記憶素子、記憶装置
【課題】書込電流を増大させることなく、高い保磁力を有し熱安定性を改善することができる記憶素子の提供。
【解決手段】記憶素子は、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磁化を有する磁化固定層と、記憶層と磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、磁化固定層に隣接し、中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有する。
そして記憶層、中間層、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とともに磁気結合層が２層の積層構造となっている。
【解決手段】記憶素子は、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磁化を有する磁化固定層と、記憶層と磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、磁化固定層に隣接し、中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有する。
そして記憶層、中間層、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とともに磁気結合層が２層の積層構造となっている。
【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２００９−０８１２１５号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Nature Materials., Vol 9, 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が広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）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型ＭＲＡＭ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、記憶層と磁化固定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、スピントルクＭＲＡＭに上記界面異方性型の材料を用いるには、少なくとも磁化固定層の磁性体の保磁力を記憶層の保磁力よりも十分大きくしておかなければならないとされる。磁化固定層の保磁力を大きくするには結晶磁気異方性の大きな高保磁力層を磁化固定層と磁気的に結合して、磁化固定層の保磁力を補強すればよい。また、強い磁気結合を形成する磁気結合層を磁化固定層と高保磁力層との間に適当な厚さで挿入し、磁化固定層と高保磁力層とを反平行に磁気結合させると、磁化固定層および高保磁力層からの漏洩磁場が打ち消しあい、記憶層への磁気的影響が小さくなり好ましい。しかしながら、磁化固定層に高保磁力層と磁気結合層を積層すると磁化固定層のみの場合に比べＭＲ比の低下や耐熱温度の低下などの影響が生じる。
【００１１】
そこで本開示は、このような認識に基づいてなされたもので、スピントルク型ＭＲＡＭにおいて、安定した動作が可能なように、垂直保磁力が大きく、かつ耐熱性（熱安定性）に優れた垂直磁化固定層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、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、上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、
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とともに、上記磁気結合層が２層の積層構造となっている。
【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、上記記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、該記憶層に記憶された情報の基準となる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、上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、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とともに、上記磁気結合層が２層の積層構造とされ、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。
【００１４】
このような本開示では、記憶素子は、磁化固定層に隣接し、中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、該磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを設ける構造とすることにより、保磁力を高め、熱安定性優れた素子とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本開示によれば、垂直磁気異方性を有する記憶素子が簡便に得られるため、情報保持能力である熱安定性を充分に確保して、特性バランスに優れた記憶素子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、記憶素子の動作マージンを充分に得ることができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。
また、書き込み電流を低減して、記憶素子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。
従って、記憶装置全体の消費電力を低減することが可能になる。
【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】実験で用いた試料の層構造の説明図である。
【図５】磁気結合層（Ｒｕ）の厚みと磁化反転の変化の大きさとの関係を表す図である。
【図６】磁気結合層（Ｒｕ）と磁気結合層（Ｔａ）の２層として磁気結合層（Ｒｕ）の厚みと磁化反転の変化の大きさとの関係を表す図である。
【図７】磁気結合層（Ｒｕ）の厚みと、磁気結合層（Ｔａ）の厚みとを変化させたときの磁化反転の磁場の大きさとの関係を表す図である。
【図８】磁気結合層（Ｔａ）の材料をＴａ以外の元素、Ｃｒ等とし、その厚みと磁気結合層（Ｒｕ）の厚みとを変化させたときの３００℃熱処理後の磁化反転の磁場の大きさとの関係を表す図である。
【図９】磁気結合層（Ｔａ）の材料をＴａ以外の元素、Ｃｒ等とし、その厚みと磁気結合層（Ｒｕ）の厚みとを変化させたときの３５０℃熱処理後の磁化反転の磁場の大きさとの関係を表す図である。
【図１０】磁気結合層（Ｔａ）の材料をＴａ以外の元素、Ｃｕ等とし、その厚みと磁気結合層（Ｒｕ）の厚みとを変化させたときの磁化反転の磁場の大きさとの関係を表す図である。
【図１１】磁気抵抗比（ＭＲ比）の測定用試料の層構造の図である。
【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。
記憶装置（ＳＴ−ＭＲＡＭ）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、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、各記憶素子３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１中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
【００２０】
ドレイン領域８は、図２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、記憶素子３に電流を流して、スピン注入により記憶層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、記録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となる記憶素子の概要について説明する。
本開示の実施の形態は、前述した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、情報の記録を行うものである。
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。
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に対して情報の記録が行われる。
