JP4951858B2 - memory - Google Patents
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Description
本発明は、強磁性層の磁化状態を情報として記憶する記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層とから成り、電流を流すことにより記憶層の磁化の向きを変化させる記憶素子を備えたメモリに係わり、不揮発メモリに適用して好適なものである。 The present invention includes a storage layer for storing a magnetization state of a ferromagnetic layer as information consists of a magnetization fixed layer in which the direction of magnetization is fixed, a storage element for changing the direction of the magnetization of the storage layer by applying current The present invention relates to a provided memory and is suitable for application to a nonvolatile memory.
情報通信機器、特に携帯端末等の個人用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子に対して、高集積化、高速化、低電力化等、一層の高性能化が要請されている。
特に、不揮発性メモリは、ハードディスクや光ディスクのように可動部分が存在しないので、本質的に小型化を図る上で有利である特徴を有している。
With the rapid spread of information communication devices, especially small personal devices such as portable terminals, the elements such as memory and logic that compose this device are becoming more highly integrated, faster, lower power, etc. There is a demand for higher performance.
In particular, the non-volatile memory has a feature that is essentially advantageous for miniaturization because there is no moving part like a hard disk or an optical disk.
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferro electric Random Access Memory )等が挙げられる。
しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒のオーダーと遅いため、高速なアクセスに向かないという欠点がある。
一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が1012〜1014と有限であるため、完全にSRAMやDRAMを置き換えるには耐久性が小さく、また強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという問題が指摘されている。
Examples of the nonvolatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferro electric Random Access Memory) using a ferroelectric.
However, the flash memory has a drawback in that it is not suitable for high-speed access because the writing speed is as low as the order of microseconds.
On the other hand, the FRAM has a limited number of rewritable times of 10 12 to 10 14, and therefore, it is pointed out that the durability is small to completely replace the SRAM and DRAM, and that fine processing of the ferroelectric capacitor is difficult. ing.
これらの欠点がない不揮発性メモリとして注目されているのが、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)である(例えば、非特許文献1参照)。
このMRAMは、磁気モーメントの回転により記憶を行うため、書き換え可能回数が大きい。
また、アクセス時間についても非常に高速である。
A magnetic random access memory (MRAM) that records information by magnetization of a magnetic material is attracting attention as a nonvolatile memory that does not have these drawbacks (see, for example, Non-Patent Document 1).
Since this MRAM stores data by rotating the magnetic moment, the number of rewrites is large.
Also, the access time is very high.
ここで、一般的なMRAMの模式図(斜視図)を、図7に示す。
シリコン基板等の半導体基体110の素子分離層102により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域108、ソース領域107、並びにゲート電極101が、それぞれ形成されている。
また、ゲート電極101の上方には、図中前後方向に延びるワード線105が設けられている。
ドレイン領域108は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域108には、配線109が接続されている。
そして、ワード線105と、上方に配置された、図中左右方向に延びるビット線106との間に、磁化の向きが反転する記憶層を有する磁気記憶素子103が配置されている。この磁気記憶素子103は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
さらに、磁気記憶素子103は、水平方向のバイパス線111及び上下方向のコンタクト層104を介して、ソース領域107に電気的に接続されている。
ワード線105及びビット線106にそれぞれ電流を流すことにより、電流磁界を磁気記憶素子103に印加して、これにより磁気記憶素子103の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うことができる。
Here, a schematic diagram (perspective view) of a general MRAM is shown in FIG.
A
A word line 105 extending in the front-rear direction in the figure is provided above the
The
A
Further, the
By applying current to each of the word line 105 and the
そして、MRAM等の磁気メモリにおいて、記録した情報を安定に保持するためには、情報を記録する磁性層(記憶層)が、一定の保磁力を有していることが必要である。
一方、記録された情報を書き換えるためには、アドレス配線にある程度の電流を流さなければならない。
ところが、MRAMを構成する素子の微細化に従い、アドレス配線も細くなるため、充分な電流が流せなくなってくる。
In order to stably hold recorded information in a magnetic memory such as MRAM, it is necessary that a magnetic layer (storage layer) for recording information has a certain coercive force.
On the other hand, in order to rewrite the recorded information, a certain amount of current must be passed through the address wiring.
However, as the elements constituting the MRAM become finer, the address wiring becomes thinner, so that a sufficient current cannot flow.
そこで、より少ない電流で磁化反転が可能な構成として、スピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリが注目されている(例えば、特許文献1参照)。
スピン注入による磁化反転とは、磁性体の中を通過してスピン偏極した電子を、他の磁性体に注入することにより、他の磁性体において磁化反転を起こさせるものである。
Therefore, attention has been paid to a magnetic memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection as a configuration capable of reversing magnetization with a smaller current (see, for example, Patent Document 1).
Magnetization reversal by spin injection is to cause magnetization reversal in another magnetic material by injecting spin-polarized electrons that have passed through the magnetic material into another magnetic material.
例えば、巨大磁気抵抗効果素子(GMR素子)や磁気トンネル接合素子(MTJ素子)に対して、その膜面に垂直な方向に電流を流すことにより、これらの素子の少なくとも一部の磁性層の磁化の向きを反転させることができる。 For example, when a current is passed through a giant magnetoresistive element (GMR element) or a magnetic tunnel junction element (MTJ element) in a direction perpendicular to the film surface, magnetization of at least a part of the magnetic layer of these elements is performed. Can be reversed.
そして、スピン注入による磁化反転は、素子が微細化されても、少ない電流で磁化反転を実現することができる利点を有している。 Magnetization reversal by spin injection has an advantage that magnetization reversal can be realized with a small current even if the element is miniaturized.
また、上述したスピン注入による磁化反転を利用する構成の磁気メモリの模式図を図5及び図6に示す。図5は斜視図、図6は断面図である。
シリコン基板等の半導体基体60の素子分離層52により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域58、ソース領域57、並びにゲート電極51が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極51は、図5中前後方向に延びるワード線を兼ねている。
ドレイン領域58は、図5中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域58には、配線59が接続されている。
そして、ソース領域57と、上方に配置された、図5中左右方向に延びるビット線56との間に、スピン注入により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子53が配置されている。
この記憶素子53は、例えば磁気トンネル接合素子(MTJ素子)により構成される。
図中61及び62は磁性層を示しており、2層の磁性層61,62のうち、一方の磁性層を磁化の向きが固定された磁化固定層として、他方の磁性層を磁化の向きが変化する磁化自由層即ち記憶層とする。
また、記憶素子53は、ビット線56と、ソース領域57とに、それぞれ上下のコンタクト層54を介して接続されている。これにより、磁気記憶素子53に電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
Moreover, the schematic diagram of the magnetic memory of the structure using the magnetization reversal by the spin injection mentioned above is shown in FIG.5 and FIG.6. 5 is a perspective view, and FIG. 6 is a cross-sectional view.
A
The
A
The
In the figure,
The
このようなスピン注入による磁化反転を利用する構成のメモリの場合、図7に示した一般的なMRAMと比較して、デバイス構造を単純化することができるため、大容量化に適している、という特徴も有している。
また、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界により磁化反転を行う一般的なMRAMと比較して、素子の微細化が進んでも、書き込みの電流が増大しないという利点がある。
In the case of a memory having a configuration using magnetization reversal by spin injection, the device structure can be simplified as compared with the general MRAM shown in FIG. It also has the feature.
Further, by utilizing magnetization reversal by spin injection, there is an advantage that the write current does not increase even when the element is miniaturized as compared with a general MRAM in which magnetization reversal is performed by an external magnetic field.
従来、MRAMを構成する磁気トンネル接合素子(MTJ素子)のトンネルバリアを構成する絶縁層の材料として、主にアルミニウムを酸化して生成されるAlOx層が広く用いられてきた。 Conventionally, an AlOx layer produced mainly by oxidizing aluminum has been widely used as a material for an insulating layer constituting a tunnel barrier of a magnetic tunnel junction element (MTJ element) constituting an MRAM.
これに対して、近年、AlOxに代えてMgOをトンネルバリアの絶縁層に用いた場合に、より高い抵抗変化率を得ることが可能であることが報告されている(Japanese Journal of Applied Physics, Part 2: Letters -- April 15, 2004 -- Volume 43, Issue 4B, pp. L588-L590参照)。この報告では、結晶面が(100)方向に配向しているFeの強磁性電極と(100)方向にMgOをエピタキシャル成長させて形成していて、室温で88%の抵抗変化率が得られている。 On the other hand, in recent years, it has been reported that a higher resistance change rate can be obtained when MgO is used instead of AlOx for the tunnel barrier insulating layer (Japanese Journal of Applied Physics, Part 2: Letters-April 15, 2004-Volume 43, Issue 4B, pp. L588-L590). In this report, a Fe ferromagnetic electrode whose crystal plane is oriented in the (100) direction and MgO are epitaxially grown in the (100) direction, and a resistance change rate of 88% is obtained at room temperature. .
一方、MRAMに用いられる記憶素子は、抵抗変化率が大きいほど、記録された情報を読み出す際に読み出しエラーが少なくなることから、記憶素子の抵抗変化率をさらに大きくすることが望まれる。 On the other hand, the larger the resistance change rate of the memory element used in the MRAM, the smaller the read error when reading recorded information. Therefore, it is desirable to further increase the resistance change rate of the memory element.
また、MgOやAlOx等を用いたトンネルバリアは、酸化物の組成や形成条件にもよるが、記憶素子として用いられる範囲である、面積抵抗値が10〜1kΩμm2の範囲においては、一般的に、1.0〜1.5Vのバイアス電圧で絶縁破壊する。
従って、スピン注入による磁化反転に必要となる電流(反転電流)が大き過ぎると、スピン注入による磁化反転が起こるバイアス電圧よりも低いバイアス電圧で、トンネルバリアが絶縁破壊してしまう。
このため、トンネルバリアが絶縁破壊しないように、記憶素子のスピン注入効率を向上して、反転電流を低減する必要がある。
In addition, tunnel barriers using MgO, AlOx, etc. generally depend on the composition of oxides and the formation conditions, but are generally used in the range of 10 to 1 kΩμm 2 , which is a range used as a memory element. And dielectric breakdown at a bias voltage of 1.0 to 1.5V.
Therefore, if the current (reversal current) required for magnetization reversal by spin injection is too large, the tunnel barrier will break down at a bias voltage lower than the bias voltage at which magnetization reversal by spin injection occurs.
Therefore, it is necessary to improve the spin injection efficiency of the memory element and reduce the inversion current so that the tunnel barrier does not break down.
そして、記憶層の磁性体の体積Vと、記憶層の磁気異方性とから決まる、KuV/kBT(Kuは異方性エネルギー、kはボルツマン定数、Tは温度である)の値の大きさが小さいほど、記憶層の磁化が反転しやすくなるため、反転電流が少なくてすむ。
しかしながら、KuV/kBTの値が小さ過ぎる場合には、熱揺らぎの影響によって、磁化が熱擾乱することにより、磁化の向きを規定することが困難となってくる。
即ち、記憶素子のサイズが小さいほど、記憶層の磁性体の体積Vが小さくなるため、反転電流が少なくてすむが、記憶素子のサイズが小さくなり過ぎると、熱揺らぎの影響によって記憶素子に記録を保持することが困難になる。
また、記憶素子を小さくしていくと、リソグラフィによる記憶素子のパターニングが、難しくなっていく。
The magnitude of the value of KuV / kBT (Ku is the anisotropy energy, k is the Boltzmann constant, and T is the temperature) determined from the volume V of the magnetic material of the storage layer and the magnetic anisotropy of the storage layer. Is smaller, the magnetization of the storage layer is more easily reversed, so that the reversal current is smaller.
However, when the value of KuV / kBT is too small, it is difficult to define the direction of magnetization due to thermal disturbance due to the influence of thermal fluctuation.
In other words, the smaller the size of the memory element, the smaller the volume V of the magnetic material in the memory layer, so that the reversal current can be reduced. However, if the size of the memory element becomes too small, recording on the memory element is caused by the influence of thermal fluctuation. It becomes difficult to hold.
