JP2018022806A - 磁気記憶装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】記憶密度が向上できる磁気記憶装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層及び第１中間層を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む。前記第１中間層は、前記金属含有層に向かって凸状である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置及びその製造方法に関する。
磁気記憶装置において、記憶密度の向上が望まれる。
特開２０１４−４５１９６号公報
本発明の実施形態は、記憶密度が向上できる磁気記憶装置及びその製造方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層及び第１中間層を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む。前記第１中間層は、前記金属含有層に向かって凸状である。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 第１の実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 図９（ａ）〜図９（ｄ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。 図１６（ａ）〜図１６（ｉ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式図である。 図１７（ａ）〜図１７（ｆ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式的断面図である。 図１８（ａ）〜図１８（ｉ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式図である。 第３の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を例示するフローチャート図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図１（ｂ）は、実施形態に係る磁気記憶装置１１０の製造工程の途中の状態を例示している。図１（ｃ）において、図１（ａ）に記載された要素の一部が省略されている。
図１（ａ）に示すように、実施形態に係る磁気記憶装置１１０は、金属含有層２１、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５を含む。第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５は、積層体ＳＢに含まれる。
金属含有層２１は、金属元素を含む。金属含有層２１は、例えば、タンタルを含む。金属含有層２１の材料の例については、後述する。
第２磁性層１２は、金属含有層２１の一部２１ｃと第１磁性層１１との間に設けられる。第１中間層１５は、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に設けられる。第１中間層１５は、非磁性である。第１中間層１５は、例えばＭｇＯを含む。第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５のそれぞれの材料の例については、後述する。
第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。第１方向は、積層体ＳＢの積層方向に対応する。
この例では、ベース層２０ｓ及び電極２２が設けられている。電極２２は、第１方向において、ベース層２０ｓから離れている。ベース層２０ｓの少なくとも一部と、電極２２の少なくとも一部と、の間に、金属含有層２１が設けられる。金属含有層２１の一部２１ｃと、電極２２と、の間に積層体ＳＢが設けられる。電極２２は、例えばキャップ層でも良い。
例えば、ベース層２０ｓは、基板の少なくとも一部でも良い。ベース層２０ｓは、例えば、絶縁性である。ベース層２０ｓは、例えば酸化アルミニウムを含む基板などを含んでも良い。
電極２２は、例えば、第１磁性層１１と電気的に接続される。
積層体ＳＢは、例えば、磁気抵抗変化素子として機能する。積層体ＳＢにおいて、例えばＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance Effect）が生じる。例えば、第１磁性層１１、第１中間層１５及び第２磁性層１２を含む経路における電気抵抗は、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍの向きと、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの向きと、の間の差異に応じて変化する。積層体ＳＢは、例えば、磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を有する。
例えば、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍは、実質的に固定される。一方、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの方向は、可変である。第１磁性層１１は、例えば参照層である。第２磁性層１２は、例えば自由層である。第２磁性層１２は、例えば記憶層である。
第２磁性層１２は、例えば、情報を記憶する層として機能する。例えば、第２磁化１２Ｍが１つの方向に向く第１状態（第１書き込み状態）が、記憶される第１情報に対応する。第２磁化１２Ｍが別の方向に向く第２状態（第２書き込み状態）が、記憶される第２情報に対応する。第１情報は、例えば「０」及び「１」の一方に対応する。第２情報は、「０」及び「１」の他方に対応する。
第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、例えば、金属含有層２１に流れる電流により制御することができる。この場合、金属含有層２１に電流（書き込み電流）が流され、電流の向きにより、第２磁化１２Ｍの向きを制御することができる。
例えば、金属含有層２１は、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂを含む。第１部分２１ａから第２部分２１ｂに向かう方向を第２方向とする。第２部分２１ｂは、第２方向において、第１部分２１ａと並ぶ。第２方向は、第１方向（Ｚ軸方向）と交差する。第２方向は、例えば、Ｘ軸方向である。金属含有層２１の上記の一部２１ｃは、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとの間に位置する。第１部分２１ａ、一部２１ｃ及び第２部分２１ｂを含む経路に電流が流れる。
この例では、制御部７０（制御回路、駆動回路）がさらに設けられている。制御部７０により、この電流が供給される。
制御部７０は、例えば、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂと電気的に接続される。制御部７０は、第１書き込み動作において、第１書き込み電流Ｉｗ１を金属含有層２１に供給する。これにより、第１状態が形成される。第１書き込み電流Ｉｗ１は、第１部分２１ａから第２部分２１ｂに向かう。制御部７０は、第２書き込み動作において、第２書き込み電流Ｉｗ２を金属含有層２１に供給する。これにより、第２状態が形成される。第２書き込み電流Ｉｗ２は、第２部分２１ｂから第１部分２１ａに向かう、このように、制御部７０は、書き込み動作（または消去動作）を実施できる。これらの２つの状態において、積層体ＳＢの電気抵抗が互いに異なる。これらの書き込み動作は、例えば、記憶動作である。
電気抵抗の変化は、制御部７０によって検出されても良い。例えば、制御部７０は、第１磁性層１１とさらに電気的に接続される。この例では、制御部７０は、電極２２に電気的に接続される。例えば、制御部７０は、読み出し動作において、第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の電気抵抗の変化に基づく特性（電圧など）の変化を検出する。第１状態における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第１電気抵抗は、第２状態における第１磁性層１１と第１部分２１ｂとの間の第２電気抵抗とは異なる。すなわち、第１書き込み動作後における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第１電気抵抗は、第２書き込み動作後における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第２電気抵抗とは異なる。上記において、第１部分２１ａ及び第２部分２１ａは、互いに入れ替えが可能である。例えば、上記の電気抵抗は、第１磁性層１１と第２部分２１ｂとの間の電気抵抗でも良い。
この例では、第１絶縁層４１、第２絶縁層４２及び化合物層３０がさらに設けられている。第１絶縁層４１の少なくとも一部は、Ｘ−Ｙ平面内で、第１磁性層１１と並ぶ。例えば、第１絶縁層４１の少なくとも一部は、Ｘ軸方向で、第１磁性層１１と並ぶ。第２絶縁層４２は、第１磁性層１１と第１絶縁層４１との間に設けられる。第１絶縁層４１は、例えば、酸化シリコンまたは酸化アルミニウムなどの絶縁体を含む。第２絶縁層４２は、例えば、積層体ＳＢに含まれる金属元素の酸化物などを含む。後述するように、第２絶縁層４２は、例えば、積層体ＳＢの加工の際に形成される。
化合物層３０は、金属含有層２１と第１絶縁層４１との間に設けられる。例えば、化合物層３０は、Ｘ軸方向において、第２磁性層１２の少なくとも一部と重なる。化合物層３０は、Ｘ軸方向において、第１中間層１５の少なくとも一部とさらに重なっても良い。化合物層３０の一部は、Ｚ軸方向において、金属含有層２１と、第１中間層１５の一部と、の間にある。例えば、化合物層３０は、第２磁性層１２の側面１２ｓに対向する。側面１２ｓは、例えば、Ｘ軸方向と交差する。
化合物層３０は、例えば、金属含有層２１に含まれる金属元素を含む化合物である。後述するように、化合物層３０は、金属含有層２１となる金属膜の表面の一部が酸化などにより変化して形成されても良い。例えば、金属含有層２１がタンタルを含む場合、化合物層３０は、酸化タンタルを含む。
実施形態においては、第１中間層１５は、金属含有層２１に向かって凸状である。例えば、第１中間層１５は、第２磁性層１２に向かって凸状である。例えば、図１（ａ）において、第１中間層１５は、上面（後述する面１５ｆａ、図１（ｃ）参照）を有する。上面の中央部分は、上面の外縁を基準にして、下に位置する。第１中間層１５は、下面（後述する面１５ｆｂ、図１（ｃ）参照）を有する。下面の中央部分は、下面の外縁を基準にして下に位置する。例えば、第１中間層１５が金属含有層２１に向かって凸状である状態は、上記の上面の状態、及び、上記の下面の状態の少なくともいずれかを含む。
このような構成により、例えば、情報の書き込み動作（記憶動作）において、書き込みエラー率（Write Error Rate：ＷＥＲ）を低くできる。これは、このような構成により、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍが所望の状態に制御し易くなるからであると、考えられる。
例えば、実施形態の１つの例において、第２磁化１２Ｍが、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向のいずれか一方に向く。このとき、第２磁化１２Ｍが、これらの方向以外の方向に向くと、記憶されるべき情報が誤って記録され易くなる。例えば、熱安定性が十分でない場合は、第２磁化１２Ｍの向きは、所望の方向ではなくなる場合がある。これにより、書き込みエラー率ＷＥＲが悪化する。
さらに、記憶装置において、複数の積層体（メモリセル）が設けられる。複数の積層体のピッチが小さくなると、着目している積層体の隣に位置する別の積層体が、着目している積層体に影響を与える場合がある。例えば、隣のメモリセルからの漏洩磁場が、第２磁化１２Ｍの安定性を低下させる場合がある。これは、記憶装置の記憶密度の向上を制限する。言い換えると、記憶密度を上昇させると、書き込みエラー率ＷＥＲが悪化する。
これに対して、実施形態においては、上記のような特殊な構造により、書き込みエラー率ＷＥＲが向上できる。
例えば、第１中間層１５は、金属含有層２１）に向かって凸状である。このような構造により、例えば、第２磁性層１２に応力が加わると考えられる。この応力に基づく歪により、例えば、逆磁歪効果（ビラリ効果）が生じる。
これにより、例えば、第２磁性層１２の保磁力の変動（例えばばらつき）が抑制される。例えば、高いリテンションエネルギーが得られ、リテンション特性（リテンション耐性）が向上できる。
例えば、逆磁歪効果により、第２磁化１２Ｍの方向が、ある範囲に制御され易くなると考えられる。これにより、例えば、第２磁化１２Ｍの方向は、所望の方向（例えば、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向のいずれか）に沿い易くなると考えられる。第２磁化１２Ｍの方向が、所望の方向（例えば、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向）に強く向くようになる。リテンションエネルギーが増大する。
その結果、実施形態によれば、書き込みエラー率ＷＥＲが向上できると考えられる。これにより、記憶密度が向上できる。
例えば、化合物層３０により、第１中間層１５及び第２磁性層１２に応力が加わると考えられる。これにより、第１中間層１５は、金属含有層２１に向かって凸状となる力が加わる。特に、第１中間層１５は、外縁部分（後述する第１端部１５ａ及び第２端部１５ｂの近傍）において、大きく曲がる。そして、第２磁性層１２に応力が加わると考えられる。
以下、化合物層３０が形成される状態の例について説明する。
