JP4575101B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ - Google Patents
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近年、2つの磁性金属層の間に1層の誘電体を挿入したサンドイッチ構造膜を有し、膜面に対して垂直に電流を流し、トンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子として、いわゆる「強磁性トンネル接合素子(Tunneling Magneto-Resistance effect:TMR素子)」が提案されている。強磁性トンネル素子は20%以上の磁気抵抗変化率が得られるようになったことからMRAMへの民生応用技術開発が盛んに行われている。
本発明の第1実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図1に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子1は、下部電極となる下地層2と、下地層2上に設けられた反強磁性層4と、反強磁性層4上に設けられた強磁性層6と、強磁性層6上に設けられたトンネルバリア層8と、トンネルバリア層8上に設けられ誘電体12によってそれぞれが隔てられた複数の強磁性粒11を有する磁気記録層10と、磁気記録層10上に設けられた非磁性層14と、非磁性層14上に設けられ上部電極となる非磁性電極層16とを備え、下部電極2と上部電極16間に電流を流す構成となっている。強磁性層6は反強磁性層4との交換結合により磁化が固着されており、磁化固着層となる。誘電体12によって隔てられた複数の強磁性粒11は、それぞれがトンネルバリア層8および非磁性層14に接するように構成されている。
次に、本実施形態による磁気抵抗効果素子の第2実施形態の構成を図2に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子1Aは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗効果素子1において、磁化固着層となる強磁性層6を強磁性層6Aに置き換えた構成となっている。この強磁性層6Aは、トンネルバリア層8との接合面積は変わらないが、強磁性層6に比べて体積が大きくなるように構成されている。したがって、第2実施形態においては、第1実施形態に比べて、磁化固着層となる強磁性層6Aの体積が大きい。このため、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化は第1実施形態に比べてより安定性を増すことになる。
次に、本発明の第3実施形態による磁気メモリの構成を図3に示す。この実施形態の磁気メモリは少なくとも1個のメモリセルを有し、このメモリセルは、第2実施形態の磁気抵抗効果素子1Aと、選択トランジスタ60とを備えている。上記磁気抵抗効果素子は、引き出し電極40上に設けられた反強磁性層4と、この反強磁性層4上に設けられた磁化固着層6Aと、この磁化固着層6A上に設けられたトンネルバリア層8と、トンネルバリア層8上に設けられ誘電体10に隔てられた強磁性粒11からなる磁気記録層10と、磁気記録層10上に設けられた非磁性層14と、非磁性層14上に設けられた上部電極16とを備えている。選択トランジスタ60は、ゲート電極61と、このゲート電極の両側に設けられたソースおよびドレイン領域63、65とを備えている。上部電極16は、メモリセルを選択するビット線30に接続され、引き出し電極40は接続部50を介して、選択トランジスタ60のソース63に接続される。選択トランジスタ60のゲート電極61はメモリセルを選択するためのワード線を兼ねている。したがって、メモリセルはビット線30と、ワード線61が交差する領域に設けられている。
磁化固着層6A側から電子を注入し、磁化固着層6Aでスピン偏極した電子がトンネルバリア層8を介し、磁気記録層10へスピントルクをおよぼし、磁気記録層10のスピンが反平行→平行へ反転する。
磁気記録層10側から電子を注入すると磁気記録層10でスピン偏極した電子が注入される。その際、磁化固着層6Aのスピンの方向と同じスピンの方向を持つ電子は散乱確率が低く容易にスピン電流が流れるが、反平行のスピンは反射される。磁気記録層10へ反射してきた電子は、磁気記録層10へスピントルクを及ぼし、磁気記録層10のスピンが平行→反平行へ反転する。
Ic P=eαMAt[H−Hk−2πM]/hg(π)
平行→反平行の場合;
Ic AP=eαMAt[H+Hk+2πM]/hg(0)
ここで、eは電気素量、αはGilbert damping parameter、Mは磁化、Atは磁気記録層の体積、Hは磁場の強さ、Hkは異方性定数、hはプランク定数である。g(π)、g(π)は、磁化固着層/非磁性層界面でのスピン依存で、次式で与えられる。
ここで、pはスピン偏極率である。この式より、g(π)>g(0)であるため、一般に、反平行→平行にスピン反転させる場合の電流Ic Pの方が、平行→反平行にスピン反転させる場合の電流Ic APに比べて小さい。
次に、本発明の第4実施形態による磁気メモリの構成を図4に示す。この実施形態の磁気メモリは、図3に示す第3実施形態の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子1Aを磁気抵抗効果素子1Bに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子1Bは、磁気抵抗効果素子1Aの反強磁性層4および磁化固着層6Aを、反強磁性層と強磁性層が交互に積層された積層膜6Bに置き換えた構成となっている。積層膜6Bの強磁性層は反強磁性層との交換結合により磁化が固着され、磁化固着層となる。そして、第3実施形態の反強磁性層4および磁化固着層6Aの積層膜の形状と、第4実施形態の積層膜6Bの形状はほぼ同一となっている。また、積層膜6Bはトンネルバリア層8に接する層が強磁性層であるように構成する必要があるが、引き出し電極40に接する層が強磁性層または反強磁性層であるように構成してもよい。
この第4実施形態のように、磁化固着層が強磁性層と反強磁性層が交互に積層された積層膜6Bからなる構造は、図5に示すように、サイズが0.1×0.1μm2以下の素子面積でかつ磁気記録層13が連続膜からなる磁気抵抗効果素子1Cを有する磁気メモリに用いることができる。磁気抵抗効果素子1Cは、図4に示す磁気メモリの磁気抵抗効果素子1Bにおいて、磁気記録層10を強磁性層の連続膜からなる磁気記録層13に置き換えた構成となっている。この図5に示す磁気メモリにおいては、サイズが0.1×0.1μm2以下であってもスピン書き込み時における磁化固着層の磁化を安定に保つことができる。
次に、本発明の第5実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図7に示す。この第5実施形態の磁気抵抗効果素子1Eは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗効果素子1において、非磁性層14と上部電極16との間に、強磁性層18と、この強磁性層18と交換結合して強磁性層18の磁化を固着させる反強磁性層20とを設けた構成となっている。そして、磁化固着層となる強磁性層6と、磁化固着層となる強磁性層18の磁化の向きは略180度と異なっている。また、本実施形態においては、非磁性層14は、CuまたはCu合金からなる非磁性金属層となっている。
また、本実施形態の変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図8に示す。この変形例の磁気抵抗効果素子1Fは、第5実施形態の磁気抵抗効果素子1Eにおいて、磁化固着層18を、磁性層181、非磁性層182、および磁性層183からなる積層構造の磁化固着層18に置き換えた構成となっている。そして、磁気記録層10側の磁性層181と、磁化固着層6の磁化の向きは、180度異なっている。
次に、本発明の第6実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図9に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子1Gは、第1実施形態の磁気抵抗効果素子1において、非磁性層14の材料を限定して、磁気記録層10の磁化と反対方向のスピン電流を反射させる反射層として機能させるとともに、非磁性層14の磁気記録層10と反対側の面に磁化の向きが磁化固着層6の磁化の向きと平行となるように固着された強磁性層18を設けた構成となっている。この強磁性層18は、スピン偏極した電子の反射層としての機能を有するので、第1実施形態において、非磁性層14を反射層として用いた場合よりも有効にスピン偏極した電子を反射することが可能となり、磁気記録層10の磁化を反転されるのに必要な電流の密度を少なくすることができる。
次に、第6実施形態の第1変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図10に示す。この第1変形例による磁気抵抗効果素子1Hは、第6実施形態による磁気抵抗効果素子1Gにおいて、強磁性層18と上部電極16との間に強磁性層18の磁化の向きを固着する反強磁性層20を設けた構成となっている。これにより、強磁性層18の磁化は、第6実施形態に比べて安定する。
