(57)【要約】【課題】磁化反転に高い電流密度を必要とせず、磁化の熱安定性の低下を抑制して、高い記録密度が可能な磁気メモリを提供する。【解決手段】磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の２層構造であり、情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。酸化物反強磁性体層を形成する方法として、Ａｕ（１１１）層の上に３回対称のＣｒ（１１０）層をエピタキシャル成長させて形成するＣｒ層形成ステップと、形成されたＣｒ（１１０）層を酸化させて３回対称のＣｒ２Ｏ３（０００１）層を形成するＣｒ層形成ステップとを有している情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の２層構造であり、
情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いることを特徴とする電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
【請求項２】
前記酸化物反強磁性体層は、
α−Ｃｒ２Ｏ３またはコランダム構造のＹＭｎＯ３であることを特徴とする請求項１に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
【請求項３】
前記α−Ｃｒ２Ｏ３は、
Ａｕ層の上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
【請求項４】
前記Ａｕ層は、
Ａｇ層の上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
【請求項５】
前記Ａｇ層は、
シリコン層の上に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
【請求項６】
前記強磁性体層は、
Ｃｏ層であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリ。
【請求項７】
磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の２層構造であり、情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法であって、
前記酸化物反強磁性体層を形成する方法として、
Ａｕ（１１１）層の上に３回対称のＣｒ（１１０）層をエピタキシャル成長させて形成するＣｒ層形成ステップと、
前記形成されたＣｒ（１１０）層を酸化させて３回対称のＣｒ２Ｏ３（０００１）層を形成するＣｒ２Ｏ３層形成ステップと
を有していることを特徴とする電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
【請求項８】
前記Ａｕ（１１１）層を形成する方法として、
Ａｇ（１１１）層の上にＡｕ（１１１）層をエピタキシャル成長させて形成するＡｕ（１１１）層形成ステップを有していることを特徴とする請求項７に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
【請求項９】
前記Ａｇ（１１１）層を形成する方法として、
７×７−Ｓｉ（１１１）層の上にＡｇ層を成膜した後、熱処理をするＡｇ（１１１）層形成ステップを有していることを特徴とする請求項８に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
【請求項１０】
前記７×７−Ｓｉ（１１１）層を形成する方法として、
シリコン基板を真空中で高温に晒して、その表面に７×７−Ｓｉ（１１１）を出すシリコン熱処理ステップを有していることを特徴とする請求項９に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
【請求項１１】
前記強磁性体層を形成する方法として、
前記３回対称のＣｒ２Ｏ３（０００１）層の上にＣｏ（１１１）層をエピタキシャル成長させて形成するＣｏ（１１１）層形成ステップを有していることを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリとその製造方法に関し、特に磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層との２層構造の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリは、上下の強磁性体の間に絶縁体を挟み込んだ構造の磁性素子を有し、上下の強磁性体の磁化の方向が平行（同じ）の場合と反平行（逆）の場合では、絶縁体のトンネル電流（トンネル抵抗）が相違することを利用したものであり、不揮発性、書換え耐性、高速応答性等に優れている。このため、様々な分野に広く用いられている。
