WO2015040926A1 - 磁気抵抗素子および磁気メモリ - Google Patents

磁気抵抗素子および磁気メモリ Download PDF

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WO2015040926A1
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layer
memory
magnetoresistive element
boron
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PCT/JP2014/067567
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英二 北川
隆夫 落合
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株式会社 東芝
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Definitions

  • Embodiments described herein relate generally to a magnetoresistive element and a magnetic memory.
  • an MRAM using a spin transfer magnetization reversal method (hereinafter also referred to as STT (Spin-Transfer-Torque) -MRAM (Magnetic-Random Access Memory)) has been attracting attention.
  • STT-MRAM spin transfer magnetization reversal method
  • This STT-MRAM does not require standby power by replacing it with a volatile memory in an electronic device, and can reduce power consumption.
  • MTJ Magnetic-tunnel-Junction
  • This MTJ element has a laminated structure in which a tunnel barrier layer is provided between two magnetic layers.
  • a perpendicular magnetization MTJ element is introduced in which the magnetization direction of the magnetic layer constituting the MTJ element is perpendicular to the film surface.
  • the “film surface” means a surface orthogonal to the stacking direction of the layers constituting the MTJ element.
  • This embodiment provides a magnetoresistive element and a magnetic memory capable of reducing a write current.
  • the magnetoresistive element of this embodiment is provided on a film having a layer containing nitrogen and the film having a layer containing nitrogen, has a magnetic anisotropy perpendicular to the film surface, and has a variable magnetization direction.
  • the magnetoresistive element according to the first embodiment is shown in FIG.
  • the magnetoresistive element according to the first embodiment includes a base film 10, a memory film 12 having a magnetic layer with a variable magnetization direction, an intermediate layer 14, a reference film 16 having a magnetic layer with a fixed magnetization direction, and an electrode. It has a laminated structure laminated in the order of 18.
  • the direction of magnetization is “variable” means that when a write current is passed through the magnetoresistive element in a direction perpendicular to the film surface, the direction of magnetization can be changed before and after the write current is passed. It means that.
  • the direction of magnetization “fixed” means that when the write current is passed through the magnetoresistive element, the direction of magnetization does not change before and after the write current is passed.
  • the magnetic layers of the memory film 12 and the reference film 16 have magnetization perpendicular to the film surface. That is, each magnetic layer of the memory film 12 and the reference film 16 has magnetic anisotropy perpendicular to the film surface.
  • the electric resistance between the base film 10 and the electrode 18 differs. Then, “0” is assigned as information stored in the magnetoresistive element in one of the parallel and antiparallel cases, and “1” is assigned as information in the other case.
  • a writing method for making the storage film 12 parallel when the magnetization direction of the memory film 12 is antiparallel to the magnetization direction of the reference film 16 will be described.
  • a write current is passed from the memory film 12 toward the reference film 16, that is, from the base film 10 toward the electrode 18. Since the electron flow flows in the direction opposite to the current, the electron flow flows from the reference film 16 to the memory film 12 through the intermediate layer 14.
  • the electrons that have passed through the reference film 16 are spin-polarized by the reference film, and the spin-polarized electrons flow to the memory film 12 through the intermediate layer 14, and the magnetization direction of the memory film 12 becomes parallel by the spin transfer torque. . This completes the writing.
  • a writing method for making the memory film 12 antiparallel when the magnetization direction of the memory film 12 is parallel to the magnetization direction of the reference film 16 will be described.
  • a write current is passed from the reference film 16 toward the memory film 12, that is, from the electrode 18 toward the base film 10.
  • an electron flow flows from the memory film 12 to the reference film 16 through the intermediate layer 14.
  • the electrons that have passed through the memory film 12 are spin-polarized.
  • electrons having a spin parallel to the magnetization direction of the reference film 16 pass through the reference film 16, but electrons having an anti-parallel spin pass between the intermediate layer 14 and the reference film 16.
  • the light is reflected at the interface and flows into the memory film 12 through the intermediate layer 14.
  • Electrons having a spin antiparallel to the magnetization direction of the reference film 16 flowing into the memory film 12 reverse the magnetization direction of the memory film 12 from parallel to antiparallel by the spin transfer torque. This completes the writing.
  • Reading of information from the magnetoresistive element 1 is performed, for example, by passing a current between the base film 10 and the electrode 18 and measuring the voltage between the base film 10 and the electrode 18.
  • the memory film 12 is a film having a multilayer structure with different boron concentrations.
  • the storage layer 12 includes a first layer 12 1 provided between the underlayer 10 and the intermediate layer 14, a second layer 12 2 provided between the first layer 12 1 and the intermediate layer 14 Have.
  • the concentration of boron contained in the first layer 12 1 (atomic%) is higher than the concentration of boron contained in the second layer 12 2 (atomic%).
  • a Co 16 Fe 64 B 20 concentration of boron is 20 atomic% Use.
  • the magnetoresistive element 1A according to the first modification of the first embodiment shown in FIG. 2 may be used.
  • the magnetoresistive element 1A of the first modification has a structure in which the memory film 12 is replaced with a memory film 12a in the magnetoresistive element 1 of the first embodiment shown in FIG.
  • the storage layer 12a, the concentration of boron is a membrane of different multilayer structures respectively, the first layer 12a 1 provided between the underlayer 10 and the intermediate layer 14, a first layer 12a 1 and the intermediate layer 14 A second layer 12a 2 provided between the second layer 12a 2 and a third layer 12a 3 provided between the second layer 12a 2 and the intermediate layer 14.
  • the concentration (atomic%) of boron contained in the first layer 12a 1 is lower than the concentration (atomic%) of boron contained in the second layer 12a 2, and the concentration (atomic%) of boron contained in the third layer 12a 3 is less than the concentration of boron contained in the second layer 12a 2 (atomic%).
  • Co 16 Fe 64 B 20 having a boron concentration of 20 atomic% is used as the first and third layers 12a 1 and 12a 3
  • Hf 50 B having a boron concentration of 50 atomic% is used as the second layer 12a 2. 50 is used.
  • the base film 10 may be a single base film containing nitrogen and at least one element other than nitrogen.
  • the magnetoresistive element 1B according to the second modification of the first embodiment shown in FIG. 3 may be used.
  • the magnetoresistive element 1B according to the second modification has a structure in which the base film 10 is replaced with a base film 10a in the magnetoresistive element 1 according to the first embodiment shown in FIG.
  • the base film 10a comprises a first base layer 10 1, and a second underlayer 10 2 provided between the first base layer 10 1 and the storage layer 12.
  • the underlying layer 10 1, Hf, Zr, Al, Be , Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, comprises at least one element of La
  • the second base layer 10 2 is other than nitrogen and nitrogen And at least one element.
  • First underlayer 10 1, or nitrogen than the second undercoat layer 10 2 is small, it is preferably free of nitrogen. This is because the first underlayer 10 1 planarization is facilitated.
  • the magnetoresistive element 1C according to the third modification of the first embodiment shown in FIG. 4 may be used.
  • the magnetoresistive element 1C of the third modification has a structure in which the base film 10 is replaced with a base film 10a in the magnetoresistive element 1A of the first modification shown in FIG.
  • This base film 10a has the same structure as that of the second modification shown in FIG.
  • Fe is mixed with nitrogen. Since the binding energy is weak, it is possible to suppress mutual diffusion of elements constituting each of the memory film 12 and the base film 10 by selectively combining nitrogen with the element used as the base material. .
  • a compound containing nitrogen and at least one element of Al, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, and In is used as the nitride contained in the base film 10.
  • a high melting point and stable A base film can be formed.
  • the mutual diffusion of the elements constituting each of the memory film 12 and the base film 10 can be further suppressed.
  • AlN is used as the first underlayer or the second underlayer.
  • AlN has insulating characteristics, it is desirable to use AlTiN, AlScN, ScN, AlInN, or the like, which can have a lower resistance than AlN. That is, it is desirable that the base film 10 contains nitrogen and at least one element selected from the group of Al, Sc, Y, and La.
  • the film thickness is desirably 0.2 nm or more and 2 nm or less.
  • AlInN, AlScN, or AlTiN may be a continuous film or may be divided by another material. Further, by mixing TiN or ScN having a tetragonal structure with AlN having a hexagonal close-packed structure, the nitride becomes amorphous, and a flat base film 10 can be formed. By suppressing the exchange and interdiffusion of electrons between the memory film 12 and the base film 10, the spin pumping effect is reduced, and the memory film 12 having a small friction constant can be formed. As a result, the write current can be reduced.
  • FIG. 16 shows the result of measuring the magnitude of the friction constant with respect to the film thickness of AlN and ScN when 13 mm Co 8 Fe 72 B 20 is used as the memory layer 12 and AlN and ScN are used as the underlayer 10.
  • the friction constant can be sufficiently reduced by setting the film thickness of AlN and ScN to 2 mm (0.2 nm) or more, and considering the resistance of the nitride base film, it can be designed to be 0.2 nm or more and 2 nm or less. desirable.
  • the memory film 12 provided on the base film 10 made of nitride contains iron and boron, the wettability with the base film 10 is poor, and the surface of the memory film 12 tends to be uneven. Further, boron in the memory film 12 and nitrogen in the base film 10 have a strong bond. For this reason, the heat treatment performed after the magnetoresistive element 1 is formed suppresses recrystallization of the memory film 12 from the amorphous structure to the crystal structure, resulting in a problem that the MR ratio is reduced. Furthermore, a low MR ratio causes a decrease in spin torque injected into the memory film 12, and a problem arises that the write current increases.
  • the storage layer 12 a layer having a high concentration of boron, by including a first layer 12 1 shown in FIG. 1, for example, poor though the wettability caused by the nitrogen in the base film 10, the high concentration of boron Improved. Furthermore, the boron deficiency caused by the combination of boron and nitrogen is filled with a high concentration of boron. For this reason, crystallization between the intermediate layer 14 and the memory film 12 is promoted. Further, when the memory film 12 or the memory film 12a is formed on the upper surface of the base film 10 or the base film 10a having a laminated structure, the high concentration of boron improves the amorphous nature of the memory films 12 and 12a, and the smooth memory films 12 and 12a. Can be formed, and a high MR ratio can be obtained.
  • First underlayer 10 1 holds a conductive, preferably a further material that changes the insulator by oxidation. This is because, when the magnetoresistive element is processed, when it is redeposited as a deposit on the side of the intermediate layer 14, it can be changed into an insulator by oxidation. Therefore, the first underlayer 10 1, Hf, Zr, Al, Be , Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, a material containing at least one element selected from the group of La is employed.
  • the first adhering to the side wall of the intermediate layer 14 when MgO is used as the intermediate layer 14 during the separation process of the magnetoresistive element can suppress short circuits caused by the separation process of the magnetoresistive element.
  • the thickness of the redeposited comprising a first base layer 10 1 of the element is adjusted to about 0.5 nm ⁇ 5 nm, the damage caused by oxidation of the magnetoresistive element due to atmospheric exposure after separation process of the magnetoresistive element It is possible to suppress the increase in the write current and the decrease in the resistance to thermal disturbance.
  • an insulator such as MgO is used, and in this case, it becomes a tunnel barrier layer.
  • the reference film 16 for example, a laminated film of a TbCoFe layer and a CoFeB layer is used. This is because a high MR ratio can be obtained by sandwiching the CoFeB layer between the tunnel barrier layer made of MgO and the TbCoFe layer. By sandwiching a shift adjustment film formed of CoPt or the like between the reference film 16 and the electrode 18, the magnetic field applied from the reference film 16 to the memory films 12 and 12a can be canceled. This makes it possible to stably form the magnetization arrangement of the memory films 12 and 12a with respect to the reference film 16 so as to be in a parallel state or an anti-parallel state.
  • the magnetization states of the reference film and the shift adjustment film can be coupled in antiparallel. Thereby, the leakage magnetic field from the reference film can be canceled more stably.
  • the electrode film 18 for example, a laminated film of Ru having a thickness of 10 nm and Ta having a thickness of 100 nm provided on the reference film 16 is used.
  • the write current can be reduced.
  • FIG. 1D A magnetoresistive element according to the second embodiment is shown in FIG.
  • a base film 10b a memory film 12 having a magnetic layer containing boron, an intermediate layer 14, a reference film 16 containing a magnetic layer, and an electrode 18 are laminated in this order. It has a laminated structure.
  • the magnetization direction of the magnetic layer of the memory film 12 is variable, and the magnetization direction of the magnetic layer of the reference film 16 is fixed.
  • Co 16 Fe 64 B 20 is used as the memory film 12.
  • High perpendicular magnetic anisotropy can be obtained by making the Fe content larger than the Co content. High perpendicular magnetic anisotropy makes it possible to improve non-volatile retention performance and contributes to lower power consumption.
  • the base film 10 b includes a first base layer 10 b 1 containing nitrogen, and a second base layer 10 b 2 containing boron provided between the first base layer 10 b 1 and the memory film 12.
  • the second concentration of boron contained in the base layer 10b 2 is greater than the concentration of boron contained in the storage layer 12 (atomic%).
  • Hf 50 B 50 having a thickness of 1 nm or less is used as the second underlayer 10b 2 .
  • the concentration of boron contained in the second underlayer 10b 2 is higher than the concentration of boron (20 atomic%) contained in the memory film 12 made of Co 16 Fe 64 B 20 .
  • the first underlayer 10b 1 AlN having a thickness of about 1 nm is used, or the nitride described in the first embodiment is used.
  • AlInN, AlScN, AlYN, AlLaN, or ScN is used. That is, the base film 10 preferably contains nitrogen and at least one element selected from the group of Al, Sc, Y, and La.
  • AlInN or AlScN, AlYN, AlLaN, and ScN preferably have a thickness of 0.2 nm or more and 2 nm or less, as in the first embodiment.
  • the In composition ratio is smaller than the Al composition ratio.
  • AlScN, AlYN, and AlLaN when used, the Al composition ratio is Sc, Y, and La. It is preferably smaller than the composition ratio.
  • AlInN, AlScN, AlYN, AlLaN, or ScN may be a continuous film or may be divided by another material.
  • the second underlayer 10b 2 having a higher concentration of boron than the memory film 12 as in the second embodiment, wetting between the underlayer made of nitride and the memory film 12 mainly composed of Fe Sex can be improved.
  • the film thickness of the second underlayer 10b 2 is increased, the magnetization of the memory film 12 is decreased as shown in FIG.
  • the horizontal axis indicates the thickness of the storage layer 12 (Co 16 Fe 64 B 20 ), and the vertical axis indicates the magnetization (saturation magnetization density (M) ⁇ thickness (t)) of the storage film 12.
  • the second shows the case that is the underlying layer 10b 2
  • the magnetization is reduced by inserting a base layer containing boron between the storage layer and the base layer made of nitride, or by bonding the base layer containing boron to the recording layer.
  • the disappearance of the magnetization that occurs between the underlayer and the storage layer causes an increase in the damping constant (friction constant) due to the spin pumping effect, leading to an increase in the write current. Therefore, the thickness of the second underlayer 10b 2 may decrease the magnetization of the storage layer 12 is desirably becomes smaller than 1nm or less when using a base film made of boride.
  • the friction constant is larger than that in the case where AlN is directly bonded to the memory layer by using a laminated base in which Hf 50 B 50 containing 1% boron is inserted between the nitride base layer 10b 1 AlN and the memory layer 12. It becomes possible to decrease.
