JP2015176930A - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本実施形態の磁気抵抗素子は、Mnと、Ga、Ge、およびAlの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1非磁性層と、前記第1磁性層と前記第1非磁性層との間に設けられた第3磁性層と、前記第1磁性層と前記第3磁性層との間に設けられ、Mg、Ba、Ca、C、Sr、Sc、Y、Nb、Gd、Tb、Dy、Ce、Ho、Yb、Er、およびBの群から選択された少なくとも一つの元素を含む第2非磁性層と、を備えた積層構造を有する。
【選択図】図1
Description
第1実施形態による磁気抵抗素子を図1に示す。図1は第1実施形態の磁気抵抗素子1の断面図である。この実施形態は磁気抵抗素子1であって、下地層100上に、磁性層2、非磁性層3、界面磁性層4、非磁性層5、界面磁性層6、非磁性層7、磁性層8の順で積層された構造を有している。磁気抵抗素子1の抵抗値はトンネルバリアを介して配される二つの磁性層2、8の磁化方向の角度により決まる。外部磁場或いは磁気抵抗素子に流す電流により磁化方向の角度を制御することが出来る。その際、二つの磁性層2、8に保磁力或いは磁気異方性エネルギーの大きさに差を付けることにより、より安定的に磁化方向の角度を制御することが可能となる。磁性層2および磁性層8はそれらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。
第1実施形態の変形例による磁気抵抗素子を図2に示す。この変形例の磁気抵抗素子1Aは、下地層100上に形成される層の積層順序が図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1とは逆になっている。すなわち、下地層100上に、磁性層8、非磁性層7、界面磁性層6、非磁性層5、界面磁性層4、非磁性層3、および磁性層2がこの順序で積層された構造を有している。
第2実施形態による磁気抵抗素子の断面を図3に示す。この第2実施形態の磁気抵抗素子1Bは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1において、非磁性層7および磁性層8をそれぞれ、非磁性層7aおよび磁性層8aに置き換えた構成を有している。すなわち、下地層100上に、磁性層2、非磁性層3、界面磁性層4、非磁性層5、界面磁性層6、非磁性層7a、および磁性層8aがこの順序で積層された構造を有している。
また、図4に示すように、第2実施形態の磁気抵抗素子1Bの積層順序が逆となる積層構造を有している変形例の磁気抵抗素子であってもよい。この変形例の磁気抵抗素子1Cは、下地層100上に、磁性層8a、非磁性層7a、界面磁性層6、非磁性層5、界面磁性層4、非磁性層3、および磁性層2がこの順序で積層された積層構造を有する。
第3実施形態による磁気抵抗素子の断面を図5に示す。この第3実施形態の磁気抵抗素子1Dは、下地層100上に、磁性層2、非磁性層3a、界面磁性層4、非磁性層5、磁性層8aの順で積層された構造を有している。非磁性層3aは、磁性層2上に、非磁性膜3a1、非磁性膜3a2がこの順序で積層された構造を有している。
第3実施形態の変形例による磁気抵抗素子の断面を図6に示す。この変形例の磁気抵抗素子1Eは、図5に示す第3実施形態の磁気抵抗素子1Dにおいて、磁性層8aを磁性膜8a1および磁性膜8a2の積層構造に置き換えた構成を有している。磁性膜8a1は非磁性層5上に設けられ、磁性膜8a2は磁性膜8a1上に設けられる。例えば、磁性膜8a1としては、高いスピン分極率を有すると予想されるMn3Geが用いられる。トンネル磁気抵抗効果はトンネルバリアと隣接する強磁性体のスピン分極率に依存する。このため1非磁性層5と、Mn3Geの磁性膜8a1とを隣接させることで高い磁気抵抗比を得ることができる。また、磁性膜3a2としては、高い磁気異方性を示すMnGaを用いる。この変形例のように、磁性膜8aとして、磁性膜8a1と磁性膜8a2の積層体を用いることにより、大きなスピン分極率を有する垂直磁化層を得ることができる。
第4実施形態による磁気抵抗素子の断面を図7に示す。この第4実施形態の磁気抵抗素子1Fは、図5に示す第3実施形態の磁気抵抗素子1Dにおいて、磁性層8a上に設けられた非磁性層9と、この非磁性層9上に設けられた磁性層10とを新たに備えた構成を有している。磁性層10はバイアス層とも呼ばれる。このバイアス層10により、参照層となる磁性層8からの漏れ磁場による、磁性層2、非磁性層3a、および界面磁性層4からなる記憶層の反転電流のシフトを緩和および調整することが可能となる。
によれば、参照層の膜厚、飽和磁化をそれぞれt2、Ms2とし、磁性層10の膜厚、飽和磁化をそれぞれt22、Ms22とすると、以下の関係式を満たす必要がある。
Ms2×t2<Ms22×t22
図8に示すように、第4実施形態の変形例による磁気抵抗素子1Gとして、非磁性層9を削除するとともに、磁性層10を、磁性層2と反対側の下地層100の面に設けてもよい。
下地層100は、磁性層2と、この磁性層2より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられる。そのため、下地層100の材料の選択が重要となる。以下に下地層100の材料および構成について説明する。
(a(Mn3Ga)−a(下地材料))/a(下地材料)×100
磁性層8は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する。磁性層8に用いられる材料としては、例えば、面心立方構造(FCC)の(111)あるいは六方最密充填構造(HCP)の(001)に結晶配向した金属、または人工格子を形成しうる金属が用いられる。FCCの(111)に結晶配向した金属あるいはHCPの(001)に結晶配向した金属としては、Fe、Co、Ni、およびCuからなる第1のグループから選ばれる1つ以上の元素と、Pt、Pd、Rh、およびAuからなる第2のグループから選ばれる1つ以上の元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、CoPd、CoPt、NiCo、或いはNiPtなどの強磁性合金が挙げられる。
磁気抵抗素子の磁気抵抗比を上げるために、MgOのトンネルバリア層に隣接する界面磁性層には高スピン分極率を有する材料が用いる。例えば界面磁性層4、界面磁性層6は、FeおよびCoの群から選択された少なくとも一つの金属よりなる合金が望ましい。このとき、例えば、CoFeからなる界面磁性層、MgOからなる非磁性層、CoFeからなる界面磁性層とした場合に、CoFe(001)/MgO(001)/CoFe(001)のエピタキシャル関係を作ることができる。この場合、トンネル電子の波数選択性を向上させることができるため、大きな磁気抵抗比を得ることが可能となる。
非磁性層5が絶縁材料である場合は、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層の材料としては、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、ZnおよびTiからなる群から選択された少なくとも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、またはTiOが挙げられる。トンネルバリア層は、上述の酸化物の群から選択された2つ以上の材料の混晶物あるいはこれら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。トンネルバリア層が、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。トンネルバリア層が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。なお、記号「/」の左側が上層を示し、右側が下層を示している。
非磁性層3を設けない場合は、磁性層2を構成する元素が非磁性層5側に拡散することにより非磁性層5と界面磁性層4との間に拡散元素が偏析し磁気抵抗素子の磁気抵抗変化率を減少させてしまう。例えば、磁性層2が2種類以上の元素から成る場合は、拡散した元素の分だけ磁性層2の組成がずれてしまう。このため、磁性層2として、望むべき磁気特性が得られないし、状態密度が変化してしまえば電気伝導特性の変質にもつながる。非磁性層3は、Mnと、Ga、Ge、およびAlの群から選択された少なくとも一つの元素を含む合金の磁性層2と、FeおよびCoを少なくとも一つ含む界面磁性層4に隣接する。
実施例による垂直磁化MTJ素子として、図15に示す第1実施形態による垂直磁化を有するMTJ素子1を作成した。この実施例によるMTJ素子1は、MgO単結晶基板(図示せず)上に、下地層100、磁性層2、非磁性層3、界面磁性層4、非磁性層5、界面磁性層6、磁性層8、キャップ層11がこの順序で積層された構造を有している。ここでは、磁性層2として膜厚が30nmのMnGa、非磁性層3として、Cr、Ta、Pt、およびMgの群から選択された少なくとも1つの元素を含む金属、界面磁性層4として、厚さが1.7nmのFeBを用いた。界面磁性層6には2.0nmのFeBを用い、磁性層8としてCoPtを含む磁性体を用いた。非磁性層5としてMgOトンネルバリア層を用いた。
第1乃至第4実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗素子(MTJ素子)は、MRAMに適用できる。
2 磁性層
3 非磁性層
3a1、3a2 非磁性膜
4 界面磁性層
5 非磁性層(トンネルバリア)
6 界面磁性層
7、7a 非磁性層
8、8a 磁性層
8a、8a1 磁性膜
9 非磁性層
10 磁性層
11 キャップ層
Claims (10)
- Mnと、Ga、Ge、およびAlの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む第1磁性層と、
第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1非磁性層と、
前記第1磁性層と前記第1非磁性層との間に設けられた第3磁性層と、
前記第1磁性層と前記第3磁性層との間に設けられ、Mg、Ba、Ca、C、Sr、Sc、Y、Gd、Tb、Dy、Ce、Ho、Yb、Er、およびBの群から選択された少なくとも一つの元素を含む第2非磁性層と、
を備えた積層構造を有する磁気抵抗素子。 - 前記第2非磁性層は、Mg、Ba、Ca、C、Sr、Sc、Y、Gd、Tb、Dy、Ce、Ho、Yb、およびErの群から選択された少なくとも1つの元素を含むホウ化物である請求項1記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2非磁性層は、Mg、Ba、Ca、C、B、Sr、Sc、Y、Gd、Tb、Dy、Ce、Ho、Yb、およびErの群から選択された少なくとも1つの元素を含む窒化物である請求項1記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2非磁性層は、Mg、Ba、Ca、B、Sr、Sc、Y、Gd、Tb、Dy、Ce、Ho、Yb、およびErの群から選択された少なくとも1つの元素を含む炭化物である請求項1記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2非磁性層は、前記第1磁性層と前記第3磁性層との間に設けられた第1非磁性膜と、前記第1非磁性膜と前記第3磁性層との間に設けられた第2非磁性膜とを備え、
前記第1非磁性膜は、Mg、Ba、Ca、C、Sr、Sc、Y、Gd、Tb、Dy、Ce、Ho、Yb、Er、およびBの群から選択された少なくとも一つの元素を含み、
前記第2非磁性膜は、Ta、Ti、W、Nb、V、Cr、およびHfの群から選択された少なくとも1つの元素を含む請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 - 前記第2磁性層は、Mnと、Ga、Ge、およびAlの群から選択された少なくとも一つの元素と、を含む請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性層は、前記第1非磁性層に対して前記第3磁性層と反対側に設けられた第1磁性膜と、前記第1磁性膜に対して前記第1非磁性層と反対側に設けられた第2磁性膜とを備え、前記第1磁性膜は前記第2磁性膜に比べて高いスピン分極率を有している請求項6記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1非磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第4磁性層と、前記第4磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第3非磁性層と、を備えている請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 層を更に備え、
前記第1磁性層が前記第2磁性層に比べて前記層に近いか、または前記第2磁性層が前記第1磁性層に比べて前記層に近くなるように、前記積層構造は前記層上に設けられる請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 - 請求項1乃至9のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の前記第1磁性層と電気的に接続する第1配線と、
前記磁気抵抗素子の前記第2磁性層と電気的に接続する第2配線と、
を備えている磁気メモリ。
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