次に、第6実施形態の第2変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図11に示す。この第2変形例による磁気抵抗効果素子1Iは、第2変形例による磁気抵抗効果素子1Hにおいて、強磁性層18を、強磁性層181、非磁性層182、強磁性層183、非磁性層184、強磁性層185からなる積層構造とした構成となっている。、強磁性層181と、強磁性層185は、磁化固着層6の磁化と同じ向きすなわち平行に磁化が固着され、強磁性層183は磁化固着層6の磁化と反対の向きすなわち反平行に磁化が固着されている。すなわち、強磁性層18はシンセティクな反強磁性結合を有している。強磁性層18は、第1変形例に比べて体積が大きくすることが可能となり、磁化がより安定することになる。
次に、第6実施形態の第3変形例による磁気抵抗効果素子の構成を図12に示す。この第3変形例の磁気抵抗効果素子1Jは、第6実施形態の磁気抵抗効果素子1Gにおいて、磁化固着層となる強磁性層6を強磁性層6Aに置き換えた構成となっている。この強磁性層6Aは、トンネルバリア層8との接合面積は変わらないが、強磁性層6に比べて体積が大きくなるように構成されている。したがって、第3変形例においては、第6実施形態に比べて、磁化固着層となる強磁性層6Aの体積が大きい。このため、スピン注入書き込み時の磁化固着層の磁化は第1実施形態に比べてより安定性を増すことになる。
次に、本発明の第7実施形態による磁気メモリの構成を図13に示す。この実施形態による磁気メモリは、第3実施形態の磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子1Aを、第6実施形態の第3変形例による磁気抵抗効果素子1Jに置き換えた構成となっている。
次に、第7実施形態の変形例による磁気メモリの構成を図14に示す。この変形例による磁気メモリは、第7実施形態による磁気メモリにおいて、磁気抵抗効果素子1Jを磁気抵抗効果素子1Kに置き換えた構成となっている。磁気抵抗効果素子1Kは、磁気抵抗効果素子1Jの反強磁性層4および磁化固着層6Aを、反強磁性層と強磁性層が交互に積層された積層膜6Bに置き換えた構成となっている。積層膜6Bの強磁性層は反強磁性層との交換結合により磁化が固着され、磁化固着層となる。そして、第7実施形態の反強磁性層4および磁化固着層6Aの積層膜の形状と、この変形例の積層膜6Bの形状はほぼ同一となっている。また、積層膜6Bはトンネルバリア層8に接する層が強磁性層であるように構成する必要があるが、引き出し電極40に接する層が強磁性層または反強磁性層であるように構成してもよい。
次に、本発明の第8実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図15に示す。第1乃至第7実施形態の磁気抵抗効果素子においては、誘電体で隔てられた強磁性粒を備えた磁気記録層上に設けられる非磁性層14、強磁性層18、反強磁性層20等は連続膜であったが、本実施形態による磁気抵抗効果素子1Lは、磁気記録層となる強磁性層11上に、非磁性層14、磁化が固着された強磁性層18、反強磁性層20、および金属コンタクト層19が積層された柱状の形状の構造部を構成している。すなわち、磁気記録層11、非磁性層14、強磁性層18、反強磁性層20、および金属コンタクト層19は積層されて柱状の構造部を構成し、この柱状の積層構造部が複数個、トンネルバリア層8上にそれぞれ離間して設けられている。そして、複数の柱状に積層された構造部はお互いに層間絶縁膜36によって絶縁されている。各積層構造部の金属コンタクト層19は共通の上部電極16に接続されている。なお、トンネルバリア層8は磁化固着層6上に設けられ、磁化固着層6は反強磁性層4上に設けられ、反強磁性層4は下地層2上に設けられている。強磁性層18の磁化の向きは、磁化固着層6の磁化の向きと同じ方向、すなわち平行となるように固着される。このため非磁性層14は第6実施形態で説明した材料、すなわち強磁性層18の材料に応じて選択した材料を用いる。
磁気記録層11に近い強磁性層181の磁化の向きは、磁化固着層6の磁化の向きと同じ、すなわち平行となっており、強磁性層183の磁化の向きは、磁化固着層6の磁化の向きと反対、すなわち反平行となっている。したがって、強磁性層18はシンセティクな反強磁性結合を有している。
次に、本発明の第9実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図22に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子1Oは、図示しない基板上に設けられた下部電極層72と、下部電極72上に設けられ磁化が可変の磁性体からなる磁気記録層74と、磁気記録層74上に設けられたトンネルバリア層76と、トンネルバリア層76上に離散的に設けられた絶縁層78と、トンネルバリア層76および絶縁層78を覆うように設けられ磁化が固着された磁性体からなる磁化固着層80と、磁気記録層80上に設けられた上部電極層82とを備えている。なお、磁化固着層80は、反強磁性層を付加して磁化を固着することが好ましい。絶縁層78は原子一層分の膜厚であってもよい。
