JP4770144B2 - 記憶素子 - Google Patents

Description

本発明は、記憶素子に係わり、不揮発性メモリ等に用いて好適なものである。

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（例えば非特許文献１参照）。

ＭＲＡＭは直交する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。

しかしながら、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）において一定の保磁力が必要である。
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。
そして、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磁気メモリが注目されている（例えば、特許文献１参照）。
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。
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、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。

日経エレクトロニクス ２００１．２．１２号（第１６４頁−１７１頁） 特開２００３−１７７８２号公報

しかしながら、スピン注入による磁化反転を行うためには、記憶素子に直接電流を流すことから、記録電流による記憶素子の破壊や劣化が起こらないように、なるべく記録電流を小さくする必要がある。

記録電流を小さくするためには、記憶層の体積を小さくすることが有効であるが、記憶層の体積を小さくすると、熱ゆらぎの影響で情報の保持が困難となる。
このため、不揮発性を維持したまま、記録電流の低減を実現することが難しかった。

上述した問題の解決のために、本発明においては、小さい電流で情報を記録することができ、かつ記録された情報を長期間保持することができる記憶素子を提供するものである。

本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、この記憶層に対してトンネル絶縁層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、トンネル絶縁層を通じて、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことにより情報の記録が行われ、記憶層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｇｄとを含有し、記憶層のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの含有量が、トンネル絶縁層側界面で他の部分よりも多くなっているものである。

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と、この記憶層に対してトンネル絶縁層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、トンネル絶縁層を通じて、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことにより情報の記録が行われることから、記憶層と磁化固定層との間に電流を流すことにより、いわゆるスピン注入により記憶層の磁化状態（磁化の向き）を変化させて、情報の記録を行うことができる。
このとき、記憶層の磁化状態を変化させて情報を記録するために必要となる電流量は、記憶層の体積、飽和磁束密度、並びに制動定数に比例し、分極率に反比例する。
そして、記憶層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの３ｄ遷移金属元素とＧｄとを含有する構成となっていることにより、Ｇｄによって飽和磁束密度を低減することができ、制動定数の増加が少なく、分極率の低下が飽和磁束密度の低下と比較して少ないため、情報を記録するための電流を低減させることができる。

上述の本発明の記憶素子は、例えば、記憶層・トンネル絶縁層・磁化固定層を含む各層を同じ平面パターンで積層した積層体から成る構成とすることにより、微細化することが比較的容易である。
そして、磁場を印加して磁化状態を変化させる、従来のＭＲＡＭ用の磁気記憶素子と比較して、磁場を印加するための配線が不要となるため、記憶素子の占める体積を低減することができる。

また、上記本発明の記憶素子は、トンネル絶縁層の抵抗が大きいため、記憶層と磁化固定層との間に電流を流して情報の読み出しを行う際の出力電圧を大きくすることができる。

また、上記本発明の記憶素子は、記憶層のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの含有量が、トンネル絶縁層側界面で他の部分よりも多くなっている構成であることにより、記憶層のトンネル絶縁層側界面の分極率を大きくすることができることから、情報を記録するための電流を低減させることができると共に、情報の読み出しを行う際の抵抗変化を大きくすることができる。

また、上記本発明の記憶素子において、記憶層に含まれるＧｄ以外の希土類元素が１原子％以下である構成としたときには、Ｇｄに付随して含有される他の希土類元素による、情報を記録するための電流の増大作用を抑えることができる。

上述の本発明の記憶素子によれば、記録電流を低減させることができ、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能である。
これにより、消費電力を低減することができる。
また、記憶層の体積を小さくしなくても記録電流を低減させることが可能になるため、記憶層の体積を小さくすることによる熱ゆらぎの影響を抑制し、記録された情報を長期間安定に保持することができる。

さらに、記憶素子を、微細化することが比較的容易な構成とすることができ、従来のＭＲＡＭ用の磁気記憶素子と比較して記憶素子の占める体積を低減することができる。
これにより、本発明の記憶素子をメモリセルに用いてメモリを構成すれば、メモリを小型化したり、高密度化して記憶容量を大きくしたりすることが容易に可能になる。
従って、本発明によれば、省電力動作可能な高密度の不揮発性メモリを実現することができる。

