JP5479487B2 - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
第1実施形態は、磁気抵抗素子に関する。
図1は、本発明の第1実施形態の磁気抵抗素子の主要部を示している。
磁気抵抗素子1の記憶層(磁性層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 ・・・(式1)
ここで、
Ku:垂直磁気異方性定数
MS:飽和磁化
N:反磁場係数
Va:磁化反転単位体積
T:絶対温度
である。
Ic∝α/η・Δ ・・・(式2)
ここで、
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、かつ十分な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、熱擾乱指数(Δ)を維持しながら、磁気緩和定数αを小さく、スピン注入効率係数ηを大きくすることが望ましい。
第1実施形態に係わる磁気抵抗素子1の記憶層(磁性層3)を構成する第1強磁性材料は、コバルト(Co)、パラジウム(Pd)からなる合金から構成される。垂直磁化膜とするためには、膜面面内を稠密に配し、即ちfcc(111)配向、或いは、hcp(0001)方向に成長させればよい。
第1実施形態に係わる磁気抵抗素子1の記憶層(磁性層3)を構成する第2強磁性材料は、Co,Fe,Niのいずれかの元素あるいは少なくとも1元素以上含む合金からなる。例えば、Co−Fe−Niの3元合金の磁気緩和定数αは、非特許文献2に示されているように、特に、Co−Fe、Ni―Feで小さい。このため、これらは、第2強磁性材料に適している。
この実施例では、磁気抵抗素子1の記憶層(磁性層3)は、第1強磁性材料をCo57Pd43とし、第2強磁性材料をCo40Fe40B20とする。即ち、積層構造は、Co40Fe40B20/Co57Pd43である。
上述の記憶層の詳細な説明に示す通り、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fcc(111)面、hcp(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8は、下地層及び記憶層(磁性層)を含む積層構造を示す断面図である。
下地層33としては、稠密構造を有する金属が用いられる。
第1実施形態に係わる磁気抵抗素子の非磁性層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。記憶層3の磁化と固定層2の磁化方向とが反平行の場合、スピン分極したΔ1バンドがトンネル伝導の担い手となるため、マジョリティースピン電子のみが伝導に寄与することとなる。この結果、磁気抵抗素子1の伝導率が低下し、抵抗値が大きくなる。
図1乃至図3に示す磁気抵抗素子1の固定層(磁性層2)としては、記憶層(磁性層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。具体的な材料については後述する。
Fe、Co、Niのうち1つ以上の元素とPt、Pdのうち1つ以上の元素とからなる合金であり、この合金の結晶構造がL10型の規則合金。例えば、Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Fe30Ni20Pt50、Co30Fe20Pt50、Co30Ni20Pt50等があげられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。
Fe、Co、Niのうちいずれか1つの元素、或いは1つ以上の元素を含む合金と、Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cuのうちいずれか1つの元素或いは1つ以上の元素を含む合金とが交互に積層される構造。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人工格子等があげられる。
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が挙げられる。
第1実施形態に係わる磁気抵抗素子1の非磁性層4に接する磁性層(固定層(磁性層2))の界面には、磁気抵抗比(TMR比)を上昇させる目的で、図2に示す界面層11を配置しても良い。
図3に示すように、第1実施形態に係わる磁気抵抗素子1の固定層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0に近付けるように調整することが可能となる。
MS2×t2<MS22×t22 ・・・(式3)
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(磁性層2)に飽和磁化Msが1000emu/cc、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/cc、膜厚が15nm程度のバイアス層特性が要求される。
第2実施形態は、第1実施形態の磁気抵抗素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)に関し、その構成例について示すものである。
図10は、1個のメモリセルMCを示す断面図である。
図11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。
図12は、別の適用例として、携帯電話端末300を示している。
図13乃至図17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。
以上詳述したように本発明によれば、300℃以上の高温熱処理過程を経ても磁気特性及び出力特性が劣化しない、耐熱性に優れた磁気抵抗素子を作製でき、これを用いることにより、従来よりも高耐熱の磁気メモリを提供ですることができる。
Claims (14)
- 膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第1磁性層と、
膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が不変の第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る第1非磁性層とを具備し、
前記第1磁性層は、少なくとも第1強磁性材料と第2強磁性材料とが積層された構造を有し、前記第1強磁性材料は、前記第1非磁性層と前記第2強磁性材料との間に配置され、前記第1磁性層の磁化方向は、前記第1磁性層、前記第1非磁性層及び前記第2磁性層を貫く電流により変化し、前記第2強磁性材料の垂直磁気異方性は、前記第1強磁性材料の垂直磁気異方性より小さく、前記第1強磁性材料の膜厚は、前記第2強磁性材料の膜厚より薄く、
