JP2013048210A - 磁気抵抗素子 - Google Patents

Abstract

【課題】書き込み電流の低減を図る。
【解決手段】実施形態による磁気抵抗素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層１３と、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層１５と、記録層及び参照層間に設けられた中間層１４と、記録層の中間層が設けられた面と反対面に設けられ、ＡｌＴｉＮを含有する下地層１２と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気抵抗素子に関する。

垂直磁化膜を記録層に用いたスピン注入ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）は、書き込み電流の低減及び大容量化の点において優れている。原子稠密面を有するコバルト（Ｃｏ）と白金（Ｐｔ）との積層膜は、結晶磁気異方性が１０^７ｅｒｇ／ｃｍ^２と大きく、また低抵抗で高い磁気抵抗比（ＭＲ比）を実現することが可能である。このため、この積層膜は、大容量ＭＲＡＭを実用化する技術として注目されている。

一方、結晶整合性の観点から、ＣｏＰｔ合金の下地として、ルテニウム（Ｒｕ）が用いられている。しかし、Ｒｕ下地は、記録層のダンピング定数（摩擦定数、減衰定数）を上昇させる。このため、書き込み電流が大きくなることが問題となっている。垂直磁化膜を用いたスピン注入ＭＲＡＭにおいて、書き込み電流は、ダンピング定数に比例、スピン分極率に反比例、面積の２乗に比例して大きくなる。このため、ダンピング定数の低減、スピン分極率の上昇、面積の低減は、書き込み電流の低減に必要な技術である。

特開2010−232499号公報 特開2009−81314号公報

2010 The Japan Society of Applied Physics Express 3 (2010) 053003

書き込み電流の低減を図ることが可能な磁気抵抗素子を提供する。

実施形態による磁気抵抗素子は、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、前記記録層及び前記参照層間に設けられた中間層と、前記記録層の前記中間層が設けられた面と反対面に設けられ、ＡｌＴｉＮを含有する下地層と、を具備する。

第１の実施形態に係るＭＴＪ素子を示す断面図。 第１の実施形態に係る、種々の材料の下地層を用いた場合の熱擾乱耐性Δに対するダンピング定数αの大きさを示す図。 第１の実施形態に係る下地層のＡｌ_{（１００−Ｘ）}Ｔｉ_ＸＮのＴｉ組成（Ｘ）に対するＭＲ比（磁気抵抗効果比）を示す図。 第１の実施形態に係る下地層のＡｌとＴｉの濃度を変化させた場合のＭＴＪ素子の磁気特性（Ｍ−Ｈ曲線）を示す図。 第１の実施形態に係る下地層のＡｌ_{（１００−Ｘ）}Ｔｉ_ＸＮのＴｉ組成（Ｘ）に対するＲＡ（抵抗）を示す図。 第１の実施形態に係る、Ｔｉ濃度が０％（Ａｌ_５０Ｎ_５０）の場合とＴｉ濃度が２０％（（Ａｌ_８０Ｔｉ_２０）_５０Ｎ_５０）の場合における下地層の膜厚に対するＲＡ（抵抗）を示す図。 第１の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例を示す断面図。 第２の実施形態に係るＭＴＪ素子を示す断面図。 第２の実施形態に係るＴａからなる下部電極を用い、下地層のＡｌとＴｉの濃度を変化させた場合のＭＴＪ素子の磁気特性（Ｍ−Ｈ曲線）を示す図。 第２の実施形態に係る下地層のＡｌとＴｉの濃度を変化させた場合の記録層の飽和磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）、記録層の保磁力Ｈｃ（Ｏｅ）及び磁気異方性磁界Ｈｋ（Ｏｅ）を示す図。 第２の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例を示す断面図。 第３の実施形態に係るＭＴＪ素子を示す断面図。 第３の実施形態に係る、Ｔａ、Ｈｆ、ＷのＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、メタル化合物からなる下地層を用いて、記録層の垂直磁気異方性エネルギーＫｕ−ｅｆｆ（ｅｒｇ／ｃｃ）を評価した図。 第３の実施形態に係る、各種下地層を用いた記録層のダンピング定数を示す図。 第３の実施形態に係る、Ｔａ下地を用いた場合とＡｌＴｉＮ下地を用いた場合の磁化反転電流を比較した図。 第３の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例を示す断面図。 第４の実施形態に係るＭＴＪ素子を示す断面図。 第４の実施形態に係る３層構造の記録層において、磁性層としてＦｅＢ、ＣｏＢを用い、非磁性層としてＮｂ、Ｔａを用いた場合のＭＴＪ素子の磁気特性（Ｍ−Ｈ曲線）を示す図。 第４の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例を示す断面図。 第５の実施形態に係るＭＴＪ素子を示す断面図。 第５の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例を示す断面図。 第５の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例を示す断面図。 第５の実施形態に係るＭＴＪ素子の変形例を示す断面図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。但し、図面は、模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための磁気抵抗素子を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。尚、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［１］第１の実施形態
［１−１］ＭＴＪ素子１０の構成
図１を用いて、第１の実施形態に係る磁気抵抗素子であるＭＴＪ素子１０の構成について説明する。

ＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、下地層１２、記録層１３、中間層１４、参照層１５及び上部電極１６が積層されて構成されている。

記録層１３及び参照層１５は、それぞれ、強磁性材料からなり、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有する。記録層１３及び参照層１５の容易磁化方向は、膜面に対して垂直である。すなわち、ＭＴＪ素子１０は、記録層１３及び参照層１５の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化ＭＴＪ素子である。尚、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと、最も内部エネルギーが低くなる方向である。一方、困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと、最も内部エネルギーが大きくなる方向である。

記録層１３は、磁化（又はスピン）方向が可変である（反転する）。参照層１５は、磁化方向が不変である（固着している）。参照層１５は、記録層１３よりも十分大きな垂直磁気異方性エネルギーを持つように設定される。磁気異方性エネルギーの設定は、材料構成や膜厚を調整することで可能である。このようにして、記録層１３の磁化反転電流を小さくし、参照層１５の磁化反転電流を記録層１３の磁化反転電流よりも大きくする。これにより、所定の書き込み電流に対して、磁化方向が可変の記録層１３と磁化方向が不変の参照層１５とを備えたＭＴＪ素子１０を実現できる。

中間層１４は、非磁性材料からなり、非磁性金属、非磁性半導体、絶縁体等を用いることができる。中間層１４として絶縁体を用いた場合は、トンネルバリア層と呼ばれ、中間層１４として金属を用いた場合は、スペーサ層と呼ばれる。

下地層１２は、記録層１３の磁気異方性を向上させる機能を有する。記録層１３は、記録層１３に接する材料により、ダンピング定数（摩擦定数、減衰定数）が増加する場合がある。これは、スピンポンピング効果として知られている。下地層１２は、このスピンポンピング効果を低減することで、記録層１３のダンピング定数を低減する機能を有する。

