JP2013016645A - 磁気抵抗素子、磁気メモリ及び磁気抵抗素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】膜面に垂直方向の磁化容易軸を有し、磁化方向が可変の記憶層3と、膜面に垂直方向の磁化容易軸を有し、磁化方向が不変の固定層2と、記憶層3と固定層2との間に設けられた非磁性層4と、記憶層3の、非磁性層4が配置された面と反対の面側に配置された配線層10を有する。記憶層3は、磁性材料31、33と非磁性材料32、34とが交互に積層された構造を有する。非磁性材料32、34がTa、W、Nb、Mo、Zr、Hfの少なくとも1つの元素を含む。磁性材料31、33はCoとFeを含む。磁性材料のうちの1つは非磁性層4と接し、非磁性材料のうちの1つは配線層と接している。
【選択図】図2
Description
第1実施形態は、磁気抵抗素子に関する。
図1は、第1実施形態の磁気抵抗素子の断面図である。
図1に示した磁気抵抗素子1の製造方法を説明する。
磁気抵抗素子1の記憶層3として垂直磁化膜を用いる場合、前述の通り形状異方性を利用しないため、素子形状を面内磁化型に比し小さくできる。さらに、記憶層3に大きな垂直磁気異方性を示す材料を採用することにより、熱擾乱耐性を維持しつつ、微細化と低電流化の両立が可能となる。以下に、記憶層として具備すべき性質、及び材料選択の具体例について詳細に説明する。
記憶層として垂直磁化材料を用いる場合、その熱擾乱指数Δは、実効的な異方性エネルギーKu eff・Vと熱エネルギーkBTとの比をとって、下記の(式1)のように表される。
=(Ku−2πNMS 2)・Va/kBT ・・・(式1)
ここで、
Ku:垂直磁気異方性定数
MS:飽和磁化
N:反磁場係数
Va:磁化反転単位体積
である。
Ic∝α/η・Δ ・・・(式2)
ここで、
α:磁気緩和定数
η:スピン注入効率係数
である。
上述したように、記憶層3が垂直磁化膜であり、かつ十分な熱擾乱耐性と低電流での磁化反転とを両立するためには、熱擾乱指数Δを維持しながら、磁気緩和定数αを小さく、スピン注入効率係数ηを大きくすることが望ましい。スピン注入効率係数ηは、分極率に対して単調に増加するため、高い分極率を示す材料が望ましい。
下地層5上に記憶層3を形成する、いわゆるボトムフリー構造の場合は、特に下地層がなくても構わない。すなわち、インテグレーションされた基板表面に直接形成することができる。また、密着性の観点から下地材料を選択して形成してもよい。
磁気抵抗素子1の非磁性層4の材料としては、NaCl構造を有する酸化物が好ましい。具体的にはMgO、CaO、SrO、TiO、VO、NbOなどが挙げられる。記憶層3の磁化方向と固定層2の磁化方向とが反平行の場合、スピン分極したΔ1バンドがトンネル伝導の担い手となるため、マジョリティースピン電子のみが伝導に寄与することとなる。この結果、磁気抵抗素子1の伝導率が低下し、抵抗値が大きくなる。
図1乃至図5に示す磁気抵抗素子1の固定層2としては、記憶層3に対し、容易に磁化方向が変化しない材料を選択することが好ましい。即ち、実効的な磁気異方性Ku eff及び飽和磁化Msが大きく、また磁気緩和定数αが大きい材料を選択することが好ましい。具体的な材料については後述する。
規則合金系としては、Fe、Co、Niのうち1つ以上の元素と、Pt、Pdのうち1つ以上の元素とを含む合金であり、この合金の結晶構造がL10型の規則合金である。例えば、Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Fe30Ni20Pt50、Co30Fe20Pt50、Co30Ni20Pt50等があげられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。
人工格子系としては、Fe、Co、Niのうちいずれか1つの元素、或いは1つ以上の元素を含む合金と、Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cuのうちいずれか1つの元素、或いは1つ以上の元素を含む合金とが交互に積層される構造を有する。例えば、Co/Pt人工格子、Co/Pd人工格子、CoCr/Pt人工格子、Co/Ru人工格子、Co/Os、Co/Au、Ni/Cu人工格子等があげられる。
不規則合金系は、コバルト(Co)を主成分とし、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タングステン(W)、ハフニウム(Hf)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、鉄(Fe)、及びニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素を含む金属である。
