JP2016063087A - 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】小さな電流密度を有する電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することのできる磁気トンネル接合素子の提供。【解決手段】磁気トンネル接合素子（１０、２１０、３１０、４１０）は、磁化方向が可変な記憶層（１１、２１）と、所定の磁化方向を維持する固定層（１３、２３、３３）と、記憶層（１１、２１）と固定層（１３、２３、３３）との間に設けられたスペーサ層（１２）とを含む。磁気トンネル接合素子（１０、２１０、３１０、４１０）はスピントルク注入方式を用いて書き込みを行う。記憶層（１１、２１）及び固定層（１３、２３、３３）の少なくとも一方が強磁性絶縁層を含む。スペーサ層（１２）は、記憶層（１１、２１）と固定層（１３、２３、３３）とを電気的に接続する電流経路部（１２ａ）と、記憶層（１１、２１）と固定層（１３、２３、３３）とを電気的に絶縁する絶縁部（１２ｂ）とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関し、特に、スピン注入磁化反転方式を用いた磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリによる。

磁気抵抗効果によって読み出しを行い、スピン注入磁化反転方式（STT： Spin Transfer Torque）によって書き込みを行う磁気トンネル接合（MTJ：Magnetic Tunnel Junction）素子がある。

このような磁気トンネル接合素子の多くは、磁化方向が可変な記憶層と、膜面に垂直な磁化方向を維持する固定層と、記憶層と固定層との間に設けられた絶縁体からなるトンネルバリア層とを含む。固定層及び記憶層の材料として、高い垂直磁気異方性と、高いスピン分極率とを備える強磁性材料が好ましいとされる。このような磁気トンネル接合素子は、微細化に対する熱擾乱耐性を有し、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory）に用いられることを期待されている。

例えば、特許文献１では、反強磁性膜を固定層の少なくとも側面に設けた磁気トンネル接合素子が開示されている。この磁気トンネル接合素子では、固定層及び記憶層を形成する材料として、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの強磁性金属、これらの合金、又は、ＣｏＦｅＢなどのＢを有する合金が挙げられている。このような磁気トンネル接合素子によれば、固定層の多磁区化を抑制することができる。

また、特許文献２では、下地層と、Ｍｎ−Ｇａ系合金からなる磁性体膜を含む記憶層と、非磁性層と、Ｍｎ−Ｇａ系合金からなる磁性体膜を含む固定層と、をこの順に積層した磁気トンネル接合素子が開示されている。このような磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁気異方性を有するとともに、大きな磁気抵抗効果を発現することができる。

特開２００５−０３２８７８号公報 特開２０１２−２０４６８３号公報

ところで、記憶層の磁化方向を反転させるのに必要な磁化反転電流を小さくすることが要求されている。

また、特許文献１及び２で開示されるように、高い垂直磁気異方性と、高いスピン分極率とを備える強磁性材料として、強磁性金属、これらの合金、又は、Ｍｎ−Ｇａ系合金が挙げられる。磁気トンネル接合素子では、固定層及び記憶層を形成する材料の選択範囲をさらに広げる余地があった。

本発明は、上記した事情を背景としてなされたものであり、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することのできる磁気トンネル接合素子を提供することを目的とする。

本発明にかかる磁気トンネル接合素子は、
磁化方向が可変な記憶層と、
所定の磁化方向を維持する固定層と、
前記記憶層と前記固定層との間に設けられたスペーサ層と、を含み、スピントルク注入方式を用いて書き込みを行う磁気トンネル接合素子であって、
前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方が、強磁性絶縁層を含み、
前記スペーサ層は、前記記憶層と前記固定層とを電気的に接続する電流経路部と、前記記憶層と前記固定層とを電気的に絶縁する絶縁部とを含む。

このような構成によれば、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することができる。

また、前記記憶層が前記強磁性絶縁層からなり、前記強磁性絶縁層は、垂直磁気異方性を有することを特徴としてもよい。また、前記記憶層は、前記強磁性絶縁層と、膜面に垂直な磁化方向を有する垂直磁化保持層と、を含むことを特徴としてもよい。

このような構成によれば、より確実に、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することができる。

また、前記固定層が前記強磁性絶縁層からなり、前記強磁性絶縁層は、垂直磁気異方性を有することを特徴としてもよい。また、前記固定層は、前記強磁性絶縁層と、膜面に垂直な磁化方向を有する垂直磁化保持層と、を含むことを特徴としてもよい。

このような構成によれば、大きなＭＲ比（磁気抵抗効果）が得られる。

また、前記強磁性絶縁層は強磁性酸化物からなることを特徴としてもよい。また、前記強磁性酸化物は、ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９、又は、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４であり、Ｘが０＜Ｘ＜３を満たすことを特徴としてもよい。

このような構成によれば、読み出し時の記録層磁化の熱安定性を確保すると同時に、確実に、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することができる。

