(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に対して絶縁体から成る中間層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を構成する強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散している記憶素子３を構成する。【選択図】図２
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【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一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散している
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の保磁力の大きさが２００［Ｏｅ］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】
前記微細な酸化物は、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、マグネシウム酸化物、タンタル酸化物、ガドリウム酸化物、チタン酸化物、ボロン酸化物、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、もしくはこれらの複合混合物から選ばれた酸化物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４】
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一部或いは全域にわたって微細な酸化物が層状に分布している
ことを特徴とする記憶素子。
【請求項５】
前記記憶層を構成する強磁性層の保磁力の大きさが２００［Ｏｅ］以上であることを特徴とする請求項４に記載の記憶素子。
【請求項６】
前記微細な酸化物は、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、マグネシウム酸化物、タンタル酸化物、ガドリウム酸化物、チタン酸化物、ボロン酸化物、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、もしくはこれらの複合混合物から選ばれた酸化物であることを特徴とする請求項４に記載の記憶素子。
【請求項７】
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一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散している構成であり、
前記２種類の配線の交点付近かつ前記２種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、
前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。
【請求項８】
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一部或いは全域にわたって微細な酸化物が層状に分布している構成であり、
前記２種類の配線の交点付近かつ前記２種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、
前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、膜面に垂直な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（例えば非特許文献１参照）。
【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２、非特許文献３参照）。
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。
【非特許文献１】日経エレクトロニクス  ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁）
【非特許文献２】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  ５４．９３５３（１９９６）
【非特許文献３】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】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
熱安定性の指標は、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。
【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。
【００１９】
上述した問題の解決のために、本発明は、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】
【００２０】
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一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散しているものである。
また、本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものである。
【００２１】
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一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散していることにより、強磁性体のみにより強磁性層を構成した場合よりも、記憶層の保磁力を大きくすることが可能になる。このように、記憶層の保磁力を大きくすることが可能になるため、記憶層の熱安定性を向上することが可能になる。
さらに、記憶層を構成する強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散していることにより、記憶層の飽和磁化を増大させないで、保磁力を大きくすることが可能になる。
これにより、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を増大させることなく、記憶層の熱安定性を充分に確保することが可能になる。
【００２２】
