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絶縁層と、を有し、上記記憶層、上記絶縁層、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、上記記憶層のサイズが磁化の向きの変化が一斉に生じる大きさよりも小さい記憶素子。上記記憶層を構成する強磁性材料がCo-Fe-Bである請求項1に記載の記憶素子。上記記憶層を構成する強磁性材料のCo-Fe-Bに非磁性材料が添加されている請求項1に記載の記憶素子。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。上記記憶層の直径が45nmより小さい請求項4に記載の記憶素子。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絶縁層とを有し、上記記憶層、上記絶縁層、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、上記記憶層のサイズが磁化の向きの変化が一斉に生じる大きさよりも小さく形成されており、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。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。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為である。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ことは上述した。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。一般的に、記憶素子の体積が大きくなれば、熱安定性と書き込み電流は共に大きくなり、逆に、記憶素子の体積が小さくなれば、熱安定性と書き込み電流は共に小さくなることが知られている。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、最大限の熱安定性を確保することができる記憶素子、並びにこの記憶素子を有する記憶装置を提供することを目的とする。このため本開示では、記憶素子を以下のように構成することとした。すなわち、本開示の記憶素子は、膜面に垂直な磁化を有し、情報に対して磁化の向きが変化される記憶層を備える。また、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を備える。また、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絶縁層を備える。また、上記記憶層、上記絶縁層、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。そして、上記記憶層のサイズは磁化の向きの変化が一斉に生じる大きさよりも小さく形成されていることが必要である。また、本開示の記憶装置は、上記開示の記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、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。本開示の記憶素子によれば、上記記憶層に対して、上記絶縁層トンネルバリア層を介して上記磁化固定層が設けられており、上記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録が行われるので、上記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、上記記憶層のサイズは磁化の向きの変化が一斉に生じる大きさよりも小さく形成されているので、最大限の熱安定性を確保しながら、低消費電力を実現することができるまた、本開示の記憶装置の構成によれば、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、スピントランスファが起こることにより、上記2種類の配線を通じて上記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、上記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。本開示によれば、垂直磁気異方性を有するST-MRAMにおいて、書き込み電流に対して効率良く熱安定性を増加させることが出来るため、情報保持能力である熱安定性を充分に確保して、消費電力などの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、動作エラーを防止して、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。以下、本開示の実施の形態を次の順序で説明する。<1.実施の形態の記憶素子><2.実施の形態の記憶装置の構成><3.実施の形態の具体的構成><4.実施の形態に関する実験><1.実施の形態の記憶素子>まず、本開示の実施の形態となる記憶素子について説明する。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として絶縁層16を備える。さらに記憶層17の上層側にはキャップ層18を備え、磁化固定層15の下層側には下地層14を備える。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。絶縁層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、絶縁層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。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。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。非磁性層である絶縁層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。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。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。