JP5722140B2 - 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、第1実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
前述の通り、固定層2は磁性層21、22、非磁性層23の積層構造で形成される。さらに、磁性層21は第1強磁性材料31と第2強磁性材料32と第1非磁性材料33の積層構造で形成される。但し、形成後の熱工程により、積層構造が明瞭ではなく、各元素が濃度勾配を持っていても良い。
磁気抵抗素子1の記憶層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る。さらに、記憶層3に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、微細化と低電流化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、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(式1)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
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。
記憶層材料は上記の特性を鑑みて、下記から適宜選択することができる。
記憶層3として用いられる規則合金は、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型の規則合金である。例えば、これら規則合金として、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。
記憶層3として用いられる人工格子は、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人工格子等があげられる。
記憶層3として用いられる不規則合金は、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。
上述の記憶層3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。
下地層5としては、下地層上に記憶層3が形成される場合、あるいは固定層2が形成される場合において材料系によって、下記のように選択することができる。
磁気抵抗素子1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の磁化方向と固定層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。
磁気抵抗素子1の非磁性層4に接する固定層(磁性層)2の界面には、トンネル磁気抵抗比(TMR比)を上昇させる目的で、界面層を配置しても良い。
次に、第2実施形態の磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)について図6および図7を参照して説明する。第2実施形態のMRAMは、第1実施形態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。
図8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9は、別の適用例であり、携帯電話端末300を示している。
図10乃至図14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。
Claims (9)
- 膜面に垂直方向の磁化容易軸を有し、磁化方向が可変の第1の磁性層と、
膜面に垂直方向の磁化容易軸を有し、磁化方向が不変の第2の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に設けられた第1の非磁性層とを具備し、
前記第2の磁性層は、前記第1の非磁性層に接する第3の磁性層と、第4の磁性層と、前記第3の磁性層と第4の磁性層との間に設けられた第2の非磁性層とを有し、
前記第3の磁性層は、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wのうちの少なくとも1つの元素と、Coとを含み、
前記第3の磁性層は、前記第1の非磁性層に接する第1磁性材料と、第2磁性材料と、前記第1磁性材料と前記第2磁性材料との間に設けられた第1非磁性材料とを有し、
前記第2磁性材料はCoであることを特徴とする磁気抵抗素子 - 前記第1の磁性層の、前記第1の非磁性層が配置された面と反対の面側に配置された下地層をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1磁性材料は、CoFe合金あるいはCo、Fe及びBを含む合金
(Co100−x−Fex)100−yByからなり、x≧50at%、0<y≦30at%であることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 - 前記第2の非磁性層はRuを含む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。
- 前記第1の磁性層の、前記第1の非磁性層が配置された面と反対の面側に配置された下地層をさらに具備し、
前記Ruの膜厚は0.4nm以上1.0nm以下である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2の磁性層の、前記第1の非磁性層が配置された面と反対の面側に配置された下地層をさらに具備し、
前記Ruの膜厚は0.7nm以上1.3nm以下であることを特徴とする請求項4に記載の磁気抵抗素子。 - 請求項1乃至6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双方向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7に記載の磁気メモリ。 - 前記メモリセルは、前記第2電極と前記書き込み回路との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8に記載の磁気メモリ。
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