特許 7475057 磁性積層膜、磁気メモリ素子及び磁気メモリ

(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】2024-04-18

(45)【発行日】2024-04-26

(54)【発明の名称】磁性積層膜、磁気メモリ素子及び磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20240419BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20240419BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20240419BHJP

【ＦＩ】

H10B61/00

H01L29/82 Z

H10N50/10 Z

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2020572081

(86)(22)【出願日】2019-10-30

(86)【国際出願番号】 JP2019042667

(87)【国際公開番号】W WO2020166141

(87)【国際公開日】2020-08-20

【審査請求日】2022-10-27

(31)【優先権主張番号】P 2019024012

(32)【優先日】2019-02-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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、研究成果展開事業 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(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

(74)【代理人】

【識別番号】110002675

【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 好昭

(72)【発明者】

【氏名】池田 正二

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 英夫

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 哲郎

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７８７０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０４５１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９２１８８６４（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２０１５－１７９７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２０８５７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／０２１４６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０５９５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２２７９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｂ ６１／００

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ１０Ｎ ５０／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．００＜ｘ≦０．３０）で構成された重金属層と、磁化方向が反転可能な強磁性層を含み、前記重金属層と隣接する記録層とを有し、前記重金属層の厚さが２ｎｍ以上８ｎｍ以下である磁性積層膜と、
前記記録層に隣接する障壁層と、
前記障壁層と隣接し、磁化の方向が固定された参照層と
を備え、
前記重金属層を流れる書き込み電流によって、前記記録層の前記強磁性層の磁化方向が反転する
磁気メモリ素子。

【請求項2】

前記重金属層は、一部がアモルファスであり、
前記重金属層の厚さが２ｎｍ以上５ｎｍ以下である
請求項１に記載の磁気メモリ素子。

【請求項3】

前記重金属層は、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．１０≦ｘ≦０．２８）で構成されている
請求項１又は２に記載の磁気メモリ素子。

【請求項4】

前記記録層の前記強磁性層と、前記重金属層との間にＨｆ層を有する
請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。

【請求項5】

前記Ｈｆ層がＺｒを含有する
請求項４に記載の磁気メモリ素子。

【請求項6】

磁気メモリ素子用の積層膜であって、
α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．０８≦ｘ≦０．４３）で構成された重金属層と、
磁化方向が反転可能な強磁性層を含み、前記重金属層と隣接する記録層と
を備える
磁性積層膜。

【請求項7】

前記重金属層の厚さが２．５ｎｍ以上である
請求項６に記載の磁性積層膜。

【請求項8】

前記α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．０８≦ｘ≦０．４３）が、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ及びＰの内の少なくとも１つ以上を含む
請求項６又は７に記載の磁性積層膜。

【請求項9】

前記記録層の前記強磁性層と、前記重金属層との間にＨｆ層を有する
請求項６～８のいずれか１項に記載の磁性積層膜。

【請求項10】

前記Ｈｆ層がＺｒを含有する
請求項９に記載の磁性積層膜。

【請求項11】

請求項６～１０のいずれか１項に記載の磁性積層膜と、
前記記録層に隣接する障壁層と、
前記障壁層と隣接し、磁化の方向が固定された参照層と
を備え、
前記重金属層を流れる書き込み電流によって、前記記録層の前記強磁性層の磁化方向が反転する
磁気メモリ素子。

【請求項12】

前記重金属層の長手方向の一端に設けられ、前記重金属層に電流を導入可能な第１端子と、
前記重金属層の長手方向の他端に設けられ、前記重金属層に電流を導入可能な第２端子と、
前記参照層と電気的に接続された第３端子と
を備え、
前記重金属層を介して前記第１端子と前記第２端子との間に、前記書き込み電流が流れる
請求項１～５、１１のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。

【請求項13】

前記記録層の前記強磁性層は、膜面に対して垂直な方向に磁化している
請求項１～５、１１、１２のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。

【請求項14】

前記記録層の前記強磁性層は、面内方向に磁化しており、前記磁化の方向が前記書き込み電流の方向に対して平行である
請求項１～５、１１、１２のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。

【請求項15】

前記記録層の前記強磁性層は、面内方向に磁化しており、前記磁化の方向が前記書き込み電流の方向に対して垂直である
請求項１～５、１１、１２のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。

【請求項16】

前記記録層の前記強磁性層は、面内方向に磁化しており、前記磁化の方向が前記書き込み電流の方向に対して５度～４５度の方向である
請求項１～５、１１、１２のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。

【請求項17】

前記参照層は、磁化方向が互いに反平行な方向に固定された２つの強磁性層を有し、
前記記録層の前記強磁性層の磁化方向が、前記参照層の前記強磁性層のいずれか１つと同じ方向を向くことができる
請求項１～５、１１～１３のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。

【請求項18】

請求項１～５、１１～１７のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子と、
前記重金属層に前記書き込み電流を流すことにより、前記磁気メモリ素子にデータを書き込む書き込み電源を備える書き込み部と、
前記障壁層を貫通する読み出し電流を流す読み出し電源と、前記障壁層を貫通した前記読み出し電流を検出し、前記磁気メモリ素子に書き込まれているデータを読み出す電流検出器とを備える読み出し部と
を備える磁気メモリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁性積層膜、磁気メモリ素子及び磁気メモリに関する。

【背景技術】

【0002】

高速性と高書き換え耐性が得られる次世代不揮発磁気メモリとして、磁気抵抗効果素子（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）を記憶素子として用いたＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が知られている。ＭＲＡＭに用いる次世代の磁気メモリ素子としては、スピン注入トルクを利用して磁気トンネル接合を磁化反転させるＳＴＴ－ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque Random Access Memory）素子（特許文献１参照）やスピン軌道トルクを利用してＭＴＪを磁化反転させるＳＯＴ－ＭＲＡＭ（Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory）素子（特許文献２参照）が注目されている。

【0003】

ＳＴＴ－ＭＲＡＭ素子は、強磁性層（記録層ともいう）／絶縁層（障壁層ともいう）／強磁性層（参照層ともいう）の３層構造を含むＭＴＪで構成される。ＳＴＴ－ＭＲＡＭ素子は、記録層と参照層の磁化方向が反平行の反平行状態の方が素子の抵抗が高いという性質を有し、平行状態と反平行状態を０と１に対応させてデータを記録する。ＳＴＴ－ＭＲＡＭ素子は、ＭＴＪを貫通する電流を流すと、一定方向に向きが揃えられた電子スピンが記録層に流入し、流入した電子スピンのトルクにより記録層の磁化方向が反転する。これによりＳＴＴ－ＭＲＡＭ素子は、平行状態と反平行状態とを切り替え、データを記録できる。

【0004】

ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、重金属層上に、強磁性層／絶縁層／強磁性層の３層構造を含むＭＴＪが設けられた構成をしている。ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、現状用いられているＣｏ－Ｆｅ形の磁性体の場合、ＳＴＴ－ＭＲＡＭ素子と同様に、記録層と参照層の磁化方向が平行な平行状態より、記録層と参照層の磁化方向が反平行の反平行状態の方が素子の抵抗が高いという性質を有し、平行状態と反平行状態を０と１に対応させてデータを記録する。ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子では、重金属層に電流を流すことでスピン軌道相互作用によりスピン流を誘起し、スピン流により分極したスピンが記録層に流入することで記録層が磁化反転する。これによりＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、平行状態と反平行状態とを切り替え、データを記録できる。

【0005】

また、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子では、高度に集積するために、重金属層上に多数のＭＴＪを配列したアーキテクチャが提案されている（特許文献２参照）。特許文献２のアーキテクチャでは、ＭＴＪに電圧を印加することでＭＴＪの磁気異方性を制御できるというメカニズムを利用して、ＭＴＪにデータを書き込む。まず、データを書き込むＭＴＪに電圧を印加し、記録層の磁気異方性を低くして、記録層が磁化反転しやすい状態（半選択状態ともいう）にする。その後、重金属層に書き込み電流を流すことで、記録層を磁化反転させ、データを書き込む。このように、特許文献２の磁気メモリでは、ＭＴＪに電圧を印加することで、書き込むＭＴＪを選択できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１４－１７９４４７号公報

【文献】特開２０１７－１１２３５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、通常の重金属を用いたＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子の書込み効率は、ＳＴＴ－ＭＲＡＭ素子の書き込み効率に比べ１／２程度と小さく、書込み効率を向上する必要がある。そのため、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子の書き込み効率を向上することが求められている。

【0008】

そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、書き込み効率を向上できる磁性積層膜と、当該磁性積層膜を用いた磁気メモリ素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明による磁性積層膜は、磁気メモリ素子用の積層膜であって、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０.００＜ｘ≦０．３０）で構成された重金属層と、磁化方向が反転可能な強磁性層を含み、前記重金属層と隣接する記録層とを備え、前記重金属層の厚さが２ｎｍ以上８ｎｍ以下である。

【0010】

本発明による磁性積層膜は、磁気メモリ素子用の積層膜であって、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．０８≦ｘ≦０．４３）で構成された重金属層と、磁化方向が反転可能な強磁性層を含み、前記重金属層と隣接する記録層とを備える。

【0011】

本発明による磁気メモリ素子は、上記の磁性積層膜と、前記記録層に隣接する障壁層と、前記障壁層と隣接し、磁化の方向が固定された参照層とを備え、前記重金属層を流れる書き込み電流によって、前記記録層の前記強磁性層の磁化方向が反転する。

【0012】

本発明による磁気メモリは、上記の磁気メモリ素子と、前記重金属層に前記書き込み電流を流すことにより、前記磁気メモリ素子にデータを書き込む書き込み電源を備える書き込み部と、前記障壁層を貫通する読み出し電流を流す読み出し電源と、前記障壁層を貫通した前記読み出し電流を検出し、前記磁気メモリ素子に書き込まれているデータを読み出す電流検出器とを備える読み出し部とを備える。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、重金属層がβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０.００＜ｘ≦０．３０）又はα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．０８≦ｘ≦０．４３）で構成されているので、磁性積層膜のスピン生成効率が従来よりも高く、その分書き込み電流密度を小さくでき、書き込み効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1A】図１Ａは、本発明の第１実施形態の磁気メモリ素子を示す斜視図である。

