JP6119051B2 - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents
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Description
第1実施形態による磁気抵抗素子を図1に示す。図1は第1実施形態の磁気抵抗素子1の断面図である。この実施形態の磁気抵抗素子1はMTJ素子であって、下地層100上に、強磁性層2、非磁性層4(以下、トンネルバリア層4ともいう)、および強磁性層8がこの順序で積層された構造を有している。下地層100は、強磁性層2および強磁性層2より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられるが、詳細な性質については後述する。強磁性層2および強磁性層8の一方は、MnとGaを含む磁性層であり、Al、Ge、Ir、Cr、Co、Pt、Ru、Pd、Rh、Ni、Fe、Re、Au、Cu、B、C、P、Gd、Tb、Dyの群から選択される少なくとも1つの元素を含む磁性膜を含む。以下、この磁性膜をMnGaXと表記する。ここで、Xは、Al、Ge、Ir、Cr、Co、Pt、Ru、Pd、Rh、Ni、Fe、Re、Au、Cu、B、C、P、Gd、Tb、Dyのうち少なくとも1つの元素を表す。
第1実施形態では、下地層100上に、強磁性層2、非磁性層4、および強磁性層8がこの順序で積層された構造を有している。図2に示す第1実施形態の一変形例による磁気抵抗素子のように、下地層100上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層100上に、強磁性層8、非磁性層4、および強磁性層2がこの順序で積層された構造であってもよい。
図3に、第2実施形態による磁気抵抗素子1Aを示す。この磁気抵抗素子1Aは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1において、非磁性層4と強磁性層8との間に界面磁性層6を設けた構成になっている。このうち、強磁性層2、強磁性層8および界面磁性層6のうち少なくとも一つは、MnとGaを含む磁性層であり、Al、Ge、Ir、Cr、Co、Pt、Ru、Pd、Rh、Ni、Fe、Re、Au、Cu、B、C、P、Gd、Tb、Dyの群から選択される少なくとも1つの元素を含む磁性膜を含む。
第2実施形態では、下地層100上に、強磁性層2、非磁性層4、界面磁性層6、および強磁性層8がこの順序で積層された構造を有している。図4に示す第2実施形態の一変形例による磁気抵抗素子のように、下地層100上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層100上に、強磁性層8、界面磁性層6、非磁性層4、および強磁性層2がこの順序で積層された構造であってもよい。
図5に、第3実施形態による磁気抵抗素子1Bを示す。この磁気抵抗素子1Bは、図1に示す第1実施形態の磁気抵抗素子1において、強磁性層2と非磁性層4との間に界面磁性層3を挿入するとともに、非磁性層4と強磁性層8との間に界面磁性層6を挿入した構成となっている。このうち、強磁性層2、強磁性層8、界面磁性層3および界面磁性層6のうちの少なくとも1つは、MnとGaを含む磁性膜であり、Al、Ge、Ir、Cr、Co、Pt、Ru、Pd、Rh、Ni、Fe、Re、Au、Cu、B、C、P、Gd、Tb、Dyの群から選択される少なくとも1つの元素を含む磁性膜を含む。界面磁性層3および界面磁性層6の詳細な性質については後述する。
なお、第3実施形態では、下地層100上に、強磁性層2、界面磁性層3、非磁性層4、界面磁性層6、および強磁性層8がこの順序で積層された構造を有している。図6に示す第3実施形態の一変形例による磁気抵抗素子のように、下地層100上に、逆の順序で積層されていてもよい。すなわち、下地層100上に、強磁性層8、界面磁性層6、非磁性層4、界面磁性層3、および強磁性層2がこの順序で積層された構造であってもよい。
図7に、第4実施形態による磁気抵抗素子1Cを示す。この磁気抵抗素子1Cは、図5に示す第3実施形態の磁気抵抗素子1Bにおいて、強磁性層8上に非磁性層10、強磁性層11を積層した構成となっている。なお、本実施形態においては、例えば界面磁性層6と強磁性層8が参照層となっている。強磁性層11はバイアス層とも呼ばれ、強磁性層8とは、磁化の向きが反平行(逆向き)の磁化を有している。強磁性層11は、非磁性層10を介して強磁性層8と反強磁性結合(Synthetic Anti-Ferromagnetic結合)していてもよい。これにより、界面磁性層6と強磁性層8より成る参照層からの漏れ磁場による界面磁性層3と強磁性層2より成る記憶層の反転電流のシフトを緩和および調整することが可能となる。非磁性層10は、強磁性層8と強磁性層11とが熱工程によって混ざらない耐熱性、および強磁性層11を形成する際の結晶配向を制御する機能を具備することが望ましい。
Ms2×t2<Ms3×t3
なお、第4実施形態では、下地層100上に、強磁性層2、界面磁性層3、非磁性層4、界面磁性層6、強磁性層8、非磁性層10、および強磁性層11がこの順序で積層された上バイアス構造を有している。しかし、強磁性層11は下地層100下に積層されていてもよい。すなわち、図8に示す第5実施形態の一変形例による磁気抵抗素子1Dのように、強磁性層11上に、下地層100、強磁性層2、界面磁性層3、非磁性層4、界面磁性層6、および強磁性層8がこの順序で積層された下バイアス構造であってもよい。この場合、強磁性層2を参照層として用いることが好ましい。また、図9に示す第5実施形態の一変形例による磁気抵抗素子のように、積層順序は逆であってもよい。すなわち、下地層100、強磁性層11、非磁性層10、強磁性層8、界面磁性層6、非磁性層4、界面磁性層3、および強磁性層2の順序で積層されていてもよい。
次に、単結晶構造の磁性膜を有するMTJ素子(以下、単結晶MTJ素子ともいう)の製造方法について説明する。第1乃至第4実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗素子(MTJ素子)は、強磁性層2、強磁性層8、界面磁性層3、および界面磁性層6のうちの少なくとも一つが単結晶構造を備えていることが好ましい。これは、膜面内方向の結晶配向が一方向にそろった単結晶構造の磁性膜を形成することにより、膜面内の磁気結合が強くなることで磁気特性のばらつきを大幅に抑制できる。また、結晶粒界の形成が抑制されるので原子レベルで平坦であり且つ結晶性の良い磁性膜や絶縁層を形成できるので従来のMTJ素子に比べより大きな磁気抵抗比(MR比)が得られることも期待できる。したがって数十Gbitの大容量MRAMの実現のためには単結晶MTJ素子の製造が必要となる。
強磁性層2は垂直磁化を有し、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エネルギーKuを持ち、また、強磁性層8で用いる磁性材料よりも低い、保磁力や異方性磁界あるいは磁気摩擦定数を示す磁性材料であることが好ましい。更に高分極率を示す磁性材料であることが好ましい。
強磁性層8は膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有し、かつ飽和磁化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エネルギーKuを持ち、また、強磁性層2で用いる材料よりも高い、保磁力、異方性磁界、あるいは磁気摩擦定数を示す磁性材料であることが好ましい。更に高分極率を示す磁性材料であることが好ましい。
下地層100は、強磁性層2および強磁性層2より上の層の結晶配向性、結晶粒径などの結晶性を制御するために用いられる。そのため、下地層100の材料の選択が重要となる。以下に下地層100の材料および構成について説明する。なお、下地層としては、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、下地層に通電する場合には導電性材料を用いることが好ましい。
非磁性層4は、導電性および絶縁性のいずれでもよいが、絶縁材料から形成されたトンネルバリア層を用いることが好ましい。非磁性層4は、隣接する強磁性層または界面磁性層との適切な組み合わせにより、選択的なトンネル伝導と高い磁気抵抗比が実現できる。そのため、非磁性層4の材料の選択が重要となる。以下に非磁性層4の材料について説明する。
(a(MgO)−a(MnGa))/a(MnGa)×100
ここでa(MgO)、a(MnGa)はそれぞれ膜面内方向のMgOおよびMnGaの格子定数である。格子ミスマッチが大きいと、格子歪みによる界面エネルギーを低減させるために界面に転移などが生成される。その場合、結晶粒の間でエピタキシャル関係が成立し、膜面内にわたって均一にエピタキシャル成長させることは困難である。MTJ素子に電流を流すと転移が電子の散乱源になるために磁気抵抗比は低減されてしまう。したがって、転移を発生させず膜面内に均一にエピタキシャル成長させるためには、格子ミスマッチがより小さい材料で積層することが重要である。そのため、格子ミスマッチの観点から非磁性層としては、ペロブスカイト系酸化物、スピネル系酸化物、NaCl構造酸化物の順に適している。
界面磁性層3および界面磁性層6は垂直磁化膜であり、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。このような要請を満たす材料としてMnおよびGaを含むMnGaX合金磁性材料が考えられる。以下により具体的に説明する。
次に、第5実施形態によるスピン注入書き込み型の磁気メモリ(MRAM)について説明する。
2 記憶層
3 界面磁性層
4 非磁性層(トンネルバリア層)
6 界面磁性層
8 参照層
10 非磁性層
11 強磁性層(シフト磁界調整層)
20a、20b 金属接着層
200 単結晶基板
220 基板
Claims (12)
- 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、(MnxGay)100−zAlz(45atm%≦x≦75atm%、25atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、0atm%<z≦40atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、(MnxGay)100−zGez(45atm%≦x≦55atm%、45atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、20atm%≦z≦60atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、XをIr、Pt、Ru、Pd、Rh、およびReの群から選択された少なくとも1つの元素とするとき、(MnxGay)100−zXz(45atm%≦x≦75atm%、25atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、0atm<z≦10atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、(MnxGay)100−zCrz(45atm%≦x≦75atm%、25atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、0atm%<z≦10atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、XをNiおよびFeの群から選択された少なくとも1つの元素とするとき、(MnxGay)100−zXz(45atm%≦x≦75atm%、25atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、0atm%<z≦10atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、XをAuおよびCuの群から選択された少なくとも1つの元素とすると、(MnxGay)100−zXz(45atm%≦x≦75atm%、25atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、0atm%<z≦10atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、XをB、C、およびPの群から選択された少なくとも1つの元素とすると、(MnxGay)100−zXz(45atm%≦x≦75atm%、25atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、0atm%<z<20atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層は、XをGd、Tb、およびDyの群から選択された少なくとも1つの元素とすると、(MnxGay)100−zXz(45atm%≦x≦75atm%、25atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、0atm%<z≦30atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 前記第1磁性層と前記第1非磁性層との間、および前記第2磁性層と前記第1非磁性層との間の少なくとも一方に設けられた第3磁性層を更に備えている請求項1乃至8のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記第3磁性層はCo、Fe、およびNiの群から選択される少なくとも1つの元素を含む請求項9記載の磁気抵抗素子。
- 第1磁性層と、
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第1非磁性層と、
を備え、
前記第1磁性層と前記第1非磁性層との間に設けられた第3磁性層を更に備え、前記第1磁性層は、(MnxGay)100−zCoz(45atm%≦x≦75atm%、25atm%≦y≦55atm%、x+y=100atm%、0atm%<z≦10atm%)を含む磁気抵抗素子。 - 請求項1乃至11のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の前記第1磁性層と電気的に接続する第1配線と、
前記磁気抵抗素子の前記第2磁性層と電気的に接続する第2配線と、
を備えている磁気メモリ。
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