JP6194752B2 - 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド - Google Patents
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Description
一方、コードストレージ用さらにはワーキングメモリへの展開を睨み、現在一般に用いられているNORフラッシュメモリ、DRAM等を置き換えるべく、半導体不揮発性メモリの開発が進められている。例えば、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)、MRAM(Magnetic Random Access Memory)、PCRAM(相変化RAM)等が挙げられる。これらのうち、一部はすでに実用化されている。
MRAMは、その高速動作と信頼性から、今後、コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されている。
これは、MRAMの記憶原理、すなわち、配線から発生する電流磁界によって磁化を反転させる、という方式に起因する本質的な課題である。
この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらない記憶(すなわち、磁化反転)方式が検討されており、中でもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である(例えば、特許文献1、2、3、非特許文献1、2参照)。
以下、スピントルク磁化反転を利用したMRAMを、STT−MRAM(Spin Torque Transfer based Magnetic Random Access Memory)と呼ぶ。なお、スピントルク磁化反転は、またスピン注入磁化反転と呼ばれることもある。
例えば非特許文献3によれば、Co/Ni多層膜などの垂直磁化膜を記憶層に用いることにより、反転電流の低減と熱安定性の確保を両立できる可能性が示唆されている。
そのため素子サイズの小型化(ひいてはメモリ容量の拡大化)を図る上で、微細デバイスにおけるメモリ動作の安定性を高めることが重要となる。
更に、前記磁化固定層内における前記中間層と接する一の強磁性層がCoFeBを有して構成されており、前記磁化固定層内における前記中間層と接しない他の強磁性層がいずれもPtとCoとYとを用いた合金又は積層構造とされており、前記非磁性層は、前記3層の強磁性層のうちのいずれか2層の強磁性層の間に位置しているものである。
つまり、STT−MRAM記憶素子において大きな結合磁界を有する積層フェリ構造の磁化固定層を用いることにより、スピントルク揺らぎ起因の書き込みエラーを低減させる。Yの添加により、Co−Pt単体を用いた場合よりも積層フェリ構造の結合磁界が高められる理由としては、例えば、YがCo−Yとなり、Co−Yに起因した垂直磁気異方性が発現したことが考えられる。
また、上記した本技術に係る記憶素子においては、前記Y元素の添加量が12at%(アトミックパーセント)以下であることが望ましい。
上記の積層フェリピン構造ではY添加量が12at%以下の範囲で、Yを添加しない場合よりも高い結合磁界が得られる。
また、上記した本技術に係る記憶素子においては、前記Y元素の添加量が1at%以上10at%以下であることが望ましい。
上記の積層フェリピン構造ではY添加量が1〜10at%の範囲でより高い結合磁界や好適な抵抗変化率が得られる。
この場合も、前記Y元素の添加量が12at%以下であることが望ましく、さらに前記Y元素の添加量が1at%以上10at%以下であることがより望ましい。
本技術に係る磁気ヘッドは、上述の記憶素子と同様の構成を備えた磁気ヘッドである。
また、本技術の記憶素子の構造を適用した本技術の磁気ヘッドによれば、熱安定性に優れた信頼性の高い磁気ヘッドを実現できる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
<1.実施の形態の記憶装置の構成>
<2.実施の形態の記憶素子の構成>
<3.実験結果>
<4.変形例>
まず、記憶装置の概略構成について説明する。
記憶装置の模式図を図1、図2及び図3に示す。図1は斜視図、図2は断面図、図3は平面図である。
すなわち、シリコン基板等の半導体基体10の素子分離層2により分離された部分に、各記憶素子3を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域8、ソース領域7、並びにゲート電極1が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極1は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線(ワード線)を兼ねている。
そして、ソース領域7と、上方に配置された、図1中左右方向に延びるビット線6との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子3が配置されている。この記憶素子3は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
