JP2017084891A - 磁気トンネル接合素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ホイスラー合金が垂直磁気異方性とハーフメタル性を同時に有する磁気トンネル接合素子を提供すること。【解決手段】磁気トンネル接合素子１０は、少なくとも１つのホイスラー合金膜と、ホイスラー合金膜と接合し、絶縁性を有するバリアー層１４とを備え、ホイスラー合金膜は、バリアー層１４から接合面に平行な方向で圧縮応力が付与されている。【選択図】図１
Description
本発明は磁気トンネル接合素子に関し、特にスピン注入磁化反転効果を用いた、高集積の垂直磁化型ＳＴＴ（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）−ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に用いられる磁気トンネル接合素子に関する。
垂直磁化を有し、磁気抵抗効果によって読み出しを行う磁気抵抗素子は、微細化に対する熱擾乱耐性が高く、次世代のメモリ等として期待されている。
この次世代メモリは、磁化方向が可変である自由層と、所定の磁化方向を維持する参照層と、この自由層と参照層との間に設けられたＭｇＯバリアー層を有する磁気トンネル接合層を備えた磁気抵抗（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子から構成される。
このような次世代メモリの基本構成材料として、高垂直磁気異方性を有し、且つ高いスピン分極率を持つ強磁性材料が要求されている。しかしながら、材料自体が垂直磁気異方性を持ち、理論的に高いスピン分極率を持っている材料は、ＣｏＦｅＢ金属強磁性体，Ｍｎ―Ｇｅ系等の材料しかないので、選択できる材料の範囲が非常に狭いのが実状である。したがって、高い垂直磁気異方性を持ち、且つ高いスピン分極率有する材料を用いることは困難である。
現在、主に研究開発で用いられているＣｏＦｅＢ金属強磁性体に関して、特許文献１には、スピン分極層より小さな格子定数を有する安定化層をスピン分極層に接触させて、スピン分極層の結晶格子をｘ軸及びｙ軸方向に縮ませた磁気トンネル接合素子が記載されている。
しかしながら、垂直磁気異方性の変化は材料構成（組成、結晶構造、磁性元素）に依存して、歪によってすべての磁性材料の垂直磁気異方性が増加するとは限らない。一般には、歪の垂直磁気異方性に与える効果は磁性材料自体が有する特性に大きく依存する。
一方、Ｃｏ基ホイスラー合金は高いスピン偏極率、高いキュリー（Ｃｕｒｉｅ）温度を有するため、Ｃｏ基ホイスラー（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金を用いる強磁性トンネル接合素子では巨大なトンネル磁気抵抗比が期待されている。
そして、特許文献２−４及び非特許文献１に記載されているように、磁気トンネル接合素子は、垂直磁化型ＳＴＴ−ＭＲＡＭへの応用が検討されている。
J. Appl. Phys 115, 17C732(2014), IEEE Trans. Magn., vol. 50, No11, 2600304
このＣｏ基ホイスラー合金は、材料自体が垂直磁気異方性を持たないため、磁気トンネル接合素子に垂直磁化保持層を結合させることが検討されている。しかしながら、Ｃｏ基ホイスラー合金を用いた磁気トンネル接合素子では、膜の厚みが大きくなるため磁化反転電流が増大してしまい、低電力デバイスを作成することが困難であるという問題がある。
また、界面磁気異方性を用いる検討も行われているが、Ｃｏ基ホイスラー合金は垂直磁気異方性が小さいので、ハーフメタル性を保持するためにホイスラー合金膜厚を１ｎｍ以上にすると磁気異方性が垂直から面内に変化してしまう問題がある。
このように、従来は、ホイスラー合金が垂直磁気異方性とハーフメタル（Ｈａｌｆ−ｍｅｔａｌ）性を同時に有する磁気トンネル接合素子を提供することができなかった。
本発明の磁気トンネル接合素子は、少なくとも１つのホイスラー合金膜と、前記ホイスラー合金膜と接合し、絶縁性を有するバリアー層とを備え、前記ホイスラー合金膜は、前記バリアー層から接合面に平行な方向で圧縮応力が付与されている。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ホイスラー合金膜と前記バリアー層とは、ＸＹ平面で接合し、前記バリアー層のＸ軸及び／またはＹ軸の格子定数は、前記ホイスラー合金膜のＸ軸及び／またはＹ軸の格子定数の９６％以上、９８％以下である。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ホイスラー合金膜は、Ｌ２１結晶構造を有するＣｏ基フルホイスラー合金である。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記バリアー層は、ＣａＦ２、ＣｅＯ２、ＰｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、またはＳｉを含む。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記ホイスラー合金膜と接するバッファ層を備え、前記バリアー層は、前記ホイスラー合金膜の一主面で接合し、前記バッファ層は、前記一方の主面とは反対側の主面で前記ホイスラー合金膜と接合する。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記バッファ層は、ＣａＦ２または、ＣｅＯ２、ＰｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、Ｓｍ２Ｏ３、またはＧｄ２Ｏ３、またはＳｉを含む。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、磁気トンネル接合素子は、２つの前記ホイスラー合金膜を備え、一方の前記ホイスラー合金膜は、前記バリアー層の一主面で接合し、他方の前記ホイスラー合金膜は、前記一方の主面とは反対側の主面で前記バリアー層と接合する。
これらの発明によれば、バリアー層を構成する絶縁物質の格子定数が、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数より小さくなるように、絶縁物質を選択することにより、参照層及び自由層に圧縮応力が付与され、参照層及び自由層の垂直磁気異方性が増加することができる。
そして、これらの発明によれば、バリアー層、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数の比率を所定の範囲内とすることにより、参照層及び自由層がハーフメタル性を有することができる。
また、これらの発明によれば、磁気トンネル接合素子を構成する２つのホイスラー合金膜に対して、１つの絶縁バリアー膜で、垂直磁気異方性とハーフメタル性を同時に有することができる。
本発明の磁気抵抗メモリは、少なくとも１つのホイスラー合金膜と、前記ホイスラー合金膜と接合し、絶縁性を有するバリアー層とを備え、前記ホイスラー合金膜は、前記バリアー層から接合面に平行な方向で圧縮応力が付与されている磁気トンネル接合素子と、前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極とを備える。
本発明の磁気抵抗メモリによれば、バリアー層を構成する絶縁物質の格子定数が、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数より小さくなるように、絶縁物質を選択した磁気トンネル接合素子を用いることにより、垂直磁気異方性が増加するので、磁気抵抗メモリを高密度化することができる。
本発明によれば、ホイスラー合金が垂直磁気異方性とハーフメタル性を同時に有する磁気トンネル接合素子を提供することができる。
本発明はホイスラー合金膜の垂直磁気異方性とハーフメタル性を同時に確保する方法である。第一原理計算により歪みと垂直磁気異方性およびハーフメタル性の関係を調べた結果、圧縮歪みを与えることにより大きな垂直磁気異方性とハーフメタル性が同時に得られることが分かった。その結果から絶縁バリアー膜の格子定数がホイスラー材料の格子定数よりも小さいことが重要であることを発見した。バリアー材料としてＣａＦ２（ｃａｌｃｉｕｍ ｆｌｕｒｏｒａｉｄｅ），またはＣｅＯ２（Ｃｅｒｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ，Ｃｅｒｉａ）が適している。本発明により次世代のＳＴＴ−ＭＲＡＭに適した垂直磁気トンネル接合素子を提供することができる
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子の断面図である。図１において、磁気トンネル接合素子１０は、基板１１と、バッファ層１２と、参照層１３と、バリアー層１４と、自由層１５と、キャップ層１６と、第２キャップ層１７とを含む。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子の断面図である。図１において、磁気トンネル接合素子１０は、基板１１と、バッファ層１２と、参照層１３と、バリアー層１４と、自由層１５と、キャップ層１６と、第２キャップ層１７とを含む。
基板１１は、熱酸化膜付きＳｉ基板、またはＳｉ単結晶基板である。
バッファ層１２は、基板１１上に形成された安定化層である。具体的には、バッファ層１２は、Ｃｒ，Ｔａ，Ａｕ，Ｗ，ＰｔまたはＴｉを含む層である。
参照層１３は、ホイスラー合金膜からなる層１３Ａと、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂとから構成される。好ましくはホイスラー合金膜からなる層１３Ａは、Ｃｏ基フルホイスラー（Ｃｏ−ｂａｓｅｄ ｆｕｌｌ−Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金からなる層である。具体的には、Ｃｏ基フルホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２（Ｆｅ−Ｍｎ）Ｓｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、またはＣｏ２ＣｒＡｌとすることができる。また、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂは、大きな垂直磁気異方性を持たせるために備えられている。図１に示すように、ホイスラー合金膜からなる層１３Ａは、バリアー層１４と接合し、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜１３Ｂは、バッファ層１２と接合している。
バリアー層１４は、絶縁物質からなる層である。バリアー層１４は、強磁性を有する参照層１３及び自由層１５に挟まれている。そして、参照層１３及び自由層１５との接合面に対して垂直に電圧が印加されることにより、トンネル効果によって磁気トンネル接合素子１０に電流が流れる。
自由層１５は、ホイスラー合金膜からなる層である。好ましくは自由層１５は、Ｃｏ基フルホイスラー合金からなる層である。具体的には、Ｃｏ基フルホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２（Ｆｅ−Ｍｎ）Ｓｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、またはＣｏ２ＣｒＡｌとすることができる。
キャップ層１６は、自由層１５上に形成された安定化層である。具体的には、キャップ層１６は、Ｒｕ及びＴａを含む層である。
第２キャップ層１７は、キャップ層１６上に形成された安定化層である。具体的には、キャップ層１７は、ＲｕまたはＴａ含む層である。
磁気トンネル接合素子１０において、バリアー層１４を構成する物質の格子定数が、参照層１３及び自由層１５を構成する物質の格子定数より小さいことにより、参照層１３及び自由層１５に圧縮応力が付与され、参照層１３及び自由層１５の垂直磁気異方性が増加する。そして、磁気トンネル接合素子１０は、垂直磁気異方性が増加した、参照層１３と自由層１５との間にバリアー層１４を備え、バリアー層１４と参照層１３及び自由層１５との接合面に対して垂直に電圧を印加するとトンネル効果により磁気トンネル接合素子１０に電流が流れる。
なお、磁気トンネル接合素子１０の抵抗値は、参照層１３と自由層１５のスピン分極が平行である場合、低くなり、参照層１３と自由層１５のスピン分極が反平行である場合、高くなる。
次に、参照層１３及び自由層１５に付与される歪みと垂直磁気異方性の関係について説明する。図２は、ホイスラー合金に付与された歪みと垂直磁気異方性との関係を示すグラフである。図２において、横軸はホイスラー合金の歪みの量を示し、縦軸は垂直磁気異方性を示す。
図２において、垂直磁気異方性は、以下の式（１）で定義される磁気異方性エネルギーＫｕ（１０５Ｊ／ｍ３）で定義される。
Ｋｕ＝Ｅ［ｉｊｋ］−Ｅ［００１］ ・・・（１）
ここで、Ｅ［ｉｊｋ］は磁化が（ｉｊｋ）方向を向いたときの内部エネルギー、Ｅ［００１］の内部エネルギーを示す。
具体的には、磁化が面内の（１００）および（１１０）方向を向いたときの内部エネルギーと面直の（００１）方向を向いたときの内部エネルーの差Ｅ［１００］−Ｅ［００１］とＥ［１１０］−Ｅ［００１］から磁気異方性エネルギーＫｕを求める。そして、Ｋｕが０より大きい場合、垂直磁化膜となる。
Ｋｕ＝Ｅ［ｉｊｋ］−Ｅ［００１］ ・・・（１）
ここで、Ｅ［ｉｊｋ］は磁化が（ｉｊｋ）方向を向いたときの内部エネルギー、Ｅ［００１］の内部エネルギーを示す。
具体的には、磁化が面内の（１００）および（１１０）方向を向いたときの内部エネルギーと面直の（００１）方向を向いたときの内部エネルーの差Ｅ［１００］−Ｅ［００１］とＥ［１１０］−Ｅ［００１］から磁気異方性エネルギーＫｕを求める。そして、Ｋｕが０より大きい場合、垂直磁化膜となる。
ホイスラー合金の歪みの量δは、立方格子（Ｃｕｂｉｃ，空間群Ｆｍ−３ｍ）から正方格子（Ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ，空間群Ｉ４／ｍｍｍ）に変形した場合、以下で定義される。
δ＝（ａ−ａｏ）／ａｏ
ここで、ａｏは、立方格子の三軸の格子定数（すなわちａｘ＝ａｙ＝ａｚ＝ａ０）であり、ａは、正方晶の二軸の格子定数（ａｘ＝ａｙ＝ａ、ａｚ＝ｃ）である。正のδは引っ張り歪みに対応し、負のδは圧縮歪みに対応する。
δ＝（ａ−ａｏ）／ａｏ
ここで、ａｏは、立方格子の三軸の格子定数（すなわちａｘ＝ａｙ＝ａｚ＝ａ０）であり、ａは、正方晶の二軸の格子定数（ａｘ＝ａｙ＝ａ、ａｚ＝ｃ）である。正のδは引っ張り歪みに対応し、負のδは圧縮歪みに対応する。
図２の圧縮歪みと垂直磁気異方性との関係は、Ｃｏ２ＭｎＳｉホイスラー合金に対して第一計算原理で求めた結果である。
第一原理計算には平面波基底・擬ポテンシャル法電子構造計算プログラムＶＡＳＰを用いた。交換相関エネルギーの取り扱いには一般化勾配近似（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ：ＧＧＡ）を適用し、内殻の取り扱いにはＰｒｏｊｅｃｔｏｒ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｗａｖｅ（ＰＡＷ）法を採用した。その際の平面波カットオフエネルギーは５００ｅＶとし、波数点サンプリングにはブリルアンゾーンを２５×２５×２５分割しＭｏｎｋｈｏｒｓｔ−Ｐａｃｋ法を用いた。ホイスラー合金の単位胞に対してａを与え、エネルギーが最小となるようにｃを決定することで構造最適化を行った。この際のエネルギー収束の判定条件は１０−７ｅＶ／ｕｎｉｔ ｃｅｌｌである。
図２に示すように、ホイスラー合金の垂直磁気異方性は、ホイスラー合金の歪みの量δが−０．０２以下で急激に上昇することが判明した。
次に参照層１３及び自由層１５に付与される歪みとハーフメタル性の関係について説明する。図３は、ホイスラー合金に付与された歪みとハーフメタル性との関係を示すグラフである。図３において、横軸はホイスラー合金の歪みの量δを示し、縦軸はスピン分極率（Ｓｐｉｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を示す。ホイスラー合金の歪みの量の定義は、上述した図２と同じである。
スピン分極率は、フェルミエネルギーにおける上向きスピンの状態密度Ｄｕｐと下向きスピンの状態密度Ｄｄｏｗｎから以下の式（２）で求められる。
Ｐ＝（Ｄｕｐ−Ｄｄｏｗｎ）／（Ｄｕｐ＋Ｄｄｏｗｎ）×１００（％） ・・・（２）
式（２）より求められたＰが１００％であるときにハーフメタル性を有する。
Ｐ＝（Ｄｕｐ−Ｄｄｏｗｎ）／（Ｄｕｐ＋Ｄｄｏｗｎ）×１００（％） ・・・（２）
式（２）より求められたＰが１００％であるときにハーフメタル性を有する。
また、スピン分極率についても、図２の垂直磁気異方性と同様に第一計算原理で求めた結果である。第一計算原理は上述した図２の条件と同じである。
図３に示すように、ホイスラー合金の歪みの量δが−０．０４以上である場合、ホイスラー合金のスピン分極率は、１００％となることが判明した。したがって、ホイスラー合金の歪みの量δが−０．０４以上である場合、ホイスラー合金はハーフメタル性を有する。
したがって、ホイスラー合金の歪みの量δが−０．０４以上−０．０２以下とすることにより、ホイスラー合金が垂直磁気異方性とハーフメタル性を同時に有することができる。
そして、バリアー層１４を構成する絶縁物質の格子定数が、参照層１３及び自由層１５を構成するホイスラー合金の格子定数と比較して小さい場合、磁気トンネル接合素子が高出力、高い高熱安定性の観点で優位なことがわかる。
次に、ホイスラー合金に圧縮歪みを付与し得る、ホイスラー合金と絶縁体（Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）の格子定数の関係について説明する。表１は、絶縁体材料の格子定数と、応力との関係を示す表である。表１では、バリアー層に用いられる絶縁体材料と、材料の格子定数（ａ［ｎｍ］）、ホイスラー合金の格子定数との差（Ｍｉｓｆｉｔ［％］）、及び応力（Ｓｔｒａｉｎ）の種類との関係を示している。表１及び後述する表２においてＭｉｓｆｉｔは（絶縁材料の格子定数−ホイスラー合金の格子定数）／ホイスラー合金の格子定数で定義される。表１ではホイスラー合金として、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、及びＣｏ２ＣｒＡｌの４種を例示している。
表１に示すように、絶縁材料がＭｇＯまたはＭｇＡｌ２Ｏ４である場合、格子定数はそれぞれ０．４２１、０．８０８であり、格子構造を考慮すると、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４の格子定数は、それぞれ０．５９５、０．５７１である。そして、Ｃｏ２ＭｎＳｉホイスラー合金の格子定数は、０．５６５である。したがって、ＭｇＯの格子定数は、Ｃｏ２ＭｎＳｉホイスラー合金の格子定数より５．１％大きく、ＭｇＡｌ２Ｏ４の格子定数は、Ｃｏ２ＭｎＳｉホイスラー合金の格子定数より０．９％大きい。この結果、ホイスラー合金に引っ張り応力（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒａｉｎ）が付与されてしまう。絶縁材料がＭｇＯまたはＭｇＡｌ２Ｏ４であり、且つホイスラー合金がＣｏ２ＦｅＳｉである場合、同様に引っ張り応力（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒａｉｎ）が付与されてしまう。更に絶縁材料がＭｇＡｌ２Ｏ４であり、且つホイスラー合金がＣｏ２ＦｅＡｌまたはＣｏ２ＣｒＡｌである場合、同様に引っ張り応力（Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｓｔｒａｉｎ）が付与されてしまう。
一方、絶縁材料がＣａＦ２またはＣｅＯ２である場合、格子定数はそれぞれ０．５４６、０．５４１である。したがって、ＣａＦ２の格子定数は、Ｃｏ２ＭｎＳｉホイスラー合金の格子定数より３．４％小さく、ＣｅＯ２の格子定数は、Ｃｏ２ＭｎＳｉホイスラー合金の格子定数より４．２％小さい。この結果、ホイスラー合金に圧縮応力（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒａｉｎ）が付与される。同様に絶縁材料がＣａＦ２またはＣｅＯ２である場合、ホイスラー合金がＣｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、及びＣｏ２ＣｒＡｌのいずれであっても、圧縮応力（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒａｉｎ）が付与される。更に、絶縁材料がＰｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、またはＳｉである場合、ホイスラー合金がＣｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、及びＣｏ２ＣｒＡｌのいずれであっても、圧縮応力（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ Ｓｔｒａｉｎ）が付与される。
このように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、バリアー層を構成する絶縁物質の格子定数が、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数より小さくなるように、絶縁物質を選択することにより、参照層及び自由層に圧縮応力が付与され、参照層及び自由層の垂直磁気異方性が増加することができる。
そして、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、バリアー層、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数の比率を所定の範囲内とすることにより、参照層及び自由層がハーフメタル性を有することができる。
なお、ホイスラー合金の歪みの量δは、バリアー層を構成する絶縁物質の格子定数と参照層及び自由層を構成するホイスラー合金の格子定数との差を、ホイスラー合金の格子定数で割った値であるので、ホイスラー合金の歪みの量δは、バリアー層を構成する絶縁物質の格子定数と参照層及び自由層を構成するホイスラー合金の格子定数との比率で表すこともできる。
すなわち、上述したホイスラー合金の歪みの量δが−０．０４であることは、言い換えると、バリアー層を構成する絶縁物質の格子定数を、参照層及び自由層を構成するホイスラー合金の格子定数の９６％とすることである。同様にホイスラー合金の歪みの量δが−０．０２であることは、言い換えると、バリアー層を構成する絶縁物質の格子定数を、参照層及び自由層を構成するホイスラー合金の格子定数の９８％とすることである。
（実施の形態２）
実施例１では、下地層（キャップ層、バッファー層）を公知のＣｒ，Ｔａ，Ａｕ，Ｗ，ＰｔまたはＴｉを含む層として形成したが、実施の形態２では、これに替えて、下地層（キャップ層、バッファー層）についても、格子定数が、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数より小さい物質で構成された層で形成することを特徴としている。
実施例１では、下地層（キャップ層、バッファー層）を公知のＣｒ，Ｔａ，Ａｕ，Ｗ，ＰｔまたはＴｉを含む層として形成したが、実施の形態２では、これに替えて、下地層（キャップ層、バッファー層）についても、格子定数が、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数より小さい物質で構成された層で形成することを特徴としている。
図４は、実施の形態２にかかる磁気トンネル接合素子の断面図である。図４において、図１と同一の構成については、同一の番号を付し、説明を省略する。図４において、磁気トンネル接合素子２０は、基板１１と、バッファ層２２と、参照層１３と、バリアー層１４と、自由層１５と、キャップ層２６と、第２キャップ層１７とを含む。
バッファ層２２は、参照層１３及び自由層１５を構成する物質の格子定数より小さい物質で構成された層である。同様にキャップ層１６は、参照層１３及び自由層１５を構成する物質の格子定数より小さい物質で構成された層である。
表２は、下地層の材料の格子定数、参照層と自由層に付与される応力及び磁気異方性との関係を示す表である。表２では、下地層に用いられる材料と、材料の格子定数（ａ［ｎｍ］）と、Ｃｏ２ＭｎＳｉホイスラー合金の格子定数との差（Ｍｉｓｆｉｔ［％］）、応力（Ｓｔｒａｉｎ）の種類、及び垂直磁気異方性との関係を示している。
表２に示すように、下地層（バッファ層１２、キャップ層１６）を構成する絶縁物質の格子定数が、参照層１３及び自由層１５を構成する物質の格子定数より小さい物質（表２ではＰｄ）を選択することにより、参照層１３及び自由層１５に圧縮応力が付与され、参照層１３及び自由層１５の垂直磁気異方性が増加する。
また、たとえば、下地層（バッファ層２２またはキャップ層２６）の物質として、実施の形態１でバリアー層１４に用いたＣａＦ２、ＣｅＯ２、ＰｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、またはＳｉを用いてもよい。
このように、実施の形態２の磁気トンネル接合素子は、下地層（バッファ層、キャップ層）を構成する絶縁物質の格子定数が、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数より小さく物質を選択することにより、参照層及び自由層に圧縮応力が付与され、参照層及び自由層の垂直磁気異方性が増加することができる。
なお、実施の形態１及び実施の形態２では、バッファ層１２（バッファ層２２）、参照層１３、バリアー層１４、自由層１５、キャップ層１６（キャップ層２６）の順に積層しているが、例えば、図５に示すように、バッファ層１２（バッファ層２２）、自由層１５、バリアー層１４、参照層１３、キャップ層１６（キャップ層２６）の順に積層してもよい。
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１または実施の形態２の磁気トンネル接合素子を用いた磁気抵抗メモリについて説明する。
図６は、実施形態３に係る磁気抵抗メモリの一例の要部を表す斜視図である。
実施の形態３では、実施の形態１または実施の形態２の磁気トンネル接合素子を用いた磁気抵抗メモリについて説明する。
図６は、実施形態３に係る磁気抵抗メモリの一例の要部を表す斜視図である。
図６において、磁気抵抗メモリは、メモリセル３０、ビット線３１、コンタクトプラグ３５及び３７、及びワード線３８を備える。
メモリセル３０は、半導体基板３２、拡散領域３３及び３４、ソース線３６、ゲート絶縁膜３９及び磁気抵抗素子１０を備える。磁気トンネル接合素子１０は、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０に対応するが、実施の形態２の磁気トンネル接合素子２０を用いてもよい。
磁気抵抗メモリは、複数のメモリセル３０をマトリクス状に配置し、複数本のビット線１及び複数本のワード線３８を用いて、互いに接続することにより形成される。ＭＲＡＭは、スピントルク注入方式を用いて、データの書き込み処理が実行される。
メモリセル３０は、半導体基板３２、拡散領域３３及び３４、ソース線３６、ゲート絶縁膜３９及び磁気抵抗素子１０を備える。磁気トンネル接合素子１０は、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０に対応するが、実施の形態２の磁気トンネル接合素子２０を用いてもよい。
磁気抵抗メモリは、複数のメモリセル３０をマトリクス状に配置し、複数本のビット線１及び複数本のワード線３８を用いて、互いに接続することにより形成される。ＭＲＡＭは、スピントルク注入方式を用いて、データの書き込み処理が実行される。
半導体基板３２は、上面に拡散領域３３及び３４を有し、拡散領域３３は、拡散領域３４から所定の間隔を空けて配置されている。拡散領域３３はドレイン領域として機能し、拡散領域３４はソース領域として機能する。拡散領域３３は、コンタクトプラグ３７を介して磁気トンネル接合素子１０に接続される。
ビット線側電極３１は、半導体基板３２の上方に配置されるとともに、磁気抵抗素子１０に接続される。ビット線３１は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。
拡散領域３４はコンタクトプラグ３５を介してソース線３６に接続される。ソース線３６は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。
ワード線３８は、拡散領域３３及び拡散領域３４に接するように、ゲート絶縁膜３９を介して半導体基板３２に配置される。ワード線３８とゲート絶縁膜３９とは、選択トランジスタとして機能する。ワード線３８は、図示しない回路から電流を供給されて活性化し、選択トランジスタとしてターンオンする。
この磁気抵抗メモリは、ビット線３１と拡散領域３３とが電極として、磁気トンネル接合素子１０に電圧を印加し、電圧印加により一定方向に揃えられた電子のスピントルクが強磁性体層の磁化方向を変化させる。そして、電流方向を変えることにより、磁気抵抗メモリに記録されるデータの値を変えることができる。
このように、実施の形態３の磁気抵抗メモリは、バリアー層を構成する絶縁物質の格子定数が、参照層及び自由層を構成する物質の格子定数より小さくなるように、絶縁物質を選択した磁気トンネル接合素子を用いることにより、垂直磁気異方性が増加するので、磁気抵抗メモリを高密度化することができる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
１０、２０ 磁気トンネル接合素子
１１ 基板
１２、２２ バッファ層
１３ 参照層
１４ バリアー層
１５ 自由層
１６、２６ キャップ層
１７ 第２キャップ層
３０ メモリセル
３１ ビット線
３２ 半導体基板
３３、３４ 拡散領域
３５、３７ コンタクトプラグ
３６ ソース線
３８ ワード線
３９ ゲート絶縁膜
１１ 基板
１２、２２ バッファ層
１３ 参照層
１４ バリアー層
１５ 自由層
１６、２６ キャップ層
１７ 第２キャップ層
３０ メモリセル
３１ ビット線
３２ 半導体基板
３３、３４ 拡散領域
３５、３７ コンタクトプラグ
３６ ソース線
３８ ワード線
３９ ゲート絶縁膜
Claims (9)
- 少なくとも１つのホイスラー合金膜と、前記ホイスラー合金膜と接合し、絶縁性を有するバリアー層とを備え、前記ホイスラー合金膜は、前記バリアー層から接合面に平行な方向で圧縮応力が付与されている磁気トンネル接合素子。
- 前記ホイスラー合金膜は、Ｌ２１結晶構造を有するＣｏ基フルホイスラー合金である請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記ホイスラー合金膜は、Ｃｏ２ＭｎＳｉである請求項２に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記ホイスラー合金膜と前記バリアー層とは、ＸＹ平面で接合し、前記バリアー層のＸ軸及び／またはＹ軸の格子定数は、前記ホイスラー合金膜のＸ軸及び／またはＹ軸の格子定数の９６％以上、９８％以下である請求項３に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記バリアー層は、ＣａＦ２、ＣｅＯ２、ＰｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、またはＳｉを含む請求項１から３のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記ホイスラー合金膜と接するバッファ層を備え、
前記バリアー層は、前記ホイスラー合金膜の一主面で接合し、
前記バッファ層は、前記一方の主面とは反対側の主面で前記ホイスラー合金膜と接合する請求項１から４のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記バッファ層は、ＣａＦ２、ＣｅＯ２、ＰｒＯ２、ＳｒＴｉＯ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、またはＳｉを含む請求項５に記載の磁気トンネル接合素子。
- 磁気トンネル接合素子は、２つの前記ホイスラー合金膜を備え、
一方の前記ホイスラー合金膜は、前記バリアー層の一主面で接合し、
他方の前記ホイスラー合金膜は、前記一方の主面とは反対側の主面で前記バリアー層と接合する請求項１から６のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。 - 少なくとも１つのホイスラー合金膜と、前記ホイスラー合金膜と接合し、絶縁性を有するバリアー層とを備え、前記ホイスラー合金膜は、前記バリアー層から接合面に平行な方向で圧縮応力が付与されている磁気トンネル接合素子と、
前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極とを備える、磁気抵抗メモリ。
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