JP2015103755A - Magnetoresistive memory element and magnetoresistive memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気トンネル接合(Magnet Tunnel Junction:MTJ)を有する磁気抵抗メモリ素子および磁気抵抗メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive memory element and a magnetoresistive memory having a magnetic tunnel junction (MTJ).
近年の電子デバイスにおいては、シリコン(Si)のCMOSロジックに対して低コストで混載が可能な、大容量不揮発性メモリの重要性が高まっている。 In recent electronic devices, the importance of large-capacity nonvolatile memories that can be embedded at low cost with respect to silicon (Si) CMOS logic is increasing.
磁気抵抗メモリ(Magnetoresistive Random Access Memory: MRAM)は、情報の不揮発性に加えて、情報の高速な書き換えが無制限に行える。このことから、フラッシュメモリなどROM用途のメモリだけでなく、SRAMやDRAMといったRAM用途のメモリを置き換える可能性がある新規不揮発性メモリとして注目されている。 Magnetoresistive random access memory (MRAM) is capable of unlimited rewriting of information in addition to non-volatility of information. For this reason, attention is paid to a novel nonvolatile memory that can replace not only a ROM memory such as a flash memory but also a RAM memory such as an SRAM or a DRAM.
MRAMは、トンネルバリア層の上下に強磁性金属電極を配置し、強磁性金属電極の相対的な磁化の向きによってトンネル抵抗が変化する磁気トンネル接合を利用してメモリ機能を実現する。磁化の方向が固定された強磁性金属電極は磁化固定(ピン)層と呼ばれ、磁化の方向が反転可能な強磁性金属電極は磁化自由(フリー)層と呼ばれる。フリー層の磁化方向に応じて抵抗が異なるので、フリー層の磁化方向に対応して“0”と“1”の2値データを対応させる。このようにフリー層の磁化方向に応じてデータの記憶を行うので、ここでは、フリー層を記憶層と称する。 In the MRAM, a ferromagnetic metal electrode is disposed above and below a tunnel barrier layer, and a memory function is realized by using a magnetic tunnel junction in which a tunnel resistance changes depending on the relative magnetization direction of the ferromagnetic metal electrode. A ferromagnetic metal electrode whose magnetization direction is fixed is called a magnetization fixed (pinned) layer, and a ferromagnetic metal electrode whose magnetization direction can be reversed is called a magnetization free (free) layer. Since the resistance varies depending on the magnetization direction of the free layer, binary data of “0” and “1” is associated with the magnetization direction of the free layer. Since data is stored according to the magnetization direction of the free layer as described above, the free layer is referred to as a storage layer here.
これまで、磁化自由層の向きは、配線に電流を流すことで誘導される磁場を用いて反転させていた。しかし、近年になり、スピン偏極した電子によるトルク(Spin-Transfer Torque: STT)により磁化自由層の磁化反転が可能であることが分かった(スピン注入磁化反転)。磁場による磁化反転の場合、素子が小さくなるほど反転させるのに大きな磁場が必要となり微細化が難しかった。スピン注入磁化反転の場合は、素子が小さくなるほどスイッチング電流が小さくなることより、書き換えに必要な電流を大幅に減少でき、MRAMの実用化の可能性が一層高まっている。 Until now, the direction of the magnetization free layer has been reversed using a magnetic field induced by passing a current through the wiring. However, in recent years, it has been found that magnetization reversal of the magnetization free layer is possible by spin-transfer torque (STT) (spin injection magnetization reversal). In the case of magnetization reversal by a magnetic field, the smaller the element, the larger the magnetic field required for reversal and the difficulty in miniaturization. In the case of spin injection magnetization reversal, the smaller the element, the smaller the switching current, so that the current required for rewriting can be greatly reduced, and the possibility of practical use of MRAM is further increased.
以下の説明では、磁気トンネル接合を実現する材料として使用されるMgOは酸化マグネシウムを、Coはコバルトを、Feは鉄を、Bはボロン(ホウ素)を、Taはタンタルを、Ruはルテニウムを、Niはニッケルを、を示す。さらに、Ptは白金を、Arはアルゴンを、Pdはパラジウムを、Rhはロジウムを、Nbはニオビウムを、PMA材料は垂直磁気異方性(perpendicular magnetic anisotropy)材料の総称を、示す。 In the following description, MgO used as a material for realizing the magnetic tunnel junction is magnesium oxide, Co is cobalt, Fe is iron, B is boron (boron), Ta is tantalum, Ru is ruthenium, Ni represents nickel. Furthermore, Pt is platinum, Ar is argon, Pd is palladium, Rh is rhodium, Nb is niobium, and PMA material is a generic name for a perpendicular magnetic anisotropy material.
MRAMを高集積化していくと、MTJのサイズが減少してスイッチング電流はMTJの面積に比例して小さくなるため有利であるが、同時にデータ保持特性が減少してしまうという問題が生じる。書換え電流Icを増やすことなく保持特性を向上させる方法の一つに、面内磁化MTJの場合に、記憶層をSAF (Synthetic AntiFerromagneticあるいはFerrimagnetic)構造にすることが提案されている。一般的に、面内磁化の場合には平面形状のアスペクト比を大きくすることで、長辺方向の磁化が安定にする。従って、熱揺らぎパラメータΔをSAF構造の記憶層にすることで60以上にすることはできるが、短辺を小さくしてもMTJの面積を小さくできないため、書換え電流Icを低減できないという問題があった。 High integration of the MRAM is advantageous because the size of the MTJ is reduced and the switching current becomes smaller in proportion to the area of the MTJ, but at the same time, there is a problem that the data retention characteristic is reduced. As one of the methods for improving the holding characteristics without increasing the rewrite current Ic, it has been proposed that the storage layer has a SAF (Synthetic Anti Ferromagnetic or Ferrimagnetic) structure in the case of in-plane magnetization MTJ. Generally, in the case of in-plane magnetization, the long-side magnetization is stabilized by increasing the planar aspect ratio. Therefore, although the thermal fluctuation parameter Δ can be increased to 60 or more by using the SAF structure storage layer, there is a problem that the rewrite current Ic cannot be reduced because the area of the MTJ cannot be reduced even if the short side is reduced. It was.
磁化の向きを一方向に保つエネルギー(保持特性、熱揺らぎ耐性)は、磁気異方性エネルギーと磁化反転単位体積の積で表わされる。面内磁化MTJの場合には、アスペクトで形状に異方性を持たせる形状磁気異方性を用いたが、垂直MTJの場合には、結晶磁気異方性が大きく、形状の異方性に依存する必要がない。 The energy for maintaining the direction of magnetization in one direction (retention characteristic, thermal fluctuation resistance) is represented by the product of magnetic anisotropy energy and magnetization reversal unit volume. In the case of the in-plane magnetization MTJ, the shape magnetic anisotropy that gives the shape anisotropy in the aspect is used, but in the case of the perpendicular MTJ, the magnetocrystalline anisotropy is large, and the shape anisotropy is increased. There is no need to rely on it.
この垂直磁化MTJにおいても、記憶層をSAF構造にするということが提案されている。例えば、二つの記憶層と一つの磁化固定層からなるMTJにおいて、第1記憶層を反強磁性結合したSAF構造にすることにより、第2記憶層が第1記憶層より先に反転しないようにしている。
また、垂直磁化MTJで、SF(Synthetic ferromagnetic)結合した記憶層が提案されている。
Also in this perpendicular magnetization MTJ, it has been proposed that the storage layer has a SAF structure. For example, in an MTJ composed of two storage layers and one fixed magnetization layer, the second storage layer is prevented from being inverted before the first storage layer by adopting an SAF structure in which the first storage layer is antiferromagnetically coupled. ing.
In addition, a storage layer in which SF (Synthetic reinforcing) coupling is performed with perpendicular magnetization MTJ has been proposed.
