TW201123569A - Magneto-resistance effect element and random access memory using same - Google Patents

Magneto-resistance effect element and random access memory using same Download PDF

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TW201123569A
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Shoji Ikeda
Takehito Shimazu
Hideo Ohno
Hiroyuki Yamamoto
Masaki Yamada
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Hitachi Ltd
Univ Tohoku
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Description

201123569 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關使用垂直磁化材料之磁阻效應元件及使 用其之隨機存取記憶體之構成。 【先前技術】 近年來，作爲使用磁性體的記憶體而開發有MR AM ( Magnetic Random Access Memory) 。MRAM 係將利用穿 隨磁阻抗（Tunneling Magnetoresistive: TMR)效果之 MTJ ( Magnetic Tunneling Junction)，作爲要素元件而使 用。MTJ元件係具有以2片強磁性體層夾持非磁性體層（ 絕緣層）之構造，可經由外部磁場而反轉單側之強磁性體 層（記錄層）之磁化方向。如此，在MTJi元件中，經由 控制磁性體層之磁化方向者而記錄資訊。即使切斷電源， 磁性體之磁化方向亦未變化之故，可實現保持所記錄之資 訊的非揮發動作。對於變化Μ T J元件之磁化方向（改寫 資訊）係除了從外部施加磁場的方式之外，近年來發現於 MTJ元件流動直接直流電流而反轉磁化之自旋傳輸矩磁化 反轉（旋轉注入磁反轉化）方式》例如，對於專利文獻1 係揭示有作爲記錄層使用面內磁化材料，利用旋轉注入磁 反轉化之MTJ元件及集成此等之記憶體SPRAM(SPin-transfer torque Magnetic Random Access Memory) ° 對於SPRAM的集成度提昇係必須要MTJ元件之微細 化’但此時，在MTJ元件之磁性資訊的熱安定性則成爲 201123569 課題。爲了反轉MTJ元件之記錄層之磁化方向，對於必 要的磁能而言，經由環境溫度的熱能變高的情況，未施加 外部磁場或電流之同時引起有磁化的反轉。尺寸縮小之同 時，MTJ元件之磁能係減少之故，伴隨著元件的微細化， 其熱的安定性係下降。對於爲了在微細的範圍亦維持熱的 安定性而實現信賴性高的動作，提昇MT〗元件之記錄層 材料之結晶磁性異向性者則爲有效。至目前爲止，揭示有 與面內磁化材料做比較，使用結晶磁性異向性高的垂直磁 化材料之MTJ元件（專利文獻2 )。更且在適用垂直磁化 材料之MTJ元件中，有關記錄層內之反磁場的影響乃與 面內磁化MTJ元件不同，作用於降低對於磁化的反轉所 需之電流密度（寫入電流密度）之方向。因此，有著與面 內磁化MTJ元件做比較，可降低寫入電流密度而抑制消 耗電力之優點。 作爲在垂直磁化MTJ元件提升阻抗變化率（TMR比 )之手段，揭示有對於絕緣層（阻障層）使用氧化鎂（ MgO )，於其兩側配置電子自旋分極率高的材料（CoFeB 等）之構造（專利文獻3 )。在此垂直磁化之強磁性層係 直接接合配置於高分極率磁性層。更且，作爲鄰接於高分 極率磁性層之垂直磁化層，亦提案有使用以2片的強磁性 體層夾持非磁性體層之構造（層積亞鐵構造）的元件（專 利文獻3 )»於圖1顯示專利文獻3所揭示之垂直磁化 MTJ元件之層積薄膜的構成。於阻障層213之下側，形成 顯示垂直磁化之磁性層205，206及非磁性層209所成之 201123569 層積亞鐵構成2 1 4，於上側，形成顯示垂直磁化之磁性層 2 07，208及非磁性層210所成之層積亞鐵構成215。另外 ，對於阻障層2 1 3的兩側界面係配置有高分極率磁性層 211，212。然而，圖 1 中的箭頭 216-1，216-2，217-1， 2 17-2係表示磁性層之磁化的方向，如圖所示，在層積亞 鐵構造中，藉由非磁性層209，210而2片的磁性層（205 與2 06，2 07與2 08 )之磁化乃結合於反平行方向。因此 ，有著可抑制從垂直磁化層產生之漏出磁場的效果。然而 ，從垂直磁化MTJ元件之以前檢討有以面內磁化MT]元 件適用層積亞鐵之構成，例如揭示於專利文獻4。 以往技術文獻 [專利文獻] [專利文獻1]日本特開2002-305337號公報 [專利文獻2]日本特開2003- 1 42364號公報 [專利文獻3]日本特開2007- 1 42364號公報 [專利文獻4]日本特開2008-198792號公報 [非專利文獻] [非專利文獻 1] Appl. Phys. Lett·，Vol.93，082508 (2008) 【發明內容】 [發明欲解決之課題] 對於實際製作如前述之垂直磁化ΜΤΙ元件，爲了得 201123569 到高TMR比，係強磁性體層及阻障層的結晶配 爲重要。