JP2021057357A - 磁気抵抗メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】熱耐久性を高めた磁気抵抗メモリを提供する。【解決手段】磁気抵抗メモリ１００は、ＭＴＪ素子１１０、スピン流源１２０および中間層１３２を備える。ＭＴＪ素子１１０は、固定層１１２、絶縁層１１４および自由層１１６を含む。スピン流源１２０は、ＢｉＳｂ層を含む。中間層１３２は、ＭＴＪ素子１１０の自由層１１６とスピン流源１２０の間に挿入される。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気抵抗メモリに関する。

情報技術の進歩とともに、取り扱う情報量は劇的に増加しており、半導体メモリの需要も拡大している。半導体メモリでは消費電力の抑制が課題として挙げられる。現在ＰＣ（Personal Computer）のキャッシュメモリとしてＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）が、主記憶装置にはＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が広く使われているが、これらのメモリは揮発性でであり、大きな待機電力が消費されるという課題がある。

そこで次世代の高密度高速不揮発性メモリとして磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）が注目を集めている。ＭＲＡＭの記憶セルは、絶縁層を２種類の強磁性層で挟んだ磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）と呼ばれる構造を有する。２つの強磁性層のうち、磁化の向きが固定されている層を固定層、磁化の向きが可変な層を自由層と呼び、自由層の磁化の向きを変化させることを情報記憶するものである。

ＭＲＡＭにおいて、データの読み出しは、ＭＴＪの２つの強磁性層の磁化の相対角度によって抵抗値が変化するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用して行われる。一方、書き込みについては、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）方式と、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）方式に大別され、ＳＴＴ方式のＭＲＡＭをＳＴＴ−ＭＲＡＭ、ＳＯＴ方式のＭＲＡＭをＳＯＴ−ＭＲＡＭと称する。図１（ａ）、（ｂ）は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭおよびＳＯＴ−ＭＲＡＭを説明する図である。

図１（ａ）に示すように、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ１０はＭＴＪ１２を備える。ＭＴＪ１２は、固定層１４、絶縁層１６、自由層１８を含む。ＳＴＴ−ＭＲＡＭ１０では、ＭＴＪ１２に垂直方向に電流Ｉ_Ｃを印加し、それにより発生するスピン流Ｉ_Ｓによって自由層を磁化反転させる。

図１（ｂ）に示すように、ＳＯＴ−ＭＲＡＭ２０は、ＭＴＪ１２と、ＭＴＪ１２の自由層１８側に接続されるスピン流源２２を備える。ＳＯＴ−ＭＲＡＭ２０では、スピン流源２２に、ＭＴＪ１２の積層方向に対して垂直な方向、すなわち水平方向に電流Ｉ_Ｃを印加する。この電流Ｉ_Ｃによって、ＭＴＪ１２の積層方向（すなわち鉛直方向）にスピン流Ｉ_Ｓが発生し、このスピン流Ｉ_Ｓによって自由層１８を磁化反転させる。

現在製品化されているＭＲＡＭはＳＴＴ方式を採用しているが、スピン流の生成効率や磁化反転速度の優位性からＳＯＴ方式への移行が予想される。

スピン流源２２にはスピン流発生機構であるスピンホール効果が強く生じるスピン軌道相互作用の強い材料が採用でき、重金属（ＨＭ）やトポロジカル絶縁体（ＴＩ）などが注目されている。また、スピン流源２２にはスピン相互作用が大きいほか、電導度が大きいことが要求される。スピン流源２２から発生するスピン流Ｉ_Ｓの密度は、材料固有のスピン相互作用によるスピンホール角θ_ｓｈとスピン流源２２に流れる電流Ｉ_Ｃの密度の積に比例する。水平方向に電流Ｉ_Ｃを流したときにスピン流Ｉ_Ｓを効率よく得るためには、スピン流源２２に流れる電流Ｉ_Ｃの密度を大きくする必要があるが、スピン流源２２に接合する強磁性金属は一般に伝導度が大きいので、スピン流源２２も伝導度が大きいほうが好ましい。

この条件に当てはまる材料としてトポロジカル絶縁体であるＢｉＳｂが期待されている。トポロジカル絶縁体ではその特殊な表面状態によってスピンホール効果が大きくなることが知られている。一方で伝導度は強磁性金属よりも１桁〜２桁より小さいものが多い。しかし、トポロジカル絶縁体の中でもＢｉＳｂ、特にＢｉＳｂ(012)面は高いスピンホール角と高い伝導度を示すことが報告されている（たとえば非特許文献１）。

