JP2008227431A - 磁壁移動型メモリセル材料およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メモリセル中に形成された磁壁を移動させ記録状態消去状態を実現する磁壁移動型メモリセルに於いて、情報記録層となる磁性体の磁化を低減させ記録電流、記録磁界の低減をはかることにより、高速・低電流で動作し、高密度なＭＲＡＭ実現可能であることを提供する。
【解決手段】磁壁を生成する磁性層に非金属元素を添加する、あるいは磁性層と非金属元素を周期的あるいは非周期的に積層させた多層構造を作製することにより磁化を低減し、記録電流を抑制する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の高速、高密度、低電流動作を実現するための記録層用磁性材料、特に磁壁移動型メモリセル材料とその作製方法に関わる。

情報記録層に磁性体を有するＭＲＡＭは、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）のように電流を切っても情報が消失しないこと、磁化反転の高速さと繰り返し記録回数に制限がないことなどの特徴を持つことから、次世代の不揮発メモリとして期待され、開発が進められている。現在、実用化直前の段階にあるが、従来から用いられている配線電流からの磁場で情報を書き込む方式では、メモリセル径が１００ｎｍ程度にまで微細化すると磁化反転に必要な磁場が大きくなり、配線からの電流では記録できないという問題がある。

セルの微細化は同時に熱擾乱による記録状態不安定化を誘起することから、従来型ＭＲＡＭの容量はせいぜい数メガビットにとどまり、高密度ＭＲＡＭを実現できないことが予測されている。

こうした問題を解決するために、記録層磁化を電流の持つスピンと局在している磁性体とに働くトルクで制御するスピン電流記録方式の検討が進められている。中でもメモリセル中に形成された磁壁を電流で移動し、記録・消去状態を形成する磁壁移動型メモリは、原理的にはセルサイズを微細化するほど低電流かつ短時間で磁壁が移動するため、高密度と同時に高速動作が実現できることで有望視されている。

ところが、磁壁移動型メモリの磁性層として良好な軟磁気特性を有することで知られるＮｉＦｅを用いると磁壁移動のための臨界電流密度は１０^１２Ａ／ｍ^２台と大きく、低電流動作ができないという問題があった。

そのため、臨界電流密度を低減できる磁性材料が探索されていた。

本発明の目的は、磁壁移動型メモリの記録電流低減のため、磁壁移動のための臨界電流密度が低減できる磁性材料とその作製方式を提供することにある。

本発明は、メモリセルに印加する電流および磁場でセル中に形成した磁壁を移動させ、記録状態、消去状態を実現する磁壁移動型メモリセルの磁壁移動型メモリセル材料において、情報記録層となる磁性体を磁性ベース合金と非磁性元素を含んで構成したことを特徴とする。

本発明の磁壁移動型メモリセル材料の磁性ベース合金としては、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金またはＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金が使用でき、また、非磁性元素としてはＣｕ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ、Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒから選択された一つの元素を含ませることができる。

本発明の磁壁移動型メモリセル材料は、多元同時スパッタ法または共蒸着法を用いて磁性ベース合金に非磁性元素を固溶させることで作製される。

また、本発明の磁壁移動型メモリセル材料は、磁性ベース合金の第１の金属層と非磁性元素を含む第２の金属層を周期的に積層させて作製することができる。

上記の本発明の磁壁移動型メモリセル材料の作製方法において、磁性ベース合金の第１の金属層と非磁性元素を含む第２の金属層を周期的に積層した後、熱処理を施し、第２の金属層中の非磁性元素を第１の金属層中に拡散することができる。

本発明の磁壁移動型メモリセル材料は、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金またはＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金などの磁性ベース合金層にＣｕ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ、Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒから選択された非磁性元素を含ませるか、磁性ベース合金層に非磁性元素の層を積層した構成とすることによってメモリセル材料の磁化を低減し、小さな電流で磁壁移動を起こすことができる。