Further, as the memory element is made smaller, patterning of the memory element by lithography becomes more difficult.
従って、反転電流を小さくするために、記憶素子のサイズを小さくしていくことには、限界があり、この観点からも、記憶素子のスピン注入効率を向上する必要がある。 Therefore, there is a limit to reducing the size of the memory element in order to reduce the inversion current. From this viewpoint, it is necessary to improve the spin injection efficiency of the memory element.
上述した問題の解決のために、本発明においては、スピン注入効率を向上することにより、書き込みに要する電流値を低減することができる記憶素子を有するメモリを提供するものである。 In order to solve the above problem, the present invention provides a memory having a memory element that can reduce the current value required for writing by improving the spin injection efficiency.
本発明のメモリは、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子は、記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、中間層が酸化マグネシウムから成り、中間層の下側に接する強磁性層がCoFeBを主成分とする磁性材料から成り、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、記憶素子において、磁化固定層の記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられ、磁化固定層において、反強磁性層に接する強磁性層がCoFe層であり、かつCoFe層のFe含有量が20原子%よりも少なく、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものである。 The memory of the present invention includes a storage element having a storage layer that holds information according to the magnetization state of a magnetic material, and two kinds of wirings that intersect each other, and the storage element is magnetized via an intermediate layer with respect to the storage layer. A pinned layer is provided, the intermediate layer is made of magnesium oxide, and the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the intermediate layer is made of a magnetic material containing CoFeB as a main component. The direction is changed and information is recorded on the storage layer. In the storage element, an antiferromagnetic layer is provided on the opposite side of the storage layer of the magnetization fixed layer. The ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is a CoFe layer, and the Fe content of the CoFe layer is less than 20 atomic%, and a memory element is disposed near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring. Through two types of wiring A current in the stacking direction flows through the memory element.
上述の本発明のメモリの構成によれば、記憶素子が情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有し、この記憶層に対して中間層を介して磁化固定層が設けられ、積層方向に電流を流すことにより、記憶層の磁化の向きが変化して、記憶層に対して情報の記録が行われるので、積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
そして、中間層が酸化マグネシウムから成ることにより、中間層として、酸化マグネシウムによりトンネル絶縁層が構成され、トンネル絶縁層を流れるトンネル電流によって、記憶層に記録された情報(記憶層の磁化状態)を読み出すことができる。また、酸化マグネシウムから成るトンネル絶縁層により、磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができる。
According to the configuration of the memory of the present invention described above, the storage element has a storage layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic substance, and the magnetization fixed layer is provided to the storage layer via the intermediate layer. By flowing a current in the direction, the magnetization direction of the storage layer changes and information is recorded on the storage layer, so that information can be recorded by spin injection by flowing a current in the stacking direction. .
As the intermediate layer is made of magnesium oxide, a tunnel insulating layer is formed of magnesium oxide as the intermediate layer, and the information recorded in the storage layer (magnetization state of the storage layer) is recorded by the tunnel current flowing through the tunnel insulating layer. Can be read. In addition, the magnetoresistance change rate (MR ratio) can be increased by the tunnel insulating layer made of magnesium oxide.
さらに、中間層の下側に接する強磁性層がCoFeBを主成分とする磁性材料から成ることにより、CoFeBがCoFe等の結晶質磁性材料と比較して、スピン分極率が大きいため、スピン注入の効率を高くすることができる。これにより、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を低減することが可能になる。
しかも、CoFeBを主成分とする磁性材料から成る強磁性層の上に、酸化マグネシウム(MgO)から成る中間層を形成していることにより、強磁性層と中間層とが強く結晶配合すると考えられる。これにより、CoFe等の結晶質磁性材料を用いた場合と比較して、記憶素子の磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることが可能になる。
Further, since the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the intermediate layer is made of a magnetic material mainly composed of CoFeB, CoFeB has a higher spin polarizability than a crystalline magnetic material such as CoFe. Efficiency can be increased. This makes it possible to reduce the amount of current required to reverse the magnetization direction of the storage layer.
Moreover, it is considered that the intermediate layer made of magnesium oxide (MgO) is formed on the ferromagnetic layer made of a magnetic material mainly composed of CoFeB, so that the ferromagnetic layer and the intermediate layer are strongly crystallized. . This makes it possible to increase the magnetoresistance change rate (MR ratio) of the memory element as compared with the case where a crystalline magnetic material such as CoFe is used.
上述の本発明のメモリの構成によれば、情報を磁性体の磁化状態により保持する記憶層を有する記憶素子と、互いに交差する2種類の配線とを備え、記憶素子が上記本発明の記憶素子の構成であり、2種類の配線の交点付近かつ2種類の配線の間に記憶素子が配置され、これら2種類の配線を通じて記憶素子に積層方向の電流が流れるものであることにより、2種類の配線を通じて記憶素子の積層方向に電流を流してスピン注入による情報の記録を行うことができる。
また、スピン注入により記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量(反転電流、閾値電流)を低減することができる。
さらに、記憶素子の磁気抵抗変化率が充分な大きさであるため、磁気抵抗変化を利用して記憶素子の記憶層に記録された情報を読み出せば、高い出力が得られることから、容易に情報の読み出しを行うことができる。
According to the configuration of the memory of the present invention described above, a memory element having a memory layer that holds information according to the magnetization state of the magnetic material and two kinds of wirings intersecting each other are provided, and the memory element is the memory element of the present invention. The memory element is arranged near the intersection of two types of wiring and between the two types of wiring, and current in the stacking direction flows through the memory element through these two types of wiring. Information can be recorded by spin injection by passing a current in the stacking direction of the memory element through the wiring.
Further, the amount of current (reversal current, threshold current) necessary for reversing the magnetization direction of the memory layer of the memory element by spin injection can be reduced.
Furthermore, since the magnetoresistive change rate of the memory element is sufficiently large, it is easy to obtain high output by reading the information recorded in the memory layer of the memory element using the magnetoresistive change. Information can be read out.
また、上記本発明のメモリの構成によれば、磁化固定層の記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられている構成としたことにより、反強磁性層により磁化固定層の強磁性層の磁化の向きが固定される。 Further, according to the memory configuration of the present invention, by the storage layer of the magnetization fixed layer has a configuration in which the antiferromagnetic layer is provided on the opposite side, the intensity of the magnetization fixed layer by the antiferromagnetic layer The magnetization direction of the magnetic layer is fixed.
そして、上記本発明のメモリの構成によれば、さらに、磁化固定層において、反強磁性層に接する強磁性層がCoFe層であり、かつCoFe層のFe含有量が20原子%よりも少ない構成とする。
ここで、反強磁性層に接する強磁性層を例えばCoFeB層とすると、おそらくは反強磁性層との結晶配向が充分に得られない等の理由により、CoFe層と比較して、反強磁性結合強度が弱くなる。従って、反強磁性層に接する強磁性層をCoFe層とすることが好ましい。
また、CoFe層のFe含有量を20原子%よりも少なくすることにより、反強磁性層との反強磁性結合を充分な磁界強度とすることができる。これにより、記憶素子の磁気抵抗変化率を充分な大きさとすることも可能になる。
According to the memory configuration of the present invention described above, in the magnetization fixed layer, the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is a CoFe layer, and the Fe content of the CoFe layer is less than 20 atomic%. And
Here, if the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is, for example, a CoFeB layer, the antiferromagnetic coupling may be smaller than that of the CoFe layer, possibly because of insufficient crystal orientation with the antiferromagnetic layer. The strength is weakened. Therefore, the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is preferably a CoFe layer.
Also, by making the Fe content of the CoFe layer less than 20 atomic%, the antiferromagnetic coupling with the antiferromagnetic layer can be made to have a sufficient magnetic field strength. As a result, the magnetoresistive change rate of the memory element can be made sufficiently large.
上述の本発明によれば、スピン注入効率を改善することにより、情報の記録に必要な電流量を低減することができる。
これにより、メモリ全体の消費電力を低減することが可能になる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
According to the present invention described above, the amount of current required for recording information can be reduced by improving the spin injection efficiency.
As a result, the power consumption of the entire memory can be reduced.
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.
また、本発明によれば、記録された情報を読み出す際に、高い出力を得て、容易に情報の読み出しを行うことが可能になる。
これにより、記憶素子を備えたメモリにおいて、例えば、情報の読み出しを行う際に記憶素子に流す電流を小さくして、読み出し時の消費電力を低減したり、出力を検出するための回路等の構成を簡略化したり、読み出し感度を向上したりすることが可能になる。
Further, according to the present invention, when the recorded information is read out, it is possible to obtain a high output and easily read out the information.
As a result, in a memory including a memory element, for example, a circuit for reducing power consumption at the time of reading or detecting an output by reducing a current flowing through the memory element when information is read Can be simplified, and read sensitivity can be improved.
本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
本発明は、前述したスピン注入により、記憶素子の記憶層の磁化の向きを反転させて、情報の記録を行うものである。記憶層は、強磁性層等の磁性体により構成され、情報を磁性体の磁化状態(磁化の向き)により保持するものである。
Prior to the description of specific embodiments of the present invention, an outline of the present invention will be described.
In the present invention, information is recorded by reversing the magnetization direction of the storage layer of the storage element by the spin injection described above. The memory layer is made of a magnetic material such as a ferromagnetic layer, and holds information by the magnetization state (magnetization direction) of the magnetic material.
スピン注入により記憶層の磁化を反転させて情報の記録を行う場合に、スピン注入の効率、即ち電流による磁化反転の効率は、一般に、下記数1で示される(Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 159, Issues 1-2,June 1996,Pages L1-L7参照)。 When recording information by reversing the magnetization of the storage layer by spin injection, the efficiency of spin injection, that is, the efficiency of magnetization reversal by current, is generally expressed by the following equation 1 (Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volume 159 , Issues 1-2, June 1996, Pages L1-L7).
この式からわかるように、抵抗変化率が大きく、スピン分極率Pが大きいほど、磁化反転の効率が上昇して、書き込み電流を低減することが可能である。 As can be seen from this equation, the higher the rate of resistance change and the higher the spin polarizability P, the higher the efficiency of magnetization reversal and the lower the write current.
前述した課題を解決するために、種々の検討を行った結果、トンネルバリアとなる絶縁層(バリア層)の材料としてMgOを用いた場合に、さらにMgOから成るバリア層の下に接する強磁性層にCoFeB等の非晶質磁性材料を用いることにより、前記文献に報告されている、結晶配向したFeを用いた場合と比較して、磁気抵抗変化率(MR比)を向上できることを見出した。 As a result of various studies in order to solve the above-described problems, when MgO is used as a material for an insulating layer (barrier layer) serving as a tunnel barrier, a ferromagnetic layer in contact with the MgO barrier layer. It was found that the magnetoresistance change rate (MR ratio) can be improved by using an amorphous magnetic material such as CoFeB as compared with the case of using crystal-oriented Fe reported in the above-mentioned literature.
そこで、本発明では、記憶層に対して中間層を介して磁化固定層を設けた構成の記憶素子において、中間層をMgOから成る絶縁層(トンネルバリアとなるトンネル絶縁層)により構成すると共に、中間層の下側に接する強磁性層の材料を、CoFeBを主成分とする磁性材料とする。
中間層を、MgOから成る絶縁層(トンネルバリアとなるトンネル絶縁層)により構成することにより、記憶素子の磁気抵抗変化率を大きくすることができる。
また、中間層(MgO層)の下側に接する強磁性層の材料を、CoFeBを主成分とした磁性材料とすることにより、記憶素子の磁気抵抗変化率をさらに大きくすることができると共に、スピン注入の効率を高くすることができる。
これにより、記憶素子の磁気抵抗変化率を大きくすることによって、読み出し特性を向上して、読み出しエラーを低減することができる。また、スピン注入の効率を高めて、記憶層の磁化の向きを反転させるために必要な電流量を低減することが可能になる。
Therefore, in the present invention, in the storage element having a configuration in which the magnetization fixed layer is provided via the intermediate layer with respect to the storage layer, the intermediate layer is configured by an insulating layer made of MgO (tunnel insulating layer serving as a tunnel barrier), The material of the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the intermediate layer is a magnetic material mainly composed of CoFeB.
By configuring the intermediate layer with an insulating layer made of MgO (tunnel insulating layer serving as a tunnel barrier), the magnetoresistance change rate of the memory element can be increased.
Further, by using a magnetic material mainly composed of CoFeB as the material of the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the intermediate layer (MgO layer), the magnetoresistance change rate of the memory element can be further increased, and the spin rate The injection efficiency can be increased.
Thereby, by increasing the magnetoresistance change rate of the memory element, it is possible to improve read characteristics and reduce read errors. In addition, it is possible to increase the efficiency of spin injection and reduce the amount of current required to reverse the magnetization direction of the storage layer.
即ち、本発明に係る記憶素子は、基本的に、基板側(下層側)から、下地層/反強磁性層/磁化固定層/トンネル絶縁層(MgO層)/記憶層/保護層(キャップ層)の積層膜、或いは、下地層/記憶層/トンネル絶縁層(MgO層)/磁化固定層/保護層(キャップ層)の積層膜、のいずれかの積層膜から構成し、トンネル絶縁層(MgO層)の下側に接する強磁性層(磁化固定層又は記憶層を構成する強磁性層のうち、トンネル絶縁層の下側に接する強磁性層)の材料を、CoFeBを主成分とした磁性材料とする。 That is, the memory element according to the present invention basically has a base layer / antiferromagnetic layer / magnetization fixed layer / tunnel insulating layer (MgO layer) / memory layer / protective layer (cap layer) from the substrate side (lower layer side). ) Or a laminated film of an underlayer / memory layer / tunnel insulating layer (MgO layer) / magnetization pinned layer / protective layer (cap layer), and a tunnel insulating layer (MgO) The material of the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the layer (the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the tunnel insulating layer among the ferromagnetic layers constituting the fixed magnetization layer or the storage layer) is a magnetic material mainly composed of CoFeB And
磁化固定層は強磁性層のみ、あるいは反強磁性層と強磁性層との反強磁性結合を利用することにより、強磁性層の磁化の向きを固定した構成とする。
磁化固定層は、単層の強磁性層、或いは複数層の強磁性層により構成し、複数層の強磁性層を非磁性層を介して積層したいわゆる積層フェリ構造とすることも可能である。
The magnetization fixed layer has a configuration in which the magnetization direction of the ferromagnetic layer is fixed by using only the ferromagnetic layer or using antiferromagnetic coupling between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer.
The fixed magnetization layer may be formed of a single-layered ferromagnetic layer or a plurality of ferromagnetic layers, and may have a so-called laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer.
なお、記憶素子を構成する各層の材料としては、例えば、以下の材料が挙げられる。
反強磁性層として用いられる材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等のマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物等が使用できる。
非磁性層として用いられる材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。膜厚は材料によって変動するが、ほぼ0.4nm〜2.5nmの範囲で使用する。
磁化固定層を構成する強磁性層の材料としては、CoもしくはCo−Fe系強磁性材料を用いて、そのFe含有量を0〜20%とするのがよい。Fe含有量が20%をこえて多くなり過ぎると、高温の熱処理によって劣化しやすくなる。
In addition, as a material of each layer which comprises a memory element, the following materials are mentioned, for example.
As the material used for the antiferromagnetic layer, manganese alloys such as iron, nickel, platinum, iridium, and rhodium, cobalt, nickel oxide, and the like can be used.
As a material used for the nonmagnetic layer, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like can be used. Although the film thickness varies depending on the material, it is used in the range of about 0.4 nm to 2.5 nm.
As a material of the ferromagnetic layer constituting the magnetization fixed layer, it is preferable to use Co or a Co—Fe based ferromagnetic material and to make its
ただし、反強磁性層(例えばPtMn膜)に接していて、なおかつ磁化の向きが固定される強磁性層は、ボロンBの含有量が15%以上であるCoFeB層は好適でなく、CoFe層であることが望ましい。これは、ボロンBの含有量が15%以上であるCoFeB層を、反強磁性層に接する強磁性層に用いると、充分な反強磁性結合磁界が得られないため、この強磁性層の磁化の向きを安定して固定させることができなくなるためである。
また、この強磁性層のCoFe層の組成は、鉄Feの含有量が20原子%よりも少ないことが望ましい。これは、鉄Feの含有量を20原子%よりも少なくすることにより、反強磁性層との反強磁性結合を充分な磁界強度とすることができるからである。
However, a CoFeB layer having a boron B content of 15% or more is not suitable for a ferromagnetic layer that is in contact with an antiferromagnetic layer (for example, a PtMn film) and whose magnetization direction is fixed. It is desirable to be. This is because when a CoFeB layer having a boron B content of 15% or more is used as a ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer, a sufficient antiferromagnetic coupling magnetic field cannot be obtained. This is because it becomes impossible to stably fix the orientation of.
The composition of the CoFe layer of the ferromagnetic layer is preferably such that the content of iron Fe is less than 20 atomic%. This is because the antiferromagnetic coupling with the antiferromagnetic layer can be made sufficient magnetic field strength by making the content of iron Fe less than 20 atomic%.
また、複数層の強磁性層が非磁性層を介して積層された、いわゆる積層フェリ構造において、非磁性層(例えばRu膜)の下側に接する強磁性層も、CoFeB/Ru/CoFeBの積層膜で積層フェリ構造を構成した場合には、反強磁性結合が充分に得られなくなることから、CoFeB層よりもCoFe層が望ましい。 In a so-called laminated ferrimagnetic structure in which a plurality of ferromagnetic layers are laminated via a nonmagnetic layer, the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the nonmagnetic layer (for example, Ru film) is also a CoFeB / Ru / CoFeB laminated layer. When a laminated ferrimagnetic structure is formed with a film, a sufficient antiferromagnetic coupling cannot be obtained, so a CoFe layer is preferable to a CoFeB layer.
これらのことから、例えば、トンネルバリアとなる絶縁層と接する側をCoFeB層として、反強磁性層や積層フェリ構造の非磁性層と接する側はCoFe層というように、CoFeB/CoFeの積層膜とすることもできる。 Therefore, for example, a CoFeB / CoFe laminated film is formed such that a side in contact with an insulating layer serving as a tunnel barrier is a CoFeB layer and a side in contact with a nonmagnetic layer of a laminated ferrimagnetic structure is a CoFe layer. You can also
記憶層に用いる強磁性層の材料としては、Co,Fe,Niを主成分とする強磁性材料を用いることができる。
飽和磁化量が少なくでき、なおかつ抵抗変化率が大きく、優れた軟磁気特性を有することから、CoFeB等の組成の非晶質磁性材料を記憶層に用いることが望ましく、さらに望ましくは、ボロンBの含有量が10〜30%であり、かつCoとFeとの組成比がCo:Fe=9:1〜5:5であることが好ましい。
これにより、飽和磁化量を低減し、なおかつ、大きな抵抗変化率を得ることができる。
As a material of the ferromagnetic layer used for the memory layer, a ferromagnetic material mainly composed of Co, Fe, and Ni can be used.
Since the amount of saturation magnetization can be reduced, the rate of change in resistance is large, and excellent soft magnetic properties are obtained, it is desirable to use an amorphous magnetic material having a composition such as CoFeB for the storage layer, and more desirably, boron B The content is preferably 10 to 30%, and the composition ratio of Co and Fe is preferably Co: Fe = 9: 1 to 5: 5.
Thereby, the amount of saturation magnetization can be reduced and a large resistance change rate can be obtained.
中間層の材料としては、前述したように、酸化マグネシウム(MgO)を用いて、MgOから成るトンネル絶縁層(バリア層)を構成する。 As described above, the tunnel insulating layer (barrier layer) made of MgO is formed using magnesium oxide (MgO) as the material of the intermediate layer.
電流磁界による磁化反転方式を用いる場合は、500〜2kΩμm2の範囲の面積抵抗値であることが望ましいが、スピン注入による磁化反転を行うためには、もっと面積抵抗値を小さくすることが望ましい。
例えば、AlOxから成るバリア層を構成した記憶素子において、スピン注入による磁化反転を可能とするためには、およそ3〜8×106(A/cm2)の電流密度を必要とする。
バリア層内のピンホール密度等の信頼性にもよるが、スピン注入による磁化反転が可能であり、かつ比較的低抵抗のバリア層の絶縁耐電圧は、およそ1V程度である。
従って、記憶素子の面積を仮に0.06×0.167μm=0.01μm2であるとした場合に、3〜8×106(A/cm2)の電流密度を得るためには、それぞれ33.3〜12.5(Ωμm2)よりも面積抵抗値が小さい必要がある。
なお、磁化反転に必要な電流密度が小さいほど、記憶素子の面積抵抗値が大きくてもよくなる。
従って、バリア層の面積抵抗値は、スピン注入に必要な電流密度を得る観点から、少なくとも30Ωμm2以下であることが好ましく、15Ωμm2以下であることがさらに好ましい。
When the magnetization reversal method using a current magnetic field is used, it is desirable that the sheet resistance value be in the range of 500 to 2 kΩμm 2. However, in order to perform magnetization reversal by spin injection, it is desirable to further reduce the sheet resistance value.
For example, in a memory element having a barrier layer made of AlOx, a current density of about 3 to 8 × 10 6 (A / cm 2 ) is required to enable magnetization reversal by spin injection.
Although depending on the reliability such as the pinhole density in the barrier layer, the magnetization reversal by spin injection is possible, and the dielectric breakdown voltage of the relatively low resistance barrier layer is about 1V.
Therefore, assuming that the area of the memory element is 0.06 × 0.167 μm = 0.01 μm 2 , in order to obtain a current density of 3 to 8 × 10 6 (A / cm 2 ), respectively 33 It is necessary that the sheet resistance value is smaller than 3 to 12.5 (Ωμm 2 ).
Note that the smaller the current density required for magnetization reversal, the larger the area resistance value of the memory element.
Accordingly, the sheet resistance of the barrier layer, from the viewpoint of obtaining a current density required for spin injection is preferably at least 30Omegamyuemu 2 or less, and more preferably 15Omegamyuemu 2 or less.
これに対して、バリア層の材料にMgOを用いた場合には、スピン注入の効率が向上して、電流密度が0.5〜4×106(A/cm2)で済むので、上述の30Ωμm2よりも高い面積抵抗値を有する場合でも磁化反転が可能になる。
なお、信頼性を確保する観点から、絶縁破壊電圧と磁化反転のためのバイアス電圧の間にはマージンが存在していた方が好ましいため、バリア層の材料にMgOを用いた場合でも、30Ωμm2以下であることが望ましい。
On the other hand, when MgO is used as the material of the barrier layer, the efficiency of spin injection is improved and the current density is 0.5-4 × 10 6 (A / cm 2 ). Magnetization reversal is possible even when the sheet resistance value is higher than 30 Ωμm 2 .
From the viewpoint of ensuring reliability, it is preferable that a margin exists between the dielectric breakdown voltage and the bias voltage for magnetization reversal. Therefore, even when MgO is used as the barrier layer material, 30 Ωμm 2 The following is desirable.
本発明の記憶素子では、MgOから成るバリア層の下側に接する強磁性層の材料を、CoFeBを主成分とした磁性材料とする。
即ち、この強磁性層の材料として、CoFeB、並びに、CoとFeとBとを主成分として有し、さらに例えば、磁性元素であるNiや、B,Si,Zr,Nb,Cu,Ta等の非磁性元素を添加したものを用いる。
これにより、前述したように、記憶素子のスピン注入の効率を高めることができると共に、記憶素子の磁気抵抗変化率を高めることができる。
In the memory element of the present invention, the material of the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the barrier layer made of MgO is a magnetic material containing CoFeB as a main component.
