JP2012195485A - 磁気記録素子及び不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、積層体を備えた磁気記録素子が提供される。積層体は第1積層部と第2積層部とを含む。第1積層部は、膜面に対して垂直成分を有する第1の方向に磁化が固定された第1の強磁性層と、磁化の方向が膜面垂直な方向に可変である第2の強磁性層と、第1の強磁性層と第2の強磁性層との間の第1の非磁性層と、を含む。第2積層部は、積層軸に沿って第1積層部と積層される。第2積層部は、磁化の方向が膜面平行な方向に可変である第3の強磁性層と、膜面に対して垂直成分を有する第2の方向に磁化が固定された第4の強磁性層と、第3の強磁性層と第4の強磁性層との間の2の非磁性層と、を含む。積層軸を法線とする平面において、第4の強磁性層の外縁は第1積層部の外縁よりも外側の部分を有する。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1(a)〜図1(c)は、第1の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式図である。
図1(a)は、模式的斜視図である。図1(b)は、図1(a)のA1−A2線断面図である。図1(c)は、模式的平面図である。
図2(a)は、垂直磁化膜における磁化を例示している。図2(b)は、面内磁化膜における磁化を例示している。
これらの図は、磁気記録素子110における「書き込み」動作の際の第1積層部SB1の状態を例示している。これらの図では、第2積層部SB2及び第3の非磁性層30nは省略されている。
磁気記録素子110における第2の強磁性層20の磁化の方向の検出は、例えば、磁気抵抗効果を利用して実施される。磁気抵抗効果においては、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる。磁気抵抗効果を利用する場合、第1の強磁性層10と第2の強磁性層20との間にセンス電流を流し、磁気抵抗が測定される。センス電流の電流値は、記録時に流す電子電流60に対応する電流値よりも小さい。
これらの図は、磁気記録素子110における「読み出し」動作の際の第1積層部SB1の状態を例示している。これらの図では、第2積層部SB2及び第3の非磁性層30nは省略されている。
ノーマルタイプの磁気抵抗効果においては、図4(a)の状態の抵抗は、図4(b)の状態の抵抗よりも低い。リバースタイプの磁気抵抗効果においては、図4(a)の状態の抵抗は、図4(b)の状態の抵抗よりも高い。
第3の非磁性層30nに用いられる非磁性金属層には、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、ビスマス(Bi)、イリジウム(Ir)及びオスミウム(Os)よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された2つ以上の元素を含む合金を用いることができる。
電極には、導電性の磁性材料または導電性の非磁性材料が用いられる。導電性の磁性材料の例としては、第3の強磁性層30及び第4の強磁性層40に用いられる材料と同様の材料を挙げることができる。
図5(a)及び図5(b)は、第2の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図5(a)及び図5(b)に表したように実施形態に係る磁気記録素子110a及び110bにおいては、第2の強磁性層20、第1の非磁性層10n、第1の強磁性層10、第3の非磁性層30n、第4の強磁性層40、第2の非磁性層20n及び第3の強磁性層30がこの順に積層される。
図6(a)及び図6(b)に表したように実施形態に係る磁気記録素子110c及び110dにおいては、第1の強磁性層10の磁化の向き及び第4の強磁性層40の磁化の向きが膜面に対して斜めである。この場合も、第1の方向に固定された磁化(第1の強磁性層10の磁化)の垂直斜影成分の向きは、第2の方向に固定された磁化(第4の強磁性層40の磁化)の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
図7(a)及び図7(b)は、第3の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図7(a)及び図7(b)に表したように、実施形態に係る磁気記録素子110e及び110fにおいては、第1の強磁性層10、第1の非磁性層10n、第2の強磁性層20、第3の非磁性層30n、第3の強磁性層30、第2の非磁性層20n及び第4の強磁性層40が、この順に積層される。この場合も、第1の強磁性層10の磁化及び第4の強磁性層40の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
図8(a)及び図8(b)は、第4の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図8(a)及び図8(b)に表したように、実施形態に係る磁気記録素子110g及び110hにおいては、第2の強磁性層20、第1の非磁性層10n、第1の強磁性層10、第3の非磁性層30n、第3の強磁性層30、第2の非磁性層20n及び第4の強磁性層40が、この順で積層される。この場合も、第1の強磁性層10の磁化及び第4の強磁性層40の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