  • the base 10b 2 containing ultrathin boron between the nitride base 10b 1 and the storage layer 12, the wettability of the storage layer 12 and the base layer 10b is improved, and a uniform storage layer can be formed. Uniform storage layer formation leads to an improvement in the Curie temperature (T c ) of the storage layer, and an increase in T c suppresses the disappearance of spin information and contributes to the reduction of the friction constant or the write current.
  • the magnetization reversal current reduction makes it possible to reduce the write current, an MTJ element with lower power consumption can be manufactured.
  • the underlayer 10b 2 Hf 50 B 50 containing boron is thicker, but the thick Hf 50 B 50 is inserted between the memory layer 12 and the nitride underlayer 10b 1. This is not preferable because the friction constant is increased as shown in FIG. 14 and the magnetization reversal current is increased as shown in FIG.
  • the base layer 10b 2 containing boron is preferably set to 1nm or less.
  • FIG. 7 shows a magnetoresistive element according to a first modification of the second embodiment.
  • the magnetoresistive element 1E according to the first modification has a structure in which the base film 10b is replaced with the base film 10c in the magnetoresistive element 1D of the second embodiment shown in FIG.
  • the underlying film 10c is, Hf, Zr, Al, Be , Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, a first undercoat layer 10c 1 comprising at least one element selected from among La, first lower a second base layer 10c 2 containing nitrogen provided between the strata 10c 1 and the storage layer 12, a third base layer 10c 3 containing boron is provided between the second underlayer 10c 2 and the storage layer 12 It is equipped with.
  • the concentration (atomic%) of boron contained in the third underlayer 10 c 3 is higher than the concentration (atomic%) of boron contained in the memory film 12.
  • Co 16 Fe 64 B 20 is used as the memory film 12
  • Hf 50 B 50 having a thickness of 1 nm or less is used as the third underlayer 10 c 3 .
  • the first base layer 10c 1 is either nitrogen is less than the second base layer 10c 2, preferably contains no nitrogen. This is because the first planarization of the underlying layer 10c 1 is facilitated.
  • FIG. 8 shows the results of making the elements and comparing the MR ratios of these MTJ elements.
  • the horizontal axis represents the sheet resistance
  • the vertical axis represents the MR ratio.
  • AlN of about 6% was used as the first underlayer containing nitrogen
  • Hf 50 B 50 was used as the second underlayer containing boron. It can be seen that a higher MR ratio is obtained when the underlying film having a laminated structure is used.
  • the thickness of the base film made of a single layer containing nitrogen or the first base layer containing nitrogen is preferably 0.2 nm or more and 2 nm or less, as in the first embodiment.
  • the first underlayer 10c 1 is preferably made of a material that retains conductivity and changes to an insulator by being oxidized when redeposited on the side of the tunnel barrier layer (intermediate layer) during processing of the MTJ element. .
  • the first undercoat layer 10c 1 Hf, Zr, Al , Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, a material containing at least one element selected from among La is used.
  • the same material as that described in the first embodiment is used for the intermediate layer (tunnel barrier layer), the reference film 16, and the electrode 18.
  • the write current can be reduced as in the first embodiment.
  • the magnetoresistive element 1F of the third embodiment has a laminated structure in which a base film 10, a memory film 12, an intermediate layer (tunnel barrier layer) 14, a reference film 16, and an electrode 18 are laminated in this order. .
  • Co 16 Fe 64 B 20 is used as the memory film 12.
  • High perpendicular magnetic anisotropy can be obtained by making the Fe concentration (atomic%) higher than the Co concentration (atomic%). High magnetic anisotropy makes it possible to improve non-volatile retention performance and contribute to lower power consumption.
  • the base film 10 is made of a compound containing nitrogen, and is formed of, for example, a nitride containing at least one element selected from Al, Sc, Y, La, and In.
  • a compound made of nitrogen it becomes possible to suppress magnetic interaction with a material mainly composed of a transition metal made of Fe, Co or the like, and a memory that maintains a low friction constant.
  • the film 12 can be formed.
  • FIG. 10 shows the magnetic characteristics of the memory film and the result of FMR (Ferromagnetic Resonance) measurement when AlN and AlInN are used as the underlying film made of nitride, respectively.
  • FMR Magnetic Resonance
  • AlScN, AlYN, AlLaN, or ScN it is preferable to use AlInN, AlScN, AlYN, AlLaN, or ScN as the base film 10. That is, it is desirable that the base film 10 contains nitrogen and at least one element selected from the group of Al, Sc, Y, and La.
  • the thickness of AlInN or AlScN, AlYN, AlLaN, and ScN is preferably 0.2 nm or more and 2 nm or less, as in the first embodiment. As can be seen from FIG.
  • the composition ratio of In is smaller than the composition ratio of Al when AlInN is used, and the composition ratio of Al is Sc, Y, and La when AlScN, AlYN, and AlLaN are used.
  • the ratio is preferably smaller than the ratio.
  • AlInN, AlScN, AlYN, AlLaN, or ScN may be a continuous film or may be divided by another material.
  • a magnetoresistive element according to a modification of the third embodiment is shown in FIG.
  • a magnetoresistive element 1G according to this modification has a structure in which the base film 10 is replaced with a base film 10d in the magnetoresistive element 1F of the third embodiment shown in FIG.
  • the base film 10 d includes a first base layer 10 d 1 and a second base layer 10 d 2 provided between the first base layer 10 d 1 and the memory film 12.
  • the first underlayer 10d 1 is preferably made of a material that retains conductivity and changes into an insulator by being oxidized when redeposited on the side of the tunnel barrier layer (intermediate layer) during processing of the MTJ element.
  • a material containing at least one element selected from among La is used as the first underlayer 10d 1.
  • the second underlayer 10d 2 is made of a compound containing nitrogen, like the underlayer 10 of the third embodiment.
  • at least one element selected from Al, Sc, Y, La, and In is used. It is made of nitride containing.
  • AlInN or AlScN, AlYN, AlLaN be used ScN preferred.
  • the thickness of AlInN or AlScN, AlYN, AlLaN, and ScN is preferably 0.2 nm or more and 2 nm or less, as in the first embodiment.
  • the In composition ratio is preferably smaller than the Al composition ratio
  • AlScN, AlYN, and AlLaN are used, the Al composition ratio is preferably smaller than the Sc, Y, and La composition ratios.
  • AlInN or AlScN, AlYN, AlLaN, second undercoat layer 10d 2 made of ScN may be a continuous film, or may be interrupted by another material.
  • the same material as that described in the first embodiment is used for the intermediate layer (tunnel barrier layer), the reference film 16, and the electrode 18.
  • the third embodiment and its modification can also reduce the write current.
  • the MRAM of this embodiment has a plurality of memory cells.
  • FIG. 12 shows a cross section of the main part of one memory cell of the MRAM of this embodiment.
  • Each memory cell includes the magnetoresistive element of any one of the first to third embodiments and their modifications as a memory element.
  • the memory element is the magnetoresistive element (MTJ element) 1 of the first embodiment.
  • the upper surface of the MTJ element 1 is connected to the bit line 32 via the upper electrode 31.
  • the lower surface of the MTJ element 1 is connected to the drain region 37 a of the source / drain region on the surface of the semiconductor substrate 36 through the lower electrode 33, the extraction electrode 34, and the plug 35.
  • the drain region 37 a constitutes a selection transistor Tr together with the source region 37 b, the gate insulating film 38 formed on the substrate 36, and the gate electrode 39 formed on the gate insulating film 38.
  • the selection transistor Tr and the MTJ element 1 constitute one memory cell of the MRAM.
  • the source region 37 b is connected to another bit line 42 through the plug 41.
  • a plug 35 may be provided below the lower electrode 33, and the lower electrode 33 and the plug 35 may be directly connected.
