(57)【要約】【課題】ＳＴＴ−ＭＲＡＭ記憶素子の熱安定性のさらなる向上を図り、記憶素子のさらなる小型化を可能として、記憶装置の大記憶容量化を促進し、また記憶装置の動作安定性を向上させる。【解決手段】磁化固定層が少なくとも２層の強磁性層と非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有したＳＴＴ−ＭＲＡＭ記憶素子において、上記磁化固定層中の上記絶縁層と接する磁性材料がＣｏＦｅＢ磁性層で構成され、上記磁化固定層中の上記絶縁層と接しない磁性材料が、Ｐｔ族金属元素と、３ｄ遷移金属元素のうちの強磁性元素である強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造とされ、且つ上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低い構成とする。これにより積層フェリ結合強度の向上が図られ、記憶素子の熱安定性を向上できる。【選択図】図７
2014072392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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絶縁層と
を有する層構造を備え、
上記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、上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記磁化固定層が少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有しており、
上記磁化固定層中の上記絶縁層と接する磁性材料がＣｏＦｅＢ磁性層で構成され、
上記磁化固定層中の上記絶縁層と接しない磁性材料が、Ｐｔ族金属元素と、３ｄ遷移金属元素のうちの強磁性元素である強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造とされ、且つ上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低いものとされている
記憶素子。
【請求項２】
上記Ｐｔ族金属元素と上記強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた上記磁性材料において、上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が４０％以下である
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記Ｐｔ族金属元素としてＰｔ又はＰｄの少なくとも一方が用いられる請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記強磁性３ｄ遷移金属元素としてＣｏ又はＦｅの少なくとも一方が用いられる請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記磁化固定層における上記非磁性層の上面及び下面の双方が、上記Ｐｔ族金属元素と上記強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた上記磁性材料と接している
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項６】
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絶縁層と
を有する層構造を備え、
上記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、上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記磁化固定層が少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有しており、
上記磁化固定層中の上記絶縁層と接する磁性材料がＣｏＦｅＢ磁性層で構成され、
上記磁化固定層中の上記絶縁層と接しない磁性材料が、Ｐｔ族金属元素と、３ｄ遷移金属元素のうちの強磁性元素である強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造とされ、且つ上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低いものとされ、
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、スピン偏極した電子が注入される
記憶装置。
【請求項７】
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絶縁層と
を有する層構造を備え、
上記磁化固定層が少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有しており、
上記磁化固定層中の上記絶縁層と接する磁性材料がＣｏＦｅＢ磁性層で構成され、
上記磁化固定層中の上記絶縁層と接しない磁性材料が、Ｐｔ族金属元素と、３ｄ遷移金属元素のうちの強磁性元素である強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造とされ、且つ上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低いものとされている
磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、複数の磁性層を有し、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子及び記憶装置に関する。
また、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する磁気ヘッドに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献２】米国特許第６２５６２２３号明細書
【特許文献３】特開２００８−２２７３８８号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Phys. Rev. B, 54, 9353(1996)
【非特許文献２】J. Magn. Mat., 159, L1(1996)
【非特許文献３】Nature Materials., 5, 210(2006)
【非特許文献４】Phys. Rev. Ｌｅｔｔ., 67, 3598(1991)
【背景技術】
【０００４】
モバイル端末から大容量サーバに至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子においても、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が追求されている。
特に、半導体不揮発性メモリの進歩は著しく、中でも大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリはハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。
【０００５】
一方、コードストレージ用さらにはワーキングメモリへの展開を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭ等を置き換えるべく、半導体不揮発性メモリの開発が進められている。例えば、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（相変化ＲＡＭ）等が挙げられる。これらのうち、一部はすでに実用化されている。
【０００６】
これらの不揮発性メモリの中でも、ＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向によりデータ記憶を行うために、高速の書き換え、かつ、ほぼ無限（１０15回以上）の書き換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機等の分野で使用されている。
ＭＲＡＭは、その高速動作と信頼性から、今後、コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されている。
【０００７】
しかしながら、ＭＲＡＭは、低消費電力化や大容量化に課題を有している。
これは、ＭＲＡＭの記録原理、すなわち、配線から発生する電流磁界によって磁化を反転させる、という方式に起因する本質的な課題である。
【０００８】
