０．３ｎｍのＣｏ膜と膜厚０．６ｎｍのＮｉ膜を交互に５回積層したＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いた。各々の試料は真空中で３５０℃、２時間のアニール処理を行っている。上述した構成において、第２磁性下地層４３のＰｔ膜とＣｏ膜の膜厚の比と積層回数を変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を調べた。
【０１２１】
図１８に、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比を変化させて、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数を逐次変化させた場合の飽和磁界Ｈｓとの関係を示す。図１８より、Ｐｔ膜厚とＣｏ膜厚の比が１．０〜５．０の範囲では、第２磁性下地層４３のＣｏ膜とＰｔ膜の積層回数が１回〜３回の場合に飽和磁界Ｈｓが３０００（Ｏｅ）〜５５００（Ｏｅ）の範囲となり、データ記憶層１０が電流による磁壁駆動が可能となる垂直磁気異方性を有していることが判る。
【０１２２】
第３の実施形態：
図１９Ａは、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１００Ｂの構成を示す断面図であり、図１９Ｂは、第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成を示す断面図である。ただし、図１９Ｂは、図１９ＡにおけるＳＳ’断面図である。
【０１２３】
第３の実施形態の磁気抵抗効果素子１００Ｂは、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１００と類似した構造を有しているが、下地層の構造が異なっている。第１の実施形態では、下地層４０が、第１磁性下地層４１と、非磁性下地層４２と、第２磁性下地層４３とを含んでいる。一方、第３の実施形態では、下地層４０Ｂが、磁性下地層４１と、中間層４２Ｂ（非磁性下地層に相当）とを含んでいる一方で、第１の実施形態の第２磁性下地層４３に相当する構成要素を含んでいない。データ記憶層１０は、中間層４２Ｂの上に形成される。第１の実施形態において第２磁性下地層４３が必須の構成要素ではないことは既に議論されているが、本実施形態では、第２磁性下地層４３がない場合の最適な構造が提示される。
【０１２４】
層間絶縁層６０に形成された溝に磁化固定層５０ａ、５０ｂが埋め込まれている。なお、層間絶縁層６０（例示：ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ）の下方には、素子（例示：選択トランジスタＴｒａ、Ｔｒｂ）や配線（例示：ワード線ＷＬ及びビット線ＢＬ、／ＢＬ）が埋設される。
【０１２５】
磁性下地層４１は、層間絶縁層６０及び磁化固定層５０ａ、５０ｂの上面の上に形成されている。磁性下地層４１は、その下側（−ｚ側）の両端部（ｘ方向）で磁化固定層５０ａ、５０ｂの上面に接している。磁性下地層４１は、磁性体であり、強磁性体であることが好ましい。上述のように、磁性下地層４１が強磁性体であることは、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との磁気的結合を補助するためである。
【０１２６】
磁性下地層４１は、アモルファス又は微結晶構造であることが好ましい。磁性下地層４１の表面の平坦性が高くなるからである。ただし、微結晶構造は、例えば、数ｎｍ〜２０ｎｍ程度の粒径の結晶を有する結晶相を含み、アモルファス相との混相であっても良い。磁性下地層４１の表面が平坦であることは、その上に中間層４２Ｂを介して積層されるデータ記憶層１０を所望の結晶性を有する膜にするために好ましい。例えば、データ記憶層１０が［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の場合、Ｃｏ／Ｎｉを、垂直磁気異方性が高くなるｆｃｃ（１１１）に配向させるために好ましい。
【０１２７】
磁性下地層４１は、材料として、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの少なくとも一つを主成分として含み、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｗ、Ｂ、Ｎからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む。ただし、主成分とは、最も多い成分を意味する。例えば、磁性下地層４１として、ＮｉＦｅＺｒ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＭｏ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＺｒ、ＣｏＺｒＴａ、ＣｏＨｆ、ＣｏＴａ、ＣｏＴａＨｆ、ＣｏＮｂＨｆ，ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＨｆＰｄ、ＣｏＴａＺｒＮｂ、ＣｏＺｒＭｏＮｉ、ＣｏＴｉがある。
【０１２８】
中間層４２Ｂは、磁性下地層４１を覆うように積層された非磁性体である。中間層４２Ｂは、その上に積層されるデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を高めるべく、結晶配向しやすいように表面エネルギーの小さい材料で形成することが好ましい。例えば、中間層４２Ｂは、Ｔａ膜に例示される。中間層４２Ｂは、Ｔａ膜の場合、後述されるように、膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚がこれより薄い場合にはデータ記憶層１０の垂直磁気異方性を高めるという効果が著しく低下し、膜厚がこれより厚い場合には磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との磁気的結合が切れてしまうからである。
