(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ、Ｃｏの少なくとも一方を含有する合金領域を含み、界面磁気異方性エネルギーを起源とする膜面に垂直な磁化を有し、情報に対して磁化の向きが変化される記憶層と、
上記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられるＭｇＯによる絶縁層と
を有し、
上記記憶層、上記絶縁層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行うと共に、
上記記憶層に接する層のうち上記絶縁層とは反対側に設けられる層が、抵抗率が０．４Ωｃｍ以下の導電性酸化物であるＣｏＴｉＯで構成されている
記憶素子。
【請求項２】
下地層、上記磁化固定層、上記絶縁層、上記記憶層、キャップ層の順で各層が積層されており、上記キャップ層が上記導電性酸化物で構成されている
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
下地層、上記記憶層、上記絶縁層、上記磁化固定層、キャップ層の順で各層が積層されており、上記下地層が上記導電性酸化物で構成されている
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備えた記憶装置であって、
上記記憶素子は、
Ｆｅ、Ｃｏの少なくとも一方を含有する合金領域を含み、界面磁気異方性エネルギーを起源とする膜面に垂直な磁化を有し、情報に対して磁化の向きが変化される記憶層と、
上記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられるＭｇＯによる絶縁層と
を有し、
上記記憶層、上記絶縁層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行うと共に、
上記記憶層に接する層のうち上記絶縁層とは反対側に設けられる層が、抵抗率が０．４Ωｃｍ以下の導電性酸化物であるＣｏＴｉＯで構成されており、
上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、上記２種類の配線を通じて上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れる
記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の磁性層を有し、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子及び記憶装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献２】米国特許第６２５６２２３号明細書
【特許文献３】特開２００８−２２７３８８号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Phys. Rev. B, 54, 9353(1996)
【非特許文献２】J. Magn. Mat., 159, L1(1996)
【非特許文献３】Nature Materials., 5, 210(2006)
【背景技術】
【０００４】
モバイル端末から大容量サーバに至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子においても高集積化、高速化、低消費電力化など、さらなる高性能化が追求されている。特に半導体不揮発性メモリの進歩は著しく、大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリは、ハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。
【０００５】
一方、コードストレージ用、さらにはワーキングメモリへの展開を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭなどを置き換えるべくＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（Phase-Change Random Access Memory）などの開発が進められている。これらのうち一部はすでに実用化されている。
【０００６】
なかでもＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向によりデータ記憶を行うために高速かつほぼ無限（１０15回以上）の書換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機などの分野で使用されている。
ＭＲＡＭはその高速動作と信頼性から、今後コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されているものの、現実には低消費電力化、大容量化に課題を有している。これはＭＲＡＭの記録原理、すなわち配線から発生する電流磁界により磁化を反転させるという方式に起因する本質的な課題である。
【０００７】
この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらない記録、すなわち磁化反転方式が検討されている。なかでもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である（例えば、上記特許文献１、２、３、非特許文献１、２参照）。
【０００８】
スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じくＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）により構成されている場合が多い。
この構成は、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際にその磁性層にトルクを与えること（これをスピントランスファトルクとも呼ぶ）を利用したもので、ある閾値以上の電流を流せば自由磁性層が反転する。”０””１”の書換えは、電流の極性を変えることにより行う。
この反転のための電流の絶対値は０．１μｍ程度のスケールの素子で１ｍＡ以下である。しかもこの電流値が素子体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。さらに、ＭＲＡＭで必要であった記録用電流磁界発生用のワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
【０００９】
ここで、以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、ＳＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque-Magnetic Random Access Memory）と呼ぶ。なお、スピントルク磁化反転は、スピン注入磁化反転と呼ばれることもある。
