特許 7239578 磁気記憶素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置、電子機器、及び磁気記憶素子の製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-03-06

(45)【発行日】2023-03-14

(54)【発明の名称】磁気記憶素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置、電子機器、及び磁気記憶素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20230307BHJP

   H10N 50/20 20230101ALI20230307BHJP

【ＦＩ】

H10B61/00

H10N50/20

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020525508

(86)(22)【出願日】2019-06-06

(86)【国際出願番号】 JP2019022598

(87)【国際公開番号】W WO2019244662

(87)【国際公開日】2019-12-26

【審査請求日】2022-04-20

(31)【優先権主張番号】P 2018116161

(32)【優先日】2018-06-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】316005926

【氏名又は名称】ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内田 裕行

(72)【発明者】

【氏名】細見 政功

(72)【発明者】

【氏名】別所 和宏

(72)【発明者】

【氏名】肥後 豊

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 陽

(72)【発明者】

【氏名】長谷 直基

(72)【発明者】

【氏名】大森 広之

【審査官】小山 満

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０５９８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１５４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０９６０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２０３７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８３６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００５６２８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００３５９７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００６７３６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１６９１４７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｂ ６１／００

Ｈ１０Ｎ ５０／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を備え、
前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、
前記固定層及び前記記憶層は、遷移金属元素としてＦｅ及びＣｏを含み、
前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む第１の領域を含み、
前記第１の領域は、
前記記憶層の前記非磁性層との界面近傍に、前記非磁性層と接するように位置し、
前記積層構造において、膜厚が０．２ｎｍ以上、２ｎｍ以下であり、
前記記憶層は、前記第１の領域が含む前記遷移金属元素及び前記含有元素を含む、
磁気記憶素子。

【請求項2】

前記固定層又は前記記憶層の含む、前記含有元素を除いた全元素に対して、前記遷移金属元素は８０ａｔｍ％以上含まれる、請求項１に記載の磁気記憶素子。

【請求項3】

前記第１の領域は、前記含有元素としてＢを含有する、請求項１又は２に記載の磁気記憶素子。

【請求項4】

前記記憶層の前記非磁性層に対して反対側の面に設けられたキャップ層をさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気記憶素子。

【請求項5】

前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む第２の領域をさらに含み、
前記第２の領域は、
前記記憶層の前記キャップ層との界面側に位置する、
請求項４に記載の磁気記憶素子。

【請求項6】

前記記憶層と前記キャップ層との間に設けられた酸化物層をさらに備える、請求項５に記載の磁気記憶素子。

【請求項7】

前記第２の領域は、前記酸化物層と接するように位置する、請求項６に記載の磁気記憶素子。

【請求項8】

前記固定層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む第３の領域をさらに含み、
前記第３の領域は、
前記固定層の前記非磁性層との界面側に位置する、
請求項１～４のいずれか１項に記載の磁気記憶素子。

【請求項9】

前記非磁性層は酸化マグネシウムからなる、請求項１～８のいずれか１項に記載の磁気記憶素子。

【請求項10】

磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を備え、
前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、
前記固定層及び前記記憶層は、遷移金属元素としてＦｅ及びＣｏを含み、
前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を含み、
前記領域は、
前記記憶層の前記非磁性層との界面近傍に、前記非磁性層と接するように位置し、
前記積層構造において、膜厚が０．２ｎｍ以上、２ｎｍ以下であり、
前記記憶層は、前記領域が含む前記遷移金属元素及び前記含有元素を含む、
磁気ヘッド。

【請求項11】

情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気記憶素子を備え、
前記各磁気記憶素子は、
磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を有し、
前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、
前記固定層及び前記記憶層は、遷移金属元素としてＦｅ及びＣｏを含み、
前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を含み、
前記領域は、
前記記憶層の前記非磁性層との界面近傍に、前記非磁性層と接するように位置し、
前記積層構造において、膜厚が０．２ｎｍ以上、２ｎｍ以下であり、
前記記憶層は、前記領域が含む前記遷移金属元素及び前記含有元素を含む、
磁気記憶装置。

【請求項12】

情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気記憶素子を有する磁気記憶装置を備え、
前記各磁気記憶素子は、
磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を有し、
前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、
前記固定層及び前記記憶層は、遷移金属元素としてＦｅ及びＣｏを含み、
前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を含み、
前記領域は、
前記記憶層の前記非磁性層との界面近傍に、前記非磁性層と接するように位置し、
前記積層構造において、膜厚が０．２ｎｍ以上、２ｎｍ以下であり、
前記記憶層は、前記領域が含む前記遷移金属元素及び前記含有元素を含む、
電子機器。

【請求項13】

磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を備える、磁気記憶素子の製造方法であって、
前記固定層及び前記記憶層を、前記固定層及び前記記憶層が遷移金属元素としてＦｅ及びＣｏを含むように成膜し、
前記記憶層を、
前記記憶層がＢ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を含むように、
スパッタ法によって成膜する、
ことを含み、
前記領域は、
前記記憶層の前記非磁性層との界面近傍に、前記非磁性層と接するように位置し、
前記積層構造において、膜厚が０．２ｎｍ以上、２ｎｍ以下であり、
前記記憶層は、前記領域が含む前記遷移金属元素及び前記含有元素を含む、
磁気記憶素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、磁気記憶素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置、電子機器、及び磁気記憶素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

大容量サーバからモバイル端末に至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子においても高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が追求されている。特に不揮発性半導体メモリの進歩は著しく、例えば、大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリは、ハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。一方、コードストレージ用途さらにはワーキングメモリへの適用を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を置き換えるべくＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ－Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の様々なタイプの半導体メモリの開発が進められている。なお、これらのうちの一部は既に実用化されている。

【0003】

上述したうちの１つであるＭＲＡＭは、ＭＲＡＭの有する磁気記憶素子の磁性体の磁化状態を変化させる（磁化方向を反転させる）ことにより電気抵抗が変化することを利用して、情報の記憶を行う。従って、磁化状態の変化によって決定される上記磁気記憶素子の抵抗状態、詳細には、磁気記憶素子の電気抵抗の大小を判別することにより、記憶された情報を読み出すことができる。このようなＭＲＡＭは、高速動作が可能でありつつ、ほぼ無限（１０^１５回以上）の書き換えが可能であり、さらには信頼性も高いことから、すでに産業オートメーションや航空機等の分野で使用されている。加えて、ＭＲＡＭは、その高速動作と高い信頼性とから、今後コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されている。

【0004】

しかしながら、配線から発生する電流磁界によって磁化方向を反転させるＭＲＡＭは、磁化反転の効率が低いため、低消費電力化および大容量化には課題があった。これは、ＭＲＡＭの記憶原理、すなわち、配線から発生する電流磁界により磁化方向を反転させるという方式に起因する本質的な課題である。そこで、スピントルク磁化反転を用いることで、電流磁界を用いずに磁化反転を生じさせるＳＴＴ－ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ－Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）（磁気記憶装置）が注目されている。

【0005】

ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、磁気記憶素子として、２つの磁性層と、これら磁性層に挟まれた絶縁層とを持つＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子（磁気記憶素子）を有している。なお、ＭＴＪ素子は、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子と呼ばれることもある。そして、ＳＴＴ-ＭＲＡＭにおいては、磁化方向が固定された磁性層を通過したスピン偏極電子が、磁化方向が自由な磁性層(自由磁性層)に進入する際に、進入する磁性層の磁化方向にトルクを与える。この際、所定に閾値以上の電流を流すことにより自由磁性層の磁化方向を反転させることができ、０／１の書き換えは流す電流の極性を変えることによって行うことができる。そして、磁化方法の反転のための電流が０．１μｍ程度のスケールを持つＭＴＪ素子においては、１ｍＡ以下となる。すなわち、このようなＳＴＴ－ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子の体積を小さくするほど、磁性層の磁化反転に必要な電流量を小さくすることができる。さらに、ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、記憶のための電流磁界を発生させるための配線を設けることがないことから、ＭＴＪ素子の構造を単純化することが可能である。そのため、ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、高速動作が可能で、書き換え回数がほぼ無限であり、且つ、低消費電力化および大容量化が可能な不揮発メモリとして期待されている。

【0006】

ＳＴＴ-ＭＲＡＭに用いられる強磁性体材料としては、様々な材料が検討されているが、一般的に、面内磁気異方性を有する材料よりも、垂直磁気異方性を有する材料の方がＭＴＪ素子の低電力化、大容量化に適しているとされている。この理由としては、垂直磁化異方性を持つ材料においては、スピン偏極電子がスピントルク磁化反転の際に超えるべきエネルギバリアが低いことが挙げられる。さらに理由としては、垂直磁気異方性を持つ材料の有する高い磁気異方性が、大容量化のためにＭＴＪ素子を微細化した場合、ＭＴＪ素子における記憶担体の熱安定性を保持するのに有利に働くことが挙げられる。

【0007】

このような垂直磁気異方性を持つ強磁性材料を持つＭＴＪ素子を含むＳＴＴ-ＭＲＡＭの製造を既存の半導体製造プロセスに適用させるためには、配線を形成する配線形成工程中等に印加される４００度程度の熱負荷に対し、ＭＴＪ素子に含まれる強磁性体材料の磁気特性が安定であることが求められる。なお、ＭＴＪ素子に含まれる磁性体材料に関する従来技術としては、下記特許文献１に開示された、ボロン（Ｂ）を高濃度に含む磁性体材料や、下記特許文献２に開示された希土類元素とＢとを含む磁性体材料等を挙げることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】米国特許第８，８５２，７６０号明細書