【０１２９】
データ記憶層１０は、中間層４２Ｂを覆うように積層され、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。磁化固定領域１１ａ、１１ｂ及び磁化自由領域１３は、このデータ記憶層１０に形成される。すなわち、データ記憶層１０は、磁壁が形成され、磁化自由領域１３の磁化方向又は磁壁の位置でデータが記憶される領域である。データ記憶層１０は、第１の実施形態及び第２の実施形態で記述されているような、垂直磁気異方性を有する強磁性体材料を用いることができる。
【０１３０】
以下、第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の実施例について、比較例と比較しながら説明する。垂直磁気異方性の大きさの指標としては飽和磁界が使用される。なお、飽和磁界の定義は、上記において図７を参照しながら定義されている通りである。
【０１３１】
［比較例１］
図２０Ａ及び図２０Ｂは、比較例の磁気抵抗効果素子３００Ｂの構成を示す断面図及び側面図である。ただし、スペーサ層２０及び参照層３０は省略している。層間絶縁層６０は、一例としてＳｉＯ２を用いた。また、データ記憶層１０としては、一例として、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Ｐｔ膜１０ｂと、ＣｏとＮｉの積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜１０ａとを積層した［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜を用いた。なお、ここでは、更にキャップ層としてＰｔ膜１０ｃを積層した。
【０１３２】
［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向するとき垂直磁気異方性が高くなる。しかし、下地膜の材料により結晶配向性が変わり、垂直磁気異方性の大きさも異なる。比較例１では、中間層４２Ｂを用いず、磁性下地層４１の上に直接にデータ記憶層１０を積層した。磁性下地層４１としては、ＮｉＦｅＺｒ膜を用いた。膜厚は、２．０ｎｍとした。ここでは、膜本来の磁気特性を評価するために、膜にはパターニングを施していない。すなわち、ａｓ−ｄｅｏｐｓｏｔｅｄ膜（Ｐｔ／［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜／ＮｉＦｅＺｒ膜）の状態で、データ記憶層１０の膜の磁気特性を評価した。磁気特性の評価は、ＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer）を用いた（以下、同様）。
【０１３３】
まず、成膜後に処理を施していないデータ記憶層１０の膜の磁気特性について説明する。
図２１Ａ及び図２１Ｂは、図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図２１Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線を示している。図２１Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線を示している。垂直磁場を印加したときの磁化曲線（垂直ループ：図２１Ａ）が立っていて、且つそのヒステリシスが大きく、一方で、面内磁場を印加したときの磁化曲線（面内ループ：図２１Ｂ）が寝ていることがわかる。このことから、このデータ記憶層１０の膜は垂直磁気異方性を有する。すなわち、ＮｉＦｅＺｒ膜上の［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜は垂直磁気異方性を有し、磁壁移動に適している可能性がある。
【０１３４】
次に、データ記憶層１０を３００℃、２時間、不活性ガス中で熱処理した後のデータ記憶層１０の膜の磁気特性について説明する。
図２２Ａ及び図２２Ｂは、図２０Ａ及び図２０Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図２２Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（垂直ループ）を示している。図２２Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。図２１Ａ及び図２１Ｂと比較すると、垂直ループ（図２２Ａ）がやや倒れて斜めになり、面内ループ（図２２Ｂ）が更に立って傾きが急になることがわかる。このことは、３００℃の熱処理によりこのデータ記憶層１０の膜の垂直磁気異方性が低下したことを示している。更に、図２１Ａと図２２Ａとを比較すると、図２２Ａの方がグラフの縦軸の値、すなわち飽和磁化と膜厚との積（Ｍｓ×ｔ）が大きくなっている。これは、３００℃の熱処理により面内磁気異方性を有するＮｉＦｅＺｒ膜と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜とが磁気的に結合することで磁化が増大したためである。また、磁気結合により垂直磁気異方性が低下したためと考えられる。
【０１３５】
［比較例２］
比較例２では、データ記憶層１０の構成は比較例１と同様であるが、磁性下地層４１としてＴａ膜を用いた点で、比較例１（磁性下地層４１：ＮｉＦｅＺｒ膜）と異なっている。この場合、Ｃｏ／Ｎｉがｆｃｃ（１１１）に配向する（垂直磁気異方性を有する）ために、Ｔａ膜を用いた場合、膜厚として４．０ｎｍ以上が必要であった。この膜厚は、比較例１のＮｉＦｅＺｒ膜の膜厚２．０ｎｍと比較して２倍程度であり非常に厚い。このように非磁性体であるＴａ膜の膜厚が厚いため、比較例２では、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間で磁気結合が困難となった。そうなると、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が固定されず、データ記憶層１０でデータを記憶できなくなってしまう。
