JP5728311B2 - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
図2は、第2実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
図3は、第3実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
図4は、第4実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
図5は、第5実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
図6は、第6実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
次に、第1乃至第6実施形態において用いられた各層について以下に説明する。
まず、第1乃至第6実施形態における記憶層について説明する。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て小さくでき、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、微細化と低電流化の両立が可能となる。以下に、記憶層3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3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) ・・・(1)
ここで、
Ku eff:実効的な垂直磁気異方性
V:垂直磁化材料の体積
T:垂直磁化材料の温度
kB:ボルツマン定数
Ku:垂直磁気異方性
MS:飽和磁化
N:反磁場係数
Va:磁化反転単位体積
である。
α:磁気緩和定数
η:スピン注入効率係数
である。
上述したように、記憶層3が垂直磁化膜であり、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。以下により具体的に説明する。
次に、第1乃至第6実施形態における固定層2について説明する。固定層2としては、記憶層3に対し、容易に磁化方向が変化しない材料および多層膜構造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が大きい材料および多層膜構造を選択することが好ましい。
第1乃至第4実施形態において固定層2を構成する第3磁性材料膜2dには以下の材料が用いられる。
人工格子系としては、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、Ag、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu、Gd、Tb、Dy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である。
規則合金系としては、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。このL10型の規則合金としては、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。
不規則合金系としては、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)、ボロン(B)、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。
希土類金属と遷移金属との合金は、希土類金属の材料によりフェリ磁性体、フェロ磁性体の両方を実現することができる。
第1乃至第4実施形態における固定層2は、非磁性層4に接する側から第1磁性材料膜2a、非磁性材料膜2b、第2磁性材料膜2c、第3磁性材料膜2dの順に積層された構造を有する。
ここで、前記界面磁性膜は、第1乃至第6実施形態において固定層2を構成する第1磁性材料膜2aであり、さらに第2、第4および第6実施形態において記憶層3を構成する界面磁性膜3bである。これら界面磁性膜は、磁性材料層と非磁性材料層とが1周期あるいはそれ以上繰り返し積層された構成を有している。界面磁性膜は、Co、Fe、Niのうちの少なくとも1つの元素を含む合金である。
(i)Fe、Co、Niの1つ以上を含む、例えば、アモルファスCoFeNiB合金上、或いは、
(ii)体心立方(BCC)構造で(100)優先配向面を有し、Fe、Co、Niの1つ以上を含む合金上で、
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CoFeX(Xは、B、C、Nの少なくとも1つの元素を表す)の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。このため、非磁性層4に接する磁性材料層は、Co、Fe、Bを含む合金(Co100−xFex)100−yBy(0≦y≦30at%)であることが好ましい。
上述の記憶層の説明に示す通り、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、結晶配向性を面心立方(FCC)構造の(111)面、六方最密充填(HCP)構造の(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9は、実施形態の磁気抵抗素子における下地層5及び記憶層3を含む積層構造の断面図である。
次に、下地層5を構成する下地膜5a、5b、5cの具体的な材料について説明する。
第1乃至第6実施形態における非磁性層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。これらのNaCl構造の酸化物は、
(i)Fe、Co、Niのいずれか、或いは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、或いは
(ii)体心立方(BCC)構造で(100)優先配向面を有するFeCoNiのいずれか、或いは2種以上を主成分として含む合金上で、
結晶成長させると、(100)面を優先配向面として成長し易い。
図3乃至図6に示すように固定層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緩和及び調整することが可能となる。
MS2×t2<MS22×t22 ・・・(2)
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2に飽和磁化Msが1000emu/cm3、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/cm3、膜厚が15nm程度のバイアス層特性が要求される。
第7実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)について図10および図11を参照して説明する。第7実施形態のMRAMは、第1乃至第6実施形態のいずれか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。以下の実施形態では、磁気抵抗素子として、第1実施形態の磁気抵抗素子1を用いた場合を述べる。
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。
図13は、別の適用例であり、携帯電話端末300を示している。
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。
Claims (12)
- 膜面垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化の向きが一方向に固定された第1磁性層と、
膜面垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化の向きが可変である第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非磁性層とを備え、
前記第1磁性層は、前記非磁性層に接するように設けられた第1磁性材料膜と、前記第1磁性材料膜に接するように設けられた非磁性材料膜と、前記非磁性材料膜に接するように設けられた第2磁性材料膜と、前記第2磁性材料膜に接するように設けられた第3磁性材料膜とが積層された構造を有し、
前記第2磁性材料膜は前記第1磁性材料膜よりも高いCo濃度を有し、
前記第1磁性材料膜の磁化の向きは前記第2磁性材料膜の磁化の向きと同じであり、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に前記非磁性層を介して電流を流すことにより、前記第2磁性層の磁化の向きが可変となることを特徴する磁気抵抗素子。 - 前記第2磁性材料膜と前記第3磁性材料膜とが接する前記第2磁性材料膜の表面は、前記非磁性層と前記第1磁性材料膜とが接する前記第1磁性材料膜の表面より、Co濃度が高い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2磁性材料膜は、膜厚が4Åより厚く20Å以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性層は、材料の異なる2つの膜を有する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磁性層の、前記非磁性層が配置された面と反対の面側に配置された第3磁性層をさらに具備し、
前記第3磁性層は前記第1磁性層が有する磁化の向きと反平行な磁化の向きを有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 - 前記第2磁性層の、前記非磁性層が配置された面と反対の面側に配置された第4磁性層をさらに具備し、
前記第4磁性層は前記第1磁性層が有する磁化の向きと反平行な磁化の向きを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。 - 前記第3磁性材料膜は、Fe、Co、Niから選ばれる少なくとも1つの元素と、Cr、Pt、Pd、Ag、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu、Gd、Tb、Dyから選ばれる少なくとも1つの元素とを有する人工格子構造あるいは合金であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1磁性材料膜は、Co、Fe、Niから選ばれる少なくとも2つの元素を含む材料、あるいは前記材料にB、Al、Siから選ばれる少なくとも1つの元素を添加した合金であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記非磁性材料膜は、Ta、Zr、Nb、Mo、Ru、Ti、V、Cr、W、Hfから選ばれる少なくとも1つの元素を含むことを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第2磁性材料膜は、Coを主成分とすることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載の磁気抵抗素子を有するメモリセルと、
前記磁気抵抗素子の一端が電気的に接続される第1配線と、
前記磁気抵抗素子の他端が電気的に接続される第2配線と、
を具備することを特徴とする磁気メモリ。 - 前記メモリセルは、前記磁気抵抗素子の一端と前記第1配線との間に設けられる選択トランジスタ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。
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