JP4599425B2 - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
│√2×a1/2−a2│/a2<b×{ln(hc/b)+1}/{2π×hc×(1+ν)}
の関係を満たす。前記第1の下地層は、Laを含む窒化物、Baを含む酸化物、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、及びTmのうち1つ以上の元素を含む硫化物、又は、Cd、Mg、Mn、及びErのうち1つ以上の元素を含むセレン化物を含むことを特徴とする。
・低電気抵抗
・高耐熱性
・低格子ミスマッチ
・結晶配向性(膜面内方向に対して〔001〕方向に配向)
下地層に金属を用いると熱工程によって拡散が生じるため耐熱性の観点から好ましくない。よって、下地層には、熱工程によって拡散が生じ難い、イオン化結合や共有結合した化合物を用いることが望ましい。MgOは化合物であるが、前述したように高抵抗となるため好ましくない。特許文献2には低抵抗かつ低電気抵抗のCrNが用いられているが、CrNはFePd記録層に対して、格子ミスマッチが8%程度となるため好ましくない。なぜならば、記録層として用いる材料と下地層として用いる材料との間の格子ミスマッチが大きいと、結晶成長する段階で記録層に転位(dislocation)が入り、記録層の配向性が劣化する。この結果、L10構造を有する記録層の磁気特性がばらつくためである。
│a1−a2│/a2<b×{ln(hc/b)+1}/{2π×hc×(1+ν)}
・・・(1)
図1は、記録層としてFePdを用いた場合の下地層と記録層との格子ミスフィットと、転位欠陥が生じる記録層の臨界膜厚との関係を示している。導出するにあたって、b=0.268nm、ν=0.343を用いた。関係式(1)は、図1の曲線の下側の領域を表している。図1より、記録層の膜厚が与えられれば、記録層に転位が入らないための下地層と記録層との格子ミスフィットの大きさが与えられる。
[1]MTJ素子10の全体構成
図2は、本発明の第1の実施形態に係るMTJ素子10の構成を示す断面図である。図中の矢印は、磁化方向を示している。本実施形態では、シングルピン層構造(1つの記録層と1つの参照層とが非磁性層を介して配置される構造)を有するMTJ素子10について説明する。
垂直磁化を実現する記録層13及び参照層15としては、膜面内方向に対して(001)面に配向したfct(face-centered tetragonal)構造を基本構造とするL10構造、或いはL12構造を有する磁性材料が用いられる。また、記録層13及び参照層15で垂直磁化を実現するには、5×105erg/cc以上の結晶磁気異方性エネルギー密度を有する材料が望ましい。
コバルト(Co)を主成分とし、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、及びニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素を含む金属。例えば、CoCr合金、CoPt合金、CoCrTa合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
鉄(Fe)、コバルト(Co)、及びニッケル(Ni)のうちいずれか1つの元素或いは2つ以上の元素を含む金属と、クロム(Cr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)、レニウム(Re)、金(Au)、及び銅(Cu)のうちいずれか1つの元素或いは2つ以上の元素を含む金属とが交互に積層された積層膜。例えば、Co/Pt人工格子、Co/Pd人工格子、CoCr/Pt人工格子、Co/Ru人工格子、Co/Os人工格子、Co/Au、Ni/Cu人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層との膜厚比を調整することで、磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
希土類金属と遷移金属との合金からなるフェリ磁性体。例えば、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、或いはガドリニウム(Gd)と、遷移金属のうち1つ以上の元素とを含むアモルファス合金。例えば、TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等が挙げられる。これらの合金は、組成比を調整することで磁気異方性エネルギー密度、飽和磁化を調整することができる。
酸化バリウム(BaO)、酸化カルシウム(CaO)、若しくは酸化アルミニウム(AlOx)等が用いられる。従って、本実施形態のMTJ素子10は、TMR(Tunneling Magnetoresistive)効果を有することになる。
下地層12は、記録層13の結晶配向性或いは結晶性を制御するために設けられている。記録層13が垂直磁気異方性を発現するには、この記録層13は(001)面に配向したfct構造を有する必要がある。このような結晶配向を有する記録層13を形成するためには、下地層12としては、膜面に対して(001)面に配向した立方晶構造、正方晶構造を有する窒化物、酸化物、硫化物、或いはセレン化物が用いられる。
│√2×a1/2−a2│/a2<b×{ln(hc/b)+1}/{2π×hc×(1+ν)}
・・・(2)
下地層12の格子定数a1、記録層13の膜面内方向の格子定数a2、記録層13のバーガースベクトルの大きさb、記録層13の弾性定数ν、記録層13の膜厚hcである。
(1)バリウム(Ba)を含む酸化物
(2)ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、及びツリウム(Tm)のうち1つ以上の元素を含む硫化物
(3)カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、マンガン(Mn)、及びエルビウム(Er)のうち1つ以上の元素を含むセレン化物
或いは下記(4)に示す、面内方向の格子定数が5.25〜5.65Å程度のホタル石構造を有する化合物を用いることが可能である。
(4)セリウム(Ce)、若しくはナトリウム(Na)を含む酸化物
一方、Matthews-Blakesleeのモデルによる上記関係式(1)を満たす下地層12の材料としては、膜面内方向に対して(001)面に配向したペロブスカイト構造を有し、膜面内方向の格子定数が3.7〜4.0Å程度の化合物が用いられる。この化合物としては、ストロンチウム(Sr)、セリウム(Ce)、ジスプロシウム(Dy)、ランタン(La)、カリウム(K)、鉛(Pd)、カルシウム(Ca)、及びバリウム(Ba)のうち1つ以上の元素を含む酸化物が挙げられる。
図5は、下地層12の具体的な構成例を示す断面図である。下地層12は、第2の下地層12C、第3の下地層12B、第1の下地層12Aが順に積層された積層構造を有している。第1の下地層12Aは、[3]で説明した下地層12と同じ材料で構成される。
