JPWO2017090730A1 - スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、および磁気メモリ - Google Patents
スピン流磁化反転素子、磁気抵抗効果素子、および磁気メモリInfo
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Abstract
Description
本願は、2015年11月27日に、日本に出願された特願2015−232334号、2016年3月16日に、日本に出願された特願2016−53072号、2016年3月18日に、日本に出願された特願2016−56058号、2016年10月27日に、日本に出願された特願2016−210531号、2016年10月27日に、日本に出願された特願2016−210533号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
図1に、本発明の一実施形態に係るスピン流磁化反転素子の一例の模式図を示す。図1(a)は平面図であり、図1(b)は図1(a)のスピン軌道トルク配線2の幅方向の中心線であるX−X線で切った断面図である。
図1に示すスピン流磁化反転素子10は、磁化の向きが可変な第1強磁性金属層1と、第1強磁性金属層1の面直方向である第1方向(z方向)に対して交差する第2方向(x方向)に延在し、第1強磁性金属層1の第1面1aに接合するスピン軌道トルク配線2と、を備える。スピン軌道トルク配線2の材料は、式AxB1−xで表される二元合金、金属炭化物、又は金属窒化物であり、前記AがAl、Ti、及び、Ptからなる群から選択された元素であって、前記BがAl、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Y、Ru、Rh、及び、Irからなる群から選択された元素であり、かつ、空間群Pm−3m、又は、Fd−3mの対称性を有する立方晶構造であるか、又は、前記AがAl、Si、Ti、Y、及び、Taからなる群から選択された元素であり、前記BがC、N、Co、Pt、Au及びBiからなる群から選択された元素であり、かつ、空間群Fm−3mの対称性を有する立方晶構造である。
スピン軌道トルク配線2は、スピン軌道トルク(SOT)を利用して磁化反転を行うために備えたものであって、電流が流れるとその内部にスピンホール効果によって純スピン流が生成する。
スピンホール効果とは、材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に純スピン流が誘起される現象である。
スピン軌道トルク配線2をこれらの材料からなるものとすることにより、高いスピン軌道相互作用を生じさせることができる。
また、これらの材料は、接合するFeなどの強磁性金属層との格子不整合が5%以下であるため、高い磁気抵抗比が維持される。
スピン軌道トルク配線2をこれらの材料からなるものとすることにより、高いスピン軌道相互作用を生じさせることができる。
また、これらの材料は、接合するFeなどの強磁性金属層との格子不整合が5%以下であるため、高い磁気抵抗比が維持される。
スピン軌道トルク配線2をこれらの材料からなるものとすることにより、高いスピン軌道相互作用を生じさせることができる。
また、これらの材料は、接合するFeなどの強磁性金属層との格子不整合が5%以下であるため、高い磁気抵抗比が維持される。
スピン軌道トルク配線2をこれらの材料からなるものとすることにより、高いスピン軌道相互作用を生じさせることができる。
また、これらの材料は、接合するFeなどの強磁性金属層との格子不整合が5%以下であるため、高い磁気抵抗比が維持される。
スピン軌道トルク配線2をこれらの材料からなるものとすることにより、高いスピン軌道相互作用を生じさせることができる。
また、これらの材料は、接合するFeなどの強磁性金属層との格子不整合が5%以下であるため、高い磁気抵抗比が維持される。
スピン軌道トルク配線2をこれらの材料からなるものとすることにより、高いスピン軌道相互作用を生じさせることができる。
また、これらの材料は、接合するFeなどの強磁性金属層との格子不整合が5%以下であるため、高い磁気抵抗比が維持される。
図1に示すスピン流磁化反転素子においては、第1強磁性金属層は磁化方向が層に平行な面内方向である面内磁化膜でも、磁化方向が層に対して垂直方向である垂直磁化膜でもいずれでもよい。
このように第1強磁性金属層が細長状であることにより、この方向に磁化が反転しやすくなるので、その分、反転電流密度が小さくて済む。
第1強磁性金属層については後でまた詳述する。
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子は、本発明のスピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第2強磁性金属層と、第1強磁性金属層と第2強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備えるものである。
図3に示す磁気抵抗効果素子100は、本発明のスピン流磁化反転素子(第1強磁性金属層101とスピン軌道トルク配線120)と、磁化方向が固定された第2強磁性金属層103と、第1強磁性金属層101及び第2強磁性金属層103に挟持された非磁性層102とを有する。また、図3に示す磁気抵抗効果素子100は、磁気抵抗効果素子部105とスピン軌道トルク配線120とを有するということもできる。
図3においては、磁気抵抗効果素子100を作製する基板110も図示した。
磁気抵抗効果素子部105は、磁化方向が固定された第2強磁性金属層103と、磁化の向きが可変な第1強磁性金属層101と、第2強磁性金属層103及び第1強磁性金属層101に挟持された非磁性層102とを有する。
第2強磁性金属層103の磁化が一方向に固定され、第1強磁性金属層101の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子部105として機能する。保磁力差型(擬似スピンバルブ型;Pseudo spin valve 型)のMRAMに適用する場合には、第2強磁性金属層の保持力は第1強磁性金属層の保磁力よりも大きいものであり、また、交換バイアス型(スピンバルブ;spin valve型)のMRAMに適用する場合には、第2強磁性金属層では反強磁性層との交換結合によって磁化方向が固定される。
また、磁気抵抗効果素子部105は、非磁性層102が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子であり、非磁性層102が金属からなる場合は巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)素子である。
第2強磁性金属層103は磁化固定層や参照層、第1強磁性金属層101は磁化自由層や記憶層などと呼ばれる。
例えば、非磁性層102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等を用いることができる。またこれらの他にも、Al、Si、Mgの一部が、Zn、Be等に置換された材料等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102が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
基板110は、平坦性に優れることが好ましい。平坦性に優れた表面を得るために、材料として例えば、Si、AlTiC等を用いることができる。
例えば1つの例として、下地層には(001)配向したNaCl構造を有し、Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ceの群から選択される少なくとも1つの元素を含む窒化物の層を用いることができる。
第2強磁性金属層103の非磁性層102側と反対側の面(図3では上面)には、上側配線(図示略)を設けてもよい。
上側配線の材料は、導電性の高い材料であれば特に問わない。例えば、アルミニウム、銀、銅、金等を用いることができる。
第1電源は、上側配線とスピン軌道トルク配線120とに接続される。第1電源は磁気抵抗効果素子部105の積層方向に流れる電流を制御することができる。
第2電源150は、スピン軌道トルク配線120の両端に接続される。第2電源150は、磁気抵抗効果素子部105の積層方向に対して直交する方向に流れる電流である、スピン軌道トルク配線120に流れる電流を制御することができる。
また、例えば薄いデバイスを作製する必要があり、非磁性層102の厚みを薄くせざる得ない場合は、非磁性層102に流れる電流を少なくことが求められる。この場合は、第1電源から流れる電流量を少なくし、第2電源から流れる電流量を多くし、SOTの寄与率を高めることができる。
磁化反転方法は、本発明の磁気抵抗効果素子において、スピン軌道トルク配線に流れる電流密度が1×107A/cm2未満とすることができる。
スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きすぎると、スピン軌道トルク配線に流れる電流によって熱が生じる。熱が第2強磁性金属層に加わると、第2強磁性金属層の磁化の安定性が失われ、想定外の磁化反転等が生じる場合がある。このような想定外の磁化反転が生じると、記録した情報が書き換わるという問題が生じる。すなわち、想定外の磁化反転を避けるためには、スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度が大きくなりすぎないようにすることが好ましい。スピン軌道トルク配線に流す電流の電流密度は1×107A/cm2未満であれば、少なくとも発生する熱により磁化反転が生じることを避けることができる。
SOT磁化反転工程とSTT磁化反転工程は、同時に行ってもよいし、SOT磁化反転工程を事前に行った後にSTT磁化反転工程を加えて行ってもよい。第1電源と第2電源から電流を同時に供給してもよいし、第2電源から電流を供給後に、加えて第1電源から電流を供給してもよいが、SOTを利用した磁化反転のアシスト効果をより確実に得るためには、スピン軌道トルク配線の電源に電流が印加した後に、磁気抵抗効果素子の電源に電流を印加することが好ましい。すなわち、第2電源から電流を供給後に、加えて第1電源から電流を供給することが好ましい。
本発明の磁気メモリ(MRAM)は、本発明の磁気抵抗効果素子を複数備える。
スピン流磁化反転素子は、スパッタリング法等の成膜技術と、フォトリソグラフィー及びArイオンミリング等の形状加工技術を用いて得ることができる。以下では、スピン流磁化反転素子を適用した磁気抵抗効果素子の製造方法について説明することでスピン流磁化反転素子の製造方法の説明も兼ねる。
スピン軌道トルク配線の両端に直流電源と直流電圧計を設置する。また、磁気抵抗効果素子の素子抵抗の測定は、上部電極、及びスピン軌道トルク配線を下部電極とし、直流電源、直流電圧計を用いた4端子法にて測定を行うことができる。
スピン軌道トルク配線にパルス電流を印加し、印加後、磁気抵抗を測定する。用いるパルス幅は例えば、0.5秒とする。
また、外部磁場をスピン軌道トルク配線の延伸方向に印加する。外部磁場の大きさは例えば、1000Oe(100mT)とする。
後述する実施例では、反転電流密度は平行状態から反平行状態への反転電流密度と反平行状態から平行状態への反転電流密度の絶対値の平均として定義した。
薄膜X線回折(XRD)を用いて結晶構造を決定することができる。XRDは、面直測定(out−of−plane XRD)と面内測定(in−plane XRD)を行った。
また併せて、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて原子配列を直接確認してもよい。
蛍光X線分析(XRF)を用いて、スピン軌道トルク配線材料の組成比の同定を行うことができる。
実施例1〜11について、スピン軌道トルク配線の構成材料の結晶構造は以下のようにして決定した。
熱酸化Si基板上に下地層としてTa膜を5nm成膜し、次いでTa膜上に2元同時スパッタが可能なDC・RFマグネトロンスパッタ装置を用いて、スピン軌道トルク配線材料膜を20nm成膜した。組成比の調整は、印加DC電圧を変え各々のスパッタリングレートを調整することによって行った。実施例9〜11の窒化物膜はArガスに加え、Arガスラインとは異なるガスラインとマスフローコントローラーを用意し、純窒素ガスをスパッタチャンバー内に流すことによって成膜した。次いで、スピン軌道トルク配線材料膜上にTa膜を10nm成膜してサンプルを作製した。
次いで、得られた各サンプルについて、薄膜X線回折(out−of−plane XRD、及び、in−plane XRD)を用いて結晶構造を決定した。その結果は表1及び表2に示した。
実施例1〜11について、スピン軌道トルク配線の構成材料の組成比は蛍光X線分析(XRF)を用いて同定した。
熱酸化Si基板上に2元同時スパッタが可能なDC・RFマグネトロンスパッタ装置を用いて、スピン軌道トルク配線材料膜を100nm成膜した。組成比の調整は、印加DC電圧を変え各々のスパッタリングレートを調整することによって行った。その結果は表1及び表2に示した。
実施例1〜11及び比較例1〜8の磁気抵抗効果素子について、外部磁場1000Oe(100mT)をスピン軌道トルク配線の延在方向に印加しながら、反転電流密度を測定した。反転電流密度は、磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化した際の電流を、スピン軌道トルク配線を長手方向に直交する断面の断面積で割ることにより得られる。表1及び表2に示した反転電流密度は、磁化が平行状態から反平行状態に変わる際の値と、反平行状態から平行状態に変わる際の値の絶対値の平均である。
AlxNi1−x(実施例1):0.42 ≦ X ≦ 0.54
AlxRu1−x(実施例2):0.48 ≦ X ≦ 0.51
AlxRh1−x(実施例3):0.48 ≦ X ≦ 0.58
TixNi1−x(実施例4):0.47 ≦ X ≦ 0.50
PtxAl1−x(実施例5):0.72 ≦ X ≦ 0.80
TixNi1−x(実施例6):0.50 ≦ X ≦ 0.67
AlxAu1−x(実施例7):0.50 ≦ X ≦ 0.67
SixMn1−x(実施例8):0.22 ≦ X ≦ 0.25
2 スピン軌道トルク配線
100 磁気抵抗効果素子
101 第1強磁性金属層
102 非磁性層
103 第2強磁性金属層
105 磁気抵抗効果素子部
Claims (9)
- 磁化の向きが可変な第1強磁性金属層と、
前記第1強磁性金属層の面直方向である第1方向に対して交差する第2方向に延在し、第1強磁性金属層に接合するスピン軌道トルク配線と、を備え、
前記スピン軌道トルク配線の材料が式AxB1−xで表される二元合金、金属炭化物、又は金属窒化物であり、
前記AがAl、Ti、及び、Ptからなる群から選択された元素であって、前記BがAl、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Y、Ru、Rh、及び、Irからなる群から選択された元素であり、かつ、空間群Pm−3m、又は、Fd−3mの対称性を有する立方晶構造であるか、又は、前記AがAl、Si、Ti、Y、及び、Taからなる群から選択された元素であって、前記BがC、N、Co、Pt、Au及びBiからなる群から選択された元素であり、かつ、空間群Fm−3mの対称性を有する立方晶構造である、スピン流磁化反転素子。 - 前記材料が、CsCl構造であるAlxFe1−x、AlxCo1−x、AlxNi1−x、AlxRu1−x、AlxRh1−x、AlxIr1−x、TixFe1−x、TixCo1−x、及び、TixNi1−xからなる群から選択されたものである請求項1に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記材料が、Ti2Ni構造であるTixFe1−x、TixCo1−x、及び、TixNi1−xからなる群から選択されたものである請求項1に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記材料が、Cu3Au構造であるPtxAl1−x、PtxCr1−x、PtxMn1−x、PtxFe1−x、及び、PtxY1−xからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項1に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記材料が、NaCl構造であるAlxN1−x、TixC1−x、TixN1−x、YxBi1−x、及び、TaxN1−xからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項1に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記材料が、BiF3構造であるAlxFe1−x、SixMn1−x、及び、SixFe1−xからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項1に記載のスピン流磁化反転素子。
- 前記材料が、CaF2構造であるAlxPt1−x、AlxAu1−x、及び、AlxCo1−xからなる群から選択されたものであることを特徴とする請求項1に記載のスピン流磁化反転素子。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載のスピン流磁化反転素子と、磁化方向が固定されている第2強磁性金属層と、第1強磁性金属層と第2強磁性金属層に挟持された非磁性層とを備える磁気抵抗効果素子。
- 請求項8に記載の磁気抵抗効果素子を複数備える磁気メモリ。
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