(57)【要約】【課題】書き込み時に低電流で磁化反転を行うことができ、且つ熱安定性を向上させることができる磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリを提供すること。【解決手段】磁気トンネル接合素子１０は、磁化方向が可変である自由層１５と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層１３と、自由層１５と固定層１３との間に設けられた絶縁層１４と、を備え、自由層１５は、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂとを含み、垂直保持層１５Ａは、温度上昇により磁気異方性が垂直から面内に変化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が可変である自由層と、
磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、
前記自由層と前記固定層との間に設けられた絶縁層と、を備え、
前記自由層は、垂直保持層と高分極率磁性層とを含み、
前記垂直保持層は、温度上昇により磁気異方性が垂直から面内に変化する磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記垂直保持層は、磁化が０となる補償温度Ｔｎを有するフェリ磁性体を含む請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
前記垂直保持層は、磁気異方性が垂直から面内に変化する温度Ｔｋが２００℃以下である請求項２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記Ｔｎが−４０℃より小さく、
前記Ｔｋが１２５℃以上である請求項３に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記垂直保持層は、Ｇｄ、Ｆｅ及びＣｏからなる合金を主成分とする請求項１から４のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項６】
前記垂直保持層は、Ｇｄが２２ａｔ％以上である請求項５に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
前記垂直保持層と前記高分極率磁性層との間に積層され、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層に所定の磁気的な結合を保つ非磁性層を備える請求項１から４のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項８】
前記非磁性層の膜厚は１ｎｍ以下である請求項７に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項９】
磁化方向が可変である自由層と、
磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、
前記自由層と前記固定層との間に設けられた絶縁層と、を備え、
前記自由層は、垂直保持層と高分極率磁性層とを含み、
前記垂直保持層は、温度上昇により磁気異方性が垂直から面内に変化する磁気トンネル接合素子と、
前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備える磁気抵抗メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリに関し、特にスピン注入磁化反転効果を用いた、高集積の垂直磁化型ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）−ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）に用いられる磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直磁化を有し、磁気抵抗効果によって読み出しを行う磁気トンネル接合素子は、微細化に対する熱擾乱耐性が高く、次世代のメモリ等として期待されている。
【０００３】
この次世代メモリは、磁化方向が可変である自由層と、所定の磁化方向を維持する参照層と、この自由層と参照層との間に設けられた絶縁層を有する磁気トンネル接合層を備えた磁気トンネル接合（Magnetic tunnel junction:MTJ）素子から構成される。
【０００４】
このような次世代メモリの基本構成材料として、高垂直磁気異方性を有し、高いスピン分極率を持つ強磁性材料が要求されている。しかし、材料自体が垂直磁気異方性を持ち、実験的に高いスピン分極率を持っている例の報告は少ない。
【０００５】
例えば、特許文献１には、磁性体と熱アシスト層の複合層を備え、書き込み時に熱アシスト層により磁性層が過熱され、補償温度の前後で磁化方向が変化する磁気トンネル接合素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開２０１１／０３３８７３号