【文献】特開２０１３－６９７８８号公報

【非特許文献】

【0009】

【文献】Ｓ.Ｍａｎｇｉｎ ｅｔ ａｌ. Ｎａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ,ｖｏｌ.５ Ｍａｒｃｈ２００６,ｐ.２１０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、上記特許文献１に開示されたＢを高濃度に含む磁性体材料によりＭＴＪ素子（磁気記憶素子）の磁性層を形成しようとする場合には、当該磁性層の成膜速度（スパッタリングレート）が著しく低い。従って、上記特許文献１に開示された磁性体材料を用いたＳＴＴ-ＭＲＡＭ（磁気記憶装置）は量産性が低いと言える。また、上記特許文献２に開示された希土類元素を含む強磁性体材料によりＭＴＪ素子の磁性層を形成しようとする場合には、製造工程中に印加される４００℃の程度の熱により希土類元素が拡散し、ＭＴＪ素子の磁気特性の劣化が生じることがある。

【0011】

そこで、本開示では、磁性層の熱処理による磁気特性の劣化を抑制しつつ、高い量産性を確保することが可能な、新規且つ改良された磁気記憶素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置、電子機器、及び磁気記憶素子の製造方法を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本開示によれば、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が反転可能な記憶層と、前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層とからなる積層構造を備え、前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、前記固定層又は前記記憶層は、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有する、磁気記憶素子が提供される。

【0013】

また、本開示によれば、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が反転可能な記憶層と、前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層とからなる積層構造を備え、前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、前記固定層又は前記記憶層は、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有する、磁気ヘッドが提供される。

【0014】

また、本開示によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気記憶素子を備え、前記各磁気記憶素子は、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が反転可能な記憶層と、前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層とからなる積層構造を有し、前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、前記固定層又は前記記憶層は、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有する、磁気記憶装置が提供される。

【0015】

また、本開示によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気記憶素子を有する磁気記憶装置を備え、前記各磁気記憶素子は、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が反転可能な記憶層と、前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層とからなる積層構造を有し、前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、前記固定層又は前記記憶層は、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有する、電子機器が提供される。

【0016】

さらに、本開示によれば、磁化方向が固定された固定層と、磁化方向が反転可能な記憶層と、前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、からなる積層構造を備える、磁気記憶素子の製造方法であって、前記固定層又は前記記憶層を、前記固定層又は前記記憶層がＢ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有するように、スパッタ法によって成膜する、ことを含む、磁気記憶素子の製造方法が提供される。

【発明の効果】

【0017】

以上説明したように本開示によれば、磁性層の熱処理による磁気特性の劣化を抑制しつつ、高い量産性を確保することが可能な磁気記憶素子、磁気ヘッド、磁気記憶装置、電子機器、及び磁気記憶素子の製造方法を提供することができる。

【0018】

なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】ＭＴＪ素子１０の積層構造の一例を模式的に示す説明図である。

【図2】本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の積層構造を示す模式図である。

【図3】本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造方法における各工程を説明する断面図（その１）である。

【図4】同実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造方法における各工程を説明する断面図（その２）である。

【図5】同実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造方法における各工程を説明する断面図（その３）である。

【図6】本開示の実施形態の変形例１に係るＭＴＪ素子１０ａの積層構造を示す模式図である。

【図7】本開示の実施形態の変形例２に係るＭＴＪ素子１０ｂの積層構造を示す模式図である。

【図8】本発明者らの検討によって得られた、Ｂ濃度に対する熱処理後の保磁力（Ｈｃ）の関係を示したグラフである。

【図9】本発明者らの検討によって得られた、Ｂ濃度に対する成膜速度の関係を示したグラフである。

【図10】本発明者らの検討によって得られた、Ｂ濃度に対する熱処理後の保磁力（Ｈｃ）及び成膜速度の結果をまとめた表である。

【図11】本開示の実施形態に係る磁気記憶装置１の一例を模式的に示す概略構成図（斜視図）である。

【図12】本開示の実施形態に係る電子機器９００の外観例を示した斜視図である。

【図13】同実施形態に係る電子機器９００の内部構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0021】

また、本明細書及び図面において、実質的に同一又は類似の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なる数字を付して区別する場合がある。ただし、実質的に同一又は類似の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。また、異なる実施形態の類似する構成要素については、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合がある。ただし、類似する構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。

【0022】

また、以下の説明で参照される図面は、本開示の一実施形態の説明とその理解を促すための図面であり、わかりやすくするために、図中に示される形状や寸法、比などは実際と異なる場合がある。さらに、図中に示される素子等は、以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。また、以下の説明においては、素子等の積層構造の上下方向は、素子が設けられた基板上の面を上とした場合の相対方向に対応し、実際の重力加速度に従った上下方向とは異なる場合がある。

【0023】

また、以下の説明においては、磁化方向（磁気モーメント）や磁気異方性について説明する際に、便宜的に「垂直方向」（膜面に対して垂直な方向、もしくは積層構造の積層方向）及び「面内方向」（膜面に対して平行な方向、もしくは積層構造の積層方向に対して垂直な方向）等の用語を用いる。ただし、これらの用語は、必ずしも磁化の厳密な方向を意味するものではない。例えば、「磁化方向が垂直方向である」や「垂直磁気異方性を有する」等の文言は、面内方向の磁化に比べて垂直方向の磁化が優位な状態であることを意味している。同様に、例えば、「磁化方向が面内方向である」や「面内磁気異方性を有する」等の文言は、垂直方向の磁化に比べて面内方向の磁化が優位な状態であることを意味している。

【0024】

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本開示に係る技術的背景
１．１．ＳＴＴ－ＭＲＡＭの概要
１．２．ＭＴＪ素子の基本構造
１．３．書き込み及び読み出しの仕組みについて
１．４．面内磁化方式及び垂直磁化方式のＳＴＴ-ＭＲＡＭについて
２．本開示の実施形態
２．１．ＭＴＪ素子の構造
２．２．ＭＴＪ素子の製造方法
２．３．変形例
２．３．１ 変形例１
２．３．２ 変形例２
３．実施例
３．１．保磁力の検討
３．２．成膜速度の検討
４．磁気記憶装置の構成例
５．電子機器の構成例
５．１．電子機器の外観例
５．２．電子機器の内部構成例
６．補足

【0025】

＜＜１．本開示に係る技術的背景＞＞
＜１．１．ＳＴＴ－ＭＲＡＭの概要＞
まず、本開示の一実施形態を説明する前に、本開示に係る技術的背景について説明する。本開示に係る技術は、ＳＴＴ－ＭＲＡＭ（スピン注入型ＭＲＡＭ）に関するものである。

【0026】

先に説明したように、磁性体の磁化状態によって情報を記憶するＭＲＡＭは、高速動作が可能であり、ほぼ無限（１０^１５回以上）の書き換えが可能であり、さらには信頼性も高いことから、すでに様々な分野で使用されている。このようなＭＲＡＭのうち、配線から発生する電流磁界にて磁性体の磁化を反転させるＭＲＡＭについては、磁化反転の方法に起因して、消費電力の低減、及び大容量化が難しい。これは、配線からの電流磁界を用いた磁化反転を利用するＭＲＡＭにおいては、磁性体の磁化を反転することができる強さの電流磁界を発生させるには、所定の閾値以上の電流が必要であり、書き込み時の消費電力が増加しやすいためである。さらに、配線からの電流磁界を用いた磁化反転を利用するＭＲＡＭにおいては、電流磁界を発生させる配線を磁気記憶素子ごとに設けることから、磁気記憶素子の小型化に限界がある。

【0027】

そこで、配線からの電流磁界を用いる以外の方法にて磁性体の磁化を反転するＭＲＡＭが検討されている。より具体的には、スピントルク磁化反転を用いて磁性体の磁化を反転させるＳＴＴ－ＭＲＡＭが検討されている。ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、高速動作が可能で、且つ、書き換え回数がほぼ無限大であるというＭＲＡＭの利点を持ち、さらに、低消費電力化、大容量化を進めることができることから、大きな期待が寄せられている。

【0028】

詳細には、ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、磁気記憶素子として、２つの磁性層と、これら２つの磁性層に挟まれた絶縁層とを持つＭＴＪ素子を有している。ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、当該ＭＴＪ素子において、ある方向に磁化方向が固定された一方の磁性層（固定磁化層）を通過するスピン偏極電子が、磁化方向が固定されていない他方の磁性層（自由磁化層）に進入する際に、他方の磁性層にトルクを与えること（これをスピン注入トルクと呼ぶ）を利用している。さらに詳細には、ＳＴＴ－ＭＲＡＭにおいては、ＭＴＪ素子にある閾値以上の電流を流すことにより、上記他方の磁性層にトルクを与えて、当該磁性層の磁性方向を反転（磁化反転）させ、当該ＭＴＪ素子に情報を記憶させる。上述のようなスピントルク磁化反転を生じさせるために必要な電流の絶対値は、５０ｎｍ程度のスケールのＭＴＪ素子においては１００μＡ以下となる。さらに、電流値は、ＭＴＪ素子の体積が小さくなるほど減少することから、ＭＴＪ素子のスケーリングにより電流を低減することが可能である。また、このようなＳＴＴ－ＭＲＡＭにおいては、ＭＴＪ素子に情報を記憶させるための電流磁界を発生させるための配線が不要となるため、セル構造をシンプルにすることができるという利点もある。

