(57)【要約】【課題】熱安定性を確保して特性バランスに優れた記憶素子を実現する。【解決手段】記憶素子は、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記憶層と、上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を有する層構造を備える。その上で、上記層構造の積層方向に電流を流すことで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。記憶層は、少なくともＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層を有する。また記憶層に接する中間層と、該中間層とは反対側で記憶層が接する他方の層は、少なくとも記憶層と接する界面が酸化物層とされており、さらに上記他方の層は、酸化物層が、Ｌｉを含むＬｉ系酸化物層とされている。【選択図】図４
2013115400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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記憶層と、
上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、
を有する層構造を備え、
上記層構造の積層方向に電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記記憶層は、少なくともＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層を有し、
上記記憶層に接する上記中間層と、該中間層とは反対側で上記記憶層が接する他方の層は、少なくとも上記記憶層と接する界面が酸化物層とされており、さらに上記他方の層は、上記酸化物層が、Ｌｉを含むＬｉ系酸化物層とされている記憶素子。
【請求項２】
上記Ｌｉ系酸化物層は、Ｌｉと、少なくともＡｌ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｐ，Ｂ，Ｃのいずれかからなる酸化物を有する請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記Ｌｉ系酸化物層は、Ｌｉと酸素からなる酸化物を有する請求項１に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記中間層は、少なくとも上記記憶層と接する界面の層がＭｇＯ膜で構成される請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層と、少なくとも１つの非磁性層を有し、
上記記憶層の上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層及び上記非磁性層を含んで、酸化物層、上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層、上記非磁性層が積層された積層構造部が形成されている請求項１に記載の記憶素子。
【請求項６】
上記中間層の酸化物層と、上記記憶層の上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層と、上記記憶層の上記非磁性層により、上記積層構造部が形成されている請求項５に記載の記憶素子。
【請求項７】
上記他方の層のＬｉ系酸化物層と、上記記憶層の上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層と、上記記憶層の上記非磁性層により、上記積層構造部が形成されている請求項５に記載の記憶素子。
【請求項８】
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、
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記憶層と、
上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、
を有する層構造を備え、
上記層構造の積層方向に電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記記憶層は、少なくともＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層を有し、
上記記憶層に接する上記中間層と、該中間層とは反対側で上記記憶層が接する他方の層は、少なくとも上記記憶層と接する界面が酸化物層とされており、さらに上記他方の層は、上記酸化物層が、Ｌｉを含むＬｉ系酸化物層とされている構成とされ、
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を流す記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複数の磁性層を有し、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子及び記憶装置に関する。
【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】Physical Review B, 54, 9353(1996)
【非特許文献２】Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 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。
【０００６】
この問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、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（例えば、特許文献１、２、３、非特許文献１、２参照）。
【０００７】
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。
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。
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。
【０００９】
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、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、ＳＴ−ＭＲＡＭ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、記憶素子に流す電流を低減させる必要がある。