【０１３６】
以上の比較例１や比較例２から、熱処理後にＮｉＦｅＺｒ膜と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜とが不必要に磁気的に結合しないことや、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間での磁気的結合が切れないこと等を考慮して、以下のような実施例を見出した。
【０１３７】
［実施例１］
図２３Ａ及び図２３Ｂは、実施例１の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図及び側面図である。ただし、スペーサ層２０及び参照層３０は省略している。層間絶縁層６０は、一例としてＳｉＯ２を用いた。また、データ記憶層１０としては、比較例１と同様に、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Ｐｔ膜１０ｂと、ＣｏとＮｉの積層膜［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜１０ａとを積層した［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜を用いた。なお、ここでも、更にキャップ層としてＰｔ膜１０ｃを積層した。
【０１３８】
実施例１では、比較例１の構成に対して、磁性下地層４１（ＮｉＦｅＺｒ膜）とデータ記憶層１０（［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜）とが磁気的に結合をしないように、両層の間に中間層４２Ｂを挿入した。中間層４２Ｂとしては、Ｔａ膜を用いた。膜厚は、２．０ｎｍとした。各層が形成されたＰｔ／［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜／Ｔａ膜／ＮｉＦｅＺｒ膜の状態で、３００℃、２時間、不活性ガス中で熱処理を施した。
【０１３９】
次に、３００℃、２時間、不活性ガス中での熱処理後のデータ記憶層の磁気特性について説明する。
図２４Ａ及び図２４Ｂは、図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図２４Ａは、膜面に対し垂直に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（垂直ループ）を示している。図２４Ｂは、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。図２１Ａ、図２１Ｂ、図２２Ａ及び図２２Ｂと比較すると、面内ループが寝ていることから３５０℃熱処理後にも垂直磁気異方性が大きいことがわかる。また、図２２Ｂと比較すると、図２４Ｂの方が、飽和磁界Ｈｓ（図７参照）が高いことが分かる。すなわち、図２４Ｂの方が、磁化の向きを外部磁界の方向に向けるのに必要な磁界が高い。従って、中間層４２ＢであるＴａ膜を挿入した図２３Ａ及び図２３Ｂのデータ記憶層１０の方が、中間層４２Ｂのない図２０Ａ及び図２０Ｂのデータ記憶層１０と比較して、データ記憶層１０の垂直磁気異方性が大きいことが分かる。
【０１４０】
上記図２３Ａ及び図２３Ｂの構成について、中間層４２Ｂの膜厚及び熱処理の温度と飽和磁界Ｈｓとの関係について説明する。図２５は、中間層４２Ｂの膜厚及び熱処理の温度と飽和磁界Ｈｓとの関係の一例を示すグラフである。縦軸は飽和磁界Ｈｓ（Ｏｅ）、横軸は中間層４２ＢのＴａ膜の膜厚である。丸印は２００℃の熱処理、三角印は３５０℃の熱処理をそれぞれ示している。２００℃の熱処理及び３５０℃の熱処理のいずれも、Ｔａ膜が無いデータ記憶層１０と比較して、Ｔａ膜を膜厚０．１ｎｍ以上成膜したデータ記憶層１０は、飽和磁界Ｈｓが高い、すなわち、垂直磁気異方性が大きいことがわかる。一方で、Ｔａ膜を膜厚２．０ｎｍ以上成膜した構成では、飽和磁界Ｈｓが飽和している。従って、Ｔａ膜の膜厚は２．０ｎｍより厚くする必要はない。特に、上述のように非磁性体であるＴａ膜の膜厚を厚くし過ぎると、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間で磁気結合が困難となる。そうなると、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が固定され
ず、データ記憶層１０でデータを記憶できなくなってしまう。加えて、磁性下地層４１及び中間層４２Ｂの膜厚が大きくなると、データ記憶層１０を含めた書き込み電流の流れる経路が増えるため、製造ばらつき等を考慮すると、書き込み電流の制御が難しくなるおそれがある。したがって、Ｔａ膜の膜厚は０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下が好ましい。より好ましくは、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下である。
【０１４１】
以上の結果に示されるように、中間層４２Ｂ（例示：Ｔａ膜）の挿入により３５０℃という高温での熱処理後においても、図２３Ａ及び図２３Ｂのデータ記憶層１０は、中間層４２Ｂを有さない（Ｔａ膜の膜厚０ｎｍ）場合と比較して、高い垂直磁気異方性を有していることが分かる。これは、面内磁気異方性を持つＮｉＦｅＺｒ膜（磁性下地層４１）と［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜（データ記憶層１０）との磁気結合が、Ｔａ膜（中間層４２Ｂ）により抑制されているためと考えられる。
【０１４２】
