JP2019047118A - Spin current magnetization reversing element, magnetoresistance effect element, magnetic memory, and magnetic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイスに関する。 The present invention relates to a spin current magnetization reversal element, a magnetoresistive effect element, a magnetic memory, and a magnetic device.
強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)素子、および、非磁性層に絶縁層(トンネルバリア層、バリア層)を用いたトンネル磁気抵抗(TMR)素子が知られている。一般に、TMR素子は、GMR素子と比較して電気抵抗が高いが、その磁気抵抗(MR)比はGMR素子より大きい。そのため、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッドおよび不揮発性ランダムアクセスメモリ(MRAM)用の素子として、TMR素子に注目が集まっている。 A giant magnetoresistive (GMR) element comprising a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, and a tunnel magnetoresistive (TMR) element using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as the nonmagnetic layer are known. There is. In general, TMR elements have higher electrical resistance than GMR elements, but their magnetoresistance (MR) ratio is larger than GMR elements. Therefore, TMR elements have attracted attention as elements for magnetic sensors, high frequency components, magnetic heads, and nonvolatile random access memories (MRAMs).
これらの磁気抵抗効果素子は、保磁力の異なる2つの強磁性層で非磁性層を挟んだ構造を有し、一方の強磁性層の磁化方向と他方の強磁性層の磁化方向のなす角度に応じて、電気抵抗が変化する特性を利用して、データを読み書きすることができる。MRAMの書き込み方式としては、電流が作る磁場を利用して書き込みを行う(磁化反転させる)方式や、磁気抵抗効果素子の積層方向に電流を流して生ずるスピントランスファートルク(STT)を利用して書き込みを行う(磁化反転させる)方式が知られている。STTを用いたTMR素子の磁化反転は、エネルギーの効率の視点から考えると効率的ではあるが、磁化反転をさせるための反転電流密度が高い。TMR素子の耐久性を向上させるためには、この反転電流密度は低いことが好ましい。この点は、GMR素子についても同様である。 These magnetoresistive elements have a structure in which a nonmagnetic layer is sandwiched between two ferromagnetic layers different in coercive force, and the angle between the magnetization direction of one ferromagnetic layer and the magnetization direction of the other ferromagnetic layer is Accordingly, data can be read and written using the characteristic of changing the electrical resistance. As a writing method of the MRAM, writing is performed (magnetization reversal) using a magnetic field generated by a current, and writing is performed using spin transfer torque (STT) generated by flowing a current in the stacking direction of the magnetoresistive element. Methods (performing magnetization reversal) are known. Although the magnetization reversal of the TMR element using STT is efficient from the viewpoint of energy efficiency, the switching current density for causing the magnetization reversal is high. In order to improve the durability of the TMR element, the reversal current density is preferably low. The same applies to the GMR element.
近年、スピン軌道相互作用して生成される純スピン流を利用した磁化反転も、応用上可能であると提唱されている(例えば、非特許文献1)。スピン軌道相互作用した純スピン流は、スピン軌道トルク(SOT:Spin Orbit Torque)を誘起し、SOTによる磁化反転を引き起こす。純スピン流は、上向きスピンの電子と下向きスピンの電子とが、同数で互いに逆向きに流れることによって生成されるものであり、純スピン流に伴った電荷の流れは相殺されている。そのため、磁気抵抗効果素子に流れる電流はゼロであり、純スピン流によって磁気抵抗効果素子がダメージを受けることはない。 In recent years, it has been proposed that application of magnetization reversal using pure spin current generated by spin-orbit interaction is also possible (for example, Non-Patent Document 1). The spin-orbit interaction pure spin current induces spin-orbit torque (SOT) and causes magnetization reversal by SOT. The pure spin current is generated by the upward spin electrons and the downward spin electrons flowing in the same number and in the opposite direction to each other, and the charge flow associated with the pure spin current is offset. Therefore, the current flowing to the magnetoresistive element is zero, and the pure spin current does not damage the magnetoresistive element.
SOTを利用した磁気抵抗効果素子は、純スピン流を発生させるために、一方向に延在するスピン軌道トルク配線層を有している。スピン軌道トルク配線層は主に重金属元素で構成されているが、長い形状を有するために電気抵抗が高く、電流に伴った発熱量が多くなる。スピン軌道トルク配線層での発熱は、それ自身の断線を引き起こすことがあり、また、強磁性層の磁化反転を容易にする反面、非磁性層を劣化させたり、低融点金属からなる配線層を溶解させたり、固定層の磁化を不安定にする等の特性劣化を引き起こす。 The magnetoresistive effect element using SOT has a spin orbit torque wiring layer extending in one direction in order to generate a pure spin current. The spin track torque wiring layer is mainly made of heavy metal elements, but since it has a long shape, its electrical resistance is high, and the amount of heat generation accompanying the current increases. The heat generation in the spin orbit torque wiring layer may cause a break in itself, and while facilitating the magnetization reversal of the ferromagnetic layer, the nonmagnetic layer may be degraded or the wiring layer made of a low melting point metal may be used. It causes the characteristic deterioration such as dissolution or instability of magnetization of the fixed layer.