【００１０】
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、すなわち記憶層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。すなわち記憶素子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。
なお、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。
【００１１】
また一方で、ＳＴ−ＭＲＡＭ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。
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。
ＳＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち記憶層の体積を小さくすることが可能であるという利点があることを記録電流値の観点で上述した。しかしながら、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。
【００１２】
そのため、ＳＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子において、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。
すなわち、ＳＴ−ＭＲＡＭが不揮発メモリとして存在し得るためには、スピントルク磁化反転に必要な反転電流をトランジスタの飽和電流やトンネルバリアが破壊される電流以下に減らし、また、書き込まれた情報を保持するための熱安定性を確保する必要がある。
【００１３】
そこで本開示では、反転電流を低減し、かつ熱安定性が確保できるＳＴ−ＭＲＡＭとしての記憶素子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】
【００１４】
本開示の記憶素子は、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記憶層と、上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を有する層構造を備える。そして上記層構造の積層方向に電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われる。さらに上記記憶層は、少なくともＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層を有し、上記記憶層に接する上記中間層と、該中間層とは反対側で上記記憶層が接する他方の層は、少なくとも上記記憶層と接する界面が酸化物層とされており、さらに上記他方の層は、上記酸化物層が、Ｌｉを含むＬｉ系酸化物層とされている。
【００１５】
また、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、記憶素子は上記の構成の記憶素子であり、２種類の配線の間に記憶素子が配置され、二種類の配線を通じて、記憶素子に積層方向の電流が流れる。
【００１６】
本開示の記憶素子によれば、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ており、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録が行われるので、積層方向に電流を流すことで情報の記録を行うことができる。このとき、記憶層が垂直磁化膜であることにより、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値を低減することができる。
一方で、垂直磁化膜の有する強い磁気異方性エネルギーのために記憶層の熱安定性を十分に保つことができる。
【００１７】
反転電流の低減と熱安定性の確保を両立させる観点で注目されているのが、垂直磁化膜を記憶層に用いた構造である。例えば非特許文献３によれば、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜などの垂直磁化膜を記憶層に用いることにより、反転電流の低減と熱安定性の確保を両立できる可能性が示唆されている。
垂直磁気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。
しかしＳＴ−ＭＲＡＭにおいて大きな読み出し信号を与える高磁気抵抗変化率を実現するためにトンネル接合構造を採用することを考え、さらに耐熱性や製造上の容易さを考慮すると、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もしくはＦｅを含む磁性材料を積層させたものが有望である。
しかしながら、界面磁気異方性を起源とする垂直磁気異方性は、結晶磁気異方性や一イオン異方性等と比較し、異方性エネルギーが小さい上に、磁性層厚が厚くなるに従って低下する。
そこで本開示では、上記記憶層は、少なくともＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層を有するようにするとともに、記憶層に接する中間層と他方の層は、少なくとも記憶層と接する界面が酸化物層とする。特に他方の層はＬｉ系酸化物層とする。
これにより記憶層における異方性を高め、かつ反転電流の低減を可能とする。
【００１８】
また、本開示の記憶装置の構成によれば、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、スピントランスファが起こることにより、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トルク磁化反転による情報の記録を行うことができる。
また、上記記憶層の熱安定性は十分に保つことができるため、記憶素子に記録された情報を安定に保持し、かつ記憶装置の微細化、信頼性の向上、低消費電力化を実現することが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本開示によれば、高い垂直磁気異方性を有する記憶素子が得られるため、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】
【００２０】
【図１】本開示の実施の形態の記憶装置の説明図である。