図１（ｂ）に示すように、ベース層２０ｓの上に、金属含有層２１となる金属膜２１ｆｍが設けられ、その上に、第２磁性層１２、第１中間層１５及び第１磁性層１１となる積層膜が形成される。そして、この積層膜が、例えば、イオンミリングなどの手法により加工される。これにより、金属膜２１ｆｍ、第２磁性層１２、第１中間層１５及び第１磁性層１１を含む構造体ＳＢ０が形成される。
このとき、これらの磁性層に含まれる元素の反応物が、これらの磁性層及び第１中間層１５の側壁に付着しても良い。この付着した反応物が、上記の第２絶縁層４２に対応する。
図１（ｂ）に示すように、第１中間層１５の幅を、第２磁性層１２の少なくとも一部の幅よりも大きくすることができる。例えば、第１中間層１５となる膜のエッチングレートが磁性層のエッチングレートよりも低いときに、このような幅が形成できる。幅は、Ｚ軸方向と交差する方向の長さであり、例えば、Ｘ軸方向に沿う長さである。第１中間層１５に突出部１５ｐが形成される。このように、第１中間層１５は、第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう第１方向（Ｚ軸方向）と交差する方向において、第２磁性層１２を基準にして突出している。
この後、例えば、金属含有層２１となる金属膜２１ｆｍの表面を処理する。処理は、例えば、酸素プラズマ処理である。これにより、金属膜２１ｆｍの一部から、化合物層３０が形成される。残った金属膜２１ｆｍが、金属含有層２１となる。処理により、金属膜２１ｆｍの表面の一部が変化する。金属膜２１ｆｍの厚さが約５ｎｍである場合、変化する部分の厚さは、例えば、約１ｎｍである。変化する部分の厚さが約１ｎｍである場合に、変化して形成された化合物層３０の厚さは、約４ｎｍとなる。化合物層３０の形成過程において、膨張が生じる。
このため、化合物層３０は、化合物層３０の周りに位置する他の層に力（応力）を加える。この応力により、第１中間層１５の突出部１５ｐは、上側に押し上げられる。これにより、突出部１５ｐは、内側部分１５ｃに対して相対的に上側に位置するようになる。これにより、第１中間層１５は、全体として、金属含有層２１に向かって凸状となる。
一方、第２磁性層１２に、化合物層３０から応力が加わる。これにより、第２磁性層１２に歪が生じる。歪により、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの制御性が高まる。これにより、書き込みエラー率ＷＥＲが向上できる。例えば、隣接セルの影響が抑制でき、結果として、記憶密度が向上できる。
図１（ｃ）においては、第１絶縁層４１、第２絶縁層４２及び電極２２が省略されている。図１（ｃ）に示すように、実施形態においては、化合物層３０が設けられる。化合物層３０は、例えば、金属含有層２１に含まれる金属元素の酸化物、その金属元素の窒化物、及び、その金属元素の酸窒化物よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。
第１中間層１５は、突出部１５ｐを含む。突出部１５ｐは、例えば、第１方向（第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう方向）において、第２磁性層１２と重ならない。突出部１５ｐは、例えば、第１方向において第１磁性層１１と重ならない。化合物層３０の少なくとも一部は、第１方向（Ｚ軸方向）において、金属含有層２１と突出部１５ｐとの間にある。
このように、化合物層３０の少なくとも一部が、金属含有層２１と、第１中間層１５の一部（突出部１５ｐ）との間にある。これにより、突出部１５ｐに応力が加わり、第１中間層１５が金属含有層２１に向かって凸状となる。そして、金属含有層２１と突出部１５ｐとの間に位置する化合物層３０により、第２磁性層１２に応力が加わる。第２磁化１２Ｍの制御性が高まる。
実施形態において、例えば、化合物層３０は、第２磁性層１２と接する。図１（ｂ）に関して説明したように、製造工程の途中において、第２磁性層１２の側壁に第２絶縁層４２となる膜が付着する場合がある。この場合において、化合物層３０の形成のための処理（例えばプラズマ処理）により、この第２絶縁層４２の一部が、金属含有層２１に含まれる金属元素を含む化合物と、混合される場合がある。この混合物も、化合物層３０に含まれても良い。この場合も、化合物層３０は、第２磁性層１２と接する。
図１（ｃ）に示すように、実施形態においては、例えば、第１中間層１５は、第１磁性層１１に対向する面１５ｆａを有する。この対向する面１５ｆａは、金属含有層２１に向かって後退している。
既に説明したように、例えば、第２磁性層１２は、第２方向（Ｘ軸方向）と交差する側面１２ｓを有する。化合物層３０は、第２方向において側面１２ｓに対向する。これにより、化合物層３０による応力が効果的に第２磁性層１２に加わる。
図１（ｃ）に示すように、第１中間層１５は、内側部分１５ｃと、外縁部分１５ｒと、を含む。外縁部分１５ｒは、内側部分１５ｃの周りに設けられる。
第１磁性層１１は、第１面１１ｆａと、第２面１１ｆｂと、を有する。第１面１１ｆａは、第１中間層１５と対向する。第２面１１ｆｂは、第１面１１ｆａとは反対側の面である。第２面１１ｆｂは、例えば、第１磁性層１１の上面である。第１面１１ｆａは、第１磁性層１１の下面である。
第１方向（第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう方向）において、第２面１１ｆｂと外縁部分１５ｒとの間の第１距離ｔ１（最短距離）は、第２面１１ｆｂと内側部分１５ｃとの間の第２距離ｔ２（最短距離）よりも短い。例えば、第２面１１ｆｂの第１方向における位置と、外縁部分１５ｒの第１方向における位置と、の間の第１距離ｔ１（最短距離）は、第２面１１ｆｂの第１方向における位置と、内側部分１５ｃの第１方向における位置と、の間の第２距離ｔ２（最短距離）よりも短い。
この例では、外縁部分１５ｒは、第１端部１５ａと、第２端部１５ｂと、を含む。第２端部１５ｂは、第２方向において、第１端部１５ａと並ぶ。第２方向は、第１方向と交差する方向であり、例えば、Ｘ軸方向である。
第１距離ｔ１は、例えば、第１端部１５ａと第２面１１ｆｂとの間の第１方向（Ｚ軸方向）に沿った距離である。第１距離ｔ１は、例えば、第２端部１５ｂと第２面１１ｆｂとの間の第１方向（Ｚ軸方向）に沿った距離でも良い。
一方、金属含有層２１は、ベース層２０ｓと対向する面２１ｆｂ（例えば下面）を有する。金属含有層２１は、第２磁性層１２と対向する面２１ｆａを有する。面２１ｆｂは、面２１ｆａとは反対側の面である。
第１中間層１５の外縁部分１５ｒと面２１ｆｂ（例えば、下面）との間の第１方向に沿った距離ｔａ１は、第１中間層１５の内側部分１５ｃと面２１ｆｂとの間の第１方向に沿った距離ｔａ２よりも長い。
例えば、第１中間層１５は、第２磁性層１２に対向する面１５ｆｂを有する。面１５ｆｂは、例えば、金属含有層２１に向かって凸状である。
実施形態においては、例えば、第１中間層１５は、平面状ではなく、カーブしている。このような形状は、第２磁性層１２に応力が加わっていることと関係していると考えられる。
実施形態に係る磁気記憶装置１１０において、第１中間層１５における格子長が、場所によって異なっても良い。
図２は、第１の実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図２は、実施形態に係る磁気記憶装置１１０の第１中間層１５における格子長を例示している。図２においては、図を見やすくするために、場所による格子長の違いを強調して示している。
格子長は、例えば、隣り合う２つの格子面の間の距離である。例えば、格子長は、Ｘ−Ｙ平面に沿う１つ方向における格子の間隔である。この１つの方向は、例えば、上記の第２方向（例えば、Ｘ軸方向）である。例えば、外縁部分１５ｒの第２端部１５ｂは、第２方向において、外縁部分１５ｒの第１端部１５ａと並ぶ。そして、内側部分１５ｃは、第２方向において、第１端部１５ａと第２端部１５ｂとの間に位置する。第１中間層１５は、結晶性を有している。
実施形態においては、外縁部分１５ｒにおける１つの方向に沿う第１格子長Ｌ１は、内側部分１５ｃにおける上記の１つの方向に沿う第２格子長Ｌ２とは異なる。例えば、外縁部分１５ｒにおける第２方向（例えばＸ軸方向)に沿う第１格子長Ｌ１は、内側部分１５ｃにおける第２方向に沿う第２格子長Ｌ２とは異なる。
例えば、第１格子長Ｌ１が第２格子長Ｌ２とは異なるときに、第２磁性層１２に歪が生じると考えられる。例えば、第１中間層１５における格子長の場所による違いが、第２磁性層１２における歪と関係している。
例えば、第２磁性層１２における格子長が、第２磁性層１２の中の位置により異なっても良い。第２磁性層１２の組成が複雑である場合がある。第２磁性層１２が、多結晶構造またはアモルファス構造を有する場合がある。このような場合において、第２磁性層１２における格子長を評価することが困難である場合がある。一方、第１中間層１５の格子長の評価は、第２磁性層１２の格子長の評価に比べて容易な場合がある。第１中間層１５の格子長の状態の評価結果から第２磁性層１２における歪の状態を推定することができる。
格子長は、例えば、ＴＥＭ像などに基づいて評価できる。例えば、ＴＥＭ像から得られる格子像をフーリエ変化した結果から、格子長の大小関係に関する情報を得ることができる。このフーリエ変換は、例えば、結晶面（すなわち、格子面）において行われる。
実施形態において、例えば、第１格子長Ｌ１と第２格子長Ｌ２との差の絶対値の、第１格子長Ｌ１に対する比は、１％以上である。これにより、例えば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍを所望の状態に制御し易くなる。書き込みエラー率ＷＥＲを向上できる。これにより、記憶密度が向上できる磁気記憶装置を提供できる。
実施形態において、外縁部分１５ｒにおける第１方向（Ｚ軸方向）に沿う第３格子長Ｌ３が、内側部分１５ｃにおける第１方向（Ｚ軸方向）に沿う第４格子長Ｌ４と異なっても良い（図２参照）。
例えば、ＴＥＭ像において、第１中間層１５の格子像のフーリエ変換から、格子間隔が読み取れる。外縁部分１５ｒにおいて読み取れる格子間隔は、内側部分１５ｃにおいて読み取れる格子間隔よりも、約１％程度大きい。この格子間隔の差は、ポアソン比の観点から、第１中間層１５が面内方向に縮んでいることに対応すると考えられる。例えば、ＭｇＯ（２００）面の場合、第３格子間隔Ｌ３が０．２０５ｎｍの場合、第４格子間隔Ｌ４は０．２０７ｎｍよりも大きくなる。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図３（ｂ）において、図３（ａ）に記載された要素の一部が省略されている。
実施形態に係る別の磁気記憶装置１１０ａも、金属含有層２１、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５を含む。磁気記憶装置１１０ａにおいては、第１中間層１５の突出部１５ｐの外縁部分１５ｒが上方に曲がり、第１中間層１５の中央部分（内側部分１５ｃ）は、実質的にＸ−Ｙ平面に沿っている。この他は、磁気記憶装置１１０と同様である。磁気記憶装置１１０ａにおいても、書き込みエラー率ＷＥＲを向上でき、記憶密度が向上できる。
図４は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図４において、第１絶縁層４１及び第２絶縁層４２は省略されている。以下、磁気記憶装置１１１について、磁気記憶装置１１０と異なる部分について説明する。
図４に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１１１においては、第２磁性層１２は、第１磁性膜１２Ａ、第２磁性膜１２Ｂ及び第１中間膜１２Ｃを含む。第２磁性膜１２Ｂは、第１磁性膜１２Ａと第１中間層１５との間に設けられる。第１中間膜１２Ｃは、第１磁性膜１２Ａと第２磁性膜１２Ｂとの間に設けられる。例えば、第２磁性膜１２Ｂは、第１磁性膜１２Ａと反強磁性結合する。
第１中間膜１２Ｃは、例えば、Ｒｕを含む。例えば、第１中間膜１２Ｃの厚さは、適切に制御される。例えば、第１中間膜１２Ｃの厚さは、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）結合のセカンドピークまたはファーストピークに対応するように制御されても良い。第１中間膜１２Ｃの厚さの適切な制御により、第１磁性膜１２Ａと第２磁性膜１２Ｂとの間において、反強磁性結合が生じる。反強磁性結合により、互いに逆の極性となって結合することで、例えば、素子端部における磁性層の反磁界が低減される。反強磁性結合により、第２磁性層１２からの漏洩磁場が小さくできる。これにより、複数のメモリセルの間の距離を短くできる。例えば、記憶密度が向上できる。
第２磁性層１２において反強磁性結合を生じさせると、第２磁性層１２において形状磁気異方性が得難くなる。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの安定性が低下し易い。このとき、実施形態においては、第１中間層１５の上記の特殊な構造により、第２磁化１２Ｍを所望の状態に制御し易くできる。これにより、第２磁性層１２において反強磁性結合を生じさせた場合においても、第２磁化１２Ｍの方向を所望の方向に制御し易くできる。これにより、例えば、記憶密度を高めたときにおいても、より安定した動作が可能になる。
実施形態において、第１中間膜１２Ｃの厚さによっては、第１磁性膜１２Ａと第２磁性膜１２Ｂとの間において、強磁性結合が得られる。この場合には、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍが、より安定化する。
上記のように、第１中間膜１２Ｃは、例えば、Ｒｕなどの重元素の非磁性金属が用いられる。例えば、第２磁性層１２に流れる書き込み電流の一部が、第１中間膜１２Ｃに流れる。これにより、第１中間膜１２Ｃの上下に設けられた第１磁性膜１２Ａ及び第２磁性膜１２Ｂに対して、互いに異なる方向のトルクが作用する。例えば、第１中間膜１２Ｃにより、スピン偏極した電子が、第１磁性膜１２Ａに向かって反射される。これにより、書き込み電流が低減できる。例えば、第１中間膜１２Ｃによるスピン軌道効果が得られる。