磁化固定層15と記憶層17の間の絶縁層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、絶縁層16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MagneticTunnelJunction:MTJと呼ぶ。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=AαMsV/g0/PHk2πMsとなり、逆方向から同方向に反転させる場合、Ic_para=-AαMsV/gπ/PHk2πMsとなる。以上を式1とする一方、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=AαMsV/g0/PHk-4πMsとなり、逆方向から同方向に反転させる場合、Ic_perp=-AαMsV/gπ/PHk-4πMsとなる。以上を式2とするただし、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、g0、gπ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。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Hk2πMs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。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。Δ=KV/kBT=MsVHk1/2kBT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。また、閾値Icは上記Δとの関係で表すと下記式4となる。ここで、e:素電荷、kB:ボルツマン定数、T:温度、Ms:飽和磁化量、α:ギルバートダンピング定数、エイチバー:プランク定数、η:スピン注入効率である。式3、4によると、Hk、Ms、α、ηといった値が決まってしまえば、ΔおよびIcは記録層の体積Vに比例する。すなわち、記録層の体積Vが大きくなればΔ、Ic共に大きくなり、逆に、記憶層の体積Vが小さくなればΔ、Ic共に小さくなることが上記の理論式から読み取れる。しかしながら、実際の記憶層では、記憶層の体積がある程度以上の大きさになるとIcとΔで体積に対する増加率が変化することを見出した。その関係によると、記憶層の体積がある程度以上の大きさになると、それ以上記憶層を大きくしてもΔはほとんど増加せずに、Icだけ大きく増加してしまう。これは、つまり、ある一定の記憶層サイズを超えると、ΔIcの比が低下してしまうことを意味しており、ST-MRAMが不揮発メモリとして有効に存在させるための条件である、低電流情報記録かつ記録情報の高い熱安定性の両立を困難にしてしまう。したがって、熱安定性の指標Δと閾値Icの値のバランスが重要となる。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。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。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。垂直異方性を有する磁性材料には希土類-遷移金属合金、金属多層膜、規則合金、酸化物と磁性金属の間の界面異方性の利用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°C以上の十分に高い温度で加熱する、あるいは製造後に500°C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。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。本実施の形態では、記憶層17には、Co-Fe-Bをベースとした材料が用いられる。Co-Fe-Bには、非磁性金属としてTi、V、Nb、Zr、Ta、Hf、Y等のいずれかの元素を添加しても良い。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との間の非磁性の絶縁層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。そして、特に、このトンネル絶縁層としての絶縁層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。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との間の絶縁層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。トンネル絶縁層としての絶縁層16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。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。また、磁化固定層15の下層側には下地層14が形成され、記憶層17の上層側にはキャップ層18が形成されている。さらに、本実施の形態においては、絶縁層16を、酸化マグネシウム層とし、磁気抵抗変化率MR比を高めるものとしている。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。また、図2に示した記憶素子3を備える図1に示す構成の記憶装置は、メモリを製造する際に、一般の半導体MOS形成プロセスを適用できるという利点を有している。従って、本実施の形態の記憶装置を、汎用メモリとして適用することが可能になる。また、記憶層17のサイズは磁化の向きの変化が一斉に生じる大きさよりも小さく形成されており、これにより消費電力を最低限に抑え、記憶素子3の熱安定性を最大限に活用したST-MRAMが実現可能になる。具体的な記憶素子3を構成する記憶層17のサイズは直径45nm以下とするが望ましい。これにより、低消費電力で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、特性バランスに優れた記憶素子3を実現できる。また、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、記憶装置全体の消費電力を低減することが可能になる。なお、本実施の形態において、記憶層17に隣接して配置されるキャップ層18には、例えばTaなどの金属を用いる。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。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。