(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
キャップ層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、
上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされ、上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、
上記キャップ層が酸化物層を含む
記憶素子。
【請求項２】
上記第１の強磁性層が上記面内磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記垂直磁化層である
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が、上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも大きい
請求項２に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記第１の強磁性層が上記垂直磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記面内磁化層である
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも小さい
請求項４に記載の記憶素子。
【請求項６】
上記中間層がトンネル絶縁層である請求項１乃至請求項５の何れかに記載の記憶素子。
【請求項７】
上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層がＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層を含む請求項１乃至請求項６の何れかに記載の記憶素子。
【請求項８】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
キャップ層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、
上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされ、上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、
上記キャップ層が酸化物層を含む記憶素子
を備えると共に、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
を備える記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、記憶素子及び記憶素子を備えた記憶装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００４−１９３５９５号公報
【特許文献２】特開２００９−８１２１５号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】R.H.Koch et al, Phys. Rev. Lett. 92, 088302(2004)
【背景技術】
【０００４】
コンピュータ等の情報処理装置では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で高密度なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が広く使われている。
しかしながら、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発性のメモリが望まれている。
【０００５】
不揮発性メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている。
ＭＲＡＭに対する記録を行う方法としては、電流磁場によって磁化を反転させる方法や、スピン分極した電子を直接記録層に注入して磁化反転を起こさせる方法（例えば上記特許文献１を参照）がある。
これらの方法のうち、素子のサイズが小さくなるのに伴い記録電流を小さくすることができる、スピン注入磁化反転が注目されている。
【０００６】
さらに、素子を微細化するために、磁性体の磁化方向を垂直方向に向けた、垂直磁化膜を用いた方法（例えば上記特許文献２を参照）が検討されている。
上記非特許文献１には、垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子の反転時間の式が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記非特許文献１に示されている反転時間の式によれば、垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子は、垂直磁化膜を用いないスピン注入磁化反転素子と比較して、磁化の反転時間が長くなる可能性がある。
【０００８】
本技術は、このような垂直磁化膜を用いた場合の問題を解消し、少ない電流で高速に動作させることが可能な記憶素子及び記憶装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題の解決のため、本技術では記憶素子として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、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、キャップ層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われる。
そして、上記記憶層が、第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされ、上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しており、上記キャップ層が酸化物層を含むものである。
【００１０】
また、本技術の記憶装置は、上記本技術の記憶素子を備えると共に、上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部とを備えるものである。
【００１１】
記憶層の強磁性層の磁化の向きが、膜面に垂直な方向から傾斜しているので、記憶素子に対し膜面に垂直な方向（各層の積層方向）の電流を流すと、速やかに強磁性層の磁化の歳差運動の振幅増加が始まる。これにより、膜面に垂直な方向から磁化の向きが傾斜している強磁性層の磁化の向きを、磁化の向きが傾斜していない構成と比較して、より短い時間で反転させることが可能になる。
従って、記憶層を構成する強磁性層の磁化の向きを反転させて情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮することができると共に、反転時間のばらつきも低減することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本技術によれば、記憶素子の記憶層を構成する強磁性層の磁化の向きを反転させて情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮することができると共に、反転時間のばらつきも低減することができる。
