WO2017086481A1 - 磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ - Google Patents

磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ Download PDF

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magnetic tunnel
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佐藤　英夫
喜久 堀川
俊輔 深見
正二 池田
松倉　文▲礼▼
大野　英男
哲郎 遠藤
本庄　弘明
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Tohoku University
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Tohoku University
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Definitions

  • the present invention relates to a magnetic tunnel junction element and a magnetic memory.
  • Patent Document 1 discloses an MTJ element having a structure (double interface structure) in which a recording layer made of CoFeB is sandwiched between a barrier layer (MgO) containing oxygen and a protective layer (MgO).
  • An MTJ element having a double interface structure is also disclosed in Patent Document 2 (paragraph 0011, FIG. 1).
  • the protective layer of the MTJ element disclosed in Patent Document 2 is composed of a conductive oxide layer.
  • Patent Document 2 further discloses a configuration in which the metal cap layer 13 is formed on the oxide cap layer 31 (protective layer).
  • the MTJ elements described in Patent Documents 1 and 2 can exhibit sufficient characteristics in the current technology generation. However, when the MTJ element is further downsized, there is a possibility that sufficient characteristics cannot be obtained.
  • the performance of the MTJ element is expressed by the tunnel magnetoresistance ratio TMR, the thermal stability ⁇ , and the threshold current.
  • Rp is the resistance value of the current path of the MTJ element when the magnetizations of the reference layer and the free layer adjacent to the barrier film are arranged in parallel
  • Rap is the magnetization of the reference layer and the free layer adjacent to the barrier film antiparallel. This is the resistance value of the current path when arranged.
  • the thermal stability ⁇ is substantially proportional to Keff ⁇ V / kBT.
  • Keff effective magnetic anisotropy energy density
  • V volume
  • kB Boltzmann constant
  • T absolute temperature
  • a data retention period of 10 years or more is required.
  • a thermal stability ⁇ of 80 or more is required.
  • it is necessary to ensure the size (diameter) and thermal stability ⁇ 80 of the joint surface when the joint surface of the magnetic tunnel junction of the ferromagnetic electrode formed from CoFeB and the MgO layer is circular. The relationship with the interface magnetic anisotropy is shown in FIG.
  • the size of the bonding surface is 30 nm or less
  • an interface magnetic anisotropy of 2.5 [mJ / m 2 ] or more is required.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a magnetic tunnel junction element and a magnetic memory with higher thermal stability.
  • the magnetic tunnel junction device of the present invention comprises: A reference layer composed of a ferromagnetic material; A barrier layer comprising O; A recording layer composed of a ferromagnetic material containing Co or Fe; A first protective layer comprising O; A second protective layer comprising at least one of Pt, Ru, Co, Fe, CoB, FeB or CoFeB; Are laminated.
  • the second protective layer is composed of a layer containing at least one Pt or Ru, for example, and has a thickness of 0.3 to 3.5 nm.
  • the second protective layer is composed of a layer containing at least one of Co, Fe, CoB, FeB or CoFeB, for example, and has a thickness of 0.1 to 3.5 nm.
  • At least one of a bonding surface between the reference layer and the barrier layer, a bonding surface between the barrier layer and the recording layer, and a bonding surface between the recording layer and the first protective layer has a diameter of 30 nm.
  • the joint surface is smaller than the area of the circle.
  • the recording layer has a magnetization direction perpendicular to the interface due to, for example, magnetic anisotropy at the interface with the barrier layer or the first protective layer that is in contact with the recording layer.
  • the magnetic tunnel junction element has Ru, Rh, Pd, Cu, Ir, Au, Ta, Hf, W, Zr, Nb, Mo, Ti, V, Cr, or an alloy thereof on the second protective layer. You may provide the 3rd protective layer containing.
  • the second protective layer has a thickness of 0.6 to 1.5 nm, for example.
  • the second protective layer preferably has a thickness of 0.6 to 1.0 nm.
  • the second protective layer is preferably a non-magnetic material.
  • the second protective layer has magnetism, and the magnetic tunnel junction element is formed on the non-magnetic layer formed on the second protective layer, on the non-magnetic layer, and And a ferromagnetic layer magnetized in the opposite direction parallel to the magnetization direction of the two protective layers.
  • the second protective layer has a thickness of 0.6 to 3.5 nm, for example.
  • the ferromagnetic layer includes, for example, at least one of Co, Fe, CoB, FeB, CoFeB, CoPt alloy, CoPd alloy, FePt alloy, FePd alloy, and ferrimagnetic material.
  • the magnetic memory according to the present invention is: A memory cell comprising the magnetic tunnel junction element described above; A write circuit for selecting the memory cell and writing data; A read circuit for selecting the memory cell and reading data; Is provided.
  • a magnetic tunnel junction element with high thermal stability and a magnetic memory using the same can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a magnetic memory circuit including an MTJ element according to a first embodiment.
  • FIG. 1 and (B) are diagrams for explaining the parallel state (low resistance state) and antiparallel state (high resistance state) of magnetization of the recording layer adjacent to the barrier layer of the MTJ element and the reference layer. . It is a figure which shows the modification of the MTJ element shown in FIG. It is a figure which shows the modification of the MTJ element shown in FIG. It is a figure which shows the modification of the MTJ element shown in FIG. It is a figure which shows the modification of the MTJ element shown in FIG. It is a figure which shows the modification of the MTJ element shown in FIG. It is a figure which shows the structure of the MTJ element based on Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 12 It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the 2nd protective layer of the MTJ element shown in FIG. 12, and the magnitude
  • (A) to (e) show the relationship between the strength of the magnetic field when the magnetic field is applied perpendicularly to the layer surface of the MTJ element shown in FIG. 12 and the magnitude of the magnetization of the recording layer for each film thickness of the second protective layer.
  • FIG. (A) to (e) show the relationship between the strength of the magnetic field and the magnitude of magnetization of the MTJ element when a magnetic field is applied perpendicularly to the layer surface of the MTJ element shown in FIG. FIG. FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the strength of the applied magnetic field and the magnitude of magnetization of the recording layer when the second protective layer of the MTJ element shown in FIG. 12 is formed of a different material and a magnetic field is applied from the outside perpendicular to the layer surface. is there.
  • the third protective layer of the MTJ element shown in FIG. 12 is formed of a different material, the presence / absence of the third protective layer, the material, the magnetic anisotropy of the recording layer, and the product of the film thickness (Keff ⁇ t) It is a figure which shows a relationship. It is a figure which shows the structure of the MTJ element which concerns on Embodiment 3 of this invention. It is a graph which shows the relationship between the size of a magnetic tunnel junction, and the magnitude
  • size of interface magnetic anisotropy required in order to ensure thermal stability 80.
  • a magnetic tunnel junction element (MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element) 10 has a magnetic tunnel junction exhibiting high interface magnetic anisotropy.
  • the MTJ element 10 has a structure in which a reference layer 14, a barrier layer 15, a recording layer 16, a first protective layer 17, and a second protective layer 18 are stacked in this order. Is provided.
  • the second protective layer 18, the first protective layer 17, the recording layer 16, the barrier layer 15, and the reference layer 14 are arranged in this order from the top. The same applies to the other drawings.
  • the reference layer (fixed layer) 14 is composed of a CoFeB layer having a thickness of 1.0 nm, and the magnetization direction is fixed in one direction perpendicular to the interface.
  • the barrier layer 15 is composed of an MgO layer having a thickness of about 1 nm.
  • the recording layer (free layer) 16 is composed of an FeB layer having a thickness of 1.8 nm, and the direction of magnetization changes in a direction perpendicular to the interface by spin injection writing. Note that the thickness of the recording layer 16 is not limited to 1.8 nm and is preferably 1.8 nm to 4 nm.
  • the first protective layer 17 (cap layer) is composed of an MgO layer having a thickness of 1.2 nm.
  • the second protective layer (cap layer) 18 is formed to a thickness of 1 nm, and is composed of CoFeB as an amorphous material and Ru and Pt as crystalline materials.
  • the second protective layer 18 is formed by sputtering.
  • the thickness of the second protective layer 18 is not limited to 1 nm and is preferably in the range of 1 nm to 4 nm.
  • the interface between the reference layer 14 and the barrier layer 15 and the interface between the barrier layer 15 and the recording layer 16 constitute a magnetic tunnel junction J.
  • the magnetic tunnel junction J has a substantially circular junction surface, and its diameter D is preferably 30 nm or less.
  • the interface between the recording layer 16 and the first protective layer 17 also has a substantially circular bonding surface, and its diameter D is preferably 30 nm or less.
  • at least one of the interface between the reference layer 14 and the barrier layer 15, the interface between the barrier layer 15 and the recording layer 16, and the interface between the recording layer 16 and the first protective layer 17 is substantially circular with a diameter D of 30 nm or less. You may have a joint surface.
  • the bonding surface may not be circular, and in that case, it is preferable that the effective area of the bonding surface is smaller than the area of a circle having a diameter of 30 nm.
  • the actual MTJ element 10 includes a substrate 11, a lower electrode layer 12 formed on the substrate 11, and a base layer 13 formed on the lower electrode 12.
  • a second protective layer 18 is formed in order from the reference layer 14 on the base layer 13.
  • An upper electrode layer 19 is formed on the second protective layer 18.
  • the substrate 11 is composed of a Si layer and a SiO 2 layer formed thereon.
  • the substrate 11 has a structure including transistors and multilayer wiring layers.
  • the lower electrode layer 12 is composed of a conductor layer such as Au.
  • the underlayer 13 is composed of a Ta layer having a thickness of about 5 nm.
  • the underlayer 13 may be made of a metal material such as Cu, CuN, Au, Ag, Ru, or an alloy thereof.
  • the underlayer 13 may have a structure in which a plurality of metal material layers are stacked, for example, a Ta layer / Ru layer / Ta layer structure.
  • the underlayer 13 is a layer that forms an underlayer for forming the layer of the MTJ element 10 and has a flat surface.
  • the upper electrode layer 19 is composed of a conductive layer such as Au. Further, materials such as Ta, Ti, and compounds thereof are also used.
  • the MTJ element 10 having the configuration shown in FIGS. 1 to 3 obtains high interface magnetic anisotropy by using Pt, Ru or CoFeB as the material of the second protective layer 18. This point will be specifically described.
  • FIG. 4 shows that the second protective layer 18 is formed with Ta, W, Pt, Ru, CoFeB to a thickness of 1 nm, and the recording layer 16 is formed with FeB to a thickness of 1.8 nm to 4 nm.
  • the strength of the interfacial magnetic anisotropy of the joint surface J between the barrier layer 15 and the recording layer 16 of the MTJ element 10 is shown.
  • the second protective layer 18 is formed by sputtering, for example, and the subsequent annealing temperature is 300 ° C.
  • the value of the interface magnetic anisotropy of the joint surface J is about 1.8 to 1.9 [mJ / m 2 ].
  • the interface magnetic anisotropy of the joint surface J is approximately 2.5 [mJ / m 2 ] or more. From this, the interface magnetic anisotropy of the joint surface J of the MTJ element 10 in which the second protective layer 18 is formed of Pt, Ru, or CoFeB is the MTJ in which the second protective layer 18 is formed of Ta or W. It was found that the interface magnetic anisotropy value of the joint surface J of the element 10 was larger.
  • the MTJ element 10 of the present embodiment uses Pt, Ru, or CoFeB as the second protective layer 18, and an interface magnetic anisotropy of 2.5 [mJ / m 2 ] or more is obtained.
  • a sufficient thermal stability ⁇ can be obtained even in the magnetic tunnel junction surface J having a diameter D of 30 nm or less, for example, a diameter D of about 20 nm. This makes it possible to improve the performance of integrated circuits and memories using magnetic tunnel junctions.
  • the reason why the interface magnetic anisotropy is low when a material such as Ta or W is used as the second protective layer 18 is that MgO in which the second protective layer 18 constitutes the first protective layer 17 immediately below. This is to damage the layer.
  • the physical cause of damaging the MgO layer is related to the affinity between the substance constituting the second protective layer and oxygen.
  • Ta and W have high affinity with oxygen (low energy for generating oxide) and form an oxide that is stable at room temperature. Therefore, when the second protective layer 18 is formed of Ta or W by sputtering, the deposited Ta or W reacts with oxygen in MgO constituting the first protective layer 17 and damages the MgO layer. give.
  • Pt, Ru and CoFeB have low affinity with oxygen. For this reason, in the process of forming the second protective layer 18, the deposited Pt, Ru, and CoFeB can form a thin film without damaging the MgO constituting the first protective layer 17.
  • the magnetic memory circuit 100 has a structure in which the MTJ element 10 and the select transistor 20 are memory cells for 1 bit, and the memory cells are arranged in a matrix.
  • the source electrode of the selection transistor 20 is electrically connected to the source line SL, the drain electrode is electrically connected to the lower electrode layer 12 of the MTJ element 10, and the gate electrode is electrically connected to the word line WL. Further, the upper electrode layer 19 of the MTJ element 10 is connected to the bit line BL.
  • the word line WL is connected to the X driver (word line driver) 101
  • the bit line BL is connected to the Y driver (bit line driver) 102 and the sense amplifier 103
  • the source line SL is connected to the source line driver 104. Yes.
  • the word line WL, the bit line BL, the source line SL, the X driver 101, the Y driver 102, and the source line driver 104 function as a writing circuit that selects a memory cell (MTJ element 10) and writes data.
  • the bit line BL, the source line SL, the X driver 101, the sense amplifier 103, and the source line driver 104 function as a read circuit that selects memory cells and reads stored data.
  • the MTJ element 10 has a low resistance.
  • the MTJ element 10 has a high resistance when it is antiparallel (parallel and opposite direction: AP state).
  • the level of the resistance value is made to correspond to “0” and “1” of the bit information. In this embodiment, “0” is assigned to the low resistance and “1” is assigned to the high resistance.
  • the X driver 101 controls the voltage of the word line WL connected to the MTJ element 10 to be written to turn on the corresponding selection transistor 20. Subsequently, the Y driver 102 and the source line driver 104 adjust the voltage applied between the bit line BL connected to the write target MTJ element 10 and the source line SL, and the write current Iw flowing through the MTJ element 10.
  • the desired data is written by spin-injection magnetization reversal.
  • the magnetization Mr of the recording layer 16 is in the same direction as the magnetization Mf of the reference layer 14, "0" is written, and the write current Iw is changed to the reference layer 14. From the recording layer 16 to the recording layer 16, the magnetization Mr of the recording layer 16 is opposite to the magnetization Mf of the reference layer 14, and “1” is written.
  • the X driver 101 applies a selection voltage to the word line WL to turn on the selection transistor 20 connected to the MTJ element 10 to be read, and the Y driver 102 and the source line driver 104 A read voltage is applied between the bit line BL connected to the MTJ element 10 and the source line SL.
  • the sense amplifier 103 reads the recorded data by converting this current into a voltage.
  • the MTJ element 10 includes the barrier layer 15 between the reference layer 14 and the recording layer 16, the first protective layer 17 on the recording layer 16, and The second protective layer 18 is provided on the first protective layer 17. And since the 2nd protective layer 18 does not damage the 1st protective layer 17, a big magnetic anisotropy is obtained and high thermal stability is obtained.
  • the thickness is arbitrary. However, in order to use the perpendicular magnetization due to the interface magnetic anisotropy, the thickness is 5 nm, preferably 3 nm or less, and more preferably 1.6 nm or less. Thereby, the perpendicular magnetization due to the interface magnetic anisotropy becomes the main part of the magnetization of the reference layer 14.
  • the material of the reference layer 14 may also contain Co or Fe, and may not contain B. Further, a conventionally known perpendicular magnetic anisotropic material such as FePt or TbTeCo may be used. Furthermore, the reference layer 14 does not need to be a single layer and may be a laminated film. For example, a Co film and Pt film laminate film, a Ni film and Co film laminate film, a multilayer film thereof, a laminate ferrimagnetic structure, or the like can be used as the reference layer 14.
  • MgO layer Although a 1.2 nm MgO layer was used as the barrier layer 15, its thickness is preferably 10 nm or less, particularly 5 nm or less.
  • the material is not limited to MgO, and other materials such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and MgZnO that contain oxygen and generate a magnetic tunnel junction may be used.
  • the thickness is arbitrary. However, in order to use the perpendicular magnetization due to the interface magnetic anisotropy, the thickness is 5 nm, preferably 3 nm or less, and more preferably 1.6 nm or less. Thereby, the perpendicular magnetization caused by the interface magnetic anisotropy becomes the main part of the magnetization of the recording layer 16.
  • the material of the recording layer 16 is not limited to FeB, and may include at least one of Co, Fe, CoB, FeB, and CoFeB. Furthermore, a trace amount of other elements may be included. Its thickness is also arbitrary. Further, the material of the recording layer 16 may be CoFeBM (where M includes at least one of Ni, Zr, Hf, Ta, Mo, Nb, Pt, Cr, Si, or V).
  • the recording layer 16 does not need to be a single layer, and a laminated film can be used as the recording layer 16.
  • a laminated film of a layer containing Fe and a layer containing FeB or CoB can be used as the recording layer 16.
  • an arrangement configuration of MgO layer (15 or 17), Fe layer, CoFeB layer, MgO layer (17 or 15), an arrangement configuration of MgO layer (15), Fe layer, CoFeB layer, Fe layer, MgO layer (17) Etc. are desirable. This is because in order to obtain high interfacial magnetic anisotropy, it is desirable that B does not exist as much as possible at the interface with MgO.
  • the thickness is preferably 5.0 nm or less and 3.0 nm or less.
  • the material of the first protective layer 17 may be oxygen other than MgO, and an insulator such as Al 2 O 3 , SiO 2 , MgZnO, Ta 2 O 5 may be used.
  • the material of the first protective layer 17 it may be used RuO 2, Vo 2, TiO, Ti 2 O 3, ZnO, conductive oxide such as TaO 2.
  • the conductive oxide constituting the first protective layer 17 include RuO 2 , VO 2 , CrO 2 , NbO 2 , MoO 2 , WO 2 , ReO 2 , RhO 2 , OsO 2 , IrO 2 , PtO 2 , Rutile-MoO 2 type oxides such as V 3 O 5 and Ti 3 O 5 may be included.
  • the conductive oxide constituting the first protective layer 17 may include NaCl-type oxides such as TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, and NiO.
  • the conductive oxide film constituting the first protective layer 17 may contain a spinel oxide such as LiTi 2 O 4 , LiV 2 O 4 , Fe 3 O 4 .
  • the conductive oxide film constituting the first protective layer 17 is a perovskite such as ReO 3 , CaCrO 3 , SrCrO 3 , BaMoO 3 , SrMoO 3 , CaMoO 3 , LaCuO 3 , CaRuO 3 , SrVO 3 , or BaTiO 3. It may contain —ReO 3 type oxide.
  • the conductive oxide layer constituting the first protective layer 17 may contain a corundum oxide such as Ti 2 O 3 , V 2 O 3 , Rh 2 O 3 .
  • the conductive oxide layer constituting the first protective layer 17, ZnO, TiO 2, SnO 2 , Cu 2 O, contain Ag 2 O, In 2 O 3 , WO 3 of a is an oxide semiconductor Also good.
  • a film containing oxygen can be appropriately selected so that interfacial magnetic anisotropy occurs at the interface with the first protective layer 17.
  • the first protective layer 17 is preferably formed to have a thickness equal to or less than that of the barrier layer 15.
  • the second protective layer 18 As the second protective layer 18, a 1.0 nm layer of Pt, Ru, CoFeB was used, but its thickness is arbitrary. However, if it is too thick, it becomes difficult to process the magnetic tunnel junction. On the other hand, if it is too thin, the effect cannot be exhibited. Therefore, in the case of Pt and Ru, the thickness of the second protective layer 18 is 3.5 nm or less, preferably 0.3 to 3.0 nm, more preferably 0.5 to 2.0 nm. desirable. In the case of CoFeB, the thickness of the second protective layer 18 is 3.5 nm or less, preferably 0.1 to 3.0 nm, more preferably 0.1 to 1.0 nm.
  • the second protective layer 18 does not have to be a single layer and may have a laminated structure.
  • a stacked structure of CoFeB, Pt, and Ru, or an alternately stacked structure of Pt and Ru may be used.
  • the second protective layer 18 may be a layer containing Co, Fe, CoB, and FeB as a main component in addition to the Pt, Ru, and CoFeB layers. This is because these materials are unlikely to damage MgO constituting the first protective layer 17 disposed adjacent to each other, like Pt and the like.
  • the thickness of the second protective layer 18 is 3.5 nm or less, preferably 0.1 to 3.0 nm, more preferably, similarly to the layer containing CoFeB. Is preferably 0.1 to 1.0 nm.
  • the layer of Fe, CoFeB, CoB, FeB or the like in the second protective layer 18 functions as a protective layer for the adjacent first protective layer, not as a magnetic layer. Therefore, it is desirable that the second protective layer 18 be formed by adjusting the film thickness or the like so as not to affect the interface magnetic anisotropy value Ki. Therefore, for example, it is desirable to form the second protective layer 18 thinner than the recording layer 16.
  • the substrate 11 has a stack of Si layer and the SiO 2 layer, the material and thickness of the substrate is optional.
  • Au has been exemplified as the material of the lower electrode layer 12 and the upper electrode layer 19, other arbitrary conductors such as Al can be used.
  • the MTJ element 10 including the reference layer 14 and the recording layer 16 made of a ferromagnetic layer is exemplified, but each ferromagnetic layer may be a plurality of layers.
  • the recording layer 16 of FIG. 1 has a two-layer structure of recording layers 16A and 16B, and a thin nonmagnetic coupling layer 17B, for example, a Ta layer having a thickness of about 0.1 to 1.0 nm. A layer may be arranged.
  • the material for the nonmagnetic coupling layer 17B include Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, Mg, and MgO.
  • 17A of FIG. 7 is a 1st protective layer.
  • the reference layer 14 of FIG. 1 has a two-layer structure of reference layers 14A and 14B, and a thin nonmagnetic coupling layer 15B, for example, a Ta layer having a thickness of about 0.1 to 1.0 nm.
  • a layer may be arranged.
  • the material for the nonmagnetic coupling layer 15B include Ta, W, Hf, Zr, Nb, Mo, Ti, Mg, MgO, and the like.
  • 15A of FIG. 8 is a barrier layer.
  • the nonmagnetic coupling layers 17B and 15B may be used for both the recording layers (16A and 16B) and the reference layers (14A and 14B).
  • a laminated ferrimagnetic structure can be used as the reference layer 14, and an example thereof is shown in FIG.
  • the reference layer 14 has a stacked structure in which a reference layer 14A, a coupling layer 14C, and a reference layer 14B are stacked.
  • the reference layers 14A and 14B are made of a ferromagnetic layer.
  • the configuration other than the reference layer 14 is the same as that shown in FIG.
  • the reference layers 14A and 14B are antiferromagnetically coupled by the coupling layer 14C.
  • Ru can be used as the coupling layer 14C.
  • the reference layer and the recording layer have a two-layer structure is shown, but a three-layer structure or more may be used.
  • the magnetic tunnel junction J illustrated in FIG. 2 is not limited to a circle. It may be oval or square. In this case, as the size of the magnetic tunnel junction, the diameter D of the circular magnetic tunnel junction J having the same effective area may be adopted.
  • the invention of the present application can also be applied to an in-plane magnetization type MTJ element as shown in FIG.
  • the perpendicular magnetic anisotropy component due to the interfacial magnetic anisotropy is increased, thereby causing spin injection. Tilting the magnetization of the recording layer in the direction perpendicular to the plane during magnetization reversal can be facilitated. Therefore, the efficiency of the spin injection magnetization reversal of the in-plane magnetization MTJ element can be increased.