【図1B】図１Ｂは、図１Ａの磁気メモリ素子をｘ方向に切断した断面を示す概略図である。

【図1C】図１Ｃは、第１端子及び第２端子を重金属層の下部に設けた磁気メモリ素子の例を示す概略断面図である。

【図2A】図２Ａは、データ“１”を記憶している磁気メモリ素子にデータ“０”を書き込む方法を説明する概略断面図であり、初期状態を示している。

【図2B】図２Ｂは、データ“１”を記憶している磁気メモリ素子にデータ“０”を書き込む方法を説明する概略断面図であり、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示している。

【図2C】図２Ｃは、データ“０”を記憶している磁気メモリ素子にデータ“１”を書き込む方法を説明する概略断面図であり、初期状態を示している。

【図2D】図２Ｄは、データ“０”を記憶している磁気メモリ素子にデータ“１”を書き込む方法を説明する概略断面図であり、書き込み電流を流してデータが書き込まれた状態を示している。

【図3】図３は、磁気メモリ素子に記憶されたデータの読み出し方法を説明する概略断面図である。

【図4】図４は、本発明の第１実施形態の磁気メモリ素子を使用した１ビット分の磁気メモリセル回路の回路構成を示す例である。

【図5】図５は、図４に示す磁気メモリセル回路を複数個配置した磁気メモリのブロック図である。

【図6A】図６Ａは、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子を示す斜視図である。

【図6B】図６Ｂは、図６Ａの磁気メモリ素子をｘ方向に切断した断面を示す概略図である。

【図7A】図７Ａは、変形例の磁気メモリ素子の上面を示す概略図である。

【図7B】図７Ｂは、変形例の磁気メモリ素子の上面を示す概略図である。

【図8A】図８Ａは、図７Ａに示した磁気メモリ素子のＡ－Ａ’断面を示す概略図である。

【図8B】図８Ｂは、図７Ｂに示した磁気メモリ素子のＢ－Ｂ’断面を示す概略図である。

【図9】図９は、変形例の磁気メモリ素子を示す図である。

【図10A】図１０Ａは、検証実験で用いた磁性積層膜の構造を示す概略図である。

【図10B】図１０Ｂは、スピン生成効率のタンタル混合割合依存性を示す図である。

【図11A】図１１Ａは、磁性積層膜のコンダクタンスの膜厚依存性を示すグラフである。

【図11B】図１１Ｂは、磁性積層膜のスピンホール磁気抵抗比の膜厚依存性を示すグラフである。

【図12】図１２は、検証実験で作成したタングステン－タンタル合金の相図である。

【図13A】図１３Ａは、検証実験で用いた磁性積層膜の構造を示す概略図である。

【図13B】図１３Ｂは、スピン生成効率のタンタル混合割合依存性を示す図である。

【図14A】図１４Ａは、強磁性層の磁気異方性定数のＨｆ膜厚依存性を示すグラフである。

【図14B】図１４Ｂは、強磁性層の飽和磁化のＨｆ膜厚依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（１）第１実施形態
（１－１）第１実施形態の磁性積層膜の全体構成
以下、図１Ａ、図１Ｂを参照して、本発明の実施形態の磁性積層膜１について説明する。図１Ａは、磁性積層膜１を用いて作製された磁気メモリ素子１００を示す斜視図である。磁気メモリ素子１００は、記録層１０の強磁性層１８と参照層１２の強磁性層１４及び強磁性層１６との磁化方向が膜面に対して垂直方向である垂直磁化タイプのＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子である。本明細書では、図１Ａに示すように、重金属層２の長手方向（後述の書き込み電流を流す方向）をｘ方向（紙面右上方向を＋ｘ方向）とし、短手方向をｙ方向（斜視図では紙面左上方向を＋ｙ方向）とし、重金属層２の表面に対して垂直方向をｚ方向（紙面上方向を＋ｚ方向）としている。また、図１Ｂは、磁気メモリ素子１００のｙ方向の断面を示す概略図である。本明細書では、＋ｚ方向を例えば上側及び上部などとも称し、－ｚ方向を例えば下側及び下部などとも称することとする。

【0016】

図１Ａに示すように、磁性積層膜１は、β相のタングステン－タンタル合金（以下、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘと表す。但し、Ｘは原子比率である。）で形成された重金属層２と、重金属層２と隣接して設けられた記録層１０とを備えている。本実施形態では、重金属層２は、第１方向（ｘ方向）に延伸された直方体形状をしており、上面から見たとき長方形状をしている。重金属層２の膜厚（ｚ方向の長さ）は、２ｎｍ以上８ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５ｎｍ以下とするのがよい。電子スピンの拡散長が１ｎｍ程度であるので、膜厚が２ｎｍ以上あるのが望ましい。また、下記で説明する組成のβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘを形成できるので、膜厚が８ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下であることが望ましい。

【0017】

重金属層２は、長さ（ｘ方向の長さ）１０ｎｍ以上２６０ｎｍ以下程度、幅（ｙ方向の長さ）５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下程度の長方形状とするのが望ましい。本実施形態では、重金属層２は、重金属層２のｙ方向の幅を記録層１０の幅よりも大きくなるようにしている。

【0018】

また、重金属層２の長さは、電流さえ流すことができれば短ければ短いほどよく、このようにすることで、磁気メモリ素子１００を用いて磁気メモリを作製した際、磁気メモリを高密度化できる。重金属層２の幅は、ＭＴＪの幅と同じ長さにするのが望ましく、このようにすることで、磁性積層膜１を用いた磁気メモリ素子１００の書き込み効率が最も良くなる。重金属層２の形状は、このようにするのが望ましいが、特に限定されない。なお、重金属層２の長さは、重金属層２が１つの記録層１０を備えるときに望ましい長さであり、１つの重金属層２が複数の記録層１０を備え、第１方向に複数のＭＴＪが配列される場合、すなわち、複数の磁気メモリ素子１００が１つの重金属層２を共有するようにする場合は、この限りではない。

【0019】

重金属層２は、Ａ１５構造のβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成されており、導電性を有している。β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成は、０．００＜Ｘ≦０．３０、好ましくは０．１０≦Ｘ≦０．２８、より好ましくは０．１７≦Ｘ≦０．２５、さらに好ましくは０．２０≦Ｘ≦０．２５である。重金属層２をこのような組成のβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成することで、重金属層がβ相タングステンやプラチナ、β相タンタルで形成された従来の磁性積層膜よりも、スピン生成効率（θ_ＳＨ）が向上するため、スピン反転の効率を向上することができる。スピン生成効率は書き込み電流密度と反比例するので、スピン生成効率が上昇すると、書き込み電流密度を減少でき、磁性積層膜１を用いた磁気メモリ素子１００の書き込み効率を向上できる。また、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの比抵抗は１６０～２００μΩｃｍであり、従来のβ相タンタルなどの比抵抗（およそ３００μΩｃｍ程度）と比較して比抵抗が低いので、重金属層２での読み出し電流による電圧降下を小さくでき、磁気メモリ素子１００の読み出しの遅延を抑制できる。なお、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成された重金属層２は、一部がアモルファスであってもよい。

【0020】

本実施形態では、このような重金属層２が、例えば、ＳｉやＳｉＯ_２などで形成された基板５に設けられている。基板５は、一表面に、例えば、Ｔａなどで形成され、厚さが０．５ｎｍ～７．０ｎｍ程度のバッファ層４が設けられている。重金属層２は、このバッファ層４に隣接して設けられている。基板５としては、ＦＥＴ型のトランジスタや金属配線などが形成された基板などの回路基板であってもよい。この場合、バッファ層４にスルーホールを設けて、重金属層２と基板５に形成された配線などとをコンタクトする。

【0021】

記録層１０は、重金属層２のバッファ層４と隣接する面の反対側の面に隣接して形成されており、重金属層２に隣接するハフニウム層（以下、Ｈｆ層という。）１７と、Ｈｆ層１７と隣接して形成され、磁化方向が反転可能な強磁性層１８とを備えている。記録層１０の厚さは、０．８ｎｍ～５．０ｎｍ、望ましくは、１．０ｎｍ～３．０ｎｍである。本実施形態は、記録層１０が円柱形状に形成されているが、記録層１０の形状は限定されない。

【0022】

強磁性層１８は、強磁性体で形成された強磁性膜である。強磁性層１８は、磁気メモリ素子１００を作製するとき、強磁性層１８と後述の障壁層１１の界面で界面磁気異方性が生じるように、障壁層１１の材質や厚さを考慮して、材質と厚さが選定される。そのため、強磁性層１８は、強磁性層１８と障壁層１１との界面で生じた界面磁気異方性によって、膜面に対して垂直方向（以下、単に垂直方向という。）に磁化している。図１Ａ、図１Ｂでは、強磁性層１８の磁化をＭ１０として白抜きの矢印で表しており、矢印の向きが磁化方向を表している。強磁性層１８に、上向きの矢印と下向きの矢印の２つ描かれているのは、強磁性層１８が膜面に対して垂直な方向で磁化反転可能であることを示している。なお、実際には、磁化方向（矢印の方向）を向いていない成分も含まれている。以下、本明細書の図面において磁化を矢印で表した場合は、このことと同様である。また、記録層１０の磁化といった場合、この強磁性層１８の磁化Ｍ１０を指すものとする。

【0023】

このように、強磁性層１８に界面磁気異方性を生じさせるために、強磁性層１８は、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又はＣｏＢで形成するのが望ましい。なお、強磁性層１８は、多層膜とすることもでき、その場合は、後述するＭｇＯなどの障壁層１１との界面にはＣｏＦｅＢ層、ＦｅＢ層又ＣｏＢ層を配置し、Ｈｆ層１７とＣｏＦｅＢ層、ＦｅＢ層又ＣｏＢ層との間に、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜及びＣｏ／Ｎｉ多層膜などのＣｏ層を含む多層膜、Ｍｎ－Ｇａ、Ｍｎ－Ｇｅ及びＦｅ－Ｐｔなどの規則合金又はＣｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ及びＣｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｐｔ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ、ＣｏＢなどのＣｏを含む合金などを挿入した構成とする。これらの多層膜及び合金は、ＭＴＪのサイズに応じて積層数及び膜厚などを適宜調整される。なお、強磁性層１８は、強磁性層と非磁性層が交互に積層された多層膜であってもよく、例えば、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造とし、２つの強磁性層の磁化が層間相互作用によって結合するようにしてもよい。この場合、非磁性層は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｏｓ及びＲｅなどの非磁性体で形成される。

