JP2022049499A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定してデータを記憶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、可変の磁化方向を有する第２の磁性層２０と、固定された磁化方向を有する第３の磁性層３０と、非磁性層５０とを備え、第１の磁性層が第２の磁性層と第３の磁性層との間に設けられ、非磁性層が第１の磁性層と第３の磁性層との間に設けられた磁気抵抗効果素子１００を備え、第２の磁性層は、第１の元素で形成された第１の元素層と第２の元素で形成された第２の元素層とが交互に積層された超格子構造を有し、１の元素はコバルト（Ｃｏ）であり、第２の元素はプラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択され、第２の磁性層は、第３の元素としてクロム（Ｃｒ）を含有している。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。

半導体基板上に記憶素子として磁気抵抗効果素子が集積化された不揮発性の磁気記憶装置が提案されている。

米国特許第９３０５５７６号明細書

安定してデータを記憶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、可変の磁化方向を有する第２の磁性層と、固定された磁化方向を有する第３の磁性層と、非磁性層と、を備え、前記第１の磁性層が前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられ、前記非磁性層が前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた磁気抵抗効果素子を備える磁気記憶装置であって、前記第２の磁性層は、第１の元素で形成された第１の元素層と第２の元素で形成された第２の元素層とが交互に積層された超格子構造を有し、前記第１の元素はコバルト（Ｃｏ）であり、前記第２の元素はプラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択され、前記第２の磁性層は、第３の元素としてクロム（Ｃｒ）を含有している。

実施形態に係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。 実施形態に係る磁気抵抗効果素子の第２の磁性層の構成を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁性層の磁気特性を示した図である。 比較例に係る磁気抵抗効果素子の磁性層の磁気特性を示した図である。 実施形態に係る磁気抵抗効果素子及び比較例に係る磁気抵抗効果素子の飽和磁化Ｍｓｔと熱的安定性ΔＥ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の変形例の構成を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置の構成の一例を模式的に示した斜視図である。 実施形態に係る磁気抵抗効果素子を用いた磁気記憶装置の構成の他の例を模式的に示した斜視図である。

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（不揮発性の磁気記憶装置）の構成を模式的に示した断面図である。具体的には、実施形態に係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。本実施形態では、磁気抵抗効果素子として、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子を適用した場合で説明を行う。実際には、複数の磁気抵抗効果素子が半導体基板上に集積化されている。

図１に示した磁気抵抗効果素子１００は、半導体基板（図示せず）の上方に設けられており、第１の磁性層１０、第２の磁性層２０、第３の磁性層３０、第４の磁性層４０、トンネルバリア層（非磁性層）５０、中間層６０、中間層７０、キャップ層８０及び下部導電層９０を含む積層構造を有している。

具体的には、磁気抵抗効果素子１００は、第１の磁性層１０及び第３の磁性層３０が第２の磁性層２０と第４の磁性層４０との間に設けられ、第１の磁性層１０が第２の磁性層２０と第３の磁性層３０との間に設けられ、トンネルバリア層（非磁性層）５０が第１の磁性層１０と第３の磁性層３０との間に設けられている。また、中間層６０が第１の磁性層１０と第２の磁性層２０との間に設けられ、中間層７０が第３の磁性層３０と第４の磁性層４０との間に設けられている。これらの層１０～７０が、キャップ層８０と下部導電層９０との間に位置している。

第１の磁性層１０は、可変の磁化方向を有する強磁性体で形成されており、磁気抵抗効果素子１００の記憶層の一部として機能する。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。第１の磁性層１０は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）の少なくとも一方を含有している。具体的には、第１の磁性層１０は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有するＣｏＦｅＢで形成されている。

第２の磁性層２０も、可変の磁化方向を有する強磁性体で形成されており、磁気抵抗効果素子１００の記憶層の一部として機能する。第２の磁性層２０の磁化方向は、第１の磁性層１０の磁化方向と同じ方向に変化する。

