(57)【要約】【課題】書込電流を増大させることなく、高い保持力を有し熱安定性を改善することができる記憶素子の提供。【解決手段】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と、記憶層に記憶された情報の基準となる磁化を有する磁化固定層と、記憶層と磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、記憶層に隣接し中間層と反対側に設けられるキャップ層と、キャップ層に隣接し記憶層と反対側に設けられる金属キャップ層を有する。そして記憶層、中間層、磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行う。そして中間層とキャップ層は酸化物であり、金属キャップ層はＰｄもしくはＰｔで構成されているものとする。【選択図】図４
2012235015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
上記記憶層に記憶された情報の基準となる磁化を有する磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられるキャップ層と、
上記キャップ層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる金属キャップ層と、
を有し、
上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行うとともに、
上記中間層、キャップ層は酸化物であり、
上記金属キャップ層はＰｄもしくはＰｔである記憶素子。
【請求項２】
上記記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏの少なくとも一方を含有する合金領域を含んでいる請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記記憶層及び上記磁化固定層は、膜面に垂直な磁化を有する請求項２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素子と、
互いに交差する２種類の配線とを備え、
上記記憶素子は、
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、該記憶層に記憶された情報の基準となる磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し上記中間層と反対側に設けられるキャップ層と、上記キャップ層に隣接し上記記憶層と反対側に設けられる金属キャップ層とを有し、上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行うとともに、上記中間層、キャップ層は酸化物であり、上記金属キャップ層はＰｄもしくはＰｔである構成とされ、
上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、
上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、これに伴ってスピントルク磁化反転が起こる記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、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を有し、電流を流す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記憶装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【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
【特許文献３】特開２００８−２２７３８８号公報
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】PHYs. Rev. B,54.9353(1996)
【非特許文献２】J. Magn. Mat.,159,L1(1996)
【非特許文献３】Nature Materials., 5, 210(2006)
【背景技術】
【０００４】
モバイル端末から大容量サーバに至るまで、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やロジックなどの素子においても高集積化、高速化、低消費電力化など、さらなる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、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さら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、ＤＲＡＭなどを置き換えるべくＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（Phase-Change Random Access Memory）などの開発が進められている。これらのうち一部はすでに実用化されている。
【０００５】
なかでもＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向によりデータ記憶を行うために高速かつほぼ無限（１０15回以上）の書換えが可能であり、すでに産業オートメーションや航空機など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ものの、現実には低消費電力化、大容量化が困難であるという問題を有している。
これはＭＲＡＭの記録原理、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という、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問題である。
【０００６】
この問題の一つの解答として、電流磁界によらない記録、すなわち磁化反転方式が検討されている。なかでもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である（たとえば、特許文献１、２、３、非特許文献１、２参照）。
スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じくＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）により構成されている場合が多い。この構成は、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際にその磁性層にトルクを与えること（これをスピントランスファトルクとも呼ぶ）を利用したもので、あるしきい値以上の電流を流せば自由磁性層が反転する。０／１の書換えは電流の極性を変えることにより行う。
この反転のための電流の絶対値は０．１μｍ程度のスケールの素子で１ｍＡ以下である。  しかも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。さらに、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、セル構造が単純になるという利点もある。
【０００７】
