JP5794892B2 - 磁気メモリ - Google Patents
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Description
JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.42, NO.4, pp.830-838, 2007)において議論されている。
Motion)を用いてデータを書き込むことである。非特許文献2(A.Yamaguchi et al.,“Real-Space
Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”,
PHYSICAL REVIEW LETTERS,VOL.92,NO.7,077205,2004)で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、その磁壁は伝導電子の方向に移動する。従って、データ記憶層に書き込み電流を流すことにより、その電流方向に応じた向きに磁壁を移動させ、所望のデータを書き込むことが可能となる。電流誘起磁壁移動を利用したMRAMは、例えば、特開2005−191032号公報に開示されている。
motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy”, JOURNAL OF APPLIED
PHYSICS, VOL.103, 07E718, (2008))に開示されている。
and Coercivity of Co/Ni Multilayers, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL. 28,
NO. 5, pp.2760-2765, (1992))は、下地層無しでガラス基板の上に成膜をすると、面内方向に強い異方性が現れる事を開示しており、垂直磁気異方性を得るためには下地層が必要であると議論している。この文献は、好適な下地層として(111)配向性を有するAu膜を開示している。ここで、非特許文献4に開示されている下地層は、非磁性体であり、また、その膜厚が20nm以上と比較的厚いことに留意されたい。
とを備えている。第1磁性下地層は、Co又はFeを主成分として含み、且つ、Zr、Ta、W、Hf及びVからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含む。第1磁性下地層の膜厚は、0.5nm以上、3nm以下である。
図2は、本発明の第1の実施形態の磁気抵抗効果素子100の構成を示す概略断面図である。磁気抵抗効果素子100は、データ記憶層10と、スペーサ層20と、参照層30と、下地層40と、磁化固定層50a、50bとを備えている。
Tunnel Junction; MTJ)を形成している。すなわち、データ記憶層10(磁化自由領域13)、スペーサ層20、及び参照層30は、MTJにおけるフリー層、バリア層、及びピン層に相当する。
TMR effect)を利用して行われる。具体的には、データ読み出しのために、MTJ(データ記憶層10の磁化自由領域13、スペーサ層20、参照層30)を貫通する方向に、読み出し電流が流される。なお、読み出し電流の方向は任意である。磁気抵抗効果素子100にデータ“0”が記憶されている状態の場合、MTJの抵抗値は相対的に小さくなる。一方、データ“1”が記憶されている状態の場合、MTJの抵抗値は比較的大きくなる。従って、この抵抗値の値を検出することで、データを読み出すことができる。
study”,JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,VOL.95,NO.11,pp.7049-7051,2004.)に開示されているように、電流誘起磁壁移動は、パラメータ:gμBP/2eMsが大きいほど起こり易い。ここで、gはランデのg因子、μBはボーア磁子、Pはスピン分極率、eは電子の素電荷、Msは飽和磁化である。g、μB、eは物理定数であるので、書き込み電流を低減するためには、データ記憶層10の飽和磁化Msを小さく、スピン分極率Pを大きくすることが有効であることが分かる。
Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOL.68,
NO.5, pp.682-685,1992.)によれば、上述のような積層膜の垂直磁気異方性は、それら膜の界面における界面磁気異方性によって発現する。従って、データ記憶層10に良好な垂直磁気異方性を実現させるためには、上述の遷移金属系の交互積層膜が良好なfcc(111)配向で成長できるような「下地層」を設けることが好ましい。
