JP6553857B2

JP6553857B2 - 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ

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Publication number: JP6553857B2
Application number: JP2014190304A
Authority: JP
Inventors: 義明園部; 康之嘉山; 博介伊藤
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2014-09-18
Filing date: 2014-09-18
Publication date: 2019-07-31
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Description

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

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

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

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

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

特開２００５−０３２８７８号公報特開２０１２−２０４６８３号公報

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

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

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

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

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

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

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

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

このような構成によれば、大きなＭＲ比（磁気抵抗効果）が得られる。

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

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

また、素子抵抗値が３０Ωμｍ^２以下であることを特徴としてもよい。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

固定層１３は、強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。強磁性絶縁体として、例えば、強磁性酸化物が挙げられる。強磁性酸化物として、例えば、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４（ここで、０＜Ｘ＜３）やＢａＦｅ_１２Ｏ_１９などが挙げられる。このような強磁性酸化物として、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４は、５×１０^５Ｊ／ｍ^３（＝５×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ）よりも高い磁気異方性を有するため、特に好ましい。Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４の一例として、ＣｏＦe_２Ｏ_４（この一例では、Ｘ＝１）が挙げられる。また、Ｘが０．５よりも大きいとさらに好ましく、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４がスピネル型結晶構造を有するとさらに好ましい。なお、ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９が六方晶型結晶構造を有すると好ましい。固定層１３は、所定の磁化方向を維持する。この所定の磁化方向は、例えば、膜面に垂直な方向や、膜面内における長手方向であってもよい。なお、固定層１３は、磁化固着層、磁化固定層、参照層、磁化参照層、ピン層、基準層、磁化基準層などと称してもよい。
また、固定層１３では、その伝導帯において磁気分裂が生じ、伝導電子のスピンの向きによってトンネル確率が異なる。このため固定層１３の磁化と平行な（あるいは反平行な）スピンを持つ電子がより多く固定層１３を通り抜けるスピンフィルタ効果が生じる。スピンフィルタ効果のスピン分極率は，固定層１３の膜の厚みを変えることにより変更することができる。

スペーサ層１２は、非磁性金属、例えば、常磁性金属からなる。常磁性金属として、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、又は、これらの合金が挙げられる。

記憶層１１は、固定層１３と同じ種類の強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。記憶層１１は、可変な磁化方向を有する。記憶層１１は、例えば、膜面に対して垂直に磁化されており、上方又は下方に向く。記憶層１１は、自由層、磁化自由層、磁化可変層などと称してもよい。記憶層１１の厚みは、目標とするＭＴＪ素子１０の素子抵抗値ＲＡに応じて、適宜変更してもよい。

ここで、メモリセル１００へのデータの書き込み動作について説明する。複数のメモリセル１００のうち、データを書き込む対象として１つのメモリセル１００を選択する。選択されたメモリセル１００では、ワード線８が活性化して、選択トランジスタとしてターンオンする。メモリセル１００は、書き込むデータに基づいて、書き込み回路（不図示）から書き込み電流を供給される。例えば、電流をビット線１に流すと、ＭＴＪ素子１０に流れる。すると、記憶層１１及び固定層１３は絶縁性を有するため、記憶層１１及び固定層１３の温度が上昇し、記憶層１１の磁気異方性が減じる。記憶層１１の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流によるスピンが記憶層１１に注入されて、記憶層１１の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル１００に、例えば、データ「０」又はデータ「１」に対応するデータを書き込むことができる。

続いて、メモリセル１００のデータの読み出し動作について説明する。複数のメモリセル１００のうち、データを読み出す対象として１つのメモリセル１００を選択する。選択されたメモリセル１００では、ワード線８が活性化して、選択トランジスタとしてターンオンする。メモリセル１００は、読み出し回路（不図示）から読み出し電流を供給される。読み出し回路（不図示）は、読み出し電流に基づいて、抵抗値を検出する。この抵抗値に基づいて、メモリセル１００の記憶するデータを、読み出すことができる。読み出し電流が固定層１３から記憶層１１に流れる。固定層１３の磁化と平行な（あるいは反平行な）スピンを持つ電子がより多く固定層１３を流れる。つまり、スピンフィルタ効果が発現し、このスピン分極率が高いほどＭＲ比が高くなる。ＭＲ比が高くなるため、ＭＴＪ素子１０からの信号電圧が増大し、ＭＴＪ素子１０は優れた読み出し性能を有する。ＭＴＪ素子１０を用いたＭＲＡＭは、大きな記憶容量を有する。さらに、固定層１３又は記憶層１１の少なくとも一方がＣｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４などの高い磁気異方性を有する強磁性酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層１１の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