【0024】

また、記録層１０の強磁性層１８を界面磁気異方性によって、垂直方向に磁化させているが、結晶磁気異方性や形状磁気異方性によって、垂直方向に磁化容易軸を生じさせ、強磁性層１８を垂直方向に磁化させるようにしてもよい。この場合は、強磁性層１８は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＭｎを少なくとも１つ以上含む合金が望ましい。具体的に説明すると、Ｃｏを含む合金としては、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ及びＣｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｐｔなどの合金が望ましく、特に、これらの合金が、Ｃｏを他の元素よりも多く含んでいるいわゆるCo-richであることが望ましい。Ｆｅを含む合金としては、Ｆｅ－Ｐｔ及びＦｅ－Ｐｄなどの合金が望ましく、特に、これらの合金が、Ｆｅを他の元素よりも多く含んでいるいわゆるFe-richであることが望ましい。Ｃｏ及びＦｅを含む合金としては、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｐｔ及びＣｏ－Ｆｅ－Ｐｄなどの合金が望ましい。Ｃｏ及びＦｅを含む合金は、Co-richであってもFe-richであってもよい。Ｍｎを含む合金としては、Ｍｎ－Ｇａ及びＭｎ－Ｇｅなどの合金が望ましい。また、上記で説明したＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＭｎを少なくとも１つ以上含む合金に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ａｌ及びＳｉなどの元素が多少含まれていてもかまわない。

【0025】

なお、アモルファス金属層上にＭｇＯを積層すると（１００）方向に配向した単結晶が支配的なＭｇＯ層が形成される性質によって、強磁性層１８に隣接してＭｇＯ（１００）障壁層１１を形成しやすくなるので、当該強磁性層１８は、アモルファス層であるのが望ましい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなる障壁層１１をアモルファス強磁性体上に（１００）高配向膜として面内方向にも大きなグレインで成長させることができ、ＭｇＯ（１００）の配向性の面内均一性が向上し、抵抗変化率（ＭＲ変化率）の均一性を向上することが可能である。

【0026】

Ｈｆ層１７は、強磁性層１８と隣接して設けられている。Ｈｆ層１７は、ハフニウム（Ｈｆ）で形成された薄膜である。なお、Ｈｆ層１７は、ジルコニウム（Ｚｒ）を含んでいてもよい。記録層１０は、Ｈｆ層１７を有することで、強磁性層１８の飽和磁化Ｍｓが後述の熱処理により増大するのを抑制でき、その結果、書き込み電流密度の上昇も抑制できるので、記録層１０の書き込み効率を向上できる。また、Ｈｆ層１７を挿入することによって強磁性層１８の磁化が減少するので、反磁界の大きさが減少し、垂直磁気異方性が増大し、垂直方向に磁化し易くなる。そのため、強磁性層の厚さがより厚いところまで垂直磁化とすることができるので、強磁性層１８の熱的安定性を向上できる。Ｈｆ層１７は、厚さが０．２ｎｍ以上、０．７ｎｍ以下に、より好ましくは０．３ｎｍ以上、０．７ｎｍ以下に形成されるのが好ましい。Ｈｆ層１７を層状に形成するには０．２ｎｍ程度の厚さが必要であり、Ｈｆ層１７の厚さを０．７ｎｍより厚くしても、スピン生成効率の上昇率が飽和し、書き込み効率があまり向上しない。

【0027】

このようなＨｆ層１７は、強磁性層１８がＢ（ホウ素）を含む強磁性体で形成されている場合、例えば、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ若しくはＣｏＢで形成されている又はこれらの合金を含む強磁性体で形成されている場合に大きな効果を奏する。そのため、強磁性層１８がＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又はＣｏＢで構成されている場合は、Ｈｆ層１７を挿入することが特に好ましい。強磁性層１８が多層構造の場合は、Ｈｆ層１７と隣接する強磁性層をＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢで形成するのが好ましい。なお、記録層１０は、Ｈｆ層１７を有していなくてもよい。

【0028】

本実施形態では、磁性積層膜１は、基板５上に、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）などの一般的な成膜手法により、バッファ層４、重金属層２、Ｈｆ層１７、強磁性層１８の順に成膜することで形成される。重金属層２は、例えば０．３２ｎｍ程度の極薄のタングステン膜と、例えば、０．１６ｎｍ程度の極薄のタンタル膜とを交互に積層することで形成される。タングステン／タンタル積層膜は、後述の磁気メモリ素子１００作製の際の熱処理により、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ層となる。同時成膜に因る形成、合金ターゲットを用いた成膜でも同様である。β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ層の組成は、タングステン膜及びタンタル膜の厚さを適宜変えることやターゲットの組成を変えること、成膜レートを変えることなどで調整できる。なお、説明の便宜上、タングステン「膜」と表記しているが、必ずしも、膜が全面に形成されていなくてもよい。また、記録層１０は、公知のリソグラフィ技術により成型される。

【0029】

（１－２）第１実施形態の磁性積層膜を用いた磁気メモリ素子
次に、図１Ａ、図１Ｂを参照して、第１実施形態の磁性積層膜１を用いた磁気メモリ素子１００について説明する。磁気メモリ素子１００は、重金属層２に隣接して、磁性積層膜１の記録層１０と障壁層１１と参照層１２とを有するＭＴＪを備えるＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子タイプの磁気メモリ素子である。本実施形態では、記録層１０の形状に合わせて、ＭＴＪを円柱形状としているが、ＭＴＪの形状は限定されない。

【0030】

磁気メモリ素子１００の重金属層２及び記録層１０については、上記で説明したので説明を省略する。障壁層１１は、記録層１０の強磁性層１８に隣接して形成されている。障壁層１１は、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＭｇＡｌＯなどの絶縁体、特にＭｇＯで形成されるのが望ましい。また、障壁層１１の厚さは、０．１ｎｍ～２．５ｎｍ、望ましくは、０．５ｎｍ～１．５ｎｍである。

【0031】

参照層１２は、強磁性層１４、非磁性層１５、強磁性層１６が、障壁層１１上にこの順に積層された３層積層膜であり、３層の積層フェリ構造をしている。そのため、強磁性層１４の磁化Ｍ１４の向きと強磁性層１６の磁化Ｍ１６の向きとが反平行であり、磁化Ｍ１４が－ｚ方向を向いており、磁化Ｍ１６が＋ｚ方向を向いている。本明細書では、磁化方向が反平行といった場合、磁化の方向が概ね１８０度異なることをいい、磁化が＋ｚ方向を向いている場合を上向き、磁化が－ｚ方向を向いている場合を下向きということとする。

【0032】

また、本実施形態では、参照層１２の最も障壁層１１側の強磁性層１４と障壁層１１の界面で界面磁気異方性が生じるように、強磁性層１４の材質と厚さを選定し、強磁性層１４の磁化方向が膜面に対して垂直方向となるようにしている。そして、上記のように参照層１２を積層フェリ構造とし、強磁性層１４の磁化Ｍ１４と強磁性層１６の磁化Ｍ１６とを反強磁性的に結合することで、磁化Ｍ１４と磁化Ｍ１６を垂直方向に固定している。このように、参照層１２は、磁化が垂直方向に固定されている。なお、強磁性層１４の磁化Ｍ１４と強磁性層１６の磁化Ｍ１６とを層間相互作用によって反強磁性的に結合して磁化方向を固定することで、磁化Ｍ１４と磁化Ｍ１６の向きを垂直方向に固定するようにしてもよい。

【0033】

本実施形態では、磁化Ｍ１４を下向きに固定し、磁化Ｍ１６を上向きに固定しているが、磁化Ｍ１４を上向きに固定し、磁化Ｍ１６を下向きに固定してもよい。さらに、結晶磁気異方性又は形状磁気異方性によって、強磁性層１４及び強磁性層１６の磁化方向を垂直方向とし、強磁性層１４の磁化Ｍ１４と強磁性層１６の磁化Ｍ１６とを層間相互作用によって反強磁性的に結合して磁化方向を固定することで、磁化Ｍ１４と磁化Ｍ１６の向きを垂直方向に固定するようにしてもよい。

【0034】

強磁性層１４及び強磁性層１６は、記録層１０と同様の材料で形成することができ、非磁性層１５は、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ又はこれら合金などで形成することができる。非磁性層１５は、Ｒｕの場合は０．５ｎｍ～１．０ｎｍ、Ｉｒの場合は０．５ｎｍ～０．８ｎｍ、Ｒｈの場合は０．７ｎｍ～１．０ｎｍ、Ｏｓの場合は０．７５ｎｍ～１．２ｎｍ、Ｒｅの場合は０．５ｎｍ～０．９５ｎｍ程度の厚さに形成する。例えば、参照層１２を、強磁性層１４：障壁層１１側からＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）／Ｔａ（０．４ｎｍ）／Ｃｏ（０．６ｎｍ）／（Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（０．２５ｎｍ））_３／Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（１．０ｎｍ）、非磁性層１５：Ｒｕ（０．８５ｎｍ）、強磁性層１６：非磁性層側からＣｏ（１．０ｎｍ）／（Ｐｔ０．８ｎｍ／Ｃｏ０．２５ｎｍ）_１３と構成し、強磁性層１４をＣｏ－Ｆｅ－Ｂとすることで、強磁性層１４の磁化方向を界面磁気異方性によって垂直方向にすることができる。なお、「（Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（０．２５ｎｍ））_３」という記載の括弧の後の「_３」という数字は、Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（０．２５ｎｍ）２層膜が３回繰り返し積層されていることを意味している（すなわち、合計６層膜である。）。「（Ｐｔ０．８ｎｍ／Ｃｏ０．２５ｎｍ）_１３」という記載の「_１３」についても同様である。

【0035】

強磁性層１４は、上記のように、障壁層１１上に、例えば、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又はＣｏＢなどで構成されるアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ～２．０ｎｍ程度）、Ｔａ、Ｗ又はＭｏなどを含む非磁性層（１．０ｎｍ以下）、強磁性層の順に積層した３層膜であってもよい。強磁性層１４のアモルファス強磁性層と強磁性層とは、層間相互作用によって強磁性的に結合する。強磁性層１４は、例えば、アモルファス強磁性層：Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ（１．５ｎｍ）／非磁性層：Ｔａ（０．５ｎｍ）／強磁性層：垂直磁気異方性を有する結晶質強磁性層などのように構成する。このようにすると、アモルファス強磁性層の磁化方向が垂直方向となり、アモルファス強磁性層と非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層の磁化方向も垂直方向となり、強磁性層１４の磁化方向を垂直方向とすることができる。

