JP2012174708A - Magnetic tunnel junction element and magnetic random access memory - Google Patents

Magnetic tunnel junction element and magnetic random access memory Download PDF

Info

Publication number
JP2012174708A
JP2012174708A JP2011031971A JP2011031971A JP2012174708A JP 2012174708 A JP2012174708 A JP 2012174708A JP 2011031971 A JP2011031971 A JP 2011031971A JP 2011031971 A JP2011031971 A JP 2011031971A JP 2012174708 A JP2012174708 A JP 2012174708A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
thickness
magnetization
film
magnetization free
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011031971A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5732894B2 (en
Inventor
Eimin Ri
永▲民▼ 李
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2011031971A priority Critical patent/JP5732894B2/en
Publication of JP2012174708A publication Critical patent/JP2012174708A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5732894B2 publication Critical patent/JP5732894B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem of difficulty that a sufficient large MR ratio cannot be obtained with a GMR element and to reduce inversion current in an MTJ element by which the large MR ratio can be achieved.SOLUTION: A perpendicular magnetic anisotropic film is formed on a lower electrode with an easy magnetization direction being in a thickness direction. A spacer layer formed of nonmagnetic material is arranged on the perpendicular magnetic anisotropic film. A base layer including amorphous conductive material is arranged on the spacer layer. A magnetization free layer is arranged on the base layer with the easy magnetization direction being in an in-plane direction. A tunnel barrier layer is arranged on the magnetization free layer. A magnetization fixed layer is arranged on the tunnel barrier layer with a magnetization direction being fixed in the in-plane direction. The spacer layer has a thickness not allowing exchange interaction to occur between the perpendicular magnetic anisotropic film and the magnetization free layer and is thinner than a spin relaxation length.

Description

本発明は、トンネルバリア層を磁化自由層と磁化固定層とで挟んだ磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a magnetic tunnel junction element and a magnetic random access memory in which a tunnel barrier layer is sandwiched between a magnetization free layer and a magnetization fixed layer.

トンネルバリア層を磁化自由層と磁化固定層とで挟んだ磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子をメモリセルに用いたスピントランスファートルク型磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）が注目されている。面内磁化膜を用いたＭＴＪ素子において、磁化自由層における垂直方向の反磁界Ｈｄが、磁化方向を反転させる反転電流増大の１つの要因になっている。   A spin transfer torque type magnetic random access memory (STT-MRAM) using a magnetic tunnel junction (MTJ) element in which a tunnel barrier layer is sandwiched between a magnetization free layer and a magnetization fixed layer as a memory cell has attracted attention. In an MTJ element using an in-plane magnetization film, the demagnetizing field Hd in the perpendicular direction in the magnetization free layer is one factor in increasing the reversal current that reverses the magnetization direction.

磁化自由層に垂直磁化膜を組み合わせることにより、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子のスイッチング速度を高速化することが可能であるとの報告がなされている。この素子では、垂直磁化膜から磁化自由層に、垂直方向にスピン偏極した電子が注入されることにより、磁化自由層の磁化にスピントランスファートルクが作用する。これにより、磁化自由層の磁化反転が生じやすくなる。このため、スイッチング速度の高速化、反転電流の低減を図ることが可能になる。   It has been reported that the switching speed of a giant magnetoresistive effect (GMR) element can be increased by combining a perpendicular magnetization film with a magnetization free layer. In this element, spin-transfer torque acts on the magnetization of the magnetization free layer by injecting vertically polarized electrons from the perpendicular magnetization film into the magnetization free layer. Thereby, the magnetization reversal of the magnetization free layer is likely to occur. For this reason, it is possible to increase the switching speed and reduce the inversion current.

垂直磁化膜と面内磁化自由層とを用いることにより、スピンバルブ構造を持つスピントルクオシレータの高効率発振を可能にする技術が報告されている。   A technique that enables high-efficiency oscillation of a spin torque oscillator having a spin valve structure by using a perpendicular magnetization film and an in-plane magnetization free layer has been reported.

特開２００７−８１２８０号公報JP 2007-81280 A

J. C. Slonczewski, Currents, torques, and polarization factors in magnetic tunnel junctions, Physical review B 71, 024411 (2005)J. C. Slonczewski, Currents, torques, and polarization factors in magnetic tunnel junctions, Physical review B 71, 024411 (2005) O. J. Lee et al., “Ultrafast switching of a nanomagnet by a combined out-of-plane and in-plane polarized spin current pulse”, Applied Physics Letters 95, 012506 (2009)O. J. Lee et al., “Ultrafast switching of a nanomagnet by a combined out-of-plane and in-plane polarized spin current pulse”, Applied Physics Letters 95, 012506 (2009) D. Houssameddine et al.,“Spin-torque oscillator using a perpendicular polariser and a plamar free layer”, Nature Materials Vol.6, pp.447-453 (2007)D. Houssameddine et al., “Spin-torque oscillator using a perpendicular polariser and a plamar free layer”, Nature Materials Vol.6, pp.447-453 (2007) T. Seki et al., “Magnetization reversal by spin-transfer torque in 90° configuration with a perpendicular spin polarizer”, Applied Physics Letters 89, 172504 (2006)T. Seki et al., “Magnetization reversal by spin-transfer torque in 90 ° configuration with a perpendicular spin polarizer”, Applied Physics Letters 89, 172504 (2006) C. Papusoi et al., “100 ps precessional spin-transfer switching of a planar magnetic random access memory cell with perpendicular spin polarizer”, Applied Physics Letters 95, 072506 (2009)C. Papusoi et al., “100 ps precessional spin-transfer switching of a planar magnetic random access memory cell with perpendicular spin polarizer”, Applied Physics Letters 95, 072506 (2009) J. Z. Sun, “Spin-current interaction with a monodomain magnetic body: A model study”, Physical Review B 62, 570 (2000)J. Z. Sun, “Spin-current interaction with a monodomain magnetic body: A model study”, Physical Review B 62, 570 (2000)

ＧＭＲ素子では、十分大きなＭＲ比を得ることが困難である。大きなＭＲ比を実現することが可能なＭＴＪ素子において、反転電流を低減させることが望まれている。   With a GMR element, it is difficult to obtain a sufficiently large MR ratio. In an MTJ element capable of realizing a large MR ratio, it is desired to reduce the inversion current.

本発明の一観点によると、
下部電極の上に形成され、磁化容易方向が厚さ方向を向く垂直磁気異方性膜と、
前記垂直磁気異方性膜の上に配置され、非磁性材料で形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に配置されたアモルファスの導電材料からなる下地層と、
前記下地層の上に配置され、磁化容易方向が面内方向を向く磁化自由層と、
前記磁化自由層の上に配置されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置され、磁化方向が面内方向に固定された磁化固定層と
を有し、
前記スペーサ層は、前記垂直磁気異方性膜と前記磁化自由層との間に交換相互作用が働かない厚さであり、かつスピン緩和長よりも薄い磁気トンネル接合素子が提供される。 According to one aspect of the invention,
A perpendicular magnetic anisotropy film formed on the lower electrode and having an easy magnetization direction in the thickness direction;
A spacer layer disposed on the perpendicular magnetic anisotropic film and made of a nonmagnetic material;
An underlayer made of an amorphous conductive material disposed on the spacer layer;
A magnetization free layer disposed on the underlayer and having an easy magnetization direction facing an in-plane direction;
A tunnel barrier layer disposed on the magnetization free layer;
A magnetization fixed layer disposed on the tunnel barrier layer and having a magnetization direction fixed in an in-plane direction;
The spacer layer has a thickness that prevents exchange interaction between the perpendicular magnetic anisotropic film and the magnetization free layer, and provides a magnetic tunnel junction element that is thinner than the spin relaxation length.

本発明の他の観点によると、上述の磁気トンネル接合素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリが提供される。   According to another aspect of the present invention, a magnetic random access memory using the above-described magnetic tunnel junction element is provided.

垂直磁気異方性膜を配置することにより、書込み電流の低減を図ることができる。また、下地層を配置することにより、スペーサ層の上に直接磁化自由層を形成した場合に比べて、高いＭＲ比を得ることができる。   By arranging the perpendicular magnetic anisotropic film, the write current can be reduced. Further, by disposing the underlayer, a higher MR ratio can be obtained as compared with the case where the magnetization free layer is formed directly on the spacer layer.

