(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式ＦｅｘＮｉｙＢｚ［但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．２ｘ≦ｙ≦４ｘ、０．１（ｘ＋ｙ）≦ｚ≦０．４（ｘ＋ｙ）］を主成分とし、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化反転可能な磁性層と、
塩化ナトリウム構造又はスピネル構造の酸化物からなり、前記磁性層の一方の面に接して形成されている酸化物層と、
前記磁性層の前記酸化物層が形成されている面の反対面に形成されているホウ素を吸着する元素を含む層と、を備える
記憶素子。
【請求項２】
前記ホウ素を吸着する元素を含む層は、前記ホウ素を吸着する元素としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ及びＹから選ばれる少なくとも１種類以上が含まれている請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
前記ホウ素を吸着する元素を含む層が、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ及びＹから選ばれる少なくとも１種類以上の元素と、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選ばれる少なくとも１種類以上の元素とからなる合金で形成されている請求項２に記載の記憶素子。
【請求項４】
前記磁性層と、前記磁性層に記録される情報の基準となる層とが、前記酸化物層を介して積層されている請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
前記磁性層の厚さが０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である請求項１に記載の記憶素子。
【請求項６】
前記酸化物層がＭｇＯ、又は、ＭｇＡｌ２Ｏ４からなる請求項１に記載の記憶素子。
【請求項７】
組成式ＦｅｘＮｉｙＢｚ［但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．２ｘ≦ｙ≦４ｘ、０．１（ｘ＋ｙ）≦ｚ≦０．４（ｘ＋ｙ）］で表される膜面に垂直方向の磁気異方性をし、磁化反転可能な磁性層、塩化ナトリウム構造又はスピネル構造の酸化物からなり、前記磁性層の一方の面に接して形成されている酸化物層、及び、前記磁性層の前記酸化物層が形成されている面の反対面に形成されているホウ素を吸着する元素を含む層を有する記憶素子と、
前記記憶素子に電流を供給する配線と、を備える
メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜面に対して垂直な磁気異方性を有する磁性層を備える記憶素子、及び、この記憶素子を用いたメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の情報機器ではランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。しかし、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のメモリが望まれている。不揮発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。
【０００３】
ＭＲＡＭの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、特許文献１参照）がある。このなかで、素子のサイズが小さくなるのに伴い記録電流を小さくできるスピン注入磁化反転が注目されている。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、特許文献２参照）が検討されている。さらに磁壁の移動を利用して高密度の記録を行う方法（例えば、特許文献３参照）が考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９３５９５号公報
【特許文献２】特開２００９−８１２１５号公報
【特許文献３】特開２０１０−９８２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの磁気メモリに用いる垂直磁化膜は、スピントルクを効果的に働かせるため磁気制動定数が小さい必要がある。しかしながら、一般的に知られているＴｂＦｅＣｏやＣｏＰｔ等の垂直磁化膜は、磁気制動定数が大きく、上記のようなスピントルクを利用した磁気メモリには適さない。また、磁気トンネル接合を形成したときの磁気抵抗変化が小さい問題もある。