下地層１２は、窒素化合物からなり、例えばＡｌＴｉＮからなる。ＡｌＴｉＮからなる下地層１２は、例えば、窒素（Ｎ_２）とアルゴン（Ａｒ）とを含む混合ガスを用いて、アルミニウム（Ａｌ）とチタン（Ｔｉ）をスパッタリングして成膜する。又は、窒素（Ｎ_２）とアルゴン（Ａｒ）とを含む混合ガスを用いて、アルミニウムチタン合金をスパッタリングしてもよい。又は、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いて、窒化アルミニウムチタンをスパッタリングして成膜することも可能である。下地層１２の構成については、以下に詳説する。

以下に、ＭＴＪ素子１０の構成例について説明する。以下の説明において、元素に付記した括弧内の数値は、膜厚を示し、膜厚の単位は、Åである。“／”は、“／”の左に記載した元素が右に記載した元素の上に積層されていることを示す。

下部電極１１は、Ｔａ（２００）／Ｃｕ（４００）／Ｔｉ（１００）から構成される。下地層１２は、ＡｌＴｉＮ（１０）から構成される。記録層１３は、ＦｅＢ（１４）から構成される。中間層（トンネルバリア層）１４は、ＭｇＯ（１０）から構成される。参照層１５は、ＴｂＣｏＦｅ（１２０）／ＣｏＦｅＢ（４）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅＢ（１５）から構成される。上部電極１６は、Ｒｕ（２００）／Ｔａ（５０）から構成される。

尚、記録層１３は、ＦｅＢの代わりに、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢから構成されてもよい。この場合、Ｆｅの濃度をＣｏの濃度よりも高くすることが望ましい。さらに、記録層１３は、Ｆｅから構成されてもよい。このような記録層１３は、Ｆｅの濃度がＣｏの濃度より高いＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又はＦｅからなる場合であっても、これらの材料中に他の元素を含有してもよく、これらの材料を主成分として含有していればよい。このような材料を用いることで、記録層１３の垂直磁気異方性を向上させることができる。

［１−２］窒素化合物からなる下地層１２
従来、高い垂直磁気異方性を有し、０．０１を下回るダンピング定数αを得る技術は、垂直磁化膜を記録層１３に用いる上で最も大きな課題の一つとされ、世界中で開発が進められているが、この技術の実現は、困難であると考えられてきた。書込み電流は、ダンピング定数αに比例するため、ダンピング定数αを低減できれば、書込み電流を低減することが可能になる。

しかし、本発明者らは、この課題を解決することが可能な構成を見出した。すなわち、記録層１３の下地層１２として、ＡｌＴｉＮやＡｌＮ等の窒素化合物を用いることで、高い熱擾乱耐性Δを保ちつつ、ダンピング定数αを下げることが可能であることを見出した。この点について、以下に詳説する。

図２は、種々の材料の下地層１２を用いた場合の熱擾乱耐性Δに対するダンピング定数αの大きさを示す。尚、ここでは、サイズφが４０ｎｍの記録層１３を用い、下地層１２の材料として、ＡｌＴｉＮ、ＡｌＮ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｚｒを用いる。

図２から分かるように、下地層１２の材料として、ＡｌＴｉＮやＡｌＮを用いることで、ダンピング定数αを０．００８以下にすることが可能になる。つまり、下地層１２の材料をメタルから窒化物（ＡｌＴｉＮ、ＡｌＮ）に変えることで、ダンピング定数αの大きさを低減しつつ、高い熱擾乱耐性Δが保持できている。

また、窒素化合物は、熱による耐拡散性が強いため、下地層１２と記録層１３との拡散を抑制でき、ＭＴＪ素子１０の磁気特性のばらつきを抑制することも可能となる。

以上の点から、下地層１２の材料として、窒素化合物を用いることの有効性が理解できる。尚、下地層１２として有効な窒素化合物としては、ＡｌＴｉＮ、ＡｌＮ以外に、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＨｆＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＳｉＮ等も考えられる。しかし、ＡｌＴｉＮは、３ｄ電子の数が少なくかつ絶縁性を有し自由電子が少ないため、記録層１３に対してスピン軌道相互作用が小さく、記録層１３中に注入されたスピン情報が下地層１２中で消失し難い。以上の理由から、窒素化合物の中でもＡｌＴｉＮ（ＡｌＮ）を、下地層１２として用いることにした。

［１−３］下地層１２のＡｌに対するＴｉ濃度
本実施形態では、下地層１２として、ＡｌＴｉＮ（ＡｌＮ）を用いるが、ここでは、Ａｌに対するＴｉ濃度（ＡｌＴｉの組成）を変化させ、これに伴うＭＴＪ素子１０の種々の特性変化について説明する。尚、本明細書において、［Ａｌ_{（１００−Ｘ）}Ｔｉ_Ｘ］Ｎと記載することがあるが、例えば、Ａｌ_８０Ｔｉ_２０Ｎは、ＡｌとＴｉの元素数比が８０：２０であり、ＡｌＴｉと窒素の元素数比が１：１であることを意味する。

図３は、下地層１２のＡｌ_{（１００−Ｘ）}Ｔｉ_ＸＮのＴｉ組成（Ｘ）に対するＭＲ比（磁気抵抗効果比）を示す。ここで、図３の横軸は、Ａｌに対するＴｉ濃度（Ｘ）（vol.％）を示し、図３の縦軸は、ＭＴＪ素子１０のＭＲ比（％）を示している。尚、ここでは、ＡｌとＴｉを合わせた組成に対して窒素を５０at.％含有した下地層１２を用いている。“vol.％”は、体積パーセント濃度を意味する。“at.％”は、原子パーセントを意味する。

図３に示すように、Ａｌに対するＴｉ濃度が０％から３０％まで増加すると、ＭＲ比は向上し、Ａｌに対するＴｉの濃度が３０％から１００％へとさらに増加すると、ＭＲ比は劣化する。但し、ＡｌＮにＴｉを添加した場合は、ＡｌＮ（Ｔｉ濃度が０％）よりも、ＭＲ比は向上することが分かる。

ここで、ＭＲＡＭデバイスの性能上、ＭＲ比は、少なくとも４５％以上あることが望まれる。この観点に基づいた場合、Ａｌに対するＴｉ濃度は、１０％以上５０％以下であることが望ましい。つまり、下地層１２がＡｌ_{（１００−Ｘ）}Ｔｉ_ＸＮである場合、１０≦Ｘ≦５０の関係を満たすことが望ましい。このように、Ａｌに対するＴｉ濃度がＭＲ比に影響を与える理由は、以下の通りである。ＡｌＮにおいて、Ａｌに対するＴｉ濃度が１０％より低い場合には、ＡｌＮの抵抗が上昇し、中間層１４に対してＡｌＮが直列抵抗として付加されるため、ＭＲ比が劣化する。一方、Ｔｉ濃度が５０％より高い場合には、記録層１３の磁気特性が劣化するため、ＭＲ比が劣化する。さらに、１０％以上５０％以下の範囲において、ＡｌＴｉＮがアモルファス構造をとるため、下地層１２が平坦になり、下地層１２上に堆積した記録層１３及び中間層１４が平坦になり、ＭＲ比が上昇する。