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。

前述した目的、即ち低い電流で情報を記録することができ、かつ情報を長期間保持することができることを達成するために最適な構造を検討した結果、磁化の向き（磁化状態）を情報として保持する記憶層と磁化の向きが固定された磁化固定層（情報の基準となる参照層を有する）との少なくとも２つの磁性層とそれらに挟まれた非磁性層からなり、非磁性層を介して流れる電流により情報の記録と読み出しを行う記憶素子において、記憶層をＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも１種の元素とＧｄとを含む構成とすることにより、情報の不揮発性を維持しながら記録電流を低減することが可能であることを見い出した。

即ち、本発明では、磁化の向き（磁化状態）を情報として保持する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とを有し、記憶層と磁化固定層との間に非磁性層（絶縁層又は非磁性導電層）を設けて、記憶素子を構成する。
また、記憶層に対して、前述したスピン注入による磁化反転を用いて、記憶層を構成する磁性層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行う。
さらに、本発明では、記憶層をＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の元素とＧｄとを含む構成とする。

スピン注入による磁化反転においては、参照層から記憶層に偏極電子を注入する、即ち記憶層から参照層に向けて電流を流すと、記憶層は参照層と磁化の向きが平行になり、逆向きに電流を流すと記憶層は参照層と磁化の向きが反平行になり、流す電流の向きによって記録する情報を選択することができる。

スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流（反転電流）Ｉｃは、大まかには、記憶層の体積、飽和磁束密度、制動定数に比例し、分極率に反比例する。
一方、熱ゆらぎに対する情報保持特性は、記憶層の体積及び磁気異方性エネルギーが大きいほど良好になる。
従って、熱に対する情報保持特性を維持しながら記録電流を下げるには、飽和磁束密度と制動定数を下げ、磁気異方性エネルギーと分極率を上げればよい。

Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの３ｄ遷移金属元素は、制動定数が比較的小さい。この３ｄ遷移金属元素に重金属元素を添加すると制動定数が大きくなり、分極率も添加元素を加えると低下する傾向がある。
また、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの３ｄ遷移金属元素の飽和磁束密度を効果的に下げるには、Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ等の重希土類元素を添加すると効果的である。
しかし、Ｇｄ以外の重希土類元素を添加した場合には、制動定数の増加が著しく、記録電流の低減には効果がない。
一方、Ｇｄを添加した場合には、分極率が低下するものの、分極率の低下が飽和磁束密度の低下よりもずっと少なくなる。

従って、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの３ｄ遷移金属元素（磁性元素）を基本とする磁性体に、Ｇｄを添加することにより、制動定数の増加を抑えながら飽和磁束密度を効果的に低減することができ、効果的に記録電流を低減することが可能である。
このように記録電流を低下させることができるのは、Ｇｄを添加したときのみである。
記憶層中のＧｄの含有率は、好ましくは２０％（原子％）以下、より好ましくは１０〜２０％（原子％）とする。１０〜２０％とすると、記録電流の低減効果が大きい。一方、Ｇｄの含有量が多くなり過ぎると、分極率が大きく低下するので好ましくない。

そして、Ｇｄ以外の希土類元素が含まれると、記録電流が増加するため、Ｇｄ以外の希土類元素の含有量は１原子％以下にするのが好ましい。

なお、３ｄ遷移金属元素（磁性元素）とＧｄ以外の元素も、飽和磁束密度の調整や耐食性改善等の目的のために添加することが可能であるが、重元素は制動定数を増加させるため、記録電流が増加するので、Ａｌ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｃｒ，Ｖ，Ｔｉ，Ｃｕ等の軽元素の添加が適当である。
記憶層は合金として形成しても良いし、各元素又はそれらの合金を適当な周期で積層して形成しても良い。

また、記録電流に相関のある分極率は、記憶層の非磁性層側界面の分極率である。
そのため、記憶層全体の組成（Ｇｄの含有比率）が同一であっても、記憶層の非磁性層側界面で３ｄ磁性金属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）の含有量を増やすことにより、飽和磁束密度を減らしながら、分極率の低下を抑えることができる。
そして、非磁性層に酸化物を用いた場合には、記憶層の非磁性層側界面のＧｄが選択的に酸化し、記憶層の非磁性層側界面の分極率が大きくなるので、好ましい。
上述のように、記憶層の非磁性層側界面の分極率を大きくすることによって、磁化反転に必要な電流量を低減することができると共に、読み出し時の抵抗変化が大きくなり容易に読み出しが可能となる。

