(57)【要約】【課題】書き込み電流を増大させることなく、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が受ける実効的な反磁界の大きさが、記憶層１７の飽和磁化量よりも小さい記憶素子３を構成する。【選択図】図２
2008227388.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、
前記記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、前記記憶層の飽和磁化量よりも小さい
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項２】
前記記憶層を構成する強磁性層材料の飽和磁化量の、前記実効的な反磁界の大きさに対する比が、１．１５以上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】
前記記憶層は、強磁性体に、酸化物又は非磁性金属が添加されていることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
前記記憶層の前記中間層とは反対側に接して、前記記憶層が受ける前記実効的な反磁界の大きさを低減する性質を有する非磁性層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
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、
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、前記記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、前記記憶層の飽和磁化量よりも小さい構成であり、
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、スピン偏極した電子が注入される
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、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流す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９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７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７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９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、そのために高密度化が可能にな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】
この電流値を下げるためには、この電流値が記憶層の膜厚に比例し、記憶層の飽和磁化の２乗に比例するので、これら（膜厚や飽和磁化）を調節すれば良いことがわかる(例えば、非特許文献３参照)。そして、例えば、Ｎｇｕｙｅｎ等により、記録材料の磁化量(Ｍｓ)を低減すれば、電流値を低減できることが示されている（特許文献３参照）。
【００１６】
しかしながら、一方で、電流によって書き込まれた情報を記憶しなければメモリとはなり得ない。つまり、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、スピン注入による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し、また、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。
【００１９】
【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】F. J. Albert et al.,Appl. Phy. Lett.,77,3809(2000)
【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】米国特許公開２００５−０１８４８３９ Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
スピン注入による磁化反転に必要な電流を低減するには、記憶層の飽和磁化量Ｍｓを低減することや、記憶層を薄くすることが考えられる。
例えば、上述の特許文献３のように、記憶層の材料に、飽和磁化量Ｍｓの低い材料を使用することが有効である。
【００２１】
しかしながら、このように、単純に飽和磁化量Ｍｓの低い材料を用いた場合、情報をしっかりと保持する熱安定性を確保することができない。
【００２２】
上述した問題の解決のために、本発明においては、書き込み電流を増大させることなく、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】
【００２３】
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、記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、記憶層の飽和磁化量よりも小さいものである。
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。
【００２４】
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。
そして、記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、記憶層の飽和磁化量よりも小さいことにより、記憶層が受ける反磁界が低くなっており、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することができる。
