JP6355162B2 - ハーフメタル強磁性体接合構造、これを用いた５層磁気トンネル接合素子、及び磁気メモリ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハーフメタル強磁性体（ＨＭＦ）層を含むハーフメタル強磁性体接合構造、これを用いた５層磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子、及び磁気メモリ（ＭＲＡＭ）装置に関する。

一般に、強磁性体層においては、図１の（Ａ）に示すように、アップスピン及びダウンスピンがフェルミレベルＥ_Ｆまで占有しており、この結果、スピン分極により占有状態数に差を生じ、そのスピン分極率Ｐは、
Ｐ＝（Ｄ_↑（Ｅ_Ｆ）−Ｄ_↓（Ｅ_Ｆ））／（Ｄ_↑（Ｅ_Ｆ）＋Ｄ_↓（Ｅ_Ｆ））
で与えられる。これに対し、ハーフメタル強磁性体（ＨＭＦ）層たとえばＣｏ_２ＭｎＳｉ等よりなるフルホイスラー合金層においては、図１の（Ｂ）に示すように、アップスピンは金属的バンド構造を有するが、ダウンスピンはフェルミレベルＥ_Ｆ近傍でエネルギーギャップが存在する半導体的バンド構造を有する。この結果、スピン分極率Ｐは、
Ｐ＝Ｄ_↑（Ｅ_Ｆ）／Ｄ_↑（Ｅ_Ｆ）
＝１
で与えられ、理論的に１００％となる。

従って、上述のハーフメタル強磁性体層を磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子に適用すると、大きなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を期待できる。

従来の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）装置の１セルは、１つの３層ＭＴＪ素子及び１つのトランジスタよりなる。３層ＭＴＪ素子はトンネル障壁層を挟んだ２つの磁性層よりなる３層構造をなし、トンネル障壁層の上側磁性層は、磁化方向が自由な方向になるので、フリー層と呼ばれ、他方、トンネル障壁層の下側磁性層は、磁化が特定方向に固定されているので、ピン層と呼ばれる。この場合、ピン層の磁化方向に対するフリー層の磁化方向が平行か反平行かに応じて３層ＭＴＪ素子は低磁気抵抗状態（たとえば記憶状態“０”に相当）か高磁気抵抗状態（たとえば記憶状態“１”に相当）かになる。

従って、上述のＭＲＡＭ装置の集積度はピン層にハーフメタル強磁性体層を適用することによって向上できる（参照：特許文献１、２）。

さらに、ＭＲＡＭ装置においては、書込み動作時に偏極したスピン流を３層ＭＴＪ素子に流すことによってフリー層の磁化方向を反転させるスピントランスファトルク（ＳＴＴ）方式を採用することにより、低消費電力化や集積度の向上に寄与することができる。

さらにまた、ＭＲＡＭ装置においては、磁性層の垂直方向の磁化を利用した垂直磁化方式を採用して、フリー層の磁化方向の反転を少ない電流で行えるようにすることにより、集積度の向上に寄与できる。

このように、ハーフメタル強磁性体層を用いたＳＴＴ−垂直磁化型ＭＲＡＭ装置により集積度の向上が期待できる。

特開２００１−２５７３９５号公報 特開２０１１−１４１９３４号公報

しかしながら、ハーフメタル強磁性体層の状態密度及びバンド構造はその成分固有で変化しないと考えられ、従って、ハーフメタル強磁性体層のスピン分極率は固定と考えられる。この結果、上述の従来のハーフメタル強磁性体層を適用した３層ＭＴＪ素子を含むＭＲＡＭ装置は２値メモリセル構造を維持し、集積度の向上に限界があるという課題がある。

