JP2015126218A - 磁気トンネル接合素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＭｎＧａとＭｇＯとの格子歪みを緩和し得る磁気トンネル接合素子を提供する。
【解決手段】本発明は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、前記第１磁性層上の第１非磁性層と、前記第１非磁性層上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、を備え、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方がＭｎＧａであり、かつ、前記第１非磁性層に接する側に、ホイスラー合金からなる界面層を備え、前記界面層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数が、前記第１非磁性層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数と、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数との間にあり、前記第１磁性層、前記第１非磁性層、前記第２磁性層および前記界面層を流れる電流によって、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方並びに前記界面層の磁化方向が可変となる、磁気トンネル接合素子である。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、前記第１磁性層上の第１非磁性層と、前記第１非磁性層上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、を備え、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方がＭｎＧａであり、かつ、前記第１非磁性層に接する側に、ホイスラー合金からなる界面層を備え、前記界面層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数が、前記第１非磁性層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数と、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数との間にあり、前記第１磁性層、前記第１非磁性層、前記第２磁性層および前記界面層を流れる電流によって、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方並びに前記界面層の磁化方向が可変となる、磁気トンネル接合素子である。
【選択図】図１
Description
本発明は、磁気トンネル接合素子に関する。より詳細には磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）に用いるトンネル接合磁気抵抗素子に関する。
近年、高速読み書き、大容量、低消費電力動作も可能な次世代の固体不揮発メモリとして、強磁性体の磁気抵抗効果を利用したＭＲＡＭが注目されている。特に、強磁性トンネル接合を有する磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）は、磁気抵抗変化率が大きいことから注目を集めている。
強磁性トンネル接合は、磁化方向が可変な記憶層、絶縁体層、および特定の磁化方向を維持する固定層の三層積層構造が基本構成となる。この強磁性トンネル接合に電流を流すと、絶縁体層をトンネルして電流が流れる。このとき接合部の抵抗は、記憶層と固定層の磁化方向の相対角により変化し、磁化方向が平行のとき極小値を、反平行のとき極大値をとる。この抵抗変化はトンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ：ＴＭＲ）効果として知られている。一つの記憶セルとして強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子を用いる場合には、記憶層と固定層との磁化方向の平行、反平行状態（すなわち抵抗の極小、極大）を二進情報の“０”または“１”に対応づけることにより、情報を記憶することができる。
また、磁気トンネル接合素子への書き込み方式としてはスピン角運動量移動を用いたスピン注入書き込み方式が提案されている。この方式は、ＭＴＪ素子にスピン偏極電流を流して記憶層の磁化方向を反転させるものである。この方式を利用すれば、ＭＴＪ素子の記憶セルサイズを微細化することで電流密度が増える。このため、容易に磁性体の磁化反転を実現でき、高密度、低消費電力の磁気抵抗素子を構成することが可能である。
さらに、ＭＴＪ素子の絶縁体層として、ＭｇＯを用いることで、非常に高い磁気抵抗比が得られることが理論的に示され、近年注目を集めている。ＭｇＯを結晶化させることにより、強磁性層から特定の波数を持った電子のみを選択的にトンネル伝導させうる。このとき、特定の結晶方位でスピン分極率が大きな値を示すことから、巨大な磁気抵抗効果が発現する。したがって、ＭＴＪ素子の磁気抵抗効果を大きくすることが、ＭＲＡＭの高密度化、低消費電力化に直結する。
一方、記憶層または固定層として用いうる強磁性層としては、Ｌ１０構造となる組成のＭｎＧａを、スピン注入型（ＳＴＴ）のＭＴＪ素子に用いてＳＴＴ−ＭＲＡＭを形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ＭｇＯとＭｎＧａとは結晶格子が整合せず、ＭｎＧａの格子が歪むことにより、磁気特性が低下するという問題点がある。
