JP2010219177A - 磁気トンネル接合素子、磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＴＪ素子のＭＲ比を向上させること。
【解決手段】ＭＴＪ素子（１）は、第１磁性層（１０）と、第２磁性層（２０）と、第１磁性層（１０）と第２磁性層（２０）との間に位置するトンネルバリア層（３０）と、ハーフメタル材料で形成された第１ハーフメタル層（４０）と、を備える。第１ハーフメタル層（４０）は、第１磁性層（１０）とトンネルバリア層（３０）との間に介在し、トンネルバリア層（３０）と接触し、第１磁性層（１０）と磁気的に結合する。
【選択図】図２

Description

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する。

磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM: Magnetic Random Access Memory）は、磁性体の磁化方向に基づいてデータを不揮発的に記憶する不揮発性メモリである。ＭＲＡＭは、高速書き込みや書き込み回数に制限が無い等の特徴を有する。そのため、ＭＲＡＭは、次世代の不揮発性メモリとして期待されており、その開発が精力的に進められている。

近年提案されている有力なＭＲＡＭの書き込み方式の一つは、スピン注入（spin momentum
transfer）方式である。スピン注入磁化反転では、スピン偏極電流が書き込み電流として磁化記録層に注入され、それにより磁化記録層の磁化方向が反転する。従来良く知られている電流誘起磁界を印加することによる磁化反転では、メモリセルのサイズが小さくなると共に磁化反転に必要な電流が増大する。それに対し、スピン注入磁化反転では、メモリセルのサイズが小さくなると共に磁化反転に必要な電流が減少する。従って、スピン注入方式は、大容量のＭＲＡＭを実現するための有力な方法であると考えられている。

更に、スピン注入方式の一種として、「磁壁移動（Domain Wall Motion）方式」も知られている。磁壁移動方式によれば、磁化記録層の面内方向にスピン偏極電流を流すことにより、磁化記録層中の磁壁を移動させ、これにより磁化記録層中の磁化方向を反転させることができる。このような技術は、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。

一般的に、ＭＲＡＭのメモリセルとしては、磁気トンネル接合（MTJ: Magnetic Tunnel
Junction）素子が用いられる。図１は、典型的なＭＴＪ素子１００の構成を示す断面図である。ＭＴＪ素子１００は、第１強磁性層１１０と、第２強磁性層１２０と、第１強磁性層１１０と第２強磁性層１２０に挟まれたトンネルバリア層１３０とを備える。第１強磁性層１１０と第２強磁性層１２０の一方が、磁化方向が固定されたピン層であり、他方が、磁化方向が変化する磁化記録層（フリー層）である。磁壁移動型ＭＲＡＭの場合、磁化記録層は、磁壁が移動する磁壁移動層である。

ＭＴＪ素子の抵抗値は、磁化記録層の磁化状態に応じて変動する。データは、その抵抗値の大小として記録され、データ読み出しは、その抵抗値の大小を検出することにより行われる。従って、データ読み出し速度を向上させるためには、ＭＴＪ素子の磁気抵抗比（ＭＲ比）を増大させることが望ましい。第１強磁性層１１０及び第２強磁性層１２０のスピン分極率が、それぞれＰ１及びＰ２であるとする（０≦Ｐ１，Ｐ２≦１）。このとき、ＭＴＪ素子の理論的なＭＲ比は、次の式（１）（一般に「Ｊｕｌｌｉｅｒｅの式」と呼ばれる）で与えられる。

式（１）：ＭＲ比＝２×Ｐ１×Ｐ２／（１−Ｐ１×Ｐ２）

この式（１）から、Ｐ１、Ｐ２が大きくなるほどＭＲ比も高くなることが分かる。特に、Ｐ１＝Ｐ２＝１の場合、ＭＲ比（理論値）は無限大となる。従って、ＭＲ比の観点から言えば、スピン分極率がなるべく１に近い材料を磁性層に用いることが好ましい。