書き込み動作において、制御部７０は、金属含有層２１と第１磁性層１１との間に電圧を印加する。図４の例においては、金属含有層２１と電極２２との間に電圧が印加されることで、金属含有層２１と第１磁性層１１との間に電圧が印加される。電圧の印加により、第１中間層１５と第２磁性層１２の界面に磁気異方性が誘起されるため、例えば、第２磁性層１２の磁化反転エネルギーが低下する。第１中間膜１２Ｃの厚さを適切に設定することで、反強磁性結合または強磁性結合の構成が用いられる。これにより、第１中間層１５との界面を有する第２磁性膜１２Ｂにおいて、第１中間膜１２Ｃが無い場合に比べて、反転エネルギーを下げることができる。その結果、リテンションエネルギーを保ちながら、さらに記録電流を低下することができる。
例えば、第１中間膜１２ＣにＲｕを用いた場合、第１中間膜１２Ｃの厚さは、０．２ｎｍ以上０．５ｎｍ以下（前記ファーストピーク）、または、０．８ｎｍ以上１．１ｎｍ以下（前記セカンドピーク）である。このとき、反強磁性結合が得られる。第１中間膜１２ＣにＲｕを用いた場合、第１中間膜１２Ｃの厚さは、０．６ｎｍ以上０．８ｎｍ以下、または、１．２ｎｍ以上である。このとき、強磁性結合が得られる。第１中間膜１２Ｃとして、Ｒｈ、またはＩｒなどを用いても良い。
図５は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図５において、ベース層２０ｓ、電極２２、第１絶縁層４１、第２絶縁層４２及び制御部７０は省略されている。以下、磁気記憶装置１１２について、磁気記憶装置１１０と異なる部分について説明する。
図５に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１１２においては、積層体ＳＢは、反強磁性層１１Ａをさらに含む。反強磁性層１１Ａと第１中間層１５との間に第１磁性層１１が設けられる。この場合において、反強磁性層１１Ａは、電極２２（図１（ａ）参照）と第１磁性層１１との間に設けられる。電極２２は、反強磁性層１１Ａと電気的に接続される。反強磁性層１１Ａは、第１磁性層１１と電気的に接続される。
反強磁性層１１Ａは、例えば、ＩｒＭｎを含む。反強磁性層１１Ａは、例えば、第１磁性層１１の第１磁化１１ＭをＺ軸方向と交差する方向に固定する。反強磁性層１１Ａは、例えばピニング層である。
この例では、第１磁性層１１は、第３磁性膜１１Ｃ、第４磁性膜１１Ｄ及び第２中間膜１１Ｅを含む。第４磁性膜１１Ｄと第１中間層１５との間に、第３磁性膜１１Ｃが設けられる。第３磁性膜１１Ｃと第４磁性膜１１Ｄとの間に、第２中間膜１１Ｅが設けられる。第４磁性膜１１Ｄは、例えば、ＣｏＦｅを含む。第２中間膜１１Ｅは、例えば、Ｒｕを含む。第３磁性膜は、例えば、ＣｏＦｅＢを含む。第２中間膜１１Ｅの厚さは、第１磁性膜１１Ｂと第２磁性膜１１Ｃとを磁気的に結合させるような厚さに設定される。上記のように、第３磁性膜１１Ｃはボロンを含んでも良い。これにより、例えば、積層体ＳＢにおいて、高いＭＲ比を得ることができる。これにより、情報の書き込み状態の検出の精度が向上できる。これにより、例えば、１つのメモリセルのサイズを縮小できる。これにより、記憶密度を向上し易くできる。
磁気記憶装置１１２においても、第１中間層１５の上記の特殊な構造により、第２磁化１２Ｍを所望の状態に制御し易くできる。記憶密度を向上できる磁気記憶装置を提供できる。
磁気記憶装置１１２において、第２磁性層１２は、第１磁性膜１２Ａ、第２磁性膜１２Ｂ及び第１中間膜１２Ｃを含んでも良い。
以下、金属含有層２１、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５の例について説明する。
金属含有層２１は、例えば、高いスピンホール効果を有する材料を含んでも良い。例えば、金属含有層２１は、第２磁性層１２と接する。例えば、金属含有層２１は、第２磁性層１２にスピン軌道トルクを付与する。金属含有層２１は、例えば、Spin Orbit Layer（ＳＯＬ）として機能しても良い。例えば、金属含有層２１と第２磁性層１２との間において生じるスピン軌道トルクによって、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの向きを変えることができる。例えば、金属含有層２１を流れる電流の向き（第１書き込み電流Ｉｗ１の向きまたは第２書き込み電流Ｉｗ２の向き）に応じて、第２磁化１２Ｍの方向を制御できる。
金属含有層２１は、例えば、タンタル及びタングステンよりなる群より選択された少なくとも１つを含む。金属含有層２１は、例えば、β−タンタル及びβ−タングステンよりなる群より選択された少なくとも１つを含む。これらの材料におけるスピンホール角は、負である。これらの材料におけるスピンホール角の絶対値は大きい。これにより、書き込み電流により、第２磁化１２Ｍを効率的に制御できる。
金属含有層２１は、白金及び金よりなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。これらの材料におけるスピンホール角は、正である。これらの材料におけるスピンホール角の絶対値は大きい。これにより、書き込み電流により、第２磁化１２Ｍを効率的に制御できる。
スピンホール角の極性により、第２磁性層１２に加わるスピン軌道トルクの方向（向き）が異なる。例えば、金属含有層２１は、第２磁性層１２にスピン軌道相互作用トルクを与える。これにより、例えば、安定した書き込みがし易くなる。
スピンホール効果を利用する磁気記憶装置は、例えば、スピン軌道トルクランダムアクセスメモリ（spin-orbit torque magnetic random access memory：ＳＯＴ−ＭＲＡＭ）である。ＳＯＴ−ＭＲＡＭにおいては、例えば、書き込み電流端子と、読み込み電流端子と、を分離することができる。例えば、書き込みエラー率ＷＥＲを低減し易いと考えられる。
実施形態において、スピン伝達トルク効果が利用されても良い。この場合、積層体ＳＢに、積層方向に沿った電流を流すことにより、磁化の向きが制御される。このような磁気記憶装置は、例えば、スピン伝達トルクランダムアクセスメモリ（spin transfer torque magnetic random access memory：ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）である。ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいては、同一の端子を用いて、大きな電流で書き込み、小さな電流で読み出しを行う。ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいては、金属含有層２１は、例えば、書き込み動作において、一方の電極として用いられても良い。金属含有層２１と電極２２との間に電流を流すことにより、書き込み及び読み出しが行われても良い。
ＳＯＴ−ＭＲＡＭ及びＳＴＴ−ＭＲＡＭのいずれにおいても、実施形態によれば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの制御性を向上できる。
第２磁性層１２は、例えば、磁化自由層である。第２磁性層１２は、例えば、強磁性材料及び軟磁性材料の少なくともいずれかを含む。第２磁性層１２は、例えば、人工格子を含んでも良い。
上記の強磁性材料は、例えば、Ｌ１０構造、または、Ｌ１１構造を有しても良い。第２磁性層１２は、例えば、ＦｅＰｄ（鉄−パラジウム）、ＦｅＰｔ（鉄−白金）、ＣｏＰｄ（コバルト−パラジウム）及びＣｏＰｔ（コバルト−白金）よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。上記の軟磁性材料は、例えば、ＣｏＦｅＢ（コバルト−鉄−ボロン）を含む。上記の人工格子は、例えば、第１膜と第２膜を含む積層膜を含む。第１膜は、例えば、ＮｉＦｅ（ニッケル−鉄）、Ｆｅ（鉄）及びＣｏ（コバルト）の少なくともいずれかを含む。第２膜は、例えば、Ｃｕ（銅）、Ｐｄ（パラジウム）及びＰｔ（白金）の少なくともいずれかを含む。第１膜は、例えば、磁性材料であり、第２膜は、非磁性材料である。
第２磁性層１２は、例えば、フェリ磁性材料を含んでも良い。
実施形態において、スピン軌道トルクによる磁化反転を用いる場合は、例えば、第２磁性層１２は、面内磁気異方性を有する。これにより、例えば、金属含有層２１から、磁化方向と反平行な偏極スピンを得ることができる。例えば、第２磁性層１２は、面内の形状磁気異方性、及び、面内の結晶磁気異方性を有しても良い。
実施形態において、第２磁性層１２は、垂直磁気異方性を有しても良い。この場合、例えば、外部磁場などにより、金属含有層２１からの偏極スピンを用いて磁化反転を行うことができる。
第１磁性層１２における熱擾乱耐性は、高いことが好ましい。熱擾乱指数Δは、
Δ＝ＫｕＶ／（ＫＢＴ）＝（Ｋｓｈａｐｅ＋Ｋｆｉｌｍ）Ｖ／（ＫＢＴ）
で表される。
上記において、「Ｋｕ」は、一軸磁気異方性である。「Ｖ」は、体積である。「Ｋｓｈａｐｅ」は、形状磁気異方性である。「Ｋｆｉｌｍ」は、膜の一軸磁気異方性である。
例えば、第２磁性層１２の厚さを厚くすると、体積Ｖが大きくなる。このとき、厚さにより、一軸磁気異方性の大きさが変化する。
第２磁性層１２は、例えば、シンセティック構造を有しても良い。シンセティック構造においては、例えば、第２磁性層１２は、第１磁性膜１２Ａ、第２磁性膜１２Ｂ及び第１中間膜１２Ｃを含む（図４参照）。第１中間膜１２Ｃ（例えばＲｕ膜）の厚さに応じて、第２磁性層１２において、強磁性結合が得られる場合、または、反強磁性結合が得られる場合がある。
強磁性結合を用いた際は、例えば、高い熱擾乱耐性を得ることができる。
一方、反強磁性結合を用いた場合は、第２磁性層１２は、例えば、人工反強磁性（Synthetic Anti-Ferromagnetic：ＳＡＦ）構造となる。この構造においては、互いに逆方向の漏れ磁場が生じる。このため、近接する他のメモリセルへの漏れ磁場の影響が小さくできおる。例えば、保磁力のばらつきを小さくできる。ＳＡＦ構造においては、形状磁気異方性が打ち消されるようになる。このため、熱擾乱耐性を十分に高くすることが困難になる場合がある。
実施形態においては、第１中間層１５の上記の特殊な構造により、熱擾乱耐性を向上できる。実施形態は、強磁性結合を用いる構成、及び、反強磁性結合を用いる構成のいずれにも適用できる。
第１中間層１５は、例えば、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＣａＯ（酸化カルシウム）、ＳｒＯ（酸化ストロンチウム）、ＴｉＯ（酸化チタン）、ＶＯ（酸化バナジウム）、ＮｂＯ（酸化ニオブ）及びＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１中間層１５は、例えば、トンネルバリア層である。第１中間層１５がＭｇＯを含む場合、第１中間層１５の厚さは、例えば、約１ｎｍである。
第１中間層１５は、酸化物の１つの膜を含んでも良い。第１中間層１５は、窒化物の１つの膜を含んでも良い。第１中間層１５は、複数の膜を含む積層膜を含んでも良い。
例えば、ＭｇＯは、ＮａＣｌ（塩化ナトリウム）構造の結晶構造を有する。第１中間層１５は、例えば、スピネル型結晶構造を有する材料（ＭｇＡｌ２Ｏ４など）などを含んでも良い。
第１磁性層１１は、例えば、参照層である。第１磁性層１１は、例えば磁気固定層である。第１磁性層１１は、例えば、Ｃｏ（コバルト）、ＣｏＦｅＢ（コバルト−鉄−ボロン）を含む。このとき、反強磁性層１１Ａ（図５参照）を設けても良い。これにより、第１磁性層１１において、面内方向の異方性が付与される。これにより、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍは、面内の実質的に１つの方向（Ｚ軸方向と交差する方向）に固定される。第１磁性層１１は、例えば、面内磁化膜となる。
例えば、第１磁性層１１の飽和磁化Ｍｓは、小さいことが好ましい。これにより、第１磁性層１１の漏洩磁場が第２磁性層１２に不均一に印加されることが抑制できる。
例えば、第１磁性層１１（参照層）の厚さは、第２磁性層１２（自由層）の厚さよりも厚い。これにより、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍが所定の方向に安定して固定される。
第１磁性層１１が厚いとき、第１磁性層１から発生する磁場分布が大きくなり、第１磁性層１１からの漏れ磁場（漏洩磁場）が、第２磁性層１２に不均一に印加される場合がある。例えば、第１磁性層１１からの漏れ磁場は、第２磁化１２Ｍの向きを第１磁化１１Ｍの向きに対して平行にするように作用する。第１磁性層１１からの漏れ磁場は、第２磁性層１２の磁化反転磁場を変化させ、第１磁性層１１における熱擾乱耐性を劣化させる。例えば、第１磁性層１１からの漏れ磁場の影響により、第２磁性層１２の反転対称性が、非対称となる。これにより、例えば、第１磁化１１Ｍと第２磁化１２Ｍとが平行の状態と、反平行の状態とにおいて、これらの状態の熱安定性が互いに異なる場合が生じる。積層体ＳＢにおける動作が不安定になる可能性がある。
第１磁性層１１の飽和磁化Ｍｓが小さいことで、第１磁性層１１の漏れ磁場に起因する動作の不安定さを抑制できる。
実施形態において、第１磁性層１１は、垂直磁化膜でも良い。この場合、第１磁性層１１は、例えば、希土類金属−遷移金属磁性層を含む。第１磁性層１１は、例えば、フェリ磁性層を含む。希土類金属−遷移金属磁性層においては、飽和磁化Ｍｓが小さく、異方性磁場が大きい。例えば、第１磁性層１１は、ＴｂＣｏＦｅ（テルビウム−コバルト−鉄）を含む。第１磁性層１１は、人工格子を含んでも良い。この人工格子は、例えば、Ｃｏ膜と、Ｐｔ膜とを含む積層膜を含む。第１磁性層１１は、Ｆｅ及びＰｔを含む結晶膜を含んでも良い。この結晶膜は、例えば、Ｌ１０構造を有する。
実施形態において、例えば、第１磁性層１１は、第１方向（Ｚ軸方向）に沿った第１厚さ、及び、第１保磁力を有する。このとき、例えば、第２磁性層１２は、第１厚さよりも薄い第１方向に沿った第２厚さ、及び、第１保磁力よりも小さい第２保磁力の少なくともいずれかを有しても良い。例えば、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍは、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍと比べて、相対的に変化し難くなる。
実施形態において、例えば、第１磁化１１Ｍと第２磁化１２Ｍとが互いに「平行」である第１磁化状態において、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗は低い。第１磁化１１Ｍと第２磁化１２Ｍとが互いに「反平行」である第２磁化状態において、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間の電気抵抗は、第１磁化状態における電気抵抗よりも高い。第１磁化１１Ｍと第２磁化１２Ｍとが互いに厳密に「平行」または「反平行」でなくても良い。これらの磁化の向きの相対的な変化に応じて、異なる電気抵抗が得られる。この磁化の向きの状態は、電源をオフしても保存される。実施形態に係る磁気記憶装置は、例えば、不揮発性メモリである。
実施形態によれば、例えば、保磁力のばらつきが抑制される。リテンション耐性のあるＭＴＪ素子を提供できる。
図６は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図６に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１１３も、金属含有層２１、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５を含む。第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５は、積層体ＳＢに含まれる。積層体ＳＢについては、磁気記憶装置１１０と同様である。磁気記憶装置１１３において、第３磁性層１３、第４磁性層１４及び第２中間層１５ａをさらに含む。
第１磁性層１１から第３磁性層１３に向かう方向は、第２方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿っている。第４磁性層１４は、金属含有層２１の別の一部と、第３磁性層１３との間に設けられる。第２中間層１５ａは、第３磁性層１３と第４磁性層１４との間に設けられる。第３磁性層１３、第４磁性層１４及び第２中間層１５ａには、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５について説明した構成及び材料が適用できる。
第３磁性層１１ａ、第４磁性層１２ａ及び第２中間層１５ａは、積層体ＳＢａに含まれる。このように、複数の積層体ＳＢが設けられても良い。
複数の積層体ＳＢは、複数のメモリセルにそれぞれ対応する。複数のメモリセルにおいて、互いに異なる情報が記憶されることが可能である。複数のメモリセルに情報を記憶する際に、例えば、複数のメモリセルに「１」及び「０」の一方を記憶した後に、複数のメモリセルのうちの所望のいくつかに「１」及び「０」の他方を記憶しても良い。または、例えば、複数のメモリセルの１つに「１」及び「０」の一方を記憶した後に、複数のメモリセルの別の１つに「１」及び「０」の他方を記憶しても良い。
この例では、第１磁性層１１に電気的に接続された電極２２が設けられている。第３磁性層１３に電気的に接続された電極２２ａが設けられている。電極２２と制御部７０との間に、第１スイッチＳｗ１が設けられている。電極２２ａと制御部７０との間に、第２スイッチＳｗ２が設けられている。これらのスイッチの動作により、積層体ＳＢ及び積層体ＳＢａが選択される。
例えば、積層体ＳＢが選択される場合、第１磁性層１１に選択電位が印加され、第３磁性層１３に非選択電位が印加される。例えば、積層体ＳＢａが選択される場合、第１磁性層１１に非選択電位が印加され、第３磁性層１３に選択電位が印加される。選択電位は、非選択電位とは異なる。
このように、磁気記憶装置１１３において、制御部７０は、第１磁性層１１及び第３磁性層１３と電気的に接続される。制御部７０は、第１及び第２書き込み動作において、第１磁性層１１の電位を第３磁性層の電位とは異なる電位に設定する。例えば、これらの電位の一方は、選択電位であり、他方は、非選択電位である。０ボルトの電圧の印加も、「電圧の印加」に含まれる。選択電圧の電位は、非選択電圧の電位とは異なる。
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図７に示すように、第２の実施形態に係る磁気記憶装置１２０も、金属含有層２１、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５を含む。第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５は、積層体ＳＢに含まれる。
この場合も、金属含有層２１は、金属元素を含む。第２磁性層１２は、金属含有層２１の一部２１ｃと第１磁性層１１との間に設けられる。第１中間層１５は、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に設けられた部分を含む。
第１中間層１５は、第１領域１５Ａ、第２領域１５Ｂ及び第３領域１５Ｃを含む。第２領域１５Ｂは、第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう第１方向（例えばＺ軸方向）と交差する第２方向（例えばＸ軸方向）において、第１領域１５Ａと並ぶ。第３領域１５Ｃは、第１領域１５Ａと第２領域１５Ｂとの間に設けられる。この例では、第１領域１５Ａ及び第２領域１５Ｂは、外縁部分１５ｒ（図１（ｃ）参照）に設けられる。例えば、第１領域１５Ａは、第１端部１５ａに対応しても良い。第２領域１５Ｂは、第２端部１５ｂに対応しても良い。第１中間層１５は、結晶性を有する。
実施形態においては、第１領域１５Ａにおける第１格子長Ｌ１は、第３領域１５Ｃにおける第２格子長Ｌ２とは異なる。第１格子長Ｌ１は、第１領域１５Ａにおける１つの方向に沿った格子長である。第２格子長Ｌ２は、第２領域１５Ｂにおける上記の１つの方向に沿った格子長である。
例えば、第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう方向を第１方向（例えば、Ｚ軸方向）とする。第１方向と交差する１つの方向を第２方向（例えばＸ軸方向）とする。
例えば、第１格子長Ｌ１は、第１領域１５Ａにおける第２方向に沿った格子長である。この場合、第２格子長Ｌ２は、第２領域１５Ｂにおける第２方向に沿った格子長である。第１格子長Ｌ１は、第１領域１５Ａにおける第１方向に沿った格子長Ｌａ（図７参照）でも良い。この場合、第２格子長Ｌ２は、第２領域１５Ｂにおける第１方向に沿った格子長Ｌｂ（図７参照）である。
例えば、第１中間層１５の端における第１格子長Ｌ１は、第１中間層１５の中央部における第２格子長Ｌ２よりも小さい。
例えば、第１格子長Ｌ１と第２格子長Ｌ２との差の絶対値の、第１格子長Ｌ１に対する比は、１％以上である。例えば、５％よりも大きい歪みが加わると、第１中間層１５の結晶性が低下する場合がある。このような場合には、結晶が破壊され、例えば、アモルファスとなることがある。その場合には、外縁部分１５ｒは、アモルファスとして観測される。
例えば、第２磁性層１２のヤング率は、約２００ＧＰａである。第１中間層１５における格子長の差異が１％程度のとき、第２磁性層１２に加わる応力は、約２ＧＰａとなる。第２磁性層１２がＣｏＦｅＢを含み、磁歪定数が１５ｐｐｍであり、第２磁性層１２のサイズ（例えばＸ軸方向の長さ）が２０ｎｍである場合において、この応力に基づく熱擾乱指数は、約４０ｋＢＴと積もられる。この熱擾乱指数は、例えば、記憶保持エネルギーと同程度となる。
従って、例えば、第２磁性層１２がＳＡＦ構造を有する場合においても、応力によって記憶保持エネルギーが確保される。このため、第２磁性層１２がＳＡＦ構造を有する場合においても、適正な動作を行うことができる。ＳＡＦ構造により、例えば、漏洩磁場が低減され、保磁力のばらつきが低減できる。これにより、複数のメモリセル（積層体ＳＢ）のピッチを小さくできる。記憶密度が向上できる磁気記憶装置を提供できる。
実施形態においては、第１中間層１５における格子長が、第１中間層１５の内部の位置によって異なる。これにより、例えば、第２磁性層１２（例えば自由層）の第２磁化１２Ｍの制御性が高まる。これにより、例えば、書き込みエラー率ＷＥＲを低くできる。これにより、例えば、隣のメモリセルからの影響を受け難くできる。実施形態によれば、記憶密度が向上できる磁気記憶装置を提供できる。
第２の実施形態において、第１の実施形態に関する説明を適宜適用できる。例えば、磁気記憶装置１２０において、制御部７０は、第１の実施形態に関して説明した動作を実施しても良い。金属含有層２１、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１中間層１５、ベース層２０ｓ、電極２２、第１絶縁層４１及び第２絶縁層４２について、第１の実施形態に関しての説明が適用できる。
例えば、金属含有層２１は、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂを含む。第２部分２１ｂは、第２方向（例えばＸ軸方向、第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう第１方向と交差する方向）において、第１部分２１ｂと並ぶ。金属含有層２１の一部２１ｃは、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとの間に位置する。制御部７０は、第１部分２１ａ、第２部分２１ｂ及び第１磁性層１１と電気的に接続される。制御部７０は、例えば、第１書き込み動作において、第１部分２１ａから第２部分２１ｂに向かう第１書き込み電流Ｉｗ１を金属含有層２１に供給する。これにより、第１状態が形成される。制御部７０は、第２書き込み動作において、第２部分２１ｂから第１部分２１ａに向かう第２書き込み電流Ｉｗ２を金属含有層２１に供給する。これにより、第２状態が形成される。制御部７０は、読み出し動作において、第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の電気抵抗に基づく特性（電圧または電流など）の変化を検出しても良い。第１書き込み動作後（第１状態）における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第１電気抵抗は、第２書き込み動作後（第２状態）における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第２電気抵抗とは異なる。
例えば、第１磁性層１１の厚さ（第１方向、例えばＺ軸方向に沿った厚さ）は、第２磁性層１２の厚さ（第１方向、例えばＺ軸方向に沿った厚さ）よりも厚い。第１磁性層の第１磁化１１Ｍは、実質的に固定される。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、可変である。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、第３方向（例えばＹ軸方向、第１方向及び第２方向と交差する方向）に沿う。
磁気記憶装置１２０においても、第２磁性層１２は、第１磁性膜１２Ａ、第２磁性膜１２Ｂ及び第１中間膜１２Ｃを含んでも良い（図４参照）。第２磁性膜１２Ｂは、第１磁性膜１２Ａと反強磁性結合する。
磁気記憶装置１２０においても、例えば、金属含有層２１は、タンタル及びタングステンよりなる群より選択された少なくとも１つを含む。例えば、金属含有層２１は、β−タンタル及びβ−タングステンよりなる群より選択された少なくとも１つを含んでも良い。金属含有層２１は、白金及び金よりなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。例えば、金属含有層２１は、第２磁性層１２にスピン軌道相互作用トルクを与える。例えば、金属含有層２１は、第２磁性層１２と接する。
以下、磁気記憶装置１２０の特性の例について説明する。
図８は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図８の横軸は、複数のメモリセル（積層体ＳＢ）が設けられる際において、複数のメモリセルのピッチの１／２（ハーフピッチ：Ｈｐ）である。縦軸は、書き込みエラー率ＷＥＲである。
図８には、以下の６種類の磁気記憶装置特性のシミュレーション結果が記載されている。磁気記憶装置１２０ａ、１２０ｂ及び１２０ｃにおいては、第１中間層１５において、第１格子長Ｌ１と第２格子長Ｌ２との差の絶対値の、第１格子長Ｌ１に対する比は、１％である。磁気記憶装置１１９ａ、１１９ｂ及び１１９ｃにおいては、第１中間層１５において、第１格子長Ｌ１は第２格子長Ｌ２と同じである。すなわち、比は０％である。磁気記憶装置１２０ａ及び１１９ａにおいては、第２磁性層１２は、単層である。磁気記憶装置１２０ｂ及び１１９ｂにおいては、第２磁性層１２は、強磁性結合シンセティック構造を有する。磁気記憶装置１２０ｃ及び１１９ｃにおいては、第２磁性層１２は、反強磁性結合シンセティック構造を有する。このシミュレーションでは、第２磁性層１２の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、２ｎｍである。Ｙ軸方向の長さは、２０ｎｍである。Ｘ軸方向の長さは、６０ｎｍである。アスペクト比は、３である。
図８から分かるように、磁気記憶装置１２０ａ、１２０ｂ及び１２０ｃにおいては、磁気記憶装置１１９ａ、１１９ｂ及び１１９ｃと比べて低い書き込みエラー率ＷＥＲが得られる。ハーフピッチＨｐが小さくなると、書き込みエラー率ＷＥＲは悪化する。これは、ピッチが小さくなると、近接素子の影響が大きくなるからであると考えられる。例えば、第１中間層１５において格子長を変化させることで（例えば格子長のは１％以上）、ピッチを小さくしても低い書き込みエラー率ＷＥＲを維持できる。
実用的な記憶装置において、書き込みエラー率ＷＥＲは、例えば、１０−１０以下とされる。例えば、反強磁性結合シンセティック構造（磁気記憶装置１２０ｃ）において、ハーフピッチＨｐが５０ｎｍ以下において、十分に実用的な書き込みエラー率ＷＥＲが得られる。
図９（ａ）〜図９（ｄ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図９（ａ）は、図９（ｂ）のＢ１−Ｂ２線断面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図９（ｃ）及び図９（ｄ）は、別の磁気記憶装置についての、Ａ１−Ａ２線に対応する断面図である。
