JP6416180B2 - 磁気記憶装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。
磁性層を用いた磁気記憶装置がある。磁気記憶装置において、書き込み電流の低減が望まれる。
特許第５９８５７２８号公報
本発明の実施形態は、書き込み電流を低減できる磁気記憶装置を提供する。
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非磁性層及び制御部を含む。前記金属含有層は、第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分と、を含む。前記第１磁性層は、前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向と交差する第１方向において前記第３部分から離れる。前記第２磁性層は、前記第３部分と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記制御部は、前記第１部分及び第２部分と電気的に接続される。前記第３部分は、第１金属を含む第１領域と、前記第１領域と前記第２磁性層との間に設けられ前記第１金属及びホウ素を含む第２領域と、を含む。前記第１領域はホウ素を含まない、または、前記第１領域におけるホウ素の第１濃度は、前記第２領域におけるホウ素の第２濃度よりも低い。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電流を前記金属含有層に供給する第１動作と、前記第２部分から前記第１部分に向かう第２電流を前記金属含有層に供給する第２動作と、を実施する。
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非磁性層及び制御部を含む。前記金属含有層は、第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分と、を含む。前記第１磁性層は、前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向と交差する第１方向において前記第３部分から離れる。前記第２磁性層は、前記第３部分と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記制御部は、前記第１部分及び第２部分と電気的に接続される。前記第３部分は、第１領域と、前記第１領域と前記第２磁性層との間に設けられ第１金属及びホウ素を含む第２領域と、を含む。前記第１領域はホウ素を含まない、または、前記第１領域におけるホウ素の第１濃度は、前記第２領域におけるホウ素の第２濃度よりも低い。前記第２領域の前記第１方向に沿う厚さは、１ナノメートル以上７ナノメートル以下である。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電流を前記金属含有層に供給する第１動作と、前記第２部分から前記第１部分に向かう第２電流を前記金属含有層に供給する第２動作と、を実施する。前記金属含有層は、第３領域及び第４領域をさらに含む。前記第２領域は、前記第２方向において前記第３領域及び前記第４領域の間にある。前記第３領域及び前記第４領域はホウ素を含まない、または、前記第３領域におけるホウ素の濃度及び前記第４領域におけるホウ素の濃度のそれぞれは前記第２濃度よりも低い。
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非磁性層及び制御部を含む。前記金属含有層は、第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分と、を含む。前記第１磁性層は、前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向と交差する第１方向において前記第３部分から離れる。前記第２磁性層は、前記第３部分と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記制御部は、前記第１部分及び第２部分と電気的に接続される。前記第３部分は、第１領域と、前記第１領域と前記第２磁性層との間に設けられ第１金属及びホウ素を含む第２領域と、を含む。前記第１領域はホウ素を含まない、または、前記第１領域におけるホウ素の第１濃度は、前記第２領域におけるホウ素の第２濃度よりも低い。前記第２領域の前記第１方向に沿う厚さは、１ナノメートル以上７ナノメートル以下である。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電流を前記金属含有層に供給する第１動作と、前記第２部分から前記第１部分に向かう第２電流を前記金属含有層に供給する第２動作と、を実施する。ホウ素を含む酸化物を含む第１ホウ素化合物領域と、ホウ素を含む酸化物を含む第２ホウ素化合物領域と、をさらに備える。前記第２方向において、前記第１磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にある。前記第２方向において、前記第１非磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にある。前記第２方向において、前記第２磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にある。
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非磁性層及び制御部を含む。前記金属含有層は、第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分と、を含む。前記第１磁性層は、前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向と交差する第１方向において前記第３部分から離れる。前記第２磁性層は、前記第３部分と前記第１磁性層との間に設けられる。前記第１非磁性層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記制御部は、前記第１部分及び第２部分と電気的に接続される。前記第３部分は、第１領域と、前記第１領域と前記第２磁性層との間に設けられ第１金属及びホウ素を含む第２領域と、を含む。前記第１領域はホウ素を含まない、または、前記第１領域におけるホウ素の第１濃度は、前記第２領域におけるホウ素の第２濃度よりも低い。前記第２領域の前記第１方向に沿う厚さは、１ナノメートル以上７ナノメートル以下である。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電流を前記金属含有層に供給する第１動作と、前記第２部分から前記第１部分に向かう第２電流を前記金属含有層に供給する第２動作と、を実施する。前記制御部は、前記第１磁性層とさらに電気的に接続され、前記制御部は、第３動作及び第４動作をさらに実施する。前記制御部は、前記第１動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を第１電圧とし、前記第２動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を前記第１電圧とし、前記第３動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を第２電圧とし、前記第１電流を前記金属含有層に供給し、前記第４動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を前記第２電圧とし、前記第２電流を前記金属含有層に供給する。前記第１電圧は、前記第２電圧とは異なる。前記第１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。前記第１電気抵抗と前記第２電気抵抗との差の絶対値は、前記第３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３電気抵抗と、前記第４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４電気抵抗と、の差の絶対値よりも大きい。
第１実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の一部のＴＥＭ像及びＦＦＴ解析像を例示する写真像である。 磁気記憶装置の一部のＴＥＭ像及びＦＦＴ解析像を例示する写真像である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置の一部を例示する模式的断面図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第２実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第２実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。 第３実施形態に係る磁気記憶装置を示す模式図である。
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実施形態）
図１は、第１実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図１に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置１１０は、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。
金属含有層２０は、第１部分２０ａ、第２部分２０ｂ及び第３部分２０ｃを含む。第３部分２０ｃは、第１部分２０ａと第２部分２０ｂとの間に位置する。
第１磁性層１１は、第１方向において第３部分２０ｃから離れる。第１方向は、第１部分２０ａから第２部分２０ｂに向かう第２方向と交差する。
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。この例では、第２方向は、Ｘ軸方向である。
第２磁性層１２は、第３部分２０ｃと第１磁性層１１との間に設けられる。第１非磁性層１１ｎ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非磁性層１１ｎと第１磁性層１１との間に、別の層が設けられても良い。第１非磁性層１１ｎと第２磁性層１２との間に、別の層が設けられても良い。
第１磁性層１１は、例えば、参照層として機能する。第２磁性層１２は、例えば、記憶層（例えば自由層）として機能する。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍよりも変化し易い。第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの向きが、記憶される情報に対応する。磁化の向きは、例えば、磁化容易軸の向きに対応する。
第１磁性層１１、第１非磁性層１１ｎ及び第２磁性層１２は、第１積層体ＳＢ１に含まれる。第１積層体ＳＢ１は、例えば、１つのメモリセルＭＣの少なくとも一部として機能する。第１積層体ＳＢ１は、磁気トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を有する。第１積層体ＳＢ１は、ＭＴＪ素子に対応する。
この例では、第１磁性層１１の第３方向に沿う長さＬｙは、第１磁性層１１の第２方向に沿う長さＬｘよりも長い。第３方向は、第１方向及び第２方向と交差する。第３方向は、例えば、Ｙ軸方向である。第１磁性層１１及び第２磁性層１２において、形状異方性が生じる。例えば、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍは、Ｙ軸方向に沿う。例えば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、＋Ｙ方向または−Ｙ方向に向く。後述するように、実施形態において、長さＬｙと長さＬｘの関係は任意である。実施形態において、磁化の向きは、任意である。
制御部７０は、第１部分２０ａ及び第２部分２０ｂと電気的に接続される。この例では、制御部７０は、制御回路７５を含む。制御回路７５（制御部７０）と、第１部分２０ａと、は、配線７０ｂにより電気的に接続される。制御回路７５（制御部７０）と、第２部分２０ｂと、は、配線７０ｃにより電気的に接続される。この例では、制御回路７５と第１部分２０ａとの間の電流経路（配線７０ｂ）において、スイッチＳｗＳ１が設けられている。スイッチＳｗＳ１のゲート（制御端子）は、制御回路７５に電気的に接続される。
この例では、制御回路７５（制御部７０）は、第１磁性層１１と電気的に接続されている。制御回路７５（制御部７０）と、第１磁性層１１と、は、配線７０ａにより電気的に接続される。この例では、制御回路７５と第１磁性層１１との間の電流経路（配線７０ａ）にスイッチＳｗ１が設けられている。スイッチＳｗ１のゲート（制御端子）は、制御回路７５に電気的に接続される。
これらのスイッチは、制御部７０に含められても良い。制御部７０により、金属含有層２０及び第１積層体ＳＢ１の電位が制御される。
例えば、第１部分２０ａが基準電位Ｖ０に設定され、第１磁性層１１に第１電圧Ｖ１（例えば選択電圧）が印加される。このとき、例えば、金属含有層２０に流れる電流の向きに応じて、第１積層体ＳＢ１の電気抵抗が変化する。一方、第１部分２０ａが基準電位Ｖ０に設定され、第１磁性層１１に第２電圧Ｖ２（例えば非選択電圧）が印加される。第２電圧Ｖ２は、第１電圧Ｖ１とは異なる。第２電圧Ｖ２が印加されたときは、例えば、金属含有層２０に電流が流れても、第１積層体ＳＢ１の電気抵抗は、実質的に変化しない。電気抵抗の変化は、第１積層体ＳＢ１の状態の変化に対応する。電気抵抗の変化は、例えば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの向きの変化に対応する。例えば、第２電圧Ｖ２は、第１電圧Ｖ１とは異なる。例えば、基準電位Ｖ０と第１電圧Ｖ１との間の電位差の絶対値は、基準電位Ｖ０と第２電圧Ｖ２との間の電位差の絶対値よりも大きい。例えば、第１電圧Ｖ１の極性は、第２電圧Ｖ２の極性と異なっても良い。このような電気抵抗の差は、制御部７０の制御により得られる。
例えば、制御部７０は、第１動作及び第２動作を行う。これらの動作は、積層体ＳＢ１に選択電圧が印加されているときの動作である。第１動作においては、制御部７０は、第１部分２０ａから第２部分２０ｂに向かう第１電流Ｉｗ１を金属含有層２０に供給する（図１参照）。制御部７０は、第２動作において、第２部分２０ｂから第１部分２０ａに向かう第２電流Ｉｗ２を金属含有層２０に供給する（図１参照）。
第１動作後における第１磁性層１１と第１部分２０ａとの間の第１電気抵抗は、第２動作後における第１磁性層１１と第１部分２０ａとの間の第２電気抵抗とは異なる。このような電気抵抗の差は、例えば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍの向きの変化に対応する。例えば、金属含有層２０を流れる電流（書き込み電流）により、第２磁化１２Ｍの向きが変化する。これは、例えば、スピンホール効果に基づいていると考えられる。第２磁化１２Ｍの向きの変化は、例えば、スピン軌道相互作用に基づいていると考えられる。
例えば、第１動作により、第２磁化１２Ｍは、第１磁化１１Ｍの向きと同じ成分を有する。「平行」の磁化が得られる。一方、第２動作により、第２磁化１２Ｍは、第１磁化１１Ｍの向きに対して逆の成分を有する。「反平行」の磁化が得られる。このような場合、第１動作後の第１電気抵抗は、第２動作後の第２電気抵抗よりも低くなる。このような電気抵抗の差が、記憶される情報に対応する。例えば、異なる複数の磁化が、記憶される情報に対応する。
制御部７０は、第３動作及び第４動作をさらに実施しても良い。第３動作において、第１部分２０ａと第１磁性層１１との間の電位差を第２電圧Ｖ２とし、第１電流Ｉｗ１を金属含有層２０に供給する。第４動作において、第１部分２０ａと第１磁性層１１との間の電位差を第２電圧Ｖ２とし、第２電流Ｉｗ２を金属含有層２０に供給する。第３動作及び第４動作においては、例えば、金属含有層２０に電流が流れても、第１積層体ＳＢ１の電気抵抗は、実質的に変化しない。第１動作後における第１磁性層１１と第１部分２０ａとの間の第１電気抵抗は、第２動作後における第１磁性層１１と第１部分２０ａとの間の第２電気抵抗とは異なる。第１電気抵抗と第２電気抵抗との差の絶対値は、第３動作後における第１磁性層１１と第１部分２０ａとの間の第３電気抵抗と、第４動作後における第１磁性層１１と第１部分２０ａとの間の第４電気抵抗と、の差の絶対値よりも大きい。
実施形態に係る磁気記憶装置１１０においては、金属含有層２０の一部は、ホウ素を含む。
例えば、第３部分２０ｃは、第１領域２１及び第２領域２２を含む。第２領域２２は、第１領域２１と第２磁性層１２との間に設けられる。第２領域２２は、例えば、第２磁性層１２と物理的に接する。第２領域２２は、第１金属及びホウ素を含む。
この例では、第１領域２１は、第１部分２０ａと第２部分２０ｂとの間において、第２方向（例えばＸ軸方向）に沿って延びている。第２領域２２は、第１部分２０ａと第２部分２０ｂとの間において、第２方向に沿って延びている。後述するように、第２領域２２は、Ｚ軸方向において第１積層体ＳＢ１と重なる領域を含む部分において局所的に設けられても良い。
第１金属は、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む。これにより、例えば、スピンホール効果が効果的に得られる。
第２領域２２は、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択された少なくとも１つと、ホウ素と、を含む。第２領域２２は、例えば、ＴａＢ、ＷＢ、ＲｅＢ、ＯｓＢ、ＩｒＢ、ＰｔＢ、ＡｕＢ、ＣｕＢ、ＡｇＢ及びＰｄＢからなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。
一方、第１領域２１は、ホウ素を含まない。または、第１領域２１はホウ素を含み、第１領域におけるホウ素の第１濃度は、第２領域２２におけるホウ素の第２濃度よりも低い。
このような第１領域２１及び第２領域２２を金属含有層２０に設けることで、書き込み動作における電流（書き込み電流）を小さくできることが分かった。後述するように、第２領域２２の厚さｔ２（図１参照）は、１ナノメートル（ｎｍ）以上７ｎｍ以下が好ましいことも分かった。後述するように、第２領域２２の厚さｔ２は、３ｎｍ以上５ｎｍ以下がさらに好ましい。
以下、磁気記憶装置に関する実験結果について説明する。
図２は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図２には、第１試料ＳＰ１１、第２試料ＳＰ１２、及び、参考試料ＳＰＣ１の特性が示されている。第１試料ＳＰ１１及び第２試料ＳＰ１２においては、金属含有層２０において、第１領域２１及び第２領域２２が設けられる。第１領域２１は、Ｔａ層である。第２領域２２は、ＴａＢである。第２領域２２におけるＢの濃度（組成比）は、５０原子パーセント（５０ａｔｍ％）である。第１試料ＳＰ１１においては、第２領域２２の厚さｔ２（図１参照）が、１ｎｍである。第２領域２２の厚さｔ２は、第２領域２２の第１方向（Ｚ軸方向）に沿う厚さ（長さ）である。第２試料ＳＰ１２においては、第２領域２２の厚さｔ２は、３ｎｍである。第１試料ＳＰ１１及び第２試料ＳＰ１２において、第１領域２１の厚さｔ１は、１０ｎｍである。一方、参考試料ＳＰＣ１においては、第２領域２２が設けられていない。参考試料ＳＰＣ１においては、金属含有層２０として、厚さが１０ｎｍのＴａ層が設けられる。これらの試料において、第１金属はＴａである。
上記の試料のそれぞれにおいて、基板（熱酸化膜付きシリコン基板）の上に、上記の金属含有層２０が設けられる。基板は、シリコン基板と、シリコン基板の上に設けられた熱酸化膜と、を含む。金属含有層２０の上に、第２磁性層１２として、ＦｅＢ層が設けられる。このＦｅＢ層において、Ｂの濃度は、２０ａｔｍ％である。第２磁性層１２（ＦｅＢ層）の厚さｔｍ２（図１参照）は、１．９ｎｍである。第２磁性層１２の上に、第１非磁性層１１ｎとして、ＭｇＯ層（厚さは１．６ｎｍ）が設けられる。第１非磁性層１１ｎの上に、第１磁性層１１として、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの積層膜が設けられる。ＩｒＭｎ層とＭｇＯ層との間にＣｏＦｅ層が設けられる。ＣｏＦｅ層とＭｇＯ層との間にＲｕ層が設けられる。Ｒｕ層とＭｇＯ層との間にＣｏＦｅＢ層が設けられる。
上記の試料において、第１積層体ＳＢ１のＸ軸方向の長さが変更される。第１積層体ＳＢ１のＸ軸方向の長さは、第１磁性層１１の第２方向に沿う長さＬｘに実質的に対応する。長さＬｘは、第１積層体ＳＢ１の短辺の長さに対応する。第２磁性層１２の第２方向に沿う長さは、第１磁性層１１の第２方向に沿う長さの１倍以上１．１倍以下である。この例では、長さＬｙの長さＬｘに対する比は約３である。
図２の横軸は、長さＬｘ（ｎｍ）である。縦軸は、反転電流密度Ｊｓｗ（Ａ／ｃｍ２）である。反転電流密度Ｊｓｗは、書き込み電流に関する電流密度である。
図２から分かるように、第１試料ＳＰ１１及び第２試料ＳＰ１２における反転電流密度Ｊｓｗは、参考試料ＳＰＣ１における反転電流密度Ｊｓｗよりも小さい。このように、ホウ素を含む第２領域２２を設けることで、書き込み電流を低減できる。
図２に示すように、第２試料ＳＰ１２（第２厚さｔ２が３ｎｍ）における反転電流密度Ｊｓｗは、第１試料ＳＰ１１（第２厚さｔ２が１ｎｍ）における反転電流密度Ｊｓｗよりも小さい。
以下、ホウ素を含む第２領域２２に関連して、種々の特性についての実験結果について説明する。
図３は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図３は、磁気的Dead layerの厚さＤＬと、第２領域２２の厚さｔ２と、の関係を示している。図３において、試料は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＴａＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。熱酸化膜付きシリコン基板の上に、Ｔａ層（第１領域２１）が設けられる。Ｔａ層の厚さは、１０ｎｍである。Ｔａ層の上に、ＴａＢ層（第２領域２２）が設けられる。ＴａＢ層におけるＢの濃度は、５０ａｔｍ％である。ＴａＢ層の上に、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）が設けられる。ＦｅＢ層におけるＢの濃度は、２０ａｔｍ％である。ＦｅＢ層の厚さは、１．５ｎｍ〜３．０ｎｍである。ＦｅＢ層の上に、ＭｇＯ層（第１非磁性層１１ｎ）が設けられる。ＭｇＯ層の厚さは、１．６ｎｍである。ＭｇＯ層の上に、別のＴａ層が設けられる。このＴａ層の厚さは、３ｎｍである。実験において、第２領域２２の厚さｔ２が、１ｎｍから１０ｎｍの範囲で変更される。参考試料においては、第２領域２２が設けられない。参考試料は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。
磁気的Dead layerの厚さＤＬは、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）により求められる。上述したように異なる厚さのＦｅＢ層を有する試料の磁化を測定し、磁化量とＦｅＢ層の厚さとの間の線形関係を調べることで、磁気的Dead layerを見積もることが可能である。磁気的Dead layerの厚さＤＬは、磁気光学（Ｋｅｒｒ）効果測定により求めても良い。磁気的Dead layerにおいては、磁化が生じない。
図３の横軸は、第２領域２２の厚さｔ２（ｎｍ）である。縦軸は、磁気的Dead layerの厚さＤＬ（ｎｍ）である。図３において、第２領域２２が設けられない参考例における磁気的Dead layerの厚さＤＬは、厚さｔ２が０の時として表示されている。
図３に示すように、第２領域２２が設けられない参考例（厚さｔ２が０ｎｍ）における磁気的Dead layerの厚さＤＬは、０．０８ｎｍと大きい。これに対して、第２領域２２の厚さｔ２が１ｎｍ以上５ｎｍ以下において、磁気的Dead layerの厚さＤＬは、実質的に０である。厚さｔ２が１０ｎｍのとき、磁気的Dead layerの厚さＤＬは、約０．０５ｎｍである。
図３の結果から、第２領域２２の厚さｔ２が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。このとき、例えば、磁気的Dead layerが実質的に生じない。
第２領域２２の厚さｔ２が１ｎｍ以上５ｎｍ以下のときに、磁気的Dead layerが実質的に生じないのは、例えば、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）及びＴａＢ層（第２領域２２）の両方がホウ素を含有しているため、界面の濡れ性が向上することが原因であると考えられる。例えば、ＴａＢ層は、高融点材料である。このため、ＴａＢ層とＦｅＢ層との間で、元素の相互拡散が生じにくいと考えられる。これにより、磁気的Dead layerが実質的に生じないと考えられる。この他、例えば、ＴａＢ層の平坦性が良い。このため、磁気的Dead layerが実質的に生じないと考えられる。
第２領域２２の厚さｔ２が過度に厚くなると、第２領域２２の表面の平坦性が劣化すると考えられる。第２領域２２の厚さｔ２が１０ｎｍのように厚くなると磁気的Dead layerの厚さＤＬが大きくなるのは、例えば、平坦性の劣化に関係していると考えられる。
図４は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図４は、スピンホール角θＳＨと、第２領域２２の厚さｔ２と、の関係を示している。図４において、試料は、「ＴａＢ／ＣｏＦｅＢ／熱酸化膜付シリコン基板」の構成を有する。実験において、第２領域２２の厚さｔ２が、１ｎｍから１１ｎｍの範囲で変更される。スピンホール角θＳＨは、複数の共鳴周波数におけるＦＭＲ測定により導出される。
図４に示すように、第２領域２２の厚さｔ２が３ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲において、スピンホール角θＳＨの絶対値が大きい。第２領域２２の厚さｔ２とスピン拡散長との関係が、スピンホール角に影響を与えることが考えられる。
スピンホール角θＳＨの絶対値が大きいと、例えば、金属含有層２０と第２磁性層１２との間に、効率的にスピン軌道相互作用が働くと考えられる。スピンホール角θＳＨの絶対値が大きいと、例えば、書き込み電流が小さくなると考えられる。
上記のように、第２領域２２の厚さｔ２が適正な範囲のときに、例えば、磁気的Dead layerが小さくできる。そして、第２領域２２の厚さｔ２が適正な範囲のときに、例えば、スピンホール角θＳＨの絶対値が大きくできる。
図２に関して説明した反転電流密度Ｊｓｗの減少は、磁気的Dead layer及びスピンホール角θＳＨの少なくともいずれかが関係していると考えられる。
既に説明したように、磁気的Dead layerの観点では、第２領域２２の厚さｔ２の適正な範囲は、少なくとも１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。スピンホール角θＳＨの観点では、第２領域２２の厚さｔ２の適正な範囲は、少なくとも３ｎｍ以上７ｎｍ以下である。両方を考慮すると、第２領域２２の厚さｔ２は、３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
図５は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図５は、図３に関して説明した試料についての飽和磁化の評価結果を示す。試料は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＴａＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。参考試料は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。図５の横軸は、第２領域２２の厚さｔ２（ｎｍ）である。縦軸は、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）の飽和磁化Ｍｓ１（ｅｍｕ／ｃｍ３）である。「１ｅｍｕ」は、「１０−３Ａ・ｍ２」に対応する。飽和磁化Ｍｓ１が小さいと、磁化が反転し易くなり、書き込み電流が小さくなる。
図５に示すように、第２領域２２が設けられない参考例（厚さｔ２が０ｎｍ）における飽和磁化Ｍｓ１は、大きい。これに対して、第２領域２２の厚さｔ２が１ｎｍ以上において、飽和磁化Ｍｓ１が小さくなる。
ＴａＢ層（第２領域２２）が設けられない参考試料においては、ＦｅＢ層からＴａ層へのＢの拡散が生じる。これにより、ＦｅＢ層におけるＢの濃度が低くなると考えられる。このため、参考試料においては、飽和磁化Ｍｓ１が大きいと考えられる。これに対して、ＴａＢ層（第２領域２２）が設けられた場合には、ＦｅＢ層からＴａＢ層へのＢ拡散が抑制されると考えられる。これにより、飽和磁化Ｍｓ１が小さくなると考えられる。
図６は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図６は、図３に関して説明した試料についての実効的な垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの評価結果を示す。第１試料ＳＰ１１、第２試料ＳＰ１２及び第３試料ＳＰ１３は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＴａＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。第１試料ＳＰ１１において、ＴａＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２は、１ｎｍである。第２試料ＳＰ１２において、ＴａＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２は、３ｎｍである。第３試料ＳＰ１３において、ＴａＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２は、５ｎｍである。参考試料ＳＰＣ１は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。図６の横軸は、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）の厚さｔｍ２（ｎｍ）である。縦軸は、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）の垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆ（ｋＯｅ）である。「１Ｏｅ」は、「８０Ａ／ｍ」に対応する。垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆが負であることは、ＦｅＢ層が面内磁化膜であることに対応する。
図６に示すように、第１〜第３試料ＳＰ１１〜ＳＰ１３において、参考試料ＳＰＣ１よりも小さい絶対値の垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆが得られる。第１〜第３試料ＳＰ１１〜ＳＰ１３においては、参考試料ＳＰＣ１よりも、垂直異方性が高い。
ＴａＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２が３ｎｍと５ｎｍとにおいて、ほぼ同じ垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆが得られる。厚さｔ２が３ｎｍ〜５ｎｍにおいて、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの向上は、実質的に飽和する。
図５に関して既に説明したように、ＴａＢ層により、ＦｅＢ層の飽和磁化Ｍｓ１が小さくなる。これにより、反磁界成分が減少する。そして、図３に関して説明したように、ＴａＢ層により磁気的Dead layerの厚さＤＬが低減する。特に、ＴａＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２が１ｎｍ〜５ｎｍのときに、厚さＤＬが小さい。ＴａＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２が１ｎｍ〜５ｎｍのときに、界面における良好な平坦性が得られると考えられる。厚さＤＬの減少、及び、良好な平坦性により、例えば、界面磁気異方性が得られると考えられる。ＴａＢ層により垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値が小さくなる現象は、上記の反磁界成分の減少、及び、上記の界面磁気異方性によると考えられる。
例えば、第１磁性層１１及び第２磁性層１２が実質的に面内磁化膜であり、金属含有層２０に流れる電流の方向と、面内磁化膜の磁化の方向と、が交差する場合、例えば、Precessional Switchingモードの動作が行われる。このモードにおいては、記憶層の磁化反転は、面内磁化方向から垂直方向への歳差運動を伴う。このモードにおいて、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値が小さくなると、磁化反転が容易になる。垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値が小さくなることにより、書き込み電流が小さくできる。
図７は、磁気記憶装置の一部のＴＥＭ像及びＦＦＴ解析像を例示する写真像である。
図７に示す像の試料は、「ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＴａＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。ＴａＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２は、３ｎｍである。図７において、ＩｒＭｎ層は、観察の範囲の外である。
Ｔａ層（第１領域２１）において、格子縞が観察される部分（第１位置Ｐ０１）と、観察されない部分（第２位置Ｐ０２）と、がある。ＦＦＴ解析により、格子縞が観察される部分（第１位置Ｐ０１）は、正方晶系の結晶構造を有していることが分かる。この部分における面間隔から、β相が形成されていると示唆される。
格子縞が観察されない部分（第２位置Ｐ０２）において、ＴＥＭ観察方位によって格子縞が観察される可能性がある。従って、ＦＦＴ解析のハローパターンからは、この部分がアモルファスとは断定できない。これらを総合して考えると、Ｔａ層（第１領域２１）は、多結晶β相で構成されていると、示唆される。
一方、ＴａＢ層（第２領域２２、例えば第３位置Ｐ０３など）において、広い範囲で格子縞が観察されない。ＴａＢ層において、ＦＦＴ解析像がハローパターンである。これらのことから、ＴａＢ層（第２領域２２）は、Ｔａ層の結晶性の影響を受けず、アモルファスであると示唆される。
図８は、磁気記憶装置の一部のＴＥＭ像及びＦＦＴ解析像を例示する写真像である。
図８に示す像の試料は、図７の試料と同様に、「ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＴａＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。ＴａＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２は、３ｎｍである。
ＦｅＢ層（第２磁性層１２、記憶層）のうちの下側部分（第１磁性領域１２ａ）においては、格子縞が観察されない。ＦｅＢ層のうちの下側部分においては、ＦＦＴ解析像は、ハローパターンである。このことから、ＦｅＢ層のうちの下側部分は、アモルファスであると示唆される。
ＦｅＢ層のうちの上側部分（第２磁性領域１２ｂ）において、ＭｇＯ層との界面に、結晶化領域が観察される。結晶化領域の厚さは、１原子層〜５原子層程度（０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下）である。この結晶化領域のＦＦＴ解析像の面間隔は、ＭｇＯ層の格子間隔に近い。この結晶化領域は、ＭｇＯ層との界面から成長していると示唆される。
このように、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）は、第１磁性領域１２ａ（例えば、第７位置Ｐ０７を含む）、及び、第２磁性領域１２ｂ（例えば、第４位置Ｐ０４を含む）を含む。第２磁性領域１２ｂは、第１磁性領域１２ａと第１非磁性層１１ｎとの間に位置する。第１磁性領域１２ａの少なくとも一部は、アモルファスである。第２磁性領域１２ｂの少なくとも一部は、結晶性を有している。第２磁性領域１２ｂの厚さは、例えば、０．２ｎｍ以上１．０ｎｍ以下である。例えば、第２磁性領域１２ｂの結晶性は、第１磁性領域１２ａの結晶性よりも高い。
ＭｇＯ層（第１非磁性層１１ｎ、第５位置Ｐ０５）においては、良好な平坦性が観察される。ＭｇＯ層は、（００１）配向していることが分かる。ＦｅＢ層がアモルファスなので、ＭｇＯ層において、自己配向性が高くなったと考えられる。
ＣｏＦｅＢ層（第１磁性層１１の一部）において、ＭｇＯ層との界面側（第６位置Ｐ０６）において、結晶化している領域が観察される。この領域のＦＦＴ解析像により得られる面間隔から、この領域が、ＭｇＯ層から成長していると考えられる。
ＭｇＯ層の上下の両方の界面において、観察方位がＭｇＯ層の結晶成長面に整合するときに、格子縞が観察される。他の観察方位でも、同様な格子縞が観察されると考えられる。これにより高いＭＲ比（例えば、ＴＭＲ比）が得られる。
次に、第２磁性層１２と金属含有層２０との積層構造における特性のＳＭＲ（Spin Hall Magnetoresistance）解析の結果について説明する。ＳＭＲ解析の試料の１つ（第１ＳＭＲ試料）は、「ＣｏＦｅＢ／ＴａＢ」の積層構造を有する。このＴａＢ層は、アモルファスである。別の試料（第２ＳＭＲ試料）は、「ＣｏＦｅＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。このＴａ層は、β−Ｔａである。ＣｏＦｅＢ層は、第２磁性層１２に対応する。ＴａＢ層またはＴａ層は、金属含有層２０に対応する。ＳＭＲ解析において、金属含有層２０のスピンホール角θＳＨ、抵抗率ρ、及び、スピン拡散長λｓｐｉｎが評価される。ＳＭＲ解析においては、金属含有層２０の特性は、厚さによらず一意と、仮定される。
ＳＭＲ解析の結果、第１ＳＭＲ試料（ＴａＢ層）におけるスピンホール角θＳＨは、−０．１８である。一方、第２ＳＭＲ試料（Ｔａ層）におけるスピンホール角θＳＨは、−０．０９である。このように、Ｂを含む材料において、大きなスピンホール角θＳＨが得られる。第１ＳＭＲ試料（ＴａＢ層）におけるスピンホール角θＳＨの値は、図４に関して説明したスピンホール角θＳＨの値と厳密には一致していないが、第１ＳＭＲ試料と第２ＳＭＲ試料との間の相対関係については、比較が可能である。
金属含有層２０がアモルファス化しても大きなスピンホール角θＳＨが得られることが示唆される。金属含有層２０の材料の選択の幅が広がる。例えば、大きなスピンホール角θＳＨを有すると報告されているβ‐Ｔａまたはβ‐Ｗは、多結晶構造を有する。多結晶構造においては、例えば、結晶質に起因する、ラフネスまたは粒界により、ＭＴＪ素子の特性が変動し易い。多結晶構造においては、例えば、信頼性に悪影響が生じ易い。ホウ素を含む金属含有層２０において、アモルファス領域が得られ、特性の変動が抑制でき、良好な信頼性が得られる。
ＳＭＲ解析の結果、第１ＳＭＲ試料（ＴａＢ層）におけるスピン拡散長λｓｐｉｎは、１．０６ｎｍである。一方、第２ＳＭＲ試料（Ｔａ層）におけるスピン拡散長λｓｐｉｎは、０．５１ｎｍである。Ｂを含む材料において、長いスピン拡散長λｓｐｉｎが得られる。スピン拡散長λｓｐｉｎが長いと、例えば、長い距離でもスピンが拡散し難い。長いスピン拡散長λｓｐｉｎにより、例えば、金属含有層２０の厚さを増大できる。
例えば、アモルファスＴａＢのようにλｓｐｉｎが大きな材料を用いることで、金属含有層２０の厚さを増大でき、例えば、金属含有層２０の抵抗を低減できる。
一方、第１ＳＭＲ試料（ＴａＢ層）において、ＴａＢ層の抵抗率ρは、２１５．２μΩｃｍであり、ＣｏＦｅＢ層の抵抗率ρは、１０３．３μΩｃｍである。第２ＳＭＲ試料（Ｔａ層）において、Ｔａ層の抵抗率ρは、１８５．５μΩｃｍであり、ＣｏＦｅＢ層の抵抗率ρは、５２．４μΩｃｍである。
第１ＳＭＲ試料におけるＣｏＦｅＢ層の抵抗率ρ（１０３．３μΩｃｍ）は、第２ＳＭＲ試料におけるＣｏＦｅＢ層の抵抗率ρ（５２．４μΩｃｍ）よりも、著しく高い。これは、第１ＳＭＲ試料におけるＣｏＦｅＢ層中のＢの濃度が、第２ＳＭＲ試料におけるＣｏＦｅＢ層中のＢの濃度よりも高いことが原因であると考えられる。
第１ＳＭＲ試料における、ＣｏＦｅＢ層の抵抗率ρ２に対するＴａＢ層の抵抗率ρ１（抵抗率比ρ１／ρ２）は、２．０８である。第２ＳＭＲ試料における、ＣｏＦｅＢ層の抵抗率ρ２に対するＴａ層の抵抗率ρ３（抵抗率比ρ３／ρ２）は、３．５４である。
金属含有層２０に電流が流れるとき、抵抗率比に応じて、第２磁性層１２にも電流の一部が流れる。第２ＳＭＲ試料においては、抵抗率比ρ３／ρ２が高いため、第２磁性層１２に流れる電流の割合が増え、金属含有層２０に流れる電流の割合が減少する。このため、磁化反転に必要な電流（電流密度）が大きくなる。これに対して、第１ＳＭＲ試料においては、抵抗率比ρ１／ρ２が低いため、第２磁性層１２に流れる電流の割合が低く、金属含有層２０に流れる電流の割合が上昇する。このため、磁化反転に必要な電流（電流密度）が小さくできる。
上記のように、実施形態において、ホウ素を含む第２領域２２により反転電流密度Ｊｓｗが低減できる（図２参照）。これは、例えば、磁気的Dead layerの厚さＤＬを低減できることが原因であると考えられる。厚さＤＬの低減の観点から、第２領域２２の厚さｔ２は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。さらに、第２領域２２による反転電流密度Ｊｓｗの低減は、例えば、飽和磁化Ｍｓ１の減少にも起因していると考えられる。第２領域２２による反転電流密度Ｊｓｗの低減は、例えば、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値の減少にも起因していると考えられる。第２領域２２による反転電流密度Ｊｓｗの低減は、例えば、スピンホール角θＳＨの増大にも起因していると考えられる。
以下、第２領域２２におけるホウ素の濃度（組成比）に関する実験結果について説明する。
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図９（ａ）は、第２領域２２におけるホウ素の濃度（組成比）と、磁気的Dead layerの厚さＤＬと、の関係を示す。図９（ｂ）は、第２領域２２におけるホウ素の濃度（組成比）と飽和磁化Ｍｓ１と、の関係を示す。試料は、図３に関して説明した「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＴａＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。試料において、第２領域２２におけるホウ素の濃度（第２濃度）が変更される。第２領域２２の厚さｔ２は、３ｎｍである。試料におけるこれ以外の構成は、図３に関して説明した試料の構成と同様である。これらの図において、横軸は、第２領域２２におけるホウ素の濃度（第２濃度Ｃ（Ｂ）、組成比）（原子パーセント：ａｔｍ％）である。第２濃度Ｃ（Ｂ）が０％である場合、第２領域２２が設けられない。この場合、厚さが１０ｎｍのＴａ層が設けられる。
図９（ａ）に示すように、第２濃度Ｃ（Ｂ）が１０ａｔｍ％以上において、磁気的Dead layerの厚さＤＬが減少する。第２濃度Ｃ（Ｂ）が１０ａｔｍ％以上において、厚さＤＬは、実質的に一定である。
図９（ｂ）に示すように、第２濃度Ｃ（Ｂ）が１０ａｔｍ％以上３０ａｔｍ％以下において、飽和磁化Ｍｓ１が小さい。