上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものであることにより、２種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を増大させることなく、充分に記憶層の熱安定性を確保することが可能になるため、メモリの消費電力を増大させることなく、メモリセルに記録された情報を安定して保持することが可能になる。
【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、記憶層を構成する強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が層状に分布しているものである。
また、本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものである。
【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。
また、記憶層を構成する強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が層状に分布していることにより、強磁性体のみにより強磁性層を構成した場合よりも、記憶層の保磁力を大きくすることが可能になる。このように、記憶層の保磁力を大きくすることが可能になるため、記憶層の熱安定性を向上することが可能になる。
さらに、記憶層を構成する強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が層状に分布していることにより、記憶層の飽和磁化を増大させないで、保磁力を大きくすることが可能になる。
これにより、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を増大させることなく、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、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を増大させることなく、充分に記憶層の熱安定性を確保することが可能になるため、メモリの消費電力を増大させることなく、メモリセルに記録された情報を安定して保持することが可能になる。
【発明の効果】
【００２６】
上述の本発明によれば、書き込み電流量（閾値電流）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。
【００２７】
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。
【００２８】
さらにまた、書き込み電流を低減しても、メモリとして必要となる熱安定性を充分に確保することが可能となるため、書き込み電流を低減して、記憶素子に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。
従って、メモリ全体の消費電力を低減することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）。
【００３２】
【数１】
2007287923.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。
【００３３】
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、前述した熱安定性の指標Δの値で判断される。磁性層（記憶層）の熱安定性の指標Δは、下記式（２）により表される。
【００３４】
【数２】
2007287923.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。
【００３５】
一般に、記憶された情報を８５℃で１０年間保持するためには、Δの値として６０以上が必要とされる。このΔと電流の閾値Ｉｃとは、トレードオフの関係になることが多く、メモリ特性を維持するには、これらの両立が課題となることが多い。
【００３６】
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の略楕円形のトンネル磁気抵抗効果素子（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】
一方、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。
これに対して、スピン注入により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わかる。
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。
【００３９】
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、熱安定性の指標Δがある程度以上の大きさである必要がある。
【００４０】
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うち、少なくとも一層の材料を限定し、さらにこの層の微細構造を規定することにより、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。
即ち、記憶層を構成する強磁性層の微細構造を規定することにより、記憶層の保磁力は向上するが、記憶層の飽和磁化が増えないことを、見出した。
【００４１】
そして、記憶層の飽和磁化を増やすことなく、大きな保磁力を実現するための構成として、記憶層を構成する強磁性層の全体或いは一部に微細な酸化物を分散させることが有効である。
【００４２】
記憶層中に分散させる酸化物の材料としては、ＣｏやＦｅが主成分となる強磁性層と化学反応せず、安定な酸化物を形成するような材料を選択する必要がある。
さらに、トンネル磁気抵抗効果素子としての磁気抵抗効果を損なわない材料である必要がある。
【００４３】
上述した酸化物材料の条件を満たし、かつ反転電流密度をあまり上昇させずに保磁力を増大させることを可能にする酸化物材料としては、シリコン酸化物、アルミニウム酸化物、マグネシウム酸化物、タンタル酸化物、ガドリウム酸化物、チタン酸化物、ボロン酸化物、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、イットリウム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、さらにこれらの複合混合物が望ましい。
【００４４】
これらの酸化物の形成方法としては、酸化物を強磁性体と共に直接スパッタする方法、或いは、アニール後に微細な酸化物を析出させる方法が挙げられる。
【００４５】
酸化物の体積率は、記憶層全体の体積に対して、５％以上４０％以下であることが望ましい。