高速かつ書換え回数がほぼ無限大であるというＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とする不揮発メモリとして、ＳＴ−ＭＲＡＭに大きな期待が寄せられている。
【００１０】
ＳＴ−ＭＲＡＭの模式図を、図７及び図８に示す。図７は斜視図、図８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８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８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７中左右方向に延びるビット線５６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。記憶素子５３は２つの磁性層６１、６２を有する。この２つの磁性層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、すなわち記憶層とする。
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、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、ＭＲＡＭの場合は、記憶素子とは別に書き込み配線（ワード線やビット線）を設けて、書き込み配線に電流を流して発生する電流磁界により、情報の書き込み（記録）を行っている。そのため、書き込み配線に、書き込みに必要となる量の電流を充分に流すことができる。
【００１２】
一方、ＳＴ−ＭＲＡＭにおいては、記憶素子に流す電流によりスピントルク磁化反転を行い、記憶層の磁化の向きを反転させる必要がある。そして、このように記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み（記録）を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成することになる。このため、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさに制限されるものとなってしまう。
【００１３】
具体的に、ＳＴ−ＭＲＡＭにおける書き込み電流は、選択トランジスタの飽和電流以下に制限される。
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、ＳＴ−ＭＲＡＭ全体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、記憶素子に流す電流を低減させる必要がある。
【００１４】
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、記憶層の両側に接している中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子の構成とすることが効果的である。
但し、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、記憶素子に流す電流量に制限が生じる。すなわち、記憶素子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しなくてはならない。
スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記録電流などと呼ばれることがある。
【００１５】
また一方で、ＳＴ−ＭＲＡＭは不揮発メモリであるから、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、書き込みエラーとなってしまう為である。
【００１６】
ＳＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち記憶層の体積を小さくすることが可能であるという利点があることを記録電流値の観点で上述した。しかしながら、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。
ＳＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記録素子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。
【００１７】
この点を考慮すると、ＳＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子に関して、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ということになる。
【００１８】
以上をまとめるに、ＳＴ−ＭＲＡＭが不揮発メモリとして有効に存在し得るためには、スピントルク磁化反転に必要な反転電流をトランジスタの飽和電流やトンネルバリアが破壊される電流以下に減らし、また、書き込まれた情報を保持するための熱安定性を確保する必要性があるということになる。
【００１９】
ここで、反転電流の低減と熱安定性の確保を両立させる観点で注目されているのが、垂直磁化膜を記憶層に用いた構造である。
例えば非特許文献３によれば、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜などの垂直磁化膜を記憶層に用いることにより、反転電流の低減と熱安定性の確保を両立できる可能性が示唆されている。
垂直磁気異方性を有する磁性材料には希土類−遷移金属合金(ＴｂＣｏＦｅなど)、金属多層膜(Ｃｏ／Ｐｄ多層膜など)、規則合金(ＦｅＰｔなど)、酸化物と磁性金属の間の界面異方性の利用(Ｃｏ／ＭｇＯなど)等いくつかの種類があるが、ＳＴ−ＭＲＡＭにおいて大きな読み出し信号を得るための高磁気抵抗変化率の実現を目的としてトンネル接合構造を採用することを考え、さらに耐熱性や製造上の容易さを考慮すると、界面磁気異方性を利用した材料、すなわちトンネルバリアであるＭｇＯ上にＣｏもしくはＦｅを含む磁性材料を積層させたものが有望となる。
【００２０】
ただし、界面磁気異方性に基づいた垂直磁気異方性は、結晶磁気異方性や一イオン異方性等と比較して、異方性エネルギが小さい上に、磁性層厚が厚くなるに従って低下するという課題を有する。
これを解決するため、本出願人は酸化物を磁性金属の両側に配置し、界面の数を増やすという構造を採ることを検討している。これは、界面磁気異方性が、ＣｏあるいはＦｅと酸素（Ｏ）との結合により生じることを利用したものである。
すなわち、記憶層がトンネルバリア層よりも上にある場合には酸化物によるキャップ層を、また記憶層がトンネルバリア層よりも下側にある場合には酸化物による下地層をそれぞれ追加することで、界面磁気異方性を基とする磁気異方性エネルギを高めることができる。
【００２１】
しかしながら、ここで用いられるＭｇＯなどの酸化物キャップ層は、一般に絶縁体であり、抵抗が高く、磁化固定層と記憶層との間のトンネルバリア層を介したトンネル磁気抵抗効果で得られる磁気抵抗変化に重畳する直列抵抗となってしまい、その結果、記憶素子の抵抗変化率を低下させる虞がある。
