特許 7606228 トンネル接合積層膜、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】2024-12-17

(45)【発行日】2024-12-25

(54)【発明の名称】トンネル接合積層膜、磁気メモリ素子及び磁気メモリ

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/10 20230101AFI20241218BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20241218BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20241218BHJP

【ＦＩ】

H10N50/10 Z

H01L29/82 Z

H10B61/00

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021553747

(86)(22)【出願日】2020-10-30

(86)【国際出願番号】 JP2020040971

(87)【国際公開番号】W WO2021085642

(87)【国際公開日】2021-05-06

【審査請求日】2023-10-20

(31)【優先権主張番号】P 2019199284

(32)【優先日】2019-10-31

(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】遠藤 哲郎

(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

【審査官】加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０６４６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２０８５７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－００６５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１１１３９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ５０／１０

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ１０Ｂ ６１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ホウ素を含む第１強磁性層を有する記録層と、前記記録層に隣接するトンネル接合層と、前記トンネル接合層に隣接する参照層とを備え、前記第１強磁性層及び前記参照層が膜面に対して垂直な方向に磁化しているトンネル接合積層膜であって、
前記記録層は、前記第１強磁性層に隣接する、０．３５ｎｍ以上０．７ｎｍ以下の厚さのハフニウム層を有する
トンネル接合積層膜。

【請求項2】

前記ハフニウム層は、前記記録層内で、前記トンネル接合層から最も離れた位置に配置されている
請求項１に記載のトンネル接合積層膜。

【請求項3】

前記記録層が、ホウ素を含む第２強磁性層を有し、
前記トンネル接合層が前記第１強磁性層に隣接し、
前記第１強磁性層が前記ハフニウム層に隣接し、
前記ハフニウム層が前記第２強磁性層に隣接し、
前記第２強磁性層が酸素原子を含む非磁性層に隣接する
請求項１に記載のトンネル接合積層膜。

【請求項4】

前記記録層が、ホウ素を含む第２強磁性層を有し、
前記トンネル接合層が前記第２強磁性層に隣接し、
前記第２強磁性層が非磁性挿入層に隣接し、
前記非磁性挿入層が前記ハフニウム層に隣接し、
前記ハフニウム層が前記第１強磁性層に隣接し、
前記第１強磁性層が酸素原子を含む非磁性層に隣接する
請求項１に記載のトンネル接合積層膜。

【請求項5】

前記ハフニウム層がＺｒを含有している
請求項１～４のいずれか１項に記載のトンネル接合積層膜。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載のトンネル接合積層膜と、
前記参照層に電気的に接続された第１端子と、
前記記録層に電気的に接続された第２端子とを備え、
前記第１端子と前記第２端子との間を流れる書き込み電流により、前記記録層の磁化方向が反転する
磁気メモリ素子。

【請求項7】

基板の一表面に設けられ、
前記参照層が前記記録層よりも前記基板側に配置されている
請求項６に記載の磁気メモリ素子。

【請求項8】

請求項６又は７に記載の磁気メモリ素子を備える
磁気メモリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル接合積層膜、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、磁気トンネル接合素子（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）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）／障壁層（トンネル接合層ともいう）／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】

垂直磁気異方性磁気トンネル接合（ｐ(perpendicular)－ＭＴＪ）におけるスピン注入磁化反転の書き込み電流Ｉ_ＣＯと熱安定指数Δ（＝Ｅ／ｋ_ＢＴ）については、以下の数式の関係が知られている。

【0005】

【数1】

【0006】

また、熱安定指数Δは次式で示される。

【0007】

【数2】

【0008】

ここで、αはダンピング定数、ｅは素電荷、ｈ（式中ではストローク符号を付したｈ）はディラック定数、Ｐはスピン分極率、Ｓは接合面積、ｋ_Ｂはボルツマン定数、ｔは記録層の膜厚、Ｔは絶対温度、Ｋ_ｅｆｆは実効磁気異方性エネルギー密度である。

【0009】

上記の式（１）から、高い熱安定指数Δを維持し、低い書き込み電流Ｉ_ＣＯを実現するためには、高いＫ_ｅｆｆかつ低いダンピング定数αの記録層とする必要がある。ダンピング定数は、一般に、スピン軌道相互作用が大きい材料で大きくなることが知られている。スピン軌道相互作用は、原子番号の増大に伴い、増加することが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開２０１４－１７９４４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、高密度の磁気メモリを実現するために磁気メモリ素子としてのＳＴＴ－ＭＲＡＭ素子の微細化を進めていくと、記録層の磁化の熱安定性が減少し、記録層がデータの記録を維持しにくくなり、不揮発性が低下する。そのため、磁気メモリ素子の記録層の熱安定性を向上することが求められている。

【0012】

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、熱安定性が高いトンネル接合積層膜と、当該トンネル接合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】

【0013】

本発明によるトンネル接合積層膜は、ホウ素を含む第１強磁性層を有する記録層と、前記記録層に隣接するトンネル接合層と、前記トンネル接合層に隣接する参照層とを備え、前記第１強磁性層及び前記参照層が膜面に対して垂直な方向に磁化しているトンネル接合積層膜であって、前記記録層は、前記第１強磁性層に隣接するハフニウム層を有する。

【0014】

本発明による磁気メモリ素子は、上記のトンネル接合積層膜と、前記参照層に電気的に接続された第１端子と、前記記録層に電気的に接続された第２端子とを備え、前記第１端子と前記第２端子との間を流れる書き込み電流により、前記記録層の磁化方向が反転する。

【0015】

本発明による磁気メモリは、上記の磁気メモリ素子を備える。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、記録層が第１強磁性層に隣接するハフニウム層を有するので、第１強磁性層の垂直磁気異方性を向上でき、その結果、ハフニウム層に隣接する第１強磁性層の磁化の熱安定性が向上し、記録層の熱安定性が高い。よって、熱安定性が高いトンネル接合積層膜を提供でき、ひいては、熱安定性の高い磁気メモリ素子及び磁気メモリを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明のトンネル接合積層膜の断面を示す概略図である。

【図2】第１実施形態のトンネル接合積層膜の断面を示す概略図である。

【図3】第１実施形態のトンネル接合積層膜の一例を示す概略図である。

【図4A】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る。

【図4B】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る。

【図5】第１実施形態の磁気メモリ素子で構成される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6】第２実施形態のトンネル接合積層膜の断面を示す概略図である。

【図7】変形例のトンネル接合積層膜の断面を示す概略図である。

【図8】変形例のトンネル接合積層膜の断面を示す概略図である。

【図9A】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9B】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。

【図10】検証実験で用いたトンネル接合積層膜の構造と、当該トンネル接合積層膜の強磁性層の磁気デッドレイヤーの厚みの測定結果を示すグラフとを示す図である。

【図11】第３実施形態のトンネル接合積層膜の断面を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

まず、本発明のトンネル接合積層膜の概要を説明する。図１に示すように、本発明のトンネル接合積層膜１は、記録層１４と、記録層１４に隣接するトンネル接合層１３と、トンネル接合層１３に隣接する参照層１２とを備える磁気抵抗効果素子である。トンネル接合積層膜（以下、ＭＴＪ膜ともいう）１は、参照層１２の磁化方向と記録層１４の磁化方向とが平行（磁化方向がほぼ同じ方向の状態）か反平行（磁化方向が約１８０度異なる状態）かによって、抵抗値が変化する。ＭＴＪ膜１を磁気メモリ素子に用いた場合、ＭＴＪ膜１の抵抗値が平行状態と反平行状態とで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、データを記憶させる。ＭＴＪ膜１は、記録層１４及び参照層１２が膜面に対して垂直な方向に磁化している垂直磁化膜である。

【0019】

記録層１４は、ホウ素を含む第１強磁性層２４と、第１強磁性層２４に隣接するハフニウム層（以下、Ｈｆ層ともいう）２５とを有している。記録層１４は、さらに、後述する第２強磁性層や非磁性挿入層などを含んでいてもよい。記録層１４は、第１強磁性層２４が膜面に対して垂直な方向に磁化しており、磁化方向が反転可能に構成されている。参照層１２は、膜面に対して垂直な方向に磁化した少なくとも１層以上の強磁性層を含んでおり、磁化方向が固定されるように構成されている。なお、本明細書では、参照層１２及び記録層１４が複数の強磁性層を有している場合において、単に参照層１２及び記録層１４の磁化又は磁化方向といったときは、各層の、トンネル接合層１３に隣接する強磁性層の磁化又は磁化方向を意味している。

【0020】

図１では、第１強磁性層２４が、基板２に対して鉛直上向き（以下、単に上向きという）に磁化しており、参照層１２が、基板２に対して鉛直下向き（以下、単に下向きという）に磁化している場合を例として示している。さらに図１では、第１強磁性層２４の磁化を磁化２４Ｍとして白抜きの矢印で表しており、参照層１２の磁化を磁化１２Ｍとして黒塗り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。図１に示す例では、第１強磁性層２４の磁化２４Ｍの向きと参照層１２の磁化１２Ｍの向きとが反平行である。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度異なることをいう。また、黒塗り矢印は、磁化方向が固定されていることを意味しており、白抜き矢印は、磁化方向が反転可能であることを意味している。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、本明細書の他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。

