WO2013069091A1 - トンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いたランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Abstract
Description
図1に、実施例1におけるMTJ素子の断面模式図を示す。熱酸化膜が形成されたSi基板5の上に下部電極12、酸化物下地層32、固定層22、トンネルバリア層10、記録層21、酸化物キャップ層31、金属キャップ層13、上部電極11の順で薄膜を積層する。トンネルバリア層10にはMgO(膜厚:1nm)を用いた。記録層21を構成する強磁性層にはCoFeB(膜厚:1.5nm)を適用し、固定層22を構成する強磁性層にはCoFeB(膜厚:1nm)を適用した。固定層22と記録層21にそれぞれ接する、酸化物下地層32と酸化物キャップ層31には、導電性酸化物であるRuO2(膜厚:3nm)を用いた。また、下部電極は基板側からTa(膜厚:5nm)/Ru(膜厚:10nm)/Ta(膜厚:5nm)の順で積層した積層膜で構成した。金属キャップ層13はTa(膜厚:5nm)/Ru(膜厚:10nm)の順で積層した積層膜で構成した。また、上部電極11はCr(膜厚:5nm)/Au(膜厚:100nm)の積層膜で構成した。
実施例2は、固定層側にのみ導電性酸化物を配置する構造を適用するものである。図2に、実施例2におけるMTJ素子の断面模式図を示す。実施例2では、実施例1と異なり、記録層21の上に酸化物キャップ層を配置せず、また、記録層21を構成するCoFeBの膜厚を1.2nmとした。それ以外の積層構造、及び各層の材料・膜厚については実施例1と同様である。また、素子の作製方法及び動作についても実施例1と同様である。
実施例3は、CoFeBの記録層と、CoFeB以外の材料からなる固定層を組み合わせた垂直MTJ素子を提案するものである。図3に、実施例3におけるMTJ素子の断面模式図を示す。実施例3では、実施例1と異なり、導電性酸化物層は固定層22の下には配置せず、記録層21の上にのみ配置する。さらに、実施例3では、固定層22を、第1の強磁性層41と第2の強磁性層51の積層構造で作製する。第1の強磁性層41にはCoFeB(膜厚:2nm)を用い、第2の強磁性層51には、Co50Pt50のL10型規則合金(膜厚:3nm)を適用した。それ以外の材料・膜厚、素子の作製方法については実施例1と同様である。また、固定層22を構成する第1の強磁性層41と第2の強磁性層51は強磁性結合しており、その磁化方向は連動している。よって、固定層22の磁化は単一の磁化としてみなせるため、素子の動作も実施例1と同様である。
実施例4は、本発明によるMTJ素子を適用したランダムアクセスメモリを提案するものである。図4は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、実施例1~3に示したMTJ素子110のいずれかを搭載している。
Claims (14)
- 垂直磁気異方性を有する記録層と、垂直磁気異方性を有し磁化の方向が一方向に固定された固定層と、前記記録層と前記固定層の間に配置された酸化物のトンネルバリア層とを備えたトンネル磁気抵抗効果素子であって、
前記記録層及び前記固定層は、3d遷移金属を少なくとも1種類含む強磁性材料で構成され、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、
前記記録層と前記固定層の少なくとも一方は、前記トンネルバリア層と反対側の界面に導電性酸化物層が配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記3d遷移金属はCo,Feのうちの少なくとも一つであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層と前記固定層を構成する強磁性材料はFe,CoFe又はCoFeBであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記固定層の膜厚は、0.5nm~3nmの範囲であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記導電性酸化物層は、ルチル-MoO2型酸化物であるRuO2,VO2,CrO2,NbO2,MoO2,WO2,ReO2,RhO2,OsO2,IrO2,PtO2,V3O5,Ti3O5、あるいは、
NaCl型酸化物であるTiO,VO,NbO,LaO,NdO,SmO,EuO,SrO,BaO,NiO、あるいは、
スピネル型酸化物であるLiTi2O4,LiV2O4,Fe3O4、あるいは、
ペロブスカイト-ReO3型酸化物であるReO3,CaCrO3,SrCrO3,BaMoO3,SrMoO3,CaMoO3,LaCuO3,CaRuO3,SrVO3,BaTiO3、あるいは、
コランダム型酸化物であるTi2O3,V2O3,Rh2O3、あるいは、
酸化物半導体であるZnO,TiO2,SnO2,Cu2O,Ag2O,In2O3,WO3であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項1に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層はMgO、あるいはMgOを主成分としてZnを添加した酸化物であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 垂直磁気異方性を有する記録層と、垂直磁気異方性を有し磁化の方向が一方向に固定された固定層と、前記記録層と前記固定層の間に配置された酸化物のトンネルバリア層とを備えたトンネル磁気抵抗効果素子であって、
前記固定層は、第1の強磁性層と第2の強磁性層を積層した構造を有し、前記第1の強磁性層は前記トンネルバリア層の側に配置されており、
前記記録層及び前記第1の強磁性層は、3d遷移金属を少なくとも1種類含む強磁性材料で構成され、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、
前記記録層の前記トンネルバリア層と反対側の界面に導電性酸化物層が配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項7に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記3d遷移金属はCo,Feのうちの少なくとも一つであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項7に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記第1の強磁性層はFe,CoFe又はCoFeBであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項5に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記第1の強磁性層の膜厚は、0.5nm~3nmの範囲であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 請求項7に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第2の強磁性層は、
Coを含み、Cr,Ta,Nb,V,W,Hf,Ti,Zr,Pt,Pd,Fe,Niの中から選択された1つ以上の元素を含む合金層、
Fe,Co,Niのいずれか1つ又は複数を含む合金と、Ru,Pt,Rh,Pd,Crから選択された非磁性金属を交互に積層した積層膜、
粒状の磁性相の周囲を非磁性相が取り囲んだグラニュラー構造を有する層、
希土類金属と遷移金属を含んだアモルファス合金層、又は、
m-D019型のCoPt規則合金、L11型のCoPt規則合金、もしくはCo-Pt,Co-Pd,Fe-Pt,Fe-Pdを主成分とするL10型の規則合金からなる層であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項7に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記導電性酸化物層は、ルチル-MoO2型酸化物であるRuO2,VO2,CrO2,NbO2,MoO2,WO2,ReO2,RhO2,OsO2,IrO2,PtO2,V3O5,Ti3O5、あるいは、
NaCl型酸化物であるTiO,VO,NbO,LaO,NdO,SmO,EuO,SrO,BaO,NiO、あるいは、
スピネル型酸化物であるLiTi2O4,LiV2O4,Fe3O4、あるいは、
ペロブスカイト-ReO3型酸化物であるReO3,CaCrO3,SrCrO3,BaMoO3,SrMoO3,CaMoO3,LaCuO3,CaRuO3,SrVO3,BaTiO3、あるいは、
コランダム型酸化物であるTi2O3,V2O3,Rh2O3、あるいは、
酸化物半導体であるZnO,TiO2,SnO2,Cu2O,Ag2O,In2O3,WO3であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。 - 請求項7に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層はMgO、あるいはMgOを主成分としてZnを添加した酸化物であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
- 複数の磁気メモリセルと、
前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、
前記選択された磁気メモリセルに選択された方向の電流を流す手段とを備え、
前記磁気メモリセルは、請求項1~11のいずれか1項に記載されたトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に通電するためのトランジスタとを有し、
前記メモリセルの前記記録層をスピントランスファートルクにより磁化反転させることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
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Legal Events
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NENP | Non-entry into the national phase |
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ENP | Entry into the national phase |
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WWE | Wipo information: entry into national phase |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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