(57)【要約】【課題】集積度を低下させることなく、ＬＰＢＳを抑制し、より低消費電力での駆動を可能とする磁気記憶素子を提供する。【解決手段】膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が可変である記憶層と、前記記憶層の少なくとも一方の面側に非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な一方向に向きが固定された磁化を有する参照層と、前記参照層の前記記憶層が設けられた面と対向する面側に非磁性層を介して設けられ、前記参照層の磁化方向と反平行の向きの固定された磁化を有する磁化固定層と、前記磁化固定層の前記参照層が設けられた面と対向する面側に非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、前記記憶層よりも磁化方向の変化が容易である磁化アシスト層と、を備える、磁気記憶素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が可変である記憶層と、
前記記憶層の少なくとも一方の面側に非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な一方向に向きが固定された磁化を有する参照層と、
前記参照層の前記記憶層が設けられた面と対向する面側に非磁性層を介して設けられ、前記参照層の磁化方向と反平行の向きの固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化固定層の前記参照層が設けられた面と対向する面側に非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、前記記憶層よりも磁化方向の変化が容易である磁化アシスト層と、
を備える、磁気記憶素子。
【請求項２】
前記磁化アシスト層の磁化を反転させる電流量は、前記記憶層よりも小さい、請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の下に設けられ、
前記磁化固定層と、前記磁化アシスト層とは、結晶配向性および磁気異方性の方向が略一致する、請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記磁化固定層は、ＣｏＰｔ合金からなる膜、ＣｏＮｉＰｔ合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉとＣｏとの積層膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｃｒ、Ｗ、ＭｏもしくはＮｉとＣｏとの合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉとＣｏとの積層膜である、請求項３に記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記磁化固定層は、ＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｐｔ、ＰｄもしくはＮｉとＦｅとの合金からなる膜である、請求項３に記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の下に設けられ、
前記磁化固定層は、ＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜であり、かつ
前記磁化固定層と前記磁化アシスト層との間の非磁性層は、酸化物材料からなる膜である、請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の上に設けられ、
前記磁化固定層と前記磁化アシスト層との間の非磁性層は、酸化物材料からなる膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣからなる群より選択された少なくとも１種以上との合金からなる膜である、請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項８】
前記参照層および前記磁化固定層は、前記記憶層の対向する両方の面側にそれぞれ設けられる、請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項９】
前記磁化アシスト層は、前記参照層および前記磁化固定層を介して、前記記憶層の対向する両方の面側にそれぞれ設けられる、請求項８に記載の磁気記憶素子。
【請求項１０】
前記記憶層と前記参照層との間の非磁性層は、絶縁性の酸化物材料を含む、請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項１１】
前記参照層と前記磁化固定層との間の非磁性層は、非磁性の金属材料を含む、請求項１に記載の磁気記憶素子。
【請求項１２】
磁化方向にて情報を記憶する記憶層と、
磁化方向が固定されており、前記記憶層の磁化方向の基準となる参照層と、
前記参照層と磁気的に結合する磁化固定層と、
前記記憶層よりも磁化方向の変化が容易である磁化アシスト層と、
を備え、
前記記憶層、前記参照層、前記磁化固定層、および磁化アシスト層を通して流れる電流により発生するスピントルクにて前記記憶層へ情報を書き込む際に、前記磁化アシスト層は、前記記憶層に書き込まれる磁化方向と平行方向に磁化反転し、前記記憶層に外部磁場を印加する、磁気記憶素子。
【請求項１３】
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の下に設けられ、
前記磁化固定層と、前記磁化アシスト層とは、結晶配向性および磁気異方性の方向が略一致する、請求項１２に記載の磁気記憶素子。
【請求項１４】
前記磁化固定層は、ＣｏＰｔ合金からなる膜、ＣｏＮｉＰｔ合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉとＣｏとの積層膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｃｒ、Ｗ、ＭｏもしくはＮｉとＣｏとの合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉとＣｏとの積層膜である、請求項１３に記載の磁気記憶素子。
【請求項１５】
前記磁化固定層は、ＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｐｔ、ＰｄもしくはＮｉとＦｅとの合金からなる膜である、請求項１３に記載の磁気記憶素子。
【請求項１６】
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の下に設けられ、
前記磁化固定層は、ＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜であり、かつ
前記磁化固定層と前記磁化アシスト層との間の非磁性層は、酸化物材料からなる膜である、請求項１２に記載の磁気記憶素子。
【請求項１７】
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の上に設けられ、
前記磁化固定層と前記磁化アシスト層との間の非磁性層は、酸化物材料からなる膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣからなる群より選択された少なくとも１種以上との合金からなる膜である、請求項１２に記載の磁気記憶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁気記憶素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の各種情報機器の性能の向上に伴い、これら各種情報機器に内蔵される記憶装置および演算処理装置についても性能の向上が進んでいる。
【０００３】
例えば、記憶装置等に用いられる不揮発性の半導体記憶素子では、高集積化、高速化および低消費電力化が進行している。また、さらなる高性能化のために、フラッシュメモリに加えて、ＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ−Ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、およびＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などの様々なタイプの半導体記憶素子の開発が進められている。
【０００４】
磁性体の磁化方向によって情報を記憶するＭＲＡＭは、高速動作が可能であり、かつ記憶の信頼性が高いため、フラッシュメモリを超える記憶素子として注目されている。特に、ＭＲＡＭの中でも、磁性層にスピン偏極電子を注入することで磁性層の磁化方向を反転させるＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ばれる磁気記憶素子が注目されている。
【０００５】
ここで、ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいて、記憶素子としての信頼性を向上させるために書き込みエラーを減少させるには、書き込み時の印加電圧（すなわち、書き込み時の電流）を増加させ、磁性層の磁化方向の反転確率を増加させることが行われている。
【０００６】
ただし、ＳＴＴ−ＭＲＡＭでは、書き込み時の印加電圧が一定値以上となる場合、磁性体の磁気的な不均一性に起因して、書き込みエラー率が減少しにくくなるＬＰＢＳ（Ｌｏｗ  Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ  Ｂｉｆｕｒｃａｔｅｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）と呼ばれる現象が生じてしまう。ＬＰＢＳが発生した場合、記憶素子として必要な書き込みエラー率を満足するには、書き込み時により高い電圧を印加する必要があるため、書き込み時の消費電力が増加してしまう。
【０００７】
例えば、下記の特許文献１には、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの書き込みエラー率を低下させるために、書き込み時の電圧を信号処理することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０３４７９１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１に開示された技術を適用するには、ＳＴＴ−ＭＲＡＭを構成する磁気記憶素子に書き込み時の電圧を信号処理するための回路を別途付加する必要がある。そのため、特許文献１に開示された技術を適用した磁気記憶素子では、回路規模が増加し、集積度が低下してしまっていた。
【００１０】
