(57)【要約】【課題】熱安定性を改善することができる記憶素子を提供する。【解決手段】情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層１７を有し、この記憶層１７に対してトンネル絶縁層１６を介して磁化固定層３１が設けられ、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Ｍ１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、記憶層１７がトンネル絶縁層１６よりも、平面パターンの面積が大きく形成されている記憶素子１を構成する。【選択図】図２
2008153527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、
前記中間層が、絶縁体から成り、
積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子であって、
前記記憶層が、前記中間層よりも、平面パターンの面積が大きく形成されている
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項２】
前記中間層が、酸化マグネシウム層であることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
互いに交差する２種類の配線を備え、
前記記憶素子は、前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、前記記憶層が、前記中間層よりも、平面パターンの面積が大きく形成されている構成であり、
前記２種類の配線の交点付近かつ前記２種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、
前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン偏極した電子を注入することにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。
【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】
そして、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。
【０００４】
ＭＲＡＭは、ほぼ直交する２種類のアドレス配線（ワード線、ビット線）にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。
【０００５】
一般的なＭＲＡＭの模式図（斜視図）を、図６に示す。
シリコン基板等の半導体基体１１０の素子分離層１０２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１０８、ソース領域１０７、並びにゲート電極１０１が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極１０１の上方には、図中前後方向に延びるワード線１０５が設けられている。
ドレイン領域１０８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１０８には、配線１０９が接続されている。
そして、ワード線１０５と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線１０６との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子１０３が配置されている。この磁気記憶素子１０３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。
さらに、磁気記憶素子１０３は、水平方向のバイパス線１１１及び上下方向のコンタクト層１０４を介して、ソース領域１０７に電気的に接続されている。
ワード線１０５及びビット線１０６にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子１０３に印加して、これにより磁気記憶素子１０３の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
【０００６】
そして、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層（記憶層）が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、ＭＲＡＭを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
【０００７】
そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２参照）。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
【０００８】
例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。
【０００９】
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。
【００１０】
上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの模式図を図４及び図５に示す。図４は斜視図、図５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４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４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４中左右方向に延びるビット線５６との間に、スピン注入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。図中６１及び６２は磁性層を示しており、２層の磁性層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即ち記憶層とする。
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。
【００１１】
このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図６に示した一般的なＭＲＡＭと比較して、デバイス構造を単純化することができる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
【００１２】
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電流量を充分に流すことができる。
【００１３】
一方、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいては、記憶素子に流す電流によりスピン注入を行って、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。この場合、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。
このため、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、スピン注入の効率を改善して、記憶素子に流す電流を低減する必要がある。
【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にすることが効果的である。
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。この観点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。
【００１５】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，５４，９３５３（１９９６）
【非特許文献２】Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔ．，１５９，Ｌ１（１９９６）
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、電流によって書き込まれた情報を記憶して保持しなければ、メモリとはなり得ない。そのため、記憶層の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）の確保が必要である。
スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子の場合、従来のＭＲＡＭと比較して、記憶層の体積が小さくなるので、単純に考えると熱安定性は低下する方向にある。
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、熱により再反転してしまい、書き込みエラーとなってしまう。
そのため、スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子において、熱安定性は非常に重要な特性である。
【００１７】
一般に、書き込みにあまりエネルギーを費やさない素子は、エネルギーバリアが低いため、情報が消えやすい。
一方、書き込みに大きなエネルギーを要する素子は、高いエネルギーバリアを形成することが可能であるため、情報の保持も安定していると言える。
【００１８】
スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子において、スピン注入効率が等しい構成で比較すると、記憶層の飽和磁化量及び記憶層の体積が大きくなるに従い、熱安定性が高くなると同時に、書き込みに大きな電流を必要とするようになる。
熱安定性指標は、一般に、熱安定性パラメーター（Δ）で表すことができる。
Δは、Δ＝ＫＶ／ｋＴ（Ｋ：異方性エネルギー、Ｖ：記憶層の体積、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度）で与えられる。
【００１９】
従って、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる構成の記憶素子が、メモリとして存在し得るためには、スピン注入効率を改善して磁化反転に必要な電流をトランジスタの飽和電流以下に減らすと同時に、書き込まれた情報をしっかり保持する熱安定性を確保する必要がある。
【００２０】
上述した問題の解決のために、本発明は、熱安定性を改善することができる記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成である。さらに、本発明の記憶素子は、記憶層が、中間層よりも平面パターンの面積が大きく形成されているものである。
また、本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものである。
【００２２】
上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン偏極した電子を注入することによって情報の記録を行うことができる。
また、記憶層が、中間層よりも平面パターンの面積が大きく形成されているので、記憶層の保磁力を大きくして、記憶層の熱安定性を大きくすることができる。
一方で、中間層は相対的に面積の小さいパターンであるため、電流は記憶層の中間層に対応する部分（例えば中央部）のみに流れることになる。これにより、記憶層の磁化の向きを反転させるための電流量の増大を抑制することができる。
【００２３】
上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものであることにより、２種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流量の増大を抑制し、かつ、充分に記憶層の熱安定性を確保することが可能になるため、メモリセルに記録された情報を安定して保持することが可能になる。
【発明の効果】
【００２４】
上述の本発明によれば、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流量（閾値電流）の増大を抑制すると共に、情報保持能力である熱安定性を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構成することができる。
これにより、動作エラーをなくして、記憶素子の動作マージンを充分に得ることができる。
【００２５】