図１０は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図１０は、第２領域２２におけるホウ素濃度が異なる場合における、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆを示す。第４〜第８試料ＳＰ１４〜ＳＰ１８は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＴａＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。第４〜第８試料ＳＰ１４〜ＳＰ１８において、第２領域２２の厚さは、３ｎｍである。第４〜第８試料ＳＰ１４〜ＳＰ１８において、第２領域２２におけるホウ素の濃度（第２濃度）は、それぞれ、１０ａｔｍ％、１５ａｔｍ％、２０ａｔｍ％、３０ａｔｍ％または５０ａｔｍ％である。これ以外の構成は、図３に関して説明した試料と同様である。図１０に示す参考試料ＳＰＣ１は、図３に示す参考試料ＳＰＣ１と同様の構成を有する。図１０に示す参考試料ＳＰＣ１及び第４〜第８試料ＳＰ１４〜ＳＰ１８は、図３に示す参考試料ＳＰＣ１及び試料と、ＦｅＢ層の作製条件が異なる。図１０の横軸は、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）の厚さｔｍ２（ｎｍ）である。縦軸は、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）の垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆ（ｋＯｅ）である。
図１０に示すように、第４〜第８試料ＳＰ１４〜ＳＰ１８において、参考試料ＳＰＣ１よりも小さい絶対値の垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆが得られる。垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値の減少は、第２領域２２におけるホウ素の第２濃度が３０％のときに、実質的にピークとなる。第２領域２２におけるホウ素の第２濃度が５０％になると、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値は、大きくなる。
図９（ａ）、図９（ｂ）及び図１０の結果から、第２領域２２におけるホウ素の第２濃度は、１０ａｔｍ％以上５０ａｔｍ％以下が、好ましい。第２領域２２におけるホウ素の第２濃度は、１０ａｔｍ％以上３０ａｔｍ％以下が、さらに好ましい。この場合に、例えば、飽和磁化Ｍｓ１が、特に小さくなる。この場合に、例えば、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値が、特に小さくなる。
一方、実施形態において、第２磁性層１２にはホウ素が含まれなくても良い。または、実施形態において、第２磁性層１２はホウ素を含んでも良い。このとき、第２磁性層１２におけるホウ素の濃度は、第２領域２２におけるホウ素の濃度（第２濃度）よりも低い。例えば、第２磁性層１２におけるホウ素の濃度が、第２濃度よりも高い場合は、第２磁性層１２に含まれるホウ素が第２領域２２に移動し易くなり、第２磁性層１２に含まれるホウ素による特性が変動する場合がある。第２磁性層１２におけるホウ素の濃度が第２濃度よりも低いときに、第２磁性層１２におけるホウ素の濃度が安定し、所望の特性が得やすくなる。第２磁性層１２におけるホウ素の濃度は、例えば、３０原子パーセント（ａｔｍ％）以下である。
実施形態において、第２磁性層１２は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む第１元素を含む。実施形態において、第２磁性層１２は、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ及びＰからなる群から選択された少なくとも１つを含む第２元素を含んでも良い。例えば、第２磁性層１２における第２元素の濃度は、３０原子パーセント以下である。第２磁性層１２は、ホウ素をさらに含んでも良い。
例えば、第２磁性層１２、第２領域２２及び第１領域２１を分析した場合、第２磁性層１２におけるホウ素の濃度よりも、第２領域２２におけるホウ素の濃度（第２濃度）の方が高い。第１領域２１におけるホウ素の濃度（第１濃度）よりも、第２領域２２におけるホウ素の濃度（第２濃度）の方が高い。第２領域２２及び第１領域２１の中で、ホウ素の濃度分布が存在しても良い。例えば、第２領域２２から第１領域２１に向かって、ホウ素の濃度が緩やかに減少しても良い。
実施形態において、例えば、第１領域２１は、第２領域２２に含まれる第１金属を含む。同じ元素の第１金属元素が、第１領域２１及び第２領域２２に含まれることで、例えば、平坦性が、より向上する。例えば、第１領域２１と第２領域２２の濡れ性が、より向上する。
実施形態において、第２領域２２の少なくとも一部は、アモルファスである。
実施形態において、金属含有層２０は、酸素を含んでも良い。例えば、第２領域２２は、第１金属及びホウ素に加えて、酸素を含んでも良い。既に説明したように、第１金属は、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む。
第１領域２１は、第１金属を含んでも良い。または、第１領域２１は、第２金属を含んでも良い。第２金属は、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択された少なくとも１つを含み、第１金属とは異なる。第１領域２１は、第１金属及び第２金属の少なくとも１つと、酸素と、を含んでも良い。
第２領域２２が酸素を含む場合、例えば、大きな絶対値のスピンホール角θＳＨを得ることができる。第２領域２２における酸素の濃度は、適正な値に調整される。第２領域２２における酸素の濃度が、５ａｔｍ％以上のときに、例えば、大きな絶対値のスピンホール角θＳＨが得られる。第２領域２２における酸素の濃度が１５ａｔｍ％以下のときに、例えば、第２領域２２の抵抗率の増加を抑制できる。例えば、第２領域２２における酸素の濃度は、５ａｔｍ％以上１５ａｔｍ％以下である。
第２領域２２は、例えば、ＴａＢＯ、ＷＢＯ、ＲｅＢＯ、ＯｓＢＯ、ＩｒＢＯ、ＰｔＢＯ、ＡｕＢＯ、ＣｕＢＯ、ＡｇＢＯ及びＰｄＢＯからなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。第２領域２２は、この群から選択された少なくとも２つを含む複合材料を含んでも良い。第２領域２２は、例えば、ＴａＷＢＯ、ＴａＲｅＢＯ、ＴａＯｓＢＯ、ＴａＩｒＢＯ、ＴａＰｔＢＯ、ＴａＡｕＢＯ、ＴａＣｕＢＯ、ＴａＡｇＢＯ、ＴａＰｄＢＯ、ＷＲｅＢＯ、ＷＯｓＢＯ、ＷＩｒＢＯ、ＷＰｔＢＯ、ＷＡｕＢＯ、ＷＣｕＢＯ、ＷＡｇＢＯ、ＷＰｄＢＯ、ＲｅＯｓＢＯ、ＲｅＩｒＢＯ、ＲｅＰｔＢＯ、ＲｅＡｕＢＯ、ＲｅＣｕＢＯ、ＲｅＡｇＢＯ、ＲｅＰｄＢＯ、ＯｓＩｒＢＯ、ＯｓＰｔＢＯ、ＯｓＡｕＢＯ、ＯｓＣｕＢＯ、ＯｓＡｇＢＯ、ＯｓＰｄＢＯ、ＩｒＰｔＢＯ、ＰｔＡｇＢＯ、ＩｒＡｕＢＯ、ＩｒＣｕＢＯ、ＩｒＡｇＢＯ、ＩｒＰｄＢＯ、ＰｔＡｕＢＯ、ＰｔＣｕＢＯ、ＰｔＰｄＢＯ、ＡｕＣｕＢＯ、ＡｕＡｇＢＯ、ＡｕＰｄＢＯ、ＣｕＡｇＢＯ、ＣｕＰｄＢＯ及びＡｇＰｄＢＯからなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。
以下、第１金属がＷである場合の実験結果について説明する。以下の例では、第２金属がＴａである。
以下に説明する試料ＳＰ２０は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＷＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。基板（熱酸化膜付きシリコン基板）の上に、Ｔａ層（第１領域２１）が設けられる。Ｔａ層の厚さは、１０ｎｍである。Ｔａ層の上に、ＷＢ層（第２領域２２）が設けられる。ＷＢ層におけるＢの濃度は、２０ａｔｍ％である。ＷＢ層の上に、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）が設けられる。ＦｅＢ層におけるＢの濃度は、２０ａｔｍ％である。ＦｅＢ層の厚さは、１．５ｎｍ〜３．０ｎｍである。ＦｅＢ層の上に、ＭｇＯ層（第１非磁性層１１ｎ）が設けられる。ＭｇＯ層の厚さは、１．６ｎｍである。ＭｇＯ層の上に、別のＴａ層が設けられる。このＴａ層の厚さは、３ｎｍである。実験において、第２領域２２の厚さｔ２が、１ｎｍから３ｎｍの範囲で変更される。参考試料ＳＰＣ１及びＳＰＣ２においては、ホウ素を含む第２領域２２が設けられない。参考試料ＳＰＣ１は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。参考試料ＳＰＣ２においては、Ｔａの第１領域２１と、第２磁性層１２と、の間に、厚さが１ｎｍのタングステン層が設けられる。参考試料ＳＰＣ２は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｗ／Ｔａ」の積層構造を有する。
図１１は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図１１は、試料ＳＰ２０及び参考試料ＳＰＣ１及びＳＰＣ２における、磁気的Dead layerの厚さＤＬと、第２領域２２の厚さｔ２と、の関係を示している。図１１の横軸は、第２領域２２の厚さｔ２（ｎｍ）である。縦軸は、磁気的Dead layerの厚さＤＬ（ｎｍ）である。図１１において、参考試料ＳＰＣ１における磁気的Dead layerの厚さＤＬは、厚さｔ２が０ｎｍの位置に表示されている。図１１において、Ｗ層が設けられる参考試料ＳＰＣ２における磁気的Dead layerの厚さＤＬは、厚さｔ２が１ｎｍの位置に表示されている。
図１１から分かるように、参考試料ＳＰＣ１における磁気的Dead layerの厚さＤＬは、大きい。参考試料ＳＰＣ２における磁気的Dead layerの厚さＤＬは、参考試料ＳＰＣ１における磁気的Dead layerの厚さＤＬよりも小さい。ホウ素を含む第２領域２２を有する試料ＳＰ２０における磁気的Dead layerの厚さＤＬは、参考試料ＳＰＣ２における磁気的Dead layerの厚さＤＬよりも小さい。
図１１に示すように、第２領域２２の厚さｔ２が１ｎｍ以上において、磁気的Dead layerの厚さＤＬは小さい。
図１２は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図１２は、図１１に関して説明した試料における飽和磁化の評価結果を示す。試料ＳＰ２０は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＷＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。参考試料ＳＰＣ１は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。参考試料ＳＰＣ２は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｗ／Ｔａ」の積層構造を有する。図１２の横軸は、第２領域２２の厚さｔ２（ｎｍ）である。縦軸は、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）の飽和磁化Ｍｓ１（ｅｍｕ／ｃｍ３）である。
図１２から分かるように、参考試料ＳＰＣ１における飽和磁化Ｍｓ１は、大きい。参考試料ＳＰＣ２における飽和磁化Ｍｓ１は、参考試料ＳＰＣ１における飽和磁化Ｍｓ１よりも小さい。ホウ素を含む第２領域２２を有する試料ＳＰ２０における飽和磁化Ｍｓ１は、参考試料ＳＰＣ２における飽和磁化よりも小さい。
図１２に示すように、第２領域２２の厚さｔ２が１ｎｍ以上において、飽和磁化Ｍｓ１が小さくなる。
図１３は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図１３は、試料ＳＰ２２、試料ＳＰ２３、参考試料ＳＰＣ１、及び、参考試料ＳＰＣ２における、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの評価結果を示す。試料ＳＰ２２及び試料ＳＰ２３は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＷＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。試料ＳＰ２２において、ＷＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２は、１ｎｍであり、ＷＢ層におけるＢの濃度は、２０ａｔ％である。試料ＳＰ２３において、ＷＢ層（第２領域２２）の厚さｔ２は、３ｎｍであり、ＷＢ層におけるＢの濃度は２０ａｔｍ％である。試料ＳＰ２２及び試料ＳＰ２３において、Ｔａ層の厚さは、１０ｎｍである。参考試料ＳＰＣ１及び参考試料ＳＰＣ２においては、ホウ素を含む第２領域２２が設けられない。参考試料ＳＰＣ１は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。参考試料ＳＰＣ２は、「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／Ｗ／Ｔａ」の積層構造を有する。試料ＳＰＣ２において、Ｗ層の厚さは、１ｎｍである。図１３の横軸は、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）の厚さｔｍ２（ｎｍ）である。縦軸は、ＦｅＢ層（第２磁性層１２）の垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆ（ｋＯｅ）である。
図１３に示すように、試料ＳＰ２２及びＳＰ２３において、参考試料ＳＰＣ１及びＳＰＣ２よりも小さい絶対値の垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆが得られる。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、磁気記憶装置の特性を例示するグラフ図である。
図１４（ａ）は、第２領域２２がＷＢを含む場合において、第２領域２２におけるホウ素の濃度（組成比）と、磁気的Dead layerの厚さＤＬと、の関係を示す。図１４（ｂ）は、第２領域２２がＷＢを含む場合において、第２領域２２におけるホウ素の濃度（組成比）と飽和磁化Ｍｓ１と、の関係を示す。試料は、図１１に関して説明した「Ｔａ／ＭｇＯ／ＦｅＢ／ＷＢ／Ｔａ」の積層構造を有する。第２領域２２の厚さｔ２は、３ｎｍである。試料におけるこれ以外の構成は、図１１に関して説明した試料の構成と同様である。これらの図において、横軸は、第２領域２２におけるホウ素の濃度（第２濃度Ｃ（Ｂ））である。第２濃度Ｃ（Ｂ）が０％である場合、第２領域２２が設けられない。この場合、厚さが１０ｎｍのＴａ層が設けられる。
図１４（ａ）に示すように、第２濃度Ｃ（Ｂ）が２０ａｔｍ％以上において、磁気的Dead layerの厚さＤＬが短くなる。第２濃度Ｃ（Ｂ）が２０ａｔｍ％以上５０ａｔｍ％において、厚さＤＬは、実質的に一定である。
図１４（ｂ）に示すように、第２濃度Ｃ（Ｂ）が２０ａｔｍ％以上５０ａｔｍ％において、飽和磁化Ｍｓ１が小さい。
図１１、図１２、図１３、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に関して説明したように、第２領域２２（ＷＢ層）を設けることにより、例えば、磁気的Dead layerの厚さＤＬが小さくなり、飽和磁化Ｍｓ１が小さくなり、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値が小さくなる。これにより、例えば、反転電流密度Ｊｓｗが低くできる。これにより、例えば、書き込み電流を低減できる。