従って、本発明はハーフメタル強磁性体層のスピン分極率を変調できるハーフメタル強磁性体接合構造、及びこれを用いたＭＴＪ素子を提供することを目的とする。
また、本発明はＭＴＪ素子を含むＭＲＡＭ装置に４値以上の多値記憶を実現できるメモリセル構造を提供してＭＲＡＭ装置の集積度を向上させることも目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明に係るハーフメタル強磁性体接合構造は、ハーフメタル強磁性体層と、ハーフメタル強磁性体層の下に設けられた強誘電体層と、強誘電体層の下に設けられた導電層とを具備し、強誘電体層の分極によってハーフメタル強磁性体層のスピン分極率を変調するものである。この場合、強誘電体層の分極はハーフメタル強磁性体層内の強誘電体層との界面に少数スピンキャリアを誘起させる。
また、本発明に係る５層ＭＴＪ素子は、金属強磁性体層と、金属強磁性体層の下に設けられたトンネル障壁層と、トンネル障壁層の下に設けられたハーフメタル強磁性体層と、ハーフメタル強磁性体層の下に設けられた強誘電体層と、強誘電体層の下に設けられた導電層とを具備し、強誘電体層の分極によってハーフメタル強磁性体層のスピン分極率を変調するものである。この場合、強誘電体層の分極はハーフメタル強磁性体層内の強誘電体層との界面に少数スピンキャリアを誘起させる。

さらに、本発明に係るＭＲＡＭ装置は、上述の５層ＭＴＪ素子と、金属強磁性体層に接続されたビット線と、導電層に接続されたセンス線とを具備し、金属強磁性体層の磁化方向と強誘電体層の分極の方向及び大きさとの組合せにより４値以上の多値記憶情報を記憶するものである。

また、強誘電体層は強誘電性及び反強磁性の２つの特性を兼ね備えるマルチフェロイック層に置換し得る。マルチフェロイック層を用いた場合には、ハーフメタル強磁性体層の磁化の一方向異方性が導かれる。この結果、ハーフメタル強磁性体層の垂直磁化を固定し、ハーフメタル強磁性体層は磁化固定層（ピン層）として効率よく作用する。

ハーフメタル強磁性体層のスピン分極率を変調することができる。また、５層ＭＴＪ素子を含むＭＲＡＭ装置の４値以上の多値記憶メモリセル構造を実現できるので、ＭＲＡＭ装置の集積度を向上できる。

（Ａ）は金属強磁性体層の状態密度を示すグラフ、（Ｂ）はハーフメタル強磁性体層の状態密度を示すグラフである。 本発明に係るハーフメタル強磁性体接合構造の実施の形態を含む垂直磁化型ＭＲＡＭ装置を示す図である。 図２の５層ＭＴＪ素子の金属強磁性体層の磁化方向が反平行状態かつ強誘電体層の分極方向が下向き状態のバンド図である。 図２の５層ＭＴＪ素子の金属強磁性体層の磁化方向が平行状態かつ強誘電体層の分極方向が下向き状態のバンド図である。 図２の５層ＭＴＪ素子の金属強磁性体層の磁化方向が反平行状態かつ強誘電体層の分極方向が上向き状態のバンド図である。 図２の５層ＭＴＪ素子の金属強磁性体層の磁化方向が平行状態かつ強誘電体層の分極方向が上向き状態のバンド図である。 図２の５層ＭＴＪ素子のトンネル障壁層のコンダクタンスを示すグラフである。 図２の垂直磁化型ＭＲＡＭ装置の変更例を示す図である。 図８のハーフメタル強磁性体層の磁界−磁化（Ｈ−Ｍ）特性図である。

図２は本発明に係るハーフメタル強磁性体接合構造の実施の形態を含む垂直磁化型ＭＲＡＭ装置を示す図である。

図２において、たとえば、ＦｅＣｏＢ等よりなるフリー層としての厚さ約１〜２ｎｍの金属強磁性体層１、ＭｇＯ等の絶縁体よりなる厚さ約１ｎｍのトンネル障壁層２、及びＣｏ_２ＭｎＳｉ（ＣＭＳ）等よりなるピン層としての厚さ約１ｎｍのハーフメタル強磁性体層３は、３層ＭＴＪ構造Ｓ１を構成する。他方、３層ＭＴＪ構造Ｓ１のハーフメタル強磁性体層３側には自発分極Ｐを有するＢａＴｉＯ_３等よりなる厚さ約１０ｎｍの強誘電体層４及びＴａ等の導電体よりなる厚さ約１ｎｍの導電層５が接合され、ハーフメタル強磁性体層３のスピン分極率を変調する。この場合、ハーフメタル強磁性体層３及び強誘電体層４及び導電層５はハーフメタル強磁性体接合構造Ｓ２を構成する。

