JP2018037616A - 磁気トンネル接合素子 - Google Patents

磁気トンネル接合素子 Download PDF

Info

Publication number
JP2018037616A
JP2018037616A JP2016172032A JP2016172032A JP2018037616A JP 2018037616 A JP2018037616 A JP 2018037616A JP 2016172032 A JP2016172032 A JP 2016172032A JP 2016172032 A JP2016172032 A JP 2016172032A JP 2018037616 A JP2018037616 A JP 2018037616A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
magnetic
high polarizability
surface roughness
laminated
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
Application number
JP2016172032A
Other languages
English (en)
Inventor
義明 園部
Yoshiaki Sonobe
義明 園部
茂樹 中川
Shigeki Nakagawa
茂樹 中川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung R&D Institute Japan Co Ltd
Original Assignee
Samsung R&D Institute Japan Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung R&D Institute Japan Co Ltd filed Critical Samsung R&D Institute Japan Co Ltd
Priority to JP2016172032A priority Critical patent/JP2018037616A/ja
Priority to KR1020160181306A priority patent/KR20180026317A/ko
Priority to US15/681,319 priority patent/US20180069173A1/en
Publication of JP2018037616A publication Critical patent/JP2018037616A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/12—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
    • H01F10/123—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys having a L10 crystallographic structure, e.g. [Co,Fe][Pt,Pd] thin films
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/18—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being compounds
    • H01F10/193—Magnetic semiconductor compounds
    • H01F10/1936—Half-metallic, e.g. epitaxial CrO2 or NiMnSb films
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