記憶層と磁化固定層（参照層）との間の非磁性層には、酸化アルミニウム等の絶縁体を用いても良く、Ｃｕ等の非磁性金属を用いても良く、Ｓｉ等の半導体を用いても良い。
非磁性層に絶縁体を用いた場合は、記録された情報を読み出す際の信号出力が大きくなるが、素子の絶縁破壊を防ぐために流せる記録電流には制限がある。
非磁性層に金属等の導電体を用いた場合は、多くの電流を流すことができるが、情報を読み出す際の信号は小さくなる。

続いて、上述した本発明の構成を満足する具体的な本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を示す。
この記憶素子１０は、下層から、下部電極１１、反強磁性層１２、磁性層１３、非磁性層１４、磁性層（参照層）１５、トンネル絶縁層１６、記憶層１７、保護層１８、上部電極１９が積層されて成る。
記憶層１７は、磁性体から成り、情報を磁化状態（磁化の向き）で保持することができるように構成される。
磁性層１３・非磁性層１４・磁性層（参照層）１５の３層により、積層フェリ構造の磁化固定層２１が構成される。このうち、磁性層１３は反強磁性層１２により磁化の向きが固定される。磁性層（参照層）１５は、磁性層１３とは磁化の向きが反平行になり、また記憶層１７に対する磁化の向きの基準となるものである。

そして、下部電極１１及び上部電極１９の間に電流を流すことにより、スピン注入による記憶層１７の磁化の向きの反転を行うことができる。
上部電極１９から下部電極１１に向けて、即ち記憶層１７から磁性層（参照層）１５に向けて電流を流すと、磁性層（参照層）１５から記憶層１７に偏極電子が注入され、記憶層１７の磁化の向きが参照層１５の磁化の向きと平行になる。
下部電極１１から上部電極１９に向けて、即ち参照層１５から記憶層１７に向けて電流を流すと、記憶層１７から参照層１５に偏極電子が注入され、記憶層１７の磁化の向きが参照層１５の磁化の向きと反平行になる。
このようにして、電流を流す向きによって、記録する情報を選択することができる。

そして、磁性層（参照層）１５の磁化の向きと記憶層１７の磁化の向きが、平行の状態ではトンネル絶縁層１６を通る電流の抵抗が小さくなり、反平行の状態ではトンネル絶縁層１６を通る電流の抵抗が大きくなる。このことを利用して、抵抗値から記憶層１７に記録された情報の内容を読み出すことができる。
なお、読み出し時に流す電流は、スピン注入による記憶層１７の磁化反転が生じないように、反転電流よりも小さくする。

本実施の形態では、特に、記憶層１７が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の元素（３ｄ遷移金属元素）と、Ｇｄとを含有する構成とする。

記憶層１７のＧｄの含有量は、好ましくは全体の２０％（原子％）以下、より好ましくは全体の１０〜２０％（原子％）とする。

記憶層１７の組成は、Ｆｅ，Ｃｏ，ＮｉとＧｄとが均一な合金膜となっていてもよく、また上部と下部でＦｅ，Ｃｏ，ＮｉとＧｄとの組成が異なるように組成分布を有していてもよい。
組成分布を有している場合には、特に、記憶層１７のトンネル絶縁層１６側界面において、他の部分よりもＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの含有量が多くなっていることが好ましい。このようにトンネル絶縁層１６側界面においてＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの含有量が多くなっていることにより、この界面の分極率を上げて、情報を記録するための電流を低減させることができ、また情報の読み出しの際の抵抗変化も大きくすることができる。

そして、本実施の形態の記憶素子１０によってメモリセルを構成し、このメモリセルを多数、列状やマトリクス状に配置することにより、メモリを構成することができる。
このようなメモリにおいては、各メモリセルの記憶素子１０に対して、電流を流すために、下部電極１１及び上部電極１９に、それぞれ配線等を接続する。そして、情報の記録や読み出しを行う際には、駆動回路から配線等を通して対象となるメモリセルの記憶素子１０に電流を供給する。

上述の本実施の形態の記憶素子１０の構成によれば、記憶層１７が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の元素（３ｄ遷移金属元素）と、Ｇｄとを含有することにより、Ｇｄの作用により飽和磁束密度を低減することができる。また、制動定数の増加が少なく、分極率の低下が飽和磁束密度の低下と比較して少ないため、情報を記録するための電流を低減させることができる。
このように情報を記録するための電流を低減させることができるため、少ない電流量で情報の記録を行うことが可能である。
これにより、消費電力を低減することができる。

また、記憶層１７の体積を小さくしなくても、記録電流を低減させることが可能になるため、記憶層の体積を小さくすることによる熱ゆらぎの影響を抑制し、記憶層１７に記録された情報を長期間安定に保持することができる。

