TWI621120B - Magnetoresistance effect element and magnetic memory - Google Patents

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TWI621120B
TWI621120B TW103136451A TW103136451A TWI621120B TW I621120 B TWI621120 B TW I621120B TW 103136451 A TW103136451 A TW 103136451A TW 103136451 A TW103136451 A TW 103136451A TW I621120 B TWI621120 B TW I621120B
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Shoji Ikeda
Hideo Sato
Shunsuke Fukami
Michihiko Yamanouchi
Fumihiro Matsukura
Hideo Ohno
Shinya Ishikawa
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Univ Tohoku
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Abstract

提供即使為微細之接合尺寸，亦具有熱安定性70以上之熱安定性的磁阻效應元件及磁性記憶體。
具備構成參照層，且磁化方向不變之第1磁性層(11)，和構成記錄層，且磁化層可變的第2磁性層(12)，和沿著第1磁性層(11)及第2磁性層(12)之厚度方向，而被配置在第1磁性層(11)和第2磁性層(12)之間的第1非磁性層(13)。第1磁性層(11)及第2磁性層(12)中之至少一方在與厚度方向垂直之端面上為最長之直線長度的接合尺寸D(nm)，和層厚t(nm)之間，具有D<0.9t+13之關係，其接合尺寸為30nm以下。

Description

磁阻效應元件及磁性記憶體
本發明係關於磁性電阻效應元件及磁性記憶體。
如圖14所示般，具有以往之磁阻效應元件之磁性記憶體(Magnetic Random Access Memory：MRAM)之磁性記憶體單元105，具有磁阻效應元件110和選擇電晶體109被電性串聯連接之構造。選擇電晶體109之源極電極係被電性連接於源極線102，汲極電極係經磁阻效應元件110被電性連接於位元線104，閘極電極係被電性連接於字元線103。磁阻效應元件110係以在第1強磁性層111和第2強磁性層112之間夾著非磁性層113之3層構造為基本。磁阻效應元件110之電阻值於第1強磁性層111之磁化和第2強磁性層112之磁化為平行配置之時變小，於反平行配置之時變大。在MRAM之記憶體單元中，將該兩個電阻狀態分配成位元資訊「0」「1」。
MRAM為了高積體化，每年磁阻效應元件110被微細化。當磁阻效應元件110之第1強磁性層111及第 2強磁性層112皆微細化時，有磁性熱擾動，位元資訊消失之虞。在此，為了即使微細化亦保持位元資訊，成為記錄層之第2強磁性層112必須具有70以上之熱安定性指數(E/kBT)，成為參照層之第1強磁性層111必須具有大於第2強磁性層112之熱安定性指數(E/kBT)。在此，E為磁化反轉所需之能障壁，為第1強磁性層111或第2強磁性層112之磁各向異性層能密度Keff和體積V之積(E=KeffV)。再者，kB為波茲曼係數，T為絕對溫度。
為了取得高的熱安定性E/kBT，必須增加第1 強磁性層111或第2強磁性層112之有效磁各向異性能密度Keff。從該觀點來看，第1強磁性層111或第2強磁性層112具有垂直易磁化軸之垂直磁各向異性磁阻效應元件受到注目。就以如此之垂直磁各向異性電極而言，研究出稀土基非晶合金、L10-規則系統(Co、Fe)-Pt合金、Co/(Pd、Pt)多層膜等(例如，參照非專利文獻1、2或3)。
再者，藉由本發明者等，在CoFeB/MgO疊層 構造中，找出藉由CoFeB之薄層化來發現垂直磁各向異性(例如，參照專利文獻1)，藉由垂直各向異性磁阻效應元件適用該CoFeB/MgO疊層構造，在記錄層之第2強磁性層112中，取得接合尺寸直徑40nm，且E/kBT≒40(例如，參照非專利文獻4)。並且，以提升熱安定性為目標，藉由使成為雙層CoFeB-MgO界面記錄層構造而增厚記錄層之磁性層，在記錄層之第2強磁性層112中，當 接合尺寸直徑為40nm左右之時，E/kBT為80以上，當接合尺寸直徑為29nm之時，取得E/kBT≒59(例如，參照非專利文獻5)。在此，強磁性層之接合尺寸係與相鄰之非磁性層或電極相接之接合面上，最長的直線長度。在非專利文獻4及5中，因強磁性層構成圓柱形狀，接合面為圓形，故接合尺寸成為接合面之直徑。
並且，如圖15(a)所示般，記載於非專利文 獻4之垂直磁各向異性磁阻效應元件具備在第1強磁性層111和第2強磁性層112之間夾持非磁性層113之三層構造，連接下部非磁性電極114和上部非磁性電極115之基本構造。在此，為記錄層之第2強磁性層112如圖15(b)所示般，具有接合尺寸D變成大於強磁性層厚t之特徵。
再者，如圖15(c)所示般，記載於非專利文 獻5之垂直磁各向異性磁阻效應元件具有在非磁性層113上之第2強磁性層112疊層第2非磁性層116，且在其上方疊層第3強磁性層117，並在第3強磁性層117上疊層在與第3強磁性層117之間產生界面磁各向異性之第3非磁性層118之5層構造。非專利文獻5記載著藉由使用該5層構造，可以提升熱安定性。即使在該構造中，亦具有經第2非磁性層116而磁性結合之第2強磁性層112和第3強磁性層117之合計記錄層之厚度t小於接合尺寸D之特徵。
〔先前技術文獻〕 〔非專利文獻〕
[非專利文獻1] N. Nishimura, T. Hirai, A. Koganei, T. Ikeda, K. Okano, Y. Sekiguchi, and Y. Osada, “Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory”, J. Appl. Phys. 2002, 91, 5246
[非專利文獻2] G. Kim, Y. Sakuraba, M. Oogane, Y. Ando and T. Miyazaki, “Tunneling magnetoresistance of magnetic tunnel junctions using perpendicular magnetization electrodes”, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 172502
[非專利文獻3] K. Mizunuma, S. Ikeda, J. H. Park, H. Yamamoto, H. D. Gan, K. Miura, H. Hasegawa, J. Hayakawa, F. Matsukura and H. Ohno, “MgO barrier-perpendicular magnetic tunnel junctions with CoFe/Pd multilayers and ferromagnetic insertion layers”, Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 232516.
