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公開番号2024123438
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-12
出願番号2023030853
出願日2023-03-01
発明の名称磁気デバイス及び磁気記憶デバイス
出願人キオクシア株式会社
代理人弁理士法人サクラ国際特許事務所
主分類H10N 50/10 20230101AFI20240905BHJP()
要約【課題】トンネルバリア層の絶縁耐圧を高めることによって、特性を向上させることを可能にした磁気デバイスを提供する。
【解決手段】実施形態の磁気デバイスは、第1の磁性体と、第2の磁性体と、第1の磁性体と第2の磁性体との間に配置された非磁性体とを具備する。実施形態の磁気デバイスにおいて、非磁性体4は、第1の磁性体2と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第1非磁性体層41と、第2の磁性体3と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第2非磁性体層42と、第1非磁性体層41と第2非磁性体層層42との間に配置され、窒化スカンジウムを含む第3非磁性体層43とを備える。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
第１の磁性体と、第２の磁性体と、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に配置された非磁性体とを具備する磁気デバイスであって、
前記非磁性体は、前記第１の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第１非磁性体層と、前記第２の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第２非磁性体層と、前記第１非磁性体層と前記第２非磁性体層層との間に配置され、窒化スカンジウムを含む第３非磁性体層とを備える、磁気デバイス。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記第３非磁性体層は、さらに酸化スカンジウムを含む、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記第３非磁性体層の前記第１非磁性体層との界面及び前記第３非磁性体層の前記第２非磁性体層との界面のうち少なくともいずれかの界面における酸化スカンジウムの濃度が、前記第３非磁性体層内部における酸化スカンジウムの濃度よりも高い、請求項２に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記第３非磁性体層は、さらにアルゴン、クリプトン、コバルト、鉄、白金、及びホウ素なる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記第１非磁性体層及び前記第２非磁性体層の少なくとも一方は、アルミニウム、亜鉛、及びガリウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記第１非磁性体層、前記第２非磁性体層、及び前記第３非磁性体層の総膜厚は、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であり、かつ前記第３非磁性体層の膜厚（ｎｍ）は、前記第１、第２、及び第３非磁性体層の総膜厚ｘ（ｎｍ）を横軸とし、前記第１、第２、及び第３非磁性体層の構成材料における前記窒化スカンジウムの組成比率ｙ（％）を縦軸としたグラフにおいて、前記膜厚ｘが０．５≦ｘ＜１．２５（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αが２０％であり、前記膜厚ｘが１．２５≦ｘ＜１．８４（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αがα＝７４．２ｘ－７２．５３（％）であり、前記膜厚ｘが１．８４≦ｘ（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αが６４％であり、かつ、前記膜厚ｘが０．５≦ｘ＜１．３７（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βが６０％であり、前記膜厚ｘが１．３７≦ｘ＜１．６１（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βがβ＝８７．５ｘ－５９．８８（％）であり、前記膜厚ｘが１．６１≦ｘ（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βが８１％である、前記組成比率ｙの範囲を満足する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項７】
前記第１非磁性体層、前記第２非磁性体層、及び前記第３非磁性体層の総膜厚は、０．８ｎｍ以上２．１ｎｍ以下である、請求項６に記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記第１の磁性体の少なくとも一部及び前記第２の磁性体の少なくとも一部は、コバルトと鉄とホウ素を含む、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項９】
第１の磁性体と、第２の磁性体と、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に配置された非磁性体とを具備する磁気デバイスであって、
前記非磁性体は、前記第１の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第１非磁性体層と、前記第２の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第２非磁性体層と、前記第１非磁性体層と前記第２非磁性体層層との間に配置され、酸化グネシウムよりバンドギャップが小さく、窒化ホウ素より生成エンタルピーが小さい窒化物を含む第３非磁性体層とを備える、磁気デバイス。
【請求項１０】
前記第１非磁性体層、前記第２非磁性体層、及び第３非磁性体層は、それぞれ岩塩型構造の結晶を含む、請求項９に記載の磁気デバイス。
（【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、磁気デバイス及び磁気記憶デバイスに関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
不揮発性メモリとして注目を集める磁気抵抗メモリ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）においては、磁気トンネル接合（ＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子を用いることによって、情報の書き込み動作及び読み出し動作が行われる。ＭＴＪ素子は、一般的に記憶層としての磁性層とトンネルバリア層と参照層としての磁性層の３層を積層した構造を有する。ＭＴＪ素子においては、トンネルバリア層として一般的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層が用いられているが、ＭｇＯ層の絶縁耐圧の大きさが不十分で、書き込み時に絶縁破壊が生じるおそれがある。そこで、トンネルバリア層の絶縁耐圧を高めることによって、ＭＴＪ素子の特性を向上させることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００７－３０５６１０号公報
国際公開第２０２０／１５０４１９号
米国特許公開第２０１８／０２６８８８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、トンネルバリア層の絶縁耐圧を高めることによって、特性を向上させることを可能にした磁気デバイス及び磁気記憶デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の磁気デバイスは、第１の磁性体と、第２の磁性体と、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に配置された非磁性体とを具備する。実施形態の磁気デバイスにおいて、前記非磁性体は、前記第１の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第１非磁性体層と、前記第２の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第２非磁性体層と、前記第１非磁性体層と前記第２非磁性体層層との間に配置され、窒化スカンジウムを含む第３非磁性体層とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
実施形態の磁気デバイスを示す断面図である。
実施形態の磁気デバイスを用いたクロスポイント構造の磁気記憶デバイス（ＭＲＡＭ）を示す図である。
実施形態の磁気デバイスの一部を拡大して示す断面図である。
各種金属窒化物の生成エンタルピー（ΔＨ）の絶対値を示す図である。
ＭｇＯ／ＳｃＮ／ＭｇＯの３層積層構造をトンネルバリア層に適用したＭＴＪ素子の抵抗面積積（ＲＡ）とトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）との関係を示す図である。
実施形態の磁気デバイスのトンネルバリア層における第３非磁性体層の組成範囲と膜厚との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の磁気デバイス及び磁気記憶デバイスについて、図面を参照して説明する。各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
【０００８】
図１は実施形態の磁気デバイスの構成を示している。図１に示す磁気デバイス１は、記憶層としての第１の磁性体２と、参照層としての第２の磁性体３と、第１の磁性体２及び第２の磁性体３に挟持された、トンネルバリア層としての非磁性体４とを含む積層体５を備えている。積層体５は、さらに第２の磁性体３の下方に設けられた、シフトキャンセル層としての第３の磁性体６と、第３の磁性体６のさらに下方に設けられたシード層等として機能するバッファ層７とを備えている。積層体５の周囲には、側壁を覆うように側壁層８が設けられている。図１に示す積層体５は、例えば磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成するものであるが、これに限られるものではない。
【０００９】
実施形態の磁気デバイス１をＭＴＪ素子に適用する場合、第２の磁性体３はスピン方向（磁化方向）が固定される参照層（磁化固定層／ピン層）である。第２の磁性体３の磁化方向は、シフトキャンセル層としての第３の磁性体６により固定される。第２の磁性体３には、例えばＣｏＦｅＢ／Ｍｏ／Ｃｏ／Ｉｒ積層膜やＣｏＦｅＢ／Ｍｏ／Ｃｏ／Ｒｕ積層膜等が用いられる。第３の磁性体６には、［Ｃｏ／Ｐｔ］超格子、［Ｃｏ／Ｉｒ］超格子等の磁性体が用いられる。参照層３を構成する積層膜において、Ｉｒ層やＲｕ層がシフトキャンセル層６との間で反平行結合を実現する。これによって、参照層３を構成する積層膜におけるＣｏＦｅＢ層等の磁性層の磁化が固定される。
【００１０】
参照層としての第２の磁性体３上には、トンネル障壁層として機能する非磁性体４を介して、記憶層（フリー層）として機能する第１の磁性体２が設けられている。第１の磁性体２は、スピン方向（磁化方向）が記憶内容に応じて変化することにより記憶層として機能する。第１の磁性体２には、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ等のＣｏ基合金、［Ｃｏ／Ｐｔ］超格子等の磁性体が用いられる。
（【００１１】以降は省略されています）

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