JP7710752B2 - 磁気メモリ素子及びその作製方法 - Google Patents

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本発明は、磁気メモリ素子に関する。

近年、磁化の向きを“０”と“１”の情報として記憶できる強磁性体を用いた磁気抵抗メモリが、不揮発性メモリの代表例として注目を集めている。最近では、書き込み手法としてスピン流を用いた磁化反転現象が見出され、汎用化されつつある。特に、強磁性体と非磁性重金属（タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）など）からなる多層膜に電流を流すことで起こる磁化反転現象は、スピン軌道トルク磁化反転と呼ばれ、次世代技術として盛んに研究されている。

また、磁気抵抗メモリのさらなる高速化のため、強磁性体から反強磁性体への代替が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。その理由は、反強磁性体はスピンの応答速度が強磁性体に比べて２～３桁速いＴＨｚ帯（ピコ（１０^-１２）秒）であり、磁性体間の相互作用が小さいため、磁気抵抗メモリをはじめとする磁気デバイスをさらに高速化、高集積化できる可能性があるからである。

H. Tsai, T. Higo, K. Kondou, T. Nomoto, A. Sakai, A. Kobayashi, T. Nakano, K. Yakushiji, R. Arita, S. Miwa, Y. Otani, S. Nakatsuji, "Electrical manipulation of a topological antiferromagnetic state," Nature, volume 580, pages 608-613 (2020)

反強磁性体を用いた磁気メモリ素子は、強磁性体と同様に電気的に情報の書き込みや読み出しが可能であることが実証されている一方で、読み出し信号が小さいことが応用上の課題となっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、反強磁性体を用いた磁気メモリ素子において読み出し信号を増強させることを目的とする。

本発明に係る磁気メモリ素子は、磁気モーメントがキャントした磁気秩序を有するキャントした反強磁性体からなる反強磁性層と、反強磁性層に接触し、キャントした反強磁性体とは異なる物質からなる接触層と、を備える。反強磁性層と接触層との界面のラフネスは１．０ｎｍ以下であり、接触層にスピン流が流れると、スピン流によって生じるトルクが反強磁性層の磁気秩序に働き、磁気秩序が反転可能である。

本発明によれば、反強磁性層と接触層との界面のラフネスを１．０ｎｍ以下とすることにより、界面が平滑化され、接触層から界面を介して反強磁性層に注入されるスピン流を増大させるとともに、反強磁性層の磁気特性を最適に保つことができるため、磁気メモリ素子の読み出し信号を増強させることが可能となる。

従来の磁気メモリ素子の断面図である。 本発明の実施形態に係る磁気メモリ素子の断面図である。 本実施形態の変形例に係る磁気メモリ素子の断面図である。 Ｍｎ_３Ｓｎの結晶構造及び磁気構造を表す模式図である。 ホールバー構造の磁気メモリ素子の構成を示す模式図である。 図４Ａの磁気メモリ素子における書き込み動作を説明するための模式図である。 図４Ａの磁気メモリ素子における読み出し動作を説明するための模式図である。 従来のＲｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜についてホール電圧の垂直磁場依存性を示すグラフである。 本実施形態のＭｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜についてホール電圧の垂直磁場依存性を示すグラフである。 Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜についてホール電圧の書き込み電流依存性を示すグラフである。 Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜についてホール電圧の書き込み電流依存性を示すグラフである。 Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜についてホール電圧変化の読み出し電流依存性を示すグラフである。 Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。 異なるア二－リング温度Ｔ_Ａで作製された本実施形態のＭｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜のＸ線回折パターンを示すグラフである。 異なるア二－リング温度Ｔ_Ａで作製されたＭｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜のＡＦＭ画像である。 Ｔ_Ａ＝５００℃で作製されたＭｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜の断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像である。 異なるア二－リング温度Ｔ_Ａで作製されたＭｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜の異常ホール伝導度の磁場依存性を示すグラフである。 Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜とＴａ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ａｌ_２Ｏ_３膜のそれぞれについて磁気秩序の反転割合の書き込み電流依存性を示すグラフである。 ＳＯＴ‐ＭＲＡＭの磁気メモリ素子の構成を示す模式図である。 ＳＴＴ‐ＭＲＡＭの磁気メモリ素子の構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の実施形態では、図面全体を通して、同一又は同様の構成要素には同一の符号を付している。図面は模式的なものであり、平面寸法と厚さとの関係、及び各部材の厚さの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

本実施形態では、多層膜を構成する各層の材料によって多層膜を表記することがある。例えば、材料ａの層の上に、材料ｂの層、材料ｃの層が順に積層されている場合、この多層膜を「材料ａ／材料ｂ／材料ｃ」と表記する。また、各層の厚み（ｎｍ）を材料名の後に括弧付きで記載することがある。例えば、厚みがｔｉ（ｎｍ）で材料ｊからなる層を「材料ｊ（ｔｉ）」と表記する。

まず、図１を参照して、反強磁性体を用いた従来の磁気メモリ素子１（非特許文献１参照）の構成を説明する。磁気メモリ素子１は、基板２と、基板２上の金属層１０と、金属層１０上の反強磁性層１１と、反強磁性層１１上の重金属層１２と、重金属層１２上の酸化物層１３とを備える。

基板２は、Ｓｉ／ＳｉＯ_２などの絶縁体からなる。金属層１０は、ルテニウム（Ｒｕ）などの金属からなる。反強磁性層１１は、Ｍｎ_３Ｓｎなどの反強磁性体からなる。重金属層１２は、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）などの非磁性重金属からなる。酸化物層１３は、酸化防止のためのキャップ層であり、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの金属酸化物からなる。

ここで、金属層１０、反強磁性層１１、重金属層１２、酸化物層１３の厚み（ｎｍ）を、それぞれ、ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３と表記する。例えば、磁気メモリ素子１は、Ｒｕ（ｔ０）／Ｍｎ_３Ｓｎ（ｔ１）／Ｗ（ｔ２）／ＡｌＯｘ（ｔ３）＝Ｒｕ（２）／Ｍｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｗ（５）／ＡｌＯｘ（５）の多層膜で構成される。

磁気メモリ素子１は、例えば、基板２上にＲｕ層（金属層１０）及びＭｎ_３Ｓｎ層（反強磁性層１１）を室温で成膜後、所定温度（例えば４５０℃）で所定時間（例えば３０分間）アニールし、その後、室温で重金属層１２及び酸化物層１３を積層することで作製される。

従来の磁気メモリ素子１において、基板２とＭｎ_３Ｓｎ層との間にＲｕ層を設けている理由は、Ｒｕ層を設けずにＭｎ_３Ｓｎ層の成膜後にアニールすると、Ｍｎ_３Ｓｎ層が結晶化し、Ｍｎ_３Ｓｎ層と重金属層１２との界面が粗くなってしまい、デバイスとしての駆動が困難になるからである。

磁気メモリ素子１の重金属層１２に面内方向の書き込み電流を流すと、スピンホール効果により、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）が反強磁性層１１の磁気秩序に働くことによって、磁気秩序の方向を反転させることができる。

次に、本実施形態に係る磁気メモリ素子を説明する。本実施形態に係る磁気メモリ素子は、従来の磁気メモリ素子１とは異なり、後述のように、Ｒｕ層を設けず、改良された熱処理プロセスによって作製される。

図２Ａに示すように、本実施形態に係る磁気メモリ素子１００は、基板２と、基板２上に積層された反強磁性体からなる反強磁性層１１０と、反強磁性層１１０上に積層された非磁性重金属の薄膜である重金属層１２０と、重金属層１２０上の酸化物層１３０とを備える。あるいは、図２Ｂに示す磁気メモリ素子１０２を採用してもよい。磁気メモリ素子１０２は、基板２上に、重金属層１２０、反強磁性層１１０、酸化物層１３０の順で積層されている。

なお、本実施形態では、主に、反強磁性層１１０に接触する接触層が重金属層１２０である例を挙げるが、他の金属若しくは金属酸化物、又はトポロジカル絶縁体などのカルコゲナイド物質からなる接触層を採用してもよい。反強磁性層１１０の少なくとも片面に、接触層が設けられていれば、本実施形態は適用可能である。

次に、図３を参照して、反強磁性層１１０を構成する反強磁性体の一例として、Ｍｎ_３Ｓｎの特性について説明する。

Ｍｎ_３Ｓｎは、三角形をベースとしたカゴメ格子と呼ばれる結晶構造をとる反強磁性体であり、図３に示すように、カゴメ格子が［０００１］方向に積層した構造を有する。カゴメ格子の頂点に位置するマンガン（Ｍｎ）は、幾何学的フラストレーションにより、４２０Ｋ以下の温度で、磁気モーメント（局在スピンの向き）が互いに１２０度傾いた非共線的な（non-collinear）磁気構造を示す。二層のカゴメ格子上に配置された３種類の６つのスピンのユニットは、六角形で示されるクラスター磁気八極子と呼ばれるスピン秩序を形成している。この非共線的な磁気構造は、クラスター磁気八極子の強磁性秩序（図３の中央部の太い矢印）とみなすことができる。この強磁性秩序は時間反転対称性を巨視的に破っている。

クラスター磁気八極子が、トポロジカルな電子構造であるワイル点（Weyl points）や運動量空間における仮想磁場（実空間換算で１００～１０００テスラ（Ｔ）に相当）の向きと対応しており、クラスター磁気八極子の向きによってワイル点と仮想磁場に由来した応答を制御することができる。

図３に示すような磁気構造は斜方晶の対称性を有し、三角形の頂点に位置するＭｎの３つの磁気モーメントのうちの１つのみが磁化容易軸に平行となる。他の２つの磁気モーメントが磁化容易軸に対してキャントしていることから、弱い強磁性モーメントを誘起すると考えられる。このように、磁気モーメントがキャントして微小な磁化を有する反強磁性体は、キャントした反強磁性体（canted antiferromagnet）と呼ばれる。

Ｍｎ_３Ｓｎの結晶配向は、磁気メモリ素子の読み出し信号の増強に重要な役割を果たしている。例えば、異常ホール効果の測定では、クラスター磁気八極子の磁気秩序が面直方向（基板２の表面に垂直）の成分を有する結晶粒のみがホール電圧に寄与する。しかしながら、従来の磁気メモリ素子１（図１）のようにＲｕ層（金属層１０）を挿入すると、Ｒｕ層に近いＭｎ_３Ｓｎのカゴメ面がほぼ面内方向（基板２の表面に平行）に揃ってしまい、ホール電圧への寄与が小さくなる。また、Ｒｕ層に電流が流れることも読み出し電圧の減少の原因となる。そこで、本実施形態では、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、磁気メモリ素子１００及び１０２はＲｕ層を設けず、Ｍｎ_３Ｓｎ層がより大きなホール電圧を示す結晶配向を有するようにした。

ここで、Ｒｕ層を設けない場合、上述のように、Ｍｎ_３Ｓｎ層（反強磁性層１１０）の成膜後にアニールして重金属層１２０を堆積すると、Ｍｎ_３Ｓｎ層が結晶化し、Ｍｎ_３Ｓｎ層と重金属層１２０との界面が粗くなってしまう。そこで、本実施形態では、Ｍｎ_３Ｓｎ層の成膜直後にはアニールせず、多層膜を全層成膜した後でアニールすることにした。

本実施形態に係る磁気メモリ素子１００の作製方法について、Ｓｉ／ＳｉＯ_２基板上にＭｎ_３Ｓｎ／Ｗ／ＡｌＯｘを形成する場合と、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／ＡｌＯｘを形成する場合とを例に挙げて説明する。

Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ／ＡｌＯｘの場合、Ｓｉ／ＳｉＯ_２基板上に、５×１０^－７Ｐａ未満のベース圧力のＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いて室温でＭｎ_３Ｓｎ層を堆積する。そして、ベース圧力が２×１０^－８Ｐａ未満の超高真空下で分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置によって室温でＷ層を堆積する。なお、Ｗ層の成膜はＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いて行うこともできる。次に、５×１０^－７Ｐａ未満のベース圧力のＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いて室温でＡｌＯｘ層を堆積する。全ての層を、真空を破らずに堆積する。Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ／ＡｌＯｘの作製後、所定温度（例えば４５０℃）で所定時間（例えば３０分間）アニールすることで、磁気メモリ素子１００が作製される。

Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／ＡｌＯｘの場合、Ｓｉ／ＳｉＯ_２基板上に、５×１０^－７Ｐａ未満のベース圧力のＤＣマグネトロンスパッタリング装置を用いてＭｎ_３Ｓｎ層とＴａ層を堆積し、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いてＡｌＯｘ層を堆積する。全ての層を、真空を破らずに、室温で堆積する。Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／ＡｌＯｘの成膜後、所定温度（例えば５００℃）で所定時間（例えば３０分）アニールすることで、磁気メモリ素子１００が作製される。

このように、本実施形態に係る磁気メモリ素子１００は、反強磁性層１１０を含む多層膜を全層成膜した後で反強磁性層１１０の結晶化温度以上の温度でアニールすることで作製される。図２Ｂに示す磁気メモリ素子１０２も同様の方法で作製される。

改良された熱処理プロセスによって磁気メモリ素子１００及び１０２を作製することによって、Ｒｕ層を設けなくても、反強磁性層１１０と反強磁性層１１０に接触する接触層との界面が平滑化され、読み出し信号の増強が期待できる。

以下では、特に断りのない限り、図２Ａに示す磁気メモリ素子１００を対象とするが、以下の説明は、図２Ｂに示す磁気メモリ素子１０２についても適用される。

次に、図４Ａ～図４Ｃを参照して、磁気メモリ素子１００の異常ホール効果、書き込み動作及び読み出し動作について説明する。

図４Ａに、ホールバー構造の磁気メモリ素子１００の構成を示す。磁気メモリ素子１００の試料は、所定のサイズ（例えば、１６μｍ×９６μｍ）に作製される。試料の長手方向（ｘ方向）の両端部には、Ａｕ／Ｔｉからなる電極１５２及び１５４が配置され、短手方向（ｙ方向）にはＡｕ／Ｔｉからなる電極１６２及び１６４が配置されている。電極１５２と電極１５４との間に書き込み電流I_write又は読み出し電流Ｉ_readが流れ、電極１６２と電極１６４との間でホール電圧Ｖ_Ｈが検出される。なお、図４Ａでは、基板２及び酸化物層１３０を省略している。

磁気メモリ素子１００に情報を書き込むとき、図４Ｂに示すように、重金属層１２０に書き込み電流I_write（パルス電流）を長手方向（ｘ方向）に流す。これにより、スピンホール効果によって面直方向（ｚ方向）にスピン流が発生し、ＳＯＴが反強磁性層１１０の磁気秩序に働くことによって、磁気秩序が反転される。このとき、ｘ方向に弱いバイアス磁場Ｈｘを印加することで、反強磁性層１１０の磁気秩序がバイアス磁場Ｈｘの影響を受け、磁気秩序の旋回方向が定まる。

このようにして、反強磁性層１１０に情報（“０”又は“１”）を書き込むことができる。書き込み電流I_writeの向きによって、反強磁性層１１０の磁気秩序の方向を制御することができる。例えば、＋ｘ方向の書き込み電流I_writeを流すと、磁気秩序は＋ｚ方向（“１”）から－ｚ方向（“０”）に反転し、－ｘ方向の書き込み電流I_writeを流すと、磁気秩序は－ｚ方向（“０”）から＋ｚ方向（“１”）に反転する。

反強磁性層１１０に記憶された情報を読み出すときは、図４Ｃに示すように、反強磁性層１１０に読み出し電流Ｉ_read（直流）をｘ方向に流す。これにより、異常ホール効果によってｙ方向にホール電圧Ｖ_Ｈが生じる。ホール電圧Ｖ_Ｈの符号は、反強磁性層１１０の磁気秩序のｚ方向の成分によって決まる。例えば、反強磁性層１１０の磁気秩序が＋ｚ方向を向いているときは“１”に対応し、－ｚ方向を向いているときは“０”に対応する。このように、反強磁性層１１０の磁気秩序の方向によって記憶した情報は、読み出し電流Ｉ_readを流すことでホール電圧Ｖ_Ｈとして読み出すことができる。

次に、図５Ａ～図５Ｄ及び図６を参照して、従来の磁気メモリ素子１と本実施形態の磁気メモリ素子１００の異常ホール効果の測定結果を説明する。ここで、測定に用いた磁気メモリ素子１の多層膜はＲｕ（２）／Ｍｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｗ（５）であり、磁気メモリ素子１００の多層膜はＭｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｗ（５）である。

図５Ａ及び図５Ｂに、Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜及びＭｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜のそれぞれに対し、垂直磁場Ｈｚ（面直方向の磁場）下で０．２ｍＡの読み出し電流Ｉ_readを印加したときの垂直磁場Ｈｚに対するホール電圧Ｖ_Ｈの変化を示す。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、両方の試料において、ホール電圧Ｖ_Ｈの明らかなヒステリシスが観測されている。また、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜におけるゼロ磁場でのホール電圧Ｖ_Ｈの差（ホール電圧変化）ΔＶ_Ｈ ^fieldは約１４０μＶであり、Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜のホール電圧変化よりも約１．６倍大きいことがわかる。

図５Ｃ及び図５Ｄに、Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜及びＭｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜のそれぞれについて、電流方向（ｘ方向）にμ_０Ｈｘ＝０．１Ｔのバイアス磁場を印加したときの、室温での書き込み電流I_writeに対するホール電圧Ｖ_Ｈの変化を示す。この場合も、ホール電圧Ｖ_Ｈを測定するために、書き込み電流I_writeを印加した後に０．２ｍＡの読み出し電流Ｉ_readを印加している。

図５Ｃより、Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜では、書き込み電流I_writeを印加した際に約２５μＶのホール電圧変化ΔＶ_Ｈ ^currentが生じていることがわかる。この振る舞いは、磁気メモリ素子１に書き込み電流I_writeを流すことでＷ層に生じるスピン流が、Ｍｎ_３Ｓｎのクラスター磁気八極子と仮想磁場に由来したホール電圧Ｖ_Ｈを反転させている（スピン軌道トルクにより反転させている）ことを示している。ここで、図５Ａ及び図５Ｃより、Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜における比ΔＶ_Ｈ ^current／ΔＶ_Ｈ ^fieldは約０．２９である。

Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜では、図５Ｄより、書き込み電流I_writeを印加した際に約７０μＶのホール電圧変化ΔＶ_Ｈ ^currentが生じており、Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜よりも読み出し信号の値が約３倍大きいことがわかる。また、図５Ｂ及び図５Ｄより、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜における比ΔＶ_Ｈ ^current／ΔＶ_Ｈ ^fieldは約０．５となることから、Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜よりも、磁気秩序が反転する割合が増大（約２９％から約５０％へ増大）していることがわかる。このように、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜では、Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜よりも大きな読み出し信号（ホール電圧）を電気的に制御することが可能である。

（ホール電圧Ｖ_Ｈ）＝（読み出し電流Ｉ_read）×（ホール抵抗Ｒ_Ｈ）であり、ホール電圧Ｖ_Ｈは読み出し電流Ｉ_readに比例して大きくなる。Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜では、図６に示すように、書き込み電流I_writeの１０分の１の約３ｍＡの読み出し電流Ｉ_readを流すことで、１ｍＶのホール電圧Ｖ_Ｈが磁気メモリ素子１００の温度上昇の影響なく取り出せることがわかった。

Ｍｎ_３Ｓｎ層とＷ層との界面状態を調べるため、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定を行った。ＡＦＭ測定で得られるＭｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜の表面状態は、Ｍｎ_３Ｓｎ層とＷ層との界面状態を反映している。図７に、ホールバー構造のＭｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｗ（５）膜のＡＦＭ画像を示す。ＡＦＭ画像の二乗平均平方根（ＲＭＳ）ラフネスは式（１）のように定義される。
ここで、ＮはＡＦＭ画像の画素数、ｘ_ｉはｉ番目の画素の高さ、ｘ_Ｍは平均の高さである。図７のＡＦＭ画像より、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜のＲＭＳラフネスは約０．５ｎｍとなり、従来のＲｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜よりも一桁小さい値となった。このことは、Ｍｎ_３Ｓｎ層とＷ層との界面が平滑になったことを示唆している。

以上のことから、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ多層膜の磁気メモリ素子１００における読み出し信号の増大は、（ｉ）Ｒｕ層の除去により、Ｍｎ_３Ｓｎ層の結晶粒が読み出し信号を大きくする面直方向に配列したこと、（ｉｉ）多層膜の全層成膜後にアニールすることで、Ｍｎ_３Ｓｎ層とＷ層との界面のラフネスが１．０ｎｍ以下となり界面が平滑になったことが主な要因であると考えられる。

次に、図８～図１２を参照して、本実施形態に係る磁気メモリ素子１００又は１０２の重金属層１２０がＴａからなる場合の各種の測定（Ｘ線回折、ＲＭＳラフネス、異常ホール効果）の結果を説明する。

＜Ｘ線回折＞
上述のように、磁気メモリ素子１００は、多層膜の全層成膜後にアニールすることで作製される。図８に、異なるア二－リング温度Ｔ_Ａ（４００℃、５００℃、６００℃、６５０℃、７００℃）で基板（Ｓｉ／ＳｉＯ_２）上に作製されたＭｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｔａ（５）／Ａｌ_２Ｏ_３膜のＸ線回折パターンを示す。

図８より、４００℃≦Ｔ_Ａ≦６５０℃のとき、Ｘ線回折パターンの全ピークはＭｎ_３Ｓｎ又は基板（Ｓｉ／ＳｉＯ_２）に起因しており、Ｍｎ_３Ｓｎ層とＴａ層との反応が無視できるほど小さく、Ｍｎ_３Ｓｎ層が単相であることを示唆している。一方、Ｔ_Ａ＝７００℃では、２９°付近にピークが現れているが、Ｍｎ_３Ｓｎの結晶配向とは無関係であることがわかる。この角度で大きなピークを有する化合物（Ｍｎ－Ｔａ、Ｓｎ－Ｔａ、又はＭｎ－Ｔａ－Ｓｎ）は見出されていない。

＜ＲＭＳラフネス＞
図９に、異なるア二－リング温度Ｔ_Ａ（４００℃、５００℃、６００℃、６５０℃、７００℃）で作製されたＭｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｔａ（５）／Ａｌ_２Ｏ_３膜のＡＦＭ画像（（ａ）～（ｅ））を示す。図９より、４００℃≦Ｔ_Ａ≦６５０℃（画像（ａ）～（ｄ））のとき、ＲＭＳラフネスは、Ｔ_Ａの上昇とともに約０．４ｎｍから約０．６ｎｍまでわずかに増加していることがわかる。一方、Ｔ_Ａ＝７００℃（画像（ｅ））では、ＲＭＳラフネスが約１．４ｎｍまで急激に上昇している。これは、Ｍｎ_３Ｓｎ層とＴａ層との反応によって膜の構造が変形されたことを示唆している。

図１０に、Ｔ_Ａ＝５００℃で作製されたＭｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｔａ（５）／Ａｌ_２Ｏ_３膜の断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像を示す。図１０において、層間の境界は白線で示している。ＴＥＭ画像より、膜の表面のＲＭＳラフネスは約０．６ｎｍとなる一方で、Ｍｎ_３Ｓｎ層とＴａ層との界面のＲＭＳラフネスは約０．５ｎｍとなり、図９のＡＦＭ測定（画像（ｂ））から得られた結果とほぼ一致することがわかる。

＜異常ホール効果＞
図１１に、異なるア二－リング温度Ｔ_Ａ（４００℃、５００℃、６００℃、６５０℃、７００℃）で作製されたＭｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｔａ（５）／Ａｌ_２Ｏ_３（３）膜の異常ホール伝導度σ_ｙｘ= －ρ_Ｈ／ρ^２（Ｓ／ｃｍ）の磁場依存性（グラフＡ～Ｅ）を示す。ここで、ρ_ＨはＭｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｔａ（５）層のホール抵抗率 （＝Ｖ_Ｈ・（ｔ１＋ｔ２））、ρはＭｎ_３Ｓｎ（４０）／Ｔａ（５）層の抵抗率である。グラフＡ～Ｅに示す全ての膜は、３００Ｋで有限のヒステリシスが現れている。特に、Ｔ_Ａ＝５００℃（グラフＢ）では、ゼロ磁場（Ｈ＝０）、３００Ｋでのσ_ｙｘは１８Ｓ／ｃｍと最大値をとっている。一方、Ｔ_Ａ＝７００℃（グラフＥ）では、ゼロ磁場、３００Ｋでのσ_ｙｘは急激に下がり、６Ｓ／ｃｍとなっていることがわかる。

図４Ａに示すホールバー構造の磁気メモリ素子１００のＭｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜に対し、ｘ方向に書き込み電流I_write（１００ｍｓのパルス電流）とμ_０Ｈｘ＝０．１Ｔのバイアス磁場を印加し、その後に０．２ｍＡの読み出し電流Ｉ_read（５００ｍｓのパルス電流）を印加することでホール電圧Ｖ_Ｈを測定する。また、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜における垂直磁場Ｈｚ下でのホール電圧Ｖ_Ｈ ^fieldも測定し、Ｍｎ_３Ｓｎ層の全磁区の磁気秩序が反転したときのホール電圧Ｖ_Ｈの変化を表すΔＶ_Ｈ ^fieldを得る。

図１２に、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜について、書き込み電流I_writeに対する比Ｖ_Ｈ／｜ΔＶ_Ｈ ^field｜の変化を実線で示す。また、図１２には、図２Ｂに示す磁気メモリ素子１０２のＴａ（５）／Ｍｎ_３Ｓｎ（４０）／Ａｌ_２Ｏ_３（３）膜についても、書き込み電流I_writeに対する比Ｖ_Ｈ／｜ΔＶ_Ｈ ^field｜の変化を点線で示している。このＴａ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ａｌ_２Ｏ_３膜は、全層成膜後に５００℃でアニールして作製されたものである。

書き込み電流I_writeを正から負に掃引するときのホール電圧Ｖ_Ｈ（I_write＝＋０）と、書き込み電流I_writeを負から正へ掃引するときのホール電圧Ｖ_Ｈ（I_write＝－０）との差をΔＶ_Ｈ ^currentと表記する。比ΔＶ_Ｈ ^current／｜ΔＶ_Ｈ ^field｜は、反転可能な全磁区に対して実際に反転した磁区の割合（反転割合）を示している。

図１２より、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜及びＴａ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ａｌ_２Ｏ_３膜は、極性が逆であり、互いに逆方向のＳＯＴが働いていることがわかる。また、双方の膜の反転割合は約４０％にも達していることがわかる。なお、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜での０．２ｍＡの読み出し電流Ｉ_readを印加したときのホール電圧Ｖ_Ｈの差ΔＶ_Ｈ ^currentは約７０μＶであり、従来の磁気メモリ素子１（Ｒｕ／Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｗ膜）のホール電圧変化ΔＶ_Ｈ ^current～２５μＶよりも約３倍大きい。

以上のことから、Ｍｎ_３Ｓｎ／Ｔａ／Ａｌ_２Ｏ_３膜において大きな読み出し信号を得るためには、Ｍｎ_３Ｓｎ層とＴａ層との反応が小さく、Ｍｎ_３Ｓｎ層とＴａ層との界面のラフネスが小さい方が好ましい。具体的には、界面のラフネスは、１．０ｎｍ以下であることが好ましく、０．６ｎｍ以下がより好ましい。このように、界面のラフネスを小さくして平滑化することで、界面を介してＭｎ_３Ｓｎ層に注入されるスピン流を増大させるとともに、Ｍｎ_３Ｓｎ層の読み出し信号を増強させることが可能となる。

本実施形態に係る磁気メモリ素子は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）素子として機能させることができる。以下、図１３及び図１４を参照して、ＭＲＡＭの磁気メモリ素子を説明する。

図１３に、ＳＯＴ‐ＭＲＡＭの磁気メモリ素子２００の構成を示す。磁気メモリ素子２００は、磁気抵抗素子２１０と、重金属層２２０と、第１端子２３１と、第２端子２３２と、第３端子２３３と、トランジスタＴｒ１及びＴｒ２とを備える。

重金属層２２０は、スピンホール効果を示す非磁性重金属（Ｗ、Ｔａなど）、又はトポロジカル絶縁体などのカルコゲナイド物質からなる。磁気抵抗素子２１０は、重金属層２２０に接触し磁気秩序が反転可能な自由層２１２と、自由層２１２上の非磁性層２１４と、非磁性層２１４に接触し磁気秩序が面直方向に固定された参照層２１６とを備える。

自由層２１２は、図２Ａ及び図２Ｂの反強磁性層１１０と同様に、キャントした反強磁性体からなる薄膜である。非磁性層２１４は絶縁体（例えばＭｇＯ）からなる。参照層２１６は強磁性体（例えばＣｏＦｅＢ）からなる。磁気抵抗素子２１０は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子として機能する。

第１端子２３１、第２端子２３２、及び第３端子２３３は金属からなる。参照層２１６に第１端子２３１が接続され、重金属層２２０の一端部に第２端子２３２が接続され、重金属層２２０の他端部に第３端子２３３が接続されている。第１端子２３１はグランド線２４０に接続されている。グランド線２４０はグランド電圧に設定されている。なお、グランド線２４０をグランド電圧以外の基準電圧に設定してもよい。

トランジスタＴｒ１及びＴｒ２は、例えば、N-channel metal oxide semiconductor（ＮＭＯＳ）トランジスタである。第２端子２３２はトランジスタＴｒ１のドレインに接続され、第３端子２３３はトランジスタＴｒ２のドレインに接続されている。トランジスタＴｒ１及びＴｒ２のゲートはワード線ＷＬに接続されている。トランジスタＴｒ１のソースは第１ビット線ＢＬ１に接続され、トランジスタＴｒ２のソースは第２ビット線ＢＬ２に接続されている。

図２Ａ及び図２Ｂの磁気メモリ素子１００及び１０２と同様に、図１３の磁気メモリ素子２００は、重金属層２２０、磁気抵抗素子２１０などからなる多層膜を全層成膜後、所定温度でアニールして作製される。自由層２１２と重金属層２２０との界面のラフネスは、１．０ｎｍ以下が好ましく、０．６ｎｍ以下がより好ましい。

磁気抵抗素子２１０には、抵抗状態に応じて“０”及び“１”のデータが割り当てられる。例えば、参照層２１６の磁気秩序と自由層２１２の磁気秩序が同じ向きのとき（平行状態）、磁気抵抗素子２１０は低抵抗状態にあり、互いに逆向きのとき（反平行状態）、磁気抵抗素子２１０は高抵抗状態にあることから、前者のデータを“０”、後者のデータを“１”と判別することができる。

磁気抵抗素子２１０にデータを書き込むとき、書き込み電流I_writeの方向に弱いバイアス磁場を印加し、ワード線ＷＬをハイレベルに設定してトランジスタＴｒ１及びＴｒ２をオンとし、第１ビット線ＢＬ１及び第２ビット線ＢＬ２の一方をハイレベルに設定し、他方をローレベルに設定する。これにより、第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２との間で重金属層２２０の面内方向に書き込み電流I_writeが流れることでスピン流が発生し、ＳＯＴによって自由層２１２の磁気秩序が反転可能となり、データを書き込むことができる。書き込み電流I_writeの向きによって書き込むデータを変えることができる。

磁気抵抗素子２１０に記憶されたデータを読み出すときは、ワード線ＷＬをハイレベルに設定してトランジスタＴｒ１及びＴｒ２をオンとし、一方のビット線（第２ビット線ＢＬ２）をハイレベルに設定し、他方のビット線（第１ビット線ＢＬ１）を開放状態とする。これにより、ハイレベルの第２ビット線ＢＬ２から、第３端子２３３、重金属層２２０、自由層２１２、非磁性層２１４、参照層２１６、第１端子２３１、及びグランド線２４０へと読み出し電流Ｉ_readが流れる。磁気抵抗効果によって読み出し電流Ｉ_readの大きさを計測することで、磁気抵抗素子２１０の抵抗状態、すなわち、記憶されたデータを判別することができる。

上述のように、自由層２１２と重金属層２２０との界面を平滑にすることにより、磁気メモリ素子２００の読み出し信号を増強させることができる。

図１４に、スピントランスファトルク（ＳＴＴ）を用いて磁気秩序を反転させるＭＲＡＭ（ＳＴＴ‐ＭＲＡＭ）の磁気メモリ素子３００の構成を示す。磁気メモリ素子３００は、磁気抵抗素子３１０と、第１端子３２１と、第２端子３２２と、トランジスタＴｒとを備える。

磁気抵抗素子３１０は、磁気秩序が面直方向に固定された参照層３１６と、参照層３１６上の非磁性層３１４と、非磁性層３１４に接触し磁気秩序が反転可能な自由層３１２とを備える。

自由層３１２は、図２Ａ及び図２Ｂの反強磁性層１１０と同様に、キャントした反強磁性体からなる薄膜である。非磁性層３１４は絶縁体（例えばＭｇＯ）からなる。参照層３１６は強磁性体（例えばＣｏＦｅＢ）からなる。磁気抵抗素子３１０もＭＴＪ素子として機能する。

第１端子３２１及び第２端子３２２は金属からなる。自由層３１２は第１端子３２１に接続され、参照層３１６は第２端子３２２に接続されている。第１端子３２１はビット線ＢＬに接続され、第２端子３２２はトランジスタＴｒに接続されている。

トランジスタＴｒは、例えば、ＮＭＯＳトランジスタである。トランジスタＴｒのドレインに第２端子３２２が接続され、ソースにソース線ＳＬが接続され、ゲートにワード線ＷＬが接続されている。

図２Ａ及び図２Ｂの磁気メモリ素子１００及び１０２と同様に、図１４の磁気メモリ素子３００は、磁気抵抗素子３１０、第１端子３２１などからなる多層膜を全層成膜後、所定温度でアニールして作製される。自由層３１２と非磁性層３１４との界面のラフネス、自由層３１２と第１端子３２１との界面のラフネスは、１．０ｎｍ以下が好ましく、０．６ｎｍ以下がより好ましい。

図１３の磁気抵抗素子２１０と同様に、磁気抵抗素子３１０には、抵抗状態に応じて“０”及び“１”のデータが割り当てられる。

磁気抵抗素子３１０にデータを書き込むとき、ワード線ＷＬをハイレベルに設定してトランジスタＴｒをオンとし、ビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に面直方向の書き込み電流I_writeを流す。これにより、ＳＴＴによって自由層３１２の磁気秩序が反転可能となり、データを書き込むことができる。書き込み電流I_writeの向きによって書き込むデータを変えることができる。

磁気抵抗素子３１０に記憶されたデータを読み出すときは、ワード線ＷＬをハイレベルに設定してトランジスタＴｒをオンとし、ビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に読み出し電流Ｉ_readを流す。磁気抵抗効果によって読み出し電流Ｉ_readの大きさを計測することで、磁気抵抗素子３１０の抵抗状態、すなわち、記憶されたデータを判別することができる。

上述のように、自由層３１２と接触層（非磁性層３１４、第１端子３２１）との界面を平滑にすることにより、磁気メモリ素子３００の読み出し信号を増強させることができる。

なお、図１３及び図１４では、磁気抵抗素子２１０及び３１０がＭＴＪ素子である例を示したが、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子として機能させることもできる。この場合、非磁性層２１４及び３１４は金属（導体）からなる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形が可能である。

例えば、上述の実施形態では、キャントした反強磁性体の一例としてＭｎ_３Ｓｎを挙げたが、組成式がＭｎ_３Ｘ（Ｘ=Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒなど）、Ｍｎ_３ＹＮ（Ｙ＝Ｓｎ、Ｎｉ、Ｇａ）、Ｍｎ_５Ｓｉ_３、ＲｕＯ_２などのキャントした反強磁性体に本実施形態は適用可能である。

２ 基板
１００、１０２、２００、３００ 磁気メモリ素子
１１０ 反強磁性層
１２０ 重金属層
１３０ 酸化物層
１５２、１５４、１６２、１６４ 電極
２１０、３１０ 磁気抵抗素子
２１２、３１２ 自由層
２１４、３１４ 非磁性層
２１６、３１６ 参照層
２２０ 重金属層

Claims (9)

1. 磁気モーメントがキャントした磁気秩序を有するキャントした反強磁性体からなる反強磁性層と、
   前記反強磁性層に接触し、前記キャントした反強磁性体とは異なる物質からなる接触層と、を備え、
   前記反強磁性層と前記接触層との界面のラフネスは１．０ｎｍ以下であり、
   前記接触層にスピン流が流れると、前記スピン流によって生じるトルクが前記反強磁性層の前記磁気秩序に働き、前記磁気秩序が反転可能である、磁気メモリ素子。
2. 前記キャントした反強磁性体は異常ホール効果を示す、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
3. 前記キャントした反強磁性体はクラスター磁気八極子のスピン秩序を有する、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
4. 前記反強磁性層は面直方向の前記磁気秩序を有する、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
5. 前記界面のラフネスは０．６ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気メモリ素子。
6. 前記接触層は、スピンホール効果を示す材料からなり、面内方向に書き込み電流が流れると前記スピン流が発生し、
   前記反強磁性層では、前記スピン流によって生じたスピン軌道トルクが前記磁気秩序に働くことによって前記磁気秩序が反転可能である、請求項１～５の何れか１項に記載の磁気メモリ素子。
7. 前記接触層及び前記反強磁性層に対して面直方向に書き込み電流が流れると、スピントランスファトルクによって前記反強磁性層の前記磁気秩序が反転可能である、請求項１～５の何れか１項に記載の磁気メモリ素子。
8. 磁気モーメントがキャントした磁気秩序を有するキャントした反強磁性体からなる反強磁性層と、前記反強磁性層に接触し、前記キャントした反強磁性体とは異なる物質からなり、スピン流によって前記反強磁性層の前記磁気秩序にトルクを働かせるための接触層と、を備える磁気メモリ素子の作製方法であって、
   少なくとも前記反強磁性層と前記接触層とからなる多層膜を室温で成膜し、
   前記多層膜を全層成膜した後、前記反強磁性層の結晶化温度以上の温度で前記多層膜をアニールすることで、前記反強磁性層と前記接触層との界面のラフネスが１．０ｎｍ以下になるように平滑化する、磁気メモリ素子の作製方法。
9. 前記多層膜を成膜することは、
   基板上に前記反強磁性層を室温で堆積し、前記反強磁性層上に前記接触層を室温で堆積し、前記接触層上に、金属酸化物からなる酸化物層を室温で堆積すること、
   を含む、請求項８に記載の磁気メモリ素子の作製方法。