JP2016100417A - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本実施形態による磁気抵抗素子は、垂直磁気異方性を有する第1磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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、を備え、前記第2磁性層は、Mn、Fe、Co、およびNiからなる第1群から選択される少なくとも1つの元素と、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、およびAuからなる第2群から選択される少なくとも1つの元素と、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる第3群から選択される少なくとも1つの元素と、を含む磁性体を備える。
【選択図】図1
Description
第1実施形態による磁気抵抗素子の断面を図1に示す。第1実施形態の磁気抵抗素子1は、シングルピン構造のMTJ素子である。この磁気抵抗素子1は、磁性体を含む記憶層2と、磁性体を含む界面磁性層5と、磁性体を含む参照層6と、記憶層2と界面磁性層5との間に設けられた非磁性層4と、界面磁性層5と参照層6との間に設けられた機能層7と、参照層6に対して機能層7と反対側に設けられ磁性体を含むシフト調整層10と、参照層6とシフト調整層10との間に設けられた反強磁性結合層8と、を有する積層構造を備えている。すなわち、第1実施形態の磁気抵抗素子1は、記憶層2、非磁性層4、界面磁性層5、機能層7、参照層6、反強磁性結合層8、およびシフト調整層10が、この順序で積層された積層構造(図1において、記憶層2からシフト調整層10に向けて順次積層された積層構造)を有している。
また、図2に示す第1実施形態の変形例による磁気抵抗素子1Aのように、シフト調整層10、反強磁性結合層8、参照層6、機能層7、界面磁性層5、非磁性層4、および記憶層2が、この順序で積層された積層構造であってもよい。すなわち、図2に示す変形例においては、図1に示す積層順序と逆の順序で積層された積層構造を有している。
第1実施形態および以下の実施形態で説明する磁気抵抗素子への情報(データ)の書き込み方法について説明する。
次に、第1実施形態および以下の実施形態で説明する磁気抵抗素子からの情報(データ)の読み出し方法について説明する。
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において界面磁性層5と参照層6の間に設けられた機能層7を除去した構造を有している。つまり、界面磁性層5と参照層6とが直接接した構造を有している。
第3実施形態による磁気抵抗素子の断面を図4に示す。この第3実施形態の磁気抵抗素子1Cは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1において、界面磁性層5と参照層6との間に、機能層7の代わりに反強磁性結合層8aを設け、この反強磁性結合層8aによって界面磁性層5と参照層6の磁化方向が反平行に結合させた構造を有している。
第4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4実施形態の磁気抵抗素子1Dは、図4に示す第3実施形態の磁気抵抗素子1Cにおいて、シフト調整層10の代わりに参照層6と同じ磁化方向を有するシフト調整層10aを設けるとともに、反強磁性結合層8の代わりに界面層9を参照層6とシフト調整層10aとの間に設けた構造を有している。このような構造により、シフト調整層10aと参照層6との磁化の向きが界面層9を介して平行で、かつシフト調整層10aと参照層6との磁化の向きが界面磁性層5の磁化の向きに対して反平行になる。この場合も、第3実施形態と同様に界面磁性層5からの漏洩磁界と参照層6からの漏洩磁界との差分をシフト調整層10aで打ち消せばよいことになる。界面磁性層5からの漏洩磁界量が参照層6からの漏洩磁界量に比べて大きい場合、記憶層2に印加される漏洩磁界を低減するために、シフト調整層10aと参照層6の磁化の向きを平行にする。この場合、界面層9には、反強磁性結合を起こさない非磁性材料(例えば、Al、Sc、V、Cr、Zn、Ag、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等)を用いるか、反強磁性結合が起きないよう膜厚を調整した金属材料(例えば、Ru、Ir、Pt等)を用いるか、または窒化物材料(例えば、AlN、TiN、VNなど)などを用いる。
第5実施形態による磁気抵抗素子の断面を図6に示す。この第5実施形態の磁気抵抗素子1Eは、図5に示す第4実施形態の磁気抵抗素子1Dにおいて、界面層9およびシフト調整層10aを削除した構造を有している。この場合、磁化方向が反平行に結合して漏洩磁界を打ち消すことができるよう界面磁性層5および参照層6の飽和磁化をそれぞれ調整する。これにより、シフト調整層10aが不要となる。これに付随して界面層9も不要となる。このように、界面層9およびシフト調整層10aが不要になると、磁気抵抗素子を製造する際の加工膜厚が大幅に低減することができ、素子サイズの微細化が容易になり、大容量化に寄与することが可能となる。
次に、上記第1乃至第5実施形態およびそれらの変形例に用いられる参照層6について以下に詳細に説明する。
次に、上記第1実施形態に用いられる機能層7について以下に詳細に説明する。
次に、記憶層および界面磁性層にCoFeBを用い、非磁性層にMgOを用い、参照層としてSmCoCuを用いた図1に示す第1実施形態の実施例1による磁気抵抗素子と、実施例1の磁気抵抗素子において参照層としてSmCoCuの代わりにCoPtを用いた参照例の磁気抵抗素子のトンネル磁気抵抗効果比(以下、TMR比と呼ぶ)を測定した結果を図12に示す。
SmCoCuからなる参照層を用いた第1実施形態の実施例2による磁気抵抗素子のTiからなる機能層の膜厚とTMR比との関係を測定した結果を図13に示す。図12の実施例1で用いたSmCoCuからなる参照層を有する磁気抵抗素子との違いはCoFeBからなる界面磁性層の膜厚を薄膜化している点である。このため、図13の実施例2で得られたTMR比は図12に示す実施例1の場合に比べて全体的に低下している。図13からわかるように、Tiからなる機能層の厚さが厚くなるほどTMR比は増大し、Tiからなる機能層の厚さが3Åで参照例の磁気抵抗素子のTMR比とほぼ同等のTMR比を得ることが出来る。従って、Ti機能層を単層の機能層として用いる場合は、厚さが3Å以上で、且つ参照層と界面磁性層の磁気結合が切れてしまわない膜厚(例えば、0Åより大きく20Å以下)の範囲であることが望ましいと考えられる。これは、機能層としてTiを用いた場合に限らず、図12の実施例1に関連して挙げた六方晶構造を有する材料、例えばMg、Sc、Co、Zr、Hf、およびZnからなる群から選択される少なくとも一つの元素を含む材料、または高融点材料、例えばNb、Mo、Ta、およびWからなる群から選択された少なくとも一つの元素を含む材料でも同様と考えられる。
