JP2017220533A - Magneto resistance effect element, magnetic memory and random access memory using the same - Google Patents

Magneto resistance effect element, magnetic memory and random access memory using the same Download PDF

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潤 福島
保正 佐々木
Yasumasa Sasaki
保正 佐々木
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Hirotane Takizawa
博胤 滝澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tunnel magneto resistance effect element (MTJ) capable of reducing the deterioration of thermal stability accompanying the microfabrication of an element being one of technical problems of MRAM accompanying high integration.SOLUTION: A tunnel magneto resistance effect element comprises: a recording layer 15 consisting of a ferromagnetic thin film arranged to contact one side surface of a barrier layer 14 and having perpendicular magnetic anisotropy; a fixing layer 13 arranged to contact the other side surface of the barrier layer 14, having perpendicular magnetic anisotropy and consisting of a ferromagnetic thin film having the direction of magnetization fixed in one direction; a first intermediate layer 16 contacting the surface of the recording layer 15 on the side opposite to the barrier layer 14; a second intermediate layer 12 contacting the surface of the fixing layer 13 on the side opposite to the barrier layer 14; a first magnetic layer 17 contacting the surface of the first intermediate layer 16 on the side opposite to the recording layer 15; and a second magnetic layer 11 contacting the surface of the second intermediate layer 12 on the side opposite to the fixing layer 13. At least one of the recording layer 15, the fixing layer 13, the first magnetic layer 17 and the second magnetic layers 11 is a Nd-Fe-B layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、垂直磁化材料を用いた磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリ及びランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a magnetoresistive effect element using a perpendicular magnetization material, a magnetic memory using the same, and a random access memory.

近年の情報通信機器の普及に伴い、メモリの高集積化が求められてきている。特に、不揮発性メモリ、例えばMRAM(Magnetic Random Access Memory)の高集積化がますます重要となってきている。MRAMは、トンネル磁気抵抗(Tunneling Magnetoresistive:TMR)効果を利用するMTJ(Magnetic Tunneling Junction)素子を要素素子として用いる。   With the spread of information communication equipment in recent years, higher integration of memory has been demanded. In particular, high integration of nonvolatile memories such as MRAM (Magnetic Random Access Memory) is becoming more and more important. The MRAM uses an MTJ (Magnetic Tunneling Junction) element that uses a tunneling magnetoresistive (TMR) effect as an element element.

高集積化に伴うMRAMの技術的課題は、低消費電力化、熱的安定性の改善およびS/N比の向上である。低消費電力化は、記録層の磁気特性改善によって解決可能である。また、熱的安定性の改善には、高磁気異方性定数を有する磁性材料を使用することで解決が可能である。S/N比向上については、TMR効果の増大によって解決可能である。   The technical problems of MRAM accompanying high integration are low power consumption, improvement of thermal stability, and improvement of S / N ratio. Low power consumption can be solved by improving the magnetic characteristics of the recording layer. Further, improvement of thermal stability can be solved by using a magnetic material having a high magnetic anisotropy constant. Improvement of the S / N ratio can be solved by increasing the TMR effect.

例えば、特許文献1には、垂直磁化材料を適用し、TMR比(抵抗変化率)の高い磁気抵抗効果素子として、CoFeB層/MgOバリア層/CoFeB層の外側に融点が1600℃以上の単体金属、もしくはその金属を含んだ合金からなる中間層を挿入した素子が開示されており、これを製造するためには、CoFeB層の結晶化をMgO(001)結晶側から進行させ、CoFeB層をbcc(001)で結晶配向させるために薄膜形成後のアニールが不可欠であるが、このような中間層を備えることでアニール処理後でも高いTMR比を示す垂直磁化MTJ素子を実現できることが開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a single metal having a melting point of 1600 ° C. or more outside a CoFeB layer / MgO barrier layer / CoFeB layer as a magnetoresistive effect element using a perpendicular magnetization material and having a high TMR ratio (resistance change rate). Or an element in which an intermediate layer made of an alloy containing the metal is inserted is disclosed. In order to manufacture the device, the crystallization of the CoFeB layer proceeds from the MgO (001) crystal side, and the CoFeB layer is moved to bcc. Although annealing after thin film formation is indispensable for crystal orientation at (001), it is disclosed that by providing such an intermediate layer, a perpendicular magnetization MTJ element exhibiting a high TMR ratio can be realized even after annealing. .

例えば、特許文献2には、垂直MTJ素子において、高いTMR比と低い書き込み電流を維持しつつ、かつ、素子全体の抵抗増大を抑制しながら記録層及び固定層の熱安定性指数(E/kBT)を高める、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性を増大することで、素子動作の安定性を向上できる構造として、CoFeBを用いた垂直MTJ素子において、強磁性材料CoFeBからなる記録層、固定層の少なくとも一方において、トンネルバリア層と反対側に導電性酸化物層を配置することが開示されている。   For example, in Patent Document 2, in a vertical MTJ element, the thermal stability index (E / kBT) of the recording layer and the fixed layer is maintained while maintaining a high TMR ratio and a low writing current and suppressing an increase in resistance of the entire element. ) Or by increasing the perpendicular magnetic anisotropy of the fixed layer with respect to the recording layer, the recording layer made of the ferromagnetic material CoFeB is used in the perpendicular MTJ element using CoFeB. In at least one of the fixed layers, a conductive oxide layer is disposed on the side opposite to the tunnel barrier layer.

特開2011−155073号公報JP 2011-155073 A 特許5816867号Japanese Patent No. 5816867

そして、本発明は、高集積化に伴うMRAMの技術的課題の一つである素子の微細化に伴う熱的安定性の低下を低減させたMTJ素子、それを用いた磁気メモリ及びランダムアクセスメモリを提供するものである。   The present invention also provides an MTJ element in which a decrease in thermal stability due to element miniaturization, which is one of the technical problems of MRAM accompanying high integration, a magnetic memory and a random access memory using the MTJ element. Is to provide.

本発明者らは鋭意研究した結果、高磁気異方性定数・高保磁力を有する材料を用いて成形した薄膜を有するMTJ素子は、記録層および固定層の熱的安定性指数(E/kT)が高くなる、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性が高くなるので、超高集積に対応可能なMTJ素子となることを見出した。また、高磁気異方性定数・高保磁力を有する材料を用いた薄膜製造において、交番電磁場(交番電場・交番磁場を含む)を照射することによって、当該薄膜を含むMTJ多層膜構造を、バリア層との界面に垂直に記録層及び固定層が一様にc軸方向に揃ったMTJ多層膜構造とすることができることを見出した。本発明はかかる新規知見に基づくものである。従って、本発明は以下の項を提供する。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that an MTJ element having a thin film formed using a material having a high magnetic anisotropy constant and a high coercive force has a thermal stability index (E / kT) of the recording layer and the fixed layer. It has been found that the MTJ element can be adapted to ultra-high integration because of the increase in the perpendicular magnetic anisotropy of the fixed layer with respect to the recording layer. Further, in the manufacture of a thin film using a material having a high magnetic anisotropy constant and a high coercive force, by irradiating an alternating electromagnetic field (including an alternating electric field and an alternating magnetic field), an MTJ multilayer film structure including the thin film is formed as a barrier layer. It has been found that an MTJ multilayer film structure in which the recording layer and the fixed layer are uniformly aligned in the c-axis direction perpendicular to the interface between the two can be obtained. The present invention is based on such new findings. Accordingly, the present invention provides the following items.

項1.バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがNd−Fe−B層であること
を特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
Item 1. A recording layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy arranged in contact with one side of the barrier layer and a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy arranged in contact with the other side of the barrier layer A fixed layer made of a ferromagnetic thin film in which the direction of is fixed in one direction,
A first intermediate layer in contact with the side opposite to the barrier layer of the recording layer;
A barrier layer of the fixed layer and a second intermediate layer in contact with the opposite side surface,
A first magnetic layer in contact with the side opposite to the recording layer of the first intermediate layer and a second magnetic layer in contact with the side opposite to the fixed layer of the second intermediate layer;
At least one of the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer is an Nd—Fe—B layer.

項2.記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を形成する工程から選ばれる少なくとも一つの工程と同時および/またはその後に交番電磁場照射処理を施すことにより得られる配向性を有する結晶組織を含む層が配置された項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   Item 2. Crystal having orientation obtained by performing alternating electromagnetic field irradiation treatment at the same time and / or after at least one step selected from the steps of forming the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer Item 2. The tunnel magnetoresistive element according to Item 1, wherein a layer including a tissue is disposed.

項3.前記交番電磁場照射処理が、薄膜温度1500℃以下で行われる、項2に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   Item 3. Item 3. The tunnel magnetoresistive element according to Item 2, wherein the alternating electromagnetic field irradiation treatment is performed at a thin film temperature of 1500 ° C or lower.

項4.前記交番電磁場照射処理における交番電磁場の周波数が、300MHz〜1THzである、項2又は3に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   Item 4. Item 4. The tunnel magnetoresistive element according to Item 2 or 3, wherein the frequency of the alternating electromagnetic field in the alternating electromagnetic field irradiation treatment is 300 MHz to 1 THz.

項5.前記交番電磁場照射処理における交番電磁場の出力が、1mW〜1MWである、項2〜4のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   Item 5. Item 5. The tunnel magnetoresistive element according to any one of Items 2 to 4, wherein an output of the alternating electromagnetic field in the alternating electromagnetic field irradiation treatment is 1 mW to 1 MW.

項6.前記交番電磁場照射処理における交番電磁場照射が、パルス照射または連続的照射である、項2〜5のいずれか1項に記載の薄膜。   Item 6. Item 6. The thin film according to any one of Items 2 to 5, wherein the alternating electromagnetic field irradiation in the alternating electromagnetic field irradiation treatment is pulse irradiation or continuous irradiation.

項7.前記各層を形成する工程が、加圧下、大気下、または減圧下で行われる、項2〜6のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   Item 7. Item 7. The tunnel magnetoresistive element according to any one of Items 2 to 6, wherein the step of forming each layer is performed under pressure, in the air, or under reduced pressure.

項8. 記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子と を備え、
前記記録層の磁化がスピントランスファートルクにより反転可能な磁気メモリセルにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがNd−Fe−B層であること
を特徴とする磁気メモリセル。
Item 8. A tunnel magnetoresistive element having a recording layer and a fixed layer;
An electrode for passing a current through the tunnel magnetoresistive element;
A switching element that controls on / off of a current flowing through the tunnel magnetoresistive element,
In a magnetic memory cell in which the magnetization of the recording layer can be reversed by spin transfer torque,
The tunnel magnetoresistive element is
A recording layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy disposed in contact with one side of the barrier layer;
A fixed layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy and having a magnetization direction fixed in one direction, disposed in contact with the other side surface of the barrier layer;
A first intermediate layer in contact with the side opposite to the barrier layer of the recording layer;
A barrier layer of the fixed layer and a second intermediate layer in contact with the opposite side surface,
A first magnetic layer in contact with the side opposite to the recording layer of the first intermediate layer and a second magnetic layer in contact with the side opposite to the fixed layer of the second intermediate layer;
A magnetic memory cell, wherein at least one of the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer is an Nd—Fe—B layer.

項9.複数の磁気メモリセルと、
前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えたランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがNd−Fe−B層であり、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の書き込みを行う手段は、前記磁気メモリセルの前記記録層をスピントランスファートルクにより磁化反転させる
ことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
Item 9. A plurality of magnetic memory cells;
Means for selecting a desired magnetic memory cell from the plurality of magnetic memory cells;
In a random access memory comprising means for reading or writing information to the selected magnetic memory cell,
The magnetic memory cell controls on / off of a tunnel magnetoresistive effect element having a recording layer and a fixed layer, an electrode for passing a current through the tunnel magnetoresistive effect element, and a current flowing through the tunnel magnetoresistive effect element A switching element,
The tunnel magnetoresistive element is
A recording layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy arranged in contact with one side of the barrier layer and a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy arranged in contact with the other side of the barrier layer A fixed layer made of a ferromagnetic thin film in which the direction of is fixed in one direction,
A first intermediate layer in contact with the side opposite to the barrier layer of the recording layer;
A barrier layer of the fixed layer and a second intermediate layer in contact with the opposite side surface,
A first magnetic layer in contact with the side opposite to the recording layer of the first intermediate layer and a second magnetic layer in contact with the side opposite to the fixed layer of the second intermediate layer;
At least one of the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer is an Nd—Fe—B layer,
The random access memory characterized in that the means for writing information to the selected magnetic memory cell reverses the magnetization of the recording layer of the magnetic memory cell by a spin transfer torque.

本発明の磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリ及びランダムアクセスメモリは、記録層および固定層の熱的安定性指数(E/kT)が高くなる、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性が高くなるので、超高集積に対応可能なものとなる。   The magnetoresistive element of the present invention, the magnetic memory using the magnetoresistive effect element, and the random access memory have a higher thermal stability index (E / kT) of the recording layer and the fixed layer, or the perpendicular magnetic difference of the fixed layer with respect to the recording layer. Since the directivity increases, it becomes possible to cope with ultra-high integration.

本発明の実施形態の例を説明する図である(実施例1)。It is a figure explaining the example of embodiment of this invention (Example 1). 本発明の別の実施形態の例を説明する図である(実施例2)。It is a figure explaining the example of another embodiment of the present invention (example 2). 本発明のさらに別の実施形態の例を説明する図である(実施例3)。It is a figure explaining the example of another embodiment of this invention (Example 3).

図1をもとに本発明の一実施形態を説明する。磁気抵抗効果素子には、バリア層14が配置され、そのバリア層14の片側面に接して垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層15が配置され、バリア層の他方側面には、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層13が配置されている。記録層15のバリア層と反対側面に接して第一の中間層16が、固定層13のバリア層と反対側面に接して第二の中間層12が配置されている。さらに第一の中間層16の記録層と反対側面に接して第一の磁性層17が、第二の中間層12の固定層と反対側面に接して第二の磁性層11とが配置されている。
また基板上に下部電極10が設けられ、その上に上記多層構造が積層されている。上記多層構造の上部にはキャップ層18を介して上部電極19が配置されている。図示していないが下部電極、上部電極には、上記多層構造のMTJに電流を流すための配線が接続されている。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the magnetoresistive effect element, a barrier layer 14 is disposed, a recording layer 15 made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy is disposed in contact with one side surface of the barrier layer 14, and is disposed on the other side surface of the barrier layer. Is provided with a fixed layer 13 made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy and having a magnetization direction fixed in one direction. A first intermediate layer 16 is disposed in contact with the side surface opposite to the barrier layer of the recording layer 15, and a second intermediate layer 12 is disposed in contact with the side surface opposite to the barrier layer of the fixed layer 13. Further, the first magnetic layer 17 is disposed in contact with the side surface opposite to the recording layer of the first intermediate layer 16, and the second magnetic layer 11 is disposed in contact with the side surface opposite to the fixed layer of the second intermediate layer 12. Yes.
A lower electrode 10 is provided on the substrate, and the multilayer structure is laminated thereon. An upper electrode 19 is disposed above the multilayer structure via a cap layer 18. Although not shown in the drawing, the lower electrode and the upper electrode are connected to wiring for passing a current through the MTJ having the multilayer structure.

ここで、記録層、固定層および第二の磁性層をNd−Fe−B層としている。これら記録層、固定層および第二の磁性層の少なくとも一つは、形成する工程と同時および/またはその後に交番電磁場照射処理を施すことにより、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織を含む層となっている。   Here, the recording layer, the fixed layer, and the second magnetic layer are Nd—Fe—B layers. At least one of the recording layer, the fixed layer, and the second magnetic layer includes a crystalline structure having a novel crystal structure and orientation by performing an alternating electromagnetic field irradiation treatment simultaneously with and / or after the forming step. It is a layer.

これらNd−Fe−B層は、Nd2Fe14Bを主相としており、添加元素として、Dy、Pr、Cu、Al、Ga、O、C、Nなどを含んでいても良く、結晶化後はFcc−NdOx相、Nd30Fe66B3Cu相、Nd−Cu合金相、Nd−Fe−Cuu合金相などを含んでいても良い。   These Nd—Fe—B layers have Nd 2 Fe 14 B as a main phase, and may contain Dy, Pr, Cu, Al, Ga, O, C, N, and the like as additive elements, and after crystallization, Fcc—NdOx. Phase, Nd30Fe66B3Cu phase, Nd—Cu alloy phase, Nd—Fe—Cuu alloy phase, and the like.

各層の材料等を例示する。バリア層14にMgO(膜厚:1nm)を用いることができる。その片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層15にNd−Fe−B層(膜厚:1nm)を用いることができる。また、バリア層14の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層13にNd−Fe−B層(膜厚:1nm)を用いることができる。記録層15のバリア層と反対側面に接した第一の中間層16と、固定層13のバリア層と反対側面に接した第二の中間層12にTa(膜厚:0.5nm)を用いることができる。第一の中間層16の記録層と反対側面に接した第一の磁性層17にCoFe(膜厚:0.2nm)とPd(膜厚:1.2nm)の二層膜を三周期積層した多層膜(膜厚:4.2nm)を用いることができる。第二の中間層12の固定層と反対側面に接した第二の磁性層11にNd−Fe−B層(膜厚:1nm)を用いることができる。また下部電極10としてTa層を用いることができる。なお、第二の磁性層11と下部電極10の間に下地層を設けてもよく下地層としてRuを用いることができる。キャップ層18はTa層とし、Cr/Auの積層構造からなる上部電極19を用いることができる。基板の素材としては特に限定されないが、例えば、シリカ、シリコン、ガラス等が挙げられる。   The material of each layer is illustrated. MgO (film thickness: 1 nm) can be used for the barrier layer 14. An Nd—Fe—B layer (film thickness: 1 nm) can be used for the recording layer 15 made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy arranged in contact with one side surface. Further, the Nd—Fe—B layer is disposed on the fixed layer 13 made of a ferromagnetic thin film that is disposed in contact with the other side surface of the barrier layer 14 and has perpendicular magnetic anisotropy and the magnetization direction is fixed in one direction. (Film thickness: 1 nm) can be used. Ta (film thickness: 0.5 nm) is used for the first intermediate layer 16 in contact with the side surface opposite to the barrier layer of the recording layer 15 and the second intermediate layer 12 in contact with the side surface opposite to the barrier layer of the fixed layer 13. be able to. Two layers of CoFe (film thickness: 0.2 nm) and Pd (film thickness: 1.2 nm) were laminated three times on the first magnetic layer 17 in contact with the opposite side of the recording layer of the first intermediate layer 16. A multilayer film (film thickness: 4.2 nm) can be used. An Nd—Fe—B layer (film thickness: 1 nm) can be used for the second magnetic layer 11 in contact with the side surface opposite to the fixed layer of the second intermediate layer 12. A Ta layer can be used as the lower electrode 10. An underlayer may be provided between the second magnetic layer 11 and the lower electrode 10, and Ru can be used as the underlayer. The cap layer 18 is a Ta layer, and an upper electrode 19 having a laminated structure of Cr / Au can be used. Although it does not specifically limit as a raw material of a board | substrate, For example, a silica, a silicon | silicone, glass etc. are mentioned.

本実施形態では、第二の磁性層は新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織を含む層となっており、Nd2Fe14Bはc軸がバリア層MgOおよび第二の中間層Ta面に対して垂直方向に充分に配向している。これにより第二の磁性層に中間層を介して隣接している強磁性体からなる固定層の磁化がピン止めされる。また電流を流した際の固定層の磁化揺らぎを強力に封じることができるから安定した動作をする素子となる。このような実施形態は、記録層および固定層の熱的安定性指数(E/kT)が高くなる、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性が高くなるので、超高集積に対応可能なものとなる。この素子を用いた磁気メモリ及びランダムアクセスメモリは、超高集積に対応可能なものとなる。   In this embodiment, the second magnetic layer is a layer including a crystal structure having a novel crystal structure and orientation, and Nd2Fe14B has a c-axis perpendicular to the barrier layer MgO and the second intermediate layer Ta surface. Fully oriented in the direction. As a result, the magnetization of the fixed layer made of a ferromagnetic material adjacent to the second magnetic layer via the intermediate layer is pinned. In addition, since the magnetization fluctuation of the fixed layer when a current is passed can be tightly sealed, the element operates stably. In such an embodiment, the thermal stability index (E / kT) of the recording layer and the fixed layer is increased, or the perpendicular magnetic anisotropy of the fixed layer with respect to the recording layer is increased. It will be something. A magnetic memory and a random access memory using this element can cope with ultra-high integration.

バリア層として酸化マグネシウム(MgO)を用い、その両側にNd2Fe14Bを配置する構造とすることで、垂直磁化MTJ素子において抵抗変化率(TMR比)を向上させることができる。   By using magnesium oxide (MgO) as a barrier layer and arranging Nd2Fe14B on both sides thereof, the resistance change rate (TMR ratio) can be improved in the perpendicular magnetization MTJ element.

中間層を配置しているのでTMR比の耐熱性が向上する。例えば、記録層、固定層のCo−Fe−Bを熱処理すると、ホウ素(B)の拡散が起きる。その際、各層に適切な中間層が隣接しているとBの拡散が抑制され、各層はMgO(001)結晶の界面から結晶化し、bcc(001)に配向する。一方、中間層がない場合(直接、第二の磁性層が隣接する場合)、もしくは、中間層がBの拡散を抑制しにくい材料(Pd,Cu,A lなど)の場合、アニールによって各層中のBが拡散によって抜けるため、低いア ニール温度でBの抜けた合金として結晶化してしまう。その時、各層の結晶化はMgO と逆側(各層に隣接する中間層側もしくは磁性層側)から進行し、中間層もしくは 磁性層の結晶構造に影響を受けてbcc(001)とは異なる結晶構造(fcc構造)か 、異なる結晶方位(bcc(110))で結晶化してしまう。したがって、Bの拡散を抑制する 非磁性材料の挿入が各層のbcc(001)結晶を得るために有効となる。   Since the intermediate layer is disposed, the heat resistance of the TMR ratio is improved. For example, when Co—Fe—B of the recording layer and the fixed layer is heat-treated, diffusion of boron (B) occurs. At this time, if an appropriate intermediate layer is adjacent to each layer, the diffusion of B is suppressed, and each layer is crystallized from the interface of the MgO (001) crystal and oriented to bcc (001). On the other hand, when there is no intermediate layer (directly adjacent to the second magnetic layer), or when the intermediate layer is a material that hardly suppresses B diffusion (Pd, Cu, Al, etc.) Since B is released by diffusion, it is crystallized as an alloy from which B is released at a low annealing temperature. At that time, the crystallization of each layer proceeds from the side opposite to MgO (intermediate layer side or magnetic layer side adjacent to each layer) and is different from bcc (001) by being affected by the crystal structure of the intermediate layer or magnetic layer. (Fcc structure) or crystallize with a different crystal orientation (bcc (110)). Therefore, the insertion of a nonmagnetic material that suppresses the diffusion of B is effective for obtaining the bcc (001) crystal of each layer.

この例で中間層に用いたTaは、Co−Fe−B、Nd−Fe−Bの各元素に比べて高い融点(1600℃以上)を有する。この場合、上述したような各層の結晶化をMgO側から進行させる効果が得られる 。第一の中間層と第二の中間層としてTaを挙げているが、それ以外にも、融点が1600℃以上の材料である、W,Ru,Pt,Ti,Os,V,Cr,Nb, Mo,Rh,Hf,Reなどを用いても、同様の効果が得られる。前記中間層は、アモルファスの強磁性体であり、かつ各層よりも結晶化温度が高い材料を用いてもよい。中間層の材料は、FeTaN ,FeTaC,FeZrB,FeHfB,FeTaB,CoZrNb,CoFeBNb, CoFeZr,CoFeZrNb,CoFeZrTa,CoTaZrのいずれかを用いてもよい。中間層は、Si及びBを含み、かつ、Fe,Coのいずれか、及び、Nb,Zr,Hf,Taのいずれかを含んだ合金を用いてもよい。また、第一の中間層と第二の中間層に、異なる材料の組み合わせを用いてもよい。   Ta used in the intermediate layer in this example has a higher melting point (1600 ° C. or higher) than each element of Co—Fe—B and Nd—Fe—B. In this case, an effect of allowing the crystallization of each layer as described above to proceed from the MgO side can be obtained. Ta is mentioned as the first intermediate layer and the second intermediate layer. In addition, W, Ru, Pt, Ti, Os, V, Cr, Nb, which is a material having a melting point of 1600 ° C. or more. Similar effects can be obtained by using Mo, Rh, Hf, Re, or the like. The intermediate layer may be made of an amorphous ferromagnetic material and has a higher crystallization temperature than each layer. As the material of the intermediate layer, any one of FeTaN, FeTaC, FeZrB, FeHfB, FeTaB, CoZrNb, CoFeBNb, CoFeZr, CoFeZrNb, CoFeZrTa, and CoTaZr may be used. The intermediate layer may include an alloy containing Si and B, and containing either Fe or Co and Nb, Zr, Hf, or Ta. Moreover, you may use the combination of a different material for a 1st intermediate | middle layer and a 2nd intermediate | middle layer.

第一の磁性層の垂直磁化材料としてCoFeとPdの積層膜を挙げたが、それ以外の垂直磁化材料を適用しても同様の効果が得られる。具体的な材料として、例えば、Co50Pt50,Fe50Pt50,Fe30Ni20Pt50等のL10型規則合金や、m−D019型のCo75Pt25規則合金、もしくは、CoCrPt−SiO2,FePt−SiO2など粒状の磁性体が非磁性体の母相中に分散したグラニュラー構造の材料、もしくは、Fe,Co,Niのいずれかもしくは一つ以上を含む合金と、Ru,Pt,Rh,Pd,Crなどの非磁性金属を交互に積層した積層膜、もしくは、TbFeCo,GdFeCoなど、Gd,Dy,Tb等の希土類金属に遷移金属を含んだアモルファス合金を用いてもよい。また、Coを含み、Cr,Ta,Nb ,V,W,Hf,Ti,Zr,Pt,Pd,Fe,Niの中の1つ以上の元素を含む、例えばCoCr合金や、CoCrPt合金を用いても良い。
キャップ層としては、アニール処理による磁性層との反応や拡散の観点から 、挙げているTaが望ましい。ただし、それ以外の材料として、Ru,Pt,Cr,Ti,Wなどの金属を用いてもよい。
Although a laminated film of CoFe and Pd has been described as the perpendicular magnetization material of the first magnetic layer, the same effect can be obtained by applying other perpendicular magnetization materials. As specific materials, for example, an L10 type ordered alloy such as Co50Pt50, Fe50Pt50, Fe30Ni20Pt50, m-D019 type Co75Pt25 ordered alloy, or a granular magnetic material such as CoCrPt-SiO2, FePt-SiO2 is used as a non-magnetic matrix. A laminated film in which a granular structure material dispersed in a phase or an alloy containing one or more of Fe, Co, Ni and nonmagnetic metals such as Ru, Pt, Rh, Pd, Cr are alternately laminated. Alternatively, an amorphous alloy including a transition metal in a rare earth metal such as Gd, Dy, or Tb, such as TbFeCo or GdFeCo, may be used. Also, using Co, for example, a CoCr alloy or a CoCrPt alloy containing one or more elements of Cr, Ta, Nb, V, W, Hf, Ti, Zr, Pt, Pd, Fe, and Ni. Also good.
As the cap layer, Ta mentioned is preferable from the viewpoint of reaction and diffusion with the magnetic layer by annealing treatment. However, other materials such as Ru, Pt, Cr, Ti, and W may be used.

本実施形態の特徴のひとつは、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を作製しているとき及び/またはその後に交番電磁場を印加することで、少なくとも一つの層が新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織を含む層としていることである。交番電磁場を印加することで、例えば、層を構成する薄膜の材料である高磁気異方性材料の結晶成長方向を変化させ、薄膜の配向制御を行うことができる。また、高磁気異方性定数を有する材料が交番電磁場をよく吸収するため、二層以上からなる薄膜を製造する実施形態においては、上記変化とともに、磁気記録層のみにエネルギーを与える選択加熱によって、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織をえることができる。例えば、交番電磁場照射により、薄膜界面をきれいに保ったまま正方晶Nd2Fe14B結晶を面直方向にc軸を高配向させることができる。   One of the features of this embodiment is that an alternating electromagnetic field is applied during and / or after the production of the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer, so that at least one layer becomes It is a layer including a crystal structure having a novel crystal structure and orientation. By applying an alternating electromagnetic field, for example, the crystal growth direction of a highly magnetic anisotropic material, which is a thin film material constituting the layer, can be changed to control the orientation of the thin film. In addition, since a material having a high magnetic anisotropy constant absorbs alternating electromagnetic fields well, in the embodiment for manufacturing a thin film consisting of two or more layers, along with the above change, by selective heating that gives energy only to the magnetic recording layer, A crystal structure having a novel crystal structure and orientation can be obtained. For example, by alternating electromagnetic field irradiation, the c-axis of the tetragonal Nd2Fe14B crystal can be highly oriented in the perpendicular direction while keeping the thin film interface clean.

薄膜
本発明は、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のいずれかが垂直磁化層であるMTJ多層構造からなる磁気抵抗効果素子であって、前記垂直磁化層が、Kuが106〜109 erg cm-3の強磁性体を主成分とする。
The present invention relates to a magnetoresistive effect element having an MTJ multilayer structure in which any one of a recording layer, a fixed layer, a first magnetic layer, and a second magnetic layer is a perpendicular magnetization layer, and the perpendicular magnetization layer comprises: The main component is a ferromagnetic material with Ku of 10 6 to 10 9 erg cm −3 .

本発明において、当該高磁気異方性粒子の主成分となる強磁性体としては、磁気異方性の高い強磁性体であれば特に限定されず、磁気異方性定数(Ku)が106〜109 erg cm-3であり、好ましくは、5×106〜109 erg cm-3、より好ましくは107〜8×108 erg cm-3の範囲となるよう適宜材料を選択することができる。 In the present invention, the ferromagnetic material serving as the main component of the highly magnetic anisotropic particles is not particularly limited as long as it has a high magnetic anisotropy, and the magnetic anisotropy constant (Ku) is 10 6. -10 9 erg cm -3 , preferably 5 x 10 6 to 10 9 erg cm -3 , more preferably 10 7 to 8 x 10 8 erg cm -3 Can do.

本発明にかかる薄膜の製造方法は特に限定されないが、例えば、Kuが106〜109 erg cm-3の強磁性体を含む材料を用いて薄膜を形成する工程、及び上記薄膜形成工程と同時に及び/又はその後に、当該薄膜に交番電磁場照射を行う工程を含む方法等により得ることができる。従って、本発明は、かかる薄膜の製造方法も提供する。 The method for producing a thin film according to the present invention is not particularly limited. For example, a step of forming a thin film using a material containing a ferromagnetic material having a Ku of 10 6 to 10 9 erg cm −3 , and simultaneously with the thin film formation step And / or after that, it can obtain by the method etc. which include the process of performing an alternating electromagnetic field irradiation to the said thin film. Accordingly, the present invention also provides a method for producing such a thin film.

薄膜形成工程
記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層はそれぞれの原材料を用いた薄膜形成工程により製造される。本発明にかかる薄膜成形工程は、高磁気異方性定数を有する材料を用いて配向ナノ柱状粒子を有する垂直磁化薄膜を形成する工程を含む。
Thin Film Forming Process The recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer are manufactured by a thin film forming process using respective raw materials. The thin film forming step according to the present invention includes a step of forming a perpendicular magnetization thin film having oriented nano-columnar particles using a material having a high magnetic anisotropy constant.

本発明にかかる薄膜の形成方法は、特に限定されず、スパッタリング、化学的気相堆積法(CVD)、蒸着、イオンプレーティング、イオンビーム蒸着、ディップコート、スピンコート、スプレーコート、メッキおよびその他の方法を適宜選択することができる。これらの薄膜の形成に用いる基板としては特に限定されず、例えば、サファイア、シリコン、石英、金属酸化物(MgO等)、金属窒化物(GaN、AlN等)、金属炭化物(SiC等)等に代表される無機材料及びポリカーボネート等に代表される有機材料等が挙げられる。また、薄膜の形成方法は、基板上に薄膜を形成する方法だけでなく、水等の媒体中でのレーザーアブレーション等で行ってもよい。また、薄膜の形成工程は、大気下、減圧下、加圧下のいずれで行ってもよく、塗膜の形成方法、原料等に応じて適宜設定することができる。成膜工程の温度も特に限定されず、例えば、常温(例えば、25℃)〜1500℃までの範囲で適宜設定することができる。   The method for forming a thin film according to the present invention is not particularly limited, and sputtering, chemical vapor deposition (CVD), vapor deposition, ion plating, ion beam vapor deposition, dip coating, spin coating, spray coating, plating and other methods. The method can be selected as appropriate. The substrate used for forming these thin films is not particularly limited. For example, sapphire, silicon, quartz, metal oxides (MgO, etc.), metal nitrides (GaN, AlN, etc.), metal carbides (SiC, etc.) are representative. Inorganic materials and organic materials represented by polycarbonate and the like. The thin film may be formed not only by a method for forming a thin film on a substrate but also by laser ablation in a medium such as water. In addition, the thin film formation step may be performed in the air, under reduced pressure, or under pressure, and can be appropriately set according to the method for forming the coating film, the raw material, and the like. The temperature of the film forming process is not particularly limited, and can be set as appropriate within a range from room temperature (for example, 25 ° C.) to 1500 ° C.

本発明にかかる製造方法により得られる薄膜の膜厚は特に限定されず、例えば、0.1nm以上、1nm以上、5nm以上、10nm以上、50nm以上、100nm以上等の範囲で適宜設定できる。また、薄膜の膜厚の上限も特に限定されず、例えば、1μm以下、500nm以下、200nm以下、100nm以下、50nm以下等の範囲で適宜設定できる。   The film thickness of the thin film obtained by the production method according to the present invention is not particularly limited, and can be set as appropriate within a range of, for example, 0.1 nm or more, 1 nm or more, 5 nm or more, 10 nm or more, 50 nm or more, 100 nm or more. Further, the upper limit of the thickness of the thin film is not particularly limited, and can be appropriately set within a range of 1 μm or less, 500 nm or less, 200 nm or less, 100 nm or less, 50 nm or less, and the like.

本発明にかかる製造方法においては、薄膜の膜厚は好ましくは、0.1nm〜1μmの範囲であっても良く、より好ましくは0.2nm〜500μmの範囲であってもよく、望ましくは0.2nm〜200nmの範囲であってもよい。   In the manufacturing method according to the present invention, the film thickness of the thin film may preferably be in the range of 0.1 nm to 1 μm, more preferably in the range of 0.2 nm to 500 μm, and preferably 0. It may be in the range of 2 nm to 200 nm.

交番電磁場照射工程
本発明にかかる製造方法は、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を形成する工程から選ばれる少なくとも一つの工程と同時および/またはその後に交番電磁場照射処理を施す照射工程を含む。なお膜の成形中に照射する場合は、その照射対象は薄膜及び/又はその原料となる。交番電磁場の照射によるエネルギーは物質と相互作用して物質の変化をもたらし、かつ選択された物質に作用させることができる点が、他の熱処理とは異なるが、その作用メカニズムや照射済物質の形態の変化は対象物質ごとに複雑で充分には解明されていない。本発明のトンネル磁気抵抗効果素子は、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を形成する工程から選ばれる少なくとも一つの工程と同時および/またはその後に交番電磁場照射処理を施すことにより得られる配向性を有する結晶組織を含む層が配置されたトンネル磁気抵抗効果素子となっていると言える。
Alternating electromagnetic field irradiation step The manufacturing method according to the present invention comprises an alternating electromagnetic field irradiation at the same time and / or after at least one step selected from the steps of forming a recording layer, a fixed layer, a first magnetic layer, and a second magnetic layer. Including an irradiation step of performing the treatment. In addition, when irradiating during shaping | molding of a film | membrane, the irradiation object becomes a thin film and / or its raw material. Unlike other heat treatments, the energy of alternating electromagnetic field irradiation interacts with the substance to cause a change in the substance and can affect the selected substance. These changes are complex for each target substance and have not been fully elucidated. The tunnel magnetoresistive element of the present invention is subjected to an alternating electromagnetic field irradiation treatment simultaneously with and / or after at least one step selected from the steps of forming a recording layer, a fixed layer, a first magnetic layer, and a second magnetic layer. It can be said that it is a tunnel magnetoresistive effect element in which a layer including a crystal structure having orientation obtained by application is disposed.

当該交番電磁場照射により得られる、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織は、例えば高磁気異方性を有する材料からなる薄膜の形態が高配向ナノ柱状粒子である。よって、この照射処理を施すことで、記録層、固定層、第1の磁性層、第2の磁性層から選ばれる少なくとも一つ層が新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織を有する層、例えばバリア層面に垂直方向にc軸の配向性が良い層となっている。   The crystal structure having a novel crystal structure and orientation obtained by the alternating electromagnetic field irradiation is, for example, a highly oriented nanocolumnar particle in the form of a thin film made of a material having high magnetic anisotropy. Therefore, by performing this irradiation treatment, at least one layer selected from the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer has a novel crystal structure, a layer having a crystal structure with orientation, For example, it is a layer having good c-axis orientation in the direction perpendicular to the barrier layer surface.

膜の成形中に照射する、成形後の薄膜に照射する、またはその組み合わせで照射する交番電磁場としては、交番電磁場を印加できる方法であれば特に限定されず、例えば、マイクロ波、サブミリ波等を挙げることができる。また、交番電磁場照射工程は、薄膜形成の後に行っても、薄膜形成と同時(薄膜形成工程の一部で交番電磁場照射することを含む)に行っても、その両方に行ってもよい。   The alternating electromagnetic field that is irradiated during film forming, the thin film after forming, or a combination thereof is not particularly limited as long as it is a method that can apply an alternating electromagnetic field, for example, microwave, submillimeter wave, etc. Can be mentioned. Further, the alternating electromagnetic field irradiation step may be performed after the thin film formation, simultaneously with the thin film formation (including performing the alternating electromagnetic field irradiation as part of the thin film formation step), or both.

交番電磁場の周波数は特に限定されず、例えば、300MHz以上、0.5GHzHz以上、1GHz以上、2GHz以上等の範囲で適宜設定できる。また、交番電磁場の周波数の上限も特に限定されず、例えば、1THz以下、300GHz以下、30GHz以下、6GHz以下、3GHz以下等の範囲で適宜設定できる。本実施形態においては、交番電磁場照射工程の周波数条件は好ましくは、300MHz〜300GHzの範囲であっても良く、より好ましくは900MHz〜300GHzの範囲であってもよく、望ましくは900MHz〜30GHzの範囲であってもよい。   The frequency of the alternating electromagnetic field is not particularly limited, and can be appropriately set in a range of 300 MHz or more, 0.5 GHz Hz or more, 1 GHz or more, 2 GHz or more, for example. Further, the upper limit of the frequency of the alternating electromagnetic field is not particularly limited, and can be appropriately set in a range of 1 THz or less, 300 GHz or less, 30 GHz or less, 6 GHz or less, 3 GHz or less, for example. In the present embodiment, the frequency condition of the alternating electromagnetic field irradiation step may preferably be in the range of 300 MHz to 300 GHz, more preferably in the range of 900 MHz to 300 GHz, and desirably in the range of 900 MHz to 30 GHz. There may be.

