JP7056316B2 - 磁壁移動型磁気記録素子、磁壁移動型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
磁壁移動型磁気記録素子、磁壁移動型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ Download PDFInfo
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Description
例えば、磁壁移動層がCoPt合金からなる場合、磁性結晶粒のサイズは通常、1~30nm程度であり、そのサイズに対して、一般的なサイズのばらつき(最大サイズ-最小サイズ)の目安を言えば、1~5nm程度である。
「第1実施形態」
図1は、本発明の第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子100を模式的に示した斜視図である。
磁壁移動型磁気記録素子100は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層1と、磁気記録層1に磁気的に結合した第1強磁性層2と、磁気記録層1上に、平面視して第1強磁性層2を挟むように離間して配設され、磁気記録層1に電流を印加する2つの電極(第1電極3、第2電極4)と、を備えている。
強磁性結晶粒は柱状であることが好ましく、本明細書において、柱状の強磁性結晶粒を特に強磁性結晶粒カラムということがある。
磁気記録層1は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有するものである。磁気記録層1の材料としては、磁気記録媒体において磁気記録層の材料として用いられているものを用いてもよい。強磁性結晶粒は柱状であることが望ましい。
グラニュラ構造としては、粒界相が非磁性でかつ絶縁性の材料からなるものを用いることもできるし、また、非磁性金属(例えば、Cu、Ag、Au等の単体や、それらのうちの一つを含む合金)からなるものを用いることもできる。以下、粒界相が非磁性でかつ絶縁性の材料である場合を強磁性金属-絶縁体系グラニュラ材料、粒界相が非磁性金属である場合を強磁性金属-非磁性金属グラニュラ材料ということがある。
強磁性金属-絶縁体系グラニュラ材料の場合、例えば、CoPt合金(強磁性金属)-SiO2(酸化物)系グラニュラ材料などでは、10μm以下の微細な強磁性結晶粒とすることができ、酸化物とCoPt合金との相分離を持ち、高い垂直磁気異方性を示すものとできる。
強磁性金属-非磁性金属グラニュラ材料を用いる場合、後述するスピン軌道トルク配線層と同様に、第1強磁性層2にスピン流を供給して磁化を回転あるいは反転させる機能を発揮し得る。
強磁性金属-非磁性金属グラニュラ材料は、ナノメータースケールの強磁性金属の微粒子を非磁性金属のマトリックス中に分散させたものであり、主として互いに固溶しない金属の組み合わせ、例えば、Fe/Ag、Fe/Cu、Co/Cu、Co/Au、Fe/Auなどを例示することができる。
従って、従来の磁壁移動型磁気抵抗効果素子の磁壁移動層に比べて、強磁性結晶粒のサイズ(あるいは粒径)及びそのばらつきを抑制して、書き込み、読み出しを安定的に行うことが可能となる。
図2Bは、互いに逆向きの磁化を有する強磁性結晶粒がそれぞれ多い2つの領域の境界の位置と、後述する磁壁移動型磁気抵抗効果素子を作製した場合の抵抗値との関係を模式的に示すグラフである。図2Bにおいて、横軸は結晶粒分布境界の位置あるいは磁化領域比率に相当する。
結晶粒分布境界Bは、磁気記録層1の延在方向に電流を流す、及び/又は、外部磁場を印加することによって移動する。
例えば、第1電極3から第2電極4にスピン偏極電流の電流パルスを印加すると、第2の結晶粒分布領域1Bは第1の結晶粒分布領域1Aの方向へ広がり、結晶粒分布境界Bが第1の結晶粒分布領域1Aの方向へ移動する。一方、第2電極4から第1電極3にスピン偏極電流の電流パルスを印加すると、第1の結晶粒分布領域1Aは第2の結晶粒分布領域1Bの方向へ広がり、結晶粒分布境界Bが第2の結晶粒分布領域1Bの方向へ移動する。
つまり、第1電極3及び第2電極4に流すスピン偏極電流の方向、強度を設定することで、結晶粒分布境界Bの位置を制御することできる。
例えば、CoPt、CoCrPt、FePt等はグラニュラ構造を作る際によく用いられる材料であり、これらの材料を用いれば、グラニュラ構造を容易に作ることができる。
上記例示した酸化物の粒界相とCoPt合金粒子との組み合わせのグラニュラ構造において、Co80Pt20-30vol%酸化物の場合、保磁力が大きくなるのは大きい順に並べると、B2O3、WO3、MoO3、TiO2、SiO2、となる。
磁気結合層5は、 磁気記録層1と第1強磁性層2との間に大きな反強磁性的交換結合を生じさせて、磁気記録層1と第1強磁性層2との間の磁気的な結合を強める機能を有する。
かかる磁気結合層5の材料としては、Ru、Ir、Rhのいずれかの単体や、Ru、Ir、Rhの少なくともいずれか一つを含む合金が好ましい。
第1強磁性層2は、強磁性体からなる。第1強磁性層2を構成する強磁性材料としては、例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属、これらの金属を1種以上含む合金、これらの金属とB、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、CoHo2、SmFe12等が挙げられる。
第1電極3と第2電極4とは、z方向から平面視して第1強磁性層2をx方向に挟む位置に配設されている。
例えば、グラニュラ構造の磁気記録層も、公知のグラニュラ構造の形成方法を用いて形成できる。グラニュラ構造を形成する際には、例えば、Ruの下地層を用いてその上にグラニュラ構造を形成することが多い。この下地層の膜厚を制御することによってグラニュラ構造の強磁性結晶粒カラムの径を制御できる。この下地層が本発明の効果を奏するのに妨げになる場合には、層形成の順番等を工夫して、グラニュラ構造を形成後に下地層を研磨等して除去してもよい。この下地層の除去の際にはさらに、グラニュラ構造の成長端側あるいは成長元側の一部を除去して、グラニュラ構造の各柱状形状の径をより一様にしてもよい。
強磁性結晶粒カラムは、パーマロイなどの磁気異方性が弱い材料の場合、径が40nm以下で単磁区化され、CoPtなどの磁気異方性が強い材料では径が300nm程度でも単磁区化できる。径が数100nm以上のように大きい強磁性結晶粒カラムの場合には、1つの強磁性結晶粒カラムの一端だけが磁化反転し、その後、磁壁が移動するというダイナミクスを考慮する必要がでてくる。そのため、強磁性結晶粒カラムでほぼ同時に磁化反転を起こさせるサイズという観点では、径は100nm以下であり、より好ましくは80nm以下であり、さらに好ましくは60nm以下である。
図4は、本発明の第2実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子200を模式的に示した斜視図である。図1、図3に示した磁壁移動型磁気記録素子100において同等な部材については同じ符号を用いて説明を省略する。また、第1実施形態で説明した内容は本実施形態においても適用される。
磁壁移動型磁気記録素子200は、第1実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子100の構成にさらに、磁気記録層1に接合されたスピン軌道トルク配線層11を備えた構成である。
図4に示した構成では、スピン軌道トルク配線層11は、磁気記録層1の第1強磁性層2の反対側の面に配設する構成であるが、これに限定されない。
スピン軌道トルク配線層に電流が流れるとスピン流が生成し、このスピン流がグラニュラ構造を構成する強磁性結晶粒の磁化反転に寄与する点が特徴である。すなわち、本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子においては、第1実施形態の磁壁移動型磁気記録素子における強磁性結晶粒の磁化反転と同様に磁気記録層1に流れた電流による磁化反転に加えて、スピン軌道トルク配線層から拡散していったスピン流による磁化反転が磁化反転に寄与する。
磁気記録層が強磁性金属-絶縁体系グラニュラ材料からなる場合、絶縁性粒界相の厚みに依存するが、通常は磁気記録層の抵抗がスピン軌道トルク配線層の抵抗よりも大きいため、スピン流による磁化反転の寄与が大きくなる。
本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、スピン流による磁化反転の寄与とスピン偏極電流による磁化反転の寄与は、いずれが大きくてもよい。
スピン軌道トルク配線層11は、X方向に延在する。スピン軌道トルク配線層11は、磁気記録層1のZ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線層11は、磁気記録層1に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線層11から伝搬するスピンを磁気記録層1に十分に伝えることができる。
第2実施形態の磁壁移動型磁気記録素子の磁気記録層への書き込みの原理は、第1実施形態の磁壁移動型磁気記録素子とは異なる。
第1実施形態の磁壁移動型磁気記録素子では、磁気記録層に面内方向(X方向)に電流を流すことによって、第1の結晶粒分布領域及び第2の結晶粒分布領域の比率を変えて書き込みを行った。すなわち、磁気記録層に面内方向(X方向)に電流を流すことによって、磁気記録層内における結晶粒分布境界の位置をX方向で移動させることで書き込みを行った。この書き込みの態様は、結晶粒分布境界と磁壁との違いはあるものの、従来の磁壁移動型磁気記録素子と類似する。
これに対して、第2実施形態の磁壁移動型磁気記録素子では、スピン軌道トルク配線層11に電流I1を流すことによって、スピン流を生成し、このスピン流が磁気記録層に注入されることで書き込みが行われる。すなわち、磁気記録層に注入されたスピン流は、スピン軌道トルク(SOT)によって、磁気記録層のグラニュラ構造を構成する強磁性結晶粒の磁化を反転させることができる。これによって、磁気記録層中の第1の向き(例えば、+Z方向)に配向した磁化を有する強磁性結晶粒と、第1の向きの逆向きである第2の向き(例えば、-Z方向)に配向した磁化を有する強磁性結晶粒とのトータルの体積比率(体積割合)が変わる。この体積比は、図2Bの横軸に対応し、この体積比を変えることが書き込みに相当する。また、スピン軌道トルク配線層11に流す電流の向きを逆向きにすることによって、反転させる強磁性結晶粒の磁化の向きを逆向きにすることができる。
第1実施形態の磁壁移動型磁気記録素子も第2実施形態の磁壁移動型磁気記録素子も、同じ向きに配向した強磁性結晶粒のトータルの体積比率(本明細書において、「磁化領域比率」ということがある)を変えることで書き込みを行う点は共通する。
図5は、本発明の一実施形態にかかる磁壁移動型磁気抵抗効果素子300を模式的に示した斜視図である。
