JP6947745B2 - 調整可能な磁気歪みを有する磁気抵抗素子及び磁気抵抗素子を備える磁気デバイス - Google Patents

Description

本発明は、調整可能な磁気歪みを有する磁気抵抗素子及び磁気抵抗素子を備える磁気デバイスに関する。

磁気トンネル接合は、ＭＲＡＭ、ＨＤＤ読取りヘッド、及び磁気センサを含む多種多様な適用分野で使用されている。

従来、磁気トンネル接合は、ＭｇＯ又はＡｌＯを含む絶縁障壁又はトンネル障壁から作られる。トンネル障壁は、基準又は記憶層及びセンス層などの２つの強磁性層間に挟まれている。これらの強磁性層は通常、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢなどのＦｅ系合金から作られる。

強磁性層の一方、通常は基準層又は記憶層は、磁気交換バイアス結合によって反強磁性層にピンすることができる。反強磁性層は、ＣｏＦｅなどのＣｏ又はＦｅ系合金を含むことができる。

基準又は記憶層及びセンス層は、ＳＡＦ構造を構成することができる。そのようなＳＡＦ構造は２つの強磁性層を含み、２つの強磁性層は１つの非磁性層、たとえばＲｕ層を挟んでいる。非磁性層は、ＲＫＫＹ結合のため、２つの磁性層を磁気的に結合する。２つの強磁性層は通常、ＣｏＦｅ又はＣｏＦｅＢなどのＦｅ系合金を含む。

基準若しくは記憶層及びセンス層又はＳＡＦ構造に使用される強磁性層は、典型的には、１０ｐｐｍを上回る正の磁気歪み定数を有する。そのような正の磁気歪み定数は、これらの層を構成する異なる金属レベル又は酸化物／窒化物層が、磁気トンネル接合に機械的応力を引き起こす可能性があるため、問題となる可能性がある。磁気歪み作用のため、そのような応力により、磁性層の磁気特性が変化する。

これらの特性の変化は、そのような磁気トンネル接合を使用するデバイスの機能にとって有害である。たとえば、ＭＲＡＭデバイスの場合、その結果、ビットが書き込まれるときの誤り率が高くなる可能性がある。センサデバイスの場合、機械的応力は、感度の低下を引き起こす可能性がある。

さらに、機械的応力は通常、うまく制御されないため、その結果、１つのウェーハ上のデバイス間又は異なるウェーハ間で特性が広く分散され、収率が不十分になる。

他方では、負の又は低い磁気歪みを有する磁性層は、磁気トンネル接合にとって良好な電気又は磁気特性を提供しないため（低ＴＭＲ、低ＲＫＫＹ結合、低交換バイアス）、直接使用することができない。

特許文献１は、合成反強磁性体（ＳＡＦ）フリーの層を用いる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）のための方法及び装置を開示している。ＭＴＪは、ピン強磁性（ＦＭ）層、ＳＡＦ、及びそれらの間のトンネリング障壁を含む。ＳＡＦは、トンネリング障壁に近い第１のより高いスピン偏極のＦＭ層と、望ましくは第１のＦＭ層の磁気歪みを補償するように適合された磁気歪みを有する結合層によって第１のＦＭ層から分離された第２のＦＭ層とを有する。そのような補償は、トンネリング障壁近くに高いスピン偏極を有する場合でも、ＳＡＦの正味磁気歪みをほぼゼロまで低減させる。他のＭＴＪ特性に悪影響を及ぼすことなく、より高い磁気抵抗比（ＭＲ）が得られ、ＮｉＦｅの組合せが第１及び第２のフリーＦＭ層にとって望ましく、第１のフリー層内により多くのＦｅを有し、第２のフリー層内により少ないＦｅを有する。ＣｏＦｅＢ及びＮｉＦｅＣｏもまた、フリー層内で有用である。

