JP2008252037A - Magnetoresistive element, and magnetic memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive element and a magnetic memory, and more particularly, to a magnetoresistive element capable of recording information by supplying current bidirectionally and a magnetic memory using the same.
近年、新しい原理に基づいて情報を記録する固体メモリが多数提案されているが、中でも、固体磁気メモリとして、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistive)効果を利用する磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)が脚光を浴びている。MRAMは、データをMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子の磁化状態により記憶する点に特徴を有する。 In recent years, many solid-state memories that record information based on a new principle have been proposed. Among them, as a solid-state magnetic memory, a magnetic random access memory (MRAM: Magnetic Random) that uses a tunneling magnetoresistive (TMR) effect is proposed. Access Memory) is in the spotlight. The MRAM is characterized in that data is stored according to the magnetization state of an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element.
従来型の配線電流による磁場で書き込みを行うMRAMにおいては、MTJ素子サイズを縮小すると保持力Hcが大きくなるために、書き込みに必要な電流が大きくなる傾向がある。実際には、256Mbits以上の大容量を有するMRAMを作製するには、チップサイズの縮小が必要であり、それを実現するためにはチップ内におけるセルアレイ占有率を上げ、MTJ素子サイズの縮小を抑えつつ、書き込み電流のμAレベルへの低減が必要である。MTJ素子サイズの縮小と書き込み電流の低減は、相反的な関係にあり、従来型MRAMでは、256Mbitsを超えるような大容量化に向けたセルサイズの微細化と低電流化の両立は困難である。 In an MRAM in which writing is performed with a magnetic field using a conventional wiring current, the holding force Hc increases when the MTJ element size is reduced, and therefore, the current required for writing tends to increase. Actually, in order to manufacture an MRAM having a large capacity of 256 Mbits or more, it is necessary to reduce the chip size. In order to realize this, the cell array occupancy in the chip is increased and the reduction in the MTJ element size is suppressed. However, it is necessary to reduce the write current to the μA level. The reduction in the MTJ element size and the reduction in the write current are in a reciprocal relationship, and it is difficult for the conventional MRAM to achieve both a reduction in the cell size and a reduction in the current to increase the capacity exceeding 256 Mbits. .
このような課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動(SMT:Spin Momentum Transfer)書き込み方式を用いたMRAMが提案されている(例えば、特許文献1、非特許文献1)。スピン角運動量移動(以下、スピン注入ともいう)磁化反転では、磁化反転に必要な電流Icは、電流密度Jcで規定される。従って、素子面積が小さくなれば、磁化反転に必要な電流Icも小さくなる。 As a writing method for overcoming such a problem, an MRAM using a spin angular momentum transfer (SMT) writing method has been proposed (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In the spin angular momentum transfer (hereinafter also referred to as spin injection) magnetization reversal, the current Ic necessary for the magnetization reversal is defined by the current density Jc. Therefore, as the element area decreases, the current Ic required for magnetization reversal also decreases.
先に述べた従来型の磁場書き込み方式に比べると、電流密度を一定にして書き込む場合、MTJ素子サイズが小さくなれば書き込み電流も小さくなるために、スケーラビリティ性に優れることが期待される。しかしながら、現状のスピン注入MRAMにおいては、その磁化反転に必要な電流密度Jcは10mA/cm2以上と非常に大きく、100nm2サイズのMTJ素子を用いた場合でも、書き込み電流としては1mA程度必要となる。 Compared to the above-described conventional magnetic field writing method, when writing with a constant current density, the write current is reduced as the MTJ element size is reduced, so that it is expected to have excellent scalability. However, in the current spin injection MRAM, the current density Jc necessary for the magnetization reversal is as large as 10 mA / cm 2 or more, and even when a 100 nm 2 size MTJ element is used, a write current of about 1 mA is required. Become.
これは、スピン注入磁化反転方式の場合、双方向の通電が必要となり、通電方向によりスピン注入効率が異なることに起因している。すなわち、スピン注入磁化反転カーブは非対称となる。これは、磁化自由層と磁化固定層との磁化配列が平行から反平行になるように自由層の磁化方向を反転させる場合の電流は、反平行から平行に反転させる場合に比べて2倍程度必要となるからである。 This is because the spin injection magnetization reversal method requires bidirectional energization, and the spin injection efficiency differs depending on the energization direction. That is, the spin injection magnetization reversal curve is asymmetric. This is because the current when the magnetization direction of the free layer is reversed so that the magnetization arrangement of the magnetization free layer and the magnetization fixed layer changes from parallel to antiparallel is about twice that when the magnetization direction of the free layer is inverted from antiparallel to parallel. It is necessary.
この非対称性に伴う問題として、自由層と固定層との磁化配列が反平行から平行に反転するようにMTJ素子に通電して書き込む場合は、電流閾値が小さく問題がない。しかし、自由層と固定層との磁化配列が平行から反平行に反転するようにMTJ素子に通電して書き込む場合には、大きな書き込み電流が必要となる。これが原因となり、一定の電流密度Ip-apでMTJ素子にデータを書き込むとすると、TMR効果に見合った分だけ反平行配列時の素子抵抗Rapが上昇することになり、結果的に、書き込み電圧Vp-apが上昇する。 As a problem associated with this asymmetry, when the MTJ element is written by energizing the MTJ element so that the magnetization arrangement of the free layer and the fixed layer is reversed from antiparallel to parallel, the current threshold is small and there is no problem. However, when the MTJ element is written by applying current so that the magnetization arrangement of the free layer and the fixed layer is reversed from parallel to antiparallel, a large write current is required. For this reason, if data is written to the MTJ element at a constant current density Ip-ap, the element resistance Rap at the time of antiparallel arrangement rises by an amount corresponding to the TMR effect, and as a result, the write voltage Vp -ap rises.
従って、トンネルバリア層の耐圧が十分高くない場合、磁化配列が反平行になる前に、トンネルバリア層の破壊電圧Vbdに到達してしまい、トンネルバリア層が絶縁破壊してしまう。また、たとえ絶縁破壊しなくとも、高電圧下での動作信頼性が確保されないという問題がある。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、磁化反転に必要な書き込み電流をより低減することが可能な磁気抵抗素子及びそ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 an object thereof is to provide a magnetoresistive element capable of further reducing a write current required for magnetization reversal and a magnetic memory using the magnetoresistive element. .
本発明の第1の視点に係る磁気抵抗素子は、磁化の方向が固定された固定層と、膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能な自由層と、膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能であり、かつ前記自由層の磁化の方向の変化をアシストするアシスト層と、前記固定層と前記自由層との間に設けられ、かつ非磁性体からなる第1の中間層と、前記自由層と前記アシスト層との間に設けられ、かつ非磁性体からなる第2の中間層とを具備する。そして、前記アシスト層の磁化反転のためのエネルギー障壁は、前記自由層の磁化反転のためのエネルギー障壁よりも小さいことを特徴とする。 A magnetoresistive element according to a first aspect of the present invention includes a fixed layer whose magnetization direction is fixed, a free layer whose magnetization direction can be changed by energization in a direction perpendicular to the film surface, and a direction perpendicular to the film surface The direction of magnetization can be changed by energizing the electrode, and is provided between an assist layer that assists in changing the direction of magnetization of the free layer, the fixed layer, and the free layer, and is made of a nonmagnetic material. A first intermediate layer; and a second intermediate layer provided between the free layer and the assist layer and made of a nonmagnetic material. The energy barrier for reversing the magnetization of the assist layer is smaller than the energy barrier for reversing the magnetization of the free layer.
本発明の第2の視点に係る磁気メモリは、上記第1の視点に係る磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第1及び第2の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする。 A magnetic memory according to a second aspect of the present invention is provided with the magnetoresistive element according to the first aspect and the first and the first elements provided so as to sandwich the magnetoresistive element and energizing the magnetoresistive element. And a memory cell including a second electrode.
本発明によれば、磁化反転に必要な書き込み電流をより低減することが可能な磁気抵抗素子及びそれを用いた磁気メモリを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive element capable of further reducing a write current required for magnetization reversal and a magnetic memory using the same.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
(第1の実施形態)
[1] 磁気抵抗効果素子(以下、MR素子という)の構成及び磁化反転動作
図1は、本発明の第1の実施形態に係るMR素子10の構成を示す断面図である。図1は、本実施形態のMR素子10の基本構成を示している。図中の矢印は、磁化方向を示している。
(First embodiment)
[1] Configuration of Magnetoresistive Effect Element (hereinafter referred to as MR Element) and Magnetization Reversal Operation FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the
MR素子10は、磁化固定層(ピン層)11、第1の中間層(非磁性層)12、磁化自由層(フリー層、記録層ともいう)13、第2の中間層(非磁性層)14、磁化反転アシスト層(アシスト層)15が順に積層された積層構造を有している。なお、この基本構成は、積層順序が逆転していても構わない。
The
ここで、本MR素子10では、中間層12を挟むピン層11及びフリー層13の磁化状態の違いに起因する低抵抗状態及び高抵抗状態を検出し、“1”状態及び“0”状態を判別する。中間層12としてオーミック伝導を示すような材料、例えば、金属材料を用いる場合は、巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistive)効果が発現する。一方、中間層12としてトンネル伝導を示すような絶縁体、或いは半導体を用いる場合は、トンネル磁気抵抗(TMR)効果が発現し、このMR素子をトンネル型磁気抵抗効果素子(TMR素子)、或いは、磁気抵抗効果型トンネル接合素子(MTJ素子)と呼ぶ。
Here, the
ピン層11は、磁化(或いはスピン)の方向が固着されている。フリー層13及びアシスト層15は、磁化方向が変化(反転)する。図1においては、ピン層11及びフリー層13の容易磁化方向は膜面(或いは積層面)に対して垂直である(以下、垂直磁化という)。すなわち、ピン層11及びフリー層13は、垂直磁気異方性を有している。本実施形態では、磁化方向は膜面に対して平行(以下、面内磁化という)であっても別段問題はない。この場合は、ピン層11及びフリー層13は、面内磁気異方性を有している。
The pinned
但し、ピン層11及びフリー層13の容易磁化方向、すなわち、膜面に垂直方向か平行方向かは同じでなければならない。図1に示したのは、アシスト層15に強磁性体、或いはフェリ磁性体を用いる場合であって、この場合は、ピン層11、フリー層13、及びアシスト層15の容易磁化方向は同じでなければならない。
However, the easy magnetization directions of the
図1では、フリー層13として垂直磁化膜を用いている。フリー層13に垂直磁化膜を用いることにより、MR素子のアスペクト比Ar(素子の短辺長と長辺長との比、すなわち、Ar=長辺長/短辺長)を1に設計することが可能となる。これは、面内磁化膜の場合は、熱的に安定するのに必要な異方性磁界は形状磁気異方性エネルギーにより賄われるために、MTJ素子のアスペクト比が1より大きくなる。これに対して、垂直磁化膜の場合は、熱的に安定するのに必要な異方性磁界は結晶磁気異方性エネルギーにより賄われるために、この異方性磁界はMR素子のアスペクト比に依存しないからである。この結果、MR素子に垂直磁化膜を用いた場合、MR素子サイズを微細化することが可能となる。この場合、磁化反転に必要な電流密度Jcが同じTMR膜を用いたならば、同じMR素子幅を有する面内磁化膜と垂直磁化膜との磁化反転電流Icは、垂直磁化膜の方がアスペクト比Arが小さいので低減される。
In FIG. 1, a perpendicular magnetization film is used as the
このように構成されたMR素子10において、データの書き込みは、以下のように行われる。なお、本実施形態において、電流は、電子の流れをいうものとする。先ず、MR素子10は、膜面に垂直な方向において、双方向に電流通電される。
In the
これにより、フリー層13に、マジョリティーとマイノリティーとに偏極した電子スピンが供給される。そして、マジョリティーな電子スピンのスピン角運動量がフリー層13に移動することにより、スピントルクがフリー層13に印加され、フリー層13の磁化回転を誘起する。スピントルクは、ピン層(或いはアシスト層)とフリー層との磁化方向の単位ベクトルの外積で表されるので、ピン層とアシスト層との両方からフリー層にスピントルクを印加できる。これにより、スピン注入による磁化反転電流を低減できる。
As a result, electron spin polarized in majority and minority is supplied to the
本実施形態においては、従来のデュアルピン構造(フリー層の両側にそれぞれ中間層を介して2つのピン層が配置される構造)のMR素子と比べて、アシスト層15の磁化を固着する必要がなく、かつ従来のデュアルピン構造と同様に高いスピン注入効率を得られるという効果がある。これにより、アシスト層15の磁化配列の設計が容易となる。
In the present embodiment, it is necessary to fix the magnetization of the
以下に、本実施形態の効果が発揮される場合の磁化反転機構について、より詳細かつ具体的に説明する。本実施形態においては、アシスト層15の磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁(E_ast)は、フリー層13の磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁(E_free)よりも小さくなるように設定される。
Hereinafter, the magnetization reversal mechanism when the effect of the present embodiment is exhibited will be described in more detail and specifically. In this embodiment, the energy barrier (E_ast) that must be exceeded when the magnetization of the
ここで、実効的な磁気異方性エネルギーをKeff、磁性体体積をVとすると、磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁Eは、次式で表される。 Here, if the effective magnetic anisotropy energy is Keff and the magnetic body volume is V, the energy barrier E that must be exceeded at the time of magnetization reversal is expressed by the following equation.