That is, as a material of this ferromagnetic layer, it has CoFeB and Co, Fe, and B as main components, and further, for example, Ni which is a magnetic element, B, Si, Zr, Nb, Cu, Ta, etc. A nonmagnetic element added is used.
Accordingly, as described above, the efficiency of spin injection of the memory element can be increased, and the magnetoresistance change rate of the memory element can be increased.
より好ましくは、このMgOから成るバリア層の下側に接する強磁性層において、強磁性層の組成を、B(ボロン)の含有量が15〜30原子%の範囲内である構成とする。
B(ボロン)の含有量を上記範囲内とすることにより、記憶素子の磁気抵抗変化率を充分に大きくすることができる。また、記憶素子に熱が加わったときの記憶素子の特性の劣化を抑制することができる。
More preferably, in the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the barrier layer made of MgO, the composition of the ferromagnetic layer is such that the content of B (boron) is in the range of 15 to 30 atomic%.
By setting the content of B (boron) within the above range, the magnetoresistance change rate of the memory element can be sufficiently increased. In addition, deterioration of characteristics of the memory element when heat is applied to the memory element can be suppressed.
一方、MgOから成るバリア層の上側に接する強磁性層においては、バリア層の下側に接する強磁性層と比較して、材料の範囲を広くすることができる。
即ち、前述した、磁化固定層を構成する強磁性層の材料や、記憶層を構成する強磁性層の材料を、使用することが可能である。
On the other hand, in the ferromagnetic layer in contact with the upper side of the barrier layer made of MgO, the range of materials can be widened as compared with the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the barrier layer.
That is, the above-described ferromagnetic layer material constituting the magnetization fixed layer and the ferromagnetic layer material constituting the memory layer can be used.
より好ましくは、このMgOから成るバリア層の上側に接する強磁性層において、特に、Co,Fe,Niのうちいずれか1種もしくは2種以上の元素(磁性元素)とボロン(B)とを主成分とする磁性材料から成り、かつボロン(B)の含有量が15〜30原子%である構成とする。このように、バリア層の上側に接する強磁性層を磁性元素とボロンとを主成分とする材料として、ボロンの含有量を上記範囲内とすることにより、記憶素子の磁気抵抗変化率を高めることができる。 More preferably, in the ferromagnetic layer in contact with the upper side of the barrier layer made of MgO, in particular, one or more of Co, Fe, and Ni (magnetic element) and boron (B) are mainly used. It is made of a magnetic material as a component, and the boron (B) content is 15 to 30 atomic%. As described above, the ferromagnetic layer in contact with the upper side of the barrier layer is made of a material mainly composed of a magnetic element and boron, and the boron content is within the above range, thereby increasing the magnetoresistance change rate of the memory element. Can do.
続いて、本発明の実施の形態を説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described.
本発明の一実施の形態として、メモリの概略構成図(斜視図)を図1に示す。
このメモリは、互いに直交する2種類のアドレス配線(例えばワード線とビット線)の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができる記憶素子が配置されて成る。
即ち、シリコン基板等の半導体基体10の素子分離層2により分離された部分に、各メモリセルを選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域8、ソース領域7、並びにゲート電極1が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極1は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線(例えばワード線)を兼ねている。
ドレイン領域8は、図中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域8には、配線9が接続されている。
As an embodiment of the present invention, a schematic configuration diagram (perspective view) of a memory is shown in FIG.
In this memory, a storage element capable of holding information in a magnetized state is arranged near the intersection of two types of address lines (for example, a word line and a bit line) orthogonal to each other.
That is, the drain region 8, the source region 7, and the
The drain region 8 is formed in common to the left and right selection transistors in the figure, and a wiring 9 is connected to the drain region 8.
そして、ソース領域7と、上方に配置された、図中左右方向に延びる他方のアドレス配線(例えばビット線)6との間に、記憶素子3が配置されている。この記憶素子3は、スピン注入により磁化の向きが反転する強磁性層から成る記憶層を有する。
また、この記憶素子3は、2種類のアドレス配線1,6の交点付近に配置されている。
この記憶素子3は、ビット線6と、ソース領域7とに、それぞれ上下のコンタクト層4を介して接続されている。
これにより、2種類のアドレス配線1,6を通じて、記憶素子3に上下方向(記憶素子3の積層方向)の電流を流して、スピン注入により記憶層の磁化の向きを反転させることができる。
The
The
The
As a result, a current in the vertical direction (stacking direction of the storage element 3) can be passed through the
また、本実施の形態のメモリの記憶素子3の断面図を図2に示す。
図2に示すように、この記憶素子3は、スピン注入により磁化M1の向きが反転する記憶層17に対して、下層に磁化固定層19を設けている。
磁化固定層19の下に反強磁性層12が設けられ、この反強磁性層12により、磁化固定層19の磁化の向きが固定される。
A cross-sectional view of the
As shown in FIG. 2, the
An
記憶層17と磁化固定層19との間には、トンネルバリアとなる絶縁層(バリア層)16が設けられ、記憶層17と絶縁層16と磁化固定層19とにより、トンネル磁気接合素子(MTJ素子)が構成されている。
An insulating layer (barrier layer) 16 serving as a tunnel barrier is provided between the
そして、磁化固定層19は、積層フェリ構造となっている。
具体的には、磁化固定層19は、2層の強磁性層13,15が、非磁性層14を介して積層されて反強磁性結合した構成である。
磁化固定層19の各強磁性層13,15が積層フェリ構造となっているため、強磁性層13の磁化M13が右向き、強磁性層15の磁化M15が左向きとなっており、互いに反対向きになっている。
これにより、磁化固定層19の各強磁性層13,15から漏れる磁束が、互いに打ち消し合う。
なお、磁化固定層19の2層の強磁性層13,15のうち、記憶層17の側にある強磁性層15は、その磁化M15の向きが、記憶層17に記録された情報を読み出す際に、記憶層17の磁化M1の向きの基準となるので、参照層とも称される。
The magnetization fixed
Specifically, the magnetization fixed
Since each of the
Thereby, magnetic fluxes leaking from the
Of the two
また、反強磁性層12の下には下地層11が形成され、記憶素子3の最上層にキャップ層18が形成されている。
A
記憶層17の材料としては、特に限定はないが、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料を用いることができる。さらにNb、Zr等の遷移金属元素やB等の軽元素を含有させることもできる。また、例えばCoFe/NiFe/CoFeの積層膜といったように、材料が異なる複数の膜を直接(非磁性層を介さずに)積層して、記憶層17を構成してもよい。
そして、特に、記憶層17をCoFeB層とした場合には、飽和磁化量を少なくすることができ、なおかつ抵抗変化率を大きくすることができるため、記憶層をCoFeB層とすることが望ましい。さらに望ましくは、CoFeBのボロンBの含有量が15〜30%であり、かつCoとFeとの組成比がCo:Fe=9:1〜5:5であることが好ましい。
The material of the
In particular, when the
磁化固定層19の強磁性層13,15の材料としては、鉄、ニッケル、コバルトの1種もしくは2種以上からなる合金材料、例えばCoFe合金を用いることが可能である。さらにNb、Zr等の遷移金属元素やB等の軽元素を含有させることも可能である。
例えば、CoFe合金にボロンBが20〜30原子%添加されたアモルファス(非晶質)のCoFeBを用いることも可能である。
なお、これら磁化固定層19の強磁性層13,15の材料は、記憶素子3の特性を良好にするために、それぞれ後述するように限定される。
As a material of the
For example, amorphous (amorphous) CoFeB in which 20 to 30 atomic% of boron B is added to a CoFe alloy can be used.
The materials of the
本実施の形態の記憶素子3では、トンネルバリアとなる絶縁層16を、酸化マグネシウム(MgO)層としている。
これにより、絶縁層16を酸化アルミニウム層とした場合と比較して、記憶素子3の磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができる。
In the
Thereby, the magnetoresistive change rate (MR ratio) of the
また、本実施の形態の記憶素子3では、特に、磁化固定層19のトンネルバリアとなる絶縁層16の下側に接する強磁性層(参照層)15に、CoFeB層を用いている。
これにより、スピン分極率を大きくして、スピン注入効率を向上することができるため、記憶層17の磁化M1の向きを反転させるための電流をさらに低減することができる。
そして、特にCoFeB層のB含有率を10〜30%とすることにより、抵抗変化率を大きくして、かつ必要な耐熱性を確保することができる。
Further, in the
Thereby, the spin polarizability can be increased and the spin injection efficiency can be improved, so that the current for reversing the direction of the magnetization M1 of the
And especially by making B content rate of a CoFeB layer into 10 to 30%, resistance change rate can be enlarged and required heat resistance can be ensured.
ただし、反強磁性層12に接する強磁性層13には、ボロンBの含有量が15%以上のCoFeB層を用いることは望ましくなく、CoFe層を用いる方が望ましい。そして、より好ましくは、このCoFe層のFe含有量を、20原子%よりも小さくする。
However, it is not desirable to use a CoFeB layer having a boron B content of 15% or more for the
また、磁化固定層19の積層フェリを構成する非磁性層14の下の強磁性層13には、CoFeB層よりもCoFe層を用いた方が望ましい。
In addition, it is desirable to use a CoFe layer rather than a CoFeB layer for the
これらのことから、例えば、トンネルバリアとなる絶縁層16と接する側の磁性層をCoFeB層として、非磁性層14側の磁性層はCoFe層とした、CoFeB/CoFeの積層膜により強磁性層15を構成してもよい。
Therefore, for example, the
磁化固定層19の積層フェリを構成する非磁性層14の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀等が使用できる。非磁性層14の膜厚は、材料によって変動するが、好ましくは、ほぼ0.4nmから2.5nmの範囲で使用する。
反強磁性層12の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウム等の金属元素とマンガンとの合金、コバルトやニッケルの酸化物等が使用できる。
As the material of the
As a material of the
本実施の形態の記憶素子3は、下地層11からキャップ層18までを真空装置内で連続的に形成して、その後エッチング等の加工により記憶素子3のパターンを形成することにより、製造することができる。
The
上述の本実施の形態の記憶素子3の構成によれば、記憶層17と磁化固定層19との間の中間層が絶縁層16であり、この絶縁層16を酸化マグネシウム(MgO)層としていることにより、絶縁層16を酸化アルミニウム層とした場合と比較して、記憶素子3の磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができる。
記憶素子3の磁気抵抗変化率を大きくすることができることにより、情報を読み出す際に高い出力を得て、読み出しエラーを低減することや、容易に情報の読み出しを行うことが可能になる。
これにより、記憶素子3を備えたメモリにおいて、例えば、情報の読み出しを行う際に記憶素子3に流す電流を小さくして、読み出し時の消費電力を低減したり、出力を検出するための回路等の構成を簡略化したり、読み出し感度を向上したりすることが可能になる。
また、読み出しエラーを低減することができることから、記憶素子3の数を増やして、メモリの大容量化を図ることも可能になる。
According to the configuration of the
Since the rate of change in magnetoresistance of the
Thereby, in a memory including the
Further, since read errors can be reduced, it is possible to increase the number of
また、本実施の形態の記憶素子3の構成によれば、絶縁層16のMgO層の下側に接する強磁性層15にCoFeB層を用いていることにより、スピン分極率を大きくして、スピン注入効率を向上することができる。
これにより、記憶層17の磁化M1の向きを反転させるための電流をさらに低減することができる。
即ち、記憶素子3に情報の記録を行うために必要な電流量を低減することができ、記憶素子3を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
Further, according to the configuration of the
Thereby, the current for reversing the direction of the magnetization M1 of the
That is, the amount of current necessary for recording information in the
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.
そして、特に強磁性層(CoFeB層)15のB含有率を10〜30%とすることにより、記憶素子3の磁気抵抗変化率(MR比)を充分に大きくすることが可能になると共に、熱が加わったときの記憶素子3の特性の劣化を抑制することができるため、情報の記録や読み出しを安定して行うことができ、高温でも特性劣化が少ない記憶素子3を構成することができる。
これにより、耐熱性を有し、信頼性の高いメモリを実現することができる。
In particular, by setting the B content of the ferromagnetic layer (CoFeB layer) 15 to 10 to 30%, the magnetoresistance change rate (MR ratio) of the
As a result, a memory having heat resistance and high reliability can be realized.