【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、特許文献１に記載された磁気トンネル接合素子では、熱アシスト層を加熱するので、書き込み時の加熱電流が必要になり、書き込み電流が増加するという問題があった。また、特許文献１に記載された磁気トンネル接合素子では、熱攪乱により記録の不揮発性が損なわれる問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態の磁気トンネル素子は、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、前記自由層と前記固定層との間に設けられた絶縁層と、を備え、前記自由層は、垂直保持層と高分極率磁性層とを含み、前記垂直保持層は、温度上昇により磁気異方性が垂直から面内に変化するようにした。
【０００９】
一実施形態の磁気トンネル素子によれば、書き込み時に温度上昇により垂直保持層の磁気異方性が垂直から面内に変化するので、垂直保持層と磁気的に結合している高分極率磁性層の垂直方向の磁化方向が変化させやすくなり、書き込み時に低電流で磁化反転を行うことができる。また、一実施形態の磁気トンネル素子によれば、温度低下により、垂直保持層の磁気異方性が面内から垂直に変化するので、垂直保持層と磁気的に結合している高分極率磁性層の垂直方向の磁化方向が変化しにくくなり、熱安定性を向上させることができる。
【００１０】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記垂直保持層は、磁化が０となる補償温度Ｔｎを有するフェリ磁性体を含むようにしてもよい。
【００１１】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記垂直保持層は、磁気異方性が垂直から面内に変化する温度Ｔｋが２００℃以下であるようにしてもよい。
【００１２】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記Ｔｎが−４０℃より小さく、前記ＴｋがＭＲＡＭの使用範囲＋１２５℃以上で１５０℃以下にするようにしてもよい。
【００１３】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記垂直保持層は、Ｇｄ、Ｆｅ及びＣｏからなる合金を主成分とするようにしてもよい。
【００１４】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記垂直保持層は、Ｇｄが２２ａｔ％以上であるようにしてもよい。
【００１５】
これらの磁気トンネル素子によれば、−４０℃〜＋１２５℃広範囲温度領域で、高信頼性を有することができる。
【００１６】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層との間に積層され、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層に所定の磁気的な結合を保つ非磁性層を備えるようにしてもよい。
【００１７】
好ましくは、一実施形態の磁気トンネル素子は、前記非磁性層の膜厚は１ｎｍ以下であるようにしてもよい。
【００１８】
これらの磁気トンネル素子によれば、高分極率磁性層の垂直磁化が反転する時に、面内磁化が反転を妨げる等必要以上に影響せず、且つ高分極率磁性層の垂直磁化が反転後に、垂直保持層の磁化方向が高分極率磁性層の磁化方向と同じとなるので、書き込み時に低電流で磁化反転を行うことができ、且つ熱安定性を向上させることができる。
【００１９】
一実施形態の磁気抵抗メモリは、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持する固定層と、前記自由層と前記固定層との間に設けられた絶縁層と、を備え、前記自由層は、垂直保持層と高分極率磁性層とを含み、前記垂直保持層は、温度上昇により磁気異方性が垂直から面内に変化する磁気トンネル接合素子と、前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備えるようにした。
【００２０】
一実施形態の磁気抵抗メモリによれば、書き込み時に温度上昇により垂直保持層の磁気異方性が垂直から面内に変化するので、垂直保持層と磁気的に結合している高分極率磁性層の垂直方向の磁化方向が変化させやすくなり、書き込み時に低電流で磁化反転を行うことができる。また、一実施形態の磁気抵抗メモリによれば、温度低下により、垂直保持層の磁気異方性が面内から垂直に変化するので、垂直保持層と磁気的に結合している高分極率磁性層の垂直方向の磁化方向が変化しにくくなり、熱安定性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリによれば、書き込み時に低電流で磁化反転を行うことができ、且つ熱安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子の書き換えプロセスを示す図である。
【図３】実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子の書き換えプロセスを示す図である。
