JP2012059878A

JP2012059878A - 記憶素子、メモリ装置

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Publication number: JP2012059878A
Application number: JP2010200983A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Higo; 豊肥後; Masakatsu Hosomi; 政功細見; Hiroyuki Omori; 広之大森; Kazuhiro Bessho; 和宏別所; Ichiyo Yamane; 一陽山根; Hiroyuki Uchida; 裕行内田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2012-03-22
Also published as: CN102403025B; CN102403025A; US20120056286A1; US8455967B2

Abstract

【課題】スピン注入型磁気メモリでの書込電流の低減と熱安定性の改善。
【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１７と、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１５と、記憶層と磁化固定層の間に設けられる非磁性体による絶縁層１６とを有する。そして積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して情報の記録が行われる。ここで記憶層が受ける実効的な反磁界の大きさが、記憶層の飽和磁化量よりも小さいものとされている。さらに記憶層及び磁化固定層が、界面磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーよりも大きくなる膜厚とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリ装置に関する。

特開２００３−１７７８２号公報米国特許第６２５６２２３号明細書米国特許第７２４２０４５号明細書特開２００８−２２７３８８号公報

PHYs. Rev. B,54.9353(1996) J. Magn. Mat.,159,L1(1996) F. J. Albert et al.,Appl. Phy. Lett.,77,3809(2000)

コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。

そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている。

ＭＲＡＭは、ほぼ直交する２種類のアドレス配線（ワード線、ビット線）にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。

一般的なＭＲＡＭの模式図（斜視図）を図１３に示す。
シリコン基板等の半導体基体１１０の素子分離層１０２により分離された部分に、各メモリセル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１０８、ソース領域１０７、並びにゲート電極１０１が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極１０１の上方には、図中前後方向に延びるワード線１０５が設けられている。
ドレイン領域１０８は、図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１０８には、配線１０９が接続されている。
そして、ワード線１０５と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線１０６との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子１０３が配置されている。この磁気記憶素子１０３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。
さらに、磁気記憶素子１０３は、水平方向のバイパス線１１１及び上下方向のコンタクト層１０４を介して、ソース領域１０７に電気的に接続されている。
ワード線１０５及びビット線１０６にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子１０３に印加して、これにより磁気記憶素子１０３の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。

そして、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層（記憶層）が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、ＭＲＡＭを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている（例えば、特許文献１、２、４、非特許文献１、２参照）。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。

例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。

そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。

上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリ装置の模式図を、図１４及び図１５に示す。図１４は斜視図、図１５は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体６０の素子分離層５２により分離された部分に、各メモリセル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５８、ソース領域５７、並びにゲート電極５１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極５１は、図１４中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域５８は、図１４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５８には、配線５９が接続されている。
そして、ソース領域５７と、上方に配置された、図１４中左右方向に延びるビット線５６との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子５３が配置されている。
この記憶素子５３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。記憶素子５３は２つの磁性層６１、６２を有する。この２層の磁性層６１，６２のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子５３は、ビット線５６と、ソース領域５７とに、それぞれ上下のコンタクト層５４を介して接続されている。これにより、記憶素子５３に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。

このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリ装置の場合、図１３に示した一般的なＭＲＡＭと比較して、デバイス構造を単純化することができ、そのために高密度化が可能になるという特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。

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、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリ装置においては、記憶素子に流す電流によりスピン注入を行って、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。
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、スピン注入の効率を改善して、記憶素子に流す電流を低減する必要がある。

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、そのためには記憶層の両側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。この観点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。

この電流値を下げるためには、この電流値が記憶層の膜厚に比例し、記憶層の飽和磁化の２乗に比例するので、これら（膜厚や飽和磁化）を調節すれば良いことがわかる（例えば、非特許文献３参照)。
そして、例えば特許文献３には、記録材料の磁化量(Ｍｓ)を低減すれば、電流値を低減できることが示されている。

しかしながら、一方で、電流によって書き込まれた情報を記憶しなければ不揮発性メモリとはなり得ない。つまり、記憶層の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）の確保が必要である。
スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子の場合、従来のＭＲＡＭと比較して、記憶層の体積が小さくなるので、単純に考えると熱安定性は低下する方向にある。
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、熱により再反転してしまい、書き込みエラーとなってしまう。
そして、スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子の大容量化を進めた場合、記録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。

そのため、スピン注入による磁化反転を利用する記憶素子において、熱安定性は非常に重要な特性である。

従って、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させる構成の記憶素子がメモリとして存在し得るためには、スピン注入による磁化反転に必要な電流をトランジスタの飽和電流以下に減らし、また、書き込まれた情報をしっかり保持する熱安定性を確保する必要がある。

以上のように、スピン注入による磁化反転に必要な電流を低減するには、記憶層の飽和磁化量Ｍｓを低減することや、記憶層を薄くすることが考えられる。例えば、上述の特許文献３のように、記憶層の材料に、飽和磁化量Ｍｓの低い材料を使用することが有効である。しかしながら、このように、単純に飽和磁化量Ｍｓの低い材料を用いた場合、情報をしっかりと保持する熱安定性を確保することができない。
そこで本発明においては、書き込み電流の低減と、熱安定性の改善を両立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メモリ装置を提供することを目的とする。