また、記憶層１７と磁化固定層２１の参照層１５との間にトンネル絶縁層１６が設けられていることにより、トンネル絶縁層１６の抵抗が大きいため、記憶層１７と参照層１５との間に電流を流して情報の読み出しを行う際の出力電圧を大きくすることができる。

また、上述の本実施の形態の記憶素子１０は、例えば、記憶層１７・トンネル絶縁層１６・磁化固定層２１を含む各層を同じ平面パターンで積層した積層体から成る構成とすることにより、微細化することが比較的容易である。
そして、磁場を印加して磁化状態を変化させる、従来のＭＲＡＭ用の磁気記憶素子と比較して、磁場を印加するための配線が不要となるため、記憶素子１０の占める体積を低減することができる。
これにより、本実施の形態の記憶素子１０によりメモリセルを構成したメモリを小型化したり、高密度化して記憶容量を大きくしたりすることが容易に可能になる。

従って、本実施の形態の記憶素子１０を備えてメモリを構成すれば、省電力動作可能な高密度の不揮発性メモリを実現することができる。

（実施例）
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に記憶層の寸法や組成等を設定して、特性がどのようになるか検討を行った。

そして、各層の材料及び膜厚を、次のように設定して、図１に示した構成の記憶素子１０を作製した。
即ち、膜厚１０ｎｍのＴａ膜から成る下部電極１１の上に、膜厚３０ｎｍのＰｔＭｎ膜から成る反強磁性層１２、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層１３、膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜から成る非磁性層１４、膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜から成る磁性層（参照層）１５、膜厚０．９ｎｍの酸化アルミニウム膜から成るトンネル絶縁層１６、膜厚３ｎｍの記憶層１７、膜厚１０ｎｍのＴａ膜から成る保護層１８を、順次積層形成した。このうち、磁性層１３、非磁性層１４、磁性層（参照層）１５の３層の積層により、磁化固定層２１が構成される。なお、トンネル絶縁層１６は、Ａｌ膜を成膜した後に、Ａｌ膜を酸化処理して酸化アルミニウム膜（ＡｌＯ_ｘ膜）とした。
次に、磁性層１３から保護層１８までの各層をパターニングして、長軸約２００ｎｍ・短軸約１５０ｎｍの楕円形状のパターンとした。
さらに、パターニングされた保護層１８の上に、膜厚５０ｎｍのＣｕ膜から成る上部電極１９を形成した。
その後に、磁場中熱処理炉で、３７０℃・１０時間の熱処理を行い、反強磁性層１２のＰｔＭｎ膜の規則化熱処理を行った。
このようにして、図１に示した構成の記憶素子１０を作製した。

（反転電流Ｉｃの測定）
下部電極１１と上部電極１９との間に流す電流量を掃引しながら記憶素子１０の抵抗を測定し、抵抗が変化したときの電流値から、反転電流Ｉｃを求めた。
そして、記憶層１７の磁化の向きが、参照層１５の磁化の向きに対して、平行状態から反平行状態に変化する電流値と、反平行状態から平行状態に変化する電流値とをそれぞれ測定し、これら電流値の絶対値の平均を反転電流Ｉｃの値とした。

（添加元素の種類及び添加量と特性の変化）
まず、ＣｏＦｅ（組成比Ｃｏ：Ｆｅ＝１：１）に各種元素Ｍ（Ｍ＝Ｓｉ，Ｔｂ，Ｈｏ，Ｇｄ）をそれぞれ添加した合金膜により記憶層１７を構成し、各添加元素Ｍについてそれぞれ添加量を変えて、添加量（原子％）に対する反転電流Ｉｃの変化を調べた。
結果を図２に示す。図２の横軸は、組成（Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０）_{１００−ｘ}Ｍ_ｘ中の添加元素Ｍの含有量ｘ（原子％）を示している。

図２より、Ｓｉを添加した場合には、添加量を変えても反転電流Ｉｃに大きな変化はないことがわかり、またＴｂ，Ｈｏを添加した場合には、僅かな添加量で反転電流Ｉｃが大きく増加してしまうことがわかる。
これに対して、Ｇｄを添加した場合には、反転電流Ｉｃの減少が見られる。
即ち、記録電流を低減するためには、記憶層へのＧｄの添加が有効であることが確認できる。
また、Ｇｄの含有量ｘが２％程度でも反転電流Ｉｃを低減する効果があるが、特に含有量ｘが１０〜２０％のときに、充分な低減効果が得られることがわかる。なお、含有量ｘが２０％を超えてさらに多くなると、スピン分極率が小さくなるため、反転電流Ｉｃの低減効果も小さくなっていく。

