記憶素子、記憶装置
【課題】スピントルク型磁気メモリにおいて、異方性エネルギーを大きくし、微細化しても十分な熱揺らぎ耐性を有するようにする。
【解決手段】記憶素子は、膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層とにより、ＭＴＪ構造を持つ。これに加え、記憶層に隣接する、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、保磁力強化層に隣接する酸化物によるスピンバリア層を設ける。
【解決手段】記憶素子は、膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層とにより、ＭＴＪ構造を持つ。これに加え、記憶層に隣接する、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、保磁力強化層に隣接する酸化物によるスピンバリア層を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えた記憶装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−１９３５９５号公報
【特許文献２】特開２００９−８１２１５号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Nature Materials,Vol9,p.721(2010).
【背景技術】
【０００４】
コンピュータなどでの情報機器ではランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が広く使われている。しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
【０００５】
不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記憶する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が注目され、開発が進められている。ＭＲＡＭの記憶を行う方法としては、例えば上記特許文献１のように記憶を担う磁性体の磁化を２つの磁性体間を流れるスピントルクで反転させる、スピントルク磁化反転の記憶素子が比較的構造が簡単で、書き換え回数が大きいので注目されている。
【０００６】
スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じくＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）により構成されている場合が多い。この構成は、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際にその磁性層にトルクを与えること（これをスピントランスファトルクとも呼ぶ）を利用したもので、あるしきい値以上の電流を流せば自由磁性層が反転する。０／１の書換えは電流の極性を変えることにより行う。
この反転のための電流の絶対値は０．１μｍ程度のスケールの素子で１ｍＡ以下である。 しかもこの電流値が素子体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。さらに、ＭＲＡＭで必要であった記憶用電流磁界発生用のワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
【０００７】
以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、「スピントルク型ＭＲＡＭ」又は「ＳＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque-Magnetic Random Access Memory）」と呼ぶ。スピントルク磁化反転は、またスピン注入磁化反転と呼ばれることもある。
【０００８】
ＳＴ−ＭＲＡＭとしては、例えば上記特許文献１のように面内磁化を用いたものと、例えば上記特許文献２のように垂直磁化を用いたものが開発されている。
面内磁化を用いたものは、材料の自由度が高く、磁化を固定する方法も比較的容易である。しかしながら、垂直磁化膜を用いる場合、垂直磁気異方性を有する材料が限られる。
【０００９】
近年、例えば非特許文献１にあるようなＦｅと酸化物との結晶界面に現れる垂直磁気異方性を利用した界面異方性型の垂直磁化膜が注目されている。
界面異方性を用いると磁性体にＦｅＣｏＢ合金、酸化物にＭｇＯを用いて垂直磁化膜を得ることができ、高い磁気抵抗比（ＭＲ比）と垂直磁化を両立することができ、記憶層と参照層両方に有望であることから、垂直磁化型のスピントルク型ＭＲＡＭへの応用が期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、これらの磁気メモリを高密度にするためには、記憶素子は熱揺らぎに対して大きな異方性エネルギーを持たなければならない。
異方性エネルギーを大きくするためには保磁力を増加させ、記憶層の膜厚を厚くするのが有効である。しかし、界面異方性は磁性体と酸化物の間の界面のみで垂直磁気異方性が得られるので、磁性体の膜厚が厚くなると保磁力が減少してしまい、簡単に異方性エネルギーを増加させることができない。
【００１１】
そこで本開示では、スピントルク型ＭＲＡＭにおいて、異方性エネルギーが大きく、素子を微細化しても十分な熱揺らぎ耐性を有する不揮発メモリを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示の記憶素子は、膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層とを有する。そして上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う。
【００１３】
本開示の記憶装置は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備える。上記記憶素子は、膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層とを有し、上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う構成とされる。そして上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、これに伴ってスピントルク磁化反転が起こる。
【００１４】
このような本開示の技術は、ＳＴ−ＭＲＡＭとして、記憶層、中間層（トンネルバリア層）、磁化固定層として、ＭＴＪ構造を採る。その上で、記憶層に隣接する、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、上記保磁力強化に隣接する酸化物によるスピンバリア層を設ける。保磁力強化層を設けることで記憶層の保磁力を増加させ、異方性エネルギーを大きくすることができる。これによって、素子を微細化しても十分な熱揺らぎ耐性を有する不揮発メモリを実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本開示の技術によれば、垂直磁化型のＳＴ−ＭＲＡＭによる不揮発メモリとして、微細な素子サイズにおいても十分な磁気異方性エネルギーの素子が得られ、高密度で情報の保持能力に優れた記憶素子、及び記憶装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態の記憶装置の概略構成の斜視図である。
【図２】実施の形態の記憶装置の断面図である。
【図３】実施の形態の記憶素子の層構造を示す断面図である。
【図４】実施の形態に関する実験の試料の説明図である。
【図５】各種材料の保磁力強化層及び膜厚に対する保磁力Ｈｃの依存性の実験結果を示す図である。
【図６】異方性磁場の大きさの保磁力強化と記憶層の膜厚依存性の実験の説明図である。
【図７】スピンバリア層の各種材料についての垂直磁化の実験の説明図である。
【図８】室温に於けるＫUＶ／ｋBＴの値の実験の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本開示の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態の記憶装置の構成＞
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜３．実施の形態の具体的構成＞
＜４．実施の形態に関する実験＞
【００１８】
＜１．実施の形態の記憶装置の構成＞
まず、本開示の実施の形態となる記憶装置の構成について説明する。
実施の形態の記憶装置の模式図を、図１及び図２に示す。図１は斜視図、図２は断面図である。
【００１９】
図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができるＳＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子３が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各記憶装置を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（ワード線）を兼ねている。
【００２０】
ドレイン領域８は、図１中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図１中左右方向に延びるビット線６との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
【００２１】
図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１５、１７を有する。この２層の磁性層１５、１７のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１５の向きが固定された磁化固定層１５として、他方の磁性層を磁化Ｍ１７の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層１７とする。
また、記憶素子３は、ビット線６と、ソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させることができる。
【００２２】
このような記憶装置では、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、トランジスタの飽和電流は微細化に伴って低下することが知られているため、記憶装置の微細化のためには、スピントランスファの効率を改善して、記憶素子３に流す電流を低減させることが好適である。
【００２３】
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには上述のようなＭＴＪ構造を採用すること、すなわち２層の磁性層１５、１７の間に中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子３の構成にすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子３に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子３の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記憶電流などと呼ばれることがある。
【００２４】
また記憶装置は不揮発メモリ装置であるから、電流によって書き込まれた情報を安定に記憶する必要がある。つまり、記憶層の磁化の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）を確保する必要がある。
記憶層の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱（動作環境における温度）により再反転する場合があり、書き込みエラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子３（ＳＴ−ＭＲＡＭ）は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
ＳＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子３の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
そのため、ＳＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子３において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計する必要がある。
【００２５】
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
つぎに本開示の実施の形態の記憶素子の概要について説明する。
