JP5050853B2 - MRAM - Google Patents
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Description
本発明は、MRAM(Magnetic Random Access Memory)に関しており、特に、SAF(Synthetic Anti-Ferromagnet)を磁化自由層として使用する磁気抵抗素子をメモリセルとして使用するMRAMに関する。 The present invention relates to an MRAM (Magnetic Random Access Memory), and more particularly to an MRAM that uses a magnetoresistive element that uses a SAF (Synthetic Anti-Ferromagnet) as a magnetization free layer as a memory cell.
MRAMは、高速書き込み/読み出しが可能な不揮発性メモリである。最も典型的には、MRAMは、磁化が反転可能な磁化自由層と、磁化が固定された磁化固定層と、その間に介設された非磁性層とで構成された磁気抵抗素子を、メモリセルとして利用する。データは、磁化自由層の磁化の向きとして記憶される。非磁性層が極めて薄い絶縁体で構成されている場合、磁気抵抗素子はTMR(Tunnel MagnetoRegistance)効果を示し、そのように構成された磁気抵抗素子は、しばしば、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子と呼ばれる。一方、非磁性層が非磁性の導電体で構成されている場合には、磁気抵抗素子はGMR(Giant MagnetoRegistance)効果を示し、そのように構成された磁気抵抗素子は、CPP−GMR(Current Perpendicular to Plane Giant MagnetoResistive)素子と呼ばれる。 The MRAM is a nonvolatile memory capable of high-speed writing / reading. Most typically, an MRAM includes a magnetoresistive element composed of a magnetization free layer in which magnetization can be reversed, a magnetization fixed layer in which magnetization is fixed, and a nonmagnetic layer interposed therebetween. Use as Data is stored as the magnetization direction of the magnetization free layer. When the nonmagnetic layer is composed of an extremely thin insulator, the magnetoresistive element exhibits a TMR (Tunnel MagnetoRegistance) effect, and the magnetoresistive element thus configured is often called an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element. . On the other hand, when the nonmagnetic layer is formed of a nonmagnetic conductor, the magnetoresistive element exhibits a GMR (Giant MagnetoRegistance) effect, and the magnetoresistive element configured as described above is a CPP-GMR (Current Perpendicular). to Plane Giant MagnetoResistive) element.
データの書き込みは、磁化自由層に外部磁場を印加し、これにより磁化自由層の磁化を所望の方向に反転することによって行われる。一方、データの読み出しは、磁気抵抗素子が示す磁気抵抗効果を利用する。TMR効果、GMR効果のいずれを利用する場合でも、磁気抵抗素子の抵抗は、磁化自由層の磁化の向きに応じて変化する。磁気抵抗素子の抵抗の変化を利用して、磁化自由層の磁化の向き、即ち、書き込まれたデータが判別される。 Data is written by applying an external magnetic field to the magnetization free layer, thereby reversing the magnetization of the magnetization free layer in a desired direction. On the other hand, data reading uses the magnetoresistive effect exhibited by the magnetoresistive element. Regardless of whether the TMR effect or the GMR effect is used, the resistance of the magnetoresistive element changes according to the magnetization direction of the magnetization free layer. Using the change in resistance of the magnetoresistive element, the magnetization direction of the magnetization free layer, that is, the written data is determined.
MRAMの一つの課題は、書き込み動作におけるメモリセルの選択性である。最もコンベンショナルなMRAMでは、磁化自由層の外部磁場に対する書き込み閾値曲線がアステロイド曲線となることを利用して書き込みが行われる。具体的には、各磁気抵抗素子の近傍に互いに直交するワード線、ビット線が設けられ、且つ、これらの書き込み線は磁気抵抗素子の磁化自由層の容易軸、困難軸方向に延伸するように配置される。そして、選択されたメモリセルに交差するワード線、ビット線に電流が流され、発生した電流誘起磁場が同時にメモリセルに印加される。このときの合成磁場の大きさが、素子のもつ磁気異方性の大きさで決定する閾値曲線(アステロイド)の外側に達したとき、磁化自由層の磁化は容易軸方向に並行にて二つの向きのいずれかを向くように反転する。このとき対応するワード線、ビット線の一方にしか電流が流されていない非選択メモリセルの磁化が反転しない程度の書き込み電流値が設定される。実際のメモリセルにおいて書き込み磁場のばらつきが存在するので、このような方式による選択書き込みはメモリセルの選択性が良好ではない。最悪の場合、適切な選択電流値のマージンが存在しない場合も考えられ、誤書き込みを起こしやすくなる問題がある。 One problem with MRAM is the selectivity of memory cells in the write operation. In the most conventional MRAM, writing is performed using the fact that the writing threshold curve for the external magnetic field of the magnetization free layer becomes an asteroid curve. Specifically, word lines and bit lines orthogonal to each other are provided in the vicinity of each magnetoresistive element, and these write lines extend in the easy axis and hard axis directions of the magnetization free layer of the magnetoresistive element. Be placed. Then, a current is passed through the word line and bit line intersecting the selected memory cell, and the generated current-induced magnetic field is simultaneously applied to the memory cell. When the magnitude of the synthetic magnetic field at this time reaches the outside of the threshold curve (asteroid) determined by the magnitude of the magnetic anisotropy of the element, the magnetization of the magnetization free layer is two in parallel with the easy axis direction. Flip to face one of the two orientations. At this time, a write current value is set to such an extent that the magnetization of the non-selected memory cell in which current is supplied only to one of the corresponding word line and bit line is not reversed. Since there is a variation in the write magnetic field in an actual memory cell, the selective write by such a method does not have good memory cell selectivity. In the worst case, there may be a case where there is no appropriate selection current value margin, and there is a problem that erroneous writing is likely to occur.
書き込み動作時のメモリセル選択性を向上させるための一つの方法として、「トグル書き込み方式」が知られている(例えば、米国特許6,545,906号公報参照)。トグル書き込み方式とは、磁化自由層にSAFを使用し、書き込み磁場の方向を時系列で変化させる事により、選択性が高い書き込み動作を行う技術である;ここでSAFとは、複数の強磁性層を有し、隣接する強磁性層が磁気的に反強磁性的に結合した構造体である。 As one method for improving the memory cell selectivity during the write operation, a “toggle write method” is known (see, for example, US Pat. No. 6,545,906). The toggle write method is a technique for performing a write operation with high selectivity by using SAF for the magnetization free layer and changing the direction of the write magnetic field in time series; where SAF is a plurality of ferromagnetic It is a structure having a layer and in which adjacent ferromagnetic layers are magnetically antiferromagnetically coupled.
図1は、トグル書き込み方式を採用するMRAMの典型的な構成を示す平面図である。MRAMのメモリアレイには、ワード線103と、ワード線103に直交するビット線102が延設される。メモリセルとして使用されるMTJ素子101が、ワード線103とビット線102が交差する位置のそれぞれに設けられる。図2に示されるように、MTJ素子101は、典型的には、基板100の上方に設けられた下部電極層111、反強磁性層112、磁化固定層113、バリア層114、磁化自由層115、及び上部電極層116を備えている。図1に示されているように、MTJ素子101は、磁化固定層113と磁化自由層115の容易軸がワード線103及びビット線102と45°の角度をなすように、即ち、MTJ素子101の長手方向がワード線103及びビット線102と45°の角度をなすように配置される。
FIG. 1 is a plan view showing a typical configuration of an MRAM employing a toggle writing method. In the memory array of the MRAM, a
図2を再度に参照して、磁化自由層115は、SAFで構成される。より具体的には、磁化自由層115は、強磁性層121、122と、その間に介設された非磁性層123とを備えている。非磁性層123は、強磁性層121、122との間に、反強磁性的なRKKY(Rudermann, Kittel, Kasuya, Yoshida)相互作用を作用させるように構成される。非磁性層の材料及び膜厚を適切に選択することにより、上下に接合される強磁性層をRKKY相互作用によって反強磁性的に結合することができることは、当業者には周知である。
Referring to FIG. 2 again, the magnetization free layer 115 is composed of SAF. More specifically, the magnetization free layer 115 includes
図9は、RKKY相互作用による結合エネルギーの強さの非磁性層の膜厚に対する依存性を示すグラフである。ここでは、強磁性層121、122がNiFe膜で形成され、非磁性層123がRu膜で形成されているときのデータが示されている。図9中のJsafは、「反平行結合エネルギー定数」であり、SAF内の強磁性層の磁化を平行、或いは、反平行結合させている単位面積あたりのエネルギー(反強磁性結合エネルギー)を示している。強磁性層を反強磁性的に結合させる場合に結合エネルギーが正であると定義されていることに留意されたい。RKKY相互作用による結合エネルギー定数Jsafは、非磁性層の膜厚の増加と共に減衰振動し、ある範囲においては反強磁性的なRKKY相互作用が発現し、他の範囲においては、強磁性的なRKKY相互作用が発現する。ある特定の膜厚では、磁気的相互作用が全く生じなくなる。非磁性層123の膜厚は、それらが反強磁性的なRKKY相互作用を発現するように選択される。磁化自由層115全体としての残留磁化(即ち、外部磁場が0である場合の磁化自由層115全体としての磁化)は可能な限り0に近づけられる。この条件は、例えば、2つの強磁性層121、122を同一の材料で、同一の磁気的な体積を有するように形成することによって満足され得る。FIG. 9 is a graph showing the dependence of the strength of the binding energy due to the RKKY interaction on the film thickness of the nonmagnetic layer. Here, data is shown when the
トグル書き込み方式では、SAFの二つの強磁性体が、ほぼ等価な強磁性層で構成された場合に、SAFはスピンフロップを発現するという性質を利用して選択的なデータ書き込みが行われる。図3は、スピンフロップを発現する2層の強磁性層から構成されたSAFの磁化曲線を示している。SAFの容易軸方向に外部磁場が印加されても、その外部磁場が小さい場合にはSAFの磁化はゼロのままである。外部磁場が増加して磁場Hflopに到達すると、突然、SAFに磁化が現れる。このとき、二つの強磁性層の磁化は、それらが180°よりも小さいある角度をなすように磁気結合し、且つ、その合成磁化が外部磁場の方向になるように配置される。この現象が「スピンフロップ」と呼ばれ、スピンフロップが発現する磁場Hflopは「フロップ磁場」と呼ばれる。スピンフロップは、全体としてのSAFの残留磁化が充分に小さい場合にのみ現れることに留意されたい。さらに外部磁場が増加すると、やがて二つの強磁性層の磁化は完全に平行に配置される。この磁場は「飽和磁場Hs」と呼ばれる。In the toggle writing method, when the two ferromagnetic materials of SAF are composed of substantially equivalent ferromagnetic layers, selective data writing is performed using the property that SAF exhibits spin flop. FIG. 3 shows the magnetization curve of SAF composed of two ferromagnetic layers that develop spin flops. Even if an external magnetic field is applied in the easy axis direction of the SAF, the magnetization of the SAF remains zero if the external magnetic field is small. When the external magnetic field increases and reaches the magnetic field H flop , magnetization suddenly appears in the SAF. At this time, the magnetizations of the two ferromagnetic layers are arranged so that they are magnetically coupled so that they form an angle smaller than 180 °, and the resultant magnetization is in the direction of the external magnetic field. This phenomenon is called “spin flop”, and the magnetic field H flop that the spin flop develops is called “flop magnetic field”. Note that the spin flop appears only if the overall remanent magnetization of the SAF is sufficiently small. When the external magnetic field is further increased, the magnetizations of the two ferromagnetic layers are eventually arranged completely in parallel. This magnetic field is called “saturation magnetic field Hs”.
飽和磁場Hsは、以下の式で表される:
Hs = 2Jsaf/(M・t)−2K/M = Hj−Hk ・・・(1)
Hj = 2Jsaf/(M・t) ・・・(2)
Hk = 2K/M ・・・(3)The saturation magnetic field Hs is represented by the following formula:
Hs = 2J saf / (M · t) −2K / M = Hj−Hk (1)
Hj = 2J saf / (M · t) (2)
Hk = 2K / M (3)
ここで、Hkは「異方性磁場」であり、Kは「異方性エネルギー」である。Jsafは前述のとおり「反平行結合エネルギー定数」で、正値をとる。二つの強磁性層の磁化相対角度がθである時、この反平行結合に起因したエネルギーはJsafcosθで表される。反平行結合に起因したエネルギーは、反平行配置であるθ=180度において−Jsafと最も小さくなり、その場合にSAFは最も安定になる。Hjは「反平行結合磁場」であり、反平行結合エネルギーによって反平行配置に結合した強磁性層の磁化同士が、平行配置となるまでに抗し得ることが可能な外部磁場値に相当する。言い換えると、反平行結合磁場Hjは、SAFが有する反平行結合力を磁場に換算した量である。Here, Hk is “anisotropic magnetic field”, and K is “anisotropic energy”. J saf is an “antiparallel bond energy constant” as described above and takes a positive value. When the relative magnetization angle of the two ferromagnetic layers is θ, the energy resulting from the antiparallel coupling is represented by J saf cos θ. The energy resulting from the antiparallel coupling is the smallest at −J saf at θ = 180 degrees which is the antiparallel arrangement, and in that case, the SAF is most stable. Hj is an “anti-parallel coupling magnetic field”, and corresponds to an external magnetic field value that can be resisted until the magnetizations of the ferromagnetic layers coupled in an anti-parallel arrangement by anti-parallel coupling energy become a parallel arrangement. In other words, the antiparallel coupling magnetic field Hj is an amount obtained by converting the antiparallel coupling force of the SAF into a magnetic field.
また、フロップ磁場Hflopは、上述の飽和磁場Hsと異方性磁場Hkを用いることにより、以下のように表される:
Hflop = 2/M[K(Jsaf/t−K)]0.5 ・・・(4a)
= (Hs・Hk)0.5 ・・・(4b)
= [(Hj−Hk)・Hk]0.5 ・・・(4c)
= [(2Jsaf/(M・t)−Hk)・Hk]0.5 ・・・(4d)Further, the flop magnetic field H flop is expressed as follows by using the saturation magnetic field Hs and the anisotropic magnetic field Hk described above:
H flop = 2 / M [K (J saf / t−K)] 0.5 (4a)
= (Hs · Hk) 0.5 (4b)
= [(Hj−Hk) · Hk] 0.5 (4c)
= [(2J saf / (M · t) −Hk) · Hk] 0.5 (4d)
図4は、トグル書き込み方法の手順を説明する概念図であり、図5はトグル書き込みによるデータ書き込みが行われるときのワード線103、ビット線102に流される電流の波形を示すグラフである。図4において、磁化自由層115の強磁性層121、122の磁化が、それぞれ、記号M1、M2によって参照されていることに留意されたい。FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining the procedure of the toggle writing method, and FIG. 5 is a graph showing waveforms of currents flowing through the
トグル書き込み方式によるデータ書き込みは、磁化自由層115に印加される磁場の方向を面内で回転させ、強磁性層121、122の磁化を所望の向きに向けることによって行われる。具体的には、まず、ワード線103に書き込み電流が流され、これによってワード線103に垂直な方向に磁場HWLが発生する(時刻t1)。続いて、ワード線103に書き込み電流が流されたまま、ビット線102に書き込み電流が流される(時刻t2)。これにより、ワード線103とビット線102との両方に45°の角度をなす方向に、磁場HWL+HBLが発生する。更に続いて、ビット線に書き込み電流が流されたままワード線への書き込み電流の供給が停止される(時刻t3)。これにより、ビット線102に垂直な方向(即ち、ワード線103に平行な方向)に磁場HBLが発生する。このような手順でワード線103及びビット線102に書き込み電流が流されることにより、磁化自由層115に印加される磁場が回転し、これにより、強磁性層121、122の磁化を180°回転させることができる。Data writing by the toggle writing method is performed by rotating the direction of the magnetic field applied to the magnetization free layer 115 in the plane and directing the magnetizations of the
トグル書き込み方式では、ワード線103及びビット線102に書き込み電流が流されたときに磁化自由層115に印加される磁場が、上述のフロップ磁場Hflopよりも大きく、飽和磁場Hsよりも小さくなければならない。そうでなければ、SAFはスピンフロップを示さないので、トグル書き込みを行うことができない。In the toggle write method, the magnetic field applied to the magnetization free layer 115 when a write current is passed through the
トグル書き込み方式の利点は、原理的にメモリセルの選択性が高いことである。ビット線とワード線による書き込み電流磁場HWL、HBLに対する磁化反転モードが、図6に示されている。図6に示されているように、トグル書き込み方式によれば、ワード線103又はビット線102の一方にのみ書き込み電流が流された場合、SAFの磁化は原理的に反転しない(No Switching)。言い換えれば、半選択メモリセルの磁化は、原理的に不所望に反転しない。このことは、MRAMの書き込み選択性と信頼性を有効に向上させる。トグル反転領域(Toggle Switching)に対応する外部磁場が磁化自由層115に印加される場合、SAFはスピンフロップを示し、トグル書き込みが行われる。The advantage of the toggle writing method is that the selectivity of the memory cell is high in principle. FIG. 6 shows a magnetization reversal mode for write current magnetic fields H WL and H BL by a bit line and a word line. As shown in FIG. 6, according to the toggle writing method, when a write current is applied only to one of the
さらに図6に示されるように、トグル反転領域の原点側に隣接する「ダイレクト反転領域(Direct Switching)」が存在する。ダイレクト反転モードでは、スピンフロップによるトグル書き込み反転が行われない。その代わり、磁化自由層115の磁化が、磁化固定層113の磁化に対して、反平行もしくは平行配置のいずれかに直接反転する。トグル書き込みでは、このようなダイレクト反転領域に、書き込み磁場が入ることを避けなければならない。もし書き込み磁場がダイレクト反転領域に入ると、不所望な磁化の向きへの強制的な磁化反転が生じ、誤書き込みが発生する。 Further, as shown in FIG. 6, there is a “direct switching region” adjacent to the origin side of the toggle inversion region. In the direct inversion mode, toggle writing inversion by spin flop is not performed. Instead, the magnetization of the magnetization free layer 115 is directly reversed to either the antiparallel or parallel arrangement with respect to the magnetization of the magnetization fixed layer 113. In toggle writing, it is necessary to avoid a writing magnetic field from entering such a direct inversion region. If the write magnetic field enters the direct inversion region, forcible magnetization reversal in an undesired magnetization direction occurs and erroneous writing occurs.
このダイレクト反転領域は、磁化自由層115に含まれる強磁性層121、122が、磁気的に等価でないことに起因して発生する。例えば、ダイレクト反転領域は、強磁性層121、122の磁化量の差に依存して生じると言われている。どちらか一方の強磁性層の磁化量が大きいほど、図6におけるダイレクト反転領域は広がり、トグル反転領域が減少する。ダイレクト反転領域が広がると、トグル反転が始まる閾値が高磁場側へシフトする。これは、書き込み磁場の増大と、書き込み磁場のマージンの減少を招き、問題である。従って、強磁性層121、122の磁化量の差を可能な限り小さくし、ダイレクト反転領域を縮小しなければならないと言われている。
This direct inversion region is generated because the
ダイレクト反転領域を低減することは、トグル書き込み方式のMRAMを開発する上で最重要課題の一つである。 Reducing the direct inversion region is one of the most important issues in developing a toggle writing MRAM.
