JP2020043133A - 磁気記憶装置 - Google Patents

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岩崎 剛之
Takayuki Iwasaki
剛之 岩崎
昭之 村山
Akiyuki Murayama
昭之 村山
甲斐 正
Tadashi Kai
正 甲斐
忠臣 大坊
Tatatomi Daibo
忠臣 大坊
将起 遠藤
Masaki Endo
将起 遠藤
俊平 大嶺
Shumpei OMINE
俊平 大嶺
太一 五十嵐
Taichi IGARASHI
太一 五十嵐
伊藤 順一
Junichi Ito
順一 伊藤
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Abstract

【課題】抵抗変化率、及びリテンションを向上させる。【解決手段】一実施形態の磁気記憶装置は、非磁性体と、上記非磁性体上に設けられた積層体と、を含む磁気抵抗効果素子を備える。上記積層体は、上記非磁性体上に設けられた第1強磁性体と、上記第1強磁性体と交換結合した第2強磁性体と、上記第1強磁性体と上記第2強磁性体との間に設けられた磁性体と、を含む。上記磁性体は、磁性元素と、炭化物、窒化物、及びホウ化物のうちから選択される少なくとも1つの化合物と、を含む。【選択図】図4

Description

実施形態は、磁気記憶装置に関する。
磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いた磁気記憶装置(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)が知られている。
特許第4244312号公報 特許第5150284号公報 特許第5518896号公報
抵抗変化率、及びリテンションを向上させる。
実施形態の磁気記憶装置は、非磁性体と、上記非磁性体上に設けられた積層体と、を含む磁気抵抗効果素子を備える。上記積層体は、上記非磁性体上に設けられた第1強磁性体と、上記第1強磁性体と交換結合した第2強磁性体と、上記第1強磁性体と上記第2強磁性体との間に設けられた磁性体と、を含む。上記磁性体は、磁性元素と、炭化物、窒化物、及びホウ化物のうちから選択される少なくとも1つの化合物と、を含む。
第1実施形態に係る磁気記憶装置の構成を説明するためのブロック図。 第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための回路図。 第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための断面図。 第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図。 第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図。 第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図。 第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図。 第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図。 第1変形例に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図。 第2変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための回路図。 第2変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルの構成を説明するための断面図。
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。また、共通する参照符号を有する複数の構成要素を区別する場合、当該共通する参照符号に添え字を付して区別する。なお、複数の構成要素について特に区別を要さない場合、当該複数の構成要素には、共通する参照符号のみが付され、添え字は付さない。ここで、添え字は、下付き文字や上付き文字に限らず、例えば、参照符号の末尾に添加される、小文字のアルファベット、及び配列を意味するインデックス等を含む。
1.第1実施形態
第1実施形態に係る磁気記憶装置について説明する。第1実施形態に係る磁気記憶装置は、例えば、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)によって磁気抵抗効果(Magnetoresistive effect)を有する素子(MTJ素子、又はmagnetoresistive effect element)を記憶素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置である。
1.1 構成について
まず、第1実施形態に係る磁気記憶装置の構成について説明する。
1.1.1 磁気記憶装置の構成について
図1は、第1実施形態に係る磁気記憶装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、磁気記憶装置1は、メモリセルアレイ10、ロウ選択回路11、カラム選択回路12、デコード回路13、書込み回路14、読出し回路15、電圧生成回路16、入出力回路17、及び制御回路18を備えている。
メモリセルアレイ10は、各々が行(row)、及び列(column)の組に対応付けられた複数のメモリセルMCを備えている。具体的には、同一行にあるメモリセルMCは、同一のワード線WLに接続され、同一列にあるメモリセルMCは、同一のビット線BLに接続される。
