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技術 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ

出願人 三星電子株式会社
発明者 園部義明嘉山康之伊藤博介
出願日 2014年9月18日 (6年3ヶ月経過) 出願番号 2014-190294
公開日 2016年4月25日 (4年8ヶ月経過) 公開番号 2016-063087
状態 特許登録済
技術分野 MRAM・スピンメモリ技術 磁性薄膜 ホール/MR素子
主要キーワード 六方晶型結晶 単一軌道 Ga系合金 円柱状体 電磁気学 電子状態密度 ダンピング定数 素子抵抗値
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図面 (13)

課題

小さな電流密度を有する電流であっても、記憶層磁化方向を反転することのできる磁気トンネル接合素子の提供。

解決手段

磁気トンネル接合素子(10、210、310、410)は、磁化方向が可変な記憶層(11、21)と、所定の磁化方向を維持する固定層(13、23、33)と、記憶層(11、21)と固定層(13、23、33)との間に設けられたスペーサ層(12)とを含む。磁気トンネル接合素子(10、210、310、410)はスピントルク注入方式を用いて書き込みを行う。記憶層(11、21)及び固定層(13、23、33)の少なくとも一方が強磁性絶縁層を含む。スペーサ層(12)は、記憶層(11、21)と固定層(13、23、33)とを電気的に接続する電流経路部(12a)と、記憶層(11、21)と固定層(13、23、33)とを電気的に絶縁する絶縁部(12b)とを含む。

概要

背景

磁気抵抗効果によって読み出しを行い、スピン注入磁化反転方式(STT: Spin Transfer Torque)によって書き込みを行う磁気トンネル接合MTJ:Magnetic Tunnel Junction)素子がある。

このような磁気トンネル接合素子の多くは、磁化方向が可変記憶層と、膜面に垂直な磁化方向を維持する固定層と、記憶層と固定層との間に設けられた絶縁体からなるトンネルバリア層とを含む。固定層及び記憶層の材料として、高い垂直磁気方性と、高いスピン分極率とを備える強磁性材料が好ましいとされる。このような磁気トンネル接合素子は、微細化に対する熱擾乱耐性を有し、例えば、磁気ランダムアクセスメモリMRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)に用いられることを期待されている。

例えば、特許文献1では、反強磁性膜を固定層の少なくとも側面に設けた磁気トンネル接合素子が開示されている。この磁気トンネル接合素子では、固定層及び記憶層を形成する材料として、例えば、Co、Fe、Niなどの強磁性金属、これらの合金、又は、CoFeBなどのBを有する合金が挙げられている。このような磁気トンネル接合素子によれば、固定層の多磁区化を抑制することができる。

また、特許文献2では、下地層と、Mn−Ga系合金からなる磁性体膜を含む記憶層と、非磁性層と、Mn−Ga系合金からなる磁性体膜を含む固定層と、をこの順に積層した磁気トンネル接合素子が開示されている。このような磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁気異方性を有するとともに、大きな磁気抵抗効果を発現することができる。

概要

小さな電流密度を有する電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することのできる磁気トンネル接合素子の提供。磁気トンネル接合素子(10、210、310、410)は、磁化方向が可変な記憶層(11、21)と、所定の磁化方向を維持する固定層(13、23、33)と、記憶層(11、21)と固定層(13、23、33)との間に設けられたスペーサ層(12)とを含む。磁気トンネル接合素子(10、210、310、410)はスピントルク注入方式を用いて書き込みを行う。記憶層(11、21)及び固定層(13、23、33)の少なくとも一方が強磁性絶縁層を含む。スペーサ層(12)は、記憶層(11、21)と固定層(13、23、33)とを電気的に接続する電流経路部(12a)と、記憶層(11、21)と固定層(13、23、33)とを電気的に絶縁する絶縁部(12b)とを含む。

目的

本発明は、上記した事情背景としてなされたものであり、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することのできる磁気トンネル接合素子を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

磁化方向が可変記憶層と、所定の磁化方向を維持する固定層と、前記記憶層と前記固定層との間に設けられたスペーサ層と、を含み、スピントルク注入方式を用いて書き込みを行う磁気トンネル接合素子であって、前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方が、強磁性絶縁層を含み、前記スペーサ層は、前記記憶層と前記固定層とを電気的に接続する電流経路部と、前記記憶層と前記固定層とを電気的に絶縁する絶縁部とを含む磁気トンネル接合素子。

請求項2

前記記憶層が前記強磁性絶縁層からなり、前記強磁性絶縁層は、垂直磁気方性を有することを特徴とする請求項1に記載される磁気トンネル接合素子。

請求項3

前記記憶層は、前記強磁性絶縁層と、膜面に垂直な磁化方向を有する垂直磁化保持層と、を含むことを特徴とする請求項1に記載される磁気トンネル接合素子。

請求項4

前記固定層が前記強磁性絶縁層からなり、前記強磁性絶縁層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載される磁気トンネル接合素子。

請求項5

前記固定層は、前記強磁性絶縁層と、膜面に垂直な磁化方向を有する垂直磁化保持層と、を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載される磁気トンネル接合素子。