ＢｉＳｂ薄膜に電流に流すと、ＢｉＳｂ薄膜と垂直の方向に高効率的に純スピン流が発生する。この純スピン流をＭＴＪの自由層に注入することによって、anti-damping-likeトルクを発生させ、非常に小さい電流密度で自由層の磁化を反転させることができることが実証されている。従って、ＢｉＳｂをスピン流源２２として利用すれば、ＳＯＴ−ＭＲＡＭ２０の省エネルギーと書き込み速度を大幅に向上でき（特許文献１参照）、単独な不揮発性メモリのみならず、集会回路の組込型不揮発性メモリとしても利用ができる。

国際公開ＷＯ２０１９０５４４８４Ａ１

Nature Materials 17, 808-813 (2018).

１． 集積回路の組込型不揮発性メモリとしてのＢｉＳｂベースのＳＯＴ−ＭＲＡＭに適用するためには、集積回路の製造プロセスに適応できるＢｉＳｂの成膜技術を確立することが必要である。特に表面状態の特性を引き出すためにＢｉＳｂの接合界面の結晶性を留意するべきである。既存の半導体集積回路を製造する過程には配線後、４００℃程度でアニールする工程があり、ＳＯＴ−ＭＲＡＭを組み込んだ場合もその例外ではない。

図２は、Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘの状態図である。ＢｉＳｂをスピン流源として利用できる領域（Ｓｂ組成０〜４０％）では融点が３００℃程度と低い。このためスピン流源としてＢｉＳｂを採用するためには、アニール時にＢｉＳｂの蒸発や拡散、結晶構造の破壊を防ぐような熱耐久性の改善が必要となる。

２． 図１（ｂ）に示すように、スピン流源２２の上にＭＴＪ１２を乗せたＳＯＴ−ＭＲＡＭ２０を採用する場合、最初に、スピン流源２２を基板（図１（ｂ）に不図示）上に成長させ、その後、ＭＴＪ１２を成長させることとなる。現在の半導体業界を鑑みると、Ｓｉ基板を用いることが想定されるため、ＢｉＳｂをスピン流源２２として採用するにはＳｉ基板上に、ＢｉＳｂを結晶性よく成膜する技術が必要である。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、熱耐久性を高めた磁気抵抗メモリの提供にあり、また別の例示的な目的のひとつは、Ｓｉ基板上に良好な結晶性を有するＢｉＳｂを成膜できる。

本発明のある態様は、固定層、絶縁層および自由層を含むＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子と、ＢｉＳｂ層を含むスピン流源と、自由層とスピン流源の間に挿入される中間層と、を備える。この態様によれば、中間層を挿入することにより、アニール工程によりＢｉＳｂ層と自由層の界面において、ＢｉＳｂ層の結晶配向性が悪化するのを抑制できる。

中間層は、原子量２４以下の軽金属のうち一つまたは複数を含んでもよい。これらの材料は非磁性で伝導度が大きいため、ＢｉＳｂ層の表面状態を維持でき、またスピン流を阻害しないという効果が得られる。また中間層の伝導度が大きくなるため、データの読み出し時のセルの抵抗変化率確保にとっても有利となる。

中間層の厚さは１ｎｍ以下であり、原子量２５以上の非磁性金属のうち一つまたは複数を含んでもよい。この場合も、ＢｉＳｂ層の表面状態を維持でき、またスピン流を阻害しないという効果が得られる。

ＭＴＪ素子は、自由層が上側となる向きで基板上に形成されてもよい。磁気抵抗メモリは、自由層の上側に形成されるキャップ層をさらに備えてもよい。キャップ層の材料を最適化することにより、ＢｉＳｂ結晶構造の配向を、ＢｉＳｂ(001)から、よりスピンホール角が大きなＢｉＳｂ(012)に変化させることができる。

キャップ層は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち一つまたは複数元素の金属酸化物を含む絶縁体であってもよい。

磁気抵抗メモリは、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に形成されるバッファ層と、をさらに備えてもよい。スピン流源はバッファ層の上に形成され、ＭＴＪ素子は、スピン流源の上に、自由層が下側となる向きで形成されてもよい。Ｓｉ基板とＢｉＳｂ層の間に、バッファ層を挿入することで、ＢｉＳｂの結晶性を改善できる。