【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の記録は、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。すなわち上述の記録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録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をいい、また「同方向」「逆方向」は、「平行」「反平行」ともいう）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、垂直磁化型が低記録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 ＝Ｋ・Ｖ／ｋB・Ｔ＝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：温度、Ｍｓ：飽和磁化量、Ｖ：記憶層１７の体積、Ｋ：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（記録）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。
記録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（記録）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（記録）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。
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。
【００４７】
＜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。
【００４８】
ドレイン領域８は、図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、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線（例えばビット線）６との間に、記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層１７を有する。
また、この記憶素子３は、２種類のアドレス配線１、６の交点付近に配置されている。
この記憶素子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の磁化の向きを反転させることができる。
【００４９】
図３は、本開示の実施の形態に係る記憶素子３の詳細構造を表している。
図３に示すように、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、記憶層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。この場合、面内磁化を用いたものと垂直磁化を用いたものが開発されているが、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とされている。
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。
【００５０】
一方、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。近年、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応用されている。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１７と磁化固定層１５の材料として適用可能である。
また、磁化固定層１５および記憶層１７としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つと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。
【００５１】
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。中間層１６は、例えばＭｇＯが用いられる。
【００５２】
また、磁化固定層１５の下には磁気結合層１９、高保磁力層２０、下地層１４が形成され、記憶層１７の上にはキャップ層１８が形成されている。
高保磁力層２０を設けるのは、磁化固定層１５の保磁力を記憶層１７の保磁力より大きくするためである。すなわち、磁化固定層１５の保磁力を補強するものである。
高保磁力層２０と磁化固定層１５の間の磁気結合層１９は、磁化固定層１５と高保磁力層２０とを反平行に磁気結合させるもので、これにより磁化固定層１５および高保磁力層２０からの漏洩磁場が打ち消しあい、記憶層１７への磁気的影響が小さくなり好ましい。
この磁気結合層１９はＲｕ等の材料で構成される。
【００５３】
さらに、図３の右に示すように、磁気結合層１９は磁気結合層２２と磁気結合層２１の２層としている。
磁気結合層２２は、Ｒｕ等の材料で構成することができる。磁気結合層２１は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒのいずれかあるいは複数材料で構成してもよい。 これによりＭＲ比や耐熱温度の低下が押さえられ、安定した動作が可能な垂直磁化を用いた記憶素子３を実現できる。
【００５４】
記憶素子３は、適当な下地層１４を成膜した上に高保磁力層２０を形成し、Ｒｕ等の磁気結合層１９、Ｔａ等の磁気結合層１９、磁気固定層１５、中間層１６、記憶層１７、キャップ層１８を順次成膜して積層構造を形成する。下地層１４としてはＴａ等を用いることができる。
本開示に用いる材料を積層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。また、その上に結晶配向等を制御するためにＲｕ、Ｃｒ等の金属膜、あるいはＴｉＮ等の導電性窒化膜を形成して下地層１４としてもよい。
高保磁力層２０としてはＣｏＰｔやＦｅＰｔ等の合金膜やＣｏとＰｔあるいはＣｏとＰｄの連続積層膜あるいはＴｂＦｅＣｏ等の合金膜などが利用可能であるが、高温の熱処理の必要がなく、かつ優れた耐熱性を有するＣｏＰｔ合金が適している。
【００５５】
磁気結合層２２としてはＲｕ、Ｒｅ、Ｏｓ等の強い磁気的結合を媒介する非磁性金属が好ましく、磁気結合層２１としてはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒのいずれかあるいは複数の組み合わせが好ましい。
磁気結合層２１の厚さはＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの場合は０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下が好ましく、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕの場合は０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下が好ましい。磁気結合層２１の厚さは規定の厚さ下限以下ではＭＲ比の向上の効果が小さく、規定の厚さの上限以上では高保磁力層２０と磁化固定層１５の磁気結合強度が小さくなり好ましくない。
【００５６】
磁気結合層２１の厚さは０．５ｎｍ以上０．９ｎｍ以下で安定した反強磁性結合が得られる。磁化固定層１５および記憶層１７としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つと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。
記憶層１７および磁化固定層１５は中間層１６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。
中間層１６としてはＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｇＡｌ2Ｏ4等が利用可能で、ＭｇＯを用いるとＭＲ比が大きく好ましい。
キャップ層１８としてはＴａ、Ｔｉ等の金属あるいはＴｉＮ等の導電性窒化物、あるいは薄いＭｇＯ等の絶縁層と金属膜を組み合わせて用いてもよい。
【００５７】
記憶装置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。
本開示の垂直磁化膜を記憶装置に適応すると耐熱性が高く、半導体プロセスへの適応が容易で、磁気抵抗比が大きくデータの読み出し回路の簡素化や読み出し速度の高速化が可能な不揮発性の記憶装置を実現できる。
【００５８】
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Ｍ１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。
【００５９】
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。
また、書き込み電流を低減して、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。
【００６０】
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メモリを実現することができ、記憶素子３を備えたメモリにおいて、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。
【００６１】
＜４．実施の形態に関する実験＞
ここで、本実施の形態に係る記憶素子３の保磁力の向上およびＭＲ比が改善されていることを確かめるために、記憶素子３の構成において磁化固定層１５と下地層１４の間に磁気結合層１９と高保磁力層２０とを設け、磁気結合層１９を磁気結合層２２と磁気結合層２１の２層とした場合について、各層の材料を選定することにより、図４、５に示す試料を作製し、実験１〜５を行い、その磁気特性を調べた。
【００６２】
本実験の磁気特性評価用の試料は、酸化被覆付きのシリコン基板上に厚さ５ｎｍのＴａ、厚さ５ｎのＲｕを下地層１４として、高保磁力層２０としてＣｏ７０Ｐｔ３０の合金膜、磁気結合層１９、磁化固定層１５、中間層１６として１ｎｍのＭｇＯ、保護膜として厚さ１ｎｍのＲｕと厚さ５ｎｍのＴａ積層膜を用いた。上記評価用の試料は磁化固定層１５側のみの評価を行うためのもので、記憶素子３を形成するためには上記中間層のＭｇＯと保護膜の間に記憶層１７を挿入する必要がある。
【００６３】
＜実験１＞
図４Ａには、実験１用試料として磁気結合層が１層のものを示している。
図４Ａに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層１９：Ｒｕ膜（膜厚：ｔＲｕ）
・磁化固定層１５：膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜と膜厚０．１ｎｍのＴａ膜と膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜の積層膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚保１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料の極カー光磁気効果による垂直磁化状態の測定結果を図５に示す。３００℃で熱処理した後の結果と３５０℃で熱処理した後の結果それぞれについて示す。
【００６４】
図５はＲｕの厚さｔＲｕを変化させた試料の結果を示している。図中ＨＣで示した位置は磁化固定層１５と高保磁力層２０が反平行に磁気結合したまま磁化反転が起こる磁場で、ＨSFは磁化固定層１５と高保磁力層２０との磁気的結合が壊れる磁場である。３００℃熱処理においては、ＨSF点における変化が急峻であるが、これはここで反転している磁化固定層１５が有効な垂直磁化膜であることを示す。
これに対し、３５０℃熱処理後の試料のうち例えばｔＲｕが０．５ｎｍのものでは変化がなだらかになっている。この場合は磁化固定層１５の垂直磁化が十分でないため反転の変化が緩やかであるが、磁化固定層１５の磁化反転が始まる磁場をＨSFとすると、ＨSF以下では磁化固定層１５は垂直磁化となっている。
【００６５】
図４Ｂには、実験１用試料として磁気結合層が２層のものを示している。
図４Ｂに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層２２：Ｒｕ膜（膜厚：ｔＲｕ）
・磁気結合層２１：膜厚０．０５ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜と膜厚０．１ｎｍのＴａ膜と膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜の積層膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料の極カー光磁気効果による垂直磁化状態の測定結果を図６に示す。３００℃で熱処理した後の結果と３５０℃で熱処理した後の結果それぞれについて示す。
磁気結合層１９に対しＴａを付加すると、前述の付加しない場合の試料に比べて磁気結合層２２のＲｕの厚さに対するＨSFの変化が図６の通り小さくなっており、反平行を維持できる範囲が何れの温度においても拡くなっている。
【００６６】
＜実験２＞
図４Ｃには、実験２用試料として磁気結合層が２層のものを示している。
図４Ｃに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層２２：Ｒｕ膜（膜厚：ｔＲｕ）
・磁気結合層２１：Ｔａ膜（膜厚：ｔＴａ）
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚保１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料の磁気結合層２２のＲｕ厚さに対する結合磁場強度ＨSFの変化を図７に示す。
３００℃と３５０℃熱処理後の結果を示すが、磁気結合層のＲｕにＴａを付加した場合を磁気結合層がＲｕ単体の試料と比較したときに、３００℃の熱処理では結合磁場強度の向上はあまり大きくないが、３５０℃の熱処理ではＴａを付加した場合の結合磁場強度が大きく、Ｔａの付加は耐熱性の改善に効果があることが確認できる。
また、Ｒｕの厚みが０．５ｎｍ〜０．９ｎｍにおいて磁気的結合が壊れにくくなっており、Ｒｕの厚みは０．５ｎｍ〜０．９ｎｍが好適である。
【００６７】
＜実験３＞
実験３用の試料は磁気結合層が２層であり、図４Ｄに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．６ｎｍＲｕ膜
・磁気結合層２１：所定の元素を付加
・磁化固定層１５：膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜と膜厚０．１ｎｍのＴａ膜と膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜の積層膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料は磁気結合層のＲｕにＴａを付加した場合とＴａ以外の元素を付加した場合の特性の違いを調査するものである。
図８に本試料を３００℃で熱処理した後の結合磁場強度ＨSFの付加層の厚さ依存を示す。付加する元素としてＴａ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏについて示す。同様に図９に３５０℃熱処理後の結果を示す。付加元素がＴａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏの場合に、結合磁場強度の向上が見られ、特にＴａは３５０℃熱処理後の改善効果が大きい。
改善の見られる膜厚は０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である。
【００６８】
＜実験４＞
実験４用試料は磁気結合層が２層であり、図４Ｅに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．８ｎｍＲｕ膜
・磁気結合層２１：所定の元素を付加
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜と膜厚０．３ｎｍのＴａ膜と膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜の積層膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料は磁気結合層のＲｕにＣｕ、Ａｇ、Ａｕの元素を付加した場合の特性の違いを調査するものである。
図１０に本試料を３００℃および３５０℃で熱処理した試料の結合磁場強度ＨSFの付加層厚さ依存を示す。実験３の結果と同じように、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ何れの場合も結合磁場強度の向上効果が見られる。これらの元素では結合磁場強度の改善が見られる厚さは０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下である。
【００６９】
＜実験５＞
実験５は、記憶層を備えた記憶素子を作成し磁気抵抗比を（ＭＲ比）を測定するものである。
実験５用試料を図１１に示す。図１１に示すように、５種類の試料を用意した。
（１）磁気結合層が１層の試料
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＣｏＰｔの合金膜
・磁気結合層１９：膜厚０．８ｎｍＲｕ膜
