JP2012043913A - 磁気メモリ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】低い消費電力で動作する磁気メモリ素子の実現。
【解決手段】垂直磁化膜であって情報に対応して磁化の向きが変化する記憶層と、記憶層に対して非磁性層を介して設けられる垂直磁化膜であって磁化方向が固定されて記憶された情報の基準となる参照層とを有する磁気メモリ素子に、磁化が膜面内に環状とされた渦磁化層を設けるようにする。渦磁化層は、記憶層の、参照層側の面とは反対側の面に対して、非磁性層を介して設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、記憶層と参照層となる複数層の垂直磁化膜が非磁性体を介して積層され、その層間に電流を流した際に発生するスピントルクで磁化反転を行って情報を記憶する磁気メモリ素子に関する。

特開２００４−１９３５９５号公報 特開２００９−８１２１５号公報

コンピュータなどの情報機器ではＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）として、動作が高速で、高密度なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）が広く使われている。しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。
不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記憶するＭＲＡＭ（磁気ランダム・アクセス・メモリ）が注目され、開発が進められている。
ＭＲＡＭの記憶を行う方法としては、電流磁場によって磁化を反転させる方法や、例えば上記特許文献１のようにスピン分極した電子を直接記憶層に注入して磁化反転を起こさせる方法がある。特に、素子のサイズが小さくなるのに伴い記憶電流を小さくできるスピン注入磁化反転が注目されている。
さらに、素子を微細化するために、例えば特許文献２のように磁性体の磁化方向を垂直方向に向けた垂直磁化膜を用いた方法が検討されている。

しかしながら、さらに高密度の磁気メモリを実現するためには、より低い消費電力で動作する磁気メモリ素子が求められている。
本発明は、このような認識に基づいてなされたもので、低い電圧、電流で動作可能な磁気メモリ素子を実現することを目的とする。

本発明の磁気メモリ素子は、膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、上記記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な磁化を有すると共に情報の基準となる参照層と、磁化が膜面内に環状とされた渦磁化層とを有する層構造を備え、上記記憶層、上記参照層、上記渦磁化層を有する層構造に対して電流を流した際に発生するスピントルクで上記記憶層の磁化反転を行って情報を記憶する。
また上記渦磁化層は、上記記憶層の、上記参照層側の面とは反対側の面に対して、非磁性層を介して設けられている。
また上記渦磁化層は、Ｆｅ、ＣｏあるいはＮｉの少なくとも一つを主成分とする金属相とＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃あるいはＳｉＯ₂の少なくとも一つを主成分とする酸化物相との混合材料で形成される。

このような本発明は、垂直磁化を有する参照層と記録層とを非磁性層を介して積層した磁気メモリ素子であるが、これに渦磁化層を備えるようにする。例えば記録層に対して、参照層側と反対側に非磁性層を介して、磁化方向が面内に環状に閉じた磁化状態の磁性層（渦磁化層）を形成する。このようにすると、磁化反転の電圧、電流が顕著に低下し、より低い電圧、電流で記録可能な磁気メモリ素子を実現できる。

本発明により、低電圧、低電流で動作可能な不揮発性メモリを実現できる。

本発明の実施の形態の磁気メモリ素子を用いた磁気メモリの説明図である。 実施の形態の磁気メモリ素子の構造の説明図である。 実施の形態の渦磁化層の磁化状態の説明図である。 平行配列の磁化状態と環状磁化状態が形成されたときの磁気力顕微鏡像による説明図である。 ＣｏＦｅＢ単体およびＣｏＦｅＢとＭｇＯの混合膜で膜厚を変えたときに形成される磁化状態の説明図である。 実施例と比較例の膜構成の説明図である。 実施例と比較例のパルス記録特性を示した説明図である。

以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．磁気メモリ構造の概略＞
＜２．実施の形態の磁気メモリ素子の構造例＞
＜３．実施例＞

＜１．磁気メモリ構造の概略＞

まず、本発明の実施の形態の磁気メモリ素子が用いられる磁気メモリの構造を説明する。図１は磁気メモリの構造の概略を模式的に示したものである。
磁気メモリ１０は、互いに交叉する２種類のアドレス様の配線、例えばワード線とビット線とを備え、その交点付近で、これら２種類の配線の間に磁気メモリ素子１が配置されて成る。この磁気メモリ素子１が、後述する本実施の形態としての構造を備えるものとなる。