いるような厚い非磁性膜を使用すると)、データ記憶層10と磁化固定層50a、50bとの間の磁気的結合が弱くなる。本実施形態の第1磁性下地層41と非磁性下地層42の組み合わせは、このような2つの要求を同時に実現することができる。
まず、第1磁性下地層41の磁気特性、及び、好適な膜厚範囲について述べる。前述したように、第1磁性下地層41は、図2に図示されているように、層間絶縁層60(SiN膜又はSiO膜)と接する部分と磁化固定層50a、50bと接する領域とに大別される。
続いて、上述したNiFeを主成分として含み、Zr、Ta、W、Hf、Vからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む第1磁性下地層41について、非磁性元素の添加量と結晶構造の関係についての実験結果について述べる。この実験では、NiFe母材に、Zr、Ta、W、Hf及びVのいずれかが添加された膜が形成され、形成された膜の結晶構造がX線回折装置を用いて調べられた。ここで主成分であるNiFe母材の組成比は、Ni:Fe=77.5:22.5であった。また、形成された膜の膜厚は、15nmであった。
続いて、データ記憶層10と磁化固定層50a、50bとの間の磁気的結合の強さと非磁性下地層42の膜厚の関係についての実験結果について述べる。この実験では、磁化固定層50a、50b、第1磁性下地層41、非磁性下地層42、第2磁性下地層43及びデータ記憶層10にそれぞれに対応する膜を備える積層構造が形成された。ここでは、磁化固定層50a、50bに対応する磁性膜としては、Co膜とPt膜が交互に積層されたCo/Pt積層膜が用いられた。また、第1磁性下地層41に対応する膜として膜厚1.5nmのNiFeZr膜、非磁性下地層42に対応する膜としてPt膜、第2磁性下地層43に対応する膜として膜厚0.4nmのCo膜と膜厚0.8nmのPt膜とが交互に複数回積層されたCo/Pt積層膜が用いられた。更に、データ記憶層10に対応する膜としては、膜厚0.3nmのCo膜と膜厚0.6nmのNi膜とが交互に5回積層されたCo/Ni積層膜が用いられた。上述した構成を有し、且つ、非磁性下地層42に対応するPt膜の膜厚が0.3nm〜5nmの範囲で異なる試料が作製され、その磁気特性が測定された。作成された各々の試料は真空中で350℃2時間のアニール処理を行っている。
更に、上述の下地層40が適用された磁気抵抗効果素子100の磁気的特性についての実験結果を述べる。この実験では、上述の下地層40が適用された磁気抵抗効果素子100が実際に作成され、データ記憶層10の磁気的特性が測定された。
Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”,IEEE TRANSACTIONS
ON MAGNETICS, VOL.45, NO.10, pp.3776-3779, (2009).)に記載されている。
図12は、本発明の第2の実施形態における磁気抵抗効果素子100Aの構成を示す断面図である。第2の実施形態の磁気抵抗効果素子100Aは、第1の実施形態の磁気抵抗効果素子100と類似した構造を有しているが、下地層の構造が異なっている。第1の実施形態では、下地層40の第1磁性下地層41が、本質的には強磁性を発現する材料で形成される一方で、強磁性を発現しないような膜厚で形成されている。一方、第2の実施形態では、下地層40Aの第1磁性下地層41Aが、本質的には面内磁気異方性を示す磁性材料で形成される一方で、垂直磁気異方性を発現するような薄い膜厚(具体的には、0.5nm〜3nm)で形成されている。第1磁性下地層41Aは、Co又はFeを主成分として含み、且つ、Zr、Ta、W、Hf及びVからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含むアモルファス磁性体として形成される。
まず、データ記憶層10、スペーサ層20、及び参照層30で構成される磁気トンネル接合のMR比の第1磁性下地層41及び41Aの材料に対する依存性を調べた。基板の上に層間絶縁層60に対応する絶縁膜が形成され、その上に、下地層40又は40A、データ記憶層10、スペーサ層20、及び参照層30が形成された。下地層40、40Aとしては、第1磁性下地層41、41Aと非磁性下地層42と第2磁性下地層43とが順次この順に形成された。
続いて、磁化固定層50a、50bとデータ記憶層10の結合状態の評価が行われた。基板の上に磁化固定層50a、50bに対応する磁性体膜が形成され、その上に、下地層40又は40Aとデータ記憶層10とが形成された。下地層40、40Aとしては、第1磁性下地層41、41Aと非磁性下地層42と第2磁性下地層43とが順次この順に形成された。