一方、記憶層の飽和磁化量を低減しなくても書き込み電流量を低減することができるため、記憶層の飽和磁化量を充分な量として、記憶層の熱安定性を充分に確保することが可能になる。
【００２５】
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、記憶層の飽和磁化量を低減しなくても、記憶素子の書き込み電流量を低減することが可能になるため、記憶素子に記録された情報を安定して保持すると共に、メモリの消費電力を低減することが可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
上述の本発明によれば、記憶層の飽和磁化量を低減しなくても、記憶素子の書き込み電流量を低減することが可能になるため、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。
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、メモリ全体の消費電力を低減することが可能になる。
【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）もしくはトンネル磁気抵抗効果素子（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、下記式（１）により表される。
【００３０】
【数１】
2008227388.tif 000003
ここで、Ａ：定数、α：スピン制動定数、η：スピン注入効率、Ｍｓ：飽和磁化量、Ｖ：記憶層の体積、Ｈｄ：実効的な反磁界である。
【００３１】
式（１）で表されるように、電流の閾値は、磁性層の体積Ｖ、磁性層の飽和磁化Ｍｓ、スピン注入効率η、スピン制動定数α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。
【００３２】
本発明では、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、熱安定性の指標Δ（＝ＫＶ／ｋＢＴ）の値で判断される。このΔは、下記式（２）により表される。
【００３３】
【数２】
2008227388.tif 000004
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、Ｖ：記憶層の体積である。
【００３４】
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、単磁区のコヒーレントローテンションモデルを仮定した場合、保磁力と同等である。
【００３５】
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。
【００３６】
記憶層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、上記の式（１）にほぼ一致する。
【００３７】
これに対して、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、スピン注入によって磁化反転を行う場合には、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。
また、通常のＭＲＡＭで必要とされる、電流磁界発生用の配線（図９の１０５）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。
【００３８】
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。
【００３９】
選択トランジスタの飽和電流よりも、スピン注入による磁化反転の電流の閾値Ｉｃを小さくするためには、式（１）より、記憶層の飽和磁化量Ｍｓを減らせば良いことがわかる。
しかし、単純に飽和磁化量Ｍｓを減らした場合（例えば、特許文献３）には、記憶層の熱安定性が著しく損なわれ、メモリとしての機能を果せなくなる。
メモリを構成するためには、熱安定性の指標Δがある程度以上の大きさである必要がある。
【００４０】
そこで、本願の発明者等が種々の検討を行った結果、記憶層を構成する強磁性層の材料を選定することにより、もしくは、記憶層と接する層の材料を選定することにより、記憶層が受ける実効的な反磁界（Ｍeffective）の大きさが、記憶層の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなることを見出した。
本発明では、このように記憶層が受ける実効的な反磁界の大きさが、記憶層の飽和磁化量Ｍｓよりも小さい構成とする。これにより、記憶層が受ける反磁界を小さくすることができるので、式（２）により表される熱安定性Δを損ねることなく、式（１）中により表される電流の閾値Ｉｃを低減する効果が得られる。
従って、本発明により、熱安定性を保った状態で、低電流で情報の書き込みができる、という安定したメモリの形成を可能にする。
【００４１】
記憶層が受ける実効的な反磁界の大きさを低減して、記憶層の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくするためには、（１）記憶層を構成する強磁性材料の組成を変える、（２）記憶層を構成する強磁性材料に非磁性材料を添加する、（３）記憶層の中間層とは反対側に接して、反磁界を低減する性質を有する非磁性層を設ける、の３つの方法が挙げられる。
【００４２】
記憶層を構成する強磁性材料の組成を変える場合、例えば、ＣｏＦｅ合金やＣｏＦｅＢ合金において、Ｆｅを多くしてＣｏを少なくすることが考えられる。
【００４３】
記憶層を構成する強磁性材料に非磁性材料を添加する場合、例えば、Ｃｒ，Ｔａ，Ｈｆ等の非磁性金属元素や非磁性合金、ＭｇＯ，Ｔａ２Ｏ５等の非金属の非磁性材料を添加すればよい。
【００４４】
