JP2020027896A - Magnetic tunnel junction element and magnetoresistive memory device - Google Patents

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義明 園部
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Abstract

To provide a magnetic tunnel junction element which can be simplified in a structure of a fixing layer of a magnetic tunnel junction element and in which the number of laminates of the magnetic tunnel junction element is reduced.SOLUTION: A magnetic tunnel junction element 10 comprises: a free layer 15 in which a magnetization direction can be changeable; a fixing layer 13 that maintains the magnetization direction to a prescribed direction and is formed by a single layer; and an insulation layer 14 that is laminated between the free layer 15 and the fixing layer 13. Any one of at least the free layer 15 and the fixing layer 13 is a L1-type magnetic alloy film, and the insulation layer 14 is a layer having a texture of (111).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置に関する。   The present invention relates to a magnetic tunnel junction device and a magnetoresistive memory device.

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。   A magnetoresistive element having perpendicular magnetization and performing reading by the magnetoresistive effect has high thermal agitation resistance to miniaturization, and is expected as a next-generation memory or the like.

この次世代メモリは、磁化方向が可変である自由層(記憶層とも呼ばれる。)と、所定の磁化方向を維持する固定層(参照層とも呼ばれる。)と、この自由層と固定層との間にトンネルバリアとして設けられた絶縁層を有する磁気トンネル接合(Magnetic tunnel junction:MTJ)素子から構成される。   This next-generation memory has a free layer (also called a storage layer) whose magnetization direction is variable, a fixed layer (also called a reference layer) that maintains a predetermined magnetization direction, and a gap between the free layer and the fixed layer. , A magnetic tunnel junction (MTJ) element having an insulating layer provided as a tunnel barrier.

このような次世代メモリを基本構成するスピン分極磁性層の材料として、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たCoFeB合金しかなく、材料選択範囲が非常に狭いのが実状である。   A ferromagnetic material having high perpendicular magnetic anisotropy and high spin polarizability is required as a material of a spin-polarized magnetic layer that basically constitutes such a next-generation memory. However, there are few reports of a material having a perpendicular magnetic anisotropy and having a high spin polarizability experimentally. In addition, the only material having perpendicular magnetic anisotropy and high spin polarizability is a CoFeB alloy using interfacial magnetic anisotropy, and the material selection range is very narrow in practice. .

現在、主に研究開発でスピン分極磁性層として用いられているCoFeB合金に関して、特許文献1には、スピン分極磁性層より小さな格子定数を有するスペーサ層をスピン分極磁性層に接触させて、スピン分極磁性層の結晶格子をx軸及びy軸方向に縮ませた磁気トンネル接合素子が記載されている。   Patent Literature 1 discloses that a spacer layer having a lattice constant smaller than that of a spin-polarized magnetic layer is brought into contact with the spin-polarized magnetic layer, and a spin-polarized magnetic layer is used for spin-polarized magnetic layers. A magnetic tunnel junction device in which the crystal lattice of a magnetic layer is reduced in the x-axis and y-axis directions is described.

しかし、特許文献1では、材料自体が大きな垂直磁気異方性を持たないため、垂直磁化保持層を結合させた固定層が用いられている。多くの検討において、垂直磁化保持層は(001)テクスチャを有するL1型のFePd、FePt、CoとPd、又は、CoとPtを(001)軸方向に積層したCo/Pd多層膜、又はCo/Pt多層膜から構成され、磁化容易軸が膜面垂直方向を向く強磁性体から構成される層である。 However, in Patent Document 1, since the material itself does not have a large perpendicular magnetic anisotropy, a fixed layer in which a perpendicular magnetization holding layer is combined is used. In many studies, the perpendicular magnetization holding layer of L1 0 type having a (001) texture FePd, FePt, Co and Pd, or a laminate of Co and Pt in the (001) axially Co / Pd multilayer film, or Co / Pt This is a layer composed of a ferromagnetic material composed of a multilayer film and having an easy axis of magnetization oriented perpendicular to the film surface.

また、固定層では垂直磁化保持層と高スピン分極率を持つ強磁性材料CoFeBと結合させて構成する必要がある。また、CoFeB合金からなる自由層と固定層を備える磁気トンネル接合素子では、絶縁層とのバンド構造の関係から、高いトンネル磁気抵抗(TMR:Tunnel Magneto Resistance)効果を得るために、(001)テクスチャを有している。   Further, the fixed layer needs to be formed by combining the perpendicular magnetization holding layer with the ferromagnetic material CoFeB having a high spin polarization. In the magnetic tunnel junction device having a free layer and a fixed layer made of a CoFeB alloy, the (001) texture is required to obtain a high TMR (Tunnel Magneto Resistance) effect due to the band structure of the insulating layer. have.