本発明による非磁性金属添加によって磁化を低減させた磁壁移動型メモリ材料を用いれば、低電流・高速で動作し高密度記録可能な磁壁移動メモリを製造することができる。

磁壁移動メモリ材料として通常用いられているＮｉＦｅ合金は、優れた軟磁気特性を示すと同時に高い分極率を有している。良好な軟磁気特性を示す材料は小さな電流あるいは弱い磁場で磁化が反応する。また、高い分極率を持つ材料系では局在した磁気モーメントと電流の有するスピン磁気モーメントの相互作用が強く起こる。

この二つの理由から、低電流でも容易に磁化反転および磁壁移動が可能になると考えられる。ところが、多くの実験で臨界電流密度は、１０^１２Ａ／ｍ^２であり、これは理論的予測と桁で一致するものの、実デバイスに要求される臨界電流密度は１０^１１Ａ／ｍ^２台と比較してひと桁以上大きい。更なる電流低減が要求される。これを実現するには、まず磁化を低減させることが有効である。細線状磁性体中に形成された磁壁の電流による移動では、磁化と電流との間でスピントルクが作用して、磁性体のスピンを膜面垂直に立てることが重要となる。低エネルギーでスピンをたてるためには膜面垂直方向からの反磁界が小さいことが必要であり、そのためには材料の磁化が小さいことが要求される。すなわち、スピントルクを用いて低電流で磁壁を移動させるためには、小さい磁化の磁性体を用いることが必須の条件である。一方、ＮｉＦｅは１Ｔと比較的大きな磁化を持つので、軟磁気特性や高い分極率の効果があっても、これ以上の電流低減にはならない。したがって、軟磁気特性に優れたＮｉＦｅ等の磁化を減らすことが、磁壁移動の臨界電流低減には有効である。

磁化の低減には、単位体積で磁化を担う原子の数を減らすこと、Ｎｉ，Ｆｅなど磁気モーメントを担う原子に電子を与え磁気モーメントを減らすこと、またＮｉやＦｅと非磁性な金属間化合物を形成し磁化を無くしてしまうこと、等の方法がある。いずれの場合も磁性合金中に非磁性元素を添加することで実現できる。

添加元素の電子状態に依存して磁化低減のしかたが異なる。Ｔａなど３ｄ遷移金属合金と非磁性の金属間化合物を形成する元素では、少ない添加量で磁化を大きく低減できる。形状異方性起因の臨界電流低減に有効である。しかし、ＮｉＦｅの磁気分極を低減させてしまうので、スピントルクを有効に利用するという意味では効率的ではない。

本発明では、磁壁移動型メモリセル材料の強磁性体の磁化を低減するために、強磁性層に非磁性金属を添加するか、または、強磁性層に非磁性層を積層する。

強磁性層に非磁性層を積層する場合、強磁性層に非磁性層の元素を熱処理によって拡散させるようにしてもよい。

本発明の磁壁移動型メモリセル材料の強磁性材料としては、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどの合金が使用される。非磁性元素材料としては、Ｃｕ，Ｐｔ，Ｉｒ、Ｒｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａなどが使用できる。

Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕに代表される貴金属では、ＮｉＦｅ等の磁気分極を落とさずに磁化だけを減らすことが出来る。スピン電流と磁化との間に働くスピントルクを維持したまま磁化が低減するため、より効率的に磁壁移動のための臨界電流を低減できる。また、Ｐｔ，Ｐｄ、ＩｒなどはＦｅやＮｉの周囲にあって大きな磁気分極を発現しうる物質である。この場合、ＰｔやＰｄ、Ｉｒそのものの有する磁化は小さいので、ＮｉＦｅ−Ｘ系としては磁化が低減するものの、磁壁を移動させる際に働くスピントルクはＮｉＦｅと比較して増大する。磁化低減とスピン分極の増大をともに実現できることから効果的に磁壁移動の臨界電流密度が低減できる。

以下、実施例により本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明による磁性材料を有する磁壁移動メモリセルの形状である。磁壁を固定する二つのピンサイトを形成するための角を二つ有したＵ字形状である。

図２にＵ字形状セルの断面を示す。基板１上にＴａあるいはＲｕあるいは両者を積層した構成の下地層２、ＮｉＦｅ−Ｘ（Ｘは添加元素）からなる磁性層３、ＴａあるいはＲｕのキャップ層４で構成される。Ｔａ、Ｒｕはいずれもスパッタ法、真空蒸着法などで作製される。