次に、本発明の他の実施の形態として、メモリを構成する記憶素子の断面図を図3に示す。
この記憶素子30は、図2に示した先の実施の形態の記憶素子3の構成に対して、下地層11とキャップ層18の間にある各層12〜17を、上下逆に積層した構成となっている。
即ち、記憶層17がトンネルバリアとなる絶縁層16の下に接して設けられている。
Next, as another embodiment of the present invention, a cross-sectional view of a memory element constituting a memory is shown in FIG.
The
In other words, the
本実施の形態の記憶素子30では、特に、トンネルバリアとなる絶縁層16の下に接する記憶層17を、CoFeB層により形成する。
In the
また、より好ましくは、記憶層17のCoFeB層の組成を、B含有量が15〜30原子%の範囲になるようにする。
More preferably, the composition of the CoFeB layer of the
その他の構成は、図2に示した記憶素子3と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。即ち、トンネルバリアとなる絶縁層16には酸化マグネシウム(MgO)層を用いる。
Other configurations are the same as those of the
また、本実施の形態の記憶素子30を用いて、図1に示したメモリと同様の構成のメモリを構成することができる。
即ち、記憶素子30を2種類のアドレス配線の交点付近に配置してメモリを構成し、2種類のアドレス配線を通じて記憶素子30に上下方向(積層方向)の電流を流して、スピン注入により記憶層17の磁化の向きを反転させて、記憶素子30に情報の記録を行うことができる。
Further, a memory having a structure similar to that of the memory illustrated in FIG. 1 can be formed using the
That is, the
上述の本実施の形態の記憶素子30の構成によれば、先の実施の形態の記憶素子10と同様に、絶縁層16を酸化マグネシウム(MgO)層としていることにより、記憶素子30の磁気抵抗変化率(MR比)を大きくすることができることから、情報を読み出す際に高い出力を得て、読み出しエラーを低減することや、容易に情報の読み出しを行うことが可能になる。
これにより、記憶素子30を備えたメモリにおいて、読み出し時の消費電力を低減したり、出力を検出するための回路等の構成を簡略化したり、読み出し感度を向上したりすることが可能になる。
また、読み出しエラーを低減することができることから、記憶素子30の数を増やして、メモリの大容量化を図ることも可能になる。
According to the configuration of the
Thereby, in the memory including the
In addition, since read errors can be reduced, the number of
また、本実施の形態の記憶素子30の構成によれば、絶縁層16の下側に接する強磁性層である記憶層17にCoFeB層を用いていることにより、先の実施の形態の記憶素子10と同様に、スピン分極率を大きくして、スピン注入効率を向上することにより、記憶素子30に情報の記録を行うために必要な電流量を低減することができ、記憶素子30を備えたメモリにおいて、消費電力を低減することができる。
従って、従来にない低消費電力のメモリを実現することが可能になる。
In addition, according to the configuration of the
Therefore, it is possible to realize a memory with low power consumption that has not been conventionally available.
そして、特に記憶層(CoFeB層)17のB含有率を10〜30%とすることにより、記憶素子30の磁気抵抗変化率(MR比)を充分に大きくすることが可能になると共に、熱が加わったときの記憶素子30の特性の劣化を抑制することができるため、情報の記録や読み出しを安定して行うことができ、高温でも特性劣化が少ない記憶素子30を構成することができる。
これにより、耐熱性を有し、信頼性の高いメモリを実現することができる。
In particular, by setting the B content of the memory layer (CoFeB layer) 17 to 10 to 30%, it is possible to sufficiently increase the magnetoresistance change rate (MR ratio) of the
As a result, a memory having heat resistance and high reliability can be realized.
(実施例)
ここで、本発明の記憶素子の構成において、具体的に各層の材料や膜厚等を選定して、特性を調べた。
実際には、メモリには、図1や図5に示したように、記憶素子以外にもスイッチング用の半導体回路等が存在するが、ここでは、記憶層の磁気抵抗特性を調べる目的で、記憶素子のみを形成したウエハにより検討を行った。
(Example)
Here, in the structure of the memory element of the present invention, the material and film thickness of each layer were specifically selected, and the characteristics were examined.
Actually, as shown in FIGS. 1 and 5, the memory includes a semiconductor circuit for switching in addition to the memory element. Here, for the purpose of examining the magnetoresistance characteristics of the memory layer, the memory is stored. The study was performed using a wafer on which only elements were formed.
(膜構成1:サンプル1)
まず、厚さ0.575mmのシリコン基板上に厚さ300nmの熱酸化膜を形成し、その上に下部電極層として、Ta(3nm)/Al(60nm)の積層膜を予め形成した後に、その上に図2に示した構成の記憶素子3を形成した。
具体的には、図2に示した構成の記憶素子3において、下地層11を膜厚3nmのTa膜、反強磁性層12を膜厚30nmのPtMn膜、磁化固定層19を構成する強磁性層13を膜厚2nmのCo90Fe10膜(添え字は原子%)、積層フェリ構造の磁化固定層19を構成する非磁性層14を膜厚0.8nmのRu膜、磁化固定層19を構成する強磁性層15を膜厚2nmのCo48Fe32B20膜(添え字は原子%)、トンネル絶縁層となる絶縁層16を膜厚1.6nmの酸化マグネシウム(MgO)膜、記憶層17を膜厚3nmのCo48Fe32B20膜(添え字は原子%)、キャップ層18を膜厚5nmのTa膜と選定して、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成1)として、記憶素子3を作製した。
膜構成1:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/MgO(1.6nm)/Co48Fe32B20(3nm)/Ta(5nm)
なお、上記膜構成で、合金組成の示されていないPtMnの組成はPt50Mn50(原子%)とした。
酸化マグネシウム膜から成る絶縁層16以外の各層は、DCマグネトロンスパッタ法を用いて成膜した。
酸化マグネシウム膜から成る絶縁層16は、MgOターゲットを用いて、RFスパッタ法によって、直接酸化物を所定の膜厚分だけ堆積させた。
記憶素子3の各層を成膜した後に、磁場中熱処理炉で、所定の条件で熱処理(磁場中熱処理)を行い、反強磁性層12のPtMn膜の規則化熱処理及び高温耐久熱処理を行った。
(Membrane structure 1: Sample 1)
First, a 300 nm thick thermal oxide film is formed on a 0.575 mm thick silicon substrate, and a Ta (3 nm) / Al (60 nm) laminated film is previously formed thereon as a lower electrode layer. The
Specifically, in the
That is, the
Membrane configuration 1:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (3 nm) / Ta (5nm)
In the above film configuration, the composition of PtMn that is not shown in the alloy composition was Pt 50 Mn 50 (atomic%).
Each layer other than the insulating
For the insulating
After each layer of the
次に、ワード線部分をフォトリソグラフィによってマスクした後に、ワード線以外の部分の積層膜に対してArプラズマにより選択エッチングを行うことにより、ワード線(下部電極)を形成した。この際に、ワード線部分以外は、基板の深さ5nmまでエッチングされた。 Next, after masking the word line portion by photolithography, the word line (lower electrode) was formed by performing selective etching with Ar plasma on the laminated film other than the word line. At this time, except for the word line portion, the substrate was etched to a depth of 5 nm.
その後、電子ビーム描画装置により記憶素子3のパターンのマスクを形成し、積層膜に対して選択エッチングを行い、記憶素子3を形成した。記憶素子3部分以外は、下部電極層のAl層直上までエッチングした。このとき、記憶素子3のパターンは、100nm×150nmの楕円形状とした。
Thereafter, a mask of the pattern of the
次に、記憶素子3部分以外を、厚さ100nm程度のAl2O3のスパッタリングによって絶縁した。
その後、リフトオフにより記憶素子3の上面のコンタクトを形成した。
次に、Cr(20nm)/Cu(100nm)/Au(100nm)の充分に抵抗が低い上部電極層を形成して、フォトリソグラフィを用いて上部電極となるビット線及び測定用のパッド部分を形成して、記憶素子の試料を作製し、サンプル1の試料とした。
Next, the portions other than the
Thereafter, a contact on the upper surface of the
Next, an upper electrode layer having sufficiently low resistance of Cr (20 nm) / Cu (100 nm) / Au (100 nm) is formed, and a bit line and a measurement pad portion to be the upper electrode are formed by photolithography. Thus, a sample of the memory element was manufactured and used as
(膜構成2:サンプル2)
記憶層17としてCo90Fe10膜を形成し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル2の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成2)として、記憶素子を作製した。
膜構成2:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/MgO(1.6nm)/Co90Fe10(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 2: Sample 2)
A Co 90 Fe 10 film was formed as the
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 2).
Membrane configuration 2:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 90 Fe 10 (3 nm) / Ta ( 5nm)
(膜構成3:サンプル3)
図2に示した記憶素子3を作製する代わりに、図3に示した記憶素子30を作製した。
具体的には、図3に示した記憶素子30において、下地層11を膜厚3nmのTa膜、記憶層17を膜厚3nmのCo48Fe32B20膜(添え字は原子%)、トンネル絶縁層となる絶縁層16を膜厚0.8nmの酸化マグネシウム膜、磁化固定層19を構成する強磁性層15を膜厚2nmのCo48Fe32B20膜(添え字は原子%)と膜厚1nmのCo90Fe10膜(添え字は原子%)との積層膜、積層フェリ構造の磁化固定層19を構成する非磁性層14を膜厚0.8nmのRu膜、磁化固定層19を構成する強磁性層13を膜厚2.5nmのCo90Fe10膜、反強磁性層12を膜厚30nmのPtMn膜、キャップ層18を膜厚5nmのTa膜と選定して、各層を形成した。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成3)として、記憶素子30を作製して、サンプル3の試料とした。
膜構成3:
Ta(3nm)/Co48Fe32B20(3nm)/MgO(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/Co90Fe10(1nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 3: Sample 3)
Instead of producing the
Specifically, in the
That is, the
Membrane configuration 3:
Ta (3 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (3 nm) / MgO (0.8 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2 nm) / Co 90 Fe 10 (1 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 90 Fe 10 ( 2.5nm) / PtMn (30nm) / Ta (5nm)
(膜構成4:サンプル4)
磁化固定層19を構成する強磁性層15として、膜厚2.5nmのCo90Fe10膜を形成し、その他の構成は膜構成3と同様にして、記憶素子30を作製し、サンプル4の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成4)として、記憶素子を作製した。
膜構成4:
Ta(3nm)/Co48Fe32B20(3nm)/MgO(0.8nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 4: Sample 4)
A Co 90 Fe 10 film having a film thickness of 2.5 nm is formed as the
That is, a memory element was fabricated with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 4).
Membrane configuration 4:
Ta (3 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (3 nm) / MgO (0.8 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / PtMn (30 nm) / Ta (5nm)
(膜構成5:サンプル5)
磁化固定層19の強磁性層(参照層)15及び記憶層17として、Co42Fe28B30膜を形成し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル5の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成5)として、記憶素子を作製した。
膜構成5:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co42Fe28B30(2nm)/MgO(1.6nm)/Co42Fe28B30(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 5: Sample 5)
A Co 42 Fe 28 B 30 film is formed as the ferromagnetic layer (reference layer) 15 and the
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 5).
Membrane configuration 5:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 42 Fe 28 B 30 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 42 Fe 28 B 30 (3 nm) / Ta (5nm)
(膜構成6:サンプル6)
磁化固定層19の強磁性層(参照層)15及び記憶層17として、Co51Fe34B15膜を形成し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル6の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成6)として、記憶素子を作製した。
膜構成6:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co51Fe34B15(2nm)/MgO(1.6nm)/Co51Fe34B15(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 6: Sample 6)
A Co 51 Fe 34 B 15 film is formed as the ferromagnetic layer (reference layer) 15 and the
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 6).
Membrane configuration 6:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 51 Fe 34 B 15 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 51 Fe 34 B 15 (3 nm) / Ta (5nm)
(膜構成7:サンプル7)
磁化固定層19の強磁性層(参照層)15及び記憶層17として、Co32Fe32Ni16B20膜を形成し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル7の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成7)として、記憶素子を作製した。
膜構成7:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co32Fe32Ni16B20(2nm)/MgO(1.6nm)/Co32Fe32Ni16B20(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 7: Sample 7)
A Co 32 Fe 32 Ni 16 B 20 film is formed as the ferromagnetic layer (reference layer) 15 and the
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 7).
Membrane configuration 7:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 32 Fe 32 Ni 16 B 20 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 32 Fe 32 Ni 16 B 20 (3nm) / Ta (5nm)
(膜構成8:サンプル8)
記憶層17として、Co32Fe32Ni16B20膜を形成し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル8の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成8)として、記憶素子を作製した。
膜構成8:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/MgO(1.6nm)/Co32Fe32Ni16B20(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 8: Sample 8)
A Co 32 Fe 32 Ni 16 B 20 film was formed as the
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 8).
Membrane configuration 8:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 32 Fe 32 Ni 16 B 20 (3 nm ) / Ta (5nm)
(膜構成9:サンプル9)
磁化固定層19を構成する強磁性層13として、Co膜を形成し、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル9の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成9)として、記憶素子を作製した。
膜構成9:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co(2nm)/Ru(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/MgO(1.6nm)/Co48Fe32B20(3nm)/ Ta(5nm)
(Membrane structure 9: Sample 9)
A Co film was formed as the
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 9).
Membrane configuration 9:
Ta (3nm) / PtMn (30nm ) / Co (2nm) / Ru (0.8nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2nm) / MgO (1.6nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (3nm) / Ta (5nm )
(膜構成10:サンプル10)
絶縁層16のMgO膜の膜厚を0.8nmとして、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル10の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成10)として、記憶素子を作製した。
膜構成10:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/MgO(0.8nm)/Co48Fe32B20(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 10: Sample 10)
The
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 10).
Membrane configuration 10:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2 nm) / MgO (0.8 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (3 nm) / Ta (5nm)
(膜構成11:サンプル11)
強磁性層(参照層)15をCo90Fe10膜として、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル11の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成11)として、記憶素子を作製した。
膜構成11:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/MgO(1.6nm)/Co48Fe32B20(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 11: Sample 11)
The ferromagnetic layer (reference layer) 15 was a Co 90 Fe 10 film, and the other configuration was the same as the
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 11).
Membrane configuration 11:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (3 nm) / Ta ( 5nm)
(膜構成12:サンプル12)
強磁性層(参照層)15及び記憶層17をCo90Fe10膜として、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル12の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成12)として、記憶素子を作製した。
膜構成12:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2nm)/MgO(1.6nm)/Co90Fe10(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 12: Sample 12)
The ferromagnetic layer (reference layer) 15 and the
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 12).
Membrane configuration 12:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 90 Fe 10 (3 nm) / Ta (5 nm)
(膜構成13:サンプル13)
記憶層17をCo90Fe10膜として、その他の構成は膜構成3と同様にして、記憶素子30を作製し、サンプル13の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成13)として、記憶素子を作製した。
膜構成13:
Ta(3nm)/Co90Fe10(3nm)/MgO(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/Co90Fe10(1nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 13: Sample 13)
The
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 13).
Membrane configuration 13:
Ta (3 nm) / Co 90 Fe 10 (3 nm) / MgO (0.8 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2 nm) / Co 90 Fe 10 (1 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm ) / PtMn (30nm) / Ta (5nm)
(膜構成14:サンプル14)
記憶層17及び磁化固定層19の強磁性層(参照層)15をCo90Fe10膜として、その他の構成は膜構成4と同様にして、記憶素子30を作製し、サンプル14の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成14)として、記憶素子を作製した。
膜構成14:
Ta(3nm)/Co90Fe10(3nm)/MgO(0.8nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ru(0.8nm)/Co90Fe10(2.5nm)/PtMn(30nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 14: Sample 14)
The
That is, a memory element was fabricated with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 14).
Membrane configuration 14:
Ta (3 nm) / Co 90 Fe 10 (3 nm) / MgO (0.8 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / PtMn (30 nm) / Ta ( 5nm)
(膜構成15:サンプル15)
磁化固定層19の強磁性層(参照層)15及び記憶層17のCoFeB膜の組成をCo39Fe26B35(添え字は原子%)として、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル15の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成15)として、記憶素子を作製した。
膜構成15:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co39Fe26B35(2nm)/MgO(1.6nm)/Co39Fe26B35(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 15: Sample 15)
The composition of the ferromagnetic layer (reference layer) 15 of the magnetization fixed
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 15).
Membrane configuration 15:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 39 Fe 26 B 35 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 39 Fe 26 B 35 (3 nm) / Ta (5nm)
(膜構成16:サンプル16)
磁化固定層19の強磁性層(参照層)15及び記憶層17のCoFeB膜の組成をCo54Fe36B10(添え字は原子%)として、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル16の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成16)として、記憶素子を作製した。
膜構成16:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co54Fe36B10(2nm)/MgO(1.6nm)/Co54Fe36B10(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 16: Sample 16)
The composition of the ferromagnetic layer (reference layer) 15 of the magnetization fixed
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 16).
Membrane configuration 16:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 54 Fe 36 B 10 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 54 Fe 36 B 10 (3 nm) / Ta (5nm)
(膜構成17:サンプル17)
磁化固定層19の強磁性層(参照層)15及び記憶層17のCoFeNiB膜の組成をCo36Fe36Ni18B10(添え字は原子%)として、その他の構成は膜構成7と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル17の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成17)として、記憶素子を作製した。
膜構成17:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co36Fe36Ni18B10(2nm)/MgO(1.6nm)/Co36Fe36Ni18B10(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 17: Sample 17)
The composition of the ferromagnetic layer (reference layer) 15 of the magnetization fixed
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 17).
Membrane configuration 17:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 36 Fe 36 Ni 18 B 10 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 36 Fe 36 Ni 18 B 10 (3nm) / Ta (5nm)
(膜構成18:サンプル18)
磁化固定層19の強磁性層(参照層)15及び記憶層17のCoFeNiB膜の組成をCo26Fe26Ni13B35(添え字は原子%)として、その他の構成は膜構成7と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル18の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成18)として、記憶素子を作製した。
膜構成18:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.8nm)/Co26Fe26Ni13B35(2nm)/MgO(1.6nm)/Co26Fe26Ni13B35(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 18: Sample 18)
The composition of the ferromagnetic layer (reference layer) 15 of the magnetization fixed
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 18).
Membrane configuration 18:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 90 Fe 10 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 26 Fe 26 Ni 13 B 35 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 26 Fe 26 Ni 13 B 35 (3nm) / Ta (5nm)
(膜構成19:サンプル19)
磁化固定層19の強磁性層13のCoFe膜の組成をCo80Fe20(添え字は原子%)として、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル19の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成19)として、記憶素子を作製した。
膜構成19:
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co80Fe20(2nm)/Ru(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/MgO(1.6nm)/Co48Fe32B20(3nm)/Ta(5nm)
(Membrane structure 19: Sample 19)
The
That is, a memory element was manufactured with the material and film thickness of each layer as the following configuration (film configuration 19).
Membrane configuration 19:
Ta (3 nm) / PtMn (30 nm) / Co 80 Fe 20 (2 nm) / Ru (0.8 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2 nm) / MgO (1.6 nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (3 nm) / Ta (5nm)
(膜構成20:サンプル20)
トンネル絶縁層16を酸化アルミニウム膜として、その他の構成は膜構成1と同様にして、記憶素子3を作製し、サンプル20の試料とした。
即ち、各層の材料及び膜厚を、下記の構成(膜構成20)として、記憶素子を作製した。
Ta(3nm)/PtMn(30nm)/Co80Fe20(2nm)/Ru(0.8nm)/Co48Fe32B20(2nm)/Al(0.5nm)-Ox/Co48Fe32B20(3nm)/Ta(5nm)
トンネル絶縁層16の酸化アルミニウム膜は、DCマグネトロンスパッタ法によって金属Al膜を膜厚0.5nmで成膜した後に、10Torrの圧力の酸素に600秒間曝して酸化させることによって、酸化アルミニウム膜を形成した。酸化アルミニウム膜を形成した後に、再び1×10−7〜1×10−8Torrの高真空に排気して、それに続く各層の成膜を行った。
(Membrane structure 20: Sample 20)
The
That is, a memory element was manufactured by setting the material and film thickness of each layer to the following configuration (film configuration 20).
Ta (3nm) / PtMn (30nm) / Co 80 Fe 20 (2nm) / Ru (0.8nm) / Co 48 Fe 32 B 20 (2nm) / Al (0.5nm) -Ox / Co 48 Fe 32 B 20 (3nm ) / Ta (5nm)
The aluminum oxide film of the
上述の各サンプルの記憶素子に対して、特性の評価を行った。
なお、測定に先立ち、記憶素子に対して、外部から磁界を与えることができるように構成した。
The characteristics of the memory elements of the samples described above were evaluated.
Prior to the measurement, a magnetic field was externally applied to the storage element.
<実験1>
まず、図2に示した記憶素子3の構成において、トンネルバリアとなる絶縁層16の下に接している、磁化固定層19を構成する強磁性層(参照層)15の材料による特性の違いを調べた。
本発明の実施例であるサンプル1及びサンプル2と、比較例であるサンプル11及びサンプル12とについて、磁場中熱処理の条件を300℃・2時間として各サンプルの試料を作製した。
<
First, in the configuration of the
そして、これら各試料について、以下のようにして、面積抵抗値及び抵抗変化率を測定した。
ワード線の端子とビット線の端子にかかるバイアス電圧が10mVとなるように調節し、外部磁界により記憶層の磁化の向きを反転させて、記憶素子全体の面積抵抗値を測定し、抵抗−外部磁界の関係を調べた。
その後、抵抗が高い状態での抵抗値(高抵抗)と、抵抗が低い状態での抵抗値(低抵抗)とから、(高抵抗−低抵抗)/低抵抗の式により、抵抗変化率を算出した。
And about each of these samples, the area resistance value and the resistance change rate were measured as follows.
The bias voltage applied to the word line terminal and the bit line terminal is adjusted to 10 mV, the direction of magnetization of the storage layer is reversed by an external magnetic field, the area resistance value of the entire storage element is measured, and resistance-external The relationship between magnetic fields was investigated.
Then, the resistance change rate is calculated from the resistance value (high resistance) in the high resistance state and the resistance value (low resistance) in the low resistance state using the formula (high resistance-low resistance) / low resistance. did.
測定結果として、各サンプルの、記憶素子の低抵抗状態の面積抵抗値及び記憶素子の抵抗変化率を表1に示す。表1の各測定値は、それぞれのサンプルのウエハ上に作製された200個の記憶素子を測定した値の平均値である。 As a measurement result, the area resistance value of the low resistance state of the memory element and the resistance change rate of the memory element of each sample are shown in Table 1. Each measured value in Table 1 is an average value of values obtained by measuring 200 memory elements manufactured on each sample wafer.
