(57)【要約】【課題】  良好な磁気特性及び耐熱性を有する記憶素子を提供する。【解決手段】  情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層１７を有し、この記憶層１７に対して、トンネルバリアとなる絶縁層１６を介して磁化固定層３１が設けられ、記憶層１７が、酸化物層１８を介して、下地層或いは上層の保護層１９に接している記憶素子３を構成する。【選択図】        図２
2006165059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層に対して、トンネルバリアとなる絶縁層を介して磁化固定層が設けられ、
前記記憶層は、酸化物層を介して、下地層或いは上層の保護層に接している
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項２】
前記記憶層は、ＣｏＦｅＢから成ることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
前記磁化固定層において、前記記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられ、前記反強磁性層に接する強磁性層がＣｏＦｅ層であり、かつ前記ＣｏＦｅ層のＦｅ含有量が１０原子％以下であることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
前記磁化固定層において、前記絶縁層に接する強磁性層がＣｏＦｅＢ層であることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
前記絶縁層に接する強磁性層の前記ＣｏＦｅＢ層において、Ｆｅ含有量が２０原子％以上であり、Ｂ含有量が１０〜３０原子％であることを特徴とする請求項４に記載の記憶素子。
【請求項６】
積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項７】
前記磁化固定層が、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項８】
前記磁化固定層が、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有し、かつ前記非磁性層の下に接する強磁性層がＣｏＦｅ層であることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項９】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
互いに交差する２種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、前記記憶層に対して、トンネルバリアとなる絶縁層を介して磁化固定層が設けられ、前記記憶層が、酸化物層を介して、下地層或いは上層の保護層に接している構成であり、
前記２種類の配線の交点付近かつ前記２種類の配線の間に、前記記憶素子が配置されていることを特徴とするメモリ。
【請求項１０】
前記記憶素子は、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れることを特徴とする請求項９に記載のメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。
特に、不揮発性メモリは、ハードディスクや光ディスクのように可動部分が存在しないので、本質的に小型化を図る上で有利である特徴を有している。
【０００３】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory ）等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いため、高速なアクセスに向かないという欠点がある。
一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０１２〜１０１４と有限であるため、完全にＳＲＡＭやＤＲＡＭを置き換えるには耐久性が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。
【０００４】
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、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）である（例えば、非特許文献１参照）。
このＭＲＡＭは、磁気モーメントの回転により記憶を行うため、書き換え可能回数が大きい。
また、アクセス時間についても非常に高速である。
【０００５】
ここで、一般的なＭＲＡＭの模式図（斜視図）を、図７に示す。
シリコン基板等の半導体基体１１０の素子分離層１０２により分離された部分に、各メモリセル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１０８、ソース領域１０７、並びにゲート電極１０１が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極１０１の上方には、図中前後方向に延びるワード線１０５が設けられている。
ドレイン領域１０８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域１０８には、配線１０９が接続されている。
そして、ワード線１０５と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線１０６との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子１０３が配置されている。この磁気記憶素子１０３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。
さらに、磁気記憶素子１０３は、水平方向のバイパス線１１１及び上下方向のコンタクト層１０４を介して、ソース領域１０７に電気的に接続されている。
ワード線１０５及びビット線１０６にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子１０３に印加して、これにより磁気記憶素子１０３の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
【０００６】
そして、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層（記憶層）が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、ＭＲＡＭを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
【０００７】
そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリが注目されている（例えば、特許文献１参照）。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
【０００８】
例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。
【０００９】
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。
【００１０】