本発明の記憶素子は、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絶縁層と、上記磁化固定層の上記絶縁層側とは反対側に隣接する反強磁性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スピン偏極した電子を注入することにより、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、上記記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、上記記憶層の飽和磁化量よりも小さいものとされ、さらに上記記憶層及び上記磁化固定層が、界面磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーよりも大きくなる膜厚とされている。
特には、上記記憶層及び上記磁化固定層の膜厚は、Ｅ＝Ｋｉ−（μ₀・Ｍｓ²・ｔ）／２で表される単位面積あたりのエネルギー障壁Ｅが、Ｅ＞０となる膜厚である。但し、Ｋｉは単位面積あたりの界面磁気異方性エネルギー、Ｍｓは飽和磁化、μ₀は真空の透磁率、ｔは膜厚である。
また上記記憶層はＣｏ−Ｆｅ−Ｂを有して構成される。
また上記磁化固定層はＣｏ−Ｆｅ−Ｂを有して構成される。

本発明のメモリ装置は、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、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら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、スピン偏極した電子が注入されるものである。

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、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、中間層が絶縁体から成り、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ので、積層方向に電流を流してスピン偏極した電子を注入することによって情報の記録を行うことができる。
そして、記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、記憶層の飽和磁化量よりも小さいことにより、記憶層が受ける反磁界が低くなっており、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することができる。
一方、記憶層の飽和磁化量を低減しなくても書き込み電流量を低減することができるため、記憶層の飽和磁化量を充分な量として、記憶層の熱安定性を充分に確保することが可能になる。
また、強磁性層である記憶層、磁化固定層の膜厚を一定の範囲で設計することにより、垂直磁気異方性を付与する。
強磁性層の膜厚が一定の範囲内にあるとき、界面磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーを上回る。このとき、強磁性層の磁化容易軸が積層面に対して垂直方向となる。これによって、磁化の容易軸が面内方向の場合に比べて、記憶素子の反転電流を減少させることができる。

また上述の本発明のメモリ装置の構成によれば、２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら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、スピン偏極した電子が注入されるものであることにより、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注入による情報の記録を行うことができる。
また、記憶層の飽和磁化量を低減しなくても、記憶素子の書き込み電流量を低減することが可能になるため、記憶素子に記録された情報を安定して保持すると共に、メモリ装置の消費電力を低減することが可能になる。

本発明によれば、記憶層の飽和磁化量を低減しなくても、記憶素子の書き込み電流量を低減することが可能になるため、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。特に記憶層及び磁化固定層が、界面磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーよりも大きくなる膜厚とされていることで、記憶層及び磁化固定層の磁化容易軸が積層面に対して垂直方向となる。これによって、磁化の容易軸が面内方向の場合に比べて、記憶素子の反転電流を減少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、メモリ装置全体の消費電力を低減することが可能になる。

本発明の実施の形態のメモリ装置の概略構成の説明図である。実施の形態の記憶素子の断面図である。０．０９×０．１８μｍサイズの記憶層のＣｏの量と、反転電流密度との関係を示した図である。０．０９×０．１８μｍサイズの記憶層のＣｏの量と、熱安定性の指標との関係を示した図である。５０ｎｍφサイズの記憶層のＣｏの量と、熱安定性の指標との関係を示した図である。実施の形態の実験５の試料の層構造及び測定結果の説明図である。実施の形態の実験５による膜厚依存性の説明図である。実施の形態の実験６の試料の層構造の説明図である。実施の形態の実験６の測定結果の説明図である。実施の形態の実験７の試料の層構造及び測定結果の説明図である。実施の形態の実験８の試料の層構造及び測定結果の説明図である。実施の形態の実験８の測定結果の説明図である。従来のＭＲＡＭの構成を模式的に示した斜視図である。スピン注入による磁化反転を利用したメモリ装置の概略構成の説明図である。図１４のメモリ装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜２．実施の形態の構成＞
＜３．実験＞

＜１．実施の形態の記憶素子の概要＞

まず、発明の実施の形態となる記憶素子の概要について説明する。
本発明の実施の形態は、前述したスピン注入により、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、強磁性層等の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。

詳しくは後述するが、記憶素子は、例えば図２に一例を示す層構造とされ、少なくとも２つの強磁性層としての記憶層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の絶縁層１６（トンネル絶縁層）を備える。
特に本実施の形態の場合、強磁性体層である記憶層１７、磁化固定層１５が、界面磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーよりも大きくなる膜厚とされている。

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。

スピン注入により磁性層（記憶層１７）の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）もしくはトンネル磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性（向き）は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。

スピン注入型磁気メモリにとって重要な課題は、熱安定性の確保と反転電流低減の両立である。
熱揺らぎによる磁化反転が原因で、書き込まれた状態が意図せずに変わってしまうことがある得る。熱揺らぎによる磁化反転の発生頻度は、熱安定性の指標Δを用いて記述される。
また、スピン注入磁化反転に必要な電流Ｉｃ₀は、消費電力やセルサイズの観点から小さいほうが望ましい。

熱安定性の指標Δと反転電流Ｉｃ₀は、記憶層の磁化の容易軸の向きに応じて異なる。具体的には、以下の通りである。式（１）（２）は面内磁化（磁化の方向が膜面に平行）の場合の指標Δと、反転電流Ｉｃ₀を示し、式（３）（４）は本実施の形態のように垂直磁化（磁化の方向が膜面に垂直）の場合の指標Δと、反転電流Ｉｃ₀を示している。

上記式（１）〜（４）において、
Ｋ：容易軸方向の磁気異方性エネルギー密度、μ₀：真空の透磁率、Ｍｓ：飽和磁化、Ｖ：体積、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：温度、（Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ）：反磁界係数、α：ダンピング定数、η：スピン偏極率、ｅ：電子の電荷、バー付きのｈ：換算プランク定数、である。
反磁界係数の添え字（ｘ、ｙ、ｚ）は３次元空間の方向を示しており、（ｘ、ｙ）が積層面内方向、ｚが積層面に垂直な方向である。
Δは記憶層の磁化を反転させるために必要なエネルギー（以下、エネルギー障壁と呼ぶ。）と熱エネルギーの比で定義され、この値が大きいほど熱安定性に優れていることになる。