この問題点に関して、特許文献１では、ＭｎＧａを非磁性のトンネルバリア層（絶縁体層）の両側に配置したＭＴＪ構造において、ＭｎＧａとの格子不整合の問題を解決する手段として、次のような手段を提案している。すなわち、非磁性のトンネルバリア層にＭｇＡｌＯを用いる方法や、トンネルバリア層の界面層としてＭｎＡｌを用いる方法である。
しかしながら、上記の従来技術による、ＭｇＡｌＯをトンネルバリア層に用いる方法では、ＭｎＧａとの格子不整合を減らすことが可能であるものの、ＭｇＡｌＯ自体が多くの結晶構造を取りうることから成膜面内で安定したトンネル接合を形成することが難しい。そのため、基板ウェハ面内での素子特性のばらつきが問題となる。
また、ＭｎＡｌを強磁性層であるＭｎＧａとトンネルバリア層であるＭｇＯとの界面層として用いる方法も、ＭｎＧａ強磁性層とＭｇＯトンネルバリア層の格子不整合を防ぐには効果的である。しかしながら、ＭｎＧａと結晶構造が同じＭｎＡｌの場合は、ＭｎＧａと同様に組成ずれによる磁気特性の変化が大きい。そのため、成膜時やアニール時に組成が変化するという問題を抑えることが難しいため、基板ウェハ面内での素子特性のばらつきが問題となる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ＭｎＧａの格子の歪みを低減することにより、磁気特性の低下を防止した磁気トンネル接合素子を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の問題点を解決すべく、鋭意研究を行った結果、ＭｎＧａからなる強磁性層と、非磁性層との間に、ホイスラー合金からなる界面層を設けることにより、格子不整合を緩和し、磁気特性の低下の低減されたＭＴＪ素子が得られることを見出した。
すなわち、本発明は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、
前記第１磁性層上の第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、を備え、
前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方がＭｎＧａであり、かつ、前記第１非磁性層に接する側に、ホイスラー合金からなる界面層を備え、
前記界面層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数が、前記第１非磁性層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数と、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数との間にあり、
前記第１磁性層、前記非磁性層、前記第２磁性層および前記界面層を流れる電流によって、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の磁化方向が可変となる、磁気トンネル接合素子である。
前記第１磁性層上の第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、を備え、
前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方がＭｎＧａであり、かつ、前記第１非磁性層に接する側に、ホイスラー合金からなる界面層を備え、
前記界面層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数が、前記第１非磁性層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数と、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数との間にあり、
前記第１磁性層、前記非磁性層、前記第２磁性層および前記界面層を流れる電流によって、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の磁化方向が可変となる、磁気トンネル接合素子である。
本発明の磁気トンネル接合素子は、強磁性層と非磁性層との間に格子定数を規定した界面層を設けることにより、強磁性層のＭｎＧａの格子の歪みが緩和され、磁気特性の低下が低減されたものとなる。
本発明の磁気トンネル接合素子は、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、第１磁性層上の非磁性層と、非磁性層上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、を備える。さらに、第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方が、Ｌ１０構造またはＤ０２２構造を有するＭｎＧａであり、かつ、非磁性層に接する側に、ホイスラー合金からなる界面層を備える。第１磁性層、非磁性層、第２磁性層および界面層を流れる電流によって、第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方並びに界面層の磁化方向が可変となる。さらに本発明では、界面層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数が、前記第１非磁性層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数と、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数との間にあることが特徴である。