E=Keff・V
従って、アシスト層15のエネルギー障壁(E_ast)と、フリー層13のエネルギー障壁(E_free)との関係は、次式で表される。
E = Keff · V
Therefore, the relationship between the energy barrier (E_ast) of the
(Keff・V)ast<(Keff・V)free
また、フリー層13の磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁(E_free)は、ピン層11の磁化反転時に超えなければならないエネルギー障壁(E_pin)よりも小さくなるように設定される。従って、ピン層11のエネルギー障壁(E_pin)と、フリー層13のエネルギー障壁(E_free)との関係は、次式で表される。
(Keff · V) ast <(Keff · V) free
Further, the energy barrier (E_free) that must be exceeded when the magnetization of the
(Keff・V)free<(Keff・V)pin
これにより、ピン層11、フリー層13、及びアシスト層15のエネルギー障壁の関係は、次式で表される。
(Keff · V) free <(Keff · V) pin
Thereby, the relationship between the energy barriers of the pinned
(Keff・V)ast<(Keff・V)free<(Keff・V)pin
このように、本実施形態のMR素子10は、従来のデュアルピン構造のMR素子の設計方針である、
(Keff・V)ast>(Keff・V)free、かつ、(Keff・V)free<(Keff・V)pin
とは異なる。
(Keff · V) ast <(Keff · V) free <(Keff · V) pin
As described above, the
(Keff · V) ast> (Keff · V) free and (Keff · V) free <(Keff · V) pin
Is different.
E_ast<E_freeの関係を実現するには、フリー層13及びアシスト層15の材料設計を以下のようにすればよい。フリー層13とアシスト層15とが同じ磁気異方性エネルギーを有する(Keff_free=Keff_ast)場合は、フリー層13の体積V_freeと、アシスト層15の体積V_astとの関係は、次式で表される。
In order to realize the relationship of E_ast <E_free, the material design of the
V_ast<V_free
また、フリー層13とアシスト層15とが同じ面積(S_free=S_ast)の場合は、フリー層13の膜厚t_freeと、アシスト層15の膜厚t_astとの関係は、次式で表される。
V_ast <V_free
When the
t_ast<t_free
また、フリー層13とアシスト層15とが同じ体積(V_free=V_ast)の場合は、フリー層13の実効的な異方性エネルギーKeff_freeと、アシスト層15の実効的な異方性エネルギーKeff_astとの関係は、次式で表される。
t_ast <t_free
When the
Keff_ast<Keff_free
ここで、面内磁化膜の場合、異方性エネルギーKeffは、次式で表される。
Keff_ast <Keff_free
Here, in the case of the in-plane magnetization film, the anisotropic energy Keff is expressed by the following equation.
Keff=Kc+Kshape=Kc+Ms・4πCshapeMs
Kshape:形状異方性エネルギー、Kc:結晶磁気異方性エネルギー、Cshape:形状に応じた面内磁化反転の反磁界係数、Ms:飽和磁化である。
Keff = Kc + Kshape = Kc + Ms · 4πCshapeMs
Kshape: shape anisotropy energy, Kc: magnetocrystalline anisotropy energy, Cshape: demagnetizing field coefficient of in-plane magnetization reversal according to shape, and Ms: saturation magnetization.
また、垂直磁化膜の場合、異方性エネルギーKeffは、次式で表される。 In the case of a perpendicular magnetization film, the anisotropic energy Keff is expressed by the following equation.
Keff=Kc−2πMs・Ms
従って、フリー層13とアシスト層15との結晶磁気異方性エネルギーKcが同じである場合、面内磁化フリー層13の飽和磁化Ms_freeは、面内磁化アシスト層15の飽和磁化Ms_astよりも大きくなるように設定される。
Keff = Kc-2πMs · Ms
Therefore, when the magnetocrystalline anisotropy energy Kc of the
Ms_ast<Ms_free
一方、フリー層13とアシスト層15との結晶磁気異方性エネルギーKcが同じである場合、垂直磁化フリー層13の飽和磁化は、垂直磁化アシスト層15の飽和磁化よりも小さくなるように設定される。
Ms_ast <Ms_free
On the other hand, when the magnetocrystalline anisotropy energy Kc of the
Ms_ast>Ms_free
アシスト層15は、磁化が自由に動くことができる。また、アシスト層15の磁化方向とフリー層13の磁化方向との関係は一意に定義されない。すなわち、本実施形態のフリー層13、中間層14、及びアシスト層15のユニットは、常に反強磁性結合しているSAF(Synthetic Anti-Ferromagnet)構造のフリー層とは区別される。さらに具体的には、電流通電がない場合には、磁気的な結合エネルギー(例えば、層間結合エネルギー、或いは静磁結合エネルギー)は、アシスト層15の磁化反転エネルギーを超えることはない。すなわち、電流通電がない場合に、アシスト層15は、フリー層13との磁気的結合により磁化方向が規定されているわけではない。
Ms_ast> Ms_free
The
次に、図2を用いて、フリー層13の反平行磁化状態(高抵抗状態)から平行磁化状態(低抵抗状態)への磁化反転について説明する。この場合、MR素子10には、ピン層11側から電子が供給される。フリー層13が磁化反転する臨界電流をIcと定義する。また、アシスト層が磁化反転する臨界電流をIastと定義する。ここで、MR素子10に通電される実効的な電流Iは、便宜的に変化させていく順序でI1、I2、I3(I1<I2<I3)と記述した。
Next, magnetization reversal from the antiparallel magnetization state (high resistance state) to the parallel magnetization state (low resistance state) of the
先ず、ピン層11からフリー層13にスピン流I1が注入される。この時、I1<Iast<Icである。スピン流I1の角運動量はフリー層13に移動されるために、フリー層13を抜けていく電子はフリー層13の磁化方向に応じてスピン偏極され、このスピン偏極された電子がアシスト層15に注入される(図2(a)参照)。
First, a spin current I1 is injected from the pinned
次に、あるスピン流I2がフリー層13からアシスト層15に注入されると、アシスト層15がフリー層13と同じ磁化方向に揃えられるように磁化反転する(図2(b)参照)。この時、Iast<I2<Icである。次に、アシスト層15により反射された電子のスピンがフリー層13に注入される。そして、ピン層11及びアシスト層15からフリー層13に臨界電流Icを超えるスピン流I3が注入されると、フリー層13がピン層11と同じ磁化方向に揃えられるように磁化反転する(図2(c)参照)。
Next, when a certain spin current I2 is injected from the
フリー層13の磁化反転直前のピン層11とアシスト層15との磁化配列では、ピン層11からのスピン注入効果と、アシスト層15からのスピン反射の効果(スピン蓄積効果)の両方が存在する。これにより、ピン層11とフリー層13との磁化方向が平行配列となる。この平行配列のときはMR素子10の抵抗値は最も小さくなり、この場合をデータ“0”と規定する。
In the magnetization arrangement of the pinned
次に、図3を用いて、フリー層13の平行磁化状態(低抵抗状態)から反平行磁化状態(高抵抗状態)への磁化反転について説明する。この場合、MR素子10には、アシスト層15側から電子が供給される。
Next, magnetization reversal from the parallel magnetization state (low resistance state) to the antiparallel magnetization state (high resistance state) of the
先ず、フリー層13により反射された電子のスピン流I1がアシスト層15に注入される(図3(a)参照)。この時、I1<Iast<Icである。アシスト層15に注入されるスピン流がI2になると、アシスト層15は、フリー層13と反平行な磁化配列となる。この時、Iast<I2<Icである。次に、アシスト層15によりスピン偏極された電子のスピン流I3がフリー層13に注入される。また、ピン層11により反射された電子のスピン流I3がフリー層13に注入される(図3(b)参照)。これにより、フリー層13がピン層11と逆の磁化方向に揃えられるように磁化反転する(図3(c)参照)。この時、Iast<Ic<I3である。
First, an electron spin current I1 reflected by the
フリー層13の磁化反転直前のピン層11とアシスト層15との磁化配列では、アシスト層15からのスピン注入効果と、ピン層11からのスピン反射の効果の両方が存在する。これにより、ピン層11とフリー層13との磁化方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはMR素子10の抵抗値は最も大きくなり、この場合をデータ“1”と規定する。
In the magnetization arrangement of the pinned
次に、データの読み出しは、以下のように行われる。MR素子10に読み出し電流Irを流し、MR素子10の抵抗値の変化を検出する。この読み出し電流Irは、書き込み電流よりも小さい値に設定される。より具体的には、読み出し電流Irは、フリー層13の磁化反転電流Icより十分に小さな電流に設定されることが好ましい。ここでいう、「十分小さな電流」とは、Iastよりも小さな電流であり、さらには、Iastの1/2以下程度であることが好ましい。
Next, data reading is performed as follows. A read current Ir is passed through the
[2] アシスト層15の他の構成例
一般的なデュアルピン構造の場合、フリー層13/中間層12/ピン層11のユニットと、アシスト層15/中間層14/フリー層13のユニットとでそれぞれ発現するMRが互いに相殺するために、MR素子の最大のMRが低下するという問題がある。
[2] Other configuration examples of
図4は、アシスト層15の他の構成を示す断面図である。本実施形態では、アシスト層15に磁化反転エネルギーが非常に小さい超常磁性体(スーパーパラ磁性体)を用いる。スーパーパラ磁性体は、局所的に磁化を有するが、残留状態での磁化はゼロであり、等方的(ランダム)である。従って、フリー層13とピン層11との間では中間層12を介して磁気抵抗効果が発現するが、ランダムな磁化配列を有するアシスト層15との間では中間層14を介した磁気抵抗効果は発現しない。これは、大きなメリットであり、デュアルピン構造を有するMR素子で問題であった2つ目のピン層による読み出し出力の劣化を回避することが可能となる。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another configuration of the
このため、中間層12及び中間層14の両方で同じ材料、例えば、MgO(酸化マグネシウム)、AlOx(酸化アルミニウム)などの絶縁体を用いた場合、ピン層及びアシスト層によって高いスピン注入効率が得られると同時に、磁気抵抗効果が一方の中間層12のみで発現するためにMR比が相殺しないという効果を有している。
Therefore, when the same material, for example, an insulator such as MgO (magnesium oxide) or AlO x (aluminum oxide) is used for both the
次に、図5を用いて、フリー層13の反平行磁化状態(高抵抗状態)から平行磁化状態(低抵抗状態)への磁化反転について説明する。この場合、MR素子10には、ピン層11側から電子が供給される。ここで、フリー層13が磁化反転する臨界電流をIcと定義する。また、超常磁性体からなるアシスト層15の磁化が一方向に配列し、磁化方向が規定され得る電流をIastと定義する。MR素子10に通電される実効的な電流Iは、便宜的に変化させていく順序でI1、I2、I3(I1<I2<I3)と記述した。
Next, magnetization reversal from the antiparallel magnetization state (high resistance state) to the parallel magnetization state (low resistance state) of the
先ず、ピン層11からフリー層13にスピン流I1が注入される。この時、I1<Iast<Icである。スピン流I1の角運動量はフリー層13に移動されるために、フリー層13を抜けていく電子はフリー層13の磁化方向に応じてスピン偏極され、このスピン偏極された電子がアシスト層15に注入される(図5(a)参照)。
First, a spin current I1 is injected from the pinned
続いて、フリー層13からのスピン流I2により、アシスト層15の磁化方向は、フリー層13の磁化方向と同じ方向に揃えられる(図5(b)参照)。この時、Iast<I2<Icである。次に、アシスト層15により反射された電子のスピンがフリー層13に注入される。ピン層11及びアシスト層15からフリー層13に臨界電流Icを超えるスピン流が注入されると、フリー層13がピン層11と同じ磁化方向に揃えられるように磁化反転する(図5(c)参照)。この時、Iast<Ic<I3である。その後、MR素子10への電子の供給が停止されると、アシスト層15の磁化はランダムになる。
Subsequently, the magnetization direction of the
次に、図6を用いて、フリー層13の平行磁化状態(低抵抗状態)から反平行磁化状態(高抵抗状態)への磁化反転について説明する。この場合、MR素子10には、アシスト層15側から電子が供給される。
Next, magnetization reversal from the parallel magnetization state (low resistance state) to the antiparallel magnetization state (high resistance state) of the
先ず、フリー層13により反射された電子のスピン流I1がアシスト層15に注入される(図6(a)参照)。この時、I1<Iast<Icである。アシスト層15に注入されるスピン流がI2になると、アシスト層15は、フリー層13と反平行な磁化配列となる。この時、Iast<I2<Icである。次に、アシスト層15によりスピン偏極された電子のスピン流I3がフリー層13に注入される。また、ピン層11により反射された電子のスピン流I3がフリー層13に注入される(図6(b)参照)。これにより、フリー層13がピン層11と逆の磁化方向に揃えられるように磁化反転する(図6(c)参照)。この時、Iast<Ic<I3である。その後、MR素子10への電子の供給が停止されると、アシスト層15の磁化はランダムになる。
First, an electron spin current I1 reflected by the
従来のデュアルピン構造においては、高いスピン注入効率は得られるものの、中間層12及び中間層14の両方で互いに相反な磁気抵抗効果が発現するために、読み出し時に必要なTMR比を下げてしまうという問題が生じていたが、アシスト層15にスーパーパラ磁性体を用いることで、このような問題を回避することができる。
In the conventional dual pin structure, although a high spin injection efficiency can be obtained, a reciprocal magnetoresistive effect appears in both the
[3] MTJ積層構成
図を用いてMTJ膜の主な構成例について説明する。
[3] MTJ Laminate Configuration A main configuration example of the MTJ film will be described with reference to the drawings.
図7には、MR素子10の基本となる積層構成を示している。ピン層11、中間層12、フリー層13、中間層14、アシスト層15からなる基本構成は、図1と同じである。基板(図示せず)側の最下層には、基本構成の結晶配向性或いは結晶性を制御するための下地層16が設けられている。この下地層16には、非磁性金属が用いられる。最上層には、基本構成を酸化及び腐食などの劣化から保護するためのキャップ層17が設けられている。キャップ層17には、非磁性金属が用いられる。これら非磁性金属としては、W(タングステン)、Al(アルミニウム)、Cu(銅)、或いはAlCuなどが用いられる。
FIG. 7 shows a basic laminated structure of the
図8には、界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層を備えたMR素子10について示している。ピン層11と中間層12との間には、界面ピン層21が設けられている。中間層12とフリー層13との間には、界面フリー層22が設けられている。フリー層13と中間層14との間には、界面フリー層23が設けられている。中間層14とアシスト層15との間には、界面アシスト層24が設けられている。界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層は、磁気抵抗効果を増大させる効果があり、さらには、スピン注入書き込み時に書き込み電流を低減する効果がある。
FIG. 8 shows an
図8に示した構成は、主に保磁力差型のMR素子に用いられる。この場合、磁化方向は、垂直磁化でも、面内磁化でもよい。アシスト層15に超常磁性体を用いる場合は、界面アシスト層24は挿入されない。図9には、アシスト層15が超常磁性体である場合のMR素子10について示している。
The configuration shown in FIG. 8 is mainly used for a coercive force difference type MR element. In this case, the magnetization direction may be perpendicular magnetization or in-plane magnetization. When a superparamagnetic material is used for the
フリー層の両側にそれぞれ界面フリー層を挿入する場合は、実質的なフリー層の膜厚は、フリー層と界面フリー層との膜厚の和になる。フリー層13の膜厚、或いは飽和磁化と膜厚との積を比較する場合は、フリー層と界面フリー層との膜厚の和を用いる。また、磁気特性に関しても、界面フリー層とフリー層との総合的な特性が、実質的なフリー層の磁気特性とされる。
When interfacial free layers are inserted on both sides of the free layer, the substantial free layer thickness is the sum of the free layer and interface free layer thicknesses. When comparing the film thickness of the
同様に、界面ピン層を挿入する場合は、実質的なピン層の膜厚は、ピン層と界面ピン層との膜厚の和になる。ピン層の膜厚、或いは飽和磁化と膜厚との積を比較する場合は、ピン層と界面ピン層との膜厚の和を用いる。また、磁気特性に関しても、界面ピン層とピン層との総合的な特性が、実質的なピン層の磁気特性とされる。界面アシスト層についても同様である。 Similarly, when the interface pinned layer is inserted, the substantial film thickness of the pinned layer is the sum of the film thicknesses of the pinned layer and the interface pinned layer. When comparing the film thickness of the pinned layer or the product of the saturation magnetization and the film thickness, the sum of the film thicknesses of the pinned layer and the interface pinned layer is used. Regarding the magnetic characteristics, the overall characteristics of the interface pinned layer and the pinned layer are the substantial magnetic characteristics of the pinned layer. The same applies to the interface assist layer.
面内磁化膜を用いたMTJ膜においては、ピン層に軟磁性を有する強磁性体膜が用いられる。この場合は、下地層16とピン層11との間に反強磁性層25を挿入する。これにより、ピン層11と反強磁性層25との交換結合により、ピン層11の磁化が一方向に固着される。同時に、ピン層11と反強磁性層25との交換結合により、ピン層11には高い磁気異方性エネルギーが付与され、ピン層11としての機能が付与される。また、図10に示すように、垂直磁化膜を用いたMTJ膜においても、ピン層11が反強磁性層25により磁化固着されていても構わない。
In the MTJ film using the in-plane magnetization film, a ferromagnetic film having soft magnetism is used for the pinned layer. In this case, an
さらに、アシスト層15においても、反強磁性体との交換結合を利用してもよい。但し、アシスト層15の磁化反転エネルギー障壁(E_ast)が、フリー層13の磁化反転エネルギー障壁(E_free)を超えない場合に限られる。
Further, the
また、図11に示すように、ピン層11としては、磁性層11C/非磁性層11B/磁性層11Aの構成からなり、磁気的には反強磁性的な磁化方向を有するSAF構造のピン層11を用いてもよい。なお、積層膜の記載において、“/”の左側が上層、右側が下層を表している。
Further, as shown in FIG. 11, the pinned
SAF構造の非磁性層11Bには、Ru(ルテニウム)やOs(オスミウム)などの金属材料が用いられ、その膜厚は3nm以下に設定される。これは、非磁性層11Bを介して、磁性層11C及び11Aの十分強い反強磁性結合を得るためである。また、アシスト層15においても、SAF構造を用いてもよい。このSAF構造を用いることで、アシスト層15の外部磁場に対する耐性、及び熱的な安定性を調整することができる。
For the SAF
なお、図7乃至図11に示した構成を任意に組み合わせて、MR素子10を構成してもよいことは言うまでもない。また、界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層については、図8に示した界面層を全て備えている必要はなく、一部の界面層を備えた場合でも、MR素子10の特性を向上させることができる。
Needless to say, the
[4] MR素子の断面構造
上記で説明したように、ピン層11、フリー層13、及びアシスト層15の磁化反転エネルギー障壁の関係を作り出す方法としては、MR素子10の断面形状を最適化することもよい。すなわち、エネルギー障壁Eは、
E=Keff・V
で表されるため、ピン層11、フリー層13、及びアシスト層15の各層の体積を調整することによってもエネルギー障壁Eを調整することができる。よって、素子の各層の面積を調整することで、エネルギー障壁Eを調整できることになる。
[4] Cross-sectional structure of MR element As described above, the cross-sectional shape of the
E = Keff · V
Therefore, the energy barrier E can also be adjusted by adjusting the volume of each layer of the pinned
図12には、理想的にMTJ膜が加工された場合のMR素子10の断面図を概略的に示している。MR素子10の平面形状は、例えば、円、或いは楕円である。MR素子10の側面の角度をθと定義する。図12に示すように、理想的にはθ≒90°となるとすると、磁化反転エネルギー障壁Eは、各層の結晶磁気異方性エネルギーKc、飽和磁化Ms、及び膜厚tで調整することになる。
FIG. 12 schematically shows a cross-sectional view of the
図13には、θ<90°の場合のMR素子10の断面図を概略的に示している。図13に示すように、MR素子10の側面は、θ<90°になるように傾いている。すなわち、MR素子10の断面形状は、上に向かって細くなるテーパー形状である。
FIG. 13 schematically shows a cross-sectional view of the
MR素子10の側面の角度が90°未満になるように加工すれば、ピン層11、フリー層13、及びアシスト層15の膜厚を同じにした場合でも、
(Keff・V)ast<(Keff・V)free<(Keff・V)pin
の関係を満たすMR素子を形成することができる。これにより、上記エネルギー障壁の関係を満たすMR素子の形成が容易となる。
If processing is performed so that the angle of the side surface of the
(Keff · V) ast <(Keff · V) free <(Keff · V) pin
MR elements satisfying the above relationship can be formed. This facilitates formation of an MR element that satisfies the energy barrier relationship.