磁壁移動型磁気抵抗効果素子300は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層1と、磁気記録層1に磁気的に結合した第1強磁性層2と、第1強磁性層2に接合された非磁性層13と、非磁性層13に接合された第2強磁性層14と、平面視して磁気記録層1上に第1強磁性層2を挟むように離間して配設され、磁気記録層1に電流を印加する2つの電極(第1電極3、第2電極4)と、を備えている。
第1強磁性層2と非磁性層13と第2強磁性層14とを合わせた構成20は、通常の磁気抵抗効果素子の構成であり、構成20において通常の磁気抵抗効果素子が備える層構成を適用することができる。
磁壁移動型磁気抵抗効果素子300は、第2強磁性層14の磁化が一方向に固定され、第1強磁性層2の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型(疑似スピンバルブ型;Pseudo spin valve型)のMRAMに適用する場合には、第2強磁性層14の保磁力は第1強磁性層2の保磁力よりも大きいものとする。交換バイアス型(スピンバルブ型;spin valve型)のMRAMに適用する場合には、反強磁性層との交換結合によって第2強磁性層14の磁化方向を固定する。
非磁性層13には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層13が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、その材料としては、Al2O3、SiO2、MgO、及びMgAl2O4などを用いることができる。また、これらのほかにも、Al、Si、Mgの一部が、Zn、Beなどに置換された材料なども用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAl2O4はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。また、非磁性層13が金属からなる場合、その材料としてはCu、Au、Agなどを用いることができる。さらに、非磁性層13が半導体からなる場合、その材料としては、Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等を用いることができる。
また、入力層と、隠れ層と、出力層と、積和演算器とを備えるニューロモルフィックデバイスにおいて、積和演算器を構成する積演算素子として本発明の磁壁移動型磁気抵抗効果素子を用いることができる。
本発明の一実施形態に係る磁気メモリは、本発明の磁壁移動型磁気抵抗効果素子を複数備える。
2 第1強磁性層
3 第1電極
4 第2電極
5 磁気結合層
11 スピン軌道トルク配線層
13 非磁性層
14 第2強磁性層
100、200 磁壁移動型磁気記録素子
300 磁壁移動型磁気抵抗効果素子
Claims (10)
- 強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層と、
前記磁気記録層に磁気的に結合した第1強磁性層と、
前記磁気記録層上に、平面視して前記第1強磁性層を挟むように離間して配設され、前記磁気記録層に電流を印加する2つの電極と、を備えた、磁壁移動型磁気記録素子。 - 前記磁気記録層に接合されたスピン軌道トルク配線層を備えた、請求項1に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層と、
前記磁気記録層に磁気的に結合した第1強磁性層と、
前記磁気記録層と電気的に絶縁され、前記磁気記録層に対して交差する方向に延在する磁場印加配線と、を備えた、磁壁移動型磁気記録素子。 - 前記磁気記録層の強磁性結晶粒の材料は、Co、Ni、Feのいずれかの単体、又は、Co、Ni、Feの少なくともいずれか1つを含む合金である、請求項1~3のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記磁気記録層の粒界相の材料は、O、N、Fの少なくともいずれか1つを含む非磁性材料である、請求項4に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記磁気記録層の粒界相の材料は、Cu、Ag、Auの少なくともいずれか1つを含む非磁性金属である、請求項4に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記磁気記録層を構成する、前記強磁性結晶粒の材料αと前記粒界相の材料βの体積比がx:100-x(10<x<90)である、請求項1~6のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記磁気記録層と前記第1強磁性層との間に磁気結合層を備える、請求項1~7のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 請求項1~8のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子と、
前記第1強磁性層上に配設された非磁性層と、
前記非磁性層上に配設された第2強磁性層と、を備えた、磁壁移動型磁気抵抗効果素子。 - 請求項9に記載の磁壁移動型磁気抵抗効果素子を複数備えた、磁気メモリ。
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