  • the protective layer that increases the thermal stability when the MTJ in the present invention is miniaturized is first found in an MTJ element based on STT magnetization reversal.
  • this protective film technique is also effective when the domain wall motion element, the element that modulates the magnetic anisotropy induced by the electric field, and the element that uses the spin orbit torque are miniaturized.
  • the second protective layer 18 functions not as a magnetic layer but as a protective layer that protects the adjacent first protective layer 17.
  • the second protective layer 18 desirably does not affect the value of the interface magnetic anisotropy, that is, is a nonmagnetic material.
  • the second protective layer 18 is made of CoFeB (or Co, Fe, CoB, FeB, etc.)
  • the CoFeB is non-magnetic when the film thickness is small, but has magnetization when the film thickness increases. For this reason, it is difficult to keep the second protective layer 18 nonmagnetic when the film thickness is increased.
  • a third protective layer made of Ru or the like on the second protective layer 18 is used. It is effective to arrange Hereinafter, the MTJ element 10a having a configuration in which the Ru third protective layer 181 is disposed on the second protective layer 18 will be described.
  • the MTJ element 10a includes a third protective layer 181 made of Ru of about 1 nm on the second protective layer 18 made of CoFeB.
  • the third protective layer 181 prevents O from desorbing from MgO constituting the first protective layer 17, and further prevents the upper layer material from diffusing into the first protective layer 17. Thus, it is possible to prevent the magnetic characteristics of the MTJ element 10a from deteriorating.
  • FIG. 13 shows a relationship between the thickness (0.5 nm to 2.0 nm) of the second protective layer 18 of the MTJ element 10a having the configuration shown in FIG. 12 and the saturation magnetization Ms of the MTJ element 10a.
  • the horizontal axis indicates the thickness of the second protective layer 18, and the vertical axis indicates the magnitude [T ⁇ nm] of the saturation magnetization Ms of the MTJ element 10a.
  • the saturation magnetization Ms of the MTJ element 10a in which the thickness of the second protective layer 18 is 0 is about 10.9 [T ⁇ nm]. Even if the thickness of the layer 18 is 0.5 and 1.0 nm, the magnitude of the saturation magnetization Ms is substantially the same. On the other hand, when the thickness of the second protective layer 18 is 1.5 nm and 2.0 nm, the magnitude of the saturation magnetization Ms increases as the film thickness increases. That is, the second protective layer 18 is magnetic when the thickness is 1.5 nm or more.
  • FIGS. the magnetization curves of the recording layer 16 and the reference layer 14 when a magnetic field is applied perpendicularly to the film surface of each layer to the five MTJ elements 10a including the second protective layers 18 having different thicknesses are shown in FIGS. As shown in FIG.
  • FIGS. 14A to 14E show the magnetization curves of the recording layer 16 when the external magnetic field is changed in the range of ⁇ 400 [Oe] to +400 [Oe].
  • the horizontal axis indicates the intensity [Oe] of the external magnetic field
  • the vertical axis indicates the magnitude [emu / cm 2 ] of magnetization.
  • the thickness of the second protective layer 18 when the thickness of the second protective layer 18 is in the range of 0.0 to 1.5 nm, the magnetization curve shows a good square shape.
  • FIG. 14E when the thickness of the second protective layer 18 is 2.0 nm, the square shape of the magnetization curve is deteriorated. This indicates that the perpendicular magnetic anisotropy of the MTJ element 10a is mixed with a component of magnetic anisotropy in the plane of the second protective layer 18.
  • 15 (a) to 15 (e) show magnetization curves of the reference layer 14 when the external magnetic field is changed in the range of ⁇ 10,000 [Oe] to +10,000 “Oe”.
  • the vertical axis represents the magnitude [emu / cm 2 ] of the magnetization, as shown in the figure, when the thickness of the second protective layer 18 is 1.5 nm or less, the external magnetic field is There is a region (plateau region) where the magnetization does not change near 0 [Oe], whereas when the thickness of the second protective layer 18 is 2.0 nm, the external magnetic field is near 0 [Oe]. There is no plateau region, which indicates that the perpendicular magnetic anisotropy is mixed with in-plane magnetic anisotropy components.
  • the second protective layer 18 (CoFeB or the like) has a thickness of 0 to 1.5 nm and is nonmagnetic, and the MTJ element 10a exhibits perpendicular magnetic anisotropy.
  • the second protective layer 18 is magnetic when the thickness is 1.5 nm.
  • the MTJ element 10a still exhibits perpendicular magnetic anisotropy.
  • the thickness of the second protective layer 18 exceeds 2.0 nm, an in-plane magnetic film is formed, and the MTJ element 10a cannot obtain perpendicular magnetic anisotropy.
  • the second protective layer 18 becomes an in-plane magnetic film
  • a large in-plane magnetic field is equivalently applied to the recording layer 16 and the reference layer 14 having an easy axis for perpendicular magnetization due to magnetostatic interaction.
  • This in-plane magnetic field deteriorates the thermal stability ⁇ of the recording layer 16.
  • the second protective layer 18 when the third protective layer 181 does not exist, the second protective layer 18 has a thickness of about 0.6 nm or more and becomes a magnetic film.
  • the second protective layer 18 of the present embodiment is non-magnetic even in the range of 0.6 nm to 1.5 nm may be that the upper Ru diffuses into the second protective layer 18.
  • selection of the material of the 3rd protective layer 181 is important, and it is desirable to select the material which maintains the 2nd protective layer 18 nonmagneticly.
  • the oxygen composition of the first protective layer 17 needs to be close to stoichiometry, and oxygen from the first protective layer 17 is absorbed. If lost, it becomes difficult to ensure perpendicular magnetization. From this viewpoint, it is desirable that the second protective layer 18 is thick. Therefore, the second protective layer 18 is desirably thick as long as non-magnetic properties are maintained, the thickness is desirably 0.6 to 1.5 nm, and more desirably 0.6 to 1.0 nm.
  • the material of the third protective layer 181 is not limited to Ru.
  • Ru, Rh, Pd, Cu, Ir, Au, or an alloy thereof as a noble metal material Ta, Hf, W, Zr, Nb, Mo, Ti, as a base metal material, V, Cr, or alloys thereof can be used.
  • the material of the third protective layer 181 is Ru, Ti, or Pt
  • the characteristics of each MTJ element 10a not provided with the third protective layer 181 are shown in FIGS.
  • FIG. 16 shows the magnitude M of the magnetization of the recording layer 16 when an external magnetic field is applied to each MTJ element 10a in the range of ⁇ 10,000 [Oe] to +10,000 [Oe] in the direction perpendicular to each layer. [Emu / cm 2 ] is shown.
  • the MTJ element 10a in which the third protective layer 181 is formed of Ru As illustrated, the MTJ element 10a in which the third protective layer 181 is formed of Ru, the MTJ element 10a in which the third protective layer 181 is formed of Ta, the MTJ element in which the third protective layer 181 is not provided, the third The magnitude M of the magnetization increases in the order of the MTJ element 10a in which the protective layer 181 is formed of Pt.
  • the magnitude M of the magnetization changes steeply near the zero magnetic field. This indicates that CoFeB constituting the second protective layer 18 has in-plane magnetization.
  • the perpendicular magnetic anisotropy Keff ⁇ t [mJ / m 2 ] has a large value when the third protective layer 181 is formed of Ru and Ta.
  • the third protective layer 181 is formed of Pt
  • the perpendicular magnetic anisotropy Keff ⁇ t becomes slightly larger than when the third protective layer 181 is not disposed. This is because even if Pt diffuses into the second protective film 18, the effect of reducing the magnetization is small, and the magnetization of the second protective film 18 harms the perpendicular magnetization anisotropy of the recording layer 16. Because.
  • the second protective layer 18 formed of CoFeB has magnetization, and the in-plane magnetization of the recording layer 17 is large as shown in FIG. Keff: effective magnetic anisotropy energy density, t: thickness of the recording layer 16.
  • the second protective layer 18 made of a magnetic layer such as a CoFeB layer and the non-magnetic layer formed thereon are formed.
  • the MTJ element 10b including the coupling layer 21 and the ferromagnetic layer 22 formed thereon and having an in-plane magnetization opposite to the second protective layer 18 may be used.
  • the second protective layer 18 has a thickness of 0.1 to 3.5 nm, preferably 0.6 to 3.5 nm, for example.
  • the coupling layer 21 is preferably made of a material that generates a large interlayer coupling magnetic field such as Ru, Cr, or Ir.
  • antiferromagnetic coupling works between the two ferromagnetic layers having an in-plane easy magnetization axis due to magnetostatic interaction. For this reason, the same effect can be obtained by using any material as long as it is a non-magnetic material.
  • the ferromagnetic layer 22 can be made of any material such as Co, Fe, CoB, FeB, CoFeB, etc., like the reference layer 14 and the recording layer 16.
  • the film thickness of the coupling layer 21 is preferably adjusted as appropriate so as to generate antiferromagnetic interlayer coupling between the second protective layer 18 and the ferromagnetic layer 22.
  • the ferromagnetic layer 22 needs to be thicker than the second protective film 18 when using the same or smaller material as the magnetization of the CoFeB layer constituting the second protective film 18.
  • the film thickness is appropriately adjusted so that the leakage magnetic field in the in-plane direction is adjusted as small as possible.
  • the second protective layer 18 is a magnetic layer and has an easy axis of magnetization in the direction perpendicular to the plane, in the state where the magnetization direction of the recording layer 16 is opposite to the magnetization direction of the second protective layer 18, the MTJ The operation of the element 10 becomes unstable, and the state in the same direction becomes stable. This increases the asymmetry between the information retention time and the magnetization reversal current.
  • a coupling layer 21 composed of a nonmagnetic layer is laminated on the second protective layer 18, and further a second layer is formed thereon. It is effective to stack a perpendicular magnetization ferromagnetic layer 22 having a magnetization direction opposite to the magnetization direction of the protective layer 18.
  • the ferromagnetic coupling is stabilized by magnetostatic interaction. This ferromagnetic coupling increases as the size of the MTJ element 10b decreases.
  • the coupling layer 21 is made of Ru, Cr, Ir, and a material containing them, which generate a large antiferromagnetic coupling between the second protective layer 18 and the ferromagnetic layer 22 thereon. It is desirable to form. The thickness of the coupling layer 21 is appropriately adjusted so that the antiferromagnetic coupling between the second protective layer 18 and the ferromagnetic layer 22 is increased.
  • materials having perpendicular magnetization materials such as Co, CoPt alloy, CoPd alloy, FePt alloy, FePd alloy, CoFeB, and FeB are used.
  • Ferrimagnetic materials such as TbFeCo are also candidates.
  • the coupling layer 21 and the ferromagnetic layer 22 are independent of the thickness of the second protective layer 18 and regardless of whether the second protective layer 18 is a magnetic layer or a nonmagnetic layer. It may be arranged.
  • a third protective layer 181 made of Ru or the like is disposed on the second protective layer 18 made of CoFeB or the like.
  • the second protective layer 18 is a nonmagnetic film even at 0.6 to 1.0 nm, and does not affect the perpendicular magnetic anisotropy of the MTJ element 10a even at 1.5 nm. Therefore, the present invention is completely different from the technique of the above document.
  • Embodiment 3 of the present application when the second protective layer 18 is an in-plane magnetic layer, the nonmagnetic layer 21 and the ferromagnetic layer 22 are stacked on the second protective layer 18, and the second The magnetization direction of the protective layer 18 is opposite to the magnetization direction of the ferromagnetic layer 22. Thereby, the influence of the magnetization of the second protective layer 18 on the perpendicular magnetic anisotropy of the reference layer 14 and the recording layer 16 is reduced.
  • the above document does not disclose such a technique at all. Therefore, the present invention is completely different from the technique of the above document.

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Abstract

磁気トンネル接合素子（１０）は、強磁性体から構成される参照層（１４）と、Ｏを含む障壁層（１５）と、Ｃｏ又はＦｅを含む強磁性体から構成される記録層（１６）と、Ｏを含む第１の保護層（１７）と、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ又はＣｏＦｅＢの少なくとも１つを含む第２の保護層（１８）と、が積層された構成を有する。

Description

磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ
　この発明は、磁気トンネル接合素子及び磁気メモリに関する。
　特許文献１には、ＣｏＦｅＢから構成される記録層を、酸素を含む障壁層（ＭｇＯ）と保護層（ＭｇＯ）とで挟んだ構造（二重界面構造）を有するＭＴＪ素子が開示されている。二重界面構造を有するＭＴＪ素子は、特許文献２（段落００１１、図１）にも開示されている。特許文献２に開示されたＭＴＪ素子の保護層は導電性酸化物層から構成されている。特許文献２には、さらに、酸化物キャップ層３１（保護層）の上に金属キャップ層１３が形成された構成を開示している。
特開２０１４－２０７４６９号公報 国際公開第２０１３／０６９０９１号
　特許文献１及び２に記載のＭＴＪ素子は、現在の技術世代では、十分な特性を示しうる。しかし、ＭＴＪ素子がより小型化されると、十分な特性が得られなくなるおそれがある。
　この点をより詳細に説明する。ＭＴＪ素子の性能は、トンネル磁気抵抗比ＴＭＲ、熱安定性Δ、閾値電流で表される。トンネル磁気抵抗比ＴＭＲは、式ＴＭＲ＝（Ｒａｐ－Ｒｐ）／Ｒｐで表される。Ｒｐは、障壁膜に隣接する参照層と自由層の磁化が平行に配列した時のＭＴＪ素子の電流路の抵抗値，Ｒａｐは、障壁膜に隣接する参照層と自由層の磁化が反平行に配列した時の電流路の抵抗値である。また、熱安定性Δは、Ｋｅｆｆ・Ｖ／ｋＢＴにほぼ比例する。ここで、Ｋｅｆｆ：実効磁気異方性エネルギー密度，Ｖ：体積、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度である。一般に、トンネル磁気抵抗比ＴＭＲは大きい方が好適であり、また、熱安定性Δを閾値電流で除した値が大きいほど好適である。
　ＭＴＪ素子を大容量記憶素子として使用するためには、１０年以上のデータ保持期間が必要である。このデータ保持期間を確保するためには、８０以上の熱安定性Δが必要となる。しかし、８０以上の熱安定性Δを確保することは容易ではない。一例として、ＣｏＦｅＢから形成される強磁性電極とＭｇＯ層の磁気トンネル接合の接合面を円形とした場合の、接合面のサイズ（直径）と熱安定性Δ＝８０を確保するために必要となる界面磁気異方性との関係を図１９に示す。
　図１９に示すように、接合面のサイズの縮小により、熱安定性Δ＝８０を確保するために必要となる界面磁気異方性は増大する。特に、接合面のサイズが３０ｎｍ以下になると、熱安定性Δ＝８０を確保するために必要となる界面磁気異方性は急激に上昇する。接合面のサイズが２０ｎｍ以下になると、２．５［ｍＪ／ｍ２］以上の界面磁気異方性が必要となる。
　しかし、特許文献１、２に開示された構成では、このような大きな界面磁気異方性を得ることはできない。
　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より熱安定性の高い磁気トンネル接合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、本発明の磁気トンネル接合素子は、
　強磁性体から構成される参照層と、
　Ｏを含む障壁層と、
　Ｃｏ又はＦｅを含む強磁性体から構成される記録層と、
　Ｏを含む第１の保護層と、
　Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ又はＣｏＦｅＢの少なくとも１つを含む第２の保護層と、
　が積層して構成されている。
　前記第２の保護層は、例えば、Ｐｔ又はＲｕを少なくとも１つ含む層から構成され、０．３～３．５ｎｍの厚さを有する。
　前記第２の保護層は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ又はＣｏＦｅＢを少なくとも１つを含む層から構成され、０．１～３．５ｎｍの厚さを有する。
　例えば、前記参照層と前記障壁層との接合面、前記障壁層と前記記録層との接合面、前記記録層と前記第１の保護層との接合面、の少なくとも１つは、直径３０ｎｍの円の面積よりも小さな接合面である。
　前記記録層は、例えば、接触している障壁層又は第１の保護層との界面の磁気異方性に起因して、磁化の方向が界面に垂直である。
　前記磁気トンネル接合素子は、前記第２の保護層の上に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金を含む第３の保護層を備えてもよい。
　前記第２の保護層は、例えば、０．６～１．５ｎｍの厚さを有する。
　前記第２の保護層は、０．６～１．０ｎｍの厚さを有することが望ましい。
　前記第２の保護層は非磁性体であることが望ましい。
　例えば、前記第２の保護層は磁性を有し、前記磁気トンネル接合素子は、前記第２の保護層の上に形成された非磁性層と、前記非磁性層の上に形成され、前記第２の保護層の磁化の方向と平行で反対方向に磁化された強磁性層と、をさらに備えてもよい。
　前記第２の保護層は、例えば、０．６～３．５ｎｍの厚さを有する。
　前記強磁性層は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｔ合金、ＦｅＰｄ合金、フェリ磁性体の少なくとも１つを含む。
　この発明に係る磁気メモリは、
　上述の記載の磁気トンネル接合素子から構成された記憶セルと、
　前記記憶セルを選択してデータを書き込む書き込み回路と、
　前記記憶セルを選択してデータを読み出す読み出し回路と、
　を備える。
　本発明によれば、熱安定性の高い磁気トンネル接合素子とそれを用いた磁気メモリを得ることができる。
本発明の実施の形態１に係る磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）の積層構造を示す図である。 実施の形態１に係るＭＴＪ素子の磁気トンネル接合面の形状を示す図である。 図１に示すＭＴＪ素子の実際の素子構造の例を示す図である。 図１に示す第２の保護層の種類と磁気トンネル接合面の磁気異方性の関係を示す図である。 実施の形態１に係るＭＴＪ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、ＭＴＪ素子の障壁層に隣接する記録層と参照層の磁化の平行状態（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。 図１に示すＭＴＪ素子の変形例を示す図である。 図１に示すＭＴＪ素子の変形例を示す図である。 図１に示すＭＴＪ素子の変形例を示す図である。 図１に示すＭＴＪ素子の変形例を示す図である。 図１に示すＭＴＪ素子の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るＭＴＪ素子の構造を示す図である。 図１２に示すＭＴＪ素子の第２の保護層の膜厚と飽和磁化の大きさとの関係を示す図である。 （ａ）～（ｅ）は、図１２に示すＭＴＪ素子の層面に垂直に磁界を印加したときの磁界の強度と記録層の磁化の大きさとの関係を、第２の保護層の膜厚毎に示す図である。 （ａ）～（ｅ）は、図１２に示すＭＴＪ素子の層面に垂直に磁界を印加したときの磁界の強度とＭＴＪ素子の磁化の大きさとの関係を、第２の保護層の膜厚毎に示す図である。 図１２に示すＭＴＪ素子の第２の保護層を異なる材料で形成し、層面に垂直に磁界を外部から印加したときの、印加磁界の強度と記録層の磁化の大きさとの関係を示す図である。 図１２に示すＭＴＪ素子の第３の保護層を異なる材料で形成したときの、第３の保護層の有無と材質と記録層の磁気異方性と膜厚の積（Ｋeff・ｔ）との関係を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るＭＴＪ素子の構造を示す図である。 磁気トンネル接合のサイズと、熱安定性＝８０を確保するために必要な界面磁気異方性の大きさとの関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態に係る磁気トンネル接合素子とそれを用いた磁気メモリを説明する。
　（実施の形態１）
　本実施形態に係る磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｕｎｎｅｌ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子）１０は、高い界面磁気異方性を示す磁気トンネル接合を有する。ＭＴＪ素子１０は、図１に示すように、参照層１４と、障壁層１５と、記録層１６と、第１の保護層１７と、第２の保護層１８とがこの順番で積層された構造を備える。なお、図１では上から第２の保護層１８、第１の保護層１７、記録層１６、障壁層１５、参照層１４の順番となっているが、上下逆でも構わない。他の図面についても同様である。
　参照層（固定層）１４は、厚さ１．０ｎｍのＣｏＦｅＢの層から構成され、磁化の方向が、界面に垂直な一方向に固定されている。
　障壁層１５は、厚さ１ｎｍ程度のＭｇＯの層から構成される。
　記録層（自由層）１６は、厚さ１．８ｎｍのＦｅＢの層から構成され、磁化の方向が界面に垂直な方向で、スピン注入書き込みにより、その向きが変化する。なお、記録層１６の厚さは１．８ｎｍに限らず、１．８ｎｍ～４ｎｍにあることが好ましい。
　第１の保護層１７（キャップ層）は、厚さ１．２ｎｍのＭｇＯの層から構成される。
　第２の保護層（キャップ層）１８は、１ｎｍの厚さに形成され、非結晶系の材料としてＣｏＦｅＢ、結晶系の材料としてＲｕ、Ｐｔから構成される。第２の保護層１８は、スパッタリングにより形成されている。なお、第２の保護層１８の厚さは１ｎｍに限らず、１ｎｍ～４ｎｍの範囲にあることが好ましい。
　参照層１４と障壁層１５との界面、及び、障壁層１５と記録層１６との界面は、磁気トンネル接合Ｊを構成する。磁気トンネル接合Ｊは、図２に示すように、ほぼ円形の接合面を有し、その直径Ｄは３０ｎｍ以下が好ましい。記録層１６と第１の保護層１７との界面も、図２に示すように、ほぼ円形の接合面を有しており、その直径Ｄが３０ｎｍ以下であることが好ましい。
　あるいは、参照層１４と障壁層１５との界面、障壁層１５と記録層１６との界面、記録層１６と第１の保護層１７との界面の少なくとも１つが直径Ｄが３０ｎｍ以下のほぼ円形の接合面を有していてもよい。接合面は円形でなくてもよく、その場合は接合面の実効的な面積が直径３０ｎｍの円の面積よりも小さい方が好ましい。
　実際のＭＴＪ素子１０は、図３に示すように、基板１１と、基板１１の上に形成された下部電極層１２と、下部電極１２の上に形成された下地層１３を備える。下地層１３の上に、参照層１４から第２の保護層１８が、順番に形成されている。第２の保護層１８の上に、上部電極層１９が形成されている。
　図３では基板１１は、Ｓｉ層と、その上に形成されたＳｉＯ２層から構成されている。本実施形態に係るＭＴＪ素子１０を用いて磁気メモリを作製する場合、基板１１はトランジスタや多層の配線層を含んだ構造を有する。
　下部電極層１２は、Ａｕ等の導体の層から構成される。
　下地層１３は、厚さ５ｎｍ程度のＴａの層から構成される。下地層１３は、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕなどの金属材料、それらの合金などから構成されてもよい。下地層１３は、複数の金属材料の層を積層した構造、例えばＴａ層／Ｒｕ層／Ｔａ層といった構造であってもよい。下地層１３は、ＭＴＪ素子１０の層を形成する下地となる層であり、表面が平坦に形成されている。
　上部電極層１９は、Ａｕ等の導電層から構成される。また、ＴａやＴｉやそれらの化合物などの材料も用いられる。
　図１～図３に示す構成を有するＭＴＪ素子１０は、第２の保護層１８の材質をＰｔ，Ｒｕ又はＣｏＦｅＢとすることにより、高い界面磁気異方性を得ている。この点について、具体的に説明する。
　図４は、第２の保護層１８を、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＣｏＦｅＢで１ｎｍの厚さに成膜し、且つ、記録層１６をＦｅＢで１．８ｎｍ～４ｎｍの厚さに成膜したときの、ＭＴＪ素子１０の、障壁層１５と記録層１６との接合面Ｊの界面磁気異方性の強度を示す。なお、第２の保護層１８は、例えば、スパッタリングで成膜され、その後のアニール温度は３００℃である。
　図示するように、第２の保護層１８をＴａ又はＷで形成した場合には、接合面Ｊの界面磁気異方性の値は約１．８～１．９［ｍＪ／ｍ２］である。これに対し、第２の保護層１８をＰｔ、Ｒｕ又はＣｏＦｅＢで形成した場合は、接合面Ｊの界面磁気異方性はおよそ２．５［ｍＪ／ｍ２］以上である。
　このことから、第２の保護層１８がＰｔ、Ｒｕ又はＣｏＦｅＢで形成されたＭＴＪ素子１０の接合面Ｊの界面磁気異方性は、第２の保護層１８がＴａ又はＷで形成されたＭＴＪ素子１０の接合面Ｊの界面磁気異方性の値よりも大きい、ことが判明した。
　図１９を参照して説明したように、熱安定性Δ＝８０を確保できる界面磁気異方性の値は、トンネル接合面Ｊの直径Ｄが小さくなるに従って、大きくなる。特に、直径Ｄが３０ｎｍより小さくなると急激に大きくなる。磁気トンネル接合面Ｊの直径Ｄが４０ｎｍの場合には、第２の保護層１８としてＴａやＷを用いても十分な熱安定性Δが得られる。しかし、磁気トンネル接合面Ｊが小さくなり、例えば、磁気トンネル接合面Ｊの直径Ｄが３０ｎｍや２０ｎｍの場合には、ＴａやＷを第２の保護層１８として用いると熱安定性Δが不足する。
　一方、第２の保護層１８として、ＰｔやＲｕ、ＣｏＦｅＢを用いた場合には、２．５［ｍＪ／ｍ２］以上の界面磁気異方性が得られる。従って、直径Ｄが２０ｎｍ程度の磁気トンネル接合面Ｊでも十分な熱安定性Δを得ることが可能である。上述したように、本実施形態のＭＴＪ素子１０は、第２の保護層１８としてＰｔやＲｕ、ＣｏＦｅＢを用いており、２．５［ｍＪ／ｍ２］以上の界面磁気異方性が得られ、直径Ｄが３０ｎｍ以下で、例えば、直径Ｄ＝２０ｎｍ程度の磁気トンネル接合面Ｊでも十分な熱安定性Δを得ることが可能である。これにより、磁気トンネル接合を用いた集積回路やメモリを高性能化することも可能である。
　ＴａやＷなどの材料を第２の保護層１８として用いた場合に界面磁気異方性が低くなる理由は、第２の保護層１８が直下の第１の保護層１７を構成しているＭｇＯ層にダメージを与えるためである。ＭｇＯ層にダメージを与えてしまう物理的な原因は、第２の保護層を構成する物質と酸素との親和性が関係している。ＴａやＷは、酸素との親和性が高く（酸化物を生成するエネルギーが小さく）、室温で安定な酸化物を形成する。したがって、スパッタリングによりＴａやＷで第２の保護層１８を形成する際に、堆積されたＴａやＷが第１の保護層１７を構成しているＭｇＯ中の酸素と反応し、ＭｇＯ層にダメージを与える。一方、Ｐｔ、Ｒｕ、ＣｏＦｅＢは、酸素との親和性が低い。このために、第２の保護層１８を形成する過程で、堆積されたＰｔ、Ｒｕ、ＣｏＦｅＢは、第１の保護層１７を構成しているＭｇＯにダメージを与えることなく、薄膜を形成できる。
　次に、上記構成を有するＭＴＪ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５を参照して説明する。
　図５に示すように、磁気メモリ回路１００は、ＭＴＪ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、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ＭＴＪ素子１０の下部電極層１２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、ＭＴＪ素子１０の上部電極層１９は、ビット線ＢＬに接続されている。
　ワード線ＷＬは、Ｘドライバ（ワード線ドライバ）１０１に、ビット線ＢＬは、Ｙドライバ（ビット線ドライバ）１０２とセンスアンプ１０３とに接続され、ソース線ＳＬは、ソース線ドライバ１０４に接続されている。
　ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、Ｘドライバ１０１、Ｙドライバ１０２、ソース線ドライバ１０４は、メモリセル（ＭＴＪ素子１０）を選択してデータを書き込む書き込み回路として機能し、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、Ｘドライバ１０１、センスアンプ１０３、ソース線ドライバ１０４は、メモリセルを選択して記憶データを読み出す読み出し回路として機能する。
　図６（Ａ）に示すように、参照層１４の磁化Ｍｆの方向と記録層１６の磁化Ｍｒの方向が互いに平行で同一方向（Ｐ状態）のとき、下部電極層１２と上部電極層１９との間が低抵抗になる。このときＭＴＪ素子１０は低抵抗になる。一方、図６（Ｂ）に示すように、反平行（平行で反対方向：ＡＰ状態）のときＭＴＪ素子１０は高抵抗になる。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。
　ＭＴＪ素子１０に情報を書き込む場合、Ｘドライバ１０１は書き込み対象のＭＴＪ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、Ｙドライバ１０２とソース線ドライバ１０４は、書き込み対象のＭＴＪ素子１０に接続されたビット線ＢＬとソース線ＳＬとの間に印加する電圧を調整して、ＭＴＪ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１６から参照層１４に流れるとき、記録層１６の磁化Ｍｒは参照層１４の磁化Ｍｆに対して同一方向になり、「０」が書き込まれ、書き込み電流Ｉｗが参照層１４から記録層１６に流れるとき、記録層１６の磁化Ｍｒは参照層１４の磁化Ｍｆに対して反対方向になり、「１」が書き込まれる。
　一方、読み出し時には、Ｘドライバ１０１は、ワード線ＷＬに選択電圧を印加して読み出し対象のＭＴＪ素子１０に接続された選択トランジスタ２０をオンし、Ｙドライバ１０２とソース線ドライバ１０４は、読み出し対象のＭＴＪ素子１０に接続されたビット線ＢＬとソース線ＳＬの間に読み出し電圧を印加する。読み出し電圧の印加により、ＭＴＪ素子１０に、その抵抗値に応じた電流が流れる。センスアンプ１０３は、この電流を電圧に変換することで、記録されているデータを読み出す。
　以上説明したように、本実施の形態に係るＭＴＪ素子１０は、参照層１４と記録層１６との間に障壁層１５を備え、記録層１６の上に第１の保護層１７を備え、さらに、第１の保護層１７の上に第２の保護層１８を備えている。そして、第２の保護層１８が、第１の保護層１７にダメージを与えないため、大きな磁気異方性が得られ、高い熱安定性が得られる。
　なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。
　参照層１４として、１．０ｎｍのＣｏＦｅＢ層を使用したが、その厚さは任意である。ただし、界面磁気異方性に起因する垂直磁化を利用するためには、５ｎｍ、望ましくは３ｎｍ以下、さらに、望ましくは、１．６ｎｍ以下の厚さとする。これにより、界面磁気異方性に起因する垂直磁化が参照層１４の磁化の主要部となる。
　参照層１４の材質も、Ｃｏ又はＦｅを含んでいればよく、Ｂを含まなくてもよい。さらに、ＦｅＰｔ、ＴｂＴｅＣｏ等、従来から知られている垂直磁気異方性材料でもよい。
　さらに、参照層１４は、単層である必要はなく、積層膜でもよい。例えば、Ｃｏ膜とＰｔ膜の積層膜、Ｎｉ膜とＣｏ膜の積層膜、さらにそれらの多層膜、積層フェリ構造等を参照層１４として使用することも可能である。
　障壁層１５として、１．２ｎｍのＭｇＯ層を使用したが、その厚さは、１０ｎｍ以下、特に５ｎｍ以下が望ましい。また、その材質はＭｇＯに限定されず、酸素を含み、磁気トンネル接合を生成するＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２，ＭｇＺｎＯなど他の材質でもよい。
　記録層１６として、１．８～４．０ｎｍのＦｅＢ層を使用したが、その厚さは任意である。ただし、界面磁気異方性に起因する垂直磁化を利用するためには、５ｎｍ、望ましくは３ｎｍ以下、さらに、望ましくは、１．６ｎｍ以下の厚さとする。これにより、界面磁気異方性に起因する垂直磁化が記録層１６の磁化の主要部となる。
　記録層１６の材質は、ＦｅＢに限られず、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢを少なくとも１つ含めばよい。さらに、微量の他の元素を含んでいてもよい。その厚さも任意である。
　さらに、記録層１６の材質は、ＣｏＦｅＢＭ（ここでＭはＮｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｓｉ又はＶを少なくとも１つ含む）などを利用できる。
　記録層１６は、単層である必要はなく、積層膜を記録層１６として使用することも可能である。例えば、Ｆｅを含む層と、ＦｅＢ又はＣｏＢを含む層との積層膜を記録層１６として使用することが可能である。この場合、隣接する障壁層１５又は第１の保護層１７を構成するＭｇＯとＢを含む層（ＦｅＢ，ＣｏＢなど）が隣接しないように配置することが望ましい。
　例えば、ＭｇＯ層（１５又は１７）、Ｆｅ層、ＣｏＦｅＢ層、ＭｇＯ層（１７又は１５）という配置構成、ＭｇＯ層（１５）、Ｆｅ層、ＣｏＦｅＢ層、Ｆｅ層、ＭｇＯ層（１７）という配置構成等を採用することが望ましい。これは、高い界面磁気異方性を得るためには、ＭｇＯとの界面には、Ｂが極力存在しない方が望ましいからである。
　第１の保護層１７として、１．２ｎｍのＭｇＯ層を使用したが、その厚さは５．０ｎｍ以下、３．０ｎｍ以下が望ましい。第１の保護層１７の材質は、ＭｇＯ以外でも、酸素を含めばよく、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＭｇＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５などの絶縁物を使用してもよい。
　また、第１の保護層１７の材質として、ＲｕＯ２、Ｖｏ２、ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＴａＯ２などの導電性酸化物を使用してよい。第１の保護層１７を構成する導電性酸化物は、例えば、ＲｕＯ２、ＶＯ２、ＣｒＯ２、ＮｂＯ２、ＭｏＯ２、ＷＯ２、ＲｅＯ２、ＲｈＯ２、ＯｓＯ２、ＩｒＯ２、ＰｔＯ２、Ｖ３Ｏ５、Ｔｉ３Ｏ５などのルチル－ＭｏＯ２型酸化物を含んでいてもよい。あるいは、第１の保護層１７を構成する導電性酸化物は、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ、ＬａＯ、ＮｄＯ、ＳｍＯ、ＥｕＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＮｉＯなどのＮａＣｌ型酸化物を含んでいてもよい。
　第１の保護層１７を構成する導電性酸化物膜は、ＬｉＴｉ２Ｏ４、ＬｉＶ２Ｏ４、Ｆｅ３Ｏ４などのスピネル型酸化物を含んでいてもよい。あるいは、第１の保護層１７を構成する導電性酸化物膜は、ＲｅＯ３、ＣａＣｒＯ３、ＳｒＣｒＯ３、ＢａＭｏＯ３、ＳｒＭｏＯ３、ＣａＭｏＯ３、ＬａＣｕＯ３、ＣａＲｕＯ３、ＳｒＶＯ３、ＢａＴｉＯ３などのペロブスカイト－ＲｅＯ３型酸化物を含んでいてもよい。
　第１の保護層１７を構成する導電性酸化物層は、Ｔｉ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ３、Ｒｈ２Ｏ３などのコランダム型酸化物を含んでいてもよい。あるいは、第１の保護層１７を構成する導電性酸化物層は、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｃｕ２Ｏ、Ａｇ２Ｏ、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３のである酸化物半導体を含んでいてもよい。
　記録層１６は、第１の保護層１７との界面において界面磁気異方性が生じるように酸素を含む膜を適宜選択できる。
　また、第１の保護層１７の膜厚は、障壁層１５の膜厚以下に形成されることが望ましい。
　第２の保護層１８として、Ｐｔ，Ｒｕ，ＣｏＦｅＢの１．０ｎｍの層を使用したが、その厚さは任意である。ただし、厚すぎると、磁気トンネル接合の加工が困難となる。一方、薄すぎると、その効果を発揮できなくなる。このため、Ｐｔ，Ｒｕの場合は、第２の保護層１８の厚さを３．５ｎｍ以下、好ましくは０．３～３．０ｎｍ、さらに好ましくは、０．５～２．０ｎｍとすることが望ましい。また、ＣｏＦｅＢの場合には、第２の保護層１８の厚さを３．５ｎｍ以下、好ましくは０．１～３．０ｎｍ、さらに好ましくは、０．１～１．０ｎｍとすることが望ましい。
　また、第２の保護層１８は、単層である必要はなく、積層構造としてもよい。例えば、ＣｏＦｅＢとＰｔとＲｕの積層構造としたり、ＰｔとＲｕの交互積層とする等してもよい。
　さらに、第２の保護層１８は、Ｐｔ，Ｒｕ，ＣｏＦｅＢの層以外にも、Ｃｏ，Ｆｅ，ＣｏＢ，ＦｅＢを主要構成として含む層であってもよい。これらの材料は、Ｐｔ等と同様に、隣接して配置される第１の保護層１７を構成するＭｇＯにダメージを与えづらいからである。Ｃｏ、Ｆｅ，ＣｏＢ又はＦｅＢを含む層の場合についても、ＣｏＦｅＢを含む層と同様に、第２の保護層１８の厚さを３．５ｎｍ以下、好ましくは０．１～３．０ｎｍ、さらに好ましくは、０．１～１．０ｎｍとすることが望ましい。
　また、第２の保護層１８におけるＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＢ，ＦｅＢ等の層は、磁性層としてではなく隣接する第１の保護層に対する保護層として機能する。従って、第２の保護層１８は、界面磁気異方性の値Ｋｉには影響を与えないように膜厚等を調整して形成することが望ましい。このため、例えば、第２の保護層１８を記録層１６よりも薄く形成することが望ましい。
　また、基板１１を、Ｓｉ層とＳｉＯ２層の積層体としたが、基板の材質・厚さは任意である。下部電極層１２、上部電極層１９の材質としてＡｕを例示したが、Ａｌ等他の任意の導体を使用可能である。
　上記実施の形態では、強磁性体層からなる参照層１４、記録層１６を備えるＭＴＪ素子１０を例示したが、各強磁性体層は複数層でもよい。例えば、図７に例示するように、図１の記録層１６を、記録層１６Ａと１６Ｂの２層構造とし、間に薄い非磁性結合層１７Ｂ、例えば、０．１～１．０ｎｍ程度のＴａ層を配置する等してもよい。非磁性結合層１７Ｂの材料としては、Ｔａの他、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ，Ｎｂ、Ｍｏ，Ｔｉ、Ｍｇ，ＭｇＯ等がある。なお図７の１７Ａは第１の保護層である。
　また、図８に例示するように、図１の参照層１４を、参照層１４Ａと１４Ｂの２層構造とし、間に薄い非磁性結合層１５Ｂ、例えば、０．１～１．０ｎｍ程度のＴａ層を配置する等してもよい。非磁性結合層１５Ｂの材料としては、Ｔａの他、Ｗ、Ｈｆ、Ｚｒ，Ｎｂ、Ｍｏ，Ｔｉ、Ｍｇ，ＭｇＯ等がある。なお、図８の１５Ａは障壁層である。さらに、図９に例示するように、記録層（１６Ａ，１６Ｂ）、参照層（１４Ａ，１４Ｂ）の両方に非磁性結合層１７Ｂ，１５Ｂを用いる構成にしてもよい。
　また、前述したように、参照層１４として積層フェリ構造を使用することが可能であり、その例を図１０に示す。図１０に示す例では、参照層１４は、参照層１４Ａと結合層１４Ｃと参照層１４Ｂとが積層された積層構造を有する。参照層１４Ａと１４Ｂとは強磁性体層からなる。参照層１４以外の構成については、図８と同様である。
　参照層１４Ａと１４Ｂとは、結合層１４Ｃによって反強磁的に結合している。結合層１４Ｃとして例えばＲｕを使用することができる。積層フェリ構造を使用することで、記録層１６に印加される参照層１４からの磁界を減少させることが可能であり、その結果、０状態と１状態の熱安定性の非対称性を小さくすることが出来る。
　上述の多層構造の例では、参照層と記録層を２層構造とする例を示したが、３層構造以上であってもよい。
　図２に例示する磁気トンネル接合Ｊも、円形に限定されない。楕円形でも、方形などでもよい。なお、この場合の、磁気トンネル接合のサイズとしては、実効面積が等しい円形の磁気トンネル接合Ｊの直径Ｄを採用すればよい。
　以上の説明では、垂直磁化型のＭＴＪ素子について説明した、図１１に示すような面内磁化方式のＭＴＪ素子にも本願発明を適用可能である。