【０００３】
従来の磁気メモリへの書込み（情報の入力）は、例えば上方に横方向にビット線を、下方に縦方向に書込み用のワード線（以下、「ワード線」と略記する）を、いずれも等間隔で多数配置し、さらに上方から見てワード線とビット線が交差する箇所に磁性素子を配置し、ワード線とビット線に電気を流し、発生した磁場（誘導磁場）により、下方の強磁性体の磁化の方向を上方の強磁性体と平行にしたり、反平行にしたりすることによりなされている。
【０００４】
このような従来の磁気メモリを用いたＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：磁気ランダムアクセスメモリ）の場合、民生品としては、４Ｍｂ程度、記録密度で１ｋｂｉｔ／ｉｎｃｈ２程度を限度としていた。しかし、近年の磁気メモリの記憶容量の増大、小型化に対するユーザの要求は益々厳しくなってきており、１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２以上の記録密度を有する磁気メモリを実現することを目指して様々な研究、開発がなされている。
【０００５】
このような１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２以上の記録密度を実現するためには、素子の大きさを１０ｎｍ×１０ｎｍ程度とする必要があり、これに伴ってビット線、ワード線も細くする必要がある。しかし、従来の磁気メモリにおいては、素子の大きさが小さくなると、磁化の方向を反転（磁化反転）させるために必要な誘導磁場を大きくする必要があり、大きな電流密度を必要とする。例えば、前記の１０ｎｍ×１０ｎｍ程度の大きさの素子においては、１００Ｏｅの書込み磁場を発生させるために、１．６×１０８Ａ／ｃｍ２もの電流密度が必要となる。
【０００６】
しかし、このような大きな電流密度は、書込み時のビット線やワード線の許容限界を超えているため、前記した１００Ｏｅの書込み磁場を発生させることができず、現状では、１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２以上の高い記録密度を得ることが困難であった。
【０００７】
そこで、従来の誘導磁場による磁化反転に代わって、スピン注入磁化反転（特許文献１、非特許文献１）、マイクロ波誘導磁化反転（非特許文献２）等の技術を用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１８６２７４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｊ．Ｈａｙａｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ４４，１９６２（２００８）
【非特許文献２】Ｓ．Ｏｋａｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ．  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ９３，１０２５６（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、スピン注入磁化反転においても、スピン偏極電流による磁化反転のためには、ワード線やビット線に１０６Ａ／ｃｍ２以上の大きな密度の電流を流す必要があるため、高い記録密度を得ることは難しい。
【００１１】
また、マイクロ波誘導磁化反転においても、マイクロ波による交流磁場を発生させるためには、従来と同様の誘導電流を必要とするため、やはり高い記録密度を得ることは難しい。
【００１２】
また、たとえかかる高記録密度の磁気メモリを製造できたとしても、高記録密度化に伴う磁性素子の小寸法化のために磁化の熱安定性が低下することも指摘されている。
【００１３】
このため、磁化反転に高い電流密度を必要とせず、磁化の熱安定性の低下を抑制して、高い記録密度が可能な磁気メモリの開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、以上の課題を解決することを目的として鋭意研究を行なった結果、磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の２層構造であり、酸化物反強磁性体層の電圧誘起磁化反転を利用して入力を行ない、またナノ磁性体であるのにもかかわらず磁化の方向の熱安定性が優れた磁気メモリとその製造方法を発明したものである。以下、各請求項の発明を説明する。
