JP6528090B2 - ノンコリニア磁気抵抗素子 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、室温で“コーン磁化状態”を持ち、素子1個(記憶単位)について10年以上の記憶保持時間を持つ不揮発性のノンコリニアMR素子を提供することである。
本発明の第2の態様によると、自由層と固定層との間に挟まれた非磁性層を備えるノンコリニア磁気抵抗素子は、固定層が面内方向又は垂直方向に容易磁化方向を持ち、自由層が室温で次の式(1)〜(4)、E RT≧1.66×10 -19J(1)、V≦5×10 4nm 3(2)、K u2>−(1/2)K u1,eff(3)、K u1,eff<0(4)を満たし、但し、E RT=(K u1,eff+K u2+K u1,eff2/4K u2)×V、K u1,eff:実効的な1次の異方性定数、K u2:2次の異方性定数、V:体積、であり、かつ、容易磁化方向が結晶軸から傾いたコーン磁化状態である。
本発明の第3の態様によると、ノンコリニア磁気抵抗素子は、第1又は第2の態様のノンコリニア磁気抵抗素子であって、自由層が一軸性の異方性を持つことが好ましい。
本発明の第4の態様によると、ノンコリニア磁気抵抗素子は、第1から第3のいずれかの態様のノンコリニア磁気抵抗素子であって、自由層が、(1)Coを含む薄膜と、Pt若しくはPdを含む薄膜との交互多層膜、(2)CoとPt若しくはPdを含む超格子膜、又は(3)hcp構造を有するCoを含む合金薄膜を含むことが好ましい。
理論的には、固定層の容易磁化方向が傾いていてもよいが、自由層をコーン磁化状態として容易磁化方向を傾けるべきである。何故なら、固定層は自由層より長い時間磁化方向が安定していて欲しいからである。因みに、既出の特許文献1では、自由層がコーン磁化状態である。そこで、本発明者らは、自由層がコーン磁化状態のノンコリニアMR素子に着目した。図1に垂直タイプのノンコリニア磁気抵抗素子(一例)の縦断面を示す。図2に面内タイプのノンコリニア磁気抵抗素子(一例)の縦断面を示す。なお、図1、図2の矢印eは、正の電流密度の場合に、電子が流れる方向を示す。以下、図1の垂直タイプの素子を例にとって説明を進めるが、図2の面内タイプの素子でも同様に成り立つ。
Ku2 > −(1/2)Ku1,eff (3)
同時に、本発明者らは、実効的な1次の項(Ku1,eff)が負の材料、即ち、次の式(4)を満たす材料に着目した。
Ku1,eff < 0 (4)
そして、本発明者らは、鋭意研究の結果、上述した本発明の一態様のノンコリニアMR素子、より具体的には以下に説明する一実施形態のノンコリニアMR素子が本発明の目的を達成することを見出し、本発明を成すに至った。
本発明の一実施形態の自由層は、1.66×10-19J以上のERTを持つ。即ち、自由層は、次の式(1)を満たす。
ERT ≧ 1.66×10-19J (1)
但し、ERT = (Ku1,eff+Ku2+Ku1,eff 2/4Ku2)×V、
Ku1,eff:実効的な1次の異方性定数、
Ku2:2次の異方性定数、
V:体積、である
これにより素子1個(1bit)の記憶保持時間が10年以上となる。1つの基板に多数の素子を配置して大容量のメモリを作製する場合、ERTがより大きいことが好ましい。基板(メモリ)全体として記憶保持の保証を考えると、確率の問題で、素子1個については、より大きなERTが好ましい。例えば、256Mbitから16Gbitのメモリについて、好ましいERT(単位:×10-19J)は、下記の表1に示す通りである。ここでは、上記の式(1)の1.66×10-19Jより大きなERTが好ましい。なお、ERTは、「ERT/(kBT)」の形で、好ましい値(範囲)があるので、これについても表1に示す。kBはボルツマン定数であり、Tはケルビン温度である。
V ≦ 5×104nm3 (2)
図1、図3を引用しながら自由層のコーン磁化状態について説明する。自由層の磁化方向をmと定義する。自由層の磁化が容易磁化方向m0を向いている時、m=m0である。自由層の容易磁化方向m0は、円錐面上にある。電流や熱などの外部刺激が自由層に加わると、mがm0に留まらなくなる。mの傾き角(極角)をθ、m0の極角をθ0とし、mの方位角をφm(任意の値)とする。コーン磁化状態となるのは、自由層が一軸性の異方性定数(Ku1,eff , Ku2)が、上述した式(3)及び式(4)を同時に満たす場合である。図4は、コーン磁化状態となる範囲を示す座標図である。コーン磁化状態は、図4において、Ku2 =−(1/2)Ku1,effで表される直線より上側であって、かつ、Ku1,eff =0で表される直線(即ち、縦軸)の左側の領域である。なお、図4の水平方向の矢印は、面内磁化状態を表し、垂直方向の矢印は、垂直磁化状態を表す。