また、前記電流経路部は、非磁性金属からなる複数本の柱状体であり、前記絶縁部は、前記電流経路部のそれぞれを囲むマトリックスであり、前記マトリックスは、非磁性絶縁体からなることを特徴としてもよい。また、前記非磁性絶縁体は、ＭｇＯ又はＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴としてもよい。また、前記非磁性金属はＣｕであることを特徴としてもよい。

このような構成によれば、確実に、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することができる。

また、素子抵抗値が３０Ωμｍ^２以下であることを特徴としてもよい。

このような構成によれば、磁化反転電流密度が小さく、しかも、素子抵抗値の小さい磁気トンネル接合素子が得られる。

他方、本発明にかかる磁気ランダムアクセスメモリは、上記した磁気トンネル接合素子を備える。

このような構成によれば、消費電力が小さい磁気ランダムアクセスメモリを得ることができる。

本発明によれば、小さな電流密度を有する電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することのできる磁気トンネル接合素子を提供することができる。

実施の形態１にかかるＭＲＡＭの要部の斜視図である。 実施の形態１にかかるＭＴＪ素子の断面図である。 実施の形態１にかかるＭＴＪ素子の要部の断面図である。 計算モデルを示す図である。 磁気異方性定数に対する反転電流密度である。 実施の形態２にかかるＭＴＪ素子の断面図である。 実施の形態３にかかるＭＴＪ素子の断面図である。 実施の形態４にかかるＭＴＪ素子の断面図である。 参考例１にかかるＭＴＪ素子の断面図である。 計算モデルを示す図である。 参考例２にかかるＭＴＪ素子の断面図である。 計算モデルを示す図である。

本発明者らは、上記した課題を解決するために、様々な材料について、磁気トンネル接合素子における記憶層及び固定層への適用可能性を図るべく、探索及び計算を行った。その中で、本発明者らは、強磁性絶縁体を記憶層又は固定層の材料として用いると、磁化反転時において、記憶層が温度上昇し、さらにその磁気異方性が低下し得ることに気づいた。さらに、本発明者らは、固定層と記憶層との間に設けられるスペーサ層の材料についても検討を行うなど、鋭意研究を重ねることにより、本発明を想到するに至ったのである。

実施の形態１．
図１〜図３を参照して、実施の形態１にかかるＭＴＪ素子について説明する。図１は、実施の形態１にかかるＭＲＡＭの要部の断面図である。図２は、実施の形態１にかかるＭＴＪ素子の断面図である。図３は、実施の形態１にかかるＭＴＪ素子の要部の断面図である。

図１に示すように、メモリセル１００は、半導体基板２と、拡散領域３、４と、ソース線６と、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子１０とを含む。複数のメモリセル１００をマトリクス状に配置し、複数本のビット線１及び複数本のワード線８を用いて、互いに接続すると、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）が形成される。この磁気ランダムアクセスメモリでは、スピントルク注入方式を用いて、データの書き込みが行なわれる。

半導体基板２は、その上面に拡散領域３、４を有し、拡散領域３は、拡散領域４から所定の間隔を空けて配置されている。拡散領域３はドレイン領域として機能し、拡散領域４はソース領域として機能する。拡散領域３は、コンタクトプラグ７を介してＭＴＪ素子１０に接続される。

ビット線１は、半導体基板２の上方に配置されるとともに、ＭＴＪ素子１０に接続される。ビット線１は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。

拡散領域４はコンタクトプラグ５を介してソース線６に接続される。ソース線６は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。

ワード線８は、拡散領域３及び拡散領域４に接するように、ゲート絶縁膜９を介して半導体基板２に配置される。ワード線８とゲート絶縁膜９とは、選択トランジスタとして機能する。ワード線８は、図示しない回路から電流を供給されて活性化し、選択トランジスタとしてターンオンする。

図２及び図３に示すように、ＭＴＪ素子１０は、固定層１３と、スペーサ層１２と、記憶層１１とをこの順に積層した積層構造を有する。ＭＴＪ素子１０は、書き込み時にスピントルク注入方式を用いることにより、記憶層１１の磁化方向を変更する。また、ＭＴＪ素子１０は、読み出し時において電子を固定層１３、スペーサ層１２及び記憶層１１までトンネルさせて、記憶層１１の磁化方向に応じて、異なる電圧で電流を流すことができる。

なお、本願明細書において、ＭＴＪ素子とは、書き込み時にスピントルク注入方式を用いることにより、記憶層の磁化方向を変更することができ、さらに、読み出し時に電子が絶縁体からなる層をトンネルすることにより、記録層の磁化方向に応じて、異なる電圧で電流を流すことができる素子と定義する。すなわち、本願明細書においてＭＴＪ素子には、ＭＴＪ素子１０と、従来から開発されてきたＭＴＪ素子とが含まれる。この従来から開発されてきたＭＴＪ素子は、強磁性金属からなる固定層と、絶縁体からなるトンネルバリア層と、強磁性金属からなる記憶層とを積層した積層構造を有するものである。

