JP2022143371A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を含む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１１と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層１２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１３と、第１の磁性層に隣接する酸化物層１６と、含む積層構造１００を備え、第１の磁性層は、非磁性層と酸化物層との間に設けられ、酸化物層は、希土類元素、ボロン（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含有する。【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。

半導体基板上に複数の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９１８４３７４号明細書 米国特許第１０３０５０２７号明細書

優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を含む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、前記第１の磁性層に隣接する酸化物層と、含む積層構造を備え、前記第１の磁性層は、前記非磁性層と前記酸化物層との間に設けられ、前記酸化物層は、希土類元素、ボロン（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含有する。

第１の実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の積層構造の構成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抵抗効果素子の特性改善効果について示した図である。 第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の特性改善効果について示した図である。 第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の酸化物層において、希土類元素の濃度とボロン（Ｂ）の濃度の合計に対するボロン（Ｂ）の濃度の比率を変えたときの特性について示した図である。 第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の酸化物層において、希土類元素の濃度とボロン（Ｂ）の濃度の合計に対するボロン（Ｂ）の濃度の比率を変えたときの特性について示した図である。 第２の実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の積層構造の構成を模式的に示した断面図である。 第１及び第２の実施形態で示した磁気抵抗効果素子が適用される磁気記憶装置の構成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。

（実施形態１）
図１は、第１の実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の積層構造の構成を模式的に示した断面図である。磁気抵抗効果素子として、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子が用いられる。

積層構造１００は、記憶層（第１の磁性層）１１、参照層（第２の磁性層）１２、トンネルバリア層（非磁性層）１３、シフトキャンセリング層（第３の磁性層）１４、スペーサ層１５、酸化物層１６、バッファ層１７、トップ層１８及び上部キャップ層１９を含んでいる。

記憶層（第１の磁性層）１１は、可変の磁化方向を有する強磁性層である。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。記憶層１１は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層で形成されている。

参照層（第２の磁性層）１２は、固定された磁化方向を有する強磁性層である。なお、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。参照層１２は、第１の層部分１２ａ及び第２の層部分１２ｂを含んでいる。第１の層部分１２ａは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層で形成されている。第２の層部分１２ｂ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以上の元素とを含有している。

トンネルバリア層（非磁性層）１３は、記憶層１１と参照層１２との間に設けられた絶縁層である。トンネルバリア層１３は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。

シフトキャンセリング層（第３の磁性層）１４は、参照層１２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強誘電層であり、参照層１２から記憶層１１に印加される磁界をキャンセルする機能を有している。シフトキャンセリング層１４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以上の元素とを含有している。

スペーサ層１５は、参照層１２とシフトキャンセリング層１４との間に設けられ、スペーサ層１５によって、参照層１２とシフトキャンセリング層１４とが反強磁性結合している。すなわち、参照層１２、シフトキャンセリング層１４及びスペーサ層１５によってＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造が形成されている。スペーサ層１５は、ルテニウム（Ｒｕ）層或いはイリジウム（Ｉｒ）層によって形成されている。

酸化物層１６は、記憶層１１に隣接して設けられており、トンネルバリア層１３と酸化物層１６との間に記憶層１１が設けられている。より具体的には、酸化物層１６は、記憶層１１の上層側に設けられ、記憶層１１に接している。酸化物層１６は、希土類元素（ガドリニウム（Ｇｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）等）、ボロン（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含有している。酸化物層１６は、キャップ層としての機能も有している。

バッファ層１７は、シフトキャンセリング層１４の下層側に設けられ、所定の導電材料で形成されている。

トップ層１８は、酸化物層１６の上層側に設けられ、ルテニウム（Ｒｕ）或いはタンタル（Ｔａ）等の所定の導電材料で形成されている。

上部キャップ層１９は、トップ層１８の上層側に設けられ、所定の導電材料で形成されている。

上述した積層構造１００によって構成される磁気抵抗効果素子は、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、記憶層１１、参照層１２及びシフトキャンセリング層１４の磁化方向は、それぞれの膜面に対して垂直である。

記憶層１１の磁化方向が参照層１２の磁化方向に対して平行である場合には、磁気抵抗効果素子は相対的に低抵抗状態であり、記憶層１１の磁化方向が参照層１２の磁化方向に対して反平行である場合には、磁気抵抗効果素子は相対的に高抵抗状態である。したがって、磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の抵抗状態に応じて２値データを記憶することが可能である。また、磁気抵抗効果素子に流れる電流の方向に応じて、磁気抵抗効果素子に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。

以上のように、本実施形態では、希土類元素、ボロン（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含有する酸化物層１６が記憶層１１に隣接して設けられている。そのため、以下に述べるように、優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能である。