面内磁化型においては、磁気異方性エネルギー密度Ｋは一般に無視できるほど小さく、上記式（１）の第二項がΔを支配的に決定する。
０以上のΔを確保するためには、Ｎｙ＞Ｎｘとする必要がある。このためには、記憶層の（ｘ、ｙ）面内の形状を楕円形や長方形とするとよい。
ここで、（ｙ方向の長さ）＜（ｘ方向の長さ）とする。このようにして得られるエネルギー障壁は、形状磁気異方性エネルギーと呼ばれる。形状磁気異方性エネルギーは、飽和磁化Ｍｓの２乗に比例する。

一方、垂直磁化型においては、ある程度大きな磁気異方性エネルギー密度Ｋが、０以上のΔを確保するために必要である。
一般には、結晶磁気異方性エネルギーと呼ばれる、磁性層の結晶構造に由来するエネルギーを用いる。
上記式（３）の第二項は、反磁界項と呼ばれ、Δを減少させる方向に働く。
また、垂直磁化型では形状異方性エネルギーを利用する必要はないために、記憶層１７の（ｘ、ｙ）面内の形状は、円形や正方形とされることが多い。このときＮｙ＝Ｎｘとなる。
垂直磁化型の別の形態では、磁性層自体に結晶磁気異方性がない場合でも、隣接する層との界面にはたらく界面磁気異方性を用いる。
ここで、単位面積あたりの界面磁気異方性エネルギーをＫｉとすると、Ｋ＝Ｋｉ／ｔとなる。ここで、ｔは磁性層の膜厚である。Δの式から、単位面積あたりのエネルギー障壁Ｅは、次のようになる。

なお、ここでは簡単のためＮｚ−Ｎｘ＝１とした。この式（５）の第二項は反磁界エネルギーである。
そしてＥ＞０が垂直磁化となる条件である。これより、膜厚が薄いほど垂直磁化に成りやすい。
界面磁気異方性エネルギーを用いる場合、飽和磁化Ｍｓと単位面積あたりの界面磁気異方性エネルギーＫｉ自体も膜厚依存を持つために、記憶層１７や磁化固定層１５が垂直磁化となるためには上記式（５）のＥ＞０を満たすような膜厚を用いる必要がある。
従って本実施の形態では、強磁性体層である記憶層１７、磁化固定層１５は、単位面積あたりのエネルギー障壁Ｅが、Ｅ＞０となる膜厚とされる。

また、本実施の形態では、記憶層１７が受ける、実効的な反磁界の大きさが、記憶層１７の飽和磁化量よりも小さいものとされる。
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。

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、スピン注入によって磁化反転を行う場合には、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（図１３の配線１０５）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、スピン注入により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。

選択トランジスタの飽和電流よりも、スピン注入による磁化の反転電流Ｉｃ₀を小さくするためには、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓを減らせば良い。
しかし、単純に飽和磁化量Ｍｓを減らした場合（例えば、特許文献３）には、記憶層１７の熱安定性が著しく損なわれ、メモリとしての機能を果せなくなる。
メモリを構成するためには、熱安定性の指標Δがある程度以上の大きさである必要がある。

そこで、本願の発明者等が種々の検討を行った結果、記憶層１７を構成する強磁性層として、例えばＣｏ−Ｆｅ−Ｂの組成を選定することにより、記憶層１７が受ける実効的な反磁界（Ｍeffective）の大きさが、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなることを見出した。
上述の強磁性材料を用いることにより、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よりも小さい構成となる。
これにより、記憶層１７が受ける反磁界を小さくすることができるので、式（３）により表される熱安定性Δを損ねることなく、式（４）により表される反転電流Ｉｃ₀を低減する効果が得られる。
さらに、発明者らは、上記の選定されたＣｏ−Ｆｅ−Ｂ組成の内、限られた組成範囲において、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂが膜面垂直方向に磁化し、それにより、Ｇｂｉｔクラスの容量を実現可能な極微小記録素子においても十分な熱安定性が確保可能であることを見出した。
従って、Ｇｂｉｔクラスのスピン注入型メモリにおいて熱安定性を保った状態で、低電流で情報の書き込みができる、という安定したメモリの形成を可能にする。

本実施の形態では、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よりも小さい構成、即ち、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓに対する実効的な反磁界の大きさの比の値を１より小さくする。

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として、絶縁体から成るトンネル絶縁層（絶縁層１６）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、これまで一般的に用いられてきた酸化アルミニウムを用いた場合よりも、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、スピン注入効率はＭＲ比に依存し、ＭＲ比が大きいほど、スピン注入効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、中間層であるトンネル絶縁層１６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、スピン注入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、スピン注入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１６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（トンネル絶縁層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。

トンネル絶縁層１６の面積抵抗値は、スピン注入により記憶層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１６では、面積抵抗値を上述の範囲とするために、ＭｇＯ膜の膜厚を１．５ｎｍ以下に設定する必要がある。

また、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、記憶素子の面積を０．０１μｍ²以下とする。

なお、本実施の形態における記憶層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、本発明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。

記憶素子のその他の構成は、スピン注入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。

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。

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、下側に配置される構成でも全く問題はない。
さらには、磁化固定層１５が記憶層１７の上下に存在する、いわゆるデュアル構造でもよい。

なお、記憶素子の記憶層１７に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層１７に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層１６を介して流れる強磁性トンネル電流によって読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。

＜２．実施の形態の構成＞

続いて、本発明の実施の形態の具体的構成について説明する。
本発明の一実施の形態としてのメモリ装置の概略構成図（斜視図）を図１に示す。
このメモリ装置は、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、各メモリセル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（例えばワード線）を兼ねている。
ドレイン領域８は、図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、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線（例えばビット線）６との間に、記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子３は、２種類のアドレス配線１，６の交点付近に配置されている。
この記憶素子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、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。