図14には、断面形状がステップ形状を成す場合のMR素子10の断面図を概略的に示している。フリー層13の面積は、ピン層11の面積より小さい。アシスト層15の面積は、フリー層13の面積より小さい。換言すると、フリー層13の膜面方向の長さは、ピン層11の膜面方向の長さより短い。アシスト層15の膜面方向の長さは、フリー層13の膜面方向の長さより短い。また、ピン層11、フリー層13、及びアシスト層15の側面は、ほぼ垂直である。パターニング工程及び加工工程を最適化することで、断面形状がステップ形状を成すMR素子10を形成することが可能である。
FIG. 14 schematically shows a cross-sectional view of the
図14に示したMR素子10においても、ピン層11、フリー層13、及びアシスト層15の膜厚を同じにした場合でも、
(Keff・V)ast<(Keff・V)free<(Keff・V)pin
の関係を満たすことが可能である。
In the
(Keff · V) ast <(Keff · V) free <(Keff · V) pin
It is possible to satisfy the relationship.
[5] MR素子10に用いられる材料
以下に、MR素子10を構成する各層の材料について順に説明する。
[5] Materials Used for
[5−1] 中間層12及び中間層14に用いられる材料
本実施形態のMR素子10においては、中間層12には、絶縁体、或いは半導体が用いられる。この場合、フリー層13/中間層12/ピン層11のユニットでトンネル磁気抵抗効果が発現する。従って、読み出し時は、ピン層11及びフリー層13の磁化方向が平行或いは反平行になることで、MR素子10の抵抗値が低抵抗或いは高抵抗となり、それぞれの状態を例えばデータ“0”或いはデータ“1”と判別する。
[5-1] Materials Used for
アシスト層15にスーパーパラ磁性体を用いる場合、アシスト層15/中間層14/フリー層13のユニットでは、トンネル磁気抵抗効果が発現しない。これは、アシスト層15の残留磁化状態における磁化(残留磁化)が垂直磁化方向及び面内磁化方向にもほとんどない状態、すなわち、ランダム配列磁化方向となるためである。この場合、アシスト層15のネットMsは、ほぼゼロである。
When a super paramagnetic material is used for the
従って、中間層14には、金属導電体、絶縁体、及び半導体のどれを用いてもよい。但し、絶縁体及び半導体を用いた場合は、MR素子10の抵抗値が上昇するので、金属導電体を用いることが好ましい。
Therefore, any of a metal conductor, an insulator, and a semiconductor may be used for the
ここで、中間層14に用いられる金属導電体としては、Cu(銅)、Al(アルミニウム)、Ag(銀)、及びAu(金)などが好ましい。さらには、MgO−Cu、AlOx−Cuなどの導電性金属相と絶縁相とのグラニュラー構造材料を用いてもよい。グラニュラー構造材料を用いる場合、中間層14を流れる電流は、最もトンネル障壁が小さいパスを流れることになる。この電流狭窄(CCP:current confined path)効果により、局所的に電流密度を向上させることができる。この結果、フリー層13の磁化反転電流を低減することが可能となる。
Here, as a metal conductor used for the intermediate |
中間層12及び14の膜厚は、トンネル磁気抵抗効果を利用する場合には、3nm以下となるように設定される。これは、情報の書き込み時に1×105〜1×107A/cm2程度のトンネル電流を流す必要があるため、MR素子10の抵抗×面積(RA:resistance and area product)を100Ωμm2以下程度に小さくする必要があるからである。
The film thicknesses of the
中間層12及び14に用いられる絶縁体としては、Al2O3(酸化アルミニウム)、MgO(酸化マグネシウム)、CaO(酸化カルシウム)、SrO(酸化ストロンチウム)、TiO(酸化チタン)、EuO(酸化ユーロビウム)、ZrO(酸化ジルコニウム)、或いはHfO(酸化ハフニウム)などの酸化物があげられる。また、半導体としては、Ge(ゲルマニウム)、或いはSi(シリコン)などの半導体、GaAs(ガリウムヒ素)、或いはInAs(インジウムヒ素)などの化合物半導体、TiO2(酸化チタン)などの酸化物半導体があげられる。
Examples of the insulator used for the
この中でも、NaCl構造を有するMgOは、中間層としては好ましい材料である。これは、MgOを用いた場合が最もMR比が大きくなるからである。MgOを用いた場合、MR素子10の抵抗×面積(RA:resistance and area product)が5Ωμm2以上1000Ωμm2以下の範囲内で100%以上のMR比を得ることが可能である。このMgOはNaCl構造を有しており、MR比の観点から結晶配向性としては(100)面配向が最も好ましい。また、MgO層形成時に、MgO上部或いは下部には、1nm以下のMg層を挿入することで、MR比をさらに向上させることができる。
Among these, MgO having a NaCl structure is a preferable material for the intermediate layer. This is because the MR ratio is maximized when MgO is used. When MgO is used, it is possible to obtain an MR ratio of 100% or more when the resistance and area product (RA) of the
MgO層は、MgOターゲットを用いて希ガス(Ar(アルゴン)、Ne(ネオン)、Kr(クリプトン)、或いはXe(キセノン))でのスパッタ法により形成されるか、或いは、Mgターゲットを用いたO2雰囲気中での酸化反応性スパッタ法により形成される。また、Mg層を成膜した後に、酸素ラジカル、酸素イオン、或いはオゾンなどにより酸化することでも形成可能である。また、MgOを用いた分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、或いは電子ビーム蒸着(electron beam evaporation)法によりエピタキシャル成長させることでも形成可能である。 The MgO layer is formed by sputtering with a rare gas (Ar (argon), Ne (neon), Kr (krypton), or Xe (xenon)) using an MgO target, or using an Mg target. It is formed by an oxidation reactive sputtering method in an O 2 atmosphere. Alternatively, the Mg layer can be formed by oxidizing with oxygen radicals, oxygen ions, ozone, or the like. It can also be formed by epitaxial growth using molecular beam epitaxy (MBE) method using MgO or electron beam evaporation method.
ここで、大きいMR比を得るためには、MgOの配向度の向上が必要である。MgOの面配向に基づいて、選択すべき下地層となる磁性層の配向性が決定される。MgOは、(100)面配向が好ましい。MgOを(100)面優先配向させるためには、その下地層(フリー層、ピン層、アシスト層、或いは界面層など)は、BCC(Body-Centered Cubic)構造(100)面配向、FCC(Face-Centered Cubic)構造(100)面配向、或いはアモルファス構造であることが好ましい。 Here, in order to obtain a large MR ratio, it is necessary to improve the degree of orientation of MgO. Based on the plane orientation of MgO, the orientation of the magnetic layer serving as the underlayer to be selected is determined. MgO preferably has a (100) plane orientation. In order to orient (100) plane preferential orientation of MgO, its underlayer (free layer, pinned layer, assist layer, interface layer, etc.) has a BCC (Body-Centered Cubic) structure (100) plane orientation, FCC (Face). -Centered Cubic) structure (100) orientation or amorphous structure is preferable.
BCC構造の材料としては、BCC−Fe100−xCox(0≦x≦70原子%)、BCC構造上にエピタキシャル成長させた1nm以下のBCC−Coなどがあげられる。或いは、BCC−Fe100−x(CoNi)x(0≦x≦70原子%)などを用いてもよい。この場合、10原子%以下の希薄Ni添加により10〜20%のMR比の上昇効果が得られる。アモルファス材料としては、Co−Fe−B合金、Fe−Co−Zr合金などがあげられる。 Examples of the material of the BCC structure include BCC-Fe 100-x Co x (0 ≦ x ≦ 70 atomic%), BCC-Co of 1 nm or less epitaxially grown on the BCC structure, and the like. Alternatively, BCC-Fe 100-x (CoNi) x (0 ≦ x ≦ 70 atomic%) or the like may be used. In this case, the effect of increasing the MR ratio of 10 to 20% can be obtained by adding dilute Ni of 10 atomic% or less. Examples of the amorphous material include a Co—Fe—B alloy and an Fe—Co—Zr alloy.
[5−2] 垂直磁化フリー層、垂直磁化ピン層、及び垂直磁化アシスト層に用いられる磁性材料
本実施形態においては、ピン層11、フリー層13、及びアシスト層15に垂直磁化膜が用いられる。面内磁化フリー層を用いた場合、スイッチング磁界はMR素子のサイズに強く依存するが、垂直磁化フリー層を用いることにより、MR素子のサイズ依存性が小さくなる。
[5-2] Magnetic material used for the perpendicular magnetization free layer, the perpendicular magnetization pinned layer, and the perpendicular magnetization assist layer In the present embodiment, a perpendicular magnetization film is used for the pinned
面内磁化の場合、飽和磁化を利用した形状磁気異方性エネルギーにより磁化の安定性を維持させるため、素子形状及び素子サイズに依存してスイッチング磁界が変化する。一方、垂直磁化の場合、飽和磁化を小さくし、素子形状及び素子サイズに依存しない結晶磁気異方性エネルギーにより磁化の安定性を維持するために、スイッチング磁界の変化が素子形状及び素子サイズに依存しない。従って、垂直磁化フリー層を用いることで、MR素子を小さくするとスイッチング磁界が大きくなるという面内磁化膜を用いたMR素子の問題が解決されるため、MR素子の微細化には好ましい。 In the case of in-plane magnetization, the switching magnetic field changes depending on the element shape and element size in order to maintain the stability of magnetization by the shape magnetic anisotropy energy using saturation magnetization. On the other hand, in the case of perpendicular magnetization, the change in switching magnetic field depends on the element shape and element size in order to reduce the saturation magnetization and maintain the stability of magnetization by the magnetocrystalline anisotropy energy independent of the element shape and element size. do not do. Accordingly, the use of the perpendicular magnetization free layer solves the problem of the MR element using the in-plane magnetization film that the switching magnetic field is increased when the MR element is reduced, and is preferable for miniaturization of the MR element.