また、上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリの模式図を図５及び図６に示す。図５は斜視図、図６は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体６０の素子分離層５２により分離された部分に、各メモリセル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５８、ソース領域５７、並びにゲート電極５１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極５１は、図５中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域５８は、図５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５８には、配線５９が接続されている。
そして、ソース領域５７と、上方に配置された、図５中左右方向に延びるビット線５６との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子５３が配置されている。
この記憶素子５３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。
図中６１及び６２は磁性層を示しており、２層の磁性層６１，６２のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子５３は、ビット線５６と、ソース領域５７とに、それぞれ上下のコンタクト層５４を介して接続されている。これにより、磁気記憶素子５３に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
【００１１】
このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図７に示した一般的なＭＲＡＭと比較して、デバイス構造を単純化することができるため、大容量化に適している、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
【００１２】
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、ＭＲＡＭを構成する記憶素子は、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢ等の磁性材料から成る記憶層と、ＣｏＦｅ等の磁性材料から成る強磁性層を有する磁化固定層と、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎ等の反強磁性材料から成る反強磁性層と、Ｔａ，Ｔｉやそれらの窒化物、或いはＣｒ，Ｃｕ，ＮｉＦｅ，ＮｉＦｅＣｒ等から成る下地層とを有して構成される。
磁化固定層を、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された積層フェリ構造とする場合には、Ｒｕ，Ｒｈ等の非磁性金属元素を主体とする非磁性層が設けられる。
【００１４】
しかしながら、これらの材料を使用して記憶素子を構成した場合に、半導体プロセスで要求される３５０℃以上の熱がかかると、抵抗変化率や記憶層の軟磁気特性が失われて、記憶素子として必要な特性が劣化してしまうことがあった。
【００１５】
上述した問題の解決のために、本発明においては、３５０℃以上の熱が加わっても記憶素子として必要な特性が損なわれることがなく、良好な磁気特性及び耐熱性を有する記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して、トンネルバリアとなる絶縁層を介して磁化固定層が設けられ、記憶層は、酸化物層を介して、下地層或いは上層の保護層に接しているものである。
【００１７】
本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して、トンネルバリアとなる絶縁層を介して磁化固定層が設けられ、記憶層が、酸化物層を介して、下地層或いは上層の保護層に接している構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に、記憶素子が配置されているものである。
【００１８】
上述の本発明の記憶素子の構成によれば、記憶層が、酸化物層を介して下地層或いは上層の保護層に接していることにより、記憶層と下地層或いは上層の保護層との間の元素の拡散を、酸化物層によって抑制することができる。
これにより、記憶素子に熱が加わったときの、上述の元素の拡散による特性の劣化を抑制することができる。
【００１９】
上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置されているものであることにより、記憶素子に熱が加わったときの記憶素子の特性の劣化を抑制することができるため、メモリにおいて、情報の記録や読み出しを安定して行うことができる。
【００２０】
上記本発明の記憶素子において、記憶層がＣｏＦｅＢから成る構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、ＣｏＦｅＢを用いることにより、飽和磁化量を少なくして、かつ抵抗変化率を大きくすることができる。
そして、ＣｏＦｅＢ中のボロンＢは、熱が加わることにより拡散しやすい性質を有するため、本発明の酸化物層による拡散防止効果が特に有効である。
【００２１】
上記本発明の記憶素子において、磁化固定層において、記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられ、反強磁性層に接する強磁性層がＣｏＦｅ層であり、かつＣｏＦｅ層のＦｅ含有量が１０原子％以下である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられたことにより、反強磁性層により磁化固定層の強磁性層の磁化の向きが固定される。そして、磁化固定層の反強磁性層に接する強磁性層がＣｏＦｅ層であり、かつＣｏＦｅ層のＦｅ含有量が１０原子％以下であることにより、高温の熱処理を行っても強磁性層が劣化しにくくなる。ここで、反強磁性層に接する強磁性層を例えばＣｏＦｅＢ層とすると、おそらくは反強磁性層との結晶配向が充分に得られない等の理由により、ＣｏＦｅ層と比較して、反強磁性結合強度が弱くなる。従って、反強磁性層に接する強磁性層をＣｏＦｅ層とすることが好ましい。
【００２２】
上記本発明の記憶素子において、磁化固定層の絶縁層に接する強磁性層がＣｏＦｅＢ層である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、ＣｏＦｅＢ層がＣｏＦｅ層等と比較して、スピン分極率が大きく、スピン注入効率が高いため、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を低減することが可能になる。
さらに、この絶縁層に接する強磁性層のＣｏＦｅＢ層において、Ｆｅ含有量が２０原子％以上であり、Ｂ含有量が１０〜３０原子％である構成としたときには、抵抗変化率を大きくすることができると共に、充分な耐熱性を確保することができる。
【００２３】
上記本発明の記憶素子において、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
【００２４】
上記本発明の記憶素子において、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造を有し、かつ非磁性層の下に接する強磁性層がＣｏＦｅ層である構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された構造即ちいわゆる積層フェリ構造を有しており、さらに非磁性層の下に接する強磁性層がＣｏＦｅ層であることにより、積層フェリ構造において充分な反強磁性結合が得られる。
【００２５】
上記本発明のメモリにおいて、記憶素子が、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、２種類の配線を通じて、記憶素子に前記積層方向の電流が流れる構成とすることも可能である。
このような構成としたときには、記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができ、２種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
上述の本発明によれば、記憶素子に熱が加わったときの記憶素子の特性の劣化を抑制することができるため、メモリにおいて、情報の記録や読み出しを安定して行うことができる。例えば、半導体プロセスで必要とされる３５０℃以上の高温でも特性劣化が少ない記憶素子を構成することができる。
これにより、耐熱性を有し、信頼性の高いメモリを実現することができる。
【００２７】
そして、特に、ＭｇＯ等の比較的高い熱処理温度を要求される層を記憶素子の膜構成中に用いた場合においては、熱処理によって抵抗変化率をさらに上昇させて、なおかつ磁気特性の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
前述した熱による磁気抵抗変化率の劣化の課題に対して、種々の検討を行った結果、記憶素子に熱を加えたときに、下地層や保護層に用いられる例えばＴａ等の材料が記憶層に拡散することにより、また特に記憶層にＣｏＦｅＢを用いた場合には、Ｂ原子が拡散することにより、記憶素子を構成する磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）の磁気抵抗変化率が劣化することがわかった。
【００２９】
そこで、本発明では、記憶層が、酸化物層を介して、（下層の）下地層或いは上層の保護層に接しているように記憶素子を構成する。
即ち、本発明に係る記憶素子は、基本的に、基板側（下層側）から、下地層／反強磁性層／磁化固定層／トンネルバリア層（絶縁層）／記憶層／酸化物層／保護層（キャップ層）の積層膜、或いは、下地層／酸化物層／記憶層／トンネルバリア層（絶縁層）／磁化固定層／保護層（キャップ層）の積層膜、のいずれかの積層膜から構成する。
なお、磁化固定層は、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された、いわゆる積層フェリ構造としてもよい。
酸化物層の材料としては、例えば、酸化アルミニウムや酸化マグネシウムや、その他の酸化物を用いることができる。
【００３０】
このように記憶層が、酸化物層を介して、（下層の）下地層或いは上層の保護層に接している構成とすることにより、熱が加わったときの、記憶層から下地層或いは上層の保護層への元素の拡散や、下地層或いは上層の保護層から記憶層への元素の拡散を、酸化物層により抑制することができる。
これにより、熱が加わったときの、磁気抵抗変化率の劣化を抑制することができるため、良好な特性と耐熱性とを有する記憶素子を構成することができる。
【００３１】
トンネルバリア層（絶縁層）の材料としては、酸化物や窒化物を用いることができる。
例えば、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、マグネシウム酸化物等を挙げることができ、主にこれらの酸化物や窒化物から成る絶縁層を構成する。
アルミニウム酸化物は、例えば、金属Ａｌ層を形成した後に、Ａｌ層を酸化することにより形成することができる。
アルミニウム窒化物は、例えば、金属Ａｌ層を形成した後に、Ａｌ層を窒化することにより形成することができる。
マグネシウム酸化物は、例えば、ＲＦスパッタ法により、直接酸化物を堆積させることにより形成することができる。
【００３２】
また、記憶素子を構成する他の各層の材料としては、例えば、以下の材料が挙げられる。
反強磁性層として用いられる材料としては、鉄，ニッケル，白金，イリジウム，ロジウム等のマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物等が使用できる。
非磁性層として用いられる材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。膜厚は材料によって変動するが、ほぼ０．４ｎｍ〜２．５ｎｍの範囲で使用する。
磁化固定層を構成する強磁性層の材料としては、Ｃｏ−Ｆｅ系強磁性材料やそれにボロンＢが１５〜３０原子％添加されたアモルファス材料や、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの合金から成る強磁性材料を用いることができる。
【００３３】
磁化固定層を構成する強磁性層のうち、トンネルバリア層（絶縁層）に接する強磁性層は、ＣｏＦｅＢ層とすることが望ましい。これは、ＣｏＦｅＢ層がＣｏＦｅ層等と比較して、スピン分極率が大きく、スピン注入効率が高いため、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を低減することが可能になるためである。
さらに、このＣｏＦｅＢ層において、Ｆｅ含有量が２０原子％以上であり、Ｂ含有量が１０〜３０原子％である構成とすることにより、抵抗変化率を大きくすることができると共に、充分な耐熱性を確保することができる。
【００３４】
そして、磁化固定層を構成する強磁性層のうち、特に、反強磁性層（例えばＰｔＭｎ膜）に接する強磁性層には、ＣｏもしくはＣｏ−Ｆｅ強磁性材料を用いて、そのＦｅ含有量を０〜２０％とするのがよい。Ｆｅ含有量が２０％を超えて多くなり過ぎると、高温の熱処理によって劣化しやすくなる。
【００３５】
また、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された、いわゆる積層フェリ構造において、非磁性層（例えばＲｕ膜）の下側に接する強磁性層も、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの積層膜で積層フェリ構造を構成した場合には、反強磁性結合が充分に得られなくなることから、ＣｏＦｅＢ層よりもＣｏＦｅ層が望ましい。
【００３６】
これらのことから、例えば、トンネルバリア層と接する側をＣｏＦｅＢ層として、反強磁性層や積層フェリ構造の非磁性層と接する側はＣｏＦｅ層というように、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅの積層膜とすることもできる。
【００３７】
記憶層に用いる強磁性材料としては、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉを主成分とする強磁性材料を用いることができるが、飽和磁化量が少なくでき、なおかつ抵抗変化率が大きいことからＣｏＦｅＢ材料が望ましく、さらに望ましくは、ボロンＢの含有量が１５〜３０％であり、かつＣｏとＦｅとの組成比がＣｏ：Ｆｅ＝９：１〜５：５であることが好ましい。
これにより、飽和磁化量を低減し、なおかつ、大きな抵抗変化率を得ることができる。
【００３８】
続いて、記憶素子が、必要な特性を満たすための条件について説明する。
まず、トンネル磁気接合素子のトンネルバリアとなる中間層（以下、バリア層とする）について説明する。
【００３９】
電流磁界により記憶層の磁化の向きを反転させる（通常のＭＲＡＭの）記憶素子では、バリア層の抵抗値が、５００Ω〜２ｋΩμｍ２の範囲であることが望ましい。
【００４０】
また、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる記憶素子では、例えば、ＡｌＯｘによりバリア層を形成したトンネル磁気接合素子において、スピン注入による磁化反転を可能とするためには、およそ３〜８×１０６（Ａ／μｍ２）の電流密度を必要とする。
バリア層内のピンホール密度等の信頼性にもよるが、スピン注入磁化反転が可能であり、かつ比較的低抵抗のバリア層の絶縁耐電圧は、およそ１Ｖ程度である。