次に、本発明の第10実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図23に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子1Pは、第9実施形態の磁気抵抗効果素子1Oにおいて、トンネルバリア層76と、絶縁層78の配置を逆にした構成となっている。すなわち、本実施形による磁気抵抗効果素子1Pは、図示しない基板上に設けられた下部電極層72と、下部電極72上に設けられた磁気記録層74と、磁気記録層74上に離散的に設けられた絶縁層78と、磁気記録層74および絶縁層78を覆うように設けられたトンネルバリア層76と、トンネルバリア層76上に設けられた磁化固着層80と、磁気記録層80上に設けられた上部電極層82とを備えている。
次に、本発明の第11実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を図24に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子1Qは、図22に示す第9実施形態の磁気抵抗効果素子1Oにおいて、トンネルバリア層76と、絶縁層78との間に非磁性層77を設けた構成となっている。すなわち、この実施形態の磁気抵抗効果素子1Qは、図示しない基板上に設けられた下部電極層72と、下部電極72上に設けられた磁気記録層74と、磁気記録層74上に設けられたトンネルバリア層76と、トンネルバリア層76上に離散的に設けられた非磁性層77と、この非磁性層77の表面を覆うように設けられた絶縁層78と、トンネルバリア層76および絶縁層78を覆うように設けられた磁化固着層80と、磁気記録層80上に設けられた上部電極層82とを備えている。絶縁層78は、非磁性層77の表面を酸化することによって形成してもよい。
まず、本発明の実施例1として、図1および図3に示すTMR構造を有する磁気抵抗効果素子の試料を作製した。
次に本発明の実施例2として、図4乃至図6に示すTMR構造を有する試料3,4,5を作製した。
この試料3は、図4に示す構造を有し、SiO2基板上にTa(50nm)/Ru(10nm)からなる下地電極、PtMn(15nm)からなる反強磁性層とCo90Fe10(3nm)からなる磁化固着層との積層膜を2層積層した積層構造、AlOx(1.4nm)からなるトンネルバリア層、AlOxからなる誘電体で隔てられた(Co90Fe10)80Pt20からなる強磁性粒を有する磁気記録層、Ru(15nm)からなる非磁性層、およびTa(150nm)からなるコンタクト層を備えている。
この試料4は、図5に示す構造を有し、SiO2基板上にTa(50nm)/Ru(10nm)からなる下地電極、PtMn(15nm)からなる反強磁性層とCo90Fe10(3nm)からなる磁化固着層との積層膜を2層積層した積層構造、AlOx(1.4nm)からなるトンネルバリア層、Co90Fe10(3.0nm)からなる磁気記録層、Ru(14nm)からなる非磁性層、およびTa(150nm)からなるコンタクト層を備えている。
この試料5は、図6に示す構造を有し、SiO2基板上にTa(50nm)/Ru(10nm)からなる下地電極、PtMn(15nm)からなる反強磁性層、Ru(0.9nm)からなる非磁性層を介してCo90Fe10(3nm)からなる磁化固着層を2層積層した積層構造、AlOx(1.4nm)からなるトンネルバリア層、Co90Fe10(3.0nm)からなる磁気記録層、Ru(14nm)からなる非磁性層、およびTa(150nm)からなるコンタクト層を備えている。
次に、本発明の実施例3として、第8実施形態で説明した製造方法を用いて、下地層、反強磁性層、磁化固着層、トンネルバリア層、磁気記録層、および反射層を備えた図29に示す試料6−1〜試料6−15を作成するとともに反射層を備えていない比較例1−1、1−2を作成し、それぞれの電流密度を測定した。これらの試料6−1〜試料6−15および比較例1−1、比較例1−2はいずれも、下地層が膜厚50nmのTaおよび膜厚10nmのRu、反強磁性層が膜厚15nmのPtMn、磁化固着層が膜厚5nmのCo90Fe10、トンネルバリア層が膜厚1.4nmのAlOxからなっている。そして、磁気記録層および反射層は第8実施形態で説明したように、柱状に積層された構成となっている。なお、各試料および比較例の素子サイズは0.1×0.15μm2であり、図19(c)に示す保護膜34はAlOx、層間絶縁膜36はSiOxを用いた。
試料6−3は、試料6−2の非磁性層14をRuからCrに換えた構成となっている。試料6−4は、試料6−3の非磁性層14をCrからRuCrに換えた構成となっている。
試料6−7は、試料6−1の非磁性層14をRuからIrRuに換えた構成となっている。試料6−8は、試料6−2の非磁性層14をRuからIrRuに置き換えた構成となっている。すなわち、試料6−7は試料6−8の強磁性層および反強磁性層を削除した構成となっている。
