JP2007299931A - Magnetoresistance effect element and magnetic memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic memory.
磁性体膜を用いた磁気抵抗効果素子は、磁気ヘッド、磁気センサーなどに用いられているとともに、固体磁気メモリ(磁気抵抗効果メモリ:MRAM(Magnetic Random Access Memory))に用いることが提案されている。 A magnetoresistive effect element using a magnetic film is used for a magnetic head, a magnetic sensor, and the like, and has been proposed to be used for a solid magnetic memory (magnetoresistance effect memory: MRAM (Magnetic Random Access Memory)). .
MRAMは、記憶素子として、一方が磁気記録層となり他方が磁化固着層となる2つの強磁性層間にトンネル絶縁層が挿入されたトンネル磁気抵抗効果素子(Tunneling Magneto-Resistance effect:TMR素子)が用いられる。このMRAMは、高速で不揮発なランダムアクセスメモリとして注目されているが、電流磁界を用いる書込み方法では書込み電流の値が大きく大容量化が実現できないという問題がある。 The MRAM uses a tunneling magneto-resistive effect element (TMR element) in which a tunnel insulating layer is inserted between two ferromagnetic layers, one of which is a magnetic recording layer and the other is a magnetization fixed layer. It is done. Although this MRAM is attracting attention as a high-speed and nonvolatile random access memory, there is a problem that the write method using a current magnetic field has a large write current value and cannot achieve a large capacity.
これを解決するために、スピン注入法による書き込み方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このスピン注入方は、スピン偏極した電流を記憶素子の磁気記録層に注入することによって磁気記録層の磁化の向きを反転することを利用している。
しかし、スピン注入法をTMR素子に適用した場合、トンネル絶縁層が絶縁破壊する等の素子破壊の問題があり、素子の信頼性に問題があった。また、最終的な目標としては、スケーラビリティを確保するために、微細化した時に熱揺らぎの影響を受けず、低電流密度で磁化の向きを反転することが可能な構造を実現できなければならない。 However, when the spin injection method is applied to the TMR element, there is a problem of element breakdown such as breakdown of the tunnel insulating layer, and there is a problem in the reliability of the element. In addition, as a final goal, in order to ensure scalability, a structure capable of reversing the direction of magnetization at a low current density without being affected by thermal fluctuation when miniaturized must be realized.
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、微細化しても熱安定性を有し、低電流密度で磁気記録層の磁化が反転することが可能な磁気抵抗効果素子およびこれを用いた磁気メモリを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a magnetoresistive effect element that has thermal stability even when miniaturized and can reverse the magnetization of the magnetic recording layer at a low current density. An object of the present invention is to provide a magnetic memory using the.
本発明の第1の態様による磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固着された磁化固着層と、磁化の向きが可変の磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられたトンネル絶縁層と、前記磁化固着層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられた第1反強磁性層と、前記磁化自由層に対して前記トンネル絶縁層と反対側に設けられ前記第1反強磁性層よりも膜厚の薄い第2反強磁性層と、を備え、前記磁化自由層にスピン偏極した電子を注入することにより前記磁化自由層の磁化の向きが反転可能であることを特徴とする。 The magnetoresistive effect element according to the first aspect of the present invention includes a magnetization pinned layer in which the magnetization direction is pinned, a magnetization free layer having a variable magnetization direction, and between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer. A tunnel insulating layer provided; a first antiferromagnetic layer provided on a side opposite to the tunnel insulating layer with respect to the magnetization fixed layer; and a side opposite to the tunnel insulating layer provided on the magnetization free layer. A second antiferromagnetic layer having a thickness smaller than that of the first antiferromagnetic layer, and the magnetization direction of the magnetization free layer is reversed by injecting spin-polarized electrons into the magnetization free layer. It is possible.
なお、前記磁化固着層は、第1磁性層/非磁性層/第2磁性層からなる積層膜であってもよい。 The magnetization pinned layer may be a laminated film composed of a first magnetic layer / nonmagnetic layer / second magnetic layer.
なお、前記磁化固着層の磁化の向きと、前記磁化自由層の磁化の向きが0度より大きく45度以下の角度をなしていてもよい。 The magnetization direction of the magnetization pinned layer and the magnetization direction of the magnetization free layer may be at an angle greater than 0 degree and 45 degrees or less.
なお、前記第1反強磁性層はNiMn、PtMn、IrMnのいずれかであり、前記第2反強磁性層はFeMn、IrMn、PtMnのいずれかであってもよい。 The first antiferromagnetic layer may be any of NiMn, PtMn, and IrMn, and the second antiferromagnetic layer may be any of FeMn, IrMn, and PtMn.
また、本発明の第2の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第1配線と、前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第2配線と、
を備えたことを特徴とする。
A magnetic memory according to the second aspect of the present invention includes a memory cell having the magnetoresistive effect element according to any one of the above, a first wiring to which one end of the magnetoresistive effect element is electrically connected, A second wiring to which the other end of the magnetoresistive element is electrically connected;
It is provided with.
また、本発明の第3の態様による磁気メモリは、上記のいずれかに記載の第1および第2磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、前記第1および第2磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端とそれぞれ接続される第1配線と、前記第1磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第2配線と、前記第2磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第3配線と、を備え、前記第1配線から前記第2配線に向かう方向の前記第1磁気抵抗効果素子の層配置は、前記第1配線から前記第3配線に向かう前記第2磁気抵抗効果素子の層配置と逆となっていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a magnetic memory comprising: a memory cell having the first and second magnetoresistive elements as described above; and one end of each of the first and second magnetoresistive elements. A first wiring connected to each other, a second wiring electrically connected to the other end of the first magnetoresistance effect element, and a second wiring electrically connected to the other end of the second magnetoresistance effect element. The second magnetoresistive element is arranged from the first line to the third line in the direction from the first line to the second line. It is characterized by being reverse to the layer arrangement.
なお、前記メモリセルは、前記第1配線に、ソース/ドレインの一方が接続されるMOSトランジスタを備えていてもよい。 The memory cell may include a MOS transistor having one of a source / drain connected to the first wiring.
本発明によれば、微細化しても熱安定性を有するとともに低電流密度で磁気記録層の磁化を反転することができる。 According to the present invention, it is possible to reverse the magnetization of the magnetic recording layer at a low current density while having thermal stability even when miniaturized.
本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による磁気抵抗効果素子の断面を図1に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子1は、ボトムピン型の磁気抵抗効果素子であって、下部電極2上に設けられた下地層4と、下地層4上に設けられた反強磁性層6と、反強磁性層6上に設けられ磁化が固着された強磁性層からなる磁化固着層8と、磁化固着層8上に設けられたトンネル絶縁層10と、トンネル絶縁層10上に設けられ磁化の向きが可変の強磁性層からなる磁化自由層(磁気記録層)12と、磁化自由層12上に設けられた反強磁性層14と、反強磁性層14上に設けられたキャップ層16と、このキャップ層16上に設けられた上部電極(図示せず)と、を備えている。そして、本実施形態においては、磁化自由層12に接する反強磁性層14の膜厚が磁化固着層8に接する反強磁性層6の膜厚よりも薄い構成となっている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross section of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention. The
強磁性層と反強磁性層とからなる積層膜において強磁性層の膜厚を一定とし、反強磁性層の膜厚Tを、0nm、5nm、15nmとした場合の磁化曲線を図2のグラフg1、g2、g3にそれぞれ示す。図2からわかるように、反強磁性層の膜厚Tが厚い場合(T=15nm)は一方向異方性が生じ、薄い時(T=5nm)は一方向異方性が生じないが反強磁性層がない場合(T=0nm)に比べて保磁力が増大することが分かる。保磁力の増大は、微細化しても熱安定性が向上することを意味している。 The magnetization curve when the film thickness of the ferromagnetic layer is constant and the film thickness T of the antiferromagnetic layer is 0 nm, 5 nm, and 15 nm is shown in the graph of FIG. respectively in g 1, g 2, g 3 . As can be seen from FIG. 2, when the film thickness T of the antiferromagnetic layer is thick (T = 15 nm), unidirectional anisotropy occurs, and when it is thin (T = 5 nm), unidirectional anisotropy does not occur. It can be seen that the coercive force is increased as compared to the case without the ferromagnetic layer (T = 0 nm). An increase in coercive force means that the thermal stability is improved even if the coercive force is reduced.
したがって、本実施形態の磁気抵抗効果素子1においては、磁化自由層12に接する反強磁性層14の膜厚が磁化固着層8に接する反強磁性層6の膜厚よりも薄い構成となっているので、磁化固着層8は反強磁性層6によって磁化の向きが一方向異方性が付与され、磁化自由層12は反強磁性層14によって一軸異方性が付与されて熱安定性が向上する。
Therefore, in the
また、本実施形態のように、反強磁性層6を磁化固着層(ピン層)8に燐接して設け、反強磁性層14を磁化自由層(フリー層)12に隣接して設けることにより、磁化固着層8と磁化自由層12との磁化(スピン)の向きのなす角度(相対角度)を0度または180度と異なるようにすることができる。磁化(スピン)の相対角度を0度または180度と異なるようにすると、図3に示したように、書き込み時のスピン注入反転効率、すなわちMR比が上昇する。図3の横軸はピン層とフリー層のスピンの相対角度を正規化したものを示している。すなわち、横軸の値「0」は180度に対応し、値「1.0」は0度に対応している。図3より明らかなように、膜厚が厚い反強磁性層6で固着された強磁性層(磁化固着層)8の磁気モーメント(磁化)に対して、膜厚が薄い反強磁性層14で固着された強磁性層(磁化自由層)12の磁気モーメント(磁化)の角度θ(度)が、図3の横軸上の値で0.75より大きく1より小さい範囲、すなわち0<θ≦45度の範囲あることが好ましい。なお、この角度θは相対角度であるから、磁化固着層8の磁化の向きを基準として、磁化自由層の磁化の向きが時計方向にあっても、反時計方向にあっても上記範囲にあればかまわない。
Further, as in this embodiment, the
磁気モーメント(スピンモーメント)を傾ける方法としては、反強磁性層6、14の材料を異なるように選択するのが最も好ましい。厚い反強磁性層6としてNiMn、PtMn、またはIrMnのいずれかを用い、薄い反強磁性層14としてFeMn、またはIrMn、PtMnを用いることができる。
As a method of tilting the magnetic moment (spin moment), it is most preferable to select different materials for the