ここで、記憶素子の面積を仮に０．０６×０．１６７μｍ＝０．０１μｍ２であるとした場合に、３〜８×１０６（Ａ／μｍ２）の電流密度を得るためには、それぞれ３３．３〜１２．５(Ωμｍ２)よりも抵抗値が小さい必要がある。
なお、磁化反転に必要な電流密度が小さいほど、記憶素子の抵抗値が大きくてもよくなる。
従って、バリア層の抵抗値は、スピン注入に必要な電流密度を得る観点から、少なくとも３０Ωμｍ２以下であることが好ましく、１５Ωμｍ２以下であることがさらに好ましい。
【００４１】
また、バリア層に、ＡｌＯｘの代わりに、ＭｇＯ等その他の材料を用いた場合においても、同様の理由から要求される抵抗値が定まるが、ＭｇＯ等の材料を用いた場合にも絶縁耐電圧がＡｌＯｘとほぼ同等であるので、抵抗値が３０Ωμｍ２以下であることが望ましい。
【００４２】
記憶素子のその他の構成は、外部磁界の印加或いはスピン注入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。
磁化固定層は、強磁性層のみにより、或いは反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とする。
また、磁化固定層や記憶層は、単層の強磁性層から成る構造、或いは複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層した積層フェリ構造とする。
【００４３】
なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって、記録された情報を読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。
【００４４】
続いて、本発明の実施の形態を説明する。
【００４５】
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図（斜視図）を図１に示す。
このメモリは、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記憶素子が配置されて成る。
即ち、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、各メモリセル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（例えばワード線）を兼ねている。
ドレイン領域８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
【００４６】
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線（例えばビット線）６との間に、記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子３は、２種類のアドレス配線１，６の交点付近に配置されている。
この記憶素子３は、ビット線６と、ソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１，６を通じて、記憶素子３に上下方向（記憶素子３の積層方向）の電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
【００４７】
また、本実施の形態のメモリの記憶素子３の断面図を図２に示す。
図２に示すように、この記憶素子３は、スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層３１を設けている。
磁化固定層３１の下に反強磁性層１２が設けられ、この反強磁性層１２により、磁化固定層３１の磁化の向きが固定される。
【００４８】
記憶層１７と磁化固定層３１との間には、トンネルバリアとなる絶縁層（バリア層）１６が設けられ、記憶層１７と絶縁層１６と磁化固定層３１とにより、トンネル磁気接合素子（ＭＴＪ素子）が構成されている。
【００４９】
そして、磁化固定層３１は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層３１は、２層の強磁性層１３，１５が、非磁性層１４を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５が積層フェリ構造となっているため、強磁性層１３の磁化Ｍ１３が右向き、強磁性層１５の磁化Ｍ１５が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。
これにより、磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
【００５０】
また、反強磁性層１２の下には下地層１１が形成され、記憶素子３の最上層にキャップ層１９が形成されている。
【００５１】
記憶層１７の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにＮｂ、Ｚｒ等の遷移金属元素やＢ等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接（非磁性層を介さずに）積層して、記憶層１７を構成してもよい。
そして、特に、記憶層１７をＣｏＦｅＢ層とした場合には、飽和磁化量を少なくすることができ、なおかつ抵抗変化率を大きくすることができるため、記憶層をＣｏＦｅＢ層とすることが望ましい。さらに望ましくは、ＣｏＦｅＢのボロンＢの含有量が１５〜３０％であり、かつＣｏとＦｅとの組成比がＣｏ：Ｆｅ＝９：１〜５：５であることが好ましい。
【００５２】
磁化固定層３１の強磁性層１３，１５の材料としては、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料、例えばＣｏＦｅ合金を用いることができる。さらにＮｂ、Ｚｒ等の遷移金属元素やＢ等の軽元素を含有させることもできる。
例えば、ＣｏＦｅ合金にボロンＢが２０〜３０原子％添加されたアモルファス（非晶質）のＣｏＦｅＢを用いることも可能である。
【００５３】
また、特に、磁化固定層３１のトンネルバリアとなる絶縁層１６に接する強磁性層１５に、ＣｏＦｅＢ層を用いることにより、スピン分極率を大きくして、スピン注入効率を向上することができる。これにより、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるための電流をさらに低減することができる。
そして、特にＣｏＦｅＢ層のＦｅ含有率を２０原子％以上、Ｂ含有率を１０〜３０％とすることにより、抵抗変化率を大きくして、かつ必要な耐熱性を確保することができる。
【００５４】
ただし、反強磁性層１２に接する強磁性層１３には、ボロンＢの含有量が１５％以上のＣｏＦｅＢ層を用いることは望ましくなく、ＣｏＦｅ層を用いる方が望ましい。
【００５５】
また、磁化固定層３１の積層フェリを構成する非磁性層１４の下の強磁性層１３には、ＣｏＦｅＢ層よりもＣｏＦｅ層を用いた方が望ましい。
【００５６】
これらのことから、例えば、トンネルバリアとなる絶縁層１６と接する側の磁性層をＣｏＦｅＢ層として、非磁性層１４側の磁性層はＣｏＦｅ層とした、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅの積層膜により強磁性層１５を構成してもよい。
【００５７】
磁化固定層３１の積層フェリを構成する非磁性層１４の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。非磁性層１４の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ０．４ｎｍから２．５ｎｍの範囲で使用する。
反強磁性層１２の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等の金属元素とマンガンとの合金、コバルトやニッケルの酸化物等が使用できる。
【００５８】
