(57)【要約】【課題】磁化方向が膜面垂直方向に安定であり、磁気抵抗変化率が制御された磁気抵抗効果素子及びその磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ、磁性膜、磁性膜の製造方法を提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子を構成する強磁性層の材料を、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含んだ強磁性材料で構成することで、磁気抵抗変化率を制御し、且つ、強磁性層の膜厚を原子層レベルで制御することで磁化方向を膜面内方向から膜面垂直方向に変化させた。【選択図】図５
2014207469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、
磁化方向が可変である第２の強磁性層と、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に電気的に接続された第１の非磁性層とを備え、
前記第１の強磁性層は固定層として作用し、前記第２の強磁性層は記録層として作用する磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の非磁性層は酸素を含む絶縁体であり、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との少なくとも一方は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料で構成され、膜厚を３ｎｍ以下に調整することによって前記第１の非磁性層との界面における磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、
磁化方向が可変である第２の強磁性層と、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に電気的に接続された第１の非磁性層とを備え、
前記第１の強磁性層は固定層として作用し、前記第２の強磁性層は記録層として作用する磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の非磁性層は酸素を含む絶縁体であり、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との少なくとも一方は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料で構成され、その厚さは、前記第１の非磁性層との界面における磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御される範囲の値に設定されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の一方は、前記第１の非磁性層との界面における磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御され、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の他方は、前記第１の強磁性層とは異なる垂直磁気異方性材料から構成されている磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第１の強磁性層及び前記第２の強磁性層とのうち前記第１の非磁性層との界面における磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている層は、膜厚が１．０ｎｍから１．６ｎｍであることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層は熱処理を施さず非晶質であることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層とのうち前記第１の非磁性層との界面における磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている層は、Ｃｏ，Ｆｅのうち少なくとも一つを含む強磁性材料であり、磁気抵抗変化率が５０％以上であり、
前記第１の非磁性層が酸化マグネシウムである、
磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第２の強磁性層の、前記第１の非磁性層と反対側の面に第２の非磁性層を備え、
前記第２の非磁性層は前記第２の強磁性層の磁化方向を制御するための制御層として作用していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記第１の強磁性層の、前記第１の非磁性層と反対側の面に第３の非磁性層を備え、
前記第３の非磁性層は前記第１の強磁性層の磁化方向を制御するための制御層として作用していることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子において、
前記固定層の前記第１の非磁性層と反対側の面に反強磁性層が形成されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、
磁化方向が可変である第２の強磁性層と、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に電気的に接続された第１の非磁性層とを備え、
前記第１の強磁性層は固定層として作用し、前記第２の強磁性層は記録層として作用する磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の非磁性層は酸素を含む絶縁体であり、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との少なくとも一方は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料で構成され、膜厚を３ｎｍ以下に調整することによって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている磁気抵抗効果素子であって、