【課題】記録層内の垂直保持層と高分極率磁性層とが強く磁気結合し、熱安定性の高い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、磁化方向が可変である自由層１５と、磁化方向を所定の方向に維持する参照層（固定層）１３と、自由層１５と参照層１３との間に設けられた絶縁層と、を備え、自由層１５は、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂとを含み、絶縁層１４に垂直保持層１５Ａを積層した場合の垂直保持層１５Ａの表面粗さと、絶縁層１４に高分極率磁性層１５Ｂを積層した場合の高分極率磁性層１５Ｂの表面粗さのうち、表面粗さがより小さい層を絶縁層１４に積層し、表面粗さがより小さい層に表面粗さが大きい層を積層した。
【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バリアー層を有する磁気トンネル接合層を備えた磁気トンネル接合（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、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、材料自体が垂直磁気異方性を持ち、実験的に高いスピン分極率を持っている材料の報告が少ない。また、垂直磁気異方性を持ち、高いスピン分極率を持っている材料は、実用的には界面磁気異方性を用いて、ＣｏＦｅＢ金属強磁性体材料しかなく、材料選択範囲が非常に狭いのが実状である。したがって、現在、高い垂直磁気異方性を持ち、高いスピン分極率有する材料を、次世代メモリの基本構成材料として用いるのは困難である。
一方、上記解決策として、複合膜型記録層が提案されている。これは高いスピン分極率を持つ強磁性材料層と垂直磁気異方性が大きな垂直磁化保持層を結合させる方法である。例えば、特許文献１、２には、この複合膜構造が記載されている。
特開２０１４−１１６４７４号公報 特開２０１６−０９２０６６号公報
特許文献１、２に記載された複合膜型記録層は、更に垂直保持層と高分極率磁性層とが強く磁気結合することが要求されている。
本発明は、記録層内の垂直保持層と高分極率磁性層とが強く磁気結合し、熱安定性の高い磁気トンネル接合素子を提供することを目的とする。
本発明の磁気トンネル接合素子は、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持する参照層（固定層）と、前記自由層と前記参照層（固定層）との間に設けられた絶縁層と、を備え、前記自由層は、垂直保持層と高分極率磁性層とを含み、前記絶縁層に前記垂直保持層を積層した場合の前記垂直保持層の表面粗さと、前記絶縁層に前記高分極率磁性層を積層した場合の前記高分極率磁性層の表面粗さのうち、表面粗さがより小さい層を前記絶縁層に積層し、表面粗さがより小さい層に表面粗さが大きい層を積層した。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層のうち、前記絶縁層との格子ひずみ量がより小さい層が、前記絶縁層に積層され、前記絶縁層との格子ひずみ量がより小さい層に前記絶縁層との格子定数ひずみ量がより大きい層が積層されているようにした。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記垂直保持層は、Ｌ１０またはＤ０２２構造を有するＭｎ系合金からなるようにした。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記垂直保持層は、Ｌ１０またはＤ０２２構造を有するＭｎ−Ｇｅ合金，Ｍｎ−Ｇａ合金またはＭｎ−Ａｌ合金からなるようにした。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記自由層、複合膜を形成する高分極率磁性層の磁気異方性が面内または垂直磁気異方性を有し、Ｌ２１構造またはＢ２構造をもつホイスラー合金からなるようにした。
これらの発明によれば、磁気トンネル接合素子は、絶縁層と記録層内の垂直保持層または高分極率磁性層との格子ひずみの差を小さくすることにより、界面粗さが小さくなり、垂直保持層と高分極率磁性層の間で強く磁気結合することできるので、高分極率磁性層の磁化方向を垂直に向けることができる。そして、これらの発明によれば、磁気トンネル接合素子は、熱安定性を向上させることができる。
本発明の磁気トンネル接合素子は、前記自由層は、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の間に磁気的な結合を制御する１ｎｍ以下の非磁性層を有するようにした。
本発明の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記自由層内の各層間の界面粗さが０．７ｎｍ以下であるようにした。
これらの発明によれば、磁気トンネル接合素子は、絶縁層と記録層内の垂直保持層または高分極率磁性層との間に磁気的結合制御層を備えることより、熱的に安定でかつ記録が小さな電流で行える高速ＭＲＡＭを実現することができる。