実施例１による磁気トンネル接合素子の断面図、及び平行状態から反平行状態に磁化を反転させるときの動作を説明する線図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetic tunnel junction device according to Example 1 and a diagram for explaining an operation when reversing the magnetization from a parallel state to an antiparallel state. 実施例１による磁気トンネル接合素子の断面図、及び反平行状態から平行状態に磁化を反転させるときの動作を説明する線図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the magnetic tunnel junction device according to Example 1 and a diagram for explaining the operation when the magnetization is reversed from the antiparallel state to the parallel state. （３Ａ）は、Ａｌのスペーサ層の厚さと素子抵抗ＲＡとの関係を示すグラフであり、（３Ｂ）は、Ａｌのスペーサ層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。(3A) is a graph showing the relationship between the thickness of the Al spacer layer and the element resistance RA, and (3B) is a graph showing the relationship between the thickness of the Al spacer layer and the MR ratio. （４Ａ）は、ＣｏＦｅＢの磁化自由層の厚さと素子抵抗ＲＡとの関係を示すグラフであり、（４Ｂ）は、ＣｏＦｅＢの磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。(4A) is a graph showing the relationship between the thickness of the CoFeB magnetization free layer and the element resistance RA, and (4B) is a graph showing the relationship between the thickness of the CoFeB magnetization free layer and the MR ratio. （５Ａ）は、Ｔａの下地層の厚さと素子抵抗ＲＡとの関係を示すグラフであり、（５Ｂ）は、Ｔａの下地層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。(5A) is a graph showing the relationship between the thickness of the Ta underlayer and the element resistance RA, and (5B) is a graph showing the relationship between the thickness of the Ta underlayer and the MR ratio. （６Ａ）は、ＣｏＦｅＢの磁化自由層の厚さと素子抵抗ＲＡとの関係を示すグラフであり、（６Ｂ）は、ＣｏＦｅＢの磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。(6A) is a graph showing the relationship between the thickness of the CoFeB magnetization free layer and the element resistance RA, and (6B) is a graph showing the relationship between the thickness of the CoFeB magnetization free layer and the MR ratio. （７Ａ）は、Ｒｕのスペーサ層の厚さと素子抵抗ＲＡとの関係を示すグラフであり、（７Ｂ）は、Ｒｕのスペーサ層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。(7A) is a graph showing the relationship between the thickness of the Ru spacer layer and the element resistance RA, and (7B) is a graph showing the relationship between the thickness of the Ru spacer layer and the MR ratio. 磁化自由層の厚さとＭＲ比との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness of a magnetization free layer, and MR ratio. 実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic tunnel junction device according to Example 1 in the middle of manufacturing. 実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic tunnel junction device according to Example 1 in the middle of manufacturing. 実施例１による磁気トンネル接合素子の製造途中段階における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a magnetic tunnel junction device according to Example 1 in the middle of manufacturing. 実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの等価回路図である。6 is an equivalent circuit diagram of an STT-MRAM according to Embodiment 2. FIG. 実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの製造途中段階における断面図である。12 is a cross-sectional view of an STT-MRAM according to Example 2 in the middle of manufacture. FIG.

図１に、実施例１によるＭＴＪ素子の概略図を示す。基板１０の上に、下部電極１１が形成されている。下部電極１１には、例えばＴａが用いられる。下部電極１１の一部の領域上に、バッファ層１２、垂直磁気異方性膜１３、スピン分極増強膜１４、スペーサ層１５、下地層１６、磁化自由層（磁化フリー層）１７、トンネルバリア層１８、磁化固定層（磁化ピンド層）１９、反強磁性層（磁化ピニング層）２０、上部電極２１、及び接続層２２が、この順番に積層されている。   FIG. 1 is a schematic diagram of an MTJ element according to Example 1. A lower electrode 11 is formed on the substrate 10. For example, Ta is used for the lower electrode 11. On a partial region of the lower electrode 11, the buffer layer 12, the perpendicular magnetic anisotropic film 13, the spin polarization enhancement film 14, the spacer layer 15, the underlayer 16, the magnetization free layer (magnetization free layer) 17, and the tunnel barrier layer 18, a magnetization fixed layer (magnetization pinned layer) 19, an antiferromagnetic layer (magnetization pinning layer) 20, an upper electrode 21, and a connection layer 22 are laminated in this order.

バッファ層１２は、その上に配置される垂直磁気異方性膜１３の結晶品質を高め、垂直磁気異方性を発現させる機能を持つ。バッファ層１２には、例えばＲｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕ等が用いられ、その厚さは、例えば２ｎｍ〜１０ｎｍである。   The buffer layer 12 has a function of improving the crystal quality of the perpendicular magnetic anisotropy film 13 disposed thereon and developing perpendicular magnetic anisotropy. For example, Ru, Pt, Rh, Pd, Cu or the like is used for the buffer layer 12, and the thickness thereof is, for example, 2 nm to 10 nm.

垂直磁気異方性膜１３には、磁化容易方向が膜面に対して垂直である強磁性材料が用いられる。垂直磁気異方性膜１３は、伝導電子のスピン方向を、膜面に対して垂直な方向に向ける。本明細書において、膜面に対して垂直な方向を、単に「垂直方向」という。垂直磁気異方性膜１３には、例えば、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＰｄ等が用いられる。また、垂直磁気異方性膜１３を多層膜構造としてもよい。多層膜構造の例として、Ｆｅ層とＰｔ層との交互積層構造、Ｆｅ層とＰｄ層との交互積層構造、Ｃｏ層とＰｔ層との交互積層構造、Ｃｏ層とＰｄ層との交互積層構造、及びＣｏ層とＮｉ層との交互積層構造が挙げられる。垂直磁気異方性膜１３の厚さは、十分な垂直磁気異方性を発現させるために、４ｎｍ以上とすることが好ましい。また、加工容易性の観点から、１０ｎｍ以下とすることが好ましい。   The perpendicular magnetic anisotropic film 13 is made of a ferromagnetic material whose easy magnetization direction is perpendicular to the film surface. The perpendicular magnetic anisotropic film 13 directs the spin direction of conduction electrons in a direction perpendicular to the film surface. In this specification, the direction perpendicular to the film surface is simply referred to as “vertical direction”. For the perpendicular magnetic anisotropic film 13, for example, CoPt, FePt, CoPd, FePd, or the like is used. The perpendicular magnetic anisotropic film 13 may have a multilayer structure. Examples of the multilayer film structure include an alternately laminated structure of Fe layer and Pt layer, an alternately laminated structure of Fe layer and Pd layer, an alternately laminated structure of Co layer and Pt layer, and an alternately laminated structure of Co layer and Pd layer. , And an alternately laminated structure of Co layers and Ni layers. The thickness of the perpendicular magnetic anisotropy film 13 is preferably 4 nm or more in order to develop sufficient perpendicular magnetic anisotropy. Moreover, it is preferable to set it as 10 nm or less from a viewpoint of workability.

スピン分極増強膜１４は、伝導電子のスピン分極率を高める。スピン分極増強膜１４には、垂直磁気異方性膜１３よりもスピン分極率の高い磁性材料、例えばＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ等が用いられる。これらの強磁性材料を用いたスピン分極増強膜１４の磁化容易方向は、面内方向を向く。ただし、スピン分極増強膜１４と垂直磁気異方性膜１３とが交換結合することにより、スピン分極増強膜１４の磁化方向は垂直方向になる。   The spin polarization enhancement film 14 increases the spin polarizability of conduction electrons. For the spin polarization enhancement film 14, a magnetic material having a higher spin polarizability than that of the perpendicular magnetic anisotropic film 13, such as CoFe or CoFeB, is used. The direction of easy magnetization of the spin polarization enhancement film 14 using these ferromagnetic materials is in the in-plane direction. However, when the spin polarization enhancing film 14 and the perpendicular magnetic anisotropic film 13 are exchange-coupled, the magnetization direction of the spin polarization enhancing film 14 becomes the perpendicular direction.

スピン分極増強膜１４を厚くしすぎると、垂直磁気異方性膜１３との交換相互作用よりも、スピン分極増強膜１４自体の磁気異方性が支配的になり、面内方向の磁化を持つようになる。スピン分極増強膜１４の磁化を垂直方向に向けるために、その厚さを１ｎｍ以下にすることが好ましい。   If the spin polarization enhancement film 14 is made too thick, the magnetic anisotropy of the spin polarization enhancement film 14 itself becomes more dominant than the exchange interaction with the perpendicular magnetic anisotropy film 13 and has in-plane magnetization. It becomes like this. In order to direct the magnetization of the spin polarization enhancing film 14 in the vertical direction, the thickness is preferably 1 nm or less.

逆に、スピン分極増強膜１４が薄すぎると、伝導電子のスピン分極率を高める効果が低下してしまう。高いスピン分極率を確保するために、スピン分極増強膜１４の厚さを０．４ｎｍ以上にすることが好ましい。   Conversely, if the spin polarization enhancement film 14 is too thin, the effect of increasing the spin polarizability of conduction electrons will be reduced. In order to ensure a high spin polarizability, the thickness of the spin polarization enhancing film 14 is preferably set to 0.4 nm or more.

スペーサ層１５は、垂直磁気異方性膜１３とスピン分極増強膜１４とを含む磁性膜と、磁化自由層１７との間に交換相互作用が働かないようにするために、または両者の間に働く交換相互作用を弱くするために配置される。スピン分極増強膜１４でスピン分極された電子を、そのスピン状態を保ったまま磁化自由層１７に到達させるために、スペーサ層１５には、スピン緩和長の長い非磁性導電材料を用いることが好ましい。スペーサ層１５の厚さは、その材料のスピン緩和長よりも短くすることが好ましい。さらに、スペーサ層１５には、磁化自由層１７の結晶性を乱さない材料を選択することが好ましい。   The spacer layer 15 is used to prevent exchange interaction between the magnetic film including the perpendicular magnetic anisotropic film 13 and the spin polarization enhancement film 14 and the magnetization free layer 17 or between the two. Arranged to weaken the working exchange interaction. In order to allow the electrons polarized by the spin polarization enhancement film 14 to reach the magnetization free layer 17 while maintaining the spin state, it is preferable to use a nonmagnetic conductive material having a long spin relaxation length for the spacer layer 15. . The thickness of the spacer layer 15 is preferably shorter than the spin relaxation length of the material. Furthermore, it is preferable to select a material that does not disturb the crystallinity of the magnetization free layer 17 for the spacer layer 15.