E(θ)=Ku1,effsin2θ+Ku2 sin4θ (5)
但し、Ku1,effは、Ku1,eff=Ku1−(1/2)μ0Ms 2であり、Ku1は1次の異方性定数であり、μ0は真空の透磁率であり、Msは飽和磁化である。自由層(コーン磁化状態)の容易磁化方向m0の傾き角(極角)θ0は、下記の式(6)で表され、式(5)で表されるE(θ)を最小にする値として求まる。
コーン磁化状態を実現できる自由層の材料の具体例としては、例えば以下のものが挙げられる。
(a)Coを含む薄膜とPt若しくはPdを含む薄膜との交互多層膜又は超格子膜
この場合、Coを含む薄膜は例えばhcp結晶又はfcc(111)結晶構造であることが好ましい。Pt若しくはPdを含む薄膜は、例えばfcc(111)結晶であることが好ましいが、他の面方位でもよい。他の例として、Coを含む薄膜はfcc (001)で、Pt若しくはPdを含む薄膜はfcc(001)であってもよい。Ptを含む薄膜の上に積層するCoを含む薄膜1層の膜厚は、Co原子の大きさで10〜15個に相当することが好ましい。Pdを含む薄膜の上に積層するCoを含む薄膜1層の膜厚は、Co原子の大きさで4.5〜6個に相当することが好ましい。
このようなCo/Pt多層膜及びCo/Pd多層膜について、好ましい例を表2、表3に示す。表2のCo/Pt多層膜は、Ku1,eff=−20kJ/m3、Ku2=135kJ/m3を示すものである。また、表3のCo/Pd多層膜は、Ku1,eff=−10kJ/m3、Ku2=99kJ/m3を示すものである。両表において、表中の各値は、ERT(単位:×10-19J)とその横のかっこ([])内の体積V(単位:nm3)を示している。また、表中の2重線で囲まれた値は、本発明の一実施形態の例を示し、“*”を付けた斜体の数字はその中でも特に好ましい例を示している。以上、材料として結晶の例を説明したが、コーン磁化状態を取れれば、自由層は単結晶、多結晶、部分的結晶、テクスチャー(texture)、微結晶(nano-crystal)、非晶質、それらの混合系でもよい。
自由層の膜厚は体積Vに関連するが、それ以外の因子にも関連がある。すなわち、自由層が薄くなると、閾値電流密度が小さくなるので好ましいが、逆に熱安定性が下がるという問題が発生する。また、自由層が薄くなると、連続膜を作るのが難しくなるという問題も発生する。逆に自由層が厚くなると、それに比例して大きい電流を流さないと磁化反転が起きないという問題が発生する。従って、自由層の膜厚は、一般的には例えば1〜10nm程度であり、好ましくは1〜3nm程度である。
実施例1として、Co(膜厚0.7nm)/Pt(膜厚1.5nm)の2層膜からなる自由層を挙げる。「ERT/(kBT)」は43.5である。飽和磁化(Ms)は400kA/m、ギルバートダンピング定数(α)は0.04である。真空の透磁率(μ0)は4π×10-7H/m、磁気回転比(γ)は2.21×105rad・m/Aである。この自由層の寸法は、厚さt=2.2nm、直径φ=30nm、体積V=1.56×103nm3である。ERT(=1.80×10-19J) ≧ 1.66×10-19Jであり、体積V ≦ 5×104nm3である。
実施例2として、hcp構造を有するCo合金薄膜からなる自由層を挙げる。寸法は、厚さ=5nm、直径φ=16nm、体積V=1.01×103nm3である。自由層はコーン磁化状態であり、ERT(=1.91×10-19J) ≧ 1.66×10-19Jであり、体積V(1.01×103nm3) ≦ 5×104nm3である。
図6は、室温(T=300ケルビン)における「ERT/(kBT)」のKu1,eff及びKu2の依存性を示す。Ku1,effとKu2が(正の方向に)増加すると「ERT/(kBT)」は増加する。「ERT/(kBT)」≧40を満たすためにKu2は107kJ/m3より大きくなければならない。「ERT/(kBT)」=40となる異方性定数(Ku1,eff,Ku2)が太い点線で示されている。上記した自由層の実施例1では、Ku1,eff=−20kJ/m3でKu2=135kJ/m3である。傾き角θ0は15.8°である。
