JP2016219698A - Magnetoresistive memory and method for manufacturing magnetoresistive memory - Google Patents
Magnetoresistive memory and method for manufacturing magnetoresistive memory Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016219698A JP2016219698A JP2015105532A JP2015105532A JP2016219698A JP 2016219698 A JP2016219698 A JP 2016219698A JP 2015105532 A JP2015105532 A JP 2015105532A JP 2015105532 A JP2015105532 A JP 2015105532A JP 2016219698 A JP2016219698 A JP 2016219698A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- magnetization
- magnetic field
- magnetoresistive memory
- insulating layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims abstract description 117
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 23
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 130
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 107
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 10
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 308
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 36
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 18
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 description 13
- 229910018979 CoPt Inorganic materials 0.000 description 12
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 12
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 12
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 12
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 11
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 11
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 10
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 7
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 7
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 4
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZDZZPLGHBXACDA-UHFFFAOYSA-N [B].[Fe].[Co] Chemical compound [B].[Fe].[Co] ZDZZPLGHBXACDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- AVMBSRQXOWNFTR-UHFFFAOYSA-N cobalt platinum Chemical compound [Pt][Co][Pt] AVMBSRQXOWNFTR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000009813 interlayer exchange coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N trichloroborane Chemical compound ClB(Cl)Cl FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗メモリ及び磁気抵抗メモリの製造方法に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive memory and a method of manufacturing a magnetoresistive memory.
磁気抵抗メモリであるMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)として、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)部分の下に配線を導入し、その配線に流す電流で発生する磁場により書き込みを行うものがあった。 As MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) which is a magnetoresistive memory, there is one in which wiring is introduced under a magnetic tunnel junction (MTJ) portion and writing is performed by a magnetic field generated by a current flowing through the wiring. .
しかしこの方式では、MRAMの微細化とともに書き込み電流が増加するため、近年、微細化するほど書き込み電流が小さくなるスピン注入型のMRAMが提案されている。
スピン注入型のMRAMは、MTJ部分に電流を流した際、強磁性層である磁化フリー層に流れ込む電子のスピンから、磁化フリー層の局在磁気モーメントにスピン角運動量が受け渡されることにより磁化反転が生じることを利用して書き込みを行うものである。
However, in this method, the write current increases with the miniaturization of the MRAM, and in recent years, a spin injection type MRAM has been proposed in which the write current becomes smaller as the miniaturization is performed.
The spin injection type MRAM is magnetized by passing the spin angular momentum from the spin of electrons flowing into the magnetization free layer, which is a ferromagnetic layer, to the localized magnetic moment of the magnetization free layer when a current is passed through the MTJ portion. Writing is performed by utilizing the occurrence of inversion.
なお、MRAMに関して、磁化フリー層を複数の強磁性層を用いて形成し、書き込み電流を同程度としたまま、記録内容の保持特性を向上する手法が提案されている。また、電界効果によって磁気異方性が変化することを利用して磁化反転を行う手法や、電界効果によって磁化反転をアシストする手法が提案されている。 As for the MRAM, a method has been proposed in which a magnetization free layer is formed using a plurality of ferromagnetic layers, and the retention characteristic of recorded contents is improved while maintaining the write current at the same level. In addition, a method of performing magnetization reversal utilizing the fact that magnetic anisotropy changes due to a field effect, and a method of assisting magnetization reversal using a field effect have been proposed.
ところで、微細化が進み、磁化フリー層の体積が減ると記録内容の保持特性が劣化する。そのため、微細化するほど書き込み電流が小さくなるスピン注入型のMRAMであっても、ある程度の磁化フリー層の体積を維持しなくてはならず、書き込み電流をあまり小さくできないという問題があった。 By the way, as the miniaturization advances and the volume of the magnetization free layer decreases, the retention characteristic of the recorded content deteriorates. Therefore, even with a spin injection type MRAM in which the write current decreases as the size is reduced, there is a problem in that the write current cannot be reduced so much that the volume of the magnetization free layer must be maintained to some extent.
1つの態様では、磁気抵抗メモリは、導電性を有する第1の材料を含み、柱状結晶構造の下地層と、前記下地層上に形成された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に形成され、垂直磁化を促進する磁化促進層を挟んで対向するように形成された磁化の向きが可変の複数の第1の磁性層を含む磁化フリー層と、前記磁化フリー層上に形成された第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層上に形成された、磁化の向きが固定の第2の磁性層と、を有する。 In one aspect, the magnetoresistive memory includes a first material having conductivity, a base layer having a columnar crystal structure, a first insulating layer formed on the base layer, and the first insulating layer A magnetization free layer including a plurality of first magnetic layers having a variable magnetization direction, formed on the magnetization promotion layer that opposes the magnetization enhancement layer that promotes perpendicular magnetization, and formed on the magnetization free layer. And a second magnetic layer having a fixed magnetization direction formed on the second insulating layer.
また、1つの態様では、導電性を有する第1の材料を含み、アニール処理を行うことで柱状結晶構造となる下地層上に、第1の絶縁層を形成し、前記第1の絶縁層上に、垂直磁化を促進する磁化促進層を挟んで対向するように形成された磁化の向きが可変の複数の第1の磁性層を含む磁化フリー層を形成し、前記磁化フリー層上に、第2の絶縁層を形成し、前記第2の絶縁層上に、磁化の向きが固定の第2の磁性層を形成する、磁気抵抗メモリの製造方法が提供される。 In one embodiment, the first insulating layer is formed on the base layer that includes the first material having conductivity and becomes a columnar crystal structure by performing an annealing process, and the first insulating layer is formed on the first insulating layer. In addition, a magnetization free layer including a plurality of first magnetic layers with variable magnetization directions formed so as to face each other with a magnetization promotion layer for promoting perpendicular magnetization interposed therebetween is formed on the magnetization free layer. There is provided a method for manufacturing a magnetoresistive memory, in which two insulating layers are formed, and a second magnetic layer having a fixed magnetization direction is formed on the second insulating layer.
1つの側面として、書き込み電流を小さくできるという効果を有する。 One aspect is that the write current can be reduced.
以下、発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本実施の形態の磁気抵抗メモリの一例を示す断面図である。
磁気抵抗メモリ10は、垂直磁化方式のMTJ型の磁気抵抗メモリである。
Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the magnetoresistive memory according to the present embodiment.
The
なお、図1では、トップピン型(参照層(磁化固定層またはピン層とも呼ばれる)がトンネル絶縁層の上にある構造)の磁気抵抗メモリの1つの(1ビット分の)メモリ素子の部分が示されている。下部電極や上部電極などについては図示が省略されている。 In FIG. 1, one (one bit) memory element portion of a top-pin type (a structure in which a reference layer (also referred to as a magnetization fixed layer or a pinned layer) is on a tunnel insulating layer) is provided. It is shown. The illustration of the lower electrode and the upper electrode is omitted.