この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらない記録（すなわち、磁化反転）方式が検討されており、中でもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である（例えば、特許文献１、２、３、非特許文献１、２参照）。
【０００９】
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、ある閾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で必要であった記録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。
以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque  Transfer based Magnetic Random Access Memory）と呼ぶ。なお、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。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭは、高速かつ書換え回数がほぼ無限大であるというＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とする不揮発メモリとして、大きな期待が寄せられている。
【００１０】
ＳＴＴ−ＭＲＡＭとしての記憶素子の構造は、ＭＴＪ構造を採用する場合、例えば下地層／磁化固定層／中間層（絶縁層）／記憶層／キャップ層のような構造となる。
ＭＴＪ構造を採用するメリットは、大きな磁気抵抗変化率を確保して、読み出し信号を大きくできる点にある。
【００１１】
ここで、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ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（熱安定性とも呼ばれる）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。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち記憶層の体積を小さくすることが可能であるという利点があることを上述した。しかしながら、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。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子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、ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子において、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。
【００１２】
このとき注意すべきは、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタ（各メモリセルを構成する記憶素子のうち電流を流す記憶素子を選択するためのトランジスタ）に流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさに制限されるという点である。すなわち記憶素子には、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る。
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、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ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、記憶素子に流す電流を低減させることが要請されるものとなる。
【００１３】
またＭＴＪ構造として、中間層に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、記憶素子に流す電流量に制限が生じることとなる。すなわち記憶素子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しなくてはならないものである。
【００１４】
このようにＳＴＴ−ＭＲＡＭ記憶素子では、スピントルク磁化反転に必要な反転電流をトランジスタの飽和電流やトンネルバリアとしての絶縁層（中間層）が破壊される電流以下に減らすことが要請される。
すなわち、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ記憶素子については、前述の熱安定性の確保と共に、このような反転電流の低減も併せて図ることが要請されるものである。
【００１５】
反転電流の低減と熱安定性の確保を両立させる観点で注目されているのが、垂直磁化膜を記憶層に用いた構造である。
例えば非特許文献３によれば、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜などの垂直磁化膜を記憶層に用いることにより、反転電流の低減と熱安定性の確保を両立できる可能性が示唆されている。
【００１６】
垂直磁気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、ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいて大きな読み出し信号を与える高磁気抵抗変化率を実現するためにトンネル接合構造を採用することを考え、さらに耐熱性や製造上の容易さを考慮すると、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若しくはＦｅを含む磁性材料を積層させたものが有望である。
一方で、界面磁気異方性を有する垂直磁化磁性材料は磁化固定層に用いることも有望である。特に、大きな読み出し信号を与えるために、トンネルバリアであるＭｇＯ直下にＣｏ若しくはＦｅを含む磁性材料を積層させたものが有望である。
【００１７】
また、熱安定性を確保する上では、磁化固定層の構造をいわゆる積層フェリピン構造とすることが有効である。すなわち、磁化固定層を、少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る少なくとも３層の積層構造とするものである。通常、積層フェリピン構造としては、２層の強磁性層と非磁性層（Ｒｕ）とから成る積層構造を採用する場合が多い。
磁化固定層を積層フェリピン構造とすることで、記憶層に対する磁化固定層からの漏れ磁界によるバイアスを減少させることができ、熱安定性の向上が図られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ここで、上述のようにＳＴＴ−ＭＲＡＭ記憶素子としては、素子サイズの小型化（ひいてはメモリ容量の拡大化）を図る上で、熱安定性の向上を図ることが重要となる。
また、熱安定性の確保は、すなわち記憶装置の安定動作にも寄与するものである。
【００１９】
本技術の課題は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ記憶素子の熱安定性のさらなる向上を図ることで、記憶素子のさらなる小型化を可能として、記憶装置の大記憶容量化を促進し、また記憶装置の動作の安定化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題の解決のため、本技術では記憶素子を以下のように構成することとした。
すなわち、本技術の記憶素子は、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絶縁層とを有する層構造を備え、上記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、上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるものである。
そして、上記磁化固定層が少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有しており、上記磁化固定層中の上記絶縁層と接する磁性材料がＣｏＦｅＢ磁性層で構成される。
また、上記磁化固定層中の上記絶縁層と接しない磁性材料が、Ｐｔ族金属元素と、３ｄ遷移金属元素のうちの強磁性元素である強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造とされ、且つ上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低いものとされている。