上記の提案されている二つの記憶層と一つの磁化固定層からなるMTJにおいては、単純にSAF構造にすることで、熱的安定性が向上するかもしれないが書換え(スイッチング)電流Icも大きくなることがある。
さらに、SF結合した記憶層の場合には、書換え電流Icが増加したり、記憶からの漏れ磁場が非常に大きくなるため、磁化固定層がその影響で固定されないで反転しやすくなるという問題があることが分かった。
In the MTJ composed of the above-described two storage layers and one magnetization fixed layer, the thermal stability may be improved by simply adopting the SAF structure, but the rewriting (switching) current Ic is also large. May be.
Furthermore, in the case of the SF-coupled memory layer, the rewrite current Ic increases or the leakage magnetic field from the memory becomes very large, so that there is a problem that the magnetization pinned layer is not fixed by the influence and is easily reversed. I understood that.
以上のように、単純に2つの強磁性層として、垂直磁気異方性を持つ磁性体を用いて、記憶層にSAF構造を形成するだけでは、上記課題を解決できないことが分かった。これは、記憶層のSAF構造によっては、かえってスイッチング電流が大きくなってしまい、熱揺らぎ安定性が低下してしまうためである。 As described above, it has been found that the above problem cannot be solved simply by forming a SAF structure in the storage layer using a magnetic material having perpendicular magnetic anisotropy as the two ferromagnetic layers. This is because, depending on the SAF structure of the storage layer, the switching current becomes large and the thermal fluctuation stability is lowered.
さらに、メモリ素子として高抵抗状態と低抵抗状態を“1”と“0”に対応させて情報を記憶させるには、磁化曲線のヒステリシス特性を示す部分が、外部磁場がゼロである範囲にあることが望ましい。 Furthermore, in order to memorize | store information by making a high resistance state and a low resistance state correspond to "1" and "0" as a memory element, the part which shows the hysteresis characteristic of a magnetization curve exists in the range where an external magnetic field is zero. It is desirable.
以上の要望を満たす垂直磁化型磁気抵抗メモリ素子が望まれている。 A perpendicular magnetization type magnetoresistive memory element that satisfies the above requirements is desired.
第1の態様によれば、磁気抵抗メモリは、トンネルバリア層と、トンネルバリア層の一方の側に設けられた磁化固定層と、トンネルバリア層の他方の側に設けられた記憶層と、を有する。記憶層は、第1磁性層と、第1非磁性層と、第2非磁性層と、第2磁性層と、を有する。第1磁性層は、トンネルバリア層に接触し、垂直磁気異方性を有し、CoFeB、CoFe、Fe、Co、FeBまたはCoBのいずれかを材料とするとする。第1非磁性層は、第1磁性層に接触し、Taを材料とし、0.25nm以上で0.35nm以下の膜厚を有する。第2非磁性層は、第1非磁性層に接触し、Ru、RhまたはPdのいずれかを材料とし、0.4nm以上で2.0nm以下の膜厚を有する。第2磁性層は、第2非磁性層に接触し、垂直磁気異方性を有する。第1磁性層と第2磁性層は、反強磁性交換結合により磁気的に結合しており、第1磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値は、第2磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値より大きい。 According to the first aspect, the magnetoresistive memory includes a tunnel barrier layer, a magnetization fixed layer provided on one side of the tunnel barrier layer, and a storage layer provided on the other side of the tunnel barrier layer. Have. The storage layer includes a first magnetic layer, a first nonmagnetic layer, a second nonmagnetic layer, and a second magnetic layer. The first magnetic layer is in contact with the tunnel barrier layer, has perpendicular magnetic anisotropy, and is made of any one of CoFeB, CoFe, Fe, Co, FeB, and CoB. The first nonmagnetic layer is in contact with the first magnetic layer, is made of Ta, and has a thickness of 0.25 nm to 0.35 nm. The second nonmagnetic layer is in contact with the first nonmagnetic layer, and is made of any one of Ru, Rh, and Pd, and has a thickness of 0.4 nm or more and 2.0 nm or less. The second magnetic layer is in contact with the second nonmagnetic layer and has perpendicular magnetic anisotropy. The first magnetic layer and the second magnetic layer are magnetically coupled by antiferromagnetic exchange coupling, and the value obtained by multiplying the saturation magnetization and thickness of the first magnetic layer is the saturation magnetization and thickness of the second magnetic layer. Greater than the value multiplied by
第2の態様によれば、磁気抵抗メモリは、トンネルバリア層と、トンネルバリア層の一方の側に設けられた磁化固定層と、トンネルバリア層の他方の側に設けられた記憶層と、を有する。記憶層は、第1磁性層と、第1非磁性層と、第2非磁性層と、第2磁性層と、を有する。第1磁性層は、トンネルバリア層に接触し、垂直磁気異方性を有する。第1非磁性層は、第1磁性層に接触し、Taを材料とし、0.1nm以上で0.5nm以下の膜厚を有する。第2非磁性層は、第1非磁性層に接触し、Ru、RhまたはPdのいずれかを材料とし、0.4nm以上で2.0nm以下の膜厚を有する。第2磁性層は、第2非磁性層に接触し、垂直磁気異方性を有する。第1磁性層と第2磁性層は、反強磁性交換結合により磁気的に結合しており、第1磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値は、第2磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値より大きい。第1磁性層は、第1副磁性層と、第2副磁性層と、を有する。第1副磁性層は、トンネルバリア層に接触し、CoFeB、CoFe、Fe、Co、FeBまたはCoBからなる0.3nm以上2.0nm以下の膜厚を有する。第2副磁性層は、第1副磁性層に接触し、10%以上30%以下のTaを含有するCoFeB、CoFe、Fe、Co、FeBまたはCoBからなり、0.2nm以上で0.6nm以下の膜厚を有する。 According to the second aspect, the magnetoresistive memory includes a tunnel barrier layer, a magnetization fixed layer provided on one side of the tunnel barrier layer, and a storage layer provided on the other side of the tunnel barrier layer. Have. The storage layer includes a first magnetic layer, a first nonmagnetic layer, a second nonmagnetic layer, and a second magnetic layer. The first magnetic layer is in contact with the tunnel barrier layer and has perpendicular magnetic anisotropy. The first nonmagnetic layer is in contact with the first magnetic layer, is made of Ta, and has a thickness of 0.1 nm to 0.5 nm. The second nonmagnetic layer is in contact with the first nonmagnetic layer, and is made of any one of Ru, Rh, and Pd, and has a thickness of 0.4 nm or more and 2.0 nm or less. The second magnetic layer is in contact with the second nonmagnetic layer and has perpendicular magnetic anisotropy. The first magnetic layer and the second magnetic layer are magnetically coupled by antiferromagnetic exchange coupling, and the value obtained by multiplying the saturation magnetization and thickness of the first magnetic layer is the saturation magnetization and thickness of the second magnetic layer. Greater than the value multiplied by The first magnetic layer has a first submagnetic layer and a second submagnetic layer. The first submagnetic layer is in contact with the tunnel barrier layer and has a thickness of 0.3 nm or more and 2.0 nm or less made of CoFeB, CoFe, Fe, Co, FeB, or CoB. The second submagnetic layer is in contact with the first submagnetic layer and is made of CoFeB, CoFe, Fe, Co, FeB, or CoB containing 10% to 30% Ta, and is 0.2 nm to 0.6 nm. The film thickness is as follows.