米国特許出願第２００８１１３２２０号 欧州特許出願第２０１５０２９００１３号

本開示は、第１の記憶磁気歪みを有する記憶層と、第１のセンス磁気歪みを有するセンス層と、記憶層とセンス層との間で記憶層及びセンス層に接触している障壁層とを含む磁気抵抗素子に関し、磁気抵抗素子は、補償用強磁性層をさらに含み、補償用強磁性層は、第１の記憶磁気歪み及び／又はセンス磁気歪みとは異なる第２の磁気歪みを有し、補償用強磁性層の厚さを調整することによって、記憶層及び／又はセンス層の正味磁気歪みが−１０ｐｐｍ〜＋１０ｐｐｍで又は−１０ｐｐｍ未満に調整可能になるように、第１の記憶磁気歪み及び／又は第１のセンス磁気歪みを補償するように適合される。

この課題は、請求項１に記載の磁気抵抗素子によって解決される。

本開示はさらに、磁気抵抗素子を備える磁気デバイスに関する。磁気デバイスは、ＭＲＡＭベースのデバイス、センサデバイス、ＨＤＤ読取りヘッドデバイス、又は磁気抵抗素子に適した任意の他の磁気デバイスを構成することができる。

本明細書に開示する磁気抵抗素子の利点は、正味磁気歪みが−１０ｐｐｍ〜＋１０ｐｐｍであり、磁気抵抗素子の磁気特性が、磁気抵抗素子及び／又は磁気抵抗素子を備えるデバイス上に受ける応力に依存しないことである。磁気抵抗素子及び磁気抵抗素子を備えるデバイスは、改善された磁気特性及びより低い特性分散を有する。

補償用強磁性層の厚さの調整は、正味磁気歪みが負（−１０ｐｐｍより負）になるように行うことができる。この結果、センス層及び記憶層の少なくとも一方に応力誘起性の磁気異方性をもたらし、それにより応力誘起性の磁気異方性を提供する。

本開示は、例として与えられる図示の一実施形態についての説明の助けにより、よりよく理解されよう。

一実施形態による磁気抵抗素子を表す図である。 別の実施形態による磁気抵抗素子を示す図である。 一実施形態によるＳＡＦ構造を有するセンス層を含む磁気抵抗素子を示す図である。 別の実施形態による図３の磁気抵抗素子を示す図である。 一実施形態によって記憶層がＳＡＦ構造を構成する、別の実施形態による磁気抵抗素子を表す図である。 記憶層及びセンス層の両方がＳＡＦ構造を構成する、磁気抵抗素子を示す図である。 磁気抵抗素子の一部分の正味磁気歪みの進展を表す図である。

図１は、一実施形態による磁気抵抗素子１を表す。磁気抵抗素子は、第１の記憶磁気歪みλ_Ｒ１を有する記憶又は基準層２１と、第１のセンス磁気歪みλ_Ｓ１を有するセンス層２３と、記憶層２１とセンス層２３との間で記憶層２１及びセンス層２３に接触している障壁層２２とを含む。

記憶層２１及びセンス層２３はそれぞれ、磁性材料、特に強磁性型の磁性材料を含み、又はそのような磁性材料から形成される。強磁性材料は、特定の保磁力による実質上平面の磁化によって特徴付けることができ、保磁力とは、１つの方向に飽和した後に磁化を戻す磁場の大きさを示す。概して、記憶層２１及びセンス層２３は、同じ強磁性材料又は異なる強磁性材料を含むことができる。適した強磁性材料には、典型元素を含むか否かにかかわらず、遷移金属、希土類元素、及びこれらの合金が含まれる。たとえば、適した強磁性材料には、鉄（「Ｆｅ」）、コバルト（「Ｃｏ」）、ニッケル（「Ｎｉ」）、並びにパーマロイ（又はＮｉ８０Ｆｅ２０）、Ｎｉ、Ｆｅ、及びホウ素（「Ｂ」）系の合金、Ｃｏ９０Ｆｅ１０、及びＣｏ、Ｆｅ、及びＢ系の合金などのそれらの合金が含まれる。いくつかの例では、Ｎｉ及びＦｅ（及び任意選択でＢ）系の合金は、Ｃｏ及びＦｅ（及び任意選択でＢ）系の合金より小さい保磁力を有する可能性がある。

好ましくは、記憶層２１及び／又はセンス層２３は、２０％より大きいＴＭＲ比を提供するＦｅ系合金を含む。

記憶層２１は、硬質の強磁性材料、すなわち約５０Ｏｅ超などの比較的高い保磁力を有する強磁性材料を含むことができる。センス層２３は、軟質の強磁性材料、すなわち約５０Ｏｅ以下などの比較的低い保磁力を有する強磁性材料を含むことができる。そのようにして、読取り動作中、記憶又は基準層２１の磁化が安定している間に、低強度の磁場においてセンス層２３の磁化を容易に変動させることができる。

記憶層２１及びセンス層２３のそれぞれの厚さは、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍなど、ナノメートル（「ｎｍ」）の範囲内とすることができる。記憶層２１及びセンス層２３のそれぞれの厚さは、好ましくは約０．５ｎｍ〜約５ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜２．５ｎｍである。

障壁層２２は、絶縁性材料を含み、又は絶縁性材料から形成される。適した絶縁性材料には、酸化アルミニウム（たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３）及び酸化マグネシウム（たとえば、ＭｇＯ）などの酸化物が含まれる。障壁層２２の厚さは、約０．５ｎｍ〜約１０ｎｍなど、ｎｍの範囲内とすることができる。

磁気抵抗素子１は、電極２８とセンス層２３との間に含まれる補償用強磁性層２５をさらに含み、したがってセンス層２３は、補償用強磁性層２５と、センス層２３が接触している障壁層２２との間に位置する。補償用強磁性層２５は、第１のセンス磁気歪みλ_Ｓ１とは異なる第２の磁気歪みλ_２を有する。補償用強磁性層２５は、第１のセンス磁気歪みλ_Ｓ１を補償するように適合される。

補償用強磁性層２５は、２５重量％未満のＴａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、又はこれらの元素の任意の組合せを含有するＮｉ若しくはＣｏ合金を含むことができる。補償用強磁性層２５はまた、純粋なＮｉ又は純粋なＣｏを含むことができる。本明細書では、純粋なＮｉ及び純粋なＣｏは、それぞれ少なくとも９９．９重量％のＮｉ及び少なくとも９９．９％のＣｏを意味することができる。補償用強磁性層２５は、典型的には０．５ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有する。

センス層２３の正味磁気歪みλ_ｎｅｔは、補償用強磁性層２５の厚さを調整することによって、−１０ｐｐｍ〜＋１０ｐｐｍで又は−１０ｐｐｍより負の磁気歪みに調整することができる。

図２は、磁気抵抗素子１の変形形態を示し、補償用強磁性層２５が障壁層２２の反対側に含まれ、したがって記憶層２１は、補償用強磁性層２５と、記憶層２１が接触している障壁層２２との間に位置する。補償用強磁性層２５の第２の磁気歪みλ_２は、第１の記憶磁気歪みλ_Ｒ１とは異なり、補償用強磁性層２５は、第１の記憶磁気歪みλ_Ｒ１を補償するように適合される。

実際には、記憶層２１及び／又はセンス層２３の正味磁気歪みλ_ｎｅｔは、補償用強磁性層２５の厚さ並びに／又は記憶層２１及び／若しくはセンス層２３の厚さを調整することによって、−１０ｐｐｍ〜＋１０ｐｐｍで又は−１０ｐｐｍより負の磁気歪みに調整することができる。

好ましくは、補償用強磁性層２５の第２の磁気歪みλ_２は負であり、第１の記憶磁気歪みλ_Ｒ１及び第１のセンス磁気歪みλ_Ｓ１は正である。

正味磁気歪みλ_ｎｅｔが負（−１０ｐｐｍより負）になるように補償用強磁性層２５の厚さを調整する結果、センス層２３及び記憶層２１の少なくとも一方に応力誘起性の磁気異方性を提供し、本出願人による未公開の特許文献２に記載されているように、応力誘起性の磁気異方性を提供する。