記憶層の中間層とは反対側に接して、反磁界を低減する性質を有する非磁性層を設ける場合、非磁性層の材料として、例えば、Ｒｕ等の非磁性金属や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）や酸化アルミニウム等の非金属の非磁性材料を用いればよい。
【００４５】
本発明では、記憶層が受ける実効的な反磁界の大きさが、記憶層の飽和磁化量Ｍｓよりも小さい構成、即ち、実効的な反磁界の大きさに対する記憶層の飽和磁化量Ｍｓの比の値を１より大きくする。
より好ましくは、実効的な反磁界の大きさに対する記憶層の飽和磁化量Ｍｓの比の値を、１．１５以上とする。
【００４６】
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。
【００４７】
そして、特に、このトンネル絶縁層の材料として、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。
また、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、同時に上記の記憶層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。
【００４８】
このように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。
【００４９】
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。
【００５０】
トンネル絶縁層の面積抵抗値は、スピン注入により記憶層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膜から成るトンネル絶縁層では、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。
【００５１】
また、記憶層の磁化の向きを、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。
従って、好ましくは、記憶素子の面積を０．０４μｍ２以下とする。
【００５２】
なお、上述した構成条件を有する記憶層と、材料又は組成範囲の異なる他の強磁性層と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。このように積層させた場合でも、本発明の効果が得られる。
特に複数層の強磁性層を非磁性層に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またはそれらの合金を用いることができる。
【００５３】
磁化固定層及び記憶層は、一方向の異方性を有していることが望ましい。
また、磁化固定層及び記憶層のそれぞれの膜厚は、１ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。
【００５４】
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。
【００５５】
磁化固定層は、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。
また、磁化固定層は、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構造とする。
磁化固定層を積層フェリ構造としたときには、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て、記憶素子を安定して動作させることができる。さらに、各強磁性層の膜厚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。
積層フェリ構造の磁化固定層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。
【００５６】
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。
【００５７】
また、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。
【００５８】
なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。
【００５９】
続いて、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図（斜視図）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。
【００６０】
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、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、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。
この記憶素子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。
【００６１】
また、本実施の形態のメモリの記憶素子３の断面図を図２に示す。
図２に示すように、この記憶素子３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（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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
本実施の形態においては、特に、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさが記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるように、記憶素子３の記憶層１７が構成されていることを特徴とする。
