(57)【要約】【課題】素子としての信頼性を損ねることなく、磁気抵抗変化率をより高めることを可能にする。【解決手段】情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、を備え、前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、磁気抵抗素子を提供する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、
前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、
前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、
前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、
前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、
を備え、
前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、
磁気抵抗素子。
【請求項２】
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうち、膜面に平行な磁化方向を有する磁性体層の膜厚は、０．８ｎｍ以上である、
請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＢを含む金属材料、又はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＢのうちの少なくともいずれかによって構成される合金である、
請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうち、少なくとも膜面に平行な磁化方向を有する磁性体層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＢを含む金属材料、又はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＢのうちの少なくともいずれかによって構成される合金である、
請求項２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第１の中間層及び前記第２の中間層のうちの少なくとも一方は、酸化マグネシウムである、
請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第１の中間層及び前記第２の中間層のうちの少なくとも一方は、Ｃｕ、Ａｇ若しくはＣｒを含む金属材料、又はＣｕ、Ａｇ及びＣｒのうちの少なくともいずれかによって構成される合金である、
請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
前記第１の中間層及び前記第２の中間層の膜厚は、０．６ｎｍから１．５ｎｍである、
請求項５に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気抵抗素子と、
複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれに対して積層方向に電流を印加する、又は複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれにおいて積層方向に流れる電流を検出するための配線と、
を備え、
前記磁気抵抗素子は、
情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、
前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、
前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、
前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、
前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、
を有し、
前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、
メモリ素子。
【請求項９】
情報を記憶するためのメモリ素子、
を備え、
前記メモリ素子は、
情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気抵抗素子と、
複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれに対して積層方向に電流を印加する、又は複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれにおいて積層方向に流れる電流を検出するための配線と、
を有し、
前記磁気抵抗素子は、
情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、
前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、
前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、
前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、
前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、
を有し、
前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁気抵抗素子、メモリ素子及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報化社会の進展に伴い、各種の電子機器において扱われる情報量は爆発的に増加している。そのため、これらの電子機器に用いられる記憶装置には、より一層の高性能化が要求されている。【０００３】
中でも、現在一般的に用いられているＮＯＲフラッシュメモリやＤＲＡＭ等の記憶装置に代わるものとして、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、特にスピントルク磁化反転（スピン注入磁化反転ともいう）を利用したＭＲＡＭ（ＳＴ−ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ  Ｔｏｒｑｕｅ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ））に注目が集まっている。ＳＴ−ＭＲＡＭでは、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、大容量化を実現することが可能になると考えられている。【０００４】
ＳＴ−ＭＲＡＭは、１／０の情報を記憶する記憶素子としての磁気抵抗素子からなるメモリセルが複数配列されて構成されるが、当該磁気抵抗素子としては、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造を有するものが用いられている。ＭＴＪ構造とは、２つの磁性体層（磁化固定層及び記憶層）で非磁性体層（トンネルバリア層）を挟んだ構造のことである。以下、ＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子のことをＭＴＪ素子ともいう。ＭＴＪ素子では、ＭＴＪ構造に対して電流を流すことによって生じる記憶層におけるスピントルク磁化反転を利用して、１／０の情報が記録される。【０００５】
ここで、ＭＴＪ素子においては、記憶層の上下方向両側にそれぞれトンネルバリア層を介して磁化固定層が配置された、デュアルＭＴＪ構造が提案されている。デュアルＭＴＪ構造によれば、２つの磁化固定層によってスピントルクが記憶層の上下方向両側から供給されることとなるため、磁気抵抗素子におけるスピントルク磁化反転に必要な電流（反転電流）を低減させる効果が期待される。つまり、デュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子によってＳＴ−ＭＲＡＭを構成することにより、より一層の低消費電力化を図ることが可能になる。【０００６】
例えば、デュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子として、特許文献１に記載のものが提案されている。具体的には、特許文献１には、２つのトンネルバリア層のうち上方に配置されるトンネルバリア層の膜厚が、上方に配置されるトンネルバリア層の膜厚よりも厚くなるように構成されたデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子が開示されている。特許文献１に記載の磁気抵抗素子によれば、２つのトンネルバリア層の膜厚を上記のように構成することにより、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高めることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−４９７６６号公報