続いて、第1磁性下地層41Aの磁気特性、及び、好適な膜厚範囲について述べる。第1磁性下地層41Aの層間絶縁層60(SiN膜又はSiO2膜)に接した部分について考察するために、Si基板の表面にSiN膜が20nm成膜された基板上にCoTa膜が形成され、その磁化が測定された。成膜されたCoTa膜の膜厚は、0.5nm〜5nmの範囲にあった。また、成膜されたCoTa膜の組成は、Taが20(at%)であり、残部がCo母材であった。各々の試料は真空中で350℃2時間のアニール処理が行われている。
更に、上述された、第2の実施形態の第1磁性下地層41Aが適用された磁気抵抗効果素子における第2磁性下地層43の積層回数の効果が確かめられた。具体的には、次のような構造の試料が作成された。下地層40Aとしては、第1磁性下地層41Aと非磁性下地層42と第2磁性下地層43が順次この順に形成された。第1磁性下地層41Aとして膜厚1.5nmのCoTa膜、非磁性下地層42として膜厚2nmのPt膜が使用された。CoTa膜の組成は、Taが20(at%)であり、残部がCo母材であった。第2磁性下地層として膜厚0.4nmのCo膜と膜厚0.8nmのPt膜とが積層された積層磁性膜を用いた。またデータ記憶層10としては、膜厚0.3nmのCo膜と膜厚0.6nmのNi膜を交互に5回積層したCo/Ni積層膜を用いた。上述した構成において、第2磁性下地層43として用いたCo膜とPt膜の積層回数を0回〜4回の間で変化させた磁気抵抗効果素子100を作製した。なお、作製した試料の幅は100nmであった。また、これらの試料は、下地層40A及びデータ記憶層10を形成後に、真空中で350℃、2時間のアニール処理を行っている。
Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”,IEEE TRANSACTIONS
ON MAGNETICS, VOL.45, NO.10, pp.3776-3779, (2009).)に記載されている。
図19Aは、本発明の第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子100Bの構成を示す断面図であり、図19Bは、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁気記録層の構成を示す断面図である。ただし、図19Bは、図19AにおけるSS’断面図である。
図20A及び図20Bは、比較例の磁気抵抗効果素子300Bの構成を示す断面図及び側面図である。ただし、スペーサ層20及び参照層30は省略している。層間絶縁層60は、一例としてSiO2を用いた。また、データ記憶層10としては、一例として、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Pt膜10bと、CoとNiの積層膜[Co/Ni]n膜10aとを積層した[Co/Ni]n/Pt膜を用いた。なお、ここでは、更にキャップ層としてPt膜10cを積層した。
図21A及び図21Bは、図20A及び図20Bの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化M×膜厚t(任意単位)、横軸は印加磁場H(Oe)である。ここで、図21Aは、膜面に対し垂直に外部磁場Hを印加した場合の磁化曲線を示している。図21Bは、面内に対し平行に外部磁場Hを印加した場合の磁化曲線を示している。垂直磁場を印加したときの磁化曲線(垂直ループ:図21A)が立っていて、且つそのヒステリシスが大きく、一方で、面内磁場を印加したときの磁化曲線(面内ループ:図21B)が寝ていることがわかる。このことから、このデータ記憶層10の膜は垂直磁気異方性を有する。すなわち、NiFeZr膜上の[Co/Ni]n/Pt膜は垂直磁気異方性を有し、磁壁移動に適している可能性がある。
図22A及び図22Bは、図20A及び図20Bの構成を有するデータ記憶層の膜に熱処理を施した後に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化M×膜厚t(任意単位)、横軸は印加磁場H(Oe)である。ここで、図22Aは、膜面に対し垂直に外部磁場Hを印加した場合の磁化曲線(垂直ループ)を示している。図22Bは、面内に対し平行に外部磁場Hを印加した場合の磁化曲線(面内ループ)を示している。図21A及び図21Bと比較すると、垂直ループ(図22A)がやや倒れて斜めになり、面内ループ(図22B)が更に立って傾きが急になることがわかる。このことは、300℃の熱処理によりこのデータ記憶層10の膜の垂直磁気異方性が低下したことを示している。更に、図21Aと図22Aとを比較すると、図22Aの方がグラフの縦軸の値、すなわち飽和磁化と膜厚との積(Ms×t)が大きくなっている。これは、300℃の熱処理により面内磁気異方性を有するNiFeZr膜と[Co/Ni]n/Pt膜とが磁気的に結合することで磁化が増大したためである。また、磁気結合により垂直磁気異方性が低下したためと考えられる。
比較例2では、データ記憶層10の構成は比較例1と同様であるが、磁性下地層41としてTa膜を用いた点で、比較例1(磁性下地層41:NiFeZr膜)と異なっている。この場合、Co/Niがfcc(111)に配向する(垂直磁気異方性を有する)ために、Ta膜を用いた場合、膜厚として4.0nm以上が必要であった。この膜厚は、比較例1のNiFeZr膜の膜厚2.0nmと比較して2倍程度であり非常に厚い。このように非磁性体であるTa膜の膜厚が厚いため、比較例2では、磁化固定層50a、50bとデータ記憶層10との間で磁気結合が困難となった。そうなると、磁化固定領域11a、11bの磁化が固定されず、データ記憶層10でデータを記憶できなくなってしまう。
図23A及び図23Bは、実施例1の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図及び側面図である。ただし、スペーサ層20及び参照層30は省略している。層間絶縁層60は、一例としてSiO2を用いた。また、データ記憶層10としては、比較例1と同様に、垂直磁気異方性を有する材料の中で磁壁移動に適している材料である、Pt膜10bと、CoとNiの積層膜[Co/Ni]n膜10aとを積層した[Co/Ni]n/Pt膜を用いた。なお、ここでも、更にキャップ層としてPt膜10cを積層した。
図24A及び図24Bは、図23A及び図23Bの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化M×膜厚t(任意単位)、横軸は印加磁場H(Oe)である。ここで、図24Aは、膜面に対し垂直に外部磁場Hを印加した場合の磁化曲線(垂直ループ)を示している。図24Bは、面内に対し平行に外部磁場Hを印加した場合の磁化曲線(面内ループ)を示している。図21A、図21B、図22A及び図22Bと比較すると、面内ループが寝ていることから350℃熱処理後にも垂直磁気異方性が大きいことがわかる。また、図22Bと比較すると、図24Bの方が、飽和磁界Hs(図7参照)が高いことが分かる。すなわち、図24Bの方が、磁化の向きを外部磁界の方向に向けるのに必要な磁界が高い。従って、中間層42BであるTa膜を挿入した図23A及び図23Bのデータ記憶層10の方が、中間層42Bのない図20A及び図20Bのデータ記憶層10と比較して、データ記憶層10の垂直磁気異方性が大きいことが分かる。
ず、データ記憶層10でデータを記憶できなくなってしまう。加えて、磁性下地層41及び中間層42Bの膜厚が大きくなると、データ記憶層10を含めた書き込み電流の流れる経路が増えるため、製造ばらつき等を考慮すると、書き込み電流の制御が難しくなるおそれがある。したがって、Ta膜の膜厚は0.1nm以上2.0nm以下が好ましい。より好ましくは、0.2nm以上1.0nm以下である。
実施例2では、データ記憶層10の構成は実施例1と同様であるが、中間層42BとしてRu膜及びMg膜を用いた点で、実施例1(中間層42B:Ta膜)と異なっている。図26は、図23A及び図23Bの構成を有するデータ記憶層の膜に外部磁場を印加した場合の磁化曲線の一例を示すグラフである。縦軸は磁化M×膜厚t(任意単位)、横軸は印加磁場H(Oe)である。ここで、図26は、面内に対し平行に外部磁場Hを印加した場合の磁化曲線(面内ループ)を示している。図中の磁化曲線EがTa膜の場合(実施例1)、磁化曲線FがRu膜の場合、磁化曲線GがMg膜の場合をそれぞれ示している。ただし、Ru膜、Mg膜、Ta膜の膜厚はいずれも1.0nmとし、熱処理はいずれも行っていない。
上述の実施形態の磁気抵抗効果素子100、100A、100Bは、磁気メモリのメモリセルとして使用される。以下では、一実施形態における磁気メモリ及びメモリセルの構成を説明する。
10:データ記憶層
10a:[Co/Ni]n膜
10b、10c:Pt膜
11a、11b:磁化固定領域
12:磁壁
13:磁化自由領域
20:スペーサ層
30:参照層
40、40A、40B:下地層
41、41A:第1磁性下地層
42:非磁性下地層
42B:中間層
43:第2磁性下地層
50a、50b:磁化固定層
60:層間絶縁層
70:下地層
71:第1磁性下地層
72:非磁性下地層
80:メモリセル
90:磁気メモリ
91:メモリセルアレイ
92:Xドライバ
93:Yドライバ
94:コントローラ
200: 磁気抵抗効果素子