また、本実施の形態のメモリ装置の記憶素子３の断面図を図２に示す。
図２に示すように、記憶素子３は、下層側から順に、下地層１４、磁化固定層１５、絶縁層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。
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、記憶層１７の上にはキャップ層１８が形成されている。

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。
また記憶層１７、磁化固定層１５は、単位面積あたりのエネルギー障壁Ｅが、Ｅ＞０となる膜厚とされる。

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。
磁化を固定する場合にはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどの反強磁性体を磁化固定層１５に接触させるか、あるいはそれらの反強磁性体に接触した磁性体をＲｕ等の非磁性体を介して磁気的に結合させ、磁化固定層１５を間接的に固定しても良い。

本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。

さらに、本実施の形態において、中間層である絶縁層１６を、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層としている。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。

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。

以上の本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７が、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構成されているので、記憶層１７が受ける反磁界が低くなっており、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。
一方、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓを低減しなくても書き込み電流量を低減することができるため、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓを充分な量として、記憶層１７の熱安定性を充分に確保することが可能になる。

また本実施の形態では記憶層１７、磁化固定層１５は、単位面積あたりのエネルギー障壁Ｅが、Ｅ＞０となる膜厚とされる。
記憶層１７、磁化固定層１５の膜厚がＥ＞０となる一定の範囲内にあるとき、界面磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーを上回る。このとき、記憶層１７、磁化固定層１５の磁化容易軸が積層面に対して垂直方向となる。これによって、磁化の容易軸が面内方向の場合に比べて、記憶素子の反転電流を減少させることができる。

これらのことから、情報保持能力である熱安定性を充分に確保することと、磁化反転電流（書き込み電流）の低減が両立でき、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なため、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、メモリ装置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装置を実現することができ、記憶素子３を備えたメモリ装置において、消費電力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、図１に示した構成のメモリ装置は、メモリ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．実験＞

ここで、本実施の形態の記憶素子の構成において、具体的に記憶層１７を構成する強磁性層の材料を選定することにより、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさを調整して、記憶素子の試料を作製し、その特性を調べた。
さらに、強磁性体層である記憶層１７、磁化固定層１５としての適切な膜厚についての実験も行った。

実際のメモリ装置には、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、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。
なお、以下の［実験１］〜［実験４］では、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ことについて検討した。
また［実験５］〜［実験８］では、記憶層１７、磁化固定層１５の膜厚について検討した。

［実験１］
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２に示した構成の記憶素子３を形成した。
具体的には、図２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。
・下地層１４：膜厚１０ｎｍのＴａ膜と膜厚２５ｎｍのＲｕ膜の積層膜
・磁化固定層１５：膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
・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：磁化固定層と同じ組成のＣｏＦｅＢ膜
・キャップ層１８：膜厚３ｎｍのＴａ膜、膜厚３ｎｍのＲｕ膜、膜厚３ｎｍのＴａ膜の積層膜
このように各層を選定し、また下地層１４とシリコン基板との間に図示しない膜厚１００ｎｍのＣｕ膜（後述するワード線となるもの）を設けた。
上記膜構成で、記憶層１７の強磁性層は、材質をＣｏ−Ｆｅ−Ｂの３元系合金とし、強磁性層の膜厚を２．０ｎｍに固定した。

酸化マグネシウム膜から成る絶縁層１６以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜から成る絶縁層１６は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
さらに、記憶素子３の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で加熱処理を行った。

次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してＡｒプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線（下部電極）を形成した。
この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ５ｎｍまでエッチングされた。

その後、電子ビーム描画装置により記憶素子３のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子３を形成した。記憶素子３部分以外は、ワード線のＣｕ層直上までエッチングした。
なお、特性評価用の記憶素子には、磁化反転に必要なスピントルクを発生させるために、記憶素子に充分な電流を流す必要があるため、トンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要がある。そこで、記憶素子３のパターンを、短軸０．０９μｍ×長軸０．１８μｍの楕円形状として、記憶素子３の面積抵抗値（Ωμｍ²）が２０Ωμｍ²となるようにした。

次に、記憶素子３部分以外を、厚さ１００ｎｍ程度のＡｌ₂Ｏ₃のスパッタリングによって絶縁した。
その後、フォトリソグラフィを用いて、上部電極となるビット線及び測定用のパッドを形成した。
このようにして、記憶素子３の試料を作製した。

そして、上述の製造方法により、それぞれ記憶層１７の強磁性層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成を変えた、記憶素子３の各試料を作製した。
Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成は、ＣｏＦｅとＢとの組成比（原子％）を８０：２０に固定して、ＣｏＦｅ中のＣｏの組成比ｘ（原子％）を、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、０％と変化させた。

以上、作製した記憶素子３の各試料に対して、それぞれ以下のようにして、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。

（飽和磁化量の測定）
飽和磁化量Ｍｓを、試料振動型磁力計（Vibrating Sample Magnetometer）を使用した、ＶＳＭ測定によって、測定した。

（実効的な反磁界の測定）
実効的な反磁界の測定用の試料として、上述した記憶素子３の試料とは別に、記憶素子３を構成する各層を形成し、これを２０ｍｍ×２０ｍｍ角の平面パターンに形成した試料を作製した。
そして、ＦＭＲ（Ferromagnetic Resonance）測定によって、実効的な反磁界の大きさＭeffectiveを求めた。
このＦＭＲ測定によって求められる、任意の外部磁場Ｈｅｘに対する共鳴周波数ｆＦＭＲは、下記の式（６）で与えられる。

