JPWO2014034639A1 - 磁気多層膜及びトンネル磁気抵抗素子 - Google Patents
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Abstract
Description
スピントルク型MRAMは、トンネル磁気抵抗素子(TMR素子;Tunnel Magneto-Resistance Element、あるいは磁気トンネル接合素子(MTJ素子)とも呼ばれる)を単位記憶素子として、そこに電流を流すことで強磁性体層の磁化の方向が反転するスピントルク磁化反転と呼ばれる現象を利用した記憶素子である。TMR素子は、簡単に言えば、トンネル障壁層を2つの強磁性体層(2つの強磁性体層の一方を「強磁性下部電極層」、他方を「強磁性上部電極層」と呼ぶこともある)で挟んだ構造を持っている。1つの強磁性体層からトンネル障壁層を介して他の強磁性体層に向かって電流を流した際に、2つの強磁性体層の磁化の方向が平行(パラレル)になったり反平行(アンチパラレル)になったりすることで、TMR素子が低抵抗になったり高抵抗になるトンネル磁気抵抗効果(TMR効果)という現象を、デジタル情報の“1”と“0”に対応させることで、TMR素子が不揮発性の磁気メモリとして利用される。
研究開発の当初は、強磁性層の磁化が膜面内方向に向いた面内磁化であったが、最近ではより高密度化を狙って膜面垂直方向に磁化が向いた垂直磁化を用いたMRAMも開発されつつある。
(理由1) 素子の用途により、1.スピントルク磁化反転を誘起するのに必要な電流密度、又は2.高周波発振を誘起するのに必要な電流密度は、自由層が薄いほど低くなる。電流密度の低減は消費電力の低減や高密度化につながり、さらに素子の長期信頼性の向上にも有効なので、基本的に電流密度は低いほど良い。
(理由2) 自由層が薄いほど自由層と固定層の間に働く静磁気結合を下げることができる。一般に、この静磁気結合が大きいとMRAMにおいて零磁界付近で2値安定状態を保てなくなるなどの問題が生じるため、素子の動作が不安定になりやすい。さらに、MRAMなどのメモリに利用する場合、多数のTMR素子を1つの基板上にマトリックス上に配置するが、一つの素子の自由層から隣の素子の自由層への漏洩磁界がある。漏洩磁界が大きいと隣の素子の情報書き換えが不安定になるなど、様々な問題が生じる。自由層が薄いほど、この漏洩磁界が小さくなるので応用上好ましい。
(i)トンネル障壁層の基板側に固定層(強磁性体層)を配置し、基板と反対側に自由層(強磁性体層)を配置する構造(図2(a)参照)、
(ii)トンネル障壁層の基板側に自由層(強磁性体層)を配置し、基板と反対側に固定層(強磁性体層)を配置する構造(図2(b) 参照)、
の2種類がある。このうち、(i)の構造は、素子加工が容易、固定層の信頼性が上がる、などの利点を有しているため、磁気センサー応用では(i)の構造が用いられることが多い。一方、スピントルク型MRAMや高周波発振素子などの応用においては、(i)の構造は後述のように自由層を薄くできないという欠点を有する。一方、(ii)の構造では自由層を薄くできるが、固定層を薄くできない、固定層の信頼性が低下しやすい、などの欠点がある。
図5は、“酸化マグネシウム(001)”層の表面上にMBE法により室温で積層したFe層(強磁性体層)の室温における磁化曲線を磁気光学Kerr効果により測定したものである。Fe層の厚さが約1.0nm以下のとき、Fe層が島状の不連続膜となり、強磁性ではなく超常磁性的になってしまう。この場合、ヒステリシスを持つ良好な強磁性的磁化曲線を得るには、Fe層の厚さが約1.5nm以上である必要がある。
本発明の第1の態様の磁気多層膜は、基板側から順に、(001)結晶面が優先配向した単結晶又は多結晶の酸化マグネシウムを含む非磁性体層、極めて薄い3d遷移金属元素を含む酸化物層、及び極めて薄い強磁性体層からなる。
3d遷移金属元素とは、次の10種である。Sc(スカンジウム)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)
もちろん、これらの元素は前記酸化物に複数混合されていても良い(例えばCoフェライト)。また、本発明の本質を損なわない限り、第三の元素が単独で又は複数で混合されて前記酸化物となっていても良いし、あるいは前記酸化物に第三物質が混合されていても良い。
本発明の第2の態様の磁気多層膜は、本発明の第1の態様の磁気多層膜において、前記強磁性体層を第1の強磁性体層とし、その上に第1の強磁性体層とは組成あるいは結晶構造の異なる第2の強磁性体層が付加されていることが好ましい。
本発明の第3の態様の磁気多層膜は、本発明の第1又は第2の態様の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層の膜厚が0.2〜1.5nmであることが好ましい。
