磁化自由層と、磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置されたトンネルバリア層とを有し、前記磁化自由層は、垂直磁化自由層、該垂直磁化自由層と前記トンネルバリア層との間に配置された面内磁化自由層、及び前記垂直磁化自由層と前記面内磁化自由層との間に配置された非磁性中間層とを含み、前記垂直磁化自由層の磁化容易方向は膜面に対して垂直であり、前記面内磁化自由層の磁化容易方向は膜面に平行であり、前記垂直磁化自由層の磁化は、前記非磁性中間層を介して前記面内磁化自由層と交換結合することによって、面内方向を向いている磁気トンネル接合素子。前記非磁性中間層は、厚さ0.1nm~0.4nmの範囲内のTa層を含む請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。前記非磁性中間層は、さらに、前記垂直磁化自由層と前記Ta層との間に配置された厚さ1nm以下のRu層を含む請求項2に記載の磁気トンネル接合素子。前記面内磁化自由層は、001配向した体心立方格子構造を有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気トンネル接合素子。基板上に形成され、一方向に延在する複数のワード線と、前記ワード線と交差する方向に延在する複数のビット線と、前記ワード線と前記ビット線との交差する箇所に対応して配置されたメモリセルと、を有し、前記メモリセルは、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気トンネル接合素子とスイッチング素子との直列接続を含み、該直列接続の一方の端子は、対応する前記ビット線に接続され、他方の端子は接地され、前記スイッチング素子は、対応する前記ワード線に印加される電気信号によってオンオフ制御される磁気ランダムアクセスメモリ。書込み電流の低減のみならず、大きなMR比を有するMTJ素子の開発が望まれている。本発明の一観点によると、磁化自由層と、磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置されたトンネルバリア層とを有し、前記磁化自由層は、垂直磁化自由層、該垂直磁化自由層と前記トンネルバリア層との間に配置された面内磁化自由層、及び前記垂直磁化自由層と前記面内磁化自由層との間に配置された非磁性中間層とを含み、前記垂直磁化自由層の磁化容易方向は膜面に対して垂直であり、前記面内磁化自由層の磁化容易方向は膜面に平行であり、前記垂直磁化自由層の磁化は、前記非磁性中間層を介して前記面内磁化自由層と交換結合することによって、面内方向を向いている磁気トンネル接合素子が提供される。垂直磁化自由層と面内磁化自由層とを組み合わせることにより、磁化自由層の垂直方向の反磁界を小さくすることができる。これにより、反転電流を低減させることが可能になる。非磁性中間層を配置することにより、大きなMR比を得ることができる。図1に、実施例1によるMTJ素子の概略断面図を示す。基板10の上に、下部電極11が形成されている。下部電極11には、例えばTaが用いられる。下部電極11の一部の領域上に、バッファ層12、磁化自由層17、トンネルバリア層18、磁化固定層磁化ピンド層19、反強磁性層磁化ピニング層20、上部電極21、及び接続層22が、この順番に積層されている。磁化自由層17は、非磁性中間層14を垂直磁化自由層13と面内磁化自由層15とで挟んだ積層構造を有する。面内磁化自由層15がトンネルバリア層18に接触している。すなわち、垂直磁化自由層13とトンネルバリア層18との間に面内磁化自由層15が配置されている。バッファ層12は、その上に配置される垂直磁化自由層13の結晶品質を高め、垂直磁化自由層13の磁化容易方向を膜面に対して垂直な方向に向ける機能を持つ。バッファ層12には、例えばRu、Pt、Rh、Pd、Cu等が用いられ、その厚さは、例えば2nm~10nmである。垂直磁化自由層13には、磁化容易方向が膜面に対して垂直である強磁性材料が用いられる。このような材料として、例えば、CoPt、FePt、CoPd、FePd等が挙げられる。また、垂直磁気異方性膜13を多層膜構造としてもよい。