抵抗変化率が低下することによっては、読み出し信号が低下し、その対策を講じるために回路が複雑化したり、また読出速度の低下を招く虞があり、問題となる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
このため本発明では、記憶素子を以下のように構成することとした。
すなわち、本発明の記憶素子は、Ｆｅ、Ｃｏの少なくとも一方を含有する合金領域を含み、界面磁気異方性エネルギーを起源とする膜面に垂直な磁化を有し、情報に対して磁化の向きが変化される記憶層を備える。
また、上記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層を備える。
また、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられるＭｇＯによる絶縁層を備える。
また、上記記憶層、上記絶縁層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う。
そして、上記記憶層に接する層のうち上記絶縁層とは反対側に設けられる層が、抵抗率が０．４Ωｃｍ以下の導電性酸化物であるＣｏＴｉＯで構成されているものである。
【００２３】
また、本発明の記憶装置は、上記本発明の記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れるものである。
【００２４】
本発明の記憶素子によれば、上記記憶層に対して、上記絶縁層（トンネルバリア層）を介して上記磁化固定層が設けられており、上記積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記録が行われるので、上記積層方向に電流を流すことで情報の記録を行うことができる。このとき、上記記憶層が垂直磁化膜であることにより、当該記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる書き込み電流値を低減することができる。
一方で、垂直磁化膜の有する強い磁気異方性エネルギのために上記記憶層の熱安定性を十分に保つことができる。
さらに、本発明の記憶素子においては、読み出し信号が得られる強磁性トンネル接合以外の部分（上記絶縁層以外の部分）に絶縁体による層を含まないため、トンネル磁気抵抗効果に寄与しない直列抵抗成分が低減され、この点で読み出し信号の低下を効果的に抑制できる。
また、本発明の記憶装置の構成によれば、上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、スピントランスファが起こることにより、上記２種類の配線を通じて上記記憶素子の積層方向に電流を流してスピントルク磁化反転による情報の記録を行うことができる。
また、上記記憶層の熱安定性は十分に保つことができるため、上記記憶素子に記録された情報を安定に保持し、かつ記憶装置の微細化、信頼性の向上、低消費電力化を実現することが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、垂直磁気異方性を有する記憶素子が簡便に得られるため、情報保持能力である熱安定性を充分に確保して、特性バランスに優れた記憶素子を構成することができる。
これにより、動作エラーを防止して、記憶素子の動作マージンを充分に得ることができる。従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。
また、書き込み電流を低減して、記憶素子に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。従って、記憶装置全体の消費電力を低減することが可能になる。
さらに、トンネル磁気抵抗効果に寄与しない直列抵抗成分を低減でき、それにより読み出し信号の低下を抑制できることで、回路の複雑化や読み出し速度の低下も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施の形態としての記憶装置（メモリ装置）の概略構成図（斜視図）である。
【図２】実施の形態としての記憶素子の断面図である。
【図３】記憶層が磁化固定層の下側に配置される記憶素子の断面図である。
【図４】キャップ層として絶縁性酸化物（ＭｇＯ）を用いた試料と、導電性酸化物（ＣｏＴｉＯ）を用いた試料とについての磁気特性を、磁気光学カー効果を用いて調査した結果を示した図である。
【図５】キャップ層に導電性酸化物を用いることでより高い磁気抵抗効果が得られることについて考察する上で用いた円筒形トンネル接合素子の例を示した図である。
【図６】キャップ層に要求される抵抗率の条件を満たす材料について例示した図である。
【図７】スピン注入による磁化反転を利用したメモリ装置の概略構成の説明図である。
【図８】図７のメモリ装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明していく。
なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜２．実施の形態の構成＞
＜３．実験＞
＜４．変形例＞
【００２８】
＜１．実施の形態の記憶素子の概要＞
先ず、本発明の一実施形態である記憶素子（実施の形態の記憶素子）の概要について説明する。
本発明の実施の形態は、前述したスピントルク磁化反転により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。
記憶層は、強磁性層を含む磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態（磁化の向き）により保持するものである。
【００２９】
詳しくは後述するが、実施の形態の記憶素子は、例えば図２にその一例を示す層構造とされ、少なくとも２つの強磁性体層としての記憶層１７、磁化固定層１５を備え、またその２つの磁性層の間の中間層としての絶縁層１６を備える。
記憶層１７は、膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される。
磁化固定層１５は、記憶層１７に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する。
絶縁層１６は、非磁性体であって、記憶層１７と磁化固定層１５の間に設けられる。
そして記憶層１７、絶縁層１６、磁化固定層１５を有する層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層１７の磁化の向きが変化して、記憶層１７に対して情報の記録が行われる。
【００３０】
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。非磁性体内部では両者が同数であり、強磁性体内部では両者の数に差がある。ＳＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque-Magnetic Random Access Memory）を構成する２層の強磁性体である磁化固定層１５及び記憶層１７において、互いの磁気モーメントの向きが反対方向となる状態（以下、反方向状態とも呼ぶ）のときに、電子を磁化固定層１５から記憶層１７へ移動させた場合について考える。
【００３１】
磁化固定層１５は、高い保磁力のために磁気モーメントの向きが固定された固定磁性層である。
磁化固定層１５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る。非磁性層である絶縁層１６の厚さが充分に薄く構成されていると、磁化固定層１５の通過によるスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極状態（上向きと下向きが同数の状態）になる前に他方の磁性体、すなわち記憶層１７に電子が達する。
【００３２】
記憶層１７では、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギを下げるために一部の電子は反転、すなわちスピン角運動量の向きを変えさせられる。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１７の磁気モーメントにも与えられる。
電流、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に記憶層１７の磁気モーメント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。
【００３３】
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１７の磁気モーメントは歳差運動を開始し、そ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、反方向状態から同方向状態（互いの磁気モーメントの向きが同方向となる状態）への反転が起こる。
磁化が同方向状態にあるとき、電流を逆に記憶層１７から磁化固定層１５へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１５で反射される際にスピン反転した電子が記憶層１７に進入する際にトルクを与え、反方向状態へと磁気モーメントを反転させることができる。ただしこの際、反転を起こすのに必要な電流量は、反方向状態から同方向状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３４】
磁気モーメントの同方向状態から反方向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１５が固定されているために磁気モーメントが反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１７が反転する、と考えてもよい。このように、０／１の記録は、磁化固定層１５から記憶層１７の方向またはその逆向きに、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。
【００３５】
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様、磁気抵抗効果を用いて行われる。すなわち、上述の記録の場合と同様に膜面垂直方向に電流を流す。そして、記憶層１７の磁気モーメントが、磁化固定層１５の磁気モーメントに対して同方向であるか反方向であるかに従い、素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３６】
ここで、磁化固定層１５と記憶層１７の間には、非磁性体で且つ絶縁体である絶縁層１６が設けられる。
このように磁化固定層１５と記憶層１７との間を絶縁層１６とすることで、例えば金属膜などとする場合と比較して、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、且つより低い電流によって記録が可能とされる。
このように磁化固定層１５と記憶層１７との間を絶縁層１６とする構造は、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）と呼ばれる。
【００３７】
スピントルク磁化反転によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに必要となる電流の閾値Ｉｃは、磁性層の磁化容易軸が面内方向であるか、垂直方向であるかによって異なる。
具体的に、面内磁化型のＳＴ−ＭＲＡＭの反転電流をIc_paraとすると、磁化の反転方向と当該反転電流Ic_paraとの関係は、
同方向→反方向・・・Ic_para＝{A・α・Ms・V/(g(0)*P)}(Hk+2πMs)
反方向→同方向・・・Ic_para＝−{A・α・Ms・V/(g(π)*P)}(Hk+2πMs)
となる。
ただし、Aは定数、αはダンピング定数、Msは飽和磁化、Vは素子体積、g(0)P、g(π)Pはそれぞれ同方向、反対方向時にスピントルクが相手の磁性層に伝達される効率に対応する係数、Hkは磁気異方性である(非特許文献3参照)。
【００３８】
一方、垂直磁化型のＳＴ−ＭＲＡＭの反転電流をIc_perpとすると、
同方向→反方向・・・Ic_perp={A・α・Ms・V/(g(0)*P)}(Hk-4πMs)
反方向→同方向・・・Ic_perp=−{A・α・Ms・V/(g(π)*P)}(Hk-4πMs)
となる。
【００３９】
上式において、垂直磁化型の場合の(Hk-4πMs)と面内磁化型の場合の(Hk+2πMs)とを比較すると、垂直磁化型の方がより低記録電流化に適していることが理解できる。
【００４０】
ところで、メモリとして有効に存在し得るためには、書き込まれた情報を保持することができなければならない。情報を保持する能力の指標としては、熱安定性の指標Δ（＝ＫＶ／ｋＢＴ）を挙げることができる。このΔは、下記［式１］により表される。
【数１】
0005782715.tif 000002
ここで、Ｈｋ：実効的な異方性磁界、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：温度、Ｍｓ：飽和磁化量、Ｋ：異方性エネルギー、Ｖ：記憶層の体積である。
【００４１】
実効的な異方性磁界Ｈｋには、形状磁気異方性、誘導磁気異方性、結晶磁気異方性等の影響が取り込まれており、単磁区の一斉回転モデルを仮定した場合、これは保磁力と同等となる。
熱安定性の指標Δと電流の閾値Ｉｃとは、トレードオフの関係になることが多い。そのため、メモリ特性を維持するには、これらの両立が課題となることが多い。
【００４２】
記憶層１７の磁化状態を変化させる電流の閾値は、実際には、例えば記憶層１７の厚さが２ｎｍであり、平面パターンが１００ｎｍ×１５０ｎｍの略楕円形のＴＭＲ素子において、＋側の閾値＋Ｉｃ＝＋０．５ｍＡであり、−側の閾値−Ｉｃ＝−０．３ｍＡであり、その際の電流密度は約３．５×１０6Ａ／ｃｍ2である。これらは、上記［式１］にほぼ一致する。
【００４３】
これに対し、電流磁場により磁化反転を行う通常のＭＲＡＭでは、書き込み電流が数ｍＡ以上必要となる。
従って、ＳＴ−ＭＲＡＭの場合には、上述のように書き込み電流の閾値が充分に小さくなるため、集積回路の消費電力を低減させるために有効であることが分かる。
【００４４】
