特許 6799300 磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6799300

(24)【登録日】2020年11月25日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】磁気素子、磁気記憶装置及び磁気センサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/10 20060101AFI20201207BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20201207BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20201207BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20201207BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20201207BHJP

   H01F 10/14 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/10

   H01L27/105 447

   H01L43/08 P

   H01L43/08 Z

   H01L29/82 Z

   H01F10/14

【請求項の数】12

【全頁数】28

(21)【出願番号】特願2019-508737(P2019-508737)

(86)(22)【出願日】2018年2月15日

(86)【国際出願番号】JP2018005290

(87)【国際公開番号】WO2018179961

(87)【国際公開日】20181004

【審査請求日】2019年9月17日

(31)【優先権主張番号】特願2017-67235(P2017-67235)

(32)【優先日】2017年3月30日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）「無充電で長期間使用できる究極のエコＩＴ機器の実現」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(72)【発明者】

【氏名】野崎 隆行

(72)【発明者】

【氏名】湯浅 新治

(72)【発明者】

【氏名】コジオルラフバン アナ

(72)【発明者】

【氏名】辻川 雅人

(72)【発明者】

【氏名】白井 正文

(72)【発明者】

【氏名】宝野 和博

(72)【発明者】

【氏名】大久保 忠勝

(72)【発明者】

【氏名】徐 先東

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０６４７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０１６５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０４９１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１５０２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０９３１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９７３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００６８１３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０００１７１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００６３６４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０００６５２９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６７１０９８６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２４９０２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−０４５８４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１７７３２７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

Ｈ０１Ｆ １０／１４

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、
前記第２層の面積抵抗は、１００Ωμｍ^２以上であり、
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り、
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、磁気素子。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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、
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元素を含まず、
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り、
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、磁気素子。

【請求項4】

前記第１層は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気素子。

【請求項5】

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１〜４のいずれか１つに記載の磁気素子。

【請求項6】

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１〜５のいずれか１つに記載の磁気素子。

【請求項7】

前記第２層は、ＭｇＯを含む、請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気素子。

【請求項8】

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１〜７のいずれか１つに記載の磁気素子。

【請求項9】

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１〜８のいずれか１つに記載の磁気素子。

【請求項10】

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９記載の磁気素子。

【請求項11】

請求項１〜１０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。

【請求項12】

請求項９記載の磁気素子を備えた、磁気センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２００９／１３３６５０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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。

【発明の効果】

【0006】

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。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】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】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】図３（ａ）〜図３（ｃ）は、実験結果を示すグラフ図である。

【図4】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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。

【0009】

（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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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）×１０^３Ａ／ｍに対応する。縦軸は、Ｋｅｒｒ回転角ＫＲＡ（任意単位）である。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

例えば、実効的な垂直磁気異方性エネルギーＫ_ｅｆｆは、以下の式で表されると考えられる。

Ｋ_ｅｆｆ＝（Ｋ_ｖ−μ_０Ｍｓ^２／２）＋Ｋ_ｉ，０／ｔ

上記の式において、Ｋ_ｖは、体積磁気異方性エネルギーである。μ_０は、真空の透磁率である。Ｍｓは、飽和磁化である。Ｋ_ｉ，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Ｋ_ｉ，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Ｋ_ｉ，０が高いと、垂直磁気異方性を安定して得やすい。

【0027】

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「Ｋ_ｅｆｆ・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Ｋ_ｉ，０を求めることができる。

【0028】

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。

【0029】

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Ｋ_ｉ，０（ｍＪ／ｍ^２）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。

【0030】

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Ｋ_ｉ，０は、約２ｍＪ／ｍ^２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Ｋ_ｉ，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Ｋ_ｉ，０は、３．７ｍＪ／ｍ^２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Ｋ_ｉ，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Ｋ_ｉ，０は、２．８ｍＪ／ｍ^２である。

【0031】

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Ｋ_ｉ，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Ｋ_ｉ，０の特性は、臨界的である。

【0032】

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。

【0033】

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Ｋ_ｅｆｆが得られる。

【0034】

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Ｋ_ｉ，０が得られる。

【0035】

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Ｋ_ｉ，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Ｋ_ｉ，０が得られる。

【0036】

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Ｋ_ｉ，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Ｋ_ｉ，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Ｋ_ｉ，０が安定して得られる。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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Ｋ_ｉ，０が得られる。

【0044】

高い界面磁気異方性Ｋ_ｉ，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。

【0045】

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、実験結果を示すグラフ図である。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

図７（ｂ）は、パラメータ「Ｋ_ｅｆｆ・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。

【0050】

図７（ｂ）の縦軸は、パラメータ「Ｋ_ｅｆｆ・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。

【0051】

図７（ｂ）に示すように、パラメータ「Ｋ_ｅｆｆ・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「Ｋ_ｅｆｆ・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「Ｋ_ｅｆｆ・ｔ」の変化から、パラメータ「Ｋ_ｅｆｆ・ｔ」の傾きが３２０ｆＪ／Ｖｍであると見積もられる。

【0052】

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「Ｋ_ｅｆｆ・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「Ｋ_ｅｆｆ・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。

【0053】

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Ｋ_ｉ，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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

第２層２０の面積抵抗(ＲＡ：Resistance area product）は、例えば、１０Ωμｍ^２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、２０Ωμｍ^２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、１００Ωμｍ^２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２０Ωμｍ^２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１０Ωμｍ^２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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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／ｍ^２）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Ｋ_ｉ，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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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／ｍ^２）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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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／ｍ_２）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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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１０ａ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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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。

【0107】

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。

【0108】

（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。

【0109】

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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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。

【0113】

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。

【0114】

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。

【0115】

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。

【0116】

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。

【0117】

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。

【0118】

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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【0123】

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。

【0124】

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。

【0125】

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。

【0126】

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。

【0127】

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。

【0128】

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。

【0129】

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・μ_０・Ｈ_ｅｆｆ）」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。「μ_０」は、真空の透磁率（Ｈ／ｍ）である。「Ｈ_ｅｆｆ」は、第１層１０に加わる有効磁界（Ａ／ｍ）である。

【0130】

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・μ_０・Ｈ_ｅｆｆ）」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・μ_０・Ｈ_ｅｆｆ）」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。

【0131】

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。

【0132】

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。

【0133】

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。

【0134】

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・μ_０・Ｈ_ｅｆｆ）」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。

【0135】

パラメータ「π／（γ・μ_０・Ｈ_ｅｆｆ）」において、「Ｈ_ｅｆｆ」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。「Ｈ_ｅｆｆ」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。

【0136】

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。

【0137】

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。

【0138】

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。

【0139】

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。

【0140】

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。

【0141】

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。

【0142】

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。

【0143】

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。

【0144】

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。

【0145】

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。

【0146】

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。

【0147】

（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。

【0148】

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。

【0149】

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。

【0150】

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。

【0151】

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。

【0152】

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。

【0153】

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。

【0154】

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。

【0155】

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。

【0156】

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、１０Ωμｍ^２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。

【0157】

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。

【0158】

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。

【0159】

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。

【0160】

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。

【0161】

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。

【符号の説明】

【0162】

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、 Ｋ_ｅｆｆ・ｔ…パラメータ、 Ｋ_ｉ，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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】