多層膜構造の例として、Fe層とPt層との交互積層構造、Fe層とPd層との交互積層構造、Co層とPt層との交互積層構造、Co層とPd層との交互積層構造、及びCo層とNi層との交互積層構造が挙げられる。非磁性中間層14は、その上に形成される面内磁化自由層15の結晶品質を高める機能を有する。非磁性中間層14には、例えば厚さ0.1nm~0.4nmのTa膜が用いられる。なお、非磁性中間層14を、Ta膜とRu膜との2層構造にしてもよい。この構造では、厚さ1nm以下のRu膜が、垂直磁化自由層13とTa膜との間に配置される。面内磁化自由層15には、磁化容易方向が面内方向を向く強磁性材料が用いられる。このような磁性材料として、CoFe、NiFe、CoNiFe、CoFeB、NiFeB、CoNiFeB、FeB等が挙げられる。MTJ素子をSTT-MRAMに適用したときの反転電流書込み電流及び情報保持能力リテンションは、面内磁化自由層15の膜厚に依存する。面内磁化自由層15にCo25Fe59B16を用いる場合、その厚さを1.1nm~1.2nmの範囲内とすることが好ましい。なお、非磁性中間層14がTa膜のみで形成されている場合には、面内磁化自由層15の厚さを、0.5nm~1.2nmの範囲内とすることが好ましい。垂直磁化自由層13に接触させて、面内磁化自由層15を形成すると、面内磁化自由層15が、垂直磁化自由層13の結晶格子の影響を受けて、110配向した体心立方格子構造をとりやすくなる。MR比を大きくするためには、面内磁化自由層15を、001配向した体心立方格子構造にすることが好ましい。非磁性中間層14を配置することにより、面内磁化自由層15を、001配向した体心立方格子構造にすることができる。垂直磁化自由層13が非磁性中間層14を介して面内磁化自由層15と交換結合することにより、垂直磁化自由層13の磁化方向が面内方向を向く。これにより、磁化自由層17は、全体として面内方向の磁気異方性を有する強磁性膜として機能する。磁化自由層17にスピン偏極した電子を注入し、スピントランスファートルクの作用によって磁化方向を反転させるための電流反転電流の大きさは、磁化自由層17の垂直方向の反磁界に依存する。面内磁化自由層15と垂直磁化自由層13とを組み合わせることにより、磁化自由層17の垂直方向の反磁界を低減させることができる。これにより、反転電流を小さくすることが可能になる。垂直磁化自由層13が厚くなりすぎると、その本来の垂直磁気異方性が支配的になってしまい、磁化が面内方向を向きにくくなる。また、反転電流は、磁化自由層17の体積に依存する。垂直磁化自由層13が厚くなると、磁化自由層17の体積が大きくなり、反転電流を低減させる効果が減殺されてしまう。逆に、垂直磁化自由層13が薄すぎると、垂直方向の反磁界を低減させるという十分な効果が得られない。一例として、垂直磁化自由層13にCoPtを用いる場合には、その厚さを0.5nm~1.5nmの範囲内にすることが好ましい。また、垂直磁化自由層13を、Co膜とNi膜との交互積層構造とする場合には、Co膜の厚さを0.2nm、Ni膜の厚さを0.4nmとし、繰返し回数を2回とすることが好ましい。トンネルバリア層18は、磁化自由層17と磁化固定層19との間で、量子トンネル効果によって電子が移動する厚さに設定される。トンネルバリア層18の材料及び厚さは、素子抵抗RAを決める一因になる。一例として、トンネルバリア層18にMgOを用いる場合、その厚さは1nmに設定される。MgO以外に、AlO、ZnO、HfO等の酸化物を用いてもよい。磁化固定層19は、例えば、トンネルバリア層18側から順番に、厚さ2.5nmのCoFeB層、厚さ0.5nmのCoFe層、厚さ0.7nmのRu層、及び厚さ3nmのCoFe層が積層された積層フェリ構造を有する。反強磁性層20には、反強磁性材料、例えばPtMn、IrMn等が用いられる。一例として、厚さ15nmのPtMn層が用いられる。反強磁性層20は、磁化固定層19と交換結合することにより、磁化固定層19の磁化方向を、面内の一方向に固定する。上部電極21には、例えば厚さ5nmのRu層が用いられる。接続層22には、例えば厚さ100nmのTa層が用いられる。接続層22は、上部電極21からバッファ層12までの各層をパターニングするときのハードマスクとして用いられる。