また、ＳＴ−ＭＲＡＭは、通常のＭＲＡＭで必要とされる、電流磁界発生用の配線が不要となるため、集積度においても通常のＭＲＡＭに比較して有利である。
【００４５】
そして、スピントルク磁化反転を行うＳＴ−ＭＲＡＭの場合には、記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み（記録）を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。
この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタで流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさによって制限される。
【００４６】
記録電流を低減させるためには、上述のように垂直磁化型を採用することが望ましい。また垂直磁化膜は、一般に面内磁化膜よりも高い磁気異方性を持たせることが可能であるため、上述のΔを大きく保つ点でも好ましい。
【００４７】
ここで、垂直異方性を有する磁性材料としては、希土類-遷移金属合金(ＴｂＣｏＦｅなど)、金属多層膜(Ｃｏ／Ｐｄ多層膜など)、規則合金(ＦｅＰｔなど)、酸化物と磁性金属の間の界面異方性の利用(Ｃｏ／ＭｇＯなど)等の幾つかの種類があるが、このうち希土類-遷移金属合金は、加熱により拡散、結晶化すると垂直磁気異方性を失うため、ＳＴ−ＭＲＡＭ用材料としては好ましくない。また、金属多層膜も加熱により拡散し、垂直磁気異方性が劣化することが知られており、さらに垂直磁気異方性が発現するのは面心立方の(111)配向となっている場合であるため、ＭｇＯやそれに隣接して配置するＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどの高分極率層に要求される(001)配向を実現させることが困難となる。
また、Ｌ１０規則合金は高温でも安定であり、かつ(001)配向時に垂直磁気異方性を示すことから、上述のような問題は起こらないものの、製造時に500℃以上の十分に高い温度で加熱する、あるいは製造後に500℃以上の高温で熱処理を行うことで原子を規則配列させる必要があり、絶縁層１６（トンネルバリア層）等積層膜の他の部分における好ましくない拡散や界面粗さの増大を引き起こす可能性がある。
【００４８】
これに対し、界面磁気異方性を利用した材料、すなわちトンネルバリア層である例えばＭｇＯ上にＣｏ系あるいはＦｅ系材料を積層させたものは、上記の何れの問題も起こり難く、このためＳＴ−ＭＲＡＭの記憶層材料として有望視されている。
【００４９】
界面磁気異方性を基とする垂直磁気異方性は、酸化物に含まれる酸素とＣｏ或いはＦｅとが界面において結合することで生じると言われているが、規則合金が示す結晶磁気異方性や希土類系が示す一イオン異方性等と比較して、異方性エネルギ自体が小さい上に、磁性層厚が厚くなるに従って低下するという課題を有する。
【００５０】
この課題を解決するため、本出願人は酸化物を磁性金属の両側に配置し、界面の数を増やすという構造を既に提案している（特願２０１０−２０１５２６）。具体的に、例えば以下のような構造である。
基板/下地層 /磁化固定層/ＭｇＯ(トンネルバリア層)/記憶層/酸化物キャップ層
このような構造により、界面磁気異方性に寄与する界面として、従前の記憶層／ＭｇＯ（トンネルバリア層）の界面のみでなく、記憶層／酸化物キャップ層の界面も含めた２つに増やすことができ、記憶層の異方性を有効に高めることができる。
【００５１】
しかしながら、ここで用いられる酸化物キャップ層（ＭｇＯなど）は一般に絶縁体であり、電気抵抗が高く、磁化固定層と記憶層との間のトンネル磁気抵抗効果で得られる磁気抵抗変化に重畳して抵抗変化率を低下させる虞があった。
【００５２】
そこで、本出願人は、記憶層に接する層のうち絶縁層（トンネルバリア層）とは反対側に設けられる層を、導電性の酸化物で構成するという構造を見い出した。具体的に、図２に示す構造例とする場合には、キャップ層１８を電気伝導性の高い酸化物で構成するものである。
【００５３】
このような構造とすることで、トンネル磁気抵抗効果を生じるトンネルバリア部分（絶縁層１６）の抵抗に重畳するところの、トンネル磁気抵抗効果に寄与しない直列抵抗成分を低減させることができ、トンネル磁気抵抗効果の低下を効果的に抑制することができる。
【００５４】
ここで、磁気抵抗効果は読み出し信号強度に反映されるものである。このため、上記のように磁気抵抗効果の低下を抑制できることによっては、信号強度の低下を対策するために回路が複雑化したり、また読み出し速度の低下を招いたりといった事態の発生の防止を図ることができる。
【００５５】
本実施の形態では、記憶層１７は、ＣｏとＦｅの少なくとも一方を含有する合金領域を含む垂直磁化膜である。
さらに、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層１７と磁化固定層１５との間の非磁性層として絶縁体から成る絶縁層１６を用いるものとして、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成している。
【００５６】
トンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成することにより、非磁性導電層を用いて巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子を構成した場合と比較して、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができる。
そして、特に、このトンネル絶縁層としての絶縁層１６の材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることにより、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができる。
【００５７】
また、一般に、スピントランスファの効率はＭＲ比に依存し、ＭＲ比が大きいほど、スピントランスファの効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。従って、絶縁層１６の材料として酸化マグネシウムを用い、同時に、上記の記憶層１７を用いることにより、スピントルク磁化反転による書き込み電流閾値を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記録）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
【００５８】
このように、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を確保して、スピントルク磁化反転による書き込み電流閾値を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記録）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
【００５９】