そこで、本開示では、集積度を低下させることなく、ＬＰＢＳを抑制することで、より低消費電力での駆動を可能とする、新規かつ改良された磁気記憶素子を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示によれば、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が可変である記憶層と、前記記憶層の少なくとも一方の面側に非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な一方向に向きが固定された磁化を有する参照層と、前記参照層の前記記憶層が設けられた面と対向する面側に非磁性層を介して設けられ、前記参照層の磁化方向と反平行の向きの固定された磁化を有する磁化固定層と、前記磁化固定層の前記参照層が設けられた面と対向する面側に非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、前記記憶層よりも磁化方向の変化が容易である磁化アシスト層と、を備える、磁気記憶素子が提供される。
【００１２】
また、本開示によれば、磁化方向にて情報を記憶する記憶層と、磁化方向が固定されており、前記記憶層の磁化方向の基準となる参照層と、前記参照層と磁気的に結合する磁化固定層と、前記記憶層よりも磁化方向の変化が容易である磁化アシスト層と、を備え、前記記憶層、前記参照層、前記磁化固定層、および磁化アシスト層を通して流れる電流により発生するスピントルクにて前記記憶層へ情報を書き込む際に、前記磁化アシスト層は、前記記憶層に書き込まれる磁化方向と平行方向に磁化反転し、前記記憶層に外部磁場を印加する、磁気記憶素子が提供される。
【００１３】
本開示によれば、情報を書き込む際に、磁化アシスト層によって記憶層の磁化反転方向と平行な外部磁場が記憶層に印加されるため、書き込みエラー率を低下しにくくするＬＰＢＳの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本開示によれば、磁気記憶素子の集積度を低下させることなく、ＬＰＢＳを抑制し、より低消費電力での駆動を可能とする。
【００１５】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本開示の一実施形態に係る磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図である。
【図２Ａ】同実施形態に係る磁気記憶素子のＬ書き込み時の挙動を示す説明図である。
【図２Ｂ】同実施形態に係る磁気記憶素子のＨ書き込み時の挙動を示す説明図である。
【図３】第１の変形例に係る磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図である。
【図４】第２の変形例に係る磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図である。
【図５】第３の変形例に係る磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図である。
【図６】実施例１に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図７】比較例に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図８】実施例１に係る磁気記憶素子の書き込みエラー率と、印加電圧との関係を示したグラフ図である。
【図９】比較例に係る磁気記憶素子の書き込みエラー率と、印加電圧との関係を示したグラフ図である。
【図１０】実施例２に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図１１】実施例３に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図１２】実施例４に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図１３】実施例５に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図１４】実施例６に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図１５】実施例７に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図１６】実施例８に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【図１７】ＳＴＴ−ＭＲＡＭの磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図である。
【図１８】ＬＰＢＳが発生した場合の磁気記憶素子の書き込みエラー率と印加電圧との関係を示すグラフ図である。
【図１９Ａ】外部磁場を印加しない場合の書き込みエラー率と、印加電圧との関係を示したグラフ図である。
【図１９Ｂ】外部磁場を印加した場合の書き込みエラー率と、印加電圧との関係を示したグラフ図である。
【図１９Ｃ】外部磁場を印加した場合の書き込みエラー率と、印加電圧との関係を示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１８】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本開示の背景
１．１．本開示に係る技術的背景
１．２．ＳＴＴ−ＭＲＡＭの磁気記憶素子の構成
１．３．書き込み時のエラー率特性の検討
２．本開示の一実施形態
２．１．磁気記憶素子の構成
２．２．変形例
３．本開示の実施例
４．まとめ
【００１９】
＜１．本開示の背景＞
［１．１．本開示に係る技術的背景］
まず、本開示に係る技術的背景について説明する。本開示に係る技術は、各種情報を記憶する不揮発性の半導体記憶素子に関するものである。
【００２０】
不揮発性の半導体記憶素子は、フラッシュメモリに代表されるように進歩が著しく、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）装置などの半導体記憶素子以外の記憶装置を駆逐する勢いで開発が進められている。また、不揮発性の半導体記憶素子からなる記憶装置は、データストレージ以外にも、プログラムおよび演算パラメータ等を記憶するコードストレージ、およびプログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一時的に記憶するワーキングメモリへの展開が検討されている。
【００２１】
このような不揮発性の半導体記憶素子としては、上述したように、ＮＯＲ型またはＮＡＮＤ型フラッシュメモリが代表的であるが、他にも、強誘電体の残留分極にて情報を記憶するＦｅＲＡＭ、相変化膜の相状態で情報を記憶するＰＣＲＡＭ、および磁性体の磁化方向にて情報を記憶するＭＲＡＭなどが開発されている。
【００２２】
特に、ＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向で情報を記憶するため、情報の書き換えを高速で、かつほぼ無制限に行うことが可能である。このため、ＭＲＡＭは、注力的に開発が進められており、産業オートメーション機器および航空機などの分野では、一部実用化されるまでに至っている。
【００２３】
ただし、ＭＲＡＭのうち、配線から発生する電流磁界にて磁性体の磁化を反転させるＭＲＡＭについては、上記の磁化反転の方法に起因して、消費電力の低減、および大容量化が困難であった。これは、磁性体の磁化を反転可能な強さの電流磁界を発生させるには、数ｍＡ程度の電流が必要であり、書き込み時の消費電力が増加してしまうためである。また、電流磁界を発生させる配線を磁気記憶素子ごとに用意する必要があり、磁気記憶素子の小型化に限界があるためである。
【００２４】
そこで、配線からの電流磁界を用いる以外の方法にて磁性体の磁化を反転可能なＭＲＡＭが検討されている。具体的には、スピントルク磁化反転を用いて、磁性体の磁化を反転させるＭＲＡＭが検討されている。
【００２５】
スピントルク磁化反転とは、所定の方向に固定された磁気モーメントを有する磁性体を通過したスピン偏極電子が他の磁性体に進入する際に、進入する磁性体の磁気モーメントにトルクを与えることを利用した磁化反転方法である。これによれば、閾値以上の電流（すなわち、スピン偏極電子）が流れ、閾値以上のトルクが与えられた磁性体の磁気モーメントは、与えられたトルクと平行な方向に反転する。なお、磁気モーメントの反転方向は、磁性体に流す電流の極性を変更することで制御することが可能である。
【００２６】
ここで、スピントルク磁化反転を生じさせるために必要な電流の絶対値は、５０ｎｍ程度の大きさの磁気記憶素子でおおよそ１００μＡ以下であり、かつ磁気記憶素子の体積が小さくなるほど減少する。一方、配線から発生する電流磁界を用いて磁性体の磁化を反転させる場合、磁化反転に必要な電流は、おおよそ数ｍＡ程度である。したがって、スピントルク磁化反転を用いたＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭともいう）は、配線からの電流磁界による磁化反転を用いたＭＲＡＭに対して、書き込み時に必要な電流を極めて小さくすることができるため、低消費電力での動作が可能である。
【００２７】
また、配線からの電流磁界による磁化反転を用いたＭＲＡＭでは、電流磁界を発生させるワード線等の配線が必要となるが、ＳＴＴ−ＭＲＡＭでは、このような配線が不要となる。そのため、ＳＴＴ−ＭＲＡＭは、配線からの電流磁界による磁化反転を用いたＭＲＡＭに対して、各磁気記憶素子を小型化することができるため、より大容量化することが可能である。
【００２８】
したがって、ＳＴＴ−ＭＲＡＭは、情報の書き換えが高速、かつほぼ無制限に可能であるＭＲＡＭの特性を維持しつつ、低消費電力化および大容量化が可能であるため、高性能の不揮発性の半導体記憶素子として大いに注目されている。
【００２９】
［１．２．ＳＴＴ−ＭＲＡＭの磁気記憶素子の構成］
次に、図１７を参照して、上記にて説明したスピントルク磁化反転を用いたＳＴＴ−ＭＲＡＭの各磁気記憶素子の構造について説明する。図１７は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図である。
【００３０】
図１７に示すように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの磁気記憶素子１０は、第１電極層１１と、磁化固定層１４と、磁化結合層１５と、参照層１６と、スピン注入層１７と、記憶層１８と、第２電極層１９とを備える。
【００３１】
磁気記憶素子１０は、１つの情報（０または１）を記憶する一記憶素子である。磁気記憶素子１０の上下には、互いに直交するアドレス用の配線（すなわち、ワード線およびビット線）が設けられ、磁気記憶素子１０は、配線の交点付近にてワード線およびビット線と接続される。
【００３２】
具体的には、磁気記憶素子１０では、選択トランジスタ等を介して、第１電極層１１および第２電極層１９と、ワード線およびビット線とが接続されている。これにより、選択トランジスタによって選択された磁気記憶素子１０では、ワード線およびビット線を介して、第１電極層１１および第２電極層１９の間に電圧が印加され、記憶層１８に記憶された情報の書き換え、および読み出しが行われる。ただし、図１７では、ワード線、ビット線および選択トランジスタの図示は省略した。
【００３３】
なお、図１７では、磁気記憶素子１０の積層構造として、記憶層１８を基準として下方向にスピン注入層１７、参照層１６、磁化結合層１５および磁化固定層１４が積層された構造を示したが、磁気記憶素子１０は、かかる構造に限定されない。磁気記憶素子１０は、記憶層１８を基準として上方向にスピン注入層１７、参照層１６、磁化結合層１５および磁化固定層１４が積層された構造とすることも可能である。
