JPWO2019230352A1 - スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1実施形態に係るスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子の一例の断面模式図である。図1は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子をスピン軌道トルク配線5のy方向中心を通るxz平面で切断した断面を示す。図1に示すスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、機能部4及びスピン軌道トルク配線5を備える。機能部4は、第1強磁性層1と、第2強磁性層2と、第1強磁性層1と第2強磁性層2との間に位置する非磁性層3と、を有する。スピン軌道トルク配線5は、第1強磁性層1の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延びる。スピン軌道トルク配線5は、第1強磁性層1を積層している。
機能部4は、通常の磁気抵抗効果素子と同様に機能する。機能部4は、非磁性層3が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗効果(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子となる。また、非磁性層3が金属からなる場合は巨大磁気抵抗効果(GMR:Giant Magnetoresistance)素子と同様の構成である。第1強磁性層1の磁化M1と第2強磁性層2の磁化M2の相対角の違いに応じて、機能部4はz方向の抵抗値が変化する。第2強磁性層2の磁化M2は、所定の外力が印加された際に第1強磁性層1の磁化よりも配向方向が変化しにくい。第2強磁性層2は固定層や参照層、第1強磁性層1は自由層や記憶層などと呼ばれる。
第1強磁性層1は、第1積層構造体10aと、界面磁性層20とを有する。第1強磁性層1は、界面磁性層20の磁化方向が変化可能とされている。第1積層構造体10aは、強磁性導電体層11aと無機化合物含有層12aとが積層した構造体である。界面磁性層20は、非磁性層3と無機化合物含有層12aとの間に位置する。界面磁性層20は、例えば、非磁性層3に接している。強磁性導電体層11aは、スピン軌道トルク配線5と無機化学化合物含有層12aとの間に位置する。強磁性誘電体層11aは、例えば、スピン軌道トルク配線5に接している。
強磁性導電体層11aは、強磁性金属元素を含む。強磁性導電体層11aは、スピン軌道トルク配線5よりも導電性が高いことが好ましい。強磁性導電体層11aの導電性がスピン軌道トルク配線5の導電性より高いと、スピン軌道トルク配線5を流れる電子が強磁性導電体層11aに侵入しやすい。また、強磁性導電体層11aは、無機化合物含有層12aによって、結晶構造の対象性が崩れている。結晶構造の対称性の崩れは、強磁性導電体層11aの内場(電子が存在する分布)の対称性を崩す。強磁性導電体層1aの内場は、強磁性導電体層11aが単体で存在する状態から変化している。そのため、強磁性導電体層11aに電子が侵入すると強磁性導電体層11aで発生するスピン流が、内場の対称性が崩れていない場合と比較して、増加する。強磁性導電体層11a内で発生するスピン流が増加すると、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の反転電流密度が低減する。また、強磁性導電体層11aの垂直磁気異方性(PMA)は無機化合物含有層12aのアニオン成分と強磁性元素とが結合すると大きくなる。そして、強磁性導電体層11aの垂直磁気異方性(PMA)が大きくなると、強磁性導電体層11aの熱安定性が向上する。
無機化合物含有層12aは、炭化物、窒化物、硫化物からなる群より選ばれた少なくとも1種の無機化合物を含む。無機化合物含有層12aは、強磁性導電体層11aの結晶構造の対象性を崩すように形成されていれば、その構成は特に制限はない。強磁性導電体層11aの結晶構造の対象性は、例えば、無機化合物含有層12aにおけるアニオン成分欠損量が面内方向(xy面内)の場所によって不均一であることにより崩れる。また無機化合物含有層12aにおけるアニオン成分欠損量を面内方向(xy面内)と直交する面直方向(xz方向又はyz方向)に不均一にすることでも、強磁性導電体層11aの結晶構造の対象性を崩すことができる。さらに、無機化合物含有層12aの一部を過剰アニオン成分の状態とし、面内方向又は面直方向のアニオン成分量を不均一にすることで、結晶構造の対称性を崩してもよい無機化合物含有層12aは、無機化合物のみからなる層であってもよいし、強磁性金属元素と無機化合物とを含む層であってもよい。強磁性金属元素と無機化合物とを含む層は、強磁性金属元素に無機化合物が島状に点在する構造であってもよいし、強磁性金属元素に無機化合物の粒子が分散した構造であってもよい。
界面磁性層20は、強磁性材料、特に軟磁性材料を適用できる。
界面磁性層20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含む。界面磁性層20は例えば、Co−Fe、Co−Fe−B、Ni−Feを例示できる。また界面磁性層20が面内磁化膜の場合、界面磁性層20は、例えば、Co−Ho合金(CoHo2)、Sm−Fe合金(SmFe12)等である。
界面磁性層20の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
非磁性層3には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層3が絶縁体からなる場合(トンネルバリア層である場合)、非磁性層3は、例えば、Al2O3、SiO2、MgO、及び、MgAl2O4等である。また、非磁性層3は、これらのAl、Si、Mgの一部が、Zn、Be等に置換されたものも用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAl2O4は機能部4のMR比を高くできる。非磁性層3が金属からなる場合、非磁性層3は、例えば、Cu、Au、Ag等である。さらに、非磁性層3が半導体からなる場合、非磁性層3は、例えば、Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等である。
非磁性層3の膜厚は、0.3nm以上3.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
第2強磁性層2の材料には公知の強磁性材料を用いることができる。強磁性材料の例は、界面磁性層20の場合と同じである。第2強磁性層2は、界面磁性層20と同じ強磁性材料を用いてもよいし、界面磁性層20と異なる強磁性材料を用いてもよい。
第2強磁性層2の膜厚は、0.5nm以上5.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
スピン軌道トルク配線5は、x方向に延在する。スピン軌道トルク配線5は、強磁性導電体層11aの一面に位置する。スピン軌道トルク配線5は、強磁性導電体層11a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。
スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101は、例えば、スピン軌道トルク配線5側から、強磁性導電体層11a、無機化合物含有層12a、界面磁性層20、非磁性層3、第2強磁性層2をこの順に積層することによって製造することができる。以下、本明細書においてスピン軌道トルク配線5上に積層された層を総称して積層体という場合がある。強磁性導電体層11a、界面磁性層20、非磁性層3、第2強磁性層2を積層する方法としては、スパッタリング法、化学気相成長(CVD)法などの公知の方法を用いることができる。無機化合物含有層12aを積層する方法としては、例えば、スパッタリング法やCVD法により、強磁性金属膜を形成し、次いで得られた強磁性金属膜を炭化、窒化または硫化させる方法、強磁性金属と無機化合物とをコスパッタリングする方法を用いることができる。
拡散防止層30の膜厚は、0.3nm以上2.0nm以下の範囲内にあることが好ましい。
(磁気メモリ)
図9は、磁気メモリ200の模式図である。磁気メモリ200は、第1実施形態のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101(図1参照)を複数備える。図1は、図9におけるA−A面に沿ってスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101を切断した断面図の一部に対応する。図9に示す磁気メモリ200は、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101が3×3のマトリックス配置をしている。図9は、磁気メモリの一例であり、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子101の構成、数及び配置は任意である。
Claims (7)
- 第1強磁性層と、
第2強磁性層と、
前記第1強磁性層と前記第2強磁性層との間に位置する非磁性層と、
前記第1強磁性層が積層された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は、前記第1強磁性層の面直方向である第1方向に対して交差する第2の方向に延在し、
前記第1強磁性層は、第1積層構造体と界面磁性層とを、前記スピン軌道トルク配線側から順に有し、
前記第1積層構造体は、強磁性導電体層と無機化合物含有層とが、前記スピン軌道トルク配線側から順に配置された構造体であり、
前記強磁性導電体層は、強磁性金属元素を含み、
前記無機化合物含有層は、炭化物、窒化物、硫化物からなる群より選ばれた少なくとも1種の無機化合物を含む、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。 - 前記第1積層構造体と前記界面磁性層との間に、強磁性導電体層と無機化合物含有層とが積層された第2積層構造体が、1つ以上挿入されている、請求項1に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 前記第1積層構造体の前記強磁性導電体層の膜厚が、前記第2積層構造体の前記強磁性導電体層の膜厚よりも厚い、請求項2に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 前記無機化合物含有層の膜厚が1.0nm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 前記第1強磁性層は、拡散防止層を有し、前記拡散防止層は、前記界面磁性層の前記非磁性層に接する側とは反対側の面に位置する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 前記界面磁性層は、Co、Fe、Bからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載のスピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子を複数備える、磁気メモリ。
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