JP2015076523A - 記憶素子、記憶素子の製造方法、記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】記憶素子自体の漏洩磁場を低減し、記憶素子を高密度に充填したとしても、安定した保持特性や記録特性を有する記憶素子を提供する。【解決手段】記憶素子１０は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層２と、記憶層２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４と、記憶層２と磁化固定層４の間に設けられる非磁性体による中間層３とを有する層構造を備える。そして、層構造のうち、少なくとも記憶層２の周囲は非磁性体７を介して磁性体８で覆われている。【選択図】図３

Description

本開示は、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子、その製造方法及び記憶装置に関する。

特開２００３−１７７８２号公報 米国特許第６２５６２２３号明細書 特開２００８−２２７３８８号公報 特表２００５−５１３７９５号公報

Physical Review B, 54, 9353(1996) Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1(1996) Nature Materials., 5, 210(2006)

大容量サーバからモバイル端末に至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子においても高集積化、高速化、低消費電力化など、さらなる高性能化が追求されている。特に半導体不揮発性メモリの進歩は著しく、大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリは、ハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。一方、コードストレージ用さらにはワーキングメモリへの展開を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭなどを置き換えるべくＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（Phase-Change Random Access Memory）などの開発が進められている。これらのうち一部はすでに実用化されている。

なかでもＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向によりデータ記憶を行うために高速かつほぼ無限（１０¹⁵回以上）の書換えが可能であり、すでに産業オートメーションや航空機などの分野で使用されている。ＭＲＡＭはその高速動作と信頼性から、今後コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されているものの、現実には低消費電力化、大容量化に課題を有している。これはＭＲＡＭの記録原理、すなわち配線から発生する電流磁界により磁化を反転させるという方式に起因する本質的な問題である。

この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらない記録、すなわち磁化反転方式が検討されている。なかでもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である（例えば、特許文献１、２、３、非特許文献１、２参照）。

スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）（ＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive)）素子により構成されている。
この構成は、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際にその磁性層にトルクを与えること（これをスピン注入トルクとも呼ぶ）を利用したもので、あるしきい値以上の電流を流せば自由磁性層が反転する。０／１の書換えは電流の極性を変えることにより行う。
この反転のための電流の絶対値は０．１μｍ程度のスケールの素子で１ｍＡ以下である。しかもこの電流値が素子体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。さらに、記録用電流磁界発生用のワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、ＳＴ−ＭＲＡＭ（Spin Torque-Magnetic Random Access Memory）と呼ぶ。スピントルク磁化反転は、またスピン注入磁化反転と呼ばれることもある。高速かつ書換え回数がほぼ無限大であるというＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とする不揮発メモリとして、ＳＴ−ＭＲＡＭに大きな期待が寄せられている。

ところで、記憶素子（ＳＴ−ＭＲＡＭ素子）が高密度に充填された場合、各素子が相互に磁気的影響を及ぼし合い、保持特性若しくは記録特性に影響する。面内磁化のＭＲＡＭ素子においては、記録をになう記憶層の磁性体の上部に低保持力層を形成することで、記憶層からの漏洩磁場を小さくし、高密度にメモリ素子が充填された場合の磁気的影響を低減する方法が提案されている（特許文献４参照）。ただし、ＳＴ−ＭＲＡＭ素子の場合、この方法では漏洩磁場を低減することはできない。

そこで本開示では、記憶素子自体から発生する漏洩磁場を低減することによって、記憶素子間の相互作用を減らし、記憶素子を高密度に充填したとしても、安定した保持特性や記録特性を有する記憶素子を提供することを目的とする。

第１に、本開示に係る記憶素子は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、前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、前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、を有する層構造を備え、前記層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲は非磁性体を介して磁性体で覆われているものである。
このように、記憶層の周囲が非磁性体を介して磁性体で覆われているので記憶素子自体から発生する漏洩磁場を低減する。

