JP2023140671A - 磁気記憶装置 - Google Patents
磁気記憶装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023140671A JP2023140671A JP2022046633A JP2022046633A JP2023140671A JP 2023140671 A JP2023140671 A JP 2023140671A JP 2022046633 A JP2022046633 A JP 2022046633A JP 2022046633 A JP2022046633 A JP 2022046633A JP 2023140671 A JP2023140671 A JP 2023140671A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- nonmagnetic layer
- nonmagnetic
- ferromagnetic
- storage device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 94
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 94
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 13
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 11
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 7
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 claims description 6
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 6
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 4
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N tantalum nitride Chemical compound [Ta]#N MZLGASXMSKOWSE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 4
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- IVHJCRXBQPGLOV-UHFFFAOYSA-N azanylidynetungsten Chemical compound [W]#N IVHJCRXBQPGLOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- -1 hafnium nitride Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N zirconium nitride Chemical compound [Zr]#N ZVWKZXLXHLZXLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims 1
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 220
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 50
- 230000006870 function Effects 0.000 description 33
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 26
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000004257 Cordia myxa Nutrition 0.000 description 2
- 244000157795 Cordia myxa Species 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100033865 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) RFA1 gene Proteins 0.000 description 2
- 101100524516 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) RFA2 gene Proteins 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- ZDZZPLGHBXACDA-UHFFFAOYSA-N [B].[Fe].[Co] Chemical compound [B].[Fe].[Co] ZDZZPLGHBXACDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- ZDVYABSQRRRIOJ-UHFFFAOYSA-N boron;iron Chemical compound [Fe]#B ZDVYABSQRRRIOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002441 CoNi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018936 CoPd Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018979 CoPt Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000287 alkaline earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- GSWGDDYIUCWADU-UHFFFAOYSA-N aluminum magnesium oxygen(2-) Chemical compound [O--].[Mg++].[Al+3] GSWGDDYIUCWADU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001938 gadolinium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940075613 gadolinium oxide Drugs 0.000 description 1
- CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N gadolinium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Gd+3].[Gd+3] CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000005300 metallic glass Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
- H10B61/10—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having two electrodes, e.g. diodes or MIM elements
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
- H10N50/85—Magnetic active materials
Abstract
【課題】外部磁場耐性を向上させる。【解決手段】実施形態に係る磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪを含む。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、第１強磁性層３３と、第２強磁性層３５と、積層体３７と、第１非磁性層３４と、第２非磁性層３６と、第３非磁性層３８ａとを含む。積層体３７は、第２強磁性層３５に対して第１強磁性層３３と反対側に設けられる。第１非磁性層３４は、第１強磁性層３３と第２強磁性層３５との間に設けられる。第２非磁性層３６は、第２強磁性層３５と積層体３７との間に設けられる。第３非磁性層３８ａは、積層体３７に対して第２非磁性層３６と反対側に設けられ、金属酸化物を含む。積層体３７は、第３非磁性層３８ａと接し、白金（Ｐｔ）を含む第４非磁性層３７ｈを含む。【選択図】図５
Description
本発明の実施形態は、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。
外部磁場耐性を向上させる。
実施形態に係る磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子を含む。磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、積層体と、第１非磁性層と、第２非磁性層と、第３非磁性層とを含む。積層体は、第２強磁性層に対して第１強磁性層と反対側に設けられる。第１非磁性層は、第１強磁性層と第２強磁性層との間に設けられる。第２非磁性層は、第２強磁性層と積層体との間に設けられる。第３非磁性層は、積層体に対して第２非磁性層と反対側に設けられ、金属酸化物を含む。積層体は、第３非磁性層と接し、白金（Ｐｔ）を含む第４非磁性層を含む。
以下、実施形態につき図面を参照して説明する。説明に際し、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付す。また、以下に示す実施形態は、技術的思想を例示するものである。実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。実施形態は、種々の変更を加えることができる。
［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（Magnetoresistance effect）を有する素子（ＭＴＪ素子）を抵抗変化素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置を含む。ＭＴＪ素子を磁気抵抗効果素子（Magnetoresistance effect element）とも称する場合もある。本実施形態を含めて後述する実施形態では、磁気抵抗効果素子としてＭＴＪ素子を適用した場合にて説明を行う。また、説明の便宜上、磁気抵抗効果素子ＭＴＪと表記して説明を行う。
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（Magnetoresistance effect）を有する素子（ＭＴＪ素子）を抵抗変化素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置を含む。ＭＴＪ素子を磁気抵抗効果素子（Magnetoresistance effect element）とも称する場合もある。本実施形態を含めて後述する実施形態では、磁気抵抗効果素子としてＭＴＪ素子を適用した場合にて説明を行う。また、説明の便宜上、磁気抵抗効果素子ＭＴＪと表記して説明を行う。
［１－１］構成
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。
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
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。
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に対応するビット線ＢＬ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
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。
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、複数のメモリセルＭＣのうちの、（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、直列に接続されたスイッチング素子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、直列に接続されたスイッチング素子ＳＥＬｕ＜ｉ、ｊ＞及び磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ＜ｉ、ｊ＞を含む。
スイッチング素子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内のスイッチング素子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、スイッチング素子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。
スイッチング素子ＳＥＬは、例えば２端子型のスイッチング素子であってもよい。２端子間に印加す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端子間に印加す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に変わる。スイッチング素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。
磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、スイッチング素子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及び図４を用いて説明する。図３及び図４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説明するための断面図の一例を示している。図３及び図４はそれぞれ、メモリセルアレイ１０を互いに交差する異なる方向から見た断面図である。
図３及び図４に示すように、メモリセルアレイ１０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平面に垂直な軸をＺ軸とする。また、ＸＹ平面内において、ワード線ＷＬに沿う軸をＸ軸とし、ビット線ＢＬに沿う軸をＹ軸とする。すなわち、図３及び図４はそれぞれ、メモリセルアレイ１０をＹ軸及びＸ軸に沿って見た場合の断面図である。
半導体基板２０の上面上には、例えば、複数の導電体２１が設けられる。複数の導電体２１は、導電性を有し、ワード線ＷＬｄとして機能する。複数の導電体２１は、例えば、Ｙ軸に沿って並んで設けられ、各々がＸ軸に沿って延びる。なお、図３及び図４では、複数の導電体２１が半導体基板２０上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の導電体２１は、半導体基板２０に接することなく、上方に離れて設けられてもよい。
１つの導電体２１の上面上には、各々がスイッチング素子ＳＥＬｄとして機能する複数の素子２２が設けられる。１つの導電体２１の上面上に設けられる複数の素子２２は、例えば、Ｘ軸に沿って並んで設けられる。すなわち、１つの導電体２１の上面には、Ｘ軸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、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとして機能する素子２３が設けられる。なお、素子２３の構成の詳細については、後述する。複数の素子２３の各々の上面は、複数の導電体２４のいずれか１つに接続される。複数の導電体２４は、導電性を有し、ビット線ＢＬとして機能する。複数の導電体２４は、例えば、Ｘ軸に沿って並んで設けられ、各々がＹ軸に沿って延びる。すなわち、１つの導電体２４には、Ｙ軸に沿って並ぶ複数の素子２３が共通して接続される。なお、図３及び図４では、複数の素子２３の各々が素子２２の上面上、及び導電体２４の下面上に接して設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の素子２３の各々は、導電性のコンタクトプラグ（図示せず）を介して、素子２２、及び導電体２４と接続されていてもよい。
１つの導電体２４の上面上には各々がスイッチング素子ＳＥＬｕとして機能する複数の素子２５が設けられる。１つの導電体２４の上面上に設けられる複数の素子２５は、例えば、Ｘ軸に沿って並んで設けられる。すなわち、１つの導電体２４の上面には、Ｙ軸に沿って並ぶ複数の素子２５が共通して接続される。
複数の素子２５の各々の上面上には、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕとして機能する素子２６が設けられる。なお、素子２６は、例えば、素子２３と同等の構成を有する。複数の素子２６の各々の上面は、複数の導電体２７のいずれか１つに接続される。複数の導電体２７は、導電性を有し、ワード線ＷＬｕとして機能する。複数の導電体２７は、例えば、Ｙ軸に沿って並んで設けられ、各々がＸ軸に沿って延びる。すなわち、１つの導電体２７には、Ｘ軸に沿って並ぶ複数の素子２６が共通して接続される。なお、図３及び図４では、複数の素子２６の各々が素子２５の上面上、及び導電体２７の下面上に接して設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の素子２６の各々は、導電性のコンタクトプラグ（図示せず）を介して、素子２５、及び導電体２７と接続されていてもよい。
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。つまり、メモリセルアレイ１０は、複数のメモリセルＭＣがＺ軸に沿って異なる高さに設けられる構造を有する。図３及び図４において示されたセル構造においては、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。
［１－１－３］磁気抵抗効果素子
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５を用いて説明する。図５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説明するための断面図である。図５では、例えば、図３及び図４に示された磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄをＺ軸に垂直な平面（例えば、ＸＺ平面）に沿って切った断面の一例が示される。なお、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄと同等の構成を有するため、その図示が省略される。
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５を用いて説明する。図５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説明するための断面図である。図５では、例えば、図３及び図４に示された磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄをＺ軸に垂直な平面（例えば、ＸＺ平面）に沿って切った断面の一例が示される。なお、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄと同等の構成を有するため、その図示が省略される。
図５に示すように、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、例えば、トップ層ＴＯＰ（Top layer）として機能する非磁性層３１、キャップ層ＣＡＰ（Capping layer）として機能する非磁性層３２、記憶層ＳＬ（Storage layer）として機能する強磁性層３３、トンネルバリア層ＴＢ（Tunnel barrier layer）として機能する非磁性層３４、参照層ＲＬ（Reference layer）として機能する積層体３５、スペーサ層ＳＰ（Spacer layer）として機能する非磁性層３６、シフトキャンセル層ＳＣＬ（Shift cancelling layer）として機能する積層体３７、及びバッファ層ＢＵＦ（Buffer layer）として機能する積層体３８を含む。記憶層ＳＬ、参照層ＲＬ、及びシフトキャンセル層ＳＣＬの各々は、一体として強磁性を有する構造体とみなし得る。バッファ層ＢＵＦは、一体として非磁性を有する構造体とみなし得る。
磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄ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３８、積層体３７、非磁性層３６、積層体３５、非磁性層３４、強磁性層３３、非磁性層３２、及び非磁性層３１の順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ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３８、積層体３７、非磁性層３６、積層体３５、非磁性層３４、強磁性層３３、非磁性層３２、及び非磁性層３１の順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄ及びＭＴＪｕは、例えば、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄ及びＭＴＪｕ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。なお、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、上述の各層３１～３８の間に、図示しない更なる層を含んでいてもよい。
第１実施形態では、例えば、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が採用される。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５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ＩｗAPP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５における矢印Ａ２の方向、即ち参照層ＲＬから記憶層ＳＬに向かう方向（矢印Ａ１と反対方向）に、書込み電流ＩｗAPPより大きい書込み電流ＩｗPAP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。
次に、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの各層の構成の詳細について説明する。
非磁性層３１は、非磁性の導電体であり、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの上端とビット線ＢＬ又はワード線ＷＬとの電気的な接続性を向上させる上部電極（top electrode）としての機能を有する。非磁性層３１は、例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ルテニウム（Ｒｕ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、チタン（Ｔｉ）、及び窒化チタン（ＴｉＮ）から選択される少なくとも１つの元素又は化合物を含む。または前記材料から選択される少なくとも１つの元素又は化合物を含む積層体を含む。
非磁性層３２は、非磁性体の層であり、強磁性層３３のダンピング定数の上昇を抑制し、書込み電流を低減させる機能を有する。非磁性層３２は、例えば、アルカリ土類元素或いは希土類元素および酸素を含むか、実質的にアルカリ土類金属酸化物或いは希土類元素酸化物を含む。一例として、酸素およびマグネシウムを含むか、実質的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。同様に、酸素およびアルミニウムを含むか、実質的に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含む。また、非磁性層３２は、これら酸化物の混合物でもよい。すなわち、非磁性層３２は、２種類の元素からなる二元化合物に限らず、３種類の元素からなる三元化合物、例えば、酸化マグネシウムアルミニウム（ＭｇＡｌＯ）等を含み得る。
強磁性層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。強磁性層３３は、Ｚ軸に沿って、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。強磁性層３３は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくともいずれか１つを含み得る。また、強磁性層３３は、ボロン（Ｂ）を更に含み得る。より具体的には、例えば、強磁性層３３は、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含み、体心立方系の結晶構造を有し得る。
非磁性層３４は、非磁性の絶縁体であり、例えば、酸素およびマグネシウムを含むか、実質的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。非磁性層３４は、膜面が（００１）面に配向したＮａＣｌ結晶構造を有し、強磁性層３３の結晶化処理において、強磁性層３３との界面から結晶質の膜を成長させるための核となるシード材として機能する。非磁性層３４は、強磁性層３３と積層体３５との間に設けられて、これら２つの強磁性層と共に磁気トンネル接合を形成する。
積層体３５は、全体として１つの強磁性層とみなすことができ、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。積層体３５は、Ｚ軸に沿って、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。積層体３５の磁化方向は、固定されており、図５の例では、積層体３７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、強磁性層３３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。
より具体的には、積層体３５は、界面層ＩＬ（Interface layer）として機能する強磁性層３５ａ、機能層ＦＬ（Function layer）として機能する非磁性層３５ｂ、及び主参照層ＭＲＬ（Main reference layer）３５ｃとして機能する強磁性層３５ｃを含む。例えば、非磁性層３６の上面と非磁性層３４の下面との間に、強磁性層３５ｃ、非磁性層３５ｂ、及び強磁性層３５ａがこの順に積層される。
