JP5093910B2 - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
第1実施形態の磁気抵抗素子を図1に示す。図1は、第1実施形態の磁気抵抗素子1の断面図である。図1において、矢印は磁化方向を示している。本明細書及び特許請求の範囲でいう磁気抵抗素子とは、半導体或いは絶縁体をスペーサ層に用いるTMR(トンネル磁気抵抗効果)素子を指す。また、以下の図では、磁気抵抗素子の主要部を示しているが、図示の構成を含んでいれば、さらなる層を含んでいても構わない。
第2実施形態の磁気抵抗素子の断面図を図2に示す。この第2実施形態の磁気抵抗素子1Aは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1において、記憶層3を積層構造ではなく単層にするとともに、固定層2が磁性膜2aと磁性膜2bとの積層構造を有するように構成したものである。磁性膜2aは非磁性層4と接しているため、界面での格子不整合を緩和する効果を有するとともに、高いスピン分極率を有する材料を用いることにより高TMRと高いスピン注入効率を実現することができる。磁性膜2aと磁性膜2bの詳細な性質については後述する。
第3実施形態による磁気抵抗素子の断面を図3に示す。この第3実施形態の磁気抵抗素子1Bは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1において、固定層2が磁性膜2aと磁性膜2bとの積層構造を有するように構成したものである。
第4実施形態による磁気抵抗素子の断面を図4に示す。この第4実施形態の磁気抵抗素子1Cは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1において、固定層2とキャップ層6の間に、非磁性層21とバイアス層(シフト調整層)22とが挿入された構成となっている。
第5実施形態による磁気抵抗素子の断面を図5に示す。この第5実施形態の磁気抵抗素子1Dは、図3に示す第3実施形態の磁気抵抗素子1Bにおいて、固定層2とキャップ層6の間に、非磁性層21とバイアス層(シフト調整層)22とが挿入された構成となっている。
まず、第1乃至第5実施形態における記憶層について説明する。記憶層3として垂直磁化膜を用いる場合、前述の通り形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比し小さくでき、大きな垂直磁気異方性を示す材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流の両立が可能となる。以下に記憶層として具備すべき性質、及び材料選択の具体例について詳細に説明する。
記憶層3として垂直磁化材料を用いる場合、対するその熱擾乱指数Δは、実効的な異方性エネルギー(Ku eff・V)と熱エネルギー(kBT)との比をとって、下記のように表される。
=(Ku−2πNMS 2)・Va/(kBT) ・・・(1)
ここで、
Ku eff:実効的な垂直磁気異方性
V:垂直磁化材料の体積
T:垂直磁化材料の温度
kB:ボルツマン定数
Ku:垂直磁気異方性
MS:飽和磁化
N:反磁場係数
Va:磁化反転単位体積
である。
α:磁気緩和定数
η:スピン注入効率係数
である。
上記のように、垂直磁化膜であり、かつ高い熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、飽和磁化MSが小さく、熱擾乱指数(Δ)を維持するに足る高い磁気異方性Kuを持ち、また、高分極率を示す材料であることが好ましい。以下により具体的に説明する。
次に、第1乃至第5実施形態における固定層について説明する。固定層2としては、記憶層3に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。即ち、実効的な磁気異方性Ku eff及び飽和磁化Msが大きく、また磁気緩和定数αが大きい材料を選択することが好ましい。固定層2には以下の材料が用いられる。
規則合金系としては、Fe、Co、Niのうち1つ以上の元素と、Pt、Pdのうち1つ以上の元素とを含む合金であり、この合金の結晶構造がL10型の規則合金である。このL10型の規則合金としては、例えば、Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Fe30Ni20Pt50、Co30Fe20Pt50、Co30Ni20Pt50等が挙げられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。