【0029】

ＳＴＴ－ＭＲＡＭの記憶素子としては、上記ＭＴＪ素子が用いられる。ＭＴＪ素子は、磁性体からなる固定層及び記憶層と、固定層と記憶層との間に設けられた非磁性層とを主に有する。そして、当該ＭＴＪ素子は、所定の方向に固定された磁気モーメントを有する磁性体（固定層）を通過したスピン偏極電子が、他の磁性体（記憶層）に進入する際に、他の磁性体の磁気モーメント（磁化方向）にトルクを与えることにより磁気モーメントの反転が生じることを利用して記憶を行う。詳細には、所定の閾値以上の電流が流れ、スピン偏極電子により所定の閾値以上のトルクが与えられた磁性体の磁気モーメントは、与えられたトルクと平行な方向に反転する。なお、磁気モーメントの反転方向は、磁性体に流す電流の極性を変更することで制御することができる。さらに、当該ＭＴＪ素子においては、固定層及び記憶層の磁気モーメントの方向が同じ方向である平行状態の方が、両者の磁気モーメントの方向が逆の方向である反平行状態に比べて、非磁性層における電気抵抗が低くなり、ＭＴＪ素子全体としての電気抵抗が低くなる。そこで、ＭＴＪ素子においては、磁気モーメントの状態（磁化状態）に起因する抵抗状態の違いを利用して１／０の情報の記憶がなされることとなる。

【0030】

上述のようなスピントルク磁化反転を生じさせるために必要な電流の絶対値は、０．１μｍ程度のスケールのＭＴＪ素子で１ｍＡ以下となる。さらには、反転電流の全体値は、ＭＴＪ素子の体積が小さくなるほど減少する。なお、配線から発生する電流磁界を用いて磁性体の磁化方向を反転させる場合、磁化反転に必要な電流は、おおよそ数ｍＡ程度にもなる。従って、スピントルク磁化反転を用いたＳＴＴ－ＭＲＡＭは、配線からの電流磁界による磁化反転を用いたＭＲＡＭに対して、書き込み時に必要な電流を極めて小さくすることができるため、低消費電力での動作が可能である。

【0031】

また、配線からの電流磁界による磁化反転を用いたＭＲＡＭでは、電流磁界を発生させるワード線等の配線が必要となるが、ＳＴＴ－ＭＲＡＭでは、先に説明したように、このような配線が不要となる。そのため、ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、配線からの電流磁界による磁化反転を用いたＭＲＡＭに対して、ＭＴＪ素子をシンプルな構造とすることができ、ＭＴＪ素子の小型化が容易となるため、磁気メモリの更なる大容量化を実現することができる。

【0032】

以上のように、ＳＴＴ－ＭＲＡＭは、情報の書き換えが高速、且つほぼ無制限に可能であるＭＲＡＭの特性を維持しつつ、低消費電力化および大容量化を図ることが可能である。

【0033】

＜１．２．ＭＴＪ素子の基本構造＞
次に、図１を参照して、スピントルク磁化反転を用いたＳＴＴ－ＭＲＡＭのＭＴＪ素子１０の基本構造について説明する。図１は、ＭＴＪ素子１０の積層構造の一例を模式的に示す説明図である。

【0034】

ＭＴＪ素子１０は、１つの情報（１／０）を記憶する磁気記憶素子である。ＭＴＪ素子１０の上下には、互いに直交するアドレス用の配線（すなわち、ワード線及びビット線）が設けられ、ＭＴＪ素子１０は、これら配線の交点付近にてワード線及びビット線と接続される。なお、図１においては、これら配線の図示については省略している。

【0035】

図１に示すように、ＭＴＪ素子１０は、下地層１００の上に、所定の方向に磁気モーメント（磁化方向）が固定された固定層１０２と、非磁性層１０４と、磁気モーメントの向き（磁化方向）が可変、すなわち、反転可能な記憶層１０６と、キャップ層１０８とが順次積層されている構造を持つ。また、図１においては図示が省略されているが、ＭＴＪ素子１０は、上部電極と下部電極とによって挟まれる。さらに、ＭＴＪ素子１０の一方の端子は、選択トランジスタ（図示省略）を介して更なる他の配線（図示省略）及びワード線（図示省略）と電気的に接続され、ＭＴＪ素子１０の他方の端子は、ビット線（図示省略）と電気的に接続される。これにより、選択トランジスタによって選択されたＭＴＪ素子１０において、ワード線及びビット線を介して、ＭＴＪ素子の下部電極と上部電極との間に電圧が印加され、当該ＭＴＪ素子１０の記憶層１０６に対する情報の書き込み及び読み出しが行われる。

【0036】

固定層１０２は、強磁性体材料を含む磁性体によって形成され、高い保磁力等によって、磁気モーメントの方向が固定されている。非磁性層１０４は、各種の非磁性体等から形成され、固定層１０２と記憶層１０６との間に挟持されるように設けられる。記憶層１０６は、強磁性体材料を含む磁性体によって形成され、記憶する情報に対応して磁気モーメントの方向が変化する。さらに、下地層１００及びキャップ層１０８は、電極、結晶配向性の制御膜、保護膜等として機能する。

【0037】

なお、図１では、ＭＴＪ素子１０の積層構造として、記憶層１０６を基準として下方向に非磁性層１０４及び固定層１０２が積層された構造を示したが、ＭＴＪ素子１０は、かかる構造に限定されない。例えば、ＭＴＪ素子１０は、さらに他の層を含んでもよいし、固定層１０２と記憶層１０６との位置を入れ替えてもよい。

【0038】

＜１．３．書き込み及び読み出しの仕組みについて＞
続いて、ＭＴＪ素子１０における情報の書き込み、及び読み出しの仕組みについて説明する。まずは、ＭＴＪ素子１０における情報の書き込みの仕組みについて説明する。ＭＴＪ素子１０では、記憶層１０６への情報の書き込みは、先に説明したように、スピントルク磁化反転を用いて行われる。

【0039】

ここで、スピントルク磁化反転の詳細について説明する。電子は、２種類のスピン角運動量をもつことが知られている。そこで、スピン角運動量を、仮に上向きのスピン角運動量と、下向きのスピン角運動量との２種類のスピン角運動量として定義する。非磁性体内部では、上向きのスピン角運動量と下向きのスピン角運動量とが同数であり、強磁性体内部では、これら両者の数に差がある。

【0040】

さらに、ここでは、ＭＴＪ素子１０において、固定層１０２と記憶層１０６との磁気モーメントの向きが互いに異なる反平行状態にあり、この状態において、電子を固定層１０２から記憶層１０６へ進入させる場合について考える。

【0041】

電子が固定層１０２を通過した場合には、スピン偏極が生じ、すなわち、上向きのスピン角運動量と下向きのスピン角運動量との数に差が生じる。さらに、非磁性層１０４の厚さが十分に薄い場合には、このスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きの電子の数が同数）状態になる前に、当該電子は、記憶層１０６に進入することができる。

【0042】

記憶層１０６では、スピン偏極の方向は進入した電子と逆になっている。従って、系全体のエネルギーを下げるために、進入した電子の一部は、反転、すなわちスピン角運動量の向きが変化する。この際、系全体ではスピン角運動量が保存されることから、反転した電子によるスピン角運動量の変化の合計と等価な反作用が記憶層１０６の磁気モーメント（磁化方向）に与えられる。

【0043】

電流、すなわち、単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないために記憶層１０６の磁気モーメントに発生するスピン角運動量変化も小さい。一方、電流、すなわち、単位時間に通過する電子の数を多くすると、記憶層１０６の磁気モーメントに所望するスピン角運動量変化を単位時間内に与えることができる。スピン角運動量の時間変化はトルクであり、トルクが所定の閾値を超えると記憶層１０６の磁気モーメントは反転を開始し、１８０度反転した状態で安定となる。なお、記憶層１０６の磁気モーメントが１８０度反転した状態で安定となるのは、記憶層１０６を構成する磁性体に磁化容易軸が存在し、一軸異方性があるためである。上記のような仕組みにより、ＭＴＪ素子１０は、反平行状態から、固定層１０２と記憶層１０６との磁気モーメントの向きが互いに同じとなる平行状態へと変化する。

【0044】

また、平行状態において、電流を逆に記憶層１０６から固定層１０２へ電子を侵入させるような向きで流した場合には、固定層１０２へ到達した際に固定層１０２で反射されて反転した電子が、記憶層１０６に進入する際に記憶層１０６にトルクを与える。従って、与えられたトルクにより、記憶層１０６の磁気モーメントは反転し、ＭＴＪ素子１０は平行状態から反平行状態へと変化する。

【0045】

ただし、平行状態から反平行状態への反転を起こすための反転電流の電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。なお、平行状態から反平行状態への反転については、簡単に述べると、固定層１０２の磁気モーメントが固定されているために、固定層１０２での反転が難しく、系全体のスピン角運動量を保存するために記憶層１０６の磁気モーメントが反転するためである。このように、ＭＴＪ素子１０における１／０の記憶は、固定層１０２から記憶層１０６に向かう方向又はその逆向きに、それぞれの極性に対応する所定の閾値以上の電流を流すことによって行われる。このように、ＭＴＪ素子１０における記憶層１０６の磁気モーメントを反転させて、ＭＴＪ素子１０の抵抗状態を変化させることにより、ＭＴＪ素子１０における１／０の書き込みが行われる。

【0046】

次に、ＭＴＪ素子１０における情報の読み出しの仕組みについて説明する。ＭＴＪ素子１０においては、記憶層１０６からの情報の読み出しは、磁気抵抗効果を用いて行われる。詳細には、ＭＴＪ素子１０を挟む下部電極（図示省略）と上部電極（図示省略）との間に電流を流した場合、固定層１０２と記憶層１０６との磁気モーメントの方向が互いに平行状態であるのか、反平行状態であるのかに基づいて、ＭＴＪ素子１０の抵抗状態が変化する。そして、ＭＴＪ素子１０の抵抗状態、すなわち、ＭＴＪ素子１０が示す電気抵抗の大小を判別することによって、記憶層１０６に記憶された情報を読み出すことができる。

【0047】

＜１．４．面内磁化方式及び垂直磁化方式のＳＴＴ-ＭＲＡＭについて＞
ところで、ＳＴＴ－ＭＲＡＭにおいては、面内方向に磁気異方性を有する磁性体を用いた面内磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭと、垂直方向に磁性異方性を有する磁性体を用いた垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭとがある。一般的には、面内磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭよりも垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭの方が低電力化、大容量化に適しているとされている。これは、垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭの方が、スピントルク磁化反転の際に超えるべきエネルギバリアが低く、また垂直磁化膜の有する高い磁気異方性が大容量化により微細化した記憶担体の熱安定性を保持するのに有利なためである。

【0048】

詳細には、面内磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭの反転電流をＩｃ＿ｐａｒａとすると、以下のような数式（１）（２）で反転電流を表すことができる。

【0049】

【数1】

【0050】

また、垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭの反転電流をＩｃ＿ｐｅｒｐとすると、以下のような数式（３）（４）で反転電流を表すことができる。

【0051】

【数2】

【0052】

上記式（１）から（４）においては、Ａは定数、αはダンピング定数、Ｍｓは飽和磁化、Ｖは素子体積、ｇ（０）ｐ、ｇ（π）ｐは、それぞれ平行状態、反平行状態時にスピントルクが相手の磁性層に伝達される効率に関係する係数、Ｈｋは磁気異方性である（非特許文献１ 参照）。

【0053】

ここで、同一の磁性体を持つ面内磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭと垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭとにおける反転電流の検討にあたり、上記式（１）と上記式（３）とを比較し、上記式（２）と上記式（４）とを比較する。当該比較によれば、垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭの場合の（Ｈｋ－４πＭｓ）は、面内磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭの場合の（Ｈｋ＋２πＭｓ）に比べて小さい。従って、垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭのほうが、反転電流が小さく、書き込みの際の反転電流を低減させるという観点においては、適していることがわかる。

【0054】

＜＜２．本開示の実施形態＞＞
＜２．１．ＭＴＪ素子の構造＞
次に、本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の構造の詳細について、図２を参照して説明する。図２は、本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の積層構造を示す模式図である。なお、以下に説明する本実施形態に係るＭＴＪ素子１０は、垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭであるものとする。すなわち、当該ＭＴＪ素子１０の積層構造に含まれる磁性層（詳細には、固定層１０２及び記憶層１０６、図２参照）の磁化方向が、膜面に対して垂直な方向、言い換えると上記積層構造の積層方向を持っているものとする。

【0055】

図２に示すように、本実施形態に係るＭＴＪ素子（磁気記憶素子）１０は、下地層１００側から、下地層１００と、固定層１０２と、非磁性層１０４と、記憶層１０６と、キャップ層１０８とが順次積層された積層構造を有する。なお、以下に説明するＭＴＪ素子１０においては、スピントルク磁化反転により、記憶層１０６の磁化方向は反転するが、固定層１０２の磁化方向配は反転しない、すなわち磁化方向が固定されているものとして説明する。また、非磁性層１０４は、固定層１０２と記憶層１０６とに挟持されているものとする。

【0056】

下地層１００は、例えば数１００μｍ程度の膜厚を持つシリコン基板（図示省略）上に設けられた、固定層１０２の結晶配向制御や上記基板に対する付着強度を向上させるための膜からなる。例えば、下地層１００は、固定層１０２と結晶配向性又は磁気異方性が略一致する材料で形成されてもよい。詳細には、下地層１００は、数ｎｍの膜厚を持つＴａ（タンタル）膜と、数１０ｎｍ程度のＲｕ（ルテニウム）膜とからなる。なお、下地層１００が膜厚１００ｎｍ程度のＣｕ等の金属材料からなる金属膜を持つ場合、当該金属膜は、ＭＴＪ素子１０の下部電極（例えば、ワード線）として機能することも可能である。また、上記シリコン基板と下地層１００との間に、膜厚１００ｎｍ程度の熱酸化膜が設けられていてもよい。

【0057】

固定層１０２は、例えば１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の膜厚を持つ。固定層１０２は、例えば、図２に示されるように、下地層１００側から、磁化固定層１０２ａと、結合層１０２ｂと、参照層１０２ｃとが順次積層された構造を有する。参照層１０２ｃは、磁化方向が膜面垂直方向に固定された磁気モーメントを有する強磁性体材料から形成される。参照層１０２ｃは、ＭＴＪ素子１０に記憶される情報の基準であるので、書き込みや記憶や読み出しによって磁化方向が変化しないことが求められるが、磁化方向が必ずしも特定の方向に固定されている必要はなく、記憶層１０６に比べて磁化方向が変化し難い特性を持てばよい。例えば、参照層１０２ｃは、記憶層１０６に比べて保磁力を大きくするか、膜厚を厚くするか、あるいは磁気ダンピング定数を大きくすることにより、記憶層１０６に比べて磁化方向が変化し難いこととなる。参照層１０２ｃは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）からなる磁性遷移金属元素の遷移金属元素群から選択される少なくとも１つの元素を含む磁性膜からなる。すなわち、参照層１０２ｃは、常温で強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか、もしくは、合金や金属間化合物を形成した場合に強磁性を示すＭｎを含む磁性膜からなる。また、上記磁性膜は、Ｂ及びＣ（炭素）のうちから選択された少なくとも１種以上の元素を含んでもよい。さらに具体的には、参照層１０２ｃは、例えば膜厚数ｎｍ程度であり、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＮｉＢ、ＦｅＣｏＣ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＭｎＳｉ、ＭｎＡｌ等の単一材料で形成されてもよいし、これらを組み合わせた材料で形成されてもよい。

【0058】

本実施形態においては、参照層１０２ｃの磁化方向を固定する場合には、ＣｏＰｔ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等の反強磁性体材料からなる、膜厚数ｎｍ程度の磁化固定層１０２ａを参照層１０２ｃに直接接触させてもよい。あるいは、本実施形態においては、上述の反強磁性体材料からなる磁化固定層１０２ａをＲｕ等の非磁性体材料からなる結合層１０２ｂを介して、参照層１０２ｃに磁気的に結合させ、参照層１０２ｃの磁化方向を間接的に固定しても良い。結合層１０２ｂは、例えば１ｎｍ程度の膜厚を持ち、Ｒｕの他にも、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）、Ｒｅ（レニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｏｓ（オスニウム）、又はＩｒ（イリジウム）等の非磁性の金属材料で形成されてもよい。

【0059】

上述のような磁気的結合を用いた磁化固定層１０２ａ、結合層１０２ｂ、及び参照層１０２ｃからなる積層構造は、例えば、積層フェリピン構造とも称される。また、磁化固定層１０２ａ、結合層１０２ｂ、及び参照層１０２ｃからなる積層フェリピン構造が記憶層１０６に対して下側（すなわち、下地層１００側）に設けられる構造は、ボトムピン構造とも称され、積層フェリピン構造が記憶層１０６に対して上側（すなわち、キャップ層１０８側）に設けられる構造は、トップピン構造とも称される。なお、本実施形態においては、ＭＴＪ素子１０は、ボトムピン構造、またはトップピン構造のいずれの構造であってもよい。

【0060】

本実施形態においては、上述のように固定層１０２が積層フェリピン構造になっていることから、固定層１０２の感度を外部磁界に対して鈍化させ、固定層１０２に起因する漏洩磁界を遮断するとともに、複数の磁性層の層間結合による、固定層１０２の垂直磁気異方性の強化を図ることが出来る。なお、このような固定層１０２の磁化方向の固定の手法は、固定層１０２が、記憶層１０６に対して下方にある場合であっても、上方にある場合であっても用いることができる。

【0061】

非磁性層１０４は、ＭｇＯ等の絶縁材料で形成された層であり、例えば、０．３ｎｍ以上５ｎｍ以下の膜厚を有する。非磁性層１０４は、上述の材料の他にも、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、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。

【0062】

さらに、本実施形態においては、非磁性層１０４をＭｇＯで形成した場合には、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。このようにＭＲ比を高くすることにより、ＭＴＪ素子１０におけるスピン注入の効率が向上することから、記憶層１０６の磁化方向を反転させるために求められる電流密度を低減することができる。また、本実施形態においては、中間層としての非磁性層１０４の材料を金属材料に置き換え、巨大磁気抵抗(ＧＭＲ)効果によるスピン注入を行ってもよい。

【0063】

記憶層１０６は、磁化方向がＭＴＪ素子１０の積層構造の面に対して垂直方向（積層方向）において自由に変化する磁気モーメントを有する強磁性体から構成されている。詳細には、記憶層１０６は、参照層１０２ｃと同様に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎからなる磁性遷移金属元素の元素群から選択される少なくとも１つの遷移金属元素を含む磁性膜からなる。また、上記磁性膜は、Ｂ及びＣのうちから選択された少なくとも１種以上の元素を含んでもよい。さらに具体的には、記憶層１０６は、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＮｉＢ、ＦｅＣｏＣ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＭｎＳｉ、ＭｎＡｌ等の単一材料で形成されてもよいし、これらを組み合わせた材料で形成されてもよい。なお、記憶層１０６は、後述する含有元素を除いた全元素に対して８０ａｔｍ％以上の上記遷移金属元素を含むことが好ましい。さらに、記憶層１０６は、耐熱特性の劣化を避けるため、できるだけ希土類元素を含まないことが好ましい。また、記憶層１０６の膜厚は、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。

