JP2020155564A - 磁気記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 安定したメモリ動作を行うことが可能な磁気抵抗効果素子を有する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、を含む磁気抵抗効果素子１００を備え、第１の磁性層は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、０．７１よりも小さいスピン偏極率を有する。【選択図】 図１Ａ

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。
半導体基板上に磁気抵抗効果素子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。
しかしながら、従来の磁気抵抗効果素子では、必ずしも安定したメモリ動作を行うことができるとは言えなかった。
特開２００９−２３９１２２号公報
安定したメモリ動作を行うことが可能な磁気抵抗効果素子を有する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、を含む磁気抵抗効果素子を備え、前記第１の磁性層は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、０．７１よりも小さいスピン偏極率を有する。
第１の実施形態に係る磁気記憶装置の基本的な構成の一例を模式的に示した断面図である。 第１の実施形態に係る磁気記憶装置の基本的な構成の他の例を模式的に示した断面図である。 電流−磁場平面におけるメモリ動作を表現するフェイズダイアグラムである。 電流−磁場平面におけるメモリ動作を表現するフェイズダイアグラムである。 電流−磁場平面におけるメモリ動作を表現するフェイズダイアグラムである。 記憶層のスピン偏極率とＭＲ比との一般的な関係を示した図である。 記憶層の組成とスピン偏極率との関係を示した図である。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
（実施形態１）
図１Ａは、第１の実施形態に係る磁気記憶装置の基本的な構成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基本的な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１００は、記憶層（第１の磁性層）１０と、参照層（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）３０とを含む積層構造で形成されている。記憶層１０は可変の磁化方向を有する強磁性層であり、参照層２０は固定された磁化方向を有する強磁性層である。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。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。
上述した磁気抵抗効果素子１００は、図示しない下部領域上に設けられている。下部領域には、半導体基板、トランジスタ、配線及び層間絶縁膜等が含まれている。
なお、図１Ａに示した磁気抵抗効果素子１００は、下層側（半導体基板側）から順に記憶層１０、トンネルバリア層３０及び参照層２０が積層されたボトムフリー型の磁気抵抗効果素子であったが、図１Ｂに示すように、下層側（半導体基板側）から順に参照層２０、トンネルバリア層３０及び記憶層１０が積層されたトップフリー型の磁気抵抗効果素子であってもよい。
また、磁気抵抗効果素子１００には、参照層２０の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有し、参照層２０から記憶層１０に印加される磁界をキャンセルする機能を有するシフトキャンセリング層がさらに積層されていてもよい。
磁気抵抗効果素子１００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低抵抗状態と、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高抵抗状態とを有している。したがって、磁気抵抗効果素子１００は、抵抗状態（低抵抗状態及び高抵抗状態）に応じて２値データ（０又は１）を記憶することが可能である。また、磁気抵抗効果素子１００には、磁気抵抗効果素子１００に流す電流の方向に応じて、低抵抗状態（平行状態）又は高抵抗状態（反平行状態）を設定することができる。
上述した磁気抵抗効果素子１００は、ＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子であり、垂直磁化を有している。すなわち、記憶層１０の磁化方向はその主面に対して垂直であり、参照層２０の磁化方向はその主面に対して垂直である。ここでの垂直とは、残留磁化の方向θが膜面に対して、４５°＜θ≦９０°の範囲内にあることを意味する。