人工格子系としては、Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つの元素を含む合金(磁性層)と、Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cuのうちの少なくとも1つの元素を含む合金(非磁性層)とが交互に積層される構造である。例えば、Co/Pt人工格子、Co/Pd人工格子、CoCr/Pt人工格子、Co/Ru人工格子、Co/Os、Co/Au、Ni/Cu人工格子等が挙げられる。これらの人工格子は、磁性層への元素の添加、磁性層と非磁性層の膜厚比及び積層周期を調整することで、実効的な磁気異方性及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの積層膜を固定層2として用いる場合は、多くの場合、非磁性層4との格子不整合が大きく、高TMRの観点からは好ましくない。このような場合は、図2、3、5に示すように、固定層2を磁性膜2aと磁性膜2bとが積層された構造にすることが好ましい。
不規則合金系としては、コバルト(Co)を主成分とし、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、及びニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素を含む金属である。例えば、CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて実効的な磁気異方性及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層2として用いる場合は、多くの場合、非磁性層4との格子不整合が大きく、高TMRの観点からは好ましくない。このような場合は、図2、3、5に示すように、固定層2を磁性膜2aと磁性膜2bとが積層された構造にすることが好ましい。
希土類金属と遷移金属との合金は希土類金属の材料によりフェリ磁性体、フェロ磁性体の両方を実現することができる。フェリ磁性体の具体例として、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、或いはガドリニウム(Gd)と、遷移金属のうち少なくとも1つの元素とを含む合金が挙げられる。このようなフェリ磁性体としては、例えば、TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等が挙げられる。フェロ磁性体の具体例として、サマリウム(Sm)、ネオジウム(Nd)、ホルミウム(Ho)と、遷移金属のうち少なくとも1つの元素とを含む合金が挙げられる。このようなフェロ磁性体としては、例えば、SmCo5、NdFeB等が挙げられる。これらの合金は、組成を調整することで磁気異方性及び飽和磁化を調整することができる。また、これらの合金を固定層2として用いる場合は、多くの場合、非磁性層4との格子不整合が大きく、高TMRの観点からは好ましくない。このような場合は、図2、3、5に示すように、固定層2を磁性膜2aと磁性膜2bとが積層された構造にすることが好ましい。
非磁性層4に接する、記憶層3を構成する磁性膜3bおよび固定層2を構成する磁性膜2aは、磁性材料層と非磁性材料層が少なくとも2周期以上繰り返して積層された構成を有している。磁性膜3bまたは磁性膜2aの含まれる磁性材料層はCo、Fe、Niのうちの少なくとも1つの元素を含む合金である。非磁性層4にNaCl構造の酸化物を用いた場合、これらのNaCl構造の酸化物は、
(i)Fe、Co、Niの1つ以上を含む、例えば、アモルファスCoFeNiB合金上、或いは、
(ii)体心立方(BCC)構造で(100)優先配向面を有し、Fe、Co、Niの1つ以上を含む合金上で、
結晶成長させると、(100)面を優先配向面として成長し易い。特に、B、C、Nなどを添加したCoFeX(Xは、B、C、Nの少なくとも1つの元素を表す)のアモルファス合金上では、非常に容易に(100)面を優先配向させることが可能である。このため、非磁性層4に接する磁性材料層はCo、Fe、Bを含む合金(Co100−xFex)100−yBy(x≧25at%、0≦y≦30at%)であることが好ましい。磁性膜3bまたは磁性膜2aに含まれる非磁性材料層には、融点が高い、Ta、W、Hf、Zr、Nb、Mo、Ti、V、Crのいずれかの元素か、あるいはそれらの合金が好ましい。なお、非磁性材料層にTaを用い、磁性材料層のCoFeBを用いた場合には、磁性材料層のCoFeB中のBは熱処理後にTaに吸い寄せられため、Ta層に近づくにつれてBの濃度が高くなる分布を有することになる。
また、第1、第3、および第5実施形態における記憶層3は、図8(b)に示すように、磁性膜3aと、磁性膜3bとの積層構造を有し、磁性膜3bは、磁性膜3aと非磁性層4との間に、非磁性材料層3b4、磁性材料層3b3、非磁性材料層3b2、磁性材料層3b1がこの順序で積層された構造を有していてもよい。この場合も、非磁性層4に接する磁性材料層3b1としては、(Co100−xFex)100−yBy(x≧25at%、0≦y≦30at%)であることが好ましい。非磁性層4に接する磁性材料層3b1の膜厚はMR比を向上させるために厚い方が好ましい。したがって、磁性材料層3b1と磁性材料層3b3との膜厚はそれぞれ異なっていても良い。非磁性材料層3b2と非磁性材料層3b4は材料および膜厚がそれぞれ異なっていても良い。
同様に、第2、第4、および第5実施形態における固定層2は、図9(a)に示すように、磁性膜2aと、磁性膜2bとの積層構造を有し、磁性膜2aは、非磁性層4と磁性膜2bとの間に、磁性材料層2a1、非磁性材料層2a2、磁性材料層2a3、非磁性材料層2b4、磁性材料層2a5がこの順序で積層された構造を有していることが好ましい。この場合、非磁性層4に接する磁性材料層2a1としては上述したように、(Co100−xFex)100−yBy(x≧25at%、0≦y≦30at%)であることが好ましい。また、磁性膜3bに接する磁性材料層2a5としては、(Co100−xFex)100−yBy(x<25at%、0≦y≦30at%)であることが好ましい。これは、磁性膜2aとしてCoFePdまたはCoFePtからなる材料が用いられるので、磁性材料層3b5が(Co100−xFex)100−yBy(x<25at%、0≦y≦30at%)であると、格子不整合が小さくなるためである。非磁性層4に接する磁性材料層3a1の膜厚はMR比を向上させるために厚い方が好ましい。したがって、磁性材料層3a1と磁性材料層3a3と磁性材料層3a5との膜厚はそれぞれ異なっていても良い。非磁性材料層3a2と非磁性材料層3a4は材料および膜厚がそれぞれ異なっていても良い。
また、同様に、第2、第4、および第5実施形態における固定層2は、図9(b)に示すように、磁性膜2aと、磁性膜2bとの積層構造を有し、磁性膜2aは、非磁性層4と磁性膜2bとの間に、磁性材料層2a1、非磁性材料層2a2、磁性材料層2a3、非磁性材料層2a4がこの順序で積層された構造を有していてもよい。この場合も、非磁性層4に接する磁性材料層2a1としては、(Co100−xFex)100−yBy(x≧25at%、0≦y≦30at%)であることが好ましい。非磁性層4に接する磁性材料層3a1の膜厚はMR比を向上させるために厚い方が好ましい。したがって、磁性材料層3a1と磁性材料層3a3との膜厚はそれぞれ異なっていても良い。非磁性材料層3a2と非磁性材料層3a4は材料および膜厚がそれぞれ異なっていても良い。
このように、記憶層3または固定層2として、磁性材料層と非磁性材料層が2周期以上繰り返し積層された構造を有するように構成することにより、膜形成後の熱処理による電気特性の変化が少ない、耐熱性の高い磁気抵抗素子を得ることができる。
上述の記憶層の説明に示す通り、膜面に対して垂直方向を磁化容易軸とする垂直磁化膜を形成するには、原子稠密面が配向しやすい構造を取る必要がある。即ち、結晶配向性を面心立方(FCC)構造の(111)面、六方最密充填(HCP)構造の(001)面が配向するように制御する必要があり、そのため下地層材料及び積層構成の選択が重要となる。
図10は、下地層5及び記憶層3を含む積層構造を示す断面図である。この積層構造は、下部電極7と下地層5との間に、密着層8として、例えば、膜厚5nm程度のTaを設けた構造である。そして、下地層5は下地膜5a、5b、5cがこの順序で積層された積層構造を有する。また、下地層5上には、記憶層3として、例えば、膜厚2nm程度のCoPd層を設ける。CoPd層よりも上の構成は、図1乃至図5に示す通りである。
下地膜5cとしては、稠密構造を有する金属が用いられる。CoPd合金、CoPt合金と格子整合し、稠密構造を有する金属としては、Pt、Pd、Ir、Ru等が挙げられる。また、例えば、金属が1元素ではなく、Pt−Pd、Pt−Irのように、上述の金属が2元素、或いは3元素以上で構成される合金を用いてもよい。また、上述の金属と、Cu、Au、Al等のfcc金属との合金であるPt−Cu、Pd−Cu、Ir−Cu、Pt−Au、Ru−Au、Pt−Al、Ir−Al等や、Re、Ti、Zr、Hf等のhcp金属との合金であるPt−Re、Pt−Ti、Ru−Re、Ru−Ti、Ru−Zr、Ru−Hf等であってもよい。膜厚が厚すぎると平滑性が悪くなるため、膜厚範囲としては、30nm以下の範囲にあることが好ましい。下地膜5b、5cの積層構成とするのは、格子定数の異なる材料を積層することにより、CoPd合金、CoPt合金を形成前に格子定数を調整するためである。例えば、下地膜5bにRu、下地膜5cにPtを形成した場合、下地膜5cのPtは下地膜5bのRuの影響を受けて、バルクの格子定数とは異なる格子定数となる。但し、上述したように、合金を用いても格子定数を調整できるため、下地膜5b,5cはいずれかを省くこともできる。
第1乃至第5実施形態における非磁性層4の材料としては、NaCl構造を有する酸化物が好ましい。具体的にはMgO、CaO、SrO、TiO、VO、NbOなどが挙げられる。これらのNaCl構造の酸化物は、
(i)Fe、Co、Niのいずれか、或いは2種以上を主成分として含む、例えば、アモルファスCoFeNiB合金上、或いは
(ii) 体心立方(BCC)構造で(100)優先配向面を有するFeCoNiのいずれか、或いは2種以上を主成分として含む合金上で、
結晶成長させると、(100)面を優先配向面として成長し易い。
図4または図5に示すように固定層2とキャップ層6の間に、非磁性層21と、バイアス層(シフト調整層)22を配置してもよい。これにより、固定層2からの漏れ磁場による記憶層3の反転電流のシフトを緩和及び調整することが可能となる。
MS2×t2<MS23×t32 ・・・(2)
例えば、素子サイズ50nmの加工を想定した場合、反転電流のシフトを相殺するためには、固定層2に飽和磁化Msが1000emu/cm3、膜厚が5nmの磁性材料を用いたとすると、非磁性層21の膜厚は3nm、バイアス層22には飽和磁化Msが1000emu/cm3、膜厚が15nm程度のバイアス層特性が要求される。
第6実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)について図11および図12を参照して説明する。この第6実施形態のMRAMは、第1乃至第5実施形態のいずれかの磁気抵抗素子を記憶素子として用いた構成となっている。以下の実施形態では、磁気抵抗素子を第1実施形態の磁気抵抗素子1であるとして説明する。
図13は、デジタル加入者線(DSL)用モデムのDSLデータパス部を抽出して示している。このモデムは、プログラマブルデジタルシグナルプロセッサ(DSP:Digital Signal Processor)100、アナログ−デジタル(A/D)コンバータ110、デジタル−アナログ(D/A)コンバータ120、送信ドライバ130、及び受信機増幅器140等を備えている。
図14は、別の適用例として、携帯電話端末300を示している。通信機能を実現する通信部200は、送受信アンテナ201、アンテナ共用器202、受信部203、ベースバンド処理部204、音声コーデックとして用いられるDSP(デジタル信号処理回路)205、スピーカ(受話器)206、マイクロホン(送話器)207、送信部208、及び周波数シンセサイザ209等を備えている。
図15乃至図19は、MRAMをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード(MRAMカード)に適用した例をそれぞれ示している。図15に示すように、MRAMカード本体400には、MRAMチップ401が内蔵されている。このカード本体400には、MRAMチップ401に対応する位置に開口部402が形成され、MRAMチップ401が露出されている。この開口部402にはシャッター403が設けられており、当該MRAMカードの携帯時にMRAMチップ401がシャッター403で保護されるようになっている。このシャッター403は、外部磁場を遮蔽する効果のある材料、例えばセラミックからなっている。
2 固定層(強磁性層)
2a 磁性膜
2b 磁性膜
3 記憶層(磁性層)
3a 磁性膜
3b 磁性膜
4 非磁性層(トンネルバリア層)
5 下地層
6 キャップ層
7 下部電極
8 密着層
9 上部電極
21 非磁性層
22 バイアス層(シフト調整層)
40 メモリセルアレイ
41 選択トランジスタ
Claims (6)
- 膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第1磁性層と、
膜面垂直方向に磁化容易軸を有する第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層および前記第2磁性層のうちの少なくとも一方が、第1磁性膜と、前記非磁性層側に設けられた第2磁性膜とが積層された構造を有し、
前記第2磁性膜が、磁性材料層と非磁性材料層とが少なくとも2周期以上繰り返して積層された構造を有し、
前記第2磁性膜の前記非磁性材料層が、Ta、W、Hf、Zr、Nb、Mo、Ti、V、Crの中から選ばれる少なくとも1つの元素を含み、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間を、前記非磁性層を介して電流を流すことにより前記第1磁性層および前記第2磁性層の一方の磁化方向が可変となることを特徴する磁気抵抗素子。 - 前記第2磁性膜の前記磁性材料層のうち、前記非磁性層に最も近い磁性材料層がCo100−xFex)100−yBy(x≧25at%、0≦y≦30at%)であることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性膜の前記磁性材料層のうち、前記非磁性層から最も遠い磁性材料層がCo100−xFex)100−yBy(x<25at%、0≦y≦30at%)であることを特徴とする請求項1または2記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1磁性層および前記第2磁性層のうちの片方が固定層であって、この固定層に対して前記非磁性層と反対側に、前記固定層の磁化方向と反平行な方向の磁化を有する第3磁性層が設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気抵抗素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗素子の一端が電気的に接続される第1配線と、
前記磁気抵抗素子の他端が電気的に接続される第2配線と、
を備えたことを特徴とする磁気メモリ。 - 前記メモリセルは、前記磁気抵抗素子の一端と前記第1配線との間に設けられる選択トランジスタを更に含むことを特徴とする請求項5記載の磁気メモリ。
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