【００３４】
記憶層１８は、強磁性体材料を含む磁性体にて形成され、磁性体の磁化方向によって情報を記憶する。また、記憶層１８の磁化容易軸は、膜面に対して垂直方向であり、記憶層１８は、磁化方向が可変となるように設けられる。記憶層１８は、単層であってもよく、非磁性層と磁性層との積層であってもよく、酸化物層と磁性層との積層であってもよい。
【００３５】
参照層１６は、強磁性体材料を含む磁性体にて形成され、記憶層１８の一方の面側にスピン注入層１７を介して設けられる。参照層１６の磁化方向は、一方向（図１７では、第１電極層１１から第２電極層１９へ向かう方向）に固定されており、記憶層１８に保持された磁化方向に対する基準として機能する。
【００３６】
スピン注入層１７は、非磁性体材料にて形成され、記憶層１８と参照層１６との間に挟持されて設けられる。スピン注入層１７は、記憶層１８への情報の書き込みの際に、記憶層１８と参照層１６との間でスピン偏極電子をやり取りすることで、記憶層１８にスピントルクを与え、記憶層１８の磁化方向を反転させる。
【００３７】
また、スピン注入層１７は、記憶層１８からの情報の読み出しの際に、磁気抵抗効果によって記憶層１８および参照層１６のそれぞれの磁化方向に基づいて電気抵抗を変化させる。したがって、磁気記憶素子１０は、第１電極層１１および第２電極層１９の間の電気抵抗を測定することで、記憶層１８に記憶された情報を読み出すことができる。
【００３８】
磁化固定層１４は、強磁性体材料を含む磁性体にて形成され、参照層１６のスピン注入層１７が設けられた面と対向する面側に磁化結合層１５を介して設けられる。磁化固定層１４は、参照層１６の磁化と反平行な方向（図１７では、第２電極層１９から第１電極層１１へ向かう方向）の固定された磁化を有し、参照層１６と磁気的に結合することで、参照層１６からの漏洩磁場を打ち消す。これにより、磁化固定層１４は、参照層１６から記憶層１８への磁気的な影響を低減することができる。
【００３９】
磁化結合層１５は、非磁性体材料にて形成され、参照層１６と磁化固定層１４との間に挟持されて設けられる。磁化結合層１５は、参照層１６と磁化固定層１４とを磁気的に結合させることで、参照層１６の磁化方向を安定させ、参照層１６の磁化方向の保持特性を向上させることができる。
【００４０】
なお、記憶層１８、参照層１６および磁化固定層１４に含まれる強磁性体材料としては、例えば、ＴｂＦｅＣｏおよびＧｄＦｅＣｏなどの非晶質垂直磁化材料、ＣｏＰｔおよびＦｅＰｔなどの結晶磁気異方性を有する磁性体材料、またはＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうちから選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣのうちから選択された少なくとも１種以上との合金磁性体材料を例示することができる。
【００４１】
第１電極層１１および第２電極層１９は、磁化固定層１４、磁化結合層１５、参照層１６、スピン注入層１７および記憶層１８を挟持するように設けられる。
【００４２】
第１電極層１１は、磁気記憶素子１０の下部電極として機能し、各種金属材料または合金材料にて形成される。また、第１電極層１１は、第１電極層１１の上に積層される磁化固定層１４の結晶配向性を制御してもよい。例えば、第１電極層１１は、磁化固定層１４と結晶配向性および磁気異方性が略一致する金属材料で形成されてもよい。また、第２電極層１９は、磁気記憶素子１０の上部電極として機能し、各種金属または合金にて形成される。また、第２電極層１９は、磁気記憶素子１０の保護層として機能してもよい。
【００４３】
続いて、磁気記憶素子１０における情報の書き込み、および読み出しの仕組みについて説明する。
【００４４】
まず、磁気記憶素子１０における情報の読み出しの仕組みについて説明する。磁気記憶素子１０では、記憶層１８からの情報の読み出しは、磁気抵抗効果を用いて行われる。
【００４５】
具体的には、第１電極層１１と第２電極層１９との間に電流を流した場合、記憶層１８と参照層１６との磁化方向が平行状態であるのか、反平行状態であるのかに基づいて、スピン注入層１７の電気抵抗が変化する。これにより、磁気記憶素子１０が示す電気抵抗の大小を検出することによって、記憶層１８に記憶された情報を読み出すことができる。
【００４６】
続いて、磁気記憶素子１０における情報の書き込みの仕組みについて説明する。磁気記憶素子１０では、記憶層１８への情報の書き込みは、スピントルク磁化反転を用いて行われる。以下では、スピントルク磁化反転について、記憶層１８、参照層１６およびスピン注入層１７に着目して説明する。
【００４７】
まず、電子は、２種類のスピン角運動量を取り得るが、仮にそれぞれを上向き、下向きと定義する。したがって、非磁性体では、上向きの電子と、下向きの電子とが同数となっており、強磁性体では、上向きの電子と、下向きの電子との数に差が生じている。
【００４８】
ここで、磁化方向が互いに反平行である記憶層１８および参照層１６において、電子を参照層１６から記憶層１８へ移動させた場合を考える。参照層１６は、磁化固定層１４との磁気的結合等によって磁気モーメントが固定されているため、参照層１６を通過した電子は、参照層１６の磁気モーメントと同じ偏極方向にて、上向きの電子と下向きの電子との数に差が生じる（スピン偏極するともいう）ことになる。
【００４９】
スピン注入層１７が十分に薄く形成されている場合、参照層１６を通過した電子は、スピン偏極が緩和し、上向きの電子と下向きの電子が同数になる（非偏極状態ともいう）前に記憶層１８に進入する。
【００５０】
記憶層１８では、スピンの偏極方向は進入した電子と逆になっている。したがって、系全体のエネルギを低下させるため、進入した電子の一部は、スピン角運動量の向きが反転する。ただし、系全体では、スピン角運動量は保存されるため、反転した電子のスピン角運動量の変化の合計と等価な反作用が記憶層１８の磁気モーメントに加えられる。
【００５１】
参照層１６および記憶層１８に流れる電流が少ない場合、記憶層１８に進入する単位時間当たりの電子の数も少ないため、記憶層１８の磁気モーメントに加えられるスピン角運動量の合計も小さい。しかしながら、参照層１６および記憶層１８に流れる電流量の増加に伴い、記憶層１８の磁気モーメントに加えられる単位時間当たりのスピン角運動量の合計も大きくなる。そして、角運動量の時間変化であるトルクが閾値を超えた場合、記憶層１８の磁気モーメントは、歳差運動を開始し、その後、１８０度反転した状態で安定となる。なお、記憶層１８の磁気モーメントが１８０度反転した状態で安定となるのは、記憶層１８を構成する磁性体に磁化容易軸が存在し、一軸異方性があるためである。
【００５２】
上記のような仕組みにより、記憶層１８の磁化方向は、参照層１６と反平行状態から、平行状態へと反転する。したがって、磁気記憶素子１０では、記憶層１８から参照層１６へ電流を流し、参照層１６から記憶層１８に電子を注入することにより、磁化方向が参照層１６と反平行である記憶層１８の磁化方向を反転させることができる。
【００５３】
一方、磁化方向が参照層１６と平行である記憶層１８の磁化方向を反転する場合、参照層１６から記憶層１８へ電流を流すことで、記憶層１８から参照層１６へ電子を注入する。この場合、参照層１６に進入した電子は、参照層１６にて反射されることで、スピンが反転し、再度、記憶層１８に進入する。これにより、記憶層１８の磁気モーメントは、参照層１６での反射によりスピンが反転した電子からトルクを受けるため、トルクが閾値を超えた場合、記憶層１８の磁気モーメントは、参照層１６と反平行方向に反転する。
【００５４】
なお、参照層１６と平行な磁化方向を有する記憶層１８の磁化方向を反転するために必要な電流量は、反平行な磁化方向を有する記憶層１８の磁化方向を反転させる場合よりも多くなる。以下では、便宜的に、参照層１６の磁化方向と平行な記憶層１８の磁化を反転させる書き込みを、必要な電流量が多いことから「Ｈ書き込み」と称し、参照層１６の磁化方向と反平行な記憶層１８の磁化を反転させる書き込みを「Ｌ書き込み」と称する。
【００５５】
上記のようにして、磁気記憶素子１０では、記憶層１８への情報の書き込みは、記憶層１８、スピン注入層１７および参照層１６に、電流の極性に対応した閾値以上の電流を流すことで行われる。
【００５６】
より詳細には、スピントルク磁化反転にて記憶層１８の磁化を反転させるために必要となる電流（反転電流ともいう）の閾値Ｉｃ０は、記憶層１８の磁化容易軸が膜面に垂直方向に向いている場合、以下の式１Ａおよび式１Ｂにて表される。なお、式１Ａは、記憶層１８の磁化が参照層１６の磁化方向と平行な場合の式であり、式１Ｂは、記憶層１８の磁化が参照層１６の磁化方向と反平行な場合の式である。
【００５７】
【数１】
2017195269.tif 000003
【００５８】
上記の式１Ａおよび式１Ｂにおいて、Ａは定数、αはダンピング定数、Ｍｓは飽和磁化、Ｖは記憶層１８の体積、Ｐはスピン分極率、ｇ（０）およびｇ（π）は平行または反平行な場合にスピントルクが記憶層１８に伝達される効率に対する係数、Ｈｋは実効的な異方性磁界である。
【００５９】
また、反転電流Ｉｃ０は、磁性体の熱安定性の指標Δとの関係では、以下の式２にて表すことができる。
【００６０】
【数２】
2017195269.tif 000004
【００６１】
上記の式２において、ｅは電子の電荷、ηはスピン注入効率、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。また、磁性体の熱安定性の指標Δは、以下の式３で表される。
【００６２】
【数３】
2017195269.tif 000005
【００６３】
上記の式３において、Ｈｋは実効的な垂直磁気異方性、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｍｓは飽和磁化、Ｖは記憶層１８の体積、Ｋは異方性エネルギである。なお、実効的な異方性磁界Ｈｋには、形状磁気異方性、誘導磁気異方性および結晶磁気異方性等の影響が含まれるが、記憶層１８の磁化反転を単磁区の一斉回転モデルと仮定すると、異方性磁界Ｈｋは、保磁力と同等となる。
【００６４】
磁性体の磁化方向で情報を記憶する磁気記憶素子では、熱安定性の指標Δと、磁化反転の閾値である反転電流Ｉｃ０との両立が重要となる。すなわち、磁気記憶素子では、熱安定性を高くしつつ、磁化反転の閾値を低くすることが求められる。ＳＴＴ−ＭＲＡＭである磁気記憶素子１０は、上記の式によれば、直径５０ｎｍの円形の平面形状を有し、かつ厚みが２ｎｍである記憶層１８において、十分な熱安定性を確保した場合でも、反転電流を数十〜百μＡ程度とすることができる。
【００６５】
したがって、スピントルク磁化反転を用いた磁気記憶素子１０は、電流磁界による磁化反転を用いた磁気記憶素子に対して、書き込み時の電流を小さくすることができるため、低消費電力での動作が可能である。また、スピントルク磁化反転を用いた磁気記憶素子１０は、電流磁界による磁化反転を用いた磁気記憶素子に対して、電流磁界を発生させるための配線が不要であり、素子を小型化することが可能であるため、大容量化が可能である。
【００６６】
［１．３．書き込み時のエラー率特性の検討］
次に、図１８〜図１９Ｃを参照して、ＳＴＴ−ＭＲＡＭである磁気記憶素子１０における書き込み時のエラー率特性について説明する。