固定層１３は、強磁性金属からなる。強磁性金属として、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。固定層１３は、所定の磁化方向を維持する。この所定の磁化方向は、例えば、膜面に垂直な方向や、膜面内における長手方向であってもよい。なお、固定層１３は、磁化固着層、磁化固定層、参照層、磁化参照層、ピン層、基準層、磁化基準層などと称してもよい。

スペーサ層１２は、記憶層１１と固定層１３とを電気的に接続する電流経路部１２ａと、記憶層１１と固定層１３とを電気的に絶縁する絶縁部とを含む層である。スペーサ層１２は、例えば、多数の電流経路部１２ａのそれぞれを囲むマトリックス１２ｂを含む層である。マトリックス１２ｂは、非磁性絶縁体からなる。非磁性絶縁体として、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３が挙げられる。電流経路部１２ａは非磁性金属からなる柱状体であって、このような非磁性金属は、例えば、常磁性金属である。常磁性金属としては、例えば、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ、又は、これらの合金である。電流経路部１２ａは、マトリックス１２ｂを貫通するように、マトリックス１２ｂ内に配置されてもよい。スペーサ層１２の厚みは、ＭＴＪ素子１０の抵抗値に応じて、適宜変更してもよい。なお、スペーサ層１２が、Ｃｕからなる電流経路部１２ａを有し、Ａｌ_２Ｏ_３からなるマトリックス１２ｂとを含む場合がある。このような場合、例えば、ＡｌＣｕからなる膜を成膜し、さらに、酸化プロセスを行うことでＡｌのみを酸化させることによって、Ａｌ_２Ｏ_３からなるマトリックス１２ｂと、Ｃｕからなる電流経路部１２ａとを形成し、スペーサ層１２が得られる。酸化プロセスは、自然酸化（ＮＯ：Natural Oxidation）と、イオンアシスト酸化（ＩＡＯ:Ion-Assisted Oxidation）などを利用することができる。また、電流がスペーサ層１２を通過する際に、電流狭窄が発生するため、ＭＴＪ素子１０の磁気抵抗比が増大し得る。

記憶層１１は、強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。強磁性絶縁体として、例えば、強磁性酸化物が挙げられる。強磁性酸化物として、例えば、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４（ここで、０＜Ｘ＜３）やＢａＦｅ_１２Ｏ_１９などが挙げられる。このような強磁性酸化物として、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４は、５×１０^５Ｊ／ｍ^３（＝５×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ）よりも高い磁気異方性を有するため、特に好ましい。Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４の一例として、ＣｏＦe_２Ｏ_４（この一例では、Ｘ＝１）が挙げられる。また、Ｘが０．５よりも大きいとさらに好ましく、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４がスピネル型結晶構造を有するとさらに好ましい。なお、ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９が六方晶型結晶構造を有すると好ましい。記憶層１１は、可変な磁化方向を有する。記憶層１１は、例えば、膜面に対して垂直に磁化されており、上方又は下方に向く。記憶層１１は、自由層、磁化自由層、磁化可変層などと称してもよい。記憶層１１の厚みは、目標とするＭＴＪ素子１０の素子抵抗値ＲＡに応じて、適宜変更してもよい。

ここで、メモリセル１００へのデータの書き込み動作について説明する。複数のメモリセル１００のうち、データを書き込む対象として１つのメモリセル１００を選択する。選択されたメモリセル１００では、ワード線８が活性化して、選択トランジスタとしてターンオンする。メモリセル１００は、書き込むデータに基づいて、書き込み回路（不図示）から書き込み電流を供給される。例えば、電流をビット線１に流すと、ＭＴＪ素子１０に流れる。すると、記憶層１１は絶縁性を有するため、記憶層１１の温度が上昇し、記憶層１１の磁気異方性が減じる。記憶層１１の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流によるスピンが記憶層１１に注入されて、記憶層１１の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル１００に、例えば、データ「０」又はデータ「１」に対応するデータを書き込むことができる。

続いて、メモリセル１００のデータの読み出し動作について説明する。複数のメモリセル１００のうち、データを読み出す対象として１つのメモリセル１００を選択する。選択されたメモリセル１００では、ワード線８が活性化して、選択トランジスタとしてターンオンする。メモリセル１００は、読み出し回路（不図示）から読み出し電流を供給される。読み出し回路（不図示）は、読み出し電流に基づいて、抵抗値を検出する。この抵抗値に基づいて、メモリセル１００の記憶するデータを、読み出すことができる。さらに、記録層１１がＣｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４などの高い磁気異方性を有する強磁性絶縁酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層１１の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

ここで、古典電磁気学に基づく計算を行うと、読み出し時において、一見、電流がＭＴＪ素子１０に殆ど流れないと考えられる。そのため、ＭＴＪ素子１０を含むＭＲＡＭは動作しないと考えられる。しかしながら、量子力学に基づく計算を行うと、読み出し時においても電流がＭＴＪ素子１０に流れ、ＭＴＪ素子１０を含むＭＲＡＭは動作することを証明することができる。詳細には、参考例１及び２にかかるＭＴＪ素子について、量子力学に基づく計算を行うことにより、証明する。次に、図９〜１２を用いて、この量子力学に基づく計算による証明について説明する。図９及び図１１は、参考例にかかるＭＴＪ素子の断面図である。図１０及び図１２は、計算モデルを示す図である。