請求項6

前記強磁性絶縁層は強磁性酸化物からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載される磁気トンネル接合素子。

請求項7

前記強磁性酸化物は、BaFe12O19、又は、CoXFe3−XO4であり、Xが0<X<3を満たすことを特徴とする請求項6に記載される磁気トンネル接合素子。

請求項8

前記電流経路部は、非磁性金属からなる複数本柱状体であり、前記絶縁部は、前記電流経路部のそれぞれを囲むマトリックスであり、前記マトリックスは、非磁性絶縁体からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載される磁気トンネル接合素子。

請求項9

前記非磁性絶縁体は、MgO又はAl2O3であることを特徴とする請求項8に記載される磁気トンネル接合素子。してもよい。

請求項10

前記非磁性金属はCuであることを特徴とする請求項8に記載される磁気トンネル接合素子。

請求項11

素子抵抗値が30Ωμm2以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載される磁気トンネル接合素子。

請求項12

請求項1〜11のいずれか1つに記載される磁気トンネル接合素子を備えた磁気ランダムアクセスメモリ

技術分野

0001

本発明は、磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリに関し、特に、スピン注入磁化反転方式を用いた磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリによる。

背景技術

0002

磁気抵抗効果によって読み出しを行い、スピン注入磁化反転方式(STT: Spin Transfer Torque)によって書き込みを行う磁気トンネル接合MTJ:Magnetic Tunnel Junction)素子がある。

0003

このような磁気トンネル接合素子の多くは、磁化方向が可変記憶層と、膜面に垂直な磁化方向を維持する固定層と、記憶層と固定層との間に設けられた絶縁体からなるトンネルバリア層とを含む。固定層及び記憶層の材料として、高い垂直磁気方性と、高いスピン分極率とを備える強磁性材料が好ましいとされる。このような磁気トンネル接合素子は、微細化に対する熱擾乱耐性を有し、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)に用いられることを期待されている。

0004

例えば、特許文献1では、反強磁性膜を固定層の少なくとも側面に設けた磁気トンネル接合素子が開示されている。この磁気トンネル接合素子では、固定層及び記憶層を形成する材料として、例えば、Co、Fe、Niなどの強磁性金属、これらの合金、又は、CoFeBなどのBを有する合金が挙げられている。このような磁気トンネル接合素子によれば、固定層の多磁区化を抑制することができる。

0005

また、特許文献2では、下地層と、Mn−Ga系合金からなる磁性体膜を含む記憶層と、非磁性層と、Mn−Ga系合金からなる磁性体膜を含む固定層と、をこの順に積層した磁気トンネル接合素子が開示されている。このような磁気トンネル接合素子によれば、垂直磁気異方性を有するとともに、大きな磁気抵抗効果を発現することができる。

先行技術

0006

特開2005−032878号公報
特開2012−204683号公報

発明が解決しようとする課題

0007

ところで、記憶層の磁化方向を反転させるのに必要な磁化反転電流を小さくすることが要求されている。

0008

また、特許文献1及び2で開示されるように、高い垂直磁気異方性と、高いスピン分極率とを備える強磁性材料として、強磁性金属、これらの合金、又は、Mn−Ga系合金が挙げられる。磁気トンネル接合素子では、固定層及び記憶層を形成する材料の選択範囲をさらに広げる余地があった。

0009

本発明は、上記した事情背景としてなされたものであり、小さな電流密度電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することのできる磁気トンネル接合素子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

本発明にかかる磁気トンネル接合素子は、
磁化方向が可変な記憶層と、
所定の磁化方向を維持する固定層と、
前記記憶層と前記固定層との間に設けられたスペーサ層と、を含み、スピントルク注入方式を用いて書き込みを行う磁気トンネル接合素子であって、
前記記憶層及び前記固定層の少なくとも一方が、強磁性絶縁層を含み、
前記スペーサ層は、前記記憶層と前記固定層とを電気的に接続する電流経路部と、前記記憶層と前記固定層とを電気的に絶縁する絶縁部とを含む。

0011

このような構成によれば、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することができる。

0012

また、前記記憶層が前記強磁性絶縁層からなり、前記強磁性絶縁層は、垂直磁気異方性を有することを特徴としてもよい。また、前記記憶層は、前記強磁性絶縁層と、膜面に垂直な磁化方向を有する垂直磁化保持層と、を含むことを特徴としてもよい。

0013

このような構成によれば、より確実に、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することができる。

0014

また、前記固定層が前記強磁性絶縁層からなり、前記強磁性絶縁層は、垂直磁気異方性を有することを特徴としてもよい。また、前記固定層は、前記強磁性絶縁層と、膜面に垂直な磁化方向を有する垂直磁化保持層と、を含むことを特徴としてもよい。

0015

このような構成によれば、大きなMR比(磁気抵抗効果)が得られる。

0016

また、前記強磁性絶縁層は強磁性酸化物からなることを特徴としてもよい。また、前記強磁性酸化物は、BaFe12O19、又は、CoXFe3−XO4であり、Xが0<X<3を満たすことを特徴としてもよい。

0017

このような構成によれば、読み出し時の記録層磁化の熱安定性を確保すると同時に、確実に、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することができる。

0018

また、前記電流経路部は、非磁性金属からなる複数本柱状体であり、前記絶縁部は、前記電流経路部のそれぞれを囲むマトリックスであり、前記マトリックスは、非磁性絶縁体からなることを特徴としてもよい。また、前記非磁性絶縁体は、MgO又はAl2O3であることを特徴としてもよい。また、前記非磁性金属はCuであることを特徴としてもよい。

0019

このような構成によれば、確実に、小さな電流密度の電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することができる。

0020

また、素子抵抗値が30Ωμm2以下であることを特徴としてもよい。

0021

このような構成によれば、磁化反転電流密度が小さく、しかも、素子抵抗値の小さい磁気トンネル接合素子が得られる。

0022

他方、本発明にかかる磁気ランダムアクセスメモリは、上記した磁気トンネル接合素子を備える。

0023

このような構成によれば、消費電力が小さい磁気ランダムアクセスメモリを得ることができる。

発明の効果

0024

本発明によれば、小さな電流密度を有する電流であっても、記憶層の磁化方向を反転することのできる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

0025

実施の形態1にかかるMRAMの要部の斜視図である。
実施の形態1にかかるMTJ素子の断面図である。
実施の形態1にかかるMTJ素子の要部の断面図である。
計算モデルを示す図である。
磁気異方性定数に対する反転電流密度である。
実施の形態2にかかるMTJ素子の断面図である。
実施の形態3にかかるMTJ素子の断面図である。
実施の形態4にかかるMTJ素子の断面図である。
参考例1にかかるMTJ素子の断面図である。
計算モデルを示す図である。
参考例2にかかるMTJ素子の断面図である。
計算モデルを示す図である。

実施例

0026

本発明者らは、上記した課題を解決するために、様々な材料について、磁気トンネル接合素子における記憶層及び固定層への適用可能性を図るべく、探索及び計算を行った。その中で、本発明者らは、強磁性絶縁体を記憶層又は固定層の材料として用いると、磁化反転時において、記憶層が温度上昇し、さらにその磁気異方性が低下し得ることに気づいた。さらに、本発明者らは、固定層と記憶層との間に設けられるスペーサ層の材料についても検討を行うなど、鋭意研究を重ねることにより、本発明を想到するに至ったのである。

0027

実施の形態1.
図1図3を参照して、実施の形態1にかかるMTJ素子について説明する。図1は、実施の形態1にかかるMRAMの要部の断面図である。図2は、実施の形態1にかかるMTJ素子の断面図である。図3は、実施の形態1にかかるMTJ素子の要部の断面図である。

0028

図1に示すように、メモリセル100は、半導体基板2と、拡散領域3、4と、ソース線6と、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子10とを含む。複数のメモリセル100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8を用いて、互いに接続すると、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)が形成される。この磁気ランダムアクセスメモリでは、スピントルク注入方式を用いて、データの書き込みが行なわれる。

0029

半導体基板2は、その上面に拡散領域3、4を有し、拡散領域3は、拡散領域4から所定の間隔を空けて配置されている。拡散領域3はドレイン領域として機能し、拡散領域4はソース領域として機能する。拡散領域3は、コンタクトプラグ7を介してMTJ素子10に接続される。

0030

ビット線1は、半導体基板2の上方に配置されるとともに、MTJ素子10に接続される。ビット線1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。

0031

拡散領域4はコンタクトプラグ5を介してソース線6に接続される。ソース線6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。

0032

ワード線8は、拡散領域3及び拡散領域4に接するように、ゲート絶縁膜9を介して半導体基板2に配置される。ワード線8とゲート絶縁膜9とは、選択トランジスタとして機能する。ワード線8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。

0033

図2及び図3に示すように、MTJ素子10は、固定層13と、スペーサ層12と、記憶層11とをこの順に積層した積層構造を有する。MTJ素子10は、書き込み時にスピントルク注入方式を用いることにより、記憶層11の磁化方向を変更する。また、MTJ素子10は、読み出し時において電子を固定層13、スペーサ層12及び記憶層11までトンネルさせて、記憶層11の磁化方向に応じて、異なる電圧で電流を流すことができる。

0034

なお、本願明細書において、MTJ素子とは、書き込み時にスピントルク注入方式を用いることにより、記憶層の磁化方向を変更することができ、さらに、読み出し時に電子が絶縁体からなる層をトンネルすることにより、記録層の磁化方向に応じて、異なる電圧で電流を流すことができる素子と定義する。すなわち、本願明細書においてMTJ素子には、MTJ素子10と、従来から開発されてきたMTJ素子とが含まれる。この従来から開発されてきたMTJ素子は、強磁性金属からなる固定層と、絶縁体からなるトンネルバリア層と、強磁性金属からなる記憶層とを積層した積層構造を有するものである。

0035

固定層13は、強磁性金属からなる。強磁性金属として、例えば、Fe、Ni、CoFeBが挙げられる。固定層13は、所定の磁化方向を維持する。この所定の磁化方向は、例えば、膜面に垂直な方向や、膜面内における長手方向であってもよい。なお、固定層13は、磁化固着層磁化固定層参照層磁化参照層ピン層基準層、磁化基準層などと称してもよい。