さて、SAFは様々な文献に記載されている。磁化自由層のSAFに含まれる強磁性層の数は、3以上であってもよい。そのような構造を有するSAFは、以下「多層SAF」と参照される。多層SAFに関連する従来技術として、次のものが知られている。 Now, SAF is described in various documents. The number of ferromagnetic layers included in the SAF of the magnetization free layer may be three or more. The SAF having such a structure is hereinafter referred to as “multilayer SAF”. The following are known as conventional techniques related to the multilayer SAF.
米国特許6,545,906号に開示された技術によれば、SAFに含まれる強磁性層の数は3以上であって、且つ、SAFの残留磁化が飽和磁化の10%以内となるように構成されている。 According to the technique disclosed in US Pat. No. 6,545,906, the number of ferromagnetic layers included in SAF is 3 or more, and the residual magnetization of SAF is within 10% of saturation magnetization. It is configured.
米国特許6,714,446号に開示された構成によれば、SAFに含まれる強磁性層の数が4である。また、1層目の強磁性層と2層目の強磁性層との間の反強磁性結合に関する飽和磁場や、3層目の強磁性層と4層目の強磁性層との間の反強磁性結合に関する飽和磁場と比較して、2層目の強磁性層と3層目の強磁性層との間の反強磁性結合に関する飽和磁場が小さい。 According to the configuration disclosed in US Pat. No. 6,714,446, the number of ferromagnetic layers included in SAF is four. Also, the saturation magnetic field related to the antiferromagnetic coupling between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, and the antimagnetic coupling between the third ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer. Compared to the saturation magnetic field related to the ferromagnetic coupling, the saturation magnetic field related to the antiferromagnetic coupling between the second ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer is small.
特開2002−151758号に開示された技術によれば、熱揺らぎに対する安定性を高めるために、SAFは少なくとも5層以上の積層構造を有している。 According to the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-151758, the SAF has a laminated structure of at least five layers in order to improve the stability against thermal fluctuation.
特開2005−85951号に開示された技術によれば、多層SAFは、非磁性層により分割された複数層の磁性層から成る。偶数番目の磁性層の磁化量の総和と、奇数番目の磁性層の磁化量の総和とがほぼ等しい。 According to the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-85951, the multilayer SAF is composed of a plurality of magnetic layers divided by a nonmagnetic layer. The sum of the magnetization amounts of the even-numbered magnetic layers is substantially equal to the sum of the magnetization amounts of the odd-numbered magnetic layers.
特開2005−86015号に開示された構成によれば、磁化自由層のSAFに含まれる強磁性層の数が4である。また、1層目の強磁性層と2層目の強磁性層との間の反強磁性的な相互作用の強さが、3層目の強磁性層と4層目の強磁性層との間の反強磁性的な相互作用の強さとほぼ等しい。且つ、1層目の強磁性層と4層目の強磁性層の磁化量がほぼ等しく、2層目の強磁性層と3層目の強磁性層の磁化量がほぼ等しい。更に、磁化自由層のSAFに含まれる強磁性層の数が4層以上の偶数であり、各強磁性層の膜厚が上下方向にほぼ対称である構成も開示されている。 According to the configuration disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-86015, the number of ferromagnetic layers included in the SAF of the magnetization free layer is four. Further, the strength of the antiferromagnetic interaction between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is such that the third ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer It is almost equal to the strength of the antiferromagnetic interaction between them. In addition, the magnetization amounts of the first and fourth ferromagnetic layers are approximately equal, and the magnetization amounts of the second and third ferromagnetic layers are approximately equal. Further, a configuration is disclosed in which the number of ferromagnetic layers included in the SAF of the magnetization free layer is an even number of four or more, and the thickness of each ferromagnetic layer is substantially symmetric in the vertical direction.
しかしながら、発明者の実験によれば、米国特許6,545,906号に従って多層SAFを実際に作製しても、それだけでは良好に動作することは殆ど無かった。殆どの磁化自由層は、全ての印加磁場に対して全くトグル動作を示さなかった。一部動作するような構成が得られたとしても、動作率が低い問題が存在する。また、多層SAFの動作マージン内の書き込み磁場が印加されたとき、一見すると良好に動作しているように見える素子についても、或る特定の印加磁場に対してはトグル動作を示さない場合があることも判明した。そのような素子は不良素子である。これらは通常の2層からなるSAFには見られなかった現象である。 However, according to experiments conducted by the inventor, even if a multilayer SAF is actually manufactured according to US Pat. No. 6,545,906, it has hardly worked well by itself. Most magnetization free layers did not toggle at all for the applied magnetic field. Even if a configuration that partially operates is obtained, there is a problem that the operation rate is low. In addition, when a writing magnetic field within the operation margin of the multilayer SAF is applied, an element that seems to work well at first glance may not show a toggle operation for a specific applied magnetic field. It was also found out. Such an element is a defective element. These are phenomena that have not been observed in a normal two-layer SAF.
また、特開2005−86015号に従って多層SAFを実際に作製するために、第1強磁性層と第2強磁性層の間の非磁性層と、第3強磁性層と第4強磁性層の間の非磁性層の材料、膜厚が等しく設定されても、やはり、トグル書き込み方式で動作することは少なかった。 Further, in order to actually manufacture a multilayer SAF according to JP-A-2005-86015, a nonmagnetic layer between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer, and a fourth ferromagnetic layer are provided. Even when the material and film thickness of the nonmagnetic layer in the meantime were set to be the same, it was still rare to operate by the toggle writing method.
上述の通り、ダイレクト反転領域は、強磁性層の磁化量の差に依存して生じると言われてきた。強磁性層の磁化量とは、その強磁性層のうち実効的に磁化が含まれる体積(以下、「磁気体積V」と参照される)と、その強磁性層の磁化Mの積で定義される(磁化量=磁気体積V×磁化M)。磁気体積Vを磁化自由層の平均面積で割った値は、実効的に磁化が含まれる膜厚であり、「実効膜厚t」と参照される。強磁性層の磁化Mと実効膜厚tの積は、「磁化膜厚積」と参照される(磁化膜厚積=磁化M×実効膜厚t)。磁化膜厚積は、単位面積あたりの磁化量であると言える。 As described above, it has been said that the direct inversion region is generated depending on the difference in the magnetization amount of the ferromagnetic layer. The amount of magnetization of a ferromagnetic layer is defined as the product of the volume of the ferromagnetic layer that effectively contains magnetization (hereinafter referred to as “magnetic volume V”) and the magnetization M of the ferromagnetic layer. (Magnetization amount = magnetic volume V × magnetization M). A value obtained by dividing the magnetic volume V by the average area of the magnetization free layer is a film thickness that effectively includes magnetization, and is referred to as an “effective film thickness t”. The product of the magnetization M and the effective film thickness t of the ferromagnetic layer is referred to as “magnetization film thickness product” (magnetization film thickness product = magnetization M × effective film thickness t). It can be said that the magnetization film thickness product is the amount of magnetization per unit area.
ダイレクト領域を低減するために、実デバイスのSAF内の各強磁性層の磁化量を調整する場合、同一の磁気体積を実現することは難しい。なぜならば、各強磁性層が接する非磁性層の材料に依存して、デッドレイヤーが形成されるからである。デッドレイヤーとは、強磁性層と非磁性層との界面周辺において、拡散などによりある程度の磁化が消失する領域である。このデッドレイヤーによって、各強磁性層の磁気体積が異なってしまうのである。また、加工プロセスで磁化自由層を加工する際、その側面を完全に垂直に加工することは困難である。例えば接合部側壁に傾斜が生じた場合、成膜時にたとえ同じ膜厚を有する強磁性層が形成されたとしても、各強磁性層の実効的な磁気体積が異なってしまう。 In order to reduce the direct region, when adjusting the magnetization amount of each ferromagnetic layer in the SAF of the actual device, it is difficult to realize the same magnetic volume. This is because a dead layer is formed depending on the material of the nonmagnetic layer with which each ferromagnetic layer is in contact. The dead layer is a region in which a certain amount of magnetization disappears due to diffusion or the like around the interface between the ferromagnetic layer and the nonmagnetic layer. This dead layer changes the magnetic volume of each ferromagnetic layer. Further, when processing the magnetization free layer in the processing process, it is difficult to process the side surface completely perpendicularly. For example, when the junction side wall is inclined, even if a ferromagnetic layer having the same film thickness is formed at the time of film formation, the effective magnetic volume of each ferromagnetic layer is different.
また、実デバイスの磁化自由層内では、残留磁化状態において、磁化が反平行を向いている強磁性層同士の膜質を可能な限り等価にすることが望ましい。例えば強磁性層の結晶配向性が異なると、結晶磁気異方性磁場や磁歪定数など強磁性層自身が持つ磁気特性が異なる。その結果、スピンフロップで対となる強磁性層同士の磁気特性に差が生じてしまう。スピンフロップで対となる強磁性層同士の磁気特性、例えば磁気異方性に差が生じ、磁気的なエネルギーが等価でなくなると、ダイレクト反転領域が発生しやすくなる。更に、このような強磁性層の磁気特性の不均一性は、フロップ磁場や飽和磁場などの磁化反転特性のばらつきの発生要因となり得る。 Further, in the magnetization free layer of the actual device, it is desirable to make the film quality of the ferromagnetic layers whose magnetizations are antiparallel to each other as much as possible in the residual magnetization state. For example, when the crystal orientation of the ferromagnetic layer is different, the magnetic properties of the ferromagnetic layer itself such as the magnetocrystalline anisotropy magnetic field and magnetostriction constant are different. As a result, a difference occurs in the magnetic characteristics between the ferromagnetic layers that are paired in the spin flop. If a difference occurs in magnetic characteristics, for example, magnetic anisotropy, between the ferromagnetic layers paired by the spin flop, and the magnetic energy is not equivalent, a direct inversion region is likely to occur. Furthermore, such non-uniformity of the magnetic characteristics of the ferromagnetic layer can be a cause of variation in magnetization reversal characteristics such as a flop magnetic field and a saturation magnetic field.
通常の2つの強磁性層からなるSAFでは、実デバイスにおけるこれらの問題はまだ深刻ではない。なぜならば、強磁性層の数は2であり、非磁性層を介して常に隣接しているので、これらの強磁性層同士は膜質的にも非常に近いからである。また、上述の接合部側壁部の加工形状などによる磁気体積の差に関しても、大きな差は生じにくい。万が一磁気体積に差が生じたとしても、一方の強磁性層の膜厚を固定し、もう一方の強磁性層の膜厚などを微調整すれば、ダイレクト反転領域を大幅に低減させることが可能である。 In a SAF consisting of two normal ferromagnetic layers, these problems in real devices are not yet serious. This is because the number of ferromagnetic layers is 2 and they are always adjacent to each other via a nonmagnetic layer, so that these ferromagnetic layers are very close to each other in terms of film quality. Also, a large difference is unlikely to occur with respect to the difference in magnetic volume due to the processed shape of the joint side wall described above. Even if there is a difference in magnetic volume, the direct inversion region can be greatly reduced by fixing the thickness of one ferromagnetic layer and fine-tuning the thickness of the other ferromagnetic layer. It is.
それに対して、多層SAFでは、実デバイスにおけるこれらの問題は深刻である。なぜならば、磁化自由層中で磁気体積を調整すべき層が3層以上であり、その総膜厚も厚くなるからである。本発明者らの実験によれば、多層SAF中では最下部と最上部でその結晶性に大きな差が生じた。特に、非磁性層の膜質とその反平行結合力に大きな差が生じた。実際に多層SAFを作製しようとすると、成膜時においてすでに各強磁性層や非磁性層の特性に差が生じてしまうことに加えて、接合部側壁部の加工形状による磁気体積の差も生じる。さらに2層のSAFのように、ある一層の強磁性層の体積のみを微調整してもダイレクト領域を低減できる保障はない。実際にどの強磁性層がどのような状態になっているのか把握することは困難である。 On the other hand, in a multilayer SAF, these problems in a real device are serious. This is because there are three or more layers whose magnetic volume should be adjusted in the magnetization free layer, and the total film thickness is also increased. According to the experiments by the present inventors, there was a large difference in crystallinity between the lowermost part and the uppermost part in the multilayer SAF. In particular, there was a large difference between the film quality of the nonmagnetic layer and its antiparallel coupling force. When a multilayer SAF is actually manufactured, in addition to the difference in characteristics of each ferromagnetic layer and nonmagnetic layer already formed at the time of film formation, there is also a difference in magnetic volume due to the processed shape of the junction side wall. . Furthermore, there is no guarantee that the direct region can be reduced even if only the volume of one ferromagnetic layer is finely adjusted, as in the case of a two-layer SAF. It is difficult to grasp which ferromagnetic layer is actually in what state.
特開2005−86015号で開示された4層からなる、(あるいはそれ以上の層からなる、)多層SAFは、このような多層SAFの困難性を多く内包している。その文献中で指摘されているように、残留磁化状態で、その磁気量が等しく、且つ、磁化が反平行を向いている強磁性層の組は、1層目の強磁性層と4層目の強磁性層の組と、2層目の強磁性層と3層目の強磁性層の組である。しかし、このような構造では、実デバイスにおいて、1層目の強磁性層と4層目の強磁性層という最も離れた強磁性層同士を常に等価にしなければならない。よって、加工により不可避に生じる体積差や、膜質が異なることによる磁気特性の差は深刻である。このことは、さらに微小なMTJに対応する上で、熱擾乱耐性を増すために強磁性層の層数が更に増加した時に、一層深刻になる。なぜならば、磁気特性の等価性が要求される強磁性層同士が、さらに離れて配置され、かつ、複数となるからである。 The multi-layer SAF composed of four layers (or more layers) disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-86015 contains many difficulties of such a multi-layer SAF. As pointed out in the literature, the pair of ferromagnetic layers in the remanent magnetization state where the magnetic amounts are equal and the magnetizations are antiparallel are the first and fourth layers. And a second ferromagnetic layer and a third ferromagnetic layer. However, in such a structure, in an actual device, the farthest ferromagnetic layers such as the first ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer must always be equivalent to each other. Therefore, the volume difference inevitably caused by processing and the difference in magnetic properties due to different film quality are serious. This becomes more serious when the number of ferromagnetic layers is further increased in order to increase the thermal disturbance resistance in order to cope with a smaller MTJ. This is because the ferromagnetic layers that are required to have equivalent magnetic properties are arranged further apart from each other, and a plurality of ferromagnetic layers are provided.
このように従来の多層SAFを実デバイス化してMRAMに適応させようとすると、多層SAF内の強磁性層の磁気特性の差に起因したダイレクト領域の増大や反平行結合力の制御が困難となる問題が生じる。これらは不良素子の発生によるMRAMの動作率の低下(マイノリティビットエラーの発生)を招く。また、ダイレクト反転領域の増大やフロップ磁場のばらつきの増大は、書き込み電流値の増大を招く。これらはMRAM開発の上で深刻な問題である。 As described above, when the conventional multilayer SAF is made into an actual device and adapted to MRAM, it becomes difficult to increase the direct region and control the antiparallel coupling force due to the difference in the magnetic characteristics of the ferromagnetic layers in the multilayer SAF. Problems arise. These cause a decrease in the operation rate of the MRAM (occurrence of a minority bit error) due to generation of defective elements. Further, an increase in the direct inversion region and an increase in the variation in the flop magnetic field cause an increase in the write current value. These are serious problems in MRAM development.
トグル書き込み方式に限らず、スピンフロップ特性を向上させることは、多層SAFを磁化自由層として使用するMRAMの性能を向上させる上で重要である。言い換えれば、多層SAFを磁化自由層として用いるMRAMにおいて、大きな飽和磁場Hsを維持しつつフロップ磁場Hflopを低減することは、書き込み磁場(反転磁場)の低減という観点から重要である。反転磁場の減少により書き込み電流は低減され、それはMRAMの高性能化につながる。また、SAFの反転磁場の減少は、電流誘起磁場を用いる書き込み方式に留まらず、SAFにスピン偏極電流(spin-polarized current)を供給することにより磁化反転を起こす「スピン注入(spin transfer)方式」においても同様に、書き込み電流の低減につながるため重要である。In addition to the toggle writing method, improving the spin-flop characteristics is important for improving the performance of the MRAM using the multilayer SAF as the magnetization free layer. In other words, in the MRAM using the multilayer SAF as the magnetization free layer, it is important from the viewpoint of reducing the write magnetic field (reversal magnetic field) to reduce the flop magnetic field H flop while maintaining a large saturation magnetic field Hs. The write current is reduced due to the reduction of the reversal magnetic field, which leads to higher performance of the MRAM. The decrease in SAF reversal magnetic field is not limited to the writing method using a current-induced magnetic field, but a “spin transfer method” that causes magnetization reversal by supplying a spin-polarized current to SAF. Is also important because it leads to a reduction in write current.
多層SAFを磁化自由層として用いるMRAMを歩留まりよく動作させることができることができる技術が望まれている。 A technique capable of operating an MRAM using a multilayer SAF as a magnetization free layer with high yield is desired.
従って、本発明の目的は、MRAMの動作率を向上させることができる多層SAFを提供することにある。また、本発明の目的は、その多層SAFを磁化自由層として用い、不良ビットが低減されたMRAMを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a multilayer SAF capable of improving the operation rate of the MRAM. Another object of the present invention is to provide an MRAM in which defective bits are reduced using the multilayer SAF as a magnetization free layer.
本発明の他の目的は、実デバイス上での磁気特性の制御性を容易にすることができる多層SAFを提供することにある。また、本発明の目的は、その多層SAFを磁化自由層として用い、書き込み特性が向上したMRAMを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a multilayer SAF capable of facilitating controllability of magnetic characteristics on an actual device. Another object of the present invention is to provide an MRAM using the multilayer SAF as a magnetization free layer and having improved write characteristics.
本発明の更に他の目的は、MRAMの書き込みマージンを増大させることができる技術を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a technique capable of increasing the write margin of the MRAM.