図９（ａ）に示すように、磁気記憶装置１２１においても、金属含有層２１及び積層体ＳＢが設けられる。積層体ＳＢは、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５を含む。図９（ａ）において、ベース層２０ｓ、電極２２、第１絶縁層４１、第２絶縁層４２及び制御部７０は省略されている。
磁気記憶装置１２１においても、第１領域１５Ａにおける第１格子長Ｌ１は、第３領域１５Ｃにおける第２格子長Ｌ２とは異なる。このような格子長の違いは、例えば、化合物層３０からの応力Ｆ３により生じる。磁気記憶装置１２１においても、記憶密度が向上できる。
例えば、化合物層３０は、第２磁性層１２の側面を覆う。化合物層３０は、例えば、金属含有層２１の酸化物または窒化物を含む。例えば、金属含有層２１となる金属膜２１ｆｍ（図１（ｂ）参照）がプラズマ処理（酸素プラズマ及び窒素プラズマ処理の少なくともいずれか）される。金属膜２１ｆｍの表面に酸化物及び窒化物の少なくともいずれかを含む化合物が形成される。これにより、化合物層３０が形成される。この際、体積膨張が生じる。化合物の体積膨張によって、第２磁性層１２の側面（側壁）に化合物層３０が形成される。第２磁性層１２に圧縮応力が与えられる。
例えば、金属膜２１ｆｍを加熱酸化または加熱窒化しても良い。例えば、金属膜２１ｆｍの化合物（酸化物または窒化物）の熱膨張率は、金属膜２１ｆｍ（金属含有層２１）の熱膨張率の例えば約１／１０以下である。金属膜２１ｆｍの化合物（酸化物または窒化物）の熱膨張率は、第２磁性層１２の熱膨張率の例えば約１／１０以下である。このため、高温状態から温度が低下したときに、金属膜２１ｆｍの化合物において、応力Ｆ３（例えば圧縮応力）が生じる。これにより、第１中間層１５における格子長の違いが生じると考えられる。そして、第２磁性層１２に応力Ｆ３が加わる。これにより、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍが所望の状態を維持しやすくなると考えられる。
図９（ｂ）に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１２１においては、複数の第２磁性層１２（積層体ＳＢ）が設けられる。複数の第２磁性層１２（複数の積層体ＳＢ）は、Ｘ軸方向（第２方向）に沿って並ぶ。この例では、第２磁性層１２（積層体ＳＢ）において、形状異方性が設けられる。
例えば、第２磁性層１２は、第１長さＬｆ１及び第２長さＬｆ２を有する。第２長さＬｆ２は、第２方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿う第２磁性層１２の長さである。第１長さＬｆ１は、第３方向（例えば、Ｙ軸方向）に沿う第２磁性層１２の長さである。第３方向は、第１方向（Ｚ軸方向）と交差する。第３方向は、第２方向（Ｘ軸方向）に対して垂直である。第１長さＬｆ１は、第２長さＬｆ２よりも長い。例えば、第１長さＬｆ１は、第２長さＬｆ２の１．５倍以上１０倍以下である。
第１長さＬｆ１が、第２長さＬｆ２とは異なることで、第２磁性層１２（積層体ＳＢ）に形状異方性が設けられる。磁性層の磁化が、形状異方性により、所望の方向に沿う。
磁気記憶装置１２１においては、第２磁性層１２のＸ軸方向に沿う側壁に比べて、第２磁性層１２のＹ軸方向に沿う側壁に、より大きな応力Ｆ３が加わると考えられる。これにより、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、Ｙ軸方向に沿いやすくなる。第２磁性層１２において、一軸性が設けられる。例えば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、第１方向（Ｚ軸方向）及び第２方向（Ｙ軸方向）と交差する第３方向（例えばＹ軸方向）に沿う。
図９（ｃ）に示すように、磁気記憶装置１２１ａにおいては、化合物層３０は、Ｘ軸方向において第２磁性層１２に対向する。化合物層３０は、Ｘ軸方向において第２磁性層１２と重なる。一方、化合物層３０は、Ｙ軸方向においては、第２磁性層１２と重ならない。この例では、第２磁性層１２に加わる応力Ｆ３は、方向によって大きく異なる。これにより、第２磁性層１２において、一軸性が設けられる。
図９（ｄ）に示すように、磁気記憶装置１２１ｂにおいては、側壁層３５がさらに設けられる。側壁層３５は、Ｙ軸方向において、第２磁性層１２と重なる。側壁層３５の材料は、化合物層３０の材料とは異なる。化合物層３０は、例えば、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ハフニウム、窒化シリコン、窒化タンタル、窒化チタン、窒化ハフニウム、酸窒化シリコン、酸窒化タンタル、酸窒化チタン及び酸窒化ハフニウムよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。一方、化合物層３０は、Ｘ軸方向において第２磁性層１２と重なる。例えば、化合物層３０が酸化チタンを含むとき、側壁層３５は、酸化シリコンを含む。
化合物層３０及び側壁層３５が設けられることで、例えば、第２磁性層１２に加わる応力において、方向により差が生じる。これにより、第２磁性層１２において一軸性が設けられる。例えば、側壁層３５は、例えば、第２磁性層１２に引っ張り応力を加える。
このように、化合物層３０及び側壁層３５は、第２磁性層１２に応力を加える。化合物層３０及び側壁層３５は、例えば、積層体ＳＢの側面における絶縁性を向上しても良い。
例えば、積層体ＳＢの形成の加工の際に、積層体ＳＢの側壁に導電性の付着物が形成される場合がある。例えば、側壁において十分な絶縁性が得られない場合がある。化合物層３０により、第１中間層１５が上方向に向けてカーブする（図１（ｃ）参照）ことで、積層体ＳＢの側壁における電気的な絶縁性が向上できる。これにより、ＴＭＲに基づく電気抵抗の変化を効果的に得ることができる。
磁気記憶装置１２１、１２１ａ及び１２１ｂにおいても、例えば、第１中間層１５における格子長の違いが生じる。
図１０は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図１０は、図９（ａ）のＡ１−Ａ２線断面に対応する断面図である。
図１０に示す磁気記憶装置１２２においても、磁気記憶装置１２１と同様に、金属含有層２１及び積層体ＳＢを含む。この他、ベース層２０ｓ、電極２２、第１絶縁層４１、第２絶縁層４２及び制御部７０が設けられても良い。図１０においては、これらの要素は省略されている。磁気記憶装置１２２においては、第１絶縁部４０Ａ及び第２絶縁部４０Ｂが設けられる。これ以外は、例えば、磁気記憶装置１２０と同様である。以下、これらの絶縁部について説明する。
第１絶縁部４０Ａは、第１部分領域ｐ１及び第２部分領域ｐ２を含む。この例では、第１絶縁部４０Ａは、第５部分領域ｐ５及び第６部分領域ｐ６をさらに含む。これらの部分領域は、連続的でも、不連続的でも良い。
第２方向（例えば、Ｘ軸方向）において、第１部分領域ｐ１と第５部分領域ｐ５との間に第２磁性層１２が設けられる。第３方向（例えば、Ｙ軸方向）において、第２部分領域ｐ２と第６部分領域ｐ６との間に第２磁性層１２が設けられる。第３方向は、第１方向（Ｚ軸方向）と交差し、第２方向に対して垂直である。
第２絶縁部４０Ｂは、第３部分領域ｐ３及び第４部分領域ｐ４を含む。この例では、第２絶縁部４０Ｂは、第７部分領域ｐ７及び第８部分領域ｐ８をさらに含む。これらの部分領域は、連続的でも、不連続的でも良い。
第１部分領域ｐ１は、第２方向（Ｘ軸方向）において、第２磁性層１２と第３部分領域ｐ３との間に設けられる。第２部分領域ｐ２は、第３方向（Ｙ軸方向）において、第２磁性層１２と第４部分領域ｐ４との間に設けられる。第５部分領域ｐ５は、第２方向（Ｘ軸方向）において、第２磁性層１２と第７部分領域ｐ７との間に設けられる。第６部分領域ｐ２は、第３方向（Ｙ軸方向）において、第２磁性層１２と第８部分領域ｐ８との間に設けられる。
第１絶縁部４０Ａの厚さ（Ｘ−Ｙ平面に沿う長さ）は、方向によって異なる。例えば、第１部分領域ｐ１は、第２方向に沿う第１部分領域厚さｔｐ１を有する。第２部分領域ｐ２は、第３方向に沿う第２部分領域厚さｔｐ２を有する。第２部分領域厚さｔｐ２は、第１部分領域厚さｔｐ１とは異なる。この例では、第１部分領域厚さｔｐ１は、第２部分領域厚さｔｐ２よりも薄い。これにより、第２磁性層１２に加わる応力は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにおいて異なる。
例えば、Ｙ軸方向に沿う応力は、Ｘ軸方向に沿う応力よりも小さい。第２磁性層１２に異方的な応力が加わる。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの方向が所望の方向に安定しやすくできる。磁気記憶装置１２２においても、例えば、第１中間層１５における格子長の違いが生じる。磁気記憶装置１２２においても、記憶密度が向上できる。
磁気記憶装置１２２において、第５部分領域ｐ５は、第２方向に沿う厚さ（例えば、第１部分領域厚さｔｐ１と同様）を有する。第６部分領域ｐ６は、第３方向に沿う厚さ（例えば、第２部分領域厚さｔｐ２と同様）を有する。これらの厚さは、互いに異なる。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
図１１（ａ）に示すように、金属膜２１ｆｍ（図１（ｂ）参照）の上に、積層体ＳＢとなる積層膜を形成し、積層膜を加工して積層体ＳＢを形成する。この加工は、例えば、イオンビームエッチングにより行われる。イオンビームエッチングは、金属膜２１ｆｍの上面で終了する。図１１（ａ）では、第２磁性層１２が例示されている。この後、第１絶縁部４０Ａとなる膜４０Ａｆを形成する。膜４０Ａｆは、例えば、ＳｉＮ膜である。
図１１（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向に沿ってイオンビームＩＢを照射する。これにより、膜４０Ａｆの一部が除去される。これにより、膜４０Ａｆの一部（Ｙ軸方向で第２磁性層１２と対向する部分）の厚さが、局所的に薄くなる。これにより、第１絶縁部４０Ａが形成される。
図１２は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図１２に示すように、磁気記憶装置１２３においては、第２磁性層１２（積層体ＳＢ）の平面形状（Ｘ−Ｙ平面に沿う平面形状）が偏平円状（楕円を含む）である。これ以外は、磁気記憶装置１２２と同様である。磁気記憶装置１２３においても、第１部分領域厚さｔｐ１は、第２部分領域厚さｔｐ２よりも薄い。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの方向が所望の方向に安定しやすくできる。磁気記憶装置１２３においても、例えば、第１中間層１５における格子長の違いが生じる。磁気記憶装置１２３においても、記憶密度が向上できる。
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
図１３（ａ）に示すように、金属膜２１ｆｍ（図１（ｂ）参照）の上に、積層体ＳＢとなる積層膜を形成し、積層膜を加工して積層体ＳＢを形成する。積層体ＳＢの平面形状は偏平円状である。加工は、金属膜２１ｆｍの上面で終了する。この後、第１絶縁部４０Ａとなる膜４０Ａｆを形成する。膜４０Ａｆは、例えば、ＳｉＮ膜である。
図１３（ｂ）に示すように、基板（ベース層２０ｓ）を、Ｚ軸方向を軸として回転しつつ、イオンビームＩＢを照射する。これにより、膜４０Ａｆの一部が除去される。このとき、膜４０ＡｆのうちでＹ軸方向において第２磁性層１２と重なる部分の曲率は、膜４０ＡｆのうちでＸ軸方向において第２磁性層１２と重なる部分の曲率よりも高い。これにより、これらの部分において、イオンビームＩＢの照射による膜４０Ａｆの除去速度が異なる。これにより、膜４０ＡｆのうちのＹ軸方向で第２磁性層１２と対向する部分の厚さが、局所的に薄くなる。これにより、第１絶縁部４０Ａが形成される。
磁気記憶装置１２３の形成において、図１１（ｂ）に関して説明したイオンビームＩＢの異方的な照射を行っても良い。
図１４は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図１４に示すように、磁気記憶装置１２４においても、第１絶縁部４０Ａ及び第２絶縁部４０Ｂが設けられる。磁気記憶装置１２４においては、第１絶縁部４０Ａの材料が場所によって異なる。これ以外は磁気記憶装置１２２と同様なので説明を省略する。
第１絶縁部４０Ａにおいて、第１部分領域ｐ１の材料は、第２部分領域ｐ２の材料とは異なる。さらに第５部分領域ｐ５の材料は、第６部分領域ｐ６の材料とは異なっても良い。例えば、第１部分領域ｐ１及び第５部分領域ｐ５は、酸化シリコンを含む。第２部分領域ｐ２及び第６部分領域ｐ６は、窒化シリコンを含む。異なる材料により、第２磁性層１２に加わる応力に異方性が生じる。これにより、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの方向が所望の方向に安定しやすくできる。磁気記憶装置１２４においても、例えば、第１中間層１５における格子長の違いが生じる。磁気記憶装置１２４においても、記憶密度が向上できる。
磁気記憶装置１２４において、第２絶縁部４０Ｂの材料は、均一でも良い。磁気記憶装置１２４において、磁気記憶装置１２２のように、第１絶縁部４０Ａの厚さが場所によって異なっても良い。
例えば、第１部分領域ｐ１は、第２方向（Ｘ軸方向）に沿う第１部分領域厚さｔｐ１、及び、第１材料を有する。このとき、第２部分領域ｐ２は、第１部分領域厚さｔｐ１とは異なる第３方向（Ｙ軸方向）に沿う第２部分領域厚さｔｐ２、及び、第１材料とは異なる第２材料の少なくともいずれかを有しても良い。
図１５は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図１５に示すように、磁気記憶装置１２５においても、第１絶縁部４０Ａが設けられる。磁気記憶装置１２５においても、第１絶縁部４０Ａの材料が場所によって異なる。これ以外は、磁気記憶装置１２４と同様なので説明を省略する。以下、磁気記憶装置１２５について、第１絶縁部４０Ａに関して説明する。