反強磁性層の材料を異ならせるとブロッキング温度を変えることができる。例えば、厚い反強磁性層6にPtMnを、薄い反強磁性層14にFeMnを用いる。すると、PtMnのブロッキング温度が約320℃、FeMnのブロッキング温度が約200℃程度と異なるため、磁場中アニールで温度降下途中に320℃以下でまず磁化固着層8の磁化が固着される。磁化固着層8が十分固着された250℃以下の温度で、磁化自由層12の磁化を傾けたい所望の角度の方向に印加磁界を傾ける。その角度は、磁化固着層8に対して膜厚が薄い反強磁性層14で固着された強磁性層の磁気モーメントの角度が0<θ≦45度傾いていることが好ましい。磁化自由層12に隣接したFeMnからなる反強磁性層14は膜厚を薄くすれば一方向異方性ではなく、耐熱性を有する一軸異方性が付与されることになる。反強磁性層の組み合わせとしては、NiMnとIrMnまたはFeMnの組、PtMnとIrMnまたはFeMnの組、IrMnとFeMnの組、などがあるが、この他にもいくつか例があり、ブロキング温度が異なる反強磁性体の組み合わせならばかまわない。また、同じ反強磁性材料を用いても反強磁性膜の膜厚を変えることでブロッキング温度を変えることができる。
If the material of the antiferromagnetic layer is different, the blocking temperature can be changed. For example, PtMn is used for the thick
また、後述する第2実施例で説明するように、薄い反強磁性層14にFeMnを用いると、スピン反射の項の増大およびダンピング定数の項が小さくなるため、より小さな電流密度でスピン注入磁化反転が実現できることを本発明者達は見出した。また、Ir−Mnを用いてもスピン反射の項が増大し、低電流密度化により有利に働く。
Further, as will be described in a second embodiment to be described later, when FeMn is used for the thin
本実施形態の磁気抵抗効果素子において、磁化自由層12の磁化の向きが磁化固着層8の磁化の向きに対して0度より大きく45度以下の角度をなしている状態(以下、磁化の向きが平行(同じ向き)状態とも云う)から、磁化自由層12の磁化の向きが磁化固着層8の磁化の向きに対して相対的に135度以上180度より小さい角度をなしている状態(以下、磁化の向きが反平行(逆の向き)状態)にスピン反転させる場合は、スピン偏極した電子を磁化自由層12側から注入する。すなわち、電流を磁化固着層8側から磁化自由層12へ流す。
In the magnetoresistive effect element according to the present embodiment, the magnetization direction of the magnetization
これに対して、磁化自由層12の磁化の向きが磁化固着層8の磁化の向きに対して反平行状態から平行状態にスピン反転させる場合は、スピン偏極した電子を磁化固着層8側から注入する。すなわち、電流を磁化自由層12側から磁化固着層8へ流す。
On the other hand, when the magnetization direction of the magnetization
なお、本実施形態の磁気抵抗効果素子1は、ボトムピン型であったが、図4に示す本実施形態の第1変形例のように、トップピン型の磁気抵抗効果素子1Aであってもよい。このトップピン型の磁気抵抗効果素子1Aは、下部電極2上に下地層4が設けられ、下地層4上に反強磁性層14が設けられ、反強磁性層14上に磁化自由層(磁気記録層)12が設けられ、磁化自由層12上にトンネル絶縁層10が設けられ、トンネル絶縁層10上に磁化固着層8が設けられ、磁化固着層8上に反強磁性層6が設けられ、反強磁性層6上に、キャップ層16が設けられ、このキャップ層16上に上部電極(図示せず)が設けられた構成となっている。
Although the
次に、本実施形態の第2変形例による磁気抵抗効果素子1Bを図5に示す。この第2変形例による磁気抵抗効果素子1Bは、図1に示す本実施形態のアップピン型の磁気抵抗効果素子1において、磁化固着層8が磁性層8a/非磁性層8b/磁性層8cの積層膜、すなわちシンセティックな構造となっている。このように、磁化固着層8をシンセティックな構造とすることにより、磁化の安定性がより増すことになり、より好ましい。
Next, FIG. 5 shows a
また、本実施形態の第3変形例による磁気抵抗効果素子1Cを図6に示す。この第3変形例の磁気抵抗効果素子1Cは、図4に示すトップピン型の第2変形例の磁気抵抗効果素子1Aにおいて、磁化固着層8を、シンセティック構造の積層膜、すなわち磁性層8a/非磁性層8b/磁性層8cの積層膜8に置き換えた構成となっている。この第3変形例の磁気抵抗効果素子1Cも第2変形例と同様に、磁化の安定性がより増すことになる。
FIG. 6 shows a
本実施形態の第1乃至第3変形例も本実施形態と同様に、微細化しても熱安定性が向上するとともに、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。 Similarly to the present embodiment, the first to third modifications of the present embodiment can improve thermal stability and increase spin inversion efficiency even when miniaturized.
本実施形態およびその変形例において、磁気抵抗効果素子の磁性層(強磁性層)としては、Ni−Fe、Co−Fe、Co−Fe−Ni合金または、(Co,Fe,Ni)−(B)、(Co,Fe,Ni)−(B)−(P,Al,Mo,Nb,Mn)系またはCo−(Zr,Hf,Nb,Ta,Ti)膜などのアモルファス材料、Co−Cr−Fe−Al系、Co−Cr−Fe−Si系、Co−Mn−Si、Co−Mn−Alなどのホイスラー材料からなる群より選ばれる少なくとも1種の薄膜またはそれら多層膜で構成される。なお、記号( , )は括弧内の元素を少なくとも1つ含むことを意味している。 In this embodiment and its modification, as a magnetic layer (ferromagnetic layer) of a magnetoresistive effect element, Ni-Fe, Co-Fe, Co-Fe-Ni alloy, or (Co, Fe, Ni)-(B ), (Co, Fe, Ni)-(B)-(P, Al, Mo, Nb, Mn) -based or amorphous materials such as Co- (Zr, Hf, Nb, Ta, Ti) films, Co-Cr- It is composed of at least one thin film selected from the group consisting of Heusler materials such as Fe—Al, Co—Cr—Fe—Si, Co—Mn—Si, Co—Mn—Al, or a multilayer film thereof. Note that the symbols (,) mean that at least one element in parentheses is included.