本発明の磁気トンネル接合素子の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の磁気トンネル接合素子の一実施形態を模式的に示した断面図である。本実施形態の磁気トンネル接合素子１０は、バッファ層１１と、バッファ層１１上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層１２と、第１磁性層１２上の界面層１５と、界面層１５上の非磁性層１３と、非磁性層１３上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層１４と、を備えている。図１の実施形態では、第１磁性層１２がＭｎＧａ層であり、ホイスラー合金からなる界面層１５は、第１磁性層１２の格子定数と非磁性層１３の格子定数との間の格子定数を有している。また、第２磁性層１４は、非磁性層１３とは格子定数があまり相違しない材料で構成されている。
図２は、本発明の磁気トンネル接合素子の別の実施形態を模式的に示した断面図である。本実施形態の磁気トンネル接合素子２０は、バッファ層２１と、バッファ層２１上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層２２と、第１磁性層２２上の界面層２５と、界面層２５上の非磁性層２３と、非磁性層２３上の界面層２６と、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層２４と、を備えている。図２の実施形態では、第１磁性層２２および第２磁性層２４がＭｎＧａ層であり、非磁性層２３は、ホイスラー合金からなる界面層２５、２６で挟まれている。界面層２５、２６は、それぞれ、第１磁性層２２の格子定数と非磁性層２３の格子定数との間、および、非磁性層２３の格子定数と第２磁性層２４の格子定数との間の格子定数を有している。
以下、本発明を各要素に分けて詳細に説明する。
＜バッファ層＞
本発明の磁気トンネル接合素子は、基板上にバッファ層を有することが好ましい。バッファ層は、第１磁性層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いることができ、そのための材料であれば特に制限はない。バッファ層の例としては、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。このうち、ＭｎＧａ層との格子整合の点から、Ｃｒ、Ｐｄがより好ましい。Ｃｒ／Ｐｄ層といった複合構造のバッファ層も好ましく用いられる。
本発明の磁気トンネル接合素子は、基板上にバッファ層を有することが好ましい。バッファ層は、第１磁性層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いることができ、そのための材料であれば特に制限はない。バッファ層の例としては、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造を有し、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層を用いることができる。このうち、ＭｎＧａ層との格子整合の点から、Ｃｒ、Ｐｄがより好ましい。Ｃｒ／Ｐｄ層といった複合構造のバッファ層も好ましく用いられる。
さらに、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有する材料も用いることができる。このような構造の材料としては、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物の層、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物の層などが挙げられる。
その他には、バッファ層の例としては、ＡＢＯ３からなる（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物を挙げることができる。Ａは、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａのうちから選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢはＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂのうちから選択され少なくとも一つの元素を含む。
また、膜厚が厚すぎると平滑性が悪くなり、薄すぎるとバッファ層として格子を整合させる役割を発揮できないため、膜厚範囲としては、１０〜６０ｎｍが好ましく、より好ましくは３０〜５０ｎｍである。
基板としては特に制限はないが、ＭｎＧａとの格子整合等の点から、（００１）配向したＭｇＯが好ましい。しかし、適切なバッファ層を選択することにより、Ｓｉ基板等、他の材質の基板を用いることもでき、高結晶配向性のＭｎＧａ／界面層／ＭｇＯの積層構造の形成が可能である。
＜第１磁性層＞
本発明のＭＴＪ素子は、好ましくは上記のバッファ層上に、膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層を有する。第１磁性層および後述する第２磁性層の少なくとも一方は、ＭｎＧａで構成される。第１磁性層および第２磁性層は、ＭＴＪ素子において一方が固定層、他方が記憶層として用いられるが、第１磁性層はこのうちいずれに用いてもよく、特に制限はない。また、第１磁性層および後述する第２磁性層のいずれがＭｎＧａであってもよく、両方がＭｎＧａであってもよい。