第3の態様によれば、磁気抵抗メモリは、複数のメモリセルと、各メモリセルの一方の端子に接続される第1配線と、各メモリセルの他方の端子に接続される第2配線と、選択線と、ライトアンプと、センスアンプと、選択線を制御するデコーダ回路と、を有する。ライトアンプは、第1配線および第2配線間に双方向に電流を流すように電圧を印加し、センスアンプは、第1配線および第2配線間の電圧差を検出する。各メモリセルは、第1または第2の態様の垂直磁化型磁気抵抗メモリ素子と、垂直磁化型磁気抵抗メモリ素子に接続された選択トランジスタと、を有する。選択線は、各メモリセルの選択トランジスタのゲートに接続される。 According to the third aspect, the magnetoresistive memory includes a plurality of memory cells, a first wiring connected to one terminal of each memory cell, and a second wiring connected to the other terminal of each memory cell. A selection line, a write amplifier, a sense amplifier, and a decoder circuit for controlling the selection line. The write amplifier applies a voltage so that a current flows in both directions between the first wiring and the second wiring, and the sense amplifier detects a voltage difference between the first wiring and the second wiring. Each memory cell has the perpendicular magnetization type magnetoresistive memory element of the first or second aspect, and a selection transistor connected to the perpendicular magnetization type magnetoresistive memory element. The selection line is connected to the gate of the selection transistor of each memory cell.
実施形態によれば、書換え電流Ic(スイッチング電流)を大きくせず、熱揺らぎ特性を改善し、磁化曲線のヒステリシス特性を示す部分が、外部磁場がゼロの範囲にある磁気抵抗メモリ素子および磁気抵抗メモリが実現される。 According to the embodiment, the rewrite current Ic (switching current) is not increased, the thermal fluctuation characteristic is improved, and the portion showing the hysteresis characteristic of the magnetization curve is the magnetoresistive memory element and magnetoresistive element in which the external magnetic field is in the zero range. Memory is realized.
本出願人は、特願2012−271077号で、記憶層をSAF構造にすることで、低スイッチング電流・高保持特性を持つMRAMを開示している。まず、特願2012−271077号に開示した先行技術のMRAM構造について説明する。
図1は、先行技術の界面垂直磁化型のMRAMのメモリセルを示す図であり、(A)が1個のメモリセルの電気的等価回路を、(B)が複数のメモリセルを配置したメモリセルアレイを、示す。
In Japanese Patent Application No. 2012-271077, the present applicant discloses an MRAM having a low switching current and a high retention characteristic by making the storage layer into the SAF structure. First, the prior art MRAM structure disclosed in Japanese Patent Application No. 2012-271077 will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a prior art interface perpendicular magnetization type MRAM memory cell, in which (A) shows an electrically equivalent circuit of one memory cell, and (B) shows a memory in which a plurality of memory cells are arranged. A cell array is shown.
図1の(A)に示すように、メモリセル10は、トランジスタ(nMOSFET)11と、抵抗値が設定される可変抵抗素子12と、を有する。可変抵抗素子12は、界面垂直MTJを含み、記憶データに応じて記憶層(磁化自由層)の磁化方向が設定される。可変抵抗素子12の一端はビット線14に接続され、可変抵抗素子12の他端はトランジスタ11の一方の被制御端子(ドレイン)に接続される。トランジスタ11の制御端子(ゲート)はワード線13に接続され、トランジスタ11の他方の被制御端子(ソース)はソース線15に接続される。
As shown in FIG. 1A, the
メモリセル10にデータを書き込む場合は、ワード線13に選択電圧(H)を印加してトランジスタ11をオンし、書き込むデータ(HまたはL)に応じて、ビット線14とソース線15の間に極性の異なる電流を流すように電圧を印加する。これにより、書き込むデータに応じて、MTJの磁化自由層の磁化方向が設定され、可変抵抗素子12は、異なる抵抗値を呈する。メモリセル10からデータを読み出す場合は、ワード線13に選択電圧(H)を印加してトランジスタ11をオンし、ビット線14とソース線15の間に、書き込み時より小さい電圧を印加する。これにより、トランジスタ11および可変抵抗素子12を介して、ビット線14とソース線15の間に電流が流れるが、可変抵抗素子12の抵抗値に応じて流れる電流が異なるので、電流量の差に対応して記憶しているデータを検出する。
When data is written to the
図1の(A)では、ビット線14とソース線15が直交しているが、書き込みおよび読み出し動作の関係から、ビット線14とソース線15は隣接して平行に配置されることが望ましい。図1の(B)は、ビット線14とソース線15を平行に配置した場合のメモリセルのレイアウトを示す。図1の(B)に示すように、ビット線14とソース線15の組に対してワード線13が直交する方向に配置される。図1の(B)では、同一のビット線14およびソース線15に接続される隣接する2個のメモリセルのトランジスタ11のソースは接続され、その接続ノードがソース線15に接続される。
In FIG. 1A, the
図2は、図1の(B)に示したメモリセルのレイアウトで、同一のビット線14およびソース線15に接続される隣接する2個のメモリセルおよび周辺回路部分のトランジスタの断面構造の例を示す図である。
図2に示すように、メモリセル部分および周辺回路部分において、基板21の上の層22にトランジスタなどの機能素子が形成される。コンタクト層CTでは、ゲート電極23Aおよび23B、ドレイン電極24Aおよび24B、およびソース電極25が形成される。M1からM5は、それぞれメタル層を示し、V1からVM4はビア層を示す。図示していないが、ゲート電極23Aおよび23Bは、いずれかのメタル層に設けられた、紙面に垂直な方向に伸びるワード線に接続される。また、ソース電極25は、いずれかのメタル層に設けられた、紙面上を横方向に伸びるソース線に接続される。ドレイン電極24Aおよび24Bは、メタル層M1〜M4およびビア層V1〜V4を介して上層に導かれ、下部電極26に接続される。以上の構造は、メモリセル部分および周辺回路部分で同じである。メモリセル部分においては、MTJ30は下部電極26と上部電極28の間に形成され、上部電極28はメタル層M5に配置され、紙面上を横方向に伸びるビット線に接続される。
FIG. 2 shows an example of a cross-sectional structure of two adjacent memory cells connected to the
As shown in FIG. 2, functional elements such as transistors are formed in the
MTJ30以外の部分は、これまで広く行われている配線レイアウトおよび製造方法を適用して実現されるため説明は省略し、MTJについてのみ説明する。
Since parts other than the
図3は、MTJ30の構造を示す図であり、(A)がトップピン型のMTJ30の構造を、(B)がボトムピン型のMTJ30の構造を、示す。
図3の(A)に示すように、トップピン型のMTJ30は、下部電極26の上面に接触する記憶(フリー:磁化自由)層40と、記憶層40の上面に接触するトンネルバリア層31と、トンネルバリア層31の上面に接触する磁化固定(ピン)層32と、を有する。上部電極28は、磁化固定層32の上面に接触するように形成される。
3A and 3B are diagrams showing the structure of the
As shown in FIG. 3A, the top
また、図3の(B)に示すように、ボトムピン型のMTJ30は、下部電極26の上面に接触する磁化固定層32と、磁化固定層32の上面に接触するトンネルバリア層31と、トンネルバリア層31の上面に接触する記憶層40と、を有する。上部電極28は、記憶層40の上面に接触するように形成される。
As shown in FIG. 3B, the bottom
上記のように、トップピン型のMTJ30とボトムピン型のMTJ30は、磁化固定(ピン)層32が、トンネルバリア層31の上側に形成されるか、下側に形成されるか、が異なる。言い換えれば、記憶層40が、トンネルバリア層31の上側に形成されるか、下側に形成されるか、が異なる。いずれの場合も、動作原理に差異はない。
As described above, the top
図4は、先行技術におけるトンネルバリア層31および記憶層40の構造を示す図であり、(A)がトップピン型のMTJ30の場合を、(B)がボトムピン型のMTJ30の場合を、示す。
4A and 4B are diagrams showing structures of the
図4の(A)に示すように、トップピン型のMTJ30の記憶層40は、トンネルバリア層31の下面に接触する第1記憶磁性層M1と、M1の下面に接触する常磁性(非磁性)層Nと、非磁性層Nの下面に接触する第2記憶磁性層M2と、を有する。したがって、第2記憶磁性層M2の下面には下部電極26が接触する。
As shown in FIG. 4A, the
先行技術では、非磁性層Nは、第1記憶磁性層M1の下面に接触する第1非磁性層N1と、第1非磁性層N1の下面に接触する第2非磁性層N2と、を有する。したがって、第2非磁性層N2は、第2記憶磁性層M2の上面に接触する。なお、非磁性層Nは、先行技術では第1非磁性層N1および第2非磁性層N2の2層を有するが、1層でも、3層以上でもよく、2層に限定されるものではない。さらに、先行技術では、第1記憶磁性層M1と第2記憶磁性層M2は、後述するように、反強磁性結合している。 In the prior art, the nonmagnetic layer N has a first nonmagnetic layer N1 that contacts the lower surface of the first memory magnetic layer M1, and a second nonmagnetic layer N2 that contacts the lower surface of the first nonmagnetic layer N1. . Therefore, the second nonmagnetic layer N2 is in contact with the upper surface of the second memory magnetic layer M2. The nonmagnetic layer N has two layers of the first nonmagnetic layer N1 and the second nonmagnetic layer N2 in the prior art, but may be one layer, three layers or more, and is not limited to two layers. . Furthermore, in the prior art, the first memory magnetic layer M1 and the second memory magnetic layer M2 are antiferromagnetically coupled as will be described later.