これにより、情報の記録の際の電流量を低減することができ、かつ、短い時間で情報の記録を行うことができる。
従って、本発明により、少ない電流で高速動作可能な記憶素子及び記憶装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子の概略構成についての説明図（断面図）である。
【図５】第１の実施の形態としての記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図６】第１の実施の形態としての記憶素子が備える記憶層の概略構成図（斜視図）である。
【図７】第２の実施の形態としての記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図８】従来の記憶素子の記憶層の磁化と実施の形態の記憶素子の記憶層の磁化（磁化Ｍｉ）の垂直成分の時間変化を示した図である。
【図９】書き込みエラー率の電流供給時間に対する依存性を示した図である。
【図１０】実験１の各試料についてのＫｅｒｒ測定結果を示す図である。
【図１１】実験２の各試料についてのＫｅｒｒ測定結果を示す図である。
【図１２】実験３の各試料についてのＫｅｒｒ測定結果を示す図である。
【図１３】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】
【００１４】
以下、本技術に係る実施の形態について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
＜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．第１の実施の形態＞
＜４．第２の実施の形態＞
＜５．シミュレーション結果＞
＜６．実験結果＞
＜７．変形例＞
【００１５】
＜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。
【００１６】
図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができるＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - 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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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必要がある。
【００２３】
＜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の概要について説明する。
先ずは図４の断面図を参照して、記憶層の磁化の向き（平衡状態における磁化の向き）が膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子３’の概略構成を説明する。
なお、後の説明からも理解されるように、本実施の形態の記憶素子３においては、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向き（平衡状態における磁化Ｍ１４の向き）は膜面に垂直な方向とはならない。この図４を参照して行う説明においては、便宜上、従来の記憶素子３’が備える記憶層の符号として「１４」を用いる。
【００２４】
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。
このうち、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。この場合、磁化固定層１２の磁化の向きは膜面に対して垂直方向に固定されているとする。
【００２５】
記憶素子３’においては、一軸異方性を有する記憶層１４の磁化（磁気モーメント）Ｍ１４の向きにより、情報の記憶が行われる。
記憶素子３’への情報の書き込みは、記憶素子３’の各層の膜面に垂直な方向（すなわち、各層の積層方向）に電流を流して、記憶層１４にスピントルク磁化反転を起こさせることにより行う。
【００２６】
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。
非磁性体の場合、その内部では、上向きのスピン角運動量を持つ電子と、下向きのスピン角運動量を持つ電子の両者が同数となる。これに対し強磁性体の場合、その内部では両者の数に差がある。
【００２７】
まず、中間層１３を介して積層された２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）において、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４の向きが反平行状態にあり、電子を磁化固定層１２から記憶層１４に移動させる場合について考える。
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ている。
トンネル絶縁層としての中間層１３の厚さが十分に薄いと、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（自由磁化層）１４に達する。
そして、２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）のスピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転する、すなわち、スピン角運動量の向きが変わる。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の磁化Ｍ１４にも与えられる。
【００２８】
電流量、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、記憶層１４の磁化Ｍ１４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、トルクがある閾値を超えると、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、歳差運動を開始して、記憶層１４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、反平行状態から平行状態への反転が起こる。
【００２９】
一方、２層の強磁性体１２，１４の互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４が平行状態にあるとき、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で電子が反射される。
そして、反射されてスピンの向きが反転した電子が、記憶層１４に進入する際にトルクを与えて、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させるので、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４を反平行状態へと反転させることができる。