磁気抵抗メモリ10は、漏れ磁場抑制層11、下地層12、絶縁層13、磁化フリー層(以下単にフリー層と呼ぶ)14、トンネル絶縁層15、参照層16、磁化促進層17、磁化反転抑制層18、導電層19、漏れ磁場抑制層20を有している。
The
漏れ磁場抑制層11は、参照層16からの漏れ磁場を抑制するために設けられている。漏れ磁場抑制層11は、たとえば、4〜8nm程度の膜厚のCoPt(コバルトプラチナ)層である。なお、漏れ磁場が少ない場合や、後述する漏れ磁場抑制層20により、漏れ磁場が十分抑制できれば、漏れ磁場抑制層11はなくてもよい。
The leakage magnetic
下地層12は、漏れ磁場抑制層11上に形成され、導電性を有する材料を含み、柱状結晶構造を有している。下地層12は、フリー層14と接触する面に存在する凹凸によって、フリー層14とその上方に形成される参照層16との間の相互作用を増加させる機能を有する。また、下地層12は、漏れ磁場抑制層11と、フリー層14との磁気的結合を切断するためのバッファ層としても機能する。
The
下地層12としては、たとえば、アニール処理により柱状に結晶成長するRu(ルテニウム)が用いられる。なお、Ru以外でも、導電性があり膜厚方向に柱状に結晶成長する材料を用いてもよい。Ruを用いた場合の下地層12の膜厚は、2nm以上、6nm以下とすることが望ましい。膜厚が2nm未満では、凹凸が小さすぎ、上記の相互作用を増加させる効果が低く、膜厚が6nmを超えると、参照層16からの漏れ磁場を調整する機能がなくなるためである。
As the
絶縁層13は、下地層12上に形成されている。絶縁層13は、フリー層14における垂直磁気異方性を大きくする機能を有する。絶縁層13としては、たとえば、Mg(マグネシウム)の酸化物であるMgO(酸化マグネシウム)が用いられ、その膜厚は、厚すぎるとメモリ素子の抵抗が大きくなりすぎるため、0.5nm以上、1.0nm以下の範囲であることが望ましい。
The insulating
なお、絶縁層13に用いられる材料は、MgOに限定されず、たとえば、Al(アルミニウム)、Hf(ハフニウム)、Ta(タンタル)などの酸化物などであってもよい。
フリー層14は、絶縁層13上に形成される。フリー層14は、垂直磁化を促進する磁化促進層14aを挟んで対向するように形成された磁化の向きが可変の複数の磁性層14b,14cを含む。
In addition, the material used for the insulating
The
磁化促進層14aとしては、たとえば、TaやHfなどが用いられる。
磁性層14b,14cとしては、たとえば、CoFeB(コバルト鉄ボロン)などの強磁性体材料が用いられる。
As the
For the
磁性層14b,14cのそれぞれの膜厚が厚すぎると、磁化方向が面内方向となる傾向がある。そのため、磁化促進層14aとしてTa、磁性層14b,14cとしてCoFeBを用いた場合、磁性層14b,14cが垂直磁化するように、各層の膜厚は、たとえば、以下のような範囲であることが望ましい。磁化促進層14aの膜厚は、0.4nm以上、2.0nm以下であり、磁性層14bの膜厚は、1.1nm以上、1.9nm以下、磁性層14cの膜厚は、0.7nm以上、1.2nm以下である。
If the thickness of each of the
なお、図1の例では、フリー層14に含まれる磁性層は、磁性層14b,14cの2層であるが、フリー層14の体積をより増やして記録内容の保持特性を向上させるために、3層以上の磁性層を設けるようにしてもよい。
In the example of FIG. 1, the magnetic layers included in the
トンネル絶縁層15は、MTJのトンネルバリアとして機能する。トンネル絶縁層15としては、たとえば、Mg、Al、Hf、Taなどの酸化物などが用いられる。ただ、原子が規則的に配列した結晶の性質をもち、トンネル電流の電子が散乱されにくく、比較的大きなMR(MagnetoResistance)比が得られやすいMgOを用いることが望ましい。
The
トンネル絶縁層15としてMgOを用いた場合、メモリ素子の抵抗が高くなりすぎないように、トンネル絶縁層15の膜厚は、1.0nmより小さいことが望ましい。たとえば、特許文献1〜3で提案されているメモリ素子では、MgOの膜厚が1.0nm以上と厚い。たとえば、膜厚が1.5nmのMgOの単位面積当たりの抵抗RA(Resistance-Area)の値は、約1kΩ・μm2となる。このMgO層をもつメモリ素子のサイズ(膜厚方向をz方向とするとx−y平面の面積)を20nm×20nmとした場合、メモリ素子の抵抗は、3E6Ω以上と非常に高抵抗となり、微細化が進む近年のMRAMへの適用が難しい。
When MgO is used as the
なお、MgOを用いたトンネル絶縁層15の膜厚は、0.8nm以上であると、比較的良好なMR比が得られる。
参照層16は、トンネル絶縁層15上に形成されており、磁化の向きが固定の磁性層である。参照層16としては、たとえば、CoFeBなどの強磁性体材料が用いられる。参照層16としてCoFeBを用いた場合、参照層16が垂直磁化膜となるように、膜厚は、1.1nm以上、1.9nm以下であることが望ましい。
A relatively good MR ratio can be obtained when the thickness of the
The
磁化促進層17は、参照層16と磁化反転抑制層18との間に形成されている。磁化促進層17としては、たとえば、Taやその化合物が用いられる。磁化促進層17としてTaを用いた場合、膜厚は、参照層16と磁化反転抑制層18が垂直磁化膜となるように、また、参照層16と磁化反転抑制層18の間に強い強磁性結合が働くように、たとえば、0.2nm以上、0.5nm以下であることが望ましい。
The
磁化反転抑制層18は、参照層16の磁化方向が反転しないように、参照層16の磁化を強化するために、磁化促進層17上に形成されている。磁化反転抑制層18としては、たとえば、CoPtが用いられる。磁化反転抑制層18としてCoPtを用いた場合、磁化反転抑制層18が大きな垂直磁気異方性をもった垂直磁化膜となるように、膜厚は、4nm以上であることが望ましい。一方、磁化反転抑制層18の膜厚は、厚くなりすぎると漏れ磁場が大きくなるため、8nm以下であることが望ましい。
The magnetization
導電層19は、磁化反転抑制層18と漏れ磁場抑制層20との間に形成され、両層を反強磁性結合させるために設けられている。導電層19としては、たとえば、Ruが用いられる。導電層19の膜厚を変えると、磁化反転抑制層18と漏れ磁場抑制層20との間の結合は、RKKY相互作用により、強磁性結合または反強磁性結合となる。そこで、導電層19の膜厚の上限と下限は、大きな反強磁性結合が得られる値とする。たとえば、導電層19の膜厚は、比較的大きな反強磁性結合が得られる、0.6nm以上、1.2nm以下とすることが望ましい。
The
漏れ磁場抑制層20は、参照層16からの漏れ磁場を抑制するために設けられている。漏れ磁場抑制層20は、たとえば、6〜15nm程度の膜厚のCoPt層である。前述した漏れ磁場抑制層11がない場合には、漏れ磁場抑制層20の厚さを、たとえば、15nmと、厚くすればよい。なお、漏れ磁場によってフリー層14のオフセット磁場がシフトする効果(オフセット磁場について後述する)は、MTJ部分のサイズが小さいと大きくなるため、このサイズによって、漏れ磁場抑制層20の膜厚も適宜変更することが望ましい。
The leakage magnetic
次に、本実施の形態の磁気抵抗メモリの効果を説明する前に、下地層12と絶縁層13との間にTa層を設けた磁気抵抗メモリを比較例として示す。
図2は、磁気抵抗メモリの比較例を示す図である。
Next, before describing the effect of the magnetoresistive memory according to the present embodiment, a magnetoresistive memory in which a Ta layer is provided between the
FIG. 2 is a diagram illustrating a comparative example of the magnetoresistive memory.
磁気抵抗メモリ30は、漏れ磁場抑制層31、下地層32、Ta層33、絶縁層34、フリー層35(磁化促進層35a、磁性層35b,35cを含む)、トンネル絶縁層36、参照層37を有している。さらに、磁化促進層38、磁化反転抑制層39、導電層40、漏れ磁場抑制層41を有している。
The
上記の磁気抵抗メモリ30の各層は、Ta層33以外は、図1に示した磁気抵抗メモリ10の各層に対応している。
図2に示した磁気抵抗メモリ30は、図1に示した磁気抵抗メモリ10と異なり、下地層32と絶縁層34との間にTa層33が設けられている。
Each layer of the
The
Ta層33は、下地層32がRuで、絶縁層34がMgOの場合、Ruの結晶性を遮断して、MgOを(001)方向に配向させやすくする。
このような磁気抵抗メモリ30に対して、図1に示した磁気抵抗メモリ10では、下地層12上に絶縁層13とMTJ部分が順に形成されている。そのため、磁気抵抗メモリ10では、下地層12の表面の凹凸の影響により、絶縁層13、フリー層14、トンネル絶縁層15、参照層16などの表面の凹凸が増大する。
When the
In contrast to such a
なお、ここで注意すべきは、磁気抵抗メモリ10と磁気抵抗メモリ30のトンネル絶縁層15,36及び、トンネル絶縁層15,36を挟む磁性層(フリー層14,35と参照層16,37)は、同じ構造であるという点である。つまり、磁気抵抗メモリ10,30に同じバイアス電圧を印加したときに、磁気抵抗メモリ10,30に流れる電流は、ほぼ等しい。磁気抵抗メモリ10,30の違いは、Ta層33の有無であり、その結果生じる凹凸の大きさである。
It should be noted that the
磁気抵抗メモリ10では、この凹凸の増大によって、フリー層14と参照層16との間のネール結合(オレンジピール結合とも呼ばれる)が増大し、フリー層14と参照層16との間の相互作用が増加する。そして、この相互作用が増加することによって、以下に示す理由により、磁気抵抗メモリ10において磁化反転を発生させるための書き込み電流Icを、比較例の磁気抵抗メモリ30よりも小さくできる。つまり、保持特性を維持するために複数の磁性層によるフリー層を用いている磁気抵抗メモリであっても、磁気抵抗メモリ10のような積層構造を採用することで、磁気抵抗メモリ30のような積層構造とした場合よりも、書き込み電流Icを小さくできる。
In the
以下、相互作用の増大によって、書き込み電流Icが小さくなる理由を説明する。
(磁気抵抗メモリ10のフリー層14の抵抗−磁場特性(以下RH特性という)のバイアス電圧依存性)
図3は、本実施の形態の磁気抵抗メモリのフリー層のRH特性の0V以上のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。
Hereinafter, the reason why the write current Ic becomes smaller due to the increased interaction will be described.
(Bias voltage dependence of resistance-magnetic field characteristics (hereinafter referred to as RH characteristics) of the
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the bias voltage dependence of 0 V or more of the RH characteristics of the free layer of the magnetoresistive memory according to the present embodiment.
横軸は、バイアス磁場の強さH(単位はOe)を示し、縦軸は抵抗R(Ω)を示している。
なお、測定対象の磁気抵抗メモリ10において、漏れ磁場抑制層11は、CoPt層、下地層12は、Ru層、絶縁層13は、MgO層としている。また、フリー層14の、磁化促進層14aは、Ta層、磁性層14b,14cは、CoFeB層としている。さらに、トンネル絶縁層15は、MgO層、参照層16は、CoFeB層としている。また、磁化促進層17は、Ta層、磁化反転抑制層18は、CoPt層、導電層19は、Ru層、漏れ磁場抑制層20は、CoPt層としている。
The horizontal axis represents the bias magnetic field strength H (unit: Oe), and the vertical axis represents the resistance R (Ω).
In the
なお、上記の積層構造(メモリ素子)のサイズ(膜厚方向をz方向とするとx−y平面の面積)は、45nm×45nmとしている。
これらの各層は、たとえば、スパッタで積層されたのち、アニール処理で結晶化されたものである(磁気抵抗メモリ10の製造方法の例については後述する)。
Note that the size of the stacked structure (memory element) (area of the xy plane when the film thickness direction is the z direction) is 45 nm × 45 nm.
Each of these layers is, for example, laminated by sputtering and then crystallized by annealing (an example of a method for manufacturing the
図3では、上記のような磁気抵抗メモリ10の積層構造を挟むような電極(図17参照)間に0V、0.2V、0.4V、0.6Vのバイアス電圧が印加されたときの、RH特性の例が示されている。
In FIG. 3, when bias voltages of 0 V, 0.2 V, 0.4 V, and 0.6 V are applied between electrodes (see FIG. 17) that sandwich the laminated structure of the
RH特性は、図3に示すようなヒステリシス特性をもっている。以下では、ヒステリシスループの中央におけるバイアス磁場の強さをオフセット磁場Hoff、ヒステリシスループの中央から右端または左端までのバイアス磁場の強さの差分を保磁力Hcという。 The RH characteristic has a hysteresis characteristic as shown in FIG. Hereinafter, the intensity of the bias magnetic field at the center of the hysteresis loop is referred to as an offset magnetic field Hoff, and the difference in the intensity of the bias magnetic field from the center of the hysteresis loop to the right end or the left end is referred to as a coercive force Hc.
図3に示すように、バイアス電圧が正の方向に大きくなると、オフセット磁場Hoffは負側にシフトし、保磁力Hcは、減少する。
図4は、本実施の形態の磁気抵抗メモリのフリー層のRH特性の0V以下のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。
As shown in FIG. 3, when the bias voltage increases in the positive direction, the offset magnetic field Hoff shifts to the negative side, and the coercive force Hc decreases.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a bias voltage dependency of 0 V or less of the RH characteristics of the free layer of the magnetoresistive memory according to the present embodiment.
横軸は、バイアス磁場の強さH(単位はOe)を示し、縦軸は抵抗R(Ω)を示している。
測定対象の磁気抵抗メモリ10は、図3の測定時のものと同じである。
The horizontal axis represents the bias magnetic field strength H (unit: Oe), and the vertical axis represents the resistance R (Ω).
The
図4では、磁気抵抗メモリ10の積層構造を挟むような電極間に0V、−0.2V、−0.4V、−0.6Vのバイアス電圧が印加されたときの、RH特性の例が示されている。
FIG. 4 shows an example of the RH characteristic when bias voltages of 0 V, −0.2 V, −0.4 V, and −0.6 V are applied between electrodes sandwiching the laminated structure of the
図4に示すように、バイアス電圧が負の方向に大きくなると、オフセット磁場Hoffは正側にシフトし、保磁力Hcは、減少する。
図5は、オフセット磁場及び保磁力のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。
As shown in FIG. 4, when the bias voltage increases in the negative direction, the offset magnetic field Hoff shifts to the positive side, and the coercive force Hc decreases.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of bias voltage dependence of the offset magnetic field and the coercive force.
横軸は、バイアス電圧(単位はV)を示し、縦軸は、保磁力Hc、オフセット磁場Hoff(単位はOe)を示している。
図5に示すように、保磁力Hcは、バイアス電圧の絶対値が大きくなると減少し、オフセット磁場Hoffは、バイアス電圧に対して、ほぼ線形に変化する。
The horizontal axis indicates the bias voltage (unit is V), and the vertical axis indicates the coercive force Hc and the offset magnetic field Hoff (unit is Oe).
As shown in FIG. 5, the coercive force Hc decreases as the absolute value of the bias voltage increases, and the offset magnetic field Hoff changes substantially linearly with respect to the bias voltage.
上記のような保磁力Hcの変化は、MTJ部分を流れるスピン偏極された電流や、バイアス電圧の変化によって、垂直磁気異方性が変化する効果や、フリー層14と参照層16との間の交換相互作用が変化する効果などが起因していると考えられる。
The change in the coercive force Hc as described above is caused by the effect that the perpendicular magnetic anisotropy changes due to the spin-polarized current flowing in the MTJ portion or the change in the bias voltage, and between the
一方、上記のようなオフセット磁場Hoffの変化は、MTJ部分を流れるスピン偏極された電流や、フリー層14、トンネル絶縁層15、参照層16間に働く交換結合の大きさがバイアス電圧によって変化することによるものと考えられる。
On the other hand, the change in the offset magnetic field Hoff as described above is caused by the bias voltage in which the spin-polarized current flowing in the MTJ portion and the exchange coupling acting between the
なお、交換結合の大きさは、トンネル絶縁層15が薄い領域で大きくなる(たとえば、非特許文献2参照)。また、交換相互作用の大きさはバイアス電圧によって変化する(たとえば、非特許文献3参照)。なお、フリー層14の磁性層14b、磁化促進層14a、磁性層14cの各層の間にも交換相互作用が働いている(たとえば、非特許文献4参照)。
Note that the magnitude of the exchange coupling increases in a region where the
図5に示すような特性をもつ、本実施の形態の磁気抵抗メモリ10は、以下のようにバイアス電圧を変化させることで磁化反転が行われ、MTJ部分の抵抗が変化する。
図6は、磁化反転の一例の様子を示す図である。
In the
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of magnetization reversal.
図6では、バイアス電圧が−0.6V、0V、0.6VのときのRH特性の様子が示されている。
バイアス磁場の強さHがゼロのとき、0.6Vのバイアス電圧が印加されている状態では、抵抗Rは6000Ω以上の、比較的高抵抗状態となる。バイアス磁場の強さHがゼロの状態を保ったまま、バイアス電圧が0Vとなると、抵抗Rは高抵抗状態を維持し、保磁力Hcは、バイアス電圧が0.6Vのときよりも大きい状態となる。
FIG. 6 shows the state of the RH characteristics when the bias voltage is −0.6 V, 0 V, and 0.6 V.
When the bias magnetic field strength H is zero, when a bias voltage of 0.6 V is applied, the resistance R is in a relatively high resistance state of 6000Ω or more. When the bias voltage is 0V while the bias magnetic field strength H is kept zero, the resistance R maintains a high resistance state, and the coercive force Hc is larger than when the bias voltage is 0.6V. Become.
バイアス磁場の強さHがゼロの状態を保ったまま、バイアス電圧が0Vから−0.6Vに変化すると、磁化反転が起こり、抵抗Rが、5000Ω以下の比較的低抵抗状態となる。 When the bias voltage changes from 0V to -0.6V while the intensity H of the bias magnetic field is maintained at zero, magnetization reversal occurs and the resistance R becomes a relatively low resistance state of 5000Ω or less.
バイアス磁場の強さHがゼロの状態を保ったまま、バイアス電圧が再び0Vに変化すると、抵抗Rは低抵抗状態を保ったままとなる。
バイアス磁場の強さHがゼロの状態を保ったまま、バイアス電圧が再び0.6Vに変化すると、磁化反転が起こり、抵抗Rは高抵抗状態となる。
If the bias voltage changes to 0V again while the bias magnetic field strength H remains zero, the resistor R remains in the low resistance state.
When the bias voltage changes to 0.6 V again while maintaining the bias magnetic field strength H at zero, magnetization reversal occurs and the resistance R enters a high resistance state.
この性質を用いると、磁気抵抗メモリ10のMTJ部分への“0”書き込みと、“1”書き込みを、バイアス磁場の強さHを印加せずに以下のように行うことができる。
図7は、“0”書き込みの様子を示す図である。
Using this property, “0” writing and “1” writing to the MTJ portion of the
FIG. 7 is a diagram showing a state of writing “0”.
図7には、フリー層14と、トンネル絶縁層15と、磁化の向きが下向きに固定された参照層16とを含むMTJ部分が示されている。
バイアス磁場の強さHがゼロ、バイアス電圧Vb=0Vの状態で、高抵抗状態(フリー層14の磁化の向きが参照層16の磁化の向きと反対の状態)のときは、MTJ部分に、“1”が書き込まれている状態である。
FIG. 7 shows an MTJ portion including the
When the intensity H of the bias magnetic field is zero and the bias voltage Vb = 0 V and the resistance state is high (the magnetization direction of the
MTJ部分への“0”書き込みは、バイアス磁場の強さHがゼロのとき、低抵抗状態(たとえば、図6の場合、5000Ω以下)しかないRH特性となるようなバイアス電圧Vb=−V1をMTJ部分に印加することで行われる。これによりフリー層14の磁化の向きが反転され、参照層16の磁化の向きと同じとなり、“0”が書き込まれる。
When “0” is written to the MTJ portion, the bias voltage Vb = −V1 is set such that the RH characteristic has only a low resistance state (for example, 5000Ω or less in the case of FIG. 6) when the intensity H of the bias magnetic field is zero. This is done by applying to the MTJ part. As a result, the magnetization direction of the
図8は、“1”書き込みの様子を示す図である。
バイアス磁場の強さHがゼロ、バイアス電圧Vb=0Vの状態で、低抵抗状態(フリー層14の磁化の向きが参照層16の磁化の向きと同じ状態)のときは、MTJ部分に、“0”が書き込まれている状態である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a state of writing “1”.
When the bias magnetic field strength H is zero and the bias voltage Vb = 0 V and the resistance state is low (the magnetization direction of the
MTJ部分への“1”書き込みは、バイアス磁場の強さHがゼロのとき、高抵抗状態(たとえば、図6の場合、6000Ω以上)しかないRH特性となるようなバイアス電圧Vb=+V2をMTJ部分に印加することで行われる。これによりフリー層14の磁化の向きが反転され、参照層16の磁化の向きと反対となり、“1”が書き込まれる。
When “1” is written to the MTJ portion, when the bias magnetic field strength H is zero, a bias voltage Vb = + V2 that has only a high resistance state (for example, 6000Ω or more in the case of FIG. 6) is obtained. This is done by applying to the part. As a result, the magnetization direction of the
図9は、バイアス電圧と、保磁力及びオフセット磁場の関係の一例を示す相図である。
横軸は、バイアス電圧Vb、縦軸は、保磁力Hc、オフセット磁場Hoff、Hoff0−Hoffを示している。Hoff0は、バイアス電圧Vb=0Vのときのオフセット磁場Hoffを示している。
FIG. 9 is a phase diagram illustrating an example of the relationship between the bias voltage, the coercive force, and the offset magnetic field.
The horizontal axis represents the bias voltage Vb, and the vertical axis represents the coercive force Hc, the offset magnetic field Hoff, and Hoff0-Hoff. Hoff0 indicates the offset magnetic field Hoff when the bias voltage Vb = 0V.
なお、図9では、オフセット磁場Hoff及び保磁力Hcのバイアス電圧依存性の他に、バイアス電圧Vbが0V以上の部分では、Hoff0−Hoffのバイアス電圧依存性が示されている。 In addition to the bias voltage dependency of the offset magnetic field Hoff and the coercive force Hc, FIG. 9 shows the bias voltage dependency of Hoff0−Hoff in a portion where the bias voltage Vb is 0 V or more.
“0”書き込みが可能となるバイアス電圧Vbは、バイアス磁場の強さHがゼロのとき、低抵抗状態しかないRH特性となるような値である。バイアス磁場の強さHがゼロのとき、低抵抗状態しかないRH特性とは、図7などからわかるようにHoff>Hcの条件を満たしているRH特性といえる。この条件を満たすバイアス電圧Vbは、図9の相図では、Vb<Vth0となる。つまり、バイアス電圧Vbを、Vb<Vth0とすることで、“0”書き込みが可能となる。 The bias voltage Vb at which “0” can be written has such a value that the RH characteristic has only a low resistance state when the intensity H of the bias magnetic field is zero. When the intensity H of the bias magnetic field is zero, the RH characteristic that has only a low resistance state can be said to be an RH characteristic that satisfies the condition of Hoff> Hc as can be seen from FIG. The bias voltage Vb that satisfies this condition is Vb <Vth0 in the phase diagram of FIG. In other words, “0” can be written by setting the bias voltage Vb to Vb <Vth0.
一方、“1”書き込みが可能となるバイアス電圧Vbは、バイアス磁場の強さHがゼロのとき、高抵抗状態しかないRH特性となるような値である。バイアス磁場の強さHがゼロのとき、高抵抗状態しかないRH特性とは、図8などからわかるようにHoff0−Hoff>Hcの条件を満たしているRH特性といえる。この条件を満たすバイアス電圧Vbは、図9の相図では、Vb>Vth1となる。つまり、バイアス電圧Vbを、Vb>Vth1とすることで、“1”書き込みが可能となる。 On the other hand, the bias voltage Vb at which “1” can be written is such a value that the RH characteristic has only a high resistance state when the intensity H of the bias magnetic field is zero. When the intensity H of the bias magnetic field is zero, the RH characteristic that has only a high resistance state can be said to be an RH characteristic that satisfies the condition of Hoff0−Hoff> Hc as can be seen from FIG. The bias voltage Vb satisfying this condition is Vb> Vth1 in the phase diagram of FIG. In other words, “1” can be written by setting the bias voltage Vb to Vb> Vth1.
図10は、本実施の形態の磁気抵抗メモリにおける、バイアス電圧と、保磁力及びオフセット磁場の関係の一例を示す相図である。
図10は、図5に示したオフセット磁場及び保磁力のバイアス電圧依存性を、図9に示したような相図に書き換えたものである。図10には、バイアス電圧Vbが0V以下の場合のオフセット磁場Hoffと、0V以上の場合のHoff0−Hoffのバイアス電圧依存性と、保磁力Hcのバイアス電圧依存性が示されている。
FIG. 10 is a phase diagram showing an example of the relationship between the bias voltage, the coercive force, and the offset magnetic field in the magnetoresistive memory according to the present embodiment.
FIG. 10 is obtained by rewriting the bias voltage dependence of the offset magnetic field and the coercive force shown in FIG. 5 into a phase diagram as shown in FIG. FIG. 10 shows the offset magnetic field Hoff when the bias voltage Vb is 0 V or lower, the bias voltage dependency of Hoff0-Hoff when the bias voltage Vb is 0 V or higher, and the bias voltage dependency of the coercive force Hc.
図10に示されているように、Vb<Vth0で、Hoff>Hcとなる。Vth0は、図10の例では、−0.4Vよりも絶対値が小さい値となっている。また、Vb>Vth1で、Hoff0−Hoff>Hcとなる。Vth0は、図10の例では、0.4V程度の値となっている。 As shown in FIG. 10, Vb <Vth0 and Hoff> Hc. In the example of FIG. 10, Vth0 has a smaller absolute value than −0.4V. Further, Vb> Vth1 and Hoff0−Hoff> Hc. Vth0 has a value of about 0.4 V in the example of FIG.
つまり、“0”書き込み及び“1”書き込みとも、比較的小さいバイアス電圧Vbで可能となる。
これによって、MTJ部分への書き込み電流Icについても比較的小さくて済むようになる。
That is, “0” writing and “1” writing can be performed with a relatively small bias voltage Vb.
As a result, the write current Ic to the MTJ portion can be relatively small.
比較のために、図2に示した磁気抵抗メモリ30のフリー層35のRH特性のバイアス電圧依存性を示す。
(磁気抵抗メモリ30のフリー層35のRH特性のバイアス電圧依存性)
図11は、比較例の磁気抵抗メモリのフリー層のRH特性の0V以上のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。
For comparison, the bias voltage dependence of the RH characteristic of the free layer 35 of the
(Dependence of bias voltage on RH characteristics of free layer 35 of magnetoresistive memory 30)
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of the bias voltage dependence of 0 V or more of the RH characteristics of the free layer of the magnetoresistive memory of the comparative example.
横軸は、バイアス磁場の強さH(単位はOe)を示し、縦軸は抵抗R(Ω)を示している。
なお、測定対象の磁気抵抗メモリ30において、Ta層33以外の各層の材料は、磁気抵抗メモリ10と同じである。
The horizontal axis represents the bias magnetic field strength H (unit: Oe), and the vertical axis represents the resistance R (Ω).
In the
なお、上記の積層構造のサイズ(膜厚方向をz方向とするとx−y平面の面積)は、45nm×45nmとしている。
図11では、上記のような磁気抵抗メモリ30の積層構造を挟むような電極間に0V、0.2V、0.4V、0.6Vのバイアス電圧が印加されたときの、RH特性の例が示されている。図11に示すように、バイアス電圧が正の方向に大きくなると、保磁力Hcが減少する点は図3と同様の特性だが、オフセット磁場Hoffのシフトは、図3に比べると小さい。
Note that the size of the laminated structure (the area of the xy plane when the film thickness direction is the z direction) is 45 nm × 45 nm.
FIG. 11 shows an example of the RH characteristic when bias voltages of 0 V, 0.2 V, 0.4 V, and 0.6 V are applied between the electrodes that sandwich the laminated structure of the
図12は、比較例の磁気抵抗メモリのフリー層のRH特性の0V以下のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。
横軸は、バイアス磁場の強さH(単位はOe)を示し、縦軸は抵抗R(Ω)を示している。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a bias voltage dependency of 0 V or less of the RH characteristics of the free layer of the magnetoresistive memory of the comparative example.
The horizontal axis represents the bias magnetic field strength H (unit: Oe), and the vertical axis represents the resistance R (Ω).
測定対象の磁気抵抗メモリ30は、図10の測定時のものと同じである。
図12では、磁気抵抗メモリ30の積層構造を挟むような電極間に0V、−0.2V、−0.4V、−0.6Vのバイアス電圧が印加されたときの、RH特性の例が示されている。図12に示すように、バイアス電圧が負の方向に大きくなると、保磁力Hcが減少する点は図4と同様の特性だが、オフセット磁場Hoffのシフトは、図4に比べると小さい。
The
FIG. 12 shows an example of the RH characteristic when bias voltages of 0 V, −0.2 V, −0.4 V, and −0.6 V are applied between electrodes sandwiching the stacked structure of the
図13は、比較例の磁気抵抗メモリにおけるオフセット磁場及び保磁力のバイアス電圧依存性の一例を示す図である。
横軸は、バイアス電圧(単位はV)を示し、縦軸は、保磁力Hc、オフセット磁場Hoff(単位はOe)を示している。
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of the bias voltage dependence of the offset magnetic field and the coercive force in the magnetoresistive memory of the comparative example.
The horizontal axis indicates the bias voltage (unit is V), and the vertical axis indicates the coercive force Hc and the offset magnetic field Hoff (unit is Oe).
図13に示すように、保磁力Hcは、バイアス電圧の絶対値が大きくなると減少する。オフセット磁場Hoffは、バイアス電圧の増加に伴い減少するが、その程度は、図5と比べると少ない。 As shown in FIG. 13, the coercive force Hc decreases as the absolute value of the bias voltage increases. The offset magnetic field Hoff decreases as the bias voltage increases, but the degree is smaller than that in FIG.
このような特性をもつ、比較例の磁気抵抗メモリ30では、Hoff>Hcとなるバイアス電圧の絶対値と、Hoff0−Hoff>Hcとなるバイアス電圧の絶対値は、磁気抵抗メモリ10よりも大きくなる。そのため、書き込み電流Icも大きくなる。
In the
(書き込み電流Icの一例)
図14は、本実施の形態の磁気抵抗メモリと比較例の磁気抵抗メモリとにおける書き込み電流の抵抗依存性の一例を示す図である。
(Example of write current Ic)
FIG. 14 is a diagram showing an example of the resistance dependence of the write current in the magnetoresistive memory of this embodiment and the magnetoresistive memory of the comparative example.
横軸は、図1または図2に示した磁気抵抗メモリ10,30の積層構造を挟むような電極間の抵抗R(単位はΩ)、縦軸は、“0”書き込みまたは“1”書き込みのための書き込み電流Ic(単位はμA)を示している。
The horizontal axis represents the resistance R (unit: Ω) between the electrodes sandwiching the stacked structure of the
図14に示されているように抵抗Rの値が小さいときも大きいときも、何れの場合も、書き込み電流Icは、磁気抵抗メモリ10における値のほうが、磁気抵抗メモリ30における値よりも低い傾向が得られている。
As shown in FIG. 14, the write current Ic tends to be lower in the
(MR比の一例)
図15は、本実施の形態の磁気抵抗メモリと比較例の磁気抵抗メモリとにおけるMR比の抵抗依存性の一例を示す図である。
(Example of MR ratio)
FIG. 15 is a diagram showing an example of the resistance dependency of the MR ratio in the magnetoresistive memory of this embodiment and the magnetoresistive memory of the comparative example.
横軸は、図1または図2に示した磁気抵抗メモリ10,30の抵抗R(単位はΩ)、縦軸は、MR比(単位は%)を示している。
図15に示されているように、磁気抵抗メモリ10のMR比の値は、磁気抵抗メモリ30の値と同等となっている。
The horizontal axis represents the resistance R (unit: Ω) of the
As shown in FIG. 15, the MR ratio value of the
以下、本実施の形態の磁気抵抗メモリ10の製造方法を説明する。
(磁気抵抗メモリ10の製造方法の一例)
図16は、磁気抵抗メモリの製造方法の流れを示すフローチャートである。
Hereinafter, a method for manufacturing the
(Example of manufacturing method of magnetoresistive memory 10)
FIG. 16 is a flowchart showing a flow of a manufacturing method of the magnetoresistive memory.
磁気抵抗メモリ10の製造ステップには、成膜処理(ステップS1)、アニール処理(ステップS2)、加工処理(ステップS3)がある。
成膜処理では、以下のような積層構造が形成される。
Manufacturing steps of the
In the film forming process, the following laminated structure is formed.
図17は、成膜処理で形成される積層構造の一例を示す断面図である。
図1に示した層と同一の層については同一符号を付している。図17の例では、図1に示した積層構造の上下にバッファ層50,51を介して電極(下部電極52と上部電極53)を形成した例が示されている。
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating an example of a laminated structure formed by a film forming process.
The same reference numerals are assigned to the same layers as those shown in FIG. In the example of FIG. 17, an example is shown in which electrodes (
以下、各層の成膜例を示す。なお、各層の膜厚の範囲は、前述した理由に基づくものである。
成膜処理は、たとえば、マルチチャンバ型スパッタ装置を用いて、in−situで行われる。
Hereinafter, examples of forming each layer will be described. In addition, the range of the film thickness of each layer is based on the reason mentioned above.
The film forming process is performed in-situ using, for example, a multi-chamber type sputtering apparatus.
まず、図示しない多層配線ウエハなどの基板上に、下部電極52として、たとえば、膜厚3nm程度のTa層52a、膜厚20nm程度のRu層52b、膜厚15nm程度のTa層52cが形成される。Ta層52a,52cは、たとえば、Kr(クリプトン)ガス雰囲気中、1000Vで、Ru層52bは、Ar(アルゴン)ガス雰囲気中、600Wで、それぞれRF(Radio Frequency)スパッタにより形成される。Ta層52cは、MTJ部分をメタノールガスによる反応性エッチング(RIE(Reactive Ion Etching))で形成する際の、エッチングストッパとして用いる目的で形成される。
First, as a
下部電極52上には、バッファ層50が、たとえば、膜厚2〜10nm程度のRuを用いて形成される。バッファ層50上には、漏れ磁場抑制層11が、たとえば、膜厚4〜8nm程度のCoPtを用いて形成される。CoPtによる漏れ磁場抑制層11は、たとえば、RFスパッタにより、Xe(キセノン)ガス雰囲気中、300Wで、CoとPtを交互に成膜することで形成される。たとえば、膜厚0.4nmのCoと膜厚0.6nmのPtの成膜を6回繰り返し、最後にCoを膜厚0.4nmで成膜することで、膜厚6.4nmのCoPtが得られる。
On the
なお、漏れ磁場抑制層11は、参照層16からの漏れ磁場が十分小さい場合、なくてもよい。ただ、トップピン構造の磁気抵抗メモリ10において、RIE加工する場合には、フリー層14の下に2〜10nm程度の層(下地層12やバッファ層50)を導入することが望ましい。RIE加工の際、エッチング残渣が付着してMTJ部分の特性が劣化することを防ぐことができるためである。
The leakage magnetic
その後、RFスパッタにより、漏れ磁場抑制層11上に、たとえば、Ruによる下地層12が膜厚2〜10nmで形成される。さらに、下地層12上に、たとえば、MgOによる絶縁層13が膜厚0.5〜1.0nmで形成される。
Thereafter, an
たとえば、膜厚約0.8nmの絶縁層13の形成の際、まず、膜厚0.7nmのMg層がAr雰囲気中、100Wで、RFスパッタにより形成される。その後、製造途中の磁気抵抗メモリ10は、マルチチャンバ型スパッタ装置の酸化チャンバーに移動され、10秒間自然酸化される。その後再び、RFスパッタにより、たとえば、膜厚0.2nmのMg層が形成されることで、膜厚約0.8nmの絶縁層13が得られる。膜厚0.2nmのMg層は、Mg原子とO(酸素)原子の比を調整し、絶縁層13上のフリー層14が酸化されることを抑制するために設けられている。
For example, when forming the insulating
その後、絶縁層13上に、たとえば、Ar雰囲気中、300Wで、RFスパッタによりCo15Fe60B25による磁性層14bが膜厚1.1〜1.9nmで形成される。さらに、磁性層14b上に、たとえば、Ar雰囲気中、300Wで、RFスパッタによりTaによる磁化促進層14aが膜厚0.4〜2.0nmで形成される。磁化促進層14a上には、たとえば、Ar雰囲気中、300Wで、RFスパッタによりCo20Fe60B20による磁性層14cが膜厚0.7〜1.2nmで形成される。
Thereafter, the
なお、磁性層14bにおけるBの組成比は、磁性層14bにおいて垂直磁化しやすくなるように、磁性層14cにおけるBの組成比よりも多くなっている。
その後、絶縁層13の形成手法と同様に、たとえば、膜厚1.0nmより小さく、0.8nm以上のMgOによるトンネル絶縁層15が形成される。たとえば、膜厚約0.9nmのトンネル絶縁層15を形成する際には、まず膜厚0.7nmのMg層が磁性層14c上に形成され、55秒間の自然酸化によりMgOが形成され、その後、0.2nmのMg層が形成される。膜厚0.2nmのMg層は、Mg原子とO原子の比を調整し、トンネル絶縁層15上の参照層16が酸化されることを抑制するために設けられている。
Note that the B composition ratio in the
Thereafter, similarly to the formation method of the insulating
その後、トンネル絶縁層15上に、たとえば、Ar雰囲気中、300Wで、RFスパッタによりCo15Fe60B25による参照層16が膜厚1.1〜1.9nmで形成される。さらに、RFスパッタにより、参照層16上に、たとえば、Taによる磁化促進層17が膜厚0.2〜0.5nmで形成され、磁化促進層17上に、CoPtによる磁化反転抑制層18が膜厚4〜8nmで形成される。また、RFスパッタにより、磁化反転抑制層18上に、たとえば、Ruによる導電層19が膜厚0.6〜1.2nmで形成され、導電層19上に、たとえば、CoPtによる漏れ磁場抑制層20が膜厚6〜15nmで形成される。
Thereafter, the
その後、RFスパッタにより、たとえば、Ruによるバッファ層51が膜厚7nm程度で形成され、バッファ層51上にTaによる上部電極53が膜厚120nm程度で形成される。Taによる上部電極53は、MTJ部分をRIE加工する際のハードマスクとして用いられる。なお、上部電極53は、たとえば、CL2(塩素)とBCL3(三塩化ホウ素)の混合ガスを用いたRIEで加工される。Ruによるバッファ層51は、ハードマスク加工の際のエッチングストッパとして用いられる。
Thereafter, for example, the buffer layer 51 of Ru is formed with a film thickness of about 7 nm by RF sputtering, and the
上記のような成膜処理後、形成された積層構造に対して、結晶化のためのアニール処理が行われる。アニール処理は、たとえば、300℃で行われる。
アニール処理後は、RIEなどを用いた加工処理が行われ、磁気抵抗メモリ10が形成される。
After the film formation process as described above, an annealing process for crystallization is performed on the formed laminated structure. The annealing process is performed at 300 ° C., for example.
After the annealing process, a processing process using RIE or the like is performed, and the
図18は、メモリ素子とトランジスタを含む磁気抵抗メモリの等価回路の一例を示す図である。
磁気抵抗メモリ10は、それぞれMTJ部分を含む複数のメモリ素子(磁気抵抗素子)61a1〜61an、複数のトランジスタ(nチャネル型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor))61b1〜61bnを有する。メモリ素子61a1〜61anのそれぞれは、図17に示したような積層構造を有している。
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of an equivalent circuit of a magnetoresistive memory including a memory element and a transistor.
The
たとえば、メモリ素子61a1の下部電極(図17では、下部電極52)は、トランジスタ61b1の一方の入出力端子(ドレインまたはソース)に接続されている。メモリ素子61a1の上部電極(図17では、上部電極53)は、ビット線62に接続されている。他のメモリ素子及びトランジスタについても同様の接続となっている。
For example, the lower electrode (
たとえば、メモリ素子61a1への書き込み時には、図示しない選択回路によってワード線63にH(High)レベルの電圧が印加され、トランジスタ61b1がオンする。そして、書き込み値に応じて、ビット線62とソース線64の間に極性の異なる電流を流すように電圧が印加される。書き込み電流Icの電流密度が“0”書き込みまたは“1”書き込みの閾値を超えたときに、フリー層14の磁化反転が起こり、記録内容(“1”または“0”)の反転が行われる。
For example, when writing to the memory element 61a1, a voltage of H (High) level is applied to the
一方、メモリ素子61a1からの読み出し時には、図示しない選択回路によってワード線63にHレベルの電圧が印加され、トランジスタ61b1がオンする。そして、ビット線62とソース線64の間に書き込み時より小さい電圧が印加される。これにより、トランジスタ61b1及びメモリ素子61a1を介して、ビット線62とソース線64間に、メモリ素子61a1の抵抗値に基づいた電流値が流れ、図示しないセンスアンプによってその電流が検出され、記録内容が判別される。
On the other hand, at the time of reading from the memory element 61a1, an H level voltage is applied to the
本実施の形態の磁気抵抗メモリ10では、上記のように下地層12上に絶縁層13とMTJ部分が順に形成されている。そのため、前述したように、下地層12の表面の凹凸の影響により、フリー層14と参照層16との間の相互作用が増加し、書き込み電流Icを小さくできる。これによって、磁気抵抗メモリ10の消費電力が抑えられる。
In the
以上、実施の形態に基づき、本発明の磁気抵抗メモリ及び磁気抵抗メモリの製造方法の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。 As described above, one aspect of the magnetoresistive memory and the method of manufacturing the magnetoresistive memory according to the present invention has been described based on the embodiments. However, these are merely examples, and the present invention is not limited to the above description.
10 磁気抵抗メモリ
11,20 漏れ磁場抑制層
12 下地層
13 絶縁層
14 磁化フリー層
14a,17 磁化促進層
14b,14c 磁性層
15 トンネル絶縁層
16 参照層
18 磁化反転抑制層
19 導電層
Ic 書き込み電流
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記下地層上に形成された第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上に形成され、垂直磁化を促進する磁化促進層を挟んで対向するように形成された磁化の向きが可変の複数の第1の磁性層を含む磁化フリー層と、
前記磁化フリー層上に形成された第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上に形成された、磁化の向きが固定の第2の磁性層と、
を有することを特徴とする磁気抵抗メモリ。 A first material having conductivity, an underlayer having a columnar crystal structure;
A first insulating layer formed on the underlayer;
A magnetization free layer formed on the first insulating layer and including a plurality of first magnetic layers having a variable magnetization direction formed so as to face each other with a magnetization promotion layer promoting perpendicular magnetization interposed therebetween;
A second insulating layer formed on the magnetization free layer;
A second magnetic layer formed on the second insulating layer and having a fixed magnetization direction;
A magnetoresistive memory comprising:
前記ヒステリシス特性のヒステリシスループの中央における前記バイアス磁場であるオフセット磁場は、前記バイアス電圧の増加とともに減少する特性を有し、
前記ヒステリシスループに基づく保磁力は、前記バイアス電圧の絶対値の増加とともに減少する特性を有し、
前記バイアス電圧が第1の電圧値より小さいとき、前記オフセット磁場が前記保磁力よりも大きくなり、第1の値の書き込みが行われ、
前記バイアス電圧が第2の電圧値より大きいとき、前記オフセット磁場と、前記バイアス電圧の非印加時の前記オフセット磁場との差分が、前記保磁力よりも大きくなり、第2の値の書き込みが行われる、
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗メモリ。 The relationship between the bias magnetic field for the magnetization free layer and the resistance based on the magnetization direction of the magnetization free layer shows a hysteresis characteristic that changes according to the bias voltage applied to the magnetization free layer,
The offset magnetic field, which is the bias magnetic field in the center of the hysteresis loop of the hysteresis characteristic, has a characteristic that decreases as the bias voltage increases,
The coercive force based on the hysteresis loop has a characteristic of decreasing as the absolute value of the bias voltage increases,
When the bias voltage is smaller than a first voltage value, the offset magnetic field is larger than the coercivity, and a first value is written,
When the bias voltage is greater than a second voltage value, the difference between the offset magnetic field and the offset magnetic field when the bias voltage is not applied is greater than the coercivity, and the second value is written. Called
The magnetoresistive memory according to claim 1.
前記第1の絶縁層上に、垂直磁化を促進する磁化促進層を挟んで対向するように形成された磁化の向きが可変の複数の第1の磁性層を含む磁化フリー層を形成し、
前記磁化フリー層上に、第2の絶縁層を形成し、
前記第2の絶縁層上に、磁化の向きが固定の第2の磁性層を形成する、
ことを特徴とする磁気抵抗メモリの製造方法。 A first insulating layer is formed on the base layer that includes the first material having conductivity and has a columnar crystal structure by annealing.
On the first insulating layer, a magnetization free layer including a plurality of first magnetic layers with variable magnetization directions formed so as to face each other with a magnetization promoting layer promoting perpendicular magnetization interposed therebetween,
Forming a second insulating layer on the magnetization free layer;
Forming a second magnetic layer having a fixed magnetization direction on the second insulating layer;
A method of manufacturing a magnetoresistive memory.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015105532A JP2016219698A (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | Magnetoresistive memory and method for manufacturing magnetoresistive memory |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015105532A JP2016219698A (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | Magnetoresistive memory and method for manufacturing magnetoresistive memory |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016219698A true JP2016219698A (en) | 2016-12-22 |
Family
ID=57582069
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015105532A Pending JP2016219698A (en) | 2015-05-25 | 2015-05-25 | Magnetoresistive memory and method for manufacturing magnetoresistive memory |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016219698A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023228308A1 (en) * | 2022-05-25 | 2023-11-30 | Tdk株式会社 | Magnetoresistance effect element |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000156530A (en) * | 1998-03-20 | 2000-06-06 | Toshiba Corp | Laminated thin-film function device and magnetic resistance effect element |
JP2004158766A (en) * | 2002-11-08 | 2004-06-03 | Toshiba Corp | Magnetoresistive effect element and magnetic memory device |
WO2012159078A2 (en) * | 2011-05-19 | 2012-11-22 | The Regents Of The University Of California | Voltage-controlled magnetic anisotropy (vcma) switch and magneto-electric memory (meram) |
JP2013048210A (en) * | 2011-07-22 | 2013-03-07 | Toshiba Corp | Magnetic resistance element |
-
2015
- 2015-05-25 JP JP2015105532A patent/JP2016219698A/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000156530A (en) * | 1998-03-20 | 2000-06-06 | Toshiba Corp | Laminated thin-film function device and magnetic resistance effect element |
JP2004158766A (en) * | 2002-11-08 | 2004-06-03 | Toshiba Corp | Magnetoresistive effect element and magnetic memory device |
WO2012159078A2 (en) * | 2011-05-19 | 2012-11-22 | The Regents Of The University Of California | Voltage-controlled magnetic anisotropy (vcma) switch and magneto-electric memory (meram) |
JP2013048210A (en) * | 2011-07-22 | 2013-03-07 | Toshiba Corp | Magnetic resistance element |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023228308A1 (en) * | 2022-05-25 | 2023-11-30 | Tdk株式会社 | Magnetoresistance effect element |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9941468B2 (en) | Magnetoresistance effect element and magnetic memory device | |
US7764538B2 (en) | Magnetic memory and method for writing to magnetic memory | |
US10937955B2 (en) | Memory element and memory device | |
EP1970911A1 (en) | Spin-polarised current driven magnetic memory device and memory | |
US20070076471A1 (en) | Storage element and memory | |
JP2012064625A (en) | Storage element and memory unit | |
JP2012059906A (en) | Storage element and memory unit | |
JP5504704B2 (en) | Memory element and memory | |
JP2007048790A (en) | Storage element and memory | |
JP2012059808A (en) | Storage element and memory unit | |
WO2009110119A1 (en) | Ferromagnetic tunnel junction element and driving method of ferromagnetic tunnel junction element | |
JP2007305882A (en) | Memory element and memory | |
JP2007287923A (en) | Memory element and memory | |
JP2006190838A (en) | Memory element and memory | |
JP2019057598A (en) | Magnetic memory | |
JP2012160681A (en) | Memory element, memory device | |
JP2017183602A (en) | Nonvolatile memory element and manufacturing method for nonvolatile memory element | |
JP2008153527A (en) | Storage element and memory | |
JP2006295000A (en) | Storage element and memory | |
JP2006295001A (en) | Storage element and memory | |
JP5034317B2 (en) | Memory element and memory | |
JP5742142B2 (en) | Memory element and memory device | |
JP2012074716A (en) | Storage element and memory | |
TW201222546A (en) | Memory element and memory device | |
JP2007294010A (en) | Recording method of storage element, and memory |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180306 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20181213 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20181218 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20190723 |