参考例１．
次に、図９及び図１０を用いて、参考例１にかかるＭＲＡＭについての計算結果について説明する。図９に示すように、ＭＴＪ素子８０は、ＭＴＪ素子１０（図２参照）とスペーサ層を除いて共通の構成を有する。ＭＴＪ素子８０は、スペーサ層８２を有し、スペーサ層８２は、常磁性絶縁体からなる。ＭＴＪ素子８０は、ＭＴＪ素子１０と同様にメモリセル１００（図１参照。）に組み込まれることにより、ＭＲＡＭの構成要素として用いられる。

図１０に示すように、量子力学に基づき、タイト・バインディング模型を用いて計算を行った。このタイト・バインディング模型は、一次元及び単一軌道である。なお、常磁性金属（ＮＭ）は、上記したメモリセル１００におけるビット線１に相当する。同様に、強磁性絶縁体（ＦＩ）は、記憶層１１に相当し、常磁性絶縁体（ＮＩ）は、スペーサ層８２に相当し、強磁性金属（ＦＭ）は、固定層１３に相当する。

下記の数式１を用いて、ＭＴＪ素子の透過係数Ｃを求めた。ここでは、κ_０Ｎ，κ_σＭ >> １であることを仮定した。ＭＴＪ素子の透過係数Ｃが所定の値を超えているため、ＭＴＪ素子８０には、電流が流れると考えられる。つまり、ＭＲＡＭにおけるメモリセル１００中のＭＴＪ素子８０は、読み出し時において、電子が、絶縁層を含む固定層及び記憶層を通過することを確認できた。従って、ＭＴＪ素子８０は、読み出し時において電流を流すことができるため、ＭＴＪ素子８０を含むＭＲＡＭは動作することができると考えられる。

Ｃ［無次元］:透過係数
ｔ［Ｊ］:電子の飛び移り積分
κ_σ［１／ｍ］：強磁性絶縁体（ＦＭ）におけるσスピン電子の波動関数の減衰率
Ｎ［ｍ］：常磁性絶縁体（ＮＩ）の膜厚
Ｍ［ｍ］：強磁性絶縁体（ＦＩ）の膜厚
κ_０［１／ｍ］：常磁性絶縁体（ＮＩ）における電子の波動関数の減衰率
Ｄ_σ’［１／Ｊ］：強磁性金属（ＦＭ）におけるσ’スピン電子の電子状態密度
Ｄ_０［１／Ｊ］：常磁性金属（ＮＭ）における電子状態密度

参考例２．
次に、図１１及び図１２を用いて、参考例２にかかるＭＲＡＭについての計算結果について説明する。図１１に示すように、ＭＴＪ素子９０は、ＭＴＪ素子１０（図２参照）とスペーサ層及び固定層を除いて共通の構成を有する。ＭＴＪ素子９０は、スペーサ層９２と固定層９３とを含む。スペーサ層９２は、常磁性金属からなり、固定層９３は、強磁性絶縁体からなる。ＭＴＪ素子９０は、ＭＴＪ素子１０と同様にメモリセル１００（図１参照。）に組み込まれることにより、ＭＲＡＭの構成要素として用いられる。

図１２に示すように、量子力学に基づき、タイト・バインディング模型を用いて計算を行った。このタイト・バインディング模型は、一次元及び単一軌道である。なお、第１の常磁性金属（ＮＭ１）は、上記したメモリセル１００におけるビット線１（図１参照。）に相当する。同様に、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）は、記憶層１１に相当し、第２の常磁性金属（ＮＭ２）は、スペーサ層９２に相当する。また、第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）は、固定層９３に相当し、第３の常磁性金属（ＮＭ３）は、コンタクトプラグ７（図１参照。）等に相当する。

まず、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）、第２の常磁性金属（ＮＭ２）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）のトンネル確率を求める。第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）のトンネル確率は、それぞれ、下記の数式２に示すように、１よりも非常に小さいと仮定することができる。

第１の常磁性金属（ＮＭ１）又は第３の常磁性金属（ＮＭ３）から入射される電子のエネルギーが、第２の常磁性金属（ＮＭ２）におけるエネルギー準位に適合すると、トンネル確率が向上する。このような共鳴条件が成り立つとき、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）、第２の常磁性金属（ＮＭ２）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）からなる接合（ＭＴＪ９０）のトンネル確率が、下記の数式３を用いて表現される。

一方、このような共鳴条件が成り立たない非共鳴条件では、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）、第２の常磁性金属（ＮＭ２）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）からなる接合（ＭＴＪ９０）のトンネル確率は、下記の数式４を用いて表現される。

数式３及び数式４に、代表的な値を代入して計算すると、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）、第２の常磁性金属（ＮＭ２）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）のトンネル確率が、０（ゼロ）よりも高い値を有する。つまり、ＭＲＡＭにおけるメモリセル１００中のＭＴＪ素子１０は、読み出し時において、電子が、絶縁層を含む固定層及び記憶層を通過することを確認できた。従って、参考例２にかかるＭＴＪ素子９０は、読み出し時において電流を流すことができるため、ＭＴＪ素子９０を含むＭＲＡＭは動作することができると考えられる。

共鳴条件の成立の確率は、例えば、第１の常磁性金属（ＮＭ１）、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）、第２の常磁性金属（ＮＭ２）、第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）、第３の常磁性金属（ＮＭ３）の材料や寸法を変更することにより、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）の磁化方向が平行である場合共鳴条件が成り立ち、反平行である場合共鳴条件が成り立たない、というように調整することができる。このとき、ＭＴＪ素子１０のＭＲ比（磁気抵抗比）を求める。ＭＴＪ素子１０のＭＲ比は、下記の数式５を用いて表現される。数式１から、ＭＲ比は１００％に近似することができる（数式６参照）。つまり、ＭＴＪ素子１０はＭＲ比１００％と十分に高いＭＲ比を有する。

ところで、ＭＴＪ素子１０（図１参照）は、スペーサ層を除いて参考例１にかかるＭＴＪ素子８０と同一の構成を有する。ＭＴＪ素子１０のスペーサ層１２は、常磁性絶縁体からなるスペーサ層８２と比較して、高い導電性を有する。ＭＴＪ素子１０は、ＭＴＪ素子８０よりも高い導電性を有する構成要素を備えており、ＭＴＪ素子８０よりも電流が流れやすいと考えられる。

また、ＭＴＪ素子１０は、スペーサ層及び固定層を除いて参考例２にかかるＭＴＪ素子９０と同一の構成を有する。ＭＴＪ素子１０のスペーサ層１２は、常磁性金属からなるスペーサ層９２と比較して、低い導電性を有し、固定層１３は、強磁性絶縁体からなる固定層９３と比較して、高い導電性を有する。ＭＴＪ素子１０は、ＭＴＪ素子９０と同程度の導電性を有する構成要素を備えており、ＭＴＪ素子９０と同程度に電流が流れやすいと考えられる。

上記したように、ＭＴＪ素子８０、９０は、いずれも、読み出し時に電流を流すことができる。したがって、ＭＴＪ素子８０、９０と同程度、又は、より電流が流れやすいと考えられるＭＴＪ素子１０は、読み出し時に電流を流すことができると考えられる。そのため、ＭＴＪ素子１０を含むＭＲＡＭは動作することができると考えられる。

ところで、ＭＲＡＭを使用すると、ＭＴＪ素子１０の温度Ｔが約２００°上昇することが知られている。次に、この温度上昇により、記憶層１１の磁気異方性定数Ｋ_ｕがＭＲＡＭとして動作し得る値まで減じたと仮定して、磁化反転電流密度を計算した。この計算では、図４に示すモデルを、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）のモデルとして用いた。用いたモデルは単層であって、高さｈ［ｎｍ］及び直径Ｄ［ｎｍ］を有する円柱状体である。当モデルでは、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）は、上下方向に磁化容易軸（Easy Axis）を有し、初期状態（Initial State）では、上方に向いている。さらに、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）は、磁気モーメントＭｓ［Ａ／ｍ］と、単位界面面積当たりの飽和磁化Ａ［Ｊ／ｍ］とを有する。高さｈと、直径Ｄと、磁気モーメントＭｓと、単位界面面積当たりの飽和磁化Ａと、ダンピング定数ａと、磁気異方性定数Ｋ_ｕは、それぞれ以下の値に設定して計算した。
ｈ＝２ｎｍ
Ｄ＝２０ｎｍ
Ｍｓ＝６００×１０^３Ａ／ｍ（＝６００ｅｍｕ／ｃｍ^３）
Ａ＝１×１０^−１１Ｊ／ｍ（＝１μｅｒｇ／ｃｍ）
ａ＝０．０１
Ｋ_ｕ：熱安定性Δにより決定

なお、熱安定性Δは下記の数式７を用いて求めた。

Ｋ_ｕ［Ｊ／ｍ^３］：記憶層（第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１））の磁気異方性定数
Ｖ［ｍ^３］：第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）の体積
ｋ_ｂ［Ｊ／Ｋ］：ボルツマン定数
Ｔ［Ｋ］：第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）の温度

計算した結果、図５に示すように、磁気異方性定数Ｋ_ｕが減じると、磁化反転電流密度ｊ_ｓｗも減じる。具体的には、磁気異方性定数Ｋ_ｕが約０．５６Ｊ／ｍ^３（＝約５．６×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３）から約０．２０Ｊ／ｍ^３（＝約２．０×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３）に減じると、磁化反転電流密度ｊ_ｓｗは８．１×１０^１０Ａ／ｍ^２から４．０×１０^１０Ａ／ｍ^２に減じた。つまり、磁化反転電流密度ｊ_ｓｗが５１％に減じた。