一般に、磁気抵抗効果素子のＷＥＲ（Write Error Rate）及びＢａｌｌｏｏｎｉｎｇを改善するためには、記憶層のＭｓｔ（記憶層の飽和磁化Ｍｓと記憶層の厚さｔとの積）を下げることが有効である。しかしながら、記憶層の厚さがある厚さ以下になると、記憶層内の粒子どうしの凝集（Agglomeration）が起こる。その結果、記憶層界面の濡れ性の悪化や、表面粗さの増加を招く。このような記憶層のアグロメレーションにより、記憶層の厚さｔを下げることは難しい。

そこで、記憶層のＭｓｔを下げるために、一般的に、ボロン（Ｂ）リッチな記憶層やモリブデン（Ｍｏ）などの非磁性元素が添加された記憶層がよく用いられている。しかしながら、この場合、書き込み電流Ｉｃの増加及び熱安定性Δの低下といった問題がある。

したがって、書き込み電流Ｉｃの増加及び熱安定性Δの低下を抑制しながら、記憶層のＭｓｔを下げることが重要である。

本実施形態では、上述したように、酸化物層１６が希土類元素及びボロンを含有している。酸化物層１６が希土類元素を含有していることにより、記憶層１１の垂直磁気異方性を高めることが可能である。また、酸化物層１６がボロンを含有していることにより、記憶層１１とキャップ層として機能する酸化物層１６との間のぬれ性を向上させることができ、アグロメレーションを抑制しながら、記憶層１１の厚さｔを薄くすることが可能である。このような理由により、本実施形態では、書き込み電流Ｉｃの増加及び熱安定性Δの低下を抑制しながら、記憶層１１のＭｓｔを下げることが可能である。

図２及び図３は、本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の特性改善効果について示した図である。

なお、図２の横軸は記憶層１１のＭｓｔであり、図２の縦軸は記憶層１１の保磁力Ｈｃである。図３の横軸は記憶層１１のＭｓｔと異方性磁界Ｈｋとの積（熱安定性Δに対応）であり、図３の縦軸は記憶層１１の保磁力Ｈｃである。この保磁力Ｈｃは、アグロメレーションの生成に起因した記憶層への欠陥生成及びラフネスの増加に対して増減するパラメータであり、記憶層の薄膜化によってアグロメレーションが進んでくると保磁力Ｈｃも単調に増加する。したがって、記憶層のＭｓｔを低くするためには、保磁力Ｈｃの増加を抑制（アグロメレーションを抑制）することが重要である。

また、図２及び図３において、（ａ）は本実施形態の酸化物層（希土類元素及びボロンを含有した酸化物層）を用いた場合、（ｂ）は第１の比較例の酸化物層（希土類元素を含有し且つボロンを含有しない酸化物層）を用いた場合、（ｃ）は第２の比較例の酸化物層（ハフニウム（Ｈｆ）を含有した酸化物層）を用いた場合の特性である。なお、本実施形態の酸化物層は、希土類元素としてガドリニウム（Ｇｄ）を含有している。

図２及び図３からわかるように、本実施形態では、第１及び第２の比較例に比べて保磁力Ｈｃが減少している。したがって、本実施形態の酸化物層を用いることにより、上述したような特性向上効果を得ることが可能である。

以上のように、本実施形態では、希土類元素、ボロン（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含有する酸化物層１６が記憶層１１に隣接して設けられているため、書き込み電流Ｉｃの増加及び熱安定性Δの低下を抑制しながら、記憶層のＭｓｔを下げることができ、磁気抵抗効果素子のＷＥＲ及びＢａｌｌｏｏｎｉｎｇを改善することが可能である。

図４及び図５は、本実施形態の酸化物層（希土類元素及びボロンを含有した酸化物層）において、希土類元素の濃度とボロンの濃度の合計に対するボロンの濃度の比率Ｒを変えたときの特性について示した図である。

なお、図４の横軸は記憶層１１のＭｓｔであり、図４の縦軸は記憶層１１の保磁力Ｈｃである。図５の横軸は記憶層１１のＭｓｔと異方性磁界Ｈｋとの積（熱安定性Δに対応）であり、図５の縦軸は記憶層１１の保磁力Ｈｃである。

また、図４及び図５において、（ａ）はＲ＝０％、（ｂ）はＲ＝１０％、（ｃ）はＲ＝２０％、（ｄ）はＲ＝５０％、である。なお、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）いずれの場合も、酸化物層は希土類元素としてガドリニウム（Ｇｄ）を含有している。

図４及び図５に示されるように、（ａ）及び（ｂ）に比べて、（ｃ）及び（ｄ）では保磁力Ｈｃが減少している。また、（ｃ）及び（ｄ）では、保磁力Ｈｃに大きな差はない。このことから、比率Ｒが２０％以上であれば、記憶層と酸化物層との界面において、アグロメレーションの生成を抑制するのに十分な濡れ性が得られると考えられ、前述した図２及び図３と同等の効果が得られると考えられる。したがって、希土類元素の濃度とボロンの濃度の合計に対するボロンの濃度の比率Ｒは、２０％以上であることが好ましい。

（実施形態２）
図６は、第２の実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の積層構造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の実施形態と同様であり、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。

第１の実施形態では、記憶層１１が参照層１２の上層側に位置するトップフリー型の磁気抵抗効果素子を用いたが、本実施形態では、記憶層１１が参照層１２の下層側に位置するボトムフリー型の磁気抵抗効果素子を用いている。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、酸化物層１６は、記憶層１１に隣接して設けられており、トンネルバリア層１３と酸化物層１６との間に記憶層１１が設けられている。より具体的には、酸化物層１６は、記憶層１１の下層側に設けられ、記憶層１１に接している。また、第１の実施形態と同様に、酸化物層１６は、希土類元素（ガドリニウム（Ｇｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）等）、ボロン（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含有している。

また、参照層１２の上層側にシフトキャンセリング層１４が設けられており、シフトキャンセリング層１４の上層側にキャップ層２０が設けられている。キャップ層２０は、第１の実施形態で示した酸化物層１６と同じ材料を用いてもよいし異なる材料を用いてもよい。

本実施形態でも、希土類元素、ボロン（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含有する酸化物層１６が記憶層１１に隣接して設けられているため、第１の実施形態と同様に、書き込み電流Ｉｃの増加及び熱安定性Δの低下を抑制しながら、記憶層のＭｓｔを下げることができ、磁気抵抗効果素子のＷＥＲ及びＢａｌｌｏｎｉｎｇを改善することが可能である。

（適用例）
図７は、上述した第１及び第２の実施形態で示した磁気抵抗効果素子が適用される磁気記憶装置の構成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２１０と、Ｘ方向と交差するＹ方向に延伸する複数の第２の配線２２０と、複数の第１の配線２１０と複数の第２の配線２２０との間に接続された複数のメモリセル２３０とを含んでいる。例えば、第１の配線２１０及び第２の配線２２０の一方はワード線に対応し、他方はビット線に対応する。

各メモリセル２３０は、磁気抵抗効果素子２４０と、磁気抵抗効果素子２４０に対して直列に接続されたセレクタ（スイッチング素子）２５０とを含んでいる。

所望のメモリセル２３０に接続された第１の配線２１０と第２の配線２２０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２３０に含まれるセレクタ２５０がオン状態となり、所望のメモリセル２３０に含まれる磁気抵抗効果素子２４０に対して読み出し或いは書き込みを行うことが可能である。

なお、図７に示した磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子２４０の上層側にセレクタ２５０が設けられた構成であるが、磁気抵抗効果素子２４０の下層側にセレクタ２５０が設けられた構成であってもよい。

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。

１１…記憶層（第１の磁性層）
１２…参照層（第２の磁性層）
１２ａ…第１の層部分 １２ｂ…第２の層部分
１３…トンネルバリア層（非磁性層）
１４…シフトキャンセリング層（第３の磁性層）
１５…スペーサ層 １６…酸化物層 １７…バッファ層
１８…トップ層 １９…上部キャップ層 ２０…キャップ層
１００…積層構造

Claims (8)

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、
   前記第１の磁性層に隣接する酸化物層と、
   含む積層構造を備え、
   前記第１の磁性層は、前記非磁性層と前記酸化物層との間に設けられ、
   前記酸化物層は、希土類元素、ボロン（Ｂ）及び酸素（Ｏ）を含有する
   ことを特徴とする磁気記憶装置。
2. 前記酸化物層に含有されている希土類元素の濃度とボロン（Ｂ）の濃度の合計に対するボロン（Ｂ）の濃度の比率は２０％以上である
   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。
4. 前記第１磁性層及び前記第２の磁性層は、垂直磁化を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
5. 前記積層構造は、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に印加される磁界をキャンセルする第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。
6. 前記第２の磁性層と前記第３の磁性層とは、反強磁性結合している
   ことを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置。
7. 前記第１磁性層は、前記第２の磁性層よりも上層側に位置している
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
8. 前記第１磁性層は、前記第２の磁性層よりも下層側に位置している
   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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