第２に、上記した本開示に係る記憶素子は、前記非磁性体が絶縁体であることが望ましい。
このように、非磁性体が絶縁体であるので記憶素子の記録の安定性が向上する。

第３に、上記した本開示に係る記憶素子は、前記非磁性体の厚さは０．５ｎｍ乃至５ｎｍであり、前記磁性体の厚さは０．５ｎｍ乃至５ｎｍであることが望ましい。
このように、上記の厚さなので記憶素子の記録の安定性が向上する。

第４に、上記した本開示に係る記憶素子は、前記磁化固定層に隣接し、前記中間層の反対側に磁気結合層が備えられていることが望ましい。
このように、磁気結合層が備えられているので記憶素子自体から発生する漏洩磁場を低減する。

第５に、上記した本開示に係る記憶素子は、前記層構造の積層方向に対する垂直断面形状が略円形であることが望ましい。
このように、断面形状が略円形なので高密度充填に適している。

本開示に係る記憶素子の製造方法は、第１に、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、前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、前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層とを有する層構造を備えた記憶素子の製造方法であって、下地層を積層する工程と、前記記憶層、前記磁化固定層、前記中間層を積層する工程と、保護層を積層する工程と、上記の各工程により積層された層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲に非磁性体を介して磁性体で覆う工程とを備えるものである。
このように、積層された素子の積層方向に非磁性体を介して磁性体で覆う工程を備えるので記憶素子自体から発生する漏洩磁場を低減する。

第２に、上記した本開示に係る記憶素子の製造方法は、前記下地層、前記磁化固定層、前記中間層、前記記憶層、保護層を積層し、該積層された層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲に非磁性体を介して磁性体で覆う工程の後、充填剤を埋め込む工程と、前記保護層の上部から電極部分を露出させる工程とを有し、前記磁性体で覆う工程は、選択性のある異方性エッチング手法を用いているものである。
このように、異方性エッチング手法を用いているので確実に記憶層の周囲を磁性体で覆うことができる。

本開示に係る記憶装置は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、前記記憶素子の全部又は一部は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、前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、前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、を含む層構造を有し、前記層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲は非磁性体を介して磁性体で覆われており、前記層構造の積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる。
このように、層構造の側面は非磁性体を介して磁性体で覆われているので、漏洩磁場を低減することができる。

本開示によれば、記憶素子（ＳＴ−ＭＲＡＭ素子）自体から発生する磁場（漏洩磁場）を低減できるので、隣接する記憶素子相互間の磁場による影響を減らすことができ、記憶素子を高密度で充填することができるとともに安定した保持特性、記録特性を有する記憶装置を提供できる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

実施の形態の対象となる記憶素子の層構造を示す図である。 実施の形態の対象となる記憶素子の漏洩磁場による相互干渉を示す図である。 実施の形態に係る記憶素子の具体的構成を示す図である。 実施の形態に係る記憶素子の他の構成例を示す図である。 実施の形態の記憶素子の製造方法を示す図である。 実験に使用した記憶素子の構成を示す図である。 絶縁層の厚さと安定性の指標との関係の実験結果を示す図である。 軟磁性層の厚さと安定性の指標との関係の実験結果を示す図である。

以下、本開示の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態の対象となる記憶素子の概要＞
＜２．実施の形態の対象となる記憶素子相互の磁気干渉＞
＜３．実施の形態の記憶素子の具体的構成＞
＜４．実施の形態の記憶素子の製造方法＞
＜５．実験＞

＜１．実施の形態の対象となる記憶素子の概要＞

本開示の実施の形態の対象となる記憶素子の概要について図１により説明する。
本開示の実施の形態の対象となる記憶素子１は、前述したスピントルク磁化反転により、記憶素子１の記憶層２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。
図１は実施の形態の対象となる記憶素子１の好適なものの基本的な層構造の例を示すものである。図１に示すように、対象となる記憶素子１は、下地層１１、磁気結合層６、結合層５、磁化固定層４、中間層３、記憶層２、保護層９で構成される。
記憶層２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。
磁化固定層４は、一定方向に固定的に磁化されている層で、情報の基準となるものである。中間層３はいわゆるトンネルバリア層といわれるもので、記憶層２と磁化固定層４の間に積層される。一般的に記憶層２、中間層３及び磁化固定層４によりＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子を構成することができる。
磁気結合層６と磁化固定層４は記憶素子１としての性能を高めるために積層されるものである