本実施の形態においては、特に、記憶素子３の記憶層１７とキャップ層（保護層）１９との間に、酸化物層１８が設けられている。
【００５９】
酸化物層１８の材料としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏｘ）や、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）や、その他の酸化物を用いることができる。
【００６０】
記憶層１７とキャップ層（保護層）１９との間に酸化物層１８が設けられていることにより、熱が加わることによる、記憶層１７とキャップ層（保護層）１９との間の元素の拡散を、酸化物層１８により抑制することができる。
【００６１】
本実施の形態の記憶素子３は、下地層１１からキャップ層１９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。
【００６２】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７とキャップ層（保護層）１９との間に、酸化物層１８が設けられていることにより、熱が加わることによる、記憶層１７とキャップ層（保護層）１９との間の元素の拡散を、酸化物層１８により抑制することができる。
これにより、記憶素子３に熱が加わったときの上述の元素の拡散による特性の劣化を抑制することができるため、メモリにおいて、情報の記録や読み出しを安定して行うことが可能になる。
従って、耐熱性を有し、信頼性の高いメモリを実現することができる。
【００６３】
そして、特に、記憶素子３の例えば絶縁層１６に、ＭｇＯ等の比較的高い熱処理温度を要求される層を用いた場合において、熱処理によって抵抗変化率をさらに上昇させて、なおかつ磁気特性の劣化を抑制することができる。
【００６４】
次に、本発明の他の実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の断面図を図３に示す。
この記憶素子３０は、図２に示した先の実施の形態の記憶素子３の構成に対して、下地層１１とキャップ層１９の間にある各層１２〜１８を、上下逆に積層した構成となっている。
即ち、下地層１１と記憶層１７との間に、酸化物層１８が設けられている。
その他の構成は、図２に示した記憶素子３と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００６５】
また、本実施の形態の記憶素子３０を用いて、図１に示したメモリと同様の構成のメモリを構成することができる。
即ち、記憶素子３０を２種類のアドレス配線の交点付近に配置してメモリを構成し、２種類のアドレス配線を通じて記憶素子３０に上下方向（積層方向）の電流を流して、スピン注入により記憶層１７の磁化の向きを反転させて、記憶素子３０に情報の記録を行うことができる。
【００６６】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３０の下地層１１と記憶層１７との間に酸化物層１８が設けられていることにより、熱が加わることによる、下地層１１と記憶層１７との間の元素の拡散を、酸化物層１８により抑制することができる。
これにより、先の実施の形態と同様に、記憶素子３０に熱が加わったときの上述の元素の拡散による特性の劣化を抑制することができるため、メモリにおいて、情報の記録や読み出しを安定して行うことが可能になる。
従って、耐熱性を有し、信頼性の高いメモリを実現することができる。
【００６７】
そして、特に、記憶素子３０の例えば絶縁層１６に、ＭｇＯ等の比較的高い熱処理温度を要求される層を用いた場合において、熱処理によって抵抗変化率をさらに上昇させて、なおかつ磁気特性の劣化を抑制することができる。
【００６８】
なお、上述の各実施の形態では、いずれもスピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させて情報を記録するメモリに本発明を適用して説明を行ったが、各実施の形態の記憶素子３，３０を、電流磁界により記憶層の磁化の向きを反転させて情報を記録するメモリに用いることも可能であり、その場合も、同様に、記憶素子の耐熱性を向上することができる効果が得られる。
【００６９】
（実施例）
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、特性を調べた。
実際には、メモリには、図１や図５に示したように、記憶素子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、記憶層の磁気抵抗特性を調べる目的で、記憶素子のみを形成したウエハにより検討を行った。
【００７０】
（膜構成１：サンプル１）
まず、厚さ０．５７５ｍｍのシリコン基板上に厚さ３００ｎｍの熱酸化膜を形成し、その上に下部電極層として、Ｔａ（３ｎｍ）／Ａｌ(６０ｎｍ)の積層膜を予め形成した後に、その上に図２に示した構成の記憶素子３を形成した。
具体的には、図２に示した構成の記憶素子３において、下地層１１を膜厚３ｎｍのＴａ膜、反強磁性層１２を膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜、磁化固定層３１を構成する強磁性層１３を膜厚２ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０膜（添え字は原子％）、積層フェリ構造の磁化固定層３１を構成する非磁性層１４を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、磁化固定層３１を構成する強磁性層１５を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、トンネル絶縁層となる絶縁層１６を膜厚０．８ｎｍのＡｌ膜を酸化した酸化アルミニウム膜、記憶層１７を膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、酸化物層１８を膜厚０．６ｎｍのＡｌ膜を酸化した酸化アルミニウム膜、キャップ層１９を膜厚５ｎｍのＴａ膜と選定して、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成１）として、記憶素子３を作製した。
膜構成１：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
なお、上記膜構成で、合金組成の示されていないＰｔＭｎの組成はＰｔ５０Ｍｎ５０（原子％）とした。
酸化アルミニウム膜から成る絶縁層１６及び酸化物層１８以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏｘ）膜から成る絶縁層１６及び酸化物層１８は、まず金属Ａｌ膜をＤＣスパッタ法により所定の厚さで堆積させた後に、金属Ａｌ層を酸化させた。
金属Ａｌ層の酸化の方法は、酸素プラズマによりプラズマ酸化する方法を採用し、圧力を１ｍＴｏｒｒ、パワーを４００Ｗとして、絶縁層１６には１０秒間、酸化物層１８には５秒間のプラズマ酸化を行った。
その後に、再び１×１０−７〜１×１０−８Ｔｏｒｒの高真空に排気して、次の層の成膜を行った。
さらに、記憶素子３の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、１０ｋＯｅ・３００℃及び３８０℃で２時間の熱処理を行い、反強磁性層１２のＰｔＭｎ膜の規則化熱処理及び高温耐久熱処理を行った。
【００７１】
次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してＡｒプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線（下部電極）を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ５ｎｍまでエッチングされた。