以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、ＳＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque-Magnetic Random Access Memory）と呼ぶ。スピントルク磁化反転は、またスピン注入磁化反転と呼ばれることもある。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、大容量化を可能とする不揮発メモリとして、ＳＴ−ＭＲＡＭに大きな期待が寄せられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
一方、ＳＴ−ＭＲＡＭにおいては、記憶素子に流す電流によりスピントルク磁化反転を行い、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、書き込みを行う記憶装置を選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続して記憶装置を構成する。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。
【００１０】
そこで本開示においては、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、すぐれた保磁力を有する記憶素子、並びにこの記憶素子を有する記憶装置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】
【００１１】
本開示の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、上記記憶層に記憶された情報の基準となる磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられるキャップ層と上記キャップ層に隣接し、記憶層と反対側に設けられる金属キャップ層を有し、
上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行うとともに、上記中間層、キャップ層は酸化物であり、上記金属キャップ層はＰｄもしくはＰｔである。
【００１２】
本開示の記憶装置は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備える。上記記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、該記憶層に記憶された情報の基準となる磁化を有する磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、上記記憶層に隣接し上記中間層と反対側に設けられるキャップ層と、上記キャップ層に隣接し上記記憶層と反対側に設けられる金属キャップ層とを有し、上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行うとともに、上記中間層、キャップ層は酸化物であり、上記金属キャップ層はＰｄもしくはＰｔである構成とされる。そして上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、これに伴ってスピントルク磁化反転が起こる。
【００１３】
このような本開示では、記憶素子は、記憶層に対して中間層とは反対側にキャップ層及び金属キャップ層を設ける構造となるが、金属キャップ層としてＰｄもしくはＰｔを用いることで、保磁力を高めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本開示によれば、垂直磁気異方性を有する記憶素子が簡便に得られるため、情報保持能力である熱安定性を充分に確保して、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。
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。
また、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、記憶装置全体の消費電力を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態の記憶装置の概略構成の斜視図である。
【図２】実施の形態の記憶装置の断面図である。
【図３】実施の形態の記憶素子の層構造を示す断面図である。
【図４】実験で用いた記憶素子の試料の層構造の説明図である。
【図５】金属キャップ層の組成材料と保持力との関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本開示の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態の記憶装置の構成＞
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜３．実施の形態の具体的構成＞
＜４．実施の形態に関する実験＞
【００１７】
＜１．実施の形態の記憶装置の構成＞
まず、本開示の実施の形態となる記憶装置の構成について説明する。
実施の形態の記憶装置の模式図を、図１及び図２に示す。図１は斜視図、図２は断面図である。
【００１８】
図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、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ＳＴ−ＲＡＭによる記憶素子３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、各記憶装置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（ワード線）を兼ねている。
【００１９】
ドレイン領域８は、図１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。
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図１中左右方向に延びるビット線６との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子３が配置されている。この記憶素子３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。
【００２０】
図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１５、１７を有する。この２層の磁性層１５、１７のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１５の向きが固定された磁化固定層１５として、他方の磁性層を磁化Ｍ１７の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層１７とする。
また、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、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させることができる。
【００２１】
このような記憶装置では、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、トランジスタの飽和電流は微細化に伴って低下することが知られているため、記憶装置の微細化のためには、スピントランスファの効率を改善して、記憶素子３に流す電流を低減させる必要がある。
【００２２】