また、中間層４２Ｂ＋磁性下地層４１の膜厚が４．０ｎｍと厚い場合にもかかわらず、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間での磁気結合が維持されていることが確認された。すなわち、磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化が磁化固定層５０ａ、５０ｂにより固定されていた。これは、膜厚が４．０ｎｍであるとはいえ、非磁性体のＴａ膜のみの膜厚を厚くしたのではなく、磁性体のＮｉＦｅＺｒ膜の膜厚と合わせた膜厚が厚くなったためと考えられる。この場合、磁性体のＮｉＦｅＺｒ膜が、磁化固定層５０ａ、５０ｂとデータ記憶層１０との間での磁気結合に何らかの貢献をしていると考えられる。
【０１４３】
以上のように、中間層４２ＢであるＴａ膜を膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下で磁性下地層４１とデータ記憶層１０との間に挿入することにより、データ記憶層の垂直磁気異方性や磁壁移動に対する適性を高くすることができる。また、磁化固定層とデータ記憶層の磁化固定領域との磁気的結合に悪影響を与えず、データ記憶層を熱処理に強くすることができる。その結果、磁気メモリ製造過程を終了した後であっても、データ記憶層が強い垂直磁気異方性を有する磁気メモリを得ることができる。
【０１４４】
［実施例２］
実施例２では、データ記憶層１０の構成は実施例１と同様であるが、中間層４２ＢとしてＲｕ膜及びＭｇ膜を用いた点で、実施例１（中間層４２Ｂ：Ｔａ膜）と異なっている。図２６は、図２３Ａ及び図２３Ｂの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化Ｍ×膜厚ｔ（任意単位）、横軸は印加磁場Ｈ（Ｏｅ）である。ここで、図２６は、面内に対し平行に外部磁場Ｈを印加した場合の磁化曲線（面内ループ）を示している。図中の磁化曲線ＥがＴａ膜の場合（実施例１）、磁化曲線ＦがＲｕ膜の場合、磁化曲線ＧがＭｇ膜の場合をそれぞれ示している。ただし、Ｒｕ膜、Ｍｇ膜、Ｔａ膜の膜厚はいずれも１．０ｎｍとし、熱処理はいずれも行っていない。
【０１４５】
図２６に示されるように、Ｔａ膜の面内ループ（磁化曲線Ｅ）が最も傾きが小さく、飽和磁界Ｈｓが高いことがわかる。Ｒｕ膜及びＭｇ膜とＴａ膜との間の磁気特性の差は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜のｆｃｃ（１１１）配向の違いであると考えられる。以上の結果から、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ／Ｐｔ膜の垂直磁気異方性と関係が深いｆｃｃ（１１１）配向には、中間層４２ＢとしてＴａ膜が非常に適していることが分かる。また、少なくともＲｕ膜及びＭｇ膜は単独では中間層４２Ｂとして必ずしも適しているとは言えないということがわかった。これらＲｕ膜及びＭｇ膜は、例えばＴａ膜との積層膜により使用可能な場合があると考えられる。
【０１４６】
磁気メモリ及びメモリセルの構成：
上述の実施形態の磁気抵抗効果素子１００、１００Ａ、１００Ｂは、磁気メモリのメモリセルとして使用される。以下では、一実施形態における磁気メモリ及びメモリセルの構成を説明する。
【０１４７】
図２７は、本発明の一実施形態の磁気メモリ９０の構成例を示すブロック図である。磁気メモリ９０は、メモリセルアレイ９１、Ｘドライバ９２、Ｙドライバ９３、及びコントローラ９４を備えている。メモリセルアレイ９１は、アレイ状に配置された複数のメモリセル８０と、複数のワード線ＷＬと、複数のビット線対ＢＬａ、ＢＬｂと、複数のグラウンド線ＧＬとを備えている。各メモリセル８０は、対応するワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。Ｘドライバ９２は、複数のワード線ＷＬのうちアクセス対象のメモリセル８０につながる選択ワード線を駆動する。Ｙドライバ９３は、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されており、各ビット線を書き込み動作あるいは読み出し動作に応じた状態に設定する。コントローラ９４は、書き込み動作あるいは読み出し動作に応じて、Ｘドライバ９２とＹドライバ９３のそれぞれを制御する。
【０１４８】
図２８は、本発明の一実施形態におけるメモリセル８０の構成例を示す模式回路図である。メモリセル８０は、２Ｔ−１ＭＴＪ（2 Transistors-1 Magnetic Tunnel Junction）構成を有しており、具体的には、上述の磁気抵抗効果素子（１００、１００Ａ、１００Ｂ）と２つのトランジスタＴＲａ、ＴＲｂを含む。該磁気抵抗効果素子（１００、１００Ａ、１００Ｂ）は、３つの端子を有している。該磁気抵抗効果素子（１００、１００Ａ、１００Ｂ）の参照層３０につながる端子は、グラウンド線ＧＬに接続されている。データ記憶層１０の磁化固定領域１１ａにつながる端子は、トランジスタＴＲａを介してビット線ＢＬａに接続され、磁化固定領域１１ｂにつながる端子は、トランジスタＴＲｂを介してビット線ＢＬｂに接続されている。トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、ワード線ＷＬに共通に接続されている。
【０１４９】
メモリセル８０へのアクセスは、下記のようにして行われる。書き込み動作時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。その結果、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、データ記憶層１０を経由して、ビット線ＢＬａとビット線ＢＬｂとの間で書き込み電流が流れる。これにより、所望のデータがデータ記憶層１０に書き込まれる。
【０１５０】
一方、読み出し動作時には、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流Ｉｒｅａｄが、ビット線ＢＬｂから該磁気抵抗効果素子（１００、１００Ａ、１００Ｂ）のＭＴＪを貫通してグラウンド線ＧＬへ流れる。この読み出し電流Ｉｒｅａｄを検知することにより、磁気抵抗効果素子１００のデータ記憶層１０に記憶されているデータが判別される。
【０１５１】
