(57)【要約】【課題】−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつきを小さくした磁気トンネル接合素子を提供すること。【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、磁化容易軸に磁化方向を保持する垂直保持層１５Ａと、高分極率磁性層１５Ｃと、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃの間に積層される磁気結合制御層１５Ｂと、を含み、磁気結合制御層１５Ｂのキュリー温度は、垂直保持層１５Ａのキュリー温度及び高分極率磁性層１５Ｃのキュリー温度より低く、磁気結合制御層１５Ｂは、温度上昇により垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃの磁気的結合を小さくする。【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、磁化容易軸に磁化方向を保持する垂直保持層と、高分極率磁性層と、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の間に積層される磁気結合制御層と、を含み、
前記磁気結合制御層のキュリー温度は、前記垂直保持層のキュリー温度及び前記高分極率磁性層のキュリー温度より低く、
前記磁気結合制御層は、温度上昇により前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の磁気的結合を小さくする、
磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
−４０℃〜＋１５０℃の温度範囲において、前記高分極率磁性層の磁気異方性定数が前記磁気結合制御層の磁気異方性定数以下である請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
−４０℃から＋１５０℃の温度範囲において前記垂直保持層の磁気異方性定数が前記磁気結合制御層の異方性定数より大きい請求項１または２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記磁気結合制御層は、Ｐｄ／ＰｄＣｏ、Ｐｔ／ＰｔＣｏ、Ｐｔ／ＮｉＣｏ、Ｐｄ／ＮｉＣｏ、Ｍｎ３Ｇｅ１−ｘＳｉｘ（０＜ｘ≦０．３（原子比）、Ｃ３８−（Ｍｎ０．８Ｃｒ０．２）ＧａＧｅ（原子比）、（Ｍｎ０．８Ｆｅ０．２）ＧａＧｅ（原子比）、ＲＥ−ＴＭ材料である（Ｇｄ１００−ｘＴｂｘ）ｚ（Ｆｅ１００−ｙＣｏｙ）１００−ｚ（０≦ｘ≦１００、０≦ｙ≦１００、２０＜ｚ＜３５）（ａｔ％）のいずれかを含む請求項１から３のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
前記磁気結合制御層の膜厚は２ｎｍ以下である請求項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】
前記磁気結合制御層は、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）相互作用を有する、ＣｏＰｄまたはＣｏＰｔを含む層、ＲｕまたはＩｒを含む層、ＣｏＰｄまたはＣｏＰｔを含む層の三層を含む請求項１から５のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項７】
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、磁化容易軸に磁化方向を保持する垂直保持層と、高分極率磁性層と、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の間に積層される磁気結合制御層と、を含み、
前記磁気結合制御層のキュリー温度は、前記垂直保持層のキュリー温度及び前記高分極率磁性層のキュリー温度より低く、
前記磁気結合制御層は、温度上昇により前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の磁気的結合を小さくする、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装置。
【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を有する磁気抵抗メモリ装置に関する。
【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抵抗素子は、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バリアー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材料の報告が少ない。また、垂直磁気異方性を持ち、高いスピン分極率を持っている材料は、実用的には界面磁気異方性を用いたＣｏＦｅＢ金属強磁性体材料しかなく、材料選択範囲が非常に狭いのが実状である。したがって、現在、高い垂直磁気異方性を持ち、高いスピン分極率を有する材料を、次世代メモリの基本構成材料として用いるのは困難である。
【０００５】
一方、上記解決策として、複合膜型記録層が提案されている。これは高いスピン分極率を持つ強磁性材料層と垂直磁気異方性が大きな垂直磁化保持層を結合させる方法である。例えば、特許文献１、２には、この複合膜構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１１６４７４号公報
【特許文献２】特開２０１６−０９２０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１、２に記載された複合膜型記録層は、恒温環境動作では問題なかったが、温度変化に伴い記録電流が変化してしまい、異なる温度で、磁化反転による記録が同じく行われる保証ができなかった。したがって、特許文献１、２に記載された複合膜型記録層は、−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつき（変化）を小さくすることが要求されている。
【０００８】
本発明は、−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつき（変化）を小さくした磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の磁気トンネル接合素子は、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、磁化容易軸に磁化方向を保持する垂直保持層と、高分極率磁性層と、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の間に積層される磁気結合制御層と、を含み、前記磁気結合制御層のキュリー温度は、前記垂直保持層のキュリー温度及び前記高分極率磁性層のキュリー温度より低く、前記磁気結合制御層は、温度上昇により前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の磁気的結合を小さくするようにした。
【００１０】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、−４０℃〜＋１５０℃の温度範囲において、前記高分極率磁性層の磁気異方性定数が前記磁気結合制御層の磁気異方性定数以下であるようにしてもよい。好ましくは、書き込み温度において、前記垂直保持層の磁気異方性定数が磁気結合制御層の磁気異方性定数より大きくなるようにしてもよい。また、一実施形態の磁気トンネル素子は、−４０℃から＋１５０℃の温度範囲において前記垂直保持層の磁気異方性定数が前記磁気結合制御層の異方性定数より大きくなるようにしてもよい。
【００１１】
一実施形態の磁気トンネル素子によれば、磁気結合制御層のキュリー温度が、垂直保持層のキュリー温度及び高分極率磁性層のキュリー温度より低く、磁気結合制御層が、温度上昇により垂直保持層と高分極率磁性層の磁気的結合を小さくすることにより、垂直保持層の磁化反転に必要な記録電流を減少することができる。また、一実施形態の磁気トンネル素子によれば−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつきを小さくできる。
【００１２】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記磁気結合制御層は、Ｐｄ／ＰｄＣｏ、Ｐｔ／ＰｔＣｏ、Ｐｔ／ＮｉＣｏ、Ｐｄ／ＮｉＣｏ、Ｍｎ３Ｇｅ１−ｘＳｉｘ（０＜ｘ≦０．３（原子比）、Ｃ３８−（Ｍｎ０．８Ｃｒ０．２）ＧａＧｅ（原子比）、（Ｍｎ０．８Ｆｅ０．２）ＧａＧｅ（原子比）、ＲＥ−ＴＭ材料である（Ｇｄ１００−ｘＴｂｘ）ｚ（Ｆｅ１００−ｙＣｏｙ）１００−ｚ（０≦ｘ≦１００、０≦ｙ≦１００、２０＜ｚ＜３５）（ａｔ％）のいずれかを含むようにしてもよい。
【００１３】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記磁気結合制御層の膜厚は２ｎｍ以下であるようにしてもよい。
【００１４】
一実施形態の磁気トンネル素子によれば、垂直保持層と前記高分極率磁性層が磁気的結合して、読み出し時に熱安定性を保つことができる。
【００１５】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、前記磁気結合制御層は、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）相互作用を有する、ＣｏＰｄまたはＣｏＰｔを含む層、ＲｕまたはＩｒを含む層、ＣｏＰｄまたはＣｏＰｔを含む層の三層を含むようにしてもよい。
【００１６】