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、そのためには上述のようなＭＴＪ構造を採用すること、すなわち２層の磁性層１５、１７の間に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３の構成にすることが効果的である。
【００２３】
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３に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子３の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制しなくてはならない。
スピントルク磁化反転に必要な電流は、また、反転電流、記録電流などと呼ばれることがある。
【００２４】
また一方で、記憶装置は不揮発メモリであるから、電流によって書き込まれた情報を安定に記憶する必要がある。つまり、記憶層の磁化の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）を確保する必要がある。
【００２５】
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（動作環境における温度）により再反転する場合があり、書き込みエラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子３は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
ＳＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子３の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
そのため、ＳＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子３において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計する必要がある。
【００２６】
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
つぎに本開示の実施の形態となる記憶素子の概要について説明する。
本開示の実施の形態は、前述したスピントルク磁化反転により、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、強磁性層を含む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。
記憶素子３は、例えば図３に一例を示す層構造とされ、少なくとも２つの強磁性体層としての記憶層１７、磁化固定層１５を備え、またその２つの磁性層の間の中間層１６を備える。
【００２７】
記憶層１７は、膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される。
磁化固定層１５は、記憶層１７に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する。
中間層１６は、非磁性体であって、記憶層１７と磁化固定層１５の間に設けられる。
そして記憶層１７、中間層１６、磁化固定層１５を有する層構造の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もつ。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、強磁性体内部では両者の数に差がある。記憶素子３を構成する２層の強磁性体である磁化固定層１５及び記憶層１７において、互いの磁気モーメントの向きが反方向状態のときに、電子を磁化固定層１５から記憶層１７への移動させた場合について考える。
【００２９】
磁化固定層１５は、高い保磁力のために磁気モーメントの向きが固定された固定磁性層である。
磁化固定層１５を通過した電子はスピン偏極、すなわち上向きと下向きの数に差が生じる。非磁性層である中間層１６の厚さが充分に薄く構成されていると、磁化固定層１５の通過によるスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きが同数）状態になる前に他方の磁性体、すなわち記憶層１７に電子が達する。
記憶層１７では、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギを下げるために一部の電子は反転、すなわちスピン角運動量の向きをかえさせられる。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１７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、向きを変える電子の総数も少ないために記憶層１７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。
【００３０】
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１７の磁気モーメントは歳差運動を開始し、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。すなわち反方向状態から同方向状態への反転が起こる。
磁化が同方向状態にあるとき、電流を逆に記憶層１７から磁化固定層１５へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１５で反射される際にスピン反転した電子が記憶層１７に進入する際にトルクを与え、反方向状態へと磁気モーメントを反転させることができる。ただしこの際、反転を起こすのに必要な電流量は、反方向状態から同方向状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３１】
磁気モーメントの同方向状態から反方向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１５が固定されているために磁気モーメントが反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１７が反転する、と考えてもよい。このように、０／１の記録は、磁化固定層１５から記憶層１７の方向またはその逆向きに、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。
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様、磁気抵抗効果を用いて行われる。すなわち上述の記録の場合と同様に膜面垂直方向に電流を流す。そして、記憶層１７の磁気モーメントが、磁化固定層１５の磁気モーメントに対して同方向であるか反方向であるかに従い、素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３２】
磁化固定層１５と記憶層１７の間の中間層１６として用いる材料は金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつより低い電流によって記録が可能とされるのは、中間層として絶縁体を用いた場合である。このときの素子を強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）と呼ぶ。
【００３３】