強磁性層３５ａは、強磁性の導電体であり、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくともいずれか１つを含み得る。また、強磁性層３５ａは、ボロン（Ｂ）を更に含み得る。より具体的には、例えば、強磁性層３５ａは、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含み、体心立方系の結晶構造を有し得る。
非磁性層３５ｂは、非磁性の導電体であり、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つの金属を含む。非磁性層３５ｂは、強磁性層３５ａと強磁性層３５ｃとの間の交換結合を維持する機能を有する。
強磁性層３５ｃ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）、及びコバルト（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つの多層膜を含み得る。あるいは少なくともＣｏを含むＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＣｏＮｉ単層膜、あるいはＣｏ単層膜であってもよい。なお、強磁性層３５ｃを構成する多層膜や単層膜のうち、非磁性層３６と接する層は、例えば、コバルト（Ｃｏ）を含む。
非磁性層３６は、非磁性の導電体であり、例えばルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、バナジウム（Ｖ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つの元素を含む。非磁性層３６は積層体３５の磁化と積層体３７の磁化を反平行に結合させる機能を有する。
積層体３７は、全体として１つの強磁性層とみなすことができ、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。積層体３７は、Ｚ軸に沿って、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。積層体３７の磁化方向は、積層体３５と同様に固定されており、図５の例では、積層体３５の方向を向いている。
より具体的には、積層体３７は、各々が多層膜ＭＬ（Multi-layer）の１つとして機能する強磁性層３７a（ＭＬ１）、非磁性層３７ｂ（ＭＬ２）、強磁性層３７ｃ（ＭＬ３）、非磁性層３７ｄ（ＭＬ４）、強磁性層３７ｅ（ＭＬ５）、非磁性層３７ｆ（ＭＬ６）、強磁性層３７ｇ（ＭＬ７）、及び非磁性層３７ｈ（ＭＬ８）を含む。例えば、積層体３８の上面と非磁性層３６の下面との間に、非磁性層３７ｈ、強磁性層３７ｇ、非磁性層３７ｆ、強磁性層３７ｅ、非磁性層３７ｄ、強磁性層３７ｃ、非磁性層３７ｂ、及び強磁性層３７ａがこの順に積層される。
強磁性層３７ａは、六方最密充填構造（ｈｃｐ：Hexagonal close-packed）又は面心立方（ｆｃｃ：face-centered cubic）系の結晶構造を有する強磁性の導電体であり、例えば、コバルト（Ｃｏ）を含む。強磁性層３５ｃ及び３７ａは、非磁性層３６によって反強磁性的に結合される。すなわち、強磁性層３５ｃ（より具体的には、強磁性層３５ｃを構成する多層膜のうち、非磁性層３６に接する層）、及び強磁性層３７ａ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５の例では、強磁性層３５ｃ及び３７ａの磁化方向は、互いに向かい合う方向を向いている。このような強磁性層３５ｃ、非磁性層３６、及び強磁性層３７ａの結合構造を、ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造という。
非磁性層３７ｂは、非磁性の導電体であり、白金（Ｐｔ）を含む。強磁性層３７ｃは、強磁性の導電体であり、コバルト（Ｃｏ）を含む。非磁性層３７ｄは、非磁性の導電体であり、白金（Ｐｔ）を含む。強磁性層３７ｅは、強磁性の導電体であり、コバルト（Ｃｏ）を含む。非磁性層３７ｆは、非磁性の導電体であり、白金（Ｐｔ）を含む。強磁性層３７ｇは、強磁性の導電体であり、コバルト（Ｃｏ）を含む。非磁性層３７ｈは、非磁性の導電体であり、白金（Ｐｔ）を含む。非磁性層３７ｈは、膜面が（１１１）面に配向した面心立方系の結晶構造を有する。
なお、図５の例では、積層体３７において、強磁性層及び非磁性層の組が４組積層される場合が示されるが、強磁性層及び非磁性層の組は、５組以上積層されてもよいし、２～３組積層されてもよい。すなわち、複数回積層された強磁性層及び非磁性層の組の各々は、コバルト（Ｃｏ）と白金（Ｐｔ）との多層膜を形成し得る。
以上の構成により、積層体３７は、積層体３５の漏れ磁場が強磁性層３３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、積層体３５の漏れ磁場等によって強磁性層３３の磁化の反転し易さに非対称性が発生すること（すなわち、強磁性層３３の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。
積層体３８は、全体として１つの非磁性層とみなすことができ、ビット線ＢＬやワード線ＷＬとの電気的な接続性を向上させる電極としての機能を有する。具体的には、積層体３８は、各々がバッファ層ＢＵＦの１つとして機能する非磁性層３８ａ（ＢＵＦ１）、及び非磁性層３８ｂ（ＢＵＦ２）を含む。例えば、半導体基板２０と積層体３７の下面との間に、非磁性層３８ｂ、及び非磁性層３８ａが、Ｚ軸に沿ってこの順に積層される。
非磁性層３８ａは、金属酸化膜である。非磁性層３８ａは、非磁性の導電体であり、電気陰性度が１．８以下の金属の酸化物、例えば、酸化ガドリニウム（ＧｄＯｘ）または酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を含む。非磁性層３８ａの厚さは、例えば１．０ｎｍである。非磁性層３８ａは、アモルファス構造を有し、かつ白金（Ｐｔ）のような貴金属との結合エネルギーが比較的小さい。これにより、非磁性層３８ａは、非磁性層３７ｈの成膜の際、非磁性層３７ｈの結晶化を促進する機能を有する。
非磁性層３８ｂは、非磁性の導電体であり、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化タングステン（ＷＮ）から選択される少なくとも一つの化合物を含む。
［１－２］効果
第１実施形態によれば、磁気抵抗効果素子の外部磁場耐性を向上させることができる。
第１実施形態によれば、磁気抵抗効果素子の外部磁場耐性を向上させることができる。
磁気抵抗効果素子ＭＴＪの参照層は、書込み、読出し時および記憶保持時において磁化が反転しないことが必要である。参照層の書込み、読出し時および記憶保持時における誤反転を抑制するためには、参照層に対して反平行に磁気結合させたシフトキャンセル層の異方性磁界を高めることが必要となる。
