JP2011061204A - 磁気メモリ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の磁気メモリ素子は、基板上のトンネルバリア、トンネルバリアの一面と接する第1接合磁性層、第1接合磁性層によってトンネルバリアと離隔される第1垂直磁性層、トンネルバリアの他の面と接する第2接合磁性層、第2接合磁性層によってトンネルバリアと離隔される第2垂直磁性層、及び第1接合磁性層と第1垂直磁性層との間の非磁性層を含む。
【選択図】図1
Description
また、本発明の目的は磁気抵抗比が高い磁気メモリ素子を提供することにある。
更に、本発明の目的は駆動電力が減少した磁気メモリ素子を提供することにある。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記第1垂直磁性層と前記第2垂直磁性層の磁化方向は前記基板の平面に垂直であり得る。
一実施形態において、前記第2接合磁性層と前記第2垂直磁性層との間に他の非磁性層を更に介在することができる。
一実施形態において、前記第1接合磁性層及び/又は第2接合磁性層は第1結晶構造を有し、前記第1垂直磁性層及び/又は第2垂直磁性層は前記第1結晶構造と異なる第2結晶構造を有することができる。
一実施形態において、前記トンネルバリアと前記第1接合磁性層との間の界面での前記トンネルバリアの結晶面は前記界面での前記第1接合磁性層の結晶面と同一であり得る。前記第1結晶構造はNaCl型結晶構造又はBCC(体心立方)結晶構造であり、前記結晶面は001結晶面であり得る。
一実施形態において、前記第2結晶構造はL10結晶構造、面心立方格子(FCC)結晶構造、又は稠密六方格子であり得る。
一実施形態において、前記第1垂直磁性層及び/又は前記第2垂直磁性層はRE−TM(Rare Earth−Transition Metal)合金を含むことができる。
一実施形態において、前記第1垂直磁性層及び/又は前記第2垂直磁性層は交互に複数回積層された非磁性金属層及び強磁性金属層を含み、前記強磁性金属層は1〜数個原子の厚さを有することができる。
一実施形態において、前記第1接合磁性層及び/又は前記第2接合磁性層はコバルト(Co)、鉄(Fe)、及びニッケル(Ni)の中から選択された少なくとも1つを含む合金磁性物質を含み、前記合金磁性物質は非磁性元素を更に含むことができる。
一実施形態において、前記非磁性層は2Å〜20Å範囲の厚さを有することができる。
一実施形態において、前記非磁性層は非磁性金属の中から選択された少なくとも1つを含むことができる。前記非磁性金属は非磁性遷移金属の中から選択された少なくとも1つであり得る。
一実施形態において、前記第1垂直磁性層及び前記第1接合磁性層は前記非磁性層により交換結合することができる。
一実施形態において、前記非磁性層は前記非磁性層の上部面及び/又は下部面と接する金属化合物層を更に含み、前記金属化合物層は金属酸化物、金属窒化物、及び金属酸窒化物の中から選択された少なくとも1つを含むことができる。
一実施形態において、前記自由磁性層内の前記鉄(Fe)の含量は40〜60at.%であり得る。
一実施形態において、前記自由磁性層及び/又は前記基準磁性層はCo及びNiの中から選択された少なくとも1つを更に含むことができる。
一実施形態において、前記自由磁性層及び/又は前記基準磁性層は非磁性元素を更に含むことができる。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の駆動中、前記自由磁性層及び前記基準磁性層は前記基板の平面に垂直な磁化方向を有することができる。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の駆動中、前記自由磁性層及び前記基準磁性層は前記基板の平面に平行な磁化方向を有することができる。
一実施形態において、前記稠密六方格子のc軸(c−axis)は前記基板の平面に実質的に垂直であり得る。
一実施形態において、前記c軸は前記第1垂直磁性層の磁化容易軸であり得る。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子は前記基板と前記第1垂直磁性層との間の稠密六方格子を含むシード層(seed layer)を更に含むことができる。
一実施形態において、前記第2磁性体は稠密六方格子構造を有する第2垂直磁性層を更に含むことができる。
一実施形態において、前記第1磁性体は前記第1垂直磁性層上に前記トンネルバリアと隣接した第1磁気接合層を含み、前記第2磁性体は前記第2垂直磁性層の下に前記トンネルバリアと隣接した第2磁気接合層を含むことができる。
一実施形態において、前記第2磁気接合層及び前記第1磁気接合層は軟磁性物質を含むことができる。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子は前記第1垂直磁性層と前記第1磁気接合層との間及び/又は前記第2垂直磁性層と前記第2磁気接合層との間の交換結合調節層を更に含むことができる。
