(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１〜第４の磁性層と中間層とを有しており、各層が、磁化固定層である第１の磁性層、第１のスピン偏極層である第３の磁性層、中間層、第２のスピン偏極層である第４の磁性層、記憶層である第２の磁性層の順に互いに直接または少なくとも一の他の層を介して積層されている磁気メモリー素子であって、
前記中間層は絶縁体または非磁性体からなり、
前記第２の磁性層は、ガドリニウム、鉄、およびコバルトの３元合金、ガドリニウムおよびコバルトの２元合金、ならびに、テルビウムおよびコバルトの２元合金からなる合金の群から選択される一の合金の薄膜であり、
前記第２の磁性層は、２００℃以上の第１の磁気補償温度を有するＮ型フェリ磁性体を含む、磁気メモリー素子と、
該磁気メモリー素子に直列に接続された整流素子とを有するメモリーセルと、
前記メモリーセルに電気的に接続され、単一極性の電気パルスを流すことで書き込みおよび消去を行う情報書換手段であって、前記書き込み動作時に、前記第２の磁性層の温度を、前記第１の磁気補償温度の上または下となるように制御することにより、前記第２の磁性層の磁化の方向を、前記第２の磁性層の温度上昇が無いときの前記第２の磁性層の磁化の方向と同方向または逆方向となるように書き込む動作を行う、情報書換手段と、
前記メモリーセルに電気的に接続され、前記磁気メモリー素子を流れる電流量から記憶された情報を読出す読み出し手段と、
を備えてなり、
前記第１の磁性層は、テルビウム、鉄、およびコバルトの３元合金、ならびに、テルビウムおよびコバルトの２元合金からなる合金の群から選択される一の合金の薄膜であって、１００〜１８０℃の第２の磁気補償温度を有するＮ型フェリ磁性体を含み、
前記情報書換手段は、前記第１の磁性層の温度を、前記第２磁気補償温度より下の温度、または、前記第２磁気補償温度より上であって前記第１磁気補償温度より下となるような温度に制御することにより、前記第１の磁性層の磁化の方向を、前記第１の磁性層の温度上昇が無いときの前記第１の磁性層の磁化の方向と同方向または逆方向となるように書き込む動作を行うことを含む、情報書換手段であり、
前記情報書換手段の前記第１の磁性層の温度の制御は、前記電気パルスの幅を制御することを特徴とする不揮発記憶装置。
【請求項２】
前記第１の磁性層がテルビウム、鉄、コバルトの３元合金であり、前記第１の磁性層の該３元合金におけるテルビウムの組成比が２５ａｔ．％〜２９ａｔ．％であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の磁性層がガドリニウムおよびコバルトからなる合金の薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の磁性層が、ガドリニウムおよびコバルトに加え鉄をさらに含む３元合金薄膜であり、前記第２の磁性層の該３元合金におけるガドリニウムの組成比が２３ａｔ．％〜４０ａｔ．％であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の磁性層がテルビウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第１の磁性層の該２元合金におけるテルビウムの組成比が２２〜２６ａｔ．％であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の磁性層がガドリニウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第２の磁性層の該２元合金におけるガドリニウムの組成比が２７〜３９ａｔ．％であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の磁性層がテルビウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第２の磁性層の該２元合金におけるテルビウムの組成比が２７〜３２ａｔ．％であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の磁性層における鉄とコバルトとの各組成のモル比が７：３であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗効果を用いてデータを読み出すための磁気抵抗素子、およびその磁気抵抗素子を用いる記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラッシュメモリーに代表される不揮発性半導体記憶装置の大容量化が著しく、３２Ｇバイト程度の容量の製品のリリースがアナウンスされるに至っている。不揮発性半導体記憶装置は、特にＵＳＢメモリーや携帯電話用のストレージとして商品価値が増しており、耐振動性、高信頼性、低消費電力といった固体素子メモリーならではの原理的な優位性が注目されて、音楽および画像用の携帯音楽プレイヤー用ストレージなどの可搬型電子機器用の主流のストレージデバイスとなりつつある。【０００３】
一方、上記のストレージデバイス向けの応用とは別に、不揮発性半導体記憶装置に情報機器のメインメモリーとして現在使用されているＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリー）と同様の性能をも実現することを目指した研究も精力的に行われている。その研究は、使用時には瞬時に起動し、待機時には消費電力を限りなく零とするコンピュータ、いわゆる「インスタント・オン・コンピュータ」の実現を目標としている。このための不揮発性半導体記憶素子のメモリー素子は、ＤＲＡＭに要求される技術仕様である（１）スイッチング速度が５０ｎｓ未満であること、および、（２）書換え回数が１０１６を超えること、という要件を満たす必要があると言われている。なお、上記技術仕様に挙げた書換え回数の下限（１０１６）は、３０ｎｓあたり１回のアクセスを１０年間続ける場合のアクセス回数に基づいて想定されている数値である。不揮発性記憶装置をメインメモリーとして用いる場合にはリフレッシュサイクルが不要となるため、これよりも少ない書換え回数でも現在のＤＲＡＭと同様の用途に利用できる可能性がある。【０００４】
このような次世代不揮発性半導体記憶装置の候補として強誘電体メモリー（ＦｅＲＡＭ）、磁気メモリー（ＭＲＡＭ）、相変化メモリー（ＰＲＡＭ）等の各種の原理に基づく不揮発性メモリー素子の研究開発が行われている。しかしながら、上述の技術仕様を満たしＤＲＡＭを代替するための候補としては、磁気抵抗素子をメモリー素子として用いるＭＲＡＭが有望と見られている。以下、磁気抵抗素子を用いるメモリー素子を「磁気メモリー素子」という。ＭＲＡＭは、試作レベルではあるものの、１０１２以上の書換え回数性能を既にクリアしており、そのスイッチング速度も１０ｎｓ未満と高速であることから、不揮発性記憶装置のうちの他の技術と比較して実現性がとりわけ高いと見られている。【０００５】
このＭＲＡＭの一番の問題点は、メモリーセル１つの占める面積（セル面積）が大きいことと、それに伴ってビットコストが高いことである。具体的には、現在商品化されている４Ｍｂｉｔ程度の小容量のＭＲＡＭは、電流磁場書換型であり、製造プロセスの最小加工寸法をＦとすると、セル面積が２０〜３０Ｆ２以上となりセル自体の微細化が難しい。また、電流磁場書換型のＭＲＡＭでは、セル面積を微細化する場合に、反転磁場（すなわち、磁化を反転させるための外部磁場としての最小の値）が増大してしまい、集積度を上げてセルを微細化するにつれて反転のために必要な電流値が増大するという問題がある。これらの問題のため、電流磁場書換型のＭＲＡＭによってＤＲＡＭを置換えることは現実的とはいえない。【０００６】