放熱性の高い元素として知られる窒化ホウ素を、強磁性層の側壁として用いる構成が、特許文献1で開示されている。しかしながら、上述したように、SOTを利用したスピン流磁化反転素子では、スピン軌道トルク配線層が発熱源の一つとなっているため、強磁性層の側壁の放熱性を高めたとしても、スピン軌道トルク配線層の発熱を十分抑えることが難しい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、発熱によるスピン軌道トルク配線層の断線、特性劣化が起き難い構造を有するスピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a spin current magnetization reversal element, a magnetoresistive effect element, a magnetic memory, and a magnetic device having a structure in which disconnection of the spin orbit torque wiring layer due to heat generation and characteristic deterioration do not easily occur. Intended to be provided.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(1)本発明の一態様に係るスピン流磁化反転素子は、一方向に延在するスピン軌道トルク配線層と、前記スピン軌道トルク配線層の第1面に形成された第1強磁性層と、前記スピン軌道トルク配線層の表面のうち、前記第1強磁性層側と反対側の第2面に形成された第1絶縁層と、を備え、前記第1絶縁層が、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含んでいる。 (1) A spin current magnetization reversal element according to one aspect of the present invention includes a spin orbit torque wiring layer extending in one direction, and a first ferromagnetic layer formed on the first surface of the spin orbit torque wiring layer. A first insulating layer formed on a second surface of the spin track torque wiring layer opposite to the first ferromagnetic layer, wherein the first insulating layer is boron nitride, or Contains aluminum nitride.
(2)上記(1)に記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線層の前記第2面以外のいずれかの面に、窒化シリコンを主成分として含む第2絶縁層が形成されていてもよい。 (2) In the spin current magnetization reversal element described in the above (1), a second insulating layer containing silicon nitride as a main component is formed on any surface other than the second surface of the spin track torque wiring layer. It may be
(3)上記(1)または(2)のいずれかに記載のスピン流磁化反転素子において、前記第1絶縁層が、窒化シリコンを主成分として含むことが好ましい。 (3) In the spin current magnetization reversal element according to any one of the above (1) and (2), it is preferable that the first insulating layer contains silicon nitride as a main component.
(4)上記(1)〜(3)のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記窒化ホウ素、または窒化アルミニウムが粒を形成し、前記第1絶縁膜の内部に複数分布していることが好ましい。 (4) In the spin current magnetization reversal element according to any one of the above (1) to (3), the boron nitride or aluminum nitride forms particles, and a plurality of particles are distributed inside the first insulating film. Is preferred.
(5)上記(1)〜(4)のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記スピン軌道トルク配線層の表面のうち、前記第1絶縁層側と反対側の面および前記第2絶縁層側と反対側の面に、放熱層が形成されていることが好ましい。 (5) In the spin current magnetization reversal element according to any one of the above (1) to (4), a surface of the spin orbit torque wiring layer opposite to the first insulating layer side and the surface It is preferable that a heat dissipation layer be formed on the surface opposite to the second insulating layer side.
(6)上記(1)〜(5)のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子において、前記放熱層が金属窒化物を主成分として含むことが好ましい。 (6) In the spin current magnetization reversal element according to any one of the above (1) to (5), the heat dissipation layer preferably contains a metal nitride as a main component.
(7)本発明の一態様に係る磁気抵抗効果素子は、上記(1)〜(6)のいずれか一つに記載のスピン流磁化反転素子における前記第1強磁性層の表面のうち、前記スピン軌道トルク配線層と反対側の部分に、さらに、非磁性層、第2強磁性層が順に形成されてなる。 (7) The magnetoresistive effect element according to an aspect of the present invention is the magnetoresistive effect element according to any one of the above (1) to (6), wherein the surface of the first ferromagnetic layer in the spin current magnetization reversal element is A nonmagnetic layer and a second ferromagnetic layer are further formed in order on the part opposite to the spin track torque wiring layer.
(8)上記(7)に記載の磁気抵抗効果素子において、前記第2の強磁性層の表面のうち前記非磁性層側と反対側の面に、MgOあるいはスピネル構造を有するAB2O4(A=Mg、又はZn、B=Al、Ga、又はIn)を含む、キャップ層が設けられていることが好ましい。 (8) In the magnetoresistive element described in (7) above, AB 2 O 4 (having MgO or a spinel structure on the surface of the second ferromagnetic layer opposite to the nonmagnetic layer side) It is preferable that a cap layer including A = Mg or Zn, B = Al, Ga, or In) be provided.
(9)上記(7)または(8)のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子において、前記第1絶縁層の表面のうち前記スピン軌道トルク配線層側と反対側の面に、さらに、半導体素子が形成されていることが好ましい。 (9) In the magnetoresistive element according to any one of (7) and (8), a semiconductor element is further provided on the surface of the first insulating layer opposite to the spin track torque wiring layer side. Is preferably formed.