前記第2強磁性材料は、Co、Fe及びBを含む合金を備え、前記合金は(Co 100−x −Fe x ) 100−y B y 、100≧x≧20at%、0<y≦30at%である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。 - 膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第1磁性層と、
膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が不変の第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る第1非磁性層とを具備し、
前記第1磁性層は、少なくとも第1強磁性材料と第2強磁性材料とが積層された構造を有し、前記第1強磁性材料は、前記第1非磁性層と前記第2強磁性材料との間に配置され、前記第1磁性層の磁化方向は、前記第1磁性層、前記第1非磁性層及び前記第2磁性層を貫く電流により変化し、前記第2強磁性材料の垂直磁気異方性は、前記第1強磁性材料の垂直磁気異方性より小さく、前記第1強磁性材料の膜厚は、前記第2強磁性材料の膜厚より薄く、
前記第2強磁性材料は、Co及びFeを含み、さらに、Ta、Si、Nb、V、W、Cr、Mo、Bの少なくとも1つを含む合金を備える
ことを特徴とする磁気抵抗素子。 - 膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第1磁性層と、
膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が不変の第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る第1非磁性層とを具備し、
前記第1磁性層は、少なくとも第1強磁性材料と第2強磁性材料とが積層された構造を有し、前記第1強磁性材料は、前記第1非磁性層と前記第2強磁性材料との間に配置され、前記第1磁性層の磁化方向は、前記第1磁性層、前記第1非磁性層及び前記第2磁性層を貫く電流により変化し、前記第2強磁性材料の垂直磁気異方性は、前記第1強磁性材料の垂直磁気異方性より小さく、前記第1強磁性材料の膜厚は、前記第2強磁性材料の膜厚より薄く、
前記第1強磁性材料は、CoPdであり、前記第2強磁性材料は、Taを含んだCoFeBを備え、前記第2強磁性材料の膜厚t2と前記第1強磁性材料の膜厚t1との比(t2/t1)は、3.8未満である
ことを特徴とする磁気抵抗素子。 - 膜面垂直方向に磁化容易軸を有し、前記第2磁性層からの漏れ磁場を調整する第3磁性層と、前記第2磁性層と前記第3磁性層との間に設けられる第2非磁性層とをさらに具備することを特徴とする請求項1、2又は3に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性層の飽和磁化MS2及び膜厚t2と前記第3磁性層の飽和磁化MS3及び膜厚t3は、MS2×t2<MS3×t3の関係を満たし、
前記第2磁性層と前記第3磁性層の磁化方向は、互いに反平行を保つことを特徴とする請求項4に記載の磁気抵抗素子。 - 前記第1強磁性材料は、CoとPd、又は、CoとPtを含む合金を備え、前記合金の原子稠密面に対して優先配向されることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2強磁性材料は、立方晶構造又は正方晶構造からなり(100)面に配向した結晶粒を含むことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性層と前記第1非磁性層との間に設けられる界面層をさらに具備し、
前記界面層は、Co、Fe及びBを含む合金を備え、前記合金は(Co100−x−Fex)100−yBy、100≧x≧20at%、0<y≦30at%であることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の磁気抵抗素子。 - 前記界面層は、立方晶構造又は正方晶構造からなり(100)面に配向した結晶粒を含むことを特徴とする請求項8に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1非磁性層は、酸化マグネシウムを含むことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の磁気抵抗素子。
- 請求項1、2又は3に記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟み込み、前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第1及び第2電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気メモリ。
- 前記第1電極に電気的に接続される第1配線と、
前記第2電極に電気的に接続される第2配線と、
前記第1配線及び前記第2配線に電気的に接続され、前記磁気抵抗素子に前記電流を供給する書き込み回路とをさらに具備することを特徴とする請求項11に記載の磁気メモリ。 - 前記メモリセルは、前記第2電極及び前記第2配線間に電気的に接続される選択トランジスタを含むことを特徴とする請求項12に記載の磁気メモリ。
- 膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第1磁性層と、
膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が不変の第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る第1非磁性層とを具備し、
前記第1磁性層は、少なくとも第1強磁性材料と第2強磁性材料とが積層された構造を有し、前記第1強磁性材料は、前記第1非磁性層と前記第2強磁性材料との間に配置され、前記第1磁性層の磁化方向は、前記第1磁性層、前記第1非磁性層及び前記第2磁性層を貫く電流により変化し、前記第2強磁性材料の垂直磁気異方性は、前記第1強磁性材料の垂直磁気異方性より小さく、前記第1強磁性材料の単位面積当たりの磁気モーメントは、前記第2強磁性材料の単位面積当たりの磁気モーメントより小さく、
前記第2強磁性材料は、Co及びFeを含み、さらに、Ta、Si、Nb、V、W、Cr、Mo、Bの少なくとも1つを含む合金を備える
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
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