JP2011155073A - 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】CoFeB層41/MgOバリア層10/CoFeB層42の外側に融点が1600℃以上の単体金属、もしくはその金属を含んだ合金からなる中間層31,32を挿入する。中間層31,32の挿入により、アニール時におけるCoFeB層の結晶化をMgO(001)結晶側から進行させ、CoFeB層をbcc(001)で結晶配向させる。
【選択図】図1
Description
<実施例1>
図1に、実施例1におけるMTJ素子の断面模式図を示す。バリア層10の両側には、電子スピンの分極率が高い第1の高分極率磁性層41と第2の高分極率磁性層42を配置する。その外側には、第1の中間層31と第2の中間層32を配置し、それらに接して第1の磁性層21と第2の磁性層22を配置する。また、第1の磁性層21の下側には、下部電極11及び下地層13が形成され、第2の磁性層22の上側にはキャップ層14と上部電極12が形成される。
実施例2は、バリア層10の下側のみに、垂直磁化磁性層/中間層/高分極磁性層の積層構造を適用したMTJ素子を提案するものである。図4に、実施例2のMTJ素子の断面模式図を示す。基本的な構成は実施例1で示した素子と同様であるが、実施例2では、第2の高分極率磁性層42と垂直磁化を示す第2の磁性層22は直接接続され、両者の間に中間層は挿入しない。
実施例3は、バリア層の下側に、垂直磁化磁性層/高分極率磁性層/中間層/高分極率磁性層の積層構造を適用したMTJ素子を提案するものである。図5に、実施例3のMTJ素子の断面模式図を示す。基本的な構成は実施例1で示した素子と同様であるが、第1の中間層31と第1の磁性層21の間に第3の高分極率磁性層43を挿入する。
実施例4は、バリア層の上下にある、磁性層/中間層/高分極率磁性層、及び、高分極率磁性層/中間層/磁性層を、それぞれ反強磁性結合を有する積層フェリ構造として用いるMTJ素子を提案するものである。実施例4のMTJ素子の基本構成、及び各層の材料と膜厚は、第1の中間層31と第2の中間層32を除いて図1に示した実施例1構成と同じである。実施例4では、第1の中間層31と第2の中間層32として、膜厚0.8nmのRuを用いた。実施例4の構成の場合、第1の磁性層21と第1の高分極率磁性層41、及び第2の高分極率磁性層42と第2の磁性層22が反強磁性結合するため、それらからの漏れ磁場を抑制できる利点がある。
実施例5は、中間層の材料としてアモルファス合金の強磁性体を用いたMTJ素子を提案するものである。素子の構成は、図1に示した実施例1のMTJ素子と同様であるが、第1の中間層31と第2の中間層32に、アモルファス合金のFeTaNを用いる。FeTaNは強磁性体であるため、第1の磁性層21と第1の中間層31と第1の高分極率磁性層41は磁気的に結合し、3層の磁化は同方向を向く。そのため、素子の動作としては実施例1のMTJ素子と同様となる。実施例1と同様の方法で実施例5のMTJ素子を作製し、特性を評価した結果、実施例1と同等のTMR比が得られ、中間層を挿入しない従来のMTJ素子と比較してTMR比の耐熱性向上効果を確認した。
実施例6は、本発明によるMTJ素子を適用したランダムアクセスメモリを提案するものである。図7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。この磁気メモリセルは、実施例1〜5に示したMTJ素子110を搭載している。
Claims (13)
- 垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、
垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層と、
前記記録層と前記固定層の間に配置されたMgOのバリア層と、
前記バリア層の少なくとも基板側界面に配置されたCoFeB層と、
前記CoFeB層の前記バリア層と反対側の界面に配置された中間層とを有し、
前記中間層は融点が1600℃以上の金属、もしくはその金属を含んだ合金であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記バリア層の基板と反対側の界面に第2のCoFeB層が配置され、前記第2のCoFeB層の前記バリア層と反対側の界面に、融点が1600℃以上の金属、もしくはその金属を含んだ合金である第2の中間層が配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記中間層の材料は、W,Ru,Pt,Ti,Os,V,Cr,Nb,Mo,Rh,Hf,Reのいずれかであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記中間層は、アモルファスの強磁性体であり、かつCoFeBよりも結晶化温度が高い材料からなることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記中間層の材料は、FeTaN,FeTaC,FeZrB,FeHfB,FeTaB,CoZrNb,CoFeBNb,CoFeZr,CoFeZrNb,CoFeZrTa,CoTaZrのいずれかであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記中間層は、Si及びBを含み、かつ、Fe,Coのいずれか、及び、Nb,Zr,Hf,Taのいずれかを含んだ合金であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記固定層の両方もしくは一方は、Co,Fe,Niのいずれか、もしくはその1つ以上の元素と、Pt,Pdのうち1つ以上の元素を含む規則合金であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記固定層の両方もしくは一方は、Coを含み、Cr,Ta,Nb,V,W,Hf,Ti,Zr,Pt,Pd,Fe,Niの中の1つ以上の元素を含む合金であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記固定層の両方もしくは一方は、Fe,Co,Niのいずれか、もしくはその1つ以上を含む合金と、非磁性金属を交互に積層した積層膜であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記固定層の両方もしくは一方は、粒状の磁性体の周囲を非磁性体が取り囲んだグラニュラー構造を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記固定層の両方もしくは一方は、希土類金属と遷移金属を含んだアモルファス合金であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
前記記録層の磁化がスピントランスファートルクにより反転可能な磁気メモリセルにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層と、前記記録層と前記固定層の間に配置されたMgOのバリア層と、前記バリア層の少なくとも基板側界面に配置されたCoFeB層と、前記CoFeB層の前記バリア層と反対側の界面に配置された中間層とを有し、前記中間層は融点が1600℃以上の金属、もしくはその金属を含んだ合金である
ことを特徴とする磁気メモリセル。 - 複数の磁気メモリセルと、
前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えたランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層と、前記記録層と前記固定層の間に配置されたMgOのバリア層と、前記バリア層の少なくとも基板側界面に配置されたCoFeB層と、前記CoFeB層の前記バリア層と反対側の界面に配置された中間層とを有し、前記中間層は融点が1600℃以上の金属、もしくはその金属を含んだ合金であり、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の書き込みを行う手段は、前記磁気メモリセルの前記記録層をスピントランスファートルクにより磁化反転させる
ことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
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