磁気抵抗素子1の非磁性層4に接する固定層(磁性層)2の界面には、トンネル磁気抵抗比(TMR比)を上昇させる目的で、図3に示したように、界面層11を配置しても良い。
図5に示したように、磁気抵抗素子1の固定層2とキャップ層6の間に、非磁性層21とバイアス層(シフト調整層)22を配置してもよい。これにより、固定層2からの漏れ磁場による記憶層3の反転電流のシフトを緩和及び調整することが可能となる。
MS2×t2<MS22×t22 ・・・(式3)
例えば、素子サイズ50nmの加工を想定した場合、反転電流のシフトを相殺するためには、固定層2に飽和磁化Msが1000emu/cc、膜厚が5nmの磁性材料を用いたとすると、非磁性層21の膜厚は3nm、バイアス層22には飽和磁化Msが1000emu/cc、膜厚が15nm程度のバイアス層特性が要求される。
次に、第2実施形態の磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)について図9および図10を参照して説明する。第2実施形態のMRAMは、第1実施形態の磁気抵抗素子を記憶素子として用いた構成となっている。
図11は、デジタル加入者線(DSL)用モデムのDSLデータパス部を抽出して示している。
図12は、別の適用例であり、携帯電話端末300を示している。
図13乃至図17は、MRAMをスマートメディア等のメディアコンテンツを収納するカード(MRAMカード)に適用した例をそれぞれ示している。
Claims (7)
- 膜面に垂直方向の磁化容易軸を有し、磁化方向が可変の第1の磁性層と、
膜面に垂直方向の磁化容易軸を有し、磁化方向が不変の第2の磁性層と、
前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に設けられた第1の非磁性層と、
前記第1の磁性層の、前記第1の非磁性層が配置された面と反対の面側に配置された導電層を具備し、
前記第1の磁性層は、磁性材料と非磁性材料とが交互に積層された構造を有し、前記非磁性材料がTa、W、Nb、Mo、Zr、Hfの少なくとも1つの元素を含み、前記磁性材料はCoとFeを含み、前記磁性材料のうちの1つは前記第1の非磁性層と接し、前記非磁性材料のうちの1つは前記導電層と接していることを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記第1の非磁性層に接する前記磁性材料は、CoFe合金あるいはCo、Fe及びBを含む合金
(Co100−x−Fex)100−yByからなり、x≧50at%、0<y≦30at%であることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。 - 前記第1の非磁性層と接していない前記磁性材料と前記非磁性材料は、アモルファス状態を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の磁気抵抗素子。
- 前記第1の非磁性層と接する前記磁性材料と、前記第1の非磁性層と接していない前記磁性材料は、異なる結晶状態を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子を挟み込み、前記磁気抵抗素子に対して通電を行う第1及び第2電極とを含むメモリセルを具備することを特徴とする磁気メモリ。
- 前記第1電極に電気的に接続される第1配線と、
前記第2電極に電気的に接続される第2配線と、
前記第1配線及び前記第2配線に電気的に接続され、前記磁気抵抗素子に前記双方向電流を供給する書き込み回路と、
をさらに具備することを特徴とする請求項5に記載の磁気メモリ。 - 第1非磁性材料を形成する工程と、
前記第1非磁性材料上に第1磁性材料を形成する工程と、
前記第1磁性材料上に第2非磁性材料を形成する工程と、
前記第2非磁性材料上に第2磁性材料を形成する工程と、
前記第2磁性材料上に非磁性層を形成する工程と、
前記非磁性層上に磁性層を形成する工程と、
前記磁性層を形成した後、熱処理を行う工程とを具備し、
前記熱処理を行った後、前記非磁性層と接していない前記第1磁性材料と前記第2非磁性材料はアモルファス状態を含むことを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
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