(57)【要約】【課題】熱安定性に優れ、書き込み電流を低減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に対して絶縁体から成る中間層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を構成する強磁性層の比抵抗が８×１０−７Ω・ｍ以上である記憶素子３を構成する。【選択図】図２
2008160031.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、
前記記憶層を構成する強磁性層の比抵抗が、８×１０−７Ω・ｍ以上である
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に、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ及びＭｇ，Ｓｃ，Ｙ，Ａｌ，Ｓｉから選ばれる元素が含ま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、前記記憶層を構成する強磁性層の比抵抗が、８×１０−７Ω・ｍ以上である構成であり、
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５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３及び図４に示す。図３は斜視図、図４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３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３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３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５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、本発明においては、熱安定性に優れ、書き込み電流を低減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、記憶層を構成する強磁性層の比抵抗が８×１０−７Ω・ｍ以上であるものである。
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、記憶層を構成する強磁性層の比抵抗が８×１０−７Ω・ｍ以上であることにより、記憶層を構成する強磁性層が飽和磁化量に対して大きい保磁力を有する。これにより、記憶層の熱安定性を高くすることができる。
また、記憶層を構成する強磁性層の比抵抗を高くしたことにより、強磁性層中の散乱サイトが増加し、注入されたスピンが記憶層の強磁性層内の原子にぶつかりやすくなる。これにより、記憶層の磁化の向きの反転に寄与するスピンの比率を向上させて、スピン注入の効率を向上することができるため、記憶層の磁化の向きの反転に必要な電流量を低減することができる。
【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の反転に必要な電流量を低減することができるため、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。
【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（磁化反転電流）を増大させることなく、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、書き込み電流が増えることがないので、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】
また、記憶層の磁化量を増大させなくても、記憶層の保磁力を大きくして、記憶層の熱安定性を向上することができるため、逆に記憶層の磁化量を減らすことが可能となり、磁化量を減らして、磁化反転電流を低減することができる。
これにより、記憶素子に書き込みを行う際の消費電力を低減して、メモリ全体の消費電力を低減することも可能になる。
【００２７】
さらにまた、本発明によれば、記憶層においてスピンの向きに依存する散乱も発生するので、記憶素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）も高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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）。
【００３１】
【数１】
2008160031.tif 000003
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】
2008160031.tif 000004
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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比抵抗を８×１０−７Ω・ｍ以上とすることにより、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
磁化固定層は、一方向の異方性を有していることが望ましく、記憶層は一軸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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
本実施の形態では、特に、記憶層１７を構成する強磁性層の比抵抗が８×１０−７Ω・ｍ以上である構成とする。
【００５３】
記憶層１７を構成する強磁性層の比抵抗を８×１０−７Ω・ｍ以上とするには、非金属元素、例えば、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｍｇ，Ｓｃ，Ｙ，Ａｌ，Ｓｉから選ばれる元素を強磁性層に含有させ、非金属元素の濃度をある程度以上高くすればよい。
【００５４】
ここで、強磁性元素Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅの比抵抗を示すと、Ｎｉが７．２×１０−８Ω・ｍ、Ｃｏが６．２×１０−８Ω・ｍ、Ｆｅが１×１０−７Ω・ｍである。
従って、本発明の強磁性層は、通常の強磁性層の８倍以上の比抵抗を持つことになる。
逆に、比抵抗が１×１０−５Ω・ｍ以上になると、記憶素子３を構成する際にトンネル絶縁層１６に対する記憶層１７の抵抗上昇が著しくなり、素子抵抗の異常増大や抵抗変化率の劣化が認められるため、望ましくない。
【００５５】
上述の本実施の形態の記憶素子３の構成によれば、記憶層１７を構成する強磁性層の比抵抗を８×１０−７Ω・ｍ以上と高くしたことにより、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の熱安定性を高くすることができる。
記憶層１７の熱安定性を高くすることにより、記憶素子３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３を安定して動作させることができる。
【００５６】
また、強磁性層の比抵抗を高くしたことにより、強磁性層中の散乱サイトが増加するので、注入された偏極電子から局在電子へスピン情報伝導確率が増す。これにより、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きの反転に寄与する偏極電子の比率を向上させて、スピン注入の効率を向上することができるため、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを反転させるのに必要な電流量（磁化反転電流）を低減することができる。
さらに、記憶層１７において、スピンの向きに依存する散乱も発生するので、記憶素子３の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を向上させることができる。例えば、従来の構成でＭＲ比が１２０％程度であったのを、１４０％程度に大きくすることが可能になる。
【００５７】
また、記憶層１７の磁化量を増大させなくても、記憶層１７の保磁力を大きくして、記憶層１７の熱安定性を向上することができるため、逆に記憶層１７の磁化量を減らすことが可能となり、磁化量を減らして磁化反転電流を低減することができる。
【００５８】
さらにまた、記憶層１７を構成する強磁性層に、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗから選ばれる元素を添加することにより、記憶層１７を構成する強磁性層の磁化量を調整することができる。これによっても、記憶層１７の磁化量を低減して、磁化反転電流を低減することができる。
【００５９】
そして、磁化反転電流を低減することができることにより、記憶素子３に書き込み（情報の記録）を行う際に流す電流量を低減して、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。
これにより、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も可能になる。
【００６０】
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。
【００６１】
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に記憶層の材料を選定して、特性を調べた。
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、記憶層の磁化抵抗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。
【００６２】
（実施例）
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、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％)とした。
【００６３】
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。
酸化マグネシウム膜（ＭｇＯ）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・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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
そして、上述の製造方法により、それぞれ記憶層１７の強磁性層の材料組成を変えて、強磁性層の比抵抗を変えた、記憶素子３の各試料を作製した。
記憶層１７の強磁性層の材料組成としては、基本構成としてＣｏ４０Ｆｅ６０（原子％）の組成のＣｏＦｅを用いた。このＣｏＦｅに、さらに、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ及びＭｇ，Ｓｃ，Ｙ，Ａｌ，Ｓｉから選ばれる元素を単独であるいは複合化して添加した。
【００６８】
これら記憶素子３の各試料に対して、その強磁性層と同じ材料組成の膜を成膜して、比抵抗ρの測定を行った。
【００６９】
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。
【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】
2008160031.tif 000005
【００７４】
各例について、記憶層の材質（材料組成）と、比抵抗と、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】
2008160031.tif 000006
【００７６】
いずれの試料においても、Δの値が６０以上になるように材料が設計されているため、表１に示すように、６０以上のΔ値が得られている。
表１の結果から、記憶層１７を構成する強磁性層の比抵抗が８０×１０−８Ω・ｍ以上、即ち８×１０−７Ω・ｍ以上であれば、反転電流値(Ｉｃ０)を３００μＡ以下に抑えられることがわかる。
【００７７】
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】
【００７８】
【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】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４】図３のメモリの断面図である。
【図５】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】
【００７９】
３  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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