スピントルク磁化反転によって、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、磁性層の磁化容易軸が面内方向であるか、垂直方向であるかによって異なる。
本実施の形態の記憶素子は垂直磁化型であるが、従前の面内磁化型の記憶素子の場合における磁性層の磁化の向きを反転させる反転電流をＩｃ＿ｐａｒａとすると、
同方向から逆方向（なお、同方向、逆方向とは、磁化固定層の磁化方向を基準としてみた記憶層の磁化方向）に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐａｒａ＝（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈｋ＋２πＭｓ）
となり、逆方向から同方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐａｒａ＝−（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈｋ＋２πＭｓ）
となる。（以上を式（１）とする）
【００３４】
一方、本例のような垂直磁化型の記憶素子の反転電流をＩｃ＿ｐｅｒｐとすると、同方向から逆方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐｅｒｐ＝（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈｋ−４πＭｓ）
となり、逆方向から同方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐｅｒｐ＝−（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈｋ−４πＭｓ）
となる。（以上を式（２）とする）
【００３５】
ただし、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、Ｐはスピン分極率、ｇ（０）、ｇ（π）はそれぞれ同方向時、逆方向時にスピントルクが相手の磁性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（非特許文献３参照）。
【００３６】
上記各式において、垂直磁化型の場合の（Ｈｋ−４πＭｓ）と面内磁化型の場合の（Ｈｋ＋２πＭｓ）とを比較すると、垂直磁化型が低記録電流化により適していることが理解できる。
【００３７】
本実施の形態では、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１７）と、磁化の向きが固定された磁化固定層１５とを有する記憶素子３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、熱安定性の指標Δ（＝ＫＶ／ｋBＴ）の値で判断される。このΔは、下記式（３）により表される。
【００３８】
Δ ＝Ｋ・Ｖ／ｋB・Ｔ＝Ｍｓ・Ｖ・Ｈｋ・（１／２ｋB・Ｔ）  式（３）
ここで、Ｈｋ：実効的な異方性磁界、ｋB：ボルツマン定数、Ｔ：温度、Ｍｓ：飽和磁化量、Ｖ：記憶層１７の体積、Ｋ：異方性エネルギーである。
実効的な異方性磁界Ｈｋには、形状磁気異方性、誘導磁気異方性、結晶磁気異方性等の影響が取り込まれており、単磁区の一斉回転モデルを仮定した場合、これは保磁力と同等となる。
【００３９】
熱安定性の指標Δと電流の閾値Ｉｃとは、トレードオフの関係になることが多い。そのため、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。
記憶層１７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１７の厚さが２ｎｍであり、平面パターンが１００ｎｍ×１５０ｎｍの略楕円形の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。
【００４０】
これに対して、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。
従って、ＳＴ−ＭＲＡＭの場合には、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分かる。
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。
【００４１】
そして、スピントルク磁化反転を行う場合には、記憶素子３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、書き込みを行う記憶素子３を選択するために、記憶素子３を選択トランジスタと接続して記憶装置を構成する。
この場合、記憶素子３に流れる電流は、選択トランジスタで流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさによって制限される。
記録電流を低減させるためには、上述のように垂直磁化型を採用することが望ましい。また垂直磁化膜は一般に面内磁化膜よりも高い磁気異方性を持たせることが可能であるため、上述の熱安定性の指標Δを大きく保つ点でも好ましい。
【００４２】
垂直異方性を有する磁性材料には希土類−遷移金属合金(ＴｂＣｏＦｅなど)、金属多層膜(Ｃｏ／Ｐｄ多層膜など)、規則合金(ＦｅＰｔなど)、酸化物と磁性金属の間の界面異方性の利用(Ｃｏ／ＭｇＯなど)等いくつかの種類があるが、希土類-遷移金属合金は加熱により拡散、結晶化すると垂直磁気異方性を失うため、ＳＴ−ＭＲＡＭ用材料としては好ましくない。また金属多層膜も加熱により拡散し、垂直磁気異方性が劣化することが知られており、さらに垂直磁気異方性が発現するのは面心立方の（１１１）配向となっている場合であるため、ＭｇＯやそれに隣接して配置するＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどの高分極率層に要求される（００１）配向を実現させることが困難となる。Ｌ１０規則合金は高温でも安定であり、かつ（００１）配向時に垂直磁気異方性を示すことから、上述のような問題は起こらないものの、製造時に５００℃以上の十分に高い温度で加熱する、あるいは製造後に５００℃以上の高温で熱処理を行うことで原子を規則配列させる必要があり、トンネルバリア等積層膜の他の部分における好ましくない拡散や界面粗さの増大を引き起こす可能性がある。
【００４３】
これに対し、界面磁気異方性を利用した材料、すなわちトンネルバリアであるＭｇＯ上にＣｏ系あるいはＦｅ系材料を積層させたものは上記いずれの問題も起こり難く、このためＳＴ−ＭＲＡＭの記憶層材料として有望視されている。
界面磁気異方性を起源とする垂直磁気異方性は、酸化物に含まれる酸素とＣｏあるいはＦｅとが界面において結合することで生じると言われているが、規則合金が示す結晶磁気異方性や希土類系が示す−イオン異方性等と比較し、異方性エネルギ自体が小さい上に、磁性層厚が厚くなるに従って低下するという問題を有する。
これの解答として、本開示においては、酸化物を磁性金属の両側に配置し、界面の数を増やすという構造を提案する。すなわち、
基板／下地層／磁化固定層／ＭｇＯ（中間層）／記憶層／酸化物によるキャップ層／金属キャップ層
という構造を採用することで、記憶層の異方性を高めるという方法である。
本実施の形態では、記憶層１７はＣｏとＦｅの少なくとも一方を含む垂直磁化膜である。
【００４４】
さらに、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層１７と磁化固定層１５との間の非磁性の中間層１６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。
