JP2014116474A

JP2014116474A - 磁気抵抗素子

Info

Publication number: JP2014116474A
Application number: JP2012269845A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Sonobe; 義明園部
Original assignee: Samsung R&D Institute Japan Co Ltd
Current assignee: Samsung R&D Institute Japan Co Ltd
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】磁化反転電流を低減でき、低電力化が達成された磁気抵抗素子を提供する。
【解決手段】磁化方向が可変な記憶層１４と、所定の磁化方向を維持する固定層１２と、記憶層１４と固定層１２との間に設けられた絶縁体層１３と、を有するＭＴＪ層を備え、記憶層１４は、強磁性層４１と、垂直磁化保持層４３と、強磁性層４１と垂直磁化保持層４３との間に設けられ、強磁性層４１と垂直磁化保持層４３との磁気結合を制御する磁気結合制御層４２と、を備えてなる磁気抵抗素子である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory：磁気メモリ）、レーストラックメモリ（Racetrack-memory：磁気ベースの不揮発性メモリ）、ＨＤＤの読み出しヘッド等の垂直磁化強磁性体の磁気抵抗効果を用いた磁気抵抗素子に関する。

垂直磁化を有し磁気抵抗効果によって読み出しを行う磁気抵抗素子は、微細化に対する熱擾乱耐性が高く、次世代のメモリ等として期待されている。このような次世代メモリの基本構成材料として、高垂直磁気異方性を有し、高いスピン分極率を持つ強磁性材料が要求されているが、材料自体が垂直磁気異方性を持ち、理論的に高いスピン分極率を持っている材料は、Ｍｎ−Ｇａ系等の材料しかなく、材料選択範囲が非常に狭いのが実状であり、高い垂直磁気異方性を持つ強磁性体薄膜を形成するのは困難である。

一方、上記解決策として、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction：磁気トンネル接合）層に垂直磁化保持層を結合させる方法が提案されている。このような従来の磁気抵抗素子として、例えば、スピンモーメントが膜面に垂直な方向に向いて前記スピンモーメントの方向が固定された磁性膜を有する磁化固着層と、スピンモーメントが膜面に垂直な方向に向く磁気記録層と、前記磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられる非磁性層と、前記磁化固着層の少なくとも側面に設けられた反強磁性膜と、を備えたものがある。（例えば、特許文献１参照）。

また、第１の強磁性層／トンネル障壁層／第２の強磁性層の３層構造を含む強磁性トンネル接合を有し、前記第１の強磁性層は前記第２の強磁性層よりも保磁力が大きく、前記２つの強磁性層の磁化の相対的角度によりトンネルコンダクタンスが変化する磁気抵抗効果素子であり、前記第２の強磁性層の端部の磁化が前記第２の強磁性層の磁化容易軸方向と直交する成分を持つ方向に固着されている磁気抵抗素子も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。

そしてまた、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が可変の第１磁性層と、膜面垂直方向に磁化容易軸を有する磁化方向が不変の第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる第１非磁性層とを有し、前記第１磁性層は、ＣｏとＰｄ、又は、ＣｏとＰｔが原子稠密面に対して交互に積層されるＣｏＰｄ合金、又は、ＣｏＰｔ合金を有し、ｃ軸が膜面垂直方向を向く強磁性体から構成され、前記第１磁性層の磁化方向は、前記第１磁性層、前記第１非磁性層及び前記第２磁性層を貫く双方向電流により変化する磁気抵抗素子も紹介されている。（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−３２８７８号公報特開２００５−１５０３０３号公報特開２０１１−７１３５２号公報

ＭＴＪ層に垂直磁化保持層を結合させる方法により、高いスピン分極率を有する材料範囲が、ハーフメタル系、ホイスラー系等に拡大され選択範囲が拡大したが、素子の膜厚が大きくなるため磁化反転電流が増大し、低電力化することが困難である。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、磁化反転電流を低減でき、低電力化が達成された磁気抵抗素子を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、磁化方向が可変な記憶層と、所定の磁化方向を維持する固定層と、前記記憶層と固定層との間に設けられた絶縁体層と、を有するＭＴＪ層を備えた磁気抵抗素子であって、前記記憶層は、第１強磁性層と、第１垂直磁化保持層と、前記第１強磁性層と第１垂直磁化保持層との間に設けられ、当該第１強磁性層と第１垂直磁化保持層との磁気結合を制御する磁気結合制御層と、を備えてなる磁気抵抗素子を提供するものである。

この構成を備えた磁気抵抗素子は、記憶層の第１強磁性層と第１垂直磁化保持層との間に設けられた磁気結合制御層の厚さを適宜変更することで、抵抗変化率、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等の各種パラメータを最適化することができる。したがって、磁化反転電流を低減でき、低電力化を達成することができる。

また、本発明に係る磁気抵抗素子は、前記固定層が第２強磁性層と、第２垂直磁化保持層とを備えることができる。この構成の場合、前記第１及び第２垂直磁化保持層（即ち、ＭＴＪ層の垂直磁化保持層）の垂直磁気異方性定数が、前記第１及び第２強磁性層（即ち、ＭＴＪ層の強磁性層）の垂直磁気異方性定数より大きくなるよう設定することで、磁化反転電流をさらに効率よく低減することができ、さらに低電力である磁気抵抗素子を提供することができる。

そしてまた、前記ＭＴＪ層の強磁性層の垂直磁気異方性定数は、０または負の値を有するように設定することもできる。このようにすることで、磁化反転電流を一層効率よく低減することができ、より低電力である磁気抵抗素子を提供することができる。

また、前記ＭＴＪ層の強磁性層は、分極率が大きなハーフメタルまたはホイスラー材料から形成することができる。

本発明によれば、磁化反転電流が低減され、低電力化が達成された磁気抵抗素子を提供することができる。

本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子の主要部を模式的に示す断面図である。図１に示す磁気抵抗素子の記憶層を模式的に拡大して示す断面図である。本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子及び従来の磁気抵抗素子における電流密度と反転確率との関係を示す図である。本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子及び従来の磁気抵抗素子における異方性と反転電流密度との関係を示す図である。

次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子の主要部を模式的に示す断面図、図２は、図１に示す磁気抵抗素子の記憶層を模式的に拡大して示す断面図である。なお、前記各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。

図１に示すように、本実施形態に係る磁気抵抗素子は、ベース電極１１上に形成された固定層１２と、固定層１２上に形成された絶縁体層１３と、絶縁体層１３上に形成された記憶層１４と、記憶層１４上に形成されたキャップ層１５と、を有しており、ベース電極１１には、トランジスタ１６が接続されている。この磁気抵抗素子は、固定層１２、絶縁体層１３、記憶層１４によりＭＴＪ層（磁気トンネル接合層）を構成している。

また、この磁気抵抗素子は、スピン注入磁化反転方式によって書き込みを行う。即ち、磁気抵抗素子は、スピン注入書込み方式に用いる磁気抵抗素子である。即ち、書き込みの際は、固定層１２から記憶層１４へ、または、記憶層１４から固定層１２へ、膜面垂直方向に電流を流すことによって、スピン情報を蓄積される電子が固定層１２から記憶層１４に注入される。そして、この注入される電子のスピン角運動量が、スピン角運動量の保存則にしたがって記憶層１４の電子に移動されることによって、記憶層１４の磁化が反転することになる。言い換えれば、各層に対し膜面垂直方向に流すスピン偏極電流の方向に応じて、固定層１２と記憶層１４の磁化の相対角を平行、反平行状態（即ち、抵抗の極小、極大）に変化させ、二進情報の“０”または“１”に対応づけることにより、情報を記憶する。

固定層１２は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、記憶層１４に対し磁化方向（図１に示す固定層１２に記載する矢印参考）が固定されている。なお、図１では、固定層１２の磁化方向は、典型例としてベース電極１１に対し上を向いているが、下（ベース電極１１側）を向いていてもよい。この固定層１２は、特に図示しないが、強磁性層と垂直磁化保持層を有している。なお、固定層１２は、磁化固定層、参照層、磁化参照層、ピン層、基準層、磁化基準層等と称されることもある。

固定層１２としては、記憶層１４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Ｋｕｅｆｆ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。しかしながら、固定層１２を構成する材料は、特に限定されるものではなく、諸条件により任意の材料から選択することができる。

絶縁体層１３は、トンネルバリア層であり、ＭｇＯ等の絶縁膜から構成されている。なお、絶縁体層１３を構成する材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましく、前述したＭｇＯの他、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ等が挙げられるが、絶縁体層１３としての機能に支障をきたさない限り、特に限定されるものではない。

記憶層１４は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、膜面と交わる面に沿って回転する。この記憶層１４は、図２に示すように、強磁性層４１と、強磁性層４１上に形成された磁気結合制御層４２と、磁気結合制御層４２上に形成された垂直磁化保持層４３を有している。即ち、記憶層１４は、強磁性層４１と垂直磁化保持層４３との間に、強磁性層４１と垂直磁化保持層４３との磁気結合を制御する磁気結合制御層４２が設けられた構成を有している。なお、記憶層１４は、自由層、磁化自由層、磁化可変層等と称されることもある。

強磁性層４１は、例えば、ハーフメタルまたはホイスラー材料からを選択することが好ましい。

磁気結合制御層４２は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＭｇＯ等から構成することができる。また、磁気的な結合の大きさは、磁気結合制御層４２の厚さ（膜厚）が２ｎｍ以下となるように適宜変化させることで、抵抗変化率、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等のパラメータを最適化することができる。

垂直磁化保持層４３は、Ｌ１_０型のＦｅＰｄまたはＦｅＰｔから構成された高垂直磁気異方性材料から構成することができる。

キャップ層１５は、記憶層１４の酸化防止等、主として保護層として機能するものである。

次に、本実施形態に係る磁気抵抗素子において、固定層１２、絶縁体層１３、記憶層１４から構成されるＭＴＪ層の強磁性層の垂直磁気異方性定数（Ｋｕ_１）と、当該ＭＴＪ層の垂直磁化保持層の垂直磁気異方性定数（Ｋｕ_２）が、図３に示す値（Ｋｕ_１＜Ｋｕ_２）となるように構成したサンプルについて電流密度と反転確率との関係を測定した。この結果を図３に示す。

なお、ＭＴＪ層の強磁性層とは、固定層１２及び記憶層１４の強磁性層のことであり、ＭＴＪ層の垂直磁化保持層とは、固定層１２及び記憶層１４の垂直磁化保持層のことである。

また、比較として、記憶層に磁気結合制御層が形成されていない単層膜（ＳＬ）を有する従来のＭＴＪ層について電流密度と反転確率との関係を測定した。この結果を図３に示す。なお、この従来のＭＴＪ層の場合、強磁性層の垂直磁気異方性定数（Ｋｕ_１）と垂直磁化保持層の垂直磁気異方性定数（Ｋｕ_２）は同じである。

図３から、反転電流密度は、強磁性層の垂直磁気異方性定数（Ｋｕ_１）の減少とともに低下していることが分かる。また、の垂直磁気異方性定数（Ｋｕ_１）が負であると、単層膜よりも反転電流密度が低下したことが分かる。

なお、最小反転電流密度は、Ｋｕ_１が−１０．０Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３のときであり、７．９４ＧＡ／ｍ^２であった。また、単層膜（ＳＬ）を有する従来のＭＴＪ層の反転電流密度と比較すると、約８％減少していた。

次に、図４に示すように、５種類のＡ_ＩＬを示すサンプルと単層膜（ＳＬ）を有する従来のＭＴＪ層について、強磁性層の垂直磁気異方性定数（Ｋｕ_１）と反転電流密度との関係を測定した。この結果を図４に示す。なお、図４において、Ａ_ＩＬ＝１．００μｅｒｇ／ｃｍのとき、磁気結合制御層４２の膜厚は最薄（ほぼ０）であり、Ａ_ＩＬ＝０．０３μｅｒｇ／ｃｍのとき、磁気結合制御層４２の膜厚は最厚である。即ち、磁気結合制御層４２の膜厚は、Ａ_ＩＬが小さくなるほど厚くなっている。

図４から、Ａ_ＩＬの値によって、反転電流密度が最小となる強磁性層の垂直磁気異方性定数（Ｋｕ_１）が変化することが分かる。Ａ_ＩＬが０．０５μｅｒｇ／ｃｍ、０．０３μｅｒｇ／ｃｍでは、Ｋｕ_１が２Ｍｅｒｇ／ｃｍ^３付近で反転電流密度が急激に増加したことが分かる。また、Ａ_ＩＬが０．０３μｅｒｇ／ｃｍでは、Ｋｕ_１が負である場合、Ｋｕ_１が減少するほど反転電流密度が増加することが分かる。

以上から、記憶層１４に磁気結合制御層４２を設けることにより、反転記録電流を小さくでき、低電力化が可能になることが立証された。

１１ベース電極
１２固定層
１３絶縁体層
１４記憶層
１５キャップ層
１６トランジスタ
４１強磁性層
４２磁気結合制御層
４３垂直磁化保持層

Claims

磁化方向が可変な記憶層と、所定の磁化方向を維持する固定層と、前記記憶層と固定層との間に設けられた絶縁体層と、を有する磁気トンネル接合層を備えた磁気抵抗素子であって、
前記記憶層は、
第１強磁性層と、
第１垂直磁化保持層と、
前記第１強磁性層と第１垂直磁化保持層との間に設けられ、当該第１強磁性層と第１垂直磁化保持層との磁気結合を制御する磁気結合制御層と、
を備えてなる磁気抵抗素子。
前記固定層は、第２強磁性層と、第２垂直磁化保持層と、を備えてなり、
前記第１及び第２垂直磁化保持層の垂直磁気異方性定数が、前記第１及び第２強磁性層の垂直磁気異方性定数より大きい請求項１記載の磁気抵抗素子。
前記第１及び第２強磁性層の垂直磁気異方性定数が、０または負の値を有する請求項１または請求項２記載の磁気抵抗素子。
前記第１及び第２強磁性層が、ハーフメタルまたはホイスラー材料からなる請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子。