上述の条件を満たす材料として、Ａｌ及びＣｕが挙げられる。Ａｌ及びＣｕのスピン緩和長は、数μｍ程度である。スペーサ層１５にＣｕを用いる場合、膜厚が３ｎｍ以下の範囲では、膜厚によってスピン分極増強膜１４と磁化自由層１７とが交換結合する場合がある。従って、スペーサ層１５にＣｕを用い、その膜厚を３ｎｍ以下にする場合には、スピン分極増強膜１４と磁化自由層１７とが交換結合しないように、スペーサ層１５の膜厚を設定するする必要がある。スペーサ層１５にＡｌを用いる場合には、その厚さを０．３ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内にすることが好ましい。スペーサ層１５にＣｕを用いる場合には、その厚さを０．３ｎｍ〜２．０ｎｍの範囲内にすることが好ましい。   Examples of materials that satisfy the above conditions include Al and Cu. The spin relaxation length of Al and Cu is about several μm. When Cu is used for the spacer layer 15, the spin polarization enhancing film 14 and the magnetization free layer 17 may be exchange-coupled depending on the film thickness within a range of 3 nm or less. Therefore, when Cu is used for the spacer layer 15 and the film thickness is 3 nm or less, the film thickness of the spacer layer 15 is set so that the spin polarization enhancement film 14 and the magnetization free layer 17 are not exchange-coupled. There is a need. When Al is used for the spacer layer 15, the thickness is preferably in the range of 0.3 nm to 1.5 nm. In the case where Cu is used for the spacer layer 15, the thickness is preferably in the range of 0.3 nm to 2.0 nm.

Ｒｕのスピン緩和長は数ｎｍであり、ＡｌやＣｕのスピン緩和長に比べて短いが、スペーサ層１５にＲｕを用いることも可能である。スペーサ層１５にＲｕを用いる場合、スペーサ層１５をスピン緩和長より薄くし、かつスピン分極増強膜１４と磁化自由層１７との交換相互作用が弱くなる膜厚にすることが好ましい。具体的には、スペーサ層１５の厚さを０．８ｎｍ〜１．１ｎｍの範囲内にすることが好ましい。   The spin relaxation length of Ru is several nm, which is shorter than the spin relaxation length of Al or Cu, but Ru can also be used for the spacer layer 15. When Ru is used for the spacer layer 15, it is preferable that the spacer layer 15 be thinner than the spin relaxation length and have a thickness that weakens the exchange interaction between the spin polarization enhancement film 14 and the magnetization free layer 17. Specifically, the thickness of the spacer layer 15 is preferably in the range of 0.8 nm to 1.1 nm.

スペーサ層１５の上に、直接ＣｏＦｅＢ等の磁化自由層１７を形成すると、磁化自由層１７が（１１０）配向した体心立方格子構造になる。磁化自由層１７が（１１０）配向すると、大きなＭＲ比が確保できなくなってしまう。   When the magnetization free layer 17 such as CoFeB is formed directly on the spacer layer 15, the magnetization free layer 17 has a (110) -oriented body-centered cubic lattice structure. If the magnetization free layer 17 is (110) oriented, a large MR ratio cannot be secured.

下地層１６は、ＣｏＦｅＢ等の磁化自由層１７を（００１）配向した体心立方格子構造にする役割を有する。磁化自由層１７を（００１）配向させることにより、ＭＲ比を大きくすることができる。下地層１６には、アモルファスの導電材料が用いられる。例えば、Ｔａ、ＣｏＦｅＢＴａ等を用いることができる。磁化自由層１７の配向性を高めるために、下地層１７の厚さを０．１ｎｍ以上にすることが好ましい。下地層１６を厚くし過ぎると、下地層１６によるスピン散乱が顕在化するため、下地層１６は０．４ｎｍ以下にすることが好ましい。   The underlayer 16 has a role of forming a (001) -oriented body-centered cubic lattice structure in the magnetization free layer 17 such as CoFeB. The MR ratio can be increased by orienting the magnetization free layer 17 in (001) orientation. An amorphous conductive material is used for the underlayer 16. For example, Ta, CoFeBTa, or the like can be used. In order to improve the orientation of the magnetization free layer 17, it is preferable that the thickness of the underlayer 17 is 0.1 nm or more. If the underlayer 16 is made too thick, spin scattering by the underlayer 16 becomes obvious, so the underlayer 16 is preferably 0.4 nm or less.

磁化自由層１７には、磁化容易方向が面内方向を向く強磁性材料が用いられる。このような磁性材料として、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅＢ、ＦｅＢ等が挙げられる。ＭＴＪ素子をＳＴＴ−ＭＲＡＭに適用したときの反転電流（書込み電流）及び情報保持能力（リテンション）は、磁化自由層１７の膜厚に依存する。磁化自由層１７にＣｏ４２Ｆｅ４２Ｂ１６を用いる場合、その厚さを０．９ｎｍ〜１．８ｎｍの範囲内とすることが好ましい。   For the magnetization free layer 17, a ferromagnetic material whose easy magnetization direction is in the in-plane direction is used. Examples of such a magnetic material include CoFe, NiFe, CoNiFe, CoFeB, NiFeB, CoNiFeB, and FeB. The reversal current (write current) and the information retention capability (retention) when the MTJ element is applied to the STT-MRAM depend on the thickness of the magnetization free layer 17. When Co42Fe42B16 is used for the magnetization free layer 17, the thickness is preferably in the range of 0.9 nm to 1.8 nm.

トンネルバリア層１８は、磁化自由層１７と磁化固定層１９との間で、量子トンネル効果によって電子が移動する厚さに設定される。トンネルバリア層１８の材料及び厚さは、素子抵抗ＲＡを決める一因になる。一例として、トンネルバリア層１８にＭｇＯを用いる場合、その厚さは１ｎｍに設定される。ＭｇＯ以外に、ＡｌＯ、ＺｎＯ、ＨｆＯ等の酸化物を用いてもよい。   The tunnel barrier layer 18 is set to a thickness at which electrons move between the magnetization free layer 17 and the magnetization fixed layer 19 by the quantum tunnel effect. The material and thickness of the tunnel barrier layer 18 contribute to the element resistance RA. As an example, when MgO is used for the tunnel barrier layer 18, the thickness is set to 1 nm. In addition to MgO, oxides such as AlO, ZnO, and HfO may be used.

磁化固定層１９は、例えば、トンネルバリア層１８側から順番に、厚さ２．５ｎｍのＣｏＦｅＢ層、厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ層、厚さ０．７ｎｍのＲｕ層、及び厚さ３ｎｍのＣｏＦｅ層が積層された積層フェリ構造を有する。   The magnetization fixed layer 19 is, for example, in order from the tunnel barrier layer 18 side, a CoFeB layer having a thickness of 2.5 nm, a CoFe layer having a thickness of 0.5 nm, a Ru layer having a thickness of 0.7 nm, and a CoFe layer having a thickness of 3 nm. It has a laminated ferri structure in which layers are laminated.

反強磁性層２０には、反強磁性材料、例えばＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ等が用いられる。一例として、厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎ層が用いられる。反強磁性層２０は、磁化固定層１９と交換結合することにより、磁化固定層１９の磁化方向を、面内の一方向に固定する。   The antiferromagnetic layer 20 is made of an antiferromagnetic material such as PtMn or IrMn. As an example, a PtMn layer having a thickness of 15 nm is used. The antiferromagnetic layer 20 fixes the magnetization direction of the magnetization fixed layer 19 in one direction in the plane by exchange coupling with the magnetization fixed layer 19.

上部電極２１には、例えば厚さ５ｎｍのＲｕ層が用いられる。接続層２２には、例えば厚さ１００ｎｍのＴａ層が用いられる。接続層２２は、上部電極２１からバッファ層１２までの各層をパターニングするときのハードマスクとして用いられる。   For the upper electrode 21, for example, a Ru layer having a thickness of 5 nm is used. For the connection layer 22, for example, a Ta layer having a thickness of 100 nm is used. The connection layer 22 is used as a hard mask when the layers from the upper electrode 21 to the buffer layer 12 are patterned.

磁化自由層１７の磁化方向が、磁化固定層１９の磁化方向と平行になっている状態（平行状態）が、ＭＴＪ素子の低抵抗状態に対応し、反平行になっている状態（反平行状態）が、高抵抗状態に対応する。   The state where the magnetization direction of the magnetization free layer 17 is parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 19 (parallel state) corresponds to the low resistance state of the MTJ element and is antiparallel (antiparallel state). ) Corresponds to the high resistance state.

磁化自由層１７の磁化方向を、平行状態から反平行状態に反転させる動作について説明する。   The operation of reversing the magnetization direction of the magnetization free layer 17 from the parallel state to the antiparallel state will be described.

平行状態から反平行状態に移行させる際には、上部電極２１から下部電極１１に向かって書込み電流Ｉ１を流す。伝導電子ｅは、下部電極１１から上部電極２１に向かって移動する。伝導電子ｅが垂直磁気異方性膜１３に注入されると、伝導電子ｅのスピンが、垂直磁気異方性膜１３内の局在スピンの向き、すなわち垂直方向を向く。スピン分極増強膜１４によって、伝導電子ｅのスピン分極率が高められる。伝導電子ｅが磁化自由層１７を通過するときに、磁化自由層１７の磁化Ｍ１に、伝導電子ｅからスピントランスファートルクが作用し、磁化Ｍ１の方向が膜面に対して傾斜する。さらに、伝導電子ｅのスピンが面内方向を向く。 When shifting from the parallel state to the anti-parallel state, the write current I 1 flows from the upper electrode 21 toward the lower electrode 11. The conduction electrons e move from the lower electrode 11 toward the upper electrode 21. When the conduction electrons e are injected into the perpendicular magnetic anisotropic film 13, the spins of the conduction electrons e are oriented in the direction of localized spins in the perpendicular magnetic anisotropic film 13, that is, in the perpendicular direction. The spin polarization enhancement film 14 increases the spin polarizability of the conduction electrons e. When conduction electrons e pass through the magnetization free layer 17, the magnetization M 1 of the magnetization free layer 17, acts spin transfer torque from the conduction electrons e, the direction of magnetization M 1 is inclined to the film surface. Further, the spin of the conduction electron e is directed in the in-plane direction.