すなわち、磁気結合層６は、磁化固定層４と磁気的に結合することにより、磁化固定層４および磁気結合層６からの漏洩磁場を打ち消すようにするものである。これにより、記憶層２への磁気的影響が小さくなり好ましい。また、結合層５は磁気固定層４と磁気結合層６を更に強く磁気結合させるものである。
保護層９、下地層１１は電極等に用いられる。

記憶層２、磁化固定層４及び磁気結合層６は磁性体から構成され、この磁性体はある程度の保磁力がある磁性体で、ＴｂＦｅＣｏあるいはＧｄＦｅＣｏなどの非晶質垂直磁化膜、ＣｏＰｔあるいはＦｅＰｔ等の結晶磁気異方性を有する磁性膜、Ｃｏ／ＰｔあるいはＣｏ／Ｐｄの積層膜、もしくは酸化物と磁性体の間に働く界面異方性を利用したものが望ましい。
中間層３はトンネルバリア膜で、記憶層２と磁化固定層４の磁化の向きによってトンネル抵抗が変化し、情報の読み出しを可能とするものである。また、スピン注入磁化反転で記録を行う際には記憶層２と磁化固定層４との間に中間層（トンネルバリア層）３を介してスピン電流を流すことで記憶層２の磁化反転を行うことができる。

中間層３には磁化状態を読み出すために磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きくなるような材料を用いるのが好ましく、例えばＭｇＯやＡｌ₂Ｏ₃等の酸化物が適している。
結合層５は非磁性層であり、磁化固定層４と磁気結合層６の間の磁気的相互作用を強くしている。
磁気的相互作用は磁化固定層４と磁気結合層６が反平行となるように出来るだけ強く結合するのが好ましく、例えばＣｒ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｏｓ等の金属非磁性材料を用いるのが望ましい。

ここでは上に記憶層２、下に磁化固定層４を配置した構成について説明したが、下に記憶層２、上に磁化固定層４を配置した構成にしても良い。また、２つの磁化固定層４を記憶層２の上下に配置した構成でも良い。
また、図１に示す記憶素子１、すなわち磁気的に結合した磁化固定層４と磁気結合層６とを積層した記憶素子１を実施の形態の対象として好適なものとしているが、保磁力の大きな磁化固定層４のみを積層したものを実施の形態の対象の記憶素子としてもよい。

ここでスピントルク磁化反転について磁化固定層４、記憶層２及び中間層３で積層されたＭＴＪ素子を例に簡単に説明する。
電子は２種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。非磁性体内部では両者が同数であり、強磁性体内部では両者の数に差がある。ＳＴ−ＭＲＡＭ（ＭＴＪ素子）を構成する２層の強磁性体である磁化固定層４及び記憶層２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４から記憶層２への移動をさせた場合について考える。

磁化固定層４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４を通過した電子はスピン偏極、すなわち上向きと下向きの数に差が生じる。非磁性層である中間層３の厚さが充分に薄く構成されていると、磁化固定層４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２に電子が達する。

記憶層２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２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２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２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２から磁化固定層４へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層４で反射される際にスピン反転した電子が記憶層２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４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２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４から記憶層２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、一般的な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２の磁気モーメントが、磁化固定層４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４と記憶層２の間の中間層３として用いる材料は金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつより低い電流によって記録が可能とされるのは、中間層３として絶縁体を用いた場合である。このときの素子を強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）と呼ばれる。

スピントルク磁化反転によって、磁性層の磁化の向きを反転させるときに、必要となる電流の閾値Ｉｃは、磁性層の磁化容易軸が面内方向であるか、垂直方向であるかによって異なる。
本実施の形態の記憶素子は垂直磁化型であるが、従前の面内磁化型の記憶素子の場合における磁性層の磁化の向きを反転させる反転電流をＩｃ＿ｐａｒａとする。
同方向から逆方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐａｒａ＝（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈｋ＋２πＭｓ）
となり、逆方向から同方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐａｒａ＝−（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈｋ＋２πＭｓ）
となる。
なお、同方向、逆方向とは、磁化固定層４の磁化方向を基準としてみた記憶層２の磁化方向である。平行、反平行とも呼ばれる。

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＝（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（０）／Ｐ）（Ｈｋ−４πＭｓ）
となり、逆方向から同方向に反転させる場合、
Ｉｃ＿ｐｅｒｐ＝−（Ａ・α・Ｍｓ・Ｖ／ｇ（π）／Ｐ）（Ｈｋ−４πＭｓ）
となる。

ただし、Ａは定数、αはダンピング定数、Ｍｓは飽和磁化、Ｖは素子体積、Ｐはスピン分極率、ｇ（０）、ｇ（π）はそれぞれ同方向時、逆方向時にスピントルクが相手の磁性層に伝達される効率に対応する係数、Ｈｋは磁気異方性である。

上記各式において、垂直磁化型の場合の（Ｈｋ−４πＭｓ）と面内磁化型の場合の（Ｈｋ＋２πＭｓ）とを比較すると、垂直磁化型が低記憶電流化により適していることが理解できる。

ここで、反転電流Ｉｃは熱安定性の指標Δとの関係で表すと次の（数１）により表される。

但しｅは電子の電荷、ηはスピン注入効率、バー付きのｈは換算プランク定数、αはダンピング定数、ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは温度である。

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２）と、磁化の向きが固定された磁化固定層４とを有する記憶素子を構成する。
メモリとして存在し得るためには、書き込まれた情報を保持することができなければならない。情報を保持する能力の指標として、熱安定性の指標Δ（＝ＫＶ／ｋ_BＴ）の値で判断される。このΔは（数２）により表される。

ここで、Ｈｋは実効的な異方性磁界、ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｍｓは飽和磁化量、Ｖは記憶層２の体積、Ｋは異方性エネルギである。

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。

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２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２の厚さが２ｎｍであり、平面パターンが直径１００ｎｍ円形の素子において、百〜数百μＡ程度である。
これに対して、電流磁場により磁化反転を行う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。

記録電流を低減させるためには、上述のように垂直磁化型を採用することが望ましい。また垂直磁化膜は一般に面内磁化膜よりも高い磁気異方性を持たせることが可能であるため、上述のΔを大きく保つ点でも好ましい。

＜２．実施の形態の対象となる記憶素子相互の磁気干渉＞

以下、隣接する記憶素子１の各磁場の相互干渉について図２により説明する。
図２Ａは２つ記憶素子１の磁化の向きがお互いに平行な場合である。この場合、記憶素子１から発生した磁場は反発し合うために、記録された情報の内容である磁化を弱めようとすることになり、記憶素子１に記録された情報（磁化の向き）の保持状態が安定しなくなると考えられる。すなわち、記憶素子１の記録状態は不安定になると考えられる。
図２Ｂは磁場の向きがお互いに反平行の場合である。この場合、互いに記憶素子１は引き合うので、磁化が強められ、記録された情報の内容である磁化の状態は安定すると考えられる。しかし、新たな情報を記録するためには、電流を多く流さなければならなくなり、消費電力が増加し、不都合である。
ここで、記憶素子１から発生する漏洩磁場は、記憶層２から発生するものと考えられる。図１で示す記憶素子１の場合、磁化固定層４と磁気結合層６は磁気的に結合しているので、磁化固定層４又は磁気結合層６から発生する磁場は記憶素子１から発生する漏洩磁場とはならない。したがって、記憶層２から発生する磁場が記憶素子１から発生する磁場と考えられる。
また、磁気結合層６のない素子の場合、すなわち記憶層２、中間層３および磁化固定層４で構成される素子の場合でも、漏洩磁場は記憶層２から発生する磁場のみを考慮すればよいと考えられる。