交番電磁場照射の出力は特に限定されず、例えば、1mW以上、1W以上、1kW以上、5kW以上等の範囲で適宜設定できる。また、交番電磁場の出力の上限も特に限定されず、例えば、1MW以下、100kW以下、10kW以下、1MW以下等の範囲で適宜設定できる。本実施形態においては、交番電磁場照射工程の出力条件は好ましくは、1mW〜500kWの範囲であっても良く、より好ましくは1mW〜10kWの範囲であってもよく、望ましくは1mW〜5kWの範囲であってもよい。   The output of the alternating electromagnetic field irradiation is not particularly limited, and can be appropriately set within a range of, for example, 1 mW or more, 1 W or more, 1 kW or more, 5 kW or more. Moreover, the upper limit of the output of an alternating electromagnetic field is not specifically limited, For example, it can set suitably in ranges, such as 1 MW or less, 100 kW or less, 10 kW or less, 1 MW or less. In the present embodiment, the output condition of the alternating electromagnetic field irradiation step may preferably be in the range of 1 mW to 500 kW, more preferably in the range of 1 mW to 10 kW, and desirably in the range of 1 mW to 5 kW. There may be.

照射時間も特に限定されず、例えば、1秒以上、1分以上、5分以上等の範囲で適宜設定できる。また、照射時間の上限も特に限定されず、例えば、1日以下、1時間以下、30分以下、15分以下等の範囲で適宜設定できる。本実施形態においては、交番電磁場照射工程の照射時間条件は好ましくは、1秒〜18時間の範囲であっても良く、より好ましくは1秒〜10時間の範囲であってもよく、望ましくは1秒〜3時間の範囲であってもよい。   The irradiation time is not particularly limited, and can be set as appropriate within a range of, for example, 1 second or more, 1 minute or more, 5 minutes or more. Moreover, the upper limit of irradiation time is not specifically limited, For example, it can set suitably in the range of 1 day or less, 1 hour or less, 30 minutes or less, 15 minutes or less, etc. In the present embodiment, the irradiation time condition of the alternating electromagnetic field irradiation step may preferably be in the range of 1 second to 18 hours, more preferably in the range of 1 second to 10 hours, desirably 1 It may be in the range of seconds to 3 hours.

また、交番電磁場照射は、シングルモードで行っても、マルチモードで行ってもよい。さらに、交番電磁場の照射は、所定の時間、交番電磁場照射をし、その後、所定の時間、交番電磁場照射を休止する工程を繰り返す、いわゆるパルス照射を行ってもよいし、連続的に交番電磁場照射を行ってもよい。交番電磁場照射工程の温度条件は特に限定されないが、例えば、常温(例えば、25℃)〜1500℃の範囲(例えば、常温〜1500℃、常温〜800℃等)で適宜設定することができる。また、この時、基板が交番電磁場照射によりエネルギーを吸収しないもの(交番電磁場の不活性基板)であれば、当該薄膜のみに交番電磁場照射の効果を出すことができる。例えば、サファイア、シリコン、石英、MgO等は、交番電磁場照射のエネルギーを吸収する能力が弱く、不活性基板と言っても良い。   Further, the alternating electromagnetic field irradiation may be performed in a single mode or a multi mode. Further, the irradiation of the alternating electromagnetic field may be a so-called pulsed irradiation in which the alternating electromagnetic field irradiation is performed for a predetermined time and then the alternating electromagnetic field irradiation is stopped for a predetermined time, or the alternating electromagnetic field irradiation is continuously performed. May be performed. Although the temperature conditions of an alternating electromagnetic field irradiation process are not specifically limited, For example, it can set suitably in normal temperature (for example, 25 degreeC)-1500 degreeC (for example, normal temperature-1500 degreeC, normal temperature-800 degreeC etc.). At this time, if the substrate does not absorb energy by alternating electromagnetic field irradiation (inactive substrate of alternating electromagnetic field), the effect of alternating electromagnetic field irradiation can be exerted only on the thin film. For example, sapphire, silicon, quartz, MgO, and the like have weak ability to absorb the energy of alternating electromagnetic field irradiation, and may be called inert substrates.

かかる観点からは、交番電磁場照射工程の温度条件を900℃以下、800℃以下、700℃以下、600℃以下、500℃以下等から適宜設定することが好ましい。その際、温度条件の下限は特に限定されないが、例えば、常温以上、30℃以上、50℃以上、100℃以上、150℃以上、200℃以上等の条件から適宜設定することが好ましい。尚、本発明において、「交番電磁場照射工程の温度条件」とは、交番電磁場照射工程を行う装置内の環境温度ではなく、照射工程中の薄膜自体の温度を意味する。従って、交番電磁場照射工程の温度条件が700℃以下とは、照射工程中の薄膜自体の温度が700℃以下であることを意味する。   From this point of view, it is preferable to appropriately set the temperature conditions of the alternating electromagnetic field irradiation step from 900 ° C. or lower, 800 ° C. or lower, 700 ° C. or lower, 600 ° C. or lower, 500 ° C. or lower, or the like. At that time, the lower limit of the temperature condition is not particularly limited, but it is preferable to set appropriately from conditions such as normal temperature or higher, 30 ° C. or higher, 50 ° C. or higher, 100 ° C. or higher, 150 ° C. or higher, 200 ° C. or higher. In the present invention, the “temperature condition of the alternating electromagnetic field irradiation process” means the temperature of the thin film itself during the irradiation process, not the environmental temperature in the apparatus that performs the alternating electromagnetic field irradiation process. Therefore, the temperature condition of the alternating electromagnetic field irradiation step being 700 ° C. or lower means that the temperature of the thin film itself during the irradiation step is 700 ° C. or lower.

照射する交番電磁場は必要に応じて、周波数変調、位相変調、出力変調、それらを組み合わせた変調を施したものとしてもよい。   The alternating electromagnetic field to be irradiated may be subjected to frequency modulation, phase modulation, output modulation, or modulation combining them as necessary.

新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織
また、本発明は、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織、例えば、所定の高配向ナノ柱状粒子を有する薄膜も提供する。かかる薄膜は、前述した薄膜製造方法により作製することができる。
Novel crystal structure, crystal structure having orientation Further , the present invention also provides a novel crystal structure, crystal structure having orientation, for example, a thin film having predetermined highly oriented nanocolumnar particles. Such a thin film can be produced by the thin film production method described above.

本発明において薄膜材料に付与される物理的・化学的特性としては、例えば、下記のものが挙げられる。原料となる高磁気異方性定数を有する材料として、FePt、Nd2Fe14Bなどの高磁気異方性定数を有する金属を用いて薄膜を形成する工程、及び薄膜形成工程と同時に及び/又はその後に、当該材料に交番電磁場照射を行う工程を含む、薄膜材料を製造する方法によって、新規の結晶構造、配向性を有する結晶組織、例えば高配向ナノ柱状粒子を含む垂直磁化薄膜が物理的・化学的特性として提供される。   Examples of the physical and chemical properties imparted to the thin film material in the present invention include the following. As a material having a high magnetic anisotropy constant as a raw material, the step of forming a thin film using a metal having a high magnetic anisotropy constant such as FePt, Nd2Fe14B, and the same as and / or after the thin film formation step, By the method of manufacturing a thin film material including a step of subjecting the material to alternating electromagnetic field irradiation, a perpendicularly crystallized thin film including a novel crystal structure, an oriented crystal structure, for example, a highly oriented nano-columnar particle is obtained as a physical and chemical property. Provided.

高磁気異方性定数を有する金属としては、強磁性体、フェリ磁性体等を用いることができ、強磁性体又はフェリ磁性体としては、例えば、強磁性体金属(例えば、白金含有金属(コバルト白金含有金属(CoPt、CoCrPt等)、鉄白金含有金属(FePt等))、強磁性金属間化合物(Nd2Fe14B等)が挙げられる。   As the metal having a high magnetic anisotropy constant, a ferromagnetic material, a ferrimagnetic material, and the like can be used. As the ferromagnetic material or the ferrimagnetic material, for example, a ferromagnetic metal (for example, a platinum-containing metal (cobalt) Examples thereof include platinum-containing metals (CoPt, CoCrPt, etc.), iron platinum-containing metals (FePt, etc.), and ferromagnetic intermetallic compounds (Nd2Fe14B, etc.).

交番電磁場照射により、強磁性体又はフェリ磁性体及び常磁性体又は反強磁性体のうち、強磁性体又はフェリ磁性体のグレインに優先的に電磁波が吸収され、加熱される。その結果、強磁性体又はフェリ磁性体の結晶成長方向が電磁反応場により変化するため、強磁性体又はフェリ磁性体の各グレインが高配向を保ちつつ成長するものと考えられる。   By alternating electromagnetic field irradiation, electromagnetic waves are preferentially absorbed and heated by the grains of the ferromagnetic or ferrimagnetic substance among the ferromagnetic or ferrimagnetic substance and the paramagnetic or antiferromagnetic substance. As a result, since the crystal growth direction of the ferromagnetic or ferrimagnetic material changes depending on the electromagnetic reaction field, it is considered that each grain of the ferromagnetic or ferrimagnetic material grows while maintaining a high orientation.