次に、ＣｏＦｅ（組成比Ｃｏ：Ｆｅ＝１：１）に図２と同じ各種元素Ｍをそれぞれ添加した合金膜により記憶層を構成し、各添加元素Ｍについてそれぞれ添加量を変えて、添加量に対する、熱安定性の指標であるＫｕＶ／ｋＴ（ただし、Ｋｕは磁性膜の磁気異方性エネルギー、Ｖは磁性体の体積、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の変化を調べた。なお、温度Ｔ＝３００Ｋとした。
各種添加元素Ｍの含有量ｘ（原子％）とＫｕＶ／ｋＴとの関係を図３に示す。

図３より、Ｔｂ，Ｈｏを添加した場合には、磁気異方性エネルギーＫｕが大きくなるため、ＫｕＶ／ｋＴは大きくなり、Ｓｉを添加した場合には、飽和磁束密度と磁気異方性エネルギーの低下によりＫｕＶ／ｋＴは小さくなることがわかる。
これに対して、Ｇｄを添加した場合には、飽和磁束密度が小さくなるが、磁気異方性エネルギーＫｕが大きくなるので、ＫｕＶ／ｋＴの値は添加量に大きく依存はしない。
また、Ｓｉを添加した場合には、添加量を増やすと、ＫｕＶ／ｋＴが小さくなり記憶の保持特性が低下するが、Ｇｄを添加した場合には添加量によるＫｕＶ／ｋＴの変化が少ないため、記憶の保持特性の大きな低下は見られない。

次に、ＣｏＦｅ（組成比Ｃｏ：Ｆｅ＝１：１）に図２と同じ各種元素Ｍをそれぞれ添加して記憶層を構成し、各添加元素Ｍについてそれぞれ添加量を変えて、添加量に対するＭＲ比の変化を調べた。
各種添加元素Ｍの含有量（原子％）とＭＲ比の大きさとの関係を図４に示す。

図４より、Ｓｉを添加した場合と比較して、希土類元素Ｔｂ，Ｈｏ，Ｇｄを添加した場合には、添加量の増加に伴うＭＲ比の低下が少ないことがわかる。

従って、図２〜図４の結果から、希土類元素を添加しても、電子のスピン分極率の低下が少なく、特にＧｄを添加することが、記録電流の低下及び保存特性の向上に、共に有効であることが確認できる。

次に、ＣｏＦｅＧｄに対して、さらに各種希土類元素を加えた場合の反転電流Ｉｃの変化を調べた。
希土類元素Ｍ（Ｍ＝Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ）の添加量と反転電流Ｉｃとの関係を図５に示す。図５の横軸は、（Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０）_９０Ｇｄ_１０に対して、１０％のＧｄの一部をｘ（原子％）の希土類元素Ｍで置き換えた場合の希土類元素Ｍの添加量ｘ（原子％）を示している。また、比較対照として、（Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０）_９０Ｇｄ_１０の場合をＧｄとして示している。

図５より、Ｇｄに対して他の希土類元素Ｍを僅かでも添加すると、反転電流Ｉｃが大きく増加してしまうことから、Ｇｄ以外の希土類元素は含まれない方が良い。
しかしながら、Ｇｄには完全に取り除くのが難しい希土類元素が不純物として含まれやすい。
そこで、反転電流Ｉｃを大きく増加させないために、Ｇｄ以外の希土類元素の含有量を１原子％以下にすることが望ましい。

（記憶層の組成分布と特性）
次に、ＣｏＦｅＧｄから成る記憶層１７の構成を変更して、反転電流Ｉｃや特性の違いを調べた。具体的には、均一な組成のＣｏＦｅＧｄ合金により記憶層１７を構成した場合と、ＣｏＦｅとＧｄに組成分布をもたせて記憶層１７を構成した。