この状況に対して、２つのブレークスルーとなる技術が状況を変えつつある。一つはＭｇＯトンネル絶縁膜を用いたＭＴＪ（磁気トンネル接合）を用いる方式であり、２００％以上の磁気抵抗比が容易に得られる（非特許文献１）。もう一つは電流注入磁化反転方式である。特に、電流注入磁化反転方式では、上述のセルの微細化に伴う反転磁場の増大のような微細化に対する原理的困難はなく、逆に、微細化すると、スケーリング則に従う反転電流の低減がみられるため、微細化に伴って書込みエネルギーの低減が可能となる。この電流磁化反転方式により、１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）あたり１つのトランジスタを用いるメモリーセルの構成とすることが可能となるため、セル面積は、理想的には６〜８Ｆ２、つまり、ＤＲＡＭ並みのセル面積にすることができると予測されている（非特許文献２）。以下、１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）あたり１つのトランジスタを用いるメモリーセルの構成を、「１トランジスタ−１ＭＴＪ構成」と記載する。また、フラッシュメモリーなみに小さいセル面積（〜４Ｆ２）を目指して、１つのＭＴＪあたり１つのダイオードを用いるメモリーセルの構成（「１ダイオード−１ＭＴＪ構成」）の提案もなされている（特許文献１）。さらに、磁化の方向が積層方向にほぼ固定されている駆動層を設けた素子では、電流の極性を一方のみとすることによってトランジスタを２種類から１種類に減らして回路の簡素化を図り、１トランジスタ−１ＭＴＪの回路を実現してＤＲＡＭと同等のセルサイズの縮小を行うという提案もある（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１７９４８３号公報
【特許文献２】特開２００６−１２８５７９号公報
【特許文献３】特開平６−３０２０３１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄ．  Ｄ．  Ｄｊａｙａｐｒａｗｉｒａ  ｅｔ  ａｌ．、“２３０％  ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．８６，  ０９２５０２，  ２００５年
【非特許文献２】Ｊ．  Ｈａｙａｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｉｎ  ＭｇＯ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ  ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｆｅｒｒｉｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ”，  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏ１．４５，  Ｌ１０５７−Ｌ１０６０，  ２００６年
【非特許文献３】Ｄ．  Ｈ．  Ｌｅｅ他、“Ｉｎｃｒｅａｓｅ  ｏｆ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｕｅ  ｔｏ  Ｊｏｕｌｅ  ｈｅａｔｉｎｇ  ｄｕｒｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  ａｎ  ＭｇＯ−ｂａｓｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．９２，  ２３３５０２，  ２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら特許文献１に開示される上記１ダイオード−１ＭＴＪ構成の提案は、ダイオードを介した順方向バイアスと逆方向バイアスの両方向の電流によりスイッチングを行うものである。すなわち、順方向バイアスにおける電流（順方向電流）と逆方向バイアスにおけるリーク電流とによりスイッチングを行うものであり、電流の極性によりスイッチングを行うという原理に変わりはない。ここで、本来、ダイオードは、書き込み、消去、読み出し動作においてＭＴＪの選択をディスターブ（クロストーク）なしに行うために形成するものであり、リーク電流は逆方向のみならず順方向にも流れる。逆方向バイアスにおけるリーク電流によってスイッチングが生じることを動作原理としている上記提案に従えば、そのスイッチングに用いられるのに十分な値の電流が順方向バイアスの際の低電圧時においても流れてしまう。そのため、上記動作原理では、ディスターブを防止する効果が不十分となる。つまり、逆バイアスのリーク電流によってスイッチングすることができるような場合には、順方向バイアスにおける低電圧時にも電流が流れ、素子選択スイッチのない単純マトリクス型メモリーと同様のディスターブの問題が避けられず、そのため、高集積化素子は実現不可能となる。このように、最小のセル面積４Ｆ２を有する１ダイオード−１ＭＴＪ構成によるクロスポイント型メモリーの実現には、電流の極性によるスイッチングを動作原理とするこれまでの電流注入磁化反転方式を採用することはできない。【００１０】
また、特許文献２に開示される提案、すなわち、磁化の方向が積層方向にほぼ固定されている駆動層を設けた素子を用いる１トランジスタ−１ＭＴＪ構成の提案は、駆動層からフリー層へのスピン注入によりスピンプリセッション（歳差運動）を誘起しスイッチングを行う方式である。この方式によって、原理的には電流の極性が一方のみでスイッチングが可能となる。しかしながら、駆動層からのスピン注入によりスピンプリセッションを誘起する動作原理では、フリー層（記憶層）とピン層（磁化固定層）の磁化の向きが平行あるいは反平行であるかという磁化配置（磁化の方向の組み合わせ）が、平行または反平行のどちらか一方に偏りやすくなってしまうという問題がある。また、その提案では、ピン層（磁化固定層）の磁化の向きが変わるといった懸念もあり、ＤＲＡＭ並みの書き換え回数を実現する上でも信頼性が低下するという問題が生じる。【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、これまで実現が困難であった電流の極性が一方のみでスイッチングを行う１ダイオード−１ＭＴＪ構成のための磁気メモリー素子、すなわち、単一極性の電気パルスによりスイッチング動作を行える１ダイオード−１ＭＴＪ構成のメモリーセルを実現し得る磁気メモリー素子、およびそれを用いる記憶装置を提供することにより、不揮発性半導体記憶装置におけるストレージデバイスの更なる小型化、大容量化、書換え回数の上限の増大に寄与するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の発明者らは、ＭＲＡＭに用いられる磁性材料の磁化の基本的な特性に立ち返って上記課題を吟味し、メモリー素子として動作するための要件を再検討した。そのために、本願の発明者らは、まず、記憶層として用いる磁性体を希土類と遷移金属との合金（「希土類−遷移金属合金」）とすることによって、その記録層の磁気特性をＮ型フェリ磁性とすることを考えた。Ｎ型フェリ磁性体においては、ある温度において、そこに含まれる遷移金属元素の磁化と希土類金属の磁化が互いに打ち消しあい、正味の磁化が０となる現象が観察される。この正味の磁化が０となるその温度は、補償温度と呼ばれる。そして、本願の発明者らは、このような記録層をもつメモリー素子において記録層の正味の磁化方向を素子温度によって逆転させることが可能となることに注目した。すなわち、このような記録層を用いれば、上記の現象を記憶層の磁化の向きのスイッチングに利用して、単一極性の電流によって、記録層の磁化をピン層と同方向または逆方向のどちらに向ける書き込み動作も行うことができることとなり、各メモリーセルを１ダイオード−１ＭＴＪ構成とすることが可能となる。なお上記の動作原理については、第１の実施形態においてさらに詳述する。こうして、本願の発明者らは、記録層の磁気特性をＮ型フェリ磁性とするための具体的な検討を行うことにより、以下に示す磁気メモリー素子と不揮発記憶装置の発明に至った。【００１３】
