WO2016139878A1 - 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド、及び電子機器 - Google Patents

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一陽 山根
裕行 内田
肥後　豊
大森　広之
別所　和宏
細見　政功
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ソニー株式会社
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    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets

Definitions

  • the present technology relates to a storage element, a storage device, a magnetic head, and an electronic device that perform recording using spin torque magnetization reversal.
  • a DRAM Dynamic Random Access Memory
  • a nonvolatile memory that retains recorded information even when the power is turned off has been used in place of a DRAM that is a volatile memory in which recorded information disappears when the power is turned off. It has come to be.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • GMR giant magnetoresistive
  • MTJ tunnel junction
  • the MRAM using the MTJ element is called STT (Spin Transfer Torque) -MRAM. Since the STT-MRAM has a higher magnetoresistance change rate (MR ratio) than an MRAM using a GMR element, a high-intensity read signal can be generated. Technologies related to STT-MRAM are disclosed in, for example, Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Documents 1 to 4.
  • the recording system of STT-MRAM includes an in-plane magnetization system and a perpendicular magnetization system in which the directions of magnetization in the MTJ element are different from each other.
  • a perpendicular magnetization type STT-MRAM that can be further reduced in size and increased in capacity has attracted attention.
  • the perpendicular magnetization of the storage layer in the MTJ element is reversed by performing spin injection by passing a current through each MTJ element.
  • binary information typically “0” and “1” can be recorded according to the direction of perpendicular magnetization in each MTJ element.
  • the higher the stability of the perpendicular magnetization in the MTJ element the higher the information retention characteristic that allows the recorded information to be retained more stably.
  • the higher the stability of perpendicular magnetization in the MTJ element the more difficult it is to reverse the perpendicular magnetization. Therefore, a large current is required to reverse the perpendicular magnetization during the recording operation.
  • the information retention characteristic and the power consumption are in a trade-off relationship with each other, and a technique capable of satisfying both of these is desired.
  • an object of the present technology is to provide a storage element, a storage device, a magnetic head, and an electronic device having both high information retention characteristics and low power consumption.
  • a memory element includes a fixed layer, a memory layer, an intermediate layer, and a heat generating layer.
  • the fixed layer includes a first ferromagnetic layer having a fixed perpendicular magnetization.
  • the storage layer includes a second ferromagnetic layer having perpendicular magnetization that can be reversed by spin injection.
  • the intermediate layer is made of an insulator and is disposed between the memory layer and the fixed layer.
  • the heating layer is made of a resistance heating element and is disposed on at least one of the memory layer and the fixed layer.
  • the storage element can perform a recording operation with low power consumption.
  • the second ferromagnetic layer of the storage layer returns to the environmental temperature (typically room temperature), and the second ferromagnetic layer has a high stability of perpendicular magnetization. Return to. That is, the stability of the perpendicular magnetization of the second ferromagnetic layer decreases for a moment during the recording operation, but is maintained in a high state at other times. Therefore, high storage characteristics can be obtained in the memory element. As described above, this storage element can achieve both high information retention characteristics and low power consumption.
  • the storage element is not easily affected by a thermal load applied in a manufacturing process of a storage device including the storage element or a mounting process of the storage device in various electronic devices. That is, in the memory element, due to the heat resistance of the heat generating layer made of the resistance heat generating element, the heat with respect to the perpendicular magnetization of the first ferromagnetic layer of the fixed layer and the perpendicular magnetization of the second ferromagnetic layer of the storage layer. The influence of the load is suppressed. Therefore, in the memory element, since the perpendicular magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is not easily lost, high recording performance is ensured.
  • the heat generating layer may be disposed at least on the memory layer.
  • the temperature of the second ferromagnetic layer is likely to increase during the recording operation, and the recording operation can be performed with lower power consumption. .
  • the heat generating layer may be adjacent to the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer.
  • the heat load on the perpendicular magnetization of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer due to the heat resistance of the heat generating layer adjacent to the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. Is more effectively suppressed.
  • the temperature of the second ferromagnetic layer is more likely to rise during the recording operation, so that the recording operation can be performed with lower power consumption.
  • the resistance heating element is composed of at least one of nitride, carbide, boride, oxide, elemental carbon, and elemental boron, and has an electrical resistivity of 1 ⁇ m to 1 ⁇ 10 4 ⁇ m at 20 ° C. May be.
  • the thickness of the heat generating layer may be 0.2 nm or more and 2.0 nm or less. In the heat generating layer made of such a resistance heating element, Joule heat can be generated more effectively, and the perpendicular magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer can be maintained. Better.
  • the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are made of a metal containing at least one of Co, Fe, and Ni as a main component, or a boron alloy containing at least one of Co, Fe, and Ni and B. It may be formed.
  • the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are formed of a material having at least one of V, Cr, Nb, Mo, Ta, W, Hf, Zr, Ti, and Ru as a subcomponent. May be. In the storage element having these configurations, it is possible to form good perpendicular magnetization in the first ferromagnetic layer of the fixed layer and the second ferromagnetic layer of the storage layer, and high recording performance can be obtained.
  • the pinned layer may further include two first ferromagnetic layers and a nonmagnetic material layer disposed between the two first ferromagnetic layers. At least one of the two first ferromagnetic layers may be formed of a material mainly composed of at least one of Co, Fe, and Ni and at least one of Pt, Pd, Rh, and Ni. Good. One of the two first ferromagnetic layers is formed of a material mainly composed of at least one of Co, Fe, and Ni and at least one of Pt, Pd, Rh, and Ni.
  • the other of the first ferromagnetic layers may be formed of a metal containing at least one of Co, Fe, and Ni as a main component, or a boron alloy containing at least one of Co, Fe, and Ni and B.
  • the fixed layer has a so-called laminated ferrimagnetic structure, so that the leakage magnetic field in the fixed layer can be suppressed, so that the influence of the leakage magnetic field on the storage layer can be prevented.
  • the insulator may be made of MgO.
  • the magnetoresistance change rate (MR ratio) is increased, so that a recording operation with low power consumption is possible.
  • the memory element may further include a cap layer adjacent to the memory layer on the side opposite to the intermediate layer.
  • the cap layer may include a metal layer mainly composed of any one of Hf, Ta, W, Zr, Nb, Mo, Ti, Mg, V, Cr, Ru, Rh, Pd, and Pt.
  • the cap layer may further include an oxide layer whose main component is any one of MgO, Al 2 O 3 , and SiO 2 . In the memory element having this configuration, the memory layer can be prevented from being oxidized by covering the memory layer with the cap layer.
  • the memory element may further include a base layer adjacent to the fixed layer on the side opposite to the intermediate layer.
  • the underlayer may include a plurality of layers mainly containing any one of Ta, Ti, Cu, TiN, TaN, NiCr, NiFeCr, Ru, and Pt.
  • the base layer can function as an electrode, and the crystal of the fixed layer adjacent to the base layer can be controlled.
  • a storage device includes a plurality of storage elements and a wiring portion configured to be able to supply current to each of the plurality of storage elements.
  • the plurality of storage elements include a fixed layer, a storage layer, an intermediate layer, and a heat generation layer.
  • the fixed layer includes a first ferromagnetic layer having a fixed perpendicular magnetization.
  • the storage layer includes a second ferromagnetic layer having perpendicular magnetization that can be reversed by spin injection.
  • the intermediate layer is made of an insulator and is disposed between the memory layer and the fixed layer.
  • the heating layer is made of a resistance heating element and is disposed on at least one of the memory layer and the fixed layer.
  • a magnetic head includes a magnetic element having a fixed layer, a storage layer, an intermediate layer, and a heat generating layer.
  • the fixed layer includes a first ferromagnetic layer having a fixed perpendicular magnetization.
  • the storage layer includes a second ferromagnetic layer having perpendicular magnetization that can be reversed by spin injection.
  • the intermediate layer is made of an insulator and is disposed between the memory layer and the fixed layer.
  • the heating layer is made of a resistance heating element and is disposed on at least one of the memory layer and the fixed layer.
  • An electronic apparatus includes a storage unit having a plurality of storage elements, and a control unit configured to be accessible to the storage unit.
  • the plurality of storage elements include a fixed layer, a storage layer, an intermediate layer, and a heat generation layer.
  • the fixed layer includes a first ferromagnetic layer having a fixed perpendicular magnetization.
  • the storage layer includes a second ferromagnetic layer having perpendicular magnetization that can be reversed by spin injection.
  • the intermediate layer is made of an insulator and is disposed between the memory layer and the fixed layer.
  • the heating layer is made of a resistance heating element and is disposed on at least one of the memory layer and the fixed layer.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating a storage device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 1 of the storage device. It is sectional drawing which shows typically the memory
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a storage device 20 according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the storage device 20 taken along the line AA ′ in FIG.
  • the storage device 20 includes a gate line 1 as a word line extending in the X-axis direction, a bit line 6 extending in the Y-axis direction, and a storage element 3.
  • the gate line 1 and the bit line 6 constitute two types of address lines (wiring portions) orthogonal to each other.
  • the bit line 6 is provided above the gate line 1 in the Z-axis direction.
  • the memory element 3 is disposed between the gate line 1 and the bit line 6 in correspondence with the intersection position of the gate line 1 and the bit line 6.
  • the storage element 3 constitutes an STT-MRAM (Spin Transfer Torque based Magnetic Random Access Memory) of a perpendicular magnetization method that can hold information depending on the direction of perpendicular magnetization.
  • the storage device 20 includes a semiconductor substrate 10 that holds the gate line 1.
  • the semiconductor substrate 10 is provided with an element isolation region 2, a source region 7, and a drain region 8.
  • the element isolation region 2 defines each memory cell in the memory device 20.
  • the source region 7 and the drain region 8 together with the gate line 1 constitute a selection transistor for selecting each storage element 3.
  • the semiconductor substrate 10 is provided with a wiring 9 extending on the drain region 8 in the X-axis direction.
  • the storage device 20 is provided with a plurality of contacts 4 extending in a columnar shape in the Z-axis direction.
  • the contact 4 is made of a conductive material, for example, copper.
  • the storage element 3 is connected to the source region 7 of the semiconductor substrate 10 through the contact 4, and is connected to the bit line 6 through the contact 4.
  • the wiring 9 is connected to the drain region 8 through the contact 4.
  • the perpendicular magnetization of the storage element 3 is reversed by spin injection to the storage element 3.
  • Spin injection to the storage element 3 is performed by applying a voltage between the gate line 1 and the bit line 6 and passing a current through the storage element 3.
  • a voltage can be applied between the arbitrary gate line 1 and the bit line 6 by the selection transistor described above, and a spin is applied to the arbitrary memory element 3 according to the combination of the gate line 1 and the bit line 6. An injection can be performed.
  • the selection transistor can operate at a saturation current or less, it is necessary to perform spin injection at a saturation current or less of the selection transistor in the recording operation in the storage device 20.
  • the storage element 3 is configured such that spin injection can be performed at least in the selection transistor with a current smaller than the saturation current.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the storage element 3 of the storage device 20.
  • the memory element 3 includes a base layer 31, a fixed layer 32, an intermediate layer 33, a memory layer 34, and a cap layer 35. Each layer of the memory element 3 is formed in a film shape extending in parallel to the XY plane.
  • the fixed layer 32, the intermediate layer 33, and the memory layer 34 constitute a magnetic tunnel junction (MTJ: Magnetic Tunnel Junction) element.
  • the MTJ element is also called a TMR (Tunnel Magneto Resistance) element.
  • the power consumption and the capacity can be increased by reducing the dimension in the in-plane direction of the XY plane.
  • the area of the cross section parallel to the XY plane of the memory element 3 is preferably 0.01 ⁇ m 2 or less.
  • the base layer 31, the fixed layer 32, the intermediate layer 33, the memory layer 34, and the cap layer 35 of the memory element 3 can be formed by a series of processes in a vacuum device, and thereafter etching, etc.
  • the memory element 3 can be patterned by this processing process. Therefore, the memory device 20 including the memory element 3 has an advantage that it can be manufactured by a general semiconductor MOS formation process.
  • the fixed layer also referred to as “reference layer” or “pinned layer”
  • the fixed layer has a first ferromagnetic layer 321 made of a ferromagnetic material.
  • the film thickness of the first ferromagnetic layer 321 is preferably 0.5 nm or more and 30 nm or less.
  • the first ferromagnetic layer 321 of the fixed layer 32 has a perpendicular magnetization M32 perpendicular to the XY plane, and the direction of the perpendicular magnetization M32 is fixed. That is, in the first ferromagnetic layer 321, the direction of the perpendicular magnetization M ⁇ b> 32 does not change even when spin injection is performed on the storage element 3.
  • the direction of the perpendicular magnetization M32 of the first ferromagnetic layer 321 is upward in the Z-axis direction, as indicated by the block arrow, and even if spin injection is performed on the memory element 3, Maintained above.
  • the ferromagnetic material forming the first ferromagnetic layer 321 of the fixed layer 32 can be determined as appropriate.
  • a metal material containing at least one of Co, Fe, and Ni as a main component, Co, Fe, A boron alloy containing at least one of Ni and B is preferable.
  • the first ferromagnetic layer 321 can be formed of CoFeB.
  • the first ferromagnetic layer 321 may have a configuration in which a plurality of layers made of different types of ferromagnetic materials are directly stacked.
  • the memory layer (otherwise referred to as a “free layer” or “free layer”) 34 includes a second ferromagnetic layer 341 made of a ferromagnetic material and a heat generating layer 342 made of a resistance heating element.
  • the storage layer 34 faces the fixed layer 32 upward in the Z-axis direction.
  • the thickness of the second ferromagnetic layer 341 is preferably not less than 0.5 nm and not more than 30 nm.
  • the second ferromagnetic layer 341 of the storage layer 34 has a perpendicular magnetization M34 perpendicular to the XY plane, and the perpendicular magnetization M34 can be reversed by spin injection. That is, in the second ferromagnetic layer 341, when spin injection is performed on the memory element 3, the direction of the perpendicular magnetization M34 is in a direction corresponding to the spin torque of electrons. In the example shown in FIG. 3, the direction of the perpendicular magnetization M ⁇ b> 34 of the second ferromagnetic layer 341 can be reversed from the upper side to the lower side in the Z-axis direction or from the lower side to the upper side in the Z-axis direction by spin injection into the storage element 3. It is.
  • the ferromagnetic material forming the second ferromagnetic material layer 341 of the memory layer 34 can be determined as appropriate.
  • a metal material containing at least one of Co, Fe, and Ni as a main component, Co, Fe, A boron alloy containing at least one of Ni and B is preferable.
  • the second ferromagnetic layer 341 can be formed of CoFeB in the same manner as the first ferromagnetic layer 321, CoFeHf, CoFeW, CoFeTa, CoFeZr, CoFeNb, CoFeMo, CoFeTi, CoFeV, CoFeCr, CoFeNi, and the like. Can also be formed.
  • a subcomponent may be added to the ferromagnetic material forming the second ferromagnetic material layer 341 of the memory layer 34 as necessary.
  • this subcomponent for example, an improvement in heat resistance, an increase in magnetoresistance effect, an improvement in withstand voltage, and the like can be obtained.
  • Such subcomponents include, for example, B, C, N, O, F, Li, Mg, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Ge, Nb, Ru, Rh, Pd, Ag, Ta, Ir, Pt, Au, Zr, Hf, W, Mo, Re, and Os simple substance, alloy, and oxide can be used.
  • the second ferromagnetic layer 341 may have a configuration in which a plurality of layers made of different types of ferromagnetic materials are directly stacked.
  • the heat generation layer 342 of the storage layer 34 mainly has a first function for reducing power consumption during the recording operation of the storage element 3 while maintaining the information retention characteristics of the storage element 3, and the second ferromagnetic layer 341. A second function of suppressing the influence of the thermal load on the perpendicular magnetization M34. Details of the heat generating layer 342 will be described later.
  • the intermediate layer 33 is made of a nonmagnetic insulator and is disposed between the fixed layer 32 and the storage layer 34.
  • the intermediate layer 33 is configured as a tunnel barrier layer of the MTJ element. That is, in the memory element 3, when a voltage is applied in the Z-axis direction, a current flows through the intermediate layer 33 due to the tunnel effect, and electrons having a spin torque in a certain direction flow into the second ferromagnetic layer 341 of the memory layer 34. Injected.
  • the magnetoresistive change rate (MR ratio) is larger, the current required to reverse the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 of the memory layer 34 is reduced. Is possible.
  • a magnesium oxide (MgO) film is used as the intermediate layer 33 in order to realize a large MR ratio.
  • the MgO film constituting the intermediate layer 33 is preferably crystallized and has a (001) crystal orientation.
  • the thickness of the intermediate layer 33 is such that the sheet resistance value is several tens of ⁇ m 2 or less in order to ensure a sufficient current density for reversing the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 of the storage layer 34. Is preferably determined.
  • the thickness of the intermediate layer 33 is preferably 1.5 nm or less.
  • the material for forming the intermediate layer 33 may be other than MgO.
  • MgO Al 2 O 3 , AlN, SiO 2 , Bi 2 O 3 , MgF 2 , CaF, SrTiO 2 , AlLaO 3 , Al—N
  • Various insulators such as —O, MgAl 2 O 4 , dielectrics, and semiconductors may be used.
  • the foundation layer 31 is disposed below the fixed layer 32 in the Z-axis direction.
  • the underlayer 31 has a function as an electrode of the MTJ element, a function of controlling the crystal of the fixed layer 32, and the like.
  • the underlayer 31 can be configured as a layer mainly composed of any one of Ta, Ti, Cu, TiN, TaN, NiCr, NiFeCr, Ru, and Pt, for example.
  • the underlayer 31 is preferably composed of a plurality of layers made of different materials.
  • the underlayer 31 may be composed of two layers, a layer formed of Ru and a layer formed of Ta.
  • Cap layer The cap layer 35 is disposed above the storage layer 34 in the Z-axis direction.
  • the cap layer 35 covers the upper surface in the Z-axis direction of the memory layer 34 and has a function of preventing the memory layer 34 from being oxidized.
  • the cap layer 35 is configured as, for example, a metal layer mainly composed of any one of Hf, Ta, W, Zr, Nb, Mo, Ti, Mg, V, Cr, Ru, Rh, Pd, and Pt. Can do. Further, the cap layer 35 may have a stacked structure of the metal layer and an oxide layer containing any one of MgO, Al 2 O 3 , and SiO 2 as a main component.
  • the material for forming the oxide layer may be, for example, TiO 2 , Bi 2 O 3 , SrTiO 2 , AlLaO 3 , Al—N—O, MgAl 2 O 4 , or the like.
  • the memory element 3 may have a configuration other than the above as appropriate.
  • the memory element 3 may have a hard mask layer disposed on the upper side of the cap layer 35 in the Z-axis direction.
  • the hard mask layer can be formed of, for example, Ti, W, Ta, TiN, TaN or the like.
  • the hard mask layer may be provided in place of the cap layer 35.
  • the heat generating layer 342 of the memory layer 34 is adjacent to the second ferromagnetic layer 341 on the lower side in the Z-axis direction.
  • the heat generating layer 342 is formed of a resistance heating element.
  • the heat generating layer 342 mainly has a first function and a second function described below.
  • the thickness of the heat generating layer 342 is preferably in the range of 0.2 nm to 2.0 nm in order to satisfactorily perform the first function and the second function.
  • the first function of the heat generation layer 342 of the storage layer 34 is to reduce the power consumption during the recording operation of the storage element 3 while maintaining the information retention characteristics of the storage element 3.
  • the information retention characteristic in the memory element 3 that is, the stability of the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 of the memory layer 34 is represented by ⁇ shown in the following formula (1). ... (1)
  • K represents the anisotropy energy
  • V is indicated the volume of the second ferromagnetic layer 341
  • K B denotes the Boltzmann constant
  • Ms represents a saturation magnetization
  • Hk is a effective An anisotropic magnetic field is indicated
  • T indicates the temperature of the second ferromagnetic layer 341.
  • the effective anisotropy field Hk incorporates various elements such as shape magnetic anisotropy, induced magnetic anisotropy, and magnetocrystalline anisotropy, and is effective when a single-domain simultaneous rotation model is assumed.
  • the anisotropy magnetic field Hk is equivalent to the coercive force.
  • the storage element 3 is configured such that the information retention characteristic ⁇ is sufficiently large at an ambient temperature (typically room temperature), and can retain recorded information satisfactorily.
  • a large current is required to reverse the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 during the recording operation, which increases power consumption during the recording operation. Therefore, in the memory element 3, the power retention during the recording operation is reduced by reducing the information retention characteristic ⁇ for a moment during the recording operation by the action of the heat generating layer 342.
  • the information retention characteristic ⁇ is proportional to the reciprocal of the temperature T of the second ferromagnetic layer 341. Therefore, the higher the temperature T of the second ferromagnetic layer 341, the higher the information retention characteristic ⁇ . It turns out that becomes small. That is, in the memory element 3, the information retention characteristic ⁇ decreases due to the temperature rise of the second ferromagnetic layer 341 only for a moment during the recording operation, and the stability of the perpendicular magnetization M 34 of the second ferromagnetic layer 341 is reduced. Decreases. Therefore, in the memory element 3, the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 can be reversed by a small current during the recording operation, so that power consumption during the recording operation is reduced.
  • the power consumption during the recording operation can be reduced by the action of the heat generating layer 342 without impairing the information retention characteristic ⁇ .
  • the second function of the heat generating layer 342 of the memory layer 34 is to suppress the influence of the thermal load on the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341. That is, even when a thermal load is applied to the storage element 3 in the manufacturing process of the storage device 20 or the mounting process of the storage device 20 in various electronic devices, the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 is not easily damaged. .
  • the heat generating layer 342 of the memory layer 34 is made of a resistance heating element, it has high heat resistance and hardly undergoes physical and chemical changes even when a heat load is applied.
  • the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 adjacent to the heat generating layer 342 is less affected by the thermal load. Thereby, since the magnetic anisotropy in the MTJ element is maintained well, high reliability as the memory element 3 is obtained.
  • the temperature of the memory element 3 may rise to about 400 ° C. Assuming such a situation, it is confirmed that the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 is not impaired by the action of the heat generating layer 342 even when the memory element 3 is heat-treated at 400 ° C. for 3 hours. Has been.
  • Resistance heating element that forms the heating layer As a resistance heating element for forming the heat generating layer 342, the temperature of the second ferromagnetic layer 341 can be appropriately increased by Joule heat, and the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 is A heat-resistant material that works so as not to be damaged can be employed.
  • a resistance heating element can be selected from, for example, nitride, carbide, boride, oxide, elemental carbon, and elemental boron.
  • the resistance heating element for example, TiN, ZrN, HfN, VN, NbN, TaN, CrN, MoN, WN, SiN, AlN, BN, TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Cr 3 C 2 , Mo 2 C, WC, SiC, AlC, B 4 C, TiB 2 , ZrB 2 , HfB 2 , VB 2 , NbB 2 , TaB 2 , CrB 2 , Mo 2 B 5 , W 2 B, B 2 O 3 , B, C, etc. can be used as a simple substance or a mixture.
  • the resistance heating element is preferably made of a material having an electrical resistivity of 1 ⁇ m or more and 1 ⁇ 10 4 ⁇ m or less at 20 ° C. from the viewpoint of appropriately raising the temperature of the second ferromagnetic layer 341.
  • the resistance heating element may be composed of a single type of material having the above electrical resistivity, or may be adjusted to the above electrical resistivity as a composite material in which a plurality of types of materials are mixed.
  • the electrical resistivity of the resistance heating element may be a physical property value before film formation or a physical property value after film formation.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the memory element 3 according to the first modification.
  • the heat generating layer 322 is provided not only in the memory layer 34 but also in the fixed layer 32.
  • the heat generating layer 322 is disposed below the first ferromagnetic layer 321 in the Z-axis direction.
  • the heat generating layer 322 of the fixed layer 32 also has the same function as the heat generating layer 342 of the memory layer 34.
  • the heat generation layer 322 of the fixed layer 32 is farther from the second ferromagnetic layer 341 than the heat generation layer 342 of the storage layer 34, Joule heat is generated during the recording operation of the storage element 3, and the second The temperature rise of the ferromagnetic layer 341 is promoted. Thereby, the power consumption during the recording operation of the storage element 3 can be more effectively reduced.
  • the heat generation layer 322 having heat resistance is also provided in the fixed layer 32, so that the perpendicular magnetization M32 of the first ferromagnetic layer 321 adjacent to the heat generation layer 322 is also caused by heat load. Less affected. That is, both the perpendicular magnetization M32 of the first ferromagnetic layer 321 and the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 are hardly affected by the thermal load. Thereby, since the magnetic anisotropy in the MTJ element is well maintained, higher reliability as the memory element 3 can be obtained.
  • the positions of the second ferromagnetic layer 341 and the heat generating layer 342 in the memory layer 34 and the positions of the first ferromagnetic layer 321 and the heat generating layer 322 in the fixed layer 32 are opposite to the configuration shown in FIG. It doesn't matter. That is, the heat generation layer 342 may be disposed on the upper side in the Z-axis direction of the second ferromagnetic layer 341 in the memory layer 34, and the heat generation layer 322 in the fixed layer 32 is on the upper side in the Z-axis direction of the first ferromagnetic layer 321. May be arranged.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the memory layer 34 according to the second modification.
  • the memory layer 34 according to this modification includes two second ferromagnetic layers 341U and 341L and a nonmagnetic layer 343 in addition to the heat generation layer 342 similar to that in the above embodiment.
  • the nonmagnetic layer 343 is disposed between the two second ferromagnetic layers 341U and 341L.
  • Both of the two second ferromagnetic layers 341U and 341L can be formed of the same ferromagnetic material as the second ferromagnetic layer 341 according to the above embodiment.
  • Fe, Co, FeNi, CoFe, CoFeB, FeB, CoB or the like can be used.
  • the ferromagnetic bodies forming the two second ferromagnetic layers 341U and 341L may be different from each other.
  • the nonmagnetic layer 343 can be formed of, for example, a simple substance, alloy, oxide, or nitride of V, Cr, Nb, Mo, Ta, W, Hf, Zr, Ti, Ru, and Mg.
  • the position of the heat generating layer 342 is different. Specifically, in the configuration shown in FIG. 5A, the heat generating layer 342 is adjacent to the lower side of the second ferromagnetic layer 341L on the lower side in the Z-axis direction. In the configuration shown in FIG. 5B, the heat generating layer 342 is adjacent to the upper side of the upper second ferromagnetic layer 341U in the Z-axis direction. In the configuration shown in FIG. 5C, the heat generating layer 342 is adjacent to the upper side of the lower second ferromagnetic layer 341L in the Z-axis direction. In the configuration shown in FIG.
  • the heat generating layer 342 is adjacent to the lower side of the upper second ferromagnetic layer 341U in the Z-axis direction.
  • the heat generating layer 342 can exhibit the same function as in the above embodiment.
  • the memory layer 34 may include a plurality of heat generating layers 342. That is, the heat generating layer 342 may be disposed at both a position adjacent to the lower second ferromagnetic layer 341L and a position adjacent to the upper second ferromagnetic layer 341U.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the fixed layer 32 according to the third modification.
  • the fixed layer 32 according to the present modification includes two first ferromagnetic layers 321U and 321L and a nonmagnetic layer 323 in addition to the heat generation layer 322 similar to that of the first modification.
  • the nonmagnetic layer 323 is disposed between the two first ferromagnetic layers 321U and 321L.
  • the fixed layer 32 according to this modification has a so-called laminated ferri structure.
  • the directions of the perpendicular magnetization M32 of the two first ferromagnetic layers 321U and 321L of the fixed layer 32 are opposite to each other, that is, antiparallel.
  • the lower first ferromagnetic layer 321L faces the lower side in the Z-axis direction
  • the upper first ferromagnetic layer 321U faces the upper side in the Z-axis direction.
  • the leakage magnetic field in the fixed layer 32 can be suppressed, and the influence of the leakage magnetic field on the storage layer 34 is affected. Can be prevented.
  • the two first ferromagnetic layers 321U and 321L can be formed of a material mainly composed of at least one of Co, Fe, and Ni and at least one of Pt, Pd, Rh, and Ni. It can be formed of CoPt or FePt.
  • the ferromagnetic bodies forming the two first ferromagnetic layers 321U and 321L may be different from each other. Note that at least one of the two first ferromagnetic layers 321U and 321L may be formed of the same material as that of the first ferromagnetic layer 321 according to the above embodiment, for example, Fe, Co, FeNi, It may be formed of CoFe, CoFeB, FeB, CoB, or the like.
  • the nonmagnetic layer 323 is made of, for example, Ru, Os, Re, Ir, Au, Ag, Cu, Al, Bi, Si, B, C, Cr, Ta, Pd, Pt, Zr, Hf, W, Mo, Nb.
  • V, Ti can be formed of a simple substance or an alloy.
  • the position of the heat generating layer 322 is different. Specifically, in the configuration shown in FIG. 6A, the heat generating layer 322 is adjacent to the lower side in the Z-axis direction of the lower first ferromagnetic layer 321L. In the configuration shown in FIG. 6B, the heat generating layer 322 is adjacent to the upper side of the upper first ferromagnetic layer 321U in the Z-axis direction. In the configuration shown in FIG. 6C, the heat generating layer 322 is adjacent to the upper side of the lower first ferromagnetic layer 321L in the Z-axis direction. In the configuration shown in FIG. 6D, the heat generating layer 322 is disposed below the upper first ferromagnetic layer 321U in the Z-axis direction. 6A to 6D, the heat generating layer 322 can exhibit the same function as that of the first modification.
  • the fixed layer 32 may have a plurality of heat generating layers 322. That is, the heat generating layer 322 may be disposed at both a position adjacent to the lower first ferromagnetic layer 321L and a position adjacent to the upper first ferromagnetic layer 321U.
  • the fixed layer 32 may have a configuration using an antiferromagnetic layer or a soft magnetic layer.
  • the antiferromagnetic layer can be formed of, for example, FeMn, PtMn, PtCrMn, NiMn, IrMn, NiO, Fe 2 O 3 or the like.
  • the two first ferromagnetic layers 321U and 321L are made of Ag, Cu, Au, Al, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ta, Hf, Ir, and W.
  • Various physical properties such as magnetic properties, crystal structure, crystallinity, and stability can be adjusted by adding nonmagnetic elements such as, Mo, and Nb.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the memory element 3 according to Modification 4.
  • the fixed layer 32 according to this modification is divided and provided above and below the storage layer 34 in the Z-axis direction. That is, the upper first ferromagnetic layer 321U is provided above the storage layer 34 in the Z-axis direction, and the lower first ferromagnetic layer 321L is provided below the storage layer 34 in the Z-axis direction.
  • the perpendicular magnetizations M32 of the two first ferromagnetic layers 321U and 321L of the fixed layer 32 are opposite to each other.
  • two intermediate layers 33U and 33L are provided corresponding to the first ferromagnetic layers 321U and 321L provided separately. That is, the intermediate layer 33U is provided between the first ferromagnetic layer 321U and the storage layer 34, and the intermediate layer 33L is provided between the first ferromagnetic layer 321L and the storage layer 34. Also in the configuration of the present modification, the same effect as the above embodiment can be obtained.
  • the fixed layer 32 of the memory element 3 may include a heat generating layer 322. That is, the heat generating layer 322 may be disposed at least one of a position adjacent to the lower first ferromagnetic layer 321L and a position adjacent to the upper first ferromagnetic layer 321U.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view schematically showing the sample S11
  • FIG. 8B is a cross-sectional view schematically showing the sample S12.
  • Each of the samples S11 and S12 includes a base layer 31, an intermediate layer 33, a storage layer 34, and a cap layer 35.
  • Sample S11 includes a heat generating layer 342, and sample S12 does not include a heat generating layer 342.
  • the configuration other than the heat generation layer 342 is common to the sample S11 and the sample S12. Therefore, the effect of the heat generating layer 342 on the magnetic characteristics of the memory layer 34 can be confirmed by comparing the sample S11 and the sample S12.
  • the base layer 31 is configured as a laminated film including a Ta layer 312 having a thickness of 5.0 nm and a Ru layer 311 having a thickness of 5.0 nm.
  • the intermediate layer 33 is configured as an MgO film having a thickness of 1.0 nm.
  • the second ferromagnetic layer 341 of the storage layer 34 is configured as a CoFeB film having a thickness of 1.5 nm.
  • the cap layer 35 is configured as a Ta film having a thickness of 5.0 nm.
  • the heat generating layer 342 of the sample S11 is configured as a resistance heating element film having a film thickness of 0.2 nm.
  • the heating layer 342 is composed of at least one of nitride, carbide, boride, oxide, elemental carbon, and elemental boron, and has a resistance heating element having an electrical resistivity of 1 ⁇ m to 1 ⁇ 10 4 ⁇ m at 20 ° C. Formed by.
  • FIG. 9 is a diagram showing the measurement results of the magnetic properties of sample S11.
  • FIG. 9A is a graph showing the result of magneto-optical effect (MOKE) measurement
  • FIG. 9B is the result of measurement using a sample vibration magnetometer (VSM). It is a graph which shows.
  • MOKE magneto-optical effect
  • VSM sample vibration magnetometer
  • FIG. 10 is a graph showing the measurement result by VSM for sample S12. As shown in FIG. 10, in sample S12, the waveform showing the perpendicular magnetic anisotropy is not obtained in the measurement by VSM, and it can be seen that the perpendicular magnetic anisotropy disappears. Thereby, in sample S12, it was confirmed that the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 of the memory layer 34 was damaged by the heat treatment at 400 ° C. for 3 hours.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view schematically showing the sample S21
  • FIG. 11B is a cross-sectional view schematically showing the sample S22.
  • Each of the samples S21 and S22 was formed on a 300 nm thick thermal oxide film provided on a 0.725 mm thick silicon substrate.
  • Samples S21 and S22 each include a base layer 31, a fixed layer 32, an intermediate layer 33, a storage layer 34, and a cap layer 35.
  • Sample S21 includes a heat generating layer 342, and sample S22 does not include a heat generating layer 342.
  • the configuration other than the heat generation layer 342 is common to the sample S21 and the sample S22. Therefore, by comparing the sample S21 and the sample S22, the action of the heat generating layer 342 on the information retention characteristic ⁇ and the information writing current density Jc0 can be confirmed.
  • the base layer 31 is configured as a laminated film including a Ta layer 312 having a thickness of 5.0 nm and a Ru layer 311 having a thickness of 5.0 nm.
  • the fixed layer 32 includes a first ferromagnetic layer 321 made of CoPt with a thickness of 2.5 nm, a nonmagnetic layer 323 made of Ru with a thickness of 0.8 nm, and a first strong layer made of CoPt with a thickness of 2.5 nm. It has a laminated ferrimagnetic structure composed of the magnetic layer 321.
  • the intermediate layer 33 is configured as an MgO film having a thickness of 1.0 nm.
  • the second ferromagnetic layer 341 of the storage layer 34 is configured as a CoFeB film having a thickness of 1.5 nm.
  • the cap layer 35 is configured as a laminated film including a Ta film 351 having a thickness of 3.0 nm, a Ru film 352 having a thickness of 3.0 nm, and a Ta film 351 having a thickness of 3.0 nm.
  • the heat generating layer 342 of the sample S21 is configured as a resistance heating element film having a film thickness of 0.2 nm.
  • the heating layer 342 is composed of at least one of nitride, carbide, boride, oxide, elemental carbon, and elemental boron, and has a resistance heating element having an electrical resistivity of 1 ⁇ m to 1 ⁇ 10 4 ⁇ m at 20 ° C. Formed by.
  • the first heat treatment at 350 ° C. for 1 hour and the second heat treatment at 400 ° C. for 3 hours were added to the prepared samples S21 and S22.
  • the information retention characteristic ⁇ and the information writing current density Jc0 were obtained after each heat treatment.
  • the information retention characteristic ⁇ was calculated from the result of the temperature acceleration retention test.
  • the information write current density Jc0 was calculated from the pulse width dependence of the magnetization reversal current Ic. Table 1 shows the information retention characteristic ⁇ and the information writing current density Jc0 after each heat treatment for each of the samples S21 and S22.
  • the information retention characteristic ⁇ after the first heat treatment was 38 in the sample S22 and 65 in the sample S21.
  • the information retention characteristic ⁇ after the first heat treatment is greatly increased by the action of the heat generating layer 342, and the perpendicular magnetization M34 of the second ferromagnetic layer 341 of the storage layer 34 is hardly damaged.
  • the information writing current density Jc0 after the first heat treatment was 1.0 in the sample S22 and 0.8 in the sample S21.
  • the information write current density Jc0 is reduced by 20% by the action of the heat generating layer 342.
  • the information retention characteristic ⁇ and the information writing current density Jc0 comparable to those after the first heat treatment are obtained after the second heat treatment.
  • the perpendicular magnetic anisotropy disappeared, and the information retention characteristic ⁇ and the information writing current density Jc0 were not obtained.
  • the storage element 3 according to the above embodiment is applicable not only to the storage device 20 but also to a magnetic head, various electronic devices, and the like.
  • a magnetic head having the storage element 3 and an electronic apparatus having the storage element 3 will be described.
  • FIG. 12 is a diagram showing the composite magnetic head 100.
  • 12A is a perspective view of the composite magnetic head 100
  • FIG. 12B is a cross-sectional view of the composite magnetic head 100.
  • the composite magnetic head 100 includes a magnetosensitive element 101 which is a magnetic element having a laminated structure having the same configuration as that of the memory element 3 according to the above embodiment.
  • the composite magnetic head 100 can be used for a hard disk device, for example.
  • the composite magnetic head 100 includes a substrate 122 and a magnetoresistive effect type magnetic head formed on the substrate 122.
  • the composite magnetic head 100 has an inductive magnetic head that is laminated on the magnetoresistive head.
  • the magnetoresistive effect type magnetic head functions as a reproducing head
  • the inductive type magnetic head functions as a recording head. That is, the composite magnetic head 100 has a configuration in which the reproducing head and the recording head are combined.
  • the magnetoresistance effect type magnetic head of the composite type magnetic head 100 is a so-called shield type MR head.
  • the magnetoresistive head has a first magnetic shield 125, a magnetosensitive element 101, and a second magnetic shield 127.
  • the first magnetic shield 125 is formed on the substrate 122 via an insulating layer 123.
  • the magnetosensitive element 101 is formed on the first magnetic shield 125 via an insulating layer 123.
  • the second magnetic shield 127 is formed on the magnetosensitive element 101 via an insulating layer 123.
  • the insulating layer 123 is made of an insulating material such as Al 2 O 3 or SiO 2 .
  • the first magnetic shield 125 is made of a soft magnetic material such as Ni—Fe, for example, and magnetically shields the lower layer side of the magnetosensitive element 101.
  • the second magnetic shield 127 magnetically shields the upper layer side of the magnetosensitive element 101.
  • the magnetosensitive element 101 detects a magnetic signal from the magnetic recording medium.
  • the magnetosensitive element 101 is formed in a substantially rectangular shape, and one side surface thereof is exposed to the magnetic recording medium facing surface.
  • Bias layers 128 and 129 are connected to both ends of the magnetosensitive element 101, and connection terminals 130 and 131 are connected to the bias layers 128 and 129. With such a configuration, a sense current can be supplied to the magnetosensitive element 101 via the connection terminals 130 and 131.
  • the inductive magnetic head of the composite magnetic head 100 has a magnetic core and a thin film coil 133.
  • the magnetic core is constituted by the second magnetic shield 127 and the upper core 132.
  • the thin film coil 133 is formed so as to wind a magnetic core.
  • the upper layer core 132 constituting the magnetic core is made of, for example, a soft magnetic material such as Ni—Fe and forms a closed magnetic circuit together with the second magnetic shield 127.
  • the front end portions of the second magnetic shield 127 and the upper core 132 are separated so as to form a predetermined gap g, and both are exposed to the surface facing the magnetic recording medium.
  • a gap g between the second magnetic shield 127 and the upper core 132 constitutes a recording magnetic gap of the inductive magnetic head.
  • the second magnetic shield 127 and the upper core 132 are connected at the rear end.
  • a thin film coil 133 embedded in the insulating layer 123 is formed between the second magnetic shield 127 and the upper core 132.
  • the thin film coil 133 is formed so as to wind a magnetic core composed of the second magnetic shield 127 and the upper layer core 132 in the in-plane direction.
  • the thin film coil 133 has terminals at both ends. Each terminal of the thin-film coil 133 is exposed to the outside and constitutes an external connection terminal of the inductive magnetic head. That is, a magnetic signal can be recorded on the magnetic recording medium by supplying a recording current to each terminal of the thin-film coil 133.
  • the magnetosensitive element 101 of the composite magnetic head 100 has the same configuration as that of the memory element 3 according to the above embodiment, the magnetosensitive element 101 has both high information retention characteristics ⁇ and low power consumption. That is, in the composite magnetic head 100 on which the magnetosensitive element 101 is mounted, a more accurate reproducing operation can be performed with low power consumption.
  • FIG. 13 is a block diagram illustrating a schematic configuration of an electronic device 200 including the storage element 3 and the storage device 20 according to the present embodiment.
  • the electronic device 200 includes the storage element 3 and the storage device 20 according to the present embodiment as the storage unit 201.
  • Examples of the electronic device 200 include various computers, portable terminal devices, game devices, music devices, video devices, and the like.
  • the electronic device 200 includes a control unit 202 that can access the storage unit 201.
  • the electronic device 200 may include an input operation unit 203, for example.
  • the control unit 202 can record in the storage unit 201 information corresponding to the content of the user's operation on the input operation unit 203.
  • the electronic device 200 may include an information presentation unit 204 that can display video, play audio, and the like, for example.
  • the information presentation unit 204 is typically configured as a display device, a speaker, or the like.
  • the control unit 202 can read information recorded in the storage unit 201 and display or reproduce the information by the information presenting unit 204 in response to a user request.
  • the memory element may be a so-called top laminated ferri type in which a fixed layer having a laminated ferri structure is provided above the storage layer in the Z-axis direction.
  • this technique can also take the following structures.
  • a fixed layer including a first ferromagnetic layer having a fixed perpendicular magnetization;
  • a storage layer including a second ferromagnetic layer having perpendicular magnetization reversible by spin injection;
  • An intermediate layer made of an insulator and disposed between the memory layer and the fixed layer;
  • a heating layer made of a resistance heating element and disposed in at least one of the memory layer and the fixed layer;
  • a memory element comprising: (2) The memory element according to (1) above, The heat generating layer is disposed at least in the memory layer.
  • (3) The memory element according to (1) or (2) above, The heat generating layer is adjacent to the first ferromagnetic layer or the second ferromagnetic layer.
  • the resistance heating element is composed of at least one of nitride, carbide, boride, oxide, elemental carbon, and elemental boron, and has an electrical resistivity of 1 ⁇ m to 1 ⁇ 10 4 ⁇ m at 20 ° C. .
  • the storage element has a thickness of the heat generation layer of 0.2 nm or more and 2.0 nm or less.
  • the pinned layer further includes two first ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer disposed between the two first ferromagnetic layers.
  • At least one of the two first ferromagnetic layers is formed of a material mainly composed of at least one of Co, Fe, and Ni and at least one of Pt, Pd, Rh, and Ni. element.
  • One of the two first ferromagnetic layers is formed of a material mainly composed of at least one of Co, Fe, and Ni and at least one of Pt, Pd, Rh, and Ni.
  • the other of the two first ferromagnetic layers is formed of a metal containing at least one of Co, Fe, and Ni as a main component, or a boron alloy containing at least one of Co, Fe, and Ni and B.
  • a memory element (11) The memory element according to any one of (1) to (10) above, The insulator is made of MgO. (12) The memory element according to any one of (1) to (11) above, A storage element, further comprising a cap layer adjacent to the storage layer on a side opposite to the intermediate layer. (13) The storage element according to (12) above, The cap layer includes a metal layer mainly composed of any one of Hf, Ta, W, Zr, Nb, Mo, Ti, Mg, V, Cr, Ru, Rh, Pd, and Pt.
  • the storage element according to (13) above, The cap layer further includes an oxide layer whose main component is any one of MgO, Al 2 O 3 , and SiO 2 .
  • the storage element includes a plurality of layers whose main component is any one of Ta, Ti, Cu, TiN, TaN, NiCr, NiFeCr, Ru, and Pt.

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Abstract

【課題】高い情報保持特性と低い消費電力とを兼ね備える記憶素子を提供する。 【解決手段】記憶素子は、固定層と、記憶層と、中間層と、発熱層と、を具備する。上記固定層は、固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む。上記記憶層は、スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む。上記中間層は、絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置されている。上記発熱層は、抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置されている。この構成により、高い情報保持特性と低い消費電力とを兼ね備える記憶素子を提供することができる。

Description

記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド、及び電子機器
　本技術は、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド、及び電子機器に関する。
　コンピュータ等の各種の電子機器では、記憶装置として、動作が高速で高密度に情報を記録可能なＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）が広く用いられている。しかし、近年では、様々な分野において、電源を切ると記録された情報が消えてしまう揮発性メモリであるＤＲＡＭに代えて、電源を切っても記録された情報が保持される不揮発性メモリが利用されるようになってきている。
　高速で記録可能な不揮発性メモリとして、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）が知られている。ＭＲＡＭとしては、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子を利用した構成や、トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子を利用した構成が知られている。
　ＭＴＪ素子を利用したＭＲＡＭは、ＳＴＴ（Ｓｐｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｔｏｒｑｕｅ）－ＭＲＡＭと呼ばれている。ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、ＧＭＲ素子を利用したＭＲＡＭよりも高い磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を有するため、高強度の読み出し信号を生成可能である。ＳＴＴ－ＭＲＡＭに関する技術が、例えば、特許文献１～４及び非特許文献１～４に開示されている。
　ＳＴＴ－ＭＲＡＭの記録方式には、ＭＴＪ素子における磁化の方向が相互に異なる面内磁化方式及び垂直磁化方式が存在する。近年では、より小型化及び大容量化が可能な垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭが注目されている。垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭの記録動作では、各ＭＴＪ素子に電流を流すことでスピン注入を行うことにより、ＭＴＪ素子中の記憶層の垂直磁化を反転させる。ＳＴＴ－ＭＲＡＭでは、各ＭＴＪ素子における垂直磁化の向きにより二値情報（典型的には「０」及び「１」）の記録が可能である。
特開２００３－１７７８２号公報 米国特許第６２５６２２３号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１８４８３９Ａ１号明細書 特開２００８－２２７３８８号公報
ＰＨＹｓ．　Ｒｅｖ．　Ｂ，５４．９３５３（１９９６） Ｊ．　Ｍａｇｎ．　Ｍａｔ．，１５９，Ｌ１（１９９６） Ｆ．　Ｊ．　Ａｌｂｅｒｔ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙ．　Ｌｅｔｔ．，７７，３８０９（２０００） Ｎａｔｕｒｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．，　５，　２１０（２００６）
　垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭでは、ＭＴＪ素子における垂直磁化の安定性が高いほど、記録された情報をより安定して保持可能な高い情報保持特性が得られる。この一方で、ＭＴＪ素子における垂直磁化の安定性が高いほど、垂直磁化が反転しにくくなるため、記録動作時に垂直磁化を反転させるために大きな電流が必要となる。このように、ＳＴＴ－ＭＲＡＭでは、情報保持特性と消費電力とが相互にトレードオフの関係にあり、これらを両立可能な技術が望まれる。
　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、高い情報保持特性と低い消費電力とを兼ね備える記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド、及び電子機器を提供することにある。
　以上の目的を達成するため、本技術の一形態に係る記憶素子は、固定層と、記憶層と、中間層と、発熱層と、を具備する。
　上記固定層は、固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む。
　上記記憶層は、スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む。
　上記中間層は、絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置されている。
　上記発熱層は、抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置されている。
　この構成の記憶素子では、記録動作時のスピン注入により、抵抗発熱体からなる発熱層に電流が流れてジュール熱が発生するため、記憶層の第２強磁性体層が温度上昇する。したがって、記録動作の瞬間のみ、第２強磁性体層が温度上昇することにより、第２強磁性体層の垂直磁化の安定性が低下し、第２強磁性体層の垂直磁化が反転しやすくなる。これにより、当該記憶素子では、低消費電力での記録動作が可能となる。
　この一方で、当該記憶素子では、記録動作後に、記憶層の第２強磁性体層が環境温度（典型的には室温）に戻り、第２強磁性体層の垂直磁化の安定性が高い状態に戻る。つまり、第２強磁性体層の垂直磁化の安定性は、記録動作時に一瞬低下するものの、それ以外のときには高い状態に維持される。したがって、当該記憶素子では、高い情報保持特性が得られる。
　このように、この記憶素子では、高い情報保持特性と低い消費電力との両立が可能である。
　更に、当該記憶素子は、当該記憶素子を備える記憶装置の製造プロセスや、当該記憶装置の各種電子機器への実装プロセスなどにおいて加わる熱負荷の影響を受けにくい。つまり、当該記憶素子では、抵抗発熱体からなる発熱層の有する耐熱性によって、固定層の第１強磁性体層が有する垂直磁化や、記憶層の第２強磁性体層が有する垂直磁化に対する熱負荷の影響が抑制される。したがって、当該記憶素子では、第１強磁性体層や第２強磁性体層の垂直磁気異方性が損なわれにくいため、高い記録性能が確保される。
　上記発熱層は、少なくとも上記記憶層に配置されていてもよい。
　この構成の記憶素子では、発熱層が第２強磁性体層の近くに存在するため、記録動作時に第２強磁性体層が温度上昇しやすく、より低消費電力での記録動作が可能となる。
　上記発熱層は、上記第１強磁性体層又は上記第２強磁性体層に隣接していてもよい。
　この構成の記憶素子では、第１強磁性体層及び第２強磁性体層に隣接する発熱層の有する耐熱性によって、第１強磁性体層及び第２強磁性体層の垂直磁化に対する熱負荷の影響がより効果的に抑制される。また、発熱層が第２強磁性体層に隣接する場合には、記録動作時に第２強磁性体層がより温度上昇しやすくなるため、更に低消費電力での記録動作が可能となる。
　上記抵抗発熱体は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、単体炭素、及び単体ホウ素の少なくとも１つから構成され、２０℃において１Ωｍ以上１×１０４Ωｍ以下の電気抵抗率を有していてもよい。
　上記発熱層の厚さは、０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であってもよい。
　このような抵抗発熱体からなる発熱層では、より効果的にジュール熱を発生させることができるとともに、第１強磁性体層及び第２強磁性体層の垂直磁気異方性を維持する効果がより良好に得られる。
　上記第１強磁性体層及び上記第２強磁性体層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つを主成分とする金属、又はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つとＢとを含むホウ素合金によって形成されていてもよい。
　上記第１強磁性体層及び上記第２強磁性体層は、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｒｕの少なくとも１つを副成分とする材料によって形成されていてもよい。
　これらの構成の記憶素子では、固定層の第１強磁性体層及び記憶層の第２強磁性体層に良好な垂直磁化を形成することが可能となり、高い記録性能が得られる。
　上記固定層は、２層の第１強磁性層と、当該２層の第１強磁性層の間に配置された非磁性体層と、を更に含んでもよい。
　上記２層の第１強磁性体層のうち少なくとも一方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つと、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉの少なくとも１つと、を主成分とする材料によって形成されていてもよい。
　上記２層の第１強磁性体層の一方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つと、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉの少なくとも１つと、を主成分とする材料によって形成され、上記２層の第１強磁性体層の他方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つを主成分とする金属、又はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つとＢとを含むホウ素合金によって形成されていてもよい。
　この構成の記憶素子では、固定層をいわゆる積層フェリ構造とすることにより、固定層における漏れ磁場を抑制することができるため、記憶層に漏れ磁場の影響が及ぶことを防止することができる
　上記絶縁体はＭｇＯから構成されていてもよい。
　この構成の記憶素子では、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が増大するため、低消費電力での記録動作が可能となる。
　上記記憶素子は、上記記憶層に対して、上記中間層とは反対側に隣接するキャップ層を更に具備していてもよい。
　上記キャップ層は、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｖ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐｔのいずれか１つを主成分とする金属層を含んでいてもよい。
　上記キャップ層は、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２のいずれか１つを主成分とする酸化物層を更に含んでいてもよい。
　この構成の記憶素子では、記憶層をキャップ層で覆うことにより、記憶層の酸化を防止することができる。
　上記記憶素子は、上記固定層に対して、上記中間層とは反対側に隣接する下地層を更に具備していてもよい。
　上記下地層は、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｕ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒ，Ｒｕ，Ｐｔのいずれか１つを主成分とする複数の層を含んでいてもよい。
　この構成の記憶素子では、下地層を電極として機能させることが可能であるとともに、下地層に隣接する固定層の結晶を制御することが可能となる。
　本技術の一形態に係る記憶装置は、複数の記憶素子と、上記複数の記憶素子のそれぞれに電流を供給可能に構成された配線部と、を具備する。
　上記複数の記憶素子は、固定層と、記憶層と、中間層と、発熱層と、を具備する。
　上記固定層は、固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む。
　上記記憶層は、スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む。
　上記中間層は、絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置されている。
　上記発熱層は、抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置されている。
　本技術の一形態に係る磁気ヘッドは、固定層と、記憶層と、中間層と、発熱層と、を有する磁気素子を具備する。
　上記固定層は、固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む。
　上記記憶層は、スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む。
　上記中間層は、絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置されている。
　上記発熱層は、抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置されている。
　本技術の一形態に係る電子機器は、複数の記憶素子を有する記憶部と、上記記憶部にアクセス可能に構成された制御部と、を具備する。
　上記複数の記憶素子は、固定層と、記憶層と、中間層と、発熱層と、を具備する。
　上記固定層は、固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む。
　上記記憶層は、スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む。
　上記中間層は、絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置されている。
　上記発熱層は、抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置されている。
　以上のように、本技術によれば、高い情報保持特性と低い消費電力とを兼ね備える記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド、及び電子機器を提供することができる。
　なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術の一実施形態に係る記憶装置を模式的に示す斜視図である。 上記記憶装置の図１のＡ－Ａ'線に沿った断面図である。 上記記憶装置の記憶素子を模式的に示す断面図である。 上記記憶素子の変形例を模式的に示す断面図である。 上記記憶素子の記憶層の変形例を模式的に示す断面図である。 上記記憶素子の固定層の変形例を模式的に示す断面図である。 上記記憶素子の変形例を模式的に示す断面図である。 上記記憶素子の記憶層を評価するためのサンプルを模式的に示す断面図である。 上記記憶素子の記憶層の磁気特性の測定結果を示す図である。 比較例に係る記憶層の磁気特性の測定結果を示す図である。 上記記憶素子の情報保持特性及び情報書き込み電流密度を評価するためのサンプルを模式的に示す断面図である。 上記記憶装置を具備する磁気ヘッドを模式的に示す図である。 上記記憶装置を具備する電子機器の概略構成を示すブロック図である。
　以下、本技術に係る一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
　図面には、適宜相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸が示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は全図において共通である。
［記憶装置の概略構成］
　図１は、本技術の一実施形態に係る記憶装置２０の概略構成を示す斜視図である。図２は、記憶装置２０の図１のＡ－Ａ'線に沿った断面図である。
　記憶装置２０は、Ｘ軸方向に延びるワード線としてのゲート線１と、Ｙ軸方向に延びるビット線６と、記憶素子３と、を具備する。ゲート線１及びビット線６は、互いに直交する２種類のアドレス線（配線部）を構成する。ビット線６はゲート線１のＺ軸方向上方に設けられている。
　記憶素子３は、ゲート線１とビット線６との間に、ゲート線１とビット線６との交差位置に対応してそれぞれ配置されている。記憶素子３は、垂直磁化の向きにより情報を保持することができる垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｔｏｒｑｕｅ　ｂａｓｅｄ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）を構成する。
　記憶装置２０は、ゲート線１を保持する半導体基体１０を有する。半導体基体１０には、素子分離領域２と、ソース領域７と、ドレイン領域８と、が設けられている。素子分離領域２は、記憶装置２０における各メモリセルを画定する。ソース領域７及びドレイン領域８は、ゲート線１とともに、各記憶素子３を選択するための選択トランジスタを構成する。また、半導体基体１０には、ドレイン領域８上をＸ軸方向に延びる配線９が設けられている。
　記憶装置２０には、Ｚ軸方向に柱状に延びる複数のコンタクト４が設けられている。コンタクト４は、導電性材料によって形成され、例えば、銅によって形成されている。記憶素子３は、コンタクト４を介して半導体基体１０のソース領域７に接続され、またコンタクト４を介してビット線６に接続されている。配線９は、コンタクト４を介してドレイン領域８に接続されている。
　記憶装置２０の記録動作では、記憶素子３に対するスピン注入によって、記憶素子３の垂直磁化を反転させる。記憶素子３に対するスピン注入は、ゲート線１及びビット線６の間に電圧を印加し、記憶素子３に電流を流すことにより行う。記憶装置２０では、上記の選択トランジスタによって、任意のゲート線１及びビット線６の間に電圧を印加することができ、ゲート線１及びビット線６の組み合わせに応じて任意の記憶素子３にスピン注入を行うことができる。
　なお、選択トランジスタは飽和電流以下において動作可能であるため、記憶装置２０における記録動作では選択トランジスタの飽和電流以下でスピン注入を行う必要がある。しかし、その詳細は後述するが、本実施形態に係る記憶装置２０では、記憶素子３が、少なくとも選択トランジスタに飽和電流より小さい電流でスピン注入可能なように構成されている。
［記憶素子］
　（概略構成）
　図３は、記憶装置２０の記憶素子３を模式的に示す断面図である。記憶素子３は、下地層３１と、固定層３２と、中間層３３と、記憶層３４と、キャップ層３５と、を具備する。記憶素子３の各層は、ＸＹ平面に平行に延びる膜状に形成されている。
　記憶素子３において、固定層３２、中間層３３、及び記憶層３４は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子を構成する。なお、ＭＴＪ素子は、他にも、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などとも呼ばれる。
　記憶素子３では、ＸＹ平面の面内方向の寸法を小さくすることにより、低消費電力化及び大容量化が可能である。この観点から、記憶素子３のＸＹ平面に平行な断面の面積は、０．０１μｍ２以下であることが好ましい。
　記憶装置２０の製造プロセスにおいて、記憶素子３の下地層３１、固定層３２、中間層３３、記憶層３４、及びキャップ層３５は真空装置内で一連のプロセスで形成可能であり、その後、エッチングなどの加工プロセスにより記憶素子３をパターニングすることができる。したがって、記憶素子３を含む記憶装置２０は、一般的な半導体ＭＯＳ形成プロセスにより製造可能であるというメリットを有する。
　（固定層）
　固定層（他に、「参照層」や「ピン層」などとも呼ばれる。）３２は、強磁性体からなる第１強磁性体層３２１を有する。第１強磁性体層３２１の膜厚は、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
　固定層３２の第１強磁性体層３２１は、ＸＹ平面に垂直な垂直磁化Ｍ３２を有し、垂直磁化Ｍ３２の向きが固定されている。つまり、第１強磁性体層３２１では、記憶素子３にスピン注入が行われても、垂直磁化Ｍ３２の向きが変化しない。図３に示す例では、第１強磁性体層３２１の垂直磁化Ｍ３２の向きは、ブロック矢印で示すように、Ｚ軸方向上方であり、記憶素子３にスピン注入が行われてもＺ軸方向上方に維持される。
　固定層３２の第１強磁性体層３２１を形成する強磁性体は、適宜決定可能であるが、例えば、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つを主成分とする金属材料や、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つとＢとを含むホウ素合金であることが好ましい。一例として、第１強磁性体層３２１はＣｏＦｅＢによって形成することができる。また、第１強磁性体層３２１は、相互に異なる種類の強磁性体からなる複数の層が直接積層された構成を有していてもよい。
　（記憶層）
　記憶層（他に、「自由層」や「フリー層」などとも呼ばれる。）３４は、強磁性体からなる第２強磁性体層３４１と、抵抗発熱体からなる発熱層３４２と、を有する。記憶層３４は、固定層３２に対してＺ軸方向上方に対向している。第２強磁性体層３４１の膜厚は、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
　記憶層３４の第２強磁性体層３４１は、ＸＹ平面に垂直な垂直磁化Ｍ３４を有し、垂直磁化Ｍ３４はスピン注入によって反転可能である。つまり、第２強磁性体層３４１では、記憶素子３にスピン注入が行われると、垂直磁化Ｍ３４の向きが電子のスピントルクに応じた向きとなる。図３に示す例では、記憶素子３へのスピン注入によって、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４の向きが、Ｚ軸方向上方から下方へ、又はＺ軸方向下方から上方へと反転可能である。
　記憶層３４の第２強磁性体層３４１を形成する強磁性体は、適宜決定可能であるが、例えば、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つを主成分とする金属材料や、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つとＢとを含むホウ素合金であることが好ましい。一例として、第２強磁性体層３４１は、第１強磁性体層３２１と同様にＣｏＦｅＢによって形成可能であるほか、ＣｏＦｅＨｆ，ＣｏＦｅＷ，ＣｏＦｅＴａ，ＣｏＦｅＺｒ，ＣｏＦｅＮｂ，ＣｏＦｅＭｏ，ＣｏＦｅＴｉ，ＣｏＦｅＶ，ＣｏＦｅＣｒ，ＣｏＦｅＮｉなどによっても形成可能である。
　また、記憶層３４の第２強磁性体層３４１を形成する強磁性体には、必要に応じて、副成分が添加されていてもよい。この副成分の添加により、例えば、耐熱性の向上や、磁気抵抗効果の増大や、絶縁耐圧の向上などが得られる。このような副成分としては、例えば、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｌｉ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｇｅ，Ｎｂ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｔａ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｒｅ，Ｏｓの単体、合金、酸化物を用いることができる。また、第２強磁性体層３４１は、相互に異なる種類の強磁性体からなる複数の層が直接積層された構成を有していてもよい。
　記憶層３４の発熱層３４２は、主に、記憶素子３の情報保持特性を維持しつつ、記憶素子３の記録動作時の消費電力を低減させる第１機能と、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４に対する熱負荷の影響を抑制する第２機能と、を有する。発熱層３４２の詳細については後述する。
　（中間層）
　中間層３３は、非磁性の絶縁体からなり、固定層３２と記憶層３４との間に配置されている。中間層３３は、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層として構成される。つまり、記憶素子３では、Ｚ軸方向に電圧が印加されると、トンネル効果により中間層３３に電流が流れ、一定方向のスピントルクを有する電子が記憶層３４の第２強磁性体層３４１に注入される。
　記憶素子３では、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きいほど、記憶層３４の第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４を反転させるために必要な電流が低減されるため、低消費電力化が可能となる。記憶素子３では、大きいＭＲ比を実現するために、中間層３３として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜が用いられる。中間層３３を構成するＭｇＯ膜は、結晶化しており、かつ、（００１）の結晶配向性を有することが好ましい。
　中間層３３の厚さは、記憶層３４の第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４を反転させるために充分な電流密度を確保するために、面積抵抗値が数十Ωμｍ２以下となるように決定されることが好ましい。例えば、中間層３３がＭｇＯ膜である場合には、中間層３３の厚さを１．５ｎｍ以下とすることが好ましい。
　なお、中間層３３を形成する材料は、ＭｇＯ以外であってもよく、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＳｉＯ２，Ｂｉ２Ｏ３，ＭｇＦ２，ＣａＦ，ＳｒＴｉＯ２，ＡｌＬａＯ３，Ａｌ－Ｎ－Ｏ，ＭｇＡｌ２Ｏ４などといった各種の絶縁体や誘電体や半導体であってもよい。
　（下地層）
　下地層３１は、固定層３２のＺ軸方向下側に配置されている。下地層３１は、ＭＴＪ素子の電極としての機能や、固定層３２の結晶を制御する機能などを有する。
　下地層３１は、例えば、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｕ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒ，Ｒｕ，Ｐｔのいずれか１つを主成分とする層として構成することができる。下地層３１は、相互に異なる材料からなる複数の層により構成されていることが好ましい。一例として、下地層３１は、Ｒｕにより形成された層と、Ｔａにより形成された層と、の２層により構成されていてもよい。
　（キャップ層）
　キャップ層３５は、記憶層３４のＺ軸方向上側に配置されている。キャップ層３５は、記憶層３４のＺ軸方向上面を被覆し、記憶層３４の酸化を防止する機能などを有する。
　キャップ層３５は、例えば、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｖ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐｔのいずれか１つを主成分とする金属層として構成することができる。また、キャップ層３５は、当該金属層と、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２のいずれか１つを主成分とする酸化物層と、の積層構造を有していてもよい。酸化物層を形成する材料は、上記以外でも、例えば、ＴｉＯ２，Ｂｉ２Ｏ３，ＳｒＴｉＯ２，ＡｌＬａＯ３，Ａｌ－Ｎ－Ｏ，ＭｇＡｌ２Ｏ４などであってもよい。
　（その他の構成）
　記憶素子３は、適宜、上記以外の構成を有していてもよい。例えば、記憶素子３は、キャップ層３５のＺ軸方向上側に配置されたハードマスク層を有していてもよい。ハードマスク層は、例えば、Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，ＴｉＮ，ＴａＮなどによって形成することができる。なお、ハードマスク層は、キャップ層３５に代えて設けられていてもよい。
［発熱層］
　（概略構成）
　図３に示すように、記憶層３４の発熱層３４２は、第２強磁性体層３４１に対してＺ軸方向下側に隣接している。発熱層３４２は、抵抗発熱体により形成されている。発熱層３４２は、主に、以下に説明する第１機能及び第２機能を有している。発熱層３４２の厚さは、第１機能及び第２機能を良好に発揮するために、０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。
　（第１機能）
　記憶層３４の発熱層３４２の第１機能は、記憶素子３の情報保持特性を維持しつつ、記憶素子３の記録動作時の消費電力を低減させるというものである。
　一般的に、記憶素子３における情報保持特性、つまり記憶層３４の第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４の安定性は、以下の式（１）で示されるΔによって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
　式（１）中、Ｋは異方性エネルギーを示し、Ｖは第２強磁性体層３４１の体積を示し、ＫＢはボルツマン定数を示し、Ｍｓは飽和磁化量を示し、Ｈｋは実効的な異方性磁界を示し、Ｔは第２強磁性体層３４１の温度を示す。実効的な異方性磁界Ｈｋには、形状磁気異方性、誘導磁気異方性、結晶磁気異方性等の各種要素が取り込まれており、単磁区の一斉回転モデルを仮定した場合に実効的な異方性磁界Ｈｋは保磁力と同等となる。
　式（１）で示される情報保持特性Δが大きいほど、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４の安定性が高いものと評価される。反対に、情報保持特性Δが小さいほど、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４の安定性が低いものと評価される。記憶素子３は、環境温度（典型的には室温）において情報保持特性Δが充分に大きくなるように構成され、記録された情報を良好に保持可能とされている。
　この一方で、情報保持特性Δが大きいほど、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４の安定性が高くなり、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が反転しにくくなる。これにより、記録動作時に第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４を反転させるために大きな電流が必要となるため、記録動作時の消費電力が増大する。そこで、記憶素子３では、発熱層３４２の作用によって、記録動作時の一瞬のみ情報保持特性Δを低下させることにより、記録動作時の消費電力を低減させる。
　より詳細には、記憶素子３にスピン注入が行われると、抵抗発熱体からなる発熱層３４２に電流が流れることによりジュール熱が発生する。このジュール熱によって発熱層３４２に隣接する第２強磁性体層３４１が温度上昇する。つまり、記憶素子３では、第２強磁性体層３４１が記録動作時の一瞬のみ温度上昇する。
　ここで、式（１）を参照すると、情報保持特性Δは第２強磁性体層３４１の温度Ｔの逆数に比例するため、第２強磁性体層３４１の温度Ｔが高くなるほど情報保持特性Δが小さくなることがわかる。つまり、記憶素子３では、記録動作時の一瞬のみ、第２強磁性体層３４１が温度上昇することにより、情報保持特性Δが小さくなり、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４の安定性が低下する。したがって、記憶素子３では、記録動作時に小さい電流によって第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４を反転させることができるため、記録動作時の消費電力が低減される。
　そして、記憶素子３では、記録動作後に第２強磁性体層３４１の温度はすぐに環境温度に戻るため、記録動作時の一瞬を除き、充分に大きい情報保持特性Δが維持される。このように、記憶素子３では、発熱層３４２の作用によって、情報保持特性Δを損なうことなく、記録動作時の消費電力を低減させることができる。
　（第２機能）
　一般的に、ＭＴＪ素子では、３５０℃以上の熱負荷によって特性が大きく劣化してしまうことが知られている。具体的には、３５０℃以上の熱負荷によって、ＭＴＪ素子の有する強磁性体層（本実施形態では第１強磁性体層３２１や第２強磁性体層３４１）の垂直磁気異方性が消失し、垂直磁化の反転による情報の記録ができなくなってしまう場合がある。
　これに対し、記憶層３４の発熱層３４２の第２機能は、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４に対する熱負荷の影響を抑制するというものである。つまり、記憶装置２０の製造プロセスや、記憶装置２０の各種電子機器への実装プロセスなどにおいて記憶素子３に熱負荷が加わる場合にも、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が損なわれにくい。
　より詳細には、記憶層３４の発熱層３４２は、抵抗発熱体からなるため高い耐熱性を有し、熱負荷が加わっても物理的及び化学的な変化を生じにくい。記憶素子３では、高い耐熱性を有する発熱層３４２を設けることにより、発熱層３４２に隣接する第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が熱負荷による影響を受けにくくなる。これにより、ＭＴＪ素子における磁気異方性が良好に維持されるため、記憶素子３としての高い信頼性が得られる。
　具体的には、記憶装置２０の製造時のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスにおいて、記憶素子３が４００℃程度にまで温度上昇する場合がある。このような場面を想定し、記憶素子３に４００℃に３時間の熱処理を行った場合にも、発熱層３４２の作用によって第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が損なわれないことが確認されている。
　（発熱層を形成する抵抗発熱体）
　発熱層３４２を形成するための抵抗発熱体としては、ジュール熱によって第２強磁性体層３４１を適切に温度上昇させることが可能であり、かつ、第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が損なわれないように作用する耐熱性を有する材料が採用可能である。このような抵抗発熱体としては、例えば、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、単体炭素、及び単体ホウ素から選択可能である。
　より具体的に、抵抗発熱体としては、例えば、ＴｉＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＶＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＣｒＮ，ＭｏＮ，ＷＮ，ＳｉＮ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ，ＮｂＣ，ＴａＣ，Ｃｒ３Ｃ２，Ｍｏ２Ｃ，ＷＣ，ＳｉＣ，ＡｌＣ，Ｂ４Ｃ，ＴｉＢ２，ＺｒＢ２，ＨｆＢ２，ＶＢ２，ＮｂＢ２，ＴａＢ２，ＣｒＢ２，Ｍｏ２Ｂ５，Ｗ２Ｂ，Ｂ２Ｏ３，Ｂ，Ｃなどを、単体や混合物として用いることができる。
　抵抗発熱体は、第２強磁性体層３４１を適切に温度上昇させる観点から、２０℃において１Ωｍ以上１×１０４Ωｍ以下の電気抵抗率を有する材料によって構成されていることが好ましい。抵抗発熱体は、上記のような電気抵抗率を有する単一種類の材料によって構成されていても、複数種類の材料を混合した複合材料として上記のような電気抵抗率に調整されていてもよい。なお、抵抗発熱体の電気抵抗率は、成膜前の物性値であっても、成膜後の物性値であってもよい。
　（変形例１）
　図４は、変形例１に係る記憶素子３を模式的に示す断面図である。本変形例に係る記憶素子３では、記憶層３４のみならず、固定層３２にも発熱層３２２が設けられている。発熱層３２２は第１強磁性体層３２１のＺ軸方向下側に配置されている。固定層３２の発熱層３２２も、記憶層３４の発熱層３４２と同様の機能を有する。
　具体的には、固定層３２の発熱層３２２は、記憶層３４の発熱層３４２に比べて第２強磁性体層３４１から遠いものの、記憶素子３の記録動作時にジュール熱を発生させ、第２強磁性体層３４１の温度上昇を促進する。これにより、記憶素子３の記録動作時の消費電力をより効果的に低減させることができる。
　また、本変形例に係る記憶素子３では、固定層３２にも耐熱性を有する発熱層３２２を設けることにより、発熱層３２２に隣接する第１強磁性体層３２１の垂直磁化Ｍ３２も熱負荷による影響を受けにくくなる。つまり、第１強磁性体層３２１の垂直磁化Ｍ３２及び第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４がいずれも熱負荷による影響を受けにくくなる。これにより、ＭＴＪ素子における磁気異方性が良好に維持されるため、記憶素子３としての更に高い信頼性が得られる。
　なお、記憶層３４における第２強磁性体層３４１及び発熱層３４２の位置、及び固定層３２における第１強磁性体層３２１及び発熱層３２２の位置は、図４に示す構成とは反対であっても構わない。つまり、記憶層３４において発熱層３４２が第２強磁性体層３４１のＺ軸方向上側に配置されていてもよく、固定層３２において発熱層３２２が第１強磁性体層３２１のＺ軸方向上側に配置されていてもよい。
　（変形例２）
　図５は、変形例２に係る記憶層３４を模式的に示す断面図である。本変形例に係る記憶層３４は、上記実施形態と同様の発熱層３４２に加え、２つの第２強磁性体層３４１Ｕ，３４１Ｌと、非磁性体層３４３と、を有する。非磁性体層３４３は、２つの第２強磁性体層３４１Ｕ，３４１Ｌの間に配置されている。
　２つの第２強磁性体層３４１Ｕ，３４１Ｌは、いずれも上記実施形態に係る第２強磁性体層３４１と同様の強磁性体によって形成することができ、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，ＦｅＮｉ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ，ＣｏＢなどによって形成することができる。２つの第２強磁性体層３４１Ｕ，３４１Ｌを形成する強磁性体は相互に異なっていてもよい。非磁性体層３４３は、例えば、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｒｕ，Ｍｇの単体、合金、酸化物、窒化物によって形成することができる。
　図５（Ａ）～図５（Ｄ）に示す記憶層３４の各構成では発熱層３４２の位置が異なる。
　具体的には、図５（Ａ）に示す構成では発熱層３４２が下側の第２強磁性体層３４１ＬのＺ軸方向下側に隣接している。
　図５（Ｂ）に示す構成では発熱層３４２が上側の第２強磁性体層３４１ＵのＺ軸方向上側に隣接している。
　図５（Ｃ）に示す構成では発熱層３４２が下側の第２強磁性体層３４１ＬのＺ軸方向上側に隣接している。
　図５（Ｄ）に示す構成では発熱層３４２が上側の第２強磁性体層３４１ＵのＺ軸方向下側に隣接している。
　図５（Ａ）～図５（Ｄ）のいずれの構成においても発熱層３４２が上記実施形態と同様の機能を発揮することができる。
　なお、記憶層３４は、複数の発熱層３４２を有していてもよい。つまり、発熱層３４２は、下側の第２強磁性体層３４１Ｌに隣接する位置、及び上側の第２強磁性体層３４１Ｕに隣接する位置の両方に配置されていてもよい。
　（変形例３）
　図６は、変形例３に係る固定層３２を模式的に示す断面図である。本変形例に係る固定層３２は、上記変形例１と同様の発熱層３２２に加え、２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌと、非磁性体層３２３と、を有する。非磁性体層３２３は、２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌの間に配置されている。
　本変形例に係る固定層３２は、いわゆる積層フェリ構造を有する。固定層３２の２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌの垂直磁化Ｍ３２の向きは、相互に反対であり、つまり反平行である。図６に示す例では、下側の第１強磁性体層３２１ＬはＺ軸方向下側を向き、上側の第１強磁性体層３２１ＵはＺ軸方向上側を向いている。このように、２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌの垂直磁化Ｍ３２の向きを相互に反対向きにすることにより、固定層３２における漏れ磁場を抑制でき、記憶層３４に漏れ磁場の影響が及ぶことを防止することができる。
　２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌは、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つと、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉの少なくとも１つと、を主成分とする材料で形成することができ、例えば、ＣｏＰｔやＦｅＰｔによって形成することができる。２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌを形成する強磁性体は相互に異なっていてもよい。なお、２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌの少なくとも一方が、上記実施形態に係る第１強磁性体層３２１と同様の材料によって形成されていてもよく、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，ＦｅＮｉ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ，ＣｏＢなどによって形成されていてもよい。
　非磁性体層３２３は、例えば、Ｒｕ，Ｏｓ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｂｉ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ、Ｖ，Ｔｉの単体や合金によって形成することができる。
　図６（Ａ）～図６（Ｄ）に示す固定層３２の各構成では発熱層３２２の位置が異なる。
　具体的には、図６（Ａ）に示す構成では発熱層３２２が下側の第１強磁性体層３２１ＬのＺ軸方向下側に隣接している。
　図６（Ｂ）に示す構成では発熱層３２２が上側の第１強磁性体層３２１ＵのＺ軸方向上側に隣接している。
　図６（Ｃ）に示す構成では発熱層３２２が下側の第１強磁性体層３２１ＬのＺ軸方向上側に隣接している。
　図６（Ｄ）に示す構成では発熱層３２２が上側の第１強磁性体層３２１ＵのＺ軸方向下側に配置されている。
　図６（Ａ）～図６（Ｄ）のいずれの構成においても発熱層３２２が上記変形例１と同様の機能を発揮することができる。
　なお、固定層３２は、複数の発熱層３２２を有していてもよい。つまり、発熱層３２２は、下側の第１強磁性体層３２１Ｌに隣接する位置、及び上側の第１強磁性体層３２１Ｕに隣接する位置の両方に配置されていてもよい。
　また、固定層３２は、反強磁性体層や軟磁性体層を利用した構成であってもよい。反強磁性体層は、例えば、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｔＣｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３などによって形成することができる。また、２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌは、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂなどの非磁性元素の添加により磁気特性、結晶構造、結晶性、安定性などの各種物性を調整することができる。
　（変形例４）
　図７は、変形例４に係る記憶素子３を模式的に示す断面図である。本変形例に係る固定層３２は、記憶層３４のＺ軸方向上下に分割して設けられている。つまり、上側の第１強磁性体層３２１Ｕは記憶層３４のＺ軸方向上方に設けられ、下側の第１強磁性体層３２１Ｌは記憶層３４のＺ軸方向下方に設けられている。固定層３２の２つの第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌの垂直磁化Ｍ３２は相互に反対を向いている。
　また、本変形例に係る記憶素子３では、分割して設けられた第１強磁性体層３２１Ｕ，３２１Ｌに対応して、２つの中間層３３Ｕ，３３Ｌが設けられている。つまり、第１強磁性体層３２１Ｕと記憶層３４との間に中間層３３Ｕが設けられ、第１強磁性体層３２１Ｌと記憶層３４との間に中間層３３Ｌが設けられている。本変形例の構成においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
　なお、本変形例に係る記憶素子３の固定層３２は、発熱層３２２を有していてもよい。つまり、発熱層３２２は、下側の第１強磁性体層３２１Ｌに隣接する位置、及び上側の第１強磁性体層３２１Ｕに隣接する位置の少なくとも一方に配置されていてもよい。
［記憶素子の評価］
　（磁気特性）
　記憶素子３における発熱層３４２の作用を確認するために、記憶素子に固定層３２を設けない構成のサンプルＳ１１，Ｓ１２において磁気特性の評価を行った。
　図８（Ａ）はサンプルＳ１１を模式的に示す断面図であり、図８（Ｂ）はサンプルＳ１２を模式的に示す断面図である。サンプルＳ１１，Ｓ１２は、いずれも、下地層３１と、中間層３３と、記憶層３４と、キャップ層３５と、によって構成されている。サンプルＳ１１は発熱層３４２を含み、サンプルＳ１２は発熱層３４２を含まない。サンプルＳ１１とサンプルＳ１２とでは発熱層３４２以外の構成が相互に共通する。したがって、サンプルＳ１１とサンプルＳ１２との比較により、記憶層３４の磁気特性に対する発熱層３４２の作用を確認することができる。
　サンプルＳ１１，Ｓ１２の共通の構成として、下地層３１は、膜厚５．０ｎｍのＴａ層３１２と、膜厚５．０ｎｍのＲｕ層３１１と、からなる積層膜として構成されている。
　中間層３３は、膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ膜として構成されている。
　記憶層３４の第２強磁性体層３４１は、膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ膜として構成されている。
　キャップ層３５は、膜厚５．０ｎｍのＴａ膜として構成されている。
　サンプルＳ１１の発熱層３４２は、膜厚０．２ｎｍの抵抗発熱体膜として構成されている。発熱層３４２は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、単体炭素、及び単体ホウ素び少なくとも１つから構成され、２０℃において１Ωｍ以上１×１０４Ωｍ以下の電気抵抗率を有する抵抗発熱体によって形成した。
　作製後のサンプルＳ１１，Ｓ１２に、４００℃３時間の熱処理を加えた後に、磁気特性の測定を行った。
　図９は、サンプルＳ１１の磁気特性の測定結果を示す図である。図９（Ａ）は磁気光学効果（ＭＯＫＥ：Ｍａｇｎｅｔｏ－ｏｐｔｉｃａｌ　Ｋｅｒｒ　ｅｆｆｅｃｔ）測定の結果を示すグラフであり、図９（Ｂ）は試料振動型磁力計（ＶＳＭ：Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　Ｓａｍｐｌｅ　Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ：ＶＳＭ）による測定結果を示すグラフである。
　図９（Ａ）に示すように、サンプルＳ１１では、ＭＯＫＥ測定において、極めて明確な垂直磁気異方性を示す高アスペクト比の矩形のＭＯＫＥ波形が得られた。また、図９（Ｂ）に示すようにサンプルＳ１１では、ＶＳＭによる測定においても、充分大きい垂直磁気異方性を示す波形が得られた。これにより、サンプルＳ１１では、４００℃３時間の熱処理の後にも、記憶層３４の第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が良好に維持されていることが確認された。
　図１０は、サンプルＳ１２についてのＶＳＭによる測定結果を示すグラフである。図１０に示すように、サンプルＳ１２では、ＶＳＭによる測定において垂直磁気異方性を示す波形が得られず、垂直磁気異方性が消失していることがわかる。これにより、サンプルＳ１２では、４００℃３時間の熱処理により、記憶層３４の第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が損なわれていることが確認された。
　以上のサンプルＳ１１，Ｓ１２の比較により、サンプルＳ１１では、発熱層３４２の作用によって、記憶層３４の第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が良好に維持されることが確認された。
　（情報保持特性Δ及び情報書き込み電流密度Ｊｃ０）
　記憶素子３における発熱層３４２の作用を確認するために、記憶素子のサンプルＳ２１，Ｓ２２において情報保持特性Δ及び情報書き込み電流密度Ｊｃ０の評価を行った。
　図１１（Ａ）はサンプルＳ２１を模式的に示す断面図であり、図１１（Ｂ）はサンプルＳ２２を模式的に示す断面図である。各サンプルＳ２１，Ｓ２２は、それぞれ、厚さ０．７２５ｍｍのシリコン基板上に設けられた厚さ３００ｎｍの熱酸化膜上に形成した。
　サンプルＳ２１，Ｓ２２は、いずれも、下地層３１と、固定層３２と、中間層３３と、記憶層３４と、キャップ層３５と、によって構成されている。サンプルＳ２１は発熱層３４２を含み、サンプルＳ２２は発熱層３４２を含まない。サンプルＳ２１とサンプルＳ２２とでは発熱層３４２以外の構成が相互に共通する。したがって、サンプルＳ２１とサンプルＳ２２との比較により、情報保持特性Δ及び情報書き込み電流密度Ｊｃ０に対する発熱層３４２の作用を確認することができる。
　サンプルＳ２１，Ｓ２２の共通の構成として、下地層３１は、膜厚５．０ｎｍのＴａ層３１２と、膜厚５．０ｎｍのＲｕ層３１１と、からなる積層膜として構成されている。
　固定層３２は、ＣｏＰｔからなる膜厚２．５ｎｍの第１強磁性体層３２１、Ｒｕからなる膜厚０．８ｎｍの非磁性体層３２３、及びＣｏＰｔからなる膜厚２．５ｎｍの第１強磁性体層３２１からなる積層フェリ構造を有する。
　中間層３３は、膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ膜として構成されている。
　記憶層３４の第２強磁性体層３４１は、膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ膜として構成されている。
　キャップ層３５は、膜厚３．０ｎｍのＴａ膜３５１、膜厚３．０ｎｍのＲｕ膜３５２、及び膜厚３．０ｎｍのＴａ膜３５１からなる積層膜として構成されている。
　サンプルＳ２１の発熱層３４２は、膜厚０．２ｎｍの抵抗発熱体膜として構成されている。発熱層３４２は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、単体炭素、及び単体ホウ素び少なくとも１つから構成され、２０℃において１Ωｍ以上１×１０４Ωｍ以下の電気抵抗率を有する抵抗発熱体によって形成した。
　作製後のサンプルＳ２１，Ｓ２２に、３５０℃１時間の第１熱処理、及び４００℃３時間の第２熱処理を加えた。各サンプルＳ２１，Ｓ２２について、各熱処理の後に、情報保持特性Δ及び情報書き込み電流密度Ｊｃ０を求めた。情報保持特性Δは、温度加速保持試験による結果から算出した。情報書き込み電流密度Ｊｃ０は、磁化反転電流Ｉｃのパルス幅依存性から算出した。表１は、各サンプルＳ２１，Ｓ２２について各熱処理後の情報保持特性Δ及び情報書き込み電流密度Ｊｃ０を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、第１熱処理の後の情報保持特性Δが、サンプルＳ２２では３８であるところ、サンプルＳ２１では６５であった。これにより、発熱層３４２の作用によって、第１熱処理後の情報保持特性Δが大きく増大し、記憶層３４の第２強磁性体層３４１の垂直磁化Ｍ３４が損なわれにくくなっていることがわかる。
　この一方で、第１熱処理の後の情報書き込み電流密度Ｊｃ０が、サンプルＳ２２では１．０であるところ、サンプルＳ２１では０．８であった。これにより、発熱層３４２の作用によって、情報書き込み電流密度Ｊｃ０が２０％低減されていることがわかる。
　以上の第１熱処理の後のサンプルＳ２１，Ｓ２２の比較により、発熱層３４２の作用によって、記憶素子の情報保持特性Δが向上するとともに、記憶素子の記録動作時の消費電力が低減することが確認された。
　また、サンプルＳ２１では、第２熱処理の後にも、第１熱処理の後と同程度の情報保持特性Δ、及び情報書き込み電流密度Ｊｃ０が得られている。この一方で、第２熱処理後のサンプルＳ２２では、垂直磁気異方性が消失しており、情報保持特性Δ及び情報書き込み電流密度Ｊｃ０が得られなかった。
　以上の結果により、サンプルＳ２１では、３５０℃１時間の第１熱処理、及び４００℃３時間の第２熱処理の後にも、発熱層３４２の作用によって、情報保持特性Δ及び情報書き込み電流密度Ｊｃ０がいずれも損なわれていないことが確認された。
［記憶素子の応用例］
　上記実施形態に係る記憶素子３は、記憶装置２０のみならず、磁気ヘッドや、各種電子機器などにも適用可能である。以下、その一例として、記憶素子３を有する磁気ヘッド、及び記憶素子３を有する電子機器について説明する。
　（磁気ヘッド）
　図１２は、複合型磁気ヘッド１００を示す図である。図１２（Ａ）は複合型磁気ヘッド１００の斜視図であり、図１２（Ｂ）は複合型磁気ヘッド１００の断面図である。図１２（Ａ）では、複合型磁気ヘッド１００の内部構造がわかるように一部を切り欠いて示している。複合型磁気ヘッド１００は、上記実施形態に係る記憶素子３と同様の構成の積層構造を有する磁気素子である感磁素子１０１を有する。
　複合型磁気ヘッド１００は、例えば、ハードディスク装置等に利用可能である。複合型磁気ヘッド１００は、基板１２２と、基板１２２上に形成された磁気抵抗効果型磁気ヘッドと、を有する。また、複合型磁気ヘッド１００は、磁気抵抗効果型磁気ヘッド上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドを有する。
　複合型磁気ヘッド１００では、磁気抵抗効果型磁気ヘッドが再生用ヘッドとして機能し、インダクティブ型磁気ヘッドが記録用ヘッドとして機能する。つまり、複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドと記録用ヘッドとが複合された構成を有する。
　複合型磁気ヘッド１００の磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、いわゆるシールド型ＭＲヘッドである。磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、第１磁気シールド１２５と、感磁素子１０１と、第２磁気シールド１２７と、を有する。第１磁気シールド１２５は、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成されている。感磁素子１０１は、第１磁気シールド１２５上に絶縁層１２３を介して形成されている。第２磁気シールド１２７は、感磁素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成されている。
　絶縁層１２３は、例えば、Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などのような絶縁材料からなる。第１磁気シールド１２５は、例えば、Ｎｉ－Ｆｅなどの軟磁性体からなり、感磁素子１０１の下層側を磁気的にシールドする。同様に、第２磁気シールド１２７は、感磁素子１０１の上層側を磁気的にシールドする。
　磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、感磁素子１０１は磁気記録媒体からの磁気信号を検出する。感磁素子１０１は、略矩形状に形成され、その一側面が磁気記録媒体対向面に露出している。感磁素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が接続され、更にバイアス層１２８，１２９には接続端子１３０，１３１が接続されている。このような構成により、感磁素子１０１に対して、接続端子１３０，１３１を介してセンス電流を供給することが可能となる。
　複合型磁気ヘッド１００のインダクティブ型磁気ヘッドは、磁気コアと、薄膜コイル１３３と、を有する。磁気コアは、第２磁気シールド１２７及び上層コア１３２によって構成されている。薄膜コイル１３３は、磁気コアを巻回するように形成されている。