ここで、絶縁層１６を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜により形成する場合には、ＭｇＯ膜が結晶化していて、(001)方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。
なお、本実施の形態において、トンネルバリア層としての絶縁層１６は、酸化マグネシウムから成る構成とする他にも、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ＳｉＯ2、Ｂｉ2Ｏ3、ＭｇＦ2、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3、Ａｌ−Ｎ−Ｏ等の各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いて構成することもできる。
また、絶縁層１６の面積抵抗値は、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化の向きを反転させるために必要な電流密度を得る観点から、数十Ωμｍ2程度以下に制御する必要がある。
そして、ＭｇＯ膜から成る絶縁層１６では、面積抵抗値を上述の範囲とするために、ＭｇＯ膜の膜厚を１．５ｎｍ以下に設定する必要がある。
【００６０】
また、上述のように本実施の形態の場合、記憶層１７に隣接してキャップ層１８が配置され、このキャップ層１８に、導電性の酸化物を用いる。
導電性の酸化物としては、例えばＲｅ０3、ＲｕＯ2、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＬｉＴｉ2Ｏ4、ＬｉＶ2０4、Ｆｅ3Ｏ4等、或いは通常では絶縁体となる酸化物に酸素欠陥や異種元素のドープなどにより導電性を持たせたものを用いる。
【００６１】
また、記憶層１７の磁化の向きを、小さい電流で容易に反転できるように、記憶素子を小さくすることが望ましい。
好ましくは、記憶素子の面積は０．０１μｍ2以下とする。
【００６２】
また、本実施の形態において、記憶層１７には、Ｃｏ、Ｆｅ以外の元素を添加することも可能である。
異種元素の添加により、拡散の防止による耐熱性の向上や磁気抵抗効果の増大、平坦化に伴う絶縁耐圧の増大などの効果が得られる。この場合の添加元素の材料としては、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｏｓ、又はそれらの合金を用いることができる。
【００６３】
なお、本発明における記憶層１７は、組成の異なる他の強磁性層を直接積層させることも可能である。また、強磁性層と軟磁性層とを積層させたり、複数層の強磁性層を軟磁性層や非磁性層を介して積層させたりすることも可能である。
特に、複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層させた構成としたときには、強磁性層の層間の相互作用の強さを調整することが可能になるため、記憶素子の寸法がサブミクロン以下になっても、磁化反転電流が大きくならないように抑制することが可能になるという効果が得られる。この場合の非磁性層の材料としては、Ｒｕ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｂｉ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ、又はそれらの合金を用いることができる。
【００６４】
磁化固定層１５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ことができる。
また、磁化固定層１５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を非磁性層を介して積層した積層フェリピン構造とすることができる。
積層フェリピン構造の磁化固定層１５を構成する強磁性層の材料としては、Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ等を用いることができる。また、非磁性層の材料としては、Ｒｕ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｏｓ等を用いることができる。
反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3等の磁性体を挙げることができる。
また、これらの磁性体に、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ等の非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、その他の結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整したりすることができる。
【００６５】
磁化固定層１５、記憶層１７の膜厚は、０．５ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。
【００６６】
記憶素子３におけるその他の構成は、スピントルク磁化反転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。
【００６７】
＜２．実施の形態の構成＞
続いて、実施の形態としての記憶素子、記憶装置の具体的構成について説明する。
図１は、本発明の記憶装置の一実施形態としての、メモリ装置の概略構成図（斜視図）を示している。
このメモリ装置は、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。
【００６８】
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、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。
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に上下方向の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
【００６９】
図２は、本実施の形態としての記憶素子３の断面図である。
図２に示すように、この記憶素子３は、スピントルク磁化反転により磁化Ｍ１７の向きが反転する記憶層１７に対して、その下層側に磁化固定層１５を設けている。
ＳＴ−ＭＲＡＭにおいては、記録層１７の磁化Ｍ１７と磁化固定層１５の磁化Ｍ１５の相対的な角度によって情報の０、１を規定している。
記憶層１７と磁化固定層１５との間には、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）となる絶縁層１６が設けられ、記憶層１７と磁化固定層１５とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
【００７０】
また、磁化固定層１５の下層側には下地層１４が形成され、記憶層１７の上層側にはキャップ層１８が形成されている。
前述もしたように、本実施の形態では、記憶層１７はＣｏとＦｅの少なくとも一方を含有する合金領域を含む垂直磁化膜とされる。
【００７１】
また、本実施の形態において、記憶層１７に隣接して配置されるキャップ層１８は、導電性の酸化物から成る。
【００７２】
さらに、本実施の形態においては、絶縁層１６を、酸化マグネシウム層とし、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高めるものとしている。
このようにＭＲ比を高くすることによって、スピン注入の効率を向上して、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。
【００７３】
ここで、本実施の形態の記憶素子３は、下地層１４からキャップ層１８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。
【００７４】
本実施の形態の記憶素子３は、記憶層１７が垂直磁化膜であるため、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することができる。
一方、記憶層１７上に積層されるキャップ層１８は酸化物であるが導電体であるために、磁気抵抗効果の低下を効果的に抑制できる。
【００７５】
このように、情報保持能力である熱安定性を充分に確保することができるため、特性バランスに優れた記憶素子を実現できる。
これにより、動作エラーをなくして、記憶素子３の動作マージンを充分に得ることができ、記憶素子３を安定して動作させることができる。従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリを実現することができる。
また、書き込み電流を低減して、記憶素子３に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。従って、メモリ装置全体の消費電力を低減することが可能になる。
【００７６】
さらに本実施の形態によれば、キャップ層１８を電気伝導性の高い酸化物とすることにより、トンネル磁気抵抗効果を生じるトンネルバリア部分の抵抗に重畳するところの、トンネル磁気抵抗効果に寄与しない直列抵抗を低減させることができ、トンネル磁気抵抗効果の低下を抑制できる。
磁気抵抗効果は読み出し信号強度に反映されるため、その低下が抑制されることで、信号低下に伴う回路の複雑化や読み出しの低速化の防止を図ることができる。
【００７７】
また、図２に示した記憶素子３を備える図１に示す構成のメモリ装置は、メモリを製造する際に、一般の半導体ＭＯＳ形成プロセスを適用できるという利点を有している。
従って、本実施の形態のメモリ装置を、汎用メモリとして適用することが可能になる。
【００７８】
なお、上記では、記憶素子の構成として、上層側からキャップ層１８、記憶層１７、絶縁層１６、磁化固定層１５、下地層１４の順で各層が配置された構成を例示したが、本発明の記憶素子としては、図３に示すように、記憶層１７が磁化固定層１５の下側に配置される構成とすることもできる。
具体的には、上層側から順にキャップ層１８、磁化固定層１５、絶縁層１６、記憶層１７、下地層１４の順で各層が配置された構成である。
この場合、記憶層１７の垂直磁気異方性を高める役割は下地層１４（厳密には記憶層１７と下地層１４との界面）により担われるべきものとなる。このため、この場合には下地層１４を、前述した導電性酸化物で構成することになる。
【００７９】
＜３．実験＞
ここで、図２により説明した記憶素子３の構成において、具体的にキャップ層１８を構成する材料を選定することにより、記憶素子３の試料を作製し、その特性を調べた。
実際のメモリ装置には、図１に示したように、記憶素子３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、キャップ層１８に隣接する記憶層１７の磁化反転特性を調べる目的で、記憶素子の部分のみを形成したウェハにより検討を行った。
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、各層の材料及び膜厚を次のように選定した。
・下地層１４・・・・・膜厚１０ｎｍのＴａ膜と膜厚２５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・磁化固定層１５・・・膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
・絶縁層１６・・・・・膜厚０．９ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７・・・・・ＣｏＦｅＢ/Ｔａ/ＣｏＦｅＢ積層膜
・キャップ層１８・・・ＭｇＯ(記憶素子３Ａ)、又はＣｏＴｉＯ(記憶素子３Ｂ)
ここで、記憶素子３Ａについては「試料３Ａ」、記憶素子３Ｂについては「試料３Ｂ」とも表記する。
また上記の膜構成において、記憶層１７の強磁性層は、ＣｏＦｅＢ：0.9nm/Ｔａ：0.3nm/ＣｏＦｅＢ：0.9nmであり、ＣｏＦｅＢの組成はＣｏ16%-Ｆｅ64%-Ｂ20%である。
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜から成る絶縁層１６、及びＭｇＯ又はＣｏＴｉＯから成るキャップ層１８は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて成膜し、その他の膜はＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
さらに、各試料３では、各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、350℃・2時間の熱処理を行った。
試料３Ａにおいて、ＭｇＯは絶縁体であり、また試料３ＢにおいてＣｏＴｉＯは室温で０．１Ωｃｍ程度の抵抗率を示す導体(半導体)である。
【００８０】
試料３Ａ、３Ｂの磁気特性を、磁気光学カー効果を用いて調査した結果を図４に示す。
図４において、図４（ａ）は試料３Ａについての結果を、図４（ｂ）は試料３Ｂについての結果をそれぞれ示している。
これら図４（ａ）（ｂ）何れにおいても、横軸が膜面垂直方向に印加した磁界、縦軸はカー回転角である。膜面垂直方向の磁界を正から０に戻した場合でもカー回転角が正の値を保ち、さらに負の磁界を印加した場合にも正のカー回転角を保つことのできる限界の磁界(保磁力)が大きいほど、垂直磁気異方性が大きいものとなる。
【００８１】
図４（ａ）（ｂ）によれば、試料３Ｂは試料３Ａよりも良好な垂直磁気異方性を示していることが分かる。すなわち、キャップ層１８が導電性の酸化物であっても、垂直磁気異方性が得られており、且つその垂直磁気異方性が絶縁性のキャップ層１８とする場合よりも良好な場合もあることが分かる。
【００８２】
試料３Ａ, ３Ｂを用いて記憶素子を作製すると、何れもＳＴ−ＭＲＡＭとして十分に低い記憶電流と十分に高い熱安定性が得られるが、特に試料３Ｂにおけるキャップ層１８は導電性であるため、試料３Ａと比較してより高い磁気抵抗効果が得られる。
この点について以下説明する。
【００８３】
