JP2008171882A - 記憶素子及びメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】低電流で動作を高速化することを可能にする記憶素子を提供する。
【解決手段】情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層１７を有し、この記憶層１７に対して絶縁体から成る中間層を介して磁化固定層３１が設けられ、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きが変化して、記憶層１７に対して情報の記録が行われ、記憶層１７の外周部の周囲に、積層方向の磁化成分Ｍ２２を有する磁性層２２が配置されている、記憶素子１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピン偏極した電子を注入することにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子及びこの記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。

コンピュータ等の情報機器では、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭが広く使われている。
しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。

そして、不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が注目され、開発が進められている。

ＭＲＡＭは、ほぼ直交する２種類のアドレス配線（ワード線、ビット線）にそれぞれ電流を流して、各アドレス配線から発生する電流磁場によって、アドレス配線の交点にある磁気記憶素子の磁性層の磁化を反転して情報の記録を行うものである。

一般的なＭＲＡＭの模式図（斜視図）を、図７に示す。
シリコン基板等の半導体基体１１０の素子分離層１０２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域１０８、ソース領域１０７、並びにゲート電極１０１が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極１０１の上方には、図中前後方向に延びるワード線１０５が設けられている。
ドレイン領域１０８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域１０８には、配線１０９が接続されている。
そして、ワード線１０５と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線１０６との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子１０３が配置されている。この磁気記憶素子１０３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
さらに、磁気記憶素子１０３は、水平方向のバイパス線１１１及び上下方向のコンタクト層１０４を介して、ソース領域１０７に電気的に接続されている。
ワード線１０５及びビット線１０６にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子１０３に印加して、これにより磁気記憶素子１０３の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。

そして、ＭＲＡＭ等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層（記憶層）が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、ＭＲＡＭを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。

そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリが注目されている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２参照）。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。

例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）や磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。

そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、電流を増やさずに磁化反転を実現することができる利点を有している。

上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの模式図を図５及び図６に示す。図５は斜視図、図６は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体６０の素子分離層５２により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域５８、ソース領域５７、並びにゲート電極５１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極５１は、図５中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域５８は、図５中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域５８には、配線５９が接続されている。
そして、ソース領域５７と、上方に配置された、図５中左右方向に延びるビット線５６との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子５３が配置されている。
この記憶素子５３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。図中６１及び６２は磁性層を示しており、２層の磁性層６１，６２のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子５３は、ビット線５６と、ソース領域５７とに、それぞれ上下のコンタクト層５４を介して接続されている。これにより、記憶素子５３に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。

このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図７に示した一般的なＭＲＡＭと比較して、デバイス構造を単純化することができる、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。

Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ５４．９３５３（１９９６） Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔ． １５９．Ｌ１（１９９６） 特開２００３−１７７８２号公報 米国特許第６２５６２２３号明細書

ところで、ＭＲＡＭの場合は、記憶素子とは別に書き込み配線（ワード線やビット線）を設けて、書き込み配線に電流を流して発生する電流磁界により、情報の書き込み（記録）を行っている。そのため、書き込み配線に、書き込みに必要となる電流量を充分に流すことができる。

一方、スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいては、記憶素子に流す電流によりスピン注入を行って、記憶層の磁化の向きを反転させる必要がある。
そして、このように記憶素子に直接電流を流して情報の書き込み（記録）を行うことから、書き込みを行うメモリセルを選択するために、記憶素子を選択トランジスタと接続してメモリセルを構成する。この場合、記憶素子に流れる電流は、選択トランジスタに流すことが可能な電流（選択トランジスタの飽和電流）の大きさに制限される。
このため、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、スピン注入の効率を改善して、記憶素子に流す電流を低減する必要がある。

また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには記憶層の両側に接している中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子の構成にすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子に流す電流量に制限が生じる。この観点からも、スピン注入時の電流を抑制する必要がある。

スピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリにおいては、通常、記憶素子にパルス電流を流してスピン注入を行う。
ところが、パルス電流のパルス幅が５０ｎｓ（ナノ秒）以下になると、パルス幅が短くなるに従い記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流量（磁化反転電流）が、急激に増大する傾向が認められる（例えば、ＩＥＤＭ ２００５ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ（２００５）を参照）。

このため、パルス幅を短くして動作の高速化を図ろうとすると、磁化反転電流が増大してしまう。
磁化反転電流が増大すると、情報の記録の際に消費する電力が大きくなる。
また、磁化反転電流が選択トランジスタの飽和電流よりも大きい構成とすると、情報の書き込み動作を行うことができなくなる。
従って、動作の高速化が難しかった。

上述した問題の解決のために、本発明においては、低電流で動作を高速化することを可能にする記憶素子、並びにこの記憶素子を有するメモリを提供するものである。

本発明の記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われ、記憶層の外周部の周囲に、もしくは記憶層の外周部の近傍に、積層方向の磁化成分を有する磁性層が配置されているものである。
また、本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものである。

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン偏極した電子を注入することによって情報の記録を行うことができる。
また、記憶層の外周部の周囲に、もしくは記憶層の外周部の近傍に、積層方向の磁化成分を有する磁性層が配置されていることにより、この積層方向の磁化成分を有する磁性層から、積層方向の磁界を付与して、記憶層の外周部の磁化を積層方向に傾けることができるため、記憶層の磁化の向きを容易に反転させることができる。
これにより、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を増大させることなく、書き込み電流のパルス幅を短くすることが可能になる。

上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する２種類の配線とを備え、記憶素子は上記本発明の記憶素子の構成であり、２種類の配線の交点付近かつ２種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら２種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるものであることにより、２種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流して情報の記録を行うことができる。
また、記憶層の磁化の向きを容易に反転させることができるため、書き込み電流量を増大させることなく、書き込み電流のパルス幅を短くすることが可能になる。

上述の本発明によれば、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる電流量（磁化反転電流）を増大させることなく、情報を記録する際に記憶素子に流す電流のパルス幅を短くすることが可能になるため、パルス幅を短くして、より高速な書き込み動作を行うことが可能になる。
従って、低電流で高速に動作するメモリを実現することができる。
また、低電流として、メモリの消費電力を低減することも可能になる。

なお、本発明の記憶素子は、積層方向の磁化成分を有する磁性層以外の各層には、従来と同様の構成（材料や膜厚、磁化の大きさ等）を採用することができるため、製造条件等を大幅に変更する必要がなく、容易に製造することが可能である。

まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明は、前述したスピン注入により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。記憶層は、強磁性層等の磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態（磁化の向き）により保持するものである。

スピン注入により磁性層の磁化の向きを反転させる基本的な動作は、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）もしくは磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）から成る記憶素子に対して、その膜面に垂直な方向に、ある閾値（Ｉｃ）以上の電流を流すものである。このとき、電流の極性（向き）は、反転させる磁化の向きに依存する。
この閾値よりも絶対値が小さい電流を流した場合には、磁化反転を生じない。

上述の電流の閾値（Ｉｃ）は、例えば、磁化反転電流等と呼ぶことができる。

ここで、スピン注入により情報を記録する際に、記憶素子に流すパルス電流のパルス幅と、磁化反転電流、即ち記憶層の磁化の向きを反転するために必要となる電流量（上述した電流の閾値）との関係を、図８に示す。
図８から、前述したように、パルス幅を５０ｎｓ（ナノ秒）以下とすると、磁化反転電流が急激に増大することがわかる。

これに対して、例えば、記憶層自体が積層方向（膜面に垂直な方向）の磁化を有する構成とすると、高速で記憶層の磁化の向きを反転できるようになるため、短パルス領域での磁化反転電流の急激な増大を抑制することができると考えられる。
しかしながら、このような構成とすると、記憶層の磁化が大きくなるので、パルス幅に関わらず、即ちパルス幅を長くしても、磁化反転電流自体が大きくなってしまう。

そこで、本願の発明者等が種々の検討を行った結果、記憶層の持つ磁化は従来と同じく膜面方向のままで、その外周部にだけ積層方向の磁化成分を付与することにより、磁化反転電流を増大させないで、パルス幅を短くすることが可能になることを、見出した。

そのためには、記憶層の外周部の周囲もしくは近傍に、直接或いは絶縁層等を介して、積層方向の磁化成分を有する磁性層、より好ましくは、硬磁性層（ハードバイアス層）を、配置する。
これにより、記憶層の外周部のみに積層方向の磁界を付与して、記憶層の磁化を積層方向に傾けて、反転しやすくすることができる。

さらに、本発明では、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層と磁化固定層との間の非磁性の中間層として、絶縁体から成るトンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成する。
トンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成することにより、非磁性導電層を用いて巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子を構成した場合と比較して、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、読み出し信号強度を大きくすることができるためである。