酸化物が４０％より多くなると、酸化物により強磁性層が小さなドメインに分断され、各ドメイン間の距離が大きくなりすぎて、充分な磁気特性が確保できなくなる。
逆に、酸化物分散効果が得られるのは、酸化物を体積率で５％以上含むときである。
酸化物が５％より少なくなると、単純に強磁性層中に酸素が固溶した状態と等しくなって、本発明の効果が充分に得られなくなる。
【００４６】
記憶層中の酸化物の分布状態としては、微細な酸化物が均一に分散していれば良い。
ただし、酸化物が量的に多くなった場合には、酸化物が記憶層の膜面に平行な層状に分布している方が、書き込み閾値電流の低減効果が促進される。
【００４７】
ここで、記憶層中に微細な酸化物が分散している状態の模式図を、図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａは記憶層全体に分布している場合を示し、図３Ｂは記憶層の一部に偏在している場合を示している。
図３Ａでは、記憶層２０を構成する強磁性層２１に、微細な酸化物２２が分散しており、酸化物２２が強磁性層２１全体に分布している。
図３Ｂでは、記憶層２０を構成する強磁性層２１に、微細な酸化物２２が分散しており、酸化物２２が強磁性層２１の上部に偏在している。
【００４８】
また、酸化物が記憶層の膜面に平行な層状に分布している状態の模式図を、図３Ｃ及び図３Ｄに示す。図３Ｃは記憶層全体に均等にある場合を示し、図３Ｄは記憶層の上部に偏在している場合を示している。
図３Ｃでは、記憶層２０に、微細な酸化物２２が膜面に平行な層状に分布している。そして、強磁性層２１と酸化物の層２２とが交互に、かつ記憶層２０全体に均等に積層されている。
図３Ｄでは、記憶層２０に、微細な酸化物２２が膜面に平行な層状に分布しており、強磁性層２１と酸化物の層２２とが交互に積層されているが、酸化物の層２２が記憶層２０の上部に偏在している。
【００４９】
これら図３Ａ〜図３Ｄは、あくまでも模式図であり、記憶層の厚さと、酸化物の粒子の大きさや酸化物の層の厚さとの比は、これらの図に示す程度に限定されるものではない。
【００５０】
酸化物を均一に分散させる方法としては、複数のターゲットから同時にスパッタする方法が、最も簡便である。
或いは、超極薄膜を交互に積層した後に、アニールする方法でもよい。
【００５１】
酸化物を層状に分布させる方法としては、酸化物ターゲット上と強磁性体ターゲット上とを、ウェハが交互に通過するようにして、スパッタリングを行う方法、或いは、酸化物層と強磁性層とを交互に積層する方法が挙げられる。
なお、層状に分布させるといっても、連続した酸化物層を形成するわけではなく、クラスター状の酸化物が分布した状態を指している。そのクラスターも非常に小さく、直径１ｎｍ〜３ｎｍ程度の大きさである。また、クラスター状の酸化物が分布した各層が、０．７ｎｍ〜２ｎｍの間隔を置いて、層状に分布していることが望ましい。
【００５２】
なお、酸化物が強磁性層の一部に分散している（即ち、分散した酸化物が偏在している）構成において、酸化物がトンネル絶縁層の近傍に偏在していると、トンネル絶縁層の実効的厚さが大きくなって、抵抗値が大きくなりすぎたり、抵抗変化率（ＭＲ比）が小さくなってしまったりする虞がある。
従って、酸化物を偏在させる場合には、強磁性層の中間部、もしくは、トンネル絶縁層とは反対側の部分に偏在させることが望ましい。
酸化物が強磁性層の一部に層状に分布している構成においても、同様の理由から、強磁性層の中間部、もしくは、トンネル絶縁層とは反対側の部分に酸化物の層を設けることが望ましい。
【００５３】
酸化物材料と記憶層内で共存する強磁性材料としては、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉを主成分とする一般的なＣｏＦｅ合金やＮｉＦｅ合金或いはＣｏＮｉＦｅ合金を使用することができる。また、これら強磁性合金に、さらに、Ｂ，Ｃ，Ｎ等の軽元素、Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ等の遷移金属元素、Ｇｄ等の希土類元素、或いはＰｔ，Ｐｄ等の貴金属元素が、添加元素として１種類以上含まれていてもよい。
また、アモルファス材料や、ＣｏＭｎＳｉ，ＣｏＭｎＡｌやＣｏＣｒＦｅＡｌ等のホイスラー材料を使用することもできる。
【００５４】
ただし、例えばＣｏＦｅ合金の場合、ＣｏとＦｅの合計の含有比率が６０原子％以下になると、強磁性層としての飽和磁化量及び保磁力が得られなくなってしまう。
また、一般的に、ＣｏＦｅの比率はＣｏ：Ｆｅが９０：１０から４０：６０の範囲にあるときに、磁気異方性分散が適当に抑制された、良好な軟磁気特性を示す。
従って、本発明の記憶素子の構成においても、強磁性体成分として良好な特性を得るためのＣｏとＦｅとの含有比率を、同様に設定することができる。
【００５５】
記憶層を構成する強磁性層の全体或いは一部に微細な酸化物を分散させることにより、強磁性層のみで記憶層を構成した場合よりも、記憶層の保磁力Ｈｃを高めることができる。
これは、酸化物で強磁性体が分断されていることにより、強磁性体の磁化の安定性が増すためと推測される。
一方、強磁性層に酸化物が分散していることにより、強磁性層のみで記憶層を構成した場合と比較して、飽和磁化量Ｍｓは増大することなく、むしろ小さくなっていると考えられる。
熱安定性の指標Δは、式２からわかるように、保磁力Ｈｃと飽和磁化量Ｍｓとの積であるが、本発明の強磁性層の全体或いは一部に微細な酸化物を分散させた構成について、実際に測定を行うと、熱安定性の指標Δが強磁性層のみで記憶層を構成した場合よりも大きくなっている。これは、保磁力Ｈｃの増大の方が、飽和磁化量Ｍｓの減少を充分に上回っているためである、と推測される。
このように熱安定性の指標Δが大きくなるので、記憶層の熱安定性を向上させることができる。
一方、反転電流は、式１からわかるように、飽和磁化量Ｍｓの二乗に比例するので、飽和磁化量Ｍｓが小さくなれば、反転電流を低減することが可能になる。
つまり、本発明の構成によれば、反転電流と熱安定性とがトレードオフになることはなく、両立する。
【００５６】
なお、本発明の構成においては、記憶層を構成する強磁性層の保磁力を可能な限り大きくすることが望ましい。具体的には、強磁性層の保磁力が２００［Ｏｅ］以上であることが望ましい。
本発明の構成において、さらに強磁性層が２００［Ｏｅ］以上の保磁力を有することにより、記憶層の熱安定性を充分に向上させ、かつ反転電流の増大を抑制することができる。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
さらにまた、記憶層中の酸化物の分散状態を適正化し、かつ、中間層に酸化マグネシウムを用いた場合に優れた磁気抵抗効果特性（ＭＲ特性）を得るためには、アニール温度を３００℃以上、望ましくは３４０℃〜３６０℃の高い温度とすることが要求される。これは、従来中間層に用いられていた酸化アルミニウムの場合のアニール温度の範囲（２５０℃〜２８０℃）と比較して、高温になっている。
これは、酸化物と磁性層の相分離を促し、整合界面を形成するためであり、同時に酸化マグネシウム等のトンネル絶縁層の適正な内部構造や結晶構造を形成するために必要になるからである、と考えられる。
【００６２】
このため、記憶素子の強磁性層にも、この高い温度のアニールに耐性を有するように、耐熱性のある強磁性材料を用いないと、優れたＭＲ特性を得ることができないが、本発明によれば、記憶層中に微細な酸化物を分散させることによって、記憶層の耐熱性が向上するので、３４０℃〜３６０℃のアニールにも記憶層の磁気特性が劣化することがなく耐えうるようになる。
これにより、記憶素子を備えたメモリを製造する際に、一般の半導体ＭＯＳ形成プロセスを適用できるという利点を有し、本実施の形態の記憶素子を備えたメモリを、汎用メモリとして適用することが可能になる。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
磁化固定層３１の強磁性層１３，１５の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの１種もしくは２種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにＮｂ，Ｚｒ，Ｇｄ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｕ等の遷移金属元素やＳｉ，Ｂ，Ｃ等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接（非磁性層を介さずに）積層して、強磁性層１３，１５を構成してもよい。
磁化固定層３１の積層フェリを構成する非磁性層１４の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。
非磁性層１４の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ０．５ｎｍから２．５ｎｍの範囲で使用する。
【００７７】
磁化固定層３１の強磁性層１３，１５と記憶層１７の膜厚は、適宜調整することが可能であり、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が適当である。
【００７８】
本実施の形態においては、特に、記憶素子３の記憶層１７が、前述したように、強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散した構成、もしくは層状に分布した構成となっている。
このように、記憶層１７が、強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散している構成、もしくは層状に分布した構成であることにより、強磁性体のみにより強磁性層を構成した場合よりも、記憶層１７の保磁力Ｈｃを大きくすることが可能になる。このように、記憶層１７の保磁力Ｈｃを大きくすることが可能になるため、記憶層１７の熱安定性の指標Δを大きくして、記憶層１７の熱安定性を向上することが可能になる。
さらに、記憶層１７を構成する強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散している、もしくは層状に分布していることにより、記憶層１７の飽和磁化Ｍｓを増大させないで、記憶層１７の保磁力Ｈｃを大きくすることが可能になる。
これにより、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、書き込み電流量を増大させることなく、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。
【００７９】
記憶層１７を構成する強磁性層の強磁性材料や、分散させる酸化物材料は、前述した各種の強磁性材料や酸化物材料を使用することができる。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７が、強磁性層の一部或いは全域にわたって微細な酸化物が分散している構成、もしくは層状に分布した構成であることにより、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、書き込み電流量を増大させることなく、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。
記憶層１７の熱安定性が向上することにより、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。
【００８３】
また、記憶素子３の記憶層１７に充分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、中間層である絶縁層１６が絶縁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。
【００８４】
さらにまた、書き込み電流を低減しても、熱安定性を充分に確保することが可能となるため、書き込み電流を低減して、記憶素子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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
特に、図２に示した記憶素子３は、微細な酸化物を分散させる、もしくは層状に分布させることにより記憶層１７の耐熱性が向上しているため、３４０℃〜３６０℃のアニールにも記憶層１７の磁気特性が劣化することがなく、一般の半導体ＭＯＳ形成プロセスを容易に適用することができる。
【００８７】
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、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。
【００８８】
＜実験１＞
（実施例）
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を強磁性体と酸化物との組み合わせ、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、記憶層の強磁性層は、材質をＣｏ４５Ｆｅ３０Ｂ２５、強磁性層の換算膜厚を２．５ｎｍに固定し、そこに各酸化物を添加した。ＰｔＭｎ膜の組成はＰｔ５０Ｍｎ５０（原子％）、ＣｏＦｅ膜の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０(原子％)とした。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