【００４５】
そして、特に、このトンネル絶縁層としての中間層１６の材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることにより、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができる。
また、一般に、スピントランスファの効率はＭＲ比に依存し、ＭＲ比が大きいほど、スピントランスファの効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、トンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用い、同時に上記の記憶層１７を用いることにより、スピントルク磁化反転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。
【００４６】
これにより、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を確保して、スピントルク磁化反転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。
このように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。
なお、本実施の形態において、記憶層１７と磁化固定層１５との間の中間層１６（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。
【００４７】
トンネル絶縁層の面積抵抗値は、スピントルク磁化反転により記憶層１７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。
また、本開示の実施の形態において、記憶層１７に隣接してキャップ層１８が配置され、このキャップ層１８は酸化物からなる。
酸化物によるキャップ層１８としては、たとえばＭｇＯ、酸化アルミニウム、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3、Ａｌ−Ｎ−Ｏ等を用いる。
さらに本開示の実施の形態において、キャップ層１８に隣接して記憶層１７の反対側に金属キャップ層１９が配置される。
この金属キャップ層１９としては、ＰｄもしくはＰｔを用いる。
【００４８】
また、記憶層１７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３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３の面積を０．０１μｍ2以下とする。
また、本開示の実施の形態としての記憶層１７には、Ｃｏ、Ｆｅ以外の元素を添加することも可能である。
異種元素の添加により、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などの効果が得られる。この場合の添加元素の材料としては、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｅ、Ｏｓまたはそれらの合金を用いることができる。
【００４９】
なお、本開示における記憶層１７は組成の異なる他の強磁性層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、本開示でいう効果が得られる。
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３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。
【００５０】
磁化固定層１５及び記憶層１７のそれぞれの膜厚は、０．５ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。
記憶素子３のその他の構成は、スピントルク磁化反転により情報を記録する記憶素子３の従来公知の構成と同様とすることができる。
磁化固定層１５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ことが出来る。
また、磁化固定層１５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ピン構造とすることが出来る。
積層フェリピン構造の磁化固定層１５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。
【００５１】
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。
また、記憶素子３の膜構成は、記憶層１７が磁化固定層１５の下側に配置される構成でも問題ない。この場合は、上記導電性酸化物キャップ層が果たす役割は、導電性酸化物下地層により担われることになる。
【００５２】
＜３．実施の形態の具体的構成＞
続いて、本開示の実施の形態の具体的構成について説明する。
記憶装置の構成は先に図１で述べたとおり、直交する２種類のアドレス配線１，６（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３が配置されるものである。
そして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、スピントルク磁化反転により記憶層１７の磁化の向きを反転させることができる。
【００５３】
図３は記憶素子３の詳細構造を表している。
図３に示すように、記憶素子３は、スピントルク磁化反転により磁化Ｍ１７の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層１５を設けている。
ＳＴ−ＭＲＡＭにおいては、記憶層１７の磁化Ｍ１７と磁化固定層１５の磁化Ｍ１５の相対的な角度によって情報の０、１を規定している。
記憶層１７と磁化固定層１５との間には、トンネルバリア層（トンネル絶縁層）となる中間層１６が設けられ、記憶層１７と磁化固定層１５とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
【００５４】
また、磁化固定層１５の下には下地層１４が形成されている。
記憶層１７の上（つまり記憶層１７に隣接し、中間層１６と反対側）にはキャップ層１８が形成されている。
さらにキャップ層１８の上（つまりキャップ層１８に隣接し、記憶層１７と反対側）に金属キャップ層１９が形成されている。
本実施の形態では、記憶層１７はＣｏとＦｅの少なくとも一方を含む垂直磁化膜である。
また、キャップ層１８は導電性の酸化物からなる。
金属キャップ層１９は、ＰｄもしくはＰｔにより成る。
さらに、本実施の形態において、中間層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。
【００５５】
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Ｍ１７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。
本実施の形態の記憶素子３は、下地層１４から金属キャップ層１９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。
【００５６】