ここで、式（６）中のＭeffectiveは、４πＭeffective＝４πＭｓ−Ｈ⊥（Ｈ⊥：膜面に垂直な方向の異方性磁界）で表すことができる。

（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。

記憶素子３の各試料について、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成と、飽和磁化量Ｍｓ及び実効的な反磁界の大きさＭeffectiveの測定結果、さらに飽和磁化量と実効的な反磁界の大きさとの比Ｍeffective／Ｍｓを表１に示す。ここで、表１に記載の記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金のＣｏ量は原子％で示している。

表１から、（Ｃｏ_xＦｅ_100-x）₈₀Ｂ₂₀のＣｏ量ｘが７０％以下の場合においては、実効的な反磁界の大きさ（Ｍeffective）は飽和磁化量Ｍｓよりも小さく、つまり、Ｃｏ量ｘが７０％以下のときの比Ｍeffective／はＭｓ、１．０より小さな値になっている。
さらに、Ｃｏ量ｘが小さくなるほど、ＭeffectiveとＭｓの差が大きくなっていることが確認できる。

反転電流値の測定結果を図３に示し、熱安定性の指標の測定結果を図４に示す。
図３は、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金のＣｏ量ｘ（ＣｏＦｅ中の含有量；原子％）と、反転電流値から求めた反転電流密度Ｊｃ０との関係を示している。
図４は、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金のＣｏ量（ＣｏＦｅ中の含有量；原子％）と、熱安定性の指標Δとの関係を示している。

図３より、Ｃｏ量ｘが小さくになるにつれて、反転電流密度Ｊｃ０が小さくなっていくことがわかる。
これは、Ｃｏ量ｘが小さくなった場合、飽和磁化量Ｍｓは増加するが実効的な反磁界Ｍeffectiveが小さくなるために、両者の積（Ｍｓ×Ｍeffective）としては小さくなることに起因する。

図４より、Ｃｏ量ｘが小さくなるにつれて、熱安定性の指標Δが大きくなっていき、Ｃｏ量ｘがある程度以上小さくなると熱安定性の指標Δが大きい値で安定することが分かる。
これは、図５に示した飽和磁化量Ｍｓの測定結果と、式（２）より熱安定性の指標Δが飽和磁化量Ｍｓに比例することとから予想される変化とよく一致している。

表１、図４、図５の結果より、実効的な反磁界Ｍeffectiveが飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなる、Ｃｏ量ｘが７０％以下の組成において、Ｍｓを下げるといった熱安定性を犠牲にする手法を用いずに、高い熱安定性を有したまま、反転電流値Ｊｃ０を低減できることが明らかになった。

［実験２］
上記の［実験１］により、（Ｃｏ_xＦｅ_100-x）₈₀Ｂ₂₀の場合、Ｃｏ量ｘが７０％より大きい組成で高い熱安定性を有したまま、反転電流値Ｊｃ０を低減できることがわかった。
そこで、［実験２］において（Ｃｏ₇₀Ｆｅ₃₀）₈₀Ｂ_z、および（Ｃｏ₈₀Ｆｅ₂₀）₈₀Ｂ_z組成の記憶層１７を用いて、Ｂ量ｚがＣｏとＦｅの比とＭeffective／Ｍｓにどのような影響を与えるかを調べた。試料の詳細は［実験１]と同様である。

表２に（Ｃｏ₇₀Ｆｅ₃₀）_100-zＢ_zで、Ｂ量ｚ（原子％）を５〜４０％としたＣｏＦｅＢ合金の組成と、飽和磁化量Ｍｓ及び実効的な反磁界の大きさＭeffectiveの測定結果、さらに飽和磁化量と実効的な反磁界の大きさとの比Ｍeffective／Ｍｓを示す。
また表３には、（Ｃｏ₈₀Ｆｅ₂₀）_100-zＢ_zの場合で、同様に、Ｂ量ｚ（原子％）を５〜４０％としたＣｏＦｅＢ合金の組成と、飽和磁化量Ｍｓ、実効的な反磁界の大きさＭeffective、比Ｍeffective／Ｍｓを示している。

表２の結果より、（Ｃｏ₇₀Ｆｅ₃₀）_100-zＢ_zのようにＣｏとＦｅの比を７０／３０で固定した場合、Ｂ量ｚ＝４０原子％以外の組成では飽和磁化量Ｍｓが実効的な反磁界Ｍeffectiveより小さくなっていることが確認できる。

表３の結果より、（Ｃｏ₈₀Ｆｅ₂₀）_100-zＢ_zのようにＣｏとＦｅの比を８０／２０で固定した場合、いずれの組成においても飽和磁化量Ｍｓが実効的な反磁界Ｍeffectiveより大きくなっていることが確認できる。

上述の表１〜３の結果より、Ｂ量ｚが３０原子％以下の範囲であれば、飽和磁化量Ｍｓと実効的な反磁界Ｍeffectiveの大小関係はＣｏとＦｅの比で決定されることが明らかになった。
従って、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓが実効的な反磁界Ｍeffectiveより小さくなるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成は、
０≦Ｃｏ_x≦７０、
３０≦Ｆｅ_y≦１００、
０＜Ｂ_z≦３０において、
(Ｃｏ_x−Ｆｅ_y)_100-z−Ｂ_zである。

［実験３］
Ｇｂｉｔクラスのスピン注入型メモリでは、記録素子のサイズが１００ｎｍφ以下になることが想定される。そこで、［実験３］において、５０ｎｍφのサイズの記録素子を用いて、熱安定性を評価した。
Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成は、ＣｏＦｅとＢとの組成比（原子％）を８０：２０に固定して、ＣｏＦｅ中のＣｏの組成比ｘ（原子％）を、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、０％と変化させた。
素子サイズ以外の試料の詳細は［実験１］と同様である。

記録素子３のサイズが５０ｎｍφの場合のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金のＣｏ量（ＣｏＦｅ中の含有量；原子％）と熱安定性の指標Δの関係を図５に示す。

図５より、素子サイズが５０ｎｍφになったことにより、熱安定性指数ΔのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金組成依存性が、図４に示した短軸０．０９μｍ×長軸０．１８μｍの楕円形状記録素子で得られたΔのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金組成依存性から大きく変化したことが分かる。

図５によると、Ｆｅが６０原子％以上存在するＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金組成の場合にのみ、高い熱安定性が保持されている。
種々の検討を行った結果、Ｆｅが６０原子％以上存在するＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金が極微小な記録素子において高い熱安定性Δを示す理由は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の磁化が膜面面直方向を向いていることに起因していることが明らかになった。
Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の磁化が膜面面直方向になっている理由は、飽和磁化量Ｍｓが実効的な反磁界Ｍeffectiveより著しく小さい組成であることに起因していると思われる。
また、垂直磁化膜になると極微小素子においても熱安定性が保たれる理由は、実効的な異方性磁界に関係しており、垂直磁化膜の実効的な異方性磁界は一般的に面内磁化膜よりも遥かに大きな値になる。つまり、垂直磁化膜では、大きな実効的な異方性磁界の効果により、面内磁化膜では十分な熱安定性（Δ）を確保できない極微小な素子においても高い熱安定性（Δ）を保つことが出来る。
上記の実験結果から、（Ｃｏ_xＦｅ_100-x）₈₀Ｂ₂₀という組成のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金では、Ｆｅ_100-xが６０以上になる場合、Ｇｂｉｔクラスのスピン注入を利用したメモリ装置に好適となるといえる。

［実験４］
上記［実験３］において、（Ｃｏ_xＦｅ_100-x）₈₀Ｂ₂₀という組成のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金では、Ｆｅ量が６０以上になる場合、Ｇｂｉｔクラスのスピン注入を利用したメモリ装置に好適となることを示した。［実験４］では、さらに、Ｂ量を５〜３０原子％の範囲のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金で５０ｎｍφのサイズの記録素子を作製し、熱安定性を評価した。
素子サイズ以外の試料の詳細は［実験１］と同様である。

Ｃｏ量ｘ＝５０、４０、３０、２０、１０、０およびＢ量ｚ＝５、１０、２０、３０という範囲における（Ｃｏ_xＦｅ_100-x）_100-zＢ_zという組成のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金と熱安定性の指標Δの関係を表４に示す。

表４より、Ｃｏ量ｘ＝５０かつＢ量ｚ＝５〜３０の場合を除いたすべての組成において熱安定性Δが大きく保たれていることが分かる。
つまり、［実験４］の結果と同様に、Ｃｏ量ｘ＝５０と６０がＧｂｉｔクラスのスピン注入型メモリに対応した極微小素子で高い熱安定性を確保する際の境界線になることが明らかになった。

従って、上記の結果より、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の組成が、
０≦Ｃｏ_x≦４０、
６０≦Ｆｅ_y≦１００、
０＜Ｂ_z≦３０において、
(Ｃｏ_x−Ｆｅ_y)_100-z−Ｂ_zである場合、Ｇｂｉｔクラスのスピン注入型メモリを作製するのに好適であることが判明した。

なおＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金は、ＣｏとＦｅ比のＦｅが大きい組成において、MeffectiveとMsの乖離が大きくなり、垂直磁化し易くなるため、熱安定性が確保し易くなる。
そのため、磁気メモリの容量が増加し、記憶素子３のサイズが小さくなったときはＦｅを多く含むＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の方が熱安定性を確保し易くなる。
そこで、例えば、Ｆｅ_yが６０、７０ｎｍφの記憶層１７でＧｂｉｔクラスのスピン注入型磁気メモリが実現できている状況を考えると、記憶素子３の直径が５ｎｍφ小さくなる毎にＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金のＦｅ量ｙは５ずつ増えた状態になっていることが望ましい。
例えばＦｅ量ｙは、上記の(Ｃｏ_x−Ｆｅ_y)_100-z−Ｂ_zの場合において、ＣｏＦｅ中の含有量としての原子％が６５％、７０％、７５％、８０％・・・という組成とする（Ｃｏ量ｘでいえば、３５％，３０％，２５％，２０％・・・とする）ことが、記憶素子サイズの縮小に応じてより好適な例となる。

［実験５］
次に、記憶層１７、磁化固定層１５についての膜厚についての実験を行った。
まず［実験５］では、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６（ａ）に示す構成の磁気多層膜を形成した。
具体的には、磁気多層膜において、下地膜側から順にＴａ膜（５ｎｍ）、Ｒｕ膜（１０ｎｍ）、Ｔａ膜（５ｎｍ）、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜（ｔｎｍ）、Ｍｇ膜（０．１５ｎｍ）、ＭｇＯ膜（１ｎｍ）、Ｍｇ膜（０．１５ｎｍ）、Ｒｕ膜（５ｎｍ）、Ｔａ膜（５ｎｍ）とした。
磁気多層膜を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、熱処理を行った。
（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜（ｔｎｍ）の膜厚ｔを、０．７ｎｍ、０．８ｎｍ、０．９ｎｍ、１．０ｎｍ、１．１ｎｍとした複数の試料を作成してそれぞれ測定を行った。

この図６（ａ）に示す層構成では、強磁性体層である（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜を一層有する。まず１つの強磁性体層において適切な膜厚を調べるものである。
なお、この場合、Ｔａ膜、Ｒｕ膜、Ｔａ膜が下地層１４、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜が磁化固定層１５、Ｍｇ膜、ＭｇＯ膜、Ｍｇ膜が絶縁層１６に相当するモデルと考えることもできる。