一実施形態において、前記交換結合調節層は遷移金属元素を含む金属元素の中から選択された少なくとも1つを含むことができる。
一実施形態において、前記交換結合調節層は前記交換結合調節層の表面が酸化されて形成された酸化膜を更に含むことができる。
一実施形態において、前記第2磁性体は前記第2垂直磁性層上に交互に複数回積層された非磁性層及び強磁性層を含むことができる。前記強磁性層は原子層の厚さを有することができる。
一実施形態において、前記第1垂直磁性層は10〜45at.%の白金含量の無秩序コバルト−白金合金を含むことができる。
一実施形態において、前記第1垂直磁性層はCo3Ptを含むことができる。
一実施形態において、前記第1垂直磁性層はホウ素(B)、クロム(Cr)、及び銅(Cu)の中から選択された少なくとも1つを更に含むことができる。
一実施形態において、前記トンネルバリアはマグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、マグネシウム−亜鉛(MgZn)及び/又はマグネシウム−ホウ素(MgB)の酸化物、及びチタン(Ti)及び/又はバナジウム(V)の窒化物の中から選択された少なくとも1つを含むことができる。
一実施形態において、前記第2磁性体上のキャッピング層を更に含むことができる。前記キャッピング層はタンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、チタン(Ti)、窒化タンタル(TaN)、及び窒化チタン(TiN)の中から選択された少なくとも1つを含むことができる。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記基板の平面に実質的に垂直な方向に電流が流れ得る。
一実施形態において、前記磁気メモリ素子の動作中、前記第2垂直磁性層及び第1垂直磁性層の磁化方向は前記基板の平面に実質的に垂直であり得る。
図1を参照して、本発明の第1実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板100上に下部電極110を配置する。基板100は半導体基盤の半導体基板であり得る。基板100は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極110は基板100の導電領域と電気的に連結される。下部電極110は基板100上及び/又は基板100内に配置される。例えば、下部電極110はライン形、島形及び平板形の中から選択されたいずれかの形態であり得る。
図7を参照して、本発明の第2実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板200上に下部電極210を配置する。基板200は半導体基盤の半導体基板であり得る。基板200は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極210を基板200の導電領域と電気的に連結する。下部電極210は基板200上及び/又は基板200内に配置される。下部電極210はライン形、島形、及び平板形で構成されるグループの中から選択されたいずれかを有する。
図9を参照して、本発明の第3実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板310上に下部電極320を配置する。基板310は半導体元素基盤の基板及び金属化合物基盤の基板を含む多様な基板の中から選択されたいずれかであり得る。基板310は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極320は基板310上に配置される。これと異なり、基板310内に含むこともできる。下部電極320は電極又は電極コンタクトであり得る。下部電極320は基板310内の導電領域と電気的に連結される。例えば、下部電極320は基板100内に含まれたトランジスタ及びダイオードを含むスイッチング素子の中の少なくとも1つと電気的に連結される。
図12を参照して、本発明の第4実施形態による磁気メモリ素子を説明する。基板410上に下部電極420を配置する。基板410は導電領域及び絶縁領域を含む。下部電極420は基板410内の導電領域と電気的に連結される。
110、210、320、420 下部電極
115、330、430 シード層
121、161、221、261 非磁性層
122、162、222、262 強磁性層
123、124 第1垂直磁性層
130 第1非磁性層
133 第1下部金属化合物層
136 第1非磁性金属層
139 第1上部金属化合物層
141 第1接合磁性層
145、245、350、450 トンネルバリア
149 第2接合磁性層
150 第2非磁性層
152 予備下部金属化合物層
153 第2下部金属化合物層
156 第2非磁性金属層
159 第2上部金属化合物層