ロウ選択回路11は、ワード線WLを介してメモリセルアレイ10と接続される。ロウ選択回路11には、デコード回路13からのアドレスADDのデコード結果(ロウアドレス)が供給される。ロウ選択回路11は、アドレスADDのデコード結果に基づいた行に対応するワード線WLを選択状態に設定する。以下において、選択状態に設定されたワード線WLは、選択ワード線WLと言う。また、選択ワード線WL以外のワード線WLは、非選択ワード線WLと言う。
カラム選択回路12は、ビット線BLを介してメモリセルアレイ10と接続される。カラム選択回路12には、デコード回路13からのアドレスADDのデコード結果(カラムアドレス)が供給される。カラム選択回路12は、アドレスADDのデコード結果に基づいた列を選択状態に設定する。以下において、選択状態に設定されたビット線BLは、選択ビット線BLと言う。また、選択ビット線BL以外のビット線BLは、非選択ビット線BLと言う。
デコード回路13は、入出力回路17からのアドレスADDをデコードする。デコード回路13は、アドレスADDのデコード結果を、ロウ選択回路11、及びカラム選択回路12に供給する。アドレスADDは、選択されるカラムアドレス、及びロウアドレスを含む。
書込み回路14は、メモリセルMCへのデータの書込みを行う。書込み回路14は、例えば、書込みドライバ(図示せず)を含む。
読出し回路15は、メモリセルMCからのデータの読出しを行う。読出し回路15は、例えば、センスアンプ(図示せず)を含む。
電圧生成回路16は、磁気記憶装置1の外部(図示せず)から提供された電源電圧を用いて、メモリセルアレイ10の各種の動作のための電圧を生成する。例えば、電圧生成回路16は、書込み動作の際に必要な種々の電圧を生成し、書込み回路14に出力する。また、例えば、電圧生成回路16は、読出し動作の際に必要な種々の電圧を生成し、読出し回路15に出力する。
入出力回路17は、磁気記憶装置1の外部からのアドレスADDを、デコード回路13に転送する。入出力回路17は、磁気記憶装置1の外部からのコマンドCMDを、制御回路18に転送する。入出力回路17は、種々の制御信号CNTを、磁気記憶装置1の外部と、制御回路18と、の間で送受信する。入出力回路17は、磁気記憶装置1の外部からのデータDATを書込み回路14に転送し、読出し回路15から転送されたデータDATを磁気記憶装置1の外部に出力する。
制御回路18は、制御信号CNT及びコマンドCMDに基づいて、磁気記憶装置1内のロウ選択回路11、カラム選択回路12、デコード回路13、書込み回路14、読出し回路15、電圧生成回路16、及び入出力回路17の動作を制御する。
1.1.2 メモリセルアレイの構成について
次に、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成について図2を用いて説明する。図2は、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を示す回路図である。図2では、ワード線WLが2つの小文字のアルファベット(“u”及び“d”)と、インデックス(“<>”)と、を含む添え字によって分類されて示されている。
図2に示すように、メモリセルMC(MCu及びMCd)は、メモリセルアレイ10内でマトリクス状に配置され、複数のビット線BL(BL<0>、BL<1>、…、BL<N>))のうちの1本と、複数のワード線WLd(WLd<0>、WLd<1>、…、WLd<M>)及びWLu(WLu<0>、WLu<1>、…、WLu<M>)のうちの1本と、の組に対応付けられる(M及びNは、任意の整数)。すなわち、メモリセルMCd<i、j>(0≦i≦M、0≦j≦N)は、ワード線WLd<i>とビット線BL<j>との間に接続され、メモリセルMCu<i、j>は、ワード線WLu<i>とビット線BL<j>との間に接続される。
なお、添え字の“d”及び“u”はそれぞれ、例えば、ビット線BLに対して下方に設けられたもの、及び上方に設けられたもの、を便宜的に識別するものである。メモリセルアレイ10の立体的な構造の例については、後述する。
メモリセルMCd<i、j>は、直列に接続されたセレクタSELd<i、j>及び磁気抵抗効果素子MTJd<i、j>を含む。メモリセルMCu<i、j>は、直列に接続されたセレクタSELu<i、j>及び磁気抵抗効果素子MTJu<i、j>を含む。
セレクタSELは、対応する磁気抵抗効果素子MTJへのデータ書込み及び読出し時において、磁気抵抗効果素子MTJへの電流の供給を制御するスイッチとしての機能を有する。より具体的には、例えば、或るメモリセルMC内のセレクタSELは、当該メモリセルMCに印加される電圧が閾値電圧Vthを下回る場合、抵抗値の大きい絶縁体として電流を遮断し(オフ状態となり)、閾値電圧Vthを上回る場合、抵抗値の小さい導電体として電流を流す(オン状態となる)。すなわち、セレクタSELは、流れる電流の方向に依らず、メモリセルMCに印加される電圧の大きさに応じて、電流を流すか遮断するかを切替え可能な機能を有する。
セレクタSELは、例えば2端子間スイッチ素子であってもよい。2端子間に印加する電圧が閾値以下の場合、そのスイッチ素子は”高抵抗”状態、例えば電気的に非導通状態である。2端子間に印加する電圧が閾値以上の場合、スイッチ素子は”低抵抗”状態、例えば電気的に導通状態に変わる。スイッチ素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。例えば、このスイッチ素子には、Te(テルル)、Se(セレン)及びS(硫黄)からなる群より選択された少なくとも1種以上のカルコゲン元素を含んでもよい。または、上記カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。このスイッチ素子は他にも、B(ボロン)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、C(炭素)、Si(ケイ素)、Ge(ゲルマニウム)、Sn(スズ)、As(ヒ素)、P(リン)、及びSb(アンチモン)からなる群より選択された少なくとも1種以上の元素を含んでもよい。