(10)本発明の一態様に係る磁気メモリは、上記(7)〜(9)のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果素子を備えている。 (10) A magnetic memory according to an aspect of the present invention includes the magnetoresistive element described in any one of the above (7) to (9).
(11)本発明の一態様に係る磁気デバイスは、上記(10)に記載の磁気メモリが、内蔵メモリとしてLSI基板に搭載されている。 (11) In the magnetic device according to an aspect of the present invention, the magnetic memory according to (10) is mounted on an LSI substrate as a built-in memory.
本発明では、スピン流磁化反転素子を構成するスピン軌道トルク配線層の表面の一部が、窒化ホウ素を含むことによって放熱性が高められた第1絶縁層で被覆されている。そのため、スピン軌道トルク配線層に大きい電流が流れた場合であっても、電流に伴って発生した熱を、この第1絶縁層を経由して外部に効率よく放出させることができる。したがって、本発明によれば、発熱によるスピン軌道トルク配線層の断線、特性劣化が起き難い構造を有するスピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイスを得ることができる。 In the present invention, a part of the surface of the spin orbit torque wiring layer constituting the spin current magnetization reversal element is covered with the first insulating layer whose heat dissipation is enhanced by containing boron nitride. Therefore, even when a large current flows in the spin track torque wiring layer, the heat generated with the current can be efficiently released to the outside through the first insulating layer. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a spin current magnetization reversal element, a magnetoresistive effect element, a magnetic memory, and a magnetic device having a structure in which disconnection of the spin orbit torque wiring layer due to heat generation and characteristic deterioration do not easily occur.
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。本発明の素子において、本発明の効果を奏する範囲で他の層を備えてもよい。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. The drawings used in the following description may show enlarged features for convenience for the purpose of making the features of the present invention easier to understand, and the dimensional ratio of each component may be different from the actual one. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented within the scope of achieving the effects of the present invention. In the element of the present invention, other layers may be provided as long as the effects of the present invention are exhibited.
[第1実施形態]
(スピン流磁化反転素子)
図1は、本発明の第1実施形態に係るスピン流磁化反転素子100の構成を模式的に示す斜視図である。スピン流磁化反転素子100は、一方向D1に延在するスピン軌道トルク配線層101と、スピン軌道トルク配線層の第1面101aに形成された第1強磁性層102と、スピン軌道トルク配線層101の表面のうち、第1強磁性層側102と反対側の第2面101bに形成された第1絶縁層103と、を備えている。
First Embodiment
(Spin current magnetization reversal element)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of a spin current magnetization
スピン流磁化反転素子100は、純スピン流によるスピン軌道トルク(SOT)を利用して強磁性層の磁化反転を行う素子であって、後述する磁気抵抗効果素子等に組み込んで用いることができる。一方、スピン流磁化反転素子100は、従来のSTTを利用する磁気抵抗効果素子において、強磁性金属層の磁化反転のアシスト手段あるいは主力手段として用いることもできる。また、スピン流磁化反転素子100は、異方性磁気センサー、磁気カー効果または磁気ファラデー効果を利用した光学素子として、単独で用いることもできる。
The spin current magnetization
第1強磁性層102は、強磁性を有する公知の材料、例えば、Cr、Mn、Co、Fe、Niからなる群から選択される金属、およびこれらの金属を1種類以上含む強磁性合金等からなる。また、第1強磁性層102は、これらの金属と、B、C、およびNのうち、少なくとも1種類以上の元素とを含む合金(具体的には、Co−FeやCo−Fe−B)等からなる場合もある。
The first
また、より高い出力を得るためにはCo2FeSi等のホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、X2YZの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属、または、Xと同じ元素であり、Zは、III族からV族の典型元素である。ホイスラー合金としては、例えば、Co2FeSi、Co2MnSiやCo2Mn1−aFeaAlbSi1−b等が挙げられる。 Also, in order to obtain higher output, it is preferable to use a Heusler alloy such as Co 2 FeSi. The Heusler alloy comprises an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ. X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni or Cu group on the periodic table, Y is a transition metal of Mn, V, Cr or Ti group or the same element as X, Z is a typical element of Group III to Group V. Examples of the Heusler alloy include Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b .
