WO2016117664A1 - 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ - Google Patents

磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ Download PDF

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佐藤　英夫
慎也 石川
俊輔 深見
正二 池田
松倉　文▲礼▼
大野　英男
哲郎 遠藤
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国立大学法人東北大学
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    • H10N50/80—Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive effect element and a magnetic memory.
  • a magnetic memory using magnetization reversal by spin injection is composed of a magnetic tunnel junction element (MTJ element), a reference layer (fixed layer) in which the direction of magnetization is fixed, and a recording layer (free layer) in which the direction of magnetization changes. ) are stacked via a tunnel insulating film (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the performance index is an index represented by the ratio between the thermal stability index and the write current (thermal stability index / write current).
  • the thermal stability index indicates the heat resistance of recorded data, and it is desirable that the thermal stability index be large in order to retain data for a long period of time as a nonvolatile memory.
  • Patent Document 3 discloses a technique for realizing high thermal stability of a magnetoresistive element. On the other hand, a smaller write current is desirable from the viewpoint of power saving. Therefore, it is desirable that the figure of merit expressed by the thermal stability index / write current is larger.
  • the in-plane magnetization type magnetoresistive effect element has a problem that the figure of merit is small. In other words, the magnetoresistive effect element of the in-plane magnetization method cannot hold recording data for a long period of time, and requires a large write current for rewriting the recording data.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an in-plane magnetization type magnetoresistive element and magnetic memory having a high figure of merit.
  • the magnetoresistive element of the present invention comprises: A reference layer made of a ferromagnetic material and having a magnetization direction facing the film surface direction; A recording layer made of a ferromagnetic material and having a magnetization direction facing the film surface direction; A barrier layer disposed between the reference layer and the recording layer; With The film thickness of the recording layer / the length of the short axis of the recording layer> 0.3.
  • the film thickness of the recording layer / the length of the short axis of the recording layer ⁇ 1.
  • the length of the long axis of the recording layer / the length of the short axis of the recording layer > 1.5.
  • the length of the short axis of the recording layer is ⁇ 30 nm.
  • the performance index is 1.5 ⁇ A ⁇ 1 or more
  • the thermal stability index is 60 or more
  • the magnetic memory of the present invention is a magnetic memory including the above-described magnetoresistance effect element as a memory cell.
  • the thickness of the recording layer / the length of the short axis of the recording layer > 0.3.
  • FIG. It is a figure which shows the example of the other structure of the magnetoresistive effect element which concerns on embodiment. It is a figure which shows the example of the other structure of the magnetoresistive effect element which concerns on embodiment. It is a figure which shows the example of the other structure of the magnetoresistive effect element which concerns on embodiment. It is a figure which shows the example of the other structure of the magnetoresistive effect element which concerns on embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 10 includes a stacked substrate layer (electrode layer) 11, reference layer (fixed layer) 12, barrier layer 13, and recording layer (free layer). ) 14 and an electrode layer 15.
  • the substrate layer 11 is made of a metal such as Ta.
  • the reference layer 12 is made of a ferromagnetic material having an easy magnetization axis in a direction parallel to the film surface, and the direction of the magnetization Mf is fixed in one direction.
  • a material constituting the reference layer 12 for example, a material containing a 3d transition metal such as Fe, Co, or Ni can be used. More specifically, 3d transition metals such as Fe, Co, Ni, Fe—Co, Fe—Ni, Co—Ni, Fe—Co—Ni, Co—Fe—B, Fe—B, Co—B, etc.
  • An alloy containing a 3d transition metal can be used.
  • a material such as B, C, N, O, Al, Si, P, Ga, or Ge can be added to these so that desired electrical characteristics and structures can be obtained.
  • the reference layer 12 may be comprised from the laminated structure which expresses a laminated ferri bond. In this case, it is desirable to use Ru as the bonding layer. Further, the reference layer 12 may include an antiferromagnetic layer. In this case, the magnetization can be fixed more firmly. Examples of usable antiferromagnetic materials include Ir—Mn and Pt—Mn alloys.
  • the barrier layer 13 is made of an insulator and forms a tunnel barrier.
  • an insulating film containing oxygen such as MgO or Al 2 O 3 , AlN, or the like can be used.
  • the recording layer 14 is a layer made of a ferromagnetic material having an easy axis of magnetization in a direction parallel to the film surface, and the direction of the magnetization Mg is changed by spin injection writing.
  • a material constituting the recording layer 14 for example, a material containing a 3d transition metal such as Fe, Co, or Ni can be used. More specifically, 3d transition metals such as Fe, Co, Ni, Fe—Co, Fe—Ni, Co—Ni, Fe—Co—Ni, Co—Fe—B, Fe—B, Co—B, etc. An alloy containing a 3d transition metal can be used. Further, materials such as B, C, N, O, Al, Si, P, Ga, and Ge can be appropriately added so that desired electric characteristics and structures can be obtained.
  • the electrode layer 15 is made of a conductor such as metal.
  • the electrode layer 15 is made of Ta, for example.
  • the recording layer 14 has an elliptical shape as shown in FIG.
  • the major axis of the ellipse is the Y axis
  • the minor axis is the X axis
  • the film thickness direction is the Z axis.
  • the length of the recording layer 14 in the Y-axis direction that is, the length of the major axis (major axis length) is Dy
  • the length in the X-axis direction that is, the length of the minor axis (minor axis length) is Dx
  • the film The thickness (thickness) is t.
