JP5722137B2 - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
(1)磁気抵抗素子の構造
図1乃至図3は、磁気抵抗素子を示している。
以下、参照層の性質及び材料について説明する。
図1乃至図3の磁気抵抗素子MTJの参照層4の条件は、記憶層2と比べて容易に磁化方向が変化せず、かつ、記憶層2への漏洩磁界が小さいことである。従って、参照層4としては、実効的な磁気異方性Ku eff、保磁力Hc及び磁気緩和定数αが大きく、かつ、飽和磁化Msが小さい材料により構成するのが望ましい。
Ku eff(∝Ms・Hc/2) = Ku int−Kd
即ち、参照層4を薄くすると、膜質の劣化により、Ku intが低下し、Kdが増大するため、実効的な磁気異方性Ku eff及び保磁力(反転磁界)Hcは、低下する。
Ic∝α/η・Δ ・・・(式1)
ここで、
α:磁気緩和定数
η:スピン注入効率係数
である。
∝Ms・Hc/2・Va/kBT ・・・(式2)
ここで、
Ku eff:垂直磁気異方性定数
Hc:保磁力
MS:飽和磁化
N:反磁場係数
Va:磁化反転の単位体積
である。
一方、参照層が反転してしまう場合(AP→P)の反転確率は、ワーストビットW2についてみると、参照層に流れる電流Iが90(μA)前後のときに0%である。このため、記憶層を平行から反平行にするために、書き込み電流Iwrite(P→AP)として、例えば、50(μA)前後を磁気抵抗素子に流しても、参照層の磁化が反転することはない。
参照層は、上述のように、実効的な磁気異方性Ku eff、保磁力Hc及び磁気緩和定数αが大きく、かつ、飽和磁化Msが小さい材料により構成するのが望ましい。そのような材料としては、下記から適宜選択することができる。
人工格子系とは、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のことである。
RE−TM合金系とは、希土類金属と遷移金属との合金のことである。RE−TM合金系は、希土類金属の材料により、フェリ磁性体及びフェロ磁性体のうちの1つとなる。
以下、記憶層の性質及び材料について説明する。
記憶層が垂直磁化を持つ場合、記憶層の熱擾乱指数Δは、熱エネルギーにより磁化が揺らぐ問題(熱擾乱)を回避するために、一般的には、Δ>60が必要条件となる。
記憶層は、下記から適宜選択することができる。
CoFe-X系とは、B、C、Nなどを添加したCoFe(アモルファス合金)のことである。即ち、Xは、B、C、Nのうちの少なくとも1つである。
規則合金系とは、Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つと、Pt、Pdのうちの少なくとも1つとを含む合金のことである。規則合金系の結晶構造は、L10型であるのが望ましい。例えば、Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Fe30Ni20Pt50、Co30Fe20Pt50、Co30Ni20Pt50などは、規則系合金として挙げることができる。これらの規則系合金は、上記組成比に限定されることはない。
人工格子系とは、Fe、Co、Niのうちの少なくとも1つを含む合金と、Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cuのうちの少なくとも1つを含む合金とが交互に積層される構造のことである。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人工格子などは、人工格子系として挙げることができる。
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)のうちの少なくとも1つを含む金属のことである。
記憶層及び参照層が垂直磁化を持つ構造(膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有する磁性膜)とするためには、一般的には、下地層が必要となる。
下地層としては、下地層上に記憶層が形成される場合及び下地層上に参照層が形成される場合のいずれにおいても、下記の材料を選択することができる。
記憶層及び参照層間に配置される非磁性層としては、NaCl構造を有する酸化物であるのが望ましい。具体的には、非磁性層は、MgO、CaO、SrO、TiO、VO、NbOのうちの1つを備える。
磁気抵抗素子MTJの記憶層と非磁性層との間及び参照層と非磁性層との間に、磁気抵抗比(TMR比)を向上させる目的で、界面層を設ける場合、界面層としては、高分極率材料、例えば、Co、Fe及びBを含む合金であるのが望ましい。そのような材料としては、(Co100−x−Fex)100−yBy(但し、x≧50at%、0≦y≦30at%)がある。(Co100−x−Fex)100−yByは、記憶層と非磁性層との間及び参照層と非磁性層との間の格子ミスマッチを緩和し、さらに、高分極率材料であるため、高いTMR比と高いスピン注入効率を実現し得るという特徴を有する。
シフト調整層は、参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持ち、記憶層の磁気ヒステリシス曲線のシフトを調整することを目的とする。このため、シフト調整層は、参照層と同じ材料から構成することができる。
人工格子系とは、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のことである。
RE−TM合金系とは、希土類金属と遷移金属との合金のことである。RE−TM合金系は、希土類金属の材料により、フェリ磁性体及びフェロ磁性体のうちの1つとなる。
近年、高速読み出し/書き込み、大容量、低消費電力動作が可能な次世代の不揮発性半導体メモリとして、強磁性体の磁気抵抗効果を利用した磁気ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory: MRAM)への関心が高まっている。特に、強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗素子は、大きな磁気抵抗変化率を示すことが見出されて以来、注目されている。
半導体基板51の表面領域には、素子分離領域(素子分離絶縁層STI)が配置され、この素子分離領域に取り囲まれた素子領域(Active area)内には、スイッチ素子41が配置される。素子分離領域は、例えば、STI(Shallow Trench Isolation)構造を有する酸化シリコンを備える。
上述の磁気メモリは、様々な電子機器に適用することが可能である。以下、磁気メモリの適用例について説明する。
図10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11は、携帯電話端末を示している。
ここでは、スマートメディアなどのメディアコンテンツを収納するカードに実施形態のMRAMを適用した場合について説明する。
実施形態によれば、磁気抵抗素子の微細化に伴って増大する漏洩磁界をシフト調整層により確実にキャンセルすることができる。
Claims (11)
- 垂直及び可変の磁化を持つ記憶層と、
垂直及び不変の磁化を持つ参照層と、
垂直、不変及び前記参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持つシフト調整層と、
前記記憶層及び前記参照層間の第1の非磁性層と、
前記参照層及び前記シフト調整層間の第2の非磁性層とを具備し、
前記記憶層の磁化反転は、スピン注入書き込みにより実行され、
前記参照層の反転磁界は、前記記憶層の反転磁界と同じ又はそれよりも小さく、
前記参照層の磁気緩和定数は、前記記憶層の磁気緩和定数よりも大きく、
前記参照層の磁化反転のエネルギー障壁は、前記記憶層の前記磁化反転のエネルギー障壁よりも大きい、
磁気抵抗素子。 - 垂直及び可変の磁化を持つ記憶層と、
垂直及び不変の磁化を持つ参照層と、
垂直、不変及び前記参照層の磁化に対して逆向きの磁化を持つシフト調整層と、
前記記憶層及び前記参照層間の第1の非磁性層と、
前記参照層及び前記シフト調整層間の第2の非磁性層とを具備し、
前記記憶層の磁化反転は、スピン注入書き込みにより実行され、
前記参照層の反転磁界は、前記記憶層の反転磁界と同じ又はそれよりも小さく、
前記参照層の磁気緩和定数は、前記記憶層の磁気緩和定数よりも大きく、
前記参照層の磁化反転に必要な書き込み電流は、前記記憶層の前記磁化反転に必要な書き込み電流よりも大きい、
磁気抵抗素子。 - 前記参照層の実効磁気異方性は、前記記憶層の実効磁気異方性と同じ又はそれよりも小さい請求項1又は2に記載の磁気抵抗素子。
- 前記参照層は、前記記憶層よりも上に配置され、前記シフト調整層は、前記参照層よりも上に配置される請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記参照層は、人工格子系及びRE−TM合金系のうちの1つを備える請求項1乃至4のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記記憶層は、CoFe−X系(Xは、B、C,Nの少なくとも1つ)、規則合金系、人工格子系及び不規則合金系のうちの1つを備える請求項1乃至5のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記記憶層と前記第1の非磁性層との間及び前記参照層と前記第1の非磁性層との間のうちの少なくとも1つに界面層を備える請求項1乃至6のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子。
- 前記界面層は、(Co100−xFex)100−yBy(但し、x≧50at%、0≦y≦30at%)を備える請求項7に記載の磁気抵抗素子。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に双方向電流を流すことにより、前記記憶層及び前記参照層の磁化方向の関係を平行又は反平行にする書き込み回路とを具備する磁気メモリ。
- 前記磁気抵抗素子の直下に配置され、前記磁気抵抗素子に選択的に前記双方向電流を流すためのスイッチ素子をさらに具備する請求項9に記載の磁気メモリ。
- 前記磁気抵抗素子及び前記スイッチ素子は、直列接続されることにより、第1及び第2の端子並びに前記スイッチ素子のオン/オフを決める制御端子を持つ直列接続体を構成し、
前記第1の端子は、第1のビット線に接続され、前記第2の端子は、第2のビット線に接続され、前記制御端子は、ワード線に接続される
請求項10に記載の磁気メモリ。
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