【００２１】
本技術は、積層フェリピン構造による磁化固定層の特性を改善することにより、熱安定性の向上を図るものである。
ここで、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque  Transfer based Magnetic Random Access Memory）記憶素子において、熱安定性の向上を図る上で積層フェリピン構造による磁化固定層に要求される特性は、積層フェリ結合強度が大きいことである。本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、界面磁気異方性を起源とする垂直磁気異方性材料をトンネルバリアとしての絶縁層下に配置する構成にて磁化固定層の積層フェリ結合強度を高めるには、磁化固定層を構成する、Ｐｔ族金属元素と強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造による磁性材料について、上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度を上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低くすることが有効であることが判明した。
従って、上記本技術によれば、磁化固定層の積層フェリ結合強度を高めて、熱安定性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本技術によれば、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ記憶素子の熱安定性のさらなる向上を図ることができ、記憶素子のさらなる小型化を可能として、記憶装置の大記憶容量化を促進できる。また、熱安定性の向上により、記憶装置の動作安定化を図ることができる。
【００２３】
また、本技術の記憶素子の構造を適用した本技術の磁気ヘッドによれば、熱安定性に優れた信頼性の高い磁気ヘッドを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態の記憶装置の概略斜視図である。
【図２】実施の形態の記憶装置の断面図である。
【図３】実施の形態の記憶装置の平面図である。
【図４】実施の形態の記憶素子の構成の概要を示した図（断面図）である。
【図５】実験１で用いた試料の構成を示した図（断面図）である。
【図６】実験１の各試料についてＶＳＭ測定結果から求めたKut（異方性エネルギー）を示した図である。
【図７】実験２で用いた記憶素子試料の構成を示した図（断面図）である。
【図８】実験２の各試料についてのカー測定結果から求めたHcouplingについての説明図である。
【図９】ＭＲ−Ｈ波形タイプについての説明図である。
【図１０】実験３で用いた記憶素子試料の構成を示した図（断面図）である。
【図１１】変形例としての記憶素子の構成を示した図（断面図）である。
【図１２】実施の形態の記憶素子（磁気抵抗効果型素子）の複合型磁気ヘッドへの適用例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明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概略構成＞
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜３．実施例及び実験結果＞
＜４．変形例＞
【００２６】
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
まず、記憶装置の概略構成について説明する。
記憶装置の模式図を図１、図２及び図３に示す。図１は斜視図、図２は断面図、図３は平面図である。
【００２７】
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、磁化の状態で情報を保持することができるＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque based Magnetic Random Access Memory）による記憶素子３が配置されて成る。
すなわち、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。
【００２８】
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。
【００２９】
図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１２、１４を有する。この２層の磁性層１２、１４のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層１２とし、他方の磁性層を磁化Ｍ１４の向きが変化する自由磁化層すなわち記憶層１４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（積層方向）の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させることができる。
【００３０】
図３に示すように、記憶装置はマトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第１の配線（ワード線）１及び第２の配線（ビット線）６の交点に、記憶素子３を配置して構成されている。
記憶素子３は、その平面形状が円形状とされ、図２に示した断面構造を有する。
また、記憶素子３は、図２に示したように磁化固定層１２と記憶層１４とを有している。
そして、各記憶素子３によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
【００３１】
ここで、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。
【００３２】
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１２、１４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の構成と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、記憶電流などとも呼ばれる。
【００３３】
また、実施の形態の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１４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１４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、保持エラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子３（ＳＴＴ−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。
ＳＴＴ−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、ＳＴＴ−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ことが要請される。
【００３４】
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
続いて、実施の形態の記憶素子３の構成の概要を図４を参照して説明する。
図４に示すように、記憶素子３は、下地層１１の上に、磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層（参照層とも呼ばれる）１２、中間層（非磁性層：トンネル絶縁層）１３、磁化Ｍ１４の向きが可変である記憶層（自由磁化層）１４、キャップ層１５が同順に積層されている。
【００３５】
記憶層１４は、膜面に垂直な磁化Ｍ１４を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される。
【００３６】
磁化固定層１２は、記憶層１４に記憶された情報の基準となる、膜面に垂直な磁化Ｍ１４を有する。磁化固定層１２は、高い保磁力等によって、磁化Ｍ１２の向きが固定されている。
【００３７】
中間層１３は、非磁性体であって、記憶層１４と磁化固定層１２の間に設けられる。
そして記憶層１４、中間層１３、磁化固定層１２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１４の磁化の向きが変化して、記憶層１４に対して情報の記録が行われる。
【００３８】
