WO2018179961A1 - 磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサ - Google Patents

磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサ Download PDF

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隆行 野崎
新治 湯浅
アナ コジオルラフバン
雅人 辻川
白井　正文
和博 宝野
忠勝 大久保
先東 徐
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
国立大学法人東北大学
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    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]

Definitions

  • Embodiments described herein relate generally to a magnetic element, a magnetic storage device, and a magnetic sensor.
  • Embodiments of the present invention provide a magnetic element, a magnetic storage device, and a magnetic sensor that can improve operational stability.
  • the magnetic element includes a first layer and a second layer.
  • the first layer includes a first element including at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni, and a second element including at least one selected from the group consisting of Ir and Os. .
  • the second layer is nonmagnetic.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating a magnetic element according to the first embodiment.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are schematic cross-sectional views showing experimental samples of magnetic elements.
  • FIG. 3A to FIG. 3C are graphs showing the experimental results.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are graphs showing the experimental results.
  • 5A to 5D are a schematic view and a photographic image illustrating the analysis result of the sample.
  • FIG. 6A and FIG. 6B are a photographic image and a schematic diagram illustrating the analysis result of the sample.
  • FIG. 7A and FIG. 7B are schematic diagrams showing experiments related to voltage control of magnetic anisotropy.
  • FIG. 8A and FIG. 8B are schematic cross-sectional views illustrating another magnetic element according to the first embodiment.
  • FIG. 9D are schematic views illustrating simulation models.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are schematic views illustrating another model of simulation.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are schematic views illustrating another model of simulation.
  • FIG. 12 is a schematic perspective view illustrating another magnetic element according to the first embodiment.
  • FIG. 13A to FIG. 13F are schematic cross-sectional views illustrating another magnetic element according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic view illustrating a magnetic memory device according to the second embodiment.
  • FIG. 15A to FIG. 15C are schematic views illustrating operations of the magnetic memory device according to the second embodiment.
  • FIG. 16A and FIG. 16B are schematic views illustrating a magnetic sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating a magnetic element according to the first embodiment.
  • the magnetic element 110 according to this embodiment includes a first layer 10 and a second layer 20.
  • a third layer 30, a first conductive layer 41, and a second conductive layer 42 are further provided.
  • the first layer 10 includes a first element and a second element.
  • the first element includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.
  • the second element includes at least one selected from the group consisting of Ir and Os.
  • the first layer 10 includes, for example, FeIr.
  • the first layer 10 is, for example, a FeIr alloy.
  • the concentration of the second element in the first layer 10 is not less than 3 atomic percent and not more than 25 atomic percent.
  • the first layer 10 is, for example, a ferromagnetic layer.
  • the second layer 20 includes, for example, at least one of a third element oxide, a third element nitride, and a third element fluoride.
  • the third element includes, for example, at least one selected from the group consisting of Mg, Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Zn, Sr, and Ba.
  • the second layer 20 includes, for example, magnesium oxide (MgO).
  • the second layer 20 is nonmagnetic, for example. For example, the second layer 20 is in contact with the first layer 10.
  • the first layer 10 is provided between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42.
  • the second layer 20 is provided between the first layer 10 and the second conductive layer 42.
  • a third layer 30 is provided between the second layer 20 and the second conductive layer 42.
  • the second layer 20 is located between the first layer 10 and the third layer 30.
  • the third layer 30 is, for example, ferromagnetic.
  • the third layer 30 is made of, for example, a ferromagnetic material.
  • the third layer 30 includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and Mn.
  • the first conductive layer 41 is electrically connected to the first layer 10.
  • the second conductive layer 42 is electrically connected to the third layer 30.
  • a voltage for example, a voltage pulse
  • the electrical resistance of the laminate changes before and after application of the voltage pulse.
  • the third layer 30 is, for example, a ferromagnetic layer.
  • the third layer 30 functions as a reference layer.
  • the magnetization direction of the third layer 30 is not substantially changed by application of a voltage pulse.
  • at least a part of the first layer 10 functions as a storage layer.
  • the magnetization direction of at least a part of the first layer 10 is changed by application of a voltage pulse.
  • the magnetization direction is reversed.
  • the change in the electrical resistance of the stacked body before and after the application of the voltage pulse is, for example, due to a change in the relative relationship between the magnetization direction of the third layer 30 and the magnetization direction of at least a part of the first layer 10. Correspond.
  • the first direction from the first layer 10 toward the second layer 20 is taken as the Z-axis direction.
  • One direction perpendicular to the Z-axis direction is taken as an X-axis direction.
  • a direction perpendicular to the Z-axis direction and the X-axis direction is taken as a Y-axis direction.
  • Layers such as the first layer 10 and the second layer 20 extend substantially parallel to the XY plane.
  • the Z-axis direction corresponds to the stacking direction.
  • the thickness of each layer is a length along the Z-axis direction.
  • the thickness tm of the first layer 10 is the length of the first layer 10 along the Z-axis direction.
  • the thickness tm is, for example, not less than 0.26 nanometers (nm) and not more than 5 nm. 0.26 nm substantially corresponds to a thickness of two atomic layers.
  • the thickness of the first layer 10 is 5 nm or less, good controllability can be obtained in rewriting the magnetization direction by an external signal such as voltage or current.
  • the thickness of the first layer 10 is 2 nm or less, for example, power consumption during rewriting by an external signal can be reduced.
  • the embodiment for example, stable magnetic anisotropy is obtained.
  • a magnetic element, a magnetic storage device, and a magnetic sensor that can improve operational stability can be provided.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are schematic cross-sectional views showing experimental samples of magnetic elements.
  • FIG. 2A illustrates the state of the sample 110a after performing a heat treatment (annealing process) after forming a plurality of films of the sample.
  • FIG. 2B illustrates the state of the sample 110b after the annealing process after film formation.
  • the third layer 30 is not provided.
  • a Cr film to be the first conductive layer 41 is provided on the substrate 51.
  • the substrate 51 is made of (001) oriented MgO.
  • the thickness of the Cr film is 30 nm.
  • An Fe film 10 p is provided on the first conductive layer 41. In the experiment, the thickness tp of the Fe film 10p is changed in the range of 0.5 nm to 1.4 nm.
  • An Ir film 10q is provided on the Fe film 10p. In the experiment, the thickness tq of the Ir film 10q is changed in the range of 0 nm to 0.15 nm.
  • An MgO film to be the second layer 20 is provided on the Ir film 10q. The thickness of the second layer 20 is about 2.3 nm.
  • An ITO film (Indium Tin Oxide) to be the second conductive layer 42 is provided on the MgO film. These films are formed by molecular beam epitaxy and sputtering. The Ir film 10q and the MgO film are formed at room temperature (about 25 ° C.). After forming these laminated films, heat treatment is performed at 350 ° C. for 20 minutes.
  • a mixed region of FeIr is formed from the Fe film 10p and the Ir film 10q. This is because, for example, Ir in the Ir film 10q diffuses into the Fe film 10p.
  • This mixed region (alloy) corresponds to the first layer 10.
  • Fe is replaced by Ir.
  • bcc body-centered cubic lattice
  • the thickness tm of the mixed region (first layer 10) of FeIr substantially corresponds to the sum of the thickness tp and the thickness tq.
  • a plurality of samples in which the thickness tq of the Ir film 10q is changed are produced.
  • the Ir concentrations in the region containing Fe and Ir (first layer 10) are different from each other.
  • a sample of a reference example in which the Ir film 10q is not provided is also produced.
  • the sample of this reference example corresponds to a sample having an Ir concentration of 0.
  • the Kerr rotation angle is measured by applying an external magnetic field along the Z-axis direction (stacking direction) to these samples and changing the strength of the external magnetic field.
  • FIG. 3A to FIG. 3C are graphs showing the experimental results.
  • FIG. 3A corresponds to the sample 119 of the reference example in which the Ir film 10q is not provided.
  • FIG. 3A shows the results of a sample in which the thickness tp of the Fe film 10p is 0.55 nm or more and 1.00 nm or less.
  • FIG. 3B corresponds to the sample 110c in which the thickness tq of the Ir film 10q is 0.05 nm.
  • FIG. 3B shows the result of a sample in which the thickness tp of the Fe film 10p is 0.65 nm or more and 1.20 nm or less.
  • FIG. 3C corresponds to the sample 110d in which the thickness tq of the Ir film 10q is 0.15 nm.
  • FIG. 3A corresponds to the sample 119 of the reference example in which the Ir film 10q is not provided.
  • FIG. 3A shows the results of a sample in which the thickness tp of the Fe film 10
  • 3C shows a result of a sample in which the thickness tp of the Fe film 10p is 0.80 nm or more and 1.40 nm or less.
  • the horizontal axis represents the intensity MF (kOe) of the external magnetic field. 1 Oe corresponds to (1 / 4 ⁇ ) ⁇ 10 3 A / m.
  • the vertical axis represents the Kerr rotation angle KRA (arbitrary unit).
  • magnetic hysteresis is observed in each sample in a specific range of the thickness tp of the Fe film 10p.
  • the observation of magnetic hysteresis corresponds to the fact that the easy axis of magnetization in the first layer 10 (the region containing Fe and Ir) has a component in the Z-axis direction (perpendicular direction).
  • sample 119 when the thickness tp of the Fe film 10p is 0.95 nm or more, no magnetic hysteresis is observed.
  • sample 110c when the thickness tp of the Fe film 10p is 1.1 nm or more, no magnetic hysteresis is observed.
  • sample 110d when the thickness tp of the Fe film 10p is 1.30 nm or more, no magnetic hysteresis is observed.
  • the thickness tp of the Fe film 10p is increased, no magnetic hysteresis is observed. That is, the characteristics of the in-plane magnetization film can be obtained. This phenomenon is considered to be due to the interface magnetic anisotropy generated at the interface between the Fe film and the MgO film or at the interface between the FeIr film and the MgO film.
  • sample 119 when the thickness tp of the Fe film 10p is 0.90 nm or less, magnetic hysteresis is observed, and stable perpendicular magnetization anisotropy is obtained.
  • sample 110c when the thickness tp of the Fe film 10p is 1.0 nm or less, magnetic hysteresis is observed, and stable perpendicular magnetization anisotropy is obtained.
  • sample 110d when the thickness tp of the Fe film 10p is 1.20 nm or less, magnetic hysteresis is observed, and stable perpendicular magnetization anisotropy is obtained.
  • the upper limit thickness (thickness tp) at which magnetic hysteresis is observed is different from each other. It is considered that the perpendicular magnetic anisotropy of the sample 110c is higher than the perpendicular magnetic anisotropy of the sample 119. The perpendicular magnetic anisotropy of the sample 110d is considered to be higher than the perpendicular magnetic anisotropy of the sample 110c.
  • K eff (K v - ⁇ 0 Ms 2/2) + K i, 0 / t
  • K v is the volume magnetic anisotropy energy.
  • ⁇ 0 is the vacuum permeability.
  • Ms is saturation magnetization.
  • K i, 0 is the interfacial magnetic anisotropy.
  • t is the thickness of the magnetic layer.
  • the interfacial magnetic anisotropy K i, 0 corresponds to the intrinsic interfacial magnetic anisotropy energy obtained when assuming that the thickness of the magnetic layer is zero.
  • the thickness t corresponds to the thickness tm of the first layer 10 (region containing Fe and Ir) after the heat treatment.
  • the thickness tm corresponds to the sum of the thickness tp of the Fe film 10p and the thickness tq of the Ir film 10q in each sample.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are graphs showing the experimental results.
  • the horizontal axis in FIG. 4A is the thickness tq (nm) of the Ir film 10q.
  • the horizontal axis in FIG. 4B is the Ir composition ratio C (Ir) (atomic percent: at%) in the first layer 10.
  • the vertical axis in these figures represents the interface magnetic anisotropy K i, 0 (mJ / m 2 ).
  • the value when the thickness tq is 0 corresponds to the sample 119 in which the Ir film 10q is not provided.
  • the value when the thickness tq is 0.05 nm corresponds to the sample 110c.
  • the value when the thickness tq is 0.15 nm corresponds to the sample 110d.
  • the interfacial magnetic anisotropy K i, 0 is as low as about 2 mJ / m 2 .
  • the Ir film 10q is provided, a high interface magnetic anisotropy K i, 0 is obtained.
  • the interface magnetic anisotropy K i, 0 is very high as 3.7 mJ / m 2 .
  • a high interface magnetic anisotropy K i, 0 is obtained when the thickness tq of the Ir film 10q is 0.025 nm or more and 0.15 nm or less.
  • the interface magnetic anisotropy K i, 0 is 2.8 mJ / m 2 .
  • the interface magnetic anisotropy K i, 0 is negative.
  • the characteristics of the interfacial magnetic anisotropy K i, 0 in the thickness tq range of 0.15 nm to 0.2 nm are critical.
  • the Fe film 10p and the Ir film 10q are formed, and then a heat treatment is performed to obtain a region (first layer 10) containing Fe and Ir.
  • the thickness tm of the first layer 10 is about 0.70 nm to 1.25 nm.
  • the thickness tm of the first layer 10 is about 0.95 nm to 1.55 nm.
  • the thickness tm of the region containing Fe and Ir is 0.26 nm or more and 2 nm or less, a high perpendicular magnetic anisotropy energy K eff is obtained.
  • the thickness tm of about 0.13 nm corresponds to the thickness of one atomic layer (1ML: monoatomic layer).
  • 1ML monoatomic layer
  • a high interface magnetic anisotropy K i, 0 is obtained.
  • the thickness tq of the Ir film 10q substantially corresponds to the composition ratio of Ir in the region containing Fe and Ir (first layer 10).
  • FIG. 4B shows the relationship between the Ir composition ratio C (Ir) in the first layer 10 and the interface magnetic anisotropy K i, 0 for the plurality of samples illustrated in FIG. ing. As shown in FIG. 4B, when the Ir composition ratio C (Ir) in the first layer 10 is 3 at% or more and 25 at% or less, a high interface magnetic anisotropy K i, 0 is obtained.
  • the concentration of the second element (for example, Ir) in the first layer 10 is not less than 3 at% and not more than 25 at%. Thereby, a high interface magnetic anisotropy K i, 0 is obtained.
  • the concentration of the second element (for example, Ir) in the first layer 10 may be 5 at% or more and 20 at% or less.
  • a higher interface magnetic anisotropy K i, 0 is obtained.
  • the concentration of the second element (for example, Ir) in the first layer 10 may be 5 at% or more and 12 at% or less. Higher interface magnetic anisotropy K i, 0 can be obtained stably.
  • the Ir composition ratio in the region containing Fe and Ir is changed by changing the thickness tq of the Ir film 10q.
  • the composition ratio of Ir may change in the thickness direction (Z-axis direction).
  • the composition ratio of Ir in the region close to the second layer 20 in the first layer 10 is higher than the composition ratio of Ir in the region far from the second layer 20 in the first layer 10.
  • the composition ratio of Ir in the first layer 10 may be substantially constant.
  • 5A to 5D are a schematic view and a photographic image illustrating the analysis result of the sample.
  • 5 (b) to 5 (d) are STEM-EDS (Scanning transmission electron microscopy-Energy dispersive spectroscopy) element mapping of the sample 110c.
  • FIGS. 5B to 5D correspond to Mg, Fe, and Ir, respectively.
  • the positions in the Z-axis direction in FIGS. 5B to 5D correspond to the positions illustrated in FIG.
  • the first layer 10 is substantially in contact with the second layer 20. From FIG. 5C and FIG. 5D, it can be seen that the distribution of Ir is substantially equal to the distribution of Fe. Ir exists in the first layer 10 in a relatively uniformly dispersed manner.
  • FIG. 6A and FIG. 6B are a photographic image and a schematic diagram illustrating the analysis result of the sample.
  • FIG. 6A is a Z-contrast HAADF (High-Angle Angular Dark Field) STM image of the first layer 10.
  • HAADF High-Angle Angular Dark Field
  • FIG. 6 (a) the bright spot-like portions correspond to Ir atoms.
  • a point-like region with low brightness corresponds to an Fe atom.
  • FIG. 6B is a schematic diagram drawn based on FIG.