【0021】

本発明のトンネル接合積層膜１には、種々のバリエーションがあり、以下では、実施形態として、トンネル接合積層膜１の各種バリエーションについて説明する。

【0022】

（１）第１実施形態
（１－１）第１実施形態のトンネル接合積層膜の構成
第１実施形態のトンネル接合積層膜は、図１に示したトンネル接合積層膜１の記録層１４を、Ｈｆ層２５が強磁性層に挟まれた構成としたものである。図１と同じ構成には同じ番号を付した図２に示すように、第１実施形態のＭＴＪ膜１ａは、参照層１２と、トンネル接合層１３と、記録層１４ａと、記録層１４ａに隣接する酸素原子（以下、単にＯと表記する）を含む非磁性層２７とを備えている。記録層１４ａは、第１強磁性層２４と、Ｈｆ層２５と、ホウ素を含み、垂直磁化膜である第２強磁性層２６とを有する多層膜であり、第１強磁性層２４がトンネル接合層１３とハフニウム層２５に隣接し、ハフニウム層２５が第２強磁性層２６に隣接し、第２強磁性層２６がＯを含む非磁性層２７に隣接している。

【0023】

参照層１２は、Ｃｏ（コバルト）／Ｐｔ（プラチナ）多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ（パラジウム）多層膜及びＣｏ／Ｎｉ（ニッケル）多層膜、Ｃｏ／Ｉｒ（イリジウム）多層膜などのＣｏ層を含む多層膜、Ｍｎ－Ｇａ（マンガン―ガリウム）、Ｍｎ－Ｇｅ（ゲルマニウム）及びＦｅ（鉄）－Ｐｔなどの規則合金又はＣｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ（クロム）－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｐｔ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ及びＣｏＢなどのＣｏを含む合金などでなる強磁性層で構成される。

【0024】

なお、参照層１２は、複数の強磁性層を含んでいてもよく、強磁性層／非磁性結合層／強磁性層のような多層構造をしていてもよい。この場合、非磁性結合層は、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）及びＲｅ（レニウム）などの非磁性体で形成される。このような多層構造にすることで、２つの強磁性層の磁化を層間相互作用により反強磁性的に結合でき、参照層１２の磁化方向を固定することができる。

【0025】

また、参照層１２とトンネル接合層１３の界面で界面磁気異方性を生じさせ、参照層１２の磁化方向を膜面に対して垂直にするために、参照層１２を構成する強磁性層（参照層１２が多層構造の場合はトンネル接合層１３に隣接する強磁性層）を、Ｂ（ホウ素）を含む強磁性材料、特にＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢで形成するのが好ましい。参照層１２が多層構造の場合、参照層１２は、例えば、強磁性層／非磁性結合層／強磁性層／Ｔａ（タンタル）、Ｗ（タングステン）又はＭｏ（モリブデン）でなる交換結合層／ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢでなる強磁性層（トンネル接合層１３に隣接）などの多層構造とする。

【0026】

このように、Ｔａ、Ｗ又はＭｏでなる交換結合層を挿入することで、交換結合層上に積層するＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢでなる強磁性層をアモルファス強磁性層とすることができるので、さらに望ましい。なお、アモルファス強磁性層とは、アモルファスが支配的である強磁性層を意味し、一部に結晶が含まれていてもよい。参照層１２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。参照層１２の厚さは、特に限定されないが、界面磁気異方性に起因する垂直磁化を利用するのであれば、５．０ｎｍ以下の厚さが好ましく、３．０ｎｍ以下、さらに１.６ｎｍ以下がより好ましい。

【0027】

また、アモルファス層上に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、参照層１２に隣接してＭｇＯ（１００）でなるトンネル接合層１３を形成しやすくなるので、この点からも参照層１２の最もトンネル接合層１３側の層（例えば最上面）をＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢで形成するのが望ましい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなるトンネル接合層１３をアモルファス強磁性層上に（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。

【0028】

なお、界面磁気異方性ではなく、結晶磁気異方性又は形状磁気異方性によって、参照層１２の磁化方向を垂直方向と磁化１２Ｍの向きを垂直方向に固定するようにしてもよい。

【0029】

この場合、参照層１２は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＭｎを少なくとも１つ以上含む合金でなる強磁性層で構成されるのが望ましい。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（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｐ（リン）、Ａｌ（アルミニウム）及びＳｉ（シリコン）などの元素が多少含まれていてもかまわない。

【0030】

トンネル接合層１３は、参照層１２に隣接して形成されている。トンネル接合層１３は、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＭｇＡｌＯなどのＯを含む非磁性材料、特にＭｇＯ（１００）で形成されるのが望ましい。また、トンネル接合層１３の厚さは、０．１ｎｍ～２．５ｎｍ、望ましくは、０．５ｎｍ～１．５ｎｍである。

【0031】

記録層１４ａは、トンネル接合層１３に隣接する第１強磁性層２４と、第１強磁性層２４に隣接するＨｆ層２５と、Ｈｆ層２５に隣接する第２強磁性層２６とで構成された多層膜である。記録層１４ａは、第１強磁性層２４の磁化２４Ｍ及び第２強磁性層２６の磁化２６Ｍが強磁性的に結合した強磁性結合構造をしている。そのため、第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６は、層間相互作用によって磁化が強磁性的に結合しており、磁化方向が平行となる。

【0032】

また、本実施形態では、記録層１４ａの最もトンネル接合層１３側の第１強磁性層２４とトンネル接合層１３の界面で界面磁気異方性が生じるように、第１強磁性層２４の材質と厚さを選定し、第１強磁性層２４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。そのため、第１強磁性層２４は、膜面に対して垂直な方向に磁化している垂直磁化膜である。そして、第２強磁性層２６は、磁化方向が層間相互作用によって第１強磁性層２４と平行となるので、膜面に対して垂直な方向に磁化している垂直磁化膜である。第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６は、磁化方向が固定されておらず、磁化方向が基板２に対して上向きと下向きとの間で反転可能である。第１強磁性層２４と第２強磁性層２６の磁化方向は、連動して反転し、後述するスピントルクにより第１強磁性層２４の磁化方向が反転すると第２強磁性層２６の磁化方向も反転する。

【0033】

第１強磁性層２４は、第１強磁性層２４に界面磁気異方性を生じさせるために、Ｂを含む強磁性材料、特にＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢで形成されている。第２強磁性層２６は、後述するＯを含む非磁性層２７との界面で界面磁気異方性を生じさせ、膜面に対して垂直に磁化し易くするために、第１強磁性層２４と同様に、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢなどのＢを含む強磁性材料で形成されるのが好ましい。又は、第２強磁性層２６は、Ｏを含む非磁性層２７と隣接する位置に、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢなどのＢを含む強磁性材料で形成された層を有する多層膜であることが好ましい。なお、第２強磁性層２６は、例えば、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、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｐｔ、ＣｏＦｅＢ及びＣｏＢなどのＣｏを含む合金などで構成されていてもよい。

【0034】

第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６の厚さは、特に限定されないが、界面磁気異方性に起因する垂直磁化を利用するのであれば、それぞれ５．０ｎｍ以下の厚さが好ましく、３．０ｎｍ以下、さらに１．６ｎｍ以下の厚さがより好ましい。第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６の厚さは、特に、０．５ｎｍ～４．０ｎｍの厚さが好ましい。また、第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６は、双方の厚さの合計が２．０ｎｍ以上であることが好ましい。

【0035】

Ｈｆ層２５は、第１強磁性層２４と第２強磁性層２６とに隣接して設けられている。Ｈｆ層２５は、ハフニウムで形成された薄膜である。Ｈｆ層２５は、記録層１４ａを強磁性結合構造にする（第１強磁性層２４の磁化２４Ｍと第２強磁性層２６の磁化２６Ｍとを層間相互作用によって強磁性的に結合させる）非磁性結合層としての機能を有している。

【0036】

また、記録層１４ａは、ホウ素を含む第１強磁性層２４と隣接するＨｆ層２５を有することで、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できる。さらに、Ｈｆ層２５は、Ｔａ、Ｗ又はこれらの合金などで構成された非磁性結合層を用いた場合と比較して、後述の熱処理の過程で第１強磁性層２４のホウ素が非磁性結合層内に拡散し難い。よって、Ｈｆ層２５を用いることで熱処理に伴う第１強磁性層２４のホウ素の拡散を抑制でき、Ｈｆ層２５に隣接する第１強磁性層２４の飽和磁化Ｍｓが熱処理により増大するのを抑制でき、第１強磁性層２４の垂直方向の反磁界が増大することも抑制できる。その結果、Ｈｆ層２５を有さない場合より、熱処理によって垂直磁気異方性の大きさをより向上でき、第１強磁性層２４を垂直方向に磁化し易くできる。そのため、第１強磁性層２４の垂直磁化膜としての熱安定性を向上できる。また、第１強磁性層２４をより厚い垂直磁化とすることができるので、より熱安定性を向上できる。さらに、第１実施形態では、Ｈｆ層２５が、第１強磁性層２４が隣接する面と対向する面に第２強磁性層２６が隣接しているので、第２強磁性層２６側にも同様の効果が生じ、さらに熱安定性を向上できる。

【0037】

また、Ｈｆは、ＴａやＷと比較して、熱によるＨｆ原子の原子拡散が生じにくい。そのため、層間相互作用を導入するための非磁性結合層としてＨｆ層２５を用いることで、Ｔａ、Ｗ又はこれらの合金などで構成された非磁性結合層を用いた場合より、熱処理による非磁性結合層から第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６への非磁性結合層を構成する原子の原子拡散を抑制できる。即ち、Ｈｆ層２５の代わりにＴａ層あるいはＷ層が挿入されたとき、ＣｏＦｅＢ（第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６）と、ＴａあるいはＷとの間で、大きく拡散が発生する。これに対して、Ｈｆ層２５が挿入されたとき、ＣｏＦｅＢ（第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６）とＨｆとの間での拡散が小さく抑制される。ＣｏＦｅＢとＴａ、Ｗ、あるいはＨｆとの間の拡散において、原子番号が小さいＣｏやＦｅの場合に、それよりも原子番号が大きいＷ、Ｔａ、Ｈｆ等の重金属が混ざると、ダンピング定数が大きくなることが知られている。重金属の拡散量が小さい、つまり磁気デッドレイヤーが小さくなる重金属を選択することが好適である。非磁性結合層（Ｈｆ層、Ｔａ層、Ｗ層）の膜厚ｔが０．３ｎｍ以上では、Ｈｆ層が挿入された場合の方が、Ｔａ層あるいはＷ層が挿入された場合に比べて拡散が抑えられ、ＣｏＦｅＢのダンピング定数αの増大も抑えられる。このため、Ｈｆ層が挿入された場合の方が、書き込み電流Ｉ_ＣＯが小さくなり、好ましい。

【0038】

よって、ＭＴＪ膜１ａの記録層１４ａは熱安定性が高い。そのため、このようなＭＴＪ膜１ａを用いて磁気メモリ素子１００を作製することで、不揮発性の高い磁気メモリ素子１００を提供できる。

【0039】

なお、Ｈｆ層２５は、Ｚｒ（ジルコニウム）を含んでいてもよい。Ｈｆ層２５は、厚さが０．２ｎｍ以上、０．９ｎｍ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２５を層状に形成するには０．２ｎｍ程度の厚さが必要である。０．３ｎｍ以上とすることで、ＴａやＷと比較したときの第１強磁性層２４からのホウ素の拡散防止の効果が大きくなる。ＭＴＪのエッチング加工性を考慮すると総計の膜厚は薄い程好ましく、Ｈｆ層２５の厚さを０．７ｎｍより厚くしてもＨｆ層２５に隣接する第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６の垂直磁気異方性があまり向上しないので、Ｈｆ層２５の膜厚は０．７ｎｍ以下とすることが好ましい。ウェハー全体の膜厚均一性を確保することを考慮すると、Ｈｆ層２５の膜厚は０．９ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0040】

Ｏを含む非磁性層２７は、酸素を含む非磁性体から成ることが好ましく、例えば、ＭｇＯ、ＭｇＯＴｉ、ＭｇＯＴｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＺｎＯなどから成っている。Ｏを含む非磁性層２７は、隣接する記録層１４ａ（第１実施形態では第２強磁性層２６）との界面に界面磁気異方性を生じさせ、記録層１４ａを膜面に対して垂直方向に磁化させ易くできる。第１実施形態では、Ｏを含むトンネル接合層１３と、Ｏを含む非磁性層２７とで記録層１４ａを挟んだ二重界面構造とすることができる。これにより、トンネル接合層１３と記録層１４ａとの界面及び記録層１４ａとＯを含む非磁性層２７との界面のそれぞれに界面磁気異方性を生じさせることができ、記録層１４ａの膜厚を大きくして、熱安定性を高めることができる。Ｏを含む非磁性層２７の厚さは、特に限定されないが、１０ｎｍ以下の厚さが好ましく、５ｎｍ以下の厚さが特に好ましい。また、Ｏを含む非磁性層２７は、トンネル接合層１３の厚さと同じか、それ以下の厚さであることが好ましい。

【0041】

なお、Ｏを含む非磁性層２７は、導電性酸化物膜から成っていてもよい。導電性酸化物膜は、例えば、（１）ＲｕＯ_２、ＶＯ_２、ＣｒＯ_２、ＮｂＯ_２、ＭｏＯ_２、ＷＯ_２、ＲｅＯ_２、ＲｈＯ_２、ＯｓＯ_２、ＩｒＯ_２、ＰｔＯ_２、Ｖ_３Ｏ_５、Ｔｉ_３Ｏ_５などのルチル－ＭｏＯ_２型酸化物、（２）ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ、ＬａＯ、ＮｄＯ、ＳｍＯ、ＥｕＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＮｉＯなどのＮａＣＩ型酸化物、（３）ＬｉＴｉ_２Ｏ_４、ＬｉＶ_２Ｏ_４、Ｆｅ_３Ｏ_４などのスピネル型酸化物、（４）ＲｅＯ_３、ＣａＣｒＯ_３、ＳｒＣｒＯ_３、ＢａＭｏＯ_３、ＳｒＭｏＯ_３、ＣａＭｏＯ_３、ＬａＣｕＯ_３、ＣａＲｕＯ_３、ＳｒＶＯ_３、ＢａＴｉＯ_３などのペロブスカイト－ＲｅＯ_３型酸化物、（５）Ｔｉ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_３、Ｒｈ_２Ｏ_３などのコランダム型酸化物、（６）ＺｎＯ、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２、Ｃｕ_２Ｏ、Ａｇ_２Ｏ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＷＯ_３などの酸化物半導体、または、（７）ＴａＯ_２などである。

【0042】

ＭＴＪ膜１ａは、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）などの一般的な成膜手法と、リソグラフィ技術などにより作製される。例えば、まず、電極などが形成された基板（図２には不図示）上に下地層（図２には不図示）を成膜後、下地層上に、参照層１２を成膜する。次に、参照層１２上に、トンネル接合層１３を成膜する。最後に、トンネル接合層１３上に、第１強磁性層２４、Ｈｆ層２５、第２強磁性層２６の順に成膜して記録層１４ａを作製し、記録層１４ａ上にＯを含む非磁性層２７を成膜する。その後、後述する熱処理工程と成形工程とを経て、ＭＴＪ膜１ａは作製される。

【0043】

（１－２）第１実施形態のトンネル接合積層膜の一例
以下、図３を参照して、本発明の第１実施形態のトンネル接合積層膜１ａの具体的な一例を説明する。図３に示す具体例では、トンネル接合積層膜１ａは、基板２上に形成され、参照層１２に電気的に接続された第１端子１０と、記録層１４ａに電気的に接続された第２端子１６とが設けられ、２端子の磁気メモリ素子として構成されている。また、トンネル接合積層膜１ａは、第１端子１０と参照層１２の間に下地層１１が設けられ、第２端子１６とＯを含む非磁性層２７の間にキャップ層１５が設けられている。

【0044】

このように、第１端子１０が参照層１２に電気的に接続され、第２端子１６が記録層１４ａに電気的に接続されているので、第１端子１０と第２端子１６の間でＭＴＪ膜１ａを貫通して電流を流すことができる。そのため、第１端子１０と第２端子１６との間に流す電流によって、ＭＴＪ膜１ａの記録層１４ａの磁化方向を反転させ、ＭＴＪ膜１ａを平行状態と反平行状態の間で遷移させてデータを記憶する磁気メモリ素子としてのＳＴＴ－ＭＲＡＭ素子として用いることができる。また、参照層１２が記録層１４ａより基板２側に配置されており、所謂Bottom-pinned構造をしている。

【0045】

基板２は、例えば、表面にＳｉＯ_２膜が形成されたＳｉ基板などで構成され、トランジスタや多層の配線層を含んだ構造を有する。第１端子１０は、基板２表面上に形成され、第２端子１６は、キャップ層１５上に形成されている。第１端子１０及び第２端子１６は、例えばＣｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）及びＡｕ（金）などの導電性を有する金属又はこれらの金属の化合物で形成された導電層である。第１端子１０は厚さ２０～５０ｎｍ程度であり、第２端子１６は厚さ１０～１００ｎｍ程度である。便宜上、図３には示していないが、この例では、基板２表面上に形成された第１端子１０が基板２に形成された電界効果型のトランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）１１１（図４、図５参照）に接続され、第２端子１６が後述のビット線ＢＬ１に接続されている（図４、図５参照）。なお、基板２は、第１端子１０を含むこともできる。

【0046】

下地層１１は、第１端子１０上に形成されている。下地層１１は、トンネル接合積層膜１ａを積層するための下地となる層であり、表面が平坦に形成されている。下地層１１は、例えば、厚さ５ｎｍ程度のＴａの層から構成される。下地層１１は、Ｃｕ、ＣｕＮ（窒化銅）、Ａｕ、Ａｇ（銀）、Ｒｕなどの金属材料、それらの合金などから構成されてもよい。下地層１１は、複数の金属材料の層を積層した構造、例えばＴａ層／Ｒｕ層／Ｔａ層といった構造であってもよい。また、下地層１１を形成しなくてもよい。

【0047】

トンネル接合積層膜１ａは、参照層１２と、トンネル接合層１３と、記録層１４ａと、Ｏを含む非磁性層２７で構成され、下地層１１上にこの順に積層されている。図３に示す例では、参照層１２は、［Ｃｏ／Ｐｔ］_ｎ／Ｃｏ多層膜でなる強磁性層／Ｒｕでなる非磁性結合層／［Ｃｏ／Ｐｔ］_ｍ／Ｃｏ多層膜でなる強磁性層／Ｔａ又はＷでなる交換結合層／ＣｏＦｅＢでなる強磁性層で構成された多層構造をしている。なお、［Ｃｏ／Ｐｔ］_ｎは、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜がｎ回繰り返し積層されていることを意味しており、［Ｃｏ／Ｐｔ］_ｎ／Ｃｏ多層膜は、最下層の膜と最上層の膜とがＣｏであることを意味している。［Ｃｏ／Ｐｔ］_ｍ／Ｃｏ多層膜についても同様である。

【0048】

参照層１２では、後述するようにトンネル接合層１３がＭｇＯで構成されているため、界面磁気異方性によりＣｏＦｅＢでなる強磁性層が垂直磁化膜となっている。そのため、［Ｃｏ／Ｐｔ］_ｍ／Ｃｏ多層膜でなる強磁性層が、ＣｏＦｅＢでなる強磁性層と層間相互作用によって磁気的に結合し、垂直磁化膜となっている。さらに、［Ｃｏ／Ｐｔ］_ｍ／Ｃｏ多層膜でなる強磁性層と［Ｃｏ／Ｐｔ］_ｎ／Ｃｏ多層膜でなる強磁性層とは、Ｒｕ層によって反強磁性的に磁化が結合し、磁化方向が反平行となっている。

【0049】

参照層１２は、例えば、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）／Ｔａ（０．４ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２５ｎｍ）／Ｐｔ（０．８ｎｍ）］_３／Ｃｏ（１．０ｎｍ）／Ｒｕ（０．８５ｎｍ）／Ｃｏ（１．０ｎｍ）／［Ｃｏ（０．２５ｎｍ）／Ｐｔ（０．８ｎｍ）］_１３（Ｃｏ層（１．０ｎｍ）にはＰｔ層（０．８ｎｍ）が隣接）とすることができる。

【0050】

トンネル接合層１３は、１．５ｎｍの厚さのＭｇＯで形成されている。

【0051】

記録層１４ａは、ＣｏＦｅＢでなる第１強磁性層２４と、Ｈｆ層２５と、ＣｏＦｅＢでなる第２強磁性層２６とで構成され、トンネル接合層１３上にこの順に積層されている。例えば、記録層１４ａは、ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）／Ｈｆ（０．７ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）とすることができる。

【0052】

Ｏを含む非磁性層２７は、ＭｇＯで形成されている。この例では、Ｏを含む非磁性層２７とトンネル接合層１３とがＭｇＯで形成されており、記録層１４ａが二重界面構造となっている。Ｏを含む非磁性層２７の厚さは、例えば、１ｎｍとすることができる。

【0053】

キャップ層１５は、Ｏを含む非磁性層２７上に形成されている。キャップ層１５は、例えばＴａ又はＷで形成され、導電性を有している。キャップ層１５の厚さは、例えば、１．０ｎｍとすることができる。なお、キャップ層１５を設けなくてもよい。

【0054】

図３に示す磁気メモリ素子は、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）などの一般的な成膜手法と、リソグラフィ技術などにより作製される。まず、基板２の表面上に、第１端子１０、下地層１１、ＭＴＪ膜１ａ、キャップ層１５、第２端子１６の順に積層し、３００℃～４００℃程度の温度で熱処理して多層膜を作製する。その後、多層膜がリソグラフィ技術などによりピラー形状に成形されて、磁気メモリ素子１００が作製される。ピラーの形状は、円柱形状や四角柱、多角柱など種々の形状とすることができる。

【0055】

（１－３）磁気メモリ素子の書き込み方法及び読み出し方法
ＭＴＪ膜１ａを用いた磁気メモリ素子の書き込み方法について、図２と同じ構成には同じ番号を付した図４Ａ、図４Ｂを参照して説明する。図４Ａに示すように、磁気メモリ素子１００は、参照層１２に下地層１１を介して電気的に接続された第１端子１０と、記録層１４にＯを含む非磁性層１７及びキャップ層１５を介して電気的に接続された第２端子１６とを備える２端子のメモリである。磁気メモリ素子１００は、記録層１４ａと参照層１２の磁化方向が、平行か、反平行かによって、ＭＴＪ膜１ａの抵抗値が変化する。記録層１４ａと参照層１２とが多層膜である場合、磁気メモリ素子１００は、記録層１４ａ及び参照層１２の強磁性層の内、トンネル接合層１３と隣接する強磁性層同士（例えば、記録層の１４ａの第１強磁性層２４と参照層１２）の磁化方向が、平行か、反平行かによってＭＴＪ膜１ａの抵抗値が変わる。

【0056】

よって本明細書では、記録層１４ａと参照層１２が平行状態といった場合は、トンネル接合層１３と隣接する強磁性層同士の磁化方向が平行な状態であることも指し、記録層１４ａと参照層１２が反平行状態といった場合は、トンネル接合層１３と隣接する強磁性層同士の磁化方向が反平行な状態であることも指すものとする。

【0057】

磁気メモリ素子１００では、平行状態と反平行状態とでＭＴＪ膜１ａ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１４ａの磁化方向が反転可能なので、記録層１４ａの磁化方向を反転させることで、ＭＴＪ膜１ａ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膜１ａに“１”を記憶させ、“１”を記憶したＭＴＪ膜１ａに“０”を記憶させる。本明細書では、このように、記録層１４ａの磁化方向を反転させてＭＴＪ膜１ａ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。

【0058】

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。図４Ａ、図４Ｂでは、磁気メモリ素子１００の第１端子１０が電界効果型のトランジスタ１１１のドレインに接続され、第２端子１６がビット線ＢＬ１に接続されている。トランジスタ１１１は、ゲートがワード線ＷＬ１に接続されソースがソース線ＳＬ１に接続されている。そのため、ワード線ＷＬ１からトランジスタ１１１のゲートに所定の電圧を印加してトランジスタ１１１をオンにすると、ビット線ＢＬ１とソース線ＳＬ１との間の電位差に応じて、第１端子１０から第２端子１６へ又は第２端子１６から第１端子１０へＭＴＪ膜１ａを貫通する書き込み電流Ｉｗを流すことができる。なお、図４Ａ、図４Ｂでは、便宜上、基板２を省略しているが、実際には、基板２にトランジスタ１１１が形成されている。

【0059】

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。ここでは、図４Ａに示すように、磁気メモリ素子１００が、記録層１４ａの磁化方向が上向きで、参照層１２の磁化方向が下向きであり、ＭＴＪ膜１ａが反平行状態でデータ“１”を記憶している状態を初期状態とする。そして、トランジスタ１１１はオフにされているものとする。

【0060】

まず、ビット線ＢＬ１を書き込み電圧Ｖｗに設定する。その後、ワード線ＷＬ１をハイレベルに設定し、トランジスタ１１１をオンにする。このとき、ビット線ＢＬ１から書き込み電圧Ｖｗを印加された第２端子１６の方が第１端子１０よりも電圧が高いので、書き込み電流Ｉｗが第２端子１６から第１端子１０へ、ＭＴＪ膜１ａを貫通して流れる。

【0061】

書き込み電流Ｉｗが記録層１４ａから参照層１２へと流れるので、電子が参照層１２から記録層１４ａへと流れる。参照層１２と記録層１４ａの磁化方向が反平行であるので、この電子の流れによって記録層１４ａの磁化方向と反平行のスピンが記録層１４ａに流入する。記録層１４ａに流入したスピンが記録層１４ａの磁化方向と反平行なので、流入したスピンによって記録層１４ａの磁化方向を反転させるようにトルクが働く。このトルクによって記録層１４ａの磁化方向が反転してＭＴＪ膜１ａが平行状態となり、データ“０”が記憶される。実際には記録層１４ａが強磁性結合構造をしているので、トンネル接合層１３に隣接する第１強磁性層２４の磁化方向が流入したスピンにより反転し、それに合わせて、第１強磁性層２４の磁化２４Ｍと強磁性的に結合している第２強磁性層２６の磁化２６Ｍも反転する。トランジスタ１１１をオンにしてから所定時間経過後、ワード線ＷＬ１がローレベルに設定されてトランジスタ１１１をオフにし、ビット線ＢＬ１を降圧させ、書き込み電流Ｉｗを停止する。

【0062】

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。ここで、図４Ｂに示すように、磁気メモリ素子１００が、記録層１４ａの磁化方向が下向きで、参照層１２の磁化方向が下向きであり、ＭＴＪ膜１ａが平行状態でデータ“０”を記憶している状態を初期状態とする。そして、トランジスタ１１１はオフにされているものとする。

【0063】

まず、ソース線ＳＬを書き込み電圧Ｖｗに設定する。その後、ワード線ＷＬ１をハイレベルに設定し、トランジスタ１１１をオンにする。このとき、ソース線ＳＬ１から書き込み電圧Ｖｗを印加された第１端子１０の方が第２端子１６よりも電圧が高いので、書き込み電流Ｉｗが第１端子１０から第２端子１６へ、ＭＴＪ膜１ａを貫通して流れる。

【0064】

書き込み電流Ｉｗが参照層１２から記録層１４ａへと流れるので、電子が記録層１４ａから参照層１２へと流れる。参照層１２と記録層１４ａの磁化方向が平行であるので、この電子の流れによって参照層１２の磁化方向と平行のスピンが参照層１２に流入する。一方で、記録層１４ａには、参照層１２の磁化方向と平行ではないスピンも存在し、当該スピンは、トンネル接合層１３と参照層１２の界面で散乱され、記録層１４ａに再度流入する。この記録層１４ａに再流入したスピンは、記録層１４ａの磁化方向と異なる方向を向いているので、記録層１４ａの磁化（第１強磁性層２４の磁化２４Ｍ）にトルクを及ぼす。このトルクによって記録層１４ａの磁化方向が反転してＭＴＪ膜１ａが反平行状態となり、データ“１”が記憶される。実際には記録層１４ａが強磁性結合構造をしているので、第１強磁性層２４の磁化反転に合わせて第２強磁性層２６の磁化方向も反転する。トランジスタ１１１をオンにしてから所定時間経過後、ワード線ＷＬ１がローレベルに設定されてトランジスタ１１１をオフにし、ソース線ＳＬ１を降圧し、書き込み電流Ｉｗを停止する。

【0065】

このように、磁気メモリ素子１００では、第１端子１０と第２端子１６の間でＭＴＪ膜１ａを貫通する書き込み電流Ｉｗを流すことで、記録層１４ａ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。

【0066】

続いて読み出し方法について説明する。図４Ａを参照して、データ“１”を記憶している磁気メモリ素子１００からデータを読み出す場合を例として説明する。この場合、初期状態では、図４Ａに示すように、磁気メモリ素子１００は、記録層１４ａの磁化方向が上向きで、参照層１２の磁化方向が下向きであり、ＭＴＪ膜１ａが反平行状態でデータ“１”を記憶している。そして、トランジスタ１１１はオフにされているものとする。

【0067】

まず、ビット線ＢＬ１を読み出し電圧Ｖｒに設定する。読み出し電圧Ｖｒは、書き込み電圧Ｖｗよりも低い電圧であり、記録層１４ａの磁化方向が反転しない電圧に設定される。その後、ワード線ＷＬ１をハイレベルに設定し、トランジスタ１１１をオンにする。このとき、ビット線ＢＬ１から読み出し電圧Ｖｒを印加された第２端子１６の方が第１端子１０よりも電圧が高いので、読み出し電流Ｉｒが第２端子１６から第１端子１０へ、ＭＴＪ膜１ａ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。よって、読み出し電流Ｉｒの大きさから、データ“１”を読み出すことができる。トランジスタ１１１をオンにしてから所定時間経過後、ワード線ＷＬ１がローレベルに設定されてトランジスタ１１１をオフにし、ビット線ＢＬ１を降圧し、読み出し電流Ｉｒを停止する。

【0068】

データ“０”を記憶している磁気メモリ素子１００からデータを読み出す場合も、同じ方法により、記憶されたデータを読み出すことができるので、説明は省略する。なお、第１端子１０から第２端子１６へ読み出し電流Ｉｒを流しても、同様に、読み出し電流Ｉｒの電流値から磁気メモリ素子１００に記憶されたデータを読み出すことができる。

【0069】

（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と当該磁気メモリセル回路を集積した磁気メモリとについて、図４Ａと同じ構成には同じ符号を付した図５を参照して説明する。図５に示す点線で囲まれた領域は、１ビット分の磁気メモリセル回路３００である。この磁気メモリセル回路３００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、ビット線ＢＬ１と、ソース線ＳＬ１と、ワード線ＷＬ１と、トランジスタ１１１とを備える。図５では、便宜上、磁気メモリ素子１００を模式的に示している。

【0070】

次に、磁気メモリ２００について説明する。磁気メモリ２００は、複数のビット線と、複数のソース線と、複数のワード線と、複数の磁気メモリセル回路３００と、Ｘドライバ２０３と、Ｙドライバ２０２と、コントローラ２０１とを備えている。図５では、便宜上、２つのビット線ＢＬ１、ＢＬ２、２つのソース線ＳＬ１、ＳＬ２、３つのワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３のみ示している。磁気メモリセル回路３００は、ビット線及びソース線と、ワード線との交点近傍にそれぞれ配置されている。

【0071】

Ｘドライバ２０３は、複数のビット線（ＢＬ１、ＢＬ２）と、複数のソース線（ＳＬ１、ＳＬ２）とが接続されており、コントローラ２０１から受信したアドレスをデコードして、アクセス対象の行のビット線又はソース線に書き込み電圧Ｖｗ又は読み出し電圧Ｖｒを印加する。また、Ｘドライバ２０３は、電流検出器（図５には不図示）を備えており、選択した磁気メモリセル回路３００の磁気メモリ素子１００を流れる読み出し電流Ｉｒを検出し、磁気メモリ素子１００に記憶されたデータを読み出すことができる。

【0072】

Ｙドライバ２０２は、複数のワード線（ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３）が接続されており、コントローラ２０１受信したアドレスをデコードして、アクセス対象の列のワード線の電圧をハイレベル又はローレベルに設定する。

【0073】

コントローラ２０１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２０３とＹドライバ２０２のそれぞれを制御する。コントローラ２０１は、書き込みをしたい磁気メモリセル回路３００のアドレスをＸドライバ２０３とＹドライバ２０２とに送信し、書き込みたいデータを表すデータ信号をＸドライバに送信する。Ｘドライバ２０３は、受信したアドレスに基づいてビット線とソース線を選択し、受信したデータ信号に基づいてビット線又はソース線のいずれかに書き込み電圧Ｖｗを印加する。Ｙドライバ２０２は、受信したアドレスに基づいてワード線を選択し、当該ワード線の電圧をハイレベルに設定する。これらのＸドライバ２０３及びＹドライバ２０２の動作により、コントローラ２０１に選択された磁気メモリセル回路３００の磁気メモリ素子１００に書き込み電流Ｉｗが流れ、データが書き込まれる。

【0074】

コントローラ２０１は、読み出したい磁気メモリセル回路３００のアドレスをＸドライバ２０３とＹドライバ２０２に送信する。Ｘドライバ２０３は、受信したアドレスに基づいて、ビット線とソース線を選択し、ビット線又はソース線のいずれかに読み出し電圧Ｖｒを印加する。Ｙドライバ２０２は、受信したアドレスに基づいてワード線を選択し、当該ワード線の電圧をハイレベルに設定する。これらのＸドライバ２０３及びＹドライバ２０２の動作により、コントローラ２０１に選択された磁気メモリセル回路３００の磁気メモリ素子１００に読み出し電流Ｉｒが流れ、Ｘドライバ２０３で読み出し電流Ｉｒが検出されて、データが読み出される。

【0075】

（１－５）作用及び効果
以上の構成において、第１実施形態のトンネル接合積層膜１ａは、ホウ素を含む第１強磁性層２４を有する記録層１４ａと、記録層１４ａに隣接するトンネル接合層１３と、トンネル接合層１３に隣接する参照層１２とを備え、第１強磁性層２４及び参照層１２が膜面に対して垂直な方向に磁化しており、記録層１４ａが、第１強磁性層２４に隣接するハフニウム層２５を有するように構成した。

【0076】

よって、トンネル接合積層膜１ａは、記録層１４ａが第１強磁性層２４に隣接するハフニウム層２５を有するので、第１強磁性層２４の垂直磁気異方性を向上でき、その結果、ハフニウム層２５に隣接する第１強磁性層２４の磁化の熱安定性が向上し、記録層１４ａの熱安定性が高い。よって、熱安定性が高いトンネル接合積層膜１ａを提供でき、ひいては、熱安定性の高いトンネル接合積層膜１ａを磁気メモリ素子１００や磁気メモリ２００に用いることで、不揮発性の高い磁気メモリ素子１００及び磁気メモリ２００を提供できる。

【0077】

さらにトンネル接合積層膜１ａは、記録層１４ａが、ホウ素を含む第２強磁性層２６を有し、トンネル接合層１３が第１強磁性層２４に隣接し、第１強磁性層２４がハフニウム層２５に隣接し、ハフニウム層２５が第２強磁性層２６に隣接し、第２強磁性層２６がＯ（酸素原子）を含む非磁性層２７に隣接するように構成することで、第２強磁性層２６の垂直磁気異方性を向上でき、第２強磁性層２６の熱安定性が向上し、記録層１４の熱安定性をさらに高めることができる。その結果、より熱安定性の高いトンネル接合積層膜１ａを提供できる。

【0078】

（２）第２実施形態
（２－１）第２実施形態のトンネル接合積層膜
第２実施形態のトンネル接合積層膜は、第１実施形態のトンネル接合積層膜とは、記録層の構成が異なる。その他の構成や書き込み・読み出し動作などは、第１実施形態と同じであるので、記録層１４の構成を中心に説明する。

【0079】

図１と同じ構成には同じ番号を付した図６に示すように、第２実施形態のトンネル接合積層膜（ＭＴＪ膜）１ｂの記録層１４は、トンネル接合層１３に隣接する第１強磁性層２４と、第１強磁性層２４に隣接するＨｆ層２５とで構成されている。さらに、第２実施形態では、ＭＴＪ膜１ｂは、記録層１４のＨｆ層２５に隣接するキャップ層１５を備えている。

【0080】

第１強磁性層２４は、トンネル接合層１３上に、厚さが１．０ｎｍ～４．０ｎｍ程度に形成され、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢなどのＢを含む強磁性材料で形成されている。第２実施形態では、第１強磁性層２４が、１層の強磁性層により構成されていてもよく、例えば、強磁性層／非磁性結合層／強磁性層などの多層構造や、異なる材料で構成された層が交互に積層された多層構造であってもよい。図６中の白抜き矢印は、第１強磁性層２４の磁化２４Ｍの方向を表している。図６では、磁化２４Ｍが膜面に対して垂直方向を向いており、第１強磁性層２４が垂直磁化膜であることを表している。なお、第１強磁性層２４が多層構造をしている場合は、図６中の磁化２４Ｍは、トンネル接合層１３に隣接する強磁性層の磁化方向を表している。

【0081】

第２実施形態では、Ｈｆ層２５は、多層構造の記録層１４内で、記録層１４が隣接するトンネル接合層１３から最も離れた位置に配置されており、第１強磁性層２４に隣接する面と対向する面がキャップ層１５に隣接している。Ｈｆ層２５は、その厚さが０．２ｎｍ以上、０．９ｎｍ以下であることが好ましい。Ｈｆ層２５を層状に形成するには０．２ｎｍ程度の厚さが必要である。０．３ｎｍ以上とすることで、ＴａやＷと比較したときの第１強磁性層２４からのホウ素の拡散防止の効果が大きくなる。ＭＴＪのエッチング加工性を考慮すると総計の膜厚は薄い程好ましく、Ｈｆ層２５の厚さを０．７ｎｍより厚くしてもＨｆ層２５に隣接する第１強磁性層２４の垂直磁気異方性があまり向上しないので、Ｈｆ層２５の膜厚は０．７ｎｍ以下とすることが好ましい。ウェハー全体の膜厚均一性を確保することを考慮すると、Ｈｆ層２５の膜厚は０．９ｎｍ以下とすることが好ましい。さらに、第２実施形態のように、Ｈｆ層２５が記録層１４内で、トンネル接合層１３から最も離れた位置に配置されている場合、Ｈｆ層２５の厚さは、０．３ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

【0082】

さらに、第２実施形態では、キャップ層１５を例えば導電性を有するＴａ、Ｗ又はこれらの合金で構成して、ＭＴＪ膜１ｂの抵抗を増大させないようにしている。Ｏを含む非磁性層をキャップ層に用いる場合よりもＭＴＪ膜１ｂの抵抗を低下できる。

【0083】

このようなＭＴＪ膜１ｂは、ホウ素を含む第１強磁性層２４と隣接するＨｆ層２５を有することで、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できる。また、熱処理における第１強磁性層２４からＨｆ層２５やキャップ層１５へのＢの拡散を抑制できるので、第１強磁性層２４の飽和磁化Ｍｓが増大するのを抑制し、第１強磁性層２４の垂直方向の反磁界が増大することも抑制できる。その結果、垂直磁気異方性の大きさをより向上でき、第１強磁性層２４の熱安定性を向上できる。さらに、ＭＴＪ膜１ｂは、記録層１４の第１強磁性層２４とキャップ層１５との界面に、Ｈｆ層２５を有するので、熱処理におけるキャップ層１５から第１強磁性層２４へキャップ層１５を構成する原子が拡散することを、Ｈｆ層２５の代わりにＴａ層やＷ層を挿入した場合やＨｆ層２５がない場合などに比較して抑えられるので、第１強磁性層２４の飽和磁化Ｍｓが低下して熱安定性が低下することを抑制できる。よって、ＭＴＪ膜１ｂの熱安定性をさらに向上できる。

【0084】

さらに、第１強磁性層２４に隣接するＨｆ層２５自体をキャップ層１５として用いることもできる。この場合も同様に、第１強磁性層２４の垂直磁気異方性を向上でき、ＭＴＪ膜の熱安定性を向上できる。Ｈｆは導電性を有する金属であるので、Ｈｆ層２５自体をキャップ層１５として用いるようにすることでも、ＭＴＪ膜の抵抗を低くできる。

【0085】

なお、記録層１４を、第１実施形態の記録層１４ａの様に積層フェリ構造としてもよい。例えば、記録層１４をトンネル接合層１３側から、第２強磁性層／非磁性結合層／第１強磁性層の多層構造とし、第１強磁性層とキャップ層の界面にＨｆ層を挿入する（記録層１４内で、トンネル接合層１３から最も離れた位置に配置されている第１強磁性層に隣接し、当該第１強磁性層を挟んでトンネル接合層１３と向かい合うようにＨｆ層２５を設ける）。この場合も、第１強磁性層２４の垂直磁気異方性を向上できる。

【0086】

このように、ＭＴＪ膜１ｂを用いて磁気メモリ素子を作製することで、記録層３２の熱安定性が向上し、かつ、キャップ層に導電性の非磁性金属を用いることができるようになり、不揮発性が高く、抵抗の低い磁気メモリ素子を提供できる。

【0087】

（２－２）作用及び効果
以上の構成において、第２実施形態のトンネル接合積層膜１ｂは、ホウ素を含む第１強磁性層２４を有する記録層１４と、記録層１４に隣接するトンネル接合層１３と、トンネル接合層１３に隣接する参照層１２とを備え、第１強磁性層２４及び参照層１２が膜面に対して垂直な方向に磁化しており、記録層１４が、第１強磁性層２４に隣接するＨｆ層２５を有するように構成した。

【0088】

よって、トンネル接合積層膜１ｂは、記録層１４が第１強磁性層２４に隣接するＨｆ層２５を有するので、第１強磁性層２４の垂直磁気異方性を向上でき、その結果、Ｈｆ層２５に隣接する第１強磁性層２４の磁化の熱安定性が向上し、記録層１４の熱安定性が高い。よって、熱安定性が高いトンネル接合積層膜１ｂを提供でき、ひいては、熱安定性の高いトンネル接合積層膜１ｂを磁気メモリ素子や磁気メモリに用いることで、不揮発性の高い磁気メモリ素子及び磁気メモリを提供できる。

【0089】

さらに、トンネル接合積層膜１ｂは、Ｈｆ層２５が、記録層１４内で、トンネル接合層１３から最も離れた位置に配置されているように構成することで、キャップ層１５などのＨｆ層２５に隣接する層から、当該隣接する層を構成する材料の原子が第１強磁性層２４へ拡散することを抑制でき、第１強磁性層２４の飽和磁化Ｍｓが低下して熱安定性が低下することを抑制できる。よって、ＭＴＪ膜１ｂは、さらに熱安定性を向上できる。

【0090】

（３）変形例
なお、本発明は、上記の第１実施形態及び第２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。

【0091】

（変形例１）
上記の第１実施形態では、ＭＴＪ膜１ａの記録層１４ａが、第１強磁性層２４、Ｈｆ層２５、第２強磁性層２６の多層構造をしている場合について説明したが本発明はこれに限られない。図７に示すＭＴＪ膜１ｃの記録層１４ｃの様に、第１強磁性層２４と、Ｈｆ層２５と、非磁性挿入層４０と、第２強磁性層２６とで構成される多層構造をしていてもよい。

【0092】

変形例１の記録層１４ｃは、第２強磁性層２６がトンネル接合層１３に隣接し、第１強磁性層２４がＯを含む非磁性層２７に隣接している。記録層１４ｃでは、強磁性結合構造にするため非磁性結合層として、非磁性挿入層４０とＨｆ層２５との多層構造を用いており、非磁性挿入層４０が第２強磁性層２６に隣接し、Ｈｆ層２５が第１強磁性層２４に隣接している。そして、Ｈｆ層２５は、第１強磁性層２４に隣接する面と対向する面が非磁性挿入層４０に隣接している。