磁化自由層17の磁化方向が、磁化固定層19の磁化方向と平行になっている状態平行状態が、MTJ素子の低抵抗状態に対応し、反平行になっている状態反平行状態が、高抵抗状態に対応する。図2A及び図2Bに、膜面に垂直な方向の磁化特性の測定結果を示す。図2Aは、厚さ1.3nmのCoFeB膜の磁化特性を示し、図2Bは、実施例1による磁化自由層17の磁化特性を示す。作製した試料の垂直磁化自由層は、厚さ0.2nmのCo膜と厚さ0.6nmのNi膜との交互積層構造を有し、積層の繰返し回数は2である。非磁性中間層14は、厚さ0.4nmのRu膜と厚さ0.2nmのTa膜との2層構造を有する。面内磁化自由層15は、厚さ0.8nmのCoFeB膜である。図2A及び図2Bの横軸は、垂直方向の外部磁界の強さを、単位Oeで表し、縦軸は垂直方向の磁化の大きさを、単位10-3emuで表す。厚さ1.3nmのCoFeB膜の垂直方向の反磁界は、約4400Oeである。これに対し、実施例1の構造の磁化自由層17の垂直方向の反磁界は約1750Oeである。このように、実施例1の構造を採用することにより、単層の面内磁化自由層に比べて、垂直方向の反磁界を低減させることができる。また、厚さ1.3nmの単層のCoFeB層を磁化自由層に用いたMTJ素子の反転電流は、約4MA/cm2実測値であった。これに対し、図2Bに示した試料の反転電流は、約1.5MA/cm2試料の磁化量と反磁界による計算値であった。このように、実施例1による磁化自由層17を採用することにより、反転電流を低減させることが可能になる。図1に示した積層構造を有する複数の評価用試料を作製し、MR比を測定した。以下、評価結果について説明する。図3に、非磁性中間層14の厚さとMR比との関係を示す。作製した評価用試料の構造は下記の通りである。バッファ層12:厚さ4nmのPt膜垂直磁化自由層13:厚さ0.3nmのCo膜/厚さ0.6nmのNi膜×2非磁性中間層14:厚さ0.2nm~0.8nmのRu膜と、厚さ0nm~0.2nmのTa膜との積層面内磁化自由層15:厚さ1.0nmのCoFeB膜トンネルバリア層18:厚さ1.0nmのMgO膜磁化固定層19:厚さ0.2nmのCoFeB膜、厚さ0.5nmのCoFe膜、厚さ0.75nmのRu膜、及び厚さ3nmのCoFe膜反強磁性層20:厚さ15nmのPtMn膜上部電極21:厚さ5nmRu膜接続層22:厚さ100nmのTa膜ここで、垂直磁化自由層13の構造を示す×2は、Co膜とNi膜との積層の繰返し回数が2回であることを意味する。図3の横軸は、非磁性中間層14のRu膜の厚さを単位nmで表し、縦軸はMR比を単位で表す。図中の四角記号、三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層14のTa膜の厚さが0nm、0.1nm、及び0.2nmの試料を示す。Ta膜の厚さが0nmの試料は、非磁性中間層14をRu膜のみで構成した試料であることを意味する。非磁性中間層14としてTa膜を配置した試料三角記号、丸記号のMR比は、Taを配置していない試料四角記号のMR比よりも大きいことがわかる。図4に、面内磁化自由層15の厚さとMR比との関係を示す。作製した評価用試料の非磁性中間層14及び面内磁化自由層15の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図3の測定に用いた評価用試料のものと同一である。非磁性中間層14:厚さ0nm~0.2nmのTa膜面内磁化自由層15:厚さ0.8nm~1.4nmのCoFeB膜図4の横軸は、面内磁化自由層15の厚さを単位nmで表し、縦軸はMR比を単位で表す。図中の四角記号、三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層14の厚さが0nm、0.1nm、及び0.2nmの試料を示す。非磁性中間層14の厚さが0nmの試料においては、垂直磁化自由層13と面内磁化自由層15とが直接接触している。Taの非磁性中間層14を配置した試料のMR比は、非磁性中間層14を配置していない試料のMR比よりも大きいことがわかる。なお、面内磁化自由層15の厚さが0.8nmの試料においては、Taの非磁性中間層14を挿入する効果が小さいことがわかる。