【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構造の説明図である。
【図４】実施の形態の記憶素子のより詳細な説明図である。
【図５】実施の形態の記憶素子のより詳細な説明図である。
【図６】実施の形態の試料の層構造の説明図である。
【図７】実験試料の反転電圧と熱安定性指標ＫＶ/ｋBＴの関係の説明図である。
【図８】実施の形態の磁気ヘッド適用例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明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．実験＞
＜５．変形例＞
【００２２】
＜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。
【００２３】
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−ＭＲＡＭ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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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ことが好適である。
【００２７】
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。
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することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記憶電流などと呼ばれることがある。
【００２８】
また記憶装置は不揮発メモリ装置であるから、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。
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（ＳＴ−ＭＲＡＭ）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。
【００２９】
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
次に実施の形態となる記憶素子の概要について説明する。
実施の形態の記憶素子３は、前述したスピントルク磁化反転により、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。
【００３０】
記憶素子３は、例えば図３Ａ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。
また、図３Ｂのように少なくとも２つの強磁性体層としての磁化固定層１５Ｕ、１５Ｌ、および記録層１７を備え、また３つの磁性層の間に中間層１６Ｕ、１６Ｌを備えても良い。
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。ＳＴ−ＭＲＡＭ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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、系のエネルギー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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
同方向から逆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。
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である。平行、反平行とも呼ばれる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、垂直磁化型が低記憶電流化により適していることが理解できる。
【００４３】
ここで、反転電流Ｉｃ０は熱安定性の指標Δとの関係で表すと次の（数１）により表される。
【数１】
2013115400.tif 000003
但しｅは電子の電荷、ηはスピン注入効率、バー付きのｈは換算プランク定数、αはダンピング定数、ｋBはボルツマン定数、Ｔは温度である。
【００４４】
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（数２）により表される。
【数２】
2013115400.tif 000004
ここで、Ｈｋは実効的な異方性磁界、ｋBはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｍｓは飽和磁化量、Ｖは記憶層の体積、Ｋは異方性エネルギーである。
【００４５】
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。
【００４６】
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、平面パターンが直径１００ｎｍ円形のＴＭＲ素子において、百〜数百μＡ程度である。
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。
【００４７】
そして、スピントルク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。
【００４８】
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Δを大きく保つ点でも好ましい。
【００４９】
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。
【００５０】
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一イオン異方性等と比較し、異方性エネルギー自体が小さい上に、磁性層厚が厚くなるに従って低下するという課題を有する。
【００５１】
この課題を解決するため、本願発明者は、酸化物を磁性金属の両側に配置し、酸化物と磁性金属の界面の数を増やし、特に、中間層１６とは反対側で記憶層１７に接する酸化物を、少なくともＬｉ含む酸化物にすることにより、さらに記憶層１７の垂直磁気異方性を高められることを見出した。
すなわち、例えば基板／下地層１４／磁化固定層１５／中間層１６（酸化物によるトンネルバリア層）／記憶層１７／少なくともＬｉを含む酸化物が記憶層との界面とされたキャップ層という構造を採用することで、記憶層１７の異方性を高めることができる。
また、酸化物層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層、非磁性層（非磁性添加材料）が積層された積層構造部をすくなくとも一つ含む層構造を採用することも、記憶層１７の異方性を高めることができる。
本実施の形態では、記憶層１７はＣｏ−Ｆｅ−ＢをベースとしてＴａを添加した垂直磁化膜である。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
また、記憶層１７に隣接してキャップ層１８が配置され、このキャップ層は酸化物層を有する。キャップ層１８の酸化物としては、たとえばＭｇＯ、酸化アルミニウム、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ｂｉ2Ｏ3、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3、Ａｌ−Ｎ−Ｏ等を用いることができるが、上記のように記憶層１７との界面は少なくともＬｉを含む酸化物層とする。
【００５７】
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。
【００５８】
また記憶層１７には、上述のＴａ以外に、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆを添加したり、これらに加えて、さらに他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、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｅ、Ｏｓまたはそれらの合金および酸化物を用いることができる。
【００５９】
なお、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、本実施の形態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、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。
【００６０】
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の従来公知の構成と同様とすることができる。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
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。
【００６３】
また、記憶素子の膜構成は、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。つまり図３Ａとは記憶層１７と磁化固定層１５の位置が入れ替わった構造である。
この場合は、キャップ層１８ではなく、下地層１４において少なくとも記憶層１７に接する界面はＬｉを含む酸化物層とされているようにする。
【００６４】
＜３．実施の形態の具体的構成＞
続いて、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，図２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。
【００６５】
図３Ａ，図３Ｂは実施の形態の記憶素子３（ＳＴ−ＭＲＡＭ）の層構造の例を表している。
【００６６】
まず図３Ａの構造として、記憶素子３は、下層側から順に、下地層１４、磁化固定層１５、中間層１６、記憶層１７、キャップ層１８が積層されている。
この場合、スピン注入により磁化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。
スピン注入型メモリにおいては、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。
【００６７】
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。
【００６８】
記憶層１７は、磁化Ｍ１７の方向が層面垂直方向に自由に変化する磁気モーメントを有する強磁性体から構成されている。磁化固定層１５は、磁化Ｍ１５が膜面垂直方向に固定された磁気モーメントを有する強磁性体から構成されている。
情報の記憶は一軸異方性を有する記憶層１５の磁化の向きにより行う。書込みは、膜面垂直方向に電流を印加し、スピントルク磁化反転を起こすことにより行う。このように、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層１５に対して、下層に磁化固定層１５が設けられ、記憶層１７の記憶情報（磁化方向）の基準とされる。
本実施の形態では、記憶層１７、磁化固定層１５としてはＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いる。後述するが、記憶層１７は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層に加え、非磁性層が含まれている。例えばＴａ層である。この非磁性層はＶ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれかでもよい。
【００６９】
磁化固定層１５は情報の基準であるので、記録や読み出しによって磁化の方向が変化してはいけないが、必ずしも特定の方向に固定されている必要はなく、記憶層１７よりも保磁力を大きくするか、膜厚を厚くするか、あるいは磁気ダンピング定数を大きくして記憶層１７よりも動きにくくすればよい。
【００７０】
中間層１６は、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層とされる。この場合には、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。
なお中間層１６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。
【００７１】
下地層１４およびキャップ層１８としては、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｒｕ等各種金属およびＴｉＮ等の導電性窒化物を用いることができる。また、下地層１４およびキャップ層１８は単層で用いても良いし、異なる材料を複数積層しても良い。
本実施の形態の場合、キャップ層１８は、中間層１６とは反対側で記憶層１７に接する他方の層となるが、キャップ層１８において少なくとも記憶層１７との界面の層は、Ｌｉ系酸化物層とされている。
Ｌｉ系酸化物とは、例えばＬｉＡｌＯ2，ＬｉＣｕＯ2，ＬｉＳｉＯ2，ＬｉＰＯ3，ＬｉＢＯ2，Ｌｉ2ＣＯ3，ＬｉＯ2，Ｌｉ-Ｍｇ-Ｏなどである。
【００７２】
次に図３Ｂは、実施の形態としてデュアル構造の層構造の例である。
記憶素子３は、下層側から順に、下地層１４、下部磁化固定層１５Ｌ、下部中間層１６Ｌ、記憶層１７、上部中間層１６Ｕ、上部磁化固定層１５Ｕ、キャップ層１８が積層されている。
即ち記憶層１７に対し、上下に中間層１６Ｕ、１６Ｌを介して磁化固定層１５Ｕ、１５Ｌが設けられる。
【００７３】
このようなデュアル構造においては磁化固定層１５Ｕ、１５Ｌの磁化方向が変化しない（上部磁化固定層１５Ｕの磁化Ｍ１５Ｕと下部磁化固定層１５Ｌの磁化Ｍ１５Ｌが逆向きになっている）ことが必須である。
本実施の形態の場合、上部中間層１６Ｕは、下部中間層１６Ｌとは反対側で記憶層１７に接する層となるが、上部中間層１６Ｕにおいて少なくとも記憶層１７との界面の層は、Ｌｉ系酸化物層とされている。例えば上部中間層１６ＵがＬｉ系酸化物層で形成される。
【００７４】
以上の図３Ａ、図３Ｂの実施の形態においては、特に、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさが記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるように、記憶素子３の記憶層１７の組成が調整されている。
即ち、記憶層１７の強磁性材料Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ組成を選定し、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさを低くして、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるようにする。
【００７５】
これらの実施の形態の記憶素子３は、下地層１４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。
【００７６】
ここで、図３Ａ、図３Ｂの記憶素子３は、記憶層１７が、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層と、Ｔａ等の少なくとも１つの非磁性層を有する。そして酸化物層、上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層、上記非磁性層が積層された積層構造部が形成されている。
この点を含めて、図４，図５により詳しい層構造を示す。
【００７７】
図４は図３Ａの層構造を、より詳しく示したものである。
上述のように記憶層１７は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層に加え、Ｔａ等の非磁性層が含まれている。即ち記憶層１７は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層１７ａ、非磁性層１７ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層１７ｃが積層されて成る。
非磁性層１７ｂは、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の金属元素で形成されてもよく、また複数の金属元素が積層されていてもよい。
またキャップ層１８は、少なくとも記憶層１７に接する界面が、Ｌｉ系酸化物層１８ａとされている。
また中間層１６は、上述のようにＭｇＯ層とされ、記憶層１７に接する界面が酸化物層となっている。
【００７８】
つまり、中間層１６の酸化物層（ＭｇＯ）と、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層１７ａと、記憶層１７の非磁性層１７ｂにより、酸化物層／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層／非磁性層の積層構造部Ｕ１が形成されている。
また中間層１６とは反対側で記憶層１７が接するキャップ層１８は、記憶層１７と接する界面がＬｉ系酸化物層１８ａであることから、キャップ層１８のＬｉ系酸化物層１８ａと、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層１７ｃと、記憶層１７の非磁性層１７ｂにより、酸化物層／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層／非磁性層の積層構造部Ｕ２が形成されている。
【００７９】
このように下層側からいうと、酸化物／磁性体／非磁性体の積層構造部Ｕ１、非磁性体／磁性体／酸化物の積層構造部Ｕ２が、設けられることで、熱安定性を向上させることができる。
【００８０】
図５は図３Ｂの層構造を、より詳しく示したものである。
この場合も記憶層１７は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層に加え、非磁性層が含まれている。即ち図５に示すように、記憶層１７は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層１７ａ、非磁性層１７ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層１７ｃが積層されて成る。この非磁性層１７ｂは、Ｔａ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか少なくとも１つの金属元素で形成されている。複数の金属元素が積層されていてもよい。
また上部中間層１６ＵはＬｉ系酸化物層とされ、記憶層１７に接する界面がＬｉ系酸化物となっている。
また下部中間層１６ＬはＭｇＯ層とされ、記憶層１７に接する界面が酸化物層となっている。
【００８１】
つまり、下部中間層１６Ｌの酸化物層（ＭｇＯ）と、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層１７ａと、記憶層１７の非磁性層１７ｂにより、酸化物層／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層／非磁性層の積層構造部Ｕ１が形成されている。
また下部中間層１６Ｌとは反対側で記憶層１７が接する上部中間層１６ＵはＬｉ系酸化物層であるから、上部中間層１６Ｕの酸化物層（Ｌｉ系酸化物）と、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層１７ｃと、記憶層１７の非磁性層１７ｂにより、酸化物層／Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層／非磁性層の積層構造部Ｕ２が形成されている。
【００８２】
この場合も、下層側からいうと、酸化物／磁性体／非磁性体の積層構造部Ｕ１、非磁性体／磁性体／酸化物の積層構造部Ｕ２が設けられる。これにより熱安定性を向上させることができる。
【００８３】
以上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。
垂直磁気異方性を高めるためには、酸化物が記憶層１７の両側に配置されるようにすることが好適である。特にＬｉ系酸化物を記憶層１７との界面に用いること、また上記の積層構造部Ｕ１、Ｕ２を設けることにより、熱安定性向上と書き込み電流低減を両立できる。
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。
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。
従って、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が可能になる。
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。
また、図３〜図５で説明した記憶素子３を備え、図１に示した構成の記憶装置は、記憶装置を製造する際に、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。
【００８４】
＜４．実験＞
ここで、図３Ａ及び図４に示した本実施の形態の記憶素子３の構成において、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、記憶素子のみを形成したウェハにより検討を行った。
【００８５】
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３Ａに示した構成の記憶素子３を形成した。
具体的には、図３Ａに示したＭＴＪにおいて各層の材料及び膜厚を次のように選定した。
図６Ａに比較例としての試料９、図６Ｂに本実施の形態に該当する試料１〜試料８を示す。
【００８６】
比較例を含む全ての試料１〜試料９は、以下の構造は同様とした。
・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：ＣｏＰｔ：２ｎｍ／Ｒｕ：０．８ｎｍ／ＣｏＦｅＢ：２ｎｍの積層膜。
・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：図６Ｄに拡大して示すように、ＣｏＦｅＢ／非磁性層／ＣｏＦｅＢの積層膜で、トータル膜厚を２．０ｎｍとした。
【００８７】
キャップ層１８は以下のとおりである。
図６Ａに示すように、比較例としての試料９のキャップ層１８は、ＭｇＯ：０．８ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍ／Ｒｕ：３ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍの積層構造とした。つまり記憶層１７との界面にＬｉ系酸化物を用いない例である。
一方、実施の形態の試料１〜試料８では、図６Ｂに示すように、キャップ層１８は、Ｌｉ系酸化物：０．８ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍ／Ｒｕ：３ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍの積層構造とした。
このＬｉ系酸化物として図６Ｃに示す酸化物をそれぞれ用いて、試料１〜試料９とした。
試料１はＬｉＡｌＯ2、試料２はＬｉＣｕＯ2、試料３はＬｉＳｉＯ2、試料４はＬｉＰＯ3、試料５はＬｉＢＯ2、試料６はＬｉ2ＣＯ3、試料７はＬｉＯ2、試料８はＬｉ−Ｍｇ−Ｏである。
【００８８】
各試料において、磁化固定層１５、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成は、（Ｃｏ３０％−Ｆｅ７０％）８０％−Ｂ２０％（いずれも原子％）とした。
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の内、ＬｉＡｌＯ2、ＬｉＣｕＯ2、ＬｉＳｉＯ2、ＬｉＰＯ3、ＬｉＢＯ2、Ｌｉ2ＣＯ3、ＬｉＯ2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。なお、Ｌｉ−Ｍｇ−ＯはＬｉＭｇ合金を成膜し、その後、酸化することにより作成した。
さらに、記憶素子３の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で熱処理を行った後、記憶層１７を一般的な電子線リソグラフィ及びイオンミリングプロセスを用いて加工した。
【００８９】
以上のように作製した記憶素子３の各試料に対して、以下のようにして、スピン注入磁化反転の評価を行った。
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、中間層１６が破壊しない範囲内の１Ｖまでとなるように設定した。
【００９０】
・反転電流値及び熱安定性の測定
本実施の形態による記憶素子３の書き込み特性および熱安定を評価する目的で、反転電流値のパルス幅依存性（１０μｓから１００ｍｓのパルス幅）を測定した。
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３の前述した熱安定性の指標Δ＝（ＫＶ／ｋBＴ）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。
そして、記憶素子３間のばらつきを考慮するために、同一構成の記憶素子３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（ＫＶ／ｋBＴ）の平均値を求めた。
【００９１】
さらに、測定により得られた反転電圧の平均値と、記憶素子３の平面パターンの面積とから、反転電圧Ｖｃ０を算出した。なお、本測定に用いた素子の面積抵抗の試料間に差異は±３％の範囲内に収まっている。
【００９２】
キャップ層１８中の酸化物（Ｌｉ系酸化物）の異なる試料１〜試料９の反転電圧と熱安定性指標ＫＶ/ｋBＴの関係を図７に示す。
比較例である試料９のＫＶ／ｋBＴと反転電圧Ｖｃ０の関係が（ＫＶ／ｋBＴ、Ｖｃ０）＝（６７、０．５２）であるのと比較して、試料１〜試料８の試料ではいずれも高ＫＶ/ｋBＴ，低Ｖｃ０化している。