  • the barrier layer 13 and the reference layer 12 also have substantially the same configuration except for deformation during patterning. However, it is not necessary to have the same shape and configuration.
  • 1 ⁇ film thickness t / short for the recording layer 14 It is formed in a size satisfying the conditions of axial length Dx> 0.3, 4> long axial length Dy / short axial length Dx> 1.5. Details thereof will be described later.
  • the reference layer 12 is formed from the electrode 11 side by a PtMn layer (15 nm) / CoFe layer (2.5 nm) / Ru layer (0.9 nm) / CoFeB layer (1.5 nm). It is comprised from the laminated body of /.
  • the barrier layer 13 is composed of an MgO layer (1 to 2 nm).
  • the recording layer 14 is composed of a CoFeB layer, and is formed to a size that satisfies the following conditions: 1 ⁇ film thickness t / short axis length Dx> 0.3, 4> long axis length Dy / short axis length Dx> 1.5. ing.
  • the film thickness t is 10 nm
  • the short axis length Dx 10 nm (4 to 16 nm)
  • the long axis length Dy 28 nm (15 to 35 nm).
  • the substrate layer 11 and the electrode layer 15 are each composed of Ta (5 nm).
  • the magnetic memory circuit 100 has a structure in which memory cells are arranged in a matrix with the magnetoresistive effect element 10 and the selection transistor 20 as memory cells for 1 bit.
  • the source electrode of the selection transistor 20 is electrically connected to the source line SL, the drain electrode is electrically connected to the substrate layer 11 of the magnetoresistive effect element 10, and the gate electrode is electrically connected to the word line WL.
  • the electrode layer 15 of the magnetoresistive effect element 10 is connected to the bit line BL.
  • the voltage of the word line WL connected to the magnetoresistive effect element 10 to be written is controlled to turn on the corresponding selection transistor 20. Subsequently, the voltage applied between the bit line BL and the source line SL is adjusted to control the direction and magnitude of the write current Iw flowing through the magnetoresistive effect element 10, and desired data is obtained by spin injection magnetization reversal. Write.
  • the magnetization Mg of the recording layer 14 becomes parallel to the magnetization Mf of the reference layer 12 and when the write current Iw flows from the reference layer 12 to the recording layer 14, The magnetization of the recording layer 14 is antiparallel to the magnetization of the reference layer 12.
  • a selection voltage is applied to the word line WL to turn on the selection transistor 20, and a reading voltage is applied between the bit line BL and the source line SL.
  • the level of the resistance of the magnetoresistive effect element 10 is obtained from the value of the read current with respect to the applied read voltage, whereby the recorded data is read out.
  • the write current Iw and the thermal stability index ⁇ of the magnetoresistive effect element 10 having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 are expressed by Expression (1) and Expression (2).
  • ⁇ damping constant
  • h ⁇ Dirac constant
  • e elementary charge
  • Ms saturation magnetization
  • V volume
  • ⁇ 0 vacuum permeability
  • Ny demagnetizing field coefficient in Y axis direction (major axis direction)
  • Nx Demagnetizing factor in the X-axis direction
  • Nz Demagnetizing factor in the film thickness direction
  • P Spin polarizability
  • ⁇ Relative angle of magnetization of recording layer and reference layer (0 or ⁇ )
  • k B Boltzmann constant
  • T Absolute temperature.
  • the damping constant ⁇ is a standard 0.005
  • the spin polarizability P is a standard 0.45.
  • Non-Patent Documents 2 and 3 attempt to improve the figure of merit using interfacial magnetic anisotropy derived from the interface between the ferromagnetic material and the oxide.
  • Patent Documents 2 and 3 and Non-Patent Document 4 attempts are made to improve the figure of merit by devising a laminated structure.
  • the maximum figure of merit obtained in previous reports is 1.4 reported in Non-Patent Document 4, and this value is used to realize a memory using a magnetic tunnel junction as will be described later. Is insufficient.
  • the inventors focused on the ratio between the film thickness and the short axis length.
  • a physical factor having a small figure of merit in the conventional example is that Nx and Ny are small and Nz is large because the ratio of the film thickness to the short axis length is small.
  • these decrease the performance index as a result in order to decrease the thermal stability index ⁇ and increase the write current Iw.
  • the inventor has found that by increasing the ratio of the film thickness to the minor axis length, Nz can be reduced and Nx and Ny can be increased, and as a result, ⁇ / Iw can be increased.
  • the effects of the present invention are shown below based on specific calculation results.
  • the thermal stability index ⁇ and the write current Iw are calculated and shown for the film thickness t. 7 (a) and 7 (b).
  • the saturation magnetization is 1.3 T, which is a general value of CoFeB.
  • the thermal stability index ⁇ has a peak at a certain film thickness ( ⁇ t), while the write current Iw is a monotonically increasing function with respect to the film thickness. . Therefore, a high performance index can be obtained by designing the thermal stability index ⁇ to be in the vicinity of the film thickness having a peak.
  • the performance index ⁇ / Iw is actually calculated, it is as shown in FIG.
  • the data retention period needs to be 10 years or longer (for example, STT-MRAM of ITRS (The International Technology for Semiconductors, 2011_ERD3) Refer to recommended values).
  • the thermal stability index ⁇ needs to be at least about 40. is there. Furthermore, in consideration of variations between elements (including variations in materials and manufacturing processes), differences in use environment, and the like, the thermal stability index ⁇ is desirably 60 or more.
  • the gate width of the selection transistor 20 there is a correlation between the gate width of the selection transistor 20 and the current that can be passed. At 40 nm, the current that can flow is limited to 40 ⁇ A. In the future, when the selection transistor 20 is miniaturized (highly integrated), it is necessary to make the write current Iw smaller.
  • the limit is about 1.4 at most.
  • the figure of merit becomes 1.5 ⁇ A ⁇ 1 or more, and excellent characteristics as a magnetic memory are obtained. It was confirmed that it was obtained.
  • the long axis length Dy and the short axis length Dx of the recording layer 14 are preferably 4> Dy / Dx> 1.5 so that the in-plane magnetization Mg of the recording layer 14 is stably maintained. . Even if Dy / Dx is set to 4 or more, an increase in magnetic anisotropy does not contribute to an increase in the thermal stability index, which is useless. When the major axis length Dy and the minor axis length Dx are in the above-described ranges, waste is reduced, which is suitable for high integration and miniaturization. On the other hand, when Dy / Dx is 1.5 or less, the magnetic anisotropy is small, so that a sufficient thermal stability index cannot be obtained.
  • an increase in the short axis length Dx means an increase in the film thickness t, and an increase in the film thickness t causes an increase in etching time. Therefore, when the current etching technique is used, it is desirable that the short axis length Dx ⁇ 30 nm from the viewpoint of the manufacturing time of the memory and further from the relationship with the thickness of the mask formed on the magnetic tunnel junction.
  • the film thickness t needs to be about 30 nm or more in order to obtain a high performance index.
  • the thermal stability index is sufficiently large, from several hundred to several thousand.
  • the write current becomes excessively large, from several hundred to several thousand ⁇ A. It is virtually impossible to pass such a large current through the element.
  • Dx is large, the necessary value of the thermal stability index of 60 can be obtained without having a large figure of merit, and the write current at that time can also be designed within a reasonable range. it can.
  • the design value used in the conventional magnetoresistive effect element of the in-plane magnetization method is located far left from the peak.
  • the magnetoresistive effect element 10 is i) An in-plane magnetization method in which the magnetization directions of the reference layer 12 and the recording layer 14 are parallel to the film surface. ii) Since the ratio t / Dx between the film thickness t of the recording layer 14 and the minor axis length Dx is larger than 0.3, a figure of merit of 1.5 ⁇ A ⁇ 1 or more can be obtained. As a result, a data retention period of 10 years or more can be secured while securing a small write current Iw.
  • the ratio t / Dx between the film thickness t of the recording layer 14 and the short axis length Dx is less than 1, energy loss at the time of magnetization reversal can be suppressed.
  • the ratio Dy / Dx between the major axis length Dy and the minor axis length Dx of the recording layer 14 is greater than 1.5, the magnetization Mg can be stably maintained.
  • the ratio Dy / Dx between the major axis length Dy and the minor axis length Dx of the recording layer 14 is less than 4, the size of the recording layer 14 is small and suitable for high integration and miniaturization.
  • the planar shape of the recording layer 14 is not limited to an ellipse, and an arbitrary shape can be selected as shown in FIGS.
  • a rectangle 104 that circumscribes the planar shape of the recording layer 14 and has the smallest interview is drawn, and the long side of the rectangle 104 extends.
  • the long side of the rectangle is the length Dy of the long axis
  • the short side of the rectangle is the length Dx of the short axis.
  • the shapes are all symmetrical with respect to the X axis and the Y axis, but the effect of the present invention can be obtained even when the shape is asymmetric.
  • the configuration of the magnetoresistive effect element is not limited to the configuration shown in FIGS.
  • a second reference layer 31 and a second barrier layer 32 may be disposed.
  • a nonmagnetic layer 42 and a second recording layer 41 may be disposed.
  • the film thickness and material of the nonmagnetic layer 42 are adjusted so as to provide magnetic coupling between the first recording layer 14 and the second recording layer 41.
  • a nonmagnetic layer 62, a recording layer 61, a barrier layer 64, and a reference layer 63 may be disposed.
  • the total film thickness of all the recording layers in which a plurality of recording layers are arranged may satisfy the above condition.
  • Electrode layer 10 magnetoresistive effect element 11 substrate layer (electrode layer) 12 Reference layer (fixed layer) 13 Barrier layer (insulating layer) 14 Recording layer (free layer) 15 electrode layer 20 selection transistor WL word line BL bit line SL source line

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Abstract

　磁気抵抗効果素子（１０）は、強磁性体から構成され、磁化の方向が膜面方向を向いた参照層（１２）と、強磁性体から構成され、磁化の方向が膜面方向を向いた記録層（１４）と、参照層（１２）と記録層（１４）との間に配置された障壁層（１３）と、を備える。記録層（１４）の膜厚／記録層（１４）の短軸の長さは、０．３より大きく、これにより、性能指数１．５μＡ－１以上を実現する。

Description

磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
　この発明は、磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
　小さい電流で磁化反転が可能な不揮発性の記憶素子として、スピン注入書き込みによる磁化反転を利用する構成の磁気メモリが注目されている。
　スピン注入による磁化反転を利用する磁気メモリは、磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成され、磁化の向きが固定された参照層（固定層）と、磁化の向きが変化する記録層（自由層）とが、トンネル絶縁膜を介して積層された構成を有する（例えば、特許文献１、２参照）。
　研究の初期の段階では、磁気抵抗効果素子としては、参照層及び記録層の磁化の方向が膜面に平行な面内磁化方式のものが多く研究されていた。しかし、面内磁化方式の磁気抵抗効果素子の場合、性能指数（反転効率）が小さいという問題がある。
　性能指数とは、熱安定性指数と書き込み電流の比（熱安定性指数／書き込み電流）で表される指数である。熱安定性指数は、記録データの熱に対する耐性を示し、不揮発性メモリとして、データを長期間保持するためには、熱安定性指数が大きいことが望ましい。例えば、特許文献３には、磁気抵抗効果素子の高い熱安定性を実現させるための技術が開示されている。一方、書き込み電流は、小さい方が省電力の観点から望ましい。従って、熱安定性指数／書き込み電流で表される性能指数は、大きい方が望ましい。
特開２００４－２５９９１３号公報 特開２００６－９３４３２号公報 特開２００７－２９４７３７号公報
Ｈ．Ｋｕｂｏｔａ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ．８９，０３２５０５（２００６） Ｓ．Ｙａｋａｔａ　ｅｔ　ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ．１０５，０７Ｄ１３１（２００９） Ｐ．Ｋｈａｌｉｌｉ　Ａｍｉｒｉ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ．９８、１１２５０７（２０１１） Ｊｕｎ　Ｈａｙａｋａｗａ　ｅｔ　ａｌ．，ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　Ｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，４０、１９６２（２００９）
　面内磁化方式の磁気抵抗効果素子は、性能指数が小さいという問題がある。換言すれば、面内磁化方式の磁気抵抗効果素子は、記録データを長期間保持できず、記録データの書き換えに大きな書き込み電流が必要となる。
　性能指数を向上するため、近時、磁化の方向が強磁性膜の膜面に垂直な垂直磁化方式の磁気抵抗効果素子が研究されている。しかし、垂直磁気異方性を示す磁性材料は限られている。このため、垂直磁化方式の磁気抵抗効果素子は、材料の選択が制限されるという問題がある。このため、面内磁化方式で、性能指数の高い磁気抵抗効果素子が求められている。
　本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、性能指数の高い面内磁化方式の磁気抵抗効果素子及び磁気メモリを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の磁気抵抗効果素子は、
　強磁性体から構成され、磁化の方向が膜面方向を向いた参照層と、
　強磁性体から構成され、磁化の方向が膜面方向を向いた記録層と、
　前記参照層と前記記録層との間に配置された障壁層と、
を備え、
　前記記録層の膜厚／前記記録層の短軸の長さ＞０．３であることを特徴とする。
　前記記録層の膜厚／前記記録層の短軸の長さ＜１であることが望ましい。
　前記記録層の長軸の長さ／前記記録層の短軸の長さ＞１．５であることが望ましい。
　前記記録層の長軸の長さ／前記記録層の短軸の長さ＜４であることが望ましい。
　前記記録層の短軸の長さ＜３０ｎｍであることが望ましい。
　例えば、前記記録層の膜厚／前記記録層の短軸の長さ＞０．３であることにより、性能指数が１．５μＡ－１以上であり、熱安定性指数は６０以上、想定書き込み電流は４０μＡ以下である。
　また、本発明の磁気メモリは、上述の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備える磁気メモリである。