前記記録層は、前記第１の非磁性層と接する面から順に強磁性層と非磁性層を交互に３層以上積層した積層構造を有し、前記第１の非磁性層と接する強磁性層は、前記第２の強磁性層であり、
前記記録層を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合しており、
前記強磁性層と交互に積層された非磁性層が酸素を含む絶縁体、または、酸化マグネシウムである、ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
磁化方向が固定されている第１の強磁性層と、
磁化方向が可変である第２の強磁性層と、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層の間に電気的に接続された第１の非磁性層とを備え、
前記第１の強磁性層は固定層として作用し、前記第２の強磁性層は記録層として作用する磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の非磁性層は酸素を含む絶縁体であり、
前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との少なくとも一方は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料で構成され、膜厚を３ｎｍ以下に調整することによって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されていることを特徴とする磁気抵抗効果素子であって、
前記固定層は、前記第１の非磁性層と接する面から順に強磁性層と非磁性層を交互に３層以上積層した積層構造を有し、前記第１の非磁性層と接する強磁性層は、前記第１の強磁性層であり、
前記固定層を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合しており、
前記強磁性層と交互に積層された非磁性層が酸素を含む絶縁体、または、酸化マグネシウムである、ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
相互に平行に配置された複数のビット線と、前記ビット線と平行な方向に、互いに平行に配置された複数のソース線と、前記ビット線と交差する方向に、互いに平行に配置された複数のワード線と、前記ビット線と前記ワード線とが交差する部分に配置された磁気抵抗効果素子とを備え、
前記ビット線は前記磁気抵抗効果素子の一端に電気的に接続され、前記磁気抵抗効果素子の他端は選択トランジスタのドレイン電極に電気的に接続され、前記ソース線は前記選択トランジスタのソース電極に電気的に接続され、前記ワード線は前記選択トランジスタのゲート電極に電気的に接続され、
前記磁気抵抗効果素子の膜面垂直方向に電流を印加する機構を備えている磁気メモリにおいて、
前記磁気抵抗効果素子は請求項１から１１のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子であることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１３】
酸素を含む第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層に接して設けられ、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料から構成され、前記第１の非磁性層との界面における磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている第１の磁性層と、
を備える磁性膜。
【請求項１４】
請求項１３に記載の磁性膜において、
前記第１の磁性層は、３ｎｍ以下の厚さを有する、磁性膜。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の磁性膜において、
前記第１の磁性層は熱処理を施さず非晶質であることを特徴とする磁性膜。
【請求項１６】
請求項１３から１５のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第１の磁性層は、ＣｏとＦｅとのうち少なくとも一つを含む強磁性材料から構成され、
前記第１の非磁性層が酸化マグネシウムである、
ことを特徴とする磁性膜。
【請求項１７】
請求項１３から１６のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第１の非磁性層を介して前記第１の磁性層と対向して配置された第２の磁性層をさらに備える磁性膜。
【請求項１８】
請求項１７に記載の磁性膜において、
前記第２の磁性層は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料から構成され、前記第１の非磁性層との界面における磁気異方性によって磁化方向が膜面に対して垂直方向に制御されている、磁性膜。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載の磁性膜において、
前記第２の磁性層は３ｎｍ以下の厚さを有する、磁性膜。
【請求項２０】
請求項１７から１９の何れか１項に記載の磁性膜において、
前記第２の磁性層は熱処理を施さず非晶質であることを特徴とする磁性膜。
【請求項２１】
請求項１７から２０のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第２の磁性層は、ＣｏとＦｅとのうち少なくとも一つを含む強磁性材料から構成され、
前記第１の非磁性層が酸化マグネシウムである、
磁性膜。
【請求項２２】
請求項１７から２１のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の一方は、磁化の向きが固定の固定層、他方は、磁化の向きが変化する可変層として機能する、磁性膜。
【請求項２３】
請求項２２に記載の磁性膜において、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層のうち前記固定層として機能する層の厚さは前記可変層として機能する層の厚さよりも大きい、磁性膜。
【請求項２４】