第1強磁性層102は、Ta、W、Mo、Cr、Ru、Rh、Ir、Pd、Ptのうち少なくとも1つを含む挿入層(不図示)を、内部に有することが好ましい。挿入層は、Bを吸収する機能を有しているため、第1強磁性層102からスピン軌道トルク配線層101へのBの拡散を防ぎ、スピン軌道トルク配線層101の組成比が乱れるのを防ぐことができる。挿入層は、その界面磁気異方性により第1強磁性層102に垂直磁気異方性を付与することができる。
The first
さらに、挿入層は、磁気抵抗効果に大きく寄与する第1強磁性層の下地層にもなり得る。アモルファス化または微結晶化したスピン軌道トルク配線層上から結晶配向するより、挿入層を介して第1強磁性層102が結晶配向した方が、磁気抵抗効果をあげることができる。
Furthermore, the insertion layer can also be an underlayer of the first ferromagnetic layer that greatly contributes to the magnetoresistance effect. The magnetoresistive effect can be enhanced by crystal orientation of the first
挿入層は、第1強磁性層102中のどの位置にあってもよく、また、スピン軌道トルク配線層101との界面にあってもよく、その厚さは0.1nm以上2.5nm以下であることが好ましい。
The insertion layer may be located at any position in the first
図2は、図1のスピン軌道トルク配線層101で生じるスピンホール効果について説明するための模式図であり、スピン軌道トルク配線層101をx方向に沿って切断した際の断面図である。図2に基づき、スピンホール効果によって純スピン流が生み出されるメカニズムについて説明する。
FIG. 2 is a schematic view for explaining the spin Hall effect generated in the spin orbit
図2に示すように、スピン軌道トルク配線層101の延在方向(−x方向)に電流Iを流すと、−y方向に配向した第1スピンS1と+y方向に配向した第2スピンS2は、それぞれ電流Iの向きと直交する方向に曲げられる。通常のホール効果とスピンホール効果とは、運動(移動)する電荷(電子)が運動(移動)方向を曲げられる点で共通する。ところが、通常のホール効果は磁場が存在する場合のみ発生するのに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、空間反転対称性の崩れから生じる内場によって電子が移動するだけ(電流が流れるだけ)で発生する点で大きく異なる。
As shown in FIG. 2, when the current I is applied in the extending direction (-x direction) of the spin orbit
非磁性体(強磁性体ではない材料)では第1スピンS1の電子数と第2スピンS2の電子数とが等しいので、図中で上方向に向かう第1スピンS1の電子数と下方向に向かう第2スピンS2の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は、特に純スピン流と呼ばれる。 Since the number of electrons in the first spin S1 is equal to the number of electrons in the second spin S2 in a nonmagnetic material (a material that is not a ferromagnetic material), the number of electrons in the first spin S1 going upward in the figure and downward The number of electrons of the second spin S2 to be directed is equal. Thus, the current as a net flow of charge is zero. The spin current without this current is especially called pure spin current.
強磁性体中に電流を流した場合は、第1スピンS1と第2スピンS2が互いに反対方向に曲げられる点については同じである。一方で、強磁性体中では第1スピンS1と第2スピンS2のいずれかが多い状態であり、結果として電荷の正味の流れが生じてしまう(電圧が発生してしまう)点が異なる。したがって、スピン軌道トルク配線層101の材料として、強磁性体だけからなるものは用いられない。
When current flows in the ferromagnetic material, the first spin S1 and the second spin S2 are the same in that they are bent in opposite directions. On the other hand, it is a state in which one of the first spin S1 and the second spin S2 is more in the ferromagnetic material, and as a result, a net flow of charge is generated (a voltage is generated). Therefore, as the material of the spin orbit
ここで、第1スピンS1のスピンの流れをJ↑、第2スピンS2のスピンの流れをJ↓とすると、スピン流JSは、JS=J↑−J↓で定義される。図2においては、純スピン流として、スピン流JSが図中の上方向に流れる。ここでは、スピン流JSを、分極率が100%の純スピンの流れとして表している。 Here, the flow of the spins of the first spin S1 J ↑, if the flow of the spin of the second spin S2, and J ↓, spin current J S is defined by J S = J ↑ -J ↓. In FIG. 2, the spin current J S flows upward in the figure as a pure spin current. Here, the spin current J S is represented as a flow of pure spins with a polarizability of 100%.
図1に示すように、スピン軌道トルク配線層101の上面に強磁性体(第1強磁性層102)を接触させると、純スピン流は強磁性体中に拡散して流れ込む(スピンが注入される)。
As shown in FIG. 1, when the ferromagnetic material (first ferromagnetic layer 102) is brought into contact with the upper surface of the spin orbit
本実施形態に係るスピン流磁化反転素子100は、このようにスピン軌道トルク配線層101に電流を流して純スピン流を発生させ、その純スピン流を、スピン軌道トルク配線層101に接する第1強磁性層102に拡散させることで、その純スピン流によるスピン軌道トルク(SOT)効果に伴った、第1強磁性層102の磁化反転を引き起こすものである。
Thus, the spin current
純スピン流の発生効率の観点から、スピン軌道トルク配線層101の材料としては、最外殻にd電子またはf電子を有し、スピン軌道相互作用が大きい原子番号39以上の重金属元素を含むもの(合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物等)であることが好ましい。原子番号が小さい金属に電流を流した場合、すべての内部電子が各々のスピンの向きによらず、電流と逆向きに動く。これに対して、最外殻にd電子またはf電子を有する原子番号が大きい非磁性金属に電流を流した場合、スピン軌道相互作用が大きいために、スピンホール効果によって、電子の動く方向が各々のスピンの向きに依存し、純スピン流が発生しやすい。
From the viewpoint of pure spin current generation efficiency, the material of the spin orbital
