JP5424178B2 - スピン注入デバイス及びこれを用いた磁気装置 - Google Patents
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Description
GMRは、外部磁場によって2つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、界面でのスピン依存散乱によって抵抗が互いに異なることに起因して巨大磁気抵抗効果が得られている。一方、MTJでは、外部磁場によって2つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより,膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗(TMR)効果が得られる(例えば、非特許文献1参照)。
ここで、強磁性体のスピン分極率Pは0<P≦1の値をとる。
GMR素子はすでにハードデイスク用磁気ヘッドに実用化されている。MTJ素子は現在、ハードデイスク用磁気ヘッドおよび不揮発性磁気メモリ(MRAM)への応用が期待されている。
MRAMではMTJ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加することで、各MTJ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、“1”、“0”を記録させる。読み出しはTMR効果を利用して行う。
しかし、MRAMでは大容量化のために素子サイズを小さくすると、反磁界の増大により磁化反転に必要な電流が増し、消費電力が増大するという解決すべき課題を抱えている。
一方、最近、電流磁場を用いない新しいスピン反転法が理論的に提案され(例えば、非特許文献2参照)、実験的にも実現されている(例えば、非特許文献3参照)。
したがって、この三層構造のスピン注入磁化反転では、電流の向きを変えることによって第1の強磁性層と第2の強磁性層のスピンを平行にしたり反平行にしたりできる。
さらに、上記三層構造の代りに強磁性自由層及び非磁性層からなる二層構造及び強磁性自由層、非磁性層、強磁性層からなる三層構造を用いても、上記と同様な作用効果が得られることを見出した。
請求項2記載の発明は、第1の非磁性層が、Cuからなることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、第2の非磁性層の厚さが、第2の非磁性層と強磁性フリー層との界面において、多数スピンを反射させ、少数スピンを透過させるように、スピン拡散長以内とされることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、強磁性フリー層がCoまたはCo合金であり、第2の非磁性層はRu層でその膜厚が0.1〜20nmであることを特徴とする。
請求項5記載の発明は、強磁性固定層及び/又は強磁性フリー層は、B2またはA2の結晶構造を有しているCo 2 Fe x Cr 1−x Al(0≦x≦1)からなることを特徴とする。
また、本発明のスピン注入デバイスのうち、請求項56記載の発明は、単層の第1の強磁性固定層からなるスピン偏極部と該スピン偏極部上に形成され第1の非磁性層からなる注入接合部とを有しているスピン注入部と、該スピン注入部に接して設けられる強磁性フリー層と、強磁性フリー層の表面に形成される第2の非磁性層と、第2の非磁性層上に形成され第1の強磁性固定層と同じ磁化方向を有している第2の強磁性固定層と、を備え、第1の非磁性層が絶縁体または導電体からなり、第2の非磁性層がRu、Ir、Rhの何れかでなり、上記第1の非磁性層が導電体である場合、該第1の非磁性層は上記第2の非磁性層とは異なる金属でなり、外部磁界を印加しないで、且つ、スピン偏極部と第2の強磁性固定層との膜面垂直方向に電流を流し、強磁性フリー層の磁化を反転させることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、第1の非磁性層が、Cuからなることを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、第2の非磁性層の厚さが、第2の非磁性層と第2の強磁性固定層との界面において、多数スピンを反射させ少数スピンを透過させるようにスピン拡散長以内とされ、強磁性フリー層は、スピン伝導が保存される厚さであることを特徴とする。