由關於面內磁化MTJ元件之至此的檢 具有NaCl構造之MgO ( 001 )阻障層，更且以酉 〇〇 1 )結晶構造之強磁性層於其兩側的構造， TMR比者則成爲明確。作爲使用於高TMR元件 層的材料，具有bcc構造之Fe或CoFeB爲適合 Fe之情況，對於爲了得到bcc ( 001 )配向係必 底層之結晶配向控制，使用分子束磊晶裝置等之 則成爲必要。另一方面，CoFeB的情況係可以對 優越的濺鍍裝置之薄膜製作。以室溫濺鍍成膜 係未由基底之結晶構造所影響而成爲非晶形構造 非晶形CoFeB層上之MgO係配向於（001 ) CoFeB/MgO/CoFeB層積構造之後，進行退火 MgO ( 〇〇1 )的界面，CoFeB層之結晶化進行 CoFeB層做bcc ( 001 )配向。如此使用CoFeB 在非晶形狀態之成膜與經由退火之結晶化結構， 產的濺鍍裝置，亦可製作具有MgO ( 001 )阻障 (〇〇1 )構造之強磁性層的高TMR比之MTJ元件 將以面內磁化MTJ元件而爲有效之CoFeB i 組合，適合於垂直磁化MTJ元件之情況，有必 合於CoFeB之材料。由面內磁化MTJ元件之檢 進行CoFeB/MgO/CoFeB層積構造，經由接合於 外側的材料而從MgO界面，未有CoFeB層之結 ，而有未得到CoFeB層之bcc(001)構造。以 向控制則 討，使用 己置bcc ( 得到極高 之強磁性 。但使用 須進行基 嘉晶成長 於量產性 之 CoFeB 。形成於 。在形成 時，由從 者，可使 時，經由 在適合量 :層與 b cc :者。 與MgO的 要考慮接 討結果’ CoFeB 之 晶化進行 上的情況 201123569 係在垂直磁化MT〗元件亦爲適合，以如專利文獻3之構 造，對於高分極率材料使用C 〇 F e Β之情況，將垂直磁化 層直接接合於Co FeB而配置時，經由垂直磁化層之材料 ，擔心有無法得到CoFeB之bcc(OOl)構造。 本發明之目的係提供比較於以往技術，對於熱安定性 優越’寫入電流低，且顯示高TMR比之垂直磁化MTJ元 件者。對於更詳細係本發明乃提供控制對於高TMR比之 實現重要之阻障層與連接於此之高分極率之強磁性體層之 結晶配向性同時，適用結晶磁性異向性高之垂直磁化材料 之MTJ元件者。 [爲解決課題之手段] 在本發明中，作爲爲了製作MTJ元件之層積薄膜構 成，於阻障層之兩側，配置高分極率之強磁性層。更且， 最佳爲使用非磁性層與顯示垂直磁化之磁性層，將高分極 率磁性層/非磁性層/垂直磁化磁性層所成之層積亞鐵構造 ，形成於阻障層的上下。一方的層積亞鐵構造乃作爲固定 層而作用，另一方的層積亞鐵構造乃作爲記錄層而作用。 [發明效果] 由適用在本發明之薄膜構成者，可製作顯示高T MR 比，且對於熱安定性優越之垂直磁化MTJ元件。更且， 由濺鍍法等適合量產之方法的薄膜形成成爲容易之同時， 垂直磁化層材料的選擇幅度亦擴大。 -9 - 201123569 【實施方式】 使用圖面詳細說明本發明之實施形態。然而，在本發 明之實施例所敘述之MTJ元件中，利用旋轉注入磁化反 轉的機構而反轉記錄層之磁化。即，流動電流於元件中， 旋轉偏極的電流之旋轉乃經由傳達供予力距於磁性體記錄 層的磁距之時，反轉記錄層之磁化。 <實施例1 > 於圖2顯示在實施例1之MTJ元件的剖面模式圖。 於阻障層1 〇之下側，形成顯示垂直磁化的第1之磁性層 21與第1之非磁性層31，及經由電子自旋的分極率高之 第1之高分極率磁性層41的層積亞鐵構造51。同樣地於 阻障層10之上側，形成顯示垂直磁化的第2之磁性層22 與第2之非磁性層32，及經由第2之高分極率磁性層42 的層積亞鐵構造52。然而，如圖2所示，在層積亞鐵構 造51中，第1之磁性層21與第1之高分極率磁性層41 係藉由第1之非磁性層31而進行反強磁性結合，各磁化 61，62之方向係成爲反平行。對於層積亞鐵構造52亦爲 相同。 在專利文獻3之元件構成中，如圖1所示，垂直磁化 之磁性層205 ( 207 )，206 ( 208 )彼此乃藉由非磁性層 2 09 (210)而形成層積亞鐵構造，直接層積高分極率磁性 層211(212)與磁性層206(207)。對此，本發明中， •10- 201123569 高分極率磁性層4 1 ( 42 )與磁性層2 1 ( 22 )乃在構成非 磁性層3 1 ( 32 )與層積亞鐵的點，與專利文獻3之發明 ，構造則爲不同。 作爲各層之材料，對於阻障層10適用MgO (膜厚： lnm)、對於第1之磁性層21適用m-D019型之Co75Pt25 規則合金（膜厚：l〇nm)、對於第2之磁性層22適用m-D019型之C〇75Pt25規則合金（膜厚：3nm)、對於第1之 非磁性層31及第2之非磁性層32適用Ru (膜厚：0.8nm )、對於第1之高分極率磁性層41及第2之高分極率磁 性層42適用 CoFeB (膜厚：lnm )。另外，作爲下部電 極11，係使用以Ta層（膜厚：5nm) 、Pt層（膜厚： lOnm)的順序層積的膜。