　面内磁化方式の場合も、Ｐｔ、Ｒｕ、ＣｏＦｅＢ等から構成される第２の保護層をＭＴＪ素子に適用すると、界面磁気異方性による垂直磁気異方性成分を増加させることで、スピン注入磁化反転の時に記録層の磁化を面直方向へ傾けることが助長できる。従って、面内磁化ＭＴＪ素子のスピン注入磁化反転の効率を高めることができる。
　本発明におけるＭＴＪを微細化した際に熱安定性を増加させる保護層は、初めにＳＴＴ磁化反転に基づくＭＴＪ素子において見出したものである。ただし、磁壁移動素子、電界誘起による磁気異方性を変調する素子、及びスピン軌道トルクを利用した素子などを微細化したときにもこの保護膜技術は有効である。
（実施の形態２）
　段落００６８に記載したように、第２の保護層１８は、磁性層としてではなく隣接する第１の保護層１７を保護する保護層として機能する。また、第２の保護層１８は、界面磁気異方性の値には影響を与えないこと、即ち、非磁性体であることが望ましい。
　しかし、第２の保護層１８がＣｏＦｅＢ（又はＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ等）から形成される場合、ＣｏＦｅＢは膜厚が小さい場合は非磁性であるが、膜厚が厚くなると磁化を持つ。このため、膜厚を厚くしたときに第２の保護層１８を非磁性に維持することは困難である。ＣｏＦｅＢから形成された第２の保護層１８を非磁性層に維持するためには、段落００６６に記載したように、第２の保護層１８の上にＲｕ等から構成された第３の保護層を配置することが有効である。以下、第２の保護層１８の上にＲｕの第３の保護層１８１を配置した構成を有するＭＴＪ素子１０ａについて説明する。
　ＭＴＪ素子１０ａは、図１２に示すように、ＣｏＦｅＢから構成された第２の保護層１８の上に１ｎｍ程度のＲｕから構成された第３の保護層１８１を備える。
　この構成によれば、第３の保護層１８１中のＲｕ原子と第２の保護層１８中の原子が相互に拡散する。このため、第２の保護層１８単体の場合比較して、第２の保護層１８が磁性層になりにくい、換言すれば、非磁性層になりやすいという特性を有する。また、第３の保護層１８１が、第１の保護層１７を構成するＭｇＯからＯが脱離することを防止し、さらに、上層の材料が第１の保護層１７に拡散することを防止することで、ＭＴＪ素子１０ａの磁気特性が劣化することを防止することができる。
　図１２に示す構成を有するＭＴＪ素子１０ａの第２の保護層１８の膜厚（０．５ｎｍ～２．０ｎｍ）とＭＴＪ素子１０ａの飽和磁化Ｍｓの大きさとの関係を図１３に示す。なお、図１３の横軸は、第２の保護層１８の厚さ、縦軸はＭＴＪ素子１０ａの飽和磁化Ｍｓの大きさ［Ｔ・ｎｍ］を示す。
　図１３に示すように、第２の保護層１８の厚さが０（即ち存在しない場合）のＭＴＪ素子１０ａの飽和磁化Ｍｓは、１０．９［Ｔ・ｎｍ］程度であり、第２の保護層１８の厚さが０．５、１．０ｎｍでも、飽和磁化Ｍｓの大きさはほぼ同様である。一方、第２の保護層１８の厚さが１．５ｎｍと２．０ｎｍでは、飽和磁化Ｍｓの大きさは膜厚の増加と共に増加する。すなわち、第２の保護層１８は厚さが１．５ｎｍ以上では磁性を有する。
　次に、厚さの異なる第２の保護層１８を備える５つのＭＴＪ素子１０ａに、各層の膜面に垂直に磁界を印加したときの記録層１６と参照層１４の磁化曲線を図１４と図１５に示す。
　図１４（ａ）～（ｅ）は、外部磁界を－４００［Ｏｅ］～＋４００［Ｏｅ］の範囲で変化させたときの記録層１６の磁化曲線を示す。各図の横軸は、外部磁界の強度［Ｏｅ］、縦軸は、磁化の大きさ［ｅｍｕ／ｃｍ２］を示す。図１４（ａ）～（ｄ）に示すように、第２の保護層１８の厚さが０．０～１．５ｎｍの範囲では、磁化曲線は良好な角型を示している。一方、図１４（ｅ）に示すように、第２の保護層１８の厚さが２．０ｎｍでは、磁化曲線の角型は悪化している。これは、ＭＴＪ素子１０ａの垂直磁気異方性に第２の保護層１８の面内の磁気異方性の成分が混じっていることを示している。
　図１５（ａ）～（ｅ）は、外部磁界を－１０，０００［Ｏｅ］～＋１０，０００「Ｏｅ］の範囲で変化させたときの参照層１４の磁化曲線を示す。各図の横軸は、外部磁界の強度［Ｏｅ］、縦軸は、磁化の大きさ［ｅｍｕ／ｃｍ２］を示す。図示するように、第２の保護層１８の厚さが１．５ｎｍ以下では、外部磁界が０［Ｏｅ］付近で磁化が変化しない領域（プラトー領域）が存在する。これに対し、第２の保護層１８の厚さが２．０ｎｍのときは、外部磁界が０［Ｏｅ］付近でプラトー領域が存在しない。これは、垂直磁気異方性に面内の磁気異方性の成分が混じっていることを示している。
　以上説明したように、第２の保護層１８（ＣｏＦｅＢ等）は厚さが０～１．５ｎｍで非磁性であり、ＭＴＪ素子１０ａは、垂直磁気異方性を示す。また、第２の保護層１８は厚さが１．５ｎｍでは磁性を有するが、図１４，図１５で示したように、ＭＴＪ素子１０ａは依然として垂直磁気異方性を示す。そして、第２の保護層１８が厚さ２．０ｎｍを越えると面内磁性膜となり、ＭＴＪ素子１０ａは垂直磁気異方性が得られない。第２の保護層１８は、面内磁性膜になると、静磁気的な相互作用により、等価的に垂直磁化容易軸を有する記録層１６及び参照層１４に大きな面内磁界が印加される。この面内磁界は、記録層１６の熱安定性Δを劣化させる。そうすると、ＭＴＪ素子１０ａが垂直磁気異方性を有するように、第２の保護層１８の厚さを１．５ｎｍ以下とすることが望ましい。
　ところで、第３の保護層１８１が存在しない場合には、第２の保護層１８は、その厚さがおおむね０．６ｎｍ程度以上で磁性膜となる。本実施形態例の第２の保護層１８が０．６ｎｍ～１．５ｎｍでも非磁性となる理由の１つとしては、上層のＲｕが第２の保護層１８に拡散することが考えられる。このため、第３の保護層１８１の材質の選択が重要であり、第２の保護層１８を非磁性に維持する材料を選択することが望ましい。
　なお、参照層１４及び記録層１６に大きな垂直磁化異方性を得るためには、第１の保護層１７の酸素組成が化学量論に近い必要があり、第１の保護層１７から酸素が失われると、垂直磁化の確保が難しくなる。この観点からは、第２の保護層１８は厚い方が望ましい。そこで、第２の保護層１８は、非磁性を維持する範囲で厚いことが望ましく、厚さが０．６～１．５ｎｍが望ましく、０．６～１．０ｎｍがより望ましい。
　なお、第３の保護層１８１の材質は、Ｒｕに限定されない。第３の保護層１８１の材料として、貴金属の材料としてＲｕ，Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ａｕ、又はこれらの合金、卑金属系の材料としてＴａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金を使用できる。なお、ＭｇＯ層からの酸素の脱離を防止する観点からは、貴金属系の材料の使用が望ましい。
　一例として、第３の保護層１８１の材質をＲｕ、Ｔｉ又はＰｔとしたときと、第３の保護層１８１を設けない各ＭＴＪ素子１０ａの特性を図１６と図１７に示す。
　図１６は、各ＭＴＪ素子１０ａに、各層と垂直な方向に－１０，０００［Ｏｅ］～＋１０，０００［Ｏｅ］の範囲で外部磁界を印加したときの、記録層１６の磁化の大きさＭ［ｅｍｕ／ｃｍ２］を示す。
　図示するように、第３の保護層１８１をＲｕで形成したＭＴＪ素子１０ａ、第３の保護層１８１をＴａで形成したＭＴＪ素子１０ａ、第３の保護層１８１を設けていないＭＴＪ素子、第３の保護層１８１をＰｔで形成したＭＴＪ素子１０ａの順で、磁化の大きさＭが大きくなっている。
　また、第３の保護層１８１をＰｔで形成したＭＴＪ素子１０ａでは、０磁界付近で急峻に磁化の大きさＭが変化している。これは、第２の保護層１８を構成するＣｏＦｅＢが面内の磁化を持っていることを示している。
　また、図１７に示すように、垂直磁気異方性Ｋｅｆｆ・ｔ［ｍＪ／ｍ２］は、第３の保護層１８１をＲｕ、Ｔａで形成したときに、大きい値が得られている。一方、第３の保護層１８１がＰｔで形成されたときには、第３の保護層１８１が配置されていないときよりも、わずかしか、垂直磁気異方性Ｋｅｆｆ・ｔは大きくならない。これは、Ｐｔは第２の保護膜１８に拡散しても、その磁化を低減する効果が小さく、第２の保護膜１８の磁化が記録層１６の垂直磁化異方性に害を与えているからである。ただし、この場合、ＣｏＦｅＢから形成される第２の保護層１８は、磁化を持っており、図１６に示すように、記録層１７の面内磁化は大きくなっている。なお、Ｋｅｆｆ：実効磁気異方性エネルギー密度，ｔ：記録層１６の厚さである。
（実施の形態３）
　第２の保護層１８が磁性層で且つ面内方向に磁化容易軸がある場合、静磁気的な相互作用により、垂直磁化容易性を有する記録層１６に大きな面内磁界が印加される。印加された面内磁界は、記録層１６の熱安定性Δを劣化させ、ＭＴＪ素子の性能を劣化させる。
　このような面内磁界を減少させるためには、図１８に示すように、ＣｏＦｅＢ層などの磁性層から構成された第２の保護層１８と、その上に形成され、非磁性層から構成された結合層２１と、その上に形成され、第２の保護層１８とは逆向きの面内磁化を有する強磁性層２２を備えるＭＴＪ素子１０ｂを用いればよい。
　この場合、第２の保護層１８は、例えば、０．１～３．５ｎｍ、望ましくは、０．６～３．５ｎｍの厚さを有する。
　なお、結合層２１には、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｉｒといった大きな層間結合磁界を発生させる材料が好適である。ただし、面内磁化容易軸を有する２つの強磁性層の間には、静磁気的な相互作用により、反強磁性結合が働く。このため、非磁性材料であればどのような材料を用いても同様の効果が得られる。また、強磁性層２２は、参照層１４、記録層１６等と同様に、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ等の任意の材料を使用可能である。
　結合層２１の膜厚は、第２の保護層１８と強磁性層２２との間に反強磁性的な層間結合を発生させるように適宜調整されることが望ましい。また、強磁性層２２は、第２の保護膜１８を構成するＣｏＦｅＢ層の磁化と同じもしくは小さい材料を用いる場合には、第２の保護膜１８よりも厚い膜厚が必要となる。一方、第２の保護層１８の磁化よりも大きな材料を用いる場合には、膜厚を適宜調整して、面内方向の漏洩磁界が出来るだけ小さくなるように適宜、調整される。 
　第２の保護層１８が磁性層で面直方向に磁化容易軸がある場合、記録層１６の磁化の方向が第２の保護層１８の磁化の方向に対して逆向きとなる状態では、ＭＴＪ素子１０の動作が不安定となり、同方向の状態は安定となる。このため、情報保持時間と磁化反転電流の非対称性が大きくなる。
　この問題を解決するためには、上述した面内磁化を用いる場合と同様に、第２の保護層１８の上に非磁性層から構成される結合層２１を積層し、更にその上に第２の保護層１８の磁化の方向と逆向きの磁化の方向を持つ垂直磁化の強磁性層２２を積層することが有効である。但し、面内磁化の場合とは異なり、垂直磁化の場合には静磁気的な相互作用により強磁性結合が安定となる。この強磁性結合はＭＴＪ素子１０ｂのサイズが小さくなると大きくなる。したがって、面内磁化を用いる場合と異なり、第２の保護層１８とその上の強磁性層２２の間に大きな反強磁性結合を生じるＲｕ、Ｃｒ、Ｉｒならびにそれらを含む材料で結合層２１を形成することが望ましい。第２の保護層１８と強磁性層２２の反強磁性結合が大きくなるように結合層２１の膜厚が適宜調整される。
　垂直磁化を有する材料としては、ＣｏやＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｔ合金、ＦｅＰｄ合金、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＢなどの材料が用いられる。また、ＴｂＦｅＣｏなどのフェリ磁性体もその候補である。
　なお、結合層２１と強磁性層２２とは、第２の保護層１８の膜厚にかかわらず、また、第２の保護層１８が磁性層であるか非磁性層であるかにかかわらず、配置されてもよい。
　なお、本願発明の優先日（２０１５年１１月１８日）後に公開された米国特許公開公報ＵＳ２０１６／０１５５９３１Ａ１及び国際公開公報ＷＯ２０１６／０８９５３５Ａ１はＭｇＯ層１０８とＣｏＦｅＢ層１１０を備えるＭＴＪ素子を開示する。しかしながら、この文献は、その段落００２７等にＣｏＦｅＢ層１１０の厚さは、非磁性膜であるためには、０．５ｎｍ以下が必要であり、磁気モーメントを与えるために１ｎｍ～３ｎｍの厚さとすることを記載している。即ち、これらの文献によれば、ＣｏＦｅＢ層は０．５ｎｍより厚い時は磁性膜である。本願の実施の形態２では、ＣｏＦｅＢ等から構成された第２の保護層１８の上にＲｕ等から構成された第３の保護層１８１を配置する。これにより、第２の保護層１８は、０．６～１．０ｎｍでも非磁性膜であり、１．５ｎｍでもＭＴＪ素子１０ａの垂直磁気異方性に影響を与えない。従って、本願発明は、上記文献の技術とは全く異なる。また、本願の実施の形態３では、第２の保護層１８が面内磁性層であるときに、第２の保護層１８の上に非磁性層２１と強磁性層２２を積層し、第２の保護層１８の磁化の方向と強磁性層２２の磁化の向きを反対向きとする。これにより、第２の保護層１８の磁化が参照層１４及び記録層１６の垂直磁気異方性に与える影響を低減する。上記文献は、このような技術を全く開示していない。従って、本願発明は、上記文献の技術とは全く異なる。
　本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
本出願は、２０１５年１１月１８日に出願された、日本国特許出願特願２０１５－２２５９９４号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１５－２２５９９４号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
　１０、１０ａ、１０ｂ　磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）
　１１　基板
　１２　下部電極層
　１３　下地層
　１４、１４Ａ，１４Ｂ　参照層（固定層）
　１５、１５Ａ　　　　　障壁層（絶縁層）
　１５Ｂ、１７Ｂ　　　　非磁性結合層 
　１６、１６Ａ，１６Ｂ　記録層（自由層）
　１７、１７Ａ　　　　　第１の保護層（絶縁層）
　１８　　第２の保護層（キャップ層）
　１９　　上部電極層
　２０　　選択トランジスタ
　２１　　非磁性層
　２２　　強磁性層
　１００　磁気メモリ回路
　１０１　Ｘドライバ
　１０２　Ｙドライバ
　１０３　センスアンプ
　１０４　ソース線ドライバ
　ＷＬ　ワード線
　ＢＬ　ビット線
　ＳＬ　ソース線

 

Claims (13)

  1. 　強磁性体から構成される参照層と、
    　Ｏを含む障壁層と、
    　Ｃｏ又はＦｅを含む強磁性体から構成される記録層と、
    　Ｏを含む第１の保護層と、
    　Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ又はＣｏＦｅＢの少なくとも１つを含む第２の保護層と、
    　が積層して構成された磁気トンネル接合素子。
  2. 　前記第２の保護層は、Ｐｔ又はＲｕを少なくとも１つ含む層から構成され、０．３～３．５ｎｍの厚さを有する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  3. 　前記第２の保護層は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ又はＣｏＦｅＢを少なくとも１つを含む層から構成され、０．１～３．５ｎｍの厚さを有する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  4. 　前記参照層と前記障壁層との接合面、前記障壁層と前記記録層との接合面、前記記録層と前記第１の保護層との接合面、の少なくとも１つは、直径３０ｎｍの円の面積よりも小さな接合面である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の磁気トンネル接合素子。
  5. 　前記記録層は、接触している障壁層又は第１の保護層との界面の磁気異方性に起因して、磁化の方向が界面に垂直である、
    　ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気トンネル接合素子。
  6. 　前記第２の保護層の上に、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ又はこれらの合金を含む第３の保護層を備える、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の磁気トンネル接合素子。
  7. 　前記第２の保護層は０．６～１．５ｎｍの厚さを有する、
    　ことを特徴とする請求項６に記載の磁気トンネル接合素子。
  8. 　前記第２の保護層は０．６～１．０ｎｍの厚さを有する、
    　ことを特徴とする請求項７に記載の磁気トンネル接合素子。
  9. 　前記第２の保護層は非磁性体である、
    　ことを特徴とする請求項７又は８に記載の磁気トンネル接合素子。
  10. 　前記第２の保護層は磁性を有し、
    　前記第２の保護層の上に形成された非磁性層と、前記非磁性層の上に形成され、前記第２の保護層の磁化の方向と平行で反対方向に磁化された強磁性層と、をさらに備える、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の磁気トンネル接合素子。
  11. 　前記第２の保護層は０．６～３．５ｎｍの厚さを有する、
    　ことを特徴とする請求項１０に記載の磁気トンネル接合素子。
  12. 　前記強磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＢ、ＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｔ合金、ＦｅＰｄ合金、フェリ磁性体の少なくとも１つを含む、
    　ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の磁気トンネル接合素子。
  13. 　請求項１乃至１２の何れか１項に記載の磁気トンネル接合素子から構成された記憶セルと、
    　前記記憶セルを選択してデータを書き込む書き込み回路と、
    　前記記憶セルを選択してデータを読み出す読み出し回路と、
    　を備える磁気メモリ。
     
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Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020026637A1 (ja) * 2018-08-02 2020-02-06 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
KR20200022516A (ko) * 2017-07-21 2020-03-03 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 고온 열 처리에 적합한 자기 터널 접합들
JPWO2019230341A1 (ja) * 2018-05-31 2020-07-09 Tdk株式会社 スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP2020174141A (ja) * 2019-04-11 2020-10-22 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US20210057641A1 (en) * 2018-03-30 2021-02-25 Tohoku University Magnetic tunnel junction device, method for manufacturing magnetic tunnel junction device, and magnetic memory
JPWO2020008853A1 (ja) * 2018-07-04 2021-08-02 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 磁気トンネル接合素子及び半導体装置
WO2021251003A1 (ja) * 2020-06-10 2021-12-16 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 磁気抵抗効果素子、半導体装置及び電子機器
WO2023063198A1 (ja) * 2021-10-15 2023-04-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 記憶素子及び記憶装置
WO2023228389A1 (ja) * 2022-05-26 2023-11-30 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法
WO2025197974A1 (ja) * 2024-03-22 2025-09-25 国立大学法人東北大学 垂直磁化膜、垂直磁化磁気抵抗効果素子

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11770981B2 (en) * 2018-03-30 2023-09-26 Tohoku University Magnetoresistive element and magnetic memory
WO2020045655A1 (ja) * 2018-08-30 2020-03-05 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び、該磁気抵抗効果素子の成膜方法
US12108684B2 (en) * 2019-07-21 2024-10-01 HeFeChip Corporation Limited Magnetic tunneling junction element with a composite capping layer and magnetoresistive random access memory device using the same
CN113013325B (zh) * 2019-12-19 2023-04-07 上海磁宇信息科技有限公司 具漏磁场平衡层的磁性隧道结单元及磁性随机存储器
US11251360B2 (en) * 2020-02-06 2022-02-15 International Business Machines Corporation MTJ capping layer structure for improved write error rate slopes and thermal stability
KR102931786B1 (ko) * 2020-07-28 2026-02-25 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자
US20230317729A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 Intel Corporation Vertical bit data paths for integrated circuits

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008028362A (ja) * 2006-06-22 2008-02-07 Toshiba Corp 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP2008103728A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Magic Technologies Inc 磁気トンネル接合素子およびその製造方法
JP2012235015A (ja) * 2011-05-06 2012-11-29 Sony Corp 記憶素子及び記憶装置
JP2012238631A (ja) * 2011-05-10 2012-12-06 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
JP2012244031A (ja) * 2011-05-23 2012-12-10 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
JP2013115401A (ja) * 2011-12-01 2013-06-10 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
JP2015088520A (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 ソニー株式会社 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド
US9337415B1 (en) * 2015-03-20 2016-05-10 HGST Netherlands B.V. Perpendicular spin transfer torque (STT) memory cell with double MgO interface and CoFeB layer for enhancement of perpendicular magnetic anisotropy
US20160155931A1 (en) * 2014-12-02 2016-06-02 Qualcomm Incorporated Magnetic etch stop layer for spin-transfer torque magnetoresistive random access memory magnetic tunnel junction device

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1478936A1 (en) * 2002-02-25 2004-11-24 Fujitsu Limited Magnetoresistive spin-valve sensor and magnetic storage apparatus
JP4237171B2 (ja) * 2005-09-14 2009-03-11 Ｔｄｋ株式会社 磁気抵抗効果素子および薄膜磁気ヘッド
US7508042B2 (en) 2006-12-22 2009-03-24 Magic Technologies, Inc. Spin transfer MRAM device with magnetic biasing
US7696551B2 (en) 2007-09-20 2010-04-13 Magic Technologies, Inc. Composite hard mask for the etching of nanometer size magnetic multilayer based device
FR2931011B1 (fr) 2008-05-06 2010-05-28 Commissariat Energie Atomique Element magnetique a ecriture assistee thermiquement
JP5117421B2 (ja) * 2009-02-12 2013-01-16 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子及びその製造方法
JP4908540B2 (ja) 2009-03-25 2012-04-04 株式会社東芝 スピンｍｏｓｆｅｔおよびリコンフィギャラブルロジック回路
US7936598B2 (en) 2009-04-28 2011-05-03 Seagate Technology Magnetic stack having assist layer
FR2963153B1 (fr) 2010-07-26 2013-04-26 Centre Nat Rech Scient Element magnetique inscriptible
US8722543B2 (en) 2010-07-30 2014-05-13 Headway Technologies, Inc. Composite hard mask with upper sacrificial dielectric layer for the patterning and etching of nanometer size MRAM devices
US9082951B2 (en) * 2011-02-16 2015-07-14 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory with perpendicular enhancement layer
FR2966636B1 (fr) 2010-10-26 2012-12-14 Centre Nat Rech Scient Element magnetique inscriptible
CN103460374B (zh) 2011-03-22 2016-02-10 瑞萨电子株式会社 磁存储器
JP5655689B2 (ja) 2011-04-21 2015-01-21 Tdk株式会社 スピン伝導素子
US9105832B2 (en) 2011-08-18 2015-08-11 Cornell University Spin hall effect magnetic apparatus, method and applications
JP5809903B2 (ja) * 2011-09-21 2015-11-11 株式会社東芝 不揮発性記憶装置
US9293694B2 (en) 2011-11-03 2016-03-22 Ge Yi Magnetoresistive random access memory cell with independently operating read and write components
KR101858308B1 (ko) 2011-11-08 2018-05-15 도호쿠 다이가쿠 터널 자기 저항 효과 소자 및 그것을 사용한 랜덤 액세스 메모리
JP2013115399A (ja) * 2011-12-01 2013-06-10 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
US8823118B2 (en) * 2012-01-05 2014-09-02 Headway Technologies, Inc. Spin torque transfer magnetic tunnel junction fabricated with a composite tunneling barrier layer
CN104704564B (zh) 2012-08-06 2017-05-31 康奈尔大学 磁性纳米结构中基于自旋霍尔扭矩效应的电栅控式三端子电路及装置
WO2014065049A1 (ja) 2012-10-25 2014-05-01 日本電気株式会社 磁壁移動型メモリセル及びその初期化処理方法
US9099641B2 (en) 2012-11-06 2015-08-04 The Regents Of The University Of California Systems and methods for implementing magnetoelectric junctions having improved read-write characteristics
US8981505B2 (en) * 2013-01-11 2015-03-17 Headway Technologies, Inc. Mg discontinuous insertion layer for improving MTJ shunt
US9093148B2 (en) * 2013-03-22 2015-07-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Resistance change type memory
US9691458B2 (en) 2013-10-18 2017-06-27 Cornell University Circuits and devices based on spin hall effect to apply a spin transfer torque with a component perpendicular to the plane of magnetic layers
JP6414754B2 (ja) 2013-11-06 2018-10-31 日本電気株式会社 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
CN107004440B (zh) 2014-07-17 2021-04-16 康奈尔大学 基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置
KR102080631B1 (ko) * 2014-08-08 2020-02-24 고쿠리츠 다이가쿠 호진 도호쿠 다이가쿠 자기 저항 효과 소자 및 자기 메모리 장치
US9218864B1 (en) 2014-10-04 2015-12-22 Ge Yi Magnetoresistive random access memory cell and 3D memory cell array
US9728712B2 (en) 2015-04-21 2017-08-08 Spin Transfer Technologies, Inc. Spin transfer torque structure for MRAM devices having a spin current injection capping layer
TWI581261B (zh) 2016-03-15 2017-05-01 賴志煌 自旋軌道扭力式磁性隨存記憶體及其寫入方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008028362A (ja) * 2006-06-22 2008-02-07 Toshiba Corp 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP2008103728A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Magic Technologies Inc 磁気トンネル接合素子およびその製造方法
JP2012235015A (ja) * 2011-05-06 2012-11-29 Sony Corp 記憶素子及び記憶装置
JP2012238631A (ja) * 2011-05-10 2012-12-06 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
JP2012244031A (ja) * 2011-05-23 2012-12-10 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
JP2013115401A (ja) * 2011-12-01 2013-06-10 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
JP2015088520A (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 ソニー株式会社 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド
US20160155931A1 (en) * 2014-12-02 2016-06-02 Qualcomm Incorporated Magnetic etch stop layer for spin-transfer torque magnetoresistive random access memory magnetic tunnel junction device
US9337415B1 (en) * 2015-03-20 2016-05-10 HGST Netherlands B.V. Perpendicular spin transfer torque (STT) memory cell with double MgO interface and CoFeB layer for enhancement of perpendicular magnetic anisotropy

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11251364B2 (en) 2017-07-21 2022-02-15 Applied Materials, Inc. Magnetic tunnel junctions suitable for high temperature thermal processing
KR20200022516A (ko) * 2017-07-21 2020-03-03 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 고온 열 처리에 적합한 자기 터널 접합들
KR102512558B1 (ko) * 2017-07-21 2023-03-21 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 고온 열 처리에 적합한 자기 터널 접합들
JP2020527865A (ja) * 2017-07-21 2020-09-10 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ 高温熱処理に適した磁気トンネル接合
JP7133613B2 (ja) 2017-07-21 2022-09-08 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド 高温熱処理に適した磁気トンネル接合
US20210057641A1 (en) * 2018-03-30 2021-02-25 Tohoku University Magnetic tunnel junction device, method for manufacturing magnetic tunnel junction device, and magnetic memory
US11963458B2 (en) * 2018-03-30 2024-04-16 Tohoku University Magnetic tunnel junction device, method for manufacturing magnetic tunnel junction device, and magnetic memory
JPWO2019230341A1 (ja) * 2018-05-31 2020-07-09 Tdk株式会社 スピン軌道トルク型磁化回転素子、スピン軌道トルク型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US12022742B2 (en) 2018-07-04 2024-06-25 Sony Semiconductor Solutions Corporation Magnetic tunnel junction element and semiconductor device
JP7399088B2 (ja) 2018-07-04 2023-12-15 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 磁気トンネル接合素子及び半導体装置
JPWO2020008853A1 (ja) * 2018-07-04 2021-08-02 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 磁気トンネル接合素子及び半導体装置
JP7255898B2 (ja) 2018-08-02 2023-04-11 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US11765981B1 (en) 2018-08-02 2023-09-19 Tohoku University Magnetoresistance effect element and magnetic memory
WO2020026637A1 (ja) * 2018-08-02 2020-02-06 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JPWO2020026637A1 (ja) * 2018-08-02 2021-08-05 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP2020174141A (ja) * 2019-04-11 2020-10-22 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
JP7398770B2 (ja) 2019-04-11 2023-12-15 国立大学法人東北大学 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
WO2021251003A1 (ja) * 2020-06-10 2021-12-16 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 磁気抵抗効果素子、半導体装置及び電子機器
WO2023063198A1 (ja) * 2021-10-15 2023-04-20 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 記憶素子及び記憶装置
WO2023228389A1 (ja) * 2022-05-26 2023-11-30 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法
WO2025197974A1 (ja) * 2024-03-22 2025-09-25 国立大学法人東北大学 垂直磁化膜、垂直磁化磁気抵抗効果素子

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