なお、試料１のＶｃ０は、比較例試料９とほぼ同等であるが、通常ＫＶ／ｋBＴが大きくなれば反転電圧Ｖｃ０も大きくなるところ、この場合はＫＶ／ｋBＴが大きくなっているのに反転電圧Ｖｃ０は同等である。これは試料１が、比較例試料９に比べて、熱安定性の向上と反転電流低減を両立していることを意味している。
他の試料２〜試料８は、明らかに試料９に比べて熱安定性向上と書き込み電流低減を実現できている。
【００９３】
記録層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂベース磁性材用を垂直磁化させるにはＣｏ，Ｆｅの３ｄ電子と酸素の２ｐ電子の軌道混成が重要である。ここで、Ｌｉは電気陰性度が１．０と小さい材料であるため、酸化物中の酸素の電子を拘束する力が弱い。このためＬｉベース酸化物とＣｏ−Ｆｅ−Ｂベース磁性材料の界面でより強固な酸素の電子とＣｏ，Ｆｅの電子の軌道混成が生じる。それにより、Ｌｉベース酸化物を用いた場合に、高ＫＶ/ｋBＴが実現されていると考えられる。
また、Ｌｉは軽元素であるため、磁性材料とのスピン‐軌道相互作用が小さい。これにより、記憶層１７の実効的なダンピング定数は小さくなり、結果として低Ｖｃ０の特性が実現されているものと考えられる。
【００９４】
なお、この実験例では、キャップ層１８にＬｉを用いていない比較例の試料９を含めて、比較的高いＫＶ／ｋBＴ（６７以上）が得られている。
比較例を含めて全ての試料１〜試料９では、上述した積層構造部Ｕ１、Ｕ２を備える構造となっている。
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或いは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、一方で、酸化物とは反対側の界面において接する非磁性材料も非常に重要な役割を果たす。
つまり最も基本的な単位としては、酸化物／磁性体／非磁性体、非磁性体／磁性体／酸化物の組み合わせが重要である。
試料１〜試料９では、記憶層１７に、この重要な基本単位を２つ（上述の積層構造部Ｕ
１，Ｕ２）を組み込むことにより、より大きなＫＶ／ｋBＴを得ることに成功したと考えられる。
【００９５】
以上をまとめると、酸化物／磁性体／非磁性体、非磁性体／磁性体／酸化物の組み合わせを備えることで、熱安定性を高めるのに有効であり、かつ低電圧で磁化反転を生じさせることができる。これは上述の熱安定性の指標Δと磁化反転の閾値のトレードオフ関係の改善を意味しており、熱安定性向上と同時に低消費電力化も達成している。
その上で、Ｌｉ系酸化物を用いることで、一層の熱安定性向上と書き込み電流低減を実現できるものといえる。
【００９６】
＜５．変形例＞
以上実施の形態について説明してきたが、本開示の技術は、上述の実施の形態で示した記憶素子３の層構成に限らず、様々な層構成を採用することが可能である。
例えば実施の形態では、記憶層１７と磁化固定層１５のＣｏ−Ｆｅ−Ｂの組成を同一のものとしたが、上述の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。
また図４，図５では、積層構造部Ｕ１，Ｕ２の両方を備えた層構造例を示したが、少なくとも積層構造部Ｕ１，Ｕ２の一方を備える場合も、熱安定性の向上効果は得られる。
【００９７】
また、実施の形態の記録層１７はＴａが添加されたＣｏ−Ｆｅ−Ｂであったが、Ｔａに代えてＷ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆの単独もしくは共添加でもよい。さらに、垂直磁気異方性が損なわれない範囲で、その他の金属元素や酸化物を同時に添加することも可能である。その他の元素の例としては、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、酸化物としてはＭｇＯ、Ａｌ−Ｏ、ＳｉＯ2、Ｌｉベース酸化物が挙げられる。
【００９８】
また、下地層１４やキャップ層１８は、単一材料でも複数材料の積層構造でも良い。
また磁化固定層１５は、単層でも、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。
【００９９】
なお本開示の記憶素子３の構造は、ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このＴＭＲ素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【０１００】
一例として図８Ａ、図８Ｂに、上記記憶素子３の構造の磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図８Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が分かるように一部を切り欠いて示した斜視図であり、図８Ｂは複合型磁気ヘッド１００の断面図である。
複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、本開示の技術を適用した磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されてなるとともに、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッド上にインダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されてなる。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作するものであり、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。すなわち、この複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドと記録用ヘッドを複合して構成されている。
【０１０１】
複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、いわゆるシールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド１２５と、第１の磁気シールド１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等のような絶縁材料からなる。
第１の磁気シールド１２５は、磁気抵抗効果素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。この第１の磁気シールド１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗効果素子１０１が形成されている。