【0036】

キャップ層１９は、例えばＴａなどの導電性材料で形成された１．０ｎｍ程度の層であり、参照層１２に隣接して形成されている。なお、磁気メモリ素子１００は、キャップ層１９を有していなくてもよい。また、キャップ層１９は、ＭｇＯなどの非磁性層で形成されていてもよい。この場合、例えば、キャップ層１９をトンネル電流が流れるようにするなどして、第３端子Ｔ３から参照層１２に電流が流れるようにされる。

【0037】

このような磁気メモリ素子１００は、磁性積層膜１の記録層１０上に、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）などの一般的な成膜手法により、障壁層１１、参照層１２、キャップ層１９の順に積層し、その後、３００℃～４００℃程度の温度で熱処理することで作製される。なお、重金属層２の全面に、記録層１０、障壁層１１、参照層１２、キャップ層１９をこの順に成膜し、リソグラフィ技術などによりＭＴＪを成型することで作製してもよい。

【0038】

また、磁気メモリ素子１００には、電圧を印加したり、電流を流したりして書き込み動作や読み込み動作をするための３つの端子（第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、第３端子Ｔ３）が接続されている。磁気メモリ素子１００は、３端子の素子である。第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２及び第３端子Ｔ３は、例えばＣｕ、Ａｌ及びＡｕなどの導電性を有する金属で形成された部材であり、その形状は特に限定されない。

【0039】

第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とは、両端子間にＭＴＪが配置されるように、重金属層２の一端部と他端部とに設けられている。本実施形態では、重金属層２の第１方向の一端部の表面に第１端子Ｔ１が設けられ、重金属層２の第１方向の他端部の表面に第２端子Ｔ２が設けられている。第１端子Ｔ１はＦＥＴ型の第１トランジスタＴｒ１が接続され、第２端子Ｔ２はグラウンドに接続されている。第１トランジスタＴｒ１は、例えば、ドレインが第１端子Ｔ１に接続され、ソースが後述の第１ビット線ＢＬ１に接続されて書き込み電圧Ｖ_ｗを供給する書き込み電源に接続され、ゲートがワード線ＷＬに接続されている（図４参照）。

【0040】

書き込み電源は、第１ビット線ＢＬ１を介して、電圧レベルを書き込み電圧Ｖ_ｗに設定でき、第１トランジスタＴｒ１をオンにすることで、書き込み電圧Ｖ_ｗを第１端子Ｔ１に印加でき、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の間で書き込み電圧Ｖ_ｗの値に応じた書き込み電流Ｉｗが流れる。例えば、書き込み電圧Ｖ_ｗの値をグラウンドよりも高くすることで、第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に書き込み電流Ｉｗを流し、書き込み電圧Ｖ_ｗの値をグラウンドより低くすることで、第２端子Ｔ２から第１端子Ｔ１に書き込み電流Ｉｗを流す。このように、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２は、重金属層２（の一端部と他端部）に接続され、重金属層２に記録層１０の磁化の方向を反転させる書き込み電流Ｉｗを流す。

【0041】

第３端子Ｔ３は、キャップ層１９上にキャップ層１９と接して設けられている。本実施形態では、第３端子Ｔ３は、面内方向に切断した断面形状がＭＴＪと同じ円形状をした円柱形状の薄膜であり、ＭＴＪ（キャップ層１９）の上面に配置され、当該上面の全面をカバーしており、キャップ層１９を介して参照層１２と電気的に接続されている。また、本実施形態では、ＦＥＴ型の第３トランジスタＴｒ３が第３端子Ｔ３に接続されている。第３トランジスタＴｒ３は、例えば、ドレインが第３端子Ｔ３に接続され、ソースが第２ビット線ＢＬ２に接続されて読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄを供給する読み出し電源に接続され、ゲートが読み出し電圧線ＲＬに接続されている（図４参照）。読み出し電源は、第２ビット線ＢＬ２を介して、電圧レベルを読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄに設定でき、第３トランジスタＴｒ３をオンとすることで、第３端子Ｔ３に読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄを印加できる。

【0042】

また、第１トランジスタＴｒ１と第３トランジスタＴｒ３をオンにすることで、第１端子Ｔ１と第３端子Ｔ３の間で、第１端子Ｔ１と第３端子Ｔ３の電位差に応じてＭＴＪの抵抗値を読み取るための読み出し電流Ｉｒが流れる。例えば、Ｖ_ｗをＶ_Ｒｅａｄより高く設定することで、第１端子Ｔ１から重金属層２及びＭＴＪを介して第３端子Ｔ３へ、読み出し電流Ｉｒを流すことができる。

【0043】

本実施形態では、重金属層２の上部（ＭＴＪが設けられた面）に第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを設け、上側から磁気メモリ素子１００へのコンタクトを取るようにしているが、これに限られない。例えば、図１Ｃに示す磁気メモリ素子１０２の様に、重金属層２の下部に（ＭＴＪが設けられた面の裏側の面に隣接して）設けられたバッファ層４に隣接して第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを設け、下側から磁気メモリ素子１０２へのコンタクトを取るようにしてもよい。また、図１Ｃに示す磁気メモリ素子１０２の様に、第２端子Ｔ２をグラウンドではなく、例えば、第２トランジスタＴｒ２を介して第３ビット線（図１Ｃには不図示）に接続し、第１ビット線ＢＬ１（図１Ｃには不図示）に接続した第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２の電位差に応じて書き込み電流Ｉｗを流す方向を変えるようにしてもよい。この場合、例えば、第１ビット線ＢＬ１をＨｉｇｈレベルに設定し、第３ビット線をＬｏｗレベルに設定し、第１端子Ｔ１の電位を第２端子Ｔ２の電位より高くして、第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に書き込み電流Ｉｗを流す。そして、第１ビット線ＢＬ１をＬｏｗレベルに設定し、第３ビット線をＨｉｇｈレベルに設定し、第２端子Ｔ２の電位を第１端子Ｔ１の電位より高くして、第２端子Ｔ２から第１端子Ｔ１に書き込み電流Ｉｗを流す。また、読み出し時は、第２トランジスタＴｒ２をオフにすることで、第２端子Ｔ２へ読み出し電流が流れないようにすることができる。

【0044】

（１－３）磁気メモリ素子の書き込み方法及び読み出し方法
このような磁気メモリ素子１００の書き込み方法について、図１Ａ、図１Ｂと同じ構成には同じ番号を付した図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄを参照して説明する。磁気メモリ素子１００は、記録層１０と参照層１２の磁化方向が、平行か、反平行かによって、ＭＴＪの抵抗が変化する。実際には、磁気メモリ素子１００は、参照層１２が積層膜であるので、記録層１０の磁化方向と、障壁層１１に接する参照層１２の強磁性層１４の磁化方向とが、平行か、反平行かによってＭＴＪの抵抗が変わる。また、記録層１０も積層膜の場合、磁気メモリ素子１００は、記録層１０の障壁層１１に接する強磁性層１８の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層１４の磁化方向とが、平行か、反平行かによってＭＴＪの抵抗が変わる。

【0045】

本明細書では、記録層１０と参照層１２が平行状態といった場合は、記録層１０や参照層１２が積層膜で、記録層１０の障壁層１１に接する強磁性層１８の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層１４との磁化方向が平行な状態も含むものとする。そして、記録層１０と参照層１２が反平行状態といった場合は、記録層１０や参照層１２が積層膜で、記録層１０の障壁層１１に接する強磁性層１８の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層１４との磁化方向が反平行な状態であることを指すものとする。

【0046】

磁気メモリ素子１００では、平行状態と反平行状態とでＭＴＪの抵抗値が異なることを利用して、平行状態と反平行状態とに“０”と“１”の１ビットデータを割り当てることにより、磁気メモリ素子１００にデータを記憶させる。磁気メモリ素子１００は、記録層１０の磁化方向が反転可能なので、記録層１０の磁化方向を反転させることで、ＭＴＪの磁化状態を平行状態と反平行状態との間で遷移させ、“０”を記憶したＭＴＪ(以下、ビットともいう)に“１”を記憶させ、“１”を記憶したビットに“０”を記憶させる。本明細書では、このように、記録層１０の磁化方向を反転させてＭＴＪの抵抗値を変化させることを、データを書き込むともいうこととする。

【0047】

磁気メモリ素子１００の書き込み方法についてより具体的に説明する。本実施形態では、重金属層２がβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成されており、スピンホール角の符号が負である。そこで、重金属層２のスピンホール角が負である場合を例として説明する。また、図示しない磁場発生装置により、ｘ方向（重金属層２の長手方向）に外部磁場Ｈ_０を印加できるものとする。

【0048】

まず、データ“１”を記憶している磁気メモリ素子１００にデータ“０”を書き込む場合を説明する。この場合、初期状態では、図２Ａに示すように、磁気メモリ素子１００は、データ“１”を記憶しており、記録層１０の磁化方向が上向きで、参照層１２の障壁層１１と接する強磁性層１４の磁化方向が下向きであり、ＭＴＪが反平行状態であるとする。そして、第１トランジスタＴｒ１及び第３トランジスタＴｒ３はオフにされているものとする。最初に、図２Ａに示すように＋ｘ方向に外部磁場Ｈ_０を印加する。

【0049】

次いで、図２Ｂ（図２Ｂでは書き込み後の記録層１０の磁化方向を示している）に示すように、第１トランジスタＴｒ１をオンにし、第１端子Ｔ１に書き込み電圧Ｖ_ｗを印加する。このとき、書き込み電圧Ｖ_ｗが、グラウンド電圧よりも高く設定されているので、第１端子Ｔ１から重金属層２を介して第２端子Ｔ２へ書き込み電流Ｉｗが流れ、重金属層２の一端部から他端部へと＋ｘ方向に書き込み電流Ｉｗが流れる。第３トランジスタＴｒ３がオフであるので、第１端子Ｔ１からＭＴＪを介して第３端子Ｔ３へ電流は流れない。本実施形態では、書き込み電流Ｉｗは重金属層２の一端部と他端部との間を流れる。書き込み電流Ｉｗはパルス電流であり、第１トランジスタＴｒ１をオンとする時間を調整することで、パルス幅を変えることができる。

【0050】

重金属層２に書き込み電流Ｉｗが流れると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、紙面手前側（図１Ａ、図１Ｂでは－ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、当該スピンと向きが反平行で紙面奥側（図１Ａ、図１Ｂでは＋ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。そして、重金属層２を流れるスピン流によって、－ｙ方向を向いたスピンが記録層１０に流入する。