對於基底層13係使用Ru (膜厚 :20nm)、對於蓋層14係使用Ru (膜厚：5nm)。各層 係使用採用Αγ氣體之RF濺鍍法，而形成於Si基板5上 。各層的成膜條件係均採用壓力lmTorr、Ar氣體流量 3 0 s c c m ' RF 功率 300W° 在形成層積膜之後，使用電子束（EB)光微影與離 子束蝕刻，上面的面積乃加工成50x5 Onm之柱狀形狀。 之後，形成Cr (膜厚：5nm ) /Au (膜厚：lOOnm )的層 積構造之上部電極1 2。以3 0(TC將經由以上的工程而製作 之元件進行退火處理。然而，雖未有圖示，對於上部電極 層1 2與下部電極層1 1，各連接爲了流動電流於元件之配 線。 對於層積膜之結晶構造，於以下進行說明。於第1之 -11 - 201123569 非磁性層31之Ru上，第1之高分極率磁性層41之 CoFeB係在非晶形狀態進行成長。阻障層10之MgO係於 非晶形之CoFeB上，在（001)進行配向成長。更且其上 方之第2之高分極率磁性層42之CoFeB亦由非晶形進行 成長。在形成至蓋層14之後，以3 00°C將此層積膜進行 退火處理時，將阻障層10之MgO ( 001 )作爲種，配匱 於兩側之第1之高分極率磁性層41與第2之高分極率磁 性層42之CoFeB乃從非晶形狀態結晶化於bcc ( 001 )。 MT】元件之穿隧阻抗比（TMR比）係相當依存於阻障層 與其界面之強磁性體層之結晶構造，經由MgO ( 00 1 )阻 障層與配向於b c c ( 0 0 1 )之強磁性體層之組合，得到高 TMR比（非專利文獻1 )。 另外，經由退火而將CoFeB結晶化時，其配向性係 對於位於與MgO相反側的層（在本實施例中，非磁性層 31，32 )之結晶構造，亦受到影響。經由接合於CoFeB 的材料，係亦有CoFeB之結晶化乃未在bcc ( 001 )配向 進行之情況。在本實施例，接合於高分極率磁性層41， 42之CoFeB的非磁性層31，32之Ru係在面內磁化MTJ 元件，使用於CoFeB/Ru/CoFeB之層積亞鐵構造的材料， 並知道未阻礙CoFeB之bcc ( 001 )配向成長者（專利文 獻4 )。另外，RU係作爲磁性層2 1，22之C〇75Pt25規則 合金之基底層，蓋層亦爲良好的材料，由配置Ru於基底 者，可形成具有高磁性異向性之C〇75Pt25規則合金（磁性 層 21，22 )。 -12- 201123569 如以上，在本實施例中，於MgO阻障層之上下，由 適用垂直磁化磁性層/Ru/高分極率磁性層，高分極率磁性 層/Ru/垂直磁化磁性層所成之層積亞鐵構成者，形成高異 向性之垂直磁化磁性層，同時可形成得到高TMR比之 bcc-CoFeB (001) /MgO ( 001 ) /bcc- ( 001 ) CoFeB 構造 ο 對於元件之動作，使用圖3加以說明。爲求簡單，只 圖示關係於元件之阻抗變化的阻障層1 〇、第1之磁性層 21、第2之磁性層22、第1之高分極率磁性層41、第2 之高分極率磁性層42、第1之非磁性層3 1、第2之非磁 性層32。當流動爲了進行資訊改寫的電流時，比較於第1 之磁性層21，膜厚薄的第2之磁性層22乃先進行磁化反 轉之故，位於阻障層1 〇之上側的層積亞鐵構成（第2之 高分極率磁性層42/第2之非磁性層32/第2之磁性層22 )乃成爲記錄層，位於下側的層積亞鐵構成（第1之磁性 層21/第1之非磁性層31/第1之高分極率磁性層4〇乃 成爲固定層。 圖3 ( A )係顯示未流動電流於元件之初期狀態。第 1之磁性層2 1之磁化61，及第2之磁性層22之磁化64 係同時朝上側。第1之高分極率磁性層41，及第2之高 分極率磁性層42係各藉由第1之非磁性層3 1，及第2之 非磁性層32，與第1之磁性層21，第2之磁性層22反強 磁性結合。高分極率磁性層41，42之材料之CoFeB係本 來爲面內磁化材料，由與垂直磁化之磁性層2 1，22磁性 -13- 201123569 結合者，磁化則朝向垂直方向。因與顯示垂直磁化之第1 之磁性層21反強磁性結合之故，第1之高分極率磁性層 41之磁化62係朝下側，同樣地，與第2之磁性層22反 強磁性結合之第2之高分極率磁性層42之磁化63亦朝下 側。 圖3(B)係顯示從圖3(A)之狀態，流動電流於元 件時之磁化的方向。當從元件的下部朝向上部而流動電流 7〇時，旋轉偏極的電子80乃通過第2之高分極率磁性層 42，流動於第1之高分極率磁性層41。此時，唯具有與 第2之高分極率磁性層42之旋轉同方向之旋轉的電子， 流入於第1之高分極率磁性層41，而具有逆方向之旋轉 的電子乃在阻障層1 〇之表面加以反射。所反射的電子係 作用於記錄層之第2之高分極率磁性層42的磁化，經由 旋轉注入磁化反轉，第2之高分極率磁性層42的磁化則 產生反轉。同時，在層積亞鐵構成而成爲反強磁性結合之 第2之磁性層22之磁化亦產生反轉。此時，固定層之第 1之高分極率磁性層41之磁化62，和位於記錄層之第2 之高分極率磁性層42的磁化63則成爲反平行配列，MTJ 元件係從低阻抗狀態切換成高阻抗狀態。 另一方面，從圖3 ( B )狀態，相反地從元件的上部 流動電流於下部時，成爲圖3(C)之狀態。當從元件的 上部朝向下部而流動電流70時，旋轉偏極的電子80乃從 第1之高分極率磁性層41流入至第2之高分極率磁性層 42，經由旋轉注入磁化反轉，第2之高分極率磁性層42 -14- 201123569 的磁化6 3則產生反轉。