JP5491757B2 - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents
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Description
まず、本発明の第1実施形態による磁気抵抗素子の構造について説明する。
図1に、本実施形態による磁気抵抗素子1を示す。図1において、矢印は磁化方向を示している。本明細書においては、磁気抵抗素子とは、半導体ある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1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。
図2に、第1実施形態の第1変形例による磁気抵抗素子1を示す。この変形例の磁気抵抗素子1は、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1において、非磁性層15と固定層17との間に界面層16を設けた構成となっている。界面層16は強磁性体からなり、非磁性層15と固定層17との界面での格子ミスマッチを緩和する効果を有するとともに、高分極率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効果も有する。
図3に、第1実施形態の第2変形例による磁気抵抗素子1を示す。この変形例の磁気抵抗素子1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13と非磁性層15との間に界面層14を挿入するとともに、非磁性層15と固定層17との間に界面層16を挿入した構成となっている。界面層14も界面層16と同様に強磁性体からなり、記憶層13と非磁性層15との界面での格子ミスマッチを緩和する効果を有するとともに、高分極率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効果も有する。界面層14及び界面層16の詳細な性質については後述する。
図4に、第1実施形態の第3変形例による磁気抵抗素子1を示す。この変形例の磁気抵抗素子1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17とキャップ層20との間に、非磁性層18と、バイアス層(以下、シフト調整層とも云う)19とがこの順序で設けられた構成となっている。バイアス層19は強磁性体からなり、膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜であり、かつ固定層17の磁化方向と反対方向に磁化が固定されている。バイアス層19は、素子加工時に問題となる、固定層17からの漏れ磁場による記憶層13における磁化反転特性のオフセットを、逆方向へ調整する効果を有する。また、この第3変形例において、第1および第2変形例と同様に、記憶層13と非磁性層15との間、または非磁性層15と固定層17との間に、界面層14または界面層16が挿入されていてもよい。非磁性層18及びバイアス層19の詳細な性質については後述する。
磁気抵抗素子1の記憶層13として垂直磁化膜を用いる場合、前述した通り、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べて小さくでき、大きな結晶磁気異方性を有する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13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示す。
記憶層13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。
Δ=Ku eff・V/(kBT)
=(Ku−2πNMS 2)・Va/(kBT) ・・・(式1)
ここで、Kuは結晶磁気異方性定数、MSは飽和磁化、Nは反磁場係数、Vaは磁化反転単位体積、kBはボルツマン定数、Tは絶対温度(K)を表す。
Ic∝α・η・Δ ・・・(式2)
であることが知られている。ここで、αは磁気緩和定数、ηはスピン注入効率係数を表す。磁化反転単位体積Vaは飽和磁化Msが小さいほど大きい。このため、最低限の熱擾乱指数Δを保ちつつ反転電流を下げるには、飽和磁化MSの小さな材料を選択することが望ましい。
上記のように、記憶層13は垂直磁化膜であり、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。このような要請を満たす材料として、フェリ磁性を示す組成のMnGa合金が考えられる。以下により具体的に説明する。
記憶層13の第1具体例は、DO22相を有するマンガン(Mn)及びガリウム(Ga)の合金から構成される。Mn3−δGa合金は、Mn組成が0.15<δ<1.05(66乃至74at%)の範囲内で面心正方(FCT : face-centered tetragonal)構造に基づく、図5に示すようなDO22型構造を有し、この組成範囲内でフェリ磁性を発現する。垂直磁化膜とするためには、c軸を膜面に垂直方向、すなわち(002)配向成長させればよい。具体的には図1乃至4に示す下地層12を適切に選択することにより、記憶層13の結晶配向成長を制御することが可能である。下地層12の詳細および具体的な作製方法については後述する。
記憶層13の第2の具体例は、L10相を有するマンガン(Mn)及びガリウム(Ga)の合金から構成される。MnGa合金は、Mnの組成比が50at%で強磁性体となる。さらに低飽和磁化MSを実現するためには、Mnを添加すればよい。具体的には、Mnの組成比がこれよりも多くなると、MnのGaサイトへの置換が起こり、GaサイトのMnは、MnサイトのMnと反平行なスピン配列をとる。この結果、Mn組成が64at%乃至66at%の範囲内で相図上、τ相あるいはε’相と呼ばれる、面心正方(FCT: face-centered tetragonal)構造を基本格子とする、図8に示すようなL10型(CuAu型)規則構造相が安定相のフェリ磁性体となり、実効的な飽和磁化MSの大きさを50(emu/cc)以下に調整することができる。垂直磁化膜とするためには、c軸を膜面に垂直方向、すなわち(001)配向成長させればよい。具体的には図1乃至図4で説明した下地層12を適切に選択することにより、記憶層13の結晶配向成長を制御することが可能である。下地層12の詳細および具体的な作製方法については後述する。MnGa合金は、この組成範囲内においては5×106(erg/cc)と高い実効的な垂直磁気異方性と、およそ690Kと高いキュリー温度を有し、記憶層としての要請された特性を満たす。