下地層12は、第2の下地層12Cとして膜厚が3nm程度のCoFeB、第3の下地層12Bとして膜厚が0.5nm程度のMgO、第1の下地層12Aとして膜厚が5nm程度のLaNが順に積層されて構成される。
図5に示すように、下地層12は、第2の下地層12C、第3の下地層12B、第1の下地層12Aが順に積層された積層構造を有している。第1の下地層12Aは、[3]で説明した下地層12と同じ材料で構成される。
第2の下地層12Cとして膜厚が10nm程度のNiTaを用い、NiTaを成膜後、このNiTaの上面を酸化し、上面が酸化されたNiTa上に膜厚が10nm程度のCrを第3の下地層12Bとして成膜し、さらに第1の下地層12Aとして膜厚が5nm程度のLaNを成膜する。このようにして下地層12を構成しても良い。
第2の実施形態は、新たに磁場調整層18を付加することで、参照層15から出る漏れ磁場を低減し、これによって、この漏れ磁場に起因する記録層13の反転磁界のシフトを低減或いは調整するようにしている。
第3の実施形態は、第1の実施形態或いは第2の実施形態で示したMTJ素子10を用いてMRAMを構成した場合の構成例について示している。
図10は、デジタル加入者線(DSL)用モデムのDSLデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ(DSP:Digital Signal Processor)100、アナログ−デジタル(A/D)コンバータ110、デジタル−アナログ(D/A)コンバータ120、送信ドライバ130、及び受信機増幅器140等を備えている。
図11は、別の適用例として、携帯電話端末300を示している。通信機能を実現する通信部200は、送受信アンテナ201、アンテナ共用器202、受信部203、ベースバンド処理部204、音声コーデックとして用いられるDSP205、スピーカ(受話器)206、マイクロホン(送話器)207、送信部208、及び周波数シンセサイザ209等を備えている。
図12乃至図16は、MRAMをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード(MRAMカード)に適用した例をそれぞれ示している。
Claims (14)
- (001)面に配向したNaCl構造を有する第1の下地層と、
前記第1の下地層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、かつ(001)面に配向するfct(face-centered tetragonal)構造を有する第1の磁性層と、
前記第1の磁性層上に設けられた第1の非磁性層と、
前記第1の非磁性層上に設けられ、かつ膜面に垂直方向の磁気異方性を有する第2の磁性層と、
を具備し、
前記第1の下地層の膜面内方向の格子定数a1及び前記第1の磁性層の膜面内方向の格子定数a2は、前記第1の磁性層のバーガースベクトルの大きさb、前記第1の磁性層の弾性定数ν、前記第1の磁性層の膜厚hcとすると、
│√2×a1/2−a2│/a2<b×{ln(hc/b)+1}/{2π×hc×(1+ν)}
の関係を満たし、
前記第1の下地層は、
Laを含む窒化物、
Baを含む酸化物、
Gd、Tb、Dy、Ho、Er、及びTmのうち1つ以上の元素を含む硫化物、又は、
Cd、Mg、Mn、及びErのうち1つ以上の元素を含むセレン化物
を含むことを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記第1の下地層の下に設けられ、かつアモルファス構造又は微結晶構造を有する第2の下地層をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の下地層は、Fe、Co、及びNiのうち1つ以上の元素と、B、Nb、Si、Ta、及びZrのうち1つ以上の元素とを含む金属または当該金属の表面にその酸化物が形成されたものを含むことを特徴とする請求項2に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1の下地層及び前記第2の下地層間に設けられ、かつMg、Ca、Ba、Ti、V、Nb、Mn、Fe、Co、及びNiのうち1つ以上の元素を主成分とする酸化物を含む第3の下地層をさらに具備することを特徴とする請求項2又は3に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1の下地層及び前記第2の下地層間に設けられ、かつAl、Au、Pd、Pt、Ag、Fe、Cr、又はVを主成分とする金属を含む第3の下地層をさらに具備することを特徴とする請求項2又は3に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1の磁性層は、L10構造、L12構造、又はこれらの混合構造を有す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素子。
- 前記第1の磁性層は、Fe、Co、Ni、及びMnのうち1つ以上の元素と、Pt、Pd、Rh、Al及びAuのうち1つ以上の元素とからなる合金を含む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素子。
- 前記第1の非磁性層は、酸化マグネシウムを含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の磁性層上に設けられた第2の非磁性層と、
前記第2の非磁性層上に設けられ、かつ前記第2の磁性層からの漏れ磁場を低減して調整する磁場調整層と、
をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 - 前記第2の磁性層及び前記磁場調整層は、反強磁性結合していることを特徴とする請求項9に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2の磁性層上に設けられた反強磁性層をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 請求項1乃至11のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟み、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第1及び第2の電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気メモリ。
- 前記第1の電極に電気的に接続された第1の配線と、
前記第2の電極に電気的に接続された第2の配線と、
前記第1の配線及び前記第2の配線に電気的に接続され、かつ前記磁気抵抗素子に双方向に電流を供給する書き込み回路とをさらに具備することを特徴とする請求項12に記載の磁気メモリ。 - 前記メモリセルは、前記第2の電極及び前記書き込み回路間に電気的に接続された選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項13に記載の磁気メモリ。
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