請求項１７から２３のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第２の磁性層の、前記第１の非磁性層と反対側の面に第２の非磁性層を備え、
前記第２の非磁性層は前記第２の磁性層の磁化の方向を制御するための制御層として作用する、磁性膜。
【請求項２５】
請求項１３から２４のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第１の磁性層の、前記第１の非磁性層と反対側の面に第３の非磁性層を備え、
前記第３の非磁性層は前記第１の磁性層の磁化の方向を制御するための制御層として作用する、磁性膜。
【請求項２６】
請求項１３から２５のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第１の磁性層の前記第１の非磁性層と反対側の面に反強磁性層が形成されている、磁性膜。
【請求項２７】
請求項１７から２４のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第２の磁性層の前記第１の非磁性層と反対側の面に反強磁性層が形成されている、磁性膜。
【請求項２８】
請求項１３から２７のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第１の非磁性層の上には、強磁性層と非磁性層を交互に３層以上積層した第１の積層構造が配置され、前記第１の非磁性層と接する強磁性層は、前記第１の磁性層である、磁性膜。
【請求項２９】
請求項２８に記載の磁性膜において、
前記第１の積層構造を構成する非磁性層は、酸素を含む絶縁体、または、酸化マグネシウムである、磁性膜。
【請求項３０】
請求項２８に記載の磁性膜において、
前記第１の積層構造を構成する非磁性層は、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｖのうち少なくとも１つを含む、磁性膜。
【請求項３１】
請求項２８から３０のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第１の積層構造を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合している、磁性膜。
【請求項３２】
請求項１７から２４の何れか１項に記載の磁性膜において、
前記第１の非磁性層の上には、強磁性層と非磁性層を交互に３層以上積層した第２の積層構造が配置され、前記第１の非磁性層と接する強磁性層は、前記第２の磁性層である、磁性膜。
【請求項３３】
請求項３２に記載の磁性膜において、
前記第２の積層構造を構成する非磁性層が、酸素を含む絶縁体、または、酸化マグネシウムである、ことを特徴とする磁性膜。
【請求項３４】
請求項３２に記載の磁性膜において、
前記第２の積層構造を構成する非磁性層がＲｕ，Ｒｈ，Ｖのうち少なくとも１つを含む、磁性膜。
【請求項３５】
請求項３２から３４のいずれか１項に記載の磁性膜において、
前記第２の積層構造を構成する複数の強磁性層の磁化は、磁化方向が互いに平行若しくは反平行に結合している、磁性膜。
【請求項３６】
酸素を含む非磁性層と、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料から形成される磁性層と、を積層することにより、前記非磁性層と前記磁性層との界面における磁気異方性によって前記磁性層の磁化方向を膜面に対して垂直方向に制御する、磁性膜の製造方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載の磁性膜の製造方法において、
前記磁性層は３ｎｍ以下の厚さを有する、磁性膜の製造方法。
【請求項３８】
請求項３６または３７に記載の磁性膜の製造方法において、
前記磁性層の磁化の方向を膜面に平行から垂直に変化させる熱処理を施す工程をさらに含む、磁性膜の製造方法。
【請求項３９】
請求項３６または３７に記載の磁性膜の製造方法において、
前記磁性層は、熱処理による磁化の方向の変化によらず、前記非磁性層と前記磁性層との界面における磁気異方性によって垂直方向に制御されている、磁性膜の製造方法。
【請求項４０】
非磁性層と３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料から形成される磁性層とを積層して構成することにより、前記非磁性層との界面における磁気異方性によって前記磁性層の磁化方向を膜面に対して垂直方向に制御し、
外部磁界または前記磁性層を流れる電流を制御することにより、磁性層の磁化の向きを制御する、
磁性膜の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子、磁性膜、磁性膜の製造方法、磁性膜の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセル１００は、磁気抵抗効果素子１０１と選択トランジスタ１０２が直列に電気的に接続された構造となっている。選択トランジスタ１０２のソース電極はソース線１０３に、ドレイン電極は磁気抵抗効果素子１０１を介してビット線１０４に、ゲート電極はワード線１０５にそれぞれ電気的に接続されている。磁気抵抗効果素子１０１は、第１の強磁性層１０６と第２の強磁性層１０７の２つの強磁性層で非磁性層１０８を挟んだ３層構造を基本構造とする。図示した例では、第１の強磁性層１０６は磁化方向が固定されていて固定層となり、第２の強磁性層１０７は磁化方向が可変であって記録層となる。この磁気抵抗効果素子１０１は、第１の強磁性層１０６の磁化方向と第２の強磁性層１０７の磁化方向が互いに平行（Ｐ状態）のとき低抵抗に、反平行（ＡＰ状態）のとき高抵抗になる。ＭＲＡＭでは、この抵抗変化をビット情報の「０」と「１」に対応させる。ビット情報は、磁気抵抗効果素子１０１を流れる電流によるスピントルク磁化反転によって書込む。電流が固定層から記録層に流れるとき、記録層の磁化は固定層の磁化に対して反平行になり、ビット情報は「１」となる。電流が記録層から固定層に流れるとき、記録層の磁化は固定層の磁化に対して平行になり、ビット情報は「０」となる。電流による磁化反転の速さは１ナノ秒程度であるため、ＭＲＡＭは非常に高速な書込みが可能である。また、記録層の磁化の向きによってビット情報を記録するため、ＭＲＡＭは不揮発性を有し、待機時電力消費を抑えることができる。このため、ＭＲＡＭは次世代のメモリとして期待されている。