図２は、第２の磁性層２０の構成を模式的に示した断面図である。

第２の磁性層２０は、第１の元素で形成された第１の元素層２１と第２の元素で形成された第２の元素層２２とが交互に積層された超格子構造を有している。第１の元素はコバルト（Ｃｏ）であり、第２の元素はプラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）或いはパラジウム（Ｐｄ）である。また、第２の磁性層２０は、第３の元素としてクロム（Ｃｒ）を含有している。第２の磁性層２０の最下層（中間層６０に接する層）は、第１の元素層２１及び第２の元素層２２のどちらでもよい。第２の磁性層２０の最上層（キャップ層８０に接する層）も、第１の元素層２１及び第２の元素層２２のどちらでもよい。

なお、以降の説明では、第１の元素をコバルト（Ｃｏ）とし、第２の元素をプラチナ（Ｐｔ）として、第２の磁性層２０が、Ｃｏ層とＰｔ層とが交互に積層された超格子構造を有し、該超格子構造中にＣｒが含有されている場合について説明する。

第３の磁性層３０は、固定された磁化方向を有する強磁性体で形成されており、磁気抵抗効果素子１００の参照層の一部として機能する。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。第３の磁性層３０は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）の少なくとも一方を含有している。具体的には、第３の磁性層３０は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有するＣｏＦｅＢで形成されている。

第４の磁性層４０も、固定された磁化方向を有する強磁性体で形成されており、反強磁性結合を有している。すなわち、第４の磁性層４０は、ＳＡＦ結合（synthetic anti-ferromagnetic coupling）を有しており、磁気抵抗効果素子１００の参照層の一部として機能する。例えば、第４の磁性層４０は、Ｃｏ層或いはＣｏ／Ｐｔ超格子層で形成された第１の層部分４１と、Ｃｏ／Ｐｔ超格子層で形成された第２の層部分４２と、ルテニウム（Ｒｕ）層或いはイリジウム（Ｉｒ）層で形成された第３の層部分４３とを含んでおり、第１の層部分４１と第２の層部分４２とが第３の層部分４３を介して反強磁性結合している。

トンネルバリア層５０は、第１の磁性層１０と第３の磁性層３０との間に設けられた非磁性層であり、絶縁材料によって形成されている。トンネルバリア層５０は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有している。具体的には、トンネルバリア層５０は、ＭｇＯによって形成されている。

中間層６０は、第１の磁性層１０と第２の磁性層２０との間に設けられた非磁性層であり、所定の金属材料によって形成さている。この中間層６０は、後述するように、第３の元素としてクロム（Ｃｒ）を含有する第３の元素含有層として機能させるようにしてもよい。

中間層７０は、第３の磁性層３０と第４の磁性層４０との間に設けられた非磁性層であり、所定の金属材料（例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）或いはタングステン（Ｗ）、等）によって形成されている。

キャップ層８０は、第２の磁性層２０上に設けられた非磁性層である。このキャップ層８０は、キャップ層としての機能に加えて、第３の元素としてクロム（Ｃｒ）を含有する第３の元素含有層としての機能も有している。このキャップ層８０については、後で詳細に説明する。

下部導電層９０は、第４の磁性層４０下に設けられた非磁性層であり、タンタル（Ｔａ）層等によって形成されている。

上述した磁気抵抗効果素子１００は、垂直磁化を有するＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子である。すなわち、第１の磁性層１０、第２の磁性層２０、第３の磁性層３０及び第４の磁性層４０はいずれも、その膜面に対して垂直な磁化方向を有している。

また、上述した磁気抵抗効果素子１００は、第１の磁性層１０の磁化方向が第３の磁性層３０の磁化方向に対して平行である場合には相対的に低抵抗状態であり、第１の磁性層１０の磁化方向が第３の磁性層３０の磁化方向に対して反平行である場合には相対的に高抵抗状態である。したがって、磁気抵抗効果素子１００は、抵抗状態（低抵抗状態或いは高抵抗状態）に応じて２値データ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に流れる電流の方向に応じて抵抗状態（低抵抗状態或いは高抵抗状態）を設定することが可能である。

本実施形態によれば、飽和磁化Ｍｓｔが低く且つ垂直磁気異方性が高い磁気抵抗効果素子を得ることが可能である。したがって、集積回路の微細化及び高集積化が進んでも、安定してデータを記憶する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。

磁気抵抗効果素子において、安定してデータを記憶するためには、高い熱的安定性ΔＥを得ることが重要である。ところが、集積回路の微細化及び高集積化が進むと、隣接する磁気抵抗効果素子間での漏れ磁界の影響が大きくなる。そのため、飽和磁化Ｍｓｔを下げながら高い熱的安定性ΔＥを確保しなければならず、高い熱的安定性ΔＥを有する磁気抵抗効果素子を得ることが難しくなってくる。

本実施形態では、第１の元素層（例えば、Ｃｏ層）２１及び第２の元素層（例えば、Ｐｔ層）２２の超格子構造を有する第２の磁性層２０中に、第３の元素としてＣｒが含有されている。このように、Ｃｒを含有した第２の磁性層２０を用いることで、第２の磁性層２０の垂直磁気異方性を高めることができ、飽和磁化Ｍｓｔが低くても、高い熱的安定性ΔＥを確保することが可能である。

図３は本実施形態の磁性層（Ｃｒを含有したＣｏ／Ｐｔ超格子層）の磁気特性（外部磁場Ｈｅｘと磁化Ｍｔとの関係）を示した図であり、図４は比較例の磁性層（Ｃｒを含有していないＣｏ／Ｐｔ超格子層）の磁気特性を示した図である。図３及び図４からわかるように、本実施形態（図３）では比較例（図４）に比べて飽和磁化が低くなっている。

図５は、飽和磁化Ｍｓｔと熱的安定性ΔＥとの関係を示した図である。本実施形態の磁性層（Ｃｒを含有したＣｏ／Ｐｔ超格子層）を第２の磁性層２０として用いた場合（ａ）には、比較例の磁性層（Ｃｒを含有していないＣｏ／Ｐｔ超格子層）を第２の磁性層２０として用いた場合（ｂ）に比べて、熱的安定性ΔＥが大きく向上している。すなわち、本実施形態の場合には、低い飽和磁化Ｍｓｔでも高い熱的安定性ΔＥが得られている。

図３、図４及び図５からわかるように、本実施形態では、Ｃｒを含有した第２の磁性層２０を用いることで、飽和磁化Ｍｓｔが低くても、高い熱的安定性ΔＥを有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能である。

Ｃｒが含有された第２の磁性層２０は、Ｃｒ含有層であるキャップ層８０から熱処理によって第２の磁性層２０中へＣｒを拡散させることで形成することが可能である。このように、キャップ層８０から第２の磁性層２０中へＣｒを拡散させることにより、第２の磁性層（Ｃｏ／Ｐｔ超格子層）２０の超格子構造が維持された状態で、第２の磁性層２０中にＣｒを含有させることが可能である。

一般に、第２の磁性層（Ｃｏ／Ｐｔ超格子層）２０がトンネルバリア層５０の上層側に設けられている場合、高い垂直磁気異方性を有するＣｏ／Ｐｔ超格子層を形成することが難しい。本実施形態のように、キャップ層８０から第２の磁性層（Ｃｏ／Ｐｔ超格子層）２０中へＣｒを拡散させることで、容易に第２の磁性層２０中にＣｒを含有させることができ、高い垂直磁気異方性を有する第２の磁性層２０を形成することが可能である。

以下、キャップ層（Ｃｒ含有層）８０の例について説明する。

第１の例は、キャップ層（Ｃｒ含有層）８０として、実質的にＣｒ（第３の元素）のみを含有するＣｒ層を用いるものである。

第２の例は、キャップ層（Ｃｒ含有層）８０が、Ｃｒ（第３の元素）と、Ｃｏ（第１の元素）及びＰｔ（第２の元素）の少なくとも一方の元素とを含有するものである。具体的には、第２の例では、キャップ層（Ｃｒ含有層）８０として、ＣｒＣｏ合金層、ＣｒＰｔ合金層、或いはＣｒＣｏＰｔ合金層を用いる。