一実施形態の磁気トンネル素子によれば、書き込み時の温度上昇により前記３層構造からなる磁気結合制御層はキュリー温度Ｔｃが低いために、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の磁気的結合を小さくできる。
【００１７】
一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、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、磁化容易軸に磁化方向を保持する垂直保持層と、高分極率磁性層と、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の間に積層される磁気結合制御層と、を含み、前記磁気結合制御層のキュリー温度は、前記垂直保持層のキュリー温度及び前記高分極率磁性層のキュリー温度より低く、前記磁気結合制御層は、温度上昇により前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の磁気的結合を小さくする、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。
【００１８】
一実施形態の磁気抵抗メモリ装置によれば、磁気結合制御層のキュリー温度が、垂直保持層のキュリー温度及び高分極率磁性層のキュリー温度より低く、磁気結合制御層が、温度上昇により垂直保持層と高分極率磁性層の磁気的結合を小さくすることにより、垂直保持層の磁化反転に必要な記録電流を減少することができる。また、一実施形態の磁気抵抗メモリによれば−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつきを小さくできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつきを小さくした磁気トンネル接合素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】二層構造を有する自由層の構造と磁気異方性定数Ｋｕの一例を示す図である。
【図６】多段階構造を有する自由層の構造と磁気異方性定数Ｋｕの一例を示す図である。
【図７】磁気結合制御層のキュリー温度以下での三層構造自由層の磁化曲線を示すグラフである。
【図８】磁気結合制御層のキュリー温度以上での三層構造自由層の磁化曲線を示すグラフである。
【図９】記録電流値と温度上昇の変化を示すグラフである。
【図１０】記録電流特性を示すグラフである。
【図１１】記録電流特性を示すグラフである。
【図１２】熱安定性指数の温度変化を示すグラフである。
【図１３】実施の形態２に係る磁気トンネル接合素子の断面図である。
【図１４】実施の形態３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】
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
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。
【００２３】
固定層１３は、磁化方向を所定の方向に維持する層である。固定層１３としては、自由層１５に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。即ち、実効的な磁気異方性Ｋｕｅｆｆ及び飽和磁化Ｍｓが大きく、また、磁気緩和定数αが大きい材料を選択することが好ましい。しかしながら、固定層１３を構成する材料は、特に限定されるものではなく、諸条件により任意の材料から選択することができる。例えば、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。
【００２４】
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。ＭｇＯ等の絶縁膜から構成されている。なお、絶縁層１４を構成する材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましく、前述したＭｇＯの他、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ等が挙げられるが、絶縁層１４としての機能に支障をきたさない限り、特に限定されるものではない。たとえば、スピネル型ＭｇＡｌ２Ｏ４なども用いることが可能である。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。
【００２５】
自由層１５は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化回転により、磁化方向が可変である層である。自由層１５は、垂直保持層１５Ａと、高分極率磁性層１５Ｃと、磁気結合制御層１５Ｂを備える。図１に示すように、これらの層は、絶縁層１４側から高分極率磁性層１５Ｃ、磁気結合制御層１５Ｂ、垂直保持層１５Ａの順に積層している。そして、垂直保持層１５Ａ上にキャップ層１６が積層している。また、自由層１５は、記録層、磁化自由層、または磁化可変層等とも呼ばれる。
【００２６】
垂直保持層１５Ａは、Ｌ１０型のＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＭｎＧａ合金、Ｄ０２２型のＭｎＧａ、ＭｎＧｅ合金、ＣｏとＰｄ、又は、ＣｏとＰｔを積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜、又はＣｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏやＰｄ、Ｐｔを原子稠密面に対して交互に積層した構造をもつＬ１１型のＣｏＰｄ合金、又は、ＣｏＰｔ合金を有し、磁化容易軸が膜面垂直方向を向く強磁性体から構成される、磁化容易軸に磁化方向を保持する層である。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ってもよい。例えば、垂直保持層１５Ａは、（Ｇｄ１００−ｘＴｂｘ）ｚ（Ｆｅ１００−ｙＣｏｙ）１００−ｚ（０≦ｘ≦１００、０≦ｙ≦１００、２０＜ｚ＜３５）（ａｔ％）を主成分とする層である。
【００２７】
また、垂直保持層１５Ａの膜厚は、少なくとも１ｎｍ以上とする必要がある。また、垂直保持層１５Ａの膜厚は、２nm 以上で５nm以下が好ましい。
【００２８】
高分極率磁性層１５Ｃ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１５Ｃ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１５Ｃ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。
【００２９】
磁気結合制御層１５Ｂは、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃの磁気的結合を制御する層である。具体的には、磁気結合制御層１５Ｂは、記録電流が流れるときの垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃの磁気的結合を、記録電流が流れていない時の磁気的結合より小さくする。また、読み出し電流が流れるとき、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃの磁気的結合を記録電流が流れる時の磁気的結合より大きくする。記録電流が流れる時の磁気トンネル接合素子の温度は、読み出し電流が流れるときの磁気トンネル接合素子の温度より高い。したがって、磁気結合制御層１５Ｂは、温度上昇により垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃの磁気的結合が小さくなるようにする層である。
【００３０】
磁気結合制御層１５Ｂのキュリー温度が、垂直保持層１５Ａのキュリー温度及び高分極率磁性層１５Ｃのキュリー温度より低く、垂直保持層１５Ａ、高分極率磁性層１５Ｃ及び磁気結合制御層１５Ｂの組合せとすることにより、磁気結合制御層１５Ｂが、温度上昇により垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃの磁気的結合が小さくすることができる。
【００３１】
具体的には、磁気結合制御層１５Ｂは、記録電流によって、素子温度が上昇する。磁気結合制御層１５Ｂのキュリー温度（例えば１４０℃）が垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃより低い。磁気結合制御層１５Ｂは、記録電流により、垂直磁気異方性が小さくなると同時に、熱擾乱が大きくなり、あたかも常磁性のようにふるまう。この結果、高分極率磁性層１５Ｃの磁化と垂直保持層１５Ａの磁化との結合が小さくなり、高分極率磁性層１５Ｃの磁化方向が面内方向に傾き、スピン流によって容易に磁気反転する。
【００３２】
なお、高分極率磁性層１５Ｃ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１５Ｃ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１５Ｃの磁化方向と同じとなるようにすることが望ましい。
【００３３】
したがって、磁気結合制御層１５Ｂは、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃ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、磁気結合制御層１５Ｂの膜厚は２ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
また、磁気結合制御層１５Ｂは、Ｐｄ／ＰｄＣｏ、Ｐｔ／ＰｔＣｏ、Ｐｄ／ＮｉＣｏ、Ｐｔ／ＮｉＣｏ、Ｍｎ３Ｇｅ１−ｘＳｉｘ（０＜ｘ≦０．３（原子比）、Ｃ３８−（Ｍｎ０．８ｘＣｒ０．２）ＧａＧｅ（原子比）、（Ｍｎ０．８Ｆｅ０．２）ＧａＧｅ（原子比）、ＲＥ−ＴＭ材料である（Ｇｄ１００−ｘＴｂｘ）ｚ（Ｆｅ１００−ｙＣｏｙ）１００−ｚ（０≦ｘ≦１００、０≦ｙ≦１００、２０＜ｚ＜３５）（ａｔ％）、のいずれかを含むことが好ましい。
【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、自由層１５の磁化反転電流が小さくなる原理について説明する。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１５Ｃ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に記録電流を流して、磁気トンネル接合素子１０の温度を上昇させると、図３に示す状態に変化する。キュリー温度が垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃより低い（例えば１４０℃）磁気結合制御層１５Ｂは、垂直磁気異方性が小さくなると同時に、熱擾乱が大きくなり常磁性のようにふるまう。この結果、高分極率磁性層１５Ｃの磁化と垂直保持層１５Ａの磁化との結合が小さくなり、高分極率磁性層１５Ｃの磁化方向が面内方向に傾き、スピン流によって容易に磁気反転する。図３の場合、高分極率磁性層１５Ｃの磁化方向は、下向きから上向きに変化する。この時の電流値は、従来の複合型ＭＴJと比較して著しく減少する。
【００３９】
そして、書き込み処理が終了した後、図４に示す状態になる。また、読み出し処理も図４に示す状態で行われる。読み出し電流は、記録電流より低いので、読み出し電流を磁気トンネル接合素子１０に流した時の温度は、記録電流を磁気トンネル接合素子１０に流した時の温度より低い。
【００４０】
このように、図２〜図４の各段階における温度及び自由層１５の各層の状態の違いにより、書き込み時に記録電流を低くすることができ、読み出し時に熱安定性を保つことができる。
【００４１】
次に、図３の状態の詳細について説明する。上述したように、書き込み時は、記憶電流により、磁気トンネル接合素子１０の温度を上昇することにより、高分極率磁性層１５Ｃの磁化と垂直保持層１５Ａの磁化との結合が小さくなり、高分極率磁性層１５Ｃの磁化方向が容易に磁気反転する。
【００４２】
更に、磁気異方性定数Ｋｕの観点で考えると、読み出し電流が流れる時の温度では垂直保持層１５Ａの磁気異方性定数Ｋｕ１、磁気結合制御層１５Ｂの磁気異方性定数Ｋｕ２、高分極率磁性層１５Ｃの磁気異方性定数Ｋｕ３は、Ｋｕ１≧Ｋｕ２＞Ｋｕ３の関係が成り立っている。
【００４３】
そして、記録電流により温度が上昇すると、磁気結合制御層のＴｃが低いために、Ｋｕ２の減少がＫｕ１の減少より大きく、Ｋｕ１＞Ｋｕ２≧Ｋｕ３の関係となる。すなわち、自由層１５は、磁気異方性定数Ｋｕが、膜厚方向に対して３段階に変化する構造（Ｇｒａｄｅｄ  Ｋｕ構造）となる。この自由層１５の構造は磁気記録で提案された三層構造（Graded−like）が二層構造（Exchange Spring like）に比べて磁化反転が容易なように、三層構造は、二層構造に比べて隣接する層のＫｕの差が小さく、垂直保持層１５Ａの磁化反転に必要な記録電流を減少させることができる。
【００４４】
図５は、二層構造を有する自由層の構造と磁気異方性定数Ｋｕの一例（Exchange Spring like）を示す図である。図５に示すように、自由層１５内の垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃとで、磁気異方性定数Ｋｕが大きく異なるので、垂直保持層１５Ａの磁化反転に必要な記録電流が大きくなる。
【００４５】
一方、図６は、多段階構造を有する自由層の構造と磁気異方性定数Ｋｕの一例（Graded−like）を示す図である。図６に示すように、自由層１５が、三段以上の層を有し、垂直磁化方向に対して、磁気異方性定数Ｋｕが緩やかに変化するように構成されている。図５では、隣り合う層間の、磁気異方性定数Ｋｕの差が小さいので、磁化反転に必要な記録電流が小さくなる。なお、実施の形態１では、自由層１５は、垂直保持層１５Ａと、高分極率磁性層１５Ｃと、磁気結合制御層１５Ｂを備える例について説明しているが、自由層１５を４層以上の構成とし、図６に示すように、垂直磁化方向に対して、磁気異方性定数Ｋｕが緩やかに変化するようにしてもよい。
【００４６】
次に、上述した原理に関して、検証実験を行った。検証実験は［Ｃｏ（０．４）／Ｐｄ（１．２）］３／［ＣｏＰｄ（０．３）／Ｐｄ（１．２）］３／［Ｃｏ（０．４）／Ｐｔ（１．２）］６多層膜を作成し、室温と１７２℃の磁化曲線を用いて説明する。［ＣｏＰｄ（０．３）／Ｐｄ（１．２）］３多層膜が磁気結合制御層１５Ｂの機能を有している。図７は、室温時の磁化曲線を示すグラフである。図７において、横軸は、磁界軸Ｈ（ｋＯｅ）を示し、縦軸はカー回転角θｋを示す。三層構造の自由層１５では、室温では垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃとが、磁気的に強く結合しているので、図７に示すように、段差のないヒステリシスループの形状になる。これは垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃとが共に磁化反転することが示される。