[非專利文獻4] S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan, M. Endo, S. Kanai, F. Matsukura, and H. Ohno, “A perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction”, Nature Mater., 2010, 9, 721
[非專利文獻5] H. Sato, M. Yamanouchi, S. Ikeda, S. Fukami, F. Matsukura, and H. Ohno, “MgO/CoFeB/Ta/ CoFeB/MgO recording structure in magnetic tunnel junctions with perpendicular easy axis”, IEEE Trans. Magn., 2013, 49, 4437
〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本特開2011-258596號公報
為了實現藉由微細化而被高積體化之大容量的磁性記憶體，需要將所記錄之位元資訊保持10年間的非揮發性。因此，成為記錄層之強磁性層需要具有熱安定性指數70以上之熱安定性。記載於非專利文獻4之垂直磁性各向異性磁阻效應元件中，記錄層之接合尺寸直徑40nm且熱安定性指數約40，熱安定性指數為70以下。再者，記載於非專利文獻5之垂直磁各向異性磁阻效應元件中，當記錄層之接合尺寸直徑為40nm左右時，熱安定性指數成為80以上，當接合尺寸直徑為29nm之時，熱安定性指數約59，熱安定性指數為70以下。為了實現藉由微細化而被高積體化之大容量之磁性記憶體，有需要更提升微細之接合尺寸的熱安定性之課題。
本發明係注目於如此之課題而創作出者，其目的為提供即使微細之接合尺寸，亦具有熱安定性指數70以上之熱安定性的磁阻效應元件及磁性記憶體。
為了實現磁阻效應元件之高熱安定性，本發 明者們根據下述原理進行研究。即是，在決定磁阻效應元件之位元資訊之保持性能，當作記錄層發揮功能之強磁性層之熱安定性指數E/kBT中，能障壁E係以磁各向異性能密度K和記錄層之體積V之積所表示。在此，在將x軸、y軸設為平面內，將z軸設為垂直於其平面的垂直方向的座標中，磁各向異性能密度K以下述(1)式表示。
在此，Kb為來自結晶磁各向異性或磁彈性效果之體磁各向異性能密度，Nz及Nx各為z軸及x軸之去磁場係數，Ms為記錄層之飽和磁化，μ0為真空之導磁率，Ki為界面磁各向異性能密度，t為記錄層之層厚。並且，Nx設為與y軸之退磁場Ny相等。K於正符號時在垂直方向成為易磁化軸。
再者，去磁場係數Nz、Nx具有下述關係。
當D>t之時，(Nz-Nx)>0
當D<t之時，(Nz-Nx)<0
從該關係及(1)式可知藉由使記錄層之層厚t大於接合尺寸D，可以增大K之值，並可以提高熱安定 性。該可想係因設為D<t，藉由形狀磁各向異性，助長磁化朝向垂直於接合面之方向之故。對此，在圖15所示之非專利文獻4及非專利文獻5所記載之以往磁阻效應元件中，因屬於記錄層之強磁性層之層厚t小於接合尺寸D(D>t)，去磁場在使朝向垂直的磁化成為不安定之方向上造成影響，故可想像熱安定性下降。
在(1)式中，計算假設將Kb設為零，將Ki設為3mJ/m2，將Ms設為在非專利文獻4及5之磁阻效應元件中所使用之CoFeB之1.45T時的熱安定性指數(E/kBT=KV/kBT)對接合尺寸D及層厚t，將其計算結果表示於圖1(a)。如圖1(a)所示般，在D>0.9t+13之大部分的區域中，成為面內容易軸，磁化不會朝向垂直於接合面之方向。另外，可知在D<0.9t+13之區域中，隨著層厚t對接合尺寸D變大，熱安定性指數E/kBT也變大。再者，在D<0.9t+13之區域中，即使接合尺寸D比較小時，易可取得大的熱安定性指數E/kBT。例如，於D=30nm之時，若設為t≧20nm時，則可以取得E/kBT≧70。當將圖1(a)與非專利文獻4及5之結果做比較時，可知藉由設為D<0.9t+13，即使為較小的接合尺寸D，亦可取得較非專利文獻4及5大的熱安定性指數。並且，在圖1(a)之D<0.9t+13之區域中，即使在無法取得E/kBT≧70之區域，藉由增加強磁性層之Ms，可謀求熱安定性指數E/kBT之增大。
並且，在(1)式中，於圖1(b)中表示假設 將Kb及Ki設為0mJ/m2，將Ms設為1.45T之時的熱安定性指數之計算結果。如圖1(b)所示般，在D>t之區域中，成為面內容易軸，在D<t之區域中成為垂直易磁化軸。當將此與圖1(a)做比較時，可知隨著Ki之值接近零，在圖中之面內容易軸與垂直易磁化軸之境界線移動至下方，並且其傾斜變成有點陡。從圖1(b)之結果，可以說於Ki之值不明的情況或可想像接近於零之情況下，藉由設為D<t，可以確時取得大的熱安定性指數。
從上述之研究結果，本發明者們完成本發明。