実施形態において、第２領域２２に含まれる第１金属は、複数の種類の元素を含んでも良い。例えば、第２領域２２は、ＴａＷＢを含み、第１領域２１は、Ｔａを含む。第２領域２２がＴａＷＢを含む場合も、例えば、書き込み電流を低減できる。第２領域２２は、例えば、ＴａＷＢ、ＴａＲｅＢ、ＴａＯｓＢ、ＴａＩｒＢ、ＴａＰｔＢ、ＴａＡｕＢ、ＴａＣｕＢ、ＴａＡｇＢ、ＴａＰｄＢ、ＷＲｅＢ、ＷＯｓＢ、ＷＩｒＢ、ＷＰｔＢ、ＷＡｕＢ、ＷＣｕＢ、ＷＡｇＢ、ＷＰｄＢ、ＲｅＯｓＢ、ＲｅＩｒＢ、ＲｅＰｔＢ、ＲｅＡｕＢ、ＲｅＣｕＢ、ＲｅＡｇＢ、ＲｅＰｄＢ、ＯｓＩｒＢ、ＯｓＰｔＢ、ＯｓＡｕＢ、ＯｓＣｕＢ、ＯｓＡｇＢ、ＯｓＰｄＢ、ＩｒＰｔＢ、ＩｒＡｕＢ、ＩｒＣｕＢ、ＩｒＡｇＢ、ＩｒＰｄＢ、ＰｔＡｕＢ、ＰｔＣｕＢ、ＰｔＡｇＢ、ＰｔＰｄＢ、ＡｕＣｕＢ、ＡｕＡｇＢ、ＡｕＰｄＢ、ＣｕＡｇＢＣｕＰｄＢ及びＡｇＰｄＢＯからなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。
実施形態において、第２領域２２に含まれる第１金属は、複数の種類の元素を含んでも良い。例えば、第２領域２２は、ＴａＨｆＢを含み、第１領域２１は、Ｔａを含む。第２領域２２がＴａＨｆＢを含む場合、例えば小さい絶対値の垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆが得られる。例えば、高い垂直磁気異方性が得られる。例えば、書き込み電流を低減できる。例えば、第１金属は、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択された少なくとも１つと、Ｈｆと、を含んでも良い。例えば、第２領域２２は、ＴａＨｆＢ、ＷＨｆＢ、ＲｅＨｆＢ、ＯｓＨｆＢ、ＩｒＨｆＢ、ＰｔＨｆＢ、ＡｕＨｆＢ、ＣｕＨｆＢ、ＡｇＨｆＢ及びＰｄＨｆＢからなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。
一般的に、金属含有層２０として重金属が用いられると、金属含有層２０の上に設けられる第２磁性層１２のダンピング定数αが高くなる傾向がある。実施形態において、第２領域２２がホウ素を含むことにより、第２領域２２における軽元素の濃度が高くなる。これにより、例えば、第２磁性層１２におけるダンピング定数αを低く維持できると考えられる。Precessional Switchingモードにおいて、ダンピング定数αが小さくなると、磁化反転のための電流密度が低くなる傾向がある。実施形態においては、ダンピング定数αが小さくできるため、例えば、書き込み電流を低減できる。
図１５は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置の一部を例示する模式的断面図である。
図１５に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１１０ａも、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２及び第１非磁性層１１ｎを含む。磁気記憶装置１１０ａにおいても制御部７０が設けられても良い。磁気記憶装置１１０ａは、第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂをさらに含む。これ以外の磁気記憶装置１１０ａにおける構成は、磁気記憶装置１１０の構成と同様である。
第１ホウ素化合物領域４１ａは、例えば、ホウ素を含む酸化物を含む。第２ホウ素化合物領域４１ｂは、ホウ素を含む酸化物を含む。
第２方向（例えばＸ軸方向）において、第１磁性層１１は、第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂの間にある。第２方向において、第１非磁性層１１ｎは、第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂの間にある。第２方向において、第２磁性層１２は、第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂの間にある。この例では、第２領域２２は、第２方向において、第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂの間にある。
このような、第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂは、例えば、以下のように形成される。第２領域２２となるホウ素を含んだ金属膜の加工の際に、磁性層及び第１非磁性層１１ｎなどの側面に、金属膜に含まれる元素（ホウ素）が付着し、例えば、膜が形成される。側面に付着したホウ素を含む膜を絶縁化するために、例えば、酸化処理などを行なう。これにより、第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂにおいて、酸化物が形成される。ホウ素を含む金属膜は、ホウ素を含まない金属膜に比べて、容易に酸化する。第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂがホウ素を含むと、絶縁性の酸化物が形成されやすい。例えば、ショートが抑制される。
例えば、金属含有層２０となる金属積層膜の上に、第２磁性層１２となる膜、第１非磁性層１１ｎとなる膜、及び、第１磁性層１１となる膜を含む積層膜が形成される。この例では、第１磁性層１１となる膜の上にさらに導電層２５（例えば電極層）が設けられる。この積層膜の上に、所定の形状のハードマスクＭ１が設けられる。例えば、ハードマスクＭ１は省略しても良い。この積層膜が加工されて、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び第１磁性層１１が得られる。この加工において、金属積層膜の表面部分の一部が、積層膜の側面に付着する。側面に付着したこの膜を酸化処理することにより酸化物を形成し、第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂが形成できる。
実施形態においては、第２領域２２となる金属膜がホウ素を含む。このため、ホウ素を含む酸化物が、積層膜の側面に形成される。例えば、ＴａまたはＷなどの第１金属に比べて、ホウ素は酸化されやすい。第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂが形成され易い。第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂにより、ＭＴＪ素子の側面において、良好な絶縁性が得られる。
磁気記憶装置１１０ａにおいては、良好な絶縁性により、電気的なショートが抑制できる。
図１６は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図１６に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１１１も、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。磁気記憶装置１１１においては、金属含有層２０の構成が、磁気記憶装置１１０におけるそれとは異なる。これ以外の磁気記憶装置１１１における構成は、磁気記憶装置１１０の構成と同様である。
磁気記憶装置１１１においては、金属含有層２０は、第１領域２１及び第２領域２２に加えて、第３領域２３及び第４領域２４をさらに含む。第２領域２２は、第２方向（Ｘ軸方向）において、第３領域２３及び第４領域２４の間にある。第３領域２３及び第４領域２４は、例えば、ホウ素を含まない。または、第３領域２３におけるホウ素の濃度及び第４領域２４におけるホウ素の濃度のそれぞれは、第２領域２２におけるホウ素の濃度（第２濃度）よりも低い。
磁気記憶装置１１１においては、金属含有層２０のうちの第２磁性層１２と重なる部分が、局所的にホウ素を含む。磁気記憶装置１１１においては、金属含有層２０のうちの第２磁性層１２と重ならない部分（例えば第３領域２３及び第４領域２４）は、第１領域２１と同様の組成を含む。例えば、金属含有層２０における抵抗を低くできる。例えば、第２領域２２における抵抗率は、第１領域２１、第３領域２３及び第４領域２４のそれぞれにおける抵抗率よりも高くなる傾向がある。ホウ素を含む部分を局所的に設けることで、金属含有層２０の抵抗を低くできる。
図１７は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図１７に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１１２も、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。磁気記憶装置１１２においては、金属含有層２０の構成が、磁気記憶装置１１０におけるそれとは異なる。これ以外の磁気記憶装置１１２における構成は、磁気記憶装置１１０の構成と同様である。
磁気記憶装置１１２においては、第２領域２２は、第１部分領域２２ｐ及び第２部分領域２２ｑを含む。第２部分領域２２ｑは、第１部分領域２２ｐと第１領域２１との間に設けられる。第１部分領域２２ｐにおける組成は、第２部分領域２２ｑにおける組成とは異なる。
例えば、第１部分領域２２ｐにおけるホウ素の濃度は、第２部分領域２２ｑにおけるホウ素の濃度とは異なる。例えば、第１部分領域２２ｐにおいて第１金属が複数の種類の元素を含み、第２部分領域２２ｑにおいて第１金属が１つ以上の種類の元素を含み、前者における第１金属の組成が後者における第１金属の組成とは異なる。例えば、第１部分領域２２ｐにおける酸素の濃度は、第２部分領域２２ｑにおける酸素の濃度とは異なる。
第１部分領域２２ｐは、例えば、第２磁性層１２の磁気的Dead layerの厚さＤＬを小さくする。第１部分領域２２ｐは、例えば、第２磁性層１２の飽和磁化Ｍｓ１を小さくする。第１部分領域２２ｐは、例えば、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆを大きくする。第１部分領域２２ｐは、例えば、ダンピング定数αを小さくする。例えば、第２部分領域２２ｑは、スピンホール角θＳＨを増大する。
上記の磁気記憶装置１１０、１１０ａ、１１１及び１１２においては、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍは、第３方向（例えばＹ軸方向）に沿う。第３方向は、第１方向及び第２方向と交差する。例えば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、第３方向に実質的に沿う。
これらの磁気記憶装置においては、例えば、第１磁性層１１の１つの方向の長さ（長軸方向の長さ）は、第１磁性層１１の別の１つの方向の長さ（短軸方向の長さ）よりも長い。第１磁性層１１の長軸方向は、第２方向（例えば、Ｘ軸方向）と交差する。第１磁性層１１の長軸方向は、第３方向（例えばＹ軸方向）に沿う。例えば、第１磁性層１１の第３方向（例えば、Ｙ軸方向）に沿う長さ（長軸方向の長さ）は、第１磁性層１１の第２方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿う長さ（短軸方向の長さ）よりも長い。
第１磁性層１１の長軸方向と、第２方向（例えば、Ｘ軸方向であり、金属含有層２０を流れる電流の方向）と、の間の角度（絶対値）は、３０度以上９０度以下である。このような構成において、例えば、書込み電流が低下し易い。
図１８は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図１８に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１２０も、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。磁気記憶装置１２０においては、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍの方向が、磁気記憶装置１１０におけるそれとは異なる。これ以外の磁気記憶装置１２０における構成は、磁気記憶装置１１０の構成と同様である。
磁気記憶装置１２０においては、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍは、第２方向（例えばＸ軸方向）に沿う。例えば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、第２方向に実質的に沿う。
磁気記憶装置１２０においては、例えば、Direct switchingモードの動作が行われる。Direct switchingモードにおける磁化反転の速度は、Precessional Switchingモードにおける磁化反転の速度よりも高い。Direct switchingモードにおいては、磁化反転は、歳差運動を伴わない。このため、磁化反転速度は、ダンピング定数αに依存しない。磁気記憶装置１２０においては、高速の磁化反転が得られる。
磁気記憶装置１２０において、例えば、第１磁性層１１の１つの方向の長さ（長軸方向の長さ）は、第１磁性層１１の別の１つの方向の長さ（短軸方向の長さ）よりも長い。例えば、第１磁性層１１の第２方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿う長さ（長軸方向の長さ）は、第１磁性層１１の第３方向（例えば、Ｙ軸方向）に沿う長さ（短軸方向の長さ）よりも長い。例えば、形状異方性により、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍが第２方向に沿い易くなる。
磁気記憶装置１２０において、例えば、第１磁性層１１の長軸方向は、第２方向に沿う。第１磁性層１１の長軸方向は、第２方向に対して傾斜しても良い。例えば、第１磁性層１１の長軸方向と、第２方向（金属含有層２０を流れる電流の方向に対応する方向）と、の間の角度（絶対値）は、例えば、０度以上３０度未満である。このような構成においては、例えば、高い書き込み速度が得られる。
図１９は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図１９に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１２１も、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。磁気記憶装置１２１においては、金属含有層２０は、既に説明した、第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３及び第４領域２４を含む。これ以外の磁気記憶装置１２１における構成は、磁気記憶装置１２０の構成と同様である。