【０００３】
また、図１では磁気抵抗効果素子１０１の第１の強磁性層１０６が固定層、第２の強磁性層１０７が記録層の場合を示したが、磁気抵抗効果素子１０１の第１の強磁性層１０６を磁化方向が可変な記録層とし、第２の強磁性層１０７を磁化方向が固定されている固定層としても、同様にＭＲＡＭとして動作する。この場合でも、電流が固定層から記録層に流れるとき、記録層の磁化は固定層の磁化に対して反平行になり、ビット情報は「１」となる。電流が記録層から固定層に流れるとき、記録層の磁化は固定層の磁化に対して平行になり、ビット情報は「０」となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】S. MANGIN, D. RAVELOSONA, J. A. KATINE, M. J. CAREY, B. D. TERRIS and ERIC E. FULLERTON, “Current-induced magnetization reversal in nanopillars with perpendicular anisotropy”, Nature Mater. 5, 210 (2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＭＲＡＭを実現するためには課題があり、その主なものとして、記録素子である磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）、書込み電流密度、熱安定性定数の３つの特性が満たさなければならない条件がある。これらの条件は、ＭＲＡＭの集積度、最小加工寸法、動作速度などによって異なる。例えば、読出しが高速になるほど磁気抵抗変化率は高い値が必要となる。ＭＲＡＭを混載メモリとするか単体メモリとするかで異なるが、一般的には５０％から１００％以上の高い磁気抵抗変化率が必要とされる。また、書込みの高速化及び低消費電力化のため、２×１０6Ａ／ｃｍ2以下の書込み電流密度が必要である。さらに、１０年以上の記録保持時間及び誤書き込み防止のため８０以上の熱安定性定数が必要とされる。
【０００６】
高い磁気抵抗変化率を得るために、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７に３ｄ遷移金属元素を含む材料と、第１の非磁性層のＭｇＯを用いた構成が知られている。この場合、３ｄ遷移金属元素を含む材料が、熱処理を施すことによってｂｃｃ構造に結晶化するほうが望ましい。これは、３ｄ遷移金属元素を含む材料がｂｃｃ構造の場合、ＭｇＯとのコヒーレントな伝導を実現するため磁気抵抗変化率が大きくなりやすいという利点があるからである。この場合、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の磁化方向は、図１のように膜面に対して平行方向になる。一方、非特許文献１のように、ＣｏとＰｔ、ＮｉとＰｔなどの多層膜や、ＦｅＰｔ，ＴｂＴｅＣｏなどの合金に代表される垂直磁気異方性材料を第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７に用いた場合、低い書込み電流密度と高い熱安定性定数を実現できるとされている。これは、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の磁化方向が膜面に対して垂直方向になることに起因する。しかし、これらの垂直磁気異方性材料とＭｇＯの組合せの場合、磁気抵抗変化率が小さくなってしまう。このため、現状はＭｇＯと垂直磁気異方性材料の間に、膜面に対して平行な磁化を持ちｂｃｃ構造である３ｄ遷移金属元素を含む材料を挿入し、ＭＲ比を高くするなどの方法が試されている。しかし、この方法では構造は複雑になり、３ｄ遷移金属元素を含む材料の磁化方向の制御や磁気抵抗変化率が予想されるほど高くならないなどの課題が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、図１の磁気抵抗効果素子を構成する第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の少なくともどちらか一方に用いる材料を、Ｃｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含んだ材料、若しくはＣｏ２ＭｎＳｉなどに代表されるホイスラー合金のようなダンピング定数の小さい強磁性層で構成することで磁気抵抗変化率を制御することとした。通常、Ｃｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含み、且つ、ｂｃｃ構造になる材料で磁気抵抗効果素子を作製した場合、強磁性層の磁化方向は膜面に対して平行な方向を向くが、本発明者らは、強磁性層の膜厚を３ｎｍ以下に制御して磁化方向を膜面に対して垂直にすることによって低い書き込み電流密度と高い熱安定性定数を実現する技術を開発した。
【０００８】
図２に示したのは、強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた例において、磁化方向が膜面に対して垂直になるために必要な膜厚を、製造工程に含まれる熱処理工程の温度に対して示したものである。ここで熱処理を行った時間は１時間であった。図中の白丸は膜厚の上限を、黒丸は下限を表している。図のように、熱処理温度に対応して、磁化方向が膜面に対して垂直になるＣｏＦｅＢの膜厚範囲は変化する。また、この材料を用いた場合、図２からわかるように熱処理を施していない場合でも、磁化方向は膜面に対しても垂直になる。熱処理を施していない場合は、ＣｏＦｅＢは非晶質である。非晶質である場合は、後述のように抵抗変化率が小さくなる欠点があるが、磁化の大きさが小さいという利点がある。
【０００９】
