(57)【要約】【課題】情報保持特性を低下することなくスピン注入による磁化反転を起こすために必要な電流を低減化する。【解決手段】磁化方向が所定の方向に固定された参照層２６と、スピン注入により磁化方向が変化する記録層２８と、記録層２８と参照層２６を隔てる中間層２７と、記録層２８を加熱する発熱部３３と、を備える。記録層２８の材料は、磁化量が１５０℃で室温時の磁化量の５０％以上となり、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の磁化量の１０％以上８０％以下となる磁性体より構成する。【選択図】図２
2012015312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が所定の方向に固定された参照層と、
記録の情報に対応した向きのスピン注入により磁化方向が変化する記録層と、
前記記録層と前記参照層を隔てる中間層と、
前記記録層を加熱する発熱部と、を備え、
前記記録層の材料は、１５０℃での磁化量が室温時の磁化量の５０％以上となり、１５０℃以上２００℃以下の範囲での磁化量が室温時の磁化量の１０％以上８０％以下となる磁性体である
磁気記憶素子。
【請求項２】
前記記録層の材料が、Ｃｏ，Ｆｅの少なくとも一方の元素と、非磁性元素、酸化物の少なくとも一方とを組み合わせた材料である請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記発熱部が、前記参照層、前記中間層及び前記記録層を含む積層構造に積層された熱抵抗層である請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記発熱部が、前記記録層に対して、前記中間層が存在する側とは反対側に積層されて成る請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記発熱部が、前記参照層に対して、前記中間層が存在する側とは反対側に積層されて成る請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記発熱部が、前記参照層、前記中間層及び前記記録層を含む積層構造を埋め込む充填層上に設けられて成る請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
磁化方向が所定の方向に固定された参照層と、記録の情報に対応した向きのスピン注入により磁化方向が変化する記録層と、前記記録層と前記参照層を隔てる中間層と、前記記録層を加熱する発熱部と、を有する磁気記憶素子と、
互いに交叉する２種類の配線と、を備え、
前記２種類の配線の交点付近且つ前記２種類の配線の間に、前記磁気記憶素子が配置され、
前記記録層の材料は、１５０℃での磁化量が室温時の磁化量の５０％以上となり、１５０℃以上２００℃以下の範囲での磁化量が室温時の磁化量の１０％以上８０％以下となる磁性体である
磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン注入磁化反転により情報の記録を行う不揮発性の磁気記憶素子及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の各種情報機器におけるランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度記録メモリである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、ＤＲＡＭと同様の性能を持ち、且つ情報が消えない不揮発のメモリの実用化が望まれている。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。
【０００３】
ＭＲＡＭの記録を行う方法としては、電流磁場によって磁化を反転させる方法や、例えば特許文献１に記載されているように、スピン分極した電子を直接記録層に注入して磁化反転を起こさせるスピン注入磁化反転方法がある。この方法は素子のサイズが小さくなるに従い記録電流を小さくできるため注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９３５９５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J. C. Slonzewski, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 159(1996) L1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したようなスピン注入磁化反転方法を利用した磁気メモリは、その素子サイズを小さくすると記録の情報が熱ゆらぎによって変化してしまい、記録の保持能力に問題が生じる。このような熱ゆらぎによる情報保持特性の低下の問題を回避するためには、記録層の膜厚を厚くするなどの対策が必要である。