磁気メモリ１０においては、例えばＳｉ等の半導体基板の素子分離層２によって分離された領域に、各磁気メモリ素子１を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、ゲート電極３がそれぞれ形成される。
ゲート電極３は、図中前後方向に伸びる一方のアドレス用の配線（例えばワード線）を兼ねている。
ドレイン領域８は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。

そして、ソース領域７と、上方に配置された図中左右方向に延びる他方のアドレス用の配線（例えばビット線）６との間に、磁気メモリ素子１が配置される。この磁気メモリ素子１は、垂直磁化を有しスピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層と、この記憶層に記憶された情報の基準となる磁化方向を有する参照層を備える。

そしてこの磁気メモリ素子１は、２種類のアドレス用の配線となるゲート電極３及び配線６の交点付近に配置され、上下のコンタクト層４を介して接続される。これにより、２種類の配線、すなわちゲート電極３及び配線６を通じて、磁気メモリ素子１に上下方向の電流を流して、スピン注入により、記憶層の磁化の向きを情報に対応して反転させることができる。
なお、この図１の構造は磁気メモリの説明のための一例に過ぎない。例えば磁気メモリ素子１の上のコンタクト層４を設けずに配線６が形成される場合もある。

＜２．実施の形態の磁気メモリ素子の構造例＞

上述したように本発明では、垂直磁化膜を用いた磁気メモリ素子において、より低い電圧、電流で動作できるようにすることを目的とする。
本願発明者らは、この目的を達成するために検討を重ねた結果、垂直磁化を有する参照層と記憶層とを、非磁性層を介して積層した磁気メモリ素子において、次のように構成することが好適なことを見いだした。
即ち記録層に近接して、磁化方向が面内に環状に閉じた磁化状態の磁性層（渦磁化層）を形成する。より具体的には、記録層に対して、参照層側と反対側に非磁性層を介して、渦磁化層を形成する。すると、磁化反転の電圧、電流が顕著に低下し、より低い電圧、電流で記録可能な磁気メモリ素子を実現できる。

図２（ａ）に、本発明の実施の形態の磁気メモリ素子１の構造例を示す。図２（ａ）は円柱形状の磁気メモリ素子を模式的に示している。
図２（ａ）に示すように、垂直磁化を有する本実施の形態の磁気メモリ素子１は、図示しない下部電極と上部電極の間に、参照層（磁化固定層）１２、非磁性層（トンネルバリア層）１３、記憶層１４、非磁性層１５、渦磁化層１６が積層されている。
図２（ａ）における記憶層１４、参照層１２、渦磁化層１６内の矢印は磁化方向を示している。例えば参照層１２は磁化方向が固定で、記憶層１４はスピン注入により垂直磁化方向が反転することを表している。そして渦磁化層１６については、磁化方向が面内に環状に閉じた磁化状態となっていることを表している。

記憶層１４は、磁化方向が層面垂直方向に自由に変化する磁気モーメントを有する強磁性体から構成されている。参照層１２は、磁化が膜面垂直方向に固定された磁気モーメントを有する強磁性体から構成されている。
情報の記憶は一軸異方性を有する記憶層１４の磁化の向きにより行う。書込みは、膜面垂直方向に電流を印加し、スピントルク磁化反転を起こすことにより行う。このように、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層１４に対して、下層に磁化固定層としての参照層１２が設けられ、記憶層１４の記憶情報（磁化方向）の基準とされる。

参照層１２は情報の基準であるので、記録や読み出しによって磁化の方向が変化してはいけないが、必ずしも特定の方向に固定されている必要はなく、記録層よりも保磁力を大きくするか、膜厚を厚くするか、あるいは磁気ダンピング定数を大きくして記録層よりも動きにくくすればよい。
磁化を固定する場合にはＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどの反強磁性体を参照層１２に接触させるか、あるいはそれらの反強磁性体に接触した磁性体をＲｕ等の非磁性体を介して磁気的に結合させ、参照層１２を間接的に固定しても良い。
参照層として適した材料としてはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ等の連続積層膜、ＦｅＰｔ，ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔなどの合金膜、あるいはＴｂＦｅＣｏ等の非晶質膜がある。

記録層１４としても上記の参照層１２と同じ垂直異方性を有する磁性材料が適用可能である。例えばＴｂＣｏＦｅ等の希土類−遷移金属合金、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜等の金属多層膜、ＦｅＰｔ等の規則合金がある。
保磁力を低下させたり磁気ダンピング定数を低下させるために、組成の調整や、あるいは添加元素を加えたりしてもよい。

非磁性層１３、１５としてはＣｕ、Ａｇ等の金属膜、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＭｇＯ等の酸化物膜が利用可能である。

記憶層１４に対して、非磁性層１５を介して渦磁化層１６が配される。渦磁化層１６は磁化方向が面内に環状に閉じた磁化状態となっている。渦磁化層１６は、Ｆｅ、ＣｏあるいはＮｉの少なくとも一つを主成分とする金属相とＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃あるいはＳｉＯ₂の少なくとも一つを主成分とする酸化物相との混合材料で形成される。
例えば円状、あるいはアスペクト比の小さな楕円状（円に近い楕円）の磁性体の厚さを厚くしていくと、ある程度の厚さで環状に閉じた磁化状態が現れる。環状磁化が現れる条件は磁性体の飽和磁束密度、磁気異方性、磁性粒間の磁気的相互作用の強さなどに依存する。
磁性膜をある程度厚くすると、ＦｅやＣｏ基の一般的な材料は環状磁化が形成されるが、素子サイズが小さくなると、環状磁化が形成されにくくなる。環状磁化を形成しやすくするには、Ｆｅ，Ｃｏ基の金属磁性体とＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂等の金属磁性体と相互拡散しにくい酸化物材料との混合物を用いると効果的である。

図３は環状磁区を形成した渦磁化層１６の磁化状態の例を模式的に示した図で、図３（ａ）は円状の素子、図３（ｂ）は四角状の素子の例を示している。
図は左巻きの磁化を示しているが、右巻きでも同様な磁化が形成できる。

なお、図２（ａ）では、参照層１２が下に、記憶層１４が上に配置された場合を示すが、図２（ｂ）のように記憶層１４が下、参照層１２が上でもかまわない。その場合、渦磁化層１６は、記憶層１４の下方に非磁性層１５を介して形成されるようにする。即ち図示しない下部電極から上方に、渦磁化層１６、非磁性層１５、記憶層１４、非磁性層１３、参照層１２が配置され、参照層１２の上方に図示しない上部電極が配される。

また垂直磁化の記憶層１４を有する磁気メモリ素子１の記憶層１４の形状は円柱状あるいは若干上幅が狭まった円錐台状が好ましく、楕円柱状や楕円錐台状としてもアスペクト比の小さなものが好ましい。
参照層１２の形状は記憶層１４と同じ形状に形成されていてもよいが、参照層１２が下の場合、記憶層１４よりも大きければ形状は任意でかまわない。
また図示しないが、通常は磁気メモリ素子１の周囲は絶縁層で埋め込まれている。

＜３．実施例＞

本発明の実施例を以下に示す。
磁気メモリ素子１に用いる渦磁化層１６を形成するために、磁性膜の材料と厚さ、磁化状態を調べた。
磁化状態の測定は直径１５０ｎｍの円板状に形成した単体の磁性層を磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）によって観察した。観察の際、磁化の方向を安定させるために面内に１００Ｏｅの磁場をかけて行った。

図４（ａ）に、一方向に磁化が揃った状態のＭＦＭ像を示し、図４（ｂ）に環状の磁化状態のＭＦＭ像の例を示す。図中に測定した試料の形状を加えて示す。
磁化が一方向に揃っている場合には磁化の両極に対応する濃淡が観察されるが、環状磁区が形成されると磁化の濃淡はほとんど見えなくなる。つまり磁極がなくなっている状態である。

図５に、Ｃｏ₅₀Ｆｅ₃₀Ｂ₂₀単体の膜の場合と、Ｃｏ₅₀Ｆｅ₃₀Ｂ₂₀に３０％の体積率でＭｇＯを混ぜた膜の場合で、それぞれで厚さを変えたもので、磁化状態を調べた結果を示す。ここでは、一方向に揃った磁化と思われるＭＦＭ像が観察された場合は×、環状磁区と思われるＭＦＭ像が観測された場合には○、どちらとも判別できない場合には△とした。
Ｃｏ₅₀Ｆｅ₃₀Ｂ₂₀単体の磁性膜の場合、厚み１５ｎｍ以上で環状磁区が観測されたことに対し、ＭｇＯを加えた場合、厚み５ｎｍ以上で環状磁区が観測された。つまりＭｇＯを加えた磁性膜を用いると、薄い膜厚で、環状磁区が形成され、渦磁化層１６の厚さを薄くできる。

次に磁気メモリ素子１の実施例を示す。
図６（ａ）に実施例の磁気メモリ素子１の膜構成（素子の層構造）を示す。また図６（ｂ）は比較例の膜構成である。
図６（ａ）の実施例の磁気メモリ素子１は、下部電極１７と上部電極１８の間に、図２（ａ）に示したように、参照層１２、非磁性層１３、記憶層１４、非磁性層１５、渦磁化層１６が積層された層構造である。
なお、図中のＣｏＦｅＢの組成は全てＣｏ₅₀Ｆｅ₃₀Ｂ₂₀である。

下部電極１７（及び保護層）の一部として５ｎｍ厚のＴａ膜を設けた。
その上面に参照層１２として、２０ｎｍ厚のＴｂＦｅＣｏ膜と、２ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ膜を設けた。ＴｂＦｅＣｏは、ＴｂとＦｅ₅₀Ｃｏ₅₀を極薄い周期で積層して合金化して、ＣｏＦｅＢと共に参照層１２を形成するように保磁力が１０ｋＯｅ以上になるよう組成を調整した。
非磁性層１３として０．８ｎｍ厚のＭｇＯ膜を形成した。
記憶層１４として、１ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ膜と、３ｎｍ厚のＧｄＦｅＣｏ膜を設けた。この記憶層１４では、ＧｄＦｅＣｏは、ＧｄとＦｅＣｏを積層してＣｏＦｅＢとの積層膜で保磁力が１ｋＯｅ程度になるように調整した。
非磁性層１５として１ｎｍ厚のＴｉ−Ｏ膜を形成した。Ｔｉ−Ｏ膜はＴｉを成膜後プラズマ酸化によって形成した。
渦磁化層１６として、７ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ―ＭｇＯ膜を形成した。ＭｇＯの体積率は３０％とした。
渦磁化層１６の上は、上部電極１８（及び保護層）の一部として５ｎｍ厚のＴａ膜を設けた。
このような構成の膜を直径１２０ｎｍの円板状に形成して素子化した。
なお、図６（ｂ）の比較例は、実施例の構成から渦磁化層１６（ＣｏＦｅＢ―ＭｇＯ膜）を除いた層構造である。

図７に実施例と比較例の各磁気メモリ素子における、印加パルス電圧とパルス印加後の抵抗のプロットを示す。パルス幅は１００ｎｍとした。
この図７から、実施例の場合は、比較例に対して磁化の反転に必要な電圧が低くなることがわかる。
素子の抵抗は実施例、比較例とも大きく違わないので、実施例の磁気メモリ素子では電流も低減していて、小さな消費電力で記録が行えていることが理解される。

以上の説明からわかるように、実施の形態の磁気メモリ素子１は以下の構成及び効果を有することとなる。
即ち磁気メモリ素子１は、膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化する記憶層１４と、記憶層１４に対して非磁性層１３を介して設けられ、膜面に垂直な磁化を有すると共に情報の基準となる参照層１２を有する。そして非磁性層１３を介して参照層１２と記憶層１４との間に電流を流した際に発生するスピントルクで記憶層１４の磁化反転を行う。
そしてさらに磁化が膜面内に環状とされた渦磁化層１６を有する。渦磁化層１６は、記憶層１４の、参照層１２側の面とは反対側の面に対して、非磁性層１５を介して設けられる。
このような構成の磁気メモリ素子１では、記憶層１４の磁化反転に必要な電圧、電流が低減でき、低電力で記録可能な磁気メモリ素子を実現できる。

以上、実施の形態について説明してきたが、本発明の磁気メモリ素子１の形状、各層の厚み、膜材料等は上記例に限られず、多様な例が考えられる。

１ 磁気メモリ素子、１２ 参照層、１３ 非磁性層、１４ 記憶層、１５ 非磁性層、１６ 渦磁化層

Claims (3)

1. 膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
   上記記憶層に対して非磁性層を介して設けられ、膜面に垂直な磁化を有すると共に情報の基準となる参照層と、
   磁化が膜面内に環状とされた渦磁化層と、
   を有する層構造を備え、
   上記記憶層、上記参照層、上記渦磁化層を有する層構造に対して電流を流した際に発生するスピントルクで上記記憶層の磁化反転を行って情報を記憶する磁気メモリ素子。
2. 上記渦磁化層は、上記記憶層の、上記参照層側の面とは反対側の面に対して、非磁性層を介して設けられている請求項１に記載の磁気メモリ素子。
3. 上記渦磁化層は、Ｆｅ、ＣｏあるいはＮｉの少なくとも一つを主成分とする金属相とＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃あるいはＳｉＯ₂の少なくとも一つを主成分とする酸化物相との混合材料で形成される請求項２に記載の磁気メモリ素子。