【0064】

本実施形態において、特に、記憶層１０６における垂直磁化膜では、垂直磁化膜が受ける実効的な反磁界の大きさが飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるように、組成が調整されていることが好ましい。例えば、記憶層１０６の強磁性材料におけるＣｏ－Ｆｅ－Ｂ組成を調整し、記憶層１０６が受ける実効的な反磁界の大きさを低くして、記憶層１０６の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるようにする。このようにすることで、記憶層１０６の磁化方向は、膜面垂直方向を向くこととなる。

【0065】

そして、本実施形態においては、図２に示すように、記憶層１０６は、Ｂ、Ｃ、Ｎ（窒素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、及びＳｉ（シリコン）からなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む高濃度領域１０６ａを有することができる。さらに、高濃度領域１０６ａの上記含有元素の含有量は、７５ａｔｍ％以下であることが好ましく、７０ａｔｍ％以下であることがより好ましく、６５ａｔｍ％以下であることがさらに好ましい。なお、記憶層１０６の層全体が、上記含有元素を３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含んでいてもよく、この場合、記憶層１０６が全体で高濃度領域１０６ａであると言える。

【0066】

詳細には、図２に示すように、上記高濃度領域１０６ａは、ＭＴＪ素子１０の積層構造において、記憶層１０６の非磁性層１０４との界面側に位置する。高濃度領域１０６ａは、積層構造の積層方向に沿って上記界面近傍（ここでは、積層方向に沿って、界面と、界面から５ｎｍ程度離れた高さまでの領域を近傍と呼ぶ。）に位置することが好ましく、上記界面により近い位置に位置することがより好ましい。さらに、本実施形態においては、高濃度領域１０６ａは、非磁性層１０４と接していてもよく、もしくは、非磁性層１０４と離れた位置に位置していてもよい。

【0067】

また、上記高濃度領域１０６ａは、上記積層構造において、膜厚が０．２ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、本実施形態においては、高濃度領域１０６ａは、非磁性層１０４の上面を完全に覆うような層として、もしくは層状に設けられていなくてもよい。例えば、非磁性層１０４の上面は、高濃度領域１０６ａが覆うように存在する被覆部と、高濃度領域１０６ａに覆われていない非被覆部とが混在するようになっていてもよい。すなわち、本実施形態においては、高濃度領域１０６ａは、記憶層１０６に点在するように設けられていてもよく、層として、もしくは層状に設けられていなくてもよい。

【0068】

また、高濃度領域１０６ａは、記憶層１０６の他の領域と同様に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎからなる磁性遷移金属元素の元素群から選択される少なくとも１つの遷移金属元素を含む。さらに、上記遷移金属元素は、高濃度領域１０６ａの含む全元素からＢ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される含有元素を除いた元素全体に対して、８０ａｔｍ％以上であることが好ましい。さらに、高濃度領域１０６ａは、記憶層１０６の他の領域と同様に、耐熱特性の劣化を避けるため、できるだけ希土類元素を含まないことが好ましい。

【0069】

本実施形態においては、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上含有する高濃度領域１０６ａを設けることにより、記憶層１０６が好適な磁気特性を有することができる。すなわち、本実施形態においては、上述のような高濃度領域１０６ａを非磁性層１０４の界面近傍に設けることにより、製造工程における成膜時及び熱処理時の記憶層１０６の磁性膜の非晶質化が維持され、磁性膜の当該界面近傍に生じる膜面垂直方向の異方性磁界が増大するためであると考えられる。従って、本実施形態においては、高濃度領域１０６ａは、積層構造の積層方向に沿って上記界面近傍に位置することが好ましい。詳細については後述するが、本発明者らの検討によると、製造工程の熱処理において４００℃程度、量産工程を加味して５００℃程度であることを鑑みると、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上含有することが好ましい。このようにすることで、４００℃～５００℃程度の熱処理を行っても、記憶層１０６は好適な磁気特性を維持することができる。

【0070】

また、本実施形態においては、ＭＴＪ素子１０の量産にあたり、高い量産性を確保するために、成膜速度を高くすることが求められる。詳細については後述するが、本発明者らの検討によると、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を含有する高濃度領域１０６ａを成膜する際、当該含有元素の濃度を高めると、成膜速度が著しく低下することが分かった。そこで、実効性のある成膜速度とするために、本発明者らの検討によれば、高濃度領域１０６ａをＢ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、８０ａｔｍ％以下含むように成膜することが好ましい。

【0071】

従って、本実施形態においては、高濃度領域１０６ａは、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含むことが好ましい。このようにすることで、記憶層１０６の熱処理による磁気特性の劣化を抑制しつつ、ＭＴＪ素子１０の高い量産性を確保することができる。

【0072】

そして、本実施形態においては、記憶層１０６が、記憶層１０６が受ける実効的な反磁界の大きさが記憶層１０６の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるように構成されていることから、記憶層１０６が受ける反磁界の大きさが小さい。その結果、本実施形態においては、記憶層１０６の磁化方向を反転させるための書き込み電流量を低減することができる。これは、垂直磁気異方性を記憶層１０６が持つために、垂直磁化型ＳＴＴ-ＭＲＡＭの反転電流の適用において反磁界の点で有利になるためである。

【0073】

さらに、本実施形態においては、記憶層１０６の飽和磁化量Ｍｓを低減しなくても書き込み電流量を低減することができるため、記憶層１０６の飽和磁化量Ｍｓを充分な量に設定し、記憶層１０６の熱安定性を確保することが可能になる。

【0074】

本実施形態においては、情報保持能力である記憶層１０６の熱安定性を充分に確保することができるため、特性バランスに優れたＭＴＪ素子１０を構成することができる。

【0075】

キャップ層１０８は、Ｔａ等の各種金属材料、合金材料、酸化物材料等から形成される。当該キャップ層１０８は、ＭＴＪ素子１０の製造中において各積層を保護し、さらに、ハードマスクとして機能するようにしてもよい。また、キャップ層１０８が金属材料で形成される場合、キャップ層１０８は、ＭＴＪ素子１０の電極として機能することも可能である。また、キャップ層１０８の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

【0076】

また、図２においては、図示されていないが、記憶層１０６とキャップ層１０８との間に、非磁性層や磁化固定層等が設けられてもよい。当該非磁性層は、上述の非磁性層１０４と同様に、Ａｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ等の酸化物層で形成することができる。また、当該磁化固定層は、ＣｏＦｅＢ等の磁性材料から形成することができる。

【0077】

なお、本実施形態においては、記憶層１０６は、図２に示すように１つの層から形成されてもよく、複数の層が積層された構造であってもよい。

【0078】

なお、本実施形態においては、ＭＴＪ素子１０は、このような構成に限定されるものではなく、他の構成であってもよく、例えば、積層方向において、固定層１０２と記憶層１０６との位置を入れ替えてもよく、さらに他の層を含んでいてもよい。

【0079】

そして、上述のＭＴＪ素子１０は、後述する磁気記憶装置１のように、マトリックス状に複数設けられていてもよく、さらに、ＭＴＪ素子１０に接続される各種配線が設けられていてもよい。さらに、複数のＭＴＪ素子１０のうち、互いに隣り合うＭＴＪ素子１０の間には、絶縁膜（図示省略）が埋め込まれていてもよい。

【0080】

＜２．２．ＭＴＪ素子の製造方法＞
次に、図３から５を参照して、本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造方法について説明する。図３から図５は、本実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造方法における各工程を説明する断面図である。これら断面図は、ＭＴＪ素子１０の積層構造の積層方向に沿ってＭＴＪ素子１０を切断した場合の断面に対応する。なお、以下に説明においては、高濃度領域１０６ａは、含有元素としてＢを含有するものとして説明する。また、以下に説明する本実施形態に係るＭＴＪ素子１０は、垂直磁化方式のＳＴＴ－ＭＲＡＭであるものとする。すなわち、当該ＭＴＪ素子１０の積層構造に含まれる磁性層（詳細には、固定層１０２及び記憶層１０６）の磁化方向が、膜面に対して垂直な方向、言い換えると上記積層構造の積層方向を持っているものとする。

【0081】

まずは、例えばシリコン基板（図示省略）上に、例えば数１００ｎｍの熱酸化膜（図示省略）を成膜する。そして、当該熱酸化膜上に、例えば、膜厚数ｎｍのＴａ、Ｒｕ等の複数の金属膜（図示省略）からなる積層膜を成膜することで下地層１００を成膜する。

【0082】

そして、当該下地層１００の上に、例えば、膜厚数ｎｍのＣｏ－Ｐｔ膜等からなる磁化固定層１０２ａと、膜厚数ｎｍのＲｕ膜等からなる結合層１０２ｂと、膜厚数ｎｍのＣｏ_２０Ｆｅ_８０Ｂ_３０膜等からなる参照層１０２ｃとを順次積層させ、固定層１０２を成膜する。さらに、固定層１０２の上に、例えば、膜厚数ｎｍのＭｇＯ膜等からなる非磁性層１０４を成膜する。このようにして、図３に示すような積層構造を得ることができる。

【0083】

次に、非磁性層１０４の上に、Ｃｏ－Ｐｔ－Ｂ合金等からなるターゲットを用いて、例えば、スパッタ法（ＤＣマグネトロンスパッタ法もしくはＲＦマグネトロンスパッタ法）等を用いて記憶層１０６を成膜する。この際、所望の元素濃度を持つターゲットを用いて、Ａｒ等の不活性ガス（流量数１０～数１００ｓｃｃｍ）を用いて、数１００Ｗ程度の成膜パワーの条件で、記憶層１０６における、上述の高濃度領域１０６ａ、及び、当該高濃度領域１０６ａ以外の他の領域を成膜する。すなわち、本実施形態においては、所望の元素濃度を持つターゲットを用いることにより、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む高濃度領域１０６ａを有する記憶層１０６を成膜することができる。さらに、成膜後に、３５０℃～４００℃程度の熱処理を行うことにより、高濃度領域１０６ａの膜面垂直方向の異方性磁界を増大させる。なお、ＲＦマグネトロンスパッタ法を用いた場合には、周波数は１３．５６ＭＨｚとなる。このようにして、図４に示すような積層構造を得ることができる。

【0084】

さらに、記憶層１０６の上に、Ｔａ等の各種金属材料、合金材料、酸化物材料等を成膜し、キャップ層１０８を成膜する。このようにして、図５に示すような積層構造を得ることができる。

【0085】

なお、本実施形態においては、特段の断りが無い限りは、酸化物からなる層以外の層については、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて成膜することが好ましく、各層の成膜後には、３５０℃～４００℃程度の熱処理を行うことが好ましい。また、本実施形態においては、特段の断りが無い限りは、酸化物層は、ＲＦマグネトロンスパッタ法、もしくは、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて金属層を成膜し、成膜後に、酸化処理（熱処理）を行い、成膜した金属層を酸化物層に変換することで形成することが好ましい。

【0086】

さらに、図示を省略するものの、所望のパターンを持つフォトマスク（図示省略）をキャップ層１０８上に形成する。そして、上記フォトマスクをマスクとして用いて、キャップ層１０８、記憶層１０６、非磁性層１０４、固定層１０２等に対して順次エッチングを行い、ＭＴＪ素子１０を形成する。当該エッチングは、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）を用いても良いし、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いても良いし、それらを組み合わせても良い。

【0087】

このように、本実施形態に係る製造方法においては、下地層１００からキャップ層１０８までを真空装置内で連続的に成膜し、その後、エッチング等によるパターニング加工を行うことにより、ＭＴＪ素子１０を製造することができる。

【0088】

＜２．３．変形例＞
なお、上述した本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１０は、以下のように変形することもできる。以下に、本実施形態の変形例１及び２を、図６及び図７を参照して説明する。図６は、本実施形態の変形例１に係るＭＴＪ素子１０ａの積層構造を示す模式図であり、図７は、本実施形態の変形例２に係るＭＴＪ素子１０ｂの積層構造を示す模式図である。

【0089】

（２．３．１ 変形例１）
上述した本開示の実施形態においては、記憶層１０６に含まれる高濃度領域１０６ａは、記憶層１０６と非磁性層１０４との界面近傍に設けていたが、本実施形態においてはこれに限定されるものではない。例えば、本変形例１においては、さらに、高濃度領域１０６ｂを、記憶層１０６と非磁性層１０４との界面側に設けてもよい。

【0090】

詳細には、本変形例１においては、図６に示すように、記憶層１０６は、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む高濃度領域１０６ａ及び高濃度領域１０６ｂを有する。さらに、高濃度領域１０６ｂの上記含有元素の含有量は、７５ａｔｍ％以下であることが好ましく、７０ａｔｍ％以下であることがより好ましく、６５ａｔｍ％以下であることがさらに好ましい。また、高濃度領域１０６ａは、上述した本開示の実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

【0091】

本変形例１においては、図６に示すように、上記高濃度領域１０６ｂは、ＭＴＪ素子１０ａの積層構造において、記憶層１０６のキャップ層１０８との界面側に位置する。高濃度領域１０６ｂは、積層構造の積層方向に沿って上記界面近傍（ここでは、積層方向に沿って、界面と、界面から５ｎｍ程度離れた高さまでの領域を近傍と呼ぶ。）に位置することが好ましく、上記界面により近い位置に位置することがより好ましい。さらに、本変形例１においては、高濃度領域１０６ｂは、キャップ層１０８と離れた位置に位置していてもよい。本変形例１に係るＭＴＪ素子１０ａは、記憶層１０６とキャップ層１０８との間に設けられた、ＭｇＯ膜等からなる酸化物層（図示省略）をさらに有していることが好ましく、高濃度領域１０６ｂは、上記酸化物層と接する、もしくは、記憶層１０６と酸化物層との界面により近い位置に位置することが好ましい。

【0092】

なお、上記高濃度領域１０６ｂは、上述の高濃度領域１０６ａと同様に、膜厚が０．２ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、本変形例１においては、高濃度領域１０６ｂは、上述の高濃度領域１０６ａと同様に、層として、もしくは層状に設けられていなくてもよい。

【0093】

また、高濃度領域１０６ｂは、記憶層１０６の他の領域と同様に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎからなる磁性遷移金属元素の元素群から選択される少なくとも１つの遷移金属元素を含む。さらに、上記遷移金属元素は、高濃度領域１０６ａの含む全元素からＢ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される含有元素を除いた元素全体に対して、８０ａｔｍ％以上であることが好ましい。さらに、高濃度領域１０６ｂは、記憶層１０６の他の領域と同様に、耐熱特性の劣化を避けるため、できるだけ希土類元素を含まないことが好ましい。

【0094】

本変形例１においても、上述した本開示の実施形態と同様に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む高濃度領域１０６ｂを設けることにより、記憶層１０６の熱処理による磁気特性の劣化を抑制しつつ、ＭＴＪ素子１０の高い量産性を確保することができる。なお、本変形例１においては、上述のような高濃度領域１０６ｂを上記酸化物層（図示省略）の界面近傍に設けることにより、製造工程における成膜時及び熱処理時の記憶層１０６の磁性膜の非晶質化が維持され、磁性膜の当該界面近傍に生じる膜面垂直方向の異方性磁界が増大すると考えられる。

【0095】

（２．３．２ 変形例２）
上述した本開示の実施形態においては、記憶層１０６に高濃度領域１０６ａを設けていたが、本実施形態においてはこれに限定されるものではない。例えば、本変形例２においては、高濃度領域１０２ｄを、固定層１０２に設けてもよい。

【0096】

詳細には、本変形例２においては、図７に示すように、固定層１０２は、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む高濃度領域１０６ａ及び高濃度領域１０２ｄを有する。さらに、高濃度領域１０２ｄの上記含有元素の含有量は、７５ａｔｍ％以下であることが好ましく、７０ａｔｍ％以下であることがより好ましく、６５ａｔｍ％以下であることがさらに好ましい。また、高濃度領域１０６ａは、上述した本開示の実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

【0097】

本変形例２においては、図７に示すように、上記高濃度領域１０２ｄは、ＭＴＪ素子１０ｂの積層構造において、固定層１０２（詳細には、参照層１０２ｃ）の非磁性層１０４との界面側に位置する。高濃度領域１０２ｄは、積層構造の積層方向に沿って上記界面近傍（ここでは、積層方向に沿って、界面と、界面から５ｎｍ程度離れた高さまでの領域を近傍と呼ぶ。）に位置することが好ましく、上記界面により近い位置に位置することがより好ましい。さらに、本変形例２においては、高濃度領域１０２ｄは、非磁性層１０４と接していてもよく、もしくは、非磁性層１０４と離れた位置に位置していてもよい。

【0098】

なお、上記高濃度領域１０２ｄは、上述の高濃度領域１０６ａと同様に、膜厚が０．２ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、本変形例２においては、高濃度領域１０２ｄは、上述の高濃度領域１０６ａと同様に、層として、もしくは層状に設けられていなくてもよい。

【0099】

また、高濃度領域１０２ｄは、固定層１０２（詳細には、参照層１０２ｃ）の他の領域と同様に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎからなる磁性遷移金属元素の元素群から選択される少なくとも１つの遷移金属元素を含む。さらに、上記遷移金属元素は、高濃度領域１０２ｄの含む全元素からＢ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される含有元素を除いた元素全体に対して、８０ａｔｍ％以上であることが好ましい。さらに、高濃度領域１０２ｄは、固定層１０２（詳細には、参照層１０２ｃ）と同様に、耐熱特性の劣化を避けるため、できるだけ希土類元素を含まないことが好ましい。

【0100】

本変形例２においても、上述した本開示の実施形態と同様に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む高濃度領域１０２ｄを設けることにより、固定層１０２の熱処理による磁気特性の劣化を抑制しつつ、ＭＴＪ素子１０ｂの高い量産性を確保することができる。

【0101】

なお、本変形例２に係る固定層１０２は、上述した本実施形態に係るＭＴＪ素子１０の製造方法における記憶層１０６の形成方法と同様に形成することができる。また、上記高濃度領域１０２ｄは、上記積層構造において、膜厚が０．２ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。また、固定層１０２の層全体が、上記含有元素を３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含んでいてもよく、この場合、固定層１０２が全体で高濃度領域１０２ｄであると言える。

【0102】

＜＜３．実施例＞＞
以上、本開示の実施形態の詳細について説明した。次に、具体的な実施例を示しながら、本開示の実施形態の例についてより具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本開示の実施形態のあくまでも一例であって、本開示の実施形態が下記の例に限定されるものではない。

【0103】

＜３．１．保磁力の検討＞
まずは、本発明者らは、記憶層１０６のＢ（含有元素）濃度に対する熱処理後の保磁力（Ｈｃ）の関係を検討した。

【0104】

（実施例）
まず、膜厚７２５μｍのシリコン基板上に、膜厚３００ｎｍの熱酸化膜を成膜した。そして、当該熱酸化膜上に、ＭＴＪ素子１０の下部電極及び配線となる膜厚１００ｎｍのＣｕ膜を成膜した。

【0105】

その後、上記Ｃｕ膜上に、下地層１００、磁化固定層１０２ａ、結合層１０２ｂ、参照層１０２ｃ、非磁性層１０４、記憶層１０６、及びキャップ層１０８を順次積層した。具体的には、下地層１００は、膜厚５ｎｍのＴａ及び膜厚１０ｎｍのＲｕの積層膜にて形成し、磁化固定層１０２ａは、膜厚２ｎｍのＣｏ－Ｐｔ膜にて形成し、結合層１０２ｂは、膜厚０．７ｎｍのＲｕ膜にて形成し、参照層１０２ｃは、膜厚１．２ｎｍの（Ｃｏ_２０Ｆｅ_８０）_８０Ｂ_３０にて形成した。また、非磁性層１０４は、膜厚１ｎｍのＭｇＯで形成し、記憶層１０６は、膜厚１．６ｎｍの（Ｃｏ_２０Ｆｅ_８０）_８０Ｂ_３０で形成し、キャップ層１０８は、膜厚５ｎｍのＴａ膜で形成した。

【0106】

非磁性層１０４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。また、非磁性層１０４は、ＤＣマグネトロンスパッタ法又はＲＦマグネトロンスパッタ法を用いて金属膜を成膜した後、酸化チャンバ内で酸化することで形成した。また、上記の各層を成膜した後、３５０℃から４００℃で熱処理を行った。なお、記憶層１０６の成膜は、室温、成膜パワー２５０～３５０Ｗ、Ａｒガス流量１０～１００ｓｃｃｍの条件において行った。

【0107】

続いて、直径５０ｎｍの円柱状となるように、キャップ層１０８から下地層１００の上までエッチング加工することにより、実施例に係るＭＴＪ素子１０を形成した。

【0108】

次に、スパッタ法を用いて、Ａｌ_２Ｏ_３膜を厚さ１００ｎｍ程度で成膜することで、隣り合うＭＴＪ素子１０の間を埋め込み、互いを電気的に絶縁した。その後、Ｃｕ膜等を用いて、ＭＴＪ素子１０の上部電極及び配線を形成した。

【0109】

（比較例１）
続いて、比較例１について説明する。比較例１では、実施例と同様に、ＭＴＪ素子１０を形成した。なお、比較例１においては、記憶層１０６を、膜厚１．６ｎｍの（Ｃｏ_２０Ｆｅ_８０）_８０Ｂ_１０で形成した点で、上記実施例と異なる。

【0110】

（比較例２）
次に、比較例２について説明する。比較例２では、実施例と同様に、ＭＴＪ素子１０を形成した。なお、比較例２においては、記憶層１０６は、膜厚１．６ｎｍの（Ｃｏ_２０Ｆｅ_８０）_８０Ｂ_２０で形成した点で、上記実施例と異なる。

【0111】

そして、実施例、比較例１及び比較例２に係るＭＴＪ素子１０に対して、磁気光学カー効果（Ｍａｇｎｅｔｏ-Ｏｐｔｉｃａｌ Ｋｅｒｒ Ｅｆｆｅｃｔ；ＭＯＫＥ）測定を行い、記憶層１０６の垂直方向の保磁力（Ｈｃ）を測定した。当該測定によって得られた結果を図８に示す。図８は、本発明者らの検討によって得られた、Ｂ濃度に対する熱処理後（４００℃）の保磁力（Ｈｃ）の関係を示したグラフである。なお、図８においては、横軸が記憶層１０６のＢの濃度（ａｔｍ％）であり、縦軸が保磁力（Ｈｃ）（Ｏｅ）を示す。

【0112】

図８から分かるように、記憶層１０６の垂直方向の保磁力（Ｈｃ）は、記憶層１０６中のＢの濃度が増加するに従って増大し、Ｂの濃度が３０ａｔｍ％以上では、保磁力（Ｈｃ）は、１００Ｏｅを超え十分な垂直磁気異方性を持つことが分かった。

【0113】

図８に示す結果は、記憶層１０６にＢを含有させることにより、製造工程における成膜時及び熱処理時の記憶層１０６の磁性膜の非晶質化が維持され、記憶層１０６の非磁性層１０４との界面近傍に生じる膜面垂直方向の異方性磁界が増大するためであると考えられる。

【0114】

＜３．２．成膜速度の検討＞
先に説明したように、Ｂを含有する高濃度領域１０６ａを成膜する際、Ｂの濃度を高めると、成膜速度が著しく低下する。そこで、本発明者らは、記憶層１０６のＢ濃度に対する成膜速度の関係を検討した。

【0115】

成膜速度の検討においては、上述の実施例と同様に、ＭＴＪ素子１０を形成した。ただし、当該検討においては、記憶層１０６を、成膜パワー３５０Ｗの条件の下、各種の濃度でＢを含有するターゲットを用いて成膜した点で、上記実施例と異なる。

【0116】

当該検討によって得られた結果を図９に示す。図９は、本発明者らの検討によって得られた、Ｂ濃度に対する成膜速度（ｎｍ／ｓｅｃ）の関係を示したグラフである。なお、図９においては、横軸が記憶層１０６のＢの濃度（ａｔｍ％）であり、縦軸が成膜速度（ｎｍ／ｓｅｃ）を示す。

【0117】

図９から分かるように、記憶層１０６の成膜速度は、記憶層１０６中のＢの濃度が増加するに従って著しく低下し、Ｂの濃度が８０ａｔｍ％以上では、量産が困難であることが分かった。

【0118】

以上の検討の結果をまとめたものを図１０に示す。図１０は、本発明者らの検討によって得られた、Ｂ濃度に対する熱処理後の保磁力（Ｈｃ）及び成膜速度の結果をまとめた表である。図１０では、保磁力（Ｈｃ）が、１００Ｏｅを超えた結果を良品とし、また、量産において実効性のある成膜速度として１ｎｍ／１００ｓｅｃ以上の成膜速度を良品とした。なお、図１０においては、良品として判定した場合には、丸印で表示し、良品として判定しなかった場合にはバツ印で表示している。

【0119】

図１０からわかるように、保磁力（Ｈｃ）の観点からも、成膜速度の観点からも、良品といえるのは、記憶層１０６のＢ濃度が３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下であることがわかった。

【0120】

以上のように、記憶層１０６は、含有元素としてＢを、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含むことが好ましい。このようにすることで、記憶層１０６の熱処理による磁気特性の劣化を抑制しつつ、ＭＴＪ素子１０の高い量産性を確保することができる。また、推定されるメカニズムを鑑みると、Ｂを、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含有する領域（高濃度領域１０６ａ）は、記憶層１０６と非磁性層１０４との界面近傍に設けることが好ましい。

【0121】

なお、上述のメカニズムを鑑みると、記憶層１０６が含有する含有元素は、Ｂに限定されるものではなく、Ｂと同様の挙動を示す、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉの少なくともいずれか１つの元素であってもよいと考えられる。

【0122】

＜＜４．磁気記憶装置の構成例＞＞
以下に、図１１を参照して、本開示の実施形態に係る磁気記憶装置１の構成例を説明する。図１１は、本実施形態に係る磁気記憶装置１の一例を模式的に示す概略構成図（斜視図）である。

【0123】

本実施形態に係る磁気記憶装置１は、情報を磁性体の磁化方向により保持する記憶装置である。詳細には、図１１に示されるように、本実施形態に係る磁気記憶装置１においては、互いに交差（直交）する２種類のアドレス配線（例えば、ビット線７０及びワード線７２）の交点付近に、本実施形態に係るＭＴＪ素子１０が複数個配置される。また、ＭＴＪ素子１０の一方の端子は、ビット線７０に電気的に接続され、ＭＴＪ素子１０の他方の端子は、選択トランジスタ２０に電気的に接続される。

【0124】

より具体的には、磁気記憶装置１においては、図１１に示すように、シリコン基板等の半導体基体２００の素子分離層２０６により分離された領域に、ＭＴＪ素子１０を選択するための選択トランジスタ２０が形成される。当該選択トランジスタ２０は、ゲート電極（ワード線）７２、ソース領域２０２及びドレイン領域２０４を有する。なお、図示する例では、１つのメモリセルは、ＭＴＪ素子１０と、当該ＭＴＪ素子１０を選択するための１つの選択トランジスタ２０とを含むものとする。そして、磁気記憶装置１においては、半導体基板２００上に複数のメモリセルが配列される。なお、図１１においては、磁気記憶装置１のうち、４つのメモリセルに対応する部分を抜き出して示している。

【0125】

また、ゲート電極７２は、図１１中の奥行き方向に延設され、一方のアドレス配線（ワード線（第２の配線）７２）を兼ねている。ドレイン領域２０４には、配線７４が電気的に接続されており、ドレイン領域２０４は、当該配線７４を介して適宜その電位を変更可能に構成されている。なお、図１１に図示する例では、ドレイン領域２０４は、隣り合って配置される選択トランジスタ２０に共通して形成されている。また、ソース領域２０２の上方に、ＭＴＪ素子１０が配置される。さらに、ＭＴＪ素子１０の上方に他方のアドレス配線であるビット線７０が、ワード線７２と直交する方向に延設される。また、ソース領域２０２とＭＴＪ素子１０との間、ＭＴＪ素子１０とビット線７０との間には、コンタクト層（図示省略）が設けられている。これらは、当該コンタクト層を介して、互いに電気的に接続される。