磁気抵抗効果素子MTJは、セレクタSELによって供給を制御された電流により、抵抗値を低抵抗状態と高抵抗状態とに切替わることができる。磁気抵抗効果素子MTJは、その抵抗状態の変化によってデータを書込み可能であり、書込まれたデータを不揮発に保持し、読出し可能である記憶素子として機能する。
次に、メモリセルアレイ10の断面構造について図3を用いて説明する。図3は、第1実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイについての、ワード線に沿う断面構造の一例を示している。
図3に示すように、磁気記憶装置1は、半導体基板20上に設けられている。以下の説明では、半導体基板20の表面と平行な面をXY平面とし、XY平面に垂直な方向をZ方向とする。また、ワード線WLに沿う方向をX方向とし、ビット線BLに沿う方向をY方向とする。
半導体基板20の上面上には、例えば、ワード線WLdとして機能する複数の導電体21が設けられる。複数の導電体21は、例えば、Y方向に沿って並んで設けられ、各々がX方向に沿って延びる。図3では、複数の導電体21のうちの1つが示されている。1つの導電体21の上面上には、磁気抵抗効果素子MTJdとして機能する複数の素子22が、例えばX方向に沿って並んで設けられる。すなわち、1つの導電体21には、X方向に沿って並ぶ複数の素子22が共通して接続される。複数の素子22の各々の上面上には、セレクタSELdとして機能する素子23が設けられる。複数の素子23の各々の上面上には、ビット線BLとして機能する導電体24が設けられる。複数の導電体24は、例えば、X方向に沿って並んで設けられ、各々がY方向に沿って延びる。すなわち、1つの導電体24には、Y方向に沿って並ぶ複数の素子23が共通して接続される。
複数の導電体24の各々の上面上には、磁気抵抗効果素子MTJuとして機能する複数の素子25が設けられる。すなわち、1つの導電体24には、Y方向に沿って並ぶ複数の素子25が共通して接続される。素子25は、例えば、素子22と同等の機能構成を有する。複数の素子25の各々の上面上には、セレクタSELuとして機能する素子26が設けられる。素子26は、例えば、素子23と同等の機能構成を有する。X方向に沿って並ぶ複数の素子26の各々の上面上には、ワード線WLuとして機能する1本の導電体27が共通して接続される。そしてこのような導電体27がY方向に沿って複数本並んで設けられる。複数の導電体27の各々は、例えば、X方向に沿って延びる。
以上のように構成されることにより、メモリセルアレイ10は、1本のビット線BLに対して、2本のワード線WLd及びWLuの組が対応する構造となる。そして、メモリセルアレイ10は、ワード線WLdとビット線BLとの間にメモリセルMCdが設けられ、ビット線BLとワード線WLuとの間にメモリセルMCuが設けられる積層型のクロスポイント構造を有する。図3において示された積層型のクロスポイント構造においては、メモリセルMCdが下層に対応付けられ、メモリセルMCuが上層に対応付けられる。すなわち、1つのビット線BLに共通に接続される2つのメモリセルMCのうち、ビット線BLの上層に設けられるメモリセルMCは添え字“u”が付されたメモリセルMCuに対応し、下層に設けられるメモリセルMCは添え字“d”が付されたメモリセルMCdに対応する。
なお、図3の例では、導電体21、素子22及び23、導電体24、素子25及び26、並びに導電体27は、互いに接するように示されているが、これに限らず、各要素間には、その他の要素が介在して設けられていてもよい。
1.1.3 磁気抵抗効果素子の構成について
次に、第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成について図4を用いて説明する。図4は、第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。図4では、例えば、図3に示された磁気抵抗効果素子MTJ(すなわち、素子22又は25)をZ方向に垂直な平面(例えば、XZ平面)に沿って切った断面の一例が示される。
図4に示すように、素子22及び25の各々は、記憶層SL(Storage layer)として機能する積層体31、トンネルバリア層TB(Tunnel barrier layer)として機能する非磁性体32、参照層RL(Reference layer)として機能する強磁性体33、スペーサ層SP(Spacer layer)として機能する非磁性体34、及びシフトキャンセル層SCL(Shift cancelling layer)として機能する強磁性体35を含む。
素子22は、例えば、ワード線WLd側からビット線BL側に向けて(Z軸方向に)、強磁性体35、非磁性体34、強磁性体33、非磁性体32、及び積層体31の順に、複数の材料が積層される。素子25は、例えば、ビット線BL側からワード線WLu側に向けて(Z軸方向に)、強磁性体35、非磁性体34、強磁性体33、非磁性体32、及び積層体31の順に、複数の材料が積層される。素子22及び25は、例えば、素子22及び25を構成する磁性体の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化型のMTJ素子として機能する。
積層体31は、界面記憶層SL1として機能する強磁性体31a、機能層(FL:Function layer)として機能する軟磁性体31b、及び界面記憶層SL1と交換結合する層SL2として機能する強磁性体31cを含む。積層体31は、例えば、非磁性体32上に、強磁性体31a、軟磁性体31b、及び強磁性体31cの順に積層される。