この反転のための電流の絶対値は0.1μm程度のスケールの素子で1mA以下である。しかもこの電流値が素子体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。さらに、MRAMで必要であった記憶用電流磁界発生用のワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
このようなSTT−MRAMは、高速かつ書換え回数がほぼ無限大であるというMRAMの利点を保ったまま、低消費電力化、大容量化を可能とする不揮発メモリとして適している。
また、記憶素子3は、ビット線6とソース領域7とに、それぞれ上下のコンタクト層4を介して接続されている。
これにより、2種類のアドレス配線1、6を通じて、記憶素子3に上下方向(積層方向)の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層14の磁化M14の向きを反転させることができる。
記憶素子3は、その平面形状が、一例として円形状とされ、図2に示した断面構造を有する。
また、記憶素子3は、図2に示したように磁化固定層12と記憶層14とを有している。
そして、各記憶素子3によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
MTJ構造を採用するメリットは、大きな磁気抵抗変化率を確保して、読み出し信号を大きくできる点にある。
STT−MRAMの大容量化を進めた場合、記憶素子3の体積は一層小さくなるので、メモリ動作の安定性の確保は重要な課題となる。
続いて、実施の形態の記憶素子3の構成を図4を参照して説明する。
図4Aに示すように、記憶素子3は、下地層11の上に、磁化M12の向きが固定された磁化固定層(参照層とも呼ばれる)12、中間層(非磁性層:トンネル絶縁層)13、磁化M14の向きが可変である記憶層(自由磁化層)14、キャップ層15が同順に積層されている。
磁化固定層12は、記憶層14に記憶された情報の基準となる、膜面に垂直な磁化M12を有する。磁化固定層12は、高い保磁力等によって、磁化M12の向きが固定されている。
中間層13は、非磁性体であって、記憶層14と磁化固定層12の間に設けられる。
そして記憶層14、中間層13、磁化固定層12を有する層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、記憶層14の磁化の向きが変化して、記憶層14に対して情報の記憶が行われる。
下地層11、キャップ層15は電極として用いられ、又、保護層としても機能する。
電子は2種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。非磁性体内部では両者が同数であり、強磁性体内部では両者の数に差がある。STT−MRAMを構成する2層の強磁性体である磁化固定層12及び記憶層14において、互いの磁気モーメントの向きが反方向(反平行)状態のときに、電子を磁化固定層12から記憶層14への移動させた場合について考える。
磁化固定層12を通過した電子はスピン偏極、すなわち上向きと下向きの数に差が生じる。非磁性層である中間層13の厚さが充分に薄く構成されていると、磁化固定層12の通過によるスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極(上向きと下向きが同数)状態になる前に他方の磁性体、すなわち記憶層14に電子が達する。
記憶層14では、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために一部の電子は反転、すなわちスピン角運動量の向きを変えさせられる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が記憶層14の磁気モーメントにも与えられる。
角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがあるしきい値を超えると記憶層14の磁気モーメントは歳差運動を開始し、その一軸異方性により180度回転したところで安定となる。すなわち反方向状態から同方向(平行)状態への反転が起こる。
実効的な異方性磁界Hkには、形状磁気異方性、誘導磁気異方性、結晶磁気異方性等の影響が取り込まれており、単磁区の一斉回転モデルを仮定した場合、これは保磁力と同等となる。
この場合、記憶素子3に流れる電流は、選択トランジスタで流すことが可能な電流(選択トランジスタの飽和電流)の大きさによって制限される。
記憶電流を低減させるためには、上述のように垂直磁化型を採用することが望ましい。また垂直磁化膜は一般に面内磁化膜よりも高い磁気異方性を持たせることが可能であるため、上述のΔを大きく保つ点でも好ましい。
これに対し、界面磁気異方性を利用した材料、すなわちトンネルバリアであるMgO上にCo系あるいはFe系材料を積層させたものは上記いずれの問題も起こり難く、そのため、STT−MRAMの記憶層材料として有望視されている。
さらに、選択トランジスタの飽和電流値を考慮して、記憶層14と磁化固定層12との間の非磁性の中間層13として、絶縁体から成るトンネル絶縁層を用いて磁気トンネル接合(MTJ)素子を構成する。