図9(a)及び図9(b)は、第5の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図9(a)及び図9(b)に表したように、実施形態に係る磁気記録素子110i及び110jにおいては、第1の強磁性層10、第1の非磁性層10n、第2の強磁性層20、第3の非磁性層30n、第4の強磁性層40、第2の非磁性層20n及び第3の強磁性層30が、この順で積層される。この場合も、第1の強磁性層10の磁化及び第4の強磁性層40の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
図10(a)及び図10(b)は、第6の実施形態に係る磁気記録素子の構成を例示する模式的断面図である。
図10(a)及び図10(b)に表したように、実施形態に係る磁気記録素子110k及び110lにおいては、第1積層部SB1の側面に対向する磁気シールド51が設けられる。磁気記録素子110lにおいては、磁気シールド51は、さらに、第2積層部SB2の側面、及び、第3の非磁性層30nの側面に対向している。
上記で説明した製造方法と同様に、下部電極上に、Ta\Ru層(電極とのコンタクト層、兼ストッパー層)、磁界発生源、及び、Ta(ストッパー層)をこの順に積層し、直径100nmのサイズに加工する。そして、第3の非磁性層30n、第1の強磁性層10、第1の非磁性層10n、第2の強磁性層20、及び、電極とのコンタクト層をこの順に積層し、直径20nmのサイズに加工する。そして、保護層52となるSiN層を形成した後、磁気シールド51となるPy層を形成する。エッチバックにより、Py層を積層体SB0の側壁に残す。さらに、埋め込み絶縁層となるSiO2膜を形成し、加工し、上部電極を形成する。これにより、磁気記録素子110kが作製される。
図11は、磁気記録素子の特性を例示するグラフ図である。
図11は、磁気記録素子の磁界発生源の特性についてマイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを実施した結果の例を表している。図11の横軸は、時間t(ナノ秒:ns)である。縦軸は、強磁性層30の膜面内方向(例えばX軸方向)の磁化Mxである。
図13は、第3の強磁性層30の直径(例えば第2径D2)を変えた時に、面内方向の磁界強度Hpが半分となる位置の外縁(外周)からの距離Δxを例示している。横軸は、第2径D2である。縦軸は、距離Δxである。
このことから、図1(b)及び図1(c)に表したように、Z軸に沿ってみたときの第4の強磁性層40の外縁(例えば第2積層部SB2の第2外縁SBP2)は、Z軸に沿ってみたときの第1積層部SB1の第1外縁SBP1よりも外側であり、第4の強磁性層40の外縁(例えば第2外縁SBP2)と第1外縁SBP1との間の距離Ddは、7nm以上に設定されることが望ましい。
図14は、第4の強磁性層40の厚さを変えた時に、面内方向の磁界強度Hpが半分となる位置の外縁からの距離Δxのシミュレーション結果を例示している。横軸は、第2径D2である。縦軸は、距離Δxである。
磁気記録素子121においては、磁界発生源の直径(第2径D2)は100nmである。第4の強磁性層40(厚さ10nm)は、Ms=800emu/ccで、Ku=8Merg/cm3の垂直磁化膜である。第2の非磁性層20nは、Cu層(厚さ2nm)である。第3の強磁性層30(厚さ2nm)は、面内磁化膜であり、Ms=1000emu/ccで、Ku=5000erg/cm3である。
同図は、磁気記録素子122の構成において、第3の非磁性層30nの厚さt30n(図1(b)参照)を変えた時の、第2の強磁性層20の位置における磁界強度H20をシミュレーションにより求めた結果を例示している。同図には、磁界発生源のMsが800emu/ccの場合と、1000emu/ccの場合と、の結果が例示されている。
同図は、磁気記録素子123の構成において、第3の非磁性層30nの厚さt30nを変えた時の、第2の強磁性層20の位置における磁界強度H20をシミュレーションにより求めた結果を例示している。
以上の結果から、第3の非磁性層30nは、Ru層(厚さ10nm)とされる。
同図は、磁気記録素子124の構成において、第3の非磁性層30nの厚さt30nを変えた時の、第2の強磁性層20の位置における磁界強度H20をシミュレーションにより求めた結果を例示している。
同図は、磁気記録素子125の構成において、第3の非磁性層30nの厚さt30nを変えた時の、第2の強磁性層20の位置における磁界強度H20をシミュレーションにより求めた結果を例示している。
すなわち、同図には、上記の具体例の磁気記録素子121、122、123、124及び125における磁化反転に要する時間trが示されている。そして、同図には、磁気記録部の直径が磁界発生源の直径と同じである参考例の磁気記録素子119(D1=D2=20nm)における磁化反転に要する時間trが示されている。
図20(a)及び図20(b)に表したように、実施形態に係る磁気記録素子131及び132においては、1つの磁界発生源(第2積層部SB2)に対して、複数の磁気記録部(第1積層部SB1)が設けられる。また、磁気記録部の一端に第1の配線81(例えばビット線BL)が接続される。磁界発生源の一端に第2の配線82が接続される。この例では、磁界発生源と第2の配線との間にトランジスタ(例えば選択トランジスタ)が設けられる。この場合も、複数の磁気記録部の外縁は、磁界発生源の外縁から7nm以上内側に入った位置に配置される。
図21(a)及び図21(b)に表したように、実施形態に係る磁気記録素子134及び135においては、1つの磁界発生源(第2積層部SB2)に対して、複数の磁気記録部(第1積層部SB1)が設けられる。また、磁界発生源の一端に第1の配線81(例えばビット線BL)が接続される。磁気記録部の一端に第2の配線82が接続される。この例では、磁気記録部と第2の配線82との間にトランジスタ(例えば選択トランジスタ)が設けられる。この場合も、複数の磁気記録部の外縁は、磁界発生源の外縁から7nm以上内側に入った位置に配置される。
図22に表したように、実施形態に係る不揮発性記憶装置140は、メモリセルアレイMCAを備える。メモリセルアレイMCAは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルMCを有する。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (11)
- 膜面に対して垂直な成分を有する第1の方向に磁化が固定された第1の強磁性層と、
磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第2の強磁性層と、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との間に設けられた第1の非磁性層と、
を含む第1積層部と、
前記第1の強磁性層、前記第2の強磁性層及び前記第1の非磁性層が積層される積層軸に沿って前記第1積層部と積層され、
磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第3の強磁性層と、
前記第3の強磁性層と前記積層軸に沿って積層され、膜面に対して垂直な成分を有する第2の方向に磁化が固定された第4の強磁性層と、
前記第3の強磁性層と前記第4の強磁性層との間に設けられた第2の非磁性層と、
を含む第2積層部と、
を含む積層体を備え、
前記積層軸を法線とする平面における前記第4の強磁性層の外縁は、前記平面における前記第1積層部の外縁よりも外側の部分を有し、
前記積層軸に沿って前記積層体に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第2の強磁性層に作用させ、且つ、前記第3の強磁性層の磁化を歳差運動させることにより発生する磁場を前記第2の強磁性層に作用させることにより、前記第2の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁気記録素子。 - 前記平面における前記第3の強磁性層及び前記第2の非磁性層の外縁は、前記平面における前記第1積層部の前記外縁よりも外側の部分を有することを特徴とする請求項1記載の磁気記録素子。
- 前記第1の方向は、前記第2の方向に対して逆向きであることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気記録素子。
- 前記積層体は、前記第1積層部と前記第2積層部との間に設けられた第3の非磁性層をさらに含み、
前記第3の非磁性層は、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、ビスマス(Bi)、イリジウム(Ir)及びオスミウム(Os)よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、前記群から選択された2つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の磁気記録素子。 - 前記積層体は、前記第1積層部と前記第2積層部との間に設けられた第3の非磁性層をさらに含み、
前記第3の非磁性層は、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、及び、バナジウム(V)よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも2つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の磁気記録素子。 - 前記積層体は、前記第1積層部と前記第2積層部との間に設けられた第3の非磁性層をさらに含み、
前記第3の非磁性層は、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、及び、イリジウム(Ir)よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも2つ以上を含む合金を含み、
前記第3の非磁性層の厚さは、3ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の磁気記録素子。 - 前記第4の強磁性層の前記外縁は、前記第1積層部の前記外縁よりも外側であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の磁気記録素子。
- 前記第4の強磁性層の前記外縁のうち前記第1積層部の前記外縁よりも外側の部分と前記第1積層部の前記外縁との距離は、7ナノメートル以上であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の磁気記録素子。
- 前記積層体の少なくとも一部の側面に対向する磁気シールドをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の磁気記録素子。
- 請求項1〜9のいずれか1つに記載の磁気記録素子と、
前記磁気記録素子の一端に接続された第1の配線と、
前記磁気記録素子の他端に接続された第2の配線と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置。 - 前記磁気記録素子と前記第1の配線との間、及び、前記磁気記録素子と前記第2の配線の間の少なくともいずれかの間に設けられた選択トランジスタをさらに備えたことを特徴とする請求項10記載の不揮発性記憶装置。
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