即是與本發明有關之磁阻效應元件具備：磁化方向沿著厚度方向朝上和朝下固定的第1磁性層，和磁化方向沿著厚度方向上下可變的第2磁性層，和沿著上述第1磁性層及上述第2磁性層之厚度方向，被配置在上述第1磁性層和上述第2磁性層之間的第1非磁性層，其特徵在於：上述第2磁性層在與上述厚度方向垂直之端面上為最長之直線長度的接合尺寸D(nm)，和層厚t(nm)之間，具有D<0.9t+13之關係。與本發明有關之磁阻效應元件中即使上述第1磁性層也具有D<0.9t+13之關係亦可。
與本發明有關之磁阻效應元件係磁化方向固定之第1磁性層當作參照層發揮功能，磁化方向可變之第2磁性層當作記錄層發揮功能。與本發明有關之磁阻效應元件因第2磁性層，或第1磁性層及第2磁性層具有D<0.9t+13之關係，故可以提高熱安定性。藉由適當地設定接合尺寸及層厚，可以取得熱安定性指數70以上之熱 安定性。
為了取得熱安定性指數70以上之熱安定性，一般來說有將藉由使Kb增加之材料或薄層化使Ki增加之材料適用於磁性層之方法。在如此之增加Kb或Ki之材料中，磁阻尼常數大為眾知。在自旋注入磁化反轉方式中，為了增加熱安定性並且降低寫入位元資訊之時的寫入電流，必須縮小磁阻尼常數。因此，在適用Kb或Ki之大的材料之磁阻效應元件中，難以降低寫入電流。對此，與本發明有關之磁阻效應元件因不使用Kb或Ki之大的材料，藉由設為D<0.9t+13，可以取得高熱安定性，故可以適用低磁阻尼常數之磁性層，可以縮小寫入電流。
尤其，在與本發明有關之磁阻效應元件中，由於流至選擇電晶體之電流的限制，為了邊維持高的熱安定性邊縮小接合尺寸而降低寫入電流，具有D<0.9t+13之關係的第2磁性層，或第1磁性層及第2磁性層係以上述接合尺寸為30nm以下為佳。再者，從圖1(a)可知在磁性層為CoFeB之時為了取得熱安定性指數70以上之熱安定性，具有D<0.9t+13之關係的第2磁性層，或第1磁性層及第2磁性層又以層厚為10nm以上為佳。並且，藉由增加強磁性層之Ms，可以增加熱安定性，並且可以邊縮小接合尺寸邊將膜厚也設成10nm以下。如此一來，與本發明有關之磁阻效應元件即使接合尺寸為30nm以下之微細之接合尺寸，亦可以取得熱安定性指數70以上之熱安定性。
並且，在與本發明有關之磁阻效應元件中，於Ki之值不明之情況或接近於零之情況下，第1磁性層及/或第2磁性層以具有D<t之關係為佳。此時，可以確實地取得高熱安定性。再者，為了邊維持高熱安定性邊縮小接合尺寸而降低寫入電流，具有D<t之關係的第1磁性層及/或第2磁性層以接合尺寸為30nm以下為佳。再者，從圖1(b)可知在磁性層為CoFeB之時為了取得熱安定性指數70以上之熱安定性，具有D<t之關係的第1磁性層及/或第2磁性層又以層厚為20nm以上為佳。
在與本發明有關之磁阻效應元件中，第1磁性層及第2磁性層以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之之材料所構成為佳。第1非磁性層以例如具有含有MgO、Al2O3、SiO2、TiO、Hf2O等之氧的化合物的材料等，在第1磁性層及第2磁性層之材料的組合中，由表現出磁阻變化率大之材料所構成為佳。
並且，在與本發明有關之磁阻效應元件中，接合尺寸係指在與強磁性之厚度方向垂直之端面，即是在與相鄰之非磁性層或電極接合之接合面上，為最長之直線長度，於接合面為圓形之時，為其直徑，在橢圓形之時，為其長徑，在四角形之時，則為其對角線長之一方。
與本發明有關之磁阻效應元件即使具有被配置在上述第1磁性層和上述第1非磁性層之間，磁化方向固定的第3磁性層，和被配置在上述第1磁性層和上述第3磁性層之間的第2非磁性層亦可。此時，將與第2非磁 性層鄰接之第1磁性層之部分，和第3磁性層磁性結合，並且藉由可第2非磁性層之厚度調整成不反映第1磁性層之結晶性之程度，可以取得大的磁阻變化率。第3磁性層係以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成為佳。第2非磁性層即使以包含Ta、W、Hf、Zr、Nb、Mo、Ri、V、Cr中之任一個的材料所構成亦可。
在與本發明有關之磁阻效應元件中，上述第1磁性層即使具有兩個磁性層經非磁性層被結合成磁化互相成為反平行之反平行結合疊層構造亦可。此時，比起第1磁性層僅具有一方向之磁化方向之時，無論第2磁性層之磁化方向之取向，可以取得高熱安定性。第1磁性層之兩個磁性層係以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成為佳。再者，其兩個磁性層即使從具有垂直易磁化軸之合金膜或多層膜所構成亦可，即使所有膜厚大於接合尺寸，而由藉由形狀磁各向異性賦予垂直易磁化軸之合金膜或多層膜構成亦可。第1磁性層中之非磁性層即使由包含Ru、Rh、Ir、Cr、Cu中之任一個的材料所構成亦可。
在與本發明有關之磁阻效應元件中，上述第2磁性層即使具有由互相不同之材料所構成之複數的磁性層亦可。此時，藉由適當地設定第2磁性層之各磁性層之磁化方向或居禮溫度，可以降低藉由自旋注入磁化反轉所產生的寫入電流。
與本發明有關之磁阻效應元件即使具有被設置成可對沿著上述第2磁性層之上述厚度方向之側面施加電場之電場施加手段亦可。此時，非自旋注入磁化反轉方式，可以電場誘導反轉方式進行位元資訊之寫入。依此，較自旋注入磁化反轉方式之時，可以謀求低消耗電力化。
與本發明有關之磁性記憶體具備：被配置成互相平行之複數的源極線；在與上述源極線交叉之方向，被配置成互相平行的字元線；被配置成與上述源極線平行之複數的位元線；閘極電極被電性連接於上述字元線，源極電極被電性連接於上述源極線的選擇電晶體；和與本發明有關之磁阻效應元件，其係被配置在上述位元線和上述字元線交叉之部分，上述第1磁性層及上述第2磁性層中之一方被電性連接於上述選擇電晶體之汲極電極，另一方被電性連接於上述位元線，被構成沿著上述厚度方向可對上述磁阻效應元件施加電流。
與本發明有關之磁性記憶體因具有與本發明有關之磁阻效應元件，故可以取得熱安定性指數70以上之熱安定性。
若藉由本發明時，可以提供即使為微細之接合尺寸，亦具有熱安定性70以上之熱安定性的磁阻效應元件及磁性記憶體。
1‧‧‧磁性記憶體
2‧‧‧源極線
3‧‧‧字元線
4‧‧‧位元線
5‧‧‧記憶體單元
6‧‧‧寫入驅動器
7‧‧‧讀出放大器
8‧‧‧字元驅動器
9‧‧‧選擇電晶體
10‧‧‧磁阻效應元件
11‧‧‧第1磁性層
12‧‧‧第2磁性層
13‧‧‧第1非磁性層
14‧‧‧下部非磁性電極
15‧‧‧上部非磁性電極
16‧‧‧第3磁性層
17‧‧‧第2非磁性層
18‧‧‧第3非磁性層
19‧‧‧第4磁性層
21‧‧‧第1磁性層
22‧‧‧第2磁性層
23‧‧‧非磁性層
24‧‧‧第1磁性層
25‧‧‧非磁性層
26‧‧‧第2磁性層
31‧‧‧下部磁性層
32‧‧‧上部磁性層
33‧‧‧下部磁性層
34‧‧‧中間磁性層
35‧‧‧上部磁性層
41‧‧‧絕緣層
42‧‧‧電場施加手段
圖1為假設將構成磁阻效應元件之記錄層之強磁性層之熱安定性指數(E/kBT)對接合尺寸D及層厚t之計算結果(a)Ki設為3mJ/m2之時的曲線圖，將(b)Ki設為0mJ/m2之時的曲線圖。
圖2為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之(a)縱剖面圖，(b)為第2磁性層之斜視圖，(c)為兩端面之接合尺寸不同之第2磁性層之斜視圖。
圖3為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第1變形例的縱剖面圖。
圖4為表示圖3所示之磁阻效應元件之第1變形例的元件電阻和垂直磁場之關係的(a)D=10nm(D<0.9t+13，並且D<t)之時的曲線圖，(b)D=40nm(D>0.9t+13並且D>t)之時的曲線圖。
圖5為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第2變形例的縱剖面圖。
圖6為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第3變形例的縱剖面圖。
圖7為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第4變形例的縱剖面圖。
圖8為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第5變形例的縱剖面圖。
圖9為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第6 變形例的(a)第2磁性層之縱剖面圖，(b)為在D<0.9t1+13，溫度T為TC1>T>TC2之時的第2磁性層之縱剖面圖，(c)為在D<0.9(t1+t2)+13並且D>0.9t1+13，溫度T為TC1>T>TC2之時的第2磁性層之縱剖面圖。
圖10為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第7變形例的(a)第2磁性層之縱剖面圖，(b)為在D<0.9t1+13並且D>0.9t3+13，溫度T為TC1≧TC3>T>TC2之時的第2磁性層之縱剖面圖。
圖11為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第8變形例的縱剖面圖。
圖12為表示本發明之實施型態之磁阻效應元件之第8不同變形例的縱剖面圖。
圖13為表示本發明之實施型態之磁性記憶體之電路方塊圖。
圖14為表示以往之磁阻效應元件之磁性記憶體之磁性記憶體單元之電路圖。
圖15(a)為表示以往之垂直磁各向異性磁阻效應元件之縱剖面圖，(b)為第2強磁性層之斜視圖，(c)為表示其他以往之垂直磁各向異性磁阻效應元件之縱剖面圖。
以下，根據圖面，針對本發明之實施型態予以說明。
圖2表示本發明之實施型態之磁阻效應元件。
如圖2(a)所示般，磁阻效應元件10具有第1磁性層11和第2磁性層12和第1非磁性層13和下部非磁性電極14和上部非磁性電極15。
第1磁性層11構成圓柱狀，磁化方向沿著厚 度方向朝上或朝下不變，構成當作參照層發揮功能。第1磁性層11係以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成。