ただし、この際に反転を起こすのに必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３０】
平行状態から反平行状態への反転は、直感的な理解が困難であるが、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２が固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが反転する、と考えてもよい。
【００３１】
このように、０／１の情報の記録は、磁化固定層（参照層）１２から記憶層１４への方向、又はその逆方向に、それぞれの極性に対応する、ある閾値以上の電流を流すことによって行われる。
【００３２】
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２の向きに対して、平行であるか反平行であるかに従って、記憶素子３’の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３３】
さて、トンネル絶縁層としての中間層１３に用いる材料は、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１３に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）素子と呼ぶ。
【００３４】
前述したスピントルクは、記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２との角度によって、大きさが変化する。
磁化Ｍ１４の向きを表す単位ベクトルをｍ１とし、磁化Ｍ１２の向きを表す単位ベクトルをｍ２とすると、スピントルクの大きさは、ｍ１×（ｍ１×ｍ２）に比例する。ここで、“×”はベクトルの外積である。
【００３５】
通常、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２は、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されている。記憶層１４の磁化Ｍ１４は、記憶層１４自身の磁化容易軸方向に向く傾向にある。このとき、ｍ１とｍ２は、０度（平行）もしくは１８０度（反平行）の角をなす。
図４ではｍ１とｍ２のなす角度が０度である場合の磁化Ｍ１２と磁化Ｍ１４の向きを例示している。
【００３６】
このようにｍ１とｍ２のなす角度が０度もしくは１８０度である場合、前述のスピントルクの式に従えば、スピントルクは全く働かないことになる。
但し現実には、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、熱揺らぎによって磁化容易軸の周りにランダムに分布しているために、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２とのなす角度が、０度もしくは１８０度から離れたときに、スピントルクが働き、磁化反転を起こすことができる。
【００３７】
ここで、磁化反転が起きるまでの時間（反転時間）は、磁化Ｍ１４が磁化容易軸からどれだけ離れているかに依存し、磁化容易軸から離れているほど高速に反転する。
記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化容易軸の角度は前述のように熱揺らぎに依ってランダムに分布するために、反転時間にばらつきが生じることとなる。
また、磁化Ｍ１４が磁化容易軸に近い位置（角度）にある場合であっても、高速に反転させるためには、その分大きな電流を流す必要が生じる。
【００３８】
そこで、少ない電流で記憶素子を高速に動作させるために、本発明者らは、鋭意検討を重ねた。
その結果、記憶層１４の構成を、垂直磁化が優位な垂直磁化層と、膜面内磁化が優位な面内磁化層とを結合層を介して磁気的結合させた構成とすることにより、上記面内磁化層の磁化と上記垂直磁化層の磁化との磁気的相互作用によって両磁化を膜面に垂直な方向から傾斜させることを見出した。
このような構成とすることにより、反転時間の短縮と反転時間のばらつき低減とが可能となる。
【００３９】
本実施の形態においては、垂直磁化が優位な垂直磁化層と、膜面内磁化が優位な面内磁化層とを、結合層を介して磁気的結合させるために、垂直磁気異方性を持ったＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いる。
通常、記憶層等に用いられる強磁性層は、その膜面積に比べて膜厚が非常に小さい。このような場合に強磁性層の磁化が膜面に対して垂直方向を向くと、大きな反磁界を受ける。反磁界と磁化の相互作用により、反磁界エネルギー（以下、Ｅｄとする。）が大きくなるため、磁化は安定して垂直方向を向くことができず、平衡状態において膜面内方向を向くことになる。
【００４０】
ところが、強磁性層は、材料や界面状態によっては、垂直磁気異方性を持つ場合がある。このような場合には、強磁性層には、垂直磁気異方性によって誘起される垂直磁気異方性エネルギー（以下、Ｅａとする。）が働く。そして、強磁性層の磁化が膜面に対して垂直方向を向くと、反磁界エネルギーは正味Ｅｄ−Ｅａとなる。
この反磁界エネルギーが負となるとき、すなわち、Ｅｄ＜Ｅａとなるとき、磁化は安定して垂直方向を向くことができるようになる。以下、このような強磁性層を「垂直磁化が優位な垂直磁化層」と呼ぶ。
逆に、反磁界エネルギーが正となるとき、すなわち、Ｅｄ＞Ｅａとなるとき、磁化は安定して垂直方向を向くことができない。以下、このような強磁性層を「膜面内磁化が優位な面内磁化層」と呼ぶ。
【００４１】
さて、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを用いた強磁性層は、通常は、膜面内磁化が優位な面内磁化層である。
ところが条件を満たせば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂは垂直磁化が優位な垂直磁化層となり得る。
具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の組成と膜厚が或る範囲内にあって、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ膜がＭｇＯ膜と接するとき、垂直磁化が優位な垂直磁化層となる（例えば特願２０１０−２００９８３を参照）。
なお、垂直磁化をもたらす垂直磁気異方性の起源は、ＭｇＯ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ界面での界面異方性であるとされる。
さらに、ＭｇＯ／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／ＭｇＯというようにＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の両方の界面がＭｇＯ膜に接する場合には、垂直磁気異方性が増加することになる（例えば特願２０１０−２０１５２６を参照）。
【００４２】
＜３．第１の実施の形態＞
以下、本技術の具体的な実施の形態について説明する。
図５は、第１の実施の形態としての記憶素子３の概略構成図（断面図）を示している。
なお以下の説明において、既に説明済みとなった部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図５において、実施の形態の記憶素子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）１２、中間層１３（非磁性層：トンネル絶縁層）、磁化Ｍ１４の向きが可変とされた記憶層（自由磁化層）１４、及びキャップ層１５が同順に積層されている。
なお、前述のように本例の固定磁化層１２は、膜面に垂直な方向（図中上向き）に磁化Ｍ１２の向きが固定されている。
【００４４】
本実施の形態の記憶素子３は、先の記憶素子３’と比較して、記憶層１４の構造が強磁性層と結合層とを有する多層構造に変更されたものとなる。
具体的に、この場合の記憶層１４は、強磁性層１４ｉ、結合層１４ｃ、強磁性層１４ｐが同順で積層された３層構造で構成されている。
強磁性層１４ｉは、膜面内磁化が優位な面内磁化層である。
強磁性層１４ｐは、垂直磁化が優位な垂直磁化層である。
本実施の形態の場合、強磁性層１４ｉは中間層１３と接しており、強磁性層１４ｐはキャップ層１５と接している。
【００４５】
上記構成においては、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉと強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは、結合層１４ｃを介して磁気的に結合している。
ここで、結合層１４ｃには、Ｔａ，Ｒｕ等の非磁性の金属を使用することができる。
【００４６】
磁化固定層１２と記憶層１４との間の中間層（非磁性層）１３には、トンネル絶縁膜を形成するための絶縁材料（各種酸化物等）、もしくは、磁気抵抗効果素子の磁性層の間に用いられる、非磁性の金属を使用することができる。
この中間層１３の材料として、絶縁材料を用いると、前述したように、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なる。
【００４７】
第１の実施の形態では、強磁性層１４ｐを垂直磁化が優位な垂直磁化層とするために、キャップ層１５にＭｇＯ等の酸化物を用いる。図示しないが、キャップ層１５はＭｇＯ層の上にＴａ，Ｒｕ等の非磁性金属を積層させた構成とすることにより、電気伝導性を高めることが望ましい。
【００４８】
磁化固定層１２の材料には、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭの記憶素子において使用されている、各種の磁性材料を使用することができる。
例えば、ＮｉＦｅ，ＴｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｄ，ＭｎＢｉ，ＭｎＧａ，ＰｔＭｎＳｂ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ，Ｃｏ−Ｃｒ系材料等を用いることができる。また、これらの材料以外の、磁性材料を使用することが可能である。
【００４９】
情報の読み出しは、従来型の記憶素子３’と同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉの相対角度によって、記憶素子３の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００５０】
記憶層１４の構成をさらに詳しく示したのが図６である。
ここでは簡単のため、結合層１４ｃは省略している。
【００５１】
先ず、本実施の形態の記憶素子においては、記憶層１４の形状は円柱状とされる。
【００５２】
ここで、磁化Ｍｉ及び磁化Ｍｐの方向を記述するために、以下のように角度θ１、θ２を定義する。
すなわち、記憶層１４を垂直方向に貫く軸を図のように垂直軸ａＶとしたとき、磁化Ｍｉとこの垂直軸ａＶとがなす角度をθ１とする。また、磁化Ｍｐと垂直軸ａＶとがなす角度をθ２とする。
【００５３】
ここで、前述したように、磁化Ｍｉは面内磁化が優位であり、磁化Ｍｐは垂直磁化が優位である。
このため、結合層１４ｃを介した結合によって磁化方向が垂直軸ａＶから斜めになるとき、角度θ１のほうが角度θ２よりも大きくなる。すなわち、磁化Ｍｉのほうがより大きく垂直軸ａＶから傾斜していることになる。
スピントルクは、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と磁化Ｍｉの相対角度が大きいほど大きくなるので、上記のような記憶層１４の構成によれば、その分高速な磁化反転が可能となる。
【００５４】
＜４．第２の実施の形態＞
続いて、図７に、第２の実施の形態としての記憶素子２０の概略構成図（断面図）を示す。
第２の実施の形態の記憶素子２０は、第１の実施の形態の記憶素子３と比較して、記憶層１４の積層順が異なる。具体的には、強磁性層１４ｐ、結合層１４ｃ、強磁性層１４ｉが同順で積層されたものである。
この場合、強磁性層１４ｐは中間層１３と接しており、強磁性層１４ｉはキャップ層１５と接している。
強磁性層１４ｐを垂直磁化が優位な垂直磁化層とするために、この場合は中間層１３にＭｇＯ等の酸化物を用いるものとしている。
【００５５】
上記構成による記憶素子２０においては、スピントルクは、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と磁化Ｍｐの相対角度で決まる。
この場合、角度θ２は角度θ１よりも小さいために、記憶素子２０においては、第１の実施の形態の記憶素子３よりもスピントルクが小さくなるものの、従来型の記憶素子３’との比較では、記憶層１４の磁化（平衡状態における磁化）の向きが斜めになることから、その分高速な磁化反転が可能となる。
【００５６】
なお確認のため述べておくと、第２の実施の形態の記憶装置は、先の図１〜図３に示した構成による記憶装置において、記憶素子３に代えて記憶素子２０を設けたものである。
【００５７】
＜５．シミュレーション結果＞
上記により説明した各実施の形態の記憶素子（３，２０）の奏する効果を立証するために、マクロスピンモデルによる磁化反転のシミュレーションを行った。
図８は、電流を流したときの磁化の垂直成分の時間変化についてのシミュレーション結果を示している。
図８Ａが従来の記憶素子３’、図８Ｂが実施の形態の記憶素子についてのシミュレーション結果をそれぞれ示す。なお、図８Ｂにおいて、「実施の形態の記憶素子」としては第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた。
これら図８Ａ、図８Ｂにおいて、横軸は電流を流した後の時間経過を示し、縦軸は磁化の垂直成分を示しており、上向きが１で、下向きが−１である。また、電流を流す時間（電流供給時間とも表記）は２０ｎｓとした。
【００５８】
なお、従来の記憶素子３’においては、記憶層１４の磁化Ｍ１４は平衡状態では垂直方向を向いている。従ってそのままではスピントルクが働かないために、垂直軸ａＶから０．０１度ずらして計算を行った。
また、図８Ｂの計算例では、強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは平衡状態では垂直方向から２９度の方向を、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉは平衡状態では垂直方向から７３度の方向を、それぞれ向いている。
【００５９】
従来の記憶素子３’では、磁化Ｍ１４の向きが膜面に垂直な方向の近傍にあるため、その分スピントルクが小さく、時間変化に対して磁化運動の変化が小さくなる。このため、図８Ａの時間領域Ｔ１に示すように、電流を流し始めても磁化方向にほとんど変化がない領域が見られる。
ここで、この領域Ｔ１の長さは、磁化の初期角度に応じて記録動作のたびに変化するものである。従って、磁化反転が起こるまでの時間にばらつきが生じ、確実に磁化を反転させるためには十分に長い記録時間が必要とされていたものである。
【００６０】
時間領域Ｔ１を過ぎると、磁化Ｍ１４の向きが急激に変化して磁化反転が生ずる（時間領域Ｔ２）。電流供給の続く時間領域Ｔ３を過ぎて、時間領域Ｔ４において電流がゼロになる。
【００６１】
これに対し、実施の形態の記憶素子において、強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは、膜面に垂直な軸から傾斜した方向に向いている。このため、強磁性層１４ｐの磁化Ｍｐは、記録電流を流すと同時にある程度のスピントルクを受けて、速やかに反転動作を開始することとなる（時間領域Ｔ５）。なおこのとき、強磁性層１４ｉの磁化Ｍｉも、磁化Ｍｐと磁気的に結合しているために、磁化Ｍｐの運動に合わせて反転運動を開始する。
このように、実施の形態の記憶素子によれば、高速な反転動作が可能となる。
【００６２】
また、実施の形態の記憶素子の場合は、図８Ａの時間領域Ｔ１のような磁化運動の変化が小さい時間領域が存在しないことが確認できる。これは、実施の形態の記憶素子によれば、記録電流を流す時間を短縮化できることを意味すると同時に、反転時間のばらつきを少なくできるということも意味する。
【００６３】
ここで、電流供給の続く時間領域Ｔ６の間は、スピントルクを受けて磁化Ｍｐ及び磁化Ｍｉは平衡状態からずれた向きを向く。
図８Ｂの計算では、磁化Ｍｐの角度は１５６度、磁化Ｍｉの角度は１１２度であった。
【００６４】
時間領域Ｔ７において電流がゼロとなると、元の垂直軸ａＶから傾斜した平衡状態に遷移する。このときの磁化角度は磁化Ｍｐが１５１度（１８０度−２９度）、磁化Ｍｉが１０７度（１８０度−７３度）である。
【００６５】
続いて、書き込みエラー率と電流供給時間の関係について説明する。
図９に、シミュレーションで求めた書き込みエラー率（対数値）と電流供給時間の関係を示す。
図９において、曲線Ｃ１は従来の記憶素子３’の結果を、曲線Ｃ２は実施の形態の記憶素子（この場合も記憶素子２０とした）の結果をそれぞれ示す。
【００６６】
前述のように、従来の記憶素子３’では、磁化の初期角度に応じて記録動作のたびに反転時間が変化する。そのため、同じ電流供給時間であっても、磁化反転が起きる場合と起きない場合とがある。
ここで、磁化反転が起きない確率を書き込みエラー率と呼ぶ。
【００６７】
電流供給時間が長くなれば、それだけ反転の起きる確率が上昇するので、書き込みエラー率は減少する傾向となる。換言すれば、電流供給時間が短くなればそれだけ反転の起きる確率が低下するので、書き込みエラー率は上昇する傾向となるものである。
【００６８】
図９を参照して分かるように、従来の記憶素子３’に対応する曲線Ｃ１は電流供給時間に対する書き込みエラー率の減少の傾きが小さい。
一方、実施の形態の記憶素子に対応する曲線Ｃ２は傾きが急である。すなわち、同じ書き込みエラー率で比べた場合、実施の形態の記憶素子の方が必要な電流供給時間が短くて済むものである。
【００６９】
この結果からも、実施の形態の記憶素子によれば高速な書き込みが可能であることが分かる。
【００７０】
なお、図８及び図９のシミュレーションでは実施の形態の記憶素子として記憶素子２０を用いた場合の結果を示したが、第１の実施の形態の記憶素子３を用いた場合にも従来の記憶素子３’との比較で改善効果が得られるものである。
【００７１】
＜６．実験結果＞
ここで、実施の形態の記憶素子の構成において、具体的に記憶層１４を構成する各層の膜厚を選定することにより、磁化の向きが垂直軸から傾斜することを確認する実験を行った。以下に、その内容・結果を［実験１］［実験２］［実験３］として示す。
【００７２】
［実験１］
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、下地膜側から順にＴａ膜（１５ｎｍ）、Ｒｕ膜（１０ｎｍ）、Ｐｔ膜（１ｎｍ）、Ｃｏ膜（１．２ｎｍ）、Ｒｕ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜（１．２ｎｍ）、ＭｇＯ膜（０．８ｎｍ）、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜（ｘｎｍ）、Ｔａ膜（０．３５ｎｍ）、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜（０．８ｎｍ）、ＭｇＯ膜（０．８５ｎｍ）、Ｒｕ膜（５ｎｍ）、Ｔａ膜（３ｎｍ）とした。
この場合、下側から、Ｔａ膜、Ｒｕ膜が下地層１１、Ｐｔ膜、Ｃｏ膜、Ｒｕ膜、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜がシンセティックピン層構造による磁化固定層１２、ＭｇＯ膜が中間層１３、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜が強磁性層１４ｉ、Ｔａ膜が結合層１４ｃ、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂが強磁性層１４ｐ、ＭｇＯ膜、Ｒｕ膜、Ｔａ膜がキャップ層１５に相当する。すなわち、第１の実施の形態の記憶素子３のモデルである。
【００７３】
強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚ｔは１．５ｎｍ、１．６ｎｍ、１．６５ｎｍ、１．７ｎｍ、１．８ｎｍの各試料を用いた。
なお、ＳＴＴ−ＭＲＡＭとしての記憶素子においては、非磁性層（中間層１３）に接する２つの強磁性層のうち、片方（磁化固定層１２）はその磁化が固定されていることが望ましい。
そこで、実験１の試料では、下側のＣｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜の磁化を固定するため、層間結合を用いたシンセティックピン層構造を用いた。
【００７４】
上記の各試料を用いてＫｅｒｒ測定を行った。その結果を図１０に示す。
なお図１０において、縦軸は任意単位のＫｅｒｒ信号強度であり、磁化の垂直方向の成分に比例する量である。横軸は垂直方向に外部から印加している磁界である。
図１０Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、それぞれＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜（強磁性層１４ｉ）の膜厚ｔを１．５ｎｍ、１．６ｎｍ、１．６５ｎｍ、１．７ｎｍ、１．８ｎｍとした場合の結果を示すものである。
【００７５】
まずは、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚が１．５ｎｍの場合を見てみる。
前述もしたように、ＭｇＯ膜に接するＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜は、界面異方性によって垂直磁化膜となり得る。強磁性層１４ｐに相当する上側のＣｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜は、キャップ層１５を構成するＭｇＯ膜との界面で界面異方性を生じて垂直磁化膜となっている。
同時に、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜は、中間層１３としてのＭｇＯ膜との界面で界面異方性を生じて垂直磁化膜となっている。このことは、外部磁界を±３ｋＯｅ印加して磁化の向きを完全に垂直方向に向けた場合のＫｅｒｒ信号強度と、外部磁界を０ｋＯｅとして、磁化の向きが平衡状態になるようにした場合のＫｅｒｒ信号強度とが、ほぼ同じであることから確認できる。すなわち、磁化は平衡状態においても垂直軸ａＶに一致しており、本技術の記憶素子としては成り立っていない。
【００７６】
次に、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚を１．６ｎｍから順に厚くしていった場合を見てみる。
膜厚が１．６５ｎｍ以上となったところで、Ｋｅｒｒ信号強度の外部磁界依存性に変化が見られる。すなわち、外部磁界を±３ｋＯｅ印加して磁化の向きを完全に垂直方向に向けた場合のＫｅｒｒ信号強度と、外部磁界を０ｋＯｅとして、磁化の向きが平衡状態になるようにした場合のＫｅｒｒ信号強度とが異なっている。これは、磁化は平衡状態において垂直軸ａＶから傾斜した位置にあることを意味していて、本技術の第１の実施の形態の記憶素子３として成立するものである。
【００７７】
上記のような磁化の平衡状態に対するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜（強磁性層１４ｉ）の膜厚依存性は以下のように説明できる。
界面異方性による垂直磁気異方性は、強磁性層の膜厚が厚くなると弱くなる傾向になる。そのため、膜厚を厚くしていく過程で、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜が、垂直磁化が優位な垂直磁化層から膜面内磁化が優位な面内磁化層へと変化する。その境界が当該実験１の場合には、１．６ｎｍと１．６５ｎｍの間に存在したと考えられる。そして、強磁性層１４ｐに相当する上側のＣｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜が、垂直磁化が優位な垂直磁化層であり、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜が、膜面内磁化が優位な面内磁化層となることで、結合層１４ｃに相当するＴａ膜を介した磁気的な結合によって、平衡状態において磁化の向きが垂直軸ａＶから傾くようになる。
【００７８】
［実験２］
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、下地膜側から順にＴａ膜（１５ｎｍ）、Ｒｕ膜（１０ｎｍ）、Ｐｔ膜（１ｎｍ）、Ｃｏ膜（１．２ｎｍ）、Ｒｕ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜（１．２ｎｍ）、ＭｇＯ膜（０．８ｎｍ）、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜（１．７ｎｍ）、Ｔａ膜（ｘｎｍ）、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜（０．８ｎｍ）、ＭｇＯ膜（０．８５ｎｍ）、Ｒｕ膜（５ｎｍ）、Ｔａ膜（３ｎｍ）とした。
この場合、下側から、Ｔａ膜、Ｒｕ膜が下地層１１、Ｐｔ膜、Ｃｏ膜、Ｒｕ膜、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜がシンセティックピン層構造による磁化固定層１２、ＭｇＯ膜が中間層１３、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜が強磁性層１４ｉ、Ｔａ膜が結合層１４ｃ、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂが強磁性層１４ｐ、ＭｇＯ膜、Ｒｕ膜、Ｔａ膜がキャップ層１５に相当する。すなわち、第１の実施の形態の記憶素子３のモデルである。
【００７９】
先の実験１の結果より、強磁性層１４ｐに相当する上側のＣｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜は、垂直磁化が優位な垂直磁化層であり、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜は、膜面内磁化が優位な面内磁化層となっている。
実験２では、結合層１４ｃに相当するＴａ膜の膜厚ｔは０．３５ｎｍ、０．４ｎｍ、０．４５ｎｍ、０．７ｎｍの各試料を用いた。なお、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚は固定である。
【００８０】
上記の各試料を用いてＫｅｒｒ測定を行った結果を図１１に結果を示す。
図１１において、図１１Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、結合層１４ｃとしてのＴａ膜の膜厚ｔを０．３５ｎｍ、０．４ｎｍ、０．４５ｎｍ、０．７ｎｍとしたときの結果をそれぞれ示している。
【００８１】
まず、結合層１４ｃに相当するＴａ膜の膜厚が０．３５ｎｍと０．４ｎｍの場合を見てみる。実験１で述べたように、この領域では磁化は平衡状態において垂直軸ａＶから傾斜していることが分かる。
【００８２】
これに対し、結合層１４ｃに相当するＴａ膜の膜厚が０．４５ｎｍになると、反転の途中でステップが見られるようになり、さらに０．７ｎｍになると、磁化の反転が明瞭に２段階で起きるようになる。
これは、結合層１４ｃに相当するＴａ膜の膜厚が厚くなるほど、強磁性層１４ｉと強磁性層１４ｐとの磁気的結合が弱くなるために、それぞれの磁化が独立して運動するようになるためである。２つの磁化が一体となって運動するときとの境界が実験２の場合には０．４ｎｍと０．４５ｎｍの間に存在したと考えられる。
【００８３】
なお、Ｔａ膜の膜厚が０．７ｎｍの場合を見ると、２つの磁化が独立に運動していて、さらに、２つの磁化がともに垂直磁化となっていることが分かる。Ｔａ膜の膜厚が薄いときには、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜は、膜面内磁化が優位な面内磁化層となっていた。にもかかわらず、Ｔａ膜の膜厚が厚くなったときに強磁性層１４ｉとしてのＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜が、垂直磁化が優位な垂直磁化層に変化している。これは、Ｔａ膜の膜厚が厚くなることによって、Ｔａ膜／Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜界面での原子拡散が多くなり、実効的なＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚が薄くなったためと考えられる。
【００８４】
以上のように、実験１及び実験２によれば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層及びＴａ層の膜厚を適切に選定することで強磁性層１４ｐに相当するＣｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜を垂直磁化が優位な垂直磁化層とでき、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜を膜面内磁化が優位な面内磁化層とすることができる。そして、結合層１４ｃに相当するＴａ膜を介した磁気的な結合が適切な値であるとき、平衡状態における磁化の向きを垂直軸ａＶから傾斜させることが可能であることが分かった。
【００８５】
［実験３］
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、下地膜側から順にＴａ膜（５ｎｍ）、Ｒｕ膜（５ｎｍ）、Ｐｔ膜（１ｎｍ）、Ｃｏ膜（１．２ｎｍ）、Ｒｕ膜（０．７ｎｍ）、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜（１．２ｎｍ）、ＭｇＯ膜（０．８ｎｍ）、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜（１．５ｎｍ）、Ｔａ膜（０．４５ｎｍ）、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜（ｘｎｍ）、ＭｇＯ膜（０．８ｎｍ）、Ｒｕ膜（５ｎｍ）、Ｔａ膜（１０ｎｍ）とした。
この場合、下側から、Ｔａ膜、Ｒｕ膜が下地層１１、Ｐｔ膜、Ｃｏ膜、Ｒｕ膜、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜がシンセティックピン層構造による磁化固定層１２、ＭｇＯ膜が中間層１３、Ｃｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜が強磁性層１４ｐ、Ｔａ膜が結合層１４ｃ、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂが強磁性層１４ｉ、ＭｇＯ膜、Ｒｕ膜、Ｔａ膜がキャップ層１５に相当する。すなわち、第２の実施の形態の記憶素子２０のモデルである。
【００８６】
実験３では、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚ｔは０．７ｎｍ、０．７５ｎｍ、０．８ｎｍ、０．８５ｎｍ、０．９ｎｍの各試料を用いた。
なお、ＳＴＴ−ＭＲＡＭとしての記憶素子においては、中間層（非磁性層）に接する２つの強磁性層のうち、片方（磁化固定層１２）はその磁化が固定されていることが望ましい。そこで、実験３の試料では、下側のＣｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜（磁化固定層１２）の磁化を固定するため、層間結合を用いたシンセティックピン層構造を用いた。
【００８７】
上記の各試料を用いてＫｅｒｒ測定を行った。図１２はその結果を示している。
図１２において、図１２Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚ｔを０．７ｎｍ、０．７５ｎｍ、０．８ｎｍ、０．８５ｎｍ、０．９ｎｍとしたときの結果をそれぞれ示している。
【００８８】
実験３においては、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚が０．７ｎｍ及び０．９ｎｍの場合に、外部磁界を±３ｋＯｅ印加して磁化の向きを完全に垂直方向に向けた場合のＫｅｒｒ信号強度と、外部磁界を０ｋＯｅとして磁化の向きが平衡状態になるようにした場合のＫｅｒｒ信号強度とが、ほぼ同じであり、これらの膜厚では、磁化は平衡状態においても垂直軸ａＶに一致しており、第２の実施の形態の記憶素子２０としては成り立っていない。
【００８９】
一方、Ｃｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚が０．７５ｎｍ、０．８ｎｍ、０．８５ｎｍの場合では、外部磁界を±３ｋＯｅ印加して磁化の向きを完全に垂直方向に向けた場合のＫｅｒｒ信号強度と、外部磁界を０ｋＯｅとして磁化の向きが平衡状態になるようにした場合のＫｅｒｒ信号強度とが異なっている。これは、磁化は平衡状態において垂直軸ａＶから傾斜した位置にあることを意味していて、第２の実施の形態の記憶素子２０として成立するものである。
【００９０】
上記のような磁化の平衡状態に対するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜の膜厚依存性は以下のように説明できる。
界面異方性による垂直磁気異方性は、強磁性の膜厚が薄くなると強くなる傾向にあるが、ある膜厚よりも薄くなると逆に垂直磁気異方性は減少する。そのため、ある膜厚の範囲で垂直磁気異方性が強くなる。強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜は、実験を行った膜厚の範囲ですべて膜面内磁化が優位な面内磁化層であるが、ある程度の垂直磁気異方性がなければ、上側のＣｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜と結合して傾斜した磁化が得られないと考えられる。そして必要な垂直磁気異方性が得られる膜厚の範囲が、実験３の場合には、その下限が０．７ｎｍと０．７５ｎｍの間に存在し、その上限が０．８５ｎｍと０．９ｎｍの間に存在したと考えられる。
【００９１】
以上の膜厚の範囲内にあれば、強磁性層１４ｐに相当するＣｏ−６４Ｆｅ−２０Ｂ膜を垂直磁化が優位な垂直磁化層とでき、強磁性層１４ｉに相当するＣｏ−５６Ｆｅ−３０Ｂ膜を膜面内磁化が優位な面内磁化層とでき、結合層１４ｃに相当するＴａ膜を介した磁気的な結合によって、平衡状態における磁化の向きを垂直軸ａＶから傾斜させることができる。
【００９２】
以上のように実験３によれば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層の膜厚を適切に選定することによって、平衡状態において磁化の向きが垂直軸ａＶから傾斜している実施の形態としての記憶素子が得られることが分かった。
【００９３】
＜７．変形例＞
以上、本技術に係る実施の形態について説明してきたが、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、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の組成は、これまでで例示した組成（Ｃｏ：Ｆｅ：Ｂ＝１４：５６：３０、又はＣｏ：Ｆｅ：Ｂ＝１６：６４：２０）に限定されるべきものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲で様々な組成を採用し得る。
また、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ膜は単一組成でも複数組成の積層構造でも良い。さらに、非磁性元素を添加することもできる。
【００９４】
また、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ膜に垂直磁気異方性を誘起する材料としてＭｇＯなどの酸化物を例示したが、酸化物に限らず種々の材料を用いることができる。
【００９５】
また、結合層１４ｃの材料はＴａに限らず、例えばＺｒ，Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｒｕ、Ｍｇなど、強磁性層間に磁気的結合を誘起可能な材料で構成されればよい。
【００９６】
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。
【００９７】
また、磁化固定層１２は単層構造としても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としても良い。さらに、積層フェリピン構造膜に反強磁性膜を付与した構造とすることもできる。
【００９８】
また本技術において、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層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よい。
さらには、磁化固定層が記憶層の上下に存在する、いわゆるデュアル構造を採用することもできる。
【００９９】
また、本技術に係る記憶素子３，２０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。
【０１００】
一例として図１１Ａ、図１１Ｂに、上記記憶素子３，２０の構造による磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図１１Ａ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１１Ｂは複合型磁気ヘッド１００の断面図である。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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３，２０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。
【０１０４】
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１２７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１０１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。
【０１０５】
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１３３に記録電流が供給されることとなる。
【０１０６】
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。
【０１０７】
また、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
キャップ層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、
上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされ、上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している
記憶素子。
（２）
上記第１の強磁性層が上記面内磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記垂直磁化層である
上記（１）に記載の記憶素子。
（３）
上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が、上記第２の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも大きい
上記（２）に記載の記憶素子。
（４）
上記第１の強磁性層が上記垂直磁化層であり、上記第２の強磁性層が上記面内磁化層である
上記（１）に記載の記憶素子。
（５）
上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度が、上記第１の強磁性層の磁化と膜面に垂直な方向との角度よりも小さい
上記（４）に記載の記憶素子。
（６）
上記中間層がトンネル絶縁層である上記（１）〜（５）に記載の記憶素子。
（７）
上記キャップ層が酸化物層を含む上記（１）〜（６）に記載の記憶素子。
（８）
上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層がＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層を含む上記（１）〜（７）に記載の記憶素子。
（９）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と、
キャップ層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記記憶層が、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順に積層されて上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層とが上記結合層を介して磁気的に結合され、上記第１の強磁性層が上記中間層に接し、上記第２の強磁性層が上記キャップ層に接しており、
上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層のうち一方が膜面内磁化が優位な面内磁化層とされ、他方が垂直磁化が優位な垂直磁化層とされ、上記第１の強磁性層及び上記第２の強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している記憶素子
を備えると共に、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
を備える記憶装置。
【符号の説明】
【０１０８】
１  ゲート電極、２  素子分離層、３，２０  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、１３  中間層、１４  記憶層、１４ｉ,１４ｐ  強磁性層、１４ｃ  結合層、１５  キャップ層（垂直磁気異方性誘起層）
【図１】
0005982795.tif 000002
【図２】
0005982795.tif 000003
【図３】
0005982795.tif 000004
【図４】
0005982795.tif 000005
【図５】
0005982795.tif 000006
【図６】
0005982795.tif 000007
【図７】
0005982795.tif 000008
【図８】
0005982795.tif 000009
【図９】
0005982795.tif 000010
【図１０】
0005982795.tif 000011
【図１１】
0005982795.tif 000012
【図１２】
0005982795.tif 000013
【図１３】
0005982795.tif 000014