ここでスピントルク磁化反転について簡単に説明しておく。
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。ＳＴＴ−ＭＲＡＭを構成する２層の強磁性体である磁化固定層１２及び記憶層１４において、互いの磁気モーメントの向きが反方向（反平行）状態のときに、電子を磁化固定層１２から記憶層１４への移動させた場合について考える。
【００３９】
磁化固定層１２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１２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１３の厚さが充分に薄く構成されていると、磁化固定層１２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１４に電子が達する。
記憶層１４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変えさせられる。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１４の磁気モーメントにも与えられる。
【００４０】
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１４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。
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１４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（平行）状態への反転が起こる。
【００４１】
磁化が同方向状態にあるとき、電流を逆に記憶層１４から磁化固定層１２へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１２で反射される際にスピン反転した電子が記憶層１４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。
【００４２】
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１２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１４が反転する、と考えてもよい。
【００４３】
このように、０／１の記録は、磁化固定層１２から記憶層１４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。
【００４４】
一方で、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１４の磁気モーメントが、磁化固定層１２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。
【００４５】
磁化固定層１２と記憶層１４の間の中間層１３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。
【００４６】
ところで、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。
面内磁化型のＳＴＴ-ＭＲＡＭの反転電流をIc_paraとすると、
平行→反平行  Ic_para=(A・α・Ms・V/g(0)/P)(Hk+2πMs)
反平行→平行  Ic_para=-(A・α・Ms・V/g(π)/P)(Hk+2πMs)
となる。
一方、垂直磁化型ＳＴＴ−ＭＲＡＭの反転電流をIc_perpとすると、
平行→反平行  Ic_perp=(A・α・Ms・V/g(0)/P)(Hk-4πMs)
反平行→平行  Ic_perp=-(A・α・Ms・V/g(π)/P)(Hk-4πMs)
となる。
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、g(0)P、g(π)Pはそれぞれ平行、反平行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(非特許文献３を参照)。
【００４７】
上式において、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。
【００４８】
なお、反転電流Ｉｃは、後述する熱安定性の指標であるΔとの関係で表すと、下記［式１］により表されるものである。
【数１】
2014072392.tif 000003
ただし、ｅは電子の電荷、ηはスピン注入効率、バー付きのｈは変換プランク定数、αはダンピング定数、ｋBはボルツマン定数、Ｔは温度である。
【００４９】
ここで、メモリとして存在し得るためには、記憶層１４にて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は、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２］により表される。
【数２】
2014072392.tif 000004
ここで、Ｋ：異方性エネルギー、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：記憶層の体積である。
【００５０】
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。
【００５１】
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１４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１４の厚さが２ｎｍ程度であり、平面パターンが直径１００ｎｍ程度の円形のＴＭＲ素子において、百〜数百μＡ程度である。
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、ＳＴＴ−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。
【００５２】
ここで、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、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子３を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。
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。
【００５３】
垂直異方性を有する磁性材料としては希土類-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、ＳＴＴ−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。
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、そのため、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの記憶層材料として有望視されている。
【００５４】
一方で、界面磁気異方性を有する垂直磁化磁性材料は磁化固定層１２に用いることも有望である。特に、大きな読み出し信号を与えるために、トンネルバリアであるＭｇＯ下にＣｏ若しくはＦｅを含む磁性材料を積層させたものが有望である。
【００５５】
本実施の形態では、記憶層１４はＣｏＦｅＢの垂直磁化膜である。
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１４と磁化固定層１２との間の非磁性の中間層１３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。
【００５６】
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。
そして、特に、このトンネル絶縁層としての中間層１３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１４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。
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。
なお、本実施の形態において、記憶層１４と磁化固定層１２との間の中間層１３は、上述のように酸化マグネシウムから成る構成とする他にも、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ＳｉＯ2、Ｂｉ2Ｏ3、ＭｇＦ2、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3、Ａｌ−Ｎ−Ｏ等の各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いて構成することもできる。