本発明の好ましい磁気メモリ及びランダムアクセスメモリの実施形態
本発明のMTJ素子を適用した磁気メモリ及びランダムアクセスメモリの実施形態の例を説明する。磁気メモリセルは、本発明のMTJ素子を搭載している。電極を介してMTJ素子に接続される配線にはMTJ素子に流す電流を制御するためにスイッチング素子が接続されている。スイッチング素子としてはC−MOSトランジスタを用いることができる。C−MOSトランジスタは、2つのn型半導体とそれらに挟まれた一つのp型半導体からなる。n型半導体にドレインとなる電極が電気的に接続され配線を介してグラウンドに接続されている。他方のn型半導体には、ソースとなる電極が電気的に接続されている。
Embodiments of Preferred Magnetic Memory and Random Access Memory of the Present Invention An example of an embodiment of a magnetic memory and a random access memory to which the MTJ element of the present invention is applied will be described. The magnetic memory cell is equipped with the MTJ element of the present invention. A switching element is connected to the wiring connected to the MTJ element via the electrode in order to control the current flowing through the MTJ element. A C-MOS transistor can be used as the switching element. The C-MOS transistor is composed of two n-type semiconductors and one p-type semiconductor sandwiched between them. An electrode serving as a drain is electrically connected to the n-type semiconductor and connected to the ground via a wiring. The other n-type semiconductor is electrically connected to a source electrode.

ソース電極は配線を介してMTJ素子の下部電極に接続されている。ビット線はMTJ素子の上部電極に接続されている。さらにp型半導体にはゲート電極が設けられ、このゲート電極のON/OFFによりソース電極とドレイン電極の間の電流のON /OFFを制御することでMRJ素子に流れる電流をオン・オフ制御する。このように構成された磁気メモリセルでは、MTJ素子に流れる電流、すなわちスピントランスファートルクによりMTJ素子の記録層の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録する。スピントランスファートルクは、空間的な外部磁界ではなく、主としてMTJ素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがMTJ素子の強磁性記録層の磁気モーメントにトルクを与える原理である。したがってMTJ素子に外部から電流を供給する手段を備え、その手段を用いて電流を流すことによりスピントランスファートルク磁化反転は実現される。本実施形態では、ビット線とソース電極の間に流す電流をオン・オフすることによりMTJ素子中の記録層の磁化の方向を制御する。   The source electrode is connected to the lower electrode of the MTJ element through a wiring. The bit line is connected to the upper electrode of the MTJ element. Further, a gate electrode is provided in the p-type semiconductor, and the current flowing through the MRJ element is controlled on / off by controlling ON / OFF of the current between the source electrode and the drain electrode by ON / OFF of the gate electrode. In the magnetic memory cell configured as described above, the magnetic information is recorded by rotating the magnetization direction of the recording layer of the MTJ element by the current flowing through the MTJ element, that is, the spin transfer torque. The spin transfer torque is not a spatial external magnetic field, but a principle in which spins of a spin-polarized current that mainly flows in the MTJ element give torque to the magnetic moment of the ferromagnetic recording layer of the MTJ element. Accordingly, the MTJ element is provided with means for supplying current from the outside, and spin transfer torque magnetization reversal is realized by flowing current using the means. In this embodiment, the direction of magnetization of the recording layer in the MTJ element is controlled by turning on and off the current flowing between the bit line and the source electrode.

上記磁気メモリセルをアレイ状に配置したものが磁気ランダムアクセスメモリである。ゲート電極に接続されたワード線及びビット線がMTJ素子を備える磁気メモリセルに電気的に接続されている。本発明のMTJ素子を備えた磁気メモリセルを配置することにより、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは従来よりも低消電力で動作が可能であり、微細化に伴う熱的安定性の低下を低減させたギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択し選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段として、ワード線に接続された書き込みドライバとビット線に接続された書き込みドライバを備えている。   A magnetic random access memory includes the magnetic memory cells arranged in an array. A word line and a bit line connected to the gate electrode are electrically connected to a magnetic memory cell including an MTJ element. By disposing the magnetic memory cell having the MTJ element of the present invention, the magnetic random access memory of the present invention can operate with lower power consumption than the conventional one, and the reduction in thermal stability due to miniaturization is reduced. A gigabit-class high-density magnetic memory can be realized. As a means for selecting a desired magnetic memory cell from a plurality of magnetic memory cells and reading or writing information to the selected magnetic memory cell, a write driver connected to a word line and a bit line are connected. Has a writing driver.

本構成の場合の書込みは、まず、電流を流したいビット線に接続された書き込みドライバにライトイネーブル信号を送って昇圧し、ビット線に所定の電流を流す。電流の向きに応じ、書き込みドライバをグランドに落として、電位差を調節して電流方向を制御する。次に所定時間経過後、ワード線に接続された書き込みドライバにライトイネーブル信号を送り、書き込みドライバを昇圧して、書き込みたいMTJ素子に接続されたトランジスタをオンにする。これによりMTJ素子に電流が流れ、スピントルク磁化反転が行われる。所定の時間、トランジスタをオンにしたのち、書込みドライバへの信号を切断し、トランジスタをオフにする。読出しの際は、読出したいMTJ素子につながったビット線のみを読出し電圧Vに昇圧し、選択トランジスタのみをオンにして電流を流し、読出しを行う。この構造は最も単純な1トランジスタ+1メモリセルの配置なので、単位セルの占める面積は小さくなり高集積なものにすることができる。   In writing in this configuration, first, a write enable signal is sent to a write driver connected to a bit line to which a current is to be supplied to boost the voltage, and a predetermined current is supplied to the bit line. In accordance with the direction of the current, the write driver is dropped to the ground, and the current direction is controlled by adjusting the potential difference. Next, after a predetermined time elapses, a write enable signal is sent to the write driver connected to the word line to boost the write driver and turn on the transistor connected to the MTJ element to be written. As a result, a current flows through the MTJ element, and spin torque magnetization reversal is performed. After the transistor is turned on for a predetermined time, the signal to the write driver is disconnected and the transistor is turned off. At the time of reading, only the bit line connected to the MTJ element to be read is boosted to the reading voltage V, only the selection transistor is turned on, and a current is supplied to perform reading. Since this structure is the simplest arrangement of one transistor and one memory cell, the area occupied by the unit cell can be reduced and highly integrated.

また本発明のトンネル磁気抵抗効果素子を用いているので、本実施形態の磁気メモリ及びランダムアクセスメモリは、微細化に伴う熱的安定性の低下を低減させることができるので超高集積に対応可能なものとなる。   Further, since the tunnel magnetoresistive element of the present invention is used, the magnetic memory and the random access memory according to the present embodiment can cope with ultra-high integration because reduction in thermal stability due to miniaturization can be reduced. It will be something.

以上、トンネル磁気抵抗効果素子において記録層、固定層、第二の磁性層をNd−Fe−B層とした例で説明したが、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがNd−Fe−B層であればよい。例えば図2に示すように固定層、第二の磁性層をNd−Fe−B層とすることができる。これは、図1と同様に第二の磁性層をNd−Fe−B層としたことによる効果に加えて、バリア層に接する層をより配向性の高いものとすることによる効果を奏することになる。さらに図3に示すように第二の磁性層をNd−Fe−B層とすることができる。バリア層の両側に電子スピンの分極率が高い材料(CoFeBなど)を配置する構造とすることで、垂直磁化MTJ素子において抵抗変化率(TMR比)を向上させることができる。また図には示していないが、記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のすべてをNd−Fe−B層とすることもできる。   In the above, an example in which the recording layer, the fixed layer, and the second magnetic layer are Nd—Fe—B layers in the tunnel magnetoresistive element has been described. However, the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer are described. At least one of the layers may be an Nd—Fe—B layer. For example, as shown in FIG. 2, the fixed layer and the second magnetic layer can be Nd—Fe—B layers. In addition to the effect obtained by using the second magnetic layer as the Nd—Fe—B layer as in FIG. 1, the effect obtained by making the layer in contact with the barrier layer more highly oriented is achieved. Become. Furthermore, as shown in FIG. 3, the second magnetic layer can be an Nd—Fe—B layer. By adopting a structure in which a material (such as CoFeB) having a high electron spin polarizability is disposed on both sides of the barrier layer, the resistance change rate (TMR ratio) can be improved in the perpendicular magnetization MTJ element. Although not shown in the figure, the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer can all be Nd—Fe—B layers.

<実施例>
以下実施例を挙げて、本発明の実施の形態をさらに具体的に説明するとともに本発明による作用効果を例証する。これらの実施例は例示及び具体的説明のためのものであり、本発明はこれらの実施例に限定されない。
<Example>
Hereinafter, the embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to examples, and the effects of the present invention will be illustrated. These examples are for illustration and specific description, and the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
図1に、実施例1におけるMTJ素子の断面模式図を示す。各層の材料等を以下に示す。バリア層14にMgO(膜厚:1nm)を用いた。その片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層15にNd2Fe14B(膜厚:1nm)を用いた。また、バリア層14の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層13にNd2Fe14B(膜厚:1nm)を用いた。記録層15のバリア層と反対側面に接した第一の中間層16と、固定層13のバリア層と反対側面に接した第二の中間層12にTa(膜厚:0.5nm)を用いた。第一の中間層16の記録層と反対側面に接した第一の磁性層17にCoFe(膜厚:0.2nm)とPd(膜厚:1.2nm)の二層膜を三周期積層した多層膜(膜厚:4.2nm)を用いた。第二の中間層12の固定層と反対側面に接した第二の磁性層11にNd2Fe14B(膜厚:1nm)を用いた。また下部電極10としてTa層を用いた。キャップ層18はTa層とし、Cr/Auの積層構造からなる上部電極19を配置した。
Example 1
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the MTJ element in Example 1. The material of each layer is shown below. MgO (film thickness: 1 nm) was used for the barrier layer 14. Nd2Fe14B (film thickness: 1 nm) was used for the recording layer 15 made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy disposed in contact with one side surface. Further, Nd 2 Fe 14 B (film thickness: 1 nm) is disposed on the fixed layer 13 made of a ferromagnetic thin film that is disposed in contact with the other side surface of the barrier layer 14 and has perpendicular magnetic anisotropy and the magnetization direction is fixed in one direction. ) Was used. Ta (film thickness: 0.5 nm) is used for the first intermediate layer 16 in contact with the side opposite to the barrier layer of the recording layer 15 and the second intermediate layer 12 in contact with the side opposite to the barrier layer of the fixed layer 13. It was. Two layers of CoFe (film thickness: 0.2 nm) and Pd (film thickness: 1.2 nm) were laminated three times on the first magnetic layer 17 in contact with the opposite side of the recording layer of the first intermediate layer 16. A multilayer film (film thickness: 4.2 nm) was used. Nd 2 Fe 14 B (film thickness: 1 nm) was used for the second magnetic layer 11 in contact with the side surface opposite to the fixed layer of the second intermediate layer 12. A Ta layer was used as the lower electrode 10. The cap layer 18 was a Ta layer, and an upper electrode 19 having a laminated structure of Cr / Au was disposed.