0036

スペーサ層12は、記憶層11と固定層13とを電気的に接続する電流経路部12aと、記憶層11と固定層13とを電気的に絶縁する絶縁部とを含む層である。スペーサ層12は、例えば、多数の電流経路部12aのそれぞれを囲むマトリックス12bを含む層である。マトリックス12bは、非磁性絶縁体からなる。非磁性絶縁体として、例えば、MgO、Al2O3が挙げられる。電流経路部12aは非磁性金属からなる柱状体であって、このような非磁性金属は、例えば、常磁性金属である。常磁性金属としては、例えば、Cu,Ag,Al、又は、これらの合金である。電流経路部12aは、マトリックス12bを貫通するように、マトリックス12b内に配置されてもよい。スペーサ層12の厚みは、MTJ素子10の抵抗値に応じて、適宜変更してもよい。なお、スペーサ層12が、Cuからなる電流経路部12aを有し、Al2O3からなるマトリックス12bとを含む場合がある。このような場合、例えば、AlCuからなる膜を成膜し、さらに、酸化プロセスを行うことでAlのみを酸化させることによって、Al2O3からなるマトリックス12bと、Cuからなる電流経路部12aとを形成し、スペーサ層12が得られる。酸化プロセスは、自然酸化(NO:Natural Oxidation)と、イオンアシスト酸化(IAO:Ion-Assisted Oxidation)などを利用することができる。また、電流がスペーサ層12を通過する際に、電流狭窄が発生するため、MTJ素子10の磁気抵抗比が増大し得る。

0037

記憶層11は、強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。強磁性絶縁体として、例えば、強磁性酸化物が挙げられる。強磁性酸化物として、例えば、CoXFe3−XO4(ここで、0<X<3)やBaFe12O19などが挙げられる。このような強磁性酸化物として、CoXFe3−XO4は、5×105J/m3(=5×106erg/cc)よりも高い磁気異方性を有するため、特に好ましい。CoXFe3−XO4の一例として、CoFe2O4(この一例では、X=1)が挙げられる。また、Xが0.5よりも大きいとさらに好ましく、CoXFe3−XO4がスピネル型結晶構造を有するとさらに好ましい。なお、BaFe12O19が六方晶型結晶構造を有すると好ましい。記憶層11は、可変な磁化方向を有する。記憶層11は、例えば、膜面に対して垂直に磁化されており、上方又は下方に向く。記憶層11は、自由層、磁化自由層、磁化可変層などと称してもよい。記憶層11の厚みは、目標とするMTJ素子10の素子抵抗値RAに応じて、適宜変更してもよい。

0038

ここで、メモリセル100へのデータの書き込み動作について説明する。複数のメモリセル100のうち、データを書き込む対象として1つのメモリセル100を選択する。選択されたメモリセル100では、ワード線8が活性化して、選択トランジスタとしてターンオンする。メモリセル100は、書き込むデータに基づいて、書き込み回路(不図示)から書き込み電流を供給される。例えば、電流をビット線1に流すと、MTJ素子10に流れる。すると、記憶層11は絶縁性を有するため、記憶層11の温度が上昇し、記憶層11の磁気異方性が減じる。記憶層11の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流によるスピンが記憶層11に注入されて、記憶層11の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル100に、例えば、データ「0」又はデータ「1」に対応するデータを書き込むことができる。

0039

続いて、メモリセル100のデータの読み出し動作について説明する。複数のメモリセル100のうち、データを読み出す対象として1つのメモリセル100を選択する。選択されたメモリセル100では、ワード線8が活性化して、選択トランジスタとしてターンオンする。メモリセル100は、読み出し回路(不図示)から読み出し電流を供給される。読み出し回路(不図示)は、読み出し電流に基づいて、抵抗値を検出する。この抵抗値に基づいて、メモリセル100の記憶するデータを、読み出すことができる。さらに、記録層11がCoXFe3−XO4などの高い磁気異方性を有する強磁性絶縁酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層11の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

0040

ここで、古典電磁気学に基づく計算を行うと、読み出し時において、一見、電流がMTJ素子10に殆ど流れないと考えられる。そのため、MTJ素子10を含むMRAMは動作しないと考えられる。しかしながら、量子力学に基づく計算を行うと、読み出し時においても電流がMTJ素子10に流れ、MTJ素子10を含むMRAMは動作することを証明することができる。詳細には、参考例1及び2にかかるMTJ素子について、量子力学に基づく計算を行うことにより、証明する。次に、図9〜12を用いて、この量子力学に基づく計算による証明について説明する。図9及び図11は、参考例にかかるMTJ素子の断面図である。図10及び図12は、計算モデルを示す図である。

0041

参考例1.
次に、図9及び図10を用いて、参考例1にかかるMRAMについての計算結果について説明する。図9に示すように、MTJ素子80は、MTJ素子10(図2参照)とスペーサ層を除いて共通の構成を有する。MTJ素子80は、スペーサ層82を有し、スペーサ層82は、常磁性絶縁体からなる。MTJ素子80は、MTJ素子10と同様にメモリセル100(図1参照。)に組み込まれることにより、MRAMの構成要素として用いられる。