図4の(B)に示すように、ボトムピン型のMTJ30の記憶層40は、図4の(A)のトップピン型のMTJ30の記憶層40を、上下逆転した構造を有する。
As shown in FIG. 4B, the
図4の(A)および(B)に示すように、先行技術の記憶層40は、前述のSAF (Synthetic AntiFerromagneticあるいはFerrimagnetic)構造を有する。垂直磁化膜SAF構造を有する記憶層で、単純に2つの強磁性層として、垂直磁気異方性を持つ磁性体を用いて、記憶層にSAF構造を形成するだけでは、熱揺らぎ安定性が増加する。しかし、スイッチング電流が大きくなってしまい磁化反転が容易ではない可能性があることが判明した。そこで、スイッチング電流を小さくでき、良好な熱揺らぎ安定性が得られる条件を調べたところ、トンネルバリア層に接する第1磁性層M1の磁化と、トンネルバリアから離れた第2磁性層M2の磁化との関係が、記憶層の特性に大きく影響することを見出した。具体的には、第1磁性層M1の磁化が、第2磁性層M2の磁化より大きい構造を用いることにより、スイッチング電流を大きくせず、熱揺らぎ特性を改善することができる。以下、先行技術の実施形態のボトムピン型のMTJ30の記憶層40について説明する。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the
MTJ30のトンネルバリア層31としては、通常MgOが広く用いられている。高磁気抵抗を得るためにはMgOが(001)配向する必要がある。そのためには、MgOトンネルバリア層31の上下の層、すなわち第1磁性層M1および磁化固定層32は、結晶整合性がよい、Fe、Co、CoFe、CoFeB、CoB、FeBのいずれかで形成することが望ましい。これらの磁性体は、極薄膜の場合において、垂直磁気異方性が発現することが知られている。
As the
一方、M2層に関しては、基本的に、垂直磁気異方性をもつ磁性体であれば、どのような材料で形成してもよい。しかし後述するように、M1層の磁化よりも小さくするために、材料やその膜厚が限定される。 On the other hand, the M2 layer may be formed of any material as long as it is basically a magnetic body having perpendicular magnetic anisotropy. However, as will be described later, the material and the film thickness thereof are limited in order to make it smaller than the magnetization of the M1 layer.
第2非磁性層N2としては、Ru、Rh、Pd等の元素が用いられ、その膜厚は 0.4nm〜2.0nmの範囲である。RKKY交換相互作用により、M1層とM2層の間に反強磁性的交換相互作用が働くような膜厚を用いる。RKKY交換相互作用は、金属層などを介した場合に発現する電子軌道の波動に起因する相関結合である。 For the second nonmagnetic layer N2, elements such as Ru, Rh, Pd are used, and the film thickness is in the range of 0.4 nm to 2.0 nm. The film thickness is such that antiferromagnetic exchange interaction acts between the M1 layer and the M2 layer due to the RKKY exchange interaction. The RKKY exchange interaction is a correlation coupling caused by the wave motion of an electron orbit that occurs when a metal layer is interposed.
また、第1非磁性層N1は、第1強磁性層M1が第2強磁性層M2の影響を受けないで、MgOトンネルバリア層31の界面から結晶化が進むように挿入するもので、Ta、Nb等の元素が用いられ、その膜厚は0.1nm〜0.5nmの範囲である。
The first nonmagnetic layer N1 is inserted so that crystallization proceeds from the interface of the MgO
第2強磁性層M2をCoPdで、第1強磁性層M1をCoFeBで形成した試料を製作し、その特性を調べた。ここで、M2層のCoPdは、Coを厚さ0.3nm、Pdを厚さ0.7nmの組とし、これをn=1〜3回堆積し、最後のCoを厚さ0.3nmで堆積した。今後、このような層構造[Co0.3nm/Pd0.7nm]n=iCo0.3nmをCoPd(n=i)と表記する。 A sample in which the second ferromagnetic layer M2 was made of CoPd and the first ferromagnetic layer M1 was made of CoFeB was manufactured, and the characteristics thereof were examined. Here, CoPd of the M2 layer is a set of Co having a thickness of 0.3 nm and Pd having a thickness of 0.7 nm, and this is deposited n = 1 to 3 times, and the last Co is deposited with a thickness of 0.3 nm. did. In the future, such a layer structure [Co0.3 nm / Pd0.7 nm] n = iCo0.3 nm will be referred to as CoPd (n = i).
図5は、試料の構造を示す図である。この試料は、下部金属26および上部金属28を厚さ5mnのTa膜とし、トンネルバリア層31を厚さ0.9mnのMgO膜とし、第1記憶磁性層M1を厚さ0.7nmのCoFeB膜とする。そして、第2記憶磁性層M1を、上記の[Co0.3nm/Pd0.7nm]n=iCo0.3nmの層構造膜とし、第1非磁性層N1を厚さ0.2nmのTa膜とし、第2非磁性層N2を厚さ0.6nmのRu膜とする。この場合、第2非磁性層N2の厚さが0.2nmと薄いので、M1層とM2層の間に反強磁性的交換相互作用が働く。したがって、この試料には、記憶層40のみが設けられ、磁化固定(ピン)層32は設けられていない。図5の試料で、nを1〜3と変化させた時の測定結果から、良好な特性を示すMTJの構造を求めた。
FIG. 5 is a diagram showing the structure of the sample. In this sample, the
図6は、先行技術に開示された良好な特性を示すMTJの構造例を示す図であり、(A)がトップピン型の例を、(B)がボトムピン型の例を示す。
図6において、Bottom electrodeが下部金属26に、Top electrodeが上部金属28に、MgOがトンネルバリア層31に、それぞれ対応する。図6の(A)において、記憶層がフリー層40に対応し、そこに含まれるCoFeB0.7nmが第1記憶磁性層M1に、CoPd1.1nmが第2記憶磁性層M2に、Ta0.2nmが第1非磁性層N1に、Ru0.6nmが第2非磁性層N2に、対応する。それ以外のCoFeB1.2nm、Ta0.3nm、CoPt4nm、Ru1.0nmおよびCoPt14nmが磁化固定(ピン)層32を形成する。
6A and 6B are diagrams showing an example of the structure of an MTJ showing good characteristics disclosed in the prior art, in which FIG. 6A shows an example of a top pin type and FIG. 6B shows an example of a bottom pin type.