以上、実施の形態１にかかるＭＲＡＭによれば、強磁性絶縁体からなる記憶層を磁化反転する過程で、記憶層の温度が上昇し、記憶層の磁気異方性定数が減じ、さらに、磁化反転電流密度が減じた。すなわち、強磁性絶縁体からなる記憶層を用いると、小さな電流密度で記憶層の磁化反転を行うことができる。つまり、強磁性絶縁体からなる記憶層を用いたＭＴＪ素子は、十分に高いＭＲ比（磁気抵抗効果）を有し、さらに、小さな磁化反転電流密度を有する。また、このようなＭＴＪ素子を有するＭＲＡＭの消費電力は小さい。

さらに、ＭＴＪ素子１０の素子抵抗値ＲＡは、３０Ωμｍ^２以下であると好ましい。ＭＴＪ素子１０は、常磁性金属からなるスペーサ層１２を固定層１３と記憶層１１との間に備える。従って、ＭＴＪ素子１０は、スペーサ層１２の代わりに、絶縁体からなるトンネルバリア層を備えるＭＴＪ素子と比較して、好ましい素子抵抗値に抑えることができる。また、スペーサ層１２断面（図３参照）における電流経路部１２ａの面積や、スペーサ層１２及び記憶層１１の厚みを変えることにより、素子抵抗値ＲＡを変更することができる。ＭＴＪ素子１０の素子抵抗値ＲＡは、３０Ωμｍ^２以下であると、ＭＴＪ素子は良好な読み出し性能を有する。このようなＭＴＪ素子を有するＭＲＡＭは、大きな記憶容量を備えて好ましい。

また、実施の形態１にかかるＭＲＡＭによれば、強磁性絶縁体からなる層を記憶層として利用することができる。つまり、実施の形態１にかかるＭＲＡＭは、垂直磁気異方性を有する様々な材料を幅広く利用することができる。

実施の形態２．
次に、図６を参照して、実施の形態２にかかるＭＴＪ素子について説明する。図６は、実施の形態２にかかるＭＴＪ素子の断面図である。実施の形態２にかかるＭＴＪ素子２１０は、実施の形態１にかかるＭＴＪ素子１０（図２参照。）と比較して、記憶層及び固定層を入れ替えた構成を有する。共通する構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

図６に示すように、ＭＴＪ素子２１０は、固定層２３と、スペーサ層１２と、記憶層２１とをこの順に積層した積層構造を有する。

記憶層２１は、固定層１３（図２参照。）と同様に、強磁性金属からなる。強磁性金属として、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。記憶層２１は、可変な磁化方向を有する。記憶層２１は、例えば、膜面に対して垂直に磁化されている。

固定層２３は、記憶層１１（図２参照。）と同じ種類の強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。固定層２３は、膜面に垂直な磁化方向を維持する。固定層２３の厚みは、ＭＴＪ素子２１０の抵抗値に応じて、適宜変更してもよい。
また、固定層２３では、その伝導帯において磁気分裂が生じ、伝導電子のスピンの向きによってトンネル確率が異なる。このため固定層２３の磁化と平行な（あるいは反平行な）スピンを持つ電子がより多く固定層２３を通り抜けるスピンフィルタ効果が生じる。スピンフィルタ効果のスピン分極率は，固定層２３の膜の厚みを変えることにより変更することができる。

ここで、読み出し動作について説明する。読み出し電流が固定層２３から記憶層２１に流れる。固定層２３の磁化と平行な（あるいは反平行な）スピンを持つ電子がより多く固定層２３を流れる。つまり、スピンフィルタ効果が発現し、このスピン分極率が高いほどＭＲ比が高くなる。ＭＲ比が高くなるため、ＭＴＪ素子２１０からの信号電圧が増大し、ＭＴＪ素子２１０は優れた読み出し性能を有する。ＭＴＪ素子２１０を用いたＭＲＡＭは、大きな記憶容量を有する。さらに、固定層２３はＣｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４などの高い磁気異方性を有する強磁性酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層２１の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

続いて、書き込み動作について説明する。例えば、書き込み電流をビット線１に流すと、ＭＴＪ素子２１０に流れる。すると、固定層２３は絶縁性を有するため、固定層２３の温度が上昇し、この温度上昇により記憶層２１の温度も上昇し得る。記憶層２１の磁気異方性が減じ得て、記憶層２１の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流により、スピントルクが記憶層２１に注入されて、記憶層２１の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル１００に、例えば、データ「０」又はデータ「１」に対応するデータを書き込むことができる。ＭＴＪ素子２１０は、ＭＴＪ素子１０と同様に、小さな電流密度で磁化方向を反転し得る。また、このようなＭＴＪ素子を有するＭＲＡＭの消費電力は小さい。