また、ＡｌＴｉＮからなる下地層１２中のＡｌＴｉとＮとの比率は、１：１であることが望ましい。ＡｌＴｉのＮに対する含有量が多くなると、ＡｌＴｉと記録層１３が拡散しやすくなり、記録層１３の垂直磁気異方性が劣化する。さらに、窒素とＡｌＴｉが１：１の組成で電子が閉殻状態となり、熱的に安定化する。このため、ＡｌＴｉとＮとの比率は、１：１の組成が望ましい。

尚、下地層１２は、Ａｌ、Ｔｉ及びＮ以外の元素を含んでいてもよく、ＡｌＴｉＮを主成分として含有していればよい。

［１−４］ＭＲ比の劣化に対する考察
上述するように、下地層１２のＴｉ濃度が５０％以上の場合や３０％未満の場合には、ＭＲ比が劣化することが分かる。ここでは、この劣化の原因について考察した結果について説明する。

まず、図４を用いて、下地層１２のＴｉ濃度が５０％以上の場合に生じるＭＲ比の劣化の原因について説明する。

図４は、下地層１２のＡｌとＴｉの濃度を変化させた場合のＭＴＪ素子１０の磁気特性（Ｍ−Ｈ曲線）を示す。ここで、図４の横軸は、膜面垂直方向の磁場（Ｏｅ）を示し、図４の縦軸は、記録層１３の膜面垂直方向の磁化（ｅｍｕ）を示している。尚、図４中の“Ｅ”は、１０を底とする指数関数を意味する。

図４に示すように、Ｔｉ濃度が５０％以上になると、磁気特性の横軸（磁場）がゼロの時、記録層１３の磁化の残留磁化比が１未満となっている。つまり、Ｔｉ濃度が５０％以上になると、記録層１３の垂直磁気異方性が劣化し、記録層１３の残留磁化比が１未満となり、記録層１３と参照層１５の磁化の方向を平行方向と反平行方向にすることが出来なくなったため、ＭＲ比が劣化したと考えられる。

次に、図５を用いて、下地層１２のＴｉ濃度が３０％未満の場合に生じるＭＲ比の劣化の原因について説明する。

図５は、下地層１２のＡｌ_{（１００−Ｘ）}Ｔｉ_ＸＮのＴｉ組成（Ｘ）に対するＲＡ（抵抗）を示す。図５の横軸は、Ａｌに対するＴｉの濃度（Ｘ）（vol.％）を示し、図５の縦軸は、ＭＴＪ素子１０の抵抗ＲＡ（Ωｕｍ^２）を示している。尚、ここでは、ＡｌとＴｉを合わせた組成に対して窒素を５０at.％含有した下地層１２を用いている。

図５に示すように、Ａｌに対するＴｉ濃度が３０％未満になると、下地層１２の抵抗ＲＡが増加し、ＭＴＪ素子１０の中間層１４の抵抗ＲＡに対して直列抵抗が高まるため、ＭＲ比が劣化すると考えられる。

［１−５］ＡｌＮにＴｉを添加することの有効性
本実施形態では、下地層１２として、ＡｌＮにＴｉを添加したＡｌＴｉＮを用いることが望ましい。理由は、以下の通りである。

まず、図３から分かるように、Ｔｉ濃度が０％の場合、すなわち、下地層１２がＡｌＮの場合は、Ｔｉが添加されている場合より、ＭＲ比が非常に低い。このため、ＭＲ比を高めるには、下地層１２として、ＡｌＮよりも、ＡｌＮにＴｉが添加されたＡｌＴｉＮを用いるのがよいと言える。

図６は、Ｔｉ濃度が０％（Ａｌ_５０Ｎ_５０）の場合とＴｉ濃度が２０％（（Ａｌ_８０Ｔｉ_２０）_５０Ｎ_５０）の場合における下地層１２の膜厚に対するＲＡ（抵抗）を示す。図６の横軸は、下地層１２の膜厚（Å）を示し、図６の縦軸は、下地層１２の抵抗ＲＡ（Ωｕｍ^２）を示している。

図６より、Ｔｉ濃度が０％の場合（Ａｌ_５０Ｎ_５０）に対して、Ｔｉ濃度が２０％の場合（（Ａｌ_８０Ｔｉ_２０）_５０Ｎ_５０）は、下地層１２の抵抗ＲＡを１桁程度低減することが可能になることが分かる。（Ａｌ_５０Ｎ_５０）を用いた場合には中間層１４であるＭｇＯのＲＡが１０Ωum^２で、下地層１２である（Ａｌ_５０Ｎ_５０）１ｎｍのＲＡが１０Ωuｍ^２以上であるため、中間層１４に対して下地層１２の抵抗が直列に付加されるためＭＲ比は半減以下となる。一方、Ａｌに対してＴｉを２０％添加した（（Ａｌ_８０Ｔｉ_２０）_５０Ｎ_５０）の場合においては（（Ａｌ_８０Ｔｉ_２０）_５０Ｎ_５０）１ｎｍのＲＡが１Ωuｍ^２となるため、中間層１４に対する下地層１２の抵抗が低減し、ＭＲ比の劣化を抑制することが可能になる。下地層１２に（Ａｌ_５０Ｎ_５０）を用いた場合においてＭＲがほぼ数％となるのは下地層１２の抵抗が中間層１４に対して直列に付加されたためと、下地層１２の絶縁化によるラフネス増が影響したものと考えられる。

［１−６］効果
上記第１の実施形態では、下地層１２として、スピンポンピング効果を低減できる窒素化合物（ＡｌＴｉＮ）を用いている。これにより、記録層１３のダンピング定数（摩擦定数）を低減できるため、ＭＴＪ素子１０の書き込み電流を低減することが可能となる。

また、第１の実施形態では、下地層１２として、熱による耐拡散性が強い窒素化合物（ＡｌＴｉＮ）を用いている。これにより、下地層１２と記録層１３との拡散を抑制でき、ＭＴＪ素子１０の磁気特性のばらつきを抑制することが可能となる。

また、ＡｌＴｉＮからなる下地層１２において、Ａｌに対するＴｉ濃度を１０％以上５０％以下にすることで、デバイス特性上、有効なＭＲ比を確保したＭＴＪ素子１０を実現できる。