【０１０２】
磁気抵抗効果素子１０１は、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。そして、この磁気抵抗効果素子１０１は、上述した記憶素子３と同様な膜構成とされる。
この磁気抵抗効果素子１０１は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。またバイアス層１２８，１２９と接続されている接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗効果素子１０１にセンス電流が供給される。
さらにバイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。
【０１０３】
以上のような磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、当該磁気コアを巻回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。
上層コア１３２は、第２の磁気シールド１２２と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。
すなわち、この複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド１２７は、磁気抵抗効果素子１２６の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
【０１０４】
また、第２の磁気シールド１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。ここで、薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２からなる磁気コアを巻回するように形成されている。図示していないが、この薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈するようになされ、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、このインダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。すなわち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時には、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３２に記録電流が供給されることとなる。
【０１０５】
以上のような複合型磁気ヘッド１２１は、再生用ヘッドとして磁気抵抗効果型磁気ヘッドを搭載しているが、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として、本開示の技術を適用した磁気抵抗効果素子１０１を備えている。そして、本開示の技術を適用した磁気抵抗効果素子１０１は、上述したように非常に優れた特性を示すので、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、磁気記録の更なる高記録密度化に対応することができる。
【０１０６】
なお本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）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記憶層と、
上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、
を有する層構造を備え、
上記層構造の積層方向に電流を流すことで上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記記憶層は、少なくともＣｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層を有し、
上記記憶層に接する上記中間層と、該中間層とは反対側で上記記憶層が接する他方の層は、少なくとも上記記憶層と接する界面が酸化物層とされており、さらに上記他方の層は、上記酸化物層が、Ｌｉを含むＬｉ系酸化物層とされている記憶素子。
（２）上記Ｌｉ系酸化物層は、Ｌｉと、少なくともＡｌ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｐ，Ｂ，Ｃのいずれかからなる酸化物を有する上記（１）に記載の記憶素子。
（３）上記Ｌｉ系酸化物層は、Ｌｉと酸素からなる酸化物を有する上記（１）に記載の記憶素子。
（４）上記中間層は、少なくとも上記記憶層と接する界面の層がＭｇＯ膜で構成される上記（１）乃至（３）に記載の記憶素子。
（５）上記記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層と、少なくとも１つの非磁性層を有し、
上記記憶層の上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層及び上記非磁性層を含んで、酸化物層、上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層、上記非磁性層が積層された積層構造部が形成されている上記（１）乃至（４）に記載の記憶素子。
（６）上記中間層の酸化物層と、上記記憶層の上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層と、上記記憶層の上記非磁性層により、上記積層構造部が形成されている上記（５）に記載の記憶素子。
（７）上記他方の層のＬｉ系酸化物層と、上記記憶層の上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層と、上記記憶層の上記非磁性層により、上記積層構造部が形成されている上記（５）又は（６）に記載の記憶素子。
【符号の説明】
【０１０７】
３  記憶素子、１４  下地層、１５  磁化固定層、１５Ｕ  上部磁化固定層、１５Ｌ  下部磁化固定層、１６  中間層、１６Ｕ  上部中間層、１６Ｌ  下部中間層、１７  記憶層、１７ａ，１７ｃ  Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ磁性層、１７ｂ  非磁性層、１８  キャップ層、１８ａ  Ｌｉ系酸化物層
【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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