本実施形態およびその変形例において、磁化固着層としては一方向異方性を、磁化自由層(磁気記録層)としては一軸異方性を有する強磁性層であることが望ましい。またその厚さは0.1nm以上100nm以下が好ましい。さらに、この強磁性層の膜厚は、超常磁性にならない程度の厚さが必要であり、0.4nm以上であることがより望ましい。 In the present embodiment and its modifications, it is desirable that the magnetization pinned layer is a unidirectional anisotropy and the magnetization free layer (magnetic recording layer) is a ferromagnetic layer having uniaxial anisotropy. The thickness is preferably 0.1 nm or more and 100 nm or less. Furthermore, the thickness of the ferromagnetic layer needs to be a thickness that does not cause superparamagnetism, and is more preferably 0.4 nm or more.
また、これら強磁性層を構成する磁性体には、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Mg(マグネシウム)、Si(シリコン)、Bi(ビスマス)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、O(酸素)、N(窒素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)、B(ボロン)などの非磁性元素を添加して磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。 In addition, the magnetic materials constituting these ferromagnetic layers include Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Mg (magnesium), Si (silicon), Bi (bismuth), Ta (Tantalum), B (boron), C (carbon), O (oxygen), N (nitrogen), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (Molybdenum), Nb (Niobium), B (Boron) and other nonmagnetic elements can be added to adjust the magnetic properties, and other physical properties such as crystallinity, mechanical properties, and chemical properties can be adjusted. it can.
より具体的には、磁性層を一方向に固着する方法として、3層構造の積層膜を用いる。3層構造の積層膜としては、例えば、Co(Co−Fe)/Ru(ルテニウム)/Co(Co−Fe)、Co(Co−Fe)/Ir(イリジウム)/Co(Co−Fe)、Co(Co−Fe)/Os(オスニウム)/Co(Co−Fe)、Co(Co−Fe)/Re(レニウム)/Co(Co−Fe)、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ru(ルテニウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ir(イリジウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Os(オスニウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Re(レニウム)/Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ru(ルテニウム)/Co−Feなど、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Ir(イリジウム)/Co−Fe、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Os(オスニウム)/Co−Fe、Co−Fe−Bなどのアモルファス材料層/Re(レニウム)/Co−Feなどである。これら積層膜を磁化固着層として用いる場合は、さらに、これに隣接して反強磁性層を設けることが望ましい。この場合の反強磁性層としても、前述したものと同様に、Fe−Mn、Pt−Mn、Pt−Cr−Mn、Ni−Mn、Ir−Mn、NiO、Fe2O3などを用いることかできる。この構造を用いると、磁化固着層からの漏洩磁界(stray field)を減少(あるいは調節)でき、磁化固着層を構成する2層の強磁性層の膜厚を変えることにより、磁化自由層(磁気記録層)の磁化シフトを調整することができる。 More specifically, a laminated film having a three-layer structure is used as a method for fixing the magnetic layer in one direction. As a laminated film having a three-layer structure, for example, Co (Co-Fe) / Ru (ruthenium) / Co (Co-Fe), Co (Co-Fe) / Ir (iridium) / Co (Co-Fe), Co (Co—Fe) / Os (osnium) / Co (Co—Fe), Co (Co—Fe) / Re (rhenium) / Co (Co—Fe), Co—Fe—B and other amorphous material layers / Ru ( Ruthenium) / Amorphous material layer such as Co—Fe—B, Amorphous material layer such as Co—Fe—B / Amorphous material layer such as Ir (iridium) / Co—Fe—B, Amorphous material such as Co—Fe—B Layer / amorphous material layer such as Os (osnium) / Co—Fe—B, amorphous material layer such as Co—Fe—B / amorphous material such as Re (rhenium) / Co—Fe—B Amorphous material layer such as Co-Fe-B / Ru (ruthenium) / Co-Fe, Amorphous material layer such as Co-Fe-B / Ir (iridium) / Amorphous such as Co-Fe, Co-Fe-B Material layer / As (osnium) / Amorphous material layer such as Co—Fe and Co—Fe—B / Re (rhenium) / Co—Fe. When these laminated films are used as the magnetization pinned layer, it is desirable to further provide an antiferromagnetic layer adjacent thereto. As for the antiferromagnetic layer in this case, is it possible to use Fe—Mn, Pt—Mn, Pt—Cr—Mn, Ni—Mn, Ir—Mn, NiO, Fe 2 O 3 or the like as described above? it can. By using this structure, the stray field from the magnetization pinned layer can be reduced (or adjusted), and the magnetization free layer (magnetic field) can be changed by changing the film thickness of the two ferromagnetic layers constituting the magnetization pinned layer. The magnetization shift of the recording layer) can be adjusted.
また、磁気記録層として、軟磁性層/強磁性層という2層構造、または、強磁性層/軟磁性層/強磁性層という3層構造を用いても良い。磁気記録層として、強磁性層/非磁性層/強磁性層という3層構造、強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層という5層構造を用いてもよい。この際、強磁性層の種類、膜厚を変えてもかまわない。 The magnetic recording layer may have a two-layer structure of soft magnetic layer / ferromagnetic layer or a three-layer structure of ferromagnetic layer / soft magnetic layer / ferromagnetic layer. As the magnetic recording layer, a three-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer and a five-layer structure of ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer may be used. At this time, the type and film thickness of the ferromagnetic layer may be changed.
特に、絶縁障壁に近い強磁性層にはMRが大きくなるCo−Fe、Co−Fe−Ni、FeリッチNi−Feを用いトンネル絶縁層と接していない強磁性層にはNiリッチNi−Fe、NiリッチNi−Fe−Coなどを用いるとMRを大きく保ったまま、スイッチング磁界を低減でき、より好ましい。非磁性材料としては、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Ru(ルテニウム)、Os(オスニウム)、Re(レニウム)、Si(シリコン)、Bi(ビスマス)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)、またはそれら合金を用いることができる。 In particular, the ferromagnetic layer close to the insulating barrier uses Co-Fe, Co-Fe-Ni, Fe-rich Ni-Fe, which has a large MR, and the ferromagnetic layer not in contact with the tunnel insulating layer uses Ni-rich Ni-Fe, Using Ni-rich Ni—Fe—Co or the like is more preferable because the switching magnetic field can be reduced while maintaining a large MR. Nonmagnetic materials include Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Ru (ruthenium), Os (osnium), Re (rhenium), Si (silicon), Bi (bismuth) , Ta (tantalum), B (boron), C (carbon), Pd (palladium), Pt (platinum), Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (molybdenum), Nb (niobium) Or alloys thereof.
磁気記録層においても、磁気記録層を構成する磁性体に、Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(アルミニウム)、Ru(ルテニウム)、Os(オスニウム)、Re(レニウム)、Mg(マグネシウム)、Si(シリコン)、Bi(ビスマス)、Ta(タンタル)、B(ボロン)、C(炭素)、O(酸素)、N(窒素)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zr(ジルコニウム)、Ir(イリジウム)、W(タングステン)、Mo(モリブデン)、Nb(ニオブ)などの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節したり、その他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。 Also in the magnetic recording layer, Ag (silver), Cu (copper), Au (gold), Al (aluminum), Ru (ruthenium), Os (osnium), Re (rhenium) can be used as the magnetic material constituting the magnetic recording layer. Mg (magnesium), Si (silicon), Bi (bismuth), Ta (tantalum), B (boron), C (carbon), O (oxygen), N (nitrogen), Pd (palladium), Pt (platinum) , Zr (zirconium), Ir (iridium), W (tungsten), Mo (molybdenum), Nb (niobium) and other nonmagnetic elements are added to adjust the magnetic properties, and other crystallinity and mechanical properties Various physical properties such as chemical characteristics can be adjusted.
さらに書き込み電流を小さくする方法としては、書き込みを行う磁気記録層が少なくとも2層の磁性層と少なくとも1層の非磁性層からなる多層膜からなり、非磁性層を介した上記磁性層間の相互作用が強磁性的であることを特徴とした磁気抵抗効果素子を用いることが好ましい。 As a method for further reducing the write current, the magnetic recording layer to be written is composed of a multilayer film composed of at least two magnetic layers and at least one nonmagnetic layer, and the interaction between the magnetic layers via the nonmagnetic layer. It is preferable to use a magnetoresistive effect element characterized by being ferromagnetic.
また、磁気抵抗効果素子としてTMR素子を用いる場合に、磁化固着層と磁化記録層との間に設けられるトンネル絶縁層(あるいは誘電体層)としては、Al2O3(酸化アルミニウム)、SiO2(酸化シリコン)、MgO(酸化マグネシウム)、AlN(窒化アルミニウム)、Bi2O3(酸化ビスマス)、MgF2(フッ化マグネシウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SrTiO2(酸化チタン・ストロンチウム)、AlLaO3(酸化ランタン・アルミニウム)、Al−N−O(酸化窒化アルニウム)などの各種の絶縁体(誘電体)を用いることができる。 When a TMR element is used as the magnetoresistive effect element, Al 2 O 3 (aluminum oxide), SiO 2 can be used as a tunnel insulating layer (or dielectric layer) provided between the magnetization fixed layer and the magnetization recording layer. (Silicon oxide), MgO (magnesium oxide), AlN (aluminum nitride), Bi 2 O 3 (bismuth oxide), MgF 2 (magnesium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SrTiO 2 (titanium oxide / strontium oxide) Various insulators (dielectrics) such as AlLaO 3 (lanthanum oxide / aluminum) and Al—N—O (aluminum oxynitride) can be used.
これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁層(誘電体層)の厚さは、トンネル電流が流れる程度に薄い方が望ましく、実際上は、10nm以下であることが望ましい。 These compounds do not need to have a completely accurate composition in terms of stoichiometry, and may be deficient or excessive or deficient in oxygen, nitrogen, fluorine, or the like. In addition, the thickness of the insulating layer (dielectric layer) is desirably thin enough to allow a tunnel current to flow, and in practice, desirably 10 nm or less.
このような磁気抵抗効果素子は、各種スパッタ法、蒸着法、分子線エピタキシャル法などの通常の薄膜形成手段を用いて、所定の基板上に形成することができる。この場合の基板としては、例えば、Si(シリコン)、SiO2(酸化シリコン)、Al2O3(酸化アルミニウム)、スピネル、AlN(窒化アルニウム)など各種の基板を用いることができる。 Such a magnetoresistive effect element can be formed on a predetermined substrate using ordinary thin film forming means such as various sputtering methods, vapor deposition methods, and molecular beam epitaxial methods. As the substrate in this case, for example, various substrates such as Si (silicon), SiO 2 (silicon oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), spinel, and AlN (aluminum nitride) can be used.