［１−７］変形例
第１の実施形態は、図７（ａ）及び（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０の構成に変形することも可能である。

図７（ａ）に示すように、記録層１３と下地層１２との間に、薄い下地層１７を設けてもよい。下地層１７としては、例えば、膜厚１ｎｍ以下のイリジウム（Ｉｒ）が挙げられる。厚いＩｒ層は、記録層１３のダンピング定数を上昇させるため、Ｉｒ層の膜厚は１ｎｍ以下が望ましい。下地層１７の材料としては、イリジウム（Ｉｒ）の他に、パラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）等を用いることも可能である。但し、下地層１７は、記録層１３のダンピング定数を上昇させない程度の薄膜化が必要である。このような図７（ａ）の構成によれば、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上することができる。

図７（ｂ）に示すように、ＡｌＴｉＮ層は、記録層１３の下地層としてではなく、記録層１３のキャップ層２２として用いてもよい。つまり、ＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、参照層１５、中間層１４、記録層１３、キャップ層２２、上部電極１６が順に積層されて構成されている。キャップ層２２は、上述した下地層１２と同じ材料で構成される。図７（ｂ）のいわゆるボトムピン構造によれば、図１のいわゆるトップピン構造と同様に、書き込み電流の低減と、ＭＴＪ素子１０の垂直磁気異方性の向上及び書き込み電流ばらつきの低減の効果を得ることができる。

尚、図７（ｂ）の変形例において、図７（ａ）の構成と同様に、記録層１３とキャップ層２２との間に、下地層１７と同じ材料からなる磁性層を挿入してもよい。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上できる。

［２］第２の実施形態
第２の実施形態は、下地層１２に接する膜の材料をコントロールすることで、下地層１２としてＴｉＮを用いることを可能にした例である。

［２−１］ＭＴＪ素子１０の構成
図８を用いて、第２の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成について説明する。

第２の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、下地層１２としてＴｉＮを用い、下部電極１１としては、大気中に下部電極１１を放置すると下部電極１１の表面或いは全体が室温にて酸化物を形成する、酸化し易い材料を用いている点である。下地層１２を成膜する下部電極１１に酸化し易い材料を用いることで、下地層１２と下部電極１１の濡れ性が向上し、下部電極１１の平坦性が向上し、結果として均一な下地層１２が形成できる。

下部電極１１の酸化し易い材料としては、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂ及びＭｇの中から選択された１つの元素を含むことが望ましい。

ここで、ＴｉＮからなる下地層１２を用いた場合、酸化し易い材料からなる層は、下部電極１１であることに限定されない。つまり、酸化し易い材料からなる層は、下地層１２の記録層１３と反対側の面に直接接している層であればよい。例えば、下地層１２と下部電極１１との間に、酸化し易い材料からなる層を設けてもよい。

［２−２］ＴｉＮからなる下地層１２
図９は、Ｔａからなる下部電極１１を用い、下地層１２のＡｌとＴｉの濃度を変化させた場合のＭＴＪ素子１０の磁気特性（Ｍ−Ｈ曲線）を示す。ここで、図９の横軸に記載した-２００から２００は膜面垂直方向に印加した磁場（Ｏｅ）を示し、−５０００から５０００、−７０００から７０００は面内方向に印加した磁場（Ｏｅ）を示し、図９の縦軸は、記録層１３の膜面垂直及び面内方向の磁化（ｅｍｕ）を示している。実線が膜面直方向に磁場を印加した場合の磁気特性を示し、点線が膜面内方向に磁場を印加した場合の磁気特性を示している。

図９に示すように、下地層１２がＴｉＮの場合も、磁気特性の横軸（磁場）がゼロの時、膜面垂直方向の磁化が減少していない。飽和磁化と残留磁化の比である残留磁化比がほぼ１となっている。つまり、下地層１２がＴｉＮであっても、Ｔａからなる下部電極１１を用いることで、垂直磁気特性を保持することが可能になり、結果としてＡｌＮにＴｉを５０％以上添加してもＭＲ比の劣化が抑制できている。

図１０（ａ）乃至（ｃ）は、下地層１２のＡｌに対するＴｉの濃度を変化させた場合の記録層１３の飽和磁化Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ）、記録層１３の保磁力Ｈｃ（Ｏｅ）及び磁気異方性磁界Ｈｋ（Ｏｅ）を示す。

図１０（ａ）乃至（ｃ）に示すように、Ｔｉの濃度を高くすると、飽和磁化Ｍｓはほぼ一定で、記録層１３の保磁力Ｈｃは減少し、磁気異方性磁界Ｈｋは増加していることが分かる。これは、スピン同士の交換結合が弱くなっている、又は、粒子間の交換結合が弱くなっているためと考えられる。

［２−３］効果
上記第２の実施形態では、下地層１２として、スピンポンピング効果を低減できる窒素化合物（ＴｉＮ）を用いている。これにより、記録層１３のダンピング定数（摩擦定数）を低減できるため、ＭＴＪ素子１０の書き込み電流を低減することが可能となる。

また、第２の実施形態では、下地層１２として、熱による耐拡散性が強い窒素化合物（ＴｉＮ）を用いている。これにより、下地層１２と記録層１３との拡散を抑制でき、ＭＴＪ素子１０の磁気特性のばらつきを抑制することが可能となる。

また、下地層１２と接する下部電極１１として、Ｔａ等の酸化し易い材料を用いている。これにより、下地層１２と記録層１３のラフネスを小さくすることが可能になり、垂直磁気特性の劣化を抑制でき、有効なＭＲ比を確保することができる。

［２−４］変形例
第２の実施形態は、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０の構成に変形することも可能である。

図１１（ａ）に示すように、記録層１３と下地層１２との間に、薄い下地層１７を設けてもよい。下地層１７としては、例えば、膜厚１ｎｍ以下のイリジウム（Ｉｒ）が挙げられる。厚いＩｒ層は、記録層１３のダンピング定数を上昇させるため、Ｉｒ層の膜厚は１ｎｍ以下が望ましい。下地層１７の材料としては、イリジウム（Ｉｒ）の他に、パラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）等を用いることも可能である。但し、下地層１７は、記録層１３のダンピング定数を上昇させない程度の薄膜化が必要である。このような図１１（ａ）の構成によれば、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上することができる。

図１１（ｂ）に示すように、ＴｉＮ層は、記録層１３の下地層としてではなく、記録層１３のキャップ層２２として用いてもよい。つまり、ＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、参照層１５、中間層１４、記録層１３、キャップ層２２、上部電極１６が順に積層されて構成されている。キャップ層２２は、上述した下地層１２と同じ材料で構成される。また、キャップ層２２に直接接している上部電極１６は、上述した酸化し易い材料で構成される。図１１（ｂ）のいわゆるボトムピン構造によれば、図８のいわゆるトップピン構造と同様に、書き込み電流の低減と、ＭＴＪ素子１０の垂直磁気異方性の向上及び書き込み電流ばらつきの低減の効果を得ることができる。

尚、図１１（ｂ）の変形例において、図１１（ａ）の構成と同様に、記録層１３とキャップ層２２との間に、下地層１７と同じ材料からなる磁性層を挿入してもよい。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上できる。

また、本実施形態による材料で構成された下部電極１１を、第１の実施形態に適用することも可能である。

［３］第３の実施形態
第３の実施形態では、下地層１２としてホウ化物を用いた例である。

［３−１］ＭＴＪ素子１０の構成
図１２を用いて、第３の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成について説明する。

第３の実施形態において、第１の実施形態と異なる点は、下地層１２の材料としてホウ化物を用いている点である。具体的には、下地層１２は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｇｅ及びＧａの中から選択された１つの元素を含むホウ化物で形成されている。

［３−２］ホウ化物からなる下地層１２
本実施形態の下地層１２の材料であるＡｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｇｅ及びＧａの中から選択された１つの元素を含むホウ化物は、ｄ電子が少ない遷移金属Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、或いは非遷移金属Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｇａで形成される。このため、ダンピング定数が低減でき、さらに前記材料をホウ化物化することで自由電子を少なくし、記録層１３と下地層１２との間で生じるスピン軌道相互作用を低減できる。結果として、ダンピング定数の低減に有効となる。

図１３は、Ｔａ、Ｈｆのホウ化物（ＴａＢ_２、ＨｆＢ_２）（図中「Ｂ」と記載）、炭化物（ＴａＣ、ＨｆＣ）（図中「Ｃ」と記載）、窒化物（ＴａＮ、ＨｆＮ）（図中「Ｎ」と記載）、酸化物（ＴａＯ、ＨｆＯ）（図中「Ｏ」と記載）、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗのメタル（Ｔａ、Ｈｆ、Ｗの単体金属）（図中「metal」と記載）からなる下地層１２を用いて、記録層１３の垂直磁気異方性エネルギーＫｕ−ｅｆｆ（ｅｒｇ／ｃｃ）を評価したものである。図１３から分かるように、Ｂ化合物（ＴａＢ、ＨｆＢ）からなる下地層１２を用いることで、記録層１３の高い垂直磁気異方性を得ることができている。

図１３Ａは、ＨｆとＡｌＴｉに対して酸化、ホウ化、窒化、及び窒化とホウ化の両方用いて化合物化させた場合の各種下地層１２を用いた記録層１３のダンピング定数を示す。

metal下地で比較すると、ＨｆよりＡｌＴｉの方がダンピング定数αは小さい。これは、下地材料として軽元素を用いたこと、及び、Ｈｆが有する５ｄ電子をＴｉの３ｄ電子に替えることで下地と記録層のスピン軌道相互作用が低減したこと、が要因であると考えられる。つまり、窒素やホウ素と混合させるmetal材は、３ｄ遷移金属や、非遷移金属であることが望ましい。

一方、５ｄ遷移金属を用いても、ホウ化物や窒化物を用いれば、ダンピング定数の低減が可能になる。酸化物やメタルは、ダンピング定数が高いが、ホウ化物、窒化物及びホウ化窒素化物を用いると、ダンピング定数αが０．０１以下となり、十分なダンピング定数の低減が可能となる。metalの場合において、ダンピング定数αが０．０１以上と大きな値となるのは、下地と記録層の拡散、Ｈｆが有するスピンポンピング効果と考えられる。一方、窒化、ホウ化すると、Ｈｆが有するスピンが消失し、記録層と下地層との間のスピン軌道相互作用が低減する。結果として、スピンポンピング効果が低減し、ダンピング定数の低減が可能となる。

さらに、ホウ化物は、図１３より高い垂直磁気異方性を有するため、低ダンピング定数と高い記録保持耐性を有する記録層の製造が可能となる。

表１は、ＨｆＢを下地に用いた場合とＡｌＴｉＮを下地に用いた場合の各種特性を示す。

ＨｆＢ下地を用いることで、高いＭＲ比を得ることが可能になる。これは、記録層にＢ系材料を用いているため、下地材料に同種の元素を混入させると、下地層と記録層間の界面エネルギーが低減し、記録層が平坦に製造できるようになる。結果として、トンネル障壁層が平坦に形成でき、高いＭＲ比を得ることが可能になったと考えられる。

図１３Ｂは、Ｔａ下地を用いた場合とＡｌＴｉＮ下地を用いた場合の磁化反転電流を比較した図である。

ＭＲは、同程度の膜で比較しているため、磁化反転電流の差は、ダンピング定数の差が大きいと考えられる。Ｔａ下地に比べＡｌＴｉＮ下地を用いることで、磁化反転電流は、半減以下になっていることが分かる。Ｔａ下地の場合は、記録層と下地層が拡散による記録層のダンピング定数増加の影響と、下地層自体のスピンポンピング効果の影響で、ダンピング定数が上昇し、結果として書込み電流が上昇する。ＡｌＴｉＮ下地は、上記拡散と、スピンポンピング効果を抑制できるので、結果として、ダンピング定数が低減され、書込み電流が低下する。つまり、metal下地より窒化物下地を用いた方が、metal下地に比べ、同程度のＭＲを得ることが可能で、さらに磁化反転電流の低減及び書込み電流の低減が可能となる。また、ホウ化物下地は、Ｔａ等のmetal下地に比べ、ダンピング定数は小さくでき、かつ高いＭＲ比を得ることが可能になる。

以上の点から、ホウ化物からなる下地層１２は、ダンピング定数を低減しつつ、記録層１３の垂直磁気異方性を向上させることができると言える。

［３−３］効果
上記第３の実施形態では、下地層１２としてホウ化物を用いている。これにより、ダンピング定数を低減することで、書き込み電流の低減を図ることができる。さらに、記録層１３の垂直磁気異方性も高めることができる。

［３−４］変形例
第３の実施形態は、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０の構成に変形することも可能である。

図１４（ａ）に示すように、記録層１３と下地層１２との間に、薄い下地層１７を設けてもよい。下地層１７としては、例えば、膜厚１ｎｍ以下のイリジウム（Ｉｒ）が挙げられる。厚いＩｒ層は、記録層１３のダンピング定数を上昇させるため、Ｉｒ層の膜厚は１ｎｍ以下が望ましい。下地層１７の材料としては、イリジウム（Ｉｒ）の他に、パラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）等を用いることも可能である。但し、下地層１７は、記録層１３のダンピング定数を上昇させない程度の薄膜化が必要である。このような図１４（ａ）の構成によれば、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上することができる。

図１４（ｂ）に示すように、ホウ化物層は、記録層１３の下地層としてではなく、記録層１３のキャップ層２２として用いてもよい。つまり、ＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、参照層１５、中間層１４、記録層１３、キャップ層２２、上部電極１６が順に積層されて構成されている。キャップ層２２は、上述した下地層１２と同じ材料で構成される。図１４（ｂ）のいわゆるボトムピン構造によれば、図１２のいわゆるトップピン構造と同様に、書き込み電流の低減と、ＭＴＪ素子１０の垂直磁気異方性を向上することができる。

尚、図１４（ｂ）の変形例において、図１４（ａ）の構成と同様に、記録層１３とキャップ層２２との間に、下地層１７と同じ材料からなる磁性層を挿入してもよい。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上できる。

［４］第４の実施形態
第４の実施形態では、記録層１３を所定の材料を用いた積層構造にすることで、記録層１３の垂直磁気異方性を向上させた例である。

［４−１］ＭＴＪ素子１０の構成
図１５は、第４の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成例を示す断面図である。

図１５に示すように、記録層１３は、下地層１２側の磁性層１３Ａと、中間層１４側の磁性層１３Ｃと、磁性層１３Ａ及び磁性層１３Ｃ間に設けられた非磁性層１３Ｂと、を有する積層構造である。

ここで、磁性層１３Ａは、Ｃｏの濃度がＦｅの濃度より高いＣｏＦｅが望ましい。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性を向上させることができる。ここで、ＣｏＦｅからなる磁性層１３ＡにおけるＣｏの濃度は、Ｃｏ＞５０at.％が好ましく、Ｃｏ≧９０at.％がより好ましい。Ｃｏの濃度が５０at.％より多ければ、７０％以上のＭＲ比が得られ、Ｃｏの濃度が９０at.％以上であれば、１００％以上のＭＲ比が得られるからである。また、磁性層１３Ａは、Ｃｏの濃度がＦｅの濃度より高いＣｏＦｅＢ、Ｃｏ、ＣｏＢ又はＦｅＢでもよい。

磁性層１３Ｃは、Ｆｅの濃度がＣｏの濃度より高いＣｏＦｅＢが望ましい。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性を向上させることができる。これは、鉄（Ｆｅ）の結晶構造がｂｃｃ（body-centered cubic）構造であるのに対して、コバルト（Ｃｏ）の結晶構造はｈｃｐ（hexagonal close-packed）構造であるので、コバルト（Ｃｏ）より鉄（Ｆｅ）の方が、中間層（ＭｇＯ）１４に対する結晶整合性が良いことに起因する。また、磁性層１３Ｃは、ＦｅＢでもよい。

上記のような観点から、記録層１３の下地層１２側の磁性層１３Ａは、ＣｏＦｅをＣｏが多い組成に、或いは、ＣｏＢ、ＦｅＢに調整し、記録層１３の中間層１４側の磁性層１３Ｃは、ＣｏＦｅＢをＦｅが多い組成に調整することで、高いＭＲ比を有するＭＴＪ素子１０を形成することができる。或いは、磁性層１３Ａ及び磁性層１３ＣがＣｏＦｅを主成分とする磁性層の場合、磁性層１３ＣのＦｅの濃度を磁性層１３ＡのＦｅの濃度より高くすることで、記録層１３の垂直磁気異方性を向上させることができる。

非磁性層１３Ｂは、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された１つの元素を含む材料を用いてもよい。この非磁性層１３Ｂの材料は、単層構造の記録層１３（図１等）や積層構造の記録層１３の磁性層１３Ａ及び１３Ｃ（図１５等）に対して、添加材として用いてもよい。このような非磁性層１３Ｂは、記録層１３の飽和磁化Ｍｓを低減させ、隣接ビット間の漏れ磁場干渉を抑制したり、反磁界を低減させ、熱擾乱耐性を向上させたりすることが可能になる。

磁性層１３Ｃ／非磁性層１３Ｂ／磁性層１３Ａの具体例としては、ＣｏＦｅＢ（８）／Ｔａ（３）／ＣｏＦｅ（５）、ＦｅＢ／Ｔａ／ＦｅＢ、ＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＢ、ＦｅＢ／Ｎｂ／ＦｅＢ、ＦｅＢ／Ｎｂ／ＣｏＢ、ＦｅＢ／Ｔａ／Ｃｏ、ＦｅＢ／Ｔａ／Ｃｏ等が挙げられる。

尚、磁性層１３Ａ及び磁性層１３Ｃ間に挟む非磁性層１３Ｂの膜厚を増加させると、磁性層１３Ａ及び磁性層１３Ｃ内でのスピン散乱が増加し、書き込み電流の増加を引き起こす。このため、非磁性層１３Ｂの膜厚は、１ｎｍ以下が好ましい。

また、記録層１３は、図１５の非磁性層１３Ｂを無くし、磁性層１３Ａ及び磁性層１３Ｃの２層で構成してもよい。例えば、磁性層１３Ａは、ＣｏＦｅ又はＣｏからなり、磁性層１３Ｃは、ＣｏＦｅＢ又はＦｅＢからなる。非磁性層１３Ｂは、磁性層の垂直磁気異方性を増加させることができ、かつＭＲ比を増加させることができるが、逆にダンピング定数の増加を引き起こす場合がある。非磁性層１３Ｂを無くすことで、磁性層のダンピング定数を小さくし、書き込み電流の低減を図ることが可能である。尚、非磁性層１３Ｂを除いたことで生じる記録層１３の垂直磁気異方性の劣化は、記録層１３を構成する磁性層１３Ａ及び磁性層１３Ｃの組成を調整することで防ぐことが可能である。さらに、記録層１３の垂直磁気特性及びＭＲ比は、中間層１４側の磁性層１３ＣのＦｅの濃度を下地層１２側の磁性層１３ＡのＦｅの濃度より多くすることで、向上させることが可能である。例えば、記録層１３として、磁性層１３ＣのＦｅの濃度が磁性層１３ＡのＦｅの濃度より高いＣｏＦｅＢ（８）／ＣｏＦｅ（５）を用いたり、ＦｅＢ（８）／ＣｏＦｅ（５）、ＦｅＣｏＢ（８）／Ｃｏ（５）、又はＦｅＢ（８）／Ｃｏ（５）を用いたりすることで、記録層１３の垂直磁気特性及びＭＲ比を向上させることが可能である。