本発明の別の態様は磁気抵抗メモリに関する。磁気抵抗メモリは、基板と、基板上に形成されるバッファ層と、バッファ層の上に形成されるＢｉＳｂ層を含むスピン流源と、スピン流源より上に、自由層、絶縁層、固定層の順で積層されるＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子と、を備える。Ｓｉ基板とＢｉＳｂ層の間に、バッファ層を挿入することで、ＢｉＳｂの結晶性を改善できる。

バッファ層は、四回回転対称のＣｕｂｉｃ結晶構造を有してもよい。たとえばバッファ層は、ＴａあるいはＭｇＯを含んでもよい。

磁気抵抗メモリは、スピン流源とＭＴＪ素子の自由層の間に挿入される中間層をさらに備えてもよい。

本発明のある態様によれば、熱耐久性を高めることができ、および／または、Ｓｉ基板上に良好な結晶性を有するＢｉＳｂを成膜できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭおよびＳＯＴ−ＭＲＡＭを説明する図である。 Ｂｉ_１−ｘＳｂ_ｘの状態図である。 実施の形態１に係る磁気抵抗メモリの断面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、サンプルＡの１回目および２回目の加熱処理の前後のＸ線回折法よる結晶配向の測定結果を示す図である。 サンプルＡの２回目の加熱処理後のＴＥＭ像を示す図である。 サンプルＢの加熱処理前後のＸ線回折法よる結晶配向の測定結果を示す図である。 サンプルＢの加熱後のＴＥＭ像を示す図である。 サンプルＣの加熱処理前後のＸ線回折法よる結晶配向の測定結果を示す図である。 サンプルＣの加熱後のＴＥＭ像を示す図である。 実施の形態２に係る磁気抵抗メモリの断面図である。 サンプルＤのＸＲＤ測定結果を示す図である。 サンプルＥのＸＲＤ測定結果を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施の形態１）
図３は、実施の形態１に係る磁気抵抗メモリ１００の断面図である。磁気抵抗メモリ１００はＳＯＴ−ＭＲＡＭであり、主たる構成要素として、ＭＴＪ素子１１０およびスピン流源１２０を備える。ＭＴＪ素子１１０は、固定層１１２、絶縁層（トンネル障壁層）１１４、自由層１１６の積層構造を有する。

たとえば自由層１１６は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄのうち１つまたは複数を含む単層膜または多層膜とすることができる。

固定層１１２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｔｂ、Ｇｄのうち１つまたは複数を含む単層膜または多層膜とすることができる。

また絶縁層１１４は、Ｇａ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｚｒ元素のうち１つまたは複数元素の金属酸化物から構成される絶縁体とすることができる。

本実施の形態において、ＭＴＪ素子１１０は基板１３０上に、自由層１１６が上側、固定層１１２が下側となる向きで形成される。スピン流源１２０はＢｉＳｂ層を含み、ＭＴＪ素子１１０の自由層１１６側、すなわちＭＴＪ素子１１０の上側に形成される。図１（ｂ）を参照して説明したように、スピン流源１２０に面内方向に電流を流すことにより、ＭＴＪ素子１１０内を鉛直方向にスピン流が流れる。

磁気抵抗メモリ１００は、中間層１３２およびキャップ層１３４を備える。中間層１３２は、ＭＴＪ素子１１０とスピン流源１２０の間に挿入されている。またキャップ層１３４は、スピン流源１２０の上側に形成される。

中間層１３２とキャップ層１３４は、スピン流源１２０を挟み込む保護層のペアと把握することができ、これらの保護層によって、ＢｉＳｂ層であるスピン流源１２０の熱耐久性を向上させることができる。

ここで、データの書き込み時にＢｉＳｂ層に書き込み電流を印加し、スピン流を発生させ自由層に注入することを考慮すると、保護層である２つの層１３２，１３４にはアニール工程によるＢｉＳｂ層の結晶配向性への影響の軽減、さらに中間層にはＢｉＳｂ層の表面状態の維持やスピン流を阻害しない非磁性で伝導度の大きい材料を選ぶことが望ましい。中間層１３２の伝導度が大きいことはデータの読み出し時のセルの抵抗変化率確保にとっても有利となる。たとえばキャップ層１３４には金属酸化膜を、中間層１３２には軽金属を採用することができる。

具体的には中間層１３２は、原子量２４以下の軽金属、具体的にはＭｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒのうち一つまたは複数を含んでもよい。軽金属はスピン軌道相互作用が弱く、スピン流源１２０（ＢｉＳｂ層）からのスピン注入を妨害しないため、中間層１３２の材料として好適である。

あるいは中間層１３２は原子量２５以上の非磁性の重金属、たとえば、Ｔａ，Ｐｔ，Ｍｏ，Ｒｕなどのうち一つまたは複数であってよい。重金属を用いる場合には厚さを１ｎｍとすることで、スピン流源１２０から自由層１１６へのスピン注入の妨害を抑制できる。

キャップ層１３４は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｇａ、Si、Ｇｅ、In、Ｓｎ、３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち一つまたは複数元素の金属酸化物から構成される絶縁体であってもよい。

以上が磁気抵抗メモリ１００の構成である。この磁気抵抗メモリ１００によれば、ＭＴＪ素子１１０とスピン流源１２０の間に中間層１３２を挿入することで、ＢｉＳｂ層の耐熱性を高め、アニール工程によりＢｉＳｂ層の結晶配向性が悪化するのを抑制できる。

特に、スピン流源１２０を、上側と下側から、２つの保護層１３２，１３４によって挟み込むことにより、耐熱性を一層高めることができる。

（実験結果）
保護層１３２，１３４によってスピン流源１２０を挟み込むことによる、アニール工程での耐熱性の向上の効果を検証するために、サンプルを作成してその特性を評価した。

（実験１）
実験１では、キャップ層の効果を検証するために、サンプルＡを作製した。サンプルＡは、ＧａＡｓ基板上に、(001)配向のＢｉ_０．８５Ｓｂ_０．１５薄膜をエピタキシャル成長させ、その上に、キャップ層の材料（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）を積層したものである。

（i）サンプルＡ
ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（５ｎｍ）／Ｂｉ_０．８５Ｓｂ_０．１５(001)（１５ｎｍ）／ＧａＡｓ(111)基板

ＢｉＳｂの成膜には分子線蒸着装置、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の成膜にはマグネトロンスパッタリング装置を用いた。

サンプルＡを作製し、超高真空下においてＢｉ_０．８５Ｓｂ_０．１５の融点より高い４００℃に加熱した（１回目の加熱）。その後、サンプルＡをさらに５００℃まで２回目の加熱を行い、１回目と２回目の加熱前後での結晶配向性を検証した。

図４（ａ）は、サンプルＡの１回目の加熱処理の前後のＸ線回折法（ＸＲＤ）よる結晶配向の測定結果を示す図である。図４（ａ）よりサンプルＡは４００℃まで加熱してもＢｉＳｂの結晶配向性を維持できることがわかる。

図４（ｂ）は、サンプルＡの２回目の加熱処理の前後のＸ線回折法（ＸＲＤ）よる結晶配向の測定結果を示す図である。

サンプルＡを５００℃まで追加加熱するとＭｇＡｌ_２Ｏ_４が結晶化し、同時にＢｉＳｂの配向が(001)から(012)へ変化することがわかる。

図５は、サンプルＡの２回目の加熱処理後の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す図である。ＴＥＭ像よりＢｉＳｂとＭｇＡｌ_２Ｏ_４界面の状態が良好であることがわかる。これはＢｉＳｂが加熱によって融解したのち、結晶化したＭｇＡｌ_２Ｏ_４の影響により結晶の対称性を合わせるように再結晶化したと考えられる。このＢｉＳｂの配向の変化はスピン流源１２０としての動作として有利に働く。なぜなら上述したようにスピン流源から生じるスピン流の密度はスピンホール角に比例し、そのスピンホール角はＢｉＳｂ(001)よりもＢｉＳｂ(012)のほうが大きいからである。

この実験結果は、スピン流源１２０をキャップ層１３４で覆うことにより、従来では結晶性を悪化させる要因であったアニール工程が、スピン流源としての特性を改善する方向に作用することを示しており、本実施の形態における顕著な効果であると言える。

この実験結果は、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４のキャップ層の材料として有用性を裏付けるものであるが、それと同時に、それ以外の、Ｍｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち一つまたは複数元素の金属酸化物を含む絶縁体についても、同様の効果が得られることを示唆している。

（実験２）
実験２では、中間層の効果を検証するために、サンプルＢ，Ｃを作製した。サンプルＢ，Ｃは、ＧａＡｓ基板上に、(001)配向のＢｉ_０．８５Ｓｂ_０．１５薄膜をエピタキシャル成長させ、その上に、中間層の材料であるＴｉまたはＣｒを積層したものである。