【００５７】
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１４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ことが望ましい。
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以下に設定することが望ましい。
【００５８】
また、本実施の形態の記憶素子３においては、記憶層１４に隣接してキャップ層１５が配置される。
【００５９】
ここで、記憶素子３において、磁化固定層１２の構造としては単層構造を採ることも考えられるが、２層以上の強磁性層と非磁性層から成る積層フェリピン構造を採用することが有効である。磁化固定層１２を積層フェリピン構造とすることで、熱安定性の情報書き込み方向に対する非対称性を容易にキャンセルでき、スピントルクに対する安定性を向上できるためである。
このため本実施の形態としても、磁化固定層１２を積層フェリピン構造とする。すなわち、少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造である。
【００６０】
熱安定性の向上を図る上で磁化固定層１２に要求される特徴は、構成する磁性層が同じ場合、積層フェリ結合強度が大きいことである。
本発明者等が鋭意検討を重ねた結果、界面磁気異方性を起源とする垂直磁気異方性材料をトンネルバリア絶縁層下に配置する構成で磁化固定層１２の積層フェリ結合強度を高めるには、磁化固定層１２を構成する少なくとも２層の磁性膜の磁気異方性エネルギーを高めること、特に、トンネルバリア絶縁層と接しない磁性層に、異方性エネルギーの大きなＰｔ族金属元素と、３ｄ遷移金属元素のうちの強磁性元素としての強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金もしくは積層構造を用いることが重要であることが判明した。そしてこのとき、上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度を、上記強磁性３ｄ遷移金属元素より低くすることで、積層フェリ結合強度が高められることを見出した。
【００６１】
この点より、本実施の形態の記憶素子３では、磁化固定層１２を以下のように構成する。
すなわち、本実施の形態の磁化固定層１２は、少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有しており、上記磁化固定層中の上記絶縁層と接する磁性材料がＣｏＦｅＢ磁性層で構成され、上記磁化固定層中の上記絶縁層と接しない磁性材料が、Ｐｔ族金属元素と、３ｄ遷移金属元素のうちの強磁性元素である強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造とされ、且つ上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低いものとされる。
このような構成により、磁化固定層１２における積層フェリ結合強度を高めることができ、熱安定性（情報保持能力）のさらなる向上を図ることができる。熱安定性の向上が図られることで、記憶素子３のさらなる小型化が可能となり、記憶装置の大記憶容量化を促進できる。
【００６２】
また、熱安定性の向上が図られることで、動作エラーが抑制され、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。
従って、安定して動作する、信頼性の高い記憶装置を実現できる。
【００６３】
また、本実施の形態の記憶素子３は、記憶層１４が垂直磁化膜であるため、記憶層１４の磁化Ｍ１４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。
このように書き込み電流の低減が図られることで、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できる。
【００６４】
ここで、図４に示されるような本実施の形態の記憶素子３は、下地層１１から金属キャップ層１５までを真空装置内で連続的に形成して、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。
従って、記憶装置を製造する際に、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。すなわち、本実施の形態の記憶装置を、汎用メモリとして適用することが可能になる。
【００６５】
なお、本実施の形態の記憶素子３において、記憶層１４には、非磁性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、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｏｓ又はそれらの合金および酸化物を用いることができる。
【００６６】
また、記憶層１４としては、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。或いは、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、本発明の効果を奏するものとなる。
特に複数層の強磁性層を非磁性層を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、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、又はそれらの合金を用いることができる。
磁化固定層１２及び記憶層１４のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ〜３０ｎｍであることが望ましい。
【００６７】
記憶層１４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の寸法を小さくすることが望ましい。
例えば記憶素子３の面積は、０．０１μｍ2以下とすることが望ましいものとなる。
【００６８】
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録する記憶素子の従来公知の構成と同様とすることができる。
例えば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。
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，Ｔａ，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。
【００６９】
また、記憶素子３の膜構成（層構造）は、記憶層１４が磁化固定層１２の下側に配置される構成でも問題ない。
【００７０】
＜３．実施例及び実験結果＞
《実験１》
ここで、本実施の形態の記憶素子３に関して試料を作製し、その磁気特性を調べた。
なお、実際の記憶装置には、図１に示したように、記憶素子３以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、ここでは、磁化固定層１２の垂直磁性膜の磁気特性を調べる目的で、ＣｏＰｔ垂直磁化膜のみを形成したウェハにより検討を行った。
該試料は、厚さ０．７２５ｍｍのシリコン基板上に、厚さ３００ｎｍの熱酸化膜を形成し、その上に図５に示した層構造体を形成した。
具体的には、
・下地層１１：膜厚１０ｎｍのＴａ膜と膜厚２５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・磁化固定層１２中の垂直磁化膜：膜厚２ｎｍによるＣｏＰｔ膜
なお実験では、磁化固定層１２中の垂直磁化膜上に保護層として、図のようにＲｕ：３ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍによる積層膜を形成した。
また実験では、ＣｏＰｔ膜の組成はＰｔ＝０〜５２原子％の範囲で変動させた。なお、Ｐｔ＝０原子％は、Ｐｔ：５ｎｍ／Ｃｏ：２ｎｍという積層構造を意味している。このようにＰｔ：５ｎｍ／Ｃｏ：２ｎｍとしても、ＣｏとＰｔが混ざっていないので、Ｐｔが下地扱いとなり、従ってＰｔ＝０原子％である。
【００７１】
上記の全ての膜を成膜したのち、本実験の試料には３５０度の熱処理を行った。
本実験において、磁気特性の測定には試料振動型磁力計（ＶＳＭ：Vibrating Sample Magnetometer）を使用した。