強磁性体31aは、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体31aは、ビット線BL側、ワード線WL側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体31aは、例えば、コバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含み、体心立方(bcc:Body ‐ centered cubic)系の結晶構造を有し得る。
軟磁性体31bは、軟磁性を有し、強磁性体31aと磁気的に結合することによって強磁性体31aと同一の方向に向かう磁化方向を有する。軟磁性体31bは、アモルファス構造を有し、互いに異なる結晶構造を有する強磁性体31a、及び強磁性体31cを結晶的に分断しつつ接合する機能を有する。また、軟磁性体31bは、例えば、自身が有する磁性によって、強磁性体31aと、強磁性体31cとの間の交換結合を維持する機能を有する。加えて、軟磁性体31bは、高い導電性を有し得る。
上述の要求を満たす材料として、例えば、軟磁性体31bは、磁性を有する元素(磁性元素)と、当該磁性元素に添加される添加物と、を含む。より具体的には、軟磁性体31bは、例えば、磁性を有する観点から、磁性元素として、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)のうちから選択される少なくとも1つの元素を含む。また、軟磁性体31bは、添加物として、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、及びタンタル(Ta)のうちから選択される少なくとも1つの添加元素を含む。
なお、磁性材料に上述の添加元素を添加すると、キュリー温度が低下し得る。一方、上述した軟磁性体31bに含まれる化合物は、高温環境下(例えば、300℃以上400℃以下)に曝された場合でも、軟磁性を喪失しないことが望ましい。すなわち、軟磁性体31bは、例えば、少なくとも600K以上のキュリー温度を有する材料から選択されることが望ましい。上述の観点から、軟磁性体31bに含まれる上述の添加元素は、窒素(N)、炭素(C)、及びホウ素(B)のうちから選択される少なくとも1つの化合物であることが望ましい。より具体的には、軟磁性体31bは、例えば、添加物として、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、ホウ化チタン(TiB)、及びホウ化ジルコニウム(ZrB)のうちから選択される少なくとも1つの化合物を含む。これにより、軟磁性体31b内で添加物と磁性元素とが混ざりにくくなる。具体的には、上述の化合物は、極性が負で絶対値が大きい(例えば、−250/kJ・mol−1以下である)標準生成エネルギを有する。このため、アモルファス性を実現しつつ、キュリー温度の低下を抑制することができる。したがって、軟磁性体31bは、強磁性体31aと31cとを結晶的に分断することができ、後述する強磁性体31aの結晶化を促進することができる。
また、上述の化合物は、電気抵抗率が大きい(例えば、50μΩcm以上である)。これにより、軟磁性体31bが設けられることによる書込み電流の増加が抑制され、より少ない電流で磁気抵抗効果素子MTJにデータの書込みを行うことができる。
なお、アモルファス化を促進するために上述の化合物の添加量を増やしていくと、軟磁性体31b内に含まれる磁性元素の割合が低下し、軟磁性体31bの磁性が失われる可能性がある。このため、軟磁性体31b内の化合物は、軟磁性体31bの磁性が失われない程度の割合に抑えられることが望ましい。具体的には、例えば、軟磁性体31bに含まれる化合物は、例えば、5mol%以上50mol%以下の範囲の濃度で含まれることが望ましい。
強磁性体31cは、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体31cは、軟磁性体31bを介して強磁性体31aと交換結合することによって、強磁性体31aと同一の磁化方向を有し得る。このため、積層体31は、強磁性体31aと強磁性体31cとの交換結合によって積層体31単体としての磁化が増加し、熱や外部磁場等の外的擾乱に対して変化しにくくなる。強磁性体31cは、例えば、非磁性の貴金属元素及び磁性元素を含む人工格子によって構成され、例えば、面心立方(fcc:Face ‐ centered cubic)系の結晶構造を有し得る。貴金属元素としては、例えば、銀(Ag)、金(Au)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、ルテニウム(Ru)、及びロジウム(Rh)のうちから選択される少なくとも1つの元素を含む。また、磁性元素としては、例えば、コバルト(Co)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、及びニッケル(Ni)のうちから選択される少なくとも1つの元素を含む。より具体的には、強磁性体31cは、コバルト(Co)と白金(Pt)との多層膜(Co/Pt多層膜)、コバルト(Co)とパラジウム(Pd)との多層膜(Co/Pd多層膜)、コバルトクロム(CoCr)と白金(Pt)との多層膜(CoCr/Pt多層膜)、コバルト(Co)とルテニウム(Ru)との多層膜(Co/Ru多層膜)、コバルト(Co)とオスミウム(Os)との多層膜(Co/Os多層膜)、コバルト(Co)と金(Au)との多層膜(Co/Au多層膜)、ニッケル(Ni)と銅(Cu)との多層膜(Ni/Cu多層膜)等により構成される人工格子が挙げられる。強磁性体31cは、人工格子内の磁性元素の添加、及び磁性元素と非磁性元素の層の厚さの比を調整することで、磁気異方性エネルギの密度、及び飽和磁化等を調整することができ、高い垂直磁気異方性を得ることができる。
非磁性体32は、非磁性の絶縁膜であり、例えば酸化マグネシウム(MgO)を含む。非磁性体32は、強磁性体31aと強磁性体33との間に設けられて、これら2つの強磁性体間に磁気トンネル接合を構成する。
強磁性体33は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体33は、ビット線BL側、ワード線WL側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体33は、例えば、コバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含む。強磁性体33の磁化方向は、固定されており、図4の例では、強磁性体35の方向を向いている。なお、「磁化方向が固定されている」とは、交換結合した強磁性体31a及び31cの磁化方向を反転させ得る大きさの電流(スピントルク)によって、磁化方向が変化しないことを意味する。
なお、図4では図示を省略しているが、強磁性体33は、複数の層からなる積層体であってもよい。具体的には例えば、強磁性体33を構成する積層体は、上述のコバルト鉄ボロン(CoFeB)又はホウ化鉄(FeB)を含む層の、強磁性体35側の面上に、非磁性の導電体を介して、更なる強磁性体が積層される構造であってもよい。強磁性体33を構成する積層体内の非磁性の導電体は、例えば、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)、タングステン(W)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、及びチタン(Ti)から選択される少なくとも1つの金属を含み得る。強磁性体33を構成する積層体内の更なる強磁性体は、例えば、コバルト(Co)と白金(Pt)との多層膜(Co/Pt多層膜)、コバルト(Co)とニッケル(Ni)との多層膜(Co/Ni多層膜)、又はコバルト(Co)とパラジウム(Pd)との多層膜(Co/Pd多層膜)から選択される少なくとも1つの人工格子を含み得る。
非磁性体34は、非磁性の導電膜であり、例えばルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、バナジウム(V)、又はクロム(Cr)から選択される少なくとも1つの元素を含む。
強磁性体35は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体35は、例えばコバルト白金(CoPt)、コバルトニッケル(CoNi)、又はコバルトパラジウム(CoPd)から選択される少なくとも1つの合金を含む。強磁性体35は、強磁性体33と同様、複数の層からなる積層体であってもよい。その場合、強磁性体35は、例えば、コバルト(Co)と白金(Pt)との多層膜(Co/Pt多層膜)、コバルト(Co)とニッケル(Ni)との多層膜(Co/Ni多層膜)、又はコバルト(Co)とパラジウム(Pd)との多層膜(Co/Pd多層膜)から選択される少なくとも1つの人工格子を含み得る。
強磁性体35は、ビット線BL側、ワード線WL側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体35の磁化方向は、固定されており、図4の例では、強磁性体33の方向を向いている。なお、「磁化方向が固定されている」とは、交換結合した強磁性体31a及び31cの磁化方向を反転させ得る大きさの電流(スピントルク)によって、磁化方向が変化しないことを意味する。
強磁性体33及び35は、非磁性体34によって反強磁性的に結合される。すなわち、強磁性体33及び35は、互いに反平行な磁化方向を有するように結合される。このため、図4の例では、強磁性体33の磁化方向は、強磁性体35の方向を向いている。このような強磁性体33、非磁性体34、及び強磁性体35の結合構造を、SAF(Synthetic Anti‐Ferromagnetic)構造という。これにより、強磁性体35は、強磁性体33の漏れ磁場が強磁性体31aの磁化方向に与える影響を相殺することができる。このため、強磁性体31a及び31cは、強磁性体33の漏れ磁場等に起因する外部要因によって、磁化の反転し易さに非対称性が発生すること(すなわち、磁化の方向の反転する際の反転し易さが、一方から他方に反転する場合と、その逆方向に反転する場合とで異なること)が抑制される。
第1実施形態では、このような磁気抵抗効果素子MTJに直接書込み電流を流し、この書込み電流によって記憶層SL及び参照層RLにスピントルクを注入し、記憶層SLの磁化方向及び参照層RLの磁化方向を制御するスピン注入書込み方式を採用する。磁気抵抗効果素子MTJは、記憶層SL及び参照層RLの磁化方向の相対関係が平行か反平行かによって、低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかを取ることが出来る。
磁気抵抗効果素子MTJに、図4における矢印A1の方向、即ち記憶層SLから参照層RLに向かう方向に、或る大きさの書込み電流Iw0を流すと、記憶層SL及び参照層RLの磁化方向の相対関係は、平行になる。この平行状態の場合、磁気抵抗効果素子MTJの抵抗値は最も低くなり、磁気抵抗効果素子MTJは低抵抗状態に設定される。この低抵抗状態は、「P(Parallel)状態」と呼ばれ、例えばデータ“0”の状態と規定される。
また、磁気抵抗効果素子MTJに、図4における矢印A2の方向、即ち記憶層SLから参照層RLに向かう方向(矢印A1と同じ方向)に、書込み電流Iw0より大きい書込み電流Iw1を流すと、記憶層SL及び参照層RLの磁化方向の相対関係は、反平行になる。この反平行状態の場合、磁気抵抗効果素子MTJの抵抗値は最も高くなり、磁気抵抗効果素子MTJは高抵抗状態に設定される。この高抵抗状態は、「AP(Anti‐Parallel)状態」と呼ばれ、例えばデータ“1”の状態と規定される。
なお、以下の説明では、上述したデータの規定方法に従って説明するが、データ“1”及びデータ“0”の規定の仕方は、上述した例に限られない。例えば、P状態をデータ“1”と規定し、AP状態をデータ“0”と規定してもよい。
1.2 製造方法について
次に、第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。
図5〜図8は、第1実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図である。図5〜図8では、説明を簡単にするため、便宜上、磁気抵抗効果素子MTJを構成する各層のうち、強磁性体31a、軟磁性体31b、強磁性体31c、及び非磁性体32が示され、その他の層は省略されている。
図5では、トンネルバリア層TB、及び記憶層SLとして機能する予定の各種材料が積層された後、アニーリング処理がなされる前における状態が示される。図6では、図5の状態の後、アニーリング処理中の状態が示される。図7では、図6の後、アニーリング処理が完了した後の状態が示される。図8では、図7の後、着磁処理がなされることにより記憶層SLとしての機能が備わる状態が示される。以下、図5〜図8の各状態について順に説明する。
図5に示すように、非磁性体32、強磁性体31a、軟磁性体31b、及び強磁性体31cがこの順に積層される。非磁性体32は、bcc系の結晶構造を有する状態で積層される。強磁性体31a及び軟磁性体31bは、アモルファス状態で積層され、強磁性体31cは、fcc系の結晶構造を有する状態で積層される。積層された各層は、磁気抵抗効果素子MTJとして機能する予定の部分を除き、例えばイオンビームを用いたエッチングによって除去される。
次に、図6に示すように、図5において積層された各層に対して、アニーリング処理が行われる。具体的には、各層に対して外部から熱(例えば、300℃以上400℃以下の範囲)が所定の期間で加えられることにより、強磁性体31aがアモルファス状態から結晶質へ変換される。ここで、非磁性体32は、強磁性体31aの結晶構造の配向を制御する役割を果たし得る。すなわち、強磁性体31aは、非磁性体32をシードとして結晶構造を成長させ得る。これにより、強磁性体31aは、非磁性体32の結晶面と同じ結晶面に配向され、bcc系の結晶構造となる。
なお、軟磁性体31bは、上述の通り、標準生成エネルギが負の値で絶対値が大きい化合物を含む。このため、当該化合物が軟磁性体31b内の磁性元素と混ざり合うことが抑制され、軟磁性体31bのアモルファス性が維持される。これにより、アモルファス状態の軟磁性体31bは、上述のようなアニーリング処理の間、強磁性体31aが強磁性体31c側から結晶化することを抑制する。このため、軟磁性体31bは、bcc系に結晶化された強磁性体31aと、fcc系に結晶化された強磁性体31cとを結晶的に分断することができる。
また、軟磁性体31bは、上述の通り、窒化物、炭化物、及びホウ化物のうちから選択される少なくとも1つの化合物と、を含む。これにより、軟磁性体31bは、アニーリングの際に加えられる温度よりも高いキュリー温度となるように設計されることができる。このため、強磁性体31cは、アニーリングによって軟磁性を喪失することなく、強磁性体31aと強磁性体31cとの間の交換結合を強めることができる。
次に、図7に示すように、図6におけるアニーリング処理が終了する。上述の通り、軟磁性体31bは、fcc系の結晶構造を有する強磁性体31cによって強磁性体31aのbcc系への結晶化が阻害されることを抑制する。これにより、強磁性体31aは、記憶層SLとして機能するための界面磁気異方性等の諸特性を得ることができる。
次に、図8に示すように、図7においてアニーリング処理が終了した各層に対して、着磁処理が行われる。具体的には、各層に対して外部から、強磁性体31cと交換結合した強磁性体31aを着磁し得る程度の大きさの磁場が所定の方向(図示せず)に加えられることにより、強磁性体31a及び31cが着磁される。これに伴い、軟磁性体31bは、強磁性体31a及び31cと同等の磁化方向に着磁される。これにより、強磁性体31a、軟磁性体31b、及び強磁性体31cは、記憶層SLとしての機能し得る状態となる。
以上で、磁気抵抗効果素子MTJの製造が終了する。
1.3 本実施形態に係る効果について
第1実施形態によれば、記憶層SLは、強磁性体31a及び強磁性体31cを含む積層体31によって構成される。これにより、強磁性体31aは、強磁性体31cと交換結合することにより、積層体31全体としての磁化体積を増加させることができる。このため、積層体31は、熱や外部磁場などの外的擾乱によって強磁性体31aの磁化方向が反転しにくくなり、リテンションが向上する。
なお、強磁性体31cは、fcc系の結晶構造を有するため、強磁性体31aがbcc系に結晶化することを阻害する可能性がある。第1実施形態では、積層体31は、強磁性体31aと強磁性体31cとの間にアモルファス構造を有する軟磁性体31bが設けられる。具体的には、軟磁性体31bは、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)のうちから選択される少なくとも1つの磁性元素を含む。これにより、軟磁性体31bは、軟磁性体31bの膜厚を厚くした場合でも、自身の磁性によって強磁性体31a及び31cの交換結合を維持することができる。このため、強磁性体31aと結晶構造の異なる強磁性体31cが強磁性体31aの結晶化に与える影響を低減することができ、強磁性体31aを良質に結晶化させることができる。したがって、強磁性体31aの垂直磁気異方性を向上させることができ、ひいては、磁気抵抗効果素子MTJの抵抗変化率を向上させることができる。