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．４ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
（２）磁気結合層が２層の試料１
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＣｏＰｔの合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．６ｎｍＲｕ膜
・磁気結合層２１：膜厚０．１ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．４ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
（３）磁気結合層が２層の試料２
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＣｏＰｔの合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．６ｎｍＲｕ膜
・磁気結合層２１：膜厚０．１ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚１．２ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．４ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
（４）磁気結合層が２層の試料３
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＣｏＰｔの合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．７ｎｍＲｅ膜
・磁気結合層２１：膜厚０．１ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．２ｎｍのＦｅ60Ｎｉ30Ｃ10合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
（５）磁気結合層が２層の試料４
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＴｉＮ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＦｅＰｔの合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．８ｎｍＯｓ膜
・磁気結合層２１：膜厚０．０５ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚１．０ｎｍのＦｅ50Ｃｏ10Ｃｒ20Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
【００７０】
表１に上記試料について３００℃と３５０℃で熱処理を行ったもののＭＲ比の測定結果を示す。本実施の形態に係る記憶素子において、特に３５０℃熱処理においてＭＲ比の改善が大きく、本開示の技術は、耐熱性とＭＲ比の改善に効果が大きいことが分かる。
【００７１】
【表１】
【００７２】
以上実施の形態について説明してきたが、本開示では、上述の各実施の形態で示した記憶素子３の膜構成に限らず、様々な膜構成を採用することが可能である。
【００７３】
例えば実施の形態では、磁化固定層１５をＣｏＦｅＢとしたが、実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
また、実施の形態では、単一の下地等しか示していないが、それらに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
また実施の形態では、磁化固定層１５は２層の強磁性層と非磁性層から成る積層フェリピン構造を用いているが、積層フェリピン構造膜に反強磁性膜を付与した構造でもよい。
もちろん単層でもよい。
また、記憶素子３の膜構成は、記憶層１７が磁化固定層１６の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。
【００７４】
なお本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）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、
上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、
上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、
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とともに、
上記磁気結合層が２層の積層構造となっている記憶素子。
（２）上記記憶層および上記磁化固定層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、５原子％以上３０原子％以下のＢ、Ｃのうちのいずれか一つを含む上記（１）に記載の記憶素子。
（３）上記磁気結合層の２層のうち、
高保磁力層側の層がＲｕ、Ｒｅ、Ｏｓの少なくとも一つからなる（１）又は（２）に記載の記憶素子。
（４）上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一つからなる（１）乃至（３）のいずれかに記載の記憶素子。
（５）上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一つからなり、該層厚が０．０５ｎｍ乃至０．３ｎｍである（１）乃至（３）のいずれかに記載の記憶素子。
（６）上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＣｕ、Ａｇ、Ａｕの少なくとも一つからなり、
該層厚が０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍである（１）乃至（３）いずれかに記載の記憶素子。（７）高保磁力層側の層厚が０．５ｎｍ乃至０．９ｎｍである（１）乃至（６）いずれかに記載の記憶素子。
【符号の説明】
【００７５】
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、１４ 下地層、１５ 磁化固定層、１６ 中間層、１７ 記憶層、１８ キャップ層、１９ ２１ ２２ 磁気結合層 ２０ 高保磁力層
【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２００９−０８１２１５号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Nature Materials., Vol 9, 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が広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）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型ＭＲＡＭ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、記憶層と磁化固定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、スピントルクＭＲＡＭに上記界面異方性型の材料を用いるには、少なくとも磁化固定層の磁性体の保磁力を記憶層の保磁力よりも十分大きくしておかなければならないとされる。磁化固定層の保磁力を大きくするには結晶磁気異方性の大きな高保磁力層を磁化固定層と磁気的に結合して、磁化固定層の保磁力を補強すればよい。また、強い磁気結合を形成する磁気結合層を磁化固定層と高保磁力層との間に適当な厚さで挿入し、磁化固定層と高保磁力層とを反平行に磁気結合させると、磁化固定層および高保磁力層からの漏洩磁場が打ち消しあい、記憶層への磁気的影響が小さくなり好ましい。しかしながら、磁化固定層に高保磁力層と磁気結合層を積層すると磁化固定層のみの場合に比べＭＲ比の低下や耐熱温度の低下などの影響が生じる。
【００１１】
そこで本開示は、このような認識に基づいてなされたもので、スピントルク型ＭＲＡＭにおいて、安定した動作が可能なように、垂直保磁力が大きく、かつ耐熱性（熱安定性）に優れた垂直磁化固定層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、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、上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、