【００１５】
請求項１に記載の発明は、
磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の２層構造であり、
情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いることを特徴とする電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
【００１６】
本請求項の発明においては、従来技術である電流を用いた情報の入力とは異なり、可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の２層構造である磁性素子を用い、電圧をかけて酸化物反強磁性体層にスピンの反転を生じさせ（電圧誘起磁化反転）、さらに、酸化物反強磁性体層と強磁性体層との界面の磁気結合（交換磁気異方性）により、強磁性体層の磁界をも反転させて可動層の磁界の反転、即ち情報の入力を行なう。
【００１７】
このように、本請求項の発明においては、情報の入力に際して、従来技術のように、ビット線、ワード線等に大きな電流密度の電気を流す必要がないため、消費電力を大幅に低減することが可能となると共に、１０ｎｍ×１０ｎｍ程度の大きさの素子であっても充分情報の入力が可能となり、１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２以上の高い記録密度の磁気メモリを提供することができる。
【００１８】
また、酸化物反強磁性体層と強磁性体層との界面での磁気結合を用いることにより、熱安定性の低下を抑制することができ、ナノサイズの磁性体であっても記録の保持性が優れた磁気メモリを提供することができる。また、高速応答性に優れた（約１０ｎｓ）磁気メモリを提供することができる。
【００１９】
さらに、本請求項の発明においては、磁化反転に必要な電圧は電界強度（Ｖ／ｍ）で決まるため、素子サイズの低下に伴い必要電圧も小さくなるため、より省エネルギーが可能となる。具体的には、従来技術においては数百Ｖの電圧が必要であったが、本発明においては数ｍＶの電圧で充分である。
【００２０】
以上のような大きな効果は、１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ２以上の高い記録密度の磁気メモリだけでなく、１Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２以上の記録密度であれば充分に発揮することができる。
【００２１】
そして、本発明の磁気メモリをＭＲＡＭに搭載した場合、上記した各効果に加えて、ＭＲＡＭが本質的に有する高耐久性により、民生市場へのＭＲＡＭの普及を図ることが可能となる。具体的には、例えば、携帯電話の搭載メモリとしてＦｅＲＡＭとの代替が期待できる。また、高速応答性の面から、自動車などに搭載した場合、衝突安全性などの向上により寄与することが期待できる。また、本発明の磁気メモリは、ハードディスク装置（ＨＤＤ）等にも好適に用いることができ、小サイズでありながら高記憶容量のハードディスク装置を提供することができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明は、
前記酸化物反強磁性体層は、
α−Ｃｒ２Ｏ３またはコランダム構造のＹＭｎＯ３であることを特徴とする請求項１に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
【００２３】
本請求項の発明においては、酸化物反強磁性体層として、α−Ｃｒ２Ｏ３（コランダム構造のＣｒ２Ｏ３）やコランダム構造のＹＭｎＯ３を用いているため、小さな電界で電圧誘起磁化反転を生じさせることができ好ましい。
【００２４】
即ち、コランダム構造とすることにより、電気磁気効果を利用することが可能となるため、小さな電界で電場誘起磁化反転を生じさせることができる。これらの内でも、α−Ｃｒ２Ｏ３が好ましい。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、
前記α−Ｃｒ２Ｏ３は、
Ａｕ層の上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
【００２６】