以上には、本発明の実施形態、実施例が具体的に説明されているが、本発明は、上述の実施形態、実施例に限定して解釈されてはならない。本発明は、当業者には自明な様々な変更がなされて実施され得ることに留意されたい。
【符号の説明】
【０１５２】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、３００、３００Ｂ：磁気抵抗効果素子
１０：データ記憶層
１０ａ：［Ｃｏ／Ｎｉ］ｎ膜
１０ｂ、１０ｃ：Ｐｔ膜
１１ａ、１１ｂ：磁化固定領域
１２：磁壁
１３：磁化自由領域
２０：スペーサ層
３０：参照層
４０、４０Ａ、４０Ｂ：下地層
４１、４１Ａ：第１磁性下地層
４２：非磁性下地層
４２Ｂ：中間層
４３：第２磁性下地層
５０ａ、５０ｂ：磁化固定層
６０：層間絶縁層
７０：下地層
７１：第１磁性下地層
７２：非磁性下地層
８０：メモリセル
９０：磁気メモリ
９１：メモリセルアレイ
９２：Ｘドライバ
９３：Ｙドライバ
９４：コントローラ
２００： 磁気抵抗効果素子
１１０：データ記憶層
１１１ａ、１１１ｂ：磁化固定領域
１１２、１１２ａ、１１２ｂ：磁壁
１１３：磁化自由領域
１１５ａ、１１５ｂ：磁化固定層
１２０：スペーサ層
１３０：参照層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、
層間絶縁層と、
前記磁化固定層と前記層間絶縁層の上面に形成された下地層と、
前記下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層
とを備え、
前記下地層は、
磁性材料で形成された第１磁性下地層と、
前記第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層
とを備え、
前記第１磁性下地層が、前記層間絶縁層の上において面内磁気異方性を発現しないような膜厚で形成された
磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層の膜厚が、前記層間絶縁層の上において前記第１磁性下地層が強磁性を発現しないように調節された
磁気メモリ。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層は、ＮｉＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む
磁気メモリ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である
磁気メモリ。
【請求項５】
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、
層間絶縁層と、
前記磁化固定層と前記層間絶縁層の上面に形成された下地層と、
前記下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層
とを備え、
前記下地層は、
第１磁性下地層と、
前記第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層
とを備え、
前記第１磁性下地層は、ＮｉＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含み、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である
磁気メモリ。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、２ｎｍ未満である
磁気メモリ。
【請求項７】
請求項３乃至６のいずれかに記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層に含まれる前記少なくとも一の非磁性元素の添加量が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下である
磁気メモリ。
【請求項８】
請求項１に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層が、本質的には面内磁気異方性を示す磁性材料で形成される一方で、前記層間絶縁層の上において垂直磁気異方性を発現するような膜厚で形成された
磁気メモリ。
【請求項９】
請求項８に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層は、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含むアモルファス磁性体として形成された
磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である
磁気メモリ。
【請求項１１】
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、
層間絶縁層と、
前記磁化固定層と前記層間絶縁層の上面に形成された下地層と、
前記下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層
とを備え、
前記下地層は、
第１磁性下地層と、
前記第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層
とを備え、
前記第１磁性下地層は、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含み、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である
磁気メモリ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気メモリであって、
更に、前記非磁性下地層と前記データ記憶層の間に設けられた第２磁性下地層を備え、
前記第２磁性下地層は、Ｐｔ又はＰｄからなる層とＦｅ、Ｃｏ又はＮｉのいずれかからなる層とからなる積層膜が、少なくとも１つ積層されて構成されている