本願発明者は、実験を通して、多層SAFを歩留まりよく動作させる上で本質的に重要な点を究明した。それは、多層SAF中の最上部と最下部の非磁性層を介した反平行結合を、外部磁場に対して同時に解けるように設定することである。例えば従来指摘されてきたような、多層SAF内の各強磁性層の磁化量などの配分は本質的な点ではない。一般に、最上層と最下層の強磁性層に関しては、反平行結合を発現する非磁性層との結合が一つのみである。そのため、最上層と最下層の強磁性層に対する反平行結合は、外部磁場に対して不安定であり、最も外れやすくなる。このとき、最上層と最下層の強磁性層に対する反平行結合が同時に外れず、片方だけの反平行結合が外れると、外れた部分のSAF強磁性層対はただちに平行配置となり、多層SAF全体に大きな残留磁化が生じる。そして、残留磁化が大きい状態で次に弱い反平行結合が外れたときは、もはや、スピンフロップを起こしづらい状態になっている。本願発明者は、このことが動作率低下の原因の一つであることを究明した。最上部と最下部の非磁性層を介した反平行結合を同時に解けるようにすればよいことがわかると、従来構造が内包する問題を回避あるいは低減できるような新たな構造が可能となる。 The inventor of the present application has found out the essential points in operating the multilayer SAF with high yield through experiments. That is, the antiparallel coupling through the uppermost and lowermost nonmagnetic layers in the multilayer SAF is set so that it can be solved simultaneously with respect to the external magnetic field. For example, the distribution of the magnetization amount of each ferromagnetic layer in the multilayer SAF as pointed out conventionally is not an essential point. Generally, with respect to the uppermost layer and the lowermost ferromagnetic layer, there is only one coupling with a nonmagnetic layer that exhibits antiparallel coupling. For this reason, the antiparallel coupling to the uppermost and lowermost ferromagnetic layers is unstable with respect to the external magnetic field and is most likely to come off. At this time, if the antiparallel coupling to the uppermost layer and the lowermost ferromagnetic layer is not released at the same time and only one of the antiparallel couplings is released, the SAF ferromagnetic layer pair in the removed part immediately becomes parallel arrangement, and the entire multilayer SAF Large remanent magnetization occurs. When the next weak antiparallel coupling is released in a state where the remanent magnetization is large, it is no longer easy to cause a spin flop. The inventor of the present application has determined that this is one of the causes of a decrease in operating rate. If it is understood that the antiparallel coupling via the uppermost and lowermost nonmagnetic layers can be solved at the same time, a new structure that can avoid or reduce the problems contained in the conventional structure becomes possible.
本発明に係るMRAMは、基板と磁気抵抗素子を備える。磁気抵抗素子は、固定された磁化を有する磁化固定層と、反転可能な磁化を有する磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層との間に介設され磁気抵抗効果を発現する非磁性層とを備える。磁化自由層は、第1〜第N強磁性層(Nは4か、6以上の整数)、及び反強磁性的なRKKY相互作用を発現するように形成された第1〜第N−1非磁性層とを含む。第1〜第N―1非磁性層のうちの第k非磁性層(kは、1以上N−1以下の任意の整数)は、第1〜第N強磁性層のうちの第k強磁性層と第(k+1)強磁性層の間に設けられる。第1非磁性層は、第1〜第N−1非磁性層のうちで基板に最も近く位置し、且つ、第N−1非磁性層は、第1〜第N−1非磁性層のうちで基板から最も離れて位置する。 The MRAM according to the present invention includes a substrate and a magnetoresistive element. A magnetoresistive element includes a magnetization fixed layer having fixed magnetization, a magnetization free layer having reversible magnetization, and a nonmagnetic layer interposed between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer and exhibiting a magnetoresistance effect With. The magnetization free layer includes first to Nth ferromagnetic layers (N is 4 or an integer of 6 or more) and first to N-1th non-ferromagnetic layers formed to exhibit antiferromagnetic RKKY interaction. And a magnetic layer. The kth nonmagnetic layer (k is an arbitrary integer between 1 and N−1) of the first to N−1 nonmagnetic layers is the kth ferromagnetic layer of the first to Nth ferromagnetic layers. Between the layer and the (k + 1) th ferromagnetic layer. The first nonmagnetic layer is located closest to the substrate among the first to N-1 nonmagnetic layers, and the N-1 nonmagnetic layer is the first to N-1 nonmagnetic layers. It is located farthest from the substrate.
第k強磁性層の体積(磁化体積)がVk、その磁化がMkと表される。その体積Vkを磁化自由層の平面方向の平均面積で割った値が、第k強磁性層の実効膜厚tkである。第k非磁性層を介した第k強磁性層と第(k+1)強磁性層の磁化の向きの相対角度はθkで表される。第k非磁性層を介した第k強磁性層と第(k+1)強磁性層の全反平行結合エネルギーは、正の値を持つ反平行結合エネルギー定数Jkを用いて、Jkcosθkで表される。The volume (magnetization volume) of the k-th ferromagnetic layer is expressed as V k , and its magnetization is expressed as M k . Divided by the average area of a plane direction of the magnetization free layer the volume V k is the effective thickness t k of the k-th ferromagnetic layer. The relative angle between the magnetization directions of the first k ferromagnetic layer via the first k nonmagnetic layer (k + 1) th ferromagnetic layer is represented by theta k. The total antiparallel coupling energy of the kth ferromagnetic layer and the (k + 1) th ferromagnetic layer through the kth nonmagnetic layer is expressed as J k cosθ k using an antiparallel coupling energy constant J k having a positive value. expressed.
本発明によれば、M1×t1とM2×t2はほぼ等しく、且つ、MN−1×tN−1とMN×tNはほぼ等しい。更に、次のいずれかの関係が満たされる:
(A)M1×t1>MN×tN、且つ、J1>JN−1
(B)M1×t1<MN×tN、且つ、J1<JN−1
ここでパラメータMk×tkが、第k強磁性層の磁化膜厚積である。According to the present invention, M 1 × t 1 and M 2 × t 2 are approximately equal, and M N−1 × t N−1 and M N × t N are approximately equal. In addition, one of the following relationships is satisfied:
(A) M 1 × t 1 > M N × t N and J 1 > J N-1
(B) M 1 × t 1 <M N × t N and J 1 <J N-1
Here, the parameter M k × t k is the magnetization film thickness product of the k-th ferromagnetic layer.
また、上記N=4であると好適である。その場合、磁化自由層の積層数が最も少なく、かつ、書き込みマージンが増大するという効果が得られる。その効果は、発明者によって、実デバイスにおいて実証されている。 Further, it is preferable that N = 4. In that case, there are the effects that the number of stacked magnetization free layers is the smallest and the write margin is increased. The effect has been demonstrated in actual devices by the inventors.
また、本発明において、N層の強磁性層を含む磁化自由層であって、Nが3以上の奇数である磁化自由層も提供される。その場合、M1×t1とMN×tNの和がM(N+1)/2にほぼ等しい。更に、次のいずれかの関係が満たされる:
(A)M1×t1>MN×tN、且つ、J1>JN−1
(B)M1×t1<MN×tN、且つ、J1<JN−1
ここでパラメータMk×tkが、第k強磁性層の磁化膜厚積である。The present invention also provides a magnetization free layer including N ferromagnetic layers, wherein N is an odd number of 3 or more. In that case, the sum of M 1 × t 1 and M N × t N is approximately equal to M (N + 1) / 2 . In addition, one of the following relationships is satisfied:
(A) M 1 × t 1 > M N × t N and J 1 > J N-1
(B) M 1 × t 1 <M N × t N and J 1 <J N-1
Here, the parameter M k × t k is the magnetization film thickness product of the k-th ferromagnetic layer.
これらの磁化自由層の残留磁化は、その飽和磁化の10%以内であることが、スピンフロップ動作を実現する上で必要である。また、トグル書き込み方式のMRAMは、ワード線と、ワード線に直交するビット線と、ワード線とビット線との交差位置に記憶素子として配置された上述の磁気抵抗素子を有する。磁気抵抗素子の磁化自由層の容易軸の方向は、ワード線又はビット線の延伸方向に対して45度方向に設定される。 It is necessary for realizing the spin-flop operation that the remanent magnetization of these magnetization free layers is within 10% of the saturation magnetization. The toggle write MRAM has the above-described magnetoresistive element arranged as a memory element at the intersection of the word line, the bit line orthogonal to the word line, and the word line and the bit line. The direction of the easy axis of the magnetization free layer of the magnetoresistive element is set to 45 degrees with respect to the extending direction of the word line or bit line.
本発明の磁化自由層を構成する上で最も重要な点は、第1強磁性層と、第N強磁性層に関して、外部磁場に対して反平行結合が解け始める磁場をほぼ等しく設定することである。つまり、第1強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、前記第N強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい。 The most important point in configuring the magnetization free layer of the present invention is that the magnetic fields at which antiparallel coupling starts to be solved with respect to the external magnetic field are set to be approximately equal for the first ferromagnetic layer and the Nth ferromagnetic layer. is there. That is, the external magnetic field at which the antiparallel coupling to the first ferromagnetic layer starts to dissolve is substantially equal to the external magnetic field at which the antiparallel coupling to the Nth ferromagnetic layer starts to dissolve.
そのためには、最上部の最下部の強磁性層及び非磁性層に関して、J1/(M1×t1)とJN−1/(MN×tN)がほぼ等しいことが好適である。より定量的には、{J1/(M1×t1)}/{JN−1/(MN×tN)}の比は、0.8以上1.2以下であることが望ましい。For this purpose, it is preferable that J 1 / (M 1 × t 1 ) and J N−1 / (M N × t N ) are substantially equal with respect to the uppermost lowermost ferromagnetic layer and nonmagnetic layer. . More quantitatively, the ratio of {J 1 / (M 1 × t 1 )} / {J N−1 / (M N × t N )} is preferably 0.8 or more and 1.2 or less. .
また、第1、2、N−1、N強磁性層の全異方性磁場が大きく異なる場合は、次の通りである。第k非磁性層を介した第k強磁性層と第(k+1)強磁性層の平均全異方性磁場をHkkとする。この時、式4(d)を参照して、第1非磁性層を介したSAFのフロップ磁場は、[{2J1/(M1×t1)−Hk1}×Hk1]で与えられる。また、第N−1非磁性層を介したSAFのフロップ磁場は、[{2JN−1/(MN×tN)−HkN−1}×HkN−1]で与えられる。[{2J1/(M1×t1)−Hk1}×Hk1]と[{2JN−1/(MN×tN)−HkN−1}×HkN−1]は、ほぼ等しくなるように設定される。さらに定量的には、[{2J1/(M1×t1)−Hk1}×Hk1]/[{2JN−1/(MN×tN)−HkN−1}×HkN−1]は、0.8以上1.2以下であることが望ましい。The cases where the total anisotropic magnetic fields of the first, second, N-1, and N ferromagnetic layers are greatly different are as follows. The average total anisotropic magnetic field of the kth ferromagnetic layer and the (k + 1) th ferromagnetic layer through the kth nonmagnetic layer is denoted by Hkk. At this time, referring to Equation 4 (d), the SAF flop magnetic field via the first nonmagnetic layer is given by [{2J 1 / (M 1 × t 1 ) −Hk 1 } × Hk 1 ]. . Further, flop field of the SAF through the first N-1 nonmagnetic layer is given by [{2J N-1 / ( M N × t N) -Hk N-1} × Hk N-1]. [{2J 1 / (M 1 × t 1) -Hk 1} × H k1] and [{2J N-1 / ( M N × t N) -Hk N-1} × Hk N-1] is approximately Set to be equal. More quantitatively, [{2J 1 / (M 1 × t 1) -Hk 1} × Hk 1] / [{2J N-1 / (M N × t N) -Hk N-1} × Hk N −1 ] is preferably 0.8 or more and 1.2 or less.
本発明の磁化自由層の構成によれば、最上部の強磁性層と、最下部の強磁性層の磁化膜厚積を等価にしなくても良い(M1×t1≠MN×tN、J1≠JN−1、[J1/(M1×t1)]≒[JN−1/(MN×tN)])。そのため、多層SAF全体として、残留磁化状態で反平行配置を取る磁性層同士の磁化膜厚積、さらには磁気エネルギーまでも等価にすることが可能である。このことは、実デバイスにおいて非常に有利な点である。従来技術の特開2005−86015号で開示された4層SAFでも同様に、[J1/(M1×t1)]≒「JN−1/(MN×tN)]が満たされる。しかしながら、必ずM1×t1≒MN×tN、J1≒JN−1であるため、実デバイスにおいて、反平行配置を取る磁性層同士の磁化膜厚積、さらには磁気エネルギーまでも等価にすることが難しい。According to the configuration of the magnetization free layer of the present invention, the magnetization film thickness product of the uppermost ferromagnetic layer and the lowermost ferromagnetic layer may not be equivalent (M 1 × t 1 ≠ M N × t N , J 1 ≠ J N−1 , [J 1 / (M 1 × t 1 )] ≈ [J N−1 / (M N × t N )]). Therefore, the multilayer SAF as a whole can be made equivalent to the magnetization film thickness product of the magnetic layers taking antiparallel arrangement in the residual magnetization state, and even to the magnetic energy. This is a great advantage in real devices. Similarly, [J 1 / (M 1 × t 1 )] ≈ “J N−1 / (M N × t N )” is satisfied in the four-layer SAF disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-86015. . However, always M 1 × t 1 ≒ M N × t N, because it is J 1 ≒ J N-1, in the actual device, the magnetization film thickness product of the magnetic layer between taking the anti-parallel arrangement, until more magnetic energy Are also difficult to equalize.
本発明に係る多層SAFの有利な点の一つは、残留磁化状態で反平行配置を取る強磁性層同士の磁化膜厚積や磁気エネルギーを等価にすることができることである。その有利な点をより引き出すことが可能である磁化自由層構成として、次のものが考えられる。すなわち、Nが4以上の偶数の場合、第kと第k+1の強磁性層(kは奇数)は、ほぼ同じ磁化膜厚積を有するように設定される。 One of the advantages of the multilayer SAF according to the present invention is that the magnetization film thickness product and the magnetic energy of the ferromagnetic layers taking the antiparallel arrangement in the remanent magnetization state can be made equivalent. The following can be considered as the magnetization free layer configuration capable of further drawing out the advantages. That is, when N is an even number of 4 or more, the k-th and (k + 1) -th ferromagnetic layers (k is an odd number) are set to have substantially the same magnetization film thickness product.
また、Nが4以上の偶数の場合、反平行結合エネルギー定数Jkは、K=N/2の場合にもっとも大きくなるように設定されると好適である。その場合、飽和磁場をより増大することが可能である。より定量的には、第N/2非磁性層を介したSAFの反平行結合エネルギー定数JN/2と、最上部の第N−1非磁性層が有する反平行結合エネルギー定数JN−1は、次のパラメータ[JN/2{1/(MN/2×tN/2)+1/(MN/2+1×tN/2+1)}]/[2JN−1/(MN×tN)]が大きくなるように設定される。そのパラメータは、1より大きく設定されると好適である。その比率が大きく設定されるほど、多層SAF磁化自由層の飽和磁場が延伸し、書き込みマージンが広がる。発明者の実験によれば、そのパラメータが4未満の範囲で効果が実証されている。また、実証はされていないがこれより大きな値も可能である。少なくとも、第1非磁性層を挟む第1強磁性層及び第2強磁性層からなるSAF部と、記第N−1非磁性層を挟む第N−1強磁性層及び第N強磁性層からなるSAF部の飽和磁場を、第N/2非磁性層をはさむ第N/2強磁性層と第(N/2+1)強磁性層のSAF部が外部磁場に対して外れ始める磁場よりも大きく設定すれば、多層SAF中のスピンフロップが途切れることがないので好適である。最下部の第1非磁性層に関しても同様である。その場合、上記パラメータとして、[JN/2{1/(MN/2×tN/2)+1/(MN/2+1×tN/2+1)}]/[2J1/(M1×t1)]が用いられる。In addition, when N is an even number of 4 or more, it is preferable that the antiparallel coupling energy constant J k is set to be the largest when K = N / 2. In that case, the saturation magnetic field can be further increased. More quantitatively, the N / 2 antiparallel coupling energy constant J N / 2 of the SAF through the nonmagnetic layer, the antiparallel coupling energy constant first N-1 nonmagnetic layer of the top has J N-1 Is the following parameter [J N / 2 {1 / (M N / 2 × t N / 2 ) + 1 / (M N / 2 + 1 × t N / 2 + 1 )}] / [2J N−1 / (M N × t N )] is set to be large. The parameter is preferably set to be larger than 1. As the ratio is set larger, the saturation magnetic field of the multilayer SAF magnetization free layer extends, and the write margin increases. According to the inventor's experiment, the effect has been demonstrated in the range where the parameter is less than 4. Larger values are possible, although not proven. From at least the SAF portion composed of the first and second ferromagnetic layers sandwiching the first nonmagnetic layer, and the N-1 and Nth ferromagnetic layers sandwiching the N-1 nonmagnetic layer. The saturation magnetic field of the SAF part is set larger than the magnetic field at which the SAF part of the N / 2 ferromagnetic layer and the (N / 2 + 1) th ferromagnetic layer sandwiching the N / 2 non-magnetic layer starts to deviate from the external magnetic field. This is preferable because the spin flop in the multi-layer SAF is not interrupted. The same applies to the lowermost first nonmagnetic layer. In this case, as the above parameter, [J N / 2 {1 / ( MN / 2 × tN / 2 ) + 1 / ( MN / 2 + 1 × tN / 2 + 1 )}] / [2J 1 / (M 1 × t 1 )] is used.
また、全てのN−1個の非磁性層に対してより好適には、最下層と最上層の非磁性層以外の反平行結合エネルギー定数Jk(kは1、N−1以外の値)は、最下層と最上層のそれ(J1またはJN−1)と比較して同等以上の大きさに設定される。そのような構成の場合、常に最下層と最上層の強磁性層が、外部磁場に対して最初に反転しやすくなるため、安定した磁化自由層の動作が実現される。More preferably, for all N−1 nonmagnetic layers, antiparallel coupling energy constants J k other than the lowermost and uppermost nonmagnetic layers (k is a value other than 1 and N−1). It is set to more than the size equivalent compared to that of the bottom and top layers (J 1 or J N-1). In such a configuration, since the lowermost layer and the uppermost ferromagnetic layer are always easily reversed first with respect to the external magnetic field, a stable operation of the magnetization free layer is realized.
本発明の磁化自由層の磁気的構成を実現する上で好適な膜構成として、次が考えられる。第k非磁性層が有するRKKY相互作用の反強磁性ピークの次数をαkとする。第1非磁性層は、RKKY相互作用の第α1次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有する。第N−1非磁性層は、RKKY相互作用の第αN−1次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有する。J1>JN−1の場合、α1<αN−1の関係が満たされ、J1<JN−1の場合、α1>αN−1の関係が満たされる。好適には、J1>JN−1の場合、αN−1=α1+1の関係が満たされ、J1<JN−1の場合、α1=αN−1+1の関係が満たされる。より具体的には、J1>JN−1の場合、第1非磁性層は、1.8nm〜2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、第N−1非磁性層は、3.1nm〜3.9nmの厚さを有するルテニウム層で形成されると好適である。J1<JN−1の場合、第1非磁性層は、3.1nm〜3.9nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、第N−1非磁性層は、1.8nm〜2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形成されると好適である。The following is conceivable as a film configuration suitable for realizing the magnetic configuration of the magnetization free layer of the present invention. Let α k be the order of the antiferromagnetic peak of the RKKY interaction of the k-th nonmagnetic layer. The first nonmagnetic layer has a thickness in a range corresponding to the α first- order antiferromagnetic peak of the RKKY interaction. The N-1th nonmagnetic layer has a film thickness in a range corresponding to the α N-1 order antiferromagnetic peak of the RKKY interaction. When J 1 > J N−1 , the relationship of α 1 <α N−1 is satisfied, and when J 1 <J N−1 , the relationship of α 1 > α N−1 is satisfied. Preferably, when J 1 > J N−1 , the relationship α N−1 = α 1 +1 is satisfied, and when J 1 <J N−1 , the relationship α 1 = α N−1 +1 is satisfied. It is. More specifically, when J 1 > J N−1 , the first nonmagnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 1.8 nm to 2.5 nm, and the N−1 nonmagnetic layer is It is preferable that the layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 3.1 nm to 3.9 nm. In the case of J 1 <J N-1 , the first nonmagnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 3.1 nm to 3.9 nm, and the N-1 nonmagnetic layer is 1.8 nm to 2. It is preferable that the layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 5 nm.