図5に、Taの非磁性中間層14の厚さとMR比との関係を示す。作製した評価用試料の非磁性中間層14及び面内磁化自由層15の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図3の測定に用いた評価用試料のものと同一である。非磁性中間層14:厚さ0nm~0.4nmのTa膜面内磁化自由層15:厚さ1.0nm~1.2nmのCoFeB膜図5の横軸は、非磁性中間層14の厚さを単位nmで表し、縦軸はMR比を単位で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれ面内磁化自由層15の厚さが1.0nm、1.2nmの試料を示す。非磁性中間層14の厚さが0nmの試料においては、垂直磁化自由層13と面内磁化自由層15とが直接接触している。非磁性中間層14の厚さが0.1nm~0.4nmの範囲内で、非磁性中間層14を配置しない場合に比べて大きなMR比が得られることが確認された。図3~図5に示した評価結果からわかるように、非磁性中間層14としてTa膜を配置することにより、MR比を改善することが可能である。図6に、面内磁化自由層15の厚さとMR比との関係を示す。作製した評価用試料のバッファ層12、垂直磁化自由層13、非磁性中間層14、面内磁化自由層15の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図3の測定に用いた評価用試料のものと同一である。バッファ層12:厚さ7nmのRu膜垂直磁化自由層13:厚さ1.2nmのCoPt膜非磁性中間層14:厚さ0.2nmのTa膜面内磁化自由層15:厚さ0.7nm~1.2nmのCoFeB膜図6の横軸は、面内磁化自由層15の厚さを単位nmで表し、縦軸はMR比を単位で表す。面内磁化自由層15の厚さが0.7nm~1.2nmの範囲内で、十分大きなMR比が得られている。図7に、垂直磁化自由層13の厚さとMR比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層13、非磁性中間層14、面内磁化自由層15の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図6の測定に用いた評価用試料のものと同一である。垂直磁化自由層13:厚さ1.0nm~1.4nmのCoPt膜非磁性中間層14:厚さ0.1nm~0.2nmのTa膜面内磁化自由層15:厚さ1.0nmのCoFeB膜図7の横軸は、垂直磁化自由層13の厚さを単位nmで表し、縦軸はMR比を単位で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれTaの非磁性中間層14の厚さが0.1nm、0.2nmの試料を示す。垂直磁化自由層13の厚さが1.0nm~1.4nmの範囲内で、十分大きなMR比が得られている。図8に、面内磁化自由層15の厚さとMR比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層13、非磁性中間層14、面内磁化自由層15の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図7の測定に用いた評価用試料のものと同一である。垂直磁化自由層13:厚さ0.8nmのCoPt膜非磁性中間層14:厚さ0.4nmのRu膜と厚さ0.2nmのTa膜との積層面内磁化自由層15:厚さ1.0nm~1.2nmのCoFeB膜図8の横軸は、面内磁化自由層15の厚さを単位nmで表し、縦軸はMR比を単位で表す。面内磁化自由層15の厚さが1.0nmの試料では、厚さが1.1nm~1.2nmの試料に比べて、MR比が著しく低いことがわかる。これは、面内磁化自由層15と垂直磁化自由層13との交換相互作用により、面内磁化自由層15の磁化が垂直方向を向いてしまったためであると考えられる。図9に、垂直磁化自由層13の厚さとMR比との関係を示す。作製した評価用試料の垂直磁化自由層13、非磁性中間層14、面内磁化自由層15の構造は下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図7の測定に用いた評価用試料のものと同一である。