実施の形態の記憶素子はＳＴ−ＭＲＡＭとして構成される。ＳＴ−ＭＲＡＭは、スピントルク磁化反転により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記憶を行うものである。
記憶層は、強磁性層を含む磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態（磁化の向き）により保持するものである。
詳しくは後述するが、実施の形態の記憶素子３は、例えば図３に一例を示す層構造とされ、少なくとも２つの強磁性体層としての記憶層１７、磁化固定層１５を備え、またその２つの磁性層の間の中間層１６を備える。
【００２６】
記憶層１７は、膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される。
磁化固定層１５は、記憶層１７に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する。
中間層１６は、例えば非磁性体による絶縁層とされ、記憶層１７と磁化固定層１５の間に設けられる。
そして記憶層１７、中間層１６、磁化固定層１５を有する層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層１７の磁化の向きが変化して、記憶層１７に対して情報の記憶が行われる。
【００２７】
ここでスピントルク磁化反転について簡単に説明する。
電子は２種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。非磁性体内部では両者が同数であり、強磁性体内部では両者の数に差がある。記憶素子３を構成する２層の強磁性体である磁化固定層１５及び記憶層１７において、互いの磁気モーメントの向きが反方向状態のときに、電子を磁化固定層１５から記憶層１７への移動させた場合について考える。
【００２８】
磁化固定層１５は、高い保磁力のために磁気モーメントの向きが固定された固定磁性層である。
磁化固定層１５を通過した電子はスピン偏極、すなわち上向きと下向きの数に差が生じる。非磁性層である中間層１６の厚さが充分に薄く構成されていると、磁化固定層１５の通過によるスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きが同数）状態になる前に他方の磁性体、すなわち記憶層１７に電子が達する。
記憶層１７では、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために一部の電子は反転、すなわちスピン角運動量の向きをかえさせられる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が記憶層１７の磁気モーメントにも与えられる。
電流すなわち単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないために記憶層１７の磁気モーメントに発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると多くの角運動量変化を単位時間内に与えることができる。
【００２９】
角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがあるしきい値を超えると記憶層１７の磁気モーメントは歳差運動を開始し、その一軸異方性により１８０度回転したところで安定となる。すなわち反方向状態から同方向状態への反転が起こる。
磁化が同方向状態にあるとき、電流を逆に記憶層１７から磁化固定層１５へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１５で反射される際にスピン反転した電子が記憶層１７に進入する際にトルクを与え、反方向状態へと磁気モーメントを反転させることができる。ただしこの際、反転を起こすのに必要な電流量は、反方向状態から同方向状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３０】
磁気モーメントの同方向状態から反方向状態への反転は直感的な理解が困難であるが、磁化固定層１５が固定されているために磁気モーメントが反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１７が反転する、と考えてもよい。このように、０／１の記憶は、磁化固定層１５から記憶層１７の方向またはその逆向きに、それぞれの極性に対応する、あるしきい値以上の電流を流すことによって行われる。
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様、磁気抵抗効果を用いて行われる。すなわち上述の記憶の場合と同様に膜面垂直方向に電流を流す。そして、記憶層１７の磁気モーメントが、磁化固定層１５の磁気モーメントに対して同方向であるか反方向であるかに従い、素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３１】
磁化固定層１５と記憶層１７の間の中間層１６として用いる材料は金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつより低い電流によって記憶が可能とされるのは、中間層として絶縁体を用いた場合である。このときの素子を強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）と呼ぶ。
【００３２】
スピントルク磁化反転によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに、必要となる電流の閾値Ｉｃは、磁性層の磁化容易軸が面内方向であるか、垂直方向であるかによって異なる。
本実施の形態の記憶素子は垂直磁化型であるが、従前の面内磁化型の記憶素子の場合における磁性層の磁化の向きを反転させる反転電流をＩｃ＿ｐａｒａとすると、
同方向から逆方向（なお、同方向、逆方向とは、磁化固定層の磁化方向を基準としてみた記憶層の磁化方向）に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐａｒａ＝（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈｋ＋２πＭｓ）
となり、逆方向から同方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐａｒａ＝−（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈｋ＋２πＭｓ）
となる。（以上を式（１）とする）
【００３３】
一方、本例のような垂直磁化型の記憶素子の反転電流をＩｃ＿ｐｅｒｐとすると、同方向から逆方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐｅｒｐ＝（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈｋ−４πＭｓ）
となり、逆方向から同方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐｅｒｐ＝−（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈｋ−４πＭｓ）
となる。（以上を式（２）とする）
【００３４】
ただし、Ａは定数、αはダンピング定数、Ｍｓは飽和磁化、Ｖは素子体積、Ｐはスピン分極率、ｇ（０）、ｇ（π）はそれぞれ同方向時、逆方向時にスピントルクが相手の磁性層に伝達される効率に対応する係数、Ｈｋは磁気異方性である。
【００３５】
上記各式において、垂直磁化型の場合の（Ｈｋ−４πＭｓ）と面内磁化型の場合の（Ｈｋ＋２πＭｓ）とを比較すると、垂直磁化型が低記憶電流化により適していることが理解できる。
【００３６】
本実施の形態では、磁化状態により情報を保持することができる磁性層（記憶層１７）と、磁化の向きが固定された磁化固定層１５とを有する記憶素子３を構成する。
メモリとして存在し得るためには、書き込まれた情報を保持することができなければならない。情報を保持する能力の指標として、熱安定性の指標Δ（＝ＫＶ／ｋＢＴ）の値で判断される。このΔは、下記式（３）により表される。
【００３７】
Δ ＝ＫUＶ／ｋBＴ＝Ｍｓ・Ｖ・Ｈｋ・（１／２ｋＢ・Ｔ） 式（３）
ここで、Ｈｋ：実効的な異方性磁界、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、Ｍｓ：飽和磁化量、Ｖ：記憶層１７の体積、ＫU：異方性エネルギーである。
実効的な異方性磁界Ｈｋには、形状磁気異方性、誘導磁気異方性、結晶磁気異方性等の影響が取り込まれており、単磁区の一斉回転モデルを仮定した場合、これは保磁力と同等となる。
【００３８】
熱安定性の指標Δと電流の閾値Ｉｃとは、トレードオフの関係になることが多い。そのため、メモリ特性を維持するには、これらの両立が課題となることが多い。
記憶層１７の磁化状態を変化させる電流の閾値は、実際には、例えば記憶層１７の厚さが２ｎｍであり、平面パターンが１００ｎｍ×１５０ｎｍの略楕円形のＴＭＲ素子において、＋側の閾値＋Ｉｃ＝＋０．５ｍＡであり、−側の閾値−Ｉｃ＝−０．３ｍＡであり、その際の電流密度は約３．５×１０6Ａ／ｃｍ2である。これらは、上記の式（１）にほぼ一致する。
【００３９】
これに対して、電流磁場により磁化反転を行う通常のＭＲＡＭでは、書き込み電流が数ｍＡ以上必要となる。
従って、ＳＴ−ＭＲＡＭの場合には、上述のように書き込み電流の閾値が充分に小さくなるため、集積回路の消費電力を低減させるために有効であることが分かる。
また、通常のＭＲＡＭで必要とされる、電流磁界発生用の配線が不要となるため、集積度においても通常のＭＲＡＭに比較して有利である。
【００４０】
そして、スピントルク磁化反転を行う場合には、記憶素子３に直接電流を流して情報の書き込み（記憶）を行うことから、書き込みを行う記憶素子３を選択するために、記憶素子３を選択トランジスタと接続して記憶装置を構成する。
この場合、記憶素子３に流れる電流は、選択トランジスタで流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさによって制限される。
記憶電流を低減させるためには、上述のように垂直磁化型を採用することが望ましい。また垂直磁化膜は一般に面内磁化膜よりも高い磁気異方性を持たせることが可能であるため、上述の熱安定性の指標Δを大きく保つ点でも好ましい。
【００４１】
垂直異方性を有する磁性材料には希土類−遷移金属合金(ＴｂＣｏＦｅなど)、金属多層膜(Ｃｏ／Ｐｄ多層膜など)、規則合金(ＦｅＰｔなど)、酸化物と磁性金属の間の界面異方性の利用(Ｃｏ／ＭｇＯなど)等いくつかの種類があるが、希土類-遷移金属合金は加熱により拡散、結晶化すると垂直磁気異方性を失うため、ＳＴ−ＭＲＡＭ用材料としては好ましくない。また金属多層膜も加熱により拡散し、垂直磁気異方性が劣化することが知られており、さらに垂直磁気異方性が発現するのは面心立方の（１１１）配向となっている場合であるため、ＭｇＯやそれに隣接して配置するＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどの高分極率層に要求される（００１）配向を実現させることが困難となる。Ｌ１０規則合金は高温でも安定であり、かつ（００１）配向時に垂直磁気異方性を示すことから、上述のような問題は起こらないものの、製造時に５００℃以上の十分に高い温度で加熱する、あるいは製造後に５００℃以上の高温で熱処理を行うことで原子を規則配列させる必要があり、トンネルバリア等積層膜の他の部分における好ましくない拡散や界面粗さの増大を引き起こす可能性がある。
【００４２】
これに対し、界面磁気異方性を利用した材料、すなわちトンネルバリアであるＭｇＯ上にＣｏ系あるいはＦｅ系材料を積層させたものは上記いずれの問題も起こり難く、このためＳＴ−ＭＲＡＭの記憶層材料として有望視されている。
【００４３】
さらに、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層１７と磁化固定層１５との間の非磁性の中間層１６として、絶縁体から成るトンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成する。
トンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成することにより、非磁性導電層を用いて巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子を構成した場合と比較して、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができるためである。
【００４４】
そして、特に、このトンネル絶縁層としての中間層１６の材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることにより、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができる。