前記したように、小さな電界で電場誘起磁化反転を生じさせるためには、コランダム構造の酸化物反強磁性体層が好ましい。Ａｕ層の上に形成されたＣｒ２Ｏ３は、コランダム構造のＣｒ２Ｏ３（α−Ｃｒ２Ｏ３）として容易にかつ安定して形成されているため、小さな電界で電場誘起磁化反転を生じる磁気メモリを容易に提供することができる。また、Ａｕを用いているため、化学的に安定なだけでなく、データの読出し時の電気抵抗も小さくなり好ましい。
【００２７】
なお、Ａｕ層は、原則としてエピタキシャル成長により細密に形成されたＡｕ（１１１）層であることが好ましく、この場合には、隣接する３個のＡｕ原子に接してＣｒ原子が位置することとなる。
【００２８】
また、磁気メモリの記録密度、サイズにもよるが、ナノ磁性素子の場合には、Ａｕ層の厚さはおよそ２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、
前記Ａｕ層は、
Ａｇ層の上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
【００３０】
前記したように、小さな電界で電場誘起磁化反転を生じさせるためには、コランダム構造のα−Ｃｒ２Ｏ３が好ましく、Ａｕ層の上であれば、α−Ｃｒ２Ｏ３を容易にかつ安定して形成させることができる。そして、このようなＡｕ層は、Ａｇ層の上に容易に形成することができ、その結果、コランダム構造のＣｒ２Ｏ３（α−Ｃｒ２Ｏ３）を容易にかつ安定して形成させることが可能となる。また、Ａｇを用いているため、化学的に比較的安定であり、データの読出し時の電気抵抗も小さくなり好ましい。
【００３１】
磁気メモリの記録密度、サイズにもよるが、ナノ磁性素子の場合には、Ａｇ層の厚さはＡｇの格子歪を緩和させ、表面の平坦性を確保する面からおよそ１００ｎｍ程度であることが好ましい。
【００３２】
請求項５に記載の発明は、
前記Ａｇ層は、
シリコン層の上に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
【００３３】
本請求項の発明においては、シリコン層の上にＡｇ層を形成させているため、Ａｇ層の形成が容易となり、これによりＡｕ層の形成が容易となり、さらに、コランダム構造のＣｒ２Ｏ３（α−Ｃｒ２Ｏ３）を容易にかつ安定して形成させることが可能となる。また、シリコンを用いているため、化学的に比較的安定であり好ましい。
【００３４】
なお、Ａｇ層が形成されるシリコン層の表面は、原則として７×７−Ｓｉ（１１１）（ウッドの記法による標記）表面であることが好ましい。
【００３５】
請求項６に記載の発明は、
前記強磁性体層は、
Ｃｏ層であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリである。
【００３６】
本請求項の発明においては、強磁性を有するＣｏを強磁性体層として用いるため、薄くてもトンネル接合素子に充分な作用を及ぼし、またコランダム構造のＣｒ２Ｏ３とエピタキシャル成長し、さらに反強磁性体層のＣｒとの界面での磁気結合が良好であるためＣｒのスピンの変化を受けて自身の磁化の方向を変化させ易く、メモリ機能を発揮させる為の磁化の方向も安定する。
【００３７】
なお、Ｃｏ層は、原則としてエピタキシャル成長により形成された、そして双晶を有するＣｏ（１１１）層であることが好ましい。
【００３８】
請求項７に記載の発明は、
磁性素子の可動層が強磁性体層と電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体層の２層構造であり、情報入力方式として電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法であって、
前記酸化物反強磁性体層を形成する方法として、
Ａｕ（１１１）層の上に３回対称のＣｒ（１１０）層をエピタキシャル成長させて形成するＣｒ層形成ステップと、
前記形成されたＣｒ（１１０）層を酸化させて３回対称のＣｒ２Ｏ３（０００１）層を形成するＣｒ２Ｏ３層形成ステップと
を有していることを特徴とする電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
【００３９】
本請求項の発明においては、Ａｕ（１１１）層の上に３回対称のＣｒ（１１０）層をエピタキシャル成長させて形成し、さらに形成されたＣｒ（１１０）層を酸化させて３回対称のＣｒ２Ｏ３（０００１）層を形成するため、請求項１に記載のナノサイズの磁性素子を、ひいては電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実に製造することが可能となる。
【００４０】