【０００７】
一方、スピン注入による磁化反転を起こすために必要な電流Ｉｃは、一般に、下記の式（１）で表される(非特許文献１参照)。
Ｉｃ＝α・ｅ・γ・Ｍｓ・Ｖ・Ｈｅｆｆ／（ｇ・μＢ）・・・（１）
ここで、αは制動定数、ｅは電子の電荷、γはジャイロ定数、Ｍｓは磁化が回転する磁性層の飽和磁化である。また、Ｈｅｆｆは磁気異方性による異方性磁界（Ｈａ）や外部磁場等の磁性層に働く有効磁場、Ｖは磁性層の体積、ｇはスピン注入効率、μＢはボーア磁子である。
【０００８】
上記式（１）から明らかなように、磁性層の体積Ｖを増やすとスピン注入磁化反転に必要な電流Ｉｃが増加してしまい、消費電力の増加に繋がるという問題がある。また、消費電力の増加は駆動トランジスタのサイズの増大化を招くこととなり、磁気メモリの記録密度の向上が困難になる。
【０００９】
以上の課題に鑑みて、本発明は、情報保持特性を低下することなくスピン注入による磁化反転を起こすために必要な電流を低減化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明による磁気記憶素子は、磁化方向が所定の方向に固定された参照層と、スピン注入により磁化方向が変化する記録層と、記録層と参照層を隔てる中間層と、記録層を加熱する発熱部と、を備える。そして記録層の材料は、磁化量が１５０℃で室温時の磁化量の５０％以上となり、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の磁化量の１０％以上８０％以下となる磁性体であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による磁気メモリは、上述の本発明構成の磁気記憶素子を有するものとする。すなわちこの磁気メモリは、磁化方向が固定された参照層と、スピン注入により磁化方向が変化する記録層と、これら記録層と参照層を隔てる中間層と、記録層を加熱する発熱部と、を有する磁気記憶素子を備える。更に、互いに交叉する２種類の配線を備え、２種類の配線の交点付近で且つこれら２種類の配線の間に、磁気記憶素子を配置する。そして、記録層の材料は、１５０℃での磁化量が室温時の磁化量の５０％以上となり、１５０℃以上２００℃以下の範囲での磁化量が室温時の磁化量の１０％以上８０％以下となる磁性体であることを特徴とする。
【００１２】
上述したように、本発明による磁気記憶素子と磁気メモリにおいては、記録層を加熱する発熱部を備えると共に、記録層の材料として、磁化量の温度特性を特定の範囲を有するものに限定するものである。すなわちこの温度特性として、記録層材料の室温での磁化量を基準として、１５０℃のとき５０％以上の磁化量となり、且つ、１５０℃以上２００℃以下の範囲では、１０％以上８０％以下の磁化量となる材料を用いるものである。
【００１３】
このような構成とすることにより、磁気記憶素子におけるスピン注入による磁化反転を起こすために必要な電流を低減化することができる。この場合、熱ゆらぎ等に対し安定した情報保持特性を維持したまま、低電流で情報の書き換えを行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の磁気記憶素子及び磁気メモリによれば、情報保持特性を低下することなく、スピン注入による磁化反転を起こすために必要な電流を低減化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る磁気メモリの概略斜視構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る磁気記憶素子の概略断面構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る磁気記憶素子の変形例の概略断面構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係る磁気記憶素子の他の変形例の概略断面構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係る磁気記憶素子の他の変形例の概略断面構成図である。
【図６】本発明の実施形態に係る磁気記憶素子の他の変形例の概略断面構成図である。
【図７】磁気記憶素子の試料１〜７における記録層の磁化量の温度依存性を示す図である。