本実施形態では、記憶層（第１の磁性層）１０は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、０．７１よりも小さいスピン偏極率（spin polarization）を有している。このような記憶層１０を用いることにより、安定したメモリ動作（安定した書き込み動作）を行うことが可能な磁気抵抗効果素子を得ることができる。以下、詳細に説明する。
一般に、スピンの運動は、以下のＬＬＧ（Landau-Lifshitz-Gilbert）方程式によって記述される。
Figure 2020155564
ここで、
Figure 2020155564
は、スピンの時間微分である。右辺第１項の
Figure 2020155564
は、歳差運動項（precession term）である。右辺第２項の
Figure 2020155564
は、緩和項（dnaping term）である。右辺第３項の
Figure 2020155564
は、スピントルク項（spin-torque term）である。
また、右辺第１項に含まれるＥは、系のエネルギーを表し、
Figure 2020155564
で与えられる。ここで、
Figure 2020155564
は、磁気異方性エネルギーである。θは、スピンの垂直方向に対する角度である。Ｍs は、磁化である。
Figure 2020155564
は、外部磁場である。
また、右辺第３項に現れる関数ｇは、スピン注入効率を表す。磁気抵抗効果素子の場合には、
Figure 2020155564
で与えられる。
ここで、ＬＬＧ方程式を以下のように表す。
Figure 2020155564
さらに、ＬＬＧ方程式を極座標で表すと、以下のようになる。
Figure 2020155564
上式を変形すると、以下のようになる。
Figure 2020155564
全ての平衡状態は、
Figure 2020155564
を解くことによって得られる。この式を、「θ＝０」のまわりで線形化すると、以下のようになる。
Figure 2020155564
ここで、Ｄは、ダイナミックマトリクスである。
スピンの安定性は、ダイナミックマトリクスの固有値の実部の符号が負になる条件で決定される。２つの固有値の１つをｋとすると、安定条件は、
Figure 2020155564
で与えられる。
ここで、簡単のために、以下の記号を導入する。
Figure 2020155564
上記の記号を用いると、
Figure 2020155564
を用いて、
Figure 2020155564
となる。
したがって、ダイナミックマトリクスの固有値は、以下のようになる。
Figure 2020155564
上記の安定条件から、以下の関係が得られる。
Figure 2020155564
これは、平行状態（Ｐ状態）の安定領域を表す。
同様に、反平行状態（ＡＰ状態）の安定領域を求めるために、（１）式を「θ＝π」のまわりで線形化する。そして、上記と同様にしてダイナミックマトリクスの固有値を求め、それに対する安定条件を求めると
Figure 2020155564
となる。
次に、「θ＝０、π」以外の「サイクル」状態を調べる。この状態は、平行状態（Ｐ状態）又は反平行状態（ＡＰ状態）が安定な状態ではなく、安定な歳差運動をする状態である。すなわち、メモリ素子として不安定な状態であり、書き込みエラーが生じ得る状態である。この状態は、
Figure 2020155564
で定義される。この定義から、次の方程式が得られる。
Figure 2020155564
上式をωについて解くと、
Figure 2020155564
が得られる。
Figure 2020155564
なので、上式はωに対して以下の区間でのみ解を持つ。
Figure 2020155564
以上、図２に示すように、式（２）、式（３）及び式（４）が、電流−磁場平面（ωj −ωH 平面）におけるメモリ動作を表現するフェイズダイアグラムとなる。図２において、横軸（ωj 軸）は電流Ｉであり、縦軸（ωH 軸）は磁場Ｈｅｘｔである。
図２において、領域Ｐは記憶層の磁化方向が参照層の磁化方向に対して平行（parallel）な状態が安定である領域、領域ＡＰは記憶層の磁化方向が参照層の磁化方向に対して反平行（antiparallel）な状態が安定である領域を示している。また、線（ａ）はＰＡＰ（parallel to antiparallel）反転境界線、線（ｂ）はＡＰＰ（antiparallel to parallel）反転境界線、線（ｃ）は不安定領域境界線である。
図２に示すように、１つの不定領域（Indefinite I）は電流軸から遠く離れて存在しているが、もう１つの不定領域（Indefinite II）は電流軸を横切るようにして存在している。この不定領域（Indefinite II）は、安定なメモリ動作に対して問題となる不安定領域である。以下、この不安定領域について説明する。
図３に示すように、一般に、不安定領域は、ωj 軸を横切って第３象限又は第４象限でＡＰＰ反転境界線（ｂ）と交わる。ここで、ωj 軸上でＡＰＰ反転境界線と不安定領域境界線との間に挟まれた領域は不安定な状態となる。メモリ動作は、一般に外部磁場ゼロで行われる。すなわち、電流軸（ｘ軸）上だけを考えればよい。この場合には、ＡＰＰ反転させるためには正の電流を流すことになるが、流す電流を大きくしてＡＰＰ反転境界線を越えるようにする。流している電流がＡＰＰ反転境界より大きくなった瞬間に不安定領域に入ってしまい、書き込み動作が不安定となる。したがって、メモリ動作として不良が発生し、書き込みエラーが増大する。
一方、図４に示すように、不安定領域が第１象限内に収まっていれば、ωj 軸上で不安定領域が交わることはない。すなわち、ＡＰＰ反転動作を行うために電流を大きくしても、不安定領域に入らない。したがって、不安定領域が第１象限内に収まっていることが、メモリ動作を安定化させる条件となる。
次に、メモリ動作を安定化させる条件について明確化する。
まず、式（４）の右辺に注目する。式（４）の右辺はωの２次式であり、その頂点は、
Figure 2020155564
である。詳細な解析から、不安定領域は以下の条件で規定されることがわかる。
Figure 2020155564
この条件を整理すると、
Figure 2020155564
となる。
上記のようにして、不安定領域が規定される。先述したように、不安定領域が第１象限内に収まる条件は、
Figure 2020155564
である。ωK ＞０であることを考えると、上記の条件から、
Ｐ＜（１／２）1/2 ≒０．７１
が導かれる。
以上のことから、記憶層１０は、０．７１よりも小さいスピン偏極率Ｐを有することが好ましいことがわかる。
次に、記憶層１０のスピン偏極率Ｐの下限について考える。
上述したように、安定なメモリ動作（安定な書き込み動作）を得るためには、記憶層１０のスピン偏極率が０．７１よりも小さいことが好ましい。しかしながら、スピン偏極率が小さすぎると、ＭＲ比が小さくなり、読み出し動作に対しては好ましくない。
図５は、記憶層のスピン偏極率ＰとＭＲ比との一般的な関係を示した図である。通常、適正な読み出し動作を行うためには、ＭＲ比が５０％程度よりも大きいことが好ましい。したがって、図５から、記憶層１０は０．４５よりも大きいスピン偏極率Ｐを有することが好ましい。
すでに述べたように、本実施形態の記憶層１０は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含有した強磁性材料層（以下、簡単化して、ＮｉＣｏＭｎＧａ層と呼ぶ場合もある）で形成されている。以下、本実施形態の記憶層（ＮｉＣｏＭｎＧａ層）１０の好ましい組成範囲について説明する。
図６は、記憶層（ＮｉＣｏＭｎＧａ層）の組成とスピン偏極率Ｐとの関係を示した図である。図６では、ＮｉＣｏＭｎＧａ層の組成を（Ｎｉ1-xＣｏx）2 ＭｎＧａで表し、横軸をｘの値としている。すなわち、コバルト（Ｃｏ）組成比に対するニッケル（Ｎｉ）組成比の比率を（１−ｘ）／ｘとして、横軸をｘの値としている。
上述したように、記憶層１０のスピン偏極率Ｐは０．７１よりも小さいことが好ましい。したがって、図６から、ｘの値は０．４５よりも小さい又は０．９５よりも大きいことが好ましい。また、上述したように、記憶層１０のスピン偏極率Ｐは０．４５よりも大きいことが好ましい。したがって、図６から、ｘの値は、０．４２よりも大きく且つ０．４５よりも小さいか、又は、０．９５よりも大きく且つ１．００よりも小さいことが好ましい。
以上のように、本実施形態では、記憶層１０が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、０．７１よりも小さいスピン偏極率を有している。これにより、安定なメモリ動作を行うことができ、安定した書き込み動作を行うことが可能な磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、記憶層１０が０．４５よりも大きいスピン偏極率を有するようにすることで、ＭＲ比の低下を抑えることができ、安定した読み出し動作を行うことが可能となる。
なお、本実施形態の磁気記憶装置１００において、参照層（第２の磁性層）２０及びトンネルバリア層（非磁性層）３０には、例えば、以下のような材料を用いることができる。参照層２０には、上述した記憶層１０と同様の強磁性材料を用いてもよい。或いは、参照層２０には、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有した強磁性材料を用いてもよい。トンネルバリア層３０には、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有した絶縁材料を用いることができる。
（実施形態２）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
本実施形態でも、磁気抵抗効果素子の基本的な構成は、第１の実施形態の図１Ａ及び図１Ｂで示した磁気抵抗効果素子１００と同様である。ただし、本実施形態では、記憶層（第１の磁性層）１０が、ホイスラー（Heusler）合金で形成され、且つ０．７１よりも小さいスピン偏極率を有している。
具体的には、記憶層１０は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）の少なくとも一方と、マンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）から選択された少なくとも１つの元素とを含有するホイスラー合金で形成されている。
例えば、記憶層１０として用いるホイスラー合金には、以下のようなスピン偏極率Ｐを有する以下のような合金を用いることが可能である。
Ｃｏ2Ｆｅ（Ｓｉ0.75Ｇｅ0.25） （Ｐ＝０．７）
Ｃｏ2Ｆｅ（Ｇａ0.5Ｇｅ0.5） （Ｐ＝０．６９）
Ｃｏ2（Ｃｒ0.02Ｆｅ0.98）Ｇａ （Ｐ＝０．６７）
Ｃｏ2Ｍｎ（Ｇｅ0.25Ｓｎ0.75） （Ｐ＝０．６７）
Ｃｏ2（Ｍｎ0.95Ｆｅ0.05）Ｓｒ （Ｐ＝０．６５）
（Ｃｏ1.93Ｆｅ0.062）ＭｎＧｅ （Ｐ＝０．６８）
Ｃｏ2（Ｍｎ0.5Ｆｅ0.5）Ｇａ （Ｐ＝０．７）
Ｃｏ2（Ｃｒ0.02Ｆｅ0.98）Ｓｉ （Ｐ＝０．６５）
Ｃｏ2Ｍｎ（Ｔｉ0.25Ｓｎ0.75） （Ｐ＝０．６４）
Ｃｏ2Ｍｎ（Ａｌ0.5Ｓｎ0.5） （Ｐ＝０．６３）
Ｃｏ2Ｍｎ（Ｇａ0.25Ｓｉ0.75） （Ｐ＝０．６３）
Ｃｏ2Ｍｎ（Ｓｉ0.25Ｇｅ0.75） （Ｐ＝０．６３）
Ｃｏ2（Ｍｎ0.5Ｆｅ0.5）Ｓｉ （Ｐ＝０．６１）
Ｃｏ2Ｍｎ（Ａｌ0.5Ｓｉ0.5） （Ｐ＝０．６）
Ｃｏ2Ｆｅ（Ｇａ0.5Ｓｉ0.5） （Ｐ＝０．６）
Ｃｏ2Ｆｅ（Ａｌ0.5Ｓｉ0.5） （Ｐ＝０．６）
Ｃｏ2ＣｒＡｌ （Ｐ＝０．６２）
Ｃｏ2ＣｒＧａ （Ｐ＝０．６１）
Ｃｏ2ＭｎＳｎ （Ｐ＝０．６）
Ｃｏ2ＭｎＡｌ （Ｐ＝０．６）
Ｃｏ2ＭｎＧａ （Ｐ＝０．６）
Ｃｏ2ＦｅＳｉ （Ｐ＝０．６）
Ｃｏ2ＦｅＡｌ （Ｐ＝０．５９）
Ｃｏ2ＭｎＧｅ （Ｐ＝０．５８）
Ｃｏ2ＦｅＧｅ （Ｐ＝０．５８）
Ｃｏ2ＦｅＧａ （Ｐ＝０．５８）
Ｃｏ2ＴｉＳｎ （Ｐ＝０．５７）
Ｃｏ2ＭｎＳｉ （Ｐ＝０．５６）
Ｆｅ2ＶＡｌ （Ｐ＝０．５６）
Ｃｏ2ＶＡｌ （Ｐ＝０．４８）。
本実施形態では、記憶層１０が、ホイスラー合金で形成され、０．７１よりも小さいスピン偏極率を有している。これにより、第１の実施形態で述べた理由と同様の理由により、安定なメモリ動作を行うことができ、安定した書き込み動作を行うことが可能な磁気抵抗効果素子を得ることができる。また、本実施形態においても、第１の実施形態で述べた理由と同様の理由により、記憶層１０が０．４５よりも大きいスピン偏極率を有するようにすることで、ＭＲ比の低下を抑えることができ、安定した読み出し動作を行うことが可能となる。
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。
１００…磁気抵抗効果素子
１０…記憶層（第１の磁性層）
２０…参照層（第２の磁性層）
３０…トンネルバリア層（非磁性層）

Claims (6)

  1. 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、
    を含む磁気抵抗効果素子を備え、
    前記第１の磁性層は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、０．７１よりも小さいスピン偏極率を有する
    ことを特徴とする磁気記憶装置。
  2. 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、
    を含む磁気抵抗効果素子を備え、
    前記第１の磁性層は、ホイスラー（Heusler）合金で形成され、０．７１よりも小さいスピン偏極率を有する
    ことを特徴とする磁気記憶装置。
  3. 前記第１の磁性層は、０．４５よりも大きいスピン偏極率を有する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記憶装置。
  4. 前記第１の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）の少なくとも一方と、マンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、スズ（Ｓｎ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）から選択された少なくとも１つの元素とを含有する
    ことを特徴とする請求項２に記載の磁気記憶装置。
  5. 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、
    を含む磁気抵抗効果素子を備え、
    前記第１の磁性層は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）及びガリウム（Ｇａ）を含有し、コバルト（Ｃｏ）組成比に対するニッケル（Ｎｉ）組成比の比率を（１−ｘ）／ｘとして、ｘの値は０．４５よりも小さい又は０．９５よりも大きい
    ことを特徴とする磁気記憶装置。
  6. 前記ｘの値は、０．４２よりも大きく且つ０．４５よりも小さい、又は０．９５よりも大きく且つ１．００よりも小さい
    ことを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置。
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