【００４７】
図８は、記録時に１７２℃に温度上昇した自由層１５のふるまいを示した磁化曲線のグラフである。図８において、横軸は、磁界軸Ｈ（ｋＯｅ）を示し、縦軸はカー回転角θｋを示す。記録時の自由層１５は、垂直保持層１５Ａと、高分極率磁性層１５Ｃと、磁気結合制御層１５Ｂを備え、記憶電流が流れる場合に、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃの磁気的結合が弱まるので、図８に示すように段差を有し、ヒステリシスループの形状から、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃとが、個別に磁化反転していることが示される。
【００４８】
すなわち、Ｔｃが小さな磁気結合制御層１５Ｂを有する三層構造の自由層１５では、記録時には垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃとが、個々に磁化反転するための記憶電流でよいので、より少ない記憶電流で磁化反転を行うことができる。
【００４９】
そして、読み出し時は磁気トンネル接合素子１０の温度が下がるため、熱的に安定にふるまう。熱安定性のためのエネルギーの大きさはＫｕ１ｈ１＋Ｋｕ２ｈ２＋Ｋｕ３ｈ３（ｈ１、ｈ２、ｈ３はそれぞれ垂直保持層、磁気結合制御層、高分極率磁性層の膜厚である。）に比例するため非常に安定である。読みとり時は、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｃとが共に強く結合して結合して、磁化反転が困難になる。垂直保持層１５ＡのＴｃは高分極率磁性層１５ＣのＴｃと同じく、磁気結合制御層１５ＢのＴｃより大きい。
【００５０】
検証実験に加えて、Landau-Lifshitz-Bloch（ＬＬＢ）方程式によるシミュレーションを用いて、記録電流特性を計算した。書き込み時の消費電流は、一例として、自由層１５の磁化が反転（スイッチング）したときの電流密度により評価した。
【００５１】
また、垂直保持層１５Ａ、磁気結合制御層１５Ｂ及び高分極率磁性層１５Ｃの詳細及び設定したパラメータを以下に記載する。
（１）垂直保持層１５Ａ
材料：室温用、高温用の２種類のＦｅＰｔ系材料を想定した。以下の表１にパラメータ（CGS Gauss表示）を示した。
磁化（Ｍｓ１）：１０００×１０３  Ａ／ｍ（１０００  ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ１）：７．８×１０５  Ｊ／ｍ３または８．５８×１０５  Ｊ／ｍ３（７．８または８．５８  Ｍｅｒｇ／ｃｃ）、室温での値
ダンピング定数α＝０．０１
キュリー温度（Ｔｃ１、Ｈｉｇｈ  Ｔｃ）：７００Ｋ
（２）磁気結合制御層１５Ｂ
材料：ＭｎＣｒＧａＧｅ、ＭｎＦｅＧａ系材料を想定した。以下の表１にパラメータ（CGS Gauss表示）を示した。
キュリー温度（Ｔｃ２、Ｌｏｗ  ＴＣ）：４５０ｋ、垂直磁気異方性定数（Ｋｕ２）：７．８×１０５Ｊ／ｍまたは８．５８×１０５Ｊ／ｍ（７．８または８．５８  Ｍｅｒｇ／ｃｃ）、磁化（Ｍｓ２）：６００×１０３Ａ／ｍ（６００  ｅｍｕ／ｃｃ）
なお、１５Ａ、１５ＢのＫｕが大きい場合をｈｉｇｈΔと呼ぶ。
（３）高分極率磁性層１５Ｃ
材料：ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣＦＭＳ材料を想定した。以下の表１にパラメータ（CGS Gauss表示）を示した。
磁化（Ｍｓ３）：１０００×１０３  Ａ／ｍ（１０００  ｅｍｕ／ｃｃ）
垂直磁気異方性定数（Ｋｕ３）：０  Ｊ／ｍ３（０  ｅｒｇ／ｃｃ）
ダンピング定数α＝０．０１
キュリー温度（Ｔｃ３、Ｈｉｇｈ  Ｔｃ）：７００Ｋ
【表１】
2019096815.tif 000003
【００５２】
なお、ここでは、括弧内のＣＧＳ単位で記載されたパラメータを、上記したＬＬＢシミュレーションに用いた。また、併記したＳＩ単位で記載されたパラメータは、括弧内のＣＧＳ単位で記載されたパラメータを、下記の（Ａ）、（Ｂ）を換算式として用いることにより、求められる。
１０ｅｒｇ／ｃｃ＝１Ｊ／ｍ３      …（Ａ）
１Ｇ＝１ｅｍｕ／ｃｃ ＝１×１０３Ａ／ｍ      …（Ｂ）
【００５３】
垂直保持層１５Ａの高さ（膜厚）は２ｎｍ（ｈ１＝２ｎｍ）、磁気結合制御層１５Ｂの高さは１．０ｎｍ（ｈ２＝１ｎｍ）、高分極率磁性層１５Ｃの高さは１ｎｍ（ｈ３＝１ｎｍ）とした。
【００５４】
自由層１５の直径Ｄ（幅）は２０ｎｍとした。ここでは、自由層１５が円柱であることを前提とし、自由層のサイズを表す値に自由層の断面の直径を用いた。なお、自由層のサイズは、自由層の断面が円である場合には直径を用い、楕円である場合には長径（長軸の長さ）を用いることができる。また、その他の形状である場合には、自由層に外接する外接円の直径を用いることができる。
【００５５】
温度上昇ΔＴをパラメータとし、記録電流値に応じて温度変化を２．１〜１２３℃に設定した。書き込み処理時の温度変化は図９に示すように推移した。図９は、記録電流値と温度上昇の変化を示すグラフである。自由層１５内では温度変化量は同じとした。
【００５６】
書き込み処理時の温度上昇は、自由層１５に生じ、以下のように温度が変化したと仮定した。
・記録電流を印加した後、自由層１５の温度が上昇し、１ナノ秒（ｎｓ）以内に飽和状態に到達した。
・その後記録電流を１０ナノ秒印加する。このときの素子温度は定常状態である。
・書き込み処理後、自由層１５の素子温度は、５ナノ秒以内に３００Ｋに降下した。
【００５７】
図１０及び図１１は、記録電流特性を示すグラフである。素子の動作温度を室温とした場合を図１０に示した。図１１は動作温度を−３０度、室温と１００度と変化させたときの記録電流特性を示す結果である。横軸は、磁化反転電流値を示し、縦軸は、反転確率を示す。図１０及び図１１では、ＴｃＣ構造の磁気トンネル接合素子、ＥｃＣ構造の磁気トンネル接合素子、実施の形態１の磁気トンネル接合素子（Ｎｅｗ：
室温付近で熱安定指数が約５７−６０）の室温における記録電流特性及び実施の形態１の磁気トンネル接合素子の熱安定性指数を向上させた素子h_delta（室温付近で熱安定指数が約７０となるよう表１のｈｉｇｈΔのＫｕを用いた）における記録電流特性が示されている。なお、ＴｃＣ構造は、Machida et al. IEEE Trans. Magn. DOI :TMAG.2711247(2017)で示されている構造である。また、ＥｃＣ構造は、Yulaev, et al. Appl.Phys. Lett. 99, 132502 (2011)で示されている構造である。
【００５８】
図１０では、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、ＴｃＣ構造の磁気トンネル接合素子及びＥｃＣ構造の磁気トンネル接合素子に比べて、記録電流値が約５０％に低減できていることが示されている。
【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、磁気結合制御層のキュリー温度が、垂直保持層のキュリー温度及び高分極率磁性層のキュリー温度より低く、磁気結合制御層が、温度上昇により垂直保持層と高分極率磁性層の磁気的結合を小さくすることにより、垂直保持層の磁化反転に必要な記録電流を減少することができる。
【００６０】
また、図１１に示すように、−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、垂直保持層の磁化反転に必要な記録電流を減少することができている。
【００６１】
図１２は、熱安定性指数の温度変化を示すグラフである。図１１において、横軸は、素子の読み出し時の動作温度を示し、縦軸は熱安定性指数ΔＫｕＶ／Ｋｔを示す。ここで、Ｋはボルツマン定数、ｔは温度である。
【００６２】
図１２に示すように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、ＴｃＣ構造の磁気トンネル接合素子及びＥｃＣ構造の磁気トンネル接合素子に比べて−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、熱安定性及び記録電流の変化が抑えられている。
【００６３】
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−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつきを小さくできる。
【００６４】
（実施の形態２）
実施の形態１では、磁気結合制御層１５Ｂが単層である例について説明したが、磁気結合制御層１５Ｂは複数の層で構成されていてもよい。実施の形態２では、磁気結合制御層１５Ｂが複数の層で構成された例について説明する。
【００６５】
図１３は、実施の形態２に係る磁気トンネル接合素子の断面図である。図１３において、図１と同一の構成については、同一の番号を付し、説明を省略する。
【００６６】
図１３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。そして、自由層１５は、垂直保持層１５Ａと、高分極率磁性層１５Ｃと、磁気結合制御層１５Ｂを備える。
【００６７】
磁気結合制御層１５Ｂは、第１層１５Ｄ、第２層１５Ｅ、及び第３層１５Ｆを備える。
第１層１５Ｄは、ＣｏＰｄまたはＣｏＰｔを含む層である。
第２層１５Ｅは、ＲｕまたはＩｒを含む層である。
第３層１５Ｆは、第１層１５Ｄと同じく、ＣｏＰｄまたはＣｏＰｔを含む層である。
