JP4745414B2 - 磁気抵抗素子及び磁気メモリ - Google Patents
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Description
[1.原理]
TMR効果は、トンネルバリア層と強磁性層との界面のスピン分極率に敏感である。なぜなら、トンネルするのは界面近傍の電子であり、したがって、スピン分極率は界面電子状態と関係する。このため、大きなTMR効果を発現するには、トンネルバリア層と強磁性層との界面に高いスピン分極率を持つ材料を挿入することが考えられる。高いスピン分極率を持つスピン分極層に接する強磁性層の磁化が膜面に対して垂直方向を向いており、かつスピン分極層が十分に薄い場合、強磁性層の磁気的相互作用をうけるため、スピン分極層の磁化は膜面に垂直な方向に揃う。しかし、スピン分極層が薄いと、界面スピン分極率が下がるために磁気抵抗比は小さくなってしまう。
図2は、本発明の第1の実施形態に係るMTJ素子10の構成を示す断面図である。MTJ素子10は、第1の安定化層11、第1のスピン分極層12、非磁性層13、第2のスピン分極層14、第2の安定化層15が順に積層されて構成されている。
例えばCoFe合金をスピン分極層に用いた場合、CoFe合金の格子定数の比c/aが1.10以上1.35以下であり、かつその組成がCoXFe1−X(0.4≦X≦0.6)のとき結晶磁気異方性は大きくなる(非特許文献3の図1を参照)。この結晶磁気異方性は大きい条件において、歪みが生成されるためのBCT構造のCoFe合金の格子定数aを見積もる。ここでaCoFeをBCC構造のCoFe合金の格子定数とする。
本実施形態のスピン分極層12及び14としては、コバルト(Co)、鉄(Fe)を主成分とする強磁性体が用いられる。さらに、スピン分極層の格子定数を制御するために、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、ホウ素(B)、リン(P)、炭素(C)、シリコン(Si)、モリブデン(Mo)、及びジルコニウム(Zr)のうち1つ以上の元素を25原子%以下の濃度で添加してもよい。このような材料をスピン分極層として用いることで、スピン分極率を制御することができる。
本実施形態のスピン分極層を実現するためには、図1に示すように、スピン分極層より小さい格子定数を有する安定化層をスピン分極層に接触させる。これにより、安定化層との界面エネルギーを低減させるために、スピン分極層の膜面内方向の格子定数は本来の値に対して小さくなる。さらに、このとき、単位格子あたりの原子密度を一定に保つためにスピン分極層は膜面に垂直な方向に伸びるので、BCT構造が安定化する。
安定化層11及び15としてはそれぞれ、以下の(1)乃至(8)で示した材料を用いることができる。これら(1)乃至(8)で示した材料を用いることで、スピン分極層12及び14をBCT構造として安定化させる。
白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、及びイリジウム(Ir)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を主成分とする非磁性金属が挙げられる。
鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、及び銅(Cu)からなる第1のグループから選ばれる1つ以上の元素と、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、及び金(Au)からなる第2のグループから選ばれる1つ以上の元素とを含む合金を主成分とする強磁性合金が挙げられる。具体的には、FeRh、FePt、FePd、CoPt、又はNiPtなどの強磁性合金が挙げられる。
亜鉛(Zn)、ストロンチウム(Sr)、ルテニウム(Ru)、バリウム(Ba)、チタン(Ti)、及びカルシウム(Ca)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を主成分とする酸化物が挙げられる。具体的には、SrRuO、SrTiO、BaTiO、CaTiO、RuTiO、又はZnOが挙げられる。
チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、セリウム(Ce)、及びランタン(La)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を主成分とする窒化物が挙げられる。具体的には、TiN、ZrN、NbN、VN、TaN、BN、AlN、CeN、又はLaNが挙げられる。また、GaN、InN、TaN等を用いても良い。
テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、及びガドリニウム(Gd)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を主成分とする硫化物が挙げられる。具体的には、GdS、TbS、DyS、HoS、ErS、又はTmSが挙げられる。
ランタン(La)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、及びタングステン(W)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を主成分とするホウ化物が挙げられる。具体的には、WB、MoB、CrB、又はLaBが挙げられる。
チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、及びジルコニウム(Zr)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を主成分とする炭化物が挙げられる。具体的には、TiC、TaC、NbC、VC、又はZrCが挙げられる。
モリブデン(Mo)、及びタングステン(W)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を主成分とするケイ化物が挙げられる。具体的には、MoSi、又はWSiが挙げられる。
非磁性層13は絶縁材料からなり、したがって、非磁性層13としては、トンネルバリア層が用いられる。トンネルバリア層13は、立方晶又は正方晶を基本格子とする。大きい磁気抵抗比を得るためには、トンネルバリア層13の配向度の向上が必要であり、トンネルバリア層13は、膜面に垂直な方向に(001)配向していることが望ましい。
次に、本発明の実施例として、具体的な垂直磁化MTJ素子10の積層構造を説明する。下記の磁気抵抗膜(サンプル)を形成し、垂直磁化MTJ素子10を作成した。各層の後に括弧書きで示した数値は、成膜時の各層の厚さ(設計値)である。それぞれのサンプルは、成膜後に、TMR特性及び磁気特性が最適化されるように、適切な温度及び時間で真空アニールが施される。
図2を基本構成とする垂直磁化MTJ素子10の具体例を以下に示す。安定化層11及び15としては、非磁性層を用いている。
図3を基本構成とする垂直磁化MTJ素子10の具体例を以下に示す。
図2を基本構成とする垂直磁化MTJ素子10の具体例を以下に示す。安定化層11及び15としては、強磁性層を用いている。
図2を基本構成とする垂直磁化MTJ素子10の具体例を以下に示す。安定化層11及び15としては、強磁性層を用いている。
以上詳述したように本実施形態では、スピン分極層12自身に高い垂直磁気異方性を発現させる。このために、スピン分極層12をz軸方向に歪ませることで、BCC構造がz軸方向に伸びたBCT構造を有するスピン分極層12を構成する。また、スピン分極層12の組成比をその結晶磁気異方性が大きくなる範囲に設定する。また、安定化層11の格子定数は、スピン分極層12の格子定数より小さく設定され、この安定化層11上に形成されかつ膜面内方向に縮んだスピン分極層12をBCT構造として安定化させる。スピン分極層14と安定化層15との関係についても同様である。さらに、スピン分極層12及び14をそれぞれ、高スピン分極材料によって構成するようにしている。
第1の実施形態で示したMTJ素子10は、MRAMや、磁気ディスク装置の磁気ヘッドなどに適用できる。
Claims (15)
- 第1の安定化層と、非磁性層と、前記第1の安定化層と前記非磁性層との間に設けられ膜面に垂直な方向の磁気異方性を有する第1のスピン分極層と、前記非磁性層に対して前記第1のスピン分極層とは反対側に設けられた磁性層とを具備し、
前記第1の安定化層は、前記第1のスピン分極層より膜面内方向の格子定数が小さく、
前記第1のスピン分極層は、コバルト(Co)及び鉄(Fe)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を含み、かつBCT(body-centered tetragonal)構造を有し、かつ膜面に垂直な方向をc軸、膜面内方向をa軸とした場合の格子定数の比c/aが1.10以上1.35以下であることを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記磁性層は、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有する第2のスピン分極層であり、
前記第2のスピン分極層に対して前記非磁性層とは反対側に設けられ、かつ前記第2のスピン分極層より膜面内方向の格子定数が小さい第2の安定化層をさらに具備し、
前記第2のスピン分極層は、コバルト(Co)及び鉄(Fe)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を含み、かつBCT構造を有し、かつ膜面に垂直な方向をc軸、膜面内方向をa軸とした場合の格子定数の比c/aが1.10以上1.35以下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。 - 前記スピン分極層は、CoXFe1−X合金であり、その組成比が0.4≦X≦0.6であることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気抵抗素子。
- 前記スピン分極層は、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、ホウ素(B)、リン(P)、炭素(C)、シリコン(Si)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、及び金(Au)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を含む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。
- 前記安定化層は、膜面に垂直な方向に(001)配向し、かつ膜面内方向の格子定数が3.637Å以上3.911Å以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記安定化層は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、及びイリジウム(Ir)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記安定化層は、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、及び銅(Cu)からなる第1のグループから選ばれる1つ以上の元素と、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、及び金(Au)からなる第2のグループから選ばれる1つ以上の元素との合金を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記安定化層は、亜鉛(Zn)、ストロンチウム(Sr)、ルテニウム(Ru)、バリウム(Ba)、チタン(Ti)、及びカルシウム(Ca)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素の酸化物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記安定化層は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、セリウム(Ce)、及びランタン(La)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素の窒化物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記安定化層は、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、及びガドリニウム(Gd)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素の硫化物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記安定化層は、ランタン(La)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、及びタングステン(W)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素のホウ化物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記安定化層は、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、及びジルコニウム(Zr)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素の炭化物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記安定化層は、モリブデン(Mo)、及びタングステン(W)からなるグループから選ばれる1つ以上の元素のケイ化物を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 前記非磁性層は、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、バリウム(Ba)、アルミニウム(Al)、ベリリウム(Be)、ストロンチウム(Sr)、及びチタン(Ti)からなるグループから選ばれる1つの元素の酸化物を含むことを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
- 請求項1乃至14のいずれかに記載の磁気抵抗素子をメモリセルに備えることを特徴とする磁気メモリ。
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- 2010-03-03 US US12/716,582 patent/US8686521B2/en active Active
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