負の磁気歪みを有する層（補償用強磁性層２５）と、正の磁気歪みを有する層（記憶層２１及び／又はセンス層２３）との間の構造的遷移を可能にするために、負の磁気歪みを有する層と、正の磁気歪みを有する層との間に、遷移層２６を含むことができる。遷移層２６は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ、又はこれらの元素の任意の組合せを含むことができる。遷移層２６は、負の磁気歪みを有する層と、正の磁気歪みを有する層との間に、それでもなお磁気結合が存在するのに十分なほど薄くするべきである。好ましくは、遷移層２６は、０．１ｎｍ〜１ｎｍで構成された厚さを有する。

図１の実施形態では、遷移層２６は、補償用強磁性層２５とセンス層２３との間に含まれている。図２の実施形態では、磁気抵抗素子１は、補償用強磁性層２５と記憶層２１との間に含まれた遷移層２６を含む。

図２に示すように、磁気抵抗素子１は、記憶層２１の磁化をピンするように記憶（又は基準）層２１に磁気交換結合する記憶用反強磁性層２４を含むことができる。一実施形態では、反強磁性層２４と補償用強磁性層２５との間に、強磁性結合層２７が含まれる。強磁性結合層２７は、Ｆｅ又はＣｏ系の合金を含むことができ、０．２ｎｍ〜５ｎｍ、好ましくは０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの厚さを有することができる。

強磁性結合層２７は、０．０５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きい磁気交換結合を提供するように適合される。たとえば、強磁性結合層２７は、記憶用反強磁性層２４と記憶層２１との間に０．０５ｅｒｇ／ｃｍ^２より大きい交換結合を提供することができる。

補償用強磁性層２５と強磁性結合層２７との間には、遷移層２６をさらに含むことができる。

図３は、別の実施形態による磁気抵抗素子を示し、センス層は、障壁層２２に接触している第１の強磁性センス層２３１と、第２の強磁性センス層２３２と、第１の強磁性センス層２３１と第２の強磁性センス層２３２との間にあるＳＡＦセンス結合層２３３とを含むＳＡＦ構造を構成する。ＳＡＦセンス結合層２３３と第１の強磁性センス層２３１との間には、補償用強磁性層２５が含まれる。ＳＡＦセンス結合層２３３と第２の強磁性センス層２３２との間には、別の補償用強磁性層２５が含まれる。

補償用強磁性層２５と第１の強磁性センス層２３１との間及び／又は補償用強磁性層２５と第２の強磁性センス層２３２との間には、遷移層２６を挿入することができる。

図４は、別の実施形態による図３の磁気抵抗素子を示す。図４の構成では、磁気抵抗素子１は、ＳＡＦセンス結合層２３３と各補償用強磁性層２５との間に強磁性結合層２７を含む。強磁性結合層２７は、第１の強磁性センス層２３１と第２の強磁性センス層２３２との間のＲＫＫＹ型の磁気交換結合を、０．０５ｅｒｇ／ｃｍ^３を上回る値まで高める。

強磁性結合層２７と各補償用強磁性層２５との間には、遷移層２６を含むことができる。

図５は、別の実施形態による磁気抵抗素子を示し、記憶層は、障壁層２２に接触している第１の強磁性記憶層２１１と、第２の強磁性記憶層２１２と、第１の強磁性記憶層２１１と第２の強磁性記憶層２１２との間にあるＳＡＦ記憶結合層２１３とを含むＳＡＦ構造を構成する。ＳＡＦ記憶結合層２１３と第１の強磁性記憶層２１１との間には、補償用強磁性層２５が含まれる。ＳＡＦ記憶結合層２１３と第２の強磁性記憶層２１２との間には、別の補償用強磁性層２５が含まれる。

