JP5597899B2 - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents
磁気抵抗素子および磁気メモリ Download PDFInfo
- Publication number
- JP5597899B2 JP5597899B2 JP2012208293A JP2012208293A JP5597899B2 JP 5597899 B2 JP5597899 B2 JP 5597899B2 JP 2012208293 A JP2012208293 A JP 2012208293A JP 2012208293 A JP2012208293 A JP 2012208293A JP 5597899 B2 JP5597899 B2 JP 5597899B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- magnetic
- ferromagnetic layer
- magnetization
- ferromagnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
- H10N50/85—Magnetic active materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
- H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
- H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
Landscapes
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
Description
第1実施形態による磁気抵抗素子を図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。この実施形態の磁気抵抗素子1はMTJ素子であって、下地層100上に、強磁性層2、非磁性層4(以下、トンネルバリア層4ともいう)、および強磁性層8がこの順序で積層された構造を有している。下地層100は、強磁性層2および強磁性層2より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられるが、詳細な性質については後述する。強磁性層2および強磁性層8の一方は、MnxGey(77atm%≦x≦82atm%、18atm%≦y≦23atm%、x+y=100atm%)である磁性膜を含む。
図2に、第2実施形態による磁気抵抗素子1Aを示す。この磁気抵抗素子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、非磁性層4と強磁性層8との間に界面磁性層6を設けた構成になっている。このうち、強磁性層2、強磁性層8および界面磁性層6のうち少なくとも一つは、MnxGey(77atm%≦x≦82atm%、18atm%≦y≦23atm%、x+y=100atm%)である磁性膜を含む。
図3に、第3実施形態による磁気抵抗素子1Bを示す。この磁気抵抗素子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、強磁性層2と非磁性層4との間に界面磁性層3を挿入するとともに、非磁性層4と強磁性層8との間に界面磁性層6を挿入した構成となっている。このうち、界面磁性層3および界面磁性層6のうちの少なくとも一方は、MnxGey(77atm%≦x≦82atm%、18atm%≦y≦23atm%、x+y=100atm%)である磁性膜を含む。界面磁性層3および界面磁性層6の詳細な性質については後述する。
図4に、第4実施形態による磁気抵抗素子1Cを示す。この磁気抵抗素子1Cは、図3に示す第3実施形態の磁気抵抗素子3において、強磁性層8上に非磁性層10、強磁性層11を積層した構成となっている。なお、本実施形態においては、例えば界面磁性層6と強磁性層8が参照層となっている。強磁性層11はバイアス層とも呼ばれ、強磁性層8とは、磁化の向きが反平行(逆向き)の磁化を有している。強磁性層11は、非磁性層10を介して強磁性層8と反強磁性結合(Synthetic Anti-Ferromagnetic結合)していてもよい。これにより、界面磁性層6と強磁性層8より成る参照層からの漏れ磁場による界面磁性層3と強磁性層2より成る記憶層の反転電流のシフトを緩和および調整することが可能となる。非磁性層10は、強磁性層8と強磁性層11とが熱工程によって混ざらない耐熱性、および強磁性層11を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。
Ms2×t2<Ms3×t3
次に、単結晶構造の磁性膜を有するMTJ素子(以下、単結晶MTJ素子ともいう)の製造方法について説明する。第1乃至第4実施形態のいずれかの磁気抵抗素子(MTJ素子)は、強磁性層2、強磁性層8、界面磁性層3、および界面磁性層6のうちの少なくとも一つが単結晶構造を備えていることが好ましい。これは、膜面内方向の結晶配向が一方向にそろった単結晶構造の磁性膜を形成することにより、膜面内の磁気結合が強くなることで磁気特性のばらつきを大幅に抑制できる。また、結晶粒界の形成が抑制されるので原子レベルで平坦であり且つ結晶性の良い磁性膜や絶縁層を形成できるので従来のMTJ素子に比べより大きな磁気抵抗比(MR比)が得られることも期待できる。したがって数十Gbitの大容量MRAMの実現のためには単結晶MTJ素子の製造が必要となる。
強磁性層2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、強磁性層8で用いる材料よりも低い保磁力や異方性磁界あるいは磁気摩擦定数を示す材料であることが好ましい。更に高分極率を示す材料であることが好ましい。
強磁性層8は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有し、かつ飽和磁化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、強磁性層2で用いる材料よりも高い保磁力や異方性磁界あるいは磁気摩擦定数を示す材料であることが好ましい。更に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MnおよびGeを含むMnGe合金磁性材料が考えられる。以下により具体的に説明する。
下地層100は、強磁性層2および強磁性層2より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられる。そのため、下地層100の材料の選択が重要となる。以下に下地層100の材料および構成について説明する。なお、下地層としては、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、下地層に通電する場合には導電性材料を用いることが好ましい。
非磁性層4は、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、絶縁材料から形成されたトンネルバリア層を用いることが好ましい。非磁性層4は、隣接する強磁性層または界面磁性層との適切な組み合わせにより、選択的なトンネル伝導と高い磁気抵抗比が実現できる。そのため、非磁性層4の材料の選択が重要となる。以下に非磁性層4の材料について説明する。