上述の本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７が垂直磁化膜であるため、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することができる。
このように、情報保持能力である熱安定性を充分に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３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３の動作マージンを充分に得ることができ、記憶素子３を安定して動作させることができる。
すなわち、安定して動作する、信頼性の高い記憶装置を実現することができる。
また、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。
その結果、本実施の形態の記憶素子３により構成された記憶装置は、消費電力を低減することが可能になる。
【００５７】
以上より、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。
また、図３に示した記憶素子３を備え、図１に示した構成の記憶装置は、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。
【００５８】
＜４．実施の形態に関する実験＞
ここで、本実施の形態の記憶素子３の構成において、具体的に金属キャップ層1９を構成する材料を選定することにより、記憶素子３の試料を作製し、その特性を調べた。
実際の記憶装置には、図１に示したように、記憶素子３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、キャップ層１８に隣接する記憶層１７の磁化反転特性を調べる目的で、記憶素子３のみを形成したウェハにより検討を行った。
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３に示した構成の記憶素子３を形成した。
具体的には、図３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次のように選定した。
【００５９】
図４に示すように、
・下地層１４：膜厚１０ｎｍのＴａ膜と膜厚２５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・磁化固定層１５：膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
・中間層（トンネル絶縁層）１６：膜厚０．９ｎｍの酸化マグネシウム膜
・記憶層１７：ＣｏＦｅＢ/Ｔａ/ＣｏＦｅＢ積層膜
・キャップ層１８：ＭｇＯ
・金属キャップ層１９：膜厚５ｎｍで、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔａ、ＣｒＲｕ、Ｐｄ、Ｖのいずれか
即ち、５ｎｍ厚の金属キャップ層１９として、６種類の材料を用いて、６種類の試料を作成した。
【００６０】
上記膜構成で、記憶層１７の強磁性層は、ＣｏＦｅＢ ０．９ｎｍ／Ｔａ ０．３ｎｍ／ＣｏＦｅＢ ０．９ｎｍであり、ＣｏＦｅＢの組成はＣｏ１６%−Ｆｅ６４%−Ｂ２０%である。
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜から成る中間層１６、ならびにキャップ層１８はＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて成膜し、その他の膜はＤＣ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、３００℃・２時間の熱処理を行った。
【００６１】
上記試料の磁気特性を、磁気光学カー効果を用いて評価し、得られた保磁力と金属キャップ層の材料の関係を図５に示す。
これらの膜はいずれも垂直磁化膜となるが、その保磁力には顕著な差が認められ、Ｐｄ、Ｐｔにおいて高い保磁力を示すことが分かった。
即ち、本実施の形態のように金属キャップ層１９としてＰｄもしくはＰｔを用いた規則素子では、保磁力を高めることができる。
そして本実施の形態では、垂直磁気異方性を有する記憶素子が簡便に得られるため、情報保持能力である熱安定性を充分に確保して、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。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。
また、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。これにより記憶装置全体の消費電力を低減することが可能になる。
【００６２】
以上実施の形態について説明してきたが、本開示では、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。
【００６３】
例えば実施の形態では、磁化固定層１５をＣｏＦｅＢとしたが、実施の形態に限定されるものではなく、本開示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。
また、実施の形態では、単一の下地、キャップ材料、記憶素子形状しか示していないが、それらに限定されるものではなく、本開示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。
また実施の形態では、磁化固定層１５は単層であったが、２層の強磁性層と非磁性層から成る積層フェリピン構造を用いても良い。また、さらに、積層フェリピン構造膜に反強磁性膜を付与した構造でもよい。
また、記憶素子３の膜構成は、記憶層１７が磁化固定層１６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。
【００６４】
なお、本開示の技術は以下のような構成を採ることもできる。
（１）情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
上記記憶層に記憶された情報の基準となる磁化を有する磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
上記記憶層に隣接し、上記中間層と反対側に設けられるキャップ層と、
上記キャップ層に隣接し、上記記憶層と反対側に設けられる金属キャップ層と、
を有し、
上記記憶層、上記中間層、上記磁化固定層を有する層構造の積層方向に流れる電流に伴って発生するスピントルク磁化反転を利用して上記記憶層の磁化を反転させることにより情報の記憶を行うとともに、
上記中間層、キャップ層は酸化物であり、
上記金属キャップ層はＰｄもしくはＰｔである記憶素子。
（２）上記記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏの少なくとも一方を含有する合金領域を含んでいる上記（１）に記載の記憶素子。
（３）上記記憶層及び上記磁化固定層は、膜面に垂直な磁化を有する上記（１）又は（２）に記載の記憶素子。
【符号の説明】
【００６５】
１  ゲート電極、２  素子分離層、３  記憶素子、４  コンタクト層、６  ビット線、７  ソース領域、８  ドレイン領域、９  配線、１０  半導体基体、１４  下地層、１５  磁化固定層、１６  中間層、１７  記憶層、１８  キャップ層、１９  金属キャップ層
【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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