【図４】実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子の書き換えプロセスを示す図である。
【図５】実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子の垂直保持層の磁気異方性と温度との関係を示すグラフである。
【図６】垂直保持層の温度と磁気異方性との関係を示すグラフである。
【図７】実施形態２に係る磁気抵抗メモリの一例の要部を表す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子の断面図である。図１において、磁気トンネル接合素子１０は、基板１１と、バッファ層１２と、固定層１３と、絶縁層１４と、自由層１５と、キャップ層１６と、を備える。
【００２４】
基板１１は、Ｓｉ基板である。例えば、基板１１は、熱酸化膜付きＳｉ基板、またはＳｉ単結晶基板が好適である。
【００２５】
バッファ層１２は、基板１１上に形成された安定化層である。具体的には、バッファ層１２は、Ｃｒ、Ｔａ、Ａｕ、Ｗ、ＰｔまたはＴｉを含む層である。
【００２６】
固定層１３は、ホイスラー合金膜を主成分とする層１３Ａと、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂとから構成される。好ましくはホイスラー合金膜を主成分とする層１３Ａは、Ｃｏ基フルホイスラー（Co-based full-Heusler）合金を主成分とする層である。具体的には、Ｃｏ基フルホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、またはＣｏ２ＣｒＡｌとすることができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂは、大きな垂直磁気異方性を持たせるために備えられている。図１に示すように、ホイスラー合金膜を主成分とする層１３Ａは、絶縁層１４と接合し、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂは、バッファ層１２と接合している。また、固定層１３は、参照層とも呼ばれる。
【００２７】
絶縁層１４は、絶縁物質を主成分とする層である。絶縁層１４は、強磁性を有する固定層１３及び自由層１５に挟まれている。そして、固定層１３及び自由層１５との接合面に対して垂直に電圧が印加されることにより、トンネル効果によって磁気トンネル接合素子１０に電流が流れる。
【００２８】
自由層１５は、垂直保持層１５Ａと、高分極率磁性層１５Ｂと、非磁性層１５Ｃを備える。図１に示すように、これらの層は、絶縁層１４側から垂直保持層１５Ａ、非磁性層１５Ｃ、高分極率磁性層１５Ｂの順に積層している。そして、高分極率磁性層１５Ｂにキャップ層１６が積層している。また、自由層１５は、記録層とも呼ばれる。
【００２９】
垂直保持層１５Ａは、磁化容易軸に磁化方向を保持する層である。以下、磁化容易軸と平行な方向を垂直方向、磁化容易軸に垂直な面を面内として説明する。そして、垂直保持層１５Ａは、温度上昇により磁気異方性が垂直から面内に変化する層である。例えば、垂直保持層１５Ａは、磁化が０となる補償温度Ｔｎを有するフェリ磁性体であってもよい。また、例えば、垂直保持層１５Ａは、ＲＥ−ＴＭ(Rare Earth - Transition Metal:希土類−遷移金属)合金を主成分とする層である。具体的には、垂直保持層１５Ａは、ＧｄxＦｅyＣｏz（ａｔ％）を主成分とする層である。ＧｄxＦｅyＣｏzとの表現は、Ｇｄがｘ（ａｔ％）含まれており、Ｆｅがｙ（ａｔ％）、Ｃｏがｚ（ａｔ％）、それぞれ含まれていることを意味する。例えば垂直保持層１５Ａは、Ｇｄ３２Ｆｅ６０Ｃｏ８を主成分とする層としてもよいし、Ｇｄ２２Ｆｅ６８Ｃｏ１０を主成分とする層としてもよい。
【００３０】
また、垂直保持層１５Ａの膜厚は、少なくとも３ｎｍ以上とする必要がある。また、垂直保持層１５Ａの膜厚は、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。なお、垂直保持層１５Ａにおける、温度変化による磁気異方性の変化の詳細については、後述する。
【００３１】
高分極率磁性層１５Ｂは、高いスピン偏極率を有する層である。例えば、高分極率磁性層１５Ｂは、Ｌ２１構造またはＢ２構造をもつホイスラー合金膜を主成分とする層である。好ましくは高分極率磁性層１５Ｂは、Ｃｏ基フルホイスラー合金を主成分とする層である。具体的には、Ｃｏ基フルホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、またはＣｏ２ＣｒＡｌとすることができる。または分極率が大きいＣｏＦｅＢ磁性層でも可能である。
【００３２】
非磁性層１５Ｃは、非磁性の物質からなる層である。具体的には、非磁性層１５Ｃは、Ｔａ、Ｐｔ、ＰｄまたはＷを主成分とする層である。非磁性層１５Ｃは、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂとの間に積層されることにより、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂとの磁気的結合力を制御する。
