JP2008198792A - 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及び磁気ランダムアクセスメモリ Download PDF

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Abstract

【課題】ゼロ磁界にて高熱安定性を有する高速超低消費電力不揮発性メモリを提供する。
【解決手段】スピントランスファートルクによる書込み方式をもつ不揮発性磁気メモリを構成するトンネル磁気抵抗効果膜1において、絶縁層304と非磁性導電層305を強磁性自由層303に積層する。
【選択図】図1

Description

本発明は、トンネル磁気抵抗素子、及びそれを装備した低消費電力不揮発性磁気メモリに関するものである。
将来の高集積磁気メモリに適用されるトンネル磁気抵抗効果素子として、Alの酸化物を絶縁障壁層に用いたトンネル磁気抵抗効果素子(T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995))、及び絶縁障壁層に酸化マグネシウムを用いたそれよりも数倍大きい磁気抵抗比が得られるトンネル磁気抵抗効果素子(S. Yuasa. et al., Nature Material 3, 868(2004))が知られている。さらに、磁性層にCoFeBを用いたトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた低消費電力磁気メモリセル、磁気ランダムアクセスメモリが特開2006−269530号公報に開示されている。また、従来の不揮発性磁気メモリは、MOSFET上にトンネル磁気抵抗効果素子を形成したメモリセルにより構成される。スイッチングはMOSFETを利用し、ビット線とワード線に通電させることにより発生する電流誘起の空間磁場を使ってトンネル磁気抵抗効果素子の磁化方向を回転させて情報を書込み、トンネル磁気抵抗効果素子の出力電圧により情報を読み出す方式である。
また、上記電流誘起の空間磁場を使った磁化回転のほかに、直接磁気抵抗効果素子に電流を流すことにより磁化を回転させるいわゆるスピントランスファートルク磁化反転あるいは同義であるスピン注入磁化反転方式があり、例えば米国特許第5,695,864号明細書あるいは特開2002−305337号公報に開示されている。特開2005−294376には、外部からの侵入磁界に対して安定にスピントランスファートルク磁化反転動作させる目的で、非磁性層を介して複数の強磁性層を積層した自由層を適用したトンネル磁気抵抗効果素子が開示されている。
J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995) Nature Material 3, 868(2004) 特開2006−269530号公報 米国特許第5,695,864号明細書 特開2002−305337号公報 特開2005−294376号公報
高い信頼性をもつ低消費電力不揮発性磁気メモリの実現には、高出力トンネル磁気抵抗効果素子の自由層(記録層)において高い熱安定性と、スピントランスファートルク磁化反転による低電流書込み方式とを同時に満足する技術を開発する必要がある。しかしながら、トンネル磁気抵抗効果素子では、トンネル障壁層に1nm程度の薄い絶縁層を用いるために強磁性自由層と強磁性固定層の間に絶縁層を介した磁気的交換相互作用が働き、図13(a)に示すようにマイナーループの中心がHshift(A)となり、ゼロ磁界から正方向にシフトする。スピントランスファー磁化反転書込みでは、外部から磁界を印加し、このシフト磁界を打ち消さなければならない。一方、将来の大容量磁気メモリに用いられるトンネル磁気抵抗効果素子のサイズは100nm以下になり、微細化がさらに進む。そのとき、トンネル磁気抵抗効果素子の磁性層端部から洩れ磁界が発生し、図13(b)に示すようにマイナーループの中心はHshift(B)とゼロ磁界から負方向にシフトする。図13(a)と図13(b)の足し合わせでマイナーループの中心が決まる。実際の磁気メモリへの応用にあたっては、このマイナーループの中心を図13(c)に示すようにゼロ磁界近傍へ合わせることが要求される。すなわち、Hshift(A)+Hshift(B)≒0とする必要がある。従来は、主に磁性層端部の洩れ磁界の大きさを調整することによりマイナーループの中心をゼロ磁界へ制御する方法がとられてきた。しかし、洩れ磁界の大きさは磁性層材料や素子の寸法に依存するため、制御が極めて困難であり、別の手法により、マイナーループの中心を正確にゼロ磁界にあわせる必要がある。
本発明は、このようなマイナーループの中心をゼロ磁界に合わせ、かつ低電流書込みと熱擾乱に対して高い安定性を有するトンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いた不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層に接して強磁性固定層の反対側に酸化物層等の絶縁層と非磁性導電層をこの順に積層させる。トンネル磁気抵抗効果素子のトンネル障壁層を構成する絶縁層に(100)配向した岩塩構造のMgO層を、強磁性自由層及び強磁性固定層にBを含むCoあるいはFeの体心立方格子をもつ化合物強磁性層を適用した場合、酸化物層に絶縁層(絶縁障壁層)よりも薄い(100)配向した岩塩構造のMgO層を、非磁性導電層にCrなどの体心立方格子構造をもつ金属導電層を用いるときに最良の効果を得ることができる。
本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用することができる。