多数の記憶素子１を高密度化した場合、記憶素子１の記録の状態（記憶層２の状態）によって、記憶素子１ごとに安定なものと不安定なものが存在することになることは明らかである。
しかしながら、どのような記録状態でも安定に保持できる保持特性と記録できる記録特性を両立しなければならない。このため、高密度の記憶装置又は高密度化においては記憶素子間の磁気的干渉を抑えることは重要なことである。

＜３．実施の形態の記憶素子の具体的構成＞

以下、本実施の形態に係る記憶素子の具体的構成を図３、図４により説明する。
図３Ａは実施の形態に係る記憶素子１０の断面図、図３Ｂは記憶素子１０の上面図を表すものである。図では、保護層１と下地層１１を省略したものを示している。図３に示すように本実施の形態に係る記憶素子１０は、記憶素子１の周囲（側面）を非磁性体７で覆い、さらにその外側を軟磁性体８で覆うものである。これらは円筒状に形成されている。
図では、記憶素子１の周囲の全体を覆っているが、少なくとも記憶層２の周囲が非磁性体を介して磁性体で覆われていることが必要である。
図３Ａに示すように周囲に形成された軟磁性体８が記憶層２から発生する漏洩磁場の復路ａになるので、その漏洩磁場を小さくすることができるからである。
非磁性体７としては例えば絶縁性の高いＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄などが有効である。非磁性体７は絶縁性を有する材料であることが望ましい。
軟磁性体８とは磁性体のことであるが、通常の磁性体より保磁力が十分小さいものをいう。したがって、軟磁性体８の材料は、その保磁力が記憶層２の保磁力より十分小さければよいので、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏＢ、ＣｏＦｅ等が好適である。また、これらの材料に限られず、上記の条件に適合する材料であればその他の材料であっても使用可能である。
記憶素子１の周囲を非磁性体７を介して軟磁性体８で覆った場合、記憶層２の周囲のみを覆った場合と同様に漏洩磁場を小さくすることができる。この場合、記憶層２の周囲のみを覆った場合と比較して、記憶素子１０を製造することが容易となり、製造上すぐれている。

図３Ｂに示すように、実施の形態に係る記憶素子１０の積層方向に対する垂直断面形状は略円形となっている。記憶素子１０を充填して記憶装置を構成する場合に最も効率的な形状であり、この形状とすることにより高密度に記憶素子１０を充填することができるからである。
記憶素子１０の積層方向に対する垂直断面形状が略円形とは、記憶素子１０の形状が、円柱状、円錐台状あるいはその他これに類する形状になっていることを意味する。
また、記憶素子１０の形状は上記の形状が好適であるが、これに限らず、その他角柱形状等であってもよい。

本実施の形態に係る記憶素子１０の具体的構成の他の例を図４Ａ〜図４Ｄに示す。各図では記憶素子１に対して下地層１１を省略したものを示している。
図４Ａは記憶素子１の周囲を非磁性体７で覆い、さらにその外側を軟磁性体８で覆うとともに保護層９の上部を軟磁性体８で覆ったものである。上部の軟磁性体８は保護層９と直接接続され、電極として使用することができる。保護層９の上部を軟磁性体８でふさぐ形なので、簡易に製造できる。
図４Ｂは、記憶素子１の周囲を非磁性体７で覆い、さらにその外側を軟磁性体８で覆うとともに保護層９の上部の周辺部を軟磁性体８で覆うものである。