  • the bit lines 32 and 42, the electrodes 31 and 33, the extraction electrode 34, and the plugs 35 and 41 are made of W, Al, AlCu, Cu, or the like.
  • a memory cell array of MRAM is formed by providing a plurality of memory cells shown in FIG. 12, for example, in a matrix.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing the main part of the MRAM of this embodiment.
  • a plurality of memory cells 53 composed of the MTJ element 1 and the selection transistor Tr are arranged in a matrix.
  • One terminal of the memory cells 53 belonging to the same column is connected to the same bit line 32, and the other terminal is connected to the same bit line 42.
  • the gate electrodes (word lines) 39 of the selection transistors Tr of the memory cells 53 belonging to the same row are connected to each other and further connected to the row decoder 51.
  • the bit line 32 is connected to a current source / sink circuit 55 via a switch circuit 54 such as a transistor.
  • the bit line 42 is connected to a current source / sink circuit 57 via a switch circuit 56 such as a transistor.
  • the current source / sink circuits 55 and 57 supply a write current to the connected bit lines 32 and 42 and draw the write current from the connected bit lines 32 and 42.
  • the bit line 42 is also connected to the read circuit 52.
  • the read circuit 52 may be connected to the bit line 32.
  • the read circuit 52 includes a read current circuit, a sense amplifier, and the like.
  • the switch circuits 54 and 56 connected to the memory cell to be written and the selection transistor Tr are turned on to form a current path through the target memory cell.
  • One of the current source / sink circuits 55 and 57 functions as a current source and the other functions as a current sink according to information to be written. As a result, a write current flows in a direction corresponding to information to be written.
  • the writing speed it is possible to perform spin injection writing with a current having a pulse width of several nanoseconds to several microseconds.
  • a read current that is small enough not to cause magnetization reversal is supplied to the MTJ element 1 designated in the same manner as the writing by the read current circuit.
  • the read circuit 52 determines the resistance state by comparing a current value or a voltage value resulting from a resistance value according to the magnetization state of the MTJ element 1 with a reference value.
  • a magnetic memory using a magnetoresistive element capable of reducing a write current can be obtained.

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Abstract

［課題］書き込み電流を低減することができる磁気抵抗素子および磁気メモリを提供する。 ［解決手段］本実施形態の磁気抵抗素子は、窒素を含む層を有する膜と、前記窒素を含む層を有する膜上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が可変である記憶膜であって、ホウ素を含む第１層と、前記第１層上に設けられ前記第１層よりも低い濃度のホウ素を含む第２層と、を有する記憶膜と、前記記憶膜上に設けられた中間層と、前記中間層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が固定された参照膜と、を備えている。

Description

磁気抵抗素子および磁気メモリ
　本発明の実施形態は、磁気抵抗素子および磁気メモリに関する。
　高速に読書きしても情報が失われない不揮発性メモリとして、スピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭ (以下、ＳＴＴ(Spin Transfer Torque)－ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）とも云う）が注目されている。このＳＴＴ－ＭＲＡＭは、電子機器内の揮発性メモリへの置換えによって待機電力が不要となり、消費電力の低減化を行うことができる。しかし、更なる消費電力の低減化を実現するためにはＳＴＴ－ＭＲＡＭの記憶素子として用いられＭＴＪ（Magnetic tunnel Junction）素子の書込み電流の低減が必要である。このＭＴＪ素子は、２つの磁性層の間にトンネルバリア層が設けられた積層構造を有している。書込み電流の低減のために、ＭＴＪ素子を構成する磁性層の磁化方向が膜面に垂直である垂直磁化ＭＴＪ素子が導入されている。なお、本願では「膜面」とは、ＭＴＪ素子を構成する層の積層方向に直交する面を意味する。
特開２０１３－４８２１０号公報
　本実施形態は、書き込み電流を低減することができる磁気抵抗素子および磁気メモリを提供する。
　本実施形態の磁気抵抗素子は、窒素を含む層を有する膜と、前記窒素を含む層を有する膜上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が可変である記憶膜であって、ホウ素を含む第１層と、前記第１層上に設けられ前記第１層よりも低い濃度のホウ素を含む第２層と、を有する記憶膜と、前記記憶膜上に設けられた中間層と、前記中間層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が固定された参照膜と、を備えている。