【０００６】
上述した問題の解決のため、本発明においては、磁気制動定数が小さく、駆動電流の低減が可能な記憶素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の記憶素子は、組成式ＦｅｘＮｉｙＢｚ［但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．２ｘ≦ｙ≦４ｘ、０．１（ｘ＋ｙ）≦ｚ≦０．４（ｘ＋ｙ）］を主成分とし、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化反転可能な磁性層を有する。そして、磁性層の一方の面に接し、塩化ナトリウム構造又はスピネル構造の酸化物からなる酸化物層を備える。また、磁性層の前記酸化物層が形成されている面の反対面に形成されているホウ素を吸着する元素を含む層を備える。
また、本発明のメモリは、上記記憶素子と、この記憶素子に電流を供給する配線とを備える。
【０００８】
本発明の記憶素子及びメモリによれば、上述の組成の磁性層を塩化ナトリウム構造又はスピネル構造の酸化物層上に形成することにより、磁気制動定数が小さく安定した垂直磁化を有する磁性層を形成することができる。このため、低い電流で高速に動作可能な記憶素子を実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、磁気制動定数が小さく、駆動電流の低減が可能な記憶素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態のメモリの概略構成図である。
【図２】実験例１及び実験例２の試料について、磁性層の厚さに対する磁気異方性の変化を示す図である。
【図３】実験例３の試料について、ホウ素の組成比ｘと垂直異方性磁場Ｈｋの関係を示す図である。
【図４】実験例６の試料について、Ｎｉの組成比ｘと垂直異方性磁場及び磁気制動定数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．本発明の記憶素子の実施の形態
２．本実施の形態の記憶素子の実験例
【００１２】
〈１．本発明の記憶素子の実施の形態〉
［メモリの構成例］
本発明の実施の形態のメモリの概略構成図（断面図）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として、ドレイン領域８、ソース領域７、及びゲート電極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、基板上に複数形成される選択用トランジスタに共通して設けられ、このドレイン領域８には配線が接続される。
【００１３】
ソース領域７と、上方に配置されたアドレス配線（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磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子３は、一方のアドレス配線（ゲート電極）１と、もう一方のアドレス配線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（アドレス配線）６と、コンタクト層４を介してソース領域７とに接続されている。
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に電流を供給することができる。そして、記憶素子３に上下方向（記憶素子３の積層方向）の電流を流すことで、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。
【００１４】
［記憶素子の構成例］
次に、本実施の形態の記憶素子３について説明する。
図１に示すように、この記憶素子３は、コンタクト層４上に、下地層１２、磁化固定層（参照層）１４、酸化物層１５、磁性層１６、及び、ホウ素吸着層１７が順次積層された積層構造を有する。そして、ホウ素吸着層１７上に図示しない上部電極が設けられ、下地層１２の底部に図示しない下部電極が設けられる。さらに、上部電極にビット線と接続される配線が設けられて記憶素子３が構成される。
【００１５】
記憶素子３は、一軸異方性を有する磁性層１６の磁化Ｍ１の方向により情報の記憶が行われる。また、膜面垂直方向に電流を印加し、記憶層にスピントルク磁化反転を発生させることで書込みが行われる。
スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する磁性層１６に対して、下層に磁化固定層１４が設けられている。磁性層１６と磁化固定層１４との間には、酸化物層１５が設けられ、磁性層１６と磁化固定層１４とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