但し、γは磁気回転比であり、Msは飽和磁化であり、τは無次元化された時間である。τは時間t(s)とτ=γMstの関係にある。
自由層と固定層との間に位置する非磁性層の材料は、既に知られているが、(1)非磁性金属(GMR素子)と(2)絶縁体(TMR素子)に分けることができる。TMR素子の場合、非磁性層はトンネル障壁層とも呼ばれる。本発明の一実施形態のMR素子では、非磁性層これらの従来の材料を用いることができる。以下にその具体例を示す。
(1)非磁性金属の場合
例えばCu、Ag、Crなどを含む金属・合金が使用できる。非磁性層の厚さは、例えば0.3nm〜10nm程度である。特に、大きなMR比を実現するCu、Agを含む金属・合金を用いた場合、その厚さは例えば2nm〜10nmである。
(2)絶縁体の場合
例えばMg、Al、Si、Ca、Li等の酸化物、窒化物、ハロゲン化物等の様々な誘電体を使用することができる。特に、大きなMR比と小さな面抵抗を両立するMgO(酸化マグネシウム)を使うことが好ましい。酸化物、窒化物を非磁性層に用いる場合は、その酸化物、窒化物の中に酸素、窒素欠損が多少存在していてもかまわない。非磁性層の厚さは、例えば0.3nm〜2nm程度である。
固定層は垂直方向(面内タイプの場合は面内方向)に容易磁化軸を持つ強磁性体層である。そのような強磁性体材料は既に知られている。本発明の一実施形態のMR素子では、固定層としてそれらの従来の材料を用いることができる。以下にその具体例を示す。例えば、Fe、Co、Niなどの鉄系又は鉄系合金(例えばFeCo)が代表的な材料である。製法の都合で中間状態としてアモルファス状態を望む場合には、これらにB(ボロン)、Si、Ti、Cr、Vなどを添加した合金FeB、FeCoB、FeCoBSi、FeCoBTi、FeCoBCr、FeCoBVなどを用いることもできる。特に垂直磁化の場合には、CoPt、CoPd、FePt、FePdなどの合金、又はそれらの合金薄膜の多層膜、或いはそれら合金にB、Crなどを添加した合金を用いることができる。アモルファス状態の膜を結晶化するには、良く知られているように例えば熱処理(アニーリング)すれば良い。
上述した各層は、非常に薄いので基板の上に真空薄膜形成技術によって作製できる。そのような技術としては、例えば、スパッタリング法、蒸着法、MBE法、ALE法、CVD法等の従来からある技術を適宜選択的に用いることができる。
日本国特許出願2015年第103909号(2015年5月21日出願)
2:非磁性層
3:固定層
Claims (4)
- 自由層と固定層との間に挟まれた非磁性層を備えるノンコリニア磁気抵抗素子であって、
前記固定層が面内方向又は垂直方向に容易磁化方向を持ち、
前記自由層が室温で下記の式(1)及び(2)を満たし、
ERT ≧ 1.66×10-19J (1)
V ≦5×104nm3 (2)
但し、ERT = (Ku1,eff+Ku2+Ku1,eff 2/4Ku2)×V、
Ku1,eff:実効的な1次の異方性定数、
Ku2:2次の異方性定数、
V:体積、
であり、かつ、容易磁化方向が結晶軸から傾いたコーン磁化状態であるノンコリニア磁気抵抗素子。 - 自由層と固定層との間に挟まれた非磁性層を備えるノンコリニア磁気抵抗素子であって、
前記固定層が面内方向又は垂直方向に容易磁化方向を持ち、
前記自由層が室温で下記の式(1)〜(4)を満たし、
ERT ≧ 1.66×10-19J (1)
V ≦ 5×104nm3 (2)
Ku2 > −(1/2)Ku1,eff (3)
Ku1,eff < 0 (4)
但し、ERT = (Ku1,eff+Ku2+Ku1,eff 2/4Ku2)×V、
Ku1,eff:実効的な1次の異方性定数、
Ku2:2次の異方性定数、
V:体積、
であり、かつ、容易磁化方向が結晶軸から傾いたコーン磁化状態であるノンコリニア磁気抵抗素子。 - 前記自由層が一軸性の異方性を持つ請求項1又は2に記載のノンコリニア磁気抵抗素子。
- 前記自由層が、
(1)Coを含む薄膜と、Pt若しくはPdを含む薄膜との交互多層膜、
(2)CoとPt若しくはPdを含む超格子膜、又は
(3)hcp構造を有する Co を含む合金薄膜
を含む請求項1ないし3のいずれか一項に記載のノンコリニア磁気抵抗素子。
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