本発明によると、正確にゼロ磁界での低電流書込みと高い熱安定性、すなわち磁気情報の保持時間の長い高出力トンネル磁気抵抗素子が得られる。また、そのトンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリに装備することにより、不揮発性メモリを実現することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に述べるトンネル磁気抵抗効果素子では、その強磁性自由層の磁化反転(スイッチング)を空間的な外部磁界ではなく主として、トンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンが強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与えることにより行う。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すこと自体で発生する。したがって、トンネル磁気抵抗効果素子に外部から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。トンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層の磁化方向を読み出すために流す読み出し電流は、磁化反転を起こすための書き込み電流より小さく設定される。以下では、スピントランスファートルク磁化反転の起こる電流密度の閾値をJcと定義した。
[実施例1]
図1は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図である。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子は、スパッタリング法を用いて作製した。さらにスピントランスファートルク磁化反転を実施するために電子線描画装置とステッパを組み合わせたリソグラフィーを用いて、100×200nm2の寸法を有するトンネル磁気抵抗効果膜1を作製した。このトンネル磁気抵抗効果膜1は、配向制御層300、強磁性固定層301、絶縁障壁層302、強磁性自由層303、絶縁層304、非磁性導電層305、保護層306により構成されている。電極400,401をトンネル磁気抵抗効果膜1の上下に接して備えて、トンネル磁気抵抗効果素子を構成している。
次に、上記トンネル磁気抵抗効果素子を磁気メモリセルや磁気ランダムアクセスメモリに適用した場合における情報書込みと情報読出し方法について説明する。
まず情報書込みは、電極400と電極401の間に電圧あるいは電流を印加し、トンネル磁気抵抗効果膜1の膜厚方向に電流を流すことによって生成するスピン電流から発生するスピントランスファートルクを強磁性自由層303に作用させ、強磁性自由層303の磁化方向を反転させ、例えば、強磁性自由層303の磁化方向が強磁性固定層301に対して平行なときを“0”、反平行なときを“1”として磁気情報を記録する。この際、スピン電流が強磁性自由層303に接した絶縁層304と非磁性導電層305を通って流れることにより本発明の効果が得られることが特徴である。
次に情報読出しについて述べる。強磁性自由層303と強磁性固定層301の磁化方向の相対角度を、電極400と電極401の間に電圧あるいは電流を印加し、トンネル磁気抵抗効果膜1から発生する電流あるいは電圧を読取ることによって強磁性自由層303の磁化方向が、強磁性固定層301の磁化方向に対して平行か反平行かを識別し、情報を読み出す。これはトンネル磁気抵抗効果とよばれる。トンネル磁気抵抗効果は、強磁性固定層301と強磁性自由層303の間の磁化方向に依存した抵抗の変化に起因する。例えば、強磁性固定層301の磁化方向に対して強磁性自由層303の磁化方向が平行なときトンネル磁気抵抗効果膜1の電圧は低く(電気抵抗が低く、電流は流れやすい)、反平行のときは電圧が高い(電気抵抗が高く、電流は流れにくい)。
次に、トンネル磁気抵抗膜1の強磁性自由層303の磁化方向情報の読出しに用いるトンネル磁気抵抗比(TMR比)について説明する。電極400と電極401を備えたトンネル磁気抵抗効果膜1を最大500℃の温度まで熱処理することによりTMR比は最適化される。また、最大5T(テスラ)まで磁界を印加して熱処理を行うことにより、強磁性自由層303と強磁性固定層301の磁化方向を一方向に着磁でき、TMR比の増大を図ることが可能である。
上記トンネル磁気抵抗効果膜1は、図2に示すトンネル磁気抵抗効果膜2のように、強磁性固定層と強磁性自由層の積層順が逆になってもかまわない。この場合のトンネル磁気抵抗効果膜2は、電極401上に、配向制御層300、非磁性導電層305、絶縁層304、強磁性自由層303、絶縁障壁層302、強磁性固定層301、保護層306の順で積層される。
上記トンネル磁気抵抗効果膜1及びトンネル磁気抵抗効果膜2で使用する配向制御層300は電極401側からTa/NiFeなどの積層構成を有するが、Ta,Cu,Au,Ru,Ni,Fe,Cr,Tiのような材料を組み合わせた多層構成やそれらの元素を用いた合金層などを用いてもよい。これらの配向制御層300の材料は、強磁性固定層301や非磁性導電層305の結晶配向性及び結晶構造の最適化がなされ、トンネル磁気抵抗効果膜1及びトンネル磁気抵抗効果膜2のTMR比が最大限になるように選択される。例えば、強磁性固定層301にCoFeBを用いた場合は、配向制御層300はTa,Ta/Ru/Ta,Ta/Cu/Taなど強磁性固定層301に接した層がTaであることが望ましい。
絶縁障壁層302は、岩塩構造の(100)配向MgO(酸化マグネシウム)を用いることが望ましいが、アルミニウム酸化物(Al−O)、アルミニウム窒化物(Al−N)、マグネシウム窒化物(Mg−N)、シリコン酸化物(Si−O)、シリコン窒化物(Si−N)、チタン酸化物(Ti−O)や、Ca,Ba,Sr,V,Ni,Fe,Co,Cu,Ru,Re,Os,Eu,Bi,PbをMgO,Al−O,Al−N,Mg−N、Si−O、Si−N,Ti−Oに添加したもの、あるいはCa,Ba,Sr,V,Ni,Fe,Co,Cu,Ru,Re,Os,Eu,Bi,Pbの酸化物を用いてもかまわない。
強磁性固定層301及び強磁性自由層303に用いられる強磁性材料は、Co,Ni,Feや少なくともそれらのひとつを用いた合金によって構成される。その中でも大きなTMR比や低電流スピントランスファートルク磁化反転の得られる具体的な材料構成について表1に示す。表1に示した材料の多層構造を用いても構わない。
Figure 2008198792
表1には、Co−Fe系材料にBを添加した構成、Ni−Fe系材料にBを添加した構成、Co−Ni−Fe系材料にBを添加した構成を例に挙げているが、添加元素はB以外にTa,Ru,Cu,Au,Ti,Cr,Ag,Al,Os,Re,C,O,N,Pd,Pt,Zr,Zn,Ir,W,Mo,Nbなどを単独で用いてもよいし複数用いてもよい。
ここで、表1に示したホウ素を含む材料とその作製方法について、CoFeBを例にあげて述べる。CoFeBは、製膜されたままの状態では、非結晶構造である。これを適当な温度で熱処理することにより結晶化し、TMR比が増大する。例えばx=25atm%、y=20atm%の組成を用いた場合、325℃以上の熱処理によりCoFeBは体心立方格子に結晶化する。また、CoFeBを強磁性固定層301と強磁性自由層303に用いた場合、絶縁障壁層302は(100)配向した岩塩構造をもつMgO層が良質に作製可能であり、熱処理することによりこの(100)配向MgO層をテンプレートにCoFeBは(100)配向をもつ体心立方格子へ結晶化する。このようにして作製されたトンネル磁気抵抗効果膜1及びトンネル磁気抵抗効果膜2のTMR比は、室温において最大500%が得られる。CoFeB以外に表1に挙げた材料においても、CoFeBと同様に、熱処理によって非結晶から結晶化する過程を経る。次に、強磁性固定層301と強磁性自由層303にホウ素を含まない材料系として、y=0atm%に相当するCoFeを用いた場合を例に挙げて説明する。CoFeは、CoFeBとは異なり、製膜されたままの状態では、非結晶ではなく結晶となる。特にx=50atm%では、その結晶構造は体心立方格子の(110)が主に配向した多結晶であり、熱処理を施しても結晶構造は変化しない。上記CoFeと組み合わせて、絶縁障壁層302にMgO層を適用した場合、MgOの結晶構造とその配向性は岩塩構造の(111)配向が主となる。このときの最大TMR比は100%程度である。
絶縁層304と非磁性導電層305をこの順に組み合わせて強磁性自由層303に接して積層することにより、以下の2つの効果が得られる。絶縁層304と非磁性導電層305のどちらか一方が欠けてもいけない。ここで、本発明において最大の効果が得られる組み合わせである、絶縁層304に(100)配向した岩塩構造を有するMgOを用い、非磁性導電層305に(100)配向した体心立方格子構造をもつCrを用いた場合について説明する。
まず一つ目の効果は、マイナーループのゼロ磁界シフト量を制御できることである。図14に、Cr膜厚に対するマイナーループのゼロ磁界シフト量をプロットした結果の一例を示す。ゼロ磁界シフト量は、Cr膜厚に依存して振動的に変化し、Cr膜厚が矢印で示した膜厚付近に示すようにゼロ磁界シフト量がほぼ0になる点が存在する。ただし、ここに示した結果は一例であり、強磁性固定層301、強磁性自由層303、絶縁障壁層302の材料や膜厚によって振動の周期や大きさが変化するため、ゼロ磁界シフト量がゼロになるCr膜厚は、材料構成により異なる。マイナーループのゼロ磁界シフト量制御は、これまで磁性層端部の洩れ磁界の大きさを調整することにより行われてきたが、本発明では、Crの膜厚を設定することによりゼロ磁界シフト量を0に設定できる点が新しい技術である。一方、図中の点線で示したデータは、非磁性導電層305に体心立方格子構造を持たない導電層を用いたときの特性を表す。このように、体心立方格子構造を持たない導電層の場合、ゼロ磁界シフト量は非磁性導電層305の膜厚の変化に対して振動せず、非磁性導電層305の膜厚で制御することができない。
この理由は以下の通りである。電子スピンは、(100)配向した岩塩構造を有するMgO層を通過すると片方の向きをもつ電子スピンのみが選択的に透過する。その片方の向きをもつ電子スピンが体心立方格子構造をもつ導電層に入ると、多重反射が起こる。この多重反射してお互いに重なった電子スピンの波の振幅が導電層の膜厚に依存して強まったり弱まったりする。この電子スピンの重なりあった波の強弱が、強磁性固定層301と強磁性自由層303の間の磁気結合を強めたり、弱めたりすることになる。
もうひとつの効果は、熱擾乱に対する高い安定性を維持したままスピントランスファートルク磁化反転の反転電流Jcを低減できることである。図15の黒丸は、トンネル磁気抵抗効果膜1,2において、絶縁層304に(100)配向した岩塩構造をもつMgO層を、非磁性導電層に体心立方格子構造をもつCrを用いたときの熱擾乱に対する安定性の指標であるE/kBT(E:磁化反転エネルギー、kB:ボルツマン定数、T:温度)に対するJcのプロット結果を示す。図中の白丸は、トンネル磁気抵抗効果膜1,2において、絶縁層304と非磁性導電層305がない従来構成をもつ場合の特性を示す。Jcは、1−(E/kBT)-1に比例して、E/kBTを大きくして熱擾乱耐性を増大させようとするとJcも増大し、低消費電力の磁気メモリを実現する上で問題となる。本実施例では、従来構成に比べて同じE/kBTで比較したときJcが低減されていることがわかる。これは、絶縁層304と非磁性導電層305の界面において電子のスピン方向に依存した多重反射がおき、強磁性自由層303に作用するスピントランスファートルクの効率が増大するためである。