また、トンネル絶縁層の材料として、特に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることにより、これまで一般的に用いられてきた酸化アルミニウムを用いた場合よりも、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができる。
一般に、スピン注入効率はＭＲ比に依存し、ＭＲ比が大きいほど、スピン注入効率が向上し、磁化反転電流密度を低減することができる。
従って、中間層であるトンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用いることにより、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記録）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
これにより、ＭＲ比（ＴＭＲ比）を確保して、スピン注入による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み（記録）を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。

トンネル絶縁層を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜により形成する場合には、ＭｇＯ膜が結晶化していて、００１方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。

なお、本発明において、記憶層と磁化固定層との間の中間層（トンネル絶縁層）は、酸化マグネシウムから成る構成とする他にも、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ＳｉＯ_２、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ_２、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ等の各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いて構成することもできる。

磁化固定層は、一方向の異方性を有していることが望ましく、記憶層は一軸異方性を有していることが望ましい。
また、磁化固定層及び記憶層のそれぞれの膜厚は、１ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましい。

記憶素子のその他の構成は、スピン注入により情報を記録する記憶素子の従来公知の構成と同様とすることができる。

磁化固定層は、強磁性層のみにより、或いは反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とする。
また、磁化固定層は、単層の強磁性層から成る構成、或いは複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層した積層フェリ構造とする。
磁化固定層を積層フェリ構造としたときには、磁化固定層の外部磁界に対する感度を低下させることができるため、外部磁界による磁化固定層の不要な磁化変動を抑制して、記憶素子を安定して動作させることができる。さらに、各強磁性層の膜厚を調整することができ、磁化固定層からの漏洩磁界を抑えることができる。
積層フェリ構造の磁化固定層を構成する強磁性層の材料としては、Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ等を用いることができる。また、非磁性層の材料としては、Ｒｕ，Ｒｅ，Ｉｒ，Ｏｓ等を用いることができる。

反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３等の磁性体を挙げることができる。
また、これらの磁性体に、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｂｉ，Ｔａ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｎ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ等の非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、その他の結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整したりすることができる。

また、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。

なお、記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出す方法としては、記憶素子の記憶層に薄い絶縁膜を介して、情報の基準となる磁性層を設けて、絶縁層を介して流れる強磁性トンネル電流によって読み出してもよいし、磁気抵抗効果により読み出してもよい。

続いて、本発明の具体的な実施の形態について説明する。
本発明の一実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を、図１に示す。
この記憶素子１は、スピン注入により磁化Ｍ１の向きが反転する記憶層１７に対して、下層に磁化固定層３１を設けている。磁化固定層３１の下に反強磁性層１２が設けられ、この反強磁性層１２により、磁化固定層３１の磁化の向きが固定される。
記憶層１７と磁化固定層３１との間には、トンネルバリア層となるトンネル絶縁層１６が設けられ、記憶層１７と磁化固定層３１とにより、ＭＴＪ素子が構成されている。
また、反強磁性層１２の下には下地層１１が形成され、記憶層１７の上にはキャップ層１８が形成されている。

磁化固定層３１は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層３１は、２層の強磁性層１３，１５が、非磁性層１４を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５が積層フェリ構造となっているため、強磁性層１３の磁化Ｍ１３が右向き、強磁性層１５の磁化Ｍ１５が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。これにより、磁化固定層３１の各強磁性層１３，１５から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。

本実施の形態では、特に、記憶層１７の周囲に、記憶層１７の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）の磁化Ｍ２２を有する磁性層である、垂直磁化層２２を設けている。
垂直磁化層２２の磁化Ｍ２２の向きは、図１に示すように上向きとなっている。
この垂直磁化層２２は、図２に記憶素子１の平面図を示すように、楕円形状の記憶層１７の外側に、薄い絶縁層２１を挟んでドーナツ状に、記憶層１７の外周部全体を覆って形成されている。
垂直磁化層２２の外側は、絶縁層２３が覆っている。
そして、下地層１１が記憶素子１の積層膜の他の各層１２〜１８とは異なり、広い平面パターンに形成されており、他の各層１２〜１８から左右に延びた部分の下地層１１の上に、絶縁層２１と垂直磁化層２２と絶縁層２３とが配置されている。