ハーフメタル強磁性体層３を共通とする３層ＭＴＪ構造Ｓ１及びハーフメタル強磁性体接合構造Ｓ２は合せて５層ＭＴＪ素子Ｓ３を構成する。図２において、金属強磁性体層１のトンネル障壁層２との反対側はビット線ＢＬに接続されている。さらに、導電層５の強誘電体層４の反対側はソース線ＳＬに接続されている．また、ハーフメタル強磁性体層３とセンス線ＳＬとの間には、ワード線ＷＬ１の電位によって制御されるＭＯＳトランジスタよりなるスイッチング素子ＳＷ１が接続されている。さらに、ハーフメタル強磁性体層３とビット線ＢＬとの間には、ワード線ＷＬ２の電位によって制御されるＭＯＳトランジスタよりなるスイッチング素子ＳＷ２が接続されている。尚、ＭＲＡＭ装置においては、行方向に複数のワード線ＷＬ１及び複数のワード線ＷＬ２が設けられ、他方、列方向に複数のビット線ＢＬ及び複数のセンス線ＳＬが設けられ、行方向及び列方向の各交点に１つのセルが設けられている。スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２及びワード線ＷＬ１、ＷＬ２はＣＭＯＳ技術によって製造され、金属強磁性体層１、トンネル障壁層２、ハーフメタル強磁性体層３、強誘電体層４、導電層５は多層膜製造装置を用いてナノヘテロ構造として製造され、ビット線ＢＬ及びセンス線ＳＬはＣｕ配線技術等によって製造される。

金属強磁性体層１の自発磁化Ｍ_１の方向は可変で、その書込み動作はワード線ＷＬ１の電位によってスイッチング素子ＳＷ１をオンにし、ＳＴＴを利用してビット線ＢＬとセンス線ＳＬとの間にスピン偏極した比較的に大きい書込電流を流すことによって制御される。他方、メモリセルの読出し動作もスイッチング素子ＳＷ１をオンにすることによってビット線ＢＬとセンス線ＳＬとの間を流れる読出電流を検出することによって行われる。

強誘電体層４の自発分極Ｐの方向及び大きさを決定する書込み動作はワード線ＷＬ２の電位によってスイッチング素子ＳＷ２をオンにすることによって行われ、このときにセンス線ＳＬとビット線ＢＬによって強誘電体層４に電圧を印加することによって自発分極Ｐを生じさせる。この印加電圧の極性及び大きさ、印加方法等で自発分極Ｐの残留分極の方向及び大きさを制御することが可能である。

次に、図２のハーフメタル強磁性体層３のスピン分極率の変調について図３、図４、図５、図６のバンド図を参照して説明する。図２においては、金属強磁性体層１の磁化方向Ｍ_１の上下方向と強誘電体層４の分極方向Ｐの上下方向との組合せは以下の４通りである。尚、ハーフメタル強磁性体層３の磁化方向Ｍ_３は常に上向きである。
ＡＰ−状態（図３）：磁化方向Ｍ_１が下向き状態（ＭＴＪのＭ_１、Ｍ_３が反平行状態）かつ分極方向Ｐが下向き状態である。
Ｐ−状態（図４）：磁化方向Ｍ_１が上向き状態（ＭＴＪのＭ_１、Ｍ_３が平行状態）かつ分極方向Ｐが下向き状態である。
ＡＰ＋状態（図５）：磁化方向Ｍ_１が下向き状態（ＭＴＪのＭ_１、Ｍ_３が反平行状態）かつ分極方向Ｐが上向き状態である。
Ｐ＋状態（図６）：磁化方向Ｍ_１が上向き状態（ＭＴＪのＭ_１、Ｍ_３が平行状態）かつ分極方向Ｐが上向き状態である。