以上、実施の形態２にかかるＭＴＪ素子によれば、小さな磁化反転電流密度を有し得る。高いＭＲ比を有し、読み出し性能に優れる。また、消費電力が小さく、大きな記憶容量を有するＭＲＡＭを形成することができる。

実施の形態３．
次に、図７を参照して、実施の形態３にかかるＭＴＪ素子について説明する。図７は、実施の形態３にかかるＭＴＪ素子の断面図である。実施の形態３にかかるＭＴＪ素子は、実施の形態２にかかるＭＴＪ素子２１０（図６参照。）と比較して、固定層を除いて、共通する構成を有する。共通する構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

図７に示すように、ＭＴＪ素子３１０は、固定層３３と、スペーサ層１２と、記憶層２１とをこの順に積層した積層構造を有する。固定層３３は、垂直磁化保持層３３３と、磁気結合制御層３３２と、強磁性層３３１とをこの順に積層した構造を有する。

強磁性層３３１は、記憶層１１（図２参照。）と同じ種類の強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。強磁性層３３１は垂直磁気異方性定数Ｋ_ｕ１を有する。なお、この強磁性絶縁体は、固定層２３（図６参照。）を形成する強磁性絶縁体と異なり、膜面に垂直な磁化方向を維持しなくともよい。

磁気結合制御層３３２は、強磁性層３３１と垂直磁化保持層３３３との磁気結合に影響を与える材料からなる。このような材料として、例えば、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＭｇＯなどが挙げられる。磁気結合制御層３３２の厚みは２ｎｍ以下である。その厚みは必要に応じて変化してもよい。磁気結合制御層３３２の厚みを変化させると、ＭＲ比、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等の因子を調節して好ましい。

垂直磁化保持層３３３は、垂直磁気異方性定数Ｋ_ｕ２を有する材料からなる。垂直磁気異方性定数Ｋ_ｕ２は、強磁性層３３１の垂直磁気異方性定数Ｋ_ｕ１と比較して高い。このような材料として、例えば、Ｌ１０型ＦｅＰｄ又はＦｅＰｔが挙げられる。

なお、上記した実施の形態３にかかるＭＴＪ素子３１０では、固定層３３は磁気結合制御層３３２を含む構成を有するが、固定層３３から磁気結合制御層３３２を除いてもよい。つまり、ＭＴＪ素子３１０は、固定層３３の代わりに、垂直磁化保持層３３３と強磁性層３３１とをこの順に積層した構造を有する固定層を含んでもよい。

ここで、読み出し動作について説明する。読み出し電流が固定層３３から記憶層２１に流れる。固定層３３の磁化と平行な（あるいは反平行な）スピンを持つ電子がより多く固定層３３を流れる。つまり、スピンフィルタ効果が発現し、このスピン分極率が高いほど、ＭＲ比が高くなる。ＭＲ比が高くなるため、ＭＴＪ素子３１０からの信号電圧が増大し、ＭＴＪ素子３１０は、優れた読み出し性能を有する。ＭＴＪ素子３１０を用いたＭＲＡＭは、大きな記憶容量を有する。さらに、強磁性層３３１はＣｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４などの高い磁気異方性を有する強磁性酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層２１の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

また、書き込み動作について説明する。例えば、書き込み電流をビット線１に流すと、ＭＴＪ素子３１０に流れる。すると、固定層３３は絶縁性を有するため、固定層３３の温度が上昇し、この温度上昇により記憶層２１の温度も上昇し得る。記憶層２１の磁気異方性が減じ得て、記憶層２１の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流により、スピントルクが記憶層２１に注入されて、記憶層２１の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル１００に、例えば、データ「０」又はデータ「１」に対応するデータを書き込むことができる。ＭＴＪ素子３１０は、ＭＴＪ素子２１０と同様に、小さな電流密度で磁化方向を反転し得る。

以上、実施の形態３にかかるＭＴＪ素子によれば、実施の形態２にかかるＭＴＪ素子と同様に、小さな磁化反転電流密度を有し得る。高いＭＲ比を有し、読み出し性能に優れる。また、大きな記憶容量を有するＭＲＡＭを形成することができる。

さらに、実施の形態３にかかるＭＴＪ素子によれば、磁気結合制御層３３２の厚みを調節することで、ＭＲ比、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等の因子を調節することができる。

実施の形態４．
次に、図８を参照して、実施の形態４にかかるＭＴＪ素子について説明する。図８は、実施の形態４にかかるＭＴＪ素子の断面図である。実施の形態４にかかるＭＴＪ素子は、実施の形態１にかかるＭＴＪ素子１０（図２参照。）と比較して、固定層を除いて、共通する構成を有する。共通する構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

図８に示すように、ＭＴＪ素子４１０は、記憶層１１と、スペーサ層１２と、固定層３３とをこの順に積層した積層構造を有する。固定層３３は、実施の形態３にかかるＭＴＪ素子３１０（図７参照。）の構成と共通する。