  • Ir is substantially randomly dispersed in the first layer 10. Ir exists substantially uniformly in the first layer 10. The Fe at the position of the crystal lattice is substituted with Ir.
  • the first layer 10 is formed by, for example, a first element (at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni) and a second element (selected from the group consisting of Ir and Os). Or at least one) may be formed.
  • a film containing the first element and the second element can be formed on the substrate by molecular beam epitaxy or sputtering. In this case, the composition ratio of the second element in the formed film can be made relatively uniform. After such film formation, heat treatment may be performed as necessary.
  • the composition ratio of the second element (for example, Ir) in the first layer 10 is 3 at. % Or more and 25 at% or less. With such a composition ratio, a high interface magnetic anisotropy K i, 0 is obtained.
  • a stable perpendicular magnetic anisotropy is obtained by the high interface magnetic anisotropy K i, 0 .
  • movement stability can be provided.
  • a magnetic storage device and a magnetic sensor that can improve operational stability can be provided.
  • FIG. 7A and FIG. 7B are schematic diagrams showing experiments related to voltage control of magnetic anisotropy.
  • Fig.7 (a) is sectional drawing which shows the sample of experiment.
  • FIG.7 (b) is sectional drawing which shows an experimental result.
  • a Cr film (thickness: 30 nm) to be the first conductive layer 41 is provided on the substrate 51 ((001) -oriented MgO).
  • An Fe film 10p (thickness tp is 0.77 nm) is formed on the first conductive layer 41, and an Ir film 10q (thickness tq is 0.05 nm) is further formed thereon.
  • an MgO film (thickness of about 2.3 nm) to be the second layer 20 is provided.
  • an Fe film (having a thickness of about 10 nm) to be the third layer 30 is provided.
  • a Ta film is located between the Ru film and the MgO film.
  • heat treatment is performed at 350 ° C. for 20 minutes. Thereby, a region (first layer 10) containing Fe and Ir is formed from the Fe film 10p and the Ir film 10q.
  • the Fe film serving as the third layer 30 is an in-plane magnetization film.
  • the third layer 30 functions as a reference layer.
  • the laminated film is processed by photolithography and ion milling with Ar. Thereby, the element sample is obtained, and the length of the element sample in the X-axis direction is about 2 ⁇ m. The length of the element sample in the Y-axis direction is about 6 ⁇ m.
  • the magnetoresistive effect of this element sample is measured.
  • an in-plane magnetic field is applied to the element sample, and DC two-terminal measurement is performed.
  • the intensity of the voltage applied to the element sample (the voltage between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42) is changed.
  • the degree of change of the magnetic anisotropy of the FeIr film (first layer 10) due to the applied voltage can be estimated.
  • FIG. 7B illustrates a measurement result of the characteristic of the parameter “K eff ⁇ t”.
  • the horizontal axis of FIG.7 (b) is the electric field strength EF (mV / nm) based on the applied voltage.
  • the electric field strength EF is positive, the potential of the second conductive layer 42 is higher than the potential of the first conductive layer 41. At this time, a current can flow from the second conductive layer 42 toward the first conductive layer 41.
  • the electric field strength EF is applied voltage / “2.3 nm which is the thickness of the MgO film”.
  • the vertical axis of FIG. 7B is the parameter “K eff ⁇ t”.
  • the thickness t corresponds to the thickness tm of the first layer 10.
  • the thickness t is the thickness tp (0.77 nm) of the Fe film 10 p and the thickness tq (0. 05nm).
  • the parameter “K eff ⁇ t” varies depending on the electric field strength EF. For example, when the electric field strength EF is positive, the parameter “K eff ⁇ t” changes substantially linearly with respect to the electric field strength EF. From the change in the parameter "K eff ⁇ t" when the field strength EF is positive, the slope of the parameter "K eff ⁇ t” is estimated to be 320fJ / Vm.
  • the parameter “K eff ⁇ t” changes according to the electric field strength EF by using the first layer 10 described above.
  • the slope of the parameter “K eff ⁇ t” is as high as 320 fJ / Vm. This inclination is about three times the inclination in the sample including the Fe film not containing Ir and the MgO film.
  • the magnetic anisotropy can be controlled with high controllability by the applied voltage.
  • a high interface magnetic anisotropy K i, 0 is obtained.
  • the magnetic anisotropy can be controlled with voltage with good controllability. For example, a stable operation can be obtained in a voltage-controlled magnetic storage device.
  • the scalability of a voltage-controlled MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) that can be applied to a cache memory or the like can be realized.
  • MRAM Magneticoresistive Random Access Memory
  • an in-plane magnetization film or a perpendicular magnetization film is used as the third layer 30.
  • a perpendicular magnetization film as the third layer 30, information can be rewritten by voltage-induced dynamic magnetization reversal. Information can be read by the magnetoresistive effect.
  • the main component in the first layer 10 is the first element.
  • the first layer 10 includes a second element.
  • the first layer 10 may include a layer (region) containing the first element and a layer (region) containing the second element.
  • the interface magnetic anisotropy at the interface with the second layer 20 for example, MgO
  • Such a first layer 10 provides a large voltage effect. According to the embodiment, for example, good characteristics can be obtained in a voltage-controlled MRAM.
  • composition ratio of the second element in the first layer 10 is, for example, 3 at% or more and 25 at% or less. Thereby, for example, good ferromagnetism can be obtained at room temperature.
  • the first layer 10 has a body-centered cubic (bcc) structure.
  • the first layer 10 includes, for example, at least one of single crystal and polycrystal.
  • this polycrystal is preferentially oriented in the (001) plane.
  • a specific direction in this example, the direction of the (001) plane
  • at least a part of the (001) plane of the first layer 10 is along a plane perpendicular to the Z-axis direction (stacking direction).
  • the angle between the (001) plane and the plane perpendicular to the Z-axis direction is smaller than the angle between the (001) plane and the Z-axis direction.
  • a plurality of magnetic elements are provided in one magnetic storage device.
  • a first layer 10 is provided on each of the plurality of magnetic elements.
  • this layer includes, for example, polycrystal.
  • This one layer (the plurality of first layers 10) is preferentially oriented, for example, in the (001) plane.
  • each of the plurality of first layers 10 includes crystals.
  • the orientation distribution of the plurality of crystals (first layer 10) is biased.
  • the angle between the statistically preferred direction (direction perpendicular to the (001) plane) about the orientation of the plurality of crystals (the plurality of first layers 10) and the Z-axis direction is less than 45 degrees. .
  • the film to be the first layer 10 may have an amorphous structure.
  • the first layer 10 having crystallinity may be formed by crystallizing the film to be the first layer 10 through a solid phase epitaxy process by heat treatment (post-annealing treatment).
  • at least a part of the first layer 10 has a bcc structure.
  • an amorphous film is obtained from a material containing B (boron), and a bcc structure is obtained by heat treatment.
  • the thickness tm of the first layer 10 is, for example, equal to or greater than the thickness corresponding to the diatomic layer.
  • the thickness tm of the first layer 10 is 2 nm or less. With such a thickness tm, for example, an interface effect can be appropriately obtained. Thereby, for example, the control by the magnetic anisotropy voltage can be effectively obtained.
  • the second layer 20 is used together with the first layer 10 to induce a change in magnetic anisotropy due to a voltage.
  • the second layer 20 includes at least one of single crystal and polycrystal.
  • this polycrystal is preferentially oriented in the (001) plane.
  • the (001) plane of the single crystal is along a plane perpendicular to the Z-axis direction.
  • the angle between the (001) plane and the plane perpendicular to the Z-axis direction (stacking direction) is smaller than the angle between the (001) plane and the Z-axis direction.
  • good crystallinity can be obtained between the first layer 10 and the second layer 20.
  • the area resistance (RA: Resistance area product) of the second layer 20 is, for example, 10 ⁇ m 2 or more. Thereby, for example, low power consumption can be obtained in the voltage control operation.
  • the sheet resistance of the second layer 20 may be greater than, for example, 20 ⁇ m 2 . Thereby, for example, a low power consumption that is 1/2 of that in the case of a current write operation is obtained.
  • the sheet resistance of the second layer 20 may be, for example, 100 ⁇ m 2 or more. Thereby, for example, even lower power consumption of 1/10 of the current write operation can be obtained.
  • the area resistance of the second layer 20 is 20 ⁇ m 2 or less, the energy required for writing increases rapidly.
  • the area resistance of the second layer 20 is less than 10 ⁇ m 2 , the increase in energy required for writing is further accelerated.
  • FIG. 8A and FIG. 8B are schematic cross-sectional views illustrating another magnetic element according to the first embodiment.
  • the second layer 20 includes a first partial region 21 and a second partial region 22.
  • the second partial region 22 is provided between the first partial region 21 and the first layer 10.
  • the first partial region 21 is, for example, an oxide of a third element including at least one selected from the group consisting of Mg, Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Zn, Sr, and Ba. It contains at least one of an element nitride and a fluoride of this third element.
  • the second partial region 22 includes, for example, a fourth element including at least one selected from the group consisting of Mg, Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Zn, Sr, and Ba.
  • the concentration of the fourth element in the second partial region 22 is higher than the concentration of the fourth element in the first partial region 21.
  • the first partial region 21 includes the third element and the fifth element.
  • the fifth element is at least one of oxygen, nitrogen, and fluorine.
  • the concentration of the fifth element in the first partial region 21 is higher than the concentration of the fifth element in the second partial region 22.
  • the second partial region 22 is, for example, an Mg film.
  • the second partial region 22 may be an Al film.
  • the thickness (length along the Z-axis direction) of the second partial region 22 is, for example, 0.3 nm or less.
  • the second partial region 22 suppresses, for example, deterioration of characteristics due to the influence of oxidation or the like during film formation at the interface between the first layer 10 and the second layer 20.
  • the first layer 10 is in contact with the second layer 20.
  • another magnetic element 112 further includes an intermediate region 20 ⁇ / b> R in addition to the first layer 10 and the second layer 20.
  • the intermediate region 20R is provided between the first layer 10 and the second layer.
  • the second layer 20 includes, for example, an oxide of a third element including at least one selected from the group consisting of Mg, Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Zn, Sr, and Ba, the third element And / or a fluoride of the third element.
  • the intermediate region 20R includes, for example, a fourth element including at least one selected from the group consisting of Mg, Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Zn, Sr, and Ba.
  • the concentration of the fourth element in the intermediate region 20 ⁇ / b> R is higher than the concentration of the fourth element in the second layer 20.
  • the second layer 20 includes the third element and the fifth element.
  • the fifth element is at least one of oxygen, nitrogen, and fluorine.
  • the concentration of the fifth element in the second layer 20 is higher than the concentration of the fifth element in the intermediate region 20R.
  • the intermediate region 20R suppresses deterioration of characteristics due to the influence of oxidation or the like during film formation at the interface between the first layer 10 and the second layer 20, for example.
  • the intermediate region 20 ⁇ / b> R is in contact with the first layer 10 and the second layer 20.
  • FIG. 9A to FIG. 9D are schematic views illustrating simulation models.
  • a 5-atomic Fe layer 11 is provided between a 5-atomic MgO layer 20a and a 5-atomic MgO layer 20b.
  • a 5-atomic FeIr layer 12 is provided between a 5-atomic MgO layer 20a and a 5-atomic MgO layer 20b.
  • the composition ratio of Ir in the whole FeIr layer 12 of five atomic layers is 6.25 at%.
  • the positions of Ir atoms are randomly arranged in the same FeIr plane while maintaining a composition ratio of 6.25%.
  • a monoatomic Fe layer 11 and a monoatomic FeIr layer 12 are provided between a five atomic layer MgO layer 20a and a five atomic layer MgO layer 20b. And are provided alternately.
  • the number of Fe layers 11 is 3, and the number of FeIr layers 12 is 2.
  • the composition ratio of Ir in the entire region including the three Fe layers 11 and the two FeIr layers 12 is 6.25 at%.
  • the positions of Ir atoms are randomly arranged in the same FeIr plane while maintaining a composition ratio of 6.25%.
  • MgO layer 20a MgO layer 20b
  • MgO layer 20b MgO layer 20b
  • O atoms are arranged along a plane perpendicular to the Z-axis direction.
  • a plurality of Fe atoms first element E1 are arranged along a plane perpendicular to the Z-axis direction.
  • FeIr layer 12 Fe atoms (first element E1) and Ir atoms (second element E2) are arranged along a plane perpendicular to the Z-axis direction.
  • the direction from the first element E1 to the second element E2 along a plane perpendicular to the Z-axis direction intersects (for example, perpendicular) to the Z-axis direction (stacking direction). is there.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (mJ / m 2 ) is obtained by the first principle calculation.
  • the height of the perpendicular magnetic anisotropy MAE corresponds to the height of the interface magnetic anisotropy K i, 0 (measured value) described with reference to FIG.
  • a value obtained by normalizing the perpendicular magnetic anisotropy MAE in the structure ST01 as 1 is referred to as a perpendicular magnetic anisotropy MAE in another structure.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (normalized value) in the structure ST01 is 1.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (normalized value) in the structure ST02 is 1.11.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (normalized value) in the structure ST03 is 1.51.
  • the structure ST01 does not contain the second element E2 (Ir in this example) and corresponds to the sample 119 described above.
  • the structure ST02 and the structure ST03 include the second element E2, and correspond to the sample 110c, 110d, or 110e.
  • FIG. 10A and FIG. 10B are schematic views illustrating another model of simulation.
  • a single atomic layer MgO layer (second layer 20), a single atomic layer Fe layer 11, and a single atomic layer FeIr layer 12 include: Provided.
  • the FeIr layer 12 is located between the MgO layer (second layer 20) and the Fe layer 11.
  • the Fe layer 11 is located between the MgO layer (second layer 20) and the FeIr layer 12.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (mJ / m 2 ) is obtained by the first principle calculation. Also in this case, a value obtained by normalizing the perpendicular magnetic anisotropy MAE when the FeIr layer 12 is not provided as 1 is defined as the perpendicular magnetic anisotropy MAE.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (normalized value) in the structure ST04 is 2.43.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (normalized value) in the structure ST05 is 1.85.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are schematic views illustrating another model of simulation.
  • a single atomic layer MgO layer (second layer 20), a single atomic layer Fe layer 11, and a single atomic layer FeOs layer 13 are formed.
  • the second element is Os.
  • the FeOs layer 13 is located between the MgO layer (second layer 20) and the Fe layer 11.
  • the Fe layer 11 is located between the MgO layer (second layer 20) and the FeOs layer 13.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (mJ / m 2 ) is obtained by the first principle calculation. Also in this case, a value obtained by normalizing the perpendicular magnetic anisotropy MAE when the FeOs layer 13 is not provided as 1 is defined as the perpendicular magnetic anisotropy MAE.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (normalized value) in the structure ST14 is 2.68.
  • the perpendicular magnetic anisotropy MAE (normalized value) in the structure ST15 is 3.77.
  • the first layer 10 includes at least one selected from the group consisting of Ir and Os as the second element E2. Thereby, high perpendicular magnetic anisotropy MAE is obtained.
  • a layer of the first element E1 for example, the Fe layer 11
  • a layer including the first element E1 and the second element E2 for example, FeIr layer 12 or FeOs layer 13
  • FIG. 12 is a schematic perspective view illustrating another magnetic element according to the first embodiment.
  • the first layer 10 and the second layer 20 are also provided in the magnetic element 112.
  • a third layer 30, a first conductive layer 41, and a second conductive layer 42 are further provided.
  • the first layer 10 includes a first region 10a and a second region 10b. Since the other configuration is the same as that of the magnetic element 110, for example, the description thereof is omitted.
  • the second region 10b is located between the first region 10a and the second layer 20.
  • the first region 10a includes a first element E1 (for example, Fe) and a second element E2 (for example, at least one of Ir and Os).
  • the second region 10b includes the first element E1.
  • the concentration (composition ratio) of the second element E2 in the second region 10b is low.
  • the second region 10b may not include the second element E2.
  • the concentration of the second element E2 in the second region 10b is lower than the concentration of the second element E2 in the first region 10a.
  • the second region 10b does not include the second element E2.
  • the first region 10b is, for example, the FeIr layer 12 or the FeOs layer 13.
  • the second region 10b is, for example, the Fe layer 11.
  • the thickness of the second region 10b is 0.3 nm or less.
  • the thickness of the second region 10b may be, for example, equal to or less than the thickness corresponding to the three atomic layers.
  • the second region 10 b is in contact with the second layer 20.
  • a high perpendicular magnetic anisotropy MAE can be obtained as described with respect to the structures ST03, ST05, and ST15.
  • the first region 10a corresponds to, for example, the FeIr layer 12 or the FeOs layer 13.
  • the first element E1 contained in the first region 10a FeIr layer 12 or FeOs layer 13
  • the direction toward is along a plane substantially perpendicular to the Z-axis direction (the first direction from the first region 10a toward the second layer 20).
  • the absolute value of the angle between the direction from the first element E1 included in the first region 10a to the second element E2 included in the first region 10a and the Z-axis direction is 70 degrees to 110 degrees.
  • the second region 10b (for example, a layer containing the first element E1) has a body-centered cubic (bcc) structure. At least a part of the second region 10b is substantially a (001) -oriented single crystal. Alternatively, at least a part of the second region 10b includes polycrystal preferentially oriented in the (001) plane.
  • FIG. 13A to FIG. 13F are schematic cross-sectional views illustrating another magnetic element according to the first embodiment.
  • the first conductive layer 41 is interposed between the substrate 51 and the second conductive layer. Is provided.
  • the first layer 10 is provided between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42.
  • the second layer 20 is provided between the first layer 10 and the second conductive layer 42.
  • the second region 10 b is provided between the first region 10 a and the second layer 20.
  • the second conductive layer 42 is interposed between the substrate 51 and the first conductive layer 41. Is provided.
  • the first layer 10 is provided between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42.
  • the second layer 20 is provided between the first layer 10 and the second conductive layer 42.
  • the second region 10b is provided between the first region 10a and the second layer 20.
  • the magnetic elements 113e and 113f further include a nonmagnetic layer 25.
  • the first layer 10 is located between the nonmagnetic layer 25 and the second layer 20.
  • the nonmagnetic layer includes an oxide of a sixth element including at least one selected from the group consisting of Mg, Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Zn, Sr, and Ba, and a nitride of the sixth element , And at least one of the fluorides of the sixth element.
  • the nonmagnetic layer 25 is, for example, an MgO film.
  • the nonmagnetic layer 25 can increase the magnetic anisotropy in the first layer 10, for example.
  • the nonmagnetic layer 25 is in contact with the first conductive layer 41 and the first layer 10.
  • the third layer 30 may be provided between the second layer 20 and the second conductive layer.
  • the layer included in the magnetic element is formed by, for example, the MBE method.
  • the layer may be formed by a physical film formation method (PVD) such as a sputtering method.
  • the layer may be formed by chemical film formation (CVD).
  • the first layer 10 can be formed by utilizing mutual diffusion of a second element (for example, Ir) by heat treatment (annealing treatment).
  • the first layer 10 may be formed by a co-evaporation method or a co-sputtering method of a first element (for example, Fe) and a second element (Ir). According to these methods, the composition ratio or the like of the second element (for example, Ir) in the first layer 10 tends to be more uniform.
  • These methods are suitable for mass production, for example.
  • the second layer 20 includes, for example, single crystal MgO.
  • This MgO has, for example, a substantially (001) orientation.
  • the second layer 20 may include polycrystalline magnesium oxide. In this polycrystal, for example, the (001) crystal plane is preferentially oriented.
  • a polycrystalline layer formed by sputtering is advantageous in terms of manufacturing cost as compared with a single crystal layer.
  • the first conductive layer 41 is, for example, a base layer.
  • an appropriate underlayer for example, good flatness can be obtained in the first layer 10.
  • interfacial magnetic anisotropy can be imparted from the underlayer to the first layer 10.
  • high perpendicular magnetic anisotropy is obtained.
  • the underlayer includes, for example, a heavy metal film.
  • the heavy metal film includes, for example, at least one selected from the group consisting of Ta, Ru, Ir, Mo, and Hf.
  • the underlayer includes a low resistance metal film.
  • the low resistance metal film includes at least one selected from the group consisting of Cu, Au, and Ag, for example.
  • the underlayer may include a laminated film including the heavy metal film and the low-resistance metal film.
  • the first conductive layer 41 functions as, for example, an electrode.
  • the second conductive layer 42 functions as, for example, an electrode.
  • the second conductive layer 42 may function as a cap layer.
  • the cap layer suppresses deterioration of the stacked body including the first layer 10 and the second layer 20, for example.
  • the cap layer includes, for example, at least one selected from the group consisting of Ta, Ru, Au, Ag, and Cu.
  • An oxide may be used as the second conductive layer 42.
  • the oxide includes, for example, ITO.
  • the second conductive layer 42 may be light transmissive, for example.
  • the third layer 30 serving as a reference layer may be provided between the second layer 20 and the second conductive layer 42.
  • the second conductive layer 42 (cap layer) protects the third layer 30.
  • the third layer 30 includes, for example, a magnetic film including at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni.
  • the third layer 30 may include, for example, this magnetic film and an antiferromagnetic film.
  • the magnetic film is positioned between the second layer 20 and the antiferromagnetic film.
  • the antiferromagnetic film includes, for example, at least one selected from the group consisting of IrMn and PtMn.
  • the substrate 51 is optional.
  • a Si substrate may be used.
  • the Si substrate may include a Si base and a thermal oxide film provided thereon.
  • a single crystal substrate or a plastic substrate may be used.
  • Various appropriate underlayers can be formed on an arbitrary substrate 51.
  • a stacked body including the first layer 10 and the second layer 20 can be formed on the base layer.
  • the configuration described for the first conductive layer 41 in the magnetic element 113a can be applied to the second conductive layer 42 in the magnetic element 113b.
  • the configuration described in regard to the second conductive layer 42 in the magnetic element 113a can be applied to the first conductive layer 41 in the magnetic element 113b.
  • the present embodiment relates to a magnetic storage device.
  • the magnetic recording apparatus includes the magnetic element according to the first embodiment and modifications thereof.
  • FIG. 14 is a schematic view illustrating a magnetic memory device according to the second embodiment.
  • the magnetic storage device 210 includes the magnetic element 110 according to the first embodiment and a control unit 70.
  • the magnetic element 110 includes the first layer 10, the second layer 20, and the third layer 30.
  • the controller 70 is electrically connected to the first layer 10 and the third layer 30.
  • the magnetic element 110 includes the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42. Further included.
  • the first conductive layer 41 is electrically connected to the first layer 10.
  • the second conductive layer 42 is electrically connected to the third layer 30.
  • the control unit 70 is electrically connected to the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42. In this example, the control unit 70 is electrically connected to the first conductive layer 41 by the first wiring 70a. In this example, the control unit 70 is electrically connected to the second conductive layer 42 by the second wiring 70b. In this example, a switch 70s is provided in the first wiring 70a.
  • the switch 70s is, for example, a selection transistor. Thus, the state in which the switch 70s and the like are provided on the current path is also included in the electrically connected state. In the following description, the switch 70s is on. In the on state, a current flows through the wiring.
  • the switch 70s may be provided on the second wiring 70b.
  • FIG. 15A to FIG. 15C are schematic views illustrating operations of the magnetic memory device according to the second embodiment.
  • the horizontal axis of these figures is time ti.
  • the vertical axis in these figures corresponds to the signal S1 applied between the first wiring 70a and the second wiring 70b.
  • the signal S1 substantially corresponds to a signal applied between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42.
  • the signal S 1 substantially corresponds to a signal applied between the first layer 10 and the third layer 30.
  • the control unit 70 performs a first operation OP ⁇ b> 1 that applies a first pulse P ⁇ b> 1 (for example, a rewrite pulse) between the first layer 10 and the third layer 30.
  • a first pulse P ⁇ b> 1 for example, a rewrite pulse
  • the control unit 70 applies the first pulse P ⁇ b> 1 between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42.
  • the control unit 70 supplies the first pulse P1 between the first wiring 70a and the second wiring 70b.
  • the stored information is rewritten by the first pulse P1.
  • the electric resistance of the magnetic element 110 is changed by the first pulse P1.
  • the second electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 after the first operation OP1 is the first electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 before the first operation OP1. It is different from electrical resistance.
  • the second electrical resistance between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42 after the first operation OP1 is between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42 before the first operation OP1. Different from the first electrical resistance.
  • the change in electrical resistance is based on, for example, a change in the magnetization direction of at least a part of the first layer 10 caused by the first pulse P1 (rewrite pulse). Between the first layer 10 and the third layer 30, the relative relationship of the magnetization direction is changed by the first pulse P1 (rewrite pulse).
  • a plurality of states having different electrical resistances correspond to stored information.
  • the magnetic memory device 210 high interface magnetic anisotropy is obtained.
  • the magnetic anisotropy is controlled by a rewrite pulse.
  • the magnetization of the first layer 10 is controlled by the rewrite pulse.
  • a stable operation can be obtained.
  • the magnetic storage device 210 is, for example, a voltage torque drive type MRAM.
  • the control unit 70 supplies the first pulse P1 (rewrite pulse) to the magnetic element 110.
  • the first operation OP1 is a rewrite operation.
  • the control unit 70 may further perform the second operation OP2.
  • the control unit 70 performs the operation between the first layer 10 and the third layer 30 (between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42, that is, the first operation OP1 before the first operation OP1.
  • a second pulse P2 readout pulse
  • the third electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 obtained by the read pulse is the second electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 after the first operation, Is different.
  • the third electrical resistance is an electrical resistance before rewriting.
  • the second electric resistance is an electric resistance after rewriting.
  • the third electrical resistance may be the same as the first electrical resistance.
  • the polarity of the second pulse P2 is opposite to the polarity of the first pulse P1 (rewrite pulse).
  • the absolute value of the second pulse height H2 of the second pulse P2 is the first pulse height H1 of the first pulse P1 (rewriting pulse).
  • the absolute value may be smaller, the same or larger.
  • the controller 70 applies the first pulse P1 between the first layer 10 and the third layer 30 in the first operation OP1.
  • the second electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 after the first operation OP1 is the first electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 before the first operation OP1. Is different.
  • the first pulse P1 has a first polarity, a first pulse width T1, and a first pulse height H1. At this time, when another pulse having a second polarity opposite to the first polarity, a first pulse width T1, and a pulse height having the same absolute value as the first pulse height H1, is applied as follows: Become.
  • the third electric resistance between the first layer 10 and the third layer 30 after applying this other pulse between the first layer 10 and the third layer 30, and this other pulse as the first layer 10 And the fourth electric resistance before being applied between the third layer 30 and the fourth electric resistance are smaller than the absolute value of the difference between the second electric resistance and the first electric resistance. That is, information is rewritten by applying the first pulse P1, and information is not rewritten by applying another pulse.
  • the electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 includes a first conductor that is electrically connected to the first layer 10 and a second conductor that is electrically connected to the third layer 30. Corresponds to the electrical resistance between the body and the body. The change in electrical resistance corresponds to the change in electrical resistance between the first conductor and the second conductor.
  • the control unit 70 When the stored information is not rewritten, as shown in FIG. 15B, the control unit 70 performs the third operation OP3 after the second operation OP2. In the third operation OP3, the first pulse P1 is not applied. At this time, rewriting does not occur.
  • an appropriate first pulse P1 When an appropriate first pulse P1 is applied, the electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 changes from a high resistance state to a low resistance state, or from a low resistance state to a high resistance state. To do. On the other hand, when an inappropriate pulse is applied, the high resistance state does not become the desired low resistance state. If an inappropriate pulse is applied, the low resistance state will not be the desired high resistance state.
  • the pulse width of the inappropriate pulse is, for example, about twice the appropriate first pulse width T1. If an inappropriate pulse is applied between the first layer 10 and the third layer 30, the probability of a resistance change is low.
  • the control unit 70 applies the first pulse P1 between the first layer 10 and the third layer 30 in the first operation OP1.
  • the first pulse P1 has a first pulse width T1 and a first pulse height H1. Rewriting is appropriately performed by the first pulse P1. That is, the second electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 after the first operation OP1 is the first electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 before the first operation OP1. It is different from electrical resistance. At this time, when another pulse P1x as shown in FIG. 15C is applied, the resistance does not change substantially.
  • Another pulse P1x has a pulse width twice the first pulse width T1 and a first pulse height H1.
  • the third electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30 and another pulse P1x are applied to the first layer 10 and the third layer 30, respectively.
  • the absolute value of the difference between the first electric resistance before being applied between the first layer 10 and the third layer 30 is smaller than the absolute value of the difference between the second electric resistance and the first electric resistance. That is, when another pulse P1x is applied, the electrical resistance does not substantially change. Alternatively, the change in electrical resistance when another pulse P1x is applied is smaller than the change in electrical resistance when the first pulse P1 is applied.
  • the change in electrical resistance can be compared more reliably.
  • the process of applying the first pulse P1 and detecting the change in electrical resistance before and after the first pulse P1 is performed a plurality of times.
  • the average value of the absolute value of the change in electrical resistance at this time is obtained.
  • the process of applying the other pulse P1x and detecting the change in electric resistance before and after the pulse P1x is performed a plurality of times.
  • the average value of the absolute value of the change in electrical resistance at this time is obtained.
  • the change in electrical resistance when the other pulse P1x is applied is smaller than the change in electrical resistance when the first pulse P1 is applied.
  • the first pulse width T1 (pulse time) of the first pulse P1 (rewrite pulse) is 0.5 to 1.5 times the absolute value of the parameter “ ⁇ / ( ⁇ ⁇ ⁇ 0 ⁇ H eff )”.
  • ⁇ is 3.14.
  • ⁇ is the gyromagnetic ratio (rad / sT).
  • ⁇ 0 is the magnetic permeability (H / m) of vacuum.
  • H eff is an effective magnetic field (A / m) applied to the first layer 10.
  • the first pulse width T1 is not less than 0.8 times and not more than 1.2 times the absolute value of the parameter “ ⁇ / ( ⁇ ⁇ ⁇ 0 ⁇ H eff )”.
  • the first pulse width T1 is preferably 0.9 to 1.1 times the absolute value of the parameter “ ⁇ / ( ⁇ ⁇ ⁇ 0 ⁇ H eff )”. With such a first pulse width T1, for example, it is possible to control (change) the direction of magnetization more stably.
  • a voltage is applied to an element having a ferromagnetic layer / dielectric layer / counter electrode structure.
  • the interface magnetic anisotropy changes through a phenomenon such as a change in electronic state due to charge accumulation at the interface.
  • the perpendicular magnetic anisotropy is reduced by applying a voltage having such a polarity as to accumulate electrons at the ferromagnetic layer / dielectric layer interface.
  • the perpendicular magnetic anisotropy increases.
  • the magnetization is “upward” or “downward” stable with respect to the film surface.
  • the effective perpendicular magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer can be reduced by controlling the magnetic anisotropy by the voltage.
  • the magnetization precesses around an in-plane bias field.
  • the magnetization reversal can be controlled by setting the pulse width of the pulse voltage to the length of the timing at which the magnetization is reversed by about 180 degrees.
  • This method corresponds to, for example, a voltage induced dynamic magnetization reversal method.
  • Each of the rise time of the pulse voltage and the rise time of the pulse voltage is, for example, about 500 ps (picosecond) or less.
  • the pulse width of the pulse voltage is a time based on the parameter “ ⁇ / ( ⁇ ⁇ ⁇ 0 ⁇ H eff )”. This parameter corresponds to, for example, the magnetization reversal time of the first layer 10 in the stacked body including the first layer 10 and the second layer 20.
  • H eff is, for example, an in-plane bias magnetic field applied from the outside.
  • an antiferromagnetic layer (fourth layer) may be further provided in the magnetic element 110, and the first layer 10 may be located between the fourth layer and the second layer 20.
  • the fourth layer is in contact with the first layer 10.
  • a magnetic field is applied from the fourth layer to the first layer 10, and the first layer 10 is given unidirectional anisotropy along the in-plane.
  • H eff corresponds to the magnetic field applied from the fourth layer to the first layer 10.
  • an in-plane magnetization film may be further provided on the magnetic element.
  • a write operation of a voltage-controlled MRAM is performed.
  • the magnetic element according to the embodiment can be applied to various voltage-controlled magnetic devices.
  • the embodiment can be applied to a device using a spin wave or a pure spin current for information transmission.
  • a highly efficient spin wave or a highly efficient pure spin current can be generated by a voltage.
  • the embodiment is effective for reducing the power consumption of these devices.
  • the embodiment can also be applied to voltage control of a magneto-optical element such as a spatial magneto-optical modulator.
  • a memory device using a magnetic tunnel junction (MTJ) element including a ferromagnetic layer (memory layer) / dielectric layer / ferromagnetic layer (reference layer).
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • reference layer ferromagnetic layer
  • a current is passed through an MTJ element and the magnetization of the storage layer is reversed using the spin transfer torque effect.
  • current since current is used, it is considered that there is a limit to the reduction in driving power.
  • magnetization reversal by voltage control has been proposed.
  • a voltage is applied to a laminated film including a ferromagnetic film such as Fe having a thickness of about 1 atomic layer and an MgO film
  • the direction in which the magnetization is easily changed changes in the ferromagnetic film.
  • the magnetic anisotropy changes through the spin-orbit interaction due to the electronic state of the ferromagnetic film being modulated at the interface due to the effect of interfacial charge accumulation at the interface between the ferromagnetic film and the MgO film.
  • the magnetization reversal can be controlled using the control of magnetic anisotropy by voltage.
  • the driving power in this case is considered to be 1/10 to 1/100 of the driving power in the case of current control.
  • high perpendicular magnetic anisotropy is desired in a magnetic element.
  • a magnetic element it is desired that the voltage magnetic anisotropy change efficiency is high.
  • the magnetization direction becomes stable against thermal fluctuation.
  • a parameter of “(volume of recording layer ⁇ magnetic anisotropy of storage layer) / thermal energy” is used.
  • the control of magnetic anisotropy by voltage is considered to be an interface effect, for example.
  • high interfacial magnetic anisotropy can be obtained by adopting a special structure at the ferromagnetic layer / dielectric layer interface.
  • a special asymmetry or the like occurs in a special structure, and this asymmetry or the like affects voltage magnetic anisotropy control.
  • the perpendicular magnetic anisotropy decreases due to the voltage.
  • the magnetic anisotropy can be favorably controlled by the voltage due to the large voltage effect.
  • scalability in a voltage-controlled MRAM can be maintained.
  • the efficiency of the voltage effect increases, the scalability in the voltage controlled MRAM can be maintained.
  • high perpendicular magnetic anisotropy is obtained by the laminated structure including the first layer 10 and the second layer 20 described above.
  • high efficiency is obtained in the voltage effect.
  • FIG. 16A and FIG. 16B are schematic views illustrating a magnetic sensor according to the third embodiment.
  • FIG. 16A is a schematic cross-sectional view illustrating the magnetic sensor 120.
  • FIG. 16B is a graph illustrating characteristics of the magnetic sensor 120.
  • the magnetic sensor 120 includes a first layer 10, a second layer 20, and a third layer 30.
  • a first conductive layer 41 and a second conductive layer 42 are further provided.
  • the configuration described in the first embodiment can be applied to the first layer 10, the second layer 20, the third layer 30, the first conductive layer 41, and the second conductive layer 42.
  • the magnetic field received by the magnetic sensor 120 can be detected.
  • the electrical resistance of the magnetic sensor 120 changes according to the magnetic field received by the magnetic sensor 120.
  • a detection unit 75 is provided.
  • the detection unit 75 is electrically connected to the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42.
  • the detection unit 75 can output a value (at least one of voltage, current, and resistance) corresponding to the electric resistance of the magnetic sensor 120.
  • FIG. 16B illustrates the characteristics of the magnetic sensor 120.
  • the horizontal axis of FIG. 16B is the intensity Hex1 (Oersted: Oe) of the external magnetic field Hex.
  • the vertical axis represents the electrical resistance R1 (arbitrary unit) of the magnetic sensor 120.
  • the electrical resistance of the magnetic sensor 120 substantially corresponds to the electrical resistance between the first conductive layer 41 and the second conductive layer 42.
  • the electrical resistance of the magnetic sensor 120 substantially corresponds to the electrical resistance between the first layer 10 and the third layer 30.
  • the external magnetic field Hex is perpendicular to the stacking direction of the first layer 10 and the second layer 20.
  • the first conductive layer 41 is a Cr film (thickness is 30 nm).
  • the first layer 10 contains Fe and Ir.
  • the first layer 10 is formed by the method described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b).
  • An Ir film 10q having a thickness of 0.05 nm is formed on the Fe film 10p having a thickness of 0.84 nm.
  • the second layer 20, the third layer 30, and the second conductive layer 42 are formed, and a heat treatment is performed at 350 ° C. for 20 minutes.
  • the resulting FeIr film becomes the first layer 10.
  • the second layer 20 is an MgO film (thickness is 2.3 nm).
  • the third layer 30 is an Fe film (thickness is 10 nm).
  • the second conductive layer 42 is a laminated film including a Ta film (thickness 5 nm) and a Ru film (thickness 7 nm). A Ta film is located between the Ru film and the MgO film.
  • the electric resistance R1 is high. This state corresponds to a state in which the magnetization of the third layer 30 intersects the stacking direction and the magnetization of the first layer 10 is perpendicular to the stacking direction.
  • the electric resistance R1 is low. This state corresponds to a state in which the magnetization of the first layer 10 is along the external magnetic field Hex.
  • the electrical resistance R1 changes substantially linearly.
  • the magnetic element according to the embodiment can be applied as a magnetic sensor. A magnetic sensor with high operational stability can be provided.
  • the perpendicular magnetic anisotropy at the magnetic layer / intermediate layer (MgO layer) interface in the spintronic device can be increased.
  • high thermal stability is obtained.
  • scalability can be maintained.
  • a large voltage effect is obtained.
  • a high-performance voltage-controlled MRAM can be provided.
  • a storage device with low power consumption can be provided.
  • the magnetic element according to the embodiment may be applied to a magnetic storage device different from the voltage-controlled MRAM.
  • the magnetic element according to the embodiment can be applied to a spin torque MRAM.
  • the state of being electrically connected includes the state where two conductors are in direct contact.
  • the state of being electrically connected includes a state in which two conductors are connected by another conductor (for example, a wiring or the like).
  • the electrically connected state includes a state in which a switching element (a transistor or the like) is provided between the paths between the two conductors, and a state in which a current flows in the path between the two conductors can be formed.
  • Embodiments may include the following configurations.
  • the first layer is A first region; A second region located between the first region and the second layer; Including Any one of configurations 1 to 3, wherein a concentration of the second element in the second region is lower than a concentration of the second element in the first region, or the second region does not include the second element.
  • the magnetic element according to one.
  • Configuration 6) The magnetic element according to any one of configurations 1 to 5, wherein the first layer includes a single crystal oriented in a (001) plane or a polycrystal preferentially oriented in a (001) plane.
  • the second layer includes an oxide of a third element including at least one selected from the group consisting of Mg, Si, Al, Ti, Zr, Hf, Ta, Zn, Sr, and Ba, and nitridation of the third element
  • the magnetic element according to any one of Structures 1 to 6, wherein the magnetic element includes at least one of a material and a fluoride of the third element.
  • the second layer includes MgO; The magnetic element according to any one of configurations 1 to 8, wherein the MgO includes a single crystal or a polycrystal preferentially oriented in a (001) plane.
  • (Configuration 10) The magnetic element according to any one of configurations 1 to 9, wherein the second layer has a sheet resistance of 10 ⁇ m 2 or more.
  • the magnetic element further includes a ferromagnetic third layer, The magnetic element according to any one of Configurations 1 to 10, wherein the second layer is located between the first layer and the third layer.
  • (Configuration 12) The magnetic element according to Configuration 11, wherein the third layer includes at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and Mn.
  • (Configuration 13) A magnetic element according to any one of configurations 1 to 12, and A control unit; A magnetic storage device.
  • (Configuration 14) A magnetic sensor comprising the magnetic element according to Configuration 11 or 12.
  • vertical and parallel include not only strict vertical and strict parallel, but also include variations in the manufacturing process, for example, and may be substantially vertical and substantially parallel. .

Abstract

実施形態によれば、磁気素子は、第１層と、第２層と、を含む。前記第１層は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む第１元素と、Ｉｒ及びＯｓからなる群から選択された少なくとも１つを含む第２元素と、を含む。前記第２層は、非磁性である。

Description

磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサ
　本発明の実施形態は、磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサに関する。
　磁気記憶装置または磁気センサなどに用いられる磁気素子において、磁気異方性が適切に制御されることで、安定した動作が得られる。
国際公開第２００９／１３３６５０号
　本発明の実施形態は、動作安定性を向上できる磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサを提供する。
　本発明の実施形態によれば、磁気素子は、第１層と、第２層と、を含む。前記第１層は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む第１元素と、Ｉｒ及びＯｓからなる群から選択された少なくとも１つを含む第２元素と、を含む。前記第２層は、非磁性である。
　本発明の実施形態によれば、動作安定性を向上できる磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサが提供できる。
図１は、第１実施形態に係る磁気素子を例示する模式的斜視図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁気素子の実験試料及を示す模式的断面図である。 図３（ａ）～図３（ｃ）は、実験結果を示すグラフ図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実験結果を示すグラフ図である。 図５（ａ）～図５（ｄ）は、試料の解析結果を例示する模式図及び写真像である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、試料の解析結果を例示する写真像及び模式図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、磁気異方性の電圧制御に関する実験を示す模式図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的断面図である。 図９（ａ）～図９（ｄ）は、シミュレーションのモデルを例示する模式図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、シミュレーションの別のモデルを例示する模式図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、シミュレーションの別のモデルを例示する模式図である。 図１２は、第１実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的斜視図である。 図１３（ａ）～図１３（ｆ）は、第１実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的断面図である。 図１４は、第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。 図１５（ａ）～図１５（ｃ）は、第２実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。 図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第３実施形態に係る磁気センサを例示する模式図である。
　以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
　図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
　本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る磁気素子を例示する模式的斜視図である。
　図１に示すように、本実施形態に係る磁気素子１１０は、第１層１０及び第２層２０を含む。この例では、第３層３０、第１導電層４１及び第２導電層４２がさらに設けられている。
　第１層１０は、第１元素及び第２元素を含む。第１元素は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２元素は、Ｉｒ及びＯｓからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１層１０は、例えば、ＦｅＩｒを含む。第１層１０は、例えば、ＦｅＩｒ合金である。第１層１０における第２元素の濃度は、３原子パーセント以上２５原子パーセント以下である。第１層１０は、例えば、強磁性層である。
　第２層２０は、例えば、第３元素の酸化物、第３元素の窒化物、および、第３元素のフッ化物の少なくともいずれかを含む。第３元素は、例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２層２０は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。第２層２０は、例えば、非磁性である。例えば、第２層２０は、第１層１０と接する。
　例えば、第１導電層４１と第２導電層４２の間に、第１層１０が設けられる。第１層１０と第２導電層４２の間に、第２層２０が設けられる。第２層２０と第２導電層４２との間に、第３層３０が設けられる。第１層１０と第３層３０との間に第２層２０が位置する。第３層３０は、例えば、強磁性である。第３層３０は、例えば、強磁性体からなる。第３層３０は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎからなる群から選択された少なくとも１つを含む。第１導電層４１は、第１層１０と電気的に接続される。第２導電層４２は、第３層３０と電気的に接続される。例えば、これらの導電層を介して、第１層１０、第２層２０及び第３層３０を含む積層体に電圧（例えば電圧パルス）が供給される。電圧パルスの印加の前後において、積層体の電気抵抗が変化する。
　第３層３０は、例えば、強磁性層である。例えば、第３層３０は、参照層として機能する。第３層３０の磁化の向きは、例えば、電圧パルスの印加により実質的に変化しない。例えば、第１層１０の少なくとも一部は、記憶層として機能する。第１層１０の少なくとも一部の磁化の向きは、例えば、電圧パルスの印加により変化する。例えば、磁化の向きが反転する。電圧パルスの印加の前後における積層体の電気抵抗の変化は、例えば、第３層３０の磁化の向きと、第１層１０の少なくとも一部の磁化の向きと、の間の相対関係の変化に対応する。
　第１層１０から第２層２０に向かう第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。第１層１０及び第２層２０などの層は、Ｘ－Ｙ平面に実質的に平行に広がる。磁気素子１１０において、Ｚ軸方向は、積層方向に対応する。
　各層の厚さは、Ｚ軸方向に沿う長さである。例えば、第１層１０の厚さｔｍは、Ｚ軸方向に沿う第１層１０の長さである。実施形態において、厚さｔｍは、例えば、０．２６ナノメートル（ｎｍ）以上５ｎｍ以下である。０．２６ｎｍは、実質的に２原子層の厚さに対応する。第１層１０の厚さが５ｎｍ以下であるときに、電圧または電流等の外部信号による磁化の向きの書き換えにおいて、良好な制御性が得られる。第１層１０の厚さが２ｎｍ以下であるときに、例えば、外部信号による書き換えの際の消費電力を小さくすることができる。
　第１元素及び第２元素を含む第１層１０において、後述するように、高い界面磁気異方性が得られることが分かった。実施形態によれば、例えば、安定した磁気異方性が得られる。実施形態によれば、動作安定性を向上できる磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサが提供できる。
　以下、磁気素子に関する実験結果について説明する。
　図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁気素子の実験試料及を示す模式的断面図である。
　図２（ａ）は、試料の複数の膜を成膜した後で熱処理（アニール処理）を行う前の試料１１０ａの状態を例示している。図２（ｂ）は、成膜後のアニール処理の後の試料１１０ｂの状態を例示している。実験試料においては、第３層３０が設けられていない。
　図２（ａ）に示すように、基板５１の上に、第１導電層４１となるＣｒ膜が設けられる。基板５１は、（００１）配向のＭｇＯである。Ｃｒ膜の厚さは、３０ｎｍである。第１導電層４１の上に、Ｆｅ膜１０ｐが設けられる。実験では、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐは、０．５ｎｍ以上１．４ｎｍの範囲で変更される。Ｆｅ膜１０ｐの上に、Ｉｒ膜１０ｑが設けられる。実験では、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが、０ｎｍ～０．１５ｎｍの範囲で変更される。Ｉｒ膜１０ｑの上に、第２層２０となるＭｇＯ膜が設けられる。第２層２０の厚さは、約２．３ｎｍである。このＭｇＯ膜の上に、第２導電層４２となるＩＴＯ膜（Indium Tin Oxide）が設けられる。これらの膜は、分子線エピタクシー法、およびスパッタリングにより形成される。Ｉｒ膜１０ｑ及びＭｇＯ膜の形成は、室温（約２５℃）で行われる。これらの積層膜を成膜した後に、３５０℃で２０分の熱処理が行われる。
　図２（ｂ）に示すように、熱処理後の試料１１０ｂにおいては、Ｆｅ膜１０ｐ及びＩｒ膜１０ｑから、ＦｅＩｒの混合領域が形成される。これは、例えばＩｒ膜１０ｑ中のＩｒがＦｅ膜１０ｐに拡散することによる。この混合領域（合金）が、第１層１０に対応する。第１層１０の少なくとも一部において、ＦｅがＩｒにより置換される。第１層１０において、体心立方格子（ｂｃｃ）構造が維持される。ＦｅＩｒの混合領域（第１層１０）の厚さｔｍは、厚さｔｐと厚さｔｑとの和に実質的に対応する。
　このように、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが変更された複数の試料が作製される。複数の試料においては、Ｆｅ及びＩｒを含む領域（第１層１０）におけるＩｒ濃度が互いに異なる。実験では、Ｉｒ膜１０ｑを設けない参考例の試料も作製される。この参考例の試料は、Ｉｒ濃度が０である試料に対応する。
　これらの試料に、Ｚ軸方向（積層方向）に沿う外部磁界を印加し、外部磁界の強度を変化させて、Ｋｅｒｒ回転角が測定される。
　図３（ａ）～図３（ｃ）は、実験結果を示すグラフ図である。
　図３（ａ）は、Ｉｒ膜１０ｑが設けられない参考例の試料１１９に対応する。図３（ａ）には、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが０．５５ｎｍ以上１．００ｎｍ以下の試料の結果が示されている。図３（ｂ）は、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが０．０５ｎｍの試料１１０ｃに対応する。図３（ｂ）には、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが０．６５ｎｍ以上１．２０ｎｍ以下の試料の結果が示されている。図３（ｃ）は、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが０．１５ｎｍの試料１１０ｄに対応する。図３（ｃ）には、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが０．８０ｎｍ以上１．４０ｎｍ以下の試料の結果が示されている。これらの図の横軸は、外部磁界の強度ＭＦ（ｋＯｅ）である。１Ｏｅは、（１／４π）×１０３Ａ／ｍに対応する。縦軸は、Ｋｅｒｒ回転角ＫＲＡ（任意単位）である。
　図３（ａ）～図３（ｃ）に示すように、それぞれの試料において、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐの特定の範囲において、磁気ヒステリシスが観測される。磁気ヒステリシスが観測されることは、第１層１０（Ｆｅ及びＩｒを含む領域）における磁化容易軸がＺ軸方向（面直方向）の成分を有することに対応する。
　試料１１９において、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが０．９５ｎｍ以上であると、磁気ヒステリシスが観測されない。試料１１０ｃにおいて、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが１．１ｎｍ以上であると、磁気ヒステリシスが観測されない。試料１１０ｄにおいて、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが１．３０ｎｍ以上であると、磁気ヒステリシスが観測されない。このように、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが厚くなると、磁気ヒステリシスが観測されない。すなわち、面内磁化膜の特性が得られる。この現象は、Ｆｅ膜とＭｇＯ膜との間の界面、または、ＦｅＩｒ膜とＭｇＯ膜との間の界面において生じる界面磁気異方性によると考えられる。
　試料１１９において、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが０．９０ｎｍ以下において、磁気ヒステリシスが観測され、安定した垂直磁化異方性が得られる。試料１１０ｃにおいて、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが１．０ｎｍ以下において、磁気ヒステリシスが観測され、安定した垂直磁化異方性が得られる。試料１１０ｄにおいて、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐが１．２０ｎｍ以下において、磁気ヒステリシスが観測され、安定した垂直磁化異方性が得られる。このように、磁気ヒステリシスが観測される（すなわち安定した垂直磁化が得られる）上限の厚さ（厚さｔｐ）が、互いに異なる。試料１１０ｃの垂直磁気異方性は、試料１１９の垂直磁気異方性よりも高いと考えられる。試料１１０ｄの垂直磁気異方性は、試料１１０ｃの垂直磁気異方性よりも高いと考えられる。
　例えば、実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆは、以下の式で表されると考えられる。

　Ｋｅｆｆ＝（Ｋｖ－μ０Ｍｓ２／２）＋Ｋｉ，０／ｔ

　上記の式において、Ｋｖは、体積磁気異方性エネルギーである。μ０は、真空の透磁率である。Ｍｓは、飽和磁化である。Ｋｉ，０は、界面磁気異方性である。ｔは、磁性層の厚さである。界面磁気異方性Ｋｉ，０は、磁性層の厚さがゼロのときを想定した場合に得られる、本質的な界面磁気異方性エネルギーに対応する。界面磁気異方性Ｋｉ，０が高いと、垂直磁気異方性を安定して得やすい。
　図３（ａ）～図３（ｃ）に例示した磁気ヒステリシス曲線の特性から、パラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」と、厚さｔと、の関係のグラフが、求められる。このグラフにおいて、厚さｔがゼロのときの切片から、界面磁気異方性Ｋｉ，０を求めることができる。
　上記の試料において、厚さｔは、熱処理後の第１層１０（Ｆｅ及びＩｒを含む領域）の厚さｔｍに対応する。既に説明したように、厚さｔｍは、各試料において、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐと、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑと、の和に対応する。
　図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実験結果を示すグラフ図である。
　図４（ａ）の横軸は、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑ（ｎｍ）である。図４（ｂ）の横軸は、第１層１０におけるＩｒの組成比Ｃ（Ｉｒ）（原子パーセント：ａｔ％）である。これらの図の縦軸は、界面磁気異方性Ｋｉ，０（ｍＪ／ｍ２）である。図４（ａ）において、厚さｔｑが０のときの値は、Ｉｒ膜１０ｑを設けない試料１１９に対応する。厚さｔｑが０．０５ｎｍのときの値は、試料１１０ｃに対応する。厚さｔｑが０．１５ｎｍのときの値は、試料１１０ｄに対応する。
　図４（ａ）に示すように、Ｉｒ膜１０ｑを設けない試料１１９（厚さｔｑが０）においては、界面磁気異方性Ｋｉ，０は、約２ｍＪ／ｍ２と低い。これに対して、Ｉｒ膜１０ｑを設けると、高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が得られる。例えば、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが０．０５ｎｍの試料１１０ｃにおいては、界面磁気異方性Ｋｉ，０は、３．７ｍＪ／ｍ２と非常に高い。図４（ａ）から、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが０．０２５ｎｍ以上０．１５ｎｍ以下のときに、高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が得られることが分かる。例えば、厚さｔｑが約０．０７ｎｍのとき、界面磁気異方性Ｋｉ，０は、２．８ｍＪ／ｍ２である。