【0126】

また、ＭＴＪ素子１０は、先に説明したように、それぞれの記憶層１０６の磁気モーメントをスピントルク磁化反転により反転させることにより、１／０の情報の書き込みを行うことができる。

【0127】

詳細には、磁気記憶装置１には、ワード線７２及びビット線７０に対して所望の電流を印加可能な電源回路（図示省略）が設けられている。情報の書き込み時には、上記電源回路は、書き込みを行いたい所望のメモリセルに対応するアドレス配線（すなわち、ワード線７２及びビット線７０）に電圧を印加し、ＭＴＪ素子１０に電流を流す。一方、情報の読み出し時には、磁気記憶装置１は、上記電源回路によって読み出しを行いたい所望のメモリセルに対応するワード線７２に電圧を印加し、ビット線７０からＭＴＪ素子１０を通過して選択トランジスタ２０まで流れる電流を検出する。ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果により、ＭＴＪ素子１０の記憶層１０６における磁気モーメントの方向に応じてＭＴＪ素子１０の電気抵抗が変化するため、検出された電流値の大きさに基づいて１／０の情報を読み出すことができる。このとき、読み出し時の電流は、書き込み時に流れる電流に比べてずっと小さいため、読み出し時にはＭＴＪ素子１０の記憶層１０６における磁気方向は変化しない。つまり、ＭＴＪ素子１０は、非破壊での情報の読み出しが可能である。

【0128】

＜＜５．電子機器の構成例＞＞
続いて、図１２及び図１３を参照して、本実施形態に係る磁気記憶装置１を用いた電子機器について説明する。例えば、電子機器は、本実施形態に係るＭＴＪ素子１０をアレイ状に複数配列してなる磁気記憶装置１を大容量ファイルメモリ、コードストレージまたはワーキングメモリのいずれかとして用いる。

【0129】

＜５．１．電子機器の外観例＞
まず、図１２を参照して、本実施形態に係る磁気記憶装置１を用いた電子機器９００の外観について説明する。図１２は、電子機器９００の外観例を示した斜視図である。

【0130】

図１２に示すように、電子機器９００は、例えば、横長の扁平な形状に形成された外筐９０１の内外に各構成が配置された外観を有する。電子機器９００は、例えば、ゲーム機器として用いられる機器であってもよい。

【0131】

外筐９０１の前面には、長手方向の中央部に表示パネル９０２が設けられる。また、表示パネル９０２の左右には、それぞれ周方向に離隔して配置された操作キー９０３、及び操作キー９０４が設けられる。また、外筐９０１の前面の下端部には、操作キー９０５が設けられる。操作キー９０３、９０４、９０５は、方向キー又は決定キー等として機能し、表示パネル９０２に表示されるメニュー項目の選択、およびゲームの進行等に用いられる。

【0132】

また、外筐９０１の上面には、外部機器を接続するための接続端子９０６、電力供給用の供給端子９０７、及び外部機器との赤外線通信を行う受光窓９０８等が設けられる。

【0133】

＜５．２．電子機器の内部構成例＞
次に、図１３を参照して、電子機器９００の内部構成について説明する。図１３は、電子機器９００の内部構成を示すブロック図である。

【0134】

図１３に示すように、電子機器９００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含む演算処理部９１０と、各種情報を記憶する記憶部９２０と、電子機器９００の各構成を制御する制御部９３０と、を備える。演算処理部９１０、及び制御部９３０には、例えば、図示しないバッテリー等から電力が供給される。

【0135】

演算処理部９１０は、各種情報の設定またはアプリケーションの選択をユーザに行わせるためのメニュー画面を生成する。また、演算処理部９１０は、ユーザによって選択されたアプリケーションを実行する。

【0136】

記憶部９２０は、ユーザにより設定された各種情報を保持する。記憶部９２０は、本実施形態に係る磁気記憶装置１を含んで構成される。

【0137】

制御部９３０は、入力受付部９３１、通信処理部９３３、および電力制御部９３５を有する。入力受付部９３１は、例えば、操作キー９０３、９０４、及び９０５の状態検出を行う。また、通信処理部９３３は、外部機器との間の通信処理を行う。さらに、電力制御部９３５は、電子機器９００の各部に供給される電力の制御を行う。

【0138】

本実施形態によれば、記憶部９２０は、大容量化、および低消費電力化が可能である。したがって、本実施形態に係る磁気記憶装置１を用いた電子機器９００は、少ない消費電力でより大量の情報を演算処理することが可能である。

【0139】

なお、本実施形態に係る磁気記憶装置１は、演算装置等を成す半導体回路とともに同一の半導体チップに搭載されて半導体装置（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ:ＳｏＣ）をなしてもよい。また、本実施形態に係る磁気記憶装置１は、上述のように記憶装置が搭載され得る各種の電気機器に実装されることができる。例えば、本実施形態に係る磁気記憶装置１は、ゲーム機器の他に、各種のモバイル機器（スマートフォン、タブレットＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等）、ノートＰＣ、ウェアラブルデバイス、音楽機器、ビデオ機器、又はデジタルカメラ等の、各種の電子機器に、一時記憶のためのメモリとして、あるいはストレージとして搭載されることができる。

【0140】

＜＜６．補足＞＞
さらに、本開示の実施形態に係るＭＴＪ素子１０は、磁気記憶装置１を構成する磁気記憶素子であるとして説明したが、上記ＭＴＪ素子１０は、このような磁気記憶装置１に適用することに限定されるものではない。例えば、上記ＭＴＪ素子１０は、磁気ヘッドであることができ、当該磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、磁気センサ機器に適用することも可能である。

【0141】

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【0142】

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

【0143】

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を備え、
前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、
前記固定層又は前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有する、
磁気記憶素子。
（２）
前記固定層又は前記記憶層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎからなる遷移金属元素群から選択される少なくとも１つの遷移金属元素を含む、上記（１）に記載の磁気記憶素子。
（３）
前記固定層又は前記記憶層の含む、前記含有元素を除いた全元素に対して、前記遷移金属元素は８０ａｔｍ％以上含まれる、上記（２）に記載の磁気記憶素子。
（４）
前記領域は、前記含有元素としてＢを含有する、上記（１）～（３）のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
（５）
前記領域は前記記憶層に含まれる、上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
（６）
前記領域は、前記記憶層の前記非磁性層との界面側に位置する、上記（５）に記載の磁気記憶素子。
（７）
前記領域は、前記非磁性層と接するように位置する、上記（６）に記載の磁気記憶素子。
（８）
前記領域は、前記記憶層の前記非磁性層との界面近傍に位置する、上記（６）に記載の磁気記憶素子。
（９）
前記記憶層の前記非磁性層に対して反対側の面に設けられたキャップ層をさらに備える、上記（５）に記載の磁気記憶素子。
（１０）
前記領域は、前記記憶層の前記キャップ層との界面側に位置する、上記（９）に記載の磁気記憶素子。
（１１）
前記記憶層と前記キャップ層との間に設けられた酸化物層をさらに備える、上記（９）又は（１０）に記載の磁気記憶素子。
（１２）
前記領域は、前記酸化物層と接するように位置する、上記（１１）に記載の磁気記憶素子。
（１３）
前記領域は前記固定層に含まれる、上記（１）～（４）のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
（１４）
前記領域は、前記固定層の前記非磁性層との界面側に位置する、上記（１３）に記載の磁気記憶素子。
（１５）
前記領域は、前記積層構造において、膜厚が０．２ｎｍ以上、２ｎｍ以下である、上記（１）～（１４）のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
（１６）
前記非磁性層は酸化マグネシウムからなる、上記（１）～（１５）のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
（１７）
磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を備え、
前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、
前記固定層又は前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有する、
磁気ヘッド。
（１８）
情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気記憶素子を備え、
前記各磁気記憶素子は、
磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を有し、
前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、
前記固定層又は前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有する、
磁気記憶装置。
（１９）
情報を磁性体の磁化状態により保持する複数の磁気記憶素子を有する磁気記憶装置を備え、
前記各磁気記憶素子は、
磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を有し、
前記磁化方向は、前記積層構造の積層方向に沿った方向を持ち、
前記固定層又は前記記憶層は、
Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有する、
電子機器。
（２０）
磁化方向が固定された固定層と、
磁化方向が反転可能な記憶層と、
前記固定層と前記記憶層との間に挟持された非磁性層と、
からなる積層構造を備える、磁気記憶素子の製造方法であって、
前記固定層又は前記記憶層を、
前記固定層又は前記記憶層がＢ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｍｇ、及びＳｉからなる元素群から選択される少なくとも１つの含有元素を、３０ａｔｍ％以上、８０ａｔｍ％以下含む領域を有するように、
スパッタ法によって成膜する、
ことを含む、磁気記憶素子の製造方法。

【符号の説明】

【0144】

１ 磁気記憶装置
１０、１０ａ、１０ｂ ＭＴＪ素子
２０ 選択トランジスタ
７０ ビット線
７２ ワード線
１００ 下地層
１０２ 固定層
１０２ａ 磁化固定層
１０２ｂ 結合層
１０２ｃ 参照層
１０２ｄ、１０６ａ、１０６ｂ 高濃度領域
１０４ 非磁性層
１０６ 記憶層
１０８ キャップ層
２００ 半導体基板
２０２ ソース領域
２０４ ドレイン領域
２０６ 素子分離層
９００ 電子機器
９０１ 外筐
９０２ 表示パネル
９０３、９０４、９０５ 操作キー
９０６ 接続端子
９０７ 供給端子
９０８ 受光窓
９１０ 演算処理部
９２０ 記憶部
９３０ 制御部
９３１ 入力受付部
９３３ 通信処理部
９３５ 電力制御部

【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】