ここで、古典電磁気学に基づく計算を行うと、読み出し時において、一見、電流がＭＴＪ素子１０に殆ど流れないと考えられる。そのため、ＭＴＪ素子１０を含むＭＲＡＭは動作しないと考えられる。しかしながら、量子力学に基づく計算を行うと、読み出し時においても電流がＭＴＪ素子１０に流れ、ＭＴＪ素子１０を含むＭＲＡＭは動作することを証明することができる。次に、図３を用いて、この量子力学に基づく計算について説明する。図３は、計算モデルを示す図である。

図３に示すように、量子力学に基づき、タイト・バインディング模型を用いて計算を行った。このタイト・バインディング模型は、一次元及び単一軌道である。なお、第１の常磁性金属（ＮＭ１）は、上記したメモリセル１００におけるビット線１（図１参照。）に相当する。同様に、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）は、記憶層１１（図２参照。）に相当し、第２の常磁性金属（ＮＭ２）は、スペーサ層１２に相当する。また、第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）は、固定層１３に相当し、第３の常磁性金属（ＮＭ３）は、コンタクトプラグ７（図１参照。）等に相当する。

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

第１の常磁性金属（ＮＭ１）又は第３の常磁性金属（ＮＭ３）から入射される電子のエネルギーが、第２の常磁性金属（ＮＭ２）におけるエネルギー準位に適合すると、トンネル確率が向上する。このような共鳴条件が成り立つとき、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）、第２の常磁性金属（ＮＭ２）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）からなる接合（ＭＴＪ１０）のトンネル確率が、下記の数式２を用いて表現される。

一方、このような共鳴条件が成り立たない非共鳴条件では、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）、第２の常磁性金属（ＮＭ２）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）からなる接合（ＭＴＪ素子１０）のトンネル確率は、下記の数式３を用いて表現される。

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

共鳴条件の成立の確率は、例えば、第１の常磁性金属（ＮＭ１）、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）、第２の常磁性金属（ＮＭ２）、第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）、第３の常磁性金属（ＮＭ３）の材料や寸法を変更することにより、第１の強磁性絶縁体（ＦＩ１）及び第２の強磁性絶縁体（ＦＩ２）の磁化方向が平行である場合共鳴条件が成り立ち、反平行である場合共鳴条件が成り立たない、というように調整することができる。このとき、ＭＴＪ素子１０のＭＲ比（磁気抵抗比）を求める。ＭＴＪ素子１０のＭＲ比は、下記の数式４を用いて表現される。数式１から、ＭＲ比は１００％に近似することができる（数式５参照）。つまり、ＭＴＪ素子１０はＭＲ比１００％と十分に高いＭＲ比を有する。

次に、図４及び図５を用いて、実施の形態１にかかるＭＲＡＭについての計算結果について説明する。図４は、計算モデルを示す図である。図５は、磁気異方性定数に対する反転電流密度である。ここでは、実施の形態１にかかるＭＲＡＭが所定のＭＲ比を有する場合、磁化反転時（書き込み動作時）の電流密度を計算した。

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

なお、熱安定性Δは下記の数式６を用いて求めた。

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

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

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

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

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

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

図６に示すように、ＭＴＪ素子２１０は、固定層２３と、スペーサ層１２と、記憶層１１とをこの順に積層した積層構造を有する。

固定層２３は、強磁性金属からなる。強磁性金属として、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。固定層２３は、所定の磁化方向を維持する。この所定の磁化方向は、例えば、膜面に垂直な方向や、膜面内における長手方向であってもよい。

ここで、読み出し動作について説明する。ＭＴＪ素子２１０では、ＭＴＪ素子１０と同様に、読み出し電流が固定層２３から記憶層１１に流れる。これは、ＭＴＪ素子１０と同様に、量子力学に基づく計算を行うことにより、証明することができる。さらに、記録層１１がＣｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４などの高い磁気異方性を有する強磁性絶縁酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層１１の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

続いて、書き込み動作について説明する。例えば、書き込み電流をビット線１に流すと、ＭＴＪ素子２１０に流れる。すると、記憶層１１は絶縁性を有するため、記憶層１１の温度が上昇する。記憶層１１の磁気異方性が減じ得て、記憶層１１の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流により、スピントルクが記憶層１１に注入されて、記憶層１１の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル１００に、例えば、データ「０」又はデータ「１」に対応するデータを書き込むことができる。ＭＴＪ素子２１０は、ＭＴＪ素子１０と同様に、小さな電流密度で磁化方向を反転し得る。また、このようなＭＴＪ素子を有するＭＲＡＭの消費電力は小さい。