補償用強磁性層２５と第１の強磁性記憶層２１１との間及び／又は補償用強磁性層２５と第２の強磁性記憶層２１２との間には、遷移層２６を挿入することができる。

ＳＡＦ記憶結合層２１３と各補償用強磁性層２５との間には、強磁性結合層２７を含むことができる。強磁性結合層２７は、第１の強磁性記憶層２１１と第２の強磁性記憶層２１２との間のＲＫＫＹ型の磁気交換結合を、０．０５ｅｒｇ／ｃｍ^３を上回る値まで高める。

強磁性結合層２７と各補償用強磁性層２５との間には、遷移層２６を含むことができる。

図６は、磁気抵抗素子１を含み、記憶層２１及びセンス層２３の両方がＳＡＦ構造を構成し、したがって磁気抵抗素子１は、図４のＳＡＦセンス構造と図５のＳＡＦ記憶構造との組合せに対応する。

図７は、Ｔａ／Ｎｉ／Ｔａ０．３／ＣｏＦｅＢ１．５／ＭｇＯの層のシーケンス（電極２８、補償用強磁性層２５、遷移層２６、センス層２３、及び障壁層２２のシーケンスに対応する）を含む磁気抵抗素子の一部分の正味磁気歪みλ_ｎｅｔの進展を表す。正味磁気歪みλ_ｎｅｔは、Ｎｉを含む補償用強磁性層２５の厚さの関数として連続して減少する。正味磁気歪みλ_ｎｅｔは、補償用強磁性層２５の厚さが約２．３ｎｍになったときに打ち消すことができる。

１ 磁気抵抗素子
２１ 記憶層
２１１ 第１の強磁性記憶層
２１２ 第２の強磁性記憶層
２１３ ＳＡＦ記憶結合層
２２ 障壁層
２３ センス層
２３１ 第１の強磁性センス層
２３２ 第２の強磁性センス層
２３３ ＳＡＦセンス結合層
２４ 記憶用反強磁性層
２５ 補償用強磁性層
２６ 遷移層
２７ 強磁性結合層
２８ 電極
λ_Ｒ１ 第１の記憶磁気歪み
λ_Ｓ１ 第１のセンス磁気歪み
λ_２ 第２の磁気歪み
λ_ｎｅｔ 正味磁気歪み

Claims (14)