（ii）サンプルＢ
Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｂｉ_０．８５Ｓｂ_０．１５(001)（１５ｎｍ）／ＧａＡｓ(111)基板
（iii）サンプルＣ
Ｃｒ（２０ｎｍ）／Ｂｉ_０．８５Ｓｂ_０．１５(001)（１５ｎｍ）／ＧａＡｓ(111)基板

ＢｉＳｂの成膜には分子線蒸着装置、Ｔｉ，Ｃｒの成膜には電子線蒸着装置を用いた。

サンプルＢ，Ｃを作製し、超高真空下においてＢｉ_０．８５Ｓｂ_０．１５の融点より高い４００℃に加熱した。

図６は、サンプルＢの加熱処理前後のＸ線回折法（ＸＲＤ）よる結晶配向の測定結果を示す図である。図７は、サンプルＢの加熱後のＴＥＭ像を示す図である。図６に示すように、サンプルＢは４００℃まで加熱してもＢｉＳｂ(001)の配向を一定程度維持できることがわかる。また図７のＴＥＭ像からもわかるようにサンプル最表面のＴｉが酸化されており、ＸＲＤ測定結果にもチタン酸化物のピークがいくつか見られるが本発明の有用性に直接の影響はない。またＴＥＭ像よりＢｉＳｂとＴｉ界面の状態が良好であることがわかる．これはＢｉＳｂ層の表面状態の特性を利用する点で優れていると考えられる。以上よりＴｉは中間層の有力な候補のひとつであるといえる。

図８は、サンプルＣの加熱処理前後のＸ線回折法（ＸＲＤ）よる結晶配向の測定結果を示す図である。図９は、サンプルＣの加熱後のＴＥＭ像を示す図である。サンプルＣも４００℃まで加熱してもＢｉＳｂ(001)の配向を一定程度維持できることがわかる。またＴＥＭ像からもわかるようにサンプル最表面のＣｒが酸化されており、ＸＲＤ測定結果にもＣｒ酸化物のピークがいくつか見られるが本発明の有用性に直接の影響はない。以上よりＣｒも、中間層の有力な候補のひとつであるといえる。

当業者によれば、実験２の結果から、ＴｉあるいはＣｒ以外の軽金属であるＭｇ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｖについても、中間層の候補となりうることが理解されよう。

（実施の形態２）
図１０は、実施の形態２に係る磁気抵抗メモリ２００の断面図である。磁気抵抗メモリ２００はＳＯＴ−ＭＲＡＭであり、主たる構成要素として、ＭＴＪ素子１１０およびスピン流源１２０を備える。ＭＴＪ素子１１０は、固定層１１２、絶縁層（トンネル障壁層）１１４、自由層１１６の積層構造を有する。固定層１１２、絶縁層１１４、自由層１１６の材料は、実施の形態１で説明した通りである。

実施の形態２では、ＭＴＪ素子１１０は、自由層１１６が下側、固定層１１２が上側となる向きで形成され、ＭＴＪ素子１１０は、スピン流源１２０の上側に形成されている。実施の形態２は、ＭＴＪ素子１１０とスピン流源１２０の間に、中間層１３２が挿入されている点で実施の形態１と共通する。中間層１３２の材料や効果については、実施の形態１で説明した通りである。

基板１３０は、集積回路が形成されるＳｉ基板であってもよい。この場合に、Ｓｉ基板上には、金属配線層や絶縁層などが形成されてもよい。

スピン流源１２０の上にＭＴＪ素子１１０を積層する構成において、スピン流源１２０を基板１３０上に形成すると、スピン流源１２０であるＢｉＳｂ層の結晶性が劣化する場合がある。そこで実施の形態２では、基板１３０の上にバッファ層１３６を形成し、バッファ層１３６の上にスピン流源１２０（ＢｉＳｂ層）を形成することとしている。

実施の形態２では、中間層１３２とバッファ層１３６を、スピン流源１２０を挟み込む保護層のペアと把握することができ、これらの保護層１３２，１３６によって、ＢｉＳｂ層であるスピン流源１２０の熱耐久性を向上させることができる。

またバッファ層１３６を組み込むことによりＢｉＳｂの結晶性を担保して、スピン流源１２０が基板１３０側となるＳＯＴ−ＭＲＡＭを構築でき、メモリ設計の幅を広げることができる。ＢｉＳｂ(012)面を発現させるために、バッファ層１３６に四回対称のCubic結晶構造であるＴａ，ＭｇＯなどを採用することが望ましい。

（実験３）
実験３では、バッファ層１３６の効果を検証するために、サンプルＤ，Ｅを作製した。サンプルＤ，Ｅは、Ｓｉ基板上に、四回対称のＣｕｂｉｃ結晶構造を有するバッファ層を形成し、その上にＢｉＳｂ(012)薄膜を成長させたものである。
（iV）サンプルＤ
ＢｉＳｂ（２５ｎｍ）／Ｔａ（１０ｎｍ）／ＳｉＯ_２（１００ｎｍ）／Ｓｉ基板
（V）サンプルＥ
ＢｉＳｂ（２５ｎｍ）／ＭｇＯ（５ｎｍ）／ＳｉＯ_２（１００ｎｍ）／Ｓｉ基板

サンプルは、熱酸化処理をしたＳｉ基板に、マグネトロンスパッタリング装置を用いてバッファ層（Ｔａ，ＭｇＯ）およびＢｉＳｂ層を成膜して作製した。

図１１は、サンプルＤのＸＲＤ測定結果を示す図である。この結果よりＢｉＳｂが（012）に配向して結晶化していることがわかる。バッファ層１３６であるＴａが直方体に結晶化しており、それに影響され対称性が同じＢｉＳｂ(012)が出現したと考えられる．サンプルＡでも述べたようにＢｉＳｂ(012)の出現はスピン流源層として有利となるので好ましい。ＢｉＳｂの結晶相が一つのみであり、ＸＲＤ測定のピーク強度が強いためＢｉＳｂの結晶性がよく、Taはバッファ層として有望であると言える。

図１２は、サンプルＥのＸＲＤ測定結果を示す図である。この結果よりＢｉＳｂが（012）に配向して結晶化していることがわかる。バッファ層１３６であるMgOは四回対称のため、ＢｉＳｂ(012)が出現したと考えられる。ＢｉＳｂの結晶相が一つであるのでMgOはバッファ層として有望であると言える。

当業者によれば、実験３の結果から、ＴａやＭｇＯ以外の四回回転対称のＣｕｂｉｃ結晶構造の材料が、バッファ層として有用であることが理解される。

１００ 磁気抵抗メモリ
１１０ ＭＴＪ素子
１１２ 固定層
１１４ 絶縁層
１１６ 自由層
１２０ スピン流源
１３０ 基板
１３２ 中間層
１３４ キャップ層
１３６ バッファ層
２００ 磁気抵抗メモリ

Claims (9)

1. 固定層、絶縁層および自由層を含むＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子と、
   ＢｉＳｂ層を含むスピン流源と、
   前記自由層と前記スピン流源の間に挿入される中間層と、
   を備えることを特徴とする磁気抵抗メモリ。
2. 前記中間層は、原子量２４以下の軽金属のうち一つまたは複数を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
3. 前記中間層の厚さは１ｎｍ以下であり、原子量２５以上の非磁性金属のうち一つまたは複数を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
4. 前記ＭＴＪ素子は、前記自由層が上側となる向きで基板上に形成され、
   前記自由層の上側に形成されるキャップ層をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁気抵抗メモリ。
5. 前記キャップ層は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、３ｄ、４ｄ、５ｄ、４ｆ、５ｆ元素のうち一つまたは複数元素の金属酸化物を含む絶縁体であることを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗メモリ。
6. 基板と、
   前記基板上に形成されるバッファ層と、
   をさらに備え、
   前記スピン流源は前記バッファ層の上に形成され、
   前記ＭＴＪ素子は、前記スピン流源の上に、前記自由層が下側となる向きで形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁気抵抗メモリ。
7. 基板と、
   前記基板上に形成されるバッファ層と、
   前記バッファ層の上に形成されるＢｉＳｂ層を含むスピン流源と、
   前記スピン流源より上に、自由層、絶縁層、固定層の順で積層されるＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子と、
   を備えることを特徴とする磁気抵抗メモリ。
8. 前記バッファ層は、四回回転対称のＣｕｂｉｃ結晶構造を有することを特徴とする請求項６または７に記載の磁気抵抗メモリ。
9. 前記スピン流源と前記ＭＴＪ素子の前記自由層の間に挿入される中間層をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の磁気抵抗メモリ。

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