垂直磁化層２２の材料としては、従来から硬磁性層に使用されている、一般的な硬磁性材料を使用することができる。
例えば、ＣｏＣｒＰｔ等が該当する。
また、薄い絶縁層２１を挟まずに、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３のような酸化物等の絶縁性の硬磁性材料を用いて、直接記憶素子の周囲を覆って形成してもよい。

本実施の形態の記憶素子１は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、下地層１１からキャップ層１８までの各層を、順次積層形成する。
次に、反強磁性層１２からキャップ層１８までの各層を所定のパターンにパターニングする。
次に、パターニングした積層膜の上面及び周囲を覆って、絶縁層２１を形成する。

次に、硬磁性材料を用いて、垂直磁化層２２となる硬磁性層を形成する。間に挟む絶縁層２１は膜厚５ｎｍ〜５０ｎｍとし、硬磁性層は膜厚３ｎｍ〜３０ｎｍとすることが望ましい。
なお、例えば、垂直磁化層２２の硬磁性材料として、ＣｏＣｒＰｔ等を用いる場合には、そのｃ軸が記憶素子の積層膜の膜面に垂直な方向（積層方向）に向くように、硬磁性層を形成する。ＣｏＣｒＰｔのｃ軸方向を一方向に制御するためには、Ｃｒ等の下地層を形成することが効果的である。
その後、硬磁性層をウェハ面に垂直な方向に着磁させて、垂直磁化層２２を形成する。
次に、表面を削って、キャップ層１８を露出させる。
このようにして、図１に示した記憶素子１を製造することができる。

上述の本実施の形態の記憶素子１の構成によれば、記憶層１７の周囲に積層方向の磁化Ｍ２２を有する垂直磁化層２２を設けたことにより、この垂直磁化層２２から記憶層１７の外周部に積層方向の磁界が付与されるため、記憶層１７の外周部の磁化を積層方向に傾けて、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。
これにより、パルス幅を短くした場合の、磁化反転電流の増大を抑制することができるため、書き込み電流量を増大させることなく、書き込み電流のパルス幅を短くすることが可能になる。
このように書き込み電流のパルス幅を短くすることにより、より高速な書き込み動作を行うことが可能になる。
従って、低電流で高速に動作するメモリを実現することができる。
また、低電流で情報の記録を行うことが可能になるため、メモリの消費電力を低減することも可能になる。

なお、本実施の形態の記憶素子１は、垂直磁化層２２以外の各層１１〜１８には、従来と同様の構成（材料や膜厚、磁化の大きさ等）を採用することができるため、製造条件等を大幅に変更する必要がなく、容易に製造することが可能である。

図１の記憶素子１では、反強磁性層１２や磁化固定層３１の周囲にも垂直磁化層２２が設けられているが、本発明では、少なくとも記憶層の周囲に垂直磁化層が設けられていれば、他の層の周囲にはあってもなくても構わない。

また、本発明では、記憶層の外周部の近傍にあって、垂直磁化層からの磁界が記憶層の外周部に及ぶ構成であれば、必ずしも記憶層の外周部の周り（真横）に垂直磁化層が配置されていなくても構わない。この場合を次に示す。

本発明の他の実施の形態として、記憶素子の概略構成図（断面図）を、図３に示す。
本実施の形態の記憶素子１０では、特に、垂直磁化層２２及び絶縁層２１が、積層膜（１２〜１８）のうち反強磁性層１２と磁化固定層３１の周囲に設けられている。
一方、記憶層１７の周囲（真横）には、垂直磁化層２２がなく、記憶素子１０全体を囲む絶縁層２３が直接接している。

その他の構成は、図１〜図２に示した先の実施の形態の記憶素子１と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。

本実施の形態では、記憶層１７の外周部の周り（真横）に垂直磁化層が配置されていないが、垂直磁化層２２が磁化固定層３１の周囲に配置され、記憶層１７の外周部の近傍にある。
このような構成としても、垂直磁化層２２からの磁界が記憶層１７の外周部に付与されるため、記憶層１７の外周部の磁化を積層方向に傾けて、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。

上述の本実施の形態の記憶素子１０によれば、先の実施の形態の記憶素子１と同様に、記憶層１７の外周部の磁化を積層方向に傾けて、記憶層１７の磁化Ｍ１の向きを容易に反転させることができる。
これにより、パルス幅を短くした場合の、磁化反転電流の増大を抑制することができるため、書き込み電流量を増大させることなく、書き込み電流のパルス幅を短くすることが可能になる。
このように書き込み電流のパルス幅を短くすることにより、より高速な書き込み動作を行うことが可能になる。
従って、低電流で高速に動作するメモリを実現することができる。
また、低電流で情報の記録を行うことが可能になるため、メモリの消費電力を低減することも可能になる。