【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、特許文献１に記載の技術では、上層のトンネルバリア層は、その膜厚が比較的薄くなるように形成されることとなる。トンネルバリア層の膜厚が薄いと、磁気抵抗素子としての耐圧が低下するため、素子としての信頼性が大幅に損なわれる可能性がある。【０００９】
上記事情に鑑みれば、磁気抵抗素子においては、信頼性を損ねることなく、磁気抵抗変化率をより高めることが可能な技術が求められていた。そこで、本開示では、信頼性を損ねることなく、磁気抵抗変化率をより高めることが可能な、新規かつ改良された磁気抵抗素子、メモリ素子及び電子機器を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示によれば、情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、を備え、前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、磁気抵抗素子が提供される。【００１１】
また、本開示によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気抵抗素子と、複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれに対して積層方向に電流を印加する、又は複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれにおいて積層方向に流れる電流を検出するための配線と、を備え、前記磁気抵抗素子は、情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、を有し、前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、メモリ素子が提供される。【００１２】
また、本開示によれば、情報を記憶するためのメモリ素子、を備え、前記メモリ素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気抵抗素子と、複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれに対して積層方向に電流を印加する、又は複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれにおいて積層方向に流れる電流を検出するための配線と、を有し、前記磁気抵抗素子は、情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、を有し、前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、電子機器が提供される。【００１３】
本開示によれば、いわゆる垂直磁化型のデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子において、記憶層を、第１の磁性体層、非磁性体層及び第２の磁性体層を積層して構成する。そして、当該第１の磁性体層及び第２の磁性体層のうちの少なくともいずれかの磁化方向を面内方向とする。これにより、当該磁化方向が面内方向を向いている磁性体層と接するトンネルバリア層におけるＴＭＲ効果を低減させることができる。従って、素子全体としての磁気抵抗変化率を向上させることが可能になる。この際、当該トンネルバリア層の膜厚を薄くすることなく、ＴＭＲ効果を低減させることができるため、素子としての信頼性も確保することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本開示によれば、信頼性を損ねることなく、磁気抵抗変化率をより高めることが可能になる。なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的な垂直磁化型の磁気抵抗素子の断面を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す一般的な磁気抵抗素子におけるトンネル磁気抵抗効果について説明するための図である。
【図３】一般的なデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子の断面を概略的に示す図である。
【図４】一般的なデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子３２１におけるＴＭＲ効果について説明するための図である。
【図５】本開示の一実施形態に係る記憶装置の概略構成を示す斜視図である。
【図６】図５に示す本実施形態に係る磁気抵抗素子の概略構成を示す断面図である。
【図７】図６に示す本実施形態に係る磁気抵抗素子のうち、下部トンネルバリア層、記憶層及び上部トンネルバリア層を抜き出して拡大して示す断面図である。
【図８】試料１についての記憶層の磁化曲線の測定結果を示すグラフ図である。
【図９】試料２についての記憶層の磁化曲線の測定結果を示すグラフ図である。
【図１０】試料３についての記憶層の磁化曲線の測定結果を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本開示に至った背景
２．記憶装置の構成
３．磁気抵抗素子の構造
４．補足
【００１８】
また、本明細書では、磁化方向や磁気異方性について説明する際に、便宜的に「垂直方向」（膜面に対して垂直な方向）及び「面内方向」（膜面に対して平行な方向）等の用語を用いる。ただし、これらの用語は、必ずしも磁化の厳密な方向を意味しない。例えば、「磁化方向が垂直方向である」や「垂直磁気異方性を有する」等の文言は、面内方向の磁化に比べて垂直方向の磁化が優位な状態であることを意味している。同様に、例えば、「磁化方向が面内方向である」や「面内磁気異方性を有する」等の文言は、垂直方向の磁化に比べて面内方向の磁化が優位な状態であることを意味している。
【００１９】
（１．本開示に至った背景）
本開示の好適な実施形態について説明するに先立ち、本発明の効果をより明確にするために、本発明者らが本開示に至った背景について説明する。
【００２０】
大容量サーバからモバイル端末に至るまで、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等の記憶装置においても、高集積化、高速化及び低消費電力化等、より一層の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、集中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。一方、コードストレージ用、更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フラッシュメモリやＤＲＡＭ等に代わる記憶装置として、ＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ、及びＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−Ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の開発が進められており、これらのうちの一部は既に実用化されている。
【００２１】
中でも、ＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向により情報の記憶を行うために、高速かつほぼ無限（１０１５回以上）の書き換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機等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が、現実には、低消費電力化及び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。この課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方式、すなわち磁化反転方式が検討されており、中でもスピントルク磁化反転に関する研究、開発が活発に行われている。
【００２２】
スピントルク磁化反転を用いたＭＲＡＭ（ＳＴ−ＭＲＡＭ）では、１／０の情報を記憶する記憶素子として機能する磁気抵抗素子は、ＭＴＪ構造を有するＭＴＪ素子として構成される。ＭＴＪ構造は、磁化方向がある方向に固定された磁性体層（磁化固定層）と、磁化方向が自由な（磁化方向を固定されない）磁性体層（記憶層）とで、トンネルバリア層を挟んだ構成を有する。ＭＴＪ構造においては、当該ＭＴＪ構造に電流を流すことにより、磁化固定層を通過するスピン偏極電子が記憶層に進入する際に当該記憶層にトルクを与え、当該記憶層の磁化方向が反転する現象が生じることが知られている。ＭＴＪ素子では、この現象を利用して、あるしきい値以上の電流を流すことにより記憶層における磁化方向を反転させることによって、情報の記録が行われる。また、この際、１／０の書き換えは電流の極性を変えることにより行われる。