【0093】

変形例１では、記録層１４ｃは、Ｏを含むトンネル接合層１３と、Ｏを含む非磁性層２７とで挟まれた二重界面構造をしており、トンネル接合層１３と記録層１４ｃ（第２強磁性層２６）との界面及び記録層１４ｃ（第１強磁性層２４）とＯを含む非磁性層２７との界面のそれぞれに界面磁気異方性を生じている。これにより、記録層１４ｃの第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６を垂直磁化膜としている。変形例１では、第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６が、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又ＣｏＢなどのＢを含む強磁性材料で形成されている。非磁性挿入層４０は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの合金で形成されており、０．２～１ｎｍ程度の厚さである。なお、第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６は、単層であっても、多層であってもよい。

【0094】

Ｈｆ層２５は、その厚さが０．２ｎｍ以上、０．９ｎｍ以下であることが好ましい。Ｈｆ層２５を層状に形成するには０．２ｎｍ程度の厚さが必要である。０．３ｎｍ以上とすることで、ＴａやＷと比較したときの第１強磁性層２４からのホウ素の拡散防止の効果が大きくなる。ＭＴＪのエッチング加工性を考慮すると総計の膜厚は薄い程好ましく、Ｈｆ層２５の厚さを０．７ｎｍより厚くしてもＨｆ層２５に隣接する第１強磁性層２４の垂直磁気異方性があまり向上しないので、Ｈｆ層２５の膜厚は０．７ｎｍ以下とすることが好ましい。ウェハー全体の膜厚均一性を確保することを考慮すると、Ｈｆ層２５の膜厚は０．９ｎｍ以下とすることが好ましい。さらに、変形例１のように、記録層１４ｃの第２強磁性層２６が非磁性挿入層４０に隣接し、非磁性挿入層４０がＨｆ層２５に隣接し、Ｈｆ層２５が第１強磁性層２４に隣接し、第１強磁性層２４がＯを含む非磁性層２７に隣接する場合、Ｈｆ層２５の厚さは、０．３ｎｍ以上、０．７ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

【0095】

この場合、Ｈｆ層２５に隣接する第１強磁性層２４は、熱処理により垂直磁気異方性が増大し、かつ、非磁性挿入層４０からの非磁性挿入層４０を構成する原子の第１強磁性層２４への拡散が抑制されるので、当該原子の拡散による第１強磁性層２４の飽和磁化Ｍｓの低下も少なく、熱安定性を向上できる。

【0096】

一方で、非磁性挿入層４０に隣接する第２強磁性層２６は、非磁性挿入層４０と第２強磁性層２６との間にＨｆ層２５が挿入されていないので、非磁性挿入層４０から第２強磁性層２６への非磁性挿入層４０を構成する原子の拡散が生じ、第２強磁性層２６の飽和磁化Ｍｓが低下し、第２強磁性層２６より熱安定性が低くなり、磁化方向が反転し易くなる。その結果、第２強磁性層２６の磁化２６Ｍの磁化反転に必要なスピントルクが減少し、書き込み電流Ｉｗを低減できる。また、非磁性挿入層４０に隣接する第２強磁性層２６は、非磁性挿入層４０へのＢの拡散により、非磁性挿入層４０にＢが吸収される。これにより、例えば第２強磁性層２６がＣｏＦｅＢの場合、第２強磁性層２６にＣｏＦｅが形成され、ＴＭＲ比が向上する。このように、第２強磁性層２６からＢが抜けたことによりＢを含まない強磁性体が一部に形成され、ＭＴＪ膜１ｃのＴＭＲ比が増大するというメリットも有する。

【0097】

そのため、変形例１のＭＴＪ膜１ｃの記録層１４ｃは、スピントルクにより磁化反転させる第２強磁性層２６が磁化反転し易いのでスピントルクによって磁化反転し易くでき、かつ、第１強磁性層２４の熱安定性が高いので記録層１４ｃ全体の熱安定性も向上でき、さらにはＴＭＲ比も増大させることが可能である。

【0098】

このようなＭＴＪ膜１ｃを用いて磁気メモリ素子を作製することで、低エネルギーで書き込みでき、不揮発性も高く、さらには、ＴＭＲ比が大きい磁気メモリ素子を提供できる。

【0099】

（変形例２）
上記の第１実施形態、第２実施形態及び変形例１では、参照層が記録層より基板側に配置されているBottom-pinned構造をしたトンネル接合積層膜（例えば図１）を例として説明してきたが、本発明はこれに限られない。記録層が参照層より基板側に配置されているTop-pinned構造のトンネル接合積層膜であってもよく、この場合もBottom-pinned構造をしたトンネル接合積層膜と同様の効果を奏する。第２実施形態のトンネル接合積層膜をTop-pinned構造にする場合は、下地層に隣接するようにＨｆ層を挿入するのが良い。

【0100】

（変形例３）
上記の第１実施形態及び変形例１では、トンネル接合積層膜１ａ、１ｃの記録層１４ａ、１４ｃを強磁性結合構造とした場合について説明したが、本発明はこれに限られない。図８に示すトンネル接合積層膜１ｄの様に、記録層１４ｄが、第１強磁性層２４の磁化２４Ｍと第２強磁性層２６の磁化２６Ｍとが層間相互作用により反強磁性的に結合した積層フェリ構造をしていてもよい。変形例３のトンネル接合積層膜１ｄでは、第１実施形態と同様に、記録層１４ｄは、第１強磁性層２４と、第１強磁性層２４に隣接したＨｆ層２５と、Ｈｆ層２５に隣接した第２強磁性層２６とでなる多層膜である。この場合、第１強磁性層２４と第２強磁性層２６の間のＨｆ層２５の膜厚を適宜調整することで、強磁性結合構造をした記録層１４ｄを積層フェリ構造とすることができる。他の構成は、第１実施形態のトンネル接合積層膜１と同じである。さらに、記録層１４ｄを、強磁性層／非磁性挿入層／Ｈｆ層／Ｂを含む強磁性層の多層構造、Ｂを含む強磁性層／Ｈｆ層／Ｂを含む強磁性層／Ｈｆ層／Ｂを含む強磁性層の多層構造又はそれ以上の層数の多層構造としてもよい。

【0101】

（検証実験）
（検証実験１）
検証実験１では、記録層が強磁性層と隣接する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（７．０ｎｍ）、Ｗ－Ｔａ合金（３．０ｎｍ）、Ｈｆ（０．３ｎｍ又は０．７ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．１５ｎｍ～１．７ｎｍ）、ＭｇＯ（１．５ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．４ｎｍ）、Ｔａ（１．０ｎｍ）をこの順でスパッタ法により成膜し、４００℃で熱処理して磁気メモリ素子を作製した。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。

【0102】

ＶＳＭで評価した磁気異方性定数Ｋｅｆｆ、飽和磁化Ｍｓの結果を、図９Ａと図９Ｂに示す。図９Ａ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９Ｂは、横軸がＨｆ層の膜厚であり、縦軸が飽和磁化Ｍｓである。図９Ｂでは、上記の磁気メモリ素子の飽和磁化ＭｓをＭｓ（ＣｏＦｅＢ／Ｈｆ／ＷＴａ）と記した実線で示すとともに、バルクのＣｏＦｅＢの飽和磁化ＭｓをＭｓ（ＣｏＦｅＢ）と記した点線で示す。

【0103】

図９Ａ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、強磁性層の熱安定性を向上できることが確認できた。また、図９Ｂ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、強磁性層の垂直方向の反磁界が増大することも抑制でき、Ｈｆ層を有さない場合より、熱処理によって垂直磁気異方性の大きさをより向上でき、熱安定性を向上できる。Ｈｆ層の膜厚は０．９ｎｍ以下が好ましく、０．７ｎｍ以下がさらに好ましい。０．７ｎｍのＨｆ層を挟めば、ＣｏＦｅＢのＢの拡散をほぼ抑制できることがわかる。ＭＴＪのエッチング加工性を考慮すると総計の膜厚は薄い程好ましく、Ｈｆ層２５の厚さを０．７ｎｍより厚くしてもＨｆ層２５に隣接する第１強磁性層２４の垂直磁気異方性があまり向上しないので、Ｈｆ層２５の膜厚は０．７ｎｍ以下とすることが好ましい。ウェハー全体の膜厚均一性を確保することを考慮すると、Ｈｆ層２５の膜厚は０．９ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0104】

（検証実験２）
検証実験２では、記録層が強磁性層と隣接する非磁性結合層としてＨｆ層を有することの効果、特に、非磁性結合層が他の材料（ＴａやＷ）で構成された場合と比較して、熱処理による非磁性結合層から第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６への非磁性結合層を構成する原子の原子拡散が抑制されることの効果を確認する検証実験を行った。具体的には、図１０の左側に示す構造のトンネル接合積層膜（図中の括弧内はｎｍ単位の層の厚さを表す）を作製し、その強磁性層（ＣｏＦｅＢ）の磁気デッドレイヤー（Magnetic Dead Layer）の厚みを測定した。磁気デッドレイヤーは、図１０の左側に示す構造のトンネル接合積層膜における強磁性層（ＣｏＦｅＢ）で磁性がなくなった層である。検証実験２では、２つの強磁性層の間にＨｆ層を挿入した構造を有する実施例のトンネル接合積層膜に加えて、比較例のトンネル接合積層膜として、２つの強磁性層の間にＨｆ層の代わりに、Ｔａ層を挿入した構造を有するトンネル接合積層膜と、Ｗ層を挿入した構造を有するトンネル接合積層膜とを作製し、同様に磁気デッドレイヤーの厚みを測定した。