上述の各実施の形態の記憶素子１，１０では、垂直磁化層２２の磁化Ｍ２２の向きが上向き（磁化固定層３１から記憶層１７に向かう向き）であったが、垂直磁化層の磁化の向きを下向き（記憶層から磁化固定層に向かう向き）としてもよい。
さらに、本発明において、記憶層の外周部に磁界を付与する磁性層は、積層方向の磁化成分を有していればよく、この磁性層の磁化の向きは上向き及び下向きに限らず、積層方向に対して斜めの向きとしても良い。

また、記憶層と磁化固定層との上下関係を、上述の各実施の形態の記憶素子１，１０とは反対にして、記憶層の上層に磁化固定層を設けても構わない。

また、上述の各実施の形態の記憶素子１，１０では、絶縁層２１を挟み、記憶層１７や磁化固定層３１等から少し離れて垂直磁化層２２が配置されているが、本発明では、記憶層等に接するように垂直磁化層を配置してもよい。
ただし、この構成とした場合には、垂直磁化層に導体を用いると、スピン注入電流が垂直磁化層にも流れて短絡してしまって磁気抵抗変化が生じないため、硬磁性体材料のうち絶縁性のもの、例えば、γ−Ｆｅ_２Ｏ_３等を用いる。

ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に垂直磁化層の硬磁性材料を選定して、特性を調べた。
実際のメモリには、図５に示したように、記憶素子以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、ここでは、記憶層の磁気抵抗特性を調べる目的で、記憶素子のみを形成したウェハにより検討を行った。

厚さ０．５７５ｍｍのシリコン基板上に、厚さ２μｍの熱酸化膜を形成し、その上に図１〜図２に示した構成の記憶素子１を形成した。
具体的には、図１に示した構成の記憶素子１において、各層の材料及び膜厚を、下地層１１を膜厚３ｎｍのＴａ膜、反強磁性層１２を膜厚２０ｎｍのＰｔＭｎ膜、磁化固定層３１を構成する強磁性層１３を膜厚２ｎｍのＣｏＦｅ膜、強磁性層１５を膜厚２．５ｎｍのＣｏＦｅ膜、積層フェリ構造の磁化固定層３１を構成する非磁性層１４を膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜、トンネル絶縁層１６を膜厚０．８ｎｍの酸化マグネシウム膜、記憶層１７を膜厚３ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、キャップ層１８を膜厚５ｎｍのＴａ膜と選定し、また下地層１１と反強磁性層１２との間に図示しない膜厚１００ｎｍのＣｕ膜（後述するワード線となるもの）を設けて、各層を形成した。
上記膜構成で、ＰｔＭｎ膜の組成はＰｔ５０Ｍｎ５０（原子％）とし、ＣｏＦｅ膜の組成はＣｏ９０Ｆｅ１０(原子％)とし、ＣｏＦｅＢ膜の組成はＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０(原子％)とした。

酸化マグネシウム膜から成るトンネル絶縁層１６以外の各層は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化マグネシウム膜（ＭｇＯ）から成るトンネル絶縁層１６は、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
さらに、記憶素子１の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、１０ｋＯｅ・３５０℃・４時間の熱処理を行い、ＭｇＯ／強磁性層の結晶構造・界面制御と反強磁性層１２のＰｔＭｎ膜の規則化熱処理を行った。

次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してＡｒプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線（下部電極）を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ５ｎｍまでエッチングされた。

その後、電子ビーム描画装置により記憶素子１のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子１を形成した。記憶素子１部分以外は、ワード線のＣｕ層直上の下地層１１の上まで、即ち反強磁性層１２までエッチングした。
なお、特性評価用の記憶素子には、磁化反転に必要なスピントルクを発生させるために、記憶素子に充分な電流を流す必要があるため、トンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要がある。そこで、記憶素子１のパターンを、短軸０．０９μｍ×長軸０．１８μｍの楕円形状として、記憶素子１の面積抵抗値（Ωμｍ²）が２０Ωμｍ²となるようにした。

次に、スパッタリングによって厚さ２０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３絶縁層２１を形成して、記憶素子１部分以外を、絶縁した。
その後、厚さ２０ｎｍのＣｏＣｒＰｔ膜をイオンビームスパッタによって成膜して、硬磁性層を形成した。
そして、ＭＴＪ素子を構成する積層膜（反強磁性層１２〜キャップ層１８）の上にあるＡｌ_２Ｏ_３絶縁層２１とＣｏＣｒＰｔ硬磁性層とを除去して、硬磁性層による垂直磁化層２２を形成した。
さらに、フォトリソグラフィを用いて、上部電極となるビット線及び測定用のパッドを形成した。
このようにして、実施例の試料を作製した。

また、積層膜の周囲に絶縁層２１及び垂直磁化層２２を設けず、絶縁層２３のみで積層膜の周囲を覆い、その他は実施例の試料と同様にして記憶素子を作製し、比較例の試料とした。
なお、この比較例の試料は、図８に反転電流値の測定値を示した従来の記憶素子と、記憶素子の構成の概略は同様であるが、寸法等が異なっているため、反転電流値等の特性値は同じではない。

（反転電流値の測定）
本発明による記憶素子の書き込み特性を評価する目的で、反転電流値の測定を行った。
記憶素子に、１ｎｓ（ナノ秒）から１ｍｓ（ミリ秒）のパルス幅の電流を流して、その後の記憶素子の抵抗値を測定した。記憶素子の抵抗値を測定する際には、温度を室温２５℃として、ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が１０ｍＶとなるように調節した。
さらに、記憶素子に流す電流量を変化させて、この記憶層の磁化が反転する反転電流値を求めた。
そして、記憶素子間のばらつきを考慮するために、同一構成の記憶素子を２０個程度作製して、上述の測定を行い、反転電流値の平均値をとった。

ここで、便宜上、ワード線からビット線に電流を流す場合の反転電流値をＩｃ⁺と記し、ビット線からワード線に電流を流す場合の反転電流値をＩｃ⁻と記す。ワード線からビット線に電流を流す場合には、平行状態から反平行状態に反転し、ビット線からワード線に電流を流す場合には、反平行状態から平行状態に反転する。各パルス幅におけるＩｃ値を横軸パルス幅でプロットした。

反転電流値の測定結果として、記憶素子に流す電流のパルス幅と、反転電流値との関係を、図４に示す。図４中、○印は実施例の試料の結果を示し、△印は比較例の試料の結果を示している。

図４より、比較例に対して、実施例では、特に短いパルス幅で反転電流値が小さくなっていることがわかる。
従って、上述の実施例のように、本発明の構成とすることにより、短いパルス幅における反転電流値を小さくして、短いパルス幅で電流を流しても情報の記録を行うことが可能になる。これにより、メモリの動作の高速化を図ることが可能になる。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 図１の記憶素子の平面図である。 本発明の他の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。 実施例及び比較例の記憶素子に流す電流のパルス幅と反転電流値との関係を示す図である。 スピン注入による磁化反転を利用したメモリの概略構成図（斜視図）である。 図５のメモリの断面図である。 従来のＭＲＡＭの構成を模式的に示した斜視図である。 記憶素子に流す電流のパルス幅と反転電流値との関係を示す図である。

符号の説明

１，１０ 記憶素子、１１ 下地層、１２ 反強磁性層、１３，１５ 強磁性層、１４ 非磁性層、１６ トンネル絶縁層、１７ 記憶層、１８ キャップ層、２１，２３ 絶縁層、２２ 垂直磁化層、３１ 磁化固定層

Claims (3)

1. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、
   前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、
   前記中間層が、絶縁体から成り、
   積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる記憶素子であって、
   前記記憶層の外周部の周囲に、もしくは前記記憶層の外周部の近傍に、前記積層方向の磁化成分を有する磁性層が配置されている
   ことを特徴とする記憶素子。
2. 前記積層方向の磁化成分を有する前記磁性層が、硬磁性材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の記憶素子。
3. 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、
   互いに交差する２種類の配線を備え、
   前記記憶素子は、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われ、前記記憶層の外周部の周囲に、もしくは前記記憶層の外周部の近傍に、前記積層方向の磁化成分を有する磁性層が配置されている構成であり、
   前記２種類の配線の交点付近かつ前記２種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、
   前記２種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
   ことを特徴とするメモリ。

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