JP2019165076A

JP2019165076A - 磁気記憶装置

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Publication number: JP2019165076A
Application number: JP2018051232A
Authority: JP
Inventors: 岸　達也; Tatsuya Kishi; 達也岸; 永ミン李; Youngmin Eeh; 澤田　和也; Kazuya Sawada; 和也澤田; 大都甲; Masaru Toko
Original assignee: Toshiba Memory Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-09-26
Also published as: US10573802B2; US20190288184A1

Abstract

【課題】高いリテンション特性を有し且つ書き込み電流の増加を抑制することが可能な磁気記憶装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る磁気記憶装置は、可変の磁化方向を有する第１の磁性層１０と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層２０と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に設けられた非磁性層３０とを含む積層構造を備え、第１の磁性層は、その全体が第２の磁性層に対して平行又は反平行の磁化方向を呈し、−１ｋＯｅから＋１ｋＯｅの範囲内の異方性磁場Ｈｋを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置（magnetic memory device）に関する。

半導体基板上に磁気抵抗効果素子（magnetoresistive element）及びトランジスタが集積化された磁気記憶装置（半導体集積回路装置）が提案されている。

上述した磁気抵抗効果素子では、素子が微細化されても高いリテンション特性が維持されることが重要である。しかしながら、高いリテンション特性を維持しようとすると、書き込み電流が増加するおそれがある。

したがって、高いリテンション特性を有し且つ書き込み電流の増加を抑制することが可能な磁気記憶装置が要求されている。

米国特許第７７８７２８８号明細書

高いリテンション特性を有し且つ書き込み電流の増加を抑制することが可能な磁気記憶装置を提供する。

実施形態に係る磁気記憶装置は、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、前記第１の磁性層は、その全体が前記第２の磁性層に対して平行又は反平行の磁化方向を呈し、−１ｋＯｅから＋１ｋＯｅの範囲内の異方性磁場Ｈｋを有する。

実施形態に係る磁気記憶装置の第１の構成例を模式的に示した断面図である。実施形態に係る磁気記憶装置の第２の構成例を模式的に示した断面図である。実施形態に係る磁気記憶装置の第３の構成例を模式的に示した断面図である。実施形態に係る磁気記憶装置の第４の構成例を模式的に示した断面図である。実施形態に係る磁気記憶装置の第５の構成例を模式的に示した断面図である。記憶層の異方性磁場（Ｈk_film）を変化させたときの、磁気抵抗効果素子のサイズとΔとの関係を示した図である。磁化量（Ｍst）と異方性磁場（Ｈk_film）との関係を示した図である。実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置の構成を模式的に示した断面図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、実施形態に係る磁気記憶装置の第１の構成例を模式的に示した断面図である。具体的には、磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子（magnetoresistive element）の構成を模式的に示した断面図である。なお、磁気抵抗効果素子は、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子とも呼ばれる。

磁気抵抗効果素子は、可変の磁化方向を有する記憶層（storage layer、第１の磁性層）１０と、固定された磁化方向を有する参照層（reference layer、第２の磁性層）２０と、記憶層１０と参照層２０との間に設けられたトンネルバリア層（非磁性層（nonmagnetic layer））３０と、記憶層１０下に設けられた下地層（under layer）４０と、参照層２０上に設けられたキャップ層５０とを含む積層構造（stacked structure）で形成されている。すなわち、本構成例では、下地層４０、記憶層１０、トンネルバリア層３０、参照層２０及びキャップ層５０の順に積層されている。

なお、可変の磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを意味する。また、固定された磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを意味する。

記憶層（第１の磁性層）１０は、強磁性層であり、−１ｋＯｅから＋１ｋＯｅの範囲内の異方性磁場Ｈｋを有している。記憶層１０は、その全体が参照層２０に対して平行又は反平行（antiparallel）の磁化方向を呈する。記憶層１０は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する材料で形成されている。具体的には、記憶層１０は、Ｆｅ：Ｃｏ：Ｂ＝９：１：２の組成比率を有するＦｅＣｏＢで形成されている。なお、記憶層１０は、ＣｏＦｅＢ層間に非磁性金属層を挟んだ構成（ＣｏＦｅＢ層／非磁性金属層／ＣｏＦｅＢ層）であってもよい。非磁性金属層に用いる金属元素としては、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｏ、等があげられる。