【0105】

実施例及び比較例のトンネル接合積層膜は、表面にＳｉＯ_２膜が形成されたＳｉ基板上に、Ｔａ（５．０ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．４ｎｍ）、ＭｇＯ（１．５ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）、Ｔａ、Ｗ又はＨｆ（０～０．７ｎｍ)、ＣｏＦｅＢ（１．０ｎｍ）、ＭｇＯ（１．１ｎｍ）Ｔａ（１．０ｎｍ）の順に、各層をスパッタ法により積層した後、４００℃で熱処理して作製した。実施例のトンネル接合積層膜は、Ｈｆ層が０．２ｎｍ、０．３５ｎｍ、０．７ｎｍの３つを作製した。比較例のトンネル接合積層膜は、Ｔａ層を挿入した場合及びＷ層を挿入した場合共に、０．２ｎｍ、０．３５ｎｍ、０．７ｎｍの３つを作製した。その結果を図１０の右側のグラフに示す。

【0106】

図１０中右側のグラフは、横軸がＨｆ層、Ｔａ層又はＷ層の膜厚ｔ（ｎｍ）であり、縦軸が磁気デッドレイヤーの厚み（ｎｍ）である。図中の実線及び黒丸がＷ層の結果であり、図中の一点鎖線及び白抜き丸がＨｆ層の結果であり、点線及び白抜き四角がＴａ層の結果である。グラフを見ると、Ｈｆ層、Ｔａ層、Ｗ層の膜厚ｔが０．２ｎｍの場合は、磁気デッドレイヤーはどの元素の層が挿入された場合も非常に小さい。Ｈｆ層、Ｔａ層、Ｗ層の膜厚ｔが０．３ｎｍ以上の場合は、Ｔａ層あるいはＷ層が挿入されたときの磁気デッドレイヤーの厚みは、Ｈｆ層が挿入されたときの磁気デッドレイヤーの厚みに比べて非常に大きいことが明らかになった。これは、Ｔａ層あるいはＷ層が挿入されたときのＣｏＦｅＢとＴａあるいはＷとの間で大きく拡散が発生しているのに対して、Ｈｆ層が挿入されたときのＣｏＦｅＢとＨｆとの間での拡散が小さく抑制されていることを示す。ＣｏＦｅＢとＴａ、Ｗ、あるいはＨｆとの間の拡散において、原子番号が小さいＣｏやＦｅの場合に、それよりも原子番号が大きいＷ、Ｔａ、Ｈｆ等の重金属が混ざると、ダンピング定数が大きくなることが知られている。重金属の拡散量が小さい、つまり磁気デッドレイヤーが小さくなる重金属を選択することが好適である。Ｈｆ層、Ｔａ層、Ｗ層の膜厚ｔが０．３ｎｍ以上では、Ｈｆ層が挿入された場合の方が、Ｔａ層あるいはＷ層が挿入された場合に比べて拡散が抑えられ、ＣｏＦｅＢのダンピング定数αの増大も抑えられる。このため、Ｈｆ層が挿入された場合の方が、書き込み電流Ｉ_ＣＯが小さくなり、好ましい。Ｈｆ層の膜厚は０．２ｎｍ以上が好ましく、０．３ｎｍ以上がさらに好ましい。Ｈｆ層を層状に形成するには０．２ｎｍ程度の厚さが必要である。また、０．３ｎｍ以上とすることで、ＴａやＷと比較したときの拡散防止の効果が大きくなる。

【0107】

（４）第３実施形態
（４－１）第３実施形態のトンネル接合積層膜
第３実施形態のトンネル接合積層膜は、第１実施形態のトンネル接合積層膜とは、記録層の構成が異なる。その他の構成や書き込み・読み出し動作などは、第１実施形態と同じであるので、記録層の構成を中心に説明する。

【0108】

図１と同じ構成には同じ番号を付した図１１に示すように、第３実施形態のトンネル接合積層膜（ＭＴＪ膜）１ｅの記録層１４ｅは、トンネル接合層１３に隣接する第１強磁性層２４と、第１強磁性層２４に隣接する第１Ｈｆ層２５ａと、第１Ｈｆ層２５ａに隣接する第２強磁性層２６と、第２強磁性層２６に隣接する第２Ｈｆ層２５ｂとがこの順に積層して構成されている。さらに、ＭＴＪ膜１ｅは、記録層１４ｅの第２Ｈｆ層２５ｂに隣接するキャップ層１５を備えている。

【0109】

第１Ｈｆ層２５ａは、第１強磁性層２４と第２強磁性層２６とに隣接して設けられている。第１Ｈｆ層２５ａは、ハフニウムで形成された薄膜である。第１Ｈｆ層２５ａは、記録層１４ｅを強磁性結合構造にする非磁性結合層としての機能を有しており、記録層１４ｅは、第１強磁性層２４の磁化２４Ｍ及び第２強磁性層２６の磁化２６Ｍが強磁性的に結合した強磁性結合構造をしている。第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６は、層間相互作用によって磁化が強磁性的に結合して磁化方向が平行となる。図１１中の白抜き矢印は、第１強磁性層２４の磁化２４Ｍの方向及び第２強磁性層２６の磁化２６Ｍの方向を表している。磁化２４Ｍ及び磁化Ｍ２６が膜面に対して垂直方向を向いており、第１強磁性層２４及び第２強磁性層２６が垂直磁化膜であることを表している。

【0110】

第２Ｈｆ層２５ｂは、多層構造の記録層１４ｅ内で、記録層１４ｅが隣接するトンネル接合層１３から最も離れた位置に配置されており、第２強磁性層２６に隣接する面と対向する面がキャップ層１５に隣接している。

【0111】

本実施形態において、第１強磁性層２４、第１Ｈｆ層２５ａ、及び第２強磁性層２６は、それぞれ第１実施形態に記載の第１強磁性層２４、Ｈｆ層２５、及び第２強磁性層２６と同様の構成である。また、第２Ｈｆ層２５ｂは、第２実施形態に記載のＨｆ層２５と同様の構成である。

【0112】

（４－２）作用及び効果
以上の構成において、第３実施形態のトンネル接合積層膜１ｅは、ホウ素を含む第１強磁性層２４を有する記録層１４ｅと、記録層１４ｅに隣接するトンネル接合層１３と、トンネル接合層１３に隣接する参照層１２とを備えて構成した。ここで、記録層１４ｅは、トンネル接合層１３に隣接する第１強磁性層２４、第１強磁性層２４に隣接する第１Ｈｆ層２５ａ、第１Ｈｆ層２５ａに隣接する第２強磁性層２６、第２強磁性層２６に隣接する第２Ｈｆ層２５ｂを有するように構成した。さらに記録層１４ｅの第２Ｈｆ層２５ｂに隣接するキャップ層１５を有するように構成した。第１強磁性層２４及び参照層１２が膜面に対して垂直な方向に磁化しているように構成した。

【0113】

トンネル接合積層膜１ｅは、第１Ｈｆ層２５ａに隣接することで第１強磁性層２４の垂直磁気異方性を向上でき、第１強磁性層２４の磁化の熱安定性が向上し、記録層１４ｅの熱安定性が高い。よって、熱安定性が高いトンネル接合積層膜１ｅを提供でき、ひいては、熱安定性の高いトンネル接合積層膜１ｅを磁気メモリ素子や磁気メモリに用いることで、不揮発性の高い磁気メモリ素子及び磁気メモリを提供できる。

【0114】

さらにトンネル接合積層膜１ｅは、第１Ｈｆ層２５ａ及び第２Ｈｆ層２５ｂに隣接することで第２強磁性層２６の垂直磁気異方性を向上でき、第２強磁性層２６の熱安定性が向上し、記録層１４ｅの熱安定性をさらに高めることができ、より熱安定性の高いトンネル接合積層膜１ｅを提供できる。

【0115】

さらに、トンネル接合積層膜１ｅは、第２Ｈｆ層２５ｂが、記録層１４ｅ内で、トンネル接合層１３から最も離れた位置に配置されているように構成することで、キャップ層１５などの第２Ｈｆ層２５ｂに隣接する層から、当該隣接する層を構成する材料の原子が第２強磁性層２６へ拡散することを抑制でき、第２強磁性層２６の飽和磁化Ｍｓが低下して熱安定性が低下することを抑制できる。よって、ＭＴＪ膜１ｅは、さらに熱安定性を向上できる。

【符号の説明】

【0116】

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ トンネル接合積層膜
２ 基板
１４、１４ａ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ 記録層
１３ トンネル接合層
１２、１２ａ 参照層
２５ Ｈｆ層
２５ａ 第１Ｈｆ層
２５ｂ 第２Ｈｆ層
２７ 酸素原子を含む非磁性層
４０ 非磁性挿入層
１００ 磁気メモリ素子
２００ 磁気メモリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】