図４Ｃは記憶素子１の記憶層２の周囲のみを非磁性体７と軟磁性体８で覆ったものである。
図４Ｄは記憶層２と記憶層２の下部の他の積層構造の大きさを変え、記憶層２の周囲を非磁性体７と軟磁性体８で覆ったものである。この場合、中間層３の絶縁がとれているので非磁性体７は絶縁体でなくてもかまわない。
上記の通り、非磁性体７と軟磁性体８を配置する方法は各種考えられるが、これらの態様に限定されるものでなく、図３で示した基本的態様の趣旨を逸脱しない範囲で各種の態様が考えられる。
上記いずれの構成の場合も、図３の場合と同様に周囲に形成された軟磁性体８が記憶層２から発生する漏洩磁場の復路ａになるので、その漏洩磁場を小さくすることができる。したがって、少なくとも記憶層２の周囲が非磁性体を介して磁性体で覆われていることが必要である。

＜４．実施の形態の記憶素子の製造方法＞

以下、実施の形態の記憶素子の製造方法について図５により説明する。
まず、図５Ａに示すように基板上に下地層１１、磁気結合層６、結合層５、磁化固定層４、中間層３、記憶層２、保護層９の各層を積層する。
次に、図５Ｂに示すように、図５Ａで積層されたものをフォトリソグラフィーなどの手法で下地層１１以外を削り取った状態で全体を円柱状の形状にする。
次に、図５Ｃに示すように、下地層１１以外の積層構造部分の周囲に非磁性体７と軟磁性体８を形成し、側面全体を覆う。

次に、図５Ｄに示すように選択性のある異方性エッチングで上面をエッチングし、上部の軟磁性体８を取り除き、素子周辺部に形成された軟磁性体８のみを残す状態とする。上部は非磁性体７が残った状態である。
次に、図５Ｅに示すように素子間を埋める充填剤１２を素子の周囲に形成する。
次に、図５Ｆに示すように素子上面を研磨し、上部の保護層９（電極）を露出させる。
最後に、図５Ｇに示すように図５Ｆで露出させた電極に対し配線１３を形成する。
以上の、方法により本実施の形態に係る記憶素子１０を製造することができる。

以上のように形成される本実施の形態の記憶素子１０は、周囲に形成された軟磁性体８が記憶層２から発生する漏洩磁場の復路ａになるので、その漏洩磁場が小さくなり、記憶素子１０を高密度に充填したとしても、記憶素子１０間の相互作用を減らし、安定した保持特性や記録特性を有したものとすることができる。

＜５．実験＞
以下、本実施の形態に係る記憶素子１０の情報記録の安定性について実験結果について図７、図８により説明する。
実験用の試料は図６に示すものである。
図６に示すように
下地層１１として５ｎｍのＴａ、２ｎｍのＲｕを形成し、
磁気結合層６として２ｎｍのＣｏＰｔ、
結合層５として０．７ｎｍのＲｕ、
磁化固定層４として１ｎｍのＦｅＣｏＢ、
中間層３（トンネルバリア層）として０，８ｎｍのＭｇＯ、
記憶層２として１．５ｎｍのＦｅＣｏＢ、
保護層９として５ｎｍのＴａの構成の膜を用いた。

素子は直径４０ｎｍの円柱状に形成した。記憶素子単体の記録の安定性（熱安定性）の指標ＫＶ／ｋ_BＴは３９である。記録の安定性の指標は記録電流のパルス幅依存から求めた。
本開示に係る記憶素子１０の例として、上記記憶素子にＡｌ₂Ｏ₃の非磁性体７を形成し、ＦｅＣｏの合金の軟磁性層８を形成したものを用意した。
図７は軟磁性層厚さを１ｎｍとして、非磁性体７（絶縁層）の厚さを変えたときのＫ／ｋ_BＴの絶縁層厚さによる変化を示すものである。非磁性体７（絶縁層）が厚くなるとＫＶ／ｋ_BＴが小さくなり、記録の安定性が低下する。非磁性体７（絶縁層）は薄い方が良く５ｎｍ以下が好ましいが、薄すぎると絶縁がとれなくなるので、０．５ｎｍ以上の適当な厚さが好ましい。