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とともに、上記磁気結合層が２層の積層構造となっている。
【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、上記記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、該記憶層に記憶された情報の基準となる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、上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、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とともに、上記磁気結合層が２層の積層構造とされ、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。
【００１４】
このような本開示では、記憶素子は、磁化固定層に隣接し、中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、該磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを設ける構造とすることにより、保磁力を高め、熱安定性優れた素子とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本開示によれば、垂直磁気異方性を有する記憶素子が簡便に得られるため、情報保持能力である熱安定性を充分に確保して、特性バランスに優れた記憶素子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、記憶素子の動作マージンを充分に得ることができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。
また、書き込み電流を低減して、記憶素子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。
従って、記憶装置全体の消費電力を低減することが可能になる。
【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】実験で用いた試料の層構造の説明図である。
【図５】磁気結合層（Ｒｕ）の厚みと磁化反転の変化の大きさとの関係を表す図である。
【図６】磁気結合層（Ｒｕ）と磁気結合層（Ｔａ）の２層として磁気結合層（Ｒｕ）の厚みと磁化反転の変化の大きさとの関係を表す図である。
【図７】磁気結合層（Ｒｕ）の厚みと、磁気結合層（Ｔａ）の厚みとを変化させたときの磁化反転の磁場の大きさとの関係を表す図である。
【図８】磁気結合層（Ｔａ）の材料をＴａ以外の元素、Ｃｒ等とし、その厚みと磁気結合層（Ｒｕ）の厚みとを変化させたときの３００℃熱処理後の磁化反転の磁場の大きさとの関係を表す図である。
【図９】磁気結合層（Ｔａ）の材料をＴａ以外の元素、Ｃｒ等とし、その厚みと磁気結合層（Ｒｕ）の厚みとを変化させたときの３５０℃熱処理後の磁化反転の磁場の大きさとの関係を表す図である。
【図１０】磁気結合層（Ｔａ）の材料をＴａ以外の元素、Ｃｕ等とし、その厚みと磁気結合層（Ｒｕ）の厚みとを変化させたときの磁化反転の磁場の大きさとの関係を表す図である。
【図１１】磁気抵抗比（ＭＲ比）の測定用試料の層構造の図である。
【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。
記憶装置（ＳＴ−ＭＲＡＭ）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、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、各記憶素子３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１中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
【００２０】
ドレイン領域８は、図２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、記憶素子３に電流を流して、スピン注入により記憶層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、記録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となる記憶素子の概要について説明する。
本開示の実施の形態は、前述した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、情報の記録を行うものである。
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。
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に対して情報の記録が行われる。
【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の記録は、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。すなわち上述の記録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録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をいい、また「同方向」「逆方向」は、「平行」「反平行」ともいう）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、垂直磁化型が低記録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 ＝Ｋ・Ｖ／ｋB・Ｔ＝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：温度、Ｍｓ：飽和磁化量、Ｖ：記憶層１７の体積、Ｋ：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（記録）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。
記録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（記録）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（記録）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。
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。
【００４７】
＜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。
【００４８】
ドレイン領域８は、図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、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線（例えばビット線）６との間に、記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層１７を有する。
また、この記憶素子３は、２種類のアドレス配線１、６の交点付近に配置されている。
この記憶素子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の磁化の向きを反転させることができる。
【００４９】
図３は、本開示の実施の形態に係る記憶素子３の詳細構造を表している。
図３に示すように、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、記憶層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。この場合、面内磁化を用いたものと垂直磁化を用いたものが開発されているが、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とされている。
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。
【００５０】
一方、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。近年、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応用されている。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１７と磁化固定層１５の材料として適用可能である。
また、磁化固定層１５および記憶層１７としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つと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。
【００５１】
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。中間層１６は、例えばＭｇＯが用いられる。
【００５２】
また、磁化固定層１５の下には磁気結合層１９、高保磁力層２０、下地層１４が形成され、記憶層１７の上にはキャップ層１８が形成されている。
高保磁力層２０を設けるのは、磁化固定層１５の保磁力を記憶層１７の保磁力より大きくするためである。すなわち、磁化固定層１５の保磁力を補強するものである。
高保磁力層２０と磁化固定層１５の間の磁気結合層１９は、磁化固定層１５と高保磁力層２０とを反平行に磁気結合させるもので、これにより磁化固定層１５および高保磁力層２０からの漏洩磁場が打ち消しあい、記憶層１７への磁気的影響が小さくなり好ましい。
この磁気結合層１９はＲｕ等の材料で構成される。
【００５３】
さらに、図３の右に示すように、磁気結合層１９は磁気結合層２２と磁気結合層２１の２層としている。
磁気結合層２２は、Ｒｕ等の材料で構成することができる。磁気結合層２１は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒのいずれかあるいは複数材料で構成してもよい。 これによりＭＲ比や耐熱温度の低下が押さえられ、安定した動作が可能な垂直磁化を用いた記憶素子３を実現できる。
【００５４】
記憶素子３は、適当な下地層１４を成膜した上に高保磁力層２０を形成し、Ｒｕ等の磁気結合層１９、Ｔａ等の磁気結合層１９、磁気固定層１５、中間層１６、記憶層１７、キャップ層１８を順次成膜して積層構造を形成する。下地層１４としてはＴａ等を用いることができる。
本開示に用いる材料を積層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。また、その上に結晶配向等を制御するためにＲｕ、Ｃｒ等の金属膜、あるいはＴｉＮ等の導電性窒化膜を形成して下地層１４としてもよい。
高保磁力層２０としてはＣｏＰｔやＦｅＰｔ等の合金膜やＣｏとＰｔあるいはＣｏとＰｄの連続積層膜あるいはＴｂＦｅＣｏ等の合金膜などが利用可能であるが、高温の熱処理の必要がなく、かつ優れた耐熱性を有するＣｏＰｔ合金が適している。
【００５５】
磁気結合層２２としてはＲｕ、Ｒｅ、Ｏｓ等の強い磁気的結合を媒介する非磁性金属が好ましく、磁気結合層２１としてはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒのいずれかあるいは複数の組み合わせが好ましい。
磁気結合層２１の厚さはＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの場合は０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下が好ましく、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕの場合は０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下が好ましい。磁気結合層２１の厚さは規定の厚さ下限以下ではＭＲ比の向上の効果が小さく、規定の厚さの上限以上では高保磁力層２０と磁化固定層１５の磁気結合強度が小さくなり好ましくない。
【００５６】
磁気結合層２１の厚さは０．５ｎｍ以上０．９ｎｍ以下で安定した反強磁性結合が得られる。磁化固定層１５および記憶層１７としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つと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。
記憶層１７および磁化固定層１５は中間層１６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。
中間層１６としてはＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｇＡｌ2Ｏ4等が利用可能で、ＭｇＯを用いるとＭＲ比が大きく好ましい。
キャップ層１８としてはＴａ、Ｔｉ等の金属あるいはＴｉＮ等の導電性窒化物、あるいは薄いＭｇＯ等の絶縁層と金属膜を組み合わせて用いてもよい。
【００５７】
記憶装置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。
本開示の垂直磁化膜を記憶装置に適応すると耐熱性が高く、半導体プロセスへの適応が容易で、磁気抵抗比が大きくデータの読み出し回路の簡素化や読み出し速度の高速化が可能な不揮発性の記憶装置を実現できる。
【００５８】
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Ｍ１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。
【００５９】
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。
また、書き込み電流を低減して、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。
【００６０】
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メモリを実現することができ、記憶素子３を備えたメモリにおいて、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。
【００６１】
＜４．実施の形態に関する実験＞
ここで、本実施の形態に係る記憶素子３の保磁力の向上およびＭＲ比が改善されていることを確かめるために、記憶素子３の構成において磁化固定層１５と下地層１４の間に磁気結合層１９と高保磁力層２０とを設け、磁気結合層１９を磁気結合層２２と磁気結合層２１の２層とした場合について、各層の材料を選定することにより、図４、５に示す試料を作製し、実験１〜５を行い、その磁気特性を調べた。
【００６２】
本実験の磁気特性評価用の試料は、酸化被覆付きのシリコン基板上に厚さ５ｎｍのＴａ、厚さ５ｎのＲｕを下地層１４として、高保磁力層２０としてＣｏ７０Ｐｔ３０の合金膜、磁気結合層１９、磁化固定層１５、中間層１６として１ｎｍのＭｇＯ、保護膜として厚さ１ｎｍのＲｕと厚さ５ｎｍのＴａ積層膜を用いた。上記評価用の試料は磁化固定層１５側のみの評価を行うためのもので、記憶素子３を形成するためには上記中間層のＭｇＯと保護膜の間に記憶層１７を挿入する必要がある。
【００６３】
＜実験１＞
図４Ａには、実験１用試料として磁気結合層が１層のものを示している。
図４Ａに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層１９：Ｒｕ膜（膜厚：ｔＲｕ）
・磁化固定層１５：膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜と膜厚０．１ｎｍのＴａ膜と膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜の積層膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚保１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料の極カー光磁気効果による垂直磁化状態の測定結果を図５に示す。３００℃で熱処理した後の結果と３５０℃で熱処理した後の結果それぞれについて示す。
【００６４】
図５はＲｕの厚さｔＲｕを変化させた試料の結果を示している。図中ＨＣで示した位置は磁化固定層１５と高保磁力層２０が反平行に磁気結合したまま磁化反転が起こる磁場で、ＨSFは磁化固定層１５と高保磁力層２０との磁気的結合が壊れる磁場である。３００℃熱処理においては、ＨSF点における変化が急峻であるが、これはここで反転している磁化固定層１５が有効な垂直磁化膜であることを示す。
これに対し、３５０℃熱処理後の試料のうち例えばｔＲｕが０．５ｎｍのものでは変化がなだらかになっている。この場合は磁化固定層１５の垂直磁化が十分でないため反転の変化が緩やかであるが、磁化固定層１５の磁化反転が始まる磁場をＨSFとすると、ＨSF以下では磁化固定層１５は垂直磁化となっている。
【００６５】
図４Ｂには、実験１用試料として磁気結合層が２層のものを示している。
図４Ｂに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層２２：Ｒｕ膜（膜厚：ｔＲｕ）