本発明の第4の態様の磁気多層膜は、本発明の第1〜第3のいずれかの態様の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層がFe、Co、Niのうち少なくとも1元素を含む酸化物を含むことが好ましい。
本発明の第5の態様の磁気多層膜は、本発明の第1〜第4のいずれかの態様の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層がスピネル構造を持つ3d遷移金属元素を含む酸化物を含むことが好ましい。
本発明の第6の態様の磁気多層膜は、本発明の第1〜第5のいずれかの態様の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層がスピネルフェライト系の3d遷移金属元素を含む酸化物を含むことが好ましい。
本発明の第7の態様の磁気多層膜は、本発明の第6の態様の磁気多層膜において、前記スピネルフェライト系の3d遷移金属元素を含む酸化物が「スピネルフェライト系の強磁性体またはフェリ磁性体」であることが好ましい。
本発明の第8の態様の磁気多層膜は、本発明の第1〜第3のいずれかの態様の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層がマグヘマイト、マグネタイト、Coフェライト又はNiフェライトであることが好ましい。
本発明の第9の態様の磁気多層膜は、本発明の第1〜第8のいずれかの態様の磁気多層膜において、前記強磁性体層又は前記第1の強磁性体層の膜厚が0.2〜0.8nmであることが好ましい。
本発明の第10の態様の磁気多層膜は、本発明の第1〜第9のいずれかの態様の磁気多層膜において、前記強磁性体層又は前記第1の強磁性体層は、「Feを含む強磁性金属又は強磁性合金」を含むことが好ましい。
本発明の第11の態様の磁気多層膜は、本発明の第1〜第10のいずれかの態様の磁気多層膜において、前記強磁性体層又は前記第1の強磁性体層は、「FeもしくはCoを含むBCC構造の強磁性金属又はFeもしくはCoを含むBCC構造の強磁性合金」を含むことが好ましい。
本発明の第12の態様は、基板側から順に強磁性下部電極層、トンネル障壁層及び強磁性上部電極層を含むトンネル磁気抵抗素子に関する。本発明の第12の態様の素子は、その構成要素に本発明の第1〜11のいずれかの態様の磁気多層膜を含み、その場合、前記非磁性体層が前記トンネル障壁層またはその一部に相当し、前記強磁性体層が前記強磁性上部電極層又はその一部に相当し、或いは前記1の強磁性体層と前記第2の強磁性体層との積層物が前記強磁性上部電極層又はその一部に相当することが好ましい。
なお、説明の簡単のためにこれ以下「3d遷移金属元素を含む酸化物層」を単に「酸化物層」と略称すことがある。)
<実施例1>
図1の(a)に本実施例1における磁気多層膜及びTMR素子の断面模式図を示す。符号1は基板である。符号2は下地層である。下地層(2)の役目は「シード層/バッファ層」であり、その上に積層する強磁性下部電極層(3)の結晶配向性の制御や平坦性の向上のために用いる。下地層(2)が必要ない場合もあり、実施例1では、強磁性下部電極層(3)が下地層を兼ねている。符号4は、(001)結晶面が優先配向した単結晶酸化マグネシウムを含む非磁性体層である。符号5は極めて薄い酸化物層である。酸化物層(5)は非磁性層(4)の上側つまり基板から遠い側に配置されている。符号6は極めて薄い強磁性体層(上部電極層)である。強磁性体層(6)は酸化物層(5)の上に位置する。
このように本実施例の磁気多層膜は、基板(1)側から順に非磁性体層(4)、酸化物層(5)及び強磁性体層(6)から構成される。
また、非磁性体層(4)の下側、つまり基板側には下部電極層としても作用する強磁性体層(3)を配置する。
この磁気多層膜をトンネル磁気抵抗素子の構成要素として用いる場合、強磁性体層(3)が強磁性下部電極層に相当し、非磁性体層(4)がトンネル障壁層またはその一部に相当し、強磁性体層(6)が強磁性上部電極層又はその一部に相当する。なお、非磁性体層(4)を構成する酸化マグネシウムには、酸素とマグネシウム以外の元素が適宜含まれていてもよい。
各層は、分子線エピタキシー法(MBE法)を用いて形成した。MBE法では、最高到達真空度が約2×10-8Paの超高真空MBE成膜装置を用いた。
まず、単結晶の酸化マグネシウム(001)から成る基板(1)の上にBCC(001)構造を持つ材料を含む下地層(2)を兼ねた強磁性体層(強磁性下部電極層3)として厚さ約100nmのFe層を形成し、その上に単結晶の酸化マグネシウム(001)から成る厚さ約2nmの非磁性層(4)を室温で形成した。なお、後述する強磁性上部電極層の磁気光学Kerr効果(図6と図8)を測定するための多層膜では、下部電極層に強磁性材料が含まれていると測定上の邪魔になるため、Fe層(3)を省き、その代わり下地層(2)として非磁性でBCC(001)構造を持つ厚さ約100nmのCr層を形成した。