また、軟磁性体31bは、上述の磁性元素に加えて、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、ホウ化チタン(TiB)、ホウ化ジルコニウム(ZrB)のうちから選択される少なくとも1つの化合物と、を更に含む。化合物は、標準生成エネルギが負で絶対値が大きいものが選択される。これにより、軟磁性体31bは、磁性元素と混ざりにくく、アモルファス状態を維持し易くなると共に、キュリー温度の低下が抑制される。このため、アニーリングの際に軟磁性体31bが結晶化すると共に軟磁性が失われることを抑制することができる。したがって、強磁性体31aの結晶化の阻害、及び強磁性体31a及び31c間の交換結合の低下を更に抑制することができる。
また、軟磁性体31bは、磁性を有するため、膜厚を厚くしても強磁性体31a及び31c間の交換結合が維持される。これにより、非磁性の機能層を適用する場合よりも膜厚を厚く設計することができる。このため、強磁性体31aの結晶化における強磁性体31cの影響をより低減することができ、ひいては、強磁性体31aの垂直磁気異方性を高めることができる。
また、軟磁性体31bは、モル濃度が5mol%以上50mol%以下の範囲で化合物を含む。これにより、軟磁性体31bは、アモルファス性を維持しつつ、磁性が失われることを抑制することができる。
また、軟磁性体31b内に含まれる添加物は、添加物として、窒素(N)、炭素(C)、及びホウ素(B)のうちから選択される少なくとも1つの化合物を含む。これにより、酸素(O)の化合物を添加物として含む場合よりも高い導電性を得ることができる。このため、磁気抵抗効果素子MTJの抵抗値増加を抑制することができ、ひいては、書込み電流の増加を抑制することができる。
2.変形例等
上述の第1実施形態で述べた磁気抵抗効果素子MTJは、記憶層SLが参照層RLの上方に設けられるトップフリー型である場合について説明したが、記憶層SLが参照層RLの下方に設けられるボトムフリー型であってもよい。
図9は、第1変形例に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図である。図9は、第1実施形態の図4において説明したトップフリー型の磁気抵抗効果素子MTJに対応し、ボトムフリー型の磁気抵抗効果素子MTJの構成が示される。
図9に示すように、ボトムフリー型として構成される場合、素子22は、例えば、ワード線WLd側からビット線BL側に向けて(Z軸方向に)、積層体31、非磁性体32、強磁性体33、非磁性体34、及び強磁性体35の順に、複数の材料が積層される。素子25は、例えば、ビット線BL側からワード線WLu側に向けて(Z軸方向に)、積層体31、非磁性体32、強磁性体33、非磁性体34、及び強磁性体35の順に、複数の材料が積層される。また、積層体31は、例えば、Z軸方向に、強磁性体31c、軟磁性体31b、及び強磁性体31aが順に積層され、強磁性体31aの上面上に非磁性体32が設けられる。強磁性体31a、軟磁性体31b、強磁性体31c、非磁性体32、強磁性体33、非磁性体34、及び強磁性体35には、例えば、第1実施形態と同等の材料が適用される。以上のように構成することにより、ボトムフリー型の場合においても、第1実施形態の場合と同等の効果を奏することができる。
また、上述の第1実施形態及び第1変形例で述べたメモリセルMCは、セレクタSELとして、2端子間スイッチ素子が適用される場合について説明したが、セレクタSELとして、MOS(Metal oxide semiconductor)トランジスタが適用されてもよい。すなわち、メモリセルアレイ10は、クロスポイント型の構造に限らず、任意のアレイ構造が適用可能である。
図10は、第2変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための回路図である。図10は、第1実施形態の図1において説明した磁気記憶装置1のうちのメモリセルアレイ10に対応する。
図10に示すように、メモリセルアレイ10Aは、各々が行及び列に対応付けられた複数のメモリセルMCを備えている。そして、同一行にあるメモリセルMCは、同一のワード線WLに接続され、同一列にあるメモリセルMCの両端は、同一のビット線BL及び同一のソース線/BLに接続される。
図11は、第2変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルの構成を説明するための断面図である。図11は、第1実施形態の図3において説明したメモリセルMCに対応する。なお、図11の例では、メモリセルMCは、半導体基板に対して積層されないため、“u”及び“d”等の添え字は付されない。
図11に示すように、メモリセルMCは、半導体基板40上に設けられ、選択トランジスタ41(Tr)及び磁気抵抗効果素子42(MTJ)を含む。選択トランジスタ41は、磁気抵抗効果素子42へのデータ書込み及び読出し時において、電流の供給及び停止を制御するスイッチとして設けられる。磁気抵抗効果素子42の構成は、第1実施形態の図3又はその他の第1変形例の図9と同等である。
選択トランジスタ41は、ワード線WLとして機能するゲート(導電体43)と、当該ゲートのx方向に沿う両端において半導体基板40上に設けられた1対のソース領域又はドレイン領域(拡散領域44)と、を備えている。導電体43は、半導体基板40上に設けられたゲート絶縁膜として機能する絶縁体45上に設けられる。導電体43は、例えば、y方向に沿って延び、y方向に沿って並ぶ他のメモリセルMCの選択トランジスタ(図示せず)のゲートに共通接続される。導電体43は、例えばx方向に並ぶ。選択トランジスタ41の第1端に設けられた拡散領域44上には、コンタクト46が設けられる。コンタクト46は、磁気抵抗効果素子42の下面(第1端)上に接続される。磁気抵抗効果素子42の上面(第2端)上にはコンタクト47が設けられ、コンタクト47の上面上には、ビット線BLとして機能する導電体48に接続される。導電体48は、例えば、x方向に延び、x方向に並ぶ他のメモリセルの磁気抵抗効果素子(図示せず)の第2端に共通接続される。選択トランジスタ41の第2端に設けられた拡散領域44上には、コンタクト49が設けられる。コンタクト49は、ソース線/BLとして機能する導電体50の下面上に接続される。導電体50は、例えば、x方向に延び、例えばx方向に並ぶ他のメモリセルの選択トランジスタ(図示せず)の第2端に共通接続される。導電体48及び50は、例えばy方向に並ぶ。導電体48は、例えば導電体50の上方に位置する。なお、図11では省略されているが、導電体48及び50は、互いに物理的及び電気的な干渉を避けて配置される。選択トランジスタ41、磁気抵抗効果素子42、導電体43、48、及び50、並びに及びコンタクト46、47、及び49は、層間絶縁膜51によって被覆される。なお、磁気抵抗効果素子42に対してx方向又はy方向に沿って並ぶ他の磁気抵抗効果素子(図示せず)は、例えば同一の階層上に設けられる。すなわち、メモリセルアレイ10A内において、複数の磁気抵抗効果素子42は、例えばXY平面上に配置される。
以上のように構成することにより、セレクタSELに2端子間スイッチではなく、3端子間スイッチであるMOSトランジスタが適用される場合についても、第1実施形態と同等の効果を奏することができる。
また、上述の実施形態及び変形例で述べたメモリセルMCは、磁気抵抗効果素子MTJがセレクタSELの下方に設けられる場合について説明したが、磁気抵抗効果素子MTJがセレクタSELの上方に設けられてもよい。
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同様に、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ものである。
1…磁気記憶装置、10…メモリセルアレイ、11…ロウ選択回路、12…カラム選択回路、13…デコード回路、14…書込み回路、15…読出し回路、16…電圧生成回路、17…入出力回路、18制御回路、20,40…半導体基板、21,24,27,43,48,50…導電体、22,23,25,26,42…素子、31…積層体、32,34…非磁性体、31a,31c,33,35…強磁性体、31b…軟磁性体、41…選択トランジスタ、44…拡散領域、45…絶縁体、46,47,49…コンタクト、51…層間絶縁膜。

Claims (12)

  1. 非磁性体と、前記非磁性体上に設けられた積層体と、を含む磁気抵抗効果素子を備え、
    前記積層体は、
    前記非磁性体上に設けられた第1強磁性体と、
    前記第1強磁性体と交換結合した第2強磁性体と、
    前記第1強磁性体と前記第2強磁性体との間に設けられた磁性体と、
    を含み、
    前記磁性体は、磁性元素と、炭化物、窒化物、及びホウ化物のうちから選択される少なくとも1つの化合物と、を含む、
    磁気記憶装置。
  2. 前記化合物は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、及びタンタル(Ta)のうちから選択される少なくとも1つの元素を更に含む、
    請求項1記載の磁気記憶装置。
  3. 前記化合物は、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、炭化チタン(TiC)、炭化ジルコニウム(ZrC)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、ホウ化チタン(TiB)、及びホウ化ジルコニウム(ZrB)のうちから選択される少なくとも1つの化合物を含む、
    請求項2記載の磁気記憶装置。
  4. 前記磁性元素は、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)のうちから選択される少なくとも1つの元素を含む、
    請求項1記載の磁気記憶装置。
  5. 前記磁性体は、軟磁性を有する、
    請求項1記載の磁気記憶装置。
  6. 前記磁性体は、アモルファスな構造を有する、
    請求項5記載の磁気記憶装置。
  7. 前記磁性体は、5モルパーセント(mol%)以上50モルパーセント(mol%)以下の濃度で前記化合物を含む、
    請求項1記載の磁気記憶装置。
  8. 前記第2強磁性体は、前記第1強磁性体と異なる結晶構造を有する、
    請求項1記載の磁気記憶装置。
  9. 前記第1強磁性体は、前記非磁性体と略同一の結晶構造を有する、
    請求項8記載の磁気記憶装置。
  10. 前記磁気抵抗効果素子は、前記非磁性体上において前記第1強磁性体の反対側に設けられた第3強磁性体を更に含み、
    前記第1強磁性体、前記非磁性体、及び前記第3強磁性体は、磁気トンネル接合を構成する、
    請求項1記載の磁気記憶装置。
  11. 前記第3強磁性体は、前記積層体よりも大きい磁化を有する、
    請求項10記載の磁気記憶装置。
  12. 前記磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に接続されたセレクタと、を含むメモリセルを備えた、
    請求項1記載の磁気記憶装置。
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