図２０は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図２０に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１２２も、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。磁気記憶装置１２２においては、第２領域２２は、既に説明した、第１部分領域２２ｐ及び第２部分領域２２ｑを含む。これ以外の磁気記憶装置１２２における構成は、磁気記憶装置１２０の構成と同様である。
図２１は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図２１に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１３０も、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。磁気記憶装置１２０においては、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍの方向が、磁気記憶装置１１０におけるそれとは異なる。これ以外の磁気記憶装置１３０における構成は、磁気記憶装置１１０の構成と同様である。
磁気記憶装置１３０においては、第１磁性層１１の第１磁化１１Ｍは、第１方向（例えばＺ軸方向）に沿う。例えば、第２磁性層１２の第２磁化１２Ｍは、第１方向に実質的に沿う。
磁気記憶装置１３０においても、例えば、Direct switchingモードの動作が行われる。磁気記憶装置１３０においては、高速の磁化反転が得られる。
磁気記憶装置１３０においては、例えば、第１磁性層１１の第２方向に沿う長さは、第１磁性層１１の第３方向に沿う長さと実質的に同じでも良い。磁気記憶装置１３０においては、微細な第１積層体ＳＢ１（例えばＭＴＪ素子）を得やすい。例えば、高い記憶密度が得られる。
図２２は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図２２に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１３１も、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。磁気記憶装置１３１においては、金属含有層２０は、既に説明した、第１領域２１、第２領域２２、第３領域２３及び第４領域２４を含む。これ以外の磁気記憶装置１３１における構成は、磁気記憶装置１３０の構成と同様である。
図２３は、第１実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図２３に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置１３２も、金属含有層２０、第１磁性層１１、第２磁性層１２、第１非磁性層１１ｎ及び制御部７０を含む。磁気記憶装置１３２においては、第２領域２２は、既に説明した、第１部分領域２２ｐ及び第２部分領域２２ｑを含む。これ以外の磁気記憶装置１３２における構成は、磁気記憶装置１３０の構成と同様である。
磁気記憶装置１１０ａ、１１１、１１２、１２０、１２１、１２２、１３０、１３１及び１３２においても、例えば、磁気的Dead layerの厚さＤＬが小さくなり、飽和磁化Ｍｓ１が小さくなり、垂直異方性磁界Ｈｋ＿ｅｆｆの絶対値が小さくなる。例えば、絶対値の大きなスピンホール角θＳＨが得られる。これにより、例えば、反転電流密度Ｊｓｗが低くできる。これにより、例えば、書き込み電流を低減できる。磁気記憶装置１１１、１１２、１２０、１２１、１２２、１３０、１３１及び１３２において、既に説明した第１ホウ素化合物領域４１ａ及び第２ホウ素化合物領域４１ｂを設けても良い。
第１実施形態において、第２磁性層１２は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つの第１元素を含む。第２磁性層１２は、さらにホウ素を含んでも良い。第２磁性層１２は、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ及びＰからなる群から選択された少なくとも１つの第２元素をさらに含んでも良い。第２磁性層１２において、ホウ素及び第２元素の濃度は、例えば、３０ａｔｍ％以下である。これにより、例えば、格子定数、結晶性、磁気特性、機械的特性及び化学的特性の少なくともいずれかが制御できる。このような材料を用いることで、例えば、高いスピン分極率が得られる。例えば、第２磁性層１２は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ、ＣｏＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＰ、ＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＢ、ＦｅＮｉＳｉ及びＦｅＮｉＰからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２磁性層１２は、組成が異なる複数の膜を含む積層膜を含んでも良い。第２磁性層１２は、例えば、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢ／ＦｅＮｉＢを含む。第２磁性層１２は、例えば、組成が互いに異なる複数のＣｏＦｅＢ膜を含む積層膜を含んでも良い。第２磁性層１２は、例えば、組成が互いに異なる複数のＣｏＦｅ膜を含む積層膜を含んでも良い。
第２磁性層１２は、例えば、Ｃｏ基ホイスラー合金を含む磁性層を含んでも良い。Ｃｏ基ホイスラー合金は、Ｃｏ２ＹＺと表記される。第２磁性層１２は、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２Ｍｎ（Ｓｉ、Ｇｅ）及びＣｏ２Ｍｎ（Ｇａ、Ｇｅ）からなる群から選択された少なくとも１つを含む。
上記の具体例において、材料及び厚さは、適切に選択される。例えば、所定の厚さにおいて、形状磁気異方性が顕著に誘起される。面内磁化膜としての特性が得られる。例えば、所定の厚さにおいて、界面垂直磁気異方性が顕著に誘起される。垂直磁化膜としての特性が得られる。
第２磁性層１２は、例えば、積層構造を有しても良い。積層構造は、例えば、ＳＡＦ構造である。ＳＡＦ構造においては、例えば、隣接ビットへの漏れ磁界の影響を低減できる。
積層構造は、例えば、ＣｏＦｅ（Ｂ）／（Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ）／ＣｏＦｅ（Ｂ）、及び、Ｃｏ基ホイスラー合金／（Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ）／ＣｏＦｅ（Ｂ）などを含む。「（Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｃｒ）」の表記は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＣｒからなる群から選択された少なくとも１つを含むことを意味する。ＳＡＦ構造は、例えば、ＣｏＦｅ（Ｂ）／（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ）／ＣｏＦｅ（Ｂ）、及び、Ｃｏ基ホイスラー合金／（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ）／ＣｏＦｅ（Ｂ）からなる群から選択された少なくとも１つを含む。「（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ）」の記載は、Ｒｕ、Ｒｈ及びＩｒからなる群から選択された少なくとも１つを含むことを意味する。「（Ｂ）」の記載は、Ｂを含む、または、Ｂを実質的に含まないことを意味する。
第２磁性層１２は、垂直磁性膜を含んでも良い。第２磁性層１２が、垂直磁性膜である場合の例は、以下である。第２磁性層１２は、Ｍｎと、少なくとも１つの元素と、を含む。この少なくとも１つの元素は、Ａｌ、Ｇｅ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２磁性層１２は、例えば、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧｅ及びＭｎＡｌＧｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第２磁性層１２は、Ｍｎ、Ｇａ、及び、少なくとも１つの元素を含む。この少なくとも１つの元素は、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＤｙよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２磁性層１２は、例えば、ＭｎＧａＡｌ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＣｒ、ＭｎＧａＣｏ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕ、ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰ、ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ及びＭｎＧａＤｙよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。
第２磁性層１２は、垂直磁性膜を含む場合、第２磁性層１２は、例えば、合金を含んでも良い。この合金は、１つの元素と、別の１つの元素と、を含む。この１つの元素は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。この別の１つの元素は、例えば、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。上記の合金は、例えば、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ及びＣｏＰｄ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。これらの合金は、例えば、強磁性合金である。
第２磁性層１２は、積層体を含んでも良い。積層体は、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｉｒ人工格子、及び、Ｃｏ／Ａｕ人工格子よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。これらの人工格子において、元素の添加、及び、磁性膜と非磁性膜とにおける厚さの比が調整される。これにより、例えば、垂直磁気異方性及び飽和磁化が調整される。
上記の具体例において、材料及び結晶配向は、適切に選択される。例えば、結晶配向の向きを制御することで、面内磁化膜または垂直磁化膜としての特性が得られる。
第１磁性層１１は、第２磁性層１２の保磁力よりも大きい保磁力、第２磁性層１２の磁気異方性エネルギーよりも大きい磁気異方性エネルギー、及び、第２磁性層１２のダンピング定数よりも大きいダンピング定数の少なくともいずれかを有する。これにより、ＭＴＪ素子における電気抵抗の変化が安定して得られる。第１磁性層１１は、第１層及び第２層を含む積層膜を含んでも良い。第１層は、例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｆｅ及びＲｈからなる群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｍｎと、を含む。第２層は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。第１磁性層１１は、例えば、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ、ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ、ＦｅＭｎ／ＣｏＦｅ、及び、ＲｈＭｎ／ＣｏＦｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。例えば、安定した磁化方向が得られる。第１磁性層１１は、第１層、第２層、第３層及び第４層を含んでも良い。第４層は、第３層と第２層との間に設けられる。第３層は、例えば、第１非磁性層１１ｎと接し、例えば高いスピン分極率を有する。第１磁性層１１は例えば、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ、ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ、ＦｅＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ、及び、ＲｈＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢからなる群から選択された少なくとも１つを含む。これにより、例えば、安定した磁化方向が得られる。例えば、ＭＴＪ素子における電気抵抗の変化が安定して得られる。
第１磁性層１１は、例えば、垂直磁性膜を含んでも良い。第１磁性層１１が、垂直磁性膜を含む場合、例えば、第１磁性層１１は、Ｍｎ、及び、少なくとも１つの元素を含む。この少なくとも１つの元素は、Ａｌ、Ｇｅ及びＧａから選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１は、例えば、ＭｎＧａ、ＭｎＡｌ、ＭｎＧｅ及びＭｎＡｌＧｅからなる群から選択された少なくとも１つを含む。例えば、第１磁性層１１は、Ｍｎ、Ｇａ、及び、少なくとも１つの元素を含む。この少なくとも１つの元素は、Ａｌ、Ｇｅ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｃ、Ｐ、Ｇｄ、Ｔｂ及びＤｙからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１は、例えば、ＭｎＧａＡｌ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＧａＩｒ、ＭｎＧａＣｒ、ＭｎＧａＣｏ、ＭｎＧａＰｔ、ＭｎＧａＲｕ、ＭｎＧａＰｄ、ＭｎＧａＲｈ、ＭｎＧａＮｉ、ＭｎＧａＦｅ、ＭｎＧａＲｅ、ＭｎＧａＡｕ、ＭｎＧａＣｕ、ＭｎＧａＢ、ＭｎＧａＣ、ＭｎＧａＰ、ＭｎＧａＧｄ、ＭｎＧａＴｂ及びＭｎＧａＤｙからなる群から選択された少なくとも１つを含む。
第１磁性層１１が垂直磁性膜を含む場合、第１磁性層１１は、例えば、合金を含んでも良い。この合金の少なくとも一部の結晶は、例えば、面心立方構造（ＦＣＣ）の（１１１）に配向する。または、この合金の少なくとも一部の結晶は、六方最密充填構造（ＨＣＰ）の（０００１）に配向する。第１磁性層１１に含まれる合金は、例えば、人工格子を形成し得る。例えば、ＦＣＣの（１１１）またはＨＣＰの（０００１）に結晶配向する上記の合金は、例えば、１つの元素と、別の１つの元素と、を含む。この１つの元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。この別の１つの元素は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１に含まれる合金は、例えば、強磁性合金である。この強磁性合金は、例えば、ＣｏＰｄ、ＣｏＰｔ、ＮｉＣｏ及びＮｉＰｔからなる群から選択された少なくとも１つを含む。