例えば、MTJスタック構成としては、絶縁層に(001)テクスチャを有するMgO膜が使用され、垂直磁化保持層配向性を向上させる下地層も(001)テクスチャを有する例がある。すなわち、MTJ構造、プロセスが(001)テクスチャを基本に構成されていた。   For example, as an MTJ stack configuration, there is an example in which an MgO film having a (001) texture is used for an insulating layer, and an underlayer for improving the orientation of the perpendicular magnetization holding layer also has a (001) texture. That is, the MTJ structure and the process are configured based on the (001) texture.

特開2010−238769号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-238769

このように、特許文献1に記載された磁気トンネル接合素子は、固定層の構造が複雑になり、厚みが大きくなる問題があった。   As described above, the magnetic tunnel junction element described in Patent Document 1 has a problem that the structure of the fixed layer is complicated and the thickness is large.

また、自由層では弱い垂直磁気異方性のために熱安定性や高密度化に問題があった。一方、MnGa、MnGeなどのMn−Ge材料自体で大きな垂直磁気異方性を有する磁性体も研究されているが、高いトンネル磁気抵抗効果が実験では得られない問題があった。   In the free layer, there is a problem in thermal stability and high density due to weak perpendicular magnetic anisotropy. On the other hand, Mn—Ge materials such as MnGa and MnGe, which have a large perpendicular magnetic anisotropy, have been studied, but there is a problem that a high tunnel magnetoresistance effect cannot be obtained by experiments.

一実施形態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し、単一の層からなる固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、少なくとも前記自由層と前記固定層のいずれかがL1型磁性合金膜であり、前記絶縁層は(111)のテクスチャを有する層であるようにした。 The magnetic tunnel junction element of one embodiment has a free layer in which the magnetization direction is variable, a magnetization layer that maintains the magnetization direction in a predetermined direction, a fixed layer made of a single layer, and a gap between the free layer and the fixed layer. and an insulating layer laminated are either L1 1 type magnetic alloy film of at least the free layer and the fixed layer, the insulating layer was set to be a layer having a texture (111).

一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁化保持層やスペーサ層を含まずに、単一のスピン分極磁性層で磁化方向を所定の方向に維持することができる。したがって、一実施形態の磁気トンネル接合素子は、固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減することができる。   According to the magnetic tunnel junction element of one embodiment, the magnetization direction can be maintained in a predetermined direction by a single spin-polarized magnetic layer without including the perpendicular magnetization holding layer and the spacer layer. Therefore, in the magnetic tunnel junction device of one embodiment, the structure of the fixed layer can be simplified, and the number of stacked magnetic tunnel junction devices can be reduced.

一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記絶縁層は、(111)のテクスチャを有するMgO、MgAl4、MgGa、ZnAlまたはZnGaからなるようにしてもよい。 In one embodiment, the insulating layer is preferably made of MgO, MgAl 2 O 4, MgGa 2 O 4 , ZnAl 2 O 4 or ZnGa 2 O 4 having a texture of (111). You may.

一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、大きなトンネル磁気抵抗効果と高い垂直磁気異方性を共に得ることができる。   According to the magnetic tunnel junction device of one embodiment, both a large tunnel magnetoresistance effect and a high perpendicular magnetic anisotropy can be obtained.

一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、(111)のテクスチャを有する下地層を備えるようにしてもよい。   In one embodiment, the magnetic tunnel junction device preferably includes an underlayer having a texture of (111).

一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、(001)面よりも(111)面の方が配位数(最隣接格子点数)多く、面内の結合が強くなるので、結晶構造が安定化し、その結果として原子拡散を抑制できる。   According to the magnetic tunnel junction device of one embodiment, the (111) plane has more coordination numbers (the number of nearest lattice points) and the in-plane coupling is stronger than the (001) plane, so that the crystal structure is stabilized. As a result, atom diffusion can be suppressed.

一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記固定層が、垂直磁化保持層やスペーサ層を含まないようにしてもよい。   In one embodiment of the present invention, the fixed layer preferably does not include a perpendicular magnetization holding layer or a spacer layer.