本発明のＭＴＪ素子は、好ましくは上記のバッファ層上に、膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層を有する。第１磁性層および後述する第２磁性層の少なくとも一方は、ＭｎＧａで構成される。第１磁性層および第２磁性層は、ＭＴＪ素子において一方が固定層、他方が記憶層として用いられるが、第１磁性層はこのうちいずれに用いてもよく、特に制限はない。また、第１磁性層および後述する第２磁性層のいずれがＭｎＧａであってもよく、両方がＭｎＧａであってもよい。
以下、第１磁性層がＭｎＧａである場合について説明する。ＭｎＧａ合金は高スピン分極率を有するため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能である。また、ＭｎＧａはダンピング定数が小さく、磁化反転に必要なエネルギーが少なくて済み、磁化反転のための電流密度を大幅に低減できる。このような利点から、ＭｎＧａ合金はＭＲＡＭの強磁性層に用いる材料として注目されている。ＭｎＧａ合金は、Ｍｎの組成比が５０ａｔ％で強磁性体となり、その組成比がＭｎｘＧａ１００−ｘ、４３≦ｘ＜７５ａｔ％であるものが好ましく、より好ましくは４３≦ｘ＜６４ａｔ％である。Ｍｎの組成を調整することにより飽和磁化、結晶磁気異方性の制御をすることが可能である。
本発明では、ＭｎＧａはＬ１０構造またはＤ０２２構造を有するものが好ましい。Ｌ１０構造またはＤ０２２構造のＭｎＧａは、２０Ｍｅｒｇ／ｃｍ３以上の高垂直磁気異方性（Ｋｕ）、約８００程度の調整可能な飽和磁化（Ｍｓ）、７１％の高スピン分極率（Ｐ）、０．０００３という非常に低いダンピング定数（α）を有することが理論的に予測されており、高集積ＳＴＴ−ＭＲＡＭ向けのＭＴＪ素子に最適な特性を有している。上記の組成範囲のうち、Ｌ１０構造の組成範囲は４３≦ｘ＜６４ａｔ％であり、Ｄ０２２構造の組成範囲が６７≦ｘ＜７５ａｔ％である。
Ｌ１０構造またはＤ０２２構造は、一般に、(００１)方向の格子定数ｃと、(１００)並びに(０１０)方向の格子定数ａとは等しくない。そのため、Ｌ１０構造またはＤ０２２構造のＭｎＧａ合金はｃ軸が磁化容易軸となる。したがって、ｃ軸を膜面に垂直方向に成長させることにより、第１磁性層の磁化容易軸を膜面に垂直なものとすることができる。また、これらの構造のＭｎＧａは安定した強磁性合金となることからも好ましい。結晶配向成長は、例えば、バッファ層を適当に選択することにより、制御することが可能である。
また、ＭｎＧａは、上記のように磁化反転のための電流密度が少なくて済むことから、ＭＴＪ素子の記憶層に好適である。しかしながら、記憶層には限定されず、第２磁性層の材料との組み合わせによって、固定層として用いられてもよい。
ＭｎＧａである第１磁性層の厚さは、固定層であるか記憶層であるかで異なるが、通常１〜３０ｎｍが好ましく、より好ましくは５〜１０ｎｍである。固定層として用いる場合にはより厚い膜も使用することができ、好ましくは５〜２５ｎｍ、より好ましくは６〜１０ｎｍである。記憶層として用いる場合には、より薄い膜も使用することができ、１〜１５ｎｍが好ましく、より好ましくは２〜７ｎｍである。
＜界面層＞
本発明のＭＴＪ素子では、ＭｎＧａである第１磁性層および第２磁性層の少なくとも１つと、第１非磁性層との間にホイスラー合金からなる界面層を設ける。
本発明のＭＴＪ素子では、ＭｎＧａである第１磁性層および第２磁性層の少なくとも１つと、第１非磁性層との間にホイスラー合金からなる界面層を設ける。
非磁性層が好ましいＭｇＯである場合には、ＭｎＧａとＭｇＯとは、格子定数の差が大きいことが知られている。非磁性層と第１または第２磁性層で格子が不整合であると、ＭｎＧａは本来の格子定数で成長せず、格子に歪みが生ずる場合がある。ＭｎＧａはこのような格子歪みによって磁気特性が変化するため、得られるＭＴＪ素子の磁気特性にばらつきが生じる結果となっていた。また、格子歪みによる界面エネルギーを低減させるために界面に転移などの欠陥が生成される場合もあり、ＭＴＪ素子に電流を流すと欠陥が電子の散乱源になるために磁気抵抗比が低下する。その結果、磁気特性にばらつきが生じうる。
上述のように、特にＬ１０構造のＭｎＧａは、ＭＴＪ素子に好適な特性を複数備えている。しかしながら、ＭｎＧａはその組成の変化や歪みによる磁気特性の劣化が非常に顕著である。例えば、図３および図４に、ＭｇＯ（００１）基板上に、膜厚４０ｎｍのＣｒバッファ層を介して形成したＭｎＧａの磁気特性の膜厚依存性を示す。図３は、Ｍｎ５７Ｇａ４３の膜厚と、飽和磁化Ｍｓおよび異方性磁界Ｈｋとの関係を示すプロットである。図４は、Ｍｎ５７Ｇａ４３の膜厚と、実効垂直磁気異方性Ｋｕ（ｅｆｆ）および固有垂直磁気異方性Ｋｕ（ｉｎｔ）との関係を示すプロットである。図３および図４によれば、ＭｎＧａの膜厚減少とともに飽和磁化、異方性磁界、実効垂直磁気異方性、固有垂直磁気異方性が劣化する様子が見られている。このＭｎＧａ膜厚減少に伴う各種磁気特性の劣化は、Ｃｒバッファ層とＭｎＧａ界面において、ＭｎＧａへ導入される歪の量が薄膜ほど増大することが原因と考えられる。そこで、薄膜ＭｎＧａの磁気特性劣化を防止するには、隣接して積層される材料との界面での歪を減少させる、つまりは格子整合性を良くすることが重要であることが分かった。
本発明者は、このような格子歪みを緩和する手段として、ホイスラー合金を用いることに着目した。格子歪みを緩和するために、非磁性層と第１または第２磁性層との間に界面層を設ける際には、界面層の構成材料がＭＴＪ素子の特性を損なうものは適当ではない。ホイスラー合金は強磁性体であり、スピン分極率が大きいため、磁気抵抗比を低下させることなくＭＴＪ素子に好適な材料である。さらにホイスラー合金は、非磁性層の格子定数と、第１または第２磁性層の格子定数との間の格子定数を有しているため、両者の格子不整合を緩和する層としても好適である。
ホイスラー合金としてＭＴＪ素子に最適な材料は、組成式がＸ２ＹＺで表されるフルホイスラー規則合金である。ここで、Ｘ、Ｙは遷移金属元素であり、Ｘは、周期表上におけるＦｅ族、Ｃｏ族、Ｎｉ族、Ｃｕ族の遷移元素および貴金属元素の中から選択された元素である。Ｙは、周期表上におけるＴｉ族、Ｖ族、Ｃｒ族、Ｍｎ族の遷移元素およびＦｅの中から選択された１種以上の元素である。ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金のうち、Ｌ２１構造、Ｂ２構造を持つものは垂直磁化を有するものが多く、本発明のＭＴＪ素子に好適な材料である。
例えば、Ｘとしては鉄Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎなどが挙げられる。Ｙとしては、Ｍｎ、Ｃｒなどが挙げられる。Ｚとしては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｓｂなどが挙げられる。より具体的には、本発明のＭＴＪ素子には、Ｃｏを主骨格とするホイスラー合金が好ましく、また後述するように、ほぼ１００％のスピン分極率を持ち、低ダンピング定数の特長を有し、膜面に平行方向の格子定数がＭｎＧaとＭｇＯの間の適当な値を持つことから、特にＣｏ２ＦｅＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ等が好ましい。
第１または第２磁性層としてＭｎＧａ、非磁性層としてＭｇＯを用いた場合には、格子不整合は以下の式で表される。
（ａ（ＭｇＯ）−ａ（ＭｎＧａ））／ａ（ＭｎＧａ）×１００
ここで、ａ（ＭｇＯ）は膜面方向のＭｇＯの格子定数、ａ（ＭｎＧａ）は膜面方向のＭｎＧａの格子定数である。
（ａ（ＭｇＯ）−ａ（ＭｎＧａ））／ａ（ＭｎＧａ）×１００
ここで、ａ（ＭｇＯ）は膜面方向のＭｇＯの格子定数、ａ（ＭｎＧａ）は膜面方向のＭｎＧａの格子定数である。
上述のように、磁性体／非磁性体／磁性体を基本構造とする磁気トンネル接合では、非磁性体として結晶のＭｇＯを用いることが磁気抵抗比の増大等のＭＴＪ素子特性の改善に有効であることが知られている。そこで、Ｌ１０構造のＭｎＧａとＭｇＯとの接合を形成した場合、バルク状態のＭｎＧａの界面に平行方向の格子定数は０．３８９ｎｍであり、バルク状態のＭｇＯの界面に平行方向の格子定数は０．４２１ｎｍであることから、約８％の格子不整合がある。そこで、ＭｎＧａとＭｇＯの間にホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＭｎＳｉを挿入した、ＭｎＧａ／Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ／ＭｇＯ構造を形成することを検討する。すると、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉのバルク状態の膜面に平行方向の格子定数は０．３９８ｎｍであることから、ＭｎＧａとの格子不整合は約２％に減少する。つまり、ホイスラー合金の界面層を挿入することにより、磁気トンネル接合構造の積層において、ＭｎＧａ中に導入される歪みを抑制し、ひいてはＭｎＧａの磁気特性の劣化を防止することができる。
界面層の膜厚としては、好ましくは０．１〜８ｎｍ、より好ましくは０．５〜５ｎｍ、さらに好ましくは１〜３ｎｍである。界面層の膜厚が上記範囲であれば、格子歪み緩和の効果が確実に得られるとともに、ＭＴＪ素子の磁気特性を損なうことがない。
さらに、界面層として挿入したホイスラー合金は、Ｘ原子を主骨格としたＬ２１構造またはＢ２構造を形成するため、成膜やプロセス時の熱工程の影響を受けやすいＭｎの拡散を抑制でき、安定な界面層を形成できる。同時に、界面層として例えばホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＭｎＳｉを挿入すると、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉは半金属としても知られており、非常に大きなスピン分極率を有する。それにより、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉを界面層としてＭＴＪ素子を形成した場合には、非常に大きな磁気抵抗比を得ることができる。したがって、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの読み出し特性向上に有利となる。
したがって、本発明によれば、ＭｎＧａ／ＭｇＯ界面の比較的大きな格子不整合を解消でき、さらに成膜及びプロセス中の熱工程におけるＭｎ拡散による素子特性の劣化を抑制できる。その結果、基板ウェハ面内での特性均一性の良いＭＴＪ素子を作製することができる。
また、第１磁性層、界面層および非磁性層の結晶配向としては特に制限はないが、格子を整合させるという観点からは、第１磁性層、界面層および非磁性層は（００１）面に配向していることが好ましい。
＜非磁性層＞
本発明のＭＴＪ素子は、第１および第２磁性層に挟まれた位置に非磁性層を有する。非磁性層は、絶縁体材料で構成されたトンネルバリア層としての役割を担う層である。非磁性層は、隣接する第１もしくは第２磁性層または界面層との適切な組み合わせにより、選択的なトンネル伝導と高い磁気抵抗比が実現できる。
