JP5562526B2 - Mramデバイスおよびその形成方法 - Google Patents
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Description
Γ=s・nmX(nsXnm) …(1)
ここで、sはスピン角運動量のデポジッションレート(移動効率)を表し、nsは電流の初期のスピン方向における単位ベクトルを表し、nmはフリー層の磁化方向における単位ベクトルを表し、Xはベクトルの外積を表している。式によれば、ネットトルクΓは、nsがnmに直交している時に最大となる。
E/kBT>40 …(2)
ここで、Eは磁化反転のエネルギー障壁を表し、Tは室温を表し、kBはボルツマン定数を表す。シンセティック強磁性フリー層は、ルテニウムなどからなる非磁性スペーサ層により分離された強磁性層を2つ備えたものであり、これら2つの強磁性層の磁化方向が互いに逆平行なため、上記の式(2)の条件を満たすことが可能である。したがって、ほぼ零の磁気モーメント有し、熱変動に耐えられるほぼ零の減磁場(demagnetization field)を示す。
反強磁性層2:MnPt,IrMn,FeMn,NiOなど
ピンド層3:CoFe,CoFeB(厚さ1.5nm以上5.0nm以下)
非磁性層4:Ru(厚さ0.8nm)
リファレンス層5:CoFeB(厚さ1.5nm以上5.0nm以下)
トンネルバリア層6:MgO(厚さ0.5nm以上2.0nm以下)
フリー層7:第1強磁性層76\第1非磁性導電層75\第2強磁性層74\第2非磁性導電層72\第3強磁性層70
非磁性層8:Cr,Cu(厚さ1.0nm以上7.0nm以下)
ドライブ層9:CoFe,CoFeB(厚さ1.5nm以上5.0nm以下)
非磁性層10:Ru(厚さ0.8nm)
ピンド層11:CoFe(厚さ1.5nm以上5.0nm以下)
反強磁性層12:MnPt,IrMn,FeMn,NiOなど
第1強磁性層76:CoFeB(厚さ1.0nm以上2.0nm以下)
第1非磁性導電層75:Ta,Hf,Zr(厚さ0.3nm以上0.6nm以下(特に好ましくは0.4nm未満))
第2強磁性層74:CoFe(厚さ0.5nm以上1.0nm以下)
第2非磁性導電層72:Ru(厚さ0.8nm)
第3強磁性層70:CoFeB,CoFe(厚さ1.0nm以上3.0nm以下)
ここで、厚みの薄い第1非磁性導電層75が挿入されることで、第1強磁性層76と第2強磁性層74との間に非常に強い平行な交換結合が生じる。また、厚みの薄い第2非磁性導電層72が挿入されることで、第2強磁性層74と第3強磁性層70との間に非常に強い逆平行の交換結合が生じる。
Claims (25)
- 基板と、
前記基板上に、反強磁性ピンニング層、ピンド層、リファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、第3の非磁性導電層、ドライブ層が順に積層されたMTJ構造と
を備え、
前記フリー層は、第1の強磁性層と第1の非磁性導電層と第2の強磁性層と第2の非磁性導電層と第3の強磁性層とが順に積層された積層体であり、
前記第1の強磁性層、第1の非磁性導電層および第2の強磁性層は、前記第1および第2の強磁性層が前記第1の非磁性導電層を介して磁気的に交換結合したシンセティック交換結合積層体を構成し、前記第1および第2の強磁性層は積層面内において互いに平行な磁化方向を有し、
前記第2の強磁性層は、前記第2の非磁性導電層を介して前記第3の強磁性層と磁気的に交換結合し、かつ、積層面内において前記第3の強磁性層の磁化方向と逆平行な磁化方向を有し、
前記ドライブ層の磁化方向は、前記リファレンス層の磁化方向と逆平行であり、
前記MTJ構造に対して積層方向に伝導電子を流し、その伝導電子のスピン角運動量の移動を利用して前記第1から第3の強磁性層における磁化方向のスイッチングを行う
MRAMデバイス。 - 前記第1から第3の強磁性層における磁化方向のスイッチングを補助するバイアス磁界を供給するためのビット線をさらに備えた
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記第1の強磁性層は前記トンネルバリア層の上に形成され、CoFeBからなり、
前記第1の非磁性導電層は、タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)またはジルコニウム(Zr)からなり、
前記第2の強磁性層は、CoFeからなり、
前記第2の非磁性導電層は、ルテニウム(Ru)からなり、
前記第3の強磁性層は、CoFeまたはCoFeBからなる
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記第1の強磁性層は、1nm以上2nm以下の厚みを有し、
前記第1の非磁性導電層は、0.3nm以上0.6nm以下の厚みを有し、
前記第2の強磁性層は、0.5nm以上1.0nm以下の厚みを有し、
前記第2の非磁性導電層は、0.8nmの厚みを有し、
前記第3の強磁性層は、1.0nm以上3.0nm以下の厚みを有する
請求項3記載のMRAMデバイス。 - 前記第1の非磁性導電層の厚みは、0.4nm未満である
請求項4記載のMRAMデバイス。 - 前記リファレンス層は、CoFeBからなり、1.5nm以上5.0nm以下の厚みを有する
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記リファレンス層は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびボロン(B)を含む軟磁性合金からなる第1および第2の層と、前記第1の層と前記第2の層との間に設けられ、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、またはクロム(Cr)からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層であり、
前記第1および第2の層は、交換結合により互いに逆平行の磁化方向を有する
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記ドライブ層は、CoFeBからなり、1.5nm以上5.0nm以下の厚みを有する
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記ドライブ層は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびボロン(B)を含む軟磁性合金からなる第1および第2の層と、前記第1の層と前記第2の層との間に設けられ、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、またはクロム(Cr)からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層であり、
前記第1および第2の層は、交換結合により互いに逆平行の磁化方向を有する
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記ドライブ層は、CoFeおよびCoFeBからなる複数の層によって構成された多層積層構造を有する
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記第3の非磁性導電層はクロム(Cr)からなり、1.0nm以上7.0nm以下の厚みを有する
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記第3の非磁性導電層は銅(Cu)からなり、1.0nm以上7.0nm以下の厚みを有する
請求項1記載のMRAMデバイス。 - 前記反強磁性ピンニング層は、白金マンガン合金(PtMn)、イリジウムマンガン合金(IrMn)、鉄マンガン合金(FeMn)または酸化ニッケル(NiO)からなる
請求項1記載のMRAMデバイス。 - フリー層を含むMTJ構造を備え、前記MTJ構造に対してその積層方向に伝導電子を流し、その伝導電子のスピン角運動量の移動を利用して前記フリー層の磁化方向をスイッチングするように構成されたMRAMデバイスの形成方法であって、
基板を用意する工程と、
前記基板上に、反強磁性ピンニング層、ピンド層、リファレンス層、トンネルバリア層、フリー層、第3の非磁性導電層、前記リファレンス層の磁化方向と逆平行の磁化方向を有するドライブ層を順に積層することで前記MTJ構造を形成する工程と
を含み、
前記MTJ構造を形成する工程では、
前記トンネルバリア層の上に、第1の強磁性層と、第1の非磁性導電層と、前記第1の非磁性導電層を介して前記第1の強磁性層と強磁性的に交換結合し、前記第1の強磁性層の磁化方向と平行の磁化方向を有する第2の強磁性層と、第2の非磁性導電層と、前記第2の非磁性導電層を介して前記第2の強磁性層と反強磁性的に交換結合し、前記第2の強磁性層の磁化方向と逆平行の磁化方向を有する第3の強磁性層とを順に積層する
MRAMデバイスの形成方法。 - 前記MTJ構造の上面と接するように、前記フリー層の磁化方向のスイッチングを補助するバイアス磁界を供給するためのビット線を形成する
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。 - CoFeBを用いて前記第1の強磁性層を形成し、
タンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)またはジルコニウム(Zr)を用いて前記第1の非磁性導電層を形成し、
CoFeを用いて前記第2の強磁性層を形成し、
ルテニウム(Ru)を用いて前記第2の非磁性導電層を形成し、
CoFeまたはCoFeBを用いて前記第3の強磁性層を形成し、
前記第1および第2の強磁性層を、積層面内において互いに平行な磁化方向を有するように形成し、
前記第2および第2の強磁性層を、積層面内において互いに逆平行な磁化方向を有するように形成する
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記第1の強磁性層を、1nm以上2nm以下の厚みとなるように形成し、
前記第1の非磁性導電層を、0.3nm以上0.6nm以下の厚みとなるように形成し、
前記第2の強磁性層を、0.5nm以上1.0nm以下の厚みとなるように形成し、
前記第2の非磁性導電層を、0.8nmの厚みとなるように形成し、
前記第3の強磁性層を、1.0nm以上3.0nm以下の厚みとなるように形成する
請求項16記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記第1の非磁性導電層の厚みを、0.4nm未満とする
請求項17記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記リファレンス層を、CoFeBを用いて、1.5nm以上5.0nm以下の厚みとなるように形成する
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記リファレンス層を、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびボロン(B)を含む軟磁性合金からなり交換結合により互いに逆平行な磁化方向を有する第1および第2の層と、前記第1の層と前記第2の層との間に設けられ、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、またはクロム(Cr)からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層とする
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記ドライブ層を、CoFeBを用いて1.5nm以上5.0nm以下の厚みとなるように形成する
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記ドライブ層を、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびボロン(B)を含む軟磁性合金からなり交換結合により互いに逆平行な磁化方向を有する第1および第2の層と、前記第1の層と前記第2の層との間に設けられ、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、またはクロム(Cr)からなる結合層とを有するシンセティック反強磁性層とする
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記ドライブ層を、CoFeおよびCoFeBからなる複数の層によって構成された多層積層構造とする
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記第3の非磁性導電層を、クロム(Cr)を用いて1.0nm以上7.0nm以下の厚みとなるように形成する
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。 - 前記第3の非磁性導電層を、銅(Cu)を用いて1.0nm以上7.0nm以下の厚みとなるように形成する
請求項14記載のMRAMデバイスの形成方法。
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