【0051】

このとき、記録層１０の強磁性層１８では、流入したスピンによって磁化Ｍ１０に＋ｘ方向のトルクが働き、トルクによって磁化Ｍ１０が＋ｘ方向に回転し、上向きの磁化Ｍ１０が反転して下向きとなりＭＴＪが平行状態となる。このとき、外部磁場Ｈ_０が＋ｘ方向にかかっているため、外部磁場Ｈ_０によってスピンによるトルクが打ち消され、これ以上磁化Ｍ１０は回転せず、磁化Ｍ１０は－ｚ方向を向いた状態となる。その後、第１トランジスタＴｒ１をオフにして書き込み電流を止めることで、磁化Ｍ１０が－ｚ方向に固定され、データ“０”が記憶される。

【0052】

次に、データ“０”を記憶している磁気メモリ素子１００にデータ“１”を書き込む場合を説明する。

【0053】

この場合、初期状態では、磁気メモリ素子１００は、データ“０”を記憶しており、記録層１０の磁化方向が下向きで、参照層１２の障壁層１１と接する強磁性層１４の磁化方向が下向きであり、ＭＴＪが平行状態であるとする。そして、第１トランジスタＴｒ１及び第３トランジスタＴｒ３はオフにされているものとする。最初に、図２Ｃに示すように＋ｘ方向に外部磁場Ｈ_０を印加する。

【0054】

次に、図２Ｄ（図２Ｄでは書き込み後の記録層１０の磁化方向を示している）に示すように、第１トランジスタＴｒ１をオンにし、第３端子Ｔ３に書き込み電圧Ｖ_ｗを印加する。このとき、書き込み電圧Ｖ_ｗが、グラウンド電圧よりも低く設定されているので、第２端子Ｔ２から重金属層２を介して第１端子Ｔ１へ書き込み電流Ｉｗが流れ、重金属層２の一端部から他端部へと－ｘ方向に書き込み電流Ｉｗが流れる。

【0055】

重金属層２に書き込み電流Ｉｗが流れると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、紙面奥側（図１Ａ、図１Ｂでは＋ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、当該スピンと向きが反平行で紙面手前側（図１Ａ、図１Ｂでは－ｙ方向）を向いたスピンが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在するそして、重金属層２を流れるスピン流によって、＋ｙ方向を向いたスピンが記録層１０に流入する。

【0056】

このとき、記録層１０の強磁性層１８では、流入したスピンによって磁化Ｍ１０に－ｘ方向のトルクが働き、トルクによって磁化Ｍ１０が－ｘ方向に回転し、下向きの磁化Ｍ１０が反転して上向きとなりＭＴＪが反平行状態となる。このとき、外部磁場Ｈ_０が＋ｘ方向にかかっているため、外部磁場Ｈ_０によってスピンによるトルクが打ち消され、これ以上磁化Ｍ１０は回転せず、磁化Ｍ１０は＋ｚ方向を向いた状態となる。その後、第１トランジスタＴｒ１をオフにして書き込み電流を止めることで、磁化Ｍ１０が＋ｚ方向に固定され、データ“１”が記憶される。このように、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流すことで、記録層１０を磁化反転し、データを書き換えることができる。

【0057】

このように、磁気メモリ素子１００では、重金属層２の一端部と他端部との間に書き込み電流Ｉｗを流すことで、ＭＴＪの記録層１０の磁化方向を反転させ、データ“０”又はデータ“１”を書き込むことができる。

【0058】

なお磁気メモリ素子１００は、重金属層２の一端部（第１端子Ｔ１）と他端部（第２端子Ｔ２）の間に電圧を印加して、重金属層２に書き込み電流を流すと共に、第３端子Ｔ３を介してＭＴＪに電圧を印加して記録層１０の強磁性層１８の磁気異方性を小さくすることで、重金属層２から注入されるスピンによって記録層１０の磁化Ｍ１０を磁化反転するようしてもよい。

【0059】

また、上記例では磁場発生装置により、ｘ方向（重金属層２の長手方向）に外部磁場Ｈ_０を印加した例を示したが、上述の電圧印加の方法又は重金属層２の下にｘ方向に容易軸を持つ面内磁気異方性を有する強磁性層／非磁性層／強磁性層三層膜若しくは反強磁性結合した強磁性層／非磁性層／強磁性層三層膜を付与し、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘを介したｘ方向の交換結合を用いてもよく、外部磁場発生装置は必ず必要なわけではない。

【0060】

続いて読み出し方法について図３を用いて説明する。このとき、初期状態では、すべてのトランジスタがオフにされているものとする。まず、書き込み電圧Ｖ_ｗを読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄより高い電圧に設定する。次に、読み出しは、第１トランジスタと第３トランジスタとをオンにして、第１端子Ｔ１に書き込み電圧Ｖ_ｗを印加し、第３端子Ｔ３に読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄを印加する。このとき、書き込み電圧Ｖ_ｗが読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄよりも高く設定されているので、第１端子Ｔ１から重金属層２、記録層１０、障壁層１１、参照層１２、キャップ層１９、第３端子Ｔ３の順に読み出し電流Ｉｒが流れる。読み出し電流Ｉｒは、障壁層１１を貫通して流れる。読み出し電流Ｉｒは、不図示の電流検出器で検出される。読み出し電流Ｉｒは、ＭＴＪの抵抗値によって大きさが変わるので、読み出し電流Ｉｒの大きさからＭＴＪが平行状態か反平行状態か、すなわち、ＭＴＪがデータ“０”を記憶しているか、データ“１”を記憶しているかを読み出すことができる。読み出し電流Ｉｒは、パルス電流であり、第３トランジスタＴｒ３をオンにする時間を調整することで、パルス幅を調整する。

【0061】

なお、読み出し電流Ｉｒは、読み出し電流ＩｒがＭＴＪを流れたとき、読み出し電流Ｉｒによって記録層１０がスピン注入磁化反転しない程度の弱い電流に設定するのが望ましい。書き込み電圧Ｖ_ｗと読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄの電位差を適宜調整して、読み出し電流Ｉｒの大きさを調整する。また、第１トランジスタＴｒ１をオンにして書き込み電圧Ｖ_ｗをオンにしてから、第３トランジスタＴｒ３をオンにして読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄをオンにするのが望ましい。このようにすることで、第３端子Ｔ３からＭＴＪを介して第２端子Ｔ２へ電流が流れることを抑制でき、ＭＴＪに読み出し電流以外の電流が流れることを抑制できる。

【0062】

その後、第３トランジスタＴｒ３をオフにした後、第１トランジスタＴｒ１をオフにする。第１トランジスタＴｒ１を第３トランジスタＴｒ３より後にオフにすることで、すなわち、書き込み電圧Ｖ_ｗを読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄより後にオフすることで、第３端子Ｔ３からＭＴＪ及び重金属層２を介して第２端子Ｔ２へ、読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄとグラウンド電圧との電位差に応じた電流が流れることを抑制できる。よって、磁気メモリ素子１００は、障壁層１１を保護でき、障壁層１１をさらに薄くすることもでき、さらには、ＭＴＪを流れる電流によって記録層１０の磁化状態が変化するＲｅａｄディスターブも抑制することができる。

【0063】

（１－４）本発明の磁気メモリ素子を備えた磁気メモリ
次に、上記構成を有する磁気メモリ素子１００を記憶素子として使用する磁気メモリセル回路の構成例を、図１Ａ、図１Ｂと同じ構成には同じ符号を付した図４を参照して説明する。図４は、１ビット分の磁気メモリセル回路２００の構成を示している。この磁気メモリセル回路２００は、１ビット分のメモリセルを構成する磁気メモリ素子１００と、第１ビット線ＢＬ１と、第２ビット線ＢＬ２と、読み出し電圧線ＲＬと、ワード線ＷＬと、第１トランジスタＴｒ１と、第３トランジスタＴｒ３とを備える。

【0064】

磁気メモリ素子１００は、上述の通り、重金属層２の一端部の上面に第１端子Ｔ１、他端部の上面に第２端子Ｔ２が接続され、キャップ層１９の上面に第３端子Ｔ３が接続された３端子構造を有する。なお、説明の便宜上、図４では、記録層１０及び参照層１２の各層を省略してＭＴＪを示している。

【0065】

第１端子Ｔ１は、第１トランジスタＴｒ１のドレインに接続され、第２端子Ｔ２は、グラウンドに接続され、第３端子Ｔ３は、第３トランジスタＴｒ３のドレインに接続されている。第１トランジスタＴｒ１は、ソースが第１ビット線ＢＬ１に接続され、ゲート電極がワード線ＷＬに接続されている。第３トランジスタＴｒ３は、ソースが第２ビット線ＢＬ２に接続され、ゲート電極が読み出し電圧線ＲＬに接続されている。

【0066】

磁気メモリ素子１００にデータを書き込む方法は次の通りである。まず、磁気メモリ素子１００を選択するため、ワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルに設定する。そして、読み出し電圧線ＲＬをＬｏｗレベルに設定する。一方、書き込み対象のデータに応じて、第１ビット線ＢＬ１の電圧（書き込み電圧Ｖ_ｗ）をＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルに設定する。これによって、磁気メモリセル回路２００が選択され、第１トランジスタＴｒ１はオン状態になって書き込み動作が行われる。

【0067】

具体的には、データ“０”を書き込む場合は、第１ビット線ＢＬ１をＨｉｇｈレベル（正の電圧）とする。これにより、第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２に書き込み電流Ｉｗが流れ（図２Ｂ参照）、データ“０”が書き込まれる。一方、データ“１”を書き込む場合は、第１ビット線ＢＬ１をＬｏｗレベル（負の電圧）とする。これにより、第２端子Ｔ２から第１端子Ｔ１に書き込み電流Ｉｗが流れ（図２Ｄ参照）、データ“１”が書き込まれる。

【0068】

磁気メモリ素子１００に記憶されているデータを読み出す方法は次の通りである。まず、第１ビット線ＢＬ１の電圧をＨｉｇｈレベルに設定し、第２ビット線ＢＬ２の電圧（読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄ）をＬｏｗレベルに設定する。次に、ワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルに設定して第１トランジスタＴｒ１をオンにした後、読み出し電圧線ＲＬをＨｉｇｈレベルに設定して第３トランジスタＴｒ３をオンにし、ＭＴＪに電圧を印加する。これにより、磁気メモリセル回路２００が選択され、第１端子Ｔ１から第３端子Ｔ３に読み出し電流Ｉｒが流れて読み出し動作が行われる。すなわち、Ｈｉｇｈレベルとなった第１ビット線ＢＬ１より第１端子Ｔ１、重金属層２、記録層１０、障壁層１１、参照層１２、キャップ層１９、第３端子Ｔ３を介してＬｏｗレベルとなった第２ビット線ＢＬ２へと読み出し電流Ｉｒが流れる。この読み出し電流Ｉｒの大きさを電流検出器で検出することにより、ＭＴＪの抵抗の大きさ、即ち、記憶されたデータを判別し、データを読み出すことができる。なお、磁気メモリセル回路２００の構成や回路動作は一例であって、適宜変更されうる。

【0069】

次に、図４に例示した磁気メモリセル回路２００を複数備える磁気メモリ３００の構成を、図５を参照して説明する。磁気メモリ３００は、図５に示すように、メモリセルアレイ３１１と、Ｘドライバ３１２と、Ｙドライバ３１３と、コントローラ３１４とを備えている。メモリセルアレイ３１１はＮ行Ｍ列のアレイ状に配置された磁気メモリセル回路２００を有している。各列の磁気メモリセル回路２００は対応する列の第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の対に接続されている。また、各行の磁気メモリセル回路２００は、対応する行のワード線ＷＬと読み出し電圧線ＲＬに接続されている。

【0070】

Ｘドライバ３１２は、複数のワード線ＷＬと読み出し電圧線ＲＬとに接続されており、受信したローアドレスをデコードして、アクセス対象の行のワード線ＷＬをＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルに駆動すると共に、読み出し電圧線ＲＬをＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルに駆動する。

【0071】

Ｙドライバ３１３は、磁気メモリ素子１００にデータを書き込む書き込み部及び磁気メモリ素子１００からデータを読み出す読み出し部として機能する。Ｙドライバ３１３は、複数の第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２に接続されている。Ｙドライバ３１３は、受信したカラムアドレスをデコードして、アクセス対象の磁気メモリセル回路２００に接続されている第１ビット線ＢＬ１及び第２ビット線ＢＬ２をデータ書き込み状態或いは読み出し状態に設定する。

【0072】

データ“０”の書き込みにおいて、Ｙドライバ３１３は書き込み対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１をＨｉｇｈレベル（正の電圧）とする。また、データ“１”の書き込みにおいてＹドライバ３１３は、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１をＬｏｗレベル（負の電圧）とする。書き込み時、Ｘドライバ３１２は、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００の属する行のワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルに設定し、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００のＭＴＪにデータを書き込む。さらに、磁気メモリセル回路２００に記憶されているデータの読み出しにおいて、Ｙドライバ３１３は、まず、読み出し対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１をＨｉｇｈレベルに設定し、第２ビット線ＢＬ２をＬｏｗレベルに設定する。Ｘドライバ３１２は、読み出し対象の磁気メモリセル回路２００の属する行のワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルに設定した後、読み出し電圧線ＲＬをＨｉｇｈレベルとする。そして、Ｙドライバ３１３は、第１ビット線ＢＬ１、第２ビット線ＢＬ２を流れる読み出し電流Ｉｒを電流検出器で検出し、検出した読み出し電流Ｉｒと基準値とを比較して、各列の磁気メモリセル回路２００の抵抗状態を判別し、これにより、記憶データを読み出す。

【0073】

コントローラ３１４は、データ書き込み、あるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ３１２とＹドライバ３１３のそれぞれを制御する。

【0074】

（１－５）作用及び効果
以上の構成において、第１実施形態の磁性積層膜１は、磁気メモリ素子用の積層膜であって、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．００＜ｘ≦０．３０）で構成された重金属層２と、反転可能な磁化Ｍ１０を有する強磁性層１８を含み、重金属層２と隣接する記録層１０とを備え、重金属層２の厚さが２ｎｍ以上８ｎｍ以下であるように構成した。

【0075】

よって、磁性積層膜１は、重金属層２がβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．００＜ｘ≦０．３０）で構成されているので、スピン生成効率がタングステンやプラチナ、β相タンタルで形成された従来の磁性積層膜よりも高く、その分書き込み電流密度を小さくでき、磁気メモリ素子１００の書き込み効率を向上できる。また、重金属層２の比抵抗も従来より低く、読み出し電流Ｉｒによる重金属層２での電圧降下を抑制でき、読み出しの遅延を抑制できる。

【0076】

さらに、磁性積層膜１は、記録層１０の強磁性層１８と、重金属層２との間に、厚さが０．７ｎｍ以下のＨｆ層１７を有するようにすることで、強磁性層１８の飽和磁化Ｍｓが熱処理により増大するのを抑制でき、その結果、書き込み電流密度の上昇も抑制できるので、記録層１０の書き込み効率を向上できる。また、磁性積層膜１は、Ｈｆ層１７の挿入によって、記録層１０の強磁性層１８の垂直磁気異方性が増大し、膜面に対して垂直方向に磁化し易くなり、強磁性層１８の熱的安定性を向上できる。

【0077】

（２）第２実施形態の磁性積層膜
（２－１）第２実施形態の磁性積層膜の構成
図１Ａ、図１Ｂと同じ構成には同じ符号を付した図６Ａ、図６Ｂに示すように、第２実施形態の磁性積層膜１ａは、第１実施形態の磁性積層膜１とは重金属層２ａの構成が異なる。他の構成は、第１実施形態の磁性積層膜１と同じなので、以下では、重金属層２ａを中心に説明する。

【0078】

第２実施形態の重金属層２ａは、第１実施形態の重金属層２とは異なる材料が形成されている点で異なる。重金属層２ａは、α相のタングステン－タンタル合金（以下、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘと表す。但し、Ｘは原子比率である。）で形成され、体心立方格子構造（ｂｃｃ）をしている。α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成は、０．０８≦Ｘ≦０．４３、好ましくは０．１２≦Ｘ≦０．３３、より好ましくは０．１５≦Ｘ≦０．３０、さらに好ましくは０．２３≦Ｘ≦０．２８である。

【0079】

重金属層２ａをこのような組成のα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで構成することで、α相タングステンやプラチナ、β相タンタルで構成された従来の重金属層よりも、重金属層２ａのスピン生成効率（θ_ＳＨ）を向上でき、その結果、書き込み電流密度を減少でき、記録層１０の書き込み効率を向上できる。また、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの比抵抗は３０μΩｃｍ未満であり、従来のβ相タンタルなどの比抵抗（およそ３００μΩｃｍ程度）と比較して比抵抗が低いので、重金属層２ａでの電圧降下を小さくでき、読み出しの遅延を抑制できる。なお、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで構成された重金属層２ａは、一部がアモルファスであってもよい。

【0080】

また、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘへのＢ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｐ（リン）などの少なくとも１つ以上の添加により、外因性の機構によるθ_ＳＨを向上でき、その場合、比抵抗も増大できる。したがって、重金属層２ａの所望のθ_ＳＨと比抵抗を、これら不純物をα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘへ添加することで設計可能となる。

【0081】

重金属層２ａの膜厚（ｚ方向の長さ）は、２．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とするのがよい。上記の組成範囲のα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘを形成できるので、膜厚が２．５ｎｍ以上であることが望ましい。また、あまり厚くすると反転効率が低下するので、膜厚は１０ｎｍ以下であるのが望ましい。

【0082】

α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘでなる重金属層２ａは、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘでなる重金属層２と同様の方法を用い、成膜時のガス圧をβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで作製する場合より低下させることで作製することができる。Ｗ_1－ｘＴａ_ｘは、膜厚と組成（タンタルの混合割合）との組み合わせによってもα相となるかβ相となるか決まるので、組成と膜厚でなる相図を予め作成しておくことで、α相とβ相を作り分けることができる。また、第２実施形態の磁性積層膜１ａは、第１実施形態の磁性積層膜１と同様に、磁気メモリ素子としての垂直磁化タイプのＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子に用いることができる。

【0083】

（２－２）作用及び効果
以上の構成において、第２実施形態の磁性積層膜１ａは、磁気メモリ素子用の積層膜であって、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．０８≦ｘ≦０．４３）で構成された重金属層２ａと、反転可能な磁化Ｍ１０を有する強磁性層１８を含み、重金属層２ａと隣接する記録層１０とを備えるように構成した。

【0084】

よって、磁性積層膜１ａは、重金属層２ａがα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ（０．０８≦ｘ≦０．４３）で構成されているので、スピン生成効率がα相タングステンやプラチナ、β相タンタルで形成された従来の磁性積層膜よりも高く、その分書き込み電流密度を小さくでき、磁気メモリ素子１００の書き込み効率を向上できる。また、重金属層２ａの比抵抗も従来より低く、読み出し電流Ｉｒによる電圧降下を抑制でき、読み出しの遅延を抑制できる。

【0085】

さらに、磁性積層膜１ａは、記録層１０の強磁性層１８と、重金属層２ａとの間に、厚さが０．７ｎｍ以下のＨｆ層１７を有するようにすることで、記録層１０の強磁性層１８の飽和磁化Ｍｓが熱処理により増大するのを抑制でき、その結果、書き込み電流密度の上昇も抑制できるので、記録層１０の書き込み効率を向上できる。また、磁性積層膜１ａは、Ｈｆ層１７の挿入によって、記録層１０の強磁性層１８の垂直磁気異方性が増大し、膜面に対して垂直方向に磁化し易くなり、強磁性層１８の熱的安定性を向上できる。

【0086】

（３）変形例
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

【0087】

（変形例１）
上記の第１実施形態では、記録層１０の強磁性層１８が面内方向に対して垂直な方向で反転可能な磁化を有する磁性積層膜１について説明したが、本発明はこれに限られず、記録層の強磁性層が面内方向で反転可能な磁化を有していてもよい。この場合、強磁性層が面内方向に磁化容易軸を有するようにする。例えば、上面から見た記録層の形状を長方形や楕円形など長手方向と短手方向を有する形状とする。このようにすると、強磁性層の面内に、形状磁気異方性により記録層の長手方向に沿った磁化容易軸ができる。その結果、強磁性層の磁化が面内方向（磁化容易軸方向）を向くようになり、強磁性層の磁化が面内方向で反転可能になる。

【0088】

このような面内方向に磁化反転可能な記録層を有する変形例１の磁性積層膜を用いて面内磁化タイプのＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子を作製できる。図１Ａ、図１Ｂと同じ構成には同じ符号を付した図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂに、変形例１の磁性積層膜を用いた磁気メモリ素子１００ｃ、１００ｄを示す。図７Ａは、磁気メモリ素子１００ｃの上面を示す概略図であり、図７Ｂは、磁気メモリ素子１００ｄの上面を示す概略図である。そして、図８Ａは、図７Ａに示した磁気メモリ素子１００ｃのＡ－Ａ’断面を示す概略図であり、図８Ｂは、図７Ｂに示した磁気メモリ素子１００ｄのＢ－Ｂ’断面を示す概略図である。

【0089】

図７Ａに示す磁気メモリ素子１００ｃは、ＭＴＪが上面から見た形状が長方形状（直方体形状のＭＴＪ）に成型されており、ＭＴＪの長手方向が重金属層２の長手方向に対して垂直となるようにＭＴＪが配置されている。そのため、磁気メモリ素子１００ｃは、記録層１０ｃの強磁性層が、形状磁気異方性により、面内方向に磁化しており、強磁性層の磁化Ｍ１０ｃの方向が、重金属層２の長手方向（書き込み電流Ｉｗが流れる方向）に対して垂直（図７Ａ中に矢印Ａ１で示す方向）である。

【0090】

図７Ｂに示す磁気メモリ素子１００ｄは、ＭＴＪが上面から見た形状が長方形状（直方体形状のＭＴＪ）に形成されており、ＭＴＪの長手方向が重金属層２の長手方向に対して平行となるようにＭＴＪが配置されている。そのため、磁気メモリ素子１００ｄは、記録層１０ｄの強磁性層が、形状磁気異方性により、面内方向に磁化しており、強磁性層の磁化Ｍ１０ｄの方向が、重金属層２の長手方向（書き込み電流が流れる方向）と平行（図７Ｂ中に矢印Ａ２で示す方向）である。

【0091】

なお、面内磁化タイプの磁気メモリ素子では、強磁性層の磁化の反転可能な方向（磁化容易軸の方向）を、重金属層２を流れる書き込み電流の方向と平行な方向又は反平行な方向からずれている方が高速でなおかつ外部磁場発生装置が不要となるためより好ましい。例えば、記録層の強磁性層が、面内方向に磁化し、磁化の方向が書き込み電流Ｉｗの方向に対して５度～４５度の方向であるようにし、その方向に反転可能にするのが好ましい。

【0092】

図８Ａに示す磁気メモリ素子１００ｃは、磁性積層膜１ｃの記録層１０ｃに隣接して、障壁層１１ｃ、参照層１２ｃ、反強磁性層２１、キャップ層１９の順に形成されており、記録層１０ｃ、障壁層１１ｃ、参照層１２ｃ、反強磁性層２１及びキャップ層１９でＭＴＪを構成している。磁気メモリ素子１００ｃは、第１実施形態の磁気メモリ素子１００とは、記録層１０ｃがＨｆ層を有していない点、記録層１０ｃの強磁性層の磁化Ｍ１０ｃ及び参照層の強磁性層１４ｃ、１６ｃの磁化Ｍ１４ｃ、Ｍ１６ｃが、面内方向で、重金属層２を流れる書き込み電流Ｉｗの方向（図８Ａでは紙面奥側から紙面手前側に向かう方向）と垂直な方向に磁化している点、反強磁性層２１を有している点で異なる。他の構成は、第１実施形態の磁気メモリ素子１００と同じである。

【0093】

反強磁性層２１は、参照層１２ｃの磁化方向を固定するために設けている。反強磁性層２１は、例えば、Ｉｒ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｍｎ及びＮｉ－Ｍｎなどの反強磁性体でなり、厚さが５ｎｍ～１５ｎｍ程度に形成されている。参照層１２ｃ上に反強磁性層２１を設けることで、反強磁性層２１と接する参照層１２ｃの強磁性層１６ｃの磁化Ｍ１６ｃの向きが、反強磁性層２１を構成する反強磁性体による反強磁性相互作用によって、強磁性層１６ｃの面内の所定方向に固着される。その結果、強磁性層１６ｃの磁化Ｍ１６ｃと層間相互作用により反強磁性的に結合している強磁性層１４ｃの磁化Ｍ１４ｃの向きが、強磁性層１４ｃの面内で磁化Ｍ１６ｃと反平行な方向に固定される。磁化Ｍ１４ｃ及び磁化Ｍ１６ｃの磁化方向は、磁場中で熱処理することにより、磁化Ｍ１４ｃ及び磁化Ｍ１６ｃをその磁場の方向又はその磁場と反平行な方向に固定することができる。このように、反強磁性層２１は、参照層１２ｃの磁化方向を所定方向に固定する。本実施形態では、反強磁性層２１は、記録層１０ｃの強磁性層の磁化容易軸方向と概ね平行又は反平行となるように、磁化Ｍ１４ｃ、磁化Ｍ１６ｃを磁場中熱処理により固定している。なお、反強磁性層２１を用いなくてもよく、第１実施形態の様に、強磁性層１４と強磁性層１６との間の層間相互作用によって磁化方向を固定するようにしてもよい。

【0094】

図８Ｂに示す磁気メモリ素子１００ｄは、磁性積層膜１ｄの記録層１０ｄに隣接して、障壁層１１ｄ、参照層１２ｄ、反強磁性層２１、キャップ層１９の順に形成されており、記録層１０ｄ、障壁層１１ｄ、参照層１２ｄ、反強磁性層２１及びキャップ層１９でＭＴＪを構成している。磁気メモリ素子１００ｄは、上記の磁気メモリ素子１００ｃとは、記録層１０ｄの強磁性層の磁化Ｍ１０ｄ及び参照層の強磁性層１４ｄ、１６ｄの磁化Ｍ１４ｄ、Ｍ１６ｄが、面内方向で、重金属層２を流れる書き込み電流Ｉｗの方向（図８Ｂでは紙面左側から紙面右側に向かう方向）と垂直な方向に磁化している点で異なる。他の構成は、磁気メモリ素子１００ｃと同じである。なお、磁気メモリ素子１００ｄは、図示しない磁場発生装置を磁気メモリ素子１００ｄ近傍に備えており、記録層１０の強磁性層の磁化Ｍ１０ｄを反転させるとき、すなわち、書き込み動作時、磁場発生装置により＋ｚ方向又は－ｚ方向（重金属層２のＭＴＪが形成された面と直交する方向）の磁場を磁気メモリ素子１００ｄに印加する必要がある。

【0095】

このように、磁性積層膜１ｃ、１ｄは、第１実施形態と同じ組成のβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成された重金属層２を有するので、第１実施形態の磁性積層膜１と同様に、磁気メモリ素子１００ｃ、１００ｄの書き込み効率を向上できる。なお、磁性積層膜１ｃ、１ｄは、重金属層２のかわりに、第２実施形態と同じ組成のα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成された重金属層２ａを備えていてもよく、同様の効果を奏する。

【0096】

（変形例２）
上記の実施形態では、磁性積層膜１が１つの重金属層２に１つの記録層１０を備え、磁気メモリ素子１００が１つの重金属層２に１つのＭＴＪを備えた場合について説明してきたが、本発明はこれに限られない。例えば、図９に示す磁性積層膜１００１の様に、１つの重金属層２に複数の記録層１０を備えていてもよく、磁気メモリ素子１０００のように、１つの磁気メモリ素子が複数のＭＴＪ（図９の場合はｎ個）を備えていてもよい。磁気メモリ素子１０００のＭＴＪの構成は、磁気メモリ素子１００のＭＴＪの構成と同様である。図９では、便宜上、記録層１０のＨｆ層の図示を省略している。

【0097】

このような磁気メモリ素子１０００の書き込み方法について説明する。初期状態として、重金属層２の第１端子Ｔ１に接続された第１トランジスタＴｒ１と、各ＭＴＪの第３端子Ｔ３に接続された第３トランジスタＴｒ３とがすべてオフであるとする。まず、各ＭＴＪの第３トランジスタＴｒ３をすべてオンにし、各ＭＴＪの記録層１０の磁気異方性を小さくする。次いで、書き込み電圧Ｖ_ｗを正の電圧に設定し、第１トランジスタＴｒ１をオンにし、書き込み電流Ｉｗを第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２へ流す。これにより、すべてのＭＴＪに“０”が一括して書き込まれる。その後、すべての第３トランジスタＴｒ３オフにし、第１トランジスタＴｒ１をオフにする。

【0098】

次いで、“１”を書き込みたいＭＴＪの第３トランジスタＴｒ３をオンにして書き込むＭＴＪを選択する。その後、書き込み電圧Ｖ_ｗを負の電圧にし、第１トランジスタＴｒ１をオンにし、第２端子Ｔ２から第１端子Ｔ１へ書き込み電流Ｉｗを流す。第３トランジスタＴｒ３をオンにしたＭＴＪのみ記録層１０の磁気異方性が小さいので、磁化反転する。その結果、選択したＭＴＪにのみ１が書き込まれる。その後、すべての第３トランジスタＴｒ３オフにし、第１トランジスタＴｒ１をオフにして書き込み動作を終了する。なお、すべてのＭＴＪに一括して１を書き込んだ後、選択したＭＴＪのみ“０”を書き込むようにしてもよい。また、読み出し動作は、第１トランジスタＴｒ１をオンにした後、読み出したいＭＴＪの第３トランジスタをオンにし、読み出したいＭＴＪに読み出し電流Ｉｒを流すことで行う。その後の読み出し動作は、第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。

【0099】

磁気メモリ素子１０００では、磁性積層膜１００１の各記録層１０の強磁性層の磁化方向が面内方向に対して垂直であり、ＭＴＪが垂直磁化タイプのＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子であるが、磁性積層膜の各記録層の磁化方向を面内方向とし、ＭＴＪを面内磁化タイプのＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子としてもよい。磁気メモリ素子１０００のＭＴＪは、垂直磁化タイプ又は面内磁化タイプに揃える方が好ましいが、垂直磁化タイプと面内磁化タイプが混載されていてもよい。

【0100】

このように、磁性積層膜１００１は、第１実施形態と同じ組成のβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成された重金属層２を有するので、スピン生成効率が従来よりも高く、書き込み効率を向上できる。なお、磁性積層膜１００１は、重金属層２のかわりに、第２実施形態と同じ組成のα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成された重金属層２ａを備えていてもよく、同様の効果を奏する。また、複数の磁気メモリ素子１０００を配列することで、磁気メモリを構成することもできる。