【００１６】
［記憶素子：磁化固定層］
磁化固定層１４は、強磁性層のみにより形成されていてもよく、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してもよい。また、磁化固定層１４は、単層の強磁性層から成る構成、或いは、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層した積層フェリ構造である。
磁化固定層１４を積層フェリ構造としたときは、磁化固定層の外部磁界に対する感度を低下させることができるため、外部磁界による磁化固定層の不要な磁化変動を抑制し、記憶素子を安定して動作させることができる。さらに、各強磁性層の厚さを調整することができ、磁化固定層からの漏洩磁界を抑えることができる。
磁化固定層１４は、磁性層１６よりも磁化反転電流が大きい必要があるため、磁性層１６よりも厚さを大きくする必要がある。磁化固定層１４は、磁性層１６との反転電流差が充分に大きな差となる、例えば１ｎｍ〜４０ｎｍで構成される。
【００１７】
磁化固定層１４を構成する強磁性層の材料としては、例えば、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ及びＮｉのうち１つ以上の元素を含む合金を用いることができる。例えば、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＴａ及びＣｏＣｒＰｔ等を用いることができる。また、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄと遷移金属とのアモルファス合金を用いることができる。例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ及びＴｂＦｅＣｏ等を用いることができる。積層フェリ構造を形成する非磁性層の材料としては、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｏｓ又はこれらの合金等を用いることができる。
【００１８】
［記憶素子：酸化物層］
酸化物層１５は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）構造又はスピネル構造の酸化物から構成される。
塩化ナトリウム構造の酸化物としては、例えば、ＭｇＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、及び、ＴｉＯ等が利用可能である。特に、ＭｇＯを用いた場合に、安定した垂直磁気異方性が得られると同時に、トンネルバリア層として用いると大きな磁気抵抗（ＭＲ）比が得られるため、磁気メモリに用いるには好適である。
スピネル構造の酸化物層としては、例えば、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＦｅＡｌ２Ｏ４、ＣｏＡｌ２Ｏ４、ＭｇＣｒ２Ｏ４、及び、ＭｇＧａ２Ｏ４等が利用可能である。特に、ＭｇＡｌ２Ｏ４を用いると大きな垂直磁気異方性と大きなＭＲ比が得られ好適である。
【００１９】
これらの酸化物の作製は酸化物ターゲットを用いたｒｆスパッタリング法で作製してもよいし、金属ターゲットを酸素雰囲気中で成膜してもよい。また、金属膜を成膜した後に、酸素雰囲気若しくは酸素を含むプラズマ雰囲気中で適当な時間放置して酸化させてもよく、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いてもよい。
【００２０】
［記憶素子：磁性層］
磁性層１６は、組成式ＦｅｘＮｉｙＢｚで表され、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．２ｘ≦ｙ≦４ｘ、及び、０．１（ｘ＋ｙ）≦ｚ≦０．４（ｘ＋ｙ）の関係を満たす磁性体を主成分として構成される。
【００２１】
磁性層１６に含まれるＮｉ量は、Ｆｅに対して原子比で０．２倍以上４倍以下である。磁性層１６は、Ｆｅに加えてＮｉを含む方が、保磁力が大きくなり、垂直磁化膜として優れる。また、Ｎｉの含有量が多過ぎると、垂直磁気異方性が低下する。このため、ＮｉはＦｅに対して原子比で０．２倍以上４倍以下とすることが好ましい。
また、磁性層１６に含まれるホウ素量は、ＦｅとＮｉの総量に対して原子比で０．１倍以上０．４倍以下である。磁性層１６におけるホウ素量をこの範囲とすることにより、安定した垂直磁気異方性が得られる。
また、磁性層１６の特性改善のために、Ｆｅ、Ｎｉ及びホウ素以外の元素を添加してもよい。
【００２２】
