JP2009283963A - 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ素子、磁気メモリ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも1対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子であって、強磁性層の一方により構成される磁化自由層が、非晶質もしくは微結晶構造を有する材料の単層、あるいは主な部分が非晶質もしくは微結晶構造を有する材料層からなり、磁化自由層がFe,Co,Niの強磁性元素のうち少なくとも1種もしく2種以上の成分と、含有量が10原子%〜30原子%のB,C,Al,Si,P,Ga,Ge,As,In,Sn,Sb,Tl,Pb,Biのいずれか1種もしくは2種以上とを含む構成とする。
【選択図】図1
Description
2P1P2/(1−P1P2) (1)
で表される。それぞれのスピン分極率が大きいほど抵抗変化率が大きくなる。強磁性層に用いる材料と、この抵抗変化率の関係、特に、Fe,Co,Ni等のFe族の強磁性体元素や、それら3種類の各組み合わせによる合金については、すでに報告がなされている。
この磁化自由層は、Fe,Co,Niの強磁性元素のうち少なくとも1種もしくは2種以上の成分と、含有量が10原子%〜30原子%のB,C,Al,Si,P,Ga,Ge,As,In,Sn,Sb,Tl,Pb,Biのいずれか1種もしくは2種以上とを含む構成による。
この磁気メモリ素子における情報記憶層は、上述した磁気抵抗効果素子における磁化自由層の各構成と同様の構成とする。
本発明による磁気抵抗効果素子および磁気メモリ素子は、少なくとも一対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル結合の構造を有して成る。
そして、この強磁性トンネル結合部8上に、保護層9いわゆるトップコート層が形成される。
分類1.周期律表で3B〜5B族元素のメタロイドおよびメタリック元素の添加。
分類2.周期律表で4A族と5A族元素の添加。
分類3.上記分類1および2の一方もしくは両方の添加、およびCu,O,Nなどの元素の微量添加。
これら磁気抵抗効果素子もしくは磁気メモリ素子を構成する各層、すなわち各磁性層および導体層は、蒸着法、スパッタリングすなわちスパッタ蒸着法によって形成することができる。
本発明による磁気メモリ装置は、そのメモリセルを構成する磁気メモリ素子が、上述した本発明による磁気メモリ素子1によって構成される。
この実施例における磁気メモリ素子は、前述した強磁性体層5/トンネルバリア層6/強磁性体層7の積層による基本構造を有する強磁性トンネル結合部、すなわちMTJ(Magnetic Tunnel Junction)を有するTMR素子とした。
このとき、ワード線WLの形成部以外のエッチング部においては、半導体基板2の酸化膜すなわち絶縁膜12が、深さ5nmまでエッチングされた。
この場合のTMR素子1のパターンは、短軸0.8μm、長軸1.6μmの楕円形状とした。
TMR素子1の膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、
(Co90Fe10)75Si15M110とし、そのM1をB,C,P,Alとした以外は、実施例1と同様の構成とした。
TMR素子1の膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、
(Co90Fe10)80B20,(Co75Fe25)80B20,(Co50Fe50)80B20,(Ni80Fe20)80B20の組成とした以外は、実施例1と同様の構成とした。
TMR素子1の膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、
(Co90Fe10)100−xM2xとし、そのM2をTi,Zr,Nb,Taとして、組成比xを0〜40原子%まで変化させた以外は、実施例1と同様の構成とした。
TMR素子1の膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、
(Co90Fe10)90−xB10M2xとし、そのM2をTi,Zr,Nb,Taとして、組成比xを0〜20原子%まで変化させた以外は、実施例1と同様の構成とした。
TMR素子1の膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、
(Co90Fe10)73.5Cu1Nb3Si13.5B9および(Co90Fe10)73.5Cu1Nb3Si16.5B6の組成とした以外は、実施例1と同様の構成とした。
この実施例においては、下記の2つのサンプル(1)、(2)を作製した。これらは、TMR素子1の膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、ワード線WLが形成された基板側から
サンプル(1)は、
基板/Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/Al(1nm)の酸化膜/(Co90Fe10)80B20(2nm)/Co90Fe10(1nm)/Ta(5nm)
とした。
サンプル(2)は、
基板/Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/Al(1nm)の酸化膜/(Co90Fe10)80B20(1nm)/Co90Fe10(1nm)/(Co90Fe10)80B20(1nm)/Ta(5nm)
とした。
これらサンプル(1)および(2)のいずれにおいても、第2の強磁性層7を上記構成とした以外は、実施例1と同様の構成とした。
TMR素子1の膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、
Co90Fe10、Co75Fe25、Co50Fe50、Ni80Fe20を用いた以外は実施例1と同様の構成とした。
TMR素子1の膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、
基板/Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/Al(1nm)の酸化膜/(Co90Fe10)100−xM3x(3nm)/Ta(5nm)とした。
この膜構成で、磁化自由層以外のトンネルバリア層より下のCoFe組成はCo90Fe10(原子%)とした。磁化自由層の(Co90Fe10)100−xM3xについては、比較例1のCo90Fe10合金の結果と対比できるように、CoとFeの強磁性遷移金属元素の比率をCo90Fe10(原子%)に固定して、M3(Mg,Zn)の量を1原子%〜40原子%まで変化させた。
膜構成において、第2の強磁性層7すなわち磁化自由層(情報記憶層)の組成を、
基板/Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/Al(1nm)の酸化膜/(Co90Fe10)90−xB10M3x(3nm)/Ta(5nm)
とした。
この膜構成で、磁化自由層以外のトンネルバリア層より下のCoFe組成はCo90Fe10(原子%)とした。磁化自由層の(Co90Fe10)90−xB10M3xについては、比較例1のCo90Fe10合金の結果と対比できるように、Co:Fe=90:10(原子%)に固定して、M3(Mg,Zn)の量を1原子%から40原子%まで変化させた以外は実施例1と同様の構成とした。
TMR素子1の膜構成は、
(Co90Fe10)95B5の組成の膜を磁化自由層に用いて、磁化自由層を成膜する際の基板温度を50℃〜200℃とした以外は実施例1と同様の構成とした。
TMR素子1の膜構成を、
基板/Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/Al(1nm)の酸化膜/Co90Fe10(2nm)/(Co90Fe10)80B20(1nm)/Ta(5nm)
のように、第2の強磁性層7を積層構造とした以外は実施例1と同様の構成とした。
測定温度は室温25℃とした。
実施例1〜7、比較例1〜5についてTMR比と情報記憶層の保磁力についての評価を行った。それぞれの評価結果を示して、本発明の効果について説明する。
すなわち、比較例1の、磁化自由層が、
Co90Fe10,Co75Fe25,Co50Fe50,Ni80Fe20による構成とした従来構成である。
この場合、TEMによる観察結果から、これらの材料は結晶質であることが確認された。
実施例1の構成による、FMTMを原子%でCo:Fe=90:10に固定して、これに添加する3B〜5B族元素であるB,Si,Al,Geを原子%で1〜40%まで添加したサンプルと、比較例2の構成で3B〜5B族元素以外の元素であるMgおよびZnを原子%で1〜40%まで添加したサンプルとについての添加量に対する保磁力HcとTMR比との測定結果を、図5Aおよび図5Bに示す。
また、2B族のZnの添加では、TMR比の上昇の効果も、Hc低減の効果も見られなかった。
本発明のTMR比の上昇とHcの低減効果は3B〜5B族の半金属元素を1種類のみ含んでいる場合のみでなく、2種以上含んでいる場合でも発現される。
また、3B〜5B族のメタロイド元素およびメタリック元素を3種以上含んでいても同様の効果が発現することが考えられる。
したがって、3B〜5B族の元素に関して特に限定はないが、上述したB,C,Si,P,Alの中から1種もしくは2種以上を選択することが好ましい。
非晶質化するための元素が添加された本発明の磁化自由層材料のうちで、強磁性元素であるFe,Co,Niの組成比と、TMR比およびHcの値について、実施例3のBを20原子%添加したサンプルと、比較例1の本発明の添加元素を用いていないサンプルの測定結果に基いて本発明の効果を説明する。
図8Aおよび図8Bに、実施例4の構成のサンプルで、FMTMに対して4Aおよび5A族のいわゆるバルブメタルのうちでTi,Zr,Nb,Taを添加したときの、保磁力HcおよびTMR比の組成依存性を示す。
図9Aおよび図9Bに実施例5のサンプルで、FMTMに対してBが10原子%含まれている他にTi,Zr、Nb,Taを含んでいる場合の特性評価結果を示す。実施例1の3B〜5B族元素の添加に比較して程度は小さいが、これらの元素をさらに添加することにより、3B〜5B族元素による高いTMR比を維持しつつ、更に保磁力を低減できる。言うまでもなく、このような効果はここで挙げたTi,Zr、Nb,Taに限られるのではなく、この他にも周期律表で同じ族に属する4A〜5A族元素であるHf,Vでもこのような効果が見られることは容易に推定できる。
実施例1〜5の構成による場合のTMR比およびHcの測定結果で示してきた効果は、上述した3B〜5B族元素および4A〜5A元素を含んでいる必要があるが、これらのほかに少量の微量元素を含んでいてもよい。
磁化自由層成膜時の基板温度の効果について調べた比較例4の構成のサンプルについての基板温度に対するHcおよびTMR比を、図11Aおよび図11Bに示す。非晶質の形成条件からも基板を加熱しての磁化自由層の成膜は、これまで述べてきたHcの低減とTMR比の向上とに対して悪影響を及ぼしており、室温で成膜した結果が、ここで示している中で最も優れている。したがって、非晶質構造を形成する観点から、磁化自由層成膜時に基板を加熱するのは好ましくなく、少なくとも100℃以下で、むしろ基板を冷却する方が好ましい。
実施例7および比較例5の磁化自由層を積層構造にした場合の磁化自由層材料とHcおよびTMR比の測定結果を、図12Aおよび図12Bに示す。
図13Aおよび図13Bに、比較例1のCo90Fe10合金の磁化自由層に使用した場合と、実施例1の(Co90Fe10)80B20合金を磁化自由層に使用した場合のTMR比のバイアス電圧依存性を示す。
同様にして図14に、実施例1の(Co90Fe10)80B20合金を磁化自由層に使用した場合の抵抗−外部磁場曲線と、比較例1のCo90Fe10合金の磁化自由層に使用した場合の抵抗−外部磁場曲線とを、それぞれ曲線40と曲線41に示す。上述してきたように、本発明の情報記憶層を用いることにより、TMR比を高く維持しつつ、Hcを低減することが可能である。また、R−Hループの角型性が向上すると共にバルクハウゼンノイズも低減する。これらのことにより、書き込み電流の低減が可能となるばかりでなく、アステロイド曲線の形状も改善されて書き込み特性が向上し書き込みエラーの低減を図ることが可能となる。
メモリセル11に情報を書き込むためには、電流による発生磁界を利用する。この電流を流すための配線がBLとWWLである。BLとWWLは、前述したように、メモリセルを挟んでその上下で交叉するように配置される。BLおよびWWLの両端には書き込み電流を印加する他のドライバ(インバータ)164および165が接続される。ドライバのゲートは、外部からのアドレス入力を変換するデコーダ162および163が接続され、書き込み電流を印加するBLおよびWWLが選択される。
このようにして、“0”、“1”の情報の書き込みがなされたメモリセルからの情報の読み出しは、BLおよびRWLを用いる。その読み出しを行うセルの選択は、それぞれのメモリセルに設けられたトランジスタ13によってなされる。トランジスタのゲートはRWLに接続され、ドレインはMTJの一端にそれぞれ接続される。そして、MTJの他端は、BLに接続される。BLおよびRWLは、デコーダに接続されて、読み出しの選択されたBLおよびRWLがアラートされる。このようにして、選択されたセルには、BL→MTJ→トランジスタの経路でセンス電流が流れ、このセンス電流の大きさをセンスアンプ166で検出する。すなわち、記録情報の“0”と“1”の判別がなされる。すなわち、記録情報の読み出しがなされるものである。
Claims (15)
- 少なくとも1対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル結合を用いた磁気抵抗効果素子であって、
上記強磁性層の一方により構成される磁化自由層が、非晶質もしくは微結晶構造を有する材料の単層、あるいは主な部分が非晶質もしくは微結晶構造を有する材料層からなり、
上記磁化自由層が、Fe,Co,Niの強磁性元素のうち少なくとも1種もしくは2種以上の成分と、含有量が10原子%〜30原子%のB,C,Al,Si,P,Ga,Ge,As,In,Sn,Sb,Tl,Pb,Biのいずれか1種もしくは2種以上とを含む
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子において、
上記磁化自由層が、上記トンネルバリア層よりも上層に配置されている磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子において、
上記磁化自由層の主な部分が、上記トンネルバリア層側に位置して配置されている磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子において、
上記磁化自由層がCoFeB層である磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子において、
上記磁化自由層が、Fe,Co,Niの強磁性元素のうち少なくとも1種もしくは2種以上の成分と、含有量が15原子%〜25原子%のBとを含む磁気抵抗効果素子。 - 少なくとも1対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル結合を用いた磁気抵抗効果素子による磁気メモリ素子であって、
上記強磁性層の一方により構成される磁化自由層による情報記憶層が、非晶質もしくは微結晶構造を有する材料の単層、あるいは主な部分が非晶質もしくは微結晶構造を有する材料層からなり、
上記情報記憶層が、Fe,Co,Niの強磁性元素のうち少なくとも1種もしくは2種以上の成分と、含有量が10原子%〜30原子%のB,C,Al,Si,P,Ga,Ge,As,In,Sn,Sb,Tl,Pb,Biのいずれか1種もしくは2種以上とを含む
磁気メモリ素子。 - 請求項6に記載の磁気メモリ素子において、
上記情報記憶層が、上記トンネルバリア層よりも上層に配置されている磁気メモリ素子。 - 請求項6に記載の磁気メモリ素子において、
上記情報記憶層の主な部分が、上記トンネルバリア層側に位置して配置されている磁気メモリ素子。 - 請求項6に記載の磁気メモリ素子において、
上記情報記憶層がCoFeB層である磁気メモリ素子。 - 請求項6に記載の磁気メモリ素子において、
上記情報記憶層が、Fe,Co,Niの強磁性元素のうち少なくとも1種もしくは2種以上の成分と、含有量が15原子%〜25原子%のBとを含む磁気メモリ素子。 - 互いに立体的に交叉するワード線とビット線とを有し、
これらワード線とビット線との交叉部間に、磁気抵抗効果素子による磁気メモリ素子が配置されて成り、
上記磁気メモリ素子は、少なくとも1対の強磁性層の間にトンネルバリア層を挟んだ強磁性トンネル結合を用いた磁気抵抗効果素子より成り、
上記強磁性層の一方により構成される磁化自由層による情報記憶層が、非晶質もしくは微結晶構造を有する材料の単層、あるいは主な部分が非晶質もしくは微結晶構造を有する材料層からなり、
上記情報記憶層が、Fe,Co,Niの強磁性元素のうち少なくとも1種もしくは2種以上の成分と、含有量が10原子%〜30原子%のB,C,Al,Si,P,Ga,Ge,As,In,Sn,Sb,Tl,Pb,Biのいずれか1種もしくは2種以上とを含む
磁気メモリ装置。 - 請求項11に記載の磁気メモリ装置において、
上記情報記憶層が、上記トンネルバリア層よりも上層に配置されている磁気メモリ装置。 - 請求項11に記載の磁気メモリ装置において、
上記情報記憶層の主な部分が、上記トンネルバリア層側に位置して配置されている磁気メモリ装置。 - 請求項11に記載の磁気メモリ装置において、
上記情報記憶層がCoFeB層である磁気メモリ装置。 - 請求項11に記載の磁気メモリ装置において、
上記情報記憶層が、Fe,Co,Niの強磁性元素のうち少なくとも1種もしくは2種以上の成分と、含有量が15原子%〜25原子%のBとを含む磁気メモリ装置。
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