すなわち、本発明のある態様の磁気メモリー素子は、第１〜第４の磁性層と中間層とを備え、該第１の磁性層に該第３の磁性層を設け、該第３の磁性層の上に該中間層を設け、該中間層の上に該第４の磁性層を設け、該第４の磁性層の上に該第２の磁性層を設けてなる磁気メモリー素子であって、該中間層は絶縁体または非磁性体からなり、該第２の磁性層は、ガドリニウム、鉄、およびコバルトの３元合金薄膜、ガドリニウムおよびコバルトの２元合金薄膜、ならびに、テルビウムおよびコバルトの２元合金薄膜からなる薄膜の群から選択される。【００１４】
上記態様においては、第２の磁性層を記憶層として用いる。その記録層として用いる磁性体は希土類−遷移金属合金であり、その磁気特性はＮ型フェリ磁性となるため、記憶層の正味の磁化方向は、磁気メモリー素子の温度によって逆転する。この現象によって、記憶層の磁化の向きを、第１の磁性層（ピン層）と同方向または逆方向どちらに向ける書き込み動作にしても同じ極性の電流（単一極性電流、モノポーラ電流）によって制御することができるようになり、各メモリーセルは１ダイオード−１ＭＴＪ構成とすることができる。【００１５】
本発明の上記態様においては、好ましくは、前記第１の磁性層がテルビウム、鉄、およびコバルトの３元合金薄膜であり、前記第１の磁性層の該３元合金におけるテルビウムの組成比が１３〜２２ａｔ．％であること好適である。【００１６】
テルビウムの組成比を１３〜２２ａｔ．％とすることで、第１の磁性層（ピン層）が垂直磁化膜となり、かつＴｂの組成比が補償温度は十分に低くなり、例えば、記憶装置を動作させる温度以下となるから、第１の磁性層において、書き込み時の素子温度上昇によって磁化が減少するのを防止することができる。なお、本願の記載中、「ａｔ．％」は原子％およびモル％と同じであり、全成分の組成比の合計を１００ａｔ．％となるようにして各成分の原子数比またはモル比を表現するものである。【００１７】
本発明の上記態様においては、好ましくは、前記第１の磁性層がテルビウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第１の磁性層の該２元合金におけるテルビウムの組成比が１３〜２２ａｔ．％であると好適である。【００１８】
テルビウムの組成比を１３〜２２ａｔ．％とすることで、第１の磁性層を垂直磁化膜とし、かつＴｂの組成比を、記憶装置を動作させる温度における補償組成比より少なくすること、すなわち、第１の磁性層の２元合金の補償温度を、記憶装置を動作させる温度よりも低くすることができる。そうすると、書き込み時に素子温度がたとえ上昇しても、第１の磁性層の温度は、補償温度Ｔｃｏｍｐに近づくのではなくむしろ遠ざかることとなる。よって、テルビウムの組成比を１３〜２２ａｔ．％とすることによって、ピン層（第１の磁性層）における磁化の減少を抑えることが可能となる。ここで、補償組成比とは、希土類元素の磁気モーメントが遷移金属元素の磁気モーメントを超える合金の組成における希土類元素の組成比の最小値をいい、各温度において定まる値である。加えてテルビウムとコバルトの２元合金は、テルビウムと鉄とコバルトの３元合金よりも酸化に強くなる。これによって磁気メモリー素子の特性劣化を改善することが可能である。【００１９】
本発明の上記態様においては、前記第２の磁性層がガドリニウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第２の磁性層の該２元合金におけるガドリニウムの組成比が２３〜２８ａｔ．％であると好適である。【００２０】
これにより、記憶層（第２の磁性層）の補償温度は１００〜１８０℃の範囲に存在するようになるので、後述するように、書き込み電流によるジュール熱によって記憶層の温度を補償温度の上または下となるように制御することにより、記憶層の磁化の方向を温度で制御することが可能になる。【００２１】
本発明の上記態様においては、前記第２の磁性層がテルビウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第２の磁性層の該２元合金におけるテルビウムの組成比が２２〜２６ａｔ．％であること好適である。【００２２】
これにより、記憶層（第２の磁性層）の補償温度は１００〜１８０℃の範囲後述するように書き込み電流によるジュール熱で記憶層の温度を、補償温度の上または下となるように制御することによって、記憶層の磁化の方向を温度で制御することが可能になる。【００２３】
また、本願発明者らは、上記課題を吟味し、ピン層の磁気特性をＮ型フェリ磁性とすることによっても、ピン層の磁気特性の変化を利用して記録層の磁化方向を制御しうることを見出した。つまり、素子温度によってピン層の正味の磁化方向を逆転させることが可能となることに注目し、その逆転する前後のピン層の磁化を単一極性の電流によって記憶層の磁化の向きに転写することにより、記録層の磁化をピン層と同方向または逆方向のどちらに向ける書き込み動作も行うことができ、各素子を１ダイオード−１ＭＴＪの構成とすることが可能となる。なお上記の動作原理については、第４の実施形態においてさらに詳述する。そして、本願の発明者らは、本願の他の態様として、ピン層の磁気特性をＮ型フェリ磁性とするための具体的な検討を行うことにより、以下に示す磁気メモリー素子と不揮発記憶装置の発明に至った。【００２４】
すなわち、本発明の他の態様の磁気メモリー素子は、第１〜第４の磁性層と中間層とを備え、該第１の磁性層に該第３の磁性層を設け、該第３の磁性層の上に該中間層を設け、該中間層の上に該第４の磁性層を設け、該第４の磁性層の上に該第２の磁性層を設けてなる磁気メモリー素子であって、該中間層は絶縁体または非磁性体からなり、該第１の磁性層は、テルビウム、コバルト、および鉄の３元合金薄膜、ならびに、テルビウムおよびコバルトの２元合金薄膜からなる薄膜の群から選択される。【００２５】
本発明の上記他の態様においては、前記第１の磁性層がテルビウム、鉄、コバルトの３元合金であり、前記第１の磁性層の該３元合金におけるテルビウムの組成比が２５ａｔ．％〜２９ａｔ．％であると好適である。【００２６】
これにより、第１の磁性層（ピン層）における補償温度は１００〜１８０℃の範囲に存在するようになるので、後述するように書き込み電流によるジュール熱で記憶層の温度を、補償温度の上または下となるように制御することによって、ピン層の磁化の方向を温度で制御することが可能になる。【００２７】
本発明の上記他の態様においては、さらに、前記第２の磁性層がガドリニウムおよびコバルトからなる合金の薄膜であると好適である。ＴｂＦｅＣｏに比べＧｄＣｏは磁気異方性エネルギーが小さく、さらに磁化ＭｓもＴｂＦｅＣｏより小さくなる傾向があり、これを記録層として用いれば、より書込み電流を減少させやすい。この場合において、前記第２の磁性層が、ガドリニウムおよびコバルトに加え鉄をさらに含む３元合金薄膜であり、前記第２の磁性層の該３元合金におけるガドリニウムの組成比が１０ａｔ．％〜１７ａｔ．％または２３ａｔ．％〜４０ａｔ．％であるとさらに好適である。【００２８】