特許文献３に開示されている強磁性トンネル接合素子では、絶縁体バリア層の両側を、室温以上のキュリー点を有する「ハーフメタル強磁性酸化物層」が挟みこんでいる。ハーフメタル酸化物は、例えばマグネタイトである。この強磁性トンネル接合素子は、室温以上で大きなＭＲ比を示す。また、この強磁性トンネル接合素子は、全て酸化物で構成されるため、化学的に安定である。

特開２００６−７３９３０号公報 特開２００７−３１７８９５号公報 特開平１１−９７７６６号公報

典型的なＭＴＪ素子１００では、第１強磁性層１１０及び第２強磁性層１２０の材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の磁性金属からなる金属合金が用いられる。そのような金属合金では、アップスピンとダウンスピンの状態密度がフェルミ面近傍で存在確率を持つ。それぞれの方向のスピンが一定比率で存在するため、スピン分極率は１にはならず、０．４〜０．７程度である。その場合、実際のＭＲ比の上限は、せいぜい数１０％程度である。

その一方、例えば混載メモリに要求される５００ＭＨｚ以上の読み出し動作を実現するためには、ナノ秒オーダーの読み出し速度が必要である。そのためには、１００％を超える高ＭＲ比が要求される。しかしながら、図１で示されたような構造で、１００％を超える高ＭＲ比を実現することは困難である。特に、磁壁移動型ＭＲＡＭで用いられるＭＴＪ素子では、磁壁移動層の結晶構造及び結晶配向面が、絶縁層を介したトンネル磁気抵抗効果に対して整合性が悪い。そのため、１００％を超える高ＭＲ比を実現することが困難になっている。

本発明の１つの目的は、ＭＴＪ素子のＭＲ比を増加させることにある。

本発明に係るＭＴＪ素子は、第１磁性層と、第２磁性層と、第１磁性層と第２磁性層との間に位置するトンネルバリア層と、ハーフメタル材料で形成された第１ハーフメタル層と、を備える。第１ハーフメタル層は、第１磁性層とトンネルバリア層との間に介在し、トンネルバリア層と接触し、第１磁性層と磁気的に結合する。

本発明によれば、ＭＴＪ素子のＭＲ比を増加させることが可能となる。

図１は、典型的なＭＴＪ素子の構造を示す断面図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＴＪ素子の構造を示す断面図である。 図３は、本発明の第２の実施の形態に係るＭＴＪ素子の構造を示す断面図である。 図４は、本発明の第３の実施の形態に係るＭＴＪ素子の構造を示す断面図である。 図５は、本発明の第４の実施の形態に係るＭＴＪ素子の構造を示す断面図である。 図６は、本発明の第５の実施の形態に係るＭＴＪ素子の構造を示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態に係るＭＲＡＭの構成を示す概略図である。

ＭＴＪ素子のＭＲ比を向上させるためには、スピン分極率がなるべく１に近い材料を磁性層に用いることが好ましい。本実施の形態では、そのような高スピン分極率の材料として、「ハーフメタル材料」が用いられる。ハーフメタル（half-metal）とは、一方の電子スピンが金属的なバンド構造、他方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を有する磁性体のことである。ハーフメタルでは、アップスピンとダウンスピンの一方がフェルミ面よりも低いエネルギーを占め、他方がフェルミ面に状態を持つ。つまり、ハーフメタル材料では、フェルミエネルギーの電子は、一方のスピン状態しかとることができない。従って、ハーフメタル材料のスピン分極率は理論上は１であり、理想的である。

その一方、ハーフメタル材料の磁気異方性は非常に小さい。例えば、スピン分極率が非常に高いＬ２１構造フルホイスラー合金では、その高い対称性のため、磁気異方性が等方的になる。従って、図１で示された強磁性層１１０、１２０が単にハーフメタル層で置換された場合、ＭＴＪ素子が機能しなくなる。すなわち、強い磁気異方性を利用するＭＲＡＭ等の磁気デバイスに、ハーフメタル材料をそのまま適用することは困難である。