本発明の磁気抵抗メモリは、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持する参照層（固定層）と、前記自由層と前記参照層（固定層）との間に設けられた絶縁層と、を備え、前記自由層は、垂直保持層と高分極率磁性層とを含み、前記絶縁層に前記垂直保持層を積層した場合の前記垂直保持層の表面粗さと、前記絶縁層に前記高分極率磁性層を積層した場合の前記高分極率磁性層の表面粗さのうち、表面粗さがより小さい層を前記絶縁層に積層し、表面粗さがより小さい層に表面粗さが大きい層を積層した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、を備えるようにした。
本発明の磁気抵抗メモリによれば、絶縁層と記録層内の垂直保持層または高分極率磁性層との格子ひずみを小さくすることにより、界面粗さが小さくなり、垂直保持層と高分極率磁性層の間で強く磁気結合することができるので、高分極率磁性層の磁化方向を垂直に向けることができる。そして、本発明の磁気抵抗メモリは、熱安定性を向上させることができる。
本発明によれば、記録層内の垂直保持層と高分極率磁性層とが強く磁気結合する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にかかる磁気トンネル接合素子の断面図である。 基板、バッファ層、高分極率磁性層、垂直保持層の各結晶格子定数の大小関係とエピタキシャル関係を表す図である。 高分極率磁性層の厚さと磁気特性との関係を示す図である。 高分極率磁性層の厚さと磁気特性との関係を示す図である。 本発明を用いて格子ひずみが小さくなるように作成された垂直保持層と高分極率磁性層作成後の表面を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて解析した写真である。 格子ひずみが大きくなるように作成された垂直保持層と高分極率磁性層作成後の表面をＡＦＭ解析した写真である。 Ｃｒ層上に垂直保持層、高分極率磁性層の順に作製した試料と、Ｃｒ層上に高分極率磁性層、垂直保持層の順に作製した試料のＸ線回折パターンである。 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。 絶縁層と記録層内の垂直保持層、磁気的結合制御層及び高分極率磁性層の関係示す略図である。 実施の形態２にかかる厚さ２ｎｍの非磁性磁気的結合層を用いた場合の磁気トンネル接合素子の磁気特性との関係を示す図である。 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１または２にかかる磁気トンネル接合素子の断面図である。
（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、を備える。
基板１１は、Ｓｉ基板である。例えば、基板１１は、熱酸化膜付きＳｉ基板、またはＳｉ単結晶基板が好適である。
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、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ、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。また、参照層１３は、固定層とも呼ばれる。
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、垂直保持層１５Ａと、高分極率磁性層１５Ｂとから構成される。垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂの積層の順序は、以下の通りとなる。また、自由層１５は、記録層とも呼ばれる。
バリアー層１４に垂直保持層１５Ａを積層した場合の垂直保持層１５Ａの表面粗さと、バリアー層１４に高分極率磁性層１５Ｂを積層した場合の高分極率磁性層１５Ｂの表面粗さのうち、表面粗さがより小さい層をバリアー層１４に積層し、表面粗さがより小さい層に表面粗さが大きい層を積層する。
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。
Ｍｎ系合金の格子がＣＦＳ（Ｃｏ２ＦｅＳｉ）あるいはＭｇＯ（バリアー層）の結晶格子と比較する場合には、歪みの量δはｘ−ｙ面で４５°回転させて整合するエピタキシャル関係で議論できる。図２は、エピタキシャル成長した場合の格子のひずみ量の説明する図である。具体的には、図２は、基板、バッファ層、高分極率磁性層、垂直保持層の各結晶格子定数の大小関係とエピタキシャル関係を表す図である。このように、上記の正方晶の場合と同様にして歪みの量δを求めた。言い換えると、バリアー層１４と垂直保持層１５Ａの格子定数の差と、バリアー層１４と高分極率磁性層１５Ｂの格子定数の差とを比較し、格子ひずみ量がより小さい層をバリアー層１４に積層し、格子ひずみ量のより小さい層に格子ひずみより大きい層を積層する。
このような積層構造とすることにより、バリアー層１４と、自由層１５内の垂直保持層１５Ａまたは高分極率磁性層１５Ｂとの格子ひずみ量を小さくすることにより、界面粗さが小さくなり、垂直保持層と高分極率磁性層の間でより強く磁気結合することできる。この結果、自由層１５は、磁化方向を積層面から垂直に向けることができる。
垂直保持層１５Ａは、磁化容易軸に磁場方向を保持する層である。例えば、垂直保持層１５Ａは、Ｌ１０またはＤ０２２構造を有するＭｎ系合金からなる層である。具体的には、、垂直保持層１５Ａは、Ｌ１０またはＤ０２２構造を有するＭｎＧｅ、ＭｎＧａまたはＭｎＡｌからなる層である。