一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、磁気トンネル接合素子の厚みも薄くすることができる。   According to the magnetic tunnel junction device of one embodiment, the thickness of the magnetic tunnel junction device can be reduced.

一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、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し、単一の層からなる固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、少なくとも前記自由層と前記固定層のいずれかがL1型磁性合金膜であり、前記絶縁層は(111)のテクスチャを有する層である磁気トンネル接合素子と、前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備えるようにしてもよい。 The magnetoresistive memory device according to one embodiment includes a free layer having a variable magnetization direction, a magnetization layer maintained in a predetermined direction, a fixed layer including a single layer, and a fixed layer formed between the free layer and the fixed layer. and an insulating layer laminated are either L1 1 type magnetic alloy film of at least the free layer and the fixed layer, the insulating layer and the magnetic tunnel junction device is a layer having a texture (111) And an electrode for applying a voltage to the magnetic tunnel junction element.

一実施形態の磁気抵抗メモリ装置によれば、垂直磁化保持層やスペーサ層を含まずに、単一のスピン分極磁性層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。したがって、一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減することができる。   According to the magnetoresistive memory device of one embodiment, a single spin-polarized magnetic layer can be used as a layer that maintains the magnetization direction in a predetermined direction without including the perpendicular magnetization holding layer and the spacer layer. Therefore, in the magnetoresistive memory device according to one embodiment, the structure of the fixed layer can be simplified, and the number of stacked magnetic tunnel junction elements can be reduced.

本発明の磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置によれば、磁気トンネル接合素子の固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減した磁気トンネル接合素子を提供することができる。   According to the magnetic tunnel junction device and the magnetoresistive memory device of the present invention, the structure of the fixed layer of the magnetic tunnel junction device can be simplified, and a magnetic tunnel junction device with a reduced number of stacked magnetic tunnel junction devices is provided. be able to.

実施の形態1にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view illustrating a schematic configuration of a magnetic tunnel junction element according to the first embodiment; 磁気トンネル接合素子の参考例の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the reference example of a magnetic tunnel junction element. 実施の形態1にかかる磁気トンネル接合素子のスピン分極磁性層(固定層)に用いられる材料NiPtのバンド構造を示すグラフである。4 is a graph showing a band structure of a material NiPt used for a spin-polarized magnetic layer (fixed layer) of the magnetic tunnel junction element according to the first embodiment. 実施の形態2にかかる磁気トンネル接合素子のバリア層に用いられるMgAlのバンド構造を示すグラフである。9 is a graph showing a band structure of MgAl 2 O 4 used for a barrier layer of the magnetic tunnel junction device according to the second embodiment. 実施形態3にかかる磁気抵抗メモリ装置の一例の要部を表す斜視図である。FIG. 14 is a perspective view illustrating a main part of an example of a magnetoresistive memory device according to a third embodiment.

(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概略構成を示す断面図である。磁気トンネル接合素子10は、基板11と、バッファ層12と、固定層13と、絶縁層14と、自由層15と、キャップ層16と、を備える。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment. The magnetic tunnel junction device 10 includes a substrate 11, a buffer layer 12, a fixed layer 13, an insulating layer 14, a free layer 15, and a cap layer 16.

基板11は、Si基板である。例えば、基板11は、(111)基板であることが望ましい。また、基板11は、熱酸化膜付きSi基板、またはSi単結晶基板であってもよい。   The substrate 11 is a Si substrate. For example, the substrate 11 is preferably a (111) substrate. Further, the substrate 11 may be a Si substrate with a thermal oxide film or a Si single crystal substrate.

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、Ruを含む層である。   The buffer layer 12 is a stabilizing layer formed on the substrate 11. Specifically, the buffer layer 12 is a layer containing Ru.

固定層13は、磁化方向を所定の方向に維持する層である。固定層13は、L1型磁性合金膜であることが望ましい。また、固定層13としては、自由層15に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。しかしながら、固定層13を構成する材料は、特に限定されるものではなく、諸条件により任意の材料から選択することができる。 The fixed layer 13 is a layer that maintains the magnetization direction in a predetermined direction. Fixed layer 13 is desirably L1 1 type magnetic alloy film. Further, as the fixed layer 13, it is preferable to select a material whose magnetization direction does not easily change with respect to the free layer 15. However, the material forming the fixed layer 13 is not particularly limited, and can be selected from any material according to various conditions.