　図４（ａ）に示すように、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが０．２ｎｍのときには、界面磁気異方性Ｋｉ，０は、負となる。厚さｔｑが０．１５ｎｍ～０．２ｎｍの範囲における界面磁気異方性Ｋｉ，０の特性は、臨界的である。
　既に説明したように、実験試料においては、Ｆｅ膜１０ｐ及びＩｒ膜１０ｑを形成し、その後に熱処理を行うことで、Ｆｅ及びＩｒを含む領域（第１層１０）が得られる。図４（ａ）に例示する試料において、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが０．０５ｎｍの試料において、第１層１０の厚さｔｍは、約０．７０ｎｍ～１．２５ｎｍである。Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑが０．１５ｎｍの試料において、第１層１０の厚さｔｍは、約０．９５ｎｍ～１．５５ｎｍである。
　実施形態において、Ｆｅ及びＩｒを含む領域（第１層１０）の厚さｔｍが０．２６ｎｍ以上２ｎｍ以下のときに、高い垂直磁気異方性エネルギーＫｅｆｆが得られる。
　約０．１３ｎｍの厚さｔｍは、１原子層の厚さ（１ＭＬ：monoatomic layer）に対応する。実施形態において、例えば、Ｆｅ及びＩｒを含む領域（第１層１０）の厚さｔｍが２原子層に対応する厚さのときに、高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が得られる。
　上記の実験試料において、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑは、Ｆｅ及びＩｒを含む領域（第１層１０）におけるＩｒの組成比に実質的に対応する。
　図４（ｂ）は、図４（ａ）に例示した複数の試料について、第１層１０におけるＩｒの組成比Ｃ（Ｉｒ）と、界面磁気異方性Ｋｉ，０と、の関係を示している。図４（ｂ）に示すように、第１層１０におけるＩｒの組成比Ｃ（Ｉｒ）が３ａｔ％以上２５ａｔ％以下のときに、高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が得られる。
　実施形態においては、第１層１０における第２元素（例えばＩｒ）の濃度は、３ａｔ％以上２５ａｔ％以下である。これにより、高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が得られる。実施形態において、第１層１０における第２元素（例えばＩｒ）の濃度は、５ａｔ％以上２０ａｔ％以下でも良い。より高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が得られる。実施形態において、第１層１０における第２元素（例えばＩｒ）の濃度は、５ａｔ％以上１２ａｔ％以下でも良い。より高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が安定して得られる。
　上記の実験においては、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑを変更することで、Ｆｅ及びＩｒを含む領域（第１層１０）におけるＩｒ組成比が変更される。このため、第１層１０において、Ｉｒの組成比は、厚さ方向（Ｚ軸方向）において変化する場合があっても良い。例えば、第１層１０のうちで第２層２０に近い領域におけるＩｒの組成比は、第１層１０のうちで第２層２０から遠い領域におけるＩｒの組成比よりも高い。実施形態において、第１層１０におけるＩｒの組成比が実質的に一定でも良い。
　図５（ａ）～図５（ｄ）は、試料の解析結果を例示する模式図及び写真像である。
　図５（ｂ）～図５（ｄ）は、上記の試料１１０ｃのＳＴＥＭ－ＥＤＳ（Scanning transmission electron microscopy-Energy dispersive spectroscopy）元素マッピングである。図５（ｂ）～図５（ｄ）は、Ｍｇ、Ｆｅ、及びＩｒにそれぞれ対応する。図５（ｂ）～図５（ｄ）におけるＺ軸方向における位置は、図５（ａ）に例示する位置に対応する。
　これらの図から分かるように、第１層１０は、第２層２０と実質的に接している。図５（ｃ）及び図５（ｄ）から、Ｉｒの分布は、Ｆｅの分布と実質的に等しいことが分かる。Ｉｒは、第１層１０中において、比較的均一に分散して存在する。
　図６（ａ）及び図６（ｂ）は、試料の解析結果を例示する写真像及び模式図である。
　図６（ａ）は、第１層１０のＺ-contrast　ＨＡＡＤＦ(High-Angle Annular Dark Field )ＳＴＭ像である。図６（ａ）において、明るい点状部分が、Ｉｒ原子に対応する。明るさが低い点状領域が、Ｆｅ原子に対応する。図６（ｂ）は、図６（ａ）を基に描かれた模式図である。
　これらの図から分かるように、Ｉｒは、第１層１０において、実質的にランダムに分散されている。Ｉｒは、第１層１０において、実質的に均一に存在する。結晶格子の位置のＦｅがＩｒにより置換されている。
　実施形態において、第１層１０の形成方法として、例えば、第１元素（Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つ）と、第２元素（Ｉｒ及びＯｓからなる群から選択された少なくとも１つ）と、を含む膜を形成しても良い。例えば、分子線エピタクシー法またはスパッタ法などにより、第１元素と第２元素とを含む膜を基体上に形成できる。この場合には、形成された膜中における第２元素の組成比を比較的均一にできる。このような成膜の後に、必要に応じて熱処理が行われても良い。
　例えば、第１元素と第２元素とを含む膜を基体上に形成する方法により第１層１０を形成した場合には、第１層１０における第２元素（例えばＩｒ）の組成比は、３ａｔ％以上２５ａｔ％以下でも良い。このような組成比において、高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が得られる。
　高い界面磁気異方性Ｋｉ，０により、安定した垂直磁気異方性が得られる。これにより、動作安定性を向上できる磁気素子が提供できる。例えば、動作安定性を向上できる磁気記憶装置及び磁気センサが提供できる。
　以下、磁気異方性の電圧による制御の例について説明する。
　図７（ａ）及び図７（ｂ）は、磁気異方性の電圧制御に関する実験を示す模式図である。
　図７（ａ）は、実験の試料を示す断面図である。図７（ｂ）は、実験結果を示す断面図である。
　図７（ａ）に示すように、試料１１０ｅにおいては、基板５１（（００１）配向のＭｇＯ）の上に、第１導電層４１となるＣｒ膜（厚さが３０ｎｍ）が設けられる。第１導電層４１の上に、Ｆｅ膜１０ｐ（厚さｔｐは０．７７ｎｍ）が形成され、さらに、その上に、Ｉｒ膜１０ｑ（厚さｔｑは０．０５ｎｍ）が設けられる。この上に、第２層２０となるＭｇＯ膜（厚さが約２．３ｎｍ）が設けられる。このＭｇＯ膜の上に、第３層３０となるＦｅ膜（厚さが約１０ｎｍ）が設けられる。この上に、第２導電層４２となる、Ｔａ膜（厚さが５ｎｍ）及びＲｕ膜（厚さが７ｎｍ）が設けられる。Ｒｕ膜とＭｇＯ膜との間にＴａ膜が位置する。このような積層膜を成膜した後に、３５０℃で２０分の熱処理が行われる。これにより、Ｆｅ膜１０ｐ及びＩｒ膜１０ｑから、Ｆｅ及びＩｒを含む領域（第１層１０）が形成される。この例では、第３層３０となるＦｅ膜は、面内磁化膜である。第３層３０は、参照層として機能する。
　積層膜が、フォトリソグラフィー、及び、Ａｒによるイオンミリングにより加工される。これにより、素子試料が得られる、素子試料のＸ軸方向の長さは、約２μｍである。素子試料のＹ軸方向の長さは、約６μｍである。
　この素子試料の磁気抵抗効果が測定される。測定においては、素子試料に面内磁界が印加され、直流２端子測定が行われる。測定においては、素子試料への印加電圧（第１導電層４１及び第２導電層４２の間の電圧）の強度が変更される。これにより、ＦｅＩｒ膜（第１層１０）の磁気異方性の印加電圧による変化の程度が見積もられる。
　図７（ｂ）は、パラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」の特性の測定結果を例示している。
　図７（ｂ）の横軸は、印加される電圧に基づく電界強度ＥＦ（ｍＶ／ｎｍ）である。電界強度ＥＦが正のとき、第２導電層４２の電位は、第１導電層４１の電位よりも高い。このとき、第２導電層４２から第１導電層４１に向けて電流が流れることが可能である。電界強度ＥＦは、印加電圧／「ＭｇＯ膜の厚さである２．３ｎｍ」である。
　図７（ｂ）の縦軸は、パラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」である。厚さｔは、第１層１０の厚さｔｍに対応し、この例では、厚さｔは、Ｆｅ膜１０ｐの厚さｔｐ（０．７７ｎｍ）と、Ｉｒ膜１０ｑの厚さｔｑ（０．０５ｎｍ）と、の和である。
　図７（ｂ）に示すように、パラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」は、電界強度ＥＦに依存して変化する。例えば、電界強度ＥＦが正のとき、パラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」は、電界強度ＥＦに対して実質的に線形に変化する。電界強度ＥＦが正のときのパラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」の変化から、パラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」の傾きが３２０ｆＪ／Ｖｍであると見積もられる。
　実施形態に係る磁気素子１１０においては、上記の第１層１０を用いることで、パラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」が電界強度ＥＦに応じて変化することが分かった。そして、パラメータ「Ｋｅｆｆ・ｔ」の傾きは、３２０ｆＪ／Ｖｍと高い。この傾きは、Ｉｒを含まないＦｅ膜とＭｇＯ膜とを含む試料における傾きの約３倍である。実施形態においては、磁気異方性を印加電圧により高い制御性で制御できる。
　このように、実施形態に係る磁気素子１１０においては、高い界面磁気異方性Ｋｉ，０が得られる。さらに、磁気素子１１０においては、磁気異方性を電圧により制御性良く制御できる。例えば、電圧制御型の磁気記憶装置において安定した動作が得られる。
　実施形態によれば、例えば、キャッシュメモリなどに対応可能な電圧制御型のＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）のスケーラビリティを実現できる。
　実施形態において、第３層３０として、面内磁化膜または垂直磁化膜が用いられる。例えば、第３層３０として垂直磁化膜を用いて、電圧誘起ダイナミック磁化反転による情報の書き変えが可能である。磁気抵抗効果による情報の読み出しが可能である。
　実施形態において、第１層１０における主成分は、上記の第１元素である。第１層１０は、第２元素を含む。第１層１０は、第１元素を含む層（領域）と、第２元素を含む層（領域）と、を含んでも良い。第１層１０が第２元素を含むことで、例えば、第２層２０（例えばＭｇＯ）との界面における界面磁気異方性が高くなる。このような第１層１０により、大きい電圧効果が得られる。実施形態によれば、例えば、電圧制御型のＭＲＡＭにおいて、良好な特性が得られる。
　第１層１０における第２元素の組成比は、例えば、３ａｔ％以上２５ａｔ％以下である。これにより、例えば、室温において良好な強磁性が得られる。
　例えば、第１層１０は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有する。第１層１０は、例えば、単結晶及び多結晶の少なくともいずれかを含む。この多結晶は、例えば、（００１）面に優先配向している。例えば、多結晶に含まれる複数の結晶粒において、統計的に特定の方向（この例では、（００１）面の方向）を示す。例えば、第１層１０の少なくとも一部の（００１）面は、Ｚ軸方向（積層方向）に対して垂直な面に沿う。（００１）面と、Ｚ軸方向（積層方向）に対して垂直な面と、の間の角度は、（００１）面と、Ｚ軸方向と、の間の角度よりも小さい。例えば、１つの磁気記憶装置に複数の磁気素子（メモリセル）が設けられる。複数の磁気素子のそれぞれに第１層１０が設けられる。１つの磁気記憶装置に含まれる複数の第１層１０を１つの層と見なした時に、この層が、例えば多結晶を含む。この１つの層（複数の第１層１０）は、例えば、（００１）面に優先配向している。例えば、複数の第１層１０のそれぞれに結晶が含まれる。複数の結晶（第１層１０）の方位の分布に偏りがある。複数の結晶（複数の第１層１０）の方位についての統計的な優先の方向（（００１）面に対して垂直な方向）と、Ｚ軸方向と、の間の角度が４５度未満である。
　例えば、第１層１０となる膜がアモルファス構造を有しても良い。熱処理（ポストアニール処理）により固相エピタクシープロセスを経ることで、第１層１０となる膜が結晶化して、結晶性を有する第１層１０が形成されても良い。この場合も、第１層１０の少なくとも一部は、ｂｃｃ構造を有する。例えば、Ｂ（ホウ素）を含む材料により、アモルファス膜が得られ、熱処理により、ｂｃｃ構造が得られる。
　実施形態において、第１層１０の厚さｔｍは、例えば、２原子層に対応する厚さ以上である。第１層１０の厚さｔｍは、２ｎｍ以下である。このような厚さｔｍにより、例えば、界面効果が適切に得られる。これにより、例えば、磁気異方性の電圧による制御が効果的に得られる。
　第２層２０は、例えば、第１層１０と共に用いられることで、電圧による磁気異方性の変化を誘起する。第２層２０は、単結晶及び多結晶の少なくともいずれかを含む。この多結晶は、例えば、（００１）面に優先配向している。第２層２０が単結晶である場合、単結晶の（００１）面は、Ｚ軸方向に対して垂直な面に沿う。（００１）面と、Ｚ軸方向（積層方向）に対して垂直な面と、の間の角度は、（００１）面と、Ｚ軸方向と、の間の角度よりも小さい。例えば、第１層１０と第２層２０との間において、良好な結晶性が得られる。
　第２層２０の面積抵抗(ＲＡ：Resistance area product）は、例えば、１０Ωμｍ２以上である。これにより、例えば、電圧制御動作において、低い消費電力が得られる。第２層２０の面積抵抗は、例えば、２０Ωμｍ２よりも大きくてもよい。これにより、例えば、電流書き込み動作の場合の１／２の、低い消費電力が得られる。第２層２０の面積抵抗は、例えば、１００Ωμｍ２以上でもよい。これにより、例えば、電流書き込み動作の場合の１／１０の、さらに低い消費電力が得られる。第２層２０の面積抵抗が２０Ωμｍ２以下になると、書き込みに要するエネルギーが急激に増大する。第２層２０の面積抵抗が１０Ωμｍ２未満になると、書き込みに要するエネルギーの増大は、さらに加速する。
　図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的断面図である。
　図８（ａ）に示すように、本実施形態に係る別の磁気素子１１１においては、第２層２０は、第１部分領域２１と、第２部分領域２２と、を含む。第２部分領域２２は、第１部分領域２１と第１層１０との間に設けられる。第１部分領域２１は、例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む第３元素の酸化物、この第３元素の窒化物、及び、この第３元素のフッ化物の少なくともいずれか含む。第２部分領域２２は、例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む第４元素を含む。第２部分領域２２における第４元素の濃度は、第１部分領域２１における第４元素の濃度よりも高い。例えば、第１部分領域２１は、上記の第３元素と、第５元素と、を含む。第５元素は、酸素、窒素及びフッ素の少なくともいずれかである。第１部分領域２１における第５元素の濃度は、第２部分領域２２における第５元素の濃度よりも高い。
　例えば、第１部分領域２１がＭｇＯ膜であるとき、第２部分領域２２は、例えば、Ｍｇ膜である。例えば、第１部分領域２１がＭｇＯ膜であるとき、第２部分領域２２はＡｌ膜でも良い。第２部分領域２２の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、例えば、０．３ｎｍ以下である。
　第２部分領域２２により、例えば、第１層１０と第２層２０と間の界面において、膜の形成時の酸化等の影響によって特性が劣化することが抑制される。この例では、第１層１０は、第２層２０と接する。
　図８（ｂ）に示すように、本実施形態に係る別の磁気素子１１２は、第１層１０及び第２層２０に加えて、中間領域２０Ｒをさらに含む。中間領域２０Ｒは、第１層１０と第２層との間に設けられる。第２層２０は、例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む第３元素の酸化物、この第３元素の窒化物、及び、この第３元素のフッ化物の少なくともいずれか含む。中間領域２０Ｒは、例えば、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む第４元素を含む。中間領域２０Ｒにおける第４元素の濃度は、第２層２０における第４元素の濃度よりも高い。例えば、第２層２０は、上記の第３元素と、第５元素と、を含む。第５元素は、酸素、窒素及びフッ素の少なくともいずれかである。第２層２０における第５元素の濃度は、中間領域２０Ｒにおける第５元素の濃度よりも高い。
　中間領域２０Ｒにより、例えば、第１層１０と第２層２０と間の界面において、膜の形成時の酸化等の影響によって特性が劣化することが抑制される。この例では、中間領域２０Ｒは、第１層１０及び第２層２０と接する。
　以下、第１層１０及び第２層２０を含む積層体における磁気異方性についてのシミュレーション結果の例について説明する。シミュレーションにおいては、第１原理計算が行われる。シミュレーションのモデルの構造について説明する。
　図９（ａ）～図９（ｄ）は、シミュレーションのモデルを例示する模式図である。
　図９（ａ）に示す構造ＳＴ０１においては、５原子層のＭｇＯ層２０ａと、５原子層のＭｇＯ層２０ｂと、の間に、５原子層のＦｅ層１１が設けられる。
　図９（ｂ）に示す構造ＳＴ０２においては、５原子層のＭｇＯ層２０ａと、５原子層のＭｇＯ層２０ｂと、の間に、５原子層のＦｅＩｒ層１２が設けられる。構造ＳＴ０２において、５原子層のＦｅＩｒ層１２の全体におけるＩｒの組成比は、６．２５ａｔ％である。Ｉｒ原子の位置は、同一のＦｅＩｒ面内において、６．２５％の組成比を維持しつつ、ランダムに配置される。
　図９（ｃ）に示す構造ＳＴ０３においては、５原子層のＭｇＯ層２０ａと、５原子層のＭｇＯ層２０ｂと、の間に、１原子層のＦｅ層１１と、１原子層のＦｅＩｒ層１２と、が交互に設けられる。Ｆｅ層１１の数は３であり、ＦｅＩｒ層１２の数は２である。構造ＳＴ０３において、３つのＦｅ層１１及び２つのＦｅＩｒ層１２を含む領域の全体におけるＩｒの組成比は、６．２５ａｔ％である。Ｉｒ原子の位置は、同一のＦｅＩｒ面内において、６．２５％の組成比を維持しつつ、ランダムに配置される。
　図９（ｄ）に示すように、１つのＭｇＯ層２０ａ（またはＭｇＯ層２０ｂ）においては、Ｚ軸方向に対して垂直な平面に沿って、Ｍｇ原子と、Ｏ原子と、が並ぶ。１つのＦｅ層１１において、Ｚ軸方向に対して垂直な平面に沿って、複数のＦｅ原子（第１元素Ｅ１）が並ぶ。１つのＦｅＩｒ層１２においては、Ｆｅ原子（第１元素Ｅ１）と、Ｉｒ原子（第２元素Ｅ２）と、が、Ｚ軸方向に対して垂直な平面に沿って並ぶ。１つのＦｅＩｒ層１２において、Ｚ軸方向に対して垂直な平面に沿って第１元素Ｅ１から第２元素Ｅ２に向かう方向は、Ｚ軸方向（積層方向）に対して交差（例えば、垂直）である。
　このような構造のそれぞれにおいて、垂直磁気異方性ＭＡＥ（ｍＪ／ｍ２）が第１原理計算により求められる。垂直磁気異方性ＭＡＥの高低は、図４に関して説明した界面磁気異方性Ｋｉ，０（測定値）の高低に対応する。以下では、構造ＳＴ０１における垂直磁気異方性ＭＡＥを１として規格化した値を、他の構造における垂直磁気異方性ＭＡＥとする。
　構造ＳＴ０１における垂直磁気異方性ＭＡＥ（規格化値）は、１である。
　構造ＳＴ０２における垂直磁気異方性ＭＡＥ（規格化値）は、１．１１である。
　構造ＳＴ０３における垂直磁気異方性ＭＡＥ（規格化値）は、１．５１である。
　構造ＳＴ０１においては、第２元素Ｅ２（この例ではＩｒ）を含んでおらず、上記の試料１１９に対応する。構造ＳＴ０２及び構造ＳＴ０３は、第２元素Ｅ２を含んでおり、試料１１０ｃ、１１０ｄまたは１１０ｅなどに対応する。
　このように、第２元素Ｅ２（上記の例ではＩｒ）を含む第１層１０を設けることで、高い垂直磁気異方性ＭＡＥが得られる。
　図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、シミュレーションの別のモデルを例示する模式図である。
　図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すモデルにおいては、１原子層のＭｇＯ層（第２層２０）と、１原子層のＦｅ層１１と、１原子層のＦｅＩｒ層１２と、が設けられる。図１０（ａ）に示す構造ＳＴ０４においては。ＦｅＩｒ層１２は、ＭｇＯ層（第２層２０）と、Ｆｅ層１１と、の間に位置する。図１０（ｂ）に示す構造ＳＴ０５においては。Ｆｅ層１１は、ＭｇＯ層（第２層２０）と、ＦｅＩｒ層１２と、の間に位置する。
　このような構造のそれぞれにおいて、垂直磁気異方性ＭＡＥ（ｍＪ／ｍ２）が第１原理計算により求められる。この場合も、ＦｅＩｒ層１２を設けない場合の垂直磁気異方性ＭＡＥを１として規格化した値を、垂直磁気異方性ＭＡＥとする。
　構造ＳＴ０４における垂直磁気異方性ＭＡＥ（規格化値）は、２．４３である。
　構造ＳＴ０５における垂直磁気異方性ＭＡＥ（規格化値）は、１．８５である。
　図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、シミュレーションの別のモデルを例示する模式図である。
　図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すモデルにおいては、１原子層のＭｇＯ層（第２層２０）と、１原子層のＦｅ層１１と、１原子層のＦｅＯｓ層１３と、が設けられる。この例では、第２元素は、Ｏｓである。図１１（ａ）に示す構造ＳＴ１４においては。ＦｅＯｓ層１３は、ＭｇＯ層（第２層２０）と、Ｆｅ層１１と、の間に位置する。図１１（ｂ）に示す構造ＳＴ１５においては。Ｆｅ層１１は、ＭｇＯ層（第２層２０）と、ＦｅＯｓ層１３と、の間に位置する。
　このような構造のそれぞれにおいて、垂直磁気異方性ＭＡＥ（ｍＪ／ｍ２）が第１原理計算により求められる。この場合も、ＦｅＯｓ層１３を設けない場合の垂直磁気異方性ＭＡＥを１として規格化した値を、垂直磁気異方性ＭＡＥとする。
　構造ＳＴ１４における垂直磁気異方性ＭＡＥ（規格化値）は、２．６８である。
　構造ＳＴ１５における垂直磁気異方性ＭＡＥ（規格化値）は、３．７７である。
　このように、第２元素Ｅ２としてＯｓを用いた場合も、高い垂直磁気異方性ＭＡＥが得られる。
　実施形態においては、第１層１０は、第２元素Ｅ２として、Ｉｒ及びＯｓからなる群から選択された少なくとも１つを含む。これにより、高い垂直磁気異方性ＭＡＥが得られる。
　実施形態においては、構造ＳＴ０３、ＳＴ０４、ＳＴ０５、ＳＴ１４及びＳＴ１５のように、例えば、第１元素Ｅ１の層（例えばＦｅ層１１）と、第１元素Ｅ１及び第２元素Ｅ２を含む層（例えば、ＦｅＩｒ層１２またはＦｅＯｓ層１３など）と、が積層されても良い。
　例えば、構造ＳＴ０４のように、ＦｅＩｒ層１２とＭｇＯ層（第２層２０）との間に、Ｆｅ層１１が設けられる場合に、高い垂直磁気異方性ＭＡＥが得られる。
　図１２は、第１実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的斜視図である。
　図１２に示すように、磁気素子１１２においても、第１層１０及び第２層２０が設けられる。この例では、第３層３０、第１導電層４１及び第２導電層４２がさらに設けられている。磁気素子１１２においては、第１層１０は、第１領域１０ａ及び第２領域１０ｂを含む。これ以外の構成は、例えば、磁気素子１１０と同様であるので説明を省略する。
　磁気素子１１２の第１層１０において、第２領域１０ｂは、第１領域１０ａと第２層２０との間に位置する。第１領域１０ａは、第１元素Ｅ１（例えばＦｅ）及び第２元素Ｅ２（例えばＩｒ及びＯｓの少なくともいずれか）を含む。一方、第２領域１０ｂは、第１元素Ｅ１を含む。第２領域１０ｂにおける第２元素Ｅ２の濃度（組成比）は低い。第２領域１０ｂは、例えば、第２元素Ｅ２を含まなくても良い。
　例えば、第２領域１０ｂにおける第２元素Ｅ２の濃度は、第１領域１０ａにおける第２元素Ｅ２の濃度よりも低い。または、第２領域１０ｂは第２元素Ｅ２を含まない。第１領域１０ｂは、例えばＦｅＩｒ層１２またはＦｅＯｓ層１３である。第２領域１０ｂは、例えば、Ｆｅ層１１である。
　例えば、第２領域１０ｂの厚さは、０．３ｎｍ以下である。第２領域１０ｂの厚さは、例えば、３原子層に対応する厚さ以下でも良い。例えば、第２領域１０ｂは、第２層２０と接する。
　このような第１領域１０ａ及び第２領域１０ｂを設けることで、上記の構造ＳＴ０３、ＳＴ０５及びＳＴ１５に関して説明したように、高い垂直磁気異方性ＭＡＥが得られる。
　第１領域１０ａは、例えば、ＦｅＩｒ層１２またはＦｅＯｓ層１３などに対応する。例えば、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示すように、第１領域１０ａ（ＦｅＩｒ層１２またはＦｅＯｓ層１３）に含まれる第１元素Ｅ１から第１領域１０ａに含まれる第２元素Ｅ２に向かう方向は、Ｚ軸方向（第１領域１０ａから第２層２０に向かう第１方向）に対して実質的に垂直な面に沿う。
　例えば、第１領域１０ａに含まれる第１元素Ｅ１から第１領域１０ａに含まれる第２元素Ｅ２に向かう方向と、Ｚ軸方向（上記の第１方向）と、の間の角度の絶対値は、７０度以上１１０度以下である。
　例えば、第２領域１０ｂ（例えば、第１元素Ｅ１を含む層）は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有する。第２領域１０ｂの少なくとも一部は、実質的に（００１）面配向の単結晶である。または、第２領域１０ｂの少なくとも一部は、（００１）面に優先配向した多結晶を含む。
　図１３（ａ）～図１３（ｆ）は、第１実施形態に係る別の磁気素子を例示する模式的断面図である。
　図１３（ａ）、図１３（ｃ）及び図１３（ｅ）に示すように、磁気素子１１３ａ、１１３ｃ及び１１３ｅにおいては、基板５１と第２導電層４２との間に、第１導電層４１が設けられる。第１導電層４１と第２導電層４２との間に第１層１０が設けられる。第１層１０と第２導電層４２との間に第２層２０が設けられる。磁気素子１１３ｃにおいては、第１領域１０ａと第２層２０との間に、第２領域１０ｂが設けられる。
　図１３（ｂ）、図１３（ｄ）及び図１３（ｆ）に示すように、磁気素子１１３ｂ、１１３ｄ、１１３ｆにおいては、基板５１と第１導電層４１との間に、第２導電層４２が設けられる。第１導電層４１と第２導電層４２との間に第１層１０が設けられる。第１層１０と第２導電層４２との間に第２層２０が設けられる。磁気素子１１３ｄにおいては、第１領域１０ａと第２層２０との間に、第２領域１０ｂが設けられる。
　図１３（ｅ）及び図１３（ｆ）に示すように、磁気素子１１３ｅ及び１１３ｆは、非磁性層２５をさらに含む。非磁性層２５と、第２層２０との間に第１層１０が位置する。非磁性層は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む第６元素の酸化物、この第６元素の窒化物、及び、この第６元素のフッ化物の少なくともいずれか含む。非磁性層２５は、例えば、ＭｇＯ膜である。非磁性層２５により、例えば、第１層１０における磁気異方性を高くすることができる。磁気素子１１３ｅ及び１１３ｆの例では、非磁性層２５は、第１導電層４１と第１層１０と接している。
　磁気素子１１３ａ～１１３ｆにおいて、第２層２０と第２導電層４２との間に、第３層３０が設けられても良い。
　実施形態において、磁気素子に含まれる層は、例えば、ＭＢＥ法により形成される。または、層は、例えば、スパッタ法などの物理的成膜法（ＰＶＤ）により形成されても良い。または、層は、化学的成膜法（ＣＶＤ）により形成されても良い。例えば、熱処理（アニール処理）による第２元素（例えばＩｒ）の相互拡散を利用して第１層１０が形成できる。第１層１０は、第１元素（例えばＦｅ）と第２元素（Ｉｒ）との同時蒸着法または同時スパッタ法により形成されても良い。これらの方法によれば、第１層１０内での第２元素（例えばＩｒなど）の組成比等がより均一になりやすい。これらの方法は、例えば、量産に適している。
　第２層２０は、例えば、単結晶のＭｇＯを含む。このＭｇＯは、例えば、実質的に（００１）配向を有する。例えば、第２層２０は、多結晶の酸化マグネシウムを含んでも良い。この多結晶においては、例えば、（００１）結晶面が優先配向している。
　例えば、スパッタ法により形成した多結晶の層は、単結晶の層に比べて、製造コストの観点で有利である。
　磁気素子１１３ａ及び１１３ｃにおいて、第１導電層４１は、例えば、下地層となる。適正な下地層を用いることで、例えば、第１層１０において、良好な平坦性が得られる。例えば、下地層から第１層１０に界面磁気異方性を付与することができる。これにより、高い垂直磁気異方性が得られる。下地層は、例えば、重金属膜を含む。重金属膜は、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｍｏ及びＨｆからなる群から選択された少なくとも１つを含む。下地層は、低抵抗金属膜を含む。低抵抗金属膜は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ及びＡｇからなる群から選択された少なくとも１つを含む。下地層は、上記の重金属膜と、上記の低抵抗金属膜と、を含む積層膜を含んでも良い。第１導電層４１は、例えば、電極として機能する。
　磁気素子１１３ａ及び１１３ｃにおいて、第２導電層４２は、例えば、電極として機能する。第２導電層４２は、例えば、キャップ層として機能しても良い。キャップ層は、例えば、第１層１０及び第２層２０を含む積層体の劣化を抑制する。キャップ層は、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ及びＣｕからならなる群から選択された少なくとも１つを含む。第２導電層４２として、酸化物を用いても良い。酸化物は、例えば、ＩＴＯを含む。第２導電層４２は、例えば、光透過性でも良い。
　既に説明したように、参照層となる第３層３０を第２層２０と第２導電層４２との間に設けても良い。この場合、第２導電層４２（キャップ層）は、第３層３０を保護する。
　第３層３０は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む磁性膜を含む。第３層３０は、例えば、この磁性膜と、反強磁性膜と、を含んでも良い。例えば、第２層２０と反強磁性膜との間に、上記の磁性膜が位置する。反強磁性膜は、例えば、ＩｒＭｎ及びＰｔＭｎからなる群から選択され少なくとも１つを含む。
　実施形態において、基板５１は、任意である。基板５１として、例えば、Ｓｉ基板が用いられても良い。Ｓｉ基板は、Ｓｉ基体と、その上に設けられた熱酸化膜と、を含んでも良い。基板５１として、例えば、単結晶基板またはプラスチック基板などが用いられても良い。任意の基板５１の上に種々の適切な下地層を形成できる。下地層の上に、例えば、第１層１０及び第２層２０を含む積層体を形成できる。
　磁気素子１１３ｂにおける第２導電層４２には、磁気素子１１３ａにおける第１導電層４１に関して説明した構成が適用できる。磁気素子１１３ｂにおける第１導電層４１には、磁気素子１１３ａにおける第２導電層４２に関して説明した構成が適用できる。
　（第２実施形態）
　本実施形態は、磁気記憶装置に係る。磁気記録装置は、第１実施形態に係る磁気素子及びその変形を含む。
　図１４は、第２実施形態に係る磁気記憶装置を例示する模式図である。
　図１４に示すように、本実施形態に係る磁気記憶装置２１０は、第１実施形態に係る磁気素子１１０と、制御部７０と、を含む。磁気素子１１０は、上記の第１層１０、上記の第２層２０及び上記の第３層３０を含む。制御部７０は、第１層１０及び第３層３０と電気的に接続される。この例では、磁気素子１１０は、第１導電層４１及び第２導電層４２
をさらに含む。第１導電層４１は、第１層１０と電気的に接続される。第２導電層４２は、第３層３０と電気的に接続される。
　制御部７０は、第１導電層４１及び第２導電層４２と電気的に接続される。この例では、制御部７０は、第１配線７０ａにより、第１導電層４１と電気的に接続される。この例では、制御部７０は、第２配線７０ｂにより、第２導電層４２と電気的に接続される。この例では、第１配線７０ａにおいて、スイッチ７０ｓが設けられている。スイッチ７０ｓは、例えば選択トランジスタなどである。このように、電流経路上にスイッチ７０ｓなどが設けられている状態も、電気的に接続される状態に含まれる。以下の説明では、スイッチ７０ｓがオン状態である。オン状態において、配線に電流が流れる。スイッチ７０ｓは、第２配線７０ｂに設けられても良い。
　図１５（ａ）～図１５（ｃ）は、第２実施形態に係る磁気記憶装置の動作を例示する模式図である。
　これらの図の横軸は、時間ｔｉである。これらの図の縦軸は、第１配線７０ａと第２配線７０ｂとの間に加わる信号Ｓ１に対応する。信号Ｓ１は、第１導電層４１及び第２導電層４２の間に加わる信号に実質的に対応する。信号Ｓ１は、第１層１０及び第３層３０の間に加わる信号に実質的に対応する。
　図１５（ａ）に示すように、制御部７０は、第１層１０及び第３層３０の間に、第１パルスＰ１（例えば書き変えパルス）を印加する第１動作ＯＰ１を実施する。例えば、第１動作ＯＰ１において、制御部７０は、第１導電層４１及び第２導電層４２の間に、第１パルスＰ１を印加する。例えば、第１動作ＯＰ１において、制御部７０は、第１配線７０ａ及び第２配線７０ｂの間に、第１パルスＰ１を供給する。
　第１パルスＰ１により、記憶された情報が書き換えられる。第１パルスＰ１により、磁気素子１１０の電気抵抗が変化する。
　例えば、第１動作ＯＰ１の後における第１層１０と第３層３０との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１層１０と第３層３０との間の第１電気抵抗とは、異なる。第１動作ＯＰ１の後における第１導電層４１と第２導電層４２との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１導電層４１と第２導電層４２との間の第１電気抵抗とは、異なる。
　この電気抵抗の変化は、例えば、第１パルスＰ１（書き変えパルス）による第１層１０の少なくとも一部の磁化の向きの変化に基づく。第１層１０と第３層３０との間において、磁化の向きの相対関係が、第１パルスＰ１（書き変えパルス）により変化する。電気抵抗が異なる複数の状態が、記憶される情報に対応する。
　実施形態に係る磁気記憶装置２１０においては、高い界面磁気異方性が得られる。磁気記憶装置２１０においては、磁気異方性が書き変えパルスにより制御される。これにより、例えば、第１層１０の磁化が書き変えパルスにより制御される。磁気記憶装置２１０においては、例えば、安定した動作が得られる。
　実施形態に係る磁気記憶装置２１０は、例えば、電圧トルク駆動型のＭＲＡＭである。
　磁気記憶装置２１０においては、記憶されている情報を書き換えるときに、制御部７０は、上記の第１パルスＰ１（書き変えパルス）を磁気素子１１０に供給する。例えば、上記の第１動作ＯＰ１は、書き換え動作である。
　図１５（ａ）に示すように、制御部７０は、第２動作ＯＰ２をさらに実施しても良い。第２動作ＯＰ２においては、制御部７０は、第１動作ＯＰ１の前に第１層１０及び第３層３０の間（第１導電層４１及び第２導電層４２の間に、すなわち、第１配線７０ａと第２配線７０ｂとの間に）に、第２パルスＰ２（読み出しパルス）を印加する。読み出しパルスにより得られた第１層１０と第３層３０との間の第３電気抵抗は、第１動作の後の第１層１０と第３層３０との間の第２電気抵抗は、とは異なる。第３電気抵抗は、書き換え前の電気抵抗である。第２電気抵抗は、書き換え後の電気抵抗である。第３電気抵抗は、第１電気抵抗と同じでも良い。
　例えば、第２パルスＰ２（読み出しパルス）の極性は、第１パルスＰ１（書き変えパルス）の極性に対して逆である。このような逆極性の第２パルスＰ２（読み出しパルス）を用いる場合、第２パルスＰ２の第２パルス高さＨ２の絶対値は、第１パルスＰ１（書き変えパルス）の第１パルス高さＨ１の絶対値よりも小さくても良く、同じでも良く、大きくても良い。磁性層の磁気異方性が電圧により制御される場合は、逆極性の読み出しパルスを用いることで、読み出し時に磁性層の磁化が変化することが抑制できる。
　磁気素子がこのような特性を有する場合には、以下のようになる。制御部７０は、第１動作ＯＰ１において、第１層１０と第３層３０との間に、第１パルスＰ１を印加する。第１動作ＯＰ１の後における第１層１０と第３層３０との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１層１０と第３層３０との間の第１電気抵抗とは、異なる。第１パルスＰ１は、第１極性と、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と、を有する。このとき、第１極性とは逆の第２極性と、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と同じ絶対値のパルス高さと、を有する別のパルスを印加した場合に、以下となる。この別のパルスを第１層１０と第３層３０との間に印加した後の第１層１０と第３層３０との間の第３電気抵抗と、この別のパルスを第１層１０と第３層３０との間に印加する前の第４電気抵抗と、の差の絶対値は、第２電気抵抗と第１電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、第１パルスＰ１の印加により情報の書き換えが実行され、別のパルスの印加によっては情報の書き換えが生じない。
　第１層１０と第３層３０との間の電気抵抗は、第１層１０と電気的に接続されている第１導電体と、第３層３０と電気的に接続されている第２導電体と、の間の電気抵抗に対応する。電気抵抗の変化は、この第１導電体とこの第２導電体との間の電気抵抗の変化に対応する。
　記憶されている情報を書き換えないときには、図１５（ｂ）に示すように、制御部７０は、第２動作ＯＰ２の後に第３動作ＯＰ３を実施する。第３動作ＯＰ３においては、上記の第１パルスＰ１が印加されない。このときには、書き換えが生じない。
　適切な第１パルスＰ１が印加されたときに、情報の書き換えが可能になる。適切な第１パルスＰ１が印加されると、第１層１０と第３層３０との間の電気抵抗は、高抵抗状態から低抵抗状態に、または、低抵抗状態から高抵抗状態に、変化する。一方、適切ではないパルスが印加された場合は、高抵抗状態は、所望の低抵抗状態にならない。適切ではないパルスが印加された場合は、低抵抗状態は、所望の高抵抗状態にならない。
　適切ではないパルスのパルス幅は、例えば、適切な第１パルス幅Ｔ１の約２倍である。適切ではないパルスが第１層１０と第３層３０との間に印加された場合には、抵抗の変化が生じる確率が低い。
　例えば、制御部７０は、第１動作ＯＰ１において、第１層１０と第３層３０との間に上記の第１パルスＰ１を印加する。第１パルスＰ１は、第１パルス幅Ｔ１と、第１パルス高さＨ１と、を有する。この第１パルスＰ１により、書き換えが適切に行われる。すなわち、第１動作ＯＰ１の後における第１層１０と第３層３０との間の第２電気抵抗は、第１動作ＯＰ１の前における第１層１０と第３層３０との間の第１電気抵抗とは、異なる。このとき、図１５（ｃ）に示すような別のパルスＰ１ｘが印加される場合には、抵抗の変化が実質的に生じない。別のパルスＰ１ｘは、第１パルス幅Ｔ１の２倍のパルス幅と、第１パルス高さＨ１と、を有する。このような別のパルスＰ１ｘを第１層１０と第３層３０との間に印加した後の第１層１０と第３層３０との間の第３電気抵抗と、別のパルスＰ１ｘを第１層１０と第３層３０との間に印加する前の第４電気抵抗と、の差の絶対値は、第２電気抵抗と第１電気抵抗との差の絶対値よりも小さい。すなわち、別のパルスＰ１ｘを印加したときには、電気抵抗は実質的に変化しない。または、別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化は、第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。