第2磁性層12構成圓柱狀，磁化方向沿著厚 度方向在上下可變，構成當作記錄層發揮功能。如圖2(b)所示般，第2磁性層12被形成在接合尺寸D(nm)和層厚t(nm)之間具有D<0.9t+13之關係。再者，第2磁性層12係接合尺寸D為30nm以下。在此，第2磁性層12之接合尺寸D為構成圓形之兩端面之直徑。第2磁性層12係以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成。
如圖2(a)所示般，第1非磁性層13構成圓 柱狀，沿著第1磁性層11及第2磁性層12之厚度方向，而被配置在第1磁性層11和第2磁性層12之間。第1非磁性層13係兩端面分別被接合於第1磁性層11和第2磁性層12。第1非磁性層13係以具有包含MgO、Al2O3、SiO2、TiO、Hf2O等之氧的化合物之材料，構成在第1磁性層11及第2磁性層12之材料的組合中表現出磁阻變化率大。
下部非磁性電極14被連接於第1磁性層11 之與第1非磁性層13接合之端面相反側的端面。上部非磁性電極15被連接於第2磁性層12之與第1非磁性層13接合之端面相反側的端面。
接著，針對作用予以說明。
磁阻效應元件10因第2磁性層12具有D<0.9t+13之關係，故可以藉由形狀磁各向異性助長第2磁性層12之磁化朝向垂直，並可以提高熱安定性。再者，磁阻效應元件10係在設為D<0.9t+13之熱安定性高之狀態下，藉由盡量縮小接合尺寸D，可以縮小寫入位元資訊之寫入電流。因第2磁性層12之接合尺寸D為30nm以下，故可以取得熱安定性指數70以上之熱安定性。
並且，即使磁阻效應元件10也被形成第1磁 性層11具有D<0.9t+13之關係。此時，可以更提高熱安定性。再者，如圖2(c)所示般，在通常之蝕刻中，兩端面之接合尺寸成為D1>D2，不會成為一定。此時，將兩端面之直徑大的一方規定成接合尺寸。再者，也有兩端面之形狀非圓形之情形，此時，將兩端面上之最長之直線長度規定成接合尺寸。
[第1變形例]
圖3表示本發明之實施型態之磁阻效應元件10之第1變形例。
圖3所示之第1變形例中，為了取得大的磁阻變化 率，具有下述構成。
在該第1變形例中，如圖3所示般，具有被 配置在第1磁性層11和第1非磁性層13之間的磁化方向不變之第3磁性層16，和被配置在第1磁性層11和第3磁性層16之間的第2非磁性層17。
第3磁性層16具有與第1磁性層11之磁化 方向相同之磁化方向。再者，第3磁性層16係以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成。
第2非磁性層17磁性結合鄰接之第1磁性層 11和第3磁性層16，並且厚度被調整成不反映第1磁性層11之結晶性之程度。第2非磁性層17雖然以包含Ta、W、Hf、Zr、Nb、Mo、Ri、V、Cr中之任一者的材料所構成，但是只要係磁性結合第1磁性層11和第3磁性層16，就不一定要以如此之材料來構成。並且，在該第1變形例中，雖然以在第1磁性層11之上部疊層第2非磁性層17和第3磁性層16之構造來說明，但是亦可考慮第1磁性層11含有第2非磁性層17和第3磁性層16。
接著，針對該第1變形例，製作以下之磁阻 效應元件10，並進行調查元件電阻和磁場之關係的實驗。
Ta(5)/Pt(5)/[Co(0.3)/Pt(0.4)]×20/Co(0.3)/Ta(0.4)/Co20Fe60B20(1)/MgO(1.0)/Co20Fe60B20(20)/Ta(1)/Ru(5)/Ta(50)[小括號內為層厚(單位：nm)]
在此，[Co(0.3)/Pt(0.4)]×20/Co(0.3)對應於第1磁性層11，Ta(0.4)對應於第2非磁性層17，Co20Fe60B20(1)對應於第3磁性層16，MgO(1.0)對應於第1非磁性層13，Co20Fe60B20(20)對應於第2磁性層12。第2磁性層12之層厚t為20nm。
作為磁阻效應元件10，製作接合尺寸D為 10nm者(D<0.9t+13、並且D<t)，和為40nm者(D>0.9t+13、並且D>t)，以垂直磁場±0.75T掃掠而進行實驗。再者，元件電阻係以直流4端子法，將施加電壓設為10mV而進行測量。圖4(a)及(b)分別表示D=10nm及40nm之磁阻效應元件10之元件電阻(R)和垂直磁場(μ0H)之關係。在圖4中，以箭號表示以垂直磁場±0.75T掃掠之方向。再者，以空白之箭號表示第1磁性層11及第2磁性層12之磁化的方向。
如圖4(a)所示般，在D=10nm之磁阻效應 元件10中，反映記錄層及參照層皆有垂直易磁化軸，可取得對應於明瞭之磁化切換的元件電阻-垂直磁場曲線。 對此，如圖4(b)所示般，在D=40nm之磁阻效應元件10中，與第2磁性層12対應之CoFeB記錄層之磁化無法朝向垂直方向，可取得暗示磁化之傾斜對垂直磁場漸漸地變化之電阻變化。從該些結果，藉由將第2磁性層12之層厚t和接合尺寸D之關係設為D<0.9t+13，可以確認磁化朝向垂直方向之第2磁性層12。再者，在該構造中，從磁場脈衝所得之磁化反轉確率預估之結果，也可知藉由 將第2磁性層12之層厚t和接合尺寸D之關係設為D<0.9t+13，熱安定性指數成為70以上。
[第2變形例]
圖5表示本發明之實施型態之磁阻效應元件10之第2變形例。
在該第2變形例中，如圖5所示般，第1磁性層11係由第1磁性層21和第2磁性層22和非磁性層23所構成。第1磁性層11具有第1磁性層21及第2磁性層22經非磁性層23被結合成磁化沿著厚度方向互相成為反平行的反平行結合疊層構造。
第1磁性層21及第2磁性層22係以至少含 有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成。並且，第1磁性層21及第2磁性層22即使由具有垂直易磁化軸之合金膜或多層膜所構成亦可，即使將所有膜厚t和接合尺寸D之關係設成D<0.9t+13，由藉由形狀磁各向異性賦予垂直易磁化軸之合金膜或多層膜所構成亦可。
非磁性層23係由包含Ru、Rh、Ir、Cr、Cu 中之任一個的材料所構成。並且，非磁性層23在第1磁性層21之磁化和第2磁性層22之磁化成為反平行之情況下，不一定要以如此之材料構成。
在第1磁性層11之磁化沿著厚度方向而被固定在一方向之情況下，當第1磁性層11之磁化之方向和 第2磁性層12之磁化之方向成為反平行配列時，來自第1磁性層11之磁場作用成使第2磁性層12之磁化之方向成為不安定。因此，反平行配列時之熱安定性下降。對此，在圖5所示之第2變形例中，藉由將第1磁性層11設成反平行結合疊層構造，可以使來自第1磁性層11之磁場變弱，並可以改善第2磁性層22之磁化和第2磁性層12之磁化反平行時之熱安定性。如此一來，在第2變形例中，比起圖2(a)及圖3之磁阻效應元件10，無論第2磁性層12之磁化方向之取向，可以取得高的熱安定性。
[第3變形例]
圖6表示本發明之實施型態之磁阻效應元件10之第3變形例。圖6所示之第3變形例中，為了取得比第2變形例大的磁阻變化率，具有下述構成。
在該第3變形例中，如圖6所示般，具有被配置在第2變形例之第1磁性層11和第1非磁性層13之間的磁化方向不變之第3磁性層16，和被配置在第1磁性層11和第3磁性層16之間的第2非磁性層17。
第3磁性層16具有與第1磁性層11之第2磁性層22之磁化方向相同之磁化方向。再者，第3磁性層16係以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成。
第2非磁性層17磁性結合鄰接之第1磁性層 11之第2磁性層22和第3磁性層16，並且厚度被調整成不反映第2磁性層22之結晶性之程度。第2非磁性層17雖然以包含Ta、W、Hf、Zr、Nb、Mo、Ri、V、Cr中之任一者的材料所構成，但是只要係磁性結合第2磁性層22和第3磁性層16，就不一定要以如此之材料來構成。 並且，在該第3變形例中，雖然以在第1磁性層11之上部疊層第2非磁性層17和第3磁性層16之構造來說明，但是亦可考慮第1磁性層11含有第2非磁性層17和第3磁性層16。
作為第2磁性層12，針對使用Co20Fe60B20 (20)，並變更具有反平行結合構造之第1磁性層11的下述構造之情形，進行與第1實施例相同之實驗。
基板/Ta(5)/Pt(5)/[Co(0.3)/Pt(0.4)]x6/Co(0.3)/Ru(0.4)/[Co(0.3)/Pt(0.4)]x2/Co(0.3)/Ta(0.4)/Co20Fe60B20(1)/MgO(1.0)/Co20Fe60B20(20)/Ta(1)/Ru(5)/Ta(50)[小括號內為層厚(單位：nm)]
在此，[Co(0.3)/Pt(0.4)]x6/Co(0.3)對應於第1磁性層11之第1磁性層21，Ru(0.4)對應於非磁性層23，[Co(0.3)/Pt(0.4)]x2/Co(0.3)對應於第2磁性層22，Ta(0.4)對應於第2非磁性層17，Co20Fe60B20(1)對應於第3磁性層16，MgO(1.0)對應於第1非磁性層13，Co20Fe60B20(20)對應於第2磁性層12。實驗的結果，可取得反映與圖4相同之垂直易磁化軸之元件電阻-磁場曲線。
並且，即使在將第2磁性層12從Co20Fe60B20 (20)變更成Co50Fe50(20)之情況下，亦可以取得與圖4相同之結果。
再者，在該些構造中，從磁場脈衝所得之磁化反轉確率預估之結果，也可知藉由將第2磁性層12之層厚t和接合尺寸D之關係設為D<0.9t+13，熱安定性指數成為70以上。
[第4變形例]
圖7表示本發明之實施型態之磁阻效應元件10之第4變形例。圖7所示之第4變形例中，為了取得較第3變形例更大的磁阻變化率，具有下述構成。
在該第4變形例中，如圖7所示般，第2磁 性層12係被構成依第1磁性層24和非磁性層25和第2磁性層26之順序被疊層的複合記錄層。第1磁性層24及第2磁性層26係磁化方向沿著厚度方向在上下可變。第1磁性層24及第2磁性層26係以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成。
非磁性層25保持鄰接之第1磁性層24和第2 磁性層26之磁性結合，並且厚度被調整成不反映第2磁性層26之結晶性的程度。非磁性層25雖然以包含Ta、W、Hf、Zr、Nb、Mo、Ri、V、Cr中之任一者的材料所構成，但是只要係磁性結合第1磁性層24和第2磁性層26，就不一定要以如此之材料來構成。
[第5變形例]
圖8表示本發明之實施型態之磁阻效應元件10之第5變形例。在圖8所示之第5變形例中，為了降低記錄層之寫入所需之電流，具有下述構成。
在該第5變形例中，具有如圖8所示般，在第2磁性層12之上部疊層第3非磁性層18，和使朝與第1磁性層11之磁化相反方向磁化的第4磁性層19之構造。第3非磁性層18具有由包含MgO、Al2O3、SiO2、TiO、Hf2O等之氧的化合物所構成，對第1非磁性層13具有膜厚差。並且，第3非磁性層18即使由Cu、Ag、Au等構成亦可。第4磁性層19係以至少含有一個Co、Fe、Ni、Mn等之3d強磁性遷移金屬元素之材料所構成。第4磁性層19對第1磁性層11具有保磁力差。
在該第5變形例中，因從屬於上下之參照層之第1磁性層11及第4磁性層19流出之多數自旋，作用於屬於記錄層之第2磁性層12而使自旋力矩作功，故可以降低由於自旋注入無化反轉所產生之寫入電流。
並且，在該第5變形例中，當將第1磁性層11設為圖5或圖6所示之反平行結合疊層構造等之時，即使以與其反平結合疊層構造相反之順序疊層第4磁性層19，將第1磁性層11之磁化和第4磁性層19之磁化配列成相反方向亦可。再者，在該第5變形例中，雖然以在第2磁性層12之上部疊層第3非磁性層18和參照層之第4 磁性層19之構造而予以說明，但是亦可以考慮第2磁性層12係由疊層磁化方向可變之記錄層和疊層第3非磁性層18和參照層之第4磁性層19之構造所構成者。
[第6變形例]
圖9表示本發明之實施型態之磁阻效應元件10之第6變形例。在圖9所示之第6變形例中，為了降低記錄層之寫入所需之電流，具有下述構成。
在該第6變形例中，如圖9(a)所示般，第2磁性層12係由厚度t1之下部磁性層31和厚度t2之上部磁性層32所形成，下部磁性層31之居禮溫度TC1被構成高於上部磁性層32之居禮溫度TC2。
在該第6變形例中，如圖9(b)所示般，當在D<0.9t1+13，溫度T為TC1>T>TC2之時，上部磁性層32成為順磁性，因僅下部磁性層31被磁化反轉即可，故減少力矩總合，可以低電流進行自旋注入磁化反轉。再者，如圖9(c)所示般，當在D<0.9(t1+t2)+13並且D>0.9t1+13，溫度T為TC1>T>TC2之時，上部磁性層32成為順磁性，下部磁性層31不助於形狀磁各向異性，磁化朝向面內。因此，若僅下部磁性層31被90°磁化反轉即可，即使在該構造中，亦可以低電流進行自旋注入磁化反轉。
並且，屬於記錄層之第2磁性層12即使以兩層以上之磁性層構成亦可。再者，溫度之上升即使為藉由流通於配線之焦耳熱所產生者亦可。圖9中表示在下部磁 性層31和上部磁性層32之間居禮溫度不同之例，但是一般而言，即使居禮溫度以外之物性不同亦可。例如，與第1非磁性層13接合的下部磁性層31即使以特化成因磁阻效應所產生之電阻變化變大之材料所構成，被設置在下部磁性層31之上部的上部磁性層32即使以特化成以低電流可以執行自旋注入磁化反轉之材料所構成亦可。具體而言，藉由下部磁性層31使用Co-Fe-B合金，上部磁性層32使用阻尼常數小的Fe，可以使良好寫入特性和讀出特性並存。
[第7變形例]
圖10表示本發明之實施型態之磁阻效應元件10之第7變形例。在圖10所示之第7變形例中，為了降低記錄層之寫入所需之電流，具有下述構成。
在該第7變形例中，如圖10(a)所示般，第2磁性層12係由厚度t1之下部磁性層33、厚度t2之中間磁性層34、上部磁性層35所構成，被構成下部磁性層33之居禮溫度TC1、中間磁性層34之居禮溫度TC2及上部磁性層35之居禮溫度TC3成為TC1≧TC3>TC2之關係。
在該第7變形例中，如圖10(b)所示般，在D<0.9t1+13並且D>0.9t3+13，溫度T為TC1≧TC3>T>TC2之時，中間磁性層34成為順磁性，上部磁性層35成為磁化朝向面內之面內磁化分極層，因動作成輔助下部磁性層33之磁化，故可以低電流進行自旋注入磁化反轉。
[第8變形例]
圖11及圖12表示本發明之實施型態之磁阻效應元件10之第8變形例。
因電場誘導反轉方式較自旋注入磁化反轉方式被期待能夠謀求寫入之低消耗電力，故在第8變形例中，具有電場誘導反轉方向之構成。
在該第8變形例中，如圖11所示般，具有覆 蓋屬於記錄層之第2磁性層12之側面的絕緣層41，和在絕緣層41之外側設置可對第2磁性層12之側面施加電場之電場施加手段42。在將第2磁性層12之層厚t和接合尺寸D之關係設為D<0.9t+13之構造中，因側面之面積變大，故可以藉由電場施加手段42對記錄層施加電場，依此可以助長電場誘導磁化反轉。
再者，如圖12所示般，不僅第2磁性層12 之側面，即使在上面也設置絕緣層41和電場施加手段42亦可。此時，可以更助長電場誘導磁化反轉。
[本發明之實施型態之磁性記憶體1]
圖13表示本發明之實施型態之磁性記憶體(MRAM)。
如圖13所示般，磁性記憶體1具有分別由複數所構成之源極線2和字元線3和位元線4和記憶體單元5。
各源極線2被配置成互相平行。各字元線3在與各源極線2垂直交叉之方向，被配置成互相平行。各 位元線4與各源極線2平行地被配置成互相平行。各源極線2及各位元線4互相平行地被配置成在橫方向交互排列。各源極線2及各位元線4之一端被電性連接於用以施加電壓之寫入驅動器6及讀出放大器7。各字元線3之一端被電性連接於字元驅動器8。
各記憶體單元5被配置在各位元線4和各字 元線3之各交點。各記憶體單元5具有選擇電晶體9和磁阻效應元件10。選擇電晶體9係閘極電極被電性連接於字元線3，源極電極經配線層被電性連接於源極線2。磁阻效應元件10係下部非磁性電極14或上部非磁性電極15，第1磁性層11及第2磁性層12中之任一方被電性連接於選擇電晶體9之汲極電極，另一方被電性連接於位元線4。磁阻效應元件10係由圖2~圖3或圖5~圖12中之任一個所構成。磁性記憶體1係被構成沿著厚度方向可對磁阻效應元件10施加電流。
接著，針對作用予以說明。
「1」之寫入動作中，從寫入驅動器6對源極線2施加電壓，並且從字元驅動器8對字元線3施加電壓，依此使電流從源極線2經磁阻效應元件10流至位元線4。此時，磁阻效應元件10之磁化方向為可變之記錄層的第2磁性層12之磁化方向，和磁化方向被固定之參照層的第1磁性層11之磁化方向成為反平行狀態。依此，磁阻效應元件10成為高電阻狀態，磁阻效應元件10所保持的資訊成為「1」。
另外，「0」之寫入動作中，從寫入驅動器6 對位元線4施加電壓，並且從字元驅動器8對字元線3施加電壓，依此使電流從位元線4經磁阻效應元件10流至源極線2。此時，磁阻效應元件10之磁化方向為可變之記錄層的第2磁性層12之磁化方向，和磁化方向被固定之參照層的第1磁性層11之磁化方向成為平行狀態。依此，磁阻效應元件10成為低電阻狀態，磁阻效應元件10所保持的資訊成為「0」。
讀出時，使用讀出放大器7，讀取由於電阻變 化所產生的訊號不同。藉由使用如此之記憶體陣列，可以實現具備磁阻變化率大，且寫入電流小，較以往構造熱安定性高的磁阻效應元件10之MRAM。

Claims (14)

  1. 一種磁阻效應元件，具備：磁化方向沿著厚度方向朝上和朝下固定的第1磁性層，和磁化方向沿著厚度方向上下可變的第2磁性層，和沿著上述第1磁性層及上述第2磁性層之厚度方向，被配置在上述第1磁性層和上述第2磁性層之間的第1非磁性層，其特徵在於：上述第2磁性層在與上述厚度方向垂直之端面上為最長之直線長度的接合尺寸D(nm)，和層厚t(nm)之間，具有D<0.9t+13之關係。
  2. 如請求項1所記載之磁阻效應元件，其中上述第1磁性層也具有D<0.9t+13之關係。
  3. 如請求項1或2所記載之磁阻效應元件，其中具有D<0.9t+13之關係的上述第2磁性層，或上述第1磁性層及上述第2磁性層係上述接合尺寸為30nm以下。
  4. 如請求項1或2所記載之磁阻效應元件，其中上述第1磁性層具有經非磁性層將兩個磁性層結合成磁化互相成為反平行的反平行結合疊層構造。
  5. 如請求項1或2所記載之磁阻效應元件，其中具有：被配置在上述第1磁性層和上述第1非磁性層之間的磁化方向固定之第3磁性層，和被配置在上述第1磁性層和上述第3磁性層之間的第 2非磁性層。
  6. 如請求項1或2所記載之磁阻效應元件，其中上述第2磁性層具有由互相不同材料所構成之複數的磁性層。
  7. 如請求項1或2所記載之磁阻效應元件，其中具有被設置成可對沿著上述第2磁性層之上述厚度方向之側面施加電場之電場施加手段。
  8. 一種磁阻效應元件，具備：磁化方向沿著厚度方向朝上和朝下固定的第1磁性層，和磁化方向沿著厚度方向上下可變的第2磁性層，和沿著上述第1磁性層及上述第2磁性層之厚度方向，被配置在上述第1磁性層和上述第2磁性層之間的第1非磁性層，其特徵在於：上述第1磁性層及上述第2磁性層之至少任一方在與上述厚度方向垂直之端面上為最長之直線長度的接合尺寸D(nm)，和層厚t(nm)之間，具有D<t之關係。
  9. 如請求項8所記載之磁阻效應元件，其中具有D<t之關係的上述第1磁性層及/或上述第2磁性層係上述接合尺寸為30nm以下。
  10. 如請求項8或9所記載之磁阻效應元件，其中上述第1磁性層具有經非磁性層將兩個磁性層結合成磁化互相成為反平行的反平行結合疊層構造。
  11. 如請求項8或9所記載之磁阻效應元件，其中具有：被配置在上述第1磁性層和上述第1非磁性層之間的磁化方向固定之第3磁性層，和 被配置在上述第1磁性層和上述第3磁性層之間的第2非磁性層。
  12. 如請求項8或9所記載之磁阻效應元件，其中上述第2磁性層具有由互相不同材料所構成之複數的磁性層。
  13. 如請求項8或9所記載之磁阻效應元件，其中具有被設置成可對沿著上述第2磁性層之上述厚度方向之側面施加電場之電場施加手段。
  14. 一種磁性記憶體，其特徵在於具備：複數的源極線，其被配置成互相平行；複數的字元線，其係在與上述源極線交叉之方向，被配置成互相平行；複數的位元線，其被配置成與上述源極線平行；選擇電晶體，其係閘極電極被電性連接於上述字元線，源極電極被電性連接於上述源極線；和如請求項1至13中之任一項所記載之磁阻效應元件，其係被配置在上述位元線和上述字元線交叉之部分，上述第1磁性層及上述第2磁性層中之任一方被電性連接於上述選擇電晶體之汲極電極，另一方被電性連接於上述位元線，被構成沿著上述厚度方向可對上述磁阻效應元件施加電流。
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