【図８】磁気記憶素子の試料１〜７におけるスピン注入磁化反転電流密度Ｊｃを素子構造毎に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下本発明を実施するための最良の形態の各例を図面を参照して説明する。説明は以下の順序で行う。
１．本発明の第１の実施形態（磁気メモリの実施形態）
２．本発明の第２の実施形態（磁気記憶素子の実施形態）
３．本発明の第２の実施形態の変形例
４．実施例及び比較例
【００１７】
１．本発明の第１の実施形態（磁気メモリの実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態として、図１を参照して磁気メモリの実施形態を説明する。図１に示すように、この磁気メモリ１０は、互いに交叉する２種類のアドレス様の配線、例えばワード線とビット線とを備え、その交点付近で、且つこれら２種類の配線の間に磁気記憶素子３が配置されて成る。この磁気記憶素子３は、後述する実施形態及び変形例による磁気記憶素子を用いるものである。
【００１８】
この場合、例えばＳｉ等の半導体基板１１の素子分離層２によって分離された領域に、各磁気記憶素子３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、ゲート電極１がそれぞれ形成される。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に伸びる一方のアドレス用の配線（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。
【００１９】
そして、ソース領域７と、情報に配置された図中左右方向に延びる他方のアドレス用の配線（例えばビット線）６との間に、磁気記憶素子３が配置される。この磁気記憶素子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録層と、この記録層を加熱する発熱部と、を備える。後述する磁気記憶素子の実施形態において詳細に説明するようにこの記録層の材料は、１５０℃での磁化量が室温時の磁化量の５０％以上となり、１５０℃以上２００℃以下の範囲での磁化量が室温時の磁化量の１０％以上８０％以下となる材料より構成される。
【００２０】
そしてこの磁気記憶素子３は、２種類のアドレス用の配線となるゲート電極１及び配線６の交点付近に配置され、上下のコンタクト層４を介して接続される。これにより、２種類の配線、すなわちゲート電極１及び配線６を通じて、磁気記憶素子３に上下方向の電流を流して、スピン注入により記録層の磁化の向きを情報に対応して反転させることができる。
【００２１】
上述した構成の記録層及び発熱部を有する磁気記憶素子３を備えることで、この磁気メモリ１０は、情報記録時の記録層の磁化量を効果的に低下させ、熱ゆらぎ等に対し安定した情報保持特性を保持したまま、低電流で情報の書き換えを行うことが可能となる。
【００２２】
２．本発明の第２の実施形態（磁気記憶素子の実施形態）
次に、本発明の実施形態に係る磁気記憶素子の一例を、図１を参照して説明する。図１に示すように、この磁気記憶素子３０は、熱酸化シリコン等の基板２１上に、例えば電極の一方を兼ねるＴａ等より成る下地層２２、ＰｔＭｎ等より成る反強磁性層２３がこの順に形成される。そして反強磁性層２３上に、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ等の強磁性体より成る参照層２４が積層され、参照層２４の磁化の向きが固定される。参照層２４の上には、Ｒｕ等の非磁性層２５及びＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ等の強磁性体より成る参照層２６がこの順に形成される。この場合、参照層２４及び参照層２６の磁化方向が非磁性層２５を介して互いに反平行に結合し、積層フェリ構造になっている例であるが、これに限定されるものではない。
【００２３】
そして、参照層２６の上には、非磁性材料より成る中間層２７を介して、スピン注入により磁化の向きが変化する記録層２８が形成される。中間層２７の材料としては、例えばＣｕ等のスピン散乱の小さな金属材料や、Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ等のセラミック材料を用いることが好ましい。特に、ＭｇＯ等を用いる場合は、読み出しの際の再生信号が大きくとれるため好ましい。記録層２８の材料については後述する。
【００２４】