磁気メモリ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ及びＩｒからなる群から選択された元素で構成された
磁気メモリ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、４．０ｎｍ未満である
磁気メモリ。
【請求項１５】
請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層は、膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＴａである
磁気メモリ。
【請求項１６】
強磁性体の下地層と、
前記下地層上に設けられた非磁性体の中間層と、
前記中間層上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層と、
非磁性層を介して前記データ記憶層に接続された参照層と、
前記下地層の下側に接して設けられた第１磁化固定層及び第２磁化固定層と
を具備し、
前記データ記憶層は、
反転可能な磁化を有し前記参照層とオーバーラップする磁化自由領域と、
前記磁化自由領域の第１境界に接続され、前記第１磁化固定層に磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
前記磁化自由領域の第２境界に接続され、前記第２磁化固定層に磁化の向きが前記第１方向と反平行な第２方向に固定された第２磁化固定領域と
を備え、
前記中間層は、膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＴａである
磁気メモリ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層は、アモルファス又は微結晶構造である
磁気メモリ。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層は、
Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの少なくとも一つを主成分として含み、
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｗ、Ｂ、Ｎからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む
磁気メモリ。
【請求項１９】
請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記データ記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択された少なくとも一つの材料を含む第１層と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択された少なくとも一つの材料を含み前記第１層と異なる第２層とを積層させた積層膜をｎ層（ｎは自然数）重ねた積層体である
磁気メモリ。
【請求項１】
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、
層間絶縁層と、
前記磁化固定層と前記層間絶縁層の上面に形成された下地層と、
前記下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層
とを備え、
前記下地層は、
磁性材料で形成された第１磁性下地層と、
前記第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層
とを備え、
前記第１磁性下地層が、前記層間絶縁層の上において面内磁気異方性を発現しないような膜厚で形成された
磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層の膜厚が、前記層間絶縁層の上において前記第１磁性下地層が強磁性を発現しないように調節された
磁気メモリ。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層は、ＮｉＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む
磁気メモリ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である
磁気メモリ。
【請求項５】
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、
層間絶縁層と、
前記磁化固定層と前記層間絶縁層の上面に形成された下地層と、
前記下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層
とを備え、
前記下地層は、
第１磁性下地層と、
前記第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層
とを備え、
前記第１磁性下地層は、ＮｉＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含み、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である
磁気メモリ。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、２ｎｍ未満である
磁気メモリ。
【請求項７】
請求項３乃至６のいずれかに記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層に含まれる前記少なくとも一の非磁性元素の添加量が１０ａｔ％以上２５ａｔ％以下である
磁気メモリ。
【請求項８】
請求項１に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層が、本質的には面内磁気異方性を示す磁性材料で形成される一方で、前記層間絶縁層の上において垂直磁気異方性を発現するような膜厚で形成された
磁気メモリ。
【請求項９】