【００６７】
情報の書き込みにスピントルク磁化反転を用いる磁気記憶素子１０では、記憶層１８の磁化の反転は、磁気記憶素子１０に印加した電圧（すなわち、電流）の大きさに対して、確率的に生じる。したがって、磁気記憶素子１０では、記憶層１８への情報の書き込み失敗である書き込みエラーの割合（書き込みエラー率）は、印加電圧の増加に対応して減少することが予測される。
【００６８】
ここで、印加電圧に対する書き込みエラー率の減少の程度は、情報の書き込みに用いる信号のパルス幅が短くなるほど緩やかになる。したがって、情報の記憶に短パルス信号を用いる場合、十分に低い書き込みエラー率を実現するためには、印加電圧をより高くする必要が生じる。
【００６９】
また、情報の書き込みに用いる信号が短パルスである場合、磁気記憶素子１０の磁気的な不均一性によって、印加電圧に対して書き込みエラー率の低下が一様ではなくなるＬＰＢＳ（Ｌｏｗ  Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ  Ｂｉｆｕｒｃａｔｅｄ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）と呼ばれる現象が生じることがある。ＬＰＢＳが発生した場合、印加電圧に対する書き込みエラー率の低下がさらに緩やかになるため、十分に低い書き込みエラー率を実現するには、印加電圧をさらに高くする必要が生じてしまう。
【００７０】
ＬＰＢＳが発生した場合の磁気記憶素子１０の書き込みエラー率と印加電圧との代表的な関係を図１８に示す。図１８は、ＬＰＢＳが発生した場合の磁気記憶素子１０の書き込みエラー率と印加電圧との関係を示すグラフ図である。なお、図１８は、Ｈ書き込みの場合であり、書き込み信号のパルス幅は、１５ｎｓ程度である。
【００７１】
図１８に示すように、磁気記憶素子１０では、印加電圧の増加に伴い、書き込みエラー率が低下する。しかしながら、０．３Ｖ付近の印加電圧を境に、印加電圧の増加に対する書き込みエラー率の低下が緩やかになっている。
【００７２】
このようなＬＰＢＳは、磁気記憶素子１０の磁気的な不均一性のために生じるため、全ての磁気記憶素子にて発生するものではないが、多数の磁気記憶素子１０を集積した記憶装置では、無視できない頻度で発生する。また、ＬＰＢＳは、低温環境下で発生頻度が増加する傾向にある。したがって、使用温度条件を広くした場合、記憶装置として十分な書き込みエラー率を実現するためには、より高い書き込み電圧が必要となり、消費電力が増加してしまう。
【００７３】
本開示に係る技術の発明者らは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの磁気記憶素子１０にて生じるＬＰＢＳについて検討した結果、磁気記憶素子１０におけるＬＰＢＳの発生は、外部磁場によって変化することを見出した。
【００７４】
具体的には、発明者らは、反転させようとする磁化方向と平行な外部磁場を記憶層１８に印加した場合、ＬＰＢＳの発生が抑制され、書き込みエラー率の低下が緩やかにならないことを見出した。また、発明者らは、反転させようとする磁化方向と反平行な外部磁場を記憶層１８に印加した場合、ＬＰＢＳの影響が増加し、書き込みエラー率の低下がより緩やかになることを見出した。
【００７５】
上記知見について、図１９Ａ〜図１９Ｃを参照して、より具体的に説明する。図１９Ａ〜図１９Ｃは、１Ｍｂｉｔの磁気記憶素子１０に繰り返し１０６回の書き込みを行った場合の書き込みエラー率と、印加電圧との関係を示したグラフ図である。
【００７６】
なお、図１９Ａは、外部磁場を印加しなかった場合の結果であり、図１９Ｂは、Ｈ書き込みの磁化の反転方向に約１５９００Ａ／ｍ（２００Ｏｅ）の外部磁場を印加した場合の結果であり、図１９Ｃは、Ｌ書き込みの磁化の反転方向に約１５９００Ａ／ｍ（２００Ｏｅ）の外部磁場を印加した場合の結果である。
【００７７】
図１９Ａに示すように、磁気記憶素子１０では、Ｈ書き込みおよびＬ書き込みのいずれでも、印加電圧の増加に伴ってＬＰＢＳが発生し、書き込みエラー率の減少が緩やかになっていることがわかる。
【００７８】
しかしながら、図１９Ｂおよび図１９Ｃに示すように、磁気記憶素子１０に外部磁場を印加した場合、外部磁場の方向と記憶層１８の磁化反転の方向とが平行となる場合、ＬＰＢＳの発生が抑制されていることがわかる。
【００７９】
具体的には、図１９Ｂに示すように、Ｈ書き込みの磁化反転方向と平行な外部磁場を記憶層１８に印加した場合、Ｈ書き込みにおいて、書き込みエラー率の低下の傾向が変化していないことがわかる。また、図１９Ｃに示すように、Ｌ書き込みの磁化反転方向と平行な外部磁場を記憶層１８に印加した場合、Ｌ書き込みにおいて、書き込みエラー率の低下の傾向が変化していないことがわかる。
【００８０】
一方、図１９ＢにおけるＬ書き込み、および図１９ＣにおけるＨ書き込みのように、記憶層１８の磁化反転方向と反平行の外部磁場を印加した場合、書き込みエラー率の低下がより緩やかになっていることがわかる。
【００８１】
すなわち、上記の知見によれば、磁気記憶素子１０では、記憶層１８への書き込みの際に、記憶層１８の磁化反転方向に応じた外部磁場を記憶層１８へ印加することで、ＬＰＢＳの発生を抑制することが可能である。本開示に係る技術の発明者らは、以上の知見に基づいて、本開示に係る技術を完成させるに至った。以下では、ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいてＬＰＢＳによる書き込みエラー率への影響を抑制することが可能な本開示に係る技術について、詳細に説明する。
【００８２】
＜２．本開示の一実施形態＞
［２．１．磁気記憶素子の構成］
まず、図１を参照して、本開示の一実施形態に係る磁気記憶素子の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る磁気記憶素子１の積層構造を模式的に示す説明図である。
【００８３】
図１に示すように、磁気記憶素子１は、第１電極層１１０と、磁化アシスト層１２０と、非磁性層１３０と、磁化固定層１４０と、磁化結合層１５０と、参照層１６０と、スピン注入層１７０と、記憶層１８０と、第２電極層１９０とを備える。
【００８４】
磁気記憶素子１は、本開示の背景にて説明したように、磁性体の磁化方向にて情報を記憶するＳＴＴ−ＭＲＡＭである。また、磁気記憶素子１は、互いに直交するアドレス用の配線と接続され、アレイ状に集積されることで、大容量の情報を記憶する記憶装置を構成することができる。
【００８５】
記憶層１８０は、磁化容易軸が膜面に対して垂直方向に向くように強磁性体材料にて形成され、磁化方向によって情報を記憶する。記憶層１８０は、外部からのかく乱によって磁化方向が反転しない程度の保磁力を有する強磁性体材料で形成されることが好ましい。記憶層１８０は、例えば、ＴｂＦｅＣｏおよびＧｄＦｅＣｏなどの非晶質垂直磁化材料、ＣｏＰｔおよびＦｅＰｔなどの結晶磁気異方性を有する磁性体材料、またはＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうちから選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣのうちから選択された少なくとも１種以上との合金磁性体材料などで形成されてもよい。
【００８６】
なお、記憶層１８０は、単層膜であってもよいが、複数層の積層膜であってもよい。例えば、記憶層１８０は、非磁性層と磁性層との積層膜、または酸化物層と磁性層との積層膜であってもよい。記憶層１８０の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。
【００８７】
参照層１６０は、記憶層１８０の一方の面側にスピン注入層１７０を介して設けられる。参照層１６０は、強磁性体材料にて磁化方向が一方向に固定されるように形成され、記憶層１８０に保持された磁化方向に対する基準として機能する。具体的には、参照層１６０は、膜面に対して垂直かつ記憶層１８０に向かう方向に固定された磁化を有するように形成される。
【００８８】
参照層１６０は、磁化の分極率が大きく、磁気抵抗が大きい強磁性体材料で形成されることが好ましい。参照層１６０は、例えば、ＴｂＦｅＣｏおよびＧｄＦｅＣｏなどの非晶質垂直磁化材料、ＣｏＰｔおよびＦｅＰｔなどの結晶磁気異方性を有する磁性体材料、またはＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうちから選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣのうちから選択された少なくとも１種以上との合金磁性体材料などで形成されてもよい。参照層１６０の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。
【００８９】
スピン注入層１７０は、非磁性体材料にて形成され、記憶層１８０と参照層１６０との間に挟持されて設けられる。スピン注入層１７０は、記憶層１８０への情報の書き込みの際に、記憶層１８０と参照層１６０との間でスピン偏極電子をやり取りすることで、記憶層１８０の磁化方向を反転させる。また、スピン注入層１７０は、記憶層１８０からの情報の読み出しの際に、磁気抵抗効果によって記憶層１８および参照層１６のそれぞれの磁化方向に基づいて電気抵抗を変化させる。これにより、スピン注入層１７０は、記憶層１８０に保持された磁化方向の変化を電気抵抗の変化として読み出すことができる。
【００９０】
スピン注入層１７０は、非磁性体であれば、金属材料または絶縁物材料のいずれで形成されてもよい。ただし、より高品質の読み出し信号を得るためには、スピン注入層１７０は、非磁性の絶縁物材料で形成されることが好ましい。具体的には、スピン注入層１７０は、ＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３等の酸化物材料で形成されることが好ましい。スピン注入層１７０の膜厚は、例えば、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下であってもよい。
【００９１】
スピン注入層１７０が非磁性の絶縁物材料で形成される場合、記憶層１８０、スピン注入層１７０および参照層１６０は、いわゆる強磁性トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子として機能する。このような場合、スピン注入層１７０では、磁気抵抗変化率が大きくなるため、情報の読み出しの際に、磁化方向の変化をより大きな電気抵抗の変化として検出することができる。
【００９２】
磁化固定層１４０は、参照層１６０のスピン注入層１７０が設けられた面と対向する面側に磁化結合層１５０を介して設けられる。磁化固定層１４０は、強磁性体材料を含む磁性体にて磁化方向が参照層１６０と反平行となるように形成され、参照層１６０と磁気的に結合する。これにより、磁化固定層１４０は、参照層１６０からの漏洩磁場を打ち消すことができる。また、磁化固定層１４０は、参照層１６０と磁気的に結合することで、参照層１６０の磁化方向を安定させ、参照層１６０の磁化の保持特性を向上させることができる。
【００９３】