【0101】

（検証実験）
（検証実験１）
検証実験１では、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成された重金属層を有する磁性積層膜のスピン生成効率θ_ＳＨを調べるために、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成を変えて図１０Ａに示す構成の磁性積層膜を作製した。検証実験１の磁性積層膜では、記録層としてのＣｏＦｅＢ層上に障壁層としてＭｇＯを作製し、磁気メモリ素子として用いた場合に近い状態にしている。さらにＭｇＯ層上にＴａ層をキャップ層として形成し、大気中の酸素などによりＭｇＯ層の状態が変化することを抑制している。このような検証実験１の磁性積層膜は、表面に自然酸化膜であるＳｉＯ_２層が形成されたＳｉ基板上に、ｒｆマグネトロンスパッタにより各層を順次製膜していくことで作製した。

【0102】

β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ層は、タングステン層（０．３２ｎｍ、アルゴンガス圧２．５５Ｐａで成膜）とタンタル層（０．０８、０．１６、０．３２ｎｍ、アルゴンガス圧０．３９Ｐａで成膜）とを交互に積層し、磁性積層膜のキャップ層を積層後、３００℃で熱処理することで作製した。タンタル層の膜厚を変えることで、Ｗ_０．７５Ｔａ_０．２５、Ｗ_０．７７Ｔａ_０．３３、Ｗ_０．５Ｔａ_０．５の３つの組成のβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ層を作製した。また、比較のために、同様の手法によりタングステンでなる重金属層を有する磁性積層膜も作製した。

【0103】

作製した磁性積層膜のスピン生成効率θ_ＳＨを、スピンホール磁気抵抗効果（ＳＭＲ：Spin Hall Magnetoresistance）を測定することで求めた。その結果を図１０Ｂに示す。図１０Ｂは、横軸が組成（Ｔａの含有割合）、縦軸がスピン生成効率の絶対値｜θ_ＳＨ｜である。図１０Ｂを見ると、Ｘが０．３以下であれば、タングステン層（Ｘ＝０）よりもスピン生成効率が大きい。書き込み電流密度はスピン生成効率の大きさに反比例するので、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成を０．００＜Ｘ≦０．３０とすることで、書き込み電流密度を減少でき、書き込み効率を向上できることができることが確認できた。さらに図１０Ｂに示すように、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成は、好ましくは０．１０≦Ｘ≦０．２８、より好ましくは０．１７≦Ｘ≦０．２５とするのが、スピン生成効率をさらに上昇でき、より書き込み効率を向上できるので、好ましい。さらには、スピン生成効率は、０．２５付近でピークをもつので、β相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成を０．２０≦Ｘ≦０．２５とすると、最も書き込み効率を向上でき、特に好ましいことが確認できた。

【0104】

（検証実験２）
検証実験２では、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘとβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘとの相図を作製するために、Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの膜厚と組成を変えて種々の磁性積層膜を検証実験１と同様の方法で作製した。作製した磁性積層膜の構造は図１０Ａに示した磁性積層膜と同様である。組成の変え方は検証実験１と同じであり、膜厚は、Ｗ／Ｔａ積層膜の積層回数を変えることで、調整した。その後、作製した磁性積層膜の抵抗値及びスピンホール磁気抵抗比を測定し、組成ごとに、相転移する膜厚を特定した。スピンホール磁気抵抗比は、ＳＭＲ測定により求めた。また、比較のために、同様の手法によりタングステンでなる重金属層を有する磁性積層膜も膜厚を変えて作製した。

【0105】

抵抗の測定結果を図１１Ａに示し、スピンホール磁気抵抗比の測定結果を図１１Ｂに示す。図１１Ａは、横軸がＷ_1－ｘＴａ_ｘ層の膜厚であり、縦軸がコンダクタンスである。図１１Ａを見ると、膜厚とコンダクタンスの比例関係が変わっている点（図１１Ａ中の黒矢印）があることが分かる。α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの方がβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘより比抵抗が低いことから、この点が相転移点であり、膜厚が厚くなるとβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘからα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘに相転移していることが確認できる。一方、タングステンを重金属層としたときは、膜厚とコンダクタンスの比例関係が膜厚によって変わらず、相転移していないことが分かる。また図１１Ｂにおいても、Ｗ_1－ｘＴａ_ｘでは、スピンホール磁気抵抗比が急激に小さくなっている膜厚があり、その膜厚が転移点である。スピンホール磁気抵抗比の結果においても、タングステンを重金属としたときは相転移していないことが分かる。

【0106】

このようにして求めた転移点に基づいて、相図を作製した。その結果が図１２である。図１２の横軸はＷ_1－ｘＴａ_ｘの組成であり、縦軸はＷ_1－ｘＴａ_ｘ層の膜厚である。図１２では、組成を百分率で示している。このようにして作成した相図を用いて、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ層とβ相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ層とを作り分けることができる。なお、Ｘ＝０のときは、膜厚によらずタングステンである。また、検証試験２の相図はβ相を作製しやすい成膜条件を用いて作成したあくまでも一例であり、Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの成膜条件によっては、α相とβ相の間の膜厚の転移点が図１２と異なる場合がある。例えば、Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ成膜時のアルゴンガス圧をタングステン層０．３９Ｐａ、タンタル層０．１３Ｐａとすることで、厚さが２．５ｎｍのα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘを作製することができる。

【0107】

（検証実験３）
検証実験３では、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘで形成された重金属層を有する磁性積層膜のスピン生成効率θ_ＳＨを調べるために、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成を変えて図１３Ａに示す構成の磁性積層膜を作製した。検証実験３の磁性積層膜では、検証実験１と同様に、記録層としてのＣｏＦｅＢ層上に障壁層としてＭｇＯを作製し、磁気メモリ素子として用いた場合に近い状態にしている。さらにＭｇＯ層上にＴａ層をキャップ層として形成している。このような検証実験３の重金属積層膜は、ＤＣスパッタを用いた点、タングステンとタンタルを同時スパッタして成膜し、成膜時のアルゴンガス圧が０．１３Ｐａである点以外は検証実験１と同様の方法で作製した。検証実験３では、Ｗ_０．８７Ｔａ_{０．１３、}Ｗ_０．７５Ｔａ_０．２５、Ｗ_０．７７Ｔａ_０．３３、Ｗ_０．５Ｔａ_０．５の４つの組成のα相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘ層を作製した。また、比較のために、同様の手法によりタングステンでなる重金属層を有する磁性積層膜も作製した。

【0108】

作製した磁性積層膜のスピン生成効率θ_ＳＨを検証実験１と同様の方法で求めた。その結果を図１３Ｂに示す。図１３Ｂは、横軸が組成（Ｔａの含有割合）、縦軸がスピン生成効率の絶対値｜θ_ＳＨ｜である。図１３Ｂを見ると、０．０８≦Ｘ≦０．４３であれば、タングステン層（Ｘ＝０）及び従来から重金属層に使われているβ相タンタルよりもスピン生成効率が大きく、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成を０．０８≦Ｘ≦０．４３とすることで、書き込み効率を向上できることができることが確認できた。さらに図１３Ｂに示すように、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成は、好ましくは０．１２≦Ｘ≦０．３３、より好ましくは０．１５≦Ｘ≦０．３０とするのが、スピン生成効率がさらに上昇でき、より書き込み効率を向上できるので、好ましい。さらには、スピン生成効率は、０．２５付近でピークをもつので、α相Ｗ_1－ｘＴａ_ｘの組成を０．２３≦Ｘ≦０．２８とすると、最も書き込み効率を向上でき、特に好ましいことが確認できた。

【0109】

（検証実験４）
検証実験４では、記録層の強磁性層と重金属層の間にＨｆ層を有することの効果を確認するために、ＳｉＯ_２が表面に形成されたＳｉ基板上に、Ｔａ（１．０ｎｍ）、β相Ｗ_０．７５Ｔａ_０．２５（５．０ｎｍ）、Ｈｆ（０．３ｎｍ又は０．７ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．１ｎｍ～１．９ｎｍ）、ＭｇＯ（１．５ｎｍ）、Ｔａ（１．０ｎｍ）をこの順でｒｆスパッタにより成膜し、４００℃で熱処理して磁気メモリ素子を作製した。極薄のタングステン層及びタンタル層を成膜時のアルゴンガス圧は、検証実験１と同じである。比較のために、Ｈｆ層を有さない点以外上記と同じ構造の磁気メモリ素子を作製した。作製した磁気メモリ素子の磁気異方性定数Ｋｅｆｆと強磁性層の実効膜厚ｔ^＊の積と、飽和磁化ＭｓをＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer：振動試料型磁力計）で評価した。

【0110】

ＶＳＭで評価した磁気異方性定数Ｋｅｆｆ、飽和磁化Ｍｓの結果を、図１４Ａと図１４Ｂに示す。図１４Ａの横軸はＨｆ層の膜厚で、縦軸は磁気異方性定数Ｋｅｆｆに強磁性層の膜厚ｔ^＊を掛けた値であり、Ｈｆ層を有さないときの値との差分で表している。図１４Ｂは、横軸がＨｆ層の膜厚であり、縦軸が飽和磁化Ｍｓである。

【0111】

図１４Ａを見ると、Ｈｆ層を有することで垂直磁気異方性が増大していることが分かる。よって、Ｈｆ層を有することによって記録層の強磁性層の垂直磁気異方性が増大し、膜面に対して垂直方向に磁化し易くなり、より強磁性層が厚い領域まで垂直磁化膜を作製することができるため、強磁性層の熱的安定性を向上できることが確認できた。また、図１４Ｂを見ると、Ｈｆ層を有することで、飽和磁化Ｍｓが小さくなっている。すなわち、熱処理による飽和磁化Ｍｓの増大が抑制されていることが分かる。よって、Ｈｆ層を有することで、記録層の強磁性層の飽和磁化Ｍｓが増大するのを抑制でき、その結果、書き込み電流密度の上昇も抑制できるので、記録層の書き込み効率を向上できる。また、Ｈｆ層１７は、厚さが０．７ｎｍ以下に形成されるのが好ましいことが確認できた。

【符号の説明】

【0112】

１、１ａ、１ｃ、１ｄ、１００１ 磁性積層膜
２、２ａ 重金属層
１０、１０ｃ、１０ｄ 記録層
１１、１１ｃ、１１ｄ 障壁層
１２、１２ｃ、１２ｄ 参照層
１００、１００ａ、１００ｃ、１００ｄ、１０２、１０００ 磁気メモリ素子
Ｉｗ 書き込み電流
Ｉｒ 読み出し電流

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】