JPWO2017086481A1 - 磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
Description
強磁性体から構成される参照層と、
Oを含む障壁層と、
Co又はFeを含む強磁性体から構成される記録層と、
Oを含む第1の保護層と、
Pt、Ru、Co、Fe、CoB、FeB又はCoFeBの少なくとも1つを含む第2の保護層と、
が積層して構成されている。
上述の記載の磁気トンネル接合素子から構成された記憶セルと、
前記記憶セルを選択してデータを書き込む書き込み回路と、
前記記憶セルを選択してデータを読み出す読み出し回路と、
を備える。
本実施形態に係る磁気トンネル接合素子(MTJ(Magnetic tunnel junction)素子)10は、高い界面磁気異方性を示す磁気トンネル接合を有する。MTJ素子10は、図1に示すように、参照層14と、障壁層15と、記録層16と、第1の保護層17と、第2の保護層18とがこの順番で積層された構造を備える。なお、図1では上から第2の保護層18、第1の保護層17、記録層16、障壁層15、参照層14の順番となっているが、上下逆でも構わない。他の図面についても同様である。
あるいは、参照層14と障壁層15との界面、障壁層15と記録層16との界面、記録層16と第1の保護層17との界面の少なくとも1つが直径Dが30nm以下のほぼ円形の接合面を有していてもよい。接合面は円形でなくてもよく、その場合は接合面の実効的な面積が直径30nmの円の面積よりも小さい方が好ましい。
下部電極層12は、Au等の導体の層から構成される。
下地層13は、厚さ5nm程度のTaの層から構成される。下地層13は、Cu、CuN、Au、Ag、Ruなどの金属材料、それらの合金などから構成されてもよい。下地層13は、複数の金属材料の層を積層した構造、例えばTa層/Ru層/Ta層といった構造であってもよい。下地層13は、MTJ素子10の層を形成する下地となる層であり、表面が平坦に形成されている。
このことから、第2の保護層18がPt、Ru又はCoFeBで形成されたMTJ素子10の接合面Jの界面磁気異方性は、第2の保護層18がTa又はWで形成されたMTJ素子10の接合面Jの界面磁気異方性の値よりも大きい、ことが判明した。
さらに、参照層14は、単層である必要はなく、積層膜でもよい。例えば、Co膜とPt膜の積層膜、Ni膜とCo膜の積層膜、さらにそれらの多層膜、積層フェリ構造等を参照層14として使用することも可能である。
さらに、記録層16の材質は、CoFeBM(ここでMはNi,Zr,Hf,Ta,Mo,Nb,Pt,Cr,Si又はVを少なくとも1つ含む)などを利用できる。
また、第1の保護層17の膜厚は、障壁層15の膜厚以下に形成されることが望ましい。
段落0068に記載したように、第2の保護層18は、磁性層としてではなく隣接する第1の保護層17を保護する保護層として機能する。また、第2の保護層18は、界面磁気異方性の値には影響を与えないこと、即ち、非磁性体であることが望ましい。
第2の保護層18が磁性層で且つ面内方向に磁化容易軸がある場合、静磁気的な相互作用により、垂直磁化容易性を有する記録層16に大きな面内磁界が印加される。印加された面内磁界は、記録層16の熱安定性Δを劣化させ、MTJ素子の性能を劣化させる。
なお、結合層21には、Ru、Cr、Irといった大きな層間結合磁界を発生させる材料が好適である。ただし、面内磁化容易軸を有する2つの強磁性層の間には、静磁気的な相互作用により、反強磁性結合が働く。このため、非磁性材料であればどのような材料を用いても同様の効果が得られる。また、強磁性層22は、参照層14、記録層16等と同様に、Co、Fe、CoB、FeB、CoFeB等の任意の材料を使用可能である。
11 基板
12 下部電極層
13 下地層
14、14A,14B 参照層(固定層)
15、15A 障壁層(絶縁層)
15B、17B 非磁性結合層
16、16A,16B 記録層(自由層)
17、17A 第1の保護層(絶縁層)
18 第2の保護層(キャップ層)
19 上部電極層
20 選択トランジスタ
21 非磁性層
22 強磁性層
100 磁気メモリ回路
101 Xドライバ
102 Yドライバ
103 センスアンプ
104 ソース線ドライバ
WL ワード線
BL ビット線
SL ソース線
Claims (13)
- 強磁性体から構成される参照層と、
Oを含む障壁層と、
Co又はFeを含む強磁性体から構成される記録層と、
Oを含む第1の保護層と、
Pt、Ru、Co、Fe、CoB、FeB又はCoFeBの少なくとも1つを含む第2の保護層と、
が積層して構成された磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の保護層は、Pt又はRuを少なくとも1つ含む層から構成され、0.3〜3.5nmの厚さを有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の保護層は、Co、Fe、CoB、FeB又はCoFeBを少なくとも1つを含む層から構成され、0.1〜3.5nmの厚さを有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記参照層と前記障壁層との接合面、前記障壁層と前記記録層との接合面、前記記録層と前記第1の保護層との接合面、の少なくとも1つは、直径30nmの円の面積よりも小さな接合面である、
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記記録層は、接触している障壁層又は第1の保護層との界面の磁気異方性に起因して、磁化の方向が界面に垂直である、
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の保護層の上に、Ru、Rh、Pd、Cu、Ir、Au、Ta、Hf、W、Zr、Nb、Mo、Ti、V、Cr又はこれらの合金を含む第3の保護層を備える、
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の保護層は0.6〜1.5nmの厚さを有する、
ことを特徴とする請求項6に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の保護層は0.6〜1.0nmの厚さを有する、
ことを特徴とする請求項7に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の保護層は非磁性体である、
ことを特徴とする請求項7又は8に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の保護層は磁性を有し、
前記第2の保護層の上に形成された非磁性層と、前記非磁性層の上に形成され、前記第2の保護層の磁化の方向と平行で反対方向に磁化された強磁性層と、をさらに備える、
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記第2の保護層は0.6〜3.5nmの厚さを有する、
ことを特徴とする請求項10に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記強磁性層は、Co、Fe、CoB、FeB、CoFeB、CoPt合金、CoPd合金、FePt合金、FePd合金、フェリ磁性体の少なくとも1つを含む、
ことを特徴とする請求項10又は11に記載の磁気トンネル接合素子。 - 請求項1乃至12の何れか1項に記載の磁気トンネル接合素子から構成された記憶セルと、
前記記憶セルを選択してデータを書き込む書き込み回路と、
前記記憶セルを選択してデータを読み出す読み出し回路と、
を備える磁気メモリ。
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