例えば、固定層13は、L1型合金から構成されてもよい。特に固定層13は、L1型(Co−Ni)Pt合金から構成されてもよい。具体的には、固定層13は、Co0.5Ni0.5PtのL1型合金から構成されてもよい。また、固定層13は、Fe0.5Ni0.5Pt、Co0.5Fe0.5Pt、NiPt、FePtまたはCoPtから構成されてもよい。また合金中の原子比を変えても良い。固定層13を上述のいずれかの構成とすることにより、固定層13は、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。また、固定層13は、参照層とも呼ばれる。 For example, the fixed layer 13 may be made of an L11 type 1 alloy. In particular the fixed layer 13 may be composed of L1 1 type (Co-Ni) Pt alloy. Specifically, the fixed layer 13 may be composed of L1 1 type alloys of Co 0.5 Ni 0.5 Pt. Further, the fixed layer 13 may be made of Fe 0.5 Ni 0.5 Pt, Co 0.5 Fe 0.5 Pt, NiPt, FePt, or CoPt. Further, the atomic ratio in the alloy may be changed. When the fixed layer 13 has any one of the above-described configurations, the fixed layer 13 can be a single layer that maintains the magnetization direction in a predetermined direction. The fixed layer 13 is also called a reference layer.

絶縁層14は、絶縁物質を主成分とする層である。そして、絶縁層14は、(111)のテクスチャを有する層である。絶縁層14は、強磁性を有する固定層13と自由層15の間に積層されている。また、絶縁層14は、MgOまたはMgAlの絶縁膜から構成されていることが望ましい。そして、固定層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。 The insulating layer 14 is a layer containing an insulating substance as a main component. The insulating layer 14 is a layer having a texture of (111). The insulating layer 14 is laminated between the fixed layer 13 having ferromagnetism and the free layer 15. Further, the insulating layer 14 is desirably formed of an insulating film of MgO or MgAl 2 O 4 . Then, when a voltage is applied perpendicularly to the junction surface between the fixed layer 13 and the free layer 15, a current flows through the magnetic tunnel junction element 10 by a tunnel effect.

自由層15は、磁化方向が変化する層である。自由層15は、L1型磁性合金膜であることが望ましい。例えば、自由層15は、L1型規則合金から構成されてもよい。特に自由層15は、L1型(Co−Ni)Pt規則合金から構成されてもよい。具体的には、自由層15は、Co0.5Ni0.5PtのL1型合金から構成されてもよい。また、自由層15は、Fe0.5Ni0.5Pt、Co0.5Fe0.5Pt、NiPt、FePtまたはCoPtから構成されてもよい。また合金中の原子比を変えても良い。自由層15を上述のいずれかの構成とすることにより、自由層15は、単一の層で磁化方向が変化する層とすることができる。また、自由層15は、記憶層とも呼ばれる。 The free layer 15 is a layer whose magnetization direction changes. Free layer 15 is desirably L1 1 type magnetic alloy film. For example, the free layer 15 may be composed of L1 1 type ordered alloy. Especially the free layer 15 may be composed of L1 1 type (Co-Ni) Pt ordered alloy. Specifically, the free layer 15 may be composed of L1 1 type alloys of Co 0.5 Ni 0.5 Pt. The free layer 15 may be made of Fe 0.5 Ni 0.5 Pt, Co 0.5 Fe 0.5 Pt, NiPt, FePt or CoPt. Further, the atomic ratio in the alloy may be changed. When the free layer 15 has any one of the above-described configurations, the free layer 15 can be a single layer in which the magnetization direction changes. The free layer 15 is also called a storage layer.

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。例えば、キャップ層16は、Ruを含む層であることが好ましい。   The cap layer 16 is a stabilizing layer formed on the free layer 15. For example, the cap layer 16 is preferably a layer containing Ru.

以上により、実施の形態1の磁気トンネル接合素子が構成される。次に、従来の磁気トンネル接合素子の構造との比較について説明する。図2は、磁気トンネル接合素子の参考例の概略構成を示す断面図である。   Thus, the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment is configured. Next, a comparison with the structure of a conventional magnetic tunnel junction device will be described. FIG. 2 is a sectional view showing a schematic configuration of a reference example of the magnetic tunnel junction element.

図2において、磁気トンネル接合素子20は、基板21と、バッファ層22と、高スピン分極磁性層23Aと、垂直磁化保持層23Bと、絶縁層24と、自由層25と、キャップ層26と、を備える。そして、高分極率磁性層23A及び垂直磁化保持層23Bで固定層23が形成される。高分極率磁性層23AはCo基ホイスラー合金等からなるが、材料自体が垂直磁気異方性を持たない。したがって、磁気トンネル接合素子20の固定層23として機能させるためには、垂直磁化保持層23Bを結合させる必要がある。   2, the magnetic tunnel junction device 20 includes a substrate 21, a buffer layer 22, a high spin polarization magnetic layer 23A, a perpendicular magnetization holding layer 23B, an insulating layer 24, a free layer 25, a cap layer 26, Is provided. Then, the fixed layer 23 is formed of the high polarizability magnetic layer 23A and the perpendicular magnetization holding layer 23B. The high polarizability magnetic layer 23A is made of a Co-based Heusler alloy or the like, but the material itself has no perpendicular magnetic anisotropy. Therefore, in order to function as the fixed layer 23 of the magnetic tunnel junction device 20, it is necessary to couple the perpendicular magnetization holding layer 23B.

参考例と比較して、実施の形態1の磁気トンネル接合素子10では、固定層13にL1型磁性合金膜を用いることにより、固定層13は、単一の層で高いスピン偏極率と共に高い垂直磁気異方性を有することができる。したがって、実施の形態1の磁気トンネル接合素子10では、参考例の磁気トンネル接合素子20のように、固定層23が高スピン分極磁性層23Aと垂直磁化保持層23Bの複数の層で形成する必要がない。 Compared to reference example, the magnetic tunnel junction element 10 of the first embodiment, by using the L1 1 type magnetic alloy film to the fixed layer 13, the fixed layer 13, with a high spin polarization of a single layer It can have high perpendicular magnetic anisotropy. Therefore, in the magnetic tunnel junction device 10 of the first embodiment, the fixed layer 23 needs to be formed of a plurality of layers of the high spin polarization magnetic layer 23A and the perpendicular magnetization holding layer 23B, like the magnetic tunnel junction device 20 of the reference example. There is no.

次に、実施の形態1の磁気トンネル接合素子10のバンド構造について説明する。図3は、実施の形態1にかかる磁気トンネル接合素子のスピン分極磁性層(固定層13)に用いられる材料NiPtのバンド構造を示すグラフである。図3において、縦軸はエネルギー準位(ev)を示し、横軸は電子の波数ベクトルkを示す。図3では、固定層13にL1型磁性合金NiPtを用いた例におけるバンド構造が示されている。 Next, the band structure of the magnetic tunnel junction device 10 according to the first embodiment will be described. FIG. 3 is a graph showing a band structure of a material NiPt used for the spin-polarized magnetic layer (fixed layer 13) of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment. In FIG. 3, the vertical axis indicates the energy level (ev), and the horizontal axis indicates the electron wave vector k. In Figure 3, the band structure is shown in the example with L1 1 type magnetic alloy NiPt the fixed layer 13.

図3では、L1型磁性合金NiPtのバンド構造が示されている。第一原理計算で調べた結果、L1型磁性合金NiPtは(111)方向、すなわち図3のG−Z間、でHalf metallic(すなわち100%のスピン分極率)になっており、高いトンネル磁気抵抗効果が期待できる。また表1に示すように、L1型磁性合金NiPtは10J/mもの大きな垂直磁気異方性を示す。 FIG. 3 shows the band structure of the L11 type 1 magnetic alloy NiPt. As a result of first-principles calculations, the L11 type 1 magnetic alloy NiPt is half metallic (ie, 100% spin polarizability) in the (111) direction, that is, between G and Z in FIG. A resistance effect can be expected. Also as shown in Table 1, L1 1 type magnetic alloy NiPt shows a large perpendicular magnetic anisotropy 10 6 J / m 3 things.

このように、実施の形態1の磁気トンネル接合素子10は、大きな垂直磁気異方性を有すると共に大きなスピン分極率が得られる。   As described above, the magnetic tunnel junction device 10 according to the first embodiment has a large perpendicular magnetic anisotropy and a large spin polarizability.