上記構成の効果は、ガドリニウムおよびコバルトからなる合金、あるいは、それに加えて鉄を含む３元合金の性質から理解される。特許文献３には、ガドリニウムおよびコバルトからなる合金ＧｄｘＣｏ１−ｘ、ならびに、ガドリニウム、鉄、およびコバルトの３元合金Ｇｄｘ（Ｆｅ０．８２Ｃｏ０．１８）１−ｘについてのＴｃ（キュリー温度）とＴｃｏｍｐ（補償温度）が、各ガドリニウム組成比に対して示されている。図９ａおよびｂにこれらを再現している。当該開示によれば、ＧｄｘＣｏ１−ｘおよびＧｄｘ（Ｆｅ０．８２Ｃｏ０．１８）１−ｘのいずれも、Ｔｃｏｍｐが存在する組成比、すなわち、Ｎ型フェリ磁性体となる組成比において十分に高いＴｃが得られており、第２の磁性層にこれらの合金を用いると、適切に書き込み動作を行うことができるようになる。【００２９】
特に、第２の磁性膜がガドリニウムおよびコバルトに加え鉄を含む３元合金薄膜では、図示されているように、ガドリニウム組成比が２０ａｔ．％以上の場合には、ガドリニウム組成比の各値に対するＴｃｏｍｐの値は、第２の磁性膜がＧｄｘＣｏ１−ｘである場合に比べて大きくなる。例えば、ｘ＝０．２５（ガドリニウムの組成比が２５ａｔ．％）に対するＴｃｏｍｐの値は、ＧｄｘＣｏ１−ｘでは約１６０℃であるのに対し、Ｇｄｘ（Ｆｅ０．８２Ｃｏ０．１８）１−ｘでは約２６０℃となっている。このため、第１の磁性膜がそれ自体の補償温度（例えば１５０℃）を超える温度に到達する際に、同じ温度にある第２の磁性膜にとっては、第２の磁性膜がガドリニウムおよびコバルトに加えて鉄を含む３元合金である場合には、第２の磁性膜がＧｄｘＣｏ１−ｘである場合に比べて、第２の磁性膜それ自体の補償温度に到達するまでの温度幅が大きくなる。このため、磁気メモリー素子を集積している記憶装置を作製した場合の磁気メモリー素子ごとの到達温度がばらつきを考慮しても、第２の磁性膜がガドリニウムおよびコバルトに加えて鉄を含む３元合金である場合には、第２の磁性膜がＧｄｘＣｏ１−ｘである場合に比べて、当該記憶装置に安定した動作を期待することができる。第２の磁性膜を上記の元合金薄膜としてこのような効果が得られる範囲は、ガドリニウムの組成比が２３ａｔ．％〜４０ａｔ．％の場合となる。なお、ここで図示した３元合金の組成はＧｄｘ（Ｆｅ０．８２Ｃｏ０．１８）１−ｘのみであるが、鉄とコバルトの相対的な比率を調整することにより、上記の効果が得られるガドリニウムの組成比の上限値が４０ａｔ．％であることを確認している。【００３０】
また、ガドリニウム組成比が０．２程度以下の範囲（図示していない）では、上記の関係とは逆に、第２の磁性膜が上記元合金薄膜である場合は、ガドリニウム組成比の各値に対するＴｃｏｍｐの値が、第２の磁性膜がＧｄｘＣｏ１−ｘである場合に比べて小さくなることが分かっている。そうすると、この場合にも、磁気メモリー素子が動作する際の第２の磁性膜が温度の下限値からみたＴｃｏｍｐまでの温度幅は、第２の磁性膜がガドリニウムおよびコバルトに加え鉄を含む３元合金薄膜である場合には、第２の磁性膜がＧｄｘＣｏ１−ｘである場合に比べて大きくなる。従って、上述のような温度のばらつきを考慮した場合には、第２の磁性膜がガドリニウムおよびコバルトに加えて鉄を含む３元合金である場合には、第２の磁性膜がＧｄｘＣｏ１−ｘである場合に比べて、当該記憶装置に安定した動作を期待することができる。このような効果が得られるガドリニウムの組成比の範囲は、１０ａｔ．％〜１７ａｔ．％である。【００３１】
このように、第２の磁性膜がガドリニウムおよびコバルトに加えて鉄を含む３元合金である場合に、ガドリニウムの組成比を、１０ａｔ．％〜１７ａｔ．％または２３ａｔ．％〜４０ａｔ．％の範囲のいずれかにすることにより、第１の磁性層（ピン層）の温度が記憶装置の動作温度範囲の間で変化しても、第１の磁性層のみが補償温度を跨ぎ、第２の磁性層は補償温度を跨がないように動作させて、後述するものポーラ動作を実現することができる。【００３２】
本発明の上記他の態様においては、前記第１の磁性層がテルビウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第１の磁性層の該２元合金におけるテルビウムの組成比が２２〜２６ａｔ．％であると好適である。【００３３】
これにより、第１の磁性層（ピン層）における補償温度は１００〜１８０℃の範囲に存在するようになるので、後述するように書き込み電流によるジュール熱によって記憶層の温度を補償温度の上または下となるように制御することによって、ピン層の磁化の方向を温度で制御することが可能になる。【００３４】
本発明の上記他の態様においては、前記第２の磁性層がガドリニウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第２の磁性層の該２元合金におけるガドリニウムの組成比が２７〜３９ａｔ．％であると好適である。【００３５】
これにより、書き込み電流によるジュール熱による温度上昇があっても、第２の磁性層（記憶層）は補償温度を跨がなくなるので、第１の磁性層（記憶層）のみ補償温度を跨がせて、磁化を逆転させることが可能となる。【００３６】
本発明の上記他の態様においては、前記第２の磁性層がテルビウムおよびコバルトの２元合金薄膜であり、前記第２の磁性層の該２元合金におけるテルビウムの組成比が２７〜３２ａｔ．％であると好適である。【００３７】
これにより、書き込み電流によるジュール熱による温度上昇があっても、第２の磁性層（記憶層）は補償温度を跨がなくなるので、第１の磁性層（記億層）のみ補償温度を跨がせて、磁化を逆転させることが可能となる。【００３８】
さらに、本発明の上記いずれかの態様において、前記第１の磁性層における鉄とコバルトとの各組成のモル比が７：３であると好適である。【００３９】
これにより、Ｆｅ：Ｃｏ＝７：３とすることで、第１の磁性層（ピン層）の磁化のうち遷移金属（鉄とコバルト）部分の磁化は最大となり、ピン層の正味の磁化も増加する。ピン層の磁化を大きくすることで、電流磁化反転動作（または、スピン注入磁化反転、Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴＴ）によりピン層の磁化が乱されにくくなり、安定した動作が可能となる。【００４０】
また、典型的には、本発明のいずれの態様においても、第３および第４の磁性層をスピン偏極層として用いるが本発明がこの例に限定されるものではない【００４１】
本発明においては、その態様として、不揮発性記憶装置が提供される。すなわち、本発明のいずれかに記載の磁気抵抗素子とそれに直列に接続した整流素子とを備え、該磁気抵抗素子に電流を流すことで書き込みおよび消去を行う情報書換手段と、該磁気抵抗素子を流れる電流量から記憶された情報を読出す読み出し手段とを備えてなることを特徴とする不揮発記憶装置が提供される。【００４２】
上記特徴の不揮発記憶装置によれば、単一極性の電気パルスによりスイッチングが可能となるため１ダイオードと１ＭＴＪからなるメモリーセルを実現することができ、フラッシュメモリーと同等の４Ｆ２程度のセル面積が実現可能となる。このように、本発明によれば、高速動作、高い書換え回数性能を備えた磁気メモリー素子をシリコンウエハーなどの基板上に高密度に集積することができるため、高性能な不揮発記憶装置を低コストで提供することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の磁気メモリー素子および記憶装置は、単一極性の電気パルスにより、確実なスイッチング動作を行えるため、１ダイオードと１ＭＴＪ構成の４Ｆ２サイズのメモリーセルを実現することができる。これにより、低コストで高集積、不揮発な記憶装置が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１〜第７の実施形態による磁気メモリー素子の構造を示す断面図である。
【図２】Ｎ型フェリ磁性体の磁化と温度の関係を表す温度特性図である。
【図３】本発明の第１〜３の実施形態による磁気メモリー素子の動作原理の模式図である。
【図４】本発明の第４〜７の実施形態による磁気メモリー素子の動作原理の模式図である。
【図５】ＴｂＦｅＣｏのＴｂの組成比に対する補償温度の関係を示すグラフである。
【図６】ＴｂＣｏのＴｂの組成比に対する補償温度の関係を示すグラフである。
【図７】本発明に係る不揮発記憶装置のある実施形態であるクロスポイント型メモリーセルアレイを構成する磁気メモリー素子と整流素子を模式的に示す図である。
【図８】本発明に係る不揮発記憶装置のある実施形態であるクロスポイント型メモリーセルアレイの回路構成のブロックダイアグラムである。
【図９】ガドリニウムと鉄の合金、ガドリニウムと鉄とコバルトの合金におけるキュリー温度および補償温度のガドリニウム依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明に係る磁気メモリー素子および記憶装置についての実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４６】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態では、図１〜図３に基づいて本発明の実施形態におけるメモリー素子の構造を書込み動作の原理とともに説明し、その作製方法および技術的効果について説明する。
【００４７】
［磁気メモリー素子の構造］ 
図１は磁気メモリー素子１００を含む記憶装置１０の磁気メモリー素子を含む部分を示す拡大断面図である。磁気メモリー素子１００は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）部１３を有しており、このＭＴＪ部１３を下部電極１４と上部電極１２とによって挟むようにされている。ＭＴＪ部１３は下部電極１４側から、ピン層２２（第１の磁性層）、第１のスピン偏極層２７（第３の磁性層）、絶縁層２１、第２のスピン偏極層２６（第４の磁性層）、記憶層２０（第２の磁性層）の順に積層された構造を有していて、ピン層２２および記憶層２０はＮ型フェリ磁性体の一種である希土類―遷移金属合金である。下部電極１４は、基板１５中に作られたＰ型領域２４上に製膜され、さらに基板１５中には、そのＰ型領域２４と接するようにＮ型領域２５が形成される。Ｐ型領域２４とＮ型領域２５との組み合わせはダイオード（整流素子）をなしている。さらに、Ｎ型領域２５の上には、コンタクト部１７とワード線１８とがこの順に積層されている。一方の上部電極１２は、ビット線１１に接続されている。ワード線１８とビット線１１とは、層間絶縁膜２３によって絶縁されてそれぞれが制御回路（図示しない）に接続されている。記憶装置１０には多数の磁気メモリー素子１００が含まれており、メモリーアドレスに応じて目的の磁気メモリー素子に記憶した情報を読み取り、また磁気メモリー素子１００に情報を書き込む。本実施形態において、ピン層２２はＴｂＦｅＣｏ合金による薄膜からなり、記憶層２０はＧｄＣｏ合金による薄膜からなり、それらの補償温度は、それぞれ、０℃以下、１５０℃付近になるように作製する。
【００４８】
［磁気メモリー素子の書込み動作：平行］
次に、このように作製された磁気メモリー素子１００によって、単一極性電気パルスによる書き込み動作が可能になる原理について説明する。記憶層２０の磁化方向をピン層２２の磁化方向と同じ方向に向ける書き込み動作については従来の磁気メモリー素子と同じ電流注入磁化反転（ＳＴＴ）動作を行う。すなわち、記憶層２０から中間層２１を介してピン層２２にトンネル電流を流す。この際、ピン層２２から記憶層２０に流れ込む電子のスピンは偏極しており、電流が流れている期間に記憶層２０の磁化はこれらの偏極スピン電子よりトルクを受ける。このトルクは記憶層２０の磁化方向をピン層２２の磁化方向と同じ方向に向けるように作用するため、記憶層２０とピン層２２の磁化は同じ方向を向いて平行となる。磁化配置が平行である磁気メモリー素子１００は、ピン層２２と記憶層２０の間の抵抗が低い抵抗値を示す状態（低抵抗状態）となる。
【００４９】
［磁気メモリー素子の書込み動作：反平行］
次に、記憶層２０の磁化方向をピン層２２の磁化方向と逆方向に向ける書き込み動作について説明する。ここに説明する動作原理は、本願発明者らの理解に基づくものであり、説明の目的にのみ用いられるべきである。図２は、Ｎ型フェリ磁性体における磁化の温度特性図の一例であり、ここでは記憶層２０の温度特性図であるとする。図２において、Ｎ型フェリ磁性体の磁化曲線２０１が示され、そこに磁化２０３の向きを示す矢印を記載した磁性体２０２が模式的に記載されている。記憶層２０の磁性体２０２は、その温度を上昇させると、正味の磁化を磁化曲線２０１に従って減少させ、補償温度Ｔｃｏｍｐにおいて０となる。引き続き温度を上昇させると、正味の磁化の向きが元の向きからみて逆向きとなる。本発明においては、記憶層２０の磁化の向きが補償温度以上で逆向きになるこの現象を利用して書き込み動作を行う。さらに図３を用いて、この現象を利用する磁気メモリー素子１００の書き込み動作について説明する。
【００５０】
動作開始時において、記憶層２０の磁化とピン層２２の磁化が同方向であるとする（図３（ａ））。このとき、記憶層２０を加熱して補償温度Ｔｃｏｍｐ以上の温度にすると、上述の現象により、記憶層２０の磁化の向きは逆方向を向く（図３（ｂ））。この磁化配置を保ったまま、記憶層２０からピン層２２にトンネル電流を流すと、ピン層２２から記憶層２０にスピン偏極した電子が流れる。この際、記憶層２０の磁化はそれらの電子から、磁化方向をピン層２２と同じ方向に向けるようにトルクを受けて反転する（図３（ｃ））。磁化反転後、記憶層２０を十分に、例えば記憶装置の動作時の通常の温度まで冷却すると、温度上昇の時と同様に補償温度Ｔｃｏｍｐを挟んで正味の磁化は逆向きになるので、記憶層２０の磁化はピン層２２の磁化とは逆になる。すなわち、磁化配置は反平行となる（図３（ｄ））。磁化配置が反平行である磁気メモリー素子１００は、ピン層２２と記憶層２０の間の抵抗が高い抵抗値を示す状態（高抵抗状態）となる。
【００５１】
次に、本発明の実施形態において反平行にするための温度上昇を実現するための記憶層２０の加熱方法について説明する。本発明の実施形態においては、記憶層２０の加熱には書き込み電流によるジュール熱を利用する。本実施形態の磁気メモリー素子１００は、書き込みの際に、記憶層２０からピン層２２へ電流（書き込み電流）を流すが、この書き込み電流によって磁気メモリー素子１００が加熱される。この加熱による温度上昇は、非特許文献３によればおよそ＋７０Ｋ〜＋１５０Ｋ程度と計算されており、磁気メモリー素子１００のＭＴＪ部１３の温度上昇前の温度を３０℃とした場合、ＭＴＪ部１３の到達温度は、概ね１００℃〜１８０℃となる。ここで、この温度上昇による到達温度は、書き込み電流のパルス幅を例えば１０ｎｓｅｃ〜１ｍｓｅｃの範囲で変化させることによって、上記温度範囲内の任意の温度になるように制御することができる。従って、例えば、記憶層２０の補償温度を１５０℃付近にするなどの調整によって、制御できる到達温度の範囲（１００℃〜１８０℃）に記憶層２０の補償温度が存在するようにすれば、書き込み電流のパルス幅の制御によって正味の磁化方向を逆転させることができるようになる。
【００５２】
上述の平行の磁化配置を得るための電流の向きと、反平行の磁化配置を得るための電流の向きは、いずれも図３に示した電流の向きであり、両者の違いは記録層２０の温度の違いのみである。以上のようにして、第１の実施形態における磁気メモリー素子１００は、単一極性の電流を用いる場合であっても、パルス幅を変化させることによって、記憶層２０の磁化方向をピン層に対し平行とするようにも、また、反平行とするようにも書き込むことができる。
【００５３】
［ピン層の組成］
ピン層のＴｂＦｅＣｏとしてはＴｂの組成比が１３〜２２ａｔ．％であることが好ましい。ＴｂＦｅＣｏはＴｂ組成が概ね１３〜３２ａｔ．％の範囲で垂直磁化膜になる。ただし、Ｔｂの組成比を室温における補償組成比を超える組成比にしてしまう場合、例えば、Ｔｂの組成比を２３〜３２ａｔ．％とする場合には、書き込み電流による温度上昇によってピン層の温度が補償温度に近づいて、ピン層の磁化が減少してしまう。ＳＴＴ動作においてピン層の磁化は記憶層に対し十分に大きくなくてはならず、この磁化の減少はＳＴＴ動作を不安定にさせるおそれがある。よって、ピン層のＴｂの組成比としては、補償温度が記憶装置が動作する温度よりも低くなるような組成比とすることが望ましい。そのようなＴｂの組成比は１３〜２２ａｔ．％である。特に、垂直磁化膜となる限界の組成比である１３ａｔ％とすると正味の磁化は最大となり理想的ではあるものの、実際のスパッタ法では製膜領域全域に渡って均一組成の薄膜を作製することは困難であるため、１〜２ａｔ．％程度の余裕をみる必要があり、つまりＴｂの組成比を１５ａｔ．％とすることが最も好ましいと言える。
【００５４】
またピン層のＴｂＦｅＣｏにおいて、ＦｅとＣｏの組成比は７：３とすることが好ましい。これは、ＴｂＦｅのＦｅの一部をＣｏで置換することで、遷移金属（Ｆｅ，Ｃｏ）部の磁化が増大し、Ｆｅ：Ｃｏ＝７：３の点で最大となるからである。ＳＴＴにおいて、書き込み中に乱されないためにも、ピン層の磁化はフリー層の磁化に比べ十分に大きいことが好ましい。よって、ピン層の磁化を大きくするＦｅ：Ｃｏ＝７：３の相対的な組成比が好ましい。
【００５５】
［記憶層の組成］ 
本実施形態における上記動作を実現するためには、記憶層２０の補償温度を、記録層２０の到達温度の範囲、すなわち、１００〜１８０℃の範囲に設定することが好ましい。この範囲に補償温度を持つＧｄＣｏ合金の組成は、Ｇｄの組成比を２３〜２８ａｔ．％とすることが好ましく、本実施形態においてはこの範囲のＧｄＣｏを用いる。このうち、特に、Ｇｄの組成比を２６ａｔ．％、Ｃｏの組成比を７４ａｔ．％とすると、補償温度は到達温度の範囲の概ね中心（１５０℃）となり、温度制御が容易になるために最も好ましい。
【００５６】
［スピン偏極膜、中間層］
また、本実施形態の磁気メモリー素子１００の第１のスピン偏極膜（第３の磁性層）、第２のスピン偏極膜（第４の磁性層）について説明する。スピン偏極膜とは例えばＦｅ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＢのように△１バンドに関してスピンが完全に偏極している磁性膜を意味している。この偏極層を、ＭｇＯのような、積層方向に対して４回対称性を有する絶縁層（中間層）と組み合わせてスピントンネル接合を実現することにより、実効的なスピン偏極率を高めることができる。このような構造においては、条件を最適化することにより、１０００％程度の磁気抵抗比が得られることが、理論的にも実験的にも明らかにされている。
【００５７】
［作製方法］
以下、第１の実施形態によって作製される磁気メモリー素子について、その作製方法を説明する。再び図１を参照する。まず、ＣＭＯＳプロセスによってＳｉ基板（シリコンウェハー）１５上にＰ型領域２４、Ｎ型領域２５を形成する。その後、マグネトロンスパッタ法によりＡｌ（５ｎｍ）を製膜し、フォトリソグラフィ工程によってＰ型領域２４上に下部電極１４を、Ｎ型領域２５上にコンタクト１７を形成する。またこのフォトリソグラフィの時に使ったレジスト膜を残した状態で、プラズマＣＶＤ（化学気相成長）プロセスによって層間絶縁膜（ＳｉＮ）を膜厚が５ｎｍ程度となるように形成し、このレジスト膜をアセトンかＮＭＰ（Ｎ一メチルー２一ピロリドン）を溶媒として洗い流す。そうすると下部電極１４とコンタクト１７上についたＳｉＮ膜はレジスト膜と共にリフトオフされる（洗い流される）ので、下部電極１４とコンタクト１７の表面が露出する状態となる。さらにマグネトロンスパッタ法によってＣｕ（１０ｎｍ）を製膜し、フォトリソグラフィによって、コンタクト１７上にワード線１８を形成する。
【００５８】
次に、マグネトロンスパッタ法によって、ＴｂＦｅＣｏ（５ｎｍ）、ＦｅＣｏ（１ｎｍ）、ＭｇＯ（１ｎｍ）、ＦｅＣｏ（１ｎｍ）、ＧｄＣｏ（２ｎｍ）、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）、Ｔａ（３ｎｍ）の順に積層し、フォトリソグラフィ工程によって、上記積層膜を直径５０〜１００ｎｍの円形素子に微細加工する。この円形素子が下から、ピン層２２、第１スピン偏極層２７、絶縁層２１、第２スピン偏極層２６、記憶層２０と上部電極１２となる。この時、レジスト膜を残したまま、プラズマＣＶＤプロセスにより層間絶縁膜（ＳｉＮ）を膜厚が６０ｎｍ程度となるように製膜し、先ほどフォトリソグラフィ工程に用いたレジスト膜をアセトンかＮＭＰを溶媒として洗い流す。こうすると、レジスト膜とともに上部電極１２上に付着した層間絶縁膜（ＳｉＮ）がリフトオフされ、上部電極１２の表面が露出する。次に、マグネトロンスパッタによりＴａ（１０ｎｍ）、Ｃｕ（５００ｎｍ）、Ｔａ（１０ｎｍ）の順に積層し、フォトリソグラフィによってＴａ／Ｃｕ／Ｔａ積層部をビット線の形状に加工する。以上のようにして、本実施形態の磁気メモリー素子を作製することができる。
【００５９】
本実施形態において、ピン層はＴｂＦｅＣｏであり、その組成としてテルビウム（Ｔｂ）の組成比を１５（±１）ａｔ．％とし、鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）の元素組成比率を７：３とすることが好ましいことを述べた。その方法としては、Ｔｂ１５Ｆｅ６０Ｃｏ２５の合金ターゲットを用いてマグネトロンスパッタで薄膜を作製し、もし薄膜の組成が上記の組成と一致しないならば、Ｔｂ小片とＣｏ小片をターゲット上にのせて組成を微調整することで上記組成のピン層用薄膜を作製可能である。但し、元々ＴｂはＦｅに比べてスパッタ率が低いので、Ｔｂの組成比を２〜３ａｔ．％程度大きくした合金ターゲットを用いると、より簡単に上記組成のピン層用薄膜を作製可能である。また、記憶層のＧｄＣｏについてもピン層と同様にＧｄ２６Ｃｏ７４合金ターゲット、あるいはＧｄを２〜３ａｔ．％程度多く含む合金ターゲットを用いてマグネトロンスパッタを行えばよい。
【００６０】
［第１の実施形態の技術的効果］
次に第１の実施形態の磁気メモリー素子またはそれを用いる記憶装置が奏する技術的効果について説明する。前述したとおり、記憶層２０として用いたＧｄ２６Ｃｏ７４は補償温度を１５０℃付近に持ち、これはＳＴＴ書き込み電流のパルス幅によって温度制御できる温度範囲の中心付近となる。つまりＳＴＴ書き込み電流の極性は変えず、パルス幅を変化させるだけで記憶層２０の到達温度を補償温度よりも低くしたり高くしたりするように制御することができ、従って記憶層２０の磁化方向をピン層２２と同方向（平行）または逆方向（反平行）のどちらにも制御できる。このため、上記の動作によって、１ダイオードと１ＭＴＪ構成の４Ｆ２サイズのメモリーセルを実現することが可能となる。
【００６１】
さらに、ピン層として用いたＴｂ１５Ｆｅ５９Ｃｏ２６は垂直磁化膜で、かつ補償温度が記憶装置が動作する温度の下限未満であるため、書き込み電流により素子温度が上昇しても磁化の減少は−２０％程度と緩やかである。このため、書き込み動作の際にピン層の磁化が減少しすぎて信頼性を損ねることがない。一方で、記憶層に用いたＧｄ２６Ｃｏ７４は、書き込み電流による昇温によって、平行にする場合にも反平行にする場合にも補償温度に近い温度で動作することになる。特に、温度制御の精度を高めると、磁化の大きさが０に近い温度で平行となるように書き込んだり反平行になるように書き込むことができる。このため、記憶層の磁化が小さいことは書き込み電流の低減につながり、高密度化や消費電力低減の点から好ましい。
【００６２】
＜第２の実施形態＞
本発明における第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は第１の実施形態においてピン層にＴｂＣｏを用いた実施形態である。ＴｂＣｏはＴｂＦｅＣｏよりも耐酸化性に優れ、本実施形態における磁気メモリー素子を記憶装置に用いれば、記憶装置の寿命を向上させることができる。また、ＴｂＣｏの磁化はＴｂＦｅＣｏより小さくなることから、形状異方性エネルギーが減少し、垂直方向の磁気異方性エネルギーＫｕの増大が見込める。垂直磁気方性エネルギーＫｕの増大は熱安定性の向上に繋がる。ピン層の熱安定性が低い場合には、磁気メモリー素子が過熱した際に磁化方向が乱れてしまい、磁気メモリー素子は正常に動作しなくなる。よって、ピン層にＴｂＣｏを用いて熱安定性を向上させることによって記憶装置の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
本実施形態による磁気メモリー素子の作製方法は、ピン層をＴｂＦｅＣｏ合金薄膜の代りにＴｂＣｏ合金薄膜とする点を除き、第１の実施形態の作製方法とほぼ同様であるので省略する。また、ピン層に用いるＴｂＣｏ合金薄膜のＴｂの組成比としては１３〜２２ａｔ％の範囲とすることが好ましく、特にＴｂの組成比を１５±１ａｔ．％とすることが最も好ましい。以上の構造によって、第１の実施形態と同様の動作を実現でき、１ダイオード−１ＭＴＪ構成の４Ｆ２サイズのメモリーセルが構成可能となり、その磁気メモリー素子を用いて信頼性を向上させた記憶装置が実現することができる。
【００６４】
＜第３の実施形態＞
本発明における第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、第１の実施形態あるいは第２の実施形態において記憶層にＴｂＣｏを用いる場合の実施形態である。ＴｂＣｏはＧｄＣｏに比べて磁気異方性エネルギーが一桁大きいため、記憶層にＴｂＣｏに用いることにより記憶データの保持特性を向上させることができる。なお、従来においては記憶層の磁気異方性エネルギーを増大させると、書き込み電流が増大してしまう問題があったが、本実施形態においては書き込み時の記憶層の温度が補償温度に近づき、磁化が非常に小さくなって書き込み電流の増加が抑えられるため、前記問題は軽減される。
【００６５】
なお、本実施形態における記憶層のＴｂＣｏとしては、Ｔｂの組成比は２２〜２６ａｔ．％の範囲が好ましい。これは第１の実施形態の場合と同様に、記憶層の補償温度が１００〜１８０℃の範囲に存在するためである。特に、Ｔｂの組成比を２４ａｔ．％とすることにより、記憶層の補償温度が記憶層の温度制御範囲の概ね中心（１５０℃）となり、制御される温度の許容範囲が拡大するために最も好ましい。
【００６６】
なお、上記実施形態において、ピン層（第１の磁性層）にＴｂＦｅＣｏやＴｂＣｏを用いたが、ピン層としてＦｅＰｔやＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯ２などの垂直磁化膜を用いても第１〜３の実施形態と同様の構造の磁気メモリー素子を作製することが可能である。特に、これらの垂直磁化膜は、高い磁気異方性エネルギーを示すため、より信頼性の高い磁気メモリー素子を作製することができる。
【００６７】
＜第４の実施形態＞
本発明における第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、第１の実施形態とは異なり、書き込み動作時に、記憶層の代りにピン層の温度を、その補償温度の上または下となるように制御することにより、記憶層の磁化の方向を、温度上昇が無いときのピン層の磁化の方向と同方向（平行）または逆方向（反平行）となるように書き込む動作を行う。
【００６８】
［動作原理］
まず、第４の実施形態における書き込み動作の原理について説明する。記憶層２０とピン層２２の磁化方向を同じ方向に向ける書き込み動作については、第１の実施形態と全く同等であるので説明は省略する。
【００６９】
次に、記憶層２０の磁化方向をピン層２２と逆方向に向ける書き込み動作について図４を用いて説明する。ここに記載する動作原理も、本願発明者らの理解に基づくものであって、説明の目的にのみに用いられるべきものである。本実施形態において、以下、記憶層２０の補償温度Ｔｃｏｍｐは２００℃以上とし、ピン層２２の補償温度Ｔｃｏｍｐは１５０℃付近にあるものとする。まず、動作開始時において、記憶層２０の磁化とピン層２２の磁化は同方向（平行）であるとする（図４（ａ））。書き込み電流を記憶層２０からピン層２２の方向に流すことにより、ジュール熱によって磁気メモリー素子１０のＭＴＪ部１３の温度が上昇し、１７０℃程度の温度に到達したとする。このとき、ピン層２２の到達温度は、その補償温度Ｔｃｏｍｐを超えるので、ピン層２２の磁化の向きは逆方向を向く（図４（ｂ））。一方、記憶層２０の温度は、その補償温度Ｔｃｏｍｐには到達していないので、記憶層２０の磁化の向きはそのままである。このとき、スピン偏極した電子はピン層２２から記憶層２０に向かって流れるので、それらの偏極電子から記憶層２０の磁化がピン層２２の磁化と同じ方向に向くようにトルクを受け、磁化反転する（図４（ｃ））。磁化反転後、電流を遮断すればピン層２２は自然に冷却され、素子温度がピン層２２の補償温度Ｔｃｏｍｐを下回った時点で正味の磁化は逆転する。こうして、ピン層２２の磁化方向は記憶層２０の磁化とは逆方向を向く（図４（ｄ））。以上のようにして、記憶層２０の磁化をピン層２２の磁化と逆方向に向ける書き込み動作が実現される。
【００７０】
［ピン層の組成］
以上の書き込み動作を実現するために、ピン層２２の補償温度Ｔｃｏｍｐを１００℃〜１８０℃の温度範囲とすることが望ましいが、そのような材料としては、Ｔｂの組成比を２５ａｔ．％〜２９ａｔ．％としたＴｂＦｅＣｏを用いればよい。これは、Ｔｂの組成比によってＴｂＦｅＣｏ合金の補償温度Ｔｃｏｍｐが図５に示したように変化し、上記のＴｂの組成比の範囲において、補償温度が１００℃〜１８０℃の温度範囲に含まれるためである。特に、ピン層２２のＴｂＦｅＣｏ合金におけるＴｂの組成比を２８ａｔ．％とすると、補償温度が１５０℃付近となり、書き込み電流での温度制御が容易になるために好ましい。また、第１の実施形態のときと同様の理由により、本実施形態においてもＦｅとＣｏの各組成のモル比を７：３とすることがさらに好ましい。すなわち、本実施形態においてピン層２２として最も適する材料はＴｂ２８Ｆｅ５０Ｃｏ２２であると言える。
【００７１】
［記憶層の組成］
一方、記憶層２０については、記憶層２０の補償温度が到達温度の範囲（２５〜２００℃程度）にあると、上記書き込み動作を実現できなくなる。よって、記憶層２０の補償温度は２００℃以上か、または２５度以下である任意の磁化膜が適しており、第１〜第３の実施形態に記載の記憶層２０に限定されるものではない。垂直磁化膜としてこの条件を満たす例としては、Ｇｄの組成比を２３ａｔ．％〜４０ａｔ．％、または１０ａｔ．％〜１７ａｔ．％としたＧｄＦｅＣｏが好ましい。特に、Ｇｄの組成比を１７ａｔ．％または、２３ａｔ．％とすることが、記憶層２０の磁化を小さくすることができるために好ましい。
【００７２】
［第４の実施形態の技術的効果］
次に第４の実施形態の磁気メモリー素子またはそれを用いる記憶装置の奏する技術的効果について説明する。この実施形態によっても、書き込み電流は、単一極性としパルス幅を変化させるだけで、記憶層の磁化方向をピン層と同方向または逆方向のどちらにも制御することができる。このため、第１〜３の実施形態と同様に、第４の実施形態においても、１ダイオード−１ＭＴＪ構成の４Ｆ２サイズのメモリーセルを作製することができる。
【００７３】
＜第５の実施形態＞
本発明における第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は第４の実施形態においてピン層にＴｂＣｏを用いるものである。この場合、第４の実施形態と同等の動作を実現させるため、ピン層のＴｂＣｏの補償温度を１００〜１８０℃とするには、ピン層のＴｂの組成比を２２〜２６ａｔ．％の範囲とすればよい。これは、ＴｂＣｏ合金の補償温度ＴｃｏｍｐがＴｂの組成比によって図６に示す様に変化するためである。単一極性電流パルスによるスイッチング動作が可能となるので、１ダイオード−１ＭＴＪ構成の４Ｆ２サイズのメモリーセルを作製することが可能となる。特に、ピン層のＴｂの組成比を２４ａｔ．％とすると、ピン層２２の補償温度が約１５０℃となり、温度制御がより容易になるために好ましい。
【００７４】
＜第６の実施形態＞
本発明における第６の実施形態について説明する。本実施形態は第４の実施形態において、記憶層２０にＧｄＣｏを用いるものである。ＧｄＣｏはＧｄＦｅＣｏと比較して酸化に強いとされており、磁気メモリー素子の性能劣化を改善することが可能である。本実施形態における動作原理は第４の実施形態の時とほぼ同様であるので省略する。本実施形態において、記憶層２０の補償温度を２００℃以上とするにはＧｄの組成比を２７ａｔ．％以上とすればよい、但し、Ｇｄの組成比が４０ａｔ．％以上になると、キュリー温度が２００℃以下になり、前述の書き込み動作を実現することが難しくなる。よってＧｄの組成比は２７〜３９ａｔ．％の範囲とすることが必要である。以上によって、記憶層２０にＧｄＣｏを用いる場合でも、第４の実施形態と同様に１ダイオード−１ＭＴＪ構成の４Ｆ２サイズのメモリーセルを作製することができる。特にＧｄを２７ａｔ．％または３９ａ七．％とすれば、書き込み時における素子加熱によって、補償温度またはキュリー温度に近づくため、磁化は０近くまで小さくなり、必要な書き込み電流を減少させることができるので、より好適である。
【００７５】
＜第７の実施形態＞
本発明における第７の実施形態について説明する。第７の実施形態は第４の実施形態において、記憶層にＴｂＣｏを用いることができる。この場合にはＴｂの組成比を２７〜３２ａｔ．％の範囲とすれば垂直磁化膜かつ補償温度２００℃となるので、上記（第４の実施形態）と同等の動作を実現でき、１ダイオード−１ＭＴＪ構成の４Ｆ２サイズのメモリーセルを作製することができる。特に、Ｔｂを２７ａｔ．％とすれば、補償温度は２００℃程度となり、書き込み電流による素子加熱で、記憶層の磁化はＯに近づくために、書き込み電流が小さくなり好適である。また、ＴｂＣｏはＧｄＦｅＣｏよりも磁気異方性エネルギーが高いため、本実施形態の磁気メモリー素子を用いることにより、記憶データの保持特性を向上させることが可能である。
【００７６】
尚、第４〜第７の実施形態において、フリー層材料としてＧｄＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＴｂＣｏなどを用いたが、ＦｅＰｔやＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ−Ｓｉ０２などの垂直磁化膜を用いても、上記実施形態と同等の動作により１ダイオード−１ＭＴＪ構成の４Ｆ２サイズφメモリーセルを作製することができる。
【００７７】
＜第８の実施形態＞
次に、本発明のさらに他の実施形態の磁気メモリー素子とダイオードを使用した不揮発記憶装置の実施形態について図７および図８を用いて説明する。
【００７８】
図７は本発明に係る不揮発記憶装置の実施形態であるクロスポイント型メモリーセルアレイを構成する磁気メモリー素子と整流素子によるメモリーセルの電気的構成を模式的に示している。すなわち、既に説明したように本発明の実施形態の磁気メモリー素子および記憶装置では、単一極性の電気パルスでのスイッチングが可能となる。そこで、素子の選択スイッチとして整流素子（ここではダイオードを例示した）を直列に接続し、上部電極および下部電極を行と列のマトリックスア状に形成することによりクロスポイント型メモリーを有する記憶装置が形成される。例えば、あらかじめＳｉ基板上にダイオードを形成しその上部に本発明の実施形態の磁気メモリー素子を形成することが可能である。正極性の電気パルスをフリー層側から印加することで効率的にスイッチングを行うことが可能である。
【００７９】
また、本発明の磁気メモリー素子作製に必要なプロセス温度の最高値は、アニール処理のために必要な高々３５０℃程度であり、下部に形成する電気パルス供給用のトランジスタやセル選択スイッチ用に形成するダイオードの性能を損なうことはない。また、配線もアニール処理の上記温度には耐えることができるため、本発明による磁気メモリ素子を３次元的に積み重ねた構造とすることで、メモリー容量を増加させることも可能である。
【００８０】
そして、図８は、図７の磁気メモリー素子と整流素子とを用いたメモリーセルをワード線とビット線とによって駆動する不揮発性記憶装置１００のメモリーアレイの構造を示すブロックダイアグラムである。メモリーの内容が書き込まれる際には、ワードラインデコーダ１１０によって、ワードラインＷＬｉ（ｉ＝１〜ｎ）のうちのアクセスされるワードに対応するラインが選択される。選択されたワードラインに接続されたメモリーセルの行に対しては、書き込むべきデータに対応する信号がビットラインデコーダ１２０からビットラインＢＬｊ（ｊ＝１〜ｍ）を通じて対応するメモリーセルに対して印加される。例えば、アクセスされないワードのワードラインは高い電圧に維持されてアクセスされてダイオード９の作用によって電流が磁気メモリー素子８に流れないようにされ、アクセスされるワードのワードラインのみがＧＮＤに接続される。そして、ビットラインの電圧との差を取ると、アクセスされるワードラインに接続されたメモリーセルのそれぞれに対して、必要なデータに応じてセット動作またはリセット動作が実現するような信号がビットラインデコーダ１２０から印加される。セット動作とリセット動作の信号の違いは、磁気メモリー素子のＭＴＪ部の到達温度を制御するような任意の違いとすることができるが、好ましくは、上述のように、パルス幅が互いに異なる単一極性のパルスとすることができる。
【００８１】
メモリーの内容が読み出される際には、ビットラインデコーダ１２０に含まれ、各ビットラインに対応して設けられる電流検出部（図示しない）が、書き込み時と同様に動作するワードラインデコーダによって選択されるワードラインに対して各ビットラインが流す電流を検出し、アクセスされるワードのあるワードラインにおいて各ビットラインに対応する磁気メモリー素子８の抵抗に応じた電圧値を検出して、磁気メモリー素子８の状態を読み出す。
【００８２】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組合せが可能である。例えば、各実施形態は中間層が絶縁体である場合について説明したが、中間層が非磁性体である場合であっても上記各実施形態に示したような磁気メモリ素子の温度制御が行えるため、本発明は、中間層を非磁性体として実施することもできる。
【符号の説明】
【００８３】
１００  磁気メモリー素子
１０  記憶装置
１１  ビット線
１２  上部電極
１３  ＭＴＪ部
１４  下部電極
１５  基板
１７  コンタクト部
１８  ワード線
２０  記録層（第２の磁性層）
２１  絶縁層
２２  固定層（第１の磁性層）
２３  層間絶縁膜
２４  Ｐ型領域
２５  Ｎ型領域 
１０２、１０２Ａ  磁化の向きを示す矢印
８  磁気メモリー素子
９  整流素子
１００  不揮発性記憶装置
１１０  ワードラインデコーダ
１２０  ビットラインデコーダ 
【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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