図２の例はＣｏＦｅＢに対するものであり、他の３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含んだ材料に対しては、磁化方向が膜面に対して垂直になるために必要な膜厚と熱処理温度の関係は図２と異なる場合があるが、材料に適した膜厚に制御することにより磁化方向を膜面に対して平行から垂直に変化させることが可能である。このように磁化方向が膜面に対して垂直になる原因は、ＣｏＦｅＢの界面における特殊な異方性の変化だと考えられる。ＣｏＦｅＢの膜厚を原子層レベルに制御して薄膜化することによって、ＣｏＦｅＢ層の体積に対して界面の効果が及ぶ体積の割合を増大することができる。このため、界面の特殊な異方性の効果が顕著に現れ、磁化方向が膜面に対して垂直になる。特に、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２などに代表される酸素を含む化合物と、Ｃｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料の界面にこのような効果が大きく表れ、磁化が膜面垂直方向に向き易くなる傾向があると考えられる。
【００１０】
一方、図３は、例として第１の強磁性層１０６と第２の強磁性層１０７にＣｏＦｅＢを用いた場合の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率を、熱処理時の温度に対して示したものである。熱処理温度が大きくなるとともに、磁気抵抗変化率は大きくなる。従って、この例では、例えば７０％の磁気抵抗変化率を得るためにはおよそ２５０℃で熱処理を行えばよいし、１００％の磁気抵抗変化率を得るためには３００℃で熱処理を行えばよい。このとき、熱処理温度を３００℃として膜面に垂直な磁化方向を持つ磁気抵抗効果素子を得るには、図２を参照すると第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の膜厚を１．０ｎｍから１．６ｎｍ程度に制御すればよい。
【００１１】
他の材料を用いた場合でも、熱処理温度と磁気抵抗変化率の関係を調査しておくことによって、所望の磁気抵抗変化率が得られ、且つ、磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いている磁気抵抗効果素子を作製することが可能である。図４は第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料としてＣｏＦｅＢ、非磁性層１０８としてＭｇＯを用いた場合の、膜面に対して垂直方向に印加した磁場に対する磁気抵抗効果素子の抵抗変化を示している。この例では、熱処理温度を３００℃とした。実験結果から、磁化方向は膜面に対して垂直を向いていることがわかる。また、このときの磁気抵抗変化率は１００％であった。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を適用することによって、磁気抵抗変化率が大きく、且つ、膜面に対して垂直な磁化方向を持つ磁気抵抗効果素子を容易に作製することができる。また、磁気抵抗変化率を制御したい場合、熱処理温度を制御するとともに、非磁性層を挟んで形成される第１の強磁性層及び第２の強磁性層の膜厚を調整することにより膜面に対して垂直な磁化方向を維持した磁気抵抗効果素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】磁気メモリのメモリセル基本構造を示す模式図。
【図２】第１の強磁性層及び第２の強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた場合の、熱処理工程の温度に対する、磁気抵抗効果素子の磁化方向が膜面に対して垂直になるために必要な膜厚の変化を示す図。
【図３】第１の強磁性層及び第２の強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた場合の、熱処理工程の温度に対する、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率の変化を示す図。
【図４】第１の強磁性層及び第２の強磁性層にＣｏＦｅＢを用いた場合の、膜面垂直方向の磁場印加に対する磁気抵抗効果素子の抵抗変化を示す図。
【図５】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図６】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図７】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図８】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図９】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図１０】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図１１】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図１２】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図１３】本発明による磁気抵抗効果素子の例を示す断面模式図。
【図１４】本発明による磁気メモリの例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した磁気メモリ及び磁気抵抗効果素子について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
＜実施例１＞
本発明の一観点によると、磁気抵抗効果素子１０１は、図５に示すように、磁化方向が固定されている第１の強磁性層１０６と、磁化方向が可変である第２の強磁性層１０７と、第１の強磁性層と第２の強磁性層の間に電気的に接続された非磁性層１０８を備える。第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料は、Ｃｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む強磁性材料若しくはＣｏ２ＭｎＳｉなどに代表されるホイスラー合金が望ましく、非磁性層１０８の材料はＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２などの酸素を含む化合物やＣｕなどの金属などが候補であり、磁気抵抗変化率が大きくなる材料が望ましい。実施例１では、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の材料がＣｏＦｅＢであり、非磁性層１０８がＭｇＯである場合を例として説明する。