さらに、磁気トンネル接合素子を作成する際には、格子定数のマッチングを考慮することが望ましい。表1は、合金の格子定数とMisfitを示す表である。表1において、Misfitは、Ru、MgOまたはMgAlの格子定数とL1構造のNiPt合金の格子定数の差を、L1構造のNiPt合金の格子定数で除算した比率で示されている。

Figure 2020027896
Furthermore, it is desirable to consider lattice constant matching when producing a magnetic tunnel junction device. Table 1 is a table showing the lattice constant and Misfit of the alloy. In Table 1, Misfit is shown at a ratio Ru, the difference in lattice constant NiPt alloy MgO or lattice constants and L1 1 structure of MgAl 2 O 4, divided by the lattice constant of NiPt alloy L1 1 structure .
Figure 2020027896

表1に示すようにMisfitの大きさは、Ru、MgOまたはMgAlにL1NiPtを積層するに十分小さな値である。 The size of Misfit As shown in Table 1 is a value sufficiently smaller in laminating the L1 1 NiPt Ru, MgO or MgAl 2 O 4.

このように、実施の形態1の磁気トンネル接合素子によれば、固定層をL1型磁性合金膜とし、絶縁層を(111)のテクスチャを有する層とすることにより、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。 Thus, according to the magnetic tunnel junction device of the first embodiment, by a fixed layer and L1 1 type magnetic alloy film, a layer having a texture insulating layer (111), the magnetization of a single layer It can be a layer that maintains the direction in a predetermined direction.

そして、実施の形態1の磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁化保持層を含まずに、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。したがって、実施の形態1の磁気トンネル接合素子は、固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減することができる。また、実施の形態1の磁気トンネル接合素子によれば、磁気トンネル接合素子の厚みも薄くすることができる。   According to the magnetic tunnel junction device of the first embodiment, a single layer can be used as a layer that maintains the magnetization direction in a predetermined direction without including the perpendicular magnetization holding layer. Therefore, in the magnetic tunnel junction device of the first embodiment, the structure of the fixed layer can be simplified, and the number of stacked magnetic tunnel junction devices can be reduced. Further, according to the magnetic tunnel junction device of the first embodiment, the thickness of the magnetic tunnel junction device can be reduced.

また、実施の形態1の磁気トンネル接合素子によれば、自由層をL1型磁性合金膜とし、絶縁層を(111)のテクスチャを有する層とすることにより、単一の層で磁化方向が変化する層とすることができる。 Further, according to the magnetic tunnel junction device of the first embodiment, the free layer and L1 1 type magnetic alloy film by a layer having a texture insulating layer (111), the magnetization direction of a single layer It can be a variable layer.

また、実施の形態1の磁気トンネル接合素子によれば、少なくとも自由層と固定層のいずれかをL1型磁性合金膜とし、絶縁層を(111)のテクスチャを有する層とすることにより、より少ない積層数で磁気トンネル接合素子を構成することができる、結晶構造を安定化させることができる。この結果、磁気トンネル接合素子において、原子拡散を抑制することができる。 Further, according to the magnetic tunnel junction device of the first embodiment, by a layer having a texture at least either the free layer and the fixed layer and L1 1 type magnetic alloy film, an insulating layer (111), more The magnetic tunnel junction element can be configured with a small number of stacked layers, and the crystal structure can be stabilized. As a result, in the magnetic tunnel junction element, the diffusion of atoms can be suppressed.

また、実施の形態1の磁気トンネル接合素子は、熱安定性が良好であるので、磁気トンネル接合素子の高密度化を実現することができる。   In addition, the magnetic tunnel junction device of the first embodiment has good thermal stability, so that the density of the magnetic tunnel junction device can be increased.

また、実施の形態1の磁気トンネル接合素子によれば、NiとCoの量を調整することでMs(飽和磁化)を低減させ、磁化方向を高速に切り換えることができる。   Further, according to the magnetic tunnel junction device of the first embodiment, Ms (saturated magnetization) can be reduced by adjusting the amounts of Ni and Co, and the magnetization direction can be switched at high speed.

(実施の形態2)
実施の形態2では、絶縁層14にMgAlを用いた例について説明する。
図4は、実施の形態2にかかる磁気トンネル接合素子のバリア層に用いられるMgAlのバンド構造を示すグラフである。図4において、縦軸はエネルギー準位(ev)を示し、横軸は電子の波数ベクトルkを示す。図4では、絶縁層14にMgAlを用いた例におけるバンド構造が示されている。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, an example in which MgAl 2 O 4 is used for the insulating layer 14 will be described.
FIG. 4 is a graph showing a band structure of MgAl 2 O 4 used for the barrier layer of the magnetic tunnel junction device according to the second embodiment. 4, the vertical axis indicates the energy level (ev), and the horizontal axis indicates the electron wave vector k. FIG. 4 shows a band structure in an example in which MgAl 2 O 4 is used for the insulating layer 14.