【００３３】
例えば、高分極率磁性層１５Ｂの垂直磁化が反転する時に、面内磁化が反転を妨げる等必要以上に影響しないように、且つ高分極率磁性層１５Ｂの垂直磁化が反転後に、垂直保持層１５Ａの磁化方向が高分極率磁性層１５Ｂの磁化方向と同じとなるようにすることが望ましい。
【００３４】
したがって、非磁性層１５Ｃは、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂが磁気的にカップリングできる程度の厚さとすることが望ましい。例えば、非磁性層１５Ｃの膜厚は１ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３５】
キャップ層１６は、自由層１５上に形成された安定化層である。具体的には、キャップ層１６は、Ｒｕ及びＴａを含む層である。
【００３６】
以上の構成により磁気トンネル接合素子１０は構成されている。次に、磁気トンネル接合素子１０の磁化方向を変化させるプロセスについて説明する。図２、図３及び図４は、実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子の書き換えプロセスを示す図である。図２、図３及び図４において、黒塗りの矢印は磁化方向を示す。
【００３７】
まず、図２に示すように、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂは、図面下向き（絶縁層１４向き）の垂直磁化となっている。
【００３８】
そして、磁気トンネル接合素子１０の温度を上昇させると、図３に示すように、垂直保持層１５Ａの磁気異方性は、垂直磁化から面内磁化に変化する。ここで、磁気トンネル接合素子１０にスピン電流を流すことにより、高分極率磁性層１５Ｂは、図面下向きの垂直磁化から図面上向き（キャップ層１６側）の垂直磁化に変化し、書き換えが行われる。
【００３９】
その後、温度が低下すると共に、垂直保持層１５Ａの磁気異方性は、面内磁化から垂直磁化に変化する。ここで、図４に示すように、垂直保持層１５Ａの磁気異方性は、高分極率磁性層１５Ｂと同じ図面上向きの垂直磁化に変化する。
【００４０】
以上のプロセスにより、磁気トンネル接合素子１０は磁化方向を変化させることができる。次に、垂直保持層１５Ａの磁気異方性と温度との関係について説明する。図５は、実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子の垂直保持層の磁気異方性と温度との関係を示すグラフである。図５において、縦軸は垂直保持層の垂直磁気異方性を示し、横軸は垂直保持層の温度を示す。また図５では、各温度の磁気異方性を図示している。
【００４１】
図５では、垂直保持層１５Ａの材料組成比（ａｔ％）がＧｄ２２Ｆｅ６８Ｃｏ１０からなる層である例についての磁化方向および磁気異方性と温度との関係を示している。なお、温度がＴｋ未満の領域では、ＭＮＥＴが常に図面上向きとなるように各元素の磁化との関係を示している。
【００４２】
図５において、温度Ｔ１では、希土類（ＲＥ）の磁化ＭＲＥは図面上向き、遷移金属（ＴＭ）の磁化ＭＴＭは図面下向きであり、垂直保持層１５Ａ全体の磁化ＭＮＥＴは図面上向きである。垂直保持層１５Ａの温度をＴ１からＴｎに上昇させると、希土類（ＲＥ）の磁化ＭＲＥと、遷移金属（ＴＭ）の磁化ＭＴＭとが打ち消し合い、垂直保持層１５Ａ全体の磁化ＭＮＥＴが０となる。この温度Ｔｎは補償点と呼ばれる。
【００４３】
さらに温度をＴｎからＴ２に上昇させると、遷移金属（ＴＭ）の磁化ＭＴＭが、希土類（ＲＥ）の磁化ＭＲＥに比べ優勢となり、垂直保持層１５Ａ全体の磁化ＭＮＥＴと、ＭＴＭが同じ向きとなる。さらに、垂直保持層１５Ａの温度をＴ２からＴｋに上昇させると、垂直保持層１５Ａの希土類（ＲＥ）の磁化ＭＲＥと、遷移金属（ＴＭ）の磁化ＭＴＭの大きさの関係で大きな垂直磁化となる。
垂直保持層１５Ａの温度をさらに上昇させてＴｋ以上になると磁気異方性が垂直から面内方向に変化する。この温度Ｔｋは、磁気異方性転移温度と定義できる。
【００４４】
図５は、垂直保持層のＴｃ（Curie temperature：キュリー温度）を下げずに、垂直保持層の希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）の組成を制御することにより磁気異方性の方向を制御して垂直保持層の磁化を垂直磁化から面内磁化に変化できることを示している。
【００４５】
そして、垂直保持層１５Ａの温度がＴｋ以上である時に、高分極率磁性層１５Ｂの磁化方向を変化させ（すなわち書き込み）、高分極率磁性層１５Ｂの磁化方向を変化させる前後（すなわち記録保持）では、垂直保持層１５Ａの温度をＴｎ以上、Ｔｋ未満とする。
【００４６】
したがって、磁気異方性転移温度Ｔｋが、垂直保持層１５Ａの動作環境の温度以上となり、補償点の温度Ｔｎが、垂直保持層１５Ａの動作環境の温度未満となるように、垂直保持層の希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）の組成を制御することが望ましい。例えば補償点の温度Ｔｎを−４０℃とする希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）の組成とすることにより、一般的な地球環境での温度で安定的に動作する磁気トンネル接合素子デバイスを提供することができる