そこで、本実施の形態では、ＭＴＪ素子にデバイス機能を付与する部分と、ＭＲ比を向上させる部分が区分けされる。より詳細には、強い磁気異方性を有する磁性層とトンネルバリア層との間に、ハーフメタル層が挿入される。磁性体間には「交換結合」あるいは「静磁結合」が働く。磁性体同士が磁気的に結合する場合、その磁化の方向は、より強い磁気異方性を有する磁性体によって支配される。ＭＴＪのようなナノメータオーダの磁性体では、この傾向が特に顕著となる。従って、強い磁気異方性を有する磁性層と等方的なハーフメタル層とが磁気的に結合する場合、全体としての磁化方向は前者によって規定される。これにより、ＭＴＪ素子がデバイスとして機能することになる。更に、高スピン分極率のハーフメタル層がトンネルバリア界面に設けられるため、ＭＲ比が顕著に増大する。その結果、読み出し信号が大きくなり、高速データ読み出しが実現される。

１．第１の実施の形態
図２は、第１の実施の形態に係るＭＴＪ素子１の断面構造を示している。ＭＴＪ素子１は、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０、トンネルバリア層３０、第１ハーフメタル層４０、及び第２ハーフメタル層５０を備えている。第１強磁性層１０、第１ハーフメタル層４０、トンネルバリア層３０、第２ハーフメタル層５０、第２強磁性層２０は、この順番で積層されている。すなわち、トンネルバリア層３０は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間に位置しており、第１ハーフメタル層４０と第２ハーフメタル層５０との間に挟まれている。第１ハーフメタル層４０は、第１強磁性層１０とトンネルバリア層３０との間に介在しており、第１強磁性層１０とトンネルバリア層３０の両方に接触している。第２ハーフメタル層５０は、第２強磁性層２０とトンネルバリア層３０との間に介在しており、第２強磁性層２０とトンネルバリア層３０の両方に接触している。

第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０は、強い磁気異方性を有する。その磁気異方性は、面内磁気異方性であってもよいし、垂直磁気異方性であってもよい。第１強磁性層１０と第２強磁性層２０のうち一方は、磁化方向が一方向に固定されたピン層である。第１強磁性層１０と第２強磁性層２０のうち他方は、磁化方向が変化する磁化記録層（フリー層）である。磁壁移動型ＭＲＡＭの場合、磁化記録層は、磁壁が移動する磁壁移動層である。

第１ハーフメタル層４０及び第２ハーフメタル層５０は、ハーフメタル材料で形成される。第１ハーフメタル層４０及び第２ハーフメタル層５０は、１に近い高いスピン分極率を有する。つまり、第１ハーフメタル層４０及び第２ハーフメタル層５０のスピン分極率は、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０のスピン分極率よりも高い。一方、第１ハーフメタル層４０及び第２ハーフメタル層５０の磁気異方性は、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０の磁気異方性よりも小さい。典型的には、第１ハーフメタル層４０及び第２ハーフメタル層５０は、等方的な磁気異方性を有する。

第１強磁性層１０とトンネルバリア層３０との間に介在する第１ハーフメタル層４０は、第１強磁性層１０と磁気的に結合している。その結果、第１ハーフメタル層４０の磁化方向は、第１強磁性層１０の磁化方向に依存して定まる。また、第２強磁性層２０とトンネルバリア層３０との間に介在する第２ハーフメタル層５０は、第２強磁性層２０と磁気的に結合している。その結果、第２ハーフメタル層５０の磁化方向は、第２強磁性層２０の磁化方向に依存して定まる。