また、メモリとして必要な熱安定性を確保しても、閾値電流の増大を抑制することができるので、大きな電圧をかける必要がなくなることから、中間層である絶縁体が破壊されることもなくなる。
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。
【００２６】
さらにまた、書き込み電流を低減しても、メモリとして必要となる熱安定性を充分に確保することが可能となるため、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、メモリ全体の消費電力を低減することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
本発明は、前述したスピン注入により、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、強磁性層等の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。
【００２８】
スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）もしくは磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値（Ｉｃ）以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性（向き）は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。
【００２９】
スピン注入によって、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、現象論的に、下記式１により表される（例えば、F.J.Albert他著、Appl.Phys.Lett.,77,p.3809,2000年、等を参照）。
【００３０】
【数１】
2008153527.tif 000003
【００３１】
なお、式１において、Ａは定数、αはスピン制動定数、ηはスピン注入効率、Ｍｓは飽和磁化量、Ｖは磁性層（記憶層）の体積である。
【００３２】
本発明では、式１で表されるように、電流の閾値が、磁性層の体積Ｖ、磁性層の飽和磁化Ｍｓ、スピン注入効率と制動定数を制御することにより、任意に設定することが可能であることを利用する。
そして、磁化状態により情報を保持することができる磁性層（記憶層）と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有する記憶素子を構成する。
メモリとして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、前述した熱安定性指標Δの値で判断される。磁性層（記憶層）の熱安定性指標Δは、下記式２により表される。
【００３３】
【数２】
2008153527.tif 000004
【００３４】
なお、式２において、Ｂは定数、Ｈｃ０は０Ｋでの保磁力Ｈｃ、Ｍｓは飽和磁化量、Ｖは体積である。
【００３５】
一般に、記憶された情報を８５℃で１０年間保持するためには、熱安定性指標Δの値として６０以上が必要とされる。この熱安定性指標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く、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。
【００３６】
そして、スピン注入により磁化反転を行う場合には、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ため、書き込み電流の許容範囲も制限されることになる。
【００３７】
これに対して、記憶層の磁化量を減らせば、書き込み電流の閾値を低減して許容範囲を広げることが可能になるが、前述したように、記憶層の熱安定性（指標Δ）を損なうことになる。メモリを構成するためには、熱安定性指標Δがある程度以上の大きさである必要がある。
【００３８】
そこで、本願の発明者等が種々の検討を行った結果、記憶層の平面パターンを、中間層や磁化固定層の平面パターンよりも大きい面積とすることにより、記憶層の保磁力を向上させることができると共に、書き込み電流を増やすことなく、熱安定性を改善することができ、安定したメモリを形成することができることを、見出した。
【００３９】
さらに、本発明では、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層と磁化固定層との間の非磁性の中間層として、絶縁体から成る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。
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ためである。
【００４０】
また、トンネル絶縁層の材料として、特に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることにより、これまで一般的に用いられてきた酸化アルミニウムを用いた場合よりも、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができる。
一般に、スピン注入効率はＭＲ比に依存し、ＭＲ比が大きいほど、スピン注入効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、中間層であるトンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用いることにより、スピン注入による書き込み閾値電流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。
これにより、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を確保して、スピン注入による書き込み閾値電流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。
【００４１】
トンネル絶縁層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。
【００４２】
なお、本発明において、記憶層と磁化固定層との間の中間層（トンネル絶縁層）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。
【００４３】
さらにまた、記憶層中の酸化物の分散状態を適正化し、かつ、中間層に酸化マグネシウムを用いた場合に優れた磁気抵抗効果特性（ＭＲ特性）を得るためには、アニール温度を３００℃以上、望ましくは３４０℃〜３６０℃の高い温度とすることが要求される。これは、従来中間層に用いられていた酸化アルミニウムの場合のアニール温度の範囲（２５０℃〜２８０℃）と比較して、高温になっている。
これは、酸化物と磁性層の相分離を促し、整合界面を形成するためであり、同時に酸化マグネシウム等のトンネル絶縁層の適正な内部構造や結晶構造を形成するために必要になるからである、と考えられる。
【００４４】
このため、記憶素子の強磁性層にも、この高い温度のアニールに耐性を有するように、耐熱性のある強磁性材料を用いないと、優れたＭＲ特性を得ることができないが、本発明によれば、記憶層の平面パターンの面積を相対的に大きくすることによって、記憶層の耐熱性が向上するので、３４０℃〜３６０℃のアニールにも記憶層の磁気特性が劣化することがなく耐えうるようになる。
これにより、記憶素子を備えた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、本実施の形態の記憶素子を備えたメモリを、汎用メモリとして適用することが可能になる。
【００４５】
記憶素子のその他の構成は、スピン注入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。
【００４６】
本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を、図１に示す。
この記憶素子１は、スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層３１を設けている。磁化固定層３１の下に反強磁性層１２が設けられ、この反強磁性層１２により、磁化固定層３１の磁化の向きが固定される。
記憶層１７と磁化固定層３１との間には、トンネルバリア層となるトンネル絶縁層１６が設けられ、記憶層１７と磁化固定層３１とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
また、反強磁性層１２の下には下地層１１が形成され、記憶層１７の上にはキャップ層１８が形成されている。
【００４７】
磁化固定層３１は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層３１は、２層の強磁性層１３，１５が、非磁性層１４を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５が積層フェリ構造となっているため、強磁性層１３の磁化Ｍ１３が右向き、強磁性層１５の磁化Ｍ１５が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。これにより、磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
【００４８】
また、本実施の形態の記憶素子１の記憶層１７を含む要部の斜視図を、図２に示す。
図２の斜視図は、記憶層１７とトンネル絶縁層１６と磁化固定層３１とを示している。
本実施の形態では、特に、記憶層１７を、トンネル絶縁層１６及び磁化固定層３１よりも、大きい面積の平面パターンに形成している。
図２に示すように、トンネル絶縁層１６及び磁化固定層３１は、楕円形状の平面パターンに形成されている。記憶層１７は、トンネル絶縁層１６の平面パターンと同じ楕円形のパターン１７Ａと、その楕円の長軸方向の両側に突出した部分１７Ｂとを有している。
そして、トンネル絶縁層１６及び磁化固定層３１は、記憶層１７の中央部に対向して配置されている。
【００４９】
磁化固定層３１の強磁性層１３，１５の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにＮｂ，Ｚｒ，Ｇｄ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｕ等の遷移金属元素やＳｉ，Ｂ，Ｃ等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接（非磁性層を介さずに）積層して、強磁性層１３，１５を構成してもよい。
磁化固定層３１の積層フェリを構成する非磁性層１４の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。
非磁性層１４の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ０．５ｎｍから２．５ｎｍの範囲で使用する。
【００５０】
磁化固定層３１の強磁性層１３，１５と記憶層１７の膜厚は、適宜調整することが可能であり、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が適当である。
【００５１】
記憶層１７の強磁性層の材料としては、特に限定はないが、磁化固定層３１の強磁性層１３，１５と同様に、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにＮｂ，Ｚｒ，Ｇｄ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｕ等の遷移金属元素やＳｉ，Ｂ，Ｃ等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接（非磁性層を介さずに）積層して、記憶層１７の強磁性層を構成してもよい。
【００５２】
さらに、本実施の形態において、トンネル絶縁層１６を、酸化マグネシウム層とした場合には、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。
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Ｍ１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。
【００５３】
本実施の形態の記憶素子１は、例えば、以下のようにして製造することができる。
まず、磁化固定層３１の強磁性層１５までの各層を積層形成した後、その上にトンネル絶縁層１６を形成する。トンネル絶縁層１６は、金属膜を成膜してから酸化する方法や、酸化膜を直接成膜する方法により、形成することができる。
次に、トンネル絶縁層１６までの各層を、図２に示した楕円形にパターニングする。
その上に記憶層１７となる強磁性層を成膜し、この強磁性層をトンネル絶縁層１６より大きい面積の平面パターンとなるようにパターニングして、記憶層１７を形成する。
【００５４】
上述の本実施の形態の記憶素子１の構成によれば、記憶層１７をトンネル絶縁層１６及び磁化固定層３１よりも大きい面積の平面パターンに形成したことにより、記憶層１７が大きい保磁力を有している。これにより、記憶層１７の熱安定性を大きくすることができる。
記憶層１７の熱安定性を大きくすることにより、記憶素子１に対して電流を流して情報を記録する、動作領域を拡大することが可能になり、動作のマージンを広く確保し、記憶素子１を安定して動作させることができる。
【００５５】
一方、トンネル絶縁層１６が相対的に面積の小さいパターンであるため、電流は記憶層１７のトンネル絶縁層１６に対応する中央部のみに流れることになる。
そのため、記憶層１７の中央部で電流密度が高くなり、反転電流密度以上になると記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転する際の起点を形成することができ、外周部は中央部の磁化反転動作に引きずられて記憶層１７の磁化Ｍ１全体が反転するので、記憶層１７の外周部には電流を流すことなく、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転することができる。
これにより、磁化反転に必要な電流量（反転電流）を抑制することができる。そして、例えば、トンネル絶縁層が記憶層と同じ平面パターンに形成され、記憶層の平面パターンの面積が同じである構成と比較して、反転電流を低減することができる。
【００５６】
このように、磁化反転に必要な電流量を低減しても、前述したように熱安定性を充分に確保することが可能となるため、記憶層１７の磁化Ｍ１を反転させる際に記憶素子１に流す電流量を低減して、記憶素子１に情報の記録を行う際の消費電力を低減することが可能になる。
これにより、本実施の形態の記憶素子１によりメモリセルを構成した、メモリ全体の消費電力を低減することも可能になる。
【００５７】
また、記憶層１７の周辺部は、パターニングの際にメモリセル毎にばらつきを生じることがあり、記憶層１７とトンネル絶縁層１６と磁化固定層３１とを同一の平面パターンとした構成では、周辺部のばらつきにより、メモリセル毎に、保磁力や電流量の閾値にばらつきを生じることがあった。
これに対して、本実施の形態では、記憶層１７の中央部に電流が集中するため、外周部の加工歪や加工むら、磁性材料劣化による、ばらつきの影響を受けにくくすることができる。
【００５８】
上述の実施の形態では、記憶層１７をトンネル絶縁層（中間層）１６と相似形ではない平面パターンとしたが、中間層と相似形で面積の大きい平面パターンとしてもよい。
【００５９】
また、中間層が記憶層の中央部に対向するように配置することが望ましいが、中間層が記憶層の一方の側に寄って形成されていても、本発明の作用効果が得られる。
【００６０】
さらにまた、記憶層と、中間層及び磁化固定層との上下関係を上述の実施の形態とは逆にして、記憶層を下層側に、磁化固定層を上層側にしても構わない。
【００６１】
このように磁化固定層を上層側にした構成（トップスピンタイプ）に本発明を適用した場合には、例えば、次のようにして、記憶素子を製造する。
まず、強磁性層をパターニングして記憶層を形成する。
その後、中間層及び磁化固定層を順次成膜する。
そして、これら中間層及び磁化固定層を、エッチング等により、記憶層よりも面積の小さい平面パターンに、パターニングする。
なお、中間層のみを記憶層よりも小さい面積にパターニングする場合には、化学的エッチングの条件を考慮する。
【００６２】
上述した実施の形態の記憶素子１によりメモリセルを構成して、このメモリセルを多数配置することにより、メモリ（記憶装置）を構成することができる。
互いに交差する２種類の配線を備えて、これら２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子１を配置して、これら２種類の配線を通じて記憶素子１に積層方向の電流を流すようにメモリを構成する。
具体的なメモリの構成としては、例えば、図４に示したメモリの構成と同様に、選択用トランジスタ、ワード線、ビット線を備えた構成とすればよい。
【００６３】
（実施例）
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、記憶素子の試料を作製し、記憶層が中間層よりも大きい面積である本発明の記憶素子の構成が、記憶層と中間層とが同じ形状・面積を持つ従来構造に対して、優れたスピン注入磁化反転特性を有することを確かめた。
まず、厚さ０．５７５ｍｍのシリコン基板上に、厚さ２μｍの熱酸化膜を形成し、その上に図１に示した構成の記憶素子１を形成した。
具体的には、図１に示した構成の記憶素子１において、各層の材料及び膜厚を、下地膜１１を膜厚３ｎｍのＴａ膜、反強磁性層１２を膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜、磁化固定層３１を構成する強磁性層１３を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜、強磁性層１５を膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅ膜、積層フェリ構造の磁化固定層３１を構成する非磁性層１４を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、トンネル絶縁層１６を膜厚０．８ｎｍの酸化マグネシウム膜、記憶層１７を膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、キャップ層１８を膜厚５ｎｍのＴａ膜と選定し、また下地膜１１と反強磁性層１２との間に図示しない膜厚１００ｎｍのＣｕ膜（後述するワード線となるもの）を設けて、各層を形成した。