尚、上述する磁性層１３Ａ、非磁性層１３Ｂ及び磁性層１３Ｃの材料は、上記の材料中にこの材料以外の元素を含有してもよく、上記の材料を主成分として含有していればよい。

このような第４の実施形態における下地層１２の材料としては、上記第１乃至第３の実施形態の下地層１２と同様の材料を用いることができる。

［４−２］積層構造の記録層１３
図１６は、３層構造の記録層１３において、磁性層１３ＡとしてＦｅＢ、ＣｏＢを用い、非磁性層１３ＢとしてＮｂ、Ｔａを用いた場合のＭＴＪ素子１０の磁気特性（Ｍ−Ｈ曲線）を示す。図１６の横軸に記載した−２００から２００は膜面垂直方向に印加した磁場（Ｏｅ）を示し、−７０００から７０００とは面内方向に印加した磁場（Ｏｅ）を示し、図１６の縦軸は、記録層１３の膜面垂直及び面内方向の磁化（ｅｍｕ）を示している。実線が膜面直方向に磁場を印加した場合の磁気特性を示し、点線が膜面内方向に磁場を印加した場合の磁気特性を示している。ここで、下地層１２は、ＡｌＴｉＮからなり、磁性層１３Ｃは、ＣｏＦｅＢからなり、中間層１４は、ＭｇＯからなる。

図１６に示すように、下地層１２としてＡｌＴｉＮを用いた場合、記録層１３の磁性層１３Ｃ／非磁性層１３Ｂ／磁性層１３Ａを、（ａ）ＣｏＦｅＢ／Ｎｂ／ＦｅＢ、（ｂ）ＣｏＦｅＢ／Ｎｂ／ＣｏＢ、（ｃ）ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＦｅＢ、（ｄ）ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／ＣｏＢと積層構造にすることで、いずれも高いＨｋ（７ｋ）を得ることができる。

［４−３］効果
上記第４の実施形態によれば、第１乃至第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第４の実施形態では、下地層１２上に設けられる記録層１３を、上述した積層構造で構成する。これにより、ＭＴＪ素子１０のＭＲ比を向上させることができるとともに、記録層１３の垂直磁気特性を向上させることができる。

［４−４］変形例
第４の実施形態は、図１７（ａ）及び（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０の構成に変形することも可能である。

図１７（ａ）に示すように、記録層１３と下地層１２との間に、薄い下地層１７を設けてもよい。下地層１７としては、例えば、膜厚１ｎｍ以下のイリジウム（Ｉｒ）が挙げられる。厚いＩｒ層は、記録層１３のダンピング定数を上昇させるため、Ｉｒ層の膜厚は１ｎｍ以下が望ましい。下地層１７の材料としては、イリジウム（Ｉｒ）の他に、パラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）等を用いることも可能である。但し、下地層１７は、記録層１３のダンピング定数を上昇させない程度の薄膜化が必要である。このような図１７（ａ）の構成によれば、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上することができる。

図１７（ｂ）に示すように、ＡｌＴｉＮ層、ＴｉＮ層又はホウ化物層は、記録層１３の下地層としてではなく、記録層１３のキャップ層２２として用いてもよい。つまり、ＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、参照層１５、中間層１４、記録層１３、キャップ層２２、上部電極１６が順に積層されて構成されている。キャップ層２２は、上述した下地層１２と同じ材料で構成される。図１７（ｂ）のいわゆるボトムピン構造によれば、図１５のいわゆるトップピン構造と同様に、書き込み電流の低減と、ＭＴＪ素子１０の垂直磁気異方性の向上及び書き込み電流ばらつきの低減の効果を得ることができる。

尚、図１７（ｂ）の変形例において、図１７（ａ）の構成と同様に、記録層１３とキャップ層２２との間に、下地層１７と同じ材料からなる磁性層を挿入してもよい。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上できる。

［５］第５の実施形態
第５の実施形態は、参照層１５から漏れる磁場を低減する機能を有するバイアス層３１を新たに追加し、この漏れ磁場に起因する記録層１３のスイッチング磁場のシフトを防ぐ。

［５−１］ＭＴＪ素子１０の構成
図１８を用いて、第５の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構成について説明する。

第５の実施形態のＭＴＪ素子１０は、図１の構成に、バイアス層３１及び非磁性層３２が新たに追加されている。

バイアス層３１は、参照層１５から漏れる磁場の影響で記録層１３のスイッチング磁場がシフトし、参照層１５と記録層１３との磁化配列が平行状態と反平行状態との間で熱安定性が変化するのを防ぐために設けられている。バイアス層３１は、参照層１５と同じ垂直磁化材料を用いることが可能である。

非磁性層３２は、バイアス層３１及び参照層１５の磁化方向が反平行となる反強磁性結合させることが望ましい。また、非磁性層３２は、バイアス層３１と参照層１５とが熱工程によって混ざらない耐熱性、及びバイアス層３１を形成する際の結晶配向を制御する機能を有している。非磁性層３２としては、ルテニウム（Ｒｕ）、銀（Ａｇ）、又は銅（Ｃｕ）からなる非磁性金属を用いることができる。

また、バイアス層３１と非磁性層３２との間、及び参照層１５と非磁性層３２との間にそれぞれ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＢ、又はＦｅＢ等からなる磁性層を挟むようにしてもよい。これにより、非磁性層３２を介したバイアス層３１及び参照層１５の反強磁性結合を強化することが可能となる。

尚、第５の実施形態では、下地層１２の材料としては、上記第１乃至第３の実施形態の下地層１２と同様の材料を用いることができる。また、記録層１３は、第４の実施形態と同様の構成にすることも可能である。

［５−２］効果
上記第５の実施形態によれば、第１乃至第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第５の実施形態では、バイアス層３１によって参照層１５から漏れる磁場を低減することができる。これにより、この漏れ磁場に起因する記録層１３のスイッチング磁場がシフトするのを低減できる。この結果、ＭＴＪ素子１０間での記録層１３の反転磁界のばらつきを低減することが可能となる。また、バイアス層３１を設けることで、参照層１５の磁化を一方向に強固に固定することができる。

［５−３］変形例
第５の実施形態は、図１９から図２１（ａ）及び（ｂ）に示すＭＴＪ素子１０の構成に変形することも可能である。

図１９に示すように、バイアス層３１は、下部電極１１と下地層１２との間に設けてもよい。この場合、バイアス層３１の磁化の方向を参照層１５に対して逆向きに設置することによって、参照層１５から漏れる磁場を低減することができる。

図２０（ａ）及び（ｂ）に示すように、記録層１３と下地層１２との間に、薄い下地層１７を設けてもよい。下地層１７としては、例えば、膜厚１ｎｍ以下のイリジウム（Ｉｒ）が挙げられる。厚いＩｒ層は、記録層１３のダンピング定数を上昇させるため、Ｉｒ層の膜厚は１ｎｍ以下が望ましい。下地層１７の材料としては、イリジウム（Ｉｒ）の他に、パラジウム（Ｐｄ）及び白金（Ｐｔ）等を用いることも可能である。但し、下地層１７は、記録層１３のダンピング定数を上昇させない程度の薄膜化が必要である。このような図２０（ａ）及び（ｂ）の構成によれば、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上することができる。