【００１６】
図２に示したように、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７の膜厚を１．０ｎｍから１．６ｎｍ程度に制御することによって、熱処理温度が３００℃のとき、第１の強磁性層１０６の磁化５０１及び第２の強磁性層１０７の磁化５０２は膜面に対して垂直になる。図３に示したように、このときの磁気抵抗変化率は１００％以上を達成している。図５の例では、磁化方向が膜面に対して垂直になる範囲内で、第１の強磁性層１０６と第２の強磁性層１０７に膜厚差をつけることにより保磁力差をつけ、第１の強磁性層１０６を固定層とし、第２の強磁性層１０７を記録層とした。一例として、第１の強磁性層１０６は膜厚を１．０ｎｍとし、第２の強磁性層１０７の膜厚は１．２ｎｍとした。この例の場合には、膜厚の薄い方の強磁性層１０６が固定層として機能した。勿論、第１の強磁性層１０６を記録層とし、第２の強磁性層１０７を固定層とするように膜厚を調整してもよい。
【００１７】
また、図５の例では固定層である第１の強磁性層１０６の磁化方向は上向きであるが、下向きに固定されていてもよい。また、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７のうち少なくとも一方を、熱処理温度と膜厚を制御することで磁化方向が膜面に対して平行方向から垂直方向に変化する強磁性体によって構成し、他方はＣｏとＰｔ、ＮｉとＰｔなどの多層膜や、ＦｅＰｔ，ＴｂＴｅＣｏ合金などの従来から知られている別の垂直磁気異方性材料で構成してもよい。
【００１８】
図６には、第１の強磁性層１０６に従来から知られた垂直異方性材料であるＦｅＰｔを用いて固定層とし、第２の強磁性層１０７には、ＣｏＦｅＢを用いた場合の例を示した。この場合、記録層と固定層の材料が異なるので、容易に保磁力差をつけることができる。このときの熱処理温度は、ＣｏＦｅＢを用いた磁気抵抗効果素子の抵抗変化率を参考にすればよく、例えば１００％の抵抗変化率を得たい場合には３００℃とすればよい。さらに、ＣｏＦｅＢの場合は、３００℃で熱処理を行う場合、膜厚を１．０ｎｍから１．６ｎｍとすることによって磁化方向を膜面に対して垂直な方向にすることができる。また、第１の強磁性層１０７と非磁性層１０８の間にＣｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属を少なくとも1種類含む強磁性体若しくはホイスラー合金を材料とした層を新たに挿入してもよい。
【００１９】
磁気抵抗効果素子１０１は、下地層５０３及びキャップ層５０４を備えた構造であってもよい。下地層５０３は、磁気抵抗効果素子１０１を作製する下地となる層であるため、表面粗さが小さいことが必要であり、例として、Ｔａ，Ｒｕを用いることができる。Ｔａ／Ｒｕ／Ｔａなどの多層構造であってもよい。また、下地層に配向制御層としての効果を持たせてもよい。特に、第１の強磁性層１０６に、上で述べたＦｅＰｔなどの従来から知られている垂直異方性材料を用いる場合は、配向制御の必要性が高い。キャップ層５０４は磁気抵抗効果素子を保護する目的も備えており、例としてＭｇＯ，Ｒｕ，Ｔａなどを用いることができる。キャップ層５０４も、Ｔａ／Ｒｕなどの多層構造であってもよい。
【００２０】
＜実施例２＞
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子は、記録層として作用する第２の強磁性層１０７の、非磁性層１０８と反対側の界面７０２に第２の非磁性層７０１を形成した構造であってもよい。図７に実施例２の磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。
【００２１】
実施例１の磁気抵抗効果素子では、第２の強磁性層１０７の磁化を膜面垂直方向にするための界面効果は、第２の強磁性層１０７と非磁性層１０８の界面７０３でのみ生じたが、実施例２の磁気抵抗効果素子１０１では、第２の強磁性層１０７と第２の非磁性層７０１の界面７０２でも界面効果が生じる。このため、実施例１の磁気抵抗効果素子と比べて、実施例２の磁気抵抗効果素子では、第２の強磁性層１０７の磁化方向が膜面垂直方向に強く向き、熱安定性定数を大きくすることができる。このとき、第２の強磁性層１０７の膜厚は、磁化が膜面垂直方向に向き、界面効果が最大になるよう制御されており、実施例１の構成における第２の強磁性層１０７の膜厚と異なっている場合がある。図７の例として、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７にＣｏＦｅＢ、非磁性層１０８及び非磁性層７０１にＭｇＯを用いた。この場合の熱処理温度を３００℃とした結果、１００％を超える抵抗変化率が得られた。また、この例では第２の強磁性層１０７の膜厚は１．２ｎｍとすることで、磁化方向は膜面に対して垂直になった。第２の非磁性層７０１の材料は、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２などの酸素を含む化合物やＣｕなどの金属などの候補があり、第２の強磁性層１０７の磁化方向を垂直に向かせるための界面効果が大きくなる材料を選択するのが望ましい。
【００２２】
＜実施例３＞
本発明のさらに別の観点によると、磁気抵抗効果素子の記録層は、非磁性層１０８と接する面から強磁性層と非磁性層を交互に積層させた構造であってもよい。記録層として強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層と４層を積層させた場合の断面模式図を例として図８に示した。ここで、実施例３の磁気抵抗効果素子において、記録層は３層以上の積層構造であればよい。
【００２３】
この構造を採用することによって、強磁性層と非磁性層の界面の数が増えるため記録層８０１の磁化方向が垂直に向くための界面効果が大きく生じ、実施例２の磁気抵抗効果素子と比べてより熱安定性定数を大きくすることができる。また、記録層８０１を構成する強磁性層部分の全体積が大きくなることも、熱安定性定数の増大に寄与する。記録層８０１を構成する強磁性層の材料はＣｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む強磁性材料若しくはホイスラー合金が望ましく、記録層８０１を構成する非磁性層の材料にはＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２などの酸素を含む化合物やＣｕなどの金属などの候補があり、記録層８０１の磁化方向を垂直に向かせるための界面効果が大きくなる材料を選択するのが望ましい。また、記録層８０１を構成する強磁性層の磁化が膜面垂直方向に向き、界面効果が最大になるよう制御される必要があり、実施例１若しくは実施例２の構成における第２の強磁性層１０７の膜厚と異なっている場合がある。
【００２４】
図８に示した例では、記録層８０１を構成する強磁性層８０２，８０４の材料をＣｏＦｅＢとし、記録層８０１を構成する非磁性層８０３，８０５の材料をＭｇＯとした。この例では、熱処理温度を３００℃として１００％の抵抗変化率を得ることができた。また、このときの記録層８０１を構成する強磁性層８０２，８０４の膜厚をそれぞれ１．２ｎｍとすることで、磁化方向は膜面に対して垂直になった。さらに、記録層８０１を構成する強磁性層８０２と強磁性層８０４の磁化は、互いに平行若しくは反平行に配置することができ、間に介在する非磁性層８０３の膜厚を変更することでこの配置を制御する。また、記録層８０１を構成する非磁性層８０３の材料がＲｕ，Ｒｈ，Ｖなどの元素を少なくとも１種類含む非磁性体であってもよい。この場合、強磁性層８０２と強磁性層８０４の間に交換結合が働くため、非磁性層８０３の膜厚を制御することによって、強磁性層８０２と強磁性層８０４の磁化方向を平行若しくは反平行に容易に変更することができる。
【００２５】
＜実施例４＞
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子は、固定層として作用する第１の強磁性層１０６の、非磁性層１０８と反対側の界面９０３に第２の非磁性層９０１を形成した構造であってもよい。図９に実施例４の磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。
【００２６】
実施例１の磁気抵抗効果素子では、第１の強磁性層１０６の磁化を膜面垂直方向にするための界面効果は、第１の強磁性層１０６と非磁性層１０８の界面９０２でのみ生じたが、実施例４の磁気抵抗効果素子では第１の強磁性層１０６と第２の非磁性層９０１の界面９０３でも界面効果が生じる。このため、実施例１の磁気抵抗効果素子と比べて、実施例４の磁気抵抗効果素子では、第１の強磁性層１０６の磁化方向が膜面垂直方向に強く向き、熱安定性定数を大きくすることができる。このとき、第１の強磁性層１０６の膜厚は、磁化が膜面垂直方向に向き、界面効果が最大になるよう制御されており、実施例１の構成における第１の強磁性層１０６の膜厚と異なっている場合がある。
【００２７】
図９の構造の例として、第１の強磁性層１０６及び第２の強磁性層１０７にＣｏＦｅＢ、非磁性層１０８及び非磁性層９０１にＭｇＯを用いた。熱処理温度を３００℃とした結果、１００％を超える抵抗変化率が得られた。また、この例では第１の強磁性層１０６の膜厚は１．０ｎｍとすることで、磁化方向は膜面に対して垂直になった。第２の非磁性層９０１の材料には、ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ3，ＳｉＯ２などの酸素を含む化合物やＣｕなどの金属などの候補があり、第１の強磁性層１０６の磁化方向を垂直に向かせるための界面効果が大きくなる材料を選択するのが望ましい。
【００２８】
＜実施例５＞
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子の固定層１００１は、非磁性層１０８と接する面から強磁性層と非磁性層を交互に積層させた構造であってもよい。固定層１００１として強磁性層／非磁性層／強磁性層／非磁性層と４層を積層させた場合の断面図を例として図１０に示した。ここで、実施例５の磁気抵抗効果素子において、固定層は３層以上の積層構造であればよい。
【００２９】
この構造を採用することによって、強磁性層と非磁性層の界面の数が増えるため固定層１００１の磁化方向が垂直に向くための界面効果が大きく生じ、固定層１００１を構成する強磁性層部分の全体積が大きくなるため、磁化方向は膜面に対して垂直方向に安定化する。固定層１００１を構成する強磁性層１００２，１００４の材料は、Ｃｏ，Ｆｅなどの３ｄ遷移金属元素を少なくとも１種類含む強磁性材料若しくはホイスラー合金が望ましく、固定層１００１を構成する非磁性層１００３，１００５の材料には、ＭｇＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などの酸素を含む化合物やＣｕなどの金属などの候補があり、固定層１００１の磁化方向を垂直に向かせるための界面効果が大きくなる材料を選択するのが望ましい。また、固定層１００１を構成する強磁性層の磁化が膜面垂直方向に向き、界面効果が最大になるよう制御される必要があり、実施例１若しくは実施例４の構成における第１の強磁性層１０６の膜厚と異なっている場合がある。
【００３０】
図１０に示した構成の例では、固定層１００１を構成する強磁性層１００２，１００４の材料をＣｏＦｅＢとし、固定層１００１を構成する非磁性層１００３，１００５の材料をＭｇＯとした。この例では、熱処理温度を３００℃として１００％の抵抗変化率を得ることができた。また、このときの固定層１００１を構成する強磁性層１００２，１００４の膜厚は、それぞれ１．０ｎｍとすることで、磁化方向は膜面に対して垂直になった。さらに、固定層１００１を構成する強磁性層１００２と強磁性層１００４の磁化は、互いに平行若しくは反平行に配置することができ、間に介在する非磁性層１００３の膜厚を変更することでこの配置を制御する。また、固定層１００１を構成する非磁性層１００３の材料がＲｕ，Ｒｈ，Ｖなどの元素を少なくとも１種類含む非磁性体であってもよい。この場合、強磁性層１００２と強磁性層１００４の磁化の間に交換結合が働くため、非磁性層１００３の膜厚を制御することによって、強磁性層１００２と強磁性層１００４の磁化方向を平行若しくは反平行に容易に変更することができる。
【００３１】
＜実施例６＞
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子は、固定層１１０１として第１の強磁性層１０６の非磁性層１０８と反対側の界面に形成された非磁性層１１０３を備え、且つ、記録層１１０２として第２の強磁性層１０７の非磁性層１０８と反対側の界面に形成された非磁性層１１０４を備えた構造であってもよい。図１１に実施例６の磁気抵抗効果素子の断面模式図を示す。この構成を採用することにより、固定層及び記録層がともに膜面に対して垂直方向に安定化する。
【００３２】
＜実施例７＞
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子は、固定層１２０１として、非磁性層１０８と接する面から強磁性層と非磁性層を交互に積層した構造を備え、且つ、記録層１２０２として、非磁性層１０８と接する面から強磁性層と非磁性層を交互に積層した構造を備えた構成としてもよい。固定層１２０１として、非磁性層１０８側から順に強磁性層１２０３／非磁性層１２０４／強磁性層１２０５／非磁性層１２０６と４層を積層し、記録層１２０２として非磁性層１０８側から順に強磁性層１２１０／非磁性層１２０９／強磁性層１２０８／非磁性層１２０７と４層を積層した場合の断面模式図を例として図１２に示した。この構成を採用することにより、固定層及び記録層がともに膜面に対して垂直方向に安定化する。
【００３３】
＜実施例８＞
本発明の別の観点によると、磁気抵抗効果素子において、図１３の断面模式図に示すように、固定層１０６の非磁性層１０８と反対側の界面に反強磁性層１３０１を形成した構成としてもよい。この構成を採用すると、固定層１０６の磁化方向が膜面に対して垂直方向に安定化する。
【００３４】
＜実施例９＞
本発明の別の観点によると、実施例１〜８の磁気抵抗効果素子を記録素子として採用することでＭＲＡＭを実現することができる。本発明のＭＲＡＭは、図１４に示すように、互いに平行に配置された複数のビット線１０４と、ビット線１０４と平行に配置され、且つ、互いに平行に配置された複数のソース線１０３と、ビット線１０４と垂直に配置され、且つ、互いに平行な複数のワード線１０５を備え、ビット線１０４とワード線１０５の各交点にはメモリセル１００が配置される。メモリセル１００は、実施例１〜８の磁気抵抗効果素子１０１と選択トランジスタ１０２を備えている。これら複数のメモリセル１００がメモリアレイ１４０１を構成している。ビット線１０４は、磁気抵抗効果素子１０１を介して選択トランジスタ１０２のドレイン電極に電気的に接続されており、ソース線１０３は配線層を介して選択トランジスタ１０２のソース電極に電気的に接続されている。また、ワード線１０５は選択トランジスタ１０２のゲート電極に電気的に接続されている。ソース線１０３とビット線１０４の一端は、電圧印加のためのライトドライバ１４０２とセンス増幅器１４０３に電気的に接続されている。ワード線１０５の一端はワードドライバ１４０４に電気的に接続されている。
【００３５】
「０」書込み動作では、ライトドライバ１４０２からビット線１０４に電圧を印加するとともに、ワードドライバ１４０４からワード線１０５に電圧を印加することによって、ビット線１０４から磁気抵抗効果素子１０１を介してソース線１０３に電流を流す。このとき、磁気抵抗効果素子１０１の構成が図６のように、第１の強磁性層１０６が固定層であり第２の強磁性層１０７が記録層である場合、磁気抵抗効果素子１０１は低抵抗になり磁気抵抗効果素子１０１が保持する情報は「０」になる。一方、「１」書込み動作では、ライトドライバ１４０２にからソース線１０３に電圧を印加するとともに、ワードドライバ１４０４からワード線１０５に電圧を印加することによって、ソース線１０３から磁気抵抗効果素子１０１を介してビット線１０４に電流を流す。このとき、磁気抵抗効果素子１０１は高抵抗になり磁気抵抗効果素子１０１が保持する情報は「１」になる。読出し時は、センス増幅器１４０３を用いて抵抗変化による信号の違いを読取る。このような構成のメモリアレイを採用することで、磁気抵抗変化率が大きく、書込み電流密度が小さく、熱安定性定数が大きくなり、ＭＲＡＭは不揮発なメモリとして動作することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１００ 磁気メモリのメモリセル
１０１ 磁気抵抗効果素子
１０２ 選択トランジスタ
１０３ ソース線
１０４ ビット線
１０５ ワード線
１０６ 第１の強磁性層
１０７ 第２の強磁性層
１０８ 非磁性層
５０１ 磁化
５０２ 磁化
５０３ 下地層
５０４ キャップ層
７０１ 第２の非磁性層
８０１ 記録層
８０２ 強磁性層
８０３ 非磁性層
８０４ 強磁性層
８０５ 非磁性層
９０１ 非磁性層
１００１ 固定層
１００２ 強磁性層
１００３ 非磁性層
１００４ 強磁性層
１００５ 非磁性層
１１０１ 固定層
１１０２ 非磁性層
１１０３ 記録層
１１０４ 非磁性層
１２０１ 固定層
１２０２ 記録層
１２０３ 強磁性層
１２０４ 非磁性層
１２０５ 強磁性層
１２０６ 非磁性層
１２０７ 非磁性層
１２０８ 強磁性層
１２０９ 非磁性層
１２１０ 強磁性層
１３０１ 反強磁性層
１４０１ メモリアレイ
１４０２ ライトドライバ
１４０３ センス増幅器
１４０４ ワードドライバ
【図４】
2014207469.tif 000003
【図１０】
2014207469.tif 000004
【図１】
2014207469.tif 000005
【図２】
2014207469.tif 000006
【図３】
2014207469.tif 000007
【図５】
2014207469.tif 000008
【図６】
2014207469.tif 000009
【図７】
2014207469.tif 000010
【図８】
2014207469.tif 000011
【図９】
2014207469.tif 000012
【図１１】
2014207469.tif 000013
【図１２】
2014207469.tif 000014
【図１３】
2014207469.tif 000015
【図１４】
2014207469.tif 000016