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(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】2025-01-08
(45)【発行日】2025-01-17
(54)【発明の名称】磁性積層膜、磁気メモリ素子、磁気メモリ及び人工知能システム
(51)【国際特許分類】
H10B 61/00 20230101AFI20250109BHJP
H10N 50/20 20230101ALI20250109BHJP
G11C 11/16 20060101ALI20250109BHJP
【ＦＩ】
H10B61/00
H10N50/20
G11C11/16 100
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2021569835
(86)(22)【出願日】2020-12-24
(86)【国際出願番号】 JP2020048409
(87)【国際公開番号】W WO2021140934
(87)【国際公開日】2021-07-15
【審査請求日】2023-12-13
(31)【優先権主張番号】P 2020003269
(32)【優先日】2020-01-10
(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】遠藤 哲郎
(72)【発明者】
【氏名】池田 正二
【審査官】小山 満
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２２９１６０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／２０８５７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／１５５０７８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１８－５０８９８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３３００７０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００８０７３８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１６７９２９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－０５９６３４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｂ ６１／００
Ｈ１０Ｎ ５０／１０
Ｈ１０Ｎ ５０／２０
Ｇ１１Ｃ １１／１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁気メモリ素子用の積層膜であって、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層と、
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2】
前記第２層がＷまたはＷ合金を含有する請求項１に記載の磁性積層膜。
【請求項3】
前記第２層がＣｏ、Ｆｅ及びＢから選択される１種以上の元素を含有する請求項１に記載の磁性積層膜。
【請求項4】
前記重金属層のうちの最も前記記録層側の層は前記第１層である請求項１～３のいずれか１項に記載の磁性積層膜。
【請求項5】
前記重金属層の厚さが１．４ｎｍ以上９ｎｍ以下である請求項１～４のいずれか１項に記載の磁性積層膜。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか１項に記載の磁性積層膜と、前記記録層に隣接し、絶縁体で構成された障壁層と、
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7】
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６に記載の磁気メモリ素子。
【請求項8】
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６又は７に記載の磁気メモリ素子。
【請求項9】
請求項６～８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。
【請求項10】
前記記録層、前記障壁層及び前記参照層の積層体の、前記重金属層とは反対側から見た形状が、前記書き込み電流に沿った方向のいずれの線に対しても非対称である請求項９に記載の磁気メモリ。
【請求項11】
請求項６～８のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子が、抵抗クロスバーネットワークの加重和が入力される電子ニューロンに用いられている人工知能システム。
【請求項12】
前記磁気メモリ素子が、さらに抵抗クロスバーネットワークのクロスポイントメモリに用いられている請求項１１に記載の人工知能システム。
【請求項13】
前記記録層、前記障壁層及び前記参照層の積層体の、前記重金属層とは反対側から見た形状が、前記書き込み電流に沿った方向のいずれかの線に対して線対称である請求項１１又は１２に記載の人工知能システム。
【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、磁気メモリ及び人工知能システムに関する。
【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１参照）が注目されている。
【0003】
上記のうちの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、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な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。
【0004】
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１参照）。特許文献１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１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。
【0005】
さらに、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子を用いた電子ニューロンが提案されている（特許文献２参照）。シナプス電流の総計によってニューロンの磁化方向が決定される構成である。入力信号の加重和であるバイポーラ電流を生成するシナプスとして機能する抵抗クロスバーアレイが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１７－１１２３５１号公報
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３３００７０号明細書
【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、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子において重金属層としてβ－Ｗを用いた場合、β－Ｗの電気抵抗率が高いために消費電力が大きいこと、また、β－Ｗ上ではラフネスが大きいためにＭＴＪ特性のばらつきが大きくなることが問題となっていた。そのため、消費電力を抑制し、重金属層のラフネスを小さく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、消費電力を抑制し、重金属層のラフネスを小さくすることが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、磁気メモリ及び人工知能システム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、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層と、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。
【0010】
本発明による磁気メモリ素子は、上記の磁性積層膜と、前記記録層に隣接し、絶縁体で構成された障壁層と、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。
【0011】
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。
【0012】
本発明による人工知能システムは、上記の磁気メモリ素子が、抵抗クロスバーネットワークの加重和が入力される電子ニューロンに用いられている。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、重金属層がＨｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層であるので、消費電力を抑制し、重金属層のラフネスを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図7】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。
【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１及び図２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１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、それぞれ強磁性層からなる記録層１０と参照層１２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１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２は、磁気メモリ素子１００のｙ方向に垂直な面で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。
（１－１）第１実施形態の磁性積層膜の全体構成
以下、図１及び図２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１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、それぞれ強磁性層からなる記録層１０と参照層１２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１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２は、磁気メモリ素子１００のｙ方向に垂直な面で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１に示すように、磁性積層膜１は、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層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、１．４ｎｍ以上９ｎｍ以下、好ましくは１．８ｎｍ以上７ｎｍ以下とするのがよい。電子スピンの拡散長が０．６～１．５ｎｍ程度であるので、膜厚が１．８ｎｍ（電子スピン拡散長の下限０．６ｎｍの３倍）以上４．５ｎｍ（電子スピン拡散長の上限１．５ｎｍの３倍）以下であるのが望ましい。また、スピン反転に寄与しなくなるためには、スピン拡散長の６倍の膜厚は厚すぎるため膜厚が９ｎｍ（電子スピン拡散長の上限１．５ｎｍの６倍）以下、より好ましくはスピン拡散長の４～５倍の膜厚である７ｎｍ以下である。
【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が、セルフアラインプロセスで作製した場合は、ほぼ同じとすることが可能で、より好ましい。
【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、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層で形成されており、導電性を有している。第２層は、例えば、ＷまたはＷ合金を含有する、あるいは、Ｃｏ、Ｆｅ及びＢから選択される１種以上の元素を含有する。また、例えば重金属層２のうちの最も記録層１０側の層は、第１層である。第１層（以下、Ｈｆ層とも称する）は、ハフニウム（Ｈｆ）で形成された薄膜である。重金属層２を上記の組成で形成することで、重金属層がβ相Ｗ（β－Ｗ）と同等のスピン生成効率（θＳＨ）を確保でき、高いスピン反転効率を実現できる。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。Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層の電気抵抗率は１６０～２００μΩｃｍであり、従来のβ－Ｗの電気抵抗率（およそ２１０μΩｃｍ程度）と比較して電気抵抗率が低い。このため、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ほか、消費電力を削減できる。
【0020】
本実施形態では、このような重金属層２が、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２あるいはＳｉＮ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いる。記録層１０は、磁化方向が反転可能な強磁性層により形成されている。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】
記録層１０は、強磁性体で形成された強磁性膜である。記録層１０は、磁気メモリ素子１００を作製するとき、記録層１０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、記録層１０は、記録層１０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１及び図２では、記録層１０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。記録層１０に、上向きの矢印と下向きの矢印の２つが描かれているのは、記録層１０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。
【0023】
このように、記録層１０に界面磁気異方性を生じさせるために、記録層１０は、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又はＣｏＢで形成するのが望ましい。なお、記録層１０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層又はＣｏＢ層を配置し、重金属層２とＣｏＦｅＢ層、ＦｅＢ層又は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、記録層１０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、記録層１０を垂直方向に磁化させるようにしてもよい。この場合は、記録層１０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、記録層１０に隣接してＭｇＯ（１００）障壁層１１を形成しやすくなり、当該記録層１０は、アモルファスの層であってもよい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなる障壁層１１を強磁性体上に（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】
なお、重金属層２を構成するＨｆ層は、ジルコニウム（Ｚｒ）を含んでいてもよい。記録層１０は、Ｈｆ層に隣接して形成されていることで、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層に隣接して形成されていることによって記録層１０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。また、今回、本実施例の重金属層２／ＣｏＦｅＢ界面において、後述するように表面磁気異方性定数の増大も観測された。そのため、記録層１０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、記録層１０の熱的安定性を向上できる。Ｈｆ層は、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。重金属層２は、例えば、０．３５ｎｍの厚さのＨｆ層と０．３５ｎｍの厚さの第２層が２～１０回交互に積層した構造を有する。２回交互に積層した場合の重金属層２の厚さは１．４ｎｍである。１０回交互に積層した場合の重金属層２の厚さは７．０ｎｍである。あるいは、重金属層２は、例えば、０．７ｎｍの厚さのＨｆ層と０．７ｎｍの厚さの第２層が１～７回交互に積層した構造を有する。１回積層した場合の重金属層２の厚さは１．４ｎｍである。５回交互に積層した場合の重金属層２の厚さは７．０ｎｍである。Ｈｆ以外の重金属層の膜厚は、その結晶構造がアモルファスを保つ膜厚の範囲内であれば問題なく、３ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ以下が好ましい。例えば、Ｗの場合、（Ｈｆ０．３ｎｍ／Ｗ３ｎｍ）ｎにおいてもアモルファスが保たれていることが確認できた。
【0027】
このようなＨｆ層は、記録層１０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。記録層１０が多層構造の場合は、記録層１０を構成する層のうちのＨｆ層と隣接する強磁性層をＣｏＦｅＢ、ＦｅＢ又はＣｏＢで形成するのが好ましい。
【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、記録層１０の順に成膜することで形成される。重金属層２は、所定の厚さのＨｆ層と第２層（例えばＷ層）とを交互に積層することで形成される。Ｈｆ層／第２層の積層膜は、後述の磁気メモリ素子１００作製の際の熱処理によりアモルファスの膜となる。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は、適宜調整できる。なお、上記の説明で便宜上「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１及び図２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。
次に、図１及び図２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に隣接して形成されている。障壁層１１は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、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、図面上単層構成を示しているがこれに限らず、例えば、強磁性層、非磁性層及び強磁性層がこの順に積層された３層積層膜からなる３層の積層フェリ構造を有する。この場合、一方の強磁性層の磁化の向きと他方の強磁性層の磁化の向きとは反平行である。一方の強磁性層の磁化が－ｚ方向を向いており、他方の強磁性層の磁化が＋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側の強磁性層と障壁層１１との界面で界面磁気異方性が生じるように、参照層１２の最も障壁層１１側の強磁性層の材質と厚さが選定されている。これにより、参照層１２の最も障壁層１１側の強磁性層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。上記のように参照層１２を積層フェリ構造とし、参照層１２の一方の強磁性層の磁化と他方の強磁性層の磁化とを反強磁性的に結合することで、参照層１２の一方の強磁性層の磁化と他方の強磁性層の磁化と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、参照層１２の一方の強磁性層の磁化と他方の強磁性層の磁化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してもよい。
【0033】
本実施形態では、参照層１２の磁化Ｍ１２を下向きに固定しているが、これに限らない。参照層１２の磁化Ｍ１２を上向きに固定してもよい。上記のように参照層１２を積層フェリ構造としたとき、参照層１２の一方の強磁性層の磁化を下向きに固定し、他方の強磁性層の磁化を上向きに固定するようにしてもよい。あるいは、参照層１２の一方の強磁性層の磁化を上向きに固定し、他方の強磁性層の磁化を下向きに固定するようにしてもよい。さらに、結晶磁気異方性又は形状磁気異方性によって、参照層１２の一方の強磁性層及び他方の強磁性層の磁化方向を垂直方向とし、一方の強磁性層の磁化と他方の強磁性層の磁化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、一方の強磁性層の磁化及び他方の強磁性層の磁化の向きを垂直方向に固定するようにしてもよい。
【0034】
参照層１２の一方の強磁性層及び他方の強磁性層は、記録層１０と同様の材料で形成することができ、参照層１２を構成する非磁性層は、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ又は、ＲｕＩｒ，ＲｕＲｈ，ＲｕＦｅなどの、これら合金などで形成することができる。上記の非磁性層は、Ｒｕの場合は０．４ｎｍ～１．０ｎｍ、Ｉｒの場合は０．４ｎｍ～０．７ｎｍ、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、一方の強磁性層：障壁層１１側からＣｏＦｅＢ（１．２ｎｍ）／Ｗ（０．３ｎｍ）／Ｃｏ（０．５ｎｍ）／（Ｐｔ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ（０．２５ｎｍ））３／（Ｐｔ（０．２５ｎｍ）／Ｃｏ（０．５ｎｍ））２、非磁性層：Ｒｕ（０．８５ｎｍ）、他方の強磁性層：非磁性層側からＣｏ０．５ｎｍ／（Ｐｔ０．２５ｎｍ／Ｃｏ０．５ｎｍ）7が積層した構成とする。一方の強磁性層をＣｏ－Ｆｅ－Ｂとすることで、一方の強磁性層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。）。「（Ｐｔ（０．２５ｎｍ）／Ｃｏ（０．５ｎｍ）２」という記載の「２」、「（Ｐｔ０．２５ｎｍ／Ｃｏ０．５ｎｍ）7」という記載の「７」についても同様である。
【0035】
一方の強磁性層は、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。非磁性層の上下の強磁性層は、層間相互作用によって強磁性的に結合する。一方の強磁性層は、例えば、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、強磁性層の磁化方向が垂直方向となり、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、一方の強磁性層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１３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１３を有していなくてもよい。また、キャップ層１３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１３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１３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１３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、Ｗ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、ソースが第１ビット線に接続されて書き込み電圧Ｖｗを供給する書き込み電源に接続され、ゲートがワード線に接続されている。
【0040】
書き込み電源は、第１ビット線を介して、電圧レベルを書き込み電圧Ｖｗ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Ｖｗ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Ｖｗ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Ｖｗ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Ｖｗ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１３上にキャップ層１３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１３）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１３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ビット線に接続されて読み出し電圧ＶＲｅａｄ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に接続されている。読み出し電源は、第２ビット線を介して、電圧レベルを読み出し電圧ＶＲｅａｄ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ＶＲｅａｄ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、ＶｗをＶＲｅａｄ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、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１００へのコンタクトを取るようにしてもよい。また、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ビット線に接続し、第１ビット線に接続した第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１と同じ構成には同じ番号を付した図３、図４、図５、図６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。参照層１２が積層膜である場合には、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も積層膜である場合には、記録層１０の障壁層１１に接する強磁性層の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層の磁化方向とが、平行か、反平行かによってＭＴＪの抵抗が変わる。
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１と同じ構成には同じ番号を付した図３、図４、図５、図６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。参照層１２が積層膜である場合には、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も積層膜である場合には、記録層１０の障壁層１１に接する強磁性層の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層の磁化方向とが、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に接する強磁性層の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層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に接する強磁性層の磁化方向と、参照層１２の障壁層１１に接する強磁性層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Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層で形成されており、Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｏｓまたはこれら合金などのLess than Halfの元素は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Ｈ０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３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３に示すように＋ｘ方向に外部磁場Ｈ０を印加する。
【0049】
次いで、図４（図４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Ｖｗを印加する。このとき、書き込み電圧Ｖｗ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１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１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Ｈ０が＋ｘ方向にかかっているため、外部磁場Ｈ０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５に示すように＋ｘ方向に外部磁場Ｈ０を印加する。
【0054】
次に、図６（図６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Ｖｗを印加する。このとき、書き込み電圧Ｖｗ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１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１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Ｈ０が＋ｘ方向にかかっているため、外部磁場Ｈ０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Ｈ０を印加した例を示したが、これに限定されない。例えば、上述の電圧印加の方法又は後述するＭＴＪの形状を工夫することにより、外部磁場発生装置は必ず必要なわけではない。
【0060】
続いて読みだし方法について図７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Ｖｗを読み出し電圧ＶＲｅａｄ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Ｔｒ１と第３トランジスタＴｒ３とをオンにして、第１端子Ｔ１に書き込み電圧Ｖｗを印加し、第３端子Ｔ３に読み出し電圧ＶＲｅａｄを印加する。このとき、書き込み電圧Ｖｗが読み出し電圧ＶＲｅａｄ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１３、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Ｖｗと読み出し電圧ＶＲｅａｄ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Ｖｗ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ＶＲｅａｄ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Ｖｗを読み出し電圧ＶＲｅａｄより後にオフにすることで、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ＶＲｅａｄ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）作用及び効果
以上に示すように、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、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層と、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た構成とした。
以上に示すように、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、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層と、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た構成とした。
【0064】
よって、磁性積層膜１は、重金属層２がＨｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層で構成されているので、重金属層の電気抵抗率をβ－Ｗより低くすることができ、消費電力を抑制できる。また、重金属層のラフネスをβ－Ｗより小さくすることができ、ＭＴＪ特性のばらつきを抑制できる。
【0065】
（検証実験）
（実施例試料及び比較例試料の作成）
以下に示す検証実験を行うために、図８に示す構成の磁性積層膜１Ｓを有する試料を作成した。磁性積層膜１Ｓは、基板５、バッファ層４、重金属層２、記録層１０、障壁層１１及び導電層２０が積層された膜であり、ｘ方向延伸部と、これに交差する３本のｙ方向延伸部を有する。各部の幅は５．８μｍであり、複数のｙ方向延伸部の間隔（ピッチ）は２０５μｍである。図８に示すように、外部磁場を印加する場合は、ｙ方向の磁場Ｈｙあるいはｚ方向の磁場Ｈｚが印加される。ｘ方向延伸部の両端の間に流れる電流を流し、中央と端のｙ方向延伸部の所定箇所の端部に所定電圧Ｖを測定した。
（実施例試料及び比較例試料の作成）
以下に示す検証実験を行うために、図８に示す構成の磁性積層膜１Ｓを有する試料を作成した。磁性積層膜１Ｓは、基板５、バッファ層４、重金属層２、記録層１０、障壁層１１及び導電層２０が積層された膜であり、ｘ方向延伸部と、これに交差する３本のｙ方向延伸部を有する。各部の幅は５．８μｍであり、複数のｙ方向延伸部の間隔（ピッチ）は２０５μｍである。図８に示すように、外部磁場を印加する場合は、ｙ方向の磁場Ｈｙあるいはｚ方向の磁場Ｈｚが印加される。ｘ方向延伸部の両端の間に流れる電流を流し、中央と端のｙ方向延伸部の所定箇所の端部に所定電圧Ｖを測定した。
【0066】
図９は、比較例の試料の模式的な断面図である。図１０は、実施例１及び実施例２の試料の模式的な断面図である。図１１は、実施例３の試料の模式的な断面図である。実施例１～３あるいは比較例に係る試料を構成する磁性積層膜１Ｓとしては、基板５として高抵抗Ｓｉ基板を用い、バッファ層４としてＴａ（厚さ０．５ｎｍ）を形成した。実施例１の試料では、重金属層２としてＨｆの第１層（厚さ０．３５ｎｍ）とＷの第２層（厚さ０．３５ｎｍ）を交互に積層したアモルファスの膜（Ｗ／Ｈｆ）（厚さ１．４ｎｍ～７．０ｎｍ）を形成した。実施例２の試料では、重金属層２としてＨｆの第１層（厚さ０．７ｎｍ）とＷの第２層（厚さ０．７ｎｍ）を交互に積層したアモルファスの膜（Ｗ／Ｈｆ）（厚さ１．４ｎｍ～７．０ｎｍ）を形成した。実施例３の試料では、重金属層２としてＨｆの第１層（厚さ０．７ｎｍ）とＷ－Ｔａの第２層（厚さ０．７ｎｍ）を交互に積層したアモルファスの膜（Ｗ－Ｔａ／Ｈｆ）（厚さ１．４ｎｍ～７．０ｎｍ）を形成した。比較例の試料では、重金属層２ａとしてβ相Ｗ膜（β－Ｗ）（厚さ１．４ｎｍ～７．０ｎｍ）を形成した。実施例１～３及び比較例において、記録層１０として、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）を形成し、さらに障壁層１１としてＭｇＯ層（１．０ｎｍ）を形成し、さらに導電層２０としてＴａ層（１．０ｎｍ）を形成した。
【0067】
実施例１～３及び比較例の磁性積層膜１Ｓ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層上にキャップ層に相当するＴａからなる導電層を形成し、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。このような実施例１～３及び比較例の磁性積層膜１Ｓは、表面に自然酸化膜であるＳｉＯ２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成膜していくことで作製した。
【0068】
実施例１及び実施例２の重金属層２は、Ｈｆ層（第１層）としてハフニウム層（アルゴンガス圧０．３Ｐａで成膜）の形成と、Ｗ層（第２層）としてタングステン層（アルゴンガス圧２．５５Ｐａ、０．３Ｐａの２つの条件で成膜）の形成とを交互に繰り返して積層し、Ｔａ層からなる導電層を積層後、３００℃で熱処理することで作製したアモルファスの層（Ｗ／Ｈｆ）である。実施例３の重金属層２は、上記の重金属層２の形成方法においてＷ層（第２層）の代わりにＷ－Ｔａ層を形成することで作製したアモルファスの層（Ｗ－Ｔａ／Ｈｆ）である。比較例の重金属層２ａは、上記の重金属層２の形成方法においてＨｆ層（第１層）を形成せず、アルゴンガス圧２．５５ＰａでＷ層（第２層）だけで形成することで作製したβ相Ｗ（β－Ｗ）である。
【0069】
なお、（Ｗ／Ｈｆ）のＷのガス圧を変えた２つの条件で作製したが、両者とも断面ＴＥＭでアモルファスであることが確認され、以下に示す特性も誤差内で一致していることが分かった。アモルファスＨｆにはさまれることによって、Ｗ、Ｗ－ＴａなどのＨｆ以外に重金属もアモルファスとなり、ガス圧を変えても同じものが生成されているため、特性が一緒になったと考えられる。
【0070】
（検証実験１）
検証実験１では、上記の実施例１、実施例３及び比較例の試料の断面のＴＥＭ画像を撮影した。図１２は、比較例の試料の断面のＴＥＭ画像である。基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上に、バッファ層（Ｔａ）、重金属層（Ｗ）、記録層（ＣｏＦｅＢ）、障壁層（ＭｇＯ）及び導電層（Ｔａ）が積層されている。重金属層（Ｗ）はβ相Ｗ（β－Ｗ）である。重金属層（Ｗ）の厚さが３ｎｍを超えると、ラフネスが悪くなってしまう。図１２に示す重金属層（Ｗ）の厚さは７ｎｍである。重金属層（Ｗ）のラフネスが悪いことから、重金属層（Ｗ）より上層の界面のラフネスが悪化する。障壁層（ＭｇＯ）も（１００）結晶配向性が低いことがわかる。
検証実験１では、上記の実施例１、実施例３及び比較例の試料の断面のＴＥＭ画像を撮影した。図１２は、比較例の試料の断面のＴＥＭ画像である。基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上に、バッファ層（Ｔａ）、重金属層（Ｗ）、記録層（ＣｏＦｅＢ）、障壁層（ＭｇＯ）及び導電層（Ｔａ）が積層されている。重金属層（Ｗ）はβ相Ｗ（β－Ｗ）である。重金属層（Ｗ）の厚さが３ｎｍを超えると、ラフネスが悪くなってしまう。図１２に示す重金属層（Ｗ）の厚さは７ｎｍである。重金属層（Ｗ）のラフネスが悪いことから、重金属層（Ｗ）より上層の界面のラフネスが悪化する。障壁層（ＭｇＯ）も（１００）結晶配向性が低いことがわかる。
【0071】
図１３は、実施例１の試料の断面のＴＥＭ画像である。基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上に、バッファ層（Ｔａ）、重金属層（Ｗ／Ｈｆ）、記録層（ＣｏＦｅＢ）、障壁層（ＭｇＯ）及び導電層（Ｔａ）が積層されている。重金属層（Ｗ／Ｈｆ）はアモルファスである。重金属層（Ｗ／Ｈｆ）の厚さは７ｎｍ程度であり、３ｎｍを超えているが、図１２と比べて重金属層（Ｗ／Ｈｆ）の表面のラフネスがよく、平坦性が高くなっている。重金属層（Ｗ／Ｈｆ）のラフネスがよいことから、重金属層（Ｗ／Ｈｆ）より上層の界面のラフネスもよく、平坦性が高くなっている。このとき、記録層（ＣｏＦｅＢ）はアモルファスである。障壁層（ＭｇＯ）は膜厚１．０ｎｍとなることを想定して成膜したものが、実際は０．９ｎｍであった。明確なＭｇＯ（１００）結晶配向性を示す結晶性の膜であることがわかる。
【0072】
図１４は、実施例３の試料の断面のＴＥＭ画像である。基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）上に、バッファ層（Ｔａ）、重金属層（Ｗ－Ｔａ／Ｈｆ）、記録層（ＣｏＦｅＢ）、障壁層（ＭｇＯ）及び導電層（Ｔａ）が積層されている。重金属層（Ｗ－Ｔａ／Ｈｆ）はアモルファスである。重金属層（Ｗ－Ｔａ／Ｈｆ）の厚さは７ｎｍ程度であり、３ｎｍを超えているが、図１２と比べて重金属層（Ｗ－Ｔａ／Ｈｆ）の表面のラフネスがよく、平坦性が高くなっている。重金属層（Ｗ－Ｔａ／Ｈｆ）のラフネスがよいことから、重金属層（Ｗ－Ｔａ／Ｈｆ）より上層の界面のラフネスもよく、平坦性が高くなっている。このとき、記録層（ＣｏＦｅＢ）はアモルファスである。障壁層（ＭｇＯ）は膜厚１．０ｎｍとなることを想定して成膜したものが、実際は０．９ｎｍであった。明確なＭｇＯ（１００）結晶配向性を示す結晶性の膜であることがわかる。
【0073】
（検証実験２）
検証実験２では、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の、重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）が異なる試料を作製し、それらのコンダクタンスＧＸＸ（Ω－１）を測定し、重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）依存性を求めた。得られたコンダクタンスＧＸＸ（Ω－１）の重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）依存性から、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料の電気抵抗率ρＸＸ（Ωｃｍ）を求めた。
検証実験２では、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の、重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）が異なる試料を作製し、それらのコンダクタンスＧＸＸ（Ω－１）を測定し、重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）依存性を求めた。得られたコンダクタンスＧＸＸ（Ω－１）の重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）依存性から、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料の電気抵抗率ρＸＸ（Ωｃｍ）を求めた。
【0074】
図１５は、検証実験２のコンダクタンスの重金属層膜厚依存性を示すグラフである。図１５中に、実施例１（Ｈｆ（０．３５ｎｍ）／Ｗ（０．３５ｎｍ）、記号○）、実施例２（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ（０．７ｎｍ）、記号◇）、実施例３（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ－Ｔａ（０．７ｎｍ）、記号■）及び比較例（β－Ｗ、記号△）の各コンダクタンスが示されている。実施例１～３のグラフの傾きが、比較例のグラフの傾きより大きいことが確認された。実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の、重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）が異なる試料は、重金属層以外の部分は共通の構造を有しているので、実施例１～３のグラフと比較例のグラフとの相違点は重金属層によりもたらされる特性である。
【0075】
図１５の検証実験２のコンダクタンスの重金属層膜厚依存性を示すグラフの傾きの逆数を求めることで、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の各試料の重金属層の電気抵抗率ρＸＸ（μΩｃｍ）が得られる。図１６は、検証実験２の電気抵抗率を示すグラフである。比較例の重金属層（β－Ｗ）の電気抵抗率は２１７．２μΩｃｍであった。実施例１の重金属層（Ｈｆ（０．３５ｎｍ）／Ｗ（０．３５ｎｍ））の電気抵抗率は１７６．３～１８１．２μΩｃｍであった。実施例２の重金属層（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ（０．７ｎｍ））の電気抵抗率は１８４．０μΩｃｍであった。実施例３の重金属層（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ－Ｔａ（０．７ｎｍ））の電気抵抗率は１８７．７μΩｃｍであった。実施例１～３の試料は、いずれも比較例の試料より電気抵抗率が低いことが確認された。
【0076】
（検証実験３）
検証実験３では、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料の電気抵抗ＲＸＸ（Ω）の外部磁場Ｈ（Ｏｅ）依存性を求めた。図１７は実施例２（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ（０．７ｎｍ））の試料の抵抗の外部磁場依存性を示すグラフである。外部磁場Ｈは、ｙ方向の磁場Ｈｙあるいはｚ方向の磁場Ｈｚが印加される。外部磁場Ｈが０からｙ方向あるいはｚ方向に大きくなるにつれて電気抵抗ＲＸＸは大きくなる。ここで、抵抗の外部磁場依存性は外部磁場の方向に対して異方性を示す。即ち、外部磁場の方向がｙ方向のときとｚ方向のときとで抵抗の外部磁場依存性が異なる。図１７において、記号◆は外部磁場の方向がｚ方向のときの外部磁場依存性を示す。また、図１７において、記号◇は外部磁場の方向がｙ方向のときの外部磁場依存性を示す。図１８は実施例３（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ－Ｔａ（０．７ｎｍ））の試料の抵抗の外部磁場依存性であり、記号◆は外部磁場の方向がｚ方向のとき、記号◇は外部磁場の方向がｙ方向のときの、外部磁場依存性を示す。
検証実験３では、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料の電気抵抗ＲＸＸ（Ω）の外部磁場Ｈ（Ｏｅ）依存性を求めた。図１７は実施例２（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ（０．７ｎｍ））の試料の抵抗の外部磁場依存性を示すグラフである。外部磁場Ｈは、ｙ方向の磁場Ｈｙあるいはｚ方向の磁場Ｈｚが印加される。外部磁場Ｈが０からｙ方向あるいはｚ方向に大きくなるにつれて電気抵抗ＲＸＸは大きくなる。ここで、抵抗の外部磁場依存性は外部磁場の方向に対して異方性を示す。即ち、外部磁場の方向がｙ方向のときとｚ方向のときとで抵抗の外部磁場依存性が異なる。図１７において、記号◆は外部磁場の方向がｚ方向のときの外部磁場依存性を示す。また、図１７において、記号◇は外部磁場の方向がｙ方向のときの外部磁場依存性を示す。図１８は実施例３（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ－Ｔａ（０．７ｎｍ））の試料の抵抗の外部磁場依存性であり、記号◆は外部磁場の方向がｚ方向のとき、記号◇は外部磁場の方向がｙ方向のときの、外部磁場依存性を示す。
【0077】
実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料の電気抵抗ＲＸＸ（Ω）の外部磁場Ｈ（Ｏｅ）依存性から、スピンホール磁気抵抗比（ΔＲＸＸ／ＲＸＸ
Ｈ＝０）（％）が求められる。スピンホール磁気抵抗比（ΔＲＸＸ／ＲＸＸ
Ｈ＝０）は、ｙ方向とｚ方向との異なる方向に外部磁場を印加したときの抵抗の差分ΔＲＸＸの、外部磁場０のときの電気抵抗ＲＸＸ
Ｈ＝０に対する比率（％）である。図１９は、スピンホール磁気抵抗比（ΔＲＸＸ／ＲＸＸ
Ｈ＝０）（％）の、重金属層膜厚ｔ（ｎｍ）依存性を示すグラフである。図１９中に、実施例１（Ｈｆ（０．３５ｎｍ）／Ｗ（０．３５ｎｍ）、記号○）、実施例２（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ（０．７ｎｍ）、記号◇）、実施例３（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ－Ｔａ（０．７ｎｍ）、記号■）及び比較例（β－Ｗ、記号△）の各スピンホール磁気抵抗比が示されている。実施例１～３では、ピーク位置が膜厚の薄い側になっており、スピン拡散長が短くなっていることを示している。
【0078】
（検証実験４）
検証実験４では、図１９のデータを拡散モデルの式でＦｉｔｔｉｎｇすることにより、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料のスピン生成効率θＳＨを求めた。図１９の実線および各種点線がＦｉｔｔｉｎｇした結果であり、良くデータを再現していることがわかる。図２０は、スピン生成効率を示すグラフである。図２０の縦軸は、スピン生成効率の絶対値｜θＳＨ｜である。比較例（β－Ｗ）の試料のスピン生成効率が０．２程度であるのに対して、実施例１～３の試料のスピン生成効率は比較例と同程度の高い値であることが確認された。
検証実験４では、図１９のデータを拡散モデルの式でＦｉｔｔｉｎｇすることにより、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料のスピン生成効率θＳＨを求めた。図１９の実線および各種点線がＦｉｔｔｉｎｇした結果であり、良くデータを再現していることがわかる。図２０は、スピン生成効率を示すグラフである。図２０の縦軸は、スピン生成効率の絶対値｜θＳＨ｜である。比較例（β－Ｗ）の試料のスピン生成効率が０．２程度であるのに対して、実施例１～３の試料のスピン生成効率は比較例と同程度の高い値であることが確認された。
【0079】
（検証実験５）
検証実験５では、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料のスピン拡散長λＳ（ｎｍ）を求めた。図２１は、検証実験５のスピン拡散長を示すグラフである。比較例の試料の重金属層（β－Ｗ）ではスピン拡散長は１ｎｍ程度であったが、実施例１～３の試料ではスピン拡散長は０．６ｎｍ程度であった。
検証実験５では、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料のスピン拡散長λＳ（ｎｍ）を求めた。図２１は、検証実験５のスピン拡散長を示すグラフである。比較例の試料の重金属層（β－Ｗ）ではスピン拡散長は１ｎｍ程度であったが、実施例１～３の試料ではスピン拡散長は０．６ｎｍ程度であった。
【0080】
（検証実験６）
検証実験６では、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料の磁気異方性定数Ｋｅｆｆと記録層（強磁性層）の実効膜厚ｔ＊の積をＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer：振動試料型磁力計）で評価した。ＶＳＭで評価した磁気異方性定数Ｋｅｆｆと実効膜厚ｔ＊の積の結果を図２２に示す。図２２において、横軸は記録層（強磁性層）の膜厚ｔ（ｎｍ）である。図２２中に、実施例１（Ｈｆ（０．３５ｎｍ）／Ｗ（０．３５ｎｍ）、記号○）、実施例２（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ（０．７ｎｍ）、記号◇）、実施例３（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ－Ｔａ（０．７ｎｍ）、記号■）及び比較例（β－Ｗ、記号△）の各グラフが示されている。
検証実験６では、実施例１、実施例２、実施例３及び比較例の試料の磁気異方性定数Ｋｅｆｆと記録層（強磁性層）の実効膜厚ｔ＊の積をＶＳＭ（Vibrating Sample Magnetometer：振動試料型磁力計）で評価した。ＶＳＭで評価した磁気異方性定数Ｋｅｆｆと実効膜厚ｔ＊の積の結果を図２２に示す。図２２において、横軸は記録層（強磁性層）の膜厚ｔ（ｎｍ）である。図２２中に、実施例１（Ｈｆ（０．３５ｎｍ）／Ｗ（０．３５ｎｍ）、記号○）、実施例２（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ（０．７ｎｍ）、記号◇）、実施例３（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ－Ｔａ（０．７ｎｍ）、記号■）及び比較例（β－Ｗ、記号△）の各グラフが示されている。
【0081】
図２２において、磁気異方性定数Ｋｅｆｆと記録層（強磁性層）の実効膜厚ｔ＊の積が正となる領域では、磁化方向が垂直方向である強磁性層であることを示す。また、磁気異方性定数Ｋｅｆｆと記録層（強磁性層）の実効膜厚ｔ＊の積が負となる領域では、磁化方向が面内方向である強磁性層であることを示す。図２２から、比較例では記録層（強磁性層）の膜厚を１ｎｍ以下にまで薄くしないと垂直方向に磁化可能な膜とならないことが確認された。実施例１～３のグラフは、比較例のグラフに対して縦軸の正方向にシフトした位置となっている。即ち、記録層（強磁性層）の膜厚を１．４ｎｍ程度にまで厚くしても垂直方向に磁化可能な膜を実現できることを示している。
【0082】
上記の各検証実験において、電気抵抗率（μΩｃｍ）、１／Ｊｓに比例するスピン生成効率（スピンホール角）、消費電力の相対値（比較例β－Ｗを１としたとき）を、各重金属層材料に対して、表１にまとめて示す。各重金属層材料は実施例１（Ｈｆ（０．３５ｎｍ）／Ｗ（０．３５ｎｍ））、実施例２（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ（０．７ｎｍ））、実施例３（Ｈｆ（０．７ｎｍ）／Ｗ－Ｔａ（０．７ｎｍ））及び比較例（β－Ｗ）である。
【0083】
【表1】
【0084】
（２）第２実施形態
（２－１）第２実施形態の磁気メモリ素子の全体構成
図２３Ａを参照して、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子１００Ａについて説明する。図２３Ａは、磁気メモリ素子の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。磁気メモリ素子１００ＡのＭＴＪは略円柱状であり、略円柱状の外周面から内側にかけて一部に切欠き部ＮＡが設けられている。切欠き部ＮＡは、図２３Ａに示すように、ＭＴＪの平面図上の形状が書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれの線に対しても非対称となる位置に設けられている。切欠き部ＮＡにおけるＭＴＪの表面は、略円柱状の外周方向に凸の形状となっている。図２３Ｂは、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。図２３Ａに示す磁気メモリ素子１００Ａのように、切欠き部ＮＡは、第３象限から第２象限及び第４象限にかかる範囲で設けられるような大きさでもよく、図２３Ｂに示す磁気メモリ素子１００ＡＸのように、第３象限においてのみ設けられるような大きさでもよい。図２３Ａ及び図２３Ｂでは主に第３象限において欠けている例を示したが、第１象限、第２象限、第３象限、第４象限のいずれかが欠けていればよい。
（２－１）第２実施形態の磁気メモリ素子の全体構成
図２３Ａを参照して、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子１００Ａについて説明する。図２３Ａは、磁気メモリ素子の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。磁気メモリ素子１００ＡのＭＴＪは略円柱状であり、略円柱状の外周面から内側にかけて一部に切欠き部ＮＡが設けられている。切欠き部ＮＡは、図２３Ａに示すように、ＭＴＪの平面図上の形状が書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれの線に対しても非対称となる位置に設けられている。切欠き部ＮＡにおけるＭＴＪの表面は、略円柱状の外周方向に凸の形状となっている。図２３Ｂは、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。図２３Ａに示す磁気メモリ素子１００Ａのように、切欠き部ＮＡは、第３象限から第２象限及び第４象限にかかる範囲で設けられるような大きさでもよく、図２３Ｂに示す磁気メモリ素子１００ＡＸのように、第３象限においてのみ設けられるような大きさでもよい。図２３Ａ及び図２３Ｂでは主に第３象限において欠けている例を示したが、第１象限、第２象限、第３象限、第４象限のいずれかが欠けていればよい。
【0085】
図２３Ｃは、図２３Ａに示した磁気メモリ素子１００Ａを示す斜視図である。図２３Ｃに示すように、磁性積層膜１Ａは、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層２と、重金属層２と隣接して設けられた記録層１０Ａ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の構成は第１実施形態と同様である。図２３Ｂに示した磁気メモリ素子１００ＡＸも同様の構成となるので、以下では磁気メモリ素子１００Ａで代表して説明する。
【0086】
本実施形態では、重金属層２が、例えば、ＳｉやＳｉＯ２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などで形成されたバッファ層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。
【0087】
記録層１０Ａ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いる。記録層１０Ａは、磁化方向が反転可能な強磁性層により形成されている。記録層１０Ａの重金属層２と隣接する面の反対側の面に隣接して、障壁層１１Ａ、参照層１２Ａ及び導電層１３Ａがこの順に積層されており、導電層１３Ａに接続して第３端子Ｔ３Ａが設けられている。また、重金属層２には、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２が接続して設けられている。記録層１０Ａ、障壁層１１Ａ、参照層１２Ａ、導電層１３Ａ及び第３端子Ｔ３Ａの積層体は、切欠き部ＮＡが設けられた略円柱状の形状を有している。
【0088】
上記のように、記録層１０Ａ、障壁層１１Ａ及び参照層１２Ａの積層体の、重金属層２とは反対側から見た形状が、書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれの線に対しても非対称である。記録層１０Ａ、障壁層１１Ａ、参照層１２Ａ、導電層１３Ａ及び第３端子Ｔ３Ａの材料及び膜厚などは、第１実施形態と同様である。
【0089】
磁気メモリ素子１００Ａの書き込み方法及び読み出し方法は、第１実施形態と同様にして行うことができる。ここで、上記のように記録層１０Ａ、障壁層１１Ａ及び参照層１２Ａの積層体の、重金属層２とは反対側から見た形状が、書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれの線に対しても非対称であることにより、書き込み時において、外部磁場がなくても磁化方向を反転することが可能である。
【0090】
（２－２）磁気メモリの全体構成
図２４は、図２３Ａの磁気メモリ素子１００Ａのアレイを用いた磁気メモリの一例を示す概略斜視図である。共通基板ＳＡ１に５個の磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５１が設けられている。共通基板ＳＡ１は、基板５、バッファ層４及び重金属層２の積層体であり、５個の磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５１に対して共通の基板である。５個の磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５１は、それぞれ記録層１０Ａ、障壁層１１Ａ、参照層１２Ａ、導電層１３Ａ及び第３端子Ｔ３Ａが積層された積層体で構成され、切欠き部を有する略円柱状の形状を有する。共通基板ＳＡ１は、長手方向の一方の端部に設けられた第１端子（不図示）にトランジスタを介して書き込み電圧が印加可能に設けられ、他方の端部に設けられた第２端子（不図示）にトランジスタを介してグラウンドに接続されている。同様にして、共通基板ＳＡ２に５個の磁気メモリ素子Ｍ１２～Ｍ５２が設けられており、また、共通基板ＳＡ３に５個の磁気メモリ素子Ｍ１３～Ｍ５３が設けられている。共通基板ＳＡ１～ＳＡ３は並列に設けられている。５×３個の磁気メモリ素子が集積されたアレイである。図面上は５×３個の磁気メモリ素子のアレイであることを示しているが、これに限らず、ｍ×ｎ個の磁気メモリ素子が集積されたアレイに適用可能である。
図２４は、図２３Ａの磁気メモリ素子１００Ａのアレイを用いた磁気メモリの一例を示す概略斜視図である。共通基板ＳＡ１に５個の磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５１が設けられている。共通基板ＳＡ１は、基板５、バッファ層４及び重金属層２の積層体であり、５個の磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５１に対して共通の基板である。５個の磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５１は、それぞれ記録層１０Ａ、障壁層１１Ａ、参照層１２Ａ、導電層１３Ａ及び第３端子Ｔ３Ａが積層された積層体で構成され、切欠き部を有する略円柱状の形状を有する。共通基板ＳＡ１は、長手方向の一方の端部に設けられた第１端子（不図示）にトランジスタを介して書き込み電圧が印加可能に設けられ、他方の端部に設けられた第２端子（不図示）にトランジスタを介してグラウンドに接続されている。同様にして、共通基板ＳＡ２に５個の磁気メモリ素子Ｍ１２～Ｍ５２が設けられており、また、共通基板ＳＡ３に５個の磁気メモリ素子Ｍ１３～Ｍ５３が設けられている。共通基板ＳＡ１～ＳＡ３は並列に設けられている。５×３個の磁気メモリ素子が集積されたアレイである。図面上は５×３個の磁気メモリ素子のアレイであることを示しているが、これに限らず、ｍ×ｎ個の磁気メモリ素子が集積されたアレイに適用可能である。
【0091】
磁気メモリは、磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５３にデータを書き込む書き込み電源を備える不図示の書き込み部を有する。書き込み部は、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流すことにより、磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５３にデータを書き込む。
【0092】
磁気メモリは、読み出し電源と、電流検出器とを備え、磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５３にデータを書き込む不図示の読み出し部を有する。読み出し電源は、障壁層１１を貫通する読み出し電流Ｉｒを流す。電流検出器は、障壁層１１を貫通した読み出し電流Ｉｒを検出し、磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５３に書き込まれているデータを読み出す。
【0093】
上記の磁気メモリ素子Ｍ１１～Ｍ５３の書き込み方法について説明する。ここでは、重金属層２の第２端子Ｔ２にグラウンドが直接接続されている場合について説明するが、第２端子Ｔ２はトランジスタを介してグラウンドに接続されてもいてよい。初期状態として、重金属層２の第１端子Ｔ１に接続されたトランジスタと、各ＭＴＪの第３端子Ｔ３Ａに接続されたトランジスタとがすべてオフであるとする。まず、各ＭＴＪの第３端子Ｔ３Ａに接続されたトランジスタをすべてオンにし、各ＭＴＪの記録層１０Ａの磁気異方性を小さくする。次いで、書き込み電圧Ｖｗを正の電圧に設定し、第１端子Ｔ１に接続されたトランジスタをオンにし、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、各ＭＴＪの第３端子Ｔ３Ａに接続されたトランジスタをすべてオフにし、第１端子Ｔ１に接続されたトランジスタをオフにする。
【0094】
次いで、１を書き込みたいＭＴＪの第３端子Ｔ３Ａに接続されたトランジスタ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Ｖｗを負の電圧にし、第１端子に接続されたトランジスタをオンにし、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端子Ｔ３Ａに接続されたトランジスタをオンにしたＭＴＪのみ記録層１０Ａ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端子Ｔ３Ａに接続されたトランジスタをオフにし、第１端子Ｔ１に接続されたトランジスタ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にのみ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端子Ｔ１に接続されたトランジスタをオンにした後、読み出したいＭＴＪの第３端子Ｔ３Ａに接続された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。
【0095】
以上に示すように、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、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層と、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た構成とした。
【0096】
よって、磁性積層膜１Ａは、重金属層２がＨｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層で構成されているので、重金属層の電気抵抗率をβ－Ｗより低くすることができ、消費電力を抑制できる。また、重金属層のラフネスをβ－Ｗより小さくすることができ、ＭＴＪ特性のばらつきを抑制できる。
【0097】
（変形例１）
図２５Ａは、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。図２３Ａ～図２３Ｃに示した磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪでは、切欠き部ＮＡにおけるＭＴＪの表面は、略円柱状の外周方向に凸の形状となっていたが、これに限るものではない。図２５Ａに示す磁気メモリ素子１００Ｂのように、切欠き部ＮＢは平坦な面であってもよい。この構成でも、切欠き部ＮＢは、ＭＴＪの平面図上の形状が書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれの線に対しても非対称となる位置に設けられている。図２５Ｂは、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。図２５Ａに示す磁気メモリ素子１００Ｂのように、切欠き部ＮＢは、第３象限から第２象限及び第４象限にかかる範囲で設けられるような大きさでもよく、図２５Ｂに示す磁気メモリ素子１００ＢＸのように、第３象限のおいてのみ設けられるような大きさでもよい。
図２５Ａは、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。図２３Ａ～図２３Ｃに示した磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪでは、切欠き部ＮＡにおけるＭＴＪの表面は、略円柱状の外周方向に凸の形状となっていたが、これに限るものではない。図２５Ａに示す磁気メモリ素子１００Ｂのように、切欠き部ＮＢは平坦な面であってもよい。この構成でも、切欠き部ＮＢは、ＭＴＪの平面図上の形状が書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれの線に対しても非対称となる位置に設けられている。図２５Ｂは、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。図２５Ａに示す磁気メモリ素子１００Ｂのように、切欠き部ＮＢは、第３象限から第２象限及び第４象限にかかる範囲で設けられるような大きさでもよく、図２５Ｂに示す磁気メモリ素子１００ＢＸのように、第３象限のおいてのみ設けられるような大きさでもよい。
【0098】
図２６Ａは、本発明の第２実施形態の磁気メモリ素子の他の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。図２６Ａに示す磁気メモリ素子１００Ｃのように、切欠き部ＮＣにおけるＭＴＪの表面は、略円柱状の外周方向に凹の形状となっていてもよい。この構成でも、切欠き部ＮＣは、ＭＴＪの平面図上の形状が書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれの線に対しても非対称となる位置に設けられている。図２６Ａに示す磁気メモリ素子１００Ｃのように、切欠き部ＮＣは、第３象限から第２象限及び第４象限にかかる範囲で設けられるような大きさでもよく、図２６Ｂに示す磁気メモリ素子１００ＣＸのように、第３象限のおいてのみ設けられるような大きさでもよい。
【0099】
（３）第３実施形態
（３－１）第３実施形態の磁気メモリ素子の全体構成
以下、図２７Ａ及び図２７Ｂを参照して、本発明の第３実施形態の磁気メモリ素子１００Ｄについて説明する。図２７Ａは、磁気メモリ素子の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。磁気メモリ素子１００ＤのＭＴＪは略円柱状である。図２３Ａ及び図２３Ｂに示すＭＴＪのように切欠き部は設けられていない。図２７Ａに示すように、ＭＴＪの平面図上の形状が書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれかの線に対して線対称となっている。図２７Ａでは、ＭＴＪの平面図上の形状が円であり、円の中心を通る線に対して線対称である。
（３－１）第３実施形態の磁気メモリ素子の全体構成
以下、図２７Ａ及び図２７Ｂを参照して、本発明の第３実施形態の磁気メモリ素子１００Ｄについて説明する。図２７Ａは、磁気メモリ素子の一例の柱状のＭＴＪを示す平面図である。磁気メモリ素子１００ＤのＭＴＪは略円柱状である。図２３Ａ及び図２３Ｂに示すＭＴＪのように切欠き部は設けられていない。図２７Ａに示すように、ＭＴＪの平面図上の形状が書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれかの線に対して線対称となっている。図２７Ａでは、ＭＴＪの平面図上の形状が円であり、円の中心を通る線に対して線対称である。
【0100】
図２７Ｂは、図２７Ａに示した磁気メモリ素子１００Ｄを示す斜視図である。図２７Ｂに示すように、磁性積層膜１Ｄは、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層２と、重金属層２と隣接して設けられた記録層１０Ｄ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の構成は第１実施形態と同様である。
【0101】
本実施形態では、重金属層２が、例えば、ＳｉやＳｉＯ２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などで形成されたバッファ層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。
【0102】
記録層１０Ｄ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いる。記録層１０Ｄは、磁化方向が反転可能な強磁性層により形成されている。記録層１０Ｄの重金属層２と隣接する面の反対側の面に隣接して、障壁層１１Ｄ、参照層１２Ｄ及び導電層１３Ｄがこの順に積層されており、導電層１３Ｄに接続して第３端子Ｔ３Ｄが設けられている。また、重金属層２には、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２が接続して設けられている。記録層１０Ｄ、障壁層１１Ｄ、参照層１２Ｄ、導電層１３Ｄ及び第３端子Ｔ３Ｄの積層体は、略円柱状の形状を有している。
【0103】
上記のように、記録層１０Ｄ、障壁層１１Ｄ及び参照層１２Ｄの積層体の、重金属層２とは反対側から見た形状が、書き込み電流Ｉｗに沿った方向のいずれかの線に対して線対称である。記録層１０Ｄ、障壁層１１Ｄ、参照層１２Ｄ、導電層１３Ｄ及び第３端子Ｔ３Ｄの材料及び膜厚などは、第１実施形態と同様である。
【0104】
磁気メモリ素子１００Ｄの書き込み方法について説明する。ここでは、後述のように人工知能システムに適用される場合の磁気メモリ素子１００Ｄの書き込み方法を説明する。初期状態として、重金属層２の第１端子Ｔ１に接続されたトランジスタと、各ＭＴＪの第３端子Ｔ３Ｄに接続されたトランジスタとがすべてオフであるとする。書き込み電圧Ｖｗを正の電圧に設定し、第１端子Ｔ１に接続されたトランジスタをオンにし、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、ＭＴＪの磁気異方性定数が小さいので垂直磁化を有する記録層１０は回転し安定な方向に磁化容易軸は定まらない。つぎに、各ＭＴＪの第３端子Ｔ３Ｄに接続されたトランジスタをすべてオンにして書き込み補助電流ＩＷＡを流し、各流した個所のみが書き込まれる。その後、各ＭＴＪの第３端子Ｔ３Ｄに接続されたトランジスタをすべてオフにし、第１端子Ｔ１に接続されたトランジスタをオフにする。
【0105】
次いで、書き込み電圧Ｖｗを負の電圧にし、第１端子Ｔ１に接続されたトランジスタをオンにし、第２端子Ｔ２から第１端子Ｔ１へ書き込み電流Ｉｗを流す。記録層１０Ｄの磁気異方性定数Δを５～１５と小さくすると、書き込み電流Ｉｗを流すと垂直磁化を有する記録層１０Ｄは回転し安定な方向に磁化容易軸は定まらない。その後、１を書き込みたいＭＴＪの第３端子Ｔ３Ｄに接続されたトランジスタをオンにして書き込むＭＴＪを選択して、書き込み補助電流ＩＷＡを流すと、垂直磁化を有する記録層１０Ｄは書き込み補助電流ＩＷＡの流れる方向に規定され、スピントランスファートルクにより磁化容易軸が安定状態に反転する。本素子をクロスバーネットワークのクロスポイントメモリとして使用する場合は、記録層１０Ｄの磁気異方性定数Δを５～１５と小さくすると、書き込み電流Ｉｗを流すと垂直磁化を有する記録層１０Ｄは回転し安定な方向に磁化容易軸は定まらないが、これを後術する環状磁場印加配線で書き込む。この際、記録層１０Ｄの磁気異方性定数Δは５～１５と小さいため、小さな電流磁場で書込みを行うことが可能である。
【0106】
図２８は、磁気メモリ素子１００Ｄにデータを書き込む信号のタイミングチャートである。書き込み電流Ｉｗ及び書き込み補助電流ＩＷＡは、パルス状の電流とする。図２８に示すように、書き込み電流Ｉｗのパルス及び書き込み補助電流ＩＷＡのパルスは、少なくとも一部が時間的に重なりを有するタイミングである。例えば、図２８に示すように、書き込み電流Ｉｗのパルスが先にオンとなり、書き込み電流Ｉｗのパルスがオフになる前に、書き込み補助電流ＩＷＡのパルスがオンとなる。この後、書き込み電流Ｉｗのパルスがオフになり、書き込み補助電流ＩＷＡのパルスがオフとなる。
【0107】
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端子Ｔ１に接続されたトランジスタをオンにした後、読み出したいＭＴＪの第３端子Ｔ３Ｄに接続された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。
【0108】
磁気メモリ素子１００Ｄの読み出し方法は、第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【0109】
以上に示すように、第３実施形態の磁性積層膜１Ｄは、磁気メモリ素子用の積層膜であって、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの重金属層と、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た構成とした。
【0110】
よって、磁性積層膜１Ｄは、重金属層２がＨｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層で構成されているので、重金属層の電気抵抗率をβ－Ｗより低くすることができ、消費電力を抑制できる。また、重金属層のラフネスをβ－Ｗより小さくすることができ、ＭＴＪ特性のばらつきを抑制できる。
【0111】
（３－２）人工知能（ＡＩ）システムの全体構成
図２９は、本発明の第３実施形態の磁気メモリ素子を用いたＡＩシステムの一例を示す概略斜視図である。一の方向に延伸する複数本の第１配線（Ｓ１・・・Ｓｎ）と、一の方向と直交する方向に延伸する複数本の第２配線（Ｂ１・・・Ｂｍ）とを有し、第１配線（Ｓ１・・・Ｓｎ）と第２配線（Ｂ１・・・Ｂｍ）との各交点に、第１配線（Ｓ１・・・Ｓｎ）と第２配線（Ｂ１・・・Ｂｍ）とを接続するクロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）が設けられている。クロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）は、ＲｅＲＡＭ（抵抗変化メモリ）、ＰＣＭ（相変化メモリ）、ＭＴＪなどの記憶素子で構成されている。このようにして、抵抗クロスバーネットワークが設けられている。
図２９は、本発明の第３実施形態の磁気メモリ素子を用いたＡＩシステムの一例を示す概略斜視図である。一の方向に延伸する複数本の第１配線（Ｓ１・・・Ｓｎ）と、一の方向と直交する方向に延伸する複数本の第２配線（Ｂ１・・・Ｂｍ）とを有し、第１配線（Ｓ１・・・Ｓｎ）と第２配線（Ｂ１・・・Ｂｍ）との各交点に、第１配線（Ｓ１・・・Ｓｎ）と第２配線（Ｂ１・・・Ｂｍ）とを接続するクロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）が設けられている。クロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）は、ＲｅＲＡＭ（抵抗変化メモリ）、ＰＣＭ（相変化メモリ）、ＭＴＪなどの記憶素子で構成されている。このようにして、抵抗クロスバーネットワークが設けられている。
【0112】
上記の第１配線（Ｓ１・・・Ｓｎ）の一方の端部に入力線ＩＮＰＵＴが接続され、他方の端部に、電子ニューロン（ＮＲ１・・・ＮＲｎ）が接続されている。電子ニューロン（ＮＲ１・・・ＮＲｎ）は、ニューロン基板（ＳＡＮＲ１・・・ＳＡＮＲｎ）上に形成されている。ニューロン基板（ＳＡＮＲ１・・・ＳＡＮＲｎ）は、基板５、バッファ層４及び重金属層２の積層体である。電子ニューロン（ＮＲ１・・・ＮＲｎ）は、磁気メモリ素子１００Ｄと同様の構成である。ニューロン基板（ＳＡＮＲ１・・・ＳＡＮＲｎ）に出力線ＯＵＴＰＵＴが接続される。
【0113】
上記に記載の磁気メモリ素子１００Ｄが、抵抗クロスバーネットワークの加重和が入力される電子ニューロン（ＮＲ１・・・ＮＲｎ）に用いられている。即ち、ニューロン基板（ＳＡＮＲ１・・・ＳＡＮＲｎ）に設けられた重金属層２は、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層で構成されている。上記の抵抗クロスバーネットワークを１段とし、これが複数段接続され、前段の抵抗クロスバーネットワークの出力が次段の抵抗クロスバーネットワークに入力されるように構成されている。このようにして、本実施形態のＡＩシステムが構成されている。上記のクロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）は、ＡＩシステムのシナプスに該当する。
【0114】
クロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）は、一対の第２配線に対応するメモリを１組としてデータを記憶する。例えば、前段の抵抗クロスバーネットワークから入力があると、入力に応じて第２配線Ｂ１にＶＳが入力され、また、第２配線Ｂ２に－ＶＳが入力される。これに応じて、クロスポイントメモリＣＭ１１に及びクロスポイントメモリＣＭ２１にそれぞれデータが記憶される。クロスポイントメモリＣＭ３１及びクロスポイントメモリＣＭ４１以降のクロスポイントメモリでも前段の抵抗クロスバーネットワークからの入力に従ってデータが記憶される。クロスポイントメモリＣＭ１１・・・ＣＭｍ１は同一の第１配線Ｓ１上に設けられており、クロスポイントメモリＣＭ１１・・・ＣＭｍ１に記憶されたデータの加重和の信号（各クロスポイントメモリＣＭ１１・・・ＣＭｍ１からの読み出し電流の和に対応する信号）が電子ニューロンＮＲ１に出力され、記憶される。他の第２配線Ｂｍにおいても同様に前段の抵抗クロスバーネットワークからの入力に従ってクロスポイントメモリＣＭ１ｎ・・・ＣＭｍｎにデータが記憶され、クロスポイントメモリＣＭ１ｎ・・・ＣＭｍｎに記憶されたデータの加重和の信号が電子ニューロンＮＲｎに出力され、記憶される。電子ニューロン（ＮＲ１・・・ＮＲｎ）に記憶されたデータが、次段の抵抗クロスバーネットワークに入力されるように構成されている。
【0115】
図３０は、磁気メモリ素子を用いたＡＩシステムの一例の回路図である。読み出しの対象となる電子ニューロンＮＲｎに対して、参照素子ＲＥＦが直列に接続された構成を有する。参照素子ＲＥＦは、電子ニューロンＮＲｎと同様の磁気メモリ素子で構成されており、所定の抵抗値を有する。参照素子ＲＥＦはトランジスタＴＲＳＩＧを介して電源電圧ＶＤＤが入力され、また、電子ニューロンＮＲｎはグラウンドに接続されている。読み出し許可信号ＳＩＧが入力されてトランジスタＴＲＳＩＧがオンになると、参照素子ＲＥＦに電源電圧ＶＤＤが入力される。
【0116】
上記の構成において、電子ニューロンＮＲｎが１を記憶して高抵抗であるとき、電子ニューロンＮＲｎ及び参照素子ＲＥＦの接続点からの出力は高電位になり、アンプＡＭＰを経て、高電位の信号がトランジスタＴＲ＋ＶＳ及びトランジスタＴＲ－ＶＳに入力され、＋ＶＳ信号及び－ＶＳ信号が次段の抵抗クロスバーネットワークＮＷｎ＋１に入力される。
【0117】
上記の構成において、電子ニューロンＮＲｎが０を記憶して低抵抗であるとき、電子ニューロンＮＲｎ及び参照素子ＲＥＦの接続点からの出力は低電位になり、アンプＡＭＰを経て、低電位の信号がトランジスタＴＲ＋ＶＳ及びトランジスタＴＲ－ＶＳに入力される。この結果、＋ＶＳ信号及び－ＶＳ信号が次段の抵抗クロスバーネットワークＮＷｎ＋１に入力されない。
【0118】
上記のように、本実施形態の磁気メモリ素子を用いて、前段の抵抗クロスバーネットワークの出力が次段の抵抗クロスバーネットワークに入力されるように構成されており、ＡＩシステムが構成されている。
【0119】
（変形例２）
図３１は、磁気メモリ素子を用いたＡＩシステムの他の一例を示す概略斜視図である。
電子ニューロン（ＮＲ１・・・ＮＲｎ）が磁気メモリ素子１００Ｄと同様の構成であることに加えて、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）も磁気メモリ素子１００Ｄと同様の構成である。即ち、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）が設けられた第１配線は共通基板（ＳＡ１・・・ＳＡｎ）であり、基板５、バッファ層４及び重金属層２の積層体で構成されている。共通基板（ＳＡ１・・・ＳＡｎ）に設けられた重金属層２は、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層で構成されている。
図３１は、磁気メモリ素子を用いたＡＩシステムの他の一例を示す概略斜視図である。
電子ニューロン（ＮＲ１・・・ＮＲｎ）が磁気メモリ素子１００Ｄと同様の構成であることに加えて、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）も磁気メモリ素子１００Ｄと同様の構成である。即ち、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１・・・ＣＭｍｎ）が設けられた第１配線は共通基板（ＳＡ１・・・ＳＡｎ）であり、基板５、バッファ層４及び重金属層２の積層体で構成されている。共通基板（ＳＡ１・・・ＳＡｎ）に設けられた重金属層２は、Ｈｆを含有する第１層とＨｆを除く重金属を含有する第２層を交互に積層した構造を有するアモルファスの層で構成されている。
【0120】
上記のように、本実施形態の磁気メモリ素子を用いて、前段の抵抗クロスバーネットワークの出力が次段の抵抗クロスバーネットワークに入力されるように構成されており、ＡＩシステムが構成されている。
【0121】
（変形例３）
図３２は、磁気メモリ素子を用いたＡＩシステムの他の一例の平面図である。上記の第３実施形態のＡＩシステムを構成する磁気メモリ素子のアレイにおいて、書き込みを行うために所定の行を選択して所定の磁場を印加することができる磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２・・・）が設けられていてもよい。重金属配線である共通基板（ＳＡ１～ＳＡｎ）の書き込みたい磁気メモリ素子がある位置に書込み電流Ｉｗを印加すると、磁気素子は熱安定性定数が小さいため“１”“０”が規定されない状態になる。その状態のときに、例えば環状の配線である磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２・・・）に所定の方向に電流を流すことで環状の内側の領域に所定の方向の磁場を発生させ、書込みを行う。図３２は、共通基板（ＳＡ１・・・ＳＡｎ）と、クロスポイントメモリＣＭ１１、ＣＭ２１・・・ＣＭ１ｎ、ＣＭ２ｎ）との位置に対して、磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２・・・）の配置が明確になるように、第２配線などのその他の部材の表示を省略して図面を簡略化している。
図３２は、磁気メモリ素子を用いたＡＩシステムの他の一例の平面図である。上記の第３実施形態のＡＩシステムを構成する磁気メモリ素子のアレイにおいて、書き込みを行うために所定の行を選択して所定の磁場を印加することができる磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２・・・）が設けられていてもよい。重金属配線である共通基板（ＳＡ１～ＳＡｎ）の書き込みたい磁気メモリ素子がある位置に書込み電流Ｉｗを印加すると、磁気素子は熱安定性定数が小さいため“１”“０”が規定されない状態になる。その状態のときに、例えば環状の配線である磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２・・・）に所定の方向に電流を流すことで環状の内側の領域に所定の方向の磁場を発生させ、書込みを行う。図３２は、共通基板（ＳＡ１・・・ＳＡｎ）と、クロスポイントメモリＣＭ１１、ＣＭ２１・・・ＣＭ１ｎ、ＣＭ２ｎ）との位置に対して、磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２・・・）の配置が明確になるように、第２配線などのその他の部材の表示を省略して図面を簡略化している。
【0122】
図３３は、磁気メモリ素子を用いたＡＩシステムの他の一例の平面図である。図３２では、磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２・・・）はいずれも図面上左側の部分で閉じた環状の配線であるが、このような構成に限定されない。図３３に示すように、図面上左側の部分で閉じた環状の配線である磁場印加電極ＣＬ１と、図面上右側の部分で閉じた環状の配線である磁場印加電極ＣＬ２Ａとを含むような構成であってもよい。磁場印加電極ＣＬ１と、磁場印加電極ＣＬ２Ａとは、いずれも所定の方向に電流を流すことで環状の内側の領域に所定の方向の磁場を発生させる。図３３は、共通基板（ＳＡ１・・・ＳＡｎ）と、クロスポイントメモリ（ＣＭ１１、ＣＭ２１・・・ＣＭ１ｎ、ＣＭ２ｎ）との位置に対して、磁場印加電極（ＣＬ１、ＣＬ２Ａ・・・）の配置が明確になるように、第２配線などのその他の部材の表示を省略して図面を簡略化している。
【符号の説明】
【0123】
１ 磁性積層膜
２ 重金属層
１０ 記録層
１１ 障壁層
１２ 参照層
１００ 磁気メモリ素子
Ｉｗ 書き込み電流
Ｉｒ 読み出し電流
２ 重金属層
１０ 記録層
１１ 障壁層
１２ 参照層
１００ 磁気メモリ素子
Ｉｗ 書き込み電流
Ｉｒ 読み出し電流
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23A】
【図23B】
【図23C】
【図24】
【図25A】
【図25B】
【図26A】
【図26B】
【図27A】
【図27B】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】