図３、図４においては、強誘電体層４の分極方向Ｐによってハーフメタル強磁性体層３内の強誘電体層４側界面に負電荷が誘起する。この負電荷による電界によってハーフメタル強磁性体層３のダウンスピンのバンド構造にバンドベンディングが励起される。しかし、ハーフメタル強磁性体層３のダウンスピンのフェルミレベルＥ_Ｆでの状態密度Ｄ_↓，３は、強誘電体層４の分極方向Ｐに依存せず、依然として０である。つまり、強誘電体層４の下向きの分極方向Ｐによる変調はハーフメタル強磁性体層３のスピン分極を変化させない。従って、Ｊｕｌｌｉｅｒｅモデルに基づき、金属強磁性体層１（スピン分極率Ｐ_１＝０．６と仮定）及びハーフメタル強磁性体層３のフェルミレベルでのダウンスピンの状態密度Ｄ_↓，３＝０をもとに演算されたトンネル障壁層２のＡＰ−状態、Ｐ−状態のコンダクタンスＧは、図７に示すように、スピン分極率変調度ｋに依存せず、一定値０．２及び０．８となる。

他方、図５、図６においては、強誘電体層４の分極方向Ｐによってハーフメタル強磁性体層３内の強誘電体層４側界面に少数スピンキャリアである正電荷が誘起する。この正電荷による電界によってハーフメタル強磁性体層３のダウンスピンのバンド構造にバンドベンディングが誘起される。この場合、強誘電体層４の分極方向Ｐに依存して、ハーフメタル強磁性体層３内の強誘電体層４との界面においてダウンスピンのフェルミレベルＥ_Ｆでのスピン分極率変調度ｋで表される状態密度Ｄ_↓，３＝ｋが発生する。つまり、強誘電体層４の上向き分極方向Ｐによってハーフメタル強磁性体層３のスピン分極率は変調する。従って、Ｊｕｌｌｉｅｒｅモデルに基づき、金属強磁性体層１（スピン分極率Ｐ_１＝０．６と仮定）及びハーフメタル強磁性体層３のフェルミレベルでのダウンスピンの状態密度Ｄ_↓，３＝ｋをもとに演算されたトンネル障壁層２のＡＰ＋状態、Ｐ＋状態のコンダクタンスＧは、図７に示すように、スピン分極率変調度ｋに依存して増加する。尚、スピン分極率変調度ｋは強誘電体層４の分極Ｐの方向および大きさに応じた値であり、上述の４つのコンダクタンスＧが最小となるときにｋ＝０と定義する。

図７に示すように、たとえば、ｋ＝０．４のときに、金属強磁性体層１の磁化方向Ｍ_１及び強誘電体層４の分極方向Ｐに応じて４値のトンネル障壁層２のコンダクタンスＧが実現していることが分かる。従って、ｋ＝０．４のときのＰ＋状態、Ｐ−状態、ＡＰ＋状態、ＡＰ−状態に００、０１、１０、１１を割当てることにより４値メモリ状態を実現できる。

強誘電体層４の分極Ｐは、残留分極の方向だけでなく大きさも変化させることができるので、この大きさによってＰ＋状態およびＡＰ＋状態でのハーフメタル強磁性体層３のスピン分極率変調度ｋを可変することができる。これにより、たとえば、ｋ＝０．４以外の値に設定することによって異なるコンダクタンスＧを実現できるので、上述の４値以上のメモリ状態を実現できる。

図８は図２の垂直磁化型ＭＲＡＭ装置の変更例を示す図である。図８においては、図２の強誘電体層４を強誘電性及び反強磁性の２つの特性を兼ね備えるたとえばＢｉＦｅＯ_３よりなるマルチフェロイック層４’に置換し、ハーフメタル強磁性体接合構造Ｓ２をハーフメタル強磁性体接合構造Ｓ２’に置換した。

図８において、ハーフメタル強磁性体接合構造Ｓ２’は、上述したハーフメタル強磁性体接合構造Ｓ２と同様に、ハーフメタル強磁性体層３のスピン分極率の変調を誘起できる。加えて、ハーフメタル強磁性体接合構造Ｓ２’にすることにより交換バイアス効果によるハーフメタル強磁性体層３の磁化を安定させる効果が発現する。ハーフメタル強磁性体接合構造Ｓ２’の製造は、上述の複合成膜装置を用いてたとえばＢｉＦｅＯ_３よりなる厚さ約１０ｎｍのマルチフェロイック層４’を基板上の導電層５上に成長させ、さらに、たとえばＣｏ_２ＦｅＳｉよりなる厚さ約１ｎｍのハーフメタル強磁性体層３をマルチフェロイック層４’上に成長させて垂直磁化を実現する。その後、ＢｉＦｅＯ_３のネール温度３８０℃以上に加熱し、マルチフェロイック層４’の面と垂直な磁場の基で冷却する。従って、マルチフェロイック層４’の反強磁性から交換バイアス効果を引き起こし、図９の磁界−磁化（Ｈ−Ｍ）特性図に示すごとく、ハーフメタル強磁性体層３の磁化の一方向異方性を導く。この結果、ハーフメタル強磁性体層３は５層ＭＴＪ素子Ｓ３の固定層（ピン層）として効率よく作用する。