磁化固定層１９の磁化Ｍ２と反平行のスピンを持つ伝導電子ｅが、トンネルバリア層１８と磁化固定層１９との界面で反射されて、磁化自由層１７に再注入される。再注入された伝導電子ｅからのスピントランスファートルクの作用により、磁化自由層１７の磁化Ｍ１の向きが反転する。 Conduction electrons e having spins antiparallel to the magnetization M 2 of the magnetization fixed layer 19 are reflected at the interface between the tunnel barrier layer 18 and the magnetization fixed layer 19 and reinjected into the magnetization free layer 17. By the action of the spin transfer torque from the re-injected conduction electrons e, the orientation of magnetization M 1 of the magnetization free layer 17 is reversed.

磁化固定層１９で反射された伝導電子ｅが磁化自由層１７に再注入される時点で、磁化自由層１７の磁化Ｍ１が膜面に対して傾斜している。このため、磁化自由層１７の磁化Ｍ１が反転しやすい。従って、より少ない電流で、かつ高速に、磁化自由層１７の磁化Ｍ１を反転させることができる。 When the by conduction electrons e reflected on magnetization fixed layer 19 is re-injected into the magnetization free layer 17, the magnetization M 1 of the magnetization free layer 17 is inclined to the film surface. For this reason, they are easy to reversing the magnetization M 1 of the magnetization free layer 17. Thus, with less current, and high speed, it is possible to reverse the magnetization M 1 of the magnetization free layer 17.

図２を参照して、反平行状態から平行状態に反転させるときの動作について説明する。この場合には、下部電極１１から上部電極２１に向かう書込み電流Ｉ２を流す。伝導電子ｅが、磁化固定層１９から磁化自由層１７に注入される。伝導電子ｅのスピンは、磁化固定層１９の磁化Ｍ２の向きを向いている。磁化自由層１７の磁化Ｍ１に作用するスピントランスファートルクにより、磁化自由層１７の磁化Ｍ１が、反平行状態から平行状態に反転する。 With reference to FIG. 2, an operation when the antiparallel state is reversed to the parallel state will be described. In this case, a write current I 2 from the lower electrode 11 toward the upper electrode 21 is passed. Conduction electrons e are injected from the magnetization fixed layer 19 into the magnetization free layer 17. The spin of the conduction electron e is oriented in the direction of the magnetization M 2 of the magnetization fixed layer 19. Due to the spin transfer torque acting on the magnetization M 1 of the magnetization free layer 17, the magnetization M 1 of the magnetization free layer 17 is inverted from the antiparallel state to the parallel state.

図３Ａ及び図３Ｂを参照して、Ａｌのスペーサ層１５の厚さと、素子特性との関係について説明する。作製した評価用試料は、図１に示した実施例１のＭＴＪ素子と同一の積層構造を有する。Ａｌのスペーサ層１５の厚さが異なる複数の評価用試料を作製した。各層の材料及び厚さは、下記の通りである。
・バッファ層１２：厚さ２ｎｍのＲｕ膜
・垂直磁気異方性膜１３：厚さ６ｎｍのＣｏＰｔ膜
・スピン分極増強膜１４：厚さ０．６ｎｍのＣｏＦｅ膜
・スペーサ層１５：厚さ０．４ｎｍ〜１．２ｎｍのＡｌ膜
・下地層１６：厚さ０．２ｎｍのＴａ膜
・磁化自由層１７：厚さ１．４ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
・トンネルバリア層１８：厚さ１．０ｎｍのＭｇＯ膜
・磁化固定層１９：厚さ２．０ｎｍのＣｏＦｅＢ層、厚さ０．５ｎｍのＣｏＦｅ層、厚さ０．７５ｎｍのＲｕ層、及び厚さ３．０ｎｍのＣｏＦｅ層
・反強磁性層２０：厚さ１５ｎｍのＰｔＭｎ膜
・上部電極２１：厚さ５ｎｍのＲｕ層
・接続層２２：厚さ１００ｎｍのＴａ層
図３Ａに、素子抵抗ＲＡと、スペーサ層１５の厚さとの関係を示し、図３Ｂに、ＭＲ比と、スペーサ層１５の厚さとの関係を示す。図３Ａ及び図３Ｂの横軸は、スペーサ層１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、図３Ａの縦軸は、素子抵抗ＲＡを単位「Ωμｍ２」で表し、図３Ｂの縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。 The relationship between the thickness of the Al spacer layer 15 and the element characteristics will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. The produced sample for evaluation has the same stacked structure as the MTJ element of Example 1 shown in FIG. A plurality of evaluation samples having different thicknesses of the Al spacer layer 15 were prepared. The material and thickness of each layer are as follows.
Buffer layer 12: Ru film with a thickness of 2 nm. Perpendicular magnetic anisotropic film 13: CoPt film with a thickness of 6 nm. Spin polarization enhancement film 14: CoFe film with a thickness of 0.6 nm. 4 nm to 1.2 nm Al film, underlayer 16: Ta film with a thickness of 0.2 nm, magnetization free layer 17: CoFeB film with a thickness of 1.4 nm, tunnel barrier layer 18: MgO film with a thickness of 1.0 nm Magnetization fixed layer 19: CoFeB layer having a thickness of 2.0 nm, CoFe layer having a thickness of 0.5 nm, Ru layer having a thickness of 0.75 nm, and CoFe layer / antiferromagnetic layer 20 having a thickness of 3.0 nm: Thickness 15 nm PtMn film • Upper electrode 21: Ru layer 5 nm thick • Connection layer 22: Ta layer 100 nm thick FIG. 3A shows the relationship between the element resistance RA and the thickness of the spacer layer 15. The relationship between the MR ratio and the thickness of the spacer layer 15 Indicates the person in charge. 3A and 3B, the horizontal axis represents the thickness of the spacer layer 15 in the unit “nm”, the vertical axis in FIG. 3A represents the element resistance RA in the unit “Ωμm 2 ”, and the vertical axis in FIG. 3B represents the MR. The ratio is expressed in the unit “%”.

スペーサ層１５が厚くなるに従って、素子抵抗ＲＡが高くなり、ＭＲ比が小さくなっている。この原因は、スペーサ層１５が厚くなると、スペーサ層１５のＡｌがトンネルバリア層１８内まで拡散するためと考えられる。Ａｌの拡散を抑制するという観点から、Ａｌのスペーサ層１５の厚さを１．２ｎｍ以下にすることが好ましい。   As the spacer layer 15 increases in thickness, the element resistance RA increases and the MR ratio decreases. This is considered because Al of the spacer layer 15 diffuses into the tunnel barrier layer 18 when the spacer layer 15 becomes thick. From the viewpoint of suppressing Al diffusion, the thickness of the Al spacer layer 15 is preferably 1.2 nm or less.

図４Ａ及び図４Ｂを参照して、ＣｏＦｅＢの磁化自由層１７の厚さと、素子特性との関係について説明する。作製した評価用試料は、図１に示した実施例１のＭＴＪ素子と同一の積層構造を有する。スペーサ層１５、下地層１６、及び磁化自由層１７の材料及び厚さは、下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３Ａ及び図３Ｂの測定を行った評価用試料のものと同一である。
・スペーサ層１５：厚さ１．０ｎｍのＡｌ膜
・下地層１６：厚さ０．１ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜
・磁化自由層１７：厚さ１．２ｎｍ〜１．５ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図４Ａに、素子抵抗ＲＡと、磁化自由層１７の厚さとの関係を示し、図４Ｂに、ＭＲ比と、磁化自由層１７の厚さとの関係を示す。図４Ａ及び図４Ｂの横軸は、磁化自由層１７の厚さを単位「ｎｍ」で表し、図４Ａの縦軸は、素子抵抗ＲＡを単位「Ωμｍ２」で表し、図４Ｂの縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図４Ａ及び図４Ｂ中の丸記号及び四角記号は、それぞれ下地層１６の厚さが０．１ｎｍ及び０．２ｎｍの試料の測定結果を示す。 With reference to FIGS. 4A and 4B, the relationship between the thickness of the CoFeB magnetization free layer 17 and the element characteristics will be described. The produced sample for evaluation has the same stacked structure as the MTJ element of Example 1 shown in FIG. The materials and thicknesses of the spacer layer 15, the underlayer 16, and the magnetization free layer 17 are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample in which the measurement of FIGS. 3A and 3B was performed.
Spacer layer 15: Al film with a thickness of 1.0 nm Base layer 16: Ta film with a thickness of 0.1 nm to 0.2 nm Magnetization free layer 17: CoFeB film with a thickness of 1.2 nm to 1.5 nm FIG. 4B shows the relationship between the element resistance RA and the thickness of the magnetization free layer 17, and FIG. 4B shows the relationship between the MR ratio and the thickness of the magnetization free layer 17. 4A and 4B, the horizontal axis represents the thickness of the magnetization free layer 17 in the unit “nm”, the vertical axis in FIG. 4A represents the element resistance RA in the unit “Ωμm 2 ”, and the vertical axis in FIG. The MR ratio is expressed in the unit “%”. 4A and 4B indicate the measurement results of the samples in which the thickness of the base layer 16 is 0.1 nm and 0.2 nm, respectively.

磁化自由層１７の厚さが、１．２ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内で厚くなるに従って、素子抵抗ＲＡが減少し、ＭＲ比が大きくなっている。   As the thickness of the magnetization free layer 17 increases within the range of 1.2 nm to 1.5 nm, the element resistance RA decreases and the MR ratio increases.

図５Ａ及び図５Ｂを参照して、Ｔａの下地層１６の厚さと、素子特性との関係について説明する。作製した評価用試料は、図１に示した実施例１のＭＴＪ素子と同一の積層構造を有する。スペーサ層１５及び下地層１６の材料及び厚さは、下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３Ａ及び図３Ｂの測定を行った評価用試料のものと同一である。
・スペーサ層１５：厚さ０．４ｎｍ、１．０ｎｍのＡｌ膜
・下地層１６：厚さ０〜０．４ｎｍのＴａ膜
図５Ａに、素子抵抗ＲＡと、下地層１６の厚さとの関係を示し、図５Ｂに、ＭＲ比と、下地層１６の厚さとの関係を示す。図５Ａ及び図５Ｂの横軸は、下地層１６の厚さを単位「ｎｍ」で表し、図５Ａの縦軸は、素子抵抗ＲＡを単位「Ωμｍ２」で表し、図５Ｂの縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図５Ａ及び図５Ｂ中の丸記号及び四角記号は、それぞれスペーサ１５の厚さが０．４ｎｍ及び１．０ｎｍの試料の測定結果を示す。 With reference to FIGS. 5A and 5B, the relationship between the thickness of the Ta underlayer 16 and the element characteristics will be described. The produced sample for evaluation has the same stacked structure as the MTJ element of Example 1 shown in FIG. The material and thickness of the spacer layer 15 and the underlayer 16 are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample in which the measurement of FIGS. 3A and 3B was performed.
Spacer layer 15: Al film having a thickness of 0.4 nm and 1.0 nm. Base layer 16: Ta film having a thickness of 0 to 0.4 nm. FIG. 5A shows the relationship between the element resistance RA and the thickness of the base layer 16. FIG. 5B shows the relationship between the MR ratio and the thickness of the underlayer 16. 5A and 5B, the horizontal axis represents the thickness of the underlying layer 16 in the unit “nm”, the vertical axis in FIG. 5A represents the element resistance RA in the unit “Ωμm 2 ”, and the vertical axis in FIG. 5B represents the MR. The ratio is expressed in the unit “%”. Circle symbols and square symbols in FIGS. 5A and 5B indicate the measurement results of the samples in which the thickness of the spacer 15 is 0.4 nm and 1.0 nm, respectively.

下地層１６の厚さが０、すなわち下地層１６を配置しない試料は、下地層１６を配置した試料に比べて、ＭＲ比が著しく低いことがわかる。下地層１６を配置することにより、ＭＲ比を高めることができる。これは、下地層１６が、磁化自由層１７を（００１）配向させるためである。   It can be seen that the MR ratio is significantly lower in the sample in which the thickness of the underlayer 16 is 0, that is, in the sample in which the underlayer 16 is not disposed, compared to the sample in which the underlayer 16 is disposed. By arranging the underlayer 16, the MR ratio can be increased. This is because the underlayer 16 orients the magnetization free layer 17 in (001) orientation.

スペーサ層１５にＣｕまたはＲｕが用いられている場合にも、下地層１６を配置することにより、同様の効果が得られる。   Even when Cu or Ru is used for the spacer layer 15, the same effect can be obtained by disposing the base layer 16.

図６Ａ及び図６Ｂを参照して、磁化自由層１７の厚さと、素子特性との関係について説明する。作製した評価用試料は、図１に示した実施例１のＭＴＪ素子と同一の積層構造を有する。スペーサ層１５、下地層１６、及び磁化自由層１７の材料及び厚さは、下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３Ａ及び図３Ｂの測定を行った評価用試料のものと同一である。
・スペーサ層１５：厚さ１．５ｎｍのＣｕ膜
・下地層１６：厚さ０．１ｎｍ〜０．２ｎｍのＴａ膜
・磁化自由層１７：厚さ１．１ｎｍ〜１．４ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図６Ａに、素子抵抗ＲＡと、磁化自由層１７の厚さとの関係を示し、図６Ｂに、ＭＲ比と、磁化自由層１７の厚さとの関係を示す。図６Ａ及び図６Ｂの横軸は、磁化自由層１７の厚さを単位「ｎｍ」で表し、図６Ａの縦軸は、素子抵抗ＲＡを単位「Ωμｍ２」で表し、図６Ｂの縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図６Ａ及び図６Ｂ中の丸記号及び四角記号は、それぞれ下地層１６の厚さが０．１ｎｍ及び０．２ｎｍの試料の測定結果を示す。 The relationship between the thickness of the magnetization free layer 17 and element characteristics will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. The produced sample for evaluation has the same stacked structure as the MTJ element of Example 1 shown in FIG. The materials and thicknesses of the spacer layer 15, the underlayer 16, and the magnetization free layer 17 are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample in which the measurement of FIGS. 3A and 3B was performed.
Spacer layer 15: Cu film with a thickness of 1.5 nm Base layer 16: Ta film with a thickness of 0.1 nm to 0.2 nm Magnetization free layer 17: CoFeB film with a thickness of 1.1 nm to 1.4 nm FIG. 6B shows the relationship between the element resistance RA and the thickness of the magnetization free layer 17, and FIG. 6B shows the relationship between the MR ratio and the thickness of the magnetization free layer 17. 6A and 6B, the horizontal axis represents the thickness of the magnetization free layer 17 in the unit “nm”, the vertical axis in FIG. 6A represents the element resistance RA in the unit “Ωμm 2 ”, and the vertical axis in FIG. The MR ratio is expressed in the unit “%”. The circle symbols and square symbols in FIGS. 6A and 6B indicate the measurement results of the samples in which the thickness of the base layer 16 is 0.1 nm and 0.2 nm, respectively.

図４Ａ及び図４Ｂでは、スペーサ層１５にＡｌを用いた試料の評価結果を示したが、スペーサ層１５にＣｕを用いても、図４Ａ及び図４Ｂと同様の評価結果が得られている。   4A and 4B show the evaluation results of the sample using Al for the spacer layer 15, but even if Cu is used for the spacer layer 15, the same evaluation results as in FIGS. 4A and 4B are obtained.

図７Ａ及び図７Ｂを参照して、Ｒｕのスペーサ層１５の厚さと、素子特性との関係について説明する。作製した評価用試料は、図１に示した実施例１のＭＴＪ素子と同一の積層構造を有する。スペーサ層１５、下地層１６、及び磁化自由層１７の材料及び厚さは、下記の通りである。その他の層の材料及び厚さは、図３Ａ及び図３Ｂの測定を行った評価用試料のものと同一である。
・スペーサ層１５：厚さ０．４ｎｍ〜１．２ｎｍのＲｕ膜
・下地層１６：厚さ０．１ｎｍのＴａ膜
・磁化自由層１７：厚さ１．１ｎｍ〜１．４ｎｍのＣｏＦｅＢ膜
図７Ａに、素子抵抗ＲＡと、スペーサ層１５の厚さとの関係を示し、図７Ｂに、ＭＲ比と、スペーサ層１５の厚さとの関係を示す。図７Ａ及び図７Ｂの横軸は、スペーサ層１５の厚さを単位「ｎｍ」で表し、図７Ａの縦軸は、素子抵抗ＲＡを単位「Ωμｍ２」で表し、図７Ｂの縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図７Ａ及び図７Ｂ中の丸記号、三角記号、四角記号、及び六角形記号は、それぞれ磁化自由層１７の厚さが１．１ｎｍ、１．２ｎｍ、１．３ｎｍ、及び１．４ｎｍの試料の測定結果を示す。 With reference to FIGS. 7A and 7B, the relationship between the thickness of the Ru spacer layer 15 and the element characteristics will be described. The produced sample for evaluation has the same stacked structure as the MTJ element of Example 1 shown in FIG. The materials and thicknesses of the spacer layer 15, the underlayer 16, and the magnetization free layer 17 are as follows. The material and thickness of the other layers are the same as those of the evaluation sample in which the measurement of FIGS. 3A and 3B was performed.
Spacer layer 15: Ru film having a thickness of 0.4 nm to 1.2 nm. Base layer 16: Ta film having a thickness of 0.1 nm. Magnetization free layer 17: CoFeB film having a thickness of 1.1 nm to 1.4 nm. FIG. 7B shows the relationship between the element resistance RA and the thickness of the spacer layer 15, and FIG. 7B shows the relationship between the MR ratio and the thickness of the spacer layer 15. 7A and 7B, the horizontal axis represents the thickness of the spacer layer 15 in the unit “nm”, the vertical axis in FIG. 7A represents the element resistance RA in the unit “Ωμm 2 ”, and the vertical axis in FIG. The ratio is expressed in the unit “%”. The circle symbol, triangle symbol, square symbol, and hexagon symbol in FIG. 7A and FIG. 7B are for samples having a magnetization free layer 17 thickness of 1.1 nm, 1.2 nm, 1.3 nm, and 1.4 nm, respectively. The measurement results are shown.

スペーサ層１５の厚さが０．７ｎｍより薄い領域では、０．８ｎｍ〜１．１ｎｍの領域に比べて、ＭＲ比が著しく低い。これは、磁化方向が垂直になっているスピン分極増強膜１４と、磁化自由層１７との間に交換相互作用が働くためである。なお、スペーサ層１５の厚さが１．２ｎｍ以上になっても、スピン分極増強膜１４と磁化自由層１７との間に交換相互作用が働くため、ＭＲ比は低下する。従って、スペーサ層１５にＲｕを用いる場合には、その厚さを０．８ｎｍ〜１．１ｎｍの範囲内にすることが好ましい。   In the region where the thickness of the spacer layer 15 is less than 0.7 nm, the MR ratio is remarkably lower than that in the region of 0.8 nm to 1.1 nm. This is because an exchange interaction works between the spin polarization enhancement film 14 whose magnetization direction is perpendicular to the magnetization free layer 17. Even if the spacer layer 15 has a thickness of 1.2 nm or more, the MR ratio is lowered because the exchange interaction acts between the spin polarization enhancing film 14 and the magnetization free layer 17. Therefore, when Ru is used for the spacer layer 15, the thickness is preferably in the range of 0.8 nm to 1.1 nm.

図８を参照して、下地層１６を配置することの効果について説明する。図８に、種々のＭＴＪ素子のＭＲ比の測定結果を示す。作製したＭＴＪ素子は、下部電極１１、磁化自由層１７、トンネルバリア層１８、及び磁化固定層１９を含む。磁化自由層１７には、ＣｏＦｅＢを用い、トンネルバリア層１９には、ＭｇＯを用いた。磁化固定層２０は、図１に示した実施例１の磁化固定層２０の構造と同一の積層フェリ構造を有する。下部電極１１の材料として、Ｔａ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ｐｔ、及びＴｉを用いた５種類の試料を作製した。   With reference to FIG. 8, the effect of disposing the underlayer 16 will be described. FIG. 8 shows the measurement results of the MR ratio of various MTJ elements. The manufactured MTJ element includes a lower electrode 11, a magnetization free layer 17, a tunnel barrier layer 18, and a magnetization fixed layer 19. CoFeB was used for the magnetization free layer 17 and MgO was used for the tunnel barrier layer 19. The magnetization fixed layer 20 has the same laminated ferrimagnetic structure as that of the magnetization fixed layer 20 of the first embodiment shown in FIG. Five types of samples using Ta, Ru, Cr, Pt, and Ti as the material of the lower electrode 11 were produced.

図８の横軸は、磁化自由層１７の膜厚を、単位「ｎｍ」で表し、縦軸はＭＲ比を単位「％」で表す。図８の曲線に付した元素記号は、下部電極１１の材料を示す。下部電極１１にＴａを用いると、他の材料を用いた場合に比べて大きなＭＲ比が得られている。   The horizontal axis in FIG. 8 represents the film thickness of the magnetization free layer 17 in the unit “nm”, and the vertical axis represents the MR ratio in the unit “%”. The element symbol attached to the curve in FIG. 8 indicates the material of the lower electrode 11. When Ta is used for the lower electrode 11, a larger MR ratio is obtained compared to the case where other materials are used.

下部電極１１にＴａを用いた場合には、成膜後の結晶化熱処理時に、磁化自由層１７内において、トンネルバリア層１８から下方に結晶化が進む。下部電極１１を形成しているＴａはアモルファス状態であるため、下部電極１１のＴａは、結晶の成長核にならない。このため、下部電極１１からは、ほとんど結晶化が進まない。従って、磁化自由層１７とトンネルバリア層１８との界面の品質を高めることができる。   When Ta is used for the lower electrode 11, crystallization proceeds downward from the tunnel barrier layer 18 in the magnetization free layer 17 during the crystallization heat treatment after film formation. Since Ta forming the lower electrode 11 is in an amorphous state, Ta in the lower electrode 11 does not become a crystal growth nucleus. For this reason, crystallization hardly proceeds from the lower electrode 11. Therefore, the quality of the interface between the magnetization free layer 17 and the tunnel barrier layer 18 can be improved.

これに対し、下部電極１１にＴａ以外の材料を用いた場合には、下部電極１１から磁化自由層１７に向かって進む結晶化が優勢になる。このため、磁化自由層１７とトンネルバリア層１８との界面の品質が低下してしまう。この界面の品質の低下に起因して、ＭＲ比の低下が引き起こされる。   On the other hand, when a material other than Ta is used for the lower electrode 11, crystallization proceeding from the lower electrode 11 toward the magnetization free layer 17 becomes dominant. For this reason, the quality of the interface between the magnetization free layer 17 and the tunnel barrier layer 18 is degraded. Due to the deterioration of the interface quality, the MR ratio is reduced.

実施例１によるＭＴＪ素子では、磁化自由層１７の下に下地層１６が配置されている。この下地層１６が、図８に示したＴａからなる下部電極１１と同じ機能を持つ。下地層１６を配置することにより、スペーサ層１５から磁化自由層１７内に向かう結晶化を抑制し、ＭＲ比の低下を回避することができる。   In the MTJ element according to the first embodiment, the underlayer 16 is disposed under the magnetization free layer 17. The underlayer 16 has the same function as the lower electrode 11 made of Ta shown in FIG. By disposing the underlayer 16, crystallization from the spacer layer 15 into the magnetization free layer 17 can be suppressed, and a reduction in MR ratio can be avoided.

図９Ａ〜図９Ｆを参照して、実施例１によるＭＴＪ素子の製造方法について説明する。   With reference to FIGS. 9A to 9F, a method for manufacturing an MTJ element according to Example 1 will be described.

図９Ａに示すように、基板１０の上に、下部電極１１から接続層２２までの各層を、スパッタリングにより形成する。基板１０内に、下地電極１１に接続される導電プラグ１０Ａが埋め込まれている。接続層２２を形成した後、磁場中で熱処理を行うことにより、反強磁性層２７に反強磁性を出現させる。この熱処理時に、磁化自由層１７が結晶化する。   As shown in FIG. 9A, each layer from the lower electrode 11 to the connection layer 22 is formed on the substrate 10 by sputtering. A conductive plug 10 </ b> A connected to the base electrode 11 is embedded in the substrate 10. After the connection layer 22 is formed, antiferromagnetism appears in the antiferromagnetic layer 27 by performing heat treatment in a magnetic field. During this heat treatment, the magnetization free layer 17 is crystallized.

図９Ｂに示すように、ＭＴＪ積層構造を配置すべき領域に接続層２２が残るように、接続層２２をパターニングする。接続層２２のパターニングには、例えばエッチングマスクとして酸化シリコン膜を用い、エッチングガスとしてＣｌ２ガスを用いる。接続層２２をパターニングした後、エッチングマスクとして使用した酸化シリコン膜は除去する。パターニングされた接続層２２の平面形状は、例えば長方形または楕円形である。平面視において、パターニングされた接続層２２は、導電プラグ１０Ａと重ならない。 As shown in FIG. 9B, the connection layer 22 is patterned so that the connection layer 22 remains in the region where the MTJ stacked structure is to be disposed. For patterning the connection layer 22, for example, a silicon oxide film is used as an etching mask, and a Cl 2 gas is used as an etching gas. After the connection layer 22 is patterned, the silicon oxide film used as an etching mask is removed. The planar shape of the patterned connection layer 22 is, for example, a rectangle or an ellipse. In a plan view, the patterned connection layer 22 does not overlap the conductive plug 10A.

図９Ｃに示すように、パターニングされた接続層２２をエッチングマスクとして用い、上部電極２１からバッファ層１２までの各層をエッチングする。このエッチングには、ＣＯとＮＨ３との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングが適用される。ＣＯとＮＨ３との流量比は、例えば１：１０とし、エッチングチャンバ内の圧力は、例えば１０Ｐａとする。なお、エッチングガスとしてメタノールガスを用いることもできる。 As shown in FIG. 9C, each layer from the upper electrode 21 to the buffer layer 12 is etched using the patterned connection layer 22 as an etching mask. For this etching, reactive ion etching using a mixed gas of CO and NH 3 is applied. The flow rate ratio between CO and NH 3 is, for example, 1:10, and the pressure in the etching chamber is, for example, 10 Pa. Note that methanol gas can also be used as an etching gas.

Ｔａからなる下部電極１１が露出すると、下部電極１１の表面が酸化され、タンタル酸化物層が形成される。タンタル酸化物層がエッチングストッパとして作用するため、下部電極１１はエッチングされない。ここまでの工程で、バッファ層１２から接続層２２まで各層を含む積層構造体３０が形成される。   When the lower electrode 11 made of Ta is exposed, the surface of the lower electrode 11 is oxidized, and a tantalum oxide layer is formed. Since the tantalum oxide layer acts as an etching stopper, the lower electrode 11 is not etched. Through the steps so far, the laminated structure 30 including the layers from the buffer layer 12 to the connection layer 22 is formed.

図９Ｄに示すように、積層構造体３０及び下部電極１１の上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜をパターニングすることにより、レジストパターン３３を形成する。レジストパターン３３は、積層構造体３０、及びその周囲の下部電極１１を覆う。平面視において、レジストパターン３３は導電プラグ１０Ａを内包する。レジストパターン３３をエッチングマスクとして、下部電極１１をエッチングする。このエッチングには、例えばエッチングガスとしてＣｌ２を用いた反応性イオンエッチングが適用される。エッチング後、レジストパターン３３を除去する。ここまでの工程で、図１に示したＭＴＪ素子が形成される。パターニングされた下部電極１１は、導電プラグ１０Ａに電気的に接続されている。 As shown in FIG. 9D, a photoresist film is formed on the laminated structure 30 and the lower electrode 11, and this photoresist film is patterned to form a resist pattern 33. The resist pattern 33 covers the laminated structure 30 and the lower electrode 11 around it. In plan view, the resist pattern 33 includes the conductive plug 10A. The lower electrode 11 is etched using the resist pattern 33 as an etching mask. For this etching, for example, reactive ion etching using Cl 2 as an etching gas is applied. After the etching, the resist pattern 33 is removed. Through the steps so far, the MTJ element shown in FIG. 1 is formed. The patterned lower electrode 11 is electrically connected to the conductive plug 10A.

図９Ｅに示すように、基板１０、下部電極１１、及び積層構造体３０の上に、層間絶縁膜３５を形成する。層間絶縁膜３５には、例えば窒化シリコン、酸化シリコン等の絶縁材料が用いられる。層間絶縁膜３５の形成には、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）が適用される。   As shown in FIG. 9E, an interlayer insulating film 35 is formed on the substrate 10, the lower electrode 11, and the laminated structure 30. For the interlayer insulating film 35, for example, an insulating material such as silicon nitride or silicon oxide is used. For example, chemical vapor deposition (CVD) is applied to the formation of the interlayer insulating film 35.

図９Ｆに示すように、層間絶縁膜３５に、接続層２２の上面を露出させるビアホールを形成し、その中に導電プラグ３７を充填する。導電プラグ３７は、接続層２２を介して、ＭＴＪ素子の上部電極２１に電気的に接続される。   As shown in FIG. 9F, a via hole exposing the upper surface of the connection layer 22 is formed in the interlayer insulating film 35, and a conductive plug 37 is filled therein. The conductive plug 37 is electrically connected to the upper electrode 21 of the MTJ element through the connection layer 22.