【００７２】
上記のＣｏＰｔの組成を変化させて作成した各試料について、ＶＳＭ測定結果から求めたKut（異方性エネルギー×ＣｏＰｔ積層厚）を図６に示す。ここで、Kutは試料の膜面面内方向の磁化を飽和させるのに必要な外部印加磁場(Ｈｋ)、膜面面直方向の飽和磁化量Ｍｓを測定することで求めた。
【００７３】
この図６によると、Ｐｔ原子％が０〜３８％までの間のKutは０．６erg/ccでほぼ一定若しくは若干の低下傾向であるが、Ｐｔ原子％が４０を超えたところで、０．１erg/cc程度の比較的大きなKutの低下が見られる。このことからＰｔの原子％が４０付近でＣｏＰｔのKutに大きな変化が生じていることが確認できる。また、Ｐｔの原子％が５０％超えた試料のKutは０．３erg/cc以下とＰｔ原子％＝０〜３８％の試料の半分以下まで大きく低下してしまうことが判明した。
【００７４】
この点より、垂直磁化膜を構成するＰｔ族金属元素の原子濃度は、磁化固定層の積層フェリ結合強度を十分かつ安定に得る上で、４０％以下であることが望ましいと言うことができる。
【００７５】
《実験２》
次に、本実施の形態の記憶素子３の全体構成について、その試料を作製し、特性を調べた。
この実験２においては、磁化固定層１２の磁化反転特性を調べる目的で、記録素子３のみを形成したウェハにより検討を行った。
具体的には、厚さ０．７２５ｍｍのシリコン基板上に、厚さ３００ｎｍの熱酸化膜を形成し、その上に図７に示す構造による記憶素子３を形成した。
図７に示されているように、磁化固定層１２を構成する各層の材料及び膜厚は以下のように選定した。
・磁化固定層１２：ＣｏＰｔ：２ｎｍ／Ｒｕ：０．８ｎｍ／ＣｏＦｅＢ：２ｎｍの積層膜。
ここで、本実験において、ＣｏＰｔの組成はＰｔ＝０〜５２原子％の範囲で変動させた。なお、この場合もＰｔ＝０原子％は、Ｐｔ：５ｎｍ／Ｃｏ：２ｎｍという積層構造を意味している。
磁化固定層１２以外の各層の材料及び膜厚は以下のように選定した。
・下地層１１：膜厚１０ｎｍのＴａ膜と膜厚２５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・中間層（トンネル絶縁層）１３：膜厚０．９ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１４：ＣｏＦｅＢ：１．５ｎｍ
・キャップ層１５：Ｔａ：３ｎｍ／Ｒｕ：３ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍの積層膜
【００７６】
本実験試料については、上記の全ての膜を成膜したのち、３５０度の熱処理を行った。
磁化固定層１２、記憶層１４のＣｏＦｅＢ合金の組成は、ＣｏＦｅ８０％（Ｃｏ３０％−Ｆｅ７０％）−Ｂ２０％（いずれも原子％）とした。
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜から成る中間層１６は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて成膜し、その他の膜はＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
本実験において、磁気特性の測定には磁気光学カー効果を使用した。
【００７７】
上記のようにＣｏＰｔの組成を変化させて作成した各試料について、カー測定結果から求めたHcouplingを図８を参照して説明する。
図８において、図８Ａは、各試料についてのHcouplingを表している。ここで、Hcouplingについては、図８Ｂ中に例示したように、積層フェリ結合が崩れる磁界（３ｋＯｅ）で定義している。
【００７８】
図８Ａによると、Hcouplingは図６に示したKutのＰｔ原子％依存性と同様の傾向にあり、Ｐｔ原子％＝４０％付近でHcouplingの大きさに変化点がある。詳細にみると、Ｐｔ原子％が４２％まではある程度のHcouplingを保っているが、Ｐｔ原子％が５２％の試料ではHcouplingはほぼ消失してしまっている。従って、本実験の結果より、ある程度大きなHcouplingを得るには、Ｐｔの原子％は、少なくともＣｏの原子％よりも少ないことが要請され、さらに望ましくは、Ｐｔ原子％が４０％より小さい場合に大きなHcoupling、すなわちより安定した積層フェリ結合強度を実現できると言うことができる。
【００７９】
実際に、直径５０ｎｍΦの大きさの素子に加工して、電気特性を調べたところ、何れのＣｏＰｔ組成の試料においても面積抵抗が１０Ωμｍ2付近で１００％以上の抵抗変化が得られたが、Ｐｔ原子％が５２％の試料では積層フェリ型のＭＴＪから予想されるようなＭＲ曲線は得られず、保磁力差型のＭＴＪから予想されるＭＲ曲線に近くなった。
【００８０】
また本実験では、下記の［表１］に示すように、図７に示した構造の記憶素子３におけるＰｔ原子％をそれぞれ０％（実施例１）、１９．５％（実施例２）、２８％（実施例３）、３２．５％（実施例４）、３７％（実施例５）、４２％（比較例１）とした６種類の試料について、ＭＲ−Ｈ波形タイプ、外部磁場２．０ｋＯｅ印加時のＴＭＲ減少率、熱安定性の指標Δ、及び反転電流密度Ｊｃ０（ＭＡ／ｃｍ2）を求めた。
なお、Δ及びＪｃ０は記憶層磁化反転電流のパルス幅依存性を測定することにより、求めた。
【表１】
2014072392.tif 000005
【００８１】
ここで、［表１］における「ＭＲ−Ｈ波形タイプ」について図９を参照して説明しておく。
図９において、図９ＡはＭＲ−Ｈ波形タイプとしてタイプ１，タイプ２，タイプ３を表している。また図９ＢではＭＲ−Ｈ波形タイプとしてタイプ４を表している。
ＭＲ−Ｈ曲線は、記憶素子試料に外部磁場を印可しながら抵抗変化を測定したものであり、ＭＲ（ＴＭＲ）は（高抵抗状態の抵抗―低抵抗状態の抵抗）/低抵抗状態の抵抗×１００で表されるものである。
【００８２】
図９Ａに示すタイプ１としてのＭＲ−Ｈ曲線は、印加外部磁場±３．０ｋＯｅの範囲で完全な角型を維持するものであり、いわば理想的なＭＲ−Ｈ曲線を表すものとなる。
これに対して、タイプ２、タイプ３では、それぞれ＋２．０ｋＯｅ付近の印加磁場から角型性が低下、すなわちＭＲの低下が見られるものとなる。厳密な意味で言うと、これらタイプ２、タイプ３においても２．０ｋＯｅ付近では積層フェリ結合強度に劣化が見られるということになるが、３．０ｋＯｅにかけてＭＲは０よりも相当に大きな値を維持するものであり、積層フェリ結合強度は比較的高いものである。印加磁場２．０ｋＯｅ〜３．０ｋＯｅにかけてのＭＲの低下度合いは、図のようにタイプ２よりもタイプ３の方が大きく、従って積層フェリ結合強度的にはタイプ３よりもタイプ２の方が良好なものとなる。
【００８３】
これらタイプ１〜３に対し、図９Ｂに示すタイプ４は、印加磁場２．０ｋＯｅ付近でＭＲが０まで低下してしまっている。これは２．０ｋＯｅ付近で磁化固定層１２中におけるＣｏＦｅＢが完全に反転してしまっていることに対応する。すなわち、磁化固定層１２の積層フェリ構造が壊れることに対応するものである。
このことから理解されるように、タイプ４は、積層フェリ結合が弱いために、熱安定性の確保、低消費電力化の面では望ましくないものとなる。
【００８４】
上記［表１］の結果より、ＣｏＰｔのＰｔ原子濃度を変化させた場合には、ＭＲ−Ｈ波形のタイプが変化することが分かる。具体的に、積層フェリ結合強度は、Ｐｔが少ない組成の場合に強く、Ｐｔが多くなるにつれて弱くなることが分かる。
［表１］の結果によると、Ｐｔ原子％が３７％（実施例５）と４２％（比較例１）との間で、ＭＲ−Ｈ波形タイプがタイプ３とタイプ４の境界となり、またＴＭＲ減少率が１０と１００とで大きな差が現れることが分かる。この点からも、積層フェリ結合強度の確保の面では、Ｐｔ原子濃度は、前述のように４０原子％以下とすることが望ましいことが分かる。
【００８５】
また、［表１］の結果によると、実施例１〜実施例５としてのＰｔ＝０〜３７原子％の試料の場合（タイプ１〜タイプ３の試料の場合）、ΔとＪｃ０の特性には大きな差が見られないことが確認できる。これに対し、比較例１としての、タイプ４の波形が得られたＰｔ＝４２原子％の試料の場合、Δが若干低下し、Ｊｃ０は約５割の増加となった。このことから、ＭＲ−Ｈ波形、特に積層フェリ結合強度とスピン注入磁化反転特性には大きな相関関係が存在することが分かる。このようにスピン注入磁化反転特性に差が出る要因は、スピン偏極電流を記憶素子に注入した際に、積層フェリ結合強度が弱い場合は記憶層１４のみでなく、磁化固定層１２の磁化が揺らいでしまうことにあると考えられる。
【００８６】
なお、結果の詳細については省略するが、磁化固定層１２中における中間層１３（トンネルバリア絶縁層）とは接しない垂直磁化膜が、それぞれＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄといった、３ｄ遷移金属元素のうち強磁性元素である強磁性３ｄ遷移金属元素と、Ｐｔ族金属元素との組み合せとされた場合にも、上記の各実験と全く同様の傾向が得られることが確認されている。