そして、この磁気記憶素子３０においては、強磁性層より成る記録層２８の上に、Ｔｉなどの熱抵抗層等より成る発熱部３３が形成される。そしてこの発熱部３３の上に、Ｔａ等のキャップ層２９が形成されて、積層構造部２０が構成される。この積層構造部２０の平面形状は、図１に示すように例えば楕円形としてもよいが、その他の平面形状としてもよく、特に限定されない。そしてこの積層構造部２０は、周囲を非磁性材料より成る充填層３１に埋め込まれて、その表面がキャップ層２９と同一面として形成される。キャップ層２９及び充填層３１の上には、磁気記憶素子３０に電流を流す電極層３２が形成される。なお、図２及び後述する図３〜図６において、強磁性層の有する磁化の向きを矢印により模式的に示す。
【００２５】
この磁気記憶素子３０においては、下地層２２と電極層３２との間に電圧を印加し、磁気記憶素子３０の膜面に垂直な方向に電流を流してスピンを注入することにより、記録層２８と参照層２６との磁化の向きの相対的な角度を変化させる。そのため電流を流してスピン注入を行う際には、印加電流によるジュール熱が発生することになり、発熱部３３を設けない場合においても、発熱の影響を受けることになる。しかしながら、記録層２８の磁性材料を従来と同様の材料とした場合、通常の素子構造で発生するジュール熱がスピン注入電流低減に寄与する割合は無視できる程度しかない。これに対して、記録層２８の材料に、磁気特性の温度依存性が特定の範囲となる磁性材料を用いること、且つ、発熱部３３を設けて発熱の効果を積極的に活用することで、スピン注入電流の低減化を実現することができる。
【００２６】
すなわち本実施形態においては、記録層２８に、磁化量が１５０℃で室温時の５０％以上、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の１０％以上８０％以下となる磁性体を用いる。このような磁性体を用いることにより、スピン注入磁化反転に必要な電流を流した際に、記録層２８の磁化量が十分に低下し、記録電流が低減される。
【００２７】
仮に、２００℃より高温で磁化量が室温時の８０％以下まで低下するような磁性体を記録層２８の材料に用いる場合、スピン注入磁化反転に必要な電流を流した際にはまだ十分に磁化量が低下しておらず、大きな記録電流の低減効果は見られない。逆に、１５０℃より低い温度で記録層２８の磁化量が室温時の５０％より小さい値まで低下する場合、記録電流の低減効果は得られるものの、情報保持特性に問題が発生する。スピン注入型の磁気記憶素子３０は、不揮発メモリであるために、記録した情報をある一定の温度範囲で、例えば１０年間保持しなければならない。温度範囲は、用途によって変わるものの、通常は９０℃〜１２０℃程度が上限となる。そこで、これらの温度を上限として情報保持試験を行った結果、１５０℃より低い温度で磁化量が室温時の５０％未満まで低下する磁性体を記録層２８の材料に用いた場合、情報保持エラーの発生率を十分に低減できないことが分かった。
【００２８】
また、記録層２８の磁化量が１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の１０％より小さくなる場合、低電流で磁化反転を誘起することは可能である。しかしながら、このように極端に磁化量が小さくなる材料を記録層２８に用いると、Back Hoppingが多発してしまい、安定して記録層２８の磁化状態を制御することはできない。（例えば、“Journal of Applied Physics105,07D126(2009)”参照。）
【００２９】
このため、本実施形態においては、１５０℃で室温時の５０％以上、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の１０％以上８０％以下となる磁性体を記録層２８に用いるものとする。このような温度特性は、Ｃｏ，Ｆｅの少なくとも一方の元素と、非磁性元素、酸化物の少なくとも一方とを組み合わせた材料を用いることで容易に実現できるので好ましい。ここで非磁性元素としては、Ｔａ，Ｚｒ，Ｖ等が挙げられ、酸化物としては、ＳｉＯ２，ＭｇＯ，Ａｌ−Ｏ（酸化アルミニウム）等の材料が挙げられる。またベースとする磁性材料には、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢやこれらを含む合金等が挙げられる。
【００３０】
また、発熱部３３としては、Ｔｉ等の熱抵抗率の高い材料層を設けることが好ましい。このような熱抵抗材料を発熱部３３として用いる場合、電流通電時のみに一定範囲で発熱し、構成が簡易で製造も容易である。
【００３１】
なお、参照層２４及び２６、記録層２８に用いる磁性層は、面内磁化膜でも垂直磁化膜でも良いが、参照層２４，２６が面内磁化膜であれば、記録層２８も面内磁化膜とする。逆に、参照層２４，２６が垂直磁化膜であれば、記録層２８も垂直磁化膜とすることが好ましい。このように、参照層２４及び２６、記録層２８の磁化の向きは平行又は反平行となるように構成することが好ましい。