トンネルバリア層３０の材料である絶縁性材料としては、結晶系のＭｇＯあるいは非晶質系のＡｌ−Ｏが例示される。

ハーフメタル層４０、５０の材料である高スピン分極率材料（ハーフメタル材料）としては、ハーフメタル性を示すホイスラー合金が挙げられる。特に、等方的な磁気異方性を有する「Ｃｏ_２ＭＸ」で表されるフルホイスラー合金が好適である。ここで、Ｍは、第一遷移元素（Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等）の集合から選択される少なくとも１つの元素であることが好ましい。Ｘは、３Ｂ族元素及び４Ｂ族元素（Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｌ、Ｐｂ等）の集合から選択される少なくとも１つの元素であることが好ましい。例えば、ハーフメタル材料として、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌＳｉ、あるいはＣｏ_２ＣｒＦｅＡｌが用いられる。

磁化記録層（第１強磁性層１０と第２強磁性層２０のうち一方）とピン層（第１強磁性層１０と第２強磁性層２０のうち他方）の材料は、次の通りである。

面内磁気異方性の場合、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢといった合金材料が用いられる。ピン層は、反強磁性層（ＰｔＭｎ）、強磁性層（ＣｏＦｅ）、非磁性層（Ｒｕ）、強磁性層（ＣｏＦｅ）が順番に積層された積層構造を有していてもよい。

垂直磁気異方性の場合、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔといった積層膜が用いられる。あるいは、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｒｅ、Ｃｏ−Ｒｅ−Ｎｉ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏといった合金材料が用いられる。これら垂直磁気異方性材料は磁壁移動特性に優れており、磁壁移動型ＭＲＡＭの場合に特に好適である。ピン層は、反強磁性層（ＰｔＭｎ）、垂直磁化層、非磁性層（Ｒｕ）、垂直磁化層が順番に積層された積層構造を有していてもよい。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、強い磁気異方性を有する磁性体と磁気的に結合する高スピン分極率のハーフメタル層が、トンネルバリア界面に設けられる。従って、デバイスとしての機能を損なうことなく、ＭＴＪ素子１のＭＲ比が向上する。そのようなハーフメタル層が設けられない場合、ＭＲ比は数１０％であるが、本実施の形態によれば、１００％を超えるＭＲ比を実現することが可能である。その結果、読み出し信号が大きくなり、高速データ読み出しが実現される。特に、低書き込み電流及び大容量といった特徴を有する磁壁移動型ＭＲＡＭの場合であっても、磁壁移動特性を損なうことなく、１００％を超えるＭＲ比を実現することが可能である。すなわち、磁壁移動型ＭＲＡＭをより高速化することが可能となる。

２．第２の実施の形態
図２で示された構造から、第１ハーフメタル層４０あるいは第２ハーフメタル層５０のいずれか一方が省かれてもよい。例えば、図３に示されるように、図２で示された構造から第２ハーフメタル層５０が省かれる。この場合、第１強磁性層１０は第１ハーフメタル層４０を介してトンネルバリア層３０に接続されるが、第２強磁性層２０はトンネルバリア層３０に直接接触する。このような構造であっても、第１の実施の形態と同様の効果がある程度得られる。

３．第３の実施の形態
図４は、第３の実施の形態に係るＭＴＪ素子１の断面構造を示している。図４に示されるＭＴＪ素子１は、図２で示された構造に加えて、第１磁気結合層６０と第２磁気結合層７０を更に備えている。第１磁気結合層６０は、第１強磁性層１０と第１ハーフメタル層４０との間に挟まれており、第２磁気結合層７０は、第２強磁性層２０と第２ハーフメタル層５０との間に挟まれている。これら磁気結合層６０、７０の材料としては、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｏｓ、Ｒｅが例示される。この場合、第１強磁性層１０と第１ハーフメタル層４０とは、第１磁気結合層６０を介して磁気的に結合する。また、第２強磁性層２０と第２ハーフメタル層５０とは、第２磁気結合層７０を介して磁気的に結合する。このような構造であっても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。また、磁気結合層（６０，７０）を設けることによって、強磁性層（１０，２０）とハーフメタル層（４０，５０）との間の磁気的結合や結晶性を制御することが可能となる。