本発明のＭＴＪ素子は、第１および第２磁性層に挟まれた位置に非磁性層を有する。非磁性層は、絶縁体材料で構成されたトンネルバリア層としての役割を担う層である。非磁性層は、隣接する第１もしくは第２磁性層または界面層との適切な組み合わせにより、選択的なトンネル伝導と高い磁気抵抗比が実現できる。
非磁性層の材料としては、例えば、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物が挙げられる。具体的には、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯなどが挙げられる。結晶構造として、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましい。具体的には、好ましくは、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯなどが挙げられる。また、ＮａＣｌ等のＮａＣl構造を持つ塩化物も非磁性材料として適切である。
特に本発明のＭＴＪ素子においては、非磁性層にＭｇＯを用いることが好ましい。上述したように、トンネルバリア層として、ＭｇＯを用いると、特定の結晶方位でスピン分極率が大きな値を示すことから、非常に高い磁気抵抗比が得られるためである。しかしながら、本発明の非磁性層はＭｇＯには限定されない。ＭｇＯに近い格子定数を有する非磁性層、すなわち、上記の界面層が非磁性層の格子定数と第１または第２磁性層の格子定数との間の格子定数を有するような非磁性層であれば、格子歪みの防止という本発明の効果が得られるためである。
また、非磁性層は、上述の酸化物の群から選択される２つ以上の材料の混晶物あるいはこれらの積層構造であってもよい。混晶物の例としては、ＭｇＡｌＯ、ＭｇＺｎＯ、ＭｇＴｉＯ、ＭｇＣａＯなどである。二層積層構造の例としては、ＭｇＯ／ＺｎＯ、ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＴｉＯ／ＡｌＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯなどが挙げられる。三層積層構造の例としては、ＡｌＯ／ＭｇＯ／ＡｌＯ、ＺｎＯ／ＭｇＯ／ＺｎＯ、ＭｇＡｌＯ／ＭｇＯ／ＭｇＡｌＯなどが挙げられる。
非磁性層の膜厚としては、材料のトンネル抵抗によって適当な厚さを決定することができる。非磁性層がＭｇＯの場合には、０．０１〜３ｎｍが好ましく、より好ましくは０．５〜１ｎｍである。非磁性層の膜厚が上記範囲であれば、トンネル接合として確実に機能し得る。
＜第２磁性層＞
本発明のＭＴＪ素子は、非磁性層上に、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層を有する。第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方は、ＭｎＧａで構成され、上記した界面層を介して非磁性層に積層されている。第２磁性層がＭｎＧａである場合については、第１磁性層がＭｎＧａである場合と同様である。以下では、第２磁性層としてＭｎＧａ以外の材料を使用する場合について説明する。第２磁性層がＭｎＧａである場合には、同様のＭｎＧａ以外の材料を第１磁性層としても用いることができる。
本発明のＭＴＪ素子は、非磁性層上に、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層を有する。第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方は、ＭｎＧａで構成され、上記した界面層を介して非磁性層に積層されている。第２磁性層がＭｎＧａである場合については、第１磁性層がＭｎＧａである場合と同様である。以下では、第２磁性層としてＭｎＧａ以外の材料を使用する場合について説明する。第２磁性層がＭｎＧａである場合には、同様のＭｎＧａ以外の材料を第１磁性層としても用いることができる。
第２磁性層は、膜面に垂直に磁化されうる強磁性材料を用いて構成され、ＭＴＪ素子においては、第１磁性層との組み合わせによって、記憶層および固定層のいずれとして用いてもよい。第２磁性層を固定層とする場合には、記憶層である第１磁性層に比較して、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することができる。すなわち、実効的な磁気異方性Ｋｕ（ｅｆｆ）及び飽和磁化Ｍｓがより大きく、また磁気緩和定数αがより大きい材料を選択することが好ましい。
第２磁性層を構成し得る、垂直磁化を示す強磁性体としては、Ｌ１０規則合金を用いることができる。Ｌ１０規則合金は、いわゆるＣｕＡｕ型の秩序合金である。すなわち、合金がＡおよびＢで構成される場合に、面心立方格子を４個の単純立方副格子に分けたとき、その内の二つをＡ、他の二つをＢの原子が占めるような秩序合金をいう。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄのうち１つ以上の元素と、を含む合金は、Ｌ１０型の規則合金となり得る。このような、Ｌ１０規則合金で、磁化容易軸が膜面の垂直方向となる強磁性体としては、ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＡｌ、ＦｅＮｉＰｔ、ＣｏＦｅＰｔ、ＣｏＮｉＰｔ等が挙げられる。これらの規則合金に、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇ等の不純物元素あるいはその合金、絶縁物を加えて実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。