【００３２】
その他、記録層２８と発熱部３３以外の積層構造部２０を構成する各層の材料については、上述の材料の他、従来のスピン注入型の磁気記憶素子と同様の材料を用いることができ、その膜厚も同様であり、製造方法も特に限定されない。また、基板２１、充填層３１、電極層３２についても同様であり、その材料及び構成は特に限定されない。
【００３３】
３．本発明の第２の実施形態の変形例
（３−１）第１の変形例
次に、第２の実施形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例について図３を参照して説明する。図３に示すように、この磁気記憶素子５０は、基板４１上に、発熱部５３が形成され、その上に下地層４２、反強磁性層４３、参照層４４、非磁性層４５、参照層４６、非磁性層より成る中間層４７、記録層４８及びキャップ層４９がこの順に形成される。発熱部５３は例えば熱抵抗層より成り、発熱部５３からキャップ層４９に至る各層は例えば楕円形状等の平面形状に形成されて、積層構造部４０が構成される。そして、積層構造部４０の周囲に充填層５１が形成され、キャップ層４９と充填層５１の上に電極層５２が形成される。この例においても、記録層４８の材料には、１５０℃で室温時の５０％以上、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の１０％以上８０％以下となる磁性体を用いるものとする。その他の発熱部５３以外の積層構造部４０を構成する各層の材料及び膜厚は、従来のスピン注入型の磁気記憶素子と同様の材料及び膜厚とすることができ、その製造方法も特に限定されない。また、基板４１、充填層５１、電極層５２についても同様であり、その材料及び構成は特に限定されない。
【００３４】
なお、図２及び図３に示す例では、参照層２４，２６，４４，４６が基板２１，４１側に存在するが、これに限定されない。例えば記録層２８，４８を基板２１，４１側に配置し、参照層２４，２６，４４，４６を上部の電極層３２，５２側に配置した逆転構造としても同様の特性を得ることができる。
【００３５】
（３−２）第２の変形例
次に、図４を参照して、第２の実施形態に係る磁気記憶素子の第２の変形例について説明する。図４に示すように、この磁気記憶素子９０は、記録層６８を挟んで上下に非磁性層より成る中間層６７，７７を介して参照層６６及び７６を設ける所謂デュアル型構成とする例を示す。この磁気記憶素子９０は、基板６１上に、下地層６２、反強磁性層６３、参照層６４、非磁性層６５、参照層６６、非磁性層より成る中間層６７、記録層６８がこの順に形成される。そして記録層６８の上に、非磁性層より成る中間層７７、参照層７６、非磁性層７５、参照層７４、非磁性層８５、参照層８４、反強磁性層８３がこの順に形成される。そして反強磁性層８３の上に、熱抵抗層等より成る発熱部９３が形成され、更にこの上にキャップ層８９が形成されて、積層構造部６０が構成される。そして積層構造部６０の周囲に充填層９１が形成され、キャップ層８９と充填層９１の上に電極層９２が形成される。この例においても、記録層６８の材料には、１５０℃で室温時の５０％以上、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の１０％以上８０％以下となる磁性体を用いるものとする。その他の発熱部９３以外の積層構造部６０を構成する各層の材料及び膜厚は、従来のスピン注入型の磁気記憶素子と同様の材料及び膜厚とすることができ、その製造方法も特に限定されない。また、基板６１、充填層９１、電極層９２についても同様であり、その材料及び構成は特に限定されない。
【００３６】
（３−３）第３の変形例
次に、図５を参照して、第２の実施形態に係る磁気記憶素子の第３の変形例について説明する。図５に示すように、この磁気記憶素子１３０も第２の変形例と同様に、記録層１０８を挟んで上下に非磁性層より成る中間層１０７，１１７を介して参照層１０６及び１１６を設けるデュアル型構成とする例を示す。ただし、発熱部１３３を基板１０１と下地層１０２との間に設けるものである。この磁気記憶素子１３０は、基板１０１上に、熱抵抗層等より成る発熱部１３３、下地層１０２、反強磁性層１０３、参照層１０４、非磁性層１０５、参照層１０６、非磁性層より成る中間層１０７、記録層１０８がこの順に形成される。そして記録層１０８の上に、非磁性層より成る中間層１１７、参照層１１６、非磁性層１１５、参照層１１４、非磁性層１２５、参照層１２４、反強磁性層１２３がこの順に形成される。そして反強磁性層１２３の上にキャップ層８９が形成されて、積層構造部１００が構成される。そして積層構造部１００の周囲に充填層１３１が形成され、キャップ層１２９と充填層１３１の上に電極層１３２が形成される。この例においても、記録層１０８の材料には、１５０℃で室温時の５０％以上、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の１０％以上８０％以下となる磁性体を用いるものとする。その他の発熱部１３３以外の積層構造部１００を構成する各層の材料及び膜厚は、従来のスピン注入型の磁気記憶素子と同様の材料及び膜厚とすることができ、その製造方法も特に限定されない。また、基板１０１、充填層１３１、電極層１３２についても同様であり、その材料及び構成は特に限定されない。
【００３７】
（３−４）第４の変形例
次に、第２の実施形態に係る磁気記憶素子の第４の変形例について、図６を参照して説明する。この例においては、図６に示すように、図２及び図３に示す例と同様に、参照層１４４，１４６を記録層１４８の片側にのみ設ける例を示す。ただしこの例においては、発熱部１５３を、積層構造部１４０から離間して充填層１５１上に設けるものである。この磁気記憶素子１５０は、基板１４１上に、下地層１４２、反強磁性層１４３、参照層１４４、非磁性層１４５、参照層１４６、非磁性層より成る中間層１４７、記録層１４８及びキャップ層１４９がこの順に形成される。下地層１４２からキャップ層１４９に至る各層は例えば楕円形状等の平面形状に形成されて、積層構造部１４０が構成される。そして、積層構造部１４０の周囲に充填層１５１が形成され、キャップ層１４９と充填層１５１の上に電極層５２が形成される。更に、充填層１５１上の、積層構造部１４０に近接する位置で、例えば電極層１５２に隣接する位置に発熱部１５３が形成される。発熱部１５３は例えば熱抵抗層より成る。この例においても、記録層１４８の材料には、１５０℃で室温時の５０％以上、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の１０％以上８０％以下となる磁性体を用いるものとする。その他の発熱部１５３以外の積層構造部１４０を構成する各層の材料及び膜厚は、従来のスピン注入型の磁気記憶素子と同様の材料及び膜厚とすることができ、その製造方法も特に限定されない。また、基板１４１、充填層１５１、電極層１５２についても同様であり、その材料及び構成は特に限定されない。
【００３８】
上述した第２の実施形態に係る第２及び第３の変形例による磁気記憶素子９０，１３０においては、参照層の構成を、下部（基板側）で磁性材料二層と非磁性材料一層、上部（基板とは反対側）で磁性材料三層と非磁性材料二層としているが、これに限定されない。下部と上部を入れ替えてもよいし、参照層を磁性材料一層のみとしてもよい。また、上部と下部で磁性材料を一層と二層とするとか、三層と四層とするなど、磁性材料層の数と組み合わせは特に限定されない。
【００３９】
以上説明した図２〜図６に示すいずれの磁気記憶素子３０，５０，９０，１３０，１５０においても、積層構造部内、又は積層構造部を取り囲んで形成された充填層上に発熱部が設けられる。いずれの例においても、発熱部によって発生した熱は記録層に到達し、発熱部を設けない場合と比較して、いずれも単位電流当りの発熱量が多くなる。これにより、記録層の温度上昇は、発熱部を設けない場合と比べて大きくなる。したがって、スピン注入時には磁化量が室温時と比べて低減化されるので、例えば記録層の体積を増加して情報保持特性を向上する場合でも、スピン注入磁化反転電流の増加を回避できる。これにより、情報保持安定性を低下することなくスピン注入磁化反転電流を低減化した磁気記憶素子及び磁気メモリを提供することができる。なお、図２〜図５に示すように積層構造部に発熱部を設ける素子構造の場合、ヒートシンクとなる上下電極と記録層との距離が遠くなるため、記録層の温度上昇は、図６に示す例と比べて大きくなる。すなわち、図６に示すように充填層１５１上に発熱部１５３を設ける第４の変形例の場合、記録層１４６の温度上昇はその他の例より小さくなるが、温度上昇による上述の効果は十分に得られる。
【００４０】
６．実施例及び比較例
次に、本発明の実施例及び比較例を以下に示す。まず、本発明の効果の確認のために、下記の表１に示す磁性材料より成る記録層を作製し、磁化量の温度依存性を評価した。表１に記載の試料１〜７は記録層を構成している材料および各材料の総膜厚（単位：ｎｍ）を示す。
【００４１】
【表１】
2012015312.tif 000003
【００４２】
なお、試料１〜７においてベース磁性体として用いるＣｏＦｅＢの組成は、４０原子％Ｃｏ−４０原子％Ｆｅ−２０原子％Ｂであるが、本発明において用いる記録層はこの組成比の材料に限定されない。また、試料２〜７においては、ベース磁性体と非磁性層、酸化物を積層して構成している。各試料の積層構成は下記の通りである。各試料において、ベース磁性体、非磁性層、酸化物の膜厚及び積層数と、基板側（すなわち中間層側）からの積層構成を示す。なお、積層構成における（）内の数値は膜厚を示し、単位はｎｍである。
【００４３】
［試料２：ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）×３層、Ｔａ（０．２ｎｍ）×２層］
ＣｏＦｅＢ（１）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（１）／Ｔａ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（１）
［試料３：ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）×３層、Ｚｒ（０．１５ｎｍ）×２層、ＳｉＯ２（０．１５ｎｍ）×２層］
ＣｏＦｅＢ（１）／ＳｉＯ２（０．１５）／Ｚｒ（０．１５）／ＣｏＦｅＢ（１）／Ｚｒ（０．１５）／ＳｉＯ２（０．１５）／ＣｏＦｅＢ（１）
【００４４】
［試料４：ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）×４層、Ｔａ（０．２５ｎｍ）×２層、ＭｇＯ（０．２ｎｍ）×１層、ＭｇＯ（０．３ｎｍ）×２層］
ＣｏＦｅＢ（１）／ＭｇＯ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（１）／Ｔａ（０．２５）／ＭｇＯ（０．３）／ＣｏＦｅＢ（１）／ＭｇＯ（０．３）／Ｔａ（０．２５）／ＣｏＦｅＢ（１）
［試料５：ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）×４層、Ｖ（０．３ｎｍ）×１層、Ｖ（０．２ｎｍ）×２層、Ａｌ−Ｏ（０．１５ｎｍ）×２層］
ＣｏＦｅＢ（１）／Ａｌ−Ｏ（０．１５）／ＣｏＦｅＢ（１）／Ｖ（０．２）／Ａｌ−Ｏ（０．１５）／Ｖ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（１）／Ｖ（０．３）／ＣｏＦｅＢ（１）
【００４５】
［試料６：ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）×４層、Ｖ（０．２ｎｍ）×１層、Ｖ（０．１５ｎｍ）×２層］
ＣｏＦｅＢ（１）／Ｖ（０．１５）／ＣｏＦｅＢ（１）／Ｖ（０．２）／ＣｏＦｅＢ（１）／Ｖ（０．１５）／ＣｏＦｅＢ（１）
［試料７：ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）×４層、Ｔａ（０．２５ｎｍ）×２層、ＳｉＯ２（０．４ｎｍ）×１層、ＳｉＯ２（０．２ｎｍ）×２層］
ＣｏＦｅＢ（１）／ＳｉＯ２（０．２）／Ｔａ（０．２５）／ＣｏＦｅＢ（１）／ＳｉＯ２（０．４）／ＣｏＦｅＢ（１）／Ｔａ（０．２５）／ＳｉＯ２（０．２）／ＣｏＦｅＢ（１）
【００４６】
図７は、これら試料１〜７における記録層の磁化量Ｍｓｔの温度依存性を示す。試料２〜５における記録層の磁化量は、１５０℃で室温時の５０％以上、１５０℃以上２００℃以下の範囲で室温時の磁化量の１０％以上８０％以下となっており、本発明の実施例に相当する。一方、試料１，６及び７における記録層は比較例に相当する。
【００４７】
次に、本発明の効果を確認する目的で、発熱部を設けない場合と設ける場合との差を確認した。この場合、記録層の磁性層材料は表１に示す試料１〜７による記録層を用いた。磁気記憶素子の構成は、前述の図２、図３及び図６の構成を発熱部（有り）とし、図２において発熱部を省略した構成を、発熱部（無し）の例として、スピン注入磁化反転特性を評価した。ここで、各部の材料及び構成は下記の通りである。
【００４８】
基板：熱酸化Ｓｉ基板
下地層：Ｔａ、厚さ５ｎｍ
反強磁性層：ＰｔＭｎ、厚さ３０ｎｍ
参照層（下層）：ＣｏＦｅ、厚さ２ｎｍ
非磁性層：Ｒｕ、厚さ０．８ｎｍ
参照層（上層）：ＣｏＦｅＢ、厚さ２ｎｍ
中間層：ＭｇＯ、厚さ１．０ｎｍ
記録層：表１中の試料１〜７に対応
キャップ層：Ｔａ、厚さ５ｎｍ
電極層：Ａｌ−Ｃｕ、厚さ１００ｎｍ
充填層：ＳｉＯ２、厚さ１０〜１００ｎｍ
【００４９】
なお、ここで発熱部には、熱伝導率の小さな金属であるＴｉを膜厚８０ｎｍとして用いた。このＴｉのように、熱伝導率が大きな金属を使用した場合はより大きな発熱が得られる。磁気記憶素子の積層構造部の形状は、短軸１００ｎｍ、長軸２００ｎｍの楕円形とした。
【００５０】
図８に、各試料１〜７における記録層のスピン注入磁化反転電流密度Ｊｃを測定した結果を、素子構造毎に示す。なお、このスピン注入磁化反転電流密度Ｊｃは、上述の式（１）に示すスピン注入磁化反転電流Ｉｃに対して、