磁性層１６中に含まれるホウ素は、磁性層１６上にホウ素吸着層１７を形成した後に熱処理を行うことにより、ホウ素吸着層１７側に拡散する。このため、磁性層１６の形成時と、記憶素子を形成して熱処理を行った後とでは、磁性層１６に含まれるホウ素量に差がある。上述の磁性層１６中のホウ素の組成比は、熱処理後の磁性層のホウ素について規定する。磁性層１６の形成時に含まれていたホウ素原子は熱処理によって主にホウ素吸着層側に拡散していくが、磁性層及びその端から１ｎｍ以内に含まれるホウ素原子の量を上述の範囲とすることで、安定した垂直磁気異方性が得られる。
【００２３】
磁性層１６の厚さは、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることが好ましい。磁性層１６の厚さを０．５ｎｍより薄くした場合には、記憶素子の記録層として充分な磁化が得られ難い。また、２ｎｍより厚い場合は磁性層１６に垂直磁化が得られ難い。
【００２４】
また、磁性層１６は、上述の元素からなる単層膜でもよく、また、例えばＦｅ層とＮｉＢ層のように、Ｆｅと含む層と、ホウ素を含む層と複数層に分かれていてもよい。
磁性層１６は、酸化物層１５に接する部分に多くのＦｅが含まれている方が、垂直磁気異方性やＭＲ比を大きくすることができる。しかし、酸化物層１５から離れた部分に多くのＦｅが含まれていると、垂直磁気異方性の低下が大きくなる。このため、磁性層１６の膜厚を厚くする場合は、Ｆｅ層とＮｉＢ層のように複数層に分けて形成することが好ましい。
このとき、酸化物層１５側にＦｅを含む層が形成され、ホウ素吸着層１７側にホウ素を含む層が形成される。磁性層１６を複数層から形成する場合にも、上述の理由により磁性層全体の厚さを０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００２５】
磁性層１６の作製方法としては金属とホウ素との化合物ターゲット若しくは混合物ターゲットを用いてスパッタリング法によって作製することができる。また、例えば、ＣＶＤ法で形成してもよく、ＦｅとＮｉとの金属層を形成した後に、イオン注入などの方法でホウ素原子を金属層中に導入することもできる。
【００２６】
［記憶素子：ホウ素吸着層］
ホウ素吸着層１７は、ホウ素を吸着する元素（ホウ素吸着元素）を含む層であり、上述のホウ素を含む磁性層１６内のホウ素量を調整するために形成される。ホウ素吸着層１７は、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ及びＹから選ばれる少なくとも１つ以上の元素をホウ素吸着元素として含む。ホウ素吸着層１７を磁性層１６上に配置し、適当な熱処理を行うことにより、磁性層１６中のホウ素がホウ素吸着層１７の元素と化学的に結合し原子の再配列が促進される。このため、磁性層１６により大きな垂直磁気異方性が得られる。
【００２７】
ホウ素吸着層１７は、上述のホウ素吸着元素を単独で用いてもよく、また、ホウ素吸着元素に他の元素を含んで構成されていてもよい。例えば、ホウ素吸着層１７が、上述のホウ素吸着元素の１種類以上と、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉ等の磁性材料との合金から構成されていてもよい。
【００２８】
例えば、ホウ素吸着層１７が、上述のホウ素吸着元素と、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉ等の磁性材料との合金から形成される場合として、磁性層１６とホウ素吸着層１７とが一体化した構成とすることができる。この場合には、第１の磁性層を、磁性層の一部の磁性材料とホウ素とを含む構成とする。また、第２の磁性層を、磁性層の残りの磁性材料とホウ素吸着材料とを含む構成とする。そして、第１の磁性層上に第２の磁性層を形成し、所定の熱処理を行う。これにより、第１の磁性層に含まれるホウ素が、第２の磁性層に含まれるホウ素吸着元素と化学的に結合し、原子の再配列が行われる。この結果、上述の第１の磁性層と第２の磁性層とにより、磁性層１６とホウ素吸着層１７とを一体化させた構成の素子を形成することができる。
【００２９】
磁性層１６とホウ素吸着層１７とを、第１の磁性層及び第２の磁性層とから形成する場合には、第１の磁性層と第２の磁性層とに含まれるＦｅ、Ｎｉ及びＢの総量が上述の組成を満たせばよい。つまり、第１の磁性層に含まれるＦｅ、Ｎｉ及びＢと、第２の磁性層に含まれるＦｅ及びＮｉとの合計が、組成式ＦｅｘＮｉｙＢｚで表され、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．２ｘ≦ｙ≦４ｘ、及び、０．１（ｘ＋ｙ）≦ｚ≦０．４（ｘ＋ｙ）の関係を満たせばよい。さらに、第１の磁性層と第２の磁性層の合計の厚さを、０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下とする。
【００３０】
上述のように、Ｆｅ及びＮｉの磁性金属と、ホウ素とを含む磁性層１６を、塩化ナトリウム構造又はスピネル構造の酸化物層１５上に形成することにより、磁気制動定数が小さく、安定して垂直磁化を有する磁性層とすることができる。さらに、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ及びＹを含むホウ素吸着層１７を磁性層１６上に積層し、熱処理を施すことによって、磁気制動定数が小さく、安定して垂直磁化を有する磁性層１６を形成することができる。
このため、記憶素子の記憶層を上述の磁性層から構成し、さらに上述の酸化物層及びホウ素吸着層を用いることにより、スピントルクを効率的に作用させられるような垂直磁化膜をすることができる。従って、スピントルクを利用した磁気メモリにおいて、磁気制動定数が小さく、低い電流で高速に動作可能な磁気メモリ素子を実現することができる。
【００３１】
なお、上述の酸化物層、磁性層及びホウ素吸着層を含む構成は、スピントルク反転を用いた記憶素子以外にも、磁性層と、酸化物層、及び、ホウ素吸着層とを備えて構成される磁壁移動型の記憶素子にも適用することができる。例えば、基体上に上述のホウ素吸着層を形成し、ホウ素吸着層上に上述の磁性層を形成する。さらに、磁性層上に酸化物層を形成する。そして、この積層体を矩形の帯状に加工し、素子の両端に電極を形成することで、磁壁移動型の記憶素子を形成することができる。
【００３２】
〈２．本実施の形態の記憶素子の実験例〉
本発明を適用した記憶素子の実験例について説明する。なお、以下の実験例では、実際のＳＴ−ＭＲＡＭの作製は行わず、磁気特性測定用の試料のみを作製して試験を行った。
【００３３】
［磁性層：厚さ］
（実験例１）
酸化被膜付きシリコン基板上に、酸化物層として２ｎｍのＭｇＯをｒｆマグネトロンスパッタで成膜した。そして、酸化物層上に磁性層としてＦｅ６０Ｎｉ２０Ｂ２０の厚さを０．４ｎｍ〜１．８ｎｍの範囲で変化させ、ｄｃマグネトロンスパッタで成膜した。そして、磁性層上にホウ素吸着層として５ｎｍのＺｒをｄｃマグネトロンスパッタで成膜した。ホウ素吸着層を形成後、３００℃で１時間熱処理を行い、実験例１の試料を作製した。
【００３４】
（実験例２）
酸化被膜付きシリコン基板上に、酸化物層として２ｎｍのＭｇＯをｒｆマグネトロンスパッタで成膜した。そして、酸化物層上に磁性層としてＦｅ２０Ｎｉ６０Ｂ２０の厚さを０．７ｎｍ〜２．２ｎｍの範囲で変化させ、ｄｃマグネトロンスパッタで成膜した。そして、磁性層上にホウ素吸着層として５ｎｍのＺｒをｄｃマグネトロンスパッタで成膜した。ホウ素吸着層を形成後、３００℃で１時間熱処理を行い、実験例１の試料を作製した。
【００３５】
図２に、実験例１及び実験例２の磁性層の厚さに対する磁気異方性の変化を示す。磁気異方性は面内と垂直とに磁場をかけたときの飽和磁場から求めた。図２では磁気異方性を、正を垂直磁化として示し、負を面内磁化として示す。
【００３６】
磁性層をＦｅ６０Ｎｉ２０Ｂ２０で構成した実験例１の試料では、磁性層が薄い方で垂直磁化が得られ、厚さが０．５ｎｍから１．１ｎｍの間で垂直磁化膜となった。また、磁性層をＦｅ２０Ｎｉ６０Ｂ２０で構成した実験例２の試料では、実験例１のＦｅ６０Ｎｉ２０Ｂ２０よりも厚い方で垂直磁化が得られ、０．９ｎｍから１．９ｎｍで垂直磁化膜となった。
なお、実験例１及び実験例２において、磁性層の組成Ｆｅ６０Ｎｉ２０Ｂ２０及びＦｅ２０Ｎｉ６０Ｂ２０では熱処理前の単体膜での組成である。
この結果から、磁性層の厚さを０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下とすることにより、垂直磁化を有する素子を形成することができる。
【００３７】
［磁性層：ホウ素含有量］
（実験例３）
次に、実験例１と同様の試料において、磁性層として０．８ｎｍの（Ｆｅ５０Ｎｉ５０）１００−ＸＢＸ膜をｄｃマグネトロンスパッタで成膜した。このとき、ホウ素の組成比ｘを変化させて磁性層を作製した。ホウ素の組成比ｘは、０〜４０％の間で変化させた。そして、磁性層上にホウ素吸着層として５ｎｍのＺｒをｄｃマグネトロンスパッタで成膜した。ホウ素吸着層を形成後、３００℃１時間熱処理を行い、実験例３の試料を作製した。
【００３８】
図３に実験例３の磁性層において、ホウ素の組成比ｘに対する磁気異方性の変化を示す。磁気異方性は面内と垂直とに磁場をかけたときの飽和磁場から求めた。図３において、各試料は、異方性磁場が正のときに垂直磁化膜であり、負のときに面内磁化膜である。
【００３９】
実験例３の試料では、ホウ素の組成比ｘが１０から２８程度までの間において、垂直磁化膜となった。従って、（Ｆｅ５０Ｎｉ５０）９０Ｂ１０から（Ｆｅ５０Ｎｉ５０）７２Ｂ２８までの組成で垂直磁化を有する磁性層が得られた。
この結果から、磁性層においてホウ素を、ＦｅとＮｉとの総量に対して０．１倍以上０．４倍以下の比率で含有することにより、磁性層の磁化を垂直方向に調整することができる。
【００４０】
［ホウ素吸着層：垂直磁化］
（実験例４）
磁性層上のホウ素吸着層の材料を変えて磁気特性を調べた。実験例１と同様の試料において、下地酸化物層をＭｇＯ、磁性層を０．８ｎｍのＦｅ６０Ｎｉ２０Ｂ２０で形成した後、ホウ素吸着層として表１に示す各材料を５ｎｍの厚さで形成した。そして、２００℃〜４００℃で１時間熱処理を行い、実験例４の試料を作製した。
【００４１】
表１に示す元素によりホウ素吸着層を形成した実験例４の各試料について、磁気特性を調べた。磁気特性を調べた結果を表１に示す。表１では各試料のホウ素吸着層について、熱処理前、２００℃、３００℃又は４００℃のいずれかで垂直磁化が得られた材料と、何れの熱処理でも垂直磁化が得られなかった材料とを分けて示す。
【００４２】
【表１】
0005652075.tif 000002
【００４３】
表１に示すように、ホウ素吸着層としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、及び、Ｙの単体元素、並びに、これらの合金を用いた試料は、熱処理前又は熱処理後において垂直磁化が得られた。これに対し、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、及び、Ｉｒをホウ素吸着層として用いた試料では、熱処理前又は熱処理後において垂直磁化が得られなかった。この結果から、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、及び、Ｙの単体元素、並びに、それらの合金を用いることにより、磁性層中のホウ素量をホウ素吸着層で制御し、磁性層の磁化を垂直方向に調整することができる。
【００４４】
［酸化物層：垂直磁化］
（実験例５）
実験例４と同様に、磁性層と接する下地層（酸化物層）の材料を変えて磁気特性を調べた。実験例１と同様の試料において、２ｎｍの厚さで表２に示す各材料を下地層として形成した後、下地層上に磁性層として０．８ｎｍのＦｅ６０Ｎｉ２０Ｂ２０を形成した。そして、磁性層上に５ｎｍのＺｒを形成した後、３００℃で１時間熱処理を行い、実験例５の試料を作製した。
表２に示す元素により下地層を形成した実験例５の各試料について、磁気特性を調べた。磁気特性を調べた結果を表２に示す。表２では各試料の下地層について、熱処理後に垂直磁化が得られた材料と、何れの熱処理でも垂直磁化が得られなかった材料とを分けて示す。
【００４５】
【表２】
0005652075.tif 000003
【００４６】
表２に示すように、下地層としてＭｇＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＴｉＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及び、ＦｅＡｌ２Ｏ４の酸化物を用いた試料は、熱処理後において垂直磁化が得られた。これに対し、金属下地では垂直磁化が全く得られなかった。また、ＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３のようなアモルファス系の酸化物を下地層に用いた場合には、垂直磁化が得られなかった。この結果から、磁性層と接する下地層は、ＮａＣｌ構造又はスピネル構造の酸化物を用いる必要がある。
【００４７】
［磁性層：Ｆｅ／Ｎｉ比］
（実験例６）
実験例１と同様に２ｎｍのＭｇＯ層上に、磁性層として０．８ｎｍの（Ｆｅ１００−ｘＮｉｘ）８０Ｃ２０を、ｘを変化させて形成した。ｘは、０〜１００の間で変化させた。そして、磁性層上にホウ素吸着層として５ｎｍのＺｒを形成した後、３００℃１時間熱処理を行い、実験例６の試料を作製した。
【００４８】
図４に、実験例６の試料について、磁性層のＦｅに対するＮｉの組成比ｘと、垂直異方性磁場との関係を白点で示す。また、強磁性共鳴より求めたＦｅに対するＮｉの組成比ｘと磁気制動定数との関係を黒点で示す。
図４に示すように、実験例６の試料では、Ｆｅに対するＮｉの組成比ｘが６０％程度では、組成比ｘの増加により垂直異方性磁場が緩やかに増加する。また、組成比ｘが８０％を超えると、垂直異方性磁場が急激に減少する。
【００４９】
これに対して磁気制動定数はＦｅに対するＮｉの組成比ｘの増加と共に減少する。特に、組成比ｘが１５％程度までは、磁気制動定数が急激に減少する。また、組成比ｘが１５％以上となると、磁気制動定数の減少量が緩やかになり、安定して小さい値を示す。
【００５０】
この結果、Ｆｅに対するＮｉの組成比ｘを１５〜８０％とすることで、垂直磁気異方性が大きく、磁気制動定数の小さい素子を形成することができる。従って、垂直磁気異方性が大きく、磁気制動定数の小さな磁性層を構成するためには、Ｎｉ量はＦｅに対して０．２倍以上４倍以下とすることが好ましい。
【００５１】
［磁性層・ホウ素吸着層］
ホウ素吸着層を、ホウ素吸着元素と磁性材料との合金からなる層により形成した場合について説明する。
（実験例７）
実験例１と同様に、酸化物層として２ｎｍのＭｇＯを形成した。そして、酸化物層上に表３に第１の磁性層として示す各材料を各厚さで形成した後、第１の磁性層上に表３に第２の磁性層として示す各材料を各厚さで形成した。そして、第２の磁性層上にキャップ層として５ｎｍのＲｕを形成し、３００℃で１時間の熱処理を行い、実験例７の試料を作製した。
【００５２】
実験例７の各試料について、第１の磁性層と第２の磁性層との組み合わせと、異方性磁場との関係を表３に示す。なお、各試料は、異方性磁場が正のときに垂直磁化膜であり、負のときに面内磁化膜である。
【００５３】
【表３】
0005652075.tif 000004
【００５４】
第１の磁性層がホウ素を含む磁性層であり、第２の磁性層がＺｒ、Ｔａ及びＨｆのホウ素吸着元素を含む層である場合に垂直磁化が得られた。しかし、第１の磁性層にホウ素を含まない場合、及び、第２の磁性層にＺｒ、Ｔａ及びＨｆを含まない場合には垂直磁化が得られず、面内磁化となった。
【００５５】
この結果、ホウ素吸着元素と磁性材料との合金からなる層から構成する場合には、第１の磁性層がホウ素を含み、第２の磁性層がホウ素吸着元素を含むことが必要である。さらに、第１の磁性層と第２の磁性層の合計の組成として、Ｆｅ、Ｎｉ及びＢが、ＦｅｘＮｉｙＢｚ［ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．２ｘ≦ｙ≦４ｘ、及び、０．１（ｘ＋ｙ）≦ｚ≦０．４（ｘ＋ｙ）］の関係を満たすことが必要である。
これらの条件を満たすことにより、垂直磁化を有する素子を構成することができる。
【００５６】
第１の磁性層がＦｅ８０Ｂ２０であり、第２の磁性層がＮｉ８０Ｚｒ２０である場合には、Ｆｅ及びＢと、Ｎｉとが別の層として形成され、かつ、Ｎｉとホウ素吸着元素とが同じ層として形成されている。このような場合にも、第１の磁性層と第２の磁性層との合計の組成が所定の関係を満たすことにより、垂直磁化を有する素子を構成することができる。
同様に、第１の磁性層がＦｅ７０Ｂ３０であり、第２の磁性層がＮｉ７０Ｆｅ１５Ｈｆ１５である場合にも、第１の磁性層と第２の磁性層とが上述の条件を満たすことにより、垂直磁化を有する素子を構成することができる。
【００５７】
また、第１の磁性層がＦｅ３５Ｎｉ３５Ｂ３０であり、第２の磁性層がＦｅ８０Ｈｆ２０である場合には、磁性層のＦｅが第１の磁性層と第２の磁性層とに分かれて、別々の層として形成されている。この場合にも、第１の磁性層と第２の磁性層の合計の組成が、ＦｅｘＮｉｙＢｚ［ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．２ｘ≦ｙ≦４ｘ、及び、０．１（ｘ＋ｙ）≦ｚ≦０．４（ｘ＋ｙ）］の関係を満たす。さらに、第１の磁性層がホウ素を含む磁性層であり、第２の磁性層がホウ素吸着元素を含む。このため、垂直磁化を有する素子を構成することができる。
【００５８】
また、第１の磁性層がＦｅ４０Ｎｉ４０Ｂ２０であり、第２の磁性層がＣｏ８０Ｚｒ２０である場合には、第２の磁性層にホウ素吸着元素とともにＣｏが含まれている。
磁性層を構成するＦｅ、Ｎｉ及びＢ、並びに、ホウ素吸着層に含まれるホウ素吸着元素以外にも、Ｃｏ等の他の元素を含んだ構成とすることができる。この場合にも、第１の磁性層と第２の磁性層の組成が上述の条件を満たすことにより、垂直磁化を有する素子を構成することができる。
【００５９】
また、第１の磁性層としてホウ素吸着元素を含むＮｉ８０Ｚｒ２０を用い、第２の磁性層としてホウ素を含むＦｅ８０Ｂ２０を用いた場合には、垂直磁化を有する素子を構成することができなかった。つまり、垂直磁化を有する素子を構成するためには、酸化物層側にホウ素を含む磁性層を形成し、酸化物層の反対側にホウ素吸着元素を含む層を形成する必要がある。
また、第１の磁性層をホウ素を含まないＦｅのみで構成した場合や、第２の磁性層にホウ素を吸着する元素を含まないＮｉのみで構成した場合にも、垂直磁化を有する素子を構成することができなかった。
【００６０】
上述のように、磁性層として磁性層の一部の磁性材料とホウ素とを含む第１の磁性層を形成し、ホウ素吸着層として残りの磁性材料とホウ素吸着材料とを含む第２の磁性層を形成する構成とすることも可能である。この場合には、熱処理により第１の磁性層（磁性層）中のホウ素が、第２の磁性層（ホウ素吸着層）中に拡散する。そして、ホウ素とホウ素吸着元素とが化学的に結合し、第１の磁性層（磁性層）と第２の磁性層（ホウ素吸着層）とで、原子の再配列が行われる。このため、磁性層とホウ素吸着層とが一体化した構成となる。
