(57)【要約】  磁気メモリ素子（１００）は、５ｄ遷移金属を含有する重金属層（１０）を含む導電層と、導電層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層（２０）と、第１強磁性層（２０）と隣接し、絶縁性の材料から構成されるバリア層（３０）と、バリア層（３０）と隣接し、少なくとも一層の磁化の方向の固定された第２強磁性層（４１）を有する参照層（４０）と、参照層（４０）と隣接し、導電性の材料から構成されるキャップ層（５０）と、重金属層（１０）の長手方向の一端に、電流の導入が可能な第１端子（Ｔ１）と、重金属層（１０）の長手方向の他端に、電流の導入が可能な第２端子（Ｔ２）と、キャップ層（５０）に、電流の導入が可能な第３端子（Ｔ３）と、を備える。
2017208576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気メモリ素子用の磁性積層膜であって、
５ｄ遷移金属を含有する重金属層を含む導電層と、
前記導電層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備え、
前記導電層の膜厚は６ｎｍ以上であり、
前記重金属層の結晶構造はアモルファスまたはβ相である、
ことを特徴とする磁性積層膜。
【請求項２】
磁気メモリ素子用の磁性積層膜であって、
５ｄ遷移金属を含有する重金属層を含む導電層と、
前記導電層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備え、
前記導電層の膜厚は６ｎｍ以上であり、
前記重金属層の比抵抗は１００μΩｃｍ以上である、
ことを特徴とする磁性積層膜。
【請求項３】
前記重金属層の結晶構造はアモルファスまたはβ相である、
ことを特徴とする請求項２に記載の磁性積層膜。
【請求項４】
前記導電層は、前記重金属層に隣接し、導電性の材料から構成される調整層を更に含む、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁性積層膜。
【請求項５】
前記重金属層がＴａまたはＷを含有する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁性積層膜。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁性積層膜と、
前記第１強磁性層に隣接し、絶縁性の材料から構成されるバリア層と、
前記バリア層と隣接し、少なくとも一層の磁化の方向の固定された強磁性層を有する参照層と、
前記参照層に隣接し、導電性の材料から構成されるキャップ層と、
前記重金属層の長手方向の一端に、電流の導入が可能な第１端子と、
前記重金属層の長手方向の他端に、電流の導入が可能な第２端子と、
前記キャップ層に、電流の導入が可能な第３端子と、
を備えることを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項７】
前記第１強磁性層に接続された第４端子を備える。
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気メモリ素子。
【請求項８】
前記第１強磁性層は膜面に垂直な方向で反転可能な磁化を有する
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気メモリ素子。
【請求項９】
前記第１強磁性層は膜面内で前記第１端子と前記第２端子とを結ぶ線分と直交する方向に反転可能な磁化を有する、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１０】
前記第１強磁性層は膜面内で前記第１端子と前記第２端子とを結ぶ線分と平行な方向に反転可能な磁化を有する、
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１１】
前記第１強磁性層は、第１磁化領域と、前記第１磁化領域を挟んで配置された第２磁化領域と第３磁化領域とを有し、
前記第２磁化領域の磁化と前記第３磁化領域の磁化とは互いに異なる方向に固定されており、
前記第１磁化領域の磁化は反転可能であり、前記第２磁化領域の磁化または前記第３磁化領域の磁化のいずれか一方と同一方向を向くことができる、
ことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。
【請求項１２】
請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子と、
前記磁気メモリ素子に書き込み電流を流すことにより、前記磁気メモリ素子にデータを書き込む書き込み手段と、
前記バリア層を貫通する方向に電流を流してトンネル抵抗を求めることにより、前記磁気メモリ素子に書き込まれているデータを読み出す読み出し手段と、
を備えることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１３】
前記重金属層は、
マグネトロンスパッタリング法により成膜され、
成膜の過程における不活性ガスの分圧が０．１Ｐａ以上であり、
成膜の過程におけるスパッタ粒子の平均自由行程がＴ／Ｓ距離よりも短く、
成膜の過程における薄膜の堆積レートが０．０２ｎｍ／ｓ以下であり、
成膜の過程において基板温度が０℃以下に設定され、
成膜の過程において基板にバイアス電圧が印加される、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁性積層膜、請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子又は請求項１２に記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
５ｄ遷移金属を含有する重金属層と、
前記重金属層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備える
ことを特徴とする磁性積層膜又は該磁性積層膜を備える磁気メモリ素子の製造方法であって、
前記重金属層をマグネトロンスパッタリング法により成膜し、
成膜の過程における不活性ガスの分圧が０．１Ｐａ以上である、
ことを特徴とする磁性積層膜又は磁気メモリ素子の製造方法。
【請求項１５】
５ｄ遷移金属を含有する重金属層と、
前記重金属層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備える
ことを特徴とする磁性積層膜又は該磁性積層膜を備える磁気メモリ素子の製造方法であって、
前記重金属層をマグネトロンスパッタリング法により成膜し、
成膜の過程におけるスパッタ粒子の平均自由行程がＴ／Ｓ距離よりも短い、
ことを特徴とする磁性積層膜又は磁気メモリ素子の製造方法。
【請求項１６】
前記重金属層の成膜の過程における薄膜の堆積レートが０．０２ｎｍ／ｓ以下である
ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の磁性積層膜又は磁気メモリ素子の製造方法。
【請求項１７】
前記重金属層の成膜の過程において基板温度が０℃以下に設定される
ことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の磁性積層膜又は磁気メモリ素子の製造方法。
【請求項１８】
前記重金属層の成膜の過程において基板側にバイアス電圧が印加される
ことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の磁性積層膜又は磁気メモリ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性積層膜、磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリ（磁気ランダムアクセスメモリ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は、書き換え回数に制限がなく、高速動作が可能な不揮発性メモリであり、静的ランダムアクセスメモリ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；ＳＲＡＭ）や動的ランダムアクセスメモリ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；ＤＲＡＭ）の代替に期待されている。【０００３】
磁気メモリは、一般的にはアレイ状に配置された磁気メモリ素子と、その周りに形成された周辺回路から構成される。磁気メモリ素子は２枚の強磁性層とその間に形成される１枚の絶縁層（トンネルバリア）からなる磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を具備する。２枚の強磁性層のうちの１枚（参照層；Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｌａｙｅｒ）は、その磁化の方向が固定されており、もう一枚（記録層；Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  Ｌａｙｅｒ）は磁化の方向が反転可能である。磁気メモリは、この記録層の磁化の方向で情報を記憶する。従って、情報の書き込みの際には、記録層の磁化の方向を反転させる必要がある。情報を読み出す際には、記録層の磁化の方向と参照層の磁化の方向との相対角によって当該磁気トンネル接合のトンネル抵抗が変化するトンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＴＭＲ）効果を利用する。【０００４】
磁気メモリ素子は、その構造から２端子型と３端子型に大別される。２端子型の磁気メモリ素子は、小さなセルサイズを有することから大容量化に適しており、主にＤＲＡＭの代替として期待される。３端子型の磁気メモリ素子は、書き込みと読み出しで異なる電流の経路を有し、また書き込み電流が絶縁層を通らないことから、高速高信頼動作が可能であり、主にＳＲＡＭの代替として期待されている。【０００５】