そして、特に、このトンネル絶縁層としての中間層13の材料として、酸化マグネシウム(MgO)を用いることにより、磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができる。
また、一般に、スピントルクの伝達効率はMR比に依存し、MR比が大きいほど、スピントルクの伝達効率が向上し、磁化反転電流密度を低減できる。
従って、トンネル絶縁層の材料として酸化マグネシウムを用い、同時に上記の記憶層14を用いることにより、スピントルク磁化反転による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み(記憶)を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
これにより、MR比(TMR比)を確保して、スピントルク磁化反転による書き込み閾値電流を低減することができ、少ない電流で情報の書き込み(記憶)を行うことができる。また、読み出し信号強度を大きくすることができる。
このようにトンネル絶縁層を酸化マグネシウム(MgO)膜により形成する場合には、MgO膜が結晶化していて、(001)方向に結晶配向性を維持していることがより望ましい。
なお、本実施の形態において、記憶層14と磁化固定層12との間の中間層13は、上述のように酸化マグネシウムから成る構成とする他にも、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3、Al−N−O等の各種の絶縁体、誘電体、半導体を用いて構成することもできる。
そして、MgO膜から成るトンネル絶縁層では、面積抵抗値を上述の範囲とするために、MgO膜の膜厚を1.5nm以下に設定することが望ましい。
このキャップ層15は酸化物で構成される。
キャップ層15の酸化物としては、例えばMgO、酸化アルミニウム、TiO2、SiO2、Bi2O3、SrTiO2、AlLaO3、Al−N−O等を用いる。
このため本実施の形態としても、磁化固定層12を積層フェリピン構造とする。すなわち、例えば図4Bのように、磁化固定層12は、少なくとも2層の強磁性層12a,12cと、非磁性層12bとから成る積層フェリピン構造である。
これにより強磁性層12cとしてCo−Pt単体を用いた場合よりも積層フェリピン構造の結合磁界が高められ、抵抗変化率を損なうことなくメモリの情報書き込み動作を安定させることができる。
本実施の形態において磁化固定層12中で中間層13と接しない強磁性層12cの磁性材料としてCo−Ptを選定した理由の1つとして、比較的容易に高い垂直磁気異方性エネルギーを有する薄膜が作成可能であることが挙げられる。
一方で、高い垂直磁気異方性エネルギーを有する材料としてCo−希土類系[Y,ランタノイド]が存在する。
Co−PtとCo−希土類系材料において高い垂直磁気異方性エネルギーが発現する起源は異なると考えられるが、希土類系材料の中で、周期律表の観点からCoと最も近い存在であるYであれば、Co−Pt中で高い垂直磁気異方性を発現させているCoの状態を乱すことなく、Co−希土類系に起因した高い垂直磁気異方性が付与できると推定され得る。
すなわち、磁化固定層12は、少なくとも2層の強磁性層12a,12cと、非磁性層12bとから成る積層フェリピン構造を有している。
この磁化固定層12中の磁性材料のうち、中間層13と接する強磁性層12aの磁性材料はCoFeBとされる。
また中間層13と接しない強磁性層12cの磁性材料は、PtとCoとを用いた合金又は積層構造とされ、且つYが添加されているものとする。つまりCo−Pt単体を用いた場合よりも積層フェリピン構造の結合磁界が高められるようにする。
Yの添加により積層フェリピン構造の結合磁界が高められた理由としては、例えば上述のように、YがCo−Yとなり、Co−Yに起因した垂直磁気異方性が発現した、といったことが推定し得る。
このような構成により、磁化固定層12における積層フェリピン構造の結合磁界を高めることができ、抵抗変化率を犠牲にすることなくスピントルク揺らぎ起因の書き込みエラーを低減させることにより、微細デバイスにおけるメモリの情報書き込み動作の安定性を高めることができる。
従って、安定して動作する、信頼性の高い記憶装置を実現できる。
このように書き込み電流の低減が図られることで、記憶素子3に書き込みを行う際の消費電力を低減することができる。
従って、記憶装置を製造する際に、一般の半導体MOS形成プロセスを適用できるという利点を有している。すなわち、本実施の形態の記憶装置を、汎用メモリとして適用することが可能になる。
異種元素の添加により、拡散の防止による耐熱性の向上や磁気抵抗効果の増大、平坦化に伴う絶縁耐圧の増大などの効果が得られる。この場合の添加元素の材料としては、B、C、N、O、F、Li、Mg、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ge、Nb、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、Ir、Pt、Au、Zr、Hf、W、Mo、Re、Os又はそれらの合金および酸化物を用いることができる。