（飽和磁化量と異方性磁界の測定）
飽和磁化量Ｍｓと異方性磁界Ｈｋを、試料振動型磁力計（Vibrating Sample Magnetometer）を使用した、ＶＳＭ測定によって、測定した。
（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜（強磁性体層）の膜厚ｔ＝１．０ｎｍのときの結果を図６（ｂ）に示す。
実線は磁界を積層面に垂直に印加したとき、点線は面内に印加したときに対応する。
磁界を積層面に垂直に印加したときに、ゼロ磁界付近で磁化が急激に変化していることから、垂直磁化になっていることが分かる。
面内方向の磁化曲線において、磁化が飽和磁化に一致する磁界を異方性磁界Ｈｋと呼ぶ。Ｈｋは次の式（７）で表される

従って、飽和磁化Ｍｓ、異方性磁界Ｈｋ、膜厚ｔより、上述の式（５）における単位面積あたりの界面磁気異方性エネルギーＫｉを求めることができる。

ＫｉとＭｓの膜厚依存性を図７（ａ）（ｂ）に示す。
膜厚ｔがおよそ０．９ｎｍ以上のとき、ＫｉとＭｓは一定である。一方、膜厚ｔが０．９ｎｍ以下のときは、ほぼ線形に膜厚ｔとともに減少する。

この図７（ａ）（ｂ）から導かれる、単位体積あたりのエネルギー障壁Ｅの膜厚依存性を図７（ｃ）に示す。
Ｅ＞０のとき垂直磁化である。これより、０．６３ｎｍ＜ｔ＜１．１７ｎｍのとき、垂直磁化になることが分かった。
つまり０．６３ｎｍ＜ｔ＜１．１７ｎｍが垂直磁化を持つ強磁性体層として好適な範囲である。
但し、この条件は、ＣｏＦｅＢの組成や接する層の材料によって異なる。つまりＥ＞０を満たす範囲であり、条件によって垂直磁化膜の強磁性体層として適切な数値範囲の上限・下限は変化しうる。

［実験６］
上記［実験５］と同様の膜構成でＫｅｒｒ測定を行った。図８（ａ）に膜構成を示す。
ここでは、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜の膜厚ｔは、０．８ｎｍ、１．０ｎｍ、１．２ｎｍ、１．４ｎｍの各試料で測定した。
また、比較のため図８（ｂ）に示すように、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜の上部の膜を５ｎｍ厚のＴａに置き換えた膜構成も作成した。

図９（ａ）にＫｅｒｒ測定の結果を示す。
ｔ＜１．０ｎｍのときは垂直磁化である。ｔ＝１．２ｎｍのときは波形が崩れ始め、面内磁化になりつつあることが分かる。ｔ＝１．４ｎｍのときは完全に面内磁化になっている。これは［実験５］の結果とほぼ一致する。
なお、単位体積あたりのエネルギー障壁Ｅについてみると、ｔ＝０．８、ｔ＝１．０、ｔ＝１．２の各場合でＥ＞０となり、ｔ＝１．４の場合でＥ＜０となっている。

またＭｇＯ／ＲｕをＴａで置き換えた図６（ｂ）の膜構成でのＫｅｒｒ測定を図９（ｂ）に示している。この場合、垂直磁化が見られていない。
このことから、ＣｏＦｅＢ膜が垂直磁化になるためには、片面でＭｇＯに接することが必要となることが分かった。

［実験７］
上記の［実験５］および［実験６］では、単層のＣｏＦｅＢの垂直磁気異方性を調べた。実際にスピン注入型磁気メモリとして用いるためには、強磁性層／トンネルバリア層／強磁性層の構造を有するＭＴＪ構造としなければならない。

そこで、図１０（ａ）に示すような、いわゆる保磁力差型ＭＴＪの磁気特性を［実験６］と同様のＫｅｒｒ測定によって調べた。
この場合の試料は、下地膜側から順にＴａ膜（５ｎｍ）、Ｒｕ膜（１０ｎｍ）、Ｔａ膜（５ｎｍ）、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜（１ｎｍ）、ＭｇＯ膜（１ｎｍ）、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜（ｔｎｍ）、Ｔａ膜（５ｎｍ）、Ｒｕ膜（５ｎｍ）とした。
下側のＣｏＦｅＢ層の膜厚は１ｎｍに固定した。これは垂直磁化をもつことが［実験６］より確かめられている。
上側ＣｏＦｅＢ層の膜厚ｔを１．２ｎｍ、１．３ｎｍ、１．６ｎｍ、１．７ｎｍとした各試料を作成して測定した。

なお、この場合、下側から、Ｔａ膜、Ｒｕ膜、Ｔａ膜が下地層１４、下側の（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜が磁化固定層１５、ＭｇＯ膜が絶縁層１６、上側の（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜が記憶層１７、Ｔａ膜、Ｒｕ膜がキャップ層１８に相当するモデルと考えることができる。
また、下側の（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜が記憶層１７、上側の（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜が磁化固定層１５と考えても良い。

図１０（ｂ）にＫｅｒｒ測定の結果を示す。
ｔ＝１．２ｎｍのとき磁化反転のステップが１段しかない。これは下側のＣｏＦｅＢ層由来のものであり、上ＣｏＦｅＢ層が垂直磁化になっていないことを示している。
一方、ｔ＝１．３ｎｍから１．６ｎｍのとき、磁化反転のステップが２段ある。これは上下両方のＣｏＦｅＢ層が垂直磁化になっていることを示している。
ｔ＝１．７ｎｍになると上ＣｏＦｅＢ層の磁化反転がなだらかになっており、垂直磁化が弱まっていることを示している。