また、一般に、スピントランスファの効率はＭＲ比に依存し、ＭＲ比が大きいほど、スピントランスファの効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、トンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用い、同時に上記の記憶層１７を用いることにより、スピントルク磁化反転による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記憶）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
【００４５】
これにより、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を確保して、スピントルク磁化反転による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記憶）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
このようにトンネル絶縁層を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜により形成する場合には、ＭｇＯ膜が結晶化していて、００１方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。
【００４６】
トンネル絶縁層の面積抵抗値は、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化の向きを反転させるために必要な電流密度を得る観点から、数十Ωμｍ2程度以下に制御する必要がある。
そして、ＭｇＯ膜から成るトンネル絶縁層では、面積抵抗値を上述の範囲とするために、ＭｇＯ膜の膜厚を１．５ｎｍ以下に設定する必要がある。
【００４７】
また、記憶層１７の磁化の向きを、小さい電流で容易に反転できるように、記憶素子３を小さくすることが望ましい。
従って、好ましくは、記憶素子３の面積を０．０１μｍ２以下とする。
【００４８】
＜３．実施の形態の具体的構成＞
続いて、本開示の実施の形態の具体的構成について説明する。
記憶装置の構成は先に図１で述べたとおり、直交する２種類のアドレス配線１，６（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子３が配置されるものである。
そして２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化の向きを反転させることができる。
【００４９】
図３Ａ，図３Ｂはそれぞれ実施の形態の記憶素子３（ＳＴ−ＭＲＡＭ）の層構造の例を表している。
図３Ａの例は、記憶素子３は、下地層１４、磁化固定層１５、中間層１６、記憶層１７、保磁力強化層１８、スピンバリア層１９、保護層２０を有する。
図３Ｂの例は、図３Ａの層構造に加え、磁化固定層１５の保磁力を高めるために、磁化固定層１５と下地層１４の間に、磁気結合層１３と高保磁力層１２を形成した例である。
【００５０】
図３Ａ、図３Ｂの各例のように、記憶素子３は、スピントルク磁化反転により磁化Ｍ１７の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層１５を設けている。
ＳＴ−ＭＲＡＭにおいては、記録層１７の磁化Ｍ１７と磁化固定層１５の磁化Ｍ１５の相対的な角度によって情報の０、１を規定している。
記憶層１７と磁化固定層１５との間には、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）となる中間層１６が設けられ、記憶層１７と磁化固定層１５とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
記憶層１７と磁化固定層１５は膜面に対して垂直な磁化を有する。
【００５１】
また、磁化固定層１５の下には下地層１４が形成されている。
記憶層１７の上（つまり記憶層１７から見て中間層１６とは反対側）には保磁力強化層１８が形成されている。
さらに保磁力強化層１８の上（つまり保磁力強化層１８からみて記憶層１７とは反対側）にスピンバリア層１９が形成されている。
スピンバリア層１９の上には保護層２０が形成されている。
【００５２】
本実施の形態では、記憶層１７及び磁化固定層１５はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、かつＢ、Ｃのうちの少なくとも一つを含む合金が好ましく、Ｂ、Ｃの含有量は５原子％以上３０原子％以下が好ましい。
例えば記憶層１７及び磁化固定層１５としては、ＦｅＣｏＢやＦｅＮｉＣ等のＦｅを含む合金が適している。
記憶層１７および磁化固定層１５は中間層１６との界面付近で少なくとも３０％以上のＦｅが含まれているのが好ましく、それ以下では十分な垂直磁気異方性が得られない。
【００５３】
中間層１６（トンネルバリア層）は例えばＭｇＯとする。ＭｇＯ（酸化マグネシウム）層とした場合には、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。このようにＭＲ比を高くすることによって、スピン注入の効率を向上して、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。
なお中間層１６は、酸化マグネシウムから成る構成とする他にも、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ2ＭｇＯ4、ＴｉＯ等も利用可能である。
【００５４】
保磁力強化層１８には、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎのいずれかが用いられる。
スピンバリア層１９には、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムのいずれかが用いられる。
下地層１４および保護層２０としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｒｕ等各種金属およびＴｉＮ等の導電性窒化物を用いることができる。また、下地層１４および保護層２０は単層で用いても良いし、異なる材料を複数積層しても良い。
【００５５】
図３Ｂの構成における高保磁力層１２としてはＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＭｎＡｌ、ＴｂＦｅＣｏ、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜等を用いることができる。
磁気結合層１３としてはＲｕ、Ｒｅ、Ｏｓ等が利用可能である。
【００５６】
本実施の形態の記憶素子３は、下地層１４から保護層２０までの各層を真空装置内で順次連続的に成膜して積層構造を形成する。その後エッチング等の加工により記憶素子３のパターンを形成することにより、製造することができる。
【００５７】
先に述べたように、高密度化のためには、記憶素子は熱揺らぎに対して大きな異方性エネルギーを持たなければならない。異方性エネルギーを大きくするためには保磁力を増加させ、記憶層の膜厚を厚くするのが有効である。
ところが垂直磁化を良好に得るための界面異方性は、磁性体と酸化物の間の界面のみで垂直磁気異方性が得られるので、磁性体の膜厚が厚くなると保磁力が減少してしまい、簡単に異方性エネルギーを増加させることができない。
【００５８】
そこで本実施の形態では、スピントルク型ＭＲＡＭにおいて、異方性エネルギーが大きく、素子を微細化しても十分な熱揺らぎ耐性を有する不揮発メモリを実現する。
まず、中間層１６と記憶層１７との間に働く界面磁気異方性に加えて、記憶層１７の中間層１６側とは反対側の面にも酸化物層（スピンバリア層１９）を形成し、記憶層１７の両側に界面異方性を持たせることで、垂直磁気異方性エネルギーを強化することができる。
このとき、記憶層１７とスピンバリア層１９の間にＣｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層１８を挿入すると、より効果的に垂直磁気異方性を向上させることができることが見いだされた。
【００５９】
保磁力強化層１８はＣｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎのうちの少なくとも一つを含む層が有効で、その厚さは０．０３ｎｍ以上が効果的で、それより薄い場合は効果が小さい。
保磁力強化層１８がＣｒの場合はその厚さは０．３ｎｍ以下が好ましい。
保磁力強化層１８がＲｕの場合は０．２ｎｍが好ましい。
保磁力強化層１８がＷ、Ｓｉ、Ｍｎの場合はその厚さは０．１ｎｍ以下が好ましい。
保磁力強化層１８の膜厚が０．０３ｎｍ未満あるいは上記各場合の厚さを超えると垂直磁気異方性の向上効果が得られない。
【００６０】
スピンバリア層１９としては各種酸化物が利用可能であるが、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムが保磁力向上効果に優れ好ましい。スピンバリア膜１９の酸化の度合いは十分に酸化した酸化物でも良いし、酸素が欠損した酸化物でも良い。
【００６１】
本実施の形態に用いる材料を作製する方法としてはスパッタリング方法、真空蒸着法、あるいは化学気相成長法（ＣＶＤ）等を用いることができる。さらに、スピンバリア層１９（酸化物層）は金属を成膜後、酸素プラズマなどによって金属を酸化させて作製しても良い。
磁気メモリ（ＳＴ−ＭＲＡＭ）として構成するには、シリコンウェハ上にＣＭＯＳ論理回路を形成し、下部電極上に上記積層膜を構成した後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンミリング、化学エッチング等の方法で適当な形状に形成し、さらに上部電極を形成し、上部電極と下部電極の間に適当な電圧を印加できるように、ＣＭＯＳ回路と接続して用いるのがよい。素子の形状は任意であるが、円形状が特に作成が容易で、かつ高密度に配置できるので好ましい。
【００６２】
このような垂直磁化型のＳＴ−ＭＲＡＭにおいて、保磁力強化層１８、スピンバリア層１９を備える実施の形態では、微細な素子サイズにおいても十分な磁気異方性エネルギーの素子が得られ、高密度で情報の保持能力に優れた不揮発メモリを実現できる。
【００６３】
また、記憶素子３の記憶層１７が垂直磁化膜であるため、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することができる。従って記憶素子３に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。
また、情報保持能力である熱安定性を充分に確保することができるため、特性バランスに優れた記憶素子３を構成することができる。
これにより、動作エラーをなくして、記憶素子３の動作マージンを充分に得ることができ、記憶素子３を安定して動作させることができる。すなわち、安定して動作する、信頼性の高い記憶装置を実現することができる。
【００６４】
以上より、情報保持特性が優れた、安定して動作する信頼性の高い記憶素子３を実現することができ、記憶素子３を備えた記憶装置において、信頼性を向上させ、かつ消費電力を低減することができる。
また、図３に示した記憶素子３を備え、図１に示した構成の記憶装置は、製造する際に、一般の半導体ＭＯＳ形成プロセスを適用できるという利点を有している。
従って、本実施の形態のメモリを、汎用メモリとして適用することが可能になる。
【００６５】
なお、本開示の実施の形態としての記憶層１７には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ以外の元素を添加することも可能である。
異種元素の添加により、拡散の防止による耐熱性の向上や磁気抵抗効果の増大、平坦化に伴う絶縁耐圧の増大などの効果が得られる。この場合の添加元素の材料としては、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｏｓまたはそれらの合金を用いることができる。
【００６６】
また本開示における記憶層１７は組成の異なる他の強磁性層を直接積層させることも可能である。また、強磁性層と軟磁性層とを積層させたり、複数層の強磁性層を軟磁性層や非磁性層を介して積層させたりすることも可能である。このように積層させた場合でも、本開示でいう効果が得られる。
特に複数層の強磁性層を非磁性層に介して積層させた構成としたときには、強磁性層の層間の相互作用の強さを調整することが可能になるため、記憶素子３の寸法がサブミクロン以下になっても、磁化反転電流が大きくならないように抑制することが可能になるという効果が得られる。この場合の非磁性層の材料としては、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂまたはそれらの合金を用いることができる。
【００６７】
磁化固定層１５及び記憶層１７のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。
記憶素子３のその他の構成は、スピントルク磁化反転により情報を記憶する記憶素子３の従来公知の構成と同様とすることができる。
【００６８】
磁化固定層１５は、強磁性層のみにより、或いは反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とすることが出来る。