第１磁性層１１に含まれ人工格子を形成し得る上記の合金は、例えば、交互に積層された第１層及び第２層を含む。第１層は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された１つの元素を含む合金（強磁性膜）を含む。第２層は、例えば、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ及びＣｕからなる群から選択された１つの元素を含む合金（非磁性膜）を含む。第１磁性層１１は、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｐｄ人工格子、ＣｏＣｒ／Ｐｔ人工格子、Ｃｏ／Ｒｕ人工格子、Ｃｏ／Ｉｒ人工格子、Ｃｏ／Ｏｓ人工格子、Ｃｏ／Ａｕ人工格子、及び、Ｎｉ／Ｃｕ人工格子からなる群から選択された少なくとも１つを含む。これらの人工格子において、強磁性膜への元素の添加、及び、強磁性膜と非磁性膜との厚さの比の少なくともいずれかが、調整される。垂直磁気異方性及び飽和磁化の少なくともいずれかが調整できる。
第１磁性層１１は、合金を含んでも良い。この合金は、１つの元素と、別の１つの元素と、を含む。この１つの元素は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。この１つの元素は、例えば、遷移金属である。この別の１つの元素は、例えば、Ｔｂ、Ｄｙ及びＧｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む。この別の１つの元素は、例えば、希土類金属である。第１磁性層１１は、例えば、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＴｂＣｏからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１は、積層体を含んでも良い。この積層体は、複数の層を含む。この複数の層のそれぞれは、上記の合金を含む。積層体において、複数の種類の層が、交互に積層されても良い。第１磁性層１１は、例えば、ＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ、ＤｙＦｅ／Ｃｏ、ＤｙＣｏ／Ｆｅ及びＤｙＦｅＣｏ／ＣｏＦｅからなる群から選択された少なくとも１つの積層体を含んでも良い。これらの合金において、例えば、厚さ及び組成の少なくともいずれかが調整される。例えば、垂直磁気異方性及び飽和磁化の少なくともいずれかが調整される。
第１磁性層１１は、合金を含んでも良い。この合金は、１つの元素と、別の１つの元素と、を含む。この１つの元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＣｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。この別の１つの元素は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ及びＡｕからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１磁性層１１は、例えば、強磁性合金を含む。この強磁性合金は、ＦｅＲｈ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ及びＣｏＰｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む。
第１非磁性層１１ｎは、例えば、ＭｇＯ、ＭｇＡｌＯ及びＡｌＯからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１非磁性層１１ｎは、これらの材料を含む複数の膜を含む積層膜を含んでも良い。第１非磁性層１１ｎは、他の非磁性金属を更に含んでも良い。
（第２実施形態）
図２４は、第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図２４に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置２１０においては、複数の積層体（第１積層体ＳＢ１、第２積層体ＳＢ２及び積層体ＳＢｘなど）が設けられる。そして、複数のスイッチ（スイッチＳｗ１、スイッチＳｗ２及びスイッチＳｗｘなど）が設けられる。磁気記憶装置２１０におけるこれ以外の構成は、磁気記憶装置１１０と同様である。
複数の積層体は、金属含有層２０に沿って並ぶ。例えば、第２積層体ＳＢ２は、第３磁性層１３、第４磁性層１４及び第２非磁性層１２ｎを含む。第３磁性層１３は、金属含有層２０の一部と、第１方向（Ｚ軸方向）において離れる。第４磁性層１４は、金属含有層２０のその一部と、第３磁性層１３と、の間に設けられる。第２非磁性層１２ｎは、第３磁性層１３と第４磁性層１４との間に設けられる。
例えば、第３磁性層１３は、第２方向（例えばＸ軸方向）において、第１磁性層１１から離れる。第４磁性層１４は、第２方向において、第２磁性層１２から離れる。第２非磁性層１２ｎは、第２方向において、第１非磁性層１１ｎから離れる。
例えば、積層体ＳＢｘは、磁性層１１ｘ、磁性層１２ｘ及び非磁性層１１ｎｘを含む。磁性層１１ｘは、金属含有層２０の別の一部と、第１方向（Ｚ軸方向）において離れる。磁性層１２ｘは、金属含有層２０のその別の一部と、磁性層１１ｘと、の間に設けられる。非磁性層１１ｎｘは、磁性層１１ｘと磁性層１２ｘとの間に設けられる。
例えば、第３磁性層１３の材料及び構成は、第１磁性層１１の材料及び構成と同じである。例えば、第４磁性層１４の材料及び構成は、第２磁性層１２の材料及び構成と同じである。例えば、第２非磁性層１２ｎの材料及び構成は、第１非磁性層１１ｎの材料及び構成と同じである。
複数の積層体は、複数のメモリセルＭＣとして機能する。
金属含有層２０の第２領域２２は、第４磁性層１４と第１領域２１との間にも設けられる。金属含有層２０の第２領域２２は、磁性層１２ｘと第１領域２１との間にも設けられる。
スイッチＳｗ１は、第１磁性層１１と電気的に接続される。スイッチＳｗ２は、第３磁性層１３と電気的に接続される。スイッチＳｗｘは、磁性層１１ｘと電気的に接続される。これらのスイッチは、制御部７０の制御回路７５と電気的に接続される。これらのスイッチにより、複数の積層体のいずれかが選択される。
磁気記憶装置２１０の例においては、第２領域２２は、第２方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿って延びる。複数の積層体の間に対応する領域にも、第２領域２２が設けられる。
図２５は、第２実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図２５に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置２１１においても、複数の積層体及び複数のスイッチが設けられる。磁気記憶装置２１１におけるこれ以外の構成は、磁気記憶装置１１１と同様である。
磁気記憶装置２１１においては、ホウ素を含む第２領域２２が、複数の積層体のそれぞれと、第１領域２１と、の間において、局所的に設けられる。
図２６は、第２実施形態に係る別の磁気記憶装置を例示する模式的斜視図である。
図２６に示すように、本実施形態に係る別の磁気記憶装置２１２においても、複数の積層体及び複数のスイッチが設けられる。磁気記憶装置２１２におけるこれ以外の構成は、磁気記憶装置１１２と同様である。
磁気記憶装置２１２においては、第２領域２２は、第１部分領域２２ｐ及び第２部分領域２２ｑを含む。
磁気記憶装置２１０、２１１及び２１２においても、例えば、書き込み電流を低減できる。
磁気記憶装置１２０〜１２２、及び、１３０〜１３２の構成を有する複数の積層体が設けられても良い。これらの磁気記憶装置においても、例えば、書き込み電流を低減できる。
（第３実施形態）
図２７は、第３実施形態に係る磁気記憶装置を示す模式図である。
図２７に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置３１０においては、メモリセルアレイＭＣＡ、複数の第１配線（例えば、ワード線ＷＬ１及びＷＬ２など）、複数の第２配線（例えば、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２及びＢＬ３など）、及び、制御部７０が設けられる。複数の第１配線は、１つの方向に延びる。複数の第２配線は、別の１つの方向に延びる。制御部７０は、ワード線選択回路７０ＷＳ、第１ビット線選択回路７０ＢＳａ、第２ビット線選択回路７０ＢＳｂと、第１書込み回路７０Ｗａ、第２書き込み回路７０Ｗｂ、第１読出し回路７０Ｒａ、及び、第２読出し回路７０Ｒｂ、を含む。メモリセルアレイＭＣＡにおいて、複数のメモリセルＭＣが、アレイ状に並ぶ。
例えば、複数のメモリセルＭＣの１つに対応して、スイッチＳｗ１及びスイッチＳｗＳ１が設けられる。これらのスイッチは、複数のメモリセルの１つに含められると見なす。これらのスイッチは、制御部７０に含まれると見なされても良い。これらのスイッチは、例えば、トランジスタである。複数のメモリセルＭＣの１つは、例えば、積層体（例えば第１積層体ＳＢ１）を含む。
図２４〜図２６に関して説明したように、１つの金属層２０に、複数の積層体（第１積層体ＳＢ１、第２積層体ＳＢ２及び積層体ＳＢｘなど）が設けられても良い。そして、複数の積層体に、複数のスイッチ（スイッチＳｗ１、スイッチＳｗ２及びスイッチＳｗｘなど）がそれぞれ設けられても良い。図２７においては、図を見やすくするために、１つの金属含有層２０に１つに対応して、１つの積層体（積層体ＳＢ１など）と、１つのスイッチ（スイッチＷｓ１など）と、が描かれている。
図２７に示すように、第１積層体ＳＢ１の一端は、金属含有層２０に接続される。第１積層体ＳＢ１の他端は、スイッチＳｗ１のソース及びドレインの一方に接続される。スイッチＳｗ１のソース及びドレインの他方は、ビット線ＢＬ１に接続される。スイッチＳｗ１のゲートは、ワード線ＷＬ１に接続される。金属含有層２０の一端（例えば第１部分２０ａ）は、スイッチＳｗＳ１のソース及びドレインの一方に接続される。金属含有層２０の他端（例えば第２部分２０ｂ）は、ビット線ＢＬ３に接続される。スイッチＳｗＳ１のソース及びドレインの他方は、ビット線ＢＬ２に接続される。スイッチＳｗＳ１のゲートは、ワード線ＷＬ２に接続される。
複数のメモリセルＭＣの他の１つにおいて、積層体ＳＢｘ、スイッチＳｗｘ及びスイッチＳｗＳｘが設けられる。
メモリセルＭＣへの情報の書込み動作の例について説明する。
書込みを行なう１つのメモリセルＭＣ（選択メモリセル）のスイッチＳｗＳ１がオン状態とされる。例えば、オン状態は、この１つのスイッチＳｗＳ１のゲートが接続されたワード線ＷＬ２が、ハイレベルの電位に設定されて形成される。電位の設定は、ワード線選択回路７０ＷＳにより行われる。上記の１つのメモリセルＭＣ（選択メモリセル）を含む列の他のメモリセルＭＣ（非選択メモリセル）におけるスイッチＳｗＳ１もオン状態となる。メモリセルＭＣ（選択メモリセル）内のスイッチＳｗＳ１のゲートに接続されるワード線ＷＬ１、及び、他の列に対応するワード線ＷＬ１及びＷＬ２は、ロウレベルの電位に設定される。
書込みを行なうメモリセルＭＣ（選択セル）に接続されたビット線ＢＬ２及びＢＬ３が、選択される。選択は、第１ビット線選択回路７０ＢＳａ及び第２ビット線選択回路７０ＢＳｂにより行われる。この選択されたビット線ＢＬ２及びＢＬ３に、書込み電流が供給される。書き込み電流の供給は、第１書込み回路７０Ｗａ及び第２書き込み回路７０Ｗｂによって行われる。書き込み電流は、第１ビット線選択回路７０ＢＳａ及び第２ビット線選択回路７０ＢＳｂの一方から、第１ビット線選択回路７０ＢＳａ及び第２ビット線選択回路７０ＢＳｂの他方に向けて流れる。書込み電流によって、ＭＴＪ素子（第１積層体ＳＢ１など）の記憶層（第２磁性層１２など）の磁化方向が変化可能になる。第１ビット線選択回路７０ＢＳａ及び第２ビット線選択回路７０ＢＳｂの他方から、第１ビット線選択回路７０ＢＳａ及び第２ビット線選択回路７０ＢＳｂの一方に向けて書込み電流が流れると、ＭＴＪ素子の記憶層の磁化方向が、上記とは反対方向に変化可能となる。このようにして、書込みが行われる。
以下、メモリセルＭＣからの情報の読出し動作の例について説明する。
読出しを行なうメモリセルＭＣ（選択セル）に接続されたワード線ＷＬ１がハイレベルの電位に設定される。上記のメモリセルＭＣ（選択セル）内のスイッチＳｗ１がオン状態にされる。このとき、上記のメモリセルＭＣ（選択セル）を含む列の他のメモリセルＭＣ（非選択セル）におけるスイッチＳｗ１もオン状態となる。上記のメモリセルＭＣ（選択セル）内のスイッチＳｗＳ１のゲートに接続されるワード線ＷＬ２、及び、他の列に対応するワード線ＷＬ１及びＷＬ２は、ロウレベルの電位に設定される。
読出しを行なうメモリセルＭＣ（選択セル）に接続されたビット線ＢＬ１及びＢＬ３が、選択される。選択は、第１ビット線選択回路７０ＢＳａ及び第２ビット線選択回路７０ＢＳｂにより行われる。この選択されたビット線ＢＬ１及びビット線ＢＬ３に、読出し電流が供給される。読み出し電流の供給は、第１読出し回路７０Ｒａ及び第２読み出し回路７０Ｒｂにより行われる。読み出し電流は、第１ビット線選択回路７０ＢＳａ及び第２ビット線選択回路７０ＢＳｂの一方から、第１ビット線選択回路７０ＢＳａ及び第２ビット線選択回路７０ＢＳｂの他方に向けて流れる。例えば、上記の選択されたビット線ＢＬ１及びＢＬ３の間の電圧が、第１読出し回路７０Ｒａ及び第２読み出し回路７０Ｒｂによって、検出される。例えば、ＭＴＪ素子の、記憶層（第２磁性層１２）の磁化と、参照層（第１磁性層１１）の磁化と、の間の差が検出される。差は、磁化の向きが互いに平行状態（同じ向き）か、または、互いに反平行状態（逆向き）か、を含む。このようにして、読出し動作が行われる。
実施形態によれば、書き込み電流を低減できる磁気記憶装置が提供できる。
本願明細書において、「第１材料／第２材料」の記載は、第２材料の上に第１材料が位置することを意味する。例えば、第２材料の層の上に第１材料の層が形成される。
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、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磁性層、非磁性層、金属含有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。
各例のいずれか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。
本発明の実施の形態として上述した磁気記憶装置を基にして、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も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