このように、図１０（ａ）に示した膜構成において、上側のＣｏＦｅＢ層の膜厚は１．３ｎｍから１．６ｎｍまでの範囲にすることが望ましいことが分かった。
なお、単位体積あたりのエネルギー障壁Ｅについてみると、ｔ＝１．３、ｔ＝１．６、の各場合でＥ＞０となり、ｔ＝１．２、ｔ＝１．７の場合でＥ＜０となっている。

［実験８］
スピン注入型磁気メモリに用いるＭＴＪにおいては、トンネルバリア層に接する２つの強磁性層のうち、片方（磁化固定層１５）はその磁化が固定されていることが望ましい。
磁化を固定するには層間結合を用いたシンセティックピン層構造を用いるとよい。

そこで、図１１（ａ）に示す膜構成においてＫｅｒｒ測定を行い、磁気特性を調べた。
この場合、下地膜側から順にＴａ膜（３ｎｍ）、Ｒｕ膜（２５ｎｍ）、Ｐｔ膜（５ｎｍ）、Ｃｏ膜（１．１ｎｍ）、Ｒｕ膜（０．８ｎｍ）、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜（１ｎｍ）、Ｍｇ膜（０．１５ｎｍ）、ＭｇＯ膜（１ｎｍ）、Ｍｇ膜（０．１５ｎｍ）、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜（ｔｎｍ）、Ｔａ膜（１ｎｍ）、Ｒｕ膜（５ｎｍ）、Ｔａ膜（３ｎｍ）とした。
この場合、下側から、Ｔａ膜、Ｒｕ膜が下地層１４、Ｐｔ膜、Ｃｏ膜、Ｒｕ膜、（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜がシンセティックピン層構造による磁化固定層１５、Ｍｇ膜、ＭｇＯ膜、Ｍｇ膜が絶縁層１６、上側の（Ｃｏ₂₀Ｆｅ₈₀）₈₀Ｂ₂₀膜が記憶層１７、Ｔａ膜、Ｒｕ膜、Ｔａ膜がキャップ層１８に相当するモデルと考えることができる。
上側のＣｏＦｅＢ層の膜厚ｔは１．２ｎｍ、１．３ｎｍ、１．４ｎｍ、１．５ｎｍ、１．６ｎｍ、１．７ｎｍの各試料を用いた。

まず、ｔ＝１．４の場合で、８ｋＯｅの範囲でＫｅｒｒ測定を行った。図１１（ｂ）に結果を示す。
ゼロ磁界付近での反転のほかに±４ｋＯｅで反転している。ゼロ磁界付近での反転が上のＣｏＦｅＢ層、±４ｋＯｅでの反転がシンセティックピン層の反転に対応する。
このことから、印加される磁界が４ｋＯｅ以下であれば、実質シンセティックピン層の磁化は固定されているとみなすことができる。

ゼロ磁場付近での測定結果を図１２に示す。
上側のＣｏＦｅＢ層の膜厚ｔが１．３ｎｍから１．６ｎｍの範囲にあるとき、垂直磁化になっていることが見て取れる。
この場合も、上側のＣｏＦｅＢ層の膜厚は１．３ｎｍから１．６ｎｍまでの範囲にすることが望ましいことが分かった。
なお、単位体積あたりのエネルギー障壁Ｅについてみると、ｔ＝１．３〜ｔ＝１．６の各場合でＥ＞０となり、ｔ＝１．２、ｔ＝１．７の場合でＥ＜０となっている。

以上の［実験５］〜［実験８］の結果から、強磁性層の膜厚を一定の範囲で設計することにより、垂直磁気異方性を付与することができ、強磁性層の磁化容易軸が積層面に対して垂直方向とすることができる。これによって、磁化の容易軸が面内方向の場合に比べて、記憶素子の反転電流を減少させることができることがわかった。

以上実施の形態について説明してきたが、本発明では、上述の実施の形態で示した記憶素子３の膜構成に限らず、様々な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、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
また、実施の形態では、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、さらに、積層フェリピン構造膜に反強磁性膜を付与した構造でもよい。
また、記憶素子の膜構成は、記憶層１７が磁化固定層１５の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。さらには、磁化固定層１５が記憶層１７の上下に存在する、いわゆるデュアル構造でも全く問題ない。

３記憶素子、１４下地層、１５磁化固定層、１６絶縁層、１７記憶層、１８キャップ層

Claims

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絶縁層と、
を有する層構造を備え、
上記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、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、
上記記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、上記記憶層の飽和磁化量よりも小さいものとされ、
さらに上記記憶層及び上記磁化固定層が、界面磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーよりも大きくなる膜厚とされている記憶素子。
上記記憶層及び上記磁化固定層の膜厚は、
Ｅ＝Ｋｉ−（μ₀・Ｍｓ²・ｔ）／２
で表される単位面積あたりのエネルギー障壁Ｅが、Ｅ＞０となる膜厚である請求項１に記載の記憶素子。
但し、Ｋｉは単位面積あたりの界面磁気異方性エネルギー、Ｍｓは飽和磁化、μ₀は真空の透磁率、ｔは膜厚である。
上記記憶層はＣｏ−Ｆｅ−Ｂを有して構成される請求項２に記載の記憶素子。
上記磁化固定層はＣｏ−Ｆｅ−Ｂを有して構成される請求項２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、
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絶縁層と、上記磁化固定層の上記絶縁層側とは反対側に隣接する反強磁性層とを有する層構造を備え、上記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、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、上記記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、上記記憶層の飽和磁化量よりも小さいものとされ、さらに上記記憶層及び上記磁化固定層が、界面磁気異方性エネルギーが反磁界エネルギーよりも大きくなる膜厚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が流れ、スピン偏極した電子が注入されるメモリ装置。