また、磁化固定層１５は、単層の強磁性層から成る構成、或いは複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層した積層フェリピン構造とすることが出来る。
積層フェリピン構造の磁化固定層１５を構成する強磁性層の材料としては、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ等を用いることができる。また、非磁性層の材料としては、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｏｓ等を用いることができる。
【００６９】
反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3等の磁性体を挙げることができる。
また、これらの磁性体に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ等の非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、その他の結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整したりすることができる。
また、記憶素子３の膜構成は、記憶層１７が磁化固定層１５の下側に配置される構成でも問題ない。
【００７０】
＜４．実施の形態に関する実験＞
以下では、本実施の形態の記憶素子３の効果の検証のための実験について述べる。
【００７１】
［実験１］
まず初めに、スピンバリア層１９の効果を見るために、下地層１４の上に直接記憶層１７を成膜し、その上に保磁力強化層１８、スピンバリア層１９、保護層２０を成膜した試料を作製した。
【００７２】
試料の層構造を図４に示す。
試料は酸化被服付きのシリコン基板上に図４のように各層を積層した。
・下地層１４：Ｔａ 厚さ５ｎｍ
・記憶層１７：Ｆｅ64Ｃｏ16Ｂ20 厚さ０．８ｎｍ
・保磁力強化層１８：各種元素を様々な厚さｔMで成膜
・スピンバリア層１９：ＭｇＯ 厚さ１ｎｍ
・保護層２０：Ｒｕ 厚さ３ｎｍ
【００７３】
保磁力強化層１８としては、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖの各材料の試料を、各種の膜厚で生成した。
【００７４】
図５に各試料の保磁力Ｈｃと保磁力強化層１８に用いた各種元素の厚さｔMに対する依存性を示す。
図５Ａ、図５Ｂは、３００℃、１時間熱処理後の結果で、図５Ｃ、図５Ｄは３５０℃、１時間熱処理後の結果である。
ここで、厚み＝０とは、保磁力強化層１８が形成されていない試料のこととなる。
例えば図５ＡのＲｕ（Ｒｕで保磁力強化層１８を形成した試料）について見てみると、厚みｔMが０．０３ｎｍ、０．０５ｎｍ、０．１ｎｍ、０．１５ｎｍの各場合、厚み＝０、つまり保磁力強化層１８を設けない場合よりも、保磁力Ｈｃが上昇している。従って保磁力強化層１８にＲｕを用いる場合、或る厚み範囲で保磁力強化に有効であることがわかる。
一方、同じく図５ＡでＮｂで保磁力強化層１８を形成した場合を見てみると、どの厚みの場合も、厚み＝０、つまり保磁力強化層１８を設けない場合よりも、保磁力Ｈｃが低下している。これは、Ｎｂは保磁力強化層１８として適していないことを示すものとなる。
【００７５】
このように各試料の結果について見てみると、保磁力強化層１８として保磁力向上に効果があるものは３００℃熱処理の場合はＲｕとＣｒ、３５０℃熱処理の場合はＲｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉである。３００℃熱処理の場合と３５０℃熱処理の場合との結果からみると、以下の厚みが好適となる。
保磁力強化層１８をＣｒにより形成する場合は、厚さを０．０３ｎｍ以上０．３ｎｍ以下とする。
保磁力強化層１８をＲｕにより形成する場合は、厚さを０．０３ｎｍ以上０．２ｎｍ以下とする。
保磁力強化層１８を、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎのいずれかにより形成する場合、厚さを０．０３ｎｍ以上０．１ｎｍ以下とする。
【００７６】
［実験２］
次に実際に磁気メモリの強磁性トンネル素子に使用される構成として磁化固定層１５を付加した試料で実験を行った。
図６Ａに試料の層構造を示す。
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＲｕ
・高保磁力層１２：厚さ２ｎｍのＣｏＰｔ
・磁気結合層１３：厚さ０．９ｎｍのＲｕ
・磁化固定層１５：厚さ０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・中間層１６：厚さ０．８ｎｍのＭｇＯ
・記憶層１７：厚さｔFeCoBのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・保磁力強化層１８：厚さｔCrのＣｒ
・スピンバリア層１９：厚さ０．６ｎｍのＭｇＯ
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００７７】
このような試料を作製し、垂直異方性磁場（ＨK）を測定した結果を図６Ｂに示す。
熱処理は３００℃、１時間で、ＨKは反磁界補正を行っていない値で、ＨKが正の場合は垂直磁化膜、負の場合は面内磁化膜である。
保磁力強化層１８となるＣｒ層を挿入していないｔCr＝０ｎｍの場合は、ＦｅＣｏＢ記憶層１７の厚さｔFeCoBが１．１ｎｍから１．３ｎｍの狭い範囲でしか垂直磁化膜にならず、膜厚によるＨKの変化も急進で、最適条件も狭い。
これに対して保磁力強化層１８となるＣｒ層を挿入した場合は、ｔCr＝０．１ｎｍ、ｔCr＝０．２ｎｍどちらでも垂直磁気異方性が増加し、垂直磁化が得られるＦｅＣｏＢ記憶層１７の厚さｔFeCoBが０．９ｎｍから２．２ｎｍの範囲に広がり、ＦｅＣｏＢ膜厚に対する垂直磁気異方性の変化が緩やかになる。
【００７８】
［実験３］
次にスピンバリア層１９の影響を調べるため、記憶磁性層の上にスピンバリア層となる様々な酸化物をいくつかの作製方法で試料を作製した。
図７Ａに試料の層構造を示す。
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと５ｎｍのＲｕ
・記憶層１７：厚さ０．７ｎｍのＦｅ40Ｃｏ40Ｃ20
・保磁力強化層１８：厚さ０．２ｎｍのＣｒ
・スピンバリア層１９：各種材料
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００７９】
熱処理は３００℃、１時間とした。
スピンバリア層１９の厚さは、ＲＦスパッタでは０．７ｎｍ、自然酸化およびプラズマ酸化では酸化後の膜厚が０．６ｎｍから０．８ｎｍになるように作製した。
【００８０】
図７Ｂ、図７Ｃに、様々なスピンバリア層１９の材料と作製方法で作製した試料について、垂直磁化が得られたものと垂直磁化が得られなかったものに分けて示した。垂直磁化が得られたもの（図７Ｂ）については、垂直方向の保磁力（ＨＣ⊥）も示した。
垂直磁化が得られているスピンバリア層１９は、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムである。
【００８１】
［実験４］
次に、熱揺らぎ耐性を調べるため、直径７０ｎｍの円形素子を形成し、熱揺らぎ耐性の指標Δ＝ＫUＶ／ｋBＴを調べてみた。（上述の式（３）参照）
測定は繰り返し保磁力を測定しその分布から求めた。
測定には、比較例として保磁力強化層１８が設けられていない試料Ａと、実施の形態に相当する保磁力強化層１８が設けられた試料Ｂ、Ｃを用いた。
【００８２】
試料Ａ，Ｂ，Ｃの層構造を図８に示す。
−試料Ａ
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＲｕ
・高保磁力層１２：厚さ２ｎｍのＣｏＰｔ
・磁気結合層１３：厚さ０．８ｎｍのＲｕ
・磁化固定層１５：厚さ０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・中間層１６：厚さ０．８ｎｍのＭｇＯ
・記憶層１７：厚さ１．２ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・スピンバリア層１９：厚さ０．６ｎｍのＭｇＯ
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００８３】
−試料Ｂ
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＲｕ
・高保磁力層１２：厚さ２ｎｍのＣｏＰｔ
・磁気結合層１３：厚さ０．８ｎｍのＲｕ
・磁化固定層１５：厚さ０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・中間層１６：厚さ０．８ｎｍのＭｇＯ
・記憶層１７：厚さ１．６ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・保磁力強化層１８：厚さ０．２ｎｍのＣｒ
・スピンバリア層１９：厚さ０．６ｎｍのＭｇＯ
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００８４】
−試料Ｃ
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＲｕ
・高保磁力層１２：厚さ２ｎｍのＣｏＰｔ
・磁気結合層１３：厚さ０．８ｎｍのＲｕ
・磁化固定層１５：厚さ０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・中間層１６：厚さ０．８ｎｍのＭｇＯ
・記憶層１７：厚さ１．５ｎｍのＦｅ50Ｎｉ30Ｃ20
・保磁力強化層１８：厚さ０．０５ｎｍのＲｕ
・スピンバリア層１９：厚さ０．６ｎｍのＣａＯ
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００８５】
熱処理は試料Ａおよび試料Ｂは３００℃、１時間、試料Ｃは３５０℃、１時間で行った。図８の下部に、各試料の室温に於けるＫUＶ／ｋBＴの値を示す。
試料Ａ（比較例）は３５、試料Ｂは７６、試料Ｃは６８であった。
情報を１０年以上保持するためにはＫUＶ／ｋBＴが６０程度以上は必要なので、実施の形態の記憶素子はこの条件を満たし、不揮発メモリ素子として有効であることがわかる。
【００８６】
以上の実験１〜実験４の結果からも、垂直磁化膜を用いるスピントルク型のＭＲＡＭにおいて実施の形態の構成の膜を用いれば、保磁特性に優れ、高密度の不揮発メモリが実現できることが理解される。
【００８７】
なお本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、
上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層と、
を有し、
上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う記憶素子。
（２）上記記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、かつＢ、Ｃのうちの少なくとも一つを含む上記（１）に記載の記憶素子。
（３）上記保磁力強化層はＣｒにより成り、厚さが０．０３ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である上記（１）又は（２）に記載の記憶素子。
（４）上記保磁力強化層はＲｕにより成り、その厚さが０．０３ｎｍ以上０．２ｎｍ以下である上記（１）又は（２）に記載の記憶素子。
（５）上記保磁力強化層は、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎのいずれか１つを少なくとも有して成り、厚さが０．０３ｎｍ以上０．１ｎｍ以下である上記（１）又は（２）に記載の磁気メモリ。
（６）上記スピンバリア層は、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムのいずれか１つを少なくとも有して成る上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の記憶素子。
【符号の説明】
【００８８】
１ ゲート電極、２ 素子分離層、３ 記憶素子、４ コンタクト層、６ ビット線、７ ソース領域、８ ドレイン領域、９ 配線、１０ 半導体基体、１２ 高保磁力層、１３ 磁気結合層、１４ 下地層、１５ 磁化固定層、１６ 中間層、１７ 記憶層、１８ 保磁力強化層、１９ スピンバリア層、２０ 保護層
【技術分野】
【０００１】
本開示は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えた記憶装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−１９３５９５号公報
【特許文献２】特開２００９−８１２１５号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Nature Materials,Vol9,p.721(2010).