酸化マグネシウム(001)層をBCC Fe(001)層の上に作製した場合も、BCCCr(001)の上に作製した場合も、ほぼ同一の品質と特性を持つ酸化マグネシウム(001)層が形成される。
単結晶の酸化マグネシウム(001)から成る非磁性層(4)の上に、酸化物層(5)として、厚さ0.2〜1.5nmのマグヘマイト(Fe2O3)層を形成した。マグヘマイト(Fe2O3)層は、基板温度130℃において、流量0.08sccmの原子状酸素を基板に照射しながらFeを0.005nm/sのレートで蒸着することにより形成した。最後に酸化物層(5)の上に強磁性体層(強磁性上部電極層6)として、厚さ0.2〜2.0nmのFe層を室温で形成した。
一方、厚さ2nmのマグヘマイト層のRHEEDパターンではスピネル構造特有の超格子線が確認できるため、厚さ2nm、つまりスピネル構造のユニットセルの2倍以上の厚さになるとスピネル構造の超格子構造が形成されることが分かる。このようにスピネル構造の超格子構造がある場合でも無い場合でも本発明の効果が同様に得られるため、本発明においてはスピネル構造の超格子構造は無くても構わない。したがって、スピネル構造のユニットセルの格子定数よりも薄いマグヘマイト層でも、酸化物層に積極的に用いることができる。なお、上述のようにスピネル構造のユニットセルの格子定数よりも薄い酸化物層の結晶構造を表す一般名称が存在しないため、本発明においてはスピネル構造の超格子構造が無い場合も含めて「スピネル構造」と呼ぶこととする。
以上をまとめると、“酸化マグネシウム(001)”を含む非磁性体層(4)と強磁性体層6(Fe層)との間に極めて薄い酸化物層5(マグヘマイト層)を挿入することによって、非磁性体層(4)に対する強磁性体層(6)の濡れ性が大幅に改善され、その結果、非磁性体層(4)上に非常に薄くても平坦で高品質な連続膜の強磁性体層(6)を形成することが可能となった。この発見は、極めて濡れ性の悪い“酸化マグネシウム(001)”層の上には非常に薄くて平坦な強磁性体層は作製できない、という従来の結晶成長の常識を覆すものである。ただし、本発明における結晶成長の物理的な機構や原理は、未だ不明である。
「強磁性またはフェリ磁性のスピネルフェライト系材料」としてマグヘマイト以外にも、マグネタイト、Coフェライト、Niフェライトなどの材料がある。CoフェライトやNiフェライトは、非常に高いキュリー温度や大きなスピンフィルター効果を有しているため、酸化物層(5)の材料としてマグヘマイトよりも好ましい。また、マグネタイトはハーフメタルのバンド構造を持っているため、より大きなMR比と低いRA積を得るために有効な材料である。基本的に、Fe、Co、Niなどのうち少なくとも1元素と酸素を含み、さらに必要に応じて他の元素を添加したスピネルフェライト系の酸化物が、酸化物層(5)の材料として適しており、その組成は各種応用のために必要なMR比やRA値などの諸特性に応じて適宜設定するとよい。なお、前述の通り、スピネルフェライト系の酸化物層の厚さがスピネル構造のユニットセルの格子定数よりも薄くて、スピネル構造の超格子構造を有していなくても構わない。
図1(b)に、実施例2における磁気多層膜及びTMR素子の断面模式図を示す。実施例1(図1(a))との違いは、実施例1の強磁性体層(6)が実施例2では第1の強磁性体層(6)と第2の強磁性体層(7)に置き換わっただけであり、この他の構成要素に関しては実施例1と実施例2は全く同じである。極めて薄い酸化物層(4)の上に、極めて薄い第1の強磁性体層(6)を配置し、さらにその上に第2の強磁性体層(7)を配置する。必要に応じて、第2の強磁性体層(7)の上に、さらに異なる強磁性体層を配置してもよい。さらに、必要に応じて、第1の強磁性体層(6)と第2の強磁性体層(7)の間にRuやTa、Cu、MgOなどの極めて薄い非磁性層を挿入してもよい。図1(b)のように、2層以上の強磁性体層を積層することによって、各種応用に応じた磁気特性やMR比の最適化が可能となる。例えば、本発明の磁気多層膜をTMR素子の構成要素として用いる場合、第1の強磁性体層(6)に高いMR比を示す材料、第2の強磁性体層(7)に所望の磁気特性を示す材料を用い、これら2層の界面に働く交換結合により、これら2層が事実上1層の強磁性体層(上部電極層)として振る舞うようにすれば、高いMR比と所望の磁気特性を同時に実現することが可能となる。
実施例1では強磁性体層(6)の材料としてFeを用いたが、ここではCoを用いた。従来、準安定結晶層であるBCC Co層は、酸化マグネシウムのような非磁性体層(4)の上には成長、成膜が困難である。ここでは、非磁性体層(4)の上に予め極めて薄い厚さ0.4nmのマグヘマイト層からなる酸化物層(5)を形成しておき、その上に極めて薄い厚さ0.8nm程度のBCC Co層からなる強磁性体層(6)を形成することにより磁気多層膜を作製した。