磁気メモリ素子に情報を書き込む手法、すなわち記録層の磁化の方向を反転する方法として様々な方式が検討されている。初期に研究開発が行われた磁気メモリは、配線に電流を流したときにその周りに生じるエルステッド磁場（Ｏｅｒｓｔｅｄ磁場）を利用していた。その後、より微細化特性に優れた方式として、スピン偏極した電子と磁化との間で移行される角運動量により磁化の方向を反転するスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ−Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ；ＳＴＴ）による磁化の反転が実証され、盛んに研究開発が行われている。ＳＴＴによる磁化の反転は主に２端子型の磁気メモリ素子に用いることができる。３端子型磁気メモリ素子に情報を書き込む手法としては、エルステッド磁場を用いる方法に加えて、電流により誘起される磁壁移動を用いる方法も提案されている。電流により誘起される磁壁移動とは磁壁を有する強磁性体により形成された細線に電流を流したときに、磁壁が電流によって細線の長手方向に移動する現象であり、上述のスピントランスファートルクが介在している。また最近、電流により誘起される磁壁移動に加えて、スピン・軌道相互作用を介した磁化の反転を用いる方法が提案され、注目を集めている。特許文献１には、スピン・軌道相互作用による磁化の反転を用いた３端子型の磁気メモリが開示されている。【０００６】
スピン・軌道相互作用による磁化の反転は、例えばＰｔ（白金）、Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）などの非磁性の重金属材料で形成された層と強磁性材料で形成された層と酸化物で形成された層が積層され、反転対称性を有さない積層膜において、重金属層の面内の方向に電流を流すことで強磁性材料の層の磁化の向きが反転する現象である。この際、強磁性材料で形成された層には、スピン偏極した電子が蓄積し、これが磁化の方向にトルクを及ぼす。このトルクはスピン軌道トルク（Ｓｐｉｎ−Ｏｒｂｉｔ  Ｔｏｒｑｕｅ；ＳＯＴ）と呼ばれる。スピン軌道トルクによる磁化の反転は、スピン軌道トルク磁化反転（Ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ−ｔｏｒｑｕｅ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）などと呼ばれる。スピン軌道トルクの起源として、重金属材料中でのスピンホール効果や、重金属材料と強磁性材料の界面でのラシュバ効果などが考えられているが、まだ明らかにはなっていない。【０００７】
単位電流により発現するスピン軌道トルクが大きい材料を用いれば、磁気メモリの高集積化を可能にし、少ない電力で磁性メモリを駆動することができ、応用上好ましい。特許文献１には、重金属材料にβ相の結晶構造を有するＴａやＷを用いると、単位電流当たりのスピン軌道トルクが大きくなることが述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０２５９９４号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１０１，１２２４０４（２０１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
スピン軌道トルクによる磁化の反転を起こす３端子型の磁気メモリ素子を形成する場合、プロセスマージンを確保するために重金属層の膜厚は６ｎｍ以上に設定されることが望ましい。これは、重金属層の上のＭＴＪをエッチングによりパターニングする工程において、重金属層もある程度エッチングされてしまう。そのため、エッチングされても十分な厚さの重金属層を予め形成しておく、即ち、プロセスマージンを確保しておくためである。
前述のように、準安定構造のβ相の結晶構造を有するＴａやＷで形成された重金属層を用いることで大きなスピン軌道トルクが得られる（特許文献１参照）。しかしながら、プロセスマージンを確保するために重金属層を厚くすると、最も安定な構造であるα相の結晶構造が支配的に形成され、β相の結晶構造が得られなくなってしまう。例えば、非特許文献１には、Ｗの膜厚が５．２ｎｍではβ相の結晶構造が支配的であるものの、６．２ｎｍではα相の結晶構造とβ相の結晶構造とが混在し、１５ｎｍでは完全にα相の結晶構造のみになることが示されている。なお、Ｗで形成された重金属層の厚さが５．２ｎｍ、６．２ｎｍ、１５ｎｍのときの電気抵抗率はそれぞれ２６０μΩｃｍ、８０μΩｃｍ、２１μΩｃｍと報告されている。
このように、相対的に小さな電流で大きなスピン軌道トルクを得るためにβ相の結晶構造を有する重金属層を得ることと、プロセスマージンを確保することとを両立させることは困難である。従って、３端子型の磁気メモリ素子の書き込み電流を低減しつつ、かつ十分なプロセスマージンを確保することは容易ではない。【００１１】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、スピン軌道トルクによる磁化の反転を用いた３端子型の磁気メモリ素子の書き込み電流を抑え、かつプロセスマージンを確保できる磁性積層膜、またそれを用いた磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る磁性積層膜は、
磁気メモリ素子用の磁性積層膜であって、
５ｄ遷移金属を含有する重金属層を含む導電層と、
前記導電層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備え、
前記導電層の膜厚は６ｎｍ以上であり、
前記重金属層の結晶構造はアモルファスまたはβ相である。【００１３】
また、本発明の第２の観点に係る磁性積層膜は、
磁気メモリ素子用の磁性積層膜であって、
５ｄ遷移金属を含有する重金属層を含む導電層と、
前記導電層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備え、
前記導電層の膜厚は６ｎｍ以上であり、
前記重金属層の比抵抗は１００μΩｃｍ以上である。【００１４】
例えば、前記重金属層の結晶構造はアモルファスまたはβ相であってもよい。【００１５】
例えば、前記導電層は、前記重金属層に隣接し、導電性の材料から構成される調整層を更に含む、ように構成してもよい。【００１６】
例えば、前記重金属層がＴａまたはＷを含有することが望ましい。【００１７】
また、本発明の第３の観点に係る磁気メモリ素子は、
上述の磁性積層膜と、
前記第１強磁性層に隣接し、絶縁性の材料から構成されるバリア層と、
前記バリア層と隣接し、少なくとも一層の磁化の方向の固定された強磁性層を有する参照層と、
前記参照層に隣接し、導電性の材料から構成されるキャップ層と、
前記重金属層の長手方向の一端に、電流の導入が可能な第１端子と、
前記重金属層の長手方向の他端に、電流の導入が可能な第２端子と、
前記キャップ層に、電流の導入が可能な第３端子と、
を備える。【００１８】
前記磁気メモリ素子は、前記第１強磁性層に接続された第４端子を備えてもよい。【００１９】
前記第１強磁性層は膜面に垂直な方向で反転可能な磁化を有してもよい。【００２０】
前記第１強磁性層は膜面内で前記第１端子と前記第２端子とを結ぶ線分と直交する方向に反転可能な磁化を有してもよい。【００２１】
前記第１強磁性層は膜面内で前記第１端子と前記第２端子とを結ぶ線分と平行な方向に反転可能な磁化を有してもよい。【００２２】
前記第１強磁性層は、第１磁化領域と、前記第１磁化領域を挟んで配置された第２磁化領域と第３磁化領域とを有し、
前記第２磁化領域の磁化と前記第３磁化領域の磁化とは互いに異なる方向に固定されており、
前記第１磁化領域の磁化は反転可能であり、前記第２磁化領域の磁化または前記第３磁化領域の磁化のいずれか一方と同一方向を向くことができる、ように構成してもよい。【００２３】
本発明の第４の観点に係る磁気メモリは、
上述の磁気メモリ素子と、
前記磁気メモリ素子に書き込み電流を流すことにより、前記磁気メモリ素子にデータを書き込む書き込み手段と、
前記バリア層を貫通する方向に電流を流してトンネル抵抗を求めることにより、前記磁気メモリ素子に書き込まれているデータを読み出す読み出し手段と、
を備える。【００２４】
前記重金属層は、
マグネトロンスパッタリング法により成膜され、
成膜の過程における不活性ガスの分圧が０．１Ｐａ以上であり、
成膜の過程におけるスパッタ粒子の平均自由行程がＴ／Ｓ距離よりも短く、
成膜の過程における薄膜の堆積レートが０．０２ｎｍ／ｓ以下であり、
成膜の過程において基板温度が０℃以下に設定され、
成膜の過程において基板にバイアス電圧が印加される、ように構成してもよい。【００２５】
また、本発明の第５の観点に係る磁性積層膜又は磁気メモリ素子の製造方法は、
５ｄ遷移金属を含有する重金属層と、
前記重金属層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備える
ことを特徴とする磁性積層膜又は該磁性積層膜を備える磁気メモリ素子の製造方法であって、
前記重金属層をマグネトロンスパッタリング法により成膜し、
成膜の過程における不活性ガスの分圧が０．１Ｐａ以上とする。【００２６】
また、本発明の第６の観点に係る磁性積層膜又は磁気メモリ素子の製造方法は、
５ｄ遷移金属を含有する重金属層と、
前記重金属層と隣接し、反転可能な磁化を有する強磁性層を含有する第１強磁性層と、
を備える
ことを特徴とする磁性積層膜又は該磁性積層膜を備える磁気メモリ素子の製造方法であって、
前記重金属層をマグネトロンスパッタリング法により成膜し、
成膜の過程におけるスパッタ粒子の平均自由行程がＴ／Ｓ距離よりも短い。【００２７】