そして、上述の製造方法により、それぞれ記憶層１７の強磁性体と混合する酸化物の材料、酸化物の体積率、酸化物の分布状態を変えた、記憶素子３の各試料を作製した。
酸化物の分布状態としては、酸化物の材料に対応して、「均一分散」と「層状分布」の２種類のうち、いずれか一方を選択した。
「均一分散」は、記憶層１７の強磁性層内に微細な酸化物が均一に分散している分布状態である。具体的には、強磁性体用のターゲットと酸化物用のターゲットとを同時に使用してスパッタリングを行うことにより、記憶層１７を形成した。また、酸化物及び強磁性体のそれぞれのスパッタ速度を調整することにより、酸化物の体積率を調整した。
「層状分布」は、記憶層１７中に酸化物が層状に分布している分布状態である。具体的には、強磁性体用のターゲットと酸化物用のターゲットとを切り替えて、下層から強磁性体／酸化物／強磁性体／酸化物／強磁性体の積層順序となり、かつ分割された３層の強磁性体の厚さが下層から１ｎｍ，１ｎｍ，０．５ｎｍとなるようにして、スパッタリングを行うことにより、記憶層１７を形成した。また、酸化物の層の厚さ、即ち酸化物のスパッタ時間を調整することにより、酸化物の体積率を調整した。
各試料の形成条件をまとめて、表１に示す。
【００９４】
【表１】
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【００９５】
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。
【００９６】
（保磁力の測定）
記憶素子の保磁力の測定を行った。
まず、記憶素子に連続的に変化する外部磁場を加えながら、記憶素子の抵抗値を測定した。このとき、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。
そして、記憶層の磁化の向きとは反対の方向に外部磁場を加えていき、外部磁界が記憶層の保磁力を上回ると、記憶層の磁化の向きが反転する。磁化の向きが反転することにより、記憶素子の抵抗値が変化するので、この抵抗値が変化したときの外部磁界の大きさを記憶素子の保磁力と等しいとみなして、記憶素子の保磁力を得た。
【００９７】
（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、その後の記憶素子の抵抗値を測定した。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。前述したように、メモリに用いるためには、６０以上のΔが必要である。
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、反転電流値及び熱安定性の指標Δの平均値を求めた。
【００９８】
各試料の測定結果を、図４〜図６に示す。
図４は保磁力の測定結果を示し、図５は熱安定性の指標Δの測定結果を示し、図６は反転電流値の測定結果を示している。
各図とも、横軸に酸化物の体積率（％）をとって、それぞれの測定結果をプロットしている。
【００９９】
図４より、酸化物の体積率が５％以上になると、いずれも２００［Ｏｅ］以上の保磁力が得られることがわかる。
また、酸化物の体積率が４０％以上になると、強磁性体の体積率が小さくなることによる影響が酸化物による保磁力増大効果よりも大きくなり、保磁力の低下が認められるようになる。
【０１００】
図５より、熱安定性の指標Δは、図４に示した保磁力と良好な相関関係にあり、強磁性体の体積率の減少と酸化物による保磁力増大効果との関係により、熱安定性の指標Δの値が支配されることがわかる。
そして、記憶層中に酸化物を分散させることにより、著しいΔの増大が認められ、メモリ保持特性が向上することが確認された。
また、酸化物の体積率を、８％、２０％、２５％、３５％とした各試料では、熱安定性の指標Δの値が、実用メモリとして必要な６０以上となっていることがわかる。
【０１０１】
この実験で用いた記憶素子の膜構成は、実用メモリとして成り立ち得るような小さな反転電流が得られる構成である。
この膜構成において、記憶層に酸化物を分散させた構成の代わりに、従来のように強磁性体のみにより形成した構成とすると、反転電流は小さくできるが、同時に熱安定性の指標Δも小さくなってしまう。
【０１０２】
図６より、記憶層中に酸化物を分散させても、反転電流値の増大はそれほど大きくなく、強磁性体のみの記憶層（４００μＡ程度）の高々５％〜３０％増しであることがわかる。
【０１０３】
図４〜図６から、記憶層中に酸化物を分散させることにより、保磁力及び熱安定性の指標Δが充分に確保されると共に、反転電流の増大が少なく、小さな反転電流が維持されることがわかる。
従って、本発明により、本来トレードオフになると考えられていた、熱安定性と反転電流の低減とを両立させることができる。
【０１０４】
本発明では、上述の各実施の形態で示した記憶素子３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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
また、記憶層に対して、上下にそれぞれ磁化固定層を設けて、記憶素子を構成してもよい。
この場合、２つの磁化固定層と記憶層との間の中間層は、一方の中間層はトンネル絶縁層とするが、他方の中間層はトンネル絶縁層或いは非磁性導電層（非磁性金属層等）のいずれも可能である。
【０１０７】
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】
【０１０８】
【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】Ａ〜Ｄ  本発明における記憶層中の酸化物の分布状態を説明する模式図である。
【図４】各種酸化物を用いたときの酸化物の体積率と保磁力との関係を示す図である。
【図５】各種酸化物を用いたときの酸化物の体積率と熱安定性の指標Δとの関係を示す図である。
【図６】各種酸化物を用いたときの酸化物の体積率と反転電流値との関係を示す図である。
【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】
【０１０９】
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、１７，２０  記憶層、１８  キャップ層、２１  強磁性体、２２  酸化物、３１  磁化固定層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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