なお、上記強磁性３ｄ遷移金属元素としては、Ｃｏ、Ｆｅ以外にもＮｉ等を挙げることができる。
【００８７】
《実験３》
ここまで、ＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢという構成の磁化固定層１２の実験結果について述べてきたが、さらに積層フェリ結合強度を高めることを意図して、ＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＰｔ／ＣｏＦｅＢという積層構造についての試料を作成し、実験を行った。
図１０は、当該≪実験３≫で用いた記憶素子試料の層構造を示している。図のように、本試料についても、下方側から下地層１１／磁化固定層１２／中間層１３／記憶層１４／キャップ層１５とした点は先の図７の試料と同様となる。
【００８８】
本実験では、磁化固定層１２の層構造を、ＣｏＰｔ：２ｎｍ／Ｒｕ：０．８ｎｍ／ＣｏＰｔ：ｘｎｍ/ＣｏＦｅＢ：（２−ｘ）ｎｍとした試料を作成し、その特性を調べた。
なお本実験においても、図１０に示す構造による記録素子３のみを形成したウェハにより検討を行った。具体的には、厚さ０．７２５ｍｍのシリコン基板上に、厚さ３００ｎｍの熱酸化膜を形成し、その上に図１０に示した構成の記憶素子３を形成したものである。
本実験においても、磁化固定層１２以外の膜構成（下地層１１，中間層１３，記憶層１４，キャップ層１５の膜構成）は、先の≪実験２≫と同じである。
本実験では、ＣｏＰｔの組成はＰｔ＝４２原子％で固定とし、上記のｘ（ｎｍ）について、ｘ＝０、０．５、１．０とした試料をそれぞれ作成するものとした。
ここで、ｘ＝０．５の試料を実施例５、ｘ＝１．０の試料を実施例７とする。また、ｘ＝０の試料については先の比較例１と同様となることから、本実験においても比較例１と表記する。
なお、この場合もＰｔ＝０原子％は、Ｐｔ：５ｎｍ／Ｃｏ：２ｎｍという積層構造を意味する。
【００８９】
上記の実施例６，実施例７，比較例１の試料について、ＭＲ−Ｈ波形タイプ、外部磁場２．０ｋＯｅ印加時のＴＭＲ減少率、熱安定性の指標Δ、及び反転電流密度Ｊｃ０（ＭＡ／ｃｍ2）を先の［表１］の場合と同様に求めた。
その結果を下記［表２］に表す。
【表２】
2014072392.tif 000006
【００９０】
この［表２］の結果より、ＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＰｔ／ＣｏＦｅＢの構造とした実施例６，実施例７の試料では、Ｐｔ＝４２原子％としたにも関わらず、ＭＲ−Ｈ波形タイプがタイプ１となり、且つ外部磁場２．０ｋＯｅ印加時のＴＭＲ減少率が０となることが分かる。
この結果より、ＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＰｔ／ＣｏＦｅＢの構造（すなわち磁化固定層１２における非磁性層の上面及び下面の双方が、Ｐｔ族金属元素と強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた磁性材料と接している構造）とすることで、ＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの構造（比較例１）とした場合には積層フェリ結合強度の確保が図れなかったＰｔ原子濃度においても、積層フェリ結合強度が確保されるということが分かる。換言すれば、ＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＰｔ／ＣｏＦｅＢとしての、磁化固定層１２における非磁性層の上面及び下面の双方がＰｔ族金属元素と強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた磁性材料と接している構造、を採ることによって、ＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢとしての、磁化固定層１２における非磁性層の下面のみがＰｔ族金属元素と強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた磁性材料と接している構造を採る場合よりも、積層フェリ結合強度の改善が図られるものである。
【００９１】
このようにＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＰｔ／ＣｏＦｅＢの構造により積層フェリ結合強度の向上が図られるのは、該構造では、ＣｏＰｔ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯトンネルバリアという構成が存在することによる。すなわち、先の≪実験２≫で用いたＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの構造の場合には、ＣｏＦｅＢは界面磁気異方性のみで垂直磁化していたが、ＣｏＰｔ／ＣｏＦｅＢという構成にすることにより、ＣｏＰｔの結晶磁気異方性に基づいた垂直磁気異方性も活用できることから、積層フェリ結合強度自体がより強固となるものである。
【００９２】
また、ＭｇＯバリア直下の磁性層にダンピング定数の大きな材料（Ｐｔ）が入ることにより、スピン注入に対する安定性が増し、磁化固定層１２としてのスピントルク耐性が増加するというメリットもある。
上記［表２］の結果において、ΔとＪｃ０の関係をみると、上述のように磁化固定層１２にダンピング定数の大きなＰｔが加わったためにＪｃ０の低減効果が得られていることが確認できる。
【００９３】
ここで、ＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＰｔ／ＣｏＦｅＢの構造においても、ＣｏＰｔ中のＰｔの原子％についてはＣｏよりも少ないことが要請され、さらに望ましくは、Ｐｔ原子％を４０％以下とすることで、大きなHcoupling、より安定した積層フェリ結合強度が実現される点はＣｏＰｔ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの構造の場合と同様である。
【００９４】
＜４．変形例＞
以上、本技術に係る実施の形態について説明したが、本技術は上記により例示した具体例に限定されるべきものではない。
例えば、本技術に係る記憶素子の構造は、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このＴＭＲ素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【００９５】
一例として図１２Ａ、図１２Ｂに、上記記憶素子３の構造の磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図１２Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が分かるように一部を切り欠いて示した斜視図であり、図１２Ｂは複合型磁気ヘッド１００の断面図である。
【００９６】
複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、本技術に係る磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されてなるとともに、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッド上にインダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されてなる。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作するものであり、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。すなわち、この複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドと記録用ヘッドを複合して構成されている。
【００９７】
複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、いわゆるシールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド１２５と、第１の磁気シールド１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等のような絶縁材料からなる。