望ましくは、前記重金属層の成膜の過程における薄膜の堆積レートが０．０２ｎｍ／ｓ以下である。【００２８】
望ましくは、前記重金属層の成膜の過程において基板温度が０℃以下に設定される。【００２９】
前記重金属層の成膜の過程において基板側にバイアス電圧を印加してもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、書き込み電流が小さく、かつプロセスマージンの確保が可能な磁気メモリ素子への適用が可能な磁性積層膜、またそれを用いた磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る磁性積層膜の構造を示す正面図である。
【図２Ａ】図１の磁性積層膜を使用した磁気メモリ素子の斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａの磁気メモリ素子の正面図（Ｘ−Ｚ面）である。
【図２Ｃ】図２Ａの磁気メモリ素子の側面図（Ｙ−Ｚ面）である。
【図２Ｄ】図２Ａの磁気メモリ素子の平面図（Ｘ−Ｙ面）である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、図２Ａの磁気メモリ素子のメモリ状態を示す図であり、（ａ）は「０」を記憶した状態、（ｂ）は「１」を記憶した状態における磁化状態である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、図２Ａの磁気メモリ素子への情報の書き込み方法を示す図であり、（ａ）は「１」の書き込み、（ｂ）は「０」の書き込みの方法である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、図２Ａの磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法を示す図であり、（ａ）は「０」を記憶した状態、（ｂ）は「１」を記憶した状態での読み出しの方法である。
【図６】図２Ａの磁気メモリ素子を使用した１ビット分のメモリセル回路の回路構成の例を示す図である。
【図７】図６に示すメモリセル回路を複数個配置した磁気メモリのブロック図である。
【図８Ａ】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の平面図（Ｘ−Ｙ面）である。
【図８Ｂ】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の平面図（Ｘ−Ｙ面）である。
【図８Ｃ】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の平面図（Ｘ−Ｙ面）である。
【図８Ｄ】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の平面図（Ｘ−Ｙ面）である。
【図９】図２Ａの磁気メモリ素子の膜厚を説明するための図である。
【図１０】本発明の変形例に係る磁気メモリ素子の正面図（Ｘ−Ｚ面）である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、Ｗのスパッタリング成膜時の堆積レートを示す図であり、（ａ）は投入パワー依存性、（ｂ）はガス流量依存性である。（ｃ）はガス流量と真空度、及びスパッタ粒子の平均自由行程の関係を示す図である。
【図１２】（ａ）は、Ｗのスパッタリング条件とシート抵抗の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、Ｗのスパッタリング条件と比抵抗の関係を示すグラフである。
【図１３】作製した磁気メモリ素子におけるスピン軌道トルク磁化反転の測定結果を示す図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、作製した磁気メモリ素子における磁化の反転の測定結果を示す図であり、（ａ）は実効異方性磁場のスパッタリング条件依存性と閾電流のスパッタリング条件依存性、（ｂ）は磁化の反転効率のスパッタリング条件依存性、（ｃ）は磁化の反転効率と重金属チャネル層の抵抗の関係である。
【図１５】異なる条件で作製した本実施例に関わる磁性積層膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１６】（ａ）は本発明の変形例１に係る磁性積層膜の正面図であり、（ｂ）は本発明の変形例２に係る磁性積層膜の正面図である。
【図１７】（ａ）は本発明の変形例３に係る磁気メモリ素子の正面図であり、（ｂ）は本発明の変形例４に係る磁気メモリ素子の正面図である。
【図１８Ａ】本発明の実施の形態２に係る磁気メモリ素子の斜視図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａの磁気メモリ素子の正面図（Ｘ−Ｚ面）である。
【図１８Ｃ】図１８Ａの磁気メモリ素子の側面図（Ｙ−Ｚ面）である。
【図１８Ｄ】図１８Ａの磁気メモリ素子の平面図（Ｘ−Ｙ面）である。
【図１９】図１８Ａの磁気メモリ素子の測定結果を示す図である。
【図２０Ａ】本発明の実施の形態３に係る磁気メモリ素子の斜視図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａの磁気メモリ素子の正面図（Ｘ−Ｚ面）である。
【図２０Ｃ】図２０Ａの磁気メモリ素子の側面図（Ｙ−Ｚ面）である。
【図２０Ｄ】図２０Ａの磁気メモリ素子の平面図（Ｘ−Ｙ面）である。
【図２１】（ａ）は、図２０Ａの磁気メモリ素子のＭＴＪ抵抗と電流密度の関係の測定結果を示す図であり、（ｂ）は、図２０Ａの磁気メモリ素子の閾電流密度をＨＺに対してプロットした結果を示す図である。
【図２２Ａ】本発明の実施の形態４に係る磁気メモリ素子の斜視図である。
【図２２Ｂ】図２２Ａの磁気メモリ素子の正面図（Ｘ−Ｚ面）である。
【図２２Ｃ】図２２Ａの磁気メモリ素子の側面図（Ｙ−Ｚ面）である。
【図２２Ｄ】図２２Ａの磁気メモリ素子の平面図（Ｘ−Ｙ面）である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る磁性積層膜０の構造を示す正面図である。磁性積層膜０は、重金属層１０と第１強磁性層２０が隣接して積層された構造を有する。ここで、「隣接」には、直接隣接する構造に限らず、以下で説明する機能を害さない範囲で、他の層、空間等を介して、配置されている構造も含む。以下の説明においても、同様とする。
【００３３】
重金属層１０は、５ｄ遷移金属、例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）を含む。重金属層１０は、準安定なβ相の結晶構造、またはアモルファス構造を有する。好適には重金属層１０の膜厚は、６ｎｍ以上である。ここでいう膜厚とは、第１強磁性層２０と隣接している部分の重金属層１０の厚さをいう。例えば、図２Ａに示す磁気メモリ素子１００において、重金属層１０のうち、その上部に第１強磁性層２０が形成されている領域の厚さを意味する。また、重金属層１０の比抵抗は、１００μΩｃｍ以上である。
【００３４】
第１強磁性層２０は、強磁性体から構成され、保持している磁化の向き（ＳからＮに向かう方向）が反転可能な特性を有する。第１強磁性層２０における反転可能な磁化の方向は、図１に矢印で示される。図１に示す実施の形態においては、その磁化の方向は、膜面に垂直方向で、上向きと下向きの間で反転可能である。
【００３５】
また、磁性積層膜０は、絶縁体や金属などの適当な材料によってキャップされていても良い。
【００３６】
図２Ａは、磁性積層膜０を使用した磁気メモリ素子１００の構造を示している。磁気メモリ素子１００の正面図（Ｘ−Ｚ面）は図２Ｂに、側面図（Ｙ−Ｚ面）は図２Ｃに、平面図（Ｘ−Ｙ面）は図２Ｄに示される。
【００３７】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、磁気メモリ素子１００は、磁性積層膜０と、バリア層（絶縁層）３０と、参照層４０と、キャップ層５０がこの順に積層されて構成され、さらに第１端子Ｔ１と、第２端子Ｔ２と、第３端子Ｔ３とを備える。第１端子Ｔ１は磁性積層膜０の一端に、第２端子Ｔ２は磁性積層膜０の他端に接続されている。詳細には、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２は磁性積層膜０のうちの重金属層１０の両端部に接続されている。
なお、以下の説明において、磁性積層膜０の長軸方向（延伸方向）をＸ方向、短軸方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向に直交する方向をＺ方向とするＸＹＺ座標系を設定し、適宜参照する。
【００３８】
バリア層３０は、磁性積層膜０のうちの第１強磁性層２０に隣接して設けられている。バリア層３０は絶縁性の材料から構成されている。
【００３９】
参照層４０は、少なくとも一層の強磁性層を具備する。参照層４０は、この実施の形態では、第２強磁性層４１、結合層４２、第３強磁性層４３がこの順に積層された構造を有している。参照層４０は、１枚の強磁性層、あるいは３層以上の強磁性層を有していても構わない。参照層４０を構成する強磁性層（より厳密には、バリア層３０と隣接する第２強磁性層４１）の磁化の方向は、実質的に固定されている。第２強磁性層４１の磁化は、実質的に上向きに、第３強磁性層４３の磁化は実質的に下向きに固定されている。結合層４２は、第２強磁性層４１の磁化の方向と第３強磁性層４３の磁化の方向とを反平行方向に結合させる働きを有している。この場合の結合メカニズムとしては、ＲＫＫＹ（Ruderman Kittel Kasuya Yoshida）相互作用などを用いることができる。結合層４２を介して２層の強磁性層を反平行方向に結合させることによって、第１強磁性層２０に印加される合計の磁場を低減し、二つのメモリ状態（磁化が上向きの状態と下向きの状態）のエネルギーを対称にすることができる。
【００４０】
第１強磁性層２０、バリア層３０、第２強磁性層４１により磁気トンネル接合が形成されている。