即ち、前述したように、記憶層１７の強磁性材料の組成が選定されている構成、もしくは、強磁性材料に非磁性材料が添加されている構成とすることにより、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさを低くして、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるようにする。
【００６５】
このような記憶層１７の具体的な構成としては、次のような構成が挙げられる。
例えば、ＣｏＦｅ合金やＣｏＦｅＢ合金において、Ｆｅを多くしてＣｏを少なくした組成とする。
例えば、強磁性材料（例えば、ＣｏＦｅ合金やＣｏＦｅＢ合金）に、Ｃｒ，Ｔａ，Ｈｆ等の非磁性金属元素や非磁性合金、ＭｇＯ，Ｔａ２Ｏ５等の非金属の非磁性材料を添加する。
【００６６】
さらに、本実施の形態において、中間層である絶縁層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。
【００６７】
本実施の形態の記憶素子３は、下地層１１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。
【００６８】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７が、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさが記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるように構成されているので、記憶層１７が受ける反磁界が低くなっており、記憶層１７の磁化Ｍ１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の飽和磁化量Ｍｓを低減しなくても書き込み電流量を低減することができるため、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓを充分な量として、記憶層１７の熱安定性を充分に確保することが可能になる。
【００６９】
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３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。
【００７０】
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、本実施の形態の記憶素子３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が可能になる。
【００７１】
従って、情報保持特性が優れた、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、記憶素子３を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
【００７２】
また、図２に示した記憶素子３を備え、図１に示した構成のメモリは、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を、汎用メモリとして適用することが可能になる。
【００７３】
続いて、本発明の他の実施の形態として、記憶素子の断面図を、図３に示す。
本実施の形態の記憶素子２０では、特に、図３に示すように、記憶層１７とキャップ層１８との間に、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさを低減する性質を有する、非磁性金属又は非磁性の酸化物から成る非磁性層１９を設けている。
このような非磁性層１９に用いる非磁性材料としては、Ｒｕ（ルテニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ−Ｏ（酸化アルミニウム；Ａｌ２Ｏ３や他のアルミニウム酸化物）等が好適である。
その他の構成は、図２に示した先の実施の形態の記憶素子１と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００７４】
図３に示した本実施の形態の記憶素子２０を用いて、図１に示した構成のメモリと同様のメモリを構成することができる。
【００７５】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子２０の記憶層１７とキャップ層１８との間に、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさを低減する性質を有する、非磁性金属又は非磁性の酸化物から成る非磁性層１９を設けている。これにより、記憶層１７が受ける反磁界が低くなっており、記憶層１７の磁化Ｍ１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の飽和磁化量Ｍｓを低減しなくても書き込み電流量を低減することができるため、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓを充分な量として、記憶層１７の熱安定性を充分に確保することが可能になる。
これにより、先の実施の形態と同様に、特性バランスに優れた記憶素子２０を構成し、動作エラーをなくして、記憶素子２０の動作マージンを充分に得ることができ、記憶素子２０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。
【００７６】
また、書き込み電流を低減して、記憶素子２０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、本実施の形態の記憶素子２０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が可能になる。
【００７７】
従って、情報保持特性が優れた、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、記憶素子２０を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