図６は、第１実施形態に係るシフトキャンセル層の素子加工する前の膜特性と加工後の素子特性との関係を説明するためのダイアグラムである。横軸は、シフトキャンセル層の膜の異方性磁界（Ｈｋ）を示している。縦軸は、シフトキャンセル層の膜の保磁力（Ｈｃ）を示している。鎖線は、参照層とシフトキャンセル層が反平行を維持したまま反転する素子のフリップ磁場（Ｈｓｗ）がある値Ｈｓｗ０と等しくなる線を示している。値Ｈｓｗ０は、例えば、複数の素子のフリップ磁場（Ｈｓｗ）が正規分布する場合に、－３σの確率で存在する素子のＨｓｗである。鎖線よりも右側では－３σの素子のフリップ磁場（Ｈｓｗ）は値Ｈｓｗ０よりも高くなり、鎖線よりも左側では－３σの素子のフリップ磁場（Ｈｓｗ）は値Ｈｓｗ０よりも低くなる。図６では、２つのプロットＰ１及びＰ２が示される。プロットＰ１は、バッファ層に金属酸化物を用いない比較例を示している。プロットＰ１は、素子のフリップ磁場（Ｈｓｗ）が値Ｈｓｗ０よりも低い。プロットＰ２は、第１実施形態に対応している。プロットＰ２は、プロットＰ１と比べてシフトキャンセル層の異方性磁界（Ｈｋ）が高く、素子のフリップ磁場（Ｈｓｗ）が値Ｈｓｗ０よりも高い。このように、第１実施形態によれば、素子加工する前の膜特性としてのシフトキャンセル層の保磁力（Ｈｃ）を維持しつつ異方性磁界（Ｈｋ）を高めることで、－３σの確率で存在する素子のフリップ磁場（Ｈｓｗ）を高めることができる。
シフトキャンセル層の異方性磁界は、シフトキャンセル層の結晶性が高まると高くなる。第１実施形態では、シフトキャンセル層と隣接するバッファ層の非磁性層３８ａに、アモルファス構造を有する、電気陰性度が１．８以下の金属の酸化物を用いている。また、隣接するシフトキャンセル層の非磁性層３７ｈは、白金（Ｐｔ）を含む。アモルファス構造の金属酸化物と白金（Ｐｔ）との結合エネルギーは小さい。さらに、白金（Ｐｔ）は（１１１）面に優先配向する。このため、アモルファス構造の非磁性層３８ａに隣接する非磁性層３７ｈでは、白金（Ｐｔ）の結晶化が促進される。よって、第１実施形態によれば、結晶性の高いシフトキャンセル層、すなわち異方性磁界の高いシフトキャンセル層を設けることができる。
このように、第１実施形態によれば、異方性磁界の高いシフトキャンセル層を設けることができ、参照層の反転磁場が高くなるため、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの外部磁場耐性を向上させることができる。
なお、結晶性の高いシフトキャンセル層を設ける方法として、バッファ層に白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等の層を厚さ２．０ｎｍ程度設ける方法も考えられる。第１実施形態では、非磁性層３８ａの厚さは、例えば１．０ｎｍであり、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）等の層を厚さ２．０ｎｍ程度設ける場合よりも、バッファ層を薄くすることができる。これにより、第１実施形態に係る磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪをより高集積化することができる。
［２］第２実施形態
第２実施形態に係る磁気記憶装置は、第１実施形態に係る磁気記憶装置に対して、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの積層体３８の構成が異なる。以下に、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、第１実施形態と異なる点を説明する。
第２実施形態に係る磁気記憶装置は、第１実施形態に係る磁気記憶装置に対して、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの積層体３８の構成が異なる。以下に、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子について、第１実施形態と異なる点を説明する。
［２－１］構成
［２－１－１］磁気抵抗効果素子
図７は、第２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である。第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子に対して、積層体３８が非磁性層３８ｃをさらに含む点が異なる。
［２－１－１］磁気抵抗効果素子
図７は、第２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である。第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子に対して、積層体３８が非磁性層３８ｃをさらに含む点が異なる。
積層体３８は、全体として１つの非磁性層とみなすことができ、ビット線ＢＬやワード線ＷＬとの電気的な接続性を向上させる電極としての機能を有する。具体的には、積層体３８は、各々がバッファ層ＢＵＦの１つとして機能する非磁性層３８ａ（ＢＵＦ１）、非磁性層３８ｃ（ＢＵＦ３）、及び非磁性層３８ｂ（ＢＵＦ２）を含む。例えば、半導体基板２０と積層体３７の下面との間に、非磁性層３８ｂ、非磁性層３８ｃ、及び非磁性層３８ａが、Ｚ軸に沿ってこの順に積層される。
非磁性層３８ｃは、非磁性の導電体であり、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）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、及びゲルマニウム（Ｇｅ）から選択される少なくとも１つの元素を含む。非磁性層３８ｂは、積層体３８の抵抗を低減させる機能を有する。
第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
［２－２］効果
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子の外部磁場耐性を向上させることができる。さらに、第２実施形態によれば、ＭＲ比の低下を抑制できる。
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子の外部磁場耐性を向上させることができる。さらに、第２実施形態によれば、ＭＲ比の低下を抑制できる。
第２実施形態では、アモルファス構造の非磁性層３８ａの下に、非磁性層３８ｃが設けられる。非磁性層３８ｃが設けられることで、積層体３８の抵抗が低減される。これにより、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの高抵抗状態の抵抗値と、低抵抗状態の抵抗値との比率、すなわちＭＲ比が低下することを抑制できる。
［３］その他
上述の実施形態で述べたメモリセルＭＣは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがスイッチング素子ＳＥＬの上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がスイッチング素子ＳＥＬの下方に設けられてもよい。