日本国出願2012年第192115号(2012年8月31日)
2…下地層、
3…下部の強磁性体層(強磁性下部電極層)、
4…非磁性体層(トンネル障壁層又はその一部)、
5…3d遷移金属元素を含む酸化物層、
6…上部の強磁性体層又は第1の強磁性層(強磁性上部電極層又はその一部)、
7…第2の強磁性体層(強磁性上部電極層又はその一部)、
8…キャップ層、
33…下部電極層、
34…非磁性体層(トンネル障壁層又はその一部)、
36…強磁性体層又は第1の強磁性体層
Claims (12)
- 基板側から順に、(001)結晶面が優先配向した単結晶又は多結晶の酸化マグネシウムを含む非磁性体層、極めて薄い3d遷移金属元素を含む酸化物層及び極めて薄い強磁性体層からなる磁気多層膜。
- 請求項1に記載の磁気多層膜において、前記強磁性体層を第1の強磁性体層とし、その上に第1の強磁性体層とは組成あるいは結晶構造の異なる第2の強磁性体層を付加した磁気多層膜。
- 請求項1又は2に記載の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層の膜厚が0.2〜1.5nmである磁気多層膜。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層がFe、Co、Niのうち少なくとも1元素を含む酸化物を含む磁気多層膜。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層が“スピネル構造を持つ3d遷移金属元素を含む酸化物”を含む磁気多層膜。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層が“スピネルフェライト系の3d遷移金属元素を含む酸化物”を含む磁気多層膜。
- 請求項6に記載の磁気多層膜において、前記“スピネルフェライト系の3d遷移金属元素を含む酸化物”が強磁性またはフェリ磁性のスピネルフェライト系材料である磁気多層膜。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の磁気多層膜において、前記3d遷移金属元素を含む酸化物層がマグヘマイト、マグネタイト、Coフェライト又はNiフェライトを含む磁気多層膜。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の磁気多層膜において、前記強磁性体層又は前記第1の強磁性体層の膜厚が0.2〜0.8?nmである磁気多層膜。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の磁気多層膜において、前記強磁性体層又は前記第1の強磁性体層は、Feを含む強磁性金属又はFeを含む強磁性合金を含む磁気多層膜。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の磁気多層膜において、前記強磁性体層又は前記第1の強磁性体層は、FeもしくはCoを含むBCC構造の強磁性金属又はFeもしくはCoを含むBCC構造の強磁性合金を含む磁気多層膜。
- 基板側から順に強磁性下部電極層、トンネル障壁層及び強磁性上部電極層を含むトンネル磁気抵抗素子であって、
その構成要素に請求項1〜11のいずれかに記載の磁気多層膜を含み、
その場合、前記非磁性体層が前記トンネル障壁層またはその一部に相当し、前記強磁性体層が前記強磁性上部電極層又はその一部に相当し、或いは前記1の強磁性体層と前記第2の強磁性体層との積層物が前記強磁性上部電極層又はその一部に相当するトンネル磁気抵抗素子。
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JP2019047119A (ja) * | 2017-09-04 | 2019-03-22 | Tdk株式会社 | 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、および磁気デバイス |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003332127A (ja) * | 2002-05-13 | 2003-11-21 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 軟磁性フェライト材料の製造方法 |
WO2006022183A1 (ja) * | 2004-08-27 | 2006-03-02 | Japan Science And Technology Agency | 磁気抵抗素子及びその製造方法 |