なお、第１の例及び第２の例いずれにおいても、第２の磁性層２０の最上層（キャップ層８０に接する層）は、Ｃｏ層及びＰｔ層のどちらであってもよい。

なお、本実施形態では、キャップ層８０に含有されているＣｒを第２の磁性層２０中に導入するため、キャップ層（Ｃｒ含有層）８０に含有されているＣｒの濃度は、第２の磁性層（Ｃｏ／Ｐｔ超格子層）２０に含有されているＣｒの濃度よりも高い。

また、キャップ層８０に上述したようなＣｒ含有層を用いるとともに、さらに中間層６０にも上述したようなＣｒ含有層を用いてもよい。すなわち、中間層（Ｃｒ含有層）６０として、実質的にＣｒ（第３の元素）のみを含有するＣｒ層を用いてもよいし、Ｃｒ（第３の元素）と、Ｃｏ（第１の元素）及びＰｔ（第２の元素）の少なくとも一方の元素とを含有した合金層を用いてもよい。

このように、中間層６０にもＣｒ含有層を用いることにより、キャップ層８０及び中間層６０から、すなわち第２の磁性層２０の上面側及び下面側からＣｒを拡散させることができるため、より効率的に第２の磁性層２０中にＣｒを導入することが可能である。この場合、キャップ層（Ｃｒ含有層）８０に含有されているＣｒの濃度及び中間層（Ｃｒ含有層）６０に含有されているＣｒの濃度いずれも、第２の磁性層（Ｃｏ／Ｐｔ超格子層）２０に含有されているＣｒの濃度よりも高くなる。

なお、上述した例では、第２の磁性層２０としてＣｏ／Ｐｔ超格子層を用いた場合について、すなわち、超格子層を構成する第１の元素としてコバルト（Ｃｏ）を用い、第２の元素としてプラチナ（Ｐｔ）を用いる場合について説明したが、第２の元素としてプラチナ（Ｐｔ）の代わりにニッケル（Ｎｉ）或いはパラジウム（Ｐｄ）を用いた場合にも、上述した場合と同様である。

次に、本実施形態の変形例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であり、上述した実施形態で述べた事項の説明は省略する。

図６は、本変形例に係る不揮発性の磁気記憶装置（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。

上述した実施形態では、記憶層が上層側に位置し且つ参照層が下層側に位置する磁気抵抗効果素子（トップフリー型の磁気抵抗効果素子）について説明したが、本変形例では、記憶層が下層側に位置し且つ参照層が上層側に位置する磁気抵抗効果素子（ボトムフリー型の磁気抵抗効果素子）を用いている。

本変形例でも、キャップ層８０に上述した実施形態で述べたようなＣｒ含有層を用い、中間層６０にも上述した実施形態で述べたようなＣｒ含有層を用いている。

本変形例では、キャップ層８０に含有されているＣｒを第４の磁性層４０に拡散させることで、第４の磁性層４０の垂直磁気異方性を向上させることが可能であり、中間層６０に含有されているＣｒを第２の磁性層２０に拡散させることで、第２の磁性層２０の垂直磁気異方性を向上させることが可能である。したがって、本変形例においても、上述した実施形態と同様に、高い熱的安定性ΔＥを確保することが可能である。

図７は、上述した実施形態及び変形例で説明した磁気抵抗効果素子１００を用いた磁気記憶装置の構成の一例を模式的に示した斜視図である。

図７に示した磁気記憶装置は、Ｘ方向に延伸する複数の第１の配線４１０と、Ｙ方向に延伸する複数の第２の配線４２０と、第１の配線４１０と第２の配線４２０との間に接続されたメモリセル３００とを含んでいる。第１の配線４１０及び第２の配線４２０の一方がワード線に対応し、他方がビット線に対応する。各メモリセル３００は、磁気抵抗効果素子１００と、磁気抵抗効果素子１００に対して直列に接続されたセレクタ（スイッチング素子）２００とによって構成されている。

磁気抵抗効果素子１００には、上述した実施形態及び変形例で説明した磁気抵抗効果素子が用いられる。

セレクタ２００には、例えば、２端子型のスイッチング素子が用いられる。２端子間に印加される電圧が閾値未満の場合、そのスイッチング素子は“高抵抗状態”、例えば電気的に非導通状態である。２端子間に印加される電圧が閾値以上の場合、スイッチング素子は“低抵抗状態”、例えば電気的に導通状態となる。

所望のメモリセル３００に接続された第１の配線４１０と第２の配線４２０との間に所定の電圧を印加することで、所望のメモリセル３００に含まれるセレクタ２００がオン状態（導通状態）となり、所望のメモリセル３００に含まれる磁気抵抗効果素子１００に対して書き込み或いは読み出しが行われる。

図８は、上述した実施形態及び変形例で説明した磁気抵抗効果素子１００を用いた磁気記憶装置の構成の他の例を模式的に示した斜視図である。

図７に示した例では、磁気抵抗効果素子１００が下層側に位置し且つセレクタ２００が上層側に位置していたが、図８に示した例では、磁気抵抗効果素子１００が上層側に位置し且つセレクタ２００が下層側に位置している。その他の基本的な構成は、図７に示した例と同様である。

本実施形態の磁気抵抗効果素子１００を図７及び図８に示したような磁気記憶装置に用いることで、安定してデータを記憶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。

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…第１の磁性層 ２０…第２の磁性層
２１…第１の元素層 ２２…第２の元素層
３０…第３の磁性層 ４０…第４の磁性層
４１…第１の層部分 ４２…第２の層部分 ４３…第３の層部分
５０…トンネルバリア層（非磁性層）
６０…中間層（第３の元素含有層） ７０…中間層
８０…キャップ層（第３の元素含有層） ９０…下部導電層
１００…磁気抵抗効果素子 ２００…セレクタ（スイッチング素子）
３００…メモリセル ４１０…第１の配線 ４２０…第２の配線

Claims (8)

1. 可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、可変の磁化方向を有する第２の磁性層と、固定された磁化方向を有する第３の磁性層と、非磁性層と、を備え、
   前記第１の磁性層が前記第２の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられ、前記非磁性層が前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた磁気抵抗効果素子を備える
   磁気記憶装置であって、
   前記第２の磁性層は、第１の元素で形成された第１の元素層と第２の元素で形成された第２の元素層とが交互に積層された超格子構造を有し、
   前記第１の元素はコバルト（Ｃｏ）であり、前記第２の元素はプラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択され、
   前記第２の磁性層は、第３の元素としてクロム（Ｃｒ）を含有している
   ことを特徴とする磁気記憶装置。
2. 前記磁気抵抗効果素子は、前記第３の元素を含有する第３の元素含有層をさらに備え、
   前記第３の元素含有層に含有されている前記第３の元素の濃度は、前記第２の磁性層に含有されている前記第３の元素の濃度よりも高く、
   前記第２の磁性層は、前記第１の磁性層と前記第３の元素含有層との間に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 前記磁気抵抗効果素子は、前記第３の元素を含有する第３の元素含有層をさらに備え、
   前記第３の元素含有層に含有されている前記第３の元素の濃度は、前記第２の磁性層に含有されている前記第３の元素の濃度よりも高く、
   前記第３の元素含有層は、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。
4. 前記第３の元素含有層は、前記第１の元素及び前記第２の元素の少なくとも一方をさらに含有する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気記憶装置。
5. 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。
6. 前記第３の磁性層は、コバルト（Ｃｏ）及び鉄（Ｆｅ）の少なくとも一方を含有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
7. 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。
8. 前記磁気抵抗効果素子は、固定された磁化方向を有し且つ反強磁性結合を有する第４の磁性層をさらに備え、
   前記第１の磁性層及び前記第３の磁性層は、前記第２の磁性層と前記第４の磁性層との間に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。

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