JP2012054439A5

JP2012054439A5 -

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Publication number: JP2012054439A5
Application number: JP2010196418A
Authority: JP
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2013-09-19

Description

記憶素子は、例えば図２に一例を示す層構造とされ、少なくとも２つの強磁性体層としての記憶層１７、磁化固定層１５を備え、またその２つの磁性層の間の中間層１６を備える。
記憶層１７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。
磁化固定層１５は、記憶層１７に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する。
中間層１６は、非磁性体であって、記憶層１７と磁化固定層１５の間に設けられる。
そして記憶層１７、中間層１６、磁化固定層１５を有する層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層１７の磁化の向きが変化して、記憶層１７に対して情報の記録が行われる。

ここで、Ｈｋ：実効的な異方性磁界、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：温度、Ｍｓ：飽和磁化量、Ｖ：記憶層の体積、Ｋは異方性エネルギーである。

また、記憶素子の膜構成は、記憶層１７が磁化固定層１５の下側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。さらには、磁化固定層１５が記憶層１７の上下に存在する、いわゆるデュアル構造でも全く問題ない。

さらに、本実施の形態において、中間層１６を、酸化マグネシウム層とした場合には、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高くすることができる。
このようにＭＲ比を高くすることによって、スピン注入の効率を向上して、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要な電流密度を低減することができる。

反転電流値の測定結果を図３に示し、熱安定性の指標の測定結果を図４に示す。
図３は、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ合金のＣｏ量ｘ（ＣｏＦｅ中の含有量；原子％）と、反転電流値から求めた反転電流密度Ｊｃ０との関係を示している。
図４は、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ合金のＣｏ量ｘ（ＣｏＦｅ中の含有量；原子％）と、熱安定性の指標Δ（ＫＶ／ｋ_BＴ）との関係を示している。

図４より、Ｃｏ量ｘが小さくなるにつれて、熱安定性の指標Δ（＝ＫＶ／ｋ_BＴ）が大きくなっていき、Ｃｏ量ｘが７０％以下になると熱安定性の指標Δが大きい値で安定することが分かる。
これは、表１に示した飽和磁化量Ｍｓの測定結果と、式（２）より熱安定性の指標Δが飽和磁化量Ｍｓに比例することとから予想される変化とよく一致している。

［実験２］
上記［実験１］により、Ｃｏ_xＦｅ_100-xの場合、Ｃｏ量ｘが７０％以下の組成で高い熱安定性を有したまま、反転電流値Ｊｃ０を低減できることがわかった。
そこで、［実験２］においては、Ｃｏ−Ｆｅ合金への、異種元素の添加効果を調べるため、Ｂ（ホウ素）を添加し、（Ｃｏ₅₀Ｆｅ₅₀）₉₂Ｂ₈という組成の記憶層１７を用い、これがＭeffective／Ｍｓにどのような影響を与えるかを調べた。試料の詳細は［実験１］と同様である。

すなわち、８原子％のホウ素を添加しても、飽和磁化量Ｍｓと実効的な反磁界Ｍeffectiveの大小関係はＣｏとＦｅの比で決定されることが明らかになった。
従って、記憶層１７の実効的な反磁界Ｍeffectiveを飽和磁化量Ｍｓより小さくすることを、異種元素の添加が妨げることはないと考えられる。すなわち、高いトンネル磁気抵抗効果を発生させる、あるいは界面を平坦にして絶縁耐圧を向上させる、などの目的により、ホウ素などの添加元素を加えることも可能である。

図５より、素子サイズが５０ｎｍφになったことにより、熱安定性指数ΔのＣｏ−Ｆｅ合金組成依存性が図４に示した短軸０．０９μｍ×長軸０．１８μｍの楕円形状記憶素子で得られたΔのＣｏ−Ｆｅ合金組成依存性から大きく変化したことが分かる。
図５によると、Ｃｏが４０％以下、すなわちＦｅが６０％以上存在するＣｏ−Ｆｅ合金組成の場合にのみ、高い熱安定性が保持されている。
種々の検討を行った結果、Ｆｅが６０％以上存在するＣｏ−Ｆｅ合金が極微小な記憶素子において高い熱安定性Δを示す理由は、Ｃｏ−Ｆｅ合金の磁化が膜面垂直方向を向いていることに起因していることが明らかになった。（外部磁界がない場合に磁化が安定になる方向は容易軸方向と呼ばれ、記憶素子の抵抗の外部磁界依存を測定し、その際の磁界方向を面内方向と垂直方向で比較することで調べることが可能である）。
Ｃｏ−Ｆｅ合金の磁化が膜面垂直方向になっている理由は実効的な反磁界Ｍeffectiveが飽和磁化量Ｍｓより著しく小さい組成であることに起因していると思われる。
また、垂直磁化膜になると極微小素子においても熱安定性が保たれる理由は、式(２)中のＨｋ[実効的な異方性磁界]に関係しており、垂直磁化膜のＨｋは一般的に面内磁化膜よりも遥かに大きな値になる。つまり、垂直磁化膜では、大きなＨｋの効果により、面内磁化膜では十分な熱安定性Δを確保できない極微小な素子においても高い熱安定性Δを保つことが出来る。
上記の実験結果から、Ｃｏ−Ｆｅ合金では、Ｆｅ量が６０％以上になる場合、ＧｂｉｔクラスのＳＴ−ＭＲＡＭに好適となるといえる。

以上実施の形態について説明してきたが、本発明では、上述の各実施の形態で示した記憶素子３の膜構成に限らず、様々な膜構成を採用することが可能である。
例えば実施の形態では、磁化固定層１５をＣｏＦｅＢとしたが、実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
また、実施の形態では、単一の下地、キャップ材料、記憶素子形状しか示していないが、それらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

また実施の形態では、磁化固定層１５は単層であったが、２層の強磁性層と非磁性層から成る積層フェリピン構造を用いても良い。また、さらに、積層フェリピン構造膜に反強磁性膜を付与した構造でもよい。
また、記憶素子の膜構成は、記憶層が磁化固定層の上側に配置される構成でも、下側に配置される構成でも全く問題はない。さらには、磁化固定層が記憶層の上下に存在する、いわゆるデュアル構造でも全く問題ない。