In FIG. 6, the bottom electrode corresponds to the
図6の(B)において、記憶層がフリー層40に対応し、そこに含まれるCoFeB1.2nmが第1記憶磁性層M1に、CoPd1.1(n=2)が第2記憶磁性層M2に、Ta0.3nmが第1非磁性層N1に、Ru0.6nmが第2常磁性層N2に、対応する。それ以外のCoFeB1.0nm、Ta0.3nm、CoPt4nm、RuおよびCoPt14nmが磁化固定(ピン)層32を形成する。
In FIG. 6B, the storage layer corresponds to the
図6に示した記憶層においては、トンネルバリア層に接触する第1磁性層の磁化が、トンネルバリア層に接触しない第2磁性層の磁化より大きい。言い換えれば、第1磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値は、第2磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値より大きい。 In the memory layer shown in FIG. 6, the magnetization of the first magnetic layer that is in contact with the tunnel barrier layer is larger than the magnetization of the second magnetic layer that is not in contact with the tunnel barrier layer. In other words, the value obtained by multiplying the saturation magnetization and thickness of the first magnetic layer is larger than the value obtained by multiplying the saturation magnetization and thickness of the second magnetic layer.
以上、特願2012−271077号に開示した先行技術について説明した。なお、上記の説明は、特願2012−271077号に開示した技術の一部であり、特願2012−271077号に開示しているがここでは説明していない技術であっても、本出願に適用可能である。
図6に示したMTJの特性を試験したところ、MRAMに使用する上で、不十分な点が見出された。以下、これについて説明する。
The prior art disclosed in Japanese Patent Application No. 2012-271077 has been described above. The above description is a part of the technology disclosed in Japanese Patent Application No. 2012-271077, and even the technology disclosed in Japanese Patent Application No. 2012-271077 is not described here. Applicable.
When the characteristics of the MTJ shown in FIG. 6 were tested, it was found that the MTJ was insufficient for use in the MRAM. This will be described below.
図7は、一般的なMTJの外部磁界による素子抵抗の磁化曲線である。
高抵抗状態と低抵抗状態を“1”、“0”に対応させて情報を記憶させる。例えば、図7において実線で示す磁化曲線は、外部磁場の正側にシフトしている。このずれをオフセット磁場(Hoff)と定義する。この場合、外部磁場がゼロのときには、“0”状態しか存在しないため、“1”状態にスイッチさせることができない。
FIG. 7 is a magnetization curve of element resistance due to an external magnetic field of a general MTJ.
Information is stored by associating the high resistance state and the low resistance state with “1” and “0”. For example, the magnetization curve indicated by the solid line in FIG. 7 is shifted to the positive side of the external magnetic field. This deviation is defined as an offset magnetic field (Hoff). In this case, when the external magnetic field is zero, since only the “0” state exists, it cannot be switched to the “1” state.
MTJを利用した磁気抵抗半導体メモリでは、動作時に外部磁場を印加することは行えず、MTJに印加される外部磁場はゼロである。この状態でMTJに電流(電圧)を印加して状態を切り換える(スイッチする)には、外部磁場がゼロの軸に対し“1”と“0”の二つの状態が存在することが求められ、そのためオフセット磁場はゼロに近いことが求められる。 In a magnetoresistive semiconductor memory using MTJ, an external magnetic field cannot be applied during operation, and the external magnetic field applied to MTJ is zero. In this state, in order to switch (switch) the state by applying current (voltage) to the MTJ, it is required that there are two states “1” and “0” with respect to the axis where the external magnetic field is zero. Therefore, the offset magnetic field is required to be close to zero.
また、オフセット磁場がゼロでなくても、Hoff<Hc(Hc=磁化曲線のヒステリシス部分の幅/2)の場合には、図7の点線の磁化曲線で示すように、外部磁場がゼロの軸に対し“1”、“0”の二つの状態が存在しうる。そのため、Hcが大きくなると、Hoffのマージンが広がることになる。 Even if the offset magnetic field is not zero, if Hoff <Hc (Hc = width of the hysteresis part of the magnetization curve / 2), the axis of the external magnetic field is zero as shown by the dotted magnetization curve in FIG. On the other hand, there can be two states, “1” and “0”. Therefore, when Hc increases, the Hoff margin increases.
特許文献3に記載されるように、オフセット磁場をゼロに近づけるには、ピン層をSAF構造にし、SAF構造を形成する二層の強磁性体の膜厚をコントロールする。しかしながら、記憶層(フリー層)がSAF構造のMTJの場合、磁化固定層(ピン層)をSAF構造にし、その膜厚を変化させても、オフセット磁場をゼロ付近にコントロールして作製することは難しかった。 As described in Patent Document 3, in order to bring the offset magnetic field close to zero, the pinned layer has a SAF structure, and the film thickness of the two-layered ferromagnetic material forming the SAF structure is controlled. However, when the storage layer (free layer) is an MTJ having a SAF structure, the magnetization pinned layer (pinned layer) can be made to have a SAF structure, and the offset magnetic field can be controlled to be near zero even if the film thickness is changed. was difficult.
例えば、図8は、図6の(A)に示した磁化固定層(ピン層)および記憶層(フリー層)を有する磁気抵抗メモリのMTJの特性を示す磁化曲線の図である。この場合、Hoffは3000Oeもあった。
以下に説明する実施形態では、Hoffがゼロに近いMTJが開示される。
For example, FIG. 8 is a magnetization curve diagram showing the MTJ characteristics of the magnetoresistive memory having the magnetization fixed layer (pinned layer) and the storage layer (free layer) shown in FIG. In this case, Hoff was 3000 Oe.
In the embodiments described below, an MTJ with Hoff close to zero is disclosed.
まず、第1実施形態について説明する。
マイクロマグネティック・シミュレーションにより、記憶層(フリー層)のSAF構造の「交換相互作用の大きさ」(−Jex)を制御することで、オフセット磁場をコントロールできることを発見した。以下、シミュレーションによる検討結果を示す。
First, the first embodiment will be described.
It was discovered by micromagnetic simulation that the offset magnetic field can be controlled by controlling the “magnification of exchange interaction” (−Jex) of the SAF structure of the storage layer (free layer). The following are the results of study by simulation.
図9は、フリー層のSAF構造の強磁性体層の二層(図4のM1とM2)を一定にし、−Jexを変化させたときのHoffとHcの変化を示す図である。この図から、−Jexが減少するとともに、Hoffも単調に減少し、−Jexが約0.18erg/cm2のときに、Hoffがほぼゼロになることがわかる。 FIG. 9 is a diagram illustrating changes in Hoff and Hc when the two layers (M1 and M2 in FIG. 4) of the ferromagnetic layer having the SAF structure of the free layer are made constant and −Jex is changed. From this figure, it can be seen that as -Jex decreases, Hoff also decreases monotonously, and when -Jex is about 0.18 erg / cm 2 , Hoff becomes almost zero.
さらに、SAF構造の第1非磁性層の膜厚を制御することにより、−Jexの大きさをコントロールできることを発見した。 Furthermore, it has been found that the magnitude of -Jex can be controlled by controlling the thickness of the first nonmagnetic layer having the SAF structure.
図10は、CoPd1.4nm/Ru0.6nm/Ta(t−nm)/CoFeB0.7nm/Mgo構造で、Ta層の膜厚を0.2、0.25、0.3、0.4nmと変化させた場合の磁化曲線を示す。なお、図10のシミュレーションは、ピン層を有さない構造を対象に行ったもので、ピン層も含むMTJの場合とは異なるが、特性を予測することが可能である。 FIG. 10 shows a CoPd 1.4 nm / Ru 0.6 nm / Ta (t-nm) / CoFeB 0.7 nm / Mgo structure with the Ta layer thickness changed to 0.2, 0.25, 0.3, and 0.4 nm. The magnetization curve at the time of making it show is shown. The simulation of FIG. 10 is performed for a structure that does not have a pinned layer, and is different from the MTJ that also includes the pinned layer, but the characteristics can be predicted.
