JP5777124B2 - 磁気抵抗効果素子、磁性膜、及び、磁性膜の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の一観点によると、磁気抵抗効果素子101は、図5に示すように、磁化方向が固定されている第1の強磁性層106と、磁化方向が可変である第2の強磁性層107と、第1の強磁性層と第2の強磁性層の間に電気的に接続された非磁性層108を備える。第1の強磁性層106及び第2の強磁性層107の材料は、Co,Feなどの3d遷移金属元素を少なくとも1種類含む強磁性材料若しくはCo2MnSiなどに代表されるホイスラー合金が望ましく、非磁性層108の材料はMgO,Al2O3,SiO2などの酸素を含む化合物やCuなどの金属などが候補であり、磁気抵抗変化率が大きくなる材料が望ましい。実施例1では、第1の強磁性層106及び第2の強磁性層107の材料がCoFeBであり、非磁性層108がMgOである場合を例として説明する。
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子は、記録層として作用する第2の強磁性層107の、非磁性層108と反対側の界面702に第2の非磁性層701を形成した構造であってもよい。図7に実施例2の磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。
本発明のさらに別の観点によると、磁気抵抗効果素子の記録層は、非磁性層108と接する面から強磁性層と非磁性層を交互に積層させた構造であってもよい。記録層として強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層と4層を積層させた場合の断面模式図を例として図8に示した。ここで、実施例3の磁気抵抗効果素子において、記録層は3層以上の積層構造であればよい。
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子は、固定層として作用する第1の強磁性層106の、非磁性層108と反対側の界面903に第2の非磁性層901を形成した構造であってもよい。図9に実施例4の磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子の固定層1001は、非磁性層108と接する面から強磁性層と非磁性層を交互に積層させた構造であってもよい。固定層1001として強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層と4層を積層させた場合の断面図を例として図10に示した。ここで、実施例5の磁気抵抗効果素子において、固定層は3層以上の積層構造であればよい。
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子は、固定層1101として第1の強磁性層106の非磁性層108と反対側の界面に形成された非磁性層1103を備え、且つ、記録層1102として第2の強磁性層107の非磁性層108と反対側の界面に形成された非磁性層1104を備えた構造であってもよい。図11に実施例6の磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。この構成を採用することにより、固定層及び記録層がともに膜面に対して垂直方向に安定化する。
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子は、固定層1201として、非磁性層108と接する面から強磁性層と非磁性層を交互に積層した構造を備え、且つ、記録層1202として、非磁性層108と接する面から強磁性層と非磁性層を交互に積層した構造を備えた構成としてもよい。固定層1201として、非磁性層108側から順に強磁性層1203/非磁性層1204/強磁性層1205/非磁性層1206と4層を積層し、記録層1202として非磁性層108側から順に強磁性層1210/非磁性層1209/強磁性層1208/非磁性層1207と4層を積層した場合の断面模式図を例として図12に示した。この構成を採用することにより、固定層及び記録層がともに膜面に対して垂直方向に安定化する。
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子において、図13の断面模式図に示すように、固定層106の非磁性層108と反対側の界面に反強磁性層1301を形成した構成としてもよい。この構成を採用すると、固定層106の磁化方向が膜面に対して垂直方向に安定化する。
本発明の別の観点によると、実施例1〜8の磁気抵抗効果素子を記録素子として採用することでMRAMを実現することができる。本発明のMRAMは、図14に示すように、互いに平行に配置された複数のビット線104と、ビット線104と平行に配置され、且つ、互いに平行に配置された複数のソース線103と、ビット線104と垂直に配置され、且つ、互いに平行な複数のワード線105を備え、ビット線104とワード線105の各交点にはメモリセル100が配置される。メモリセル100は、実施例1〜8の磁気抵抗効果素子101と選択トランジスタ102を備えている。これら複数のメモリセル100がメモリアレイ1401を構成している。ビット線104は、磁気抵抗効果素子101を介して選択トランジスタ102のドレイン電極に電気的に接続されており、ソース線103は配線層を介して選択トランジスタ102のソース電極に電気的に接続されている。また、ワード線105は選択トランジスタ102のゲート電極に電気的に接続されている。ソース線103とビット線104の一端は、電圧印加のためのライトドライバ1402とセンス増幅器1403に電気的に接続されている。ワード線105の一端はワードドライバ1404に電気的に接続されている。
101 磁気抵抗効果素子
102 選択トランジスタ
103 ソース線
104 ビット線
105 ワード線
106 第1の強磁性層
107 第2の強磁性層
108 非磁性層
501 磁化
502 磁化
503 下地層
504 キャップ層
701 第2の非磁性層
801 記録層
802 強磁性層
803 非磁性層
804 強磁性層
805 非磁性層
901 非磁性層
1001 固定層
1002 強磁性層
1003 非磁性層
1004 強磁性層
1005 非磁性層
1101 固定層
1102 非磁性層
1103 記録層
1104 非磁性層
1201 固定層
1202 記録層
1203 強磁性層
1204 非磁性層
1205 強磁性層
1206 非磁性層
1207 非磁性層
1208 強磁性層
1209 非磁性層
1210 強磁性層
1301 反強磁性層
1401 メモリアレイ
1402 ライトドライバ
1403 センス増幅器
1404 ワードドライバ
Claims (37)
- 磁化方向が固定されている第1の強磁性層と、
磁化方向が可変である第2の強磁性層と、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層の間に電気的に接続された第1の非磁性層とを備え、
前記第1の強磁性層は固定層として作用し、前記第2の強磁性層は記録層として作用する磁気抵抗効果素子であって、