【００７２】
その後、電子ビーム描画装置により記憶素子３のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子３を形成した。記憶素子３部分以外は、下部電極層のＡｌ層直上までエッチングした。
【００７３】
なお、記憶素子の大きさを小さくしていき、Δ＝ＫｕＶ／ｋＴ（Ｋｕは異方性エネルギー、Ｖは磁性体の体積、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度である）の値が小さくなり過ぎると、磁性体の熱揺らぎ耐性の問題から、磁化の向きが不安定となり、磁化の方向の保持特性が不足する。一方、記憶素子の大きさを大きくし過ぎると、上述のΔが大きくなり過ぎるため、磁化反転に必要なスピントルクが大きくなって、より大きな電流密度が必要となると共に、面積が大きいことから、より大きな電流を記憶素子に流す必要がある。
そこで、記憶素子のパターンを、短軸７０ｎｍ×長軸１７０ｎｍの楕円形状とした。
トンネル絶縁層が破壊する電圧は、その材質や形成条件によって異なり、測定する記憶素子の大きさにもよるが、今回実験を行った範囲の絶縁層の形成条件では、およそ短軸７０ｎｍ×長軸１７０ｎｍの楕円形状の記憶素子に対して、およそ１．０〜１．２Ｖの範囲にあった。
【００７４】
次に、記憶素子３部分以外を、厚さ１００ｎｍ程度のＡｌ２Ｏ３のスパッタリングによって絶縁した。
その後、リフトオフにより記憶素子３の上面のコンタクトを形成した。
次に、Ｃｒ（２０ｎｍ）／Ｃｕ（１００ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）の充分に抵抗が低い上部電極層を形成して、フォトリソグラフィを用いて上部電極となるビット線及び測定用のパッド部分を形成して、記憶素子の試料を作製し、サンプル１の試料とした。
【００７５】
（膜構成２：サンプル２）
トンネルバリア層となる絶縁層１６を膜厚１．６ｎｍのＭｇＯ（酸化マグネシウム）膜により形成し、その他の構成は膜構成１と同様にして、記憶素子３を作製し、サンプル２の試料とした。ＭｇＯ膜は、ＭｇＯターゲットを用いてＲＦスパッタ法により酸化物を直接堆積させて形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成２）として、記憶素子を作製した。
膜構成２：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/MgO(1.6nm)/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
【００７６】
（膜構成３：サンプル３）
酸化物層１８を膜厚０．８ｎｍのＭｇＯ膜により形成し、その他の構成は膜構成２と同様にして、記憶素子３を作製し、サンプル３の試料とした。ＭｇＯ膜は、ＭｇＯターゲットを用いてＲＦスパッタ法により酸化物を直接堆積させて形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成３）として、記憶素子を作製した。
膜構成３：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/MgO(1.6nm)/CoFeB(3nm)/MgO(0.8nm)/Ta(5nm)
【００７７】
（膜構成４：サンプル４）
磁化固定層３１の反強磁性層１２側の強磁性層１３を膜厚２．５ｎｍのＣｏ膜により形成し、その他の構成は膜構成１と同様にして、記憶素子３を作製し、サンプル４の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成４）として、記憶素子を作製した。
膜構成４：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co(2.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
【００７８】
（膜構成５：サンプル５）
図２に示した記憶素子３を作製する代わりに、図３に示した記憶素子３０を作製した。
具体的には、図３に示した記憶素子３０において、下地層１１を膜厚３ｎｍのＴａ膜、酸化物層１８を膜厚０．６ｎｍのＡｌ膜を酸化した酸化アルミニウム膜、記憶層１７を膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、トンネル絶縁層となる絶縁層１６を膜厚０．８ｎｍのＡｌ膜を酸化した酸化アルミニウム膜、磁化固定層３１を構成する強磁性層１５を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜と膜厚１ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０膜（添え字は原子％）との積層膜、積層フェリ構造の磁化固定層３１を構成する非磁性層１４を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、磁化固定層３１を構成する強磁性層１３を膜厚２．５ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０膜、反強磁性層１２を膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜、キャップ層１９を膜厚５ｎｍのＴａ膜と選定して、各層を形成した。また、酸化物層１８及び絶縁層１６の酸化の条件は、それぞれサンプル１の酸化物層１８及び絶縁層１６の酸化条件と同一条件とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成５）として、記憶素子３０を作製した。
膜構成５：
Ta(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(2nm)/CoFe10(1nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
【００７９】
（膜構成６：サンプル６）
トンネルバリアとなる絶縁層１６及び酸化物層１８をそれぞれ形成する金属Ａｌ層の膜厚を０．５ｎｍと少し薄くして、また、絶縁層１６及び酸化物層１８の金属Ａｌ層を酸化する方法として、酸素を所定の圧力までチャンバー内に満たして所定の時間だけ放置する方法を採用し、その他の構成は膜構成１と同様にして、記憶素子３を作製し、サンプル６の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成６）として、記憶素子を作製した。
膜構成６：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.5nm)-Ox/Ta(5nm)
絶縁層１６は、圧力１０Ｔｏｒｒの酸素ガスにより６００秒酸化を行った。
酸化物層１８は、圧力１Ｔｏｒｒの酸素ガスにより６００秒酸化を行った。
【００８０】
（比較例）
上述したサンプル１〜サンプル６は、本発明の構成即ち実施例のサンプルであるが、これに対して、比較例として、本発明の構成以外の構成とした記憶素子のサンプルを作製した。
【００８１】
（膜構成７：サンプル７）
絶縁層１６までは膜構成１と同様に形成し、記憶層１７を膜厚２ｎｍのＣｏ９０Ｆｅ１０膜（添え字は原子％）により形成し、その上にキャップ層１９を形成した構成として、記憶素子を作製した。即ち、図２の酸化物層１８がなく、記憶層の上に直接キャップ層が形成された構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成７）として、記憶素子を作製した。
膜構成７：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/Co90Fe10(2nm)/Ta(5nm)
これを、サンプル７の記憶素子の試料とした。
【００８２】
（膜構成８：サンプル８）
記憶層１７までは膜構成１と同様に形成し、その上にキャップ層１９を形成した構成として、記憶素子を作製した。即ち、図２の酸化物層１８がなく、記憶層の上に直接キャップ層が形成された構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成８）として、記憶素子を作製した。
膜構成８：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Ta(5nm)
これを、サンプル８の記憶素子の試料とした。
【００８３】
（膜構成９：サンプル９）
磁化固定層３１の反強磁性層１２側の強磁性層１３のＣｏＦｅ膜の組成をＣｏ７５Ｆｅ２５（添え字は原子％）とした以外は、膜構成１と同様の構成として、記憶素子を作製した。即ち、反強磁性層１２側の強磁性層１３のＦｅ含有率を、サンプル１よりも多くした構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成９）として、記憶素子を作製した。
膜構成９：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co75Fe25(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
これを、サンプル９の記憶素子の試料とした。
【００８４】
（膜構成１０：サンプル１０）
磁化固定層３１の絶縁層１６側の強磁性層１５をＣｏ９０Ｆｅ１０膜とした以外は、膜構成１と同様の構成として、記憶素子を作製した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成１０）として、記憶素子を作製した。
膜構成１０：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/Al(0.8nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Al(0.6nm)-Ox/Ta(5nm)
これを、サンプル１０の記憶素子の試料とした。
【００８５】
（膜構成１１：サンプル１１）
記憶層１７までは膜構成６と同様に形成し、その上にキャップ層１９を形成した構成として、記憶素子を作製した。即ち、図２の酸化物層１８がなく、記憶層の上に直接キャップ層が形成された構成である。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成（膜構成１１）として、記憶素子を作製した。
膜構成１１：
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/CoFeB(3nm)/Ta(5nm)
これを、サンプル１１の記憶素子の試料とした。
【００８６】
上述の各サンプルの記憶素子に対して、それぞれ以下のようにして特性の評価を行った。
なお、測定に先立ち、記憶素子に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。
【００８７】
（面積抵抗値の測定）
ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が１０ｍＶとなるように調節し、外部磁界によって記憶層の磁化の向きを反転させて、記憶素子全体の面積抵抗値を測定した。
【００８８】
（熱処理後の抵抗変化率の測定）
また、３００℃で２時間の熱処理を行った記憶素子の試料と、３８０℃で２時間の熱処理を行った記憶素子の試料とを作製した。
それぞれの試料について、外部磁界により記憶層の磁化の向きを反転させて、抵抗−外部磁界の関係を調べた。
その後、抵抗が高い状態での抵抗値（高抵抗）と、抵抗が低い状態での抵抗値（低抵抗）とから、（高抵抗−低抵抗）／低抵抗の式により、抵抗変化率を算出した。
【００８９】
測定結果として、各サンプルの、記憶素子の低抵抗状態の面積抵抗値、並びに３００℃及び３８０℃の熱処理後の記憶素子の抵抗変化率を表１に示す。表１の各測定値は、それぞれのサンプルのウエハ上に作製された２００個の記憶素子を測定した値の平均値である。
【００９０】
【表１】
2006165059.tif 000003
【００９１】
以下、表１の結果に基づいて、本発明の記憶素子の構成とすることによる作用効果を考察する。
【００９２】
まず、本発明の実施例であるサンプル１と比較例であるサンプル７・サンプル８とを比較すると、サンプル１では、記憶層１７とキャップ層（保護層）１９との間に酸化物層１８を設けているのに対して、サンプル７及びサンプル８では酸化物層を設けないで記憶層の上に直接キャップ層を形成している。
そして、サンプル１においては、３００℃・２時間の熱処理後と、３８０℃・２時間の熱処理後において、抵抗変化率の差がほとんど見られない。
これに対して、比較例のサンプル７及びサンプル８においては、３００℃の熱処理後に比較して、３８０℃の熱処理後では抵抗変化率が大きく低下する。
また、記憶層の材料として、サンプル７ではＣｏＦｅを用いており、サンプル８ではＣｏＦｅＢを用いている。サンプル８の方が抵抗変化率の低下が大きい。
即ち、保護層と記憶層との間に酸化物層を設けないで、なおかつ、記憶層にＣｏＦｅＢ材料を用いている場合には、高温での劣化度合いが顕著である。
【００９３】
ここで、サンプル８の試料について、３００℃の熱処理後と３８０℃の熱処理後のそれぞれの記憶素子の積層膜をＡＥＳ（オージェ電子分光分析装置）で深さ方向の分析を行った。この分析結果から、記憶層中のボロンＢが保護層中に拡散し、また保護層に用いているＴａが記憶層中に拡散して、これらの界面が明確でなくなることに起因して、抵抗変化率が大きく劣化しているものと推定できる。
【００９４】
従って、記憶層とキャップ層（保護層）の間に設けた酸化物層は、拡散を抑止する層として機能していると考えられる。
また、酸化物層を設けているサンプル１と、設けていないサンプル７とでは、記憶素子の面積抵抗値にほとんど差が見られない。
従って、拡散防止用の酸化物層を設けたことによっては、寄生抵抗を生じて記憶素子の抵抗値に悪影響を及ぼすことはほとんどないと考えられる。
【００９５】
次に、実施例のサンプル２の結果について述べる。
サンプル２では、トンネルバリアとなる絶縁層１６にＭｇＯ膜を用いている。
表１のサンプル２の測定結果から、トンネルバリアとなる絶縁層１６にＭｇＯ膜を用いた場合でも、記憶層１７とキャップ層１９との間に酸化物層１８を設けることにより、記憶層１７に用いたＣｏＦｅＢ膜の磁気特性の劣化を防止できていること、並びに、３８０℃の熱処理後の抵抗変化率が３００℃の熱処理後の抵抗変化率よりも向上していることがわかる。このように３８０℃の熱処理後の抵抗変化率が向上しているのは、高温熱処理により、ＭｇＯ膜のトンネルバリアとしての特性が向上しているためと考えられる。
このことから、拡散防止用の酸化物層を設ける本発明の構成は、特に高い熱処理温度が必要とされる構成にとって有効であり、例えばＭｇＯ膜をトンネルバリアの絶縁層として用いる構成にとって好適である。
【００９６】
さらに、実施例のサンプル３では、絶縁層１６だけでなく、拡散防止用の酸化物層１８にもＭｇＯ膜を使用している。
そして、このサンプル３の場合も、拡散防止用の酸化物層１８にＡｌＯｘ膜を用いたサンプル２と同様に、高温熱処理での抵抗変化率の劣化が抑制され、高温熱処理後の抵抗変化率が向上している。
【００９７】
ここで、実施例のサンプル１及びサンプル４と、比較例のサンプル９及びサンプル１０について、表１に示した３００℃及び３８０℃でそれぞれ熱処理を行った後の試料の磁化方向固定磁界の大きさを測定した。測定結果を表２に示す。
【００９８】
【表２】
2006165059.tif 000004
【００９９】