第１実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 第１実施形態の第２変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 第１実施形態の第３変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 第２実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 記憶膜の磁化の下地膜依存性を示す図。 第２実施形態の一変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 ＭＲ比の下地膜依存性を示す図。 第３実施形態による磁気抵抗素子を示す断面図。 下地膜として窒化物を用いたときの記憶膜の磁気特性とＦＭＲ測定を示す図。 第３実施形態の一変形例による磁気抵抗素子を示す断面図。 第４実施形態による磁気メモリのメモリセルを示す断面図。 第４実施形態の磁気メモリの主要部の回路図。 記憶層と窒化物下地層との間に挿入したホウ素を含む下地層の膜厚に対する摩擦定数の関係を示す図。 １０ÅのＨｆ５０Ｂ５０と６ÅのＡｌＮの積層構造を用いた場合の記憶層と参照層の磁化の方向を平行状態から反平行状態にするために必要とする磁化反転電流を示す図。 記憶層としてＣｏ８Ｆｅ７２Ｂ２０を用い、下地層としてＡｌＮおよびＳｃＮを用いた場合のＡｌＮおよびＳｃＮの膜厚に対する摩擦定数の大きさを測定した結果を示す図。
　以下に、図面を参照して実施形態について説明する。
（第１実施形態）
　第１実施形態による磁気抵抗素子を図１に示す。この第１実施形態の磁気抵抗素子は、下地膜１０、磁化の方向が可変の磁性層を有する記憶膜１２、中間層１４、磁化の方向が固定された磁性層を有する参照膜１６、および電極１８の順に積層された積層構造を有している。ここで、磁化の方向が「可変」であるとは、磁気抵抗素子に、膜面に垂直方向に書き込み電流を流したときに、書き込み電流を流す前と流した後で磁化の方向は変化可能であることを意味する。また、磁化の方向は「固定」であるとは、磁気抵抗素子に、上記書き込み電流を流したときに、書き込み電流を流す前と流した後で磁化の方向は変化しないことを意味する。記憶膜１２および参照膜１６のそれぞれの磁性層は、膜面に垂直な磁化を有する。すなわち、記憶膜１２および参照膜１６のそれぞれの磁性層は、膜面に垂直な磁気異方性を有する。
　記憶膜１２の磁化方向が参照膜１６の磁化方向に対して平行である、または反平行（逆方向）であるかによって、下地膜１０と電極１８との間の電気抵抗が異なる。そして平行である場合および反平行である場合のうちの一方の場合に磁気抵抗素子に記憶される情報として「０」を割り当て、他方の場合に情報として「１」を割り当てる。
　次に、記憶膜１２の磁化方向が参照膜１６の磁化方向に反平行な場合に、平行にする書き込み方法について説明する。この場合は、書き込み電流を記憶膜１２から参照膜１６に向かって、すなわち下地膜１０から電極１８に向かって電流を流す。電子流が電流と逆方向に流れるので、電子流は参照膜１６から中間層１４を介して記憶膜１２に流れる。参照膜１６を通過した電子は参照膜によってスピン偏極され、このスピン偏極された電子は中間層１４を介して記憶膜１２に流れ、スピン伝達トルクによって記憶膜１２の磁化方向が平行となる。これにより書き込みが終了する。
　次に、記憶膜１２の磁化方向が参照膜１６の磁化方向に平行な場合に、反平行にする書き込み方法について説明する。この場合は、書き込み電流を参照膜１６から記憶膜１２に向かって、すなわち電極１８から下地膜１０に向かって電流を流す。すると、電子流が記憶膜１２から中間層１４を介して参照膜１６に流れる。記憶膜１２を通過した電子はスピン偏極される。このスピン偏極された電子のうち参照膜１６の磁化方向に平行なスピンを有する電子は、参照膜１６を通過するが、反平行なスピンを有する電子は、中間層１４と参照膜１６との界面において反射され、中間層１４を介して記憶膜１２に流入する。記憶膜１２に流入した、参照膜１６の磁化方向に反平行なスピンを有する電子は、スピン伝達トルクによって記憶膜１２の磁化方向を、平行から反平行に反転する。これにより書き込みが終了する。
　磁気抵抗素子１から情報の読み出しは、例えば、下地膜１０と電極１８との間に電流を流し、下地膜１０と電極１８との電圧を測定することによって行う。
　本実施形態においては、記憶膜１２はホウ素の濃度がそれぞれ異なる多層構造の膜である。例えば、記憶膜１２は、下地膜１０と中間層１４との間に設けられた第１層１２１と、第１層１２１と中間層１４との間に設けられた第２層１２２と、を有する。第１層１２１に含まれるホウ素の濃度（atomic％）は第２層１２２に含まれるホウ素の濃度（atomic％）よりも高い。例えば、第１層１２１として、ホウ素の濃度が３５atomic％であるＣｏ２０Ｆｅ２０Ｈｆ２５Ｂ３５を用い、第２層１２２として、ホウ素の濃度が２０atomic％であるＣｏ１６Ｆｅ６４Ｂ２０を用いる。
　また、図２に示す第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗素子１Ａであってもよい。この第１変形例の磁気抵抗素子１Ａは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、記憶膜１２を記憶膜１２ａに置き換えた構造を有している。この記憶膜１２ａは、ホウ素の濃度がそれぞれ異なる多層構造の膜であり、下地膜１０と中間層１４との間に設けられた第１層１２ａ１と、第１層１２ａ１と中間層１４との間に設けられた第２層１２ａ２と、第２層１２ａ２と中間層１４との間に設けられた第３層１２ａ３と、を備えている。第１層１２ａ１に含まれるホウ素の濃度（atomic％）は第２層１２ａ２に含まれるホウ素の濃度（atomic％）よりも少なく、第３層１２ａ３に含まれるホウ素の濃度（atomic％）は第２層１２ａ２に含まれるホウ素の濃度（atomic％）よりも少ない。例えば、第１および第３層１２ａ１、１２ａ３として、ホウ素の濃度が２０atomic％であるＣｏ１６Ｆｅ６４Ｂ２０を用い、第２層１２ａ２として、ホウ素の濃度が５０atomic％であるＨｆ５０Ｂ５０を用いる。
　下地膜１０としては、窒素と窒素以外の少なくとも１つの元素とを含む単一の下地膜であってもよい。
　また、図３に示す第１実施形態の第２変形例による磁気抵抗素子１Ｂであってもよい。この第２変形例の磁気抵抗素子１Ｂは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗素子１において、下地膜１０を下地膜１０ａに置き換えた構造を有している。この下地膜１０ａは、第１下地層１０１と、第１下地層１０１と記憶膜１２との間に設けられた第２下地層１０２とを備えている。下地層１０１は、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのうちの少なくとも１つの元素を含み、第２下地層１０２は、窒素と窒素以外の少なくとも１つの元素とを含む。第１下地層１０１は、第２下地層１０２よりも窒素が少ないか、窒素を含まないことが好ましい。この理由は、第１下地層１０１の平坦化が容易になるからである。
　また、図４に示す第１実施形態の第３変形例による磁気抵抗素子１Ｃであってもよい。この第３変形例の磁気抵抗素子１Ｃは、図２に示す第１変形例の磁気抵抗素子１Ａにおいて、下地膜１０を下地膜１０ａに置き換えた構造を有している。この下地膜１０ａは、図３に示す第２変形例の場合と同じ構造を有している。
　第１実施形態およびその変形例のように、記憶膜１２として、Ｆｅを含有した磁性層を、下地膜１０として窒素を含有し窒化物を形成し易い膜を用いることによって、Ｆｅは窒素との結合エネルギーが弱いので、窒素が選択的に下地材料として用いる元素と結合することで、記憶膜１２と下地膜１０との間で、それぞれを構成する元素の相互拡散を抑制することが可能になる。
　また、下地膜１０に含まれる窒化物として、窒素と、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｉｎのうちの少なくとも１つの元素とを含む化合物を用いれば、高融点で安定な下地膜の形成が可能になる。これにより、記憶膜１２と下地膜１０との間で、それぞれを構成する元素の相互拡散をより抑制することができる。例えば第１下地層或いは第２下地層として、ＡｌＮが用いられる。ただし、ＡｌＮは絶縁的な特性を有するため、ＡｌＮよりも低抵抗化が可能なＡｌＴｉＮ、ＡｌＳｃＮ、ＳｃＮまたはＡｌＩｎＮ等を用いることが望ましい。すなわち、下地膜１０は、窒素と、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素とを含むことが望ましい。更に、中間層１４より十分に低い抵抗であることが好ましいため、膜厚は０．２ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下であることが望ましい。ＡｌＩｎＮ、ＡｌＳｃＮ、またはＡｌＴｉＮは、連続膜であっても良いし、他の材料によって分断されていても良い。また、六方最密構造であるＡｌＮに、正方晶構造であるＴｉＮまたはＳｃＮを混合させることで窒化物がアモルファス化し、平坦な下地膜１０の形成が可能になる。記憶膜１２と下地膜１０との電子の授受および相互拡散を抑制することによって、スピンポンピング効果が低下し、摩擦定数の小さい記憶膜１２の形成が可能になる。その結果、書込み電流の低減が可能になる。
　図１６に記憶層１２として１３ÅのＣｏ８Ｆｅ７２Ｂ２０を用い、下地層１０としてＡｌＮおよびＳｃＮを用いた場合のＡｌＮおよびＳｃＮの膜厚に対する摩擦定数の大きさを測定した結果を示す。摩擦定数はＡｌＮおよびＳｃＮの膜厚を２Å（０．２ｎｍ）以上にすることで十分に低減可能であり、窒化物の下地膜の抵抗を考慮すると０．２ｎｍ以上、２ｎｍ以下に設計することが望ましい。
　しかし、窒化物からなる下地膜１０上に設けられた記憶膜１２が鉄とホウ素を含む場合には、下地膜１０との濡れ性が悪く、記憶膜１２の表面が凹凸になり易い。更に、記憶膜１２中のホウ素と、下地膜１０中の窒素とが強い結合を有する。このため、磁気抵抗素子１の成膜後に実施される熱処理によって、記憶膜１２のアモルファス構造から結晶構造への再結晶化が抑制され、ＭＲ比が小さくなるという問題が生じる。さらに低いＭＲ比は記憶膜１２に注入されるスピントルクの低下を引き起こし、書込み電流が増加するという問題が生じる。
　一方、記憶膜１２として、高濃度のホウ素を有する層、例えば図１に示す第１層１２１を含むことによって、下地膜１０の窒素によって生じていた濡れ性の悪さが、高濃度のホウ素によって改善される。更に、ホウ素と窒素との結合によって生じるホウ素の欠乏が高濃度のホウ素によって充当される。このため、中間層１４と記憶膜１２との間での結晶化が促進される。更に、下地膜１０または積層構造の下地膜１０ａの上面に記憶膜１２または記憶膜１２ａを形成すると、高濃度のホウ素が記憶膜１２、１２ａのアモルファス性を向上させ、平滑な記憶膜１２、１２ａを形成することが可能になり、高いＭＲ比を得ることができる。
　第１下地層１０１は導電性を保持し、更に酸化することで絶縁体に変化する材料であることが好ましい。これは、磁気抵抗素子の加工の際に中間層１４の側部に、エッチングによる付着物として再堆積した場合に酸化することで絶縁体へ変化させることが可能となるからである。このため、第１下地層１０１は、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含む材料が用いられる。再堆積した層が酸化し易く、良質な絶縁体を形成可能な材料を用いれば、磁気抵抗素子の分離加工中に中間層１４としてＭｇＯを用いたときに中間層１４の側壁に付着した第１下地層１０１に含まれる元素を自然酸化等で絶縁化することが可能になり、磁気抵抗素子の分離加工によるショート不良を抑制することができる。また、第１下地層１０１の元素を含む再堆積物の厚さを０．５ｎｍ～５ｎｍ程度に調整すれば、磁気抵抗素子の分離加工後の大気暴露による磁気抵抗素子への酸化によるダメージを抑制することができ、書込み電流の増加および熱擾乱耐性の低下を抑制することが可能になる。
　中間層１４としては、例えばＭｇＯ等の絶縁体が用いられ、この場合、トンネル障壁層となる。
　参照膜１６としては、例えばＴｂＣｏＦｅ層とＣｏＦｅＢ層との積層膜が用いられる。これは、ＭｇＯからなるトンネル障壁層とＴｂＣｏＦｅ層との間にＣｏＦｅＢ層を挟むことで高いＭＲ比を得ることが可能になるからである。参照膜１６と電極１８との間にＣｏＰｔ等で形成されるシフト調整膜を挟むことで参照膜１６から記憶膜１２、１２ａへ印加される磁場をキャンセルすることが可能になる。これにより、参照膜１６に対して記憶膜１２、１２ａの磁化配列を、平行状態または反平行状態となるように安定に形成することが可能になる。参照膜１６とシフト調整膜との間にＲｕからなる非磁性層を挟むことで参照膜とシフト調整膜の磁化状態を反平行に結合させることが可能になる。これにより、より安定に参照膜からの漏れ磁場をキャンセルすることができる。
　電極膜１８としては、例えば、参照膜１６上に設けられる厚さが１０ｎｍのＲｕと厚さが１００ｎｍのＴａとの積層膜等が用いられる。
　以上説明したように、第１実施形態によれば、書き込み電流を低減することができる。
（第２実施形態）
　第２実施形態による磁気抵抗素子を図５に示す。この第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｄは、下地膜１０ｂ、ホウ素を含む磁性層を有する記憶膜１２、中間層１４、磁性層を含む参照膜１６、および電極１８が、この順序で積層された積層構造を備えている。記憶膜１２の磁性層の磁化方向は可変であり、参照膜１６の磁性層の磁化方向は固定されている。
　この第２実施形態においては、記憶膜１２としては、例えばＣｏ１６Ｆｅ６４Ｂ２０が用いられる。Ｆｅの含有量をＣｏの含有量より多くすることで、高い垂直磁気異方性を得ることが可能になる。高い垂直磁気異方性は不揮発性の保持性能を向上させることを可能にし、低消費電力化に寄与する。
　下地膜１０ｂは図５に示すように、窒素を含む第１下地層１０ｂ１と、第１下地層１０ｂ１と記憶膜１２との間に設けられた、ホウ素を含む第２下地層１０ｂ２とが積層された積層構造を有している。第２下地層１０ｂ２に含まれるホウ素の濃度（atomic％）は記憶膜１２に含まれるホウ素の濃度（atomic％）よりも多い。
　第２下地層１０ｂ２としては、厚さが１ｎｍ以下の例えばＨｆ５０Ｂ５０が用いられる。このとき、第２下地層１０ｂ２に含まれるホウ素の濃度は、Ｃｏ１６Ｆｅ６４Ｂ２０からなる記憶膜１２に含まれるホウ素の濃度（２０atomic％）より大きい。第１下地層１０ｂ１として、厚さが１ｎｍ程度のＡｌＮが用いられるか、或いは第１実施形態で説明した窒化物が用いられる。例えば、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮが用いられる。すなわち、下地膜１０は、窒素と、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素とを含むことが好ましい。ＡｌＩｎＮまたはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮは第１実施形態と同様に、厚さが０．２ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下であることが好ましい。第３実施形態で説明するように、ＡｌＩｎＮを用いた場合はＩｎの組成比がＡｌの組成比よりも小さく、ＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮを用いた場合はＡｌの組成比がＳｃ、Ｙ、Ｌａの組成比よりも小さいことが好ましい。このことは第１実施形態でも同様である。ＡｌＩｎＮ、またはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮは、連続膜であっても良いし、他の材料によって分断されていても良い。
　この第２実施形態のように、記憶膜１２より高い濃度のホウ素を有する第２下地層１０ｂ２を用いることにより、窒化物からなる下地とＦｅを主成分とした記憶膜１２との間の濡れ性を、改善することができる。第２下地層１０ｂ２の膜厚を増加させると、図６に示すように記憶膜１２の磁化が減少する。図６は、横軸が記憶層１２(Ｃｏ16Ｆｅ64Ｂ20)の厚さを示し、縦軸が記憶膜１２の磁化（飽和磁化密度（Ｍ）×厚さ（ｔ））を示す。図６において、黒いダイヤ印は下地膜１０ｂがＡｌＮの第１下地層１０ｂ１からなっている場合を示し、×印は下地膜１０ｂがＡｌＮの第１下地層１０ｂ１と、Ｈｆ５０Ｂ５０（１）（ここで、（１）はＨｆ５０Ｂ５０の厚さが１Å（＝０．１ｎｍ）であることを意味する）の第２下地層１０ｂ２からなっている場合を示し、白い四角印は下地膜１０ｂがＡｌＮの第１下地層１０ｂ１と、Ｈｆ５０Ｂ５０（１０）（ここで、（１０）はＨｆ５０Ｂ５０の厚さが１０Å（＝１ｎｍ）であることを意味する）の第２下地層１０ｂ２からなっている場合を示し、白い丸印は下地膜１０ｂがＨｆ５０Ｂ５０（５０）（ここで、（５０）はＨｆ５０Ｂ５０の厚さが５０Å(=５ｎｍ)であることを意味する）の場合を示す。図６からわかるように、記憶層と窒化物からなる下地層の間にホウ素を含む下地層を挿入ことによって、或いはホウ素を含む下地層を記録層に接合させることで磁化が減少する。下地層と記憶層の間で生じる磁化の消失はスピンポンピング効果によるダンピング定数（摩擦定数）の増加を引き起こし、書込み電流の上昇が引き起こされる。このため、第２下地層１０ｂ２の厚さは、記憶膜１２の磁化の減少量が、ホウ化物からなる下地膜を用いたときより小さくなる１ｎｍ以下であることが望ましい。
　図１４に記憶層１２と窒化物下地層１０ｂ１の間に挿入したホウ素を含む下地層１０ｂ２の膜厚に対する摩擦定数の関係を示す。一方、ホウ素を含む下地層１０ｂとしてＨｆ５０Ｂ５０を用いて記憶層に対して直接接合させた場合の摩擦定数は０．００７４となり、窒化物下地としてＡｌＮに記憶層を直接接合させた場合の摩擦定数は０．００３７となる。図１４より窒化物下地層１０ｂ１ＡｌＮと記憶層１２の間に１Åのホウ素を含むＨｆ５０Ｂ５０を挿入した積層下地を用いることによってＡｌＮを記憶層に直接接合させた場合より、摩擦定数を低下することが可能になる。窒化物下地１０ｂ１と記憶層１２の間に極薄のホウ素を含む下地１０ｂ２を挿入することで記憶層１２と下地層１０ｂの濡れ性が改善し均一な記憶層の形成が可能になる。均一な記憶層形成は記憶層のキュリー温度（Ｔｃ）を向上させることに繋がり、Ｔｃの向上はスピン情報の消失を抑制し、摩擦定数低減、或いは書込み電流低減に寄与する。
　図１５に下地層１０ｂとして６ÅのＡｌＮを用いた場合、１ÅのＨｆ５０Ｂ５０と６ÅのＡｌＮの積層構造を用いた場合、１０ÅのＨｆ５０Ｂ５０と６ÅのＡｌＮの積層構造を用いた場合の記憶層１２と参照層１６の磁化の方向を平行状態から反平行状態にするために必要とする磁化反転電流を示す。横軸はＭＴＪ素子の面積を示している。ＭＴＪ素子の面積を同一の面積で考えた場合、下地層１０ｂとして１ÅのＨｆ５０Ｂ５０と６ÅのＡｌＮの積層構造を用いることで磁化反転電流をＡｌＮの下地層より低減することが可能になる。磁化反転電流低減は書込み電流低減を可能にするため、より消費電力の小さいＭＴＪ素子を製造することが可能になる。高いＭＲ比を得るためにはホウ素を含む下地層１０ｂ２Ｈｆ５０Ｂ５０の膜厚は厚い方が良いが、厚いＨｆ５０Ｂ５０を記憶層１２と窒化物下地層１０ｂ１との間に挿入することは図１４のように摩擦定数を上昇させ、図１５のように磁化反転電流を上昇させるため好ましくない。よって、ホウ素を含む下地層１０ｂ２は１ｎｍ以下に設定することが望ましい。
　（変形例）
　第２実施形態の第１変形例による磁気抵抗素子を図７に示す。この第１変形例による磁気抵抗素子１Ｅは、図５に示す第２実施形態の磁気抵抗素子１Ｄにおいて、下地膜１０ｂを下地膜１０ｃに置き換えた構造を有している。この下地膜１０ｃは、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのうちから選択された少なくとも１つの元素を含む第１下地層１０ｃ１と、第１下地層１０ｃ１と記憶膜１２との間に設けられ窒素を含む第２下地層１０ｃ２と、第２下地層１０ｃ２と記憶膜１２との間に設けられホウ素を含む第３下地層１０ｃ３と、を備えている。第３下地層１０ｃ３に含まれるホウ素の濃度（atomic％）は記憶膜１２に含まれるホウ素の濃度（atomic％）よりも多い。例えば、記憶膜１２として例えばＣｏ１６Ｆｅ６４Ｂ２０を用い、第３下地層１０ｃ３として厚さが１ｎｍ以下のＨｆ５０Ｂ５０を用いる。なお、第１下地層１０ｃ１は、第２下地層１０ｃ２よりも窒素が少ないか、窒素を含まないことが好ましい。この理由は、第１下地層１０ｃ１の平坦化が容易になるからである。
　窒素を含んだ単層（例えば、ＡｌＮ）からなる下地膜と、窒素を含んだ第１下地層およびホウ素を含んだ第２下地層からなる積層構造の下地膜と、をそれぞれ用いたときのＭＴＪ素子を作成し、これらのＭＴＪ素子のＭＲ比を比較した結果を図８に示す。図８において、横軸は面積抵抗を示し、縦軸はＭＲ比を示す。窒素を含んだ第１下地層として６Å程度のＡｌＮを用い、ホウ素を含んだ第２下地層としてＨｆ５０Ｂ５０を用いた。積層構造の下地膜を用いた場合の方が高いＭＲ比が得られていることがわかる。つまり、積層構造の下地膜を用いることで高いＭＲ比を得ることが可能になり、スピントルクの向上による書込み電流の低減を図ることができる。窒素を含んだ単層からなる下地膜または窒素を含む第１下地層の厚さは、第１実施形態と同様に、０．２ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下であることが好ましい。また、　第１下地層１０ｃ１としては導電性を保持し、ＭＴＪ素子加工の際にトンネル障壁層（中間層）の側部に再堆積した場合に酸化することで絶縁体へ変化する材料が好ましい。例えば、第１下地層１０ｃ１としては、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのうちから選択された少なくとも１つの元素を含む材料が用いられる。
　また、第２実施形態およびその変形例においては、中間層（トンネル障壁層）、参照膜１６、電極１８としては、第１実施形態で説明した材料と同一の材料を用いる。
　この第２実施形態およびその変形例も第１実施形態と同様に、書き込み電流を低減することができる。
（第３実施形態）
　第３実施形態による磁気抵抗素子を図９に示す。この第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｆは、下地膜１０、記憶膜１２、中間層（トンネル障壁層）１４、参照膜１６、および電極１８がこの順序で積層された積層構造を有している。
　記憶膜１２としては例えばＣｏ１６Ｆｅ６４Ｂ２０が用いられる。Ｆｅの濃度（atomic％）をＣｏの濃度（atomic％）より高くすることで高い垂直磁気異方性を得ることが可能になる。高い磁気異方性は不揮発保持性能を向上させることを可能にし、低消費電力化に寄与する。
　下地膜１０は、窒素を含む化合物からなり、例えば、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ，Ｌａ、Ｉｎのうちから選択された少なくとも１つの元素を含む窒化物で形成される。下地膜１０を窒素からなる化合物にすることで、Ｆｅ、Ｃｏ等からなる遷移金属を主成分とした材料との磁気的な相互作用を抑制することが可能になり、低い摩擦定数を保持する記憶膜１２の形成が可能になる。
　一方、窒化物上の記憶膜は凹凸になり易く、その結果、記憶膜の摩擦定数が大きくなり、書込み電流が増大することが問題となっていた。図１０に窒化物からなる下地膜としてＡｌＮとＡｌＩｎＮとをそれぞれ用いたときの記憶膜の磁気特性とＦＭＲ(Ferromagnetic Resonance)測定の結果を示す。図１０からわかるように、ＡｌＮに対してＡｌＩｎＮを下地膜として用いた方が垂直磁気異方性は向上し、ＦＭＲ測定における共鳴磁場のピーク間の幅が小さくなっている。ピーク間の幅は摩擦定数の大きさに比例するため、ＡｌＩｎＮを用いた方が摩擦定数が小さくり、書込み電流を低減することが可能になる。同様にＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮを用いた場合も同様の結果を得ることが可能になる。したがって、下地膜１０として、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮを用いることが好ましい。すなわち、下地膜１０は、窒素と、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素とを含むことが望ましい。このとき、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮは第１実施形態と同様に、厚さが０．２ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下であることが好ましい。図１０からわかるように、ＡｌＩｎＮを用いた場合はＩｎの組成比がＡｌの組成比よりも小さく、また、ＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮを用いた場合はＡｌの組成比がＳｃ、Ｙ、Ｌａの組成比よりも小さいことが好ましい。このことは、第１実施形態でも同様である。ＡｌＩｎＮ、またはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮは、連続膜であっても良いし、他の材料によって分断されていても良い。
　（変形例）
　第３実施形態の変形例による磁気抵抗素子を図１１に示す。この変形例による磁気抵抗素子１Ｇは、図９に示す第３実施形態の磁気抵抗素子１Ｆにおいて、下地膜１０を下地膜１０ｄに置き換えた構造を有している。この下地膜１０ｄは、第１下地層１０ｄ１と、この第１下地層１０ｄ１と記憶膜１２との間に設けられた第２下地層１０ｄ２とを備えている。
　第１下地層１０ｄ１としては、導電性を保持し、ＭＴＪ素子加工の際にトンネル障壁層（中間層）の側部に再堆積した場合に酸化することで絶縁体へ変化する材料が好ましい。例えば、第１下地層１０ｄ１としては、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａのうちから選択された少なくとも１つの元素を含む材料が用いられる。
　第２下地層１０ｄ２としては、第３実施形態の下地膜１０と同様に、窒素を含む化合物からなり、例えば、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｉｎのうちから選択された少なくとも１つの元素を含む窒化物で形成される。第２下地層１０ｄ２として、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮを用いることが好ましい。このとき、ＡｌＩｎＮまたはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮは第１実施形態と同様に、厚さが０．２ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下であることが好ましい。ＡｌＩｎＮを用いた場合はＩｎの組成比がＡｌの組成比よりも小さく、ＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮを用いた場合はＡｌの組成比がＳｃ，Ｙ、Ｌａの組成比よりも小さいことが好ましい。ＡｌＩｎＮまたはＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、ＳｃＮからなる第２下地層１０ｄ２は、連続膜であっても良いし、他の材料によって分断されていても良い。