図10から、Taの膜厚が厚くなると、磁化曲線の高磁場側のヒステリシスが生じる磁場(Hsf)が小さくなる傾向を示すことが分かる。−JexとHsfは、非特許文献5に記載されるように、次の関係があることが知られている。
−Jex=(Hsf/2)Ms1t1Ms2t2/(Ms2t2−Ms1t1)
この関係から、−JexはHsfに比例し、Hsfは第1非磁性層(Ta)の膜厚に応じて変化するので、−JexとTa層の膜厚の関係を求めることができる。
From FIG. 10, it can be seen that the magnetic field (Hsf) in which the hysteresis on the high magnetic field side of the magnetization curve tends to decrease as the film thickness of Ta increases. -Jex and Hsf are known to have the following relationship as described in
-Jex = (Hsf / 2) Ms1t1Ms2t2 / (Ms2t2-Ms1t1)
From this relationship, -Jex is proportional to Hsf, and Hsf changes according to the thickness of the first nonmagnetic layer (Ta), so that the relationship between -Jex and the thickness of the Ta layer can be obtained.
図11は、−JexとTa層の膜厚の関係を示す図である。
図11から、−JexはTaの膜厚にほぼ比例し、上記のHoffをゼロにする、すなわち−Jexを約0.18erg/cm2にするには、Taの膜厚を約0.3nmにすればよいことが判明した。なお、Taの膜厚が0.25nm〜0.35nmの範囲であれば、外部磁場がゼロでも、磁化曲線は“0”と“1”のに状態を取り得る。
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between -Jex and the thickness of the Ta layer.
From FIG. 11, −Jex is almost proportional to the Ta film thickness, and in order to make the above Hoff zero, that is, to make −Jex about 0.18 erg / cm 2 , the Ta film thickness is about 0.3 nm. It turned out that it should do. If the thickness of Ta is in the range of 0.25 nm to 0.35 nm, the magnetization curve can be in the state of “0” and “1” even if the external magnetic field is zero.
図12は、上記の解析結果に基づいて作製した第1実施形態のMTJの構造を示す図である。
第1実施形態のMTJは、トップピン型であり、記憶層(フリー層)40と、フリー層)40の上に形成されたトンネルバリア層31と、トンネルバリア層31の上に形成された磁化固定層(ピン層)30と、を有する。素子サイズは、約70nmφである。フリー層40は、トンネルバリア層31側から順に、第1磁性層M1、第1非磁性層N1、第2非磁性層N2および第2磁性層M2を有する。第1磁性層M1は、0.7nmの膜厚のCoFeBである。第1非磁性層N1は、0.3nmの膜厚のTaである。第2非磁性層N2は、0.6nmの膜厚のRuである。第2磁性層M2は、1.4nmの膜厚のCoPdである。言い換えれば、フリー層40は、CoPd1.4nm/Ru0.6nm/Ta0.3nm/CoFeB0.7nmである。トンネルバリア層31は、MgO膜である。
FIG. 12 is a view showing the structure of the MTJ of the first embodiment produced based on the above analysis results.
The MTJ of the first embodiment is a top pin type, and includes a
ピン層30は、トンネルバリア層31側から順に、CoFeB層51、Ta層52、膜厚6nmのCoPt層53と、Ru層54と、膜厚14nmのCoPt層55と、を有する。
The pinned
図13は、試作した図12の第1実施形態のMTJの特性の測定結果を示す図であり、(A)がRHヒステリシス曲線を、(B)が複数サンプルのHoffおよびHcの分布を示す図である。 FIG. 13 is a diagram showing measurement results of the MTJ characteristics of the first embodiment of FIG. 12, which is a prototype, where (A) shows the RH hysteresis curve and (B) shows the distribution of Hoff and Hc of a plurality of samples. It is.
図13の(A)に示すように、Hoffはほぼゼロであり、Hcも図8に比べて大きくなっていることが分かる。また、図13の(B)に示すように、Hoffはゼロを中心として分布し、Hcは600〜1100Oeの範囲に分布していることが分かる。
以上説明したように、第1実施形態のMTJは、Hoffがほぼゼロで、Hcも改善し、磁気抵抗メモリのMTJとして使用するのに適している。
As shown in FIG. 13A, it can be seen that Hoff is almost zero and Hc is larger than that in FIG. Further, as shown in FIG. 13B, it can be seen that Hoff is distributed around zero and Hc is distributed in the range of 600 to 1100 Oe.
As described above, the MTJ of the first embodiment has a substantially zero Hoff and an improved Hc, and is suitable for use as an MTJ of a magnetoresistive memory.
次に、第2実施形態について説明する。
第1実施形態では、記憶層(フリー層)の第1非磁性層であるTa層の膜厚を0.3nm付近にすることにより、Hoffをゼロに近づけた。これに対して、第2実施形態では、第1磁性層を積層構造とすることにより、Hoffをゼロに近づけ、Hc(磁化曲線のヒステリシス部分の幅/2)を大きくする。Hcを大きくすることにより、Hoffがゼロからずれていても、外部磁場がゼロの状態で、“1”と“0”の間でスイッチするようにする。言い換えれば、Hsを大きくすることによりHoffのマージンを広げ、Hoffのゼロからのによる問題が実用上発生しないようにする。
Next, a second embodiment will be described.
In the first embodiment, Hoff is brought close to zero by setting the thickness of the Ta layer, which is the first nonmagnetic layer of the storage layer (free layer), to around 0.3 nm. On the other hand, in the second embodiment, the first magnetic layer has a laminated structure, whereby Hoff is brought close to zero and Hc (width of the hysteresis portion of the magnetization curve / 2) is increased. By increasing Hc, even if Hoff is deviated from zero, switching is performed between “1” and “0” in a state where the external magnetic field is zero. In other words, by increasing Hs, the margin of Hoff is widened so that the problem due to Hoff from zero does not occur in practice.
図14は、第2実施形態のMTJのトンネルバリア層31およびフリー層40の構造を示す図である。トンネルバリア層31は、MgO膜である。フリー層40は、トンネルバリア層31側から順に、第1磁性層M1、第1非磁性層N1、第2非磁性層N2および第2磁性層M2を有する。第1非磁性層N1は、0.2nmの膜厚のTaである。第2非磁性層N2は、0.6nmの膜厚のRuである。第2磁性層M2は、CoPdである。第2実施形態では、第1磁性層M1を、第1副磁性層M11と、第2副磁性層M12と、を有する積層構造とする。第1副磁性層M11は、CoFeB、CoFe、Fe、Co、FeBまたはCoBからなる磁性層であり、膜厚は0.3nmと2.0nmの間、望ましくは0.3nm以上0.9nm以下である。第2副強磁性層は、10%以上30%以下のTaを含有するCoFeB、CoFe、Fe、Co、FeBまたはCoBからなる磁性層であり、膜厚は0.2nmと0.6nmの間、望ましくは0.2nm以上0.4nm以下である。
FIG. 14 is a diagram illustrating the structure of the
図14の第2実施形態のMTJで、M2、N2、N1、M12、M11およびMgOを、CoPd1.4nm/Ru0.6nm/Ta0.2nm/CoFeBTa0.4nm/CoFeB0.4nm/MgO構造を試作し、VSMを用いて磁化曲線を測定した。また、比較例として、CoPd1.4nm/Ru0.6nm/Ta0.2nm/CoFeB0.7nm/MgOの参照構造に対しても比較プロットした。 In the MTJ of the second embodiment of FIG. 14, M2, N2, N1, M12, M11 and MgO were prototyped as CoPd 1.4 nm / Ru 0.6 nm / Ta 0.2 nm / CoFeBTa 0.4 nm / CoFeB 0.4 nm / MgO. Magnetization curves were measured using VSM. As a comparative example, a comparative plot was also made for a reference structure of CoPd 1.4 nm / Ru 0.6 nm / Ta 0.2 nm / CoFeB 0.7 nm / MgO.
図15は、磁化曲線を示す図であり、実線が図14の第2実施形態のMTJの磁化曲線を、点線が比較例の参照MTJの磁化曲線を示し、(B)は(A)の破線円の部分を拡大した図である。 FIG. 15 is a diagram illustrating a magnetization curve, where a solid line indicates the magnetization curve of the MTJ of the second embodiment of FIG. 14, a dotted line indicates the magnetization curve of the reference MTJ of the comparative example, and (B) is a broken line of (A). It is the figure which expanded the part of the circle.