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

実施の形態３．
次に、図７を参照して、実施の形態３にかかるＭＴＪ素子について説明する。図７は、実施の形態３にかかるＭＴＪ素子の断面図である。実施の形態３にかかるＭＴＪ素子は、実施の形態１にかかるＭＴＪ素子１０（図２参照。）と比較して、記憶層及び固定層を入れ替えた構成を有する。共通する構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

図７に示すように、ＭＴＪ素子３１０は、固定層３３と、スペーサ層１２と、記憶層３１とをこの順に積層した積層構造を有する。固定層３３は、垂直磁化保持層３３３と、磁気結合制御層３３２と、強磁性層３３１とをこの順に積層した構造を有する。

強磁性層３３１は、固定層１３（図２参照。）と同じ種類の強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。強磁性層３３１は垂直磁気異方性定数Ｋ_ｕ１を有する。なお、この強磁性絶縁体は、固定層１３（図２参照。）を形成する強磁性絶縁体と異なり、膜面に垂直な磁化方向を維持しなくともよい。

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

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

記憶層３１は、強磁性金属からなる。強磁性金属として、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。記憶層３１は、可変な磁化方向を有する。記憶層３１は、例えば、膜面に対して垂直に磁化されており、上方又は下方に向く。記憶層３１は、自由層、磁化自由層、磁化可変層などと称してもよい。

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

ここで、読み出し動作について説明する。読み出し電流が固定層３３から記憶層３１に流れる。固定層３３の磁化と平行な（あるいは反平行な）スピンを持つ電子がより多く固定層３３を流れる。つまり、スピンフィルタ効果が発現し、このスピン分極率が高いほどＭＲ比が高くなる。ＭＲ比が高くなるため、ＭＴＪ素子３１０からの信号電圧が増大し、ＭＴＪ素子３１０は、優れた読み出し性能を有する。ＭＴＪ素子３１０を用いたＭＲＡＭは、大きな記憶容量を有する。さらに、強磁性層３３１はＣｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４などの高い磁気異方性を有する強磁性酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層３１の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

また、書き込み動作について説明する。例えば、書き込み電流をビット線１に流すと、ＭＴＪ素子３１０に流れる。すると、固定層３３は絶縁性を有するため、固定層３３の温度が上昇し、この温度上昇により記憶層３１の温度も上昇し得る。記憶層３１の磁気異方性が減じ得て、記憶層３１の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流により、スピントルクが記憶層３１に注入されて、記憶層３１の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル１００に、例えば、データ「０」又はデータ「１」に対応するデータを書き込むことができる。ＭＴＪ素子３１０は、ＭＴＪ素子１０と同様に、小さな電流密度で磁化方向を反転し得る。

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

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

実施の形態４．
次に、図８を参照して、実施の形態４にかかるＭＴＪ素子について説明する。図８は、実施の形態４にかかるＭＴＪ素子の断面図である。実施の形態４にかかるＭＴＪ素子は、実施の形態２にかかるＭＴＪ素子２１０（図６参照。）と比較して、固定層を除いて、共通する構成を有する。共通する構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

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

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

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

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

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１〜４にかかるＭＴＪ素子は、記憶層１１の代わりに、垂直磁化保持層と強磁性層とを積層した積層構造を有する記憶層を含んでもよい。また、実施の形態３にかかるＭＴＪ素子は、固定層３３の代わりに、固定層１３を含んでもよい。

１ビット線
２半導体基板
３、４拡散領域
５、７コンタクトプラグ
６ソース線
８ワード線
９ゲート絶縁膜
１０、２１０、３１０、４１０ＭＴＪ素子
１１、３１記憶層
１２スペーサ層
１３、２３、３３固定層
１００メモリセル
３３１強磁性層
３３２磁気結合制御層
３３３垂直磁化保持層

Claims

磁化方向が可変な記憶層と、
所定の磁化方向を維持する固定層と、
前記記憶層と前記固定層との間に設けられたスペーサ層と、を含み、スピントルク注入
方式を用いて書き込みを行う磁気トンネル接合素子であって、
前記スペーサ層は非磁性金属からなり、
前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方が、強磁性絶縁層からなり、
前記強磁性絶縁層は、垂直磁気異方性を有する磁気トンネル接合素子。
前記強磁性絶縁層は強磁性酸化物からなることを特徴とする請求項１に記載される磁気トンネル接合素子。
前記強磁性酸化物は、ＢａＦｅ_１２Ｏ_１９、又は、Ｃｏ_ＸＦe_３−ＸＯ_４であり、Ｘが０＜Ｘ＜３を満たすことを特徴とする請求項２に記載される磁気トンネル接合素子。
素子抵抗値が３０Ωμｍ^２以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載される磁気トンネル接合素子。
請求項１〜４のいずれか１つに記載される磁気トンネル接合素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリ。