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WO2013069091A1 - トンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いたランダムアクセスメモリ - Google Patents

トンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いたランダムアクセスメモリ Download PDF

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Publication number
WO2013069091A1
WO2013069091A1 PCT/JP2011/075698 JP2011075698W WO2013069091A1 WO 2013069091 A1 WO2013069091 A1 WO 2013069091A1 JP 2011075698 W JP2011075698 W JP 2011075698W WO 2013069091 A1 WO2013069091 A1 WO 2013069091A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
tunnel magnetoresistive
recording layer
tunnel
oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2011/075698
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
大野　英男
正二 池田
山本　浩之
洋輔 黒崎
勝哉 三浦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Hitachi Ltd
Original Assignee
Tohoku University NUC
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tohoku University NUC, Hitachi Ltd filed Critical Tohoku University NUC
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Priority to PCT/JP2011/075698 priority patent/WO2013069091A1/ja
Priority to KR1020147014979A priority patent/KR101858308B1/ko
Priority to US14/356,739 priority patent/US9153306B2/en
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    • G11—INFORMATION STORAGE
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    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Materials of the active region

Definitions

  • the present invention relates to a tunnel magnetoresistive effect element having an easy vertical axis and a random access memory using the same.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • An MTJ element has a structure in which a nonmagnetic layer (insulating layer) is sandwiched between two ferromagnetic layers (recording layer, fixed layer), and the magnetization direction of one ferromagnetic layer (recording layer) is set to an external magnetic field. Can be reversed.
  • a nonmagnetic layer insulating layer
  • two ferromagnetic layers (recording layer, fixed layer)
  • the magnetization direction of one ferromagnetic layer (recording layer) is set to an external magnetic field.
  • the MTJ element information is recorded by controlling the magnetization direction of the magnetic layer.
  • an MTJ element having an easy axis of in-plane magnetization (in-plane MTJ element) is used as a recording layer, an MTJ element using spin injection magnetization reversal, and a SPRAM (Spin-transfer) which is a memory in which the MTJ element is integrated. torque Magnetic Random Access Memory).
  • the SPRAM is also called STT-MRAM.
  • the resistance of the element varies depending on the magnetization direction of the recording layer and the fixed layer.
  • the resistance change ratio is called a TMR (Tunnel-Magnetoresistance) ratio
  • a high TMR ratio is desired in order to read “0” and “1” information without error.
  • CoFeB When CoFeB is formed at room temperature, CoFeB grows amorphous. When MgO is formed thereon, MgO (001) crystal grows. When CoFeB is further formed thereon and then annealed, the CoFeB layer is oriented to bcc (001) with the MgO (001) crystal as a nucleus. In the case of an in-plane magnetization TMR element, the bcc (001) orientation of MgO (001) and CoFeB is realized using such a mechanism.
  • the MTJ element applied to the SPRAM is required to have a high TMR ratio, E / k B T, and a low write current I c0 .
  • Non-Patent Document 1 a new perpendicular MTJ element structure using CoFeB as a perpendicular magnetization material has been found (Non-Patent Document 1).
  • CoFeB is usually a material that exhibits an in-plane easy magnetization axis, but perpendicular magnetic anisotropy appears when the CoFeB film thickness is reduced in a structure in which an oxide layer such as MgO is disposed at the interface.
  • the perpendicular MTJ element uses a ferromagnetic material having high crystal magnetic anisotropy as a recording layer, a high E / k B T can be expected. Further, in the case of an in-plane MTJ element, a demagnetizing field that works to prevent magnetization reversal of the recording layer is applied in a direction that assists magnetization reversal in the perpendicular MTJ element. Therefore, it is expected that the write current I c0 can be reduced.
  • the problem with the TMR ratio is that the ferromagnetic material used is an ordered alloy such as FePt, an artificial lattice thin film typified by Co / Pt, and the like, and crystals with MgO (001) that have been used in conventional in-plane MTJ elements.
  • the structural integrity is poor.
  • a combination of an MgO (001) tunnel barrier layer and a bcc (001) structure ferromagnetic layer is basically essential.
  • the conventional perpendicular magnetization material does not have a bcc structure, a high TMR ratio cannot be obtained even when directly connected to the upper and lower sides of the MgO tunnel barrier layer.
  • a structure in which CoFeB or CoFe is arranged between the perpendicular magnetization layer and the MgO tunnel barrier layer is effective.
  • the volume of the ferromagnetic layer (recording layer) increases, Realization of low I c0 becomes difficult.
  • perpendicular magnetization of FePt, Co / Pt, etc. has a large magnetocrystalline anisotropy and a high damping constant ⁇ , compared to the in-plane magnetization material CoFeB.
  • a large magnetocrystalline anisotropy is advantageous for improving E / k B T, but a high damping constant ⁇ increases I c0 .
  • a perpendicular MTJ element having a basic structure of CoFeB / MgO / CoFeB in which perpendicular magnetic anisotropy is developed by disposing an oxide layer at the CoFeB interface and reducing the CoFeB film thickness, MgO (001) And a high TMR ratio based on the bcc (001) structure of CoFeB. Furthermore, a high E / k B T attributed to the perpendicular magnetization structure and a low I c0 attributed to the low damping constant ⁇ can be realized.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the CoFeB thin film originates from the interface with the oxide layer, and in order to improve the perpendicular magnetic anisotropy, an oxide layer is also arranged on the side opposite to the MgO tunnel barrier layer.
  • the structure is promising. However, in the case of the structure, the increase in the number of oxide layers increases the resistance of the entire device, which causes a problem that a current necessary for magnetization reversal cannot flow through the transistor.
  • the thermal stability index (E / k B T) of the recording layer and the fixed layer is maintained while maintaining a high TMR ratio and a low writing current and suppressing an increase in resistance of the entire element.
  • the present invention proposes a structure capable of improving the stability of device operation by increasing or increasing the perpendicular magnetic anisotropy of the fixed layer with respect to the recording layer.
  • a conductive oxide layer is disposed on the opposite side of the tunnel barrier layer in at least one of the recording layer and the fixed layer made of the ferromagnetic material CoFeB.
  • a tunnel magnetoresistive element includes a recording layer having perpendicular magnetic anisotropy, a fixed layer having perpendicular magnetic anisotropy and a fixed magnetization direction, and a gap between the recording layer and the fixed layer. And an oxide tunnel barrier layer disposed on the substrate.
  • the recording layer and the fixed layer are made of a ferromagnetic material containing at least one 3d transition metal, and the magnetization direction is perpendicular to the film surface by controlling the film thickness.
  • a conductive oxide layer is disposed at the interface opposite to the tunnel barrier layer.
  • the fixed layer has a structure in which a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer are stacked, and the first ferromagnetic layer is disposed on the tunnel barrier layer side. ing.
  • the recording layer and the first ferromagnetic layer are made of a ferromagnetic material containing at least one kind of 3d transition metal, and the magnetization direction is perpendicular to the film surface by controlling the film thickness.
  • a conductive oxide layer is disposed at the interface opposite to the barrier layer.
  • the recording layer, the fixed layer, and the first ferromagnetic layer are preferably Fe, CoFe, or CoFeB, and the film thickness is in the range of 0.5 nm to 3 nm.
  • the tunnel barrier layer is preferably MgO or an oxide containing MgO as a main component and Zn added.
  • CoFeB in which oxide layers are arranged on both sides of the front and back surfaces has increased perpendicular magnetic anisotropy.
  • the conductive oxide layer has a lower resistance than the tunnel barrier layer, an increase in resistance of the entire element can be suppressed to a negligible level.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an MTJ element of Example 1.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an MTJ element of Example 2.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an MTJ element of Example 3.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a magnetic memory cell of Example 4.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration of a random access memory according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the MTJ element in Example 1.
  • the lower electrode 12, the oxide underlayer 32, the fixed layer 22, the tunnel barrier layer 10, the recording layer 21, the oxide cap layer 31, the metal cap layer 13, and the upper electrode 11 are formed on the Si substrate 5 on which the thermal oxide film is formed.
  • the thin films are stacked in the order of.
  • MgO film thickness: 1 nm
  • CoFeB film thickness: 1.5 nm
  • CoFeB film thickness: 1 nm
  • RuO 2 (film thickness: 3 nm), which is a conductive oxide, was used for the oxide underlayer 32 and the oxide cap layer 31 that are in contact with the fixed layer 22 and the recording layer 21, respectively.
  • the lower electrode was composed of a laminated film laminated in the order of Ta (film thickness: 5 nm) / Ru (film thickness: 10 nm) / Ta (film thickness: 5 nm) from the substrate side.
  • the metal cap layer 13 was composed of a laminated film laminated in the order of Ta (film thickness: 5 nm) / Ru (film thickness: 10 nm).
  • the upper electrode 11 was composed of a laminated film of Cr (film thickness: 5 nm) / Au (film thickness: 100 nm).
  • Each of the above layers was formed on the Si substrate 5 using an RF sputtering method using Ar gas. After forming the laminated thin film from the bottom up to the metal cap layer 13, it was processed into a pillar shape with a diameter of 100 nm by using electron beam (EB) lithography and ion beam etching. Thereafter, an upper electrode 11 having a laminated structure of Cr (film thickness: 5 nm) / Au (film thickness: 100 nm) was formed. Although not shown, the upper electrode layer 11 and the lower electrode layer 12 are connected to wirings for supplying current to the element. After the device was fabricated, annealing was performed at 300 ° C. in a vertical magnetic field.
  • the ferromagnetic material that constitutes the recording layer 21 and the fixed layer 22 is CoFeB, and the perpendicular magnetic field is different at the interface of the tunnel barrier layer 10 with MgO and the interfaces of the oxide cap layer 31 and the oxide underlayer 32.
  • Anisotropy develops.
  • the film thickness By setting the film thickness appropriately, the easy axis of magnetization is oriented in the vertical direction.
  • the magnetization 61 in the recording layer 21 is reversed depending on the current direction.
  • the fixed layer 22 is thinner than the recording layer 21.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of CoFeB increases as the film thickness is reduced.
  • the fixed layer 22 has a higher current value (write current: I c0 ) that causes magnetization reversal than the recording layer 21.
  • the CoFeB of the recording layer 21 and the fixed layer 22 has a bcc (001) structure by annealing, and a high TMR ratio of 100% or more is obtained due to the combination with the MgO (001) structure of the tunnel barrier layer 10. It was.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the recording layer 21 and the fixed layer 22 is increased by the oxide cap layer 31 and the oxide underlayer 32 as compared with the CoFeB / MgO / CoFeB basic structure without them.
  • the thermal stability E / k B T of the recording layer 21 and the fixed layer 22 increased about twice.
  • the oxide cap layer 31 and the oxide underlayer 32 are made of conductive oxide RuO 2 (film thickness: 3 nm) and have a resistivity of 10 ⁇ 3 ⁇ cm or less, the sheet resistance RA is 0.03 ⁇ m 2. It becomes as follows.
  • RuO 2 is used for the oxide cap layer 31 and the oxide underlayer 32, but other conductive oxides may be used.
  • materials that can be used for the oxide cap layer 31 and the oxide underlayer 32 include VO 2 , CrO 2 , NbO 2 , MoO 2 , WO 2 , ReO 2 , and RhO similar to RuO 2 used in this example.
  • rutile-MoO 2 type oxides such as 2 , OsO 2 , IrO 2 , PtO 2 , V 3 O 5 and Ti 3 O 5 .
  • NaCl type oxides such as TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, NiO, or spinel type typified by LiTi 2 O 4 , LiV 2 O 4 , Fe 3 O 4.
  • Oxides, or perovskite-ReO 3 type oxides such as ReO 3 , CaCrO 3 , SrCrO 3 , BaMoO 3 , SrMoO 3 , CaMoO 3 , LaCuO 3 , CaRuO 3 , SrVO 3 , BaTiO 3 , or Ti 2 O 3 , V 2 O 3 , Rh 2 O 3 and other corundum type oxides, or oxide semiconductors such as ZnO, TiO 2 , SnO 2 , Cu 2 O, Ag 2 O, In 2 O 3 and WO 3 are used. Also good. A plurality of them may be stacked.
  • the conductive oxide used for the cap layer and the underlayer of the vertical MTJ element desirably has a resistivity of 0.1 ⁇ cm or less as a characteristic that does not affect the resistance of the entire element.
  • the film thickness of CoFeB used for the recording layer 21 and the fixed layer 22 of the perpendicular MTJ element is 0.5 nm or more at the minimum, 3 nm or less at the maximum, and more preferably between 1 nm and 2 nm. This is because if the CoFeB film is too thin, it will not function as a ferromagnetic material, whereas if it is too thick, the strength of perpendicular magnetic anisotropy will decrease.
  • CoFeB is used for the recording layer 21 and the fixed layer 22, but it goes without saying that the same effect can be obtained by using other materials having a bcc crystal structure, for example, CoFe or Fe. This is because the perpendicular magnetic anisotropy mechanism used in the present invention is caused by the hybrid of 3d electron orbitals of Fe and Co and 2p electron orbitals of oxide O.
  • MgO is used for the tunnel barrier layer 10, but MgZnO obtained by adding a small amount of Zn to MgO may be used. In that case, since the tunnel resistance of the tunnel barrier layer is reduced while maintaining the NaCl structure necessary for realizing high TMR, the resistance of the element can be further suppressed.
  • Example 2 a structure in which a conductive oxide is disposed only on the fixed layer side is applied.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the MTJ element in Example 2.
  • the oxide cap layer was not disposed on the recording layer 21, and the thickness of CoFeB constituting the recording layer 21 was 1.2 nm.
  • the other laminated structure and the material / film thickness of each layer are the same as in the first embodiment.
  • the device manufacturing method and operation are also the same as in the first embodiment.
  • the CoFeB film thickness (1 nm) of the fixed layer 22 is smaller than the CoFeB film thickness (1.2 nm) of the recording layer 21. Due to this film thickness difference, the perpendicular magnetic anisotropy of the fixed layer 22 is basically larger than that of the recording layer 21. In addition, the perpendicular magnetic anisotropy of the pinned layer 22 is further increased by the oxide underlayer 32.
  • the current (I c0 ) required for the magnetization reversal of the ferromagnetic layer increases with the strength of perpendicular magnetic direction. Therefore, when the magnetization of the recording layer 21 is reversed by the current, it is possible to suppress a malfunction that the magnetization of the fixed layer 22 is reversed.
  • the strength of perpendicular magnetic anisotropy is controlled only by the film thickness of the recording layer 21 and the fixed layer 22.
  • the difference in strength of perpendicular magnetic anisotropy (magnetization reversal current) between the fixed layer 22 and the recording layer 21 is increased by using the oxide layer as the base of the fixed layer. be able to. Thereby, even if the film thickness of the recording layer 21 is close to the film thickness of the fixed layer 22 (even if it is thinned), the operational stability is not impaired.
  • the thickness of the recording layer 21 can be made thinner than that of the basic structure of CoFeB / MgO / CoFeB.
  • the thermal stability E / of the recording layer 21 can be suppressed while erroneous writing of the fixed layer 22 is suppressed.
  • k B T can be improved.
  • the oxide underlayer 32 is a conductive oxide, an increase in resistance of the element can be prevented. It goes without saying that a high TMR ratio exceeding 100% can be realized by using CoFeB.
  • RuO 2 is used for the oxide underlayer 32, but other conductive oxides may be used.
  • materials that can be used for the oxide underlayer 32 include VO 2 , CrO 2 , NbO 2 , MoO 2 , WO 2 , ReO 2 , RhO 2 , OsO 2 , IrO similar to RuO 2 used in this example.
  • rutile-MoO 2 type oxides such as 2 , PtO 2 , V 3 O 5 and Ti 3 O 5 .
  • NaCl type oxides such as TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, NiO, or spinel type typified by LiTi 2 O 4 , LiV 2 O 4 , Fe 3 O 4.
  • Oxides, or perovskite-ReO 3 type oxides such as ReO 3 , CaCrO 3 , SrCrO 3 , BaMoO 3 , SrMoO 3 , CaMoO 3 , LaCuO 3 , CaRuO 3 , SrVO 3 , BaTiO 3 , or Ti 2 O 3 , V 2 O 3 , Rh 2 O 3 and other corundum type oxides, or oxide semiconductors such as ZnO, TiO 2 , SnO 2 , Cu 2 O, Ag 2 O, In 2 O 3 and WO 3 are used. Also good. A plurality of them may be stacked.
  • the conductive oxide used for the base layer of the fixed layer of the vertical MTJ element desirably has a resistivity of 0.1 ⁇ cm or less as a characteristic that does not affect the resistance of the entire element.
  • the film thickness of CoFeB used for the recording layer 21 and the fixed layer 22 of the perpendicular MTJ element is 0.5 nm or more at the minimum, 3 nm or less at the maximum, and more preferably between 1 nm and 2 nm. This is because if the CoFeB film is too thin, it will not function as a ferromagnetic material, whereas if it is too thick, the strength of perpendicular magnetic anisotropy will decrease.
  • CoFeB is used for the recording layer 21 and the fixed layer 22, but it goes without saying that the same effect can be obtained by using other materials having a bcc crystal structure, for example, CoFe or Fe. This is because the perpendicular magnetic anisotropy mechanism used in the present invention is caused by the hybrid of 3d electron orbitals of Fe and Co and 2p electron orbitals of oxide O.
  • MgO is used for the tunnel barrier layer 10, but MgZnO obtained by adding a small amount of Zn to MgO may be used. In that case, since the tunnel resistance of the tunnel barrier layer is reduced while maintaining the NaCl structure necessary for realizing high TMR, the resistance of the element can be further suppressed.
  • Example 3 proposes a perpendicular MTJ element in which a CoFeB recording layer and a fixed layer made of a material other than CoFeB are combined.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the MTJ element in Example 3.
  • the conductive oxide layer is not disposed under the fixed layer 22 but only over the recording layer 21.
  • the fixed layer 22 is formed with a stacked structure of the first ferromagnetic layer 41 and the second ferromagnetic layer 51.
  • the second ferromagnetic layer 51, L1 0 type ordered alloy of Co 50 Pt 50 (thickness: 3nm): CoFeB (2nm thickness) in the first ferromagnetic layer 41 was applied.
  • Other materials, film thicknesses, and device fabrication methods are the same as in Example 1.
  • the first ferromagnetic layer 41 and the second ferromagnetic layer 51 constituting the fixed layer 22 are ferromagnetically coupled, and their magnetization directions are linked. Therefore, since the magnetization of the fixed layer 22 can be regarded as a single magnetization, the operation of the element is the same as that of the first embodiment.
  • the oxide cap layer 31 disposed above the recording layer 21 improves the perpendicular magnetic anisotropy of the recording layer, and increases the thermal stability E / k B T of the recording layer.
  • the CoPt ordered alloy used for the second ferromagnetic layer 51 has a larger perpendicular magnetic anisotropy than the CoFeB thin film of the recording layer 21, which makes the fixed layer 22 magnetically stable. is doing.
  • the first ferromagnetic layer 41 in contact with the MgO tunnel barrier layer 10 is made of CoFeB, a high TMR ratio can be obtained.
  • the thermal stability E / of the recording layer 21 is suppressed as compared with the configuration without the oxide cap layer 31 while suppressing erroneous writing of the fixed layer 22 as in Examples 1 and 2.
  • k B T can be improved.
  • the oxide cap layer 31 is a conductive oxide, an increase in resistance of the element can be prevented.
  • CoFeB is disposed on both sides of the tunnel barrier layer 10, it is needless to say that a high TMR ratio exceeding 100% can be realized.
  • RuO 2 is used for the oxide cap layer 31, but other conductive oxides may be used.
  • materials that can be used for the oxide cap layer 31 include VO 2 , CrO 2 , NbO 2 , MoO 2 , WO 2 , ReO 2 , RhO 2 , OsO 2 , IrO similar to RuO 2 used in this example.
  • rutile-MoO 2 type oxides such as 2 , PtO 2 , V 3 O 5 and Ti 3 O 5 .
  • NaCl type oxides such as TiO, VO, NbO, LaO, NdO, SmO, EuO, SrO, BaO, NiO, or spinel type typified by LiTi 2 O 4 , LiV 2 O 4 , Fe 3 O 4.
  • Oxides, or perovskite-ReO 3 type oxides such as ReO 3 , CaCrO 3 , SrCrO 3 , BaMoO 3 , SrMoO 3 , CaMoO 3 , LaCuO 3 , CaRuO 3 , SrVO 3 , BaTiO 3 , or Ti 2 O 3 , V 2 O 3 , Rh 2 O 3 and other corundum type oxides, or oxide semiconductors such as ZnO, TiO 2 , SnO 2 , Cu 2 O, Ag 2 O, In 2 O 3 and WO 3 are used. Also good. A plurality of them may be stacked.
  • the conductive oxide used for the cap layer of the vertical MTJ element desirably has a resistivity of 0.1 ⁇ cm or less as a characteristic that does not affect the resistance of the entire element.
  • the film thickness of CoFeB used for the first ferromagnetic layer 41 constituting the recording layer 21 and the fixed layer 22 of the perpendicular MTJ element is at least 0.5 nm and at most 3 nm, more preferably from 1 nm to 2 nm. Between. This is because if the CoFeB film is too thin, it will not function as a ferromagnetic material, whereas if it is too thick, the strength of perpendicular magnetic anisotropy will decrease. Further, in this embodiment, CoFeB is used for the first ferromagnetic layer 41 constituting the recording layer 21 and the fixed layer 22, but the same applies when other materials having a bcc crystal structure, such as CoFe or Fe, are used. Needless to say, an effect can be obtained.
  • Example 3 a Co 50 Pt 50 L1 0 type ordered alloy was applied as the perpendicular magnetization material of the second ferromagnetic layer 51 constituting the fixed layer 22, but other perpendicular magnetization materials were applied. The same effect can be obtained.
  • Fe 50 Pt 50 such as a Co-Pt, Co-Pd, Fe-Pt, and L1 0 type ordered alloy mainly composed of Fe-Pd, L1 1 type ordered the Co 50 Pt 50
  • An alloy a m-D0 19 type Co 75 Pt 25 ordered alloy, or a material having a granular structure in which a granular magnetic material such as CoCrPt—SiO 2 or FePt—SiO 2 is dispersed in a non-magnetic matrix, or A laminated film in which an alloy containing one or more of Fe, Co, Ni and nonmagnetic metals such as Ru, Pt, Rh, Pd, and Cr are alternately laminated, or TdFeCo, GdFeCo, etc., Gd, Dy, An amorphous alloy containing a transition metal in a rare earth metal such as Tb, or a Co-based alloy such as CoCr or CoPtCr may be used.
  • MgO is used for the tunnel barrier layer 10, but MgZnO obtained by adding a small amount of Zn to MgO may be used. In that case, since the tunnel resistance of the tunnel barrier layer is reduced while maintaining the NaCl structure necessary for realizing high TMR, the resistance of the element can be further suppressed.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a magnetic memory cell according to the present invention.
  • This magnetic memory cell is equipped with any of the MTJ elements 110 shown in the first to third embodiments.
  • the transistor 111 includes two n-type semiconductors 112 and 113 and one p-type semiconductor 114.
  • a source line 224 is connected to the n-type semiconductor 112 through the electrode 121.
  • the MTJ element 110 is connected to the n-type semiconductor 113 through the electrode 122 and the electrode 146.
  • a word line 223 is connected to the gate electrode 123. ON / OFF of the gate electrode 123 is controlled by a signal from the word line, and ON / OFF of a current flowing between the electrode 122 and the electrode 121 is controlled.
  • the bit line 222 is connected to the upper electrode 11 of the MTJ element 110.
  • the transistor 111 is controlled to pass a current between the bit line 222 and the electrode 146.
  • the spin transfer torque due to this current acts on the magnetization of the recording layer in the MTJ element 110 to reverse the direction of magnetization. Thereby, magnetic information of the MTJ element 110 is recorded.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a magnetic random access memory in which the magnetic memory cells are arranged.
  • a word line 223 is connected to the gate electrode 123 of the transistor 111, a source line 224 is connected to another electrode 121 of the transistor, and a bit line 222 is connected to the MTJ element 110.
  • writing is first boosted by sending a write enable signal to the write driver 230 connected to the bit line 222 through which a current is to flow.
  • a write enable signal is sent to the write driver 232 connected to the word line 223 to boost the write driver 232 and turn on the transistor 111 connected to the MTJ element to be written.
  • a current flows from the MTJ element 110 to the transistor 111, and spin torque magnetization reversal is performed.
  • the signal to the write driver 232 is disconnected and the transistor is turned off.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

高いＴＭＲ比、低い書き込み電流を実現し、さらに素子全体の抵抗増大を抑制しつつ、記録層及び固定層の熱安定性指数（Ｅ／ｋBＴ）を高めることで安定した動作が可能になるトンネル磁気抵抗効果素子を提供する。 ＣｏＦｅＢからなる記録層２１、固定層２２の少なくとも一方において、トンネルバリア層１０と反対側に導電性酸化物層３１，３２を配置した。

Description

トンネル磁気抵抗効果素子及びそれを用いたランダムアクセスメモリ
　本発明は、垂直容易軸を有するトンネル磁気抵抗効果素子それを用いたランダムアクセスメモリに関するものである。
　近年、磁性体を用いたメモリとしてＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が開発されている。ＭＲＡＭは、トンネル磁気抵抗（Tunneling Magnetoresistive：ＴＭＲ）効果を利用するＭＴＪ（Magnetic Tunneling Junction）を要素素子として用いる。ＭＴＪ素子は２枚の強磁性体層（記録層、固定層）で非磁性体層（絶縁層）を挟んだ構造を有し、片側の強磁性体層（記録層）の磁化方向を外部磁場によって反転できる。このように、ＭＴＪ素子では磁性体層の磁化方向を制御することによって、情報を記録する。電源を切っても磁性体の磁化方向は変化しないため、記録した情報が保持される不揮発動作を実現できる。ＭＴＪ素子の磁化方向を変化させる（情報を書き換える）には、外部から磁場を印加する方式の他、近年、ＭＴＪ素子に直接直流電流を流して磁化を反転させる、スピントランスファートルク磁化反転（スピン注入磁化反転）方式が見出されている。例えば、特許文献１には面内磁化容易軸を持つＭＴＪ素子（面内ＭＴＪ素子）を記録層として用い、スピン注入磁化反転を利用するＭＴＪ素子及びそれを集積したメモリであるＳＰＲＡＭ（Spin-transfer torque Magnetic Random Access Memory）が開示されている。なお、ＳＰＲＡＭは、ＳＴＴ－ＭＲＡＭとも呼ばれる。
　ＭＴＪ素子は、記録層と固定層の磁化方向の違いにより、素子の抵抗が変わる。その抵抗変化比をＴＭＲ（Tunnel Magnetoresistance）比と呼び、メモリ応用では“０”と“１”の情報を誤り無く判読するために高いＴＭＲ比が望まれる。高いＴＭＲ比を得るためには、トンネルバリア層とその両側の高分極率磁性層の結晶配向制御が重要である。これまでの面内ＭＴＪの研究から、ＮａＣｌ構造をもつＭｇＯ（００１）をトンネルバリア層として用い、その両側にｂｃｃ（００１）結晶構造をもつＣｏＦｅＢ層やＣｏＦｅ層を配置すると、高いＴＭＲ比が得られることが知られている。室温でＣｏＦｅＢを形成すると、ＣｏＦｅＢはアモルファスで成長する。その上にＭｇＯを形成すると、ＭｇＯ（００１）結晶が成長する。その上にさらにＣｏＦｅＢを形成した後、アニール処理を行うと、ＭｇＯ（００１）結晶を核にしてＣｏＦｅＢ層はｂｃｃ（００１）に結晶配向する。面内磁化ＴＭＲ素子の場合、このような機構を利用してＭｇＯ（００１）とＣｏＦｅＢのｂｃｃ（００１）配向を実現する。
　また、ＳＰＲＡＭでは、ＭＴＪ素子に接続したトランジスタによって電流を流し、ＭＴＪ素子の記録層の磁化を反転させる。メモリの高集積化に伴いトランジスタのゲート長が縮小すると、トランジスタが流せる電流量も低下する。したがって、ＳＲＰＡＭに適用するＭＴＪ素子には、より低い書き込み電流Ｉc0が求められる。さらに、素子の微細化を進める際には、ＭＴＪ素子における磁気情報の熱的安定性が課題となる。ＭＴＪ素子の記録層の磁化方向を反転させるために必要な磁気エネルギーバリア（Ｅ）に対し、環境温度による熱エネルギー（ｋBＴ、ここでｋBはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）が高くなる場合、外部磁場もしくは電流を印加しなくとも磁化の反転が起こる。サイズの縮小とともにＭＴＪ素子の磁気エネルギーバリアが減少するため、素子の微細化に伴い熱安定性指数Ｅ／ｋBＴは低下する。以上のように、ＳＰＲＡＭに適用するＭＴＪ素子には、高いＴＭＲ比とＥ／ｋBＴ、及び低い書き込み電流Ｉc0が求められる。
　高Ｅ／ｋBＴと低Ｉc0の特性改善に有望な構造として、垂直磁化材料を用いたＭＴＪ素子（垂直ＭＴＪ素子）の開発が進められている（例えば、特許文献２）。また、ＣｏＦｅＢを垂直磁化材料として用いる新しい垂直ＭＴＪ素子構造が見出されている（非特許文献１）。ＣｏＦｅＢは通常、面内磁化容易軸を示す材料であるが、その界面にＭｇＯなどの酸化物層を配置した構造でＣｏＦｅＢ膜厚を薄くしていくと垂直磁気異方性が発現する。
特開２００５－１１６９２３号公報 特開２００７－１４２３６４号公報
S. Ikeda et al., Nature Materials, 9, 721 (2010)
　垂直ＭＴＪ素子は、高い結晶磁気異方性を有する強磁性材用を記録層として用いるため、高いＥ／ｋBＴが期待できる。さらに、面内ＭＴＪ素子の場合には記録層の磁化反転を妨げるように働く反磁場が、垂直ＭＴＪ素子では磁化反転をアシストする方向にかかる。そのため、書き込み電流Ｉc0を低減できると期待される。
　しかし、実際に作製した垂直ＭＴＪ素子において、高ＴＭＲ比、高Ｅ／ｋBＴ、低Ｉc0をいずれも満足することは非常に難しい。まず、ＴＭＲ比における問題は、用いる強磁性材料がＦｅＰｔ等の規則合金やＣｏ／Ｐｔに代表される人工格子薄膜などであり、従来面内ＭＴＪ素子で用いてきた、ＭｇＯ（００１）との結晶構造の整合性が悪いことである。１００％を越える高いＴＭＲ比を得るためには、ＭｇＯ（００１）トンネルバリア層とｂｃｃ（００１）構造の強磁性層との組み合わせが基本的に必須である。従来の垂直磁化材料はｂｃｃ構造ではないため、ＭｇＯトンネルバリア層の上下に直接接続しても高いＴＭＲ比は得られない。ＴＭＲ比を向上させるには垂直磁化層とＭｇＯトンネルバリア層の間にＣｏＦｅＢやＣｏＦｅを配置する構造が有効であるが、この構造の場合、強磁性体層（記録層）の体積が増大し、低Ｉc0の実現は困難になる。さらに、ＦｅＰｔやＣｏ／Ｐｔなどの垂直磁化は、面内磁化材料のＣｏＦｅＢに比べて、結晶磁気異方性が大きい一方、ダンピング定数αが高い。大きい結晶磁気異方性はＥ／ｋBＴの向上に有利であるが、高いダンピング定数αはＩc0を増大させる。
　一方、ＣｏＦｅＢの界面に酸化物層を配置してＣｏＦｅＢ膜厚を薄くすることで垂直磁気異方性を発現させた、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢを基本構造とした垂直ＭＴＪ素子では、ＭｇＯ（００１）とＣｏＦｅＢのｂｃｃ（００１）構造に基づく高いＴＭＲ比が得られる。さらに、垂直磁化構造に起因した高Ｅ／ｋBＴと、低いダンピング定数αに起因した低Ｉc0を実現できる。
　このように優れた特性を示すＣｏＦｅＢ垂直ＭＴＪ素子であるが、高集積メモリへの適用に向けては更なる特性改善が望まれる。ＭＴＪ素子の本質的な課題として、素子の微細化に伴う熱安定性（Ｅ／ｋBＴ）の低下があり、高集積・極微細化に対応できるようＣｏＦｅＢ層の垂直磁気異方性を高めることが望ましい。また、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢの基本構造の場合、固定層と記録層の磁化反転のし易さ（すなわち、書き込み電流Ｉc0）はＣｏＦｅＢ膜厚のみで決まる。記録層の磁化反転時に、誤って固定層を磁化反転させない安定動作を得るには、固定層側の垂直磁気異方性を更に向上させることが望ましい。以上の課題に関して、ＣｏＦｅＢ薄膜の垂直磁気異方性は酸化物層との界面が起源であり、垂直磁気異方性を向上するにはＭｇＯトンネルバリア層と反対側にも酸化物層を配置する構造が有望である。しかし、その構造の場合、酸化物層が増えることで素子全体の抵抗が増大し、磁化反転に必要な電流をトランジスタで流せなくなる問題が生じる。
　本発明は、垂直ＭＴＪ素子において、高いＴＭＲ比と低い書き込み電流を維持しつつ、かつ、素子全体の抵抗増大を抑制しながら記録層及び固定層の熱安定性指数（Ｅ／ｋBＴ）を高める、あるいは記録層に対する固定層の垂直磁気異方性を増大することで、素子動作の安定性を向上できる構造を提案するものである。
　本発明では、ＣｏＦｅＢを用いた垂直ＭＴＪ素子において、強磁性材料ＣｏＦｅＢからなる記録層、固定層の少なくとも一方において、トンネルバリア層と反対側に導電性酸化物層を配置する。
　本発明によるトンネル磁気抵抗効果素子は、垂直磁気異方性を有する記録層と、垂直磁気異方性を有し磁化の方向が一方向に固定された固定層と、記録層と固定層の間に配置された酸化物のトンネルバリア層とを備る。
　本発明の一態様によると、記録層及び前記固定層は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料で構成され、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、記録層と固定層の少なくとも一方は、トンネルバリア層と反対側の界面に導電性酸化物層が配置されている。
　本発明の別の態様によると、固定層は、第１の強磁性層と第２の強磁性層を積層した構造を有し、第１の強磁性層は前記トンネルバリア層の側に配置されている。記録層及び第１の強磁性層は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料で構成され、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、記録層のトンネルバリア層と反対側の界面に導電性酸化物層が配置されている。
　記録層、固定層、及び第１の強磁性層はＦｅ，ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢであるのが好ましく、膜厚は、０．５ｎｍ～３ｎｍの範囲である。また、トンネルバリア層はＭｇＯ、あるいはＭｇＯを主成分としてＺｎを添加した酸化物とするのが好ましい。
　表面と裏面の両側に酸化物層が配置されたＣｏＦｅＢは、垂直磁気異方性が増大する。その際、導電性酸化物層はトンネルバリア層に比べて抵抗が低いため、素子全体の抵抗増大は無視できる程度に抑えられる。結果として、本発明によると、低抵抗でかつ、高い熱安定性を有し、また、固定層の誤書き込みがなく安定に動作する垂直ＭＴＪ素子が得られる。
　上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１のＭＴＪ素子の断面模式図である。 実施例２のＭＴＪ素子の断面模式図である。 実施例３のＭＴＪ素子の断面模式図である。 実施例４の磁気メモリセルの構成を示す断面模式図である。 実施例４のランダムアクセスメモリの構成を示す模式図である。
　本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
＜実施例１＞
　図１に、実施例１におけるＭＴＪ素子の断面模式図を示す。熱酸化膜が形成されたＳｉ基板５の上に下部電極１２、酸化物下地層３２、固定層２２、トンネルバリア層１０、記録層２１、酸化物キャップ層３１、金属キャップ層１３、上部電極１１の順で薄膜を積層する。トンネルバリア層１０にはＭｇＯ（膜厚：１ｎｍ）を用いた。記録層２１を構成する強磁性層にはＣｏＦｅＢ（膜厚：１．５ｎｍ）を適用し、固定層２２を構成する強磁性層にはＣｏＦｅＢ（膜厚：１ｎｍ）を適用した。固定層２２と記録層２１にそれぞれ接する、酸化物下地層３２と酸化物キャップ層３１には、導電性酸化物であるＲｕＯ2（膜厚：３ｎｍ）を用いた。また、下部電極は基板側からＴａ（膜厚：５ｎｍ）／Ｒｕ（膜厚：１０ｎｍ）／Ｔａ（膜厚：５ｎｍ）の順で積層した積層膜で構成した。金属キャップ層１３はＴａ（膜厚：５ｎｍ）／Ｒｕ（膜厚：１０ｎｍ）の順で積層した積層膜で構成した。また、上部電極１１はＣｒ（膜厚：５ｎｍ）／Ａｕ（膜厚：１００ｎｍ）の積層膜で構成した。
　上記の各層はＡｒガスを用いたＲＦスパッタリング法を用いてＳｉ基板５の上に形成した。下から順に金属キャップ層１３までの積層薄膜を形成した後、電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィとイオンビームエッチングを用いて、直径１００ｎｍのピラー形状に加工した。その後、Ｃｒ（膜厚：５ｎｍ）／Ａｕ（膜厚：１００ｎｍ）積層構造の上部電極１１を形成した。なお、図示はしていないが、上部電極層１１と下部電極層１２にはそれぞれ、素子に電流を流すための配線が接続される。素子を作製後、垂直磁場中において３００℃のアニールを行った。
　素子の動作について説明する。まず、記録層２１と固定層２２を構成する強磁性体はＣｏＦｅＢであり、トンネルバリア層１０のＭｇＯとの界面、及び、酸化物キャップ層３１、酸化物下地層３２との界面で垂直磁気異方性が発現する。その膜厚を適切に設定することで磁化容易軸は垂直方向を向いている。ＭＴＪ素子に電流７０を流すと、その電流方向によって記録層２１内の磁化６１が反転する。一方、固定層２２は記録層２１よりも膜厚が薄い。ＣｏＦｅＢの垂直磁気異方性は膜厚低減によって増大する性質があり、そのため固定層２２では磁化反転を起こす電流値（書き込み電流：Ｉc0）が記録層２１よりも高い。これにより、記録層２１の磁化６１を反転させる際、固定層２２の磁化６２は反転せず固定されている。
　トンネルバリア層１０を挟んで対向する記録層２１の磁化６１と、固定層２２の磁化６２が平行配列のとき、素子は低抵抗状態となる。逆に、磁化６１と磁化６２が反平行配列のとき、素子は高抵抗状態となる。記録層２１と固定層２２のＣｏＦｅＢはアニール処理によってｂｃｃ（００１）構造となっており、トンネルバリア層１０のＭｇＯ（００１）構造との組み合わせに起因して１００％以上の高いＴＭＲ比が得られた。
　本実施例では、酸化物キャップ層３１と酸化物下地層３２によって、それらが無いＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ基本構造に比べて、記録層２１と固定層２２の垂直磁気異方性が増大する。結果として、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ基本構造に比べて、記録層２１及び固定層２２の熱安定性Ｅ／ｋBＴは約２倍に増大した。さらに、酸化物キャップ層３１と酸化物下地層３２は導電性酸化物のＲｕＯ2（膜厚：３ｎｍ）であり、その抵抗率は１０-3Ωｃｍ以下のため、面積抵抗ＲＡは０．０３Ωμｍ2以下となる。これは、ＭｇＯトンネルバリア層１０（膜厚：１ｎｍ）のＲＡ＝約１０Ωμｍ2と比べて３桁も小さい。つまり、ＭＴＪ素子の抵抗を決定する支配的要因はＭｇＯトンネルバリア層１０であり、ＲｕＯ2層による寄与はほぼ無視できる。結果として、本実施例の構成では、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ基本構造を有するＭＴＪ素子の抵抗とほぼ同程度の抵抗を維持しながら熱安定性Ｅ／ｋBＴを向上できる。
　本実施例では、酸化物キャップ層３１と酸化物下地層３２にＲｕＯ2を用いたが、他の導電性酸化物を用いても良い。酸化物キャップ層３１や酸化物下地層３２に用いることのできる材料としては、本実施例で用いたＲｕＯ2と同類のＶＯ2，ＣｒＯ2，ＮｂＯ2，ＭｏＯ2，ＷＯ2，ＲｅＯ2，ＲｈＯ2，ＯｓＯ2，ＩｒＯ2，ＰｔＯ2，Ｖ3Ｏ5，Ｔｉ3Ｏ5などのルチル－ＭｏＯ2型酸化物がある。また、ＴｉＯ，ＶＯ，ＮｂＯ，ＬａＯ，ＮｄＯ，ＳｍＯ，ＥｕＯ，ＳｒＯ，ＢａＯ，ＮｉＯなどのＮａＣｌ型酸化物、あるいは、ＬｉＴｉ2Ｏ4，ＬｉＶ2Ｏ4，Ｆｅ3Ｏ4に代表されるスピネル型酸化物、あるいは、ＲｅＯ3，ＣａＣｒＯ3，ＳｒＣｒＯ3，ＢａＭｏＯ3，ＳｒＭｏＯ3，ＣａＭｏＯ3，ＬａＣｕＯ3，ＣａＲｕＯ3，ＳｒＶＯ3，ＢａＴｉＯ3などのペロブスカイト－ＲｅＯ3型酸化物、あるいは、Ｔｉ2Ｏ3，Ｖ2Ｏ3，Ｒｈ2Ｏ3などのコランダム型酸化物、あるいは、ＺｎＯ，ＴｉＯ2，ＳｎＯ2，Ｃｕ2Ｏ，Ａｇ2Ｏ，Ｉｎ2Ｏ3，ＷＯ3などの酸化物半導体を用いてもよい。また、それらを複数積層してもよい。その中で垂直ＭＴＪ素子のキャップ層、下地層に用いる導電性酸化物としては、素子全体の抵抗に影響を与えない特性として、抵抗率が０．１Ωｃｍ以下であることが望ましい。
　垂直ＭＴＪ素子の記録層２１、固定層２２に用いるＣｏＦｅＢの膜厚は、最小でも０．５ｎｍ以上、最大でも３ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍから２ｎｍの間である。これは、ＣｏＦｅＢの膜厚が薄過ぎると強磁性体として機能せず、一方で厚過ぎると、垂直磁気異方性の強さが低下するためである。また、本実施例では、記録層２１、固定層２２にＣｏＦｅＢを用いたが、ｂｃｃ結晶構造をもつその他の材料、例えばＣｏＦｅやＦｅを用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。これは本発明で利用している垂直磁気異方性の発現機構が、ＦｅやＣｏの３ｄ電子軌道と酸化物のＯの２ｐ電子軌道の混成に起因するからである。
　また、本実施例では、トンネルバリア層１０にＭｇＯを用いたが、ＭｇＯにＺｎを少量添加したＭｇＺｎＯを用いても良い。その場合、高いＴＭＲを実現するために必要なＮａＣｌ構造を維持しつつトンネルバリア層のトンネル抵抗が低減するため、素子の抵抗をさらに抑制することが可能となる。
＜実施例２＞
　実施例２は、固定層側にのみ導電性酸化物を配置する構造を適用するものである。図２に、実施例２におけるＭＴＪ素子の断面模式図を示す。実施例２では、実施例１と異なり、記録層２１の上に酸化物キャップ層を配置せず、また、記録層２１を構成するＣｏＦｅＢの膜厚を１．２ｎｍとした。それ以外の積層構造、及び各層の材料・膜厚については実施例１と同様である。また、素子の作製方法及び動作についても実施例１と同様である。
　実施例２の場合でも、固定層２２のＣｏＦｅＢ膜厚（１ｎｍ）は、記録層２１のＣｏＦｅＢ膜厚（１．２ｎｍ）に比べて薄い。この膜厚差に起因して、基本的に固定層２２の垂直磁気異方性は記録層２１よりも大きい。それに加え、酸化物下地層３２によって、固定層２２の垂直磁気異方性はさらに増大する。強磁性層の磁化反転に必要な電流（Ｉc0）は垂直磁気方性の強さとともに増大する。よって、電流によって記録層２１を磁化反転させる際に、固定層２２が磁化反転してしまう誤動作を抑制できる。
　従来のＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ基本構造では、垂直磁気異方性の強さは、記録層２１と固定層２２の膜厚のみで制御していた。これに対し、実施例２の構造では、酸化物層を固定層の下地に用いることで、固定層２２と記録層２１の垂直磁気異方性の強さ（磁化反転電流）の差を大きくとることができる。これにより、記録層２１の膜厚を固定層２２の膜厚に近づけても（薄層化しても）、動作の安定性が損なわれない。つまり、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ基本構造に比べて、記録層２１の膜厚をより薄くすることができ、結果として、固定層２２の誤書き込みを抑制しつつ、記録層２１の熱安定性Ｅ／ｋBＴを向上できる。その際、酸化物下地層３２は導電性酸化物であるため、素子の抵抗増大は防げる。またＣｏＦｅＢを用いることで、１００％を越える高いＴＭＲ比が実現できるのは言うまでもない。
　本実施例では、酸化物下地層３２にＲｕＯ2を用いたが他の導電性酸化物を用いても良い。酸化物下地層３２に用いることのできる材料としては、本実施例で用いたＲｕＯ2と同類のＶＯ2，ＣｒＯ2，ＮｂＯ2，ＭｏＯ2，ＷＯ2，ＲｅＯ2，ＲｈＯ2，ＯｓＯ2，ＩｒＯ2，ＰｔＯ2，Ｖ3Ｏ5，Ｔｉ3Ｏ5などのルチル－ＭｏＯ2型酸化物がある。また、ＴｉＯ，ＶＯ，ＮｂＯ，ＬａＯ，ＮｄＯ，ＳｍＯ，ＥｕＯ，ＳｒＯ，ＢａＯ，ＮｉＯなどのＮａＣｌ型酸化物、あるいは、ＬｉＴｉ2Ｏ4，ＬｉＶ2Ｏ4，Ｆｅ3Ｏ4に代表されるスピネル型酸化物、あるいは、ＲｅＯ3，ＣａＣｒＯ3，ＳｒＣｒＯ3，ＢａＭｏＯ3，ＳｒＭｏＯ3，ＣａＭｏＯ3，ＬａＣｕＯ3，ＣａＲｕＯ3，ＳｒＶＯ3，ＢａＴｉＯ3などのペロブスカイト－ＲｅＯ3型酸化物、あるいは、Ｔｉ2Ｏ3，Ｖ2Ｏ3，Ｒｈ2Ｏ3などのコランダム型酸化物、あるいは、ＺｎＯ，ＴｉＯ2，ＳｎＯ2，Ｃｕ2Ｏ，Ａｇ2Ｏ，Ｉｎ2Ｏ3，ＷＯ3などの酸化物半導体を用いてもよい。また、それらを複数積層してもよい。その中で、垂直ＭＴＪ素子の固定層の下地層に用いる導電性酸化物としては、素子全体の抵抗に影響を与えない特性として、抵抗率が０．１Ωｃｍ以下であることが望ましい。
　垂直ＭＴＪ素子の記録層２１、固定層２２に用いるＣｏＦｅＢの膜厚は、最小でも０．５ｎｍ以上、最大でも３ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍから２ｎｍの間である。これは、ＣｏＦｅＢの膜厚が薄過ぎると強磁性体として機能せず、一方で厚過ぎると、垂直磁気異方性の強さが低下するためである。また、本実施例では、記録層２１、固定層２２にＣｏＦｅＢを用いたが、ｂｃｃ結晶構造をもつその他の材料、例えばＣｏＦｅやＦｅを用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。これは本発明で利用している垂直磁気異方性の発現機構が、ＦｅやＣｏの３ｄ電子軌道と酸化物のＯの２ｐ電子軌道の混成に起因するからである。
　また、本実施例では、トンネルバリア層１０にＭｇＯを用いたが、ＭｇＯにＺｎを少量添加したＭｇＺｎＯを用いても良い。その場合、高いＴＭＲを実現するために必要なＮａＣｌ構造を維持しつつトンネルバリア層のトンネル抵抗が低減するため、素子の抵抗をさらに抑制することが可能となる。
＜実施例３＞
　実施例３は、ＣｏＦｅＢの記録層と、ＣｏＦｅＢ以外の材料からなる固定層を組み合わせた垂直ＭＴＪ素子を提案するものである。図３に、実施例３におけるＭＴＪ素子の断面模式図を示す。実施例３では、実施例１と異なり、導電性酸化物層は固定層２２の下には配置せず、記録層２１の上にのみ配置する。さらに、実施例３では、固定層２２を、第１の強磁性層４１と第２の強磁性層５１の積層構造で作製する。第１の強磁性層４１にはＣｏＦｅＢ（膜厚：２ｎｍ）を用い、第２の強磁性層５１には、Ｃｏ50Ｐｔ50のＬ１0型規則合金（膜厚：３ｎｍ）を適用した。それ以外の材料・膜厚、素子の作製方法については実施例１と同様である。また、固定層２２を構成する第１の強磁性層４１と第２の強磁性層５１は強磁性結合しており、その磁化方向は連動している。よって、固定層２２の磁化は単一の磁化としてみなせるため、素子の動作も実施例１と同様である。
　記録層２１の上部に配置された酸化物キャップ層３１によって記録層の垂直磁気異方性が向上し、記録層の熱安定性Ｅ／ｋBＴは増大する。また、実施例３の場合、第２の強磁性層５１に用いたＣｏＰｔ規則合金は、記録層２１のＣｏＦｅＢ薄膜に比べて垂直磁気異方性が大きく、これによって固定層２２は磁気的に安定している。さらに、ＭｇＯのトンネルバリア層１０と接する第１の強磁性層４１はＣｏＦｅＢであるため、高いＴＭＲ比が得られる。よって、本実施例の構造を用いると、実施例１、２と同様、固定層２２の誤書き込みを抑制しつつ、酸化物キャップ層３１が無い構成に比べて記録層２１の熱安定性Ｅ／ｋBＴを向上できる。その際、酸化物キャップ層３１は導電性酸化物であるため、素子の抵抗増大は防げる。また、トンネルバリア層１０の両側にＣｏＦｅＢを配置するため、１００％を越える高いＴＭＲ比が実現できるのは言うまでもない。
　本実施例では、酸化物キャップ層３１にＲｕＯ2を用いたが他の導電性酸化物を用いても良い。酸化物キャップ層３１に用いることのできる材料としては、本実施例で用いたＲｕＯ2と同類のＶＯ2，ＣｒＯ2，ＮｂＯ2，ＭｏＯ2，ＷＯ2，ＲｅＯ2，ＲｈＯ2，ＯｓＯ2，ＩｒＯ2，ＰｔＯ2，Ｖ3Ｏ5，Ｔｉ3Ｏ5などのルチル－ＭｏＯ2型酸化物がある。また、ＴｉＯ，ＶＯ，ＮｂＯ，ＬａＯ，ＮｄＯ，ＳｍＯ，ＥｕＯ，ＳｒＯ，ＢａＯ，ＮｉＯなどのＮａＣｌ型酸化物、あるいは、ＬｉＴｉ2Ｏ4，ＬｉＶ2Ｏ4，Ｆｅ3Ｏ4に代表されるスピネル型酸化物、あるいは、ＲｅＯ3，ＣａＣｒＯ3，ＳｒＣｒＯ3，ＢａＭｏＯ3，ＳｒＭｏＯ3，ＣａＭｏＯ3，ＬａＣｕＯ3，ＣａＲｕＯ3，ＳｒＶＯ3，ＢａＴｉＯ3などのペロブスカイト－ＲｅＯ3型酸化物、あるいは、Ｔｉ2Ｏ3，Ｖ2Ｏ3，Ｒｈ2Ｏ3などのコランダム型酸化物、あるいは、ＺｎＯ，ＴｉＯ2，ＳｎＯ2，Ｃｕ2Ｏ，Ａｇ2Ｏ，Ｉｎ2Ｏ3，ＷＯ3などの酸化物半導体を用いてもよい。また、それらを複数積層してもよい。その中で、垂直ＭＴＪ素子のキャップ層に用いる導電性酸化物としては、素子全体の抵抗に影響を与えない特性として、抵抗率が０．１Ωｃｍ以下であることが望ましい。
　垂直ＭＴＪ素子の記録層２１、固定層２２を構成する第１の強磁性層４１に用いるＣｏＦｅＢの膜厚は、最小でも０．５ｎｍ以上、最大でも３ｎｍ以下であり、より好ましくは１ｎｍから２ｎｍの間である。これは、ＣｏＦｅＢの膜厚が薄過ぎると強磁性体として機能せず、一方で厚過ぎると、垂直磁気異方性の強さが低下するためである。また、本実施例では、記録層２１、固定層２２を構成する第１の強磁性層４１にＣｏＦｅＢを用いたが、ｂｃｃ結晶構造をもつその他の材料、例えばＣｏＦｅやＦｅを用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。
　また、実施例３では、固定層２２を構成する第２の強磁性層５１の垂直磁化材料としてＣｏ50Ｐｔ50のＬ１0型規則合金を適用したが、それ以外の垂直磁化材料を適用しても同様の効果が得られる。具体的な材料として、例えば、Ｆｅ50Ｐｔ50等のＣｏ―Ｐｔ，Ｃｏ－Ｐｄ，Ｆｅ－Ｐｔ，Ｆｅ－Ｐｄを主成分とするＬ１0型規則合金や、Ｃｏ50Ｐｔ50のＬ１1型規則合金や、ｍ－Ｄ０19型のＣｏ75Ｐｔ25規則合金、もしくは、ＣｏＣｒＰｔ－ＳｉＯ2、ＦｅＰｔ－ＳｉＯ2など粒状の磁性体が非磁性体の母相中に分散したグラニュラー構造の材料、もしくは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのいずれか１つ又は複数を含む合金と、Ｒｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｒなどの非磁性金属を交互に積層した積層膜、もしくは、ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏなど、Ｇｄ，Ｄｙ，Ｔｂ等の希土類金属に遷移金属を含んだアモルファス合金、もしくは、ＣｏＣｒやＣｏＰｔＣｒなどのＣｏ系合金を用いてもよい。
　また、本実施例では、トンネルバリア層１０にＭｇＯを用いたが、ＭｇＯにＺｎを少量添加したＭｇＺｎＯを用いても良い。その場合、高いＴＭＲを実現するために必要なＮａＣｌ構造を維持しつつトンネルバリア層のトンネル抵抗が低減するため、素子の抵抗をさらに抑制することが可能となる。
＜実施例４＞
　実施例４は、本発明によるＭＴＪ素子を適用したランダムアクセスメモリを提案するものである。図４は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、実施例１～３に示したＭＴＪ素子１１０のいずれかを搭載している。
　トランジスタ１１１は、２つのｎ型半導体１１２，１１３と一つのｐ型半導体１１４からなる。ｎ型半導体１１２に電極１２１を介してソース線２２４が接続される。ｎ型半導体１１３には、電極１２２および電極１４６を介して、ＭＴＪ素子１１０が接続される。さらにゲート電極１２３には、図示していないがワード線２２３が接続される。ワード線からの信号によってゲート電極１２３のＯＮ／ＯＦＦを制御し、電極１２２と電極１２１の間に流れる電流のＯＮ／ＯＦＦを制御する。ビット線２２２は、ＭＴＪ素子１１０の上部電極１１に接続されている。本実施例の磁気メモリセルでは、トランジスタ１１１を制御して、ビット線２２２と電極１４６の間に電流を流す。この電流によるスピントランスファートルクがＭＴＪ素子１１０中の記録層の磁化に作用し、磁化の方向を反転させる。これによりＭＴＪ素子１１０の磁気的情報を記録する。
　図５は、上記磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。トランジスタ１１１のゲート電極１２３にワード線２２３が接続され、トランジスタの別の電極１２１にはソース線２２４が接続され、ＭＴＪ素子１１０にはビット線２２２、が接続される。
　本構成の場合の書込みは、まず、電流を流したいビット線２２２に接続された書き込みドライバ２３０にライトイネーブル信号を送って昇圧する。次に、ワード線２２３に接続された書き込みドライバ２３２にライトイネーブル信号を送り、書き込みドライバ２３２を昇圧して、書き込みたいＭＴＪ素子に接続されたトランジスタ１１１をオンにする。これによりＭＴＪ素子１１０からトランジスタ１１１の方向に電流が流れ、スピントルク磁化反転が行われる。所定の時間、トランジスタをオンにしたのち、書込みドライバ２３２への信号を切断し、トランジスタをオフにする。ＭＴＪ素子１１０の記録層の磁化方向を反転する（“０”，“１”情報を書き換える）場合には、上記の書き込み動作と逆方向の電流を流せばよい。つまり、ソース線２２４をビット線２２２よりも高電圧にし、次に書き込みドライバ２３２を昇圧して、トランジスタ１１１をオンにする。これにより、トランジスタ１１１からＭＴＪ素子１１０の方向に電流が流れ、記録層の磁化方向が反転し情報が書き換わる。また、読出しの際は、読出したいＭＴＪ素子につながったビット線２２２のみを読出し電圧Ｖに昇圧し、選択トランジスタのみをオンにして電流を流し、読出しを行う。この構造は最も単純な１トランジスタ＋１メモリセルの配置なので、単位セルの占める面積は２Ｆ×４Ｆ＝８Ｆ2と高集積なものにすることができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　５…基板、１０…トンネルバリア層、１１…上部電極、１２…下部電極、２１…記録層、２２…固定層、３１…酸化物キャップ層、３２…酸化物固定層、４１…第１の強磁性層、５１…第２の強磁性層、６１，６２…磁化、電流…７０、メモリセル…１００、１１０…ＭＴＪ素子、１１１…トランジスタ、１１２，１１３…ｎ型半導体、１１４…ｐ型半導体、１２１…電極、１２２…電極、１２３…ゲート電極、１４６…電極、２２２…ビット線、２２３…ワード線、２２４…ソース線、２３０、２３２…書き込みドライバ

Claims (14)

  1. 　垂直磁気異方性を有する記録層と、垂直磁気異方性を有し磁化の方向が一方向に固定された固定層と、前記記録層と前記固定層の間に配置された酸化物のトンネルバリア層とを備えたトンネル磁気抵抗効果素子であって、
    　前記記録層及び前記固定層は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料で構成され、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、
    　前記記録層と前記固定層の少なくとも一方は、前記トンネルバリア層と反対側の界面に導電性酸化物層が配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  2. 　請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記３ｄ遷移金属はＣｏ，Ｆｅのうちの少なくとも一つであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  3. 　請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層と前記固定層を構成する強磁性材料はＦｅ，ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  4. 　請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記固定層の膜厚は、０．５ｎｍ～３ｎｍの範囲であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  5. 　請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記導電性酸化物層は、ルチル－ＭｏＯ2型酸化物であるＲｕＯ2，ＶＯ2，ＣｒＯ2，ＮｂＯ2，ＭｏＯ2，ＷＯ2，ＲｅＯ2，ＲｈＯ2，ＯｓＯ2，ＩｒＯ2，ＰｔＯ2，Ｖ3Ｏ5，Ｔｉ3Ｏ5、あるいは、
    　ＮａＣｌ型酸化物であるＴｉＯ，ＶＯ，ＮｂＯ，ＬａＯ，ＮｄＯ，ＳｍＯ，ＥｕＯ，ＳｒＯ，ＢａＯ，ＮｉＯ、あるいは、
    　スピネル型酸化物であるＬｉＴｉ2Ｏ4，ＬｉＶ2Ｏ4，Ｆｅ3Ｏ4、あるいは、
    　ペロブスカイト－ＲｅＯ3型酸化物であるＲｅＯ3，ＣａＣｒＯ3，ＳｒＣｒＯ3，ＢａＭｏＯ3，ＳｒＭｏＯ3，ＣａＭｏＯ3，ＬａＣｕＯ3，ＣａＲｕＯ3，ＳｒＶＯ3，ＢａＴｉＯ3、あるいは、
    　コランダム型酸化物であるＴｉ2Ｏ3，Ｖ2Ｏ3，Ｒｈ2Ｏ3、あるいは、
    　酸化物半導体であるＺｎＯ，ＴｉＯ2，ＳｎＯ2，Ｃｕ2Ｏ，Ａｇ2Ｏ，Ｉｎ2Ｏ3，ＷＯ3であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  6. 　請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層はＭｇＯ、あるいはＭｇＯを主成分としてＺｎを添加した酸化物であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  7. 　垂直磁気異方性を有する記録層と、垂直磁気異方性を有し磁化の方向が一方向に固定された固定層と、前記記録層と前記固定層の間に配置された酸化物のトンネルバリア層とを備えたトンネル磁気抵抗効果素子であって、
    　前記固定層は、第１の強磁性層と第２の強磁性層を積層した構造を有し、前記第１の強磁性層は前記トンネルバリア層の側に配置されており、
    　前記記録層及び前記第１の強磁性層は、３ｄ遷移金属を少なくとも１種類含む強磁性材料で構成され、膜厚の制御によって磁化方向が膜面に対して垂直方向を向いており、
    　前記記録層の前記トンネルバリア層と反対側の界面に導電性酸化物層が配置されていることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  8. 　請求項７に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記３ｄ遷移金属はＣｏ，Ｆｅのうちの少なくとも一つであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  9. 　請求項７に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記第１の強磁性層はＦｅ，ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢであることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  10. 　請求項５に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記記録層及び前記第１の強磁性層の膜厚は、０．５ｎｍ～３ｎｍの範囲であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  11. 　請求項７に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記第２の強磁性層は、
    　Ｃｏを含み、Ｃｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｖ，Ｗ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｆｅ，Ｎｉの中から選択された１つ以上の元素を含む合金層、
    　Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのいずれか１つ又は複数を含む合金と、Ｒｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｃｒから選択された非磁性金属を交互に積層した積層膜、
    　粒状の磁性相の周囲を非磁性相が取り囲んだグラニュラー構造を有する層、
    　希土類金属と遷移金属を含んだアモルファス合金層、又は、
    　ｍ－Ｄ０19型のＣｏＰｔ規則合金、Ｌ１1型のＣｏＰｔ規則合金、もしくはＣｏ－Ｐｔ，Ｃｏ－Ｐｄ，Ｆｅ－Ｐｔ，Ｆｅ－Ｐｄを主成分とするＬ１0型の規則合金からなる層であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  12. 　請求項７に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記導電性酸化物層は、ルチル－ＭｏＯ２型酸化物であるＲｕＯ2，ＶＯ2，ＣｒＯ2，ＮｂＯ2，ＭｏＯ2，ＷＯ2，ＲｅＯ2，ＲｈＯ2，ＯｓＯ2，ＩｒＯ2，ＰｔＯ2，Ｖ3Ｏ5，Ｔｉ3Ｏ5、あるいは、
    　ＮａＣｌ型酸化物であるＴｉＯ，ＶＯ，ＮｂＯ，ＬａＯ，ＮｄＯ，ＳｍＯ，ＥｕＯ，ＳｒＯ，ＢａＯ，ＮｉＯ、あるいは、
    　スピネル型酸化物であるＬｉＴｉ2Ｏ4，ＬｉＶ2Ｏ4，Ｆｅ3Ｏ4、あるいは、
    　ペロブスカイト－ＲｅＯ3型酸化物であるＲｅＯ3，ＣａＣｒＯ3，ＳｒＣｒＯ3，ＢａＭｏＯ3，ＳｒＭｏＯ3，ＣａＭｏＯ3，ＬａＣｕＯ3，ＣａＲｕＯ3，ＳｒＶＯ3，ＢａＴｉＯ3、あるいは、
    　コランダム型酸化物であるＴｉ2Ｏ3，Ｖ2Ｏ3，Ｒｈ2Ｏ3、あるいは、
    　酸化物半導体であるＺｎＯ，ＴｉＯ2，ＳｎＯ2，Ｃｕ2Ｏ，Ａｇ2Ｏ，Ｉｎ2Ｏ3，ＷＯ3であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  13. 　請求項７に記載のトンネル磁気抵抗効果素子において、前記トンネルバリア層はＭｇＯ、あるいはＭｇＯを主成分としてＺｎを添加した酸化物であることを特徴とするトンネル磁気抵抗効果素子。
  14. 　複数の磁気メモリセルと、
    　前記複数の磁気メモリセルの中から所望の磁気メモリセルを選択する手段と、
    　前記選択された磁気メモリセルに選択された方向の電流を流す手段とを備え、
    　前記磁気メモリセルは、請求項１～１１のいずれか１項に記載されたトンネル磁気抵抗効果素子と、前記トンネル磁気抵抗効果素子に通電するためのトランジスタとを有し、
    　前記メモリセルの前記記録層をスピントランスファートルクにより磁化反転させることを特徴とするランダムアクセスメモリ。
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