同時，在層積亞鐵構成而成爲反 強磁性結合之第2之磁性層22之磁化64亦產生反轉。此 時’位於固定層之第1之高分極率磁性層41之磁化62， 和記錄層之第2之高分極率磁性層4 2的磁化6 3則成爲平 行配列’ MTJ元件的阻抗係從高阻抗狀態切換成低阻抗狀 態。 製作實施例1之構造的元件而評估的結果，得到1 〇〇 %以上之TMR比。另外，作爲熱安定性指標之E/kBT ( E :記錄層之磁能、kB:波茲曼常數、T:使用溫度），係 比較於面內磁化之MTJ元件，得到數倍高的値。更且， 在本發明中係因採用層積亞鐵構造之故，對於熱安定性係 有與圖1所示之構成的元件同樣的效果，記錄層乃與單層 之垂直磁化MTJ元件做比較，特性則提升。在本發明中 ，於高分極率磁性層4 1，4 2，和垂直磁化之磁性層2 1 , 22之間，由插入Ru者，將經由退火之CoFeB之結晶化， 從MgO界面進行，可容易製作bcc-CoFeB(OOl) /MgO( 001) /bcc-CoFeB ( 001)構造。即，在 CoFeB 之 bcc ( 〇〇 1 )結晶化中，因抑制來自垂直磁化之磁性層2 1，22之 影響之故，與如專利文獻3所示之CoFeB與垂直磁化材 料直接接觸之構成做比較，bcc ( 001 )構造的形成乃容易 之同時，有著垂直磁化之磁性層之材料選擇性廣的優點。 在實施例1中，作爲第1之磁性層2 1，第2之磁性 層22之垂直磁化材料，適用m-D019型之C〇75Pt25規則合 金，但適用除此之外之垂直磁化材料，亦得到與實施例！ -15- 201123569 同樣之效果。作爲具體的材料’例如亦可使用C〇5〇Pt50， Fe5〇Pt5〇 等之 Ll〇 型規則合金，或 CoCrPt-Si02，FePt-Si02等粒狀之磁性體乃分散於非磁性體之母相中的粒狀構 造之材料，或Fe，Co，Ni之任一或含有一個以上的合金 ，和交互層積Ru，Pt，Rh，Pd，Cr等之非磁性金屬的層 積膜，或TbFeCo，GdFeCo等，含有過渡金屬於Gd，Dy ，Tb等稀土類金屬之非晶形合金。另外，對於第1之磁 性層21與第2之磁性層22，亦可使用不同的材料組合。 另外，在實施例1中，作爲第1之高分極率磁性層 41，第2之高分極率磁性層42之磁性材料，使用CoFeB ，但除此之外，亦可使用採取bcc結晶構造之Co5GFe50， Fe等之材料。此等材料係特別是作爲第2之高分極率磁 性層42而使用者爲佳。例如，作爲第1之高分極率磁性 層41而將非晶形的CoFeB進行成膜，於其上方，將MgO 阻障層10配向成長於（001)。當於其上方堆積Fe時， 隨著M g Ο的結晶構造，F e的b c c ( 0 0 1 )構造則成長，經 由退火處理，可製作bcc-CoFeB(OOl) /MgO(OOl) /bcc-Fe ( 001 )。另外，作爲蓋層，從與經由退火處理之 磁性層之反應或擴散的觀點，在實施例1所使用之ru或 Ta者爲佳。但’作爲除此之外的材料，亦可使用Pt，Pd ’ Cr，Ti’ W等之金屬。另外，作爲使用於層積亞鐵構造 之非磁性層31，32的材料，係除了在實施例1所使用之 Ru之外’亦可使用Ir ’ Rh，Re，Os等之金屬。 另外’在實施例1中，爲了第1之高分極率磁性層 -16- 201123569 41 (CoFeB)及第2之高分極率磁性層42(C〇FeB)及阻 障層1 0 ( M g Ο )之結晶化，在製作元件後，進行3 0 0 t之 退火，但亦可在形成層積膜途中，進行在真空處理室內之 退火。例如，在於基板5上進行從下部電極11至第2之 高分極率磁性層42之層積的階段，進行3 00°C之退火時 ’將阻障層的MgO ( 001 )構造作爲種，第1之高分極率 磁性層41 (CoFeB)及第2之高分極率磁性層42(CoFeB )則結晶化爲bcc ( 001 )構造。之後，進行從第2之非 磁性層32至上部電極12之層積而形成層積膜，再進行加 工者，可製作顯示高TMR比的元件。 <實施例2 > 實施例2係提案將阻障層上側的層積薄膜作成強磁性 結合（層積鐵）之垂直磁化MTJ元件之構成。元件的構 造·各層的材料與膜厚係除了第2之非磁性層32的厚度 ，與圖2所示之實施例1相同。在實施例2中，位於阻障 層10上側之層積鐵構成52之第2之非磁性層32的膜厚 乃與實施例1不同而成爲0.4nm。在層積構成之2個磁性 層的磁性接合狀態係依存於插入之間的非磁性層的膜厚。 在實施例2中，藉由第2之非磁性層3 2，第2之磁性層 22與第2之高分極率磁性層42乃強磁性結合。然而，元 件的製作方法亦與實施例1相同。 對於元件之動作，使用圖4加以說明。爲求簡單，只 圖示關係於元件之阻抗變化的阻障層1 0、第1之磁性層 -17- 201123569 21、第2之磁性層22、第1之高分極率磁性層41、 之高分極率磁性層42、第1之非磁性層31、第2之 性層32。當流動爲了進行資訊改寫的電流時，比較於 之磁性層21，膜厚薄的第2之磁性層22乃先進行磁 轉之故，位於阻障層10之上側的層積鐵構成（第2 分極率磁性層4W第2之非磁性層32/第2之磁性層 乃成爲記錄層，位於下側的層積亞鐵構成（第1之磁 21/第1之非磁性層31/第1之高分極率磁性層41) 爲固定層。 圖4 ( A )係顯示未流動電流於元件之初期狀態 於固定層之第1之高分極率磁性層41係藉由第1之 性層31而與第1之磁性層21反強磁性結合，第1之 極率磁性層41的磁化62與第1之磁性層21的磁化 成爲反平行。因此，第1之磁性層21的磁化61係朝 ，第1之高分極率磁性層41的磁化62係朝下側。另 面，位於記錄層之第2之高分極率層42係藉由第2 磁性層32而與第2之磁性層22強磁性結合。因此， 之高分極率磁性層42的磁化63與第2之磁性層22 化64係成爲平行。在圖4 ( A )所示的狀態中，第1 分極率磁性層41的磁化62，第2之高分極率磁性f 的磁化63係同時朝下側，阻障層1 〇之兩側的磁化乃 平行之故，而元件係成爲低阻抗狀態。 圖4 ( B )係顯示從圖4 ( A )之狀態，流動電流 件時之磁化的方向。當從元件的下部朝向上部而流動 第2 非磁 卜第1 化反 之商 22 ) 性層 乃成 。位 非磁 高分 6 1係 上側 一方 之非 第2 的磁 之高 t 42 成爲 於元 電流 -18- 201123569 70時，旋轉偏極的電子80乃通過第2之高分極率磁性層 42，流動於第1之高分極率磁性層41。此時，唯具有與 第2之高分極率磁性層42之旋轉同方向之旋轉的電子， 流入於第1之高分極率磁性層41，而具有逆方向之旋轉 的電子乃在阻障層1 〇之表面加以反射。所反射的電子係 作用於記錄層之第2之高分極率磁性層42的磁化63，經 由旋轉注入磁化反轉，第2之高分極率磁性層42的磁化 63則產生反轉。同時，在層積鐵構成而成爲強磁性結合 之第2之磁性層22之磁化64亦產生反轉。此時，位於固 定層之第1之高分極率磁性層41之磁化62，和記錄層之 第2之高分極率磁性層42的磁化63則成爲反平行配列， MTJ元件的阻抗係從低阻抗狀態切換成高阻抗狀態。 圖4(C)係顯示從圖4(B)之狀態，流動電流於元 件時之磁化的方向。由圖4(B)之狀態，當從元件的上 部朝向下部而流動電流70時，旋轉偏極的電子80乃從第 1之高分極率磁性層41流入至第2之高分極率磁性層42 ，經由旋轉注入磁化反轉，第2之高分極率磁性層42的 磁化63則產生反轉。同時，在層積鐵構成而成爲強磁性 結合之第2之磁性層22之磁化64亦一起產生反轉。此時 ，固定層之第1之高分極率磁性層41之磁化62，和位於 記錄層之第2之高分極率磁性層42的磁化63則成爲平行 配列，MTJ元件係從高阻抗狀態切換成低阻抗狀態。
製作實施例2之構造的元件而評估的結果，得到1 00 %以上之TMR比。另外，作爲熱安定性指標之E/kBT ( E *19- 201123569 :記錄層之磁能、kB :波茲曼常數、Τ :使用溫度），係 比較於面內磁化之MTJ元件，得到數倍高的値。更且， 在本發明中係因採用層積鐵構造之故，對於熱安定性係有 與圖1所示之構成的元件同樣的效果，記錄層乃與單層之 垂直磁化MTJ元件做比較，特性則提升。在本發明中， 於高分極率磁性層41，42，和垂直磁化之磁性層21，22 之間，由插入Ru者，將經由退火之CoFeB之結晶化，從 MgO界面進行，可容易製作 bcc-CoFeB(OOl) /MgO( 00 1 ) /bcc-CoFeB ( 001 )構造。即，在 CoFeB 之 bcc ( 00 1 )結晶化中，因抑制來自垂直磁化之磁性層2 1，22之 影響之故，與如專利文獻3所示之CoFeB與垂直磁化材 料直接接觸之構成做比較，bcc (001)構造的形成乃容易 之同時，有著垂直磁化之磁性層之材料選擇性廣的優點。 在實施例2中，作爲第1之磁性層21，第2之磁性 層22之垂直磁化材料，適用m- D019型之Co75Pt25規則 合金，但適用除此之外之垂直磁化材料，亦得到與實施例 2同樣之效果。作爲具體的材料，例如亦可使用C〇5QPt5() ，Fe5QPt5〇等之 Ll〇型之規則合金，或 CoCrPt-Si〇2， FePt-Si02等粒狀之磁性體乃分散於非磁性體之母相中的 粒狀構造之材料，或Fe，Co，Ni之任一或含有一個以上 的合金，和交互層積Ru，Pt，Rh，Pd，Cr等之非磁性金 屬的層積膜，或TbFeCo，GdFeCo等，含有過渡金屬於 Gd，Dy，Tb等稀土類金屬之非晶形合金。另外，對於第 1之磁性層21與第2之磁性層22，亦可使用不同的材料 -20- 201123569 組合。 另外，在實施例2中，作爲第1之高分極率磁性層 41，第2之高分極率磁性層42之磁性材料，使用CoFeB ，但除此之外，亦可使用採取bcc結晶構造之Co5〇Fe50， Fe等之材料。此等材料係特別是作爲第2之高分極率磁 性層4 2而使用者爲佳。例如，作爲第1之高分極率磁性 層41而將非晶形的CoFeB進行成膜，於其上方，將MgO 阻障層10配向成長於（001)。當於其上方堆積Fe時， 隨著MgO的結晶構造，Fe的bcc ( 001 )構造則成長，經 由退火處理，可製作 bcc-CoFeB ( 001 ) /MgO ( 001 ) /bcc-Fe ( 001 )。另外，作爲蓋層，從與經由退火處理之 磁性層之反應或擴散的觀點，在實施例2所使用之Ru或 Ta者爲佳。但，作爲除此之外的材料，亦可使用Pt，Pd ’ Cr’ Ti’ W等之金屬。另外，作爲使用於層積亞鐵及層 積鐵構造之非磁性層3 1，3 2的材料，係除了在實施例2 所使用之Ru之外，亦可使用Ir，Rh，Re，Os等之金屬 <實施例3 > 實施例3係提案於阻障層之下側配置記錄層，於上側 配置固定層之垂直磁化之MTJ元件者。元件之基本構成 及各層的材料乃與圖2所示之實施例1相同。但在實施例 3中’第1之磁性層21與第2之磁性層22之膜厚乃與實 施例1不同’而將圖2所示之第1之磁性層21作成3nm -21 - 201123569 ，將第2之磁性層22作成10nm。另外，元件的製作方法 亦與實施例1相同。在本發明之MTJ元件中，由控制第1 之磁性層21和第2之磁性層22之膜厚者，可變更固定層 與自由層。在實施例3中，阻障層10之下側的磁性層21 乃較上側之磁性層22，膜厚爲薄之故，流動電流於元件 之情況，下側的磁性層2 1及第1之高分極率磁性層41之 磁化乃先產生反轉。也就是，阻障層10之下側乃作爲記 錄層，而上側乃作爲固定層而作用。在此構成中，亦可得 到與實施例1同樣的效果者。 在實施例3中，作爲第1之磁性層21，第2之磁性 層22之垂直磁化材料，適用m-D019型之C〇75Pt25規則合 金，但適用除此之外之垂直磁化材料，亦得到與實施例3 同樣之效果。作爲具體的材料，例如亦可使用C〇5((Pt50， Fe5〇Pt5。等之 Ll〇 型之規則合金，或 CoCrPt-Si02，FePt-Si〇2等粒狀之磁性體乃分散於非磁性體之母相中的粒狀構 造之材料，或Fe，Co, Ni之任一或含有一個以上的合金 ，和交互層積Ru，Pt，Rh，Pd，Cr等之非磁性金屬的層 積膜，或TbFeCo，GdFeCo等，含有過渡金屬於Gd，Dy ，Tb等稀土類金屬之非晶形合金。另外，對於第1之磁 性層21與第2之磁性層22,亦可使用不同的材料組合。 另外，在實施例3中，作爲第1之高分極率磁性層 41’第2之高分極率磁性層42之磁性材料，使用Co FeB ，但除此之外，亦可使用採取bcc結晶構造之Co5GFe50， Fe等之材料。此等材料係特別是作爲第2之高分極率磁 -22- 201123569 性層4 2而使用者爲佳。例如，作爲第1之高分極率磁性 層41而將非晶形的CoFeB進行成膜，於其上方，將MgO 阻障層1〇配向成長於（001)。當於其上方堆積Fe時’ 隨著MgO的結晶構造，Fe的bcc(OOl)構造則成長，經 由退火處理’可製作 bcc-CoFeB ( 001 ) /MgO ( 001 ) /bcc-Fe ( 001 )。另外，作爲蓋層，從與經由退火處理之 磁性層之反應或擴散的觀點，在實施例3所使用之Ru或 Ta者爲佳。但，作爲除此之外的材料，亦可使用Pt，Pd ，Cr，Ti，W等之金屬。另外，作爲使用於層積亞鐵構造 之非磁性層3 1，3 2的材料，係除了在實施例3所使用之 Ru之外，亦可使用Ir ’ Rh ’ Re，Os等之金屬。 <實施例4 > 實施例4係提案將磁性層/非磁性層/高分極率磁性層 之層積亞鐵構成，只適用於阻障層之單側的垂直磁化MTJ 元件者。於圖5顯示在實施例4之MTJ元件的剖面模式 圖。於阻障層1 〇之下側，形成顯示垂直磁化的第1之磁 性層21與第1之非磁性層3 1，及經由電子自旋的分極率 高之第1之高分極率磁性層41的層積亞鐵構造51。對於 阻障層1 〇之上側係配置第2之高分極率磁性層4 2，並於 其上方未藉由非磁性層而直接形成顯示垂直磁化之第2之 磁性層22。然而，如圖5所示，在層積亞鐵構造51中， 第1之磁性層21與第1之高分極率磁性層41係藉由第1 之非磁性層3 1而進行反強磁性結合，各磁化6 1，62之方 -23- 201123569 向係成爲反平行。 作爲各層的材料，對於阻障層10適用Mg〇 (膜厚： 1 nm )，對於第1之磁性層21適用m-D019型之C〇7sPt25 規則合金（膜厚：l〇nm)，對於第2之磁性層22適用 Co/Pt之多層膜（Co膜厚：0.4nm、Pt膜厚：0.6nm、層 積次數：3周期），對於第1之非磁性層31適用Ru (膜 厚：0.8nm)，對於第1之高分極率磁性層41及第2之高 分極率磁性層42適用CoFeB (膜厚：lnm)。另外’對 於基底層13與蓋層14係使用Ru (膜厚：l〇nm)。 說明圖5所示之層積薄膜構造之形成方法。於基板5 上，至下部電極11，基底層13，第1之磁性層21，第1 之非磁性層31，第1之高分極率磁性層41，阻障層10, 第2之高分極率磁性層42進行層積之後，在in-situ中， 進行3 00t之退火處理。由此，將第1之高分極率磁性層 41與第2之高分極率磁性層42之CoFeB結晶化於bcc ( 001 )。如此，使先將CoFeB結晶化於bcc ( 001 )之後， 層積第2之磁性層22，蓋層14，上部電極12。Co/Pt係 因在成膜之狀態發現垂直磁化之故，之後退火處理係不需 要》對於元件形狀之加工係與實施例1同樣地，使用電子 束（EB )微影法與離子束蝕刻。 在實施例4之MTJ元件中，位於阻障層1 0上側之第 2之磁性層22乃作爲記錄層而作用。第2之高分極率磁 性層42與第2之磁性層22係磁性結合，二層的磁化係連 動朝相同方向。也就是，關於元件的動作，各磁性層之磁 -24- 201123569 化係顯示與在實施例2所示之元件同樣的舉動。 在實施例4之MT〗元件中’雖於第2之高分極率磁 性層42上未有非磁性層Ru，但第2之高分極率磁性層42 之CoFeB係可在bcc ( 001 )構造形成之故，得到與實施 例1至實施例3同樣1 〇 0 %以上之T M R比。 在實施例4中’作爲第1之磁性層21，第2之磁性 層22之垂直磁化材料，適用m-D019型之C〇75Pt25規則合 金與Co/Pt之層積膜，但適用除此之外之垂直磁化材料， 亦得到與實施例4同樣之效果。作爲具體的材料，例如亦 可使用 C〇5〇Pt5Q，Fe5〇Pt5Q等之Ll〇型之規則合金，或 C〇CrPt-Si02，FePt-Si02等粒狀之磁性體乃分散於非磁性 體之母相中的粒狀構造之材料，或Fe，Co，Ni之任一或 含有一個以上的合金，和交互層積Ru，Pt，Rh，Pd，Cr 等之非磁性金屬的層積膜，或TbFeCo，GdFeCo等，含有 過渡金屬於Gd，Dy，Tb等稀土類金屬之非晶形合金。另 外，對於第1之磁性層21與第2之磁性層2 2，亦可使用 相同材料。 另外，在實施例4中，作爲第1之高分極率磁性層 41’第2之高分極率磁性層42之磁性材料，使用CoFeB ’但除此之外，亦可使用採取bcc結晶構造之C〇5QFeS(), Fe等之材料。此等材料係特別是作爲第2之高分極率磁 性層4 2而使用者爲佳。例如，作爲第！之高分極率磁性 層41而將非晶形的CoFeB進行成膜，於其上方，將Mg〇 阻障層10配向成長於（001)。當於其上方堆積Fe時， -25- 201123569 隨著MgO的結晶構造’ Fe的bcc(OOl)構造則成長’經 由退火處理’可製作 bcc-C〇FeB ( 001 ) /Mg〇 ( 001 ) /bcc-Fe ( 001 )。另外’作爲蓋層，從與經由退火處理之 磁性層之反應或擴散的觀點’在實施例4所使用之1111或 Ta者爲佳。但，作爲除此之外的材料’亦可使用Pt ’ Pd ,Cr，Ti, W等之金屬。另外，作爲使用於層積亞鐵構造 之第1之非磁性層31的材料，係除了在實施例4所使用 之Ru之外，亦可使用Ir ’ Rh ’ Re，Os等之金屬。 <實施例5 > 實施例5係提案適用有關本發明之MTJ元件之隨機 .存取記億體者。圖6乃顯示有關本發明之磁性記憶體單元 之構成例的剖面模式圖。其磁性記憶體單元1 〇〇係搭載實 施例1〜4之MTJ元件1 10。 C-MOS111係由2個η型半導體112，113和1個p 型半導體114所成。於η型半導體112電性連接有成爲汲 極之電極121，藉由電極141及電極147而接地。於η型 半導體113電性連接有成爲源極之電極122。更且123係 閘極電極，經由其閘極電極1 23之ON/OFF，控制源極電 極122與汲極電極121之間的電流之ΟΝ/OFF。於上述源 極電極 122，層積電極 145，電極 144，電極 143，電極 142，電極Μ6，藉由電極146而連接MTJ元件110之下 部電極1 h 位元線222係連接於前述MTJ元件110之上部電極 -26- 201123569 1 2。在本實施例之磁性記億體單元中，經由流入至MTJ 元件1 1 0之電流，即自旋傳輸矩而旋轉MT】元件1 1 0之 記錄層的磁化方向，記錄磁性資訊。自旋傳輸矩係並非空 間性之外部磁場，主要是流動在MTJ元件中之旋轉偏極 的電流之旋轉，傳達供予力矩於穿隧磁阻效應元件之強磁 性自由層的磁性記憶體之原理。隨之，具備從外部供給電 流至MTJ元件的手段，經由使用其手段而流動電流而實 現自旋傳輸矩磁化反轉。在本實施例中，經由流動電流至 位元線222與電極1 46之間之時，控制1 1 0中的記錄層之 磁化的方向。 圖7乃顯示將前述磁性記憶體1 00配置成陣列狀之磁 性隨機存取記憶體的構成例圖。連接於閘極電極1 23之字 元線223，及電性連接位元線222於記憶體單元100。經 由配置具備實施例1〜4記載之MTJ元件的記憶體單元之 時，可實現較以往以低消耗電力進行動作之giga位元級 之高密度磁性記憶體。 本構成情況之寫入係首先，於連接於欲流動電流之位 元線222的寫入驅動器，傳送允許寫入信號而升壓，流動 特定的電流至位元線222。對應於電流的方向，將寫入驅 動器23 0乃至寫入驅動器23 1之任一接地，調節電位差而 控制電流方向。接著，在經過特定時間後，傳送允許寫入 信號至連接於字元線223之寫入驅動器23 2，將寫入驅動 器232進行升壓，將連接於欲寫入之MT〗元件的電晶體 作成開啓。由此，流動電流至MTJ元件，進行自旋距磁 -27- 201123569 化反轉。在特定時間，將電晶體作成開啓之後’切斷對於 寫入驅動器232之信號，將電晶體作成關閉。讀出時，係 只讀出連緊於欲讀出之MTJ元件的位元線222而升壓至 電壓V，只將選擇電晶體作成開啓而流動電流，進行讀出 。其構造係爲最簡單之1電晶體+ 1記憶體單元之配置之 故，單位單元之佔有面積係可作成2Fx4F = 8F2之高積成的 構成者。 【圖式簡單說明】 圖1乃公知之MTJ元件的剖面模式圖。 圖2乃有關本發明之MTJ元件之一例的剖面模式圖 〇 圖3乃模式性地顯示有關本發明之MTJ元件之一例 的磁化反轉動作的圖。 圖4乃模式性地顯示有關本發明之MTJ元件之其他 例的磁化反轉動作的圖。 圖5乃有關本發明之MTJ元件之一例的剖面模式圖 〇 圖6乃顯示有關本發明之磁性記憶體單元之構成例的 剖面模式圖》 圖7乃顯示有關本發明之隨機存取記憶體之構成例的 模式圖。 【主要元件符號說明】 -28- 201123569 5 :基板 1 〇:阻障層 1 1 :下部電極 1 2 :上部電極 13 :基底層 1 4 :蓋層 21 :第1之磁性層 2 2 :第2之磁性層 3 1 :第1之非磁性層 3 2 :第2之非磁性層 41 :第1之高分極率磁性層 42 :第2之高分極率磁性層 51，52 :層積亞鐵構成 6 1〜6 4 :磁化 7 0 :電流 80 :電子 100 :記憶體單元 1 1 0 : Μ T J 元件 111： C-MOS 112，113: η型半導體 1 14 : ρ型半導體 1 2 1 :源極電極 1 2 2 :汲極電極 1 2 3 :閘極電極 -29 - 201123569 141~ 1 47 :電極 1 5 0 :寫入線 205〜208 :磁性層 209，210 :非磁性層 211，212:高分極率磁性層 2 1 3 :阻障層 214，215:層積亞鐵構成 2 1 6 :磁化 2 1 7 :磁化 2 2 2 :位元線 2 2 3 :字元線 230〜2 32:寫入驅動器 -30

Claims (1)

  1. 201123569 七、申請專利範園： 1. 一種穿隧磁阻效應元件，其特徵乃具備：經由含 有顯示垂直磁化之磁性層，流動於膜厚方向的電流，磁化 的方向乃反轉之記錄層； 和含有顯示垂直磁化之磁性層，固定磁化的方向之固 定層； 和配置於前述記錄層與前述固定層之間的阻障層； 前述固定層及前述記錄層之至少一方乃夾持非磁性層 ，高分極率磁性層與顯示前述垂直磁化之磁性層乃磁性結 合之層積薄膜， 前述高分極率磁性層係配置於前述阻障層之兩側界面 者。 2. 如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ，其中，前述記錄層及前述固定層之至少一方乃係前述高 分極率磁性層與顯示前述垂直磁化之磁性層的磁化乃反強 磁性結合者。 3 ·如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ，其中，前述記錄層及前述固定層之至少一方乃係前述高 分極率磁性層與顯示前述垂直磁化之磁性層的磁化乃強磁 性結合者。 4.如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ，其中，前述非磁性層之材料乃RU者。 5 ·如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ’其中’前述阻障層的材料乃M gO，前述高分極率磁性 201123569 層的材料乃CoFeB，CoFe或Fe者。 6·如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ’其中’構成前述記錄層及前述固定層，顯示前述垂直磁 化之磁性層的雙方或一方係m-D0l9型之CoPt規則合金， Lli 型之 CoPt 規則合金，或將 Co-Pt，C〇-Pd，Fe-Pt，Fe-Pd之任一做爲主成分之Ll〇型之規則合金。 7.如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ’其中，構成前述記錄層及前述固定層，顯示前述垂直磁 化之磁性層的雙方或一方係含有Co，含有選自Cr，Ta， Nb’ V，W，Hf，Ti，Zr，Pd，Fe，Ni 之中之 1 個以上元 素的合金者。 8 ·如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ’其中，構成前述記錄層及前述固定層，顯示前述垂直磁 化之磁性層的雙方或一方係交互層積含有Fe，Co，Ni之 任一，或其中之1個以上之合金，和非磁性金屬的層積膜 者。 9. 如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ，其中，構成前述記錄層及前述固定層，顯示前述垂直磁 化之磁性層的雙方或一方係粒狀的磁性體乃分散於非磁性 體之母相中的粒狀構造之材料者。 10. 如申請專利範圍第1項記載之穿隧磁阻效應元件 ，其中，構成前述記錄層及前述固定層，顯示前述垂直磁 化之磁性層的雙方或一方係含有稀土類金屬與過渡金屬之 非晶形合金者。 -32- 201123569 n. 一種隨機存取記億體，屬於具備複數之磁性記憶 體單元，和選擇所期望之磁性記憶體單元的手段之隨機存 取記憶體，其特徵乃 前述磁性記憶體單元係具備：如申請專利範圍第1項 至第10項任一記載之穿隧磁阻效應元件，和爲了通電至 前述穿隧磁阻效應元件之膜厚方向的電晶體， 前述電晶體之一端乃於連接第一之寫入驅動電路的源 極線，加以電性連接， 未連接於前述記憶體單元之前述電晶體側的端部乃於 連接於第二之寫入驅動電路與放大讀出信號之放大器之位 元線，加以連接。 具備控制前述電晶體之阻抗的字元線’該字元線乃連 接於第三之寫入驅動電路， 根據通電至前述磁性記憶體單元的膜厚方向而經由自 旋傳輸矩將前述記錄層磁化反轉，進行資訊的寫入者。 -33-
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