また、第２磁性層としては、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、及びＮｉのうち１つ以上の元素を含む不規則合金も用いうる。例えば、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＰｔＴａ、ＣｏＣｒＮｂ等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。
また、第２磁性層としては、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群から選択される１つの磁性元素とＺｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉの群から選択される２つの元素からなる非磁性元素とが組み合わさった合金も用いることもできる。具体的には、ＭｎＡｌＧｅ、ＭｎＧａＧｅ、ＭｎＺｎＳｂなどが挙げられる。
また、遷移金属Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの群と、希土類金属Ｔｂ、Ｄｙ、Ｇｄの群からそれぞれ選択された少なくとも１つの元素を含む合金を用いることもできる。具体的には、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏなどが挙げられる。また、これらの合金を交互に積層させた多層構造であってもよい。例えば、ＴｂＦｅ／Ｃｏ、ＴｂＣｏ／Ｆｅ、ＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅ、ＤｙＦｅ／Ｃｏ、ＤｙＣｏ／Ｆｅ、ＤｙＦｅＣｏ／ＣｏＦｅなどの多層膜が挙げられる。これらの合金は、膜厚比や組成を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
また、第２磁性層としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうち少なくとも１つの元素を含む合金と、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ａｕ、Ｃｕのうち少なくとも１つの元素を含む合金とが交互に積層された構造を有する人工格子も用いうる。例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＣｒ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｃｏ／Ｏｓ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比、及び積層周期を調整することで、実効的な磁気異方性エネルギー及び飽和磁化を調整することができる。
ＭｎＧａ以外の第２磁性層の膜厚としては、固定層であるか記憶層であるかで異なるが、通常１〜３０ｎｍが好ましく、より好ましくは５〜１０ｎｍである。固定層として用いる場合にはより厚い膜も使用することができ、好ましくは５〜２５ｎｍ、より好ましくは６〜１０ｎｍである。記憶層として用いる場合には、より薄い膜も使用することができ、１〜１５ｎｍが好ましく、より好ましくは２〜７ｎｍである。
＜製造方法＞
本発明のＭＴＪ素子を製造するには、特に制限はなく、従来公知の製膜方法を用いることができる。典型的には、スパッタリング、分子線エピタキシー法、原子層堆積法、パルスレーザデポジション、イオンビームデポジション、クラスターイオンビーム、イオンプレーティング法等の物理気相成長法、化学気相成長法を挙げることができる。このうち、スパッタリングおよび分子線エピタキシー法が好ましく、低コストでかつ迅速に製造可能であることから、特にスパッタリングが好ましい。スパッタリングとしては、ＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリング、電子サイクロトン共鳴スパッタリング、ヘリコンスパッタリング、誘導結合プラズマスパッタリングなどの各種スパッタリング法を用いうる。
本発明のＭＴＪ素子を製造するには、特に制限はなく、従来公知の製膜方法を用いることができる。典型的には、スパッタリング、分子線エピタキシー法、原子層堆積法、パルスレーザデポジション、イオンビームデポジション、クラスターイオンビーム、イオンプレーティング法等の物理気相成長法、化学気相成長法を挙げることができる。このうち、スパッタリングおよび分子線エピタキシー法が好ましく、低コストでかつ迅速に製造可能であることから、特にスパッタリングが好ましい。スパッタリングとしては、ＲＦスパッタリング、ＤＣスパッタリング、電子サイクロトン共鳴スパッタリング、ヘリコンスパッタリング、誘導結合プラズマスパッタリングなどの各種スパッタリング法を用いうる。
スパッタリング法にてＭｇＯ層、ＭｎＧａ層等を成膜する場合は、非磁性層、第１または第２磁性層それぞれの所望の組成に対応した組成の合金または酸化物からなるターゲットを用いればよい。なお、ターゲットの組成と形成される膜の組成とは必ずしも一致しないので、予め調査した上でターゲットの組成を決定することが好ましい。また、酸素雰囲気下で金属ターゲットをスパッタリングする反応性スパッタリングを用いてもよい。金属を堆積後、酸化処理を行う場合の酸化処理方法として、自然酸化、プラズマ酸化、ラジカル酸化、あるいは、オゾン酸化を行う方法が挙げられる。