磁化固定層１４０は、保磁力が大きな強磁性体材料で形成されることが好ましい。磁化固定層１４０は、例えば、ＴｂＦｅＣｏおよびＧｄＦｅＣｏなどの非晶質垂直磁化材料、ＣｏＰｔおよびＦｅＰｔなどの結晶磁気異方性を有する磁性体材料、またはＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうちから選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣのうちから選択された少なくとも１種以上との合金磁性体材料などで形成されてもよい。磁化固定層１４０の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であってもよい。
【００９４】
磁化結合層１５０は、参照層１６０と磁化固定層１４０との間に挟持されて設けられる。磁化結合層１５０は、非磁性体材料にて形成され、参照層１６０と磁化固定層１４０とを磁気的に結合させる。磁化結合層１５０は、参照層１６０および磁化固定層１４０の磁化方向を互いに反平行とし、磁気的に強く結合させる材料で形成されることが好ましい。例えば、磁化結合層１５０は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｅ、ＲｈおよびＯｓなどの非磁性の金属材料で形成されることが好ましい。磁化結合層１５０の膜厚は、例えば、０．３ｎｍ以上２ｎｍ以下であってもよい。
【００９５】
磁化アシスト層１２０は、磁化固定層１４０の磁化結合層１５０が設けられた面と対向する面側に非磁性層１３０を介して設けられる。磁化アシスト層１２０は、磁化容易軸が膜面に対して垂直方向に向くように強磁性体材料にて形成される。また、磁化アシスト層１２０は、記憶層１８０への書き込みの際に、記憶層１８０に先立って磁化反転し、記憶層１８０に外部磁場を印加する。これにより、磁化アシスト層１２０は、記憶層１８０の磁化反転方向と平行な外部磁場を記憶層１８０に印加することができるため、ＬＰＢＳの発生を抑制し、過剰に高い電圧を印加しなくとも十分に低い書き込みエラー率を実現することができる。
【００９６】
磁化アシスト層１２０は、記憶層１８０よりも磁化の反転電流が小さいことが好ましい。より具体的には、磁化アシスト層１２０は、記憶層１８０よりも保磁力が小さい強磁性体材料にて形成されることが好ましい。磁化アシスト層１２０は、例えば、ＴｂＦｅＣｏおよびＧｄＦｅＣｏなどの非晶質垂直磁化材料、ＣｏＰｔおよびＦｅＰｔなどの結晶磁気異方性を有する磁性体材料、またはＦｅ、ＣｏおよびＮｉのうちから選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣのうちから選択された少なくとも１種以上との合金磁性体材料などで形成されてもよい。
【００９７】
なお、磁化アシスト層１２０は、単層膜であってもよいが、複数層の積層膜であってもよい。例えば、磁化アシスト層１２０は、ＣｏとＮｉとの積層膜、またはＮｉとＰｄとの積層膜にて形成されてもよい。磁化アシスト層１２０の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であってもよい。
【００９８】
非磁性層１３０は、非磁性体材料にて形成され、磁化固定層１４０と磁化アシスト層１２０との間に挟持されて設けられる。非磁性層１３０は、記憶層１８０への情報の書き込みの際に、磁化アシスト層１２０と磁化固定層１４０との間でスピン偏極電子をやり取りすることで、磁化アシスト層１２０の磁化方向を反転させる。
【００９９】
非磁性層１３０は、非磁性体であれば、金属材料または絶縁物材料のいずれで形成されてもよい。例えば、非磁性層１３０は、スピン注入層１７０と同様のＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３等の酸化物材料で形成されてもよく、スピン散乱長が長いＣｕまたはＡｕなどの非磁性の金属材料で形成されてもよい。ただし、非磁性層１３０は、抵抗が小さい非磁性体で形成されることが好ましい。これは、非磁性層１３０の存在による抵抗の増加量をより小さくするためである。非磁性層１３０の膜厚は、例えば、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下であってもよい。
【０１００】
ここで、図１に示すように、磁化アシスト層１２０の上に磁化固定層１４０が設けられる場合、磁化アシスト層１２０および磁化固定層１４０は、結晶配向性および磁気異方性の方向が略一致する材料で形成されることが好ましい。これは、磁化アシスト層１２０から結晶配向性および磁気異方性を制御することで、磁化固定層１４０の結晶配向を特定の方向に磁気異方性を有するように制御し、磁化固定層１４０の保磁力を高めることができるためである。
【０１０１】
具体的には、磁化固定層１４０を六方晶の３回回転対称軸方向に磁気異方性を有する膜とする場合、磁化アシスト層１２０も同様に六方晶の３回回転対称軸方向に磁気異方性を有する膜とすることが好ましい。例えば、磁化固定層１４０をＣｏＰｔ合金からなる膜、ＣｏＮｉＰｔ合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉと、Ｃｏとの積層膜とする場合、磁化アシスト層１２０は、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｗ、ＭｏもしくはＮｉと、Ｃｏとの合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉと、Ｃｏとの積層膜とすることが好ましい。
【０１０２】
また、磁化固定層１４０を正方晶の４回回転対称軸方向に磁気異方性を有する膜とする場合、磁化アシスト層１２０も同様に正方晶の４回回転対称軸方向に磁気異方性を有する膜とすることが好ましい。例えば、磁化固定層１４０をＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜とする場合、磁化アシスト層１２０は、Ｐｔ、ＰｄもしくはＮｉと、Ｆｅとの合金からなる膜とすることが好ましい。
【０１０３】
ただし、磁化固定層１４０の結晶配向性および磁気異方性を制御する方法は、上記に限定されない。例えば、非磁性層１３０に４回回転対称軸に配向しやすいＭｇＯなどの酸化物を用い、非磁性層１３０と磁化固定層１４０との界面に生じる界面磁気異方性を用いることで、磁化固定層１４０の結晶配向性および磁気異方性を制御してもよい。これによれば、磁化アシスト層１２０の結晶配向性および磁気異方性を制御しなくとも、磁化固定層１４０の結晶配向性および磁気異方性を正方晶の４回回転対称軸方向に磁気異方性を有するように制御することができる。
【０１０４】
第１電極層１１０および第２電極層１９０は、磁化アシスト層１２０、非磁性層１３０、磁化固定層１４０、磁化結合層１５０、参照層１６０、スピン注入層１７０および記憶層１８０を挟持するように設けられる。
【０１０５】
具体的には、第１電極層１１０は、磁化アシスト層１２０の下に設けられ、磁気記憶素子１の下部電極として機能する。第１電極層１１０は、各種金属材料または合金材料にて形成することができる。また、第１電極層１１０は、第１電極層１１０の上に積層される磁化アシスト層１２０の結晶配向性を制御してもよい。例えば、第１電極層１１０は、磁化アシスト層１２０と結晶構造および磁気異方性が略同一の金属材料で形成されてもよい。第１電極層１１０の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってもよい。
【０１０６】
第２電極層１９０は、記憶層１８０の上に設けられ、磁気記憶素子１の上部電極として機能する。また、第２電極層１９０は、磁気記憶素子１０の保護層として機能してもよい。第２電極層１９０は、各種金属材料または合金材料にて形成することができる。第２電極層１９０の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってもよい。
【０１０７】
ここで、図２Ａおよび図２Ｂを参照して本実施形態に係る磁気記憶素子１の書き込み時の挙動について説明する。図２Ａは、記憶層１８０および参照層１６０の磁化方向が反平行であるＬ書き込み時の磁気記憶素子１の挙動を示す説明図であり、図２Ｂは、記憶層１８０および参照層１６０の磁化方向が平行であるＨ書き込み時の磁気記憶素子１の挙動を示す説明図である。
【０１０８】
図２Ａに示すように、記憶層１８０および参照層１６０にて磁化方向が反平行である場合、記憶層１８０の磁化方向を反転させるには、第２電極層１９０から第１電極層１１０へ電流を流し、第１電極層１１０から第２電極層１９０へ電子を移動させる。
【０１０９】
このとき、磁化アシスト層１２０は、磁化固定層１４０にて反射されることでスピンが磁化固定層１４０の磁化方向と反平行になった電子からトルクを受け取るため、スピントルク磁化反転により、磁化アシスト層１２０の磁化は、磁化固定層１４０と反平行になる。これにより、磁化アシスト層１２０は、参照層１６０と平行な方向の外部磁場を記憶層１８０に印加するため、記憶層１８０の磁化反転を促すことができる。
【０１１０】
また、図２Ｂに示すように、記憶層１８０および参照層１６０にて磁化方向が平行である場合、記憶層１８０の磁化方向を反転させるには、第１電極層１１０から第２電極層１９０へ電流を流し、第２電極層１９０から第１電極層１１０へ電子を移動させる。
【０１１１】
このとき、磁化アシスト層１２０は、磁化固定層１４０の磁化方向と平行のスピンを有する電子からトルクを受け取るため、スピントルク磁化反転により、磁化アシスト層１２０の磁化は、磁化固定層１４０と平行になる。これにより、磁化アシスト層１２０は、参照層１６０と反平行な方向の外部磁場を記憶層１８０に印加するため、記憶層１８０の磁化反転を促すことができる。
【０１１２】
したがって、記憶層１８０の磁化をいずれの方向に反転させる場合でも、磁化アシスト層１２０は、反転方向と平行な外部磁場を記憶層１８０に印加することができる。したがって、記憶層１８０では、磁化反転が促されることで、ＬＰＢＳの発生が抑制されるため、磁気記憶素子１は、より低い印加電圧でも十分に低い書き込みエラー率を実現することができる。
【０１１３】
なお、磁化アシスト層１２０が記憶層１８０に先立って磁化反転するようにするためには、磁化アシスト層１２０の磁化の反転電流を記憶層１８０よりも小さくすることが好ましい。すなわち、上記の式２を参照すると、磁化アシスト層１２０の熱安定性の指標Δを記憶層１８０よりも小さくすることが好ましい。より具体的には、磁化アシスト層１２０と記憶層１８０との体積が同程度の場合、磁化アシスト層１２０の保磁力を記憶層１８０よりも小さくすることが好ましい。
【０１１４】
以上にて説明した本実施形態に係る磁気記憶素子１は、公知の方法を用いることで製造することが可能である。具体的には、磁気記憶素子１は、各種真空蒸着法を用いて、各層を積層することで製造することが可能である。例えば、磁気記憶素子１は、スパッタ法および分子線エピタキシー法などの物理蒸着法、ならびにＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法およびＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの化学蒸着法を用いて、各層を順次積層することで製造することが可能である。
【０１１５】
［２．２．変形例］
続いて、図３〜図５を参照して、本実施形態に係る磁気記憶素子１の変形例について説明する。図３は、第１の変形例に係る磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図であり、図４は、第２の変形例に係る磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図であり、図５は、第３の変形例に係る磁気記憶素子の積層構造を模式的に示す説明図である。
【０１１６】
（第１の変形例）
図３に示すように、第１の変形例に係る磁気記憶素子２は、図１で示した磁気記憶素子１に対して、第１電極層２１０と第２電極層２９０との間の各層の積層順序が逆転している。
【０１１７】
具体的には、磁気記憶素子２は、第１電極層２１０の上に記憶層２８０が設けられ、記憶層２８０の上にスピン注入層２７０を介して参照層２６０が設けられ、参照層２６０の上に磁化結合層２５０を介して磁化固定層２４０が設けられ、磁化固定層２４０の上に非磁性層２３０を介して磁化アシスト層２２０が設けられ、磁化アシスト層２２０の上に第２電極層２９０が設けられる。
【０１１８】
なお、第１電極層２１０、磁化アシスト層２２０、非磁性層２３０、磁化固定層２４０、磁化結合層２５０、参照層２６０、スピン注入層２７０、記憶層２８０、および第２電極層２９０の積層順序以外の構成については、図１で説明した同名の第１電極層１１０、磁化アシスト層１２０、非磁性層１３０、磁化固定層１４０、磁化結合層１５０、参照層１６０、スピン注入層１７０、記憶層１８０、および第２電極層１９０と実質的に同様であるため、ここでの説明は省略する。
【０１１９】
ただし、磁気記憶素子２では、磁化アシスト層２２０は、磁化固定層２４０の上に設けられる。したがって、磁化アシスト層２２０は、磁化固定層２４０の結晶配向性および磁気異方性を考慮することなく形成することが可能である。
【０１２０】
また、磁化アシスト層２２０は、非磁性層２３０との界面に生じる界面異方性を用いることで、磁化容易軸を膜面に垂直な方向に向けてもよい。例えば、非磁性層２３０をＭｇＯ等の酸化物にて形成し、界面異方性を生じさせることで、磁化アシスト層２２０を任意の強磁性体膜にて形成することも可能である。このような場合、磁化アシスト層２２０は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣからなる群より選択された１種以上との合金からなる強磁性体にて形成することができる。
【０１２１】
第１の変形例に係る磁気記憶素子２によれば、磁化アシスト層２２０は、記憶層２８０への書き込み時に、記憶層２８０の磁化の反転方向と平行な外部磁場を記憶層２８０に印加することができるため、記憶層２８０でのＬＰＢＳの発生を抑制することができる。
【０１２２】
（第２の変形例）
図４に示すように、第２の変形例に係る磁気記憶素子３は、図１で示した磁気記憶素子１に対して、記憶層３８０を挟んで両側に参照層（第１参照層３６１、第２参照層３６２）および磁化固定層（第１磁化固定層３４１、第２磁化固定層３４２）が設けられる。
【０１２３】
具体的には、磁気記憶素子３では、記憶層３８０の下に第１スピン注入層３７１を介して第１参照層３６１が設けられ、第１参照層３６１の下に第１磁化結合層３５１を介して第１磁化固定層３４１が設けられる。また、記憶層３８０の上に、同様に、第２スピン注入層３７２を介して第２参照層３６２が設けられ、第２参照層３６２の上に第２磁化結合層３５２を介して第２磁化固定層３４２が設けられる。
【０１２４】
磁化アシスト層３２０は、第１磁化固定層３４１または第２磁化固定層３４２のいずれかの一面に非磁性層３３０を介して設けられる。図４では、磁化アシスト層３２０が、第１磁化固定層３４１の第１磁化結合層３５１が設けられた面と対向する面側に非磁性層３３０を介して設けられた構造を示した。ただし、磁化アシスト層３２０は、第２磁化固定層３４２の第２磁化結合層３５２が設けられた面と対向する面側に非磁性層３３０を介して設けられてもよいことは言うまでもない。
【０１２５】
さらに、上述した磁化アシスト層３２０、非磁性層３３０、第１磁化固定層３４１、第１磁化結合層３５１、第１参照層３６１、第１スピン注入層３７１、記憶層３８０、第２スピン注入層３７２、第２参照層３６２、第２磁化結合層３５２、および第２磁化固定層３４２を挟持するように、第１電極層３１０および第２電極層３９０が設けられる。
【０１２６】
なお、第１電極層３１０、磁化アシスト層３２０、非磁性層３３０、記憶層３８０、および第２電極層３９０は、図１で説明した同名の第１電極層１１０、磁化アシスト層１２０、非磁性層１３０、記憶層１８０、および第２電極層１９０と実質的に同様であるため、ここでの説明は省略する。また、第１磁化固定層３４１および第２磁化固定層３４２は、磁化固定層１４０と実質的に同様であり、第１磁化結合層３５１および第２磁化結合層３５２は、磁化結合層１５０と実質的に同様であり、第１参照層３６１および第２参照層３６２は、参照層１６０と実質的に同様であり、第１スピン注入層３７１および第２スピン注入層３７２は、スピン注入層１７０と実質的に同様であるため、ここでの説明は省略する。
【０１２７】
第２の変形例に係る磁気記憶素子３では、記憶層３８０の対向する両方の面に、それぞれ第１参照層３６１および第２参照層３６２が設けられる。これにより、磁気記憶素子３は、記憶層３８０に情報を書き込む際に、第１参照層３６１および第２参照層３６２のそれぞれからスピントルクを与えることができる。したがって、磁気記憶素子３によれば、記憶層３８０の反転電流を小さくすることができるため、記憶層３８０への情報の書き込みをより容易に行うことができる。
【０１２８】
また、第２の変形例に係る磁気記憶素子３でも同様に、磁化アシスト層３２０は、記憶層３８０への書き込み時に、記憶層３８０の磁化の反転方向と平行な外部磁場を記憶層３８０に印加することができる。したがって、第２の変形例に係る磁気記憶素子３においても、磁化アシスト層３２０は、記憶層３８０でのＬＰＢＳの発生を抑制することができる。
【０１２９】
（第３の変形例）
図５に示すように、第３の変形例に係る磁気記憶素子４は、図１で示した磁気記憶素子１に対して、記憶層４８０を挟んで両側に参照層（第１参照層４６１、第２参照層４６２）、磁化固定層（第１磁化固定層４４１、第２磁化固定層４４２）および磁化アシスト層（第１磁化アシスト層４２１、第２磁化アシスト層４２２）が設けられる。
【０１３０】
具体的には、磁気記憶素子４では、記憶層４８０の下に第１スピン注入層４７１を介して第１参照層４６１が設けられ、第１参照層４６１の下に第１磁化結合層４５１を介して第１磁化固定層４４１が設けられ、第１磁化固定層４４１の下に第１非磁性層４３１を介して第１磁化アシスト層４２１が設けられる。また、記憶層４８０の上に、同様に、第２スピン注入層４７２を介して第２参照層４６２が設けられ、第２参照層４６２の上に第２磁化結合層４５２を介して第２磁化固定層４４２が設けられ、第２磁化固定層４４２の上に第２非磁性層４３２を介して第２磁化アシスト層４２２が設けられる。
【０１３１】
さらに、上述した第１磁化アシスト層４２１、第１非磁性層４３１、第１磁化固定層４４１、第１磁化結合層４５１、第１参照層４６１、第１スピン注入層４７１、記憶層４８０、第２スピン注入層４７２、第２参照層４６２、第２磁化結合層４５２、第２磁化固定層４４２、第２非磁性層４３２、および第２磁化アシスト層４２２を挟持するように、第１電極層４１０および第２電極層４９０が設けられる。
【０１３２】
なお、第１電極層４１０、記憶層４８０、および第２電極層４９０は、図１で説明した同名の第１電極層１１０、記憶層１８０、および第２電極層１９０と実質的に同様であるため、ここでの説明は省略する。また、第１磁化アシスト層４２１および第２磁化アシスト層４２２は、磁化アシスト層１２０と実質的に同様であり、第１非磁性層４３１および第２非磁性層４３２は、非磁性層１３０と実質的に同様であり、第１磁化固定層４４１および第２磁化固定層４４２は、磁化固定層１４０と実質的に同様であり、第１磁化結合層４５１および第２磁化結合層４５２は、磁化結合層１５０と実質的に同様であり、第１参照層４６１および第２参照層４６２は、参照層１６０と実質的に同様であり、第１スピン注入層４７１および第２スピン注入層４７２は、スピン注入層１７０と実質的に同様であるため、ここでの説明は省略する。
【０１３３】
第３の変形例に係る磁気記憶素子４では、第２の変形例に係る磁気記憶素子３と同様に、記憶層４８０の対向する両方の面に、それぞれ第１参照層４６１および第２参照層４６２が設けられる。これにより、磁気記憶素子４は、記憶層４８０の反転電流を小さくすることができるため、記憶層４８０への情報の書き込みをより容易に行うことができる。
【０１３４】
また、第３の変形例に係る磁気記憶素子４では、記憶層４８０の対向する両方の面側に、それぞれ第１磁化アシスト層４２１および第２磁化アシスト層４２２が設けられる。これにより、磁気記憶素子４は、記憶層４８０に情報を書き込む際に、第１磁化アシスト層４２１および第２磁化アシスト層４２２のそれぞれから外部磁場を印加することができる。したがって、磁気記憶素子４によれば、記憶層４８０でのＬＰＢＳの発生をさらに抑制することができる。
【０１３５】
＜３．本開示の実施例＞
次に、図６〜図１６を参照して、本開示の一実施形態に係る磁気記憶素子の実施例および比較例について説明する。なお、以下で示す実施例は、あくまでも一例であって、本実施形態に係る磁気記憶素子は、下記の実施例に限定されるわけではない。
【０１３６】
（実施例１）
まず、図６を参照して、本実施形態に係る磁気記憶素子の実施例１について説明する。図６は、実施例１に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。実施例１に係る磁気記憶素子は、図１で示した磁気記憶素子１に対応する。
【０１３７】
図６に示すように、まず、第１電極層１１０をＴａ（膜厚５ｎｍ）およびＲｕ（膜厚２ｎｍ）の積層膜で形成し、磁化アシスト層１２０をＣｏＣｒ（膜厚３ｎｍ）で形成し、非磁性層１３０をＣｕ（膜厚１ｎｍ）で形成した。また、磁化固定層１４０をＣｏＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成し、磁化結合層１５０をＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）で形成し、参照層１６０をＦｅＣｏＢ（膜厚１ｎｍ）で形成し、スピン注入層１７０をＭｇＯ（膜厚０．７ｎｍ）で形成した。
【０１３８】
さらに、記憶層１８０をＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｔａ（膜厚０．２ｎｍ）およびＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）の積層膜で形成し、第２電極層１９０をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）、Ｒｕ（膜厚２ｎｍ）およびＴａ（膜厚５ｎｍ）の積層膜で形成した。これらの積層構造を直径５０ｎｍの円柱形状に形成し、実施例１に係る磁気記憶素子を形成した。
【０１３９】
（比較例）
続いて、図７を参照して、磁気記憶素子の比較例について説明する。図７は、比較例に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。比較例は、図１７で示した磁気記憶素子１０に対応する。
【０１４０】
図７に示すように、まず、第１電極層１１をＴａ（膜厚５ｎｍ）およびＲｕ（膜厚２ｎｍ）の積層膜で形成し、磁化固定層１４をＣｏＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成し、磁化結合層１５をＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）で形成した。また、参照層１６をＦｅＣｏＢ（膜厚１ｎｍ）で形成し、スピン注入層１７をＭｇＯ（膜厚０．７ｎｍ）で形成した。
【０１４１】
さらに、記憶層１８をＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｔａ（膜厚０．２ｎｍ）およびＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）の積層膜で形成し、第２電極層１９をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）、Ｒｕ（膜厚２ｎｍ）およびＴａ（膜厚５ｎｍ）の積層膜で形成した。これらの積層構造を直径５０ｎｍの円柱形状に形成し、比較例に係る磁気記憶素子を形成した。
【０１４２】
（評価結果）
上記で形成した実施例１および比較例に係る磁気記憶素子について、印加電圧に対する書き込みエラー率の関係を評価した。具体的には、実施例１および比較例に係る磁気記憶素子の１Ｍｂｉｔに繰り返し１０６回書き込みを行い、このときの書き込みエラー率と、第１電極層および第２電極層の間の電圧との関係を評価した。
【０１４３】
その結果を図８および図９に示す。図８は、実施例１に係る磁気記憶素子の書き込みエラー率と、印加電圧との関係を示したグラフ図であり、図９は、比較例に係る磁気記憶素子の書き込みエラー率と、印加電圧との関係を示したグラフ図である。
【０１４４】
図８および図９を参照すると、比較例に係る磁気記憶素子では、Ｌ書き込みおよびＨ書き込みのいずれでも、印加電圧の増加に伴い、書き込みエラー率が低下しにくくなるＬＰＢＳが発生している。一方、実施例１に係る磁気記憶素子では、Ｌ書き込みおよびＨ書き込みのいずれでも、比較例に係る磁気記憶素子で見られたような書き込みエラー率が低下しにくくなる現象が見られておらず、ＬＰＢＳの発生が抑制されていることがわかる。
【０１４５】
（実施例２および３）
次に、図１０および図１１を参照して、実施例１において、磁化固定層１４０に正方晶の４回回転対称軸方向に磁気異方性を有するＦｅＰｔを用いた実施例２および３について説明する。このような場合、磁化アシスト層１２０を結晶配向性および磁気異方性が略一致する強磁性体材料で形成するか、または界面磁気異方性を生じさせる酸化物材料で非磁性層１３０を形成することで、磁化固定層１４０の結晶配向性を向上させることができる。
【０１４６】
図１０は、正方晶の４回回転対称軸方向に磁気異方性を有する強磁性体材料にて磁化アシスト層１２０を形成した実施例２に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【０１４７】
図１０に示すように、第１電極層１１０をＴａ（膜厚５ｎｍ）およびＴｉＮ（膜厚５ｎｍ）の積層膜で形成し、磁化アシスト層１２０を正方晶の４回回転対称軸方向に磁気異方性を有するＮｉ／Ｐｄ（膜厚５ｎｍ）の積層膜で形成し、非磁性層１３０をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）で形成し、磁化固定層１４０をＦｅＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成した。磁化結合層１５０以降の層構造については、実施例１と同様の層構造を採用することが可能であるため、ここでの説明は省略する。これらの積層構造を、例えば、直径５０ｎｍの円柱形状に形成することで、実施例２に係る磁気記憶素子を形成することができる。
【０１４８】
図１１は、界面磁気異方性を生じさせる酸化物材料で非磁性層１３０を形成した実施例３に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。
【０１４９】
図１１に示すように、第１電極層１１０をＴａ（膜厚５ｎｍ）で形成し、磁化アシスト層１２０をＦｅＣｏＢ（膜厚１ｎｍ）で形成した。ここで、非磁性層１３０をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）で形成し、磁化固定層１４０をＦｅＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成した。これにより、非磁性層１３０と磁化固定層１４０との界面に界面磁気異方性を生じさせることができる。磁化結合層１５０以降の層構造については、実施例１と同様の層構造を採用することが可能であるため、ここでの説明は省略する。これらの積層構造を、例えば、直径５０ｎｍの円柱形状に形成することで、実施例３に係る磁気記憶素子を形成することができる。
【０１５０】
（実施例４および５）
続いて、図１２および図１３を参照して、本実施形態に係る磁気記憶素子の実施例４および５について説明する。図１２は、実施例４に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図であり、図１３は、実施例５に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。実施例４および５に係る磁気記憶素子は、図３で示した第１の変形例に係る磁気記憶素子２に対応する。
【０１５１】
図１２に示すように、実施例４に係る磁気記憶素子は、磁化アシスト層２２０に六方晶の３回回転対称軸方向に磁気異方性を有するＣｏＣｒを用いた実施例である。
【０１５２】
図１２に示すように、まず、第１電極層２１０をＴａ（膜厚５ｎｍ）、ＦｅＣｏＢ（膜厚０．５ｎｍ）およびＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）の積層膜で形成し、記憶層２８０をＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｔａ（膜厚０．２ｎｍ）およびＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）の積層膜で形成し、スピン注入層２７０をＭｇＯ（膜厚０．７ｎｍ）で形成した。
【０１５３】
また、参照層２６０をＦｅＣｏＢ（膜厚０．５ｎｍ）およびＣｏＣｒ（膜厚２ｎｍ）の積層膜で形成し、磁化結合層２５０をＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）で形成し、磁化固定層２４０をＣｏＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成した。さらに、非磁性層２３０をＣｕ（膜厚１ｎｍ）で形成し、磁化アシスト層２２０をＣｏＣｒ（膜厚３ｎｍ）で形成し、第２電極層２９０をＴａ（膜厚５ｎｍ）で形成した。これらの積層構造を、例えば、直径５０ｎｍの円柱形状に形成することで、実施例４に係る磁気記憶素子を形成することができる。
【０１５４】
図１３に示すように、実施例５に係る磁気記憶素子は、磁化アシスト層２２０と非磁性層２３０との界面に界面磁気異方性を生じさせた実施例である。
【０１５５】
図１３に示すように、まず、第１電極層２１０をＴａ（膜厚５ｎｍ）、ＦｅＣｏＢ（膜厚０．５ｎｍ）およびＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）の積層膜で形成し、記憶層２８０をＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｔａ（膜厚０．２ｎｍ）およびＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）の積層膜で形成し、スピン注入層２７０をＭｇＯ（膜厚０．７ｎｍ）で形成した。
【０１５６】
また、参照層２６０をＦｅＣｏＢ（膜厚０．５ｎｍ）およびＣｏＣｒ（膜厚２ｎｍ）の積層膜で形成し、磁化結合層２５０をＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）で形成し、磁化固定層２４０をＣｏＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成した。さらに、非磁性層２３０をＭｇＡｌ２Ｏ４（膜厚０．５ｎｍ）で形成し、磁化アシスト層２２０をＦｅＣｏＣ（膜厚１ｎｍ）で形成し、第２電極層２９０をＴａ（膜厚５ｎｍ）で形成した。これらの積層構造を、例えば、直径５０ｎｍの円柱形状に形成することで、実施例５に係る磁気記憶素子を形成することができる。
【０１５７】
（実施例６および７）
次に、図１４および図１５を参照して、本実施形態に係る磁気記憶素子の実施例６および７について説明する。図１４は、実施例６に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図であり、図１５は、実施例７に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。実施例６および７に係る磁気記憶素子は、図４で示した第２の変形例に係る磁気記憶素子３に対応する。
【０１５８】
図１４に示すように、実施例６に係る磁気記憶素子は、磁化アシスト層３２０および非磁性層３３０を記憶層３８０に対して第１電極層３１０側に設けた実施例である。
【０１５９】
図１４に示すように、まず、第１電極層３１０をＴａ（膜厚５ｎｍ）およびＲｕ（膜厚５ｎｍ）の積層膜で形成し、磁化アシスト層３２０をＣｏ／Ｎｉ（膜厚１．５ｎｍ）の積層膜で形成し、非磁性層３３０をＡｌ２Ｏ３（膜厚０．５ｎｍ）で形成した。
【０１６０】
また、第１磁化固定層３４１をＣｏＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成し、第１磁化結合層３５１をＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）で形成し、第１参照層３６１をＦｅＣｏＢ（膜厚１ｎｍ）で形成し、第１スピン注入層３７１をＭｇＯ（膜厚０．７ｎｍ）で形成した。続いて、記憶層３８０をＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｔａ（膜厚０．２ｎｍ）およびＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）の積層膜で形成した。
【０１６１】
さらに、第２スピン注入層３７２をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）で形成し、第２参照層３６２をＦｅＰｄ（膜厚２ｎｍ）で形成し、第２磁化結合層３５２をＲｈ（膜厚０．６ｎｍ）で形成し、第２磁化固定層３４２をＦｅＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成し、第２電極層３９０をＲｈ（膜厚１ｎｍ）およびＴａ（膜厚５ｎｍ）の積層膜で形成した。これらの積層構造を、例えば、直径５０ｎｍの円柱形状に形成することで、実施例６に係る磁気記憶素子を形成することができる。
【０１６２】
図１５に示すように、実施例７に係る磁気記憶素子は、磁化アシスト層３２０および非磁性層３３０を記憶層３８０に対して第２電極層３９０側に設けた実施例である。
【０１６３】
図１５に示すように、まず、第１電極層３１０をＴａ（膜厚５ｎｍ）およびＰｔ（膜厚５ｎｍ）の積層膜で形成し、第１磁化固定層３４１をＣｏＰｔ（膜厚２ｎｍ）で形成し、第１磁化結合層３５１をＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）で形成し、第１参照層３６１をＦｅＣｏＢ（膜厚１ｎｍ）で形成し、第１スピン注入層３７１をＭｇＯ（膜厚０．７ｎｍ）で形成した。続いて、記憶層３８０をＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）、Ｔａ（膜厚０．２ｎｍ）およびＦｅＣｏＢ（膜厚１．２ｎｍ）の積層膜で形成した。
【０１６４】
さらに、第２スピン注入層３７２をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）で形成し、第２参照層３６２をＦｅＣｏＢ（膜厚１ｎｍ）で形成し、第２磁化結合層３５２をＲｅ（膜厚０．５ｎｍ）で形成し、第２磁化固定層３４２をＣｏ／Ｐｄ（膜厚３ｎｍ）の積層膜で形成した。続いて、非磁性層３３０をＡｕ（膜厚１ｎｍ）で形成し、磁化アシスト層３２０をＣｏ／Ｐｄ（膜厚１．５ｎｍ）の積層膜で形成し、第２電極層３９０をＡｕ（膜厚１ｎｍ）およびＴａ（膜厚５ｎｍ）の積層膜で形成した。これらの積層構造を、例えば、直径５０ｎｍの円柱形状に形成することで、実施例７に係る磁気記憶素子を形成することができる。
【０１６５】
（実施例８）
続いて、図１６を参照して、本実施形態に係る磁気記憶素子の実施例８について説明する。図１６は、実施例８に係る磁気記憶素子の層構造を示す説明図である。実施例８に係る磁気記憶素子は、図５で示した第３の変形例に係る磁気記憶素子４に対応する。
【０１６６】
図１６に示すように、まず、第１電極層４１０をＴａ（膜厚５ｎｍ）で形成し、第１磁化アシスト層４２１をＦｅＣｏＢ（膜厚１ｎｍ）で形成し、第１非磁性層４３１をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）で形成した。続いて、第１磁化固定層４４１をＦｅＰｔ（膜厚１ｎｍ）で形成し、第１磁化結合層４５１をＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）で形成し、第１参照層４６１をＦｅＰｔ（膜厚１．２ｎｍ）で形成し、第１スピン注入層４７１をＭｇＯ（膜厚０．７ｎｍ）で形成した。続いて、記憶層４８０をＦｅＰｄ（膜厚２ｎｍ）で形成した。
【０１６７】
さらに、第２スピン注入層４７２をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）で形成し、第２参照層４６２をＦｅＰｔ（膜厚１ｎｍ）で形成し、第２磁化結合層４５２をＲｕ（膜厚０．７ｎｍ）で形成し、第２磁化固定層４４２をＦｅＰｔ（膜厚１．２ｎｍ）で形成した。続いて、第２非磁性層４３２をＭｇＯ（膜厚０．５ｎｍ）で形成し、第２磁化アシスト層４２２をＦｅＣｏＢ（膜厚１ｎｍ）で形成し、第２電極層４９０をＴａ（膜厚５ｎｍ）で形成した。これらの積層構造を、例えば、直径５０ｎｍの円柱形状に形成することで、実施例８に係る磁気記憶素子を形成することができる。
【０１６８】
上記で説明した実施例２〜８に係る磁気記憶素子についても、実施例１と同様に印加電圧に対する書き込みエラー率の関係を評価したところ、Ｌ書き込みおよびＨ書き込みのいずれでも、ＬＰＢＳの発生が抑制されていることがわかった。
【０１６９】
＜４．まとめ＞
以上にて説明したように、本開示の一実施形態に係る磁気記憶素子によれば、情報を書き込む際に、磁化アシスト層によって記憶層の磁化反転方向と平行な外部磁場が記憶層に印加されるため、書き込みエラー率を低下しにくくするＬＰＢＳの発生を抑制することができる。したがって、本実施形態に係る磁気記憶素子は、書き込み時の印加電圧を過剰に高くせずとも、書き込みエラー率を十分に低下させることができるため、消費電力を低減することができる。
【０１７０】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１７１】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１７２】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、磁化方向が可変である記憶層と、
前記記憶層の少なくとも一方の面側に非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な一方向に向きが固定された磁化を有する参照層と、
前記参照層の前記記憶層が設けられた面と対向する面側に非磁性層を介して設けられ、前記参照層の磁化方向と反平行の向きの固定された磁化を有する磁化固定層と、
前記磁化固定層の前記参照層が設けられた面と対向する面側に非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、前記記憶層よりも磁化方向の変化が容易である磁化アシスト層と、
を備える、磁気記憶素子。
（２）
前記磁化アシスト層の磁化を反転させる電流量は、前記記憶層よりも小さい、前記（１）に記載の磁気記憶素子。
（３）
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の下に設けられ、
前記磁化固定層と、前記磁化アシスト層とは、結晶配向性および磁気異方性の方向が略一致する、前記（１）または（２）に記載の磁気記憶素子。
（４）
前記磁化固定層は、ＣｏＰｔ合金からなる膜、ＣｏＮｉＰｔ合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉとＣｏとの積層膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｃｒ、Ｗ、ＭｏもしくはＮｉとＣｏとの合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉとＣｏとの積層膜である、前記（３）に記載の磁気記憶素子。
（５）
前記磁化固定層は、ＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｐｔ、ＰｄもしくはＮｉとＦｅとの合金からなる膜である、前記（３）に記載の磁気記憶素子。
（６）
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の下に設けられ、
前記磁化固定層は、ＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜であり、かつ
前記磁化固定層と前記磁化アシスト層との間の非磁性層は、酸化物材料からなる膜である、前記（１）または（２）に記載の磁気記憶素子。
（７）
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の上に設けられ、
前記磁化固定層と前記磁化アシスト層との間の非磁性層は、酸化物材料からなる膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣからなる群より選択された少なくとも１種以上との合金からなる膜である、前記（１）または（２）に記載の磁気記憶素子。
（８）
前記参照層および前記磁化固定層は、前記記憶層の対向する両方の面側にそれぞれ設けられる、前記（１）〜（７）のいずれか一項に記載の磁気記憶素子。
（９）
前記磁化アシスト層は、前記参照層および前記磁化固定層を介して、前記記憶層の対向する両方の面側にそれぞれ設けられる、前記（８）に記載の磁気記憶素子。
（１０）
前記記憶層と前記参照層との間の非磁性層は、絶縁性の酸化物材料を含む、前記（１）〜（９）のいずれか一項に記載の磁気記憶素子。
（１１）
前記参照層と前記磁化固定層との間の非磁性層は、非磁性の金属材料を含む、前記（１）〜（１０）のいずれか一項に記載の磁気記憶素子。
（１２）
磁化方向にて情報を記憶する記憶層と、
磁化方向が固定されており、前記記憶層の磁化方向の基準となる参照層と、
前記参照層と磁気的に結合する磁化固定層と、
前記記憶層よりも磁化方向の変化が容易である磁化アシスト層と、
を備え、
前記記憶層、前記参照層、前記磁化固定層、および磁化アシスト層を通して流れる電流により発生するスピントルクにて前記記憶層へ情報を書き込む際に、前記磁化アシスト層は、前記記憶層に書き込まれる磁化方向と平行方向に磁化反転し、前記記憶層に外部磁場を印加する、磁気記憶素子。
（１３）
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の下に設けられ、
前記磁化固定層と、前記磁化アシスト層とは、結晶配向性および磁気異方性の方向が略一致する、前記（１２）に記載の磁気記憶素子。
（１４）
前記磁化固定層は、ＣｏＰｔ合金からなる膜、ＣｏＮｉＰｔ合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉとＣｏとの積層膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｃｒ、Ｗ、ＭｏもしくはＮｉとＣｏとの合金からなる膜、またはＰｔ、ＰｄもしくはＮｉとＣｏとの積層膜である、前記（１３）に記載の磁気記憶素子。
（１５）
前記磁化固定層は、ＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｐｔ、ＰｄもしくはＮｉとＦｅとの合金からなる膜である、前記（１３）に記載の磁気記憶素子。
（１６）
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の下に設けられ、
前記磁化固定層は、ＦｅＰｔ合金からなる膜、ＣｏＰｔ合金からなる膜、またはＦｅＰｄ合金からなる膜であり、かつ
前記磁化固定層と前記磁化アシスト層との間の非磁性層は、酸化物材料からなる膜である、前記（１２）に記載の磁気記憶素子。
（１７）
前記磁化アシスト層は、非磁性層を介して前記磁化固定層の上に設けられ、
前記磁化固定層と前記磁化アシスト層との間の非磁性層は、酸化物材料からなる膜であり、かつ
前記磁化アシスト層は、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉからなる群より選択された少なくとも１種以上と、ＢおよびＣからなる群より選択された少なくとも１種以上との合金からなる膜である、前記（１２）に記載の磁気記憶素子。
【符号の説明】
【０１７３】
１        磁気記憶素子
１１０    第１電極層
１２０    磁化アシスト層
１３０    非磁性層
１４０    磁化固定層
１５０    磁化結合層
１６０    参照層
１７０    スピン注入層
１８０    記憶層
１９０    第２電極層
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【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１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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