　複数回の動作における平均値を用いることで、上記の電気抵抗の変化を、より確実に比較できる。例えば、上記の第１パルスＰ１を印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。一方、上記の別のパルスＰ１ｘを印加し、その前後の電気抵抗の変化を検出するプロセスを複数回実施する。このときの電気抵抗の変化の絶対値の平均値を求める。上記の２つの平均値を比較することで、別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化が第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さいことが、より確実に分かる。
　実施形態に係る磁気素子１１０においては、例えば、上記の別のパルスＰ１ｘを印加したときの電気抵抗の変化が、上記の第１パルスＰ１を印加したときの電気抵抗の変化よりも小さい。
　上記の第１パルスＰ１（書き変えパルス）の第１パルス幅Ｔ１（パルス時間）は、パラメータ「π／（γ・μ０・Ｈｅｆｆ）」の絶対値の０．５倍以上１．５倍以下であることが好ましい。「π」は、３．１４である。「γ」は、磁気回転比（ｒａｄ／ｓＴ）である。「μ０」は、真空の透磁率（Ｈ／ｍ）である。「Ｈｅｆｆ」は、第１層１０に加わる有効磁界（Ａ／ｍ）である。
　第１パルス幅Ｔ１及び第１パルス高さＨ１を有する第１パルスＰ１を用いることで、安定した磁化の向きの制御（変化）が可能である。第１パルス幅Ｔ１は、パラメータ「π／（γ・μ０・Ｈｅｆｆ）」の絶対値の０．８倍以上１．２倍以下であることがさらに好ましい。第１パルス幅Ｔ１は、パラメータ「π／（γ・μ０・Ｈｅｆｆ）」の絶対値の０．９倍以上１．１倍以下であることが好ましい。このような第１パルス幅Ｔ１により、例えば、さらに安定した磁化の向きの制御（変化）が可能である。
　電圧による磁気異方性の制御では、例えば、強磁性層／誘電層／対向電極の構造を有する素子に電圧が印加される。例えば、界面への電荷蓄積による電子状態変化等の現象を通して、界面磁気異方性が変化する。例えば、強磁性層／誘電層の界面に電子が蓄積するような極性の電圧を印加することで、垂直磁気異方性が低下する。逆極性の電圧を印加することで、垂直磁気異方性が上昇する。垂直磁化膜においては、例えば、膜面に対して磁化が、「上向き」または「下向き」が安定である。このような垂直磁化膜に電圧を印加することで、磁化容易軸を面内方向に沿わせることができる。
　印加した電圧を除去すると、磁化容易軸は元の面直方向において安定となる。「上向き」と「下向き」とは、エネルギー的に等価である。このため、所望の向きに、磁化方向を制御することは困難である。このため、静電圧の印加では、磁化反転の制御は困難である。
　例えば、面内バイアス磁界を印加した状態で、所定のパルス電圧を素子に加えることで、電圧による磁気異方性の制御により、強磁性層の実効的な垂直磁気異方性を低減できる。例えば、磁化は、面内バイアス磁界の周りを歳差運動する。例えば、パルス電圧のパルス幅を、磁化が約１８０度反転したタイミングの長さに設定することで、磁化反転が制御できる。
　この方法は、例えば、電圧誘起ダイナミック磁化反転法に対応する。パルス電圧の立ち上がり時間、及び、パルス電圧の立ち上がり時間のそれぞれは、例えば、約５００ｐｓ（ピコ秒）以下である。パルス電圧のパルス幅は、上記のパラメータ「π／（γ・μ０・Ｈｅｆｆ）」に基づく時間である。このパラメータは、例えば、第１層１０及び第２層２０を含む積層体における、第１層１０の磁化の反転時間に対応する。
　パラメータ「π／（γ・μ０・Ｈｅｆｆ）」において、「Ｈｅｆｆ」は、例えば、外部から印加される面内バイアス磁界である。例えば、磁気素子１１０に反強磁性層（第４層）がさらに設けられ、第４層と第２層２０との間に第１層１０が位置しても良い。例えば、第４層は、第１層１０と接する。第４層から第１層１０に磁界が加えられ、第１層１０に、面内に沿う一方向異方性が与えられる。「Ｈｅｆｆ」は、第４層から第１層１０に加えられる磁界に対応する。この他、磁気素子に、面内磁化膜をさらに設けても良い。
　例えば、上記の第１パルスＰ１を用いて、例えば、電圧制御型のＭＲＡＭの書き込み動作が行われる。
　例えば、実施形態においては、大きな電圧磁気異方性変化により、例えば、実効的な垂直磁気異方性を低減させる。大容量化のために素子が微細化されると、高い垂直磁気異方性の構成が適用される。実施形態においては、例えば、高い界面磁気異方性と、大きい電圧効果と、が得られる。これにより、大容量化のために素子が微細化された場合においても、安定した動作が得られる。
　実施形態に係る磁気素子は、様々な電圧制御型の磁性デバイスに適用できる。例えば、実施形態は、スピン波または純スピン流を情報伝送に用いるデバイスに適用できる。実施形態によれば、例えば、電圧により、高効率なスピン波、または、高効率な純スピン流を生成することができる。実施形態は、これらのデバイスの低消費電力化に有効である。実施形態は、例えば、空間磁気光学変調器等の磁気光学素子の電圧制御にも適用できる。
　例えば、強磁性層（記憶層）／誘電体層／強磁性層（参照層）を含む磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel junction)素子を用いた記憶装置がある。例えば、ＭＴＪ素子に電流を流し、スピントランスファートルク効果を用いて記憶層の磁化を反転する方法がある。この例においては、電流を用いるため、駆動電力の低減に限界があると考えられる。
　一方、電圧制御による磁化反転が提案されている。例えば、約１原子層の厚さのＦｅなどの強磁性膜と、ＭｇＯ膜と、を含む積層膜に電圧を印加すると、強磁性膜において、磁化の向きやすい方向(磁気異方性)が変化する。例えば、強磁性膜とＭｇＯ膜との間の界面における界面電荷蓄積の影響等により、強磁性膜の電子状態が界面で変調されることにより、スピン－軌道相互作用を通して、磁気異方性が変化すると考えられる。
　電圧による磁気異方性の制御を利用して、磁化反転を制御することができる。この場合の駆動電力は、電流制御の場合の駆動電力の１／１０～１／１００と考えられる。
　例えば、磁気素子において、高い垂直磁気異方性が望まれる。磁気素子において、電圧磁気異方性の変化効率が高いことが望まれる。高い垂直磁気異方性により、例えば、熱揺らぎに対して、磁化の向きが安定になる。磁化の向きの安定性に関して、例えば、「（記録層の体積×記憶層の磁気異方性）／熱エネルギー」のパラメータが用いられる。高い磁気異方性を得ることで、記憶部（メモリセル）を微細化しても、良好な熱安定性が得られる。これにより、記憶装置の記憶密度を向上できる。
　電圧による磁気異方性の制御は、例えば、界面効果であると考えられる。例えば、強磁性層／誘電層の界面に特殊な構造を採用することで、高い界面磁気異方性が得られると考えられる。これは、例えば、特殊な構造において、特殊な非対称性等が生じ、この非対称性等が電圧磁気異方性制御に影響を与えると考えられる。
　例えば、電圧による磁気異方性の変化を利用した磁化反転においては、電圧により垂直磁気異方性が低下する。例えば、素子の微小化が進んで記憶層の垂直磁気異方性を高くしたときにも、大きな電圧効果により、磁気異方性を電圧によって良好に制御できる。
　例えば、界面磁気異方性により高い垂直磁気異方性が得られると、電圧制御型のＭＲＡＭにおけるスケーラビリティが維持できる。電圧効果の効率が高くなると、電圧制御型のＭＲＡＭにおけるスケーラビリティが維持できる。
　実施形態においては、上記の第１層１０と、第２層２０と、を含む積層構造により、高い垂直磁気異方性が得られる。実施形態においては、電圧効果において、高い効率が得られる。
　（第３実施形態）
　本実施形態は、磁気センサに係る。
　図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第３実施形態に係る磁気センサを例示する模式図である。
　図１６（ａ）は、磁気センサ１２０を例示する模式的断面図である。図１６（ｂ）は、磁気センサ１２０の特性を例示するグラフ図である。
　図１６（ａ）に示すように、実施形態に係る磁気センサ１２０は、第１層１０、第２層２０及び第３層３０を含む。この例では、第１導電層４１及び第２導電層４２がさらに設けられている。第１層１０、第２層２０、第３層３０、第１導電層４１及び第２導電層４２については、第１実施形態において説明した構成が適用できる。
　磁気センサ１２０においては、磁気センサ１２０が受ける磁界を検出できる。例えば、磁気センサ１２０の電気抵抗は、磁気センサ１２０が受ける磁界に応じて変化する。この例では、検出部７５が設けられる。検出部７５は、第１導電層４１及び第２導電層４２と電気的に接続される。検出部７５は、磁気センサ１２０の電気抵抗に対応する値（電圧、電流及び抵抗の少なくともいずれか）を出力可能である。
　図１６（ｂ）は、磁気センサ１２０の特性を例示している。図１６（ｂ）の横軸は、外部磁界Ｈｅｘの強度Ｈｅｘ１（エルステッド：Ｏｅ）である。縦軸は、磁気センサ１２０の電気抵抗Ｒ１（任意単位）である。磁気センサ１２０の電気抵抗は、第１導電層４１と第２導電層４２との間の電気抵抗に実質的に対応する。磁気センサ１２０の電気抵抗は、第１層１０と第３層３０との間の電気抵抗に実質的に対応する。この例では、外部磁界Ｈｅｘは、第１層１０と第２層２０との積層方向に対して垂直である。
　この例では、第１導電層４１は、Ｃｒ膜（厚さは３０ｎｍ）である。第１層１０は、ＦｅとＩｒを含む。第１層１０は、図２（ａ）及び図２（ｂ）関して説明した方法により形成される。０．８４ｎｍの厚さのＦｅ膜１０ｐの上に、０．０５ｎｍの厚さのＩｒ膜１０ｑが形成される。この後、第２層２０、第３層３０及び第２導電層４２を形成し、３５０℃で２０分の熱処理が行われる。これにより得られるＦｅＩｒ膜が第１層１０となる。第２層２０は、ＭｇＯ膜（厚さは２．３ｎｍ）である。第３層３０は、Ｆｅ膜（厚さは１０ｎｍ）である。第２導電層４２は、Ｔａ膜（厚さが５ｎｍ）及びＲｕ膜（厚さが７ｎｍ）を含む積層膜である。Ｒｕ膜とＭｇＯ膜との間にＴａ膜が位置する。
　図１６（ｂ）に示すように、外部磁界Ｈｅｘの強度Ｈｅｘ１が０のときは、電気抵抗Ｒ１が高い。この状態は、第３層３０の磁化が積層方向と交差し、第１層１０の磁化が積層方向に対して垂直な状態に対応する。外部磁界Ｈｅｘの強度Ｈｅｘ１の絶対値が大きいときは、電気抵抗Ｒ１が低い。この状態は、第１層１０の磁化が、外部磁界Ｈｅｘに沿っている状態に対応する。外部磁界Ｈｅｘに対して、電気抵抗Ｒ１は、実質的に線形に変化する。実施形態に係る磁気素子は、磁気センサとして応用できる。動作安定性の高い磁気センサが提供できる。
　実施形態に係る磁気素子及び磁気記憶装置によれば、例えば、スピントロニクスデバイスにおける磁性層／中間層（ＭｇＯ層）の界面における垂直磁気異方性が増大できる。実施形態によれば、高い熱安定性が得られる。例えば、スケーラビリティが維持できる。実施形態によれば、例えば、大きい電圧効果が得られる。実施形態によれば、例えば、高性能な電圧制御型のＭＲＡＭが提供できる。実施形態によれば、例えば、低消費電力の記憶装置が提供できる。
　実施形態に係る磁気素子は、電圧制御型のＭＲＡＭとは別の磁気記憶装置に適用されても良い。例えば、実施形態に係る磁気素子は、スピントルクＭＲＡＭに適用可能である。
　実施形態によれば、動作安定性を向上できる磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサを提供することができる。
　本願明細書において、電気的に接続される状態は、２つの導体が直接接する状態を含む。電気的に接続される状態は、２つの導体が、別の導体（例えば配線など）により接続される状態を含む。電気的に接続される状態は、２つの導体の間の経路の間にスイッチング素子（トランジスタなど）が設けられ、２つの導体の間の経路に電流が流れる状態が形成可能な状態を含む。
　実施形態は、以下の構成を含んでも良い。
（構成１）
　Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む第１元素と、Ｉｒ及びＯｓからなる群から選択された少なくとも１つを含む第２元素と、を含む第１層と、
　非磁性の第２層と、
　を備えた、磁気素子。
（構成２）
　前記第１層における前記第２元素の濃度は、３原子パーセント以上２５原子パーセント以下である、構成１記載の磁気素子。
（構成３）
　前記第１層の厚さは、０．２６ナノメートル以上５ナノメートル以下である、構成１または２に記載の磁気素子。
（構成４）
　前記第１層は、
　　第１領域と、
　　前記第１領域と前記第２層との間に位置する第２領域と、
　を含み、
　前記第２領域における前記第２元素の濃度は、前記第１領域における前記第２元素の濃度よりも低い、または、前記第２領域は前記第２元素を含まない、構成１～３のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成５）
　前記第１層は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有する、構成１～４のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成６）
　前記第１層は、（００１）面に配向した単結晶、または、（００１）面に優先配向した多結晶を含む、構成１～５のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成７）
　前記第２層は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む第３元素の酸化物、前記第３元素の窒化物、及び、前記第３元素のフッ化物の少なくともいずれか含む、構成１～６のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成８）
　前記第２層は、ＭｇＯを含む、構成１～７のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成９）
　前記第２層は、ＭｇＯを含み、
　前記ＭｇＯは、（００１）面に優先配向した、単結晶または多結晶を含む、構成１～８のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成１０）
　前記第２層の面積抵抗は、１０Ωμｍ２以上である、構成１～９のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成１１）
　前記磁気素子は、強磁性の第３層をさらに含み、
　前記第１層と前記第３層との間に前記第２層が位置した、構成１～１０のいずれか１つに記載の磁気素子。
（構成１２）
　前記第３層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎからなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１１記載の磁気素子。
（構成１３）
　構成１～１２のいずれか１つに記載の磁気素子と、
　制御部と、
　を備えた、磁気記憶装置。
（構成１４）
　構成１１または１２に記載の磁気素子を備えた、磁気センサ。
　本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
　以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサに含まれる第１～第３層、導電層、制御部、配線及びスイッチなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
　また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
　その他、本発明の実施の形態として上述した磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
　その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
　１０…第１層、　１０ａ…第１領域、　１０ｂ…第２領域、　１０ｐ…Ｆｅ膜、　１０ｑ…Ｉｒ膜、　１１…Ｆｅ層、　１２…ＦｅＩｒ層、　１３…ＦｅＯｓ層、　２０…第２層、　２０Ｒ…中間領域、　２０ａ、２０ｂ…Ｍｇ層、　２１、２２…第１、第２部分領域、　２５…非磁性層、　３０…第３層、　４１…第１導電層、　４２…第２導電層、　５１…基板、　７０…制御部、　７０ａ…第１配線、　７０ｂ…第２配線、　７０ｓ…スイッチ、　７５…検出部、　１１０、１１１、１１２ａ、１１２ｂ、１１３ａ～１１３ｆ…磁気素子、　１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１９…試料、　１２０…磁気センサ、　２１０…磁気記憶装置、　Ｅ１…第１元素、　Ｅ２…第２元素、　ＥＦ…電界強度、　Ｈ１、Ｈ２…第１、第２パルス高さ、　Ｈｅｘ…外部磁界、　Ｈｅｘ１…強度、　ＫＲＡ…Ｋｅｒｒ回転角、　Ｋｅｆｆ・ｔ…パラメータ、　Ｋｉ，０…界面磁気異方性、　ＭＦ…強度、　ＯＰ１～ＯＰ３…第１～第３動作、　Ｐ１、Ｐ２…第１、第２パルス、　Ｐ１ｘ…別のパルス、　Ｒ１…電気抵抗、　Ｓ１…信号、　ＳＴ０１～ＳＴ０５、ＳＴ１４、ＳＴ１５…構造、　Ｔ１…第１パルス幅、　ｔｉ…時間、　ｔｍ、ｔｐ、ｔｑ…厚さ

Claims (14)

  1. 　Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む第１元素と、Ｉｒ及びＯｓからなる群から選択された少なくとも１つを含む第２元素と、を含む第１層と、
    　非磁性の第２層と、
    　を備えた、磁気素子。
  2. 　前記第１層における前記第２元素の濃度は、３原子パーセント以上２５原子パーセント以下である、請求項１記載の磁気素子。
  3. 　前記第１層の厚さは、０．２６ナノメートル以上５ナノメートル以下である、請求項１記載の磁気素子。
  4. 　前記第１層は、
    　　第１領域と、
    　　前記第１領域と前記第２層との間に位置する第２領域と、
    　を含み、
    　前記第２領域における前記第２元素の濃度は、前記第１領域における前記第２元素の濃度よりも低い、または、前記第２領域は前記第２元素を含まない、請求項１記載の磁気素子。
  5. 　前記第１層は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有する、請求項１記載の磁気素子。
  6. 　前記第１層は、（００１）面に配向した単結晶、または、（００１）面に優先配向した多結晶を含む、請求項１記載の磁気素子。
  7. 　前記第２層は、Ｍｇ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｒ及びＢａからなる群から選択された少なくとも１つを含む第３元素の酸化物、前記第３元素の窒化物、及び、前記第３元素のフッ化物の少なくともいずれか含む、請求項１記載の磁気素子。
  8. 　前記第２層は、ＭｇＯを含む、請求項１記載の磁気素子。
  9. 　前記第２層は、ＭｇＯを含み、
    　前記ＭｇＯは、（００１）面に優先配向した、単結晶または多結晶を含む、請求項１記載の磁気素子。
  10. 　前記第２層の面積抵抗は、１０Ωμｍ２以上である、請求項１記載の磁気素子。
  11. 　前記磁気素子は、強磁性の第３層をさらに含み、
    　前記第１層と前記第３層との間に前記第２層が位置した、請求項１記載の磁気素子。
  12. 　前記第３層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎからなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１１記載の磁気素子。
  13. 　請求項１記載の磁気素子と、
    　制御部と、
    　を備えた、磁気記憶装置。
  14. 　請求項１１記載の磁気素子を備えた、磁気センサ。
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