本実施形態のMR素子10に用いられる垂直磁化膜としては、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、及びMn(マンガン)のうち少なくとも1種類以上と、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、Rh(ロジウム)、Os(オスミウム)、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)、及びCr(クロム)のうち少なくとも1種類以上とを含む磁性体が用いられる。
The perpendicular magnetization film used in the
さらには、飽和磁化の調整、結晶磁気異方性エネルギーの制御、結晶粒径及び結晶粒間結合の調整のために、B(ホウ素)、C(炭素)、Si(シリコン)、Al(アルミニウム)、Mg(マグネシウム)、Ta(タンタル)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Hf(ハフニウム)、Y(イットリウム)、及び希土類元素から選ばれる少なくとも1種類以上の元素を磁性体に添加してもよい。これらの元素を添加することで、飽和磁化及び結晶磁気異方性エネルギーを、垂直磁化を損なわせることなく低下させることが可能となり、結晶粒の分断及び微細化を促進できる。 Furthermore, B (boron), C (carbon), Si (silicon), Al (aluminum) are used for adjustment of saturation magnetization, control of magnetocrystalline anisotropy energy, adjustment of crystal grain size and inter-grain bond. At least one element selected from Mg, magnesium (magnesium), Ta (tantalum), Zr (zirconium), Ti (titanium), Hf (hafnium), Y (yttrium), and rare earth elements. Also good. By adding these elements, the saturation magnetization and the magnetocrystalline anisotropy energy can be lowered without impairing the perpendicular magnetization, and the fragmentation and refinement of crystal grains can be promoted.
Coを主成分とする磁性材料としては、HCP(Hexagonal Closest Packing)構造を有するCo−Cr−Pt合金、Co−Cr−Ta合金、或いはCo−Cr−Pt−Ta合金などがあげられる。なお、“−”は合金を意味する。これらは、各元素の組成を調整することにより、1×105erg/cc以上1×107erg/cc未満の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することが可能である。これらの材料をピン層に用いる場合、下地層としてHCP構造を有するRu(ルテニウム)を用いることが好ましい。 Examples of the magnetic material containing Co as a main component include a Co—Cr—Pt alloy, a Co—Cr—Ta alloy, and a Co—Cr—Pt—Ta alloy having an HCP (Hexagonal Closest Packing) structure. “-” Means an alloy. By adjusting the composition of each element, it is possible to adjust the magnetocrystalline anisotropy energy within the range of 1 × 10 5 erg / cc or more and less than 1 × 10 7 erg / cc. When these materials are used for the pinned layer, it is preferable to use Ru (ruthenium) having an HCP structure as the underlayer.
Co−Pt合金は、Co50Pt50(原子%)付近の組成において、L10−CoPt規則合金を形成する。この規則合金は、FCT(Face-Centered Tetragonal)構造を有する。中間層12としてMgO(100)を用いる場合、(001)面配向したFCT−CoPt規則合金は、中間層12との界面ミスフィットを小さくできるので好ましい。また、中間層とフリー層などとの間に界面層を挿入した場合でも、界面層が(100)面配向しやすくなる。
The Co—Pt alloy forms an L1 0 —CoPt ordered alloy with a composition in the vicinity of Co 50 Pt 50 (atomic%). This ordered alloy has an FCT (Face-Centered Tetragonal) structure. When MgO (100) is used as the
Feを主成分とする磁性材料としては、Fe−Pt合金、或いはFe−Pd合金があげられる。この中でも、Fe−Pt合金は、組成がFe50Pt50(原子%)において規則化し、FCT構造を基本構造とするL10構造を有する。また、Fe−Pt合金は、組成がFe75Pt25(原子%)において規則化し、FCT構造を基本構造とするL12構造(Fe3Pt構造)を有する。これにより、1×107erg/cc以上の大きな結晶磁気異方性エネルギーを発現することができる。
Examples of the magnetic material containing Fe as a main component include an Fe—Pt alloy and an Fe—Pd alloy. Among this, Fe-Pt alloy composition is ordered in Fe 50 Pt 50 (atomic%), having an L1 0 structure as a basic structure FCT structure. Further, Fe-Pt alloy composition is ordered in Fe 75 Pt 25 (atomic%), having an L1 2 structure as a basic
Fe50Pt50合金は、L10構造に規則化する前は、FCC構造を有する。この場合の結晶磁気異方性エネルギーは、1×106erg/cc程度である。従って、アニール温度、組成の調整、積層構成による規則度の制御、及び添加元素により、5×105erg/cc以上5×108erg/cc以下の範囲内で結晶磁気異方性エネルギーを調整することができる。また、飽和磁化は、元素添加前はおおよそ800乃至1100emu/ccであるが、元素添加により800emu/cc以下に低減することが可能である。この磁性体をフリー層に使用する場合、スピン注入電流密度Jcの低減という点で好ましい。 Fe 50 Pt 50 alloy, prior to ordering the L1 0 structure and has a FCC structure. In this case, the magnetocrystalline anisotropy energy is about 1 × 10 6 erg / cc. Therefore, the crystal magnetic anisotropy energy is adjusted within the range of 5 × 10 5 erg / cc to 5 × 10 8 erg / cc by adjusting the annealing temperature, composition, control of the order by the layer structure, and additive elements. can do. The saturation magnetization is approximately 800 to 1100 emu / cc before the addition of the element, but can be reduced to 800 emu / cc or less by adding the element. When this magnetic material is used for the free layer, it is preferable in terms of reducing the spin injection current density Jc.
具体的には、L10規則構造を有するFe−Pt合金に、Cu(銅)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Mn(マンガン)、或いはCr(クロム)などを30原子%以下の範囲で添加することで、Fe−Pt合金の飽和磁化及び結晶磁気異方性エネルギーを制御することが可能である。また、V(バナジウム)に関しては、スピン注入磁化反転において重要なダンピング定数(磁化制動定数)を下げる効果があり、かつ磁化反転電流を低減する効果がある。 Specifically, the Fe-Pt alloy having an L1 0 ordered structure, Cu (copper), Ti (titanium), V (vanadium), Mn (manganese), or Cr (chromium) range of 30 atomic% or less, and more It is possible to control the saturation magnetization and the magnetocrystalline anisotropy energy of the Fe—Pt alloy. V (vanadium) has an effect of lowering a damping constant (magnetization braking constant) important in spin injection magnetization reversal and an effect of reducing a magnetization reversal current.
L10或いはL12構造に規則化したFe−Pt合金はFCT構造を有し、規則化する前はFCC構造を有する。従って、MgO(100)とは非常に整合性がよい。具体的には、MgO(100)上に(100)面配向したBCC−Feを成長させ、その上にPt(100)を積層することで、MgO(100)上に(100)面優先配向成長したL10構造或いはL12構造のFe−Pt規則合金を形成することが可能である。また、Fe−Pt規則合金とMgO(100)との間にBCC−Crを形成すると、さらにFe−Pt規則合金の(100)面配向が優先的となり望ましい。 L1 0 or Fe-Pt alloy ordered to L1 2 structure has a FCT structure, prior to ordering has a FCC structure. Therefore, it is very consistent with MgO (100). Specifically, (100) plane-oriented growth is grown on MgO (100) by growing BCC-Fe with (100) plane orientation on MgO (100) and stacking Pt (100) thereon. it is possible to form the L1 0 structure or L1 2 structure Fe-Pt ordered alloy. Further, when BCC-Cr is formed between the Fe—Pt ordered alloy and MgO (100), the (100) plane orientation of the Fe—Pt ordered alloy is more preferred.
また、L10或いはL12構造のFe−Pt規則合金を形成する場合、[Fe/Pt]n(nは1以上の整数)の多層構造を形成すると理想的な規則に近いL10或いはL12構造のFe−Pt規則合金を形成できる。FeとPtとの積層順は問わない。この場合、Fe/Ptの膜厚は、0.1nm以上3nm以下となるように設定することが望ましい。これは、均一な組成状態を作り出すためには必須であり、それにより、L10或いはL12構造のFe−Pt合金の規則化の場合、FCC構造からFCT構造へのマルテンサイト変態(martensitic transformation)を伴うため、この変態が促進されるので重要である。 Further, when forming an Fe—Pt ordered alloy having an L1 0 or L1 2 structure, if a multilayer structure of [Fe / Pt] n (n is an integer of 1 or more) is formed, L1 0 or L1 2 close to an ideal rule. An Fe—Pt ordered alloy having a structure can be formed. The order of lamination of Fe and Pt does not matter. In this case, it is desirable to set the film thickness of Fe / Pt to be 0.1 nm or more and 3 nm or less. This is to create a uniform composition state is essential, thereby, when the ordering of the L1 0 or L1 2 structure Fe-Pt alloy, martensitic transformation from FCC structure to FCT structure (martensitic transformation) This is important because this transformation is promoted.
また、L10或いはL12構造のFe−Pt合金の規則化温度は500度以上と高く、耐熱性に優れている。この点は、後工程でのアニール処理に対する耐性を有することになる。また、上述したCuやPdなどの30原子%以下の範囲での添加元素により、その規則化温度を低下させることが可能である。 Further, ordering temperature of L1 0 or L1 2 structure Fe-Pt alloys is as high as more than 500 degrees, is excellent in heat resistance. This point has resistance to annealing treatment in a later process. Further, the ordering temperature can be lowered by the additive element in the range of 30 atomic% or less such as Cu and Pd described above.
本実施形態のMR素子10に用いられる他の垂直磁化膜としては、Fe、Co、Ni、Mn、Cr、及び希土類元素のうち少なくとも1種類以上を含むフェリ磁性体があげられる。希土類元素としては、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジウム)、Nd(ネオジム)、Pm(ブロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、或いはLu(ルテチウム)などがあげられる。
Examples of other perpendicular magnetization films used in the
希土類元素を含むフェリ磁性体は、アモルファス構造を有する。このフェリ磁性体は、組成の調整により、飽和磁化を400emu/cc以下に低減でき、かつ結晶磁気異方性エネルギーを1×106erg/cc以上に向上させることができる。 Ferrimagnetic materials containing rare earth elements have an amorphous structure. In this ferrimagnetic material, the saturation magnetization can be reduced to 400 emu / cc or less and the magnetocrystalline anisotropy energy can be improved to 1 × 10 6 erg / cc or more by adjusting the composition.