図4に示すように、MgAlはG点における直接ギャップ絶縁体であり、絶縁層に垂直入射する、すなわち(111)方向に進む、電子のみをフィルタする。したがって、絶縁層にMgAlを用いた磁気トンネル接合素子は、実施の形態1の図3に示されるような(111)方向にHalf metallicである材料をスピン分極層に用いることで、高いトンネル磁気抵抗効果及び高いスピン分極率を得られることがわかる。 As shown in FIG. 4, MgAl 2 O 4 is a direct gap insulator at point G and filters only electrons that are perpendicularly incident on the insulating layer, ie, travel in the (111) direction. Therefore, the magnetic tunnel junction device using MgAl 2 O 4 for the insulating layer has high cost by using a material that is half metallic in the (111) direction as shown in FIG. 3 of the first embodiment for the spin polarization layer. It can be seen that a tunnel magnetoresistance effect and a high spin polarizability can be obtained.

このように、実施の形態2の磁気トンネル接合素子によれば、格子ミスマッチが小さくできるので、さらなる大きなトンネル磁気抵抗効果が期待できる。   As described above, according to the magnetic tunnel junction element of the second embodiment, since the lattice mismatch can be reduced, an even larger tunnel magnetoresistance effect can be expected.

(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装置について説明する。
図5は、実施形態3にかかる磁気抵抗メモリ装置の一例の要部を表す斜視図である。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a description will be given of a magnetoresistive memory device using the magnetic tunnel junction element of the first or second embodiment.
FIG. 5 is a perspective view illustrating a main part of an example of the magnetoresistive memory device according to the third embodiment.

図5において、磁気抵抗メモリ装置は、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。   In FIG. 5, the magnetoresistive memory device includes a memory cell 30, a bit line 31, contact plugs 35 and 37, and a word line 38.

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及び磁気トンネル接合素子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を用いてもよい。   The memory cell 30 includes a semiconductor substrate 32, diffusion regions 33 and 34, a source line 36, a gate insulating film 39, and a magnetic tunnel junction device 10. Although the magnetic tunnel junction element 10 corresponds to the magnetic tunnel junction element 10 of the first embodiment, the magnetic tunnel junction element of the second embodiment may be used.

磁気抵抗メモリ装置は、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。   The magnetoresistive memory device is formed by arranging a plurality of memory cells 30 in a matrix and connecting them to each other using a plurality of bit lines 1 and a plurality of word lines 38. In the MRAM, data write processing is performed using a spin torque injection method.

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。   The semiconductor substrate 32 has diffusion regions 33 and 34 on the upper surface, and the diffusion region 33 is arranged at a predetermined distance from the diffusion region 34. Diffusion region 33 functions as a drain region, and diffusion region 34 functions as a source region. Diffusion region 33 is connected to magnetic tunnel junction device 10 via contact plug 37.

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、磁気トンネル接合素子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。   The bit line side electrode 31 is arranged above the semiconductor substrate 32 and is connected to the magnetic tunnel junction device 10. The bit line 31 is connected to a write circuit (not shown) and a read circuit (not shown).

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。   Diffusion region 34 is connected to source line 36 via contact plug 35. The source line 36 is connected to a write circuit (not shown) and a read circuit (not shown).

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。   Word line 38 is arranged on semiconductor substrate 32 via gate insulating film 39 so as to be in contact with diffusion region 33 and diffusion region 34. The word line 38 and the gate insulating film 39 function as a selection transistor. The word line 38 is activated by being supplied with current from a circuit (not shown), and is turned on as a selection transistor.

この磁気抵抗メモリ装置は、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、磁気抵抗メモリ装置に記録されるデータの値を変えることができる。   In this magnetoresistive memory device, a voltage is applied to the magnetic tunnel junction device 10 using the bit line 31 and the diffusion region 33 as electrodes, and the spin torque of electrons aligned in a certain direction by the application of the voltage causes the magnetization of the ferromagnetic layer to change. Change direction. By changing the current direction, the value of data recorded in the magnetoresistive memory device can be changed.

このように、実施の形態3の磁気抵抗メモリ装置によれば、垂直磁化保持層を含まずに、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。したがって、一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減することができる。   As described above, according to the magnetoresistive memory device of the third embodiment, it is possible to provide a single layer that maintains the magnetization direction in a predetermined direction without including the perpendicular magnetization holding layer. Therefore, in the magnetoresistive memory device according to one embodiment, the structure of the fixed layer can be simplified, and the number of stacked magnetic tunnel junction elements can be reduced.

また、実施の形態3の磁気抵抗メモリ装置によれば、磁気トンネル接合素子の熱安定性が良好であるので、磁気抵抗メモリ装置の高密度化を実現することができる。   Further, according to the magnetoresistive memory device of the third embodiment, since the magnetic tunnel junction element has good thermal stability, it is possible to realize a high density of the magnetoresistive memory device.

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、磁気トンネル接合素子において、(111)面接合が、固定層13、自由層15の一方と絶縁層14との間であってもよい。また、磁気トンネル接合素子において、固定層13と絶縁層14との間及び自由層15と絶縁層14との間の両方が(111)面接合であってもよい。また絶縁層14は、(111)のテクスチャを有するMgGa、ZnAlまたはZnGaであってもよい。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist. For example, in the magnetic tunnel junction element, the (111) plane junction may be between one of the fixed layer 13 and the free layer 15 and the insulating layer 14. In the magnetic tunnel junction device, both the fixed layer 13 and the insulating layer 14 and the free layer 15 and the insulating layer 14 may have a (111) plane junction. Further , the insulating layer 14 may be made of MgGa 2 O 4 , ZnAl 2 O 4 or ZnGa 2 O 4 having a texture of (111).

10、20 磁気トンネル接合素子
11、21 基板
12、22 バッファ層
13、23 固定層
14、24 絶縁層
15、25 自由層
16、26 キャップ層
23A 高分極率磁性層
23B 垂直磁化保持層
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
10, 20 Magnetic tunnel junction element 11, 21 Substrate 12, 22 Buffer layer 13, 23 Fixed layer 14, 24 Insulating layer 15, 25 Free layer 16, 26 Cap layer 23A Highly polarizable magnetic layer 23B Perpendicular magnetization holding layer 30 Memory cell 31 bit line 32 semiconductor substrate 33, 34 diffusion region 35, 37 contact plug 36 source line 38 word line 39 gate insulating film

Claims (5)

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し、単一の層からなる固定層と、
前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、
少なくとも前記自由層と前記固定層のいずれかがL1型磁性合金膜であり、
前記絶縁層は(111)のテクスチャを有する層である磁気トンネル接合素子。
A free layer having a variable magnetization direction;
A fixed layer consisting of a single layer, maintaining the magnetization direction in a predetermined direction,
An insulating layer laminated between the free layer and the fixed layer,
At least one of the free layer and the fixed layer is an L11 type 1 magnetic alloy film,
The magnetic tunnel junction device, wherein the insulating layer is a layer having a texture of (111).
前記絶縁層は、(111)のテクスチャを有するMgO、MgAl4、MgGa、ZnAlまたはZnGaからなる請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 The insulating layer, MgO having a texture of (111), MgAl 2 O 4 , MgGa 2 O 4, the magnetic tunnel junction device according to claim 1 consisting of ZnAl 2 O 4 or ZnGa 2 O 4. (111)のテクスチャを有する下地層を備える請求項1または2に記載の磁気トンネル接合素子。   3. The magnetic tunnel junction device according to claim 1, further comprising an underlayer having a texture of (111). 前記固定層が、垂直磁化保持層を含まない請求項1から3のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。   4. The magnetic tunnel junction device according to claim 1, wherein the fixed layer does not include a perpendicular magnetization holding layer. 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し、単一の層からなる固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、少なくとも前記自由層と前記固定層のいずれかがL1型磁性合金膜であり、前記絶縁層は(111)のテクスチャを有する層である磁気トンネル接合素子と、
前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備える磁気抵抗メモリ装置。
A free layer having a variable magnetization direction, maintaining the magnetization direction in a predetermined direction, a fixed layer formed of a single layer, and an insulating layer laminated between the free layer and the fixed layer, is either L1 1 type magnetic alloy film of at least the free layer and the fixed layer, the insulating layer and the magnetic tunnel junction device is a layer having a texture (111),
A magnetoresistive memory device comprising: an electrode for applying a voltage to the magnetic tunnel junction element.
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