まず、図６Ａに示すように、ＣｏＦｅＧｄから成る記憶層１７を、単層のＣｏＦｅ−Ｇｄ合金膜（組成Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｇｄ_２０、膜厚３ｎｍ）により形成し、記憶素子１０を作製して、試料１の記憶素子とした。
次に、非磁性層１６の上に、膜厚１．５ｎｍのＧｄ膜と膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅ膜とを順次積層して記憶層を形成し、記憶素子１０を作製して試料２の記憶素子とした。この試料２の記憶素子は、図６Ｂに示すように、記憶層１７が、下側のＧｄを多く含む部分２２と上側のＣｏＦｅを多く含む部分２３とを有する組成分布となっている。
次に、非磁性層１６の上に、膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅ膜と膜厚１．５ｎｍのＧｄ膜とを順次積層して記憶層を形成し、記憶素子１０を作製して試料３の記憶素子とした。この試料３の記憶素子は、図６Ｃに示すように、記憶層１７が、下側のＣｏＦｅを多く含む部分２３と上側のＧｄを多く含む部分２２とを有する組成分布となっている。

これら試料１〜試料３の記憶素子について、それぞれ反転電流ＩｃとＭＲ比の大きさを調べた。結果を表１に示す。

表１より、単層の合金膜により記憶層１７を形成した場合には、反転電流Ｉｃを０．３５ｍＡと比較的小さくすることができ、またＭＲ比を３３％と充分確保することができることがわかる。
次に、Ｇｄ膜とＣｏＦｅ膜とを積層して記憶層を形成した場合のうち、Ｇｄ膜を参照層１５側に積層した試料２はＭＲ比が小さく、また１ｍＡ以下（素子が破壊しない範囲）の電流では磁化反転の動作を確認できなかった。
一方、ＣｏＦｅ膜を参照層１５側に積層した試料３は、合金膜とした試料１よりもさらに反転電流Ｉｃが小さく、ＭＲ比も大きくなる。これは、ＣｏＦｅの方がＧｄよりも分極率が大きいため、ＣｏＦｅ膜を参照層１５側に積層することにより、反転電流Ｉｃの低減及びＭＲ比の向上に効果があるためである。

従って、単層のＣｏＦｅＧｄ合金膜により記憶層１７を構成した場合と、参照層１５側にＣｏＦｅが多い組成分布の記憶層１７を構成した場合は、反転電流Ｉｃの低減及びＭＲ比の向上に効果が大きい。

上述の実施の形態では、反強磁性層１２と参照層１５を含む磁化固定層２１とを記憶層１７に対して下層に設けた場合であったが、記憶層に対して、磁化固定層及び反強磁性層を上層に設けて記憶素子を構成してもよい。
また、磁化固定層を単層の磁性層（参照層）のみにより構成してもよく、また各磁性層を材料や組成の異なる複数の磁性層の積層により構成してもよい。
また、記憶層と磁化固定層との間に、トンネル絶縁層１６の代わりに非磁性導電層を設けて記憶素子を構成してもよい。

また、記憶層が組成分布を有する構成としては、図６Ｃに示したように、Ｇｄが多い部分２２と３ｄ遷移金属元素が多い部分２３とが比較的明確に分かれている構成に限らず、Ｇｄと３ｄ遷移金属元素との組成比が膜厚方向に緩やかに変化する構成としてもよい。

本発明は、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。

本発明の一実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 記憶層をＣｏＦｅと各種添加元素の合金で構成したときの添加量と反転電流Ｉｃとの関係を示す図である。 記憶層をＣｏＦｅと各種添加元素の合金で構成したときの添加量と熱安定性の指標ＫｕＶ／ｋＴとの関係を示す図である。 記憶層をＣｏＦｅと各種添加元素の合金で構成したときの添加量とＭＲ比との関係を示す図である。 ＣｏＦｅＧｄに希土類元素を添加して記憶層を構成したときの添加元素の種類と添加量による反転電流Ｉｃとの変化を示す図である。 Ａ〜Ｃ 記憶素子の各試料の記憶層付近の断面図である。

符号の説明

１０ 記憶素子、１２ 反強磁性層、１３，１５ 磁性層、１４ 非磁性層、１６ トンネル絶縁層、１７ 記憶層、２１ 磁化固定層

Claims (2)

1. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層と、
   前記記憶層に対してトンネル絶縁層を介して設けられ、磁化の向きが固定された磁化固定層とを少なくとも有し、
   前記トンネル絶縁層を通じて、前記記憶層と前記磁化固定層との間に電流を流すことにより情報の記録が行われる記憶素子であって、
   前記記憶層が、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉから選ばれる少なくとも１種の元素と、Ｇｄとを含有し、
   前記記憶層のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの含有量が、前記トンネル絶縁層側界面で他の部分よりも多くなっている
   記憶素子。
2. 前記記憶層に含まれるＧｄ以外の希土類元素が１原子％以下である請求項１に記載の記憶素子。

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