【００４１】
キャップ層５０は、導電性の材料から構成されている。キャップ層５０は、上述の磁気トンネル接合を保護する働きを有している。キャップ層５０に第３端子Ｔ３が接続されている。
【００４２】
図２Ｂに示すように、磁気メモリ素子１００は３つの端子を有している。ただし、本実施の形態に係る磁気メモリ素子は、３つ以上の端子を有していればよい。例えば、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２は重金属層１０に接続されており、第３端子Ｔ３はキャップ層に接続され、第４の端子（図示されていない）は第４強磁性層（図示されていない）に接続されていても良い。これらの構造の場合、第４強磁性層は、バリア層３０に隣接し、第１強磁性層２０との間に設けられている。また、第４強磁性層は反転可能な磁化を有し、その方向は第１強磁性層２０の磁化の方向を反映して変化する。また、第４の端子は第１強磁性層２０に配置されてもよい。即ち、また、第４の端子は第１強磁性層２０に直接又は間接的に電気的に接続されていればよい。
【００４３】
次に、図３を用いて、磁気メモリ素子１００が「０」、「１」の情報を記憶した状態における磁化の構造を説明する。
【００４４】
磁気メモリ素子１００が、「０」の情報を記憶した状態での磁化の構造を模式的に示した正面図を図３（ａ）に、「１」の情報を記憶した状態での磁化の構造を模式的に示した正面図を図３（ｂ）に示す。磁気メモリ素子１００が、「０」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化は上方向を向いている。これによって磁気トンネル接合における磁化の方向は平行状態になる。磁気メモリ素子１００が、「１」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化は下方向を向いている。これによって磁気トンネル接合における磁化の方向は反平行状態になる。なお、メモリの記憶データと磁化状態の定義は任意であり、例えば、図３に示した関係と真逆であっても構わない。
【００４５】
次に、図４を用いて、磁気メモリ素子１００に「０」、「１」の情報を書き込む方法を説明する。図４（ａ）は「１」を書き込む際の動作、図４（ｂ）は「０」を書き込む際の動作を説明する図である。
【００４６】
磁気メモリ素子１００に情報を書き込む際には、スピン軌道トルクによる磁化の反転を用いる。このため、書き込み電流は、重金属層１０の面内の方向に、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２を介して流れる。
【００４７】
磁気メモリ素子１００では、情報の記憶をつかさどる第１強磁性層２０は、垂直方向に反転可能な磁化の方向を有している。垂直方向の磁化の方向をスピン軌道トルクによって反転させる場合には、電流と平行方向の定常磁場が必要である。図４に示すように、電流と平行方向の定常磁場としてＸ方向の磁場ＨＸを印加する。
【００４８】
「１」を磁気メモリ素子１００に書き込む際には、書き込み電流ＩＷ１を第１端子Ｔ１から重金属層１０を通って第２端子Ｔ２に流す。一方、「０」を磁気メモリ素子１００に書き込む際には、書き込み電流ＩＷ０を第２端子Ｔ２から重金属層１０を通って第１端子Ｔ１に流す。
【００４９】
これによって、図３（ａ）で定義した「０」を記憶した状態と図３（ｂ）で定義した「１」を記憶した状態との間を行き来させることができる。なお、書き込み電流の方向、面内方向の定常磁場の方向、磁化の反転方向の関係は、重金属層１０、第１強磁性層２０、バリア層３０に用いる材料の組み合わせによって変わり得る。より具体的には、重金属層１０、第１強磁性層２０、バリア層３０に用いる材料の組み合わせによってスピン軌道トルクの働く方向が決まり、それによって「１」の書き込みと「０」の書き込みとにおける電流の方向が決定される。
【００５０】
なお、スピン軌道トルクの発現メカニズムとしては、スピンホール効果やラシュバ効果などが考えられている。ただし、本発明では、その原理はいかようであっても構わず、電流が磁性積層膜０に導入されたときにスピン・軌道相互作用を介して第１強磁性層２０の磁化にトルクが働き、これが磁化の方向の回転による反転を誘起しさえすればよい。
【００５１】
必要な書き込み電流（密度）の大きさ、及びパルス幅は、重金属層１０、第１強磁性層２０、バリア層３０に用いる材料の組み合わせによって決まる。書き込み電流の密度の大きさは典型的には０．２〜２×１０１２Ａ／ｍ２である。この場合、電流が重金属層１０を流れるものとして、重金属層１０のＹ方向の幅が５０ｎｍ、Ｚ方向の膜厚が６ｎｍとすると、書き込み電流の大きさは６０〜６００μＡである。また書き込み電流のパルス幅は典型的には０．２〜５ｎｓである。
【００５２】
次に、図５を用いて、磁気メモリ素子１００から「０」、「１」の情報を読み出す方法を説明する。
【００５３】
磁気メモリ素子１００から情報を読み出す際には、トンネル磁気抵抗効果が用いられる。
このために読み出し電流を第１強磁性層２０、バリア層３０、参照層４０からなる磁気トンネル接合を貫通する方向に流し、「０」を記憶した状態、「１」を記憶した状態における磁気トンネル接合のトンネル抵抗の違いを利用して読み出しを行う。読み出し時には、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、読み出し電流ＩＲを第３端子Ｔ３から第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２に流す。このとき、図５（ａ）に示した「０」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化の方向と第２強磁性層４１の磁化の方向は平行であるため、抵抗は低く、基準電圧によって流れる電流は相対的に大きい。一方、図５（ｂ）に示した「１」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化の方向と第２強磁性層４１の磁化の方向は反平行であるため、抵抗は高く、基準電圧によって流れる電流は相対的に小さい。言い換えると、図５（ａ）に示した「０」を記憶した状態においては第１強磁性層２０の磁化の方向と第２強磁性層４１の磁化の方向は平行であるために抵抗は低く、基準電流を流すのに必要な電圧は相対的に小さい。一方、図５（ｂ）に示した「１」を記憶した状態においては、第１強磁性層２０の磁化の方向と第２強磁性層４１の磁化の方向は反平行であるため抵抗は高く、基準電流を流すのに必要な電圧は相対的に大きい。
【００５４】
なお、磁気メモリ素子１００が第４の端子を有する構造（バリア層３０と第１強磁性層２０との間に設けた第４強磁性層或いは第１強磁性層２０に端子を設けた構造）を有する場合には、読み出し電流を第３端子Ｔ３と第４端子の間に流せばよい。書き込み電流を流す動作は上述の動作と同一である。
【００５５】
（メモリセル回路）
次に、図６を用いて、上記構成を有する磁気メモリ素子１００を記憶素子として使用するメモリセル回路の構成例を説明する。
【００５６】
図６は、１ビット分の磁気メモリセル回路２００の構成を示している。この磁気メモリセル回路２００は、１ビット分のメモリセルを構成する磁気メモリ素子１００と、一対の書き込みビット線ＷＢＬ１、ＷＢＬ２と、ワード線ＷＬと、読み出しビット線ＲＢＬと、第１トランジスタＴｒ１および第２トランジスタＴｒ２と、を備える。
【００５７】
磁気メモリ素子１００の第３端子Ｔ３は、読み出しビット線ＲＢＬに接続されている。第１端子Ｔ１は第１トランジスタＴｒ１のドレインに接続され、第２端子Ｔ２は第２トランジスタＴｒ２のドレインに接続されている。第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２のゲート電極はワード線ＷＬに接続されている。また、第１トランジスタＴｒ１のソースは第１書き込みビット線ＷＢＬ１に接続され、第２トランジスタＴｒ２のソースは第２書き込みビット線ＷＢＬ２に接続されている。
【００５８】
磁気メモリ素子１００に情報を書き込む際には、まず、磁気メモリ素子１００を選択するため、ワード線ＷＬにトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２をオンさせるアクティブレベルの信号を印加する。ここでは、トランジスタＴｒ１とＴｒ２がＮチャネルＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタから構成することとする。この場合、ワード線ＷＬの電圧はＨｉｇｈレベルに設定される。これによって第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２はオン状態になる。一方、書き込み対象のデータに応じて、第１書き込みビット線ＷＢＬ１と第２書き込みビット線ＷＢＬ２の一方の電圧はＨｉｇｈレベルに設定され、他方の電圧はＬｏｗレベルに設定される。
【００５９】
具体的には、データ“１”を書き込む場合は、第１書き込みビット線ＷＢＬ１の電圧はＨｉｇｈレベルに設定され、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の電圧はＬｏｗレベルに設定される。これにより、図４（ａ）に示すように、重金属層１０に順方向に書き込み電流ＩＷ１が流れ、磁気メモリ素子１００にデータ“１”が書き込まれる。
【００６０】
一方、データ“０”を書き込む場合は、第１書き込みビット線ＷＢＬ１の電圧はＬｏｗレベルに設定され、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の電圧はＨｉｇｈレベルに設定される。これにより、図４（ｂ）に示すように、重金属層１０に逆方向に書き込み電流ＩＷ０が流れ、磁気メモリ素子１００にデータ“０”が書き込まれる。
【００６１】
このようにして、磁気メモリ素子１００へのビットデータの書き込みが行われる。
