JP2013149857A - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気抵抗効果素子は、データ記憶層、データ参照層、及びデータ記憶層とデータ参照層との間に挟まれたMgO膜を備える。データ記憶層は、MgO膜と接触するCoFeB膜と、垂直磁化膜と、CoFeB膜と垂直磁化膜との間に挟まれたTa膜と、を備える。CoFeB膜と垂直磁化膜とは、Ta膜を介して磁気的に結合している。
【選択図】図5
Description
図1は、一実施の形態に係る磁気抵抗効果素子1の構成を概略的に示している。磁気抵抗効果素子1は、下地層10、データ記憶層20、トンネルバリア層30、データ参照層40、第1ピニング層50−1、第2ピニング層50−2、第1端子T1、第2端子T2、及び第3端子T3を備えている。尚、以下の説明において、積層方向はZ方向であり、Z方向に直交する平面がXY面であるとする。垂直磁化膜の磁化の向きは、概ね、当該膜が形成される面に直交する、すなわち、+Z方向あるいは−Z方向である。
図5は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子1の膜構成を示している。尚、図5中の括弧内の数字は、膜厚の例を表している。
上述の通り、トンネルバリア層であるMgO膜30に接触するようにCoFeB膜(23,41)が形成されているので、高いMR比が期待される(非特許文献1参照)。但し、本実施の形態によれば、ただ単にCoFeB膜がMgO膜30と接触しているだけでは得られない効果が得られる。その本実施の形態に特有な効果を説明するために、図6に示されるような比較例を考える。
4−1.Taの意義について
まず、本実施の形態の1つの特徴として、データ記憶層20及びデータ参照層40において、CoFeB膜(23,41)と垂直磁化膜(21,43)とがTa膜(22,42)を介して磁気的に結合していることが挙げられる。このTa膜の技術的意義として、少なくとも次の2つが考えられる。
図8は、本実施の形態と比較例とで「密着性」を比較した試験の結果を示している。具体的には、挿入膜種がTaの場合(本実施の形態)とRuの場合(比較例)のそれぞれについて、100個のサンプルに対してピール試験が行われた。図8には、その100個のサンプルのうち何個で剥離が生じたかが示されている。剥離が生じるということは、密着性が低いということを意味する。
熱処理の結果、CoFeB膜の結晶構造は、隣接するMgO膜の影響により、bcc構造(体心立方格子(body-centered
cubic lattice)構造)となることが期待される。CoFeB膜及びMgO膜の結晶構造がbcc構造となることは、高いMR比の実現にとって重要であることが知られている(非特許文献1等、参照)。
本実施の形態の他の特徴として、データ記憶層20の垂直磁化膜21が、Pt膜が2つのCo膜の間に挟まれた「Co/Pt/Co」という積層構造を有していることが挙げられる。本願発明者は、このようなCo/Pt/Co構造が垂直磁化膜21の垂直磁気異方性を強化するということを見出した。垂直磁化膜21自体の垂直磁気異方性が強くなるので、それと磁気的に結合しているCoFeB膜23の垂直磁気異方性も強くなる。このことが、耐熱性とMR比の向上につながる。以下、Co/Pt/Co構造が垂直磁化膜21の垂直磁気異方性を強化することを実証する。
図11は、Ta膜22の膜厚X1に対するMR比の依存性を示すグラフである。ここで、CoFeB膜23の膜厚X2、CoFeB膜41の膜厚X3、及びTa膜42の膜厚X4は、それぞれ次のように設定された:X2=0.85nm、X3=1.4nm、X4=0.45nm。熱処理の条件は、350℃、2時間である。
図15は、変形例を示している。図15に示される変形例によれば、データ記憶層20において、上述の垂直磁化膜21の代わりに、Co/Pt/Co構造を含まない垂直磁化膜21’が用いられている。その垂直磁化膜21’とCoFeB膜23との間にTa膜22が介在しており、垂直磁化膜21’とCoFeB膜23はTa膜22を介して磁気的に結合している。また、データ参照層40において、CoFeB膜41と垂直磁化膜43との間には、上述のTa膜42の代わりにRu膜45が介在している。少なくともデータ記憶層20においてTa膜22が用いられている以上、本変形例によってもある程度の効果は得られる。