特に複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層させた構成としたときには、強磁性層の層間の相互作用の強さを調整することが可能になるため、磁化反転電流が大きくならないように抑制することが可能になるという効果が得られる。この場合の非磁性層の材料としては、Ru,Os,Re,Ir,Au,Ag,Cu,Al,Bi,Si,B,C,Cr,Ta,Pd,Pt,Zr,Hf,W,Mo,Nb,V,又はそれらの合金を用いることができる。
磁化固定層12及び記憶層14のそれぞれの膜厚は、0.5nm〜30nmであることが望ましい。
例えば記憶素子3の面積は、0.01μm2以下とすることが望ましいものとなる。
例えば、磁性体に、Ag,Cu,Au,Al,Si,Bi,Ta,B,C,O,N,Pd,Pt,Zr,Ta,Hf,Ir,W,Mo,Nb,V,Ru,Rh等の非磁性元素を添加して、磁気特性を調整したり、その他の結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整したりすることができる。
また、記憶素子3の膜構成(層構造)は、記憶層14が磁化固定層12の下側に配置される構成でも問題ない。
[実験1]
本実施の形態の記憶素子3について、この実験1においては、磁化固定層12の磁化反転特性を調べる目的で、記憶素子3から記憶層14を除いた構成の試料のみ形成したウェハを用いて磁気特性を調べた。
具体的には、厚さ0.725mmのシリコン基板上に、厚さ300nmの熱酸化膜を形成し、その上に図5に示す構造による記憶素子3を形成した。
・磁化固定層12:Y添加CoPt:2nm/Ru:0.8nm/CoFeB:2nmの積層膜。
・磁化固定層12中の垂直磁化膜はYをxat%添加した膜厚2nmのCoPt膜であり、“x”は0から15at%の範囲に設定した。
・下地層11:膜厚10nmのTa膜と膜厚25nmのRu膜の積層膜
・中間層(トンネル絶縁層)13:膜厚0.9nmの酸化マグネシウム膜
・キャップ層15:Ru:3nm/Ta:3nmの積層膜
磁化固定層12のCoFeB合金の組成は、CoFe80%(Co30%−Fe70%)−B20%(いずれもat%)とした。
酸化マグネシウム(MgO)膜から成る中間層13は、RFマグネトロンスパッタ法を用いて成膜し、その他の膜はDCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
本実施の形態の記憶素子3の全体構成について、この実験2においては、抵抗変化率を調べる目的で、記憶素子3のみを形成したウェハを用いて抵抗変化率、情報書き込みエラー率[Write Error Rate:WER]を調べた。
具体的には、厚さ0.725mmのシリコン基板上に、厚さ300nmの熱酸化膜を形成し、その上に図6に示す構造による記憶素子3を形成した。
図6に示されているように、磁化固定層12を構成する各層の材料及び膜厚は以下のように選定した。
・磁化固定層12:Y添加CoPt:2nm/Ru:0.8nm/CoFeB:2nmの積層膜。
・磁化固定層12中の垂直磁化膜はYをxat%添加した膜厚2nmのCoPt膜であり、“x”は0から15at%の範囲に設定した。
磁化固定層12以外の各層の材料及び膜厚は以下のように選定した。
・下地層11:膜厚10nmのTa膜と膜厚25nmのRu膜の積層膜
・中間層(トンネル絶縁層)13:膜厚0.9nmの酸化マグネシウム膜
・記憶層14:CoFeB:1.5nm
・キャップ層15:Ru:3nm/Ta:3nmの積層膜
本実験において、抵抗変化率の測定は、直径50nmΦの大きさの素子に加工した後に行った。抵抗変化率(%):TMRは、記憶層14と磁化固定層12の磁化が平行[P]と反平行[AP]状態の場合の抵抗差から、
TMR(%)=(RAP−RP)/RP×100
という式で算出した。(RPは平行状態の抵抗値、RAPは反平行状態の抵抗値)
図7によると、積層フェリピン構造の結合磁界はCo−Pt単体を用いた場合、6.5kOeである(図7B)。これに対して、図7Aに“●”及び左縦軸で示すように、YをCo−Ptに1at%添加することにより、積層フェリピン構造の結合磁界は8.85kOeになり、約35%増加することが確認出来た。さらに、Y添加濃度が10at%までの範囲では、大きな積層フェリピン構造の結合磁界が維持されることが分かった。
Yの添加により積層フェリピン構造の結合磁界が高められた理由としては、上述のように、YがCo−Yとなり、Co−Yに起因した垂直磁気異方性が発現したと推定し得る。
本実験により、Co−PtにYを加えることで、積層フェリピン構造の結合磁界を著しく高める効果があることが実証された。
以上の実験結果から、Co−PtへのY添加は磁化固定層の積層フェリピン構造の結合磁界を高めるのに好適な添加元素であることが示された。
図7Aに■及び右縦軸で示すように、抵抗変化率(TMR)はY添加濃度が10at%以下の時に約135%程度で一定であるが、12at%まで添加されると100%以下まで大きく低下していることが分かる。
このようなTMRの低下はYの過剰添加による積層フェリピン構造の結合磁界の低下と対応している。
その結果、この積層フェリピン構造の結合磁界の大きさは、微小なデバイスにおいては情報書き込みエラー特性にも大きな影響を与え、大きな積層フェリピン構造の結合磁界が得られているY添加量=1〜10at%の範囲において、WERが10の−7乗となる反転電圧を小さく抑えられることが判明した。
実際のメモリ動作時に求められるWERは回路などにも依存するが10の−7乗以下が想定される。従って、低WERでの動作特性は極めて重要である。
STT−MRAMでは情報の書き込み時にスピントルクを利用している。このトルクの影響は主として記憶層14で観測されるが、磁化固定層12にも影響を与える。ここで、デバイスサイズが大きい場合は、記憶層14、磁化固定層12の磁化は熱揺らぎに対して高い安定性を保っているために、磁化固定層12が受けるスピントルクの影響は無視出来る。
しかしながら、デバイスサイズが例えば50nm以下のような大きさになると熱揺らぎの影響とスピントルクの影響が重畳されるために磁化固定層12が受けるスピントルクの影響も無視出来なくなる。
特に、低WERの領域では磁化固定層12が受けるスピントルクの影響は顕在化し、磁化固定層12の積層フェリピン構造の結合磁界を十分に大きくしなければ、動作電圧の増加、すなわち消費電力の増加、メモリ動作の信頼性低下といった形で悪影響を受けることになる。
従って、Yを1〜10at%添加したCo−Ptを用いた磁化固定層を有し、積層フェリピン構造の結合磁界を高めたデバイスを用いた場合、磁化固定層12が受けるスピントルクの影響を軽微に止めることが可能となったため、低WERでのメモリ動作電圧を低く抑えることが出来たと推定され得る。
特には、Y元素の添加量が12at%(アトミックパーセント)以下であることが望ましい。図7Aに示した実験結果により、積層フェリピン構造ではY添加量が12at%以下の範囲で、Yを添加しない場合よりも高い結合磁界が得られるためである。
またさらにY元素の添加量が1at%以上10at%以下であることが望ましい。積層フェリピン構造ではY添加量が1〜10at%の範囲でより高い結合磁界が得られ、また望ましい抵抗変化率が得られるためである。WERについても好適である。
図8Aは、図4Aと同様の記憶素子3の構造を示している。この場合の磁化固定層12の他の構造を図8B〜図8Eに例示した。
強磁性層12A−1はCoFeB、強磁性層12A−2はY添加CoPt、非磁性層12BはRu、強磁性層12A−3はCoPtとしている。
図8Cも図8Bと同じく、中間層13側からみて順に強磁性層12A−1、12A−2、非磁性層12B、強磁性層12A−3を有する構成例であり、この場合は強磁性層12A−2、12A−3の両方をY添加CoPtとした例である。
強磁性層12A−1はCoFeB、強磁性層12A−2はY添加CoPt、非磁性層12BはRu、強磁性層12A−3はCoPtとしている。
図8Eも図8Dと同じく、中間層13側からみて順に強磁性層12A−1、非磁性層12B−1、強磁性層12A−2、非磁性層12B−2、強磁性層12A−3というように強磁性層と非磁性層を交互に積層した構成例である。この場合は強磁性層12A−2、12A−3の両方をY添加CoPtとした例である。
また、非磁性層12B、12B−2のRuに代えてOs,Rh,Ir,Cu,Ag,Au,Re,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wの単体、2種類以上の元素の積層膜、もしくは合金を用いることも出来る。
図8のいずれの例も、磁化固定層12が少なくとも2層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリピン構造を有し、磁化固定層12内における、中間層13とは接しない磁性材料が、PtとCoとを用いた合金又は積層構造にYが添加されているものである。これにより磁化固定層12の積層フェリピン構造の結合磁界を高め、抵抗変化率を犠牲にすることなくスピントルク揺らぎ起因の書き込みエラーを低減させる。結果、微細デバイスにおけるメモリの情報書き込み動作の安定性を高めることができる。
なお、以上の実施の形態では磁化固定層12内における、PtとCoとを用いた合金又は積層構造であってYを含む磁性材料の例を述べたが、これに該当する構造として、PtとCoとYが積層構造であってもよい。即ち図4の強磁性層12cや、図8B〜図8Eの強磁性層12A−2、12A−3等において、Pt層、Y層、Co層が積層された構造も考えられる。
さらにPtとCoとを用いた合金又は積層構造であってYを含む磁性材料を中間層13と接する磁性材料として用いることも考えられる。
以上、本技術に係る実施の形態について説明したが、本技術は上記により例示した具体例に限定されるべきものではない。
例えば、本技術に係る記憶素子の構造は、TMR素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このTMR素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
第1の磁気シールド125は、磁気抵抗効果素子101の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ni−Fe等のような軟磁性材からなる。この第1の磁気シールド125上に、絶縁層123を介して磁気抵抗効果素子101が形成されている。
この磁気抵抗効果素子101は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子101の両端にはバイアス層128,129が配されている。またバイアス層128,129と接続されている接続端子130,131が形成されている。接続端子130,131を介して磁気抵抗効果素子101にセンス電流が供給される。
さらにバイアス層128,129の上部には、絶縁層123を介して第2の磁気シールド層127が設けられている。
上層コア132は、第2の磁気シールド127と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ni−Fe等のような軟磁性材からなる。ここで、第2の磁気シールド127及び上層コア132は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第2の磁気シールド127及び上層コア132が互いに接するように形成されている。ここで、第2の磁気シールド127及び上層コア132の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第2の磁気シールド127及び上層コア132が所定の間隙gをもって離間するように形成されている。
すなわち、この複合型磁気ヘッド100において、第2の磁気シールド127は、磁気抵抗効果素子126の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第2の磁気シールド127と上層コア132によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙が、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
このように本技術の記憶素子としての積層構造体を磁気ヘッドに適用することで、安定性に優れた信頼性の高い磁気ヘッドを実現できる。
この図10では下部磁化固定層12Lの磁化M12Lの向き、及び上部磁化固定層12Uの磁化M12Uの向きも併せて示しているが、この場合はこれら磁化M12Lと磁化M12Uの向きを逆向きとすることになる。
またこの場合、下部中間層13L,上部中間層13Uは、中間層13と同様にMgO等の酸化膜で構成する。
添加する元素の例としては、Ta、Hf、Nb、Zr、Cr、Ti、V、W、酸化物の例としてはMgO、AlO、SiO2を挙げることができる。
また磁化固定層12は積層フェリ構造に限定されない。
また本技術は、いわゆるトップ積層フェリ型のSTT−MRAMにも適用可能なものであり、その場合もY添加Co―Ptを用いることで同様にメモリ動作安定性の向上効果を得ることができる。
(1)膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
前記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
を有する層構造を備え、
前記層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記憶が行われるとともに、
前記磁化固定層が少なくとも2層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリ構造を有しており、
前記磁化固定層における磁性材料として、PtとCoとを用いた合金又は積層構造であってYを含む磁性材料が用いられている
記憶素子。
(2)前記磁化固定層内において前記中間層とは接しない磁性材料として、PtとCoとを用いた合金又は積層構造とされ且つYを含むが磁性材料が用いられている
上記(1)に記載の記憶素子。
(3)前記Y元素の添加量が12at%以下である
上記(2)に記載の記憶素子。
(4)前記Y元素の添加量が1at%以上10at%以下である
上記(2)又は(3)に記載の記憶素子。
(5) 前記磁化固定層内における、前記中間層と接する磁性材料がCoFeB磁性層で構成されている
上記(2)乃至(4)のいずれかに記載の記憶素子。
(6)膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
前記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
を有する層構造を備え、
前記層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記憶が行われるとともに、
前記磁化固定層における磁性材料として、PtとCoとを用いた合金又は積層構造であってYを含む磁性材料が用いられている
記憶素子。
(7)前記Y元素の添加量が12at%以下である
上記(6)に記載の記憶素子。
(8)前記Y元素の添加量が1at%以上10at%以下である
上記(6)又は(7)に記載の記憶素子。
(9)情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、
互いに交差する2種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、
膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
前記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
を有する層構造を備え、
前記層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記憶が行われるとともに、
前記磁化固定層が少なくとも2層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリ構造を有しており、
前記磁化固定層における磁性材料として、PtとCoとを用いた合金又は積層構造であってYを含む磁性材料が用いられており、
前記2種類の配線の間に前記記憶素子が配置され、
前記2種類の配線を通じて、前記記憶素子に上記積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入される
記憶装置。
(10)膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
前記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
を有する層構造を備え、
前記層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化するとともに、
前記磁化固定層が少なくとも2層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリ構造を有しており、
前記磁化固定層における磁性材料として、PtとCoとを用いた合金又は積層構造であってYを含む磁性材料が用いられている
磁気ヘッド。
Claims (5)
- 膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
前記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
を有する層構造を備え、
前記層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記憶が行われるとともに、
前記磁化固定層が3層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリ構造を有しており、
前記磁化固定層内における前記中間層と接する一の強磁性層がCoFeBを有して構成されており、
前記磁化固定層内における前記中間層と接しない他の強磁性層がいずれもPtとCoとYとを用いた合金又は積層構造とされており、
前記非磁性層は、前記3層の強磁性層のうちのいずれか2層の強磁性層の間に位置している
記憶素子。 - 前記Y元素の添加量が12at%以下である
請求項1に記載の記憶素子。 - 前記Y元素の添加量が1at%以上10at%以下である
請求項1に記載の記憶素子。 - 情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶素子と、
互いに交差する2種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、
膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
前記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
を有する層構造を備え、
前記層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記憶が行われるとともに、
前記磁化固定層が3層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリ構造を有しており、
前記磁化固定層内における前記中間層と接する一の強磁性層がCoFeBを有して構成されており、
前記磁化固定層内における前記中間層と接しない他の強磁性層がいずれもPtとCoとYとを用いた合金又は積層構造とされており、
前記非磁性層は、前記3層の強磁性層のうちのいずれか2層の強磁性層の間に位置しており、
前記2種類の配線の間に前記記憶素子が配置され、
前記2種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れ、スピン偏極した電子が注入される
記憶装置。 - 膜面に垂直な磁化を有し、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
前記記憶層に記憶された情報の基準となる膜面に垂直な磁化を有する磁化固定層と、
前記記憶層と前記磁化固定層の間に設けられる非磁性体による中間層と、
を有する層構造を備え、
前記層構造の積層方向にスピン偏極した電子を注入することにより、前記記憶層の磁化の向きが変化するとともに、
前記磁化固定層が3層の強磁性層と、非磁性層とから成る積層フェリ構造を有しており、
前記磁化固定層内における前記中間層と接する一の強磁性層がCoFeBを有して構成されており、
前記磁化固定層内における前記中間層と接しない他の強磁性層がいずれもPtとCoとYとを用いた合金又は積層構造とされており、
前記非磁性層は、前記3層の強磁性層のうちのいずれか2層の強磁性層の間に位置している
磁気ヘッド。
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