・磁気結合層２１：膜厚０．０５ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜と膜厚０．１ｎｍのＴａ膜と膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜の積層膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料の極カー光磁気効果による垂直磁化状態の測定結果を図６に示す。３００℃で熱処理した後の結果と３５０℃で熱処理した後の結果それぞれについて示す。
磁気結合層１９に対しＴａを付加すると、前述の付加しない場合の試料に比べて磁気結合層２２のＲｕの厚さに対するＨSFの変化が図６の通り小さくなっており、反平行を維持できる範囲が何れの温度においても拡くなっている。
【００６６】
＜実験２＞
図４Ｃには、実験２用試料として磁気結合層が２層のものを示している。
図４Ｃに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層２２：Ｒｕ膜（膜厚：ｔＲｕ）
・磁気結合層２１：Ｔａ膜（膜厚：ｔＴａ）
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚保１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料の磁気結合層２２のＲｕ厚さに対する結合磁場強度ＨSFの変化を図７に示す。
３００℃と３５０℃熱処理後の結果を示すが、磁気結合層のＲｕにＴａを付加した場合を磁気結合層がＲｕ単体の試料と比較したときに、３００℃の熱処理では結合磁場強度の向上はあまり大きくないが、３５０℃の熱処理ではＴａを付加した場合の結合磁場強度が大きく、Ｔａの付加は耐熱性の改善に効果があることが確認できる。
また、Ｒｕの厚みが０．５ｎｍ〜０．９ｎｍにおいて磁気的結合が壊れにくくなっており、Ｒｕの厚みは０．５ｎｍ〜０．９ｎｍが好適である。
【００６７】
＜実験３＞
実験３用の試料は磁気結合層が２層であり、図４Ｄに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．６ｎｍＲｕ膜
・磁気結合層２１：所定の元素を付加
・磁化固定層１５：膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜と膜厚０．１ｎｍのＴａ膜と膜厚０．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜の積層膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料は磁気結合層のＲｕにＴａを付加した場合とＴａ以外の元素を付加した場合の特性の違いを調査するものである。
図８に本試料を３００℃で熱処理した後の結合磁場強度ＨSFの付加層の厚さ依存を示す。付加する元素としてＴａ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏについて示す。同様に図９に３５０℃熱処理後の結果を示す。付加元素がＴａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏの場合に、結合磁場強度の向上が見られ、特にＴａは３５０℃熱処理後の改善効果が大きい。
改善の見られる膜厚は０．０５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下である。
【００６８】
＜実験４＞
実験４用試料は磁気結合層が２層であり、図４Ｅに示すように、
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚３ｎｍのＣｏ70Ｐｔ30の合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．８ｎｍＲｕ膜
・磁気結合層２１：所定の元素を付加
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜と膜厚０．３ｎｍのＴａ膜と膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜の積層膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・保護膜：膜厚１ｎｍのＲｕと膜厚５ｎｍのＴａ積層膜
である。
この試料は磁気結合層のＲｕにＣｕ、Ａｇ、Ａｕの元素を付加した場合の特性の違いを調査するものである。
図１０に本試料を３００℃および３５０℃で熱処理した試料の結合磁場強度ＨSFの付加層厚さ依存を示す。実験３の結果と同じように、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ何れの場合も結合磁場強度の向上効果が見られる。これらの元素では結合磁場強度の改善が見られる厚さは０．１ｎｍ以上０．５ｎｍ以下である。
【００６９】
＜実験５＞
実験５は、記憶層を備えた記憶素子を作成し磁気抵抗比を（ＭＲ比）を測定するものである。
実験５用試料を図１１に示す。図１１に示すように、５種類の試料を用意した。
（１）磁気結合層が１層の試料
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＣｏＰｔの合金膜
・磁気結合層１９：膜厚０．８ｎｍＲｕ膜
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．４ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
（２）磁気結合層が２層の試料１
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＣｏＰｔの合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．６ｎｍＲｕ膜
・磁気結合層２１：膜厚０．１ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．４ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
（３）磁気結合層が２層の試料２
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＣｏＰｔの合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．６ｎｍＲｕ膜
・磁気結合層２１：膜厚０．１ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚１．２ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．４ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
（４）磁気結合層が２層の試料３
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＣｏＰｔの合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．７ｎｍＲｅ膜
・磁気結合層２１：膜厚０．１ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚０．８ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．２ｎｍのＦｅ60Ｎｉ30Ｃ10合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
（５）磁気結合層が２層の試料４
・下地層１４：膜厚５ｎｍのＴａ膜と膜厚５ｎｍのＴｉＮ膜の積層膜
・高保磁力層２０：膜厚２ｎｍのＦｅＰｔの合金膜
・磁気結合層２２：膜厚０．８ｎｍＯｓ膜
・磁気結合層２１：膜厚０．０５ｎｍＴａ膜
・磁化固定層１５：膜厚１．０ｎｍのＦｅ50Ｃｏ10Ｃｒ20Ｂ20合金膜
・中間層１６：膜厚１．０ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：膜厚１．５ｎｍのＦｅ64Ｃｏ16Ｂ20合金膜
・保護膜：膜厚５ｎｍのＴａ膜
【００７０】
表１に上記試料について３００℃と３５０℃で熱処理を行ったもののＭＲ比の測定結果を示す。本実施の形態に係る記憶素子において、特に３５０℃熱処理においてＭＲ比の改善が大きく、本開示の技術は、耐熱性とＭＲ比の改善に効果が大きいことが分かる。
【００７１】
【表１】
【００７２】
以上実施の形態について説明してきたが、本開示では、上述の各実施の形態で示した記憶素子３の膜構成に限らず、様々な膜構成を採用することが可能である。
【００７３】
例えば実施の形態では、磁化固定層１５をＣｏＦｅＢとしたが、実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
また、実施の形態では、単一の下地等しか示していないが、それらに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
また実施の形態では、磁化固定層１５は２層の強磁性層と非磁性層から成る積層フェリピン構造を用いているが、積層フェリピン構造膜に反強磁性膜を付与した構造でもよい。
もちろん単層でもよい。
また、記憶素子３の膜構成は、記憶層１７が磁化固定層１６の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。
【００７４】
なお本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）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、
上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、
上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、
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とともに、
上記磁気結合層が２層の積層構造となっている記憶素子。
（２）上記記憶層および上記磁化固定層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、５原子％以上３０原子％以下のＢ、Ｃのうちのいずれか一つを含む上記（１）に記載の記憶素子。
（３）上記磁気結合層の２層のうち、
高保磁力層側の層がＲｕ、Ｒｅ、Ｏｓの少なくとも一つからなる（１）又は（２）に記載の記憶素子。
（４）上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一つからなる（１）乃至（３）のいずれかに記載の記憶素子。
（５）上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一つからなり、該層厚が０．０５ｎｍ乃至０．３ｎｍである（１）乃至（３）のいずれかに記載の記憶素子。
（６）上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＣｕ、Ａｇ、Ａｕの少なくとも一つからなり、
該層厚が０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍである（１）乃至（３）いずれかに記載の記憶素子。（７）高保磁力層側の層厚が０．５ｎｍ乃至０．９ｎｍである（１）乃至（６）いずれかに記載の記憶素子。
【符号の説明】
【００７５】
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、１４ 下地層、１５ 磁化固定層、１６ 中間層、１７ 記憶層、１８ キャップ層、１９ ２１ ２２ 磁気結合層 ２０ 高保磁力層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、
上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、
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とともに、
上記磁気結合層が２層の積層構造となっている記憶素子。
【請求項２】
上記記憶層および上記磁化固定層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、５原子％以上３０原子％以下のＢ、Ｃのうちのいずれか一つを含む請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記磁気結合層の２層のうち、
高保磁力層側の層がＲｕ、Ｒｅ、Ｏｓの少なくとも一つからなる請求項２に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一つからなる請求項３に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一つからなり、
該層厚が０．０５ｎｍ乃至０．３ｎｍである請求項３に記載の記憶素子。
【請求項６】
上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＣｕ、Ａｇ、Ａｕの少なくとも一つからなり、
該層厚が０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍである請求項３に記載の記憶素子。
【請求項７】
上記磁気結合層の２層のうち、
高保磁力層側の層厚が０．５ｎｍ乃至０．９ｎｍである請求項３に記載の記憶素子。
【請求項８】
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、
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、該記憶層に記憶された情報の基準となる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、上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、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とともに、上記磁気結合層が２層の積層構造とされ、
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】
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、
上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、
上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、
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とともに、
上記磁気結合層が２層の積層構造となっている記憶素子。
【請求項２】
上記記憶層および上記磁化固定層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちの少なくとも一つを主成分とし、５原子％以上３０原子％以下のＢ、Ｃのうちのいずれか一つを含む請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記磁気結合層の２層のうち、
高保磁力層側の層がＲｕ、Ｒｅ、Ｏｓの少なくとも一つからなる請求項２に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一つからなる請求項３に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒの少なくとも一つからなり、
該層厚が０．０５ｎｍ乃至０．３ｎｍである請求項３に記載の記憶素子。
【請求項６】
上記磁気結合層の２層のうち、
磁化固定層側の層がＣｕ、Ａｇ、Ａｕの少なくとも一つからなり、
該層厚が０．１ｎｍ乃至０．５ｎｍである請求項３に記載の記憶素子。
【請求項７】
上記磁気結合層の２層のうち、
高保磁力層側の層厚が０．５ｎｍ乃至０．９ｎｍである請求項３に記載の記憶素子。
【請求項８】
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、
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、該記憶層に記憶された情報の基準となる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、上記磁化固定層に隣接し、上記中間層の反対側に設けられる磁気結合層と、上記磁気結合層に隣接して設けられる高保磁力層とを有し、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とともに、上記磁気結合層が２層の積層構造とされ、
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９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２４３９３３（Ｐ２０１２−２４３９３３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２２１９（Ｐ２０１１−１１２２１９）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【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１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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