さらに、本発明の磁化自由層では、最上部及び最下部の非磁性層の結合力と比較して、それよりも中央部側の非磁性層の反平行結合量を強めることで、一層の飽和磁場の延伸が期待できる。そのためには、J1>JN−1の場合、第2〜第(N−2)非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層が、第N−1の非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有すると好適である。その場合、磁化自由層の中心部の反平行結合力が、最上部に対して2倍以上強まる。J1<JN−1の場合、第2〜第(N−2)非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層が、第1非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有すると好適である。その場合、磁化自由層の中心部の反平行結合力が、最下部に対して2倍以上強まる。Furthermore, in the magnetization free layer of the present invention, compared with the coupling force of the uppermost and lowermost nonmagnetic layers, the amount of antiparallel coupling of the nonmagnetic layer on the central side is further increased, thereby further saturation. Extending the magnetic field can be expected. For this purpose, when J 1 > J N−1 , at least one nonmagnetic layer of the second to (N−2) th nonmagnetic layers has a lower order than the N−1th nonmagnetic layer. It is preferable to have a film thickness in a range corresponding to the antiferromagnetic peak. In that case, the antiparallel coupling force at the center of the magnetization free layer is more than twice as strong as the top. In the case of J 1 <J N−1 , at least one of the second to (N−2) nonmagnetic layers corresponds to a lower-order antiferromagnetic peak than the first nonmagnetic layer. It is preferable to have a film thickness in the range. In that case, the antiparallel coupling force at the center of the magnetization free layer is more than twice as strong as the lowest part.
そのような強い反平行結合力をもつ非磁性層は、磁化自由層の最中央層に設定することが望ましい。つまり、Nが偶数のときは、第(N/2)非磁性層を強い反平行結合力を有するように設定することが望ましい。好適には、J1>JN−1の場合、α1<αN−1、且つ、αN/2<αN−1の関係が満たされる。J1<JN−1の場合、α1>αN−1、且つ、αN/2<α1の関係が満たされる。更に好適には、J1>JN−1の場合、αN/2+1=αN−1の関係が満たされ、J1<JN−1の場合、αN/2+1=α1の関係が満たされる。具体的には、第(N/2)非磁性層は、1.8nm〜2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、第1非磁性層あるいは第N−1非磁性層は、3.1nm〜3.9nmの厚さを有するルテニウム層で形成される。または、第(N/2)非磁性層は、0.7nm〜1.2nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、第1非磁性層あるいは第N−1非磁性層は、1.8nm〜2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形成される。It is desirable to set the nonmagnetic layer having such strong antiparallel coupling force as the centermost layer of the magnetization free layer. That is, when N is an even number, it is desirable to set the (N / 2) nonmagnetic layer to have a strong antiparallel coupling force. Preferably, in the case of J 1 > J N−1 , the relationship of α 1 <α N-1 and α N / 2 <α N-1 is satisfied. In the case of J 1 <J N−1 , the relationship of α 1 > α N−1 and α N / 2 <α 1 is satisfied. More preferably, when J 1 > J N−1 , the relationship α N / 2 + 1 = α N−1 is satisfied, and when J 1 <J N−1 , α N / 2 + 1 = α 1 The relationship is satisfied. Specifically, the (N / 2) nonmagnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 1.8 nm to 2.5 nm, and the first nonmagnetic layer or the N−1 nonmagnetic layer is 3 Formed with a ruthenium layer having a thickness of .1 nm to 3.9 nm. Alternatively, the (N / 2) non-magnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 0.7 nm to 1.2 nm, and the first non-magnetic layer or the N-1 non-magnetic layer is 1.8 nm to It is formed of a ruthenium layer having a thickness of 2.5 nm.
本発明に係る磁化自由層において、第1非磁性層と第N−1非磁性層は、異なる構造を有してもよい。例えば、第1非磁性層と第N−1非磁性層の膜厚や結晶配向性が異なっている。その場合、第1非磁性層の膜厚よりも、第N−1非磁性層の膜厚の方が厚いことが好適である。さらに、それら非磁性層の直下に存在する、第1強磁性層と第N−1強磁性層の結晶配向性も異なっていてもよい。また、第1強磁性層、第2強磁性層、第N−1強磁性層、及び、第N強磁性層のうち少なくとも一層以上が、構成元素、または、構成元素組成が異なる膜が2層以上に積層された積層膜である。その積層膜の膜厚比率を変えることによって、第1非磁性層及び第N−1非磁性層の反平行結合力が、所望の値になるように制御される。これにより、本発明に係る磁化自由層を実現することが可能である。そのような積層膜として、NiFe膜およびCoFe膜の積層膜が好適である。 In the magnetization free layer according to the present invention, the first nonmagnetic layer and the N-1th nonmagnetic layer may have different structures. For example, the film thickness and crystal orientation of the first nonmagnetic layer and the N-1th nonmagnetic layer are different. In that case, it is preferable that the N-1th nonmagnetic layer is thicker than the first nonmagnetic layer. Furthermore, the crystal orientations of the first ferromagnetic layer and the N-1th ferromagnetic layer that exist directly under these nonmagnetic layers may be different. In addition, at least one of the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the N-1th ferromagnetic layer, and the Nth ferromagnetic layer includes two layers having different constituent elements or constituent element compositions. It is a laminated film laminated as described above. By changing the thickness ratio of the laminated film, the antiparallel coupling force of the first nonmagnetic layer and the N-1th nonmagnetic layer is controlled to a desired value. Thereby, it is possible to realize the magnetization free layer according to the present invention. As such a laminated film, a laminated film of a NiFe film and a CoFe film is suitable.
また、第1非磁性層と第N−1非磁性層は、ほぼ同一の構造を有していてもよい。その場合は、第1非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率を、第N−1非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率と異なるように設定することで、反平行結合力を調整可能である。また、この場合においても、第1強磁性層、第2強磁性層、第N−1強磁性層、及び、第N強磁性層のうち少なくとも一層以上が、構成元素、または、構成元素組成が異なる膜が2層以上に積層された積層膜である。その積層膜の膜厚比率を変えることによって、第1非磁性層及び第N−1非磁性層の反平行結合力が、所望の値になるように制御される。これにより、本発明に係る磁化自由層を実現することが可能である。そのような積層膜として、NiFe膜およびCoFe膜の積層膜が好適である。 Further, the first nonmagnetic layer and the (N-1) th nonmagnetic layer may have substantially the same structure. In that case, the elemental composition ratios of all parts directly in contact with the upper and lower interfaces of the first nonmagnetic layer are different from the element composition ratios of all parts directly in contact with the upper and lower interfaces of the N-1 nonmagnetic layer. By setting as described above, the antiparallel coupling force can be adjusted. Also in this case, at least one of the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the N-1th ferromagnetic layer, and the Nth ferromagnetic layer has a constituent element or constituent element composition. This is a laminated film in which two or more different films are laminated. By changing the thickness ratio of the laminated film, the antiparallel coupling force of the first nonmagnetic layer and the N-1th nonmagnetic layer is controlled to a desired value. Thereby, it is possible to realize the magnetization free layer according to the present invention. As such a laminated film, a laminated film of a NiFe film and a CoFe film is suitable.
以下、発明を実施するための最良の形態を説明する。本実施の形態では、本発明の本質を明確化するため、形状磁気異方性が弱くて考慮しなくて良い単純化された場合が想定される。より微細な素子では、強磁性層の形状磁気異方性や、強磁性層同士の反強磁性的静磁結合による補正をしなければならないことに留意されたい。 The best mode for carrying out the invention will be described below. In the present embodiment, in order to clarify the essence of the present invention, a simplified case is considered that the shape magnetic anisotropy is weak and need not be considered. It should be noted that for finer elements, correction must be made by the shape magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer and antiferromagnetic magnetostatic coupling between the ferromagnetic layers.
(第1の実施の形態)
図7Aは、本発明の第1の実施の形態に係るMRAMのメモリセルに採用されるMTJ素子1Aの構造を示す断面図である。MTJ素子1Aは、下部電極層11と、反強磁性層12と、磁化固定層13と、バリア層14と、磁化自由層15Aと、キャップ層16と、上部電極層17とを備えている。(First embodiment)
FIG. 7A is a cross-sectional view showing the structure of the
MTJ素子1Aは、例えば、トグル書き込み方式に対応するように配置される。具体的には、図1に示されている従来のMRAMのMTJ素子101と同様に、MTJ素子1Aは、その長手方向が、ワード線(及びそれに直交するビット線)に対して45°の角度をなすように配置される。これにより、磁化固定層13及び磁化自由層15Aを構成する強磁性層の容易軸は、ワード線(及びそれに直交するビット線)に対して45°の角度をなす方向に向けられる。以下では、MTJ素子1Aの構成について詳細に説明する。
The
下部電極層11は、MOSトランジスタ(図示されない)が集積化された基板10の上に形成されており、磁化固定層13への電気的接続を提供する経路として機能する。下部電極層11は、例えば、Ta、TaN、Ti,TiN,Nbで形成される。 The lower electrode layer 11 is formed on a substrate 10 on which MOS transistors (not shown) are integrated, and functions as a path for providing an electrical connection to the magnetization fixed layer 13. The lower electrode layer 11 is made of, for example, Ta, TaN, Ti, TiN, and Nb.
反強磁性層12は、例えば、PtMn、IrMn、NiMnのような反強磁性体で形成され、磁化固定層13の磁化を固定する役割を有している。 The antiferromagnetic layer 12 is formed of an antiferromagnetic material such as PtMn, IrMn, or NiMn, for example, and has a role of fixing the magnetization of the magnetization fixed layer 13.
磁化固定層13は、例えばCoFeのような磁気的にハードな強磁性体で形成される。磁化固定層13の磁化は、反強磁性層12が作用する交換相互作用によって固定される。磁化固定層13は、上述のSAFによって構成されても良い。例えば、磁化固定層13は、2層のCoFe膜と、その間に挿入されたRu膜とで構成され得る。この場合、Ru膜は、反強磁性的なRKKY相互作用を発現するような膜厚を有するように形成される。 The magnetization fixed layer 13 is formed of a magnetically hard ferromagnetic material such as CoFe. The magnetization of the magnetization fixed layer 13 is fixed by the exchange interaction in which the antiferromagnetic layer 12 acts. The magnetization fixed layer 13 may be configured by the above-described SAF. For example, the magnetization fixed layer 13 can be composed of two CoFe films and a Ru film inserted between them. In this case, the Ru film is formed so as to have a film thickness that exhibits an antiferromagnetic RKKY interaction.
バリア層14は、トンネル電流を流す程度に薄い膜厚を有するアモルファスの絶縁体膜であることが多い。バリア層14がアモルファスである場合、後述されるように、それは磁化自由層15Aを構成する膜の結晶性に大きな影響を及ぼす。より具体的には、バリア層14は、例えば、アルミナ(AlOx)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化シリコン(SiO2)、窒化アルミニウム(AlN)などで形成される。また、バリア層14は、アモルファスである必要はなく、例えばNaCl構造を有する単結晶MgOで形成されてもよい。The
磁化自由層15Aは、強磁性層の数が4であるSAFで構成されている。より具体的には、磁化自由層15Aは、強磁性層21〜24と、その間に介設されている非磁性層31〜33とを備えている。強磁性層21は、バリア層14の上に形成されており、非磁性層31は、強磁性層21の上に形成されている。非磁性層31の上に、強磁性層22、非磁性層32、強磁性層23、非磁性層33、及び強磁性層24が、この順で順次に形成されている。強磁性層21と強磁性層22の磁気体積と、強磁性層23と強磁性層24の磁気体積がほぼ等しく、かつ、強磁性層21と強磁性層24の磁気体積が異なるようにすることが本発明の重要なポイントの一つである。本実施形態においては、強磁性層21よりも強磁性層24の磁気体積が小さい場合が想定される。この時、非磁性層31よりも非磁性層33の反平行結合エネルギーを小さく設定しなければならない。そうでなければ、強磁性層21に関する反平行結合が、低い外部磁場で先に外れてしまう。
The magnetization free layer 15A is composed of SAF having four ferromagnetic layers. More specifically, the magnetization
本実施の形態に係る磁化自由層15Aは、トンネルバリア層14上の強磁性層21から、キャップ層16下の強磁性層24まで次のような膜構成を有する:
トンネルバリア層/NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3.3nm)/CoFe(0.25nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(3.7nm)/キャップ層。The magnetization free layer 15A according to the present embodiment has the following film configuration from the
Tunnel barrier layer / NiFe (4.8 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (4.8 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (3. 3 nm) / CoFe (0.25 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (3.7 nm) / cap layer.
上記の構成において、強磁性層21と強磁性層22は、NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)に相当し、強磁性層23と強磁性層24は、それぞれNiFe(3.3nm)/CoFe(0.25nm)とNiFe(3.7nm)に相当する。強磁性層21と強磁性層22の磁化膜厚積は約4.72Tnmであり、強磁性層23と強磁性層24の磁化膜厚積は約3.15Tnmである。強磁性層21は強磁性層24と比較して、1.5倍の磁化膜厚積を有している。また、非磁性層31〜33は、Ru(2.1nm)、Ru(2.1nm)、及びRu(3.5nm)に相当している。
In the above configuration, the
本実施形態では、非磁性層31〜33を介した反平行結合エネルギーを設定する手段として、(I)強磁性層21〜24を複数の材料で構成し、かつ、非磁性層の界面材料を変えることによる制御と、(II)非磁性層の膜厚を直接変えることによる制御とが、組み合わされている。
In the present embodiment, as means for setting antiparallel coupling energy via the
前者に関して、具体的には、強磁性層は、NiFe/CoFe、CoFeB/CoFeNi、CoFe/NiFe/CoFeなどの2層または3層構造を有するように形成され、それらのうち非磁性層31〜33に接する層(CoFeやCoFeNi)の膜厚が制御される。これは、非磁性層31〜33と直接接する材料に依存してRKKY相互作用の強さが異なることを利用したものである。具体的には、Niリッチな材料よりも、Coリッチな材料の方がより大きなJSAFが得られる。よって、NiFeを強磁性層の主成分として、非磁性層側に1nm以下のCoFeが薄く形成される。NiFe/Ru界面に挿入されるCoFeの膜厚が大きいほど、JSAFを増大させることが可能である。同様に、CoFeNiなど合金の場合、Niリッチな強磁性膜ほどJSAFが減少する。また、CoFe、NiFeに限らず、他の複数の元素(非磁性元素を含む)を含有する積層膜や合金膜で構成することも可能である。尚、本明細書において、強磁性層とは、全体としての強磁性の磁化の向きが等しい層を意味しており、単一の強磁性膜で構成されていると限定して解釈されてはならない。例えば、NiFe/CoFeのような複数の強磁性膜からなる積層膜も1つの強磁性層である。また、2つの強磁性膜と、その間に介設され2つの強磁性膜を強磁性的に結合する非磁性膜とで構成される積層体も、1つの強磁性層である。このような複数の強磁性膜の積層膜の場合の磁化膜厚積は、各強磁性膜が単独で持つ磁化膜厚積の総和で定義される。Regarding the former, specifically, the ferromagnetic layer is formed to have a two-layer or three-layer structure such as NiFe / CoFe, CoFeB / CoFeNi, CoFe / NiFe / CoFe, etc. Among them, the
後者に関して、非磁性層の膜厚は、非磁性層の結晶性を考慮して設定されなければならない。図9に示されているように、RKKY相互作用の強さは、非磁性層の材料及び膜厚に依存する。よって、非磁性層31と非磁性層33が発現する反強磁性的なRKKY相互作用の強さを同一にするためには、非磁性層31と非磁性層33を同一の材料を用いて膜厚が同一になるように形成すればよいと考えられるかもしれない。しかし、発明者の実験によると、現実に集積化されたMRAMでは、非磁性層31と非磁性層33が同一の材料、同一の膜厚で形成されても、非磁性層31と非磁性層33が発現するRKKY相互作用の強さは同一にならない。それは、非磁性層31と非磁性層33とで結晶性が異なってくるからである。磁化自由層15Aは、バリア層14の上に、強磁性層21、非磁性層31、強磁性層22、非磁性層32、強磁性層23、非磁性層33、及び強磁性層24を順次積層することによって形成されるので、先に形成される非磁性層31のRuよりも、後に形成される非磁性層33のRuの方がHCP(hexagonal close packed)<0001>の結晶配向性が高い。RKKY相互作用の強さは結晶配向性が良好であるほど強く、同一の材料、同一の膜厚で非磁性層31と非磁性層33が形成された場合、非磁性層31よりも非磁性層33の方が強いRKKY相互作用を発現するようになってしまう。それらRKKY相互作用の強さが離れすぎないように粗調整するためには、むしろ、非磁性層31を相対的に低次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成し、非磁性層33を相対的に高次のピークに対応する範囲の膜厚を有するように形成することが好適である。これにより、非磁性層33が発現するRKKY相互作用の強さが良好な結晶性によって強められる効果と、相対的に高次のピークに対応する膜厚を有していることによって弱められる効果とがキャンセルされ、非磁性層31と非磁性層33が発現する反強磁性的なRKKY相互作用の強さが離れすぎないように粗調整できる。
Regarding the latter, the film thickness of the nonmagnetic layer must be set in consideration of the crystallinity of the nonmagnetic layer. As shown in FIG. 9, the strength of the RKKY interaction depends on the material and film thickness of the nonmagnetic layer. Therefore, in order to make the strength of the antiferromagnetic RKKY interaction expressed by the
具体的には、本実施形態では、バリア層14がアモルファスAlOxであり、その上に成長させた磁化自由層15Aの非磁性層31がRKKY相互作用の第2次の反強磁性ピーク(反強磁性2ndピーク)に対応する範囲の膜厚を有しており、非磁性層32、33が第3次の反強磁性ピーク(反強磁性3rdピーク)に対応する範囲の膜厚を有している。より具体的には、非磁性層31〜33がルテニウムで形成される場合には、非磁性層31は、その膜厚が1.8nmを超え、2.5nm未満であるように形成される。非磁性層33は、その膜厚が3.1nmを超え、3.9nm未満であるように形成される。最も好適には、非磁性層31は、反強磁性2ndピークに対応する2.1nmの膜厚を有するように形成され、非磁性層33は、反強磁性3rdピークに対応する3.5nmの膜厚を有するように形成される。このような膜厚の組み合わせは、非磁性層31と非磁性層33が発現する反強磁性的なRKKY相互作用の強さを、粗調整するために有効である。故に本実施形態では、非磁性層31がRu(2.1nm)で形成され、非磁性層33がRu(3.5nm)で形成されている。尚、非磁性層31が反強磁性2ndピークに設定された場合に限らず、大概は、非磁性層31に適用される反強磁性ピークに対して、非磁性層33に適用される反強磁性ピークが、1次だけ高次に設定されれば、それらの反平行結合力を同じオーダーに調整ことができる。Specifically, in the present embodiment, the
また、図7Aに示される積層磁化自由層において、非磁性層31〜33のみでなく、強磁性層21〜24に関しても、上層ほど結晶性が改善される。例えば、パーマロイを強磁性層21〜24として使用し、ルテニウムを非磁性層31〜33として使用した場合、強磁性層21と比較して強磁性層23のパーマロイは、FCC(face center cubic)<111>配向度が高い。そのため、その直上にそれぞれ成長している非磁性層31と非磁性層33のルテニウムに関しても、非磁性層31よりも非磁性層33のルテニウムの方がHCP<0001>配向度が高くなる。
In the stacked magnetization free layer shown in FIG. 7A, not only the
尚、このような技術は、上記のように積層磁化自由層がAlOxバリア層の上に形成されている場合に特に有効であるが、それに限られるわけではない。例えば、トンネルバリア層の下側に磁化自由層が配置される場合においても、下地の平坦性を求めて、磁化自由層の下地に微結晶またはアモルファス材料を用いることもありうる。また、膜厚の制限により、十分な下地層を準備することが制限される場合も想定される。そのような場合にも、本発明に係る技術は有効である。また、磁化自由層の下地層の結晶性が良好な場合であっても、その上に成長させるべき磁化自由層が、好適な結晶配向性を有しながら成長するとは限らない。むしろ、格子整合あるいは不整合により、不所望な結晶面への配向や凹凸成長などが生じる場合が一般的である。その場合においても、本技術は、特に有効となる。磁化自由層の最下層の非磁性層は、不所望な結晶面への結晶成長や凹凸成長の影響を避けがたいので、不所望な結晶性を有しRKKY相互作用が弱まる。しかし、最上層の非磁性層が成長するまでには、強磁性/非磁性の積層下地により、最上部の非磁性層は所望の結晶性を回復し、それによりRKKY相互作用が強まることが期待される。Such a technique is particularly effective when the laminated magnetization free layer is formed on the AlO x barrier layer as described above, but is not limited thereto. For example, even when the magnetization free layer is disposed below the tunnel barrier layer, it is possible to use a microcrystalline or amorphous material for the underlayer of the magnetization free layer in order to obtain flatness of the underlayer. In addition, there may be a case where preparation of a sufficient base layer is restricted due to the restriction of the film thickness. Even in such a case, the technique according to the present invention is effective. Further, even when the crystallinity of the underlayer of the magnetization free layer is good, the magnetization free layer to be grown thereon does not always grow while having a suitable crystal orientation. Rather, in general, undesired orientation on crystal planes or uneven growth occurs due to lattice matching or mismatching. Even in that case, the present technology is particularly effective. Since the lowermost nonmagnetic layer of the magnetization free layer cannot avoid the influence of crystal growth or uneven growth on an undesired crystal plane, it has undesired crystallinity and weakens the RKKY interaction. However, until the uppermost nonmagnetic layer grows, it is expected that the uppermost nonmagnetic layer recovers the desired crystallinity by the ferromagnetic / nonmagnetic laminated base, thereby enhancing the RKKY interaction. Is done.