次に、実施例のサンプル１及びサンプル４と、比較例のサンプル９とを比較する。
磁化固定層３１の反強磁性層１２側の強磁性層１３に、サンプル４はＣｏ膜を用いており、サンプル１はＣｏ９０原子％Ｆｅ１０原子％の組成のＣｏＦｅ膜を用いており、サンプル９はＣｏ７５原子％Ｆｅ２５原子％の組成のＣｏＦｅ膜を用いている。
即ち、強磁性層１３のＦｅ含有量が、サンプル４＜サンプル１＜サンプル９の順に大きくなっている。
【０１００】
表２の結果に示すように、これらの３つのサンプルでは、磁化固定層３１の強磁性層１３のＦｅ含有量が増加するに従い、高温熱処理後の固定磁界の大きさが減少していき、磁化固定層３１の安定性が劣化することがわかる。
従って、磁化固定層３１の反強磁性層１２側の強磁性層１３に用いるＣｏ−Ｆｅ材料の組成を、好ましくはＦｅ成分を２０原子％以下とし、より好ましくは１０原子％以下とする。
【０１０１】
次に、実施例のサンプル１と比較例のサンプル１０とを比較する。
サンプル１０は、磁化固定層３１の、トンネルバリアとなる絶縁層１６や記憶層１７の側にある強磁性層１５に、Ｃｏ９０原子％Ｆｅ１０原子％の組成のＣｏＦｅ膜を用いている。この強磁性層１５は、記憶層１７の磁化の向きの基準となるため、参照層とも称される。
そして、表２の結果に示すように、３００℃と３８０℃の両方の熱処理温度において、強磁性層（参照層）１５にＣｏＦｅＢ膜を用いているサンプル１と比較して、磁化固定磁界が小さくなっており、磁化固定層３１の安定性が劣っている。
従って、磁化固定層３１の絶縁層１６及び記憶層１７側にある強磁性層（参照層）１５に用いる磁性材料としては、ＣｏＦｅよりも、Ｂを含有させたＣｏＦｅＢが好適である。
なお、この強磁性層（参照層）１５に用いるＣｏＦｅＢ膜の組成比としては、抵抗変化率を大きくして、必要な耐熱性を得る観点から、Ｆｅの含有量が２０％以上であり、Ｂの含有量が１０〜３０％であることが望ましい。
【０１０２】
次に、実施例のサンプル１と実施例のサンプル５とを比較する。
実施例のサンプル１では、基板側に反強磁性層１２及び磁化固定層３１を配した構成であるが、サンプル５では、基板側に記憶層１７を配しており、サンプル１とは反強磁性層１２〜記憶層１７の各層が上下逆の構造となっている。
このような上下逆の構造とした場合でも、サンプル５のように下地層１１と記憶層１７との間に酸化物層１８を設けることによっても、表１の結果に示したように、サンプル１と同様な耐熱性向上の効果が得られることがわかる。
即ち、サンプル５のように、記憶層１７の上側に磁化固定層３１を配置した、いわゆるＴｏｐピン型の構成においても、本発明の効果が得られることがわかる。
【０１０３】
次に、実施例のサンプル６について考察する。
このサンプル６では、トンネルバリアとなる絶縁層１６及び拡散防止用の酸化物層１８を、スピン注入により記憶層１７の磁化の向きを反転させることが可能である領域まで低抵抗化させたものである。
表１に示したサンプル６の結果から、１５Ωμｍ２の低抵抗の記憶素子であっても、本発明の効果である耐熱性の向上が見られることがわかる。
【０１０４】
なお、このような低抵抗のトンネルバリアを有する構造においては、記憶層１７と保護層１９との間の拡散防止用の酸化物層１８はトンネルバリアの絶縁層１６よりも抵抗が低くなる条件で形成することが望ましい。
【０１０５】
次に、実施例のサンプル６と、比較例のサンプル１１とを比較する。
サンプル６では、記憶層１７とキャップ層（保護層）１９との間に酸化物層１８を設けているのに対して、サンプル１１では酸化物層を設けないで記憶層の上に直接キャップ層を形成している。その他の構成は同様となっている。
【０１０６】
これらサンプル６及びサンプル１１について、それぞれの３００℃２時間の熱処理後の試料で、磁化反転電流を測定した。
即ち、測定温度を室温２５℃として、記憶素子に流す電流量を変化させて、記憶素子の抵抗値の測定を行い、測定結果から抵抗−電流曲線を得た。なお、この抵抗−電流曲線を得る測定は、両極性（プラス方向及びマイナス方向）の電流について行った。
ここで、サンプル１１の抵抗−電流曲線の一例を図４に示す。
図４に示すように、ある一定以上の電流が印加されると、高抵抗状態から低抵抗状態へもしくはその逆へと変化し、磁化反転していることが確認できる。
【０１０７】
得られた抵抗−電流曲線から、抵抗値が変化する電流値を求めて、これを磁化の向きを反転させる反転電流値とした。両極性の電流について、この反転電流値を求めた。
なお、この反転電流の測定においては、磁化の向きが反転する閾値が、外部磁界によって変化するオフセットを生じる。このオフセットをなくすためには、（１）上述の抵抗変化率の測定において、予め抵抗−外部磁界の関係からＲＨループのオフセット磁界を求めておき、外部からオフセット分の磁界を印加しながら、反転電流を測定する、（２）外部からの印加磁界を変化させながら、反転電流の外部磁界依存性を測定する、の２つの方法が考えられる。ここでは、（１）の方法を採用して、測定を行った。
また、記憶素子の抵抗値によっても異なるが、およそ１．０〜１．２Ｖのバイアス電圧で、トンネル絶縁層が絶縁破壊することがわかっているため、印加電流の上限は０．８Ｖのバイアス電圧がかかる電流値までとした。
そして、＋と−の両極性の反転電流値（絶対値）の平均値から、反転電流密度を算出した。
【０１０８】
また、サンプル６及びサンプル１１の、反転電流値及び反転電流密度の測定結果を表３に示す。表３の各測定値は、３００℃２時間の熱処理後の試料で、１０個の記憶素子を測定した値の平均値である。
【０１０９】
【表３】
2006165059.tif 000005
【０１１０】
表３の結果から、実施例のサンプル６及び比較例のサンプル１１のいずれでもスピン注入による磁化反転が可能であることがわかる。
しかしながら、表１に示した測定結果から、比較例のサンプル１１では、熱処理温度を３８０℃と高くしたときに、抵抗変化率が大きく劣化しており、実施例のサンプル６と比較して、耐熱性が劣っていることがわかる。
【０１１１】
以上で述べたように、本発明の構成とすることにより、半導体プロセスで必要とされる３５０℃以上の高温熱処理に対しても、特性劣化が少ない記憶素子及びメモリを実現することができる。
特に、記憶素子の積層膜中に、ＭｇＯ等の比較的高い熱処理温度を要求される材料を用いた場合において、抵抗変化率をさらに向上して、なおかつ磁気特性の劣化を少なくすることができる。
【０１１２】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の一実施の形態のメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図２】図１の記憶素子の断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の記憶素子の断面図である。
【図４】サンプル１１の記憶素子の電流−抵抗特性を示す図である。
【図５】スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図６】図５のメモリの断面図である。
【図７】従来のＭＲＡＭの構成を模式的に示した斜視図である。
【符号の説明】
【０１１４】
３，３０  記憶素子、１１  下地層、１２  反強磁性層、１３，１５  強磁性層、１４  非磁性層、１６  絶縁層、１７  記憶層、１８  酸化物層、１９  キャップ層、３１  磁化固定層
【図１】
2006165059.tif 000006
【図２】
2006165059.tif 000007
【図３】
2006165059.tif 000008
【図４】
2006165059.tif 000009
【図５】
2006165059.tif 000010
【図６】
2006165059.tif 000011
【図７】
2006165059.tif 000012