1. 第１の記憶磁気歪みを有する記憶層と、
   第１のセンス磁気歪みを有するセンス層と、
   前記記憶層と前記センス層との間で前記記憶層及び前記センス層に接触している障壁層と、
   を含む磁気抵抗素子において、
   前記第１の記憶磁気歪み及び／又はセンス磁気歪みとは異なる第２の磁気歪みを有する補償用強磁性層とを含み、
   前記補償用強磁性層の厚さは、この補償用強磁性層の前記第２の磁気歪みが前記第１の記憶磁気歪み及び／又は前記第１のセンス磁気歪みを補償するような厚さである結果、前記記憶層及び／又はセンス層の正味の磁気歪みが、−１０ｐｐｍ〜＋１０ｐｐｍであるか又は−１０ｐｐｍ未満であり、
   前記記憶層及び／又はセンス層は、前記補償用強磁性層と前記障壁層との間にあり、
   前記センス層は、前記障壁層に接触している第１の強磁性センス層と、第２の強磁性センス層と、前記第１の強磁性センス層と第２の強磁性センス層との間にあるＳＡＦセンス結合層とを含むＳＡＦ構造を含み、
   前記補償用強磁性層は、前記ＳＡＦセンス結合層と前記第１の強磁性センス層との間及び前記ＳＡＦセンス結合層と前記第２の強磁性センス層との間に含まれており、
   前記磁気抵抗素子は、Ｆｅ又はＣｏ系の合金を含み、０．００００５Ｎ／ｍより大きい交換結合を提供するように適合された強磁性結合層をさらに含む当該磁気抵抗素子。
2. 前記補償用強磁性層は、２５重量％未満のＴａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、若しくはこれらの組合せを含有するＮｉ若しくはＣｏ合金を含み、又は純粋なＮｉ若しくは純粋なＣｏを含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記補償用強磁性層は、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有する請求項２に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記補償用強磁性層と前記記憶層及び前記センス層のうちの少なくとも１つの層との間の遷移層をさらに含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
5. 前記遷移層は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒ、若しくはこれらの組合せを含み、及び／又は０．１ｎｍ〜１ｎｍで構成された厚さを有する請求項４に記載の磁気抵抗素子。
6. 前記記憶層に交換結合する記憶用反強磁性層をさらに含み、
   前記強磁性結合層が、前記記憶用反強磁性層と前記補償用強磁性層との間に含まれている請求項１に記載の磁気抵抗素子。
7. 前記補償用強磁性層と前記強磁性結合層との間に別の遷移層を含む請求項１に記載の磁気抵抗素子。
8. 前記記憶層は、前記障壁層に接触している第１の強磁性記憶層と、第２の強磁性記憶層と、前記第１の強磁性記憶層と第２の強磁性記憶層との間のＳＡＦ記憶結合層とを含むＳＡＦ構造を含み、
   前記補償用強磁性層が、前記ＳＡＦ記憶結合層と前記第１の強磁性記憶層との間及び前記ＳＡＦ記憶結合層と前記第２の強磁性記憶層との間に含まれている請求項１に記載の磁気抵抗素子。
9. 遷移層をさらに含む磁気抵抗素子において、前記遷移層は、前記補償用強磁性層と前記第１の強磁性記憶層との間及び／又は前記補償用強磁性層と前記第２の強磁性記憶層との間に含まれている請求項８に記載の磁気抵抗素子。
10. 遷移層をさらに含む磁気抵抗素子において、前記遷移層は、前記補償用強磁性層と前記第１の強磁性センス層との間及び／又は前記補償用強磁性層と前記第２の強磁性センス層との間に含まれている請求項１に記載の磁気抵抗素子。
11. 前記強磁性結合層は、前記ＳＡＦ記憶結合層と前記補償用強磁性層との間に含まれている請求項８に記載の磁気抵抗素子。
12. 別の強磁性結合層が、前記ＳＡＦセンス結合層と前記補償用強磁性層との間に含まれている請求項１に記載の磁気抵抗素子。
13. 別の遷移層が、前記強磁性結合層と前記補償用強磁性層の間に含まれている請求項４に記載の磁気抵抗素子。
14. 第１の記憶磁気歪みを有する記憶層と、第１のセンス磁気歪みを有するセンス層と、前記記憶層と前記センス層との間で前記記憶層及び前記センス層に接触している障壁層と、前記第１の記憶磁気歪み及び／又はセンス磁気歪みとは異なる第２の磁気歪みを有する補償用強磁性層とを含む磁気抵抗素子を備える磁気デバイスにおいて、
    前記補償用強磁性層の厚さは、この補償用強磁性層の前記第２の磁気歪みが前記第１の記憶磁気歪み及び／又は前記第１のセンス磁気歪みを補償するような厚さである結果、前記記憶層及び／又はセンス層の正味の磁気歪みが、−１０ｐｐｍ〜＋１０ｐｐｍであるか又は−１０ｐｐｍ未満であり、
    前記記憶層及び／又はセンス層は、前記補償用強磁性層と前記障壁層との間にあり、
    前記センス層は、前記障壁層に接触している第１の強磁性センス層と、第２の強磁性センス層と、前記第１の強磁性センス層と第２の強磁性センス層との間にあるＳＡＦセンス結合層とを含むＳＡＦ構造を含み、
    前記補償用強磁性層は、前記ＳＡＦセンス結合層と前記第１の強磁性センス層との間及び前記ＳＡＦセンス結合層と前記第２の強磁性センス層との間に含まれており、
    前記磁気抵抗素子は、Ｆｅ又はＣｏ系の合金を含み、０．００００５Ｎ／ｍより大きい交換結合を提供するように適合された強磁性結合層をさらに含む当該磁気デバイス。

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