第6実施形態による磁気メモリについて図14および図15を参照して説明する。第6実施形態の磁気メモリは少なくとも1個のメモリセルを有し、このメモリセルの断面図を図14に示す。メモリセル53は、第1乃至第5実施形態の磁気抵抗素子(MTJ素子)を記憶素子として有している。以下の説明では、メモリセル53は、第1実施形態の磁気抵抗素子1を記憶素子として備えているものとする。
2 記憶層
4 非磁性層
5 界面磁性層
6 参照層
7 機能層
8 反強磁性結合層
8a 反強磁性結合層
10 シフト調整層
10a シフト調整層
Claims (14)
- 垂直磁気異方性を有する第1磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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、を備え、前記第2磁性層は、Mn、Fe、Co、およびNiからなる第1群から選択される少なくとも1つの元素と、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、およびAuからなる第2群から選択される少なくとも1つの元素と、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる第3群から選択される少なくとも1つの元素と、を含む磁性体を備える磁気抵抗素子。
- 前記磁性体は、Coと、Ptと、GdおよびTbの少なくとも一方と、を含む請求項1記載の磁気抵抗素子。
- 前記磁性体は、前記第1群から選択される少なくとも1つの元素と前記第2群から選択される少なくとも1つの元素とを含む第1層と、前記第3群から選択される少なくとも1つの元素を含む第2層との積層構造を有する請求項1または2記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性層と前記第1非磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第3磁性層を更に備える請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性層と前記第3磁性層が接する請求項4記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性層と前記第3磁性層との間に設けられ前記第2磁性層の磁化と前記第3磁性層の磁化とを反平行に結合させる反強磁性結合層を更に備えた請求項4記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性層と前記第1非磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第3磁性層と、前記第2磁性層と前記第3磁性層との間に設けられた金属層とを更に備える請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記金属層は、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群から選択される少なくとも1つの元素からなる単一層である請求項7記載の磁気抵抗素子。
- 前記金属層は、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群から選択される元素を含む第1層と、Mg、Ti、Sc、Co、Zr、Hf、Zn、Nb、Mo、Ta、およびWからなる群から選択される少なくとも1つの元素を含む第2層とを備えた積層構造を有する請求項7記載の磁気抵抗素子。
- 前記金属層は、前記第1層が前記第2磁性層に隣接するように配置される請求項9記載の磁気抵抗素子。
- 垂直磁気異方性を有する第1磁性層と、垂直磁気異方性を有する第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非磁性層と前記第2磁性層との間に設けられ垂直磁気異方性を有する第3磁性層と、前記第2磁性層と前記第3磁性層との間に設けられた金属層と、を備え、
前記第2磁性層は、Mn、Fe、Co、およびNiからなる第1群から選択される少なくとも1つの元素と、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる第2群から選択される少なくとも1つの元素と、B、C、Mg、Al、Sc、Ti、Cu、およびZnからなる第3群から選択される少なくとも1つの元素と、を含む磁性体を備え、
前記金属層は、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mg、Ti、Sc、Co、Zr、Hf、Zn、Nb、Mo、Ta、およびWからなる群から選択される少なくとも1つの元素を含む磁気抵抗素子。 - 前記金属層は、前記選択された少なくとも1つの元素からなる単一層である請求項11記載の磁気抵抗素子。
- 前記金属層は、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる群から選択された少なくとも1つの元素を含む第1層と、Mg、Ti、Sc、Co、Zr、Hf、Zn、Nb、Mo、Ta、およびWからなる群から選択される少なくとも1つの元素を含む第2層とを備えた積層構造を有する請求項11記載の磁気抵抗素子。
- 請求項1乃至13のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、
ソースおよびドレインのうちの一方が前記磁気抵抗素子の前記第1および第2磁性層のうちの一方に電気的に接続される選択トランジスタと、
前記磁気抵抗素子の前記第1および第2磁性層のうちの他方に電気的に接続される第1配線と、
前記選択トランジスタのソースおよびドレインの他方に電気的に接続される第2配線と、
前記選択トランジスタのゲートに電気的に接続される第3配線と、
を備えた磁気メモリ。
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