第1絶縁層103は、少なくとも窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含んでいる。第1絶縁層103は、例えば、イオンビーム法で窒化ホウ素、または窒化アルミニウムと他に含有させる元素とを同時にスパッタリングすることによって形成することができる。
The first insulating
なお、第1絶縁層103は、窒化ホウ素を主成分として含むものである場合には、絶縁性が若干低く、一般的な半導体プロセスを適用した製造が困難である。低温または気相法で合成した窒化ホウ素は、無秩序な積層構造となりやすく、窒化ホウ素が粒成長するため、窒化ホウ素の粒同士の間に空隙を生じ、これが十分な絶縁性を有さない理由となる。また、緻密な窒化ホウ素を製造するためには、三塩化ホウ素(BCl3)とアンモニアを高温で反応させる方法等が知られているが、この反応によって磁気抵抗効果素子の磁気特性が劣化する原因となることもある。特に、TMR素子ではトンネル電流を生じさせる非磁性トンネルバリア層が化学的な影響を受け、出力特性が著しく劣化することが懸念される。
In the case where the first insulating
窒化ホウ素を主成分として含む第1絶縁層103を用いることは、不可能ではないが、上記の事情から、通常は用いられない。そのため、第1絶縁層103は、さらに窒化シリコンを主成分として含んでいることが好ましい。この場合、第1絶縁層103における窒化ホウ素の面積含有率は、3%以上30%以下であることが好ましい。また、主成分である窒化シリコンの面積含有率は70%以上97%以下であることが好ましく、75%以上90%以下であることがより好ましい。
Although it is not impossible to use the first insulating
窒化ホウ素の面積含有率は、大きくなり過ぎると絶縁特性が劣化し、スピン軌道トルク配線層101の絶縁層としての機能を果たさなくなる。したがって、窒化ホウ素の粒の周りが、主に窒化シリコンに接し、十分な絶縁特性を保持する必要がある。なお、第1絶縁層103における窒化ホウ素の面積含有率は、スピン流磁化反転素子100の断面をEDS(エネルギー分散型X線分析)によってマッピングし、第1絶縁層103においてホウ素が含まれている部分と、シリコンが含まれている部分との面積比からも求めることができる。
If the area content of boron nitride is too large, the insulating properties deteriorate, and the spin orbit
第1絶縁層103は、窒化アルミニウムを主成分として含むものである場合には、絶縁性が良く、一般的な半導体プロセスにも適用しやすい。例えば、窒素ガスを用いた反応性イオンビームスパッタリング法や窒化アルミニウムターゲットを用いた有機金属気相成長(MOCVD)法などで成膜することによって形成することができる。
In the case where the first insulating
窒化シリコンを主成分として含ませる場合の第1絶縁層103は、例えば、イオンビーム法で窒化シリコンと窒化ホウ素とを同時にスパッタリングすることによって形成することができる。
The first insulating
形成された第1絶縁層103では、主成分である窒化シリコンの膜中に、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムが粒径0.5〜10nm程度の複数の粒を形成し、スピン軌道トルク配線層101との界面103aと略平行な方向にほぼ均一に分布(点在)している。第1絶縁層103の界面103aと略垂直な方向においては、少なくともスピン軌道トルク配線層101と接する界面103aの近傍(5nm程度の範囲)に分布していればよく、界面103aから遠ざかるにつれて、粒の濃度が連続的または断続的に下がるように分布していてもよい。
In the first insulating
第1絶縁層103は、粒状の窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含むことにより、熱処理を行った際のスピン軌道トルク配線層101との密着度を維持することができ、膜剥がれの発生を抑えることができる。これは、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムは熱膨張率が低いため、金属元素を含むスピン軌道トルク配線層101と第1絶縁層103との間に温度差が生じても、両者の密着性が大きく変化しないためである。
By containing granular boron nitride or aluminum nitride, the first insulating
(磁気抵抗効果素子)
図3は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子110の構成を、模式的に示す断面図である。磁気抵抗効果素子110は、図1のスピン流磁化反転素子100において、第1強磁性層102の上に、少なくとも非磁性層104と、第2強磁性層105と、が順に積層された構造を有している。以下では、第1強磁性層102を磁化の向きを変化させることができる自由層として、第2強磁性層105を磁化の向きが固定されている固定層として、説明する。
(Magnetoresistance effect element)
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
非磁性層104には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層104が絶縁体からなる場合、その材料としては、Al2O3、SiO2、MgO、および、MgAl2O4等を用いることができる。また、これらの他にも、Al、Si、Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、MgO、MgAl2O4は、コヒーレントトンネルを実現する材料であるため、スピンを効率よく注入することができる。また、非磁性層104が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
For the
磁気抵抗効果素子110は、非磁性層104が絶縁体からなる場合には、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子に相当し、非磁性層104が金属からなる場合には、巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)素子に相当する。
The
第2強磁性層105は、強磁性を有する公知の材料(好ましくは軟磁性材料)、例えば、Cr、Mn、Co、Fe、Niからなる群から選択される金属、およびこれらの金属を1種類以上含む強磁性合金等からなる。また、第2強磁性層105は、これらの金属と、B、C、およびNのうち、少なくとも1種類以上の元素とを含む合金(具体的には、Co−FeやCo−Fe−B)等からなる場合もある。
The second
また、より高い出力を得るためにはCo2FeSi等のホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、X2YZの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属、または、Xと同じ元素であり、Zは、III族からV族の典型元素である。ホイスラー合金としては、例えば、Co2FeSi、Co2MnSiやCo2Mn1−aFeaAlbSi1−b等が挙げられる。 Also, in order to obtain higher output, it is preferable to use a Heusler alloy such as Co 2 FeSi. The Heusler alloy comprises an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ. X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni or Cu group on the periodic table, Y is a transition metal of Mn, V, Cr or Ti group or the same element as X, Z is a typical element of Group III to Group V. Examples of the Heusler alloy include Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b .
第2強磁性層105の材料として、第1強磁性層102の材料より保磁力の大きいものを選択することにより、第2強磁性層105は、第1強磁性層102に比べて磁化反転し難くなる。この場合には、第2強磁性層105を磁化固定層とし、第1強磁性層102を磁化自由層として扱うことができる。
By selecting a material having a coercive force larger than that of the first
第2強磁性層105の材料として、第1強磁性層102の材料と保磁力の同じものを選択する場合には、第2強磁性層105の表面または内部にピニング層を設け、第2強磁性層105の磁化を固定する。ピニング層としては、例えば、IrMn、PtMnなどの反強磁性材料の層が挙げられる。第2強磁性層105の磁化が、反強磁性層の磁化との交換結合によって、より強く固定されることになるため、この場合にも、第2強磁性層105は、第1強磁性層102に比べて磁化反転し難くなる。
When the material of the second
さらに、第2強磁性層105は、磁化の向きを積層面に対して垂直にする場合には、CoとPtを含む積層膜とすることが好ましい。具体的な層構成としては、例えば、[Co(0.24nm)/Pt(0.16nm)]6/Ru(0.9nm)/[Pt(0.16nm)/Co(0.16nm)]4/Ta(0.2nm)/FeB(1.0nm)を挙げることができる。()内の数値は膜厚を示している。
Furthermore, the second
第2強磁性層105は、各層の表面に対して、磁化方向が平行な面内磁化膜であってもよいし、垂直な垂直磁化膜であってもよい。
The second
第2強磁性層105の表面のうち、非磁性層104と反対側(図1では第2強磁性層103の上側)の部分には、酸化物、例えば、MgOあるいはスピネル構造を有するAB2O4(AはMg、Znのいずれか、BはAl、Ga、Inのいずれか)を含む、キャップ層106が設けられていることが好ましい。
Of the surface of the second
第2強磁性層105が垂直磁化膜である場合には、第2強磁性層105と非磁性層104との界面において、第2強磁性層105中の磁性元素と非磁性層104中の酸素元素とが結合することによって垂直磁化が発生する。キャップ層106が設けられている場合には、さらに、第2強磁性層105とキャップ層106との界面において、第2強磁性層105中の磁性元素とキャップ層106中の酸素元素とが結合することによっても垂直磁化が発生する。つまり、キャップ層106は、第2強磁性層105の垂直方向(積層方向)D2の磁化を補強する役割を担っている。
When the second
さらに、キャップ層105の表面のうち、第2強磁性層105と反対側(図1ではキャップ層106の上側)の部分には、Ta等の重金属元素あるいはTiN、TaN等の硬度の高い元素からなるマスク層107が設けられていてもよい。このマスク層107は、エッチングする際に磁気抵抗効果素子として残す部分を保護する役割を担っている。
Furthermore, of the surface of the
マスク層107は、重金属元素で構成されているため、削れやすいレジストと異なり、削れ過ぎることを考慮する必要がない分、より薄く形成することができる。したがって、磁気抵抗効果素子の集積度を高めて製造する場合であっても、エッチング時のマスク層によるシャドー効果の影響を回避することができる。なお、磁気抵抗効果素子の集積度を高くしない場合には、マスク層にレジストを用いてもよい。
Unlike the resist which is easily scraped, the
重金属元素で構成されるマスク層107は、ホウ素を吸収しやすいため、例えば第1強磁性層102、第2強磁性層105にホウ素が含まれている場合に、そのホウ素をマスク層107に誘導し、他の部分への拡散を抑えることができる。
Since the
第1強磁性層102、非磁性層104、第2強磁性層105の外周部は、第2絶縁層108で被覆されていてもよい。その場合の第2絶縁層108は、SiN、TiN、TaN、NbN、ZrN等の窒化物を主成分とする膜で構成されていることが好ましい。ここで主成分とは第2絶縁層108が窒化物を70%以上97%以下含有することを意味することが好ましい。
The outer peripheral portions of the first
キャップ層106中の酸化物は、アニール処理によって酸素が欠損した状態になりやすく、欠損部分を補うように、周囲の膜が酸素を含むものである場合、そこから酸素を奪う傾向にある。その結果として、酸素を奪われた周囲の膜の電気伝導性が高くなり、電気的な特性が設計値からずれてしまうことになる。ところが、本実施形態において、キャップ層106の外周部を被覆する第2絶縁層108は、窒化物を主成分とする膜で構成されているため、このような問題を回避することができる。
The oxide in the
(磁気抵抗効果素子の製造方法)
磁気抵抗効果素子110の製造方法の一例について、図4(a)〜(c)を用いて説明する。
(Manufacturing method of magnetoresistance effect element)
An example of the manufacturing method of the
まず、図4(a)に示すように、基材10の一面10aに、物理的気相成長(PVD)法、化学的気相成長(CVD)法等の公知の成膜法を用いて、第1絶縁層、スピン軌道トルク配線層、第1強磁性層、非磁性層、第2強磁性層、キャップ層、マスク層を構成するそれぞれの膜103A、101A、102A、104A、105A、106A、107Aを、順に形成する。物理的気相成長法としては、例えば、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、分子線エピタキシー(MBE)法、イオンプレーティング法、イオンビームデポジション法、スパッタリング法等が挙げられる。化学的気相成長法としては、例えば、熱CVD法、光CVD法、プラズマCVD法、有機金属気相成長(MOCVD)法、原子層堆積(ALD)法等が挙げられる。なお、磁気抵抗効果素子110を、所定の機能を有する半導体素子の上に形成する場合には、半導体素子が基材10との役割を果たすことになる。
First, as shown in FIG. 4A, a known film forming method such as a physical vapor deposition (PVD) method or a chemical vapor deposition (CVD) method is used on the one
第1強磁性層、非磁性層、第2強磁性層で構成される機能部をTMR素子とする場合、非磁性層はトンネルバリア層となる。トンネルバリア層は、例えば以下の手順で形成する。まず、第1強磁性層上にスパッタリングを行うことにより、最初に0.4〜2.0nm程度のマグネシウム、アルミニウム、および複数の非磁性元素の二価の陽イオンからなる金属薄膜を形成する。続いて、プラズマ酸化あるいは酸素導入による自然酸化を行い、その後に熱処理を行うことによってトンネルバリア層が得られる。 In the case where the functional part configured of the first ferromagnetic layer, the nonmagnetic layer, and the second ferromagnetic layer is a TMR element, the nonmagnetic layer is a tunnel barrier layer. The tunnel barrier layer is formed, for example, by the following procedure. First, sputtering is performed on the first ferromagnetic layer to form a metal thin film composed of about 0.4 to 2.0 nm of magnesium, aluminum and divalent cations of a plurality of nonmagnetic elements. Subsequently, natural oxidation is performed by plasma oxidation or oxygen introduction, and a heat treatment is performed thereafter to obtain a tunnel barrier layer.
反応性スパッタで形成した層はアモルファスであり、結晶化する必要があるため、得られた機能部は、アニール処理することが好ましい。 Since the layer formed by reactive sputtering is amorphous and needs to be crystallized, it is preferable to anneal the obtained functional part.
アニール処理して得られる機能部は、アニール処理しないで得られる機能部と比較して、磁気抵抗比が向上する。これはアニール処理によって、非磁性層(トンネルバリア層)の結晶サイズの均一性および配向性が向上するためであると考えられる。 The functional portion obtained by the annealing treatment has an improved magnetoresistance ratio as compared with the functional portion obtained without the annealing treatment. It is considered that this is because the annealing process improves the uniformity and the orientation of the crystal size of the nonmagnetic layer (tunnel barrier layer).
アニール処理としては、Arなどの不活性雰囲気中で、300℃以上500℃以下の温度範囲で5分以上100分以下の時間加熱した後、2kOe以上10kOe以下の磁場を印加した状態で、100℃以上500℃以下の温度で、1時間以上10時間以下の時間加熱することが好ましい。 As annealing treatment, after heating for 5 minutes or more and 100 minutes or less in a temperature range of 300 ° C. or more and 500 ° C. or less in an inert atmosphere such as Ar, 100 ° C. with a magnetic field of 2 kOe or more and 10 kOe or less applied. It is preferable to heat at a temperature of at least 500 ° C. for a time of at least 1 hour and at most 10 hours.
次に、図4(b)に示すように、形成した5つの膜102A、104A、105A、106A、107Aを、フォトリソグラフィー法、イオンミリング法、反応性イオンエッチング(RIE)法等を用いて不要な部分を除去することにより、所望の形状となるように加工する。
Next, as shown in FIG. 4B, the five formed
次に、図4(c)に示すように、CVD法を用いて、スピン軌道トルク配線層101、第1強磁性層102、非磁性層104、第2強磁性層105、キャップ層106、マスク層107の露出している部分が被覆されるように、窒化シリコンを主成分として含む第2絶縁層108を形成する。この処理によって、スピン軌道トルク配線層の第2面以外のいずれかの面に、窒化シリコンを主成分として含む第2絶縁層が形成されることになる。
Next, as shown in FIG. 4C, the spin track
さらに、形成した第2絶縁層108の最表面を、CMP処理を行って平坦化する。このCMP処理は、第2絶縁層108の最表面をマスク層107が露出するまで(図4(c)の破線の位置まで)行ってもよいが、マスク層107上にシリコン窒化膜が残った状態で止めてもよい。
Further, the outermost surface of the formed second insulating
上述した工程を経ることによって、本実施形態の磁気抵抗効果素子110を得ることができる。ここで用いた基材10については、磁気抵抗効果素子110の用途に応じて除去してもよいし、残しておいてもよい。
The
(磁気メモリ)
磁気抵抗効果素子110は、第1強磁性層102の磁化方向と第2強磁性層105の磁化方向のなす角度に応じて、素子抵抗が変化する特性を利用して、データを読み書きする磁気メモリとして動作させることができる。この場合、磁気メモリとその周辺回路等の動作を実行する半導体素子は、集積度を高める観点から、第1絶縁層103側(図3では第1絶縁層103の下側)に形成されているのが好ましい。
(Magnetic memory)
The
図5に示すように、磁気メモリ120は、各磁気抵抗効果素子110の一方の配線層同士がソース線(ビット線)SL1、SL2、SL3、・・・で連結され、他方の配線層同士がワード線WL1、WL2、WL3、・・・で連結されている。このような磁気メモリを、内蔵メモリとしてLSI基板に複数搭載することにより、磁気抵抗効果素子110間の距離に比例する遅延の影響を軽減させた磁気デバイスを得ることができる。
As shown in FIG. 5, in the
以上のように、本実施形態では、スピン流磁化反転素子を構成するスピン軌道トルク配線層の表面の一部が、窒化ホウ素を含むことによって放熱性が高められた第1絶縁膜で被覆されている。そのため、スピン軌道トルク配線層に大きい電流が流れた場合であっても、電流に伴って発生した熱を、この第1絶縁膜を経由して外部に効率よく放出させることができる。したがって、本実施形態によれば、発熱による特性劣化が起き難い構造を有するスピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイスを得ることができる。 As described above, in the present embodiment, a portion of the surface of the spin track torque wiring layer constituting the spin current magnetization reversal element is covered with the first insulating film whose heat dissipation is enhanced by containing boron nitride. There is. Therefore, even when a large current flows in the spin track torque wiring layer, the heat generated with the current can be efficiently released to the outside through the first insulating film. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to obtain a spin current magnetization reversal element, a magnetoresistive effect element, a magnetic memory, and a magnetic device having a structure in which characteristic degradation due to heat generation hardly occurs.
(変形例1)
図6は、本実施形態の変形例1に係るスピン流磁化反転素子130の構成を、模式的に示す斜視図である。
(Modification 1)
FIG. 6 is a perspective view schematically showing the configuration of the spin current
上述した本実施形態のスピン流磁化反転素子100においては、第2絶縁層108での熱伝導が格子振動によるものに限られるため、第2絶縁層108自体の放熱性は低い。これに対し、変形例1のスピン流磁化反転素子130では、第2絶縁層138が絶縁性を維持できる範囲で薄く形成され、その上に、さらに金属窒化物等の金属性の材料からなる放熱層139が形成されており、放熱性の高い構造を有している。
金属窒化物を主成分として含む放熱層139では、金属窒化物の面積含有率が70%以上100%以下であることが好ましく、75以上97以下であることがより好ましい。また、金属窒化物として具体的には、窒化シリコンや窒化アルミニウムなどを用いることができる。
In the spin current
In the
放熱層139の形状、大きさ等について限定されることはないが、放熱量を多くする観点から、第2絶縁層138の被覆される面積が大きくなるほど好ましい。放熱層139以外の構成については、それぞれ、のスピン流磁化反転素子100の構成と同様となっている。
There is no limitation on the shape, size, and the like of the
100、130・・・スピン流磁化反転素子
101、131・・・スピン軌道トルク配線層
101a、131a・・・第1面
101b、131b・・・第2面
102、132・・・第1強磁性層
103、133・・・第1絶縁層
103a、133a・・・界面
104、134・・・非磁性層
105、135・・・第2強磁性層
106、136・・・キャップ層
107、137・・・マスク層
108、138・・・第2絶縁層
110・・・磁気抵抗効果素子
120・・・磁気メモリ
139・・・放熱層
D1・・・延在方向
D2・・・積層方向
100, 130 · · · spin current
Claims (11)
前記スピン軌道トルク配線層の第1面に形成された第1強磁性層と、
前記スピン軌道トルク配線層の表面のうち、前記第1強磁性層側と反対側の第2面に形成された第1絶縁層と、を備え、
前記第1絶縁層が、窒化ホウ素、または窒化アルミニウムを含んでいることを特徴とするスピン流磁化反転素子。 A spin track torque wiring layer extending in one direction;
A first ferromagnetic layer formed on the first surface of the spin track torque wiring layer;
And a first insulating layer formed on a second surface of the spin track torque wiring layer opposite to the first ferromagnetic layer.
The spin current magnetization reversal element, wherein the first insulating layer contains boron nitride or aluminum nitride.
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