第1副磁性層M1であるCoFeB層を、2層のCoFeBTa/CoFeBに置き換えることで、図15の(A)に示すように、磁化曲線のHsfが小さく、言い換えると−Jexを小さくできる。 By replacing the CoFeB layer that is the first submagnetic layer M1 with two layers of CoFeBTa / CoFeB, as shown in FIG. 15A, the Hsf of the magnetization curve can be reduced, in other words, −Jex can be reduced.
さらに、図15の(B)に示すように、低磁場におけるループの飽和磁化(Ms)がMs’からMsに減少し、ヒステリシスの幅がHc’からHcに増加することが分かった。単磁区の場合には、Hcは、結晶磁気異方性エネルギー(Hk)に比例するので、第2実施形態のMTJでは、Hkが増加し、垂直磁化がより安定して存在するようになる。 Further, as shown in FIG. 15B, it was found that the saturation magnetization (Ms) of the loop in a low magnetic field decreased from Ms ′ to Ms, and the hysteresis width increased from Hc ′ to Hc. In the case of a single magnetic domain, Hc is proportional to the magnetocrystalline anisotropy energy (Hk). Therefore, in the MTJ of the second embodiment, Hk increases and the perpendicular magnetization exists more stably.
ここで、比較例であるCoPd1.4nm/Ru0.6nm/Ta0.2nm/CoFeB0.7nm/MgOの構造で、−Jexが約0.1erg/cm2、CoFeBのHkとして、マイクロマグネティック・シミュレーションを行った。このシミュレーションに基づいて、オフセット磁場Hoffを算出した結果、Hoff=−3500Oeとなった。 Here, a micromagnetic simulation was performed with a structure of CoPd 1.4 nm / Ru 0.6 nm / Ta 0.2 nm / CoFeB 0.7 nm / MgO as a comparative example, with -Jex being about 0.1 erg / cm 2 and CoFeB Hk. It was. As a result of calculating the offset magnetic field Hoff based on this simulation, Hoff = −3500 Oe.
図16は、第2実施形態のMTJの構造でマイクロマグネティック・シミュレーションを行い、CoFeBTa/CoFeB層を仮定し、Hkを4500Oeと約1.5倍大きくした場合の結果を示す図である。図16で、破線の直線より上の領域は、Hoff<Hcの領域であり、MTJを界面垂直磁化型MRAMに適用した場合に、外部磁場を印加せずに動作させることができる領域である。図16によれば、Hoffは約600Oe減少しただけであったが、Hcは約1400Oe増大することがわかった。この結果、Hoffは約600Oeであるが、Hoff<Hcを満足できるようになり、外部磁場印加することなく、MTJを動作させることが可能となる。このように、Hoffのマージンが大きくなり、Hoffがゼロでなくても動作が可能となる。 FIG. 16 is a diagram showing a result of performing a micromagnetic simulation with the MTJ structure of the second embodiment, assuming a CoFeBTa / CoFeB layer, and increasing Hk to about 4500 Oe by about 1.5 times. In FIG. 16, the region above the broken line is a region where Hoff <Hc, and can be operated without applying an external magnetic field when the MTJ is applied to the interface perpendicular magnetization type MRAM. According to FIG. 16, it was found that Hoff only decreased about 600 Oe, but Hc increased about 1400 Oe. As a result, although Hoff is about 600 Oe, Hoff <Hc can be satisfied, and the MTJ can be operated without applying an external magnetic field. In this way, the Hoff margin is increased, and operation is possible even if Hoff is not zero.
図17は、上記の解析結果に基づいて作製した第2実施形態のMTJの構造を示す図である。
第2実施形態のMTJは、トップピン型であり、記憶層(フリー層)40と、フリー層)40の上に形成されたトンネルバリア層31と、トンネルバリア層31の上に形成された磁化固定層(ピン層)30と、を有する。素子サイズは、約50nmφである。フリー層40は、トンネルバリア層31側から順に、第1副磁性層M11、第2副磁性層M12、第1非磁性層N1、第2非磁性層N2および第2磁性層M2を有する。第1副磁性層M11は、0.4nmの膜厚のCoFeBTaである。第2副磁性層M12は、0.4nmの膜厚のCoFeBである。第1非磁性層N1は、0.2nmの膜厚のTaである。第2非磁性層N2は、0.6nmの膜厚のRuである。第2磁性層M2は、1.4nmの膜厚のCoPdである。言い換えれば、フリー層40は、CoPd1.4nm/Ru0.6nm/Ta0.3nm/CoFeBTa0.4nm/CoFeB0.4nmである。トンネルバリア層31は、MgO膜である。
FIG. 17 is a view showing the structure of the MTJ of the second embodiment manufactured based on the above analysis result.
The MTJ of the second embodiment is a top pin type, and includes a storage layer (free layer) 40, a
ピン層30は、トンネルバリア層31側から順に、膜厚1.2nmのCoFeB層51、Ta層52、膜厚7nmのCoPt層53と、Ru層54と、膜厚14nmのCoPt層55と、を有する。
The pinned
図18は、試作した図17の第2実施形態のMTJの特性の測定結果を示す図であり、(A)がRHヒステリシス曲線を、(B)が複数サンプルのHoffおよびHcの分布を示す図である。 18A and 18B are diagrams showing measurement results of the MTJ characteristics of the prototyped second embodiment of FIG. 17, in which FIG. 18A shows an RH hysteresis curve, and FIG. 18B shows a distribution of Hoff and Hc of a plurality of samples. It is.
図18の(A)に示すように、Hoffは37Oeで、ほぼゼロであり、Hcは図8の場合と同じであることが分かる。また、図18の(B)に示すように、Hoffは約200Oeを中心として分布し、Hcは150〜500Oeの範囲に分布していることが分かる。 As shown in FIG. 18A, Hoff is 37 Oe, which is almost zero, and Hc is the same as in FIG. Further, as shown in FIG. 18B, it can be seen that Hoff is distributed around 200 Oe and Hc is distributed in the range of 150 to 500 Oe.
以上説明したように、第2実施形態のMTJは、Hoffがほぼゼロで、Hcも改善し、磁気抵抗メモリのMTJとして使用するのに適している。
第1および第2実施形態のMTJは、図1および図2で説明した形で界面垂直磁化型MRAMに適用される。また、第1および第2実施形態のMTJの製造プロセスは、広く知られている製造プロセスで実現され、特願2012−271077号に開示にも開示されているので、説明を省略する。
As described above, the MTJ of the second embodiment has a substantially zero Hoff and an improved Hc, and is suitable for use as an MTJ of a magnetoresistive memory.
The MTJ of the first and second embodiments is applied to the interface perpendicular magnetization type MRAM in the form described with reference to FIGS. Further, the MTJ manufacturing process of the first and second embodiments is realized by a widely known manufacturing process, and is also disclosed in Japanese Patent Application No. 2012-271077, so the description thereof is omitted.
図19は、これまで説明したMTJを有する実施形態の界面垂直磁化型MRAMを、CMOS回路に混載した半導体装置のブロック図である。
図19に示すように、半導体装置(チップ)200は、MRAM220と、MRAM220以外のCMOS回路部210と、を有する。CMOS回路部210は、例えば、プロセッサ等のロジック回路部211、アナログ回路部212、電源回路等を有する。
FIG. 19 is a block diagram of a semiconductor device in which the interface perpendicular magnetization type MRAM of the embodiment having the MTJ described so far is embedded in a CMOS circuit.
As illustrated in FIG. 19, the semiconductor device (chip) 200 includes an MRAM 220 and a CMOS circuit unit 210 other than the MRAM 220. The CMOS circuit unit 210 includes, for example, a logic circuit unit 211 such as a processor, an analog circuit unit 212, a power supply circuit, and the like.
図20は、MRAM220のブロック図である。
図20に示すように、MRAM220は、メモリセルアレイ301、ロウデコーダ302、コラムデコーダ303、選択スイッチ列304、ライトアンプ305、センスアンプ306、データI/O部307および制御部308を有する。ロウデコーダ302、コラムデコーダ303、データI/O部307および制御部308は、CMOS回路部210からのアドレス信号、入出力データおよび制御信号を受け、メモリセルアレイ301にアクセスする。MRAM220の構成および動作については広く知られているので、説明は省略する。
FIG. 20 is a block diagram of the MRAM 220.
As shown in FIG. 20, the MRAM 220 includes a memory cell array 301, a row decoder 302, a column decoder 303, a
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。 The embodiment has been described above, but all examples and conditions described herein are described for the purpose of helping understanding of the concept of the invention applied to the invention and technology. In particular, the examples and conditions described are not intended to limit the scope of the invention, and the construction of such examples in the specification does not indicate the advantages and disadvantages of the invention. Although embodiments of the invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
12 可変抵抗素子
26 下部電極
28 上部電極
30 MTJ(磁気トンネル接合)(Magnetic Tunnel Junction)
31 トンネルバリア層
32 磁化固定(ピン)層
40 記憶(フリー)層(磁化自由層)
M1 第1磁性層
M11 第1副磁性層
M12 第2副磁性層
M2 第2磁性層
N1 第1非(常)磁性層
N2 第2非(常)磁性層
12
31 Tunnel barrier layer 32 Magnetization fixed (pin)
M1 first magnetic layer M11 first submagnetic layer M12 second submagnetic layer M2 second magnetic layer N1 first non-paramagnetic layer N2 second non-paramagnetic layer
Claims (3)
前記トンネルバリア層の一方の側に設けられた磁化固定層と、
前記トンネルバリア層の他方の側に設けられた記憶層と、を備え、
前記記憶層は、
前記トンネルバリア層に接触し、垂直磁気異方性を有し、CoFeB、CoFe、Fe、Co、FeBまたはCoBのいずれかを材料とする第1磁性層と、
前記第1磁性層に接触し、Taを材料とし、0.25nm以上で0.35nm以下の膜厚を有する第1非磁性層と、
前記第1非磁性層に接触し、Ru、RhまたはPdのいずれかを材料とし、0.4nm以上で2.0nm以下の膜厚を有する第2非磁性層と、
前記第2非磁性層に接触し、垂直磁気異方性を有する第2磁性層と、を備え、
前記第1磁性層と前記第2磁性層は、反強磁性交換結合により磁気的に結合しており、
前記第1磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値は、前記第2磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値より大きいことを特徴とする垂直磁化型磁気抵抗メモリ素子。 A tunnel barrier layer;
A magnetization fixed layer provided on one side of the tunnel barrier layer;
A storage layer provided on the other side of the tunnel barrier layer,
The storage layer is
A first magnetic layer in contact with the tunnel barrier layer, having perpendicular magnetic anisotropy and made of any one of CoFeB, CoFe, Fe, Co, FeB or CoB;
A first nonmagnetic layer in contact with the first magnetic layer, made of Ta, and having a thickness of 0.25 nm to 0.35 nm;
A second nonmagnetic layer in contact with the first nonmagnetic layer, made of any of Ru, Rh, or Pd and having a thickness of 0.4 nm or more and 2.0 nm or less;
A second magnetic layer in contact with the second nonmagnetic layer and having perpendicular magnetic anisotropy,
The first magnetic layer and the second magnetic layer are magnetically coupled by antiferromagnetic exchange coupling,
A value obtained by multiplying the saturation magnetization and the thickness of the first magnetic layer is larger than a value obtained by multiplying the saturation magnetization and the thickness of the second magnetic layer.
前記トンネルバリア層の一方の側に設けられた磁化固定層と、
前記トンネルバリア層の他方の側に設けられた記憶層と、を備え、
前記記憶層は、
前記トンネルバリア層に接触し、垂直磁気異方性を有する第1磁性層と、
前記第1磁性層に接触し、Taを材料とし、0.1nm以上で0.5nm以下の膜厚を有する第1非磁性層と、
前記第1非磁性層に接触し、Ru、RhまたはPdのいずれかを材料とし、0.4nm以上で2.0nm以下の膜厚を有する第2非磁性層と、
前記第2非磁性層に接触し、垂直磁気異方性を有する第2磁性層と、を備え、
前記第1磁性層と前記第2磁性層は、反強磁性交換結合により磁気的に結合しており、
前記第1磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値は、前記第2磁性層の飽和磁化と厚さを乗じた値より大きく、
前記第1磁性層は、
前記トンネルバリア層に接触し、CoFeB、CoFe、Fe、Co、FeBまたはCoBからなる0.3nm以上2.0nm以下の膜厚を有する第1副磁性層と、
前記第1副磁性層に接触し、10%以上30%以下のTaを含有するCoFeB、CoFe、Fe、Co、FeBまたはCoBからなり、0.2nm以上で0.6nm以下の膜厚を有する第2副磁性層と、を備えることを特徴とする垂直磁化型磁気抵抗メモリ素子。 A tunnel barrier layer;
A magnetization fixed layer provided on one side of the tunnel barrier layer;
A storage layer provided on the other side of the tunnel barrier layer,
The storage layer is
A first magnetic layer in contact with the tunnel barrier layer and having perpendicular magnetic anisotropy;
A first nonmagnetic layer in contact with the first magnetic layer, made of Ta and having a thickness of 0.1 nm to 0.5 nm;
A second nonmagnetic layer in contact with the first nonmagnetic layer, made of any of Ru, Rh, or Pd and having a thickness of 0.4 nm or more and 2.0 nm or less;
A second magnetic layer in contact with the second nonmagnetic layer and having perpendicular magnetic anisotropy,
The first magnetic layer and the second magnetic layer are magnetically coupled by antiferromagnetic exchange coupling,
The value obtained by multiplying the saturation magnetization and thickness of the first magnetic layer is greater than the value obtained by multiplying the saturation magnetization and thickness of the second magnetic layer,
The first magnetic layer includes
A first submagnetic layer in contact with the tunnel barrier layer and made of CoFeB, CoFe, Fe, Co, FeB or CoB and having a thickness of 0.3 nm to 2.0 nm;
The first submagnetic layer is in contact with the first submagnetic layer and is made of CoFeB, CoFe, Fe, Co, FeB, or CoB containing 10% to 30% Ta, and has a thickness of 0.2 nm to 0.6 nm. And a perpendicular magnetization type magnetoresistive memory element.
各メモリセルの一方の端子に接続される第1配線と、
各メモリセルの他方の端子に接続される第2配線と、
選択線と、
前記第1配線および前記第2配線間に双方向に電流を流すように電圧を印加するライトアンプと、
前記第1配線および前記第2配線間の電圧差を検出するセンスアンプと、
前記選択線を制御するデコーダ回路と、を備え、
各メモリセルは、
請求項1または2に記載の垂直磁化型磁気抵抗メモリ素子と、
前記垂直磁化型磁気抵抗メモリ素子に接続された選択トランジスタと、を有し、
前記選択線は、各メモリセルの前記選択トランジスタのゲートに接続されることを特徴とする磁気抵抗メモリ。 A plurality of memory cells;
A first wiring connected to one terminal of each memory cell;
A second wiring connected to the other terminal of each memory cell;
A selection line,
A write amplifier that applies a voltage so that a current flows bidirectionally between the first wiring and the second wiring;
A sense amplifier for detecting a voltage difference between the first wiring and the second wiring;
A decoder circuit for controlling the selection line,
Each memory cell
The perpendicular magnetization type magnetoresistive memory element according to claim 1 or 2,
A select transistor connected to the perpendicular magnetization type magnetoresistive memory element,
2. The magnetoresistive memory according to claim 1, wherein the selection line is connected to a gate of the selection transistor of each memory cell.
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