これは、Ａｕ（１１１）層の上に３回対称のＣｒ（１１０）層をエピタキシャル成長させて形成し、さらに形成されたＣｒ（１１０）層を酸化させて３回対称のＣｒ２Ｏ３（０００１）層を形成することにより、コランダム構造のＣｒ２Ｏ３（０００１）（α−Ｃｒ２Ｏ３（０００１））を確実に形成させることが可能となるためである。
【００４１】
なお、Ｃｒ（１１０）をエピタキシャル成長させる具体的手段としては、真空中、１００℃でＣｒを分子線エピタキシー法等を用いて物理蒸着させる等の方法を採用することができる。
【００４２】
請求項８に記載の発明は、
前記Ａｕ（１１１）層を形成する方法として、
Ａｇ（１１１）層の上にＡｕ（１１１）層をエピタキシャル成長させて形成するＡｕ（１１１）層形成ステップを有していることを特徴とする請求項７に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
【００４３】
本請求項の発明においては、Ａｇ（１１１）層の上にＡｕ（１１１）層をエピタキシャル成長させて形成するため、請求項７に記載のＡｕ（１１１）層を、ひいては請求項１や請求項３に記載のナノサイズの磁性素子を、さらには電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実にまた容易に製造することが可能となる。
【００４４】
なお、Ａｕ（１１１）層の作成方法としては、分子線エピタキシー法等があり、具体的には「１００ｎｍ−ｔｈｉｃｋ  Ａｇ（１１１）／７×７−Ｓｉ（１１１）上でのエピタキシャル成長」  Ｔ．Ｋｉｎｇｅｔｓｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９０、５１０４（２００１）．に記載されている。
【００４５】
請求項９に記載の発明は、
前記Ａｇ（１１１）層を形成する方法として、
７×７−Ｓｉ（１１１）層の上にＡｇ層を成膜した後、熱処理をするＡｇ（１１１）層形成ステップを有していることを特徴とする請求項８に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
【００４６】
本請求項の発明においては、７×７−Ｓｉ（１１１）層の上にＡｇ層を成膜した後、熱処理をしてＡｇ（１１１）層を形成するため、請求項８に記載のＡｇ（１１１）層を、ひいては請求項１、請求項３、請求項４に記載のナノサイズの磁性素子を、さらには電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実に製造することが可能となる。
【００４７】
なお、Ａｇ層の具体的な成膜方法としては、分子線エピタキシー法等を採用することができる。また、具体的な熱処理方法としては、真空中、４００℃の雰囲気に３０分ほど晒す等の処理を採用することができる。
【００４８】
請求項１０に記載の発明は、
前記７×７−Ｓｉ（１１１）層を形成する方法として、
シリコン基板を真空中で高温に晒して、その表面に７×７−Ｓｉ（１１１）を出すシリコン熱処理ステップを有していることを特徴とする請求項９に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
【００４９】
本請求項の発明においては、シリコン基板を真空中で高温に晒す熱処理により、その表面に７×７−Ｓｉ（１１１）を出すため、請求項９に記載の７×７−Ｓｉ（１１１）層を、ひいては請求項１、請求項３、請求項４、請求項５に記載のナノサイズの磁性素子を、さらには電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実に製造することが可能となる。
【００５０】
なお、高温の熱処理温度としては、１１００〜１２５０℃が好ましく、１２００℃程度であると特に好ましい。また、シリコン基板としてはＳｉ（１１１）基板が好ましい。
【００５１】
請求項１１に記載の発明は、
前記強磁性体層を形成する方法として、
前記３回対称のＣｒ２Ｏ３（０００１）層の上にＣｏ（１１１）層をエピタキシャル成長させて形成するＣｏ（１１１）層形成ステップを有していることを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリの製造方法である。
【００５２】
本請求項の発明は、３回対称のＣｒ２Ｏ３（０００１）層の上にＣｏ（１１１）層を、分子線エピタキシー法等でエピタキシャル成長させて形成するため、請求項１、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６に記載のナノサイズの磁性素子を、さらには電圧誘起磁化反転を用いた磁気メモリを確実に製造することが可能となる。また、両方の層の界面の結合が良好となる。