ＮｉＦｅ−Ｘも同様にスパッタ法あるいは真空蒸着法で作製される。スパッタ法ではＮｉＦｅ合金のターゲットと添加元素Ｘのターゲットを同時に放電し、放電パワーを制御することで添加量を制御する方式をとる。また、真空蒸着法ではＮｉＦｅ合金入りのるつぼと添加元素入りのるつぼを同時に加熱し、両者の温度制御により組成を制御して作製する。

ＸをＣｕ，Ｔａ，Ｒｕとし、同時スパッタ法でＮｉＦｅ合金に添加したときの磁化変化を図３に示す。（Ｎｉ８０Ｆｅ２０）１００−ｘ−Ｘｘなる組成としてみたとき、ｘとともに磁化は単調に減少する。添加元素による磁化低減が実現できた。

この材料を用い、ＮｉＦｅ−Ｘ膜厚を１０ｎｍとしたメモリセルの磁壁移動のための印加電流と磁化の大きさ関係を示したのが図４である。いずれの系でも磁化と臨界電流値が比例し単調に低減した。これにより、ＮｉＦｅ合金中への非磁性金属添加により、磁化と磁壁移動のための臨界電流低減が実現できた。

同様の効果は真空蒸着法で作製したＮｉＦｅ−Ｘ系でみられた。スパッタ法、真空蒸着法いずれの作製方法も臨界電流低減の低減に有効である。
（実施例２）
図５にＮｉＦｅからなるベース層５ａと非磁性金属挿入層５ｂを積層して構成される磁性層３を記録層として用いたメモリセル材料構成の断面図を示す。

代表的な例としてＮｉＦｅと非磁性金属Ｔａ，Ｒｕ、Ｃｕをスパッタ法で作製し、積層させたときの非磁性金属挿入膜厚と磁化の関係を示したのが図６である。ここではＮｉＦｅ（２−ｔｎｍ）、Ｘ（ｔｎｍ）として、ｔと磁化の関係を示している。いずれも非磁性層膜厚とともに磁化が単調に減少する。非磁性層挿入によっても磁化低減が実現できる。

この材料を用い、ＮｉＦｅ／Ｘ膜厚を１０ｎｍとしたメモリセルの磁壁移動のための印加電流と磁化の大きさ関係を示したのが図７である。いずれの系でも磁化と臨界電流値が比例し単調に低減した。これにより、ＮｉＦｅ合金と非磁性金属を積層させた積層膜で、磁化と磁壁移動のための臨界電流低減が実現できた。

同様の効果は真空蒸着法で作製したＮｉＦｅ／Ｘ系でみられた。スパッタ法、真空蒸着法いずれの作製方法も臨界電流低減の低減に有効である。

（実施例３）
実施例２における積層膜に置いて、ＮｉＦｅ中に非磁性金属を拡散させるため２５０℃以上で熱処理を施した。非磁性金属挿入膜厚と磁化の関係を示したのが図８である。ここではＮｉＦｅ（２−ｔｎｍ）、Ｘ（ｔｎｍ）として、ｔと磁化の関係を示している。いずれも非磁性層膜厚とともに磁化が単調に減少する。熱処理によって積層量を少ない添加量で磁化が低減できる。

この材料を用い、ＮｉＦｅ／Ｘ膜厚を１０ｎｍとしたメモリセルの磁壁移動のための印加電流と磁化の大きさ関係を示したのが図９である。いずれの系でも磁化と臨界電流値が比例し単調に低減した。これにより、ＮｉＦｅ合金と非磁性金属を積層させた積層膜で、熱処理を施すことにより磁化と磁壁移動のための臨界電流低減が実現できた。

同様の効果は真空蒸着法で作製したＮｉＦｅ／Ｘ系でみられた。スパッタ法、真空蒸着法いずれの作製方法も臨界電流低減の低減に有効である。

実施例１，２，３で記載し合金系では、磁化低減量に比較して臨界電流密度低減量が少ない。これは、元素添加によって磁気分極率が低減してしまうためと考えられる。磁気分極率低減を抑制するには、ＮｉＦｅ合金の伝導に関わるエネルギー帯でのスピン分極を増加させる添加元素が有効である。こうしたことを実現できる系として、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ、Ａｕがある。これらの金属を上記同時スパッタ法、積層化法などでＮｉＦｅ合金と組み合わせることで臨界電流が低減される。

ベースとなる磁性体としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどの系がある。これらの磁性体に非磁性金属Ｃｕ，Ｔａ，Ｒｕ、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ａｕを添加しても、磁化低減で電流低減効果がある。

磁壁移動型メモリの典型的なセル形状を示した図である。 本発明による磁壁移動型メモリセル材料の構成を示した図である。 本発明によるＣｕ，Ｔａ，ＲｕをＮｉＦｅと同時スパッタ成膜してＮｉＦｅに添加した記録層を用いた磁壁移動型メモリ材料のＣｕ，Ｔａ，Ｒｕ添加量と磁化の大きさの関係を示した図である。 図３の材料を用い、電流印加による磁壁移動が生じる電流（臨界電流）と磁化の大きさの関係を示した図である。 本発明による磁性層と非磁性金属層を積層させた磁壁移動型メモリセル材料の構成を示した図である。 本発明によるＣｕ，Ｔａ，ＲｕをＮｉＦｅと積層させて作製した磁壁移動型メモリ材料のＮｉＦｅ（２−ｔｎｍ）／非磁性金属（ｔｎｍ）構成におけるＣｕ，Ｔａ，Ｒｕ膜厚と磁化の大きさの関係を示した図である。 図６の材料を用い、電流印加による磁壁移動が生じる電流（臨界電流）と磁化の大きさの関係を示した図である。 本発明によるＣｕ，Ｔａ，ＲｕをＮｉＦｅと積層させて作製した磁壁移動型メモリ材料のＮｉＦｅ（２−ｔｎｍ）／非磁性金属（ｔｎｍ）構成の積層膜を２５０℃で熱処理した後のＣｕ，Ｔａ，Ｒｕ膜厚と磁化の大きさの関係を示した図である。 図８の材料を用い、電流印加による磁壁移動が生じる電流（臨界電流）と磁化の大きさの関係を示した図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下地層
３ 磁性層
４ キャップ層
５ａ ベース磁性層
５ｂ 非磁性挿入層

Claims (8)

1. メモリセルに印加する電流および磁場でセル中に形成した磁壁を移動させ、記録状態、消去状態を実現する磁壁移動型メモリセルの磁壁移動型メモリセル材料において、情報記録層となる磁性体が磁性ベース合金と非磁性元素を含んで構成されることを特徴とする磁壁移動型メモリセル材料。
2. 前記磁性ベース合金がＮｉ−Ｆｅ合金であることを特徴とする請求項１に記載の磁壁移動型メモリセル材料。
3. 前記非磁性元素がＣｕ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ、Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒから選択された一つであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁壁移動型メモリセル材料。
4. 前記磁性ベース合金がＣｏ−Ｆｅ合金であり、前記非磁性元素が、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ、Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒから選択された一つであることを特徴とする請求項１に記載の磁壁移動型メモリセル材料。
5. 前記磁性ベース合金がＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金であり、前記非磁性元素が、Ｃｕ，Ｒｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ、Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｈｆ，Ｚｒから選択された一つであることを特徴とする請求項１に記載の磁壁移動型メモリセル材料。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の磁壁移動型メモリセル材料の作製方法において、多元同時スパッタ法または共蒸着法を用いて前記磁性ベース合金に前記非磁性元素を固溶させることを特徴とするメモリセル材料の作製方法。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の磁壁移動型メモリセル材料の作製方法において、前記磁性ベース合金の第１の金属層と前記非磁性元素を含む第２の金属層を周期的に積層させて作製することを特徴とするメモリセル材料の作製方法。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載の磁壁移動型メモリセル材料の作製方法において、前記磁性ベース合金の第１の金属層と前記非磁性元素を含む第２の金属層を周期的に積層した後、熱処理を施すことを特徴とするメモリセル材料の作製方法。

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