　本発明によれば、記録層の膜厚／記録層の短軸の長さ＞０．３である。このようなサイズ比とすることにより、高い性能指数を得ることができ、高性能の磁気抵抗効果素子とそれをメモリセルとして使用する磁気メモリを得ることができる。
本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の積層構造を示す図である。 実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の平面構造を示す図である。 実施の形態に係る磁気抵抗効果素子を含む磁気メモリ回路の構成を示す図である。 （ａ）と（ｂ）は、磁気抵抗効果素子の平行状態（低抵抗状態）と反平行状態（高抵抗状態）とを説明するための図である。 熱安定性指数とデータ保持時間との関係を示すグラフである。 反磁界係数と膜厚／短軸長の比の関係を表すグラフである。 本願発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の特性を、複数サイズの記録層について示す図であり、（ａ）は、記録層の膜厚と熱安定性指数との関係を示す図、（ｂ）は、記録層の膜厚と書き込み電流との関係を示す図、（ｃ）は、記録層の膜厚と性能指数との関係を示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の記録層の平面形状の他の例を示す図である。 （ａ）と（ｂ）は、記録層の平面形状が長方形の場合以外の、長軸の長さ（長軸長）Ｄｙと短軸の長さ（短軸長）Ｄｘの求め方を説明するための図である。 実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の構造の例を示す図である。 実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の構造の例を示す図である。 実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の他の構造の例を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子とそれを用いた磁気メモリを説明する。
　本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、図１に示すように、積層された基板層（電極層）１１と、参照層（固定層）１２と、障壁層１３と、記録層（自由層）１４と、電極層１５とを備える。
　基板層１１はＴａ等の金属等から構成される。
　参照層１２は、膜面に平行な方向に磁化容易軸を有する強磁性体から構成され、磁化Ｍｆの方向が一方向に固定されている。
　参照層１２を構成する材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の３ｄ遷移金属を含む材料を使用できる。より具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの３ｄ遷移金属、Ｆｅ-Ｃｏ，Ｆｅ-Ｎｉ，Ｃｏ-Ｎｉ，Ｆｅ-Ｃｏ-Ｎｉ，Ｃｏ-Ｆｅ-Ｂ，Ｆｅ-Ｂ，Ｃｏ-Ｂなどの３ｄ遷移金属を含む合金などを用いることができる。これらに、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｇａ，Ｇｅなどの材料を添加して、所望の電気特性や構造が得られるように調整することもできる。
　また、参照層１２は、積層フェリ結合を発現する積層構造から構成されてもよい。この場合、結合層としては、Ｒｕを用いることが望ましい。
　さらに、参照層１２は、反強磁性層を含んでも良い。この場合、より強固に磁化を固定することができる。使用可能な反強磁性体としては、Ｉｒ－Ｍｎ，Ｐｔ－Ｍｎ合金等がある。
　障壁層１３は、絶縁体から構成され、トンネル障壁を構成する。障壁層１３の材料としては、例えば、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３等の酸素を含む絶縁膜，ＡｌＮ等を使用できる。
　記録層１４は、膜面に平行な方向に磁化容易軸を有する強磁性体から構成された層であり、磁化Ｍｇの方向がスピン注入書き込みにより変化する。
　記録層１４を構成する材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の３ｄ遷移金属を含む材料を使用できる。より具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの３ｄ遷移金属、Ｆｅ-Ｃｏ，Ｆｅ-Ｎｉ，Ｃｏ-Ｎｉ，Ｆｅ-Ｃｏ-Ｎｉ，Ｃｏ-Ｆｅ-Ｂ，Ｆｅ-Ｂ，Ｃｏ-Ｂなどの３ｄ遷移金属を含む合金などを用いることができる。また、適宜、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ａｌ，Ｓｉ,Ｐ，Ｇａ，Ｇｅなどの材料を添加して、所望の電気特性や構造が得られるように調整することもできる。
　電極層１５は、金属などの導体から構成される。電極層１５は、例えば、Ｔａから構成される。
　本実施の形態では、記録層１４は、図２に示すように楕円形状を有する。楕円の長軸をＹ軸、短軸をＸ軸、膜厚方向をＺ軸とする。記録層１４のＹ軸方向の長さ、即ち長軸の長さ（長軸長）をＤｙ、Ｘ軸方向の長さ、即ち、短軸の長さ（短軸長）をＤｘ、また、膜厚（厚さ）をｔとする。なお、一般には、障壁層１３と参照層１２も、パターニング時の変形などを除けば、ほぼ同様の構成を有する。ただし、同一の形状及び構成である必要はない。
　本実施の形態においては、１．５μＡ－１以上の高い性能指数を得る一方で、トレードオフの関係にある他の条件との整合をとるため、記録層１４に関し、１≧膜厚ｔ／短軸長Ｄｘ＞０．３、４＞長軸長Ｄｙ／短軸長Ｄｘ＞１．５、の条件を満たすサイズに形成されている。その詳細については後述する。
　磁気抵抗効果素子１０の一実施例では、参照層１２は、電極１１側から、ＰｔＭｎ層（１５ｎｍ）／ＣｏＦｅ層（２．５ｎｍ）／Ｒｕ層（０．９ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ層（１．５ｎｍ）／の積層体から構成される。
　障壁層１３は、ＭｇＯ層（１～２ｎｍ）から構成される。
　記録層１４は、ＣｏＦｅＢ層から構成され、１≧膜厚ｔ／短軸長Ｄｘ＞０．３、４＞長軸長Ｄｙ／短軸長Ｄｘ＞１．５、の条件を満たすサイズに形成されている。
　例えば、膜厚ｔは１０ｎｍ，短軸長Ｄｘ＝１０ｎｍ（４～１６ｎｍ）、長軸長Ｄｙ＝２８ｎｍ（１５～３５ｎｍ）に形成される。
　基板層１１と電極層１５は、それぞれ、Ｔａ（５ｎｍ）から構成される。
　次に、上記構成を有する磁気抵抗効果素子１０をメモリセルとして用いた磁気メモリ回路１００について図３を参照して説明する。
　図３に示すように、磁気メモリ回路１００は、磁気抵抗効果素子１０と選択トランジスタ２０とを１ビット分のメモリセルとして、メモリセルが、マトリクス状に配列された構造を有する。
　選択トランジスタ２０のソース電極はソース線ＳＬに、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子１０の基板層１１に、ゲート電極はワード線ＷＬにそれぞれ電気的に接続されている。また、磁気抵抗効果素子１０の電極層１５は、ビット線ＢＬに接続されている。
　図４（ａ）に示すように、参照層１２の磁化Ｍｆの方向と記録層１４の磁化Ｍｒの方向が互いに平行で同一方向（Ｐ状態）のとき、基板層１１と電極層１５との間が低抵抗になる。一方、図４（ｂ）に示すように、反平行（平行で反対方向：ＡＰ状態）のとき高抵抗になる。この抵抗値の高低をビット情報の「０」と「１」に対応させる。この実施形態では、低抵抗に「０」を、高抵抗に「１」を割り当てることとする。
　磁気抵抗効果素子１０に情報を書き込む場合、書き込み対象の磁気抵抗効果素子１０に接続されたワード線ＷＬの電圧を制御して、対応する選択トランジスタ２０をオンする。続いて、ビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に印加する電圧を調整して、磁気抵抗効果素子１０を流れる書き込み電流Ｉｗの向きと大きさを制御して、スピン注入磁化反転によって所望のデータを書き込む。
　書き込み電流Ｉｗが記録層１４から参照層１２に流れるとき、記録層１４の磁化Ｍｇは参照層１２の磁化Ｍｆに対して平行になり、書き込み電流Ｉｗが参照層１２から記録層１４に流れるとき、記録層１４の磁化は参照層１２の磁化に対して反平行になる。
　一方、読み出し時には、ワード線ＷＬに選択電圧を印加して選択トランジスタ２０をオンし、さらに、ビット線ＢＬとソース線ＳＬの間に読み出し電圧を印加する。印加した読み出し電圧に対する読み出し電流の値により、磁気抵抗効果素子１０の抵抗の高低が求められ、これにより、記録されているデータが読み出される。
　次に、上記構成を有する本実施形態の磁気抵抗効果素子１０が、従来の場合に比べて、性能指数に優れている点を説明する。
　図１、２に示した構成の磁気抵抗効果素子１０の書き込み電流Ｉｗと熱安定性指数Δは式（１）と式（２）で表される。
　ＩＷ＝α・［ｅ／（ｈ－・ｇ（θ））］（Ｍｓ・Ｖ）［Ｍｓ／（２μ０）（（Ｎｚ－Ｎｘ）＋（Ｎｚ－Ｎｙ））］　　　　・・・（１）
　Δ＝［（Ｎｘ－Ｎｙ）／２］・［Ｍｓ２Ｖ／（２μ０ｋＢＴ）］　　　　・・・（２）
　ここで、Ｎｚ＝｛１－（Ｎｘ＋Ｎｙ）｝
　　　　　　ｇ（θ）＝Ｐ／｛２・（１＋Ｐ２ｃｏｓθ）｝
　である。
　α：ダンピング定数、ｈ－：ディラック定数、ｅ：素電荷、Ｍｓ：飽和磁化、Ｖ：体積、μ０：真空の透磁率、Ｎｙ：Ｙ軸方向（長軸方向）の反磁界係数、Ｎｘ：Ｘ軸方向の反磁界係数、Ｎｚ：膜厚方向の反磁界係数、Ｐ：スピン分極率、θ：記録層と参照層の磁化の相対角度（０若しくはπ）、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度である。
　ここでは、ダンピング定数αを標準的な０．００５、スピン分極率Ｐを標準的な０．４５とする。
　以降の説明において、書き込み電流Ｉｗは、θ＝０とπの場合の平均値を用いる。
　はじめに、面内磁化方式の従来例での問題点を述べる。従来例では、例えば非特許文献１において、Ｄｘ＝７０ｎｍ、Ｄｙ＝１６０ｎｍ、ｔ＝２ｎｍが用いられている。この場合、数値計算からＮｚ＝０．９４、Ｎｘ＝０．０５、Ｎｙ＝０．０１と求まる。また、飽和磁化を非特許文献１で報告されている１．３８Ｔを用いると、式（１）と式（２）から、書き込み電流Ｉｗと熱安定性指数Δは、それぞれ４３４μＡと１０２と求まる。したがって、性能指数Δ／Ｉｗの値は０．２４μＡ－１となる。
　このような低い性能指数は、磁気トンネル接合を用いたメモリを作製するためには、好適ではない。このため、非特許文献２、３では強磁性体と酸化物の界面に由来する界面磁気異方性を利用して性能指数を向上させる試みがなされている。また、特許文献２、３ならびに非特許文献４では、積層構造を工夫して、性能指数を向上させる試みがなされている。しかし、これまでの報告において得られている最大の性能指数は、非特許文献４で報告されている１．４であり、この値は後述するように磁気トンネル接合を用いたメモリを実現するには不十分である。
　これに対して、本発明では、発明者は膜厚と短軸長の比に着目した。従来例で性能指数が小さい物理的な要因は、膜厚と短軸長の比が小さいために、ＮｘとＮｙが小さくＮｚが大きいことである。これらは、式（１）と式（２）から明らかなように、熱安定性指数Δを減少させ、書き込み電流Ｉｗを増加させるために、結果として性能指数を低下させる。発明者は、膜厚と短軸長の比を大きくすることで、Ｎｚを小さくし、またＮｘとＮｙを大きくすることができ、結果としてΔ／Ｉｗを大きくできることを見出した。以下に、具体的な計算結果に基づき、本発明の効果を示す。
　記録層１４の短軸長Ｄｘ×長軸長Ｄｙを７×１４ｎｍ２、８×１７ｎｍ２、１０×２０ｎｍ２、１１×２３ｎｍ２、１３×２５ｎｍ２、１４×２８ｎｍ２、の６通りの値としたときについてそれぞれ、Ｎｘ、Ｎｙ，Ｎｚを求めて、膜厚と短軸長の比に対して整理すると、図６（ａ）～（ｃ）のようになる。膜厚と短軸長の比の増加に伴い、Ｎｘ、Ｎｙは増加し、Ｎｚは減少することが分かる。従来の構造では、膜厚／短軸長の比は、大きいものでも０．０６程度であり、本研究で用いる構造に比べると、非常に小さいことがわかる。
　次に、これらのＮｘ、Ｎｙ、Ｎｚの値と、式（１）と式（２）を用いて、熱安定性指数Δと書き込み電流Ｉｗを計算し、膜厚ｔに対して示したものが、図７（ａ）と（ｂ）である。なお、ここで飽和磁化は、ＣｏＦｅＢの一般的な値である１．３Ｔとした。
　図７（ａ）、（ｂ）から明らかなように熱安定性指数Δはある膜厚（≒ｔ）においてピークを取る一方で、書き込み電流Ｉｗは膜厚に対して単調増加関数となっている。従って、熱安定性指数Δがピークを取る膜厚の近傍となるように設計することによって高い性能指数を得られる。実際に性能指数＝Δ／Ｉｗを計算すると、図７（ｃ）に示すようになる。
　また、磁気抵抗効果素子１０を不揮発性メモリとして使用するためには、データの保持期間を１０年以上とする必要がある（例えば、ＩＴＲＳ（Ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｏａｄｍａｐ　ｆｏｒ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）の２０１１＿ＥＲＤ３の、ＳＴＴ－ＭＲＡＭに関する推奨値参照）。
　一方、図５に示すように、熱安定性指数Δとデータ保持時間τとの間には、相関があり、保持期間１０年を満たすためには、熱安定性指数Δは最低４０程度必要である。さらに、素子間のばらつき（材質のばらつき、製造工程のばらつきを含む）、使用環境の差などを考慮すると、熱安定性指数Δは６０以上の値が望ましい。
　また、選択トランジスタ２０のゲート幅と流せる電流には相関があり、例えば、半導体メモリであるＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）やＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）の性能向上が難しくなる技術世代であるゲート幅４０ｎｍでは、流せる電流は４０μＡが限界である。また、将来、選択トランジスタ２０が小型化（高集積化）されると、書き込み電流Ｉｗをより小さくする必要がある。
　従って、選択トランジスタ２０のゲート幅が４０ｎｍの場合、性能指数Δ／Ｉｗは最低でも、Δ／Ｉｗ＝６０／４０μＡ≒１．５μＡ－１が必要となる。技術世代が進み、ゲート幅が小さくなると、さらに大きな性能指数が必要となる。
　しかしながら、従来の面内磁化方式の磁気抵抗効果素子で、このような大きな性能指数を達成したものは報告されておらず、せいぜい１．４程度が限界である。
　一方、図７（ｃ）上で、性能指数Δ／Ｉｗが１．５μＡ－１以上となる条件を求めると、記録層１４のサイズが１４×２８ｎｍ２のときの条件が最も厳しく、４．２／１４≒０．３となる。
　さらに、より詳細なシミュレートと実験により、記録層１４の膜厚ｔ／短軸長Ｄｘ＞０．３とすることにより、性能指数が１．５μＡ－１以上となり、磁気メモリとして優れた特性が得られることが確認された。
　一方、膜厚ｔ＞短軸長Ｄｘとした場合、記録層１４の磁化の向きが反転する際に、熱エネルギーによる磁化反転が膜面内では生じず、磁化がＺ軸方向（膜面に垂直方向）に回転してしまい、熱安定性指数が減少する。この結果、膜厚ｔを大きくしても、性能指数Δ／Ｉｗはピークを過ぎると逆に減少してしまう。このため、ｔ＜Ｄｘが望ましい。
　この点から、１＞ｔ／Ｄｘという条件が得られる。
　さらに、記録層１４の面内磁化Ｍｇが安定して維持されるように、記録層１４の長軸長Ｄｙと短軸長Ｄｘとは、４＞Ｄｙ／Ｄｘ＞１．５となることが望ましい。Ｄｙ／Ｄｘを４以上としても、磁気異方性の増加が熱安定性指数の増加に寄与しないために、無駄である。長軸長Ｄｙと短軸長Ｄｘを上述した範囲とすると、無駄が少なくなり、高集積化・小型化に適している。一方、Ｄｙ／Ｄｘが１．５以下となると、磁気異方性が小さいために、十分な熱安定性指数が得られなくなる。
　また、短軸長Ｄｘの増加は、膜厚ｔの増加を意味し、膜厚ｔの増加は、エッチング時間の増加を引き起こす。したがって、現在のエッチング技術を用いる場合、メモリの作製時間の観点から、さらに、磁気トンネル接合の上に形成されるマスクの厚みとの関係から、短軸長Ｄｘ＜３０ｎｍが望ましい。
　なお、Ｄｘ＞３０ｎｍであっても高い性能指数を得ることは原理的には可能である。しかし、従来の面内磁化方式で用いられているような７０ｎｍ程度のＤｘの場合、高い性能指数を得るためには膜厚ｔを３０ｎｍ程度以上とする必要がある。この場合、高い性能指数を得ることは可能であり、図７に示すように熱安定性指数は数１００～数１０００と十分に大きくなる。一方で、書き込み電流は数１００～数１０００μＡと過剰に大きくなる。このような大きな電流を素子に通電することは事実上不可能である。言い換えると、Ｄｘが大きいときは大きな性能指数を有さなくても熱安定性指数の必要値である６０を得ることができ、また、そのときの書き込み電流も妥当な範囲内に設計することができる。
　実際、図７（ａ）～（ｃ）に示すように、従来の面内磁化方式の磁気抵抗効果素子で用いている設計値は、ピークよりも遥かに左側に位置しており、従来の方法においても、熱安定性指数の必要値を満たしながら書き込み電流を妥当な値以下に抑えることは可能であった。しかし、最先端の半導体製造プロセスに混載し、より高集積な磁気メモリを実現するためにはＤｘを小さくする必要がある。このため、従来の設計思想で十分大きな熱安定性指数と十分小さな書き込み電流を実現することは困難であった。これが開発の中心が面内磁化方式から垂直磁化方式へとシフトしたことの所以である。
　これに対して、本発明では面内磁化方式においても異なる設計思想を用いることによって好適な性能が得られることを見出し、その好適な設計範囲を見出した点に本質があり、この点で従来の面内磁化方式の磁気抵抗効果素子とは一線を画するものである。
　以上説明したように、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子１０は、
　ｉ）参照層１２と記録層１４との磁化の方向が膜面に平行な面内磁化方式のものである。
　ｉｉ）記録層１４の膜厚ｔと短軸長Ｄｘの比ｔ／Ｄｘが０．３より大きいため、１．５μＡ－１以上の性能指数を得ることができる。これにより、小さい書き込み電流Ｉｗを確保しつつ、１０年以上のデータ保持期間を確保できる。
　ｉｉｉ）また、記録層１４の膜厚ｔと短軸長Ｄｘとの比ｔ／Ｄｘが１未満であるため、磁化反転の際のエネルギーロスを抑えることができる。
　ｉｖ）さらに、記録層１４の長軸長Ｄｙと短軸長Ｄｘとの比Ｄｙ／Ｄｘが１．５より大きいという条件を満たすことにより、磁化Ｍｇを安定して維持できる。
　一方、記録層１４の長軸長Ｄｙと短軸長Ｄｘとの比Ｄｙ／Ｄｘが４未満であることより、記録層１４のサイズに無駄が少なく、高集積化・小型化に適している。
　ｖ）記録層１４の短軸長Ｄｘが３０ｎｍ以下という条件を満たしているので、製造工程におけるエッチング時間の増加を抑制し、記録層１４を安定して製造することができる。また、導入可能な書き込み電流を得ることができる。
　記録層１４の平面形状は、楕円形に限定されず、図８（ａ）～（ｄ）に示すように、任意の形状を選択することができる。このような場合には、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、記録層１４の平面形状に外接し、且つ、面接の最も小さい長方形１０４を描き、長方形１０４の長辺の延びる方向を磁化容易軸とし、長方形の長辺を長軸の長さＤｙ、長方形の短辺を短軸の長さＤｘとすればよい。また、図中の例では、すべてＸ軸とＹ軸に線対称な形状となっているが、これが非対称な形となっても、本発明の効果は得られる。
　記録層１４の平面形状に応じて、熱安定性指数Δと書き込み電流Ｉｗを求める式（１）と式（２）は変化するが、何れにしても、上記の条件式ｔ／Ｄｘ＞０．３を満たすことにより、１．５μＡ－１以上の性能指数を得ることができる。
　磁気抵抗効果素子の構成も図１、図２に示す構成に限定されない。
　例えば、図１０に示すように、第２の参照層３１と第２の障壁層３２を配置してもよい。
　また、図１１に示すように、非磁性層４２と第２の記録層４１を配置してもよい。この場合、非磁性層４２は、第１の記録層１４と第２の記録層４１の間に磁気的な結合を与えるように膜厚や材料が調整される。
　さらに、図１２に示すように、非磁性層６２、記録層６１、障壁層６４、参照層６３を配置してもよい。
　記録層が複数配置されている全ての記録層の合計の膜厚が、上記条件を満たすようにすればよい。
　以上、本発明は、上記実施形態の説明および図面によって限定されるものではなく、上記実施形態および図面に適宜変更等を加えることは可能である。
　本出願は、２０１５年１月２２日に出願された日本国特許出願２０１５－１０１８６号に基づくものであり、その明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を含むものである。上記日本国特許出願における開示は、その全体が本明細書中に参照として含まれる。
　１０　磁気抵抗効果素子
　１１　基板層（電極層）
　１２　参照層（固定層）
　１３　障壁層（絶縁層）
　１４　記録層（自由層）
　１５　電極層
　２０　選択トランジスタ
　ＷＬ　ワード線
　ＢＬ　ビット線
　ＳＬ　ソース線

Claims (7)

  1. 　強磁性体から構成され、磁化の方向が膜面方向を向いた参照層と、
    　強磁性体から構成され、磁化の方向が膜面方向を向いた記録層と、
    　前記参照層と前記記録層との間に配置された障壁層と、
    を備える磁気抵抗効果素子であって、
    　前記記録層の膜厚／前記記録層の短軸の長さ＞０．３であることを特徴とする、
    　磁気抵抗効果素子。
  2. 　前記記録層の膜厚／前記記録層の短軸の長さ＜１であることを特徴とする、
    　請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
  3. 　前記記録層の長軸の長さ／前記記録層の短軸の長さ＞１．５であることを特徴とする、
    　請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果素子。
  4. 　前記記録層の長軸の長さ／前記記録層の短軸の長さ＜４であることを特徴とする、
    　請求項３に記載の磁気抵抗効果素子。
  5. 　前記記録層の短軸の長さ＜３０ｎｍであることを特徴とする、
    　請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  6. 　前記記録層の膜厚／前記記録層の短軸の長さ＞０．３であることにより、性能指数が１．５μＡ－１以上であり、
    　熱安定性指数は６０以上、想定書き込み電流は４０μＡ以下である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
  7. 　請求項１乃至６の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子をメモリセルとして備える磁気メモリ。
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