請求項9記載の発明は、強磁性フリー層及び強磁性層がCoまたはCo合金であり、第2の非磁性層はRu層でその膜厚が2〜20nmであることを特徴とする。
請求項10記載の発明は、第1の強磁性固定層、第2の強磁性固定層及び強磁性フリー層の何れか又は二つ以上の層は、B2またはA2の結晶構造を有しているCo 2 Fe x Cr 1−x Al(0≦x≦1)からなることを特徴とする。
したがって、超ギガビット大容量・高速・不揮発のMRAMをはじめ種々の磁気装置や磁気メモリ装置に利用可能になる。
図1は本発明のスピン注入デバイスの概念図であり、(a)はSyAFのスピンが下向きの状態、(b)はスピン注入によりSyAFのスピンが上向きになった状態を示す概念図である。
まず、本発明に係るSyAF3について説明する。
強磁性体が単層膜の磁化反転に必要な磁場Hswは、一軸磁気異方性Ku、飽和磁化Ms,膜厚t、幅wを用いて一般に次の式(2)で与えられる。
ここで、第1項は磁気異方性による項、第2項は反磁界による項である。
ここで、ΔM=(t1+t2)/(M1t1−M2t2)、wはSyAFの幅である。
微小な素子の場合、一般に式(2)、式(3)ともに第2項の方が第1項を上回るので、またΔM<Msであるから、wが同じときSyAFの方が磁化反転磁場が小さくなる。
一方、C(k)はk=1のときゼロとなるので、磁化反転磁場は式(2)、式(3)の第1項、すなわち磁気異方性によって決定され、素子サイズに依存しなくなる。
しかし、単層膜の場合にはkが少なくとも2以下では多磁区構造となるため、磁化反転磁場は式(2)では与えられず、その値は、より大きくなるとともに素子サイズに依存する。したがって、単層膜の場合にはk≦2の素子は現実的でない。
第1の磁性層4の厚さをt1、磁化をM1とし、第2の磁性層6の厚さをt2、磁化をM2とすると、磁化の大きい方の向き(t1M1−t2M2)を図1中の強磁性層9のスピンを示す矢印に対してSyAFのスピンの向き↑又は↓とすることができる。SyAF3の磁性層4及び磁性層6の反平行磁化の大きさに差異を設けるには、t1M1とt2M2とが異なるようにすればよい。
金属の場合、電子の平均自由行程は1μm以下であり、この1μm以下のサイズの素子では、注入されたスピンは緩和することなく他方に流れ込むことができる。
スピン注入部1の注入接合部7は図2に示すように非磁性絶縁層12であってもよい。この非磁性絶縁層12はトンネル電流が流れるトンネル接合可能な大きさのナノメーターサイズであり、数nmである。
スピン注入部1は、スピン偏極部9と注入接合部7とからなっていて、スピン偏極部9において、強磁性固定層26に反強磁性層21を近接させることで強磁性固定層26のスピンを固定している。
また、注入接合部7はスピン保存伝導可能なCuなどの非磁性金属層25であり、これに代えてトンネル接合可能な絶縁層12を用いてもよい。
ここで、強磁性フリー層27としてはCoまたはCo合金を用いることができる。非磁性層28としては、Ru、Ir、Rhが利用可能であり、特にRuを用いるのが好適である。また、Ruのスピン拡散長は14nmであることが知られており、Ruの膜厚は0.1nm〜20nmとすればよい。以下、強磁性フリー層27にCoまたはCo合金を用い、非磁性層28にRuを用いるとして説明する。
したがって、図5に示すように、CoまたはCo合金27とRu28の界面において反射された多数スピン電子19は、CoまたはCo合金27の膜厚がスピン伝導が保存される程度に薄ければ、この反射された多数スピン電子19も強磁性フリー層27に同様のトルク18’を与える。これにより、実質的に強磁性フリー層27のトルクが増大し、強磁性固定層26の磁化と同じ向きになる。
このように本発明のスピン注入デバイス14によれば、非磁性層28の挿入により、スピン偏極部9のスピンを固定してスピン注入し、強磁性フリー層27の磁化反転を従来のスピン注入磁化反転よりも低い電流密度で行うことができる。
ここで、強磁性フリー層27及び強磁性固定層29は、SyAF3のようにそれらの磁化が反平行とならないように、かつ、スピン保存伝導が生起するように非磁性層28の膜厚を決めればよい。したがって、強磁性フリー層27及び強磁性固定層29としてCoまたはCo合金を、非磁性層28としてRuを用いた場合には、Ruの厚さは、SyAF3とならないように、2〜20nm程度とすればよい。
図6において、強磁性固定層26から強磁性フリー層27へ電子が注入された場合には、第3実施形態のスピン注入デバイス14と同様に、CoまたはCo合金からなる強磁性フリー層27の磁化は、強磁性固定層26の磁化と同じ向きになる。
図7は、第4実施形態のスピン注入デバイス16の磁化反転を説明する模式図である。図7において、強磁性固定層29から強磁性フリー層27へ電子が注入されると、多数スピン電子37が強磁性固定層29とRu層28の界面で強く反射され、強磁性フリー層27へは到達しない。この際、CoまたはCo合金27の膜厚がスピン伝導が保存される程度に薄ければ、少数スピン電子39は散乱を受けないので強磁性フリー層27に到達し、強磁性フリー層27のスピンを揃えるようにトルク38を与える。したがって、強磁性フリー層27の磁化は、強磁性固定層26とは反平行となる。これにより、Ru層28がない場合よりも、多数スピン電子37が強磁性フリー層27に到達しなくなり、より小さい電流密度で磁化反転ができる。
このように、本実施形態のスピン注入デバイス16によれば、スピン偏極部9のスピンを固定してスピン注入し、SyAF3の代りに用いる強磁性フリー層27、非磁性層28,強磁性固定層29において、強磁性フリー層27の磁化反転を低電流密度で行うことができる。
また、非磁性層7がトンネル接合可能な絶縁層12である場合に強磁性フリー層27の磁化反転が起こると、反強磁性層21と強磁性固定層26とトンネル接合可能な絶縁層12と強磁性フリー層27とを含む層構造は、CPP型のトンネル磁気抵抗効果素子と同じように、トンネル磁気抵抗効果が生じる。
また、上記スピン注入磁気装置において、SyAF3を、図6に示した第4実施形態のスピン注入デバイス16の強磁性フリー層27、非磁性層28、非磁性層上に設ける強磁性層29からなる三層構造に代えた構成としてもよい。
ここで、フリー層はSyAFの他には、強磁性フリー層27及び非磁性層28からなる二層構造または強磁性フリー層27、非磁性層28、非磁性層上に設ける強磁性層29からなる三層構造を用いることができる。
図9は、本発明に用いることができる磁性薄膜の断面図である。図9に示すように、磁性薄膜41は、基板42上に、室温においてCo2FexCr1-xAl薄膜43を配設している。ここで、0≦x≦1である。
Co2FexCr1-xAl薄膜43は、室温で強磁性であり、電気抵抗率が190μΩ・cm程度であり、かつ、基板を加熱することなくL21,B2,A2構造の何れか一つの構造を有している。
さらに、上記Co2FexCr1-xAl薄膜43を配設した基板を加熱することで、スピン分極率の大きいL21構造のCo2FexCr1-xAl薄膜43が得られやすい。ここで、基板42上のCo2FexCr1-xAl薄膜43の膜厚は、1nm以上1μm以下であればよい。
上記Co2FexCr1-xAl(ここで、0≦x≦1)薄膜43の膜厚は、1nm以上で1μm以下であればよい。この膜厚が1nm未満では実質的に後述するL21,B2,A2構造の何れか一つの構造を得るのが困難になり、そして、この膜厚が1μmを超えるとスピン注入デバイスとしての応用が困難になり好ましくない。
図11は、磁性薄膜に用いるCo2FexCr1-xAl(ここで、0≦x≦1)の構造を模式的に説明する図である。図に示す構造は、bcc(体心立方格子)の慣用的単位胞の8倍(格子定数で2倍)の構造を示している。
Co2FexCr1-xAlのL21構造においては、図9のIの位置にFeとCrが組成比としてFexCr1-x(ここで、0≦x≦1)となるように配置され、IIの位置にAl、IIIとIVの位置にCoが配置される。
また、Co2FexCr1-xAlのB2構造においては、図9のIの位置とIIの位置に、FeとCrとAlが不規則に配列される構造となる。この際、FeとCrの組成比は、FexCr1-x(ここで、0≦x≦1)となるように配置される。
さらに、Co2FexCr1-xAlのA2構造においては、Co,Fe,CrおよびAlが不規則に置換した構造となる。この際、FeとCrの組成比は、FexCr1-x(ここで、0≦x≦1)となるように配置される。
上記構成のCo2FexCr1-xAl(ここで、0≦x≦1)薄膜43は、室温で強磁性であり、かつ、基板を加熱することなくL21,B2,A2構造の何れか一つの構造のCo2FexCr1-xAl薄膜が得られる。
さらに、上記構成のCo2FexCr1-xAl薄膜43(ここで、0≦x≦1)は膜厚が数nm程度の非常に薄い膜においてもL21,B2,A2構造の何れか一つの構造が得られる。
ここで、Co2FexCr1-xAl( ここで、0≦x≦1)薄膜のB2構造は、従来得られていない特異な物質である。B2構造は、L21構造と類似しているが、異なるのはL21構造では、Cr(Fe)とAl原子が規則的に配置しているのに対し、B2構造は、不規則に配列していることである。また、A2構造は、Co,Fe,CrおよびAlが不規則に置換した構造となる。これらの違いはX線回折で測定することができる。
上記Co2FexCr1-xAl薄膜43の組成xにおいて、0≦x≦0.8の範囲内では、特に、基板を加熱することなくL21,B2の何れか一つの構造を得ることができる。また、0.8≦x≦1.0では、A2構造が得られる。
また、組成xにおいて、0≦x≦1の範囲内で、加熱した基板上のCo2FexCr1-xAl薄膜の成膜や、基板を加熱することなく成膜した後の熱処理などにより、L21またはB2構造が得られる。
絶縁膜の片側にCo2FexCr1-xAl(0≦x≦1)薄膜43を強磁性層として用い、絶縁膜の他方の強磁性層にスピン分極率が0.5のCoFe合金を用いてトンネル磁気抵抗効果素子を作製した結果、100%を超える大きなTMRを得た。
これにより、磁性薄膜41,45によれば、基板を加熱する必要がなく、Co2FexCr1-xAl(0≦x≦1)薄膜43が1nm以上の厚みで強磁性特性を得ることができる。これは、表面が酸化したり表面粗さが増大したりすることがなく、トンネル接合の界面をクリーンでかつシャープに作製することができたことにより、大きなスピン分極率とトンネル磁気抵抗効果素子において大きなTMRを得ることができるものと推察される。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Si基板上にTa(2nm)/Cu(20nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(5nm)/Cu(6nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ru(0.45nm)/Cu(5nm)/Ta(2nm)を順にスパッタした。
ここで、熱酸化Si基板上及びその最上層のTaとCuからなる層は電極となる層である。IrMn層及びCo90Fe10層は、それぞれ、反強磁性層21及び強磁性固定層26からなるスピン偏極部9である。Cuは注入接合部7である。Co合金のCo90Fe10及びRuは非磁性層7のCu上に配設した強磁性フリー層27及び非磁性層28である。
次に、この膜を電子ビームリソグラフィとArイオンミリングを用いて微細加工し、図4に示すようなスピン注入デバイス14を作製した。素子サイズは300×100nm2である。
図から明らかなように、Aに示す微小電流の高抵抗状態から、正の向きにBで示す約5mAまで電流を流していくと抵抗が急激に減少し、磁化反転していることが分かる。さらに、電流を20mAまで増加してもこの低抵抗状態が保持されていることが分かる(図12のB〜C参照)。
次に、電流を減少し、さらに負の方向に印加すると、約−7.5mAまでは低抵抗を保持する(図12のC〜D参照)。それ以上の負電流を印加すると再び高抵抗状態になり、磁化反転することが分かる(図12のE〜F参照)。この磁化反転に要する電流密度は、2.4×107A/cm2であり、後述する比較例に比べ約1/10となった。また、磁気抵抗(MR)は図示するように0.97%であり、後述する比較例のスピン反転構造における磁気抵抗と同じ値が得られた。
これにより、実施例1のスピン注入デバイス14においては、それに流す電流の向きを変えて、強磁性フリー層27の磁化反転を発現させることで、その抵抗を変化させることができる。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Si基板上にTa(2nm)/Cu(20nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(5nm)/Cu(6nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ru(6nm)/Co90Fe10(5nm)/Cu(5nm)/Ta(2nm)を順にスパッタした。
ここで、熱酸化Si基板上及びその最上層のTaとCuからなる層は電極となる層である。IrMn層及びCo90Fe10層は、それぞれ、反強磁性層21と強磁性固定層26とからなるスピン偏極部9である。Cuは注入接合部7である。Co合金のCo90Fe10,Ru,Co90Fe10は、それぞれ、非磁性層7のCu上に配設した強磁性フリー層27,非磁性層28,強磁性層29である。
次に、実施例1と同じ方法で、素子サイズが100×100nm2のスピン注入デバイス16を作製した。
図から明らかなように、実施例2のスピン注入デバイス16は、実施例1のスピン注入デバイス14と同様に電流が±約0.2mAで抵抗が変化し、磁化反転が発現することが分かる。この磁化反転に要する電流密度は1×106A/cm2となった。この値は、実施例1の約1/24となり、後述する比較例の約1/200である。また、磁気抵抗は約1%であり、後述する比較例の磁気抵抗(MR)と同じ値が得られた。このように、非磁性層28であるRuの膜厚を6nmとすることにより、磁化反転に要する電流密度を低くすることができた。
マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Si基板上にCu(100nm)/NiFe(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(3nm)をまず作製した。次にこの膜の上に厚さ3nmのSiO2をスパッタし、さらにその上にCo90Fe10(1nm)/Ru(0.45nm)/Co90Fe10(1.5nm)/SiO2(3nm)をスパッタした。次に、上部磁性層として、Co90Fe10(10nm)/IrMn(10nm)/Ta(5nm)を成膜した。
次に、比較例について説明する。
比較例は、図15に示す従来のスピン反転法に用いる三層構造の第1の強磁性層61上にさらに反強磁性層を設けた構造である。すなわち、実施例1のスピン注入デバイス14においてRu層のない構造として、熱酸化Si基板上にTa(2nm)/Cu(20nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(5nm)/Cu(6nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Cu(5nm)/Ta(2nm)を順にスパッタした。次に、実施例1と同じ方法で、素子サイズを300×100nm2とした。
図14(a)から明らかなように、比較例の磁気抵抗(MR)は1.1%と、従来報告された値と同じ値であることが分かる。また、図14(b)において、横軸は、第2の強磁性層63から第1の強磁性層61へ電流を流した場合を正方向とした電流(mA)を示し、縦軸はそのときの抵抗(Ω)を示している。図14(b)から明らかなように、電流がほぼ0から矢印の方向に電流を正から負にすることで、実施例1と同様に磁化反転が発現した(図14(b)のK〜L参照)。磁気抵抗は0.98%で、磁化反転に要する電流密度は2.4×108A/cm2であった。
実施例においては、磁化反転に要する電流密度が、比較例よりも低下した。特に、実施例2のようにRu層28の膜厚を2〜20nmの範囲内とすれば、磁化反転に要する電流密度が1×106A/cm2となり、従来例の1/10の値に低減化できることが分かった。
囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもな
い。
2:非磁性層
3:SyAF
4:第1の磁性層
6:第2の磁性層
7:注入接合部
9:スピン偏極部
10,14,16:スピン注入デバイス
12:非磁性絶縁層
17,37:多数スピン電子
18,18’,38:トルク
19:CoまたはCo合金とRuの界面において反射された多数スピン電子
21:反強磁性層
23:強磁性層
25:非磁性金属層
27:強磁性自由層
28:強磁性自由層上に設ける非磁性層
29:非磁性層上に設ける強磁性層
30:スピン注入磁気装置
31:固定層
32:強磁性層
33:絶縁層
36:MTJ素子
39:少数スピン電子
41,45:磁性薄膜
42:基板
43:Co2FexCr1-xAl薄膜
44:バッファー層
Claims (12)
- 単層の強磁性固定層からなるスピン偏極部と該スピン偏極部上に形成された第1の非磁性層からなる注入接合部とを有しているスピン注入部と、
該スピン注入部に接して設けられる強磁性フリー層と、
上記強磁性フリー層の表面に形成される第2の非磁性層と、を備え、
上記第1の非磁性層が絶縁体または導電体からなり、
上記第2の非磁性層がRu、Ir、Rhの何れかでなり、上記第1の非磁性層が導電体である場合、該第1の非磁性層は上記第2の非磁性層とは異なる金属でなり、
外部磁界を印加しないで、且つ、上記スピン偏極部と上記第2の非磁性層との膜面垂直方向に電流を流して上記強磁性フリー層の磁化を反転させることを特徴とする、スピン注入デバイス。 - 前記第1の非磁性層が、Cuからなることを特徴とする、請求項1に記載のスピン注入デバイス。
- 前記第2の非磁性層の厚さは、該第2の非磁性層と前記強磁性フリー層との界面において、多数スピンを反射させ、少数スピンを透過させるように、スピン拡散長以内とされることを特徴とする、請求項1に記載のスピン注入デバイス。
- 前記強磁性フリー層はCoまたはCo合金であり、前記第2の非磁性層はRu層でその膜厚が0.1〜20nmであることを特徴とする、請求項1〜3の何れかに記載のスピン注入デバイス。
- 前記強磁性固定層及び/又は前記強磁性フリー層は、B2またはA2の結晶構造を有しているCo 2 Fe x Cr 1−x Al(0≦x≦1)からなることを特徴とする、請求項1に記載のスピン注入デバイス。
- 単層の第1の強磁性固定層からなるスピン偏極部と該スピン偏極部上に形成され第1の非磁性層からなる注入接合部とを有しているスピン注入部と、
該スピン注入部に接して設けられる強磁性フリー層と、
上記強磁性フリー層の表面に形成される第2の非磁性層と、
上記第2の非磁性層上に形成され上記第1の強磁性固定層と同じ磁化方向を有している第2の強磁性固定層と、を備え、
上記第1の非磁性層が絶縁体または導電体からなり、
上記第2の非磁性層がRu、Ir、Rhの何れかでなり、上記第1の非磁性層が導電体である場合、該第1の非磁性層は上記第2の非磁性層とは異なる金属でなり、
外部磁界を印加しないで、且つ、上記スピン偏極部と上記第2の強磁性固定層との膜面垂直方向に電流を流し、上記強磁性フリー層の磁化を反転させることを特徴とする、スピン注入デバイス。 - 前記第1の非磁性層が、Cuからなることを特徴とする、請求項6に記載のスピン注入デバイス。
- 前記第2の非磁性層の厚さは、該第2の非磁性層と前記第2の強磁性固定層との界面において、多数スピンを反射させ少数スピンを透過させるようにスピン拡散長以内とされ、
前記強磁性フリー層は、スピン伝導が保存される厚さであることを特徴とする、請求項6に記載のスピン注入デバイス。 - 前記強磁性フリー層及び前記強磁性層はCoまたはCo合金であり、前記第2の非磁性層はRu層でその膜厚が2〜20nmであることを特徴とする、請求項6〜8のいずれかに記載のスピン注入デバイス。
- 前記第1の強磁性固定層、前記第2の強磁性固定層及び前記強磁性フリー層の何れか又は二つ以上の層は、B2またはA2の結晶構造を有しているCo 2 Fe x Cr 1−x Al(0≦x≦1)からなることを特徴とする、請求項6に記載のスピン注入デバイス。
- 前記請求項1〜10のいずれかに記載のスピン注入デバイスを用いたことを特徴とする、スピン注入磁気装置。
- 前記請求項1〜10のいずれかに記載のスピン注入デバイスを用いたことを特徴とする、スピン注入磁気メモリ装置。
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