　また、第３実施形態およびその変形例においては、中間層（トンネル障壁層）、参照膜１６、電極１８としては、第１実施形態で説明した材料と同一の材料を用いる。
　この第３実施形態およびその変形例も第１実施形態と同様に、書き込み電流を低減することができる。
（第４実施形態）
　次に、第４実施形態によるスピン注入書き込み型の磁気メモリ（ＭＲＡＭ）について説明する。
　本実施形態のＭＲＡＭは複数のメモリセルを有している。本実施形態のＭＲＡＭの１つのメモリセルの主要部の断面を図１２に示す。各メモリセルは、第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気抵抗素子を記憶素子として備えている。この第４実施形態では、記憶素子が第１実施形態の磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）１であるとして説明する。
　図１２に示すように、ＭＴＪ素子１の上面は、上部電極３１を介してビット線３２と接続されている。また、ＭＴＪ素子１の下面は、下部電極３３、引き出し電極３４、プラグ３５を介して、半導体基板３６の表面のソース／ドレイン領域のうちドレイン領域３７ａと接続されている。ドレイン領域３７ａは、ソース領域３７ｂ、基板３６上に形成されたゲート絶縁膜３８、ゲート絶縁膜３８上に形成されたゲート電極３９と共に、選択トランジスタＴｒを構成する。選択トランジスタＴｒとＭＴＪ素子１とは、ＭＲＡＭの１つのメモリセルを構成する。ソース領域３７ｂは、プラグ４１を介してもう１つのビット線４２と接続されている。なお、引き出し電極３４を用いずに、下部電極３３の下方にプラグ３５が設けられ、下部電極３３とプラグ３５が直接接続されていてもよい。ビット線３２、４２、電極３１、３３、引き出し電極３４、プラグ３５、４１は、Ｗ、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｃｕ等から形成されている。
　本実施形態のＭＲＡＭにおいては、図１２に示す１つのメモリセルが例えば行列状に複数個設けられることにより、ＭＲＡＭのメモリセルアレイが形成される。図１３は、本実施形態のＭＲＡＭの主要部を示す回路図である。
　図１３に示すように、ＭＴＪ素子１と選択トランジスタＴｒとからなる複数のメモリセル５３が行列状に配置されている。同じ列に属するメモリセル５３の一端子は同一のビット線３２と接続され、他端子は同一のビット線４２と接続されている。同じ行に属するメモリセル５３の選択トランジスタＴｒのゲート電極（ワード線）３９は相互に接続され、さらにロウデコーダ５１と接続されている。
　ビット線３２は、トランジスタ等のスイッチ回路５４を介して電流ソース／シンク回路５５と接続されている。また、ビット線４２は、トランジスタ等のスイッチ回路５６を介して電流ソース／シンク回路５７と接続されている。電流ソース／シンク回路５５、５７は、書き込み電流を、接続されたビット線３２、４２に供給したり、接続されたビット線３２、４２から引き抜いたりする。
　ビット線４２は、また、読み出し回路５２と接続されている。読み出し回路５２は、ビット線３２と接続されていてもよい。読み出し回路５２は、読み出し電流回路、センスアンプ等を含んでいる。
　書き込みの際、書き込み対象のメモリセルと接続されたスイッチ回路５４、５６および選択トランジスタＴｒがオンされることにより、対象のメモリセルを介する電流経路が形成される。そして、電流ソース／シンク回路５５、５７のうち、書き込まれるべき情報に応じて、一方が電流ソースとして機能し、他方が電流シンクとして機能する。この結果、書き込まれるべき情報に応じた方向に書き込み電流が流れる。
　書き込み速度としては、数ナノ秒から数マイクロ秒までのパルス幅を有する電流でスピン注入書込みを行うことが可能である。
　読み出しの際、書き込みと同様にして指定されたＭＴＪ素子１に、読み出し電流回路によって磁化反転を起こさない程度の小さな読み出し電流が供給される。そして、読み出し回路５２は、ＭＴＪ素子１の磁化の状態に応じた抵抗値に起因する電流値あるいは電圧値を、参照値と比較することで、その抵抗状態を判定する。
　なお、読み出し時は、書き込み時よりも電流パルス幅が短いことが望ましい。これにより、読み出し時の電流での誤書込みが低減される。これは、書き込み電流のパルス幅が短い方が、書き込み電流値の絶対値が大きくなるということに基づいている。
　以上説明したように、本実施形態によれば、書き込み電流を低減することができる磁気抵抗素子を用いた磁気メモリを得ることができる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (12)

  1. 　窒素を含む層を有する膜と、
    　前記窒素を含む層を有する膜上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が可変である記憶膜であって、ホウ素を含む第１層と、前記第１層上に設けられ前記第１層よりも低い濃度のホウ素を含む第２層と、を有する記憶膜と、
    　前記記憶膜上に設けられた中間層と、
    　前記中間層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が固定された参照膜と、
    　を備えた磁気抵抗素子。
  2. 　前記記憶膜は、前記第１層と前記窒素を含む層を有する膜との間に設けられ前記第１層よりも低い濃度のホウ素を含む第３層を更に備えた請求項１記載の磁気抵抗素子。
  3. 　前記窒素を含む層を有する膜は、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を更に含み厚さが０．２ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下である請求項１記載の磁気抵抗素子。
  4. 　前記窒素を含む層を有する膜は、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第３層と、前記第３層上に設けられ窒素を含む第４層と、を備えている請求項１記載の磁気抵抗素子。
  5. 　前記第４層は、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を更に含み厚さが０．２ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下である請求項４記載の磁気抵抗素子。
  6. 　窒素を含む第１層と、前記第１層上に設けられホウ素を含む第２層とを有する積層膜と、
    　前記積層膜上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が可変であり、前記第２層よりも低い濃度のホウ素を含む記憶膜と、
    　前記記憶膜上に設けられた中間層と、
    　前記中間層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が固定された参照膜と、
    　を備えた磁気抵抗素子。
  7. 　前記積層膜は、前記第１層に対して前記第２層と反対側に設けられ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第３層を更に備えている請求項６記載の磁気抵抗素子。
  8. 　前記第２層の厚さは１ｎｍ以下である請求項６記載の磁気抵抗素子。
  9. 　ＡｌＩｎＮ、ＡｌＳｃＮ、ＡｌＹＮ、ＡｌＬａＮ、およびＳｃＮの群から選択された少なくとも一つの物質を含む第１層を有する膜と、
    　前記第１層を有する膜上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有しかつ磁化方向が可変である記憶膜と、
    　前記記憶膜上に設けられた中間層と、
    　前記中間層上に設けられ、膜面に垂直方向の磁気異方性を有し、磁化方向が固定された参照層と、
    　を備えている磁気抵抗素子。
  10. 　前記第１層を有する膜は、前記第１層に対して前記記憶膜と反対側に設けられ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａの群から選択された少なくとも１つの元素を含む第２層を更に備えた請求項９記載の磁気抵抗素子。
  11. 　前記第１層は、厚さが０．２ｎｍ以上かつ２ｎｍ以下である請求項９記載の磁気抵抗素子。
  12. 　請求項１記載の磁気抵抗素子と、
    　前記磁気抵抗素子の前記記憶膜と電気的に接続する第１配線と、
    　前記磁気抵抗素子の前記参照膜と電気的に接続する第２配線と、
    を備えている磁気メモリ。
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