【背景技術】
【０００４】
コンピュータなどでの情報機器ではランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が広く使われている。しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
【０００５】
不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記憶する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）が注目され、開発が進められている。ＭＲＡＭの記憶を行う方法としては、例えば上記特許文献１のように記憶を担う磁性体の磁化を２つの磁性体間を流れるスピントルクで反転させる、スピントルク磁化反転の記憶素子が比較的構造が簡単で、書き換え回数が大きいので注目されている。
【０００６】
スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じくＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）により構成されている場合が多い。この構成は、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際にその磁性層にトルクを与えること（これをスピントランスファトルクとも呼ぶ）を利用したもので、あるしきい値以上の電流を流せば自由磁性層が反転する。０／１の書換えは電流の極性を変えることにより行う。
この反転のための電流の絶対値は０．１μｍ程度のスケールの素子で１ｍＡ以下である。 しかもこの電流値が素子体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。さらに、ＭＲＡＭで必要であった記憶用電流磁界発生用のワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
【０００７】
以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、「スピントルク型ＭＲＡＭ」又は「ＳＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque-Magnetic Random Access Memory）」と呼ぶ。スピントルク磁化反転は、またスピン注入磁化反転と呼ばれることもある。
【０００８】
ＳＴ−ＭＲＡＭとしては、例えば上記特許文献１のように面内磁化を用いたものと、例えば上記特許文献２のように垂直磁化を用いたものが開発されている。
面内磁化を用いたものは、材料の自由度が高く、磁化を固定する方法も比較的容易である。しかしながら、垂直磁化膜を用いる場合、垂直磁気異方性を有する材料が限られる。
【０００９】
近年、例えば非特許文献１にあるようなＦｅと酸化物との結晶界面に現れる垂直磁気異方性を利用した界面異方性型の垂直磁化膜が注目されている。
界面異方性を用いると磁性体にＦｅＣｏＢ合金、酸化物にＭｇＯを用いて垂直磁化膜を得ることができ、高い磁気抵抗比（ＭＲ比）と垂直磁化を両立することができ、記憶層と参照層両方に有望であることから、垂直磁化型のスピントルク型ＭＲＡＭへの応用が期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、これらの磁気メモリを高密度にするためには、記憶素子は熱揺らぎに対して大きな異方性エネルギーを持たなければならない。
異方性エネルギーを大きくするためには保磁力を増加させ、記憶層の膜厚を厚くするのが有効である。しかし、界面異方性は磁性体と酸化物の間の界面のみで垂直磁気異方性が得られるので、磁性体の膜厚が厚くなると保磁力が減少してしまい、簡単に異方性エネルギーを増加させることができない。
【００１１】
そこで本開示では、スピントルク型ＭＲＡＭにおいて、異方性エネルギーが大きく、素子を微細化しても十分な熱揺らぎ耐性を有する不揮発メモリを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示の記憶素子は、膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層とを有する。そして上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う。
【００１３】
本開示の記憶装置は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備える。上記記憶素子は、膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層とを有し、上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う構成とされる。そして上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、これに伴ってスピントルク磁化反転が起こる。
【００１４】
このような本開示の技術は、ＳＴ−ＭＲＡＭとして、記憶層、中間層（トンネルバリア層）、磁化固定層として、ＭＴＪ構造を採る。その上で、記憶層に隣接する、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、上記保磁力強化に隣接する酸化物によるスピンバリア層を設ける。保磁力強化層を設けることで記憶層の保磁力を増加させ、異方性エネルギーを大きくすることができる。これによって、素子を微細化しても十分な熱揺らぎ耐性を有する不揮発メモリを実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本開示の技術によれば、垂直磁化型のＳＴ−ＭＲＡＭによる不揮発メモリとして、微細な素子サイズにおいても十分な磁気異方性エネルギーの素子が得られ、高密度で情報の保持能力に優れた記憶素子、及び記憶装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態の記憶装置の概略構成の斜視図である。
【図２】実施の形態の記憶装置の断面図である。
【図３】実施の形態の記憶素子の層構造を示す断面図である。
【図４】実施の形態に関する実験の試料の説明図である。
【図５】各種材料の保磁力強化層及び膜厚に対する保磁力Ｈｃの依存性の実験結果を示す図である。
【図６】異方性磁場の大きさの保磁力強化と記憶層の膜厚依存性の実験の説明図である。
【図７】スピンバリア層の各種材料についての垂直磁化の実験の説明図である。
【図８】室温に於けるＫUＶ／ｋBＴの値の実験の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本開示の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態の記憶装置の構成＞
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜３．実施の形態の具体的構成＞
＜４．実施の形態に関する実験＞
【００１８】
＜１．実施の形態の記憶装置の構成＞
まず、本開示の実施の形態となる記憶装置の構成について説明する。
実施の形態の記憶装置の模式図を、図１及び図２に示す。図１は斜視図、図２は断面図である。
【００１９】
図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができるＳＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子３が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各記憶装置を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（ワード線）を兼ねている。
【００２０】
ドレイン領域８は、図１中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図１中左右方向に延びるビット線６との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
【００２１】
図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１５、１７を有する。この２層の磁性層１５、１７のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１５の向きが固定された磁化固定層１５として、他方の磁性層を磁化Ｍ１７の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層１７とする。
また、記憶素子３は、ビット線６と、ソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させることができる。
【００２２】
このような記憶装置では、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、トランジスタの飽和電流は微細化に伴って低下することが知られているため、記憶装置の微細化のためには、スピントランスファの効率を改善して、記憶素子３に流す電流を低減させることが好適である。
【００２３】
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには上述のようなＭＴＪ構造を採用すること、すなわち２層の磁性層１５、１７の間に中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子３の構成にすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子３に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子３の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記憶電流などと呼ばれることがある。
【００２４】
また記憶装置は不揮発メモリ装置であるから、電流によって書き込まれた情報を安定に記憶する必要がある。つまり、記憶層の磁化の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）を確保する必要がある。
記憶層の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱（動作環境における温度）により再反転する場合があり、書き込みエラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子３（ＳＴ−ＭＲＡＭ）は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
ＳＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子３の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
そのため、ＳＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子３において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計する必要がある。
【００２５】
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
つぎに本開示の実施の形態の記憶素子の概要について説明する。
実施の形態の記憶素子はＳＴ−ＭＲＡＭとして構成される。ＳＴ−ＭＲＡＭは、スピントルク磁化反転により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記憶を行うものである。
記憶層は、強磁性層を含む磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態（磁化の向き）により保持するものである。
詳しくは後述するが、実施の形態の記憶素子３は、例えば図３に一例を示す層構造とされ、少なくとも２つの強磁性体層としての記憶層１７、磁化固定層１５を備え、またその２つの磁性層の間の中間層１６を備える。
【００２６】
記憶層１７は、膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される。
磁化固定層１５は、記憶層１７に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する。
中間層１６は、例えば非磁性体による絶縁層とされ、記憶層１７と磁化固定層１５の間に設けられる。
そして記憶層１７、中間層１６、磁化固定層１５を有する層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層１７の磁化の向きが変化して、記憶層１７に対して情報の記憶が行われる。
【００２７】
ここでスピントルク磁化反転について簡単に説明する。
電子は２種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。非磁性体内部では両者が同数であり、強磁性体内部では両者の数に差がある。記憶素子３を構成する２層の強磁性体である磁化固定層１５及び記憶層１７において、互いの磁気モーメントの向きが反方向状態のときに、電子を磁化固定層１５から記憶層１７への移動させた場合について考える。
【００２８】
磁化固定層１５は、高い保磁力のために磁気モーメントの向きが固定された固定磁性層である。
磁化固定層１５を通過した電子はスピン偏極、すなわち上向きと下向きの数に差が生じる。非磁性層である中間層１６の厚さが充分に薄く構成されていると、磁化固定層１５の通過によるスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きが同数）状態になる前に他方の磁性体、すなわち記憶層１７に電子が達する。
記憶層１７では、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために一部の電子は反転、すなわちスピン角運動量の向きをかえさせられる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が記憶層１７の磁気モーメントにも与えられる。
電流すなわち単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないために記憶層１７の磁気モーメントに発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると多くの角運動量変化を単位時間内に与えることができる。
【００２９】
角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがあるしきい値を超えると記憶層１７の磁気モーメントは歳差運動を開始し、その一軸異方性により１８０度回転したところで安定となる。すなわち反方向状態から同方向状態への反転が起こる。
磁化が同方向状態にあるとき、電流を逆に記憶層１７から磁化固定層１５へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１５で反射される際にスピン反転した電子が記憶層１７に進入する際にトルクを与え、反方向状態へと磁気モーメントを反転させることができる。ただしこの際、反転を起こすのに必要な電流量は、反方向状態から同方向状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３０】
磁気モーメントの同方向状態から反方向状態への反転は直感的な理解が困難であるが、磁化固定層１５が固定されているために磁気モーメントが反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１７が反転する、と考えてもよい。このように、０／１の記憶は、磁化固定層１５から記憶層１７の方向またはその逆向きに、それぞれの極性に対応する、あるしきい値以上の電流を流すことによって行われる。
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様、磁気抵抗効果を用いて行われる。すなわち上述の記憶の場合と同様に膜面垂直方向に電流を流す。そして、記憶層１７の磁気モーメントが、磁化固定層１５の磁気モーメントに対して同方向であるか反方向であるかに従い、素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３１】
磁化固定層１５と記憶層１７の間の中間層１６として用いる材料は金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつより低い電流によって記憶が可能とされるのは、中間層として絶縁体を用いた場合である。このときの素子を強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）と呼ぶ。
【００３２】
スピントルク磁化反転によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに、必要となる電流の閾値Ｉｃは、磁性層の磁化容易軸が面内方向であるか、垂直方向であるかによって異なる。
本実施の形態の記憶素子は垂直磁化型であるが、従前の面内磁化型の記憶素子の場合における磁性層の磁化の向きを反転させる反転電流をＩｃ＿ｐａｒａとすると、
同方向から逆方向（なお、同方向、逆方向とは、磁化固定層の磁化方向を基準としてみた記憶層の磁化方向）に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐａｒａ＝（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈｋ＋２πＭｓ）
となり、逆方向から同方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐａｒａ＝−（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈｋ＋２πＭｓ）
となる。（以上を式（１）とする）
【００３３】
一方、本例のような垂直磁化型の記憶素子の反転電流をＩｃ＿ｐｅｒｐとすると、同方向から逆方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐｅｒｐ＝（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈｋ−４πＭｓ）
となり、逆方向から同方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐｅｒｐ＝−（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈｋ−４πＭｓ）
となる。（以上を式（２）とする）
【００３４】
ただし、Ａは定数、αはダンピング定数、Ｍｓは飽和磁化、Ｖは素子体積、Ｐはスピン分極率、ｇ（０）、ｇ（π）はそれぞれ同方向時、逆方向時にスピントルクが相手の磁性層に伝達される効率に対応する係数、Ｈｋは磁気異方性である。
【００３５】
上記各式において、垂直磁化型の場合の（Ｈｋ−４πＭｓ）と面内磁化型の場合の（Ｈｋ＋２πＭｓ）とを比較すると、垂直磁化型が低記憶電流化により適していることが理解できる。
【００３６】
本実施の形態では、磁化状態により情報を保持することができる磁性層（記憶層１７）と、磁化の向きが固定された磁化固定層１５とを有する記憶素子３を構成する。
メモリとして存在し得るためには、書き込まれた情報を保持することができなければならない。情報を保持する能力の指標として、熱安定性の指標Δ（＝ＫＶ／ｋＢＴ）の値で判断される。このΔは、下記式（３）により表される。
【００３７】
Δ ＝ＫUＶ／ｋBＴ＝Ｍｓ・Ｖ・Ｈｋ・（１／２ｋＢ・Ｔ） 式（３）
ここで、Ｈｋ：実効的な異方性磁界、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、Ｍｓ：飽和磁化量、Ｖ：記憶層１７の体積、ＫU：異方性エネルギーである。
実効的な異方性磁界Ｈｋには、形状磁気異方性、誘導磁気異方性、結晶磁気異方性等の影響が取り込まれており、単磁区の一斉回転モデルを仮定した場合、これは保磁力と同等となる。
【００３８】
熱安定性の指標Δと電流の閾値Ｉｃとは、トレードオフの関係になることが多い。そのため、メモリ特性を維持するには、これらの両立が課題となることが多い。
記憶層１７の磁化状態を変化させる電流の閾値は、実際には、例えば記憶層１７の厚さが２ｎｍであり、平面パターンが１００ｎｍ×１５０ｎｍの略楕円形のＴＭＲ素子において、＋側の閾値＋Ｉｃ＝＋０．５ｍＡであり、−側の閾値−Ｉｃ＝−０．３ｍＡであり、その際の電流密度は約３．５×１０6Ａ／ｃｍ2である。これらは、上記の式（１）にほぼ一致する。
【００３９】
これに対して、電流磁場により磁化反転を行う通常のＭＲＡＭでは、書き込み電流が数ｍＡ以上必要となる。
従って、ＳＴ−ＭＲＡＭの場合には、上述のように書き込み電流の閾値が充分に小さくなるため、集積回路の消費電力を低減させるために有効であることが分かる。
また、通常のＭＲＡＭで必要とされる、電流磁界発生用の配線が不要となるため、集積度においても通常のＭＲＡＭに比較して有利である。
【００４０】
そして、スピントルク磁化反転を行う場合には、記憶素子３に直接電流を流して情報の書き込み（記憶）を行うことから、書き込みを行う記憶素子３を選択するために、記憶素子３を選択トランジスタと接続して記憶装置を構成する。
この場合、記憶素子３に流れる電流は、選択トランジスタで流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさによって制限される。
記憶電流を低減させるためには、上述のように垂直磁化型を採用することが望ましい。また垂直磁化膜は一般に面内磁化膜よりも高い磁気異方性を持たせることが可能であるため、上述の熱安定性の指標Δを大きく保つ点でも好ましい。
【００４１】
垂直異方性を有する磁性材料には希土類−遷移金属合金(ＴｂＣｏＦｅなど)、金属多層膜(Ｃｏ／Ｐｄ多層膜など)、規則合金(ＦｅＰｔなど)、酸化物と磁性金属の間の界面異方性の利用(Ｃｏ／ＭｇＯなど)等いくつかの種類があるが、希土類-遷移金属合金は加熱により拡散、結晶化すると垂直磁気異方性を失うため、ＳＴ−ＭＲＡＭ用材料としては好ましくない。また金属多層膜も加熱により拡散し、垂直磁気異方性が劣化することが知られており、さらに垂直磁気異方性が発現するのは面心立方の（１１１）配向となっている場合であるため、ＭｇＯやそれに隣接して配置するＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどの高分極率層に要求される（００１）配向を実現させることが困難となる。Ｌ１０規則合金は高温でも安定であり、かつ（００１）配向時に垂直磁気異方性を示すことから、上述のような問題は起こらないものの、製造時に５００℃以上の十分に高い温度で加熱する、あるいは製造後に５００℃以上の高温で熱処理を行うことで原子を規則配列させる必要があり、トンネルバリア等積層膜の他の部分における好ましくない拡散や界面粗さの増大を引き起こす可能性がある。
【００４２】
これに対し、界面磁気異方性を利用した材料、すなわちトンネルバリアであるＭｇＯ上にＣｏ系あるいはＦｅ系材料を積層させたものは上記いずれの問題も起こり難く、このためＳＴ−ＭＲＡＭの記憶層材料として有望視されている。
【００４３】
さらに、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層１７と磁化固定層１５との間の非磁性の中間層１６として、絶縁体から成るトンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成する。
トンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成することにより、非磁性導電層を用いて巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子を構成した場合と比較して、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができるためである。
【００４４】
そして、特に、このトンネル絶縁層としての中間層１６の材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることにより、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができる。
また、一般に、スピントランスファの効率はＭＲ比に依存し、ＭＲ比が大きいほど、スピントランスファの効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、トンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用い、同時に上記の記憶層１７を用いることにより、スピントルク磁化反転による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記憶）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
【００４５】
これにより、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を確保して、スピントルク磁化反転による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記憶）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
このようにトンネル絶縁層を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜により形成する場合には、ＭｇＯ膜が結晶化していて、００１方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。
【００４６】
トンネル絶縁層の面積抵抗値は、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化の向きを反転させるために必要な電流密度を得る観点から、数十Ωμｍ2程度以下に制御する必要がある。
そして、ＭｇＯ膜から成るトンネル絶縁層では、面積抵抗値を上述の範囲とするために、ＭｇＯ膜の膜厚を１．５ｎｍ以下に設定する必要がある。
【００４７】
また、記憶層１７の磁化の向きを、小さい電流で容易に反転できるように、記憶素子３を小さくすることが望ましい。
従って、好ましくは、記憶素子３の面積を０．０１μｍ２以下とする。
【００４８】
＜３．実施の形態の具体的構成＞
続いて、本開示の実施の形態の具体的構成について説明する。
記憶装置の構成は先に図１で述べたとおり、直交する２種類のアドレス配線１，６（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子３が配置されるものである。
そして２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化の向きを反転させることができる。
【００４９】
図３Ａ，図３Ｂはそれぞれ実施の形態の記憶素子３（ＳＴ−ＭＲＡＭ）の層構造の例を表している。
図３Ａの例は、記憶素子３は、下地層１４、磁化固定層１５、中間層１６、記憶層１７、保磁力強化層１８、スピンバリア層１９、保護層２０を有する。
図３Ｂの例は、図３Ａの層構造に加え、磁化固定層１５の保磁力を高めるために、磁化固定層１５と下地層１４の間に、磁気結合層１３と高保磁力層１２を形成した例である。
【００５０】
図３Ａ、図３Ｂの各例のように、記憶素子３は、スピントルク磁化反転により磁化Ｍ１７の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層１５を設けている。
ＳＴ−ＭＲＡＭにおいては、記録層１７の磁化Ｍ１７と磁化固定層１５の磁化Ｍ１５の相対的な角度によって情報の０、１を規定している。
記憶層１７と磁化固定層１５との間には、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）となる中間層１６が設けられ、記憶層１７と磁化固定層１５とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
記憶層１７と磁化固定層１５は膜面に対して垂直な磁化を有する。
【００５１】
また、磁化固定層１５の下には下地層１４が形成されている。
記憶層１７の上（つまり記憶層１７から見て中間層１６とは反対側）には保磁力強化層１８が形成されている。
さらに保磁力強化層１８の上（つまり保磁力強化層１８からみて記憶層１７とは反対側）にスピンバリア層１９が形成されている。
スピンバリア層１９の上には保護層２０が形成されている。
【００５２】
本実施の形態では、記憶層１７及び磁化固定層１５はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、かつＢ、Ｃのうちの少なくとも一つを含む合金が好ましく、Ｂ、Ｃの含有量は５原子％以上３０原子％以下が好ましい。
例えば記憶層１７及び磁化固定層１５としては、ＦｅＣｏＢやＦｅＮｉＣ等のＦｅを含む合金が適している。
記憶層１７および磁化固定層１５は中間層１６との界面付近で少なくとも３０％以上のＦｅが含まれているのが好ましく、それ以下では十分な垂直磁気異方性が得られない。
【００５３】
中間層１６（トンネルバリア層）は例えばＭｇＯとする。ＭｇＯ（酸化マグネシウム）層とした場合には、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。このようにＭＲ比を高くすることによって、スピン注入の効率を向上して、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。
なお中間層１６は、酸化マグネシウムから成る構成とする他にも、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ2ＭｇＯ4、ＴｉＯ等も利用可能である。
【００５４】
保磁力強化層１８には、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎのいずれかが用いられる。
スピンバリア層１９には、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムのいずれかが用いられる。
下地層１４および保護層２０としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｒｕ等各種金属およびＴｉＮ等の導電性窒化物を用いることができる。また、下地層１４および保護層２０は単層で用いても良いし、異なる材料を複数積層しても良い。
【００５５】
図３Ｂの構成における高保磁力層１２としてはＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＭｎＡｌ、ＴｂＦｅＣｏ、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜等を用いることができる。
磁気結合層１３としてはＲｕ、Ｒｅ、Ｏｓ等が利用可能である。
【００５６】
本実施の形態の記憶素子３は、下地層１４から保護層２０までの各層を真空装置内で順次連続的に成膜して積層構造を形成する。その後エッチング等の加工により記憶素子３のパターンを形成することにより、製造することができる。
【００５７】
先に述べたように、高密度化のためには、記憶素子は熱揺らぎに対して大きな異方性エネルギーを持たなければならない。異方性エネルギーを大きくするためには保磁力を増加させ、記憶層の膜厚を厚くするのが有効である。
ところが垂直磁化を良好に得るための界面異方性は、磁性体と酸化物の間の界面のみで垂直磁気異方性が得られるので、磁性体の膜厚が厚くなると保磁力が減少してしまい、簡単に異方性エネルギーを増加させることができない。
【００５８】
そこで本実施の形態では、スピントルク型ＭＲＡＭにおいて、異方性エネルギーが大きく、素子を微細化しても十分な熱揺らぎ耐性を有する不揮発メモリを実現する。
まず、中間層１６と記憶層１７との間に働く界面磁気異方性に加えて、記憶層１７の中間層１６側とは反対側の面にも酸化物層（スピンバリア層１９）を形成し、記憶層１７の両側に界面異方性を持たせることで、垂直磁気異方性エネルギーを強化することができる。
このとき、記憶層１７とスピンバリア層１９の間にＣｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層１８を挿入すると、より効果的に垂直磁気異方性を向上させることができることが見いだされた。
【００５９】
保磁力強化層１８はＣｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎのうちの少なくとも一つを含む層が有効で、その厚さは０．０３ｎｍ以上が効果的で、それより薄い場合は効果が小さい。
保磁力強化層１８がＣｒの場合はその厚さは０．３ｎｍ以下が好ましい。
保磁力強化層１８がＲｕの場合は０．２ｎｍが好ましい。
保磁力強化層１８がＷ、Ｓｉ、Ｍｎの場合はその厚さは０．１ｎｍ以下が好ましい。
保磁力強化層１８の膜厚が０．０３ｎｍ未満あるいは上記各場合の厚さを超えると垂直磁気異方性の向上効果が得られない。
【００６０】
スピンバリア層１９としては各種酸化物が利用可能であるが、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムが保磁力向上効果に優れ好ましい。スピンバリア膜１９の酸化の度合いは十分に酸化した酸化物でも良いし、酸素が欠損した酸化物でも良い。
【００６１】
本実施の形態に用いる材料を作製する方法としてはスパッタリング方法、真空蒸着法、あるいは化学気相成長法（ＣＶＤ）等を用いることができる。さらに、スピンバリア層１９（酸化物層）は金属を成膜後、酸素プラズマなどによって金属を酸化させて作製しても良い。
磁気メモリ（ＳＴ−ＭＲＡＭ）として構成するには、シリコンウェハ上にＣＭＯＳ論理回路を形成し、下部電極上に上記積層膜を構成した後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、イオンミリング、化学エッチング等の方法で適当な形状に形成し、さらに上部電極を形成し、上部電極と下部電極の間に適当な電圧を印加できるように、ＣＭＯＳ回路と接続して用いるのがよい。素子の形状は任意であるが、円形状が特に作成が容易で、かつ高密度に配置できるので好ましい。
【００６２】
このような垂直磁化型のＳＴ−ＭＲＡＭにおいて、保磁力強化層１８、スピンバリア層１９を備える実施の形態では、微細な素子サイズにおいても十分な磁気異方性エネルギーの素子が得られ、高密度で情報の保持能力に優れた不揮発メモリを実現できる。
【００６３】
また、記憶素子３の記憶層１７が垂直磁化膜であるため、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することができる。従って記憶素子３に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。
また、情報保持能力である熱安定性を充分に確保することができるため、特性バランスに優れた記憶素子３を構成することができる。
これにより、動作エラーをなくして、記憶素子３の動作マージンを充分に得ることができ、記憶素子３を安定して動作させることができる。すなわち、安定して動作する、信頼性の高い記憶装置を実現することができる。
【００６４】
以上より、情報保持特性が優れた、安定して動作する信頼性の高い記憶素子３を実現することができ、記憶素子３を備えた記憶装置において、信頼性を向上させ、かつ消費電力を低減することができる。
また、図３に示した記憶素子３を備え、図１に示した構成の記憶装置は、製造する際に、一般の半導体ＭＯＳ形成プロセスを適用できるという利点を有している。
従って、本実施の形態のメモリを、汎用メモリとして適用することが可能になる。
【００６５】
なお、本開示の実施の形態としての記憶層１７には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ以外の元素を添加することも可能である。
異種元素の添加により、拡散の防止による耐熱性の向上や磁気抵抗効果の増大、平坦化に伴う絶縁耐圧の増大などの効果が得られる。この場合の添加元素の材料としては、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｏｓまたはそれらの合金を用いることができる。
【００６６】
また本開示における記憶層１７は組成の異なる他の強磁性層を直接積層させることも可能である。また、強磁性層と軟磁性層とを積層させたり、複数層の強磁性層を軟磁性層や非磁性層を介して積層させたりすることも可能である。このように積層させた場合でも、本開示でいう効果が得られる。
特に複数層の強磁性層を非磁性層に介して積層させた構成としたときには、強磁性層の層間の相互作用の強さを調整することが可能になるため、記憶素子３の寸法がサブミクロン以下になっても、磁化反転電流が大きくならないように抑制することが可能になるという効果が得られる。この場合の非磁性層の材料としては、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂまたはそれらの合金を用いることができる。
【００６７】
磁化固定層１５及び記憶層１７のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。
記憶素子３のその他の構成は、スピントルク磁化反転により情報を記憶する記憶素子３の従来公知の構成と同様とすることができる。
【００６８】
磁化固定層１５は、強磁性層のみにより、或いは反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とすることが出来る。
また、磁化固定層１５は、単層の強磁性層から成る構成、或いは複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層した積層フェリピン構造とすることが出来る。
積層フェリピン構造の磁化固定層１５を構成する強磁性層の材料としては、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ等を用いることができる。また、非磁性層の材料としては、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｏｓ等を用いることができる。
【００６９】
反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3等の磁性体を挙げることができる。
また、これらの磁性体に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ等の非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、その他の結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整したりすることができる。
また、記憶素子３の膜構成は、記憶層１７が磁化固定層１５の下側に配置される構成でも問題ない。
【００７０】
＜４．実施の形態に関する実験＞
以下では、本実施の形態の記憶素子３の効果の検証のための実験について述べる。
【００７１】
［実験１］
まず初めに、スピンバリア層１９の効果を見るために、下地層１４の上に直接記憶層１７を成膜し、その上に保磁力強化層１８、スピンバリア層１９、保護層２０を成膜した試料を作製した。
【００７２】
試料の層構造を図４に示す。
試料は酸化被服付きのシリコン基板上に図４のように各層を積層した。
・下地層１４：Ｔａ 厚さ５ｎｍ
・記憶層１７：Ｆｅ64Ｃｏ16Ｂ20 厚さ０．８ｎｍ
・保磁力強化層１８：各種元素を様々な厚さｔMで成膜
・スピンバリア層１９：ＭｇＯ 厚さ１ｎｍ
・保護層２０：Ｒｕ 厚さ３ｎｍ
【００７３】
保磁力強化層１８としては、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖの各材料の試料を、各種の膜厚で生成した。
【００７４】
図５に各試料の保磁力Ｈｃと保磁力強化層１８に用いた各種元素の厚さｔMに対する依存性を示す。
図５Ａ、図５Ｂは、３００℃、１時間熱処理後の結果で、図５Ｃ、図５Ｄは３５０℃、１時間熱処理後の結果である。
ここで、厚み＝０とは、保磁力強化層１８が形成されていない試料のこととなる。
例えば図５ＡのＲｕ（Ｒｕで保磁力強化層１８を形成した試料）について見てみると、厚みｔMが０．０３ｎｍ、０．０５ｎｍ、０．１ｎｍ、０．１５ｎｍの各場合、厚み＝０、つまり保磁力強化層１８を設けない場合よりも、保磁力Ｈｃが上昇している。従って保磁力強化層１８にＲｕを用いる場合、或る厚み範囲で保磁力強化に有効であることがわかる。
一方、同じく図５ＡでＮｂで保磁力強化層１８を形成した場合を見てみると、どの厚みの場合も、厚み＝０、つまり保磁力強化層１８を設けない場合よりも、保磁力Ｈｃが低下している。これは、Ｎｂは保磁力強化層１８として適していないことを示すものとなる。
【００７５】
このように各試料の結果について見てみると、保磁力強化層１８として保磁力向上に効果があるものは３００℃熱処理の場合はＲｕとＣｒ、３５０℃熱処理の場合はＲｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｉである。３００℃熱処理の場合と３５０℃熱処理の場合との結果からみると、以下の厚みが好適となる。
保磁力強化層１８をＣｒにより形成する場合は、厚さを０．０３ｎｍ以上０．３ｎｍ以下とする。
保磁力強化層１８をＲｕにより形成する場合は、厚さを０．０３ｎｍ以上０．２ｎｍ以下とする。
保磁力強化層１８を、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎのいずれかにより形成する場合、厚さを０．０３ｎｍ以上０．１ｎｍ以下とする。
【００７６】
［実験２］
次に実際に磁気メモリの強磁性トンネル素子に使用される構成として磁化固定層１５を付加した試料で実験を行った。
図６Ａに試料の層構造を示す。
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＲｕ
・高保磁力層１２：厚さ２ｎｍのＣｏＰｔ
・磁気結合層１３：厚さ０．９ｎｍのＲｕ
・磁化固定層１５：厚さ０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・中間層１６：厚さ０．８ｎｍのＭｇＯ
・記憶層１７：厚さｔFeCoBのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・保磁力強化層１８：厚さｔCrのＣｒ
・スピンバリア層１９：厚さ０．６ｎｍのＭｇＯ
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００７７】
このような試料を作製し、垂直異方性磁場（ＨK）を測定した結果を図６Ｂに示す。
熱処理は３００℃、１時間で、ＨKは反磁界補正を行っていない値で、ＨKが正の場合は垂直磁化膜、負の場合は面内磁化膜である。
保磁力強化層１８となるＣｒ層を挿入していないｔCr＝０ｎｍの場合は、ＦｅＣｏＢ記憶層１７の厚さｔFeCoBが１．１ｎｍから１．３ｎｍの狭い範囲でしか垂直磁化膜にならず、膜厚によるＨKの変化も急進で、最適条件も狭い。
これに対して保磁力強化層１８となるＣｒ層を挿入した場合は、ｔCr＝０．１ｎｍ、ｔCr＝０．２ｎｍどちらでも垂直磁気異方性が増加し、垂直磁化が得られるＦｅＣｏＢ記憶層１７の厚さｔFeCoBが０．９ｎｍから２．２ｎｍの範囲に広がり、ＦｅＣｏＢ膜厚に対する垂直磁気異方性の変化が緩やかになる。
【００７８】
［実験３］
次にスピンバリア層１９の影響を調べるため、記憶磁性層の上にスピンバリア層となる様々な酸化物をいくつかの作製方法で試料を作製した。
図７Ａに試料の層構造を示す。
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと５ｎｍのＲｕ
・記憶層１７：厚さ０．７ｎｍのＦｅ40Ｃｏ40Ｃ20
・保磁力強化層１８：厚さ０．２ｎｍのＣｒ
・スピンバリア層１９：各種材料
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００７９】
熱処理は３００℃、１時間とした。
スピンバリア層１９の厚さは、ＲＦスパッタでは０．７ｎｍ、自然酸化およびプラズマ酸化では酸化後の膜厚が０．６ｎｍから０．８ｎｍになるように作製した。
【００８０】
図７Ｂ、図７Ｃに、様々なスピンバリア層１９の材料と作製方法で作製した試料について、垂直磁化が得られたものと垂直磁化が得られなかったものに分けて示した。垂直磁化が得られたもの（図７Ｂ）については、垂直方向の保磁力（ＨＣ⊥）も示した。
垂直磁化が得られているスピンバリア層１９は、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムである。
【００８１】
［実験４］
次に、熱揺らぎ耐性を調べるため、直径７０ｎｍの円形素子を形成し、熱揺らぎ耐性の指標Δ＝ＫUＶ／ｋBＴを調べてみた。（上述の式（３）参照）
測定は繰り返し保磁力を測定しその分布から求めた。
測定には、比較例として保磁力強化層１８が設けられていない試料Ａと、実施の形態に相当する保磁力強化層１８が設けられた試料Ｂ、Ｃを用いた。
【００８２】
試料Ａ，Ｂ，Ｃの層構造を図８に示す。
−試料Ａ
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＲｕ
・高保磁力層１２：厚さ２ｎｍのＣｏＰｔ
・磁気結合層１３：厚さ０．８ｎｍのＲｕ
・磁化固定層１５：厚さ０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・中間層１６：厚さ０．８ｎｍのＭｇＯ
・記憶層１７：厚さ１．２ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・スピンバリア層１９：厚さ０．６ｎｍのＭｇＯ
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００８３】
−試料Ｂ
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＲｕ
・高保磁力層１２：厚さ２ｎｍのＣｏＰｔ
・磁気結合層１３：厚さ０．８ｎｍのＲｕ
・磁化固定層１５：厚さ０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・中間層１６：厚さ０．８ｎｍのＭｇＯ
・記憶層１７：厚さ１．６ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・保磁力強化層１８：厚さ０．２ｎｍのＣｒ
・スピンバリア層１９：厚さ０．６ｎｍのＭｇＯ
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００８４】
−試料Ｃ
・下地層１４：厚さ５ｎｍのＴａと厚さ５ｎｍのＲｕ
・高保磁力層１２：厚さ２ｎｍのＣｏＰｔ
・磁気結合層１３：厚さ０．８ｎｍのＲｕ
・磁化固定層１５：厚さ０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20
・中間層１６：厚さ０．８ｎｍのＭｇＯ
・記憶層１７：厚さ１．５ｎｍのＦｅ50Ｎｉ30Ｃ20
・保磁力強化層１８：厚さ０．０５ｎｍのＲｕ
・スピンバリア層１９：厚さ０．６ｎｍのＣａＯ
・保護層２０：厚さ３ｎｍのＲｕ
【００８５】
熱処理は試料Ａおよび試料Ｂは３００℃、１時間、試料Ｃは３５０℃、１時間で行った。図８の下部に、各試料の室温に於けるＫUＶ／ｋBＴの値を示す。
試料Ａ（比較例）は３５、試料Ｂは７６、試料Ｃは６８であった。
情報を１０年以上保持するためにはＫUＶ／ｋBＴが６０程度以上は必要なので、実施の形態の記憶素子はこの条件を満たし、不揮発メモリ素子として有効であることがわかる。
【００８６】
以上の実験１〜実験４の結果からも、垂直磁化膜を用いるスピントルク型のＭＲＡＭにおいて実施の形態の構成の膜を用いれば、保磁特性に優れ、高密度の不揮発メモリが実現できることが理解される。
【００８７】
なお本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、
上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層と、
を有し、
上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う記憶素子。
（２）上記記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、かつＢ、Ｃのうちの少なくとも一つを含む上記（１）に記載の記憶素子。
（３）上記保磁力強化層はＣｒにより成り、厚さが０．０３ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である上記（１）又は（２）に記載の記憶素子。
（４）上記保磁力強化層はＲｕにより成り、その厚さが０．０３ｎｍ以上０．２ｎｍ以下である上記（１）又は（２）に記載の記憶素子。
（５）上記保磁力強化層は、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎのいずれか１つを少なくとも有して成り、厚さが０．０３ｎｍ以上０．１ｎｍ以下である上記（１）又は（２）に記載の磁気メモリ。
（６）上記スピンバリア層は、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムのいずれか１つを少なくとも有して成る上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の記憶素子。
【符号の説明】
【００８８】
１ ゲート電極、２ 素子分離層、３ 記憶素子、４ コンタクト層、６ ビット線、７ ソース領域、８ ドレイン領域、９ 配線、１０ 半導体基体、１２ 高保磁力層、１３ 磁気結合層、１４ 下地層、１５ 磁化固定層、１６ 中間層、１７ 記憶層、１８ 保磁力強化層、１９ スピンバリア層、２０ 保護層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、
上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層と、
を有し、
上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う記憶素子。
【請求項２】
上記記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、かつＢ、Ｃのうちの少なくとも一つを含む請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記保磁力強化層はＣｒにより成り、厚さが０．０３ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記保磁力強化層はＲｕにより成り、その厚さが０．０３ｎｍ以上０．２ｎｍ以下である請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記保磁力強化層は、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎのいずれか１つを少なくとも有して成り、厚さが０．０３ｎｍ以上０．１ｎｍ以下である請求項１に記載の記憶素子。
【請求項６】
上記スピンバリア層は、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムのいずれか１つを少なくとも有して成る請求項１に記載の記憶素子。
【請求項７】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、
互いに交差する２種類の配線とを備え、
上記記憶素子は、
膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層とを有し、上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う構成とされ、
上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、
上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、これに伴ってスピントルク磁化反転が起こる記憶装置。
【請求項１】
膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、
上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層と、
を有し、
上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う記憶素子。
【請求項２】
上記記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、かつＢ、Ｃのうちの少なくとも一つを含む請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記保磁力強化層はＣｒにより成り、厚さが０．０３ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記保磁力強化層はＲｕにより成り、その厚さが０．０３ｎｍ以上０．２ｎｍ以下である請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記保磁力強化層は、Ｓｉ、Ｗ、Ｍｎのいずれか１つを少なくとも有して成り、厚さが０．０３ｎｍ以上０．１ｎｍ以下である請求項１に記載の記憶素子。
【請求項６】
上記スピンバリア層は、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムのいずれか１つを少なくとも有して成る請求項１に記載の記憶素子。
【請求項７】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、
互いに交差する２種類の配線とを備え、
上記記憶素子は、
膜面に対して垂直な磁化を有し、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、上記記憶層に記憶された情報の基準となる、膜面に対して垂直な磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられる、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｍｎの少なくとも一つからなる保磁力強化層と、上記保磁力強化層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる酸化物によるスピンバリア層とを有し、上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う構成とされ、
上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、
上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、これに伴ってスピントルク磁化反転が起こる記憶装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２３８６３１（Ｐ２０１２−２３８６３１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０４８７７（Ｐ２０１１−１０４８７７）
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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