図１０に、実施例２によるスピントルク注入型ＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）の等価回路図を示す。複数のワード線５３が、図１０の縦方向に延在し、複数のビット線６５が図１０の横方向に延在する。ワード線５３とビット線６５との交差箇所に対応して、メモリセルが配置される。メモリセルは、スイッチング素子５２とＭＴＪ素子６０とを含む。スイッチング素子５２には、例えばＭＯＳトランジスタが用いられる。スイッチング素子５２の制御端子（ＭＯＳトランジスタのゲート電極）が、対応するワード線５３に接続される。ワード線５３に印加される電気信号によって、スイッチング素子５２のオンオフ制御が行われる。スイッチング素子５２の一方の電流端子が接地され、他方の電流端子が、ＭＴＪ素子６０を介して、対応するビット線６５に接続される。   FIG. 10 shows an equivalent circuit diagram of a spin torque injection type MRAM (STT-MRAM) according to the second embodiment. A plurality of word lines 53 extend in the vertical direction of FIG. 10, and a plurality of bit lines 65 extend in the horizontal direction of FIG. Corresponding to the intersection of the word line 53 and the bit line 65, a memory cell is arranged. The memory cell includes a switching element 52 and an MTJ element 60. For example, a MOS transistor is used as the switching element 52. The control terminal of the switching element 52 (the gate electrode of the MOS transistor) is connected to the corresponding word line 53. On / off control of the switching element 52 is performed by an electrical signal applied to the word line 53. One current terminal of the switching element 52 is grounded, and the other current terminal is connected to the corresponding bit line 65 via the MTJ element 60.

図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して、実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭの製造方法について説明する。図１１Ａ〜図１１Ｃにおいては、１つのメモリセルに対応する部分の断面図を示している。   A manufacturing method of the STT-MRAM according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 11A to 11C. 11A to 11C show cross-sectional views of a portion corresponding to one memory cell.

図１１Ａに示すように、シリコン等の半導体基板５０の表層部に素子分離絶縁膜５１を形成し、活性領域を画定する。この活性領域に、ＭＯＳトランジスタ５２を形成する。ＭＯＳトランジスタ５２のゲート電極がワード線５３（図１０）を兼ねる。半導体基板５０及びＭＯＳトランジスタ５２の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜５５を、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）により堆積させる。堆積後、化学機械研磨（ＣＭＰ）により、層間絶縁膜５５の表面を平坦化する。   As shown in FIG. 11A, an element isolation insulating film 51 is formed on a surface layer portion of a semiconductor substrate 50 such as silicon to define an active region. In this active region, a MOS transistor 52 is formed. The gate electrode of the MOS transistor 52 also serves as the word line 53 (FIG. 10). An interlayer insulating film 55 made of silicon oxide or the like is deposited on the semiconductor substrate 50 and the MOS transistor 52 by, for example, chemical vapor deposition (CVD). After deposition, the surface of the interlayer insulating film 55 is planarized by chemical mechanical polishing (CMP).

層間絶縁膜５５にビアホールを形成し、このビアホール内をタングステン等の導電プラグ５６で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばＴｉＮが用いられる。導電プラグ５６は、ＭＯＳトランジスタ５２の一方の不純物拡散領域に接続される。   A via hole is formed in the interlayer insulating film 55, and the via hole is filled with a conductive plug 56 such as tungsten. For example, TiN is used as the barrier metal. The conductive plug 56 is connected to one impurity diffusion region of the MOS transistor 52.

層間絶縁膜５５の上に、導電プラグ５６に接続されたグランド配線５７を形成する。層間絶縁膜５５及びグランド配線５７の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜５８を、例えばＣＶＤにより堆積させる。堆積後、ＣＭＰにより、層間絶縁膜５８の表面を平坦化する。   A ground wiring 57 connected to the conductive plug 56 is formed on the interlayer insulating film 55. An interlayer insulating film 58 made of silicon oxide or the like is deposited on the interlayer insulating film 55 and the ground wiring 57 by, for example, CVD. After deposition, the surface of the interlayer insulating film 58 is planarized by CMP.

図１１Ｂに示すように、層間絶縁膜５５、５８にビアホールを形成し、このビアホール内を、タングステン等の導電プラグ５９で埋め込む。なお、バリアメタルとして、例えばＴｉＮが用いられる。導電プラグ５９は、ＭＯＳトランジスタ５２のもう一方の不純物拡散領域に接続される。   As shown in FIG. 11B, via holes are formed in the interlayer insulating films 55 and 58, and the via holes are filled with conductive plugs 59 such as tungsten. For example, TiN is used as the barrier metal. Conductive plug 59 is connected to the other impurity diffusion region of MOS transistor 52.

層間絶縁膜５８の上に、ＭＴＪ素子６０を形成する。ＭＴＪ素子６０は、図１に示した実施例１の下部電極１１から接続層２２までの積層構造と同一の積層構造を有する。ＭＴＪ素子６０は、実施例１と同じ方法で作製される。下部電極１１は、導電プラグ５９に接続される。   An MTJ element 60 is formed on the interlayer insulating film 58. The MTJ element 60 has the same stacked structure as the stacked structure from the lower electrode 11 to the connection layer 22 of the first embodiment shown in FIG. The MTJ element 60 is manufactured by the same method as in the first embodiment. The lower electrode 11 is connected to the conductive plug 59.

図１１Ｃに示すように、ＭＴＪ素子６０及び層間絶縁膜５８の上に、酸化シリコン等からなる層間絶縁膜６３を、例えばＣＶＤにより堆積させる。その後、ＣＭＰにより、層間絶縁膜６３の表面を平坦化する。ＭＴＪ素子６０と重なる位置にビアホールを形成し、このビアホール内を、導電プラグ６４で埋め込む。導電プラグ６４には、例えばＡｌ／ＴｉＮの積層膜が用いられる。   As shown in FIG. 11C, an interlayer insulating film 63 made of silicon oxide or the like is deposited on the MTJ element 60 and the interlayer insulating film 58 by, for example, CVD. Thereafter, the surface of the interlayer insulating film 63 is planarized by CMP. A via hole is formed at a position overlapping with the MTJ element 60, and the via hole is filled with a conductive plug 64. For the conductive plug 64, for example, an Al / TiN laminated film is used.

層間絶縁膜６３の上に、ビット線６５を形成する。ビット線６５は、例えば、厚さ１０ｎｍのＴｉ層、厚さ３０ｎｍのＮｉＦｅ層、及び厚さ６００ｎｍのＡｌ層がこの順番に堆積した３層構造を有する。ビット線６５は、導電プラグ６４に接続される。   A bit line 65 is formed on the interlayer insulating film 63. For example, the bit line 65 has a three-layer structure in which a Ti layer having a thickness of 10 nm, a NiFe layer having a thickness of 30 nm, and an Al layer having a thickness of 600 nm are sequentially deposited. The bit line 65 is connected to the conductive plug 64.

ビット線６５及び層間絶縁膜６３の上に、必要に応じて上層の配線層及び電極パッドを形成する。   An upper wiring layer and electrode pads are formed on the bit line 65 and the interlayer insulating film 63 as necessary.

実施例２によるＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいては、実施例１によるＭＴＪ素子が用いられている。このため、書き込み電流を低減させ、かつ磁化反転の高速化を図ることができる。   In the STT-MRAM according to the second embodiment, the MTJ element according to the first embodiment is used. For this reason, it is possible to reduce the write current and increase the speed of magnetization reversal.

実施例１によるＭＴＪ素子は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭの他に、例えばスピントルクオシレータ等に適用することができる。   The MTJ element according to the first embodiment can be applied to, for example, a spin torque oscillator in addition to the STT-MRAM.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

１０ 基板
１０Ａ 導電プラグ
１１ 下部電極
１２ バッファ層
１３ 垂直磁気異方性膜
１４ スピン分極増強膜
１５ スペーサ層
１６ 下地層
１７ 磁化自由層
１８ トンネルバリア層
１９ 磁化固定層
２０ 反強磁性層
２１ 上部電極
２２ 接続層
３０ 積層構造
３３ レジストパターン
３５ 層間絶縁膜
３７ 導電プラグ
５０ 半導体基板
５１ 素子分離絶縁膜
５２ スイッチング素子（ＭＯＳトランジスタ）
５３ ワード線
５５ 層間絶縁膜
５６ 導電プラグ
５７ グランド配線
５８ 層間絶縁膜
５９ 導電プラグ
６０ ＭＴＪ素子
６３ 層間絶縁膜
６４ 導電プラグ
６５ ビット線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 10A Conductive plug 11 Lower electrode 12 Buffer layer 13 Vertical magnetic anisotropic film 14 Spin polarization enhancement film 15 Spacer layer 16 Underlayer 17 Magnetization free layer 18 Tunnel barrier layer 19 Magnetization fixed layer 20 Antiferromagnetic layer 21 Upper electrode 22 Connection layer 30 Laminated structure 33 Resist pattern 35 Interlayer insulating film 37 Conductive plug 50 Semiconductor substrate 51 Element isolation insulating film 52 Switching element (MOS transistor)
53 Word line 55 Interlayer insulation film 56 Conductive plug 57 Ground wiring 58 Interlayer insulation film 59 Conductive plug 60 MTJ element 63 Interlayer insulation film 64 Conductive plug 65 Bit line

Claims (7)