高分極率磁性層１５Ｂは、高いスピン偏極率を有する層である。例えば、高分極率磁性層１５Ｂは、Ｌ２１構造またはＢ２構造をもつホイスラー合金膜からなる層である。好ましくは高分極率磁性層１５Ｂ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、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ、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。
次に、バリアー層１４と垂直保持層１５Ａの格子ひずみ量、及びバリアー層１４と高分極率磁性層１５Ｂの格子ひずみ量について説明する。表１は、垂直保持層１５Ａまたは高分極率磁性層１５Ｂに含まれる金属と、バリアー層１４に含まれる金属との格子定数のひずみ量を示す表である。表１において、格子ひずみ量は、垂直保持層１５Ａまたは高分極率磁性層１５Ｂに含まれる金属の格子定数をバリアー層１４に含まれる金属との格子定数で減算した値を、垂直保持層１５または高分極磁性層１５Ｂの格子定数で除算した値（１００分率）である。
なお、表１の組合せは一例に過ぎず、他の組合せでもよい。以下に、バリアー層１４、垂直保持層１５Ａ、高分極率磁性層１５Ｂに用いられる物質の格子定数を示す。表２は、高分極率磁性層に用いられる合金の格子定数を示す表である。
表３は、垂直保持層に用いられる合金の格子定数を示す表である。
表４は、バリアー層に用いられる合金の格子定数を示す表である。表４では、同時に発明のために実験に用いたＣｒの値を示した。
次に、バリアー層１４、垂直保持層１５Ａ及び高分極率磁性層１５Ｂの積層順が磁気特性にどのように影響するかについて説明する。
図１は磁気トンネル素子をあらわしている。そして、磁気トンネル素子はスパッタ法を用いてバッファ層（Ｃｒ層）、参照層、バリアー層、自由層、キャップ層を順次堆積して形成される。図３、図４は本発明のために作成した試料の磁気特性である。その作成法は、基板上にスパッタ法でバッファ層（Ｃｒ層）、ＣＦＳ層、Ｍｎ合金層の順に積層し、キャップ層（Ｔａ）を作成した。
磁気トンネル結合素子の一部である自由層を作成して磁界強度と磁気特性の関係について測定を行った。磁気特性は膜面垂直方向に７０ｋＯｅ（７Ｔ）まで磁場印加を行い、ＶＳＭ（試料振動式磁力計）を用いて磁化曲線を測定して求めた結果である。
図３は、高分極率磁性層の厚さと磁気特性との関係を示す図である。図３において、横軸は、磁界強度を示し、縦軸は磁化を示す。図３は、バリアー層１４がＭｇＯ、垂直保持層１５ＡがＭｎＧａ、高分極率磁性層１５ＢがＣｏ２ＦｅＭｎＳｉで構成されている磁気トンネル接合素子１０について、自由層の特性を調べるために、本発明を用いて作成された表面粗さが小さくなるように積層した試料を用いている。高分極率磁性層１５Ｂの厚みを変化させた場合の磁気特性を示している。
図３に示すように、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂの間で非常に強く磁化が結合されている。図３では、特に高分極率磁性層１５Ｂの厚みが約３ｎｍの膜厚以下では、単層では面内磁気異方性を有するＣｏ基フルホイスラー合金層（高分極率磁性層１５Ｂ）の磁化を垂直に向けることが可能であることを示している。また、図３の自由層１５内の垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂとは、界面の面粗さ約０．５ｎｍであった。
対比として、界面の粗さの効果を調べるために、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂの成膜順序を反対に作成した例を次に示す。図４は、高分極率磁性層の厚さと磁気特性との関係を示す図である。図４において、横軸は、磁界強度を示し、縦軸は磁化を示す。図４では、面内磁気異方性を有するＣｏ基フルホイスラー合金層（高分極率磁性層１５Ｂ）の磁化を垂直に向けることができないことが分かった。また、図４に示した膜の界面粗さは約１-２ｎｍであった。
次に、この２つの自由層についてそれぞれ、界面の粗さを評価するためにＡＦＭ解析した。
図５は本発明を用いて格子ひずみが小さくなるように作成された垂直保持層と高分極率磁性層作成後の表面を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて解析した写真である。また、図６は、格子ひずみが大きくなるように作成された垂直保持層と高分極率磁性層作成後の表面をＡＦＭ解析した写真である。具体的には、図５は、垂直保持層と高分極率磁性層の界面状態を推測するために、バリアー層上に作製した高分極率磁性層の表面をＡＦＭ観察したものである。また、図６は、バリアー層上に作製した垂直保持層の表面をＡＦＭ観察したものである