上述の実施形態で述べたメモリセルＭＣは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがスイッチング素子ＳＥＬの上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がスイッチング素子ＳＥＬの下方に設けられてもよい。
上述の実施形態では、スイッチング素子ＳＥＬの上面上に磁気抵抗効果素子ＭＴＪが設けられる場合について説明したが、スイッチング素子ＳＥＬと磁気抵抗効果素子ＭＴＪとの間には、導電体が設けられても良い。図８及び図９は、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断面図の一例を示している。図８に示す断面は、図３に示した断面に対応している。図９に示す断面は、図４に示した断面に対応している。複数の素子２２の各々の上面上には、それぞれ導電体２８が設けられる。導電体２８は、導電性を有する。複数の導電体２８の各々の上面上には、素子２３が設けられる。複数の素子２５の各々の上面上には、それぞれ導電体２９が設けられる。導電体２９は、導電性を有する。複数の導電体２９の各々の上面上には、素子２６が設けられる。変形例に係る磁気記憶装置のその他の構成は、第１実施形態に係る磁気記憶装置と同様である。変形例によっても、第１実施形態または第２実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子の外部磁場耐性を向上させることができる。
上述の実施形態では、積層体３８が、非磁性層３８ｂを含む場合について説明したが、非磁性層３８ｂは省略されてもよい。例えば、第１実施形態において非磁性層３８ｂが省略された場合、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下端は、非磁性層３８ａとなる。例えば、第２実施形態において非磁性層３８ｂが省略された場合、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下端は、非磁性層３８ｃとなる。磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下端は、上述の実施形態で示した例では、スイッチング素子ＳＥＬに接続される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下端は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがスイッチング素子ＳＥＬの下方に設けられた場合は、ワード線ＷＬまたはビット線ＢＬに接続される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪの下端は、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがスイッチング素子ＳＥＬの上方に設けられ、かつスイッチング素子ＳＥＬと磁気抵抗効果素子ＭＴＪとの間に導電体が設けられた場合は、導電体に接続される。
本明細書において“接続”は、電気的に接続されている事を示し、例えば間に別の素子を介することを除外しない。また、“電気的に接続される”は、電気的に接続されたものと同様に動作することが可能であれば、絶縁体を介していても良い。
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、変更を行うことが出来る。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共に、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。
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…半導体基板、２１…導電体、２２，２３，２５，２６…素子、２４，２７，２８，２９…導電体、３１，３２，３４，３５ｂ，３６，３７ｂ，３７ｄ，３７ｆ，３７ｈ，３８ａ，３８ｂ，３８ｃ…非磁性層、３３，３５ａ、３５ｃ，３７ａ，３７ｃ，３７ｅ，３７ｇ…強磁性層、３５，３７，３８…積層体。
Claims (14)
- 磁気抵抗効果素子を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、
第１強磁性層と、
第２強磁性層と、
前記第２強磁性層に対して前記第１強磁性層と反対側に設けられた積層体と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
前記第２強磁性層と前記積層体との間に設けられた第２非磁性層と、
前記積層体に対して前記第２非磁性層と反対側に設けられ、金属酸化物を含む第３非磁性層と、
を含み、
前記積層体は、前記第３非磁性層と接し、白金（Ｐｔ）を含む第４非磁性層を含む、
磁気記憶装置。 - 前記第３非磁性層は、ガドリニウム（Ｇｄ）またはアルミニウム（Ａｌ）を含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第３非磁性層は、電気陰性度が１．８よりも小さい金属元素の酸化物を含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記積層体は、
前記第４非磁性層に対して前記第３非磁性層と反対側において前記第４非磁性層と接する第３強磁性層と、
前記第３強磁性層に対して前記第４非磁性層と反対側において前記第３強磁性層と接する第５非磁性層と、
前記第５非磁性層に対して前記第３強磁性層と反対側において前記第５非磁性層と接する第４強磁性層と、
をさらに含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第５非磁性層は白金（Ｐｔ）を含み、
前記第３強磁性層及び前記第４強磁性層はコバルト（Ｃｏ）を含む、
請求項４に記載の磁気記憶装置。 - 前記積層体は、
前記第４非磁性層に対して前記第３非磁性層と反対側において前記第４非磁性層と接する第３強磁性層と、
前記第３強磁性層に対して前記第４非磁性層と反対側において前記第３強磁性層と接するサブ積層体と、
をさらに含み、
前記サブ積層体は、複数の第６非磁性層と、複数の第５強磁性層とを含み、
前記サブ積層体は、前記第６非磁性層と前記第５強磁性層とが、前記第３強磁性層側から、前記第６非磁性層、前記第５強磁性層の順に積層された組が、複数積層された構造を有する、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第６非磁性層は白金（Ｐｔ）を含み、
前記第３強磁性層及び前記第５強磁性層はコバルト（Ｃｏ）を含む、
請求項６に記載の磁気記憶装置。 - 前記磁気抵抗効果素子は、前記第３非磁性層に対して前記積層体と反対側において前記第３非磁性層と接する第７非磁性層をさらに含み、
前記第７非磁性層は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化タングステン（ＷＮ）から選択される少なくとも一つの化合物を含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記磁気抵抗効果素子は、前記第３非磁性層に対して前記積層体と反対側において前記第３非磁性層と接する第８非磁性層をさらに含み、
前記第８非磁性層は、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）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、カーボン（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、及びゲルマニウム（Ｇｅ）から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記磁気抵抗効果素子は、前記第８非磁性層に対して前記第３非磁性層と反対側において前記第８非磁性層と接する第９非磁性層をさらに含み、
前記第９非磁性層は、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、及び窒化タングステン（ＷＮ）から選択される少なくとも一つの化合物を含む、
請求項９に記載の磁気記憶装置。 - 前記第３非磁性層はアモルファスである、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、バナジウム（Ｖ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第１非磁性層は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 基板をさらに含み、
前記基板の表面に垂直な方向に、前記基板、前記第３非磁性層、前記積層体、前記第２非磁性層、前記第２強磁性層、前記第１非磁性層、前記第１強磁性層の順に設けられた、
請求項１に記載の磁気記憶装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022046633A JP2023140671A (ja) | 2022-03-23 | 2022-03-23 | 磁気記憶装置 |
| US17/942,365 US20230309413A1 (en) | 2022-03-23 | 2022-09-12 | Magnetic memory device |
| TW112103874A TW202404105A (zh) | 2022-03-23 | 2023-02-03 | 磁性記憶裝置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022046633A JP2023140671A (ja) | 2022-03-23 | 2022-03-23 | 磁気記憶装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023140671A true JP2023140671A (ja) | 2023-10-05 |
Family
ID=88096963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022046633A Pending JP2023140671A (ja) | 2022-03-23 | 2022-03-23 | 磁気記憶装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230309413A1 (ja) |
| JP (1) | JP2023140671A (ja) |
-
2022
- 2022-03-23 JP JP2022046633A patent/JP2023140671A/ja active Pending
- 2022-09-12 US US17/942,365 patent/US20230309413A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230309413A1 (en) | 2023-09-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10515678B2 (en) | Magnetic memory devices | |
| TWI677119B (zh) | 磁性記憶裝置 | |
| US10937947B2 (en) | Magnetic memory device with a nonmagnet between two ferromagnets of a magnetoresistive effect element | |
| US10854252B2 (en) | Magnetic storage device with a stack of magnetic layers including iron (Fe) and cobalt (co) | |
| US10943632B2 (en) | Magnetic storage device | |
| US11316095B2 (en) | Magnetic device which improves write error rate while maintaining retention properties | |
| US11563168B2 (en) | Magnetic memory device that suppresses diffusion of elements | |
| JP2023140671A (ja) | 磁気記憶装置 | |
| TWI794931B (zh) | 磁性記憶裝置 | |
| CN116806114A (zh) | 磁存储装置 | |
| TW202404105A (zh) | 磁性記憶裝置 | |
| US10867650B2 (en) | Magnetic storage device | |
| US11659773B2 (en) | Magnetic memory device and manufacturing method of magnetic memory device | |
| JP2020043134A (ja) | 磁気記憶装置 | |
| TW202324402A (zh) | 磁性記憶體裝置 | |
| TW202412346A (zh) | 磁性記憶體裝置 | |
| JP2022049876A (ja) | 磁気記憶装置及び磁気記憶装置の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20230106 |