US20070096229A1 (en) * | 2005-10-28 | 2007-05-03 | Masatoshi Yoshikawa | Magnetoresistive element and magnetic memory device |
JP2007150265A (ja) * | 2005-10-28 | 2007-06-14 | Toshiba Corp | 磁気抵抗効果素子および磁気記憶装置 |
JP2008293556A (ja) * | 2007-05-22 | 2008-12-04 | Univ Of Tsukuba | 反強磁性的層間結合磁性膜を用いた磁気記録媒体及び磁気記憶装置 |
US20110141606A1 (en) * | 2009-12-10 | 2011-06-16 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Tunneling junction magnetoresistive effect element and manufacturing method thereof |
US20120212857A1 (en) * | 2011-02-17 | 2012-08-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magneto-resistive effect device, magnetic head assembly, and magnetic recording device |
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Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003332127A (ja) * | 2002-05-13 | 2003-11-21 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 軟磁性フェライト材料の製造方法 |
WO2006022183A1 (ja) * | 2004-08-27 | 2006-03-02 | Japan Science And Technology Agency | 磁気抵抗素子及びその製造方法 |
EP1793434A1 (en) * | 2004-08-27 | 2007-06-06 | Japan Science and Technology Agency | Magnetoresistacne element and production method therefor |
US20070258170A1 (en) * | 2004-08-27 | 2007-11-08 | Shinji Yuasa | Magnetic Tunnel Junction Device and Method of Manufacturing the Same |
US20070096229A1 (en) * | 2005-10-28 | 2007-05-03 | Masatoshi Yoshikawa | Magnetoresistive element and magnetic memory device |
JP2007150265A (ja) * | 2005-10-28 | 2007-06-14 | Toshiba Corp | 磁気抵抗効果素子および磁気記憶装置 |
JP2008293556A (ja) * | 2007-05-22 | 2008-12-04 | Univ Of Tsukuba | 反強磁性的層間結合磁性膜を用いた磁気記録媒体及び磁気記憶装置 |
US20110141606A1 (en) * | 2009-12-10 | 2011-06-16 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. | Tunneling junction magnetoresistive effect element and manufacturing method thereof |
JP2011124372A (ja) * | 2009-12-10 | 2011-06-23 | Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv | トンネル接合型磁気抵抗効果素子及びその製造方法 |
US20120212857A1 (en) * | 2011-02-17 | 2012-08-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magneto-resistive effect device, magnetic head assembly, and magnetic recording device |
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