垂直磁化自由層13:厚さ0.8nm~2.2nmのCoPt膜非磁性中間層14:厚さ0.4nmのRu膜と厚さ0.1nm~0.2nmのTa膜との積層面内磁化自由層15:厚さ1.1nmのCoFeB膜図9の横軸は、垂直磁化自由層13の厚さを単位nmで表し、縦軸はMR比を単位で表す。図中の三角記号、丸記号は、それぞれ非磁性中間層14のTa膜の厚さが0.1nm、0.2nmの試料を示す。垂直磁化自由層13の厚さが0.8nm~2.2nmの範囲内で、大きなMR比が得られている。なお、垂直磁化自由層13の厚さを1.0nm以下の範囲で、MR比がより大きくなっている。これは、垂直磁化自由層13が面内磁化自由層15と交換結合することにより、その磁化が面内方向を向きやすいためであると考えられる。また、垂直磁化自由層13を厚くしすぎると、磁化自由層17の合計の体積が大きくなることにより、反転電流が大きくなってしまう。反転電流の増大を抑制するために、垂直磁化自由層13の厚さを1.5nm以下にすることが好ましい。図10A~図10Fを参照して、実施例1によるMTJ素子の製造方法について説明する。図10Aに示すように、基板10の上に、下部電極11から接続層22までの各層を、スパッタリングにより形成する。基板10内に、下地電極11に接続される導電プラグ10Aが埋め込まれている。接続層22を形成した後、磁場中で熱処理を行うことにより、反強磁性層20に反強磁性を出現させる。この熱処理時に、面内磁化自由層15が結晶化する。図10Bに示すように、MTJ積層構造を配置すべき領域に接続層22が残るように、接続層22をパターニングする。接続層22のパターニングには、例えばエッチングマスクとして酸化シリコン膜を用い、エッチングガスとしてCl2ガスを用いる。接続層22をパターニングした後、エッチングマスクとして使用した酸化シリコン膜は除去する。パターニングされた接続層22の平面形状は、例えば長方形または楕円形である。平面視において、パターニングされた接続層22は、導電プラグ10Aと重ならない。図10Cに示すように、パターニングされた接続層22をエッチングマスクとして用い、上部電極21からバッファ層12までの各層をエッチングする。このエッチングには、COとNH3との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングが適用される。COとNH3との流量比は、例えば1:10とし、エッチングチャンバ内の圧力は、例えば10Paとする。なお、エッチングガスとしてメタノールガスを用いることもできる。Taからなる下部電極11が露出すると、下部電極11の表面が酸化され、タンタル酸化物層が形成される。タンタル酸化物層がエッチングストッパとして作用するため、下部電極11はエッチングされない。ここまでの工程で、バッファ層12から接続層22まで各層を含む積層構造体30が形成される。図10Dに示すように、積層構造体30及び下部電極11の上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜をパターニングすることにより、レジストパターン33を形成する。レジストパターン33は、積層構造体30、及びその周囲の下部電極11を覆う。平面視において、レジストパターン33は導電プラグ10Aを内包する。レジストパターン33をエッチングマスクとして、下部電極11をエッチングする。このエッチングには、例えばエッチングガスとしてCl2を用いた反応性イオンエッチングが適用される。エッチング後、レジストパターン33を除去する。ここまでの工程で、図1に示したMTJ素子が形成される。パターニングされた下部電極11は、導電プラグ10Aに電気的に接続されている。図10Eに示すように、基板10、下部電極11、及び積層構造体30の上に、層間絶縁膜35を形成する。層間絶縁膜35には、例えば窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁材料が用いられる。層間絶縁膜35の形成には、例えば化学気相成長CVDが適用される。図10Fに示すように、層間絶縁膜35に、接続層22の上面を露出させるビアホールを形成し、その中に導電プラグ37を充填する。導電プラグ37は、接続層22を介して、MTJ素子の上部電極21に電気的に接続される。図11に、実施例2によるスピントルク注入型MRAMSTT-MRAMの等価回路図を示す。複数のワード線53が、図11の縦方向に延在し、複数のビット線65が図11の横方向に延在する。ワード線53とビット線65との交差箇所に対応して、メモリセルが配置される。メモリセルは、スイッチング素子52とMTJ素子60とを含む。スイッチング素子52には、例えばMOSトランジスタが用いられる。スイッチング素子52の制御端子MOSトランジスタのゲート電極が、対応するワード線53に接続される。ワード線53に印加される電気信号によって、スイッチング素子52のオンオフ制御が行われる。スイッチング素子52の一方の電流端子が接地され、他方の電流端子が、MTJ素子60を介して、対応するビット線65に接続される。図12A~図12Cを参照して、実施例2によるSTT-MRAMの製造方法について説明する。図12A~図12Cにおいては、1つのメモリセルに対応する部分の断面図を示している。図12Aに示すように、シリコン等の半導体基板50の表層部に素子分離絶縁膜51を形成し、活性領域を画定する。この活性領域に、MOSトランジスタ52を形成する。MOSトランジスタ52のゲート電極がワード線53図11を兼ねる。半導体基板50及びMOSトランジスタ52の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜55を、例えば化学気相成長CVDにより堆積させる。堆積後、化学機械研磨CMPにより、層間絶縁膜55の表面を平坦化する。層間絶縁膜55にビアホールを形成し、このビアホール内をタングステン等の導電プラグ56で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばTiNが用いられる。導電プラグ56は、MOSトランジスタ52の一方の不純物拡散領域に接続される。層間絶縁膜55の上に、導電プラグ56に接続されたグランド配線57を形成する。層間絶縁膜55及びグランド配線57の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜58を、例えばCVDにより堆積させる。堆積後、CMPにより、層間絶縁膜58の表面を平坦化する。図12Bに示すように、層間絶縁膜55、58にビアホールを形成し、このビアホール内を、タングステン等の導電プラグ59で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばTiNが用いられる。導電プラグ59は、MOSトランジスタ52のもう一方の不純物拡散領域に接続される。層間絶縁膜58の上に、MTJ素子60を形成する。MTJ素子60は、図1に示した実施例1の下部電極11から接続層22までの積層構造と同一の積層構造を有する。MTJ素子60は、実施例1と同じ方法で作製される。下部電極11は、導電プラグ59に接続される。図12Cに示すように、MTJ素子60及び層間絶縁膜58の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜63を、例えばCVDにより堆積させる。その後、CMPにより、層間絶縁膜63の表面を平坦化する。MTJ素子60と重なる位置にビアホールを形成し、このビアホール内を、導電プラグ64で埋め込む。導電プラグ64には、例えばAl/TiNの積層膜が用いられる。層間絶縁膜63の上に、ビット線65を形成する。ビット線65は、例えば、厚さ10nmのTi層、厚さ30nmのNiFe層、及び厚さ600nmのAl層がこの順番に堆積した3層構造を有する。ビット線65は、導電プラグ64に接続される。ビット線65及び層間絶縁膜63の上に、必要に応じて上層の配線層及び電極パッドを形成する。実施例2によるSTT-MRAMにおいては、実施例1によるMTJ素子が用いられている。このため、書き込み電流を低減させ、かつ大きなMR比を得ることができる。実施例1によるMTJ素子は、STT-MRAMの他に、例えばスピントルクオシレータ等に適用することができる。以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。