【００２３】
ＭＴＪ素子において、この記憶層の磁化方向の反転のために必要な電流（反転電流）の絶対値は、０．１ｕｍ程度のスケールの素子で１ｍＡ以下であり、また、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。しかもスピントルク磁化反転を用いない従来の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、ＳＴ−ＭＲＡＭでは、セル構造が単純になるという利点もある。かかる理由から、ＳＴ−ＭＲＡＭには、高速かつ書き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、大きな期待が寄せられている。
【００２４】
ＳＴ−ＭＲＡＭを構成する磁気抵抗素子に用いる磁性体としては、様々な材料が検討されているが、一般に面内磁気異方性を有するものよりも垂直磁気異方性を有するものの方が、低電力化、大容量化に適しているとされている。これは垂直磁化の方がスピントルク磁化反転の際に超えるべきエネルギバリアが低く、また垂直磁化膜の有する高い磁気異方性が大容量化により微細化した記憶担体の熱安定性を保持するのに有利なためである。
【００２５】
図１を参照して、一般的な、垂直磁気異方性を有する磁性体によって構成される磁気抵抗素子（垂直磁化型の磁気抵抗素子）の構造について説明する。図１は、一般的な垂直磁化型の磁気抵抗素子の断面を概略的に示す図である。
【００２６】
図示するように、垂直磁化型の磁気抵抗素子３０１は、下地層３０３の上に、垂直磁気異方性を有し、高い保磁力のためにその磁化方向が一方向に固定された磁性体層である磁化固定層３０５、非磁性体からなるトンネルバリア層３０７、及び垂直磁気異方性を有し、その磁化方向が自由な磁性体層である記憶層３０９、が積層されてなるＭＴＪ構造が形成されて構成される。また、記憶層３０９の上にはキャップ層３１１が積層される。
【００２７】
磁気抵抗素子３０１における情報の記録（書き込み）は、一軸異方性を有する記憶層３０９の磁化方向を反転させることにより行う。具体的には、情報の書き込み時には、膜面垂直方向に電流を印加し、記憶層３０９においてスピントルク磁化反転を起こさせる。
【００２８】
ここでスピントルク磁化反転について簡単に説明する。電子は２種類のスピン角運動量を持つ。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、磁性体内部では両者の数に差がある。図１に示す磁気抵抗素子３０１の２層の磁性体層（すなわち、磁化固定層３０５及び記憶層３０９）において、互いの磁化方向が逆向きの状態（反平行状態）にあり、電子を下部磁性体層である磁化固定層３０５から上部磁性体層である記憶層３０９に移動させる場合について考える。この場合、磁化固定層３０５を通過した電子においては、スピン偏極が生じている、すなわちスピン角運動量が上向きの電子の数と下向きの電子の数に差が生じている。
【００２９】
このような状態の電子が非磁性体を通過する際には、通常は、当該非磁性体内においてこの偏極が緩和して非偏極状態（スピン角運動量が上向きの電子の数と下向きの電子の数が同数の状態）になる。しかしながら、磁気抵抗素子３０１のように非磁性体層であるトンネルバリア層３０７の厚さが十分に薄い場合には、これらの電子が、偏極が緩和して非偏極状態になる前に、他方の磁性体、すなわち記憶層３０９に達する。この場合には、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転させられる、すなわちスピン角運動量の向きを変えさせられる。
【００３０】
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３０９の磁性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、スピン角運動量の向きが変わる電子の総数も少ないために記憶層３０９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。角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがあるしきい値を超えると記憶層３０９の磁気モーメントは反転を開始し、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。これにより、磁気抵抗素子３０１において、反平行状態から平行状態（すなわち、磁化固定層３０５及び記憶層３０９における磁化方向が同じ方向である状態）への反転が起こる。
【００３１】
平行状態にあるときに、電流を逆方向、すなわち記憶層３０９から磁化固定層３０５へ電子を送る向きに流すと、今度は、磁化固定層３０５で反射される際にスピン反転した電子が記憶層３０９に進入する際に与えるトルクにより、記憶層３０９の磁化方向を反転させ、磁気抵抗素子３０１の状態を反平行状態へと反転させることができる。ただし、この際、反転を起こすために必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。平行状態から反平行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３０５においては磁化方向が固定されているために当該磁化方向が反転することができず、系全体の角運動量を保存するために記憶層３０９において磁化方向が反転する、と考えてもよい。
【００３２】
図２は、図１に示す一般的な磁気抵抗素子３０１におけるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果について説明するための図である。図２では、図１に示す磁気抵抗素子３０１のうち、磁化固定層３０５、トンネルバリア層３０７及び記憶層３０９のみを図示し、その横に磁化固定層３０５及び記憶層３０９の磁化方向を模擬的に上向き又は下向きの矢印で示している。図示するように、磁気抵抗素子３０１では、磁化固定層３０５及び記憶層３０９の磁化方向が同じ方向である平行状態の方が、両者の磁化方向が互いに異なる反平行状態よりもトンネルバリア層３０７における電気抵抗が高くなり、素子全体として電気抵抗も高くなる。
【００３３】
磁気抵抗素子３０１では、この電気抵抗の違いを利用して１／０の情報の記憶がなされる。つまり、磁気抵抗素子３０１では、１／０の情報の記録は、磁化固定層３０５から記憶層３０９の方向、又はその逆向きに、それぞれの極性に対応する、あるしきい値以上の電流を流すことによって行われる。
【００３４】
ここで、垂直磁化型の磁気抵抗素子３０１について、平行状態から反平行状態への反転電流をＩｃ＿ｐｅｒｐ１、反平行状態から平行状態への反転電流をＩｃ＿ｐｅｒｐ２とすると、Ｉｃ＿ｐｅｒｐ１、Ｉｃ＿ｐｅｒｐ２は、下記数式（１）、（２）によってそれぞれ表される。
【００３５】
【数１】
2017169291.tif 000003
【００３６】
一方、面内磁化型の磁気抵抗素子（面内磁気異方性を有する磁性体によって構成される磁気抵抗素子）について、平行状態から反平行状態への反転電流をＩｃ＿ｐａｒａ１、反平行状態から平行状態への反転電流をＩｃ＿ｐａｒａ２とすると、Ｉｃ＿ｐａｒａ１、Ｉｃ＿ｐａｒａ２は、下記数式（３）、（４）によってそれぞれ表される。
【００３７】
【数２】
2017169291.tif 000004
【００３８】
ここで、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はそれぞれ平行時、反平行時にスピントルクが相手の磁性体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（上記数式（１）−（４）の詳細については、例えば、「Ｓ．Ｍａｎｇｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎａｔｕｒｅ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ｖｏｌ．５，  Ｍａｒｃｈ２００６，  ｐ．２１０」を参照）。
【００３９】
上記数式（１）−（４）において、垂直磁化型の場合に現れる項である（Ｈｋ−４πＭｓ）と、面内磁化型の場合に現れる項である（Ｈｋ＋２πＭｓ）とを比較すると、垂直磁化型の磁気抵抗素子３０１の方が、面内磁化型の磁気抵抗素子に比べて、より小さい反転電流で情報を記録可能であること、すなわち、低記録電流化により適していることが理解できる。このため、ＳＴ−ＭＲＡＭとしては、垂直磁化型の磁気抵抗素子を用いたものに関する研究、開発が盛んに行われている。
【００４０】
垂直磁化型の磁気抵抗素子を用いたＳＴ−ＭＲＡＭについて、そのメモリ素子の更なる高密度化を実現するためには、反転電流を低減させ、メモリ素子の面積をより縮小させる必要がある。そのため、ＭＴＪ素子において反転電流を低減させるための構造として、記憶層の上下方向両側にそれぞれトンネルバリア層を介して磁化固定層が配置された、デュアルＭＴＪ構造が提案されている。
【００４１】
図３を参照して、一般的なデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子の構造について説明する。図３は、一般的なデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子の断面を概略的に示す図である。