163、164 第2垂直磁性層
170、270、370、470 キャッピング層
223 垂直下部基準層
226 固定層
227 下部基準層
228 基準交換結合層
241 上部基準層
249 下部自由層
263 垂直上部自由層
265 自由交換結合層
266 上部自由層
340、460 自由磁性体
342 垂直自由磁性層
344、444 下部交換結合調節層
348、461 接合自由磁性層
360、440 基準磁性体
361、448 接合基準磁性層
362、463 上部交換結合調節層
363、442 垂直基準磁性層
364 上部基準非磁性層
365 基準強磁性層
466 上部自由磁性層
Claims (37)
- 第1垂直磁性層と、
前記第1垂直磁性層上に非磁性層と、
前記非磁性層上に第1接合磁性層と、
前記第1接合磁性層上にトンネルバリアと、
前記トンネルバリア上に第2接合磁性層と、
前記第2接合磁性層上に第2垂直磁性層と、を有し、
前記非磁性層が前記第1垂直磁性層と前記第1接合磁性層との間に配置され、前記第1接合磁性層が前記非磁性層と前記トンネルバリアとの間に配置され、前記トンネルバリアが前記第1接合磁性層と前記第2接合磁性層との間に配置され、前記第2接合磁性層が前記トンネルバリアと前記第2垂直磁性層との間に配置されることを特徴とする磁気メモリ素子。 - 前記第1垂直磁性層と前記第2垂直磁性層の磁化方向は前記トンネルバリアの平面に対して垂直であることを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は第1非磁性層であり、前記第2接合磁性層と前記第2垂直磁性層との間に第2非磁性層を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1接合磁性層及び/又は前記第2接合磁性層は第1結晶構造を有し、
前記第1垂直磁性層及び/又は前記第2垂直磁性層は前記第1結晶構造と異なる第2結晶構造を有することを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。 - 前記トンネルバリアと前記第1接合磁性層との間の界面での前記トンネルバリアの結晶面と、前記トンネルバリアと前記第1接合磁性層との間の前記界面での前記第1接合磁性層の結晶面とは同一であることを特徴とする請求項4に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1結晶構造はBCC(体心立方)結晶構造であり、前記結晶面は前記BCC結晶構造の001結晶面であることを特徴とする請求項5に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第2結晶構造はL10結晶構造、又は稠密六方格子であることを特徴とする請求項4に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1垂直磁性層及び/又は前記第2垂直磁性層は交互に複数回積層された非磁性金属層及び強磁性金属層を含み、前記強磁性金属層は1つ〜数個の原子の厚さを含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1接合磁性層及び/又は前記第2接合磁性層はコバルト、鉄、及びニッケルの中から選択された少なくとも1つ、及び非磁性元素を含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1垂直磁性層及び/又は前記第2垂直磁性層はRE−TM合金を含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は2Å〜20Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は、非磁性金属を含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は非磁性遷移金属を含むことを特徴とする請求項12に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1垂直磁性層及び前記第1接合磁性層は前記非磁性層によって交換結合することを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。
- 前記非磁性層は該非磁性層の上部面及び/又は下部面と接する金属化合物層を含み、
前記金属化合物層は金属酸化物、金属窒化物、及び金属酸窒化物の中から選択された少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。 - 鉄を含む自由磁性層と、
前記自由磁性層上にトンネルバリアと、
前記トンネルバリア上に鉄を含む基準磁性層と、を有し、
前記トンネルバリアは前記自由磁性層と前記基準磁性層との間に配置され、前記自由磁性層内の鉄の含量は前記基準磁性層内の鉄の含量より大きいか、又は少なくとも同一であることを特徴とする磁気メモリ素子。 - 前記自由磁性層及び/又は前記基準磁性層はCo及びNiの中から選択された少なくとも1つを更に含むことを特徴とする請求項16に記載の磁気メモリ素子。