前記第1の非磁性層は酸素を含む絶縁体であり、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との少なくとも一方は、Bと3d遷移金属であるFeとを含み、bcc(body-centered cubic)構造を有する強磁性材料で構成され、膜厚を3nm以下に調整することによって前記第1の非磁性層との界面の磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 磁化方向が固定されている第1の強磁性層と、
磁化方向が可変である第2の強磁性層と、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層の間に電気的に接続された第1の非磁性層とを備え、
前記第1の強磁性層は固定層として作用し、前記第2の強磁性層は記録層として作用する磁気抵抗効果素子であって、
前記第1の非磁性層は酸素を含む絶縁体であり、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との少なくとも一方は、Bと3d遷移金属であるFeとを含み、bcc(body-centered cubic)構造を有する強磁性材料で構成され、その厚さは、前記第1の非磁性層との界面の磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御される範囲の値に設定されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1または2に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層の一方は、前記第1の非磁性層との界面の磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御され、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層の他方は、前記第1の強磁性層とは異なる垂直磁気異方性材料から構成されている磁気抵抗効果素子。 - 請求項1から3の何れか1項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層とのうち前記第1の非磁性層との界面の磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている層は、膜厚が1.0nmから1.6nmであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層とのうち前記第1の非磁性層との界面の磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている層は、Co,Fe,Bのうち少なくとも一つを含む強磁性材料であり、磁気抵抗変化率が50%以上であり、
前記第1の非磁性層が酸化マグネシウムである、
磁気抵抗効果素子。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第2の強磁性層の、前記第1の非磁性層と反対側の面に第2の非磁性層を備え、
前記第2の非磁性層は前記第2の強磁性層の磁化方向を制御するための制御層として作用していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第1の強磁性層の、前記第1の非磁性層と反対側の面に第3の非磁性層を備え、
前記第3の非磁性層は前記第1の強磁性層の磁化方向を制御するための制御層として作用していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記固定層の前記第1の非磁性層と反対側の面に反強磁性層が形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 磁化方向が固定されている第1の強磁性層と、
磁化方向が可変である第2の強磁性層と、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層の間に電気的に接続された第1の非磁性層とを備え、
前記第1の強磁性層は固定層として作用し、前記第2の強磁性層は記録層として作用する磁気抵抗効果素子であって、
前記第1の非磁性層は酸素を含む絶縁体であり、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との少なくとも一方は、Bと3d遷移金属であるFeとを含み、bcc(body-centered cubic)構造を有する強磁性材料で構成され、膜厚を3nm以下に調整することによって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている磁気抵抗効果素子であって、
前記記録層は、前記第1の非磁性層と接する面から順に強磁性層と非磁性層を交互に3層以上積層した積層構造を有し、前記第1の非磁性層と接する強磁性層は、前記第2の強磁性層であり、
前記記録層を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合しており、
前記強磁性層と交互に積層された非磁性層が酸素を含む絶縁体、または、酸化マグネシウムである、ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 磁化方向が固定されている第1の強磁性層と、
磁化方向が可変である第2の強磁性層と、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層の間に電気的に接続された第1の非磁性層とを備え、
前記第1の強磁性層は固定層として作用し、前記第2の強磁性層は記録層として作用する磁気抵抗効果素子であって、
前記第1の非磁性層は酸素を含む絶縁体であり、
前記第1の強磁性層と前記第2の強磁性層との少なくとも一方は、Bと3d遷移金属であるFeとを含み、bcc(body-centered cubic)構造を有する強磁性材料で構成され、膜厚を3nm以下に調整することによって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子であって、
前記固定層は、前記第1の非磁性層と接する面から順に強磁性層と非磁性層を交互に3層以上積層した積層構造を有し、前記第1の非磁性層と接する強磁性層は、前記第1の強磁性層であり、
前記固定層を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合しており、
前記強磁性層と交互に積層された非磁性層が酸素を含む絶縁体、または、酸化マグネシウムである、ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 相互に平行に配置された複数のビット線と、前記ビット線と平行な方向に、互いに平行に配置された複数のソース線と、前記ビット線と交差する方向に、互いに平行に配置された複数のワード線と、前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置された磁気抵抗効果素子とを備え、
前記ビット線は前記磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続され、前記磁気抵抗効果素子の他端は選択トランジスタのドレイン電極に電気的に接続され、前記ソース線は前記選択トランジスタのソース電極に電気的に接続され、前記ワード線は前記選択トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を印加する機構を備えている磁気メモリにおいて、
前記磁気抵抗効果素子は請求項1から10のいずれか1項に記載の磁気抵抗効果素子であることを特徴とする磁気メモリ。 - 酸素を含む第1の非磁性層と、
前記第1の非磁性層に接して設けられ、Bと3d遷移金属であるFeとを含み、bcc(body-centered cubic)構造を有する強磁性材料から構成され、前記第1の非磁性層との界面の磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている第1の磁性層と、
を備える磁性膜。 - 請求項12に記載の磁性膜において、
前記第1の磁性層は、3nm以下の厚さを有する、磁性膜。 - 請求項12または13に記載の磁性膜において、
前記第1の磁性層は、CoとFeとBとを含むbcc構造を有する強磁性材料から構成され、
前記第1の非磁性層が酸化マグネシウムである、
ことを特徴とする磁性膜。 - 請求項12から14のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第1の非磁性層を介して前記第1の磁性層と対向して配置された第2の磁性層をさらに備える磁性膜。 - 請求項15に記載の磁性膜において、
前記第2の磁性層は、Bと3d遷移金属であるFeとを含み、bcc(body-centered cubic)構造を有する強磁性材料から構成され、前記第1の非磁性層との界面の磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている、磁性膜。 - 請求項15または16に記載の磁性膜において、
前記第2の磁性層は3nm以下の厚さを有する、磁性膜。 - 請求項15から17のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第2の磁性層は、CoとFeとBとを含む強磁性材料から構成され、
前記第1の非磁性層が酸化マグネシウムである、
磁性膜。 - 請求項15から18のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層の一方は、磁化の向きが固定の固定層、他方は、磁化の向きが変化する可変層として機能する、磁性膜。 - 請求項19に記載の磁性膜において、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層のうち前記固定層として機能する層の厚さは前記可変層として機能する層の厚さよりも大きい、磁性膜。 - 請求項15から20のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第2の磁性層の、前記第1の非磁性層と反対側の面に第2の非磁性層を備え、
前記第2の非磁性層は前記第2の磁性層の磁化の方向を制御するための制御層として作用する、磁性膜。 - 請求項12から21のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第1の磁性層の、前記第1の非磁性層と反対側の面に第3の非磁性層を備え、
前記第3の非磁性層は前記第1の磁性層の磁化の方向を制御するための制御層として作用する、磁性膜。 - 請求項12から22のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第1の磁性層の前記第1の非磁性層と反対側の面に反強磁性層が形成されている、磁性膜。 - 請求項15から21のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第2の磁性層の前記第1の非磁性層と反対側の面に反強磁性層が形成されている、磁性膜。 - 請求項12から24のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第1の非磁性層の上には、強磁性層と非磁性層を交互に3層以上積層した第1の積層構造が配置され、前記第1の非磁性層と接する強磁性層は、前記第1の磁性層である、磁性膜。 - 請求項25に記載の磁性膜において、
前記第1の積層構造を構成する非磁性層は、酸素を含む絶縁体、または、酸化マグネシウムである、磁性膜。 - 請求項25に記載の磁性膜において、
前記第1の積層構造を構成する非磁性層は、Ru,Rh,Vのうち少なくとも1つを含む、磁性膜。 - 請求項25から27のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第1の積層構造を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合している、磁性膜。 - 請求項15から21のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第1の非磁性層の上には、強磁性層と非磁性層を交互に3層以上積層した第2の積層構造が配置され、前記第1の非磁性層と接する強磁性層は、前記第2の磁性層である、磁性膜。 - 請求項29に記載の磁性膜において、
前記第2の積層構造を構成する非磁性層が、酸素を含む絶縁体、または、酸化マグネシウムである、ことを特徴とする磁性膜。 - 請求項29に記載の磁性膜において、
前記第2の積層構造を構成する非磁性層がRu,Rh,Vのうち少なくとも1つを含む、磁性膜。 - 請求項29から31のいずれか1項に記載の磁性膜において、
前記第2の積層構造を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合している、磁性膜。 - 酸素を含む非磁性層と、Bと3d遷移金属であるFeとを含み、bcc構造を有する強磁性材料から形成される磁性層と、を積層することにより、前記非磁性層と前記磁性層との界面の磁気異方性によって前記磁性層の磁化方向を膜面に対して垂直方向に制御する、磁性膜の製造方法。
- 請求項33に記載の磁性膜の製造方法において、
前記磁性層は3nm以下の厚さを有する、磁性膜の製造方法。 - 請求項33または34に記載の磁性膜の製造方法において、
前記磁性層の磁化の方向を膜面に平行から垂直に変化させる熱処理を施す工程をさらに含む、磁性膜の製造方法。 - 請求項33または34に記載の磁性膜の製造方法において、
前記磁性層は、熱処理による磁化の方向の変化によらず、前記非磁性層と前記磁性層との界面の磁気異方性によって垂直方向に制御されている、磁性膜の製造方法。 - 非磁性層と、Bと3d遷移金属であるFeとを含み、bcc構造を有する強磁性材料から形成される磁性層とを積層して構成することにより、前記非磁性層との界面の磁気異方性によって前記磁性層の磁化方向を膜面に対して垂直方向に制御し、
外部磁界または前記磁性層を流れる電流を制御することにより、磁性層の磁化の向きを制御する、
磁性膜の制御方法。
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