(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが膜面に垂直な方向の垂直磁化層と、
非磁性層と、
膜面内方向に磁化容易軸を有し、磁化の向きが膜面に垂直な方向から１５度以上４５度以下の角度で傾斜している、強磁性層と、
前記垂直磁化層と前記強磁性層とが前記非磁性層を介して積層され、前記垂直磁化層と前記強磁性層とが磁気的結合して成り、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
磁化の向きが膜面に垂直な方向に固定された、磁化固定層と、
前記記憶層及び前記磁化固定層の間に配置された、非磁性の中間層とを含み、各層の積層方向に電流を流すことにより情報の記録が行われ、
前記記憶層の前記垂直磁化層の垂直磁気異方性と飽和磁束密度及び厚さの積が、前記記憶層の前記強磁性層の飽和磁束密度の２乗と厚さとの積に対して、１倍以上２倍以下である、
記憶素子。
【請求項２】
磁化の向きが膜面に垂直な方向の垂直磁化層と、
非磁性層と、
膜面内方向に磁化容易軸を有し、磁化の向きが膜面に垂直な方向から１５度以上４５度以下の角度で傾斜している、強磁性層と、
前記垂直磁化層と前記強磁性層とが前記非磁性層を介して積層され、前記垂直磁化層と前記強磁性層とが磁気的結合して成り、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
磁化の向きが膜面に垂直な方向に固定された、磁化固定層と、
前記記憶層及び前記磁化固定層の間に配置された、非磁性の中間層とを含み、各層の積層方向に電流を流すことにより情報の記録が行われ、
前記記憶層の前記垂直磁化層の垂直磁気異方性と飽和磁束密度及び厚さの積が、前記記憶層の前記強磁性層の飽和磁束密度の２乗と厚さとの積に対して、１倍以上２倍以下である、記憶素子と、
前記記憶素子の各層の積層方向に流す電流を、前記記憶素子に供給する配線とを含む
記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記憶素子及び記憶素子を備えた記憶装置（メモリ）に係わる。
【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。
【０００３】
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。
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を参照）がある。
【０００４】
これらの方法のうち、素子のサイズが小さくなるのに伴い、記録電流を小さくすることができる、スピン注入磁化反転が注目されている。
【０００５】
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を参照）が検討されている。
そして、文献において、垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子の反転時間の式が開示されている（非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１９３５９５号公報
【特許文献２】特開２００９−８１２１５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】R.H.Koch et al, Phys. Rev. Lett. 92, 088302(2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記非特許文献１に示されている反転時間の式によれば、垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子は、垂直磁化膜を用いないスピン注入磁化反転素子と比較して、磁化の反転時間が長くなる可能性がある。
【０００９】
上述した問題の解決のために、本発明においては、少ない電流で高速に動作させることが可能な記憶素子及び記憶素子を備えた記憶装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の記憶素子は、磁化の向きが膜面に垂直な方向の垂直磁化層と、非磁性層と、膜面内方向に磁化容易軸を有し、磁化の向きが膜面に垂直な方向から１５度以上４５度以下の角度で傾斜している、強磁性層とを含む。
そして、垂直磁化層と強磁性層とが非磁性層を介して積層され、垂直磁化層と強磁性層とが磁気的結合して成り、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を含む。
さらに、磁化の向きが膜面に垂直な方向に固定された、磁化固定層と、記憶層及び磁化固定層の間に配置された、非磁性の中間層とを含み、各層の積層方向に電流を流すことにより情報の記録が行われる構成である。