【００６２】
一方、磁気メモリ素子１００に記憶されている情報を読み出す際には、ワード線ＷＬをアクティブレベルに設定し、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２とをオン状態とする。また、読み出しビット線ＲＢＬの電圧をＨｉｇｈレベルに設定する。Ｈｉｇｈレベルの電圧に設定された読み出しビット線ＲＢＬより第３端子Ｔ３→キャップ層５０→参照層４０→バリア層３０→第１強磁性層２０→重金属層１０→第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２→第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２→第１書き込みビット線ＷＢＬ１、第２書き込みビット線ＷＢＬ２と電流が流れる。この電流の大きさを測定することにより、磁気トンネル接合の抵抗の大きさ、即ち、記憶データが求められる。
【００６３】
なお、磁気メモリセル回路２００の構成や回路動作は、一例であって、適宜変更されうる。例えば、第３端子Ｔ３を読み出しビット線ＲＢＬに代えて、グラウンド線ＧＮＤに接続し、読み出しの際は、第１書き込みビット線ＷＢＬ１、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の両方の電圧をＨｉｇｈレベル、或いは一方の電圧をＨｉｇｈレベル、他方をＯｐｅｎにすることで、電流が重金属層１０からキャップ層５０に流れるように構成されてもよい。
【００６４】
次に、図７を参照して、磁気メモリセル回路２００を複数備える磁気メモリ３００の構成を説明する。
【００６５】
磁気メモリ３００は、図７に示すように、磁気メモリセルアレイ２１０、Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０、コントローラー１４０を備える。
【００６６】
磁気メモリセルアレイ２１０は、Ｎ行Ｍ列のアレイ状に配置された磁気メモリセル回路２００を有している。各列の磁気メモリセル回路２００は、対応する列の第１書き込みビット線ＷＢＬ１と第２書き込みビット線ＷＢＬ２、及び読み出しビット線ＲＢＬに接続されている。また、各行の磁気メモリセル回路２００は、対応する行のワード線ＷＬに接続されている。
【００６７】
Ｘドライバ１２０は、複数のワード線ＷＬに接続されており、ローアドレスを受け、ローアドレスをデコードして、アクセス対象の行のワード線ＷＬの電圧をアクティブレベルに駆動する（第１、第２トランジスタＴ１１、Ｔｒ２がＮチャネルＭＯＳトランジスタの場合、Ｈｉｇｈレベルとする）。
【００６８】
Ｙドライバ１３０は、磁気メモリ素子１００にデータを書き込む書き込み手段及び磁気メモリ素子１００からデータを読み出す読み出し手段として機能するものである。Ｙドライバ１３０は、複数の第１書き込みビット線ＷＢＬ１と第２書き込みビット線ＷＢＬ２に接続されている。Ｙドライバ１３０は、カラムアドレスを受け、カラムアドレスをデコードして、アクセス対象の磁気メモリセル回路２００に接続されている第１書き込みビット線ＢＬ１と第２書き込みビット線ＢＬ２を所望のデータ書き込み状態或いは読み出し状態に設定する。
【００６９】
即ち、Ｙドライバ１３０は、データ「１」を書き込む場合、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１書き込みビット線ＷＢＬ１の電圧をＨｉｇｈレベルとし、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の電圧をＬｏｗレベルとする。また、Ｙドライバ１３０は、データ「０」を書き込む場合は、第１書き込みビット線ＷＢＬ１の電圧をＬｏｗレベルとし、第２書き込みビット線ＷＢＬ２の電圧をＨｉｇｈレベルとする。
【００７０】
さらに、磁気メモリセル回路２００に記憶されている情報を読み出す際には、Ｙドライバ１３０は、読み出しビット線ＲＢＬの電圧をＨｉｇｈレベルに設定し、第１書き込みビット線ＷＢＬ１、第２書き込みビット線ＷＢＬ２をグラウンドに接続する。図示せぬセンスアンプが、読み出しビット線ＲＢＬを流れる電流と基準値とを比較して、各列の磁気メモリセル回路２００の抵抗状態を判別し、これにより、記憶データを読み出す。
【００７１】
コントローラー１４０は、データ書き込み、あるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ１２０とＹドライバ１３０をそれぞれ制御する。
【００７２】
（磁性積層膜と磁気メモリ素子の材料とサイズ）
次に、磁性積層膜０、及び磁気メモリ素子１００に用いることのできる材料について説明する。
【００７３】
重金属層１０は、少なくとも５ｄ遷移金属を含有する。具体的にはハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）などが例示される。より好適には重金属層１０は、Ｔａ、またはＷを含有する。また、重金属層１０の結晶構造は、準安定なβ相、またはアモルファス構造である。より好適には重金属層１０はＷから構成される。また、重金属層１０の電気抵抗率は１００μΩｃｍ以上である。
【００７４】
第１強磁性層２０は、少なくともＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含有し、自発磁化を有している。また、所望の磁気特性や結晶構造を得るために、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅなどを含有してもよい。具体的には、Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ合金などが例示される。また、第１強磁性層２０は複数の強磁性層からなる積層膜であってもよい。例えば、Ｆｅ−Ｃｏ合金とＦｅ−Ｃｏ−Ｂ合金の積層膜などが例示される。また、第１強磁性層２０は少なくとも２層の強磁性層と少なくとも１層の非磁性層が積層された積層膜であってもよい。例えば、ＣｏとＰｔをサブナノメートルの膜厚で交互に積層させた積層膜などが例示される。
【００７５】
バリア層３０は絶縁性の材料から構成される。Ｍｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏなどが例示される。
【００７６】
参照層４０を構成する第２強磁性層４１、第３強磁性層４３に用いることのできる材料は第１強磁性層２０と同様である。ただし、第２強磁性層４１と第３強磁性層４３とは、第１強磁性層２０よりも磁気的にハードである必要がある。結合層４２は、第２強磁性層４１と第３強磁性層４３を磁気的に結合させることのできる導電性の材料であることが望ましい。具体的にはＲｕなどが例示される。参照層４０の膜構成は、バリア層３０側から順に、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ合金／Ｔａ／［Ｃｏ／Ｐｔ］積層膜／Ｒｕ／［Ｃｏ／Ｐｔ］積層膜などが例示される。
【００７７】
キャップ層５０は導電性の材料から構成される。Ｔａ、Ｒｕなどが例示される。また、キャップ層５０は複数の導電性の材料が積層された積層膜であってもよい。具体的にはＴａ／Ｒｕ／Ｔａなどが例示される。
【００７８】
次に、図２Ａを用いて磁気メモリ素子１００のサイズと膜厚について説明する。
【００７９】
重金属層１０はＸ方向に延在する形状を有する。重金属層１０がＸ−Ｙ面内において長方形状に形成される場合の典型的なサイズは以下の通りである。Ｙ方向の幅は２０〜１５０ｎｍである。Ｘ方向の長さは５０〜８００ｎｍである。なお、重金属層１０は長方形以外の形状を有していても構わない。
【００８０】
第１強磁性層２０、バリア層３０、参照層４０、キャップ層５０は、図２Ａに示すように、同一形状で形成されている。ただし、これらは同一形状でなくても構わない。例えば、第１強磁性層２０のみは重金属層１０と同一の形状で形成されていても構わない。さらに、その形状には任意性がある。図２Ａでは正方形状に形成された例を示したが、円形状（図８Ａ）に形成されていてもよく、また長方形（図８Ｂ）や楕円形（図８Ｃ）であってもよい。この場合の一片の長さ（あるいは直径、短径）は２０〜１５０ｎｍである。なお、図２Ａでは、第１強磁性層２０、バリア層３０、参照層４０、キャップ層５０のＹ方向の長さと、重金属層１０のＹ方向の長さが同一である例を示したが、図８Ｄに示すように、これらは異なっていても構わない。
【００８１】
次に各層の膜厚について図９を用いて説明する。
【００８２】
重金属層１０の膜厚ｔ１０は６ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが望ましい。重金属層１０の膜厚ｔ１０が６ｎｍ未満であると、後述する製造プロセスにおいて十分なプロセスマージンを確保することができない。膜厚ｔ１０が６ｎｍ以上に設定されることによって十分なプロセスマージンを確保することができる。また、重金属層１０の膜厚ｔ１０が２０ｎｍを超えると、書き込み電流が大きくなってしまう。ここでいう重金属層１０の膜厚ｔ１０は、第１強磁性層２０と隣接している部分の膜の厚さをいう。言い換えると、重金属層１０のうち、その上部に第１強磁性層２０が形成されている領域の厚さを意味する。
【００８３】
第１強磁性層２０の膜厚ｔ２０は典型的には０．８ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。
【００８４】
バリア層３０の膜厚ｔ３０は典型的には０．８ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。
【００８５】
参照層４０の合計膜厚ｔ４０は２ｎｍ以上、１５ｎｍ以下である。
【００８６】
キャップ層５０の膜厚ｔ５０は１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である。
【００８７】
（製造方法）
次に、磁性積層膜０及び磁気メモリ素子１００の製造方法について説明する。磁性積層膜０を製造する際には、基板上に積層膜を堆積する成膜プロセスと成膜した積層膜を熱処理するアニールプロセスの２つのプロセスを行う。ただし、アニールプロセスは必須ではない。
【００８８】
磁性積層膜０の成膜方法について説明する。磁性積層膜０を成膜する際には、物理気相成長（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることができる。物理気相成長法の中で、スパッタリング法を用いることが望ましく、特にＤＣマグネトロンスパッタリング法を用いることがより望ましい。ただし、スパッタリング法以外でも、真空蒸着法、分子線エピタキシー法、電子線ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法なども適用できる。また、スパッタリング法に関しては、ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いることもできる。
【００８９】
磁性積層膜０が成形される基板には、例えば、酸化シリコンなどのアモルファス性の材料で被覆されたＳｉ基板が用いられる。なお、磁性積層膜０を有する磁気メモリ素子１００を用いて磁気メモリ３００やその他の集積回路を形成する場合には、トランジスタや配線が形成された回路付きの基板が用いられる。成膜時の基板の温度は任意である。ただし、基板温度を室温以下、より好適には０℃以下、に冷却することが望ましい。また、基板にバイアス電圧を印加してもよい。基板にバイアス電圧を印加することによって、本実施の形態の効果は大きくなる。
【００９０】
以下、ＤＣスパッタリング法を用いる場合に関して、重金属層１０を成膜する際のプロセスをより具体的に説明する。成膜装置内の圧力が１０−６Ｐａ以下になるように、成膜装置内の気体を排気することが望ましい。基板とターゲットの距離（Ｔ／Ｓ距離）を１２０〜４８０ｍｍに設定する。成膜装置内にスパッタガスとして不活性ガスを導入する。スパッタガスとして、例えば、アルゴン（Ａｒ）が用いられる。Ａｒの代わりに、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）を用いても良い。成膜装置内の不活性ガスの分圧が０．１Ｐａ以上になるようにガス流量を調整する。ガス流量が安定した後、高電圧をターゲットに印加し、ターゲットをスパッタガスでスパッタして薄膜を基板に堆積する。薄膜の堆積レートは０．０２ｎｍ／ｓ以下になるように投入電力を調整する。
【００９１】
なお、重金属層１０の堆積工程における不活性ガスの分圧と薄膜の堆積レートは、磁性積層膜０を製造する上で重要な制御パラメータである。一般に真空中でのスパッタ粒子の平均自由行程λ（単位：ｃｍ）と圧力Ｐ（単位：Ｔｏｒｒ）の間に
λ＝０．０１／Ｐ
なる関係が成り立つ。発明者らの行った実験によればλがＴ／Ｓ距離よりも短くなるように設定することによって、重金属層１０の比抵抗は、１００μΩｃｍ以上となる。これによって低い電流の密度でスピン軌道トルクによる磁化の反転を実現できる。
【００９２】
磁気メモリ素子１００を製造する場合、磁性積層膜０に加えてバリア層３０、参照層４０、キャップ層５０を堆積させる。バリア層３０はＲＦスパッタリング法などによって堆積させることができる。
【００９３】
磁性積層膜０、及び磁気メモリ素子１００の形成過程において、積層膜の堆積後、またはパターニング後にアニールを行う。アニール温度は２００℃〜４５０℃の間に設定される。アニール時間は１５分以上、５時間以下である。
【００９４】
磁気メモリ素子１００を形成する場合、積層膜の堆積後、または積層膜の堆積、及びアニール後に微細加工技術を用いて素子加工を行う。素子加工の際には、初めにＭＴＪ部分（第１強磁性層２０、バリア層３０、参照層４０）のパターニングを行う。レジストを基板に塗布し、次にステッパーまたは電子線描画装置を用いてレジストをパターニングし、続いて現像してレジストパターンを基板上に形成する。なお、必要に応じてレジストを塗布する前にハードマスクを化学気相成長法（ＣＶＤ法）などにより堆積し、続いて反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）などによりレジストパターンをハードマスクに転写しても良い。その後、磁気メモリ素子１００となる積層膜のエッチングを行う。エッチングにはＲＩＥ法、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）法を用いることができる。エッチングは、重金属層１０の表面、または途中で止めることが望ましい。続いてＣＶＤ法などにより絶縁保護膜を成膜する。次に重金属層１０のパターニングを行う。その過程はＭＴＪのパターニング工程と同じものを用いることができるため、省略する。重金属層１０のパターニング後、ビア、上部配線等を形成する。
【００９５】
また、磁気メモリ素子１００を形成する場合、前述の通り、トランジスタや配線が形成された回路基板上に成膜する。磁気メモリ素子１００は、例えば３端子型の構造を有し、重金属層１０は第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２に電気的に接続される。ここで、図１０に示すように、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２としてプラグ６０が形成されていてもよい。このプラグ６０の最上面がＷから構成され、あるいはＷを含有し、かつ磁気メモリ素子１００の重金属層１０がＷから構成され、あるいはＷを含有する場合、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２と磁気メモリ素子１００との間の電気的な接続を良好にすることができる。すなわち、本実施の形態は第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２と磁気メモリ素子１００との電気的な接続を良好にできるという効果も有する。なお、上述の重金属層１０の成膜方法は、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２の材料を成膜する工程に適用しても良い。
【００９６】
（実施例）
次に、磁性積層膜０及び磁気メモリ素子１００に関して発明者らが行った実験結果を示す。図１１（ａ）は、重金属層１０にＷを用い、スパッタガスにＡｒを用いた際の薄膜堆積レートと投入パワーの関係の測定結果を示す。投入パワーと堆積レートには比例関係（正確には、ほぼ線形関係）があることが分かる。図１１（ｂ）は薄膜の堆積レートとＡｒガスの流量の関係の測定結果を示す。堆積レートと流量には相関がないことが分かる。図１１（ｃ）はＡｒガスの分圧とＡｒガスの流量の関係を示す。分圧と流量の間には比例関係があることが分かる。また、図１１（ｃ）の右側の軸には上記の式を用いて計算した平均自由行程の値を示す。成膜装置においてはＴ／Ｓ距離は１５０ｍｍに設定されている。ガス流量が５０ｓｃｃｍのとき、分圧は０．１Ｐａとなり、平均自由行程は１５０ｍｍになっていることが分かる。
【００９７】
続いて、６つの投入パワーとガス流量でスパッタ成膜した磁性積層膜０のシート抵抗、及び比抵抗の測定結果を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。基板は自然酸化膜付きのＳｉ基板を用いた。磁性積層膜０の膜構成は、基板側からＷ（ｔｗ）／ＣｏＦｅＢ（１）／ＭｇＯ（２）／Ｔａ（１）である（カッコ内の数字は膜厚で単位はｎｍ）。シート抵抗は、４探針法により測定された。
【００９８】
図１２（ａ）には、測定されたシート抵抗Ｒｓｈｅｅｔの逆数がＷの膜厚ｔｗに対してプロットされている。比抵抗はこのグラフの傾きから求められる。図に示すように、投入パワーとガス流量が（３０Ｗ、２０ｓｃｃｍ）のとき、（３０Ｗ、５０ｓｃｃｍ）のとき、（１００Ｗ、１００ｓｃｃｍ）のとき、（５０Ｗ、１００ｓｃｃｍ）のときはＷ膜厚５ｎｍ付近を境として、傾きが変化している。これは５ｎｍ以下では比抵抗の高い構造（アモルファス構造、またはβ相の結晶構造）が形成されているのに対して、５ｎｍ以上では比抵抗の低い構造（α相の結晶構造）が形成されていることを意味している。一方で投入パワーとガス流量が（３０Ｗ、１００ｓｃｃｍ）のとき、（１０Ｗ、１００ｓｃｃｍ）のときは、膜厚が２０ｎｍの場合でも小さな傾きを維持しており、これは比抵抗の高い構造が厚膜領域でも実現されていることを意味している。
【００９９】
図１２（ｂ）は、重金属層１０の膜厚ｔｗが８ｎｍ以上の領域において図１２（ａ）のグラフの傾きから求めた比抵抗の値を成膜条件に対して示している。比抵抗が１０μΩｃｍから３２５μΩｃｍの範囲で成膜条件に依存して大きく変化していることが分かる。
【０１００】
次にこのような条件で成膜した磁性積層膜０を用いて磁気メモリ素子１００を形成し、その磁化の方向の反転特性を評価した結果を示す。なお、スピン軌道トルクによる磁化の反転を簡易的に評価するために、ここでは文献「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１０７，０１２４０１（２０１５）」に示されているような異常ホール効果を用いた測定方法を用いている。第１強磁性層２０は直径１２０ｎｍのドット状にパターニングされている。また、測定の際はＸ方向に＋２０ｍＴまたは−２０ｍＴの外部磁場ＨＸを印加している。図１３は重金属層１０に電流を流した際のホール抵抗の測定結果を示している。電流によって磁化が反転しホール抵抗が変化していることがわかる。また、ＨＸの符号によって磁化の反転方向が反転していることから、スピン軌道トルクが磁化の方向の反転の駆動力となっていることがわかる。
【０１０１】
図１４（ａ）は別途測定した異方性磁界ＨＫｅｆｆと反転閾電流ＩｔｈをＷのスパッタ条件に対して示している。各条件について複数のプロットがあるが、これは各条件で作製した複数の素子で得られた測定結果である。また、反転閾電流Ｉｔｈについては、パルス幅が１００ｍｓのときと１０ｎｓのときの値である。図１４（ｂ）は異方性磁界を反転閾電流Ｉｔｈで割った値を各スパッタ条件に対してプロットしている。ここで、異方性磁界を反転閾電流Ｉｔｈで割った値はスピン軌道トルクによる磁化の方向を反転させる効率の大きさを反映しており、スピン軌道トルクがスピンホール効果に由来する場合には、この値はスピンホール角の大きさを反映する。スパッタ条件に依存して異方性磁界ＨＫｅｆｆを反転閾電流Ｉｔｈで割った値が変化していることが分かる。図１４（ｃ）には、異方性磁界ＨＫｅｆｆを反転閾電流Ｉｔｈで割った値を重金属層１０からなるチャネル層の抵抗に対してプロットしている。ここでチャネル層の抵抗は重金属層１０の比抵抗と比例関係にある。チャネル層の抵抗が高くなると、すなわち重金属層１０の比抵抗が大きくなると、異方性磁界ＨＫｅｆｆを反転閾電流Ｉｔｈで割った値が単調に大きくなっている、すなわちスピン軌道トルクが大きくなっていることが分かる。ここで示した結果は、スパッタ条件によってスピン軌道トルクによる磁化の方向を反転させる効率が大きく変化することを意味している。なお、図１４（ａ）のＨＫｅｆｆとＩｔｈを比較すると、最も小さなＩｔｈが得られている（３０Ｗ、１００ｓｃｃｍ）の条件において最も大きなＨＫｅｆｆが得られていることが分かる。すなわち、小さな電流でのスピン軌道トルクによる磁化の方向の反転が実現できているのに加え、副次的な効果として高い異方性磁界ＨＫｅｆｆ、すなわち高い熱安定性も得られていることが分かる。
【０１０２】
前述の通り、スピン軌道トルクにより磁化の方向を反転させる３端子素子を形成する場合、プロセスマージンなどの観点から重金属層１０の膜厚は６ｎｍ以上に設定されることが望ましい。しかし、図１２から分かるように、このような膜厚領域では一般的なスパッタリング条件で重金属層１０を堆積した場合には、重金属層１０の比抵抗が小さくなってしまい、良好なスピン軌道トルクによる磁化の方向を反転させる特性が得られないという問題点があった（一般的に、スパッタリング法で薄膜と堆積する場合には投入パワー（堆積レート）は高く、ガス流量（ガス分圧）は低く設定される）。発明者らが行った検討によれば、薄膜の堆積時に堆積レートを低く、またガス分圧を高く設定することによって膜厚が６ｎｍ以上の領域においても１００μΩｃｍ以上の比抵抗を有する重金属層１０を形成することができ、また比抵抗の大きさとスピン軌道トルクによる磁化の方向を反転させる効率の間に相関があることが明らかになった。
【０１０３】
図１５は、各種スパッタリング条件で堆積した磁性積層膜０の結晶構造をＸ線回折法で分析した結果を示している。基板は自然酸化膜付きのＳｉ基板を用いた。磁性積層膜０の膜構成は基板側からＷ（２０）／ＣｏＦｅＢ（１）／ＭｇＯ（２）／Ｔａ（１）である（カッコ内の数字は膜厚で単位はｎｍ）。Ｗ成膜時の投入パワーとガス流量を（３０Ｗ、１００ｓｃｃｍ）としたときには高いスピン軌道トルクによる磁化の方向を反転させる高い効率が得られたが、この際にはβ相の結晶面からの回折に由来するピークを確認でき、２０ｎｍにおいてもβ相の結晶構造が形成されていることが分かる。一方で、高いスピン軌道トルクによる磁化の方向を反転させる高い効率が得られなかった条件においては、α相の結晶面からの回折を意味するピークしか確認されなかった。すなわち本実施の形態に係る製造方法を用いて重金属層１０を堆積することによって、膜厚が２０ｎｍのときにもβ相の結晶構造を形成でき、それによって高いスピン軌道トルクによる磁化の方向を反転させる高い効率が得られることがわかる。
【０１０４】
以上説明した実施例から、本発明によって、書き込み電流が小さく、かつ広い製造プロセスマージンを確保でき、磁気メモリ素子への適用が可能な磁性積層膜、またそれを用いた磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法を提供できることが、確認された。
【０１０５】
（変形例）
次に、磁性積層膜０及び磁気メモリ素子１００の変形例について説明する。
【０１０６】
磁性積層膜０の導電層が重金属層１０からなる構成を例示したが、図１６（ａ）に示すように、導電層に下地層１１を加えてもよい。下地層１１は重金属層１０の下側に、つまり、第１強磁性層２０の反対側に設けられている。下地層１１は重金属層１０の結晶構造をよりスピン軌道トルクによる磁化の方向を反転させる効率が高くなるように調整することができる。またそれに加えて、後述するように磁気メモリ素子１００の形成を容易にすることもできる。
【０１０７】
下地層１１は導電性のあらゆる材料を用いることができる。例えばＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗなど、及びそれらの合金を用いることができる。また、下地層１１は複数の層が積層された構造を有していても良く、その構成は適宜調整できる。具体的な下地層１１と重金属層１０の組み合わせとして、Ｔａ（７ｎｍ）／Ｗ（３ｎｍ）が例示される。
【０１０８】
また、図１６（ｂ）に変形例２に係る磁性積層膜２の正面図を示す。図１６（ａ）に示した磁性積層膜１では重金属層１０の下側に調整層として下地層１１を設けたが、図に示すように、重金属層１０と第１強磁性層２０の間に調整層として界面挿入層１２を設けてもよい。界面挿入層１２は第１強磁性層２０と重金属層１０の間でのスピンミキシングコンダクタンスを高めたり、界面でのスピン軌道相互作用に由来したスピン軌道トルクを第１強磁性層２０に印加したりすることができる。界面挿入層１２にもあらゆる導電性材料を用いることができる。
【０１０９】
なお、磁性積層膜１、２においては、導電層（重金属層１０と下地層１１、または界面挿入層１２）の膜厚の和が６ｎｍ以上に設定されることが望ましい。これによって十分なプロセスマージンが確保される。
【０１１０】
図１７（ａ）に示すように、変形例３に係る磁気メモリ素子１０１は、図１６（ａ）に示した磁性積層膜１と関連する。磁気メモリ素子１０１を構成する磁性積層膜１は下地層１１と重金属層１０と第１強磁性層２０を備える。また、重金属層１０はその上に形成される第１強磁性層２０、バリア層３０、参照層４０、キャップ層５０と同一形状に形成されている。この場合にはエッチングは下地層１１の表面、またはその途中で止めることになる。磁気メモリ素子１０１のような構造を採用することによって、エッチングのエンドポイントの検出が容易になる。また、重金属層１０に用いる材料の表面が大気中に露出されることを防ぐことができ、重金属層１０に用いることのできる材料の選択肢が広がるという利点がある。例えば発明者らが行った実験によると、Ｗを大気中に露出し、有機溶剤等による処理を行うことによって素子の抵抗不良が頻発することがわかった。ここで、磁気メモリ素子１０１のような構成（下地層１１にＴａ）を用いた場合にはこのような問題が解決された。
【０１１１】
図１７（ｂ）に示すように、変形例４に係る磁気メモリ素子１０２は、図１６（ｂ）に示した磁性積層膜２と関連する。磁気メモリ素子１０２を構成する磁性積層膜２は重金属層１０と界面挿入層１２と第１強磁性層２０を備える。また、界面挿入層１２は重金属層１０と同形状に形成されている。この場合には、エッチングは界面挿入層１２の表面、またはその途中で止めることになる。磁気メモリ素子１０２のような構造を採用することによってもエッチングのエンドポイントの検出が容易になる。また、この場合も重金属層１０に用いる材料の表面が大気中に露出されることを防ぐことができ、重金属層１０に用いることのできる材料の選択肢が広がるという利点がある。なお、界面挿入層１２は、重金属層１０が発現するスピン軌道トルクが第１強磁性層２０に及ぶように十分に薄い必要がある。
【０１１２】
（実施の形態２）
図１８Ａは、本発明の実施の形態２に係る磁気メモリ素子１０３の構造を模式的に示している。磁気メモリ素子１０３の正面図（Ｘ−Ｚ面）を図１８Ｂに、側面図（Ｙ−Ｚ面）を図１８Ｃに、平面図（Ｘ−Ｙ面）を図１８Ｄに示す。
【０１１３】
磁気メモリ素子１０３も磁性積層膜０、バリア層３０、参照層４０、キャップ層５０がこの順に積層されて構成され、さらに第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３を備える。好適には磁性積層膜０はＸ方向に延伸して形成されている。第１端子Ｔ１は磁性積層膜０の一端に、第２端子Ｔ２は磁性積層膜０の他端に接続されている。第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２は磁性積層膜０のうちの重金属層１０に接続されている。
【０１１４】
磁気メモリ素子１０３と磁気メモリ素子１００との違いは、第１強磁性層２０の磁化の方向である。磁気メモリ素子１０３の第１強磁性層２０は反転可能な磁化を有する。その方向は重金属層１０の長手方向と直交する方向を向き、図示されたＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系では＋Ｙ、−Ｙ方向の間で反転可能である。言い換えると、第１強磁性層２０の磁化の方向は膜面内で第１端子と第２端子を結ぶ線分と直交する方向において反転可能である。
【０１１５】
これに伴い、参照層４０を構成する強磁性層の磁化の方向も＋Ｙ方向、または−Ｙ方向のどちらか一方に固定されている。
【０１１６】
その他のバリア層３０、重金属層１０、キャップ層５０、及び端子の配置に関する要件は、磁気メモリ素子１００と同様である。
【０１１７】
メモリ状態については、「０」を記憶した状態、「１」を記憶した状態における磁化の方向は磁気メモリ素子１００と異なり、＋Ｙ方向を向いた状態を「０」を記憶した状態、−Ｙ方向に向いた状態を「１」を記憶した状態と設定される。
【０１１８】
情報の書き込み方法については、磁気メモリ素子１００と同じである。ただし、磁気メモリ素子１０３においては、磁気メモリ素子１００で必要であった＋Ｘ方向、または−Ｘ方向の外部磁場は不要である。
【０１１９】
情報の読み出し方法については、磁気メモリ素子１００と同じである。
【０１２０】
セル回路、回路ブロック図についても磁気メモリ素子１００と同じである。
【０１２１】
図１９は、発明者らが作製した磁気メモリ素子１０３を測定して得られたＭＴＪ抵抗と電流密度の関係である。用いた膜構成は基板側からＴａ（７）／ Ｗ（３）／ＣｏＦｅＢ（１．４６）／ＭｇＯ（１．８）／ＣｏＦｅＢ（１．５）／Ｃｏ（０．９２）／Ｒｕ（０．９）／Ｃｏ（２．６）／Ｒｕ（５）である。Ｗ（３ｎｍ）が重金属層１０、ＣｏＦｅＢ（１．４６ｎｍ）が第１強磁性層２０に相当し、ＭｇＯ（１．８ｎｍ）はバリア層３０、ＣｏＦｅＢ（１．５）／Ｃｏ（０．９２）／Ｒｕ（０．９）／Ｃｏ（２．６）は参照層４０、Ｒｕ（５ｎｍ）はキャップ層に相当する。また、Ｔａ（７）は下地層１１に相当する。すなわち、本実施例では磁気メモリ素子１０３で示されたバリエーションが適用されている。
【０１２２】
複数の素子を測定した結果、（３．２±１．３）×１０１０Ａ／ｍ２という極めて低い電流密度で磁化が反転することがわかった。なお、このときの重金属層１０のＷは高い比抵抗を有する構造となっていることが確認されている。
【０１２３】
（実施の形態３）
図２０Ａは、本発明の実施の形態３に係る磁気メモリ素子１０４の構造を模式的に示している。磁気メモリ素子１０４の正面図（Ｘ−Ｚ面）を図２０Ｂに、側面図（Ｙ−Ｚ面）を図２０Ｃに、平面図（Ｘ−Ｙ面）を図２０Ｄに示す。
【０１２４】
磁気メモリ素子１０４も磁性積層膜０、バリア層３０、参照層４０、キャップ層５０がこの順に積層されて構成され、さらに第１端子Ｔ１と、第２端子Ｔ２と、第３端子Ｔ３とを備える。好適には磁性積層膜０はＸ方向に延伸して形成されている。第１端子Ｔ１は磁性積層膜０の一端に、第２端子Ｔ２は磁性積層膜０の他端に接続される。第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２は磁性積層膜０のうちの重金属層１０に接続されている。
【０１２５】
磁気メモリ素子１０４と磁気メモリ素子１００との違いも、第１強磁性層２０の磁化の方向である。磁気メモリ素子１０４の第１強磁性層２０は反転可能な磁化を有する。その磁化の方向は重金属層１０の長手方向と平行な方向を向き、図示されたＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系では＋Ｘ、−Ｘ方向の間で反転可能である。言い換えると、第１強磁性層２０の磁化の方向は膜面内で第１端子と第２端子を結ぶ線分と平行な方向において反転可能である。
【０１２６】
これに伴い、参照層４０を構成する強磁性層の磁化の方向も＋Ｘ方向、または−Ｘ方向のどちらか一方に固定されている。
【０１２７】
その他のバリア層３０、重金属層１０、キャップ層５０、及び端子の配置に関する要件は、磁気メモリ素子１００と同様である。
【０１２８】
メモリ状態については「０」を記憶した状態、「１」を記憶した状態における磁化の方向が磁気メモリ素子１００と異なり、＋Ｘ方向に向いた状態を「０」を記憶した状態、−Ｘ方向に向いた状態を「１」を記憶した状態と設定される。
【０１２９】
情報の書き込み方法については、磁気メモリ素子１００と同じである。ただし、磁気メモリ素子１００では＋Ｘ方向または−Ｘ方向の外部磁場が必要であったが、磁気メモリ素子１０４においては＋Ｚ方向または−Ｚ方向の外部磁場が必要である。
【０１３０】
情報の読み出し方法については、磁気メモリ素子１００と同じである。
【０１３１】
セル回路、回路ブロック図についても磁気メモリ素子１００と同じである。
【０１３２】
図２１（ａ）は、発明者らが作製した磁気メモリ素子１０４を測定して得られたＭＴＪ抵抗と電流密度の関係である。様々な大きさのＺ方向の磁場ＨＺを印加した状態での測定結果を示す。用いた膜構成は基板側からＴａ（７）／Ｗ（３）／ＣｏＦｅＢ（１．４６）／ＭｇＯ（１．８）／ＣｏＦｅＢ（１．５）／Ｃｏ（０．９２）／Ｒｕ（０．９）／Ｃｏ（２．６）／Ｒｕ（５）である。Ｗ（３ｎｍ）が重金属層１０、ＣｏＦｅＢ（１．４６ｎｍ）が第１強磁性層２０に相当し、ＭｇＯ（１．８ｎｍ）はバリア層３０、ＣｏＦｅＢ（１．５）／Ｃｏ（０．９２）／Ｒｕ（０．９）／Ｃｏ（２．６）は参照層４０、Ｒｕ（５ｎｍ）はキャップ層に相当する。ＨＺの符号に応じて磁化の向きの反転の方向が変わっており、これは磁化の反転がスピン軌道トルクによって誘起されていることを意味している。
【０１３３】
図２１（ｂ）に、閾電流密度をＨＺに対してプロットした結果を示す。ＨＺが正の場合と負の場合のそれぞれについて測定結果を一次関数でフィットし、その交点におけるＪＣの値ＪＣ０を複数の素子について評価した。その結果、ＪＣ０は（２．１±０．５）×１０１１Ａ／ｍ２という極めて低い電流密度で磁化の向きが反転することがわかった。なお、このときの重金属層１０のＷは高い比抵抗を有する構造となっていることが確認されている。
【０１３４】
（実施の形態４）
図２２Ａは、本発明の実施の形態４に係る磁気メモリ素子１０５の斜視図である。磁気メモリ素子１０５の正面図（Ｘ−Ｚ面）を図２２Ｂに、側面図（Ｙ−Ｚ面）を図２２Ｃに、平面図（Ｘ−Ｙ面）を図２２Ｄに示す。
【０１３５】
磁気メモリ素子１０５も磁性積層膜０、バリア層３０、参照層４０、キャップ層５０がこの順に積層されて構成され、さらに第１端子Ｔ１と、第２端子Ｔ２と、第３端子Ｔ３とを備える。好適には磁性積層膜０はＸ方向に延伸して形成されている。第１端子Ｔ１は磁性積層膜０の一端に、第２端子Ｔ２は磁性積層膜０の他端に接続される。第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２は磁性積層膜０のうちの重金属層１０に接続されている。
【０１３６】
磁気メモリ素子１０５と磁気メモリ素子１００との違いは、第１強磁性層２０内の磁化領域の構成である。磁気メモリ素子１００においては、第１強磁性層２０内の磁化の向きは略同一方向を向いていたが、磁気メモリ素子１０５においては、少なくとも３つの磁化領域に分割され、磁化の方向が反転可能な第１磁化領域Ｍ１と、第１磁化領域Ｍ１を挟んで配置された第２磁化領域Ｍ２と第３磁化領域Ｍ３とを有する。また第２磁化領域Ｍ２の磁化の向きと第３磁化領域Ｍ３の磁化の向きは互いに異なる方向に固定されており、第１磁化領域Ｍ１の磁化の向きは反転可能であり第２磁化領域Ｍ２の磁化の向きまたは第３磁化領域Ｍ３の磁化の向きのいずれか一方と同一方向を向くことができるように設計されている。これにより第１強磁性層２０内には単一の磁壁が形成される。磁気メモリ素子１０５においては、第２磁化領域Ｍ２の磁化の向きは＋Ｚ方向、第３磁化領域Ｍ３の磁化の向きは−Ｚ方向に固定されており、第１磁化領域Ｍ１の磁化の向きは＋Ｚまたは−Ｚ方向のいずれか一方を向くことができる。
【０１３７】
その他のバリア層３０、参照層４０、重金属層１０、キャップ層５０、及び端子の配置に関する要件は、磁気メモリ素子１００と同様である。
【０１３８】
メモリ状態については、磁気メモリ素子１００における第１強磁性層２０の磁化の向きを「０」を記憶した状態、「１」を記憶した状態に対応させていたが、ここを第１強磁性層２０中の第１磁化領域Ｍ１の磁化の方向と読み替える。
【０１３９】
情報の書き込み方法については、磁気メモリ素子１００と同じである。ただし、磁気メモリ素子１００、１０３、１０４においては、スピン軌道トルクによって磁化が回転して反転するタイプの磁化の方向の反転がその原理として用いられていたのに対して、磁気メモリ素子１０５においては磁壁が電流によって移動する電流誘起による磁壁移動を用いることが異なっている。なお、電流誘起による磁壁移動の駆動力はスピン軌道トルクである。また磁気メモリ素子１００では＋Ｘ方向または−Ｘ方向の外部磁場が必要であったが、磁気メモリ素子１０５においては、外部磁場は不要である。
【０１４０】
情報の読み出し方法については、磁気メモリ素子１００と同じである。
【０１４１】
セル回路、回路ブロック図についても磁気メモリ素子１００と同じである。
【０１４２】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【０１４３】
本出願は、２０１６年６月３日に出願された、日本国特許出願２０１６−１１２２４２号に基づく。本明細書中に日本国特許出願２０１６−１１２２４２号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照して取り込むものとする。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
以上説明したように、本発明によれば、磁性積層膜、磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその製造方法を提供できる。
【符号の説明】
【０１４５】
０〜２  磁性積層膜
１０  重金属層
１１  下地層
１２  界面挿入層
２０  第１強磁性層
３０  バリア層
４０  参照層
４１  第２強磁性層
４２  結合層
４３  第３強磁性層
５０  キャップ層
６０  プラグ
１００〜１０５  磁気メモリ素子
１２０  Ｘドライバ
１３０  Ｙドライバ
１４０  コントローラー
２００  磁気メモリセル回路
２１０  磁気メモリセルアレイ
３００  磁気メモリ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017208576.tif 000010
【図６】
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【図７】
2017208576.tif 000012
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【国際調査報告】
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