0042

図10に示すように、量子力学に基づき、タイトバインディング模型を用いて計算を行った。このタイト・バインディング模型は、一次元及び単一軌道である。なお、常磁性金属(NM)は、上記したメモリセル100におけるビット線1に相当する。同様に、強磁性絶縁体(FI)は、記憶層11に相当し、常磁性絶縁体(NI)は、スペーサ層82に相当し、強磁性金属(FM)は、固定層13に相当する。

0043

下記の数式1を用いて、MTJ素子の透過係数Cを求めた。ここでは、κ0N,κσM >> 1であることを仮定した。MTJ素子の透過係数Cが所定の値を超えているため、MTJ素子80には、電流が流れると考えられる。つまり、MRAMにおけるメモリセル100中のMTJ素子80は、読み出し時において、電子が、絶縁層を含む固定層及び記憶層を通過することを確認できた。従って、MTJ素子80は、読み出し時において電流を流すことができるため、MTJ素子80を含むMRAMは動作することができると考えられる。



C[無次元]:透過係数
t[J]:電子の飛び移り積分
κσ[1/m]:強磁性絶縁体(FM)におけるσスピン電子波動関数減衰率
N[m]:常磁性絶縁体(NI)の膜厚
M[m]:強磁性絶縁体(FI)の膜厚
κ0[1/m]:常磁性絶縁体(NI)における電子の波動関数の減衰率
Dσ’[1/J]:強磁性金属(FM)におけるσ’スピン電子の電子状態密度
D0[1/J]:常磁性金属(NM)における電子状態密度

0044

参考例2.
次に、図11及び図12を用いて、参考例2にかかるMRAMについての計算結果について説明する。図11に示すように、MTJ素子90は、MTJ素子10(図2参照)とスペーサ層及び固定層を除いて共通の構成を有する。MTJ素子90は、スペーサ層92と固定層93とを含む。スペーサ層92は、常磁性金属からなり、固定層93は、強磁性絶縁体からなる。MTJ素子90は、MTJ素子10と同様にメモリセル100(図1参照。)に組み込まれることにより、MRAMの構成要素として用いられる。

0045

図12に示すように、量子力学に基づき、タイト・バインディング模型を用いて計算を行った。このタイト・バインディング模型は、一次元及び単一軌道である。なお、第1の常磁性金属(NM1)は、上記したメモリセル100におけるビット線1(図1参照。)に相当する。同様に、第1の強磁性絶縁体(FI1)は、記憶層11に相当し、第2の常磁性金属(NM2)は、スペーサ層92に相当する。また、第2の強磁性絶縁体(FI2)は、固定層93に相当し、第3の常磁性金属(NM3)は、コンタクトプラグ7(図1参照。)等に相当する。

0046

まず、第1の強磁性絶縁体(FI1)、第2の常磁性金属(NM2)及び第2の強磁性絶縁体(FI2)のトンネル確率を求める。第1の強磁性絶縁体(FI1)及び第2の強磁性絶縁体(FI2)のトンネル確率は、それぞれ、下記の数式2に示すように、1よりも非常に小さいと仮定することができる。

0047

第1の常磁性金属(NM1)又は第3の常磁性金属(NM3)から入射される電子のエネルギーが、第2の常磁性金属(NM2)におけるエネルギー準位適合すると、トンネル確率が向上する。このような共鳴条件が成り立つとき、第1の強磁性絶縁体(FI1)、第2の常磁性金属(NM2)及び第2の強磁性絶縁体(FI2)からなる接合(MTJ90)のトンネル確率が、下記の数式3を用いて表現される。

0048

一方、このような共鳴条件が成り立たない非共鳴条件では、第1の強磁性絶縁体(FI1)、第2の常磁性金属(NM2)及び第2の強磁性絶縁体(FI2)からなる接合(MTJ90)のトンネル確率は、下記の数式4を用いて表現される。



数式3及び数式4に、代表的な値を代入して計算すると、第1の強磁性絶縁体(FI1)、第2の常磁性金属(NM2)及び第2の強磁性絶縁体(FI2)のトンネル確率が、0(ゼロ)よりも高い値を有する。つまり、MRAMにおけるメモリセル100中のMTJ素子10は、読み出し時において、電子が、絶縁層を含む固定層及び記憶層を通過することを確認できた。従って、参考例2にかかるMTJ素子90は、読み出し時において電流を流すことができるため、MTJ素子90を含むMRAMは動作することができると考えられる。

0049

共鳴条件の成立の確率は、例えば、第1の常磁性金属(NM1)、第1の強磁性絶縁体(FI1)、第2の常磁性金属(NM2)、第2の強磁性絶縁体(FI2)、第3の常磁性金属(NM3)の材料や寸法を変更することにより、第1の強磁性絶縁体(FI1)及び第2の強磁性絶縁体(FI2)の磁化方向が平行である場合共鳴条件が成り立ち反平行である場合共鳴条件が成り立たない、というように調整することができる。このとき、MTJ素子10のMR比(磁気抵抗比)を求める。MTJ素子10のMR比は、下記の数式5を用いて表現される。数式1から、MR比は100%に近似することができる(数式6参照)。つまり、MTJ素子10はMR比100%と十分に高いMR比を有する。

0050

ところで、MTJ素子10(図1参照)は、スペーサ層を除いて参考例1にかかるMTJ素子80と同一の構成を有する。MTJ素子10のスペーサ層12は、常磁性絶縁体からなるスペーサ層82と比較して、高い導電性を有する。MTJ素子10は、MTJ素子80よりも高い導電性を有する構成要素を備えており、MTJ素子80よりも電流が流れやすいと考えられる。

0051

また、MTJ素子10は、スペーサ層及び固定層を除いて参考例2にかかるMTJ素子90と同一の構成を有する。MTJ素子10のスペーサ層12は、常磁性金属からなるスペーサ層92と比較して、低い導電性を有し、固定層13は、強磁性絶縁体からなる固定層93と比較して、高い導電性を有する。MTJ素子10は、MTJ素子90と同程度の導電性を有する構成要素を備えており、MTJ素子90と同程度に電流が流れやすいと考えられる。

0052

上記したように、MTJ素子80、90は、いずれも、読み出し時に電流を流すことができる。したがって、MTJ素子80、90と同程度、又は、より電流が流れやすいと考えられるMTJ素子10は、読み出し時に電流を流すことができると考えられる。そのため、MTJ素子10を含むMRAMは動作することができると考えられる。

0053

ところで、MRAMを使用すると、MTJ素子10の温度Tが約200°上昇することが知られている。次に、この温度上昇により、記憶層11の磁気異方性定数KuがMRAMとして動作し得る値まで減じたと仮定して、磁化反転電流密度を計算した。この計算では、図4に示すモデルを、第1の強磁性絶縁体(FI1)のモデルとして用いた。用いたモデルは単層であって、高さh[nm]及び直径D[nm]を有する円柱状体である。当モデルでは、第1の強磁性絶縁体(FI1)は、上下方向に磁化容易軸(Easy Axis)を有し、初期状態(Initial State)では、上方に向いている。さらに、第1の強磁性絶縁体(FI1)は、磁気モーメントMs[A/m]と、単位界面面積当たりの飽和磁化A[J/m]とを有する。高さhと、直径Dと、磁気モーメントMsと、単位界面面積当たりの飽和磁化Aと、ダンピング定数aと、磁気異方性定数Kuは、それぞれ以下の値に設定して計算した。
h=2nm
D=20nm
Ms=600×103A/m(=600emu/cm3)
A=1×10−11J/m(=1μerg/cm)
a=0.01
Ku:熱安定性Δにより決定

0054

なお、熱安定性Δは下記の数式7を用いて求めた。



Ku[J/m3]:記憶層(第1の強磁性絶縁体(FI1))の磁気異方性定数
V[m3]:第1の強磁性絶縁体(FI1)の体積
kb[J/K]:ボルツマン定数
T[K]:第1の強磁性絶縁体(FI1)の温度

0055

計算した結果、図5に示すように、磁気異方性定数Kuが減じると、磁化反転電流密度jswも減じる。具体的には、磁気異方性定数Kuが約0.56J/m3(=約5.6×106erg/cm3)から約0.20J/m3(=約2.0×106erg/cm3)に減じると、磁化反転電流密度jswは8.1×1010A/m2から4.0×1010A/m2に減じた。つまり、磁化反転電流密度jswが51%に減じた。

0056

以上、実施の形態1にかかるMRAMによれば、強磁性絶縁体からなる記憶層を磁化反転する過程で、記憶層の温度が上昇し、記憶層の磁気異方性定数が減じ、さらに、磁化反転電流密度が減じた。すなわち、強磁性絶縁体からなる記憶層を用いると、小さな電流密度で記憶層の磁化反転を行うことができる。つまり、強磁性絶縁体からなる記憶層を用いたMTJ素子は、十分に高いMR比(磁気抵抗効果)を有し、さらに、小さな磁化反転電流密度を有する。また、このようなMTJ素子を有するMRAMの消費電力は小さい。

0057

さらに、MTJ素子10の素子抵抗値RAは、30Ωμm2以下であると好ましい。MTJ素子10は、常磁性金属からなるスペーサ層12を固定層13と記憶層11との間に備える。従って、MTJ素子10は、スペーサ層12の代わりに、絶縁体からなるトンネルバリア層を備えるMTJ素子と比較して、好ましい素子抵抗値に抑えることができる。また、スペーサ層12断面(図3参照)における電流経路部12aの面積や、スペーサ層12及び記憶層11の厚みを変えることにより、素子抵抗値RAを変更することができる。MTJ素子10の素子抵抗値RAは、30Ωμm2以下であると、MTJ素子は良好な読み出し性能を有する。このようなMTJ素子を有するMRAMは、大きな記憶容量を備えて好ましい。