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。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。記憶素子3の記憶層17と磁化固定層15以外の構成は、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。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。なお、上記では、記憶素子3の構成として、上層側からキャップ層18、記憶層17、絶縁層16、磁化固定層15、下地層14の順で各層が配置された構成を例示したが、本開示の記憶素子3としては、記憶層17が磁化固定層15の下側に配置される構成とすることもできる。具体的には、上層側から順にキャップ層18、磁化固定層15、絶縁層16、記憶層17、下地層14の順で各層が配置された構成である。<2.実施の形態の記憶装置の構成>次ぎに、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。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。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。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。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。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の間に絶縁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。このように絶縁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。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。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。本開示においては、記憶素子3を構成する記憶層17のサイズは磁化の向きの変化が一斉に生じる大きさよりも小さく形成されている。具体的な記憶素子3を構成する記憶層17のサイズは直径45nm以下とすることが望ましい。これにより消費電力を最低限に抑え、記憶素子3の熱安定性を最大限に活用したST-MRAMが実現可能になる。記憶素子3への書き込み電流は低減され、その消費電力は低減することから、記憶装置全体の消費電力を低減することが可能になる。また、図2に示した記憶素子3を備える図1に示す構成の記憶装置は、該記憶層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、本実施の形態の記憶装置を、汎用メモリとして適用することが可能になる。<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。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絶縁層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。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、絶縁層16と反対側にはキャップ層18が形成されている。本実施の形態では、記憶層17はCo-Fe-Bで構成された垂直磁化膜である。また、キャップ層18は導電性の酸化物からなる。記憶素子3を構成する記憶層17のサイズは磁化の向きの変化が一斉に生じる大きさよりも小さく形成されている。具体的な記憶層17のサイズは直径45nm以下とすることが望ましい。さらに、本実施の形態において、絶縁層16を、酸化マグネシウム層とした場合には、磁気抵抗変化率MR比を高くすることができる。このようにMR比を高くすることによって、スピン注入の効率を向上して、記憶層17の磁化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。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。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を備えた記憶装置において、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、本実施の形態の記憶装置を、汎用メモリとして適用することが可能になる。<4.実施の形態に関する実験>ここで、図1~3により説明した記憶素子3の構成において、具体的に記憶層17のサイズを変えながら、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の部分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、4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。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2.0nmのCoPt膜、膜厚0.8nmのRu膜、膜厚2.0nmのCo-Fe-B膜絶縁層16膜厚0.9nmの酸化マグネシウム膜記憶層17膜厚1.5nmのCoFeB図4A又はCoFeB/Ta/CoFeB図4Bキャップ層18酸化物0.8nm、膜厚3nmのTa膜、膜厚3nmのRu膜、膜厚3nmのTa膜ここで、図4Aに記載の記憶素子3は試料1、図4Bに記載の記憶素子3は試料2と表記する。上記の膜構成において、記憶層17の強磁性層におけるCoFeBの組成はCo16-Fe64-B20である。酸化マグネシウムMgO膜から成る絶縁層16、及びキャップ層18における酸化物層は、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、各試料では、各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、熱処理を行い、その後、直径30、40、65、75、90、120nmの円筒形の記憶層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作製した。以上、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、特性の評価を行った。測定に先立ち、反転電流のプラス方向とマイナス方向の値を対称になるように制御することを可能にするため、記憶素子3に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。また、記憶素子3に印加される電圧が、絶縁層16が破壊しない範囲内の1Vまでとなるように設定した。飽和磁化量、磁気異方性の測定飽和磁化量Msを、試料振動型磁力計VibratingSampleMagnetometerを使用した、VSM測定によって、測定した。また、磁場を試料の面直および面内方向に印可、掃引することにより、異方性磁界Hkを測定した。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の書き込み特性を評価する目的で、反転電流値の測定を行った。記憶素子3に10μsから100msのパルス幅の電流を流して、その後の記憶素子3の抵抗値を測定した。さらに、記憶素子3に流す電流量を変化させて、この記憶素子3の記憶層17の磁化M17の向きが反転する電流値を求めた。この電流値のパルス幅依存性をパルス幅1nsに外挿した値を、反転電流値とした。また、反転電流値のパルス幅依存性の傾きは、記憶素子3の前述した熱安定性の指標Δに対応する。反転電流値がパルス幅によって変化しない傾きが小さいほど、熱の擾乱に強いことを意味する。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Δの平均値を求めた。さらに、測定により得られた反転電流値の平均値と、記憶素子3の平面パターンの面積とから、反転電流密度Jc0を算出した。ここで、図5に試料1における実験で得られたIc図5A、Δ図5Bの記憶素子3を構成する記憶層17のサイズ依存性を示す。図5Aに示したIcは、Ic_perpの式から予想されるように、記憶層17サイズの増加とともに、増加していることが確認出来る。これに対して図5Bに示したΔは、式3に示した関係とは一致せず、素子サイズが大きくなっても単調にΔが増加することはない。Δと記憶層17のサイズとの関係をより詳細に調査する目的で、まず最初にVSMを用いて飽和磁化Ms=760emu/cc、異方性磁界Hkを調べ、それらの値と式3を用いて、物性値から予想されるΔを求めた。図6に試料1における実験で得られたΔの記憶層17のサイズ依存性図中:▲およびVSM測定で得られたMs、Hkをもとに計算したΔの記憶層17のサイズ依存性図中:◆を示す。図6より、記憶層17の直径=40nm付近までは計算と実験結果がほぼ一致しており、それ以上の素子サイズにおいて計算と実験結果の乖離が大きくなっていくことが分かる。概ね直径40nm以上の素子サイズでは大きくなればなるほど、計算と実験結果の乖離が大きくなり、常に実験のΔが小さくなっている。一般的に、磁性体が小さいときには均一一斉な磁化回転が起こり、磁性体が大きい場合には不均一な磁化回転になりやすい。乖離が起こる原因としては、直径=40nm程度のサイズを境に、記憶層17の磁化が反転する際の物性状態が変わることが考えられる。すなわち、直径=40nm程度のサイズ以下小さい素子の場合だと、記憶層17の磁化が一斉に回転する状態になると考えられる。また、直径=40nm程度のサイズを超えると、記憶層17の中で回転し易い部位の磁化が最初に部分的に反転し、残りの部分は最初の磁化につられて反転するという状態になると考えられる。いいかえると、不均一な磁化回転状態へと変化することになると考えられる。直径=40nm以上の記憶層17ではΔがほぼ一定とみなすと、計算から求めたΔがy=19697x17.634の式のグラフに乗ることから、計算と実験のΔが一致する素子サイズは、45nmとなる。この値は、Δを最大化した状態でなるべくIcを小さくするための値であるといえる。すなわち記憶層17のサイズは直径45nmが好適であることが分かる。体積でいえば、1.5nm×π×45/22=2390nm3となる。また、直径=45nm以下の記憶素子3の場合、計算から予想される通りにΔ、Icが減じていくことから、この場合もΔとIcのバランスが最も優れた状態を維持しているといえる。従って、試料1に示したような記憶素子3において、磁化の向きの変化が一斉に起こる臨界サイズ以下、すなわち記憶層17を45nm以下の直径に形成することにより、消費電力を最低限に抑え、記憶素子3の熱安定性を最大限に活用したST-MRAMが実現可能になるといえる。同様に図7に試料2における実験で得られたIc図7A、Δ図7Bの記憶層17のサイズ依存性を示す。また、図8に試料2における実験で得られたΔの記憶層17のサイズ依存性図中:▲およびVSM測定で得られたMs、Hkをもとに計算したΔの記憶層17のサイズ依存性図中:◆を示す。試料2における飽和磁化Msは650emu/cc、異方性磁界Hkは2.15kOeであった。図7、8に示した試料2においても、試料1と同様に直径=45nm以下において、消費電力を最低限に抑え、記憶素子3の熱安定性を最大限に活用したST-MRAMが実現可能になるといえる。以上示したように、前記記憶層17がCo-Fe-B、もしくはCo-Fe-Bに非磁性材料が添加された材料の場合、磁化の向きの変化が一斉に起こる臨界サイズ以下、すなわち45nm以下の直径に形成することにより、消費電力を最低限に抑え、記憶素子3の熱安定性を最大限に活用したST-MRAMが実現可能になる。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、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。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絶縁層と、を有し、上記記憶層、上記絶縁層、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、上記記憶層のサイズが磁化の向きの変化が一斉に生じる大きさよりも小さい記憶素子。2上記記憶層を構成する強磁性材料がCo-Fe-Bである上記1に記載の記憶素子。3上記記憶層を構成する強磁性材料のCo-Fe-Bに非磁性材料が添加されている上記1に記載の記憶素子。4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又は上記2又は上記3に記載の記憶素子。5上記記憶層の直径が45nmより小さい上記1又は上記2又は上記3に記載の記憶素子。