さらに、本実施形態のMR素子10に用いられる垂直磁化膜としては、金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体を用いてもよい。この場合、金属磁性相は、Fe、Co、Ni、及びMnのうち少なくとも1種類以上と、Pt、Pd、Ir、Rh、Os、Au、Ag、Cu、Cr、Ta、及び希土類元素のうち少なくとも1種類以上とを含む強磁性体から構成される。絶縁相は、B、C、Si、Al、Mg、Ta、Cr、Zr、Ti、Hf、Y、及び希土類元素から選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含む酸化物、窒化物、或いは酸窒化物から構成される。
Further, as the perpendicular magnetization film used in the
金属磁性相と絶縁相との混晶からなる強磁性体は、導電性を有する金属磁性体部と非導電性の絶縁体部とに分離しているために、金属磁性体部に電流が集中して通電面積が小さくなり、局所的な電流密度が上昇する。これにより、実質的に必要となる反転電流が小さくなる効果を有する。 Ferromagnetic material consisting of mixed crystal of metal magnetic phase and insulating phase is separated into conductive metal magnetic part and non-conductive insulator part, so current concentrates on metal magnetic part As a result, the current-carrying area is reduced and the local current density is increased. This has the effect of reducing the required reversal current substantially.
このようなCCP効果を得るためには、結晶性を制御する必要がある。2相分離構造としては、グラニュラー(結晶粒分散)構造、アイランド(島状)構造、及びコラムナー(柱状)構造がある。コラムナー構造の場合は、金属磁性体部が層の上下に貫通しているので、電流狭窄効果が得られやすい。グラニュラー構造及びアイランド構造の場合は、電流はもっともトンネル障壁が小さいパスを通電することとなるので、コラムナー構造と同様にCCP効果が得られる。 In order to obtain such a CCP effect, it is necessary to control crystallinity. As the two-phase separation structure, there are a granular (crystal grain dispersion) structure, an island (island shape) structure, and a columner (columnar shape) structure. In the case of the columnar structure, since the metal magnetic part penetrates up and down the layer, the current confinement effect is easily obtained. In the case of the granular structure and the island structure, since the current flows through the path having the smallest tunnel barrier, the CCP effect can be obtained similarly to the columnar structure.
その他、本実施形態のMR素子10に用いられる垂直磁化膜としては、Mn系強磁性合金、或いはCr系強磁性合金があげられる。Mn系強磁性合金としては、Mn−Al合金、Mn−Au合金、Mn−Zn合金、Mn−Ga合金、Mn−Ir合金、或いはMn−Pt3合金などがあり、これらは、規則格子を有する特徴がある。また、Cr系強磁性合金としては、Cr−Pt3合金などがあげられる。これは、L10規則格子を有し、フェリ磁性体としての特性を有する。
In addition, examples of the perpendicular magnetization film used in the
[5−3] アシスト層15に用いられる超常磁性体
ある磁性体が磁化方向を維持するために必要なエネルギーは、その磁性体が置かれる環境温度に依存する。静的な状態での磁性体のエネルギーEstは、前述したように、次式で表される。
[5-3] Superparamagnetic material used for
Est=Keff・V
一方、ある環境温度Tでの熱エネルギーEenvは、ボルツマン係数kBとすると、次式で表される。
Est = Keff · V
On the other hand, the thermal energy Eenv at a certain environmental temperature T is expressed by the following equation, assuming that the Boltzmann coefficient is kB.
Eenv=kB・T
従って、磁性体のエネルギーが熱エネルギーより大きければ、磁性体は磁化方向を規定できる。しかしながら、熱エネルギーを下回る場合は、磁性体の静的な磁化方向は定まらない。この状態を「超常磁性状態」といい、この状態にある磁性体を「超常磁性体」という。超常磁性体は、非磁性体ではなく、局所的には磁化を有しているので、磁界中では磁場印加方向に磁化が規定される。すなわち、原理的には、トルクが働く方向に磁化が向くことになる。
Eenv = kB · T
Therefore, if the energy of the magnetic material is larger than the thermal energy, the magnetic material can define the magnetization direction. However, when the thermal energy is lower, the static magnetization direction of the magnetic material is not determined. This state is called “superparamagnetic state”, and the magnetic body in this state is called “superparamagnetic body”. Since the superparamagnetic material is not a nonmagnetic material and has a magnetization locally, the magnetization is defined in the magnetic field application direction in the magnetic field. That is, in principle, the magnetization is directed in the direction in which torque acts.
超常磁性体になるための磁性体のサイズは、磁気異方性エネルギーにも依存するが、現実系では、磁性体の平均直径で3nm程度となる。従って、平均結晶粒径で3nm以下となり、かつ結晶粒間が磁気的に分断された膜を作成すればよい。 The size of the magnetic material to become a superparamagnetic material depends on the magnetic anisotropy energy, but in an actual system, the average diameter of the magnetic material is about 3 nm. Therefore, a film in which the average crystal grain size is 3 nm or less and the crystal grains are magnetically separated may be formed.
本実施形態で用いられる超常磁性体膜としては、FeCoNi−SiOx、FeCoNi−MgOなどの磁性体粒子が分散した酸化物が母相となるグラニュラー膜があげられる。ここで、FeとCoとNiとの組成比は任意で良い。母相としては、酸化物だけではなく、窒化物であってもよい。酸化物母相としては、SiOx、MgO、或いはAlOxの他に、Ca、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、或いはWの酸化物があげられる。酸化物の価数は問わない。また、Si、Al、Ca,Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、或いはWの窒化物であってもよい。 Examples of the superparamagnetic film used in the present embodiment include a granular film in which an oxide in which magnetic particles such as FeCoNi—SiO x and FeCoNi—MgO are dispersed serves as a parent phase. Here, the composition ratio of Fe, Co, and Ni may be arbitrary. The parent phase may be a nitride as well as an oxide. Examples of the oxide parent phase include oxides of Ca, Ti, V, Cr, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, or W in addition to SiO x , MgO, or AlO x . The valence of the oxide does not matter. Further, Si, Al, Ca, Ti, V, Cr, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, or W nitride may be used.
さらには、非磁性金属が母相となるFeCoNi−Cu、或いはFeCoNi−Auグラニュラー膜などがある。非磁性金属は、Fe、Co、或いはNiとは非固溶な関係となることが好ましい。Fe、Co、或いはFeCo合金を用いる場合は、Cu、Au、或いはAgが非磁性金属として好ましい。また、抵抗制御の観点から、母相は非磁性金属が好ましいといえる。 Further, there are FeCoNi-Cu or FeCoNi-Au granular films in which a nonmagnetic metal serves as a parent phase. The nonmagnetic metal is preferably in a non-solid relationship with Fe, Co, or Ni. When Fe, Co, or an FeCo alloy is used, Cu, Au, or Ag is preferable as the nonmagnetic metal. From the viewpoint of resistance control, it can be said that the parent phase is preferably a nonmagnetic metal.
磁性体粒子の平均直径が3nm程度となる条件を満たすという意味では、超常磁性体からなるアシスト層15を用いる場合、膜厚3nm以下の連続膜でもスピン注入磁化反転時の磁化反転単位となる磁性体が3nmを下回るために、超常磁性体的な振る舞いとなりえる。実際には、もともと面内磁化を有する連続なCo−Fe−Ni膜においても、1.5nm以下では非電流通電時でも超常磁性的な振る舞いが観測される。ここで、CoとFeとNiとの組成比は任意である。この時、上記の1.5nm以下の膜厚のCoFeNi合金層は、その平均結晶粒径が3nm以下となっていることが望ましい。
In the sense that the condition that the average diameter of the magnetic particles is about 3 nm is satisfied, when the
本実施形態では、アシスト層15は中間層14に隣接して形成されるので、上述したグラニュラー膜の母相となる材料と中間層14の材料とを同一にすることで、第2の中間層14と同一化することもできる。これにより、アシスト層15からのスピン注入効率が向上することが望める。
In the present embodiment, since the
[5−4] 面内磁化フリー層、面内磁化ピン層、及び面内磁化アシスト層に用いられる磁性材料
本実施形態においては、フリー層13、ピン層11、及びアシスト層15の磁化方向が面内であっても構わない。形成の容易性という観点からは、面内磁化膜がよく用いられる。
[5-4] Magnetic material used for in-plane magnetization free layer, in-plane magnetization pinned layer, and in-plane magnetization assist layer In this embodiment, the magnetization directions of
本実施形態のMR素子10に用いられる面内磁化膜としては、Fe、Co、及びNiのうち少なくとも1種類以上を含む強磁性体が用いられる。この強磁性体としては、FCC或いはBCC構造を有するFexCoyNiz合金(x、y、z≧0、x+y+z=1)があげられる。
As the in-plane magnetization film used in the
フリー層13及びアシスト層15には、Fe−Co−Ni合金が主として用いられる。また、Fe−Co−Ni合金の飽和磁化を低減するために、(FexCoyNiz)100−aXa合金(x、y、z≧0、x+y+z=1、a>0、aは原子%、Xは添加元素)も好ましい。飽和磁化を低減することにより、反転電流を大幅に低減することが可能となる。
For the
BCC構造を崩さず、かつ、飽和磁化を低減できる添加元素、すなわち、置換型で固溶できる全率固溶体或いはある程度固溶源を有する添加元素としては、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、W(タングステン)、Cr(クロム)、Mo(モリブデン)、Si(シリコン)、Ga(ガリウム)、或いはGe(ゲルマニウム)などがあげられる。この中でも、Vは、ダンピング定数(磁化制動定数)を低減する効果もあるため有効である。 Examples of additive elements that do not destroy the BCC structure and can reduce saturation magnetization, that is, a complete solid solution that can be dissolved in a substitutional form or an additive element that has a solid solution source to some extent include V (vanadium), Nb (niobium), Ta (Tantalum), W (tungsten), Cr (chromium), Mo (molybdenum), Si (silicon), Ga (gallium), or Ge (germanium). Among these, V is effective because it also has an effect of reducing a damping constant (magnetization braking constant).
また、B(ホウ素)、C(炭素)、或いはN(窒素)などの侵入型元素を添加する、或いは、ほとんど固溶源を持たないZr、Ta、Ti、Hf、Y、或いは希土類元素などを添加することにより、結晶構造をアモルファス構造に変えることで飽和磁化を低減できる。このような材料としては、例えば、アモルファス構造を有する(FexCoyNiz)100−bXb合金(x、y、z≧0、x+y+z=1、b>0、bは原子%、XはB、C、N、Zr、Ta、Ti、Hf、Y、或いは希土類元素などの添加元素)があげられる。 Also, an interstitial element such as B (boron), C (carbon), or N (nitrogen) is added, or Zr, Ta, Ti, Hf, Y, or a rare earth element having almost no solid solution source is added. When added, saturation magnetization can be reduced by changing the crystal structure to an amorphous structure. As such a material, for example, it has an amorphous structure (Fe x Co y Ni z) 100-b X b alloy (x, y, z ≧ 0 , x + y + z = 1, b> 0, b atomic%, X B, C, N, Zr, Ta, Ti, Hf, Y, or additional elements such as rare earth elements).
Mnを含む材料としては、Mn系強磁性ホイスラー合金があげられる。ホイスラー合金は、ハーフメタル的な伝導特性を示す材料である。ここで、Mn系強磁性ホイスラー合金は、A2MnXで表される規則格子を有するBCC系合金である。A元素は、Cu、Au、Pd、Ni、及びCoから選択される材料である。X元素は、Al(アルミニウム)、In(インジウム)、Sn(すず)、Ga(ガリウム)、Ge(ゲルマニウム)、Sb(アンチモン)、及びSi(シリコン)から選択される材料である。ホイスラー合金のうち、BCC構造を有するCo2MnAl合金などは、BCC(100)面配向させることにより、MgO(100)との整合性が良好となる。 An example of the material containing Mn is a Mn-based ferromagnetic Heusler alloy. Heusler alloys are materials that exhibit half-metal conduction characteristics. Here, the Mn-based ferromagnetic Heusler alloy is a BCC-based alloy having an ordered lattice represented by A 2 MnX. The element A is a material selected from Cu, Au, Pd, Ni, and Co. The X element is a material selected from Al (aluminum), In (indium), Sn (tin), Ga (gallium), Ge (germanium), Sb (antimony), and Si (silicon). Among Heusler alloys, a Co 2 MnAl alloy having a BCC structure or the like has good consistency with MgO (100) by being oriented in the BCC (100) plane.
ピン層11に用いられる材料としては、分極率が大きく、原理的に100%の分極率を実現できるハーフメタル的な材料が好ましい。Mnを含む材料としては、Mn系強磁性ホイスラー合金がハーフメタルとしてあげられる。ここで、Mn系強磁性ホイスラー合金は、A2MnXで表される規則格子を有するBCC系合金である。A元素は、Cu、Au、Pd、Ni、及びCoから選択される材料である。X元素は、Al、In、Sn、Ga、Ge、Sb、及びSiから選択される材料である。ホイスラー合金のうち、BCC構造を有するCo2MnAl合金などは、BCC(100)面配向させることにより、MgO(100)との整合性が良好となる。
The material used for the pinned
ピン層中の強磁性層の膜厚は、1nm以上が必要である。なぜなら、上記の膜厚未満では、強磁性層が連続膜にならず、磁性層としての特性が十分に発揮されず、十分な磁気抵抗効果比(TMR比、或いはGMR比)が得られない。また、最大膜厚は、3nm以下であることが望ましい。これは、膜厚が3nmを超えると、コヒーレントなスピンの歳差運動長さをはるかに越えてしまうために、スピン注入磁化反転に必要な電流閾値が大幅に大きくなってしまうからである。 The film thickness of the ferromagnetic layer in the pinned layer needs to be 1 nm or more. This is because if the thickness is less than the above-mentioned thickness, the ferromagnetic layer does not become a continuous film, and the characteristics as a magnetic layer are not sufficiently exhibited, and a sufficient magnetoresistance effect ratio (TMR ratio or GMR ratio) cannot be obtained. The maximum film thickness is desirably 3 nm or less. This is because when the film thickness exceeds 3 nm, the current threshold necessary for spin injection magnetization reversal is significantly increased because the coherent spin precession length is far exceeded.
また、上述した面内磁化ピン層がMgO中間層の下地層となる場合、FexCoyNiz合金(x、y、z≧0、x+y+z=1)材料は、(100)面配向を有し、BCC構造を有することが好ましい。さらには、FexCoyNiz合金に、B、C、或いはNなどを30原子%以下の濃度で添加し、アモルファス構造にすることも好ましい。これは、アモルファス構造を有する膜上では、MgOは(100)面優先配向しやすいからである。 Also, if the in-plane magnetization pinned layer described above is the base layer of the MgO intermediate layer, Fe x Co y Ni z alloy (x, y, z ≧ 0 , x + y + z = 1) materials, have a (100) -oriented And preferably has a BCC structure. Furthermore, it is also preferable to add B, C, N, or the like to the Fe x Co y Ni z alloy at a concentration of 30 atomic% or less to form an amorphous structure. This is because MgO tends to be preferentially oriented on the (100) plane on a film having an amorphous structure.
[5−5] 界面フリー層、界面ピン層、及び界面アシスト層に用いられる材料
本実施形態においては、中間層12とフリー層13の間、及びフリー層13と中間層14との間に、すなわち界面に、界面フリー層を挿入するようにしてもよい。また、ピン層11と中間層12との間に、界面ピン層を挿入するようにしてもよい。また、中間層14とアシスト層15の間に、界面アシスト層を挿入するようにしてもよい。
[5-5] Materials used for interface free layer, interface pinned layer, and interface assist layer In the present embodiment, between the
界面ピン層、界面フリー層、及び界面アシスト層(以下、これらを指して界面層)は、磁気抵抗効果を増大させる効果があり、さらには、スピン注入書き込み時に書き込み電流を低減する効果がある。磁気抵抗効果を増大させる界面層は、その材料自身のバルク的な分極率が大きいことが望ましく、さらには、中間層との界面分極率が増大されるように材料を選択することが好ましい。 The interface pinned layer, interface free layer, and interface assist layer (hereinafter referred to as interface layer) have the effect of increasing the magnetoresistive effect, and further have the effect of reducing the write current during spin injection writing. The interface layer that increases the magnetoresistive effect desirably has a large bulk polarizability of the material itself, and further, the material is preferably selected so that the interface polarizability with the intermediate layer is increased.
本実施形態のMR素子10に用いられる界面層としては、Fe、Co、Ni、Mn、及びCrのうち少なくとも1種類以上を含む強磁性体が用いられる。Fe、Co、或いはNiを主成分とする材料としては、FCC或いはBCC構造を有するFexCoyNiz合金があげられる。また、Fe−Co−Ni合金の飽和磁化を低減するために、(FexCoyNiz)100−aXa合金(x、y、z≧0、x+y+z=1、a>0、aは原子%、Xは添加元素)も好ましい。飽和磁化を低減することにより、反転電流を大幅に低減することが可能となる。
As the interface layer used in the
BCC構造を崩さず、かつ、飽和磁化を低減できる添加元素、すなわち、置換型で固溶できる全率固溶体或いはある程度固溶源を有する添加元素としては、V、Nb、Ta、W、Cr、Mo、Si、Ga、或いはGeなどがあげられる。この中でも、Vは、ダンピング定数(磁化制動定数)を低減する効果もあるため有効である。 Examples of additive elements that can reduce the saturation magnetization without breaking the BCC structure, that is, the total solid solution that can be solid-dissolved in the substitution type or the additive elements that have a solid solution source to some extent include V, Nb, Ta, W, Cr, Mo , Si, Ga, Ge or the like. Among these, V is effective because it also has an effect of reducing a damping constant (magnetization braking constant).
また、B、C、或いはNなどの侵入型元素を添加する、或いは、ほとんど固溶源を持たないZr、Ta、Ti、Hf、Y、或いは希土類元素などを添加することにより、結晶構造をアモルファス構造に変えることで飽和磁化を低減できる。このような材料として、例えば、アモルファス構造を有する(FexCoyNiz)100−bXb合金(x、y、z≧0、x+y+z=1、b>0、bは原子%、XはB、C、N、Zr、Ta、Ti、Hf、Y、或いは希土類元素などの添加元素)があげられる。但し、ある程度のTMR比を得るためには、部分的に、すなわち、MgOとの界面において再結晶化を促進させることが重要となる。 Further, by adding interstitial elements such as B, C, or N, or adding Zr, Ta, Ti, Hf, Y, or rare earth elements having almost no solid solution source, the crystal structure is made amorphous. Saturation magnetization can be reduced by changing the structure. As such a material, for example, it has an amorphous structure (Fe x Co y Ni z) 100-b X b alloy (x, y, z ≧ 0 , x + y + z = 1, b> 0, b atomic%, X is B, C, N, Zr, Ta, Ti, Hf, Y, or additional elements such as rare earth elements). However, in order to obtain a certain TMR ratio, it is important to promote recrystallization partially, that is, at the interface with MgO.
Mnを含む材料としては、Mn系強磁性ホイスラー合金があげられる。ここで、Mn系強磁性ホイスラー合金は、A2MnXで表される規則格子を有するBCC系合金である。A元素は、Cu、Au、Pd、Ni、及びCoから選択される材料である。X元素は、Al、In、Sn、Ga、Ge、Sb、及びSiから選択される材料である。ホイスラー合金のうち、BCC構造を有するCo2MnAl合金などは、BCC(100)面配向させることにより、MgO(100)との整合性が良好となる。Mn系ホイスラー合金は、ハーフメタル的な伝導特性を示す場合がある。 An example of the material containing Mn is a Mn-based ferromagnetic Heusler alloy. Here, the Mn-based ferromagnetic Heusler alloy is a BCC-based alloy having an ordered lattice represented by A 2 MnX. The element A is a material selected from Cu, Au, Pd, Ni, and Co. The X element is a material selected from Al, In, Sn, Ga, Ge, Sb, and Si. Among Heusler alloys, a Co 2 MnAl alloy having a BCC structure or the like has good consistency with MgO (100) by being oriented in the BCC (100) plane. An Mn-based Heusler alloy may exhibit half-metal conduction characteristics.
また、界面層として、酸化物材料を用いることもできる。酸化物材料としては、Fe2O3などのハーフメタルが界面層として適用可能である。 An oxide material can also be used as the interface layer. As the oxide material, a half metal such as Fe 2 O 3 is applicable as the interface layer.
フリー層やピン層などの磁性層の上に形成される界面層の膜厚は、0.5nm以上が必要であり、同様に、絶縁層或いは半導体層上に形成される界面層の膜厚も、0.5nm以上が必要である。なぜなら、上記の膜厚未満では、界面層が連続膜にならず、界面層としての特性が十分に発揮されず、十分な磁気抵抗効果比(TMR比、或いはGMR比)が得られない。また、界面層の最大膜厚は、5nm以下であることが望ましい。これは、膜厚が5nmを超えると、コヒーレントなスピンの歳差運動長さをはるかに越えてしまうために、スピン注入磁化反転に必要な電流閾値が大幅に大きくなってしまうからである。 The film thickness of the interface layer formed on the magnetic layer such as the free layer or the pinned layer needs to be 0.5 nm or more. Similarly, the film thickness of the interface layer formed on the insulating layer or the semiconductor layer is also required. 0.5 nm or more is necessary. This is because if the thickness is less than the above-described thickness, the interface layer does not become a continuous film, and the characteristics as the interface layer are not sufficiently exhibited, and a sufficient magnetoresistance effect ratio (TMR ratio or GMR ratio) cannot be obtained. The maximum film thickness of the interface layer is desirably 5 nm or less. This is because if the film thickness exceeds 5 nm, the current threshold required for spin injection magnetization reversal becomes significantly large because the precession length of the coherent spin is far exceeded.
以上詳述したように本実施形態によれば、フリー層13の磁化を反転させる場合に、ピン層11及び15からのスピン注入効果及びスピン蓄積効果を利用することができる。これにより、スピン注入効率を向上させることができ、磁化反転に必要な書き込み電流を低減することが可能となる。
As described in detail above, according to the present embodiment, when the magnetization of the
また、アシスト層15として超常磁性体を用いた場合、フリー層13とピン層11との間では中間層12を介して磁気抵抗効果が発現するが、ランダムな磁化配列を有するアシスト層15との間では中間層14を介した磁気抵抗効果は発現しない。これにより、データ読み出し時のMR比の低下を抑制することができる。
When a superparamagnetic material is used as the
また、アシスト層15の磁化を固着する必要がないため、アシスト層15の磁化配列の設計が容易となる。さらに、従来のデュアルピン構造に比べて、アシスト層15の膜厚を薄くすることができるため、MR素子10の膜厚方向の微細化が可能となる。
Further, since it is not necessary to fix the magnetization of the
また、磁気抵抗効果が発現しない中間層14に金属等の導電体を用いることが可能である。これにより、MR素子の抵抗値を低減することができ、中間層14の直列回路的に寄与する寄生抵抗が低減されるために、MR比を増大させることができる。
Further, it is possible to use a conductor such as a metal for the
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、前述したMR素子10を用いてMRAMを構成した場合の実施例について示している。
(Second Embodiment)
The second embodiment shows an example in which an MRAM is configured using the
図15は、本発明の第2の実施形態に係るMRAMの構成を示す回路図である。MRAMは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルMCを有するメモリセルアレイ30を備えている。メモリセルアレイ30には、それぞれが列(カラム)方向に延在するように、複数のビット線対BL,/BLが配置されている。また、メモリセルアレイ30には、それぞれが行(ロウ)方向に延在するように、複数のワード線WLが配置されている。
FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of the MRAM according to the second embodiment of the present invention. The MRAM includes a
ビット線BLとワード線WLとの交差部分には、メモリセルMCが配置されている。各メモリセルMCは、MR素子10、及び選択トランジスタ31を備えている。MR素子10の一端は、ビット線BLに接続されている。MR素子10の他端は、選択トランジスタ31のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ31のゲート端子は、ワード線WLに接続されている。選択トランジスタ31のソース端子は、ビット線/BLに接続されている。
Memory cells MC are arranged at the intersections between the bit lines BL and the word lines WL. Each memory cell MC includes an
ワード線WLには、ロウデコーダ32が接続されている。ビット線対BL,/BLには、書き込み回路34及び読み出し回路35が接続されている。書き込み回路34及び読み出し回路35には、カラムデコーダ33が接続されている。各メモリセルMCは、ロウデコーダ32及びカラムデコーダ33により選択される。
A
メモリセルMCへのデータの書き込みは、以下のように行われる。先ず、データ書き込みを行なうメモリセルMCを選択するために、このメモリセルMCに接続されたワード線WLが活性化される。これにより、選択トランジスタ31がターンオンする。
Data is written to the memory cell MC as follows. First, in order to select a memory cell MC for data writing, the word line WL connected to the memory cell MC is activated. As a result, the
ここで、MR素子10には、双方向の書き込み電流Iwが供給される。具体的には、MR素子10に左から右へ書き込み電流Iwを供給する場合、書き込み回路34は、ビット線BLに正の電位を印加し、ビット線/BLに接地電位を印加する。また、MR素子10に右から左へ書き込み電流Iwを供給する場合、書き込み回路34は、ビット線/BLに正の電位を印加し、ビット線BLに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルMCにデータ“0”、或いはデータ“1”を書き込むことができる。
Here, the bidirectional write current Iw is supplied to the
次に、メモリセルMCからのデータ読み出しは、以下のように行われる。まず、選択されたメモリセルMCの選択トランジスタ31がターンオンする。読み出し回路35は、MR素子10に、例えば右から左へ流れる読み出し電流Irを供給する。そして、読み出し回路35は、この読み出し電流Irに基づいて、MR素子10の抵抗値を検出する。このようにして、MR素子10に記憶されたデータを読み出すことができる。
Next, data reading from the memory cell MC is performed as follows. First, the
次に、MRAMの構造について説明する。図16は、MR素子10を中心に示したMRAMの断面図である。MR素子10は、シリコンなどからなる半導体基板に形成された選択トランジスタ31の上方に層間絶縁層を介して形成される。
Next, the structure of the MRAM will be described. FIG. 16 is a cross-sectional view of the MRAM centered on the
引き出し電極(下部電極)37上には、MR素子10が設けられている。引き出し電極37は、ビアプラグ36を介して選択トランジスタ31のドレイン領域に電気的に接続される。MR素子10上には、ハードマスク38が設けられている。ハードマスク38は、上部電極として機能する。ハードマスク38上には、ビット線BLが設けられている。
An
ビアプラグ36、引き出し電極37、ハードマスク38、及びビット線BLとしては、W、Al、Cu、或いはAlCuなどが用いられる。Cuを用いた金属配線層或いはビアプラグの場合には、Cuダマシン或いはCuデュアルダマシンプロセスが用いられる。
As the via
図17は、MR素子10を中心に示したMRAMの他の構成例の断面図である。ビアプラグ36上には、直接にMR素子10が設けられている。すなわち、図17のMRAMは、図16のMRAMと比べて、引き出し電極37が省略されている。MR素子10上には、ハードマスク38が設けられている。ハードマスク38上には、ビット線BLが設けられている。
FIG. 17 is a cross-sectional view of another configuration example of the MRAM centered on the
MR素子10は、図16に示すように引き出し電極37によりビアプラグ36と電気的に接続される場合と、図17に示すようにMR素子10がビアプラグ36上に直接形成される場合とがある。図17の構成を用いる場合、ビアサイズよりもMR素子サイズが小さい方が好ましい。
The
リソグラフィやエッチング技術等によって決まる最小加工寸法をF(Minimum Feature Size)とすると、図16のレイアウトを用いた場合、最小セルサイズは8F2である。これに対して、図17のレイアウトを用いた場合、最小セルサイズを4F2にまで縮小することが可能となる。 Assuming that the minimum processing dimension determined by lithography, etching technology, etc. is F (Minimum Feature Size), the minimum cell size is 8F 2 when the layout of FIG. 16 is used. On the other hand, when the layout of FIG. 17 is used, the minimum cell size can be reduced to 4F 2 .
このように構成されたMRAMにおいて、MR素子10にデータを書き込む際の書き込み速度を向上させることができる。具体的には、書き込み速度としては、数ナノ秒から数マイクロ秒までのパルス幅を有する電流でスピン注入書き込みを行うことが可能となる。
In the MRAM configured as described above, the writing speed when data is written to the
なお、読み出し時にMR素子10に供給される読み出し電流Irは、書き込み時にMR素子10に供給される書き込み電流Iwよりもパルス幅が小さいことが望ましい。これは、書き込み電流Iwのパルス幅が短い方が、書き込み電流値の絶対値が大きくなるからである。これにより、読み出し電流Irでの誤書き込みを低減することができる。
It is desirable that the read current Ir supplied to the
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention. In addition, various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.
MC…メモリセル、BL…ビット線、WL…ワード線、10…MR素子、11…磁化固定層、11A,11C…磁性層、11B…非磁性層、12…第1の中間層、13…磁化自由層、14…第2の中間層、15…磁化反転アシスト層、16…下地層、17…キャップ層、21…界面ピン層、22,23…界面フリー層、24…界面アシスト層、25…反強磁性層、30…メモリセルアレイ、31…選択トランジスタ、32…ロウデコーダ、33…カラムデコーダ、34…書き込み回路、35…読み出し回路、36…ビアプラグ、37…引き出し電極、38…ハードマスク。 MC ... memory cell, BL ... bit line, WL ... word line, 10 ... MR element, 11 ... magnetization fixed layer, 11A, 11C ... magnetic layer, 11B ... nonmagnetic layer, 12 ... first intermediate layer, 13 ... magnetization Free layer, 14 ... second intermediate layer, 15 ... magnetization reversal assist layer, 16 ... underlayer, 17 ... cap layer, 21 ... interface pinned layer, 22,23 ... interface free layer, 24 ... interface assist layer, 25 ... Antiferromagnetic layer, 30 ... memory cell array, 31 ... select transistor, 32 ... row decoder, 33 ... column decoder, 34 ... write circuit, 35 ... read circuit, 36 ... via plug, 37 ... lead electrode, 38 ... hard mask.
Claims (13)
膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能な自由層と、
膜面に垂直方向への通電により磁化の方向が変化可能であり、かつ前記自由層の磁化の方向の変化をアシストするアシスト層と、
前記固定層と前記自由層との間に設けられ、かつ非磁性体からなる第1の中間層と、
前記自由層と前記アシスト層との間に設けられ、かつ非磁性体からなる第2の中間層と、
を具備し、
前記アシスト層の磁化反転のためのエネルギー障壁は、前記自由層の磁化反転のためのエネルギー障壁よりも小さいことを特徴とする磁気抵抗素子。 A fixed layer with a fixed magnetization direction;
A free layer whose magnetization direction can be changed by energization in a direction perpendicular to the film surface;
An assist layer that is capable of changing the direction of magnetization by energization in a direction perpendicular to the film surface, and that assists in changing the direction of magnetization of the free layer;
A first intermediate layer provided between the fixed layer and the free layer and made of a nonmagnetic material;
A second intermediate layer provided between the free layer and the assist layer and made of a nonmagnetic material;
Comprising
2. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein an energy barrier for reversing the magnetization of the assist layer is smaller than an energy barrier for reversing the magnetization of the free layer.
前記アシスト層の磁気異方性は、前記自由層の磁気異方性よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。 The assist layer is made of a ferromagnetic material or a ferrimagnetic material,
The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the magnetic anisotropy of the assist layer is smaller than the magnetic anisotropy of the free layer.
前記アシスト層の飽和磁化と膜厚との積は、前記自由層の飽和磁化と膜厚との積よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。 The assist layer is made of a ferromagnetic material or a ferrimagnetic material,
The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the product of the saturation magnetization and the film thickness of the assist layer is smaller than the product of the saturation magnetization and the film thickness of the free layer.
前記アシスト層の飽和磁化は、前記自由層の飽和磁化よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。 The fixed layer, the free layer, and the assist layer have magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the film surface,
The magnetoresistive element according to claim 1, wherein the saturation magnetization of the assist layer is larger than the saturation magnetization of the free layer.
前記アシスト層の飽和磁化は、前記自由層の飽和磁化よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。 The fixed layer, the free layer, and the assist layer have in-plane magnetic anisotropy,
The magnetoresistive element according to claim 1, wherein a saturation magnetization of the assist layer is smaller than a saturation magnetization of the free layer.
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