薄膜の作製方法を具体的に示す。
上記各層はArガスを用いたRFスパッタリング法でシリカ基板上に順次製膜した。このMTJ素子を8mmφに切り出した。切り出した試料は、自作のシングルモードキャビティ型マイクロ波照射装置における磁場強度最大部分に設置した。試料は石英製試験管に挿入した。本試験管はターボ分子ポンプを用いて減圧した。試料温度は放射温度計を用いて測温した。試料温度最大700℃となるようにマイクロ波出力を約500Wでパルス制御し、約10分間、2.45GHzマイクロ波照射し、記録層、固定層、第二の磁性層を結晶化させた。
A method for manufacturing a thin film will be specifically described.
Each of the above layers was sequentially formed on a silica substrate by RF sputtering using Ar gas. This MTJ element was cut out to 8 mmφ. The cut out sample was placed at the maximum magnetic field strength portion in the self-made single mode cavity type microwave irradiation apparatus. The sample was inserted into a quartz test tube. The test tube was depressurized using a turbo molecular pump. The sample temperature was measured using a radiation thermometer. The microwave output was pulse-controlled at about 500 W so that the sample temperature reached a maximum of 700 ° C., and irradiated with 2.45 GHz microwave for about 10 minutes to crystallize the recording layer, the fixed layer, and the second magnetic layer.

第二の磁性層は、第二の中間層Ta面に対して垂直に結晶構造がc軸配向していた。第二の磁性層Nd2Fe14B層は、配向しており、かつ垂直磁気異方性が大きいという特性を持つため、固定層が磁気的に安定する。固定層及び固定層の外側の強磁性層がNd2Fe14Bであるとしているので、c軸配向したNd2Fe14Bが固定層の磁化をピン止めするように作用し、電流を流した時の固定層の磁化揺らぎを強力に封じることができているからと推定される。   The crystal structure of the second magnetic layer was c-axis oriented perpendicular to the second intermediate layer Ta surface. Since the second magnetic layer Nd2Fe14B layer is oriented and has a characteristic of high perpendicular magnetic anisotropy, the fixed layer is magnetically stable. Since the fixed layer and the ferromagnetic layer outside the fixed layer are assumed to be Nd2Fe14B, the c-axis oriented Nd2Fe14B acts to pin the magnetization of the fixed layer, and the magnetization fluctuation of the fixed layer when an electric current is passed. It is estimated that it can be sealed strongly.

(実施例2)
図2に、実施例2におけるMTJ素子の断面模式図を示す。各層の材料等を以下に示す。バリア層24にMgO(膜厚:1nm)を用いた。その片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層25にCoFeB(膜厚:1nm)を用いた。また、バリア層24の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層23にNd2Fe14B(膜厚:1nm)を用いた。記録層25のバリア層と反対側面に接した第一の中間層26と、固定層23のバリア層と反対側面に接した第二の中間層22にTa(膜厚:0.5nm)を用いた。第一の中間層26の記録層と反対側面に接した第一の磁性層27にCoFe(膜厚:0.2nm)とPd(膜厚:1.2nm)の二層膜を三周期積層した多層膜(膜厚:4.2nmnm)を用いた。第二の中間層22の固定層と反対側面に接した第二の磁性層21にNd2Fe14B(膜厚:1nm)を用いた。また下部電極20としてTa層を用いた。キャップ層28はTa層とし、Cr/Auの積層構造からなる上部電極29を配置した。
(Example 2)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the MTJ element in Example 2. The material of each layer is shown below. MgO (film thickness: 1 nm) was used for the barrier layer 24. CoFeB (film thickness: 1 nm) was used for the recording layer 25 made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy disposed in contact with one side surface. Further, Nd 2 Fe 14 B (film thickness: 1 nm) is formed on the fixed layer 23 made of a ferromagnetic thin film that is arranged in contact with the other side surface of the barrier layer 24 and has perpendicular magnetic anisotropy and the magnetization direction is fixed in one direction. ) Was used. Ta (film thickness: 0.5 nm) is used for the first intermediate layer 26 in contact with the side surface opposite to the barrier layer of the recording layer 25 and the second intermediate layer 22 in contact with the side surface opposite to the barrier layer of the fixed layer 23. It was. Two layers of CoFe (film thickness: 0.2 nm) and Pd (film thickness: 1.2 nm) were laminated in three cycles on the first magnetic layer 27 in contact with the opposite side of the recording layer of the first intermediate layer 26. A multilayer film (film thickness: 4.2 nm nm) was used. Nd 2 Fe 14 B (film thickness: 1 nm) was used for the second magnetic layer 21 in contact with the side surface opposite to the fixed layer of the second intermediate layer 22. A Ta layer was used as the lower electrode 20. The cap layer 28 was a Ta layer, and an upper electrode 29 having a Cr / Au laminated structure was disposed.

薄膜の作製方法を具体的に示す。上記各層はArガスを用いたRFスパッタリング法でシリカ基板上に順次製膜した。このMTJ素子を8mmφに切り出した。切り出した試料は、自作のシングルモードキャビティ型マイクロ波照射装置における磁場強度最大部分に設置した。試料は石英製試験管に挿入した。本試験管はターボ分子ポンプを用いて減圧した。試料温度は放射温度計を用いて測温した。試料温度最大700℃となるようにマイクロ波出力を約500Wでパルス制御し、約10分間、2.45GHzマイクロ波照射し、記録層、固定層、第二の磁性層を結晶化させた。   A method for manufacturing a thin film will be specifically described. Each of the above layers was sequentially formed on a silica substrate by RF sputtering using Ar gas. This MTJ element was cut out to 8 mmφ. The cut out sample was placed at the maximum magnetic field strength portion in the self-made single mode cavity type microwave irradiation apparatus. The sample was inserted into a quartz test tube. The test tube was depressurized using a turbo molecular pump. The sample temperature was measured using a radiation thermometer. The microwave output was pulse-controlled at about 500 W so that the sample temperature reached a maximum of 700 ° C., and irradiated with 2.45 GHz microwave for about 10 minutes to crystallize the recording layer, the fixed layer, and the second magnetic layer.

固定層は、バリア層MgOおよび第二の中間層Ta面に対して垂直に結晶構造がc軸配向していた。第二の磁性層は、第二の中間層Ta面に対して垂直に結晶構造がc軸配向していた。第二の磁性層Nd2Fe14B層は、充分に配向しており、かつ垂直磁気異方性が大きいという特性を持つため、固定層が磁気的に安定して優れた特性を示した。固定層および固定層の外側の強磁性層がNd2Fe14Bであるとしているので、c軸配向したNd2Fe14Bが固定層の磁化をピン止めするように作用し、電流を流した時の固定層の磁化揺らぎを強力に封じることができているからと推定される。   In the fixed layer, the crystal structure was c-axis oriented perpendicular to the plane of the barrier layer MgO and the second intermediate layer Ta. The crystal structure of the second magnetic layer was c-axis oriented perpendicular to the second intermediate layer Ta surface. Since the second magnetic layer Nd2Fe14B layer is sufficiently oriented and has a large perpendicular magnetic anisotropy, the fixed layer is magnetically stable and exhibits excellent characteristics. Since the fixed layer and the ferromagnetic layer outside the fixed layer are assumed to be Nd2Fe14B, the c-axis oriented Nd2Fe14B acts to pin the magnetization of the fixed layer, and the magnetization fluctuation of the fixed layer when an electric current is passed. It is estimated that it can be sealed strongly.

(実施例3)
図3に、実施例3におけるMTJ素子の断面模式図を示す。各層の材料等を以下に示す。バリア層34にMgO(膜厚:1nm)を用いた。その片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層35にCoFeB(膜厚:1nm)を用いた。また、バリア層34の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層33にCoFeB(膜厚:1nm)を用いた。記録層35のバリア層と反対側面に接した第一の中間層36と、固定層33のバリア層と反対側面に接した第二の中間層32にTa(膜厚:0.5nm)を用いた。第一の中間層36の記録層と反対側面に接した第一の磁性層37にCoFe(膜厚:0.2nm)とPd(膜厚:1.2nm)の二層膜を三周期積層した多層膜(膜厚:4.2nm)を用いた。第二の中間層32の固定層と反対側面に接した第二の磁性層31にNd2Fe14B(膜厚:1nm)を用いた。また下部電極30としてTa層を用いた。キャップ層38はTa層とし、Cr/Auの積層構造からなる上部電極30を配置した。
(Example 3)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the MTJ element in Example 3. The material of each layer is shown below. MgO (film thickness: 1 nm) was used for the barrier layer 34. CoFeB (film thickness: 1 nm) was used for the recording layer 35 made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy arranged in contact with one side surface. In addition, CoFeB (film thickness: 1 nm) is formed on the fixed layer 33 made of a ferromagnetic thin film that is disposed in contact with the other side surface of the barrier layer 34 and has perpendicular magnetic anisotropy and the magnetization direction is fixed in one direction. ) Was used. Ta (film thickness: 0.5 nm) is used for the first intermediate layer 36 in contact with the side opposite to the barrier layer of the recording layer 35 and the second intermediate layer 32 in contact with the side opposite to the barrier layer of the fixed layer 33. It was. A two-layered film of CoFe (film thickness: 0.2 nm) and Pd (film thickness: 1.2 nm) was laminated in three cycles on the first magnetic layer 37 in contact with the side opposite to the recording layer of the first intermediate layer 36. A multilayer film (film thickness: 4.2 nm) was used. Nd 2 Fe 14 B (film thickness: 1 nm) was used for the second magnetic layer 31 in contact with the side surface opposite to the fixed layer of the second intermediate layer 32. A Ta layer was used as the lower electrode 30. The cap layer 38 is a Ta layer, and the upper electrode 30 having a laminated structure of Cr / Au is disposed.

薄膜の作製方法を具体的に示す。
上記各層はArガスを用いたRFスパッタリング法でシリカ基板上に順次製膜した。このMTJ素子を8mmφに切り出した。切り出した試料は、自作のシングルモードキャビティ型マイクロ波照射装置における磁場強度最大部分に設置した。試料は石英製試験管に挿入した。本試験管はターボ分子ポンプを用いて減圧した。試料温度は放射温度計を用いて測温した。試料温度最大700℃となるようにマイクロ波出力を約500Wでパルス制御し、約10分間、2.45GHzマイクロ波照射し、記録層、固定層、第二の磁性層を結晶化させた。
A method for manufacturing a thin film will be specifically described.
Each of the above layers was sequentially formed on a silica substrate by RF sputtering using Ar gas. This MTJ element was cut out to 8 mmφ. The cut out sample was placed at the maximum magnetic field strength portion in the self-made single mode cavity type microwave irradiation apparatus. The sample was inserted into a quartz test tube. The test tube was depressurized using a turbo molecular pump. The sample temperature was measured using a radiation thermometer. The microwave output was pulse-controlled at about 500 W so that the sample temperature reached a maximum of 700 ° C., and irradiated with 2.45 GHz microwave for about 10 minutes to crystallize the recording layer, the fixed layer, and the second magnetic layer.

固定層は、バリア層MgOおよび第二の中間層Ta面に対して垂直に結晶構造がc軸配向していた。第二の磁性層は、第二の中間層Ta面に対して垂直に結晶構造がc軸配向していた。第二の磁性層Nd2Fe14B層は、充分に配向しており、かつ垂直磁気異方性が大きいという特性を持つため、固定層が磁気的に安定して優れた特性を示した。記録層・固定層がCoFeBであり固定層の外側の強磁性層がNd2Fe14Bであるとしているので、c軸配向したNd2Fe14Bが固定層の磁化をピン止めするように作用するので、電流を流した時の固定層の磁化揺らぎを強力に封じることができているからと推定される。
In the fixed layer, the crystal structure was c-axis oriented perpendicular to the plane of the barrier layer MgO and the second intermediate layer Ta. The crystal structure of the second magnetic layer was c-axis oriented perpendicular to the second intermediate layer Ta surface. Since the second magnetic layer Nd2Fe14B layer is sufficiently oriented and has a large perpendicular magnetic anisotropy, the fixed layer is magnetically stable and exhibits excellent characteristics. Since the recording layer / fixed layer is CoFeB and the ferromagnetic layer outside the fixed layer is Nd2Fe14B, the c-axis oriented Nd2Fe14B acts to pin the magnetization of the fixed layer. It is presumed that the magnetization fluctuation of the fixed layer can be strongly sealed.

Claims (9)

バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがNd−Fe−B層であること
を特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
A recording layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy disposed in contact with one side of the barrier layer;
A fixed layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy and having a magnetization direction fixed in one direction, disposed in contact with the other side surface of the barrier layer;
A first intermediate layer in contact with the side opposite to the barrier layer of the recording layer;
A barrier layer of the fixed layer and a second intermediate layer in contact with the opposite side surface,
A first magnetic layer in contact with the side opposite to the recording layer of the first intermediate layer and a second magnetic layer in contact with the side opposite to the fixed layer of the second intermediate layer;
At least one of the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer is an Nd—Fe—B layer.
記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層を形成する工程から選ばれる少なくとも一つの工程と同時および/またはその後に交番電磁場照射処理を施すことにより得られる配向性を有する結晶組織を含む層が配置された請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   Crystal having orientation obtained by performing alternating electromagnetic field irradiation treatment at the same time and / or after at least one step selected from the steps of forming the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer The tunnel magnetoresistive element according to claim 1, wherein a layer including a structure is disposed. 前記交番電磁場照射処理が、薄膜温度1500℃以下で行われる、請求項2に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   The tunnel magnetoresistive effect element according to claim 2, wherein the alternating electromagnetic field irradiation treatment is performed at a thin film temperature of 1500 ° C. or less. 前記交番電磁場照射処理における交番電磁場の周波数が、300MHz〜1THzである、請求項2又は3に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   The tunnel magnetoresistive effect element of Claim 2 or 3 whose frequency of the alternating electromagnetic field in the said alternating electromagnetic field irradiation process is 300 MHz-1 THz. 前記交番電磁場照射処理における交番電磁場の出力が、1mW〜1MWである、請求項2〜4のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   The tunnel magnetoresistive effect element according to any one of claims 2 to 4, wherein an output of the alternating electromagnetic field in the alternating electromagnetic field irradiation treatment is 1 mW to 1 MW. 前記交番電磁場照射処理における、交番電磁場照射がパルス照射または連続的照射である、請求項2〜5のいずれか1項に記載の薄膜。   The thin film according to any one of claims 2 to 5, wherein the alternating electromagnetic field irradiation in the alternating electromagnetic field irradiation treatment is pulse irradiation or continuous irradiation. 前記各層を形成する工程が、加圧下、大気下、または減圧下で行われる、請求項2〜6のいずれか1項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。   The tunnel magnetoresistive effect element of any one of Claims 2-6 by which the process of forming each said layer is performed under pressure, air | atmosphere, or pressure reduction. 記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、
前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
前記記録層の磁化がスピントランスファートルクにより反転可能な磁気メモリセルにおいて、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と、
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがNd−Fe−B層であること
を特徴とする磁気メモリセル。
A tunnel magnetoresistive element having a recording layer and a fixed layer;
An electrode for passing a current through the tunnel magnetoresistive element;
A switching element that controls on / off of the current flowing through the tunnel magnetoresistive element,
In a magnetic memory cell in which the magnetization of the recording layer can be reversed by spin transfer torque,
The tunnel magnetoresistive element is
A recording layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy disposed in contact with one side of the barrier layer;
A fixed layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy and having a magnetization direction fixed in one direction, disposed in contact with the other side surface of the barrier layer;
A first intermediate layer in contact with the side opposite to the barrier layer of the recording layer;
A barrier layer of the fixed layer and a second intermediate layer in contact with the opposite side surface,
A first magnetic layer in contact with the side opposite to the recording layer of the first intermediate layer and a second magnetic layer in contact with the side opposite to the fixed layer of the second intermediate layer;
A magnetic memory cell, wherein at least one of the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer is an Nd—Fe—B layer.
複数の磁気メモリセルと、
前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の読み出しあるいは書き込みを行う手段とを備えたランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気メモリセルは、記録層と固定層を有するトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に電流を流すための電極と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを備え、
前記トンネル磁気抵抗効果素子は、
バリア層の片側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有する強磁性体薄膜からなる記録層と
バリア層の他方側面に接して配置される、垂直磁気異方性を有し、磁化の方向が一方向に固定された強磁性体薄膜からなる固定層とを有し、
記録層のバリア層と反対側面に接した第一の中間層と、
固定層のバリア層と反対側面に接した第二の中間層とを有し、
第一の中間層の記録層と反対側面に接した第一の磁性層と
第二の中間層の固定層と反対側面に接した第二の磁性層とを有し、
前記記録層、固定層、第一の磁性層、第二の磁性層のうち少なくとも一つがNd−Fe−B層であり、
前記選択された磁気メモリセルに対して情報の書き込みを行う手段は、前記磁気メモリ セルの前記記録層をスピントランスファートルクにより磁化反転させる
ことを特徴とするランダムアクセスメモリ。
A plurality of magnetic memory cells;
Means for selecting a desired magnetic memory cell from the plurality of magnetic memory cells;
In a random access memory comprising means for reading or writing information to the selected magnetic memory cell,
The magnetic memory cell controls on / off of a tunnel magnetoresistive effect element having a recording layer and a fixed layer, an electrode for passing a current through the tunnel magnetoresistive effect element, and a current flowing through the tunnel magnetoresistive effect element A switching element,
The tunnel magnetoresistive element is
A recording layer made of a ferromagnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy arranged in contact with one side of the barrier layer and a magnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy arranged in contact with the other side of the barrier layer A fixed layer made of a ferromagnetic thin film in which the direction of is fixed in one direction,
A first intermediate layer in contact with the side opposite to the barrier layer of the recording layer;
A barrier layer of the fixed layer and a second intermediate layer in contact with the opposite side surface,
A first magnetic layer in contact with the side opposite to the recording layer of the first intermediate layer and a second magnetic layer in contact with the side opposite to the fixed layer of the second intermediate layer;
At least one of the recording layer, the fixed layer, the first magnetic layer, and the second magnetic layer is an Nd—Fe—B layer,
The random access memory according to claim 1, wherein the means for writing information to the selected magnetic memory cell reverses the magnetization of the recording layer of the magnetic memory cell by a spin transfer torque.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108962590A (en) * 2018-08-07 2018-12-07 泉州凯华新材料科技有限公司 The Quito Fe layer film of perpendicular magnetic anisotropic enhancing
EP4210057A1 (en) * 2022-01-07 2023-07-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic tunneling junction device and memory device including the same

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