ここで、絶縁層304と障壁層302の膜厚の設定について詳細を述べる。トンネル磁気抵抗効果膜1の抵抗R1は、障壁層302で発生する抵抗をR302、絶縁層304で発生する抵抗をR304とした場合、R1≒R302+R304となる。さらに、R302はトンネル磁気抵抗効果を発生する抵抗になるので、強磁性固定層301と強磁性自由層303の磁化方向が平行、反平行でそれぞれ低抵抗、高抵抗と2状態をとる。ここで、R302において低抵抗をR302,L、高抵抗をR302,Hとする。一方、R304は、強磁性固定層301と強磁性自由層303の磁化方向に依存しないトンネル磁気抵抗効果を発生しない抵抗であるので、寄生抵抗となる。TMR比は、(R302,H+R304)/(R302,L+R304)×100(%)となる。
図18に、障壁層302の膜厚をt302、絶縁層304の膜厚をt304としたとき、t304/t302に対するTMR比の変化について示す。図18のように、t302/t304<1になるとTMR比は急激に低減することになるので、障壁層302の厚さは、絶縁層304の厚さより厚い必要がある。また、絶縁層304が0.5nm以下では、TMR比の減少はないが、絶縁層が安定な層構造を形成できないため、マイナーループ中心の制御とJc低減の効果は弱くなる場合がある。したがって、絶縁層304の厚さは、0.5nm以上であることが望ましい。例えば、スピントランスファートルク磁化反転を用いて強磁性自由層303の磁気情報を記録する方式では、MgO膜厚は1nm近傍に設計されることが多いので、図18の条件を満たす絶縁層304の膜厚として、0.5nmから0.85nmの間の膜厚に設定されることが望ましい。
次に、絶縁層304と非磁性導電層305に選択される材料についての特徴を述べる。体心立方格子絶縁層304に用いることが可能な材料として、岩塩構造の(100)配向MgO以外に、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物、チタン酸化物や、Ca,Ba,Sr,V,Ni,Fe,Co,Cu,Ru,Re,Os,Eu,Bi,PbをMgO,Al−O、Al−N,Mg−N、Si−O、Si−N,Ti−Oに添加したもの、あるいはCa,Ba,Sr,V,Ni,Fe,Co,Cu,Ru,Re,Os,Eu,Bi,Pbの酸化物を用いてもかまわない。これらは、1nm以下の薄い膜厚であっても、安定した薄膜を形成する。上記の酸化物材料や窒化物材料を絶縁層304に用いることにより、絶縁層304を片方の方向をもつ電子スピンが効率よく透過し、非磁性導電層305へ流れ込むことが可能となり、電子スピンの多重反射効果を効率よく引き起こすことができ、ひいては低Jcを実現可能となる。この電子スピンの透過効率は、CoFeBを強磁性固定層301と強磁性自由層303に用いた場合は、それらの電子構造の整合性から(100)配向の岩塩構造を有するMgO膜が最も大きくなる。
一方、非磁性導電層305には体心立方格子構造をもつ(100)配向したCrが最も望ましいが、多結晶であってもかまわない。また、絶縁層304に(100)配向の岩塩構造を有するMgOを用いた場合に、Mo,Nb,Ta,V,Wなどの体心立方格子構造をもつ導電性材料を用いることが好ましい。これらの材料では、その特有の電子構造に起因して絶縁層304を通過した電子スピンの多重反射を引き起こすことが可能である。
[実施例2]
図3と図4は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜3とトンネル磁気抵抗効果膜4を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜3は、トンネル磁気抵抗効果膜1の構成において、配向制御層300と強磁性固定層301の間に反強磁性層307を設けた構成を、トンネル磁気抵抗効果膜4は、トンネル磁気抵抗効果膜2の構成において、強磁性固定層301と保護層306の間に反強磁性層307を設けた構成をそれぞれ示す。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、反強磁性層307以外、実施例1と同様である。
本実施例の反強磁性層307は、強磁性固定層301の磁化方向を一方向に強く安定に固定するために用いられる。実施例1における強磁性固定層301の磁化は、100Oe(エルステド)程度の磁界で反転するのに対して、本実施例では、500Oeの磁界まで磁化反転は起きず安定に磁化方向を固定できる。反強磁性層307に用いられる材料は、Mnを含む合金あるいは焼結体であることが望ましく、MnIr,MnPt,MnIrCr,MnCrPt,MnFeなどを用いることが可能である。また、そのほかのMnを用いない反強磁性層を用いてもよい。反強磁性層307にMnを含む反強磁性層を用いた場合、上記のように強磁性固定層301の磁化を安定して一方向に固定できるが、Mnの熱拡散のため熱処理に対する耐性が低下する。例えば、実施例1に示したMnを含む反強磁性層307を用いないトンネル磁気抵抗効果膜1,2では、450℃以上の熱処理でもTMR比は低減しないが、本実施例に示すトンネル磁気抵抗効果膜3,4では、450℃以上の熱処理でTMR比は減少する。なお、トンネル磁気抵抗効果膜3及びトンネル磁気抵抗効果膜4において、最大TMR比はそれぞれ250%、200%であった。
本実施例で示したトンネル磁気抵抗効果膜3とトンネル磁気抵抗効果膜4を用いたトンネル磁気抵抗効果素子においても、実施例1と同様に、図15に示すJcとE/kBTの特性を示し、高い熱擾乱安定性を維持し、かつ低いJcをもつ。また、非磁性導電層305の膜厚を制御することによってマイナーループのゼロ磁界シフトをほぼゼロにすることができる。
[実施例3]
図5と図6は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜5とトンネル磁気抵抗効果膜6を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜5は、トンネル磁気抵抗効果膜3の構成において、強磁性固定層301が、第一の強磁性層3011、第一の非磁性層3012、第二の強磁性層3013からなる構成をもつ。一方、トンネル磁気抵抗効果膜6は、トンネル磁気抵抗効果膜4の構成において、強磁性固定層301が、第一の強磁性層3011、第一の非磁性層3012、第二の強磁性層3013からなる構成を有する。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、強磁性固定層301以外、実施例2と同様である。
第一の強磁性層3011と第二の強磁性層3013は、第一の非磁性層を介して磁化方向が反平行に結合し、このような強磁性固定層301を積層フェリ固定層と呼ぶ。また、第二の強磁性層3013は反強磁性層307に隣接し、第二の強磁性層3013の磁化は反強磁性層307との交換結合により一方向に固定され、強磁性固定層301の磁化方向が固定されることになる。このような積層フェリ固定層を適用することにより、実施例2の場合よりもさらに2倍以上安定して磁化方向を一方向に固定できる。本実施例で示した第一の強磁性層3011と第二の強磁性層3013に用いた材料は、実施例1で示した表1に記載した材料や、実施例1で述べた強磁性固定層に用いた材料を適用することが可能である。また、第一の非磁性層3012は、特にRuを用いることが好ましいが、上記第一の強磁性層3011と第二の強磁性層3013の磁化が反平行に結合するような材料で構成してもよい。
本実施例におけるトンネル磁気抵抗効果素子のTMR比、JcとE/kBTの特性は実施例2と同様であった。また、非磁性導電層305の膜厚を制御することによってマイナーループのゼロ磁界シフトをほぼゼロにすることができる。
[実施例4]
図7と図8に、本発明のトンネル磁気抵抗効果膜7とトンネル磁気抵抗効果膜8を備えるトンネル磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。トンネル磁気抵抗効果膜7は、トンネル磁気抵抗効果膜1の構成において、強磁性自由層303が、第三の強磁性層3031、第二の非磁性層3032、第四の強磁性層3033からなる構成をもつ。一方、トンネル磁気抵抗効果膜8は、トンネル磁気抵抗効果膜2の構成において、強磁性自由層303が、第三の強磁性層3031、第二の非磁性層3032、第四の強磁性層3033からなる構成を有する。上記第三の強磁性層3031と第四の強磁性層3033は、第二の非磁性層を介して磁化方向が反平行に結合し、このような強磁性自由層303を積層フェリ自由層と呼ぶ。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の層構造及び各層の材料・膜厚は、強磁性自由層303以外、実施例1と同様である。
本実施例で示した強磁性自由層303を構成する第三の強磁性層3031と第四の強磁性層3033に用いた材料は、実施例1で示した表1に記載した材料や、実施例1で述べた強磁性自由層に用いた材料を適用することが可能である。また、第二の非磁性層3032は、特にRuを用いることが好ましいが、IrやCrなど上記第三の強磁性層3031と第四の強磁性層3033の磁化が反平行に結合するような材料で構成してもよい。また、強磁性固定層301は、強磁性自由層303に比べて保磁力が大きくなるように、その材料膜厚を設定する。
本実施例のトンネル磁気抵抗効果膜7,8のJcとE/kBTの関係を図15中の黒四角で示す。また、トンネル磁気抵抗効果膜7,8において絶縁層304と非磁性導電層305を具備しない従来構造を図中白四角で示す。積層フェリ構造を強磁性自由層303に適用し、絶縁層304と非磁性導電層305を備えることにより、実施例1〜3で述べたトンネル磁気抵抗効果膜1〜6に比べ2倍以上熱擾乱安定性を増大でき、高い熱擾乱安定性を確保しJcを低減することが可能になる。
本実施例のように積層フェリ構造を強磁性自由層303に適用し、絶縁層304と非磁性導電層305を備えたトンネル磁気抵抗効果素子では、実施例1で述べた方法と同様に、非磁性導電層305の膜厚を変化させることによりマイナーループのゼロ磁界シフト量を制御し、それがゼロになるように非磁性導電層305の膜厚を設定することができるが、積層フェリ構造では保磁力が実施例1の構成に比べ4倍以上大きくなるためマイナーループの中心をより安定にゼロ磁界近傍に設定することができる。
[実施例5]
図9と図10は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜9とトンネル磁気抵抗効果膜10を備えるトンネル磁気抵抗効果素子を示す断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜9は、実施例4に示したトンネル磁気抵抗効果膜7の構成において、配向制御層300と強磁性固定層301の間に反強磁性層307を設けた構成を、トンネル磁気抵抗効果膜10は、トンネル磁気抵抗効果膜8の構成において、強磁性固定層301と保護層306の間に反強磁性層307を設けた構成をそれぞれ示す。本実施例の反強磁性307は、強磁性固定層301の磁化方向を一方向に強く安定に固定するために用いられる。実施例4における強磁性固定層301の磁化は、100Oe程度の磁界で反転するのに対して、本実施例では、500Oeの磁界まで磁化反転は起きず安定に磁化方向を固定できる。反強磁性層307に用いられる材料は、実施例2に示した材料と同様である。
本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子においても、図15に示した実施例4と同様のJcとE/kBTの特性を示し、高い熱擾乱安定性を維持し、且つ低いJcをもつ。また、非磁性導電層305の膜厚を制御することによってマイナーループのゼロ磁界シフトをほぼゼロにすることができる。
[実施例6]
図11と図12は、本発明によるトンネル磁気抵抗効果膜11とトンネル磁気抵抗効果膜12を備えるトンネル磁気抵抗効果素子の断面模式図である。トンネル磁気抵抗効果膜11は、実施例5に示したトンネル磁気抵抗効果膜9の構成において、強磁性固定層301が、第一の強磁性層3011、第一の非磁性層3012、第二の強磁性層3013からなる。一方、トンネル磁気抵抗効果膜12は、トンネル磁気抵抗効果膜10の構成において、強磁性固定層301が、第一の強磁性層3011、第一の非磁性層3012、第二の強磁性層3013からなる。上記第一の強磁性層3011と第二の強磁性層3013は、第一の非磁性層3012を介して磁化方向が反平行に結合した積層フェリ固定層を構成する。また、第二の強磁性層3013は反強磁性層307に隣接し、第二の強磁性層3013の磁化は反強磁性層307との交換結合により一方向に固定され、強磁性固定層301の磁化方向が固定されることになる。
このような積層フェリ固定層を適用することにより、実施例5の場合よりもさらに2倍以上安定して磁化方向を一方向に固定できる。本実施例で示した第一の強磁性層3011と第二の強磁性層3013に用いた材料は、表1に記載した材料や、実施例1で述べた強磁性固定層に用いた材料を適用することが可能である。また、第一の非磁性層3012は、特にRuを用いることが好ましいが、上記第一の強磁性層3011と第二の強磁性層3013の磁化が反平行に結合するような材料で構成してもよい。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子のTMR比、JcとE/kBTの特性は実施例4と同様であった。
本実施例は、積層フェリ構造を強磁性固定層301と強磁性自由層303の両方に適用していることから、それぞれの層の端部から発生する洩れ磁界が小さい。そのため、実施例1〜5に示したトンネル磁気抵抗効果素子に比べて、マイナーループ中心をゼロ磁界に調整することが容易になる。
[実施例7]
図16は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。図中トンネル磁気抵抗効果膜200に示した部分に、実施例1〜6に示したトンネル磁気抵抗効果膜1〜12を搭載する。
C−MOS100は、2つのn型半導体101,102と一つのp型半導体103からなる。n型半導体101にドレインとなる電極21が電気的に接続され、電極41及び電極47を介してグラウンドに接続されている。n型半導体102には、ソースとなる電極22が電気的に接続されている。さらに23はゲート電極であり、このゲート電極23のON/OFFによりソース電極22とドレイン電極21の間の電流のON/OFFを制御する。上記ソース電極22に電極45、電極44、電極43、電極42、電極401が積層され、電極401を介してトンネル磁気抵抗効果膜1〜12のいずれかで構成されるトンネル磁気抵抗効果膜200が接続されている。電極401は、実施例1から実施例6と同様にトンネル磁気抵抗効果素子を構成する配向制御層300に接続している。ここで図16に示した電極401は、実施例1〜6に示した電極401を延長したものと同義である。
電極400はトンネル磁気抵抗効果膜200の保護層306に接続されている。この電極400は、磁気メモリセルのビット線と共用して使用することが可能である。本実施例の磁気メモリセルでは、トンネル磁気抵抗効果膜200に流れる電流、いわゆるスピントランスファートルクによりトンネル磁気抵抗効果膜200の強磁性自由層303の磁化方向を回転し磁気情報を記録する。スピントランスファートルクは、空間的な外部磁界ではなく主として、トンネル磁気抵抗効果素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがトンネル磁気抵抗効果膜200の強磁性自由層303の磁気モーメントにトルクを与える原理である。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗効果膜200に電流を流すこと自身で発生するメカニズムをもつ。したがって、トンネル磁気抵抗効果膜200に外部から電流を供給する手段を備え、その手段から電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。本実施例では、ビット線と共用する電極400と電極47の間に電流が流れることにより、トンネル磁気抵抗効果膜200中の強磁性自由層303にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。