この２つの自由層（複合膜）をＸ線解析で調べた結果、Ｍｎ系合金膜をＣｒ膜上に直接積層した場合よりも、Ｃｒ層上にＣＦＳ合金膜を作成して、その上にＭｎ系合金膜を作成した場合の方が、Ｍｎ系合金膜の格子ひずみが小さいことが確認された。図７は、Ｃｒ層上に垂直保持層、高分極率磁性層の順に作製した試料と、Ｃｒ層上に高分極率磁性層、垂直保持層の順に作製した試料のＸ線回折パターンである。図７において、縦軸は回折強度を示し、横軸は回折角を示す。図７では、ＭｇＯ基板上に、Ｃｒからなるバリアー層１４、ＣＦＳ合金膜からなる高分極率磁性層１５Ｂ及びＭｎ系合金膜からなる垂直保持層１５Ａ、Ｔａからなるキャップ層１６を形成した例の回折強度を示している。具体的には、図７では、ＣＦＳ合金膜、Ｍｎ系合金膜の順で形成した例と、Ｍｎ系合金膜、ＣＦＳ合金膜の順で形成した例とを示している。また、図５と図６とを比較することにより、成膜順序を変えた時の表面粗さの違いが理解できる。Ｘ線解析結果、表面方面粗さ解析結果により、本発明で得られた界面の表面粗さ制御が高分極率磁性層の磁化を垂直に向けるために効果的であることがわかった。
このように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、絶縁層と記録層内の垂直保持層または高分極率磁性層との格子ひずみ量を小さくすることにより、界面粗さが小さくなり、垂直保持層と高分極率磁性層の間で強く磁気結合することできるので、高分極率磁性層の磁化方向を垂直に向けることができる。そして、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、熱安定性を向上させることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２では、絶縁層と記録層内の垂直保持層及び高分極率磁性層との間に磁気的結合制御層を備える例について説明する。
図８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８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、を含む。そして、自由層１５は、垂直保持層１５Ａ、高分極率磁性層１５Ｂ及び磁気的結合制御層１５Ｃを備える。
磁気的結合制御層１５Ｃは、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂの間に積層される。例えば、磁気的結合制御層１５Ｃは、Ｃｒ合金を含む非磁性膜が好適である。また、磁気的結合制御層１５Ｃは、Ｐｔ膜、Ｗなどを用いてもよい。
図９は、絶縁層と記録層内の垂直保持層、磁気的結合制御層及び高分極率磁性層の構造と磁気的関係を示す略図である。図９に示すように、垂直保持層１５Ａは磁化容易軸方向に磁化方向を保持しているが、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂの間に磁気的結合制御層１５Ｃが存在しているので、高分極率磁性層１５Ｂは、垂直保持層１５Ａの磁化方向とのカップリングが低下し、高分極率磁性層１５Ｂの磁化方向が小さな電流で変化させやすくなる。
図１０は、実施の形態２にかかる厚さ２ｎｍの非磁性磁気的結合層を用いた場合の磁気トンネル接合素子の磁気特性を示す図である。図１０では、厚さ２ｎｍの磁気的結合制御層１５Ｃを直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂの間に積層した例を示している。図１０に示すように、垂直保持層１５Ａと高分極率磁性層１５Ｂの磁気的なカップリングが低下している。
このように、実施の形態２の磁気トンネル接合素子は、絶縁層と記録層内の垂直保持層または高分極率磁性層との間に磁気的結合制御層を備えることより、熱的に安定でかつ記録が小さな電流で行える高速ＭＲＡＭを実現することができる。
特に、熱的に安定でかつ記録が小さな電流で行うために、磁気的結合制御層１５Ｃの最適な膜厚は１ｎｍ以下、好ましくは０．３〜０．７ｎｍである。
（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１１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１１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。
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、絶縁層と記録層内の垂直保持層または高分極率磁性層との格子ひずみ量を小さくすることにより、界面粗さが小さくなり、垂直保持層と高分極率磁性層の間で強く磁気結合することできるので、高分極率磁性層の磁化方向を垂直に向けることができる。そして、実施の形態３の磁気抵抗メモリは、熱安定性を向上させることができる。
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。例えば、実施の形態２の磁気トンネル結合素子を実施の形態３に適用してもよい。
また、実施の形態１及び実施の形態２では、バッファ層１２、参照層１３、バリアー層１４、自由層１５、キャップ層１６の順に積層しているが、例えば、図１２に示すように参照層１３に本発明を応用してもよい。また、本発明を用いてバッファ層１２の上にひずみ量がより小さい垂直保持層材料を選択して、その上に高分極磁性層を作成した自由層１５、バリアー層１４、参照層１３、キャップ層１６の順に積層してもよい。
また、Ｍｎ合金は、３種以上の金属からなるものでもよい。
１０、２０ 磁気トンネル接合素子
１１ 基板
１２ バッファ層
１３ 参照層
１４ バリアー層
１５ 自由層
１５Ａ 垂直保持層
１５Ｂ 高分極率磁性層
１６ 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)