第１絶縁部４０Ａは、第１部分領域ｐ１及び第２部分領域ｐ２を含む。第１部分領域ｐ１は、第２方向（例えばＸ軸方向）において、第２磁性層１２と重なる。第２部分領域ｐ２は、第３方向（第１方向と交差し第２方向に対して垂直な方向であり、例えばＹ軸方向）において、第２磁性層１２と重なる。第１部分領域ｐ１の材料は、第２部分領域ｐ２の材料とは異なる。例えば、第１部分領域ｐ１は酸化シリコンを含み、第２部分領域ｐ２は窒化シリコンを含む。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの方向が所望の方向に安定しやすくできる。磁気記憶装置１２５においても、例えば、第１中間層１５における格子長の違いが生じる。磁気記憶装置１２５においても、記憶密度が向上できる。
以下、磁気記憶装置１２５の製造方法の例について説明する。
図１６（ａ）〜図１６（ｉ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式図である。
図１６（ａ）、図１６（ｃ）、図１６（ｅ）、図１６（ｇ）及び図１６（ｉ）は、断面図である。図１６（ｂ）、図１６（ｄ）、図１６（ｆ）及び図１６（ｈ）は、平面図である。
図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、基板（ベース層２０ｓ）の上に、金属含有層２１となる金属膜２１ｆｍが設けられている。金属膜２１ｆｍの上に、積層体ＳＢとなる積層膜ＳＢＦが設けられている。積層膜ＳＢＦは、第２磁性層１２となる膜１２Ｆ、第１中間層１５となる膜１５Ｆ、及び、第１磁性層１１となる膜１１Ｆを含む。積層膜ＳＢＦの上に、マスクＭ１が設けられる。この例では、マスクＭ１は、Ｙ軸方向に沿う帯状である。
図１６（ｃ）及び図１６（ｄ）に示すように、マスクＭ１の開口部において露出する積層膜ＳＢＦにイオンビームＩＢ１を照射する。これにより、積層膜ＳＢＦの一部が除去される。これにより、積層体ＳＢ（第２磁性層１２、第１中間層１５及び第１磁性層１１）が形成される。マスクＭ１の開口部において、金属膜２１ｆｍが露出する。
図１６（ｅ）及び図１６（ｆ）に示すように、露出した金属膜２１ｆｍの上に、絶縁膜ＩＦ１を形成する。絶縁膜ＩＦ１は、例えば、窒化シリコンである。上面を平坦化する。
図１６（ｇ）〜図１６（ｉ）に示すように、別のマスク（図示しない）を形成し、この別のマスクの開口部において露出する積層膜ＳＢＦ及び絶縁膜ＩＦ１を除去する。この別のマスクは、マスクＭ１の延びる方向と交差する方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿って延びる帯状である。除去された部分に、絶縁膜ＩＦ２を形成し平坦化する。絶縁膜ＩＦ２の材料は、絶縁膜ＩＦ１の材料とは異なる。例えば、絶縁膜ＩＦ１が酸化シリコンを含む場合、絶縁膜ＩＦ２は窒化シリコンを含む。
このようにして磁気記憶装置１２５が形成される。
例えば、絶縁膜ＩＦ１は、圧縮応力及び引っ張り応力の一方が得られる条件で形成される。例えば、絶縁膜ＩＦ２は、圧縮応力及び引っ張り応力の他方が得られる条件で形成される。第２磁性層１２において、一軸的応力が導入される。
以下、磁気記憶装置１２５の別の製造方法について説明する。
図１７（ａ）〜図１７（ｆ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式的断面図である。
図１７（ａ）に示すように、基板（ベース層２０ｓ）の上に設けられた金属膜２１ｆｍの上に、積層体ＳＢとなる積層膜ＳＢＦ（第２磁性層１２となる膜１２Ｆ、第１中間層１５となる膜１５Ｆ、及び、第１磁性層１１となる膜１１Ｆ）が設けられる。積層膜ＳＢＦの上に、マスクＭ１が設けられる。この例では、マスクＭ１は、Ｙ軸方向に沿う帯状である。
図１７（ｂ）に示すように、マスクＭ１の開口部において露出する積層膜ＳＢＦの一部を除去する。この除去は、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などにより行われる。この処理において、第２磁性層１２となる膜１２Ｆは残る。
図１７（ｃ）に示すように、マスクＭ１の開口部において露出する膜１２ＦにイオンビームＩＢ２を照射する。イオンビームＩＢ２は、例えば、酸素イオンビーム及び窒素イオンビームの少なくともいずれかである。これにより、膜１２Ｆから化合物膜１２ＦＣが形成される。
図１７（ｄ）に示すように、化合物膜１２ＦＣの上に、絶縁膜ＩＦ１を形成する。絶縁膜ＩＦ１は、例えば、窒化シリコンである。上面を平坦化する。
この後、例えば、図１６（ｇ）〜図１６（ｉ）に関して説明した処理を行う。これにより、磁気記憶装置１２５が形成される。
この例では、第２磁性層１２となる膜１２Ｆにおいて、物理的な加工は行われない。例えば、ＲＩＥなどの処理における活性ガスが、第２磁性層１２の側壁に接触することが実質的に生じない。例えば、これにより、積層体ＳＢ（ＭＴＪ素子）における動作が安定する。高い歩留まりが得られる。
この例において、図１７（ｅ）に示すように、上記の図１７（ｃ）に関して説明した処理において、イオンビームＩＢ２の照射により、化合物膜１２ＦＣの形成に加えて、金属膜２１ｆｍから化合物膜１２ｆｍｃが形成されても良い。化合物膜１２ｆｍｃにおいて体積膨張が生じても良い。
この後、図１７（ｆ）に示すように、化合物膜１２ＦＣの上に、絶縁膜ＩＦ１を形成すし、上面を平坦化する。この後、例えば、図１６（ｇ）〜図１６（ｉ）に関して説明した処理を行う。これにより、磁気記憶装置１２５が形成される。化合物膜１２ｆｍｃを形成することで、例えば、より大きな応力を第２磁性層１２に加えることができる。
図１８（ａ）〜図１８（ｉ）は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置の製造方法を例示する模式図である。
図１８（ａ）、図１８（ｃ）、図１８（ｅ）、図１８（ｇ）及び図１８（ｉ）は、断面図である。図１８（ｂ）、図１８（ｄ）、図１８（ｆ）及び図１８（ｈ）は、平面図である。
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すように、基板（ベース層２０ｓ）の上に、金属膜２１ｆｍが形成される。金属膜２１ｆｍの上に、積層体ＳＢとなる積層膜ＳＢＦが形成される。積層膜ＳＢＦは、第２磁性層１２となる膜１２Ｆ、第１中間層１５となる膜１５Ｆ、及び、第１磁性層１１となる膜１１Ｆを含む。
この例では、金属膜２１ｆｍは、応力（例えば圧縮応力）が加わる条件で形成される。例えば、金属膜２１ｆｍは、低圧雰囲気でのスパッタにより形成される。これにより、例えば、Ａｒガスが膜中に取り込まれ難くなる。金属膜２１ｆｍが密な状態で形成される。これにより、金属膜２１ｆｍにおいて、圧縮応力が生じる。例えば、金属膜２１ｆｍを、Ｋｒガスを用いたスパッタにより形成する。これにより、例えば、金属膜２１ｆｍ中にガスが取り込まれ難くなる。金属膜２１ｆｍが密な状態となる。これにより、金属膜１２ｆｍにおいて、圧縮応力が生じる。例えば、金属膜２１ｆｍの格子定数を、無歪の状態を基準にして１％以上変えることができる。
例えば、金属膜２１ｆｍとしてＴａ膜を用い、第２磁性層１２となる膜１２ＦとしてＣｏＦｅＢ膜を用いる。これらの膜の形成の後に、例えば高温（約２３０℃以上２７０℃以下の温度）で処理を行う。これにより、例えば、膜１２Ｆ中のＢ（ボロン）が金属膜２１ｆｍに移動（例えば拡散）し、金属膜２１ｆｍにおいて圧縮応力が生じる。
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示すように、積層膜ＳＢＦの上に、マスクＭ１が設けられる。マスクＭ１は、Ｙ軸方向に沿う帯状である。
図１８（ｃ）及び図１８（ｄ）に示すように、マスクＭ１の開口部において露出する積層膜ＳＢＦにイオンビームＩＢ１を照射する。これにより、積層膜ＳＢＦの一部が除去される。これにより、積層体ＳＢ（第２磁性層１２、第１中間層１５及び第１磁性層１１）が形成される。マスクＭ１の開口部において、金属膜２１ｆｍが露出する。
上記のように、金属膜２１ｆｍにおいて圧縮応力が設けられる場合、積層膜ＳＢＦの加工により、応力の解放が生じる。これにより、例えば、第２磁性層１２に引っ張り応力が生じる。
図１８（ｅ）及び図１８（ｆ）に示すように、露出した金属膜２１ｆｍの上に、絶縁膜ＩＦ１を形成する。絶縁膜ＩＦ１は、例えば、窒化シリコンである。上面を平坦化する。
図１８（ｇ）〜図１８（ｉ）に示すように、別のマスク（図示しない）を形成し、この別のマスクの開口部において露出する積層膜ＳＢＦ及び絶縁膜ＩＦ１を除去する。この別のマスクは、マスクＭ１の延びる方向と交差する方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿って延びる帯状である。除去された部分に、絶縁膜ＩＦ２を形成し平坦化する。絶縁膜ＩＦ２の材料は、絶縁膜ＩＦ１の材料とは異なる。例えば、絶縁膜ＩＦ１が酸化シリコンを含む場合、絶縁膜ＩＦ２は窒化シリコンを含む。
このようにして磁気記憶装置１２５が形成される。
磁気記憶装置１２０、１２０ａ〜１２０ｃ、１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２２〜１２５において、第１中間層１５は、金属含有層２１に向かって凸状でも良い。磁気記憶装置１２０、１２０ａ〜１２０ｃ、１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２２〜１２５において、第１方向（第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう方向）において、第２面１１ｆｂと外縁部分１５ｒとの間の第１距離ｔ１（最短距離）は、第２面１１ｆｂと内側部分１５ｃとの間の第２距離ｔ２（最短距離）よりも短くても良い（図１（ｃ）参照）。
（第３の実施形態）
図１９は、第３の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１９に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法においては、構造体ＳＢ０（図１（ｂ）参照）を形成する（ステップＳ１１０）。構造体ＳＢ０は、金属膜２１ｆｍ、第２磁性層１２、第１中間層１５及び第１磁性層１１を含む。第２磁性層１２は、金属膜２１ｆｍの一部と、第１磁性層１１との間に設けられる。第１中間層１５は、第１磁性層１１と第２磁性層１２との間に設けられた部分を含む。第１中間層１５は、非磁性である。第１中間層１５は、第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう第１方向（Ｚ軸方向）と交差する方向において、第２磁性層１２を基準にして突出している。
本製造方法において、金属膜２１ｆｍの他の一部の表面を処理する（ステップＳ１２０）。これにより、金属膜２１ｆｍに含まれる金属元素を含む化合物層３０（図１（ｃ）参照が形成される。化合物層３０の一部は、金属膜２１ｆｍ（金属含有層２１）と第１中間層１５との間にある。
本製造方法によれば、記憶密度が向上できる磁気記憶装置の製造方法を提供できる。
磁気記憶装置において、記憶密度の上昇により微細化が進むと、記憶層からの漏洩磁場が近隣素子に及ぼす影響が大きくなり、書き込みエラー率ＷＥＲが上昇する。磁気記憶装置において、素子微細化による高記録密度化と、熱擾乱耐性と、を両立させることが重要である。実施形態によれば、素子間隔が狭くても書き込みエラー率ＷＥＲが低くできる。熱擾乱耐性の高い磁気記憶装置を提供できる。近接素子からの漏洩磁場による磁化反転エネルギーのばらつきを抑制できる。熱擾乱耐性の低下を抑制できる。
実施形態によれば、記憶密度が向上できる磁気記憶装置及びその製造方法が提供できる。
本願明細書において、「電気的に接続される状態」は、複数の導電体が物理的に接してこれら複数の導電体の間に電流が流れる状態を含む。「電気的に接続される状態」は、複数の導電体の間に、別の導電体が挿入されて、これらの複数の導電体の間に電流が流れる状態を含む。「電気的に接続される状態」は、複数の導電体の間に、電気的な素子（トランジスタなどのスイッチ素子など）が挿入されて、これらの複数の導電体の間に電流が流れる状態を形成可能な状態を含む。
本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気記憶装置に含まれる金属含有層、磁性層、中間層、絶縁層、絶縁部、ベース層及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記憶装置及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気記憶装置及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１１…第１磁性層、 １１Ａ…反強磁性層、 １１Ｃ…第３磁性膜、 １１Ｄ…第４磁性膜、 １１Ｅ…第２中間膜、 １１Ｆ…膜、 １１Ｍ…第１磁化、 １１ｆａ、１１ｆｂ…面、 １２…磁性層、 １２Ａ…第１磁性膜、 １２Ｂ…第２磁性膜、 １２Ｃ…第１中間膜、 １２Ｆ…膜、 １２ＦＣ…化合物膜、 １２Ｍ…第２磁化、 １２ｆｍ…金属膜、 １２ｆｍｃ…化合物膜、 １２ｓ…側面、 １３…第３磁性層、 １４…第４磁性層、 １５…第１中間層、 １５ａ…第２中間層、 １５Ａ〜１５Ｃ…第１〜第３領域、 １５Ｆ…膜、 １５ａ、１５ｂ…第１、第２端部、 １５ｃ…内側部分、 １５ｆａ、１５ｆｂ…面、 １５ｐ…突出部、 １５ｒ…外縁部分、 ２０ｓ…ベース層、 ２１…金属含有層、 ２１ａ、２１ｂ…第１、第２部分、 ２１ｃ…一部、 ２１ｆａ、２１ｆｂ…面、 ２１ｆｍ…金属膜、 ２２、２２ａ…電極、 ３０…化合物層、 ３５…側壁層、 ４０Ａ、４０Ｂ…第１、第２絶縁部、 ４０Ａｆ…膜、 ４１、４２…第１、第２絶縁層、 ７０…制御部、 １１０、１１０ａ、１１１、１１２、１１３、１１９ａ〜１１９ｃ、１２０、１２０ａ〜１２０ｃ、１２１、１２１ａ、１２１ｂ、１２２〜１２５…磁気記憶装置、 Ｆ３…応力、 Ｈｐ…ハーフピッチ、 ＩＢ、ＩＢ１、ＩＢ２…イオンビーム、 ＩＦ１、ＩＦ２…絶縁膜、 Ｉｗ１、Ｉｗ２…第１、第２書き込み電流、 Ｌ１〜Ｌ４…第１〜第４格子長、 Ｌａ、Ｌｂ…格子長、 Ｌｆ１、Ｌｆ２…第１、第２長さ、 Ｍ１…マスク、 ＳＢ…積層体、 ＳＢ０…構造体、 ＳＢＦ…積層膜、 Ｓｗ１、Ｓｗ２…第１、第２スイッチ、 ＷＥＲ…書き込みエラー率、 ｐ１〜ｐ８…第１〜第８部分領域、 ｔ１、ｔ２…第１、第２距離、 ｔａ１、ｔａ２…距離、 ｔｐ１、ｔｐ２…第１、第２部分領域厚さ
制御部７０は、例えば、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂと電気的に接続される。制御部７０は、第１書き込み動作において、第１書き込み電流Ｉｗ１を金属含有層２１に供給する。これにより、第１状態が形成される。第１書き込み電流Ｉｗ１は、第１部分２１ａから第２部分２１ｂに向かう。制御部７０は、第２書き込み動作において、第２書き込み電流Ｉｗ２を金属含有層２１に供給する。これにより、第２状態が形成される。第２書き込み電流Ｉｗ２は、第２部分２１ｂから第１部分２１ａに向かう。このように、制御部７０は、書き込み動作（または消去動作）を実施できる。これらの２つの状態において、積層体ＳＢの電気抵抗が互いに異なる。これらの書き込み動作は、例えば、記憶動作である。
電気抵抗の変化は、制御部７０によって検出されても良い。例えば、制御部７０は、第１磁性層１１とさらに電気的に接続される。この例では、制御部７０は、電極２２に電気的に接続される。例えば、制御部７０は、読み出し動作において、第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の電気抵抗の変化に基づく特性（電圧など）の変化を検出する。第１状態における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第１電気抵抗は、第２状態における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第２電気抵抗とは異なる。すなわち、第１書き込み動作後における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第１電気抵抗は、第２書き込み動作後における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第２電気抵抗とは異なる。上記において、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂは、互いに入れ替えが可能である。例えば、上記の電気抵抗は、第１磁性層１１と第２部分２１ｂとの間の電気抵抗でも良い。
例えば、第１中間層１５は、金属含有層２１に向かって凸状である。このような構造により、例えば、第２磁性層１２に応力が加わると考えられる。この応力に基づく歪により、例えば、逆磁歪効果（ビラリ効果）が生じる。
格子長は、例えば、ＴＥＭ像などに基づいて評価できる。例えば、ＴＥＭ像から得られる格子像をフーリエ変換した結果から、格子長の大小関係に関する情報を得ることができる。このフーリエ変換は、例えば、結晶面（すなわち、格子面）において行われる。
この例では、第１磁性層１１は、第３磁性膜１１Ｃ、第４磁性膜１１Ｄ及び第２中間膜１１Ｅを含む。第４磁性膜１１Ｄと第１中間層１５との間に、第３磁性膜１１Ｃが設けられる。第３磁性膜１１Ｃと第４磁性膜１１Ｄとの間に、第２中間膜１１Ｅが設けられる。第４磁性膜１１Ｄは、例えば、ＣｏＦｅを含む。第２中間膜１１Ｅは、例えば、Ｒｕを含む。第３磁性膜１１Ｃは、例えば、ＣｏＦｅＢを含む。第２中間膜１１Ｅの厚さは、第４磁性膜１１Ｄと第２磁性膜１１Ｃとを磁気的に結合させるような厚さに設定される。上記のように、第３磁性膜１１Ｃはボロンを含んでも良い。これにより、例えば、積層体ＳＢにおいて、高いＭＲ比を得ることができる。これにより、情報の書き込み状態の検出の精度が向上できる。これにより、例えば、１つのメモリセルのサイズを縮小できる。これにより、記憶密度を向上し易くできる。
第２磁性層１２における熱擾乱耐性は、高いことが好ましい。熱擾乱指数Δは、
Δ＝ＫｕＶ／（ＫＢＴ）＝（Ｋｓｈａｐｅ＋Ｋｆｉｌｍ）Ｖ／（ＫＢＴ）
で表される。
上記において、「Ｋｕ」は、一軸磁気異方性である。「Ｖ」は、体積である。「Ｋｓｈａｐｅ」は、形状磁気異方性である。「Ｋｆｉｌｍ」は、膜の一軸磁気異方性である。
一方、反強磁性結合を用いた場合は、第２磁性層１２は、例えば、人工反強磁性（Synthetic Anti-Ferromagnetic：ＳＡＦ）構造となる。この構造においては、互いに逆方向の漏れ磁場が生じる。このため、近接する他のメモリセルへの漏れ磁場の影響が小さくできる。例えば、保磁力のばらつきを小さくできる。ＳＡＦ構造においては、形状磁気異方性が打ち消されるようになる。このため、熱擾乱耐性を十分に高くすることが困難になる場合がある。
第１磁性層１１が厚いとき、第１磁性層１１から発生する磁場分布が大きくなり、第１磁性層１１からの漏れ磁場（漏洩磁場）が、第２磁性層１２に不均一に印加される場合がある。例えば、第１磁性層１１からの漏れ磁場は、第２磁化１２Ｍの向きを第１磁化１１Ｍの向きに対して平行にするように作用する。第１磁性層１１からの漏れ磁場は、第２磁性層１２の磁化反転磁場を変化させ、第１磁性層１１における熱擾乱耐性を劣化させる。例えば、第１磁性層１１からの漏れ磁場の影響により、第２磁性層１２の反転対称性が、非対称となる。これにより、例えば、第１磁化１１Ｍと第２磁化１２Ｍとが平行の状態と、反平行の状態とにおいて、これらの状態の熱安定性が互いに異なる場合が生じる。積層体ＳＢにおける動作が不安定になる可能性がある。
図６は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図６に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１１３も、金属含有層２１、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５を含む。第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５は、積層体ＳＢに含まれる。積層体ＳＢについては、磁気記憶装置１１０と同様である。磁気記憶装置１１３において、第３磁性層１３、第４磁性層１４及び第２中間層１５Ｘをさらに含む。
第１磁性層１１から第３磁性層１３に向かう方向は、第２方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿っている。第４磁性層１４は、金属含有層２１の別の一部と、第３磁性層１３との間に設けられる。第２中間層１５Ｘは、第３磁性層１３と第４磁性層１４との間に設けられる。第３磁性層１３、第４磁性層１４及び第２中間層１５Ｘには、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１中間層１５について説明した構成及び材料が適用できる。
第３磁性層１３、第４磁性層１４及び第２中間層１５Ｘは、積層体ＳＢａに含まれる。このように、複数の積層体ＳＢが設けられても良い。
例えば、金属含有層２１は、第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂを含む。第２部分２１ｂは、第２方向（例えばＸ軸方向、第２磁性層１２から第１磁性層１１に向かう第１方向と交差する方向）において、第１部分２１ａと並ぶ。金属含有層２１の一部２１ｃは、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとの間に位置する。制御部７０は、第１部分２１ａ、第２部分２１ｂ及び第１磁性層１１と電気的に接続される。制御部７０は、例えば、第１書き込み動作において、第１部分２１ａから第２部分２１ｂに向かう第１書き込み電流Ｉｗ１を金属含有層２１に供給する。これにより、第１状態が形成される。制御部７０は、第２書き込み動作において、第２部分２１ｂから第１部分２１ａに向かう第２書き込み電流Ｉｗ２を金属含有層２１に供給する。これにより、第２状態が形成される。制御部７０は、読み出し動作において、第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の電気抵抗に基づく特性（電圧または電流など）の変化を検出しても良い。第１書き込み動作後（第１状態）における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第１電気抵抗は、第２書き込み動作後（第２状態）における第１磁性層１１と第１部分２１ａとの間の第２電気抵抗とは異なる。
例えば、第１磁性層１１の厚さ（第１方向、例えばＺ軸方向に沿った厚さ）は、第２磁性層１２の厚さ（第１方向、例えばＺ軸方向に沿った厚さ）よりも厚い。第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍは、実質的に固定される。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、可変である。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、第３方向（例えばＹ軸方向、第１方向及び第２方向と交差する方向）に沿う。
図８から分かるように、磁気記憶装置１２０ａ、１２０ｂ及び１２０ｃにおいては、磁気記憶装置１１９ａ、１１９ｂ及び１１９ｃと比べて低い書き込みエラー率ＷＥＲが得られる。ハーフピッチＨｐが小さくなると、書き込みエラー率ＷＥＲは悪化する。これは、ピッチが小さくなると、近接素子の影響が大きくなるからであると考えられる。例えば、第１中間層１５において格子長を変化させることで（例えば格子長の１％以上）、ピッチを小さくしても低い書き込みエラー率ＷＥＲを維持できる。
図１２は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的断面図である。
図１２に示すように、磁気記憶装置１２３においては、第２磁性層１２（積層体ＳＢ）の平面形状（Ｘ−Ｙ平面に沿う平面形状）が偏平円状（楕円を含む）である。これ以外は、磁気記憶装置１２２と同様である。磁気記憶装置１２３においても、第１部分領域厚さｔｐ１は、第２部分領域厚さｔｐ２よりも厚い。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの方向が所望の方向に安定しやすくできる。磁気記憶装置１２３においても、例えば、第１中間層１５における格子長の違いが生じる。磁気記憶装置１２３においても、記憶密度が向上できる。
この例では、金属膜２１ｆｍは、応力（例えば圧縮応力）が加わる条件で形成される。例えば、金属膜２１ｆｍは、低圧雰囲気でのスパッタにより形成される。これにより、例えば、Ａｒガスが膜中に取り込まれ難くなる。金属膜２１ｆｍが密な状態で形成される。これにより、金属膜２１ｆｍにおいて、圧縮応力が生じる。例えば、金属膜２１ｆｍを、Ｋｒガスを用いたスパッタにより形成する。これにより、例えば、金属膜２１ｆｍ中にガスが取り込まれ難くなる。金属膜２１ｆｍが密な状態となる。これにより、金属膜２１ｆｍにおいて、圧縮応力が生じる。例えば、金属膜２１ｆｍの格子定数を、無歪の状態を基準にして１％以上変えることができる。
本製造方法において、金属膜２１ｆｍの他の一部の表面を処理する（ステップＳ１２０）。これにより、金属膜２１ｆｍに含まれる金属元素を含む化合物層３０（図１（ｃ）参照）が形成される。化合物層３０の一部は、金属膜２１ｆｍ（金属含有層２１）と第１中間層１５との間にある。
本発明の実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層、第１中間層及び化合物層を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む。前記化合物層は、前記金属元素の酸化物、前記金属元素の窒化物、及び、前記金属元素の酸窒化物よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。前記第１中間層は、前記金属含有層に向かって凸状である。前記化合物層の少なくとも一部は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう方向において、前記金属含有層と、前記第１中間層の一部との間にある。
本発明の別の実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層、第１中間層及び化合物層を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む。前記化合物層は、前記金属元素の酸化物、前記金属元素の窒化物、及び、前記金属元素の酸窒化物よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。前記第１中間層は、内側部分と、前記内側部分の周りの外縁部分と、を含む。前記第１磁性層は、前記第１中間層と対向する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有する。前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう方向において、前記第２面と前記外縁部分との間の第１距離は、前記第２面と前記内側部分との間の第２距離よりも短い。前記化合物層の少なくとも一部は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう前記方向において、前記金属含有層と、前記第１中間層の一部との間にある。
本発明の別の実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層、第１中間層、第１絶縁部及び第２絶縁部を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む。前記第１絶縁部は、第１部分領域及び第２部分領域を含む。前記第２絶縁部は、第３部分領域及び第４部分領域を含む。前記第１中間層は、結晶性を有する。前記第１中間層は、内側部分と、前記内側部分の周りの外縁部分と、を含む。前記外縁部分における１つの方向に沿う第１格子長は、前記内側部分における前記１つの方向に沿う第２格子長とは異なる。前記第１部分領域は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する第２方向において前記第２磁性層と前記第３部分領域との間に設けられる。前記第２部分領域は、前記第１方向と交差し前記第２方向に対して垂直な第３方向において前記第２磁性層と前記第４部分領域との間に設けられる。前記第１部分領域の、前記第２方向に沿う厚さは、前記第２部分領域の、前記第３方向に沿う厚さとは異なる。