請求項８に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層は、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含むアモルファス磁性体として形成された
磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気メモリであって、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である
磁気メモリ。
【請求項１１】
垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、
層間絶縁層と、
前記磁化固定層と前記層間絶縁層の上面に形成された下地層と、
前記下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層
とを備え、
前記下地層は、
第１磁性下地層と、
前記第１磁性下地層の上に形成された非磁性下地層
とを備え、
前記第１磁性下地層は、Ｃｏ又はＦｅを主成分として含み、且つ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ及びＶからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含み、
前記第１磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、３ｎｍ以下である
磁気メモリ。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気メモリであって、
更に、前記非磁性下地層と前記データ記憶層の間に設けられた第２磁性下地層を備え、
前記第２磁性下地層は、Ｐｔ又はＰｄからなる層とＦｅ、Ｃｏ又はＮｉのいずれかからなる層とからなる積層膜が、少なくとも１つ積層されて構成されている
磁気メモリ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層が、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ及びＩｒからなる群から選択された元素で構成された
磁気メモリ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層の膜厚が０．５ｎｍ以上、４．０ｎｍ未満である
磁気メモリ。
【請求項１５】
請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層は、膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＴａである
磁気メモリ。
【請求項１６】
強磁性体の下地層と、
前記下地層上に設けられた非磁性体の中間層と、
前記中間層上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層と、
非磁性層を介して前記データ記憶層に接続された参照層と、
前記下地層の下側に接して設けられた第１磁化固定層及び第２磁化固定層と
を具備し、
前記データ記憶層は、
反転可能な磁化を有し前記参照層とオーバーラップする磁化自由領域と、
前記磁化自由領域の第１境界に接続され、前記第１磁化固定層に磁化の向きが第１方向に固定された第１磁化固定領域と、
前記磁化自由領域の第２境界に接続され、前記第２磁化固定層に磁化の向きが前記第１方向と反平行な第２方向に固定された第２磁化固定領域と
を備え、
前記中間層は、膜厚０．１ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＴａである
磁気メモリ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層は、アモルファス又は微結晶構造である
磁気メモリ。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層は、
Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの少なくとも一つを主成分として含み、
Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ，Ｗ、Ｂ、Ｎからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む
磁気メモリ。
【請求項１９】
請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記データ記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択された少なくとも一つの材料を含む第１層と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択された少なくとも一つの材料を含み前記第１層と異なる第２層とを積層させた積層膜をｎ層（ｎは自然数）重ねた積層体である
磁気メモリ。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１３Ｄ】
【図１３Ｅ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１３Ｄ】
【図１３Ｅ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１５Ｃ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１２−１７８５４１（Ｐ２０１２−１７８５４１Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７５４４（Ｐ２０１１−２３７５４４）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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