第１の磁気シールド１２５は、磁気抵抗効果素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。この第１の磁気シールド１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗効果素子１０１が形成されている。
【００９８】
磁気抵抗効果素子１０１は、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。そして、この磁気抵抗効果素子１０１は、上述した記憶素子３と同様な膜構成（層構造）とされる。
この磁気抵抗効果素子１０１は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。またバイアス層１２８，１２９と接続されている接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗効果素子１０１にセンス電流が供給される。
さらにバイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。
【００９９】
以上のような磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、当該磁気コアを巻回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。
上層コア１３２は、第２の磁気シールド１２２と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。
すなわち、この複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド１２７は、磁気抵抗効果素子１２６の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
【０１００】
また、第２の磁気シールド１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。ここで、薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２からなる磁気コアを巻回するように形成されている。図示していないが、この薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈するようになされ、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、このインダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。すなわち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時には、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３２に記録電流が供給されることとなる。
【０１０１】
以上のように本技術の記憶素子としての積層構造体は、磁気記録媒体についての再生用ヘッド、すなわち磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子としての適用が可能である。
このように本技術の記憶素子としての積層構造体を磁気ヘッドに適用することで、熱安定性に優れた信頼性の高い磁気ヘッドを実現できる。
【０１０２】
また、これまでの説明では、下地層１１／磁化固定層１２／中間層１３／記憶層１４／キャップ層１５による記憶素子３の構造を例示したが、本技術における記憶素子（及び磁気ヘッド）としては、図１１に示されるように、下地層１１／下部磁化固定層１２Ｌ／下部中間層１３Ｌ／記憶層１４／上部中間層１３Ｕ／上部磁化固定層１２Ｕ／キャップ層１５のような、磁化固定層１２を記憶層１４の下部と上部に分割配置した記憶素子３’としての構造を採ることもできる。
この図１１では下部磁化固定層１２Ｌの磁化Ｍ１２Ｌの向き、及び上部磁化固定層１２Ｕの磁化Ｍ１２Ｕの向きも併せて示しているが、この場合はこれら磁化Ｍ１２Ｌと磁化Ｍ１２Ｕの向きを逆向きとすることになる。
またこの場合、下部中間層１３Ｌ，上部中間層１３Ｕは、中間層１３と同様にＭｇＯ等の酸化膜で構成する。
【０１０３】
このように磁化固定層１２を下部／上部に分割配置する構成とした場合も、下部／上部の各磁化固定層１２について、これまでで説明した磁化固定層１２と同様の構造、すなわち「少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有しており、上記磁化固定層中の上記絶縁層と接する磁性材料がＣｏＦｅＢ磁性層で構成され、上記磁化固定層中の上記絶縁層と接しない磁性材料が、Ｐｔ族金属元素と、強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造とされ、且つ上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低いものとされる」構造を採ることで、同様に熱安定性の向上効果を得ることができる。
【０１０４】
また、これまでの説明では、記憶層１４と磁化固定層１２のＣｏＦｅＢの組成を同一とする場合を例示したが、該組成については、本技術の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成を採り得るものである。
【０１０５】
また、これまでの説明では、磁化固定層１２中のＣｏＦｅＢは単層としたが、結合磁界を著しく低下させない範囲で、元素や酸化物を添加することも可能である。
添加する元素の例としては、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、酸化物の例としてはＭｇＯ、ＡｌＯ、ＳｉＯ2を挙げることができる。
【０１０６】
また、下地層１１やキャップ層１５は、単一材料でも複数材料の積層構造でも良い。
また本技術は、いわゆるトップ積層フェリ型のＳＴＴ−ＭＲＡＭにも適用可能なものであり、その場合もＣｏＰｔの組成を本発明の範囲とすることで同様に熱安定性の向上効果を得ることができる。
【０１０７】
また、本技術は以下に示す構成を採ることもできる。
（１）
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絶縁層と
を有する層構造を備え、
上記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、上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記磁化固定層が少なくとも２層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有しており、
上記磁化固定層中の上記絶縁層と接する磁性材料がＣｏＦｅＢ磁性層で構成され、
上記磁化固定層中の上記絶縁層と接しない磁性材料が、Ｐｔ族金属元素と、３ｄ遷移金属元素のうちの強磁性元素である強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた合金又は積層構造とされ、且つ上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が上記強磁性３ｄ遷移金属元素よりも低いものとされている
記憶素子。
（２）
上記Ｐｔ族金属元素と上記強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた上記磁性材料において、上記Ｐｔ族金属元素の原子濃度が４０％以下である
上記（１）に記載の記憶素子。
（３）
上記Ｐｔ族金属元素としてＰｔ又はＰｄの少なくとも一方が用いられる上記（１）又は（２）何れかに記載の記憶素子。
（４）
上記強磁性３ｄ遷移金属元素としてＣｏ又はＦｅの少なくとも一方が用いられる上記（１）乃至（３）何れかに記載の記憶素子。
（５）
上記磁化固定層における上記非磁性層の上面及び下面の双方が、上記Ｐｔ族金属元素と上記強磁性３ｄ遷移金属元素とを少なくとも１種類ずつ用いた上記磁性材料と接している
上記（１）乃至（４）何れかに記載の記憶素子。
【符号の説明】
【０１０８】
１  ゲート電極、２  素子分離層、３,３’  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、１１  下地層、１２  磁化固定層、１２Ｌ  下部磁化固定層、１２Ｕ  上部磁化固定層、１３  中間層、１３Ｌ  下部中間層、１３Ｕ  上部中間層、１４  記憶層、１５  キャップ層
【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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