【００４７】
そして、磁気異方性転移温度Ｔｋは、垂直保持層１５Ａの希土類（図５の場合Ｇｄ）の比率を増加させることにより高温側シフトさせることができる。
【００４８】
例えば、垂直保持層１５Ａの材料組成比（ａｔ％）がＧｄ２２Ｆｅ６８Ｃｏ１０からなる層とした場合、垂直保持層１５Ａが温度２５０Ｋを境に磁気異方性が垂直から面内に変化するので、垂直保持層の磁化は２５０Ｋ以下の温度で良好な熱安定性が得られる。
【００４９】
また例えば、組成及び／または膜厚を変えることにより４００Ｋ付近で応答するものが作成可能である。垂直保持層１５Ａの希土類（図５の場合Ｇｄ）の比率を３〜１０ａｔ％増加させる、例えばＧｄ３２ａｔ％に増加させ、さらには垂直保持層１５Ａの薄膜化、成膜プロセス条件の最適化により、垂直保持層１５ＡのＴｋは４００Ｋ程度とすることができる。
【００５０】
このように、希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）の組成を変化させて、磁気異方性転移温度Ｔｋを４００Ｋ付近にすることにより、−４０℃〜＋１２５℃広範囲温度領域で、高信頼性を有する磁気トンネル接合素子デバイスが得られる。ＭＲＡＭで要求されている動作温度範囲−４０℃〜＋１２５℃を満たすので、実施の形態１の磁気トンネル接合素子デバイスをＭＲＡＭに適用することにより、上記要求を満たすことができる。
【００５１】
次に、実施の形態１の磁気トンネル接合素子と他の構造と磁気トンネル接合素子との比較例について説明する。図６は、垂直保持層の温度と磁気異方性との関係を示すグラフである。図６において縦軸は磁気異方性エネルギーを示し、横軸は温度をキュリー温度で除算した比を示す。
【００５２】
図６では、ＥＣＣ（Exchange Coupled Composite）構造、ＴｃＣ（TC Controlled:キュリー温度制御）構造、実施の形態１のＫｕＣ（Ku Controled:磁気異方性制御）構造の例を示している。
【００５３】
ＥＣＣ構造及びＴｃＣ構造は、２つの磁性層の間に磁気的結合制御層を具備することにより、磁気的な結合を制御して、磁化の熱的安定性を保持すると同時に磁化反転電流を小さくすることを検討した構造の一例である。ＥＣＣ構造は、硬磁性領域の上に軟磁性領域を積層させた構造である。またＴｃＣ構造は垂直保持層のＣｕｒｉｅ温度を小さくした構造である。
【００５４】
図６に示すように、ＥＣＣ構造の垂直保持層では、垂直保持層の温度が上昇するに従い、磁気異方性エネルギーが低下するが、磁気異方性エネルギーは０以上である。同様にＴｃＣ構造の垂直保持層でも、垂直保持層の温度が上昇するに従い、磁気異方性エネルギーが低下するが、磁気異方性エネルギーは０以上である。
【００５５】
したがって、ＥＣＣ構造及びＴｃＣ構造では、書き込み時に垂直保持層の温度上昇をさせても、磁気異方性エネルギーは負の値にならない、すなわち磁気異方性が垂直のままである。この結果、書き込み時に高分極率磁性層の磁化方向を変化させる際に、垂直保持層の垂直磁気異方性がこの変化の妨げとなる影響を及ぼす。
【００５６】
一方、実施の形態１のＫｕＣ構造の垂直保持層では、垂直保持層の温度がＴｋ（磁気異方性が垂直から面内に変化する磁気異方性転移温度）を超えたところで、磁気異方性エネルギーが正の値から負の値に変化する、すなわち磁気異方性が垂直から面内に変化する。
【００５７】
したがって、実施の形態１のＫｕＣ構造の垂直保持層では、書き込み時に垂直保持層の温度上昇をさせると、磁気異方性エネルギーは負の値になり、すなわち磁気異方性が垂直から面内に変化する。この結果、書き込み時に高分極率磁性層の磁化方向を変化させる際に、垂直保持層の磁気異方性がこの変化の妨げとなる影響は少ない。
【００５８】
また、図６に示すように、垂直保持層の温度がＴｋ以下での磁気異方性エネルギーは実施の形態１のＫｕＣ構造の垂直保持層が最も高く、また温度変化に伴う磁気異方性エネルギーの変化が最も少ない。したがって、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、熱安定性が他の構造よりも高い。
【００５９】
このように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、書き込み時に温度上昇により垂直保持層の磁気異方性が垂直から面内に変化するので、垂直保持層と磁気的に結合している高分極率磁性層の垂直方向の磁化方向が変化させやすくなり、書き込み時に低電流で磁化反転を行うことができる。また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、温度低下により、垂直保持層の磁気異方性が面内から垂直に変化するので、垂直保持層と磁気的に結合している高分極率磁性層の垂直方向の磁化方向が変化しにくくなり、熱安定性を向上させることができる。
（実施の形態２）
【００６０】
実施の形態２では、実施の形態１の磁気トンネル接合素子を用いた磁気抵抗メモリについて説明する。
【００６１】
図７は、実施形態２に係る磁気抵抗メモリの一例の要部を表す斜視図である。
図７において、磁気抵抗メモリは、メモリセル３０、ビット線３１、コンタクトプラグ３５及び３７、及びワード線３８を備える。
【００６２】
メモリセル３０は、半導体基板３２、拡散領域３３及び３４、ソース線３６、ゲート絶縁膜３９及び磁気トンネル接合素子１０を備える。磁気トンネル接合素子１０は、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０に対応するが、実施の形態２の磁気トンネル接合素子２０を用いてもよい。
【００６３】
磁気抵抗メモリは、複数のメモリセル３０をマトリクス状に配置し、複数本のビット線１及び複数本のワード線３８を用いて、互いに接続することにより形成される。ＭＲＡＭは、スピントルク注入方式を用いて、データの書き込み処理が実行される。
【００６４】
半導体基板３２は、上面に拡散領域３３及び３４を有し、拡散領域３３は、拡散領域３４から所定の間隔を空けて配置されている。拡散領域３３はドレイン領域として機能し、拡散領域３４はソース領域として機能する。拡散領域３３は、コンタクトプラグ３７を介して磁気トンネル接合素子１０に接続される。
【００６５】
ビット線側電極３１は、半導体基板３２の上方に配置されるとともに、磁気トンネル接合素子１０に接続される。ビット線３１は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。
【００６６】
拡散領域３４はコンタクトプラグ３５を介してソース線３６に接続される。ソース線３６は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。
【００６７】
ワード線３８は、拡散領域３３及び拡散領域３４に接するように、ゲート絶縁膜３９を介して半導体基板３２に配置される。ワード線３８とゲート絶縁膜３９とは、選択トランジスタとして機能する。ワード線３８は、図示しない回路から電流を供給されて活性化し、選択トランジスタとしてターンオンする。
【００６８】
この磁気抵抗メモリは、ビット線３１と拡散領域３３とが電極として、磁気トンネル接合素子１０に電圧を印加し、電圧印加により一定方向に揃えられた電子のスピントルクが強磁性体層の磁化方向を変化させる。そして、電流方向を変えることにより、磁気抵抗メモリに記録されるデータの値を変えることができる。
【００６９】
このように、実施の形態２の磁気抵抗メモリによれば、書き込み時に温度上昇により垂直保持層の磁気異方性が垂直から面内に変化するので、垂直保持層と磁気的に結合している高分極率磁性層の垂直方向の磁化方向が変化させやすくなり、書き込み時に低電流で磁化反転を行うことができる。また、実施の形態２の磁気抵抗メモリによれば、温度低下により、垂直保持層の磁気異方性が面内から垂直に変化するので、垂直保持層と磁気的に結合している高分極率磁性層の垂直方向の磁化方向が変化しにくくなり、熱安定性を向上させることができる。
【００７０】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。実施の形態１及び実施の形態２では、バッファ層１２、固定層１３、絶縁層１４、自由層１５、キャップ層１６の順に積層しているが、例えば、バッファ層１２、自由層１５、絶縁層１４、固定層１３、キャップ層１６の順に積層してもよい。
【００７１】
また、垂直保持層は、フェリ磁性体を含むことが望ましく、好ましくはＧｄ、Ｆｅ及びＣｏからなる合金を主成分とするが、温度上昇により磁気異方性が垂直から面内に変化するものであれば、垂直保持層は他の成分を含んでも良い。
【００７２】
また、上記実施の形態では、補償点の温度Ｔｎを−４０℃とする希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）の組成とする例について説明しているが、Ｔｎを−４０℃より低い温度とする希土類（ＲＥ）−遷移金属（ＴＭ）の組成としてもよい。この場合、宇宙環境でも安定的に動作できる磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリを提供することができる。
【００７３】
また、図５では、温度がＴｋ未満の領域では、ＭＮＥＴが常に図面上向きとなるように各元素の磁化との関係を示す例について説明しているが、ＭＮＥＴは図面下向きとなってもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０  磁気トンネル接合素子
１１  基板
１２  バッファ層
１３  固定層
１４  絶縁層
１５  自由層
１５Ａ  垂直保持層
１５Ｂ  高分極率磁性層
１５Ｃ  非磁性層
１６  キャップ層
２０  磁気トンネル接合素子
３０  メモリセル
３１  ビット線
３２  半導体基板
３３、３４  拡散領域
３５、３７  コンタクトプラグ
３６  ソース線
３８  ワード線
３９  ゲート絶縁膜
【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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