【００６８】
以上の構成により、磁気結合制御層１５Ｂは、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）相互作用を有する３層構造となり、Ｒｕ、Ｉｒなどを用いると自由層の全体の磁化を小さくすることができ反転の高速化に有利であるという効果を奏する。
【００６９】
このように、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、垂直保持層と高分極率磁性層の間に積層される磁気結合制御層を、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）相互作用を有する低Ｔｃ−ＣｏＸ／Ｒｕ、Ｉｒ／低Ｔｃ−ＣｏＸの三層とすることにより−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつきを小さくできる。
（実施の形態３）
【００７０】
実施の形態３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。
【００７１】
図１４は、実施の形態３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１４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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
このように、実施の形態３の磁気抵抗メモリによれば、磁気結合制御層のキュリー温度が、垂直保持層のキュリー温度及び高分極率磁性層のキュリー温度より低く、磁気結合制御層が、温度上昇により垂直保持層と高分極率磁性層の磁気的結合を小さくすることにより、垂直保持層の磁化反転に必要な記録電流を減少することができる。また、実施の形態３の磁気抵抗メモリによれば、−４０℃から＋１５０℃の広い温度範囲で、記録電流のばらつきを小さくできる。
【００８０】
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。例えば、室温時垂直保持層の磁気異方性定数が磁気結合制御層のＫｕよりも小さくて、記録時に垂直保持層の磁気異方性が制御層の磁気異方性より小さくなるようなパラメータも同様な効果が期待できる。
【００８１】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、書き込み電流が磁気トンネル結合素子に流れる時の温度において、前記磁気結合制御層の磁気異方性定数が前記高分極率磁性層の磁気異方性定数以上であるようにしてもよい。
【００８２】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、書き込み電流が磁気トンネル結合素子に流れる時の温度において、前記高分極率磁性層の磁気異方性定数が０であるようにしてもよい。
【００８３】
一実施形態の磁気トンネル素子は、好ましくは、書き込み電流が磁気トンネル結合素子に流れる時の温度において、前記垂直保持層と磁気結合制御層の磁気異方性定数が等しく、室温より高い温度において、前記垂直保持層の磁気異方性定数が前記磁気結合制御層の磁気異方性定数より大きいようにしてもよい。また、磁気結合制御層１５Ｂは、異なる磁気異方性定数Ｋｕ２ａとｋｕ２ｂをもつ２層の結合制御層で構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１０  磁気トンネル接合素子
１１  基板
１２  バッファ層
１３  固定層
１３Ａ  ホイスラー合金膜を主成分とする層
１３Ｂ  多層膜
１４  絶縁層
１５  自由層
１５Ａ  垂直保持層
１５Ｂ  磁気結合制御層
１５Ｃ  高分極率磁性層
１５Ｄ  第１層
１５Ｅ  第２層
１５Ｆ  第３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  拡散領域
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】
2019096815.tif 000004
【図２】
2019096815.tif 000005
【図３】
2019096815.tif 000006
【図４】
2019096815.tif 000007
【図５】
2019096815.tif 000008
【図６】
2019096815.tif 000009
【図７】
2019096815.tif 000010
【図８】
2019096815.tif 000011
【図９】
2019096815.tif 000012
【図１０】
2019096815.tif 000013
【図１１】
2019096815.tif 000014
【図１２】
2019096815.tif 000015
【図１３】
2019096815.tif 000016
【図１４】
2019096815.tif 000017