先ず、記憶素子として直径５０nmの円筒形トンネル接合素子を作製した場合について考える。ここで層構成は、次の図５に示すように、上層側から順に保護層２０、キャップ層１８、記憶層１７、絶縁層１６、磁化固定層１５である。
磁化固定層１５、記憶層１７、保護層２０は金属であり、絶縁層１６、キャップ層１８は酸化物であるため、記憶素子の抵抗は絶縁層１６とキャップ層１８の抵抗で決まる。
【００８４】
ここで、絶縁層１６やキャップ層１８の抵抗に関しては、トンネル電流が流れるほどの薄い膜であることから、面積抵抗(ＲＡ)の概念を導入すると便利である。これは抵抗に面積をかけたもので表され、単位は[Ωμｍ2]が用いられる。
面積抵抗は絶縁層１６、キャップ層１８の厚さや材質で決まる量を抽出したものであり、実際の抵抗は面積が大きければ低く、小さければ高くなる。
【００８５】
ＳＴ−ＭＲＡＭの読み出し信号はＴＭＲ比、すなわち記憶層１７の磁化の方向が磁化固定層１５に対して同方向である場合と反対方向である場合(すなわち０状態と１状態)の抵抗の変化率が大きい場合に大となる。記憶素子の抵抗が絶縁層１６の抵抗によって支配的に決定される場合には、抵抗の０状態-１状態での変化は、絶縁層１６、磁化固定層１５、記憶層１７の材料で決定され、同方向状態の面積抵抗をＲＡL, 反方向状態の面積抵抗をＲＡHとすると、
ＴＭＲ(%)＝１００・(ＲＡH−ＲＡL)／ＲＡL
と表される。しかしながら、本発明の背景にあるように、垂直磁気異方性の誘起を目的としてキャップ層１８に酸化物を用い、これが絶縁性であった場合には、抵抗変化に寄与しない抵抗ＲＡCAPが直列に加わるため、抵抗変化率は次式のようになる。
ＴＭＲ(%)＝１００・(ＲＡH−ＲＡL)／（ＲＡL＋ＲＡCAP）
すなわち、ＲＡCAPが大きいほど抵抗変化率は低下する。
【００８６】
ここで、試料３Ｃ,試料３Ｄ,試料３Ｅについて比較する。これら試料３Ｃ，３Ｄ，３Ｅは、何れも絶縁層１６であるＭｇＯの厚さを0.9nmとした。キャップ層１８の材質は、試料３Ｃが0.9nmのＴａ(金属), 試料３Ｄが0.9nmのＭｇＯ(絶縁体), 試料３Ｅが0.9nmのＣｏＴｉＯ(半導体性導電体)とした。また、保護層２０については何れの試料も5nmのＲｕである。その他の部分は試料３Ａ, ３Ｂと同じである。
【００８７】
試料３Ｃについて、ＲＡ及びＴＭＲ変化率を測定すると、ＲＡLは２０Ωμｍ2、ＲＡHは４０Ωμｍ2、ＴＭＲは１００%となった。試料３Ｃにおいて、抵抗は絶縁層１６であるＭｇＯによって支配されており、ＲＡLは絶縁層１６であるＭｇＯ：0.9nmに起因するものである。この場合、ＲＡCAPは０とみなすことができる。
【００８８】
試料３Ｄにおいては、キャップ層１８が0.9nmのＭｇＯとなっていることから、キャップ層１８も同等のＲＡを有する。すなわち、ＲＡCAP＝２０Ωμｍ2となり、これによりＴＭＲは５０%に低下する。
【００８９】
一方、試料３Ｅにおいて用いたＣｏＴｉＯは、半導体的な電気伝導特性を示し、抵抗率は室温で０．１Ωｃｍと、絶縁体であるＭｇＯ及び金属であるＴａの中間の値を示す。しかしながら、膜厚が0.9nmと薄いことから、ＣｏＴｉＯが生じるＲＡCAPは簡単な計算により０．９Ωμｍ2となることが分かる。このとき、ＴＭＲは９５%となる。
【００９０】
試料３Ｃを基準とすると、ＭｇＯをキャップ層１８に用いた試料３ＤはＴＭＲ比が半減し、一方ＣｏＴｉＯをキャップ層１８に用いた試料３ＥのＴＭＲ比はほとんど低下していないことが分かる。本発明の目的において、キャップ層１８に酸化物を用いることは必須であるが、より電気抵抗率の低いキャップ層１８であるＣｏＴｉＯを用いたことでＴＭＲ比の低下を抑制することが可能であると言える。
もちろん、回路構成上必要とされるＴＭＲ比の具体的な値は、例えば読み出し回路の性能によって決まるものであるが、ＣｏＴｉＯを用いることで高いＴＭＲ比を確保できることが回路設計を容易にする点で有利であることは明白である。
【００９１】
また、ＭｇＯによるキャップ層１８を薄くすることによってＲＡCAPを低下させ、ＴＭＲ比の減少を抑制する方法も考えられるが、酸化物の薄膜化には製造上の限界があり、あまり薄くすると抵抗バラツキの原因となる。すなわち、0.9nm程度の制御可能な厚さで効果が得られるＣｏＴｉＯ等の導電性酸化物とする構成に優位性があることについても明白である。
【００９２】
なお、上記では、キャップ層１８を構成する導電性酸化物としてＣｏＴｉＯを用いたが、もちろんこれに限定されるものではない。重要であるのは、垂直異方性を誘起するための酸素原子を含んでおり、且つ記憶素子のＴＭＲ比を大きく低下させないために、抵抗率が一定値以下であるということである。
【００９３】
キャップ層１８に要求される抵抗率の範囲は、絶縁層１６のＲＡとの組み合わせにより決まる。
ここで、絶縁層１６のＲＡは、デバイスの世代に応じ、素子の面積及びトランジスタの抵抗値によって最適化されるものであるが、大きくても２０Ωμｍ2である。ここで許容されるキャップ層１８の直列抵抗は、回路構成にもよるが、絶縁層１６の１０%程度であり、従ってＲＡCAPは２Ωμｍ2以下であることが要求されることになる。これを生産上の安定性のために0.5nm以上の膜厚で実現しようとすると、簡単な計算により、キャップ層１８の抵抗率は０．４Ωｃｍ程度以下であればよいと言える。
【００９４】
ここで、このような抵抗率の条件を満たす材料には、例えば適切な製造方法により作製された、次の図６に示すような酸化物が挙げられる。
但し、一般に絶縁体とされる材料を母体とするものであっても、ドーピングや拡散混合等により電気伝導性を持たせたものであれば、上記の抵抗率の条件を満たすことができる。例えば、ＭｇＯとＴａが相互拡散により０．４Ωｃｍ以下に低抵抗化したものなどは、本発明の目的を十分に達成し得る。
【００９５】
＜４．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、これまでで説明した記憶素子３の膜構成に限らず、様々な膜構成を採用することが可能である。すなわち、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。
例えば、磁化固定層１５は単層ではなく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点は前述したが、この場合において、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。
【符号の説明】
【００９６】
１  ゲート電極（アドレス配線：ワード線）、２  素子分離層、３  記憶素子、４  コンタクト層、６  アドレス配線（ビット線）、７  ソース領域、８  ドレイン領域、９  配線、１０  半導体基板、１４  下地層、１５  磁化固定層、１６  絶縁層、１７  記憶層、１８  キャップ層、２０  保護層
【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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【図８】
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