本発明の実施例であるサンプル1では、MgOから成るバリア層の下側及び上側にそれぞれCoFeB層(CoFeB膜)が接している。また、本発明の実施例であるサンプル2では、MgOから成るバリア層の下側のみにCoFeB層(CoFeB膜)が接していて、バリア層の上側にはCoFe層(CoFe膜)が接している。
一方、比較例であるサンプル11では、MgOから成るバリア層の下側にCoFe層(CoFe膜)が接していて、バリア層の上側にはCoFeB膜が接している。また、比較例であるサンプル12では、バリア層の下側及び上側にそれぞれ結晶質のCoFe層(CoFe膜)が接している。
In the
On the other hand, in
表1の結果に示すように、MgOから成るバリア層の下側に接している強磁性層をCoFeB層としている、サンプル1及びサンプル2では、各々155.1%及び135.6%と高い抵抗変化率が観測されている。
一方、MgOから成るバリア層の下側に接している強磁性層をCoFe層としている、サンプル11及びサンプル12では、各々3%程度の抵抗変化率しか得られない。さらに、MgOから成るバリア層の形成条件がサンプル1と同じであるにもかかわらず、面積抵抗値が大きく増大している。
これらのことから、酸化マグネシウムから成るバリア層の下層に磁化固定層を形成した、いわゆるボトムピン型のトンネル接合素子において、高い抵抗変化率を得るには、バリア層の下にCoFeB層が接するように形成することが、必要であることがわかる。
As shown in the results of Table 1, in the
On the other hand, in the
For these reasons, in a so-called bottom pin type tunnel junction element in which a magnetization fixed layer is formed under the barrier layer made of magnesium oxide, in order to obtain a high resistance change rate, the CoFeB layer is in contact with the barrier layer. It can be seen that it is necessary to form.
なお、表1の結果から、バリア層の上に接する強磁性層(図1の記憶素子10では記憶層17)は、サンプル1のようにCoFeB層としても、サンプル2のようにCoFe層としても、どちらでも構わないことがわかる。
即ち、少なくとも、酸化マグネシウムから成るバリア層の下側に接する強磁性層をCoFeB層としていればよい。
From the results shown in Table 1, the ferromagnetic layer in contact with the barrier layer (
That is, at least the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the barrier layer made of magnesium oxide may be a CoFeB layer.
このように、酸化マグネシウムから成るバリア層の下側に接するようにCoFeB層を形成することにより、抵抗変化率が向上する原因は、必ずしも明らかではない。
そこで、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察を行った。その結果、MgO層とその下のCoFeB層とが、強く結晶配向していることが明らかになった。また、その一方で、MgO層は成膜直後でも結晶層を有している、という特徴がある。
従って、おそらくは、成膜直後は非晶質であったCoFeB層が、成膜後に熱処理を行うことにより、MgO層の結晶方位の影響を大きく受けて結晶化することにより、MgO層の結晶方位に沿って自己整合的に結晶化するので、良好な配向が得られるものと考えられる。
Thus, the reason why the rate of change in resistance is improved by forming the CoFeB layer so as to be in contact with the lower side of the barrier layer made of magnesium oxide is not necessarily clear.
Therefore, observation with a transmission electron microscope (TEM) was performed. As a result, it became clear that the MgO layer and the CoFeB layer therebelow were strongly crystallized. On the other hand, the MgO layer is characterized by having a crystal layer even immediately after film formation.
Therefore, perhaps the CoFeB layer, which was amorphous immediately after the film formation, is crystallized by being greatly affected by the crystal orientation of the MgO layer by performing a heat treatment after the film formation, thereby changing the crystal orientation of the MgO layer. It is considered that good orientation can be obtained because crystallization occurs in a self-aligned manner.
<実験2>
次に、トンネルバリアとなる絶縁層(バリア層)16の上層に磁化固定層19を形成した、図3に示した記憶素子30の構成において、絶縁層(バリア層)16の下に接している強磁性層の材料、即ち記憶層17の材料による特性の違いを調べた。
本発明の実施例であるサンプル3及びサンプル4と、比較例であるサンプル13及びサンプル14とについて、実験1と同様の磁場中熱処理を行った各サンプルの試料を作製した。
そして、これら各試料について、前述した測定方法により、面積抵抗値及び抵抗変化率を測定した。
測定結果として、各サンプルの、記憶素子の低抵抗状態の面積抵抗値及び記憶素子の抵抗変化率を表2に示す。表2の各測定値は、それぞれのサンプルのウエハ上に作製された200個の記憶素子を測定した値の平均値である。
<
Next, in the configuration of the
And about each of these samples, the area resistance value and resistance change rate were measured with the measuring method mentioned above.
As a measurement result, the area resistance value of the low resistance state of the memory element and the resistance change rate of the memory element of each sample are shown in Table 2. Each measured value in Table 2 is an average value of values obtained by measuring 200 memory elements manufactured on each sample wafer.
本発明の実施例であるサンプル3では、MgOから成るバリア層の下側及び上側にそれぞれCoFeB層(CoFeB膜)が接している。また、本発明の実施例であるサンプル4では、MgOから成るバリア層の下側のみにCoFeB層(CoFeB膜)が接していて、バリア層の上側にはCoFe層(CoFe膜)が接している。
一方、比較例であるサンプル13では、MgOから成るバリア層の下側にCoFe層(CoFe膜)が接していて、バリア層の上側にはCoFeB膜が接している。また、比較例であるサンプル14では、バリア層の下側及び上側にそれぞれ結晶質のCoFe層(CoFe膜)が接している。
In the
On the other hand, in the
表2の結果に示すように、MgOから成るバリア層の下側に接している強磁性層をCoFeB層としている、サンプル3及びサンプル4では、各々135.1%及び65.6%と高い抵抗変化率が観測されている。
一方、MgOから成るバリア層の下側に接している強磁性層をCoFe層としている、サンプル13及びサンプル14では、各々3%程度の抵抗変化率しか得られない。さらに、MgOから成るバリア層の形成条件がサンプル3と同じであるにもかかわらず、面積抵抗値が大きく増大している。
これらのことから、酸化マグネシウムから成るバリア層の上層に磁化固定層を形成した、いわゆるトップピン型のトンネル接合素子においても、高い抵抗変化率を得るには、バリア層の下にCoFeB層が接するように形成することが、必要であることがわかる。
As shown in the results of Table 2, in the
On the other hand, in the
For these reasons, even in a so-called top-pin type tunnel junction element in which a magnetization fixed layer is formed on a barrier layer made of magnesium oxide, a CoFeB layer is in contact with the barrier layer in order to obtain a high resistance change rate. It can be seen that it is necessary to form in this way.
なお、サンプル3及びサンプル4は、バリア層の膜厚が0.8nmであり、サンプル1及びサンプル2のバリア層の膜厚(1.6nm)よりも薄いため、面積抵抗値も小さい値になっている。
<実験3>
次に、本発明においてバリア層の下側に接して形成するCoFeB層において、特に良好な特性が得られる、CoFeBの組成の範囲について調べた。
具体的には、サンプル1、サンプル5、サンプル6、サンプル15、サンプル16の各サンプルについて、磁場中熱処理の条件を、260℃・2時間とした試料と、300℃・2時間とした試料とを、それぞれ作製した。
そして、これら各試料について、前述した測定方法により、面積抵抗値及び抵抗変化率を測定した。
測定結果として、各サンプルの、記憶素子の低抵抗状態の面積抵抗値及び記憶素子の抵抗変化率を、CoFeB層の組成比と合わせて、表3に示す。表3の各測定値は、それぞれのサンプルのウエハ上に作製された200個の記憶素子を測定した値の平均値である。なお、面積抵抗値は、磁場中熱処理の温度が260℃でも300℃でも大きな差は見られないが、表3では300℃・2時間の磁場中熱処理を行った試料の面積抵抗値の測定値を示している。
<
Next, the range of the composition of CoFeB in which particularly good characteristics were obtained in the CoFeB layer formed in contact with the lower side of the barrier layer in the present invention was examined.
Specifically, for each of
And about each of these samples, the area resistance value and resistance change rate were measured with the measuring method mentioned above.
As a measurement result, the area resistance value of the low resistance state of the memory element and the resistance change rate of the memory element of each sample are shown in Table 3 together with the composition ratio of the CoFeB layer. Each measured value in Table 3 is an average value of values obtained by measuring 200 memory elements fabricated on each sample wafer. In addition, the sheet resistance value does not show a great difference regardless of whether the temperature of the heat treatment in the magnetic field is 260 ° C. or 300 ° C. Is shown.
表3の結果に示すように、サンプル1、サンプル5、サンプル6については、それぞれ充分に良好な抵抗変化率を示している。
これに対して、Bの含有量が35原子%と多いサンプル15では、260℃と300℃それぞれの熱処理条件において抵抗変化率が低くなっている。
また、Bの含有量が10原子%と少ないサンプル16では、260℃の熱処理条件では良好な抵抗変化率を示しているものの、300℃の熱処理条件では抵抗変化率が大きく低下している。
従って、バリア層の下に接するCoFeB層の組成を、Bの含有量が15原子%〜30原子%の範囲にあるように設定することが望ましい。
As shown in the results of Table 3,
On the other hand, in the
Further,
Therefore, it is desirable to set the composition of the CoFeB layer in contact with the barrier layer so that the B content is in the range of 15 atomic% to 30 atomic%.
なお、必ずしも、ここで示している本発明の実施例のサンプル1、サンプル5、サンプル6のように、MgOから成るバリア層の上側と下側にそれぞれ接するCoFeB層の組成を同一にしなくても構わない。
即ち、MgOから成るバリア層の上側に接するCoFeB層と下側に接するCoFeB層の組成が異なっていてもよく、それぞれのCoFeB層において、Bの含有量が15原子%〜30原子%の範囲にあればよい。
It is not always necessary to make the composition of the CoFeB layer in contact with the upper and lower sides of the barrier layer made of MgO the same as in
That is, the composition of the CoFeB layer in contact with the upper side of the barrier layer made of MgO may be different from the composition of the CoFeB layer in contact with the lower side, and in each CoFeB layer, the B content is in the range of 15 atomic% to 30 atomic%. I just need it.
<実験4>
次に、MgOから成るバリア層16を挟む強磁性層に、Co,Fe,B以外にNiが含まれているCoFeNiBを用いた場合において、特に良好な特性が得られるCoFeNiBの組成の範囲について調べた。
具体的には、サンプル7、サンプル8、サンプル17、サンプル18の各サンプルについて、実験3と同様に、磁場中熱処理の条件を260℃・2時間とした試料及び300℃・2時間とした試料を作製した。
そして、これら各試料について、前述した測定方法により、面積抵抗値及び抵抗変化率を測定した。
測定結果として、各サンプルの、記憶素子の低抵抗状態の面積抵抗値及び記憶素子の抵抗変化率を、CoFeNiB層の組成比(Ni含有量及びB含有量)と合わせて、表4に示す。なお、面積抵抗値は、磁場中熱処理の温度が260℃でも300℃でも大きな差は見られないが、表4では300℃・2時間の磁場中熱処理を行った試料の面積抵抗値の測定値を示している。
<Experiment 4>
Next, in the case where CoFeNiB containing Ni in addition to Co, Fe, and B is used for the ferromagnetic layer sandwiching the
Specifically, for each of Sample 7, Sample 8,
And about each of these samples, the area resistance value and resistance change rate were measured with the measuring method mentioned above.
As a measurement result, the area resistance value of the low resistance state of the memory element and the resistance change rate of the memory element of each sample are shown in Table 4 together with the composition ratio (Ni content and B content) of the CoFeNiB layer. In addition, the sheet resistance value does not show a great difference whether the heat treatment in the magnetic field is 260 ° C. or 300 ° C., but in Table 4, the measured value of the sheet resistance value of the sample subjected to the heat treatment in the magnetic field at 300 ° C. for 2 hours. Is shown.
サンプル7、サンプル17、サンプル18においては、表4の組成比に示すように、Co,Fe,Niの強磁性元素のうちでNiの含有量が略一定になるように調整していて、Bの含有量を変化させている。
表4の結果に示すように、これらのサンプルのうち、Bの含有量が20%であるサンプル7の抵抗変化率が最も良好であり、Niを非晶質磁性層に用いる場合においても、実験3の結果と同様に、B量が15原子%〜30原子%の範囲にあることが望ましいことがわかる。
In Sample 7,
As shown in the results of Table 4, among these samples, the resistance change rate of the sample 7 having a B content of 20% is the best, and even when Ni is used for the amorphous magnetic layer, the experiment is performed. Similarly to the result of 3, it is understood that the B content is preferably in the range of 15 atomic% to 30 atomic%.
また、サンプル8では、MgOから成るバリア層の下側にCoFeB層が接しており、バリア層の上側にCoFeNiB層(CoFeNiB膜)が接しているが、同様に優れた抵抗変化率が得られている。
このように、B含有量が15原子%〜30原子%である範囲内であれば、バリア層の下側に接する強磁性層とバリア層の上側に接する強磁性層とにおいて、組成が異なっていてもよい。
In Sample 8, the CoFeB layer is in contact with the lower layer of MgO, and the CoFeNiB layer (CoFeNiB film) is in contact with the upper side of the barrier layer. Yes.
Thus, if the B content is within the range of 15 atomic% to 30 atomic%, the composition of the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the barrier layer is different from that of the ferromagnetic layer in contact with the upper side of the barrier layer. May be.
従って、MgOから成るバリア層の下側に接する強磁性層は、CoFeB層に限定されるものではなく、この強磁性層の材料に、CoFeNiBを使用することも可能であることがわかる。
さらに、この結果から類推できるような、Co,Fe,Niのうちいずれか1種もしくは2種以上の磁性元素を含み、B,Si,Zr,Nb,Cu,Ta等の公知の非磁性添加物を添加している磁性材料を用いることも可能である。
Therefore, it is understood that the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the barrier layer made of MgO is not limited to the CoFeB layer, and CoFeNiB can be used as the material of the ferromagnetic layer.
Furthermore, known nonmagnetic additives such as B, Si, Zr, Nb, Cu, Ta, etc., which can be inferred from this result, contain any one or more magnetic elements of Co, Fe, and Ni. It is also possible to use a magnetic material to which is added.
また、実験4で用いたボトムピン型の構造のみならず、トップピン型の構造においても、同様に、MgOから成るバリア層の下側に接する強磁性層(図3の記憶素子30では記憶層17)の材料として、Co,Fe,Niのうちいずれか1種もしくは2種以上の磁性元素を含み、B,Si,Zr,Nb,Cu,Ta等の公知の非磁性添加物を添加している磁性材料を用いることも可能である。
Further, not only in the bottom pin type structure used in Experiment 4, but also in the top pin type structure, similarly, the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the barrier layer made of MgO (the
<実験5>
次に、反強磁性層による反強磁性結合を用いて磁化固定層の磁化の向きを固定する場合に、磁化固定層を構成する強磁性層のうち、反強磁性層側にある強磁性層の組成と、記憶素子の特性との関係を調べた。
具体的には、サンプル1、サンプル9、サンプル19の各サンプルについて、実験1と同様にして、磁場中熱処理の条件を300℃・2時間とした試料を作製した。
そして、これら各試料について、前述した測定方法により抵抗変化率を測定すると共に、ピン磁界強度Hpin、即ち反強磁性層によって磁化固定層に対して加わる磁界の強度を測定した。
測定結果として、各サンプルの記憶素子の抵抗変化率とピン磁界強度Hpinとを、磁化固定層19のうちの反強磁性層12側の強磁性層13の材料組成と合わせて、表5に示す。
<Experiment 5>
Next, when the magnetization direction of the fixed magnetization layer is fixed using antiferromagnetic coupling by the antiferromagnetic layer, the ferromagnetic layer on the antiferromagnetic layer side among the ferromagnetic layers constituting the fixed magnetization layer The relationship between the composition and the characteristics of the memory element was examined.
Specifically, samples of
And about each of these samples, while measuring resistance change rate with the measuring method mentioned above, pin magnetic field strength Hpin, ie, the intensity | strength of the magnetic field added with respect to a magnetization fixed layer by an antiferromagnetic layer, was measured.
As a measurement result, the resistance change rate and the pin magnetic field strength Hpin of the memory element of each sample are shown in Table 5 together with the material composition of the
表5の結果に示すように、強磁性層13の材料組成のFe含有量が10原子%以下であるサンプル1及びサンプル9では、300℃・2時間の熱処理を行っても充分なピン磁界強度が得られている。
これに対して、強磁性層13のFe含有量が20原子%であるサンプル15では、300℃・2時間の熱処理によって、ピン磁界強度が950(Oe)まで減少している。また、ピン磁界強度の減少によると思われる原因によって、抵抗変化率もサンプル1やサンプル9よりも低くなっている。
従って、磁化固定層のうちの反強磁性層側の強磁性層は、Fe含有量が20%よりも少ないことが望ましく、より好ましくは10%以下であることが望ましい。
As shown in the results of Table 5, in
On the other hand, in the
Therefore, the ferromagnetic layer on the antiferromagnetic layer side of the magnetization fixed layer desirably has an Fe content of less than 20%, and more desirably 10% or less.
<実験6>
次に、バリア層の材料と、反転電流との関係を調べた。
本発明の実施例であるサンプル10と、比較例であるサンプル20とについて、磁場中熱処理の条件を300℃・2時間として、実験1と同様にして、各サンプルの試料を作製した。
サンプル10の試料について、前述した測定方法により面積抵抗値及び抵抗変化率を測定したところ、MgOから成るバリア層16の膜厚を0.8nm(サンプル3及びサンプル4と同じ膜厚)としているので、面積抵抗値は約16Ωμm2であり、抵抗変化率は約50%であった。なお、抵抗変化率の大きさは、バイアス電圧の大きさによって変化する。
<
Next, the relationship between the barrier layer material and the reversal current was examined.
When the area resistance value and the resistance change rate of the
ここで、スピン注入により磁化反転を行う記憶素子における、抵抗−電流曲線の典型的な測定結果を図4に示す。
図4に示すように、ある一定以上の電流が印加されると、高抵抗状態から低抵抗状態へもしくはその逆へと変化し、磁化反転していることが確認できる。
また、図4に示すように、+側と−側とで反転電流の絶対値が異なる、オフセットを生じている。
Here, FIG. 4 shows a typical measurement result of a resistance-current curve in a memory element that performs magnetization reversal by spin injection.
As shown in FIG. 4, when a certain current or more is applied, the state changes from the high resistance state to the low resistance state or vice versa, and it can be confirmed that the magnetization is reversed.
Further, as shown in FIG. 4, there is an offset in which the absolute value of the reversal current is different between the + side and the-side.
このオフセットをなくすためには、(1)上述の抵抗変化率の測定において、予め抵抗−外部磁界の関係からRHループのオフセット磁界を求めておき、外部からオフセット分の磁界を印加しながら、反転電流を測定する、(2)外部からの印加磁界を変化させながら、反転電流の外部磁界依存性を測定する、の2つの方法が考えられる。ここでは、(1)の方法を採用して、測定を行った。
そして、抵抗−電流曲線から、抵抗値が変化する電流値を求めて、これを磁化の向きを反転させる反転電流値とした。両極性の電流について、この反転電流値を求めた。
また、記憶素子の抵抗値によっても異なるが、およそ1.0〜1.2Vのバイアス電圧で、トンネル絶縁層が絶縁破壊することがわかっているため、印加電流の上限は0.8Vのバイアス電圧がかかる電流値までとした。
そして、+と−の両極性の反転電流値(絶対値)の平均値から、反転電流密度を算出した。
In order to eliminate this offset, (1) in the above-described measurement of the rate of change in resistance, the offset magnetic field of the RH loop is obtained in advance from the relationship between the resistance and the external magnetic field, and the inversion is performed while applying the offset magnetic field from the outside. Two methods are conceivable: measuring the current, and (2) measuring the dependence of the reversal current on the external magnetic field while changing the applied magnetic field from the outside. Here, the measurement was performed by employing the method (1).
And the electric current value from which resistance value changes was calculated | required from the resistance-current curve, and this was made into the reversal electric current value which reverses the direction of magnetization. The inversion current value was obtained for the bipolar current.
Further, although it depends on the resistance value of the memory element, it is known that the tunnel insulating layer breaks down at a bias voltage of about 1.0 to 1.2 V. Therefore, the upper limit of the applied current is 0.8 V It was set as the current value which applied.
And the reversal current density was computed from the average value of the reversal current value (absolute value) of both polarity of + and-.
測定結果として、サンプル10及びサンプル20の、反転電流値及び反転電流密度を表6に示す。表6の各測定値は、10個の記憶素子を測定した値の平均値である。
Table 6 shows the reversal current values and reversal current densities of
表6の結果が示すように、バリア層の材料をMgOとした、本発明の実施例であるサンプル10を、バリア層の材料をAlOxとした、比較例であるサンプル20と比較すると、スピン注入の反転電流密度がおよそ半分になることがわかる。
これは、おそらくは、バリア層の材料をMgOとしたことによって抵抗変化率が向上しているために、スピン注入効率が向上して、反転電流密度が小さくなったものと推測される。
As shown in the results of Table 6, when the
This is presumably because the rate of resistance change is improved by using MgO as the material of the barrier layer, so that the spin injection efficiency is improved and the inversion current density is reduced.
上述したように、MgOから成るバリア層の下側に接する強磁性層の材料を、本発明の非晶質磁性材料とすることによって、CoFe等の結晶質磁性材料を用いた場合に比較して、抵抗変化率をさらに大きくして、なおかつ300℃の高温で特性劣化が少ない記憶素子を実現することができる。
また、スピン注入の効率を向上して、スピン注入により磁化反転を行う反転電流を低減することが可能である。
As described above, the material of the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the barrier layer made of MgO is the amorphous magnetic material of the present invention, so that compared with the case where a crystalline magnetic material such as CoFe is used. Further, it is possible to realize a memory element with a further increased resistance change rate and with little characteristic deterioration at a high temperature of 300 ° C.
In addition, the efficiency of spin injection can be improved, and the reversal current for performing magnetization reversal by spin injection can be reduced.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
3,30 記憶素子、11 下地層、12 反強磁性層、13,15 強磁性層、14 非磁性層、16 絶縁層、17 記憶層、18 キャップ層、19 磁化固定層 3,30 Memory element, 11 Underlayer, 12 Antiferromagnetic layer, 13,15 Ferromagnetic layer, 14 Nonmagnetic layer, 16 Insulating layer, 17 Memory layer, 18 Cap layer, 19 Magnetization fixed layer
Claims (1)
互いに交差する2種類の配線とを備え、
前記記憶素子は、前記記憶層に対して、中間層を介して磁化固定層が設けられ、前記中間層が酸化マグネシウムから成り、前記中間層の下側に接する強磁性層が、CoFeBを主成分とする磁性材料から成り、積層方向に電流を流すことにより、前記記憶層の磁化の向きが変化して、前記記憶層に対して情報の記録が行われる構成であり、
前記記憶素子において、前記磁化固定層の前記記憶層とは反対の側に反強磁性層が設けられ、前記磁化固定層において、前記反強磁性層に接する強磁性層がCoFe層であり、かつ前記CoFe層のFe含有量が20原子%よりも少なく、
前記2種類の配線の交点付近かつ前記2種類の配線の間に、前記記憶素子が配置され、
前記2種類の配線を通じて、前記記憶素子に前記積層方向の電流が流れる
ことを特徴とするメモリ。 A storage element having a storage layer for retaining information by the magnetization state of the magnetic material;
Two types of wiring intersecting each other,
In the storage element, a fixed magnetization layer is provided with respect to the storage layer via an intermediate layer, the intermediate layer is made of magnesium oxide, and the ferromagnetic layer in contact with the lower side of the intermediate layer is mainly composed of CoFeB. The magnetic layer is made of a magnetic material, and by flowing a current in the stacking direction, the magnetization direction of the storage layer is changed, and information is recorded on the storage layer.
In the storage element, an antiferromagnetic layer is provided on the opposite side of the magnetization fixed layer from the storage layer, and in the magnetization fixed layer, the ferromagnetic layer in contact with the antiferromagnetic layer is a CoFe layer, and Fe content of the CoFe layer is less than 20 atomic%,
The storage element is disposed near the intersection of the two types of wiring and between the two types of wiring,
A memory in which a current in the stacking direction flows in the memory element through the two types of wirings.
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