0058

また、実施の形態1にかかるMRAMによれば、強磁性絶縁体からなる層を記憶層として利用することができる。つまり、実施の形態1にかかるMRAMは、垂直磁気異方性を有する様々な材料を幅広く利用することができる。

0059

実施の形態2.
次に、図6を参照して、実施の形態2にかかるMTJ素子について説明する。図6は、実施の形態2にかかるMTJ素子の断面図である。実施の形態2にかかるMTJ素子210は、実施の形態1にかかるMTJ素子10(図2参照。)と比較して、記憶層及び固定層を入れ替えた構成を有する。共通する構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

0060

図6に示すように、MTJ素子210は、固定層23と、スペーサ層12と、記憶層21とをこの順に積層した積層構造を有する。

0061

記憶層21は、固定層13(図2参照。)と同様に、強磁性金属からなる。強磁性金属として、例えば、Fe、Ni、CoFeBが挙げられる。記憶層21は、可変な磁化方向を有する。記憶層21は、例えば、膜面に対して垂直に磁化されている。

0062

固定層23は、記憶層11(図2参照。)と同じ種類の強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。固定層23は、膜面に垂直な磁化方向を維持する。固定層23の厚みは、MTJ素子210の抵抗値に応じて、適宜変更してもよい。
また、固定層23では、その伝導帯において磁気分裂が生じ、伝導電子のスピンの向きによってトンネル確率が異なる。このため固定層23の磁化と平行な(あるいは反平行な)スピンを持つ電子がより多く固定層23を通り抜けるスピンフィルタ効果が生じる。スピンフィルタ効果のスピン分極率は,固定層23の膜の厚みを変えることにより変更することができる。

0063

ここで、読み出し動作について説明する。読み出し電流が固定層23から記憶層21に流れる。固定層23の磁化と平行な(あるいは反平行な)スピンを持つ電子がより多く固定層23を流れる。つまり、スピンフィルタ効果が発現し、このスピン分極率が高いほどMR比が高くなる。MR比が高くなるため、MTJ素子210からの信号電圧が増大し、MTJ素子210は優れた読み出し性能を有する。MTJ素子210を用いたMRAMは、大きな記憶容量を有する。さらに、固定層23はCoXFe3−XO4などの高い磁気異方性を有する強磁性酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層21の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

0064

続いて、書き込み動作について説明する。例えば、書き込み電流をビット線1に流すと、MTJ素子210に流れる。すると、固定層23は絶縁性を有するため、固定層23の温度が上昇し、この温度上昇により記憶層21の温度も上昇し得る。記憶層21の磁気異方性が減じ得て、記憶層21の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流により、スピントルクが記憶層21に注入されて、記憶層21の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル100に、例えば、データ「0」又はデータ「1」に対応するデータを書き込むことができる。MTJ素子210は、MTJ素子10と同様に、小さな電流密度で磁化方向を反転し得る。また、このようなMTJ素子を有するMRAMの消費電力は小さい。

0065

以上、実施の形態2にかかるMTJ素子によれば、小さな磁化反転電流密度を有し得る。高いMR比を有し、読み出し性能に優れる。また、消費電力が小さく、大きな記憶容量を有するMRAMを形成することができる。

0066

実施の形態3.
次に、図7を参照して、実施の形態3にかかるMTJ素子について説明する。図7は、実施の形態3にかかるMTJ素子の断面図である。実施の形態3にかかるMTJ素子は、実施の形態2にかかるMTJ素子210(図6参照。)と比較して、固定層を除いて、共通する構成を有する。共通する構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

0067

図7に示すように、MTJ素子310は、固定層33と、スペーサ層12と、記憶層21とをこの順に積層した積層構造を有する。固定層33は、垂直磁化保持層333と、磁気結合制御層332と、強磁性層331とをこの順に積層した構造を有する。

0068

強磁性層331は、記憶層11(図2参照。)と同じ種類の強磁性絶縁体からなる強磁性絶縁層を含む。強磁性層331は垂直磁気異方性定数Ku1を有する。なお、この強磁性絶縁体は、固定層23(図6参照。)を形成する強磁性絶縁体と異なり、膜面に垂直な磁化方向を維持しなくともよい。

0069

磁気結合制御層332は、強磁性層331と垂直磁化保持層333との磁気結合に影響を与える材料からなる。このような材料として、例えば、Rh、Pd、Pt、Ru、MgOなどが挙げられる。磁気結合制御層332の厚みは2nm以下である。その厚みは必要に応じて変化してもよい。磁気結合制御層332の厚みを変化させると、MR比、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等の因子を調節して好ましい。

0070

垂直磁化保持層333は、垂直磁気異方性定数Ku2を有する材料からなる。垂直磁気異方性定数Ku2は、強磁性層331の垂直磁気異方性定数Ku1と比較して高い。このような材料として、例えば、L10型FePd又はFePtが挙げられる。

0071

なお、上記した実施の形態3にかかるMTJ素子310では、固定層33は磁気結合制御層332を含む構成を有するが、固定層33から磁気結合制御層332を除いてもよい。つまり、MTJ素子310は、固定層33の代わりに、垂直磁化保持層333と強磁性層331とをこの順に積層した構造を有する固定層を含んでもよい。

0072

ここで、読み出し動作について説明する。読み出し電流が固定層33から記憶層21に流れる。固定層33の磁化と平行な(あるいは反平行な)スピンを持つ電子がより多く固定層33を流れる。つまり、スピンフィルタ効果が発現し、このスピン分極率が高いほど、MR比が高くなる。MR比が高くなるため、MTJ素子310からの信号電圧が増大し、MTJ素子310は、優れた読み出し性能を有する。MTJ素子310を用いたMRAMは、大きな記憶容量を有する。さらに、強磁性層331はCoXFe3−XO4などの高い磁気異方性を有する強磁性酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層21の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

0073

また、書き込み動作について説明する。例えば、書き込み電流をビット線1に流すと、MTJ素子310に流れる。すると、固定層33は絶縁性を有するため、固定層33の温度が上昇し、この温度上昇により記憶層21の温度も上昇し得る。記憶層21の磁気異方性が減じ得て、記憶層21の磁化方向が反転しやすい状態に至る。また、電流により、スピントルクが記憶層21に注入されて、記憶層21の磁化の方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル100に、例えば、データ「0」又はデータ「1」に対応するデータを書き込むことができる。MTJ素子310は、MTJ素子210と同様に、小さな電流密度で磁化方向を反転し得る。

0074

以上、実施の形態3にかかるMTJ素子によれば、実施の形態2にかかるMTJ素子と同様に、小さな磁化反転電流密度を有し得る。高いMR比を有し、読み出し性能に優れる。また、大きな記憶容量を有するMRAMを形成することができる。

0075

さらに、実施の形態3にかかるMTJ素子によれば、磁気結合制御層332の厚みを調節することで、MR比、熱安定性、記録電流、磁化反転スピード等の因子を調節することができる。

0076

実施の形態4.
次に、図8を参照して、実施の形態4にかかるMTJ素子について説明する。図8は、実施の形態4にかかるMTJ素子の断面図である。実施の形態4にかかるMTJ素子は、実施の形態1にかかるMTJ素子10(図2参照。)と比較して、固定層を除いて、共通する構成を有する。共通する構成については説明を省略し、異なる構成について説明する。

0077

図8に示すように、MTJ素子410は、記憶層11と、スペーサ層12と、固定層33とをこの順に積層した積層構造を有する。固定層33は、実施の形態3にかかるMTJ素子310(図7参照。)の構成と共通する。

0078

ここで、データの書き込み動作について説明する。MTJ素子410を用いたメモリセルは、書き込むデータに基づいて、書き込み回路(不図示)から書き込み電流を供給される。例えば、電流をビット線1に流すと、MTJ素子410に流れる。すると、実施の形態1にかかるMTJ素子10(図2参照。)と同様に、記憶層11の磁化方向が所定の方向に変化する。これにより、メモリセル100に、例えば、データ「0」又はデータ「1」に対応するデータを書き込むことができる。MTJ素子410では、上記した実施の形態1にかかるMTJ素子10と同様に、磁化反転電流密度が小さいと考えられる。このようなMTJ素子を有するMRAMは、消費電力が小さい。

0079

また、読み出し動作について説明する。読み出し電流が固定層33から記憶層11に流れる。固定層33の磁化と平行な(あるいは反平行な)スピンを持つ電子がより多く固定層33を流れる。つまり、スピンフィルタ効果が発現し、このスピン分極率が高いほどMR比が高くなる。MR比が高くなるため、MTJ素子410からの信号電圧が増大し、MTJ素子410は優れた読み出し性能を有する。MTJ素子410を用いたMRAMは、大きな記憶容量を有する。さらに、強磁性層331はCoXFe3−XO4などの高い磁気異方性を有する強磁性酸化物からなる強磁性絶縁層を含む場合、記憶層11の磁化は読み出し時において、高い熱安定性を有する。

0080

以上、実施の形態4にかかるMTJ素子によれば、小さな電流密度を有する電流であっても磁化反転させることができ、また、高いMR比を有するため、読み出し性能に優れる。さらに、このようなMTJ素子を有するMRAMは、消費電力が小さく、大きな記憶容量を有する。

0081

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、実施の形態1〜4にかかるMTJ素子は、記憶層の代わりに、垂直磁化保持層と強磁性層とを積層した積層構造を有する記憶層を含んでもよい。また、実施の形態2にかかるMTJ素子210(図6参照)は、記憶層21の代わりに、強磁性絶縁体からなる記憶層を含んでもよい。また、実施の形態1〜4にかかるMTJ素子では、スペーサ層12を設けたが、非磁性絶縁体からなる柱状部と、非磁性金属からなるマトリックスと、を含むスペーサ層を設けてもよい。

0082

1ビット線
2半導体基板
3、4拡散領域
5、7コンタクトプラグ
6ソース線
8ワード線
9ゲート絶縁膜
10、210、310、410MTJ素子
11、21記憶層
12スペーサ層
12a電流経路部
12bマトリックス
13、23、33固定層
100メモリセル
331強磁性層
332磁気結合制御層
333垂直磁化保持層

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