上記膜構成で、ＰｔＭｎ膜の組成はＰｔ５０Ｍｎ５０（原子％）、ＣｏＦｅ膜の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０（原子％）、ＣｏＦｅＢ膜の組成はＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（原子％）とした。
【００６４】
酸化マグネシウム膜から成るトンネル絶縁層１６以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化マグネシウム膜（ＭｇＯ）から成るトンネル絶縁層１６は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
さらに、記憶素子１の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、１０ｋＯｅ・３５０℃・４時間の熱処理を行い、ＭｇＯ／強磁性層の結晶構造・界面制御と反強磁性層１２のＰｔＭｎ膜の規則化熱処理を行った。
【００６５】
図３Ａに記憶層１７の平面パターンを示すように、記憶層１７が中間層（トンネル絶縁層）１６の平面パターンと相似形であり、中間層１６の平面パターンよりも大きい面積である構成として、断面構造（膜構成）は図１に示した記憶素子１と同様にして、記憶素子を作製し、これを実施例１の試料とした。
この実施例１の試料について、寸法を測定することにより、記憶層／中間層の面積比を求めると、１．６であった。
【００６６】
次に、図３Ｂに記憶層１７の平面パターンを示すように、記憶層１７が中間層（トンネル絶縁層）１６の平面パターンから、長軸方向にのみ突出した部分１７Ｂを有する構成として、断面構造（膜構成）は図１に示した記憶素子１と同様にして、記憶素子を作製し、これを実施例２の試料とした。中間層１６以下の各層の平面パターンは、形状・寸法とも、実施例１と同じとした。
この実施例２の試料について、記憶層／中間層の面積比は、１．４であった。
【００６７】
また、記憶層の平面パターンを中間層と同一の平面パターンとした、従来の構成の記憶素子を作製し、これを従来例の試料とした。中間層１６以下の各層の平面パターンは、形状・寸法とも、実施例１及び実施例２と同じとした。この従来例では、面積比は１．０となる。
【００６８】
なお、それぞれの試料において、図示しないが、記憶素子の下地層１１側にワード線を接続し、キャップ層１８側にビット線を接続した。
【００６９】
従来例及び各実施例の試料について、以下のように、反転電流値及び熱安定性の指標Δの値を測定した。
【００７０】
（反転電流値の測定）
記憶素子に、１μｓから１００ｍｓのパルス幅の電流を流して、その後の記憶素子の抵抗値を測定した。記憶素子の抵抗値を測定する際には、温度を室温２５℃として、ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が１０ｍＶとなるように調節した。
さらに、記憶素子に流す電流量を変化させて、この記憶層の磁化が反転する反転電流値を求めた。
そして、記憶素子間のばらつきを考慮するために、同一構成の記憶素子を２０個程度作製して、上述の測定を行い、反転電流値の平均値をとった。
【００７１】
ここで、便宜上、ワード線からビット線に電流を流す場合の反転電流値をＩｃ+と記し、ビット線からワード線に電流を流す場合の反転電流値をＩｃ−と記す。ワード線からビット線に電流を流す場合には、平行状態から反平行状態に反転し、ビット線からワード線に電流を流す場合には、反平行状態から平行状態に反転する。各パルス幅におけるＩｃ値を横軸パルス幅でプロットし、１ｎｓのパルス幅に外装した値をＩｃ０値とした。
そして、Ｉｃ+及びＩｃ−からそれぞれ得られたＩｃ０値の絶対値の平均値を求め、これを各試料の反転電流値とした。
【００７２】
（熱安定性の指標Δの測定）
各パルス幅で測定された電流値Ｉｃ及び上述の方法により算出されたＩｃ０の値から、下記の式３に従い、熱安定性の指標Δを導出した。式３中のτ0値は、スピン自転周波数の逆数で、通常１ｎｓとする。
【００７３】
【数３】
2008153527.tif 000005
【００７４】
各例について、記憶層の形状と、中間層との面積比と、反転電流値及び熱安定性の指標Δの値の測定結果とを、表１に示す。
【００７５】
【表１】
2008153527.tif 000006
【００７６】
表１より、本発明の実施例は、中間層と相似形とした実施例１も、中間層から長軸方向に張り出させた実施例２も、いずれも従来例よりも熱安定性の指標Δの値が大幅に増大し、メモリの保持能力が向上していることがわかる。
【００７７】
なお、反転電流値は、実施例が従来例よりもやや大きくなっているが、この程度の差では特に問題は生じない。
表１の従来例と実施例１とは、中間層の面積が等しい。これに対して、仮に、従来例と同様の構成で、実施例１と記憶層の面積を等しくすると、熱安定性の指標Δが大きくなるが、反転電流も表１に示した各例の値よりも大幅に大きくなってしまう。
このことから、同じ面積の記憶層、もしくは同じ熱安定性の指標Δが得られる構成で比較すると、実施例のように記憶層の平面パターンの面積を中間層の平面パターンよりも大きくすることにより、反転電流値を低減することができる、とも言える。
【００７８】
従って、実施例の構成とすることにより、反転電流を低く抑制することと、充分な熱安定性によりメモリの保持能力を向上させることとを、共に実現することができる。
【００７９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図２】図１の記憶素子の記憶層を含む要部の斜視図である。
【図３】Ａ、Ｂ  本発明の記憶素子の実施例の記憶層の平面パターンを示す図である。
【図４】スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図５】図４のメモリの断面図である。
【図６】従来のＭＲＡＭの構成を模式的に示した斜視図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  記憶素子、１１  下地層、１２  反強磁性層、１３，１５  強磁性層、１４  非磁性層、１６  トンネル絶縁層、１７  記憶層、１８  キャップ層、３１  磁化固定層
【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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