110:データ記憶層
111a、111b:磁化固定領域
112、112a、112b:磁壁
113:磁化自由領域
115a、115b:磁化固定層
120:スペーサ層
130:参照層
Claims (11)
- 垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、
層間絶縁層と、
前記磁化固定層と前記層間絶縁層の上面に形成された下地層と、
前記下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層と
を備え、
前記下地層は、
第1磁性下地層と、
前記第1磁性下地層の上に形成された非磁性下地層と
を備え、
前記第1磁性下地層は、NiFeを主成分として含み、且つ、Zr、Ta、W、Hf及びVからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含み、
前記第1磁性下地層の膜厚が0.5nm以上、3nm以下であり、
前記第1磁性下地層に含まれる前記少なくとも一の非磁性元素の添加量が10at%以上25at%以下である
磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリであって、
前記第1磁性下地層の膜厚が0.5nm以上、2nm未満である
磁気メモリ。 - 垂直磁気異方性を有し、磁化方向が固定された磁化固定層と、
層間絶縁層と、
前記磁化固定層と前記層間絶縁層の上面に形成された下地層と、
前記下地層の上面に形成された、垂直磁気異方性を有するデータ記憶層と
を備え、
前記下地層は、
第1磁性下地層と、
前記第1磁性下地層の上に形成された非磁性下地層と
を備え、
前記第1磁性下地層は、Co又はFeを主成分として含み、且つ、Zr、Ta、W、Hf及びVからなる群から選択された少なくとも一の非磁性元素を含み、
前記第1磁性下地層の膜厚が0.5nm以上、3nm以下である
磁気メモリ。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気メモリであって、
更に、前記非磁性下地層と前記データ記憶層の間に設けられた第2磁性下地層を備え、
前記第2磁性下地層は、Pt又はPdからなる層とFe、Co又はNiのいずれかからなる層とからなる積層膜が、少なくとも1つ積層されて構成されている
磁気メモリ。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層が、Pt、Au、Pd及びIrからなる群から選択された元素で構成された
磁気メモリ。 - 請求項5に記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層の膜厚が0.5nm以上、4.0nm未満である
磁気メモリ。 - 請求項1又は2に記載の磁気メモリであって、
前記非磁性下地層は、膜厚0.1nm以上2.0nm以下のTaである
磁気メモリ。 - 強磁性体の下地層と、
前記下地層上に設けられた非磁性体の中間層と、
前記中間層上に設けられ、垂直磁気異方性を有する強磁性体のデータ記憶層と、
非磁性層を介して前記データ記憶層に接続された参照層と、
前記下地層の下側に接して設けられた第1磁化固定層及び第2磁化固定層と
を具備し、
前記データ記憶層は、
反転可能な磁化を有し前記参照層とオーバーラップする磁化自由領域と、
前記磁化自由領域の第1境界に接続され、前記第1磁化固定層に磁化の向きが第1方向に固定された第1磁化固定領域と、
前記磁化自由領域の第2境界に接続され、前記第2磁化固定層に磁化の向きが前記第1方向と反平行な第2方向に固定された第2磁化固定領域と
を備え、
前記中間層は、膜厚0.1nm以上2.0nm以下のTaである
磁気メモリ。 - 請求項8に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層は、アモルファス又は微結晶構造である
磁気メモリ。 - 請求項8又は9に記載の磁気メモリにおいて、
前記下地層は、
Ni、Fe及びCoの少なくとも一つを主成分として含み、
Zr、Hf、Ti、V、Nb、Ta,W、B、Nからなる群から選択された少なくとも一種類の非磁性元素を含む
磁気メモリ。 - 請求項8乃至10のいずれか一項に記載の磁気メモリにおいて、
前記データ記憶層は、Fe、Co、Niのうちから選択された少なくとも一つの材料を含む第1層と、Fe、Co、Niのうちから選択された少なくとも一つの材料を含み前記第1層と異なる第2層とを積層させた積層膜をn層(nは自然数)重ねた積層体である
磁気メモリ。
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