【００４２】
図示するように、デュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子３２１は、下地層３２３の上に、垂直磁気異方性を有し、その磁化方向が一方向に固定された磁性体層である下部磁化固定層３２５、非磁性体からなる下部トンネルバリア層３２７、垂直磁気異方性を有し、その磁化方向が自由な磁性体層である記憶層３２９、非磁性体からなる上部トンネルバリア層３３１、及び垂直磁気異方性を有し、その磁化方向が下部磁化固定層３２５とは逆向きの方向に固定された磁性体層である上部磁化固定層３３３、が積層されてなるデュアルＭＴＪ構造が形成されて構成される。また、上部磁化固定層３３３の上にはキャップ層３３５が積層される。
【００４３】
磁気抵抗素子３２１では、図１に示す磁気抵抗素子３０１と同様に、当該磁気抵抗素子３２１に電流を印加することにより、記憶層３２９の磁化方向が反転し、情報が記録される。このとき、デュアルＭＴＪ構造によれば、２つの磁化固定層３２５、３３３によってスピントルクが記憶層３２９の上下方向両側から供給されることとなるため、磁気抵抗素子３２１における反転電流の低減と、極性非対称性の解消が期待される。
【００４４】
しかしながら、デュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子３２１では、２つのトンネルバリア層３２７、３３１が存在するため、それぞれのトンネルバリア層３２７、３３１でのＴＭＲ効果が相殺され、素子全体としての電気抵抗変化が減少してしまう、すなわち磁気抵抗変化率が低下する恐れがある。
【００４５】
図４は、一般的なデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子３２１におけるＴＭＲ効果について説明するための図である。図４では、図３に示す磁気抵抗素子３２１のうち、デュアルＭＴＪ構造に対応する部位（下部磁化固定層３２５、下部トンネルバリア層３２７、記憶層３２９、上部トンネルバリア層３３１及び上部磁化固定層３３３）のみを図示し、その横に、下部磁化固定層３２５、記憶層３２９及び上部磁化固定層３３３の磁化方向を模擬的に上向き又は下向きの矢印で示している。
【００４６】
図示するように、磁気抵抗素子３２１では、下部磁化固定層３２５及び上部磁化固定層３３３は、互いに逆向きの磁化方向を有する。従って、下部磁化固定層３２５と記憶層３２９とが平行状態になったときには、上部磁化固定層３３３と記憶層３２９とは反平行状態になる（図中「配置（１）」）。このとき、下部トンネルバリア層３２７の電気抵抗は低くなる一方、上部トンネルバリア層３３１の電気抵抗は高くなるため、これらが互いに打ち消し合ってしまう。
【００４７】
一方、下部磁化固定層３２５と記憶層３２９とが反平行状態になったときには、上部磁化固定層３３３と記憶層３２９とは平行状態になる（図中「配置（２）」）。このとき、下部トンネルバリア層３２７の電気抵抗は高くなる一方、上部トンネルバリア層の電気抵抗は低くなるため、これらが互いに打ち消し合ってしまう。結果的に、磁気抵抗素子３２１では、「１」又は「０」をそれぞれ表す状態である「配置（１）」と「配置（２）」との間での電気抵抗の変化が小さくなってしまうのである。
【００４８】
デュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子３２１におけるこの課題を解決し得る技術として、特許文献１に記載のものが提案されている。具体的には、特許文献１には、２つのトンネルバリア層のうち下方に配置されるトンネルバリア層の膜厚が、上方に配置されるトンネルバリア層の膜厚よりも厚くなるように構成されたデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子が開示されている。特許文献１では、例えば、トンネルバリア層をＭｇＯによって形成するとともに、下方に配置されるトンネルバリア層の膜厚を０．８ｎｍ〜１．５ｎｍとし、上方に配置されるトンネルバリア層の膜厚を０．５ｎｍ〜１．０ｎｍとしている。当該構成によれば、薄膜化したトンネルバリア層のＴＭＲ効果が低下するため、素子全体としての磁気抵抗変化率を高くすることができると考えられる。
【００４９】
しかしながら、トンネルバリア層を薄くすると、薄膜化に伴い当該トンネルバリア層中にピンホール等の欠陥が生じ、絶縁破壊電圧を大幅に低下させる恐れがある。つまり、トンネルバリア層を薄くすると、素子の耐圧が低下し、素子としての信頼性が大幅に損なわれる恐れがある。このように、トンネルバリア層を薄くすることは、信頼性の観点から好ましくない。
【００５０】
以上、本発明者らが一般的な既存のＭＴＪ素子について検討した結果について説明した。以上説明したように、一般的な既存のＭＴＪ素子、特にデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子においては、トンネルバリア層の膜厚を維持しつつ素子全体としての磁気抵抗変化率を高めることを可能とする技術が求められていた。トンネルバリア層の膜厚を維持しつつ素子全体としての磁気抵抗変化率を高めることができれば、信頼性が高く、かつより高性能なデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子を実現することができる。そして、このような磁気抵抗素子を用いてＳＴ−ＭＲＡＭを構成すれば、より低消費電力で、かつより大容量な記憶装置（メモリ素子）を実現することが可能になる。
【００５１】
かかる事情に鑑みて、本発明者らは、デュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子において、トンネルバリア層の膜厚を維持しつつ素子全体としての磁気抵抗変化率を高める技術について鋭意検討した結果、本開示に想到したものである。以下、本発明者らが想到した本開示の好適な一実施形態について説明する。
【００５２】
（２．記憶装置の構成）
図５は、本開示の一実施形態に係る記憶装置の概略構成を示す斜視図である。図５では、本実施形態に係る記憶装置の一部分のみを抜き出して概略的に図示している。
【００５３】
図５に示すように、本実施形態に係る記憶装置１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、磁化状態によって情報を保持することができる記憶素子として機能する磁気抵抗素子１０が配置されて構成される。
【００５４】
具体的には、記憶装置１では、シリコン基板等の半導体基板２０１の素子分離層２０３により分離された部分に、各磁気抵抗素子１０を選択するための選択用トランジスタ２０５を構成する、ゲート電極２０７、ドレイン領域２０９及びソース領域２１１が、それぞれ形成される。図示する例では、１つの磁気抵抗素子１０と、当該磁気抵抗素子１０を選択するための１つの選択用トランジスタ２０５によって、１つのメモリセルが構成される。このように、記憶装置１は、複数のメモリセルが配列されて構成されるメモリ素子である。図５では、記憶装置１のうち、４つのメモリセルに対応する部分を抜き出して示している。
【００５５】
ゲート電極２０７は、図中奥行き方向に延設され、一方のアドレス配線（ワード線）を兼ねている。ドレイン領域２０９には配線２１３が接続されており、ドレイン領域２０９は、当該配線２１３を介して適宜その電位を変更可能に構成されている。なお、図示する例では、ドレイン領域２０９は、隣り合って配置される選択用トランジスタ２０５に共通して形成されている。
【００５６】
ソース領域２１１の上方に磁気抵抗素子１０が配置される。更に、磁気抵抗素子１０の上方に他方のアドレス配線であるビット線２１５が、ワード線（すなわち、ゲート電極２０７）と直交する方向に延設される。ソース領域２１１と磁気抵抗素子１０との間、及び磁気抵抗素子１０とビット線２１５との間には、コンタクト層２１７が設けられており、これらがそれぞれ電気的に接続される。
【００５７】
磁気抵抗素子１０はデュアルＭＴＪ構造を有し、当該磁気抵抗素子１０の記憶層の磁化方向をスピントルク磁化反転により反転させることにより、当該磁気抵抗素子１０への１／０の情報の記録を行うことができる。つまり、本実施形態に係る記憶装置１はＳＴ−ＭＲＡＭである。なお、磁気抵抗素子１０の具体的な構造については後述する。
【００５８】
具体的には、記憶装置１には、ゲート電極２０７、配線２１３及びビット線２１５に対して所望の電圧を印加可能な電源回路（図示せず）が設けられている。情報の書き込み時には、当該電源回路によって書き込みを行いたい所望の磁気抵抗素子１０に対応するアドレス配線（すなわち、ゲート電極２０７及びビット線２１５）に電流を印加することにより、磁気抵抗素子１０に電流を流す。このとき、磁気抵抗素子１０に流れる電流が反転電流よりも大きくなるように、アドレス配線、及びドレイン領域２０９に接続される配線２１３の電位が適宜調整される。これにより、磁気抵抗素子１０の記憶層の磁化方向が反転され、磁気抵抗素子１０に情報を書き込むことができる。なお、この際、配線２１３を介してドレイン領域２０９の電位を適宜調整することにより、磁気抵抗素子１０に流れる電流の向きを制御することができ、磁気抵抗素子１０の記憶層における磁化方向を変更する向きを制御することができる。すなわち、「１」及び「０」のいずれの情報を書き込むかを制御することができる。
【００５９】
一方、情報の読み出し時には、当該電源回路によって読み出しを行いたい所望の磁気抵抗素子１０に対応するゲート電極２０７に電流を印加し、ビット線２１５から磁気抵抗素子１０を通過して選択用トランジスタ２０５まで流れる電流を検出し、参照セルの電流値と比較する。ＴＭＲ効果により、磁気抵抗素子１０の記憶層における磁化方向に応じて当該磁気抵抗素子１０の電気抵抗が変化するため、検出された電流値の大きさに基づいて、１／０の情報を読み出すことができる。このとき、読み出し時の電流は、書き込み時に流れる電流に比べてずっと小さいため、読み出し時には磁気抵抗素子１０の記憶層における磁化方向は変化しない。つまり、磁気抵抗素子１０では、非破壊での情報の読み出しが可能である。
【００６０】
以上、本実施形態に係る記憶装置１の概略構成について説明した。なお、本実施形態に係る記憶装置１の構成は、以上説明したものに限定されない。後述するように、本実施形態に係る記憶装置１は、磁気抵抗素子１０の構造にその特徴的な構成を有する。つまり、本実施形態では、磁気抵抗素子１０が後述する図６及び図７のように構成されればよく、記憶装置１のその他の構成は任意であってよい。例えば、記憶装置１の磁気抵抗素子１０以外の構成としては、一般的なＳＴ−ＭＲＡＭに用いられている各種の公知の構成が適用されてよい。
【００６１】
また、記憶装置１は、記憶装置が搭載され得る各種の電気機器に実装されてよい。例えば、記憶装置１は、各種のモバイル機器（スマートフォン、タブレットＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等）、ノートＰＣ、ウェアラブルデバイス、ゲーム機器、音楽機器、ビデオ機器、又はデジタルカメラ等の、各種の電子機器に、一時記憶のためのメモリとして、あるいはストレージとして搭載されてよい。
【００６２】
（３．磁気抵抗素子の構造）
図６は、図５に示す本実施形態に係る磁気抵抗素子１０の概略構成を示す断面図である。図７は、図６に示す本実施形態に係る磁気抵抗素子１０のうち、下部トンネルバリア層、記憶層及び上部トンネルバリア層を抜き出して拡大して示す断面図である。なお、図６及び図７では、説明のため、磁性体からなる層については、その磁化方向を模擬的に矢印で示している。
【００６３】
図６を参照すると、本実施形態に係る磁気抵抗素子１０は、下地層１０１の上に、垂直磁気異方性を有し、その磁化方向が一方向に固定された磁性体層である下部磁化固定層１０３、非磁性体からなる下部トンネルバリア層１０５、電流の印加によって磁化方向が反転する磁性体層を含み、その磁化方向の反転により情報を記録する記憶層１０７、非磁性体からなる上部トンネルバリア層１０９、及び垂直磁気異方性を有し、その磁化方向が下部磁化固定層１０３とは逆向きの方向に固定された磁性体層である上部磁化固定層１１１、が積層されてなるデュアルＭＴＪ構造が形成されて構成される。また、上部磁化固定層１１１の上にはキャップ層１１３が積層される。
【００６４】
下地層１０１は、その上部に形成される層において滑らかで均質な粒状構造を促進する役割を果たすものである。また、下地層１０１は、当該下地層１０１と接触する下部磁化固定層１０３の磁化方向を固定する役割も果たす。このような下部磁化固定層１０３の磁化方向を固定する機能を奏するために、例えば、本実施形態では、下地層１０１を、ＰｔＭｎ又はＩｒＭｎ等の反強磁性体によって形成する。反強磁性体を下部磁化固定層１０３と接触させて設けることにより、当該下部磁化固定層１０３の磁化方向を効果的に固定することができる。
【００６５】
なお、本実施形態はかかる例に限定されず、下地層１０１としては、一般的なＳＴ−ＭＲＡＭに搭載されているデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子において適用されている、あらゆる材料及び構成を用いることができる。
【００６６】
下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１は、磁気抵抗素子１０における磁化方向の参照となる層である。つまり、磁気抵抗素子１０は、電流の印加すなわちスピン注入により、記憶層１０７の磁化方向のみが反転し、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１の磁化方向は反転しないように構成されており、磁気抵抗素子１０では、この記憶層１０７の磁化方向と、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１の磁化方向との相対的な角度によって、情報の「１」又は「０」を規定している。すなわち、記憶層１０７の磁化方向の反転により、１／０の情報の記録がなされる。
【００６７】
本実施形態では、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１を構成する磁性体として、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用いる。また、上記のように下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１は磁化方向の基準であるので、情報の書き込みや読み出しによって磁化方向が変化しないように構成される。ただし、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１の磁化方向は、必ずしも特定の方向に完全に固定されている必要はなく、記憶層１０７の磁化方向よりも反転し難ければよい。下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１の磁化方向を記憶層１０７の磁化方向よりも反転し難くするためには、例えば、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１を、記憶層１０７よりも保磁力が大きくなるように構成する、膜厚を厚くする、又は磁気ダンピング定数を大きくする、等の方法を取ることができる。あるいは、下部磁化固定層１０３が、少なくとも２層の磁性体層とＲｕ等の非磁性体層とが積層された積層フェリ構造（積層フェリピン構造とも呼ばれる）によって構成されてもよい。磁化固定層に積層フェリ構造を採用することで、情報書き込み方向に対する熱安定性の非対称性をキャンセルすることができ、スピントルクに対する安定性の向上を図ることができる。あるいは、下部磁化固定層１０３は、反強磁性体と積層フェリ構造を組み合わせて構成されてもよい。これにより、磁化方向をより効果的に固定することが可能になる。あるいは、上記のように、下地層１０１の材料及び構成を適宜選択することにより、下部磁化固定層１０３の磁化方向が固定されてもよい。後述するが、同様に、上部磁化固定層１１１と接するキャップ層１１３を下地層１０１と同様に構成することにより、当該上部磁化固定層１１１の磁化方向を固定することができる。
【００６８】
また、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１は、垂直磁気異方性を有するとともに、その磁化方向が互いに逆向きになるように構成される。下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１を垂直磁気異方性を有するように構成することにより、上記のように、面内磁気異方性を有する磁化固定層を用いる場合に比べて、反転電流を小さくする効果を得ることができる。
【００６９】
なお、本実施形態はかかる例に限定されない。下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１は、垂直磁気異方性を有し、磁気抵抗素子１０に対する情報の書き込み時及び読み出し時において参照層として機能すればよく、その材料及び構成は任意であってよい。例えば、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１としては、一般的なＳＴ−ＭＲＡＭに搭載されているデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子において適用されている、あらゆる材料及び構成を用いることができる。
【００７０】
下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９は、非磁性体からなり、磁気抵抗素子１０に対する情報の書き込み時及び読み出し時においてトンネルバリアとして機能する。本実施形態では、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９を構成する磁性体として、ＭｇＯを用いる。ＭｇＯを用いることにより、コヒーレントトンネリング現象の効果により、素子全体としての磁気抵抗変化率を高くすることができる。また、一般的に、スピン注入の効率は磁気抵抗変化率に依存し、磁気抵抗変化率が高いほどスピン注入の効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができることが知られている。従って、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９をＭｇＯによって形成することにより、反転電流を低減できる、すなわちより小さい電流で情報の書き込み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。