図19は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子1を用いたメモリセルMCの構成例を示している。第1端子T1は、第1選択トランジスタTRaを介して、第1ビット線BLaに接続されている。第2端子T2は、第2選択トランジスタTRbを介して、第2ビット線BLbに接続されている。選択トランジスタTRa、TRbのゲートは共に、ワード線WLに接続されている。第3端子T3は、グランド線GLに接続されている。
10 下地層
20 データ記憶層
20−1 第1磁化固定領域
20−2 第2磁化固定領域
20−3 磁化自由領域
21、21’ 垂直磁化膜
22 Ta膜
23 CoFeB膜
24 Ru膜
30 トンネルバリア層、MgO膜
40 データ参照層
41 CoFeB膜
42 Ta膜
43 垂直磁化膜
44 キャップ膜
45 Ru膜
50−1 第1ピニング層
50−2 第2ピニング層
100 磁気メモリ
101 メモリセルアレイ
102 ワード線ドライバ
103 ビット線ドライバ
104 制御回路
B1 第1境界
B2 第2境界
T1 第1端子
T2 第2端子
T3 第3端子
DW 磁壁
IW 書き込み電流
IR 読み出し電流
MC メモリセル
WL ワード線
GL グランド線
BLa 第1ビット線
BLb 第2ビット線
TRa 第1選択トランジスタ
TRb 第2選択トランジスタ
Claims (7)
- 磁化方向が反転可能な領域を有するデータ記憶層と、
磁化方向が固定されたデータ参照層と、
前記データ記憶層と前記データ参照層との間に挟まれたMgO膜と
を備え、
前記データ記憶層は、
前記MgO膜と接触する第1CoFeB膜と、
第1垂直磁化膜と、
前記第1CoFeB膜と前記第1垂直磁化膜との間に挟まれた第1Ta膜と
を備え、
前記第1CoFeB膜と前記第1垂直磁化膜とは、前記第1Ta膜を介して磁気的に結合している
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記データ参照層は、
前記MgO膜と接触する第2CoFeB膜
を備える
磁気抵抗効果素子。 - 請求項2に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記データ参照層は、更に、
第2垂直磁化膜と、
前記第2CoFeB膜と前記第2垂直磁化膜との間に挟まれた第2Ta膜と
を備え、
前記第2CoFeB膜と前記第2垂直磁化膜とは、前記第2Ta膜を介して磁気的に結合している
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子であって、
前記第1垂直磁化膜は、
前記第1Ta膜と接触する第1Co膜と、
第2Co膜と、
前記第1Co膜と前記第2Co膜との間に挟まれたPt膜と
を備える
磁気抵抗効果素子。 - 磁化方向が反転可能な領域を有するデータ記憶層と、
磁化方向が固定されたデータ参照層と、
前記データ記憶層と前記データ参照層との間に挟まれたMgO膜と
を備え、
前記データ参照層は、
前記MgO膜と接触するCoFeB膜と、
垂直磁化膜と、
前記CoFeB膜と前記垂直磁化膜との間に挟まれたTa膜と
を備え、
前記CoFeB膜と前記垂直磁化膜とは、前記Ta膜を介して磁気的に結合している
磁気抵抗効果素子。 - 磁化方向が反転可能な領域を有するデータ記憶層と、
磁化方向が固定されたデータ参照層と、
前記データ記憶層と前記データ参照層との間に挟まれたMgO膜と
を備え、
前記データ記憶層は、
前記MgO膜と接触するCoFeB膜と、
前記CoFeB膜と磁気的に結合する垂直磁化膜と
を備え、
前記垂直磁化膜は、
前記CoFeB膜に最も近い第1Co膜と、
第2Co膜と、
前記第1Co膜と前記第2Co膜との間に挟まれたPt膜と
を備える
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備える
磁気メモリ。
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