図８は非磁性体７（絶縁層）の厚さを２ｎｍとして、軟磁性層８の厚さを変えた場合のＫＶ／ｋＢＴの変化を示すものである。軟磁性層８が厚くなるとＫＶ／ｋ_BＴは増加するが、２ｎｍ程度で飽和傾向を示すので、生産性や素子サイズの増大を考慮すると５ｎｍ以下が好ましく、薄い場合は軟磁性層８として効果がないので、厚さは０．５ｎｍ以上が好ましい。

本実施の形態に係る記憶素子１０は以下の効果を有する。
垂直磁化を有する記憶素子１の少なくとも記憶層２の周囲に非磁性体７を介して、軟磁性体８を配置することで、素子周囲の軟磁性体８が素子自体から発生する漏洩磁場を低減すると同時に、外部からの磁場を弱めるため、素子を高密度に充填した高密度の記憶装置において、素子間の磁気的な干渉が低減でき、安定した動作と保持特性を持った不揮発メモリが実現できる。
また、充填する記憶素子はすべて実施の形態に係る記憶素子１０である必要はなく、一部にこの記憶素子１０を充填したものであってもよい。一部にこの記憶素子１０があれば全体として漏洩磁場は抑制されることになり、安定した動作と保持特性を実現しうるからである。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。

なお本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
前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、
前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
を有する層構造を備え、
前記層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲は非磁性体を介して磁性体で覆われている記憶素子。
（２）前記非磁性体が絶縁体である
上記（１）に記載の記憶素子。
（３）前記非磁性体の厚さは０．５ｎｍ乃至５ｎｍであり、前記磁性体の厚さは０．５ｎｍ乃至５ｎｍである
上記（１）又は（２）のいづれかに記載の記憶素子。
（４）前記磁化固定層に隣接し、前記中間層の反対側に磁気結合層が備えられている
上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の記憶素子。
（５）前記層構造の積層方向に対する垂直断面形状が略円形である
上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の記憶素子。

１、１０…記憶素子、２…記憶層、３…中間層、４…磁化固定層、５…結合層、６…磁気結合層、７…非磁性体、８…軟磁性体、９…保護層、１１…下地層、１２…充填剤、１３…配線

Claims (8)

1. 情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
   前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、
   前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
   を有する層構造を備え、
   前記層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲は非磁性体を介して磁性体で覆われている
   記憶素子。
2. 前記非磁性体が絶縁体である
   請求項１に記載の記憶素子。
3. 前記非磁性体の厚さは０．５ｎｍ乃至５ｎｍであり、前記磁性体の厚さは０．５ｎｍ乃至５ｎｍである
   請求項１に記載の記憶素子。
4. 前記磁化固定層に隣接し、前記中間層の反対側に磁気結合層が備えられている
   請求項１に記載の記憶素子。
5. 前記層構造の積層方向に対する垂直断面形状が略円形である
   請求項１に記載の記憶素子。
6. 情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、前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、前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層とを有する層構造を備えた記憶素子の製造方法であって、
   下地層を積層する工程と、
   前記記憶層、前記磁化固定層、前記中間層を積層する工程と、
   保護層を積層する工程と、
   上記の各工程により積層された層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲に非磁性体を介して磁性体で覆う工程とを備える
   記憶素子の製造方法。
7. 前記下地層、前記磁化固定層、前記中間層、前記記憶層、保護層を積層し、該積層された層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲に非磁性体を介して磁性体で覆う工程の後、
   充填剤を埋め込む工程と、
   前記保護層の上部から電極部分を露出させる工程とを有し、
   前記磁性体で覆う工程は、選択性のある異方性エッチング手法を用いている
   請求項６に記載の記憶素子の製造方法。
8. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、
   互いに交差する２種類の配線とを備え、
   前記記憶素子の全部又は一部は、
   情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
   前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、
   前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
   を含む層構造を有し、前記層構造のうち、少なくとも前記記憶層の周囲は非磁性体を介して磁性体で覆われており、
   前記層構造の積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、
   前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
   記憶装置。

Images