- 前記自由磁性層及び/又は前記基準磁性層は非磁性元素を含むことを特徴とする請求項16に記載の磁気メモリ素子。
- 前記自由磁性層及び前記基準磁性層の各々は前記トンネルバリアの平面に対して垂直な磁化方向を有することを特徴とする請求項16に記載の磁気メモリ素子。
- 前記自由磁性層及び前記基準磁性層の各々は前記トンネルバリアの平面に対して平行な磁化方向を有することを特徴とする請求項16に記載の磁気メモリ素子。
- 基板と、
前記基板上に、該基板に隣接し、稠密六方格子構造を有する垂直磁性層を含む第1磁性体と、
前記第1磁性体上にトンネルバリアと、
前記トンネルバリア上に第2磁性体と、を有し、
前記第1磁性体は前記基板と前記トンネルバリアとの間に配置され、前記トンネルバリアは前記第1磁性体と第2磁性体との間に配置されることを特徴とする磁気メモリ素子。 - 前記稠密六方格子のc軸は前記基板の平面に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記c軸は前記垂直磁性層の磁化容易軸であることを特徴とする請求項22に記載の磁気メモリ素子。
- 前記基板と前記垂直磁性層との間の稠密六方格子構造を有するシード層を更に含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記垂直磁性層は第1垂直磁性層であり、前記第2磁性体は稠密六方格子構造を有する第2垂直磁性層を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1磁性体は前記トンネルバリアと隣接した第1磁気接合層を含み、該第1磁気接合層は前記第1垂直磁性層と前記トンネルバリアとの間に配置され、
前記第2磁性体は前記トンネルバリアと隣接した第2磁気接合層を含み、該第2磁気接合層は前記トンネルバリアと前記第2垂直磁性層との間に配置されることを特徴とする請求項25に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1磁気接合層及び前記第2磁気接合層の各々は軟磁性物質を含むことを特徴とする請求項26に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1垂直磁性層と前記第1磁気接合層との間及び/又は前記第2垂直磁性層と前記第2磁気接合層との間の交換結合調節層を更に含むことを特徴とする請求項26に記載の磁気メモリ素子。
- 前記交換結合調節層の結晶構造は前記第1磁気接合層の結晶構造及び/又は前記第2磁気接合層の結晶構造に沿って配向されることを特徴とする請求項28に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第2磁性体は前記第2垂直磁性層上に交互に複数回積層された非磁性層及び強磁性層を含むことを特徴とする請求項26に記載の磁気メモリ素子。
- 前記垂直磁性層は10〜45at.%範囲の白金含量を有する無秩序コバルト−白金合金を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記垂直磁性層はCo3Ptを含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記垂直磁性層はホウ素、クロム、及び銅の中から選択された少なくとも1つを更に含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記トンネルバリアはマグネシウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム−亜鉛及び/又はマグネシウム−ホウ素の酸化物、及びチタン及び/又はバナジウムの窒化物の中から選択された少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第2磁性体上のキャッピング層を更に含み、該キャッピング層はタンタル、アルミニウム、銅、金、銀、チタン、窒化タンタル、及び窒化チタンの中から選択された少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記磁気メモリ素子の動作中、前記基板の平面に対して実質的に垂直な方向に電流が流れることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記磁気メモリ素子の動作中、前記第1垂直磁性層の磁化方向及び/又は前記第2垂直磁性層の磁化方向は前記基板の平面に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項25に記載の磁気メモリ素子。
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