図17は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極23とビット線を共用する電極400がメモリセル500に電気的に接続されている。上記磁気メモリセルを配置することにより低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第一の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第二の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第三の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第四の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第五の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第六の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第七の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第八の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第九の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第十の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第十一の構成例を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子の第十二の構成例を示した図である。 (a)はトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性自由層と強磁性固定層の間に磁気的相互作用が働いたときのマイナーループの概念図、(b)はトンネル磁気抵抗効果素子の端部から漏洩する磁界が強磁性自由層に作用した場合のマイナーループの概念図、(c)は(a)と(b)に示した作用が足し合わされた場合のマイナーループの概念図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子のゼロ磁界シフト量と非磁性導電層の厚さの関係を示した図である。 本発明のトンネル磁気抵抗効果素子のJcとE/kBTの関係を、従来技術と比較して示した図である。 本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。 本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。 障壁層の膜厚t302と絶縁層の膜厚t304の比t304/t302に対するTMR比の変化を示した図である。
符号の説明
1〜12…トンネル磁気抵抗効果膜、100…トランジスタ、101…第一のn型半導体、102…第二のn型半導体、103…p型半導体、21…ソース電極、22…ドレイン電極、23…ゲート電極、200…トンネル磁気抵抗効果膜、300…配向制御層、301…強磁性固定層、302…絶縁障壁層、303…強磁性自由層、304…絶縁層、305…非磁性導電層、306…保護層、307…反強磁性層、3011…第一の強磁性層、3012…第一の非磁性層、3013…第二の強磁性層、3031…第三の強磁性層、3032…第二の非磁性層、3033…第四の強磁性層、42…電極配線、43…電極配線、44…電極配線、45…電極配線、47…電極、400…電極、401…電極、500…磁気メモリセル

Claims (15)

  1. 強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第1の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第1の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜とを有し、
    前記強磁性自由層の磁化を反転させる時には、少なくとも前記非磁性導電層、前記第2の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に電流を流し、
    前記強磁性自由層の磁化方向を検知する時には、少なくとも前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に電流を流すことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化を反転させ、トンネル磁気抵抗効果により前記強磁性固定層の磁化方向に対する前記強磁性自由層の磁化方向を検知することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  3. 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記トンネル磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  4. 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層の磁化方向を固定するための反強磁性層を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  5. 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性固定層は非磁性層を挟んで磁化方向が反平行に結合した第1の強磁性層と第2の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  6. 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記強磁性自由層は非磁性層を挟んで磁化方向が反平行に結合した第1の強磁性層と第2の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  7. 請求項1記載の磁気抵抗効果素子において、前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層より膜厚が薄く、(001)配向した岩塩構造を有するMgOであり、前記非磁性導電層は体心立方格子構造を有する(100)配向したCrであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  8. 強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第1の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第1の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜と、
    情報書き込み時に、少なくとも前記非磁性導電層、前記第2の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に書き込み電流を流す手段と、
    情報読み出し時に、少なくとも前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に読み出し電流を流す手段と、
    前記書き込み電流及び読み出し電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と
    を有することを特徴とする磁気メモリセル。
  9. 請求項8記載の磁気メモリセルにおいて、スピントランスファートルクにより前記強磁性自由層の磁化を反転させ、トンネル磁気抵抗効果により前記強磁性固定層の磁化方向に対する前記強磁性自由層の磁化方向を検知することを特徴とする磁気メモリセル。
  10. 請求項8記載の磁気メモリセルにおいて、前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層より膜厚が薄く、(001)配向した岩塩構造を有するMgOであり、前記非磁性導電層は体心立方格子構造を有する(100)配向したCrであることを特徴とする磁気メモリセル。
  11. 請求項8記載の磁気メモリセルにおいて、前記トンネル磁気抵抗効果膜の膜厚方向に電流を流すための一対の電極層を有することを特徴とする磁気メモリセル。
  12. 磁気抵抗効果素子、前記磁気抵抗効果素子に書き込み電流及び読み出し電流を流す手段、及び前記書き込み電流及び読み出し電流をオン・オフ制御するスイッチング素子を各々備える磁気メモリセルが2次元アレイ状に配列されたメモリセル群と、
    前記メモリセル群の中の所望の磁気メモリセルを選択する選択手段とを有し、
    前記磁気抵抗効果素子は、強磁性自由層と、強磁性固定層と、前記強磁性自由層と強磁性固定層の間に形成された第1の絶縁層と、前記強磁性自由層の前記第1の絶縁層側の面と反対側の面に形成された第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層の前記強磁性自由層側の面と反対側の面に形成された非磁性導電層とを有するトンネル磁気抵抗効果膜と、前記書き込み電流を少なくとも前記非磁性導電層、前記第2の絶縁層、前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に流す手段と、前記読み出し電流を少なくとも前記強磁性自由層、前記第1の絶縁層、及び前記強磁性固定層の膜厚方向に流す手段とを有することを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  13. 請求項12記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記選択手段によって選択された磁気メモリセルの前記磁気抵抗効果素子に前記書き込み電流を流し、スピントランスファートルクによって前記強磁性自由層の磁化を反転させて情報の書き込みを行うことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  14. 請求項12記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記第2の絶縁層は、前記第1の絶縁層より膜厚が薄く、(001)配向した岩塩構造を有するMgOであり、前記非磁性導電層は体心立方格子構造を有する(100)配向したCrであることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
  15. 請求項12記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記磁気抵抗効果素子に書き込み電流及び読み出し電流を流す手段は、前記磁気抵抗効果素子の膜厚方向に電流を流すための一対の電極であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
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