以下、実施例を通して本発明を説明するが、本発明は以下の実施例には限定されない。
本実施例では、ＭｎＧａ／Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ／ＭｇＯ構造を有するＭＴＪ素子を作製した。（００１）面方位を持つＭｇＯ基板を準備した。この基板表面を、１０−７Ｐａ台の高真空雰囲気中で、８００℃、１時間ランプアニール加熱することにより、クリーニングした。
表面クリーニングしたＭｇＯ（００１）基板上に、マグネトロンスパッタ法を用いて、Ａｒガス圧０．１２５Ｐａ、スパッタ出力４２Ｗ、基板温度２００℃以下の条件で、バッファ層としてのＣｒ層を４０ｎｍの膜厚で形成した。その後、試料を高真空雰囲気中で、７００℃、１時間ランプアニール加熱することにより、Ｃｒ層の結晶配向性を向上させた。
次いで、Ｃｒバッファ層上に、同様のマグネトロンスパッタ法を用いて、Ａｒガス圧０．１Ｐａ、スパッタ出力４０Ｗ、基板温度２００℃以下の条件で、垂直磁化層としてのＭｎＧａ層を１０ｎｍの膜厚で形成した。
さらに、高真空雰囲気中で４００℃〜５００℃、１０分のランプアニール加熱を行い、Ｌ１０構造の結晶配向性を向上させた。このとき、マグネトロンスパッタ法におけるＭｎＧａターゲットの組成として、Ｍｎ０．５Ｇａ０．５のものを用いると、成膜されたＭｎＧａの組成がＭｎ０．５７Ｇａ０．４３程度となり、良好な垂直磁気特性を示した。
さらに、高真空雰囲気中で４００℃〜５００℃、１０分のランプアニール加熱を行い、Ｌ１０構造の結晶配向性を向上させた。このとき、マグネトロンスパッタ法におけるＭｎＧａターゲットの組成として、Ｍｎ０．５Ｇａ０．５のものを用いると、成膜されたＭｎＧａの組成がＭｎ０．５７Ｇａ０．４３程度となり、良好な垂直磁気特性を示した。
その後、ＭｎＧａ垂直磁化層上に、同様のマグネトロンスパッタ法を用いて、Ｃｏ２ＦｅＳｉおよびＣｏ２ＭｎＳｉターゲットのコスパッタにより、界面層としてのＣｏ２ＦｅＭｎＳｉ層を２ｎｍの膜厚で形成した。この時のスパッタ条件は、Ｃｏ２ＦｅＳｉターゲットのＡｒガス圧０．１Ｐａ、スパッタ出力１５Ｗとし、Ｃｏ２ＭｎＳｉターゲットのＡｒガス圧０．１Ｐａ、スパッタ出力２２Ｗ、基板温度２００℃以下とした。このような条件により、Ｃｏ２Ｆｅ０．４Ｍｎ０．６Ｓｉの組成のＣｏ２ＦｅＭｎＳｉ層を形成した。さらに、高真空雰囲気中で３００℃、１０分のランプアニール加熱を行い、Ｌ２１構造またはＢ２構造の結晶配向性を向上させた。
その後、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ界面層上に、電子ビーム蒸着法を用いて約０．００５ｎｍ／ｓ程度の成膜速度で、トンネルバリア層としてのＭｇＯ層を１ｎｍの膜厚で形成した。
その後、同様な作製方法で、上側のＣｏ２ＦｅＭｎＳｉ界面層、ＭｎＧａ垂直磁化層を形成し、最後にＴａキャップ層をマグネトロンスパッタ法で形成し、ＭＴＪ素子を完成させた。
１０、２０ 磁気トンネル接合素子、
１１、２１ バッファ層、
１２、２２ 第１磁性層、
１３、２３ 非磁性層、
１４、２４ 第２磁性層、
１５、２５、２６ 界面層。
１１、２１ バッファ層、
１２、２２ 第１磁性層、
１３、２３ 非磁性層、
１４、２４ 第２磁性層、
１５、２５、２６ 界面層。
Claims (4)
- 膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第１磁性層と、
前記第１磁性層上の第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上の膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する第２磁性層と、を備え、
前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方がＭｎＧａであり、かつ、前記第１非磁性層に接する側に、ホイスラー合金からなる界面層を備え、
前記界面層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数が、前記第１非磁性層の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数と、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の膜面に平行方向のバルク状態での格子定数との間にあり、
前記第１磁性層、前記第１非磁性層、前記第２磁性層および前記界面層を流れる電流によって、前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方並びに前記界面層の磁化方向が可変となる、磁気トンネル接合素子。 - 前記第１非磁性層がＭｇＯである請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記ホイスラー合金が、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉおよびＣｏ２ＭｎＳｉの少なくとも一種である請求項１または２に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記前記第１磁性層および第２磁性層の少なくとも一方の厚さが１〜３０ｎｍであり、前記界面層の厚さが０．１〜８ｎｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。
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