【００５３】
なお、ＣｏをＣｏ（１１１）とするのは、コランダム構造のＣｒ２Ｏ３（０００１）とエピタキシャル成長させることによる。
【発明の効果】
【００５４】
本発明においては、電圧誘起磁化反転をする物質層を形成し、この現象により磁気メモリに入力を行なうので、低消費電力、高耐久性、高速応答性かつ高記録密度を有し、しかも記録の保持性が優れた磁気メモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施の形態の磁性素子における断面構造と作動の原理を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の磁性素子における酸化物反強磁性体層の原子の配列を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の磁性素子において酸化物反強磁性体層をｃ軸方向から見たときの原子の配列を示す平面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の磁性素子において酸化物反強磁性体層を形成する際の主要な工程と、その工程の進捗に伴って磁性素子の要部が形成されていく様子を示す図である。
【図５】Ａｕ（１１１）の表面にＣｒ２Ｏ３（０００１）中のＣｒが配列している様子を示す図である。
【図６】３回対称の回転の様子を示す図である。
【図７】Ｘ線回折装置によるＣｒ２Ｏ３とＡｇの格子の配列の検査結果を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に示す方法で製造されたＣｒ２Ｏ３の表面に形成された１．０ｎｍの厚さのＣｏ層の磁化特性とその温度依存性を示す図である。
【図９】図８と同じＣｒ２Ｏ３表面に形成された２．３ｎｍの厚さのＣｏ層の磁化の温度依存性を示す図である。
【図１０】図９と同じＣｏ層の、５Ｋにおける磁界が反強磁性体層のスピンの方向と平行の場合の交換バイアスの測定結果を示す図である。
【図１１】図９と同じＣｏ層の、５Ｋにおける磁界が反強磁性体層１０のスピンの方向と直交する場合の交換バイアスの測定結果を示す。
【図１２】本発明の第３の実施の形態の磁性素子の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００５７】
（第１の実施の形態）
本実施の形態は、物としての磁気メモリの磁性素子、特にその原理と要部の構造に関する。以下、図面を参照しつつこれらについて説明する。
【００５８】
図１は、本発明の第１の実施の形態の磁性素子の要部の断面構造と作動の原理を示す図であり、図１の（１）は電圧が上方から下方にかかった場合であり、図１の（２）は電圧が下方から上方にかかった場合である。図１において、１０は酸化物反強磁性体層であり、５０は強磁性体層であり、８０は上部電極であり、８１は上部電線であり、９０は下部電極であり、９１は下部電線である。また、酸化物反強磁性体層１０内の細い矢印はスピンの向きを示し、強磁性体層５０内の太い矢印は磁化方向を示している。そして、酸化物反強磁性体層１０と強磁性体層５０が可動層を構成している。
【００５９】
なお、実際の磁性素子においては、前記上部電極８０はビット線（図示せず）に接続された固定層（図示せず）が兼ねたりもするが、これについては後の実施の形態で説明する。また、前記上部電極８０の上方にさらに非磁性層、固定層が形成されており、ビット線、読出し用ワード線等に接続されたりしているが、これらは本発明の趣旨に直接の関係がなく、かつ自明であるため図示していない。
【００６０】
図１に示す様に、上部電極８０、下部電極９０の正負を逆転させることにより酸化物反強磁性体層１０のスピンを反転させる。これに伴い、この酸化物反強磁性体層１０と界面で磁気結合している強磁性体層５０のスピンも反転し、可動層の磁気の向きが反転することとなる。
【００６１】
酸化物反強磁性体層：
酸化物反強磁性体層１０の材料、構造、磁気的性質について、図を参照しつつ説明する。酸化物反強磁性体層は、α−Ｃｒ２Ｏ３（コランダム構造のＣｒ２Ｏ３）からなり、その酸化物反強磁性体のコランダム構造、原子の配列は、図２、図３に示す様になっている。図２は、コランダム構造において原子が上下方向に位置をずらして配列している様子を示す斜視図であり、図３は図２に示すコランダム構造のｃ軸方向から見た平面図である。図２と図３において、○で示す１０ｃはクロム原子であり、◎で示す１０ｏは酸素原子である。そして、２種類の黒い矢印の内、太い矢印はＣｒイオンの移動であり、細い矢印はＣｒのスピンの方向である。また、２種類の白抜きの矢印の内、太く短い矢印はＯイオンの移動であり、太く長いい矢印は電界の方向を示している。また、一部の白丸内の×印はスピンの向きが紙面に対して上向きであることを示す