また、基板の上に、下地層や保護層、ハードマスクなどとして、Ta(タンタル)、Ti(チタン)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Au(金)、Ti(チタン)/Pt(白金)、Ta(タンタル)/Pt(白金)、Ti(チタン)/Pd(パラジウム)、Ta(タンタル)/Pd(パラジウム)、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、Cu(銅)、Ru(ルテニウム)、Ir(イリジウム)、Os(オスミウム)などからなる層を設けてもよい。 Moreover, Ta (tantalum), Ti (titanium), Pt (platinum), Pd (palladium), Au (gold), Ti (titanium) / Pt (as a base layer, a protective layer, a hard mask, etc. on the substrate. Platinum), Ta (tantalum) / Pt (platinum), Ti (titanium) / Pd (palladium), Ta (tantalum) / Pd (palladium), Cu (copper), Al (aluminum), Cu (copper), Ru ( A layer made of ruthenium), Ir (iridium), Os (osmium), or the like may be provided.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による磁気メモリを図7に示す。この実施形態の磁気メモリは少なくとも1個のメモリセルを有し、このメモリセルは、ビット線30とワード線40との交差領域に設けられている。上記メモリセルは、図1に示す第1実施形態のボトムピン型の磁気抵抗効果素子1と、書き込み/読み出し兼用の選択トランジスタ60とを備え、1ビットを形成している。選択トランジスタ60はソース領域61と、ゲート62と、ドレイン領域63とを備えている。磁気抵抗効果素子1の一方の端子は引き出し電極20に接続され、他方の端子は金属ハードマスクまたはビア25を介してビット線30に接続される。引き出し電極20は接続部50を介して選択トランジスタ60のソース領域61に接続される。選択トランジスタ60のドレイン領域63にワード線40が接続される。なお、選択トランジスタ60は、絶縁膜からなる素子分離領域70によって分離された、半導体基板の素子領域に形成される。
(Second Embodiment)
Next, FIG. 7 shows a magnetic memory according to the second embodiment of the present invention. The magnetic memory of this embodiment has at least one memory cell, and this memory cell is provided in the intersection region between the
本実施形態の磁気メモリに係る磁気抵抗効果素子1の構成を図8(a)に示し、磁化固着層8の磁化(スピンモーメント)の向きと、磁気記録層(磁化自由層)12の磁化の向きとの関係を図8(b)に示す。この磁気抵抗効果素子1は、図8(b)に示すように、磁化固着層8の磁化(スピンモーメント)の向きと、磁気記録層(磁化自由層)12の磁化の向きが、0度より大きく45度以下の所定の角度θをなしている。このため、第1実施形態で説明したように、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。また、この磁気抵抗効果素子1の膜面形状は図8(b)に示すように、楕円形状となっている。
The configuration of the
また、本実施形態の磁気メモリは、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1を用いているため、第1実施形態と同様に、微細化しても熱安定性を向上させることができる。
In addition, since the magnetic memory of the present embodiment uses the
次に、本実施形態の変形例による磁気メモリを図9に示す。この変形例の磁気メモリは、図7に示す磁気メモリにおいて、ボトムピン型の磁気抵抗効果素子1を図4に示す第1実施形態の第1変形例によるトップピン型の磁気抵抗効果素子1Aに置き換えた構成となっている。本変形例による磁気メモリに係る磁気抵抗効果素子1Aの構成を図10(a)に示し、磁化固着層8の磁化(スピンモーメント)の向きと、磁気記録層(磁化自由層)12の磁化の向きとの関係を図10(b)に示す。この磁気抵抗効果素子1は、図10(b)に示すように、磁化固着層8の磁化(スピンモーメント)の向きと、磁気記録層(磁化自由層)12の磁化の向きが、0度より大きく45度よりも小さい所定の角度θをなしている。このため、第2実施形態と同様に、スピンの反転効率を大きくすることが可能となる。また、第1実施形態の第1変形例による磁気抵抗効果素子1Aを用いているため、第1実施形態の第1変形例と同様に、熱安定性を向上させることができる。
Next, a magnetic memory according to a modification of the present embodiment is shown in FIG. In the magnetic memory of this modification, in the magnetic memory shown in FIG. 7, the bottom pin type
なお、本実施形態またはその変形例において、記憶素子として図1に示す第1実施形態の磁気抵抗効果素子1または図4に示す第1変形例の磁気抵抗効果素子1Aを用いたが、図5に示す第2変形例による磁気抵抗効果素子1Bまたは図6に示す第3変形例による磁気抵抗効果素子1Cを用いても同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment or its modification, the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による磁気メモリを図11に示す。この実施形態の磁気メモリは、少なくとも1個のメモリセルを有し、このメモリセルは、ビット線301,302とワード線40との交差領域に設けられている。上記メモリセルは、図1に示す第1実施形態のボトムピン型の磁気抵抗効果素子11、12と、書き込み/読み出し兼用の選択トランジスタ60とを備え、1ビットを形成している。選択トランジスタ60はソース領域61と、ゲート62と、ドレイン領域63とを備えている。磁気抵抗効果素子11の一方の端子は引き出し電極20に接続され、他方の端子は金属ハードマスクまたはビア251を介してビット線301に接続される。引き出し電極20は接続部50を介して選択トランジスタ60のソース領域61に接続される。選択トランジスタ60のドレイン領域63にワード線40が接続される。なお、選択トランジスタ60は、絶縁膜からなる素子分離領域70によって分離された、半導体基板の素子領域に形成される。また、磁気抵抗効果素子12は、引き出し電極20の、磁気抵抗効果素子11が設けられた面と反対側の面に設けられ、一方の端子は金属ハードマスクまたはビア252を介して引き出し電極20に接続され、他方の端子はビット線302に接続される。そして、磁気抵抗効果素子12は、構成する層の引き出し電極20からビット線302に向かう層配置(積層順序)が、磁気抵抗効果素子11の引き出し電極20からビット線301に向かう層の層配置(積層順序)と逆となるように構成されている。例えば、磁気抵抗効果素子11が、引き出し電極20側に磁化固着層8が形成され、ビット線301側に磁化自由層(磁気記録層)12が形成されている構成であるならば、磁気抵抗効果素子12は引き出し電極20側に磁化自由層12が形成され、ビット線302側に磁化固着層8が形成されている構成となっている。なお、ビット線302は図示していないが、方向を変えてビット線301と平行となるように配置されている。そして、ビット線301、302は図示しない差動増幅器に接続される。
(Third embodiment)
Next, FIG. 11 shows a magnetic memory according to the third embodiment of the present invention. The magnetic memory of this embodiment has at least one memory cell, and this memory cell is provided in an intersection region between the bit lines 30 1 and 30 2 and the
このような構成としたことにより、引き出し電極20を挟んだ上下の磁気抵抗効果素子11、12の差動読み出しすることが可能となり、読み出し速度を高速化することができる。
With such a configuration, it becomes possible to perform differential reading of the upper and lower
本実施形態の磁気メモリも、第2実施形態の磁気メモリと同様に、スピンの反転効率を大きくすることが可能となるとともに、熱安定性を向上させることができる。 Similarly to the magnetic memory of the second embodiment, the magnetic memory of the present embodiment can increase the spin inversion efficiency and improve the thermal stability.
なお、本実施形態において、記憶素子として図1に示す第1実施形態の磁気抵抗効果素子1を用いたが、図4に示す第1変形例の磁気抵抗効果素子1A、図5に示す第2変形例による磁気抵抗効果素子1B、または図6に示す第3変形例による磁気抵抗効果素子1Cを用いても同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, the
なお、第2または第3実施形態の磁気メモリにおいては、磁気抵抗効果素子が記憶する情報を読み出すために上記磁気抵抗効果素子に流すセンス電流を制御するセンス電流制御回路、ドライバおよびシンカーがさらに具備されている。 Note that the magnetic memory according to the second or third embodiment further includes a sense current control circuit, a driver, and a sinker that control a sense current that flows through the magnetoresistive element in order to read information stored in the magnetoresistive element. Has been.
次に、本発明の実施形態を、実施例を参照して更に詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
(第1実施例)
まず、本発明の第1実施例として、図5または図6に示す磁気抵抗効果素子1Bまたは1Cを作成した。この磁気抵抗効果素子の製造手順は、以下の如くである。
(First embodiment)
First, as a first embodiment of the present invention, a
まず、サンプル1として図5に示すように、基板(図示せず)上に下部電極2/下地層4を形成し、TMR膜として反強磁性層6/磁性層8a/非磁性層8b/磁性層8c/トンネル絶縁層10/磁性層12/反強磁性層14/Ruからなるキャップ層16/ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子1Bを作製した。
First, as shown in FIG. 5 as
また、サンプル2として図6に示すように、基板(図示せず)上に下部電極2/下地層4を形成し、TMR膜として反強磁性層14/磁性層12/トンネル絶縁層10/磁性層8c/非磁性層8b/磁性層8a/反強磁性層6/Ruからなるキャップ層16/ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子1Cを作製した。
Further, as shown in FIG. 6 as
本実施例では、サンプル1およびサンプル2として下部配線はTa/Cu/Taが用いられ、下地層はRuが用いられる。サンプル1のTMR膜として、下側から順に、PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(3nm)/FeMn(5nm)が用いられ、サンプル2のTMR膜として、FeMn(6nm)/CoFeB(3nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(4nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(3nm)/IrMn(10nm)が用いられている。なお、括弧内の数字は膜厚を示す。その後、サンプル1およびサンプル2のそれぞれに対して、360℃で磁場中アニール後、冷却時に210℃にて、磁化固着層となる磁性層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとのなす角度を20度程度傾けた試料と、傾けない試料を作製した。素子サイズは微細加工により0.1×0.2μm2の接合サイズを有している。
In this embodiment, Ta / Cu / Ta is used for the lower wiring as
図12に、サンプル1でθ=0度と20度傾けた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示し、図13に、サンプル2でθ=0度と20度傾けた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示す。図12、図13に示したように、θ=20度傾けた試料は、スピン反転するための電流密度が著しく低減されていることが分かる。このことは、図3に示すグラフから予想されることであり、傾き角θが0度より大きく45度以下であればスピン反転するための電流密度は減少し、書き込み時の電流密度が低減される。このため、トンネル絶縁膜10が破壊することを防止することができる。
FIG. 12 shows the result of measurement of magnetization reversal by spin injection when tilting θ = 0 degrees and 20 degrees in
(第2実施例)
本発明の第2実施例として、図5に示す磁気抵抗効果素子1Bにおいて、反強磁性層6と、反強磁性層14の材料を変えて作製した。磁気抵抗効果素子1Bの作製方法は基本的には第1実施例と同様である。
(Second embodiment)
As a second embodiment of the present invention, the
まず、サンプル3、4として図5に示すように、基板(図示しない)上に、下部電極2/下地層4を形成し、TMR膜として反強磁性層6/磁性層8a/非磁性層8b/磁性層8c/トンネル絶縁層10/磁性層12/反強磁性層14/Ruからなるキャップ層/ハードマスクからなる積層膜を形成し、パターニングすることにより磁気抵抗効果素子1Bを作製した。本実施例では、サンプル3およびサンプル4として下部配線はTa/Cu/Taが用いられ、下地層はRuが用いられる。サンプル3のTMR膜として、下側から順に、PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(2.5nm)/FeMn(5nm)が用いられる。また、サンプル4のTMR膜として、PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(2.5nm)/IrMn(5nm)が用いられる。その後、360℃で磁場中アニール後、サンプル3は冷却時に210℃にて、サンプル4は、275℃にて角度を0度〜45度程度傾けた試料と傾けない試料をそれぞれ作製した。素子サイズは微細加工により0.1×0.2μm2の接合サイズを有している構成となっている。
First, as shown in FIG. 5 as
図14に、サンプル3およびサンプル4でθを変化させた場合のスピン注入による磁化反転を測定した結果を示した。図14の横軸は磁化固着層8の磁化の向きと磁化自由層12の磁化の向きのなす角度θを示し、縦軸はスピン反転するための電流密度を示す。図14からわかるように、θを傾けた試料は、サンプル3およびサンプル4ともスピン反転するための電流密度が著しく低減されていることが分かる。また、FeMnを磁化自由層12に隣接する反強磁性層14として用いたサンプル3の場合の方が、反強磁性層14としてIrMnを用いたサンプル4に比べてスピン反転するための電流密度が低減することが分かった。また、傾き角θ(度)が0より大きくなると、急激にスピン反転するため電流密度は減少し、0<θ≦45の時、書き込み時の電流密度が低減されていることが分かった。このため、トンネル絶縁膜10が破壊することを防止することができる。
FIG. 14 shows the result of measurement of magnetization reversal by spin injection when θ is changed in
また、第2実施例においては、反強磁性層6としてサンプル3およびサンプル4では膜厚15nmのPtMnを用い、反強磁性層14としてサンプル3では膜厚5nmのFeMnを、サンプル4では膜厚5nmのIrMnを用いたが、サンプル3または4において、反強磁性層6として膜厚10nmのIrMnを用い、反強磁性層14として膜厚5nmのIrMnを用いてもよい。
In the second embodiment, the
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果素子を構成する強磁性体層、絶縁層、反強磁性体層、非磁性金属層、電極などの具体的な材料や、膜厚、形状、寸法などに関しては、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, a person skilled in the art is concerned with specific materials such as a ferromagnetic layer, an insulating layer, an antiferromagnetic layer, a nonmagnetic metal layer, and an electrode constituting the magnetoresistive effect element, as well as a film thickness, shape, dimension, and the like. Appropriate selections that similarly implement the present invention and obtain similar effects are also included in the scope of the present invention.
同様に、本発明の磁気メモリを構成する各要素の構造、材質、形状、寸法についても、当業者が適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができるものも本発明の範囲に包含される。 Similarly, the structure, material, shape, and dimensions of each element constituting the magnetic memory of the present invention can be appropriately selected by those skilled in the art to implement the present invention in the same manner and obtain similar effects. It is included in the scope of the present invention.
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。 In addition, all magnetic memories that can be implemented by those skilled in the art based on the above-described magnetic memory as an embodiment of the present invention are also within the scope of the present invention.
以上詳述したように、本発明の各実施形態によれば、熱安定性を有し、スピン注入効率が良い、磁気抵抗効果素子および磁気メモリを提供でき、産業上のメリットは多大である。また、低電流密度でスピン反転することが可能となり、トンネル絶縁膜が破壊することを防止することができる。 As described above in detail, according to each embodiment of the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive effect element and a magnetic memory having thermal stability and good spin injection efficiency, and the industrial merit is great. In addition, spin inversion can be performed at a low current density, and the tunnel insulating film can be prevented from being broken.
1 磁気抵抗効果素子
2 下部電極
4 下地層
6 反強磁性層
8 磁化固着層
10 トンネル絶縁層
12 磁化固着層
14 反強磁性層
16 キャップ層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第1配線と、
前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第2配線と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。 A memory cell having the magnetoresistive effect element according to claim 1;
A first wiring to which one end of the magnetoresistive element is electrically connected;
A second wiring to which the other end of the magnetoresistive element is electrically connected;
A magnetic memory comprising:
前記第1および第2磁気抵抗効果素子のそれぞれの一端とそれぞれ接続される第1配線と、
前記第1磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第2配線と、
前記第2磁気抵抗効果素子の他端と電気的に接続される第3配線と、
を備え、前記第1配線から前記第2配線に向かう方向の前記第1磁気抵抗効果素子の層配置は、前記第1配線から前記第3配線に向かう前記第2磁気抵抗効果素子の層配置と逆となっていることを特徴とする磁気メモリ。 A memory cell having the first and second magnetoresistive elements according to any one of claims 1 to 4,
A first wiring connected to one end of each of the first and second magnetoresistance effect elements;
A second wiring electrically connected to the other end of the first magnetoresistive element;
A third wiring electrically connected to the other end of the second magnetoresistive element;
The layer arrangement of the first magnetoresistance effect element in the direction from the first wiring to the second wiring is the layer arrangement of the second magnetoresistance effect element from the first wiring to the third wiring. Magnetic memory characterized by being reversed.
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