ここで、データの書き込み動作について説明する。ＭＴＪ素子４１０を用いたメモリセルは、書き込むデータに基づいて、書き込み回路（不図示）から書き込み電流を供給される。例えば、電流をビット線１に流すと、ＭＴＪ素子４１０に流れる。すると、実施の形態１にかかるＭＴＪ素子１０（図２参照。）と同様に、記憶層１１の磁化方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル１００に、例えば、データ「０」又はデータ「１」に対応するデータを書き込むことができる。ＭＴＪ素子４１０では、上記した実施の形態１にかかるＭＴＪ素子１０と同様に、磁化反転電流密度が小さいと考えられる。このようなＭＴＪ素子を有するＭＲＡＭは、消費電力が小さい。

また、読み出し動作について説明する。読み出し電流が固定層３３から記憶層１１に流れる。固定層３３の磁化と平行な（あるいは反平行な）スピンを持つ電子がより多く固定層３３を流れる。つまり、スピンフィルタ効果が発現し、このスピン分極率が高いほどＭＲ比が高くなる。ＭＲ比が高くなるため、ＭＴＪ素子４１０からの信号電圧が増大し、ＭＴＪ素子４１０は優れた読み出し性能を有する。ＭＴＪ素子４１０を用いたＭＲＡＭは、大きな記憶容量を有する。さらに、強磁性層３３１はＣｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４などの高い磁気異方性を有する強磁性酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層１１の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

以上、実施の形態４にかかるＭＴＪ素子によれば、小さな電流密度を有する電流であっても磁化反転させることができ、また、高いＭＲ比を有するため、読み出し性能に優れる。さらに、このようなＭＴＪ素子を有するＭＲＡＭは、消費電力が小さく、大きな記憶容量を有する。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１〜４にかかるＭＴＪ素子は、記憶層の代わりに、垂直磁化保持層と強磁性層とを積層した積層構造を有する記憶層を含んでもよい。また、実施の形態２にかかるＭＴＪ素子２１０（図６参照）は、記憶層２１の代わりに、強磁性絶縁体からなる記憶層を含んでもよい。また、実施の形態１〜４にかかるＭＴＪ素子では、スペーサ層１２を設けたが、非磁性絶縁体からなる柱状部と、非磁性金属からなるマトリックスと、を含むスペーサ層を設けてもよい。

１ ビット線
２ 半導体基板
３、４ 拡散領域
５、７ コンタクトプラグ
６ ソース線
８ ワード線
９ ゲート絶縁膜
１０、２１０、３１０、４１０ ＭＴＪ素子
１１、２１ 記憶層
１２ スペーサ層
１２ａ 電流経路部
１２ｂ マトリックス
１３、２３、３３ 固定層
１００ メモリセル
３３１ 強磁性層
３３２ 磁気結合制御層
３３３ 垂直磁化保持層

Claims (12)

1. 磁化方向が可変な記憶層と、
   所定の磁化方向を維持する固定層と、
   前記記憶層と前記固定層との間に設けられたスペーサ層と、を含み、スピントルク注入方式を用いて書き込みを行う磁気トンネル接合素子であって、
   前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方が、強磁性絶縁層を含み、
   前記スペーサ層は、前記記憶層と前記固定層とを電気的に接続する電流経路部と、前記記憶層と前記固定層とを電気的に絶縁する絶縁部とを含む磁気トンネル接合素子。
2. 前記記憶層が前記強磁性絶縁層からなり、
   前記強磁性絶縁層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１に記載される磁気トンネル接合素子。
3. 前記記憶層は、
   前記強磁性絶縁層と、
   膜面に垂直な磁化方向を有する垂直磁化保持層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載される磁気トンネル接合素子。
4. 前記固定層が前記強磁性絶縁層からなり、
   前記強磁性絶縁層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載される磁気トンネル接合素子。
5. 前記固定層は、
   前記強磁性絶縁層と、
   膜面に垂直な磁化方向を有する垂直磁化保持層と、を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載される磁気トンネル接合素子。
6. 前記強磁性絶縁層は強磁性酸化物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載される磁気トンネル接合素子。
7. 前記強磁性酸化物は、ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９、又は、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４であり、Ｘが０＜Ｘ＜３を満たすことを特徴とする請求項６に記載される磁気トンネル接合素子。
8. 前記電流経路部は、非磁性金属からなる複数本の柱状体であり、
   前記絶縁部は、前記電流経路部のそれぞれを囲むマトリックスであり、
   前記マトリックスは、非磁性絶縁体からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載される磁気トンネル接合素子。
9. 前記非磁性絶縁体は、ＭｇＯ又はＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする請求項８に記載される磁気トンネル接合素子。
   してもよい。
10. 前記非磁性金属はＣｕであることを特徴とする請求項８に記載される磁気トンネル接合素子。
11. 素子抵抗値が３０Ωμｍ^２以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載される磁気トンネル接合素子。
12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載される磁気トンネル接合素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリ。

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