【００６２】
このα−Ｃｒ２Ｏ３の結晶構造においては、ａ＝ｂ＝４．９５４Å、ｃ＝１３．５８４Åとなり、Ｃｒのスピンの方向はｃ軸に平行である。図２では図の上下方向となり、図３では紙面に垂直方向となる。そして、電界が反転すれば、Ｃｒのスピンの方向も反転することとなる。
【００６３】
（第２の実施の形態）
本実施の形態は、製造方法に関する。特に、前記図１に示す磁性素子の酸化物反強磁性体層１０の形成に関する。以下、図面を参照しつつこれについて説明する。
【００６４】
図４に、前記第１の実施の形態の磁性素子の酸化物反強磁性体層１０を形成する際の主要な工程と、その工程の進捗に伴って磁性素子の要部が形成されていく様子を示す。図４において、９９はシリコン基板であり、９８は物理蒸着により形成したＡｇ層であり、９７はＡｇ（１１１）層であり、９６はＡｕ層であり、１１は物理蒸着により形成したＣｒ層であり、１０はα−Ｃｒ２Ｏ３即ち酸化物反強磁性体層であり、またＡｇ（１１１）層９７とＡｕ層９６が下部電極９０となる。
【００６５】
磁性素子形成の工程について、以下に具体的に記載する。なお、以下の番号は図４の番号に対応している。
（１）シリコン基板９９を、真空中、１２００℃の雰囲気に１分晒す熱処理をして、その表面に内部と異なる７×７−Ｓｉ（１１１）を生成させる。
【００６６】
（２）熱処理が終了したシリコンの表面に、真空中、０℃の雰囲気で、物理蒸着により厚さ１００ｎｍのＡｇ層９８を形成させる。
【００６７】
（３）真空中、４００℃の雰囲気に３０分晒し、表面をＡｇ（１１１）層９７とする。
【００６８】
（４）真空中、１００℃の雰囲気で、分子線エピタキシー法等の物理蒸着によりＡｕ（１１１）層９６を２０ｎｍの厚さにエピタキシャル成長させる。
【００６９】
（５）真空中、５０℃の雰囲気で、分子線エピタキシー法等の物理蒸着によりＣｒ（１１０）層１１を２０ｎｍの厚さにエピタキシャル成長させる。
【００７０】
（６）８００℃、３×１０−５Ｔｏｒｒの酸素の雰囲気に３０分晒し、Ｃｒを酸化させてα−Ｃｒ２Ｏ３とする。
【００７１】
（７）１００℃、ベース圧力５×１０−１１Ｔｏｒｒ以下、堆積中は５×１０−１０Ｔｏｒｒ以下の雰囲気中で、分子線エピタキシー法によりα−Ｃｒ２Ｏ３の表面に２．３ｎｍの双晶を有するＣｏ（１１１）薄膜層５０をエピタキシャル成長させる。
【００７２】
なお、実際に微細な磁気メモリの磁性素子を基板上に格子上に配列して形成するためには、必要箇所にレジストを形成したり、除去したりする等の他の工程が必要である。また同じく、磁性素子とするためにはエピタキシャル成長させたＣｏ（１１１）薄膜層５０の上に上部電極層、絶縁体層、上部の強磁性体層等を形成したりすることが必要である。また同じく、磁気メモリとして完成させるためにはビット線やワード線等の形成も必要である。しかし、これらの事項は何れも周知技術である。このため、それらを形成するための方法、工程についての説明は省略する。
【００７３】
また、性能検査や物性の研究、確認を行う為、Ｃｏの厚さが１．０ｎｍ等の磁性メモリや磁性素子等も作製した。
【００７４】
α−Ｃｒ２Ｏ３層における積層の説明： 
前記（１）から（４）の工程により、Ａｕ（１１１）が形成され、前記（５）の工程でＣｒ（１１０）が３回対称の回転で形成され、さらに前記（６）の工程でＣｒ２Ｏ３（０００１）が３回対称の回転で形成される。
【００７５】
図５に、Ａｕ（１１１）の表面にＣｒ２Ｏ３（０００１）中のＣｒが配列している様子を、図６にＡｕ（１１１）の表面におけるＣｒ（１１０）中のＣｒ原子の３回対称の回転の様子（西山−ワッサマンの方位関係）を示す。図５において、大きな白丸で示す９７ａは金の原子であり、小さな白丸で示す１０ｃはＣｒ２Ｏ３（０００１）中の着目している層のＣｒ原子である。また、図６において、内部に１を記した小さな白丸１０ｃはＣｒ２Ｏ３（０００１）中の着目している層のＣｒ原子であり、内部に２を記した小さな白丸１０ｃはＡｕ（１１１）表面上に配列したＣｒ原子である。
【００７６】
図５において、1辺が５．７６７Åの正三角形は、Ａｕ（１１１）の単位格子を示す。また、菱形はＣｒ２Ｏ３（０００１）の単位格子を示し、その格子の不整合は、−０．８％であることが分かる。
【００７７】