４．第４の実施の形態
図４で示された構造から、第１磁気結合層６０あるいは第２磁気結合層７０のいずれか一方が省かれてもよい。例えば、図５に示されるように、図４で示された構造から第２磁気結合層７０が省かれる。この場合、第１強磁性層１０は第１磁気結合層６０を介して第１ハーフメタル層４０に接続されるが、第２強磁性層２０は第２ハーフメタル層５０に直接接触する。このような構造であっても、第３の実施の形態と同様の効果が得られる。

５．第５の実施の形態
図３で示された構造（第２の実施の形態）に、第１磁気結合層６０が追加されてもよい。すなわち、図６に示されるように、第１磁気結合層６０が、第１強磁性層１０と第１ハーフメタル層４０との間に挟まれる。この場合、第１強磁性層１０と第１ハーフメタル層４０とは、第１磁気結合層６０を介して磁気的に結合する。このような構造であっても、第３の実施の形態と同様の効果が得られる。

６．ＭＲＡＭ
図７は、本実施の形態に係るＭＲＡＭを概略的に示している。ＭＲＡＭは、アレイ状に配置された複数のメモリセルを備える。メモリセルとしては、上述のいずれかのＭＴＪ素子１が用いられる。ＭＴＪ素子１のＭＲ比が高いため、高い読み出し出力と高速読み出し動作が実現される。データ書き込み方式は、例えば、磁壁移動方式である。その場合、書き込み電流の低減、メモリセルの高密度化、ＭＲＡＭの大容量化が実現される。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

１ ＭＴＪ素子
１０ 第１強磁性層
２０ 第２強磁性層
３０ トンネルバリア層
４０ 第１ハーフメタル層
５０ 第２ハーフメタル層
６０ 第１磁気結合層
７０ 第２磁気結合層

Claims (8)

1. 第１磁性層と、
   第２磁性層と、
   前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に位置するトンネルバリア層と、
   ハーフメタル材料で形成された第１ハーフメタル層と
   を備え、
   前記第１ハーフメタル層は、前記第１磁性層と前記トンネルバリア層との間に介在し、前記トンネルバリア層と接触し、前記第１磁性層と磁気的に結合する
   磁気トンネル接合素子。
2. 請求項１に記載の磁気トンネル接合素子であって、
   更に、ハーフメタル材料で形成された第２ハーフメタル層を備え、
   前記第２ハーフメタル層は、前記第２磁性層と前記トンネルバリア層との間に介在し、前記トンネルバリア層と接触し、前記第２磁性層と磁気的に結合する
   磁気トンネル接合素子。
3. 請求項２に記載の磁気トンネル接合素子であって、
   更に、前記第１磁性層と前記第１ハーフメタル層との間に挟まれた第１磁気結合層を備え、
   前記第１磁性層と前記第１ハーフメタル層とは、前記第１磁気結合層を介して磁気的に結合する
   磁気トンネル接合素子。
4. 請求項３に記載の磁気トンネル接合素子であって、
   更に、前記第２磁性層と前記第２ハーフメタル層との間に挟まれた第２磁気結合層を備え、
   前記第２磁性層と前記第２ハーフメタル層とは、前記第２磁気結合層を介して磁気的に結合する
   磁気トンネル接合素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子であって、
   前記ハーフメタル材料は、ホイスラー合金である
   磁気トンネル接合素子。
6. 請求項５に記載の磁気トンネル接合素子であって、
   前記ホイスラー合金は、Ｃｏ_２ＭＸで表され、
   Ｍは第一遷移元素であり、
   Ｘは３Ｂ族元素あるいは４Ｂ族元素である
   磁気トンネル接合素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子であって、
   前記第１磁性層と前記第２磁性層のうち一方は、磁化方向が固定されたピン層であり、
   前記第１磁性層と前記第２磁性層のうち他方は、磁壁が移動する磁壁移動層である
   磁気トンネル接合素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子をメモリセルとして備える磁気ランダムアクセスメモリ。

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