さらに、記憶層の垂直磁化層の垂直磁気異方性と飽和磁束密度及び厚さの積が、記憶層の強磁性層の飽和磁束密度の２乗と厚さとの積に対して、１倍以上２倍以下である。
【００１１】
本発明の記憶装置は、記憶素子と、記憶素子の各層の積層方向に流す電流を記憶素子に供給する配線とを含み、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であるものである。
【００１２】
上述の本発明の記憶素子の構成によれば、垂直磁化層と、非磁性層と、膜面内方向に磁化容易軸を有し、磁化の向きが膜面に垂直な方向から１５度以上４５度以下の角度で傾斜している、強磁性層とを含んでいる。そして、非磁性層を介して積層された、垂直磁化層と強磁性層とが磁気的結合して記憶層を構成している。さらに、記憶層の垂直磁化層の垂直磁気異方性と飽和磁束密度及び厚さの積が、記憶層の強磁性層の飽和磁束密度の２乗と厚さとの積に対して、１倍以上２倍以下である。
記憶層の強磁性層の磁化の向きが、膜面に垂直な方向から傾斜しているので、記憶素子に膜面に垂直な方向（各層の積層方向）の電流を流して、スピン注入を開始すると、速やかに強磁性層の磁化の歳差運動の振幅増加が始まる。これにより、膜面に垂直な方向から磁化の向きが傾斜している強磁性層の磁化の向きを、磁化の向きが傾斜していない構成と比較して、より短い時間で反転させることが可能になる。
従って、記憶層の強磁性層の磁化及び垂直磁化層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮することができると共に、この反転時間のばらつきも低減することができる。
また、強磁性層の磁化の向きの膜面に垂直な方向からの傾斜角度が１５度以上４５度以下であることにより、反転時間を短縮することができると共に、少ない電流量でも情報の記録のエラーの発生率を低くすることが可能になる。これにより、少ない電流量でも、安定して情報の記録を行うことができる。
【００１３】
上述の本発明の記憶装置の構成によれば、記憶素子の各層の積層方向に流す電流を記憶素子に供給する配線によって、記憶素子に電流を供給して、記憶素子に情報を記録することができる。そして、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であることにより、記憶素子に情報の記録を行う際に要する、記憶層の磁化の反転時間を短縮することができると共に、この反転時間のばらつきも低減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
上述の本発明によれば、記憶素子の記憶層の強磁性層の磁化及び垂直磁化層の磁化の向きを反転させて、記憶素子に情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮することができると共に、この反転時間のばらつきも低減することができる。
これにより、情報の記録の際の電流量を低減することができ、かつ、短い時間で情報の記録を行うことができる。
従って、本発明により、少ない電流で高速動作可能な記憶装置を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の記憶素子の記憶層の磁化状態を模式的に示す図である。
【図２】Ａ、Ｂ 垂直磁化層と強磁性層とが磁気結合したときの各層の磁化の配列を模式的に示した図である。
【図３】本発明を適用した記憶素子の抵抗の外部磁場依存性を模式的に示す図である。
【図４】Ａ、Ｂ  スピン注入磁化反転動作における、磁化の運動の軌跡を示す図である。
【図５】Ａ、Ｂ  図４Ａ及び図４Ｂの磁化の垂直成分の時間変化を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の記憶装置を構成する記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の記憶装置（メモリ）の概略構成図（平面図）である。
【図８】比較例の記憶素子の断面図である。
【図９】各試料の記憶素子に印加する磁場の大きさとＭＲとの関係を示す図である。
【図１０】エラーの発生率の対数値の記録電圧に対する依存性を示す図である。
【図１１】傾斜角度θと記録のエラーが１０−６以下になる記録電圧との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．本発明の概要
２．第１の実施の形態
３．実験例
【００１７】
＜１．本発明の概要＞
まず、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。
【００１８】
少ない電流で記憶素子を高速に動作させる目的を達成するために、発明者らは、検討を重ねた。