本発明の別の実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層、第１中間層及び第１絶縁部を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む。前記第１絶縁部は、第１部分領域及び第２部分領域を含む。前記第１中間層は、結晶性を有する。前記第１中間層は、内側部分と、前記内側部分の周りの外縁部分と、を含む。前記外縁部分における１つの方向に沿う第１格子長は、前記内側部分における前記１つの方向に沿う第２格子長とは異なる。前記第１部分領域は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する第２方向において前記第２磁性層と重なる。前記第２部分領域は、前記第１方向と交差し前記第２方向に対して垂直な第３方向において前記第２磁性層と重なる。前記第１部分領域の材料は、前記第２部分領域の材料とは異なる。
本発明の別の実施形態によれば、磁気記憶装置の製造方法は、金属膜と、第１磁性層と、前記金属膜の一部と前記第１磁性層との間に設けられた第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む非磁性の第１中間層と、を含む構造体を形成することを含む。前記第１中間層は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する方向において前記第２磁性層を基準にして突出する。前記製造方法は、前記金属膜の他の一部の表面を処理して、前記金属膜に含まれる金属元素を含む化合物層を形成することを含む。前記化合物層の一部は、前記金属膜と前記第１中間層との間にある。
本発明の実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層、第１中間層及び化合物層を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた内側部分と、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する方向において前記第２磁性層を基準にして突出し前記内側部分と連続した突出部と、を含む。前記化合物層は、前記金属元素の酸化物、前記金属元素の窒化物、及び、前記金属元素の酸窒化物よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。前記突出部の前記金属含有層側の面は、前記化合物層の一部と接し、前記金属含有層から離れるように、前記内側部分の前記金属含有層側の面よりも大きく曲がる。前記化合物層の一部は、前記金属含有層と前記突出部との間にある。
本発明の別の実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層、第１中間層、第１絶縁部及び第２絶縁部を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む。前記第１絶縁部は、第１部分領域及び第２部分領域を含む。前記第２絶縁部は、第３部分領域及び第４部分領域を含む。前記第１中間層は、結晶性を有する。前記第１中間層は、内側部分と、前記内側部分と連続し前記内側部分の周りの外縁部分と、を含む。前記外縁部分における１つの方向に沿う第１格子長は、前記内側部分における前記１つの方向に沿う第２格子長とは異なる。前記第１部分領域は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する第２方向において前記第２磁性層と前記第３部分領域との間に設けられる。前記第２部分領域は、前記第１方向と交差し前記第２方向に対して垂直な第３方向において前記第２磁性層と前記第４部分領域との間に設けられる。前記第１部分領域の、前記第２方向に沿う厚さは、前記第２部分領域の、前記第３方向に沿う厚さとは異なる。
本発明の別の実施形態によれば、磁気記憶装置は、金属含有層、第１磁性層、第２磁性層、第１中間層及び第１絶縁部を含む。前記金属含有層は、金属元素を含む。前記第２磁性層は、前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む。前記第１絶縁部は、第１部分領域及び第２部分領域を含む。前記第１中間層は、結晶性を有する。前記第１中間層は、内側部分と、前記内側部分と連続し前記内側部分の周りの外縁部分と、を含む。前記外縁部分における１つの方向に沿う第１格子長は、前記内側部分における前記１つの方向に沿う第２格子長とは異なる。前記第１部分領域は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する第２方向において前記第２磁性層と重なる。前記第２部分領域は、前記第１方向と交差し前記第２方向に対して垂直な第３方向において前記第２磁性層と重なる。前記第１部分領域の材料は、前記第２部分領域の材料とは異なる。
本発明の別の実施形態によれば、磁気記憶装置の製造方法は、金属膜と、第１磁性層と、前記金属膜の一部と前記第１磁性層との間に設けられた第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む非磁性の第１中間層と、を含む構造体を形成することを含む。前記第１中間層は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する方向において前記第２磁性層を基準にして突出した突出部を含む。前記製造方法は、前記金属膜の他の一部の表面を処理して、前記金属膜に含まれる金属元素を含む化合物層を形成することを含む。前記化合物層の一部は、前記金属膜と前記突出部との間にある。前記突出部の前記金属膜側の面は、前記化合物層の一部と接し、前記金属膜から離れるように、前記第１中間層の前記第１磁性層と前記第２磁性層との間の部分の前記金属膜側の面よりも大きく曲がる。

Claims (16)

  1. 金属元素を含む金属含有層と、
    第１磁性層と、
    前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられた第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む非磁性の第１中間層と、
    を備え、
    前記第１中間層は、前記金属含有層に向かって凸状である、磁気記憶装置。
  2. 前記金属元素の酸化物、前記金属元素の窒化物、及び、前記金属元素の酸窒化物よりなる群から選択された少なくとも１つを含む化合物層をさらに備え、
    前記化合物層の少なくとも一部は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう方向において、前記金属含有層と、前記第１中間層の一部との間にある、請求項１記載の磁気記憶装置。
  3. 金属元素を含む金属含有層と、
    第１磁性層と、
    前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられた第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む非磁性の第１中間層と、
    を備え、
    前記第１中間層は、内側部分と、前記内側部分の周りの外縁部分と、を含み、
    前記第１磁性層は、前記第１中間層と対向する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、を有し、
    前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう方向において、前記第２面と前記外縁部分との間の第１距離は、前記第２面と前記内側部分との間の第２距離よりも短い、磁気記憶装置。
  4. 前記第１中間層は、結晶性を有し、
    前記第１中間層は、内側部分と、前記内側部分の周りの外縁部分と、を含み、
    前記外縁部分における１つの方向に沿う第１格子長は、前記内側部分における前記１つの方向に沿う第２格子長とは異なる、請求項１または２に記載の磁気記憶装置。
  5. 金属元素を含む金属含有層と、
    第１磁性層と、
    前記金属含有層の一部と前記第１磁性層との間に設けられた第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む非磁性の第１中間層と、
    を備え、
    前記第１中間層は、結晶性を有し、
    前記第１中間層は、内側部分と、前記内側部分の周りの外縁部分と、を含み、
    前記外縁部分における１つの方向に沿う第１格子長は、前記内側部分における前記１つの方向に沿う第２格子長とは異なる、磁気記憶装置。
  6. 前記第１格子長と前記第２格子長との差の絶対値の、前記第１格子長に対する比は、１％以上である、請求項４または５に記載の磁気記憶装置。
  7. 第１部分領域及び第２部分領域を含む第１絶縁部と、
    第３部分領域及び第４部分領域を含む第２絶縁部と、
    をさらに備え、
    前記第１部分領域は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する第２方向において前記第２磁性層と前記第３部分領域との間に設けられ、
    前記第２部分領域は、前記第１方向と交差し前記第２方向に対して垂直な第３方向において前記第２磁性層と前記第４部分領域との間に設けられ、
    前記第１部分領域の、前記第２方向に沿う厚さは、前記第２部分領域の、前記第３方向に沿う厚さとは異なる、請求項４〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  8. 第１部分領域及び第２部分領域を含む第１絶縁部をさらに備え、
    前記第１部分領域は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する第２方向において前記第２磁性層と重なり、
    前記第２部分領域は、前記第１方向と交差し前記第２方向に対して垂直な第３方向において前記第２磁性層と重なり、
    前記第１部分領域の材料は、前記第２部分領域の材料とは異なる、請求項４〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  9. 制御部をさらに備え、
    前記金属含有層は、第１部分と、第２部分と、を含み、前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差し、 前記金属含有層の前記一部は、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、
    前記制御部は、前記第１部分、第２部分及び前記第１磁性層と電気的に接続され、
    前記制御部は、
    前記第１部分から前記第２部分に向かう第１書き込み電流を前記金属含有層に供給する第１書き込み動作と、
    前記第２部分から前記第１部分に向かう第２書き込み電流を前記金属含有層に供給する第２書き込み動作と、
    を実施し、
    前記第１書き込み動作後における前記第１磁性層と前記第１部分との間の第１電気抵抗は、前記第２書き込み動作後における前記第１磁性層と前記第１部分との間の第２電気抵抗とは異なる、請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  10. 前記第１磁性層は、前記第１方向に沿った第１厚さ、及び、第１保磁力を有し、
    前記第２磁性層は、
    前記第１厚さよりも薄い前記第１方向に沿った第２厚さ、及び、
    前記第１保磁力よりも小さい第２保磁力、
    の少なくともいずれかを有した、請求項９記載の磁気記憶装置。
  11. 前記第２磁性層の第２磁化は、前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向に沿う、請求項９または１０に記載の磁気記憶装置。
  12. 前記第２磁性層は、前記第１方向と交差し前記第２方向に対して垂直な第３方向に沿う第１長さと、前記第２方向に沿う第２長さと、を有し、
    前記第１長さは、前記第２長さよりも長い、請求項９〜１１のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  13. 第３磁性層、第４磁性層及び第２中間層をさらに備え、
    前記第４磁性層は、前記金属含有層の別の一部と前記第３磁性層との間に設けられ、
    前記第２中間層は、前記第３磁性層と前記第４磁性層との間に設けられ、
    前記制御部は、前記第１磁性層及び前記第３磁性層と電気的に接続され、
    前記制御部は、前記第１書き込み動作において、前記第１磁性層の電位を前記第３磁性層の電位とは異なる電位に設定する、請求項９〜１２に記載の磁気記憶装置。
  14. 前記第２磁性層は、
    第１磁性膜と、
    前記第１磁性膜と前記第１中間層との間に設けられた第２磁性膜と、
    を含む、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  15. 前記第１磁性膜及び前記第２磁性膜は、反強磁性結合した、請求項１４記載の磁気記憶装置。
  16. 金属膜と、第１磁性層と、前記金属膜の一部と前記第１磁性層との間に設けられた第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた部分を含む非磁性の第１中間層と、を含む構造体であって、前記第１中間層は、前記第２磁性層から前記第１磁性層に向かう第１方向と交差する方向において前記第２磁性層を基準にして突出した、前記構造体を形成し、
    前記金属膜の他の一部の表面を処理して、前記金属膜に含まれる金属元素を含む化合物層を形成し、前記化合物層の一部は、前記金属膜と前記第１中間層との間にある、磁気記憶装置の製造方法。
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