下部電極の上に形成され、磁化容易方向が厚さ方向を向く垂直磁気異方性膜と、
前記垂直磁気異方性膜の上に配置され、非磁性材料で形成されたスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に配置されたアモルファスの導電材料からなる下地層と、
前記下地層の上に配置され、磁化容易方向が面内方向を向く磁化自由層と、
前記磁化自由層の上に配置されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に配置され、磁化方向が面内方向に固定された磁化固定層と
を有し、
前記スペーサ層は、前記垂直磁気異方性膜と前記磁化自由層との間に交換相互作用が働かない厚さであり、かつスピン緩和長よりも薄い磁気トンネル接合素子。 A perpendicular magnetic anisotropy film formed on the lower electrode and having an easy magnetization direction in the thickness direction;
A spacer layer disposed on the perpendicular magnetic anisotropic film and made of a nonmagnetic material;
An underlayer made of an amorphous conductive material disposed on the spacer layer;
A magnetization free layer disposed on the underlayer and having an easy magnetization direction facing an in-plane direction;
A tunnel barrier layer disposed on the magnetization free layer;
A magnetization fixed layer disposed on the tunnel barrier layer and having a magnetization direction fixed in an in-plane direction;
The spacer layer is a magnetic tunnel junction element having a thickness that prevents exchange interaction between the perpendicular magnetic anisotropic film and the magnetization free layer and being thinner than a spin relaxation length. 前記磁化自由層は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＮｉＦｅＢ、またはＦｅＢで形成されており、前記下地層はＴａを含む請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。   2. The magnetic tunnel junction device according to claim 1, wherein the magnetization free layer is made of CoFe, NiFe, CoNiFe, CoFeB, NiFeB, CoNiFeB, or FeB, and the underlayer includes Ta. 前記垂直磁気異方性膜は、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、またはＦｅＰｄで形成されているか、Ｆｅ層とＰｔ層との交互積層構造、Ｆｅ層とＰｄ層との交互積層構造、Ｃｏ層とＰｔ層との交互積層構造、Ｃｏ層とＰｄ層との交互積層構造、またはＣｏ層とＮｉ層との交互積層構造を有し、前記垂直磁気異方性膜の厚さは４ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内である請求項１または２に記載の磁気トンネル接合素子。   The perpendicular magnetic anisotropy film is made of CoPt, FePt, CoPd, or FePd, or an alternately laminated structure of an Fe layer and a Pt layer, an alternately laminated structure of an Fe layer and a Pd layer, a Co layer and a Pt layer An alternate lamination structure of Co layers and Pd layers, or an alternate lamination structure of Co layers and Ni layers, and the thickness of the perpendicular magnetic anisotropic film is in the range of 4 nm to 10 nm. The magnetic tunnel junction device according to claim 1 or 2. 前記スペーサ層は、厚さ０．３ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内のＡｌ層、厚さ０．３ｎｍ〜２ｎｍの範囲内のＣｕ層、または厚さ０．８ｎｍ〜１．１ｎｍの範囲内のＲｕ層である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子。   The spacer layer may be an Al layer having a thickness of 0.3 nm to 1.5 nm, a Cu layer having a thickness of 0.3 nm to 2 nm, or a Ru having a thickness of 0.8 nm to 1.1 nm. The magnetic tunnel junction element according to claim 1, wherein the magnetic tunnel junction element is a layer. さらに、前記垂直磁気異方性膜と前記スペーサ層との間に配置され、前記垂直磁気異方性膜よりもスピン分極率の大きな材料で形成されたスピン分極増強膜を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子。   5. A spin polarization enhancement film disposed between the perpendicular magnetic anisotropic film and the spacer layer and formed of a material having a higher spin polarizability than the perpendicular magnetic anisotropic film. The magnetic tunnel junction device according to any one of the above. 前記スピン分極増強膜は、磁化容易方向が面内方向の強磁性材料で形成され、前記垂直磁気異方性膜と交換結合することによって、磁化方向が垂直方向を向いている請求項５に記載の磁気トンネル接合素子。   6. The spin polarization enhancement film is formed of a ferromagnetic material having an easy magnetization direction in an in-plane direction, and the magnetization direction is directed to the perpendicular direction by exchange coupling with the perpendicular magnetic anisotropic film. Magnetic tunnel junction element. 基板上に形成され、一方向に延在する複数のワード線と、
前記ワード線と交差する方向に延在する複数のビット線と、
前記ワード線と前記ビット線との交差箇所に対応して配置されたメモリセルと
を有し、
前記メモリセルは、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合素子とスイッチング素子との直列接続を含み、該直列接続の一方の端子は、対応する前記ビット線に接続され、他方の端子は接地され、前記スイッチング素子は、対応する前記ワード線に印加される電気信号によってオンオフ制御される磁気ランダムアクセスメモリ。 A plurality of word lines formed on the substrate and extending in one direction;
A plurality of bit lines extending in a direction crossing the word line;
Memory cells arranged corresponding to the intersections of the word lines and the bit lines;
The memory cell is
7. A serial connection of the magnetic tunnel junction device and the switching device according to claim 1, wherein one terminal of the serial connection is connected to the corresponding bit line, and the other terminal is grounded. And the switching element is controlled to be turned on and off by an electric signal applied to the corresponding word line.
JP2011031971A 2011-02-17 2011-02-17 Magnetic tunnel junction device and magnetic random access memory Expired - Fee Related JP5732894B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011031971A JP5732894B2 (en) 2011-02-17 2011-02-17 Magnetic tunnel junction device and magnetic random access memory

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011031971A JP5732894B2 (en) 2011-02-17 2011-02-17 Magnetic tunnel junction device and magnetic random access memory

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012174708A true JP2012174708A (en) 2012-09-10
JP5732894B2 JP5732894B2 (en) 2015-06-10

Family

ID=46977396

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011031971A Expired - Fee Related JP5732894B2 (en) 2011-02-17 2011-02-17 Magnetic tunnel junction device and magnetic random access memory

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5732894B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015029514A1 (en) * 2013-08-29 2015-03-05 三菱電機株式会社 Magnetic field detector including magnetoresistance effect element, and current detector
JP2015525426A (en) * 2012-05-31 2015-09-03 ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションＮｏｒｔｈｒｏｐ Ｇｒｕｍｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Josephson magnetic memory cell system
US9178135B2 (en) 2013-05-03 2015-11-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic device
KR20170045082A (en) * 2015-10-15 2017-04-26 삼성전자주식회사 Semiconductor memory device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002261352A (en) * 2000-12-07 2002-09-13 Commiss Energ Atom Magnetic spin magnetization device and magnetization rotating device having storage function, and writing method using the device
JP2006128579A (en) * 2004-11-01 2006-05-18 Sony Corp Storage element and memory
JP2007525847A (en) * 2004-02-26 2007-09-06 グランディス インコーポレイテッド Spin transfer magnetic element with free layer with high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
JP2010109372A (en) * 2008-10-30 2010-05-13 Korea Inst Of Science & Technology Magnetic tunnel junction structure having double magnetic anisotropy free layer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002261352A (en) * 2000-12-07 2002-09-13 Commiss Energ Atom Magnetic spin magnetization device and magnetization rotating device having storage function, and writing method using the device
JP2007525847A (en) * 2004-02-26 2007-09-06 グランディス インコーポレイテッド Spin transfer magnetic element with free layer with high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
JP2006128579A (en) * 2004-11-01 2006-05-18 Sony Corp Storage element and memory
JP2010109372A (en) * 2008-10-30 2010-05-13 Korea Inst Of Science & Technology Magnetic tunnel junction structure having double magnetic anisotropy free layer

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015525426A (en) * 2012-05-31 2015-09-03 ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションＮｏｒｔｈｒｏｐ Ｇｒｕｍｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Josephson magnetic memory cell system
US9178135B2 (en) 2013-05-03 2015-11-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic device
WO2015029514A1 (en) * 2013-08-29 2015-03-05 三菱電機株式会社 Magnetic field detector including magnetoresistance effect element, and current detector
JPWO2015029514A1 (en) * 2013-08-29 2017-03-02 三菱電機株式会社 Magnetic field detector with magnetoresistive effect element and current detector
KR20170045082A (en) * 2015-10-15 2017-04-26 삼성전자주식회사 Semiconductor memory device
KR102514501B1 (en) * 2015-10-15 2023-03-29 삼성전자주식회사 Semiconductor memory device

Also Published As

Publication number Publication date
JP5732894B2 (en) 2015-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102353406B1 (en) Magnetic devices including magnetic junctions having tilted easy axes and enhanced damping programmable using spin orbit torque
JP6130886B2 (en) Magnetic element and storage device
US9224942B2 (en) Memory element and memory device
JP6290487B1 (en) Magnetic memory
JP5623507B2 (en) Magnetic layered body having spin torque switching and having a layer for assisting switching of spin torque
US9025362B2 (en) Memory element and memory device
KR20140037206A (en) Spin-torque magnetoresistive memory element and method of fabricating same
JP6194752B2 (en) Storage element, storage device, magnetic head
US8743594B2 (en) Memory element and memory device
KR20080060143A (en) Storage element and memory
JP2012059808A (en) Storage element and memory unit
TW201212315A (en) Memory element, method for manufacturing memory element, and memory
JP5504704B2 (en) Memory element and memory
JP2014072392A (en) Storage element, storage device, magnetic head
JP2008171882A (en) Storage element and memory
JPWO2009110119A1 (en) Ferromagnetic tunnel junction device and method for driving ferromagnetic tunnel junction device
US7501688B2 (en) Spin injection magnetization reversal element
JP5691604B2 (en) Magnetic tunnel junction device and magnetic random access memory
JP2012160681A (en) Memory element, memory device
JP2008153527A (en) Storage element and memory
JP5732894B2 (en) Magnetic tunnel junction device and magnetic random access memory
US8750035B2 (en) Memory element and memory device
JP2012059878A (en) Storage element and memory unit
JP2012059879A (en) Storage element and memory unit
JP2012060062A (en) Storage element and memory unit

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20131106

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20141016

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141021

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150317

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150330

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5732894

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees