(57)【要約】【課題】磁気トンネル接合素子の固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減した磁気トンネル接合素子を提供すること。【解決手段】磁気トンネル接合素子１０は、磁化方向が可変である自由層１５と、磁化方向を所定の方向に維持し、単一の層からなる固定層１３と、自由層１５と固定層１３の間に積層された絶縁層１４と、を備え、少なくとも自由層１５と固定層１３のいずれかがＬ１１型磁性合金膜であり、絶縁層１４は（１１１）のテクスチャを有する層であるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が可変である自由層と、
磁化方向を所定の方向に維持し、単一の層からなる固定層と、
前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、
少なくとも前記自由層と前記固定層のいずれかがＬ１１型磁性合金膜であり、
前記絶縁層は（１１１）のテクスチャを有する層である磁気トンネル接合素子。
【請求項２】
前記絶縁層は、（１１１）のテクスチャを有するＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＧａ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４またはＺｎＧａ２Ｏ４からなる請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項３】
（１１１）のテクスチャを有する下地層を備える請求項１または２に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項４】
前記固定層が、垂直磁化保持層を含まない請求項１から３のいずれかに記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項５】
磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持し、単一の層からなる固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、少なくとも前記自由層と前記固定層のいずれかがＬ１１型磁性合金膜であり、前記絶縁層は（１１１）のテクスチャを有する層である磁気トンネル接合素子と、
前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備える磁気抵抗メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
この次世代メモリは、磁化方向が可変である自由層（記憶層とも呼ばれる。）と、所定の磁化方向を維持する固定層（参照層とも呼ばれる。）と、この自由層と固定層との間にトンネルバリアとして設けられた絶縁層を有する磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子から構成される。
【０００４】
このような次世代メモリを基本構成するスピン分極磁性層の材料として、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。しかし、材料自体が垂直磁気異方性を持ち、実験的に高いスピン分極率を持っている材料の報告が少ない。また、垂直磁気異方性を持ち、高いスピン分極率を持っている材料は、実用的には界面磁気異方性を用いたＣｏＦｅＢ合金しかなく、材料選択範囲が非常に狭いのが実状である。
【０００５】
現在、主に研究開発でスピン分極磁性層として用いられているＣｏＦｅＢ合金に関して、特許文献１には、スピン分極磁性層より小さな格子定数を有するスペーサ層をスピン分極磁性層に接触させて、スピン分極磁性層の結晶格子をｘ軸及びｙ軸方向に縮ませた磁気トンネル接合素子が記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１では、材料自体が大きな垂直磁気異方性を持たないため、垂直磁化保持層を結合させた固定層が用いられている。多くの検討において、垂直磁化保持層は（００１）テクスチャを有するＬ１０型のＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏとＰｄ、又は、ＣｏとＰｔを（００１）軸方向に積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜、又はＣｏ／Ｐｔ多層膜から構成され、磁化容易軸が膜面垂直方向を向く強磁性体から構成される層である。
【０００７】
また、固定層では垂直磁化保持層と高スピン分極率を持つ強磁性材料ＣｏＦｅＢと結合させて構成する必要がある。また、ＣｏＦｅＢ合金からなる自由層と固定層を備える磁気トンネル接合素子では、絶縁層とのバンド構造の関係から、高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance）効果を得るために、（００１）テクスチャを有している。
【０００８】
例えば、ＭＴＪスタック構成としては、絶縁層に（００１）テクスチャを有するＭｇＯ膜が使用され、垂直磁化保持層配向性を向上させる下地層も（００１）テクスチャを有する例がある。すなわち、ＭＴＪ構造、プロセスが（００１）テクスチャを基本に構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−２３８７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、特許文献１に記載された磁気トンネル接合素子は、固定層の構造が複雑になり、厚みが大きくなる問題があった。
【００１１】
また、自由層では弱い垂直磁気異方性のために熱安定性や高密度化に問題があった。一方、ＭｎＧａ、ＭｎＧｅなどのＭｎ−Ｇｅ材料自体で大きな垂直磁気異方性を有する磁性体も研究されているが、高いトンネル磁気抵抗効果が実験では得られない問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持し、単一の層からなる固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、少なくとも前記自由層と前記固定層のいずれかがＬ１１型磁性合金膜であり、前記絶縁層は（１１１）のテクスチャを有する層であるようにした。
【００１３】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁化保持層やスペーサ層を含まずに、単一のスピン分極磁性層で磁化方向を所定の方向に維持することができる。したがって、一実施形態の磁気トンネル接合素子は、固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減することができる。
【００１４】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記絶縁層は、（１１１）のテクスチャを有するＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＧａ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４またはＺｎＧａ２Ｏ４からなるようにしてもよい。
【００１５】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、大きなトンネル磁気抵抗効果と高い垂直磁気異方性を共に得ることができる。
【００１６】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、（１１１）のテクスチャを有する下地層を備えるようにしてもよい。
【００１７】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、（００１）面よりも（１１１）面の方が配位数（最隣接格子点数）多く、面内の結合が強くなるので、結晶構造が安定化し、その結果として原子拡散を抑制できる。
【００１８】
一実施形態の磁気トンネル接合素子は、好ましくは、前記固定層が、垂直磁化保持層やスペーサ層を含まないようにしてもよい。
【００１９】
一実施形態の磁気トンネル接合素子によれば、磁気トンネル接合素子の厚みも薄くすることができる。
【００２０】
一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、磁化方向が可変である自由層と、磁化方向を所定の方向に維持し、単一の層からなる固定層と、前記自由層と前記固定層の間に積層された絶縁層と、を備え、少なくとも前記自由層と前記固定層のいずれかがＬ１１型磁性合金膜であり、前記絶縁層は（１１１）のテクスチャを有する層である磁気トンネル接合素子と、前記磁気トンネル接合素子に電圧を印加する電極と、を備えるようにしてもよい。
【００２１】
一実施形態の磁気抵抗メモリ装置によれば、垂直磁化保持層やスペーサ層を含まずに、単一のスピン分極磁性層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。したがって、一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の磁気トンネル接合素子及び磁気抵抗メモリ装置によれば、磁気トンネル接合素子の固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減した磁気トンネル接合素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】磁気トンネル接合素子の参考例の概略構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子のスピン分極磁性層（固定層）に用いられる材料ＮｉＰｔのバンド構造を示すグラフである。
【図４】実施の形態２にかかる磁気トンネル接合素子のバリア層に用いられるＭｇＡｌ２Ｏ４のバンド構造を示すグラフである。
【図５】実施形態３にかかる磁気抵抗メモリ装置の一例の要部を表す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子の概略構成を示す断面図である。磁気トンネル接合素子１０は、基板１１と、バッファ層１２と、固定層１３と、絶縁層１４と、自由層１５と、キャップ層１６と、を備える。
【００２５】
基板１１は、Ｓｉ基板である。例えば、基板１１は、（１１１）基板であることが望ましい。また、基板１１は、熱酸化膜付きＳｉ基板、またはＳｉ単結晶基板であってもよい。
【００２６】
バッファ層１２は、基板１１上に形成された安定化層である。具体的には、バッファ層１２は、Ｒｕを含む層である。
【００２７】
固定層１３は、磁化方向を所定の方向に維持する層である。固定層１３は、Ｌ１１型磁性合金膜であることが望ましい。また、固定層１３としては、自由層１５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。しかしながら、固定層１３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。
【００２８】
例えば、固定層１３は、Ｌ１１型合金から構成されてもよい。特に固定層１３は、Ｌ１１型（Ｃｏ−Ｎｉ）Ｐｔ合金から構成されてもよい。具体的には、固定層１３は、Ｃｏ０．５Ｎｉ０．５ＰｔのＬ１１型合金から構成されてもよい。また、固定層１３は、Ｆｅ０．５Ｎｉ０．５Ｐｔ、Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５Ｐｔ、ＮｉＰｔ、ＦｅＰｔまたはＣｏＰｔから構成されてもよい。また合金中の原子比を変えても良い。固定層１３を上述のいずれかの構成とすることにより、固定層１３は、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。また、固定層１３は、参照層とも呼ばれる。
【００２９】
絶縁層１４は、絶縁物質を主成分とする層である。そして、絶縁層１４は、（１１１）のテクスチャを有する層である。絶縁層１４は、強磁性を有する固定層１３と自由層１５の間に積層されている。また、絶縁層１４は、ＭｇＯまたはＭｇＡｌ２Ｏ４の絶縁膜から構成されていることが望ましい。そして、固定層１３及び自由層１５との接合面に対して垂直に電圧が印加されることにより、トンネル効果によって磁気トンネル接合素子１０に電流が流れる。
【００３０】
自由層１５は、磁化方向が変化する層である。自由層１５は、Ｌ１１型磁性合金膜であることが望ましい。例えば、自由層１５は、Ｌ１１型規則合金から構成されてもよい。特に自由層１５は、Ｌ１１型（Ｃｏ−Ｎｉ）Ｐｔ規則合金から構成されてもよい。具体的には、自由層１５は、Ｃｏ０．５Ｎｉ０．５ＰｔのＬ１１型合金から構成されてもよい。また、自由層１５は、Ｆｅ０．５Ｎｉ０．５Ｐｔ、Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５Ｐｔ、ＮｉＰｔ、ＦｅＰｔまたはＣｏＰｔから構成されてもよい。また合金中の原子比を変えても良い。自由層１５を上述のいずれかの構成とすることにより、自由層１５は、単一の層で磁化方向が変化する層とすることができる。また、自由層１５は、記憶層とも呼ばれる。
【００３１】
キャップ層１６は、自由層１５上に形成された安定化層である。例えば、キャップ層１６は、Ｒｕを含む層であることが好ましい。
【００３２】
以上により、実施の形態１の磁気トンネル接合素子が構成される。次に、従来の磁気トンネル接合素子の構造との比較について説明する。図２は、磁気トンネル接合素子の参考例の概略構成を示す断面図である。
【００３３】
図２において、磁気トンネル接合素子２０は、基板２１と、バッファ層２２と、高スピン分極磁性層２３Ａと、垂直磁化保持層２３Ｂと、絶縁層２４と、自由層２５と、キャップ層２６と、を備える。そして、高分極率磁性層２３Ａ及び垂直磁化保持層２３Ｂで固定層２３が形成される。高分極率磁性層２３ＡはＣｏ基ホイスラー合金等からなるが、材料自体が垂直磁気異方性を持たない。したがって、磁気トンネル接合素子２０の固定層２３として機能させるためには、垂直磁化保持層２３Ｂを結合させる必要がある。
【００３４】
参考例と比較して、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０では、固定層１３にＬ１１型磁性合金膜を用いることにより、固定層１３は、単一の層で高いスピン偏極率と共に高い垂直磁気異方性を有することができる。したがって、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０では、参考例の磁気トンネル接合素子２０のように、固定層２３が高スピン分極磁性層２３Ａと垂直磁化保持層２３Ｂの複数の層で形成する必要がない。
【００３５】
次に、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０のバンド構造について説明する。図３は、実施の形態１にかかる磁気トンネル接合素子のスピン分極磁性層（固定層１３）に用いられる材料ＮｉＰｔのバンド構造を示すグラフである。図３において、縦軸はエネルギー準位（ｅｖ）を示し、横軸は電子の波数ベクトルｋを示す。図３では、固定層１３にＬ１１型磁性合金ＮｉＰｔを用いた例におけるバンド構造が示されている。
【００３６】
図３では、Ｌ１１型磁性合金ＮｉＰｔのバンド構造が示されている。第一原理計算で調べた結果、Ｌ１１型磁性合金ＮｉＰｔは（１１１）方向、すなわち図３のＧ−Ｚ間、でHalf metallic（すなわち１００％のスピン分極率）になっており、高いトンネル磁気抵抗効果が期待できる。また表１に示すように、Ｌ１１型磁性合金ＮｉＰｔは１０６Ｊ／ｍ３もの大きな垂直磁気異方性を示す。
【００３７】
このように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０は、大きな垂直磁気異方性を有すると共に大きなスピン分極率が得られる。
【００３８】
さらに、磁気トンネル接合素子を作成する際には、格子定数のマッチングを考慮することが望ましい。表１は、合金の格子定数とＭｉｓｆｉｔを示す表である。表１において、Ｍｉｓｆｉｔは、Ｒｕ、ＭｇＯまたはＭｇＡｌ２Ｏ４の格子定数とＬ１１構造のＮｉＰｔ合金の格子定数の差を、Ｌ１１構造のＮｉＰｔ合金の格子定数で除算した比率で示されている。
【表１】
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【００３９】
表１に示すようにＭｉｓｆｉｔの大きさは、Ｒｕ、ＭｇＯまたはＭｇＡｌ２Ｏ４にＬ１１ＮｉＰｔを積層するに十分小さな値である。
【００４０】
このように、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、固定層をＬ１１型磁性合金膜とし、絶縁層を（１１１）のテクスチャを有する層とすることにより、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。
【００４１】
そして、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁化保持層を含まずに、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。したがって、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減することができる。また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、磁気トンネル接合素子の厚みも薄くすることができる。
【００４２】
また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、自由層をＬ１１型磁性合金膜とし、絶縁層を（１１１）のテクスチャを有する層とすることにより、単一の層で磁化方向が変化する層とすることができる。
【００４３】
また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、少なくとも自由層と固定層のいずれかをＬ１１型磁性合金膜とし、絶縁層を（１１１）のテクスチャを有する層とすることにより、より少ない積層数で磁気トンネル接合素子を構成することができる、結晶構造を安定化させることができる。この結果、磁気トンネル接合素子において、原子拡散を抑制することができる。
【００４４】
また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子は、熱安定性が良好であるので、磁気トンネル接合素子の高密度化を実現することができる。
【００４５】
また、実施の形態１の磁気トンネル接合素子によれば、ＮｉとＣｏの量を調整することでＭｓ（飽和磁化）を低減させ、磁化方向を高速に切り換えることができる。
【００４６】
（実施の形態２）
実施の形態２では、絶縁層１４にＭｇＡｌ２Ｏ４を用いた例について説明する。
図４は、実施の形態２にかかる磁気トンネル接合素子のバリア層に用いられるＭｇＡｌ２Ｏ４のバンド構造を示すグラフである。図４において、縦軸はエネルギー準位（ｅｖ）を示し、横軸は電子の波数ベクトルｋを示す。図４では、絶縁層１４にＭｇＡｌ２Ｏ４を用いた例におけるバンド構造が示されている。
【００４７】
図４に示すように、ＭｇＡｌ２Ｏ４はＧ点における直接ギャップ絶縁体であり、絶縁層に垂直入射する、すなわち（１１１）方向に進む、電子のみをフィルタする。したがって、絶縁層にＭｇＡｌ２Ｏ４を用いた磁気トンネル接合素子は、実施の形態１の図３に示されるような（１１１）方向にHalf metallicである材料をスピン分極層に用いることで、高いトンネル磁気抵抗効果及び高いスピン分極率を得られることがわかる。
【００４８】
このように、実施の形態２の磁気トンネル接合素子によれば、格子ミスマッチが小さくできるので、さらなる大きなトンネル磁気抵抗効果が期待できる。 
【００４９】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１または実施の形態２の磁気トンネル接合素子を用いた磁気抵抗メモリ装置について説明する。
図５は、実施形態３にかかる磁気抵抗メモリ装置の一例の要部を表す斜視図である。
【００５０】
図５において、磁気抵抗メモリ装置は、メモリセル３０、ビット線３１、コンタクトプラグ３５及び３７、及びワード線３８を備える。
【００５１】
メモリセル３０は、半導体基板３２、拡散領域３３及び３４、ソース線３６、ゲート絶縁膜３９及び磁気トンネル接合素子１０を備える。磁気トンネル接合素子１０は、実施の形態１の磁気トンネル接合素子１０に対応するが、実施の形態２の磁気トンネル接合素子を用いてもよい。
【００５２】
磁気抵抗メモリ装置は、複数のメモリセル３０をマトリクス状に配置し、複数本のビット線１及び複数本のワード線３８を用いて、互いに接続することにより形成される。ＭＲＡＭは、スピントルク注入方式を用いて、データの書き込み処理が実行される。
【００５３】
半導体基板３２は、上面に拡散領域３３及び３４を有し、拡散領域３３は、拡散領域３４から所定の間隔を空けて配置されている。拡散領域３３はドレイン領域として機能し、拡散領域３４はソース領域として機能する。拡散領域３３は、コンタクトプラグ３７を介して磁気トンネル接合素子１０に接続される。
【００５４】
ビット線側電極３１は、半導体基板３２の上方に配置されるとともに、磁気トンネル接合素子１０に接続される。ビット線３１は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。
【００５５】
拡散領域３４はコンタクトプラグ３５を介してソース線３６に接続される。ソース線３６は、書き込み回路（不図示）及び読み出し回路（不図示）に接続されている。
【００５６】
ワード線３８は、拡散領域３３及び拡散領域３４に接するように、ゲート絶縁膜３９を介して半導体基板３２に配置される。ワード線３８とゲート絶縁膜３９とは、選択トランジスタとして機能する。ワード線３８は、図示しない回路から電流を供給されて活性化し、選択トランジスタとしてターンオンする。
【００５７】
この磁気抵抗メモリ装置は、ビット線３１と拡散領域３３とが電極として、磁気トンネル接合素子１０に電圧を印加し、電圧印加により一定方向に揃えられた電子のスピントルクが強磁性体層の磁化方向を変化させる。そして、電流方向を変えることにより、磁気抵抗メモリ装置に記録されるデータの値を変えることができる。
【００５８】
このように、実施の形態３の磁気抵抗メモリ装置によれば、垂直磁化保持層を含まずに、単一の層で磁化方向を所定の方向に維持する層とすることができる。したがって、一実施形態の磁気抵抗メモリ装置は、固定層の構造を簡略化することができ、磁気トンネル接合素子の積層数を削減することができる。
【００５９】
また、実施の形態３の磁気抵抗メモリ装置によれば、磁気トンネル接合素子の熱安定性が良好であるので、磁気抵抗メモリ装置の高密度化を実現することができる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、磁気トンネル接合素子において、（１１１）面接合が、固定層１３、自由層１５の一方と絶縁層１４との間であってもよい。また、磁気トンネル接合素子において、固定層１３と絶縁層１４との間及び自由層１５と絶縁層１４との間の両方が（１１１）面接合であってもよい。また、絶縁層１４は、（１１１）のテクスチャを有するＭｇＧａ２Ｏ４、ＺｎＡｌ２Ｏ４またはＺｎＧａ２Ｏ４であってもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０、２０  磁気トンネル接合素子
１１、２１  基板
１２、２２  バッファ層
１３、２３  固定層
１４、２４  絶縁層
１５、２５  自由層
１６、２６  キャップ層
２３Ａ  高分極率磁性層
２３Ｂ  垂直磁化保持層
３０  メモリセル
３１  ビット線
３２  半導体基板
３３、３４  拡散領域
３５、３７  コンタクトプラグ
３６  ソース線
３８  ワード線
３９  ゲート絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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