  1. 磁化方向が可変である自由層と、
    磁化方向を所定の方向に維持する参照層（固定層）と、
    前記自由層と前記参照層（固定層）との間に設けられた絶縁層と、を備え、
    前記自由層は、垂直保持層と高分極率磁性層とを含み、
    前記絶縁層に前記垂直保持層を積層した場合の前記垂直保持層の表面粗さと、前記絶縁層に前記高分極率磁性層を積層した場合の前記高分極率磁性層の表面粗さのうち、表面粗さがより小さい層を前記絶縁層に積層し、表面粗さがより小さい層に表面粗さが大きい層を積層した磁気トンネル接合素子。
  2. 前記垂直保持層と前記高分極率磁性層のうち、前記絶縁層との格子ひずみ量δがより小さい層が、前記絶縁層に積層され、前記絶縁層との格子ひずみ量δがより小さい層に前記絶縁層との格子ひずみ量δがより大きい前記垂直保持層が積層されている請求項１に記載の磁気トンネル結合素子。
  3. 前記垂直保持層は、Ｌ１０またはＤ０２２構造を有するＭｎ系合金からなる請求項１または２記載の磁気トンネル結合素子。
  4. 前記垂直保持層は、Ｌ１０またはＤ０２２構造を有するＭｎ−Ｇｅ合金，Ｍｎ−Ｇａ合金またはＭｎ−Ａｌ合金からなる請求項３記載の磁気トンネル結合素子。
  5. 前記自由層、複合膜を形成する高分極率磁性層の磁気異方性が面内または垂直磁気異方性を有し、Ｌ２１構造またはＢ２構造をもつホイスラー合金からなる請求項１から４のいずれかに記載の磁気トンネル結合素子。
  6. 前記高分極率磁性層は、Ｌ２１構造またはＢ２構造を有する、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、またはＣｏ２ＣｒＡｌ合金からなる請求項５記載の磁気トンネル結合素子。
  7. 前記自由層は、前記垂直保持層と前記高分極率磁性層の間に磁気的な結合を制御する１ｎｍ以下の非磁性層を有する請求項１から６のいずれかに記載の磁気トンネル結合素子。
  8. 前記自由層内の各層間の界面粗さが０．７ｎｍ以下である請求項１から７のいずれかに記載の磁気トンネル結合素子。
  9. 磁化方向が可変である自由層と、
    磁化方向を所定の方向に維持する参照層（固定層）と、
    前記自由層と前記参照層（固定層）との間に設けられた絶縁層と、を備え、
    前記自由層は、垂直保持層と高分極率磁性層とを含み、
    前記絶縁層に前記垂直保持層を積層した場合の前記垂直保持層の表面粗さと、前記絶縁層に前記高分極率磁性層を積層した場合の前記高分極率磁性層の表面粗さのうち、表面粗さがより小さい層を前記絶縁層に積層し、表面粗さがより小さい層に表面粗さが大きい層を積層した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。
JP2016172032A 2016-09-02 2016-09-02 磁気トンネル接合素子 Pending JP2018037616A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016172032A JP2018037616A (ja) 2016-09-02 2016-09-02 磁気トンネル接合素子
KR1020160181306A KR20180026317A (ko) 2016-09-02 2016-12-28 자기 터널 접합 소자
US15/681,319 US20180069173A1 (en) 2016-09-02 2017-08-18 Magnetic tunnel junction device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016172032A JP2018037616A (ja) 2016-09-02 2016-09-02 磁気トンネル接合素子

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2018037616A true JP2018037616A (ja) 2018-03-08

Family

ID=61281501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016172032A Pending JP2018037616A (ja) 2016-09-02 2016-09-02 磁気トンネル接合素子

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20180069173A1 (ja)
JP (1) JP2018037616A (ja)
KR (1) KR20180026317A (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11120856B2 (en) * 2018-04-23 2021-09-14 Regents Of The University Of Minnesota Spin-orbit torque devices
JP2020072239A (ja) * 2018-11-02 2020-05-07 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置
CN111293212B (zh) * 2018-12-07 2021-11-16 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于隧穿隔离层的磁性隧穿结器件及其制作方法
KR102567512B1 (ko) 2019-02-01 2023-08-14 삼성전자주식회사 자기 터널 접합 소자 및 그를 포함하는 자기 메모리 장치
US10916581B2 (en) 2019-02-04 2021-02-09 International Business Machines Corporation Multilayered magnetic free layer structure containing an ordered magnetic alloy first magnetic free layer for spin-transfer torque (STT) MRAM
US11585873B2 (en) * 2021-07-08 2023-02-21 Tdk Corporation Magnetoresistive effect element containing two non-magnetic layers with different crystal structures

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8981506B1 (en) * 2010-10-08 2015-03-17 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory with switchable switching assist layer
EP2479759A1 (en) * 2011-01-19 2012-07-25 Crocus Technology S.A. Low power magnetic random access memory cell
US9082888B2 (en) * 2012-10-17 2015-07-14 New York University Inverted orthogonal spin transfer layer stack
JP6276588B2 (ja) * 2013-12-27 2018-02-07 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． 磁気トンネル接合素子
US9385309B2 (en) * 2014-04-28 2016-07-05 Qualcomm Incorporated Smooth seed layers with uniform crystalline texture for high perpendicular magnetic anisotropy materials
JP6647590B2 (ja) * 2015-04-23 2020-02-14 国立研究開発法人物質・材料研究機構 垂直磁化膜と垂直磁化膜構造並びに磁気抵抗素子および垂直磁気記録媒体
JP6297104B2 (ja) * 2016-08-04 2018-03-20 株式会社東芝 磁気記憶装置及びその製造方法
US10672976B2 (en) * 2017-02-28 2020-06-02 Spin Memory, Inc. Precessional spin current structure with high in-plane magnetization for MRAM

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180026317A (ko) 2018-03-12
US20180069173A1 (en) 2018-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102353406B1 (ko) 스핀 궤도 토크를 이용하여 강화된 감쇠 프로그램 및 경사진 자화 용이축을 갖는 자기 접합부를 포함하는 자기 소자
US8637947B2 (en) Memory element and memory apparatus
EP2673807B1 (en) Magnetic element with improved out-of-plane anisotropy for spintronic applications
US8546897B2 (en) Magnetic memory element
US10953319B2 (en) Spin transfer MRAM element having a voltage bias control
JP5040105B2 (ja) 記憶素子、メモリ
US9287323B2 (en) Perpendicular magnetoresistive elements
JP2018037616A (ja) 磁気トンネル接合素子
US10439133B2 (en) Method and system for providing a magnetic junction having a low damping hybrid free layer
JPWO2017090730A1 (ja) スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、および磁気メモリ
JP6244617B2 (ja) 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド
TWI639155B (zh) 儲存元件、儲存裝置及磁頭
CN106953005B (zh) 磁性元件和存储装置
Mao et al. MnGa-based fully perpendicular magnetic tunnel junctions with ultrathin Co2MnSi interlayers
TWI482152B (zh) Memory device, memory device
EP3758070A1 (en) Spin orbit torque type magnetization rotational element, spin orbit torque type magnetoresistance effect element and magnetic memory
JP5987613B2 (ja) 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド
WO2014050379A1 (ja) 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド
US10858730B2 (en) Multilayer thin films exhibiting perpendicular magnetic anisotropy
JP2013115319A (ja) 記憶素子、記憶装置
JP2012160681A (ja) 記憶素子、メモリ装置
JP6567272B2 (ja) 磁性多層スタック
JP2017084891A (ja) 磁気トンネル接合素子
US20160260890A1 (en) Novel perpendicular magnetoresistive elements
US11545290B2 (en) Magnetoresistive element having a giant interfacial perpendicular magnetic anisotropy

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20170213

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20170213

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190606

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200324

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200326

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20201006