その結果、垂直磁化が優位な垂直磁化層と、膜面内磁化が優位な面内磁化層とを、非磁性層を介して磁気的結合させることにより、記憶素子の記憶層を構成して、面内磁化層の磁化を垂直磁化層との磁気的相互作用によって垂直方向に傾斜させることを見出した。
この構成とすることにより、詳細を後述するように、面内磁化層の磁化が概ね垂直磁化から特定角度傾いた円錐状となり、スピン注入磁化反転による記録動作の際に、スピンの動作の軌道に沿った磁化配置を実現することができる。このことにより、反転時間の短縮と反転時間のばらつき低減とが可能になる。
【００１９】
ここで、本発明の記憶素子の記憶層の磁化状態を、模式的に図１に示す。
図１に示す記憶層１０は、情報を磁性体の磁化状態により保持するものであり、垂直磁化層１と、その上に形成された非磁性層２と、その上に形成された、強磁性層３との３層の積層構造となっている。垂直磁化層１は、磁化Ｍ１が、膜面に垂直な方向（上下方向）となっている。強磁性層３は、膜面内方向（水平方向）に磁化容易軸方向を有する。
そして、強磁性層３の磁化Ｍ３は、膜面に垂直な方向を示す軸４に対して、傾斜角度θで傾斜した方向５を向いている。
なお、図中６は、強磁性層３の磁化Ｍ３の先端がとりうる軌跡を示している。
【００２０】
強磁性層３が膜面内方向（水平方向）に磁化容易軸を有するので、強磁性層３の膜厚に対して水平方向の大きさが充分に大きい場合には、強磁性層３単体では、磁化Ｍ３の向きは膜面内方向（水平方向）となる。これは、強磁性層３の飽和磁束密度と記憶素子の形状による反磁界効果のためである。
【００２１】
これに対して、図１の構造では、垂直磁化層１からの結合磁界によって、垂直磁化層１と強磁性層３との磁気結合が生じて、強磁性層３の磁化Ｍ３が膜面内方向から膜面に垂直な方向に立ち上がる。このとき、結合磁界が十分に大きければ、強磁性層３の磁化Ｍ３は、完全に膜面に垂直な方向を向く。
非磁性層２を介した、垂直磁化層１と強磁性層３との磁気結合は、強磁性結合でも良いし、反強磁性結合でも良い。
【００２２】
垂直磁化層１と膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層３とが、強磁性的に結合した場合と反強磁性的に結合した場合の、それぞれの磁化の配列を、模式的に図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａは強磁性的に結合した場合であり、図２Ｂは反強磁性的に結合した場合である。
図２Ａ及び図２Ｂにおいては、図１に示した記憶層１０に加えて、記憶層１０の上に、トンネル磁性層等の非磁性の中間層７と、磁化Ｍ８の向きが固定された磁化固定層８とを示している。磁化固定層８は、その磁化Ｍ８の向きが膜面に垂直な方向（下向き）となっている。
図２Ａでは、垂直磁化層１と強磁性層３とが強磁性的に結合しているので、垂直磁化層１の磁化Ｍ１と強磁性層３の磁化Ｍ３が、それぞれ上側を向いている。
図２Ｂでは、垂直磁化層１と強磁性層３とが反強磁性的に結合しているので、垂直磁化層１の磁化Ｍ１は上側を向いていて、強磁性層３の磁化Ｍ３は下側を向いていて、互いに逆の側を向いている。
【００２３】
膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層３の材料には、軟磁性を示すＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅ合金、或いは、これらの合金に適当な添加物を加えたものが利用可能である。
垂直磁化層１及び磁化固定層８の材料には、ＴｂＦｅＣｏ合金、ＧｄＦｅＣｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏとＰｄ、Ｐｔ等貴金属との積層膜、或いは、それらの材料に適当な添加物を加えたものが利用可能である。磁化固定層８として利用する場合には、記憶層１０よりも保磁力を充分に大きくするか、体積を大きくするか、磁気制動定数を大きくして、記録動作時に磁化の動きを小さくするのが好ましい。
非磁性層の中間層７の材料には、磁化状態を読み出すために磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きくなるような材料を用いるのが好ましく、例えば、ＭｇＯやＡｌ２Ｏ３等の酸化物が適している。
非磁性層２の材料には、非磁性の導体を使用することができ、電気抵抗が小さく磁気的結合を制御しやすい材料が好ましく、例えばＣｒ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｏｓ等の金属非磁性材料を用いるのが好ましい。
【００２４】
強磁性的結合の場合は、垂直磁化層１の磁化Ｍ１の向きの角度を０度として、また反強磁性的結合の場合は垂直磁化層１の磁化Ｍ１の向きと反対向きの角度を０度として、強磁性層３の磁化Ｍ３の向きとなす角度が１５度以上４５度以下であることが好ましい。
