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公開番号2024041275
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-27
出願番号2022145992
出願日2022-09-14
発明の名称磁気記憶装置
出願人キオクシア株式会社
代理人弁理士法人スズエ国際特許事務所
主分類H10B 61/00 20230101AFI20240319BHJP()
要約【課題】優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を含む磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る磁気記憶装置は、第1の磁性層10と、第2の磁性層20と、非磁性層30とを備え、非磁性層は、マグネシウム及び酸素を含有する第1の酸化物層31と、マグネシウム及び酸素を含有する第2の酸化物層32と、亜鉛及び酸素を含有する第3の酸化物層33と、第1の所定元素及び酸素を含有する第4の酸化物層34aと、第2の所定元素及び酸素を含有する第5の酸化物層35aとを含み、第1の所定元素の酸化物の結晶構造及び第2の所定元素の酸化物の結晶構造はいずれも、B1構造であり、第1の所定元素及び第2の所定元素はいずれも、亜鉛の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい酸化物生成自由エネルギーを有し、第1の所定元素の酸化物及び第2の所定元素の酸化物はいずれも、マグネシウムの酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
前記第１の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、第１の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第４の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、第２の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第５の酸化物層と、
を含み、
前記第１の所定元素の酸化物の結晶構造及び前記第２の所定元素の酸化物の結晶構造はいずれも、Ｂ１構造であり、
前記第１の所定元素及び前記第２の所定元素はいずれも、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい酸化物生成自由エネルギーを有し、
前記第１の所定元素の酸化物及び前記第２の所定元素の酸化物はいずれも、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
続きを表示（約 2,500 文字）【請求項２】
可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
前記第１の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、第１の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第４の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、第２の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第５の酸化物層と、
を含み、
前記第１の所定元素及び前記第２の所定元素はいずれも、鉄（Ｆｅ）である
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項３】
前記第４の酸化物層は、前記第１の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層を含み、
前記第５の酸化物層は、前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記憶装置。
【請求項４】
前記第４の酸化物層に含まれる前記第１の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する層に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、前記第１の酸化物層から遠ざかるにしたがって減少し、
前記第５の酸化物層に含まれる前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する層に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、前記第２の酸化物層から遠ざかるにしたがって減少する
ことを特徴とする請求項３に記載の磁気記憶装置。
【請求項５】
前記第４の酸化物層は、前記第１の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層と、前記第１の所定元素及び酸素（Ｏ）含有し且つマグネシウム（Ｍｇ）を実質的に含有しない層とを含み、
前記第５の酸化物層は、前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層と、前記第２の所定元素及び酸素（Ｏ）含有し且つマグネシウム（Ｍｇ）を実質的に含有しない層とを含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記憶装置。
【請求項６】
可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
を含み、
前記所定元素は、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物生成自由エネルギーよりも小さい酸化物生成自由エネルギーを有し、
前記所定元素の酸化物は、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項７】
前記所定元素の酸化物の結晶構造は、Ｂ１構造である
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気記憶装置。
【請求項８】
可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
を含み、
前記所定元素は、カドミウム（Ｃｄ）、マンガン（Ｍｎ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びカルシウム（Ｃａ）から選択される
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項９】
前記非磁性層は、
前記第１の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有し且つ亜鉛（Ｚｎ）を実質的に含有しない第４の酸化物層と、
前記第２の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有し且つ亜鉛（Ｚｎ）を実質的に含有しない第５の酸化物層と、
をさらに含む
ことを特徴とする請求項６又は８に記載の磁気記憶装置。
【請求項１０】
前記非磁性層は、
前記第１の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第６の酸化物層と、
前記第２の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第７の酸化物層と、
をさらに含む
ことを特徴とする請求項６又は８に記載の磁気記憶装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に磁気抵抗効果素子が集積化された磁気記憶装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
米国特許出願公開第２０１８／０２６８８８７号明細書
米国特許出願公開第２０１５／００７６６３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を含む磁気記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る磁気記憶装置は、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、を備える磁気記憶装置であって、前記非磁性層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、前記第１の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、第１の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第４の酸化物層と、前記第２の磁性層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、第２の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第５の酸化物層と、を含み、前記第１の所定元素の酸化物の結晶構造及び前記第２の所定元素の酸化物の結晶構造はいずれも、Ｂ１構造であり、前記第１の所定元素及び前記第２の所定元素はいずれも、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい酸化物生成自由エネルギーを有し、前記第１の所定元素の酸化物及び前記第２の所定元素の酸化物はいずれも、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
第１の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
第１の実施形態に係り、トンネルバリア層におけるＺｎに対するポテンシャルエネルギーを模式的に示した図である。
周期表に示された各種元素のモノオキサイドがＢ１構造を有しているか否かを示した図である。
各種元素のモノオキサイドの生成自由エネルギーを示した図である。
各種元素のモノオキサイドのバンドギャップを示した図である。
第１の実施形態の第１の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
第１の実施形態の第２の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
第１の実施形態の第３の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
第１の実施形態の第４の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
第２の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
第２の実施形態に係り、トンネルバリア層におけるＺｎ
1-x
Ｙ
x
に対するポテンシャルエネルギーを模式的に示した図である。
酸化物層Ａ（ＺｎＯ層、ＣａＯ層又はＺｎ
0.5
Ｃａ
0.5
Ｏ層）がＭｇＯ層間に位置する系のエネルギーＥ１と酸化物層ＡがＭｇＯ層と磁性層（Ｆｅ層）との界面近傍に位置する系のエネルギーＥ２とのエネルギー差ΔＥ（ΔＥ＝Ｅ１－Ｅ２）の計算結果を示した図である。
第２の実施形態の第１の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
第２の実施形態の第２の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
第１及び第２の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子の適用例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。具体的には、図１は、磁気抵抗効果素子１００の構成を模式的に示した断面図である。磁気抵抗効果素子１００は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。
【０００９】
磁気抵抗効果素子１００は、半導体基板（図示せず）を含む下部構造（図示せず）上に設けられており、記憶層（第１の磁性層）１０、参照層（第２の磁性層）２０及びトンネルバリア層（非磁性層）３０を含んでいる。
【００１０】
記憶層１０は、可変の磁化方向を有する強磁性層であり、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層を含んでいる。なお、可変の磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを意味する。
（【００１１】以降は省略されています）

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