図２１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＡｌＴｉＮ層、ＴｉＮ層又はホウ化物層は、記録層１３の下地層としてではなく、記録層１３のキャップ層２２として用いてもよい。つまり、図２１（ａ）のＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、バイアス層３１、非磁性層３２、参照層１５、中間層１４、記録層１３、キャップ層２２、上部電極１６が順に積層されて構成されている。図２１（ｂ）のＭＴＪ素子１０は、下から順に、下部電極１１、参照層１５、中間層１４、記録層１３、キャップ層２２、バイアス層３１、上部電極１６が順に積層されて構成されている。キャップ層２２は、上述した下地層１２と同じ材料で構成される。図２１（ａ）及び（ｂ）の構造によれば、図１８の構造と同様に、書き込み電流の低減と、ＭＴＪ素子１０の垂直磁気異方性の向上及び書き込み電流ばらつきの低減の効果を得ることができる。

尚、図２１（ａ）及び（ｂ）の変形例において、図２０（ａ）及び（ｂ）の構成と同様に、記録層１３とキャップ層２２との間に、下地層１７と同じ材料からなる磁性層を挿入してもよい。これにより、記録層１３の垂直磁気異方性をさらに向上できる。

［６］第６の実施形態
第６の実施形態では、酸素が含有されている下地層１２を用いることで、ＭＲ比の向上を図る。

［６−１］下地層１２の構成及び製造方法
第６の実施形態では、下部電極１１上に下地層１２が形成される際、次のような製造方法が実施される。

例えば、下部電極１１としてのＴａ層を５ｎｍ成膜し、Ｔａ層の表面に対しラジカル酸化処理が１００秒行われ、ＴａＯ層が形成される。次に、ＴａＯ層の表面のエッチング処理が行われる。次に、下地層１２としてのＡｌＴｉＮ層が成膜される。このような製造方法の実施により、酸素が含有された下地層１２（例えば、ＡｌＴｉＮＯ層）が形成される。

第６の実施形態では、上述するように、下地層１２の成膜前に酸化処理を行い、酸化物を形成することに限定されない。例えば、下部電極１１が成膜された後、この下部電極１１の表面に、窒化処理、ホウ化処理及び炭化処理のいずれかの処理が実施され、窒化物、ホウ化物又は炭化物が形成さてもよい。この場合、下地層１２には、Ｎ、Ｂ又はＣが含有される。従って、本実施形態では、下地層１２は、Ｏ、Ｎ、Ｂ及びＣの中から選択された１つの元素を含有していてもよい。さらに、下地層１２及び下部電極１１のうち少なくとも一方は、Ｏ、Ｎ、Ｂ及びＣの中から選択された１つの元素を含有していてもよい。

尚、第６の実施形態における下地層１２の材料としては、上記第１乃至第３の実施形態の下地層１２と同様の材料を用いることができる。また、記録層１３は、第４の実施形態と同様の構成にすることも可能である。また、第５の実施形態のようにバイアス層を設けることも可能である。さらに、各実施形態の変形例を適用することも可能である。

［６−２］効果
第６の実施形態によれば、上記第１乃至第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第６の実施形態では、下地層１２の成膜前に、酸化処理、窒化処理、ホウ化処理及び炭化処理のいずれかの処理を施すことにより、酸素、窒素、ホウ素又は炭素を含有する下地層１２を形成することができる。これにより、下地層１２であるＡｌＴｉＮ層の成膜時の界面エネルギーを低減することができ、下地層１２の平坦性を向上することが可能になる。さらに、ＴａＯ層の表面をエッチング処理することにより、下部電極１１の平坦性を向上することが可能になる。結果として、記録層１３および中間層１４の平坦性を向上できる。このため、ＭＲ比をさらに向上することができる。

以上のように、上述した実施形態の磁気抵抗素子によれば、ＭＴＪ素子１０の下地層１２を、ダンピング定数を低減できる構成にする。これにより、書き込み電流の低減を図ることが可能である。

尚、本明細書中における「窒化物」、「ホウ化物」、「炭化物」、「酸化物」は、Ｂ、Ｎ、Ｏ、又はＣが混入してもよく、「窒素含有物」、「ホウ素含有物」、「炭素含有物」、「酸素含有物」であればよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ＭＴＪ素子、１１…下部電極、１２…下地層、１３…記録層、１３Ａ…磁性層、１３Ｂ…非磁性層、１３Ｃ…磁性層、１４…中間層、１５…参照層、１６…上部電極、１７…下地層、２２…キャップ層、３１…バイアス層、３２…非磁性層。

Claims (10)

1. 膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、
   膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、
   前記記録層及び前記参照層間に設けられた中間層と、
   前記記録層の前記中間層が設けられた面と反対面に設けられ、ＡｌＴｉＮを含有する下地層と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗素子。
2. 膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、
   膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、
   前記記録層及び前記参照層間に設けられた中間層と、
   前記記録層の前記中間層が設けられた面と反対面に設けられ、ＴｉＮからなる下地層と、
   前記下地層の前記記録層が設けられた面と反対面に設けられ、前記下地層の前記反対面と直接接し、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂ及びＭｇの中から選択された１つの元素を含む下部電極と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗素子。
3. 膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が可変である記録層と、
   膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が不変である参照層と、
   前記記録層及び前記参照層間に設けられた中間層と、
   前記記録層の前記中間層が設けられた面と反対面に設けられ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｇｅ及びＧａの中から選択された１つの元素を含むボロンからなる下地層と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗素子。
4. 前記記録層は、Ｆｅの濃度がＣｏの濃度より高いＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又はＦｅを含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
5. 前記記録層は、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｙ及びＬａの中から選択された１つの元素を含有する非磁性層を有する、又は、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｙ及びＬａの中から選択された１つの元素を含有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
6. 前記記録層は、
   前記下地層側に設けられ、ＦｅＢ、ＣｏＢ又はＣｏの濃度がＦｅの濃度より高いＣｏＦｅＢを含有する第１の磁性層と、
   前記中間層側に設けられ、ＦｅＢ、Ｆｅの濃度がＣｏの濃度より高いＣｏＦｅＢを含有する第２の磁性層と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
7. 前記下地層の前記記録層が設けられた面と反対面に設けられ、前記下地層の前記反対面と直接接し、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｇｅ及びＧａの中から選択された１つの元素を含む下部電極をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
8. 前記下地層のＡｌＴｉＮ中のＡｌＴｉとＮとの比率は、１：１であることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
9. 前記下地層がＡｌ_{（１００−Ｘ）}Ｔｉ_ＸＮである場合、１０≦Ｘ≦５０の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子。
10. 前記下地層及び前記下部電極のうち少なくとも一方は、Ｏ、Ｎ、Ｂ及びＣの中から選択された１つの元素を含有することを特徴とする請求項１乃至３、７のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。

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