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、 １１Ｍ…第１磁化、 １１ｎ…第１非磁性層、 １１ｎｘ…非磁性層、 １１ｘ…磁性層、 １２…第２磁性層、 １２Ｍ…第２磁化、 １２ａ…第１磁性領域、 １２ｂ…第２磁性領域、 １２ｎ…第２非磁性層、 １２ｘ…磁性層、 １３…第３磁性層、 １４…第４磁性層、 ２０…金属含有層、 ２０ａ…第１部分、 ２０ｂ…第２部分、 ２０ｃ…第３部分、 ２１…第１領域、 ２２…第２領域、 ２２ｐ…第１部分領域、 ２２ｑ…第２部分領域、 ２３…第３領域、 ２４…第４領域、 ２５…導電層、 ４１ａ…第１ホウ素化合物領域、 ４１ｂ…第２ホウ素化合物領域、 ７０…制御部、 ７０ＢＳａ…第１ビット線選択回路、 ７０ＢＳｂ…第２ビット線選択回路、 ７０Ｒａ…第１読み出し回路、 ７０Ｒｂ…第２読み出し回路、 ７０ＷＳ…ワード線選択回路、 ７０Ｗａ…第１書き込み回路、 ７０Ｗｂ…第２書き込み回路、 ７０ａ、７０ｂ、７０ｃ…配線、 ７５…制御回路、 １１０、１１０ａ、１１１、１１２、１２０〜１２２、１３０〜１３２、２１０〜２１２、３１０…磁気記憶装置、 ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３…ビット線、 Ｃ（Ｂ）…第２濃度、 ＤＬ…厚さ、 Ｈｋ＿ｅｆｆ…垂直異方性磁界、 Ｉｗ１…第１電流、 Ｉｗ２…第２電流、 Ｊｓｗ…反転電流密度、 Ｌｘ、Ｌｙ…長さ、 Ｍ１…ハードマスク、 ＭＣ…メモリセル、 ＭＣＡ…メモリセルアレイ、 Ｍｓ１…飽和磁化、 Ｐ０１〜Ｐ０７…第１〜第７位置、 ＳＢ１…第１積層体、 ＳＢ２…第２積層体、 ＳＢｘ…積層体、 ＳＰ１１〜ＳＰ１８…第１〜第８試料、 ＳＰ２０〜ＳＰ２３…試料、 ＳＰＣ１、ＳＰＣ２…参考試料、 Ｓｗ１、Ｓｗ２…スイッチ、 ＳｗＳ１、ＳｗＳｘ…スイッチ、 Ｓｗｘ…スイッチ、 Ｖ０…基準電位、 Ｖ１、Ｖ２…第１、第２電圧、 ＷＬ１、ＷＬ２…ワード線、 ｔ、ｔ１、ｔ２、ｔｍ２…厚さ

Claims (16)

  1. 第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分と、を含む金属含有層と、
    前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向と交差する第１方向において前記第３部分から離れた第１磁性層と、
    前記第３部分と前記第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第１非磁性層と、
    前記第１部分及び第２部分と電気的に接続された制御部と、
    を備え、
    前記第３部分は、第１金属を含む第１領域と、前記第１領域と前記第２磁性層との間に設けられ前記第１金属及びホウ素を含む第２領域と、を含み、
    前記第１領域はホウ素を含まない、または、前記第１領域におけるホウ素の第１濃度は、前記第２領域におけるホウ素の第２濃度よりも低く、
    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電流を前記金属含有層に供給する第１動作と、
    前記第２部分から前記第１部分に向かう第２電流を前記金属含有層に供給する第２動作と、
    を実施する、磁気記憶装置。
  2. 前記第２領域の前記第１方向に沿う厚さは、１ナノメートル以上７ナノメートル以下である、請求項１記載の磁気記憶装置。
  3. 前記第２磁性層はホウ素を含まない、または、前記第２磁性層はホウ素を含み前記第２磁性層におけるホウ素の濃度は前記第２濃度よりも低い、請求項１または２に記載の磁気記憶装置。
  4. 前記第２領域の少なくとも一部は、アモルファスである、請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  5. 前記第２磁性層におけるホウ素の前記濃度は、３０原子パーセント以下である、請求項１〜４のいずれか１つ記載の磁気記憶装置。
  6. 前記第１金属は、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｄからなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  7. 前記第２濃度は、１０原子パーセント以上５０原子パーセント以下である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  8. 前記第１領域は、前記第１部分と前記第２部分との間において前記第２方向に沿って延び、
    前記第２領域は、前記第１部分と前記第２部分との間において前記第２方向に沿って延びた、請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  9. 前記金属含有層は、第３領域及び第４領域をさらに含み、
    前記第２領域は、前記第２方向において前記第３領域及び前記第４領域の間にあり、
    前記第３領域及び前記第４領域はホウ素を含まない、または、前記第３領域におけるホウ素の濃度及び前記第４領域におけるホウ素の濃度のそれぞれは前記第２濃度よりも低い、請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  10. 前記第２領域は、酸素をさらに含み、
    前記第２領域における酸素の濃度は、５原子パーセント以上１５原子パーセント以下である、請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  11. ホウ素を含む酸化物を含む第１ホウ素化合物領域と、
    ホウ素を含む酸化物を含む第２ホウ素化合物領域と、
    をさらに備え、
    前記第２方向において、前記第１磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にあり、
    前記第２方向において、前記第１非磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にあり、
    前記第２方向において、前記第２磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にある、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  12. 前記第２領域は、第１部分領域と、前記第１部分領域と前記第１領域の間に設けられた第２部分領域と、を含み、
    前記第１部分領域における組成は、前記第２部分領域における組成とは異なる、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  13. 前記制御部は、
    前記第１磁性層とさらに電気的に接続され、
    前記制御部は、第３動作及び第４動作をさらに実施し、
    前記制御部は、
    前記第１動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を第１電圧とし、
    前記第２動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を前記第１電圧とし、
    前記第３動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を第２電圧とし、前記第１電流を前記金属含有層に供給し、
    前記第４動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を前記第２電圧とし、前記第２電流を前記金属含有層に供給し、
    前記第１電圧は、前記第２電圧とは異なり、
    前記第１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電気抵抗とは異なり、
    前記第１電気抵抗と前記第２電気抵抗との差の絶対値は、前記第３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３電気抵抗と、前記第４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４電気抵抗と、の差の絶対値よりも大きい、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の磁気記憶装置。
  14. 第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分と、を含む金属含有層と、
    前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向と交差する第１方向において前記第３部分から離れた第１磁性層と、
    前記第３部分と前記第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第１非磁性層と、
    前記第１部分及び第２部分と電気的に接続された制御部と、
    を備え、
    前記第３部分は、第１領域と、前記第１領域と前記第２磁性層との間に設けられ第１金属及びホウ素を含む第２領域と、を含み、
    前記第１領域はホウ素を含まない、または、前記第１領域におけるホウ素の第１濃度は、前記第２領域におけるホウ素の第２濃度よりも低く、
    前記第２領域の前記第１方向に沿う厚さは、１ナノメートル以上７ナノメートル以下であり、
    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電流を前記金属含有層に供給する第１動作と、
    前記第２部分から前記第１部分に向かう第２電流を前記金属含有層に供給する第２動作と、
    を実施し、
    前記金属含有層は、第３領域及び第４領域をさらに含み、
    前記第２領域は、前記第２方向において前記第３領域及び前記第４領域の間にあり、
    前記第３領域及び前記第４領域はホウ素を含まない、または、前記第３領域におけるホウ素の濃度及び前記第４領域におけるホウ素の濃度のそれぞれは前記第２濃度よりも低い、磁気記憶装置。
  15. 第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分と、を含む金属含有層と、
    前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向と交差する第１方向において前記第３部分から離れた第１磁性層と、
    前記第３部分と前記第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第１非磁性層と、
    前記第１部分及び第２部分と電気的に接続された制御部と、
    を備え、
    前記第３部分は、第１領域と、前記第１領域と前記第２磁性層との間に設けられ第１金属及びホウ素を含む第２領域と、を含み、
    前記第１領域はホウ素を含まない、または、前記第１領域におけるホウ素の第１濃度は、前記第２領域におけるホウ素の第２濃度よりも低く、
    前記第２領域の前記第１方向に沿う厚さは、１ナノメートル以上７ナノメートル以下であり、
    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電流を前記金属含有層に供給する第１動作と、
    前記第２部分から前記第１部分に向かう第２電流を前記金属含有層に供給する第２動作と、
    を実施し、
    ホウ素を含む酸化物を含む第１ホウ素化合物領域と、
    ホウ素を含む酸化物を含む第２ホウ素化合物領域と、
    をさらに備え、
    前記第２方向において、前記第１磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にあり、
    前記第２方向において、前記第１非磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にあり、
    前記第２方向において、前記第２磁性層は、第１ホウ素化合物領域及び第２ホウ素化合物領域の間にある、磁気記憶装置。
  16. 第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間の第３部分と、を含む金属含有層と、
    前記第１部分から前記第２部分に向かう第２方向と交差する第１方向において前記第３部分から離れた第１磁性層と、
    前記第３部分と前記第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第１非磁性層と、
    前記第１部分及び第２部分と電気的に接続された制御部と、
    を備え、
    前記第３部分は、第１領域と、前記第１領域と前記第２磁性層との間に設けられ第１金属及びホウ素を含む第２領域と、を含み、
    前記第１領域はホウ素を含まない、または、前記第１領域におけるホウ素の第１濃度は、前記第２領域におけるホウ素の第２濃度よりも低く、
    前記第２領域の前記第１方向に沿う厚さは、１ナノメートル以上７ナノメートル以下であり、
    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電流を前記金属含有層に供給する第１動作と、
    前記第２部分から前記第１部分に向かう第２電流を前記金属含有層に供給する第２動作と、
    を実施し、
    前記制御部は、
    前記第１磁性層とさらに電気的に接続され、
    前記制御部は、第３動作及び第４動作をさらに実施し、
    前記制御部は、
    前記第１動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を第１電圧とし、
    前記第２動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を前記第１電圧とし、
    前記第３動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を第２電圧とし、前記第１電流を前記金属含有層に供給し、
    前記第４動作において、前記第１部分と前記第１磁性層との間の電位差を前記第２電圧とし、前記第２電流を前記金属含有層に供給し、
    前記第１電圧は、前記第２電圧とは異なり、
    前記第１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電気抵抗とは異なり、
    前記第１電気抵抗と前記第２電気抵抗との差の絶対値は、前記第３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３電気抵抗と、前記第４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４電気抵抗と、の差の絶対値よりも大きい、磁気記憶装置。
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