図６において、着目している層のＣｒが頂点を占める斜線で示す長方形（注、この長方形はＣｒ（１１０）の単位格子を示す）が、１２０°ずつ回転しており、Ｃｒ２Ｏ３（０００１）中のＣｒ原子位置と整合していることが分かる。
【００７８】
図７に、Ｘ線回折装置によるＣｒ２Ｏ３（１−１０４）とＡｇ（２００）との格子の配列の検査結果を示す。上の図がＣｒ２Ｏ３であり、下の図がＡｇであり、縦軸が強度であり、横軸が回折角であるが、何れも原子が綺麗に配列していることが分かる。
【００７９】
Ｃｏ層の磁気特性：
図８に、前記の方法で製造されたＣｒ２Ｏ３（０００１）／Ａｕ（１１１）／Ａｇ（１１１）／Ｓｉ（１１１）の上面の表面に形成された２．３ｎｍの厚さのＣｏ層の磁化特性を示す。図８は室温（ＲＴ）での磁化特性（Ｍ）と磁界（Ｈ）の関係を示し、縦軸が単位体積（１ｃｃ）当たりの磁化（ｅｍｕ）であり、横軸が磁界である。また、実線は図でＨで示す磁界がＣｏ層に平行の場合であり、破線は垂直の場合である。
【００８０】
図８より、室温では約５００ｅｍｕ／ｃｃの残留磁化、約５０Ｏｅの保磁力が観測され、磁場の方向により磁化曲線に相違があることが分かる。
【００８１】
図９に、図８と同じ方法で製造されたＣｏ層の磁化の温度依存性を示す。図９の左側の図は磁界が反強磁性体層１０のスピンの方向と直交する場合であり、右の図は平行な場合であり、縦軸は磁化（ｅｍｕ）であり、横軸は温度（Ｋ）であり、実線は磁界有り（ＦＣ）であり、点線は磁界無し（ＺＦＣ）である。
【００８２】
図９より、磁界の方向に関わらず、ＦＣ、ＺＦＣの磁化の温度依存性が異なること、磁界がＣｏ層に平行な場合，２９５Ｋにピークが観測されること、磁界がＣｏ層に垂直な場合、２９５Ｋ以上でＦＣ磁化が消失すること，２９５ＫでＺＦＣ磁化にピークがあることが分かる。このことから、Ｃｒ２Ｏ３（０００１）とＣｏ（１１１）が，界面で磁気結合しており、磁気結合の方向が、Ｃｒ２Ｏ３（０００１）内のＣｒスピンの方向と平行な、膜面垂直方向であることが分かる。
【００８３】
図１０に、図９と同じＣｏ層の５Ｋにおける磁界が反強磁性体層１０のスピンの方向と平行の場合の交換バイアスの測定結果を示す。図１０の縦軸は磁化（ｅｍｕ）であり、横軸は磁界（ｋＯｅ）であり、実線は磁界有り（ＦＣ）であり、点線は磁界無し（ＺＦＣ）の場合である。Ｃｒ層の面に垂直な方向に約５００Ｏｅの交換バイアスを確認した。
【００８４】
図１１に、図９と同じＣｏ層の５Ｋにおける磁界が反強磁性体層１０のスピンの方向と直交する場合の交換バイアスの測定結果を示す。図１０の縦軸は磁気力／ＣＧＳ電磁単位（ｅｍｕ）であり、横軸は磁界（ｋＯｅ）であり、実線は磁界有り（ＦＣ）であり、点線は磁界無し（ＺＦＣ）の場合である。Ｃｒ層の面に平行な方向では、交換バイアスがほぼ０であることを確認した。
【００８５】
（第３の実施の形態）
本実施の形態は、磁性素子に関する。図１２の（１）と（２）に、本第３の実施の形態の磁性素子の構成を示す。図１２において、３０は書込み用ワード線であり、３１はアイソレーショントランジスタであり、３２は読出し用ワード線であり、４０はビット線であり、６０はトンネル接合素子であり、７０は固定層（上部側の強磁性体層）である。図１２の（１）は下部側の強磁性体層５０とトンネル接合素子６０の間に上部電極８０を設けた場合であり、図１２の（２）は下部側の強磁性体層５０とトンネル接合素子６０の間に上部電極８０を設けず、上部側の強磁性体層７０が上部電極８０を兼用する場合である。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の磁性メモリは、低消費電力、高耐久性、高速応答性かつ高記録密度を有し、しかも記録の保持性が優れているため、消費電力の制限が厳しい携帯電話、振動や熱等の環境面が厳しい自動車、特にその衝突防止装置等への利用が期待される。
【符号の説明】
【００８７】
１０    酸化物反強磁性体層
１０ｃ  Ｃｒ原子
１０ｏ  酸素原子
１１    Ｃｒ（１１０）層
３０    書込み用ワード線
３１    アイソレーショントランジスタ
３２    読出し用ワード線
４０    ビット線
５０    強磁性体層
６０    トンネル接合素子
７０    固定層（上部側の強磁性体層）
８０    上部電極
８１    上部電線
９０    下部電極
９１    下部電線
９６    Ａｕ層
９７    Ａｇ（１１１）層
９８    Ａｇ層
９９    シリコン基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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