以上に説明されたように反平行結合力を調整した結果、本実施の形態において、非磁性層31及び33のJSAFは、それぞれ約0.015erg/cm2、0.011erg/cm2となる。これら反平行結合力を磁場の大きさに換算したHj(=2JSAF/(M×t):式(2)参照)は、それぞれ81Oe及び86Oeであり、ほぼ等しく設定されている。発明者の実験によれば、より定量的には、Hjの差が2割程度の差に収められることが望ましい。つまり、非磁性層31と非磁性層33のHjの比率に相当するパラメータ[J1/(M1×t1)]/[J3/(M4×t4)]が、0.8以上1.2以下に設定されることが望ましい。また、より厳密に磁気異方性の相違まで考慮すると、強磁性層21及び22の平均異方性磁場Hk1は、9.5Oeであり、強磁性層23及び24の平均異方性磁場Hk3は7Oeである。この場合、非磁性層31及び33のフロップ磁場[{(Hj−Hk)×Hk}]^0.5(式4(c)参照)は、それぞれ、26Oe及び23.5Oeとなり、僅かに差が広がる。この場合は、非磁性層33のJSAFを若干増大させれば、より好適に動作させることが可能である。As a result of adjusting the antiparallel coupling force as described above, in the present embodiment, the J SAFs of the
本実施の形態では、さらに付加的な効果を引き出す狙いとして、中央部の非磁性層32が最も大きいJSAFを発現するように設定されている。非磁性層32に関しては、それ自身の材料構成や、上下に接する強磁性層界面の構成は非磁性層31とほぼ同等である。但し、非磁性層32のJSAFは、約0.038erg/cm2であり、SAF中の全ての非磁性層の中で最も大きい。それは、非磁性層32のRu(2.1nm)が、NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)の下地上に形成され、そのHCP<0001>の結晶配向性が大きくなっている為である。非磁性層32を介した反平行結合が外れる磁場は、非磁性層31及び非磁性層33と比較して大きくなるため、磁化自由層の飽和磁場が大きく増大(延伸)する。その結果、書き込みマージンが拡大する。In the present embodiment, as a further aim to bring out additional effects, the central
ここで、非磁性層32を介する反平行結合は、強ければ強いほどよいというわけではない。なぜならば、その反平行結合があまりに強すぎると、非磁性層32を介した強磁性層同士がスピンフロップを起こす前に、非磁性層31あるいは33を介した強磁性層同士の磁化が飽和するからである。その場合、磁化自由層全体のスピンフロップが途切れてしまうため、書き込み不良の発生原因となる。よって、好適な反平行結合力を得るために、非磁性層32は、最も低い磁場でフロップする非磁性層33よりも、一つだけ低次の反強磁性ピークを使用することが望ましい。より具体的には、非磁性層32、非磁性層33がルテニウムで形成される場合には、非磁性層32は、その膜厚が1.8nmを超え、2.5nm未満であるように形成され、非磁性層33は、その膜厚が3.1nmを超え、3.9nm未満であるように形成される。或いは、非磁性層32は、その膜厚が0.7nmを超え、1.2nm未満であるように形成される場合は、非磁性層33は、その膜厚が1.8nmを超え、2.5nm未満であるように形成される。
Here, the stronger the antiparallel coupling through the
最も好適には、非磁性層31は、反強磁性2ndピークに対応する2.1nmの膜厚を有するように形成され、非磁性層33は、反強磁性3rdピークに対応する3.5nmの膜厚を有するように形成される。或いは非磁性層31は、反強磁性1stピークに対応する0.9nmの膜厚を有するように形成され、非磁性層33は、反強磁性2ndピークに対応する2.1nmの膜厚を有するように形成される。
Most preferably, the
キャップ層16は、磁化固定層13、バリア層14、及び磁化自由層15Aを保護するための層である。キャップ層16は、例えば、Ta、Ruで形成される。キャップ層16は、トンネル電流が流れる程度に極めて薄いAlOxで形成されることも可能である。The
上部電極層17は、磁化自由層15Aへの電気的接続を提供する経路として機能する。上部電極層17は、例えば、Ta、TaN、TiN、Cu、Alで形成される。 The upper electrode layer 17 functions as a path that provides an electrical connection to the magnetization free layer 15A. The upper electrode layer 17 is made of, for example, Ta, TaN, TiN, Cu, or Al.
(第2の実施の形態)
図7Bは、本発明の第2の実施の形態に係るMTJ素子1Bの構成を示す断面図である。図7Bに示されているMTJ素子1Bは、図7Aに示されているMTJ素子1Aと同様に、磁化自由層15Bが、4層の強磁性層21〜24と3層の非磁性層31〜33からなるような構成を有している。(Second Embodiment)
FIG. 7B is a cross-sectional view showing the configuration of the
相違点は磁化自由層中の、強磁性層21〜24の磁気体積の設定と、非磁性層31〜33を介した反平行結合力の設定である。第2の実施形態では磁化自由層15Bは、トンネルバリア層14上の強磁性層21から、キャップ層16下の強磁性層24まで次のような膜構成を有する:
トンネルバリア層/NiFe(3nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(4.6nm)/CoFe(0.45nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(4.6nm)/CoFe(0.45nm)/キャップ層。The difference is the setting of the magnetic volume of the
Tunnel barrier layer / NiFe (3 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (3 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (4.6 nm) / CoFe (0.45 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (4.6 nm) / CoFe (0.45 nm) / cap layer.
強磁性層21と22の磁化膜厚積は同じ3.15Tnmであり、強磁性層23と24の磁化膜厚積は同じ4.72Tnmである。強磁性層21と比較して、強磁性層24の磁化膜厚積の方が1.5倍ほど磁気膜厚は大きい。また、非磁性層の31の反平行結合エネルギーJ1はおよそ0.013erg/cm2であり、非磁性層32の反平行結合エネルギーJ3はおよそ0.021erg/cm2である。このとき、非磁性層31に関連するHjは107Oe、非磁性層の33に関するHjは114Oeを有するように設定されており、ほぼ等しい。この結果、強磁性層21と強磁性層24の反平行結合はほぼ同時に外れることが可能となり、好適に動作する。また本実施の形態では、強磁性層21と22及び強磁性層23と24とは、全く同一構成を有し、さらにそれら結晶性も近いので好適である。The
また、第2の実施の形態では、非磁性層33に関して、非磁性層31よりも強い反平行結合力が求められているので、非磁性層33を2ndピークに対応するRu(2.1nm)としてもよい。その場合、非磁性層33をそのままRu(2.1nm)で置換すると、反平行結合力が強くなりすぎるので、例えば強磁性層23のCoFe(0.45nm)を減少させ、強磁性層23を殆どNiFeのみで構成することにより、非磁性層33の反平行結合力を好適な値に微調整することができる。このとき、非磁性層31と非磁性層33は、ほぼ同じ膜厚と材料で構成されるが、非磁性層31と非磁性層33の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率は異なっている。具体的には、非磁性層31の上下界面にはNi,Fe,Coといった元素が直接接しているが、非磁性層33に関してはNiとFeのみである。非磁性層33と比較して、非磁性層31に接している部分の元素構成比率はCoリッチである。
In the second embodiment, since the antimagnetic coupling force stronger than the
(第3の実施の形態)
磁化自由層を構成するSAFに含まれる強磁性層の数が、第1,第2の実施の形態と異なる場合や、その数が偶数ではなく奇数である場合にも、本発明は適用可能である。例えば、図7Cに示されているように、MTJ素子1Cの磁化自由層15Cが、3層の強磁性層21〜23と、それらの間に挿入された非磁性層31、32で形成される例を説明する。(Third embodiment)
The present invention is also applicable when the number of ferromagnetic layers included in the SAF constituting the magnetization free layer is different from the first and second embodiments, or when the number is not an even number but an odd number. is there. For example, as shown in FIG. 7C, the magnetization free layer 15C of the
この場合、トンネルバリア層14上の強磁性層21から、キャップ層16下の強磁性層23までの膜構成の一例として、次のような構成が挙げられる:
トンネルバリア層/NiFe(4.6nm)/CoFe(0.45nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(8.4nm)/CoFe(0.4nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(3.7nm)/キャップ層。In this case, as an example of the film configuration from the
Tunnel barrier layer / NiFe (4.6 nm) / CoFe (0.45 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (8.4 nm) / CoFe (0.4 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (3. 7 nm) / cap layer.
上記の構成で、強磁性層21はNiFe(4.6nm)/CoFe(0.45nm)に相当し、強磁性層23はNiFe(3.7nm)に相当し、強磁性層22はNiFe(8.4nm)/CoFe(0.4nm)に相当する。
With the above configuration, the
また、第1の実施の形態と同様の理由で、HCP<0001>の結晶配向性の悪い非磁性層31に対してRu(2.1nm)の反強磁性2nd−peakを使用し、結晶配向性がやや改善されている非磁性層32に対してRu(3.5nm)の反強磁性3rd−peakを使用することにより、反平行結合力が粗調整されている。磁化膜厚積は、強磁性層21に対しては約4.72Tnm、強磁性層22に対しては約7.9Tnm、強磁性層23に対しては約3.15Tnmである。このように、強磁性層22の磁化膜厚積は、強磁性層21及び23の磁化膜厚積の和になるように設定されている。
For the same reason as in the first embodiment, Ru (2.1 nm) antiferromagnetic 2nd-peak is used for the
また、より一般に、N個の強磁性層(Nは3以上の奇数)の多層SAF磁化自由層の場合、磁化自由層の最上層である第N強磁性層と最下層である第1強磁性層が持つ磁化膜厚積の和とほぼ同じになるように、最中央部である第((1+N)/2)強磁性層の磁化膜厚積が設定されればよい。その理由は、次の通りである。Nが奇数の場合の多層SAFでは、常に最上部及び最下部の強磁性層が、残留磁化状態で平行配置となる。従って、第N強磁性層と第1強磁性層の磁化膜厚積をキャンセルする役目を、多層SAF中の最も中央部の強磁性層一層に担わせることにより、磁化自由層全体のスピンフロップが安定化される。Nが奇数の場合、残留磁化状態において最中央層である第((1+N)/2)強磁性層の磁化は、必ず、第N強磁性層及び第1強磁性層の磁化に対して反平行となる。また、特にN=3及びN=5の多層SAFでは、最中央部の磁性層によって、最上部及び最下部の強磁性層の磁化を打ち消さなければ、磁化自由層全体の磁化を、残留磁化状態においてキャンセルできない。 More generally, in the case of a multilayer SAF magnetization free layer of N ferromagnetic layers (N is an odd number of 3 or more), the Nth ferromagnetic layer that is the uppermost layer of the magnetization free layer and the first ferromagnetic layer that is the lowermost layer. The magnetization film thickness product of the ((1 + N) / 2) ferromagnetic layer at the center may be set so as to be substantially the same as the sum of the magnetization film thickness products of the layers. The reason is as follows. In the multilayer SAF in which N is an odd number, the uppermost and lowermost ferromagnetic layers are always arranged in parallel in the residual magnetization state. Therefore, the role of canceling the magnetization film thickness product of the Nth ferromagnetic layer and the first ferromagnetic layer is assigned to the most central ferromagnetic layer in the multilayer SAF, so that the spin flop of the entire magnetization free layer is reduced. Stabilized. When N is an odd number, the magnetization of the ((1 + N) / 2) ferromagnetic layer that is the centermost layer in the residual magnetization state is always antiparallel to the magnetizations of the Nth ferromagnetic layer and the first ferromagnetic layer. It becomes. In particular, in a multilayer SAF with N = 3 and N = 5, unless the magnetization of the uppermost and lowermost ferromagnetic layers is canceled by the magnetic layer at the center, the magnetization of the entire magnetization free layer is changed to the residual magnetization state. Cannot cancel at.
本実施の形態は、上記のとおり、磁化の調整方法以外は第1、第2、第4の実施形態と同じである。最上部及び最下部の強磁性層が、外部磁場に対して同時に外れるように設定されれば良い。本実施形態に示された例では、非磁性層31および非磁性層32の反平行結合エネルギー定数は、それぞれJ1=0.02erg/cm2、J2=0.014erg/cm2程度であり、それらを磁場に換算したパラメータJ1/(M1×t1)とJ2/(M3×t3)は、それぞれ、53Oe及び56Oeとほぼ等しくなるように設定されている。As described above, this embodiment is the same as the first, second, and fourth embodiments except for the magnetization adjustment method. The uppermost and lowermost ferromagnetic layers may be set so as to be simultaneously removed from the external magnetic field. In the example shown in this embodiment, the antiparallel coupling energy constants of the
(第4の実施の形態)
より一般的に、Nは4または6以上の整数とし、多層SAFがN層の強磁性層とN−1層の非磁性層とからなる場合に、本発明の動作に必要な構成を説明する。最下層の強磁性層を第1強磁性層、最上層の強磁性層を第N強磁性層とし、最下層の強磁性層の直上の非磁性層を第1非磁性層、最上層の強磁性層直下の非磁性層を第N−1非磁性層とする。最低限必要な条件として、M1×t1とM2×t2は等しく、MN−1×tN−1とMN×tNが等しいことが必要である。さらに、M1×t1>MN×tNであり、且つ、J1>JNであること、あるいは、M1×t1<MN×tNで、且つ、J1<JNであることが必要である。さらに、パラメータJ1/(M1×t1)とJN/(MN×tN)とをほぼ等しくすれば、より好適に動作する。(Fourth embodiment)
More generally, the configuration necessary for the operation of the present invention will be described when N is an integer of 4 or 6 and the multilayer SAF is composed of N ferromagnetic layers and N-1 nonmagnetic layers. . The lowermost ferromagnetic layer is the first ferromagnetic layer, the uppermost ferromagnetic layer is the Nth ferromagnetic layer, the nonmagnetic layer immediately above the lowermost ferromagnetic layer is the first nonmagnetic layer, and the uppermost strong layer is strong. The nonmagnetic layer immediately below the magnetic layer is referred to as the (N-1) th nonmagnetic layer. As a minimum necessary condition, M 1 × t 1 and M 2 × t 2 are equal, and M N−1 × t N−1 and M N × t N are required to be equal. Further, M 1 × t 1 > M N × t N and J 1 > J N , or M 1 × t 1 <M N × t N and J 1 <J N It is necessary to be. Furthermore, if the parameters J 1 / (M 1 × t 1 ) and J N / (M N × t N ) are substantially equal, the operation is more preferably performed.
また、第1強磁性層と第2強磁性層の平均の異方性磁場Hk1が、第(N−1)強磁性層と第N強磁性層との平均の異方性磁場HkN−1に対して大きく異なる場合は、最上層と最下層のSAF結合部が単独に存在した場合のフロップ磁場に相当するパラメータ[{2J1/(M1×t1)−Hk1}×Hk1]と[{2JN−1/(MN×tN)−HkN−1}×HkN−1]とがほぼ等しいことが必要となる。このような用件を満たすように、非磁性層の膜厚や材料、磁性層/非磁性層の界面材料、磁性層の膜厚などを変更することによって、磁化自由層の各パラメータが制御されればよい。The average anisotropic magnetic field Hk 1 of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is equal to the average anisotropic magnetic field Hk N− of the (N−1) th ferromagnetic layer and the Nth ferromagnetic layer. If the difference is significantly different from 1 , the parameter [{2J 1 / (M 1 × t 1 ) −Hk 1 } × Hk 1 corresponding to the flop magnetic field when the uppermost layer and the lowermost layer SAF coupling portion exist independently. ] And [{2J N−1 / (M N × t N ) −Hk N−1 } × Hk N−1 ] need to be approximately equal. By changing the film thickness and material of the nonmagnetic layer, the interface material of the magnetic layer / nonmagnetic layer, the film thickness of the magnetic layer, etc., the parameters of the magnetization free layer are controlled so as to satisfy such requirements. Just do it.
Nが奇数で7層、9層、11層など大きい磁化自由層の場合、既出の第3の実施形態よりも第4の実施形態のほうが好適である。なぜならば、本実施形態によれば、最も隣接する強磁性同士(第1強磁性層と第2強磁性層、及び第N−1強磁性と第N強磁性層)が磁気的に等価に設定され、磁化自由層内で、残留磁化状態で反平行配置をとる強磁性層同士を、磁気的により等価にしやすいからである。 In the case of a magnetization free layer having a large N such as 7 layers, 9 layers, 11 layers, etc., where N is an odd number, the fourth embodiment is more preferable than the third embodiment. This is because according to the present embodiment, the most adjacent ferromagnets (the first and second ferromagnetic layers and the (N-1) th ferromagnet and the Nth ferromagnet layer) are set to be magnetically equivalent. This is because it is easy to make the ferromagnetic layers which are antiparallel in the remanent magnetization state more magnetically equivalent in the magnetization free layer.
第2〜第(N−2)の非磁性層のJSAFは、第1及び第N−1の非磁性層と比較して同等以上に設定することが好適である。さらに、磁化自由層の飽和磁場を一層延伸させる上で、第2〜第(N−2)の非磁性層の中に、意図的に強い反平行結合力をもつ非磁性層を設けることが有効である。そのような非磁性層は最中央部に位置することが望ましく、Nが偶数の場合は第(N/2)非磁性層の反平行結合力がもっとも大きいことが好適である。具体的には、第(N/2)非磁性層の反強磁性ピークの次数は、第N−1非磁性層の次数と比較して一つだけ小さくなるように、各非磁性層の膜厚を設定することが好適である。The J SAF of the second to (N−2) th nonmagnetic layers is preferably set to be equal to or greater than that of the first and (N−1) th nonmagnetic layers. Furthermore, in order to extend the saturation magnetic field of the magnetization free layer further, it is effective to intentionally provide a nonmagnetic layer having a strong antiparallel coupling force in the second to (N-2) nonmagnetic layers. It is. Such a nonmagnetic layer is desirably located at the centermost portion. When N is an even number, it is preferable that the antiparallel coupling force of the (N / 2) th nonmagnetic layer is the largest. Specifically, the film thickness of each nonmagnetic layer is such that the order of the antiferromagnetic peak of the (N / 2) th nonmagnetic layer is smaller by one than the order of the (N-1) th nonmagnetic layer. It is preferable to set the thickness.
具体例として、本発明のMRAM記憶ビット部40Aの断面が図8Aに示されている。このMRAM記憶ビット部40Aは、6層の強磁性層21〜26と、それらの間に挿入された5層の非磁性層31〜35で構成された磁化自由層15Dを有する。トンネルバリア層14上の強磁性層21から、キャップ層16下の強磁性層26までの好適な形態の1例として次のような膜構成が挙げられる:
トンネルバリア層/NiFe(4nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(4nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(2nm)/CoFe(0.25nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(2nm)/CoFe(0.25nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(3nm)/CoFe(0.25nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(3nm)/CoFe(0.25nm)/キャップ層。As a specific example, a cross section of the MRAM
Tunnel barrier layer / NiFe (4 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (4 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (2 nm) / CoFe (0 .25 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (2 nm) / CoFe (0.25 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (3 nm) / CoFe (0.25 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (3 nm) / CoFe (0.25 nm) / cap layer.
図8Aに示されるように、一般に実デバイスにおいては、MRAM記憶ビット部40A中の磁化自由層の側壁部は、垂直には加工されずに、傾斜を有している。このとき、磁気抵抗を決定する接合面積は、トンネルバリア層と第1強磁性層が接する界面の面積で規定される。各強磁性層が全く同じ厚さに成膜された場合、各強磁性層の実効的な磁気膜厚t1〜t6は、t1>t2>t3>t4>t5>t6となる。よって、実デバイスの加工に起因した磁気体積差を考慮して、強磁性層21〜26の成膜時の膜厚を調整しなければならない。本実施の形態によれば、非磁性層21であるRu(2.1nm)を介したSAFのJ1/(M1×t1)と、非磁性層25であるRu(3.5nm)を介したSAFのJ5/(M6×t6)は、ほぼ等しくなるように設定される。強磁性層の等価性が要求される組は、隣接する強磁性層21と強磁性層22、強磁性層23と強磁性層24、及び強磁性層25と強磁性層26である。図8Aから明らかなように、それらの組に関しては、加工に起因した磁気体積差は生じづらく、また結晶性に起因した磁気特性の差も小さい。また、最中央の非磁性層23に関しては、Ru2.1nmの2nd反強磁性ピークが使用され、かつ、結晶性も良好であるため、最も大きな反強磁性結合力が得られる。従って、磁化自由層の飽和磁場が延伸し、書き込みマージンが広がる。As shown in FIG. 8A, generally in an actual device, the side wall portion of the magnetization free layer in the MRAM
比較として、従来技術に従って作製されたMRAM記憶ビット部40Bの断面が図8Bに示されている。このMRAM記憶ビット部40Bは、同様に6層の強磁性層21〜26と、それらの間に挿入された5層の非磁性層31〜35で構成された磁化自由層15Eを有する。トンネルバリア層14上の強磁性層21から、キャップ層16下の強磁性層26までの好適な膜構成の一例として、次のような構成が挙げられる:
トンネルバリア層/NiFe(4nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(2nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(3nm)/CoFe(0.25nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/CoFe(0.25nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(2nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(3.5nm)/NiFe(4nm)/CoFe(0.35nm)/キャップ層。For comparison, a cross-section of an MRAM
Tunnel barrier layer / NiFe (4 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (2 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (3 nm) / CoFe (0 .25 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (3 nm) / CoFe (0.25 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (2 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (3.5 nm) / NiFe (4 nm) / CoFe (0.35 nm) / cap layer.
非磁性層31と35の反平行結合力はほぼ等しく、かつ、強磁性層21〜26の磁化膜厚積は上下方向に対称に設定される。しかし、成膜時にそのような磁化膜厚積となるように形成しても、図8Bより明らかなように、強磁性層の等価性が要求される組(強磁性層21と強磁性層26、強磁性層22と強磁性層25、強磁性層23と強磁性層24)に関しては、素子加工プロセスにより生じる体積差によって、磁気体積の等価性が大きく損なわれる。また、それらの強磁性層が形成されたSAF中の位置を考えても、結晶性に起因した磁気特性の差も大幅に生じうる。磁気体積の差に関しては、どの層がどれだけの磁気体積を持つのか把握することが難しく、接合側壁の形状がより複雑な場合では、磁気体積を把握することは不可能である。このように従来技術の多層SAFの磁気体積の差や膜質の差をキャンセルさせることは容易なことではない。
The antiparallel coupling forces of the
以上、実施形態の説明において、第1非磁性層に対して、第(N−1)非磁性層の膜厚が厚くなるような例が示された。第(N−1)非磁性層に対して、第1非磁性層の膜厚を厚くなるように構成されてもよい。また、例えば成膜条件などを工夫するなどして膜質の差が縮小した場合や、非磁性層の膜厚制御性を向上させ、非磁性膜厚のみによって厳密な反強磁性結合エネルギーを制御可能な場合は、このような構成が採用されなくてもよい。重要な点は、膜形態ではなく、実効的な反強磁性結合力の大きさである。 As described above, in the description of the embodiment, an example in which the film thickness of the (N-1) -th nonmagnetic layer is thicker than that of the first non-magnetic layer is shown. You may comprise so that the film thickness of a 1st nonmagnetic layer may become thick with respect to a (N-1) nonmagnetic layer. In addition, for example, when the film quality difference is reduced by devising film formation conditions, etc., or the film thickness controllability of the nonmagnetic layer is improved, and the strict antiferromagnetic coupling energy can be controlled only by the nonmagnetic film thickness. In such a case, such a configuration may not be adopted. The important point is not the film form but the magnitude of the effective antiferromagnetic coupling force.
以下、様々な磁化自由層構造を有するMRAMに対する動作実験例が実施例として示される。 Hereinafter, examples of operation experiments for MRAMs having various magnetization free layer structures are shown as examples.
1.フロップ磁場、飽和磁場、及び書き込みマージンの評価
2層の強磁性層と1層の非磁性層からなる通常のSAFと、4層の強磁性層と3層の非磁性層からなる多層SAFを磁化自由層としたMTJが8インチ基板に複数作製された。100〜120個のMTJ素子に関して、トグル書き込みが調べられ、フロップ磁場、飽和磁場と書き込みマージン及び動作率が評価された。磁化自由層の4層SAFは従来技術と本発明の技術を用いた試料が作製され、特性が比較された。MTJ素子の平面形状は主に0.6×1.2μm2の長円形である。また一部0.4×0.8μm2の長円形の素子についても評価を行った。1. Evaluation of flop magnetic field, saturation magnetic field, and write margin Magnetize a normal SAF consisting of two ferromagnetic layers and one nonmagnetic layer, and a multilayer SAF consisting of four ferromagnetic layers and three nonmagnetic layers A plurality of MTJs as free layers were produced on an 8-inch substrate. With respect to 100 to 120 MTJ elements, toggle writing was examined, and a flop magnetic field, a saturation magnetic field, a write margin, and an operation rate were evaluated. Samples using the conventional technique and the technique of the present invention were prepared for the four-layer SAF of the magnetization free layer, and the characteristics were compared. The planar shape of the MTJ element is mainly an ellipse of 0.6 × 1.2 μm 2 . In addition, evaluation was performed on an oval element having a part of 0.4 × 0.8 μm 2 .
ここで、Al(αnm)Oxとは、α(nm)のAl膜を酸化することによって形成されたAlOx膜を意味している。また、基板の上に順次に形成されたTa膜、PtMn膜、CoFe/Ru/CoFe積層体、Al(0.9nm)Ox膜が、それぞれ、下部電極層11、反強磁性層12、磁化固定層13、バリア層14に相当しており、磁化自由層の上に形成されたAl(0.7nm)Ox膜、Ta膜が、キャップ層16、上部電極層17に相当していることに留意されたい。Here, Al (αnm) O x means an AlO x film formed by oxidizing an Al film of α (nm). In addition, a Ta film, a PtMn film, a CoFe / Ru / CoFe laminate, and an Al (0.9 nm) O x film sequentially formed on the substrate are a lower electrode layer 11, an antiferromagnetic layer 12, and a magnetization, respectively. Al (0.7 nm) O x film and Ta film formed on the magnetization free layer correspond to the fixed layer 13 and the
本実施例で作製されたMTJの構成は、次の通りである:
基板/Ta(20nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(0.9nm)Ox/磁化自由層/Al(0.7nm)Ox/Ta(100nm)。The structure of the MTJ produced in this example is as follows:
Substrate / Ta (20 nm) / PtMn (20 nm) / CoFe (2.5 nm ) / Ru (0.9 nm ) / CoFe (2.5 nm) / Al (0.9 nm) O x / Free magnetization layer / Al (0. 7 nm) O x / Ta (100 nm).
図10A及び図10Bは、各試料の磁化自由層の構成を示す表である。磁化自由層に含まれる強磁性層の数は、2または4であり、強磁性層の材料・膜厚は、磁化自由層の全体としての残留磁化が0であるように微調整されている。磁化自由層の非磁性層は、いずれも、ルテニウムで形成されている。ここでNiFeとして、パーマロイ(Ni81Fe19)が使用されている。以下では、各試料の特徴が概略的に説明される。10A and 10B are tables showing the configuration of the magnetization free layer of each sample. The number of ferromagnetic layers included in the magnetization free layer is 2 or 4, and the material and film thickness of the ferromagnetic layer are finely adjusted so that the residual magnetization as the whole magnetization free layer is 0. All the nonmagnetic layers of the magnetization free layer are made of ruthenium. Here, permalloy (Ni 81 Fe 19 ) is used as NiFe. In the following, the characteristics of each sample are schematically described.
比較例1のMTJ素子の磁化自由層は、2層の強磁性層と1層の非磁性層を含むSAFで形成されている。非磁性層の膜厚は、反強磁性2ndピークに対応する2.1nmである。その他の試料はいずれも4層の強磁性層と3層の非磁性層を含むSAFで形成されている。第1非磁性層は反強磁性2ndピークに対応する2.1nmのルテニウムが用いられている。第2非磁性層に関しては2.1nmのルテニウムが用いられており、この非磁性層は、結晶配向性が良好で且つ反強磁性2ndピークであるため、他の非磁性層の3倍以上の反強磁性結合エネルギーを持つ。基板から離れて位置する第3非磁性層の膜厚は、反強磁性3rdピークに対応する3.5nmである。 The magnetization free layer of the MTJ element of Comparative Example 1 is formed of SAF including two ferromagnetic layers and one nonmagnetic layer. The film thickness of the nonmagnetic layer is 2.1 nm corresponding to the antiferromagnetic 2nd peak. All other samples are formed of SAF including four ferromagnetic layers and three nonmagnetic layers. The first nonmagnetic layer uses 2.1 nm ruthenium corresponding to the antiferromagnetic 2nd peak. For the second nonmagnetic layer, ruthenium of 2.1 nm is used, and this nonmagnetic layer has a good crystal orientation and an antiferromagnetic 2nd peak, so that it is more than three times that of other nonmagnetic layers. Has antiferromagnetic binding energy. The film thickness of the third nonmagnetic layer located away from the substrate is 3.5 nm corresponding to the antiferromagnetic 3rd peak.
比較例2の磁化自由層は、全ての強磁性層の磁化膜厚積がほぼ等しく、かつ、第1非磁性層及び第3非磁性層の反平行結合力はほぼ等しい。各強磁性層の磁化膜厚積は3.15Tnmである。 In the magnetization free layer of Comparative Example 2, the magnetization film thickness products of all the ferromagnetic layers are substantially equal, and the antiparallel coupling forces of the first nonmagnetic layer and the third nonmagnetic layer are substantially equal. The magnetization film thickness product of each ferromagnetic layer is 3.15 Tnm.
比較例3〜7及び実施例1〜4は、全て第1強磁性層と第2強磁性層の磁化膜厚積がほぼ4.72Tnmであり等しく、第3強磁性層と第4強磁性層の磁化膜厚積がほぼ3.15Tnmであり等しく、かつ第1強磁性層は第四強磁性層に対して1.5倍大きい磁化膜厚積を持つ。比較例3〜6および実施例1〜2の試料では、第1強磁性層中のNiFe/CoFeの比率を変化させて、第1非磁性層の反平行結合エネルギーのみを変化させている。また、比較例7および実施例3〜4の試料では第3強磁性層中のNiFe/CoFeの比率を変化させて、第3非磁性層の反平行結合エネルギーのみを変化させている。いずれもCoFeの膜厚が増えるほど、その上部の非磁性層の反平行結合力は増大する。図10B中に第1、第3非磁性層直下の強磁性層界面に存在するCoFeの厚さが示されている。 In Comparative Examples 3 to 7 and Examples 1 to 4, the magnetization film thickness product of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer is approximately 4.72 Tnm, and the third ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer are the same. Are equal to approximately 3.15 Tnm, and the first ferromagnetic layer has a magnetization thickness product 1.5 times larger than that of the fourth ferromagnetic layer. In the samples of Comparative Examples 3-6 and Examples 1-2, only the antiparallel coupling energy of the first nonmagnetic layer is changed by changing the ratio of NiFe / CoFe in the first ferromagnetic layer. In the samples of Comparative Example 7 and Examples 3 to 4, the ratio of NiFe / CoFe in the third ferromagnetic layer is changed to change only the antiparallel coupling energy of the third nonmagnetic layer. In any case, as the CoFe film thickness increases, the antiparallel coupling force of the upper nonmagnetic layer increases. FIG. 10B shows the thickness of CoFe existing at the ferromagnetic layer interface immediately below the first and third nonmagnetic layers.
図11には、比較例1〜7及び実施例1〜4の磁化自由層を用いた0.6×1.2μm2トグルMRAMデバイスの動作率とフロップ磁場、飽和磁場が示されている。比較例1と比較例2を比較すると、フロップ磁場はそれぞれ、38(Oe)、37(Oe)の周囲に分布し、飽和磁場はそれぞれ、157(Oe)、570(Oe)の周囲に分布していた。強磁性層を2層から4層にすることで、書きこみマージンが大きく増大している。FIG. 11 shows the operation rate, flop magnetic field, and saturation magnetic field of the 0.6 × 1.2 μm 2 toggle MRAM device using the magnetization free layers of Comparative Examples 1 to 7 and Examples 1 to 4. Comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the flop magnetic field is distributed around 38 (Oe) and 37 (Oe), respectively, and the saturation magnetic field is distributed around 157 (Oe) and 570 (Oe), respectively. It was. By changing the ferromagnetic layer from two layers to four layers, the write margin is greatly increased.
比較例3〜6および実施例1〜2の試料は、第3非磁性層の反平行結合力(反平行結合エネルギー定数J3)が固定され、第1非磁性層の反平行結合力(反平行結合エネルギー定数J1)のみが増大していく試料に相当する。最もJ1が小さい試料に対応する比較例3では、ごく一部の素子でダイレクト反転を示す素子が存在したが、トグル反転を示す素子は全く存在しなかった。比較例4、5と、J1が増大していくにつれてトグル動作率が向上していき、実施例1、2の試料において、それぞれトグル動作率が98%及び100%と非常に高歩留まりでトグル書き込みが行われた結果が得られた。更にJ1が増加された試料である比較例6では、トグル動作率が65%と減少してしまった。実施例1の試料では、平均のフロップ磁場は42(Oe)、飽和磁場は602(Oe)であった。実施例2の試料では、平均のフロップ磁場は44(Oe)、飽和磁場は606(Oe)であった。In the samples of Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 and 2, the antiparallel coupling force (antiparallel coupling energy constant J 3 ) of the third nonmagnetic layer is fixed, and the antiparallel coupling force (antireflection) of the first nonmagnetic layer is fixed. Only the parallel binding energy constant J 1 ) corresponds to the increasing sample. In Comparative Example 3 the most J 1 corresponds to a small sample, although elements showing a direct inversion a small fraction of the elements were present at all did not exist element exhibiting toggle inversion. As Comparative Examples 4 and 5 and J 1 increase, the toggle operation rate is improved. In the samples of Examples 1 and 2, the toggle operation rate is 98% and 100%, respectively, and the toggle operation rate is very high. The result of writing was obtained. In Comparative Example 6 is a further sample J 1 is increased, the toggle operation rate has been reduced 65%. In the sample of Example 1, the average flop magnetic field was 42 (Oe), and the saturation magnetic field was 602 (Oe). In the sample of Example 2, the average flop magnetic field was 44 (Oe), and the saturation magnetic field was 606 (Oe).
また、比較例5、実施例4、実施例3、比較例7の試料は、第1非磁性層の反平行結合力が固定され、第3非磁性層の反平行結合力のみが減少していく試料に相当する。第3非磁性層の反平行結合力が減少していくにつれて、トグル動作率が向上していき、実施例3、4の反平行結合力において、それぞれ動作率93%及び100%の結果が得られた。実施例3の試料では、平均のフロップ磁場は36(Oe)、飽和磁場は565(Oe)である。実施例4の試料では、平均のフロップ磁場は37(Oe)、飽和磁場は576(Oe)であった。書き込みマージンに相当する比率(飽和磁場/フロップ磁場)は、比較例1では4と小さいが、実施例1〜4では、その比率は大幅に増大し全て10以上となる。本発明によって、高いトグル動作率を示し、かつ、フロップ磁場をほぼ一定としたまま、書き込みマージンの著しい向上が可能であることが実証された。 In the samples of Comparative Example 5, Example 4, Example 3, and Comparative Example 7, the antiparallel coupling force of the first nonmagnetic layer is fixed, and only the antiparallel coupling force of the third nonmagnetic layer is reduced. It corresponds to the sample. As the antiparallel coupling force of the third nonmagnetic layer decreases, the toggle operation rate improves, and the results of the operation rates of 93% and 100% are obtained in the antiparallel coupling forces of Examples 3 and 4, respectively. It was. In the sample of Example 3, the average flop magnetic field is 36 (Oe), and the saturation magnetic field is 565 (Oe). In the sample of Example 4, the average flop magnetic field was 37 (Oe), and the saturation magnetic field was 576 (Oe). The ratio corresponding to the write margin (saturation magnetic field / flop magnetic field) is as small as 4 in Comparative Example 1, but in Examples 1 to 4, the ratio is greatly increased to 10 or more. According to the present invention, it has been demonstrated that the write margin can be remarkably improved while the toggle operation rate is high and the flop magnetic field is substantially constant.
さらに比較例1及び2、実施例2、実施例4のトグル動作特性を詳細に比較した結果が、図12に示されている。図12中には、0.6×1.2μm2素子のフロップ磁場と、そのばらつきに相当する標準偏差、飽和磁場、書き込みマージン、及びトグル書き込み動作率が示されている。さらに0.6×1.2μm2及び0.4×0.8μm2素子の間のダイレクト反転領域幅の差が示されている。ダイレクト領域幅もフロップ磁場及び飽和磁場と同様に、容易軸方向に対して測定したものである。Furthermore, the result of having compared the toggle operation characteristic of Comparative Examples 1 and 2, Example 2, and Example 4 in detail is shown by FIG. FIG. 12 shows a flop magnetic field of 0.6 × 1.2 μm 2 elements, a standard deviation corresponding to the variation, a saturation magnetic field, a write margin, and a toggle write operation rate. Furthermore, the difference in direct inversion region width between 0.6 × 1.2 μm 2 and 0.4 × 0.8 μm 2 elements is shown. The direct region width is also measured with respect to the easy axis direction, like the flop magnetic field and the saturation magnetic field.
フロップ磁場のばらつき(標準偏差σflop)は、従来技術に係る4層SAF磁化自由層である比較例2では、3.3(Oe)である。それに比べて、本発明に係る4層SAF磁化自由層である実施例2及び4では、フロップ磁場のばらつきの大きさはそれぞれ、2.5(Oe)および2.1(Oe)と小さい。これらの試料を、例えば1MビットMRAMに適用させた場合を考える。書き込み磁場値を「平均フロップ磁場値+5×σflop」とすると、その書き込み磁場値は、比較例2の試料では53.5(Oe)、実施例2の試料では56.5(Oe)、実施例4の試料では47.5(Oe)となる。特に実施例4の試料では、フロップ磁場も小さく、ばらつきも小さいため、書き込み磁場が最も低減されている。The variation of the flop magnetic field (standard deviation σ flop ) is 3.3 (Oe) in Comparative Example 2, which is a four-layer SAF magnetization free layer according to the conventional technique. In contrast, in Examples 2 and 4, which are the four-layer SAF magnetization free layer according to the present invention, the magnitude of the variation in the flop magnetic field is as small as 2.5 (Oe) and 2.1 (Oe), respectively. Consider a case where these samples are applied to, for example, a 1 Mbit MRAM. When the writing magnetic field value is “average flop magnetic field value + 5 × σ flop ”, the writing magnetic field value is 53.5 (Oe) for the sample of Comparative Example 2 and 56.5 (Oe) for the sample of Example 2. In the sample of Example 4, it becomes 47.5 (Oe). In particular, in the sample of Example 4, since the flop magnetic field is small and variation is small, the writing magnetic field is most reduced.
また0.6×1.2μm2及び0.4×0.8μm2素子とのダイレクト領域幅の差に関しては、2層SAFから構成された通常のトグル磁化自由層からなる比較例1で2.2Oeともっとも小さい。実施例2及び4でも、その差は、それぞれ2.8(Oe)及び3.1(Oe)と小さい。一方、比較例2では、その差が5.8(Oe)と最も大きかった。ダイレクト反転領域幅が素子サイズによって変わるということは、SAF中の各強磁性層の磁気体積の差が素子サイズによって変わっていることを意味する。これは、例えば図8A、図8Bに示されたような、加工プロセスによって生じる磁化自由層側壁部の磁気体積不均一性などの影響と考えられる。このように、本発明に係る多層SAF磁化自由層によれば、従来技術に係る多層SAF磁化自由層に比べて、フロップ磁場のばらつきも小さく、かつ、ダイレクト反転領域の大きさも素子サイズに影響しづらく、ダイレクト反転領域をより低減しやすい。Further, regarding the difference in direct region width between 0.6 × 1.2 μm 2 and 0.4 × 0.8 μm 2 elements, the difference is 2. in the first comparative example consisting of a normal toggle magnetization free layer composed of two layers of SAFs. 2Oe is the smallest. In Examples 2 and 4, the difference is as small as 2.8 (Oe) and 3.1 (Oe), respectively. On the other hand, in Comparative Example 2, the difference was the largest at 5.8 (Oe). The fact that the direct inversion region width varies depending on the element size means that the difference in magnetic volume of each ferromagnetic layer in the SAF varies depending on the element size. This is considered to be due to, for example, the influence of the magnetic volume non-uniformity of the magnetization free layer side wall portion caused by the processing process as shown in FIGS. 8A and 8B. As described above, according to the multilayer SAF magnetization free layer according to the present invention, the flop magnetic field variation is small compared to the multilayer SAF magnetization free layer according to the prior art, and the size of the direct inversion region also affects the element size. It is hard to reduce the direct inversion area more easily.
2.RKKY相互作用による反強磁性的結合の評価
トグル書き込み特性評価の結果と、磁化自由層の反平行結合力や磁化膜厚積の関係が調べられた。2. Evaluation of antiferromagnetic coupling by RKKY interaction The relationship between the results of toggle writing characteristic evaluation, the antiparallel coupling force of the magnetization free layer and the magnetization film thickness product was investigated.
比較例3〜6及び実施例1〜4の磁化自由層の“第1非磁性層”を介した反平行結合力を調べるために、以下の試料が作製され、磁化曲線が評価された:
基板/Ta(20nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(0.9nm)Ox/NiFe/CoFe/Ru(2.1nm)/NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/Ta(10nm)。In order to investigate the antiparallel coupling force through the “first nonmagnetic layer” of the magnetization free layers of Comparative Examples 3-6 and Examples 1-4, the following samples were prepared and the magnetization curves were evaluated:
Substrate / Ta (20 nm ) / PtMn (20 nm) / CoFe (2.5 nm) / Ru (0.9 nm) / CoFe (2.5 nm ) / Al (0.9 nm) O x / NiFe / CoFe / Ru (2. 1 nm) / NiFe (4.8 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.1 nm) / Ta (10 nm).
比較例3〜6及び実施例1〜4の磁化自由層の“第3非磁性層”を介した反平行結合力を調べるために、以下の試料が作製され、磁化曲線が評価された:
基板/Ta(20nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(0.9nm)Ox/NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.5nm)/NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.5nm)/NiFe/CoFe/Ru(3.5nm)/NiFe(3.7nm)/Al(0.7nm)Ox/Ta(10nm)In order to investigate the antiparallel coupling force through the “third nonmagnetic layer” of the magnetization free layers of Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 4, the following samples were prepared and the magnetization curves were evaluated:
Substrate / Ta ( 20 nm) / PtMn ( 20 nm) / CoFe ( 2.5 nm) / Ru ( 0.9 nm) / CoFe ( 2.5 nm) / Al ( 0.9 nm) O x / NiFe ( 4.8 nm ) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.5 nm) / NiFe (4.8 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.5 nm) / NiFe / CoFe / Ru (3.5 nm) / NiFe (3.7 nm) ) / Al (0.7 nm) O x / Ta (10 nm)
この試料では第1及び第2非磁性層のRu厚を2.5nmとし、反平行結合力をほぼ零とすることで、第3非磁性層と第3及び第4強磁性層で構成されたSAF部のみの磁化曲線を評価できる。このとき第3非磁性層の結晶性は、比較例3〜6及び実施例1〜4とほぼ同一である。 In this sample, the Ru thickness of the first and second nonmagnetic layers was 2.5 nm, and the antiparallel coupling force was made substantially zero, so that the sample was composed of the third nonmagnetic layer and the third and fourth ferromagnetic layers. The magnetization curve of only the SAF part can be evaluated. At this time, the crystallinity of the third nonmagnetic layer is substantially the same as in Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 4.
図13は、上記のSAF部の磁化曲線から得られた飽和磁場と、各Ru非磁性層直下のCoFe膜厚との関係を示している。第1非磁性層及び第3非磁性層のSAF部の飽和磁場は、直下の強磁性層界面のCoFe厚の増大にほぼ比例して増加していることがわかる。飽和磁場は、ほぼ反平行結合エネルギーの大きさを反映しており、CoFe厚が増大するほど、それぞれの非磁性層の反平行結合エネルギーは増大していくことが示されている。 FIG. 13 shows the relationship between the saturation magnetic field obtained from the magnetization curve of the SAF part and the CoFe film thickness directly under each Ru nonmagnetic layer. It can be seen that the saturation magnetic fields of the SAF portions of the first nonmagnetic layer and the third nonmagnetic layer increase almost in proportion to the increase of the CoFe thickness at the immediately lower ferromagnetic layer interface. The saturation magnetic field almost reflects the magnitude of the antiparallel coupling energy, and it is shown that the antiparallel coupling energy of each nonmagnetic layer increases as the CoFe thickness increases.
また、SAF中の各強磁性層の磁化膜厚積および異方性磁場を評価するために、以下の膜構成の積層膜が作製された:
基板/Ta(20nm)/Al(0.9nm)Ox/シード層/NiFe/CoFe/キャップ層/Ta(10nm)。
この積層膜が1×1cm2角にカットされた試料が作製され、磁化曲線が評価された。上記試料において、シード層に対しては、評価対象の強磁性層によってRu(2.1nm)が用いられるか、用いられなかった。また、キャップ層に関しては、評価対象の強磁性層によってRu(2.1nm)かAl(0.7nm)Oxのいずれかが選択された。Also, in order to evaluate the magnetization film thickness product and the anisotropic magnetic field of each ferromagnetic layer in the SAF, a laminated film having the following film configuration was produced:
Substrate / Ta (20 nm) / Al ( 0.9 nm) O x / seed layer / NiFe / CoFe / cap layer / Ta (10 nm).
A sample in which this laminated film was cut into 1 × 1 cm 2 squares was produced, and the magnetization curve was evaluated. In the above sample, Ru (2.1 nm) was used or not used for the seed layer depending on the ferromagnetic layer to be evaluated. For the cap layer, either Ru (2.1 nm) or Al (0.7 nm) O x was selected depending on the ferromagnetic layer to be evaluated.
磁化膜厚積、異方性磁場、図13に示された飽和磁場から、比較例3〜6及び実施例1〜4の磁化自由層中のJ1、J3、M1×t1、M4×t4の値が求められた。各試料に関する比率[J1/(M1×t1)]/[J3/(M4×t4)]と、0.6×1.2μm2素子でのトグル動作率との関係が、図14に示されている。図14より、比較例3〜6及び実施例1〜4全ての素子のトグル動作率と比率[J1/(M1×t1)]/[J3/(M4×t4)]との間には、明確な相関があることがわかる。全ての試料について、J1/(M1×t1)やJ3/(M4×t4)の値が異なっていても、[J1/(M1×t1)]/[J3/(M4×t4)]=1を中心として、トグル動作率はピークを持つように変化する。また、比率[J1/(M1×t1)]/[J3/(M4×t4)]に対するトグル動作率は、同じ曲線上にいる。[J1/(M1×t1)]/[J3/(M4×t4)]=1の場合、トグル動作率は100%である。また、特に0.8<[J1/(M1×t1)]/[J3/(M4×t4)]<1.2の範囲で、100%のトグル動作率か、それに近い値が得られている。その範囲は、実施例1〜4に相当する範囲であり、素子特性として非常に良好である。これらの実験結果は、本発明の多層トグルにおいて、最下層と最上層の非磁性層の磁場に換算した量に相当するJSAF/(M×t)が等しいほど、言い換えると、最下層と最上層の強磁性層の反平行結合が、外部磁場に対して同時に外れるように設定するほど、多層SAFから構成された磁化自由層が、良好にトグル動作するようになることを示唆している。From the magnetization film thickness product, the anisotropic magnetic field, and the saturation magnetic field shown in FIG. 13, J 1 , J 3 , M 1 × t 1 , M in the magnetization free layers of Comparative Examples 3 to 6 and Examples 1 to 4 A value of 4 × t 4 was determined. The relationship between the ratio [J 1 / (M 1 × t 1 )] / [J 3 / (M 4 × t 4 )] for each sample and the toggle operation rate with 0.6 × 1.2 μm 2 elements, It is shown in FIG. Than 14, toggling rate of Comparative Examples 3-6 and Examples 1-4 all elements and ratios [J 1 / (M 1 × t 1)] / [
最後に、実施例1〜4の磁化自由層において大きな飽和磁場を実現している第2非磁性層の反平行結合力の大きさが、以下の試料を用いて評価された:
基板/Ta(20nm)/PtMn(20nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(2.5nm)/Al(0.9nm)Ox/NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.5nm)/NiFe(4.8nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(2.1nm)/NiFe(3nm)/CoFe(0.35nm)/Ru(3.5nm)/Ta(10nm)。
この試料では第1非磁性層のRu厚を2.5nmとし、反平行結合力をほぼ零とすることで、第2非磁性層と第2及び第3強磁性層で構成されたSAF部のみの磁化曲線を評価できる。Finally, the magnitude of the antiparallel coupling force of the second nonmagnetic layer realizing a large saturation magnetic field in the magnetization free layers of Examples 1 to 4 was evaluated using the following samples:
Substrate / Ta ( 20 nm) / PtMn ( 20 nm) / CoFe ( 2.5 nm) / Ru ( 0.9 nm) / CoFe ( 2.5 nm) / Al ( 0.9 nm) O x / NiFe ( 4.8 nm ) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.5 nm) / NiFe (4.8 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (2.1 nm) / NiFe (3 nm) / CoFe (0.35 nm) / Ru (3. 5 nm) / Ta (10 nm).
In this sample, the Ru thickness of the first nonmagnetic layer is 2.5 nm, and the antiparallel coupling force is substantially zero, so that only the SAF portion composed of the second nonmagnetic layer and the second and third ferromagnetic layers is used. The magnetization curve of can be evaluated.
上記のSAFの飽和磁場はおよそ255Oeであった。この飽和磁場値は、J2[1/(M2×t2)+1/(M3×t3)]に等しいので、反平行結合エネルギー定数に換算するとJ2=0.038erg/cm2に相当する。実施例1〜4において第3非磁性層のSAF部が示すHj=2J3/(M4×t4)は68Oe〜132Oeの範囲であり、本実施例によって比率{J2[1/(M2×t2)+1/(M3×t3)]}/{2J3/(M4×t4)}は1.9以上3.75以下の範囲で好適に動作することが実証された。この結果から、第2非磁性層と第3非磁性層との反平行結合エネルギー定数の比率、{J2[1/(M2×t2)+1/(M3×t3)]}/{2J3/(M4×t4)}は4以下の範囲で設定することが可能であることがいえる。本実施例ではこのように反平行結合力を設定することにより、低いフロップ磁場のまま大きな飽和磁場値、すなわち、書き込みマージンを実現している。The saturation magnetic field of the above SAF was approximately 255 Oe. Since this saturation magnetic field value is equal to J 2 [1 / (M 2 × t 2 ) + 1 / (M 3 × t 3 )], when converted to an antiparallel coupling energy constant, J 2 = 0.038 erg / cm 2 . Equivalent to. In Examples 1 to 4, Hj = 2J 3 / (M 4 × t 4 ) indicated by the SAF part of the third nonmagnetic layer is in the range of 68 Oe to 132 Oe, and the ratio {J 2 [1 / (M 2 × t 2 ) + 1 / (M 3 × t 3 )]} / {2J 3 / (M 4 × t 4 )} has been demonstrated to operate favorably in the range of 1.9 to 3.75. . From this result, the ratio of the antiparallel coupling energy constant between the second nonmagnetic layer and the third nonmagnetic layer, {J 2 [1 / (M 2 × t 2 ) + 1 / (M 3 × t 3 )]} / It can be said that {2J 3 / (M 4 × t 4 )} can be set within a range of 4 or less. In this embodiment, by setting the antiparallel coupling force in this way, a large saturation magnetic field value, that is, a write margin is realized with a low flop magnetic field.
以上に説明されたように、本発明によれば、3層以上の強磁性層を含む多層SAFを磁化自由層として使用するMRAMが提供される。そのMRAMの動作率が向上し、不良ビットが低減される。また、本発明によれば、実デバイス上での磁気特性の制御性が容易になる。また、本発明によれば、MRAMの書き込み特性を改善し、書き込み電流値を低減することが可能となる。更に、本発明によれば、MRAMの書き込みマージンを増大させることが可能となる。 As described above, according to the present invention, an MRAM using a multilayer SAF including three or more ferromagnetic layers as a magnetization free layer is provided. The operation rate of the MRAM is improved and defective bits are reduced. Further, according to the present invention, controllability of magnetic characteristics on an actual device is facilitated. In addition, according to the present invention, it is possible to improve the write characteristics of the MRAM and reduce the write current value. Furthermore, according to the present invention, the write margin of the MRAM can be increased.
Claims (34)
磁気抵抗素子と
を具備し、
前記磁気抵抗素子は、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
反転可能な磁化を有する磁化自由層と、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に介設された非磁性層と
を有し、
前記磁化自由層は、
第1〜第N強磁性層(Nは4、または6以上の整数)と、
反強磁性的なRKKY相互作用を発現するように形成された第1〜第N−1非磁性層と
を含み、
前記第1〜第N−1非磁性層のうちの第k非磁性層(kは、1以上N−1以下の整数)は、前記第1〜第N強磁性層のうちの第k強磁性層と第(k+1)強磁性層の間に設けられ、
前記第1非磁性層は、前記第1〜第N−1非磁性層のうちで前記基板に最も近く位置し、且つ、前記第N−1非磁性層は、前記第1〜第N−1非磁性層のうちで前記基板から最も離れて位置し、
前記第k強磁性層の体積、磁化及び実効膜厚が、それぞれVk、Mk及びtkで表され、ここで、前記実効膜厚tkは、前記体積Vkを前記磁化自由層の平面方向の平均面積で割った値であり、
前記第k強磁性層の磁化の向きと前記第(k+1)強磁性層の磁化の向きの相対角度が、θkで表され、
前記第k非磁性層を介した前記第k強磁性層と前記第(k+1)強磁性層の反平行結合エネルギーが、反平行結合エネルギー定数Jkを用いて、Jkcosθkで表されるとき、
M1×t1とM2×t2は実質的に等しく、
MN−1×tN−1とMN×tNは実質的に等しく、
また、下記のいずれかの関係:
M1×t1>MN×tN、且つ、J1>JN−1、または、
M1×t1<MN×tN、且つ、J1<JN−1
が満たされる
MRAM。A substrate,
Comprising a magnetoresistive element,
The magnetoresistive element is
A magnetization fixed layer having a fixed magnetization;
A magnetization free layer having reversible magnetization;
A nonmagnetic layer interposed between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer,
The magnetization free layer is
First to Nth ferromagnetic layers (N is an integer of 4 or 6);
Comprising first to (N-1) -th nonmagnetic layers formed to exhibit antiferromagnetic RKKY interaction,
The kth nonmagnetic layer (k is an integer of 1 to N-1) of the first to N-1 nonmagnetic layers is the kth ferromagnetic layer of the first to Nth ferromagnetic layers. Between the layer and the (k + 1) th ferromagnetic layer,
The first nonmagnetic layer is located closest to the substrate among the first to N-1 nonmagnetic layers, and the N-1 nonmagnetic layer is the first to N-1 Of the non-magnetic layer, located farthest from the substrate,
Volume of the k-th ferromagnetic layer, the magnetization and the effective thickness is represented by V k, M k and t k, respectively, wherein the effective film thickness t k is the volume V k of the magnetization free layer Divided by the average area in the plane direction,
The relative angle between the magnetization direction of the kth ferromagnetic layer and the magnetization direction of the (k + 1) th ferromagnetic layer is represented by θ k .
Wherein the first k the k-th ferromagnetic layers via a nonmagnetic layer (k + 1) th antiparallel coupling energy of the ferromagnetic layer, using the anti-parallel coupling energy constant J k, represented by J k cos [theta] k When
M 1 × t 1 and M 2 × t 2 are substantially equal,
M N−1 × t N−1 and M N × t N are substantially equal,
Also, any of the following relationships:
M 1 × t 1 > M N × t N and J 1 > J N-1 , or
M 1 × t 1 <M N × t N and J 1 <J N−1
Is satisfied MRAM.
磁気抵抗素子と
を具備し、
前記磁気抵抗素子は、
固定された磁化を有する磁化固定層と、
反転可能な磁化を有する磁化自由層と、
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に介設された非磁性層と
を有し、
前記磁化自由層は、
第1〜第N強磁性層(Nは3以上の奇数)と、
反強磁性的なRKKY相互作用を発現するように形成された第1〜第N−1非磁性層と
を含み、
前記第1〜第N−1非磁性層のうちの第k非磁性層(kは、1以上N−1以下の整数)は、前記第1〜第N強磁性層のうちの第k強磁性層と第(k+1)強磁性層の間に設けられ、
前記第1非磁性層は、前記第1〜第N−1非磁性層のうちで前記基板に最も近く位置し、且つ、前記第N−1非磁性層は、前記第1〜第N−1非磁性層のうちで前記基板から最も離れて位置し、
前記第k強磁性層の体積、磁化及び実効膜厚が、それぞれVk、Mk及びtkで表され、ここで、前記実効膜厚tkは、前記体積Vkを前記磁化自由層の平面方向の平均面積で割った値であり、
前記第k強磁性層の磁化の向きと前記第(k+1)強磁性層の磁化の向きの相対角度が、θkで表され、
前記第k非磁性層を介した前記第k強磁性層と前記第(k+1)強磁性層の反平行結合エネルギーが、反平行結合エネルギー定数Jkを用いて、Jkcosθkで表されるとき、
M1×t1とMN×tNの和は、M(N+1)/2 ×t (N+1)/2 に実質的に等しく、
また、下記のいずれかの関係:
M1×t1>MN×tN、且つ、J1>JN−1、または、
M1×t1<MN×tN、且つ、J1<JN−1
が満たされる
MRAM。A substrate,
Comprising a magnetoresistive element,
The magnetoresistive element is
A magnetization fixed layer having a fixed magnetization;
A magnetization free layer having reversible magnetization;
A nonmagnetic layer interposed between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer,
The magnetization free layer is
First to Nth ferromagnetic layers (N is an odd number of 3 or more);
Comprising first to (N-1) -th nonmagnetic layers formed to exhibit antiferromagnetic RKKY interaction,
The kth nonmagnetic layer (k is an integer of 1 to N-1) of the first to N-1 nonmagnetic layers is the kth ferromagnetic layer of the first to Nth ferromagnetic layers. Between the layer and the (k + 1) th ferromagnetic layer,
The first nonmagnetic layer is located closest to the substrate among the first to N-1 nonmagnetic layers, and the N-1 nonmagnetic layer is the first to N-1 Of the non-magnetic layer, located farthest from the substrate,
Volume of the k-th ferromagnetic layer, the magnetization and the effective thickness is represented by V k, M k and t k, respectively, wherein the effective film thickness t k is the volume V k of the magnetization free layer Divided by the average area in the plane direction,
The relative angle between the magnetization direction of the kth ferromagnetic layer and the magnetization direction of the (k + 1) th ferromagnetic layer is represented by θ k .
Wherein the first k the k-th ferromagnetic layers via a nonmagnetic layer (k + 1) th antiparallel coupling energy of the ferromagnetic layer, using the anti-parallel coupling energy constant J k, represented by J k cos [theta] k When
The sum of M 1 × t 1 and M N × t N is substantially equal to M (N + 1) / 2 × t (N + 1) / 2 ,
Also, any of the following relationships:
M 1 × t 1 > M N × t N and J 1 > J N-1 , or
M 1 × t 1 <M N × t N and J 1 <J N−1
Is satisfied MRAM.
前記磁化自由層の残留磁化は飽和磁場の10%以内である
MRAM。A MRAM according to any one of claims 1 to 3,
The residual magnetization of the magnetization free layer is within 10% of the saturation magnetic field MRAM.
ワード線と、
前記ワード線に直交するビット線と、
前記ワード線と前記ビット線との交差点に設けられ、前記磁気抵抗素子を含む記憶素子
とを更に具備し、
前記磁気抵抗素子の前記磁化自由層の容易軸方向は、前記ワード線又は前記ビット線の延伸方向に対して45度の角をなす
MRAM。A MRAM according to any one of claims 1 to 4,
A word line,
A bit line orthogonal to the word line;
A storage element provided at an intersection of the word line and the bit line and including the magnetoresistive element;
The easy axis direction of the magnetization free layer of the magnetoresistive element forms an angle of 45 degrees with respect to the extending direction of the word line or the bit line. MRAM.
前記第1強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、前記第N強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい
MRAM。A MRAM according to claim 1 or 2,
The external magnetic field at which the antiparallel coupling to the first ferromagnetic layer begins to dissolve is substantially equal to the external magnetic field at which the antiparallel coupling to the Nth ferromagnetic layer begins to dissolve.
前記第1強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場は、前記第N強磁性層に対する反平行結合が解け始める外部磁場と実質的に等しい
MRAM。A MRAM according to claim 3,
The external magnetic field at which the antiparallel coupling to the first ferromagnetic layer begins to dissolve is substantially equal to the external magnetic field at which the antiparallel coupling to the Nth ferromagnetic layer begins to dissolve.
J1/(M1×t1)とJN−1/(MN×tN)とは実質的に等しい
MRAM。A MRAM according to claim 6 or 7,
J 1 / (M 1 × t 1) and J N-1 / (M N × t N) substantially equal to an MRAM with.
{J1/(M1×t1)}/{JN−1/(MN×tN)}は0.8以上1.2以下である
MRAM。A MRAM according to claim 8,
{J 1 / (M 1 × t 1)} / {J N-1 / (M N × t N)} is 0.8 or more and 1.2 or less MRAM.
前記第k非磁性層を介した第k強磁性層と第(k+1)強磁性層の平均全異方性磁場が、Hkkで表されるとき、
[{2J1/(M1×t1)−Hk1}×Hk1]と[{2JN−1/(MN×tN)−HkN−1}×HkN−1]とは実質的に等しい
MRAM。A MRAM according to claim 6 or 7,
When the average total anisotropic magnetic field of the kth ferromagnetic layer and the (k + 1) th ferromagnetic layer through the kth nonmagnetic layer is represented by Hk k ,
[{2J 1 / (M 1 × t 1) -Hk 1} × Hk 1] and [{2J N-1 / ( M N × t N) -Hk N-1} × Hk N-1] and parenchyma Equal MRAM.
[{2J1/(M1×t1)−Hk1}×Hk1]/[{2JN−1/(MN×tN)−HkN−1}×HkN−1]は0.8以上1.2以下である
MRAM。A MRAM according to claim 10,
[{2J 1 / (M 1 × t 1) -Hk 1} × Hk 1] / [{2J N-1 / (M N × t N) -Hk N-1} × Hk N-1] is 0. MRAM which is 8 or more and 1.2 or less.
前記Nが偶数であり、
前記kが1以上の奇数であり、
前記第k強磁性層と前記第k+1強磁性層は、実質的に同じ磁気体積を有する
MRAM。A MRAM according to claim 6,
N is an even number;
K is an odd number greater than or equal to 1,
The MRAM, wherein the kth ferromagnetic layer and the k + 1th ferromagnetic layer have substantially the same magnetic volume.
前記Nは4以上の偶数であり、
前記反平行結合エネルギー定数Jkは、k=N/2の場合に最も大きくなる
MRAM。A MRAM according to claim 6,
N is an even number of 4 or more,
The antiparallel bond energy constant Jk is the largest when k = N / 2. MRAM.
次の関係:
[JN/2{1/(MN/2×tN/2)+1/(MN/2+1×tN/2+1)}]/[2JN−1/(MN×tN)]<4
が満たされる
MRAM。A MRAM according to claim 13,
The following relationships:
[J N / 2 {1 / (M N / 2 × t N / 2) + 1 / (M N / 2 + 1 × t N / 2 + 1)}] / [2J N-1 / (M N × t N)] < 4
Is satisfied MRAM.
前記第1非磁性層を挟む前記第1強磁性層及び前記第2強磁性層からなるSAFと、前記第N−1非磁性層を挟む前記第N−1強磁性層及び前記第N強磁性層からなるSAFが示す飽和磁場は、
前記第N/2強磁性層と前記第N/2+1強磁性層との間の反平行結合が解け始める外部磁場よりも大きい
MRAM。A MRAM according to claim 13 or 14,
SAF composed of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer sandwiching the first nonmagnetic layer, the N-1 ferromagnetic layer and the Nth ferromagnetic layer sandwiching the N-1 nonmagnetic layer The saturation magnetic field exhibited by the SAF consisting of layers is
An MRAM larger than an external magnetic field at which an antiparallel coupling between the N / 2 ferromagnetic layer and the N / 2 + 1 ferromagnetic layer starts to break.
前記反平行結合エネルギー定数Jk(前記kは1、N−1以外)は、J1またはJN−1と比較して同等以上の大きさである
MRAM。A MRAM according to claim 6 or 7,
The antiparallel coupling energy constant J k (where k is other than 1, N−1) is equal to or greater than J 1 or J N−1 MRAM.
前記第k非磁性層に関するRKKY相互作用の反強磁性ピークの次数がαkで表され、
前記第1非磁性層は、第α1次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
前記第N−1非磁性層は、第αN−1次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
J1>JN−1の場合、α1<αN−1の関係が満たされ、
J1<JN−1の場合、α1>αN−1の関係が満たされる
MRAM。A MRAM according to claim 6 or 7,
The order of the antiferromagnetic peak of the RKKY interaction for the kth nonmagnetic layer is represented by α k ,
The first nonmagnetic layer has a thickness in a range corresponding to the α 1st- order antiferromagnetic peak,
The N-1th nonmagnetic layer has a thickness in a range corresponding to the α N- 1th order antiferromagnetic peak,
When J 1 > J N−1 , the relationship α 1 <α N−1 is satisfied,
MRAM satisfying the relationship of α 1 > α N−1 when J 1 <J N−1 .
J1>JN−1の場合、αN−1=α1+1の関係が満たされ、
J1<JN−1の場合、α1=αN−1+1の関係が満たされる
MRAM。A MRAM according to claim 17,
If J 1 > J N−1 , then the relationship α N−1 = α 1 +1 is satisfied,
If J 1 <J N−1, the MRAM satisfying the relationship of α 1 = α N−1 +1.
J1>JN−1の場合、
前記第1非磁性層は、1.8nm〜2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、
前記第N−1非磁性層は、3.1nm〜3.9nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、
J1<JN−1の場合、
前記第1非磁性層は、3.1nm〜3.9nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、
前記第N−1非磁性層は、1.8nm〜2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形成される
MRAM。A MRAM according to claim 18,
If J 1 > J N−1 ,
The first nonmagnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 1.8 nm to 2.5 nm,
The N-1 nonmagnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 3.1 nm to 3.9 nm,
If J 1 <J N−1 ,
The first nonmagnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 3.1 nm to 3.9 nm,
The N-1th nonmagnetic layer is an MRAM formed of a ruthenium layer having a thickness of 1.8 nm to 2.5 nm.
J1>JN−1の場合、
前記第2〜第N−2非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層は、前記第N−1非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
J1<JN−1の場合、
前記第2〜第N−2非磁性層のうちの少なくとも一の非磁性層は、前記第1非磁性層よりも低次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有する
MRAM。A MRAM according to any one of claims 17 to 19,
If J 1 > J N−1 ,
At least one nonmagnetic layer of the second to N-2 nonmagnetic layers has a thickness in a range corresponding to a lower order antiferromagnetic peak than the N-1 nonmagnetic layer,
If J 1 <J N−1 ,
At least one nonmagnetic layer of the second to N-2 nonmagnetic layers has a thickness in a range corresponding to a lower order antiferromagnetic peak than the first nonmagnetic layer.
前記Nは偶数であり、
前記第k非磁性層に関するRKKY相互作用の反強磁性ピークの次数がαkで表され、
前記第1非磁性層は、第α1次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
前記第N−1非磁性層は、第αN−1次の反強磁性ピークに対応する範囲の膜厚を有し、
J1>JN−1の場合、α1<αN−1、且つ、αN/2<αN−1の関係が満たされ、
J1<JN−1の場合、α1>αN−1、且つ、αN/2<α1の関係が満たされる
MRAM。A MRAM according to claim 6,
N is an even number;
The order of the antiferromagnetic peak of the RKKY interaction for the kth nonmagnetic layer is represented by α k ,
The first nonmagnetic layer has a thickness in a range corresponding to the α 1st- order antiferromagnetic peak,
The N-1th nonmagnetic layer has a thickness in a range corresponding to the α N- 1th order antiferromagnetic peak,
In the case of J 1 > J N−1 , the relationship of α 1 <α N-1 and α N / 2 <α N-1 is satisfied,
In the case of J 1 <J N−1 , an MRAM in which α 1 > α N−1 and α N / 2 <α 1 are satisfied.
J1>JN−1の場合、αN/2+1=αN−1の関係が満たされ、
J1<JN−1の場合、αN/2+1=α1の関係が満たされる
MRAM。A MRAM according to claim 21,
If J 1 > J N−1 , then the relationship α N / 2 + 1 = α N−1 is satisfied,
If J 1 <J N−1 , then the relationship of α N / 2 + 1 = α 1 is satisfied MRAM.
前記第(N/2)非磁性層は、1.8nm〜2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、
前記第1非磁性層あるいは前記第N−1非磁性層は、3.1nm〜3.9nmの厚さを有するルテニウム層で形成されている
MRAM。A MRAM according to claim 22,
The (N / 2) nonmagnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 1.8 nm to 2.5 nm,
The first nonmagnetic layer or the N-1th nonmagnetic layer is an MRAM formed of a ruthenium layer having a thickness of 3.1 nm to 3.9 nm.
前記第(N/2)非磁性層は、0.7nm〜1.2nmの厚さを有するルテニウム層で形成され、
前記第1非磁性層あるいは前記第N−1非磁性層は、1.8nm〜2.5nmの厚さを有するルテニウム層で形成されている
MRAM。A MRAM according to claim 22,
The (N / 2) nonmagnetic layer is formed of a ruthenium layer having a thickness of 0.7 nm to 1.2 nm,
The first nonmagnetic layer or the N-1th nonmagnetic layer is an MRAM formed of a ruthenium layer having a thickness of 1.8 nm to 2.5 nm.
前記第1非磁性層と前記第N−1非磁性層は異なる構造を有する
MRAM。A MRAM according to any one of claims 1 to 11,
The first nonmagnetic layer and the N-1th nonmagnetic layer have different structures.
前記第1非磁性層の膜厚と前記第N−1非磁性層の膜厚とが異なる
MRAM。A MRAM according to claim 25,
The MRAM in which a film thickness of the first nonmagnetic layer is different from a film thickness of the N-1 nonmagnetic layer.
前記第1非磁性層の結晶配向性と前記第N−1非磁性層の結晶配向性とが異なる
MRAM。A MRAM according to claim 25,
The MRAM in which the crystal orientation of the first nonmagnetic layer is different from the crystal orientation of the N-1 nonmagnetic layer.
前記第1非磁性層の結晶配向性よりも、前記第N−1非磁性層の結晶配向性の方が高く、且つ、前記第1非磁性層よりも、前記第N−1非磁性層の膜厚の方が厚い
MRAM。A MRAM according to claim 27,
The crystal orientation of the N-1 nonmagnetic layer is higher than the crystal orientation of the first nonmagnetic layer, and the N-1 nonmagnetic layer is higher than the first nonmagnetic layer. MRAM with thicker film.
前記第1強磁性層の結晶配向性と前記第N−1強磁性層の結晶配向性とが異なる
MRAM。A MRAM according to claim 27,
The MRAM in which the crystal orientation of the first ferromagnetic layer is different from the crystal orientation of the N-1th ferromagnetic layer.
前記第1強磁性層、前記第2強磁性層、前記第N−1強磁性層、及び、前記第N
強磁性層のうち少なくとも一層が、積層膜から構成されている
MRAM。A MRAM according to claim 25,
The first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the N-1th ferromagnetic layer, and the Nth ferromagnetic layer
An MRAM in which at least one of the ferromagnetic layers is composed of a laminated film.
前記積層膜は、NiFe膜とCoFe膜を含む
MRAM。A MRAM according to claim 30,
The stacked film includes an MRAM including a NiFe film and a CoFe film.
前記第1非磁性層と前記第N−1非磁性層は実質的に同一の構造を有し、且つ、前記第1非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率は、前記第N−1非磁性層の上下界面に直接接している全ての部分の元素構成比率と異なる
MRAM。A MRAM according to any one of claims 1 to 11,
The first nonmagnetic layer and the N-1 nonmagnetic layer have substantially the same structure, and the element composition ratios of all portions in direct contact with the upper and lower interfaces of the first nonmagnetic layer are The MRAM is different from the elemental composition ratio of all portions in direct contact with the upper and lower interfaces of the N-1 nonmagnetic layer.
前記第1強磁性層、前記第2強磁性層、前記第N−1強磁性層、及び、前記第N
強磁性層のうち少なくとも一層が、積層膜から構成されている
MRAM。A MRAM according to claim 32,
The first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the N-1th ferromagnetic layer, and the Nth ferromagnetic layer
An MRAM in which at least one of the ferromagnetic layers is composed of a laminated film.
前記積層膜は、NiFe膜とCoFe膜を含む
MRAM。A MRAM according to claim 33,
The stacked film includes an MRAM including a NiFe film and a CoFe film.
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