JP2012064611A5

JP2012064611A5 -

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Publication number: JP2012064611A5
Application number: JP2010205086A
Authority: JP
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2030-09-14

Description

本発明の記憶素子は、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、記憶層と、上記記憶層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磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による絶縁層とを有する。そして、上記記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層と1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素との積層構造からなり、上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層１ｎｍに対して上記元素を０．０５ｎｍ〜０．３ｎｍの割合で薄膜として挿入するものである。
上記記憶層、上記絶縁層、上記磁化固定層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、上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、上記記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、上記記憶層の飽和磁化量よりも小さい記憶素子である。
また上記記憶層を構成する強磁性層材料がＣｏ−Ｆｅ−Ｂである。
その場合、上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの組成が、０≦Ｃｏ_X≦４０、６０≦Ｆｅ_Y≦１００、０＜Ｂ_Z≦３０において、(Ｃｏ_X−Ｆｅ_Y)_100-Z−Ｂ_Zである。

上述の本発明の記憶素子の構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が絶縁体から成り、積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン偏極した電子を注入することによって情報の記録を行うことができる。
そして、記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、記憶層の飽和磁化量よりも小さいことにより、記憶層が受ける反磁界が低くなっており、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することができる。
一方、記憶層の飽和磁化量を低減しなくても書き込み電流量を低減することができるため、記憶層の飽和磁化量を充分な量として、記憶層の熱安定性を充分に確保することが可能になる。
さらに、記憶層がＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層と1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素との積層構造からなり、これら元素を薄膜としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層に挿入することにより、不純物を低減し、強磁性層特性の向上と磁歪効果を同時に得ることができ、垂直磁気異方特性が向上する。

本発明によれば、記憶層の飽和磁化量を低減しなくても、記憶素子の書き込み電流量を低減することが可能になるため、情報保持能力である熱安定性を充分に確保して、特性バランスに優れた記憶素子を構成することができる。さらに、記憶層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層に対して1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素を薄膜として挿入することにより、不純物を低減し、強磁性層特性の向上と磁歪効果を同時に得ることができ、垂直磁気異方特性が向上する。これにより、動作エラーをなくして、記憶素子の動作マージンを充分に得ることができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高いメモリ装置を実現することができる。
また、書き込み電流を低減して、記憶素子に書き込みを行う際の消費電力を低減することが可能になる。
従って、メモリ装置全体の消費電力を低減することが可能になる。

本実施の形態では、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさが、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓよりも小さい構成、即ち、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓに対する実効的な反磁界の大きさの比の値を１より小さくする。
さらに、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層に対して1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素を薄膜として挿入する。

記憶層１７は、磁化Ｍ１７の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。磁化固定層１５は、磁化Ｍ１５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１７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１７に対して、下層に磁化固定層１５が設けられ、記憶層１７の記憶情報（磁化方向）の基準とされる。
本実施の形態では、記憶層１７、磁化固定層１５としてはＣｏ−Ｆｅ−Ｂを用いる。
さらに、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層に対して1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素を薄膜として挿入する。

上述の本実施の形態によれば、記憶素子３の記憶層１７が、記憶層１７が受ける実効的な反磁界の大きさが記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓよりも小さくなるように構成されているので、記憶層１７が受ける反磁界が低くなっており、記憶層１７の磁化Ｍ１７の向きを反転させるために必要となる、書き込み電流量を低減することができる。
一方、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓを低減しなくても書き込み電流量を低減することができるため、記憶層１７の飽和磁化量Ｍｓを充分な量として、記憶層１７の熱安定性を充分に確保することが可能になる。
さらに、記憶層１７のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層に対して1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素を薄膜として挿入することにより、不純物を低減し、強磁性層特性の向上と磁歪効果を同時に得ることができ、垂直磁気異方特性が向上する。

厚さ０．７２５ｍｍのシリコン基板上に、厚さ３００ｎｍの熱酸化膜を形成し、その上に図２に示した構成の記憶素子３を形成した。
具体的には、図２に示した構成の記憶素子３において、各層の材料及び膜厚を、下地膜１４を膜厚１０ｎｍのＴａ膜、２５ｎｍのＲｕ膜の積層膜、磁化固定層１５には積層フェリ構造を有する膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅ膜と膜厚０．８ｎｍのＲｕ膜と膜厚１．５ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ膜の積層膜、トンネル絶縁層となる絶縁層（バリア層）１６を膜厚０．９ｎｍの酸化マグネシウム膜、記憶層１７を膜厚０．５ｎｍのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層と表５に示す膜厚の各添加元素を交互に積層し、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを４回、添加層を３回形成し、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの総膜厚は２．０ｎｍとなるようにした。キャップ層１８を膜厚３ｎｍのＴａ膜、３ｎｍのＲｕ膜、膜厚３ｎｍのＴａ膜の積層膜と選定し、また下地膜１４とシリコン基板との間に図示しない膜厚１００ｎｍのＣｕ膜（後述するワード線となるもの）を設けて、各層を形成した。

その後、電子ビーム描画装置により記憶素子３のパターンのマスクを形成し、積層膜に
対して選択エッチングを行い、記憶素子３を形成した。記憶素子３部分以外は、ワード線
のＣｕ層直上までエッチングした。
なお、特性評価用の記憶素子には、磁化反転に必要なスピントルクを発生させるために
、記憶素子に充分な電流を流す必要があるため、トンネル絶縁層の抵抗値を抑える必要が
ある。そこで、記憶素子３のパターンを、短軸０．０９μｍ×長軸０．０９μｍの円形状
として、記憶素子３の面積抵抗値（Ωμｍ²）が１０Ωμｍ²となるようにした。

結論として、記憶層１７はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層と1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素との積層構造とし、記憶層１７を構成するＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層に対して表５の添加元素の薄膜を挿入する、すなわち1ａ族：Ｌｉ、Ｎａ、Ｋａ、2ａ族：Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、3ａ族：Ｓｃ、Ｙ、ランタノイド系(Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ)、4ａ族：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、5ａ族：Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、6族：Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの何れかに属する元素をＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層１ｎｍに対して０．０５〜０．３ｎｍの薄膜として挿入することにより、飽和磁化量が小さくても良好な垂直磁気特性が得られことにより、トレードオフの関係にある書き込み電流低減と熱安定性向上の両立が実現される。
なお、薄膜の下限値を０．０５ｎｍとしているのは、これより薄い場合、薄膜としての機能を発揮し得ないと考えられるからである。

Claims

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磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による絶縁層と、
を有し、
上記記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層と1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素との積層構造からなり、上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層１ｎｍに対して上記元素を０．０５ｎｍ〜０．３ｎｍの割合で薄膜として挿入するものであり、
上記記憶層、上記絶縁層、上記磁化固定層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、上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、上記記憶層の飽和磁化量よりも小さい記憶素子。
上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの組成が、
０≦Ｃｏ_x≦４０、
６０≦Ｆｅ_y≦１００、
０＜Ｂ_z≦３０
において、
(Ｃｏ_x−Ｆｅ_y)_100-z−Ｂ_zである請求項１に記載の記憶素子。
情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、
互いに交差する２種類の配線とを備え、
上記記憶素子は、
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磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による絶縁層と、
を有し、
上記記憶層は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層と1ａ族、2ａ族、3ａ族、4ａ族、5ａ族又は6族の何れかに属する元素との積層構造からなり、上記Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層１ｎｍに対して上記元素を０．０５ｎｍ〜０．３ｎｍの割合で薄膜として挿入するものであり、
上記記憶層、上記絶縁層、上記磁化固定層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、上記記憶層の磁化の向きが変化して、上記記憶層に対して情報の記録が行われるとともに、
上記記憶層が受ける、実効的な反磁界の大きさが、上記記憶層の飽和磁化量よりも小さい構成とされ、
上記２種類の配線の間に上記記憶素子が配置され、
上記２種類の配線を通じて、上記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入されるメモリ装置。