上述の実施の形態においては、５層ＭＴＪ素子は、垂直磁化方式を採用しているが、金属強磁性体層１及びハーフメタル強磁性体層３の材料を適宜選択することにより面内磁化方式を採用できる。

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更も適用し得る。

本発明は磁気メモリ装置以外に磁気ヘッド、磁気センサ等にも利用できる。

１：金属強磁性体層
２：トンネル障壁層
３：ハーフメタル強磁性体層
４：強誘電体層
４’：マルチフェロイック層
５：導電層
Ｓ１：３層ＭＴＪ構造
Ｓ２、Ｓ２’：ハーフメタル強磁性体接合構造
Ｓ３：５層ＭＴＪ素子
ＢＬ：ビット線
ＳＬ：センス線
ＷＬ１、ＷＬ２：ワード線

Claims (8)

1. ハーフメタル強磁性体層と、
   前記ハーフメタル強磁性体層の下に設けられた強誘電体層と、
   前記強誘電体層の下に設けられた導電層と
   を具備し、
   前記強誘電体層の分極によって前記ハーフメタル強磁性体層のスピン分極率を変調するハーフメタル強磁性体接合構造。
2. さらに、前記強誘電体層の分極の方向及び大きさを制御する手段を具備する請求項１に記載のハーフメタル強磁性体接合構造。
3. ハーフメタル強磁性体層と、
   前記ハーフメタル強磁性体層の下に設けられ、強誘電性及び反強磁性を有するマルチフェロイック層と、
   前記マルチフェロイック層の下に設けられた導電層と
   を具備し、
   前記マルチフェロイック層の分極によって前記ハーフメタル強磁性体層のスピン分極率を変調するハーフメタル強磁性体構造。
4. さらに、前記マルチフェロイック層の分極の方向及び大きさを制御する手段を具備する請求項３に記載のハーフメタル強磁性体構造。
5. 金属強磁性体層と、
   前記金属強磁性体層の下に設けられたトンネル障壁層と、
   前記トンネル障壁層の下に設けられたハーフメタル強磁性体層と、
   前記ハーフメタル強磁性体層の下に設けられた強誘電体層と、
   前記強誘電体層の下に設けられた導電層と
   を具備し、
   前記強誘電体層の分極によって前記ハーフメタル強磁性体層のスピン分極率を変調する５層磁気トンネル接合素子。
6. 金属強磁性体層と、
   前記金属強磁性体層の下に設けられたトンネル障壁層と、
   前記トンネル障壁層の下に設けられたハーフメタル強磁性体層と、
   前記ハーフメタル強磁性体層の下に設けられ、強誘電性及び反強磁性を有するマルチフェロイック層と、
   前記マルチフェロイック層の下に設けられた導電層と
   を具備し、
   前記マルチフェロイック層の分極によって前記ハーフメタル強磁性体層のスピン分極率を変調する５層磁気トンネル接合素子。
7. 請求項５もしくは６に記載の５層磁気トンネル接合素子と、
   前記金属強磁性体層に接続されたビット線と、
   前記導電層に接続されたセンス線と
   を具備し、
   前記金属強磁性体層の磁化方向と前記強誘電体層もしくは前記マルチフェロイック層の分極の方向及び大きさとの組合せにより４値以上の多値記憶情報を記憶する磁気メモリ装置。
8. さらに、
   第１、第２のワード線と、
   前記ハーフメタル強磁性体層と前記センス線との間に接続され、前記第１のワード線の電位によって制御される第１のスイッチング素子と、
   前記ハーフメタル強磁性体層と前記ビット線との間に接続され、前記第２のワード線の電位によって制御される第２のスイッチング素子と
   を具備する請求項７に記載の磁気メモリ装置。
   

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