【００７８】
（実施例）
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に記憶層を構成する強磁性層の材料を選定することにより、もしくは、記憶層と接する層の材料を選定することにより、記憶層が受ける実効的な反磁界の大きさを調整して、記憶素子の試料を作製し、その特性を調べた。
【００７９】
実際のメモリには、図１に示したように、記憶素子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、記憶層の磁化反転特性を調べる目的で、記憶素子のみを形成したウェハにより検討を行った。
【００８０】
＜実験１＞
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、下地膜１１を膜厚１０ｎｍ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ＣｏＦｅＢ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、トンネル絶縁層となる絶縁層（バリア層）１６を膜厚０．９ｎｍの酸化マグネシウム膜、記憶層１７を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、記憶層１７の強磁性層は、材質をＣｏ−Ｆｅ−Ｂの３元系合金とし、強磁性層の換算膜厚を２．０ｎｍに固定した。ＰｔＭｎ膜の組成はＰｔ５０Ｍｎ５０（原子％）、ＣｏＦｅ膜の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０(原子％)とした。
【００８１】
酸化マグネシウム膜から成る絶縁層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（ＭｇＯ）膜から成る絶縁層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３の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、１０ｋＯｅ・３６０℃・２時間の熱処理を行い、反強磁性層１２のＰｔＭｎ膜の規則化熱処理を行った。
【００８２】
次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してＡｒプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線（下部電極）を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ５ｎｍまでエッチングされた。
【００８３】
その後、電子ビーム描画装置により記憶素子３のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子３を形成した。記憶素子３部分以外は、ワード線のＣｕ層直上までエッチングした。
なお、特性評価用の記憶素子には、磁化反転に必要なスピントルクを発生させるために、記憶素子に充分な電流を流す必要があるため、トンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要がある。そこで、記憶素子３のパターンを、短軸０．０９μｍ×長軸０．１８μｍの楕円形状として、記憶素子３の面積抵抗値（Ωμｍ２）が２０Ωμｍ２となるようにした。
【００８４】
次に、記憶素子３部分以外を、厚さ１００ｎｍ程度のＡｌ２Ｏ３のスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極となるビット線及び測定用のパッドを形成した。
このようにして、記憶素子３の試料を作製した。
【００８５】
そして、上述の製造方法により、それぞれ記憶層１７の強磁性層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成を変えた、記憶素子３の各試料を作製した。
具体的には、ＣｏＦｅとＢとの組成比（原子％）を８０：２０に固定して、ＣｏＦｅ中のＣｏの組成比ｘ（原子％）を、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％と変化させて、それぞれ記憶素子３の試料を作製した。
【００８６】
以上、作製した記憶素子３の各試料に対して、それぞれ以下のようにして、特性の評価を行った。
測定に先立ち、反転電流のプラス方向とマイナス方向の値を対称になるように制御することを可能にするため、記憶素子３に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。また、記憶素子３に印加される電圧が、絶縁層１６が破壊しない範囲内の１Ｖまでとなるように設定した。
【００８７】
（飽和磁化量の測定）
飽和磁化量Ｍｓを、試料振動型磁力計（Vibrating Sample Magnetometer）を使用した、ＶＳＭ測定によって、測定した。
【００８８】
（実効的な反磁界の測定）
実効的な反磁界の測定用の試料として、上述した記憶素子３の試料とは別に、記憶素子３を構成する各層を形成し、これを２０ｍｍ×２０ｍｍ角の平面パターンに形成した試料を作製した。
そして、ＦＭＲ（Ferromagnetic Resonance）測定によって、実効的な反磁界の大きさＭeffectiveを求めた。
このＦＭＲ測定によって求められる、任意の外部磁場Ｈｅｘに対する共鳴周波数ｆＦＭＲは、下記の式（３）で与えられる。
【００８９】
【数３】
2008227388.tif 000005
【００９０】
ここで、式（３）中のＭeffectiveは、４πＭeffective＝４πＭｓ−Ｈ⊥（Ｈ⊥：膜面に垂直な方向の異方性磁界）で表すことができる。
【００９１】
（反転電流値及び熱安定性の測定）
本発明による記憶素子の書き込み特性を評価する目的で、反転電流値の測定を行った。
記憶素子３に１０μｓから１００ｍｓのパルス幅の電流を流して、その後の記憶素子３の抵抗値を測定した。さらに、記憶素子３に流す電流量を変化させて、この記憶素子３の記憶層１７の磁化Ｍ１の向きが反転する電流値を求めた。この電流値のパルス幅依存性をパルス幅１ｎｓに外挿した値を、反転電流値とした。
また、反転電流値のパルス幅依存性の傾きは、記憶素子３の前述した熱安定性の指標（Δ）に対応する。反転電流値がパルス幅によって変化しない（傾きが小さい）ほど、熱の擾乱に強いことを意味する。
そして、記憶素子３間のばらつきを考慮するために、同一構成の記憶素子３を２０個程度作製して、上述の測定を行い、反転電流値及び熱安定性の指標Δの平均値を求めた。
さらに、測定により得られた反転電流値の平均値と、記憶素子３の平面パターンの面積とから、反転電流密度Ｊｃ０を算出した。
【００９２】
記憶素子３の各試料について、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成と、飽和磁化量Ｍｓ及び実効的な反磁界の大きさＭeffectiveの測定結果とを、表１に示す。また、表１には、飽和磁化量と実効的な反磁界の大きさとの比Ｍｓ／Ｍeffectiveも示している。
【００９３】
【表１】
2008227388.tif 000006
【００９４】
表１に示した、飽和磁化量Ｍｓ及び実効的な反磁界の大きさＭeffectiveの測定結果を、棒グラフにして、図４に示す。図４は、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金のＣｏ量（ＣｏＦｅ中の含有量；原子％）と、飽和磁化量Ｍｓ及び実効的な反磁界の大きさＭeffectiveとの関係を示している。
【００９５】
また、反転電流値の測定結果を図５に示し、熱安定性の指標の測定結果を図６に示す。図５は、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金のＣｏ量（ＣｏＦｅ中の含有量；原子％）と、反転電流値から求めた反転電流密度Ｊｃ０との関係を示している。図６は、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金のＣｏ量（ＣｏＦｅ中の含有量；原子％）と、熱安定性の指標Δ（ＫＶ／ｋＢＴ）との関係を示している。
【００９６】
図４より、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの組成に応じて、飽和磁化量Ｍｓと実効的な反磁界Ｍeffectiveとの大小関係が変化し、ある組成において実効的な反磁界Ｍeffectiveが飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなっていることがわかる。具体的には、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）８０Ｂ２０でＣｏ量ｘが７０％以下の場合において、ＭeffectiveはＭｓよりも小さくなっており、Ｃｏ量ｘが小さくなるほど、ＭeffectiveとＭｓの差が大きくなっている。
【００９７】
図５より、Ｃｏ量ｘが小さくになるにつれて、反転電流密度Ｊｃ０が小さくなっていくことがわかる。これは、Ｃｏ量ｘが小さくなった場合、飽和磁化量Ｍｓは増加するが実効的な反磁界Ｍeffectiveが小さくなるために、両者の積（Ｍｓ×Ｍeffective）としては小さくなることに起因する。
【００９８】
図６より、Ｃｏ量ｘが小さくなるにつれて、熱安定性の指標Δ（＝ＫＶ／ｋＢＴ）が大きくなっていき、Ｃｏ量ｘがある程度以上小さくなると熱安定性の指標Δが大きい値で安定することが分かる。これは、図４に示した飽和磁化量Ｍｓの測定結果と、式（２）より熱安定性の指標Δが飽和磁化量Ｍｓに比例することとから、予想される変化とよく一致している。
【００９９】
これら図４〜図６の結果より、実効的な反磁界Ｍeffectiveが飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるＣｏ量ｘが７０％以下の組成において、Ｃｏ量ｘが７０％より大きい組成よりも高い熱安定性を有したまま、反転電流値Ｊｃ０を低減できることがわかる。
【０１００】
そして、表１より、Ｃｏ量ｘが７０％のときの比Ｍｓ／Ｍeffectiveは、１．１６になっている。
従って、より好ましくは、この比Ｍｓ／Ｍeffectiveが１．１６以上となるように、記憶層１７の組成を選定する。
【０１０１】
＜実験２＞
記憶層１７を、ＣｏＦｅＢ中に添加物を加えた材料により形成して、飽和磁化量と実効的な反磁界との比Ｍｓ／Ｍeffectiveを調整して、実験１と同様に測定を行った。
【０１０２】
（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）８０Ｂ２０でＣｏ量ｘ（原子％）を７０％としたＣｏＦｅＢ合金中に、膜厚換算で０．１ｎｍで添加物（Ｃｒ，Ｔａ，Ｈｆ，ＭｇＯ，Ｔａ２Ｏ５）を加えて、膜厚換算で２．０ｎｍの記憶層１７を形成した。
その他は実験１と同様にして、記憶素子３の試料を作製した。
【０１０３】
作製した記憶素子３の各試料について、実験１と同様に、飽和磁化量Ｍｓ、実効的な反磁界Ｍeffective、反転電流値を測定した。
測定結果として、各試料の飽和磁化量Ｍｓ、実効的な反磁界Ｍeffective、飽和磁化量と実効的な反磁界との比Ｍｓ／Ｍeffective、反転電流値から求めた反転電流密度Ｊｃ０を、表２に示す。また、表２には、実験１で測定した、添加物を加えていない場合（なし）の測定値も、併せて示している。
【０１０４】
【表２】
2008227388.tif 000007
【０１０５】
表２の結果より、添加物を加えることによって、何も添加しない場合と比較して、飽和磁化量と実効的な反磁界との比Ｍｓ／Ｍeffectiveを向上させて、反転電流密度Ｊｃ０を１５％以上低減できることがわかる。特に、ＴａやＭｇＯを添加した場合には、何も添加しない場合と比較して、反転電流密度Ｊｃ０を３０％以上低減できている。
【０１０６】