次に、本発明の実施例4として、図22に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
次に、本発明の実施例5として、図23に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
次に、本発明の実施例6として、図24に示す構造の磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
本発明の実施例7として、実施例4で磁気記録層にCoCrPtを用いた磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
本発明の実施例8として、実施例5で磁気記録層にCoFeCrPtを用いた磁気抵抗効果素子を製作した。この実施例の磁気抵抗効果素子は以下のように形成される。
2 下部電極
4 反強磁性層
6 磁化固着層
8 トンネルバリア層
10 磁気記録層
11 強磁性粒
12 誘電体
14 非磁性層
16 上部電極
Claims (8)
- 少なくとも1層の磁性層を有し磁化の方向が固着された第1磁化固着層と、誘電体で隔てられた複数の強磁性粒を有し磁化の方向が可変の磁気記録層と、前記第1磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられたトンネルバリア層と、前記磁気記録層の前記トンネルバリア層とは反対側に設けられた第1非磁性層とを備え、前記強磁性粒が、前記トンネルバリア層および前記第1非磁性層に接するように構成され、膜厚方向に電流を流すことにより前記磁気記録層の前記強磁性粒の磁化の方向が可変となることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
- 前記第1非磁性層の前記磁気記録層とは反対側に設けられ少なくとも1層の磁性層を有し磁化の方向が固着された第2磁化固着層を備え、前記第1磁化固着層と前記第2磁化固着層の前記トンネルバリア層側の磁性層の磁化の方向は実質的に180度異なっており、前記第1非磁性層がCuまたはCu合金であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第2磁化固着層は、第2非磁性層とこの第2非磁性層を挟む2つの磁性層とが積層された積層膜であることを特徴とする請求項2記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1非磁性層がCuまたはCu合金からなっている場合、前記第2非磁性層の材料がCr、Ru、Os、Re、Rhから選ばれた少なくとも1種の元素を含むか、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項3記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1非磁性層の前記磁気記録層とは反対側に設けられ少なくとも1層の磁性層を有し磁化の方向が固着された第2磁化固着層を備え、前記第1磁化固着層と前記第2磁化固着層の前記トンネルバリア層側の磁性層の磁化の方向は実質的に同じ方向であり、
前記第2磁化固着層がCoを含む強磁性材料からなっている場合は、前記第1非磁性層の材料がCr、Ru、Ir、Os、Reから選ばれた少なくとも1種の元素を含むか、またはこれらの合金であり、
前記第2磁化固着層がFeを含む強磁性材料からなっている場合は、前記第1非磁性層の材料がCr、Ru、Os、Re、W、Mn、V、Ti、Moから選ばれる少なくとも1種の元素を含むか、またはこれらの合金であり、
前記第2磁化固着層がNiを含む強磁性材料からなっている場合は、前記第1非磁性層の材料がCr、Ru、Os、Re、Rh、Ir、W、Nb、V、Ta、Moから選ばれる少なくとも1種の元素を含むか、またはこれらの合金であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果素子。 - 前記第1非磁性層および前記第2磁化固着層は前記磁気記録層の強磁性粒上に柱状に積層されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 前記第1磁化固着層の前記トンネルバリア層側の面が前記トンネルバリア層と反対側の面よりも狭いことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗効果素子の一端が電気的に接続される第1配線と、
前記磁気抵抗効果素子の他端が電気的に接続される第2配線と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。
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