Ｊｃ＝Ｉｃ／Ａ
（Ａ：磁気記憶素子の面積（＝膜面垂直方向の断面積））
と表される。すなわち上記式（１）より、下記の式（２）が得られる。
Ｊｃ＝α・ｅ・γ・Ｍｓ・Ｖ・Ｈｅｆｆ／（ｇ・μＢ・Ａ）・・・（２）
なお、式（２）中αは制動定数、ｅは電子の電荷、γはジャイロ定数、Ｍｓは磁化が回転する磁性層の飽和磁化である。また、Ｈｅｆｆは磁気異方性による異方性磁界（Ｈａ）や外部磁場等の磁性層に働く有効磁場、Ｖは磁性層の体積、ｇはスピン注入効率、μＢはボーア磁子である。
【００５１】
図８において、「発熱部無し」は、図２に示す素子構成において発熱部３３を省略した素子構造の場合である。また、「記録層上部に発熱部有り」は図２に示す素子構造の場合であり、「参照層下部に発熱部有り」は図３に示す素子構造の場合、「充填層付近に発熱部有り」は図６に示す素子構造の場合である。
【００５２】
図８の結果から、本発明の実施例に対応する試料２〜５においては、スピン注入磁化反転電流Ｊｃを４．０ＭＡ／ｃｍ２以下に抑えることができることが分かる。これらの試料２〜５においては、スピン注入時の磁化量が低減化されており、スピン注入磁化反転電流を低減化できる。特に、積層構造部に発熱部を設ける素子構造とする場合、充填層上に発熱部を設ける場合と比べてスピン注入電流を低減化していることがわかる。また、記録層上部に発熱部を設ける素子構成とする場合に、最もスピン注入磁化反転電流密度Ｊｃを低減化できることがわかる。
【００５３】
なお、試料１〜７で用いた記録層の材料は、熱安定性指標Δが５０〜５５の範囲となるように調整してある。試料１における記録層のスピン注入磁化反転電流密度Ｊｃを見ると、素子構造によって大きな変化は見られない。これに対して、試料２〜７における記録層では、発熱部がない素子構造とする場合と比較して、発熱部を設けた素子構造とする場合のスピン注入磁化反転電流密度Ｊｃは少なくとも１割以上低減されており、本発明の効果が確認できる。
【００５４】
一方、試料１〜７における１２０℃環境下での情報保持率と、Back Hopping発生率を測定した。この結果を下記の表２に示す。
【００５５】
【表２】
2012015312.tif 000004
【００５６】
図８の結果からは、試料６及び７においてもスピン注入磁化反転電流密度Ｊｃは低減出来ているものの、上記表２から明らかなように、情報保持率が低下しており、またBack Hopping発生率が増加している。すなわち試料６及び７においては、磁化反転挙動の制御性が悪化していることが分かる。以上の結果と図７に示す温度依存性の結果を鑑みて、記録層の磁性材料としては、以下の温度特性を有することが好ましいことが分かる。すなわち、１５０℃での磁化量が室温時の磁化量の５０％以上となり、１５０℃以上２００℃以下の範囲での磁化量が室温時の磁化量の１０％以上８０％以下となる磁性体を記録層に用いることが好ましい。このような温度特性を有する磁性材料を記録層に用いることで、情報保持特性を維持するためにある程度膜厚を厚くしても、発熱部からの加熱により磁化量をスピン注入時に低下させ、これによりスピン注入磁化反転電流Ｉｃの増加を抑制できる。なお、このような温度特性が得られる記録層材料は上記試料２〜５に示す材料及び構成に限定されるものではない。ベース磁性体の材料や組成比、非磁性材料、酸化物の材料や膜厚、積層数及び積層構成を適宜変更可能であり、上述した磁化量の温度依存性を有する材料であれば同様の効果が得られることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５７】
１．ゲート電極、２．素子分離層、３，３０，５０，９０，１３０，１５０．磁気記憶素子、４．コンタクト層、６，９．配線、７．ソース領域、８．ドレイン領域１０．磁気メモリ、１１，２１，４１，６１，１０１，１４１．基板、２０，４０，６０，１００，１４０．積層部、２２，４２，６２，１０２，１４２．下地層、２３，４３，６３，１０３，１４３．反強磁性層、２４，２６，４４，４６，６４，６６，７６，７４，８４，１０４，１０６，１１６，１１４，１２４，１４４，１４６．参照層、２５，４５，６５，７５，８５，１０５，１１５，１２５，１４５．非磁性層、２７，４７，６７，７７，１０７，１１７，１４７．中間層、２８，４８，６８，１０８，１４８．記録層、２９，４９，８９，１２９，１４９．キャップ層、３３，５３，６３，１２３，１５３．発熱部
【図１】
2012015312.tif 000005
【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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