　磁気コアを構成する上層コア１３２は、例えば、Ｎｉ－Ｆｅなどの軟磁性体からなり、第２磁気シールド１２７とともに閉磁路を形成する。第２磁気シールド１２７及び上層コア１３２の前端部は、所定の間隙ｇを形成するように離間し、いずれも磁気記録媒体対向面に露出している。第２磁気シールド１２７と上層コア１３２との間の間隙ｇは、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップを構成している。第２磁気シールド１２７及び上層コア１３２は、その後端部において接続されている。
　第２磁気シールド１２７と上層コア１３２との間には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。薄膜コイル１３３は、第２磁気シールド１２７及び上層コア１３２からなる磁気コアを面内方向に巻回するように形成されている。図１２には示されていないが、薄膜コイル１３３には両端部に端子が設けられている。薄膜コイル１３３の各端子は、外部に露出しており、インダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子を構成している。つまり、薄膜コイル１３３の各端子に記録電流を供給することにより、磁気記録媒体に磁気信号を記録することが可能である。
　複合型磁気ヘッド１００の感磁素子１０１は、上記実施形態に係る記憶素子３と同様の構成を有しているため、高い情報保持特性Δと低い消費電力とを兼ね備えている。つまり、感磁素子１０１が搭載された複合型磁気ヘッド１００では、より正確な再生動作を低消費電力で行うことが可能である。
　（電子機器）
　図１３は、本実施形態に係る記憶素子３や記憶装置２０を備える電子機器２００の概略構成を示すブロック図である。電子機器２００は、本実施形態に係る記憶素子３や記憶装置２０を記憶部２０１として備える。電子機器２００としては、例えば、各種コンピュータや、携帯端末機器や、ゲーム機器や、音楽機器や、ビデオ機器などが挙げられる。
　電子機器２００は、記憶部２０１にアクセス可能な制御部２０２を具備する。
　電子機器２００は、例えば、入力操作部２０３を有していてもよい。この場合、制御部２０２は、ユーザの入力操作部２０３への操作内容に応じた情報を記憶部２０１に記録することが可能である。
　また、電子機器２００は、例えば、映像の表示や音声の再生などが可能な情報提示部２０４を有していてもよい。情報提示部２０４は、典型的には、表示装置やスピーカなどとして構成される。この場合、制御部２０２は、ユーザの要求に応じて、記憶部２０１に記録された情報を読み込み、当該情報を情報提示部２０４によって表示したり再生したりすることが可能である。
　以上、本技術の実施形態について説明したが、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
　例えば、上記実施形態では、記憶素子において記憶層のＺ軸方向下方に固定層が設けられている例について説明したが、記憶素子における記憶層と固定層の位置は反対であっても構わない。一例として、記憶素子は、積層フェリ構造の固定層が記憶層のＺ軸方向上方に設けられた、いわゆるトップ積層フェリ型であってもよい。
　なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
　固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む固定層と、
　スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む記憶層と、
　絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置された中間層と、
　抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置された発熱層と、
　を具備する記憶素子。
（２）
　上記（１）に記載の記憶素子であって、
　上記発熱層は、少なくとも上記記憶層に配置されている
　記憶素子。
（３）
　上記（１）又は（２）に記載の記憶素子であって、
　上記発熱層は、上記第１強磁性体層又は上記第２強磁性体層に隣接している
　記憶素子。
（４）
　上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の記憶素子であって、
　上記抵抗発熱体は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、単体炭素、及び単体ホウ素の少なくとも１つから構成され、２０℃において１Ωｍ以上１×１０４Ωｍ以下の電気抵抗率を有する
　記憶素子。
（５）
　上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の記憶素子であって、
　上記発熱層の厚さは、０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である
　記憶素子。
（６）
　上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の記憶素子であって、
　上記第１強磁性体層及び上記第２強磁性体層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つを主成分とする金属、又はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つとＢとを含むホウ素合金によって形成されている
　記憶素子。
（７）
　上記（６）に記載の記憶素子であって、
　上記第１強磁性体層及び上記第２強磁性体層は、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｒｕの少なくとも１つを副成分とする材料によって形成されている
　記憶素子。
（８）
　上記（１）に記載の記憶素子であって、
　上記固定層は、２層の第１強磁性層と、当該２層の第１強磁性層の間に配置された非磁性体層と、を更に含む
　記憶素子。
（９）
　上記（８）に記載の記憶素子であって、
　上記２層の第１強磁性体層のうち少なくとも一方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つと、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉの少なくとも１つと、を主成分とする材料によって形成されている
　記憶素子。
（１０）
　上記（９）に記載の記憶素子であって、
　上記２層の第１強磁性体層の一方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つと、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉの少なくとも１つと、を主成分とする材料によって形成され、
　上記２層の第１強磁性体層の他方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つを主成分とする金属、又はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つとＢとを含むホウ素合金によって形成されている
　記憶素子。
（１１）
　上記（１）から（１０）のいずれか１つに記載の記憶素子であって、
　上記絶縁体はＭｇＯから構成される
　記憶素子。
（１２）
　上記（１）から（１１）のいずれか１つに記載の記憶素子であって、
　上記記憶層に対して、上記中間層とは反対側に隣接するキャップ層を更に具備する
　記憶素子。
（１３）
　上記（１２）に記載の記憶素子であって、
　上記キャップ層は、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｖ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐｔのいずれか１つを主成分とする金属層を含む
　記憶素子。
（１４）
　上記（１３）に記載の記憶素子であって、
　上記キャップ層は、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２のいずれか１つを主成分とする酸化物層を更に含む
　記憶素子。
（１５）
　上記（１）から（１４）のいずれか１つに記載の記憶素子であって、
　上記固定層に対して、上記中間層とは反対側に隣接する下地層を更に具備する
　記憶素子。
（１６）
　上記（１５）に記載の記憶素子であって、
　上記下地層は、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｕ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒ，Ｒｕ，Ｐｔのいずれか１つを主成分とする複数の層を含む
　記憶素子。
（１７）
　　固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む固定層と、
　　スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む記憶層と、
　　絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置された中間層と、
　　抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置された発熱層と、
　を有する複数の記憶素子と、
　上記複数の記憶素子のそれぞれに電流を供給可能に構成された配線部と、
　を具備する記憶装置。
（１８）
　固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む固定層と、
　スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む記憶層と、
　絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置された中間層と、
　抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置された発熱層と、
　を有する磁気素子を具備する
　磁気ヘッド。
（１９）
　　固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む固定層と、
　　スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む記憶層と、
　　絶縁体からなり、上記記憶層と上記固定層との間に配置された中間層と、
　　抵抗発熱体からなり、上記記憶層及び上記固定層の少なくとも一方に配置された発熱層と、
　を有する複数の記憶素子を有する記憶部と、
　上記記憶部にアクセス可能に構成された制御部と、
　を具備する電子機器。
２０…記憶装置
３…記憶層
３１…下地層
３２…固定層
３２１…第１強磁性体層
３３…中間層
３４…記憶層
３４１…第２強磁性体層
３４２…発熱層
３５…キャップ層
Ｍ３２…垂直磁化
Ｍ３４…垂直磁化

Claims (19)

  1. 　固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む固定層と、
    　スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む記憶層と、
    　絶縁体からなり、前記記憶層と前記固定層との間に配置された中間層と、
    　抵抗発熱体からなり、前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方に配置された発熱層と、
    　を具備する記憶素子。
  2. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記発熱層は、少なくとも前記記憶層に配置されている
    　記憶素子。
  3. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記発熱層は、前記第１強磁性体層又は前記第２強磁性体層に隣接している
    　記憶素子。
  4. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記抵抗発熱体は、窒化物、炭化物、ホウ化物、酸化物、単体炭素、及び単体ホウ素の少なくとも１つから構成され、２０℃において１Ωｍ以上１×１０４Ωｍ以下の電気抵抗率を有する
    　記憶素子。
  5. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記発熱層の厚さは、０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である
    　記憶素子。
  6. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記第１強磁性体層及び前記第２強磁性体層は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つを主成分とする金属、又はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つとＢとを含むホウ素合金によって形成されている
    　記憶素子。
  7. 　請求項６に記載の記憶素子であって、
    　前記第１強磁性体層及び前記第２強磁性体層は、Ｖ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｒｕの少なくとも１つを副成分とする材料によって形成されている
    　記憶素子。
  8. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記固定層は、２層の第１強磁性層と、当該２層の第１強磁性層の間に配置された非磁性体層と、を更に含む
    　記憶素子。
  9. 　請求項８に記載の記憶素子であって、
    　前記２層の第１強磁性体層のうち少なくとも一方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つと、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉの少なくとも１つと、を主成分とする材料によって形成されている
    　記憶素子。
  10. 　請求項９に記載の記憶素子であって、
    　前記２層の第１強磁性体層の一方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つと、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｎｉの少なくとも１つと、を主成分とする材料によって形成され、
    　前記２層の第１強磁性体層の他方は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つを主成分とする金属、又はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉの少なくとも１つとＢとを含むホウ素合金によって形成されている
    　記憶素子。
  11. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記絶縁体はＭｇＯから構成される
    　記憶素子。
  12. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記記憶層に対して、前記中間層とは反対側に隣接するキャップ層を更に具備する
    　記憶素子。
  13. 　請求項１２に記載の記憶素子であって、
    　前記キャップ層は、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ｖ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｐｔのいずれか１つを主成分とする金属層を含む
    　記憶素子。
  14. 　請求項１３に記載の記憶素子であって、
    　前記キャップ層は、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２のいずれか１つを主成分とする酸化物層を更に含む
    　記憶素子。
  15. 　請求項１に記載の記憶素子であって、
    　前記固定層に対して、前記中間層とは反対側に隣接する下地層を更に具備する
    　記憶素子。
  16. 　請求項１５に記載の記憶素子であって、
    　前記下地層は、Ｔａ，Ｔｉ，Ｃｕ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒ，Ｒｕ，Ｐｔのいずれか１つを主成分とする複数の層を含む
    　記憶素子。
  17. 　　固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む固定層と、
    　　スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む記憶層と、
    　　絶縁体からなり、前記記憶層と前記固定層との間に配置された中間層と、
    　　抵抗発熱体からなり、前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方に配置された発熱層と、
    　を有する複数の記憶素子と、
    　前記複数の記憶素子のそれぞれに電流を供給可能に構成された配線部と、
    　を具備する記憶装置。
  18. 　固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む固定層と、
    　スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む記憶層と、
    　絶縁体からなり、前記記憶層と前記固定層との間に配置された中間層と、
    　抵抗発熱体からなり、前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方に配置された発熱層と、
    　を有する磁気素子を具備する
    　磁気ヘッド。
  19. 　　固定された垂直磁化を有する第１強磁性体層を含む固定層と、
    　　スピン注入によって反転可能な垂直磁化を有する第２強磁性体層を含む記憶層と、
    　　絶縁体からなり、前記記憶層と前記固定層との間に配置された中間層と、
    　　抵抗発熱体からなり、前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方に配置された発熱層と、
    　を有する複数の記憶素子を有する記憶部と、
    　前記記憶部にアクセス可能に構成された制御部と、
    　を具備する電子機器。
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