記憶層13についての上述の詳細な説明に示すDO22構造およびL10構造では、一般に、[001]方向の格子定数cと、[100]並びに[010]方向の格子定数aとは等しくない。従って、DO22構造あるいはL10構造を有する強磁性合金は、c軸が磁化容易軸となる。すなわち、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、DO22構造およびL10構造の結晶配向性をそれぞれ(002)面、(001)面が配向するように制御する必要がある。そのため、下地層12の材料及びその積層構造の選択が重要となる。以下に下地層12について、その材料及び積層構成の詳細を説明するが、DO22構造及びL10構造の[100]方向の格子定数aは、それぞれおよそ3.90Å程度と近いため、以下に示す材料および積層構成の具体例は、記憶層13がDO22構造のMnGa、L10構造のMnGaの場合のどちらに対しても適用される。
図9は、下地層12および記憶層13を含む積層構造を示す断面図である。図9に示した積層構造は、熱酸化膜付きSi基板10上に、下地層12との密着層11としての膜厚5nm程度のTa層と、下地層12と、この下地層12上のDO22構造あるいはL10構造の記憶層13としての膜厚2nm程度のMnGa層と、を順次形成した構成を有している。MnGa層より上の構成は、図1乃至図4に示す、第1実施形態またはその変形例と同じとなっている。
下地層12のうち、下地層12cとしては、NaCl構造を有する窒化物もしくはペロブスカイト構造を有する導電性酸化物が用いられる。すなわち、NaCl構造を有する窒化物として、(001)面に配向したNaCl構造を有し、かつTi、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ceのうちから選択された少なくとも1つの元素の窒化物が用いられる。例えば、NaCl構造を有する窒化物としては、TiN、ZrN、NbN、VN等が挙げられる。また、例えば、TiNのように金属が1元素ではなく、Ti−Zr−N、Ti−Al−Nのように金属が2元素、もしくは、Ti、Zr、Nb、Vの窒化物の他に、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce等の窒化物を用いてもよい。しかしながら窒化物としての安定性を考慮すると、標準生成自由エネルギーが低い方が好ましい。そこで、NaCl構造を有する代表的な窒化物の500℃における標準生成自由エネルギーを低い順に並べると、ZrN、TiN、CeN、VN、CrNとなる(例えば、金属データブックp.90、日本金属学会編参照)。窒化物が安定に存在できないと、窒化物の形成時及び形成後の熱工程により、窒化物を構成する元素の一部が拡散する可能性がある。このため、本実施形態で用いる窒化物は、その標準生成エネルギーが低い方が好ましく、このような観点からZrN、TiN、CeNがより好ましい。一方、これらの窒化物、ZrN、TiN、CeNの格子定数はそれぞれ、4.54Å、4.22Å、5.02Åであり、前述の通りDO22構造及びL10構造を有するMnGaの[100]方向の格子定数aは、およそ3.90Å程度であるため、格子定数の観点からは、TiN、ZrN、CeNの順で好ましい。また、膜厚が厚すぎると平滑性が悪くなり、薄すぎると窒化物として機能しないため、膜厚範囲としては、3nm乃至30nmの範囲にあることが好ましい。
非性層15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構造酸化物は、Fe、Co、Niのいずれか、あるいは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、あるいは体心立方(BCC: body-centered cubic)構造で(100)優先配向面を有するFeCoNiのいずれか、あるいは2種以上を主成分として含む合金上、あるいはDO22構造を有する合金の(002)面上、あるいはFCT構造を有するL10型規則合金の(001)配向面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CoFe―X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。
固定層17としては、記憶層13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。すなわち、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、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。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。これらの規則合金に、Cu(銅)、Cr(クロム)、Ag(銀)等の不純物元素あるいはその合金、絶縁物を加えて実効的な磁気異方性エネルギー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17として用いる場合、特に非磁性層15との格子ミスマッチが大きい材料を選択する場合においては、図2に示す第1変形例のように、非磁性層15と固定層17との間に、界面層16が挿入されることが好ましい。
人工格子系とは、Fe、Co、Niのうち少なくとも1つの元素を含む合金と、Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cuのうち少なくとも1つの元素を含む合金とが交互に積層された構造を有している。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、磁性層と非磁性層との膜厚比、及び積層周期を調整することで、実効的な磁気異方性エネルギー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17として用いる場合は、多くの場合、非磁性層15との格子ミスマッチが大きく、高MR比の観点からは好ましくない。このような場合は、図2に示す第1変形例のように、非磁性層15と固定層17との間に、界面層16が挿入されることが好ましい。
不規則合金系とは、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、CoCrTa合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等が挙げられる。これらの合金は、非磁性元素の割合を増加させて実効的な磁気異方性エネルギー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17として用いる場合は、多くの場合、非磁性層15との格子ミスマッチが大きく、高MR比の観点からは好ましくない。このような場合は、図2に示す第1変形例のように、非磁性層15と固定層17との間に、界面層16が挿入されることが好ましい。
非磁性層15と、固定層17または記憶層13との界面には、磁気抵抗比(TMR比)を上昇させる目的で、図2及び図3に示す界面層16及び界面層14が挿入される。界面層14及び界面層16は高分極率材料、具体的には合金(Co100−x−Fex)100−yByからなり、x≧20at%、0<y≦30at%であることが好ましい。また、界面層16及び界面層14は立方晶構造あるいは正方晶構造からなり、(100)面に配向することが好ましい。これらの磁性材料を界面層16及び界面層14として用いることにより、固定層17と非磁性層15との間、及び記憶層13と非磁性層15との間の格子ミスマッチが緩和され、更に高分極率材料であるため、高MR比と高いスピン注入効率を実現する効果が期待される。
図4に示す第3変形例のように、固定層17とキャップ層20との間に、非磁性層18と、バイアス層19を配置してもよい。これにより、固定層17からの漏れ磁場による記憶層13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<MS22×t22 ・・・(式3)
次に、本発明の第2実施形態によるMRAMを説明する。この実施形態のMRAMは、第1実施形態の磁気抵抗素子1を用いたMRAMであり、その構成を図10に示す。MRAMは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルMCを有するメモリセルアレイ40を備えている。メモリセルアレイ40には、それぞれが列(カラム)方向に延在するように、複数のビット線対BL,/BLが配設されている。また、メモリセルアレイ40には、それぞれが行(ロウ)方向に延在するように、複数のワード線WLが配設されている。
図12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13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(Digital Signal Processor)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14乃至図18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。
10 基板
11 密着層
12 下地層
13 記憶層
14 界面層
15 非磁性層(トンネルバリア層)
16 界面層
17 固定層
18 非磁性層
19 バイアス層(シフト調整層)
20 キャップ層
Claims (5)
- ABO 3 からなる(002)面に配向したペロブスカイト系導電性酸化物の第1の層を含み、サイトAはSr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Baのうちから選択された少なくとも1つの元素から構成され、サイトBはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pbのうちから選択された少なくとも1つの元素から構成される下地層と、
前記下地層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第1の磁性層と、
前記第1の磁性層上に設けられた第1の非磁性層と、
前記第1の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が固定された第2の磁性層と、
を備え、
前記第1の磁性層は、DO22構造を有しc軸が膜面に垂直方向を向くフェリ磁性体層を含み、前記第1の磁性層と前記第1の非磁性層と前記第2の磁性層とを貫く双方向電流によって、前記第1の磁性層の磁化方向が可変となり、前記第1の磁性層の前記フェリ磁性体層は、MnおよびGaを含む合金層である磁気抵抗素子。 - 前記第2の磁性層上に設けられた第2の非磁性層と、
前記第2の非磁性層上に設けられ膜面に垂直方向に磁化容易軸を有し磁化方向が前記第2の磁性層の磁化方向と互いに反平行な第3の磁性層と、
を更に備え、
前記第2の磁性層の飽和磁化をMS2、膜厚をt2とし、前記第3の磁性層の飽和磁化をMS3、膜厚をt3とするとき、
MS2×t2<MS3×t3の関係を満たす請求項1記載の磁気抵抗素子。 - 前記第2の磁性層と前記第1の非磁性層との間に設けられた第1の界面層を更に備え、
前記第1の界面層は、合金(Co100−x−Fex)100−yBy(x≧20at%、0<y≦30at%)である請求項1または2のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 - 前記第1の磁性層と前記第1の非磁性層との間に設けられた第2の界面層を更に備え、
前記第2の界面層は、合金(Co100−x−Fex)100−yBy(x≧20at%、0<y≦30at%)である請求項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と、前記磁気抵抗素子を挟むように設けられ、かつ前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第1及び第2の電極とを含むメモリセルを備えている磁気メモリ。
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