参照層（第２の磁性層）２０は、強磁性層であり、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する材料で形成されている。具体的には、参照層１０は、ＦｅＣｏＢで形成されている。なお、参照層１０は、トンネルバリア層３０に隣接する第１のサブ磁性層と、トンネルバリア層３０から離れた第２のサブ磁性層との積層構造でもよい。この場合、第１のサブ磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する材料で形成されている。具体的には、第１のサブ磁性層は、ＦｅＣｏＢで形成されている。第２のサブ磁性層は、コバルト（Ｃｏ）と、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択された少なくとも１つの元素とを含有する材料で形成されている。具体的には、第２のサブ磁性層は、ＣｏＰｔ、ＣｏＮｉ或いはＣｏＰｄで形成されている。

トンネルバリア層（非磁性層）３０は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する絶縁層である。具体的には、トンネルバリア層３０は、ＭｇＯで形成されている。

下地層４０は、希土類酸化物、窒化物（例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ））、タングステン（Ｗ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）或いはタンタル（Ｔａ）、等で形成されている。

キャップ層５０については、キャップ層５０としての機能を果たすものであれば、本構成例では特に限定されない。

磁気抵抗効果素子は、記憶層１０の磁化方向が参照層２０の磁化方向に対して平行である平行状態と、記憶層１０の磁化方向が参照層２０の磁化方向に対して反平行である反平行状態とを選択的に呈する。磁気抵抗効果素子の抵抗は、上記平行状態であるときの方が上記反平行状態であるときよりも低い。したがって、磁気抵抗効果素子は、抵抗状態（低抵抗状態及び高抵抗状態）に応じて２値（binary）データ（０又は１）を記憶することが可能である。

上述した磁気抵抗効果素子は、ＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子であり、垂直磁化（perpendicular magnetization）を有している。すなわち、記憶層１１の磁化方向はその主面に対して垂直な方向であり、参照層の磁化方向はその主面に対して垂直な方向である。

図２は、実施形態に係る磁気記憶装置の第２の構成例を模式的に示した断面図である。具体的には、磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の構成を模式的に示した断面図である。なお、基本的な事項は上述した第１の構成例と同様であるため、第１の構成例で説明した事項の説明は省略する。

本構成例においても、磁気抵抗効果素子は、記憶層１０と、参照層２０と、トンネルバリア層３０と、下地層４０と、キャップ層５０とを含む積層構造によって形成されている。記憶層１０、参照層２０、トンネルバリア層３０及び下地層４０の材料等は、第１の実施形態と同様である。ただし、本構成例の磁気抵抗効果素子では、下地層４０、参照層２０、トンネルバリア層３０、記憶層１０及びキャップ層５０の順に積層され、キャップ層５０が希土類酸化物で形成されている。

図３は、実施形態に係る磁気記憶装置の第３の構成例を模式的に示した断面図である。具体的には、磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の構成を模式的に示した断面図である。なお、基本的な事項は上述した第１の構成例等と同様であるため、第１の構成例で説明した事項の説明は省略する。

本構成例では、磁気抵抗効果素子は、記憶層１０と、参照層２０と、トンネルバリア層３０と、下地層４０と、キャップ層５０と、シフトキャンセリング層６０と、スペーサ層７０とによって構成されている。

シフトキャンセリング層６０は、コバルト（Ｃｏ）と、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択された少なくとも１つの元素とを含有する材料で形成されている。具体的には、第２のサブ磁性層は、ＣｏＰｔ、ＣｏＮｉ或いはＣｏＰｄで形成されている。スペーサ層７０は、ルテニウム（Ｒｕ）等で形成されている。

図４は、実施形態に係る磁気記憶装置の第４の構成例を模式的に示した断面図である。具体的には、磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の構成を模式的に示した断面図である。なお、基本的な事項は上述した第１の構成例等と同様であるため、第１の構成例等で説明した事項の説明は省略する。

本構成例では、磁気抵抗効果素子は、記憶層１０と、参照層２０と、トンネルバリア層３０と、下地層４１及び４２と、キャップ層５０と、シフトキャンセリング層６０とによって構成されている。

図５は、実施形態に係る磁気記憶装置の第５の構成例を模式的に示した断面図である。具体的には、磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の構成を模式的に示した断面図である。なお、基本的な事項は上述した第１の構成例等と同様であるため、第１の構成例等で説明した事項の説明は省略する。

本構成例では、磁気抵抗効果素子は、記憶層１０と、参照層２０と、トンネルバリア層３０と、下地層４１及び４２と、キャップ層５０と、シフトキャンセリング層６１及び６２と、スペーサ層７０とによって構成されている。

上述したように、本実施形態（第１の構成例及び第２の構成例）の磁気抵抗効果素子の記憶層１０は、−１ｋＯｅから＋１ｋＯｅの範囲内の異方性磁場Ｈｋを有している。これにより、高いリテンション特性を有し且つ書き込み電流の増加を抑制することが可能な磁気記憶装置を得ることが可能である。以下、詳細に説明する。

磁気抵抗効果素子では、素子が微細化されても高いリテンション特性が維持されることが重要である。リテンション特性の指標としては、Δが用いられる。良好なリテンション特性を得るためには、Δの値が大きい方が好ましい。しかしながら、Δの値を大きくしようとすると、書き込み電流が増加するという問題がある。したがって、高いリテンション特性を有し且つ書き込み電流の増加を抑制することが要求されている。

Δは、以下の式

で表すことができる。

ここで、Ｋu は磁気異方性エネルギー（magnetic anisotropy energy）、Ｖは体積（volume）、ＫB はボルツマン定数（Boltzman constant）、Ｔは温度、Ｄは磁気抵抗効果素子のサイズ（記憶層のサイズ）、Ｄs は記憶層のシングルドメインの直径である。

また、以下の式

が成立する。

ここで、Ｈk_int は異方性磁場（anisotropic magnetic field）、Ｋu_int は異方性エネルギー（anisotropy energy）、Ａexは交換スティフネス（exchange stiffness）、Ｎa は反磁場係数（demagnetization coefficient：サイズ及び膜厚の関数）である。

図６は、記憶層の異方性磁場（Ｈk_film）を変化させたときの、磁気抵抗効果素子のサイズ（記憶層のサイズ）とΔとの関係を示した図である。なお、Ｈk_filmは、ベタ膜（solid film）での記憶層の異方性磁場である。

図６に示すように、異方性磁場（Ｈk_film）の値が大きいほどΔの値も大きくなっている。したがって、リテンション特性の観点からは、異方性磁場（Ｈk_film）の値が大きい方が好ましいかもしれない。しかしながら、すでに述べたように、Δの値を大きくしようとすると、書き込み電流が増加するという問題がある。したがって、書き込み電流の増加を抑制し且つリテンション特性の悪化を抑制するためには、Δの値を大きくするよりは、むしろΔのばらつきを小さくする方が好ましいと考えられる。

図６に示すように、Ｈk_film＝０のときに、Δのばらつきが最も小さくなっている。したがって、書き込み電流の増加を抑制し且つリテンション特性の悪化を抑制するためには、Ｈk_film＝０であることが好ましい。ただし、−１ｋＯｅ＜Ｈk_film＜＋１ｋＯｅの範囲内であれば、書き込み電流の増加を抑制し且つリテンション特性の悪化を抑制することは、ある程度可能である。したがって、−１ｋＯｅ＜Ｈk_film＜＋１ｋＯｅが満たされるような記憶層を設けることが好ましい。

図７は、磁化量（Ｍst）と異方性磁場（Ｈk_film）との関係を示した図である。磁化量は、飽和磁化Ｍs と厚さｔとの積に対応する。特性（ａ）及び特性（ｂ）は第１の構成例における特性であり、特性（ｃ）は第２の構成例における特性である。具体的には、特性（ａ）は、下地層４０に希土類酸化物を用い、記憶層１０にＦｅＣｏＢ（Ｆｅ₉₀Ｃｏ₁₀Ｂ₂₀、厚さ２．８ｎｍ）を用い、トンネルバリア層３０にＭｇＯを用いた場合である。特性（ｂ）は、下地層４０に窒化物を用い、記憶層１０にＦｅＣｏＢ（Ｆｅ₉₀Ｃｏ₁₀Ｂ₂₀、厚さ１．３ｎｍ）を用い、トンネルバリア層３０にＭｇＯを用いた場合である。特性（ｃ）は、トンネルバリア層３０にＭｇＯを用い、記憶層１０にＦｅＣｏＢ（Ｆｅ₉₀Ｃｏ₁₀Ｂ₂₀、厚さ１．３ｎｍ）を用い、キャップ層５０に希土類酸化物を用いた場合である。

上述した特性（ａ）及び特性（ｂ）からわかるように、記憶層１０に鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する強磁性材料を用い、トンネルバリア層３０にマグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する絶縁材料を用い、下地層４０に希土類酸化物或いは窒化物を用い、記憶層の磁化量（Ｍst）を最適化することで、−１ｋＯｅ＜Ｈk_film＜＋１ｋＯｅを実現することが可能である。なお、下地層４０には、タングステン（Ｗ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）或いはタンタル（Ｔａ）を用いてもよい。

また、上述した特性（ｃ）からわかるように、記憶層１０に鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する強磁性材料を用い、トンネルバリア層３０にマグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する絶縁材料を用い、キャップ層５０に希土類酸化物を用い、記憶層の磁化量（Ｍst）を最適化することで、−１ｋＯｅ＜Ｈk_film＜＋１ｋＯｅを実現することが可能である。

以上のように、本実施形態では、記憶層１０の全体が参照層２０に対して平行又は反平行の磁化方向を呈し、且つ、記憶層１０を−１ｋＯｅから＋１ｋＯｅの範囲内の異方性磁場Ｈｋを有する材料で形成することにより、高いリテンション特性を有し且つ書き込み電流の増加を抑制することが可能な磁気記憶装置を得ることができる。

図８は、上述した磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。

半導体基板ＳＵＢ内に、埋め込みゲート（buried gate）型のＭＯＳトランジスタＴＲが形成されている。ＭＯＳトランジスタＴＲのゲート電極は、ワード線ＷＬとして用いられる。ＭＯＳトランジスタＴＲのソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄの一方には下部電極（bottom electrode）ＢＥＣが接続され、ソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄの他方にはソース線コンタクトＳＣが接続されている。

下部電極ＢＥＣ上には磁気抵抗効果素子ＭＴＪが形成され、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ上には上部電極（top electrode）ＴＥＣが形成されている。上部電極ＴＥＣにはビット線ＢＬが接続されている。ソース線コンタクトＳＣにはソース線ＳＬが接続されている。

上述した磁気抵抗効果素子を図５に示したような磁気記憶装置に適用することで、優れた磁気記憶装置を得ることが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…記憶層２０…参照層３０…トンネルバリア層
４０、４１，４２…下地層５０…キャップ層
６０、６１、６２…シフトキャンセリング層７０…スペーサ層

Claims

可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、
前記第１の磁性層は、その全体が前記第２の磁性層に対して平行又は反平行の磁化方向を呈し、−１ｋＯｅから＋１ｋＯｅの範囲内の異方性磁場Ｈｋを有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
前記第１の磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
前記非磁性層は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
前記積層構造は、下地層をさらに備え、
前記下地層上に、前記第１の磁性層、前記第２の磁性層及び前記非磁性層を含む構造が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
前記下地層は、希土類酸化物、窒化物、タングステン（Ｗ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又はタンタル（Ｔａ）で形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の磁気記憶装置。
前記積層構造は、前記下地層、前記第１の磁性層、前記非磁性層及び前記第２の磁性層の順に積層されている
ことを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置。
前記積層構造は、キャップ層をさらに備え、
前記第１の磁性層、前記第２の磁性層及び前記非磁性層を含む構造上に、前記キャップ層が設けられている
ことを特徴とする請求項４に記載の磁気記憶装置。
前記キャップ層は、希土類酸化物で形成されている
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気記憶装置。
前記積層構造は、前記第２の磁性層、前記非磁性層、前記第１の磁性層及び前記キャップ層の順に積層されている
ことを特徴とする請求項８に記載の磁気記憶装置。
前記積層構造は、前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有する第３の磁性層をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
前記第１の磁性層は、その主面に対して垂直な磁化方向を有し、
前記第２の磁性層は、その主面に対して垂直な磁化方向を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
前記積層構造はＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子を構成する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。