また、表３に示す結果から、磁性層とホウ素吸着層とを、第１の磁性層と第２の磁性層が一体化した構成とする場合においても、酸化物層側にホウ素を含む磁性層を形成し、酸化物層の反対側にホウ素吸着元素を含む層を形成する必要がある。
【００６１】
［記憶素子］
次に、上述の本実施の形態の磁性層を用いて実際にスピン注入型の磁化反転磁気記憶素子を構成し、その特性を調べた。
（実験例８）
実験例１と同様の方法により、基板上に下地層として５ｎｍのＴａと、５ｎｍのＲｕを形成した。そして、下地層上に磁化固定層として２ｎｍのＣｏＰｔ、０．４５ｎｍのＲｕ、及び、１ｎｍのＣｏＦｅＢによりフェリ結合した磁化固定層を形成した。次に、磁化固定層上に酸化物層として０．８ｎｍのＭｇＯを形成した。酸化物層上に記録層として、０．１５ｎｍのＦｅと１ｎｍのＦｅ４０Ｎｉ４０Ｂ２０とからなる磁性層を積層し、記録層上にホウ素吸着層として５ｎｍのＴａを形成した。この後、３００℃で１時間の熱処理を行い、実験例８の試料を作製した。素子の大きさは直径１５０ｎｍの円形である。
【００６２】
（実験例９：比較例）
実験例１と同様の方法により、基板上に下地層として５ｎｍのＴａと、５ｎｍのＲｕを形成した。そして、下地層上に磁化固定層として２ｎｍのＣｏＰｔ、０．４５ｎｍのＲｕ、及び、１ｎｍのＣｏＦｅＢによりフェリ結合した磁化固定層を形成した。次に、磁化固定層上に酸化物層として０．８ｎｍのＭｇＯを形成した。酸化物層上に記録層として、０．２ｎｍのＣｏと０．８ｎｍのＰｄとの積層膜を３周期形成し、記録層上にキャップ層として５ｎｍのＴａを形成した。この後、３００℃で１時間の熱処理を行い、実験例９（比較例）の試料を作製した。素子の大きさは直径１５０ｎｍの円形である。
【００６３】
表４に、実験例８の試料と実験例９の試料の反転電流、熱揺らぎに対する耐性ＫＵＶ／ｋＢＴ、及び、ＭＲ比を示す。
【００６４】
【表４】
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【００６５】
表４に示すように反転電流は、実験例８が１７５μＡであるのに対し、実験例９が６３０μＡであった。このように、磁性層として０．１５ｎｍのＦｅと１ｎｍのＦｅ４０Ｎｉ４０Ｂ２０とを積層した構成の試料の方が、反転電流が低く低記録電流化に適した記憶素子を構成することが可能である。
また、熱ゆらぎに対する耐性、及び、ＭＲ比も実験例８の試料の方が実験例９の試料よりも大きい。
上述のように、記録層としてＦｅとＦｅ４０Ｎｉ４０Ｂ２０とからなる磁性層を用いた実験例８のスピン注入磁化反転磁気メモリは、磁気制動定数が小さく低い電流で磁化反転が可能であるため、省電力磁気メモリとして有効である。
【００６６】
上述のように、本実施の形態によれば、酸化物層をトンネルバリア層として、トンネルバリア層の両側に配置した磁性層間に働くスピン注入トルクによって磁化反転を行う記憶素子を構成することができる。また、記憶素子の記憶層として、磁性体に組成式ＦｅｘＮｉｙＢｚで表され、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０．２ｘ≦ｙ≦４ｘ、及び、０．１（ｘ＋ｙ）≦ｚ≦０．４（ｘ＋ｙ）の関係を満たす磁性体を用いる。この構成により、磁化反転を伴う記録層に用いた場合反転に必要な電流が低減でき省電力の磁気メモリが実現できる。さらに、ホウ素を含む磁性層上に、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ及びＹの少なくとも１つを含むホウ素吸着層とからなる層を形成することにより、磁化反転に必要な電流をさらに低減することが可能である。また、本実施の形態の記憶素子の構成を磁壁移動型の磁気メモリに用いることにより、磁壁の駆動電流の低減が可能である。
【００６７】
なお、本発明は上述の実施形態例において説明した構成に限定されるものではなく、その他本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１  ゲート電極、３  記憶素子、４  コンタクト層、６  アドレス配線、７  ソース領域、８  ドレイン領域、１０  半導体基体、１２  下地層、１４  磁化固定層、１５  酸化物層、１６  磁性層、１７  ホウ素吸着層
【図１】
0005652075.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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