【００７１】
また、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９の膜厚は、耐圧特性が十分に確保され得るように調整される。例えば、ＭｇＯによって形成した場合には、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９の膜厚は、０．６ｎｍ〜１．５ｎｍ程度にすればよい。
【００７２】
ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９の材料としては、各種の材料を用いることができる。例えば、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ＳｉＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ２、ＡｌＬａＯ３若しくはＡｌ−Ｎ−Ｏ合金等の各種の絶縁体、誘電体、又は半導体によって形成されてもよい。その他、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９としては、一般的なＳＴ−ＭＲＡＭに搭載されているデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子において適用されている、あらゆる材料及び構成を用いることができる。
【００７３】
キャップ層１１３は、例えばＲｕ等の非磁性体によって構成され、上部磁化固定層１１１の酸化を防止するとともに、その上に形成される上部電極（図示せず）との間での優れた導通を実現する機能を有する。あるいは、上部磁化固定層１１１の磁化方向を固定する観点から、キャップ層１１３は、下地層１０１と同様に構成されてもよい。
【００７４】
ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、キャップ層１１３としては、一般的なＳＴ−ＭＲＡＭに搭載されているデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子において適用されている、あらゆる材料及び構成を用いることができる。
【００７５】
図７を参照して、記憶層１０７の構成について詳細に説明する。図７を参照すると、記憶層１０７は、第１の磁性体層１２１、非磁性体層１２３及び第２の磁性体層１２５が、この順に積層されて構成される。本実施形態では、第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５は、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１と同様に、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金によって形成される。また、非磁性体層１２３はＴａによって形成される。
【００７６】
ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、後述する特性を有すれば、第１の磁性体層１２１、非磁性体層１２３及び第２の磁性体層１２５の材料及び構成は任意であってよい。例えば、第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５を、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＢを含む金属材料によって形成してもよい。あるいは、例えば、第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５を、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＢのうちの少なくともいずれかによって構成される合金によって形成してもよい。あるいは、例えば、第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５を、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金に対して異種元素を添加したものによって形成してもよい。これにより、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等の効果を得ることができる。この場合の添加元素の材料としては、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｏｓ、これらの合金、又はこれらの酸化物を用いることができる。また、非磁性体層１２３の材料としては、Ｔａの他に、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、又はこれらの合金を用いることができる。
【００７７】
本実施形態では、第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５のうち、第１の磁性体層１２１は垂直磁気異方性を有し、第２の磁性体層１２５は面内磁気異方性を有するように構成される。情報の書き込み時には、第１の磁性体層１２１の磁化方向は垂直方向で反転し、第２の磁性体層１２５の磁化方向は面内方向で反転する。
【００７８】
このような磁気異方性は、第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５を構成する材料の組成及び／又は第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５の膜厚を調整することにより制御することができる。例えば、第１の磁性体層１２１は、当該第１の磁性体層１２１が受ける実効的な反磁界の大きさが、飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるように、その組成が調整される。これにより、第１の磁性体層１２１の磁化方向を垂直方向とすることができる。また、例えば、第２の磁性体層１２５は、所定の組成において、その膜厚を０．８ｎｍ以上にすることにより、その磁化方向を面内方向とすることができる（後述する実施例１も参照）。
【００７９】
以上、本実施形態に係る磁気抵抗素子１０の構造について説明した。なお、以上説明した磁気抵抗素子１０は、下地層１０１からキャップ層１１３までを真空装置内で連続的に積層した後、エッチング等の加工により適宜パターンニングすることにより、製造することが可能である。各層の成膜方法、及びパターニングの方法としては、一般的な半導体プロセスを用いることができるため、詳細な説明は省略する。
【００８０】
以上説明した磁気抵抗素子１０によれば、記憶層１０７が、第１の磁性体層１２１、非磁性体層１２３及び第２の磁性体層１２５がこの順に積層されて構成されるとともに、第１の磁性体層１２１は垂直磁気異方性を有し、第２の磁性体層１２５は面内磁気異方性を有するように構成される。これにより、例えば図３に示す一般的な磁気抵抗素子３２１のように記憶層３２９が垂直磁気異方性を有する場合に比べて、第２の磁性体層１２５と上部磁化固定層１１１との間に位置する上部トンネルバリア層１０９におけるＴＭＲ効果を低減することができる。また、この際、特許文献１に記載の技術とは異なり、上部トンネルバリア層１０９の膜厚を薄膜化することなく（例えば、特許文献１に記載の磁気抵抗素子における、膜厚が厚い方のトンネルバリア層の膜厚を維持しつつ）、ＴＭＲ効果を低減する効果を得ることができる。従って、磁気抵抗素子１０によれば、一般的な既存のデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子に比べて、信頼性を損ねることなく、素子全体としての磁気抵抗変化率を高めることができる。
【００８１】
また、磁気抵抗素子１０によれば、第１の磁性体層１２１に垂直磁気異方性を持たせるために、第１の磁性体層１２１が受ける実効的な反磁界の大きさが、当該第１の磁性体層１２１の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるように構成される。これにより、記憶層１０７が受ける実効的な反磁界の大きさが小さくなるため、当該記憶層１０７における反転電流の大きさを小さくすることができる。ここで、磁気抵抗素子１０は、デュアルＭＴＪ構造を有するため、記憶層１０７は、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９の双方からより効率的にスピン注入されることとなり、デュアルＭＴＪ構造を有しない磁気抵抗素子に比べて、反転電流を低減することができる。つまり、本実施形態によれば、デュアルＭＴＪ構造を採用することによる反転電流の低減効果に加えて、記憶層１０７を上記のように構成することによる反転電流の低減効果を得ることができる。従って、一般的な既存のデュアルＭＴＪ構造を有する磁気抵抗素子に比べて、反転電流をより一層小さくすることができる。よって、磁気抵抗素子１０を用いて構成される記憶装置１における消費電力量を低減することが可能になる。
【００８２】
一方、磁気抵抗素子１０によれば、記憶層１０７の飽和磁化量Ｍｓを低減しなくても反転電流を小さくすることができるため、記憶層１０７の飽和磁化量Ｍｓを十分な大きさ有することができ、記憶層１０７の熱安定性を確保することが可能になる。更に、磁気抵抗素子１０では、２つの磁化固定層、すなわち下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１が、積層フェリピン構造を構成し得る。これにより、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１を外部磁界に対して鈍化させ、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１に起因する漏洩磁界を遮断することができる。また、複数の磁性体層の層間結合による、下部磁化固定層１０３及び上部磁化固定層１１１の垂直磁気異方性の強化を図ることができる。このように、磁気抵抗素子１０によれば、熱安定性を十分に確保することができる、すなわち情報保持能力を十分に確保することができるため、特性バランスに優れた磁気抵抗素子１０を構成することができる。
【００８３】
なお、上記の構成例では、記憶層１０７において、下方に位置する第１の磁性体層１２１に垂直磁気異方性を持たせ、上方に位置する第２の磁性体層１２５に面内磁気異方性を持たせていたが、本実施形態はかかる例に限定されない。本実施形態では、記憶層１０７を構成する２つの磁性体層（第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５）のうちのいずれか一方が面内磁気異方性を有し、他方が垂直磁気異方性を有すればよく、その組み合わせは任意であってよい。例えば、上記の構成例とは逆に、下方に位置する第１の磁性体層１２１に面内磁気異方性を持たせ、上方に位置する第２の磁性体層１２５に垂直磁気異方性を持たせてもよい。当該構成でも、同様の効果を得ることができる。
【００８４】
また、本実施形態では、記憶層１０７を構成する２つの磁性体層（第１の磁性体層１２１及び第２の磁性体層１２５）のうちのいずれか一方が面内磁気異方性を有し、他方が、垂直方向から垂直磁化が優位な状態が保たれるような所定の角度だけ傾いた（すなわち、面内磁化が優位な状態までには至らない程度に傾斜した）磁気異方性を有してもよい。当該構成によれば、完全に垂直な方向の磁気異方性を有する場合に比べて、反転電流低減の効果は小さくなるものの、上述したその他の効果（すなわち、磁気抵抗変化率の向上、及び熱的安定性の確保）は同様に得ることが可能である。
【実施例１】
【００８５】
以上説明した本実施形態に係る磁気抵抗素子１０における記憶層１０７の磁気異方性について評価するために、以下の実験を行った。当該実験では、図６及び図７に示す構成と同様の構成を有する磁気抵抗素子の試料を３種類作成し、これら試料１〜３について、それぞれ磁化曲線を測定した。試料１〜３は、記憶層を構成する第２の磁性体層の膜厚のみが互いに異なるものであり、その他の構成は同一である。【００８６】
具体的には、試料１〜３における記憶層以外の構成は以下の通りである。
下地層：膜厚１０ｎｍのＴａ膜と膜厚１０ｎｍのＲｕ膜の積層膜
下部磁化固定層：膜厚２ｎｍのＣｏ−Ｐｔ膜と膜厚０．７ｎｍのＲｕ膜と膜厚１．２ｎｍの［Ｃｏ２０Ｆｅ８０］８０Ｂ３０膜の積層膜
下部トンネルバリア層：膜厚１ｎｍの酸化マグネシウム膜
上部トンネルバリア層：膜厚１ｎｍの酸化マグネシウム膜
上部磁化固定層：膜厚１．３ｎｍの［Ｃｏ２０Ｆｅ８０］８０Ｂ３０膜と膜厚０．６ｎｍのＲｕ膜と膜厚２ｎｍのＣｏ−Ｐｔ膜の積層膜
キャップ層：膜厚５ｎｍのＴａ膜【００８７】
また、試料１〜３における記憶層については、第１の磁性体層としては膜厚１．３ｎｍの［Ｃｏ２０Ｆｅ８０］８０Ｂ３０膜を成膜し、非磁性体層としては膜厚０．２ｎｍのタンタルを成膜した。【００８８】
記憶層の第２の磁性体層の構成は以下の通りである。
試料１：膜厚０．６ｎｍの［Ｃｏ２０Ｆｅ８０］８０Ｂ３０膜
試料２：膜厚０．８ｎｍの［Ｃｏ２０Ｆｅ８０］８０Ｂ３０膜
試料３：膜厚１．０ｎｍの［Ｃｏ２０Ｆｅ８０］８０Ｂ３０膜【００８９】
試料１〜３は、いずれも、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、その上に上記の構成の磁気抵抗素子を形成することにより作製した。また、詳細な説明は省くが、シリコン基板上には、測定のために必要となる配線等も適宜形成している。【００９０】
絶縁層以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。酸化物を用いた絶縁層は、ＲＦマグネトロンスパッタ法又はＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて金属膜を成膜した後、磁場中熱処理炉で３５０℃熱処理を行うことにより形成した。【００９１】
以上のように作製した試料１〜３についての磁化曲線を、磁気カー効果測定によって測定した。このとき、測定には微細加工後の素子ではなく、シリコン基板上に磁化曲線評価用に特別に設けた８ｍｍ×８ｍｍ程度のバルクフィルム部分を用いた。また測定磁界は、膜面垂直方向に印加した。【００９２】
図８−図１０は、それぞれ、試料１〜３についての記憶層の磁化曲線の測定結果を示すグラフ図である。図８−図１０では、いずれも、横軸に印加した測定磁界を取り、縦軸に磁気カー効果の大きさを示す信号値を取り、両者の関係性をプロットしている。【００９３】
図８を参照すると、記憶層の第２の磁性体層の膜厚が０．６ｎｍである試料１では、角型性の高い磁化曲線が得られていることが分かる。これは、試料１では、記憶層の第１の磁性体層及び第２の磁性体層がともに垂直方向に磁化していることを示していると考えられる。【００９４】
一方、図９及び図１０を参照すると、記憶層の第２の磁性体層の膜厚がそれぞれ０．８ｎｍ、１．０ｎｍである試料２、３では、磁化曲線の角型性に変化が見られている。これは、試料２、３では、第２の磁性体層の膜厚が厚くなることにより反磁界が増大し、磁化方向が垂直方向から面内方向に変化したためであると考えられる。なお、記憶層の第２の磁性体層の磁化方向は面内方向を向いているものの、第１の強磁性体層の磁化方向は垂直方向であると考えられるため、図９及び図１０に示す磁化曲線は、第１の磁性体層及び第２の磁性体層の磁性が、記憶層内の非磁性体を介して磁気的に結合した結果、現れたものであると考えられる。【００９５】
以上の実験結果は、記憶層を構成する第２の磁性体層について、その膜厚を調整することにより、その磁化方向を垂直方向又は面内方向に制御可能であることを示している。また、当該実験結果は、第２の強磁性体層を［Ｃｏ２０Ｆｅ８０］８０Ｂ３０膜によって構成した場合には、その膜厚を０．８ｎｍ以上にすることによって、その磁化方向を面内方向にすることができることを示している。当該実験では第２の磁性体層について、その膜厚と磁化方向との関係を評価したが、第１の磁性体層についても同様の結果が得られると考えられる。
【実施例２】
【００９６】
以上説明した本実施形態に係る磁気抵抗素子１０における磁気抵抗変化率の向上効果について確認するために、以下の実験を行った。当該実験では、図６及び図７に示す構成と同様の構成を有する磁気抵抗素子の試料を３種類作成し、これら試料１〜３について、それぞれ磁気抵抗曲線を測定し、当該磁気抵抗曲線から磁気抵抗変化率を算出した。【００９７】
試料１〜３としては、上記実施例１と同様のものを用いた。つまり、試料１〜３は、記憶層を構成する第２の磁性体層の膜厚のみが互いに異なるものであり、その他の構成は同一である。実施例１の結果から、試料１においては、第１の磁性体層及び第２の磁性体層の磁化方向はともに垂直方向であり、試料２、３においては、第１の磁性体層の磁化方向は垂直方向であり、かつ第２の磁性体層の磁化方向は面内方向であると考えられる。【００９８】
磁気抵抗変化率の測定は、１２端子ＣＩＰＴ測定装置によって評価した。このとき、測定には微細加工後の素子ではなく、シリコン基板上に磁気抵抗変化率評価用に特別に設けた２ｃｍ角程度のバルクフィルム部分を用いた。また測定磁界は、膜面垂直方向に印加した。磁気抵抗変化率の測定結果を下記表１に示す。【００９９】
【表１】
2017169291.tif 000005
【０１００】
表１に示すように、試料２、３において、試料１よりも磁気抵抗変化率が高くなることが確認できた。当該実験結果が得られて理由は、第２の磁性体層の膜厚が厚くなることで、当該第２の磁性体層の磁化方向が面内方向に変化し、上部トンネルバリア層のＴＭＲ効果が減少したために、素子全体としての磁気抵抗変化率が高くなったからであると考えられる。つまり、当該実験結果は、本実施形態に係る磁気抵抗素子１０によって、確かにＴＭＲ効果低減、及び磁気抵抗変化率向上の効果が得られることを示している。【０１０１】
（４．補足）
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。【０１０２】
例えば、上記実施形態では、磁気抵抗素子１０を、ＴＭＲ効果を利用したＭＴＪ素子として構成していたが、本技術はかかる例に限定されない。例えば、磁気抵抗素子１０の、下部トンネルバリア層１０５及び上部トンネルバリア層１０９に当たる層（以下、第１の中間層及び第２の中間層ともいう）を、金属材料によって形成し、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果によってスピン注入を行ってもよい。この場合、第１の中間層及び第２の中間層の材料としては、ＧＭＲ効果を奏する金属材料、例えば、Ｃｕ、Ａｇ若しくはＣｒを含む金属材料、又はＣｕ、Ａｇ及びＣｒのうちの少なくともいずれかによって構成される合金等を用いることができる。あるいは、第１の中間層及び第２の中間層のうちの一方をＴＭＲ効果を奏するような非磁性体によって構成し、他方をＧＭＲ効果を奏するような金属材料料によって形成してもよい。【０１０３】
また、例えば、上記実施形態では、磁気抵抗素子１０を記憶装置の記憶素子として用いていたが、本技術はかかる例に限定されない。本実施形態に係る磁気抵抗素子１０は、例えばＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）の磁気ヘッド等、一般的に磁気抵抗素子が適用され得る他の各種の装置に適用されてよい。【０１０４】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的又は例示的なものであって限定的なものではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏し得る。【０１０５】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、
前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、
前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、
前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、
前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、
を備え、
前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、
磁気抵抗素子。
（２）
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうち、膜面に平行な磁化方向を有する磁性体層の膜厚は、０．８ｎｍ以上である、
前記（１）に記載の磁気抵抗素子。
（３）
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＢを含む金属材料、又はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＢのうちの少なくともいずれかによって構成される合金である、
前記（１）又は（２）に記載の磁気抵抗素子。
（４）
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうち、少なくとも膜面に平行な磁化方向を有する磁性体層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ若しくはＢを含む金属材料、又はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びＢのうちの少なくともいずれかによって構成される合金である、
前記（２）に記載の磁気抵抗素子。
（５）
前記第１の中間層及び前記第２の中間層のうちの少なくとも一方は、酸化マグネシウムである、
前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
（６）
前記第１の中間層及び前記第２の中間層のうちの少なくとも一方は、Ｃｕ、Ａｇ若しくはＣｒを含む金属材料、又はＣｕ、Ａｇ及びＣｒのうちの少なくともいずれかによって構成される合金である、
前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
（７）
前記第１の中間層及び前記第２の中間層の膜厚は、０．６ｎｍから１．５ｎｍである、
前記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
（８）
情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気抵抗素子と、
複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれに対して積層方向に電流を印加する、又は複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれにおいて積層方向に流れる電流を検出するための配線と、
を備え、
前記磁気抵抗素子は、
情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、
前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、
前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、
前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、
前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、
を有し、
前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、
メモリ素子。
（９）
情報を記憶するためのメモリ素子、
を備え、
前記メモリ素子は、
情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気抵抗素子と、
複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれに対して積層方向に電流を印加する、又は複数の前記磁気抵抗素子のそれぞれにおいて積層方向に流れる電流を検出するための配線と、
を有し、
前記磁気抵抗素子は、
情報に対応して磁化方向が変化される記憶層と、
前記記憶層の下部に設けられ、前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方向を有する第１の磁化固定層と、
前記記憶層の上部に設けられ、前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方向であって前記第１の磁化固定層とは逆向きの磁化方向を有する第２の磁化固定層と、
前記第１の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第１の中間層と、
前記第２の磁化固定層と前記記憶層との間に設けられる第２の中間層と、
を有し、
前記記憶層は、第１の磁性体層と、非磁性体層と、第２の磁性体層と、がこの順に積層されて構成され、
前記第１の磁性体層及び前記第２の磁性体層のうちのいずれか一方は、膜面に平行な磁化方向を有する、
電子機器。
【符号の説明】
【０１０６】
１    記憶装置（メモリ素子）
１０、３０１、３２１    磁気抵抗素子
１０１、３０３、３２３    下地層
１０３、３２５    下部磁化固定層
１０５、３２７    下部トンネルバリア層
１０７、３０９、３２９    記憶層
１０９、３３１    上部トンネルバリア層
１１１、３３３    上部磁化固定層
１１３、３１１、３３５    キャップ層
１２１    第１の磁性体層
１２３    非磁性体層
１２５    第２の磁性体層
２０１    半導体基板
２０３    素子分離層
２０５    選択用トランジスタ
２０７    ゲート電極
２０９    ドレイン領域
２１１    ソース領域
２１３    配線
２１５    ビット線
２１７    コンタクト層
３０５    磁化固定層
３０７    トンネルバリア層
【図１】
2017169291.tif 000006
【図２】
2017169291.tif 000007
【図３】
2017169291.tif 000008
【図４】
2017169291.tif 000009
【図５】
2017169291.tif 000010
【図６】
2017169291.tif 000011
【図７】
2017169291.tif 000012
【図８】
2017169291.tif 000013
【図９】
2017169291.tif 000014
【図１０】
2017169291.tif 000015
【国際調査報告】
2017169291.tif 000016
2017169291.tif 000017
2017169291.tif 000018
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