なお、ＴａやＭｇＯを添加した場合には、何も添加しない場合と比較して、飽和磁化量Ｍｓが低下しているが、その代わりに異方性磁界Ｈｋが増加するので、式（２）から、熱安定性を同程度に保つことができる。
【０１０７】
＜実験３＞
記憶層１７とキャップ層１８との間に、図３に示したように、非磁性層１９を設けることにより、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさを調整して、実験１と同様に測定を行った。
【０１０８】
記憶層１７のＣｏＦｅＢ膜の組成は、（Ｃｏ７０Ｆｅ３０）７５Ｂ２５に固定した。この組成は、実験１及び実験２で作製した試料よりも、Ｂ（ボロン）の含有量が少し多くなっている。このようにＢ（ボロン）の含有量が少し多くなっているため、飽和磁化量Ｍｓが少し小さくなり、実効的な反磁界Ｍeffectiveが少し大きくなる。
一方、記憶層１７のＣｏＦｅＢ膜と、キャップ層１８のＴａ膜との間に、別の非磁性材料（Ｃｒ，Ｒｕ，ＭｇＯ，Ａｌ−Ｏ）から成る非磁性層１９を、膜厚１．０ｎｍで形成した。
その他は実験１と同様にして、図３に示した構成の記憶素子２０の試料を作製した。
また、比較対照として、記憶層１７の上に直接キャップ層１８を形成した記憶素子の試料も作製した。
【０１０９】
作製した記憶素子３の各試料について、実験１と同様に、飽和磁化量Ｍｓ、実効的な反磁界Ｍeffective、反転電流値を測定した。
測定結果として、各試料の飽和磁化量Ｍｓ、実効的な反磁界Ｍeffective、飽和磁化量と実効的な反磁界との比Ｍｓ／Ｍeffective、反転電流値から求めた反転電流密度Ｊｃ０を、表３に示す。表３中、比較対照の記憶層１７上に直接キャップ層１８を形成した試料は、「Ｔａのみ」としている。
【０１１０】
【表３】
2008227388.tif 000008
【０１１１】
表３より、キャップ層１８を直接形成した場合や、Ｃｒ層をキャップ層１８と記憶層１７との間に形成した場合には、比Ｍｓ／Ｍeffectiveが１以下であり、反転電流密度Ｊｃ０が大きいことがわかる。
一方、Ｒｕ，ＭｇＯ，Ａｌ−Ｏから成る非磁性層１９を形成した場合には、比Ｍｓ／Ｍeffectiveが１．１５以上と大きくなり、キャップ層１８を直接形成した場合と比較して、反転電流密度Ｊｃ０が２０％以上小さい値になっていることが分かる。また、キャップ層１８を直接形成した場合と比較して、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓが同等であるので、式（２）より、熱安定性の指標Δも同等であると考えられる。
即ち、記憶層１７とキャップ層１８との間に、Ｒｕ，ＭｇＯ，Ａｌ−Ｏから成る非磁性層１９を形成することにより、熱安定性を損ねることなく、反転電流密度を低減することができる。
【０１１２】
以上の結果から、Ｍｓ／Ｍeffectiveが１．１５以上の範囲では、熱安定性を損ねることなく、低い反転電流密度Ｊｃ０を実現できることが可能になる。
【０１１３】
また、上記のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ系の材料のみでなく、例えば、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのうち２つ以上の材料を用い、そこに、Ｂ，Ｃ，Ｓｉ，Ｎ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ａｌ，Ｍｇ，Ｏの元素のうち１つ以上の元素を添加して作製した記憶層１７でも、Ｍｓ／Ｍeffectiveが条件を満たせば、本発明で述べた効果を得ることは可能である。
【０１１４】
さらにまた、上述した材料（Ｒｕ，ＭｇＯ，Ａｌ−Ｏ）以外の材料を、記憶層１７とキャップ層１８との間に挿入した場合でも、比Ｍｓ／Ｍeffectiveが条件を満たせば、本発明で述べた効果を得ることが可能である。
【０１１５】
本発明では、上述の各実施の形態で示した記憶素子３，２０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。
【０１１６】
上述の各実施の形態では、磁化固定層３１が２層の強磁性層１３，１５と非磁性層１４から成る積層フェリ構造となっているが、例えば、磁化固定層を単層の強磁性層により構成してもよい。
【０１１７】
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】
【０１１８】
【図１】本発明の一実施の形態のメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図２】図１の記憶素子の断面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の記憶素子の断面図である。
【図４】記憶層のＣｏの量と、飽和磁化量及び実効的な反磁界との関係を示した図である。
【図５】記憶層のＣｏの量と、反転電流密度との関係を示した図である。
【図６】記憶層のＣｏの量と、熱安定性の指標との関係を示した図である。
【図７】スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図８】図７のメモリの断面図である。
【図９】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】
【０１１９】
３，２０  記憶素子、１１  下地層、１２  反強磁性層、１３，１５  強磁性層、１４，１９  非磁性層、１６  絶縁層、１７  記憶層、１８  キャップ層、３１  磁化固定層
【図１】
2008227388.tif 000009
【図２】
2008227388.tif 000010
【図３】
2008227388.tif 000011
【図４】
2008227388.tif 000012
【図５】
2008227388.tif 000013
【図６】
2008227388.tif 000014
【図７】
2008227388.tif 000015
【図８】
2008227388.tif 000016
【図９】
2008227388.tif 000017