１５度未満では、記憶層１０の垂直磁化層１の磁化Ｍ１及び強磁性層３の磁化Ｍ３の向きが反転する時間の短縮効果が充分でない。
４５度を超えると、記憶層１０の垂直磁化層１の磁化Ｍ１及び強磁性層３の磁化Ｍ３の向きが反転しにくくなる。
【００２５】
強磁性層３の磁化Ｍ３の向きの膜面に垂直な方向からの傾斜角度は、垂直磁化層１と強磁性層３との間の非磁性層２の厚さ等により、変えることが可能である。
【００２６】
ここで、本発明を適用した記憶素子の抵抗（Ｒ）の外部磁場（Ｈ）依存性を、模式的に図３に示す。
図３に示すように、外部磁場がないときの二つの記録状態の抵抗の差をΔＲ１として、抵抗が飽和した後の二つの記録状態の抵抗の差をΔＲ２とする。
このとき、図１の強磁性層３のように、磁化容易軸が膜面内方向の強磁性層において、定常時にこの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向となす角度θはｃｏｓθ＝ΔＲ１／ΔＲ２と見積もられる。
また、この強磁性層の実効的な反磁界Ｈｄは、ＭＲ曲線が飽和する点の磁場の差を２Ｈｓとして、Ｈｄ＝Ｈｓ・ΔＲ１／（ΔＲ２−ΔＲ１）と見積もられる。
【００２７】
記憶層に用いられる垂直磁化層の記録の保持エネルギーは、垂直磁気異方性磁場（ＨｋＰ）、飽和磁束密度（４πＭｓＰ）、素子面積（ＳＰ）、及び、素子の厚さ（ｔＰ）を用いて、ＨｋＰ・４πＭｓＰ・ＳＰ・ｔＰ／２で表される。
膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁化を完全に膜面に垂直な方向に向けるために必要なエネルギーは、飽和磁束密度（４πＭｓＩ）、素子面積（ＳＩ）、及び、素子の厚さ（ｔＩ）を用いて、（４πＭｓＩ）２・ＳＩ・ｔＩ／２となる。
【００２８】
膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層と磁気的に結合した垂直磁化層の磁化が、膜面に垂直な方向を保持するためには、垂直磁化層の記録の保持エネルギーが、膜面内方向の磁場を膜面に垂直な方向に立てるエネルギー以上でなければならない。
加えて、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁化を、スピン注入トルクによって反転させたときに、垂直磁化層の磁化の向きも反転しなければならない。そのため、垂直磁化層の記録の保持エネルギーは、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁化を垂直に立てるエネルギーの２倍以下でなければならない。
【００２９】
通常、垂直磁化層と強磁性層の平面パターンはほぼ同じであり、これら２層は、その膜面方向の寸法及び面積がほぼ同じである。
このとき、記憶素子が良好に動作するためには、記憶層において、垂直磁化層の垂直磁気異方性と飽和磁束密度及び厚さの積が、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の飽和磁束密度の２乗と厚さの積の１倍以上２倍以下であることが、条件となる。
この条件を満たすことにより、安定した記録の保持特性と、エラーを発生させずに良好に記録を行うこととを両立することができる。
【００３０】
次に、本発明の記憶素子の動作を説明する。
本発明の記憶素子では、記憶素子に電流を流して、スピン注入磁化反転により、記憶層の磁化の向き（即ち、垂直磁化層の磁化の向き及び膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁化の向き）を反転させて、情報の記録を行う。
【００３１】
ここで、スピン注入磁化反転動作における、単層の垂直磁化層の磁化の運動の軌跡を図４Ａに示し、本発明の記憶素子の記憶層を構成する、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁化の運動の軌跡を図４Ｂに示す。
図４Ａ及び図４Ｂにおいて、膜面に垂直な上方向を示す軸１０１と、膜面に垂直な下方向を示す軸１０２と、膜面内を示す軌道１０３とを示した球状の空間に、磁化の向きの矢印１０４と、磁化の運動の軌跡１０５とを示している。なお、図４Ｂの１０５は、本発明の記憶素子の記憶層を構成する、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁化の軌道が定常状態でとりうる軌跡であり、図１の軌跡５に対応する。
図４Ａ及び図４Ｂでは、いずれも、上向きから下向きに磁化の向きを反転させる場合の軌跡を示している。
【００３２】
また、図４Ａ及び図４Ｂに示した磁化の軌跡を、磁化の垂直成分の時間変化として表して、それぞれ図５Ａ及び図５Ｂに示す。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は磁化の垂直成分を示しており、上向きが１で、下向きが−１である。また、記録のための電流を流している期間を、矢印１１０で示している。
【００３３】
単層の垂直磁化層では、図４Ａからわかるように、記録動作前では磁化がほぼ上向きであり、素子に電流を流すとスピントルクが働いて、磁化の歳差運動の振幅が大きくなる。そして、膜面内の軌道１０３を越えると、歳差運動の回転方向が反転して、反対方向に向かう。
そして、磁化の向きが膜面に垂直な方向の近傍にあるときには、スピントルクが小さいので、時間変化に対して歳差運動の変化が小さく、図５Ａに示すように、電流を流し始めても磁化にほとんど変化がない領域が見られる。
この領域の長さは、記録動作のたびに変化するので、磁化の向きの反転にかかる時間にばらつきが生じて、確実に磁化を反転させるためには十分に長い記録時間が必要になる。
【００３４】
これに対して、本発明の記憶素子の記憶層を構成する、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層の磁化は、図４Ｂに示すように、膜面に垂直な軸１０１から傾いた方向に向いている。このため、この強磁性層の磁化は、記録電流を流すと同時にある程度のスピントルクを受けて、速やかに歳差運動の振幅増加が始まる。
これにより、高速に反転することが可能であり、反転時間のばらつきも小さくなるため、記録電流を流す時間を短縮できる。
図５Ｂに示すように、電流を流している期間１１０の前半のうちに、磁化の向きが反転しており、図５Ａの単層の垂直磁化層の場合と比較して、反転に要する時間を大幅に短縮できることがわかる。
【００３５】
＜２．第１の実施の形態＞
続いて、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本発明の第１の実施の形態の記憶装置を構成する記憶素子の概略構成図（断面図）を、図６に示す。
図６に示す記憶素子２０は、下層から、下地層１１、垂直磁化層１２、高分極率層１３、トンネル絶縁層１４、膜面内方向（図中左右方向）に磁化容易軸を有する強磁性層１５、非磁性層１６、垂直磁化層１７、保護層１８の順に各層が積層されている。
【００３６】
垂直磁化層１２，１７は、膜面に垂直な方向の磁化Ｍ１２，Ｍ１７を有している。
高分極率層１３は、記憶素子２０を構成する磁気抵抗効果素子のＭＲ比（磁気抵抗効果比）を大きくするために設けている。
垂直磁化層１２及び高分極率層１３により磁化固定層２１が構成され、垂直磁化層１２の磁化Ｍ１２の向きは上向きに固定されている。垂直磁化層１２及び高分極率層１３は直接接触しており、磁気的に一体として機能する。
強磁性層１５と非磁性層１６と垂直磁化層１７とにより、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層２２が構成される。
磁化固定層２１と記憶層２２との間の中間層は、トンネル絶縁層１４であるので、磁化状態を読み出すために磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きくなる。
【００３７】
この記憶素子２０では、磁化固定層２１と記憶層２２との上下関係が、図２Ａ及び図２Ｂとは逆になっており、磁化固定層２１が記憶層２２の下層に設けられている。
【００３８】
膜面内方向（図中左右方向）に磁化容易軸を有する強磁性層１５は、非磁性層１６を介して配置された垂直磁化層１７との磁気結合によって、磁化Ｍ１５の向きが、膜面に垂直な方向（上下方向）から傾斜している。
【００３９】
強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きの膜面に垂直な方向からの傾斜角度は、前述したように、非磁性層１６の膜厚等によって変えることが可能である。
そして、本実施の形態の記憶素子２０においては、この強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きの膜面に垂直な方向からの傾斜角度が、１５度以上４５度以下である構成とする。
【００４０】
記憶層２２の強磁性層１５の磁化Ｍ１５及び垂直磁化層１７の磁化Ｍ１７は、記憶素子２０に、膜面に垂直な方向（記憶素子２０の各層の積層方向、上下方向）の電流を流すと、スピン注入磁化反転によって、向きが反転する。これにより、記憶層２２に情報を記録することができる。
【００４１】
そして、強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きが膜面に垂直な方向（上下方向）から傾斜していることにより、スピン注入磁化反転によって、強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きを反転させるために要する時間を短縮することができる。
【００４２】
垂直磁化層１２や垂直磁化層１７には、前述した、ＴｂＦｅＣｏ合金、ＧｄＦｅＣｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏとＰｄ、Ｐｔ等貴金属との積層膜、或いは、それらの材料に適当な添加物を加えたもの等を使用することが可能である。
記憶層２２の強磁性層１５には、前述した、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅ合金、或いは、これらの合金に適当な添加物を加えたもの等を使用することが可能である。
記憶層２２の非磁性層１６には、前述した、Ｃｒ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｏｓ等の金属非磁性材料を用いることができる。
トンネル絶縁層１４には、前述した、ＭｇＯやＡｌ２Ｏ３等の酸化物を用いることができる。
【００４３】
さらにまた、より好ましくは、記憶層２２において、垂直磁化層１７の垂直磁気異方性と飽和磁束密度及び厚さの積が、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層１５の飽和磁束密度の２乗と厚さの積の１倍以上２倍以下である構成とする。
【００４４】
なお、図６では、強磁性層１５の磁化Ｍ１５及び垂直磁化層１７の磁化Ｍ１７がいずれも下向きになっていて、これらの磁化が図２Ａと同様に強磁性的結合した状態となっている。
本発明の記憶素子では、図２Ｂと同様に、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層と垂直磁化層とが、反強磁性的結合した状態であっても構わない。
【００４５】
次に、図６に示した記憶素子２０を用いた、本発明の第１の実施の形態の記憶装置（メモリ）の概略構成図（平面図）を、図７に示す。
この記憶装置（メモリ）３０は、図７に示すように、マトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第１の配線（例えばビット線）３１及び第２の配線（例えばワード線）３２の交点に、記憶素子２０を配置して構成されている。
記憶素子２０は、平面形状が円形状とされ、図６に示した断面構造を有する。
また、記憶素子２０は、図６に示したように、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層１５と非磁性層１６と垂直磁化層１７とが積層されて成る記憶層２２を有している。
そして、各記憶素子２０によって、記憶装置３０のメモリセルが構成される。
【００４６】
第１の配線３１及び第２の配線３２は、図示しないが、それぞれ記憶素子２０に電気的に接続され、これらの配線３１，３２を通じて、記憶素子２０に記憶素子２０の各層の積層方向（上下方向）の電流を流すことができる。
そして、この電流を記憶素子２０に流すことにより、記憶層２２の強磁性層１５の磁化Ｍ１５及び垂直磁化層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。具体的には、記憶素子２０に流す電流の極性（電流の方向）を変えることにより、記憶層２２の強磁性層１５の磁化Ｍ１５及び垂直磁化層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させて、情報の記録を行う。
【００４７】
上述の本実施の形態の記憶素子２０の構成によれば、記憶層２２を、垂直磁化層１７と非磁性層１６と膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層１５とを積層して構成して、垂直磁化層１７と強磁性層１５とを磁気的結合させている。そして、この磁気的結合により、強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きが、膜面に垂直な方向（上下方向）から傾斜している。
強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きが、膜面に垂直な方向（上下方向）から傾斜しているので、記憶素子２０に膜面に垂直な方向（各層の積層方向）の電流を流して、スピン注入を開始すると、速やかに強磁性層１５の磁化Ｍ１５の歳差運動の振幅増加が始まる。これにより、記憶層２２の垂直磁化層１７の磁化Ｍ１７及び強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きを、強磁性層の磁化の向きが傾斜していない（上下方向である）構成と比較して、より短い時間で反転させることが可能になる。
従って、記憶層２２の強磁性層１５の磁化Ｍ１５及び垂直磁化層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させて、情報の記録を行う際に要する反転時間を短縮することができると共に、この反転時間のばらつきも低減することができる。
これにより、情報の記録の際の電流量を低減することができ、かつ、短い時間で記憶素子２０に情報の記録を行うことができる。
また、強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きの膜面に垂直な方向からの傾斜角度が１５度以上４５度以下であることにより、反転時間を短縮することができると共に、少ない電流量でも情報の記録のエラーの発生率を低くすることが可能になる。これにより、少ない電流量でも、安定して情報の記録を行うことができる。
【００４８】
そして、本実施の形態の記憶装置３０の構成によれば、上述した構成の記憶素子２０によってメモリセルが構成されているので、情報の記録の際の電流量を低減することができ、かつ、短い時間で情報の記録を行うことができる。また、少ない電流量でも、安定して情報の記録を行うことができる。
従って、少ない電流で高速動作可能な記憶装置３０を実現することが可能になり、記憶装置３０の動作の信頼性も高めることができる。
【００４９】
＜３．実験例＞
本発明の記憶素子を実際に作製して、特性を調べた。
【００５０】
（比較例）
本発明に対する比較例となる記憶素子を作製した。この比較例の記憶素子の断面図を、図８に示す。
図８に示す記憶素子６０は、図６の記憶素子２０から、記憶層を構成する垂直磁化層と強磁性層との間の非磁性層を除いた構成となっている。
即ち、下層から、下地層５１、垂直磁化層５２、高分極率層５３、トンネル絶縁層５４、膜面内方向に磁化容易軸を有する強磁性層５５、垂直磁化層５６、保護層５７の順に各層が積層されて、記憶素子６０が構成されている。
垂直磁化層５２，５６は、膜面に垂直な方向の磁化Ｍ５２，Ｍ５６を有している。
垂直磁化層５２及び高分極率層５３により、磁化固定層６１が構成され、垂直磁化層５２の磁化Ｍ５２は上向きに固定されている。垂直磁化層５２と高分極率層５３とは直接接触しているので、磁気的に一体として機能する。
強磁性層５５及び垂直磁化層５６により、記憶層６２が構成される。
記憶層６２の強磁性層５５の磁化Ｍ５５及び垂直磁化層５６の磁化Ｍ５６は、いずれも膜面に垂直な方向で、かつ下向きになっている。
【００５１】
下地層５１として、Ｔａ層を厚さ５ｎｍで形成し、その上に磁化固定層６１の垂直磁化層５２として、非晶質ＴｂＦｅＣｏ層を厚さ１５ｎｍで形成し、その上に磁化固定層６１の高分極率層５３として、ＣｏＦｅＢ層を厚さ１ｎｍで形成した。なお、ＴｂＦｅＣｏはフェリ磁性体なので、ＴｂＦｅＣｏ層のＴｂ量を磁化がなくなる補償組成よりも多くして、高分極率層５３のＣｏＦｅＢ層の磁化を打ち消すように調整した。これにより、磁化固定層６１からの漏れ磁場を少なくして、記憶層６２に磁気的な影響を及ぼさないようにした。
続いて、トンネル絶縁層５４として、ＭｇＯ層を厚さ０．８ｎｍで形成し、その上に、記憶層６２の強磁性層５５として、ＣｏＦｅ層を厚さ０．５ｎｍで形成し、記憶層６２の垂直磁化層５６として、ＦｅＰｔ層を厚さ１．５ｎｍで形成した。
さらに、保護層５７として、Ｔａ層を厚さ５ｎｍで形成して、その後、積層した各層を直径５０ｎｍの円形の平面パターンにパターニングして、記憶素子６０を作製した。
【００５２】
（実施例）
以下のようにして、図６に示した構成の記憶素子２０を作製した。
下地層１１として、Ｔａ層を厚さ５ｎｍで形成し、その上に磁化固定層２１の垂直磁化層１２として、非晶質ＴｂＦｅＣｏ層を厚さ１５ｎｍで形成し、その上に磁化固定層２１の高分極率層１３として、ＣｏＦｅＢ層を厚さ１ｎｍで形成した。なお、ＴｂＦｅＣｏはフェリ磁性体なので、ＴｂＦｅＣｏ層のＴｂ量を磁化がなくなる補償組成よりも多くして、高分極率層１３のＣｏＦｅＢ層の磁化を打ち消すように調整した。これにより、磁化固定層２１からの漏れ磁場を少なくして、記憶層２２に磁気的な影響を及ぼさないようにした。
続いて、トンネル絶縁層１４として、ＭｇＯ層を厚さ０．８ｎｍで形成した。
その上に、記憶層２２の強磁性層１５として、ＣｏＦｅ層を厚さ０．５ｎｍで形成し、記憶層２２の非磁性層１６として、Ｒｕ層を形成し、記憶層２２の垂直磁化層１７として、ＦｅＰｔ層を厚さ２ｎｍで形成した。
さらに、保護層１８として、Ｔａ層を厚さ５ｎｍで形成して、その後、積層した各層を直径５０ｎｍの円形の平面パターンにパターニングして、記憶素子２０の試料を作製した。
即ち、比較例の記憶素子６０とは、非磁性層１６のＲｕ層の有無と、強磁性層１５及び垂直磁化層１７の膜厚とが異なっている。
そして、記憶層２２の非磁性層１６のＲｕ層の厚さｔを、０．２ｎｍ、０．２５ｎｍ、０．３ｎｍ、０．３５ｎｍとして、それぞれ記憶素子２０の試料を作製して、試料１、試料２、試料３、試料４とした。このように、記憶層２２の非磁性層１６のＲｕ層の厚さｔを変化させると、垂直磁化層１７と強磁性層１５との間の磁気的結合強度を変化させることができる。
【００５３】
記憶素子２０の試料１〜試料４について、記憶素子２０に印加する磁場の大きさを変えて、ＭＲ（磁気抵抗比）を測定した。測定結果として、各試料のＭＲの磁場依存性を重ねて、図９に示す。
図９からわかるように、非磁性層１６のＲｕ層の厚さを変えると、層間結合の強さが変化して、強磁性層１５の磁化Ｍ１５の膜面に垂直な方向からの傾斜角度が変化する。
【００５４】
また、各試料のＲｕ層の厚さ、ゼロ磁場でのＭＲ比、ゼロ磁場でのＭＲ変化率と飽和時でのＭＲ変化率とから求めた磁化の傾斜角度を、まとめて表１に示す。
【００５５】
【表１】
0005655391.tif 000002
【００５６】
さらに、比較例の記憶素子と、試料１、試料２、試料３のそれぞれの記憶素子の試料について、記憶素子にパルス幅２０ｎｍのパルス電流を流して記録を行い、エラーの発生率を調べた。
結果として、エラーの発生率の対数値の記録電圧（ＶＰ）に対する依存性を、図１０に示す。図中、Ｓ０は比較例の結果を示し、Ｓ１は試料１の結果を示し、Ｓ２は試料２の結果を示し、Ｓ３は試料３の結果を示す。
なお、試料４は、磁化の充分な反転が見られなかった。このことから、強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きの傾斜角度が５０度では大き過ぎると考えられる。
【００５７】
図１０からわかるように、試料２（Ｓ２）と試料３（Ｓ３）では、反転に必要な電圧が比較例（Ｓ０）に対して減少しており、記録電圧に対するエラー率の低下が大きくなっている。
【００５８】
次に、試料１〜試料４と同様にして、図６の記憶素子２０において、記憶層２２の非磁性層１６のＲｕ層の厚さを変えて、それぞれ記憶素子２０の試料を作製した。
そして、記憶素子２０に印加する磁場の大きさを変えて、ＭＲ（磁気抵抗比）を測定して、記憶層２２の強磁性層１５の磁化Ｍ１５の膜面に垂直な方向からの傾斜角度θを算出した。さらに、記憶素子２０にパルス幅２０ｎｍのパルス電流を流して記録を行い、記録電圧を変えて、それぞれエラーの発生率を調べた。
そして、これらの各試料において、記録のエラーが１０−６以下になる記録電圧ＶＲを求めた。また、比較例の記憶素子についても、同様に、記録のエラーが１０−６以下になる記録電圧ＶＲを求めた。
その結果として、傾斜角度θ（°）と記録のエラーが１０−６以下になる記録電圧ＶＲとの関係を、図１１に示す。なお、図１１において、比較例の記憶素子の結果は、水平な線で示している。
【００５９】
図１１より、比較例の値を下回るのは、強磁性層１５の磁化Ｍ１５の傾斜角度θが１５度以上４５度以下の範囲であり、この範囲の傾斜角度が記録電圧の低減には有効であることがわかる。
【００６０】
上述の実施の形態及び実験例では、記憶素子２０の平面パターンを円形としたが、本発明において、記憶素子の平面パターンはその他の形状としても良い。楕円形や紡錘形、矩形等とすることも可能である。
【００６１】
また、本発明の記憶素子において、磁化固定層と記憶層の上下関係、並びに、記憶層の垂直磁化層と強磁性層との上下関係は任意であり、図示した位置関係には限定されない。
【００６２】
また、図７の記憶装置３０の平面図では、第１の配線３１と第２の配線３２との交点付近に、メモリセルの記憶素子２０を配置していた。
本発明では、記憶素子は、配線の交点付近に限らず、配線と電気的に接続され、積層方向の電流を配線から供給することが可能であれば、その他の構成としてもよい。
また、各メモリセルの記憶素子に選択用のトランジスタを接続しても構わない。例えば、ＭＯＳトランジスタのゲートを一方の配線に接続して、ＭＯＳトランジスタのソース／ドレイン領域にプラグ層などを介して、記憶素子を電気的に接続して、記憶素子の上に他方の配線を電気的に接続する構成も考えられる。
【００６３】
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。
【符号の説明】
【００６４】
１,１２，１７  垂直磁化層、２，１６  非磁性層、３，１５  強磁性層、７  中間層、８，２１  磁化固定層、１０，２２  記憶層、１１  下地層、１３  高分極率層、１４  トンネル絶縁層、１５  強磁性層、１６  非磁性層、１８  保護層、２０  記憶素子、３０  記憶装置、３１  第１の配線、３２  第２の配線
【図１】
0005655391.tif 000003
【図２】
0005655391.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005655391.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図４】
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