ここでa(MgO)、a(MnGe)はそれぞれ膜面内方向のMgOおよびMnGeの格子定数である。格子ミスマッチが大きいと、格子歪みによる界面エネルギーを低減させるために界面に転移などが生成される。その場合、結晶粒の間でエピタキシャル関係が成立し、膜面内にわたって均一にエピタキシャル成長させることは困難である。MTJ素子に電流を流すと転移が電子の散乱源になるために磁気抵抗比は低減されてしまう。したがって、転移を発生させず膜面内に均一にエピタキシャル成長させるためには、格子ミスマッチがより小さい材料で積層させることが重要である。そのため、格子ミスマッチの観点から非磁性層としては、ペロブスカイト系酸化物、スピネル系酸化物、NaCl構造酸化物の順に適している。
界面磁性層3および界面磁性層6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MnおよびGeを含むMnGe合金磁性材料が考えられる。以下により具体的に説明する。
次に、第5実施形態によるスピン注入書き込み型の磁気メモリ(MRAM)について説明する。
2 記憶層
3 界面磁性層
4 非磁性層(トンネルバリア層)
6 界面磁性層
8 参照層
10 非磁性層
11 強磁性層(シフト磁界調整層)
20a、20b 金属接着層
200 単結晶基板
220 基板
Claims (8)
- 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、MnxGey(77atm%≦x≦82atm%、18atm%≦y≦23atm%、x+y=100atm%)を含み、c軸が膜面に垂直方向を向くように配向制御された磁性膜を備えている磁気抵抗素子。 - Al、Si、B、C、P、Ti、Zn、Mg、Ca、Cr、Gaの群から選択される少なくとも1つの元素をXと表したとき、前記第1磁性層の前記磁性膜は、(MnxGey)100−zXz(77atm%≦x≦82atm%、18atm%≦y≦23atm%、x+y=100atm%、0<z≦10atm%)を含む請求項1記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1および第2磁性層の少なくとも一方は、単結晶構造を有している請求項1または2記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1磁性層と前記第1非磁性層との間、および前記第2磁性層と前記第1非磁性層との間の少なくとも一方に、第3磁性層が挿入される請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第3磁性層はMn、Al、Geの群から選択される少なくとも1つの元素を含む請求項4記載の磁気抵抗素子。
- 前記第3磁性層はCo、Fe、Niの群から選択される少なくとも1つの元素を含む請求項4記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1非磁性層は、
Mg、Ca、Ba、Al、Be、Sr、Zn、Ti、V、Nbの群から選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物、または
Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Baの群から選択される少なくとも1つの元素と、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pbの群から選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物、
のいずれかを含む請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 - 請求項1乃至7のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の前記第1磁性層と電気的に接続する第1配線と、
前記磁気抵抗素子の前記第2磁性層と電気的に接続する第2配線と、
を備えている磁気メモリ。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012208293A JP5597899B2 (ja) | 2012-09-21 | 2012-09-21 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
US13/826,408 US8680633B1 (en) | 2012-09-21 | 2013-03-14 | Magnetoresistive element and magnetic memory |
US14/168,627 US8878324B2 (en) | 2012-09-21 | 2014-01-30 | Magnetoresistive element and magnetic memory |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012208293A JP5597899B2 (ja) | 2012-09-21 | 2012-09-21 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014063886A JP2014063886A (ja) | 2014-04-10 |
JP5597899B2 true JP5597899B2 (ja) | 2014-10-01 |
Family
ID=50288824
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012208293A Active JP5597899B2 (ja) | 2012-09-21 | 2012-09-21 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US8680633B1 (ja) |
JP (1) | JP5597899B2 (ja) |
Families Citing this family (29)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5491757B2 (ja) * | 2009-03-27 | 2014-05-14 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
US9023662B2 (en) * | 2011-05-09 | 2015-05-05 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Efficiently injecting spin-polarized current into semiconductors by interfacing crystalline ferromagnetic oxides directly on the semiconductor material |
JP5597899B2 (ja) * | 2012-09-21 | 2014-10-01 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
US20140284733A1 (en) * | 2013-03-22 | 2014-09-25 | Daisuke Watanabe | Magnetoresistive element |
US9184374B2 (en) * | 2013-03-22 | 2015-11-10 | Kazuya Sawada | Magnetoresistive element |
US9240547B2 (en) | 2013-09-10 | 2016-01-19 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions and methods of forming magnetic tunnel junctions |
JP6276588B2 (ja) * | 2013-12-27 | 2018-02-07 | 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. | 磁気トンネル接合素子 |
JP6196557B2 (ja) * | 2014-01-20 | 2017-09-13 | 株式会社東芝 | 圧力センサ、マイクロフォン、加速度センサ及び圧力センサの製造方法 |
JP6135018B2 (ja) | 2014-03-13 | 2017-05-31 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
US9634241B2 (en) | 2014-08-06 | 2017-04-25 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method and system for providing magnetic junctions including Heusler multilayers |
JP6126565B2 (ja) * | 2014-09-19 | 2017-05-10 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子及び磁気メモリ |
JP6411186B2 (ja) | 2014-11-19 | 2018-10-24 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
US9373779B1 (en) | 2014-12-08 | 2016-06-21 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
US20180261269A1 (en) * | 2015-01-02 | 2018-09-13 | Jannier Maximo Roiz Wilson | Three-dimensional mram cell configurations |
US9406365B1 (en) * | 2015-01-26 | 2016-08-02 | International Business Machines Corporation | Underlayers for textured films of Heusler compounds |
US9502642B2 (en) | 2015-04-10 | 2016-11-22 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions, methods used while forming magnetic tunnel junctions, and methods of forming magnetic tunnel junctions |
US9530959B2 (en) | 2015-04-15 | 2016-12-27 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
US9520553B2 (en) * | 2015-04-15 | 2016-12-13 | Micron Technology, Inc. | Methods of forming a magnetic electrode of a magnetic tunnel junction and methods of forming a magnetic tunnel junction |
US9257136B1 (en) | 2015-05-05 | 2016-02-09 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
US9960346B2 (en) | 2015-05-07 | 2018-05-01 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
KR102524352B1 (ko) | 2015-07-16 | 2023-04-21 | 고쿠리츠 다이가쿠 호진 도호쿠 다이가쿠 | 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 |
JP6586328B2 (ja) | 2015-09-04 | 2019-10-02 | 東京エレクトロン株式会社 | 被処理体を処理する方法 |
JP2017084891A (ja) * | 2015-10-26 | 2017-05-18 | 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. | 磁気トンネル接合素子 |
US10305026B2 (en) * | 2015-11-19 | 2019-05-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Cross-point architecture for spin-transfer torque magnetoresistive random access memory with spin orbit writing |
KR102038837B1 (ko) | 2016-02-02 | 2019-10-31 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 자기 메모리 장치 및 그 동작 방법 |
US9653138B1 (en) * | 2016-03-02 | 2017-05-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetic memory and method of writing data |
US9680089B1 (en) | 2016-05-13 | 2017-06-13 | Micron Technology, Inc. | Magnetic tunnel junctions |
US11107976B2 (en) * | 2017-06-14 | 2021-08-31 | National Institute For Materials Science | Magnetic tunnel junction, spintronics device using same, and method for manufacturing magnetic tunnel junction |
US20210273155A1 (en) * | 2020-02-28 | 2021-09-02 | International Business Machines Corporation | Mtj stack with self-ordering top magnetic free layer with tetragonal crystalline symmetry |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5739151A (en) * | 1980-08-18 | 1982-03-04 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | Hexagonal lattice type antiferromagnetic invar type alloy and preparation thereof |
JPS63210251A (ja) * | 1987-02-25 | 1988-08-31 | Shoei Kagaku Kogyo Kk | マンガンゲルマニウム化物及びその製造方法 |
JP2003163392A (ja) * | 2001-11-27 | 2003-06-06 | Hitachi Metals Ltd | 強磁性材料、磁気抵抗素子および電子機能素子 |
JP4147118B2 (ja) * | 2003-01-15 | 2008-09-10 | 株式会社日立製作所 | 3端子型磁気ヘッドとそれを搭載した磁気記録再生装置 |
JP2005203535A (ja) | 2004-01-15 | 2005-07-28 | Toshiba Corp | 磁気メモリ |
JP4444241B2 (ja) | 2005-10-19 | 2010-03-31 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリ、電子カード及び電子装置 |
US20070096229A1 (en) | 2005-10-28 | 2007-05-03 | Masatoshi Yoshikawa | Magnetoresistive element and magnetic memory device |
JP2009239121A (ja) * | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Toshiba Corp | 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ |
JP5172808B2 (ja) * | 2009-10-13 | 2013-03-27 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ |
JP5367739B2 (ja) * | 2011-02-03 | 2013-12-11 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ |
JP5558425B2 (ja) | 2011-07-04 | 2014-07-23 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子、磁気メモリ及び磁気抵抗素子の製造方法 |
JP5722140B2 (ja) | 2011-07-04 | 2015-05-20 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子及び磁気メモリ |
JP5499264B2 (ja) * | 2012-03-21 | 2014-05-21 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
JP5597899B2 (ja) * | 2012-09-21 | 2014-10-01 | 株式会社東芝 | 磁気抵抗素子および磁気メモリ |
-
2012
- 2012-09-21 JP JP2012208293A patent/JP5597899B2/ja active Active
-
2013
- 2013-03-14 US US13/826,408 patent/US8680633B1/en active Active
-
2014
- 2014-01-30 US US14/168,627 patent/US8878324B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014063886A (ja) | 2014-04-10 |
US8878324B2 (en) | 2014-11-04 |
US8680633B1 (en) | 2014-03-25 |
US20140084401A1 (en) | 2014-03-27 |
US20140145279A1 (en) | 2014-05-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5597899B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気メモリ | |
JP5499264B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気メモリ | |
JP5761788B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気メモリ | |
JP6135018B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気メモリ | |
JP6119051B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気メモリ | |
JP5123365B2 (ja) | 磁気抵抗素子及び磁気メモリ | |
JP6054326B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気メモリ | |
JP6180972B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気メモリ | |
JP6411186B2 (ja) | 磁気抵抗素子および磁気メモリ | |
US10672977B2 (en) | Perpendicular magnetoresistive elements | |
US10186656B2 (en) | Magnetoresistive element and magnetic memory |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140106 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140701 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140725 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5597899 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |